(57)【要約】【課題】ウエハーの中央部と縁部間のプラズマイオン密度及びウエハー食刻率の不均一性を改善し得る、プラズマ処理装置を提供しようとする。【解決手段】反応器の外周面を沿って磁気コイルアレイ部を形成し、該磁気コイルアレイ部は、コイルが巻回される複数の支持台が前記反応器の外周面を沿って設けられ、各支持台にはコイルが所定回数巻回されるが、このとき、それら磁気コイルは直列に連結され、隣接する支持台に連結された各コイルは相互反対極性を有し、ガス注入手段は、ガスが噴射されるガス噴射板を備え、該ガス噴射板には、主反応ガスと混合用ガスとが別々の通路を介して噴射されるようにガス噴射口６ｇ、７ｇを別個に形成して、プラズマ処理装置を構成する。【選択図】図５Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ発生領域を有する反応器と、該反応器の内部へ反応ガスを導入するためのガス注入手段と、を包含して構成されるプラズマ処理装置において、
前記反応器の外周面を沿って磁気コイルアレイ部を形成し、該磁気コイルアレイ部は、コイルが巻回される複数の支持台が前記反応器の外周面を沿って設けられ、各支持台にはコイルが所定回数巻回されるが、このとき、それら磁気コイルは直列に連結され、隣接する支持台に連結された各コイルは相互反対極性を有し、前記ガス注入手段は、ガスが噴射されるガス噴射板を備え、該ガス噴射板には、主反応ガスと混合用ガスとが別々の通路を介して噴射されるように、別個のガス噴射口が形成されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記磁気コイルアレイ部は、各コイルが多層構造を有して相互交差しながら交互に配置され、交差する面積比によって磁場の分布が調整されることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記磁気コイルアレイ部は、直列連結された単一のパワードライバーからＡＣまたはパルス信号により駆動されることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記磁気コイルアレイ部は、隣接する磁気コイル相互間の極性が転換されて振動されることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記磁気コイルアレイ部は、内部に冷却水または冷媒が循環される冷却装置が具備されることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記ガス噴射板は中央部の中央板と縁部の外側板とにより構成され、ここで、前記中央板からは主反応ガスが噴射され、前記外側板からは混合用ガスが噴射されるようにガス噴射口が形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記ガス噴射板の中央板は、同心軸を中心に複数の板により区画されて、各板ごとに相違する主反応ガスが噴射されることを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記中央板と外側板との境界部位には、該外側板がより厚くなるようにガス噴射板を斜めに形成し、傾斜部位の中央部にはガス噴射口を斜めに形成したことを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記ガス噴射板の中央部に形成されたガス噴射口の数は少なく、縁部へ行くほどガス噴射口の数が多く形成されることを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、ウエハー形態の物質を加工するプラズマ処理装置に係るもので、詳しくは、半導体ウエハーのような物質を食刻するための装置において、ウエハーの中央部と縁部間のプラズマイオン密度の不均一性を解消し得る、プラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
（背景技術の説明）
従来のプラズマ処理装置に対し、図１Ａおよび１Ｂに基づいて説明する。
【０００３】
図１Ａは、平行平板構造の二つの電極により構成された反応性イオンプラズマ処理装置を示した図で、反応器３はウエハー４を支持するサセプタ（ｓｕｓｃｅｐｔｏｒ）５から離隔された上部電極１を備え、前記反応器３の内部へは主反応ガス及び混合用ガスがガス噴射板２を介して噴射される。ここで、前記サセプタ５及びガス噴射板２はそれぞれ電極として使用することができる。
【０００４】
そして、前記上部電極１及びガス噴射板２により構成されるガス注入手段においては、図１Ｂに示したように、各ガス噴射口６ｇ、７ｇを介して主反応ガス及び混合用ガスが注入され、ガス混合通路４ｇを通過しながら混合された気体は、前記ガス噴射板２のガス噴射口５ｇを介して反応器３内へ注入される。図１Ｃは、前記ガス噴射板２を示した平面図である。
【０００５】
このように構成された従来のプラズマ処理装置は、図３に示したように、ウエハーの中心部と縁部（Ａ部分）間のプラズマイオン密度の不均一性が甚だしく、ウエハーの食刻率が不均一になるという不都合な点があった。そこで、上述したようなプラズマイオン密度及びウエハー食刻率の不均一性を改善するための多様な技術が開示され、その代表的な実施例に対し、図２Ａおよび２Ｂに基づいて説明する。
【０００６】
図２Ａは、プラズマ処理装置の反応器内に磁場を付加するための方法を示したもので、反応器１３の周囲には複数個の永久磁石１５が配置され、このとき、それら永久磁石１５は、相互隣接する永久磁石１５同士が同一極性を有し、磁場の方向が所定角度を維持するように製造されて、全体磁場の和がウエハー面に平行に貫通し得るように調節されている。場合によっては、モータ１１を利用して強制的に前記永久磁石アレイを均一速度に回転させることで、ウエハーのプラズマ密度及び食刻率を均一にすることもできる。
【０００７】
また、図２Ｂは、プラズマ処理装置の反応器内に磁場を付加するための他の方法を示したもので、反応器の周囲には２対の大型コイルが配置され、各対のコイルによる磁場Ｂｘ、Ｂｙがウエハーの表面上を貫通し、それら磁場の和Ｂは各対のコイルに加えられるＤＣ電流の大きさによって調節されて、ウエハー上で所定速度及び位相で回転される。ここで、各コイル１’、２’、３’、４’はそれぞれ別途のパワードライバー５’、６’、７’、８’により駆動され、前記ＤＣ磁場によりウエハーのプラズマ密度を均一にすることもできる。
【０００８】
然るに、このような従来の各方法においては、磁場がウエハー上を貫通するため、高集積化された半導体素子のパターンを食刻する時、接合部分にプラズマ損傷を与えるようになって、１ギガジラム（１ＧＤＲＡＭ）以上の素子に深刻な素子特性劣化を招く憂いがあるという不都合な点があった。且つ、磁場が含まれてない一連のプラズマ処理装置に比べ、食刻率の不均一性もそれほど改善されないことが分かった。
【０００９】
（発明の要旨）
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、従来のプラズマ処理装置の解決するべき問題点であったプラズマイオン密度及び食刻率の不均一性を改善するために、各パワードライバーにより駆動されるそれぞれの分離されたコイルから発生した回転磁場がウエハーを貫通する従来の方法とは違って、反応器内壁の内側及びウエハーの縁部に限って磁場が誘導されるように構成すると共に、単一パワードライバーにより駆動される直列連結された各コイルにより磁場を速やかに振動させる方法を採択した。且つ、その効果を増大させるために、反応器内へ注入される各ガスの噴射口をそれらガスの役割に応じて区分し、ガス噴射板を多層、多面に改善した。
【００１０】
結論的に、本発明は、ウエハーの中央部と縁部間のプラズマイオン密度及びウエハー食刻率の不均一性を改善し得る、プラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００１１】
このような目的を達成するため、本発明に係るプラズマ処理装置においては、ウエハーの中央部と縁部間のプラズマイオン密度及びウエハー食刻率の不均一性を改善するために、反応器の外周面を沿って磁気コイルアレイ部を形成したことを特徴とする。前記磁気コイルアレイ部は、直列連結された単一のパワードライバーにより駆動され、単一パワードライバーとしてＡＣまたはパルス信号を使用することができる。
【００１２】
そして、前記磁気コイルアレイ部は、コイルが巻回される複数の支持台が前記反応器の外周面を沿って設けられ、各支持台にはコイルが所定回数巻回されるが、このとき、それら磁気コイルは直列に連結され、隣接する支持台に連結された各コイルは相互反対極性を有する。また、コイルの巻回方法においては、各コイルが多層構造を有して相互交差しながら交互に配置され、交差する面積比によって磁場の分布が調整される。
【００１３】
且つ、前記磁気コイルアレイ部は、磁気コイルに発生する熱を減少させるために冷却装置を備えることが好ましく、該冷却装置は、前記磁気コイルアレイ部の周囲に冷却水管を挿入して冷却水または冷媒を循環させることで形成することができる。
【００１４】
また、本発明に係るプラズマ処理装置において、ガス注入手段は、ガスが噴射されるガス噴射板を備え、該ガス噴射板には、主反応ガスと混合用ガスとが別々の通路を介して噴射されるように、別個のガス噴射口が形成されたことを特徴とする。
【００１５】
前記ガス噴射板は中央部の中央板と縁部の外側板とにより構成され、ここで、前記中央板からは主反応ガスが噴射され、前記外側板からは混合用ガスが噴射されるようにガス噴射口を形成することができる。
【００１６】
また、前記中央板と外側板との境界部位には、該外側板がより厚くなるようにガス噴射板を斜めに形成し、傾斜部位の中央部にはガス噴射口を斜めに形成することもできる。
【００１７】
ここで、前記ガス噴射板の中央部に形成されたガス噴射口の数は少なく、縁部へ行くほどガス噴射口の数が多くなるように形成することもできる。
【００１８】
（好適な発明の実施形態の詳細な説明）
以下、本発明の実施の形態に対し、図面を用いて説明する。
【００１９】
本発明に係るプラズマ処理装置においては、図４Ａおよび４Ｂに示したように、反応器４３の外周面に磁気コイルアレイ部４７を設置することで、前記反応器４３の内壁側へ離脱する電子を減少させると共に、ウエハー４４の縁部側のプラズマイオン密度を高めた。
【００２０】
そして、前記磁気コイルアレイ部４７においては、図５Ａに示したように、コイルが巻回される複数個の支持台４９が形成されてそれら支持台４９にそれぞれコイルが巻回されるが、このとき、前記各コイルは、隣接するコイルと反対極性の磁場が誘導されるように、前記各支持台４９に直列連結されて相互反対方向に所定回数に巻回されているので、それらコイルによる磁場の方向は、磁気コイルの巻回方向によって極性を相互反復的に変化させることができる。図５Ａの場合、各磁気コイルは、直列連結されて一つの制御部（パワードライバー）により駆動されるが、それに限定されず、例えば、隣接する各磁気コイル同士が振動するようにコイルを巻回して駆動することもできる。
【００２１】
また、図５Ｃに示したように、前記各コイルに印加される電流の大きさによって隣接する二つの磁気コイル間に電子が閉じ込められる領域が前記ウエハー４４の縁部に位置するようにｇ値を調節することが可能で、このような領域の活性電子によって該当部分におけるプラズマイオン化が増大される。
【００２２】
そして、前記磁気コイルアレイ部４７の駆動方法としては、図５Ｄに示したように、前記反応器４３の内壁及びウエハー４４の縁部に沿って前記活性領域が速い速度で所定周期及び大きさで振動するように駆動することで、前記ウエハー４４の縁部側のプラズマイオン密度を増大させて食刻率の不均一性を改善する事も可能で、または、図５Ｅに示したように、単にＡＣ電流やパルス信号による単一パワードライバーを利用して各磁気コイルに順次的に電流を印加することで、同様な結果を得ることもできる。この場合、全てのコイルは直列連結されるので、駆動回路が非常に単純になる特性を有する。
【００２３】
また、前記磁気コイルアレイ部４７は、複数の磁気コイルにより高熱が発生して前記ウエハー４４の各部分のイオン分布を変形させる憂いがあるため、冷却装置を備えることが好ましく、該冷却装置の一例として、前記磁気コイルアレイ部４７の支持台４９の内部に冷却水管を設置し、該冷却水管を利用して冷却水や冷媒を循環させる方法を採択することができる。図５Ｂは、内部に冷却水管５０が設置された磁気コイルアレイ部を示したものである。
【００２４】
一方、前記磁気コイルアレイ部４７のコイル巻回方法の他の実施例に関し、図６Ａ及び図７Ａを参照して説明すると、前記磁気コイルアレイ部４７の各コイルを多層構造に相互交差させながら交互に配置し、交差する面積比によって磁場の分布を調整し得るように構成されている。
【００２５】
先ず、本発明に係る磁気コイルアレイ部４７のコイル巻回方法の他の実施例として、図６Ａにおいては、コイルが巻回される複数個の支持台４９が設置され、隣接する二つの支持台４９に２層構造にコイルを相互上下に交差させながら交互に巻回する方法を採択した。その結果、各層の隣接するコイルは相互反対極性を有し、上部層の各コイル１、２、３、４、５、６はウエハー側に配置され、下部層の各コイルａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆは反応器の内壁側に配置される。各コイルの巻回順は、１−ａ−２−ｂ−３−ｃ−４−ｄ−５−ｅ−６−ｆの順である。このようにコイルを配置すると、図６Ｂに示したように、前記磁気コイルアレイ部４７の各支持台４９を基準に反応器内に、磁場分布が相対的に大きいＮ、Ｓ極と、磁場分布が相対的に小さいＮ、Ｓ極と、が存在するようになって、磁場の強度が隣接する支持台に巻回されたコイルに局限されず、隣接する二つの支持台に跨れたコイルにまで影響を与えるほど、磁気力線が広く分布することが分かる。
【００２６】
また、本発明に係る磁気コイルアレイ部４７のコイル巻回方法のその他の実施例として、図７Ａにおいては、コイルが巻回される複数の支持台４９が設置され、隣接する三つの支持台４９に２層構造にコイルを相互上下に交差させながら交互に巻回する方法を採択した。この時にも、各層の隣接するコイルは相互反対極性を有するようになって、上部層の各コイル１’、２’、３’、４’及び下部層の各コイルａ’、ｂ’、ｃ’、ｄ’はそれぞれウエハー側及び反応器の内壁側に配置される。コイルの巻回順は、１’−ａ’−２’−ｂ’−３’−ｃ’−４’−ｄ’の順である。この場合、反応器内における磁場分布は、図７Ｂに示したように、相対的に大きいＮ、Ｓ極がそれぞれ２個ずつ隣接して存在され、それら極によって反応器内における磁場の方向及び範囲が反応器内壁の内側及びウエハーの縁部に亘って広く分布され、磁力線の分布によって活性電子領域がより広く分布することが分かる。
【００２７】
一方、図８は、本発明に係るプラズマ処理装置のガス注入手段を示した断面図で、本発明の目的であるプラズマイオン密度の均一化を極大化するためのものである。即ち、ガス注入手段を介して主反応ガス及び混合用ガスが注入される。詳しくは、従来のプラズマ処理装置においては、図１Ｂに示したように、主反応ガス及び混合用ガスが各ガス噴射口６ｇ、７ｇを介して注入され、ガス混合通路４ｇを介して混合された後、ガス噴射板２のガス噴射口５ｇを介して反応器３内に均等に入射するように構成されているが、本発明に係るプラズマ処理装置においては、プラズマイオン密度の不均一性を克服するために、ガス噴射板を従来のものとは相違するように構成した。即ち、図８に示したように、主反応ガスは主反応ガス噴射口６ｇを介して反応器４３の中央部に噴射させ、混合用ガスは混合用ガス噴射口７ｇを介して前記反応器４３の内壁内側及びウエハーの縁部に噴射させることで、混合用ガスをウエハー縁部の速やかな電子活性領域の影響により素早くウエハーの中央部に拡散させ、その結果、ウエハー中央部の主反応ガスとより均一に反応し得るようにした。
【００２８】
また、本発明に係るプラズマ処理装置のガス噴射板４２は、図９Ａおよび９Ｂに示したように、中央板２Ｒ及び外側板２Ｍの二つの板により構成されて、主反応ガスは前記中央板２Ｒを介して噴射され、混合用ガスは前記外側板２Ｍを介して噴射される。また、効率性を増大させるために、図９Ｂに示したように、前記外側板２Ｍと前記中央板２Ｒとが当接する部分に所定角度の段差を与えて、混合用ガスが前記中央板２Ｒの下方側付近で主反応ガスと効率的に混合されるようにした。
【００２９】
ここで、前記中央板２Ｒは１個に構成されているが、図１０Ａに示したように、二つの領域に分けて入射するように噴射口を配置する方法と、前記中央板２Ｒをより細分化して、該中央板２Ｒの同心軸を中心に複数の板に区画し、各板ごとに種類の異なる主反応ガスをそれぞれ噴射させることもできる。
【００３０】
更に、図１０Ｂに示したように、中央部は噴射口の数が少なく、縁部へ行くほど噴射口の数が多くなるように配置する方法を導入することが可能で、このような方法は、上部電極とウエハー間の間隔が短縮されることに連れてその効果も一層大きくなる。
【００３１】
本発明に係るプラズマ処理装置を酸化膜の食刻に使用する場合、主反応ガスとしては、ＣＦ、ＣＨＦ、ＮＦ及びＳＦ系列のガスを使用することが可能で、混合用ガスとしては、Ｈｅ、Ａｒ、Ｏ２、Ｈ２及びＣＯ２などを使用することができる。この時の混合用ガスとしてＨｅのような拡散性の非常に高いガスを使用する場合、反応器の縁部に注入されたＨｅイオンは、前記電子活性層によって充分に加速されて中央部のＣｘＦｙ、ＣｘＨｙＦｚイオンと急激に反応され、その結果、反応器内部に位置するウエハーの中央部と縁部間のプラズマイオン密度及び食刻率の均一性改善に大いに寄与するようになる。
【００３２】
図１１は、本発明に係るプラズマ処理装置を適用した場合、磁気コイルアレイ部によりウエハーの縁部で素早く移動する活性電子と、ウエハーの縁部に流入されて前記活性電子層によって素早く拡散される混合用ガスと、によりウエハー上のプラズマ密度及び食刻率の不均一性が改善されたこと（Ｂ領域）を示したものである。
【００３３】
以上説明したように、本発明に係るプラズマ処理装置においては、隣接するコイルと極性が反対になるようにして複数のコイルを直列連結することで、ウエハー縁部の左右に非常に素早く振動する活性電子層を形成させ、また、ガス噴射板の構造を変化させることで混合用ガスを素早く拡散させて、ウエハーの中央部と縁部間のプラズマイオン密度及びウエハー食刻率の不均一性を改善し得るという効果がある。
【００３４】
また、本発明に係るプラズマ処理装置においては、磁気コイルアレイ部がＡＣまたはパルス信号のような単一パワードライバーにより駆動されるので、駆動回路が非常に単純になるという効果がある。
【００３５】
以上、本発明に係るプラズマ処理装置に関し、実施例に基づいて説明したが、本発明の技術的範囲は上述した実施例に限定されず、本発明の技術的範囲が特許請求の範囲の解釈により定められる範囲及びその均等範囲まで至ることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】
従来のプラズマ処理装置を示す概略断面図である。
【図１Ｂ】
従来のプラズマ処理装置のガス注入部分を示す断面図である。
【図１Ｃ】
従来のプラズマ処理装置のガス噴射板を示す平面図である。
【図２Ａ】
従来の双極リング磁石型磁場付加プラズマ処理装置を示した概要図である。
【図２Ｂ】
従来の磁気コイル型磁場付加プラズマ処理装置を示した概要図である。
【図３】
従来のプラズマ処理装置のプラズマイオン密度を示した分布図である。
【図４Ａ】
本発明に係るプラズマ処理装置を示す概略断面図である。
【図４Ｂ】
本発明に係るプラズマ処理装置を示す斜視図である。
【図５Ａ】
本発明に係るプラズマ処理装置において、磁気コイルの配置及び連結方法を示した図である。
【図５Ｂ】
本発明に係るプラズマ処理装置において、磁気コイルの配置及び連結方法を示した図である。
【図５Ｃ】
本発明に係るプラズマ処理装置において、磁気コイルの配置に伴う磁気特性及び制御部を示した概略図である。
【図５Ｄ】
本発明に係るプラズマ処理装置において、磁気コイルの配置に伴う磁気特性及び制御部を示した概略図である。
【図５Ｅ】
本発明に係るプラズマ処理装置において、磁気コイルの配置に伴う磁気特性及び制御部を示した概略図である。
【図６Ａ】
本発明に係るプラズマ処理装置において、コイル配置方法の他の実施例を示した図である。
【図６Ｂ】
本発明に係るプラズマ処理装置において、コイル配置方法の他の実施例を示した図である。
【図７Ａ】
本発明に係るプラズマ処理装置において、コイル配置方法のその他の実施例を示した図である。
【図７Ｂ】
本発明に係るプラズマ処理装置において、コイル配置方法のその他の実施例を示した図である。
【図８】
本発明に係るプラズマ処理装置のガス注入部分を示した断面図である。
【図９Ａ】
本発明に係るプラズマ処理装置のガス噴射板を示した概略図である。
【図９Ｂ】
本発明に係るプラズマ処理装置のガス噴射板を示した概略図である。
【図１０Ａ】
本発明に係るプラズマ処理装置において、中央部のガス噴射板の噴射口配置方法を示した概略図である。
【図１０Ｂ】
本発明に係るプラズマ処理装置において、中央部のガス噴射板の噴射口配置方法を示した概略図である。
【図１１】
本発明に係るプラズマ処理装置のプラズマイオン密度を示した分布図である。
【図２Ｂ】
2004535076.tif 000003
【図３】
2004535076.tif 000004
【図５Ａ】
2004535076.tif 000005
【図５Ｃ】
2004535076.tif 000006
【図５Ｅ】
2004535076.tif 000007
【図６Ｂ】
2004535076.tif 000008
【図７Ｂ】
2004535076.tif 000009
【図１１】
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【国際公開パンフレット】
2004535076.tif 000011
2004535076.tif 000012
2004535076.tif 000013
2004535076.tif 000014
2004535076.tif 000015
2004535076.tif 000016
2004535076.tif 000017
2004535076.tif 000018
2004535076.tif 000019
2004535076.tif 000020
2004535076.tif 000021
2004535076.tif 000022
2004535076.tif 000023
2004535076.tif 000024
2004535076.tif 000025
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2004535076.tif 000038
2004535076.tif 000039
2004535076.tif 000040
2004535076.tif 000041
2004535076.tif 000042
2004535076.tif 000043
2004535076.tif 000044
2004535076.tif 000045
2004535076.tif 000046
2004535076.tif 000047
2004535076.tif 000048
【国際調査報告】
2004535076.tif 000049