(57)【要約】【課題】プラズマを均一に形成して大口径のウエハに対しても均一にエッチング加工することのできるプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】真空処理室内に少なくとも１種の処理ガスを導入する手段を有し、該処理ガスを真空室外に排気する排気装置を有し、該真空処理室上部から高周波を導入し、該処理室外部に少なくとも２つのソレノイドコイルを有し、該真空処理室内に設置したシリコン基板を処理するプラズマエッチング装置において、第一のソレノイドコイルを該真空処理室の上部に配置し、該第一のソレノイドコイルの内径が２５０mm以上５００mm以下であることを特徴とするプラズマエッチング装置。【選択図】  図１
2012023162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空処理室内に少なくとも１種の処理ガスを導入する手段を有し、該処理ガスを真空室外に排気する排気装置を有し、該真空処理室上部から高周波を導入し、該処理室外部に少なくとも２つのソレノイドコイルを有し、該真空処理室内に設置したシリコン基板を処理するプラズマエッチング装置において、第一のソレノイドコイルを該真空処理室の上部に配置し、該第一のソレノイドコイルの内径が２５０mm以上５００mm以下であることを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項２】
請求項１の装置において、該真空処理室上部から導入する該高周波の周波数が３４０ＭＨｚから６ＧＨｚであることを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項３】
請求項１および２の装置において、処理する該シリコン基板の直径が約３００mmから約４５０mmであることを特徴とするプラズマエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空容器内部の処理室内で半導体デバイス等を製造するため半導体ウエハ等の基板状の試料を処理室内で形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置に係り、特に、マイクロ波の電界と磁界とを用いて形成したプラズマを用いて半導体デバイスの電極，配線およびコンタクトホール加工のドライエッチング加工を高精度に実施するプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造過程において、ウエハ上に形成された多結晶Ｓｉ膜や絶縁膜等の薄膜は、ドライエッチングにより微細加工され、ゲート電極や配線を形成している。このドライエッチング加工する装置では、エッチングガスを真空容器であるドライエッチング装置に導入し、高周波電界を真空容器に導入しプラズマを発生させる。プラズマ中で生成した活性種およびイオンをウエハに入射させることによって、薄膜がエッチングされる。エッチングに際して、電極，配線もしくはホールパターンを転写したレジスト薄膜等のマスクが酸化膜上に形成されている。ドライエッチングでは、poly−Ｓｉ膜，絶縁膜等をマスクや下地に対し選択的に加工し、所望の加工形状を形成している。
【０００３】
近年、半導体装置の集積度，処理能力および生産性向上のため、パターンの微細化および処理ウエハの大口径化（直径４５０mm化）が進められている。ウエハの大口径化に対応するためには、ドライエッチング装置内に発生するプラズマが均一であること、生産性を高めるためには、プラズマ密度が１０１０／cm3以上にできること、加工形状制御性を上げるためには、ガス圧力０.１Ｐａから１０Ｐａで安定したプラズマが形成できること等が要求されている。すなわち、大口径で均一かつ密度が高いプラズマを低ガス圧力で発生させる必要がある。このような低ガス圧力で均一なプラズマを形成する技術として、有磁場マイクロ波エッチング装置がある。
【０００４】
有磁場マイクロ波エッチング装置で、均一なプラズマを得るためには、磁場プロファイルの制御が重要になる。特に、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）する磁場領域近傍でプラズマが効率的に生成されるため、平坦なＥＣＲ面を形成することで、ウエハ面内で薄膜上のパターンを均一に加工できる。また、ＥＣＲ面より上部（マイクロ波導入側）の磁場強度をＥＣＲに必要な磁場強度より強くすることで、カットオフ以上のマイクロ波パワーを真空装置内に導入することができる。
【０００５】
さらに、ＥＣＲ面では、マイクロ波が効率的に吸収されるため高密度なプラズマ形成が可能になる。ウエハサイズ２００mm程度の場合、平坦なＥＣＲ面を形成するソレノイドコイル（以下、コイルと呼ぶ）やヨーク構造は特許文献１に開示されている。処理室上部のヨークの内径をマイクロ波導入窓より小さくすることで、ＥＣＲ面上部の磁場強度を強くし、かつ均一なＥＣＲ面が形成されることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２３６２２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１での効果はエッチング速度の均一性１０％以下であることが開示されているのみで、加工寸法の精度には言及しておらず、開示された１９９４年当時で要求される精度は数十ナノメータレベルであった。そのため、磁場を形成するためのコイルは真空処理室上部を覆うように設置されていたが、詳細な構造は検討されていなかった。
【０００８】
有磁場マイクロ波エッチング装置で扱うウエハ径を直径約４５０mmのウエハまで拡大することが望まれているが、同時に４５０mmで加工する最小加工寸法は、２０ｎｍ以下でその精度は１ｎｍ以下が望まれている。そのため、４５０mmウエハに対応したエッチング装置では、高い加工精度も同時に必要になる。
【０００９】
２.４５ＧＨｚの導入周波数に対し、ＥＣＲ面（８７５Ｇの等磁場面）を平坦に形成できるコイルやヨークの構造は、特許文献１に開示されている。特許文献１では、マイクロ波導入窓よりヨーク内径を小さくすることを特徴としているが、中心部で強い磁場が必要なことから、単純に真空容器を覆う構造であった。ウエハ径も２００mmと小さく、極端に高い加工精度が必要ない場合、このようなコイル構成でも、比較的フラットなＥＣＲ面を形成でき、所望の加工を実現していた。さらに、マイクロ波導入窓のサイズは４０４mmと開示されているが、図面で開示されている上部ヨークの内径は、２００mmウエハの処理台よりも小さく、２００mm以下であることがうかがえる。
【００１０】
しかしながら、径が４５０mmまでウエハが拡大すると、単純に真空容器を覆うコイルやヨークの構造では、十分な均一性が得られず、特にナノメータレベルの加工精度を実現することが難しくなっていた。そこで、ＥＣＲ面をフラットに制御できる詳細に検討したコイル構造が必要となった。ＥＣＲ面をよりフラットにすることで、ウエハ上のプラズマが均一になり、解離種（Ｂｒ，ＣｌやＦラジカルなど）やイオンのウエハへの入射量をほぼ均一にできる。
【００１１】
エッチング装置では、真空処理室内に生成したプラズマは、処理室壁面まで広がり、壁面ではプラズマ消滅する。また、エッチングガスを排気する必要がある。このため、真空処理室の内径は、ウエハ径に比べある程度大きくなっている。そのような真空処理室内で、ウエハ面に対し上空に均一にプラズマを生成することで、均一な加工が可能になる。ここで、均一なプラズマとは、空間的に電子やイオンがウエハ面に対し均一に分布している状態をいう。有磁場マイクロ波プラズマでは、主にＥＣＲ面付近で強いプラズマが生成されるため、ＥＣＲ面を均一に形成することが重要となる。ここでＥＣＲ面の均一形成とは、ウエハ面と平行にＥＣＲ面を形成することである。ＥＣＲ面で生成されたイオンおよびラジカルは拡散してウエハに入射する。厳密には、イオンはウエハとプラズマに形成された１mm弱のシースまで拡散し、シース内で加速され、ウエハ面に対し垂直に入射する。そのため、ウエハへ入射するラジカルやイオンの入射量を均一にするためには、ウエハの直上だけではなく、真空処理室内のＥＣＲ面が均一である必要となる。
【００１２】
このＥＣＲ面を均一に形成する手段として、コイルおよびヨーク構造は、従来から用いられる真空装置上部を覆う構造では、ウエハ径が大きくなると、真空装置中心部の磁場が強くなり過ぎ、ＥＣＲ面を平坦化することが難しくなる。なお、マイクロ波導入のための導波管があるため、上部中心にはヨーク構造等はない。一方、装置側面だけにコイルを設置した場合、強いコイル磁場を形成するためには、ウエハ径が大きくなると磁場コイル電流が大きくなりすぎ、実用的ではなくなる。また、装置側面のコイルだけでは、ＥＣＲ面より上部での磁場強度が弱くなり、マイクロ波の伝播が阻害され密度が上がらなくなる。磁場強度を強くすれば、真空装置内にＥＣＲ面が２重にできるなど、制御が難しくなる。
【００１３】
本発明の目的は、プラズマを均一に形成して大口径のウエハに対しても均一にエッチング加工することのできるプラズマ処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成する本発明は、ウエハ上でのイオンやラジカルが均一になるようにＥＣＲ面を平坦化できるヨークおよびコイルの構成を備えたプラズマ処理装置である。
【００１５】
すなわち、上記目的は、真空処理室内に少なくとも１種の処理ガスを導入する手段を有し、該処理ガスを真空室外に排気する排気装置を有し、該真空処理室上部から高周波を導入し、該処理室外部に少なくとも２つのソレノイドコイルを有し、該真空処理室内に設置したシリコン製のウエハを処理するプラズマ処理装置において、第一のソレノイドコイルを該真空処理室の上部に配置し、該第一のソレノイドコイルの内径が２５０mm以上５００mm以下であることを特徴とすることにより達成される。
【００１６】
さらに、真空処理室上部から導入する該高周波の周波数が３４０ＭＨｚから６ＧＨｚであることにより達成される。
【００１７】
さらにまた、処理するウエハの直径が約３００mmから約４５０mmであることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明で用いるドライエッチング装置の断面図である。
【図２】本発明の説明に用いる上コイル内径とＥＣＲ面の平坦度を示す図である。
【図３】いくつかの上コイル内径に対するＥＣＲ高さの分布を示す図である。
【図４】いくつかの上コイル内径に対し、各ウエハ位置における加工寸法の偏差分布と上コイル内径の関係を示す図である。
【図５】エッチングのウエハ面内均一性と歩留まりの関係を示す図である。
【図６】いくつかの上コイル内径に対する歩留まりと上コイル内径の関係を示す図である。
【図７】図１に示す実施例の変形例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。
【図８】折り返しヨークの長さとＥＣＲ面の平坦度および消費電力の関係を示す図である。
【図９】本発明で用いる別のドライエッチング装置の断面図である。
【図１０】歩留まりと上コイル内径の関係を示す別の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施の形態を以下図面を用いて説明する。
【実施例】
【００２０】
本発明の実施例を図１乃至図６を用いて説明する。図１は、本実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。
【００２１】
本実施例のプラズマ処理装置は、円筒形の放電部内壁１０１や誘電体製の円板形状のマイクロ波導入窓１０６で覆われた真空処理室１２０を備え、その外部には３つのソレノイドコイル１１２，１１３および１１４と、鉄製のヨーク１１５，１１６が設置され、真空処理室１２０上部には、内部で供給されたマイクロ波が共振する円筒空洞部１２１が配置され、さらに円筒空洞部１２１の上部は、これに連通されて連結されたマイクロ波が内部を伝播する導波管１０５，高周波マッチング器１０４，マイクロ波を形成して発振するマグネトロン１０３が設置されている。ここで、円筒空洞部１２１の上方で中心周りに配置されたソレノイドコイル１１２の銅条のターン数は１８５０ターンである。
【００２２】
真空処理室１２０内の下部には、図示しない高周波電源と電気的に接続され高周波バイアス電力が印加される電極をと温度調節手段とを内部に備える処理台１０８があり、処理台１０８の上面には載置面を構成する誘電体製の膜内部に配置されて直流電力が印加されて静電気によりウエハを吸着保持する静電チャックが配置され、これによりウエハ１０７が載置面上に固定できるようになっている。真空処理室１２０の側壁に配置された開口である搬送ポートを開放，気密に封止して閉塞するバルブ１１０はウエハ１０７の搬送に合わせて開閉され、ウエハ１０７の処理中は閉塞される。
【００２３】
本実施例のプラズマ処理装置の各部位は図示しない制御装置と通信可能に接続され、各部位に配置された検知手段からの出力は発信されて制御装置に受信される。制御装置は、受信した検知手段の出力に基づいて、内部のハードディスクやＲＡＭ等記憶手段に格納されたプログラムを用いて演算器により算出した指令を各部位に発信し、各部位の動作を処理に最適なものとなるように調節する。
【００２４】
本実施例のプラズマ処理装置は、エッチングガスをシャワープレート１０２に配置された複数の貫通孔から真空処理室１２０内部に導入しつつ処理台１０８の直下方に位置する開口に連通して真空処理室１２０の下方に配置された図示しない真空ポンプを含む排気装置により真空処理室１２０内部を排気して、内部のガス圧力を調圧バルブ１０９で調節する。ガスが導入されている状態で、マグネトロン１０３により発生した約２.４５ＧＨｚのマイクロ波帯の高周波の電波は高周波マッチング器１０４によって周波数が調節され、導波管１０５内部を水平方向及び下方に向けて伝播して円筒空洞部１２１及びマイクロ波導入窓１０６を通過して真空処理室１２０内に導入される。さらに、ソレノイドコイル１１２，１１３および１１４に直流電流が印加されて真空処理室１２０内に磁界が供給され、その一部が約８７５ガウスになるようにソレノイドコイル１１２，１１３，１１４に供給される電流が図示しない制御装置により調整される。
【００２５】
導入されたガスとマイクロ波の電界および磁界との相互作用によりガスが励起されてプラズマが生成される。このプラズマの放電の前には、処理台１０８上にウエハ１０７が搬送されて処理台１０８上の載置面上に載せられて保持されて所定の温度となるように処理台８内部の図示しない温度調節手段によって温度が調節されている。処理台１０８は、ウエハ１０７の中心付近と周辺付近で異なる温度が設定できるようになっているが、所望の温度プロファイル（処理台の温度分布の形）を得るため、中心周辺の温度差は約３０℃以下で使用する。
【００２６】
また、ウエハ１０７と処理台１０８表面の誘電体製の膜との間には、Ｈｅ等の熱伝導性のガスが導入され両者の間の熱伝達を促進する。処理台１０８を構成する一部の部材は、高周波電源や静電チャックの電圧が印加されるため、金属材が用いられている。このため３０℃以上の温度差では熱膨張等による歪が発生するため、静電チャックの電極の膜および誘電体製の膜表面のウエハ１０７との接触面に応力が掛かり、ウエハ１０７と静電チャックを含む膜との間の密着性が悪化する場合がある。
【００２７】
処理対象の基板状の試料であるウエハ１０７の表面にはエッチング加工が施される薄膜が予め形成されており、有機材料によるレジスト材料のマスクパターンが転写されている。さらに、プラズマの着火とほぼ同時かもしくは着火若干直後に２００ｋＨｚから３０ＭＨｚの高周波電力が処理台１０８内部の図示しない金属製の電極に印加される。この結果、処理１０８の上面またはウエハ１０７上面には、プラズマに対するバイアス電位が形成され、電位差に応じてプラズマ中の荷電粒子がウエハ１０７上に誘引されて上記薄膜がエッチング処理される。なお、本実施例において用いられるウエハは大口径のものであり、その直径は約３００mm以上であり約４５０mmのものも含む。
【００２８】
本実施例のエッチング処理の対象となるウエハ１０７表面の複数層の薄膜の例としては、素子分離層，ゲート酸化膜，厚さ約１００ｎｍのpoly−Ｓｉ膜を成膜し、その上にマスクパターンを転写したレジストが形成されているものがある。この例において、レジストの加工寸法は、約５０ｎｍである。
【００２９】
処理台１０８に搬送されたウエハ１０７は、処理台１０８内部の温度調節手段によりその周辺部の温度が１５℃、中心付近の温度が４５℃となるように調節される。さらに、処理ガスとして、Ｃｌ2ガスが４０ｍｌ／minの流量速度で、ＨＢｒガスが１００ｍｌ／min、Ｏ2ガスが３ｍｌ／minの流量速度で導入される。このような処理ガスが導入されて定常状態となった真空処理室１２０内部の圧力は０.４Ｐａとなる。
【００３０】
真空処理室１２０内部にプラズマを所期の位置に形成するため、ウエハ中心から１５０mmの高さの磁場強度が約８７５ガウスになるようにソレノイドコイル１１２，１１３および１１４に供給される電力が制御装置により調整される。さらに、８００Ｗの電力の大きさでマイクロ波がマグネトロン１０３で生起され、真空処理室１２０に導入される。さらに、マイクロ波の真空処理室１２０への導入より０.１秒前に処理台１０８内部の電極に２ＭＨｚの高周波電力が１００Ｗで印加される。
【００３１】
本実施例ではウエハ１０７の面積が大きく、反応生成物のウエハ１０７表面への入射に分布が生じている。このため、ウエハ１０７がその面内で同じ表面の温度である場合には、加工寸法（仕上がり寸法）に分布（偏差）が生じることになる。これを補正するため、ウエハ１０７の温度を反応生成物（の入射）の分布に合わせて分布させ得られる加工の結果を均一化する。
【００３２】
また、下地との選択性を高めるため、処理台１０８の電極に印加する高周波電力の大きさをpoly−Ｓｉ残膜量が約２０ｎｍになるタイミングで４０Ｗに切り替えて低下させる。さらに、Ｏ2ガスの供給の流量を４ｍｌ／minにする。さらに残り膜厚さが小さくなると、真空処理室１２０内部のガス圧力を２Ｐａまで高めてＣｌ2ガスの供給を止め、ガスの供給はＨＢｒガス（流量１５０ｍｌ／min），Ｏ2ガス（流量５ｍｌ／min）にされる。
【００３３】
このような本実施例において、真空処理室１２０上方のリング状のソレノイドコイル１１２を囲むヨーク１１６の間の距離（リング状の場合内径となる）の大きさ（図１に示す符号１１８）に応じて真空処理室１２０内部に供給される磁界の強度の分布に差が生じる。例えば、距離１１７が１００mmの場合には、円筒形状の真空処理室１２０の中心軸部の磁場が強く形成されるＥＣＲ面を平坦にする（ウエハ１０７との平行にする）ことが不十分となる、プラズマの均一性が損なわれることになる。この条件では、ウエハ１０７に入射する荷電粒子（イオン）や活性種（ラジカル）の量が不均一になってしまい、エッチング後の加工形状が不均一になる。
【００３４】
そこで、ソレノイドコイル１１２の間の距離１１８またはヨーク１１６間の距離１１７を変化させた場合の形成されるＥＣＲ面の平坦の度合の変化を図２に示す。ここで求めたデータ２０１は、各々のソレノイドコイル１１３間の距離（内径）１１８またはヨーク１１６間距離１１７に対してＥＣＲ面の平坦性の限界値に近い値を示している。ここでＥＣＲ高さをウエハ１０７からの８７５ガウスの磁場強度になる距離として定義し、ＥＣＲ面の平坦度をＥＣＲ高さの最大最小値の差で定義した。ウエハより外側のＥＣＲ高さについては、仮想的にウエハが真空処理室に平行に広がっているとして定義した。
【００３５】
また、ＥＣＲ高さを１５０mmとしてデータ２０１を線形フィッティングしたものをフィッティング直線２０２で表示した。本図において、ＥＣＲ高さ１５０mmにおけるＥＣＲ面の平坦度は、ソレノイドコイル１１２間距離１１８（内径）を拡大していくと平坦になることが示される。ソレノイドコイル１１２の内径を大きくした状態で、ヨーク１１６間距離１１７（内径）を増加した場合にも同様である。プラズマが生成されるＥＣＲ面を平坦にするとウエハ１０７へのイオンやラジカルの入射量が均一になり、エッチング加工形状は均一になる。
【００３６】
さらに、ソレノイドコイル１１２の内径を４５０mm以上に拡大するためには、ソレノイドコイル１１２のターン数を減少させるか、ソレノイドコイル１１２を上に積み上げる必要がある。ターン数を減らすと磁場強度を得るために過大な電流が必要になるため好ましくない。また、上に積み上げた場合も、コイル本体が真空処理室から離れるため、多くの電流が必要になってしまうだけでなく、真空処理室１２０のＥＣＲ面より上側（マイクロ波導入窓１０６側）部分での磁場が弱くなり、密度も下がってしまう。コイルを小型化するため、コイルの銅材を細線化もしくは薄膜化することは、使用する電流が数十Ａ程度あるため難しい。
【００３７】
また、約２.４５ＧＨｚのマイクロ波の電界でＥＣＲ面を真空処理室１２０内部に形成するためには、ソレノイドコイル１１２の内径は５００mm以上必要になる。これ以下の範囲にした場合では、コイルのターン数を減らす必要があり、ターン数を減らすとさらに流す電流が多くなるため、銅線（もしくは銅条）の幅を広げる必要があるため、結局、小さくすることは難しくなる。
【００３８】
ＥＣＲ高さを高くするとプラズマの生成領域がウエハ１０７から離れるため、ウエハ１０７へのイオン，ラジカルの入射量は均一化されるが、プラズマ密度（空間中の電子密度）が低下する。密度が低下すると入射するイオンやラジカル量が減るため、エッチング速度は低下する。マグネトロン１０３で導入するマイクロ波のパワーを上げるとプラズマ密度はある程度向上する。しかし、あるパワー以上にマイクロ波高周波を導入した場合、ガス導入部（シャワープレート１０２）付近で強い放電が起こり、装置異常をきたす。このため、ＥＣＲ面の高さを高くして所望のエッチング速度を得ることが難しくなる。
【００３９】
図３に具体的なコイル条件でのＥＣＲ高さの分布を示す。図３は、各ソレノイドコイルに所定の電流を供給した場合にパラメータとしてソレノイドコイルの内径を変化させた場合のＥＣＲ高さの分布の変化を示すグラフである。この図に示す例において、ソレノイドコイル１１２へ供給される電流を１２Ａ、ソレノイドコイル１１３の電流を２０Ａ、ソレノイドコイル１１４の電流を０Ａとした場合のＥＣＲ高さの分布を示している。
【００４０】
ソレノイドコイル１１２の内径が２００mmの場合（線３０１に示す）、ウエハ１０７の中心部でＥＣＲ面の高さが低く、周辺で高くなる傾向にある。ソレノイドコイル１１２の内径を３１０mm（線３０２），４２０mm（線３０３）とした場合、ＥＣＲ面はより平坦になる。
【００４１】
ここで同じコイル電流でも中心部のＥＣＲ高さが異なる理由は、ソレノイドコイル１１２の内径が異なることに起因する。特に、特許文献１で開示されているように、２００mm程度にソレノイドコイル１１２の内径を小さくする（必然的にヨーク１１６の内径も小さくなる）と図３の３０１に示すように中心部の磁場は強くなり、中心部のＥＣＲ面は下がる。ウエハ１０７径が大きくなるとともに高い加工精度が求められるものでは不十分なものとなってしまう。
【００４２】
図４に、図３の条件を用いてウエハ１０７を処理した場合の得られた加工寸法の差を示す。本図に示す例は、ウエハ１０７の直径は４５０mmであり、ウエハ１０７の径方向の各箇所における加工後の寸法と中心での寸法との差を示す。
【００４３】
この加工で許容されるばらつきは、２ｎｍで点線４０４以下であることが望まれる。ソレノイドコイル１１２間距離１１８が２００mmの場合、加工寸法の偏差は破線４０１になる。この場合、約４０％程度の領域（面積）で２ｎｍ以上の偏差となってしまう。ソレノイドコイル１１２の内径を３１０mmとすると、ほぼ全域で２ｎｍ以下の偏差に収まるが、周辺の一部が脱落する。さらにソレノイドコイル１１２内径を４２０mmまで拡大すると、全域で２ｎｍ以下の偏差になる。いずれの場合も仕上がりの加工寸法は、平均は４０ｎｍ程度である。
【００４４】
図５に、ゲート加工寸法の均一性とトランジスタの歩留まりの関係を示す。ここで、加工寸法以外に起因する歩留まり低下は除外して表示する。均一性が５％以上になると、歩留まりが急激に低下する。これは、ゲート寸法が変動すると、短チャネル効果や、動作遅延などが発生し、動作不良になるのである。
【００４５】
図６に、ソレノイドコイル内径と歩留まりの関係を示す。本図に示す例では、図１に示す実施例の真空処理室１２において、形成されるＥＣＲ面の高さ毎に磁場の条件，マイクロ波パワー，高周波パワーおよびＯ2ガス流量を調整して処理したウエハ１０７について示している。
【００４６】
ＥＣＲ高さ２５０mm（線６０１）では、ソレノイドコイル１１２の内径が２００mm程度でも高い均一性が得られるため、歩留まりも確保できている。しかしながら、マイクロ波パワーが上げられず、ソレノイドコイル１１２の内径２００mmでのエッチング速度は３０ｎｍ／min程度になってしまう。
【００４７】
一方、ＥＣＲ高さ１５０mm（線６０３）では、ソレノイドコイル１１２の内径を３００mm以上に広げることにより高い歩留まりが得られている。この場合では、ウエハ１０７とＥＣＲ領域の距離が短く、シャワープレートから生成面も離れるため、ウエハへのイオン入射量も十分に確保できるといえる。さらに、ソレノイドコイル内径３００mmの場合では、エッチング速度は１４０ｎｍ／minと十分な速度が得られる。
【００４８】
さらに、ＥＣＲ高さを下げ１００mm（６０４）線にすると、歩留まりを高く維持するためにはソレノイドコイル１１２の内径を４００mm以上にする必要がある。しかしながら、ＥＣＲ高さ１５０mmと同じマイクロ波パワーではプラズマ密度が高くなり過ぎ、チャージアップによるデバイスの破壊が発生してしまう。チャージアップを抑制するには、イオン電流密度はおよそ２ｍＡ／cm2以下にする必要がある。マイクロ波パワーを下げれば、チャージアップは発生しないが、エッチング速度は、ＥＣＲ高さ１５０mmと同等になる。ＥＣＲ高さ２００mmの場合（線６０２）、ＥＣＲ高さ１５０mmに比べプラズマ密度は低くなるが、ソレノイドコイル１１２の内径を２５０mm以上で高い歩留まりが得られる。
【００４９】
チャージアップの影響が無視できるエッチング工程もあり、そのようなケースでは、ＥＣＲ面を１００mm程度まで下げ、十分なマイクロ波パワーを印加することで、エッチング速度を向上できる。たとえば、Ｓｉ基板への素子分離層の加工では、ＥＣＲ高さを１００mmとし、Ｃｌ2，Ｏ2ガスで処理すると、３００ｎｍ／min程度のエッチング速度になる。このような場合には、上コイル内径は４００mm程度にすると、高い歩留まりが得られ、４２０mm以上にすれば、不均一に起因する歩留まり低下は回避できる。
【００５０】
また、ソレノイドコイル１１２の高さを高くしても、ソレノイドコイル１１２の内径を拡大する方が高い歩留まりが得られるという傾向はある。しかしながら、ソレノイドコイル１１２が真空処理室１２０から離れると、それだけコイルへ流す電流量が増えるため、極力、ソレノイドコイル１１２の高さは低く抑えたほうがいい。
【００５１】
上記の実施例では、マイクロ波の周波数として約２.４５ＧＨｚを用いて説明したが、平坦なＥＣＲ面が形成できれば、周波数に依存せず、エッチング加工寸法は均一になる。周波数を下げると少ないコイル電流でＥＣＲ面が形成できるが、導波管のサイズが大きくなってしまう。
【００５２】
例えば、約９１５ＭＨｚマグネトロンを用い、マイクロ波を導入する場合、導波管１０５の内径は約２.７倍にしないと真空容器へ効率的に導入できなくなる。導入可能な範囲は、ヨーク１１６の内径よりも小さくする必要がある。真空処理室１２０の内径は、ウエハ１０７の直径よりも２００mm程度大きければ十分であり、工業上不必要な拡大は望ましくない。真空処理室１２０内径が導波管１０５の内径より小さくなれば、マイクロ波が真空処理室１２０に入り難くなることから、真空処理室１２０の内径が導波管１０５の内径の上限となる。
【００５３】
このようにすると、周波数の下限は約３４０ＭＨｚになる。周波数の上限はこの限りでないが、マイクロ波の周波数を高くすると、ＥＣＲ面をつくるためには、ソレノイドコイル１１２，１１３，１１４へ供給される電流量が大きくなる。マイクロ波の周波数が２.４５ＧＨｚではソレノイドコイル１１２の幅（外径−内径）は、最小で約１００mm（ソレノイドコイル１１２の内径５００mm）である。周波数を６ＧＨｚにすると、ソレノイドコイル１１２のターン数を増やす必要があるため、ソレノイドコイル１１２の幅は少なくても２２０mm程度必要となる。その際の内径は、２５０mm程度になる。
【００５４】
したがって、マイクロ波の周波数は、３４０ＭＨｚから６ＧＨｚにする必要がある。特に、低周波数側は、波長が長くなるため、導波管１０５の長さも長くなる。プラズマ負荷があるため、少なくとも１波長は必要となる。装置の構成上、実用的な同波管の長さは５００mm以下が望ましく、６００ＭＨｚ以上が望ましいことになる。さらに周波数を上げた場合、コイル電流を増やす必要がある。消費電力は電流に２乗に比例することから、約２.４５ＧＨｚを含め、それ以下が望ましいといえる。
【００５５】
本発明の実施例の変形例を図７に示す。上記の実施例では、ソレノイドコイル１１２の内径を所定の範囲にすることでプラズマの分布及び処理を均一化するものである。図７に示す変形例は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置に折り返しヨーク７０３を備え、この長さを調整することで、プラズマ及び処理を均一化するものである。
【００５６】
本変形例では、ソレノイドコイル１１２の内径７０１を２５０mmとし、このソレノイドコイル１１２の下部に中心から外周側に向けて延在する折り返しヨーク７０３を備えている。ソレノイドコイル１１２に供給される電流は、ＥＣＲ高さが１７５mmになるように調整されている。
【００５７】
本変形例において折り返しヨーク７０１の長さが５ｍと５２mmとでは、ソレノイドコイル１１２，１１３，１１４へ供給される電流は、それぞれ１２Ａ，２０Ａ，２Ａとなる。折り返しヨーク長さ１０２mmでは、２０Ａ，１８Ａ，０Ａで、１５２mmでは２６Ａ，１８Ａ，０Ａである。このように、折り返しヨーク７０１が長くなると、同じＥＣＲ高さにするためにソレノイドコイル１１２，１１３，１１４に供給される電流量が増える。
【００５８】
図８は、図７に示す変形例において折り返しヨーク７０１の長さとＥＣＲ平坦度及びソレノイドコイル１１２，１１３，１１４の消費電力の量との関係を示すグラフである。上記の通り折り返しヨーク７０１の長さの増大に伴って消費電力が増える（線８０２）。一方、線８０１に示すＥＣＲ面の平坦度は、折り返しヨーク７０１の長さが１０２mm程度以上になるとほぼ平坦になりＥＣＲ面の平坦性は折り返しヨーク７０１の長さの増大に伴って定常の値に漸近することが判る。本変形例では、ＥＣＲ面の平坦性は折り返しヨーク７０１の長さ５０mm前後においても改善することから、消費電力も加味し、５０mm程度から１５０mm以内が好ましいといえる。
【００５９】
図９は、本発明のプラズマ処理装置の別の変形例の構成の概略を示す縦断面図である。本図において、プラズマ処理装置は、マグネトロン９０１から発振された９００ＭＨｚのマイクロ波は、内径２５０mmの導波管９０３を通して伝播され、円筒空洞部１２１及びマイクロ波導入窓１０６を通して真空処理室１２０に導入される。
【００６０】
本変形例のソレノイドコイル９０５の内径は５００mmである。このソレノイドコイル９０５の内径は、９００ターンで１０Ａの電流印加が可能な範囲で内径を極力拡大した大きさである。本変形例では、真空処理室１２０に導入されるガスとしてＣＨＦ3とＣＦ4が用いられ、それぞれ１００ｍｌ／minの流量で供給され、内部がガス圧力１Ｐａで維持されつつ処理台１０８上面で吸着保持されたウエハ１０７上に形成されたＳｉ3Ｎ4膜を含む複数層から構成された処理対象の膜がエッチング処理される。
【００６１】
この膜の構造の例としては、素子分離層が形成された上に３ｎｍのゲート絶縁膜，１５ｎｍのＴｉＮ膜，３ｎｍのＴａ膜，１００ｎｍの多結晶Ｓｉ膜，５０ｎｍのＳｉ3Ｎ4膜が成膜され、その上に反射防止膜と４０ｎｍのマスクパターンを転写したレジストが形成されたものが考えられる。このような膜が予め形成された直径約４５０mmのウエハ１０７は、プラズマが形成される前に搬送されて処理台１０８上に載せられて吸着，保持される。なお、上記のマスクパターンは、径４４０mmの範囲に形成されている。
【００６２】
ウエハ１０７が載せられた状態で、処理台１０８の温度を中心部が４０℃周辺部を２５℃となるように調節されている。この温度分布は、反射防止膜の加工とＳｉ3Ｎ4膜の加工を同じ温度で処理するため、仕上がりがバランスするように温度差を決める。
【００６３】
この状態で、バルブ１１０が閉塞されて、ＥＣＲ面がほぼ平坦になるようソレノイドコイル９０５に１０Ａの電流を、ソレノイドコイル１１３に７Ａの電流を印加する。ＥＣＲ面の高さはウエハから１６０mmになる。処理台１０８内部の電極に４００ｋＨｚ，４００Ｗの高周波が供給され、真空処理室１２０内にマイクロ波が１０００Ｗの電力で導入されて、導入されたガスが励起されてプラズマが形成される。なお、反射防止膜のエッチング時のガスとしては、上記ＣＨＦ3，ＣＦ4ガスに３０ｍｌ／minのＯ2ガスを添加する。Ｓｉ3Ｎ4膜は、ゲート電極加工用のマスクとして用いるため、Ｓｉ3Ｎ4膜のエッチングを加工してこの工程は完了となる。
【００６４】
本条件で処理をすると、加工寸法は平均で約３０ｎｍとなり、加工精度のばらつきは０.７ｎｍ程度になる。ソレノイドコイル９０５の内径を３００mmまで狭くすると、加工精度は約１.５ｎｍになる。このデバイスでは、マスク加工後にゲート電極をさらに加工するため、ウエハ面内での加工精度は、１ｎｍ以下にする必要がある。ソレノイドコイル９０５の内径を４００mmにすると、ウエハ１０７面内の寸法ばらつきは約１ｎｍになる。
【００６５】
図１０にソレノイドコイル９０５の内径の大きさの変化に対する歩留まりの変化を示す。この図では、加工寸法の閾値を１ｎｍとしてウエハ１０７の処理の歩留まりを判定した。図１０において、曲線１００１はソレノイドコイル９０５の内径の値に対する歩留まりの曲線を示し、この曲線１００１のようにソレノイドコイル９０５の内径を４００mm以上にすると歩留まりの劣化が見られず、高い処理の効率を実現できることが判る。
【００６６】
このように、最適なソレノイドコイル９０５の内径は多結晶Ｓｉ膜とは若干異なり、ガス条件や求められるスペックに依存している。前述の素子分離層の加工まで含めると、ソレノイドコイル９０５の内径は４００mm以上にすると好ましい。また、プラズマ装置の構成上、４５０mm径のウエハ１０７を処理する場合、ソレノイドコイル９０５の内径の最大は５５０mm程度になる。これは、真空処理室１２０の内径が６５０mm程度であり、その周辺にソレノイドコイルを設置し、ソレノイドコイル９０５周辺にヨークを設置する場合はソレノイドコイル９０５内径を６５０mmまで広げると、強い磁場が周辺部のみに形成され、効率が悪くなってしまう。真空処理室１２０内に適正な磁場を形成するためには、ソレノイドコイル９０５が真空処理室１２０より内側にあると効率が向上し、ソレノイドコイル９０５の内径３００mmから５００mmの範囲で効率が高く、印加する電流量を抑えることができる。
【００６７】
上記、実施例または変形例では、直径が４５０mmのＳｉ製のウエハ１０７を処理する場合について述べたが、直径が３００mmのウエハ１０７を処理する場合については、処理台１０８の大きさを３００mmのウエハ１０７に合わせる必要があるが、ソレノイドコイル１１２等の構造は同等であっても直径が４５０mmのウエハ１０７を処理する場合と同様な効果が得られる。
【００６８】
ただし、直径４５０mmのウエハ１０７を処理する真空処理室１２０において３００mmのウエハ１０７を処理する場合には真空処理室１２０の内径は必要とされるものよりも大きくなってしまう。ウエハ１０７の径が３００mmの場合に真空処理室１２０の内径は少なくとも４００mm以上必要であるが、５００mm程度あれば十分である。真空処理室１２０の内径を５００mm程度にする場合、真空処理室１２０に導入できるマイクロ波は内径が５００mm程度の内部を伝播できる必要があり、直径３００mmウエハ１０７の場合最小のマイクロ波の周波数は４４０ＭＨｚ程度になる。また、直径４５０mmウエハ１０７の処理用のプラズマ処理装置と同様の理由で、真空処理室１２０内径を５００mm程度にする場合、ソレノイドコイル１１２または９０５の内径は４００mm程度が最大になる。
【００６９】
以上の通り、上記実施の例によれば、有磁場マイクロ波を用いたプラズマ処理装置において、約４５０mmのウエハ上の薄膜を処理する際に適切なソレノイドコイルの内径にすることにより、歩留まり良く高精度な微細の加工を実現して半導体デバイスの大量生産が容易になる。
【符号の説明】
【００７０】
１０１  放電部内壁
１０２  シャワープレート
１０３  マグネトロン
１０４  高周波マッチング器
１０５  導波管
１０６  マイクロ波導入窓
１０７  ウエハ
１０８  処理台
１０９  調圧バルブ
１１０  バルブ
１１１  真空処理室下部リアクタ
１１２，１１３，１１４  ソレノイドコイル
１１５，１１６  ヨーク
１１７  ヨーク間距離
１１８  ソレノイドコイル間距離
１２０  真空処理室
１２１  円筒空洞部
２０１  データ
２０２  フィッティング直線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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