(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気より減圧された処理室と、該処理室に処理用ガスを導入する手段と、前記処理室内のガスを排気する手段と、前記処理室内に搬送された被処理基板を載置するためのステージと、該ステージに対向する位置に設けられた処理用ガスをプラズマ化する電磁波を放射するための略平面状のアンテナと、該アンテナに１０ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数の電力を供給する高周波電源とを具備し、該アンテナの共振周波数ｆｃと、高周波電源の周波数ｆ０が、０.６＜ｆｃ／ｆ０＜１.４の関係を満たし、かつ、前記高周波電源に重畳して、第２の高周波電源（周波数ｆ１）を印加することを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置、液晶ディスプレー用基板等の製造工程において、エッチング、CVD(Chemical Vapor Deposition)、アッシング等の処理に好適なプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＲＡＭや、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ等の半導体装置の製造工程において、弱電離プラズマを用いたプラズマプロセッシングが広く用いられている。プラズマプロセスでは、プラズマにより生成したイオンや、ラジカルを、被処理基板に照射することにより基板の処理を行っている。半導体装置の微細化に伴い、配線やゲート電極、コンタクトホール等の加工に用いられるプラズマエッチング装置には、更なる微細加工性、高い選択性、高い処理均一性、低ダメージ性能等が求められている。
【０００３】
これらエッチング装置用のプラズマ源として古くから用いられてきたものに平行平板型プラズマ源がある。平行平板型プラズマは、プラズマと電源との結合が容量的であることから、ＣＣＰ（Capacitive Coupled Plasma）と呼ばれている。平行平板型プラズマ源は、装置体系が比較的単純であり、また、ブロッキングコンデンサをアノード電極側に入れる事により生じる比較的高い自己バイアスを用い、異方性エッチングを行っていた。しかし、半導体装置のパターン寸法が細かくなるに連れ、低圧で高密度プラズマを生成しずらい、という欠点が目立ちはじめた。
【０００４】
特開平7-297175号広報は、狭電極平行平板タイプリアクタの上部電極に数十MHzの高周波を印可することにより比較的高密度なプラズマを生成させ、また、被処理基板を載置する下部電極には数百kHzのバイアスを印可する事により、処理基板に入射するイオン量をコントロールする（IEM:Ion Energy Modulation）ものである。しかし、IEMを用い、安定にプラズマを生成可能な圧力は数十Pa〜5Pa程度であり、パターン寸法の更なる微細化に対応していくのは困難である。
【０００５】
比較的低圧で、かつ高密度のプラズマを生成可能なプラズマ源として、電子サイクロトロン共鳴（ECR: Electron Cyclotron Resonance）を用いた有磁場μ波型プラズマ源がある。共鳴を用いる事により低圧でも効率よくプラズマを生成できる。しかし、プロセスによっては、高密度、高電子温度が災いし、処理用ガスの解離が進みすぎ、マスク材や、下地材料との選択比が取れない、といった問題も発生している。また、磁場に起因するバイアスの不均一や、ダメージの問題も無視できなくなっている。
【０００６】
また、近年では、誘電体の容器の側面、もしくは上面にコイルを巻きつけ、該コイルに交番電流を流す事により生じる誘導電界でプラズマを維持する、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）プラズマも現れてきている。ＩＣＰも、ＥＣＲプラズマと同様、低圧で、高密度のプラズマを生成可能であるが、やはり、プロセスガスの解離が進みすぎる欠点を持っている。
【０００７】
近年注目されているのが、ＵＨＦ帯の電磁波を用いたプラズマ源である。第４４回秋季応用物理学会予稿集No.1, 28a-SQ-29に見られるように、誘電体板の上面にスポーク状アンテナを配置する場合や、第５８回春季応用物理学会予稿集No.1, 4p-B-5に見られるように、ＵＨＦ帯＋ＥＣＲを用いる場合もある。
【０００８】
これまで、プラズマの励起源周波としては、商用周波数である13.56MHzや、2.45GHzが用いられる事が多かったが、適度に高密度で、電子温度もさほど高くない、プロセスに好適なプラズマを生成可能な周波数帯域が、ＵＨＦ帯である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
数十MHz程度の周波数帯（ＨＦ帯）では、電磁波の波長は、装置の寸法に比べだいぶ長く、電源とプラズマとの結合は、容量的（ＣＣＰタイプ）もしくは、誘導的（ＩＣＰタイプ）なものとして説明できる。しかし、ＵＨＦ帯では、電磁波の波長は、装置寸法と同程度になってくる為、電源とプラズマとの結合は、もはや、容量的、誘導的といった単純なものでは説明できなくなる。これは、プラズマ装置を造る側になってみると、単に電極を配置したり、コイルを巻くだけでは、電源からのパワーを効率よくプラズマに投入することは難しくなってくることを意味している。
【００１０】
電磁波を放射するアンテナの設計を誤ると、プラズマへの電力投入がうまくいかず、十分なプラズマ密度が得られない、安定したプラズマが生成できない、電源との整合が取れずプラズマが着火できない、等の弊害を生じることになる。
【００１１】
そこで、本発明の第一の目的は、ＵＨＦ帯の電磁波を効率よくプラズマに投入することにより、プロセスに好適なプラズマ密度を得ることにある。また、本発明の第二の目的は、十分なプラズマ密度を達成した上で、Φ３００ｍｍウエハにも対応しうる、大口径で均一なプラズマを生成することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
ＵＨＦ帯の電磁波を効率よくプラズマに投入する為には、共振タイプのアンテナを用い、アンテナの共振周波数ｆｃと、電源の周波数ｆ０が、０．６＜ｆｃ／ｆ０＜１．４の関係を満たすように、望ましくは、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２の関係を満たすようにアンテナを設計すればよい。これにより本発明の第一の目的は達成される。
【００１３】
以下、円形ＭＳＡ（Micro Strip Antenna）を例にとって説明を続ける。
【００１４】
円形ＭＳＡの共振周波数fcは、以下の式で現される。
【００１５】
【数式１】
0003840821.tif 000002
【００１６】
ここで、TM11モードを励振する場合、χmn＝χ11=1.841  であり、TM01モードを励振する場合、χmn＝χ01=3.832である。C0は光速、εrはアンテナ−地導体板間の誘電体の比誘電率を表している。
【００１７】
Aeffは、フリンジング効果を考慮した場合のアンテナの実効半径であり、アンテナ半径A, 誘電体厚さh、比誘電率εrを用い、
【００１８】
【数式２】
0003840821.tif 000003
【００１９】
と表される。
【００２０】
式（１）、（２）は、無限に広いとみなせる接地導体板と誘電体板上に円形ＭＳＡがある場合の式であり、実験値と比較的よく一致する事が知られている。
【００２１】
ウエハサイズやリアクタ内径等の制約で決まってくるアンテナ径と、用いる電源周波数ｆ０（≒ｆｃ）とから、誘電体板の比誘電率が求められることになる。
【００２２】
しかし、この円形ＭＳＡをプラズマリアクタに適用した場合、アンテナのすぐ近傍にリアクタ壁や、電極等が存在し、理論値からずれた値を取る。したがって、これらを考慮した数値シミュレーションを行ったところ、図４に示すように、アンテナ共振周波数ｆｃは、理論値よりも若干低い値をとることがわかった。
【００２３】
また、図２に示すように、リアクタ内に電磁波吸収体１０２をいれ、ネットワークアナライザ１０１により反射波の周波数特性を測定する事によりアンテナの共振周波数を観測する事が出来る。図３には、このようにして測定された反射波の周波数特性の典型的な結果を示す。反射波が極小となっている周波数が、アンテナの共振周波数である。また、数値シミュレーション値と、測定結果はほぼ一致した。
【００２４】
上記したような方法で、アンテナの共振周波数ｆｃと、電源の周波数ｆ０が、０．６＜ｆｃ／ｆ０＜１．４の関係を満たすように、望ましくは、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２の関係を満たすようにアンテナを設計したところ、高密度で、安定したプラズマを生成する事が出来た。逆に、共振周波数を極端にずらした場合は、プラズマの着火性も著しく悪く、また、安定したプラズマを生成する事ができなかった。
【００２５】
上記した方法で求められるアンテナの共振周波数は、プラズマ着火時には、若干ずれてくる。プラズマが誘電体として振る舞うからである。したがって、アンテナの共振周波数ｆｃと、電源周波数ｆ０をわざと若干ずらすことにより、すなわち、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２、かつｆｃ／ｆ０≠１．０とすることにより、プラズマ着火時に完全な共振が起こるようにすることも可能である。これにより、ある程度広い条件で、安定したプラズマの生成が可能となる。
【００２６】
また、円形ＭＳＡにおいては、アンテナ−地導体板間の誘電体板の厚さｈを増加させることにより、アンテナのＱ値を若干低くする事ができる。すなわち、より広帯域なアンテナ特性となり、負荷（プラズマ）の変動で共振周波数が若干ずれる事をカバーできる。
【００２７】
本発明の第二の目的は、上記方法でアンテナを設計した上で、５０〜４００Ｇ程度の静磁場、もしくは、時間的に緩やかに変動する磁場を加えることにより達成される。プラズマの分布は、磁場の強度や磁場形状に依存するが、ＥＣＲ共鳴を起こすような磁場（たとえば、電源周波数が４５０ＭＨｚであれば、１６１Ｇ程度）を加え、ＥＣＲ面形状を制御する事により、プラズマの均一性を制御する事が可能となる。また、磁場配位を時間的に緩やかに変化させる事により、プラズマ分布の制御範囲が広がることは、言うまでもない。
【００２８】
さらに、アンテナに、プロセス制御のための第２の高周波を重畳して加える事により、プロセスに寄与する解離種の制御も可能である。
【００２９】
これまで円形ＭＳＡタイプのアンテナについて話を進めてきたが、本発明は円形ＭＳＡタイプアンテナに限られるものではない。すなわち、電磁波の放射にアンテナの共振を用いるタイプであれば、方形ＭＳＡや、ライン状のＭＳＡ，放射状ＭＳＡ，モノポール、ダイポールアンテナを処理室に巻き付けた形状等、どのようなアンテナ形状にも適用可能である。さらに、本発明は、処理室の形状や、処理用ガスの種類、圧力、電源パワー、電源周波数、基板バイアス、磁場等の要因によらず、適用可能である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の第一の実施例を示す。真空容器１の中に、被処理基板３と、基板を載置するためのステージ２と、略円盤状のアンテナ４と、アンテナ裏誘電体５とが配置されている。ステージ２には、プラズマにより生成されたイオンを被処理基板３に引き込むためのバイアス電源１４と、第三の整合器１３が接続されており、また、基板を温調するための温調装置１５が接続されている。
処理用ガスは、ガス供給装置１１より、シャワープレート（図示していない）を介して処理装置内に供給される。
【００３１】
アンテナ４には、第一の整合器７を介して、第一の高周波電源８が接続されており、さらに、第二の整合器９を介して第二の高周波電源１０が接続されている。
【００３２】
プラズマの生成は、主に第一の高周波電源８より供給される電磁波によって行われる。また、第２の高周波電源１０は、プロセスに寄与する解離種の制御に用いられる。このため、第２の高周波電源の周波数ｆ１は、アンテナに不要な共振モードを作らず、また、第１の電源周波数と干渉しない周波数が選定されている。
【００３３】
アンテナの径や、アンテナ裏誘電体５の比誘電率は、前述したように、アンテナの共振周波数ｆｃと、第一の高周波電源８の周波数ｆ０との関係が、０．６＜ｆｃ／ｆ０＜１．４の関係を満たすように、望ましくは、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２の関係を満たすように設定されている。これにより、プラズマに電磁波のパワーを効率よく投入する事が可能となり、高密度で安定したプラズマの生成が可能となる。
【００３４】
また、アンテナの共振周波数ｆｃと、電源周波数ｆ０をわざと微妙にずらすことにより、すなわち、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２、かつｆｃ／ｆ０≠１．０とすることにより、プラズマ着火時に完全な共振が起こるようにすることも可能である。これにより、ある程度広い条件で、安定したプラズマの生成が可能となる。
【００３５】
また、第一の整合器７は、より広い運転条件に対応するために設置されたものであり、運転条件を狭い範囲に限定し、また、前述した方法にてアンテナの広帯域化を図る事により、省略可能となる。この場合、運転条件は限定されるが、整合器が不要となり、コストダウンが図れる。
【００３６】
また、磁場コイル６により、ＥＣＲ共鳴を起こすような磁場を加える事により、プラズマの生成効率をさらにあげ、プラズマの均一性を制御する事も可能となる。プラズマの分布は、磁場の強度や磁場形状に依存するが、前述した方法でアンテナを設計した上で、ＥＣＲ共鳴を起こすような磁場（たとえば、電源周波数が４５０ＭＨｚであれば、１６１Ｇ程度）を加え、ＥＣＲ面形状を制御する事により、プラズマの均一性を制御する事が可能となる。また、時間的に緩やかに変動する磁場を用いる事で、さらなる制御性を得る事も可能である。
【００３７】
また、アンテナの共振周波数は、アンテナ径と、アンテナ裏誘電体５の比誘電率に強く影響を受ける。したがって、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、アンテナ裏の誘電体を、比誘電率の異なる２種類以上の材質で構成する、すなわち、第一の誘電体１０５と、第２の誘電体１０６のように構成する事により、あるアンテナ径と電源周波数にたいし、適切な共振周波数を持つアンテナを設計する事が可能となる。
【００３８】
また、図５（ｃ）に示したように、２種類の誘電体の厚さを徐々にかえることにより、リアクタ内の電界強度分布を制御する事ができ、したがって、プラズマ密度分布を制御する事が可能となる。
【００３９】
本発明は円形ＭＳＡタイプのアンテナに限られるものではない。図６に本発明の第２の実施例を示す。ガス供給系、ステージの構成等、第一の実施例と重複する部分の説明は省略する。
【００４０】
図６に示す第２の実施例では、誘電体製容器１６の周りにコイル状アンテナ１８を配置している。誘電体製容器１６とコイル状アンテナからなる放電部は、電磁シールド１７によって覆われている。本装置体系は、一見ＩＣＰタイプのプラズマ源のように見えるが、アンテナの両端を開放端とし、また、アンテナの全長を、おおむね、プラズマを生成するために用いる電磁波の1/4波長の整数倍とすることにより、コイル状アンテナを共振アンテナとして作用させることができる。給電点は、電源との整合を取るためにアンテナ端部から若干シフトさせている。
【００４１】
このようなタイプのアンテナでも、アンテナの共振周波数ｆｃと、高周波電源８の周波数ｆ０との関係が、０．６＜ｆｃ／ｆ０＜１．４の関係を満たすように、望ましくは、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２の関係を満たすように設定することにより、プラズマに電磁波のパワーを効率よく投入する事が可能となり、高密度で安定したプラズマの生成が可能となる。また、設計上重要なパラメータである共振周波数は、コイル状アンテナの場合、おおむねコイル全長により決定され、また、より正確な値は、ネットワークアナライザを用いることにより測定可能である。
【００４２】
また、アンテナの共振周波数ｆｃと、電源周波数ｆ０をわざと微妙にずらすことにより、すなわち、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２、かつｆｃ／ｆ０≠１．０とすることにより、プラズマ着火時に完全な共振が起こるようにすることも可能である。
【００４３】
さらに、整合器７は、第一の実施例で説明したのと同様、より広い運転条件に対応するために設置されたものであり、運転条件を狭い範囲に限定し、さらにアンテナの広帯域化を図る事により、省略可能となる。この場合、運転条件は限定されるが、整合器が不要となり、コストダウンが図れる。
【００４４】
【発明の効果】
これまで説明してきたように、大気より減圧された処理室と、処理室に処理用ガスを導入する手段と、処理室内のガスを排気する手段と、処理室内に設けられた、被処理基板を載置するためのステージと、処理用ガスをプラズマ化するための電磁波を放射するためのアンテナと、アンテナに電力を供給する高周波電源と、を有するプラズマ処理装置において、該アンテナの共振周波数ｆｃと、電源の周波数ｆ０が、０．６＜ｆｃ／ｆ０＜１．４の関係を満たすようにすることで、電磁波のパワーを効率よくプラズマに投入でき、プロセスに好適なプラズマ密度を発生させる事ができる。
【００４５】
また、上記条件を満たした上で、アンテナのサイズを適切に選定する事により、均一なプラズマを生成させる事を可能とする。
【００４６】
さらに、アンテナの共振周波数ｆｃと、電源周波数ｆ０をわざと若干ずらすことにより、すなわち、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２、かつｆｃ／ｆ０≠１．０とすることにより、プラズマ着火時に完全な共振が起こるようにすることも可能である。
【００４７】
さらに、アンテナのＱ値を低くする、つまりアンテナの広帯域化を図る事により、負荷（プラズマ）の変動で共振周波数が若干ずれる事をカバーでき、幅広い条件でプロセスに好適なプラズマを生成する事が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例に係わるプラズマ処理装置の構成を示す断面図である。
【図２】アンテナの共振周波数の計測法の一例を示す模式図である。
【図３】共振型アンテナをネットワークアナライザで測定した場合の、反射波の周波数特性を示す模式図である。
【図４】アンテナ裏誘電体の比誘電率とアンテナの共振周波数を示す模式図である。
【図５】アンテナ裏に複数の誘電体を用いた場合のアンテナまわりの構成の例を示す断面図である。
【図６】本発明の第２の実施例に係わるプラズマ処理装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１：真空容器、２：ステージ、３：被処理基板、４：アンテナ、５：アンテナ裏誘電体、６：磁場コイル、７：第一の整合器、８：第一の電源、９：第二の整合器、１０：第二の電源、１１：ガス供給装置、１３：第三の整合器、１４：バイアス用電源、１５：温調装置、１６：誘電体容器、１７：電磁シールド、１８：コイル状アンテナ、１０１：ネットワークアナライザ、１０２：電磁波吸収体、１０５：第一の誘電体、１０６：第二の誘電体。
【図１】
0003840821.tif 000004
【図２】
0003840821.tif 000005
【図３】
0003840821.tif 000006
【図４】
0003840821.tif 000007
【図５】
0003840821.tif 000008
【図６】
0003840821.tif 000009