【書類名】 明細書
【発明の名称】 プラズマ生成方法、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】 被処理体に対してプラズマ処理が行われる処理室と、
前記処理室内において被処理体を支持する支持部材と、
前記処理室にプラズマ処理のための処理ガスを導入する処理ガス導入手段と、
前記処理室内の電極に３〜３００ＭＨｚの範囲の高周波を印加する高周波印加手段と、
印加された高周波に対応する共鳴磁場の整数倍の磁場を被処理体に対して垂直、かつ電界方向に対して平行に形成する磁場形成手段と
を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】 前記高周波印加手段は、前記処理室内の電極に３〜１００ＭＨｚの範囲の高周波を印加することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】 前記処理ガス導入手段は、前記支持部材上の被処理体に向けて処理ガスを供給する多数の孔を有し、内部に空間を有する導電体のシャワーヘッドを備え、該シャワーヘッドが電極として機能することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】 前記処理ガス導入手段は、前記支持部材上の被処理体に向けて処理ガスを供給する多数の孔を有し、内部に空間を有する絶縁体のシャワーヘッドを備え、該シャワーヘッドの空間内に前記電極が配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】 プラズマ生成装置において用いるためのプラズマ生成法であって、
排気システムを有し、その中の減圧状態を維持可能なチャンバーを準備すること、
処理ガス供給系により、処理ガスを前記チャンバーに導入することと、
第１の高周波印加手段により、前記処理室内の第１の電極に３〜３００ＭＨｚの範囲の高周波を印加することと、
磁場形成手段により、印加された高周波に対応する共鳴磁場の整数倍の磁場を、前記チャンバーの外周から電界方向に対して平行に形成することと、
を具備することを特徴とするプラズマ生成方法。
【請求項６】 前記処理ガスを導入する手段として多数のガス吐出口が形成されたシャワーヘッドを有する導体を準備することをさらに具備することを特徴とする請求項５に記載のプラズマ生成方法。
【請求項７】 前記チャンバー内に、前記第１の電極に対向しかつ平行に配置された、被処理体の支持部材を準備することと、
前記支持部材に接続された第２の高周波電源を準備することと、
高周波が印加される前記支持部材をプラズマ中のイオン引き込みに用いることと、
をさらに具備することを特徴とする請求項５または請求項６に記載のプラズマ生成方法。
【請求項８】 前記第１の高周波印加手段より、２７．１２ＭＨｚの高周波を印加することと、
前記磁場形成手段により、共鳴磁場である１０Ｇ（ガウス）の整数倍の磁場を、前記チャンバーの外周から電界方向に対して平行に形成することと、
をさらに具備することを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載のプラズマ生成方法。
【請求項９】 前記シャワーヘッドを絶縁材料で形成することと、
前記シャワーヘッドの内部空間に前記第１の電極を設けることと、
を具備することを特徴とする請求項７に記載のプラズマ生成方法。
【請求項１０】 プラズマ生成装置を含むプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、
プラズマ生成部を有し、排気システムを有するチャンバーを準備することと、
前記チャンバーを減圧状態に維持することと、
処理ガス供給系により、処理ガスを前記チャンバーの前記プラズマ生成部に導入することと、
前記処理ガス供給系から供給された処理ガスを、前記チャンバーの前記プラズマ生成部に、前記チャンバーから絶縁されかつ導体で形成されたシャワーヘッドを介してシャワー状に導入することと、
前記シャワーヘッドを第１の電極として用いることと、
第１の高周波印加手段により、前記処理室内の前記第１の電極に３〜３００ＭＨｚの範囲の高周波を印加することと、
前記チャンバー内で前記シャワーヘッドに対向しかつ平行に配置された支持部材により、被処理体を保持することと、
前記支持部材を第２の電極として用いることと、
磁場形成手段により、印加された高周波に対応する共鳴磁場の整数倍の磁場を、前記チャンバーの外周から前記被処理体に対して垂直、かつ電界方向に対して平行に形成することと、
前記支持部材に接続された第２の高周波電源により、前記被処理体に照射されるプラズマ中のイオンを前記被処理体に引き込む高周波を印加することと、
を具備することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１１】 前記シャワーヘッドを絶縁部材で形成することと、前記シャワーヘッドの内部空間に前記第１の電極を設けることとをさらに具備することを特徴とする請求項１０に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１２】 前記第１の高周波電源により印加される高周波を１００ＭＨｚ以下に設定することをさらに具備することを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１３】 前記処理ガスとして、ＣＨＦ ３ 、ＣＦ ４ 、もしくはＣ ４ Ｆ ８ を含むハロゲン含有ガス、ＣＯガス、またはＯ ２ ガスを含む反応ガスと、Ａｒを含む不活性ガスを含有する希釈ガスを、被処理体の上に形成された被エッチング膜に対応するエッチングのためのガスとして供給することと、
前記プラズマ処理装置をプラズマエッチング装置として用いることと、
をさらに具備することを特徴とする請求項１０から請求項１２のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１４】 前記処理ガスとして、ＳｉＨ ４ ＋Ｏ ２ 、ＷＦ ６ ＋Ｈ ２ 、およびＴｉＣｌ ４ ＋ＮＨ ３ のいずれかを含み、前記被処理体の上に堆積された膜に対応する反応ガスを供給することと、
前記プラズマ処理装置をプラズマ成膜装置として用いることと、
をさらに具備することを特徴とする請求項１０に記載のプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体に対するエッチング処理、成膜処理等のプラズマ処理に用いるプラズマ生成方法、このようなプラズマ処理を行うプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体ウエハ上に形成された薄膜の所定部分を所定形状に微細加工する技術として、ドライエッチング装置が多用されている。従来のドライエッチング装置は平行平板型電極を有するものが主流であり、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）方式と、ＰＥ（プラズマエッチング）方式が知られている。いずれの方式の場合にも、減圧されたチャンバー内にエッチングガスのプラズマを形成して半導体ウエハ上の薄膜をエッチングするものであり、エッチングガスによるプラズマを生成させる観点およびそれを維持する観点から、エッチング室内のガス圧力を数１００ｍＴｏｒｒ以上の比較的高い圧力に設定する必要がある。このように、比較的高い圧力雰囲気下におけるエッチングでは、反応副生成物が塵埃となり、特に近年の微細処理が求められる半導体装置においては、その塵埃が処理の歩留まりを低下させる原因となっている。
【０００３】
また、ＲＩＥ方式のドライエッチング装置では、物理的エッチングが主体であるため、たとえば５００〜６００ｅＶもの高エネルギーのイオンがウエハに向けて入射され、これによって半導体ウエハがダメージを受けるという問題がある。
【０００４】
一方、近年、比較的低圧雰囲気にて高密度のプラズマを生成して微細加工のエッチングを行うマグネトロンプラズマエッチング装置が実用化されている。この装置は、磁場を半導体ウエハに対して水平に印加するとともに、これに直交する高周波電界を印加して、マグネトロン放電を生じさせてエッチングするものである。
【０００５】
しかし、この装置は被処理体に対して水平に磁場を印加するため、本質的に磁場方向に荷電粒子がドリフトするいわゆるＥ×Ｂドリフトが生じる。その結果、輸送される荷電粒子の下流側と上流側では、プラズマの密度のバランスが崩れ、不均一になりやすいという本質的な問題があり、これが半導体ウエハのチャージアップダメージを引き起こす。
【０００６】
これに対して、このようなＥ×Ｂドリフトに基づくプラズマの不均一が本質的に生じにくい磁場形成手段を用いてプラズマ密度を向上させたエッチング装置として、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）方式のプラズマエッチング装置が検討されている。
【０００７】
しかし、この方式の場合には、周波数が数ＧＨｚのマイクロ波を用いているため、共鳴磁場が極めて大きなものとなる。例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波に対応した共鳴磁場は８７５Ｇとなり、極めて大型の電磁石が必要となって現実的ではない。また、処理チャンバーへ大電力を投入する必要があるが、その場合には導波管を用いなければならず、装置構成が複雑になってしまう。一方、このような問題を解決するために印加する高周波の周波数を低下させることが考えられるが、その場合には電子のラーマー半径が大きくなって、電子がサイクロトロン運動をする前にチャンバー壁に衝突してエネルギーを失うこととなり、プラズマの密度を向上させることが困難となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、大型の電磁石および複雑な装置構成を用いることなく、均一で高密度のプラズマを生成することができるプラズマ生成方法、ならびに、このような方法で生成したプラズマによるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１発明は、被処理体に対してプラズマ処理が行われる処理室と、
前記処理室内において被処理体を支持する支持部材と、
前記処理室にプラズマ処理のための処理ガスを導入する処理ガス導入手段と、
前記処理室内の電極に３〜３００ＭＨｚの範囲内の高周波を印加する高周波印加手段と、
印加された高周波に対応する共鳴磁場の整数倍の磁場を被処理体に対して垂直、かつ電界方向に対して平行に形成する磁場形成手段と
を具備することを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【００１０】
第２発明は、第１発明のプラズマ処理装置において、前記高周波印加手段は、前記処理室内の電極に３〜１００ＭＨｚの範囲内の高周波を印加することを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【００１１】
第３発明は、第１発明または第２発明のプラズマ処理装置において、前記処理ガス導入手段は、前記支持部材上の被処理体に向けて処理ガスを供給する多数の孔を有し、内部に空間を有する導電体のシャワーヘッドを備え、該シャワーヘッドが電極として機能することを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【００１２】
第４発明は、第１発明または第２発明のプラズマ処理装置において、前記処理ガス導入手段は、前記支持部材上の被処理体に向けて処理ガスを供給する多数の孔を有し、内部に空間を有する絶縁体のシャワーヘッドを備え、該シャワーヘッドの空間内に前記電極が配置されることを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【００１３】
第５発明は、プラズマ生成装置において用いるためのプラズマ生成法であって、
排気システムを有し、その中の減圧状態を維持可能なチャンバーを準備すること、
処理ガス供給系により、処理ガスを前記チャンバーに導入することと、
第１の高周波印加手段により、前記処理室内の第１の電極に３〜３００ＭＨｚの範囲の高周波を印加することと、
磁場形成手段により、印加された高周波に対応する共鳴磁場の整数倍の磁場を、前記チャンバーの外周から電界方向に対して平行に形成することと、
を具備することを特徴とするプラズマ生成方法を提供する。
【００１４】
第６発明は、第５発明のプラズマ生成方法において、前記処理ガスを導入する手段として多数のガス吐出口が形成されたシャワーヘッドを有する導体を準備することをさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ生成方法を提供する。
【００１５】
第７発明は、第５発明または第６発明のプラズマ生成方法において、前記チャンバー内に、前記第１の電極に対向しかつ平行に配置された、被処理体の支持部材を準備することと、
前記支持部材に接続された第２の高周波電源を準備することと、
高周波が印加される前記支持部材をプラズマ中のイオン引き込みに用いることと、
をさらに具備することを特徴とするプラズマ生成方法を提供する。
【００１６】
第８発明は、第５発明から第７発明のいずれかのプラズマ生成方法において、
前記第１の高周波印加手段より、２７．１２ＭＨｚの高周波を印加することと、
前記磁場形成手段により、共鳴磁場である１０Ｇ（ガウス）の整数倍の磁場を、前記チャンバーの外周から電界方向に対して平行に形成することと、
をさらに具備することを特徴とするプラズマ生成方法を提供する。
【００１７】
第９発明は、第６発明のプラズマ生成方法において、前記シャワーヘッドを絶縁材料で形成することと、
前記シャワーヘッドの内部空間に前記第１の電極を設けることと、
を具備することを特徴とするプラズマ生成方法を提供する。
【００１８】
第１０発明は、プラズマ生成装置を含むプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、
プラズマ生成部を有し、排気システムを有するチャンバーを準備することと、
前記チャンバーを減圧状態に維持することと、
処理ガス供給系により、処理ガスを前記チャンバーの前記プラズマ生成部に導入することと、
前記処理ガス供給系から供給された処理ガスを、前記チャンバーの前記プラズマ生成部に、前記チャンバーから絶縁されかつ導体で形成されたシャワーヘッドを介してシャワー状に導入することと、
前記シャワーヘッドを第１の電極として用いることと、
第１の高周波印加手段により、前記処理室内の前記第１の電極に３〜３００ＭＨｚの範囲の高周波を印加することと、
前記チャンバー内で前記シャワーヘッドに対向しかつ平行に配置された支持部材により、被処理体を保持することと、
前記支持部材を第２の電極として用いることと、
磁場形成手段により、印加された高周波に対応する共鳴磁場の整数倍の磁場を、前記チャンバーの外周から前記被処理体に対して垂直、かつ電界方向に対して平行に形成することと、
前記支持部材に接続された第２の高周波電源により、前記被処理体に照射されるプラズマ中のイオンを前記被処理体に引き込む高周波を印加することと、
を具備することを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。
【００１９】
第１１発明は、第１０発明のプラズマ処理方法において、前記シャワーヘッドを絶縁部材で形成することと、前記シャワーヘッドの内部空間に前記第１の電極を設けることとをさらに具備することを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。
【００２０】
第１２発明は、第１０発明または第１１発明のプラズマ処理方法において、前記第１の高周波電源により印加される高周波を１００ＭＨｚ以下に設定することをさらに具備することを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。
【００２１】
第１３発明は、第１０発明から第１２発明のいずれかのプラズマ処理方法において、前記処理ガスとして、ＣＨＦ ３ 、ＣＦ ４ 、もしくはＣ ４ Ｆ ８ を含むハロゲン含有ガス、ＣＯガス、またはＯ ２ ガスを含む反応ガスと、Ａｒを含む不活性ガスを含有する希釈ガスを、被処理体の上に形成された被エッチング膜に対応するエッチングのためのガスとして供給することと、
前記プラズマ処理装置をプラズマエッチング装置として用いることと、
をさらに具備することを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。
第１４発明は、第１０発明のプラズマ処理方法において、前記処理ガスとして、ＳｉＨ ４ ＋Ｏ ２ 、ＷＦ ６ ＋Ｈ ２ 、およびＴｉＣｌ ４ ＋ＮＨ ３ のいずれかを含み、前記被処理体の上に堆積された膜に対応する反応ガスを供給することと、
前記プラズマ処理装置をプラズマ成膜装置として用いることと、
をさらに具備することを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。
【００２２】
本発明においては、被処理体に垂直に磁場を印加するので、本質的にＥ×Ｂドリフトに基づくプラズマの不均一が生じず、チャージアップダメージの問題を回避することができる。すなわち、水平磁場の場合には、Ｅ×Ｂドリフトによって、被処理体の面方向に荷電粒子が移動し、その結果、被処理体の位置によりプラズマ密度が不均一になるが、垂直磁場の場合は、荷電粒子が被処理体の面に垂直に移動するから、磁場分布が面内で均一であれば、このような不均一は生じない。また、３〜３００ＭＨｚという従来のＥＣＲ方式における周波数よりも遙かに小さい周波数を用いるので、大きな磁場を必要とせず、また、大電力が不要であるため装置構成を複雑にする必要もない。さらに、マイクロ波領域の高周波を用いた場合におけるプラズマの均一性確保の困難性の問題も解消され、高密度のプラズマを形成することができる。
【００２３】
本発明は、本発明者の以下の知見に基づいている。
例えば、２７．１２ＭＨｚの超短波領域の高周波を印加する場合には、共鳴磁場強度は約１０Ｇとなり、この条件での電子のラーマー半径は、シース加速電圧を１０００Ｖとした場合、約９ｃｍとなり、マイクロ波領域である２．４５ＧＨｚを印加した場合の１４０倍となる。しかし、磁場強度を共鳴磁場の整数倍にすると、共鳴周波数を整数倍にした際と同等のプラズマが生成される（Japanese Journal of Applied Physics Vol.29,No.11,1990,pp2641-2643）。つまり、周波数をそのままにしてラーマー半径のみを整数分の１にすることができる。したがって、印加する高周波の周波数が小さくてもエネルギー損失を回避することができる。この場合に、磁場が整数倍となっても高々１００Ｇ程度でよいので、小型のマグネットで十分である。
【００２４】
なお、印加する高周波の周波数を３〜３００ＭＨｚにしたのは、この領域であれば磁場が小さくてよく、またこの領域がＶＨＦ〜ＵＨＦの領域であり装置の構成上、電力の投入が容易だからである。この範囲の中でも１５０ＭＨｚ以下が好ましく、異常放電およびロスを少なくする観点からは１００ＭＨｚ以下が特に好ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明のプラズマ処理装置をエッチング処理装置に適用した一実施形態を示す断面図である。このエッチング装置は、ステンレスまたはアルミニウムからなり、減圧可能に構成され、小径の上部１ａと大径の下部１ｂとからなる段つき円筒状のチャンバー１を有している。このチャンバー１内には、被処理体である半導体ウエハＷ基板を水平に支持するための支持テーブル２が図示しない昇降機構により昇降可能に設けられている。半導体ウエハＷは、真空チャック、静電チャック、クランプリング等の適宜の固定手段により支持テーブル２に固定される。支持テーブル２の下方の駆動部分は、ベローズ３で覆われている。なお、チャンバー１は接地されており、支持テーブル２の中に冷媒流路が設けられ冷却可能となっている。
【００２６】
チャンバー１の天壁近傍には、支持テーブル２に対向するようにシャワーヘッド４が設けられている。シャワーヘッド４は、その下面に多数のガス吐出孔５が設けられており、かつその上部にガス導入部６を有している。そして、ガス導入部６が絶縁部材７を介してチャンバー１の天壁に取り付けられている。ガス導入部６にはガス供給配管８が接続されており、このガス供給配管８の他端には、エッチング用の反応ガスおよび希釈ガスからなる処理ガスを供給する処理ガス供給系９が接続されている。この場合に、反応ガスとしては、例えばＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｃ４Ｆ８等のハロゲン含有ガスやＣＯガス、Ｏ２ガス等が用いられ、希釈ガスとしては、Ａｒガス等の不活性ガスが用いられる。このような処理ガスにより、半導体ウエハＷに形成された膜、例えば酸化膜がエッチングされる。
【００２７】
シャワーヘッド４には、図示しないマッチング回路を介して高周波電源１０が接続されている。この高周波電源１０は３〜３００ＭＨｚの範囲内の周波数を有している。そして、この高周波電源１０より上記範囲の周波数の高周波電力が供給されることにより、チャンバー１内に垂直に３〜３００ＭＨｚの高周波電界が形成される。
【００２８】
チャンバー１の上部１ａの周囲には、同心状に、空芯コイル１１が設けられている。この空芯コイル１１は、図示しない電源から電力が供給されることにより電磁石として機能し、これによりチャンバー１内に高周波電界と平行な垂直磁場が形成される。この場合に、磁場の大きさが、高周波電源１０から印加される高周波の共鳴磁場の整数倍の大きさになるように、空芯コイル１１に供給される電力が調整される。例えば、高周波電源１０から供給される高周波の波長が２７．１２ＭＨｚであるとすると、その際の共鳴磁場は約１０Ｇであるから、その整数倍、すなわち２０Ｇ、３０Ｇ、４０Ｇ……に設定される。そして、このような条件により電子サイクロトロン共鳴が生じ、チャンバー１内でＥＣＲプラズマが形成される。
【００２９】
また、支持テーブル２には、図示しないマッチング回路を介して高周波電源１２が接続されている。この高周波電源１２は、周波数が例えば５ＭＨｚ程度に設定され、プラズマ中のイオンを半導体ウエハＷに向けて引き込む。
【００３０】
チャンバー１の下部１ｂの一方の側壁にはゲートバルブ１３が設けられており、支持テーブル２が下降された状態で、このゲートバルブ１３を介して半導体ウエハＷが搬入出される。また、下部１ｂの他方の側壁には排気ポート１４が形成されており、この排気ポート１４には排気系１５が接続されている。そして排気系１５に設けられた真空ポンプを作動させることによりチャンバー１内を所定の真空度まで減圧することができる。
【００３１】
次に、このように構成されるエッチング装置の動作について説明する。
まず、ゲートバルブ１３を開にした状態で、図示しない搬送アームにより半導体ウエハＷをチャンバー１内に搬入し、半導体ウエハＷを支持テーブル２に載置し、搬送アームが退避した後、ゲートバルブ１３を閉じる。
【００３２】
次に、支持テーブル２を上昇させて、半導体ウエハＷとＥＣＲ面との距離を所定の距離、例えば５０ｍｍになるようにする。この場合に、支持テーブル２を通流する冷媒により半導体ウエハＷを所定の温度、例えば２０℃に冷却する。また、チャンバー１の壁およびシャワーヘッド４の温度は例えば６０℃に設定する。
【００３３】
この状態で、高周波電源１０から３〜３００ＭＨｚの範囲の所定の周波数の高周波電力をシャワーヘッド４に供給し、チャンバー１内に高周波電界を形成するとともに、空芯コイル１１に給電してチャンバー１内に垂直磁場を形成する。
【００３４】
そして、排気系１５の真空ポンプによりチャンバー１内を排気して１０−５〜１０−６Torr程度の減圧状態としてから、処理ガス供給源９から、反応ガスおよび希釈ガスからなる処理ガスを所定流量でシャワーヘッド４を介してチャンバー１内へ供給し、例えば、１０〜４０mTorrの圧力でエッチングする。この際の処理ガスの流量は、例えば、Ｃ４Ｆ８ガス：１０ｓｃｃｍ、ＣＯガス：５０ｓｃｃｍ、Ｏ２ガス：５ｓｃｃｍ、Ａｒガス：２００ｓｃｃｍである。
【００３５】
このとき、高周波電源１０から供給される高周波電力の周波数を３〜３００ＭＨｚの範囲内、好ましくは１５０ＭＨｚ以下、さらに好ましくは１００ＭＨｚ以下になるようにする。そして、空芯コイル１１に給電することによって得られる電磁石による垂直磁場の大きさを、印加された高周波の周波数における共鳴磁場の大きさの整数倍になるようにする。例えば、印加する高周波の周波数を６０ＭＨｚとした場合、共鳴磁場は２１．４５Ｇ、また、２７．１２ＭＨｚとした場合、共鳴磁場は約１０Ｇとなるが、それぞれ例えばこれらの倍の４２．９Ｇ、２０Ｇとする。
【００３６】
このように、磁場強度を共鳴磁場の整数倍、例えば２倍とすると、共鳴周波数を２倍にしたのと同様の効果が生じる。つまり、印加する周波数をそのままにして電子のラーマー半径のみを１／２とすることができる。したがって、印加する高周波の周波数が低い場合における、電子のラーマ半径が大きいことに伴うエネルギー損失の問題を回避することができ、高密度のプラズマを得ることができる。
【００３７】
例えば、２７．１２ＭＨｚの超短波領域の高周波を印加する場合には、共鳴磁場強度は約１０Ｇとなり、この条件での電子のラーマー半径は、シース加速電圧を１０００Ｖとした場合、約９ｃｍと大きく、電子がチャンバー壁に衝突する頻度が高いが、磁場強度を倍の２０Ｇとした場合は、共鳴周波数を倍にした際と同等のプラズマが形成され、電子のラーマー半径が約４．５ｃｍとなって、電子がチャンバー壁に衝突する頻度を著しく低下させることができ、プラズマ密度を高くすることができる。
【００３８】
このようなプラズマを形成しつつ、高周波電源１２から、例えば５ＭＨｚの高周波電力を支持テーブル２に供給することにより、プラズマ中のイオンを半導体ウエハＷに引き込み、半導体ウエハＷ上に形成された膜、例えば酸化膜（ＳｉＯ２）をエッチングする。
【００３９】
本実施の形態においては、電界方向と平行に磁場を印加するので、ウエハ近傍のシース領域では、電界方向と垂直に印加したときに生じるＥ×Ｂドリフトが、電子の熱運動速度成分を除けば、ほとんどない。したがって、Ｅ×Ｂドリフトによるプラズマの不均一は原理的に小さく、チャージアップダメージの問題を回避することができる。また、上述したように３〜３００ＭＨｚという従来のＥＣＲ方式における周波数よりも遙かに小さい周波数を用いることが可能であるから、大きな磁場を必要とせず、また、大電力が不要であるため装置構成を大型化および複雑化する必要もない。さらに、この範囲の周波数は、電力投入しやすいという利点もある。また、周波数が１００ＭＨｚ以下の場合には、異常放電およびロスを少なくすることができることから、この範囲が特に好ましい。
【００４０】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
図２は、本発明のプラズマ処理装置をエッチング装置に適用した他の実施形態を示す断面図であり、図１と同等のものには同じ符号を付して説明を省略する。図２の装置は誘導結合型のプラズマ発生部を有している。この装置では、図１のシャワーヘッド４に代えて、絶縁性のシャワーヘッド４’を用い、さらにこれに連続して絶縁性のガス導入部６’を用いている。そして、シャワーヘッド４’の下面に形成されたガス吐出孔５’からガスが吐出される。また、シャワーヘッド４’の内部空間には水平に電極１６が設けられており、この電極１６に高周波電源１０が接続されている。したがって、この装置においては、高周波電源１０から電極１６に高周波電力が印加されることにより高周波電界が形成される。
【００４１】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されることなく、種々変形可能である。処理ガスとして用いた反応ガスおよび希釈ガスの種類は、例示したものに限らず被処理体に応じて種々ガスを単独または組合せて用いることができる。また、希釈ガスは必ずしも用いなくてもよい。処理ガスを選択することにより、被エッチング膜も酸化膜に限らず種々の膜に適用することができる。さらに被処理体としては、半導体ウエハに限らず、液晶表示装置のガラス基板等他のものであってもよい。
【００４２】
また、上記実施の形態では本発明をエッチング装置に適用したが、本発明の原理上エッチング装置に限らず、他のプラズマ処理に適用可能であることは明らかである。例えば、処理ガスを適宜選択することにより、ＣＶＤ成膜装置に適用することも可能である。例えば、以下に示す反応等種々のものが考えられる。
ＳｉＨ４＋Ｏ２ → ＳｉＯ２
ＷＦ６＋Ｈ２ → Ｗ
ＴｉＣｌ４＋ＮＨ３ → ＴｉＮ
【００４３】
また、ＣＶＤ成膜の他、チャンバー内に半導体ウエハと対峙するようにターゲットを配置することによってプラズマによりターゲットをスパッタするように構成された、ＰＶＤ的な成膜装置にも適用することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ＥＣＲ方式によるプラズマ発生機構をプラズマ処理装置に適用し、被処理体に垂直に磁場を印加するので、本質的にＥ×Ｂドリフトに基づくプラズマの不均一が生じず、チャージアップダメージの問題を回避することができる。また、３〜３００ＭＨｚという従来のＥＣＲ方式における周波数よりも遙かに小さい周波数を用いるので、大きな磁場を必要とせず、また、大電力が不要であるため、大型の磁石が不要であり、装置構成を複雑にする必要もない。さらに、マイクロ波領域の高周波を用いた場合のプラズマの均一性確保の困難性も解消され、高密度のプラズマを形成することができる。
【００４５】
そして、３〜３００ＭＨｚの範囲の周波数であれば、電力投入も容易である。さらに、印加する高周波の周波数を１００ＭＨｚ以下とすることにより、異常放電およびロスを少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明のプラズマ処理装置をエッチング装置に適用した一実施形態を示す断面図。
【図２】
本発明のプラズマ処理装置をエッチング装置に適用した他の実施形態を示す断面図。
【符号の説明】
１……チャンバー
２……支持テーブル
４……シャワーヘッド
９……処理ガス供給系
１０，１２……高周波電源
１１……空芯コイル
１５……排気系
Ｗ……半導体ウエハ
[Document name] Statement
[Name of invention] plasma generation method,Plasma processing apparatus and plasma processing method
[Claims]
[Claim 1] A processing chamber in which plasma processing is performed on a workpiece;
A support member that supports the object to be processed within the processing chamber;
A processing gas introduction means for introducing processing gas for plasma processing into the processing chamber;
A high-frequency application means for applying high-frequency waves in the range of 3 to 300 MHz to the electrodes in the processing chamber;
A magnetic field generating means for generating a magnetic field that is an integer multiple of the resonant magnetic field corresponding to the applied high frequency, perpendicular to the object to be processed and parallel to the electric field direction.
A plasma processing apparatus characterized by having:
Claim 2] A plasma processing apparatus as described in claim 1, characterized in that the high-frequency application means applies a high-frequency wave in the range of 3 to 100 MHz to the electrode in the processing chamber.
Claim 3] A plasma processing apparatus as described in claim 1 or claim 2, characterized in that the processing gas introduction means has a conductive shower head having a plurality of holes for supplying processing gas toward the workpiece on the support member and an internal space, the shower head functioning as an electrode.
Claim 4] The plasma processing apparatus described in claim 1 or claim 2, characterized in that the processing gas introduction means includes an insulating shower head having a plurality of holes for supplying processing gas toward the workpiece on the support member and a space therein, and the electrode is disposed within the space of the shower head.
[Claim 5] A plasma generation method for use in a plasma generation device, comprising:
providing a chamber having an exhaust system and capable of maintaining a reduced pressure therein;
introducing a process gas into the chamber via a process gas supply system;
applying a high frequency wave in the range of 3 to 300 MHz to a first electrode in the processing chamber by a first high frequency wave applying means;
forming a magnetic field that is an integer multiple of the resonant magnetic field corresponding to the applied high frequency wave from the outer periphery of the chamber in parallel to the electric field direction by a magnetic field forming means;
A plasma generating method comprising:
[Claim 6] 6. The plasma generating method according to claim 5, further comprising: preparing a conductor having a shower head with a number of gas ejection ports formed therein as the means for introducing the processing gas.
[Claim 7] providing a support member for a workpiece in the chamber, the support member being arranged opposite and parallel to the first electrode;
providing a second high frequency power source connected to the support member;
using the support member to which high frequency is applied for attracting ions into the plasma;
7. The plasma generating method according to claim 5 or 6, further comprising:
[Claim 8] applying a high frequency of 27.12 MHz from the first high frequency application means;
forming a magnetic field of an integral multiple of 10 G (Gauss), which is a resonant magnetic field, from the outer periphery of the chamber parallel to the electric field direction by the magnetic field forming means;
8. The plasma generating method according to claim 5, further comprising:
[Claim 9] forming the showerhead from an insulating material;
providing the first electrode in the interior space of the showerhead;
8. The plasma generating method according to claim 7, further comprising:
[Claim 10] A plasma processing method using a plasma processing apparatus including a plasma generation apparatus,
providing a chamber having a plasma generating portion and an exhaust system;
maintaining the chamber under reduced pressure;
introducing a processing gas into the plasma generating portion of the chamber through a processing gas supply system;
introducing the processing gas supplied from the processing gas supply system into the plasma generating portion of the chamber in a shower-like manner through a shower head insulated from the chamber and made of a conductor;
using the showerhead as a first electrode;
applying a high frequency in the range of 3 to 300 MHz to the first electrode in the processing chamber by a first high frequency application means;
holding a workpiece by a support member disposed in the chamber facing and parallel to the showerhead;
using the support member as a second electrode;
forming a magnetic field that is an integer multiple of a resonant magnetic field corresponding to the applied high frequency wave from the outer periphery of the chamber perpendicular to the object to be processed and parallel to the electric field direction by a magnetic field forming means;
applying a high frequency power to the support member by a second high frequency power supply connected to the support member, the high frequency power being used to attract ions in the plasma irradiated onto the object to be processed;
A plasma processing method comprising:
[Claim 11] 11. The plasma processing method according to claim 10, further comprising: forming the shower head from an insulating material; and providing the first electrode in an internal space of the shower head.
[Claim 12] 12. The plasma processing method according to claim 10, further comprising setting the high frequency applied by the first high frequency power supply to 100 MHz or less.
[Claim 13] The processing gas is CHF 3 , C.F. 4 , or C 4 F 8 a halogen-containing gas containing 2 supplying a reactive gas containing a gas and a dilution gas containing an inert gas containing Ar as a gas for etching a film to be etched formed on the object to be processed;
using the plasma processing apparatus as a plasma etching apparatus;
13. The plasma processing method according to claim 10, further comprising:
[Claim 14] The processing gas is SiH 4 +O 2 , W.F. 6 +H 2 , and TiCl 4 +NH 3 supplying a reaction gas corresponding to a film deposited on the object to be processed;
using the plasma processing apparatus as a plasma film forming apparatus;
11. The plasma processing method according to claim 10, further comprising:
[Detailed description of the invention]
0001
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention applies aagainstPlasma processing such as etching and film formationPlasma generation method for use in,Such a plasma treatment is performedThe present invention relates to a plasma processing apparatus and a plasma processing method.
0002
[Prior Art]
For example, dry etching equipment is widely used as a technique for micro-machining a specific portion of a thin film formed on a semiconductor wafer into a predetermined shape. Conventional dry etching equipment mainly uses parallel plate electrodes, and is known to use reactive ion etching (RIE) and plasma etching (PE). In both methods, etching is performed by generating a plasma of an etching gas in a reduced-pressure chamber to etch the thin film on the semiconductor wafer. To generate and maintain the plasma, the gas pressure in the etching chamber must be set at a relatively high pressure of several hundred mTorr or more. Thus, when etching under a relatively high-pressure atmosphere, reaction by-products become dust, which reduces processing yields, especially in semiconductor devices that require fine processing.
0003]
In addition, since RIE-type dry etching equipment mainly uses physical etching, high-energy ions, for example 500 to 600 eV, are incident on the wafer, which can damage the semiconductor wafer.
0004]
In recent years, magnetron plasma etching equipment has come into practical use, which generates high-density plasma in a relatively low-pressure atmosphere to perform etching for microfabrication. This equipment applies a magnetic field horizontally to the semiconductor wafer and a high-frequency electric field perpendicular to this, generating a magnetron discharge to perform etching.
0005]
However, because this device applies a magnetic field horizontally to the workpiece, so-called E×B drift occurs, in which charged particles essentially drift in the direction of the magnetic field. As a result, there is a fundamental problem in that the balance of plasma density is disrupted and prone to non-uniformity on the downstream and upstream sides of the transported charged particles, which can cause charge-up damage to semiconductor wafers.
0006]
In response to this, ECR (Electron Cyclotron Resonance) type plasma etching equipment is being considered as an etching equipment that improves plasma density by using a magnetic field forming means that is essentially less likely to cause plasma non-uniformity due to such E×B drift.
0007
However, this method uses microwaves with a frequency of several GHz, resulting in an extremely large resonant magnetic field. For example, the resonant magnetic field corresponding to 2.45 GHz microwaves is 875 G, which requires an extremely large electromagnet, making it impractical. Furthermore, a large amount of power must be input into the processing chamber, which necessitates the use of a waveguide, complicating the device configuration. While lowering the applied high-frequency frequency could solve these problems, this would increase the Larmor radius of the electrons, causing them to lose energy by colliding with the chamber wall before undergoing cyclotron motion, making it difficult to increase the plasma density.
0008]
[Problem the invention aims to solve]
The present invention was made in consideration of these circumstances, and it is possible to generate uniform, high-density plasma without using large electromagnets or complex device configurations.Generatecan bePlasma generation method and plasma generated by such methodAn object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus and a plasma processing method.
0009
[Means for solving the problem]
To solve the above problem, the first invention comprises a processing chamber in which plasma processing is performed on a workpiece;
A support member that supports the object to be processed within the processing chamber;
A processing gas introduction means for introducing processing gas for plasma processing into the processing chamber;
A high-frequency application means for applying high-frequency waves in the range of 3 to 300 MHz to the electrodes in the processing chamber;
A magnetic field generating means for generating a magnetic field that is an integer multiple of the resonant magnetic field corresponding to the applied high frequency, perpendicular to the object to be processed and parallel to the electric field direction.
We provide a plasma processing apparatus characterized by having:
0010]
The second invention provides a plasma processing apparatus according to the first invention, characterized in that the high-frequency application means applies a high-frequency wave in the range of 3 to 100 MHz to the electrode in the processing chamber.
0011]
The third invention provides a plasma processing apparatus according to the first or second invention, characterized in that the processing gas introduction means has a number of holes for supplying processing gas toward the workpiece on the support member, and is equipped with a conductive shower head having a space inside, and the shower head functions as an electrode.
0012]
The fourth invention provides a plasma processing apparatus according to the first or second invention, characterized in that the processing gas introduction means has a plurality of holes for supplying processing gas toward the workpiece on the support member, and is equipped with an insulating shower head having a space inside, and the electrode is disposed within the space of the shower head.
0013]
The fifth invention is:A plasma generation method for use in a plasma generation device, comprising:
providing a chamber having an exhaust system and capable of maintaining a reduced pressure therein;
introducing a process gas into the chamber via a process gas supply system;
applying a high frequency wave in the range of 3 to 300 MHz to a first electrode in the processing chamber by a first high frequency wave applying means;
forming a magnetic field that is an integer multiple of the resonant magnetic field corresponding to the applied high frequency wave from the outer periphery of the chamber in parallel to the electric field direction by a magnetic field forming means;
A plasma generating method comprising:to provide.
0014]
The sixth invention is the fifth inventionPlasma generation methodIn2. The plasma generating method according to claim 1, further comprising: preparing a conductor having a shower head formed with a number of gas outlets as a means for introducing the processing gas.provide.
0015]
A seventh invention is a plasma generation method according to the fifth or sixth invention, further comprising the steps of: preparing a support member for a processing object in the chamber, the support member being arranged opposite to and parallel to the first electrode;
providing a second high frequency power source connected to the support member;
using the support member to which high frequency is applied for attracting ions into the plasma;
The plasma generating method further comprises:
0016]
The eighth invention is a plasma generation method according to any one of the fifth to seventh inventions,,
applying a high frequency of 27.12 MHz from the first high frequency application means;
forming a magnetic field of an integral multiple of 10 G (Gauss), which is a resonance magnetic field, from the outer periphery of the chamber parallel to the electric field direction by the magnetic field forming means;
The plasma generating method further comprises:
0017]
A ninth aspect of the present invention is the plasma generation method according to the sixth aspect of the present invention, further comprising forming the shower head from an insulating material;
providing the first electrode in the interior space of the showerhead;
The present invention provides a plasma generation method comprising the steps of:
0018]
A tenth aspect of the present invention is a plasma processing method using a plasma processing apparatus including a plasma generation apparatus,
providing a chamber having a plasma generating portion and an exhaust system;
maintaining the chamber under reduced pressure;
introducing a processing gas into the plasma generating portion of the chamber through a processing gas supply system;
introducing the processing gas supplied from the processing gas supply system into the plasma generating portion of the chamber in a shower-like manner through a shower head insulated from the chamber and made of a conductor;
using the showerhead as a first electrode;
applying a high frequency in the range of 3 to 300 MHz to the first electrode in the processing chamber by a first high frequency application means;
holding a workpiece by a support member disposed in the chamber facing and parallel to the showerhead;
using the support member as a second electrode;
forming a magnetic field that is an integer multiple of a resonant magnetic field corresponding to the applied high frequency wave from the outer periphery of the chamber perpendicular to the object to be processed and parallel to the electric field direction by a magnetic field forming means;
applying a high frequency power to the support member by a second high frequency power supply connected to the support member, the high frequency power being used to attract ions in the plasma irradiated onto the object to be processed;
The present invention provides a plasma processing method comprising the steps of:
0019]
An eleventh invention provides the plasma processing method of the tenth invention, further comprising forming the shower head from an insulating material and providing the first electrode in an internal space of the shower head.
0020]
A twelfth aspect of the present invention provides the plasma processing method according to the tenth or eleventh aspect of the present invention, further comprising setting the high frequency power applied by the first high frequency power supply to 100 MHz or less.
0021]
A thirteenth aspect of the present invention is the plasma processing method according to any one of the tenth to twelfth aspects of the present invention, wherein the processing gas is CHF 3 , C.F. 4 , or C 4 F 8 a halogen-containing gas containing 2 supplying a reactive gas containing a gas and a dilution gas containing an inert gas containing Ar as a gas for etching a film to be etched formed on the object to be processed;
using the plasma processing apparatus as a plasma etching apparatus;
The present invention provides a plasma processing method further comprising:
A fourteenth aspect of the present invention is the plasma processing method according to the tenth aspect of the present invention, wherein the processing gas is SiH 4 +O 2 , W.F. 6 +H 2 , and TiCl 4 +NH 3 supplying a reaction gas corresponding to a film deposited on the object to be processed;
using the plasma processing apparatus as a plasma film forming apparatus;
The present invention provides a plasma processing method further comprising:
【0022】
In this invention, a magnetic field is applied perpendicular to the workpiece, essentially eliminating plasma non-uniformity due to E×B drift and avoiding the problem of charge-up damage. In other words, in the case of a horizontal magnetic field, E×B drift causes charged particles to move in the direction of the workpiece's surface, resulting in non-uniform plasma density depending on the workpiece's position. In the case of a vertical magnetic field, however, charged particles move perpendicular to the workpiece's surface, so if the magnetic field distribution is uniform within the surface, such non-uniformity does not occur. Furthermore, since a frequency much lower than that used in conventional ECR systems (3-300 MHz) is used, a large magnetic field is not required, and since high power is not required, there is no need for a complex device configuration. Furthermore, the difficulty of ensuring plasma uniformity when using high-frequency waves in the microwave range is also eliminated, allowing for the generation of high-density plasma.
【0023】
The present invention is based on the following findings of the inventor:
For example, when applying a 27.12 MHz ultrashort wave radio frequency, the resonant magnetic field strength is approximately 10 G. Under these conditions, the Larmor radius of electrons is approximately 9 cm when the sheath acceleration voltage is 1000 V, 140 times that when a 2.45 GHz microwave wave is applied. However, if the magnetic field strength is an integer multiple of the resonant magnetic field, plasma equivalent to that generated when the resonant frequency is an integer multiple is generated (Japanese Journal of Applied Physics Vol. 29, No. 11, 1990, pp. 2641-2643). In other words, the frequency can be left unchanged, while the Larmor radius can be reduced to an integer fraction. Therefore, energy loss can be avoided even when the applied radio frequency frequency is low. In this case, even when the magnetic field is an integer multiple, it is sufficient to use a small magnet, as it only needs to be approximately 100 G at most.
【0024】
The reason for applying high-frequency power of 3 to 300 MHz is that a small magnetic field is required in this range, and because this range is between VHF and UHF, power input is easy given the device's configuration. Within this range, frequencies below 150 MHz are preferred, with frequencies below 100 MHz being particularly preferred to reduce abnormal discharge and loss.
【0025】
[Embodiment of the invention]
The following describes an embodiment of the present invention with reference to the attached drawings.
Figure 1 is a cross-sectional view showing one embodiment in which the plasma processing apparatus of the present invention is applied to an etching processing apparatus. This etching apparatus is made of stainless steel or aluminum, is configured to be depressurized, and has a stepped cylindrical chamber 1 consisting of a small-diameter upper portion 1a and a large-diameter lower portion 1b. Within this chamber 1, a support table 2 for horizontally supporting a semiconductor wafer W substrate to be processed is provided, and can be raised and lowered by a lifting mechanism (not shown). The semiconductor wafer W is fixed to the support table 2 by an appropriate fixing means such as a vacuum chuck, electrostatic chuck, or clamp ring. The drive portion below the support table 2 is covered by a bellows 3. The chamber 1 is grounded, and a refrigerant flow path is provided within the support table 2 to enable cooling.
【0026】
A shower head 4 is provided near the ceiling wall of the chamber 1, facing the support table 2. The shower head 4 has a number of gas discharge holes 5 on its underside and a gas inlet 6 above it. The gas inlet 6 is attached to the ceiling wall of the chamber 1 via an insulating member 7. A gas supply pipe 8 is connected to the gas inlet 6, and the other end of this gas supply pipe 8 is connected to a process gas supply system 9 that supplies a process gas consisting of a reactive gas for etching and a dilution gas. In this case, the reactive gas may be, for example, CHF3, C.F.4, C4F8Halogen-containing gases such as CO gas and O2The processing gas is an inert gas such as Ar gas, and the dilution gas is an inert gas such as Ar gas. Films formed on the semiconductor wafers W, such as oxide films, are etched by such processing gases.
【0027】
A high-frequency power supply 10 is connected to the shower head 4 via a matching circuit (not shown). This high-frequency power supply 10 has a frequency in the range of 3 to 300 MHz. When high-frequency power of this frequency range is supplied from this high-frequency power supply 10, a high-frequency electric field of 3 to 300 MHz is formed vertically within the chamber 1.
【0028】
An air-core coil 11 is concentrically arranged around the upper part 1a of the chamber 1. When power is supplied from a power source (not shown), this air-core coil 11 functions as an electromagnet, thereby forming a vertical magnetic field parallel to the high-frequency electric field within the chamber 1. In this case, the power supplied to the air-core coil 11 is adjusted so that the magnitude of the magnetic field is an integer multiple of the high-frequency resonant magnetic field applied from the high-frequency power supply 10. For example, if the wavelength of the high-frequency wave supplied from the high-frequency power supply 10 is 27.12 MHz, the resonant magnetic field at that time is approximately 10 G, so the power is set to an integer multiple of that, i.e., 20 G, 30 G, 40 G, etc. Under these conditions, electron cyclotron resonance occurs, and ECR plasma is formed within the chamber 1.
【0029】
A high-frequency power supply 12 is also connected to the support table 2 via a matching circuit (not shown). This high-frequency power supply 12 has a frequency set to, for example, about 5 MHz, and draws ions in the plasma toward the semiconductor wafer W.
【0030】
A gate valve 13 is provided on one side wall of the lower part 1b of the chamber 1, and when the support table 2 is lowered, a semiconductor wafer W is loaded or unloaded through this gate valve 13. An exhaust port 14 is formed on the other side wall of the lower part 1b, and an exhaust system 15 is connected to this exhaust port 14. The pressure inside the chamber 1 can be reduced to a predetermined vacuum level by operating a vacuum pump provided in the exhaust system 15.
【0031】
Next, we will explain the operation of the etching apparatus configured in this manner.
First, with the gate valve 13 open, a semiconductor wafer W is loaded into the chamber 1 by a transfer arm (not shown), the semiconductor wafer W is placed on the support table 2, and after the transfer arm is retracted, the gate valve 13 is closed.
【0032】
Next, the support table 2 is raised to a predetermined distance, for example, 50 mm, between the semiconductor wafer W and the ECR surface. The semiconductor wafer W is then cooled to a predetermined temperature, for example, 20°C, by a refrigerant flowing through the support table 2. The temperatures of the walls of the chamber 1 and the shower head 4 are set to, for example, 60°C.
【0033】
In this state, high-frequency power of a predetermined frequency in the range of 3 to 300 MHz is supplied from the high-frequency power source 10 to the shower head 4, forming a high-frequency electric field within the chamber 1, and power is supplied to the air-core coil 11 to form a vertical magnetic field within the chamber 1.
【0034】
Then, the chamber 1 is evacuated using the vacuum pump of the exhaust system 15.−5~10−6After the pressure is reduced to about 1000 Torr, a process gas consisting of a reaction gas and a dilution gas is supplied from the process gas supply source 9 to the chamber 1 through the shower head 4 at a predetermined flow rate, and etching is performed at a pressure of, for example, 10 to 40 mTorr.4F8Gas: 10 sccm, CO gas: 50 sccm, O2Gas: 5 sccm, Ar gas: 200 sccm.
【0035】
In this case, the frequency of the high-frequency power supplied from the high-frequency power source 10 is set to a range of 3 to 300 MHz, preferably 150 MHz or less, and more preferably 100 MHz or less. The magnitude of the vertical magnetic field generated by the electromagnet obtained by supplying power to the air-core coil 11 is set to an integer multiple of the magnitude of the resonant magnetic field at the applied high-frequency frequency. For example, if the applied high-frequency frequency is 60 MHz, the resonant magnetic field is 21.45 G, and if it is 27.12 MHz, the resonant magnetic field is approximately 10 G. The resonant magnetic field is set to double these values, for example, 42.9 G and 20 G, respectively.
【0036】
In this way, if the magnetic field strength is an integer multiple of the resonant magnetic field, for example, doubled, the same effect as doubling the resonant frequency is achieved. In other words, the applied frequency remains the same, and only the Larmor radius of the electrons can be halved. Therefore, the problem of energy loss associated with a large Larmor radius of the electrons when the applied high frequency frequency is low can be avoided, and high-density plasma can be obtained.
【0037】
For example, when a high frequency wave in the ultrashort wave range of 27.12 MHz is applied, the resonant magnetic field strength is approximately 10 G, and under these conditions the Larmor radius of electrons is large at approximately 9 cm when the sheath acceleration voltage is 1000 V, resulting in a high frequency of electron collisions with the chamber wall. However, when the magnetic field strength is doubled to 20 G, a plasma equivalent to that formed when the resonant frequency is doubled is formed, and the Larmor radius of electrons becomes approximately 4.5 cm, significantly reducing the frequency of electron collisions with the chamber wall and increasing the plasma density.
【0038】
While forming such a plasma, high-frequency power, for example, 5 MHz, is supplied from the high-frequency power supply 12 to the support table 2, thereby attracting ions in the plasma to the semiconductor wafer W and forming a film, such as an oxide film (SiO2) is etched.
【0039】
In this embodiment, the magnetic field is applied parallel to the electric field. Therefore, in the sheath region near the wafer, the E×B drift that occurs when the electric field is applied perpendicular to the direction of the electric field is virtually nonexistent, except for the thermal velocity component of electrons. Therefore, plasma nonuniformity due to E×B drift is theoretically small, and the problem of charge-up damage can be avoided. Furthermore, as mentioned above, it is possible to use frequencies much lower than those used in conventional ECR systems, from 3 to 300 MHz. This eliminates the need for a large magnetic field and high power, eliminating the need for a large and complex device configuration. Furthermore, frequencies in this range offer the advantage of easy power input. Furthermore, frequencies below 100 MHz are particularly preferred because they can reduce abnormal discharge and loss.
【0040】
Next, we will describe other embodiments of the present invention.
Figure 2 is a cross-sectional view showing another embodiment in which the plasma processing apparatus of the present invention is applied to an etching apparatus. Components equivalent to those in Figure 1 are designated by the same reference numerals and will not be described further. The apparatus in Figure 2 has an inductively coupled plasma generation unit. In this apparatus, an insulating shower head 4' is used instead of the shower head 4 in Figure 1, and an insulating gas inlet 6' is connected to the shower head 4'. Gas is then discharged from gas discharge holes 5' formed on the underside of the shower head 4'. An electrode 16 is horizontally disposed within the interior space of the shower head 4', and a high-frequency power supply 10 is connected to this electrode 16. Therefore, in this apparatus, a high-frequency electric field is formed by applying high-frequency power from the high-frequency power supply 10 to the electrode 16.
【0041】
The present invention is not limited to the above-described embodiment and can be modified in various ways. The types of reactive gas and dilution gas used as the processing gas are not limited to those exemplified, and various gases can be used alone or in combination depending on the object to be processed. Furthermore, the use of a dilution gas is not necessarily required. By selecting the processing gas, the film to be etched can be various films, not just oxide films. Furthermore, the object to be processed is not limited to semiconductor wafers, and can be other objects such as glass substrates for liquid crystal display devices.
【0042】
In addition, while the above embodiment describes the application of the present invention to an etching apparatus, it is clear that the principles of the present invention are not limited to etching apparatuses and can be applied to other plasma processes. For example, by selecting the processing gas appropriately, it can also be applied to CVD film formation apparatuses. For example, various reactions such as those shown below can be considered.
SiH4+O2→ SiO2
WF6+H2→ W
TiCl4+NH3→ TiN
【0043】
In addition to CVD film formation, it can also be applied to PVD-type film formation equipment that is configured to sputter a target using plasma by placing the target opposite the semiconductor wafer in the chamber.
【0044】
[Effects of the invention]
As explained above, according to the present invention, an ECR-based plasma generation mechanism is applied to a plasma processing apparatus, and a magnetic field is applied perpendicular to the workpiece. This essentially eliminates plasma non-uniformity due to E×B drift, and avoids the problem of charge-up damage. Furthermore, since a frequency of 3 to 300 MHz, much lower than that used in conventional ECR methods, is used, a large magnetic field is not required, and since high power is not required, large magnets are not required, and there is no need to complicate the device configuration. Furthermore, the difficulty of ensuring plasma uniformity when using high frequencies in the microwave range is eliminated, making it possible to generate high-density plasma.
【0045】
Furthermore, power supply is easy if the frequency is in the range of 3 to 300 MHz. Furthermore, by keeping the applied high-frequency frequency below 100 MHz, abnormal discharge and loss can be reduced.
[Brief explanation of the drawing]
[Figure 1]
Cross-sectional view showing one embodiment in which the plasma processing apparatus of the present invention is applied to an etching apparatus.
[Figure 2]
Cross-sectional view showing another embodiment in which the plasma processing apparatus of the present invention is applied to an etching apparatus.
[Symbol explanation]
1...Chamber
2...Support table
4...Shower head
9...Processing gas supply system
10, 12...High frequency power supply
11...Air core coil
15...Exhaust system
W...Semiconductor wafer