JP4223143B2

JP4223143B2 - Plasma processing equipment

Info

Publication number: JP4223143B2
Application number: JP16523199A
Authority: JP
Inventors: ウィクラマナヤカスニル
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 1999-06-11
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2019-06-11
Also published as: JP2000353667A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理装置に関し、特に、半導体産業における化学気相成長過程（ＣＶＤ）または集積回路でのミクロン規模の素子のエッチングのため、有用なイオン、電子、中性ラジカルを供給できる改善されたプラズマ源を備えたプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体産業に対する直径３００ｍｍのシリコンウェハー（または基板）の到来に伴って、処理されるべき基板の前面に渡って均一なプラズマ密度を有する高密度プラズマが非常に要求されている。直径２００ｍｍのウェハー処理のために設計された現存するプラズマ装置のスケールアップはこの要求を満たす１つのアプローチであるけれども、それは現存するプラズマ装置のハードウェア的な困難性によって妨げられる。このことは、図５と図６に従って、主に従来の直径２００ｍｍのウェハーのプラズマ処理装置に用いらる、２つの従来のプラズマ源を用いて説明される。
【０００３】
図５は従来のプラズマ源の一例を示す。反応容器５０は上部プレート５１と底部プレート５２と円筒形側壁５３によって構成されている。当該反応容器５０において、同様にまた基板ホルダである高周波電極(an rf electrode) ５４が、通常、底部プレート５２に接近した低い位置に配置され、かつそれは上部プレート５１と底部プレート５２の両方に平行となっている。高周波電極５４は絶縁ステージ５５によって反応容器５０から電気的に絶縁されており、絶縁ステージ５５は底部プレート５２の上に配置されている。高周波電極５４は整合回路５７を介して高周波電源５６によって生成された高周波電流を供給される。反応容器５０は電気的にワイヤ５８を通して接地されている。処理されるべき基板５９は高周波電極５４の上に載置されている。さらに、円筒形側壁５３は基板出し入れポート６０とガス排気ポート６１を有している。図５においてガス排気ポート６１に接続される排気機構は示されていない。
【０００４】
反応容器５０の構成によれば、所定の条件において、上部プレート５１と高周波電極５４との間の空間において高周波電力の容量結合に基づいてプラズマが発生させられる。
【０００５】
図６は従来のプラズマ源の他の例を示す。この例において、反応容器５０の構成は、上部高周波電極６２と呼ばれるもう一つの高周波電極を除いて、図５に示された反応容器とほとんど同じである。この上部高周波電極６２に対し、ここでは、前述の高周波電極５４を下部高周波電極と呼ぶこととする。反応容器５０は、同様にまた、上部プレート５１と底部プレート５２と円筒形側壁５３を有している。上部高周波電極６２は同様にまた絶縁体６３によって反応容器５０から電気的に絶縁されている。絶縁体６３は上部プレート５１の外側に設けられ、上部高周波電極６２は絶縁体６３の下面の中央部に固定されている。この例において、上部プレート５１は中央開口部を有し、上部高周波電極６２は上部プレート５１の中央開口部に配置されている。上部高周波電極６２は整合回路６５を介して高周波電源６４によって高周波電流を与えられている。上部高周波電極６２に供給された高周波電流は、通常、下部高周波電極５４に供給された高周波電流よりもより高い周波数を持つ。上部高周波電極と下部高周波電極（６２，５４）の間に高周波電力の容量結合によってプラズマが生成される。
【０００６】
加えて、マグネットを利用する良く知られた成膜装置として、ＪＰ−Ｂ−８−１６２６６号の公告公報がある。この成膜装置はいろいろなマグネットを備えたスパッタリング装置である。これらのいろいろなマグネットは、ターゲットの内側表面の前における制限された領域内にプラズマ電子を閉じ込めるために用いられている。
【０００７】
【発明によって解決されるべき課題】
図５と図６に示された従来のプラズマ源の主たる問題の１つは、高周波電源からプラズマへの電力伝送効率が低いということである。このことは、高周波電力のかなりの部分が、望ましくないイオンの加速に消費されることに起因している。これは容量結合型プラズマの固有の属性である。これは、より低いプラズマ密度という結果をもたらす。さらに、直径３００ｍｍウェハー処理は０．２５μｍ−パタン技術と結合することが期待されているので、化学的処理は低い圧力で、例えばおよそ１０mTorr の圧力で実施されなければならないと考えられている。しかしながら、容量結合型プラズマのプラズマ密度は圧力の低下に伴ってさらに低下する。このようにして、経済的に実行可能な装置に要求される、より高い処理速度が得られない。
【０００８】
もし処理されるべき基板の直径が小さい、例えば２００ｍｍであるならば、より高い高周波電力がプラズマ密度を増加させるために印加され得る。しかしながら、もし基板の直径が３００ｍｍであるならば、同じ電力密度を維持するためには、供給される高周波電力は直径２００ｍｍの処理に用いられた高周波電力よりも２．２５倍だけ少なくとも増加されなければならない。何故ならば、直径３００ｍｍのウェハーの表面面積は直径２００ｍｍのウェハーのそれよりも２．２５倍大きいからである。それ故に、望ましい電力密度を維持するための高周波電力に要求されることは、いくつかの応用に制限する。加えて、直径２００ｍｍウェハー処理装置が直径３００ｍｍウェハー処理装置にその規模を拡大されたとき、処理チャンバにおける排気速度も同様にまた同じ反応速度を維持するために増加されなければならない。
【０００９】
これらのハードウェア的な困難性のために、図５と図６で示された直径２００ｍｍウェハー処理のための従来のプラズマ源は直径３００ｍｍウェハープラズマ源として単純に規模を大きくするということはできない。これらの問題を避けるためには、プラズマ源を、それが３００ｍｍ直径領域の全般に渡ってより高いプラズマ密度を作り出すことができるように設計することが重要である。さらに、その直径３００ｍｍウェハーの表面全般に渡ってより高いプラズマの均一性が達成されなければならない。それ故に、プラズマ支援異方性エッチング法のごときいくつかの半導体処理方法は、処理されるべき基板の全表面に渡って９５％を越えるプラズマ均一性を必要とする。
【００１０】
本発明の目的は、半導体産業で使用される大面積基板の化学気相成長またはエッチングに関して、均一なプラズマ密度で大きな面積に渡って高い密度のプラズマを作り出すことができ、カスプ磁界を利用して容量結合型の機構と電子の閉じ込めとを組み合わせることによって、上部高周波電極、上部プレート、そして円筒形側壁での電子損失を防止する、磁気によって促進される容量結合型プラズマを作り出すためのプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１１】
さらに本発明の他の目的は、より低いアスペクト比を有するプラズマ源を実現することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によるプラズマ処理装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
【００１３】
当該プラズマ処理装置は、反応容器において、化学気相成長法（ＣＶＤ過程）によって基板の上に膜を堆積する、または基板の表面をエッチングするためのものである。この反応容器は上部プレート、底部プレート、円筒形側壁から構成される。さらに、プラズマ処理装置は上部高周波電極と下部高周波電極と複数のリングマグネットを含んでいる。上部高周波電極は非磁性金属で作られドームの形状を有する、一方、下部高周波電極は金属で作られている。これらの電極は反応容器から電気的に絶縁されており、さらに容量型にて結合されている。処理されるべき基板は下部高周波電極の上に搭載され、両方の高周波電極からの高周波電力の容量結合によって上部高周波電極と下部高周波電極の間にプラズマが生成される。複数のリングマグネットは上部高周波電極の上部表面の上に配置され、それらは同心円的な位置関係を持っている。リングマグネットの共通の中心は上部高周波電極の中心に一致している。上記の構造において、リングマグネットの反応容器の内側に向かう極性は交互に変えられ、リングマグネットは上部高周波電極の内側表面の近くで閉じた磁束線を持つ円形線状のカスプ磁界を生成する。円形線状のカスプ磁界は上部高周波電極の内側表面での電子損失を防止するようにプラズマ電子を閉じ込める。
【００１４】
上記の構造において、複数のリングマグネットが直接的に上部高周波電極の外側表面に固定されている。
【００１６】
上記の構造において、さらに、上部高周波電極と上部プレートの両方は同じ平面内に配置され、リングマグネットは同様にまた上部プレートと円筒形側壁の外側に配置され、それらは同心円の位置関係にて交互の極性を持ち、そしてさらにリングマグネットは上部プレートと円筒形側壁の各々の内側表面の近くで閉じた磁束線を持つ円形線状のカスプ磁界を生成する。
【００１７】
前述の構造において、上部高周波電極と下部高周波電極は単一の高周波電源から生成された高周波電力を供給され、あるいは２つの異なる高周波の周波数で動作する個々の高周波電源から高周波電力を供給される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、添付された図面に従って好ましい実施形態が説明される。実施形態の説明を通して本発明の詳細が明らかにされる。
【００１９】
本発明の第１実施形態は図１と図２に従って説明される。図１は第１実施形態のプラズマ源の断面図を示し、図２は上部高周波電極の上のリングマグネットの配列を示す上部高周波電極の平面図である。第１実施形態のプラズマ処理装置は反応容器１０を有し、反応容器１０は上部プレート１１と底部プレート１２と円筒形側壁１３とから構成されている。さらに反応容器１０は上部高周波電極１４と下部高周波電極１５を含んでいる。
【００２０】
下部高周波電極１５は金属で作られ、かつ基板ホルダとして役立ち、さらに底部プレート１２に固定された絶縁体ステージ１６の上に配置されている。下部高周波電極１５は絶縁体ステージ１６によって反応容器１０から電気的に絶縁されている。処理されるべき基板１７は下部高周波電極１５の上に搭載されている。さらに、下部高周波電極１５は整合回路１９を介して高周波電源１８によって生成された高周波電流が供給される。
【００２１】
上部高周波電極１４は非磁性金属で作られ、例えばアルミニウムで作られる。上部プレート１１は比較的大きな直径を有する中央開口部を有し、上部高周波電極１４はこの中央開口部の中に配置されている。上部高周波電極１４と上部プレート１１は同じ平面内に位置する。絶縁体２０は上部プレート１１の上側に設けられ、上部高周波電極１４は絶縁体２０の下側表面の中央部分に固定されている。こうして上部高周波電極１４は絶縁体２０によってそれが上部プレート１１の中央部分に位置するように支持されている。上部高周波電極１４は下部高周波電極１５に対して平行に対向している。さらに、上部高周波電極１４は絶縁体２０によって反応容器１０から電気的に絶縁されている。上部高周波電極１４は整合回路２２を通して高周波電源２１から高周波電流が与えられる。上部高周波電極１４に供給された高周波電流は、通常、下部高周波電極１５に供給される高周波電流よりも高い。上部高周波電極と下部高周波電極は容量的に結合されている。高周波電極の容量結合によって上部高周波電極と下部高周波電極（１４，１５）の間にプラズマが生成される。
【００２２】
反応容器１０はワイヤ２３を通して電気的に接地されている。加えて、円筒形側壁１３は基板出し入れポート２４とガス排気ポート（真空出口）２５を有している。図１において、ガス排気ポート２５に接続される排気機構（またはポンプ装置）は図示されていない。反応容器１０の内部はガス排気機構によってガス排気ポート２５を通して所定の真空状態になるように排気される。
【００２３】
複数のリングマグネット２６が上部高周波電極１４の上に配置されている。この実施形態によれば、例えば、４つのリングマグネット２６が用いられている。これらのリングマグネット２６は、好ましくは、丸いあるいは円形の形状を有し、図２に示されるように同心円となるように配置されている。リングマグネット２６の共通の中心は円形の形状をした上部高周波電極１４の中心に一致している。上部高周波電極１４の上に配置された複数のリングマグネット２６は上部高周波電極１４の上に設けられた絶縁体２０の中に埋設されている。
【００２４】
前述の通り、上部と下部の電極１４，１５は両方とも反応容器１０から絶縁されており、整合回路２２，１９を通して個々の高周波電源２１，１８から高周波電力を供給される。しかしながら、両方の高周波電極に対し高周波電流を供給するように電力分配器を用いて１つの高周波電源を用いてもよい。図１に示されるごとく分離された高周波電源１８，２２が用いられるならば、通常、上部高周波電極１４に供給される高周波は、下部高周波電極１５に提供される高周波よりもより高い周波数を有する。
【００２５】
プロセスガスは、通常、上部高周波電極１４の上に作られたガス導入孔を通して供給される。図１においてプロセスガス供給機構あるいはガス導入孔は図示されていない。上部と下部の電極の直径は、基板１７の直径によって決められる。通常、下部高周波電極１５の直径は基板１７の直径と同じであり、一方、上部高周波電極１４の直径は、僅かばかり、通常、３０〜５０ｍｍ基板の直径よりも大きい。上部高周波電極１４の厚みは重要なことではなく、およそ１０ｍｍ程度である。
【００２６】
もし２つの異なる周波数がそれぞれ上部高周波電極１４と下部高周波電極１５に印加されるのであるならば、通常、プラズマは上部高周波電極１４からの高周波電力の容量結合によって生成され、上部高周波電極１４では高い周波数の高周波電力が印加される。下部高周波電極１５に与えられる低い周波数の高周波電力はほとんどプラズマにおいて下部高周波電極１５に向かうイオンを加速するのに消費される。もし上部と下部の高周波電極１４，１５に単一な周波数が与えられるのであるならば、両方の高周波電極からの高周波電力の容量結合によってプラズマが生成される。
【００２７】
以下において、リングマグネット２６の配列と、それらのプラズマ生成のための利用について説明される。リングマグネット２６は上部高周波電極１４の上側表面の上に配列される。リングマグネット２６の断面形状は重要なことではなく、正方形または長方形の形状である。リングマグネット２６の寸法も同様にまた重要なことではない。リングマグネットの断面の寸法は１０×１０ｍｍ〜４０×４０ｍｍで変わり得る。さらに、各々のリングマグネットに関して異なる断面寸法を採用することができ、例えば、内側のリングマグネットから外側のリングマグネットへ向かって断面寸法を大きくすることもできる。最も内側のリングマグネットの直径は通常５０〜１００ｍｍである。リングマグネットの各々の対の間隔は通常およそ２０〜５０ｍｍに維持される。内側リングマグネットと外側リングマグネットの間の間隔は同じであることは必要ではない。中心から外側に向かってリングマグネット間の間隔を次第に減少することもできるし、または増加することもできる。リングマグネット２６の個数は上部高周波電極１４の直径とリングマグネット２６の間の間隔によって決定される。リングマグネット２６は必ずしも単一部材(a single piece)として作られる必要はない。代わりに、小さなマグネットを複数用いて図２に示されるごとく円形を有するように配列することもできる。この場合において、唯一の要求されることは、各々の小さいマグネットにおける反応容器１０の内部に向かう磁極が同じであるということである。
【００２８】
リングマグネット２６は反応容器１０の内部に向かう交互の極性を持つように配置されており、それ故に、円形線状のカスプ磁界２７が図１に示されるごとくリングマグネット２６の間に生成される。これらの線状のカスプ磁界の重要な事実は、リングマグネットの１つの磁極によって生成される磁界の線束の線が内側および外側の隣のリングマグネットに向かって曲り、反応容器１０の中において下流に向かって深く入り込まないことである。こうして、上部高周波電極１４から近い距離、通常は、上部高周波電極１４からおよそ３０ｍｍ〜５０ｍｍの距離で、磁界のない環境が得られる。
【００２９】
リングマグネット２６の磁界の強さは各々のリングマグネットの磁極においておよそ３００Gauss 〜１kGaussの範囲で変えることができる。リングマグネットの磁界の強さは、通常、上部高周波電極１４の下側表面で２００Gauss 〜５００Gauss の範囲の磁界の強さを持つようにするために決定される。従って、もし上部高周波電極１４の厚みがより高くなるならば、強い磁界を持ったリングマグネットが要求される。各々のリングマグネット２６の磁界の強さは同じであるということは必要ではなく、例えば、磁極の磁界の強さは内側のリングマグネットから外側のリングマグネットへ向かって増加することができる。
【００３０】
反応容器１０の内部で一旦プラズマが生成されると、リングマグネット２６によって作られた磁界によって電子はサイクロトロン回転を受ける。それ故に、熱電子(hot electrons) はより大きな進路長さ(path length) を有し、それ故により高いイオン化率を有する。このことはプラズマ密度の増加という結果をもたらす。加えて、電子はＥ×Ｂによって定義されるドリフトを受け、ここでＥとＢはそれぞれ上部高周波電極１４における直流（ｄｃ）電界と上部高周波電極１４に平行な磁界の強さである。このドリフトの方向はＥとＢの両方に垂直であるので、電子は円形の進路（軌道）で移動し、ここで各円形の進路の中心は上部高周波電極１４の中心である。電子のこれらのサイクロトロン回転とＥ×Ｂのドリフトの原因による円運動のために、電子は上部高周波電極１４に接近して適宜に閉じ込められる。すなわち、拡散過程による電子の損失は大きく制限される。これが、同様にまた、プラズマ密度の増加の原因となる。
【００３１】
円形の軌道上での電子のドリフトは、上部または下部の高周波電極を横切る均一な磁界におけるそれらと比較するとき、重要な違いである。上部あるいは下部の高周波電極を横切り、そして平行である均一な磁界において、電子はＥ×Ｂのドリフトによって反応容器の一方の側に向かって移動する。このことは、半径方向において非常に高い不均一なプラズマをもたらすという結果になり、結局は基板１７の表面におけるデバイスにダメージを与える原因となる。この実施形態のプラズマ源で、電子はＥ×Ｂのドリフトが原因で円形の軌道の上を移動するので、電子は反応容器１０の一方の側に向かってドリフトされない。しかしながら、カスプ磁界２７の内部の電子密度は、カスプ磁界の内部の電子の閉じ込めに起因して、カスプ磁界の外部のそれに比較してより高くなる。それ故に、上部高周波電極１４の近傍において半径方向のプラズマ密度は不均一である。しかしながら、磁界の強さは下流に向かって急速に衰退するので、下流における電子は拡散し、均一なプラズマを作る。それ故に、半径方向に均一なプラズマが、上部高周波電極１４の下側の数センチメートルの箇所で得ることができる。
【００３２】
次に、図３に従って第２の実施形態が説明される。第２実施形態で用いられる構造はほとんど第１実施形態の構造と同じである。第２実施形態によれば他のリングマグネット２６Ａ，２６Ｂが反応容器１０に追加され、それ故に反応容器１０におけるリングマグネットの全体の個数が増加される。複数のリングマグネット２６Ａは、リングマグネット２６と同心円となるようにリングマグネット２６の外側に設けられる。従って、リングマグネット２６Ａは絶縁体１４の中に配置され、かつ上部プレート１１の上側に位置する。複数のリングマグネット２６Ｂは円筒形側壁１３の外側にその中心軸に沿って水平に配置され、等しい間隔で配置される。こうして、図３に示されるごとく、前述のリングマグネット２６と実質的に同一なマグネット配列が上部プレート１１の上側および円筒形側壁１３の外側にリングマグネット２６Ａと２６Ｂとして拡張される。このリングマグネット２６Ａ，２６Ｂの配列によって、円形線状のカスプ磁界２７が上部プレート１１と円筒形側壁１３の隅から隅まで生成される。その大きさ、リングマグネット（２６Ａ，２６Ｂ）の間の間隔、そしてその磁界の強さは、第１実施形態で説明されたそれらと同じである。
【００３３】
第２実施形態で与えられた構成の技術的な利点は、上部プレート１１と円筒形側壁１３に対する電子損失がカスプ（円形線状のカスプ）の磁界２７によって減じられることである。このことはプラズマ密度の増加と半径方向のプラズマの均一性という結果をもたらす。
【００３４】
次に第３の実施形態が図４に示された概略構成図に従って説明される。上部電極の構成を除いてすべての他の構成要素は第１実施形態で与えられたものと同じである。第３実施形態における上部電極２８はドームの形状を有している。ドーム形状の上部電極２８の内径は重要なことではない。もしドーム形状の上部電極２８の高さがＨとして示されるならば、図４に示されるように、Ｈは３０〜１００ｍｍの範囲にある。Ｈの値は本来上部電極２８の外側の直径に依存し、それは同様に基板１７の直径に依存する。
【００３５】
リングマグネット２６は第１実施形態において説明されたごとくドーム形状の上部電極２８の上に設けられる。その大きさ、磁界の強さ、リングマグネット間の間隔は上記実施形態で説明されたように変化させることが可能である。
【００３６】
第３実施形態の技術的な利点は、上部電極２８の表面面積が第１実施形態における表面面積と比較してより大きくなることである。それ故に、第１実施形態に比較して、大きな面積でプラズマが生成される。第２に、通常の平行平板型の容量結合型プラズマでは、半径方向のプラズマ密度は反応容器１０の中心に向かってピークを示す。このプラズマの半径方向の不均一性は、中心部におけるプラズマ生成領域を上昇させるドーム形状の高周波電極２８を用いることによって減じることができる。第３に、ドーム形状の上部高周波電極２８は、平板形状の対応物に比較して、より高い差圧に耐えることができる。それ故に、ドーム形状の上部高周波電極２８は、より薄い板材を用いて作ることができる。これにより、上部高周波電極２８の下側の表面の下側により強い磁界が作られる。
【００３７】
前述の第２実施形態は、図３に示されるごとく、第１実施形態の修正構造のように修正されることが可能である。すなわち、リングマグネットの全体の個数が増加され、そして追加されたリングマグネットが、上部電極に配置されたリングマグネットの構造と類似させて上部プレートおよび円筒形側壁の外側に設けられる。
【００３８】
本発明のプラズマ処理装置によれば、前述の構造を有するリングマグネットを用いることで、円形線状のカスプ磁界が上部電極の内側表面の近く、あるいは上部プレートおよび円筒形側壁の内側表面の近くで生成され、これで電子を基板の前面空間に閉じ込める。円形線状のカスプ磁界はプラズマ密度の増加をもたらし、電子の損失の顕著な抑制をもたらす。なお、高周波電極に対する磁界の応用はプラズマ密度を増加させることであり、他の壁部（上部プレートと円筒形側壁）に対する磁界の応用はこれらの壁での電子損失を減じることである。その結果、下流側において、すなわち、基板が配置された場所において、半径方向に均一なプラズマが作り出され、大面積の基板を処理することが可能となる。こうしてプラズマ処理装置は、半径方向にその寸法が拡大することができるので、低アスペクト比のプラズマ源を備える。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によるプラズマ処理装置は、大面積を有する基板の当該表面に渡る平面にて均一に分散された大面積でかつ高い密度のプラズマを作ることができ、かつ低アスペクト比のプラズマ源を実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この図は、本発明の第１実施形態の断面図を示し、かつ反応容器の内部構造を示す。
【図２】この図は、上部電極の上に配置されたリングマグネットの平面図を示す。
【図３】この図は、本発明の第２実施形態の断面図を示す。
【図４】この図は、本発明の第３実施形態の断面図を示す。
【図５】この図は、ＣＶＤの応用に用いられる従来のプラズマ処理装置の断面図を示す。
【図６】この図は、ＣＶＤの応用に用いられる他の従来のプラズマ処理装置の断面図を示す。
【参照符号の説明】
１０反応容器
１１上部プレート
１２底部プレート
１３円筒形側壁
１４，２８上部電極
１５下部電極
１６絶縁体ステージ
１７基板（ウェハー）
２０絶縁体
２６，２６Ａ，２６Ｂリングマグネット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma processing apparatus, and more particularly to an improved chemical vapor deposition process (CVD) in the semiconductor industry or an improved ability to supply useful ions, electrons, and neutral radicals for micron scale device etching in integrated circuits. The present invention relates to a plasma processing apparatus provided with a plasma source.
[0002]
[Prior art]
With the arrival of 300 mm diameter silicon wafers (or substrates) for the semiconductor industry, there is a great need for high density plasmas that have a uniform plasma density across the front surface of the substrate to be processed. Although scaling up an existing plasma device designed for 200 mm diameter wafer processing is one approach that meets this requirement, it is hampered by the hardware difficulties of existing plasma devices. This will be described with reference to FIGS. 5 and 6 using two conventional plasma sources mainly used in a conventional plasma processing apparatus for a wafer having a diameter of 200 mm.
[0003]
FIG. 5 shows an example of a conventional plasma source. The reaction vessel 50 includes an upper plate 51, a bottom plate 52, and a cylindrical side wall 53. In the reaction vessel 50, an rf electrode 54, which is also a substrate holder, is usually located at a low position close to the bottom plate 52, and it is parallel to both the top plate 51 and the bottom plate 52. It has become. The high frequency electrode 54 is electrically insulated from the reaction vessel 50 by an insulation stage 55, and the insulation stage 55 is disposed on the bottom plate 52. The high frequency electrode 54 is supplied with a high frequency current generated by a high frequency power source 56 via a matching circuit 57. The reaction vessel 50 is electrically grounded through a wire 58. A substrate 59 to be processed is placed on the high-frequency electrode 54. Further, the cylindrical side wall 53 has a substrate loading / unloading port 60 and a gas exhaust port 61. In FIG. 5, the exhaust mechanism connected to the gas exhaust port 61 is not shown.
[0004]
According to the configuration of the reaction vessel 50, plasma is generated based on capacitive coupling of high-frequency power in a space between the upper plate 51 and the high-frequency electrode 54 under predetermined conditions.
[0005]
FIG. 6 shows another example of a conventional plasma source. In this example, the configuration of the reaction vessel 50 is almost the same as the reaction vessel shown in FIG. 5 except for another high-frequency electrode called the upper high-frequency electrode 62. In contrast to the upper high-frequency electrode 62, the above-described high-frequency electrode 54 is referred to as a lower high-frequency electrode. The reaction vessel 50 likewise has a top plate 51, a bottom plate 52 and a cylindrical side wall 53. Similarly, the upper high-frequency electrode 62 is electrically insulated from the reaction vessel 50 by an insulator 63. The insulator 63 is provided outside the upper plate 51, and the upper high-frequency electrode 62 is fixed to the central portion of the lower surface of the insulator 63. In this example, the upper plate 51 has a central opening, and the upper high-frequency electrode 62 is disposed in the central opening of the upper plate 51. The upper high-frequency electrode 62 is given a high-frequency current by a high-frequency power source 64 through a matching circuit 65. The high-frequency current supplied to the upper high-frequency electrode 62 usually has a higher frequency than the high-frequency current supplied to the lower high-frequency electrode 54. Plasma is generated between the upper high-frequency electrode and the lower high-frequency electrode (62, 54) by capacitive coupling of high-frequency power.
[0006]
In addition, as a well-known film forming apparatus using a magnet, there is a publication of JP-B-8-16266. This film forming apparatus is a sputtering apparatus provided with various magnets. These various magnets are used to confine plasma electrons in a limited area in front of the target inner surface.
[0007]
Problems to be solved by the invention
One of the main problems of the conventional plasma source shown in FIGS. 5 and 6 is that the power transmission efficiency from the high frequency power source to the plasma is low. This is due to the fact that a significant portion of the high frequency power is consumed for unwanted ion acceleration. This is an inherent attribute of capacitively coupled plasma. This results in a lower plasma density. Furthermore, since 300 mm diameter wafer processing is expected to be coupled with 0.25 μm-pattern technology, it is believed that chemical processing must be performed at low pressure, for example, approximately 10 mTorr. However, the plasma density of the capacitively coupled plasma further decreases as the pressure decreases. In this way, the higher processing speeds required for economically viable devices cannot be obtained.
[0008]
If the diameter of the substrate to be processed is small, for example 200 mm, higher radio frequency power can be applied to increase the plasma density. However, if the substrate diameter is 300 mm, to maintain the same power density, the high frequency power supplied must be increased at least 2.25 times over the high frequency power used in the 200 mm diameter process. I must. This is because the surface area of a 300 mm diameter wafer is 2.25 times larger than that of a 200 mm diameter wafer. Therefore, the requirement for high frequency power to maintain the desired power density limits some applications. In addition, when a 200 mm diameter wafer processing apparatus is scaled up to a 300 mm diameter wafer processing apparatus, the exhaust rate in the processing chamber must also be increased to maintain the same reaction rate.
[0009]
Because of these hardware difficulties, the conventional plasma source for 200 mm diameter wafer processing shown in FIGS. 5 and 6 cannot simply be scaled up as a 300 mm diameter wafer plasma source. To avoid these problems, it is important to design the plasma source so that it can create a higher plasma density over the entire 300 mm diameter region. Furthermore, higher plasma uniformity must be achieved across the surface of the 300 mm diameter wafer. Therefore, some semiconductor processing methods, such as plasma assisted anisotropic etching, require a plasma uniformity of greater than 95% across the entire surface of the substrate to be processed.
[0010]
It is an object of the present invention to produce a high density plasma over a large area with a uniform plasma density for chemical vapor deposition or etching of large area substrates used in the semiconductor industry, utilizing a cusp magnetic field. A plasma processing apparatus for creating a magnetically promoted capacitively coupled plasma that prevents electron loss at the upper radio frequency electrode, upper plate, and cylindrical sidewall by combining capacitively coupled mechanism and electron confinement Is to provide.
[0011]
Yet another object of the present invention is to provide a plasma source having a lower aspect ratio.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a plasma processing apparatus according to the present invention is configured as follows.
[0013]
The plasma processing apparatus is for depositing a film on a substrate by a chemical vapor deposition method (CVD process) or etching the surface of the substrate in a reaction vessel. The reaction vessel is composed of a top plate, a bottom plate, and cylindrical side walls. Further, the plasma processing apparatus includes an upper high-frequency electrode, a lower high-frequency electrode, and a plurality of ring magnets. The upper high-frequency electrode is made of a non-magnetic metal and has a dome shape , while the lower high-frequency electrode is made of metal. These electrodes are electrically insulated from the reaction vessel and are further coupled in a capacitive manner. The substrate to be processed is mounted on the lower high-frequency electrode, and plasma is generated between the upper high-frequency electrode and the lower high-frequency electrode by capacitive coupling of high-frequency power from both high-frequency electrodes. The plurality of ring magnets are disposed on the upper surface of the upper high-frequency electrode, and they have a concentric positional relationship. The common center of the ring magnet coincides with the center of the upper high-frequency electrode. In the above structure, the polarity of the ring magnet toward the inside of the reaction vessel is alternately changed, and the ring magnet generates a circular linear cusp magnetic field having a closed magnetic flux line near the inner surface of the upper high-frequency electrode. A circular linear cusp magnetic field confines plasma electrons to prevent electron loss at the inner surface of the upper RF electrode.
[0014]
In the above structure, a plurality of ring magnets are directly fixed to the outer surface of the upper high-frequency electrode.
[0016]
In the above structure, furthermore, both the upper high-frequency electrode and the upper plate are arranged in the same plane, and the ring magnet is also arranged on the outer side of the upper plate and the cylindrical side wall, and they are alternately arranged in a concentric relationship. In addition, the ring magnet generates a circular linear cusp field with magnetic flux lines closed near the inner surface of each of the top plate and cylindrical sidewall.
[0017]
In the above-described structure, the upper high-frequency electrode and the lower high-frequency electrode are supplied with high-frequency power generated from a single high-frequency power source, or are supplied with high-frequency power from individual high-frequency power sources operating at two different high-frequency frequencies.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. Details of the present invention will be made clear through the description of the embodiments.
[0019]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view of the plasma source of the first embodiment, and FIG. 2 is a plan view of the upper high-frequency electrode showing the arrangement of ring magnets on the upper high-frequency electrode. The plasma processing apparatus according to the first embodiment includes a reaction vessel 10, and the reaction vessel 10 includes an upper plate 11, a bottom plate 12, and a cylindrical side wall 13. The reaction vessel 10 further includes an upper high-frequency electrode 14 and a lower high-frequency electrode 15.
[0020]
The lower high-frequency electrode 15 is made of metal and serves as a substrate holder, and is disposed on an insulator stage 16 fixed to the bottom plate 12. The lower high-frequency electrode 15 is electrically insulated from the reaction vessel 10 by an insulator stage 16. The substrate 17 to be processed is mounted on the lower high-frequency electrode 15. Further, the lower high-frequency electrode 15 is supplied with a high-frequency current generated by a high-frequency power source 18 through a matching circuit 19.
[0021]
The upper high-frequency electrode 14 is made of a nonmagnetic metal, for example, aluminum. The upper plate 11 has a central opening having a relatively large diameter, and the upper high-frequency electrode 14 is disposed in the central opening. The upper high-frequency electrode 14 and the upper plate 11 are located in the same plane. The insulator 20 is provided on the upper side of the upper plate 11, and the upper high-frequency electrode 14 is fixed to the central portion of the lower surface of the insulator 20. In this way, the upper high-frequency electrode 14 is supported by the insulator 20 so that it is positioned at the central portion of the upper plate 11. The upper high-frequency electrode 14 faces the lower high-frequency electrode 15 in parallel. Further, the upper high-frequency electrode 14 is electrically insulated from the reaction vessel 10 by an insulator 20. The upper high-frequency electrode 14 is supplied with a high-frequency current from a high-frequency power source 21 through a matching circuit 22. The high frequency current supplied to the upper high frequency electrode 14 is usually higher than the high frequency current supplied to the lower high frequency electrode 15. The upper high-frequency electrode and the lower high-frequency electrode are capacitively coupled. Plasma is generated between the upper and lower high-frequency electrodes (14, 15) by capacitive coupling of the high-frequency electrodes.
[0022]
The reaction vessel 10 is electrically grounded through the wire 23. In addition, the cylindrical side wall 13 has a substrate loading / unloading port 24 and a gas exhaust port (vacuum outlet) 25. In FIG. 1, the exhaust mechanism (or pump device) connected to the gas exhaust port 25 is not shown. The inside of the reaction vessel 10 is evacuated to a predetermined vacuum state through a gas exhaust port 25 by a gas exhaust mechanism.
[0023]
A plurality of ring magnets 26 are disposed on the upper high-frequency electrode 14. According to this embodiment, for example, four ring magnets 26 are used. These ring magnets 26 preferably have a round or circular shape and are arranged so as to be concentric as shown in FIG. The common center of the ring magnet 26 coincides with the center of the upper high-frequency electrode 14 having a circular shape. A plurality of ring magnets 26 disposed on the upper high-frequency electrode 14 are embedded in an insulator 20 provided on the upper high-frequency electrode 14.
[0024]
As described above, both the upper and lower electrodes 14 and 15 are insulated from the reaction vessel 10 and are supplied with high frequency power from the individual high frequency power sources 21 and 18 through the matching circuits 22 and 19. However, one high frequency power source may be used using a power distributor so as to supply a high frequency current to both high frequency electrodes. If the separated high frequency power supplies 18 and 22 are used as shown in FIG. 1, the high frequency supplied to the upper high frequency electrode 14 typically has a higher frequency than the high frequency provided to the lower high frequency electrode 15.
[0025]
The process gas is usually supplied through a gas introduction hole formed on the upper high-frequency electrode 14. In FIG. 1, the process gas supply mechanism or the gas introduction hole is not shown. The diameters of the upper and lower electrodes are determined by the diameter of the substrate 17. Usually, the diameter of the lower high-frequency electrode 15 is the same as the diameter of the substrate 17, while the diameter of the upper high-frequency electrode 14 is slightly larger than the diameter of the 30-50 mm substrate. The thickness of the upper high-frequency electrode 14 is not important and is about 10 mm.
[0026]
If two different frequencies are applied to the upper RF electrode 14 and the lower RF electrode 15, respectively, plasma is usually generated by capacitive coupling of RF power from the upper RF electrode 14 and is high at the upper RF electrode 14. A high frequency power of a frequency is applied. The low-frequency high-frequency power applied to the lower high-frequency electrode 15 is mostly consumed to accelerate ions toward the lower high-frequency electrode 15 in the plasma. If a single frequency is applied to the upper and lower high-frequency electrodes 14, 15, plasma is generated by capacitive coupling of high-frequency power from both high-frequency electrodes.
[0027]
In the following, the arrangement of the ring magnets 26 and their use for generating plasma will be described. The ring magnet 26 is arranged on the upper surface of the upper high-frequency electrode 14. The cross-sectional shape of the ring magnet 26 is not important, and is a square or rectangular shape. The dimensions of the ring magnet 26 are likewise not important. The cross-sectional dimension of the ring magnet can vary from 10 × 10 mm to 40 × 40 mm. Furthermore, different cross-sectional dimensions can be adopted for each ring magnet, and for example, the cross-sectional dimension can be increased from the inner ring magnet to the outer ring magnet. The diameter of the innermost ring magnet is usually 50 to 100 mm. The spacing between each pair of ring magnets is usually maintained at approximately 20-50 mm. The spacing between the inner ring magnet and the outer ring magnet need not be the same. The distance between the ring magnets can gradually decrease or increase from the center toward the outside. The number of ring magnets 26 is determined by the diameter of the upper high-frequency electrode 14 and the distance between the ring magnets 26. The ring magnet 26 does not necessarily have to be made as a single piece. Alternatively, a plurality of small magnets may be used and arranged to have a circular shape as shown in FIG. In this case, the only requirement is that the magnetic poles going to the inside of the reaction vessel 10 in each small magnet are the same.
[0028]
The ring magnets 26 are arranged so as to have alternating polarities toward the inside of the reaction vessel 10, and therefore, a circular linear cusp magnetic field 27 is generated between the ring magnets 26 as shown in FIG. An important fact of these linear cusp fields is that the line of magnetic field flux generated by one magnetic pole of the ring magnet bends towards the inner and outer adjacent ring magnets, downstream in the reaction vessel 10. Do not go deeper into it. Thus, an environment without a magnetic field is obtained at a distance close to the upper high-frequency electrode 14, usually about 30 mm to 50 mm from the upper high-frequency electrode 14.
[0029]
The strength of the magnetic field of the ring magnet 26 can be changed in the range of about 300 Gauss to 1 kGauss at the magnetic pole of each ring magnet. The magnetic field strength of the ring magnet is usually determined so as to have a magnetic field strength in the range of 200 Gauss to 500 Gauss on the lower surface of the upper high-frequency electrode 14. Therefore, if the thickness of the upper high-frequency electrode 14 is increased, a ring magnet having a strong magnetic field is required. It is not necessary that the magnetic field strength of each ring magnet 26 be the same, for example, the magnetic field strength of the magnetic pole can increase from the inner ring magnet toward the outer ring magnet.
[0030]
Once the plasma is generated inside the reaction vessel 10, the electrons are subjected to cyclotron rotation by the magnetic field created by the ring magnet 26. Therefore, hot electrons have a larger path length and therefore a higher ionization rate. This results in an increase in plasma density. In addition, the electrons undergo a drift defined by E × B, where E and B are the direct current (dc) electric field at the upper radio frequency electrode 14 and the strength of the magnetic field parallel to the upper radio frequency electrode 14, respectively. Since the direction of this drift is perpendicular to both E and B, electrons move in a circular path (orbit), where the center of each circular path is the center of the upper high-frequency electrode 14. Due to the circular motion of the electrons due to these cyclotron rotations and E × B drift, the electrons are close to the upper radio frequency electrode 14 and appropriately confined. That is, the loss of electrons due to the diffusion process is greatly limited. This also causes an increase in plasma density.
[0031]
Electron drift on a circular orbit is an important difference when compared to those in a uniform magnetic field across the upper or lower radio frequency electrode. In a uniform magnetic field across and parallel to the upper or lower radio frequency electrode, the electrons move toward one side of the reaction vessel by E × B drift. This results in a very high non-uniform plasma in the radial direction and eventually causes damage to the device on the surface of the substrate 17. In the plasma source of this embodiment, electrons move on a circular trajectory due to E × B drift, so electrons are not drifted toward one side of the reaction vessel 10. However, the electron density inside the cusp magnetic field 27 is higher than that outside the cusp magnetic field due to the confinement of electrons inside the cusp magnetic field. Therefore, the plasma density in the radial direction is not uniform in the vicinity of the upper high-frequency electrode 14. However, since the strength of the magnetic field declines rapidly toward the downstream, the electrons in the downstream diffuse and create a uniform plasma. Therefore, a uniform plasma in the radial direction can be obtained at several centimeters below the upper high-frequency electrode 14.
[0032]
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. The structure used in the second embodiment is almost the same as that of the first embodiment. According to the second embodiment, other ring magnets 26A and 26B are added to the reaction vessel 10, and therefore the total number of ring magnets in the reaction vessel 10 is increased. The plurality of ring magnets 26 A are provided outside the ring magnet 26 so as to be concentric with the ring magnet 26. Accordingly, the ring magnet 26 A is disposed in the insulator 14 and is located above the upper plate 11. The plurality of ring magnets 26 B are horizontally arranged along the central axis on the outer side of the cylindrical side wall 13 and are arranged at equal intervals. Thus, as shown in FIG. 3, a magnet arrangement substantially identical to the above-described ring magnet 26 is expanded as ring magnets 26 A and 26 B on the upper side of the upper plate 11 and the outside of the cylindrical side wall 13. By the arrangement of the ring magnets 26 A and 26 B, a circular linear cusp magnetic field 27 is generated from corner to corner of the upper plate 11 and the cylindrical side wall 13. The magnitude | size, the space | interval between ring magnets (26A, 26B), and the strength of the magnetic field are the same as those described in the first embodiment.
[0033]
The technical advantage of the configuration given in the second embodiment is that the electron loss for the top plate 11 and the cylindrical side wall 13 is reduced by the magnetic field 27 of a cusp (circular linear cusp). This results in increased plasma density and radial plasma uniformity.
[0034]
Next, a third embodiment will be described with reference to the schematic configuration diagram shown in FIG. Except for the configuration of the upper electrode, all other components are the same as those given in the first embodiment. The upper electrode 28 in the third embodiment has a dome shape. The inner diameter of the dome-shaped upper electrode 28 is not critical. If the height of the dome-shaped upper electrode 28 is indicated as H, H is in the range of 30-100 mm as shown in FIG. The value of H essentially depends on the outer diameter of the upper electrode 28, which in turn depends on the diameter of the substrate 17.
[0035]
The ring magnet 26 is provided on the dome-shaped upper electrode 28 as described in the first embodiment. The magnitude, the strength of the magnetic field, and the interval between the ring magnets can be changed as described in the above embodiment.
[0036]
A technical advantage of the third embodiment is that the surface area of the upper electrode 28 is larger than the surface area in the first embodiment. Therefore, plasma is generated in a larger area compared to the first embodiment. Second, in a normal parallel plate type capacitively coupled plasma, the plasma density in the radial direction shows a peak toward the center of the reaction vessel 10. This plasma non-uniformity in the radial direction can be reduced by using a dome-shaped high-frequency electrode 28 that raises the plasma generation region in the center. Third, the dome-shaped upper high-frequency electrode 28 can withstand a higher differential pressure as compared to a flat plate-shaped counterpart. Therefore, the dome-shaped upper high-frequency electrode 28 can be made using a thinner plate material. Thereby, a stronger magnetic field is created on the lower side of the lower surface of the upper high-frequency electrode 28.
[0037]
The second embodiment described above can be modified like the modified structure of the first embodiment as shown in FIG. That is, the total number of ring magnets is increased, and the added ring magnet is provided outside the upper plate and the cylindrical side wall in a manner similar to the structure of the ring magnet disposed on the upper electrode.
[0038]
According to the plasma processing apparatus of the present invention, by using the ring magnet having the above-described structure, the circular linear cusp magnetic field is close to the inner surface of the upper electrode or the inner surface of the upper plate and the cylindrical side wall. Is generated, thereby confining the electrons in the front space of the substrate. A circular linear cusp field results in an increase in plasma density and a significant suppression of electron loss. Note that the application of the magnetic field to the high frequency electrode is to increase the plasma density, and the application of the magnetic field to the other walls (upper plate and cylindrical side wall) is to reduce the electron loss at these walls. As a result, a plasma that is uniform in the radial direction is created on the downstream side, that is, at the place where the substrate is disposed, and a large-area substrate can be processed. Thus, the plasma processing apparatus can be expanded in the radial direction, and thus includes a low aspect ratio plasma source.
[0039]
【The invention's effect】
The plasma processing apparatus according to the present invention can produce a plasma having a large area and a high density uniformly distributed in a plane over the surface of a substrate having a large area, and realizing a plasma source having a low aspect ratio. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a first embodiment of the present invention and shows the internal structure of a reaction vessel.
FIG. 2 shows a plan view of a ring magnet disposed on an upper electrode.
FIG. 3 shows a cross-sectional view of a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows a cross-sectional view of a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows a cross-sectional view of a conventional plasma processing apparatus used for CVD applications.
FIG. 6 shows a cross-sectional view of another conventional plasma processing apparatus used for CVD applications.
[Explanation of reference signs]
10 Reaction vessel 11 Upper plate 12 Bottom plate 13 Cylindrical side walls 14, 28 Upper electrode 15 Lower electrode 16 Insulator stage 17 Substrate (wafer)
20 Insulator 26, 26A, 26B Ring magnet

Claims

A plasma processing apparatus for depositing a film on a substrate by a CVD process or etching a surface of a substrate in a reaction vessel having a top plate, a bottom plate and a cylindrical side wall;
The substrate is electrically insulated and capacitively coupled from the reaction vessel, and has an upper electrode in the shape of a dome made of nonmagnetic metal and a lower electrode made of metal, and the substrate is mounted on the lower electrode And plasma is generated between the upper electrode and the lower electrode,
A plurality of ring magnets arranged on the outer surface of the upper electrode, the ring magnets have a concentric positional relationship, and the common center thereof coincides with the center of the upper electrode;
The polarity of the ring magnet toward the inside of the reaction vessel is alternately changed, and the ring magnet generates a circular linear cusp magnetic field with closed magnetic flux lines near the inner surface of the upper electrode.
A plasma processing apparatus.

The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the ring magnet is directly fixed to an outer surface of the upper electrode.

Both the upper electrode and the upper plate are arranged in the same plane, and the ring magnet has an alternating polarity between the outer side of the upper electrode and the outer side of the cylindrical side wall, and is arranged in a concentric positional relationship. is, the ring magnet is any one of claim 1 to 2, characterized in that to produce a circular line-shaped cusp magnetic field having a near closed magnetic flux lines of the inner surface of the top plate and the cylindrical side wall of the The plasma processing apparatus according to 1.

2. The upper electrode and the lower electrode are both supplied with high-frequency power from one high-frequency power source, or supplied with high-frequency power from different high-frequency power sources operating at two different high-frequency frequencies. the plasma processing apparatus according to any one of 1-3.