JPH0157493B2

JPH0157493B2 -

Info

Publication number: JPH0157493B2
Application number: JP57173270A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Ono; Seitaro Matsuo
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1982-10-04
Filing date: 1982-10-04
Publication date: 1989-12-06
Also published as: JPS5963729A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、半導体装置製造における微細なパタ
ーン形成のためのエツチングの工程に適合するイ
オンシヤワ装置に関するものである。

プラズマを発生させてイオンを生成するプラズ
マ室から、このプラズマ室構成面の一部に設けら
れたイオン引出し電極によりシヤワ状イオンビー
ムを引出して、試料室内におかれた試料表面に照
射するイオンシヤワ装置は、反応性イオンシヤワ
エツチング法として半導体装置製造に用いられて
いる。

第１図は、このようなイオンシヤワ装置のう
ち、マイクロ波による電子サイクロトロン共鳴に
よりプラズマを発生するイオンシヤワ装置のイオ
ン源部の構成概略を示すものである。本装置の構
成は、たとえば特願昭56―61409号にも詳細に示
されている。ここで、１はプラズマ室、２は試料
室、３は浮遊電極板を有するイオン引出し電極、
４はマイクロ波導入窓、５は短形導波管、６は磁
気コイル、８は絶縁体、１５は高透磁率材料、１
６はガス導入口、２１はマイクロ波反射板、２２
はマイクロ波結合窓、２４は絶縁スペーサ、２５
はプラズマ輸送室である。

イオン源が動作するとき、ガスがガス導入口１
６よりプラズマ室１に導入され、短形導波管５，
マイクロ波導入窓４およびマイクロ波結合窓２２
を介してマイクロ波がプラズマ室１に導入され
る。それと同時にプラズマ室１の内部において、
少なくとも一部で電子サイクロトロン共鳴条件を
満たす磁界を磁気コイル６により与え、プラズマ
を発生させる。マイクロ波電力をプラズマに効率
良く吸収させるようにするために、プラズマ室
は、マイクロ波は反射するが、プラズマはプラズ
マ輸送室２５の方向に自由に移動できる形状およ
び寸法のマイクロ波反射板２１を設けた空胴共振
器構造となつている。

プラズマ室１およびプラズマ輸送室２５から試
料室２にシヤワ状イオンビームを引き出す際に、
プラズマ室１には正の電圧を印加し、浮遊電極板
を有するイオン引出し電極３のうち、イオン引出
し電極３Ｂを接地電圧、イオン引出し電極３Ａを
浮遊の状態とする。イオン引出し電極３Ａを浮遊
の状態とするために絶縁スペーサ２４が設けら
れ、プラズマ室１に電圧を印加するために絶縁体
８が設けられている。イオン引出し電極３Ａを浮
遊の状態にすることにより、プラズマ中の電子の
エネルギーに応じて自己整合的に負電位が生じて
入射電子数が著しく減少し、イオン引出し電極３
Ａおよびイオン引出し電極３Ｂが加熱されるのを
防ぐとともに、異常放電を抑制する。さらに、高
透磁率材料１５を磁気コイル６の上部と外周に配
置して、プラズマ室１に、イオン引出し電極３Ｂ
の方向に弱くなる発散磁界を発生させることによ
りイオンの引出し効率を上げることができる。

この種イオンシヤワ装置のプラズマ室１から試
料室２へ引出すイオン電流の電流密度Ｊと、イオ
ン引出し電極とプラズマ室との間に印加される電
圧Ｖとの関係はチヤイルドの法則によつて次式の
ように近似される。

Ｊ∝V^3/2・l^-2 ただし、ｌはイオン引出し電極３の２枚の電極
３Ａと３Ｂとの間隔を示す。第１図に示すイオン
シヤワ装置では、これら２枚の電極３Ａおよび３
Ｂの直径を、得ようとするシヤワ状イオンビーム
の直径と同等か、もしくはそれ以上となし、通常
は４〜10インチの大きさとしている。このように
大きい直径を有する２枚の電極の間隔を全面にわ
たつて一定とみなせるようにするために、熱変形
などを考慮して、２枚の電極の間隔は１〜３mmと
している。このため、実用的なエツチング速度を
与える電流密度を得ようとすると、印加電圧を大
ならしめる必要があつた。しかし、大電圧により
加速さた高エネルギーイオンはエツチング表面の
結晶性に損傷を与えて欠陥層を形成するので、と
くに半導体装置製造においては適用範囲が大きく
制限される欠点があつた。さらにまた、２枚の電
極を決められた位置に正確に固定するなどの煩雑
な作業を必要とする欠点もあつた。

そこで、本発明の目的は、上述した欠点を解決
し、電極の損傷を防止し、かつ印加電圧に制限さ
れることなく高電流のイオンが安定に得られるイ
オンシヤワ装置を提供することにある。

かかる目的を達成するために、本発明では、プ
ラズマ室において生成されたイオンをプラズマか
ら引き出してシヤワ状イオンビームを形成するイ
オン引出し電極を単枚の構成とし、その単枚のイ
オン引出し電極のプラズマと接する面に、イオン
引出し電極と密着して絶縁体を設ける。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

第２図は本発明イオンシヤワ装置の一実施例を
示し、ここではイオンシヤワ装置のイオン源部分
の概略を示す。第２図において、第１図と同様の
個所には同一の符号を付すことにする。図中、３
０はプラズマと接する面に絶縁体を配置した単枚
のイオン引出し電極である。イオン源が動作する
時、C₂F₆やC₄F₈などのエツチングガスをガス導
入口１６から導入し、プラズマ室１の圧力を５×
10^-5〜５×10^-3Torrの圧力とし、2.45Gmm²（TE₁₀
モード）のマイクロ波を短形導波管５からプラズ
マ室１に導入する。それと同時に、磁気コイル６
によつてプラズマ室１の少なくとも一部で電子サ
イクロトロン共鳴条件（875Gauss）を満たす磁
界を与えてプラズマを発生させる。マイクロ波反
射板２１は、プラズマがイオン引出し電極３０の
方向に自由に移動できるが、マイクロ波は反射し
て通過することのできない反射器であつて、この
例では、周期間隔20mm角の正方格子の金属板を用
いる。プラズマ室１はマイクロ波がプラズマに効
率よく吸収されるように内のり寸法で直径170mm、
マイロ波反射板２１までの高さ120mmのマイクロ
波空胴共振器構造とする。プラズマからイオンを
引出すために、プラズマ室１に正の電圧を印加
し、イオン引出し電極３０を接地電圧とする。

イオン引出し電極３０は、導体部材、例えば厚
さ0.5mmで直径150mmのステンレス板に周期間隔
2.5mmで直径２mmのアパーチヤ３１をあけてなる
導体部３０Ａと、この導体板３０Ａのプラズマに
接する側面にポリイミドをスプレー塗布・乾燥・
熱処理して得らた厚さ0.3mmのポリイミド膜から
なる絶縁体３０Ｂとから構成することができる。
絶縁体３０Ｂはプラズマと導体板３０Ａを電気的
に絶縁するとともに、等価的に浮遊の状態であ
り、プラズマ中の電子のエネルギーに応じて自己
整合的に負電位が生じる。このため、本発明のイ
オンシヤワ装置におけるイオン引出し電極３０は
単枚の電極ではあるが、従来の２枚電極と同じ効
果を奏する。したがつて、プラズマ中の高エネル
ギー電子がイオン引出し電極３０に流入して電極
が局部的に加熱されるなどの不都合がなく、安定
してシヤワ状イオンビームを得ることができる。
なお、上述のアパーチヤ３１は間隙を意味し、そ
の形状としては、丸孔，楕円孔，長方形孔など各
種形状の孔とすることができる。かかるアパーチ
ヤ３１の寸法とは、間隙の長さ、すなわち円の直
径、楕円の短径あるいは一番短い辺の長さを意味
するものとする。

第２図に示した本発明イオンシヤワ装置のイオ
ン引出し電極近傍の詳細を第３図により説明す
る。ここで、第２図と同様の個所には同一符号を
付してある。図中、４０はプラズマ、４１はプラ
ズマシース、４２はシース界面、４３はシヤワ状
イオンビームである。

まず、第３図により本発明の基本的作用・効果
について説明する。プラズマ４０中のイオンはシ
ース界面４２に到達し、この界面４２と垂直な方
向をなしてプラズマシース４１に流入し、プラズ
マシース４１の電界分布および強度に応じて方向
性とエネルギーが付与される。プラズマシース４
１の厚さが、イオン引出し電極３０のアパーチヤ
３１の大きさに比べて小さい場合、すなわち印加
電圧が小さい場合には、シース界面４２の形状は
アパーチヤ３１の方向に凸の形状（プラズマ４０
の方向に凹の形状）をなす。

印加電圧を高くしてプラズマシース４１の厚さ
を大きくするか、または相対的にアパーチヤ３１
の寸法を小さくすると、絶縁体３０Ｂの上では電
子のエネルギーに応じて自己整合的に生じるシー
ス厚さとなり、他方、アパーチヤ３１の部分では
プラズマ室（プラズマ４０）と導体板３０Ａに印
加された電圧によつて規定されるシース厚さとな
り、この時のシース界面４２の形状は第３図のよ
うにプラズマ４０の方向に凸の形状となる。この
状態では、イオンの収束効果により、イオンの引
出し効率および方向性を向上させることができ
る。さらにまた、その結果、引出し電極３０に入
射するイオン数が減少すること、および入射した
としても絶縁体３０Ｂの上のプラズマシース４１
の部分には電子の流入により自己整合的に定まる
低い電圧しか生じなく、入射イオンのエネルギー
が小さいことなどのためにイオン引出し電極３０
のイオン衝撃による損傷を最小にすることができ
る。

一方、絶縁体３０Ｂのない導体板３０Ａだけの
単枚のイオン引出し電極の場合には、導体板３０
Ａのプラズマに接する全ての部分においてプラズ
マに電界が及ぶ。このため、シース４１の厚さが
アパーチヤ３１の大きさよりも充分に大きい場合
でも、シース界面４２の形状はせいぜい導体板３
０Ａのなす平面と平行にしか成り得ない。従つ
て、イオンの収束効果を期待することはできない
ばかりでなく、導体板３０Ａには、プラズマ室
（プラズマ４０）と導体板３０Ａに印加した電圧
によつて加速された高いエネルギーを持つイオン
が入射して導体板３０Ａが損傷を受けることとな
る。

本発明では、引出し電極３０の導体板３０Ａ上
に絶縁体３０Ｂを配置することによつて高エネル
ギーを持つイオンが導体板３０Ａ上に入射するこ
とを防止し、かつ、プラズマシース４１によるイ
オンの収束効果を期待できる。これらの効果は、
絶縁体３０Ｂ上に入射する電子のエネルギーに応
じて自己整合的に生じるシース４１の厚さ、導体
板３０Ａに印加する電圧によつて形成されるシー
ス４１の厚さ、導体板３０Ａの厚さ、アパーチヤ
３１の寸法等により異なる。このような異なる状
態に対しては、絶縁体３０Ｂの被覆形状を変える
ことにより本発明の効果を有効に発揮できる。

例えば、第４図の例においては、絶縁体３０Ｂ
上に生じるシース４１の厚さおよび導体板３０Ａ
に印加する電圧によつて形成されるシース４１の
厚さが、イオン引出し電極３０のアパーチヤ３１
の寸法に比較して小さい場合に相当しており、こ
の場合は、導体板３０Ａの側面と上部を覆う形態
で絶縁体３０Ｂを形成することが効果的である。

さらに、第５図は第４図とは逆の場合に相当し
ており、この場合には、高エネルギーを持つイオ
ンが導体板３０Ａに入射しない範囲で、導体板３
０Ａの幅よりも狭く、導体板３０Ａの上部に絶縁
体３０Ｂを形成することが効果的である。

第６図は本発明の効果を示すイオン電流特性の
測定結果を示す図である。ここで、ガスは
C₂F₆10c.c.／min、ガス圧は2.0×10^-3Torrとした。
曲線Ａは２枚の電極を1.5mmの間隔で配置し、プ
ラズマに接する側の電極を浮遊の状態とした従来
のイオンシヤワ装置による場合で、マイクロ波電
力は300Wとした。曲線Ｂは本発明の実施例によ
る場合であり、単枚の電極導体３０Ａのプラズマ
と接する面に0.3mm厚さでポリイミド膜の絶縁体
３０Ｂを形成した。この場合のマイクロ波電力は
250Wとした。図からも明らかなように、曲線Ｂ
においては、曲線Ａよりも低いマイクロ波電力に
もかかわらず、大幅にイオン電流が増大してお
り、300Vと低い電圧でも1mA／cm²と実用的な値
が得られている。これは、前述のチヤイルドの法
則における２枚の電極の間隔を、この場合にはシ
ース厚として近似できるためであり、２枚電極の
間隔を極端に小さくした場合に相当すること、お
よびシース形状に起因するイオンの収束効果によ
つて得られたものである。また、曲線において、
2.5mA／cm²以上の大きなイオン電流密度を得るよ
うな条件においても、電極に損傷は観察されなか
つた。

さらに、絶縁体を有するイオン引出し電極を用
いる場合には、シールド電極との組合せが効果的
であり、それによつて信頼性を著しく高めること
ができる。絶縁体を有するイオン引出し電極の絶
縁体にピンホールなどの欠陥が発生し、イオン引
出し電極の電界がプラズマ室に及ぶと、異常放電
（火花放電）の原因となるとともに、プラズマの
発生が不安定になり、信頼性が低下する。「放電
ハンドブツク」（電気学会発行、第99頁）によれ
ば、平等電界ギヤツプにおいて火花放電の起きる
電圧（パーシエン法則）はArガス１×10^-3Torr、
ギヤツプ間隔100cmにおいて約200Vである。つま
り、この火花電圧以上の電圧では火花放電が生
じ、安定して電圧を印加できないことを意味す
る。火花放電の生じるギヤツプ間隔および火花電
圧はガス種およびガス圧力により異なるが、すで
に電子やイオンが存在する場合や、プラズマ中の
発光による紫外線照射や加熱により著しく小さく
なつて、火花放電を発生しやすくなることが知ら
れている。ここで、種々の形状の相対する電極間
隔は、等電位面に対して垂直の電気力線の長さで
ほぼ規定できる。

以上のことから、本発明イオンシヤワ装置にお
いては、プラズマ室のプラズマが引出し電極の方
向に自由に移動でき、しかも引出し電極からシー
ルド電極に至る電気力線の長さが、パーシエンの
法則におけるギヤツプ間隔よりも充分短かくなる
ようにシールド電極の形状、寸法およびシールド
電極と引出し電極との間隔を定め、イオン引出し
電極の電界がほとんどイオン引出し電極とシール
ド電極との間に局在するようにシールド電極を配
置することが信頼性向上のために効果的である。
つまり、たとえ絶縁体にピンホールなどの欠陥が
発生し、引出し電極の一部がプラズマに露出した
としても異常放電や電界のプラズマ室への悪影響
を防止して安定なシヤワ状イオンビームを得るこ
とができる。

第７図はカウフマン形イオン源として知られて
いる熱電子陰極を用いた放電によりプラズマを生
成するイオン源部分に本発明を適用した実施例を
示す。ここで、１はプラズマ室、２は試料室、６
は磁気コイル、１６はガス導入口、２４は絶縁ス
ペーサ、３０は導体３０Ａと絶縁体３０Ｂとから
成るイオン引出し電極、５０はプラズマ室１に配
置した熱電子陰極、５１は陽極、６０はシールド
電極である。イオン引出し電極３０は、例えば厚
さ0.5mmで直径100mmのモリブデン板に周期間隔４
mmおよび直径３mmのアパーチヤ３１をあけてなる
導体板３０Ａと、厚さ0.3mmのポリイミド膜によ
る絶縁体３０Ｂとから構成した。シールド電極６
０は、例えば直径１mmのモリブデン線を用いて５
mm角の正方格子として構成し、イオン引出し電極
３０との間隔を20mmとして配置した。また、シー
ルド電極６０はプラズマ室１と同電位になるよう
にした。実験ではArガスをガス導入口１６から
プラズマ室１に導入し、このプラズマ室１の圧力
を1.0×10^-4Torrとして、熱電子陰極５０に２１
Ａの直流電流、および陽極５１に19Vの直流電圧
を印加してプラズマを発生させるとともに、磁気
コイル６に1.0Aの直流電流を加えてイオン化効
率を高めた。シヤワ状イオンビームは、引出し電
極３０を接地電圧として、プラズマ室１に正の直
流電圧を印加して形成した。この実験の結果、
1000Vの電圧を印加してもシヤワ状イオンビーム
を形成することができた。

また、マイクロ波による電子サイクロトロン共
鳴によりプラズマを正成するイオン源を有する本
発明イオンシヤワ装置では、第２図に示すよう
に、イオン引出し電極３０と30mm離れたプラズマ
室１に設けられたマイクロ波反射板２１がシール
ド電極をも兼ねており、プラズマ室１とイオン引
出し電極３０との間に1000Vの電圧を印加して安
定なシヤワ状イオンビームを形成することができ
た。

以上の本発明の実施例においては、イオン引出
し電極３０を構成する導体板３０Ａとしてステン
レス、モリブデン、および絶縁体３０Ｂとしてポ
リイミド膜を用いた場合についてのみ示したが、
これら材料にのみ限られずに、他の材料も使用で
きる。例えば、導体板３０Ａとしては、カーボ
ン、シリコンを、また、絶縁体３０Ｂとしてはア
ルミナ、二酸化ケイ素などをより有効に用いるこ
とができる。これらの材料は高融点材料であり、
プラズマにさらされて高温になつても安定であ
り、しかも加えて、半導体装置はこれらの材料で
構成されるから、仮にこれら材料がイオン衝撃で
スパツタされて半導体装置表面に付着したとして
も汚染源とはならない利点がある。第２図に示し
た実施例において、導体板３０Ａとしてカーボ
ン、絶縁体３０Ｂとして二酸化ケイ素の組み合せ
でイオン引出し電極３０を構成した実験例におい
て、エツチング表面の汚染もなく半導体装置構成
材料をエツチングすることができた。

さらに、本発明の上述した実施例においては、
ステンレス板、モリブデン板のプラズマに接する
面全体にポリイミド膜を形成したが、イオン引出
し電極をシールド電極と組み合わせて用いる場合
には絶縁体を部分的に形成してもよい。このこと
は、たとえば、部分的に大電流を取り出したい場
合やイオン源の内側の外周部分での電流密度分布
を改善して実効イオン源寸法を大きくしたい場合
などには効果的である。

なお、イオン引出し電極３０を構成する導体部
材としては、上述したようにアパーチヤをもつ導
体板のみでなく、例えば適当なアパーチヤをもつ
メツシユの形態の部材、例えばモリブデン線によ
り正方格子状アパーチヤを形成したメツシユ部材
とすることもできる。

以上説明したように、本発明ではイオンシヤワ
装置のイオン引出し電極において、イオン引出し
電極を導体部材およびこの導体部材のプラズマと
接する面に密着して設けた絶縁体で構成すること
によつて、イオン引出し電極の電子、イオンによ
る損傷を最小にし、しかも引出すイオン電流を増
大させることができる利点がある。さらにまた、
前述のイオン引出し電極とシールド電極とを組み
合せることにより、安定してシヤワ状イオンビー
ムを形成できる利点がある。

本発明によれば、エツチング表面の結晶性が乱
された欠陥層を生じさせないように低エネルギー
で大きいイオン電流を安定して得る必要のある半
導体装置製造のためのエツチング工程に好適なイ
オンシヤワ装置を提供することができる。

なお、本発明はエツチングのためのイオンシヤ
ワ形成のみならず、イオンビーム付着による膜形
成を目的としたイオンビーム装置にも適用できる
ことは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のイオンシヤワ装置の構成例を示
す線図、第２図は本発明イオンシヤワ装置の一実
施例におけるイオン源部分の構成概略を示す線
図、第３図，第４図および第５図は第２図示のイ
オン引出し電極の３例を示す拡大図、第６図は本
発明の実施例に基くイオン電流特性の測定結果を
示す特性曲線図、第７図は本発明イオンシヤワ装
置の他の実施例におけるイオン源部分の構成概略
を示す線図である。１…プラズマ室、２…試料室、３…浮遊電極板
を有するイオン引出し電極、３Ａ，３Ｂ…電極、
４…マイクロ波導入窓、５…矩形導波管、６…磁
気コイル、８…絶縁体、１５…高透磁率材料、１
６…ガス導入口、２１…マイクロ波反射板、２２
…マイクロ波結合窓、２４…絶縁スペーサ、２５
…プラズマ輸送室、３０…絶縁体を有するイオン
引出し電極、３０Ａ…導体板（導体部材）、３０
Ｂ…絶縁体、３１…アパーチヤ、４０…プラズ
マ、４１…プラズマシース、４２…シース界面、
４３…シヤワ状イオンビーム、５０…熱電子陰
極、５１…陽極、６０…シールド電極。

Claims

【特許請求の範囲】１プラズマを発生させてイオンを生成するプラ
ズマ室と、該プラズマ室の構成面の一部に設けら
れ、前記プラズマからイオンを引出してシヤワ状
イオンビームを形成するイオン引出し電極と、前
記シヤワ状イオンビームを試料表面に照射するよ
うにした試料室とを有するイオンシヤワ装置にお
いて、前記イオン引出し電極を単枚の構成とし、
該イオン引出し電極の前記プラズマに接する側に
密着して絶縁体を設けたことを特徴とするイオン
シヤワ装置。２プラズマを発生させてイオンを生成するプラ
ズマ室と、該プラズマ室の構成面の一部に設けら
れ、前記プラズマからイオンを引出してシヤワ状
イオンビームを形成するイオン引出し電極と、前
記シヤワ状イオンビームを試料表面に照射するよ
うにした試料室とを有するイオンシヤワ装置にお
いて、前記イオン引出し電極を単枚の構成とし、
該イオン引出し電極の前記プラズマに接する側に
密着して絶縁体を設け、および前記プラズマ室内
において前記イオン引出し電極の近くで、かつ当
該イオン引出し電極上に生じるプラズマシースの
厚さよりも離れた位置に前記プラズマが通過可能
であり、しかも前記イオン引出し電極によつて発
生する電界が前記プラズマ室の他の領域にほとん
ど及ばない構成のシールド電極を有することを特
徴とするイオンシヤワ装置。