JPH0529267A - Ｅｃｒプラズマエツチング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＥＣＲプラズマを用いたプラズマエッチング
装置に於て、低いガス圧力で高密度の均一な大口径のプ
ラズマが得られるようにする。 【構成】 金属製の単軸円筒からなる共振器１の内部
に、導波管２及び結合孔３によって高次のＴＥ01モード
のマイクロ波励振を導入する。真空室９内にウェハ１２
を載置し、導入管１０を介してエッチングガスを導入す
る。共振器１の上方及びウェハ１２の下方にそれぞれ配
置した第１及び第２の磁石１５、１６によって、共振器
内に磁界を発生させる。 【効果】 高密度のプラズマで速い反応加工速度が維持
され、大型基板のエッチング処理が可能になり、かつ装
置全体が小型化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体物質の表面をプラ
ズマ中のイオン及び活性種によりエッチングするドライ
エッチング技術に関し、特に半導体の製造に於てＥＣＲ
プラズマを用いてエッチングを行なうドライエッチング
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より半導体素子の製造分野では、微
細なパターンを加工するためにプラズマ中のイオンを用
いてウェハの表面をエッチングするドライエッチングが
行なわれている。最近では、一層の高集積度化が進むに
従い、より高度な超微細加工が要求されるようになって
いる。そのためには、加工精度を向上させかつイオンの
衝撃などによるプラズマ照射損傷の低減を図ることが必
要である。

【０００３】しかし、従来使用されている高周波スパッ
タエッチングでは、十分な電子密度が得られず、かつ放
電ガスの圧力が比較的高いためにいわゆるイオンシース
がガス分子の平均自由行程より大きくなる。このため、
高密度のプラズマを発生させて加工速度を速くしかつ良
好な加工形状を達成することが困難であった。

【０００４】そこで、一般に２．４５ＧＨｚのマイクロ
波を真空室に供給して真空室内部に放電を起こし、更に
磁界を印加するマイクロ波励起によるＥＣＲ（電子サイ
クロトロン共鳴）のイオン源を用いて、高密度のプラズ
マを生成し、かつ反応活性種の運動エネルギーを個別に
制御し得るようにした技術が開発されている。このＥＣ
Ｒプラズマエッチングは、プラズマ電位と被加工材料と
の電位傾度を任意に独立して設定できることから、特に
微細素子の加工に優れている。例えば１０^-2〜１０^-4Ｐ
ａ程度の低い圧力で放電が可能であり、高周波放電の場
合と比較して反応種の平均自由行程が格段に増大し、イ
オンの方向性が増して、加工精度が向上する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ＥＣＲプラズマエッチ
ング装置は、一般にイオンシャワー型構造を有し、マイ
クロ波励起のために軸方向に長い共振器を使用してい
る。また、マイクロ波放電によって高密度のプラズマを
得るためには、強い磁場が必要である。このため、共振
器の軸線方向に沿って長くかつ強い磁場を形成しなけれ
ばならず、空心の電磁コイルを共振器の周囲に配置して
磁場を発生させるのが通例である。

【０００６】ところが、このような強大な磁場を発生さ
せかつ磁界の強度を一様に維持するためには、必然的に
電磁コイルの寸法が大きくなり、設備全体が大型化する
という問題があった。しかも、強大な磁界を生じさせか
つ磁界強度を時間的に安定化させるために、電磁コイル
に大電力を供給しなければならず、その安定化のために
様々な特別な工夫が必要であった。

【０００７】また、最近の半導体の製造では、ウェハの
サイズが、従来の１５０mm（６インチ）から２００mm
（８インチ）またはそれ以上の直径の大径ウェハに移行
しつつある。しかし、従来のプラズマエッチング装置で
は、磁界発生手段として電磁コイルを用いているため、
物理的に大口径の均一なプラズマ放電を実現することが
困難であった。

【０００８】更に、高集積度化に対応して超微細加工を
行なうためには、放電プラズマの圧力を低下させて、活
性反応種の平均自由工程を大きくする必要があるが、ガ
ス濃度の低下即ち反応種密度の低下が生じてエッチング
に必要なイオン数が不足し、反応加工速度を減少させる
という問題があった。

【０００９】そこで、本発明の目的は、放電プラズマの
圧力を下げても高密度なプラズマを維持して早い反応加
工速度を確保し、かつ直径２００mm以上の大径ウェハを
も加工できる大口径の均一なプラズマ放電が得られる、
比較的小型で簡単な構造を有するＥＣＲプラズマエッチ
ング装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明によれ
ば、エッチングガスが導入される放電空間を郭成する真
空室と、前記真空室を内包する共振器と、前記共振器内
に磁界を発生させる磁界発生手段と、前記真空室内にマ
イクロ波電力を供給する手段とを備え、電子サイクロト
ロン共鳴により前記真空室内に載置された試料をエッチ
ングするＥＣＲプラズマエッチング装置であって、前記
共振器が金属製の短軸円筒からなり、前記マイクロ波電
力供給手段が、前記短軸円筒に設けた結合孔または結合
コイルを介してＴＥ0nモードのマイクロ波励振を行い、
かつ、前記磁界発生手段が、前記短軸円筒の軸線に沿っ
てその一方の側部に配置された第１の磁石と、他方の側
部にかつ前記試料より外側に配置された第２の磁石とか
らなり、前記短軸円筒の軸線と平行に磁界を発生させる
ようになっていることを特徴とするＥＣＲプラズマエッ
チング装置が提供される。

【００１１】

【作用】このように、金属製の短軸円筒を共振器に使用
することによって、同一の磁界強度を必要とする距離が
従来より大幅に短くなる。そして、前記金属円筒内に高
次のＴＥ0nモードのマイクロ波励振を導入することによ
って、大口径の均一なプラズマを発生させることがで
き、大型の試料についても均一なエッチング処理を行う
ことが可能になる。また、磁界発生手段を従来より大幅
に小型化することができ、永久磁石を用いてもＥＣＲに
よるプラズマエッチングに必要な磁界強度を得ることが
できる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の好適実施例を添付の図面につ
いて詳しく説明する。図１には、本発明によるＥＣＲプ
ラズマエッチング装置の好適な実施例が概略的に示され
ている。このエッチング装置は、軸長の短い金属製の円
筒からなる共振器１を有する。共振器１は立て軸方向に
配置され、かつその周壁には放射方向に４個の方形導波
管２が互いに直角に取り付けられている。導波管２を取
り付けた円筒形共振器１の周壁部分には、その内部と各
導波管２内部とを連通する結合孔３が設けられ、該結合
孔を介して磁界結合によってマイクロ波電力が共振器内
部に導入されるようになっている。このマイクロ波入力
の位相と振幅とは可及的に一致させるのが好ましい。

【００１３】共振器１は、その上部が気密に閉塞され、
かつ開放された下部が水平な金属製保持板４上に固定さ
れている。保持板４には、共振器１と同心かつそれより
小径の開口部５が開設され、真空容器６が一体的に取り
付けられている。真空容器６は、保持板４から下方に延
出する円筒部分７と、放電管として共振器１内部に位置
する例えば石英ガラスなどの耐熱絶縁材料で形成される
半球状蓋部８とからなる。真空容器６の内部には真空室
９が郭成され、円筒部分７に連結されたガス導入管１０
及び排気管１１によってエッチングガスを真空室９内に
導入・排気するようになっている。エッチングガスとし
ては、エッチング処理される試料に対して化学的に反応
性を有するガスが使用され、例えばＢｒ2、Ｃｌ2、ＣＦ
4、ＳＦ6、ＣＣｌ4等のようなＦ系、Ｃｌ系、Ｂｒ系の
ハロゲン系ガスが該試料の種類に応じて適当に選択され
る。

【００１４】真空室９内には、その上にマスク処理した
被エッチング基板即ちウェハ１２を載置するウェハ支持
台１３が配設されている。ウェハ支持台１３は、直径２
００mm（８インチ）以上の大径基板を処理することがで
きる十分な大きさを有する。この支持台１３は、駆動装
置１４によって真空室９内を上下に、エッチングを行う
前記放電管内の上方位置と、処理済みのウェハと未処理
のウェハとを交換する下方位置との間で昇降させること
ができる。

【００１５】共振器１の直ぐ上方には、真空容器６と略
同径の永久磁石からなる第１磁石１５が、上下方向にＳ
極及びＮ極を有するように配置されている。これに対応
して、ウェハ支持台１３の内部には、同様に上下方向に
Ｓ極及びＮ極を有する永久磁石からなる第２磁石１６が
配設されている。これら第１及び第２磁石１５、１６に
よって、共振器１内部にはその略全体に上下方向の磁界
が形成される。

【００１６】更に、図１に示される実施例では、任意に
より、ウェハ１２に流入するイオンエネルギーをプラズ
マ発生電力とは別個に制御するために、ウェハ支持台１
３内部に別個の高周波電源または直流電圧を印加する電
極１７が設けられている。電極１７は、線１８を介して
外部の高周波電源または直流電源１９に接続されてい
る。これによって、イオンの方向性がより一層高められ
る。

【００１７】次に、上述した本発明のＥＣＲプラズマエ
ッチング装置の作用について説明する。方形導波管２か
ら結合孔３を介して導体である金属円筒共振器１の内部
にマイクロ波電力を供給する。これにより、共振器１内
には、図３及び図４に示されるような同心円状に電界２
０が形成される。他方、共振器１内には、第１及び第２
磁石１５、１６によって発生した磁界２１が上方から下
方へ電界２０と直交する向きに作用している。このた
め、共振器１内部には破線２２で示すような磁界が生じ
ることになる。ここで、図３の黒点（・）２０ａは紙面
に対して垂直方向にその裏側から表側に向う電界の方向
を示し、かつ罰点（×）２０ｂは逆方向に紙面の表側か
ら裏側に向う電界の方向を示している。

【００１８】一般に電磁界モードには、大別してＴＥ波
とＴＭ波の２種類があるが、本発明では、ＴＥ波の高次
のＴＥ0nモードのマイクロ波励振を使用する。これは、
ＴＭ波では導体内を電流が流れて損失が大きくなるのに
対して、ＴＥ波では電磁界が導体に接しないので能率が
良いからである。ここで、ＴＥ0nの添字０は円周方向に
電磁界の変化がないことを示し、かつｎは半径方向に生
じる変化の回数を示している。

【００１９】使用するマイクロ波の周波数を２．４５Ｇ
Ｈｚとした場合に、自由空間での波長λｏは１２２．３
６４mmとなる。ここで共振器の直径をＤmmとすると、遮
断波長λｃと管内波長λｇとはそれぞれ次の式（１）、
（２）で表わされる。

【００２０】 λｃ＝πＤ／ｘ ・・・（１） λｇ＝λｏ／｛１−λ（λｏ／λｃ）² ｝^0.5 ・・・（２）

【００２１】（１）式に於てｘは共振モードに対する遮
断波長係数であり、ＴＥ01、ＴＥ02、ＴＥ03、ＴＥ04の
各モードに対してそれぞれ３．８３１７、７．０１５５
９、１０．１７３５、及び１３．３２３７の値をとる。
従って、自由空間での波長λｏが遮断波長λｃと等しく
なるときの最小半径Ｄmin は、使用周波数２．４５ＧＨ
ｚに対して以下の表１に示すようになる。

【００２２】

【表１】

【００２３】金属円筒からなる共振器１は、ＴＥ0n1 モ
ードの場合に上記表１の最小直径以下では減衰して共振
しないので、その直径Ｄはそれ以上の値にしなければな
らない。ここで、ＴＥ0n1の最後の添字１は半径方向に
電磁界の変化がないことを示しており、これによってプ
ラズマの均一性が得られる。また、このとき前記共振器
の共振長は管内波長λｇの１／２となるから、使用周波
数を２．４５ＧＨｚとした場合に、共振器の直径Ｄとし
て前記最小値より大きい値をいくつか適当に選択した場
合に、共振長Ｌ（mm）は次の表２のようになる。

【００２４】

【表２】

【００２５】この表２から分かるように、共振モードの
次数が高くなればなるほど共振器の直径Ｄを大きくする
ことができ、かつ共振長Ｌを短く、即ち共振器の高さを
低くすることができる。従って、必要な磁界強度を得る
ための起磁力を小さくできることが分かる。また、電子
サイクロトロン周波数即ちマイクロ波周波数ｆ（ＧＨ
ｚ）と磁界強度Ｂ（ＫＧａｕｓｓ）との間には次のよう
な関係がある。

【００２６】ｆ＝２．８×Ｂ 即ち、ｆ＝２．４５ＧＨｚでは磁界強度Ｂ＝０．８７５
ＫＧａｕｓｓとなる。この磁界の方向は、マイクロ波電
界に対して垂直であるから、一般にイオンシャワー型の
軸方向に長い共振器を使用するＥＣＲプラズマ発生器で
は、対応して軸方向に長く強い磁界を生成しなければな
らない。このため、従来の磁界発生装置では、非常に大
型の電磁石を一般に使用しており、上述した種々の問題
が生じている。

【００２７】これに対して、本発明のＥＣＲプラズマエ
ッチング装置では、上述したように軸長の短い金属円筒
の共振器を使用し、上下方向から磁界を印加するように
なっているので、必要な同一の磁界強度を生成させる距
離が従来より大幅に短くて済む。このため、磁界発生装
置を小型化することが可能となり、上述したように第１
及び第２磁石１５、１６双方に永久磁石を使用すること
ができる。或実施例では、永久磁石を用いて共振器１内
を８７５Ｇａｕｓｓの磁界強度に維持した。

【００２８】このようにして、共振器内に図３及び図４
に示されるような電界及び磁界を発生させる。他方、真
空室９の内部に、上述したように導入管１０を介してウ
ェハ１２に対応した周知のエッチングガスを例えば１０
^-1〜１０^-2Ｐａ程度のガス圧力で導入し、マイクロ波励
振を行なう。そして、前記放電管内に発生したプラズマ
中のイオンがマスク処理されているウェハ１２表面に搬
送されて、該表面のエッチングが行われる。

【００２９】尚、図１に示すように、ウェハ支持台１３
は、その外径が真空容器６の内径より小さく、真空容器
６の内壁との間に十分な空隙２３が形成されるようにな
っている。これは、同一寸法のＴＭ1n1 モードの共振を
防止して、共振器壁面内にマイクロ波電流が流れること
による損失を防止するためである。

【００３０】図５には、本発明の変形実施例が示されて
いる。この実施例では、図１の方形導波管２に代えて同
軸ライン２４が使用されている。同軸ライン２４は、そ
の中心導体２５がコイル状に形成されて結合コイルを構
成し、かつ共振器１の内部に突出するように共振器１周
壁部に取り付けられている。この同軸ライン２４によっ
て、方形導波管２と同様にマイクロ波放電が行われ、前
記放電管内部にプラズマを発生させる。

【００３１】また、本発明は、当業者にとって明らかな
ように、その技術的範囲内で上述した実施例に様々な変
形・変更を加えて実施することができる。例えば、上記
実施例では、真空室９の上部を共振器１の内部に配置さ
れる半球状蓋部８によって気密に閉塞したが、前記金属
円筒及び結合孔３を気密に形成することによって、蓋部
８を無くして前記金属円筒と円筒部分７とで真空室を形
成することができる。また、第１及び第２磁石１５、１
６は必ずしも永久磁石でなくても良く、必要に応じて電
磁石を使用できることは云うまでもない。更に、共振器
１に取り付けた導波管２の数は、前記短軸円筒の寸法、
エッチングされるウェハのサイズ、使用するエッチング
ガスの種類、必要な電界の大きさ等の条件に従って変更
することができ、かつその場合にその数に応じて前記円
筒に等角度間隔で対称位置に配置される。

【００３２】

【発明の効果】上述したように本発明によれば、軸長の
短い金属円筒を共振器に使用し、高次のＴＥ0nモードの
マイクロ波励振を使用することによって、プラズマ密度
の均一性が得られるので、今日の半導体製造に要求され
ている超微細加工を実現するのに必要な１０^-1〜１０^-2
ｐａ程度にまで放電プラズマの圧力を低く下げて反応種
の平均自由工程を大きくしても、高密度なプラズマによ
って速い反応加工速度を維持することが可能である。そ
して、大口径の均一なプラズマが得られることから、直
径２００mm以上の大形の被エッチング試料も容易に均一
かつ迅速に処理することができる大口径のＥＣＲプラズ
マエッチング装置が得られる。しかも、共振器の直径を
大きくして共振長、即ち共振器の高さを低くできるの
で、必要な磁界強度を得るための起磁力を小さくするこ
とができ、磁界発生手段の小型化が図られ、上下方向か
ら磁界を印加することから、永久磁石を使用しても必要
な同一の磁界強度が得られ、従来に比して大幅に構成を
簡単化しかつ装置全体を小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＥＣＲプラズマエッチング装置を
概略的に示す構成図である。

【図２】図１のII−II線に於ける断面図である。

【図３】共振器１内の電磁界分布をその円筒の軸線方向
に沿って示す説明図である。

【図４】共振器内の横断方向の電界分布を示す説明図で
ある。

【図５】本発明の別の実施例を示す部分拡大断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 共振器 ２ 方形導波管 ３ 結合孔 ４ 保持板 ５ 開口部 ６ 真空容器 ７ 円筒部分 ８ 半球状蓋部 ９ 真空室 １０ 導入管 １１ 排気管 １２ ウェハ １３ ウェハ支持台 １４ 駆動手段 １５ 第１磁石 １６ 第２磁石 １７ 電極 １８ 線 １９ 電源 ２０ 電界 ２１ 磁界 ２２ 磁界 ２３ 空隙 ２４ 同軸ライン ２５ コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柴田 文雄 茨城県取手市井野団地２−７−509 (72)発明者 川浦 廣 神奈川県横浜市港北区箕輪町170−１−117 (72)発明者 篠原 己抜 神奈川県横浜市緑区中山町1119 日本高周 波株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エッチングガスが導入される放電空間
   を郭成する真空室と、前記真空室を内包する共振器と、
   前記共振器内に磁界を発生させる磁界発生手段と、前記
   真空室内にマイクロ波電力を供給する手段とを備え、電
   子サイクロトロン共鳴により前記真空室内に載置された
   試料をエッチングするＥＣＲプラズマエッチング装置で
   あって、 前記共振器が金属製の短軸円筒からなり、 前記マイクロ波電力供給手段が、前記短軸円筒に設けた
   結合孔または結合コイルを介してＴＥ0nモードのマイク
   ロ波励振を行い、かつ、 前記磁界発生手段が、前記短軸円筒の軸線に沿ってその
   一方の側部に配置された第１の磁石と、他方の側部にか
   つ前記試料より外側に配置された第２の磁石とからな
   り、前記短軸円筒の軸線と平行に磁界を発生させるよう
   になっていることを特徴とするＥＣＲプラズマエッチン
   グ装置。
2. 【請求項２】 少なくとも前記第１の磁石が永久磁石
   であることを特徴とする請求項１に記載のＥＣＲプラズ
   マエッチング装置。