JPH0530301B2

JPH0530301B2 -

Info

Publication number: JPH0530301B2
Application number: JP60045139A
Authority: JP
Inventors: Haruo Okano; Yasuhiro Horiike; Akihira Morishita; Teruo Azusawa
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-03-07
Filing date: 1985-03-07
Publication date: 1993-05-07
Also published as: JPS611025A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は、半導体装置の製造等に用いられるプ
ラズマ処理装置に係わり、特にマグネトロン放電
を利用して高速にドライエツチング若しくは膜形
成を行うプラズマ処理装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、半導体集積回路は微細化の一途を辿り、
最近では最小寸法１〜２［μm］の超微細素子も試
作開発されている。このような微細加工には、通
常平行平板型電極を有する真空排気された容器内
にCF₄やCCl₂等の反応性ガス導入し、試料載置の
電極（陰極）に高周波電力を印加することにより
グロー放電を生じさせ、この陰極に生じる負の直
流自己バイアス（陰極降下電圧）によりプラズマ
中の正イオンを加速して試料に垂直に照射し、該
試料を物理化学反応によりエツチングする、所謂
反応性イオンエツチング（RIE：Reactive Ion
Etching）法が用いられている。しかし、この平
行平板型電極によるRIEでは、ガス解離効果の比
較的低いグロー放電を利用しているので、例えば
CF₄＋H₂ガスを用いたSiO₂のエツチング速度は
高々300〜400［Å／min］に過ぎず、コンタクト
ホール等の１［μm］膜厚のSiO₂をエツチングす
るのに数10分以上もの時間を要し、量産性の点で
極めて不都合であつた。このため、エツチング速
度の高速度化が望まれている。

これに対し本発明者等は、高周波電力印加の陰
極下に永久磁石からなる磁場発生手段を設け、マ
グネトロン放電により高速エツチングを可能とし
たドライエツチング装置を開発した（特開昭57−
98678号）。この装置の原理は、第８図に示す如く
永久磁石８１の閉ループを形成する磁極間隙８２
に発生する磁界８３と、この磁界８３に直交する
電界８４とにより、電子８５をサイクロイド運動
させ、導入した反応性ガスとの衝突頻度を大幅に
増加させて多量の反応性イオンを発生させること
にある。なお、図中８６は被エツチング試料を示
している。その結果、多量のイオンが試料８６に
垂直に入射することになり、高速の異方性エツチ
ングが達成される。

しかしながら、この種の装置にあつては次のよ
うな問題があつた。即ち、前記磁極間隙８２を静
止したままだとトラツク状に発生する高密度のマ
グネトロン放電領域８７のみしかエツチングされ
ず、試料８６全体を均一にエツチングするために
は磁極間隙８２を試料８６の長径より大きく走査
する必要がある。第９図はCF₄ガスによりSiO₂を
エツチングしたときのエツチング速度を試料エツ
ジからの距離の関数として測定した結果を示す特
性図である。なお、このとき磁極間隙８２は第１
０図に示す如く試料８６のエツジから30［mm］離
して静止させておいた。第９図から、試料エツジ
付近では10秒間のエツチングで約1000〜2000［Å］
エツチングされ、試料エツジより内側となる程エ
ツチング速度が遅くなることが判る。前記走査の
戻り時間が例えば0.05秒と高速であつたとして
も、約80回の走査で２秒間隙磁極間隙８２を試料
８６の両側に静止させたことと等価となり、従つ
てこの走査回数において第１０図に示す状態でエ
ツチングされる試料エツジの深さは500［Å］に近
い値となる。このような周辺の領域の速いエツチ
ング試料全体の均一エツチング性を低下させる要
因となる。これを防止する手法として磁極間隙８
２の走査幅を広げることが考えられるが、この場
合装置の大形化やエツチング速度の低下等を招
き、将来の大口径化（６インチ以上）への対応が
困難となる。

また、上述の構成では陰極上に磁場の強弱が生
じ、これによりイオンエネルギーの不均一性が生
じる。このため、被処理基体へのビーム照射損傷
が生じる。さらに、不均一磁場が生じるため、イ
オンの軌道が曲げられ、マスクに忠実にエツチン
グすることが困難になる。即ち、完全な異方性エ
ツチング形状を得ることは困難であつた。

なお、上述した問題はエツチングに限らずプラ
ズマCVDやスパツタリング堆積による膜形成に
も同様に言えることである。例えば、スパツタリ
ング堆積の場合、平行平板型電極を用い陰極に試
料としてのターゲツトを、陽極に膜形成されるべ
きウエハを配置して膜形成を行う際に、陰極上の
ターゲツトが均一にエツチングされないと試料上
に形成される膜が不均一となり、均一な膜形成が
できないし、ターゲツトの寿命も短くなつてしま
う。

（発明の目的）本発明の目的は、装置構成の大形化を招くこと
なく、試料を均一に高速エツチング或いは試料上
に均一な厚みの膜を形成すること等ができ、且つ
ビーム照射損傷を低減することができ、試料の大
口径化にも十分対処し得るプラズマ処理装置を提
供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、磁極間隙以外の領域において
も試料上の電界と直交する磁場成分を持たせるこ
とにより、試料上の全面で磁場を相対的に均一化
することにある。

即ち本発明は、高周波電力が印加されると共に
表面側に試料が配置される陰極及び該陰極に対向
配置された陽極を備えたプラズマ処理室と、この
処理室内に被励起ガスを導入すると共に、上記処
理室内を排気する手段と、前記陰極に対向する位
置に配置され、該陰極上にマグネトロン放電を生
起するための磁場を印加する第１の磁場発生手段
と、前記陰極上に該陰極の表面と略平行方向の磁
場を印加する第２の磁場発生手段とを具備し、上
記第２の磁場発生手段により陰極の表面側の磁場
を相対的に均一化するようにしたものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、第２の磁場発生手段により水
平方向の磁場を印加することにより、陰極上の磁
場を均一化（磁場強度の極大・極小値の比が小さ
くなる）することができる。このため、陰極上に
試料として被エツチング試料を配置した場合、試
料全体を高速エツチングすることができ、且つ試
料全体を均一にエツチングすることができる。し
かも、磁場の強弱に伴うイオンエネルギーの不均
一性が解消され、試料へのビーム照射損傷も軽減
される。さらに、不均一磁場があるとイオンの軌
道が曲げられ、マスクニ忠実にエツチングするこ
とは困難であるが、磁場の均一化によりイオンは
試料に垂直に入射することになり、完全な異方性
形状を達成することができる。また、陰極上に膜
形成されるべき試料を配置した場合、その膜の均
一性を向上させることができる。さらに、陰極上
に試料としてのターゲツトを、陽極上に膜形成さ
れるべき部材を配置した場合、ターゲツトが高速
に均一エツチングされるので、試料に被膜を均一
に且つ速やかに形成することができる。従つて、
半導体製造技術分野における有用性は絶大であ
り、試料の大口径化にも十分対処し得る。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の第１の実施例に係わるドライ
エツチング装置を示す概略構成図である。図中１
１は設置された容器であり、この容器１１内は陰
極１２によりエツチング室（プラズマ処理室）１
３と磁場発生器収納室１４とに分離されている。
陰極１２には、マツチング回路１５を介して高周
波電源１６からの高周波電力が印加される。ま
た、陰極１２は冷却管１７により冷却されてお
り、この水冷管１７は上記電力印加のリードとし
て用いられる。エツチング室１３には反応性ガ
ス、例えばCF₄を導入するためのガス導入口１３
ａ及び上記ガスを排気するためのガス排気口１３
ｂがそれぞれ設けられている。そして、被エツチ
ング試料１８はエツチング室１３内の陰極１２上
に載置されるものとなつている。なお、陰極１２
に対向する陽極はエツチング室１３の上壁で形成
されるものとなつている。

一方、前記磁場発生器収納室１４内には磁性コ
ア２０及びコイル３０からなる磁場発生器（第１
の磁場発生手段）４０が陰極１２の下面に対向し
て配置されている。ここで、磁性コア２０は第２
図に示す如く磁性材料からなる平板体の上面に複
数の溝２１を一定間隔に形成した断面が櫛歯状の
ものであり、溝２１の長さは試料１８の長径より
も長く、同様に溝２１と直交する方向の磁性コア
２０の長さも試料１８より長いものとなつてい
る。磁性コア２０には水冷管２２が接続され、こ
の水冷管２２により磁性コア２０内に冷却水が通
流され磁性コア２０が冷却されるものとなつてい
る。また、前記コイル３０は３本のコイル３１
ａ，３１ｂ，３１ｃからなるもので、第３図に示
す如く磁性コア２０の溝２１に周期的に巻装され
ている。即ち、コイル３１ａは２つの溝を挟んで
各溝間に巻装され、コイル３１ｂ，３１ｃは上記
と同様に２つの溝を挟んでそれぞれ異なる溝に巻
装されている。そして、これらのコイル３１ａ，
３１ｂ，３１ｃには位相の異なる３相交流電流が
通流されるものとなつている。なお、第３図は前
記第２図の矢視Ａ−Ａ断面に相当する断面模式図
である。

ここで、上記各コイル３１ａ，３１ｂ，３１ｃ
に互いに120度位相の異なる３相交流電流を流す
と、磁場発生器４０上、つまり前記陰極１２上に
は第４図ａに示す如く、次式で与えられるような
磁束密度Ｂが発生する。

Ｂ＝B₀ cos（ωt−πx／τ） …… 但し、ω＝2π；電源の各周波数［rad／ｓ］、
；周波数［Hz］、ｔ；時間［ｓ］、ｘ；磁性コア
表面上の基準点からの距離［mm］、τ；ポールピ
ツチ［mm］である。ポールピツチは図に示すよう
に磁束密度の半波長、即ち半周期の長さである。
上式より明らかなように、Ｂは時間と共に紙面右
方向に移動していく進行磁界となる。（第４図ａ
はｔ＝０の時の関係を示している）。なお、第４
図ｂは前記第２図の矢視Ｂ−Ｂ断面に相当する断
面模式図である。従つて、陰極１２面上には磁性
コア２０の水平方向に強弱を持つ平行磁界が発生
し、あたかも移動しているように見えることにな
る。即ち、前記第８図で説明したように陰極１２
上に高密度のプラズマ領域が発生し、このプラズ
マ領域が一方向に連続移動することになる。

また、前記磁場発生器収納室１４にはガス排気
口１４ａが設けられており、収納室１４内は前記
磁場発生器４０による放電を防止するためのガス
排気口１４ａを介して10^-4［torr］以下の高真空
に排気されている。さらに、収納室１４と前記エ
ツチング室１３との間には、電磁弁５１により駆
動される仕切り弁５２が設けられており、この仕
切り弁５２によりエツチング時に各室１３，１４
が遮断されるものとなつている。なお、第１図中
５３は弗素樹脂等の絶縁物、５４はＯリングシー
ルをそれぞれ示している。

また、第１図には示さないが、前記真空容器１
１の外部側部には第５図に示す如く磁場発生器
（第２の磁場発生手段）７０が設けられている。
この磁場発生器７０は、ヘルムホルツコイル７
１，７２からなるもので、試料１８表面上に水平
方向の磁場を印加する。そして、この水平方向の
磁場印加により、陰極１２上には前記第１の磁場
発生器４０による磁場と重畳された磁場が印加さ
れることになる。

このように構成された本装置の作用について説
明する。先ず、ガス導入口１３ａからエツチング
室１２内に例えばCF₄等の反応性ガスを導入し、
エツチング室１２内を10^-2［torr］に保持した後、
陰極１２に高周波電力（13.56MHz）を印加する
と、陰極１２と陽極（エツチング室１３の上壁）
との間にグロー放電を生じ低密度プラズマ領域６
１を発生する。これと同時に、前記コイル３０に
交流電流を通流すると、各磁極間隙では、互いに
直交する電界Ｅと磁界Ｂの作用により図中に示し
たように互いに位相のずれた大、中、小のマグネ
トロン放電を生じ、電子がＥ×Ｂ方向にサイクロ
イド運動を行いながらCF₄分子と多数回衝突を繰
返すことにより、高密度プラズマ領域６２が磁極
間隙に沿つて発生する。この高密度プラズマ領域
６２は前記第４図で説明したように一方向への進
行磁界に同期して動くため、試料１８が高密度プ
ラズマ領域６２に晒される間の積分値は試料全面
で一定となる。

一方、磁場発生器７０による磁場は水平方向で
あり、これにより磁場発生器４０による磁場は上
記水平方向の磁場強度分だけ全体に上がることに
なる。ここで、全体としての磁場の極大・極小値
の差は磁場発生器４０による磁場のそれと同じで
あるが、極大・極小値の比は磁場発生器４０によ
る磁場のそれより小さくなる。このため、磁場発
生器７０を付加したことにより相対的に磁場が均
一化されたことになり、磁場の極大・極小部にお
けるエツチレートの差は小さくなる。従つて、試
料全面が均一に且つ高速にエツチングされること
になる。

このように本装置によれば、磁場発生器４０，
７０の作用により試料１８を高速で且つ均一にエ
ツチングすることができる。また、磁場の強弱に
伴うイオンエネルギーの不均一性が解消され、試
料１８へのビーム照射損傷も軽減される。しか
も、磁場の均一化により、イオンは試料１８に垂
直に入射することになり、これにより完全な異方
性エツチング形状を達成することができた。

また、磁場発生器４０の大きさは試料１８より
僅かに大きい程度でよく、装置の大形化を招くこ
ともない。また、機械的可動部が不要となるので
信頼性の向上をはかり得、さらにこのことから装
置構成の小型化をはかり得る。また、本装置では
試料１８が常に高密度プラズマ領域６２に晒され
ることになるので、試料１８が大口径化してもエ
ツチング速度の低下は極めて小さく、前記磁極間
隙を静止させたときに近いエツチング速度（約
5μm／min）を得ることができる。

第６図は本発明の第２の実施例に係わるドライ
エツチング装置を示す概略構成図である。なお、
第１図と同一部分には同一符号を付して、その詳
しい説明は省略する。この実施例が先の第１の実
施例と異なる点は、前記磁場発生器４０を大気中
に配置したことにある。即ち、上記磁場発生器４
０を有する装置では、磁極間隙に発生する磁界の
大きさ及び高周波電力の大きさを十分小さくして
も従来装置を大幅に上回るエツチング速度を得る
ことができるので、陰極１２の厚みを十分厚く
（10mm以上）することもでき、格別に高真空の磁
場発生収納室１４を設けなくても磁場発生器４０
が放電する等の虞れは殆どない。

従つて本実施例においては、先の第１の実施例
と同様な効果が得られるのは勿論のこと、装置構
成のより簡略化をはかり得る等の利点がある。

第７図は本発明の第３の実施例に係わるドライ
エツチング装置を示す概略構成図である。なお、
第１図と同一部分には同一符号を付して、その詳
しい説明は省略する。この実施例が先の第１の実
施例と異なる点は、前記陰極１２の外周に磁性材
料を埋込んだことにある。即ち、陰極１２の上面
には前記試料１８が載置される領域より外側に該
領域を囲むように鉄板８０が埋込まれている。

このような構成であれば、前記磁束間隙の端部
が仮に鉄板８０の下にあつても磁力線の大部分が
透磁率の高い鉄板８０内を通過することになり、
鉄板８０上には磁界は発生しない。このため、試
料１８の周辺部の高密度プラズマ領域６２が除去
されることになる。従つて、進行磁界方向の均一
性の向上をはかり得、より均一性良いエツチング
速度を得ることができる。

なお、本発明は上述した各実施例に限定される
ものではない。例えば、前記第１の磁場発生器は
電気的に磁場を生成するものに限らず、従来のよ
うに永久磁石であつてもよい。また、第２の磁場
発生器は、ヘルムホルツコイルに限らず、前記陰
極の表面と平行な方向（陰極上の電場と直交する
方向）の磁場を生成するものであればよい。さら
に、試料としてはSiO₂に限らず、各種被膜のエ
ツチングに適用できるのは勿論のことである。

また、本発明装置はエツチングに限らず、プラ
ズマCVDやスパツタリング堆積等の膜形成、或
いは灰化処理にも適用することができる。ただ
し、スパツタリング堆積の場合、前記陰極上に試
料としてのターゲツトを配置し、前記陽極上に膜
形成されるべき部材を配置する必要がある。そし
てこの場合、前述した被エツチング試料のエツチ
ングと同様にターゲツトが高速で均一にエツチン
グされるので、試料上に被膜を速い速度で形成す
ることができ、且つ形成される被膜を均一にする
ことができる。さらに、エツチングの場合と同様
に磁場発生器を固定したまま磁場を一方向に移動
できるので、装置構成の小型化をはかり得、機械
的可動部が不要なことから信頼性の向上をはかり
得る。また、プラズマ処理室に導入する被励起ガ
スは、陰極上の被エツチング試料、被堆積試料或
いはターゲツトの種類に応じて適宜定めればよ
い。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、
種々変形して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図はそれぞれ本発明の第１の実
施例に係わるドライエツチング装置を説明するた
めのもので第１図は全体構成を示す概略構成図、
第２図は磁性コア構造を示す斜視図、第３図はコ
イルの巻き方を示す模式図、第４図は実施例装置
の作用を説明するための模式図、第５図は第２の
磁場発生器を説明するための要部構成図、第６図
は第２の実施例を示す概略構成図、第７図は第３
の実施例を示す概略構成図、第８図乃至第１０図
はそれぞれ従来の問題点を説明するためのもので
第８図はマグネトロン放電利用のドライエツチン
グ装置の原理を示す斜視図、第９図は試料位置と
エツチング深さとの関係を示す特性図、第１０図
は磁極間隙と試料位置との関係を示す模式図であ
る。１１……エツチング容器、１２……陰極、１３
……エツチング室（プラズマ処理室）、１３ａ…
…ガス導入口、１３ｂ，１４ａ……ガス排気口、
１４……磁場発生器収納室、１５……マツチング
回路、１６……高周波電源、１７……水冷管、１
８……被エツチング試料、２０……磁性コア、２
１……溝、３０，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ……コ
イル、４０……第１の磁場発生器、５１……電磁
弁、５２……仕切り弁、６１……低密度プラズマ
領域、６２……高密度プラズマ領域、７０……第
２の磁場発生器、７１，７２……ヘルムホルツコ
イル、８０……鉄板。

Claims

【特許請求の範囲】１高周波電力が印加されると共に試料が配置さ
れる陰極及び該陰極に対向配置された陽極を備え
たプラズマ処理室と、この処理室内に被励起ガス
を導入する手段と、上記処理室内を排気する手段
と、前記陰極に対向する位置に配置され該陰極上
にマグネトロン放電を生起するための磁場を印加
する第１の磁場発生手段と、前記陰極上に該陰極
の表面と略平行方向の磁場を印加する第２の磁場
発生手段とを具備してなることを特徴とするプラ
ズマ処理装置。２前記被励起ガスは、反応性ガスであり、これ
により前記陰極上に配置される試料がエツチング
されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載のプラズマ処理装置。３前記陰極上に配置される試料の表面には、気
相成長により膜が形成されることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載のプラズマ処理装置。４前記陰極上に配置される試料は、膜形成の原
料となるターゲツトであり、このターゲツトに対
するスパツタリングにより前記陽極上に配置され
る部材に膜が形成されることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載のプラズマ処理装置。５前記第１の磁場発生手段は、前記陰極に対向
配置される磁性コア及び該磁性コアに設けられ相
互に位相の異なる交流電流が通流される複数のコ
イルからなり、前記陰極上に所定方向に連続移動
する磁場を発生するものであることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載のプラズマ処理装置。６前記磁性コアは断面が櫛歯状でその複数の溝
が前記陰極に対向するように配置され、前記各コ
イルがそれぞれ異なる溝間に所定数の溝を挟み周
期的に巻装されることを特徴とする特許請求の範
囲第５項記載のプラズマ処理装置。７前記磁性コアは、前記試料より平面的に大で
あることを特徴とする特許請求の範囲第５項記載
のプラズマ処理装置。８前記複数のコイルは３相のコイルを構成し、
これらのコイルに３相交流電流が通流されること
を特徴とする特許請求の範囲第５項記載にプラズ
マ処理装置。９前記第２の磁場発生手段は、ヘルムホルツコ
イルからなるものであることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載のプラズマ処理装置。