JPH0727894B2

JPH0727894B2 - 回転磁界を用いた放電反応装置

Info

Publication number: JPH0727894B2
Application number: JP2018450A
Authority: JP
Inventors: 陽宏後藤
Original assignee: アプライドマテリアルズジャパン株式会社
Priority date: 1990-01-29
Filing date: 1990-01-29
Publication date: 1995-03-29
Anticipated expiration: 2010-03-29
Also published as: JPH03222415A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はIC、LSIなどの半導体装置の製造、特にドライ
エッチング装置に用いて好適な回転磁界を用いた放電反
応装置に関する。

（従来の技術）半導体集積回路の集積に増大に伴い、デバイスの微細化
が求められ、また三次元集積回路の開発が進められるな
ど、その加工に必要なドライエッチング技術に対する要
求も益々厳密になっている。

回転磁場を用いたドライエッチング方法のコンセプト
は、1981年にIBMのハイマンによって発表されて以来、
三極反応性イオンエッチング装置とともにプラズマ密度
を高める方法として多く利用されてきた。

電界と磁界を直交させたマグネトロン方式では、電子が
電界と磁界の相乗効果により、電界と磁界で形成される
面に対して垂直方向（Ｅ×Ｂ）に、いわゆるマグネトロ
ン運動をして旋回するので、電子が分子と衝突し、イオ
ン化効率がよくなり、エッチング速度が上がる。また磁
界により電子の移動度は著しく低下し、直流的に浮遊状
態になっている電極へ到達する電子電流が少なくなるた
め、自己バイアスは低くなり、電極へ衝突するイオンエ
ネルギーを低くでき、ウェハ表面へのダメージを減少す
ることができる。

回転磁場を利用した装置では、２対または３対の電磁コ
イルにより発生する磁界を回転させることで、高密度の
プラズマをウェハ上で回転させ、プラズマのイオン化を
促進している。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら上記従来の装置では以下に述べる問題点が
ある。

まず第一に、ウェハは最大直径８インチなどと大口径化
が進んでおり、これら大口径のウェハ上で均一な磁場を
与えようとする、電磁コイルは各々直径1m以上の大型の
のが必要となる。このような大型のものになると、装置
の床占有面積および作業スペースを考慮すると、現在の
半導体製造ラインには使用不可能となってしまう。

第二に、磁場強度分布にかかわらず、平行平板電極形マ
グネトロン装置では、前記のようにＥ×Ｂ方向に電子が
移動するため同方向に従ってプラズマは密になる。この
ようなプラズマ状態では、磁力方向を北とするとウェハ
上でのプラズマ電位は南北方向ではほぼ均一であって
も、東西方向では東側のプラズマ電位が西側より高くな
る。反応性のイオンエッチングのように、イオンの方向
性および強度によりエッチング形状およびエッチング速
度をコントロールする場合、イオンはプラズマ電位と自
己バイアスの和によってプラズマ暗部で加速され、被エ
ッチング膜に衝突する。またイオン電流JiはJi＝eniμi
Eで示されるように、イオン密度とイオン移動度の積に
比例して変化する。すなわち、磁場に対して東周辺部の
方が中心部および西周辺部よりイオンの衝突強度および
量とも大きくなり、エッチング速度も著しく不均一にな
る。プラズマの濃淡現象は主に磁場強度と反応圧力に依
存する。特に次世代デバイスに必要とされる高アスペク
ト比、極小パターンサイズ依存性のエッチングを実現す
るには、低圧雰囲気でのエッチングが不可欠となり、磁
場による濃淡現象は顕著なものとなる。さらにエッチン
グ速度のみでなく、ウェハ外周部では中心部に比べイオ
ン衝突強度が大きいため、イオン照射による損傷を受け
やすく、デバイスによっては周辺部の歩止まりが著しく
低下するという問題点がある。

さらに従来の技術では、被エッチングウェハ周辺と中心
部のエッチングレートの差および周辺部の周期的なイオ
ンエネルギーの変化によるダメージが大きく、大口径ウ
ェハには不適合なものであった。このため磁場と圧力を
独自に変化させることが困難となり、均一性に対するプ
ロセスウィンドーが非常に狭くなる傾向があった。

本発明は上記の問題点を解決すべくなされ、その目的と
するところは、プラズマ内での電子の運動を抑制し、プ
ラズマ電位の分布を均一にして、ドライエッチング装置
としてウェハ内のエッチング速度をより均一に、またウ
ェハ表面の耐圧を向上させることができ、またプラズマ
CVD装置として均一な皮膜の生成を行うことができる回
転磁界を用いた放電反応装置を提供するにある。

（課題を解決するための手段）上記目的による本発明では、電極を内蔵する真空チャン
バと、真空チャンバ内に所定のガスを供給するガス供給
手段と、真空チャンバー内のガスを排出する排出手段
と、真空チャンバ周囲に配設され、電界の方向と垂直な
面内で回転する回転磁場を生起させる電磁コイルを具備
する回転磁界を用いた放電反応装置において、被処理物
が載置される前記電極の周囲に複数配置され、電界の方
向から見た際の前記回転する磁場の北方向に対して東側
に位置するものよりも西側に位置するものの電位が常に
高くなるように回転磁場の回転と同期して電位が制御さ
れる制御電極を設けたことを特徴としている。

（作用）磁場を回転させただけでは、前記したように電界の方向
から見た際の、回転磁場の北方向に対する東側のプラズ
マ電位が高くなる。

被処理物を載置する電極の周囲に配置した制御電極はそ
の電位が高くなると周囲のプラズマ電位を高くする。し
たがって、回転する磁場の北方向に対する西側に位置す
る制御電極の電位が常に東側に位置する制御電極の電位
よりも高くなるように電位を制御することによって、プ
ラズマ電位を均一にすることができる。

（実施例）以下では本発明の好適な一実施例を添付図面に基づいて
詳細に説明する。

第１図はドライエッチング装置10の平面図、第２図は正
面断面図を示す。

図において14は真空チャンバであり、CF₄等のエッチン
グガスを導入するガス供給口（図示せず）と、真空チャ
ンバ14内を排気して所要の圧力に設定するガス排気口
（図示せず）を有する。ガス供給口はバルブを介してガ
ス供給源に、ガス排出口はバルブを介して排気ポンプに
接続される。

16は真空チャンバ14内に配設された、ウェハ（被処理物
17）載置用の非接地電極であり、これにはマッチング回
路18を介して高周波電源20が接続され、高周波電力が印
加される。22は真空チャンバ上壁面に配設した接地電極
であり、接地されている。

1.1′、2.2′は真空チャンバ14を囲んで配設された２対
の電磁コイルであり、位相が90゜ずれた電流が印加さ
れ、非接地電極16、接地電極22間の電界と直交する方向
に生起される合成磁場を回転させる。この回転磁界の回
転数は低く、２秒間に１回転程度とする。

このように回転磁場を作用させることで、高密度のプラ
ズマをウェハ17上で回転させることができるが、前記し
たように、磁場方向を北とすると、プラズマ電位は西側
よりも東側の方が高く、磁場を回転させたとしてもプラ
ズマの濃淡が生じたままプラズマがウェハ17上を回転す
るので、前記した問題点が生じる。

本実施例では、非接地電極16の周辺に４つの制御電極
Ａ、Ｃ、Ｂ、Ｄを、その上面が非接地電極16に載置され
るウェハ17の上面と略同一になるように配置した。23、
24は絶縁物である。

上記４つの制御電極Ａ、Ｃ、Ｂ、Ｄにはローパスフィル
ターを介して各々直流電源が接続され、位相が90゜ずれ
た脈動電圧が印加される。この脈動電圧は上記磁場の回
転と同期して変位するよう設定されている。すなわち磁
場が２秒間に１回回転するとすれば、脈動電圧の周波数
は1/2Hzに設定する。例えば制御電極Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに
印加する脈動電圧は正弦波の脈動電圧とすることができ
る。また磁場の回転に対して磁界の方向から見た磁場の
方向を北側とすれば、西側に位置する制御電極の電位が
高く、東側に位置する制御電極の電位が低くなるよう同
期してサイクルする。

以上のように構成されている。

続いて本装置の作用について説明する。

まずガス供給口から真空チャンバ14内にエッチングガ
ス、例えばCF₄ガスを導入し、真空チャンバ14内を10^-2
〔Torr〕に保ち、非接地電極16に高周波電力（1kW,13.5
MHz）を印加すると、非接地電極16と接地電極22との間
に放電が生じ、プラズマが生起する。一方、２対の電磁
コイル1.1′、2.2′に交流を流して合成磁場を回転させ
る。この合成磁場は電界と直交する方向に生起するの
で、電子がマグネトロン旋回運動をし、イオン化効率を
高める。

また一方前記したように４つの制御電極Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ
に脈動電流が印加される。

例えば電磁コイル1.1′、2.2′のドライバー設定値が
（１、０）の場合、磁界はＡを示しており、同時に磁界
の方向に対して西側の制御電極Ｂの電位は最も高くな
り、東側の制御電極Ｄは最も電位が低い。また電磁コイ
ル1.1′、2.2′のドライバー設定値が（.707、.707）の
ときは磁界は上記位置から時計方向に45゜回転した方向
を向き、このとき制御電極Ａ、制御電極Ｂの電位が高
く、制御電極Ｃ、制御電極Ｄの電位が低くなることが理
解される。すなわち、磁界の回転に同期して、４つの制
御電極Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの電位は、磁界の方向（北）に対
して常に西側の制御電極の方が東側の制御電極よりも高
くなるように変位する。

制御電極Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに陽電位を加えると制御電極近
傍のプラズマ電位はその電極の電位に比例して上昇し、
逆に負電位の場合ではイオン電流が増大し、プラズマ電
位は低下する。これは直流電極が電子の供給源または過
剰電子を除去する働きをするからである。すなわちプラ
ズマ内での電子のＥ×Ｂ方向の運動を抑制し、あるいは
制御できる。

したがって、上記のように、磁界の方向（北）に対して
常に西側の制御電極の方が東側の制御電極よりも高くな
るように４つの制御電極Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの電位が変位す
るようサイクルさせることによって、回転磁場のみによ
る前記のプラズマ電位の東側寄りへの偏りをなくすこと
ができ、これによりプラズマ電位の分布が均一になり、
ウェハ内のエッチング速度がより均一になり、またウェ
ハ表面の耐圧が向上する。

プラズマ電位の調整は４つの制御電極Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの
電位を調整することで容易に行える。最適な電位調整の
結果、ウェハの中心から４インチの個所で、南北間、お
よび東西間のプラズマ電位は±10V以内となり大幅に改
善された。また同時にウェハ面内のエッチング速度の均
一性は、従来ではエッジより10mmの部位内では±10％も
のバラツキがあったものが、本実施例ではエッジより5m
mの部位を除いて±3.5％となり、許容範囲内にすること
ができた。

上記実施例では４つの制御電極Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを配置し
たが、例えば電極数を８極に増やすと、プラズマ電位の
制御が一層容易に行え、均一化を図ることができる。

また上記実施例では高周波電源を用いたが直流電源でも
よく、直流電源の方が装置の構成を簡易なものにするこ
とができる。

さらに上記実施例ではドライエッチング装置を例として
説明したが、プラズマCVD装置としても利用できること
はもちろんである。

以上、本発明につき好適な実施例を挙げて種々説明した
が、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、発
明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るの
はもちろんのことである。

（発明の効果）以上のように本発明によれば、プラズマ内での電子の運
動を制御でき、プラズマ電位の分布を均一にできるか
ら、ドライエッチング装置として用いて、被処理物のエ
ッチング速度をより均一に、また被処理物表面の耐圧を
向上させることができ、さらにプラズマCVD装置として
用いて被処理物表面に均一な厚さの皮膜を形成すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はドライエッチング装置の平面説明図、第２図は
その正面断面図を示す。 10……ドライエッチング装置、14……真空チャンバ、16
……非接地電極、17……ウェハ、20……高周波電源、22
……接地電極、1.1′、2.2′……電磁コイル、Ａ、Ｂ、
Ｃ、Ｄ……制御電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電極を内蔵する真空チャンバと、真空チャ
ンバ内に所定のガスを供給するガス供給手段と、真空チ
ャンバ内のガスを排出する排出手段と、真空チャンバ周
囲に配設され、電界の方向と垂直な面内で回転する回転
磁場を生起させる電磁コイルを具備する回転磁界を用い
た放電反応装置において、被処理物が載置される前記電極の周囲に複数配置され、
電界の方向から見た際の前記回転する磁場の北方向に対
して東側に位置するものよりも西側に位置するものの電
位が常に高くなるように回転磁場の回転と同期して電位
が制御される制御電極を設けたことを特徴とする回転磁
界を用いた放電反応装置。