JPH0888190A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

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JPH0888190A
JPH0888190A JP6259860A JP25986094A JPH0888190A JP H0888190 A JPH0888190 A JP H0888190A JP 6259860 A JP6259860 A JP 6259860A JP 25986094 A JP25986094 A JP 25986094A JP H0888190 A JPH0888190 A JP H0888190A
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coil
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Abstract

(57)【要約】 【目的】ウェハの大経口化に対応できるような簡便な方
法で高密度プラズマ源を有しプラズマ及びエッチングの
速度の均一化が可能なプラズマ処理装置を提供する。ま
た、エッチング条件を変えることなく選択比、形状を制
御できるプラズマ処理方法を提供する。 【構成】上部に誘電体材料で構成される窓を有し他の部
分が電気的に接地された反応容器と、反応容器外で前記
誘電体窓に近接して配置される渦巻き状のコイルと、反
応容器内の下部に試料が載置される下部電極と、前記誘
電体窓と下部電極間距離を可変する機構と、前記下部電
極に高周波電圧を印加する手段を有し、前記誘電体窓の
厚さを一部厚くすることによりプラズマ及びエッチング
速度の均一化を達成する。また、前記コイルにより生成
される誘電電界を、反応容器の中心に対し軸対称とする
ことでプラズマ及びエッチング速度の均一化を達成し、
コイルの位置をコイルの軸方向に可動することでエッチ
ング形状、選択比を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造に使用
するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関す
る。
【従来の技術】半導体デバイスの高集積化に伴い、ウェ
ハに対して異方性エッチングを行うことのできるドライ
エッチング装置が広く使用されている。例えば、プラズ
マを用いたドライエッチング装置にあっては、反応容器
内のプラズマ中で生成される中性ラジカルとインオンと
の複合的な作用によりエッチングを行っている。プラズ
マ中のインオンは、反応容器内の電界の作用によりウェ
ハに入射する。ところが、イオンは中性ガス分子との衝
突により散乱し、運動方向が変化してしまう。このた
め、ウェハに対し垂直に入射できず、サイドエッチング
が生じ、マスクとの寸法変換差が生じる。そこで、反応
容器の圧力を下げることにより中性分子数を減少させ、
イオンと中性ガス分子との衝突を軽減することが考えら
れるが、この場合生成されるプラズマ自体の密度も低下
するため、下地との選択性が問題となる。このため、高
密度プラズマ源を用いて、低圧力領域において十分な密
度のプラズマを生成できるプラズマ処理装置が案出され
ている。そのようなプラズマ処理装置の一例として特開
平６−８４８１１号公報に記載されたプラズマ処理装置
がある。この装置の構造を第１３図に示す。この装置
は、平坦に形成された側部を有するコイル４５にＲＦ電
流を流すことにより反応容器５２内部に誘電体プレート
５４を通して誘電体プレートに平行な方向の磁界を発生
させ、さらに発生した磁界の時間変化により電磁誘導に
より誘導電界を生成させ、この誘導電界により低圧、高
密度プラズマを生成する。また、この装置では反応容器
５２内に配置される誘電体プレートに対向する電極にウ
ェハを取り付け、この電極にバイアスを印加することで
ウェハに入射するイオンエネルギーを制御している。ま
た、コイルの径は発生する磁界の強度を均一化するため
に中央部に比べて端部で小さくなっている。
【発明が解決しようとする課題】上述したプラズマ処理
装置にあっては、プラズマ生成に使用するコイルが反応
容器（処理ウェハ）の中心に対して軸対称ではない。こ
のため、生成されるプラズマも軸対称ではなく、プラズ
マの均一化が望めない。生成されたプラズマの均一性
は、エッチング速度の均一性に直接影響するため、エッ
チング上重要なパラメータの一つであるエッチング速度
の均一化が期待できない。この均一化の方法は、ウェハ
の大口径化に対応するために簡単な方法であることが重
要である。また、従来のプラズマ処理装置では、選択
比、エッチング形状を制御するためには、エッチング条
件をかえる必要があった。そこで本発明は、ウェハの大
口径化に対応できるような簡便な方法で、低圧、高密度
プラズマ源を有しプラズマ及びエッチング速度の均一化
が可能なプラズマ処理装置を提供することを目的として
いる。また、本発明のプラズマ処理装置を使用してエッ
チング条件を変えることなく選択比、形状を制御できる
プラズマ処理方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】本発明の低圧、高密度プ
ラズマ処理装置は、上部に誘電体材料で構成されるプレ
ートを有し他の部分が電気的に設置された反応容器と、
反応容器外で前記誘電体プレートの上面に近接して配置
される渦巻き状のコイルと、このコイルに高周波電流を
流すためのＲＦ電源と、このＲＦ電源と前記コイルとの
チューニング機構と、反応容器内に複数のプロセスガス
を導入する手段と、前記プロセスガスの圧力を制御する
手段と、反応容器内の下部に試料が載置される下部電極
と、前記誘電体プレートと下部電極間距離を可変する機
構と、前記下部電極に高周波電圧を印加する手段により
構成され、前記誘電体プレートの厚さを反応容器中央部
で厚く、周辺で薄くすることによりプラズマおよびエッ
チング速度の均一化を達成する。また、前記コイルにＲ
Ｆ電流を流すことにより生成される誘導電界の大きさ
を、反応容器の中心に対し軸対称とすることでさらにプ
ラズマ及びエッチングの速度の均一化を達成する。ま
た、上記のプラズマ処理装置において、コイルの位置を
コイルの軸方向に可動することでエッチング形状、選択
比を制御する。
【実施例】第１図に本発明のプラズマ処理装置の第１の
実施例を示す。以下にプラズマ生成方法及びエッチング
方法を詳細に説明する。反応容器１に例えば直径６イン
チの処理ウェハ７を導入後、処理ウェハ７−誘電体窓４
間隔を調整し、処理ガスをガスリング９から反応容器１
内に導入し、反応容器１内の圧力を例えば数ｍＴｏｒｒ
に調整する。この状態で誘電体窓４の上部に配置されて
いる渦巻き状コイル２に第１図には記載されていないが
マッチング回路を通し例えば１３．５６ＭＨｚのＲＦ電
源３を印加することにより高周波電流を流す。これによ
り第２図に示すように反応容器１内に変動磁界１４が生
じ、この変動磁界１４により電磁誘導から誘導電界１５
が生じる。この誘導電界１５により反応容器１内の電子
が運動し衝突を繰り返しプラズマが生成される。このと
き生成されるプラズマは前述の完全な誘導結合成分だけ
ではなく、コイル２とプラズマとが直接結合する容量結
合成分も含まれる。生成されたプラズマにより処理ウェ
ハ７はエッチングされるが、本発明のプラズマ処理装置
ではウェハ７が載置される下部電極８にバイアスをＲＦ
電源１０により印加しウェハ７畳でのイオンエネルギー
を制御している。まず、プラズマの均一化に体する誘電
体窓の形状の効果を調べるために、誘電体窓の形状を厚
さの均一な物１６、中央部分を厚くした物１７、さらに
厚い部分の幅を広げた物１８と変えてイオン電流密度の
反応容器１の径方向の分布を測定した結果を第３図に示
す。誘電体窓の厚さの均一な物１６では、中央部分でイ
オン電流密度が大きく、均一性は６インチ径で±１５％
と不均一である。これは渦巻き状コイル２の形状が等間
隔で反応容器１の中央にまで巻かれているため、コイル
２により生成される誘導電界の大きさが中央部分で大き
くなるためである。この中央部分の誘導電界の大きさを
抑えるために誘電体窓の中央部分を厚くした１７では均
一性は±５％に向上し、さらに誘電体窓の厚い部分の幅
を広くした１８では±３％にまで向上した。エッチング
とって重要なのは実際のエッチング速度の均一性である
ため、上述の誘電体窓形状１６、１７、１８を使用しポ
リシリコン及びＷＳｉ２のエッチング速度１９、２１を
測定した結果を第４図に示す。第４図から明らかなよう
にポリシリコンＷＳｉ２のエッチング速度の均一性はプ
ラズマの均一化に対応し、ポリシリコンではエッチング
速度の均一性１９は±１０％から±４％に、ＷＳｉ２２
１では±７％から±２．５％に向上する。プラズマ及び
エッチング速度の均一化には直径８インチ、８回巻きの
渦巻き状コイル形状に対し誘電体プレートの直径の０．
２〜０・５倍の径で、厚い部分の厚さは２〜５倍とする
ことが最適であった。第５図に本発明の第２の実施例と
して誘電体プレートの形状を上部に凸またはドーム形と
した場合を示す。第５図（ａ）は上部に凸状の誘電体プ
レートに対し平面状のコイルを使用した場合、（ｂ）は
上部に凸状の誘電体プレートに対し誘電体プレート上部
の表面に沿ってコイルを配置した場合、（ｃ）は上部に
ドーム形の誘電体プレートに対し誘電体プレート上部の
表面に沿ってコイルを配置した場合の実施例である。こ
のように誘電体プレートを反応容器外に凸とすることで
メンテナンス性が向上し、また誘電体プレートーウェハ
間の距離を一定にできる。また、プラズマ及びエッチン
グ速度の均一化に対しては前述の反応容器内側に凸形状
の誘電体プレートと同等の効果がある。第６図にさらに
エッチング速度を均一化するための本発明の第３の実施
例を示す。これは渦巻き状コイル２の位置をモータ２３
とその制御機構２４により反応容器１の径方向に可動と
している。渦巻き状コイル２の形状は中心に対し軸対称
ではないためエッチング速度の分布がウェハ中央に対し
対称ではない。このため、コイルを最も系に差の生じる
径方向２５に±１ｃｍ動かし、ポリシリコン及びＷＳｉ
２のエッチング速度の均一性を測定した。その結果を第
７図に示す。このようにコイル２を反応容器１の径方向
に移動することはエッチング速度の均一化に対し有効で
あることは明らかであり、最適なコイルの位置はコイル
の重心の位置と反応容器の中心を一致させたときであ
る。これまでの実施例はコイルの形状が軸対称ではない
場合であるが、第８図コイル形状を中心に対し軸対称と
するために複数のコイルを組み合せた実施例を示す。第
８図（ａ）ではコイルを２つ、第８図（ｂ）では４つを
反応容器中心で電気的に接続し、軸対称形状を形成す
る。コイル１つでプラズマを生成するこれまでの実施例
に比べて短いコイルの長さで、同等のプラズマ密度を得
ることができ、コイルを複数組み合わせ軸対称とするこ
とにより第３の実施例と同様の効果がある。コイル１つ
当たりの長さを短かくすることで、コイルの電気的な抵
抗分を減らすことができ、コイルに加わる電圧を数ｋＶ
から数百ｋＶに下げることができる。これにより、プラ
ズマの容量結合成分を低下させ誘電体プレートのスパッ
タリングを減少でき、この誘電体材料のスパッタリング
（石英の場合はＳｉ、ＳｉＯ２、Ｏなどアルミナセラミ
ックの場合はＡｌ、Ａｌ２Ｏ３等）による汚染及びエッ
チングプロセスに対する影響を低減できる。本発明の第
５の実施例を第９図に示す。コイル形状を軸対称として
いる。また誘電体プレートの形状を反応容器１外、上部
に凸状としこの誘電体プレートの上部の表面に沿ってコ
イルを配置している。これにより反応容器内では平面で
あるためメンテナンス性が向上する。また中央部が周辺
に比べ厚いため、さらにコイル形状が反応容器の中心に
対し軸対称であるためプラズマ及びエッチング速度の均
一化は達成される。第１０図に本発明の第６の実施例と
してコイルの位置を軸方向にモータ２３とそれを制御す
る機構２４により移動可能とした場合を示す。この場
合、コイルと誘電体窓間の距離をエッチング条件などと
同様にソフト状つまりエッチングステップごとに可変で
きるように構成されている。コイルと誘電体窓間の距離
をかえることでプラズマ中の誘導結合成分と容量結合成
分の比率を変えることができる。第１１図にコイルと誘
電体窓の距離を変えたときのポリシリコン及びＳｉＯ２
のエッチング速度、ポリシリコン対ＳｉＯ２の選択比を
示す。全く同一のエッチング条件でエッチング速度を変
えずに選択比を６０〜１４０の範囲で可変でき、プロセ
スマージンが拡大できる。また、第１２図にコイルと誘
電体窓の距離を変えたときのポリシリのエッチング形状
を示す。この結果から同一エッチング条件でテーパ角８
０°〜９０°の範囲で可変できることがわかる。このた
めメインエッシングとオーバーエッチングとでコイルと
誘電体窓の距離を変えることにより形状制御が可能とな
る。
【発明の効果】本発明のプラズマ処理装置を使用するこ
とによりプラズマの均一性が±１５％から±３％に、ポ
リシリコンのエッチング速度の均一性は±１０％から±
４％に、ＷＳｉ２では±５％から±１％向上する。ま
た、エッチング条件を変えずにポリシリコン対ＳｉＯ２
選択比を６０〜１４０の範囲で、ポリシリコンエッチン
グ形状のテーパ角を８０°〜９０°の範囲で可変でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】誘電体窓形状を反応容器中央部で厚く、周辺部
で薄くし、下部に凸とした本発明の第１の実施例
【図２】渦巻き状コイルにＲＦ電圧を印加することによ
り生じる（ａ）磁界及び（ｂ）電界の方向
【図３】誘電体窓形状を変えたときのイオン電流密度分
布の比較
【図４】ポリシリ、ＷＳｉのエッチング速度及びウェハ
面内均一性の誘電体窓形状依存性
【図５】誘電体窓形状を上部に凸とした本発明の第２の
実施例
【図６】渦巻き状コイルの位置を反応容器の径方向に移
動可能とした本発明の第３の実施例
【図７】エッチング均一性のコイルの径方向位置依存性
【図８】コイル形状を軸対称にした本発明の第４の実施
例
【図９】コイル形状を軸対称とし誘電体窓形状を上側に
凸とした本発明の第５の実施例
【図１０】コイル位置を軸方向に可動とした本発明の第
６の実施例
【図１１】ポリシリ、ＳｉＯ２のエッチング速度、均一
性のコイルの軸方向位置依存性
【図１２】コイル−誘電体窓間の距離をかえたときのポ
リシリエッチング形状
【図１３】従来技術の実施例
【符号の説明】
１ 反応容器 ２ 渦巻きコイル ３，１１ 高周波電源 ４ 誘電体窓 ５ クランプリング ６ クランプリング支持棒 ７ 処理ウェハ ８ 下部電極 ９ ガスリング １０ ガス導入口 １２ マニホールド １３ ターボ分子ポンプ １４ 磁界の方向 １５ 誘導電界の方向 １６ 均一な厚さの誘電体窓 １７ 中央部分を厚くした誘電体窓 １８ 厚い分の幅を広げた誘電体窓 １９，３４ ポリシリコンエッチング速度 ２０，３５ ポロシリコンエッチング均一性 ２１ ＷＳｉ２エッチング速度 ２２ ＷＳｉ２エッチング均一性 ２３ コイル可動用モータ ２４ コンピュータによるモータ制御機構 ２５ コイルの移動方向 ２６，２７，２８ 反応容器中心の位置（２６：＋
１、２７：０ｃｍ、２８：−１ｃｍ） ２９ ＰＲマスクポリシリコンエッチング均一性 ３０ ＳｉＯ２マスクＷＳｉ２エッチング均一性 ３１ ＰＲマスクＷＳｉ２エッチング均一性 ３２，３３ コイル形状 ３６ ＳｉＯ２エッチング速度 ３７ ポリシリコン／ＳｉＯ２選択比 ３８ ＰＲ ３９ ポリシリコン ４０ ＳｉＯ２ ４１ Ｓｉ基板 ４２ コンデンサ ４３ モータ ４４ 歯列車 ４５ 主コイル ４６ 磁界 ４７ 面状プラズマ ４８ 高周波電源 ４９ 高周波マッチング回路 ５０ カップリングコイル ５１ アルミニウムシリンダ ５２ 反応容器 ５３ インシュレータ ５４ 静電シールド ５５ 誘電体窓 ５６ 電極 ５７ リングインシューレータ ５８ コネクタ ５９ ウェハ ６０ プロセスガス源 ６１ 入口ポート ６２ 真空ポンプ ６３ 出口ポート
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成７年１月３１日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図１２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１２】コイル−誘電体窓間の距離をかえたときのポ
リシリエッチング形状を示した走査型電子顕微鏡写真

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 上部に誘電体材料で構成されるプレート
    を有し他の部分が電気的に接地された真空反応容器と、
    該反応容器外で該誘電体プレートの上面に近接して配置
    される渦巻き状のコイルと、該コイルに高周波電流を流
    すためのＲＦ電源と、該ＲＦ電源と該コイルとのチュー
    ニング機構と、該真空反応容器内に複数のプロセスガス
    を導入する手段と、該プロセスガスの圧力を制御する手
    段と、該真空反応容器内の下部に位置し試料が載置され
    る下部電極と、該誘電体プレートと該下部電極間距離を
    可変する機構と、該下部電極に高周波電圧を印加する手
    段とを備えた低圧、高密度プラズマ処理装置において、
    該誘電体プレートを該反応容器中央部で厚く、周辺部で
    薄くすることを特徴としたプラズマ処理装置。
  2. 【請求項２】 前記誘電体プレートの厚い部分が、前記
    誘電体プレート全体の直径の０．２ないし０．４倍の径
    と、前記誘電体プレートの薄い部分の２ないし５倍の厚
    さを有することを特徴とした請求項１に記載のプラズマ
    処理装置。
  3. 【請求項３】 前記誘電体プレートの形状を下部に凸と
    し、前記渦巻き状コイルの形状を平面状とすることを特
    徴とした請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 【請求項４】 前記誘電体プレートの形状を上部に凸と
    し、前記渦巻き状コイルの形状を平面状とすることを特
    徴とした請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  5. 【請求項５】 前記誘電体プレートの形状を上部に凸と
    し、前記渦巻き状コイルを前記上部に凸形状誘電体プレ
    ートの上部の表面に沿って配置することを特徴とした請
    求項２に記載のプラズマ処理装置。
  6. 【請求項６】 誘電体プレートの形状が上部に凸でか
    つ、央部で周辺部の２ないし４倍の厚さのドーム形状で
    あり、前記渦巻き状コイルを前記上部に凸形状誘電体プ
    レートの上部の表面に沿って配置することを特徴とした
    請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  7. 【請求項７】 前記コイルの位置をコイルの径方向に±
    ２ｃｍの範囲で可動する手段と、移動距離をコンピュー
    タを用いて制御する機構を有し、移動距離をエッチング
    パラメータの１つとしてエッチングステップごとに変え
    られるように構成することを特徴とした請求項１に記載
    のプラズマ処理装置。
  8. 【請求項８】 請求項７においてコイルの重心と前記反
    応容器の中心を一致させることを特徴とした請求項１に
    記載のプラズマ処理装置。
  9. 【請求項９】 前記コイルの位置をコイルの軸方向にコ
    イル−誘電体プレート間距離０ないし１５ｍｍの範囲で
    可動する手段と、移動距離をコンピュータを用いて制御
    する機構を有し、移動距離をエッチングパラメータの１
    つとしてエッチングステップごとに変えられるように構
    成することを特徴とした請求項１に記載のプラズマ処理
    装置。
  10. 【請求項１０】 コイルを複数個組み合わせ、コイルの
    形状を軸対称とすることを特徴とした請求項１に記載の
    プラズマ処理装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１０においてコイル２本から構
    成され、反応容器の中心で前記２本のコイルを電気的に
    接続することを特徴とした請求項１に記載のプラズマ処
    理装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１０においてコイル４本から構
    成され、反応容器の中心で前記４本のコイルを電気的に
    接続することを特徴とした請求項１に記載のプラズマ処
    理装置。
  13. 【請求項１３】 請求項９のプラズマ処理装置により同
    一プロセスガスを使用し前記移動距離以外の条件を変え
    ずに、ポリシリコン対ＳｉＯ２エッチング速度比を可変
    することを特徴としたプラズマ処理方法。
  14. 【請求項１４】 請求項９のプラズマ処理装置により同
    一プロセスガスを使用し前記移動距離以外の条件を変え
    ずにエッチング形状のテーパー角を可変することを特徴
    としたプラズマ処理方法。
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