JPS5851933A - プレーナマグネトロン方式のドライエッチング装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体製造工程におけろ微細加工を行うドライ
エツチング装置、例えば半導体製造工程のみでなく類似
の手法を必要とする混成ＩＣ１磁気バブルメモリ等広範
囲な適用が可能なドライエツチング装置に関するもので
ある。　・半導体素子の高集積化のための微細加工技術
として従来からの湿式エツチング法に代り、ガスプラズ
マを利用したドライエツチング法が種々の観点から有効
である。ドライエツチングはその基本構成によってバレ
ルタイプ、平行平板タイプ、マイクロ波放電タイプ等に
分類されるがそわぞね一長一短がある。この内平行平板
タイプのドライエツチングは、エツチング断面の形状制
御性、エツチングの均一性および再現性が良く、反応性
を伴ったスパッタエツチングによねば半導体工程の全て
がドライエツチング可能となり、原理的には全ウェット
エッチ工程のドライ化が可能となる。しかしながら本方
法の欠点は、試料が汚染される事である。この汚染は高
エネルキー粒子が電極や装置内壁をスパッタするために
起ると考えらね、バレルタイプや平行平板型のドライエ
ツチングでは本質的な間艙である。

一方、半導体の生産工程では、工程制御性を向上し、歩
留りの向上、高機能化を指向するすう勢にあり、従来の
バッチ処理がらウエーノ・一枚処理へ移行しつつある。

この為ドライエツチング工程においても従来の利点を有
し、且つ欠点を解決した上で、エツチング速度の向上、
処理能力の向上が必須の課題である。

第１図は通常の平行平板型ドライエツチング装置の概略
を示す。上部電極１および水冷された下部電極２の間に
１３．５６ＭＨｚの高周波電圧３を印加することにより
プラズマを発生させ、プラズマ中のイオンが加速されて
陰極面（下部電極）上に置かねた試料４を衝撃し、エツ
チングが進行する。５は排気系、６はカス導入用調整弁
。

７は真空槽を示す。反応性スパッタエツチングでは化学
反応と上記スパッタリングによる垂直なエツチングが混
合した反応、断面形状が得られる事は周知である。例え
ばＡｌについては、ＢＣ’、、またはｃｃｌ、をベース
としてＣＦ、、　Ｏ，などとの混合カスを用いる。

従来のこの様な方法に於ける大きな欠点は前述した様に
エツチング速度か遅い事ならびにエツチング中の試料の
汚染が問題である。

エツチング速度については、例えばＡｌを例にとると、
最も選択比、エッチ精度に優ね且つエツチング速度の大
きいＢＣｔ、　＋　ＣＦ、　＋　０２混合カヌに於いて
も高ｋ　２．ＯＯｎＶｍｉｎで小さく、さらに８　ｉｏ
。

Ｓｉ、Ｎ４等の絶縁物のエツチングに際しては、最適の
エツチング条件を選択しても５０　ｒ＋ｒｒ４／Ｆｎ　
ｉ　ｎ以下である。

エツチング速度増大には、化学反応による促進手段とス
パッタリングによる物理的なエツチング機能の促進な計
る必要がある。後者の解決、　６ 法としては、グロー放電によって発生づるイオン密度な
高め、このイオンを試料の搭載せる平板電極上に有効に
運ひ込むことが必要である。

即ち、グロー放電によって生じるプラズマを試料平板面
上の空間領域に閉じ込め高密度化を図ることが有効であ
る。これを実現づる方法として、薄膜な形成づるスパッ
タリング装置に於いては、ブレーナマグネトロン方式が
有効で、その堆積速度が従来の蒸着方式に匹敵する程度
になるに及び近年半導体デバイスや薄膜集積回路用の薄
膜形成装置として多用されている事は周知である。

第２図は、良く知られた従来技術によるプレーナマグネ
トロン方式スパッタリング装置のターゲット近傍の構造
を示す概念説明断Ｎ図である。

ターゲツト板８の裏面に位置したヨーク１２により磁気
結合されたリング状磁極９と、そのリング状磁極９の中
心部に円柱状磁石１０とが磁気回路を構成して配置され
ている。こわら磁極２、４ １０によってターゲット８表面の空間にトンネル状磁界
分布１６が発生する。このトンネル状磁界分布１６によ
ってプラズマ中の電子が閉じ込められターゲット表面近
傍に高密度のプラズマが発生する。プラズマ中のイオン
はターゲット裏面に設置された陰極１３に印加された高
電圧により加速さね、ターゲット８表面に衝突し、その
結果、ターゲット８の表面から順次その原子又は分子が
はじき出さね、侵食領域１７が形成される、この侵食領
域１７は以上の説明から推定される様に通常第２図に示
す構成のターゲット構造体では、ターゲットの特定の領
域に限定されて進行する。１１はターゲット冷却用の水
の導入出管。

１４は絶縁材層板、１５はシールドを示−Ｌこのプレー
ナマグネトロン方式電極なエツチング装置におけるエツ
チング電極として使用することは、（１）大巾なエッチ
速度の向上および（２）プラズマをエツチング電極近傍
に閉じ込めることによる大巾な汚染の軽減が期待される
。しかし第２図に示す如く、そのエツチングが、特定の
領域に限定して進行する限りエツチング用電極としては
全く使用に耐えない。本発明の第１の目的は、エツチン
グ！極上のエツチング速度の均一化を図ると同時にその
エッチ速度分布の制御を可能とするプレーナマグネトロ
ン方式エツチング装置用電極構造体を提供するにある。

一方試料の汚染は電極や反応室内壁がスパッタさね、そ
の粒子が試料上に堆積または打ち込まわることによって
起こる。したかって放電方式、電極構造、材質などが汚
染の程度を大きく左右づる。しかし抜本的な対策は無く
、所望の放電領域以外を石英板やテフロン板等で覆い、
試料からのエツチング物以外のものを極カ駐減させんと
づる如き方法であった。本発明の他の目的は、大きな電
極上で均一なエッチ速度が得もねる新規のプレーナマグ
ネトロン方式のエッチ電極を具備し、プラズマそのもの
を被試料の近傍に閉じ込め、反応室内壁などの被試料お
よびエツチング電極以外からのスパッタを防止し、試料
の汚染を激減せしめんとづるものである。

・　７　・ 本発明の目的は上記した、ドライエツチング中の汚染を
激減させ且つ制御性の高い、高速ドライエツチング装置
、即ち平行平板型ドライエツチング装置において、エツ
チング反応に必要なプラズマを被試料を搭載せる電極近
傍に閉じ込め、エツチング速度の向上を計ると同時に、
目的の電極のみでなく、反応室の内壁その他がスパッタ
さｒ汚染することなくエツチングが可能な高速ドライエ
ツチング装置を提供づるにある。

本発明の要点とするところは、磁力線が−の磁力線源か
ら発生した場合には、その性質として交鎖することかな
く、磁力線相互にｍａｘｗｅｌｌ応力なる引力ないしは
斥力が作用することに鑑み、複数の磁極を有する一つの
磁力線源を構成し、その一部の磁極に発生する磁力線を
制御して、他の残りの磁極に発する磁力線分布の立つ位
置、ｔなわち、プラズマの立つ領域のＳｔ置を移動させ
る励磁手段を有したブレーナマクネトロン電極を、一方
のエツチング用電極として具備したドライエツチング装
置。

以下に本発明の笑施例な図面を用いて砕細に説明する。

第３図は本発明に係わるプレーナマグネトロン方式エツ
チング装置のエツチング用電極構造体の一実施例を示す
断面構造図である。

第６図で１８はエツチング１べき試料を搭載するエツチ
ング電極、１９は、励磁用のコイルで第１の磁極端２０
．第２の′ｇｉ極端２１を形成する。２２は本発明に係
わる第３の磁極端で軟磁性材料からなる。２３は同じく
本発明に係わる励磁用コイルで、第１の磁極端２０と第
３の磁極端２２との中ＩＢｊ空間に多数巻した円環体状
のコイル、２４はエツチング電極１８を冷却する為の冷
却水用導入出管、２５は第１．第２および第３の磁極端
な磁気的に結合する軟磁性材料から成るヨークで、２６
は、エツチング電極を構成づるバラ片ングプレートで、
エツチング電極と一体化さね、エツチング時には陰極と
して作用する。２７は絶縁材スペーサ、２８はシールド
板である。

励磁コイル１９および２３に励磁電流の方向、１Ｌ、＋
１１゜ 流量を選び、第１礎極端２０の上側方向にＳ極゛か、第
２磁極端２１の上側方向にへ極が、第６磁極端２２の上
側にＳ極を生じさせた場合、第２磁極端２１に発した磁
束は、ヨーク２５を経由して一部は第１磁極端２０．残
りは第３磁憚端２２のそわぞわのＳ極からよく知も′ｉ
′また磁束線図を描いて、第２磁極端２１ＯＮ極に集束
される。づなわち、この磁束は、代表的な磁束ｉ　２９
．３０を形成づるが、第６磁惟端２２に付属する励磁コ
イル２３に通ずる制御電流によって、この全体の磁束分
布すなわち磁力線分布の形が制御される。この様Ｋｍ力
線分布の形が制御される事に鑑み、エツチング電極円盤
１８上に広い扁平状の磁界領域を設けることが出来る。

さらに第３図に於いて、励磁コイル２３を流わる制御電
流を正方同篭流から負方向電流に変化させ、第３磁極端
の磁極なＮ極にした場合につき説明づると、第３図に於
ける代表的な磁束線２９、３０は、第１磁極端２０より
発生し、第２の磁極端２１と第３の磁極端２２に磁束の
吸入端を有１る様な磁界分布を形成する。この結果、磁
束は２分割さね、２つのへ極から吸入されヨーク２５が
ら第１磁極端２０に回帰する。

以上第３図により本発明に用いるエツチング用電極につ
き説明した如く励磁コイル２３を流ねる制御電流量を一
定の振中値と同期な持たしめて制御するように′１わば
、ｍａｘｗｅ　１１の応力関係から磁界分布が時間的に
変化する。この結果エツチング電極板上のプラズマ領域
が、上記所与の制御電流によってエツチング時に多数回
縮少。

拡大な繰り返すことが可能となり、広いエツチング電像
板上で尚速で且つ均一なエツチングが可能になった。

以下本発明によるエツチング電極を具備した新規なるド
ライエツチング装置による実施結果の一例を示す。第４
図は本発明によるドライエツチング装置の構成概略図で
、一方のｔｍとして前述した電極板１８．軟磁性材料か
ら成る第１第２．第６の磁極端２０．２１．２５および
ヨーク２５゜磁極端な形成する内側励磁用コイル１９．
外側励磁用コイル２３．およびバッキングプレート２６
により一体化された新規なエツチング電極を他方の電極
板１と真空槽７内で平行に対向させる。

この対向せる２つの電極間にエツチング用電力を供給す
る。３は高周波電源で１１５６ＭＨｚの商用周波数な使
用した。エツチングすべき試料４を、エツチング電極板
１８の上に乗せた後、真空槽７は、排気用主パルプ５を
通して真空排気を行なう。−担１０　’Ｐａ迄真空排気
を行なった後、カス導入パルプ６な調整して、反応ガス
を真空槽内に導入する。

本実施例では、エツチングレートの分布に着目した為、
比較的エッチレートの大きいＡノ膜な試料として用いた
。反応ガスとしてはＢＣｌ３．ＣＦ４カスは半導体用を
用い、導入流量は各々５０ｍＡ／ｆｎ１ｎ　、　　１０
ｒｒ＋Ｊ／ｍｉｎとし、エツチング中の動作圧は２０Ｐ
ａｌＣ調整した。

エツチング分布測定用の試料は、１００ｗｔｎ５　ｉつ
工−ハ上に約２師の厚いＡノを耐着した後、筋系レブス
トを全面に７トライプ状に形成したもの、１１ を用いた。一定時間所定の槽内１条件にてエツチングを
終了した試料は、レジ７）Ｍを剥離後、末エッチ部分と
の葺設を測定し、エッチレート及びＳｉウェーハ内の分
布を測定した。

本発明によるエツチング装置では、第４図に示す如（、
内側励磁コイル１９および外側励磁コイル２６にそわぞ
わプログラムされた励磁電流な流すことにより、エツチ
ング電極板１８上のプラズマ領域が任意に縮少、拡大を
繰り返す事が可能な事を述べた。励磁電流は、マイクロ
コンピュータユニット（ＭＰＵ　）　３１により制御さ
ね、ディジタル−アナログ変換機、　Ｄ／Ａ　（Ｉ）　
３２ａ、　Ｄ／Ａ　（ＩＩ）３２ｂを経て内側励磁コイ
ル１９および外側励磁コイル２６にそわぞわ供給される
。

本実施例では、内側励＠電流は一定の正方向電流とし、
第５図に示す逆方向の外側励磁電流を加えた。プラズマ
制御のサイクル時間Ｔｃ、立上がり時間ＴＩ、立下がり
時間Ｔ３１プラズマリンクの内側帯夜時間Ｔ、ｌおよび
プラズマリングの外側帯布時間Ｔ４をそわぞわプログラ
ムし、プラ・１２　・ ズマの振り方に重みをつける事により大面積のエツチン
グ電極板上で均一なエツチングが進行づる。

ところで第５図に示１プラズマ制御のサイクル時間（Ｔ
ｃ）を１０秒、立上がり時間（Ｔ、）および立下がり時
間（Ｔ３）をそわぞわ１秒、プラズマリングの内側帯夜
時間（Ｔ、）および外側帯布時間（Ｔ４）をそわぞわ４
秒とした。

この外部励磁コイルの電流駆動条件におゆるＳｉウェー
ハ上のエツチング速度分布の結果を第６図に示す。点線
は、本発明によるプラズマ領域の移動を行なわない場合
で、局所的なエツチングが進行している事が解る。実線
で示す、本実施例では、はぼ所望の１００Ｑ６Ｓ　ｉウ
ェーハ上で均一なエツチングが行なわわていることが解
る。Ｉまた本方法によりば、エツチング速度も従来法の
５倍から１０倍に向上が可能であることが解る。

本提案のエツチング電極を具備せるエツチング装置にお
いては、以上記述した如くその制御範囲は極めて広（、
融通性に富みエツチング速度、エツチング速度分布等の
測定結果なフィールドバックすわば、さらに精密な制御
が可能である事は明らかである。

第７図は従来のエツチング電極構造および本発明による
エツチング電極な用いた際のＳｉウェーハ表面の重金属
汚染の代表例として８　ＩＭＳによるＣｒ濃度の測定結
果を示１゜縦軸はイオン強度比”　Ｃｒ／”８ｉ　ｘ　
１ｏ’で示しである。

第７図における試料１は、従来のＳＶＳを用いた平行平
板型エツチング電極を使用した際のＣｒ濃度を示す。試
料２は、エツチング電極を本発明の電極に置か★だもの
で、プラズマが滴定の領域内に閉じ込めうわている為Ｃ
ｒ濃度が激減している事が解る。しかしながらエツチン
グ電極近傍からのヌバッタによる汚染はさけられない。

試料３は、本発明のエツチング電極上のを石英板で糠い
、その上に試料をのせて行なった結果であり、５ＩＮＳ
分析限界以下である。

以上説明したように本発明によりは、ドライエツチング
中の汚染を激減させて高速度でドラ１５゜ ２５・・・ヨーク　　　　　２６・・・バラキンクプレ
ートイエッチングすることが出来る効果を奏する。

、４、図面の簡単な説明 第１図は通常のドライエツチング装置の構成概略図、 第２図は従来技術によるプレーナマクネトロン方式スパ
ッタリング用電極の構造図、第６図は本発明による２重
磁極型プレーナマクネトロンエツチング電極の構造断面
図、第４図は本発明によるドライエツチング装置の構成
図、 第５図は磁束制御用励磁電流の実施例を示す図、 第６図は本発明のエツチング装置によるエツチング速度
分布の改良結果の一例を示１図、第７図は本発明のエツ
チング装置による試料汚染の低減を示す一実施例を示す
図である。

１・・・上部電極　　　　７・・・真空チェンバー３・
・・高周波電極　　　１８・・・エツチング１Ｍ、極１
９．２５・・・励磁コイル　２０・・・第１磁極端２２
・・・第２の磁極端　　２２・・・第３の磁極端１６・ 代理人弁理士　薄　１）利　幸 第１［！１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　平行平板型エツチング装置に於いて、被エツチン
   グ物を設置するエツチング電極と所与の間隔を隔てて対
   向する対向電極との間に構成される中空空間に、エツチ
   ング電極主面に近接して設けられた第１と第２の磁極端
   を有する磁束発生手段と、この磁束発生手段に、磁気的
   に連結する磁束通過手段と該磁束通過手段に連結さねた
   、前記中間空間を貫通して上記磁束発生手段に回帰する
   磁束のための第３の磁極端から成り、全体として一つの
   磁束線源を構成する磁束分布制御手段を付加したことを
   ％徴とするエツチング装置。 ２、上記磁束分布制御手段は、上記エツチング電極およ
   び対向電極の白寿の中空空間に形成される磁束分布によ
   り、形成されるプラズマ領域が被エツチング試料表面を
   、均一に扁平に、拡がる如く、励磁コイルに静電、動的
   、周期関数的な制御電流を通づ“ることにより形成せし
   めたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のエツ
   チング装置。