JPS60163433A - プラズマ処理装置 - 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】 〔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等を行うプラズマ処
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
最少寸法が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ＣＣ＋２等の
反応性ガスを導入し、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　
Ｉ　ｏｒ＋　Ｅ　ｔｃｂｉｎｕ）法が用いられている。

しかし、この平行平板電極による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　＋８２ガスを用いたＳｉＯ２のエツチング速
度は高々３００〜４００［人７／ｍ１ｎｌに過ぎず、コ
ンタクトホール等の１Ｅμ■〕膜厚のｓ　＋　０２をエ
ツチングするのに数１０分以上もの時間を要し、聞産性
の点で極めて不都合であった。このため、エツチング速
度の高速化が望まれている。

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１図に示す如く永久磁石１の閉ループを形
成する磁極間隙２に発生する磁界３と、この磁界３に直
交する電界４とにより、電子５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６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６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、この種の装置にあっては次のような問題
があった。即ち、前記磁極間隙２を静止したままだとト
ラック状に発生する８密度のマグネトロン放電領域７の
みしかエツチングされず、試料６全体を均一にエツチン
グするためには磁極間１１Ｊｔ　２を試料６の長径より
大きく走査する必要がある。第２図はＣＦ４ガスにより
５ｉＣ）＋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２は第３図に示す
如く試料６のエツジから３０［ｍ］Ｉ１１して静止させ
ておいた。第２図から、試料エツジ付近では１０秒間の
エツチングで約ｉ　ｏｏｏ〜２０００〔人１エツチング
され、試料エツジより内側となる程エツヂング速度が遅
くなることが判る。前記走査の戻り時間が例えば０．０
５秒と高速であったとしても、約８０回の走査で２秒間
磁極間隙２を試料６の両側に静止させたことと等価とな
り、従ってこの走査回数において第３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［入］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が試
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）
への対応が困雌となる。

また、上述した問題はエツチングに限らずプラズマＣＶ
Ｄやスパッ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、スパッ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ットを、陽
極に膜形成されるべきウェハを配置して膜形成を行う際
に、陰極上のターゲッ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
できないのし、ターゲットの寿命も短くなってしまう。

〔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、前述した磁極間隙を有する永久磁石に
代えて、所定方向に連続移動可能な磁場を電気的に発生
する磁場発生手段を用いることにある。

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、磁
性コア及び相互に位相の異なる交流電流が通流される複
数のコイルがらなり、前記処理室外で前記陰極の裏面側
に対向配置され、該陰極の表面側に磁場を印加し且つこ
の磁場を一方向に連続移動する磁場光生器とを具備して
なるものであり、上記磁場発生器により陰極の表面側に
進行磁界を発生させ、仮想的に高密度プラズマ領域を試
料上で均一に一方向に走査するようにしたものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、磁性コア及び複数のコイルからなる磁
場発生手段により高密度プラズマ領域を常に一方向に走
査することになるので、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
ことができる。しがも、磁極間隙を往復走査させた場合
のように試料エツジ近傍のエツチング速度が特に速くな
る等の不都合はなく、試料全体を均一にエツチングする
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ラ１〜を、陽
極上に躾形されるべき部材を配置した場合、ターゲット
が高速に均一エツチングされるので、試料上に被膜を均
一に且つ速やかに形成することができる。また、前記高
密度プラズマの走査を電気的に行うことができ、つまり
磁場発生手段を固定したまま磁場を一方向に連続移動で
きるので、装置構成の小形化をはかり得る。さらに、上
記理由から機械的可動部が不要となり、信頼性の向上を
はかることができる。従って、半導体技術分野における
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４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１１は接地された
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）１３と磁場発生器収納ｖ１４と
に分離されている。

陰極１２には、マツチング回路１５を介して高周波型ｆ
ｌｉ１６からの高周波電力が印加される。また、陰極１
２は水冷管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どして用いられる。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１３ａ及び上記ガスを排気するためのガス排
気口１３ｂがそれぞれ設けられている。そして、被エツ
チング試料１８はエツチング至１１内の陰極１２上に載
置されるものとなっている。なお、陰極１２に対向する
陽極はエツチング室１１の土壁で形成されるものとなっ
ている。

一方、前記磁場発生器収納至１４内には磁性コア２０及
びコイル３０からなる磁場発生器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
５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かの歯状のものであり
、満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
り長いものとなっている。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って
いる。また、前記コイル３０は３本のコイル３１ａ、３
１ｂ、３１ｃからなるもので、第６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
れ異なる溝間に巻装されている。そして、これらのコイ
ル３１　ａ、　３１　ｂ、３１　ｃには位相の異なる３
相交流電流が通流されるものどなっている。なお、第６
図は前記第５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７図（ａ）に示
す如く、次式で与えられるような磁束密ｆｉＢが発生す
る。

Ｂ　＝　Ｂ、　ｃｏｓ　（ωｔ−πｘ　／ｒ　）　・・
・−・−■ただし、ω＝２πｆ：電源の角周波数［ｒａ
ｄ／　ｓ　］、ｆ：周波数［Ｈｚ］、ｔ；時間［Ｓコ、
ｘ；磁性コア表面上の基準点からの距＠［＃］、τ：ポ
ールビッチ［＃コである。ボールピッチは図に示すよう
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１行磁界となる（第７図（ａ）は１＝０の時の
関係を示している）。なお、第７図（ｂ）は前記第５図
の矢視Ｂ−Ｂ断面に相当する断面模式図である。従って
、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１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
１０４［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っている。なお、第４図中
５３は弗素樹脂等の絶縁物、５４は０リングシールをそ
れぞれ示している。

このように構成された本装置の作用について説明する。

まず、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１０４［ｔｏｒｒ］に保持した後、陰極１２に高周波
電力（１３，５６〜＋Ｈ２）を印加すると、陰極１２と
陽極（エツチングｖ１３の土壁）との間にグロー放電を
生じ低密度プラズマ領１ｉ１Ｅ６１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人、中。

小のマグネトロン放電を生じ、電子がＥＸＢｈ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
沿って発生する。この高密度プラズマ領域６２は前記第
７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。このため、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。さらに、磁場発生器４０の大きさは試Ｆ１１８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形化を
はかり得る。また、本装置では試Ｆｌ　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１
８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／ｍ１ｎ）を得ることができる。

第８図は本発明の第２の実施例を説明するための要部構
成図である。この実施例が先に説明した実施例と異なる
点は、前記陰極１２上にヘルムホルツコイル７１．７２
を設けたことにあり、他は先の実施例と全く同様である
。

このような構成であれば、ヘルムホルツコイル７１．７
２に電流を流すことにより、試料１８表面上の磁界強度
を増強させることができる。これにより、試料表面の水
平磁界が大きくなり、従ってイオンの加速電圧が大幅に
低下してラジエーションダメージが軽減されると云う利
点がある（Ｙ。

Ｈｏｒｉｉｋｅ、　Ｈ、０ｋａｎｏ：　Ｊ　ｐｎ、　Ｊ
　、　ＡＩ）ｌ）Ｉ　ｐｈｙｓ。

２０（１９８１）　Ｌ８１７参照）。

第９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４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４０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（１０ｓ以上）
することもでき、格別に高真空の磁場発生器収納室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。

従って本実施例におい′ては、先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１０図は本発明の第４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４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ｉｆ！’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、前記磁極間隙の端部が仮に鉄
板８０の下にあっ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。従って、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、前記磁場発生器のコイルは３相巻線に限
るものではな（、適宜変更可能である。つまり、磁場発
生器は、磁性コア及び複数のコイルからなり、前記陰極
上に磁場を生成しこの磁場を一方向に連続移動できるも
のであればよい。さらに、磁性コアに形成する溝の大き
さ及びその間隔等は使用に応じて適宜変更可能である。

また、前記陰極を第１１図に示す如くトラック状に形成
し磁場発生器もトラック状に形成することにより、複数
の試料を同時にエツチングするようにしてもよい。これ
により最産性の向上をはかり得る。さらに、試料として
は５ｉ０２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ＣＶ
Ｄやスパッ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、スパッタリング堆積
の場合前記陰極上に試料としてのクーゲットを配置し、
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ッ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の膜厚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、区域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
料或いはターゲラ１〜の種類に応じて適宜窓めればよい
。

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Ｍ３図はそれぞれ従来の問題点を説明するた
めのもので第１図はマグネｉ−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２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３図はｖＡ極
間隙と試料位置との関係を示す模式図、第４図乃至第７
図はそれぞれ本発明の一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４図は全体構成を示す
概略構成図、第５図は磁性コア構造を示す斜視図、第６
図はコイルの巻き方を示す模式図、第７図は実施例装置
の作用を説明するための模式図、第８図は第２の実施例
を説明するための要部構成図、第９図は第３の実施例を
示す概略構成図、第１０図は第４の実施例を示す概略構
成図、第１１図は変形例を説明するための要部構成図で
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、１８・・・被エツ
チング試料、２０・・・磁性コア、２１・・・溝、３０
，３１ａ。 ３１ｂ、３１ｃ・・・コイル、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、７１．７２・・・ヘルムホ
ルツコイル、８０・・・鉄板。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第３図 第８図 第９図 第１０図 第１１図 ８ 手続補正書 １、事件の表示 特願昭５９−１７７９６号 ２、発明の名称 プラズマ処理装置 ３゜補正をする者 事件どの関係　特許出願人 （３０７）　株式会社　東芝 ４、代理人 東京都港区虎ノ門１丁目２６番５号　第１７森ヒル６、
？ＩＩＩ正の対象 明細書及び図面 ７、補正の内容 １）　明細書の第７頁４行目に「できないのし」と）る
のを「できないし」と訂正する。 ２　明細書の第９頁２行目に「膜形される」とあるのを
「膜形成される」と訂正する。 （３明細書の第９頁１１行目に「技術」とあるのを「製
造技術」と訂正する。 （４）　明細書の第１０頁７行目及び同頁９行目にそれ
ぞれ「エツチング室１１」とあるのを「エツチング室１
３」と訂正する。 （５）　明１１１書の第１１頁１８行目を下記の通り訂
正する。 記 Ｂ−ＢａＣＯ２（ωｔ−πＸ　／′Ｔ　）　−・・■■
　明ｍ書の第１２頁１行目に「τ」とあるのを−ＴＪと
訂正する。 −）明ｌｌｌ自の第１７頁１１行目に「使用ｊとあるの
を「仕様」と訂正する。 Ｂ）　明１−の第１７頁１１行目に「可能である。」と
あるあとに［また、コイルに流す電流は３相交流に限定
されるものではなく、コイルの相数に応じた交流、つま
り２相以上の交流であればよい。 さらに、コイル及び交流電流の相数を増やす程、より均
一な磁場分布を得ることが可能である。」なる文章を追
加する。 （９）図面第６図に、別紙に朱筆する如く符号２０゜２
１及びその引出線を加入する。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （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！内に被励起ガスを導入する手段
   と、上記処理卒内を排気する手段と、前記処理室外で前
   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. （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. （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. （４）前記陰極上に配置される試料は、膜形成の原料と
   なるターゲットであり、このターゲラ！へに対するスパ
   ッ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. （５）前記磁性コアは断面が御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１項記載のプラズマ
   処理装置。
6. （６）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１項記載のプラズマ
   処理装置。
7. （７）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１項記載のプラズマ処理装置。
8. （８）前記磁場発生手段が配置される空間は、１０　’
   　［ｔｏｒｒ］以下の圧力下或いは人気中であるこｔ−
   １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。
9. （９）前記陰極は、前記試料が載置される領域の外側に
   磁性材料が設けられた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。