JPS6129128A

JPS6129128A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPS6129128A
Application number: JP15020284A
Authority: JP
Inventors: Akihira Morishita; 明平森下; Teruo Azusawa; 小豆沢　照男; Takashi Yamazaki; 隆山崎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-07-19
Filing date: 1984-07-19
Publication date: 1986-02-10

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［μＴｒＬ］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：Ｒｅａｃｔｉｖ
ｅ　■ｏｎ　　Ｅ　ｔｃｈｉｎｇ）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　３ｉ０２のエツチング
速度は高々３００〜４００［人／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８図に示す如く永久磁石１の閉ループを形
成する１１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１ｔｌ極間隙２を静止したままだ
とトラック状に発生する高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隙２を試料６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５１
０２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１０図に示す如く
試料６のエツジから３０［ｓ］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［人］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［人コに近い値となる
。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
が困難となる。

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ｄ〕

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、
磁性コア及び該磁性コアに上記陰極と直交する方向に巻
装さ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発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。しか　　　　　１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室度
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
ットを、陽極上に膜形成されるべき部材を配置した場合
、ターゲットが高速に均一エツチングされるので、試料
上に被膜澄均−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
水冷管１７により冷却されており、この水冷管１７は上
記型り印加のリードとして用いられる。エツチング室１
３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ｖ１３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１３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室１４内には磁性コア２０及
び数１０本以上の細い導線を束ねたコイル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２図に示す如く磁性材
料の薄板を積層してなり、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
っている。磁性コア２０には内部に水路を持つ水冷板２
２が取付けられ、この水冷板２２に接続された水冷管２
３により水冷板２２内に冷却水が通流され、磁性コア２
０が冷却されるものとなっている。さらに、前記コイル
３０の製作後に磁性コア２０の溝２１にコイル３０の一
辺を組込むために、磁性コア２０は櫛歯状コア２０ａと
バックコア２０ｂとに分割可能な構造となっている。ま
た、前記コイル３０は第１乃至第３のコイル３１ａ、３
１ｂ、３１ｃからなるもノテ、第３図（ｂ）に示す如く
磁性コア２０の溝２１にリング巻で周期的に巻装されて
いる。即ち、コイル３１ａは溝２１中に一辺が組込まれ
他の一辺が該溝２１の反対側に位置するよう磁性コア２
０に巻装され、さらに３つの溝２１毎にそれぞれ直列接
続されている。他のコイル３１ｂ、３１についても同様
である。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
れるものとなっている。

ここで、上記各コイ／Ｌ／３１　ａ、　３１　ｂ、　３
１　ｃ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
３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＝ＢＯＣ０３（ωｔ−πＸ／τ）・・・・・・■ただ
し、ω−２πｆ；電源の角周波数［ｒａｄ／ｓ　］ｆ；
周波数［Ｈｚｌ、ｔ；時間［ｓ］、ｘ；磁性コア表面上
の基準点からの距離［姻］、τ；ボールピッチ［＃］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行磁界とな
る（第３図（ａ＞は１＝０の時の関係を示している）。

なお、第３図（ｂ）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。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っている。なお、第４
図中５３は弗素樹脂等の絶縁物、５４は○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１０′４［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の土壁）との間にグロー放電
を生じ低密度プラズマ領域６１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ＥｘＢ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
沿って発生する。この高密度プラズマ領域６２は前記第
３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形化をは
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５μｍｙｍ　ｔ　ｎ　＞を得ることができる。

また、本実施例装置によれば、先に本発明者等が提案し
たプラズマ処理装置（特願昭５９−１７７９６号）に比
較しても次のような利点がある。

即ち、先願の装置では第１１図に示す如く磁場発生器４
０として３相交流２層巻コイルを用いているので、磁場
発生器４０の両端でコイルが一層巻となることから、移
動磁界方向の全寸法に対するエツチングに有効な均一磁
場を得られる移動磁界方向の寸法の比率が低くなる。こ
のため、試料１８の大きさに比して磁場発生器４０の移
動磁界方向の長さが長くなり、試料の大口径化に伴う磁
場発生器の収納スペースの確保が困難になる虞れがある
。これに対し、本実施例装置では、コイルの巻方が移動
磁界方向に対し一定であるので、先願のような無効部分
がなく、移動磁界方向の寸法を先願よりも短くすること
が可能である。このため、磁場発生器のより小型化をは
かり得、該発生器の収納スペース等の問題も解決できる
のである。

第４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。

）１ｏｒｉｉｋｅ、　Ｈ，Ｑｋａｎｏ；　Ｊｔ＋ｎ、　
Ｊ、　Ａ１１ｌｌｌ　ｐｈｙｓ。

２０（１９８１）　１８１７参照）。

第５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、前記磁場
発生器４ｏ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（１０ｍ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６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８・０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
るものではなく、２相以上であればよく、好ましくは３
ｎ相（ｎは正の整数）であればよい。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、前記除権上
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。また、磁性コアに形成する溝の大きさ及
びその間隔等は仕様に応じて適宜変更可能である。

さらに、コイルに流す電流は３相交流に限るものではな
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。ここで、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。

また、前記陰極を第７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
より量産性の向上をはかり得る。さらに、試料の落下防
止手段を付加すれば、各実施例装置の上下関係を逆にす
ることも可能である。また、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ターゲットを配置し、
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、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
料或いはターゲッ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３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及び発生磁界を
示す模式図、第４図は第２の実施例を説明するための要
部構成図、第５図は第３の実施例を示す概略構成図、第
６図は第４の実施例を示す概略構成図、第７図は変形例
を説明するための要部構成図、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、第１１図は本発明者等が先に提案したプ
ラズマ処理装置（特願昭５９−１７７９６号）の全体構
成を示す概略構成図である。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・・・カス
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、２０ａ・・・櫛歯状
コア、２０　ｂ−・・バックコア、２１−・・溝、３０
，３１ａ。３１ｂ、３１Ｇ・・・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４図Ｕ　　Ｗ　ｖ第５図第７図１Ｂ第　８　図。第１０図

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前記陰
極と直交する方向に巻装さ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）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ッチングされること
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
なるターゲットであり、このターゲットに対するスパッ
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）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、前記各コイルは上記
溝中に一辺が組込まれ他の一辺が該溝の反対側に位置す
るリング巻に上記磁性コア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）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）前記複数のコイルは３ｎ相（ｎは正の整数）のコ
イルを構成し、これらのコイルに３ｎ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）前記磁場発生手段が配置される空間は、１０＾−
＾４［ｔｏｒｒ］以下の圧力下或いは大気中であること
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。
（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。