JPS618927A - 半導体ウエハのプラズマ食刻装置 - Google Patents

半導体ウエハのプラズマ食刻装置

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JPS618927A
JPS618927A JP60050733A JP5073385A JPS618927A JP S618927 A JPS618927 A JP S618927A JP 60050733 A JP60050733 A JP 60050733A JP 5073385 A JP5073385 A JP 5073385A JP S618927 A JPS618927 A JP S618927A
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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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体ウェハのプラズマ食刻装置、さらに具体
的には単一の半導体ウェハを食刻するための高圧、高食
刻率の反応器に関する。
［開示の概要］ 本発明に従う高圧、高食刻率の単一のウェハ・プラズマ
反応器は食刻するウェハの表面上に反応気体を均一に分
布させるための複数の小さな直径の開孔もしくは通路が
通った、流体で冷却される上方電極を有する。流体で冷
却される下方電極は上方電極と隔てられていて、約２５
以上の縦横比（ウェハ直径と間隔の比）を与え、その上
方表面に絶縁環を含んでいる。絶縁環は下方電極の露出
表面の上に突出していて、電極の間隔を制御し、プラズ
マ閉込め領域を与え、これによってＲＦ電力のすべてが
ウェハによって消費される様になっている。絶縁環を通
って複数の、間隔を隔てた、半径方向に延びる通路が存
在し、プラズマ閉込め領域から反応気体を均一に排出す
る手段を与えている。上方電極には反゛応気体及び冷却
用流体を供給する第１のハウジングが取付けられている
。第１のハウジングには上方電極と反応気体導入通路の
中間の位置にそらし板が固定され、上方電極の上にプレ
ナム（高圧室）を形成し、上方電極の上、　の反応気体
の均一な分布が保証されている。第１のハウジング及び
上方電極は第２のハウジング内に含まれ、絶縁体ハウジ
ングがその中間に存在する。上方電極及び下方電極は互
に及び大地から電気的に絶縁されていて、一方もしくは
両方の電極に電力が供給される様になっている。
［従来技術］ 半導体装置の製造においては、プラズマ食刻は通常の湿
式食刻に対していくつかの点で優れている。例えば異方
性、解像力が優れている点、湿式食刻に使用される比学
薬品に固有の問題の回避等があげられる。さらに多重ウ
ェハ処理型即ちバラ・子処理型反応器と比較して、単一
ウェハを使用する場合には食刻率が高くなる事、食刻の
均一性が改善される事といった多くの利点がもたらされ
る。
例えば大規模集積回路では線の幅が減少する傾向４　　
　　　　にあり、各ウェハ上の装置が数が増大してし）
るので、ウェハの表面全体及びウェハ毎の食刻の均一性
もしくは一様な食刻率を達成、するために厳密性がより
一層要求される様になった。単一のウェハ用の平行板プ
ラズマ反応器は米国特許第４２０９３５７号及び第４３
２４６１１号明細書に開示されている。後者の特許は通
常の反応器中の２次及び３次の反応気体の使用を開示し
ている。前者の特許は上方電極に反応気体供給源及び排
出装置を含んでいる反応器を説明している。米国特許第
４２９７１６２号明細書に開示された反応器はウェハの
表面全体にわたって食刻の均一性を改良した、変曲上方
電極を含んでいる。これ等のシステムの成るものではウ
ェハは上方電極全体にさらされ、米国特許第４３６７１
１４号明細書に示される様な他のシステムでは部分的に
プラズマを閉込める壁として絶縁環が使用されて、ウェ
ハを下方電極にクランプし、電気的な接触を保証してい
る。この様なシステムでは、クランプされるウェハの端
部は集積回路装置の製造に使用出来ない。
ト 現在の低圧（〈１０°μＨｇ）及び中間圧（＜）５００
μＨｇ）のプラズマ・システムでは、特に厚さが約１ミ
クロンよりも大きな薄膜を食刻する時には比較的食刻率
が低く、これに応じて食刻時間が長かった。さらに、食
刻率を増大しようとして反応気体圧及びＲＦ電力を増す
と、食刻の均一性が劣化し収率も減少した。
［発明が解決しようとする問題点］ 本発明の目的は食刻の均一性が改良された高圧、高食刻
率のプラズマ反応器を与える事にある。
本発明に従えば、両側からウェハの冷却を行うために平
行な板構造をなす、流体で冷却される上方電極及び下方
電極を有する改良された高圧、単一ウェハ・プラズマ反
応器が与えられる。
本発明に従えば、縦横比が２５になる様に電極間隔が調
節可能であり、高い反応気体圧及び高い一体積密度のＲ
Ｆ（無線波周波数）電力が組合されて、食刻の均一性を
犠牲にする事、レジストの劣化を生ずる事なく高いプラ
ズマ密度による食刻率を達成する単一ウェハ・プラズマ
反応器が与えられる。
［問題点を解決するための手段］ 良好な均一性を有する高い食刻率を達成するためには、
ウェハ上に均一な高密度のプラズマを発生する必要があ
る。その一つの方法は例えば所与の寸法のウェハに対し
て小さな電極間ギャップの極めて小さな容積の反応器を
使用し、妥当な低面積の電力密度の入力で高い体積電力
密度を得る事である。狭い電極間間隔即ち大きな縦横比
（間隔対ウェハの直径の比）を使用するために、縦横比
が小さな場合に比較して、２次電子が壁で失われる前に
、２次電子が効率的に使用され、より多くの表面と気体
間の衝突が生ずる。この様な場合に、入力電力の多くが
高いさや電圧を伴うものでなく低いインピーダンスのプ
ラズマを生ずる様な所望の条件が得られる。この様な反
応器の製造の際の重要な因子には電極が平行で、間隔が
狭い事、効率的なウェハの冷却、ウェハ上にプラズマを
閉じ込めて反応領域から漏れるＲＦ及びプラズマを最小
にする事、均一な気体の分布及び排出並びにウェハの縁
付近のＲＦ及び気体の流れの乱れを最小にする事である
。
本発明は上述の特徴を取入れて従来の装置の多くの欠点
をなくした、単一ウェハ、高圧、高プラズマ密度、高食
刻率の平行板反応性プラズマ食刻装置を与え、食刻の均
一性を改良し及び高体積電力密度でのレジストの劣化を
なくする。
本発明の反応器の一実施例では、流体で冷却される上方
電極は小さな直径の、複数の開孔もしくは通路を含み、
食刻されるウェハの表面上に均一な反応性気体の分布が
与えられる。流体で冷却される下方電極は上方電極から
約４　ｍ　ｍ以下離れていて、上方表面に絶縁環を含む
。ウェハの直径が１２５ｍｍの場合には、４ｍｍの間隔
を与えると、縦横比は約３１になる。絶縁環は下方電極
の露出表面上に突出し、電極の間隔を制御し、プラズマ
閉込め領域を与え、これによってＲＦ電力のすべてがウ
ェハによって消費される。複数の間隔を隔てて絶縁環を
通して延びている通路がプラズマ閉込め領域からの反応
気体を一様に排出する手段をＩ　　　　　　　与えてい
る。上方電極には反応気体及び冷却用流体を供給する第
１のハウジングが取付けられ、上方電極及び気体導入口
の中間で、第１のハウジングに取付けられたそらせ板が
上方電極の上にプレナム（高圧室）を形成し、上方電極
の上の均一な反応気体の分布を保証している。第１のハ
ウジング及び上方電極は第２のハウジング内に収納され
、その間には絶縁ハウジングが存在する。上方電極及び
下方電極は互に及び大地から電気的に絶縁されていて、
電極の一方もしくは両方に電力が供給される様になって
いる。
［実施例］ 第１図を参照するに、本発明の一実施例に従い単一のウ
ェハ・プラズマ反応器１０が示されている。円形の導電
性の上方電極１２は円筒状の内部（第１の）ハウジング
１４に固定されている。ハウジング１４は導電性で、こ
れに取付けられた多孔性のそらし板１６を含む。そらし
板１６はプレナムを形成し、電極１２上の反応気体の分
布を一様にしている′。ハウジング１４は又反応気体導
入通路１８、以下詳細に説明される様に上方電極Ｉ２に
冷却流体を供給し、これから戻すための冷却　　　　　
プ流体導入通路２０及び排出通路２２（第１図には排出
通路２２だけが示されている）を含む。電極１２及び内
部ハウジング１４の組立体は絶縁体ハウジング２４、ブ
ツシュ２６及び排気兼スペース環２８内に含まれ、上方
電極の組立体に電気的絶縁を与え、電極間のギャップを
決めている。絶縁体ハウジング２４を取巻いて、ブツシ
ュ２６と接触し、排気兼スペース環２８に取付けられて
いるが絶縁体ハウジング２４とは離れている円筒状の外
方ハウジング３０が存在し、その間にギャップ３２を与
え、反応気体を外方ハウジング３０の上方部にある排気
装置３４に送っている。下方ハウジング３０は導電性も
しくは非導電性のものであり、クランプ環３６によって
排気兼スペース環２８に取付けられている。反応器組立
体全体は環状クランプ１１によって基準表面に保持及び
位置付けられる。
一つの実施例では反応器１０の導電性の上方部４０及び
電気的絶縁を与える絶縁性の下方部４２から形成された
下方電極組立体３８を含む。上方部４０は中央隆起部を
有し、これは絶縁環４４によって取巻かれている。絶縁
環４４はその最上部の内方縁につばもしくはチャンネル
が形成されている。この様にして、環４４の垂直内方表
面４３は上方部４０の露出表面４１から隔てられ、他方
環４４の内方チャンネルの水平表面４５は電極４０の上
方表面４１の下に存在する。周辺溝３９が随意に絶縁環
４４中に形成され、ウェハを下方電極組立体の上方部４
０上に自動的に位置付ける手段を与えている。ウェハを
送る時、自動送りが使用される時は、ウェハは環４４の
表面４５上に支持され、環は下方電極組立体３８の上方
部４０からウェハ取付は装置（図示されず）によって分
離される。ウェハの自動取付け、及び取はすしが使用さ
れない場合には溝３９のない環４４が下方電極組立体３
８の上方部４０に固定されて使用される。反応器１０が
第１図に示された様に閉ざされると、下方電極組立体３
８の導電性上方部４０のくぼんだ表面は排気兼スペース
環２８によって押付けられ、絶縁環４４が上方電極１２
と接触する。
下方電極組立体３８の上方部４０の露出表面４１の上に
ある環４４の上方表面の突起部が上方電極１２及び表面
４１間に包囲されるプラズマの閉込め領域４６を形成す
る。環２８の厚さによって決まる上方電極１２及び下方
電極組立体３８間の間隔及び平行性は領域４６の体積電
力密度を増大するために約４ｍｍ以下である事が好まし
い。通路４８に代って環４４の上に２５．４Ｘ１０−３
乃至３８、ｌＸｌ０””ａｏのギャップを与える事によ
っても極めて効率的であるとは云えないがプラズマを閉
込める事が出来る。絶縁環４４及び排気兼スペース環２
８は夫々半径方向に延びる通路４８及び５０を含みプラ
ズマ閉込み領域４６から反応気体を排出する手段を与え
ている。通路５０に加えて環２８はその内部表面に形成
された排気多岐管もしくは溝（図示されず）を有し、効
果的に気体を排出するのに通路４８及び５０は整列させ
る必要はない様になっている。排出兼スペース環２８１
　　　　　　中の通路５０は絶縁体２４及び外方バウシ
ング３０間のギャップ３２に向けて開けられている。こ
の様な手段によって反応気体は導入通路１８から導入し
、次にそらし板１６及び上方電極１２を通してプラズマ
の閉込め領域４６に達し、通路４８及び５０を通り、ギ
ャップ３２を通って外方ハウジング３ｏ中の排気装置３
４から外に出る。
下方電極組立体３８の上方部４ｏの下方表面はその中に
チャンネル５２が形成されていて、上方部４０及び下方
部４２が組立てられた時に、これを通して冷却流体を指
向するための閉じた通路になる。冷却用チャンネル５２
は一つの実施例では単一の連続通路を形成する蛇行構造
をなしている。
冷却流体は上方電極１２に供給するものと同じ流体源か
ら供給出来るが、別の冷却流体源が使用出来る。この様
にして電極１２及び３８の動作温度は正確に個々に制御
される。
電極１２及び３８は互に電気的に絶縁していて、接地さ
れていないので、動作中に電極の一方もしくは両方がＲ
Ｆ電力源（図示されず）に結合され、他方の電極が接地
される・プラ″が環状０空間　　　　　　・１３２に維
持されるのを避けるために上方電極にＲＦ電力が与えら
れる時は、絶縁体ハウジング２４の全外方表面を接地シ
ールドで覆う事が出来る。
この配列で両方の電極がＲＦ電力を受ける時は、反応器
は又三極管、周′波数混合及び基板同調モードで都合よ
く動作する。食刻さるべき半導体ウェハは上方電極１２
並びにハウジング１４．２４及び３０を含む上方電極組
立体を持上げるかもしくは下方電極組立体３８を下げる
事によって下方電極組立体３８上に位置付けられる。い
ずれの場合にも通常のウェハ取付は装置が使用出来る。
第２乃至第６図は上方電極１２を示している。
第２図を参照するに、電極１２はこれを通って垂直に延
びる複数個の１間隔を隔てた開孔即ち通路５４を含む。
この実施例では、第３図及び第４図に示された様に、各
通路５４の上方部は−っの直径を有し、他方下方部分は
小さな直径を有する。
これによって電極１２の製造が容易になる。それは約２
５　ｍ　ｍの厚さの電極全体を通して、例えば０．１乃
至０．４ｍｍの程度の小さな直径の開孔を形成する事は
困難だからである。電極１２の下方表面にある小さな開
孔の通路５４はその下のウェハの表面上に反応気体を均
一に分布するため及びプラズマが通路の内部に形成され
るのを防止するのに必要である。番号５６は以下詳細に
説明される冷却用通路５６を示し、６６はその垂直導入
孔を示している。
第５図は冷却用通路５６がその中に形成された上方電極
１２の正面の断面図を示している。第６図を参照するに
通路５６は電極１２を通して水平に延びる複数の平行な
間隔を隔てた開孔５８を形成する事によって都合よく形
成されている。周辺溝６０は開孔５８と一致する様に電
極１２に形成されていて、相継ぐ開孔５８間の領域の一
部は溝６０の最奥の表面で除去されている。
この様にして交互の開孔領域６２が第５図に示された如
く溝６０の表面に形成される。上方電動１２の最終組立
体において、環６４（第１図参照）が溝６０中にはめ込
まれ、溶接され、交代する開孔５８の端が閉ざされる。
もしくは第１図に示された様な断面の環６４に代って、
外側の表面が上方電極１２の周辺と一致する様な環を与
え、電極１２の外方表面を滑らかにする事が出来る６環
６４が溝６０中に挿入された状態で、電極１２中には単
一の連続した蛇行通路５６が与えられ、その中を冷却流
体を流す事が出来る。第４図を参照するに、冷却流体は
垂直導入孔６６によって通路５６に導入され、通路５６
の一番端と交差する、第２図に示され、第５図の破線で
示された排出孔６８から排出される。これによって電極
１２を通して冷却流体の一様な分布が与えられる。
次に第７図を参照するに、第１図の内部ハウジング１４
の側断面図が示されている。第８図は第７図の線８−８
から見た底部平面図である。ベル状ハウジング１４は延
長上部７ｏ及び広い下部７２を有する。上部７ｏ中には
垂直な反応気体通路１８並びに冷却流体通路２ｏ、２２
が形成されている。反応気体通路１８はハウジング１４
の下表面に延び、他方冷却流体導入及び排出通路２０及
ｔ　　　　　　び２２は下部７２に形成された水平通路
７４及び７６と夫々交っている。次に通路７４及び７６
は夫々垂直通路７８及び８ｏと交差し、ハウジング１４
の下表面に延びている。通路７８及び８ｏは夫々第２図
に示された様に上方電極１２中の導入孔６６及び排出孔
６８と夫々整列している。ハウジング１４と上方電極１
２間の種々の通路の境界は通常の様に０環で封止される
。この様にして、冷却流体は導入通路２０．７４及び７
８を通って内方ハウジング１４を流れ、次に導入孔６６
及び通路５６によって上方電極１２を通して流れ、最後
に排出孔６８並びに通路８０．７６及び２２を通して、
ハウジング１４から外に出される。
第１図に示された様に、上方電極１２と反応気体通路１
８の排出孔の中間の位置において、そらし板１６は内方
ハウジング１４のっば８２（第７図）に固定される。そ
らし板１６は上方電極１２中の開孔５４と大きさ及び配
置が同じ複数の開孔を含む事が好ましい。第１図ではよ
、り小さな（０゜１乃至０．．４ｍｍ）の開孔が上方向
に向い、開孔のパターンはそらし板１６のパターンが電
極１２　　　　　　）の開孔５４と直接整列しない様に
配列されている。
この様な構造は、そらし板１６の上方表面及び下方表面
間に圧力差を生じ、上方電極１２の表面上の反応気体の
均一な分布を保証する。他の、例えば焼結そらし板の様
なそらし板構造体が所望の圧力差を得るのに使用される
。しかしながら、焼結そらし板は食刻の前及び食刻動作
が完了した後に反応器中の反応気体を一帰するのに必要
とされる時間が長くなるという欠点がある。
上方電極１２及び下方電極組立体３８の上方部４０は所
望の反応気体及び他の処理パラメータと両立可能である
、例えばステンレス鋼、アルミニウム、銅等の如き任意
の導電性材料から製造される。プラズマ反応器１０の絶
縁素子、即ち絶縁ハウジング２４、ブツシュ２６、排気
環２８、クラ・ンプ環３６、下方電極３８の下方部４２
及び絶縁環４４はプラスチック、ナイロン、ガラス、セ
ラミック、石英、ポリテトラフルオロエチレン、もしく
は他の適切な絶縁体である。そらし板１６は上述の導電
性材料の一つもしくは焼結グラファイトで形成される。
内方ハウジング１４は導電性であり、導電性もしくは非
導電性のものでよい外方ハウジング３０は上述の導電性
もしくは絶縁性材料の任意のものから形成され、その選
択は反応気体及び望まれている構造上の完全性及び製造
上の容易性に依存する。上述の実施例において、上方電
極１２、下方電極組立体８８の上方部４０・、そらし板
１６．内方ハウジング１４及び外方ハウジング３０はア
ルミニウムである。絶縁環４４はガラス・セラミック、
下方電極３８の下方部４２はプラスチックであり、絶縁
ハウジング２４、ブツシュ２６、排出兼スペース環２８
及びクランプ環３６はナイロンである。
本発明の装置はウェハの全表面上で一様な食刻を与え高
いプラズマ食刻率を与える。これには反応気体の一様な
分配、電極が著しく接近している事及びプラズマの閉込
めの程度が高い事が寄与している。ウェハ以外に上方電
極１２にさらされる導電性表面は存在しないので、プラ
ズマからのＲＦ電力のほとんどすべてがウェハによって
消費され、従って高い食刻率が保証される。
下方電極組立体３８の表面４１は食刻されるべきウェハ
よりもわずかに小さく、ウェハの端には小さな張出が残
される。さらに、絶縁環４４の表面４５は表面４１より
もわずかに低いので、ウェハは表面４１上に完全に静置
され、ウェハ及び下方電極間には良好な電気的接触が保
証される。表面４１と表面４５間の垂直変位は上方電極
１２及び下方電極組立体３８間のギャップよりも略１桁
もしくは２桁程度小さい事が好ましい。
種々の従来の反応器に使用されるウェハ・クラ、ンプが
いらないので、ウェハの端の反応気体の流れ及び電子密
度の歪みが最小にされ、集積回路の製造のためにウェハ
の全表面が利用可能になる。
この分野の専門家にとっては処理パラメータ、即ち反応
気体の化学物質、ＲＦ電力のレベル及び周波数、気体の
圧力及び流率、食刻時間等の正確な選択は食刻さるべき
材料の厚さ及び型に依存する事は明らかであろう。しか
しながら、本発明のＩ　　　　　　反応器によれば、種
々の反応気体を使用して、種々の材料を食刻し優れた結
果を得る事が出来る。
一つの実施例では、ＲＦ電力の導度は約３ワツト／ｄよ
りも大きく、プラズマ領域４６には約０゜５乃至１０ト
ルの範囲の高い反応気体圧が保持される。上方電極１２
及び下方電極組立体３８の温度はこれを通して冷却水を
通過させる事によって調節されるが、他の型の冷却流体
も使用出来る。
高いＲＦ体積電力密度及び気体圧力を可能ならしぬる本
発明の反応器の構造は従来の反応器を比較して食刻率及
び食刻の一様性が著しく増大する。
これによって必要な食刻時間が減少され、多くの例で一
桁程度以上減少される。
本発明の反応器は添加蒸び非添加ケイ素、ホトレジスト
、ポリイミド及び酸化ケイ素の如き材料を食刻するのに
実際に使用された。ＣＦ４中の、熱的に成長されたＳｉ
Ｏ２を食刻した際の食刻率は略１．５ミクロン／分で、
酸素中の重合体材料のための食刻率は４ミクロン／分で
あった。勿論プラズマで食刻出来る任意の材料が本発明
の反応“ｔ、：　、ｉ−′″Ｃ９８４ｍ”６・　　　　
　　　　　　　　　・、ｊ従って本発明のプラズマ反応
器は種々の材料を食刻する際の食刻率及び食刻の一様性
を改良した単一ウェハ高圧装置である。
［発明の効果］ 本発明に従えば、食刻の均一性が改良された高圧、高食
刻率のプラズマ反応器が与えられる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例に従うプラズマ反応器の立断
面図である。第２図はプラズマ反応器の上方電極を上か
ら見た平面図である。第３図は第２図の線３−３に沿っ
て見た、上方電極の一部の立断面図である。第４図は第
２図の線４−４に沿って見た上方電極の他の部分の立断
面図である。 第５図は第６図の線５−５に沿う、上方電極を上から見
た、内部の冷却用通路の詳細を示した断面図である。第
６図は第２図に示された上方電極の側面図である。第７
図は第８図の線７−７に沿って見た。第１図のプラズマ
反応器の内方ハウジングの側断面図である。第８図は第
７図の線８−８に沿って見た、内方ハウジングの底の平
面図である。 １０・・・・単一ウェハ・プラズマ反応器、１１・・・
・環状クランプ、１２・・・・上方電極、１４・・・・
内部ハウジング、１６・・・・そらし板、１８・・・・
反応気体の導入通路、２０・・・・冷却流体導入通路、
２２・・・・冷却流体排出通路、２４・・・・絶縁体ハ
ウジング、３０・・・・外方ハウジング、３８・・・・
下方電極組立体、４６・・・・プラズマ閉込め領域。 出願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 代理人　　弁理士　　山　　本　　仁　　朗（外１名） ＦＩＧ、　Ｉ ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、　４ ＦＩＧ、　５ ＦＩＧ、　６ ＦＩＧ、　８

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 （ａ）半導体ウェハを支持するための流体で冷却される
    下方電極と、 （ｂ）反応気体を上記ウェハ上に均一に分配する手段を
    含み、上記下方電極と略平行で、縦横比が２５より大と
    なるように上記下方電極から隔された、流体で冷却され
    る上方電極と、 （ｃ）上記電極の一方もしくは両方にＲＦ電力を結合す
    るための手段と、 （ｄ）上記上方電極及び下方電極間にプラズマを閉込め
    る手段とより成る、 半導体ウェハのプラズマ食刻装置。
JP60050733A 1984-06-22 1985-03-15 半導体ウエハのプラズマ食刻装置 Granted JPS618927A (ja)

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