JPS62502786A - 大容積の磁気プラズマを発生する方法と装置 - 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】 発明の名称 大容積の磁気プラズマを発生する方法と装置技術分野 本発明は、プラズマの発生に関する。具体的には、低圧で高密度プラズマを発生 することに関する。本発明は、乾式エツチングや、材料の表面性質の変性に使用 する絶縁空洞内の大容積プラズマの発生に特に有効であるが、これらの用途に限 定されるものではない。

背景技術 エツチングなどの目的にプラズマを使用することは周知である。プラズマエツチ ングに関する良著に、Ｈｅｗｌｅｔｔ　Ｐａｃｋａｒｄ　Ｊｏｕｒｎａｌ　（１ ９８２年８月号、１９〜２３頁）に記載された［乾式エツチング：展望Ｊ　Ｐａ ｕＩＪ　Ｍａｒｃｏｕｘ著がある。

プラズマ発生に使われる装置は、次のものからなる。

ａ）電気絶縁室（普通は、放電管と呼ばれ、その中にプラズマが発生する）。

ｂ）真空ポンプ（放電管内を低圧にして保持する）。

Ｃ）ガス供給源（放電管から空気を追い出し、イオンプラズマを作るイオンと電 子の源となる）。

ｄ）無線周波数発振器、増幅器および結合ネットワーク（プラズマを確立する電 力源として）。

ｅ）結合ネットワークの出力からプラズマへのｒｆ　電力を結合するアンテナ。

通常、プラズマ管は、円形断面の金属円筒管でできている。しかし、パイレック スや石英ガラスの円筒管を本発明者等は使って来た（事項の以下の出版物を参照 のこと）。ｒｆ定電力プラズマに結合するのに使われるアンテナの中で、最も有 効なのは、二重ループアンテナで、これは放電管の側面にぴったりはまる（例え ば、（ａ）　Ｒ，Ｗ、Ｂｏｓｗｅｌ　の「Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　Ｊ 第３３　Ａ巻、１９７０年１２月、４５７−４５８頁、（ｂ）　Ｒ，Ｗ、Ｂｏｓ ｗｅｌｌ等の［Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　Ｊ第９１　Ａ巻、１９８２年 ９月、１６３〜１６６頁、および（ｃ）　Ｒ，Ｗ、　Ｂｏｓｗｅｌｌの「Ｐｌａ ｓｍａ　Ｐｈｙｓｉｃｓａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｆｕｓｉｏｎ　Ｊ第２ ６巻、１１４７〜１１６２頁１９８４年を参照すること）。

本発明の開示 コンピュータ用シリコンチソｆ（および他の半導体素子）の生産性は、チップを 形成するためにエツチングされるシリコンウェハ（または他の半導体材料のウェ ハ）の面積を増大できれば高くなることが、これまで認められて来た。大きい容 積（すなわち、大きい内径の放電管内）の高密度プラズマの効率良い製造は、理 論的に可能であるが、本発明以前には実際には行われていなかった。さらに、大 きい容積のプラズマは、プラズマが実質的に均質で、エツチングを行うのに利用 される無帯電の原子状の種（普通は、ふっ素）の密度が妥当に高いことがなけれ ば、利益が小さい。

本発明の目的は、従来製造されたよりもかなり大きい体積を有し、無帯電の原子 状の種の実質的に均一な体積を有するプラズマを製造する手段を提供することで ある。

この目的は、補助区域に接続する空洞内にプラズマを発生させ、この空洞と補助 区域の内圧を同じにし、プラズマが補助区域内に伸びるようにして達成される。

本発明の好適実施例では、プラズマは従来よりもずっと低い圧力で発生し、（本 発明者が発見した）共鳴条件下に置かれ、原子状のガス種の大容積を作る。

本発明の基本的形に関し、プラズマ管と同じ低圧になっている補助区域に結合し たプラズマ管内にプラズマを発生させれば、プラズマが補助区域内に伸びること を本発明者は発見した。補助区域は、プラズマの体積よりもかなり大きい体積と することができる。エツチングする試料はプラズマ管、あるいは（好ましくは） 補助区域に支持され、その中でプラズマに接する。

プラズマの低圧作動に関し、本発明者は、半導体材料の乾式エツチングの分野へ 本発明者の科学研究（前掲著を参照のこと）を応用する中で、反応性種を含有す るガス（例えば六フッ化硫黄）をシリコンの乾式エツチングに利用すれば、所定 の放電管形状で、所定のｒｆ定電力対し、条件によっては、シリコンのエツチン グ速度が実質的に増大することを発見した。本発明者が引き続き研究した結果、 この意外な共鳴効果が生じる条件を実験的に決定できた。これらの条件は、入力 ｒｆ電力周波数が７．５ＭＨ２、アンテナ長さが２０ｃｍ、磁場が１００ガウス のときに、次の式で表わされる。

Ｄ、Ｗ、１）　ｚ　１５，０００　（１）ここで、Ｄは、プラズマが発生する管 の内径（ｃｍ　）　テ、Ｗはｒｆ定電力ワット）で、ｐはプラズマ管の作動圧力 （ミリトル）である。

本発明者は、さらにこの共鳴条件を作るには、アンテナの長さくＬ）、プラズマ 管内の磁場（Ｂ）およびｒｆ定電力周波数（ｆ）に相互依存性があり、次式で表 わされるこここでｆはＭＨｚ、Ｌはα、Ｂはガウスで表わす。

プラズマ管内の共鳴条件が成立すると、プラズマ内のイオンや電子と無帯電ガス 分子との間で相互作用が増大すると考えられる。すなわち、原子状の種を作るガ スの解離が著しく増大し、プラズマ管内の原子種の密度を増大する。プラズマガ スが六フッ化慌黄８１％（これはシリコンウェハのプラズマエッチングに普通に 使われる）であるとき、原子状硫黄と原子状フッ素に解離すると考えられろ。原 子状フッ素はプラズマ管内の、あるいは補助区域内の露出シリコンと反応してそ れをエツチングする。

本発明によれば、次の要素からなるプラズマ製造装置が提供される。

ａ）電気的に絶縁された細長い、均一円形断面（直径Ｄ）の管状空洞。この中に 、圧力ｐでイオンと電子の源が力゛ス状で含まれる。

ｂ）空洞内に磁場Ｂを作るために、空洞の外側に設けた第１磁場形成手段。

Ｃ）空洞内のガスへｒｆ定電力結合するようになって℃・る長さＬの無線周波数 アンテナ。

ｄ）空洞の外側にあって、アンテナに接続した周波数ｆのｒｆ電力源。

この装置は、次のものを含むことで特徴づけられる。

θ）空洞に結合され、空洞と同じ内圧の電気的絶縁補助区域、および ｆ）補助区域内に必要な磁場を形成する第２磁場形成手段。

本発明による好ましい実施例によれば、装置を操作するパラメータは下式によっ て定義される。

Ｄ、　Ｗ、　ｐ、　＝　５０，０００　（１）〔ここで、Ｗはｒｆ電力源（ワッ ト）の出力で、Ｄは釧で表わされ、ｐはミリトル、ではＭＨｚ、Ｌは口、Ｂはガ ウスで表わされる。〕 本発明によれば、次の工程からなる大きい磁気プラズマを形成する方法が提供さ れろ。

ａ）電気的に絶縁され、細長い、均一な円形断面（直径Ｄ）の管状空洞内にプラ ズマを作り、この空洞内には圧力ｐでイオンと電子のガス状源があり、プラズマ は、空洞内に磁場Ｂをかげ、空洞の外側にある長ｇＬの無緋周波数アンテナを便 ってガス状源に周波数ｆのｒｆ定電力結合して作られ、そして、ｂ）空洞に接続 して空洞と同じ内圧ｐの補助区域内にプラズマが伸びろようにする。

本発明のこの特徴では、次の２式が成立するプラズマの作動条件が好まし７い。

Ｄ、Ｗ、ｐユ５０，０００　（１） 〔ここで、Ｗは無線周波数アンテナに加わる電力（ワット）で、Ｄ、ｐ、ｆ、Ｌ 、Ｂは各々α、ミリトル。

ＭＨｚ　、　ｃｍ　、ガウスで表わされる。〕本発明の装置と方法を用いて、空 洞内のガスから得られた原子状種の密度がプラズマの生成によって著しく増大す る。

典型的な作動条件では　ｆ−ＩＩ−の値は約５０がよい。

普通の環境では、空洞と補助区域における圧力ｐは、真空ポンプのポンプ速度と ガスの供給速度を平衡させて大体一定の値に維持される。

以下に本発明の一実施例を図面を参照しながら説明第１図は、本発明を含むよう に構成したプラズマエツチング装置の一方から見た部分断面説明図。

第２図は、ｒｆ定電力プラズマに結合する好適なアンテナの形状を示す図。

第３図は、プラズマ空洞と補助区域の組合せを示す代表的説明図。

第４図は、第１図の装置のアンテナに供給されるｒｆ定電力、第１図のプラズマ 管内の原子状フッ素の密度との関係を示すグラフで、プラズマ用のガスに六フッ 化坑黄を使った場合である。

図示の実施例の詳細な説明 第１図において、本発明の装置は、セラミックまたはガラスの円筒形部材１ｏが らなり、その円筒形断面の内径はＤで、第２の円筒形部材２ｏの形の補助区域が 円筒形部材１０に接続している。円筒形部材１ｏと第２の円筒形部材２０は一体 に形成できる。円筒形部材１ｏは、第２の円筒形部材２０がら遠い方の端がフラ ン・ゾ１１で閉じており、フランジ１１には１つ以上の観測窓１１　Ａが密封状 態ではめ込まれている。ガス１４の源は管１９によって弁１５およびフランジ１ １を介して円筒形部材】０の内部に接続している。管２Ｊは、フランジ１２（円 筒形部材１０から遠い方の円筒形部材２０の端部な密封する）を介して円筒形部 材２０の内側から真空ポンプ２２へ伸びる。

コイル１３が円筒形部材１０を囲む。コイル１３はＤＣＣ電源釦接続され、円筒 形部材１０内に磁場Ｂを形成する。

円筒形部材１．０によって形成される空洞内に形成されるプラズマの均一性は、 必要に応じて、コイル１３の直径をその長さに沿って変えて制御できる。

無想周波ｅ霊力発電磯３０および整合ネットワークはその出力がアンテナ３２に 結合し、アンテナ３２は円筒形部材１０内のガス媒体内にｒｆ定電力共鳴結合す る。発電機３０は、約Ｉ　ＭＨｚ〜約３Ｑ　ＭＨｚの範囲で電力を生じる。

アンテナ３２はｒｆアンテナの適当な形をとり５るが、共鳴式（１）と（ＩＩ） を満足する長さＬを有していなければならない。いろいろな長さと直径のアンテ ナを本発明者は試験したが完全に成功した。アンテナの好適な形は（本発明者の 以前の公表済み研究に用いられた）、第２図に示しである。第１図に示すように 、アンテナ３２はコイル１３の下で円筒形部材１０の壁近くに置かれる。

円筒形部材２０で形成される補助区域は、円筒形である必要はなく、必要に応じ て任意の形をとりうる。円筒形部材１．０によって形成される空洞内に作られる プラズマが補助区域内に伸びるから、補助区域には、プラズマの延長区域を制限 する手段、すなわち、補助区域内に適当な磁場を形成する手段が設けられる。補 助区域が円筒形部材であれば、第１図に示すように、第２のＤＣ源２４に接続し たコイル１６で磁場が形成できる。

補助区域が第３図に示すように、榎雑な形状であれば、公知のように、補助区域 を画成する壁３４の近くに永久磁石３３を配置して、補助区域内にプラズマを収 容する磁気「フェンス」を形成できる。

プラズマをエツチングの目的に使う場合、エツチングする材料１７（例えば、多 数のシリュンチップからなるマトリックスを同時にエツチングできるようにマス クで覆ったシリコンウェハ）は、プラズマ空洞（円筒形部材１０）内、あるいは 好ましくは第１図に示すように補助区域内に支持体１８によって支えられる。支 持体１８は第２のｒｆ源３１に接続でき、支持体１８にバイアス電位を加える。

この装置を使用するために、円筒形部材１０と円筒形部材加に源１４からのガス を噴流させる。空洞は真空ポンプ２２で排気し、空洞と補助区域内の圧力が０． ０１　ミＩＪトル以下になるようにする。その後、式（［）の共鳴関係で決めら れる高い圧力が、源１４かものガス流とポンプ２２のポンプ速度との平衡によっ て空洞内に維持される。

円筒形部材１０内に必要な圧力および磁場が形成されて、発電機２１からの電力 レベルが零から大きくなると、プラズマが生じて、原子状種の密度が電力の増加 と共に増大し、従来のプラズマ装置で達成される極大値に達する。この極太値は 第４図のグラフのＡで示される。

従来のプラズマ科学者は、発電機２１からの電力が増大しつづけろと、極太値Ａ が維持されろか、わずかに増大し、第４図の点線Ｂで示されるようになると予測 するだろう。しかし、本発明者は、本発明に必要な低圧で作動したとき、共鳴現 象が生じて、空洞内に作られた原子状種の密度が急速に増大し、第４図のＣで示 される第２の極天領になることを発見した。

プラズマの中に生成した原子状の種は中性であるから、コイル１３によって形成 される磁場や補助区域内に形成される磁場によって影響されることは無い。これ らの種は、大体０．１秒以上の長寿命である。従って、種は、円筒形部材１０　 、２０の中に等しく分布し、材料のエツチングが高度に均質となる。原子状の種 が均一に分布することの他の利点は、プラズマでエツチングしたり表面処理する 材料の位置が重要でないことである。

従って、材料は、補助区域（必要なら、円筒形部材１０）内の大体どこにでも配 置できる。

材料】７のエツチング角は、材料１７０基体を押圧するようにｒｆ電圧と周波数 を適当に加えて変更できる。

このバイアス電圧のＲＭＳ増幅が２〜３ボルトである圧のＲＭＳ増幅が加〜３０ ボルトから２００〜３００ボルトであると、材料１７のエツチングは非等方性に なる。中間のバイアス電圧増幅では、エツチングの非等方性は、バイアス電圧電 圧の増幅に比例して、いろいろ変化する。

源１４からのガスは、１つの成分のガスでもよいし、ガスの混合物であつ又もよ い。これは、必要な材料１７のエツチングや底面処理の型によって選定される。

本発明の装置がシリコンワエハからコンピュータチツゾ乞製遺するようなエツチ ング用途ＶＣ利用されるとき、源１４からのガスに、反応注原子状種を生じるよ うｖＬＣ解離するガス（例えば、六フフ化硫黄（ｓＦ’６）、四フッ化炭素（Ｃ Ｆ４）、四塩化炭素（ＵＣｌ３））、あるいはエツチングに特に有用な反応性原 子状種を作るように処理する１つ以上のガスを含むガスの混合体である。

しρ）し、前述のように、本発明の装置は、半導体冴料のエツチング用途に限定 されない。作動ガスとしての酸素を置ざ換えて、フォトレノストのようなポリマ ーの極めて高いエツチング速度が得られる。プラズマ科学者を窒素と丁れは、中 性の窒素原子が生じ、銅の表面に窒化物を形成して鋼を表面硬化するのに使える 。

実験装置を利用して、数ｍに達する長さの鋼試料に極めて硬い表面被覆を形成で きた。

本発明の研死で、本発明者（工、第１図に示すよプな二重円筒形部材を利用し、 円筒形部材１ｏの内径が２（７）〜２０ｍで、第２の円筒形部材四の内径がＺα 〜ｂｏｃｍであった。第４図に示す共鳴極大値Ｃは、使用した各円筒形部材につ いて現われた。円筒形部材の直径が大きくなれば、ａｏ、ｘ　ミＩＪ　）ル〜約 工、ｏミリトルの範囲の圧力で作動すれは、大きい直径のシリコンヮエハのエツ チングに使用するのに適当な大きい体積のプラズマが得られた。

本発明の具体旧実施例を説明して来たが、本発明はこれらの実施例に限定される のではなく、本発明の範囲を逸脱しないで多くの改変が可能である。

国際調査報告 ＡＮＮＥＸ　ＴＯＴＨＥ　ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＥＰＯ ＲＴ　０ＮＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ　Ｎｏ、　Ｐ ＣＴ／ＡＵ　８６１０００１２１Ｃ４ｔｅｄ　ｉｎ　５ｅａｒｃｈ　Ｐａｔｅｎ ｔ　Ｆａｍｉｌｙ　Ｍｅｍｂｅｒｓｅｐｏｒｔ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．次の各工程からなる大きい磁気プラズマを形成する方法。 ａ）電気的に絶縁された、細長い、均一な円形断面（直径Ｄ）の管状空洞（１０ ）の中に、圧力Ｐでイオンと電子のガス状源を入れ、磁場Ｂを形成し、空洞の外 側に配置された長さＬの無線周波数アンテナ（３２）を使ってガス状源内に周波 数ｆのｒｆ電力を結合して、プラズマを生じさせる。 ｂ）前記空洞（１０）に接続して、空洞（１０）と同一の内圧ｐの補助区域（２ ０）内にプラズマが伸びるようにする。 ２．次の２つの式を満足するようにプラズマの作動条件を調整する段階を含む請 求の範囲第１項に記載の方法。 Ｄ、Ｗ．Ｐ■５０，０００（Ｉ） １０≦ｆ・Ｌ２／Ｂ≦１００（ＩＩ） ここで、Ｗは無線周波数アンテナに加わる電力（ワット）で、Ｄ，Ｐ，ｆ，Ｌ， Ｂは各々ｃｍ，ミリトル，ＭＨｚ，ｃｍ，ガウスで表わされる。 ３．次式が成立する請求の範囲第２項に記載の方法。 ｆ・Ｌ２／Ｂ■５０ ４．空洞（１０）内の圧力ｐが、空洞に接続した真空ポンプ（２２）のポンプ速 度と、イオンおよび電子のガス源の供給速度とを平衡させて維持される請求の範 囲第１項〜第３項のいずれかに記載の方法。 ５．イオンのガス源が、解離した反応性原子状種を作るガスか、解離して反応性 原子状種を作る１つ以上のガスを含むガス混合体である請求の範囲第１項〜第４ 項に記載の方法。 ６．イオンと電子の源が、六フツ化硫黄、四フツ化炭素、四塩化炭素、酸素およ び窒素からなる群から選ばれる、請求の範囲第１項〜第４項のいずれかに記載の 方法。 ７．イオンまたは電子のガス源が、解離して反応性ハロゲン原子を空洞内に発生 するガスで、半導体材料（１７）のウエハが補助区域に含まれ、ウエハがハロゲ ン原子によってエッチングされる、請求の範囲第１項〜第４項のいずれかに記載 の方法。 ８．イオンと電子のガス源が酸素で、解離して酸素原子を生じ、ポリマーが補助 区域に含まれて、酸素ガスによってエッチングされる、請求の範囲第１項〜第４ 項のいずれかに記載の方法。 ９イオンおよび電子のガス源が窒素であり、空洞内で解離して窒素原子を生成し 、補助区域内に鋼製品が含まれ、鋼製品の表面に窒化物が形成される、請求の範 囲第１項〜第４項のいずれかに記載の方法。 １０．次の各要素からなるプラズマ生成装置。 ａ）電気的に絶縁された細長い、均一な円形断面（直径Ｄ）で、圧力ｐのイオン および電子のガス源を含む管状空洞（１０）。 ｂ）前記空洞内に磁場Ｂを確立するように空洞（１０）の外側に配置された第１ の磁場形成手段（１３）。 ｃ）空洞（１０）内のガスにｒｆ電力を結合するための長さＬの無線周波数アン テナ。 ｄ）前記アンテナに接続され空洞（１０）の外側に配置された周波数ｆのｒｆ電 力の源（３０）。 ｅ）空洞（１０）に接続され、空洞と同じ内圧ｐに維持され、電気的絶縁された 補助区域（２０）。 ｆ）補助区域内に必要な磁場を形成するために補助区域（２０）と連結した第２ の磁場形成手段（１６，３３）。 １１．前記装置の作動のためのパラメータが次式によって特徴づけられる請求の 範囲第１０項に記載の装置。 Ｄ．Ｗ．Ｐ■５０．０００（Ｉ） １０≦ｆ・Ｌ２／Ｂ≦１００（ＩＩ） ここで、Ｗはｒｆ電力源の出力電力（ワット）で、Ｄ，Ｐ，ｆ，Ｌ，Ｂは名々ｃ ｍ，ミリトル，ＭＨｚ，ｃｍ，ガウスで表わされる。 １２．次式が成立する請求の範囲第１１項に記載の装置。 ｆ・Ｌ２／Ｂ≦５０ １３．補助区域に真空ポンプ（２２）が接続され、空洞にガス供給手段（１４） が接続され、ガス供給手段がイオンのガス源となり、真空ポンプとガス供給手段 の作動が、空洞内の圧力ｐを実質的に一定に保持するように調整される、請求の 範囲第１０項〜第１２項に記載の装置。 １４．イオンと電子のガス源が、解離して反応性原子状種を生じるガス、あるい は解離して反応性原子状種を生じる１つ以上のガスを含むガス混合体である請求 の範囲第１０項〜第１３項に記載の装置。 １５．イオンと電子の源が、六フツ化硫黄、四フツ化炭素、四塩化炭素、酸素お よび窒素からなる群から選ばれる請求の範囲第１０項〜第１３項のいずれかに記 載の装置。 １６．補助区域内に半導体材料のマスキング付きウエハがとりつけられ、イオン および電子のガス源が空洞内で解離してハロゲン原子を生成するガスで、ウエハ の露出区域がエツチングされる請求の範囲第１０項〜第１３項に記載の装置。 １７．補助区域内にポリマー材料が取りつけられ、イオンと電子のガス源が酸素 で、空洞内で解離し、ポリマー材料をエッチングする酸素原子を生じる、請求の 範囲第１０項〜第１３項に記載の装置。 １８．補助区域内に鋼製品が配置され、イオンおよび電子のガス源が窒素で、空 洞内で解離して、窒素原子を生成し、鋼製品の表面と反応して、該表面に窒化物 を形成する、請求の範囲第１０項〜第１３項に記載の装置。