DE69312544T2

DE69312544T2 - Plasmaerzeugungsverfahren und dieses Verfahren verwendende Plasmaerzeugungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69312544T2
Application number: DE69312544T
Authority: DE
Inventors: Kenji Harafuji; Masafumi Kubota; Noboru Nomura; Mitsuhiro Ohkuni; Tokuhiko Tamaki
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1993-03-30
Publication date: 1997-12-04
Anticipated expiration: 2013-03-31
Also published as: KR930021034A; EP0563899B1; DE69312544D1; US5345145A; EP0563899A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Plasmaerzeugungsverfahren und eine Plamsaerzeugungsvorrichtung, die dieses Verfahren verwendet.
Ein Plasmaerzeugungsverfahren, das mit einer hochfrequenten elektrischen Entladung arbeitet, wird bei Trockenätzvorrichtungen in der Mikrofabrikation, bei einer CVD-Vorrichtung oder einer Vakuumzerstäubungsvorrichtung für die Bildung eines dünnen Filmes, bei Ionenimplantationsvorrichtungen oder ähnlichem verwendet. Für ein derartiges Plasmaerzeugungsverfahren ist es erforderlich, ein Plasma unter einem Hochvakuum zu erzeugen, um die Auflösung bei der Miniaturisierung zu erhöhen oder die Filmqualität mit hoher Präzision zu kontrollieren.
Im folgenden wird ein Torckenätzverfahren für die Mikrofabrikation als Anwendungsbeispiel des plasmaerzeugenden Verfahrens erläutert.
Die Fortschritte der jüngsten Zeit auf dem Gebiet der integrierten Halbleiterschaltungen mit hoher Dichte bringen große Veränderungen mit sich, die mit denen der Industriellen Revolution vergleichbar sind. Die äußerst dichte Anordnung einer integrierten Haibleiterschaltung wird durch Miniaturisierung der Abmessungen der Bauelemente, Verbesserungen der Bauelemente und die Herstellung von großflächigen Chips und ähnlichem erreicht. Die Abmessungen der Bauelemente werden nun bis zu der Größenordnung der Wellenlänge des Lichtes miniaturisiert. In der Lithographie wird die Verwendung von Excimer-Laser oder weicher Röntgenstrahlung in Erwägung gezogen. Für die Herstellung von Mikromustern spielt Trockenätzen eine ebenso wichtige Rolle wie die Lithographie.
Trockenätzen ist eine Verfahrenstechnologie, mit der nicht benötigte Teile eines dünnen Filmes oder eines Substrates unter Verwendung chemischer oder physikalischer Reaktionen auf der Oberfläche einer gasfesten Phase von Radikalen, Ionen oder ähnlichem in einem Plasma entfernt werden. Das am meisten verwendete Trockenätzen ist ein reaktives Ionenätzen (RIE = Reactive Ion Etching), bei dem ein Werkstück einem hochfrequenten Entladungsplasma eines geeigneten Gases ausgesetzt wird, damit eine Ätzreaktion auf der Oberfläche des Werkstücks ausgelöst wird, um nicht benötigte Teile davon zu entfernen. Allgemein müssen dabei benötigte Teile oder die Teile, die nicht von der Oberfläche des Werkstücks entfernt werden sollen, durch ein photoresistentes Muster, das als Maske dient, geschützt werden.
Für die Miniaturisierung ist es erforderlich, die Ionen in ihrer Ausrichtung richtig anzuornden. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, die Ionenstreuung im Plasma zu reduzieren. Um die Ionen in ihrer Ausrichtung richtig anzuordnen, ist es effektiv, den Vakuumgrad in einer plasmaerzeugenden Vorrichtung zu erhöhen, um die mittlere freie Weglänge der Ionen zu erhöhen. Wenn jedoch der Vakuumgrad in der Plasmakammer erhöht wird, hat dies das Problem zur Folge, daß eine hochfrequente Entladung kaum auftritt.
Deshalb wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem ein magnetisches Feld an einer Plasmakammer angelegt wird, um die Entladung zu erleichtern, z.B. eine Magnetron-reaktive-Ionenätztechnologie, eine Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ätztechnologie (ECR) oder ähnliches.
Fig. 21 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung für das reaktive Ionenätzen, die eine herkömmliche Magnetronentladung verwendet. Reaktives Gas wird in eine metallische Kammer 81 durch eine Gassteuerung 82 eingeführt. Der Druck in der Kammer wird durch ein Ausströmsystem 83 auf einem geeigneten Wert gehalten. Eine Anode 84 ist am oberen Teil der Kammer 81 angeordnet, und eine Werkstückauflagefläche 85, die als Katode dient, ist am unteren Teil der Kammer 81 angeordnet. Eine Stromversorgung 87 ist mit der Werkstückauflagefläche 85 über eine Impedanzanpassungsschaltung 86 verbunden, so daß die hochfrequente Entladung zwischen der Werkstückauflagefläche 85 und der Anode 84 stattfindet.
An den lateralen Seiten der Kammer 81 sind zwei Paare von Wechselstromelektromagneten 88 angeordnet, deren Phasen um 90º verschoben sind, wobei die Wechselstromelektromagneten 88 jedes Paares einander gegenüberstehen. Durch die zwei Paare von Wechselstromelektromagneten 88 wird ein Rotationsmagnetfeld in der Kammer 81 angelegt, um die Entladung unter einem Hochvakuum zu erleichtern. Bei einer derartigen Anordnung, verursacht das Rotationsmagnetfeld, daß die Elektronen zirkuläre Bewegungen aufzeigen. Dadurch wird die Weglänge der Elektronen verlängert, was die Effektivität der Ionisation erhöht.
Bei der oben angeführten Magnetron-Technologie oder ECR-Technologie ist das Plasma jedoch in seiner Dichte nicht einheitlich. Das macht nicht nur feines Ätzen schwierig, sondern verursacht auch Beschädigungen an dem Werkstück.
In einer herkömmlichen Vorrichtung zum Magnetron-reaktiven-Ionenätzen gleicht ein Rotationsmagnetfeld die Nichteinheitlichkeit eines Plasma nach einer Zeitspanne aus. Da jedoch die momentanen Dichten des Plasmas nicht einheitlich sind, können Potentiale lokal voneinander differieren. Wenn deshalb eine herkömmliche Vorrichtung zum Magnetron-reaktiven-Ionenätzen bei einem MOSLSI-Verfahren verwendet wird, besteht die Möglichkeit, daß eine Gate-Oxidschicht beschädigt wird.
Da das magnetische Feld auch in einer ECR-Ätzvorrichtung in der radikalen Richtung der Kammer ausgerichtet ist, sind die Plasmadichten lokal variierend grob und dicht. Das hat zur Folge, daß die Ätzquelle uneinheitlich ist oder lokale Potentialdifferenzen erzeugt. Wegen der Nichteinheitlichkeit des Plasmas wird die Einheitlichkeit des Ätzens beeinträchtigt, weswegen es schwierig ist, LSI-Schaltungen mit hohem Integrationsgrad herzustellen. Wenn das Plasma nicht einheitlich ist, bedeutet das, daß ein fehlerfreies Ätzen nicht ausgeführt werden kann, wenn Wafer mit großem Durchmesser oder hyperfeine Muster auf LSI-Schaltungen mit dünneren Gate-Oxidschichten trockengeätzt werden.
Es ist auch ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem eine hochfrequente elektrische Leistung mit 100 bis 200 MHz bei einer herkömmlichen mit 13.56 MHz erregten Parallelflachplatten-Magnetron-Ätzvorrichtung, angelegt wird, um die Dichte des Plasmas zur Herabsetzung der Vorspannung zu erhöhen, damit Beschädigungen des Werkstücks durch hochenergetische Ionen verringert werden.
Nach diesem Verfahren kann die Plasmadichte erhöht werden, es ist aber schwierig, die Einheitlichkeit des Plasmas zu verbessern. Deshalb können die oben angeführten durch die Nichteinheitlichkeit des Plasmas geschaffenen Probleme nicht vollständig gelöst werden.
Die vorliegende Erfindung bezweckt deshalb ein sehr dichtes Plasma mit einer exzellenten Einheitlichkeit in einem Hochvakuum zu erzeugen.
Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, ist die vorliegende Erfindung derart konzipiert, daß ein hochfrequentes elektrisches Rotationsfeld in einer plasmaerzeugenden Zone angeregt wird, wodurch die Elektronen unter Translationsbewegungen zu Translationsbewegungen in der plasmaerzeugenden Zone veranlaßt werden, und daß ein magnetisches Feld an der plasmaerzeugenden Zone angelegt wird, wodurch die Translationsbewegung der Elektronen unter Rotationsbewegungen in eine Rotationsbewegung gewandelt wird, mit der die Elektronen in der plasmaerzeugenden Zone rotieren, wobei der resultierende synergistische Effekt bewirkt, daß die Elektronen in der plasmaerzeugenden Zone gehalten werden.
Das plasmaerzeugende Verfahren der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 angegeben, bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 angegeben.
Bei diesem plasmaerzeugenden Verfahren ist die hochfrequente elektrische Leistung im zweiten Schritt vorzugsweise größer als 1 MHz und der absolute Wert der magnetischen Feldstärke im dritten Schritt ist vorzugsweise größer als 2 G. Außerdem wird vorzugsweise die folgende Beziehung zwischen der Frequenz f (MHz) der hochfrequenten elektrischen Leistung im zweiten Schritt, der Intensität E (V/cm) des durch die hochfrequente elektrische Leistung erregten elektrischen Rotationsfeldes und dem absoluten Wert B (G) der magnetischen Feldstärke im dritten Schritt hergestellt:
1 < E/B f < 50
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die magnetische Feldstärke im dritten Schritt an der Peripherie des plasmaerzeugenden Teils größer ist als im Zentrum.
Die Plasmaerzeugungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 9 angegeben, bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 10 bis 21 angegeben.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Plasmaerzeugungsvorrichtung bei einer Ätzvorrichtung angewendet und enthält weiterhin (i) eine Werkstückauflagefläche, die an einem unteren Teil des plasmaerzeugenden Teils innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist, und (ii) eine entgegengesetzte Elektrode, die an einem oberen Teil des plasamerzeugenden Teils innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist.
Die Plasmaerzeugungsvorrichtung kann derart aufgebaut sein, daß die Vorrichtung zum Anlegen eines magnetischen Feldes (i) ein Paar oberer und unterer Spulen umfaßt, die vertikal einander gegenüberstehend angeordnet sind, und (ii) elektrische Anschlüsse, um durch das Paar Spulen jeweils einen elektrischem Strom fließen zu lassen. Wenn die elektrische Stromversorgung bei einer derartigen Anordnung einen stationären vorwärts oder rückwärts fließenden Stromfluß an dem Spulenpaar anlegen kann, kann das an dem plasmaerzeugenden Teil angelegte magnetische Feld ein stationäres statisches Magnetfeld sein. Wenn die elektrische Stromversorgung aber einen nichtstationären Stromfluß an dem Spulenpaar anlegen kann, kann das an dem plasmaerzeugenden Teil angelegte magnetische Feld ein statisches Magnetfeld sein, das nichtstationär ist.
Die lateralen Elektroden und die Vorrichtung zum Anlegen eines magnetischen Feldes können außerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein.
Vorzugsweise sind Glieder aus Quarz oder Keramik zwischen dem plasmaerzeugenden Teil und jeder der lateralen Elektroden, und zwischen dem plasmaerzeugenden Teil und der Vorrichtung zum Anlegen eines magnetischen Feldes vorgesehen.
Vorzugsweise weist die Einrichtung zur Versorgung mit hochfrequentem elektrischen Strom eine Phasenvergleichseinrichtung auf, damit die Phasenverschiebungen zwischen den hochfrequenten elektrischen Strömen, die jeweils an den lateralen Elektroden angelegt sind, zueinander gleich sind. Vorzugsweise sind an den lateralen Elektroden jeweils elektrische Anschlüsse angeschlossen, die von derselben Stromversorgung versorgt werden und deren Phasen jeweils verschieden sind.
Vorzugsweise enthält die zweite Plasmaerzeugungsvorrichtung eine Einrichtung zur Temperatursteuerung, um die Temperatur an der Werkstückauflagefläche so zu steuern, daß die Werkstückauflagefläche einem Plasma ausgesetzt wird, und eine Vorspannung wird an der Werkstückauflagefläche angelegt, damit ein Werkstück, das auf der Werkstückauflagefläche plaziert ist, einem Plasma ausgesetzt wird.
Vorzugsweise ist die Wand der Vakuumkammer aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt oder magnetisch abgeschirmt.
Wenn das elektrische Feld in dem plasmaerzeugenden Teil durch Anlegen von einer hochfrequenten elektrischen Leistung mit jeweils gleichen Frequenzen und unterschiedlichen Phasen an der Mehrzahl von Elektroden erregt wird, werden die Elektronen unter Translationsbewegungen zu Rotationsbewegungen in dem Plasma veranlaßt. Die Elektroden weisen zirkuläre Translationsbewegungen auf (Bewegungen, mit denen jeweils eine Lissajous-Figur gezeichnet wird), wobei das Zentrum der Rotationsbewegungen forwärtsschreitet.
Wenn an dem plasmaerzeugenden Teil ein zu der Wirkungsebene des oben angeführten elektrischen Feldes im wesentlichen rechtwinkliges magnetisches Feld angelegt wird, werden die Translationsbewegungskomponenten der Elektronen, die zirkuläre Translationsbewegungen in dem plasmaerzeugenden Teil aufzeigen, zu Rotationsbewegungskomponenten in dem plasmaerzeugenden Teil umgewandelt. Insbesondere werden die Elektronen in dem plasmaerzeugenden Teil so bewegt, daß die Zentren der Rotationsbewegungen, die durch das elektrische Feld verursacht werden, in den Ortskurven der durch das magnetische Feld erzeugten Rotaionsbewegungen wandern. Deshalb gehen die Elektronen nicht aus dem Plasma heraus und zeigen gleichzeitig zirkuläre Bewegungen und Rotationsbewegungen auf.
Dadurch werden die Elektronen in dem plasmaerzeugenden Teil gehalten, was die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen den in den plasmaerzeugenden Teil eingeführten Gasmoleküle und den darin gehaltenen Elektronen erhöht, wodurch der Wirkungsgrad der Ionisation erhöht wird. Deshalb kann die untere Grenze der Frequenz der hochfrequenten elektrischen Leistung, die für die elektrische Entladung erforderlich ist, auf einen niedrigeren Wert gesetzt werden als bei einer herkömmlichen Vorrichtung.
Außerdem können die Ortskurven der Elektronen in dem plasmaerzeugenden Teil weit vom Zentrum entfernt an der Peripherie verteilt werden, wodurch die Einheitlichkeit des Plasmas erhöht wird. Dadurch wird auch das Maximum der oszillatorischen Variationen der kinetischen Energie des Elektrons erhöht, die die oben genannten Ortskurven ziehen, wodurch der Wirkungsgrad der Ionisation erhöht wird.
Weiterhin sind das elektrische Feld und das magnetische Feld, die in der Vakuumkammer erregt werden, räumlich einheitlich, was die Einheitlichkeit des Plasmas weiterhin erhöht. Dadurch wird sichergestellt, daß die Vorrichtung auch mit großen Ausmaßen hergestellt werden kann. Außerdem kann der Mechanismus zur Erzeugung eines magnetischen Feldes einfach sein.
Weiterhin können die Umlaufbahnen der Elektronen leicht durch ein schwaches Magnetfeld mit einem geringen Energiebedarf gesteuert werden. Dementsprechend kann ein höherer Wirkungsgrad bei der Ionisation unter einem Hochvakuum erhalten werden und die elektrische Entladung kann im Vergleich zu einer herkömmlichen plasmaerzeugenden Vorrichtung wie etwa einer Parallelplatten- Trockenätzvorrichtung erleichtert werden. Wenn die vorliegende Erfindung bei einer Trockenätzvorrichtung angewendet wird, kann deshalb ein sehr dichtes Plasma erhalten werden und die Ionenstreuung durch die Gasmoleküle reduziert werden, was ein stark anisotropisches Ätzen ermöglicht. Im Vergleich zu einer Ätzvorrichtung mit einer ECR-Entladung oder einer Magnetron-Entladung, die ein herkömmliches magnetisches Feld verwenden, verbessert die Tockenätzvorrichtung, bei der die vorliegende Erfindung angewendet ist, die Einheitlichkeit des Plasmas in dem plasmaerzeugenden Teil in Raum und Zeit und verursacht eine nur unwesenltiche Unregelmäßigkeit der Verteilung des Plasmas. Dadurch werden Beschädigungen der Bauelemente wie eine Beschädigung der Gate-Oxidschicht oder ähnliches minimiert.
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur einer Trockenätzvorrichtung zeigt, bei der ein plasmerzeugendes Verfahren entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet ist;
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm, das die Bahn eines Elektrons in einer Kammer der in Fig. 1 gezeigten Trockenätzvorrichtung zeigt;
Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm, das die Bahn eines Elektrons in einer Kammer der in Fig. 1 gezeigten Trockenätzvorrichtung zeigt;
Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm, das die Bahn eines Elektrons in einer Kammer der in Fig. 1 gezeigten Trockenätzvorrichtung zeigt;
Fig. 5 ist eine Ansicht, die die Beziehung zwischen der Frequenz der an den lateralen Elektroden der Trockenätzvorrichtung in Fig. 1 angelegten hochfrequenten elektrischen Leistung und der Distanz zeigt, die ein Elektron in einer Periode der oben genannten hochfrequenten elektrischen Leistung zurücklegt;
Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm der Ortskurven der zirkulären Bewegungen der Elektronen in der Kammer der in Fig. 1 gezeigten Trockenätzvorrichtung;
Fig. 7 ist ein schematisches Diagramm, das die Abhängigkeit der zirkulären Bewegung eines Elektrons in der Kammer der in Fig. 1 gezeigten Torckenätzvorrichtung von der Richtung und der Feldstärke eines angelegten magnetischen Feldes zeigt;
Fig. 8 ist ein schematisches Diagramm, das die Abhängigkeit der zirkulären Bewegung eines Elektrons in der Kammer der in Fig. 1 gezeigten Torckenätzvorrichtung von der Richtung und der Feldstärke eines angelegten magnetischen Feldes zeigt;
Fig. 9 ist ein schematisches Diagramm, das die Abhängigkeit der zirkulären Bewegung eines Elektrons in der Kammer der in Fig. 1 gezeigten Torckenätzvorrichtung von der Stärke eines angelegten elektrischen Feldes zeigt
Fig. 10 ist ein schematisches Diagramm, das die Abhängigkeit der zirkulären Bewegung eines Elektrons in der Kammer der in Fig. 1 gezeigten Torckenätzvorrichtung von der angelegten Frequenz zeigt
Fig. 11 (a) und (b) sind schematische Diagramme, die eine Verteilung des magnetischen Flusses und die Rotationsbewegung der Elektronen in einer herkömmlichen Magnetron-Trockenätzvorrichtung zeigen;
Fig. 12 ist ein schematisches Diagramm, das die räumliche Verteilung der zirkulären Bewegungen von Elektronen in der in Fig. 1 gezeigten Trockenätzvorrichtung zeigt;
Fig. 13 (a) bis 8c) sind Ansichten, die zeigen, wie Borphosphorglas unter Verwendung einer herkömmlichen Magnetron-Ätzvorrichtung geätzt wird, wobei (a) eine Seitenansicht des Glases während des Ätzens, (b) eine die Verteilung der magnetischen Feldstärke zeigende Tabelle, und (c) eine die Ätzgeschwindigkeit zeigende Tabelle zeigen;
Fig. 14 (a) und (b) sind Ansichten, die zeigen, wie Borphosphorglas unter Verwendung der in Fig. 1 gezeigten Trockenätzvorrichtung geätzt wird, wobei (a) eine Schnittansicht des Glases während des Ätzens, und (b) eine die Atzgeschwindigkeit zeigende Tabelle zeigen;
Fig. 15 ist eine Tabelle, in der die Trockenätzvorrichtung in Fig. 1 mit einer herkömmlichen Ätzvorrichtung verglichen wird;
Fig. 16 ist ein schematisches Diagramm, das die zirkuläre Bewegung eines Elektrons zeigt, wenn ein hochfrequentes magnetisches Feld an der Trockenätzvorrichtung in Fig. 1 angelegt wird;
Fig. 17 ist ein schematisches Diagramm, das die zirkuläre Bewegung eines Elektrons, wenn ein hochfrequentes magnetisches Feld an der Trockenätzvorrichtung in Fig. 1 angelegt wird;
Fig. 18 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur einer Trockenätzvorrichtung zeigt, bei der das plasmaerzeugende Verfahren einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend angelegt ist;
Fig. 19 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur einer CVD-Vorrichtung zeigt, bei der das plasmaerzeugende Verfahren einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend angelegt ist;
Fig. 20 ist eine Schnittansicht eines mit der CVD-Vorrichtung in Fig. 19 behandelten Halbleiterchips; und
Fig. 21 ist ein schematisches Diagramm einer reaktiven Ionenätzvorrichtung, die eine herkömmliche Magnetronentladung verwendet.
In der folgenden Beschreibung wird eine Trockenätzvorrichtung erläutert, bei der das plasmaerzeugende Verfahren entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm der Struktur der Trockenätzvorrichtung. In Fig. 1 ist an einem unteren Teil einer rechteckigen Kammer in der Form eines Parallelepipeds eine Werkstückauflagefläche 2 vorgesehen, an die eine hochfrequente elektrische Leistung mit 13,56 MHz anzulegen ist. Ein zu ätzendes Werkstück 3 mit einem Halbleiterwafer wird auf der Werkstückauflagefläche 2 plaziert. Eine entgegengesetzte Elektrode 4 ist an einem oberen Teil der Kammer 1, der Werkstückauflagefläche gegenüberstehend angeordnet. Jeweils an den lateralen Seiten der Kammer 1 sind die lateralen Elektroden 5, 6, 7, 8 angeordnet, an die hochfrequente elektrische Leistung mit 10 MHz anzulegen ist. Die Phasen der jeweils an den lateralen Elektroden 5, 6, 7, 8 angelegten elektrischen Leistungen werden in der Reihenfolge der Bezugszeichen um jeweils 90º vorgerückt oder verzögert. Der durch die Werkstückauflagefläche 2, die entgegengesetzte Elektrode 4 und die lateralen Elektroden 5, 6, 7, 8 definierte Raum ist eine plasmaerzeugende Zone. Eine Hochfrequenzstromversorgung 19 ist darauf eingestellt, hochfrequente elektrische Leistungen an den lateralen Elektroden 5, 6, 7, 8 anzulegen, so daß ein elektrisches Rotationsfeld mit einer Feldstärke von 3,3 V/cm in dieser plasmaerzeugenden Zone gebildet wird.
In Fig. 1 sind eine obere zirkuläre Spule 101 und eine untere zirkuläre Spule 102 jeweils an oberen und unteren Teilen der Kammer 1 angeordnet und dafür vorgesehen, ein im wesentlichen zu dem zu ätzenden Werkstücks 3 rechtwinkliges magnetisches Feld zu erzeugen. Die Gleichstromversorgungen 103, 104 sind dafür vorgesehen, elektrische Ströme durch jeweils die obere zirkuläre Spule 101 und untere zirkuläre Spule 102 fließen zu lassen. Die Feldstärke des magnetischen Feldes B (G) wird innerhalb des Bereichs zwischen 5G und 10G oder zwischen - 20G und -10G eingestellt.
Über einen Einlaßkanal (nicht gezeigt) wird Ätzgas durch einen Massendurchflußregler in die Kammer 1 gelassen, und der Druck in der Kammer 1 wird bei etwa 0,1 Pa bis 10 Pa durch eine Turbopumpe (nicht gezeigt) eingestellt.
Die durch die hochfrequente elektrische Stromversorgung 19 bereitgestellte hochfrequente elektrische Leistung wird den lateralen Elektroden 5, 6, 7, 8 über die Verstärker 9, 10, 11, 12 und die Vergleichsschaltungen 13, 14, 15, 16 zugeführt. Die durch die hochfrequente elektrische Stromversorgung 19 bereitgestellte hochfrequente elektrische Leistung wird durch die Phasenvergleichseinrichtung 18 geregelt, damit die Phasendifferenzen zwischen den jeweils an den lateralen Elektroden 5, 6, 7, 8 angelegten elektrischen Leistungen konstant bleiben (90º). Um die Frequenzen der hochfrequenten elektrischen Leistung, die jeweils an den lateralen Elektroden 5, 6, 7, 8 angelegt wird, auszugleichen, wird der von der einzigen Hochfrequenzstromversorgung 19 bereitgestellte Wechselstrom durch die Verstärker 9, 10, 11, 12 verstärkt.
Nach der Verstärkung durch den Verstärker 20 wird hochfrequente elektrische Leistung mit 13,56 MHz an der Werkstückauflagefläche 2 über eine Vergleichsschaltung 17 angelegt.
In der folgenden Beschreibung wird die Operation der Trockenätzvorrichtung mit dem oben angeführten Aufbau erläutert.
Fig. 2 zeigt in schematischer Weise die Bahn jedes der Elektronen e die zu dem Zeitpunkt, zu dem die hochfrequente elektrische Leistung angelegt wird, durch einen plasmaerzeugenden Teil 21 zu den lateralen Elektroden 5, 7, die aus einem Paar gegenüberstehender Flachplattenelektroden bestehen, bewegt werden. Während die Elektronen e durch ein hochfrequentes elektrisches Feld, das zwischen den lateralen Elektroden angelegt wird, oszillierenden Bewegungen unterworfen werden, schreiten die Elektronen in der Richtung der darin vorhandenen kinetischen Energie voran.
Fig. 5 ist eine Kurve, die in den Termen einer Funktion der Frequenz, die Distanz zeigt, die ein Elektron e während einer Periode der hochfrequenten elektrischen Leistung zurücklegt. Dabei wird ein Elektron mit 20 eV betrachtet. Ein Elektron e, das in der Richtung x mit einer Energie von 20 eV wandert, bewegt sich in 20 Nanosekunden, was einem Zyklus einer hochfrequenten Leistung mit 50 MHz entspricht, etwa 6 cm. Wenn man nun annimmt, daß die Distanz zwischen den lateralen Elektroden 30 cm beträgt, dann oszilliert das Elektron e fünfmal während es die Distanz von 30 cm zurücklegt. Wenn die Energie des Elektrons e groß ist, dann ist seine Geschwindigkeit groß, was die Anzahl der Oszillationsbewegungen, während das Elektron e die Distanz zwischen den gegenüberstehenden lateralen Elektroden zurücklegt, reduziert.
Um ein Gas zu ionisieren, ist im allgemeinen eine Energie erforderlich, die nicht geringer ist als ungefähr 15 eV, obwohl dies vom Typ des Gases abhängt. Die Ionisation tritt wegen der Kollision zwischen den Elektronen e und den Gasmolekülen auf. Wenn die Wegdistanzen der Elektronen e länger sind, erhöht sich dementsprechend die Wahrscheinlichkeit einer Kollision, was den Wirkungsgrad der Ionisation erhöht. Da der Abstand zwischen den gegenüberstehenden lateralen Elektroden im allgemeinen einige Dutzend cm beträgt, sind hochfrequente elektrische Leistungen von nicht weniger als 50 MHz erforderlich, um den Wirkungsgrad der Ionisation durch Oszillieren der Elektronen e aufgrund hochfrequenter elektrischer Leistung zu erhöhen.
Herkömmlicherweise sind derartige hochfrequente elektrische Leistungen kaum zur Erzeugung eines Plasmas verwendet worden, weil es schwierig ist, eine stabile Hochleistungsstromversorgung vorzusehen, die Impedanz anzupassen und die Strahlung zu kontrollieren. Nur wenn eine Stromversorgung mit Mikrowellen, die einen Magnetron verwendet, zur Verfügung steht, kann hochfrequente elektrische Leistung im GHz-Bereich zur Ausgabe von Mikrowellen verwendet werden.
Fig. 3 zeigt in schematischer Weise die Bahn jedes der Elektronen e, die zu dem Zeitpunkt bewegt werden, zu dem die hochfrequente elektrische Leistung derselben Frequenz an den vier lateralen Elektroden 5, 6, 7, 8, die den plasmaerzeugenden Teil 21 umgeben, angelegt wird, wobei die Phasen der elektrischen Leistung, die jeweils an den lateralen Elektroden 5, 6, 7, 8 angelegt wird, in der Reihenfolge der Bezugszeichen um jeweils 90º vorgerückt oder verzögert wird, wodurch ein elektrisches Rotationsfeld in dem plasmaerzeugenden Teil 21 erzeugt wird. Wegen einer derartigen Anordnung der lateralen Elektroden 5, 6, 7, 8 und wegen der hochfrequenten elektrischen Leistung, deren Phasen jeweils verschoben sind, wird in dem plasmaerzeugenden Teil 21 ein in Raum und Zeit einheitliches elektrischen Rotationsfeld erregt. Aufgrund dieses elektrischen Rotationsfeldes, zeigt jedes der Elektronen e eine zirkuläre Bewegung, bei der eine Rotationsbewegung einer Translationsbewegung quer durch die Kammer 1 überlagert ist. Dabei wird die Rotationsfrequenz der Rotationsbewegung durch die Frequenz des durch die angelegte hochfrequente elektrische Leistung gebildeten elektrischen Feldes gesteuert, während der Radius der Rotationsbewegung durch die Feldstärke des durch die angelegte hochfrequente elektrische Leistung gebildeten elektrischen Feldes gesteuert wird.
Fig. 4 zeigt die Bahn jedes der Elektronen e, die bewegt werden, wenn den oberen und unteren zirkulären Spulen 101, 102 ein Gleichstrom zugeführt wird, so daß ein zu der Werkstückauflagefläche im wesentlichen senkrechtes magnetisches Feld an das in Fig 3 gezeigte elektrische Rotationsfeld angelegt wird. Bei einer derartigen Anordnung wird die Tranlationsbewegung jedes der Elektronen e zu einer lateralen Wand der Kammer 1 in dem in Fig. 3 gezeigten Zustand in eine Bewegung abgelenkt, bei der jedes der Elektronen e sich in dem plasmaerzeugenden Teil 21 dreht. Die Größe einer derartigen Drehbewegung ist dem Produkt aus der Größe des angelegten elektrischen Feldes mit der Größe des angelegten magnetischen Feldes proportional. Die Richtung der Drehbewegung steht im rechten Winkel zu den angelegten elektrischen und magnetischen Feldern. Das hat zur Folge, daß jedes Elektron e eine Bewegung aufzeigt, bei der eine durch das magnetische Feld verursachte Zyklotron-Drehbewegung durch eine Rotationsbewegung überlagert wird, die durch das durch die hochfrequente elektrische Leistung erzeugte elektrische Rotationsfeld verursacht wird.
Fig. 6 ist eine schematische Ansicht der Bewegungen, bei denen eine Zyklotron-Drehbewegung durch eine Rotationsbewegung überlagert ist. Jedes der Elektronen e zeigt eine Drehbewegung mit dem Zyklotronradius rc = mv/qB und der Rotationsfrequenz WB = qB/m, die grob durch die Feldstärke B eines angelegten magnetischen Feldes bestimmt wird (wobei m die Masse des Elektrons, q die elektrische Ladung des Elektrons und v Geschwindigkeit des Elektrons in der Richtung senkrecht zu den magnetischen Feldlinien ist). Jedes Elektron e dreht sich auf einer zirkulären Umlaufbahn 120, deren Radius grob durch die Frequenz der hochfrequenten elektrischen Leistung und der Größe des angelegten elektrischen Rotationsfeldes bestimmt wird.
Allgemein ist der Raum, in der sich jedes Elektron e in dem plasmaerzeugenden Teil 21 bewegt, größer, wenn der absolute Wert der Feldstärke des angelegten magnetischen Feldes kleiner ist, da die Feldstärke des angelegten elektrischen Rotationsfeldes stärker ist und da die Frequenz der angelegten hochfrequenten elektrischen Leistung niedriger ist.
Weiterhin ist der Raum, in dem sich jedes Elektron e in dem plasmaerzeugenden Teil 21 bewegt, kleiner, wenn die Richtung, in der das magnetische Feld angelegt wird, so eingestellt ist, daß die Drehbewegung der Zyklotronbewegung mit der Rotationsrichtung jedes Elektrons e identisch ist, die durch das durch die hochfrequente elektrische Leistung erzeugte elektrische Rotationsfeld verursacht wird (Diese Rotationsrichtung wird im folgenden als Forwärtsrichtung bezeichnet), als wenn die Richtung, in der das magnetische Feld angelegt wird, so gewählt ist, daß die Drehbewegung der Zyklotronbewegung der oben genannten Rotationsrichtung entgegengesetzt ist.
Fig. 7 und 8 zeigen die Laufbahn jedes der Elektronen e, wenn ein angelegtes Magnetfeld in seiner Größe und Richtung durch die Frequenz der hochfrequenten elektrischen Leistung von 10 MHz geändert wird. Wenn die Feldstärke des magnetischen Feldes gleich -5G ist, ist die Rotationsfrequenz einer Rotationsbewegung, die durch das durch die hochfrequente elektrische Leistung erzeugte elektrische Rotationsfeld verursacht wird, im wesentlichen der Drehfrequenz der Zykolotrondrehbewegung gleich, und die Rotations- bzw. Drehbewegungen sind einander entgegengesetzt. Das heißt, daß das Elektron e eine Bewegung aufzeigt, in der eine Rotationsbewegung und eine Drehbewegung sich gegenseitig aufheben. Dabei tritt das Elektron e nach kurzer Zeit aus dem plasmaerzeugenden Teil 21 aus.
Fig. 9 zeigt die Laufbahn jedes der Elektronen e, wenn ein angelegtes elektrisches Feld durch die Frequenz der hochfrequenten elektrischen Leistung von 10 MHz in seiner Größe geändert wird. Fig. 10 zeigt den Bewegungsweg jedes der Elektronen e, wenn die hochfrequente elektrische Leistung in ihrer Frequenz durch die Feldstärke eines angelegten magnetischen Feldes mit 10 G und durch die Feldstärke eines angelegten elektrischen Feldes mit 3,3 V/cm geändert wird.
Wenn in dieser Ausführungsform ein magnetisches Feld und ein elektrisches Feld an dem plasmaerzeugenden Teil 21 angelegt werden, um eine mit einer Rotationsbewegung kombinierte Drehbewegung der Elektronen e in dem plasmaerzeugenden Teil zu veranlassen, können die meisten der Elektronen e in dem plasmaerzeugenden Teil 21 gehalten werden. Dadurch können die Wegdistanzen der Elektronen e verlängert werden, was die Dichte der Elektronen e in dem plasmaerzeugenden Teil 21 und damit den Wirkungsgrad der Ionisation erhöht.
Wenn ein elektrisches Feld an dem plasmaerzeugenden Teil 21 angelegt wird, um eine Rotationsbewegung der Elektronen e zu veranlassen, kann gesagt werden, daß der Querschnitt der Kollision zwischen den Elektronen und den Gasmolekülen wesentlich erhöht wird. Da die Ortskurven der Rotationsbewegung der Elektronen e außerdem, wie in Fig. 6 gezeigt, räumlich im wesentlichen einheitlich gemacht werden können, kann die Einheitlichkeit des Plasmas weiter erhöht werden.
Dem plasmaerzeugenden Verfahren der vorliegenden Erfindung entsprechend, kann der Wirkungsgrad der Ionisation verbessert und ein äußerst einheitliches Plasma erhalten werden. Wenn dementsprechend die vorliegende Erfindung bei einer Vorrichtung zum Ätzen angewendet wird, kann eine derartige Vorrichtung zum Ätzen in ihrer Tauglichkeit für die Mikrofabrikation verbessert werden und weniger Beschädigungen der Bauelemente verursachen.
Bei einer Magnetron-Ätzvorrichtung, die ein herkömmliches magnetisches Rotationsfeld verwendet, ist die Verteilung des magnetischen Flusses 22 unmittelbar über der Werkstückauflagefläche 2 zu einem bestimmten Zeitpunkt, wie in Fig. 11(a) gezeigt, nicht einheitlich. Jedes der Elektronen e (durch schwarze Punkte in Fig. 11 (b) wiedergegeben) in der Kammer 1 rotiert mit einem Umlaufradius, der der Feldstärke des magnetischen Feldes umgekehrt proportional ist. Dementsprechend vergrößert sich der Umlaufradius jedes der Elektronen e an den oberen und unteren Teilen der Kammer 1 und am äußeren peripheren Teil der plasmaerzeugenden Zone, wo die Feldstärke des magnetischen Feldes schwach ist, so daß jedes Elektron e in Kollision mit der Mauer der Kammer 1 gerät, was ein Austreten des Elektrons e verursacht.
Im folgenden wird die x-Richtung, die den zentralen Teil des plasmaerzeugenden Teils 21 von der linken zur rechten Seite durchquert, betrachtet. Im zentralen Teil, wo die Feldstärke des magnetischen Feldes schwach ist, nimmt die Dichte der Elektronen e ab, weshalb sich die Dichte des Plasmas abnimmt. Am äußeren peripheren Teil, wo die Feldstärke des magnetischen Feldes stark ist, nimmt die Dichte der Elektronen e zu, weshalb sich die Dichte des Plasmas erhöht. Bei einer derartigen herkömmlichen Trockenätzvorrichtung ist das gesamte Plasma deshalb nicht einheitlich, was ein ungleichmäßiges Ätzen oder eine Beschädigung des Werkstücks verursacht.
Bei einer Trockenätzvorrichtung, bei der das plasmaerzeugende Verfahren der vorliegenden Erfindung angewendet wird, sind das elektrische Feld und das magnetische Feld in dem durch die lateralen Elektroden 5, 6, 7, 8 umgebenen plasmaerzeugenden Teil 21 dagegen einheitlich. Dementsprechend sind, wie in Fig. 12 gezeigt, die Konfigurationen der Ortskurven der mit der Rotationsbewegung kombinierten zirkulären Bewegung der Elektronen e an verschiedenen Stellen einander im wesentlichen gleich. Deshalb ist die Dichte des Plasmas in dem plasmaerzeugenden Teil 21 insgesamt im wesentlichen einheitlich. Bei dieser Trockenätzvorrichtung wirken deshalb sowohl Ionen wie Radikale, die durch das reaktive Ätzgas in dem plasmaerzeugenden Teil 21 erzeugt werden, im wesentlichen einheitlich auf die gesamte Oberfläche des zu ätzenden Werkstücks 3 ein. Dementsprechend kann das Ätzen einheitlich auf der Gesamtfläche des zu ätzenden Werkstücks 3 vorgenommen werden, das des plasmaerzeugenden Teil 21 ausgesetzt ist, wobei Beschädigungen an dem Werkstück, die auf eine Aufladung zurückzuführen sind, beträchtlich reduziert werden und die Dichte des Plasmas hoch ist, was die Ätzrate erhöht.
Fig. 13 zeigt in schematischer Weise ein beispielhaftes Ätzen eines Borphosphorglases mit eine Magnetron-Ätzvorrichtung, die ein herkömmliches magnetisches Rotationsfeld verwendet. In Fig. 13 (a) ist ein Si-Substrat 30, ein Borphosphorglas 31 und eine photoresistente Maske 32 gezeigt. Wenn die Verteilung der Feldstärke eines magnetischen Feldes zu einem bestimmten Zeitpunkt unmittelbar über dem Si-Substrat 30 oder der Werkstückauflagefläche am Zentrum der Werkstückauflagefläche, wie in Fig. 13 (b) gezeigt, minimiert wird, ist ein Ionenfluß I, der auf die Oberfläche des SI-Substrates 30 einfällt, der Verteilung der Plasmadichte proportional, die der Verteilung der Feldstärke des magnetischen Feldes entspricht, und ist damit, wie in Fig. 13 (a) gezeigt, im Zentrum grob. Wie in Fig. 13 (c) gezeigt, folgt die Geschwindigkeit für das Ätzen einer Oxidschicht (Borphosphorglas 31) im wesentlichen dem Ionenfluß 1 und ist deswegen nicht einheitlich. Außerdem verursacht die Nichteinheitlichkeit der Plasmadichte, daß das Borphosphorglas wegen der nicht einheitlichen Verteilung der elektrischen Ladungen beschädigt wird.
Fig. 14 zeigt in schematischer Weise ein beispielhaftes Ätzen eines Borphosphorglases mit einer Trockenätzvorrichtung, bei der das plasmaerzeugende Verfahren der vorliegenden Erfindung angewendet ist. Mit dieser Trockenätzvorrichtung wird, wie zuvor erläutert, ein im wesentlichen einheitliches Plasma erzeugt. Dementsprechend ist ein Ionenfluß II, der den auf die Oberfläche des Si-Substrates 30 einfallenden reaktiven Ätzpartikeln entspricht, wie in Fig. 14 (a) gezeigt, einheitlich. Außerdem ist die Ätzgeschwindigkeit, wie in Fig. 14 (b) gezeigt, ebenfalls sehr einheitlich, und die elektrischen Ladungen sind kaum ungleichmäßig verteilt, so daß auf Ladungen zurückzuführende Beschädigungen an dem Glas äußerst gering sind. Für dieses Beispiel wurde als Gas, das in die Kammer 1 eingeführt wird, ein Gas benützt, das auf einem Fluorgas basiert, etwa CHF&sub3; + O&sub2;, CF&sub4; + CH&sub2;F&sub2; oder ähnliches, und der Gasdruck wurde auf 0,1 bis 10 Pa eingestellt. Die Ätzrate lag dabei im Bereich zwischen 100 und 350 nm/min.
Eine derartige Trockenätzvorrichtung ist geeignet, um für das Ätzen eines Submikromusters oder eines Halbleiterwafers mit einem großen Durchmesser von 6" oder 8" oder ähnliches verwendet zu werden. Da insbesondere der Druck in der Kammer 1 gering ist, wird eine Ionenstreuung reduziert. Das verringert die Abhängigkeit der Ätzrate oder der Dimensionsverschiebung (des sogenannten CD-Verlusts), die durch Subtraktion der Linienbreite des Werkstücks nach dem Ätzen von der Linienbreite des photoresistenten Musters berechnet wird, von der Mustergröße. Da außerdem die Einheitlichkeit des Plasmas hoch ist, kann die Kammer 1 problemlos vergrößert werden.
Die Trockenätzvorrichtung verwendet vorzugsweise ein Kammersystem, das aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt ist, um zu verhindern, daß das angewendete magnetische Feld in seiner räumlichen Verteilung verzerrt wird, oder sie verwendet ein magnetisch abgeschirmtes Kammersystem, um zu verhindern, daß das magnetische Feld von außen beeinflußt wird.
Unter Verwendung dieser Trockenätzvorrichtung wurde ein weiterer Test durchgeführt, wobei eine Mischung aus SF&sub6; und einer Spur von Sauerstoff und als Atzgas und ein mit Phosphor dotiertes Si als Werkstück verwendet wurden. Aus den Testergebnissen ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung einen hohen Wirkungsgrad aufzeigt, wenn ein elektronegatives Gas wie SF&sub6;, Sauerstoff, Chlor, bd oder ähnliches verwendet wird. Das kann wie folgt erklärt werden. In einem hochfrequenten Plasma eines elektronegativen Gases ist die Elektronendichte gering und der Widerstand hoch, so daß das Potentialgefälle in dem Plasma größer ist, als wenn man ein elektropositives Gas verwendet. Dabei ist auch das elektrische Feld zwischen den Parallelplattenelektroden einheitlich, so daß ein, was seine Einheitlichkeit betrifft, exzellentes Plasma erhalten wird und auch die Einheitlichkeit des Ätzens exzellent ausfiel. Da das Plasma eine nur unwesentlich unregelmäßige Verteilung aufwies, können Beschädigungen der Bauelemente wie Beschädigungen der MOSLSI-Gate-Oxidschichten oder ähnliches kaum beobachtet werden. Die Ätzrate liegt dabei im Bereich zischen 200 und 400 nm/min.
In dem oben angeführten Beispiel wurden eine Oxidschicht und ein Si-Polykristall geätzt. Befriedigende Ergebnisse können jedoch auch erzielt werden, wenn die oben genannte Vorrichtung für das Trockenätzen zum Ätzen einer Si-Verbindung, eines Metalls wie Al oder ähnlichem, oder einer vielschichtigen Abdeckung verwendet werden. Dabei wird durch die Verwendung eines elektronegativen Gases wie Chlor, SF&sub6;, O&sub2; oder ähnlichem ein höherer Wirkungsgrad erreicht.
In Fig. 15 wird das Trockenätzverfahren dieser Ausführungsform mit herkömmlichen Trockenätzverfahren verglichen. Aus Fig. 15 kann entnommen werden, daß das Trockenätzverfahren dieser Ausführungsform den herkömmlichen Verfahren überlegen ist.
Wie obenstehend erläutert, wird dieser Ausführungsform entsprechend eine hochfrequente elektrische Leistung an den vier lateralen Elektroden 5, 6, 7, 8, die die plasmaerzeugende Zone umgeben, angelegt, und es wird eine Anpassung vorgenommen, so daß die Phasen der elektrischen Leistung, die jeweils an den lateralen Elektroden 5, 6, 7, 8 angelegt wird, in der Reihenfolge der Bezugszeichen vorgerückt oder verzögert werden, um auf diese Weise ein elektrisches Rotationsfeld in der plasmaerzeugenden Zone zu erzeugen. Außerdem läßt man einen Gleichstrom durch die oberen und unteren Spulen 101,102 in derselben Richtung fließen, um ein zu der Oberfläche des zu ätzenden Werkstücks 3 im wesentlichen senkrechtes magnetisches Feld anzulegen. Dadurch wird eine durch das elektrische Rotationsfeld erzeugte Tranlationsbewegung in eine Bewegung abgewandelt, die sich in dem plasmaerzeugenden Teil dreht. Das verursacht, daß der Großteil der Elektronen in dem plasmaerzeugenden Teil eine auf die Kammer 1 beschränkte Drehbewegung aufzeigen, so daß ein sehr dichtes Plasma mit exzellenter Einheitlichkeit unter einem Hochvakuum erzeugt werden kann.
In der vorliegenden Ausführungsform wird eine hochfrequente elektrische Leistung mit 13,56 MHz zwischen der Werkstückauflagefläche 2 und der entgegengesetzten Elektrode 4 angelegt, wobei das Anlegen der elektrischen Leistung gesteuert werden kann. Dementsprechend kann das Ätzen auch selektiv an dem zu ätzenden Material und dem darunterliegenden Material während des Ätzens gesteuert werden. Da das Plasma außerdem nur unwesentlich unregelmäßig verteilt ist, können Beschädigungen der Werkstücke beträchtlich reduziert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Frequenz f der an den lateralen Elektroden 5, 6, 7, 8 angelegten hochfrequenten elektrischen Leistung während der Erzeugung eines Plasma gleich 10 MHz, und es wird den oberen und unteren zirkulären Spulen ein derartiger elektrischer Strom zugeführt, daß die Feldstärke B des an den oberen und unteren zirkulären Spulen 101, 102 erzeugten magnetischen Feldes größer ist als -20 G und kleiner als -10 G. Die Frequenz der hochfrequenten Leistung und die Feldstärke des magnetischen Feldes sind jedoch nicht notwendigerweise auf die oben angeführten Werte beschränkt. Der durch die vorliegende Erfindung erzielte Wirkungsgrad ist befriedigend, wenn die Frequenz f der an den lateralen Elektroden 5, 6, 7, 8 während der Plasmaerzeugung angelegten hochfrequenten elektrischen Leistung größer ist als 1 MHz und das an den oberen und unteren zirkulären Spulen 101, 102 erzeugte magnetische Feld größer ist als 2 G oder kleiner als -2 G.
Um die Abweichung der Umlaufbahnen der Elektronen e von der plasmaerzeugenden Zone zu minimieren, wenn eine Seite oder der Durchmesser der plasmaerzeugenden Zone für das Ätzen eines 6" oder 8"-Wafers auf 30 cm gesetzt wird, ist es vorzuziehen, die durch die folgende Gleichung repräsentierte Beziehung zwischen der Feldstärke E (V/cm) des elektrischen Feldes, der Frequenz f (MHz) der hochfrequenten elektrischen Leistung und der Feldstärke B (G) des durch ein Paar von zirkulären Spulen erzeugten magnetischen Feldes herzustellen:
1 (V/cm)/(G x MHz) < E/ B x f < 50 (V/cm)/(G x MHz)
In der vorliegenden Ausführungsform wurde ein Fall beschrieben, bei dem ein stationäres Magnetfeld angelegt wird. Es ist jedoch ebenfalls effektiv ein hochfrequentes magnetisches Feld anzulegen, um die Bahn der Elektronen e für die Bildung eines einheitlichen Plasmas statistisch über die plasmaerzeugende Zone zu verteilen.
Fig. 16 zeigt ein Beispiel, bei dem eine hochfrequente elektrische Leistung an den zirkulären Spulen 101, 102 angelegt wird, um ein hochfrequentes magnetisches Feld B (G) = 10 + 10 cos (wE t) zu bilden, und Fig. 17 zeigt ein Beispiel , bei dem eine hochfrequente Leistung an den zirkulären Spulen 101, 102 angelegt wird, um ein hochfrequentes magnetisches Feld B (G) = -10 + 10 cos (wE t) zu bilden. Dabei ist wE gleich 2πf, f ist gleich 10 MHz und tgibt die Zeit an.
Die vorliegende Ausführungsform ist so ausgebildet, daß die Phasenverschiebung der hochfreqeuenten elektrischen Leistung, die an benachbarten Elektroden angelegt wird auf 90º eingestellt wird, weil es vier Elektroden sind, die die plasmaerzeugende Zone umgeben. Wenn die plasmaerzeugende Zone also von n Elektroden umgeben ist, können die Phasenverschiebungen zwischen der hochfrequenten elektrischen Leistung, die an benachbarten Elektroden angelegt wird, mit (360/n)º eingestellt werden. Wenn sich die Anzahl der Elektroden erhöht, wird die Verteilung des elektrischen Feldes in der plasmaerzeugenden Zone vorzugsweise weiter erhöht.
Um ein im wesentlichen zu dem zu ätzenden Werkstück 3 senkrechtes magnetisches Feld anzulegen, verwendet die vorliegende Ausführungsform ein Verfahren, mit dem man einen Gleichstrom durch die oberen und unteren zirkulären Spulen 101, 102 in derselben Richtung fließen läßt. Dadurch kann das magnetische Feld leicht in seiner Stärke und Richtung gesteuert werden, wodurch das Plasma mit einem einfachen Mechanismus einheitlich gemacht wird. Anstatt eines Paares zirkulärer Spulen 101, 102 können Elektromagneten oder Dauermagneten verwendet werden, um ein vorbestimmtes magnetisches Feld anzulegen.
Mit Bezug auf Fig. 18 wird in der folgenden Beschreibung eine Trockenätzvorrichtung erläutert, bei der das plasmaerzeugende Verfahren entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
In Fig. 18 sind sechs laterale Elektroden 51, 52, 53, 54, 55, 56 so angeordnet, daß sie eine plasmaerzeugende Zone 60 umgeben. Eine hochfrequente elektrische Leistung derselben Frequenz von 20 MHz wird jeweils durch die hochfrequenten Stromversorgungen 61, 62, 63, 64, 65, 66 an den lateralen Elektroden 51 bis 56 angelegt. Dabei ist vorgesehen, daß die Phasen der hochfrequenten elektrischen Leistung, die jeweils an den lateralen Elektroden 51 bis 56 angelegt wird, in der Reihenfolge der Bezugszeichen jeweils um 60º vorgerückt oder verzögert wird. In Fig. 18 wird ein elektrischer Strom an den zirkulären Spulen 101, 102 angelegt, der in derselben Richtung fließt wie in der ersten Ausführungsform Es ist eine obere zirkuläre Spule 111 mit einem kleinen Durchmesser vorgesehen, die konzentrisch mit der oberen zirkulären Spule 101 angeordnet ist und einen kleineren Durchmesser aufweist als diese. Es ist ebenfalls eine untere zirkuläre Spule 112 vorgesehen, die konzentrisch mit der unteren zirkulären Spule 102 ist und einen kleineren Durchmesser aufweist als diese. An den oberen und unteren Spulen mit kleinem Durchmesser 111, 112 wird ein Strom angelegt, dessen Richtung dem an den oberen und unteren zirkulären Spulen 101, 102 angelegten Strom entgegengesetzt ist und der geringer ist als der an den oberen und unteren zirkulären Spulen 101, 102 angelegte. Der Druck in der Kammer 1 wird bei ungefähr 0,1 bis ungefähr 10 Pa durch eine Turbopumpe (nicht gezeigt) gesteuert.
Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich in den folgenden Punkten von der ersten Ausführungsform. In der zweiten Ausführungsform sind sechs laterale Elektroden vorgesehen, so daß die Phasenverschiebung der an den benachbarten lateralen Elektroden angelegten hochfrequenten elektrischen Leistung jeweils 60º beträgt. Zusätzlich zu den unteren und oberen zirkulären Spulen 101, 102 sind die oberen und unteren zirkulären Spulen 111, 112 mit kleinerem Durchmesser angebracht, die jeweils konzentrisch mit den oberen und unteren zirkulären Spulen 101, 102 sind, deren Durchmesser kleiner sind als die der oberen und unteren zirkulären Spulen 101, 102 und an denen ein schwacher Gleichstrom in entgegengesetzter Richtung angelegt wird. Dementsprechend ist die Feldstärke des magnetischen Feldes an dem peripheren Teil der plasmaerzeugenden Zone 60 etwas stärker als am zentralen Teil.
Die erhöhte Anzahl von lateralen Elektroden erhöht erstens die räumliche Einheitlichkeit des elektrischen Feldes in der plasmaerzeugenden Zone 60. Zweitens reduziert die Verwendung von zwei verschiedenen Paaren von zirkulären Spulen den Bereich der Ortskurven der zirkulären Bewegung der Elektronen am peripheren Teil der plasmaerzeugenden Zone 60. Dadurch wird der Verlust von Elektronen aus der plasmaerzeugenden Zone 60 weiter reduziert. Dementsprechend wird die Einheitlichkeit des Plasmas in der zweiten Ausführungsform gegenüber der ersten Ausführungsform verbessert.
Die Trockenätzvorrichtung der zweiten Ausführungsform wurde für das Ätzen von Aluminium verwendet. Wenn ein Gas auf einer Chlorbasis verwendet wird, wie zum Beispiel BCl&sub2; + Cl&sub2;, SiCl&sub4; + Cl&sub2; + CHCl&sub3; oder ähnliches, und der Druck zwischen 0,1 und 20 Pa eingestellt wird, erhält man eine Ätzrate zwischen 400 und 900 nm/min.
Wie oben erläutert, weist die zweite Ausführungsform einen Mechanismus zur Anlegung einer hochfrequenten elektrischen Leistung derselben Frequenz an der sechs lateralen Elektroden auf, so daß die Phasendifferenz zwischen benachbarten Elektroden 600 beträgt. Außerdem weist die zweite Ausführungsform einen Mechanismus mit zwei verschiedenen Paaren von Spulen auf. Dementsprechend kann ein Plasma erhalten werden, dessen Einheitlichkeit exzellenter ist, was die Einheitlichkeit des Ätzens weiter verbessert. Außerdem ist das Plasma nur unwesentlich ungleichmäßig verteilt. Dies reduziert Beschädigungen der Bauelemente wie eine Beschädigung der Gate-Oxidschicht oder ähnliches.
Damit die Feldstärke des magnetischen Feldes an der Peripherie der plasmaerzeugenden Zone 60 etwas stärker ist als am Zentrum , verwendet die zweite Ausführungsform zwei verschiedene Paare von zirkulären Spulen. Es können jedoch eine Mehrzahl von Spulentypen in beliebigen Anordnungen, die miteinander nicht konzentrisch sind und die nicht in derselben Ebene lokalisiert sind, verwendet werden. Zirkuläre Spulen können auch mit Elektromagneten oder Dauermagneten kombiniert werden.
Mit Bezug auf Fig. 19 erläutert die folgende Beschreibung eine CVD-Vorrichtung, bei der das plasmaerzeugende Verfahren entsprechend einer dritten Ausführungsform angewendet ist.
Die CVD-Vorrichtung, bei der die dritte Ausführungsform angewendet ist, unterscheidet sich in den folgenden zwei Punkten von der Trockenätzvorrichtung in Fig. 1, bei der die erste Ausführungsform angewendet ist. Die CVD-Vorrichtung in Fig. 19 weist erstens die Einrichtung zur Versorgung der Werkstückauflagefläche 2 mit einer hochfrequenten elektrischen Leistung, den Verstärker 20, die Vergleichschaltung 17 und die entgegengesetzte Elektrode 4 nicht auf. Zweitens ist bei der CVD-Vorrichtung in Fig. 19 auf der Werkstückauflagefläche 2 ein Heizer 105 für die Steuerung der Dicke einer aufgetragenen Films vorgesehen. Alle anderen Anordnungen außer diesen zwei genannten sind dieselben wie die bei der in Fig. 1 gezeigten Trockenätzvorrichtung. Identische Teile sind dementsprechend durch gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 angegeben, wobei auf eine erneute detaillierte Beschreibung dieser Teile verzichtet wurde.
Bei der CVD-Vorrichtung werden 15 sccm N&sub2;-Gas und 15 sccm SiH&sub4;-Gas in die Kammer 1 eingeführt. Der Druck dieser Gase beträgt dabei vorzugsweise 0,07 Pa und die Temperatur der Werkstückauflagefläche 2 wird auf 400º eingestellt.
Fig. 20 zeigt einen Schnitt eines mit der CVD-Vorrichtung behandelten Halbleiterchips. Eine thermische Oxidschicht 111 ist auf einem Si-Substrat 110 gebildet. Durch Zerstäubung aufgetragenes Aluminium 112 wird mit einer Dicke von 0,8 µm in die Form eines Drahtes unter Verwendung von Photolithographie und Trockenätzen gebracht. Auf dem Aluminium 112 ist eine SiN-Schicht 114 unter Verwendung der CVD-Vorrichtung aufgetragen.
Die CVD-Vorrichtung wird so in geeigneter Weise in einem CVD-Verfahren für einen Halbeleiterwafer mit einem 6" oder 8"-Durchmesser verwendet. Das heißt, daß die CVD-Vorrichtung, wie im Zusammenhang mit der Trockenätzvorrichtung erläutert, die räumliche Einheitlichkeit des Plasmas erhöhen kann, so daß eine aufgetragene Schicht einheitlich auf dem gesamten Wafer gebildet werden kann.

Claims

1. Plasmaerzeugungsverfahren mit

einem ersten Schritt, um eine Mehrzahl von lateralen Elektroden (5, 6, 7, 8) an lateralen Seiten des plasmaerzeugenden Teils in einer Vakuumkammer anzuordnen;

einem zweiten Schritt, um an jeder der Elektroden eine hochfrequente elektrische Leistung mit jeweils derselben Frequenz anzulegen, deren Phasen aber jeweils zueinander verschoben sind, wodurch in dem plasmaerzeugenden Teil ein hochfrequentes elektrisches Rotationsfeld erregt wird, das bei den Elektronen mit einer Translationsbewegung in dem plasmaerzeugenden Teil eine Rotationsbeweg ung mit einer Translationsbewegungskomponente verursacht; und

einem dritten Schritt, um an dem plasmaerzeugenden Teil ein zu dem genannten hochfrequenten elektrischen Rotationsfeld im wesentlichen senkrechtes Magnetfeld anzulegen, wodurch die genannte Translationsbewegung der Elektronen mit Rotationsbewegung in dem plasmaerzeugenden Teil in eine Drehbewegung in dem plasmaerzeugenden Teil in derselben oder in der entgegengesetzten Richtung zu der Rotationsbewegung gewandelt wird;

wobei die Elektronen aufgrund der Rotationsbewegung und der Drehbewegung in dem plasmaerzeugenden Teil gehalten werden.

2. Plasmaerzeugungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem das magnetische Feld im dritten Schritt in der Zeit konstant ist.

3. Plasmaerzeugungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem das magnetische Feld im dritten Schritt in der Zeit variiert.

4. Plasmaerzeugungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die hochfrequente elektrische Leistung im zweiten Schritt größer als 1 MHz und der absolute Wert der magnetischen Feldstärke im dritten Schritt größer als 2G ist.

5. Plasmaerzeugungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die folgende Beziehung zwischen der Frequenz f (MHz) der hochfrequenten elektrischen Leistung im zweiten Schritt, der Intensität E (V/cm) des durch die hochfrequente elektrische Leistung erregten elektrischen Rotationsfeldes und dem absoluten Wert B (G) der magnetischen Feldstärke im dritten Schritt hergestellt wird:

1 < E/B f < 50

6. Plasmaerzeugungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die magnetische Feldstärke im dritten Schritt an der Peripherie des plasmaerzeugenden Teils größer ist als im Zentrum.

7. Plasmaerzeugungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wand der Vakuumkammer aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt ist.

8. Plasmaerzeugungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wand der Vakuumkammer magnetisch abgeschirmt ist.

9. Plasmaerzeugungsvorrichtung mit

einer Mehrzahl von lateralen Elektroden (5, 6, 7, 8), die an lateralen Seiten des plasmaerzeugenden Teils in der Vakuumkammer (1) angeordnet sind;

einer Einrichtung (9-16, 19) zur Versorgung mit einer hochfrequenten elektrischen Leistung, um an jeder der lateralen Elektroden eine hochfrequente elektrische Leistung anzulegen, deren Frequenz jeweils dieselbe ist, deren Phasen sich aber voneinander unterscheiden, wodurch in dem plasmaerzeugenden Teil ein hochfrequentes elektrisches Rotationsfeld erregt wird, um eine Rotationsbewegung der Elektronen mit Translationabewegung in dem plasmaerzeugenden Teil zu verursachen; und einer Einrichtung (101-104) zum Anlegen eines zu dem genannten hochfrequenten elektrischen Rotationsfeld im wesentlichen senkrechten magnetischen Feldes, wodurch die Translationsbewegung der Elektronen mit der Rotationsbewegung in dem plasmaerzeugenden Teil in eine Drehbewegung umgewandelt wird, so daß die Elektronen in dem plasmaerzeugenden Teil sich drehen und rotieren, damit die Elektronen in dem plasmaerzeugenden Teil gehalten werden.

10. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 9, mit weiterhin

einer an einem unteren Teil des plasmaerzeugenden Teils im Inneren der Vakuumkammer (1) vorgesehenen Werkstückauflagefläche (2); und

einer an einem oberen Teil des plasmaerzeugenden Teils im Inneren der Vakuumkammer (1) vorgesehenen entgegengesetzten Elektrode (4).

11. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 10, bei der eine Vorspannung an der Werkstückauflagefläche (2) angelegt ist, um ein Plasma auf das Werkstück (3) einwirken zu lassen, das auf der Werkstückauflagefläche (2) plaziert ist.

12. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 10, das weiterhin eine Temperatursteurungseinrichtung (105) enthält, um die Temperatur der Werkstückauflagefläche (2) zu steuern, so daß ein Plasma auf das Werkstück (3) einwirkt, das auf der Werkstückauflagefläche (2) plaziert ist.

13. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 12, bei der die Einrichtung (101-104) zum Anlegen eines magnetischen Feldes ein Paar oberer und unterer Spulen (101, 102), die derart angeordnet sind, daß sie einander gegenüberstehen, und Stromversorgungen (103, 104) zum Anlegen von elektrischem Strom an diesen Spulen aufweist.

14. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Stromversorgungen (103, 104) Einrichtungen aufweisen, um an dem Paar Spulen (101,102) elektrischen Strom anzulegen, der in der Zeit stationär ist.

15. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Stromversorgungen (103, 104) Einrichtungen aufweisen, um an dem Paar Spulen (101,102) elektrischen Strom anzulegen, der in der Zeit variiert.

16. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 15, bei der die lateralen Elektroden (5, 6, 7, 8) und die Einrichtung (101-104) zum Anlegen eines magnetischen Feldes außerhalb der Vakuumkammer (1) angeordnet sind.

17. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 16, bei der aus Quarz oder Keramik hergestellte Glieder zwischen dem plasmaerzeugenden Teil und jeder der lateralen Elektroden (5-8) und zwischen dem plasmaerzeugenden Teil und der Einrichtung (101-104) zum Anlegen eines magnetischen Feldes vorgesehen sind.

18. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 17, bei der die Einrichtung (9-16, 19) zum Anlegen einer hochfrequenten Leistung eine Phasenvergleichseinrichtung (13-16) aufweist, die derart ausgebildet ist, daß die Phasenverschiebungen zwischen der jeweils an den lateralen Elektroden (5-8) angelegten hochfrequenten Leistung miteinander identisch sind.

19. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 17, bei der die Einrichtung (9-16, 19) zum Anlegen einer hochfrequenten Leistung eine Einrichtung aufweist, um an jeder der lateralen Elektroden (5-8) ein hochfrequentes elektrisches Leistungssignal anzulegen, das von derselben Stromversorgung (19) bereitgestellt wird und dessen Phasen sich voneinander unterscheiden.

20. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 17, bei der die Wand der Vakuumkammer aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt ist.

21. Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 17, bei der die Wand der Vakuumkammer (1) magnetisch abgeschirmt ist.