JP3124204B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ処理装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はプラズマ処理装置に関
し、より具体的には、マグネトロン放電を利用して、半
導体ウェハ、或いは、半導体ウェハやＬＣＤ基板上に形
成された膜等をエッチングするエッチング装置や、これ
ら基板上に膜を形成するＣＶＤ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体素子製造工程における微細
加工において広く用いられているドライエッチング方法
の一つに、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法があ
る。さらに、このＲＩＥ法に対し、プラズマに磁界を加
えることにより高速化した方法として、マグネトロンＲ
ＩＥ法がある。
【０００３】マグネトロンＲＩＥ装置は、図３０に示す
ように、基板支持台を兼ねる第１の電極（カソード）１
１と対向配置された第２の電極（アノード）１２とを真
空容器１０内に有する。高周波電源１４の発生する電力
がマッチング回路１５及びコンデンサ１６を介してカソ
ード１１とアノード１２との間に印加される。そして、
これによって形成される電界により電極１１、１２間に
プラズマが生成される。ウェハの表面に誘起された電界
Ｅにより、該プラズマ中の反応性イオンが加速され、ウ
ェハに衝突することでエッチング反応が進行する。
【０００４】マグネトロン放電ではさらに、ウェハの表
面に誘起された自己バイアス電界Ｅと交差する方向に磁
石１７から磁界Ｂが与えられる。図中では磁力線１８の
様子が模式的に示される。このように電界Ｅと磁界Ｂを
交差させることで、プラズマ中の電子をローレンツ力に
よりＷ方向（紙面裏から表への方向）にドリフトさせる
ことができる（Ｅ×Ｂドリフト）。
【０００５】ここでＥ×Ｂドリフト方向とは、外積Ｅ×
Ｂにより電子がドリフトする支配的方向をいう。電界Ｅ
は電極１１、１２間への電圧の印加により生成されるプ
ラズマのバルクと自己バイアスされたウェハとの間に形
成される。即ち、電界Ｅはプラズマのシース内に形成さ
れる。印加電圧は高周波であるため、電界Ｅの方向は変
化し、またこれに伴い外積Ｅ×Ｂのベクトル方向も周期
的に変化する。しかし、高周波電源１４が接続された電
極１１には負の電荷が蓄積するため、電界Ｅは上向きよ
りも下向きである時間が長くなる。従って、外積Ｅ×Ｂ
のベクトル方向もＥ側からＷ側へ向く時間が長くなり、
電子がドリフトする方向はＥ側からＷ側へ向く方向が支
配的となる。逆に、上側電極に高周波電源が接続される
場合は、電子がドリフトする支配的方向もエッチング装
置とは逆になる。また、磁界Ｂが回転すると、Ｅ×Ｂド
リフト方向も回転することとなる。
【０００６】このようにプラズマ中で電子ビームを長い
距離を走らせることで、電子ビームが中性の分子、原子
と衝突する頻度が高まり、プラズマ密度が上昇する。ま
た、磁界を与えること自体で電子ビームをプラズマ中に
閉じ込め、その寿命（チャンバ側壁や電極、ウェハに衝
突するまでの時間）を長くする結果、プラズマ密度をさ
らに向上させることができる。
【０００７】このようにマグネトロンＲＩＥ装置は、優
れた特性を持つことから、現在種々の薄膜の加工に使用
されている。しかし、従来型の磁石では、磁界の強さの
不均一のためにエッチング速度の均一性が低下したり、
或いは磁力線がウェハ表面と大きな角度で交差するた
め、イオンの方向性が乱れ、異方性の高いエッチングを
困難にするという問題がある。
【０００８】この問題を解決する方法として、ダイポー
ルリング磁石による均一磁界を用いた改良型マグネトロ
ンＲＩＥ装置が提案されている（特開平６−５３１７７
号）。ダイポールリング磁石は、被処理基板の外周で環
状をなすと共に、その着磁方向がその環の１周で２回転
するように磁石要素が配列されている。
【０００９】この磁石を用いることにより、カソード電
極面の広い範囲に渡って強度・方向共に均一な磁界を形
成でき、前述の磁界の不均一分布に起因する問題点は解
決する。しかし、マグネトロンＲＩＥにおける高密度プ
ラズマ生成の鍵でもあり、本質的な特徴である、Ｅ×Ｂ
ドリフトによって発生するプラズマ密度分布の不均一は
依然として残ってしまう。
【００１０】図３１に特開平６−５３１７７号による、
ウェハ面内のエッチング速度分布特性一例を示す。つま
り、磁力線の方向（Ｎ極−Ｓ極方向）には両端部を除い
て概ね均一であるが、これと直交するＥ−Ｗ軸方向には
大きな傾きを持つ。このプラズマ密度の不均等によるエ
ッチング速度の差は、例えば磁石を回転させることによ
り平均化することができる。しかし、プラズマの不均一
に起因する、例えばイオンエネルギーの差によって中心
と周囲で生じる加工形状の違いは避けられない。さらに
大きな問題は、自己バイアス電圧Ｖｄｃの差によってＭ
ＯＳ構造の中のゲート酸化膜に静電破壊が生じることで
ある。
【００１１】さらに、特開平６−３７０５４号は、磁界
強度分布に勾配をつけて、すなわち、Ｅ側に対してＷ側
の強度が弱くなるように磁界分布を形成し、Ｅ−Ｗ軸方
向のプラズマの不均一を緩和する方法を開示している。
しかし、同公報に開示の技術を実際の装置に適用するた
め、ウェハに対して磁石をコンパクトに、すなわち大き
さ（直径及び高さ）を小さくしようとすると、Ｎ、Ｓ側
のウェハエッジ近傍で磁界が強くなり過ぎ、その部分の
プラズマ密度が高くなってしまう。
【００１２】しかも、高速エッチングを実現するため
に、プラズマ密度を上げようと、強磁界を用いて電子の
閉じ込め効果を向上させようとすると、Ｅ×Ｂドリフト
による不均一は益々顕著になる。
【００１３】一方、マグネトロンＲＩＥにおける、Ｅ×
Ｂドリフトによるプラズマの不均一を緩和する方法とし
て、湾曲磁界を用いた方法が提案されている（中川他：
第15回ドライプロセスシンポジウム予稿集ｐ23〜26、電
気学会（1993年東京））。この方法では、電子がドリフ
トするに従い磁力線の向きが外に向かって発散するため
電子も外向きに拡散し、ドリフト方向でのプラズマ密度
の増加が抑制される。そしてその結果、プラズマ密度が
均一になり、エッチング速度及び自己バイアス電位がウ
ェハ面内で均一になることが報告されている。
【００１４】しかし、この例での湾曲磁界を形成する方
法は、真空容器の両側に配置したＮ極とＳ極の磁石の角
度を変化させて行うもので、微調整機能に乏しく、実際
のプラズマ密度勾配分布に即した最適な磁界分布を形成
することは困難である。よって、その均一化効果及び適
用範囲には限度がある。また、同じ向きの一対の磁石を
用いているため、例えば外周で環状をなし、且つ着磁方
向が環の１周で２回転するように配列された前述のダイ
ポール磁石による改良型マグネトロンＲＩＥ装置とは異
なり、外部への漏れ磁界が大きく、製造装置として実用
化するには問題があった。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来のマ
グネトロンＲＩＥ装置では、ウェハ面内或いは真空容器
内での磁界分布を極限まで均一化したとしても、Ｅ×Ｂ
ドリフトによって発生するプラズマ密度の不均一は避け
難い。このため精度良くウェハ面内のプラズマ密度の差
及びウェハ上の電位差をなくす方法が望まれている。ま
た、上記の問題はエッチングに限らず、マグネトロン放
電を利用した薄膜形成に関しても同様に言えることであ
る。
【００１６】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、基板の被処理面の全体
に亘って均一な処理を施すことのできるプラズマ処理装
置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】プラズマを用いて基板の
被処理面を処理する本発明装置は、前記基板を収納し且
つ処理する処理空間を規定する真空容器と、前記真空容
器内にプラズマ化されるガスを導入する供給系と、前記
真空容器内を排気する排気系と、前記真空容器内に配設
された第１電極と、前記第１電極は、前記被処理面が前
記処理空間内に露出するように前記基板を支持する支持
面を有することと、前記第１電極の前記支持面に対向す
る対向面を有する第２電極と、前記第１及び第２電極間
で前記ガスをプラズマ化すると共に、前記支持面上に支
持される前記基板と前記プラズマとの間に前記被処理面
と実質的に直交する電界Ｅが形成されるように、両電極
間に電圧を付与するための電源と、前記第１及び第２電
極間に前記電界と交差する基準面を有する磁界Ｂを形成
するための磁石機構と、前記磁石機構は前記真空容器の
周囲に沿って配設され、且つ互いに異なる着磁方向を有
する複数の磁石要素を具備することと、前記電界Ｅ及び
前記磁界Ｂの外積Ｅ×Ｂにより生じる力により前記処理
空間内で電子がドリフトすることと、前記磁界の前記基
準面において、前記磁界の向きが前記支持面上に支持さ
れる前記基板の前記被処理面と実質的に平行であること
と、前記磁界の前記基準面は、前記支持面上に支持され
る前記基板の前記被処理面よりも前記第２電極の前記対
向面側にずれるように配置され、前記磁界の磁力線が前
記被処理面と交差することと、を具備することを特徴と
する。
【００１８】本発明における望ましい態様は次の通りで
ある。
【００１９】（１）前記磁界の前記基準面が前記電界と
実質的に直交する。
【００２０】（２）式３°＜θｚ（±100 ，０）＜８°
を満足し、ここで、θｚ（±100 ， ０）は、前記基板の
前記被処理面の中心から前記磁界のＮ−Ｓ軸方向に沿っ
た距離が１００ｍｍの位置において、前記被処理面に対
して前記磁界の磁力線が交差する角度を示す。
【００２１】（３）式１．１≦Ｂ（±100 ，０）／Ｂｃ
≦１．３を満足し、ここで、Ｂｃ及びＢ（±100 ，０）
は、前記基板の前記被処理面上の座標系（ｘ，ｙ）内の
夫々座標（０，０）及び（±100 ，０）における前記磁
界の強度であり、前記座標系（ｘ，ｙ）は、前記磁界の
Ｎ−Ｓ軸及びＥ−Ｗ軸と夫々平行な２方向において、前
記基板の前記被処理面の中心から計測された距離（ｍ
ｍ）により規定される。
【００２２】（４）式１．０≦Ｂ（±100 ，ｙ）／Ｂ
（０，ｙ）≦１．５を満足し、ここで、Ｂ（０，ｙ）及
びＢ（±100 ，ｙ）は、前記基板の前記被処理面上の前
記座標系（ｘ，ｙ）内の夫々座標（０，ｙ）及び（±10
0 ，ｙ）における前記磁界の強度である。
【００２３】（５）前記基板を密着状態で包囲し且つ前
記処理空間に露出する表面を有する導電性若しくは半導
電性の保護リングをさらに具備し、前記被処理面と前記
保護リングの前記表面とが整一する。
【００２４】（６）前記基板の前記被処理面と平行に前
記磁界を回転させる手段をさらに具備する。
【００２５】（７）前記磁界が、前記外積Ｅ×Ｂによる
電子のドリフト方向に向けて磁界強度が弱まるように設
定された強度分布を有する。
【００２６】（８）−１００≦ｙ≦０時、式−０．６≦
（Ｂｒ（０，ｙ）−Ｂｏ）／（Ｂｏ×ｙ）≦−０．４を
満足し、０≦ｙ≦１００の時、式−０．４≦（Ｂｒ
（０，ｙ ）−Ｂｏ）／（Ｂｏ×ｙ）≦−０．３を満足
し、ここで、ｙは前記基板の前記被処理面の中心を原点
とした前記ドリフト方向に沿った前記被処理面上の座標
（ｍｍ）、Ｂｏ及びＢｒ（０，ｙ）は、前記基板の前記
被処理面の中心及び前記座標ｙの位置に対応する前記基
準面上での前記磁界の強度を示す。
【００２７】
【作用】本発明によれば、真空容器内に、基準面が基板
の被処理面よりも第２電極側にずれ、磁力線が被処理面
と交差する磁界が形成される。これにより、Ｎ極及びＳ
極側に生じるプラズマの偏りを緩和することができ、基
板の被処理面の全体に亘って均一な高密度プラズマを維
持することのできる。
【００２８】本発明によれば、さらに、真空容器内に、
電界Ｅと磁界Ｂとの外積Ｅ×Ｂによる電子のドリフト方
向に磁界強度が弱くなるような分布を有する磁界を形成
することができる。これにより、Ｅ×Ｂドリフトによる
プラズマの偏りを緩和することができ、基板の被処理面
の全体に亘って均一な高密度プラズマを維持することの
できる。
【００２９】従って、本発明によれば、プラズマ電位と
自己バイアス電圧の均一化も実現でき、均一な表面処
理、例えば異方性が高く均一で、しかも静電ダメージの
ないエッチングを行うことが可能となる。また本発明で
は、磁界発生手段として環状配置された複数の磁石要素
を用いることができる。このような磁界発生手段は、微
調整機能に優れており、実際のプラズマ密度勾配分布に
即した最適な磁界分布を形成することが容易である。さ
らに、外部への漏れ磁界が小さく、製造装置として実用
化するのに適している。
【００３０】
【実施例】図１は、本発明の第１実施例に係るマグネト
ロンＲＩＥ装置を示す概略構成図である。
【００３１】真空容器１０内に、ウェハ（被処理基板）
１３が載置される第１の電極（カソード）１１が収容さ
れ、これに対向する容器１０の上端内壁が第２の電極
（アノード）１２として機能する。第１及び第２の電極
１１、１２間には、高周波電源１４の発生する電力がマ
ッチング回路１５及びコンデンサ１６を介して供給され
る。容器１０の外側面には、ウェハ表面と平行な磁界を
形成するための環状磁石機構３０が配設される。
【００３２】高周波電源１４による電極１１、１２間の
電界と環状磁石機構３０によって形成されるウェハ表面
に平行な磁界とが交差する空間に反応性ガスが供給され
る。そして、放電によってプラズマが形成され、ウェハ
表面に誘起された電界により該プラズマ中のイオンが加
速されてウェハに衝突し、エッチングが行われる。
【００３３】なお、基板支持台としての第１の電極１１
の内部には冷却用配管２１を介して冷却液体が通され、
基板温度を効率良く制御するように構成されている。ま
た、２２は反応性ガス導入用の供給系、２３は排気系で
ある。２４は第１の電極１１を絶縁分離するための絶縁
物である。さらに、第１の電極１１上のウェハ周辺部は
直接プラズマに晒されないようにウェハを密着状態で包
囲する保護リング２５が置かれる。この材料は、Ｓｉ
Ｃ、アルミナ、ＡｌＮ、ＢＮ等のセラミック、種々の構
造の炭素、Ｓｉ、有機物、金属、合金などであり、被エ
ッチング膜、ガスに合わせて選択される。
【００３４】環状磁石機構３０は、後述するように永久
磁石からなる１６個の棒状の磁石要素を真円環状に配列
して構成される。環状磁石機構３０は、モータ２７によ
って真空容器１０の周囲を回転可能であり、また駆動機
構２８によって上下方向に移動可能となっている。真空
容器１０へのウェハ１３の出入れは、環状磁石機構３０
を上げ（図中に点線で示す）、ゲートバルブ２６を介し
てロードロック機構及び搬送機構によってなされる。
【００３５】次に、この装置を使用し、薄い酸化膜上に
形成した多結晶シリコン膜をエッチングする方法につい
て説明する。
【００３６】まず、図２（ａ）に示すように、シリコン
ウェハ１００の表面に１０ｎｍの薄いシリコン酸化膜１
０１及び多結晶シリコン膜１０２を形成し、さらにこの
表面にレジストパターン１０３を形成したものを被処理
体とする。このウェハを、ロードロック機構及び搬送機
構を用いて真空容器１０の第１の電極１１上に搬送し、
静電チャック（図示せず）によって固定する。
【００３７】そして、排気系２３により真空容器１０内
を１０-6Ｔｏｒｒ程度に排気した後、供給系２２から塩
素ガスを１００ｃｃ／分導入し、第１の電極１１と第２
の電極１２との間に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を２
５０Ｗ印加する。このとき、環状磁石機構３０を２０ｒ
ｐｍで回転する。このような条件下で、塩素ガスをプラ
ズマ化し、図２（ｂ）に示すようにシリコン膜１０２を
エッチングする。ガスは排気系２３を通して真空ポンプ
により排気される。排気系２３に含まれるコンダクタン
スバルブの調整により容器内圧力を２５ｍＴｏｒｒとす
る。
【００３８】エッチング残りが発生しないよう、所定の
時間エッチングした後、高周波電力を切り、エッチング
ガスを停止し、容器内に残るガスを排気する。その後、
やはりロードロック機構を使用してウェハを容器外部へ
取り出す。
【００３９】図３は、図１図示装置の環状磁石機構３０
を構成する１６個の磁石要素３１の配置を示す。個々の
磁石要素３１は、その長手方向と直交する水平方向に着
磁されており、その強度は同一である。また個々の磁石
要素３１のウェハ即ち被処理基板中心からの距離は同一
であり、配置間隔角度αも均等（２２．５°ピッチ）で
ある。図３において矢印３２は磁石要素３１内の磁力線
の方向を示し、即ち、矢印３２の根元側がＳ極、先端側
がＮ極である。環状磁石機構３０は、その水平磁界のＮ
極とＳ極とを結ぶ中心面即ち基準面が、ウェハの被処理
表面と実質的に同一平面に位置するように配置される。
また磁界の中心面と直角な中心軸は被処理体であるウェ
ハの中心と整一するようになっている。
【００４０】磁石要素３１の着磁方向の角度βは、図３
中の矢印３２に示すように、Ｓ極側の要素３１ａから反
時計方向に順に、０°、４５°、９０°、１３５°、１
８０°、２２５°、２７０°、３１５°、０°、４５
°、９０°、０°、０°、０°、２７０°、３１５°と
なっている。これら磁石要素３１ａ〜３１ｐのうち、要
素３１ａ〜３１ｋ、３１ｏ、３１ｐは協働して、環状磁
石機構３０の支配的なＮ、Ｓ極を形成するように、着磁
方向が一定角度ずつ変化するように配置される。一方、
Ｗ側の上記３個の要素３１ｌ〜３１ｎは、上記支配的な
磁界を弱めるように配置される。
【００４１】図４及び図５は、回転を止めた状態におけ
る環状磁石機構３０によって形成された、ウェハ中心を
通るＮ−Ｓ軸方向及びＥ−Ｗ軸方向の磁界分布、及びウ
ェハ面内の磁界分布を示す。図５中の線は磁界の等強度
線である。これらの図から明らかなように、磁界の方向
（Ｎ−Ｓ軸方向）に対して垂直なＥ−Ｗ軸方向上では、
中心の磁界強度２００ガウス（Ｇ）に対して、＋４０
％、−３０％の磁界の強度勾配が形成されていることが
分かる。
【００４２】このように、Ｅ−Ｗ軸方向に強度勾配を持
ち、それ以外では、強度も向きも略均一な磁界分布を形
成することにより、Ｅ×Ｂドリフトの方向に沿っての電
子の閉じ込め具合を調節でき、Ｅ×Ｂドリフトの高密度
化効果を低減することなくプラズマ密度を面内で均一に
できる。つまり、強磁界側で磁界によって強く閉じ込め
られた電子がＥ×Ｂ方向にドリフトすると磁界強度も低
くなっていくため、閉じ込め効果が小さくなると同時に
ドリフト速度も遅くなる。閉じ込め効果が小さくなる
と、ウェハ直上のシース領域からバルクプラズマへと電
子が拡散するので、結果としてドリフトによる密度上昇
効果は相殺され、密度は均一になる。
【００４３】なお、プラズマ密度・自己バイアス電圧Ｖ
ｄｃなどの特性の平均値は、中心磁界強度が同じ、従来
型の環状磁石機構を搭載したマグネトロンＲＩＥ装置と
同程度である。
【００４４】図３図示の環状磁石機構３０を用い、中心
磁界強度２００ガウスに設定し、その磁界中心面がウェ
ハの被処理表面と整一し且つ回転した状態で、図２
（ａ）、（ｂ）に関して述べたエッチング処理を行っ
た。このとき、エッチング速度はウェハ中心で３２０ｎ
ｍ／分であり、エッチング速度の面内均一性が±２％と
非常に均一であった。また、プラズマそのものが均一な
のでイオンの方向に乱れがなく、加工形状も全面で良好
であり、下地のシリコン酸化膜１０１へのダメージは認
められなかった。
【００４５】また、別のプロセス条件として、環状磁石
機構３０を用い、Ｅ−Ｗ軸方向に沿った中心からの距離
が１００ｍｍの位置において、中心磁界強度９０Ｇに対
して＋５７％（Ｅ側）、−３３％（Ｗ側）の勾配を有す
る磁界を設け、エッチングの実験を行った。この実験に
おいて、処理圧力７５ｍＴｏｒｒ、ＲＦパワー２００Ｗ
の条件下で、処理ガスＨＢｒを２００ＳＣＣＭの流量で
供給し、図２（ａ）、（ｂ）に関して述べたエッチング
処理を行った。このとき、エッチング速度は２２０ｎｍ
／分±１．５％と非常に均一であった。
【００４６】一方、シリコン酸化膜のエッチングには、
例えばフロロカーボン（ＣＦ）を含むガス、レジストの
方向性加工には酸素を主としたガス、さらに配線に使用
するアルミニウムやタングステンなどは塩素を主体とし
たガスを使用すればよい。レジストや配線をエッチング
する場合も、ウェハ面内全域でのダメージのない、形状
制御性に優れた高性能の加工が可能であり、本発明の効
果が確認された。
【００４７】次に、図３図示の環状磁石機構３０の望ま
しい磁界分布について詳しく説明する。
【００４８】図６及び図７は、従来例及び本発明の実施
例に係るマグネトロンＲＩＥ装置でシリコン基板全面に
形成された厚さ１μｍのシリコン酸化膜を、処理圧力４
０ｍＴｏｒｒ、ＲＦパワー２ｋＷの条件下で、処理ガス
Ｃ4 Ｆ8 ／ＣＯ／Ａｒを１０／５０／２００ＳＣＣＭの
流量で供給し、エッチングしたときの面内エッチング速
度分布をそれぞれ示す。従来例では、均一な磁界分布を
発生する環状磁石機構を使用し、本実施例では図３図示
の勾配磁界分布を発生する環状磁石機構３０を使用し
た。実験において、環状磁石機構３０は、中心磁界強度
を１２０ガウスに設定し、その磁界中心面がウェハの被
処理表面と整一し且つ回転しない状態とし、図２
（ａ）、（ｂ）に関して述べた多結晶シリコンのエッチ
ング処理を３分間行った。保護リング２５として、厚さ
３ミリの無塵カーボン製のリングを使用した。このた
め、リング２５の上面の高さはウェハの被処理表面より
も２ｍｍ程度低くなった。
【００４９】図６に示す、均一磁界分布下でのエッチン
グの結果から分かるように、Ｅ×Ｂドリフトによるプラ
ズマ密度上昇特性は、ウェハエッジからドリフトした距
離（図中ｄ）によるので、磁界の等強度線はウェハ外周
の形を強く反映、つまり円弧状になる。よって、磁界強
度の分布も、図５に示したように、強磁界側では、周辺
でやや強くなるように形成するのが望ましく、その結
果、図７に示すように、磁石を固定した状態での面内均
一度が±２０％から±１２％へ向上した。
【００５０】また、電子のドリフト運動の特性及びウェ
ハ周囲の形状により、Ｅ側で最もプラズマの密度勾配が
大きくなり、この部分においてプラズマ密度が小さくな
る。このため、磁界の強度勾配もＥ側で最も大きくＷ側
で小さくなるように形成すると一層効果的である。本発
明者らの実験の結果、それぞれの使用状態に応じて、Ｅ
側のウェハエッジでの磁界強度を中心磁界強度に対して
＋２０〜１００％の範囲、Ｗ側のウェハエッジでの磁界
強度を中心磁界強度に対して−０〜５０％の範囲内で磁
界分布を設定することが最適であることが明らかになっ
た。
【００５１】次に、ウェハ内に形成されたデバイスの静
電破壊、特にＭＯＳ構造の中のゲート酸化膜の静電破壊
を防止する観点から、Ｅ×Ｂドリフト方向の磁界強度分
布の望ましい態様について述べる。
【００５２】酸化膜のコンタクトホールを形成するエッ
チングプロセスにおいて、エッチング速度、選択比共に
高性能を実現するためには、イオンのエネルギーはもち
ろん、エッチングガスの解離度も最適化する必要があ
る。この観点において磁界強度は１２０ガウス程度に設
定することが望ましいことが判明した。そこで、中心磁
界強度を１００ガウス〜１４０ガウスとし、種々の磁界
分布でＭＯＳキャパシタの耐圧実験を行った。
【００５３】実験において、厚いフィールド酸化膜内
に、厚さ８ｎｍのゲート酸化膜と３０万倍のアンテナ比
の電極とを有する多数のＭＯＳキャパシタを設けた、８
インチのウェハを被処理体として用いた。処理圧力４０
ｍＴｏｒｒ、ＲＦパワー２ｋＷの条件下で、処理ガスＣ
4 Ｆ8 ／ＣＯ／Ａｒを１０／５０／２００ＳＣＣＭの流
量で供給し、シリコン酸化膜のエッチングを想定した処
理を３０秒間行った。そして、処理後のウェハ上の２９
８個のキャパシタについて耐圧評価を行った。
【００５４】図８にその実験結果を示す。図８中、横軸
はＥ×Ｂドリフト方向、即ちＥ−Ｗ軸方向における磁界
及びウェハの中心からの距離ｙ（磁界及びウェハの中心
は一致し、Ｅ側が負）、縦軸は相対強度ＬＶ＝（Ｂ
（０，ｙ）−Ｂｏ）／Ｂｏを示す。ここで、Ｂｏはウェ
ハ及び磁界の中心での磁界強度、Ｂ（０，ｙ）は座標
（０，ｙ）の位置における磁界強度を示す。なお、本明
細書において、Ｘ軸はＳ側からＮ側に向かう方向を正方
向、Ｙ軸はＥ側からＷ側に向かう方向を正方向、Ｚ軸は
図の紙面の裏から表に向かう方向を正方向とする。
【００５５】図８の斜線を付した部分は、絶縁破壊が発
生しなかった最適範囲を示す。図中の線Ｃ１、Ｃ２に代
表されるような、最適範囲よりも強度勾配が緩やかな条
件では、勾配が不足して依然Ｗ側で絶縁破壊が認められ
た。逆に図中の線Ｃ６に代表されるような、最適範囲よ
りも強度勾配が強い条件では、Ｅ側で絶縁破壊が認めら
れることとなった。
【００５６】また、このときのウェハ表面上の自己バイ
アス電位分布Ｖｄｃをそれぞれ測定した。まず、従来の
強度勾配のない、均一磁界のダイポールリング磁石で
は、Ｅ側のＶｄｃがＷ側と比較して負に大きく、直径２
００ｍｍの範囲内での最大、最小間の電位差が４０Ｖで
あった。これに対し、強度勾配をつけるに従って、この
電位差は減少し、同実験の最適範囲内では１２Ｖ以下ま
で均一化された。このように、ウェハ面内の電位差を小
さくすることにより、静電破壊をなくすことができる。
さらに、最適範囲よりも強度勾配を強くした条件では、
Ｗ側のＶｄｃがＥ側より大きくなり、再び、ウェハ面内
での電位差が大きくなり、静電破壊を引き起こすことが
確認された。
【００５７】上記最適範囲を式ＬＶ＝ａｙ（ａは勾配の
係数）で表すと、−１００ｍｍ≦ｙ≦０ｍｍでは、−
０．６≦ａ≦−０．４であり、また、０ｍｍ≦ｙ≦１０
０ｍｍでは、−０．４≦ａ≦−０．３となる。この条件
は、一般的にマグネトロンＲＩＥが使用される３０ｍＴ
ｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒの圧力範囲で有効であること
が確認された。
【００５８】さらに、上記最適範囲内に磁界強度勾配を
設定することにより、磁界による電子の閉じ込め効果を
調整できると共に、Ｗ側での電子軌道の集中（プラズマ
密度の増大）も緩和できる。これは、磁界の水平中心面
内をＥ側からＷ側にドリフトする電子の軌道を計算する
ことにより確認された。計算にあたり、直径２００ｍｍ
のウェハに対応する、高さ１５０ｍｍ、外径５３０ｍｍ
のダイポールリング磁石を有する装置を想定した。図９
は均一な分布の磁界の中心面における電子軌道の計算結
果を示し、図１０は図８中の線Ｃ４で示す強度勾配の磁
界の中心面における電子軌道の計算結果を示す。
【００５９】なお環状磁石機構３０は、図３図示の構造
では１６個の磁石要素により構成したが、図１１
（ａ）、（ｂ）に示すように、１２個或いは８個の磁石
要素で図３のそれと同様な、Ｅ側からＷ側に向かって磁
界強度が弱くなるような磁界分布を形成することができ
る。図１１（ａ）、（ｂ）の例では、複数個の磁石要素
３１のうちの１つ（図中３１ｒで示す）の着磁方向が環
状磁石機構３０の支配的な磁界を弱めるようになってい
る。
【００６０】本発明に係る磁界強度勾配は磁石間隔を変
化させることによっても得ることができる。図１２
（ａ）、（ｂ）に、この観点に基づいて構成された環状
磁石機構３０の個々の磁石要素３１の配置と着磁方向を
示す。
【００６１】図１２（ａ）では、個々の磁石要素３１の
強度、及びウェハ中心からの距離は同一であり、配置角
度αはＳ側から反時計方向に順に、０°、４５°、９０
°、１３５°、１８０°である。つまり、基本的な８分
割型ダイポールリング磁石構成から２２５°、２７０
°、３１５°の磁石を取り除いた構成になっている。そ
れぞれの着磁方向の角度βは、矢印３２に示すように同
じくＳ側から順に、０°、９０°、１８０°、２７０
°、０°となっている。他の部分については図３図示機
構と全く同様に形成されている。
【００６２】このような構成においても、Ｅ側からＷ側
に向かって（Ｅ×Ｂドリフト方向に）磁界強度が弱くな
るような分布が得られた。このように磁石間隔を調整す
ることにより、より少ない個数の磁石で、同じ中心磁界
強度を保ったまま、適当な磁界勾配が形成できる。
【００６３】図１２（ｂ）では、個々の磁石要素３１の
強度、及びウェハ中心からの距離は同一であり、個々の
磁石要素３１の配置角度αはＳ側から反時計方向に順
に、０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２７
０°である。着磁方向の角度βは、矢印３２に示すよう
に、それぞれ同じくＳ側から順に、０°、９０°、１８
０°、２７０°、０°、１８０°である。他の部分につ
いては図３図示機構と全く同様に形成されている。
【００６４】このような構成においても、Ｅ側からＷ側
に向かって（Ｅ×Ｂドリフト方向に）磁界強度が弱くな
るような分布が得られた。また本実施例では、磁石外か
ら見た時、個々の磁石要素が形成する磁界が互いに打消
しあうように構成しているので、装置外部での漏れ磁界
をより小さく抑えることができる。
【００６５】また、全ての磁石要素３２の強度を同一に
する必要はなく、例えば、強磁界側（Ｅ側）の磁石を強
くしてもよい。強くする方法も、単に外形を大きくして
もよいし、或いはより磁力の強い材料を利用してもよ
い。
【００６６】なお、個々の磁石要素３１の外形を変化さ
せることによりその強度を変える方法として、図１３
（ａ）〜（ｅ）に示すように、図１３（ａ）を基準とし
て、図１３（ｂ）のように着磁方向の厚さを変化させ
る、図１３（ｃ）のように磁石の長さを変える、図１３
（ｄ）のように１つの磁石要素を上下２分割する、或い
は図１３（ｅ）のように３分割にして間にギャップを開
ける、等がある。
【００６７】特に、中心にギャップを設けた、上下２分
割構成にすれば、このギャップの大きさを調整すること
により基板の中心と周辺（磁石近辺）の磁界強度比、つ
まりミラー比（mirror ratio）を調整できる。このよう
に、Ｅ側からＷ側に向かって磁界強度を弱くすると共
に、その場所場所でのミラー比を加減することによっ
て、より均一なプラズマが形成できる。
【００６８】また、これまでの例では、磁石要素３１の
中心からの距離を全て一定としたが、必しもこれに限る
ものではなく、例えば強磁界側（Ｅ側）の磁石を中心に
近付けてもよい。さらに、これまでに、Ｅ×Ｂドリフト
方向に弱くなる磁界分布を得るための種々の構成につい
て述べてきたが、これらの要素を自由に組み合わせても
よい。つまり個々の磁石要素の着磁方向、数、配置間
隔、強度、中心からの距離を適宜組み合わせ、個々のエ
ッチングプロセスに最適な磁界分布を形成すればよい。
【００６９】本発明に係る磁界分布は個々の磁石要素３
１の角度を調整することにより制御することができる。
図１４乃至図１６は、この観点に基づいて個々の磁石要
素３１に設けた角度調整機構を示す。
【００７０】個々の磁石要素３１は、磁石ケース４１に
収められ、さらに磁石ケース４１の上下の軸は環状磁石
機構３０の上下枠４２、４３にそれぞれ設けたベアリン
グ部４４、４５に挿入される。これにより、個々の磁石
要素３１は、自由に回転できる。磁石ケース４１の上部
軸は、上部枠４２に固定された４０対１の減速器４６に
カップリングされており、減速器４６を介して所望の向
きに磁石を固定することができる。
【００７１】このように、磁界分布制御手段を設けたマ
グネトロンＲＩＥ装置によれば、個々のエッチングプロ
セスの要求に応じて高周波電力、ガス圧力、ガス種など
を変化させることにより、電子のドリフト特性が変化し
ても、磁界分布の微調整が可能であるためより高精度の
加工が可能となる。
【００７２】また、図１５及び図１６に示すように、個
々の磁石要素３１の、ウェハ中心からの距離を変化させ
る機構を設けて、同様に磁界分布の微調整を行うような
構成にしてもよい。図において、４７は上下枠４２、４
３にウェハ中心方向に開口したスリット、４８ａ〜４８
ｄは固定用ナットである。さらに、この距離調整機構と
前記の角度調整機構とを組み合わせてもよい。
【００７３】上述の如く、本発明の第１実施例によれ
ば、真空容器内に、電界Ｅと磁界Ｂとの外積Ｅ×Ｂによ
る電子のドリフト方向に磁界強度が弱くなるような分布
を有する磁界が形成される。これにより、Ｅ×Ｂドリフ
トによるプラズマの偏りを緩和することができ、基板の
被処理面の全体に亘って均一な高密度プラズマを維持す
ることのできるプラズマ処理装置を実現することが可能
となる。
【００７４】図１７は、本発明の第２実施例に係るマグ
ネトロンＲＩＥ装置を示す概略構成図である。同図中、
図１図示の実施例の部材に対応する部材には同一の符号
を付して説明を省略する。
【００７５】従来の一般的な構成では、真空容器の外周
に磁石を配置する場合、例えば環状磁石機構を用いる場
合、その水平磁界の上下中心面、つまり磁力線の方向が
磁石の中心軸に対して全て直角となる平面は、ウェハの
被処理面と一致するように配置される。この場合、例え
ば、ウェハの被処理面と保護リングの上面との高さが異
なると、図６に示したように、プラズマの密度分布は、
電子のドリフトに加えて、Ｅ、Ｎ、Ｓ側でウェハエッジ
の影響を強く受け、エッチング速度の面内均一性が低下
する。また、ウェハの被処理面と保護リングの上面とを
整一させても、後述するように、ウェハの径に対して磁
石の径があまり大きくなく、磁石の外周部の中心部に対
する磁界強度（ミラー比）が大きいと、Ｎ、Ｓ側でプラ
ズマの密度が高くなり過ぎ、これがエッチング速度の面
内均一性を低下させる原因となる。
【００７６】このような観点から、図１７図示のマグネ
トロンＲＩＥ装置では、ウェハを密着状態で包囲する保
護リング２５の上面がウェハ１３の被処理面と整一する
ように設定されると共に、環状磁石機構３０Ｍによる水
平磁界の中心面がウェハの被処理面より上方にシフトし
て配置される。ここで、重要な点は磁界中心面の上方へ
のシフトであり、これにより、ウェハの全面に亘ってエ
ッチング速度が均一化される。即ち、図１７図示装置に
おいては、図１図示装置において利用した磁界強度の勾
配に代え、磁界中心面の上方へのシフトを利用して、エ
ッチング速度の面内均一性を向上させている。従って、
環状磁石機構３０Ｍは均一な磁界分布を発生するように
設定されるが、図１図示装置の磁界強度の勾配を併せて
利用することもできる。
【００７７】図１８は、図１７図示装置の環状磁石機構
３０Ｍを構成する１６個の磁石要素３１の配置を示す。
個々の磁石要素３１は、その長手方向と直交する方向に
着磁されており、その強度は同一である。また個々の磁
石要素３１のウェハ即ち被処理基板中心からの距離は同
一であり、配置間隔角度αも均等（２２．５°ピッチ）
である。図１８において矢印３２は磁石要素３１内の磁
力線の方向を示し、即ち、矢印３２の根元側がＳ極、先
端側がＮ極である。環状磁石機構３０は、その水平磁界
のＮ極とＳ極とを結ぶ中心面即ち基準面が、ウェハの被
処理表面より上方にシフトして配置される。
【００７８】磁石要素３１の着磁方向の角度βは、図１
８中の矢印３２に示すように、Ｓ極側の要素３１ａから
反時計方向に順に、０°、４５°、９０°、１３５°、
１８０°、２２５°、２７０°、３１５°、０°、４５
°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０
°、３１５°と一定角度ずつずれるようになっている。
即ち、環状磁石機構３０Ｍの中心を挟んで対向する磁石
要素３１は磁力線の向きが同方向となっており、協働し
て環状磁石機構３０Ｍの支配的なＮ、Ｓ極を形成するよ
うに配置される。
【００７９】磁界の中心水平面がウェハの被処理面より
上にあると、磁界の凸形下向きの磁力線がウェハの被処
理面を通過することとなる。また、外積Ｅ×Ｂによる電
子のドリフトの軌道が、ウェハのＮ、Ｓ側にエッジに近
付くほど外方に向かって曲がる。軌道が曲がるのは、ラ
ーマ運動しながらドリフトする電子に対し、磁界の垂直
成分が、外向きの力を発生させることによる。これを確
認するため、磁界の水平中心面から１０ｍｍ下の位置に
おける、Ｅ側からＷ側にドリフトする電子の軌道を計算
した。計算において、図９と同様に、直径２００ｍｍの
ウェハに対応する、高さ１５０ｍｍ、外径５３０ｍｍ
の、均一な磁界分布を発生するダイポールリング磁石を
想定した。計算の結果は図１９に示す通りであり、図９
と比較すると、電子の軌道の相違は明白である。
【００８０】第２実施例にあっては、環状磁石機構全体
の上下位置を可変にする機構により、各プロセスに応じ
て磁界分布を微調整するようにしてもよいし、或いは個
々の磁石要素に上下機構を設けて磁界分布を調整するよ
うにしてもよい。さらに、ウェハ周辺で磁力線に傾きを
付ける場合は、個々の磁石要素そのものを内傾させて配
置したり、内傾させて着磁してもよい。
【００８１】図２０は、図１７図示装置を使用し、図６
及び図７と同様に、多結晶シリコンをエッチングしたと
きの面内エッチング速度分布を示す。実験において、環
状磁石機構３０Ｍは、中心磁界強度を１２０ガウスに設
定し、その磁界中心面がウェハの被処理表面より２０ｍ
ｍ上で且つ回転しない状態とし、図２（ａ）、（ｂ）に
関して述べた多結晶シリコンのエッチング処理を３分間
行った。保護リング２５として、ウェハの被処理面と整
一する上面を有する無塵カーボン製のリングを使用し
た。その結果、図２０に示すように、エッチング速度の
面内均一度が±８％へと向上した。
【００８２】この実験条件において、Ｎ−Ｓ軸方向にお
けるウェハ中心からの距離が１００ｍｍでの磁力線５１
の傾きは、それぞれ上向き及び下向きに６°となる。し
かし、磁界強度やＥ−Ｗ方向へのベクトル成分は殆ど変
わらない。ウェハ周辺で僅かな傾きを持った磁界分布を
形成することにより、ウェハエッジの影響を緩和できた
と考えられる。
【００８３】次に、ウェハ内に形成されたデバイスの静
電破壊、特にＭＯＳ構造の中のゲート酸化膜の静電破壊
を防止する観点から本実施例をさらに述べる。
【００８４】ウェハの被処理面に対して磁界中心面を上
方へシフトすると、ウェハに対する磁力線の交差角度と
が変化する。プラズマの密度は、この交差角度と、ウェ
ハの中心と周辺との磁界強度の比（ミラー比）と、から
大きな影響を受ける。図２１は、Ｎ−Ｓ軸方向におけ
る、ミラー比Ｒ（±100 ，０）＝Ｂ（±100 ，０）／Ｂ
ｃ及び磁力線の交差角度θｚ（±100 ，０）を変化さ
せ、ウェハ面内のエッチング速度分布と、ウェハの静電
破壊に関する実験を行った結果を示す。ここでＢｃはウ
ェハ被処理面の中心上における磁界強度、Ｂ
（±100 ，０）は座標（±100，０）の位置（単位はｍ
ｍ）における被処理面上の磁界強度、θｚ（±100 ，０
）は座標（±100 ，０）の位置における被処理面に対す
る磁力線の交差角度を示す。
【００８５】図２１の実験において、厚いフィールド酸
化膜内に、厚さ８ｎｍのゲート酸化膜と３０万倍のアン
テナ比の電極とを有する多数のＭＯＳキャパシタを設け
た、８インチのウェハを被処理体として用いた。中心磁
界強度１２０ガウス、処理圧力４０ｍＴｏｒｒ、ＲＦパ
ワー２ｋＷの条件下で、処理ガスＣ4 Ｆ8 ／ＣＯ／Ａｒ
を１０／５０／２００ＳＣＣＭの流量で供給し、シリコ
ン酸化膜にコンタクトを形成する際のオーバーエッチン
グを想定した処理を１分間行った。エッチング処理後、
ウェハに対して耐圧評価を行った。
【００８６】図２１中、［○］は静電破壊が生じず、且
つエッチング速度の面内均一性が最もよかった条件、
［×］は静電破壊が生じたか、或いはエッチング速度面
内均一性が悪かった条件を示す。この結果から、１．１
≦Ｒ（±100 ，０）≦１．３で且つ３°＜θｚ
（±100 ，０）＜８°の条件を満たすように、ウェハの
被処理面に対して磁界中心面を配置することにより、静
電破壊を生じさせることなくウェハをエッチングするこ
とができることがわかった。
【００８７】さらに、座標（±100 ，０）の位置でのミ
ラー比Ｒ（±100 ，０）だけでなく、−１００≦ｙ≦１
００の範囲における、ミラー比Ｒ（±100 ，ｙ）＝Ｂ
（±10 0 ，ｙ）／Ｂ（０，ｙ）についてウェハ上のゲー
ト酸化膜の静電破壊に関する実験を行った。実験の結
果、１．０≦Ｒ（±100 ，ｙ）≦１．５の条件を常に満
たすことが望ましいことが判明した。
【００８８】第１実施例で利用した磁界強度の勾配と、
第２実施例で利用した磁界中心面の上方へのシフトとの
組み合わせの効果を確認するため、シリコン酸化膜のエ
ッチングの実験を行った。図２４、図２５及び図２６
は、実験に使用した磁石の磁界分布を示す。図２２及び
図２３は実験で得られたエッチングの速度分布を示す。
図２４は磁石の中心面上の磁界の等強度線を示し、図２
５はＥ−Ｗ軸上の強度勾配を示し、これは図８図示の強
度勾配の条件を満たしている。図２６は−１００≦ｙ≦
１００の範囲におけるミラー比Ｒ（±100 ，ｙ）の分布
を示し、これは１．０≦Ｒ（±100 ，ｙ）≦１．５の条
件を常に満たす。なおミラー比の分布は、図１３Ｄに示
す、上下に２分割した磁石要素の高さ及びギャップ長さ
を、個々の磁石要素ごとに調整して形成した。
【００８９】図２２の実験では、磁界中心面、ウェハの
被処理面及び保護リング２５の上面を整一させた。図２
３の実験では、磁界中心面をウェハの被処理面の上方に
２０ｍｍシフトし、ウェハの被処理面及び保護リング２
５の上面を整一させた。いずれも場合も、図２５図示の
強度勾配を有する環状磁石機構を用い、磁界は回転させ
なかった。
【００９０】図２２及び図２３の実験において、シリコ
ン基板上の全面に厚さ１μｍの酸化膜が形成されたウェ
ハと、厚いフィールド酸化膜内に、厚さ８ｎｍのゲート
酸化膜と３０万倍のアンテナ比の電極とを有する多数の
ＭＯＳキャパシタを設けた、８インチのウェハとを被処
理体として用いた。中心磁界強度１２０ガウス、処理圧
力４０ｍＴｏｒｒ、ＲＦパワー２ｋＷの条件下で、処理
ガスＣ4 Ｆ8 ／ＣＯ／Ａｒを１０／５０／２００ＳＣＣ
Ｍの流量で供給し、シリコン酸化膜のエッチングを１分
間行った。
【００９１】実験の結果、図２２及び図２３において、
エッチング速度の面内均一度がそれぞれ±８％、±５％
へと向上した。また、図２３の実験と同条件で、さらに
磁界を２０ｒｐｍで回転させたところ、エッチング速度
の面内均一度が±３％へと向上した。また、これらの実
験により得られた処理後のウェハについて耐圧評価を行
ったところ、静電破壊は発生していなかった。
【００９２】図２２図示の如く、ウェハの被処理面と保
護リング２５の上面とを整一させ、磁界強度勾配を設け
ると、ウェハのＥ−Ｗ軸方向のエッチング速度の不均一
が解消され、エッチング速度の面内均一性が向上する。
しかし、この場合でも、本実施例のように、２００ｍｍ
のウェハに対して磁石の内径を４６０ｍｍ、高さを１２
０ｍｍとコンパクトな構造にすると、ウェハの外周部に
おける中心部のミラー比が１よりも大きくなってしま
う。本実施例では、Ｒ（±100 ，０）＝１．２５であ
り、Ｎ極及びＳ極近傍でエッチング速度が高くなる現象
は防げない。そこで、図２３図示の如く、さらに、磁界
中心面を上方へシフトさせれば、Ｎ極及びＳ極近傍のエ
ッチング速度を抑えることができ、エッチング速度の面
内均一性がいっそう向上する。また、装置構造の複雑化
が伴うが、磁界の回転も、エッチング速度の面内均一性
を向上させるのに有効となる。
【００９３】このように、適切な磁界強度勾配、磁力線
の湾曲、及びミラー比の分布を形成することにより、現
実の装置に適したコンパクトな磁石で面内均一性の優れ
た特性が得られる。
【００９４】図２７及び図２８は、本発明の第３実施例
に係るマグネトロンＲＩＥ装置の磁石機構と真空容器と
の関係を示す平面図及び同磁石機構の側面図である。
【００９５】第３実施例に係るマグネトロンＲＩＥ装置
は、図１７図示の第２実施例装置の環状磁石機構３０Ｍ
を電磁石からなる磁石機構６０で置換したものである。
磁石機構６０は、真空容器１０を囲んで配置された、実
質的に同じ機能を有する４つの磁石要素６２ａ〜６２ｄ
からなる。各磁石要素６２ａ〜６２ｄは上下に配置され
た、実質的に同じ機能を有する２つの電磁コイル６４、
６６からなる。磁石要素６２ａ〜６２ｄの全ての電磁コ
イルには、コントローラ６８から所定の位相を有する交
流電圧が印加される。磁石機構６０は勾配のない均一な
磁界分布を発生し、その磁界中心面は、ウェハ１３の被
処理面から上方に１０ｍｍシフトするように設定されて
いる。
【００９６】磁石要素６２ａ、６２ｂには互いに９０°
ずれた位相の交流電圧が印加される。また、磁石要素６
２ｃには磁石要素６２ａと同じ位相の交流電圧が印加さ
れ、磁石要素６２ｄには磁石要素６２ｂと同じ位相の交
流電圧が印加される。これにより、磁石機構６０により
形成される磁界が回転することとなる。すなわち、図１
及び図１７図示の回転モータ２７は不必要となる。
【００９７】図２９（ａ）〜図２９（ｄ）第３実施例に
係る装置の効果を調べるために行った実験で得られたエ
ッチングの等速度線を示す図である。
【００９８】この実験において、シリコン酸化膜を形成
した８インチのウェハを被処理体として用いた。処理圧
力１００ｍＴｏｒｒ、ＲＦパワー７００Ｗの条件下で、
処理ガスＡｒを１００ＳＣＣＭの流量で供給し、シリコ
ン酸化膜のスパッタエッチングを３分間行った。実験の
都合上、磁石機構６０により形成される磁界を回転させ
ないため、磁石要素６２ａ及び６２ｃの電磁コイル６
４、６６に直流電圧を印加した。磁石要素６２ｂ及び６
２ｄの電磁コイル６４、６６には電圧を印加しなかっ
た。保護リング２５は使用せず、従って、ウェハの周辺
はウェハの被処理面よりも低い状態となった。
【００９９】図２９（ａ）は磁界を形成しなかった場
合、図２９（ｂ）はウェハの被処理面と整一する中心面
を有する３０Ｇの磁界を形成した場合、図２９（ｃ）は
ウェハの被処理面と整一する中心面を有する６０Ｇの磁
界を形成した場合、図２９（ｄ）はウェハの被処理面よ
り１０ｍｍ上に中心面を有する６０Ｇの磁界を形成した
場合である。図２９（ａ）、図２９（ｂ）、図２９
（ｃ）及び図２９（ｄ）における平均エッチング速度
は、それぞれ１５ｎｍ／分、１４ｎｍ／分、１７ｎｍ／
分及び１６．５ｎｍ／分であった。図２９（ｂ）及び図
２９（ｃ）の結果から、磁界を形成すると中心に比べて
Ｎ極及びＳ極においてエッチング速度が高くなり過ぎる
ことが分かる。これに対して、磁界の中心面を上方にシ
フトした図２９（ｄ）ではこれが緩和され、中心とＮ極
及びＳ極とでエッチング速度が均一化されている。Ｅ−
Ｗ軸方向のエッチング速度の不均一は、図２９（ｄ）の
結果でも依然大きいが、これは磁界を回転させることに
より解消することができる。
【０１００】上述の如く、本発明の第２及び第３実施例
によれば、真空容器内に、中心面が、基板の被処理面よ
りも第２電極側にずれ、磁力線が被処理面と交差する磁
界が形成される。これにより、Ｎ極及びＳ極側に生じる
プラズマの偏りを緩和することができ、基板の被処理面
の全体に亘って均一な高密度プラズマを維持することの
できるプラズマ処理装置を実現することが可能となる。
【０１０１】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。実施例では、エッチングについて説
明したが、マグネトロン放電を利用した各種のプラズマ
処理装置に適用することができ、例えばＣＶＤやスパッ
タ等の薄膜形成に適用することもできる。また、電極間
に供給する電力は、必ずしも高周波に限るものではな
く、用途に応じて低周波、更には直流であってもよい。
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。
【０１０２】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
真空容器内に、基準面が基板の被処理面よりも第２電極
側にずれ、磁力線が被処理面と交差する磁界が形成され
る。これにより、Ｎ極及びＳ極側に生じるプラズマの偏
りを緩和することができ、基板の被処理面の全体に亘っ
て均一な高密度プラズマを維持することのできるプラズ
マ処理装置を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係るマグネトロンＲＩＥ
装置を示す概略図。
【図２】多結晶シリコン膜のエッチング工程を示す図。
【図３】図１図示装置の環状磁石機構を構成する磁石要
素の配置を示す図。
【図４】図３図示環状磁石機構によるＮ−Ｓ軸及びＥ−
Ｗ軸に沿ったウェハ表面の磁界分布を示す図。
【図５】図３図示環状磁石機構によるウェハ表面の磁界
の等強度線を示す図。
【図６】従来の装置によるエッチングの等速度線を示す
図。
【図７】図１図示装置によるエッチングの等速度線を示
す図。
【図８】Ｅ×Ｂドリフト方向の磁界強度分布とウェハ上
の素子の静電破壊との関係を示すグラフ。
【図９】均一な分布の磁界の中心面と平行で且つこれか
らずれた平面における電子軌道の計算結果を示す図。
【図１０】は強度勾配を有する磁界の中心面における電
子軌道の計算結果を示す図。
【図１１】強度勾配を有する磁界を形成する磁石機構の
変形例を示す図。
【図１２】強度勾配を有する磁界を形成する磁石機構の
変形例を示す図。
【図１３】磁石要素の変形例を示す図。
【図１４】磁石要素の角度調整機構を示す側面図。
【図１５】磁石要素の距離調整機構を示す平面図。
【図１６】図１５図示機構の側面図。
【図１７】本発明の第２実施例に係るマグネトロンＲＩ
Ｅ装置を示す概略図。
【図１８】図１７図示装置の環状磁石機構を構成する磁
石要素の配置を示す図。
【図１９】均一な分布の磁界の中心面からずれた位置に
おける電子軌道の計算結果を示す図。
【図２０】図１７図示装置によるエッチングの等速度線
を示す図。
【図２１】Ｎ−Ｓ軸方向における、磁界強度のミラー比
及び磁力線の交差角度とエッチング速度分布及びウェハ
上の素子の静電破壊との関係を示す図。
【図２２】強度勾配を有する磁界の中心面をウェハの被
処理面と整合させて行ったエッチングの等速度線を示す
図。
【図２３】強度勾配を有する磁界の中心面をウェハの被
処理面からずらして行ったエッチングの等速度線を示す
図。
【図２４】磁界強度の勾配と磁界中心面の上方へのシフ
トとの組み合わせの効果を確認するための磁石の中心面
上の磁界の等強度線を示す図。
【図２５】図２４図示の磁界のＥ−Ｗ軸上の強度勾配を
示す図。
【図２６】図２４図示の磁界のミラー比の分布を示す
図。
【図２７】本発明の第３実施例に係るマグネトロンＲＩ
Ｅ装置の磁石機構を示す概略平面図。
【図２８】図２７図示磁石機構の概略側面図。
【図２９】第３実施例装置の効果を調べるために行った
エッチングの実験結果を示す図。
【図３０】従来のマグネトロンＲＩＥ装置を示す概略
図。
【図３１】別の従来のマグネトロンＲＩＥ装置によるエ
ッチング特性を示す図。
【符号の説明】
１０…真空容器 １１…第１の電極（カソード） １２…第２の電極（アノード） １３…ウェハ（被処理基板） １４…高周波電源 ２２…ガス供給系 ２３…ガス排気系 ３０、３０Ｍ…環状磁石機構 ３１…磁石要素 ３２…磁石要素の着磁方向 ４１…磁石ケース ４６…減速器 ４７…スリット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/3065 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｃ (72)発明者 関根 誠 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 堀岡 啓治 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 吉田 幸正 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 稲沢 剛一郎 東京都新宿区西新宿２丁目３番１号 東 京エレクトロン株式会社内 (72)発明者 小笠原 正宏 東京都新宿区西新宿２丁目３番１号 東 京エレクトロン株式会社内 (72)発明者 石川 吉夫 東京都新宿区西新宿２丁目３番１号 東 京エレクトロン株式会社内 (72)発明者 江口 和男 山梨県韮崎市藤井町北下条2381番地の１ 東京エレクトロン山梨株式会社内 (56)参考文献 特開 平７−201493（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−197253（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−197252（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−169591（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−197255（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H05H 1/46 C23C 16/50 C23F 4/00 H01L 21/3065

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】プラズマを用いて基板の被処理面を処理す
    る装置であって、 前記基板を収納し且つ処理する処理空間を規定する真空
    容器と、 前記真空容器内にプラズマ化されるガスを導入する供給
    系と、 前記真空容器内を排気する排気系と、 前記真空容器内に配設された第１電極と、前記第１電極
    は、前記被処理面が前記処理空間内に露出するように前
    記基板を支持する支持面を有することと、 前記第１電極の前記支持面に対向する対向面を有する第
    ２電極と、 前記第１及び第２電極間で前記ガスをプラズマ化すると
    共に、前記支持面上に支持される前記基板と前記プラズ
    マとの間に前記被処理面と実質的に直交する電界Ｅが形
    成されるように、両電極間に電圧を付与するための電源
    と、 前記第１及び第２電極間に前記電界と実質的に直交する
    基準面を有する磁界Ｂを形成するための磁石機構と、を具備し、 前記磁石機構は前記真空容器の周囲に沿って
    配設され、且つ互いに異なる着磁方向を有する複数の磁
    石要素を具備することと、前記電界Ｅ及び前記磁界Ｂの
    外積Ｅ×Ｂにより生じる力により前記処理空間内で電子
    がドリフトすることと、前記磁界の前記基準面におい
    て、前記磁界の向きが前記支持面上に支持される前記基
    板の前記被処理面と実質的に平行であることと、前記磁
    界の前記基準面は、前記支持面上に支持される前記基板
    の前記被処理面よりも前記第２電極の前記対向面側にず
    れるように配置され、前記磁界の磁力線が前記被処理面
    と交差することと、式３°＜θｚ （±100 ，０） ＜８°
    を満足し、ここで、θｚ （±100 ，０） は、前記基板の
    前記被処理面の中心から前記磁界のＮ−Ｓ軸方向に沿っ
    た距離が１００ｍｍの位置において、前記被処理面に対
    して前記磁界の磁力線が交差する角度を示すことと、を
    特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 【請求項２】式１．１≦Ｂ （±100 ，０） ／Ｂｃ≦１．
    ３を満足し、ここで、Ｂｃ及びＢ （±100 ，０） は、前
    記基板の前記被処理面上の座標系（ｘ，ｙ）内の夫々座
    標（０，０）及び（±100 ，０）における前記磁界の強
    度であり、前記座標系（ｘ， ｙ）は、前記磁界のＮ−Ｓ
    軸及びＥ−Ｗ軸と夫々平行な２方向において、前記基板
    の前記被処理面の中心から計測された距離（ｍｍ）によ
    り規定されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】式１．０≦Ｂ （±100 ，ｙ） ／Ｂ
    （０，ｙ） ≦１．５を満足し、ここで、Ｂ （０，ｙ） 及
    びＢ （±100 ，ｙ） は、前記基板の前記被処理面上の座
    標系（ｘ，ｙ）内の夫々座標（０，ｙ）及び（±100 ，
    ｙ）における前記磁界の強度であり、前記座標系（ｘ，
    ｙ）は、前記磁界のＮ−Ｓ軸及びＥ−Ｗ軸と夫々平行な
    ２方向において、前記基板の前記被処理面の中心から計
    測された距離（ｍｍ）により規定されることを特徴とす
    る請求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】式１．１≦Ｂ （±100 ，０） ／Ｂｃ≦１．
    ３及び式１．０≦Ｂ （±100 ，ｙ） ／Ｂ （０，ｙ） ≦
    １．５を満足し、ここで、Ｂｃ、Ｂ （０，ｙ） 、Ｂ
    （±100 ，０） 及びＢ （±100 ，ｙ） は、前記基板の前
    記被処理面上の座標系（ｘ，ｙ）内の夫々座標（０，
    ０）、（０，ｙ）、（±100 ，０）及び（±100 ，ｙ）
    における前記磁界の強度であり、前記座標系（ｘ，ｙ）
    は、前記磁界のＮ−Ｓ軸及びＥ−Ｗ軸と夫々平行な２方
    向において、前記基板の前記被処理面の中心から計測さ
    れた距離（ｍｍ）により規定されることを特徴とする請
    求項１に記載の装置。
  5. 【請求項５】プラズマを用いて基板の被処理面を処理す
    る装置であって、 前記基板を収納し且つ処理する処理空間を規定する真空
    容器と、 前記真空容器内にプラズマ化されるガスを導入する供給
    系と、 前記真空容器内を排気する排気系と、 前記真空容器内に配設された第１電極と、前記第１電極
    は、前記被処理面が前記処理空間内に露出するように前
    記基板を支持する支持面を有することと、 前記第１電極の前記支持面に対向する対向面を有する第
    ２電極と、 前記第１及び第２電極間で前記ガスをプラズマ化すると
    共に、前記支持面上に支持される前記基板と前記プラズ
    マとの間に前記被処理面と実質的に直交する電界Ｅが形
    成されるように、両電極間に電圧を付与するための電源
    と、 前記第１及び第２電極間に前記電界と実質的に直交する
    基準面を有する磁界Ｂを形成するための磁石機構と、 を具備し、前記磁石機構は前記真空容器の周囲に沿って
    配設され、且つ互いに異なる着磁方向を有する複数の磁
    石要素を具備することと、前記電界Ｅ及び前記磁界Ｂの
    外積Ｅ×Ｂにより生じる力により前記処理空間内で電子
    がドリフトすることと、前記磁界の前記基準面におい
    て、前記磁界の向きが前記支持面上に支持される前記基
    板の前記被処理面と実質的に平行であることと、前記磁
    界の前記基準面は、前記支持面上に支持される前記基板
    の前記被処理面よりも前記第２電極の前記対向面側にず
    れるように配置され、前記磁界の磁力線が前記被処理面
    と交差することと、前記磁界が、前記外積Ｅ×Ｂによる
    電子のドリフト方向に向けて磁界強度が弱まるように設
    定された強度分布を有することと、を特徴とする プラズ
    マ処理装置。
  6. 【請求項６】−１００≦ｙ≦０時、式−０．６≦（Ｂｒ
    （０，ｙ） −Ｂｏ）／（Ｂｏ×ｙ）≦−０．４を満足
    し、０≦ｙ≦１００の時、式−０．４≦（Ｂｒ
    （０，ｙ） −Ｂｏ）／（Ｂｏ×ｙ）≦−０．３を満足
    し、ここで、ｙは前記基板の前記被処理面の中心を原点
    とした前記ドリフト方向に沿った前記被処理面上の座標
    （ｍｍ）、Ｂｏ及びＢｒ （０，ｙ） は、前記基板の前記
    被処理面の中心及び前記座標ｙの位置に対応する前記基
    準面上での前記磁界の強度を示すことを特徴とする請求
    項５に記載の装置。
  7. 【請求項７】前記基板を密着状態で包囲し且つ前記処理
    空間に露出する表面を有する導電性若しくは半導電性の
    保護リングをさらに具備し、前記被処理面と前記保護リ
    ングの前記表面とが整一することを特徴とする請求項１
    乃至６のいずれかに記載の装置。
  8. 【請求項８】前記基板の前記被処理面と平行に前記磁界
    を回転させる手段をさらに具備することを特徴とする請
    求項１乃至７のいずれかに記載の装置。
  9. 【請求項９】前記磁石要素が永久磁石からなることを特
    徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の装置。
  10. 【請求項１０】前記磁石要素が電磁石からなることを特
    徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の装置。
  11. 【請求項１１】前記磁石要素の前記着磁方向が前記真空
    容器の外周の１周で２回転することを特徴とする請求項
    １乃至１０のいずれかに記載の装置。
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