JPH04139722A

JPH04139722A - マグネトロンプラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH04139722A
Application number: JP26129590A
Authority: JP
Inventors: Keiji Horioka; 啓治堀岡; Katsuya Okumura; 勝弥奥村; Shinji Kubota; 紳治久保田; Hiromi Kumagai; 熊谷　浩洋; Jiyunichi Arami; 淳一荒見
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1990-09-29
Filing date: 1990-09-29
Publication date: 1992-05-13

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、マグネトロンプラズマ処理装置に関する。

（従来の技術）この種の処理装置の一例であるマグネトロンプラズマエ
ツチング装置では、平行平板電極間に電界を形成し、こ
の電界と直交する磁場を形成し、その一方の電極上に載
置される被処理体例えばウェハに臨んでエツチングガス
によるプラズマを生成することで、ウェハのエツチング
を行なっている。

ここで、被処理体の近傍にはプラズマシース（プラズマ
暗部）が形成され、このプラズマシスの厚さのばらつき
を少なくすることで、エツチングレートの面内均一性を
向上できることが知られている。

（発明が解決しようとする課題）このプラズマシースの厚さは、プラズマ監視窓を介して
肉眼にて観察できるが、特にウェハ周縁部のプラズマシ
ースが厚く、プラズマシース厚に肉眼でも分かる勾配が
生じていることが確認された。

本発明者はこの原因を探求した結果、従来ウェハ外周部
にはウェハ載置電極のプラズマダメージを防止するため
の絶縁リング例えば石英リングが配設されているため、
この石英リングの存在によりウェハ周縁部に十分な電子
が存在せず、このことがウェハ周縁部のプラズマシース
を厚くシテいることを確認した。

そこで、本発明の目的とするところは、被処理体外周部
の材質を改良することで、プラズマシース厚を均一にし
、もってエツチングレート等処理の面内均一性を改善す
ることができるマグネトロンプラズマ処理装置を提供す
ることにある。

［発明の構成〕（課題を解決するための手段）本発明は、真空処理室内に配置される被処理体の面と平
行な磁場及び直交する磁界を形成することて、プラズマ
を形成して前記被処理体を処理するマグネトロンプラズ
マ処理装置において、前記被処理体の外周部に、電子の
衝突により２次電子を放出する部材を設けたことを特徴
とする。

（作　用）プラズマが生成されると、被処理体の外周部に設けた部
材にプラズマ中の電子が衝突して２次電子を放出し、こ
れが磁界と電界に直交する方向にサイクロン運動しなが
ら前記部材に衝突することで、多くの２次電子を放出す
ることができる。

この電子のサイクロン運動に伴う２次電子の放出は被処
理体上でも行われるが、被処理体の外周部に設けた部材
上での電子の助走により、被処理体周縁部でも多くの電
子が存在していることになる。

この結果、被処理体の周縁部付近でも電離作用が促進さ
れてプラズマが生成され易くなり、被処理体の周縁から
中心に亘ってプラズマシースの厚さが等しくなり、エツ
チングレート等処理の面内均一性が向上する。

（実施例）以下、本発明の一実施例を図面を参照して具体的に説明
する。

まず、本発明を適用したマグネトロンエツチング装置の
概要につき、第２図を参照して説明する。

同図において、真空処理室２０は、例えば１Ｏ−６ＴＯ
「「程度の真空度まで真空引きでき、その内部には被処
理体載置電極としての下部電極２２が支持され、この下
部電極２２の上方にて対向する前記真空処理室２０の壁
部を対向電極としての上部電極２４とし、この両者で平
行平板電極を構成している。前記真空処理室２０には、
エツチングガス例えばＨｃｌを導入可能なガス導入口２
０ａが配置され、平行平板電極間にエツチングガスを導
入可能である。

本実施例では、アノードカップリング（Ｐ　Ｅ）方式、
カソードカップリング（ＲＩ　Ｅ）方式の一方を択一的
に選択でき、前記下部電極２２は、スイッチ２６ａを介
してグランドまた°は高周波電源２８１に接続され、一
方、上部電極２４は、接地状態と高周波電源２８ｂによ
る電圧印加状態とが、スイッチ２６ｂを介して切り換え
可能となっている。

そして、高周波電源２８ｂを上部電極２４に接続し、下
部電極２２を接地した場合には、ＰＥ方式として動作す
る。一方、上部電極２４を接地し、高周波電源２８ａを
下部電極２２に接続した場合にはＲＩＥ方式として動作
することとなる。

前記上部電極２４の裏面側には、ウェハ１４と平行な方
向にそって着磁された永久磁石３０が、非磁性体例えば
アルミ材等の磁石ホルダ３４に支持されており、この磁
石ホルダ３４に連結した非磁性体の回転軸３６を駆動す
ることで、永久磁石３０を回転駆動可能となっている。

本発明の特徴的構成としては、前記ウェハ１４の外周部
であってプラズマに臨む位置に、電子の衝突により２次
電子を放出し、かつ、この２次電子の助走区間を形成す
るリング状部材３８を設けたことである。このリング状
部材３８の内径から外径に至る長さしは、例えば１０〜
２０ＩＩ１ｍとしている。このリング状部材３８の材質
としては、２次電子を放出し易く、かつ、電界を形成で
きることが必要であり、しかもウェハ１４を汚染しない
材質であることが要求される。このような材質としては
、カーボン、グラファイトあるいはシリコンが最適であ
る。なお、リング状部材３８を下部電極２２」二に別個
に配置するものに限らず、リング状部材３８と下部電極
２２とを前記の条件を満足する同一・材により一体的に
形成することも可能である。

また、石英や、アルミナ等の絶縁膜であっても、十分に
薄くかつその下に高周波電圧が印加されるような構成で
あれば、絶縁物の表面にも高周波電界が誘起されるため
、２次電子の放出源として利用できる。厚さの目安は、
プラズマシースのキャパシタンスに対して絶縁物のキャ
パシタンスが十分に大きいことであり、一般に絶縁物の
厚みが１■■以下であればその条件を満たす。

さらに、前記の２次電子放出部材の表面に凹凸や放射状
の溝を設けると、効率よく２次電子発生を誘起すること
ができる。

また、本実施例ではプラズマシースの厚さをより薄くす
るためには、エツチング処理時のチャンバー内圧力を、
１．０　ｍ　Ｔｏｒｒ　〜１００　ｍ　Ｔｏｒｒに設定
している。

次に、作用について説明する。

平行平板電極間に臨む磁力線は、磁化方向両端側の永久
磁石３０の外面間に形成され、ウェハ１４の近傍位置に
形成される磁場（例えば磁力密度が１００Ｇ程度）は、
このウェハ１４の面に対して平行な磁場であり、かつ、
平行平板電極２２゜２４間の電界に直交する磁場となっ
ている。そして、永久磁石３０を回転駆動することで、
前記平行磁場をウェハ１４の全面にて均一に形成するこ
とができる。前記のような平行磁場が形成されると、こ
の磁場中の磁力線を中心軸としてスピンする電子がその
接線方向に飛び出した場合には、ウェハ１４に対して垂
直に入射することになるので、異方性の高いエツチング
が可能となる。このような作用は、ウェハ１４の近傍に
形成される放電暗部（シース部）に前記の平行な磁場を
形成することで、より異方性の高いエツチングが可能で
あることが確認された。

このようなマグネトロンエツチング装置において、ウェ
ハ１４の外周部にリング状部材３８を設けることで、下
記の作用を実現できる。

まず、ウェハ１４上での電子のサイクロン運動について
第３図を参照して説明すると、プラズマ中の電子がウェ
ハ１４に衝突することて生ずる２次電子は、フレミング
の左手の法則に従い、磁界及び電界に直交する方向にサ
イクロン運動する。

そして、このサイクロン運動中に２次電子がウェハ１４
に衝突する度に新たな２次電子を生ずることになる。こ
の際、電子のサイクロン運動の上流側程電子の密度は低
くなる。この結果、上流側はどプラズマガスと電子との
衝突による電離作用の確率が少なくなり、この付近のプ
ラズマシースが厚くなってしまう。

本実施例ではウェハ１４の外周部に、ウェハ１４と同様
に２次電子を放出するリング状部材３８を設けることで
、第１図に示すような作用を確保している。すなわち、
リング状部材３８に電子が衝突することにより２次電子
を放出し、この２次電子がリング状部材３８上でサイク
ロン運動して衝突することで、さらに多くの２次電子を
放出することが可能となる。

すなわち、電子のサイクロン運動の上流側であるウェハ
１４の周端部で、既に多くの電子を確保することができ
る。すなわち、ウェハ１４上のサイクロン運動に対して
周辺部を拡げたことにより助走効果を与えたことに相当
する。このように、電子密度を高く確保できれば、この
電子とプラズマ４０中のガスとの衝突による電離作用の
確率が高くなり、この付近でもプラズマ密度を濃くする
ことが可能となる。この結果、この付近でもプラズマシ
ース４２の厚さを薄くすることができ、ウェハ１４の中
心付近とほぼ同一のプラズマシース厚にすることができ
る。このため、従来のようにプラズマシース厚の不均一
に起因したエツチングレートのばらつきを解消すること
ができる。

前記の作用に加えて、チャンバー内圧力を１０ｍ　Ｔｏ
ｒｒ　〜１００　ｍ　Ｔｏｒｒに設定することで、下記
の作用を実現できる。

まず、従来の数ｍＴＯｒｒ程度の圧力に比べれば、ガス
中でのイオンの衝突確率が増大するので、プラズマ密度
が濃くなり、このことからウェハ１４の上方に形成され
るプラズマシース４２の厚さを薄くできる。また、電子
のサイクロン運動の半径「は、電界及び磁界の強さによ
り決定されるが、この半径「よりもプラズマ領域４０が
ウェハ１４に近い位置にあれば、２次電子がプラズマ中
のガスと衝突し、電離作用が生ずる。したがって、プラ
ズマシース４２の厚さが薄ければ電離作用を多く確保で
き、第１図に示すようにウェハ１４の近傍にプラズマ密
度の高い領域４４を、ウェハ１４の全面上に確保できる
。

このように、ウェハ１４上に密度の濃いプラズマ領域４
４を確保することで、よりエツチングレートが高くなり
、しかもエツチングレートの市内均一性をより向上でき
る。

第４図は、従来の石英リングを用いた場合と、本実施例
のようにカーボン製のリング状部材３８を用いた場合と
で、それぞれチャンバー内圧力を変えてウェハ１４上の
各点のセルフバイアス電圧Ｖｄｃを計測した特性を示し
ている。同図より明らかなように、従来のように石英リ
ングを用いた場合には、同図の左側のＶｄｃが高く、こ
れはこの領域での電子の密度が低く、プラズマシースが
厚くなっていることを反映している。本実施例のように
リング状部材３８を用いると、同図の左側の領域でのＶ
ｄＣをより低めることができ、Ｖｄｃの面内均一性が向
上している。また、Ｖｄｃは全体的に低くなり、この傾
向はチャンバー内圧力が高いほど顕著であることが分か
る。このセルフバイアス電圧Ｖｄｃは前記プラズマシー
ス厚と密接に関係し、Ｖｄｅの面内均一性が高いことが
、プラズマシース４２の厚さのばらつきが少ないことに
反映し、エツチングレートの面内均一性を高めることが
できる。また、Ｖｄｅが低ければ、エツチング特性の一
つである選択比が向上する効果もある。さらに、Ｖｄｃ
の各点でのばらつきが少なければ、電位差により電流が
生じて例えばゲート酸化膜を破壊するというダメージを
低減でき、歩留まりも向上する。

このＶｄｃの市内均一性としては、１０％以内に押える
ことが好ましく、これは第４図から分かるようにチャン
バー内圧力を４０ｍＴｏｒｒ以上にすることでも可能で
あるが、リング状部材３８の電子助走区間の長さ（第２
図の長さし）を十分に確保することでも実現でき、例え
ば１０■■以上とすることで達成できる。

また、本発明の他の実施例として、ウェハの周辺に配置
するリング部材に、溝を設けた例について述べる。第５
図は本発明で用いたリング部材の模式図を示す。リング
部材５１の外周部分には、放射状の幅５ｍ−の溝５２が
設けられ、外周部はど深く、最も外側で５　ｍｍの深さ
になっている。

このリングを電極の周辺部に配置して、放電の様子を観
察したところ磁力線と直交する方向の溝の内部から、強
い発光が観察された。溝の内部では、磁力線による閉じ
込み効果のために、溝の片方の側壁から発生した２次電
子は、溝の上部に拡散することができず、大部分が反対
側の側壁に衝突し、さらに多くの２次電子を発生する。

その結果、溝部の電子密度は極めて高くなる。

一方、リングの上部のプラズマと、溝の間には、自己バ
イアス電圧が生じており、これに直交する方向の磁界と
の相互作用により、溝の内部から円周方向に向う力が発
生し、中心または周辺に、電子が供給される。その結果
、リングの２次電子供給部材としての能力が向上する。

その結果エツチング速度分布の均一性がさらに向上する
ことが確認された。

また、放射状の溝に限らず、表面に適当な凹凸段差を設
けることによって、同様の効果が期待できる。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

本発明は、平行平板電極間に形成される電界と直交する
磁場を被処理体近傍に形成してエツチングするものであ
れば、他の種々の方式の装置に適用でき、磁界形成手段
としては永久磁石に限らず、電磁石を用いたもの、ある
いは永久磁石及び電磁石の組合わたものなどであっても
良い。

特に、磁界および電界が、被処理体面に平行でかつ、同
一の方向に形成されている場合、プラズマ中の電子に対
しては、表面に対し平行な一方向の力が常に生しる。こ
のような場合、特に本発明の効果が顕著となる。

なお、本発明は前記のようなマグネトロンエツチング装
置に適用されるものに限らず、プラズマＣＶＤ等の成膜
装置あるいはアッシャ−装置にも同様に適用できる。

［発明の効果］以上説明したように、本発明では被処理体の外周部に、
電子の衝突により２次電子を放出し、かつ、この２次電
子を電界と磁界との作用によりサイクロン運動させて、
被処理体到達前に十分な電子を発生させることで、プラ
ズマシースの厚さを均一化させ、エツチングレート等処
理の面内均−性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を適用した実施例装置でのプラズマシ
ースと２次電子の速度との関係を説明するための概略説
明図、第２図は、実施例装置の概略断面図、第３図は、被処理体上での電子のサイクロン運動を説明
するための概略説明図、第４図は、従来の石英リングを用いた場合と、本実施例
のようにカーボン製のリング状部材３８を用いた場合と
で、それぞれチャンバー内圧力を変えてウェハ１４上の
各点のセルフバイアス電圧Ｖｄｅを計測した特性図、第５図は、溝を有するリング部材の模式図である。１４・・・被処理体、２０・・・真空処理室、２０ａ・
・・ガス導入口、２２．２４・・・平行平板電極、３０・・・永久磁石、３８・・・リング状部材、４０・・・プラズマ領域、４２・・・プラズマシース、４４・・・高密度プラズマ領域、５１・・・リング部材、５２・・・溝。代理人　弁理士　井　　上　　　− （他１名）第図第図ウェハー中心かうの距離（ｍｍ）第図（Ａ）（Ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）真空処理室内に配置される被処理体の面と平行な
磁場及び直交する磁界を形成することで、プラズマを形
成して前記被処理体を処理するマグネトロン処理装置に
おいて、前記被処理体の外周部に、電子の衝突により２次電子を
放出する部材を設けたことを特徴とするマグネトロンプ
ラズマ処理装置。
（２）前記被処理体の外周に設けられる２次電子放出部
材の幅を、前記被処理体のセルフバイアス電圧の面内均
一性が１０％以内となるように設定した請求項１記載の
マグネトロンプラズマ処理装置。
（３）前記２次電子放出部材は、導電性材料、または厚
さ１ｍｍ以下の絶縁材料である請求項１記載のマグネト
ロンプラズマ処理装置。
（４）前記２次電子放出部材は、カーボン、グラファイ
ト、シリコンまたは、厚さ１ｍｍ以下の石英ガラス、ま
たは、アルミナである請求項１記載のマグネトロンプラ
ズマ処理装置。
（５）前記２次電子放出部材の表面は凹凸が形成された
ものである請求項１記載のマグネトロンプラズマ処理装
置。
（６）前記２次電子放出部材の表面は放射状の溝が形成
されたものである請求項１記載のマグネトロンプラズマ
処理装置。
（７）前記磁界は、前記被処理体面内で略平行かつ、略
均一に形成され、プラズマ中の電子に対し、前記被処理
体の表面に対し平行な一方向の力が生じていることを特
徴とする請求項１記載のマグネトロンプラズマ処理装置
。