JPH04317324A - プラズマ発生方法およびプラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は　電界による電子の回転
運動を用いたプラズマ発生技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高周波放電を用いたプラズマは、微細加
工のドライエッチング、薄膜形成のスパッタリングやプ
ラズマＣＶＤ、イオン注入機等、様々な加工に適用され
ている。とりわけ高密度半導体集積回路の開発において
は加工寸法の微細化や、膜質の高精度制御のために、高
真空中でのプラズマ加工が求められている。

【０００３】例えば、半導体集積回路の製造工程におい
て微細加工に適用されるプラズマエッチング（ドライエ
ッチング）は、素子寸法の微細化によりその高密度化に
重要な役割を果たしてきた。ドライエッチングとは、プ
ラズマ、ラジカル、イオン等による気相ー固相表面に於
ける化学的または物理的反応を利用し、薄膜または基板
の不要な部分を除去する加工法である。ドライエッチン
グ技術として最も広く用いられている反応性イオンエッ
チング（ＲＩＥ）は、適当なガスの高周波放電プラズマ
中に試料を曝すとエッチング反応により試料表面の不要
部分が除去されるというものである。必要な部分は、通
常、マスクとして用いたホトレジストパターンにより保
護されている。微細化のためにはイオンの方向性を揃え
ることが必要であるが、このためにはプラズマ中でのイ
オンの散乱を減らすことが不可欠である。イオンの方向
性を揃えるためには、プラズマの真空度を高めてイオン
の平均自由行程を大きくするのが効果的であるが、真空
度を高めると高周波放電が生じ難くなるという問題があ
る。この対策として一般にプラズマ室に磁場を印加し、
放電を容易にする方法、マグネトロン反応性イオンエッ
チングやＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）エッチング
技術が開発されてきた。

【０００４】図１４は従来のマグネトロン放電を用いた
反応性イオンエッチング装置を示す模式図である。金属
性チャンバー８１中には、ガスコントローラ８２を通し
て反応性ガスが導入され、排気系８３によって適切な圧
力に制御されている。チャンバー８１の上部にはアノー
ド（陽極）８４が設けられ、下部にはカソード（陰極）
となる試料台８５が設けられている。試料台８５には、
インピーダンス整合回路８６を介してＲＦ電源８７が接
続されており、試料台８５とアノード８４との間で高周
波放電を起こすことができる。チャンバー８１中には、
側面に設置された、２対の、位相の９０度異なる対向す
る交流電磁石８８によって回転磁界が印加され、高真空
中での放電を容易にしている。電子は印加磁場により、
サイクロイド運動をするため、イオン化効率が高くなる
というものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うなマグネトロン放電やＥＣＲ放電は、プラズマ密度が
不均一で扱いが難しく、また加工する試料に損傷が導入
されてしまうという問題があった。たとえば従来のマグ
ネトロン反応性イオンエッチング装置では、回転磁場に
よって局所的なプラズマの偏りを時間平均して均一にし
ているが、瞬時のプラズマ密度は均一ではないため局所
的な電位差を発生し、ＭＯＳＬＳＩプロセスに適用する
とゲート酸化膜破壊を生じることがある。同様にＥＣＲ
エッチング装置では、磁場がチャンバーの径方向に分布
を持つため、プラズマ密度の局所的な粗密により、エッ
チング種の不均一を生じたり、局所的な電位差を発生し
たりする。このプラズマの不均一性に基づいてエッチン
グの均一性が悪くなり、ＬＳＩを歩留まり良く作成する
ことが困難であった。

【０００６】本発明は上記問題点に鑑み、高真空のもと
で均一性の良いプラズマ発生方法およびその装置をを提
供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ発生技
術では、真空室内のプラズマ発生部周辺に筒状に３以上
の電極を配置し、プラズマ発生部のおおよそ中心軸から
ガス導入し、電極に位相が配置順に異なる高周波電力を
印加してプラズマ発生部の電子を回転運動させて発生部
にプラズマを発生させ、たとえばドライエッチングを行
うものである。

【０００８】本発明の実施に当たっては、同一の信号源
から生成された、位相の異なる同一周波数の高周波電力
を印加することが望ましい。

【０００９】

【作用】本発明は上記した構成によって、筒状に配置さ
れた３以上の電極に、周波数が同一で位相が配置順に異
なる高周波電力を印加し、高周波電力によって真空中で
電子を回転運動させて高密度のプラズマを発生させてい
る。チャンバー中に形成される電場は、電子を電極に沿
って回転運動させるように働くので、電子の寿命が長く
なり、高真空中にもかかわらずイオン化効率が高く、高
密度プラズマが得られる。このため、従来の平行平板プ
ラズマ発生装置ではプラズマ発生が生じない１Ｐａ程度
の高真空下でも、プラズマ発生が可能である。さらに、
電極を筒状に配置し、かつ、電極全てにおおよそ等しい
高周波電力を印加しているため、従来の磁場によるマグ
ネトロン放電やＥＣＲ放電に比べて、均一性の良いプラ
ズマが得られる。装置の大型化も容易である。ドライエ
ッチングに適用した場合、従来の平行平板ドライエッチ
装置に比べて高真空で高いプラズマ密度が得られるため
、ガス分子によるイオン散乱が少なく、異方性の高いエ
ッチングとなる。

【００１０】

【実施例】以下本発明のプラズマ発生技術の一実施例で
あるドライエッチング装置について、図面を参照しなが
ら説明する。

【００１１】図１は本発明のドライエッチ装置の一実施
例の断面構造を示す模式図である。図１において、１は
筒形状のチャンバー、２、３、４、５は筒状に配置され
た１ＭＨｚの高周波電力が印加される試料台、６は半導
体基板等の被エッチング試料、７はプラズマ発生部のほ
ぼ中心軸に配置されたガス導入口を兼ねたアース電極、
である。電極２、３、４、５に印加される高周波電力は
ほぼ同一であるが、電力の位相はおよそ９０度ずつ異な
らせている。チャンバー１にはエッチングガスがマスフ
ローコントローラ（図示せず）を介してガス導入口７か
ら導かれ、チャンバー内圧力はターボポンプ（図示せず
）により０．１Ｐａから１０Ｐａ程度に制御されている
。電極２、３、４、５に整合回路、８、９、１０、１１
を介して高周波電力を供給するアンプ１２、１３、１４
、１５は、フェーズロック機構１６により一定の位相差
（９０度）になるよう制御されている。周波数を等しく
するため、一つの信号源１７から生成された信号を増幅
し、アンプ１２、１３、１４、１５によって位相の異な
る同一周波数の電力を供給している。

【００１２】以上のように構成された本発明のドライエ
ッチング装置について、図１及び図２を用いてその動作
を説明する。

【００１３】図２図［５］は４ケの電極２、３、４、５
に高周波電力を印加した場合の１つの電子の軌跡を高周
波の１周期の４分の１の時間ごとに模式的に示した図で
ある。電極２、３、４、５に印加された高周波電力は、
位相がおのおの９０度異なっているため電子は瞬時の陽
極に向かう力を受ける。この力は、時間的に変化するた
め電子は回転力を得ることになる。電子はこの電界によ
り回転運動をしながらガス分子と衝突し、プラズマを発
生する。Ａはプラズマ発生部である。

【００１４】この時の電子の回転運動の直径を周波数の
関数として求めたのが図６である。この場合は２０ｅＶ
の電子を想定している。これは、ガス種にも依存するが
、一般にガスを電離する場合には約１５ｅＶ以上の電子
エネルギーが必要であるからである。試料６としての８
インチ半導体基板を処理するためのプラズマ装置では、
チャンバー径は１００ｃｍ程度であるから、半径５０ｃ
ｍで電子を回転させるには１ＭＨｚ程度の周波数である
ことが望ましい。

【００１５】従来の回転磁場を用いたマグネトロンエッ
チング装置では、ある瞬時の試料台直上の磁束分布は図
７（ａ）のように不均一である。このためチャンバー中
の電子（図７（ｂ）中の黒丸）は、磁場強度に逆比例し
た軌道半径で回転するため、磁場強度の弱い場所の電子
の半径は大きくなり、電子がチャンバー壁に衝突して消
滅する。このため磁場強度の弱い場所の電子密度が減少
し、プラズマ密度も低くなる。また、このプラズマ密度
の差はプラズマの電位勾配を発生させ、こうしたプラズ
マ密度やプラズマ電位の不均一が、エッチングの不均一
や加工物への損傷を生んでいたのである。

【００１６】これに対して本発明のプラズマエッチング
技術では、高周波電力を印加する試料台でもある電極２
、３、４、５が円筒状に間隔が等しく配置しており、ま
た各電極に印加する放電電力を同一にしている。従って
、図８のように高密度の電子が均一に回転運動するため
、試料台２、３、４、５の全面に均一で高密度のプラズ
マが形成される。このためエッチングレートが大きくか
つエッチングの均一性も良好で、チャージアップによる
損傷も極めて少ない。また、図９、図１０の様にガス導
入口７がチャンバ中央に設置されており、ウェハに対し
て均一にガス吹き出しする構造となっており、プラズマ
の均一性を高めている。

【００１７】図１１（ａ）は従来の回転磁場を用いたマ
グネトロンエッチング装置でボロンリンガラスをエッチ
ングした例を模式的に示している。図中２０はＳｉ基板
、２１はボロンリンガラス、２２はフォトレジストパタ
ーンである。Ｓｉ基板２０直上のある瞬時の磁場強度分
布が図１１（ｂ）に示すように、試料台中央で最小値を
持つ場合では、Ｓｉ基板２０表面に入射して来るイオン
（エッチング用反応生成物）のフラックスＩは磁場強度
分布に応じたプラズマ密度分布に比例し、図１１（ａ）
に示すように、中央で疎となる。酸化膜（ボロンリンガ
ラス２１）のエッチング速度も図１１（ｃ）のようにイ
オンフラックスＩにほぼ従ったものとなり、不均一にな
る。またプラズマ密度の不均一は電荷の偏在による損傷
を引き起こす。

【００１８】これに対して、本発明のドライエッチング
技術によれば、先に述べたように均一なプラズマが発生
するため、図１２（ａ）に示すようにＳｉ基板２０表面
に入射するエッチング用反応生成物であるイオンフラッ
クスＩＩも均一になり、エッチング速度も同図（ｂ）の
ように均一性の高いものとなる。また、プラズマが均一
なので、チャージの偏在は小さく、チャージによる損傷
は極めて小さい。この場合にはチャンバー内に導入する
ガスとしてＣＨＦ３＋Ｏ２、ＣＦ４＋ＣＨ２Ｆ２等、フ
ロンガスをベースにしたガスを用い、圧力は０．１〜１
０Ｐａで行った。この際、エッチングレートは１００か
ら３００ｎｍ／ｍｉｎ、面内均一性は５％以下であった
。本発明の技術はサブミクロンパターンのエッチング、
６インチ，８インチ等の大口径半導体ウェハーのエッチ
ングに特に好ましい。それはチャンバー内の圧力が低い
ため、イオン散乱が少なくフォトレジストパターンから
のエッチングによる寸法シフト（いわゆるＣＤロス）や
エッチングレートのパターン寸法依存性が小さいからで
ある。また、プラズマの均一性が高くチャンバーの大型
化が容易な構造であるためである。

【００１９】次にこの装置に各種のガスを導入してリン
ドープした多結晶Ｓｉをエッチングした。その結果、エ
ッチングガスとしては、ＳＦ６や酸素、塩素、よう素等
のエレクトロネガチィブ（負性）ガスを用いた場合に本
発明の効果の大きいことが実験結果から得られた。エレ
クトロネガチィブ（負性）ガスの高周波プラズマ中では
、電子密度が少なく抵抗が高いので、プラズマ中の電位
傾度がエレクトロポジティブ（正性）ガスに比べて大き
いため本発明の効果が特に大きい。この場合にも平行平
板電極間内部における電界は均一なので、均一性の良い
プラズマが得られ、エッチングの均一性も良好である。 またプラズマの局所的な偏りがほとんどないので、ＭＯ
ＳＬＳＩのゲート酸化膜破壊等のデバイスへの損傷も極
めて少なくなった。ＳＦ６に微量の酸素を添加したガス
系では、エッチングレートが２００から４００ｎｍ／ｍ
ｉｎ、均一性５％以下が得られた。また、エッチング後
のゲート酸化膜の信頼性評価としてＴＤＤＢ（タイムデ
ィペンデント　　ダイエレクトリック　　ブレイクダウ
ン）を調べたが、従来のドライエッチ工程に比べて良好
な結果であった。

【００２０】本実施例では酸化膜エッチングと多結晶Ｓ
ｉエッチングの場合を示したが、その他のＳｉ化合物、
Ａｌ等のメタルのエッチング、多層レジストにおけるレ
ジストのエッチング等にも本発明の装置を用いても高い
効果が得られる。

【００２１】図１３に従来のドライエッチング方法と本
発明のドライエッチング方法との比較を示す。従来に比
べて本発明のドライエッチング方法の優位性が分かる。

【００２２】以上のように本実施例によれば、円筒状に
配置された４ケの電極に、１ＭＨｚの９０度ずつ位相の
異なる高周波電力を印加し、チャンバー中に電子を回転
を描くように運動させる電場が形成し、高真空中にもか
かわらず高いイオン化効率が得、放電を容易にした。電
極を円筒状に配置し高周波電力を印加しているため、電
極前面でのプラズマ電位が一様であり、従来の磁場によ
るマグネトロン放電やＥＣＲ放電に比べて、均一性の良
いプラズマが得られ、また、プラズマの局所的な偏りが
ほとんどないので、加工物への損傷も極めて小さくなっ
た。

【００２３】なお、本実施例ではエッチング装置の場合
を示したが、プラズマＣＶＤやスパッタ、イオン注入装
置のイオン源等、高真空プラズマの必要とされる装置へ
の適用が可能なことは言うまでもない。

【００２４】また、高周波電力の位相差は９０度一定に
した場合を示したが、時間の関数の様に変化させてもよ
い。

【００２５】また、筒状に配置された電極数が４の場合
を示したが、電極数Ｎ（Ｎは３以上の整数）の場合も位
相差を３６０／Ｎとすることにより同様の効果が得られ
る。

【００２６】

【発明の効果】以上のように本発明は、適当な複数の交
流電界をのもとでは電子が回転運動するという現象を用
いて、高真空のもとで高密度プラズマを発生させるもの
である。本発明により、たとえば微細加工性に優れかつ
量産性が高く、均一性の良い、ゲート酸化膜破壊等のデ
バイスへの損傷も極めて少ないエッチングが実現できる
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ発生技術を適用した第１の実
施例のドライエッチング装置の構造を示す模式図である
。

【図２】同実施例におけるドライエッチング装置のチャ
ンバー中の電子の動きを説明するための軌跡の模式図で
ある。

【図３】同電子の動きを説明するための軌跡の模式図で
ある。

【図４】同軌跡の模式図である。

【図５】同軌跡の模式図である。

【図６】一周期中に電子の進む距離の周波数依存性を示
す特性図である。

【図７】従来のマグネトロンエッチング装置における磁
束分布と電子の回転を示す模式図である。

【図８】本発明のドライエッチング装置における電子の
回転を示す模式図である。

【図９】本発明の一実施例のドライエッチング装置にお
けるガス吹き出し口の構造を示す模式平面図である。

【図１０】同ガス吹き出し口の構造を示す側面図である
。

【図１１】従来のマグネトロンエッチング装置における
ボロンリンガラスのエッチングを説明するための断面図
と磁場強度分布図である。

【図１２】本発明のドライエッチング装置におけるボロ
ンリンガラスのエッチングを説明するための断面図であ
る。

【図１３】本発明のドライエッチング装置と従来のドラ
イエッチング装置を比較した図である。

【図１４】従来のマグネトロン放電を用いた反応性イオ
ンエッチング装置を示す模式図である。

【符号の説明】

１　　チャンバー ２、３、４、５　　試料台でありかつ１ＭＨｚの高周波
電力が印加される電極 ６　　被エッチング試料 ７　　ガス導入口 ８、９、１０、１１　　整合回路 １２、１３、１４、１５　　アンプ １６　　フェーズロック機構 １７　　信号源

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　真空室内のプラズマ発生部周辺に筒状
   に３以上の電極を配置し、前記プラズマ発生部に前記プ
   ラズマ発生部のほぼ中心軸からガス導入し、前記電極に
   位相が配置順に異なる高周波電力を印加して前記プラズ
   マ発生部の電子を回転運動させて前記発生部にプラズマ
   を発生させることを特徴とするプラズマ発生方法。
2. 【請求項２】　　各電極に印加する高周波電力の放電電
   力をおよそ同一にすることを特徴とする請求項１に記載
   のプラズマ発生方法。
3. 【請求項３】　　真空室内のプラズマ発生部周辺に円筒
   状に３以上の試料台ともなる電極を配置し、前記プラズ
   マ発生部にエッチング用反応性ガスを導入し、前記電極
   に位相が配置順に異なる高周波電力を印加して前記プラ
   ズマ発生部の電子を回転運動させて前記発生部にプラズ
   マを発生させ、前記プラズマ中で生じた反応生成物を前
   記試料台上に設置した試料に照射し、前記試料のドライ
   エッチングを行うことを特徴とするプラズマ発生方法。
4. 【請求項４】　　試料台にバイアス印加して試料をエッ
   チングすることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ
   発生方法。
5. 【請求項５】　　真空室内のおおよそプラズマ発生部中
   心軸上に設置されたガス供給装置と、前記プラズマ発生
   部周辺に筒状に配置された３以上の電極と、前記電極に
   位相が配置順に異なる高周波電力を印加する第１の高周
   波電源と、前記プラズマ発生部の電子を回転運動させて
   前記発生部にプラズマを発生させることを特徴とするプ
   ラズマ発生装置。
6. 【請求項６】　　エッチング用反応性ガスが導入される
   真空室内のプラズマ発生部周辺に筒状に配置された３以
   上の試料台を含む電極と、前記電極に位相が配置順に異
   なる高周波電力を印加する第１の高周波電源と、前記プ
   ラズマ発生部の電子を回転運動させて前記発生部にプラ
   ズマを発生させ、前記プラズマ中で生じた反応生成物を
   前記試料台上に設置した試料に照射させてドライエッチ
   ングを行うことを特徴とするプラズマ発生装置。
7. 【請求項７】　　同一の信号源から生成された、位相の
   異なる高周波電力を印加する機構を備えたことを特徴と
   する請求項５に記載のプラズマ発生装置。
8. 【請求項８】　　プラズマ発生部のほぼ中心軸上に設置
   されたガス供給装置を備えたことを特徴とする請求項６
   に記載のプラズマ発生装置。
9. 【請求項９】　　プラズマ発生部のほぼ中心軸上に設置
   された電極を接地電位としたことを特徴とする請求項５
   に記載のプラズマ発生装置。
10. 【請求項１０】　　位相の異なる同一周波数の高周波電
    力を、一定の位相差に制御するフェーズロック機構を備
    えたことを特徴とする請求項５に記載のプラズマ発生装
    置。