JPH04346225A - マグネトロンプラズマエッチング方法及び装置 - 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】本発明は半導体装置等の製造プロ
セスのドライエッチング、特にマグネトロンプラズマエ
ッチング方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来方法及び装置の１例の構成を
示す説明図、図５は図４の装置でシリコンウェーハ上の
熱酸化膜をエッチングした場合のエッチング速度のウェ
ーハ内分布を示す図である。この従来例は真空チャンバ
１内に被エッチングウェーハ７を載置電極２と，これに
平行に対向して対向電極３を設置し、この両電極２，３
にそれぞれ交流電源４，５により同一周波数の交流電力
を供給すると同時に、Ｎ極とＳ極を相対峙した永久磁石
６により形成される磁界を両電極２，３間に供給し、か
つ真空チャンバ１内にエッチングガスを供給してプラズ
マ放電させ、被エッチングウェーハ７をエッチングする
構成になっている。

【０００３】永久磁石６は、被エッチングウェーハ７表
面に出来るだけ平行な磁界を発生させるため、ウェーハ
載置電極２表面と同じか又はそれより下方位置８に配置
される。両電極２，３のプラズマ放電領域の間隔９は、
両電極２，３間を電子が無衝突で往復できる程度の距離
とし、通常使用する１Ｐａ付近のガス圧においては２０
ｍｍ前後である。

【０００４】一方、両電極２，３に印加する交流電力は
、ウェーハ載置電極２より対向電極３に多く供給する。 これは両電極２，３に対称なマグネトロンプラズマを形
成させる目的で、磁石位置８に近いウェーハ載置電極２
の電力を小さくするためのものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来装置でエッチングした場合、ウェーハ面内で均一なエ
ッチング速度を得ることが困難である。すなわち磁石６
をウェーハ７表面と平行な面内で回転させずに固定磁界
を供給した場合、エッチング速度のウェーハ面内分布は
図５の如くＸ方向およびＹ方向ともバラツキが著しく、
均一性はウェーハ全体で±３０％以上にも達し、半導体
デバイスの製造プロセスに適用することが困難になる。

【０００６】Ｘ方向の均一性は両電極２，３に印加する
電力を適切に選ぶなどプロセス条件の選択によりある範
囲内で均一性を改善することは可能であるが、その場合
でもＹ方向とのエッチング速度の差を半導体デバイスの
プロセスに適用可能なレベル迄小さくすることは困難で
ある。

【０００７】尚、磁石６の大きさを電極２，３の直径よ
り充分に大きくすることで均一性の改善は可能と予想さ
れるが、その場合装置がきわめて大型化し、半導体製造
プロセスに適さない装置となる。

【０００８】また磁石６を回転して両電極２，３間に回
転磁場を供給することで、エッチング速度のウェーハ面
内分布を改善する方法が採られる。しかしこの場合、エ
ッチング速度のバラツキは十分小さくなるものの、半導
体デバイスのエッチングで問題となるチャージアップ損
傷等の電気的なダメージが問題として残る。

【０００９】特に最近の高性能化したデバイスでは一層
問題となる。このようにウェーハ面内で不均一性の著し
いプラズマを用いた場合にはエッチング速度は見かけ上
均一となるが電気的なダメージは解消されない。したが
って、従来のマグネトロンプラズマエッチング装置では
半導体デバイスの製造プロセスで使用可能なエッチング
性能を満足することが困難である。

【００１０】本発明の目的はウェーハ内のエッチング速
度のバラツキが小さく、かつ素子損傷の少ないマグネト
ロンプラズマエッチング方法及び装置を提供することで
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明方法は上記課題を
解決し上記目的を達成するため、図１に示すように真空
チャンバ１内に、被エッチングウェーハ７を載置するウ
ェーハ載置電極２と，これに平行に対向する対向電極３
を設置し、この両電極２，３にそれぞれ同一周波数の交
流電力を供給すると同時に、Ｎ極とＳ極を相対峙した磁
石６により形成される磁界を両電極２，３間に供給し、
かつ真空チャンバ１内にエッチングガスを供給してプラ
ズマ放電させ、被エッチングウェーハ７をエッチングす
るマグネトロンプラズマエッチング方法において、前記
ウェーハ載置電極２のウェーハ載置面から上方へ５０ｍ
ｍ以上５００ｍｍ以下の範囲で任意位置に前記磁石６を
設定することを特徴とする。

【００１２】本発明装置は同じ課題を解決し、同じ目的
を達成するため、図１に示すように真空チャンバ１内に
被エッチングウェーハ７を載置するウェーハ載置電極２
と，これに平行に対向して対向電極３を設置し、この電
極２，３にそれぞれ同一周波数の交流電力を供給すると
同時にＮ極とＳ極を相対峙した磁石６により形成される
磁界を両電極２，３間に供給し、かつ真空チャンバ１内
にエッチングガスを供給してプラズマ放電させ、被エッ
チングウェーハ７をエッチングするマグネトロンプラズ
マエッチング装置において、前記ウェーハ載置電極２の
ウェーハ載置面から上方へ５０ｍｍ以上５００ｍｍ以下
の範囲で任意位置に前記磁石６を設定する手段１１を設
けてなる。

【００１３】

【作用】ウェーハ載置電極２のウェーハ載置面から上方
へ５０ｍｍ以上５００ｍｍ以下の任意位置に磁石６を設
定すると、両電極２，３間に形成される磁界分布は被エ
ッチングウェーハ７表面に対して凹形の分布となるため
、この磁界に沿って回転運動する電子の働きによって生
ずる濃いプラズマ領域をウェーハ７から遠ざけられる結
果、従来よりウェーハ面内で均一なエッチング速度を実
現し易くなり、磁石６を静止した状態でも磁界を与えな
い通常の平行平板型電極のプラズマエッチングと同等の
均一性を得ることができることになる。

【００１４】

【実施例】図１は本発明方法及び装置の１実施例の構成
を示す説明図、図２は本発明の両電極に供給する交流電
力の位相差とエッチング速度の均一性を示す図、図３は
本発明で得られたウェーハ面内でのエッチング速度の均
一性を示す図である。

【００１５】図１において１は真空チャンバ、２は被エ
ッチングウェーハ７を載置したウェーハ載置電極、３は
これに平行に対向する対向電極で、これらの電極２，３
は真空チャンバ１内に設置されている。４，５はそれぞ
れ同一周波数の交流電力を供給する交流電源、１０は両
電極２，３にそれぞれ供給する交流電力の位相を変える
フェーズシフタである。

【００１６】６はウェーハ載置電極２のウェーハ載置面
から上方へ５０ｍｍ以上５００ｍｍ以下の任意位置に設
定される永久磁石で、そのＮ極とＳ極は相対峙している
。１１は磁石６の位置を設定する磁石上下駆動機構であ
る。

【００１７】１３は両電極２，３間のプラズマ放電領域
の間隔９を、２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の任意距離に設
定する電極間隔調整機構、１２は磁石６を回転する磁石
回転機構で、磁石６をウェーハ表面と平行な面内で回転
可能な構成となっている。

【００１８】磁石位置８，両電極間隔９，及び両電極２
，３に供給する交流電力の位相の各設定をいずれも独立
に、かつ手動で行うか又はプログラム制御による自動で
行う手段を備えている。

【００１９】上記構成の本実施例において、ウェーハ載
置電極２のウェーハ載置面から５０ｍｍ以上５００ｍｍ
以下の任意位置に磁石６を、磁石上下動機構１１により
手動で設定するか又はプログラム制御による磁石上下動
機構１１により自動的に設定すると、両電極２，３間に
形成される磁界分布は、電極２の下方に配置した従来方
法と逆のウェーハ表面に対して凹形の分布となる。

【００２０】そのため、この磁界に沿って回転運動する
電子の働きによって生ずる濃いプラズマ領域をウェーハ
７から遠ざけられる結果、従来よりウェーハ面内で均一
なエッチング速度を実現し易くなり、磁石６を静止した
状態でも磁界を与えない通常の平行平板型電極のプラズ
マエッチングと同等の均一性を得ることができることに
なる。

【００２１】又、ウェーハ載置電極２と対向電極３間の
プラズマ放電領域の間隔９を、少なくとも２０ｍｍ以上
で５０ｍｍ以内の範囲でプログラム制御による電極間隔
調整機構１３により自動的に設定可能であり、かつ、他
のシーケンスとは完全に独立に制御することができる。

【００２２】電極間隔９は小さいほどウェーハ内のＸ方
向とＹ方向とのエッチング速度の差が大きくなり均一性
が低下し、電極間隔９が大き過ぎる場合はウェーハ内の
エッチング速度が周辺部より中心部が大きくなるように
分布して均一性が低下するとともにマグネトロンプラズ
マ放電の特徴である高速のエッチング速度が得られにく
くなるため、上記両電極２，３間の間隔９は少なくとも
２０ｍｍ以上５０ｍｍ以内の範囲が適切である。

【００２３】同一周波数の交流電力を両電極２，３にそ
れぞれフェーズシフタ１０を用いて位相を変えて供給し
、特にウェーハ載置電極２と対向電極３に印加する交流
電力の位相差を種々に変化させると、図２に示す如くウ
ェーハ面内での均一性が変化する。この場合、ウェーハ
載置電極２に供給する交流電力の位相を対向電極３に供
給する交流電力の位相より遅れた位相とした時に、均一
性が著しく向上することが判った。

【００２４】特に位相差が１５０°遅れた場合はエッチ
ング速度の均一性は同じ位相にした場合の約３分の１に
改善できる。なお、位相差の最適値は、電極間隔，ガス
圧力，交流電力などの他のエッチング条件およびチャン
バ構造によって異なるが、約９０°以上１８０°以内の
範囲で効果が認められている。

【００２５】また両電極２，３に供給する交流電力の値
は、磁石位置８に近い対向電極３に供給する交流電力を
、ウェーハ載置電極２に供給する交流電力より小さくし
た場合に均一性が向上することも判った。

【００２６】次に具体例について述べる。図１の装置に
おいて、中空円筒状で周方向に相対峙してＮ極とＳ極を
有し、その円筒状中心部での磁束密度が約１５０ガウス
の永久磁石６を図１に示した如くウェーハ載置電極２の
ウェーハ載置面から約２００ｍｍ上方の位置に手動で設
定した。但しこの場合、放電中は磁石６に周方向の回転
等を与えない静止した状態での固定磁界を供給した。

【００２７】電極間隔９はプログラム設定で４０ｍｍと
し、制御部からの指令でエッチング動作が開始される依
然に４０ｍｍに自動的に設定されるようにした。この状
態で熱酸化膜を形成した直径６インチのシリコンウェー
ハ７を自動搬送してウェーハ載置電極２上に置き、Ｃ２
　Ｆ６　ガスを導入して真空チャンバ１内を約１Ｐａの
ガス圧力に保持しつつウェーハ載置電極２に１３．５６
ＭＨｚの高周波電力を９００Ｗ，また対向電極３に同じ
周波数の高周波電力を７００Ｗそれぞれ供給してマグネ
トロン放電プラズマによるエッチングを行った。尚、こ
の場合ウェーハ載置電極２の電力は位相を対向電極３に
対して約１５０°遅らせて供給した。

【００２８】その結果、図３に示す如くウェーハ内のエ
ッチング速度のバラツキは小さく、均一性は±５．３％
であった。この値は従来の装置で得られる±３０％以上
に比較して極めて小さく、本発明を用いると均一性の優
れたエッチングを実現可能なことが判った。さらに、こ
の場合チャージアップ現象による半導体デバイスの電気
的特性の低下も従来法より著しく低減されていた。

【００２９】本発明は磁石位置８の設定のみならず、ウ
ェーハ載置電極２と対向電極３間の間隔９，両電極２，
３に供給する交流電力の位相及び大きさの一部又は全部
を適切に設定することによりウェーハ面内でのプラズマ
エッチングのなお一層良好な均一性を得ることができる
。

【００３０】更に、磁石６をウェーハ表面と平行な面内
で回転することによりプラズマエッチングの均一性を向
上させることができる。

【００３１】

【発明の効果】上述のように本発明によれば、ウェーハ
載置電極２のウェーハ載置面から上方へ５０ｍｍ以上５
００ｍｍ以下の範囲で任意位置に磁石６を設定すること
により両電極２，３間に形成される磁界分布がウェーハ
載置電極２の下方に配置した従来方法と逆のウェーハ表
面に対して凹形の分布となるため、この磁界に沿って回
転運動する電子の働きによって生ずる濃いプラズマ領域
をウェーハ７から遠ざけられる結果、従来よりウェーハ
面内で均一なエッチング速度を実現し易くなり、磁石６
を静止した状態でも磁界を与えない通常の平行平板型電
極のプラズマエッチングと同等の均一性を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法及び装置の１実施例の構成を示す説
明図である。

【図２】本発明の両電極に供給する交流電力の位相差と
エッチング速度の均一性を示す図である。

【図３】本発明で得られたウェーハ面内でのエッチング
速度の均一性を示す図である。

【図４】従来方法及び装置の１例の構成を示す説明図で
ある。

【図５】図４の装置でシリコンウェーハ上の熱酸化膜を
エッチングした場合のエッチング速度のウェーハ内分布
を示す図である。

【符号の説明】

１　　　　真空チャンバ ２　　　　ウェーハ載置電極 ３　　　　対向電極 ４　　　　交流電源 ５　　　　交流電源 ６　　　　（永久）磁石 ７　　　　被エッチングウェーハ ８　　　　磁石位置 ９　　　　電極間隔 １０　　手段（フェーズシフタ） １１　　手段（磁石上下駆動機構） １２　　手段（磁石回転機構） １３　　手段（電極間隔調整機構）

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　真空チャンバ（１）内に、被エッチン
   グウェーハ（７）を載置するウェーハ載置電極（２）と
   ，これに平行に対向する対向電極（３）を設置し、この
   両電極（２，３）にそれぞれ同一周波数の交流電力を供
   給すると同時に、Ｎ極とＳ極を相対峙した磁石（６）に
   より形成される磁界を両電極（２，３）間に供給し、か
   つ真空チャンバ（１）内にエッチングガスを供給してプ
   ラズマ放電させ、被エッチングウェーハ（７）をエッチ
   ングするマグネトロンプラズマエッチング方法において
   、前記ウェーハ載置電極（２）のウェーハ載置面から上
   方へ５０ｍｍ以上５００ｍｍ以下の範囲で任意位置に前
   記磁石（６）を設定することを特徴とするマグネトロン
   プラズマエッチング方法。
2. 【請求項２】　　両電極（２，３）間のプラズマ発生領
   域の間隔（９），両電極（２，３）に供給する交流電力
   の位相及び大きさの一部又は全部を適切に設定すること
   を特徴とする請求項１のマグネトロンプラズマエッチン
   グ方法。
3. 【請求項３】　　両電極（２，３）間のプラズマ発生領
   域の間隔（９）を，２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲で
   任意距離に、ウェーハ載置電極（２）に供給する交流電
   力の位相を，対向電極（３）に供給する交流電力の位相
   より９０°以上１８０°以内の範囲で遅らせた位相に、
   ウェーハ載置電極（２）に供給する交流電力を、対向電
   極（３）に供給する交流電力より大きく、設定すること
   を特徴とする請求項２のマグネトロンプラズマエッチン
   グ方法。
4. 【請求項４】　　磁石（６）を静止した状態で使用し、
   シリコン酸化膜のウェーハ（７）面内のエッチング速度
   のバラツキが±１０％以下になるようにしたことを特徴
   とする請求項１〜３のマグネトロンプラズマエッチング
   方法。
5. 【請求項５】　　エッチングガスは、フッ素原子を含む
   単独ガス又は該ガスと２種類以上の他のガスとの混合ガ
   スを供給してプラズマ放電させ、被エッチングウェーハ
   （７）のシリコン酸化膜をエッチングすることを特徴と
   する請求項１のマグネトロンプラズマエッチング方法。
6. 【請求項６】　　被エッチングウェーハ（７）に代えて
   半導体素子のシリコン酸化物をエッチングすることを特
   徴とする請求項１〜５のマグネトロンプラズマエッチン
   グ方法。
7. 【請求項７】　　交流電力の周波数を１３．５６ＭＨｚ
   とすることを特徴とする請求項１〜４のマグネトロンプ
   ラズマエッチング方法。
8. 【請求項８】　　真空チャンバ（１）内に被エッチング
   ウェーハ（７）を載置するウェーハ載置電極（２）と，
   これに平行に対向して対向電極（３）を設置し、この両
   電極（２，３）にそれぞれ同一周波数の交流電力を供給
   すると同時にＮ極とＳ極を相対峙した磁石（６）により
   形成される磁界を両電極（２，３）間に供給し、かつ真
   空チャンバ（１）内にエッチングガスを供給してプラズ
   マ放電させ、被エッチングウェーハ（７）をエッチング
   するマグネトロンプラズマエッチング装置において、前
   記ウェーハ載置電極（２）のウェーハ載置面から上方へ
   ５０ｍｍ以上５００ｍｍ以下の範囲で任意位置に前記磁
   石（６）を設定する手段（１１）を設けてなるマグネト
   ロンプラズマエッチング装置。
9. 【請求項９】　　両電極（２，３）間のプラズマ発生領
   域の間隔（９）を設定する手段（１３）と、両電極（２
   ，３）にそれぞれ供給する交流電力の位相を設定する手
   段（１０）及び大きさを設定する手段の一部又は全部を
   備えたことを特徴とする請求項８のマグネトロンプラズ
   マエッチング装置。
10. 【請求項１０】　　磁石位置（８），両電極間隔（９）
    ，及び両電極（２，３）に供給する交流電力の位相の各
    設定をいずれも独立に、かつ手動で行うか又はプログラ
    ム制御による自動で行う手段を備えたことを特徴とする
    請求項８，９のマグネトロンプラズマエッチング装置。
11. 【請求項１１】　　被エッチングウェーハ（７）の表面
    に対して平行又は凸形の磁界分布を発生させる位置に磁
    石（６）を配置したことを特徴とする請求項８〜１０の
    マグネトロンプラズマエッチング装置。
12. 【請求項１２】　　被エッチングウェーハ（７）の表面
    を平行な面内で磁石（６）を回転させる手段（１２）を
    具備したことを特徴とする請求項８〜１１のマグネトロ
    ンプラズマエッチング装置。