JPH0482051B2 - - Google Patents

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JPH0482051B2
JPH0482051B2 JP60050733A JP5073385A JPH0482051B2 JP H0482051 B2 JPH0482051 B2 JP H0482051B2 JP 60050733 A JP60050733 A JP 60050733A JP 5073385 A JP5073385 A JP 5073385A JP H0482051 B2 JPH0482051 B2 JP H0482051B2
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wafer
upper electrode
electrode
plasma
housing
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Chen Rii
Josefu Hendoritsukusu Chaaruzu
Suwami Masado Gangadaara
Josefu Horonshitsuku Sutanree
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International Business Machines Corp
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Publication of JPH0482051B2 publication Critical patent/JPH0482051B2/ja
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    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
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    • H01L21/67017—Apparatus for fluid treatment
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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/3244—Gas supply means
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    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
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  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体ウエハのプラズマ食刻装置、さ
らに具体的には単一の半導体ウエハを食刻するた
めの高圧、高食刻率の反応器に関する。
［開示の概要］ 本発明に従う高圧、高食刻率の単一のウエハ・
プラズマ反応器は食刻するウエハの表面上に反応
気体を均一に分布させるための複数の小さな直径
の開孔もしくは通路が通つた、流体で冷却される
上方電極を有する。流体で冷却される下方電極は
上方電極と隔てられていて、約25以上の縦横比
（ウエハ直径と間隔の比）を与え、その上方表面
に絶縁環を含んでいる。絶縁環は下方電極の露出
表面の上に突出していて、電極の間隔を制御し、
プラズマ閉込め領域を与え、これによつてRF電
力のすべてがウエハによつて消費される様になつ
ている。絶縁環を通つて複数の、間隔を隔てた、
半径方向に延びる通路が存在し、プラズマ閉込め
領域から反応気体を均一に排出する手段を与えて
いる。上方電極には反応気体及び冷却用流体を供
給する第１のハウジングが取付けられている。第
１のハウジングには上方電極と反応気体導入通路
の中間の位置にそらし板が固定され、上方電極の
上にプレナム（高圧室）を形成し、上方電極の上
の反応気体の均一な分布が保証されている。第１
のハウジング及び上方電極は第２のハウジング内
に含まれ、絶縁体ハウジングがその中間に存在す
る。上方電極及び下方電極は互いに及び大地から
電気的に絶縁されていて、一方もしくは両方の電
極に電力が供給される様になつている。
［従来技術］ 半導体装置の製造においては、プラズマ食刻は
通常の湿式食刻に対していくつかの点で優れてい
る。例えば異方性、解像力が優れている点、湿式
食刻に使用される化学薬品に固有の問題の回避等
があげられる。さらに多重ウエハ処理型即ちバツ
チ処理型反応器と比較して、単一ウエハを使用す
る場合には食刻率が高くなる事、食刻の均一性が
改善される事といつた多くの利点がもたらされ
る。例えば大規模集積回路では線の幅が減少する
傾向にあり、各ウエハの装置の数が増大している
ので、ウエハの表面全体及びウエハ毎の食刻の均
一性もしくは一様な食刻率を達成するために厳密
性がより一層要求される様になつた。単一のウエ
ハ用の平行板プラズマ反応器は米国特許第
4209357号及び第4324611号明細書に開示されてい
る。後者の特許は通常の反応器中の２次及び３次
の反応気体の使用を開示している。前者の特徴は
上方電極に反応気体供給源及び排出装置を含んで
いる反応器を説明している。米国特許第4297162
号明細書に開示された反応器はウエハの表面全体
にわたつて食刻の均一性を改良した、変曲上方電
極を含んでいる。これ等のシステムの或るもので
はウエハは上方電極全体にさらされ、米国特許第
4367114号明細書に示される様な他のシステムで
は部分的にプラズマを閉込める壁として絶縁環が
使用されて、ウエハを下方電極にクランプし、電
気的な接触を保証している。この様なシステムで
は、クランプされるウエハの端部は集積回路装置
の製造に使用出来ない。
現在の低圧（＜100μHg）及び中間圧（＜
500μHg）のプラズマ・システムでは、特に厚さ
が約１ミクロンよりも大きな薄膜を食刻する時に
は比較的食刻率が低く、これに応じて食刻時間が
長かつた。さらに、食刻率を増大しようとして反
応気体圧及びRF電力を増すと、食刻の均一性が
劣化し収率も減少した。
［発明が解決しようとする問題点］ 本発明の目的は食刻の均一性が改良された高
圧、高食刻率のプラズマ反応器を与える事にあ
る。
本発明に従えば、両側からウエハの冷却を行う
ために平行な板構造をなす、流体で冷却される上
方電極及び下方電極を有する改良された高圧、単
一ウエハ・プラズマ反応器が与えられる。
本発明に従えば、縦横比が25になる様に電極間
隔が調節可能であり、高い反応気体圧及び高い体
積密度のRF（無線波周波数）電力が組合されて、
食刻の均一性を犠性にする事、レジストの劣化を
生ずる事なく高いプラズマ密度による食刻率を達
成する単一ウエハ・プラズマ反応器が与えられ
る。
［問題点を解決するための手段］ 良好な均一性を有する高い食刻率を達成するた
めには、ウエハ上に均一な高密度のプラズマを発
生する必要がある。その一つの方法は例えば所与
の寸法のウエハに対して小さな電極間ギヤツプの
極めて小さな容積の反応器を使用し、妥当な低面
積の電力密度の入力で高い体積電力密度を得る事
である。狭い電極間間隔即ち大な縦横比（間隔対
ウエハの直径の比）を使用するために、縦横比が
小さな場合に比較して、２次電子が壁で失われる
前に、２次電子が効率的に使用され、より多くの
表面と気体間の衝突が生ずる。この様な場合に、
入力電力のほとんどが高い鉛破損電極を伴なうも
のでなく低いインピーダンスのプラズマを生ずる
様な所望の条件が得られる。この様な反応器の製
造の際の重要な因子には電極が平行で、間隔が狭
い事、効率的なウエハの冷却、ウエハ上にプラズ
マを閉じ込めて反応領域から漏れるRF及びプラ
ズマを最小にする事、均一な気体の分布及び排出
並びにウエハの縁付近のRF及び気体の流れの乱
れを最小にする事である。
本発明は上述の特徴を取入れて従来の装置の多
くの欠点をなくした、単一ウエハ、高圧、高プラ
ズマ密度、高食刻率の平行板反応性プラズマ食刻
装置を与え、食刻の均一性を改良し及び高体積電
力密度でのレジストの劣化をなくする。
本発明の反応器の一実施例では、流体で冷却さ
れる上方電極は小さな直径の、複数の開孔もしく
は通路を含み、食刻されるウエハの表面上に均一
な反応性気体の分布が与えられる。流体で冷却さ
れる下方電極は上方電極から約４mm以下離れてい
て、上方表面に絶縁環を含む。ウエハの直径が
125mmの場合には、４mmの間隔を与えると、縦横
比は約31になる。絶縁環は下方電極の露出表面上
に突出し、電極の間隔を制御し、プラズマ閉込め
領域を与え、これによつてRF電力のすべてウエ
ハによつて消費される。複数の間隔を隔てて絶縁
環を通して延びている通路がプラズマ閉込め領域
からの反応気体を一様に排出する手段を与えてい
る。上方電極には反応気体及び冷却用流体を供給
する第１のハウジングが取付けられ、上方電極及
び気体導入口の中間で、第１のハウジングに取付
けられたそらせ板が上方電極の上にプレナム（高
圧室）を形成し、上方電極の上の均一な反応気体
の分布を保証している。第１のハウジング及び上
方電極は第２のハウジング内に収納され、その間
には絶縁ハウジングが存在する。上方電極及び下
方電極は互に及び大地から電気的に絶縁されてい
て、電極の一方もしくは両方に電力が供給される
様になつている。
［実施例］ 第１図を参照するに、本発明の一実施例に従い
単一のウエハ・プラズマ反応器１０が示されてい
る。円形の導電性の上方電極１２は円筒状の内部
（第１の）ハウジング４に固定されている。ハウ
ジング１４は導電性で、これに取付けられた多孔
性のそらし板１６を含む。そらし板１６はプレナ
ムを形成し、電極１２上の反応気体の分布を一様
にしている。ハウジング１４は又反応気体導入通
路１８、以下詳細に説明される様に上方電極１２
に冷却流体を供給し、これから戻すための冷却流
体導入通路２０及び排出通路２２（第１図には排
出通路２２だけが示されている）を含む。電極１
２及び内部ハウジング１４の組立体は絶縁体ハウ
ジング２４、ブツシユ２６及び排気兼スペース環
２８内に含まれ、上方電極の組立体に電気的絶縁
を与え、電極間のギヤツプを決めている。絶縁体
ハウジング２４を取巻いて、ブツシユ２６と接触
し、排気兼スペース環２８に取付けられているが
絶縁体ハウジング２４とは離れている円筒状の外
方ハウジング３０が存在し、その間にギヤツプ３
２を与え、反応気体を外方ハウジング３０の上方
部にある排気装置３４に送つている。外方ハウジ
ング３０は導電性もしくは非導電性のものであ
り、クランプ環３６によつて排気兼スペース環２
８に取付けられている。反応器組立体全体は環状
クランプ１１によつて基準表面に保持及び位置付
けられる。
一つの実施例では反応器１０の導電性の上方部
４０及び電気的絶縁を与える絶縁性の下方部４２
から形成された下方電極組立体３８を含む。上方
部４０は中央隆起部を有し、これは絶縁環４４に
よつて取巻かれている。絶縁環４４はその最上部
の内方縁につばもしくはチヤンネルが形成されて
いる。この様にして、環４４の垂直内方表面４３
は上方部４０の露出表面４１から隔てられ、他方
環４４の内方チヤンネルの水平表面４５は電極４
０の上方表面４１の下に存在する。周辺溝３９が
随意に絶縁環４４中に形成され、ウエハを下方電
極組立体の上方部４０上に自動的に位置付ける手
段を与えている。ウエハを送る時、自動送りが使
用される時は、ウエハは環４４の表面４５上に支
持され、環４４は下方電極組立体３８の上方部４
０からウエハ取付け装置（図示されず）によつて
分離される。ウエハの自動取付け、及び取はずし
が使用されない場合には溝３９のない環４４が下
方電極組立体３８の上方部４０に固定されて使用
される。反応器１０が第１図に示された様に閉ざ
されると、下方電極組立体３８の導電性上方部４
０のくぼんだ表面は排気兼スペース環２８に対し
て押付けられ、絶縁環４４が上方電極１２と接触
する。下方電極組立体３８の上方部４０の露出表
面４１の上にある環４４の上方表面の突起部が上
方電極１２及び表面４１間に包囲されるプラズマ
の閉込め領域４６を形成する。環２８の厚さによ
つて決まる上方電極１２及び下方電極組立体３８
間の間隔及び平行性は領域４６の体積電力密度を
増大するために約４mm以下である事が好ましい。
通路４８に代つて環４４の上に25.4×10-3乃至
38.1×10-3cmのギヤツプを与える事によつても極
めて効率的であるとは云えないがプラズマを閉込
める事が出来る。絶縁環４４及び排気兼スペース
環２８は夫々半径方向に延びる通路４８及び５０
を含みプラズマ閉込み領域４６から反応気体を排
出する手段を与えている。通路５０に加えて環２
８はその内部表面に形成された排気多岐管もしく
は溝（図示されず）を有し、効果的に気体を排出
するのに通路４８及び５０は整列させる必要はな
い様になつている。排出兼スペース環２８中の通
路５０は絶縁体２４及び外方ハウジング３０間の
ギヤツプ３２に向けて開けられている。この様な
手段によつて反応気体は導入通路１８から導入
し、次にそらし板１６及び上方電極１２を通して
プラズマの閉込め領域４６に達し、通路４８及び
５０を通り、ギヤツプ３２を通つて外方ハウジン
グ３０中の排気装置３４から外に出る。
下方電極組立体３８の上方部４０の下方表面は
その中にチヤンネル５２が形成されていて、上方
部４０及び下方部４２が組立てられた時に、これ
を通して冷却流体を指向するための閉じた通路に
なる。冷却用チヤンネル５２は一つの実施例では
単一の連続通路を形成する蛇行構造をなしてい
る。冷却流体は上方電極１２に供給するものと同
じ流体源から供給出来るが、別の冷却流体源が使
用出来る。この様にして電極１２及び３８の動作
温度は正確に個々に制御される。
電極１２及び３８は互に電気的に絶縁してい
て、接地されていないので、動作中に電極の一方
もしくは両方がRF電力源（図示されず）に結合
され、他方の電極が接地される。プラズマが環状
の空間３２に維持されるのを避けるために上方電
極にRF電力が与えられる時は、絶縁体ハウジン
グ２４の全外方表面を接地シールドで覆う事が出
来る。この配列で両方の電極がRF電力を受ける
時は、反応器は又三極管、周波数混合及び基板同
調モードで都合よく動作する。食刻されるべき半
導体ウエハは上方電極１２並びにハウジング１
４，２４及び３０を含む上方電極組立体を持上げ
るかもしくは下方電極組立体３８を下げる事によ
つて下方電極組立体３８上に位置付けられる。い
ずれの場合にも通常のウエハ取付け装置が使用出
来る。
第２乃至第６図は上方電極１２を示している。
第２図を参照するに、電極１２はこれを通つて垂
直に延びる複数個の、間隔を隔てた開孔即ち通路
５４を含む。この実施例では、第３図及び第４図
に示された様に、各通路５４の上方部は一つの直
径を有し、他方下方部分は小さな直径を有する。
これによつて電極１２の製造が容易になる。それ
は約25mmの厚さの電極全体を通して、例えば0.1
乃至0.4mmの程度の小さな直径の開孔を形成する
事は困難だからである。電極１２の下方表面にあ
る小さな開孔の通路５４はその下のウエハの表面
上に反応気体を均一に分布するため及びプラズマ
が通路の内部に形成されるのを防止するのに必要
である。番号56は以下詳細に説明される冷却用通
路５６を示し、６６はその垂直導入孔を示してい
る。
第５図は冷却用通路５６がその中に形成された
上方電極１２の正面の断面図を示している。第６
図を参照するに通路５６は電極１２を通して水平
に延びる複数の平行な間隔を隔てた開孔５８を形
成する事によつて都合よく形成されている。周辺
溝６０は開孔５８と一致する様に電極１２に形成
されていて、相継ぐ開孔５８間の領域の一部は溝
６０の最奥の表面で除去されている。
この様にして交互の開孔領域６２が第５図に示
された如く溝６０の表面に形成される。上方電極
１２の最終組立体において、環６４（第１図参
照）が溝６０中にはめ込まれ、溶接され、交代す
る開孔５８の端が閉ざされる。もしくは第１図に
示された様な断面の環６４に代つて、外側の表面
が上方電極１２の周辺と一致する様な環を与え、
電極１２の外方表面を滑らかにする事が出来る。
環６４が溝６０中に挿入された状態で、電極１２
中には単一の連続した蛇行通路５６が与えられ、
その中を冷却流体を流す事が出来る。第４図を参
照するに、冷却流体は垂直導入孔６６によつて通
路５６に導入され、通路５６の一番端と交差す
る、第２図に示され、第５図の破線で示された排
出孔６８から排出される。これによつて電極１２
を通して冷却流体の一様な分布が与えられる。
次に第７図を参照するに、第１図の内部ハウジ
ング１４の側断面図が示されている。第８図は第
７図の線８−８から見た底部平面図である。ベル
状ハウジング１４は延長上部７０及び広い下部７
２を有する。上部７０中には垂直な反応気体通路
１８並びに冷却流体通路２０，２２が形成されて
いる。反応気体通路１８はハウジング１４の下表
面に延び、他方冷却流体導入及び排出通路２０及
び２２は下部７２に形成された水平通路７４及び
７６と夫々交つている。次に通路７４及び７６は
夫々垂直通路７８及び８０と交差し、ハウジング
１４の下表面に延びている。通路７８及び８０は
夫々第２図に示された様に上方電極１２中の導入
孔６６及び排出孔６８と夫々整列している。ハウ
ジング１４と上方電極１２間の種々の通路の境界
は通常の様にＯ環で封止される。この様にして、
冷却流体は導入通路２０，７４及び７８を通つて
内方ハウジング１４を流れ、次に導入孔６６及び
通路５６によつて上方電極１２を通して流れ、最
後に排出孔６８並びに通路８０，７６及び２２を
通して、ハウジング１４から外に出される。
第１図に示された様に、上方電極１２と反応気
体通路１８の排出孔の中間位置において、そらし
板１６は内方ハウジング１４のつば８２（第７
図）に固定される。そらし板１６は上方電極１２
中の開孔５４と大きさ及び配置が同じ複数の開孔
を含む事が好ましい。第１図ではより小さな
（0.1乃至0.4mm）の開孔が上方向に向い、開孔の
パターンはそらし板１６のパターンが電極１２の
開孔５４と直接整列しない様に配列されている。
この様な構造は、そらし板１６の上方表面及び下
方表面間に圧力差を生じ、上方電極１２の表面上
の反応気体の均一な分布を保証する。他の、例え
ば焼結そらし板の様なそらし板構造体が所望の圧
力差を得るのに使用される。しかしながら、焼結
そらし板は食刻の前及び食刻動作が完了した後に
反応器中の反応気体を一帰するのに必要とされる
時間が長くなるという欠点がある。
上方電極１２及び下方電極組立体３８の上方部
４０は所望の反応気体及び他の処理パラメータと
両立可能である、例えばステンレス鋼、アルミニ
ウム、銅等の如き任意の導電性材料から製造され
る。プラズマ反応器１０の絶縁素子、即ち絶縁ハ
ウジング２４、ブツシユ２６、排気環２８、クラ
ンプ環３６、下方電極３８の下方部４２及び絶縁
環４４はプラスチツク、ナイロン、ガラス、セラ
ミツク、石英、ポリテトラフルオロエチレン、も
しくは他の適切な絶縁体である。そらし板１６は
上述の導電性材料の一つもしくは焼結グラフアイ
トで形成される。内方ハウジング１４は導電性で
あり、導電性もしくは非導電性のものでよい外方
ハウジング３０は上述の導電性もしくは絶縁性材
料の任意のものから形成され、その選択は反応気
体及び望まれている構造上の完全性及び製造上の
容易性に依存する。上述の実施例において、上方
電極１２、下方電極組立体３８の上方部４０、そ
らし板１６、内方ハウジング１４及び外方ハウジ
ング３０はアルミニウムである。絶縁環４４はガ
ラス・セラミツク、下方電極３８の下方部４２は
プラスチツクであり、絶縁ハウジング２４、ブツ
シユ２６、排出兼スペース環２８及びクランプ環
３６はナイロンである。
本発明の装置はウエハの全表面上で一様な食刻
を与え高いプラズマ食刻率を与える。これには反
応気体の一様な分配、電極が著しく接近している
事及びプラズマの閉込めの程度が高い事が寄与し
ている。ウエハ以外に上方電極１２にさらされる
導電性表面は存在しないので、プラズマからの
RF電力のほとんどすべてがウエハによつて消費
され、従つて高い食刻率が保証される。
下方電極組立体３８の表面４１は食刻されるべ
きウエハよりもわずかに小さく、ウエハの端には
小さな張出が残される。さらに、絶縁環４４の表
面４５は表面４１よりもわずかに低いので、ウエ
ハは表面４１上に完全に静置され、ウエハ及び下
方電極間には良好な電気的接触が保証される。表
面４１と表面４５間の垂直変位は上方電極１２及
び下方電極組立体３８間のギヤツプよりも略１桁
もしくは２桁程度小さい事が好ましい。
種々の従来の反応器に使用されるウエハ・クラ
ンプがいらないので、ウエハの端の反応気体の流
れ及び電子密度の歪みが最小にされ、集積回路の
製造のためにウエハの全表面が利用可能になる。
この分野の専門家にとつては処理パラメータ、
即ち反応気体の化学物質、RF電力のレベル及び
周波数、気体の圧力及び流率、食刻時間等の正確
な選択は食刻されるべき材料の厚さ及び型に依存
する事は明らかであろう。しかしながら、本発明
の反応器によれば、種々の反応気体を使用して、
種々の材料を食刻し優れた結果を得る事が出来
る。一つの実施例では、RF電力の導度は約３ワ
ツト／cm2よりも大きく、プラズマ領域４６には約
0.5乃至10トルの範囲の高い反応気体圧が保持さ
れる。上方電極１２及び下方電極組立体３８の温
度はこれを通して冷却水を通過させる事によつて
調節されるが、他の型の冷却流体も使用出来る。
高いRF体積電力密度及び気体圧力を可能ならし
める本発明の反応器の構造は従来の反応器を比較
して食刻率及び食刻の一様性が著しく増大する。
これによつて必要な食刻時間が減少され、多くの
例で一桁程度以上減少される。
本発明の反応器は添加及び非添加ケイ素、ホト
レジスタ、ポリイミド及び酸化ケイ素の如き材料
を食刻するのに実際に使用された。CF4中の、熱
的に成長されたSiO2を食刻した際の食刻率は略
1.5ミクロン／分で、酸素中の重合体材料のため
の食刻率は４ミクロン／分であつた。勿論プラズ
マで食刻出来る任意の材料が本発明の反応器によ
つて処理出来る。
従つて本発明のプラズマ反応器は種々の材料を
食刻する際の食刻率及び食刻の一犠性を改良した
単一ウエハ高圧装置である。
［発明の効果］ 本発明に従えば、食刻の均一性が改良された高
圧、高食刻率のプラズマ反応器が与えられる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例に従うプラズマ反応
器の立断面図である。第２図はプラズマ反応器の
上方電極を上から見た平面図である。第３図は第
２図の線３−３に沿つて見た、上方電極の一部の
立断面図である。第４図は第２図の線４−４に沿
つて見た上方電極の他の部分の立断面図である。
第５図は第６図の線５−５に沿う、上方電極を上
から見た、内部の冷却用通路の詳細を示した断面
図である。第６図は第２図に示された上方電極の
側面図である。第７図は第８図の線７−７に沿つ
て見た、第１図のプラズマ反応器の内方ハウジン
グの側断面図である。第８図は第７図の線８−８
に沿つて見た、内方ハウジングの底の平面図であ
る。 １０……単一ウエハ・プラズマ反応器、１１…
…環状クランプ、１２……上方電極、１４……内
部ハウジング、１６……そらし板、１８……反応
気体の導入通路、２０……冷却流体導入通路、２
２……冷却流体排出通路、２４……絶縁体ハウジ
ング、３０……外方ハウジング、３８……下方電
極組立体、４６……プラズマ閉込め領域。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ (a) 半導体ウエハを支持するための流体で冷
    却される下方電極と、 (b) 反応気体を上記ウエハ上に均一に分配する手
    段を含み、上記下方電極と略平行で、縦横比が
    25以上となるように上記下方電極から隔され
    た、流体で冷却される上方電極と、 (c) 上記電極の一方もしくは両方にRF電力を結
    合するための手段と、 (d) プラズマを閉じ込めるため、上記上方電極及
    び下方電極の間でこれらの電極の周縁部に設け
    られた絶縁環とを含み、 上記絶縁環は、上記下方電極の露出表面より
    も下に存在する表面及び該表面から上方にのび
    る内方表面を有する、 半導体ウエハのプラズマ食刻装置。
JP60050733A 1984-06-22 1985-03-15 半導体ウエハのプラズマ食刻装置 Granted JPS618927A (ja)

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