JPH0529270A - マグネトロンプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被処理体の全面について均一な処理を行なう
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。 【構成】 ウエハ１０の外周を囲むように、カソードリ
ング２２および補助リング２４を載置する。さらに、補
助リング２４の表面からアノード電極３０ａまでの距離
が、ウエハ１０の処理面からアノード電極３０ａまでの
距離よりも短くなるように、補助リング２４の厚さを定
めることにより、このウエハ１０の周辺部のマグネトロ
ンプラズマ生成量を増大させ、これにより、マグネトロ
ンプラズマ生成領域全体におけるマグネトロンプラズマ
生成量の均一化を図り、ウエハ１０に対する均一な処理
を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体製造装置
等に使用される、マグネトロンプラズマ処理装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、マグネトロンプラズマ処理装置と
しては、例えば半導体素子の製造に使用されるドライエ
ッチング装置や薄膜形成装置等が知られている。この種
のマグネトロンプラズマ処理装置においては、装置の処
理室内にプラズマを生成し、このプラズマ内のイオン、
ラジカル、電子等の作用を利用して所望の処理（エッチ
ング或いは薄膜形成等）が行なわれる。

【０００３】以下、このようなマグネトロンプラズマ処
理装置について、図１１に示したマグネトロンプラズマ
エッチング装置を例に採って説明する。

【０００４】同図において、真空引きが可能であり、且
つ、エッチングガスの導入が可能なプロセスチャンバー
４０の内部には、被処理体としてのウエハ１０を載置す
るための載置電極４２と上部電極４６が設けられてい
る。この載置電極４２と上部電極４６とは、共に導電性
材料で形成されており、また、上部電極４６は接地さ
れ、載置電極４２には周波数例えば３８０ＫＨｚまたは
１３．７５ＭＨｚの高周波電力を出力するＲＦ電源４４
が接続されている。このような構成により、上部電極４
６と載置電極４２とを平行平板電極として、カソードカ
ップリング（ＲＩＥ）方式により、ウエハ１０に臨んで
プラズマを生成することができる。このプラズマ内のイ
オン或いは中性子等がウエハ１０を形成するシリコン化
合物と反応し、あるいは物理的に作用することにより、
ウエハ１０のエッチングが行なわれるのである。

【０００５】また、かかる装置では、ヨーク３６に支持
された２個の永久磁石３８を回転軸３６ａで回転させる
ことによって、図１１に破線で示したように、上部電極
４６と載置電極４２との間に、この上部電極４６および
載置電極４２に水平な成分を有する磁界を形成してい
る。これは、上部電極４６と載置電極４２との間に発生
する電界と、この電界に直交する磁界成分との作用によ
って、それぞれに直交する方向に電子のサイクロイド運
動を行なわせ、これにより電子とガス分子との衝突の頻
度を増大させるためである。これにより、プラズマの生
成量を増大させることができ、したがって、エッチング
の速度を速くすることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】プラズマエッチング装
置では、エッチング量を、ウエハ１０の全面で均一にす
ることが要求される。

【０００７】しかしながら、上述のごとき従来のマグネ
トロンプラズマエッチング装置を用いてエッチングを行
なう場合、一般にはウエハ１０の周辺部付近よりも中央
部付近の方がエッチング速度が速くなってしまい、この
ため、エッチングの均一性は、十分に満足することがで
きるものではなかった。本発明者の検討によれば、これ
は、ウエハ１０の中央部付近では永久磁石３８によって
得られる磁界がウエハ１０の表面とほぼ水平であり、し
たがって電界と直交する成分が大きいのに対し、周辺部
付近で形成される磁界はウエハ１０の表面と水平ではな
いので電界と直交する成分が小さく、このため電子のサ
イクロイド運動が起こりにくいからであると考えられ
る。

【０００８】このような問題は、マグネトロンプラズマ
エッチング装置に限らず、プラズマによって処理するプ
ラズマスパッタ装置やプラズマＣＶＤ装置等にも共通し
ている。

【０００９】本発明は、このような従来技術の有する課
題に鑑みて試されたものであり、被処理体の全面につい
て均一な処理を行なう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を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のマグネトロンプ
ラズマ処理装置は、被処理体を載置する第１の電極およ
びこの第１の電極に対向する第２の電極によって形成さ
れた電界と、磁界発生手段によって形成された前記電界
と垂直な成分を有する磁界と、を作用させて反応室内に
マグネトロンプラズマを生成し、このマグネトロンプラ
ズマによって前記被処理体の処理を行なうマグネトロン
プラズマ処理装置において、前記被処理体の周縁を囲む
ように前記第１の電極上に載置されたリングを有し、且
つ、このリングの厚さを、このリングの表面から前記第
２の電極までの距離が前記第１の電極に載置された前記
被処理体の処理面から前記第２の電極までの距離よりも
短くなるように定めたことを特徴とする。

【００１１】

【作用】リングを被処理体の周縁を囲むように第１の電
極上に載置し、且つ、リングの表面から前記第２の電極
までの距離が第１の電極に載置された被処理体から第２
の電極までの距離よりも短くなるようにリングの厚みを
決定することにより、被処理体の周辺部付近の高周波電
界を強くすることができ、マグネトロンプラズマ生成量
を増大させることができ、これにより、マグネトロンプ
ラズマ生成領域全体におけるマグネトロンプラズマ生成
量の均一化を図り、被処理体に対する均一な処理を実現
する。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の第１の実施例として、本発明
をマグネトロンプラズマエッチング装置に適用した場合
を例に採って説明する。

【００１３】図１は、本実施例に係わるマグネトロンプ
ラズマエッチング装置の構成を概略的に示す断面図であ
る。

【００１４】被処理体であるウエハ１０は、図示しない
高周波電源から電力が供給される第１のサセプター１２
の上面に載置固定される。載置固定を行なう方式として
は、例えば、静電チャック（図示せず）方式を用いるこ
とができる。これは、クーロン力によってウエハ１０を
吸引して固定する方式である。前記第１のサセプター１
２は、第２のサセプター１４の上面に対して着脱自在に
固定される。このように、サセプターを２つに分割して
いるのは、サセプターが汚染された場合に上側の第１の
サセプター１２のみを交換すればよいこととし、そのメ
ンテナンスを容易にするためである。

【００１５】第１のサセプター１２並びに第２のサセプ
ター１４の側面および底面は、絶縁セラミック１６によ
って覆われている。また、この絶縁セラミック１６の下
面には、冷却部としての液体チッ素収容部２０が設けら
れている。この液体チッ素収容部２０の内壁底面は、例
えばポーラスに形成され、核沸騰を起することができる
ようになっており、その内部の液体チッ素を−１９６℃
に維持できる。

【００１６】反応室を形成するためのチャンバーは、上
部チャンバー３０と下部チャンバー３２とから形成され
る。前記下部チャンバー３２は、第１のサセプター１２
のウエハ載置面のみをチャンバー室内に露出し、他の部
分を覆うような有底筒部を有する。すなわち、前記第
１，第２のサセプター１２，１４，絶縁セラミック１
６，液体チッ素収容部２０の側面を覆う側壁３２ａと、
支持壁３２ｂとを有している。一方、前記上部チャンバ
ー３０は、下部チャンバー３２の側壁３２ａの周囲を覆
うように筒状に形成され、その下端側が前記下部チャン
バー３２と連結固定されている。また、この上部チャン
バー３０は、第１のサセプター１２の上面と対向する面
３０ａを有している。なお、エッチングガスは、この面
３０ａの孔（図示せず）を介して導入される。

【００１７】この上部チャンバー３０と前記下部チャン
バー３２とで構成される反応室内は、配管３４によって
真空引きが可能である。

【００１８】なお、図１に示すように、前記第１のサセ
プター１２、第２のサセプター１４、絶縁セラミック１
６、液体チッ素収容部２０には、それぞれ貫通穴が設け
られており、この貫通穴には配管３６が配置されてい
る。前記ウエハ１０と前記第１のサセプター１２との接
合面には、ウエハ１０の裏面の微細な凹凸等に起因する
空隙が存在しており、ウエハ１０に温度むらが生じる原
因となるが、この配管３６を介して空隙に所定の圧力の
Ｈ₂ ガスを充満させることにより、かかる温度むらを防
止することができる。

【００１９】本実施例のマグネトロンエッチング装置で
は、上部チャンバー３０の面３０ａをカソード電極とし
て作用させ、第１のサセプター１２の表面をアノード電
極として作用させることにより、ＲＩＥ方式のマグネト
ロンプラズマエッチング装置を構成している。そして、
チャンバー内を真空引きした状態でエッチングガスを導
入し、上記対向電極間にエッチングガスによるプラズマ
を生成する。このように、本実施例では、上部チャンバ
ー３０の面３０ａをアノード電極として使用しているの
で、装置の構成を簡単にすることができ、さらに、後述
する永久磁石３８を上部チャンバー３０の外に配置する
ことができる。また、このように、永久磁石３８を上部
チャンバー３０の外に配置することにより、反応室の容
積を小さくすることができるので、配管３４につながれ
た真空ポンプ（図示せず）の負担を小さくすることがで
き、或いは、真空引きに要する時間を短縮することがで
きる。

【００２０】本実施例のマグネトロンエッチング装置で
は、永久磁石３８を回転させることにより、上部チャン
バー３０の面３０ａと第１のサセプター１２のとの間に
回転磁界を形成することができる。永久磁石３８によっ
て上部チャンバー３０の面３０ａと第１のサセプター１
２のとの間に磁界を形成するのは、上部チャンバー３０
の面３０ａと第１のサセプター１２との間に発生する電
界と、この電界に直交する磁界成分との作用によって、
フレミングの左手の法則により、それぞれに直交する方
向に電子のサイクロイド運動を行なわせ、これにより電
子とガス分子との衝突の頻度を増大させるためである。

【００２１】前記下部チャンバー３２の上面にはウエハ
１０の外周に沿って導電性の例えばＳｉＣやカーボンか
らなるカソードリング２２が載置され、さらに、このカ
ソードリング２２の上面には導電性材料（ここではＳｉ
Ｃ）によって形成された補助リング２４が載置されてい
る。図２は、このカソードリング２２および補助リング
２４を示す拡大断面図である。図において、図１と同じ
符号を付した構成部は、それぞれ図１の場合と同じもの
を示す。カソードリング２２の上面に補助リング２４を
載置することとしたのは、この補助リング２４の上面の
位置をウエハ１０のエッチング面よりも高くすることに
より、補助リング２４上の空間の高周波電界強度をウエ
ハ１０上の空間の電界強度よりも大きくするためであ
る。

【００２２】永久磁石３８によって形成される磁界は、
図１に破線で示したように、ウエハ１０の中央部の上方
ではほぼ水平となっており、周辺部に近付くほど傾きが
大きくなる（すなわち、垂直成分が大きくなる）。した
がって、アノード電極（上部チャンバー３０の面３０
ａ）とカソード電極（第１のサセプター１２）との間に
形成される電界が両電極間のすべての領域において均一
であれば、上述の電子のサイクロイド運動は、ウエハ１
０の中央部の上方では激しくなり、周辺部に近付くほど
穏やかになる。したがって、ウエハ１０のエッチング速
度は、中央部では速くなり、周辺部に近付くほど遅くな
ってしまう。これに対して、本実施例のマグネトロンプ
ラズマエッチング装置では、補助リング２４を設けるこ
とにより、この補助リング２４上の空間の電界強度を、
ウエハ１０上の空間の電界強度に比べて大きくした。こ
れにより、マグネトロンプラズマ生成領域の電子に加わ
る力（電界強度Ｈ×磁界強度Ｂ）を均一化し、電子のサ
イクロイド運動がマグネトロンプラズマ生成領域の全域
で均一に行われるようにして、エッチング速度の均一化
を図っている。

【００２３】図３〜図５は、それぞれ、ウエハ１０のエ
ッチング速度のばらつきの測定結果を示すグラフであ
る。各図において、横軸はウエハ１０の中心からの距離
（単位ｍｍ）であり、縦軸はエッチング速度（単位ｎｍ
／ｍｉｎ）である。なお、各測定は、表１に示した測定
条件にしたがって行なった。また、ウエハ１０の外縁と
補助リング２４との間隔（図２に示したｄ）は、１．５
ｍｍとした。

【００２４】図３は、補助リング２４を設けない場合の
測定結果である。図から解るように、補助リング２４を
設けない場合は、エッチング速度は、全体的に、ウエハ
１０の中央部で高くなり、周辺部で遅くなる。測定の結
果、ウエハ１０のエッチング面全体のエッチング速度の
平均値は、３７９．６ｎｍ／ｍｉｎであり、エッチング
速度のばらつきは、この平均値を基準として±９．３％
であった。

【００２５】図４は補助リング２４の上面がウエハ１０
のエッチング面よりも１．５ｍｍ高い場合、すなわち、
図２においてｔ＝１．５ｍｍであるときの測定結果であ
る。エッチング速度の平均値は３７９．７ｎｍ／ｍｉ
ｎ、エッチング速度のばらつきは±５．４％であった。
なお、このエッチング速度の平均値は、測定誤差を考慮
すれば、補助リング２４を設けない場合の値と同一であ
ると考えて差し支えない。このように、ウエハ１０のエ
ッチング面よりも１．５ｍｍ高い補助リング２４を使用
することにより、エッチング速度を悪化させること無
く、エッチング速度のばらつきを飛躍的に減少させるこ
とができた。

【００２６】また、図５は補助リング２４の上面がウエ
ハ１０のエッチング面よりも３．５ｍｍ高い場合、すな
わち、図２においてｔ＝３．５ｍｍであるときの測定結
果である。エッチング速度の平均値は３７８．２ｎｍ／
ｍｉｎ、エッチング速度のばらつきは±９．５％であっ
た。この場合も、エッチング速度の平均値は、測定誤差
を考慮すれば、補助リング２４を設けない場合の値と同
一であると考えて差し支えない。図５から解るように、
ウエハ１０のエッチング面よりも３．５ｍｍ高い補助リ
ング２４を使用した場合、エッチング速度は、図３の場
合とは逆に、ウエハ１０の中央部で遅く、周辺部で速く
なり、その結果、エッチング速度のばらつきは図３の場
合とほぼ同じになってしまう。

【００２７】このように、補助リング２４を使用するこ
とにより、エッチング速度の平均値をまったく変化させ
ること無く、ウエハ１０の周辺部のエッチング速度を増
加させることができる。また、ウエハ１０の周辺部のエ
ッチング速度を増加量は、補助リング２４の高さによっ
て制御することができる。したがって、この補助リング
２４の高さを適当に定めることにより、ウエハ１０のエ
ッチング速度の均一化を図ることが可能である。但し、
補助リング２４の高さをウエハ１０のエッチング面の高
さよりも３．５ｍｍ以上とすると、周辺部のエッチング
速度が増加し過ぎて、かえってエッチング速度の均一性
が悪化するので、補助リング２４の高さとウエハ１０の
エッチング面の高さとの差は、３．５ｍｍ未満とするこ
とが望ましい。

【００２８】

【表１】 次に、本発明の第２の実施例として、本発明をマグネト
ロンプラズマエッチング装置に適用し、補助リングを絶
縁性材料によって形成した場合を例に採って説明する。

【００２９】本実施例におけるマグネトロンプラズマエ
ッチング装置の構成は、図１に示した上記第１の実施例
のマグネトロンプラズマエッチング装置の構成と同様と
した。ただし、補助リング２４としては絶縁性材料（こ
こでは石英）で形成したものを使用した。

【００３０】本実施例では、補助リング２４を設けるこ
とによってウエハ１０の周辺部のエッチング速度を増大
させ、これによりマグネトロンプラズマ生成量の均一化
を図っている。

【００３１】図６〜図８は、それぞれ、本実施例におけ
る、ウエハ１０のエッチング速度のばらつきの測定結果
を示すグラフである。各図において、横軸はウエハ１０
の中心からの距離（単位ｍｍ）であり、縦軸はエッチン
グ速度（単位ｎｍ／ｍｉｎ）である。なお、各測定は、
上記第１の実施例と同様、表１に示した測定条件にした
がって行なった。また、ウエハ１０の外縁と補助リング
２４との間隔（図２に示したｄ）も、上記第１の実施例
と同様、１．５ｍｍとした。

【００３２】図６は、補助リング２４を設けない場合の
測定結果である。測定の結果、ウエハ１０のエッチング
面全体のエッチング速度の平均値は、３９９．６ｎｍ／
ｍｉｎであった。また、エッチング速度のばらつきは、
この平均値を基準として±１０．９％であった。

【００３３】図７は補助リング２４の上面がウエハ１０
のエッチング面よりも１．５ｍｍ高い場合、すなわち、
図２においてｔ＝１．５ｍｍであるときの測定結果であ
る。エッチング速度の平均値は４０７．４ｎｍ／ｍｉ
ｎ、エッチング速度のばらつきは±９．４％であった。
このように、ウエハ１０のエッチング面よりも１．５ｍ
ｍ高い補助リング２４を使用することにより、エッチン
グ速度を増加させ、且つ、エッチング速度のばらつきを
減少させることができた。

【００３４】また、図８は補助リング２４の上面がウエ
ハ１０のエッチング面よりも３．５ｍｍ高い場合、すな
わち、図２においてｔ＝３．５ｍｍであるときのの測定
結果である。エッチング速度の平均値は４１２．６ｎｍ
／ｍｉｎ、エッチング速度のばらつきは±５．１％であ
った。このように、ウエハ１０のエッチング面よりも
３．５ｍｍ高い補助リング２４を使用することにより、
エッチング速度を増加させ、且つ、エッチング速度のば
らつきを飛躍的に減少させることができた。

【００３５】このように、補助リング２４として絶縁性
材料で形成したものを使用した場合も、上記第１の実施
例の場合と同様、ウエハ１０の周辺部のエッチング速度
を増加させることができる。また、ウエハ１０の周辺部
のエッチング速度を増加量は、補助リング２４の高さに
よって制御することができる。したがって、この補助リ
ング２４の高さを適当に定めることにより、ウエハ１０
のエッチング速度の均一化を図ることが可能である。さ
らに、本実施例によれば、エッチング速度の平均値を増
加させることもできる。

【００３６】なお、本発明は上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変形実施が可
能である。

【００３７】例えば、上記第１および第２の実施例のマ
グネトロンプラズマエッチング装置では、上部チャンバ
ー３０の面３０ａをカソード電極として使用し、また、
永久磁石３８を上部チャンバー３０の外に配置する構成
としたが、反応室内にカソード電極と磁界発生器とを配
置する構成としてもよい。

【００３８】また、補助リング２４の上面は、上部チャ
ンバー３０の面３０ａと平行に形成したが、図９に示す
ように永久磁石３８によって形成される磁界（磁力線）
に沿った曲面でもよいし、また、図１０に示すように上
記磁界（磁力線）に沿って階段状に形成してもよい。

【００３９】さらに、カソードリング２２および補助リ
ング２４によってリングを構成したが、１のリングによ
って構成してもよい。

【００４０】なお、本発明は必ずしもマグネトロンプラ
ズマエッチング装置に適用するものに限らず、例えばプ
ラズマＣＶＤ装置等、他のマグネトロンプラズマ処理装
置にも同様に適用できる。

【００４１】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明のマ
グネトロンプラズマ処理装置によれば、被処理体の全面
について均一な処理を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係わるマグネトロンプラズマ
エッチング装置の概略断面図である。

【図２】図１に示すマグネトロンプラズマエッチング装
置に設けられたカソードリングおよび補助リングを示す
拡大断面図である。

【図３】本発明の第１の実施例に係わるマグネトロンプ
ラズマエッチング装置において、補助リングを設けない
場合の、ウエハのエッチング速度のばらつきの測定結果
を示すグラフである。

【図４】本発明の第１の実施例に係わるマグネトロンプ
ラズマエッチング装置において、補助リングの上面がウ
エハのエッチング面よりも１．５ｍｍ高い場合の、ウエ
ハのエッチング速度のばらつきの測定結果を示すグラフ
である。

【図５】本発明の第１の実施例に係わるマグネトロンプ
ラズマエッチング装置において、補助リングの上面がウ
エハのエッチング面よりも３．５ｍｍ高い場合の、ウエ
ハのエッチング速度のばらつきの測定結果を示すグラフ
である。

【図６】本発明の第２の実施例に係わるマグネトロンプ
ラズマエッチング装置において、補助リングを設けない
場合の、ウエハのエッチング速度のばらつきの測定結果
を示すグラフである。

【図７】本発明の第２の実施例に係わるマグネトロンプ
ラズマエッチング装置において、補助リングの上面がウ
エハのエッチング面よりも１．５ｍｍ高い場合の、ウエ
ハのエッチング速度のばらつきの測定結果を示すグラフ
である。

【図８】本発明の第１の実施例に係わるマグネトロンプ
ラズマエッチング装置において、補助リングの上面がウ
エハのエッチング面よりも３．５ｍｍ高い場合の、ウエ
ハのエッチング速度のばらつきの測定結果を示すグラフ
である。

【図９】本発明に係わる補助リングの形状の他の例を示
す概略断面図である。

【図１０】本発明に係わる補助リングの形状の他の例を
示す概略断面図である。

【図１１】従来のマグネトロンプラズマエッチング装置
の概略断面図である。

【符号の説明】

１０ ウエハ １２，１４ サセプター ２０ 冷却部（液体チッ素収容部） ２２ カソードリング ２４ 補助リング ３０ 上部チャンバー ３０ａ 上部チャンバーの上面 ３２ 下部チャンバー ３４，３６ 配管 ３８ 永久磁石
ＴＥ０３３６０１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 被処理体を載置する第１の電極およびこ
   の第１の電極に対向する第２の電極によって形成された
   電界と、磁界発生手段によって形成された前記電界と垂
   直な成分を有する磁界と、を作用させて反応室内にマグ
   ネトロンプラズマを生成し、このマグネトロンプラズマ
   によって前記被処理体の処理を行なうマグネトロンプラ
   ズマ処理装置において、 前記被処理体の周縁を囲むように前記第１の電極上に載
   置されたリングを有し、且つ、このリングの厚さを、こ
   のリングの表面から前記第２の電極までの距離が前記第
   １の電極に載置された前記被処理体の処理面から前記第
   ２の電極までの距離よりも短くなるように定めたことを
   特徴とするマグネトロンプラズマ処理装置。