JPH06507675A - 基板をプラズマ支援で加工する装置 - 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】 発明の名称 基板をプラズマ支援で加工する装置 技術分野 本発明は、その内部でプラズマ内で形成されるイオンと反応性の中性粒子（ラジ カル）が基板上に作用する反応容器を備えた、基板をプラズマ支援で加工する装 置に関するものである。

プラズマ支援で加工を行うこの種の装置は、半導体。

金属、ガラスあるいはプラスチックの基板から材料を取り除くためにも、その上 へ材料を塗布するためにも使用される。

この種の装置において遂行される加工プロセスは、プラズマ内で形成されるイオ ンと反応性の中性粒子（ラジカル）の組み合わされた作用に基づいている。

中性粒子は大体において熱的な速度と等方性の方向分布で基板（ウェファ）上に 当接し、イオンは比較的大きな運動エネルギと強い優先的方向付けをもってウェ ファに当接する。

従来の技術 一連の公報、例えばＤＥ３９１３４６３Ａ１あるいはＤＥ３８０１２０５Ｃ１か ら、プラズマ支援の加工プロセス、例えばドライエツチング又は層堆積などにお いて更に磁場を使用することが知られている。

補足として、５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙにおける「磁気的 に増強されるプラズマ析出とエツチング（’Ｍａｇ−ｎｅ！１ｃａｌ１７　Ｅｎ ｈａｎｃｅｄ　Ｐｌａｓｍａ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｊｃｈ−＋ｎ ｇ’）Ｊ　１９８７年４月、第９９ページから第１０４ページ、Ｊ、　Ａｐｐ　 １．　Ｐｈ７ｓ、　６３　（６）における「高磁束密度反応性イオンエツチング 用の磁気的多極反応容器（’ＡＭａｇｎｅｔｉｃ　ｍｕＮｉｐｏｌｅ　ｔｅａｃ ｔｏｒ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ−Ｎｕｔ　ｒｅａｃ−ｔｉｖｅ　ｉｏｎ　ｅｔｃｈｉ ｎｇ’）Ｊ第１８９９ページから第１９０３ページ、並びにＶａｃｕｕｍにおけ る「反応性スパッタリング用のＲＦブロードビーム　イオンソース（’ＲＦ−ｂ ｒｏａｄ−ｂｅａｍ　ｉｏｎ　５ｏｕｒｃｅ　Ｉｏｒ　ｒａａｃｔｉｖｅ　ｓｐ ｕＮｅｒ−ｉｎｇ’）Ｊ　１９８６年第９７３から第９７６ページがあることを 指示しておく。

これら公知の装置においては磁場は、電子をできるだけ長くプラズマ内で維持し 、かつそれによってその密度と衝突確率を高める目的で使用される。このように してイオン生産の増大とラジカル生産のある程度の増大が達成される。更に磁場 は、反応容器内でプラズマの体積を制御して、プラズマ内で形成される反応性の 中性粒子のみが基板に達することができるようにするためにも使用することがで きる。

本発明の説明 本発明によれば、その内部でプラズマ内で形成されるイオンと反応性の中性粒子 （ラジカル）が基板上に作用する反応容器を備えた、プラズマ支援で基板を加工 する装置において、加工の結果が基板の表面上のイオン流及びラジカル流密度の 絶対値によってだけでなく、イオン流とラジカル流密度の比ｒ１ｒ＝ｊ・　／ｊ 　によっても定められることがｚｏｎ　ｒａｄ 明らかにされた。

それに対して例えば上述の文献から知られた、その内部でプラズマ内で形成され たイオンと反応性の中性粒子が基板上に作用する反応容器を備えた、プラズマ支 援で基板を加工する公知の装置においては、イオン及びラジカル流密度を所望に 調節することが不可能である。

本発明の課題は、イオン及びラジカル流密度を互いにほとんど無関係に調節する ことのできる、その内部でプラズマ内で形成されたイオンと反応性の中性粒子（ ラジカル）が基板上に作用する反応容器を備えた、プラズマ支援で基板を加工す る公知の装置を提供することである。

この課題の本発明による解決は、請求の範囲第１項に記載されている。本発明の 実施例は請求の範囲従属項に記載されている。

従って本発明によれば、プラズマ支援で基板を加工する装置は、イオンとラジカ ル流密度の絶対値を制御するため、及び基板の表面上のイオンとラジカル流密度 の相対比を制御するために、プラズマ体積を変化させる手段が設けられることに よって改良される。

その場合に本発明は、例えば所定の磁場構成、あるいは反応容器幾何学配置を使 用することにより、プラズマ体積を所望に変化させることによって、個々の流密 度を調節するという基本理念に基づいている。

従って本発明装置によれば、イオンとラジカル（化学的反応性中性粒子）の絶対 流密度を増大させ、かつ流比ｒを管理して調節することが可能になる。

図面の簡単な説明 以下、普遍的な本発明理念を制限することなく、図面を参照して実施例を用いて 本発明を例を挙げて説明し、その他テキストには詳細に説明されていないすべて の本発明による詳細の開示に関しては図面の表現を参照することができる。

第１図は、本発明の基礎となる原理を説明する、分野に従った装置の縦断面図で あり、 第２ａ図から第２Ｃ図は、第１の実施例の変形例であり、 第３図は、第２の実施例を示し、 第４図は、第３の実施例を示し、 第５ａ図と第５ｂ図は本発明装置によって可能な駆動種類を説明するものである 。

実施例の説明 以下の説明において同一の部分に関しては常に同一の参照符号が使用されるので 、これらの部分の新たな説明は省略する。

第１図は、本発明の基本原理を説明するために、例えば内部高さｈ　と直径ｄＫ を有する円筒状のチャンに バである反応容器１内で基板をプラズマ支援で加工する装置を示すものである。

反応容器１内には電極Ｋ（カソード）が配置されており、この電極は適合ネット ワーク２を介して高周波出力源３と接続されている。

符号Ａは、基準電位に接続された相手側電極（アノード）であり、ｓｂは加工す べき基板を示している。

従来技術から知られているような、第１図に示す装置においては、一般にプラズ マ体積も基板ｓｂに向かう方向におけるイオン及びラジカルの流密度ｊも、それ ぞれプロセス条件（例えばリアクター幾何学配置。

プロセス圧力、ガス流、結合された電力）の選択に従って多かれ少なかれ自動的 に調節される。

次に、基板ｓｂ上に向けられるイオン及びラジカル流密度に関して本発明により プラズマ体積を変化させることによって得られる結果について説明する。

生産及び損失率に関する収支式は、持続性式ｄ　ｉ　ｖ　ｊ　＝　Ｐ　（１） によって記述され、その場合にＰはプラズマ体積内のイオンとラジカルの生産性 を、ｊは単位当り体積から流出する粒子の流密度を意味する。

式（１）を積分することによって、次の式たって行われる。

式（２）の積分の場合に、２つの場合を区別しなければならない。

（１）圧力が小さい場合乃至は出力が大きい場合には、プラズマ電極にとＡの具 体的な配置とは無関係にほぼ失表面はチャンバ表面Ａに等しい。その場合にはイ オン乃至ラジカル流密度は次のようになる。

ｊｉＯｎ＝ｐｉＯｎ　■／Ａ　（３） ・ｒａｄ−ｒａｄ　Ｖ／Ａｒａｄ　（４）Ｊ　−ｐ Ａｒ　ａ　ｄは、チャンバの幾何学配置と材料特性及びポンプ出力に関係する実 効損失表面である。

（２）プラズマ体積Ｖ　が、チャンバ体積より小さい領域Ｖ　に減少された場合 には（この場合は添字ｒで示される）、Ｐか一定である場合にはイオン流密度に 関して次の式が成立する。

この式は、中性粒子がほぼチャンバ壁で失われるこｒａｄ とを考慮している。従ってＡ　はプラズマ体積が減少する場合には変化しない。

その場合にはイオン流密度の変化は式（３）と（５）から、ラジカルすなわち反 応性の中性粒子の流密度の変化は式（４ンと（６）から得られる。

イオンとラジカルに関する生産率が同様であると仮定すると、流れの比とその変 化ａは次の式として得られ、 （′７） すなわち流れ比はイオンの搬出に関して責任を負うプラズマ表面の比と同様に変 化する。

最も好ましい場合に電極にとＡの領域に限定されるプラズマを絞る場合には、全 出力が一定である場合に出力密度の上昇と壁損失の減少の結果として基板表面上 への全イオン流が増大する。ラジカル流密度は同じ程度には上昇しない。

基板ｓｂ上の流れ密度の比ｒ＝Ｌ　／ｊｒａｄ　Ｏｎ は係数Ａ／Ａ　だけ上昇し、その場合にＡはチャンバ壁と基板表面によって定め られる全表面であり、Ａｒはイオンに関して減少された損失表面を示す。

イオンに関して減少された損失表面Ａ　は電極にとＡとの間で絞った場合（第１ 図の点線の領域）には、電極表面の２倍に等しくなる。というのは側方にはイオ ンは流出しないからである。例えば高さｈＫ＝２０ｃｍで直径ｄ　Ｋ　＝　５０ 　ｃ　ｍのチャンバと、直径ｄ　ｗ　＝２０ｃｍの基板（８“ウェファ）をダブ ル使用する場合には、プラズマ体積の制御によって２０より多い（りイオンの流 れ密度と中性粒子の流れ密度の比の変化幅が得られる。

このことは特に、ラジカル流密度に比較して大きいイオン流密度が望まれる異方 性の構造の場合に効果的である。

次にプラズマ支援で基板を加工する装置について説明する。同装置においてはそ れぞれ使用目的乃至ラジカル流密度に対するイオン流密度の望ましい比に従って 、適当な磁場／反応容器構成によって所定のプラズマ体積乃至表面が実現される 。

以下の図面においてそれぞれ第１図におけるのと同一あるいは相当する部分は同 一の参照符号で示されるので、改めて説明することは省略し、ただこれらの図面 に示す、第１の実施例きは異なる部分のみ説明する。

第２ａ図から第２ｃ図は、正のイオン流密度の割合が増大される第１の実施例の 変形例を示している。そのために、電磁石Ｓｐ（第２ａ図）によっであるいは互 いに対向する永久磁石によって発生される磁場が設けられている。

この構成は、例えば異方性の構造伝播（エツチング）の場合、あるいはイオン誘 導された堆積などがそうである、イオン誘導される表面の割合を増大させようと する場合に、特に効果的に使用される。

磁石Ｓｐによってもたらされる磁場（Ｂ場）の作用は次の如くである。

電子拡散はＢ場線に対して垂直に制限されているので、流れ密度が減少するにつ れて正のイオンもこの方向へ流出する。それによってＢ場が充分に高い場合には 、電子とそれに伴ってイオンも減少された体積Ｖｒに維持される。例えばコイル 電流あるいは使用される永久磁石配置の変化によって、磁場Ｂを変化させること により、■ｒとそれに伴ってラジカル流密度に対するイオン流密度の比ｒか調節 される。最大調節可能な液密度比ｒは、すでに説明したように、基板表面によっ て定められている。

プラズマを絞ることは、第２ａ図に示す実施例の場合には、電極にとＡに対して 同心に取り付けられたコイルＳｐによって得られる。例えばヘルムホルツ構成で コイルを使用する場合には、全プラズマ領域において均質なり場分布が得られる 。磁場線は電極（基板）表面上へ垂直に立つ。それによって径方向の拡散が阻止 される。すなわちそれぞれ調節された磁場強さによってプラズマ体積を変化させ ることができる。

更に、電極にとＡの間隔Ａｂを変化させることができる。それによって更にプラ ズマ組成と流れを変化させることができる。特に電極間隔を減少させることによ って、供給される全出力密度が一定である場合には、プラズマ体積内の出力密度 が著しく上昇する。プラズマは出力密度が大きく、かつ電極間の圧力が小さい場 合でも（り磁場によって維持することができる。

なお、磁場がどのように発生されるかについては重要ではないことをはっきりと させておく。

第２ｂ図に示すように、例えばまた電極内に統合された、図示のような磁場線を 有する永久磁石ＮとＳ及び／又はコイルＳｐによっても同一の結果を得ることが でき、これら永久磁石及び／又はコイルは図示の軸線に対して同心である。

第２ｂ図に示す変形例の基本的構造は第２ａ図の場合と同様である。差異は、特 別に形成された相手側電極Ａを設ける必要がないことである。ここではチャンバ １全体が相手側電極として用いられる。最小調節可能なプラズマ体積は磁場の作 用領域によって定められ、この作用領域は例えば磁場コイルＳＰを使用する場合 にはその直径ｄ１によって、あるいは永久磁石ＮとＳの直径ｄ２によって変化さ せることができる。

外見的に同様な装置はＤＥ３８０１２０５Ｃ１に記載されており、同装置におい ては表面に対して垂直（カソード暗黒部内の電場に対して平行）に延びるＢ線を 有するマグネット配置が使用されている。しかしこの公知の装置においては、カ ソード間隔を変化させる付加的な可能性を有する特別に形成された相手側電極も 設けられておらず、またＢ場によってプラズマ体積が変化されることもない。

第２Ｃ図には、第２ａ図と第２ｂ図に示された構造に加えて、基板ｓｂの表面に 対して平行に延びる磁場を使用できることが示されている。それによって電子と それに伴ってイオンの基板上への運動を更に調節することが可能になる。ＤＥ３ ９１３４６３Ａ１にも同様にすでに、基板の表面に対して平行に延びることので きる磁場を使用することが記載されている。しかしながら第２Ｃ図に示す実施例 においては、磁場は電極及び特にカソードＫを包囲している。それによって更に カソード暗黒部内の電子の運動とそれに伴ってＤＣセルフバイアスを調節するこ とができる。

ウェファ表面に対して平行に延びるＢ場を増大させることによって、ウェファへ の電子の動きを阻止し、従ってウェファの充電はより弱くなる。その結果ＤＣセ ルフバイアスとそれに伴ってイオン衝突エネルギが減少する。その場合にはラジ カルとイオン流の調節は行われない。それは表面に対して垂直に延びるＢ場によ って行われる。

第２ａ図と第２Ｃ図で使用されているコイルＳｐの直径は広い範囲で変化させる ことができる。コイル直径は例えばチャンバ１の寸法よりずっと大きくすること ができる。またコイルの対は必ずしもチャンバ軸及び／又は電極軸に対して同心 である必要はない。しかし通常は、電極にとＡ間に均質な磁場を形成することが 望まれる。そのためにヘルムホルツ構成のコイルの対（コイル直径＝コイル間の 間隔）が提供されている。

しかしまた、コイルの代わりに永久磁石を使用できることはもちろんである。

第３図には他の実施例が示されており、この実施例においてはプラズマを絞るこ とによって相対ラジカル流密度、すなわち反応性中性粒子の相対流密度が増大す る。

本実施例においては、磁場線は基板ｓｂの表面に対して平行に延びているので、 基板に対するイオン流密度は減少する。相対的に上昇するラジカル成分は、表面 加工の場合に、例えば等方性のエッチプロフィールを発生させるため、基板上に 層を熱的に形成（堆積）するためなどに、純粋に化学的な成分を要求する。

電力供給は側方に配置された電極Ｅによって基板電極の外部で行われる。可変の 磁場を導入することによって、基板ｓｂ力方向の電子の移動可能性とそれに伴っ て基板上へのイオン流が減少される。従ってイオン流密度を連続的に調節するこ とができる。Ｂ場が適当に高い場合には、基板上へのイオン流を完全に抑圧する ことができるので、中性粒子のみが基板に達することができる。

第４図には、第１と第２の実施例の組合せである他の実施例が示されている。こ れによって中性粒子対イオンに支配される表面処理のプロセスガイドにおけるよ り大きな変化幅が可能になる。

電力の結合は、基板電極Ｋを介して、乃至は側方に取り付けられた電極Ｅを介し て行われる。電力結合の゛　切り替え乃至は２つの電極への分割も同様に可能で ある。

更に可変の電極間隔によってプラズマ特性を更に調節することができる。

これを第５図と第６図を参照して詳しく説明する前に、プラズマ体積の減少をも たらす本発明により設けられる手段について再度要約する。

ａ）イオンに関する損失表面はＢ場に伴って減少する。それによってラジカル密 度よりイオン密度が著しく上昇する（式（′７）も参照）。

それによって特に電極間隔が小さい場合に、比ａ＝Ａ　／　Ａ　ｒをきわめて強 く調節しなければならない。というのはＢ場がないと圧力が小さい場合にはプラ ズマは電極間で維持されず、かつ全反応容器を満たさないからである。それによ ってＢ場がない場合にはＡは全チャンバ表面であって、Ｂ場がある場合にはＡは 面積ｈπｄ２に等しい（ｈ＝電極間隔、ｄ＝電極の直径）。

イオン損失表面に加えてラジカルに関する損失表面Ａ　も変化する。これは例え ば、チャンバ壁にライナ−を使用することによって達成され、ライナーは適当な 材料（具体的なラジカルに関して消耗率が高い）を選択することによって、実効 ラジカル損失表面Ａを更に増大させ、かつそれに伴ってａを更に増大させる。

例えばシリコンエツチング（ＦがＳｉを自然にエツチングする）の場合にＦラジ カル密度をシリコンからなるライナーによって更に減少させることができる。

損失面積Ａ　を更に増大させることは、例えば然るべき幾何学的形状によって達 成される（例えば発熱体の場合の薄板構造、あるいは波形の表面など）。

ｂ）Ｂ場を使用する場合にプラズマ電極間に維持されることによって、結合され ていない電力が一定である場合には、出力密度が増大する。それによって特に電 極間隔が小さい場合にはイオン化率（イオン密度）が著しく上昇する。

可変の電極間隔は原理的には知られている。しかし本発明により設けられるＢ場 との組合せによって初めて、圧力が小さく、かつ電極領域の出力が大きい場合に プラズマを閉じ込めることが可能になる。

給電される、すなわちそれぞれ高周波出力源に接続された２つの電極を有する第 ４図に示す方法によって他の新しい駆動方法か得られ、それについて第５ａ図と 第５ｂ図を用いて更に説明する。

１：プラズマは電極の対１間で燃焼し、その場合にＢ基軸は電極に１上で垂直で ある。電極に２上に配置されたウェファはプラズマからの距離が充分である場合 には、第１のステップにおいてはラジカル流にのみさらされる。その場合に電極 に２は給電されないので、Ｋ２に対して垂直の軸を有するコイル場は遮断されて いる。

２：電極に２は第２のステップにおいて接続される。

すなわちそれぞれに２に印加される電力に従って更にイオンを基板上に吸引する ことができる。その場合にに２に垂直な軸を有するコイル場はオンあるいはオフ 接続され、乃至は変化される。その場合に電極に１は例えば更に給電されており 、あるいは遮断される。

その場合に、実際には任意の周波数を用いて異なる駆動モード間で切り替えるこ とが可能である。コイル場、カソード電力及びカソード間隔を任意に切り替えら れることによって、唯一の装置において一連の全（異なる駆動モードが開かれる 。

上述のプラズマ体積の減少が明確に第５ｂ図に再度示されている。

第５ａ図に示す実施例においては更に、「ラジカル」と「スイッチ」の駆動状態 間で切り替えるために電極に２を移動することができ、第５ｂ図に示す実施例に おいてはプラズマ体積を減少させるために相手側電極Ａが移動され、かつ電極に １が遮断される。

更にまた、切り替え電極に更に給電することも可能である。

巳−Ｆｅｌｄ Ｂ−畜に フロントページの続き （５１）　Ｉｎｔ、　Ｃ１，５識別記号　庁内整理番号ＨＯＩＬ　２１／３０２ 　Ｃ９２７７−４ＭＩ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）その内部でプラズマ内で形成されるイオンと反応性の中性粒子（ラジカル） が基板上に作用する反応容器を有する、プラズマ支援で基板を加工する装置にお いて、 イオン流密度及びラジカル流密度の絶対値を制御するため、基板の表面上のラジ カル流密度に対するイオン流密度の相対的な比を制御するために、プラズマ体積 を変化させる手段が設けられていることを特徴とするプラズマ支援で基板を加工 する装置。 ２）プラズマ体積を変化させる手段が反応容器の構成を変化させることを特徴と する請求の範囲第１項に記載の装置。 ３）プラズマ体積を変化させる手段が、磁場を発生する磁石配置であることを特 徴とする請求の範囲第１項あるいは第２項に記載の装置。 ４）正のイオン流密度の割合を高めるために、磁石配置が磁場を発生し、その磁 場線が基板表面に対してほぼ垂直に延びることを特徴とする請求の範囲第３項に 記載の装置。 ５）相対的なラジカル流密度を高めるために、磁石配置が磁場を発生し、その磁 場線が基板の表面に対して平行に延びるので、基板へのイオン流密度が減少され ることを特徴とする請求の範囲第３項あるいは第４項に記載の装置。 ６）磁石配置がヘルムホルツ構成を有することを特徴とする請求の範囲第３項か ら第５項までのいずれか１項に記載の装置。 ７）ドライエッチングあるいはコーティングに請求項１から６までのいずれか１ 項に記載の装置を使用すること。