JPH06508718A - 半導体技術におけるエッチングおよび析出工程のために励起される中性粒子発生方法 - 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】 半導体技術におけるエツチングおよび析出工程のために励起される中性粒子発生 方法本発明は、マイクロ波によりエネルギーを供給されるプラズマ放電により半 導体技術におけるエツチングおよび析出工程のために励起される中性粒子を発生 するための方法であって、特定の周波数のマイクロ波エネルギーが発生され、導 波路装置のなかに大結合され、またそこで定常的なＴＥ波として予め定められた 個所に集中され、また励起のために特定のプロセスガスが波の電場の方向に向け られたプラズマ放電管により導波路装置を通じて導かれ、その際にプラズマが点 弧され、また励起される粒子が発生される方法に関する。さらに本発明は、この 方法を実施するための装置に関する。

上記の種類の方法はスガノ著ｒＶＬｓ　Ｉ技術へのプラズマプロセスの応用」ウ ィリー・インターサイエンス、ニューヨーク、１９８５年、第２．２および２゜ ３節（特に２．　２．　２参照）から公知である。

エツチングおよび析出技術は、リソグラフィおよびドーピング技術とならんで、 シリコン基板から高密度集積回路を製造するための一連の工程で常に繰り返して 使用される基本的な工程である（一般的に「高密度集積回路技術」デー・ウィト マン・バー・マーデー、バー・フリードリノヒ著、シュプリンガー出版、１９８ ８年、特に第３．１．１および５．　２．　２〜４節参照）、１つの重要な方法 はＣＶＤとも呼ばれる気相析出であり、その際に、解離された反応可能な成分へ の出発反応ガスの励起と析出反応の開始とを約１０００°Ｃへの（シリコンウェ ハの）温度の上昇に一次的によらずにプラズマまたは十分なエネルギー放射によ り行うことは現在しばしば通常である。また乾式エツチング工程は一般に、ガス が既に原子形態で存在するときにのみ自然発生的に、すなわち外部エネルギーの 供給なしに進行する。

このようなエツチングおよび析出工程の成功裡の実行のためには、十分な工ふル ギーの従ってまた反応可能な中性粒子、特に基を十分に高い効率で発生すること が明らかに重要である。この必要条件の技術的解決策は、処理すべき基板への電 界および荷電粒子の影響を減じ、またエツチングおよび析出工程に対する作動圧 力範囲をできるだけ広くするという包括的な要求を満足することと同時にますま す要望されている。

基板を望ましくない静電界と、プラズマガス放電中のプロセスガスの通常の解離 の際に中性粒子とならんで常に一緒に発生されるイオンとから保護するため、励 起される中性粒子の発生を、反応チャンバ内で行われるエツチングおよび析出工 程中におけるそれらの使用から空間的に分離すること（ダウンストリーム法）が 知られている。ダウンストリーム法では、荷電粒子の短い寿命に基づいてそれら の濃度が励起領域のすぐ後で非常に強く減少し、他方において励起された中性粒 子はそれらのかなり長い寿命の結果として適当な導管を経て多くの応用に対して 十分な濃度で反応チャンバに到達する。高周波プラズマ放電のためのエネルギー 源として相応のマイクロ波を発生するため数ＧＨ２の作動周波数を有するマグネ トロン発生器がしばしば使用される。このエネルギーは空洞共振器または導波路 装置のなかに大結合され、またそこで適当な設計および同調により特定の個所に 定常波の形態で集中される。これらの個所の１つにおいて、すなわち正確に定常 波のエネルギーが集中している個所においてプラズマ放電管が導波路装置を通し て導かれる。こうして、プラズマ放電管に供給されるプロセスガス内に長い寿命 を有する基が発生され、また続いて導管を介して反応チャンバに輸送される。

正しい個所における定常波のエネルギーの局在化はそれ自体は問題がないけれど も、エネルギーのかなりの部分が励起のために変換されずに、同調されずに反射 され、また、マグネトロンを損傷させないように、導波路内で、たいていは水負 荷のもとに吸収されなければならない（スガノ、前掲論文、第２．　２．　２節 参照）。

与えられるマイクロ波エネルギーの前記の部分的に過ぎない変換は、半導体技術 にとっては約１３Ｐａ以下、特に１．３Ｐａ以下の低い圧力も重要かつ有利であ るという現状に鑑みて、特に圧力範囲を広（したいという前記の要求の観点で問 題であることが判明している。

低い圧力はたとえば表面制御されるＣＶＤ工程に対して望ましくない層特性を有 する析出の回避のために存意義である。エツチング工程においても高いエッチフ グ率およびマイクロロード効果、すなわち周囲に関係する局部的なエツチング率 の防止はしばしば非常に低い圧力においてのみ実現される。しかし励起密度、従 ってまた発生効率が茜だしく減少するので、１３Ｐａ以下の圧力範囲で既にプラ ズマ放電の際の点弧障害が生し始める。

プラズマを、マイクロ波の周波数と共振するサイクロトロン周波数を有する磁界 内に閉じ込めることにより１３Ｘ１０−”Ｐａ以下の圧力範囲でも安定化するこ と（ＥＣＲ法）は確かに知られている（スガへ前掲論文、第２．　３．　２節参 照）。

しかしたとえばジェイ・エム・クックの論文、「ダウンストリームプラズマエツ チングおよびストリンピング」ソリッド・ステート・テクノロジー、１９８７年 ４月、特に第１５０頁に記載されているように、このような方法によっては全体 として、すなわち特にウェハ自体において、励起された中性粒子の十分な数およ び密度が得られない、このことは、改良されたＥＣＲ法においてもマイクロ波エ ネルギーのたかだか３０％しか放電に変換されないという事実に鑑みて驚くべき ことではない。

ちなみに方法の操作性を顧慮して、発生効率を高めるために、大結合される通常 は約１ｋＷのマイクロ波エネルギー自体を著しく高めることは可能でない。

本発明の課題は、冒頭に記載した種類の方法であって、特に約１３Ｐａ以下の圧 力範囲で十分に高い効率を有する方法と、この方法を実施するための装置とを提 供することにある。

この課題は、嘗頭に記載した種類の方法において、定常波の四分の一波長に相当 する直径を有するプラズマ放電管が選ばれ、また導波路装置が、定常波が第１の 電圧ピークをプラズマ放電管の第１の側に生じさせるように設計かつ同調され、 また定常波が、それが第２の逆相の電圧ピークを、第１の側と向がい合っており また導波路装置の一方の終端のほうに向けられているプラズマ放電管の第２の側 に生じさせるように、反射されても供給されることにより解決される。

本発明による方法は好ましくは、約１３Ｐａ以下、特に１．３Ｐａ以下のプロセ スガスの作動圧力においてプラズマ中に発生された電子が与えられた特に制御さ れた磁界によりらせん軌道上に強制され、その際に特にそのつどの作動圧力に対 して最適な磁界がセンサ装置によりめられ、また粒子発生の極大が達成されるよ うに設定されるようにして実施される。

本発明による方法を実施するための本発明による装置は、導波路装置内に、特定 の周波数の定常的なＴＥ波として、好ましくは長方形の断面を有する導波路装置 が波の電界の方向に向けられておりまた導波路装置の向かい合う壁を通して導か れるプラズマ放電管に対する通過孔を有する予め定められた個所に集中するマイ クロ波エネルギーを与えるマイクロ波発生器を有し、その際にプラズマ放電管内 で点弧されたプラズマ放電の際に供給されたプロセスガスがら励起される中性粒 子の連続的な発生が行われる装置において、プラズマ放電管が定常波の四分の一 波長に相当する直径を有し、導波路装置が、導波路装置の終端が反射面をなし、 またそのほうに向けられたプラズマ放電管の壁が反射されて供給される定常波の 電圧ピークに位置するように、他方においてマイクロ波発生器のほうに向けられ たプラズマ放電管の壁が定常波の電圧ピークに位置するように設計され、また同 調装置を設けられており、それによりプラズマ放電管の２つの向がい合う側にお いてプラズマ放電の点弧および維持のための２つの逆相の電圧ピークが得られる ことを特徴とする。

本発明は、公知の方法では相応の同調により可能なかぎりプラズマ放電管の中心 に位置すべき単一の半波電圧ピークのエネルギーのみがプラズマ放電のために変 換されるという認識に基づいている。それに対して本発明による措置によれば、 プラズマ放電管の向かい合う側において２つの逆相の電圧ピークがプラズマ放電 のために利用され、その際にその直径により与えられる四分の一波長の間隔に基 づいて付属の電流ピークがプラズマ放電管の中心に位置する。その際に従来の方 法にくらべて倍増された最大限の電圧上昇が利用されるので、４倍高い電力変換 が行われる。

さらに、定常波の単一ではなく２つの半波ピークが利用されると有利である。

それどころか、たとえば導波路装置の終端における反射面ならびに移相器による 定常波の反射された部分の同調により、定常波は反射されても供給され、またそ れによって定常波の１つの電圧ピークから四分の一波長だけの間隔の第２の電圧 ピークが利用される０本発明による措１によりエネルギーが最小の空間に集中さ れて使用されることによって、低い圧力においても安定にとどまる高いプラズマ 温度を有する十分なエネルギーのプラズマが生ずる。高度に励起された粒子が発 生される高い効率により大きいエンチングまたは検出率が達成される。

全体としてマイクロ波発生器から発生されるすべてのエネルギーがプラズマ放電 のためまたは基発生のために使用され、従って粒子の励起密度は熱的能動化によ る効率に匹敵するほどに高い。約５Ｘ１０−ｔＰａ以下の低い圧力範囲でもすべ ての存在するガス分子の５０％以上が励起される。

本発明の他の実施態様は従属請求の範囲に記載されている。

以下実施例により、また添付図面を参照して本発明を一層詳細に説明する。

第１図は米国タイラン／トクダ社の販売用パンフレット“モデルＣＤＥ−Ｖ　［ １１マイクロ波ダウンストリームエツチング装置°°、仕様＃８４０００８．１ ９８６年４月１日、第２版に記載されている公知の市販されているマイクロ波励 起を存するダウンストリームエツチング装置の概要図である。

第２図は本発明による方法を実施するための装置の一部分を示す図である。

第１図には、導波路装置２のなかに大結合されるマイクロ波を発生するマイクロ 波発生器１が示されている。同調ユニット４を用いて、また導波路装置２の設計 により定常波が生し、それによりマイクロ波エネルギーが導波路装置２の予め定 められた個所に集中される。同調されずに反射され、また変換されないエネルギ ーは導波路装置２のなかのどこかで、たとえばＴ形部品３のなかで、または導波 路装置２の終端で吸収されなければならず、この吸収はたいてい水負荷のもとに 行われる。マイクロ波エネルギーにより基を発生するため、定常波の電界の方向 に向けられているプラズマ放電管５が導波路装置２を通して導かれている。適当 なプロセスガスがプラズマ放電管５の入口６に供給され、またプラズマが点弧さ れると、他の中性粒子とならんで励起された中性粒子も生ずる。これらは約１ｍ の長さの導管７によりエツチング反応チャンバ８に輸送される。それによって、 励起された中性粒子は回転テーブル１１の上に取付けられた基板円板ｌＯの表面 に到達し、そこでそれらが所望のエツチング反応をひき起こす１反応チャンバ８ はポンプ９により真空にされ、また揮発性の反応生成物が吸い出される。

その実施のために公知の工、チング設備のわずかな変更しか必要としない本発明 による方法は、与えられるマイクロ波エネルギーを約３００Ｐａから１３Ｘ１０ −ｔＰａ以下までの作動範囲内で最大限の効率で変換することを可能にする。こ れは一方では、１２ｃｍの波長に相当する２、４５ＧＨｚの作動周波数において プラズマ放電管５が四分の一波長に相当する３０ｍｍの直径を有することにより 達成される。

第２図は、導波路装置２のなかに、マグネトロンｌのほうに向けられた側が定常 波の電圧ピークに位置するように組み込まれているプラズマ放電管５を示してお り、その際にプラズマ放電管５の壁は（向かい合う側と同様に）電圧ピークによ り切断され得るが、電圧ピークは有利には壁の内面にも位置し得る。プラズマ放 電管５自体は好ましくは水晶またはアルミニウム酸化物のような絶縁材料から製 造されている。導波路装置２の終端１２として反射面が設けられている０反射さ れたエネルギーは同調装置により、反射されて逆向きに導かれる定常波が反射面 のほうに向けられたプラズマ放電管５の側において電圧ピークに達するように同 調される。直接的な機械的な同調はそれ自体は公知の仕方で同調ビン１３および １４を用いて移相により行われる。好ましくは長方形（約８０Ｘ４０ｍｍ）の断 面を有する導波路装置２のなかで定常波は表面波として同時に上または下で約８ ０ｍｍ幅の境界面の近くを伝播し、従って横放電およびその間に位置する別の放 電が生ずる。全体としてこの方法によりエネルギーが非常に高い効率でプラズマ 放電管５のなかに大結合されることになり、従ってたとえば中性粒子の高い密度 により公知の方法の場合よりも約３〜５倍高いエツチング率が得られる。第２図 には最後に、機械的チョークとして放射を減衰させるウェーブトラップ１５およ び１６、センサ装置１８ならびに磁界巻線１７も示されている。

ダウンストリーム法で１３Ｐａ以下、特に１．３Ｐａ以下の低い圧力範囲でも基 を全効率で発生し得るように、励起密度は特に制御される磁界の印加により高め られる。ガス放電ギヤツブにおいて有効イオン化率が、電子にらせん状軌道で往 復運動をさせ、またそれによってイオン化行程を有する延長させる磁界の印加に より高められ得るという事実はそれ自体既にペニング効果として知られている。

しかし決定的なことは、磁界がプラズマ放電領域内でのみ作用すること、また磁 界が同じく公知のＥＣＲ１１Ｉの場合のように電子−サイクロトロン−共鳴磁界 強度の固定値に同調される（円形軌道）のではなく、そのつどの作動圧力に対し て最適な磁界がセンサ装置１８によりめられ、また粒子発生の極大が達成される ように設定されることである。研究の結果、実際には作動圧力あたり圧力低下と 共に上昇する磁界ピークが粒子発生に間する最適条件として存在することが判明 している。これはおそらく、過度に高い磁界ではプラズマ中の電子のらせん軌道 が過度に密になり、またそれによって役に立たなくなるためである。

プラズマ放電管内のプロセスガスの解離により体積の増大が行われる。従って、 センサ装置として有利には圧力測定装置が使用され得る。その際に増大する粒子 エネルギーに相応する圧力上昇が評価され、また最適な磁界の事後制御または設 定のために使用される。

別のセンサ方法としてプラズマ放電の明るさも磁界の事後制御のために使用され 得る。その際に明るさの極大が解離の極大に相当する。また発光分光法によって 、励起された気体の生じた固有波長のピークがめられ、また磁界の設定のために 使用されてもよい。

ＩＧ　１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．マイクロ波によりエネルギーを供給されるプラズマ放電により半導体技術に おけるエッチングおよび析出工程のために励起される中性粒子を発生するための 方法であって、特定の周波数のマイクロ波エネルギーが発生され、導波路装置の なかに入結合され、またそこで定常的なＴＥ波として予め定められた個所に集中 され、また励起のために特定のプロセスガスが波の電場の方向に向けられたプラ ズマ放電管により導波路装置を通じて導かれ、その際にプラズマが点弧され、ま た励起された粒子が発生される方法において、定常波の四分の一波長に相当する 直径を有するプラズマ放電管（５）が選ばれ、また導波路装置（２）が、定常波 が第１の電圧ピークをプラズマ放電管（５）の第１の側に生じさせるように設計 かつ同調され、また定常波が、それが第２の逆相の電圧ピークを、第１の側と向 かい合っておりまた導波路装置（２）の一方の終端（１２）のほうに向けられて いるプラズマ放電管の第２の側に生じさせるように、反射されても供給されるこ とを特徴とする半導体技術におけるエッチングおよび析出工程のために励起され る中性粒子発生方法。 ２．約１３Ｐａ以下、特に１．３Ｐａ以下のプロセスガスの作動圧力においてプ ラズマ中に発生された電子が与えられた特に制御された磁界によりらせん軌道上 に強制されることを特徴とする請求の範囲１記載の方法。 ３．そのつどの作動圧力に対して最適な磁界がセンサ装置（１８）により求めら れ、また粒子発生の極大が達成されるように設定されることを特徴とする請求の 範囲２記載の方法。 ４．センサ装置（１８）として圧力測定装置が使用され、その際に増大する粒子 発生に相応する圧力上昇が求められ、また最適な磁界の設定のために使用される ことを特徴とする請求の範囲３記載の方法。 ５．プラズマ放電の明るさが磁界の事後制御のために使用されることを特徴とす る請求の範囲３記載の方法。 ６．発光分光法により、励起されたガスの生じた固有波長のピークが求められ、 また磁界の設定のために使用されることを特徴とする請求の範囲３記載の方法。 ７．励起された中性粒子が導管（７）によりプラズマ放電管（５）からそれから 隔てられたエッチングおよび析出工程のための反応チャンバ（８）に供給される ことを特徴とする請求の範囲１ないし６の１つに記載の方法。 ８．導波路装置内に、特定の周波数の定常的なＴＥ波として、好ましくは長方形 の断面を有する導波路装置が波の電場の方向に向けられまた導波路装置の向かい 合う壁を通して導かれるプラズマ放電管に対する通過孔を有する予め定められた 個所に集中するマイクロ波エネルギーを与えるマイクロ波発生器を有し、プラズ マ放電管内で点弧されたプラズマ放電の際に供給されたプロセスガスから励起さ れる中性粒子の連続的な発生が行われる装置において、プラズマ放電管（５）が 定常波の四分の一波長に相当する直径を有し、導波路装置（２）が、導波路装置 （２）の終端（１２）が反射面をなしそのほうに向けられたプラズマ放電管（５ ）の壁が反射されて供給される定常波の電圧ピークに位置するように、他方にお いてマイクロ波発生器（１）のほうに向けられたプラズマ放電管（５）の壁が定 常波の電圧ピークに位置するように設計され、また同調装置（１３、１４、１９ ）を設けられ、それによりプラズマ放電管の２つの向かい合う側においてプラズ マ放電の点弧および維持のための２つの逆相の電圧ピークが得られることを特徴 とする請求の範囲１ないし７の１つに記載の方法を実施するための装置。 ９．粒子の励起密度を高め、またセンサ装置（１８）により制御可能な磁界を発 生するための装置が設けられており、その際に好ましくは圧力測定装置を含んで いるセンサ装置（１８）が最適な磁界の強さを求めるために構成されていること を特徴とする請求の範囲８記載の装置。