JPS58192328A - 反応性イオン食刻装置 - 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】 〔発明の分野〕 この発明は改良された食刻装置、詳細には集積回路の製
造に用いられる改良された反応性イオン食刻装置に関す
る。

〔従来技術〕

従来の反応性イオン食刻（ＲＩＥ）装置の欠点の１つと
して、標的の全領域にわたって均一な食刻が行なわれな
いという事実がある。食刻及び食刻速度の不均一さの原
因の少なくとも一部は、食刻装置の食刻室の欠陥にある
。半導体ウェファの食刻のスループツ）ｔ−上げる為に
より大きな陰極標的を使用する時、食刻処理工程におけ
る不均一さの問題は複合的なものとなる。この点に関し
ては、よシ大きな陰極標的を使用するとより大きな食刻
室を必要とし、そしてより大きな食刻室は食刻室内の食
刻速度の均一さに影響する種々の条件を発生するという
ことが明らかになっている。しかし、商業的に競争力を
持つシステムは高いスループット特性金持たねばならず
、高いスループットは大量の一括食刻の処理を必要とす
る。

従来の食刻装置の食刻室と陰極標的との配置は、食刻室
内の不均一な食刻を助長する条件を発生する設計上の欠
陥を軽減することがほとんどなかった。たとえば、いわ
ゆる”トップ・ノ・ット”陰極配置は、陰極をアクティ
ブ電極として駆動するように作用し、そして陰極の上部
とりわけその端部における電界を不均一にする設計とな
っている。

このような設計は本出願人に譲渡されたＨｅｎｄｒ　１
ｃｋｓ等による１９８０年９月１０日出願の米国特許出
願連続番号第１８５８５１号に記載されている。

大面積の陰極と食刻室容積は電界の不均一さを生じやす
く、従って食刻速度の不均一さを生じやすい。この点に
関して大容量の食刻室はさらに室内に入力された工オル
ギの一部を散逸するように働く過剰のプラズマを発生し
、従って食刻プロセスに使用し得る二才ルギを弱める。

一般に、電界の不均一さは食刻室の内表面領域の不規則
性及び不連続性にのみ起因するものではなく、食刻室と
陰極とのＪν対称特性にも起因する。

上述の食刻の不均一さに加えて陰極と食刻室の設計特性
は、さらに別の問題を生ずる。例えば、設計欠陥により
スパッタリング及びこれに起因する汚染を生ずる。この
点に関して、商業的に入手し得る典型的ないわゆる’Ｔ
ｅａ　”陰極設計は、陰極電極下の空間にプラズマが発
生するよう々構造配置を持っている。陰極電極下のプラ
ズマは過度に陰極電極全過熱し、電極のスパッタリング
を惹き起し、食刻されるべき製品に汚染を生ずる。上述
したように従来の棟々の反応性イオン食刻装置は、汚損
の生じない環境下で均一な一括食刻処理を行う能力を損
なうような設計欠陥を全て有していた。

これら従来の反応性イオン食刻装置ケ第１Ａ図乃至第１
Ｄ図及び第２図に示す。

□１［−８，□８、ヶえ。、っヵ、。あ。１イ　　　　
１オン食刻装置の食刻室及び陰極の配置が概略的に示さ
れている。第１Ａ図及び第１Ｂ図の目的は、食刻の不均
一さ及び半導体製品の汚染を惹き起す設計特性を説明す
る為のものである。第１Ａ図は特定の°゛トツプハツト
”陰極配置を示すものであり、この配置は、上述の米国
特許出願連続番号第１８５８３１号に記載された１トツ
プ・ハツト”配置と同様である。第１Ａ図に示されるよ
うにトップ・・・ット型の陰極１は陽極として働く食刻
室６内に周知の方法で固定きれている。第１図の各図に
於ては、簡潔さの為にこれらの装置の不均一な食刻特性
を生ずる設計特性を示すのに不必要な詳細部分を省略し
ている。室の内表面及び陰極を横切る点線は、参照符号
７．７′及び５で示される典型的冷暗部と参照符号９で
示される活性プラズマ領域との区分を示している。当業
者に理解されているように通常の反応性イオン食刻の操
作は、室３の内表面からプラズマ・シース（ｐｌａｓｍ
ａｓｈｅａｔｈ）又は暗部により分離されたグロー領域
と共に室ろの内部活性プラズマ領域９内に存在するプラ
ズマ・グローを発生する。第１Ａ図に示される反応性イ
オン食刻システムの作用の理解會容易にする為、陰極１
の台１１を覆う位置のプラズマ中央領域を符号９Ａで示
し、台１１と室壁との間の位置の外側プラズマ領域を符
号９Ｂで示す。

例えばプラズマ・シースや暗部の厚さ等のプラズマ特性
は図示される様に室内における特定の位置により決定さ
れる。台１１上の陰極プラズマ・シース（暗部）５は最
も厚いシース（暗部）領域であり（典型的には１乃至２
ｍの程度）、高い電圧降下を有しく典型的には３００乃
至５００Ｖｄｃ）、普通は陰極とプラズマ・グローとの
間の顕著な暗部として観察される。一方、室の上側の陽
極プラズマ・シース（暗部）７及び側壁回りのプラズマ
・シース（暗部）７′は一般的に陰極駆動システムでは
同じであり、典型的に１乃至４　ｍｍ　の厚さと２０乃
至３０Ｖの電圧降下を示す。点線の輪郭から示されるよ
うに内表面の周りの種々の暗部は互いに溶は合って連続
している。食刻室内の幾何形状及び電位の変化により生
ずる溶は合う暗部の異なる厚さの領域は、食刻速度の変
化を生ずる。

第１Ａ図をさらに詳しく参照すると、特に陰極台１１の
端部におけるプラズマ電位の降下は、特に端部における
陰極上の電界の不均一さを生ずる。

この結果生ずる電界の傾きは陰極全体の食刻速度の不均
一さを生じ、食刻速度は電界が高い集中を示す端部に向
って大きくなる。

第１Ｂ図は別の″トップ・ハツト”配置を示すもので電
界をよシ均一にし、従って食刻速度を均一にする為に陰
極１の周囲に接地シールド１５を使用している。これに
より陰極のプラズマ・シース（暗部）５は外方に延在す
るが、まだ満足な均一な電界は得られず、従って陰極台
にわたって均一な食刻速度は得られない。さらに、接地
シールドは場所を取り、陰極の大きさを制限し、従って
スループットに悪い影響を与える。

第１Ｃ図の配置に於て、室の壁の部分１５が第１Ａ図及
び第１Ｂ図と比較して高さを小さくして均一の電界、従
って陰極台１１にわたって食刻速度と均一にするように
している。しかしながら、この改良によっても陰極台に
わたって均一な食刻速度及び電界を満足することはでき
ない。

第１Ｄ図はＴｅａ　配置の陰極を示す。この設計では、
台１７の下方に上方とほぼ同じ暗部の電位を持つプラズ
マの発生を生ずる。このような配置は台の過熱を生じや
すく、スパッタリングを生じ、汚染物質が台１７からス
パッタされて食刻されるべき製品を汚染する。この事実
についての可能な説明の１つは、この配置においては陰
極の全電位が暗部を横切って降下し、イオン衝撃を生じ
て陰極を加熱するからである。

第２図は、従来の典型的な反応性イオン食刻装置の食刻
室の部分断面図であり、圧力検知の為の孔８１、終点検
出の為の孔８２及び監視の為の孔８５が設けられている
。典型的には、この反応室の部分は陰極の上部にある。

反応室内部の点線に示されるように、暗部は室の内表面
に沿って室の内面全回み孔の内に入り、特に室壁の顕著
の変化場所及び角の点に於て電界の変化を生ずる。室壁
の鋭角的に変化する場所は電界の強度が増す領域　　　
　　　　ｉを作り、この場所で食刻室内の他の部分と較
べて局所的に高い食刻速度を生ずるプラズマ内のホット
・スポツｔｆ生ずる。食刻室壁の鋭角的な変化は、不均
一な食刻速度を生ずる傾斜した電界を発生する電界が強
くなる領域を形成するのみならず、暗部の厚みより大き
な開口大きさ？＋［する孔がある所においては孔がその
領域内にプラズマを捕捉して食刻速度の不均一さを一層
複雑々ものとする。

また、第１八図ないし第１Ｄ図に示された反応性イオン
食刻装置の設計は、プラズマを発生するには余分な室容
積ヲ有している。この余分な室容積は、室の台１１の下
方及び近傍の部分にある。

この余分な室容積は、室内に入力でれた工オルギの一部
全散逸する余分なプラズマを発生し、この結果、食刻工
程の為に利用すべきエネルギゲ希釈してしまう。従って
、この余分な室容積をなく丁と高い工オルギ密度を生ず
ることができることが理解されるであろう。

〔発明の概要〕

この発明の原理によれば、円筒型でかつ陰極板に対して
物理的に対称的な食刻室を用いることによシ改良された
反応性イオン食刻操作を達成する事ができる事が知見さ
れた。これに加えて、食刻室内の全ての必要な孔は、そ
の特定の装置に対しての暗部の厚さよりも小さな開口大
きさ’に！する様に配されておシ、これにより装置の電
界の不均一さが改良されそして電界の集中する点を回避
することができる。従って、例えば窓、孔、診断ポート
及び排気ボートの不規則さ及び不連続さにより局所的に
高い食刻速度を生ずるプラズマ内の゛ホット・スポット
”は、開口の大きさを縮小することにより及び反応性イ
オン食刻室内に開口上注意深く配置することにより回避
することができる。

陰極板全室の側壁まで陰極板と側壁との間に絶縁分離を
設けながら延在させて芒らに陰極板の側壁との間の間隔
會システムの暗部の浮石よりも小石くする設計により特
別に良い結果が得られた。

従って、この発明の１つの目的は改良された反応性イオ
ン食刻装置ケ提供することである。

この発明の別の目的は改良された反応性イオン食刻装置
の食刻室及び陰極設計全提供することである。

この発明のさらに別の目的は製品の一括処理が可能な反
応性イオン食刻装置の食刻室を提供することである。

この発明のさらに別の目的は汚染なくして均一の食刻を
行ない、製品の一括処理ができる反応性イオン食刻装置
の食刻室を提供することである。

〔実施例の説明〕

以下、この発明を図示の実施例に基いて詳細に説明する
。

第３図は、この発明の一実施例の反応性イ万ン食刻装置
の食刻室と陰極配置と會示す断面図である。第５図に示
される食刻室と陰極配置とは従来の設計上の問題点を解
決するものである。この発明の装置の設計上の基本的な
特徴は、陽極として作用する食刻室２５と陰極板２９と
は対称的な構造、好ましくは円筒的構造に’！し、食刻
室の内表面は不規則性をほとんど持たないということで
ある。これに加うるに、どんな窓、診断ポート、排気ポ
ート及び他のどんな目的に使用される開口も活性プラズ
マ領域の外側に配置されるか、或は活性プラズマが内部
に捕捉されるのを防ぐ為にそれらの開口大きさが隣接す
る暗部の厚さよりも十分小さくなる様に設計されている
。この点に関して、室壁全通って活性プラズマ領域に連
絡するのに必要な全ての孔及び開口は、活性プラズマが
その内部に捕捉されるのを確実に防止する為にそれらに
隣接する暗部の厚さよりもかなシ小さな開口大きさを持
たなければならない。典型的には孔及び開口の大きさは
暗部の厚さの少なくとも１０分の１に選ばれる。例えば
、暗部の大きさが１．２５ｃｒｎの程度である所では孔
の大きさは１．５　ｍｍの程度又はそれ以下に選ばれる
。

従って、第６図に示す配置においては活性プラズマ領域
２１け平坦な土壁内表面４１ａ’ｋｉする板４１により
食刻室の活性部分２３Ａに限定され６°ｔ（Ｄ＠＠２５
”ｏＮＲｍ　（Ｊ：、ＭＷＲｍ“°°゛ｊ側壁内表面２
７ａ及び陰極板表面２９から成る）　　　　　′には反
応性イオン食刻装置の通常の操作において典型的に発生
される暗部の厚さよりも１０分の１以上の大きさの開口
大きさを持つような孔、開口、や空間は存在し々い。如
何なる監視ボート、排気ポート及び類似のものは部分２
５Ａ上の室の補助部分２５Ｂに設けられている。この点
に関して板４１Ｆｉ活性プラズマ発生を室部分２３Ａに
限定する働きを行ない、活性プラズマがその内に捕捉で
れるのを防ぐ為に十分に小さなポンプ排気ポート４５を
有する〇 通常の反応性イオン食刻は、典型的に１乃至１ｚｔｆｎ
の暗部厚さ１［する３０乃至７０ミクロン（水銀柱）の
圧力範囲で行なわれる。従って、この発明によればどん
な陽極の孔の太きざも１．５　ｍｍ又はそれ以下である
。さらに、陽極と陰極の間の分離又は空間は３．０　ｍ
ｍ又はそれ以下で、しかし電気的短絡を生ずる程には小
さくない。例えば第３図の陽極の側壁２７と陰極２９と
の間の空間２５は３．　Ｏｍｍに等しいか又はそれより
小さい。さらに、普通の操作に対して、板４１（陽電極
電位にある）に分布されたポンプ排気ポート４３の各々
は１．５　ｍｍ又はそれ以下の開口大きさを持つ。ポン
プ排気ポート４５は任意の態様で板４１に配してもよい
が、ホートラ互いに近接して位置させるとそれらのポー
トが活性プラズマ発生を保持するのに十分な大きさの１
つの孔として働く。これを避ける為、ポートは互いに少
なくとも２直径、即ち２Ｄだけ離れて設けられなければ
ならないことがわかった。ここでＤは個々の直径（１，
５ｍｍ又はそれ以下）である。

第３図から理解されるように、側壁２７は均質な即ち凹
凸ヲ有しない内周面を持つ環５１．３３．６５及び６７
を有する環の直列から成っている。

これらの環は清掃やメインテナンスや類似の目的の為に
室や陰極に近づくことに加えて室の太き畑を調節するこ
とを便利にしている。さらに、第６図に示されている環
の１つを例えば質量分析、分光分析、ラングミュア・プ
ローブ及び電気的貫通孔の為の診断ポーＩｆ有する診断
環に容易に置き換えてもよい。この環は、故障検査又は
解析の目的の為に使用されてもよい。診断作業が完了し
た後にはポートや開口のない環をこの診断環に置き換え
てもよいことは明らかである。

側壁２７を形成する為に用いられる環はアルミニウムか
ら形成されてよく、又、内表面を例えばプラスチック又
はポリマー等の非金属材料で被覆してもよい。非金属被
覆は、側壁上のポリマーの被着又はシステムの清掃が側
壁によシ工程に与えられる化学的環境を変えないように
、システム全不動態状態に維持する。側壁内表面２７ａ
上の非金属被膜は陰極２９と接地との間の短絡を防ぐ為
の電気的絶縁体としても働く。また、比較的厚い絶縁層
５８が陰極板２９と低壁３９との間に用いられている。

気体が、ガス・ノズル４５を通って活性プラズマ領域へ
導入される。種々のガス・ノズル配置力この目的に用い
られてよい。しかし、ノズル孔（人気ボート）４５Ａが
室部外２５Ａの側壁に向いていることが必要である。こ
れは、陰極板２９の方向へ直接に分散されるような気体
の集中を防いで陰極と陽極との間の電界がこの気体に作
用して気体が集中している領域内に高い食刻速度を惹き
起すことを防ぐ為である。ノズル孔は室部外２５Ａの側
壁に向けられるのに加えて、対称な配列中を均一に分布
されなければならない。このような対称な配列を行う１
つの方法は、６角ナッＩｆ一端にねじの切られた管に螺
着してナツトの６面の各々に管の内部に連絡する１５乃
至２０ミル（ｍｌｌ１ｇ）のオリフィスを設けることで
ある。食刻室２５の図中左方に示すように、気体は管４
７全介して補助室部分２５Ｂｋ経て食刻室内に導入され
る。食刻室２５の図中右方に示すように、気体は孔４９
に介して排気される。画業者に理解されるように通常の
反応性イオン食刻１［行する為には多数の気体が使用さ
れる。この目的の為に用いられる共通な気体は４７ツ化
炭素（ＣＦ４）と酸素（０２）である。使用されるかも
しれない他の気体としてはＣＨＦ３、Ｓｒ１又けＣＣ：
　ｔ／−Ｆ　３がある。上述した様にこれらの気体は５
０乃至７０ミク・〜（水銀柱）の反応性イオ〜食刻を行
う　　　　　　　１為の通常の圧力管理内の操作では１
乃至１−ｆｒｎの厚さの暗部を与える。

陰極２９の冷却金助ける為に、冷却チャオル４９が冷却
流体導入ボート５１及び排出ボート５３と共に設けられ
ている。ＲＦ（高周波）電力が陰極にコオクション５５
を介して印加される。

第６図に示される食刻室の構成によれば、５５枚までの
ウェファの一括食刻を６チ６σの良好な均一で行うこと
ができた。このような一括食刻は７、６　ｃｍ　（３イ
ンチ）のウェファで５５ミクロン（水銀柱）の圧力のＣ
Ｆ、のプラズマを用いることにより達成された。流率は
大よそ５５ＳＣＣＭ。

ＲＦ電力は１２００ワツト、ＲＦ周波数は１６４５６　
Ｍ　Ｈｚ程度である。

第４図は、この発明の他の実施例による改良された反応
性イオン食刻装置の食刻室７１と陰極板６５の設計を示
すものである。第４図の構成においては第３図に示され
た補助室部分２５Ｂは省かれており、これと関連して設
けられたポンプ排気孔は陰極の下側に位置している。従
って、第４図に示すようにポンプ排気は食刻宰領域５９
内の気体を環６５の側壁と陰極６５との間のチャオル誹
気ボー））６１ｔ−通してポンプ排気孔５７よシ排気す
ることにより達成される。第６図に関して上述した様に
チャネル６１の広さは暗部の厚さより小さくあらねばな
らず、通常方法で操作される反応性イオン食刻システム
に対しては５．０　ｍｍ又はそれ以下であるが、しかし
陽極と陰極とが短絡するほど近接してはならない。

陰極６５の周囲のチャネル６１を通って均一に気体と排
気する為にポンピング環６７が設けられる。ポンピング
環６７には陰極６５の下に排気の為に気体を収集する環
状室が設けられている。

その他の点に於を第４図の食刻室７１の構成は第５図と
同様であり、人、排気ポート７５．６１以外は均質な即
ち凹凸ヲ有せず陰極板６５に対して対称的な土壁内表面
７１ａと側壁内表面７１ｂ１に有する。０リング６９が
側壁全構成する環７１の間に設けられている。気体がノ
ズル（ハ）気ポート）７＾を介して第５図で述べたのと
同様の方法でもって食刻室内に導入される。ウェファ７
５は陰極板６６上に配列されている。

以上説明してきたようにこの発明の反応性イオン食刻装
置によれば、一括食刻において均一な食刻を汚染を生ず
ることなく達成できるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図乃至第１Ｄ図は従来の反応性イオン食刻装ｆｌ
示す概略断面図、第２図は従来の反応性イオン食刻装置
の食刻室の一部を示す概略部分断面図、第３図はこの発
明の一実施例による反応性イオン食刻装置の断面図、第
４図はこの発明の他の実施例による反応性イオン食刻装
置の斜視断面図である。 ２５．７１・・・・食刻室、２７・・・・側壁、２７ａ
。 ７１ｂ・・・・側壁内表面、２９．６５・・・・陰極板
、４１ａ、７１ａ・・・・上壁内表面、４５．６１・・
・・排気ポート、４５ａ、７５・・・・人気ポート。 出願人　　　インターナショカル・ビジネス・マシニン
グ・コー汁レースシ復代理人　　弁理士　　合　　　１
）　　　　　潔第１頁の続き ［相］発　明　者　ウィリアム・カール・ハイブラック アメリカ合衆国ニューヨーク州 ボーキプシー・モートン・スト リート３番地

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 陽極として働く食刻室と、陰極として働く陰極板とを有
   し、高周波電力を陽極と陰極との間に印加して食刻室内
   に活性プラズマ領域と食刻室内表面に沿う暗部と全発生
   する反応性イオン食刻装置に於て、 前記食刻室が、土壁内表面と側壁内表面と’ｋＷし、 前記上壁内表面と前記側壁内表面とが、前記土壁内表面
   の下に置かれかつ前記側壁内表面の間に置かれた前記陰
   極板に対して対称的な構造をＭすると共に人気ボートと
   排気ポート以外は均質な表面をＭし為 前記排気ポートの大きさが、前記食刻室内表面に沿って
   発生する前記暗部の厚さよりも小さいことを特徴とする
   反応性イオン食刻装置。