JPS611025A

JPS611025A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPS611025A
Application number: JP4513985A
Authority: JP
Inventors: Haruo Okano; 晴雄岡野; Yasuhiro Horiike; 靖浩堀池; Akihira Morishita; 明平森下; Teruo Azusawa; 小豆沢　照男
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-03-07
Filing date: 1985-03-07
Publication date: 1986-01-07
Also published as: JPH0530301B2

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】〔発明の技術分野〕本発明は、半導体装置の製造等に用いられるプラズマ処
理装置に係わり、特にマグネトロン放電を利用して高速
にドライエツチング若しくは膜形成を行うプラズマ処理
装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、半導体集積回路は微細化の一途を辿り、最近では
最小寸法１〜２［μｍ］の超微細素子も試作開発されて
いる。このような微細加工には、通常平行平板型電極を
有する真空排気された容器内にＣＦ４や００℃２等の反
応性ガス導入し、試料載置の電極（陰極）に高周波電力
を印加することによりグロー放電を生じさせ、この陰極
に生じる負の直流自己バイアス（陰極降下電圧）により
プラズマ中の正イオンを加速して試料に垂直に照射し、
該試料を物理化学反応によりエツチングする、所謂反応
性イオンエツチング（ＲＩ　Ｅ　：ＲｅａＣｔｉＶｅ　
ｌ　Ｏｎ　　Ｅ　ｔｃｈｉｎｇ）法が用いられている。

しかし、この平行平板型電極によるＲＩＥでは、ガス解
離効果の比較的低いグロー放電を利用しているので、例
えばＣＦ４＋Ｈ’２ガスを用いた５ｉ０２のエツチング
速度は高々３００〜４００［人／ｍａｎ　］に過ぎず、
コンタクトホール等の１［μＴｒＬ］膜厚のＳｉＯ２を
エツチングするのに数１０分以上もの時間を要し、量産
性の点で極めて不都合であった。このため、エツチング
速度の高速化が望まれている。

これに対し本発明者等は、高周波電力印加の陰極下に永
久磁石からなる磁場発生手段を設け、マグネトロン放電
により高速エツチングを可能としたドライエツチング装
置を開発した（特開昭５７−９８６７８号）。この装置
の原理は、第８図に示す如く永久磁石８１の閉ループを
形成する磁極間隙８２に発生する磁界８３と、この磁界
８３に直交する電界８４とにより、電子８５をサイクロ
イド運動させ、導入した反応性ガスとの衝突頻度を大幅
に増加させて多量の反応性イオンを発生させることにあ
る。なお、図中８６は被エツチング試料を示している。

その結果、多量のイオンが試料８６に垂直に入射するこ
とになり、高速の異方性エツチングが達成される。

しかしながら、この種の装置にあっては次のような問題
があった。即ち、前記磁極間隙８２を静止したままだと
トラック状に発生する高密度のマグネトロン放電領域８
７のみしかエツチングされず、試料８６全体を均一にエ
ツチングするためには磁極間隙８２を試料８６の長径よ
り大きく走査する必要がある。第９図はＣＦ４ガスによ
りＳｉＯ２をエツチングしたときのエツチング速度を試
料エツジからの距離の関数として測定した結果を示す特
性図である。なお、このとき磁極間隙８２は第１０図に
示す如く試料８６のエツジから３０［＃］離して静止さ
せておいた。第９図から、試料エツジ付近では１０秒間
のエツチングで約ｉ　ｏｏｏ〜２０００　［人〕エツチ
ングされ、試料エツジより内側となる程エツチング速度
が遅くなることが判る。前記走査の戻り時間が例えば０
．０５秒と高速であったとしても、約８０回の走査で２
秒間磁極間隙８２を試料８６の両側に静止させたことと
等価となり、従ってこの走査回数において第１０図に示
す状態でエツチングされる試料エツジの深さは５００［
人］に近い値となる。

このような周辺の領域の速いエツチングが試料全体の均
一エツチング性を低下させる要因となる。

これを防止する手法として磁極間隙８２の走査幅を広げ
ることが考えられるが、この場合装置の大形化やエツチ
ング速度の低下等を招き、将来の大口径化（６インチ以
上）への対応が困難となる。

また、上述の構成では陰極上に磁場の強弱が生じ、これ
によりイオンエネルギーの不均一性が生じる。このため
、被処理基体へのビーム照射損傷が生じる。さらに、不
均一磁場が生じるため、イオンの軌道が曲げられ、マス
クに忠実にエツチングすることが困難になる。即ち、完
全な異方性エツチング形状を得ることは困難であった。

なお、上述した問題はエツチングに限らずプラズマＣＶ
Ｄやスパッタリング堆積による膜形成にも同様に言える
ことである。例えば、スパッタリング堆積の場合、平行
平板型電極を用い陰極に試料としてのターゲットを、陽
極に膜形成されるべきつＪハを配置して膜形成を行う際
に、陰極上のターゲットが均一にエツチングされないと
試料上に形成される膜が不均一となり、均一な膜形成が
できないし、ターゲットの寿命も短くなってしまう。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、装置構成の大形化を招くことなく、試
料を均一に高速エツチング或いは試料上に均一な厚みの
膜を形成すること等ができ、且つビーム照射損傷を低減
することができ、試料の大口径化にも十分対処し得るプ
ラズマ処理装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、磁極間隙以外の領域においても試料上
の電界と直交する磁場成分を持たせることにより、試料
上の全面で磁場を相対的に均一化することにある。

即ち本発明は、高周波電力が印゛加されると共に表面側
に試料が配置される陰極及び該陰極に対向配置された陽
極を備えたプラズマ処理室と、この処理室内に被励起ガ
スを導入すると共に、上記処理室内を排気する手段と、
前記陰極に対向する位置に配置され、該陰極上にマグネ
トロン放電を生起するための磁場を印加する第１の磁場
発生手段と、前記陰極上に該陰極の表面と略平行方向の
磁場を印加する第２の磁場発生手段とを具備し、上記第
２の磁場発生手段により陰極の表面側の磁場　゛を相対
的に均一化するようにしたものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、第２の磁場発生手段により水平方向の
磁場を印加することにより、陰極上の磁場を均一化（磁
場強度の極大・極小値の比が小さくなる）することがで
きる。このため、陰極上に試料として被エツチング試料
を配置した場合、試料全体を高速エツチングすることが
でき、且つ試料全体を均一にエツチングすることができ
る。しかも、磁場の強弱に伴うイオンエネルギーの不均
一性が解消され、試料へのビーム照射損傷も軽減される
。さらに、不均一磁場があるとイオンの軌道が曲げられ
、マスクニ忠実にエツチングすることは困難であるが、
磁場の均一化によりイオンは試料に垂直に入射すること
になり、完全な異方性形状を達成することができる。ま
た、陰極上に膜形成されるべき試料を配置した場合、そ
の膜の均一性を向上させることができる。さらに、陰極
上に試料としてのターゲットを、陽極上に膜形成される
べき部材を配置した場合、ターゲットが高速に均一エツ
チングされるので、試料に被膜を均一に且つ速やかに形
成することができる。従って、半導体製造技術分野にお
ける有用性は絶大であり、試料の大口径化にも十分対処
し得る。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の第１の実施例に係わるトライエツチン
グ装置を示す概略構成図である。図中１１は設置された
容器であり、この容器１１内は陰極１２によりエツチン
グ室（プラズマ処理室）１３と磁場発生器収納室１４と
に分離されている。

陰極１２には、マツチング回路１５を介して高周波電源
１６からの高周波電力が印加される。また、陰極１２は
水冷管１７により冷却されており、この水冷管１７は上
記電力印加のリードとして用いられる。エツチング室１
３には反応性ガス、例えばＣＦ４を導入するためのガス
導入口１３ａ及び上記ガスを排気するためのガス排気口
１３ｂがそ・れぞれ設けられている。そして、被エツチ
ング試料１８はエツチング室１３内の陰極１２上に載置
されるものとなっている。なお、陰極１２に対向する陽
極はエツチング室１３の土壁で形成されるものとなって
いる。

一方、前記磁場発生器収納室１４内には磁性コア２０及
びコイル３０からなる磁場発生器（第１の磁場発生手段
）４０が電極１２の下面に対向して配置されている。こ
こで、磁性コア２０は第２図に示す如く磁性材料からな
る平板体の上面に複数の溝２１を一定間隔に形成した断
面が櫛歯状のものであり、溝２１の長さは試料１８の長
径よりも長く、同様に溝２１と直交する方向の磁性コア
２０の長さも試料１８より長いものとなっている。

磁性コア２ｏには水冷管２２が接続され、この水冷管２
２により磁性コア２０内に冷却水が通流され磁性コア２
０が冷却されるものとなっている。

また、前記コイル３０は３本のコイル３１ａ。

３１ｂ、３１ｃからなるもので、第３図に示す如く磁性
コア２０の溝２１に周期的に巻装されている。即ち、コ
イル３１ａは２つの溝を挟んで各溝間に巻装され、コイ
ル３１ｂ、３１ｃは上記と同様に２つの溝を挟んでそれ
ぞれ異なる溝に巻装されている。そして、これらのコイ
ル３１ａ。

へ＼３１ｂ、３１ｃには位相の異なる３相交流電流が通流さ
れるものとなっている。なお、第３図は前記第２図の矢
視Ａ−Ａ断面に相当する断面模式図である。

ここで、上記各コイル３１８．３１ｂ、３１Ｇに互いに
１２０度位相の異なる３相交流電流を流すと、磁場発生
器４０上、つまり前記陰極１２上には第４図（ａ）に示
す如く、次式で与えられるような磁束密度Ｂが発生する
。

Ｂ＝Ｂｏ　　ｃｏｓ（ωｔ−πｘ　／　ｒ　）　−・−
・−■但し、ω−２πｆ；電源の各周波数［ｒａｄ７ｓ
　］、ｆ；周波数［Ｈｚコ、ｔ；時間［ｓ］、ｘ：磁性
コア表面上の基準点からの距離［＃］、τ；ポールピッ
チ［＃］である。ポールピッチは図に示すように磁束密
度の半波長、即ち半周期の長さである。上式より明らか
なように、Ｂは時間と共に紙面右方向に移動していく進
行磁界となる。（第４図＜ａ＞は１＝０の時の関係を示
している）。なお、第４図（ｂ）は前記第２図の矢視Ｂ
−ＢｌＩｉ面に相当する断面模式図である。従って、陰
極１２面上には磁性コア２０の水平方向に強弱を持つ平
行磁界が発生し、あたかも移動しているように見えるこ
とになる。即ち、前記第８図で説明したように陰極１２
上に高密度のプラズマ領域が発生し、このプラズマ領域
が一方向に連続移動することになる。

また、前記磁場発生器収納室１４にはガス排気口１４ａ
が設けられており、収納室１４内は前記磁場発生器４０
による放電を防止するためのガス排気口１４ａを介して
１０’　［ｔｏｒｒ］　ｇ、下（Ｄ高真空に排気されて
いる。さらに、収納室１４と前記エツチング室１３との
間には、電磁弁５１により駆動される仕切り弁５２が設
けられており、この仕切り弁５２によりエツチング時に
各室１３゜１４が遮断されるものとなっている。なお、
第１図中５３は弗素樹脂等の絶縁物、５４は０リングシ
ールをそれぞれ示している。

また、第１図には示さないが、前記真空容器１１の外部
側部には第５図に示す如く磁場発生器（第２の磁場発生
手段〉７０が設けられている。

この磁場発生器７０は、ヘルムホルツコイル７１゜７２
かうなるもので、試料１８表面上に水平方向の磁場を印
加する。そして、この水平方向の磁場印加により、陰極
１２上には前記第１の磁場発生器４０による磁場と重畳
された磁場が印加されることになる。

このように構成された本装置の作用について説明する。

まず、ガス導入口１３ａからエツチング室１２内に例え
ばＣＦ４等の反応性ガスを導入し、エツチング室１２内
を１０４［ｔｏｒｒ］に保持した後、陰極１２に高周波
電力（１３，５６ＭＨｚ）を印加すると、陰極１２と陽
極（エツチング室１３の上壁）との間にグロー放電を生
じ低密度プラズマ領域６１を発生する。これと同時に、
前記コイル３０に交流電流を通流すると、各磁極間隙で
は、互いに直交する電界Ｅと磁界Ｂの作用により図中に
示したように互いに位相のずれた大、中。

小のマグネトロン放電を生じ、電子がＥＸＢ方向にサイ
クロイド運動を行いながらＣＦ４分子と多数回衝突を繰
返すことにより、高密度プラズマ領域６２が磁極間隙に
沿って発生する。この高密度プラズマ領域６２は前記第
４図で説明したように一方向への進行磁界に同期して動
くため、試料１８が高密度プラズマ領域６２に晒される
間の積分値は試料全面で一定となる。

一方、磁場発生器７０による磁場は水平方向であり、こ
れにより磁場発生器４０による磁場は上記水平方向の磁
場強度弁だけ全体に上がることになる。ここで、全体と
しての磁場の極大・極小値の差は磁場発生器４０による
磁場のそれと同じであるが、極大・極小値の比は磁場発
生器４０による磁場のそれより小さくなる。このため、
磁場発生器７０を付加したことにより相対的に磁場が均
一化されたことになり、磁場の極大・極小部におけるエ
ッチレートの差は小さくなる。従って、試料全面が均一
に且つ高速にエツチングされることになる。

このように本装置によれば、磁場発生器４０゜７０の作
用により試料１８を高速で且つ均一にエツチングするこ
とができる。また、磁場の強弱に伴うイオンエネルギー
の不均一性が解消され、試料１８へのビーム照射損傷も
軽減される。しかも、磁場の均一化により、イオンは試
料１８に垂直に入射することになり、これにより完全な
異方性エツチング形状を達成することができた。

また、磁場発生器４０の大きさは試料１８より僅かに大
きい程度でよく、装置の大形化を招くこともない。また
、機械的可動部が不要となるので信頼性の向上をはかり
得、さらにこのことから装置構成の小型化をはかり得る
。また、本装置では試料１８が常に高密度プラズマ領域
６２に晒されることになるので、試料１８が大口径化し
てもエツチング速度の低下は極めて小さく、前記磁極間
隙を静止させたときに近いエツチング速度（約５μｍ／
ｍ　ｉ　ｎ　）を得ることができる。

第６図は本発明の第２の実施例に係わるドライエツチン
グ装置を示す概略構成図である。なお、第１図と同一部
分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

この実施例が先の第１の実施例と異なる点は、前記磁場
発生器４０を大気中に配置したことにある。即ち、上記
磁場発生器４０を有する装置では、磁極間隙に発生する
磁界の大きさ及び高周波電力の大きさを十分小さくして
も従来装置を大幅に上回るエツチング速度を得ることが
できるので、陰極１２の厚みを十分厚く（１０＃以上）
することもでき、格別に高真空の磁場発生器収納室１４
を設けなくても磁場発生器４０が放電する等の虞れは殆
どない。

従って本実施例においては、先の第１の実施例と同様な
効果が得られるのは勿論のこと、装置構成のより簡略化
をはかり得る等の利点がある。

第７図は本発明の第３の実施例に係わるドライエツチン
グ装置を示す概略構成図であ−る。なお、第１図と同一
部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する
。この実施例が先の第１の実施例と異なる点は、前記陰
極１２の外周に磁性材料を埋込んだことにある。即ち、
陰極１２の上面には前記試料１８が載置される領域より
外側に該領域を囲むように鉄板８０が埋込まれている。

このような構成であれば、前記磁極間隙の端部が仮に鉄
板８０の下にあっても磁力線の大部分が透磁率の高い鉄
板８０内を通過することになり、鉄板８０上には磁界は
発生しない。このため、試料１８の周辺部の高密度プラ
ズマ領域６２が除去されることになる。従って、進行磁
界方向の均一性の向上をはかり得、より均一性良いエツ
チング速度を得ることができる。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば、前記第１の磁場発生器は電気的に磁場を
生成するものに限らず、従来のように永久磁石であって
もよい。また、第２の磁場発生器は、ヘルムホルツコイ
ルに限らず、前記陰極の表面と平行な方向（陰極上の電
場と直交する方向）の磁場を生成するものであればよい
。さらに、試料としては５ｉ０２に限らず、各種被膜の
エツチングに適用できるのは勿論のことである。

また、本発明装置はエツチングに限らず、プラズマＣＶ
Ｄやスパッタリング堆積等の膜形成、或いは灰化処理に
も適用することができる。ただし、スパッタリング堆積
の場合、前記陽極上に試料としてのターゲットを配置し
、前記陽極上に膜形成されるべき部材を配置する必要が
ある。そしてこの場合、前述した被エツチング試料のエ
ツチングと同様にターゲットが高速で均一にエツチング
されるので、試料上に被膜を速い速度で形成することが
でき、且つ形成される被膜を均一にすることができる。

さらに、エツチングの場合と同様に磁場発生器を固定し
たまま磁場を一方向に移動できるので、装置構成の小型
化をはかり得、機械的可動部が不要なことから信頼性の
向上をはかり得る。

また、プラズマ処理室に導入する被励起ガスは、陰極上
の被エツチング試料、被堆積試料或いはターゲットの種
類に応じて適宜窓めればよい。その他、本発明の要旨を
逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図はそれぞれ本発明の第１の実施例に係
わるドライエツチング装置を説明するためのもので第１
図は全体構成を示す概略構成図、第２図は磁性コア構造
を示す斜視図、第３図はコイルの・巻き方を示す模式図
、第４図は実施例装置の作用を説明するための模式図、
第５図は第２の磁場発生器を説明するための要部構成図
、第６図は第２の実施例を示す概略構成図、第７図は第
３の実施例を示す概略構成図、第８図乃至第１ｏ図はそ
れぞれ従来の問題点を説明するためのもので第８図はマ
グネトロン放電利用のドライエツチング装置の原理を示
す斜視図、第９図は試料位置とエツチング深さとの関係
を示寸特性図、第１０図は磁極間隙と試料位置との関係
を示す模式図である。１１・・・エツチング容器、１２・・・陰極、１３・・
・エツチング室（プラズマ処理室）、１３ａ・・・ガス
導入口、１３ｂ、１４ａ・・・ガス排気口、１４・・・
磁場発生器収納室、１５・・・マツチング回路、１６・
・・高周波電源、１７・・・水冷管、１８・・・被エツ
チング試料、２０　・・・磁性コア、２１　・・・溝、
３０．３１ａ。３１ｂ、３１Ｇ・・・コイル、４０・・・第１の磁場発
生器、５１・・・電磁弁、５２・・・仕切り弁、６１・
・・低密度プラズマ領域、６２・・・高密度プラズマ領
域、７ｏ・・・Ｍ２の磁場発生器、７１．７２・・・ヘ
ルムホルツコイル、８０・・・鉄板。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第３図第５図支第６図第７図第８図第１０図第９図６Ｘ（ｃｍ）　　　”

Claims

【特許請求の範囲】

（１）高周波電力が印加されると共に試料が配置される
陰極及び該陰極に対向配置された陽極を備えたプラズマ
処理室と、この処理室内に被励起ガスを導入する手段と
、上記処理室内を排気する手段と、前記陰極に対向する
位置に配置され該陰極上にマグネトロン放電を生起する
ための磁場を印加する第１の磁場発生手段と、前記陰極
上に該陰極の表面と略平行方向の磁場を印加する第２の
磁場発生手段とを具備してなることを特徴とするプラズ
マ処理装置。
（２）前記被励起ガスは、反応性ガスであり、これによ
り前記陰極上に配置される試料がエッチングされること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のプラズマ処理
装置。
（３）前記陰極上に配置される試料の表面には、気相成
長により膜が形成されることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載のプラズマ処理装置。
（４）前記陰極上に配置される試料は、膜形成の原料と
なるターゲットであり、このターゲットに対するスパッ
タリングにより前記陽極上に配置される部材に膜が形成
されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のプ
ラズマ処理装置。
（５）前記第１の磁場発生手段は、前記陰極に対向配置
される磁性コア及び該磁性コアに設けられ相互に位相の
異なる交流電流が通流される複数のコイルからなり、前
記陰極上に所定方向に連続移動する磁場を発生するもの
であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のプ
ラズマ処理装置。
（６）前記磁性コアは断面が櫛歯状でその複数の溝が前
記陰極に対向するように配置され、前記各コイルがそれ
ぞれ異なる溝間に所定数の溝を挟み周期的に巻装される
ことを特徴とする特許請求の範囲第５項記載のプラズマ
処理装置。
（７）前記磁性コアは、前記試料より平面的に大である
ことを特徴とする特許請求の範囲第５項記載のプラズマ
処理装置。
（８）前記複数のコイルは３相のコイルを構成し、これ
らのコイルに３相交流電流が通流されることを特徴とす
る特許請求の範囲第５項記載のプラズマ処理装置。
（９）前記第２の磁場発生手段は、ヘルムホルツコイル
からなるものであることを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載のプラズマ処理装置。