JPS6317530A - 磁気増強型リアクテイブイオンエツチング装置 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、半導体ウェハのガスプラズマ処理、特に磁
気増強型リアクティブイオンエツチング装置に関するも
のである。

（従来の技術） 近年、半導体装置の製造処理においては、半導体ウェハ
の大型化に伴いバッチ式処理よりも枚葉式処理が主流と
なってぎた。

特に、エツチング処理においては、従来一度に１０枚程
度の半導体ウェハを処理するバッチ式が多用されていた
。その理由は１回の処理に成る程度時間がかかっても単
位時間当りの処理量（スループット）が例えば１時間当
り６０枚と比較的高いからである。

この程度のスルーブツトを枚葉式で得るためにはエツチ
ングレート（エツチング速度）を高くする必要があるが
、この目的のためには高周波（ＲＦ）のパワーをあげる
必要がある。しかし、ＲＦパワーをあげると、これによ
ってウェハ（基板ともいう）表面が損傷するようになる
。従って、ＲＦパワーをあげることなく、エツチング速
度をあげるために、リアクタチェンバ内のプラズマ密度
をあげることが考えられた。

従来より、プラズマ密度をあげる方法としてはスパッタ
リングにおけるプレーナマグネトロンカソードの方式が
知られており、これは、カソード表面で磁力線をとり囲
むように電子がサイクロイド運動をするため、これら電
子が粒子と粒子の衝突回数を増してプラズマの密度を上
げる磁気増強の方法である。

（発明が解決しようとする問題点） 最近、この磁気増強（マグネチックエンハンス）の手法
をリアクティブイオンエツチング処理に利用することが
提案されている。例えば従来提案された装置では、ウェ
ハの下側に磁石を配列し、これによりウェハの表面近く
にプラズマの高濃度領域を形成するように構成されてい
る。

又、第８図に斜視図で概略的に示したような構造の磁気
増強型リアクティブイオンエツチング装置も提案されて
いる。この装置は、リアクティブチェンバ１の両端側に
ソレノイドコイル２及び３を互いに離間対向配設して設
け、これらコイル２及び３に直流電源４から直流電流を
流すと共に、チェンバ１内に設けたウェハ（基板）５に
高周波電源６から高周波電流を流すように構成したもの
である。

この装置において、例えば磁界（又は磁束密度）をＢと
し、ある時点での正の荷電粒子ｑの流れ（又は粒子速度
）の方向をＥとすると、この荷電粒子ｑには第９図の原
理図に示すように、ローレンツ力Ｆが働く。この種の装
置では一般にウェハ５をその表面が磁界Ｂの方向と平行
となるように設けであるので、このウニへ面を荷電粒子
の流れＥの方向と対向する方向から見たとき、ウニ八表
面のエツチング速度は左右の領域で大きく変化する。そ
の理由は、第１０図からも理解出来るように、プラズマ
密度がウニ八表面で大きく変化するからである。すなわ
ち正に帯電したプラズマ粒子ｑを考えたとき、このプラ
ズマ粒子ｑの流れの方向を仮りに紙面裏側から表側（Ｅ
で示す）とし、磁界Ｂが図中上側から下側へ向っている
とすると、正のプラズマ荷電粒子に働く力ｆがウニ八表
面と平行でかつ図中左から右に向かう方向であるため、
プラズマの高濃度区域（図中斜線を付して示した領域Ｑ
）は図の右側に位置し、この領域のエツチング速度が増
大する。又、コイルの電流の方向が逆であるならば、プ
ラズマの高濃度区域は左側に位置し、その領域のエツチ
ング速度が増大する。

しかしながら、第８図に示す場合には正のプラズマ荷電
粒子ｑは、ウェハ５の表面内において磁界Ｂの方向と直
交する方向のうち図に矢印ａで示す方向の力を受け、一
方、負の荷電粒子は図中す方向の力を受ける。これがた
め、正及び負の荷電粒子はａ及びｂ方向にそれぞれ移動
し、その結果チェンバ１内のプラズマ濃度が不均一とな
る。

第１１図は、このような従来装置での実験により得られ
たプラズマ濃度の不均一性をウニ八表面でのエツチング
速度（入／分）の相違で表した図である。この場合、４
インチ（１インチは約２．５４ｃｍ）のウェハに成長さ
せたＳｉＯ２膜に対してエツチングを行った。その条件
はチェンバ内へのガス（ＣＨＦ３＋５％Ｃ０２）流量を
１４０３ＣＣＭとし、磁界Ｂを２４０ガウスとし、高周
波パワーを１　、　９１　Ｗ／　Ｃｍ２　とし、プラズ
マガス圧を１３Ｐａとして得たものである。この場合の
ウニ八表面の中心でのエツチング速度に対するその周囲
の８５％の領域でのエツチング速度の差（不均一性）は
±２６％と大きい。尚、図中に、代表的な箇所でのエツ
チング速度を数値（単位は人／分）で示しである。

かかる不均一を改善するために、第８図に示す装置のコ
イル２及び３に交流電流を流して交番磁界を発生させ、
他の条件は前述の実験条件と同一にしてエツチングの試
みを行った。そのエツチング速度（人／分）の結果を第
１２図に示す。この実験結果からも理解出来るように、
この場合には、交流電流の各半サイクル毎に荷電粒子に
は互いに反対方向の力が働く結果、ウェハ５の左右にプ
ラズマの高濃度区域が形成されるため、プラズマ濃度の
不均一性が±１２．２％程度となり、プラズマの不均一
を成る程度改善出来るが、この場合にも磁界Ｂに対し直
角な方向のプラズマ濃度は非対称となっていることが分
る。

上述した装置とは異なり、第１３図に示すように、互い
にα＝β＝γ＝１２０°の角度離間して３個のコイル７
．８．９を設け、これらコイルに１２０度の位相遅れの
３相電流を流して例えば第１４図に矢印Ｃで示すような
方向に回転する回転磁騨を形成するように構成したりア
クティブイオンエツチング装置も提案されている。この
装置では荷電粒子がウェハ５と平行な面内で矢印ｄで示
す方向（点線で示す）に回転するため、ウェハ５の表面
全体に亙って均一なプラズマを得ることが出来る。

この第１３図に示した方法は理論的には魅力があるが、
しかし、第１３図の構成では、３個のコイル７．８．９
を組み合わせるため構成が複雑となり、しかも、交流印
加に対するコイルのインダクタンスの整合、これらコイ
ルの発熱、或は位相合わせ等の問題が発生する。又、イ
ンダクタンスの問題を少なくするために周波数を低下さ
せようとすると、低周波発振器等が必要となるという新
たな問題が発生する。

従って、この発明の目的は、上述したプラズマ濃度の非
対称の問題を解決し、簡単な構成で均一なプラズマ濃度
が得られるようにした磁気増強型リアクティブイオンエ
ツチング装置を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） この目的の達成を図るため、この発明は少なくとも２個
のコイルを用いて互いに反撥する２種以上の磁界を発生
させ、この磁気反漫により処理すべき半導体ウェハの表
面に平行な磁束を発生させ、この磁束のパターンがリア
クタチェンバの長手方向軸線に対して対称、従って半導
体ウェハの中心点に対し対称となるようにしたことを特
徴とする。

この発明の実施に当っては、ソレノイドコイルに流れる
電流を交番電流とするのが好適である。

さらに、この発明の好適実施例においては、交番電流を
、ソレノイドコイルに流れる直流電流の強さを変化させ
ることにより、形成するようにするのが良い。

さらに、この発明の他の好適実施例においては、交番電
流をソレノイドコイルに流す直流電流のオン・オフによ
り形成することが出来る。

さらに、この発明の実施に当り、交番電流を、ソレノイ
ドコイルに流す直流電流を交流により変調して、形成す
るのが好適である。

さらに、この発明の他の好適実施例では、ソレノイドコ
イルをプラズマリアクタの外周に、リアクタ内部の半導
体ウェハを囲むように巻装するのが良い。

（作用） このように、この発明では、少なくとも２個のソレノイ
ドコイルによって発生された互いに反撥する向きの６１
ｉ界によって、エツチング処理が行われるウニ八表面付
近に、このウニ八表面と平行でかつウェハ中心点に対し
て対称な磁束が形成されるので、ウニ八表面でのプラズ
マ密度の分布、従って、ウニ八表面に対するエツチング
速度が均一となる。

（実施例） 以下、図面を参照してこの発明の実施例につき説明する
。尚、これら図は発明の構成を理解出来る程度に各構成
成分の形状、寸法及び配置関係を概略的に示しであるに
すぎず、又、この発明は図示の構成例にのみ限定される
ものではない。

第１図はこの発明の装置の一実施例を概略的に示す斜視
図、第２図は第１図のＩ−Ｉ線断面図及び第３図は第２
図のＩＩ　−ＩＩ線断面図である。

第２図に示す通り、この発明の磁気増強型リアクティブ
イオンエツチング装置では、半導体ウェハ２０を円筒型
電極２１上に良電熱状態で配置し、この円筒型電極２１
を絶縁体２２により支持する。半導体ウェハ２０に対向
し所定距運の箇所にガス導入部２３を配設する。全体を
外側容器２４で囲んでプラズマリアクタ２５を構成し、
内部にリアクタチェンバ２６を画成する。

このガス導入部２３はリアクタ２５の前壁部２７を貫通
する導管２８を介してガス供給源（図示せず）に連結す
る。又、リアクタ２５の後壁部２９にはガス排出部３０
を設け、これを絶縁支持体２２に形成した複数の貫通孔
３１を介してリアクタチェンバ２８に連通させる。この
円筒型電極２１には導線３２を経て高周波エネルギー源
３３に接続する。

又、この発明によればプラズマリアクタ２５の外周例え
ば外側容器２４に２個のソレノイドコイル３４及び３５
を巻装し、この場合、半導体ウェハ２０をこれらソレノ
イドコイル３４及び３５が容器２４の周囲で取り囲むよ
うにして巻装する。例えば、コイル３４と３５との間に
リアクタチェンバ２６内の半導体ウェハ２０が位置する
ようにこれらコイル３４及び３５をそれぞれ対向配置す
る。これらコイル３４及び３５には直流型源３６（第１
図と示す）から直流電流を供給してこれらコイル３４及
び３５によって互いに反撥する磁界を形成する。かかる
磁界の様子を第４図に示す。すなわち、対向する２個の
コイル３４及び３５に互いに逆向きの直流電流を流し、
ウェハ２０の近くに相対向する磁界を形成するようにす
る。

次に、この発明の他の実施例を第５図を参照して説明す
る。第５図はこの発明にかかる装置の変形例を説明する
ための要部を概略的に示す線図であり、第１図〜第３図
に示した構成成分と同一の構成成分については同一の符
号を付して示す。

この実施例では、リアクタ２５の外周例えばリアクタ２
５を構成する外側容器２４の図中左側に２個のソレノイ
ドコイル３７及び３８をそれぞれ巻装すると共に、これ
らコイル３７及び３８とはウェハを配設する位置を挾ん
で反対側すなわち外側容器２４の右側に他の２個のソレ
ノイドコイル３９及び４０をそれぞれ巻装する。コイル
３７及び３８の組とコイル３９及び４０の組との間にウ
ェハ２０を位置させるようにし、これら各組のコイルに
互いに逆向きの電流を流し、第５図にＳ及びＮでそれぞ
れ示す極性の互いに反撥する磁界をリアクタチェンバ２
６内のウニ八表面付近に相当する箇所に形成する。かか
る反撥磁界によって、チェンバ２６の長手方向の中心軸
線ｄに対し直交する面内であって、かつチェンバ２６の
中心軸線ｄから放射方向に外側に向う磁束φが発生する
。第５図のＩＶ−ＴＶ線断面方向に見た時のこの磁束φ
の様子の概略を第６図に矢印を付した線で示す。

第７図は第５図のＩＶ−ｒＶ線断面方向に見た時の第５
図の装置のチェンバ２６内での磁界Ｂの強さ及び電界Ｅ
によって正の荷電粒子に働く力Ｆのベクトル関係を示す
線図である。この実施例では、この力Ｆは正の荷電粒子
をチェンバ２６の中心点４１を中心として時計方向に回
転するように作用し、従ってウニ八表面上に同心的にプ
ラズマを作ることが出来、従って、ウニ八表面上に均一
なプラズマ分布を得ることが出来る。

コイルに流す電流の方向を逆にすると力Ｆは正の荷電粒
子を反時計方向に回転するようになることが明らかであ
り、この場合でも前述と同様に均一なプラズマ分布をウ
ェハ上に形成することが出来る。従って、コイルに流す
電流を交番電流とするのが良い。

さらに、ソレノイドコイル３４．３５．３７．３８．３
９．４０に供給する直流電流はオン・オフさせることが
出来る。この場合、電流をオンすると、装置は磁気増強
型リアクティブイオンエツチングｉｆとして作動し、電
流オフ時には通常のりアクティブイオンエツチング装置
として作動する。従って、その間で直流電流の強さを調
整することによりプラズマの集中度を制御することが出
来、これがため、エツチング速度を自由に変化させるこ
とが出来る。

又、この直流電流のオン・オフを繰り返して行って交流
電流を形成しても良い。

更にこれらコイルに流す直流電流を交流により変調する
ことによって磁界の均等化を図ることが出来る。

又、ウェハ２０を支持するための円筒型電極２１を二価
の鉄の材料で構成すると、チェンバ２６内の磁束パター
ン、従ってプラズマ中の活性種集中度、結局はウニ八表
面に対する均一な処理を制御することが出来る。

さらに、上述した各コイルの配置関係は設計に応じて適
切に設定することが出来る。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明によれば
簡単な構成で均一磁界を得ることが出来、従ってウェハ
を均等にエツチングすることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の磁気増強型リアクティブイオンエツ
チング装置の一実施例を示す斜視図、第２図は第１図の
Ｉ−Ｉ線上の断面図、第３図は第２図のＩｆ　−ＩＩ線
上の断面図、第４図は第１図の装置のコイルに発生する
磁界の状態を示す説明図、 第５図は第１図に示す装置の変形例を示す説明図、 第６図及び第７図は第５図のＩＴ−ＩＶ縁線上断面図、 第８図は従来の磁気増強型リアクティブイオンエツチン
グ装置の構成を概略的に示す斜視図、第９図は第８図の
装置において荷電粒子に働くローレンツ力の説明図、 第１Ｏ図は第８図の装置内のウェハに働く力及びこれに
より発生するプラズマ濃度の状態を示す説明図、 第１１図及び第１２図はチェンバ内のプラズマ濃度の分
布図、 第１３図は従来の磁気増強型リアクティブイオンエツチ
ング装置の他の例を示す斜視図、第１４図は第１３図の
装置に発生する磁界の状態を示す説明図である。 ２０・・・半導体ウェハ、　　２１・・・円筒型電極２
２・・・絶縁（支持）体、　２３・・・ガス導入部２４
・・・外側容器、　　　　２５・・・プラズマリアクタ
２６・・・リアクタチェンバ、２７・・・前壁部２８・
・・導管、　　　　　　２９・・・後壁部３０・・・ガ
ス排出部、　　　３１・・・貫通孔３２・・・導線、　
　　　　　３３・・・高周波エネルギー源３４．３５．
３７．３８．３９．４０・・・ソレノイドコイル３６・
・・直流電源、　　　　４１・・・チェンバの中心点。 第１図 ■−■碌断面断 面図図 反）發石夜外の棟） 第４図 ■−■徨斯面図 第６図 Ｂ’ ８、Ｅ　及びＦのべ°７トノＬＡ／］イ系第７図 第８図 ０−［ンソ７７説朗図 第９図 第１０図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）プラズマリアクタチェンバ内に設けた２個以上の
   電極間に無線高周波（ＲＦ）交番電圧を印加してガスプ
   ラズマを発生させ、このプラズマのイオン化を磁界によ
   り増強してプラズマリアクタ内の半導体ウェハを処理す
   る磁気増強型リアクティブイオンエッチング装置におい
   て、互いに反撥する２種以上の磁界を発生させ、この磁
   気反撥により処理すべき半導体ウェハの表面に平行な磁
   束を発生させ、該磁束のパターンが前記リアクタチェン
   バの長手方向軸線に対して対称、従って前記半導体ウェ
   ハの中心点に対し対称となるように配設した少なくとも
   ２個のソレノイドコイルを具えること を特徴とする磁気増強型リアクティブイオンエッチング
   装置。
2. （２）前記ソレノイドコイルに流れる電流を交番電流と
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の磁
   気増強型リアクティブイオンエッチング装置。
3. （３）交番電流は前記ソレノイドコイルに流れる直流電
   流の強さを変化させることにより形成することを特徴と
   する特許請求の範囲第２項に記載の磁気増強型リアクテ
   ィブイオンエッチング装置。
4. （４）交番電流は前記ソレノイドコイルに流す直流電流
   のオン・オフにより形成することを特徴とする特許請求
   の範囲第２項に記載の磁気増強型リアクティブイオンエ
   ッチング装置。
5. （５）交番電流は前記ソレノイドコイルに流す直流電流
   を交流により変調して形成するようにしたことを特徴と
   する特許請求の範囲第２項に記載の磁気増強型リアクテ
   ィブイオンエッチング装置。
6. （６）前記ソレノイドコイルをプラズマリアクタの外周
   に、リアクタ内部の半導体ウェハを囲むように巻装する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の磁気増
   強型リアクティブイオンエッチング装置。