JPS6327022A

JPS6327022A - マイクロ波プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPS6327022A
Application number: JP16974786A
Authority: JP
Inventors: Yoshinao Kawasaki; 義直川崎; Katsuyoshi Kudo; 勝義工藤; Minoru Soraoka; 稔空岡; Tsunehiko Tsubone; 恒彦坪根; Hironori Kawahara; 川原　博宣
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-07-21
Filing date: 1986-07-21
Publication date: 1988-02-04

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〕本発明はマイクロ波プラズマ処理装置に係り、特に試料
をプラズマ処理するときの静電気的損傷を防止し、かつ
処理の均一化を図るの曇こ好適なマイクロ波処理！Ａ′
Ｒに関するものである。

〔従来の技術〕

半導体集積回路の集積度は年々高くなってきており、今
やサブミクロンの時代に突入している。

こうした中で、低ダメージ性や寸法加工精度に優れたマ
イクロ波プラズマ処理装置が、デバイスの製造工程にお
いて、増々重要な役割を果すようになっている。

特えば、特公昭５８−１３６２７号公報に記載されてい
るように、磁場を用いて電子サイクロトロン共鳴（以下
「ＥＣＲ」と呼ぶ）でプラズマを発生させ、かつ試料台
にＲＦまたはＤＣバイアスを印加することにより、寸法
加工精度が良（、高速で、かつ低ダメージなエツチング
を実現したものがある。

また、エツチング処理後のレジストアッシング月しじて
、例えば特開昭６０−１６４２４号公報に記載されてい
るように、マイクロ波導波管の管壁に細孔を明けるか、
または導波管壁孔に金網を設ける二とにより、プラズマ
イオンな遮蔽し、活性種のみでフォトレフストとをエツ
チングして、半導体素子のダメージのないレジストアッ
シング処理を行うようにしたものがある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術のうち、前者は有磁場マイグロ波放電管に
てＥＣＲ条件を満してプラズマを発生させるため、比較
的低圧でも密度の高いプラズマを発生させることができ
るため、これをレジストアッシャ−に応用する場合に、
高速アッシングが容易に実現できるという利点があるが
、一方、処理の均一化を図るためには、放電室の大きさ
をウェハ径と同等以上に太き（する必要があり、このた
め、磁場発生用のコイルも大形化し、近年のように、ウ
ェハ径が２００ｍや、２５０ｎといった大径化の傾向を
強める中で、装置コストの増大は避けられないという欠
点がある。また、ウェハがプラズマにさらされるため、
特１こエツチング後のアッシング速度においては、素子
が静電気的損傷を受けやすいという問題があった。

また後者の例では、プラズマを発生させる手段として、
マイクロ波による電場のみな利用しているため、プラズ
マの発生効率が悪鳴、アッシング速度の向上には限界が
あり、また処理の均一化を図ることが困難となる問題が
あった。

本発明の目的は、上記欠点を無くし、素子にダメージを
与えず、高処理レートが得られ、かつ、均一処理が可能
な、小形で安価なマイクロ波プラズマ処理装置を提供す
ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、マイクロ波を導入できる最小必要寸法の放
電室と、該放電室内に導入される処理ガスをＢＣＲ放電
によりプラズマ化させるプラズマ発生手段と、該放電室
に発生したプラズマ中のラジカルを分離する分離手段と
、該分離手段によって分離したラジカルによって試料を
処理する試料処理室と、前記放電室の中心暑こ対して偏
心して、回転可能として試料台とで構成し、ＥＣＲを利
用して放電室内に導入される処理ガスをプラズマ化し、
前記放電室内のプラズマ中よりムシカルのみを分離し、
分離したラジカルにより、偏心位置で回転する試料台に
設置された試料を処理することにより達成される。

〔作　　用〕

放電室内に処理ガスを導入し、マイクロ波による電界と
、該電界に直交する磁界とを作用させてＢＣＲ放電を起
こさせ、処理ガスを効率よくプラズマ化させる。このと
き放電室部での磁場の強度に、試料から放電室に向って
減少する勾配をもたせ、プラズマ中の電子およびイオン
を試料とは反対の方向に移動させる。残りの中性ラジカ
ルは、試料方向に排気され試料に到達して試料面の被処
理膜を化学的にエツチングする。

この時、試料台を放電管軸心から偏心させて回転させて
いるため、放電管の開口面積よりも大きい基板上の被処
理膜を均一に処理することができる。

〔実　施　例〕

以下、本発明の一実施例を第１図と第２図とにより説明
する。

第１図において、試料処理室ｌ内には試料、例えばウェ
ハ１４を配置する試料台２が設置しである。

試料処理室１の上部には円形導波管を兼ねる放電室３が
連通して設けである。４は真空シール材である。放電室
３の上部には、石英またはアルミナ等のマイクロ波を透
過する絶縁材、この場合は石英でなる絶縁窓５を介して
、変換導波管６が設けられる。１８は真空シール材であ
る。変換導波管６の他方には矩形導波管７が取付けられ
、矩形導波管の端部にはマグネトロン８が設けである。

放電室３内には、マイクロ波を反射する反射端１５が取
付けである。放電室３の外側には、マイクロ波による電
界と直交する磁界を発生する円筒形の電磁・コイル９が
設けである。電磁コイル９の外側および内側の一部に、
高透磁部材でなるシールド璧１０およびシールドカバー
１１が具備しである。

放電室３には、絶縁窓５と反射端１５との間に、ガス導
入口鵞が設けである。処理室ｌの反放電室側には、図示
しない排気装置に継ながった排気口１３が設けである。

試料台２には、これを加熱するための熱源、例えばヒー
タ１６が取付けられている。

また、試料台２は、真空シールが可能な回転シ−ル軸受
、例えば磁性流体シール軸受１９で、回転可能に試料処
理室１の底部薯こ、放電室３の中心とは偏心させて取付
けられ、該試料台下部の軸冴部に設けたギヤ加と、これ
と噛み合うピニオン乙を駆動することにより回転させる
ことができるようになりでいる。ｎはピニオン乙を駆動
する回転駆動装置である。ヒータ１６の給電線は、軸冴
の中空部を通り、軸あの端部に設けた回転スリップリン
グクを介して固定部５に取出され、端子加から図示しな
い電源部に接続される。

１７はマイクロ波の反射波をとらえてマグネトロン側へ
戻らないようにするためのアイソレータである。

前記構成部品中の円形導波管を兼ねる放電室３は、最小
必要限の寸法とするため、例えば、マグネトロン８の発
振周波数を２．４５　Ｇ　Ｈｚとし、共振モードをＴＢ
１１２モードとした場合、発振波長が、１２．２４５（
”１１に対して、内径を１０．９ｃｍとすれば遮断波長
は１８，５８ｃＩＩＬなので、マイクロ波電力を放電室
３内に導入することができる。このときの放電室３の長
さは１６，２αとなる。また、放電室３の管内波長は、
プラズマの状態によって変化するので、放電室長を決定
する反射端１５の位置は、調整可能としておくのが望ま
しい。

また、該反射端は、ラジカルを通過させるため、マイク
ロ波を遮断できる大きさの一つ又は複数個の穴が設けら
れている。

例えばＴＢｌｌモードでは、該穴径を７．１８３以下と
することにより、遮断波長が、発振波長の１２．２４５
ｃＩｎ以下となるため、マイクロ波の透過が防止され、
ユニで反射して再び放電室３内を通過し処理ガスのプラ
ズマ化を助ける。この場合は、反射端巧の穴径を１ｃｒ
ｎとして２ｍ間隔で設けている。

また第２図に示すように、電磁コイル９を囲んで設けた
シールド壁１０の端を、電磁コイル９の内側に廻り込ま
せて設ける。これにより、図示しない直流電源装置によ
って電磁コイル９で発生された磁界は、シールドｍ１ｏ
の内側端部とシールドカバー１１の内側端面との間に集
中する。この集中した磁界強度の最大位置は反射端１５
の下方に位置させ、Ｚ軸方向すなわちウェハ１４から遠
ざかる方向に磁束密度Ｂ（ｚ）を減少させる。

ここで、この場合のプラズマ発生手段は、マグネトロン
８と矩形導波管７と変換導波管６と、放電室３と絶縁窓
５と反射端１５と電−コイル９とシールドｔＪ１０とシ
ールドカバー１１とで構成される。

マグネトロン８で発生させられたマイクロ波は、矩形導
波管７から変換導波管６を介して放電室３内に入ってき
たマイクロ波は、放電室３内に入ってきた処理ガスをプ
ラズマ化し、消費される。またこの時消費されなかった
一部のマイクロ波は。

反射端１５で反射され、再びプラズマ中を通過するので
、マイクロ波の吸収効率が向上し、プラズマ化率が上が
る。

また合せて磁気コイル９により磁界が発生させられ、第
２図に示すマイクロ波電界ｇ（ｚ）の最大となる付近の
磁界強度が約８７５ガウスとなるようにすることで、発
振周波数２．４５　ＧＨｚに対するＥＣＲ条件を満して
いる。

今、マイクロ波の再速度をω、静磁ＪＢ中の電子のサイ
クロトロン運動の再速度をω。＝　ｅ　Ｂ　７ｍとする
と、ω＝ω０を満足する時に電子サイクロトロン共鳴（
ＥＣＲ）ｌ起こし、ω＝ω。のご（近傍でマイクロ波の
電力は効率よ曵電子運動のために吸収される。

放電室３内に発生させられたプラズマは、次に分離手段
によってラジカルのみが分離され、試料処理室ｌに出て
行（。

ここで、この場合のラジカル分離手段は、電磁コイル９
とシールド壁１０とシールドカバー１１と、図示しない
直流電源装置とで構成される。

一般に、静磁場中でのプラズマ中の電子は、Ｚ軸方向に
力を受け、その大きさをＰ（ｚ）とすると、で与えられ
ることが知られている。ここで、ｅは電子の電荷、ｍは
電子の質量である。上式（１）によれば、プラズマ発生
部の磁束密度Ｂ（２）がＺ軸方向に減少しているので、
プラズマ中の電子はＺ軸のウェハ１４から遠ざかる方向
に力を受ける。これにより、プラズマ中の電子が放電室
３の上部方向に移動し、プラズマ中では一時的に電子と
イオンが分離し電界を生じる。これによりイオンも電子
に引張られて放電室の上部に輸送される。すなわち、プ
ラズマ中の電子とイオンとがウェハ１４とは反対の方向
に加速されて、電気的、磁気的に影響を受けない中性ラ
ジカルのみが反射端巧の穴を通って試料処理室ｌ側へ出
て行く。

試料処理室１に入ってきたラリカルは、排気口う１３に向って流れて行く。このとき、嘉ジヵルがウェハ
１４の表面に接触し、化学反応を起こしてウェハ１４を
エツチングする。このように、エツチングはラジカルに
よる化学反応だけなので、化学反応を促進させエツチン
グ速度をさらに高めるために、この場合、ヒーター６に
よって試料台を５０℃〜２００℃に温度制御できるよう
にしである。

−万うクカルは、一般に、プラズマ中の他の気体分子や
、放電室側壁との衝突によって消滅する。

したがって、放電室３から出てきたラジカルは試料処理
室上部の開口部の周辺では、中心部と比べて密度が低く
なってしまう。

このため、つ、ハ全体を均一な速度でエツチングを行う
には、ウェハ径よりも大きい開口面積をもった放電管を
用いる必要があり、このことは、装置の大形化につなが
り経済的ではない。

本発明では、この問題を解決するため、試料台２を放電
室３の中心軸から偏心させて、かつ回転させることを可
能とした。偏心させる方向は、排気口１３寄りに放電室
３を設け、少なくとも放電室３の外周の反排気口側の端
がウェハ１４の回転中心以上にあることが望ましい。

第３図に、試料台２の取り付けの詳細を示す。

試料台２にはヒータ１６と、試料台２の一部１こ温度セ
ンサー（が取付けてあり、試料台２はｉ２４の端面フラ
シジ部に真空シール材２７ａを挾んでボルト丞にて固定
されている。

ウェハ１４は試料台２の上面の座りり部に載置されるよ
う、図示しない搬送装置により、試料処理室ｌ内に搬入
される。

軸ツは、試料処理室ｌに対して、回転可能に、かつ、試
料処理室ｌ内部の減圧状態な保つため真空シール可能な
磁性流体シール軸受１９で支持されている。磁性流体シ
ール軸受１９は、０リングなどの真空シール材と通常の
転り軸受を組合せたものでも良い。

ドーナツ状の導体リング２３ｂおよびＺ３ｃは、軸冴の
他端フランジ部と７ランジ切の間に、ドーナツ状の絶縁
リングＺ３ａを挾んで、軸スおよびフランジ初と電気的
に絶縁された状態で、軸４の回転中心軸と同心軸上にボ
ルトおにより固定されている。

試料台２とフランク伯の中心には、ウェハ１４を試料台
２より持ち上げるためのロッドｎを上下動可能に支持す
るブツシュ（至）およびｍが組込まれている。ブツシュ
（至）の上部には真空シール材２７ｂが設けられ、ロッ
ドａと接して真空シールを行っている。ロッドＭの最上
部にはウェハ１４の支持金回が取付けられている。ロッ
ド剪の下部には、ケース々が、ナツト４３１こで固定さ
れており、ケース４２とフランジ伯の間に、圧縮バネ４
１が挿入され、ロッドごが常に下方に引張られた状態で
セットされている。

ナツト招の下部には、エンドピース４と適切な空隙を設
けて配置され、エンドピース４を上下動させるための駆
動部であるシリンダ６が、ブラケット柘を介して固定さ
れている。シリンダ柘が伸びると、エンドピース偏はナ
ツトＣと接触し、さらに圧縮バネ４１の圧縮力に抗して
ロッドごを持ち上げ、第３図中の２点鎖線で示す如くウ
ェハ１４を持ち上げる。シリンダ柘が縮むと、エンドピ
ースＩとナツトＣは適切な空隙（例えば２〜５　ａｍ　
）を作るように設定されている。　　　。

また、軸スの中間部には、ギヤ加がボルトあにて固定さ
れており、回転駆動装！Ｉｎに取り付けたビニオンガと
噛み合っている。

導体リング２３ｂおよび２３ｃの外周部には、バネ等に
より適切なる押付力で導体ブラシ２ｉａ、２ｓｂが接触
しており、端子２６ａおよび２６ｂはそれぞれ、ヒータ
用電源およびＡ度セシサー人力信号源として、図示しな
い外部機器に接続される。

ヒータ１６の電源線あは、軸Ｕとは絶縁されるように、
絶縁材であるフィートスルーあを介して導体リング２３
ｂに、また、温度センサー冨からの信号練具も同様に、
フィードスルーおを介して導体リング２３Ｃに接続され
ている。フィードスルー蕊および（は、真空シール材２
７Ｃおよび２７ｄにて真空シールされるように取付けで
ある。

上記構成により、試料処理室１を減圧下に保った状態で
、試料台２を回転させることが可能となり、回転中にお
いても、試料台３に直接固定したヒータ１６により良好
なＭ＆制御ができ、かつウェハ上下機構の駆動部が回転
部とは切り離されているため、駆＃Ｊｓへの空気譚の接
続が容易となる。

第３図は、例えば、６インチのシリコンウェハに、ＭＯ
８ゲート素子を作りゲート絶縁膜が露出した状態で、第
１図に示す装置により、レジストをエツチング（アッシ
ング）した時の結果を示したものである。処理条件は、
処理ガスとして０２を５０　ｓｃＣＭ流し、放電室内圧
力を２ｍＴｏｒｒ〜１００　ｍＴｏｒｒの間で変えた。

但し、２ｍＴｏｒｒの時は０２を３０８ＣＣＭとした。

マイクロ波出力は５００Ｗで、試料台は８０℃に温度制
御した。

第３図から明らかなように、第１図の装置はＢＣＲを利
用しているので、従来のＢＣＲを用いない例えば平行平
板式の放電方式が０．５〜３　Ｔｏｒｒという高圧力域
で実用的なエツチング速度が得られるのに対し、０．０
１〜０．１Ｔｏｒｒという比較的低圧域で高速エツチン
グが可能である。

また２　ｍＴｏｒｒ　以下の低圧域では、ラジカルの発
生量が少なく、実用的なエッチ−ジグ速度は得られなか
った。

第４図は、第１図の装置による別の効果を実験にて確認
したもので、前述と同様のウェハな用い放電室に０２を
５０８ＣＣＭ流し、放電室内圧力を５０ｍＴｏｒｒに制
御し、マイクロ波出力を５００Ｗとして、レジストのア
ッシングを行ない、ウェハ内布のアッシング速度分矛な調べたものである。

第４図かられかるように、試料台を固定し、放電管の軸
心上に設置した場合は、ウェハ中央部に比べて周辺部の
アッシングレートが低くなっており均一性が悪い。また
、速度分布も非対象となっており、排気口に近い側の方
が７プシング速度が早い。

一方、試料台を放電管軸心から偏心させて回転させる方
式では、上述の問題が解決され、ウェハ周辺部でのアッ
シングレートが向上し、アッシング速度の均一性が著し
く改善されていることがわかろ。また、これに伴って、
ウェハ全面のレジストを完全にアッシングするのに要す
る実質処理時間は、約４０チも短縮された。

なお、本実験により、ゲート部の耐圧劣化等の素子ダメ
ージが発生することはなかった。

以上、本−実施例によれば、電気的、磁気的Ｇこ影響な
受けないラジカルのみによって、ウェハ１４をエツチン
グ（アッシング）できるので、ウェハ１４の素子に、電
子やイオンのチャージアップがなく、素子の静電気的損
傷を防止することができる。

また、放電室をマイクロ波の導入できる最小必要限の寸
法とじ又も、試料台を該放電室軸心と偏心させた位置で
回転させる二とにより、処理の均一化が計れるとともに
、処理時間を短縮することができる。さらに、前述の如
啜、ウェハ径に比べて小さい放電室３や電磁コイル９に
よって装置を構成することができるので、装置を小形で
安価に製作できるという効果がある。

また、磁場を利用しない従来のものと比べて、ＥＣＲの
電子サイクロトロン運動の相乗効果により、高密度のプ
ラズマを発生することができるので、高処理レートを得
ることができる。

さらに、試料台２にヒータ１６を設けることによって、
ウェハの処理速度を速くすることができる。

また、ウェハ押し上げ機構をその駆動部とは切り離して
設けられ、試料台２に直接ヒータ１６や温度センサー冨
を取り付け、これらの配線を軸スと中心軸線上で該軸冴
とは絶縁された導体リングに接続し、外部固定の導電ブ
ラシにより供電または信号を取り出すことができるので
、試料台を回転させながら、良好な温度制御ができ、処
理の均一化を図ることができるという効果がある。

また、ウェハ押し上げ機構と、試料台の回転機構とを組
み合わせることができるので、処理の均一化を因るとと
もに、ウェハの自動搬送を容易着こすることができると
いう効果がある。

また、ウェハ押し上げ機構の駆動部への空気源の接続が
容易となる効果もある。

また、本実施例では、処理ガスを０２単体のみで行った
が、１０チ程度のＣＦ４ガスを混合すれば、さらに処理
強度を向上させることができる。

また、この混合ガスに、下地の膜質に応じて、下地をエ
ツチングしにくいガス、例えばＣＨＦ３や０２Ｆ６．Ｓ
Ｆ６等のガスを混合しても同様の効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、マイクロ波を導入でき得る最小限の放
電室内で、ＢＣＲ放電をさせるとともに、磁束密度を試
料から遠ざかる方向に減少させることによって、ラジカ
ルの発生量を多くできるとともに、ラジカルのみで試料
を処理することができるので、素子ダメージを与えず、
高処理レートを巧。

得ることができるという効果が１＃また、試料台を、放電室の軸心とは偏心させた位置で回
転可能としているので、処理の均一化が計れ、処理時間
の短縮ができる他、ウェハ径に比べて小さい放電管や電
磁コイルで装置を構成できるので、装置を小形で安価に
製作できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるマイクロ波プラズマ処
理装置を示す縦断面図、第２図は第１図の装置によるマ
イグロ波電界および磁束密度を示す図、第３図は第１図
の試料台部分の詳細を示す縦断面図、第４図は第１図の
装置による実験例を示す図、第５図は第１図の装置と試
料台固定式との処理結果の比較を示す図である。ｌ・・・・・・試料処理室、２・・・・・・試料台、３
・・面放電室、５・・・・・・絶縁室、８・・・・・・
マグネトロン、９　・曲・電磁コイル、１０・・・・・
・シールド壁、１１・四・シールドカバー、１４・・・
・・・ウェハ、ｂ・・・・・・反射端、加・・・・・・
ギヤ、Ａ・・・・・・ビニオン、ｎ・・・・・・回転駆
動装置代理人　弁理士　　小　川　勝　男 ■ 第２図才３図

Claims

【特許請求の範囲】

１、放電室内に導入される処理ガスをＥＣＲ放電により
プラズマ化させるプラズマ発生手段と、前記放電室内に
発生したプラズマの中のラジカルを分離する分離手段と
、該分離手段によって試料を処理する試料処理室と、該
試料処理室内に前記放電室の中心より偏心して設けられ
前記試料を載置して前記偏心部を中心として回転可能な
試料台とから成ることを特徴とするマイクロ波プラズマ
処理装置。