JP2004104095A - マグネトロンプラズマエッチング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マグネチックコイルブロックを利用してプラズマイオンのドリフティングを防止してウエハー面内均一性を向上する。
【解決手段】半導体製造プロセス等に使用されるプラズマエッチング装置は、高減圧雰囲気に設定可能で、上記プロセスチャンバの少なくとも一部が導電性部材で構成したプロセスチャンバと、エッチングガスをプロセスチャンバ内に導入する導入手段と、上記プロセスチャンバを排気する排気手段と、上記プロセスチャンバ内で露出されて、エッチングされる基板が載置される載置面を具備した第１電極と、上記プロセスチャンバ内で露出され、上記第１電極の載置面に対向し導電性を有する第２電極でなされた電極手段と、上記第１電極と第２電極間に電界を発生させる為に両電極にＲＦ電圧を印可する電源供給手段と、上記プロセスチャンバを取り囲むようにして設置されプロセスチャンバ内に順次に回転可能な磁界を形成するが、上記磁界は可変可能な電圧と電流で上記電界と実質的に直交するように第１及び第２電極間に発生する磁界発生手段を包含する。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は半導体製造プロセス等に使用されるプラズマエッチング装置に関するもので、特にプラズマイオンのドリフティングを防止する為にマグネチックコイルブロックを利用してウエハーの面が均一に処理されるマグネトロンプラズマエッチング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マグネトロンプラズマエッチング装置としては、例えば半導体素子の製造に使用される磁性が向上された反応性イオンエッチング装置（Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｒｅａｃｔｏｒ、以下ＭＥＲＩＥ装置と称する）タイプのドライエッチング装置か、薄膜形成装置等が知られている。
【０００３】
この種類のプラズマエッチング装置に於いては装置のプロセスチャンバ内にプラズマを生成させて、このプラズマ内のイオン、ラジカル、電子等の作用を利用して望むエッチング或いは薄膜形成等の処理が実施される。
【０００４】
しかし、従来のＭＥＲＩＥ装置を使用してエッチングした場合、次のような原因の為にエッチング処理のウエハー面内不均一が発生する。
【０００５】
第１に、ＭＥＲＩＥ装置のプロセスチャンバ内で処理されるべきウエハーの中央付近では４個の永久磁石により得られる磁界（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｆｉｅｌｄ）がウエハーの表面とほとんど水平であり、電界（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｆｉｅｌｄ）と直交する成分が大きい。これに対しウエハーの周辺部（Ｅｄｇｅ）付近では形成される磁界がウエハーの表面と水平でないので電界と直交する成分が少なく、電子のサイクロイド運動が起り難い。
【０００６】
第２に、上記サイクロイド運動により磁界と直交又は垂直になる方向に電子が移動するに従い、ウエハーのエッジ部の一部分で電子密度が非常に高くなり、このような高い電子密度より上部電極と下部の載置電極との間でイオン帯電領域が生成される。この時イオン領域の一部はウエハー内の各デバイスに損傷を与える。
【０００７】
言い換えればプラズマ内の電子密度が高い場合には、ウエハー内のデバイスに注入されるイオンの数も多くなりデバイス損傷（ｄｅｖｉｃｅ　ｄａｍａｇｅ）は大きくなる。なお、マグネトロンエッチング装置では磁界を回転させているので損傷を与える部分はウエハー内のエッジ部全域になる。
【０００８】
即ち、上記ＭＥＲＩＥ装置の構成では、磁界がウエハー上に平行に印加されているので、ドリフティング（ｄｒｉｆｔｉｎｇ）した荷電粒子により、プラズマ密度が大きくバイアスされて荷電粒子が移動する。
【０００９】
このためにウエハーの両端部に、各々正、負に分極した帯電領域が発生する。
【００１０】
この様な帯電領域はウエハー内の各デバイスを破壊するか劣化させてウエハー内の各デバイスに損傷を与えるという問題点を有していた。
【００１１】
上記したところの様に、ウエハー内の各デバイスの損傷を防止する為に、日本国東京エレクトロン社の技術は、３２個の磁石を回転させてプラズマの密度を均一にする構成を採用する方法を開示する。
【００１２】
しかしこの方法でも固定された大きさの磁石の瞬間停止状態でロ−レンツ力によるイオンのドリフティングが作用する。
【００１３】
この結果ドリフティング方向に荷電粒子が移動し、プラズマの密度が不均一になり、不均一な密度はウエハー表面に対して電位分布を不均一にする。
【００１４】
又、他の手段として、マグネチック又は磁石を使用する代りにプラズマコンファィンメントリング（Ｐｌａｓｍａ　Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ　Ｒｉｎｇ）を使用するタイプもアメリカ合衆国ＬＡＭＣｏｒｐ．により提案されている。
【００１５】
しかしこの方法でもやはり上記のように均一なプラズマ密度を提供するには及ばなかった。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は上記した問題点を勘案してマグネチックコイルブロックを利用して電界と交差する方向に磁界を形成し、この磁界に磁束密度が弱くなるグラディアントの空間を形成し、プラズマ内荷電粒子のドリフティング方向を発散させるようにすることで、ウエハーの面が均一に処理が可能になるようにするマグネトロンプラズマエッチング装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決する為の手段】
本発明の目的を達成する為に、マグネトロンプラズマエッチング装置に於いては、高減圧雰囲気に設定可能であり、プロセスチャンバの少なくとも一部を導電性部材で構成したプロセスチャンバと、エッチングガスをプロセスチャンバ内に導入する導入手段と、上記プロセスチャンバを排気する排気手段と、上記プロセスチャンバ内で露出され、エッチングされる基板が載置される載置面を具備した第１電極と、上記プロセスチャンバ内で露出され、上記第１電極の載置面に対向して導電性を有する第２電極とでなされる電極手段と、上記第１電極と第２電極間に電界を発生させる為に両電極にＲＦ電圧を印加させる電源供給手段と、上記プロセスチャンバを取り囲むように設置されてプロセスチャンバ内に順次に回転可能な磁界を形成するが、上記磁界は可変可能な電圧と電流で上記電界と実質的に直交するように第１及び第２電極間に発生する磁界発生手段を包含することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例として、本発明をマグネトロンプラズマエッチング装置に適用した場合を説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施例１に関するマグネトロンプラズマエッチング装置を図示する断面図である。
【００２０】
図１に図示したところの様にＭＥＲＩＥ装置（４０）は処理領域のエッチング室として真空状態のプロセスチャンバ（４２）を有し、このプロセスチャンバ（４２）内には半導体ウエハー等の被処理物（４４）と、この被処理物（４４）が挿入される開口（４６）と、上記プロセスチャンバ（４２）内に被処理物（４４）をクランピングして静電気的にチャッキング（ｃｈｕｃｋｉｎｇ）するチャック（５０）を配置した載置台（４８）を包含する。
【００２１】
又、ＭＥＲＩＥ装置（４０）は載置台（４８）に対向して設置され多数の開口を有する分配プレ−ト（８８）を具備している。
【００２２】
図１に於いてプロセスチャンバ（８６）は真空が可能に構成され、又エッチングガスが導入管の分配プレ−ト（８８）を通じて導入が可能に構成されている。
【００２３】
このプロセスチャンバ（８６）の内部には被処理体としてのウエハーＡが載置される平板状の陰極電極（２０）と平板状の上部の陽極電極（２２）が平行に設置されている。
【００２４】
この載置電極である陰極電極（２０）と上部の陽極電極（２４）は全て導電性材料で形成されている。又、上部の陽極電極（２４）は例えば接地される。
【００２５】
そして、陰極電極（２４）には載置台（４８）に例えば高周波電力（例えば１３．５６　ＭＨｚ又は２７．１２ＭＨｚ）を出力するＲＦ電源（５２）が連結されてプラズマを発生させる。又、陰極電極（２４）はＤＣバイアスを制御する。
【００２６】
このような構成により上部の陰極電極（２０）と載置台（４８）の陽極電極（２４）の平行平板電極間を陰極結合方式により、点線で図示された矢印方向に電界Ｅが平行に発生しており、磁石装置（５４）から図２に図示されたように点線で図示された矢印方向に磁界又は磁界のグラディアントＭが印加されている。
【００２７】
又、ＭＥＲＩＥ装置（４０）は高周波ＲＦ電源（５２）と、エッチングガスを排出させる為のガス排出管（５８）と、スロットルバルブ（６０）を通じてポンピングする真空ポンプ（６２）と、電流又は電源により制御されプロセスチャンバ（８６）を取り囲むように双をなして設置されプロセスチャンバ（８６）内に磁界を形成する磁界印加手段として第１及び第２マグネチックコイルブロック（５４、５６）を有するマグネチックコイルブロック（５０）を包含する。
【００２８】
図２は本発明の実施例１に関するマグネトロンプラズマエッチング装置の概略的平面を図示する断面図である。
【００２９】
図２を參照すれば、磁界のグラディアントＭを形成する為のマグネチックコイルブロック（５０）を設置した平面と、磁界の曲線矢印で図示されたグラディアントＭの分布が図示されている。
【００３０】
この実施例でマグネチックコイルブロック（５０）は１次側の構造と２次側の構造を構成する。具体的には、ウエハーＡの外側円周方向に１次側の構造である５個のマグネチックコイルブロック（５４）を配置し、各マグネチックコイルブロック（５４）のエッジ部分又は、その下側に各々２次側の構造である２次コイルブロック（５６）を１次側マグネチックコイルブロック（５４）とひとつの組をなして配置する。コイルブロック（５０）に印加される磁界のグラディアントＭは１次側マグネチックコイルブロック（５４）の大きさが２次側マグネチックコイルブロック（５６）のそれより大きく構成して、２次側マグネチックコイルブロック（５６）で磁界がバイアスされるようにする。
【００３１】
図３ａ及び図３ｂは各々本発明に従う図２のエッチング装置に於いて、１次側及び２次側マグネチックコイルブロックに対する拡大図で、１次側のコイルブロック（５４）の構造はマグネチックコイル（５４２）及びフェライト（５４４）を使用して磁界のグラディアントＭを形成し、２次側のコイルブロック（５６）の構造は最小限ひとつのコイルだけを包含した構成である。
【００３２】
この１次側及び２次側のマグネチックコイルブロック（５４、５６）はプラズマの密度を増加させる為に遅く回転（ほとんど１０ｍｓｅｃ以上の速度）し、この時水平に作用するＡＣまたはＤＣ磁界を発生させるようにＡＣ電源又はＤＣ電源を印加する。
【００３３】
ここでＡＣ電源を１次側及び２次側マグネチックコイルブロック（５４、５６）に印加した場合、１次側及び２次側のマグネチックコイルブロック（５４、５６）には１Ｈｚ乃至数百Ｈｚの周波数を有するＡＣ電源を各々印加して、図２のエッチング装置周辺で１次側及び２次側マグネチックコイルブロック（５４、５６）が上記プロセスチャンバ（８６）を中心にして矢印ｃ又は矢印ｃ’に回転するようにする。
【００３４】
ここで矢印ｃは破断線で例示される順次的方向を示し、一点鎖線で例示された矢印ｃ’は矢印ｃ方向と反対方向に回転するようにする方向を示す。
【００３５】
尚、マグネチックコイルブロック（５４、５６）に印加する望ましいＡＣ電源は１Ｈｚ乃至１００Ｈｚの周波数を包含する。選択的に、ＤＣ電源を１次側及び２次側のマグネチックコイルブロック（５４、５６）に印加した場合、図示されていない制御装置を通じて制御することがてきるＤＣ電源を印加することもできる。
【００３６】
この様にＤＣ電源の印加に従い、上記１次側マグネチックコイルブロック（５４）にはプロセスチャンバ（８６）内でプラズマ密度を増加、即ち、荷電粒子の衝突頻度を増加させる為にコイル及びフェライト（５４２、５４４）を使用して必要なＤＣ磁界を発生させる。尚、上記２次側マグネチックコイルブロック（５６）はプラズマ密度を増加させる為に２次側マグネチックコイル（５６２）を持って必要なＤＣ磁界を発生させる。
【００３７】
尚、コイルブロック（５０）には外部より又は他の２個３個のコイルブロックを順次的に、又は組合せて同時にＤＣ電源又はＡＣ電源を印加することもできる。
【００３８】
具体的に言えば、第１、２、３、４及び第５コイルブロックに順次的な方向に電源を印加することができ、第１及び第２コイルブロックに同時に電源を印加し、次いで第３及び第４コイルブロックに同時に電源を印加することができ、尚、第１、２、３コイルブロックに同時に電源を印加し、次いで第２、３、及び第４コイルブロックに同時に電源を印加することもできる。
【００３９】
この場合、１次側マグネチックコイルブロック（５４）は固定させてもよいが、これらを同一な方向又はその反対方向に回転させることで、より均一なプラズマ分布を得ることができる。
【００４０】
この様に構成することで２次側コイルブロック（５６）の磁石を強くして磁界のグラディアントＭがひとつの方向にドリフティングされなく均一に分布させるようにすることで図４に詳細に記述されるところの様に、プラズマの理論密度値に比べて１．５乃至２倍以上に増加させてエッチング速度を速くすることができる。
【００４１】
コイルブロック（５０）は１次側の構造の場合、１次側マグネチックコイルブロック（５４）で最小限ひとつのコイル（５４２）及びフェライト（５４４）を包含する。
【００４２】
１次側マグネチックコイルブロック（５４）の構造は５個以上のコイル及びフェライト（５４２、５４４）を有するコイルブロックである。
【００４３】
このコイルブロックには各々ＡＣ又はＤＣ電源が供給され、電圧と電流でＢフィ−ルドを０−２５０ガウス程度に可変しチャンバ（８６）内のプラズマ分布を制御することができる。
【００４４】
望ましくは１次側構造は５個以上のコイル（５６２）及びフェライト（５６４）を有するコイルブロックである。
【００４５】
このコイルブロックには各々ＡＣ又はＤＣ電源が供給され、電圧と電流でＢフィ−ルドを０−２５０ガウス程度に可変させて制御することができる。
【００４６】
尚、２次側の構造で２次側マグネチックコイルブロック（５６）は最小限ひとつのマグネチックコイルブロック（５６２）を包含する。即ち、１次側コイル構造とは異なりフェライト（５４）を構成しないで最小限ひとつのコイルのみを包含する。
【００４７】
この２次側コイルブロックには各々ＡＣ又はＤＣ電源が供給され、電圧と電流でＢフィ−ルドを０−２００ガウス程度に可変させて制御することができる。
【００４８】
ここで、１次側コイルはマグネチックコイル及びフェライト（５６２、５６４）を同時に使用して磁界のグラディアントＭを制御すればチャンバ（８６）内に均一にフィ−ルドを伝達することができる。
【００４９】
２次側コイル（５６２）はプラズマイオンのドリフティングをコンファィンメント（Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）又は監禁する役割をしてチャンバ（８６）内に形成されるイオン等がポンピングアウト（ｐｕｍｐｉｎｇ　ｏｕｔ）又はドリフティングされるのを妨害してウエハーエッジ部分のエッチングレイト（Ｅ／Ｒｎｍ／ｍｉｎ）を増加させる。
【００５０】
言い換えれば、１次側コイルブロックで形成された強力な磁界により、ウエハーデバイスの損傷を補償する。
【００５１】
図１及び図２では陽極電極（２２）が陰極電極（２０）に対向し、両電極（２０、２２）に対し直角に交差して位置するマグネチックコイルブロック（５４、５６）を具備する。
【００５２】
従って、ウエハーＡの周辺部では水平成分の電界Ｅが形成される。
【００５３】
又、マグネチックコイルブロック（５４、５６）の回転によりチャンバ部（３０）の間に回転磁界が形成される。この回転磁界は１次側マグネチックコイルブロック（５４）の磁界の大きさが２次マグネチックコイルブロック（５６）のそれより、さらに大きく設定されている。これはマグネチックコイルブロック（５４、５６）による磁界は１次側の高い磁界から２次側の低い磁界に流れるからである。
【００５４】
他の一方、ウエハーＡの周辺部で図２に破線で図示する所の様に、水平成分及びグラディアント成分の磁界Ｍが形成される。
【００５５】
この磁界Ｅを形成する理由は上部チャンバ部（３０）の間に発生する電界と、この電界に直交する磁界成分との作用によりフレミングの左手の法則により、各々に直交する方向に電子のサイクロイド運動を実施させ、これにより電子とガス分子との衝突頻度を増大させる為である。
【００５６】
磁石（５４）により成形される磁界の傾斜は図２に破線で図示する様にウエハーＡ中央部上方では、ほとんど水平になっており、周辺部に近くなるにつれて円弧状に傾斜が大きくなる（即ち、垂直成分が大きくなる）。これに対し両電極により形成される補完的電界は上述したところの様に陽極電極が陰極電極に対し平行な電極部と直角である電極部を具備するためにウエハーＡの中央部では、ほとんど垂直である成分のみであるがウエハーＡの周辺部では水平成分が多くなる。
【００５７】
このために磁界の傾斜Ｍに対し垂直に交差される電界Ｅにより招来される電子のサイクロイド運動はウエハーＡの中央部と周辺部で均一化される。
【００５８】
即ち、このような構成により本実施例の装置ではプラズマ生成量がウエハーＡの中央部と周辺部で均一化され、ウエハーの面内均一処理が可能になる。
【００５９】
図４は測定結果を図示するグラフである。図面に於いて横軸はウエハー（１００）の中心からの距離ｄ（単位ｍｍ）であり、縦軸はエッチング速度Ｅ／Ｒ（単位ｎｍ／ｍｉｎ）である。
【００６０】
図４に於いてエッチング速度の変化は１個のマグネットコイルを使用する従来のエッチング速度分（破線で表示ａ）に比べて、第１及び第２マグネチックコイルブロック（５４、５６）を使用した場合エッチング速度成分（実線で表示ｂ）が均一であることを示している。ここで均一なエッチング速度（ｂ）はそのマグネチックコイルとフエライト効果によりプラズマ密度が２倍以上増加するので全体的にウエハーＡの中央部で遅延され、周辺エッジ部で速くなった。これはチャンバ（８６）外壁でイオンの大きさが急激に減少するのを２次コイルブロックが補償するためである。
【００６１】
このように２次コイルによるプラズマコンパインメントに従うイオンが増加するエッチング速度の不均衡を飛躍的に減少させることができた。
【００６２】
なお、上記実施例では本発明をプラズマエッチングに適用した場合に対し具体的に説明したが、本発明はマグネトロンプラズマを発生させる全ての場合に適用可能である。例えばスパッタリング装置、プラズマＣＶＤ装置、イオン源、電子ビ−ム源等上記実施例に限定されるのではなく、本発明の要旨の範囲内で各種変形実施が可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上の様に、本発明の実施例によれば、高周波電界と磁界によるマグネトロン放電により処理ガスをプラズマ化し、ウエハーＡのエッチングを行なう時、高周波電界と交差する方向に印加されるコイルブロックの磁界に対しロ−レンツ力によるドリフティング方向Ｄの磁束密度が弱くなる傾斜を与える。
【００６４】
これによりプラズマ密度が均一になるので、エッチングレイトを低下させることなしにエッチング処理の均一化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に関するマグネトロンプラズマエッチング装置を図示した断面図。
【図２】本発明の実施例装置の高電子密度領域を説明するエッチング装置の平面図。
【図３ａ】図２のエッチング装置に於いて１次側マグネチックコイルブロックに対する拡大図。
【図３ｂ】図２のエッチング装置に於いて２次側マグネチックコイルブロックに対する拡大図。
【図４】図３ａ及び図３ｂに於いてマグネチックコイルブロックを使用した場合にウエハーのエッチング速度との関係を図示するグラフ。
【符号の説明】
４０　：　ＭＥＲＩＥ装置
４２　：　チャンバ壁
４４　：　被処理物
４８　：　載置台
５２　：　高周波電源
４６　：　ガス導入管
５０、　５４、５６　：　コイルブロック
８６　：　プロセスチャンバ
５４２　：　１次コイル
５４４　：　フェライト
５６２　：　２次コイル

Claims (11)

1. マグネトロンプラズマエッチング装置に於いて、高減圧雰囲気に設定可能であり、上記プロセスチャンバの少なくとも一部を導電性部材で構成したプロセスチャンバと、エッチングガスをプロセスチャンバ内に導入する導入手段と、上記プロセスチャンバを排気する排気手段と、上記プロセスチャンバ内で露出され、エッチングされる基板が載置される載置面を具備した第１電極と、上記プロセスチャンバ内で露出され、上記第１電極の載置面に対向し導電性を有する第２電極とでなされる電極手段と、上記第１電極と第２電極間に電界を発生させる為に両電極にＲＦ電圧を印加させる電源供給手段と、上記プロセスチャンバを取り囲むように設置され、プロセスチャンバ内に順次に回転可能な磁界を形成するが、上記磁界は可変可能な電圧と電流で上記電界と実質的に直交するように第１及び第２電極間に発生する磁界発生手段を包含することを特徴とするマグネトロンプラズマエッチング装置。
2. 上記磁界発生手段は上記導電性部材の裏面に配置された少なくともひとつのコイルブロックを包含することを特徴とする請求項１記載のマグネトロンプラズマエッチング装置。
3. 上記コイルブロックは多数のコイルと多数のフエライトで構成された１次側コイルブロックと多数のコイルで構成された２次側コイルブロックとを包含することを特徴とする請求項１又は２記載のマグネトロンプラズマエッチング装置。
4. 上記１次側及び２次側マグネチックコイルブロックは各々１０ｍｓｅｃ以上の速度で相互反対方向に回転しながらＡＣ又はＤＣ磁界を発生させるようにＡＣ電源又はＤＣ電源を印加したことを追加的に包含することを特徴とする請求項１又は２記載のマグネトロンプラズマエッチング装置。
5. 上記ＡＣ電源を上記１次側及び２次側マグネチックコイルブロックに印加した場合、上記１次側及び２次側マグネチックコイルブロックには１Ｈｚ乃至１００Ｈｚの周波数を有するＡＣ電源を印加することを特徴とする請求項４記載のマグネトロンプラズマエッチング装置。
6. 上記ＤＣ電源を上記１次側及び２次側マグネチックコイルブロックに印加した場合、制御装置を通じて制御することができるＤＣ電源を印加することを特徴とする請求項１又は５記載のマグネトロンプラズマエッチング装置。
7. 上記コイルブロックには２個以上の又、他のコイルブロックを外部から組合して同時にＤＣ電源を印加することを特徴とする請求項１又は２記載のマグネトロンプラズマエッチング装置。
8. 上記コイルブロックが第１、２及び第３コイルブロックに同時にＤＣ電源を印加する場合、１次側及び２次側マグネチックコイルブロックは同時に同一な方向に回転することを特徴とする請求項７記載のマグネトロンプラズマエッチング装置。
9. 上記１次側及び２次側マグネチックコイルブロックの回転磁界は１次側マグネチックコイルブロックの磁界の大きさが２次側マグネチックコイルブロックの磁界の大きさよりさらに大きい磁界を印加することを特徴とする請求項７記載のマグネトロンプラズマエッチング装置。
10. 上記１次側コイルブロックは基板の０乃至２５０ガウス範囲の磁界を印加することを特徴とする請求項１又は２記載のマグネトロンプラズマエッチング装置。
11. 上記２次側コイルブロックはプラズマのイオンドリフティングを監禁する基板の０乃至２００ガウス範囲の磁界を印加するコイルで構成され、プラズマのイオンドリフティングを監禁することを特徴とする請求項１又は２記載のマグネトロンプラズマエッチング装置。

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