JPH0645095A

JPH0645095A - プラズマ発生方法およびその装置

Info

Publication number: JPH0645095A
Application number: JP5072659A
Authority: JP
Inventors: Masabumi Kubota; 正文久保田; Kenji Fukuto; 憲司服藤; Norihiko Tamaoki; 徳彦玉置; Mitsuhiro Okuni; 充弘大國; Noboru Nomura; 登野村; Ichiro Nakayama; 一郎中山
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1993-03-31
Publication date: 1994-02-18
Anticipated expiration: 2014-01-27
Also published as: JP2851765B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高真空の下で高密度で均一性に優れ、これに
より微細加工性が向上すると共にデバイスへの損傷が少
ないプラズマを発生させる。【構成】真空状態のプラズマ発生部の側方に該プラズ
マ発生部を囲むように第１〜第４の側方電極５〜８が配
設されている。第１の側方電極５には第１の高周波電源
９Ａから高周波電力が供給され、第２の側方電極６には
第１の高周波電源９Ａから第１の遅延回路１１を介して
高周波電力が供給され、第３の側方電極７には第１の高
周波電源９Ａから第１及び第２の遅延回路１１、１２を
介して高周波電力が供給され、第４の側方電極８には第
１の高周波電源９Ａから第１〜第３の遅延回路１１、１
２、１３を介して高周波電力が供給される。これによ
り、第１〜第４の側方電極５〜８には周波数が同一で位
相が順次異なる高周波電力がそれぞれ印加され、プラズ
マ発生部には、該プラズマ発生部内の電子に回転運動を
させるような回転電場が励起される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマを発生させるプ
ラズマ発生方法及びその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高周波放電を用いたプラズマ発生方法
は、微細加工のためのドライエッチング装置、薄膜形成
のためのスパッタリング装置やプラズマＣＶＤ装置、及
びイオン注入装置等のさまざまな分野で用いられてお
り、加工寸法の微細化や膜質の高精度な制御のために、
高真空中でのプラズマ生成が求められている。

【０００３】以下、プラズマ発生方法の適用例として、
微細加工に適するドライエッチング方法について説明す
る。

【０００４】現代の高密度半導体集積回路の進歩は産業
革命にも比較される変革をもたらしつつあり、半導体集
積回路の高密度化は、素子寸法の微細化、デバイスの改
良、チップサイズの大面積化等により実現されてきた。
素子寸法の微細化は光の波長程度にまで進んできてお
り、リソグラフィにはエキシマレーザや軟エックス線の
使用が検討されている。微細パターンの実現には、リソ
グラフィと並んでドライエッチングが重要な役割を果た
していると言える。

【０００５】ドライエッチングとは、プラズマ中に存在
するラジカル、イオン等による気相−固相表面における
化学的又は物理的反応を利用し、薄膜又は基板の不要な
部分を除去する加工技術である。ドライエッチング技術
として最も広く用いられている反応性イオンエッチング
（ＲＩＥ）は、適当なガスの高周波放電プラズマ中に試
料を曝すことによりエッチング反応を起こさせ、試料表
面の不要部分を除去するものである。必要な部分つまり
除去しない部分は、通常、マスクとして用いたホトレジ
ストパターンにより保護されている。

【０００６】微細化のためにはイオンの方向性を揃える
ことが必要であるが、このためにはプラズマ中でのイオ
ンの散乱を減らすことが不可欠である。イオンの方向性
を揃えるためには、プラズマ発生装置の真空度を高めて
イオンの平均自由行程を大きくすることが効果的である
が、プラズマ室の真空度を高めると高周波放電が生じ難
くなるという問題がある。

【０００７】そこで、その対策として一般に、プラズマ
室に磁場を印加して放電を容易にする方法、例えばマグ
ネトロン反応性イオンエッチング技術或いはＥＣＲ（電
子サイクロトロン共鳴）エッチング技術等が開発されて
きた。

【０００８】図１６は、従来のマグネトロン放電を用い
た反応性イオンエッチング装置を示す模式図である。金
属性のチャンバー８１内にはガスコントローラ８２を介
して反応性ガスが導入され、チャンバー８１内は排気系
８３によって適切な圧力に制御されている。チャンバー
８１の上部にはアノード（陽極）８４が設けられ、下部
にはカソード（陰極）となる試料台８５が設けられてい
る。試料台８５にはインピーダンス整合回路８６を介し
てＲＦ電源８７が接続されており、試料台８５とアノー
ド８４との間で高周波放電を起こすことができるように
なっている。チャンバー８１の各側部には、対向する一
対の交流電磁石８８が互いに位相が９０度異なった状態
で２組設けられており、該２組の交流電磁石８８により
チャンバー８１内に回転磁界が印加され、高真空中での
放電を容易にしている。このようにすると、電子が回転
磁場によりサイクロイド運動をするため電子の運動経路
が長くなり、イオン化効率が高くなるのである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
ようなマグネトロン放電やＥＣＲ放電によると、プラズ
マ密度が不均一なために微細なエッチング加工が困難で
あると共に加工の対象となる試料に損傷が生じるという
問題があった。

【００１０】例えば、従来のマグネトロン反応性イオン
エッチング装置においては、プラズマの局所的な偏り
を、回転磁場によって時間的に平均することにより均等
にしているが、瞬時におけるプラズマ密度が均一ではな
いために局所的な電位差が発生する。このため、従来の
マグネトロン反応性イオンエッチング装置をＭＯＳＬＳ
Ｉプロセスに適用すると、ゲート酸化膜に破壊が生じる
ことがある。

【００１１】同様にＥＣＲエッチング装置においては、
磁場がチャンバーの径方向に分布するため、プラズマ密
度の局所的な粗密が生じ、これにより、エッチング種の
不均一が生じたり、局所的な電位差が発生したりする。
このプラズマの不均一に起因してエッチングの均一性が
悪くなり、ＬＳＩを歩留まり良く作成することが困難に
なる。そして、このプラズマの不均一性は、いっそう薄
いゲート酸化膜が使用される超微細パターンＬＳＩや大
口径ウエハーに対してドライエッチングを行なう際にお
ける正確なエッチングが困難であることを意味する。

【００１２】また、従来の１３．５６ＭＨｚ励起の平行
平板型マグネトロンエッチング装置に１００〜２００Ｍ
Ｈｚの高周波電力を重畳させることによってプラズマを
高密度化させ、これによりセルフバイアス電圧を低減
し、高エネルギーイオンによる試料への損傷を低減させ
る方法も試みられている。

【００１３】ところが、この方法によると、プラズマの
高密度化は達成できるが、プラズマの均一性の向上は困
難であるので、プラズマの不均一性に起因する前述の問
題の解決には十分とは言えない。

【００１４】本発明は、前記問題点に鑑み、高真空の下
で高密度で均一性に優れ、これにより微細加工性が向上
すると共にデバイスへの損傷が少ないプラズマ発生方法
及びその装置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、請求項１〜１０の発明は、プラズマ発生部を囲むよ
うに配設された側方電極に、遅延回路を介して同一周波
数で位相が異なる高周波電力を印加することにより、プ
ラズマ発生部に該プラズマ発生部内の電子に回転運動を
させるような回転電場を励起するものである。

【００１６】具体的に請求項１の発明が講じた解決手段
は、プラズマ発生方法を、真空室内のプラズマ発生部を
介して対向する位置に一対の側方電極を配置し、前記一
対の側方電極のうちの一方の側方電極に高周波電源から
高周波電力を供給し、前記一対の側方電極のうちの他方
の側方電極に、前記高周波電源から遅延回路を介して供
給され前記高周波電力と周波数が同じで位相が異なる高
周波電力を供給することにより、前記プラズマ発生部に
該プラズマ発生部内の電子に振幅運動をさせる高周波電
場を励起する構成とするものである。

【００１７】請求項２の発明が講じた解決手段は、プラ
ズマ発生方法を、真空室内のプラズマ発生部の側方に該
プラズマ発生部を囲むように３以上の側方電極を配置
し、前記３以上の側方電極のうちの一の側方電極に高周
波電源から高周波電力を供給し、前記３以上の側方電極
のうちの他の側方電極に、前記高周波電源から遅延回路
を介して供給され前記高周波電力と周波数が同じで位相
が順次異なる高周波電力をそれぞれ供給することによ
り、前記プラズマ発生部に該プラズマ発生部内の電子に
回転運動をさせる回転電場を励起する構成とするもので
ある。

【００１８】請求項３の発明が講じた解決手段は、プラ
ズマ発生装置を、前記真空室内のプラズマ発生部を介し
て対向する位置に設けられた一対の側方電極と、前記一
対の側方電極のうちの一方の側方電極に高周波電力を供
給する高周波電源と、前記一対の側方電極のうちの他方
の側方電極に前記高周波電源から受けた高周波電力を遅
延せしめて前記高周波電力と周波数が同じで位相が異な
る高周波電力を供給する遅延回路とからなり、前記プラ
ズマ発生部に該プラズマ発生部内の電子に振幅運動をさ
せる高周波電場を励起する電場励起手段を備えている構
成とするものである。

【００１９】請求項４の発明は、請求項３の構成に、前
記真空室の側壁は誘電体により形成されており、前記一
対の側方電極は前記真空室の外部に設けられているとい
う構成を付加するものである。

【００２０】請求項５の発明は、請求項３の構成に、前
記遅延回路は低域フィルターであるという構成を付加す
るものである。

【００２１】請求項６の発明が講じた解決手段は、プラ
ズマ発生装置を、真空室内のプラズマ発生部を囲む位置
に設けられた３以上の側方電極と、該３以上の側方電極
のうちの一の側方電極に高周波電力を供給する高周波電
源と、前記３以上の側方電極のうちの他の側方電極に、
前記高周波電源から受けた高周波電力を遅延せしめて前
記高周波電力に対して周波数が同じで位相が順次異なる
高周波電力をそれぞれ供給する複数の遅延回路からなる
遅延回路群とからなり、前記プラズマ発生部に該プラズ
マ発生部内の電子に回転運動をさせる回転電場を励起す
る電場励起手段を備えている構成とするものである。

【００２２】請求項７の発明は、請求項６の構成に、前
記真空室の側壁は誘電体により形成されており、前記３
以上の側方電極は前記真空室の外部に設けられている構
成を付加するものである。

【００２３】請求項８の発明は、請求項６の構成に、前
記複数の遅延回路はそれぞれ低域フィルターであるとい
う構成を付加するものである。

【００２４】請求項９の発明は、請求項６の構成に、前
記遅延回路群が前記高周波電源から受けた高周波電力を
順次遅延せしめる遅延時間は互いに略等しくなるように
設定されているという構成を付加するものである。

【００２５】請求項１０の発明は、請求項６の構成に、
前記プラズマ発生部内の電子に、前記電場励起手段によ
り励起される回転電場によってもたらされる電子の回転
運動の方向と同方向又は逆方向の旋回運動を与える磁場
を前記プラズマ発生部に印加する磁場印加手段を備えて
いるという構成を付加するものである。

【００２６】請求項１１〜１４の発明は、試料台に供給
される高周波電力の周波数をプラズマ発生部を囲むよう
に配設された側方電極に供給される高周波電力の周波数
と異ならせる共に、試料台に供給される高周波電力を側
方電極に供給される高周波電力の周波数に対して高イン
ピーダンスにするものである。

【００２７】具体的に請求項１１の発明が講じた解決手
段は、プラズマ発生装置を、真空室内のプラズマ発生部
の下部に設けられた試料台と、前記プラズマ発生部を囲
む位置に設けられた３以上の側方電極と該３以上の側方
電極に周波数が同じで位相が順次異なる高周波電力をそ
れぞれ供給する第１の高周波電力供給手段とからなり前
記プラズマ発生部に該プラズマ発生部内の電子に回転運
動をさせる回転電場を励起する電場励起手段と、前記第
１の高周波電力供給手段から供給される高周波電力の周
波数と異なる周波数の高周波電力を前記第１の高周波電
力供給手段から供給される高周波電力の周波数に対して
高インピーダンス特性を有するフィルター回路を介して
前記試料台に供給する第２の高周波電力供給手段とを備
えている構成とするものである。

【００２８】請求項１２の発明は、請求項１１の構成
に、前記第１の高周波電力供給手段は、前記３以上の側
方電極に前記高周波電力を前記第２の高周波電力供給手
段から供給される高周波電力の周波数に対して高インピ
ーダンス特性を有するフィルター回路を介して供給する
という構成を付加するものである。

【００２９】請求項１３の発明は、請求項１１の構成
に、前記第１の高周波電力供給手段から供給される高周
波電力の周波数は前記第２の高周波電力供給手段から供
給される高周波電力の周波数よりも高く設定されている
という構成を付加するものである。

【００３０】請求項１４の発明は、請求項１１の構成
に、前記プラズマ発生部内の電子に前記電場励起手段に
より励起される回転電場によってもたらされる電子の回
転運動の方向と同方向又は逆方向の旋回運動を与える磁
場を前記プラズマ発生部に印加する磁場印加手段を備え
ているという構成を付加するものである。

【００３１】

【作用】請求項１又は請求項３のプラズマ発生方法又は
装置によると、プラズマ発生部内の電子は、該プラズマ
発生部に励起される高周波電場により振幅運動をさせら
れながら、自身の有する運動エネルギーの方向に並んで
進行する。このような電子の運動は電子とガス分子との
衝突断面積を実効的に大きくするので、従来の平行平板
型プラズマ発生装置に比べると、高真空中においても高
いイオン化効率が得られると共に放電も容易になる。

【００３２】また、従来のプラズマ発生方法又は装置に
よる磁場分布に比べてプラズマ発生部の高周波電場が均
一なため、均一性に優れたプラズマを得ることができ
る。

【００３３】前記のような高周波電場を形成する方法と
しては、一対の側方電極のうちの一方の側方電極に高周
波電源から高周波電力を供給し、他方の側方電極に前記
高周波電源から遅延回路を介して供給された高周波電力
を供給することにより、周波数が同一で位相が異なる高
周波電力を簡単な回路で供給することができる。

【００３４】このようにすると、側方電極間に何等かの
原因で入力電力のアンバランスを生じても、側方電極同
士は遅延回路で互いに接続されているため、入力電力の
アンバランスは自動的に補正される。

【００３５】請求項２又は請求項６のプラズマ発生方法
又は装置によると、プラズマ発生部内の電子は、該プラ
ズマ発生部に励起される回転電場により回転運動をさせ
られながら、自身の有する運動エネルギーの方向に並ん
で進行する。このような電子の運動は電子とガス分子と
の衝突断面積を実効的に大きくするので、従来の平行平
板型プラズマ発生装置に比べると、高真空中においても
高いイオン化効率が得られると共に放電も容易になる。

【００３６】また、従来のプラズマ発生方法又は装置に
よる磁場分布に比べてプラズマ発生部の高周波電場が均
一なため、均一性に優れたプラズマを得ることができ
る。

【００３７】前記のような回転電場を形成する方法とし
ては、３以上の側方電極のうちの一の側方電極に高周波
電源から高周波電力を供給し、他の側方電極に、前記高
周波電源から順次遅延回路を介して供給された高周波電
力をそれぞれ供給することにより、周波数が同一で位相
が順次異なる高周波電力を簡単な回路で供給することが
できる。

【００３８】このようにすると、側方電極間に何等かの
原因で入力電力のアンバランスを生じても、側方電極同
士は遅延回路で互いに接続されているため、入力電力の
アンバランスは自動的に補正される。

【００３９】請求項１１のプラズマ発生装置によると、
プラズマ発生部の側方の側方電極に周波数が同じで位相
が順次異なる高周波電力を印加してプラズマ発生部に回
転電場を形成するため、前記同様に、プラズマ発生部内
の電子は回転運動をしながら自身の有する運動エネルギ
ーの方向に進行するので、高真空中においても高いイオ
ン化効率が得られると共に放電も容易になる。

【００４０】第２の高周波電力供給手段から試料台に対
して、第１の高周波電力供給手段から側方電極に供給さ
れる高周波電力の周波数と異なる周波数の高周波電力
が、第１の高周波電力供給手段から試料台に供給される
高周波電力の周波数に対して高インピーダンス特性を有
するフィルター回路を介して供給されるため、試料台に
印加される高周波電力と、回転電場を励起し主としてプ
ラズマ発生に寄与する高周波電力とは互いに独立であ
る。

【００４１】請求項１０又は１４のプラズマ発生装置に
よると、プラズマ発生部内の電子は、前述の回転電場に
よって回転運動の中心が並進する並進型サイクロイド運
動をさせられ、前述の磁場によって並進型サイクロイド
運動をする電子の並進運動成分はプラズマ発生部を旋回
する旋回運動成分に変換させられる。このため、プラズ
マ発生部内の電子は、回転電場によってもたらされる回
転運動の中心が磁場によってもたらされる旋回運動の軌
跡の上を進行するような運動をするため、該電子は、プ
ラズマ発生部から脱出することなく、回転運動を伴った
サイクロイド運動をする。

【００４２】

【実施例】以下、本発明の第１実施例であるプラズマ発
生方法が適用されたドライエッチング装置について説明
する。

【００４３】図１は、このドライエッチング装置の構造
を示す模式図である。図１において、１は直方体状のチ
ャンバー（真空室）、２はチャンバー１の下部に設けら
れた試料台、３は試料台２上に載置された半導体ウエハ
ーよりなる被エッチング試料、４はチャンバーの上部に
設けられた、試料台２の対向電極である。５、６、７及
び８はそれぞれチャンバー１の側部に設けられた平行平
板電極よりなる第１、第２、第３及び第４の側方電極で
ある。試料台２、対局電極４及び第１〜第４の側方電極
５〜８により囲まれた部分がプラズマ発生領域である。

【００４４】第１〜第４の側方電極５、６、７、８に
は、第１の高周波電源９Ａから第１の整合回路１０を介
して周波数１０ＭＨｚの高周波電力が供給されている。
第１〜第４の側方電極５〜８と第１の整合回路１０との
間には、試料台２に印加される高周波電力（この実施例
では１ＭＨｚの周波数である。）に対して高インピーダ
ンスとなる第１のフィルタ１４が挿入されている。

【００４５】試料台２には、第２の高周波電源９Ｂから
第２の整合回路１５を介して周波数１ＭＨｚの高周波電
力が供給されている。試料台２と第２の整合回路１５と
の間には第１の高周波電源９Ａから印加される高周波電
力（この実施例では１０ＭＨｚの周波数である。）に対
して高インピーダンスとなる第２のフィルター１６が挿
入されている。

【００４６】第１の側方電極５と第２の側方電極６との
間には第１の遅延回路１１が設置されている。第１の遅
延回路１１により、第２の側方電極６に印加される高周
波電力は第１の側方電極５に印加される高周波電力に対
して約９０度の位相差を有している。第２の側方電極６
と第３の側方電極７との間には第２の遅延回路１２が設
置されている。第２の遅延回路１２により、第３の側方
電極６に印加される高周波電力は第２の側方電極５に印
加される高周波電力に対して約９０度の位相差を有して
いる。第３の側方電極７と第４の側方電極８との間には
第３の遅延回路１３が設置されている。第３の遅延回路
１３により、第４の側方電極８に印加される高周波電力
は第３の側方電極７に印加される高周波電力に対して約
９０度の位相差を有している。

【００４７】第１〜第３の遅延回路１１、１２、１３
は、図２に示すような、いわゆるｍ型低域フィルタ（ロ
ーパスフィルタ）であって、一般にｍは１．２７程度が
選択される。第１〜第３の遅延回路１１、１２、１３に
おける遅延時間Ｔｄは、Ｔｄ＝（ＬＣ）^1/2で表され
る。

【００４８】チャンバー１にはエッチングガスがマスフ
ローコントローラ（図示せず）を介して導入口（図示せ
ず）から導かれ、チャンバー１内の圧力はターボポンプ
（図示せず）により０．１Ｐａ〜１０Ｐａ程度に制御さ
れている。

【００４９】また、チャンバー１の上方及び下方には、
それぞれ上側円形コイル１７及び下側円形コイル１８が
設けられている。上側及び下側の円形コイル１７、１８
には直流電源又はパルス電源である電源１９、２０から
電流が供給されており、これにより、チャンバー１の内
部に試料台２に対して略垂直な方向の磁場が印加される
ようになっている。

【００５０】以下、図３に基づき、前記のように構成さ
れたドライエッチング装置の動作を説明する。

【００５１】図３は、プラズマ発生部２１を取り囲む第
１〜第４の側方電極５〜８に高周波電力を印加した場合
の電子ｅの軌跡を模式的に示した図である。電子ｅは、
プラズマ発生部２１に印加される回転電場により回転運
動をさせられながら、自身の有する運動エネルギーの方
向に進行する。

【００５２】図示は省略しているが、プラズマ発生部２
１を介して第１の側方電極５及び第３の側方電極７のみ
を設けるか、又はプラズマ発生部２１を介して第２の側
方電極６及び第４の側方電極８のみを設け、対向する一
対の側方電極に、同一の高周波電源から供給され遅延回
路によって１８０度の位相差が与えられた周波数が同じ
で位相が異なる高周波電力を供給してもよい。このよう
にすると、プラズマ発生部２１内の電子は、該プラズマ
発生部２１に印加される高周波電場により振幅運動をさ
せられながら、自身の有する運動エネルギーの方向に進
行する。

【００５３】図７は、高周波電力の１周期中に電子ｅが
進む距離を周波数の関数として示すグラフである。ここ
では、２０ｅＶの電子を想定している。Ｘ方向に２０ｅ
Ｖのエネルギーで進行する電子ｅは、５０ＭＨｚの高周
波電力の１周期に当たる２０ナノ秒の間に約６ｃｍ移動
する。側方電極間の間隔が３０ｃｍであるとすると、そ
の距離を走行する間に電子ｅは約５回の振幅をすること
になる。電子ｅのエネルギーが大きいときには、走行速
度が大きいので側方電極間を走行する間の振幅数は減少
する。

【００５４】ガス種により異なるが、一般にガスを電離
するためには、約１５ｅＶ以上の電子エネルギーが必要
である。電離は電子ｅとガス分子との衝突により生じる
ので、電子ｅの走行距離が長いほど衝突する確率が増加
し、イオン化効率が高くなる。そこで、本発明は、電子
を回転運動又は振幅運動させることにより電子の走行距
離を長くし、これによりイオン化効率を高めているので
ある。また、電子の回転運動又は振幅運動により電子と
ガス分子との衝突する断面積が実効的に大きくなったと
見ることもできる。

【００５５】対向する側方電極同士の間の距離は通常数
１０ｃｍであるから、電子ｅを高周波電力により回転又
は振幅させ、イオン化効率を向上するには、およそ５０
ＭＨｚ以上の高周波が必要となる。しかしながら５０Ｍ
Ｈｚよりも低い周波数の高周波電力が印加され電子ｅの
走行距離が低下しても、エネルギーの低い電子が回転運
動又は振幅運動をするために、該電子がチャンバー壁に
衝突して消滅する確率が低下し、電子密度の減少が防止
されるので、イオン化効率は高くなる。

【００５６】さらに、後述するように、チャンバー１内
に磁場を印加すると、電子は、電場による回転運動又は
振幅運動に加えて、磁場による旋回運動をも行なうの
で、５０ＭＨｚよりも低い周波数でも高いイオン化効率
が実現できる。

【００５７】図４は、上側及び下側の円形コイル１７，
１８に直流電流を供給することにより、図３に示す回転
電場に、試料台２に対して垂直な方向の磁場を印加した
場合の電子ｅの運動経路を示している。これにより、図
３の状態の時に電子ｅがチャンバー１の側壁に向かって
進む並進運動はプラズマ発生部２１を旋回する方向の運
動に変換される。この旋回運動の大きさは、印加されて
いる電場の大きさと印加されている磁場の大きさとの積
に比例し、この旋回運動の方向は、印加されている電場
及び磁場の両者に対して垂直な方向である。この結果、
電子ｅは高周波電力による回転電場によってもたらされ
る回転運動に、磁場によるサイクロトロン旋回運動が重
畳された運動を行なう。

【００５８】図５及び図６は、図３の状態の電子ｅに前
述の磁場を磁界の強さを変えて印加した場合に、電子ｅ
の運動経路がどのように変化するかを示したものであ
る。このようにプラズマ発生部２１に、電場及び磁場を
印加し、プラズマ発生部２１の電子に回転運動又は振幅
運動を伴った旋回運動をさせることにより、プラズマ発
生部２１内の大部分の電子ｅをプラズマ発生部２１内に
閉じ込め、電子ｅの走行距離を長くすることができる。
これにより、プラズマ発生部２１内の電子ｅの密度が高
まるので、イオン化効率が高まる。

【００５９】従来の回転磁場を用いたマグネトロンエッ
チング装置によると、ある瞬時における試料台２直上の
磁束分布２２は図８（ａ）のように不均一である。この
ため、チャンバー１中の電子ｅ（図８（ｂ）における黒
丸）は、磁場強度に逆比例する軌道半径で回転するた
め、磁場強度が弱いチャンバー１内の上部及び下部並び
にプラズマ発生領域の外周部においては、電子ｅの軌道
半径は大きくなるので、電子ｅはチャンバー１の壁部に
衝突して消滅してしまう。

【００６０】また、プラズマ発生部２１の中央部におけ
る左側から右側へ横切る方向を考えたとき、磁場強度が
弱い中心部においては電子ｅの密度が減少するのでプラ
ズマ密度も低くなり、磁場強度が強い外周部においては
電子ｅの密度が増加するのでプラズマ密度も高くなる。
従来のドライエッチング装置においては、このようにし
てプラズマ密度に不均一が生じ、エッチングの不均一や
加工物への損傷が生じていたのである。

【００６１】これに対して、本発明のプラズマ発生方法
が適用されたドライエッチング装置によると、第１〜第
４の側方電極５、６、７、８により囲まれたプラズマ発
生部２１における電場及び磁場はほぼ均一であるため、
図９に示すように、電子ｅの回転運動を伴ったサイクロ
イド運動の軌跡が各所でほぼ等しくなるので、プラズマ
発生部２１の全域においてプラズマ密度がほぼ均一にな
る。このため、このドライエッチング装置によると、プ
ラズマ発生部２１においてエッチング用反応性ガスから
生じる反応性ラジカルやイオンは被エッチング試料３の
全面に対してほぼ均一に照射される。従って、プラズマ
発生部２１に面している被エッチング試料３の全領域に
おいてエッチングが均一に行われると共にチャージアッ
プによる損傷も極めて少なくなる上に、プラズマ密度が
高いためにエッチングレートは大きくなる。

【００６２】図１０（ａ）は、従来の回転磁場を用いた
マグネトロンエッチング装置によりボロンリンガラスを
エッチングした例を模式的に示している。図１０（ａ）
において、３０はＳｉ基板、３１はボロンリンガラス、
３２はフォトレジストパターンである。図１０（ｂ）に
示すように、Ｓｉ基板３０の直上つまり試料台の真上に
おけるある瞬時の磁場強度分布が試料台の中央部で最小
値を持つ場合には、Ｓｉ基板３０の表面に入射してくる
イオンのフラックスＩは、磁場強度分布に対応するプラ
ズマ密度分布に比例し、図１０（ａ）に示すように中央
で疎となる。図１０（ｃ）に示すように、酸化膜（ボロ
ンリンガラス３１）のエッチング速度もイオンフラック
スＩにほぼ従ったものとなり不均一になる。また、プラ
ズマ密度の不均一は電荷の偏在によるデバイスへの損傷
を引き起こす。

【００６３】図１１（ａ）は、本発明のプラズマ発生方
法が適用されたドライエッチング装置によりボロンリン
ガラスをエッチングした例を模式的に示している。この
ドライエッチング装置によれば、前述したように、ほぼ
均一なプラズマが発生するため、図１１（ａ）に示すよ
うにＳｉ基板３０表面に入射するエッチング用反応生成
物であるイオンフラックスIIも均一になり、エッチング
速度も図１１（ｂ）に示すように、均一性の高いものと
なる。また、プラズマが均一なので、チャージの偏在は
小さく、チャージによる損傷は極めて小さい。この場
合、チャンバー１内に導入するガスとしてはＣＨＦ₃＋
Ｏ₂、ＣＦ₄＋ＣＨ₂Ｆ₂等のようにフロンガスをベー
スにしたガスを用い、ガスの圧力は０．１〜１０Ｐａに
した。このときのエッチングレートは１００〜３５０ｎ
ｍ／ｍｉｎであった。

【００６４】このドライエッチング装置は、特にサブミ
クロンパターンのエッチング及び６インチや８インチ等
の大口径半導体ウエハーのエッチングに好適である。そ
の理由は、チャンバー１内の圧力が低いためイオン散乱
が少ないので、フォトレジストパターンの線幅からエッ
チング後の試料の線幅を引いた値である寸法シフト（い
わゆるＣＤロス）やエッチングレートのパターン寸法に
対する依存性が小さいためであり、また、プラズマの均
一性が高いのでチャンバー１の大型化が容易になるため
である。

【００６５】本実施例では、前述したように、被エッチ
ング試料３に照射されるプラズマ密度を制御すると共に
回転電場を発生する第１〜第４の側方電極５〜８に高周
波電力を供給する回路には、試料台２に供給される高周
波電力の周波数に対して高インピーダンスを有する第１
のフィルタ１４が挿入されている。一方、試料台２に高
周波電力を供給する回路には、第１〜第４の側方電極５
〜８に供給される高周波電力の周波数に対して高インピ
ーダンス特性を有する第２のフィルタ１６が挿入されて
いる。これにより、第１〜第４の側方電極５〜８に高周
波電力を供給する回路と、試料台２に高周波電力を供給
する回路とが互いに独立になり、安定した均一なプラズ
マを発生させることができる。

【００６６】図１２は従来のドライエッチング方法と前
記のドライエッチング方法との比較を示しており、従来
の方法に比べて前記のドライエッチング方法が優れてい
ることが理解できる。

【００６７】以上のように、本実施例によれば、プラズ
マ発生部２１を囲む第１〜第４の側方電極５、６、７、
８に位相がおよそ９０度ずつ異なり同じ周波数の高周波
電力を印加することによって真空状態のプラズマ発生部
２１の電子ｅを回転運動させることにより、高真空にも
拘らず高密度で且つ均一性に優れたプラズマを発生させ
ることができる。

【００６８】試料台２に供給される高周波電力を制御す
ることにより、エッチングの際の下地との選択比をコン
トロールすることができる。さらにプラズマの局所的な
偏りが殆どないので、加工物への損傷を極めて少なくす
ることができる。

【００６９】尚、本実施例においては、高周波電力の位
相差を９０度に設定した場合を示したが、これは、位相
差を９０度にするとプラズマへの電力投入効率が良いた
めであり、位相差が９０度と異なっていても本発明の効
果は得られる。また第１〜第４の側方電極５〜８に印加
される高周波電力の位相を時間の関数にして変化させて
もよい。

【００７０】以下、本発明の第２の実施例に係るプラズ
マ発生方法について説明する。

【００７１】第１の実施例においては、主としてプラズ
マ発生に寄与する第１〜第４の側方電極５〜８に供給さ
れる高周波電力の周波数は１０ＭＨｚであり、バイアス
として試料台２に印加される高周波電力の周波数である
１ＭＨｚよりも高く設定した場合を示した。これは、エ
ッチング対象がシリコン酸化膜であって、エッチングの
ために比較的高いイオンエネルギーを要するからであ
る。これに対して、第２の実施例においては、バイアス
として試料台２に印加される高周波電力の第２の周波数
をプラズマ発生に寄与する高周波電力の第１の周波数よ
りも低く設定している。

【００７２】図１３は、ハロゲンガスプラズマについ
て、周波数（ＭＨｚ）とイオンエネルギーに対応するシ
ース電圧（Ｖ）との関係、及び周波数（ＭＨｚ）とイオ
ン密度又はラジカル密度に比例する発光強度との関係を
示したものである。周波数が１ＭＨｚ以上では、イオン
がバイアスの交流電界に追従できなくなるため、シース
電圧が低下する。また、周波数が１ＭＨｚ以上では、ガ
スの分解が進行し、ラジカルの密度が増える。このこと
から、下地基板に対して高い選択比を得たい場合には、
イオンエネルギーを下げるため高い周波数のバイアスが
望ましいことが分かる。

【００７３】本発明のプラズマ発生方法を、リンドープ
した多結晶シリコンに対するドライエッチングに適用す
る場合においては、試料台２に供給されるバイアス用の
高周波電力の周波数を１３ＭＨｚに設定し、第１〜第４
の側方電極５〜８に供給されるプラズマ発生用の高周波
電力の周波数を５０ＭＨｚに設定し、導入されるガスと
しては塩素に微量の酸素を混合したものを用いる。

【００７４】エッチングガスとして、ＳＦ₆ガス又は酸
素、塩素、よう素等のエレクトロネガティブ（負性）ガ
スを用いた場合に、本発明の効果の大きいことが実験結
果から得られた。エレクトロネガティブ（負性）ガスの
プラズマ中では、電子の密度が少なく抵抗が高いため、
プラズマ中の電位傾度がエレクトロポジティブ（正性）
ガスに比べて大きいので、本発明の効果が特に大きいの
である。

【００７５】この場合にも、第１〜第４の側方電極５〜
８の内部における電界は均一であるから、均一性の良い
プラズマが得られ、エッチングの均一性も良好である。
またプラズマの局所的な偏りがほとんどないので、ＭＯ
ＳＬＳＩのゲート酸化膜の破壊等のデバイスへの損傷も
極めて少ない。エッチングレートは２００〜４００ｎｍ
／ｍｉｎの値を得ている。

【００７６】尚、本第２実施例では多結晶シリコンに対
するドライエッチングの場合を示したが、本発明のプラ
ズマ発生方法が適用されたドライエッチング装置は、Ｓ
ｉ化合物、Ａｌ等のメタルに対するエッチング、多層レ
ジストにおけるレジストのエッチング等にも高い効果を
得ることができる。

【００７７】以下、本発明の第３実施例であるプラズマ
発生方法が適用されたＣＶＤ装置を図１４に基づいて説
明する。

【００７８】第３実施例が適用されたＣＶＤ装置が、第
１実施例が適用された図１に示すドライエッチング装置
と異なるのは、試料台２に高周波電力を供給する手段、
例えば図１に示す第２の高周波電源９Ｂ、第２の整合回
路１５、第２のフィルター１６及び対向電極４が設けら
れていない点と、堆積膜の膜厚を制御するためのヒータ
ー２３が試料台２に設けられている点である。その他の
点については、図１に示すドライエッチング装置と同様
であるので、同一の符号を付すことにより詳細な説明は
省略する。

【００７９】このＣＶＤ装置においては、チャンバー１
にＮ₂ガス１５ｓｃｃｍとＳｉＨ₄ガス１５ｓｃｃｍと
を導入し、これらのガスの圧力は０．０７Ｐａに設定
し、試料台２の温度は４００℃に設定することが好まし
い。

【００８０】図１５は、上記ＣＶＤ装置により作成した
半導体チップの断面を示している。Ｓｉ基板４０の上に
は熱酸化膜４１が形成されている。スパッタリング法に
より０．８μｍの膜厚に堆積されたアルミニウム４２
は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによって
０．８μｍの幅の配線に加工されている。アルミニウム
４２の上には、上記のＣＶＤ装置によってＳｉＮ膜４３
が堆積されている。

【００８１】このＣＶＤ装置は、６インチ又は８インチ
等の大口径半導体ウエハーに対するＣＶＤ方法に好適で
ある。その理由は、ドライエッチング装置のときに説明
したように、このＣＶＤ装置はプラズマの空間的な均一
性を高くすることができるため、堆積膜をウエハー全体
に亘って均一に実現することができるからである。

【００８２】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１〜１４の
発明に係るプラズマ発生方法又はプラズマ発生装置によ
ると、プラズマ発生部の側方の側方電極に周波数が同じ
で位相が異なる高周波電力を印加してプラズマ発生部に
高周波電場又は回転電場を励起するので、プラズマ発生
部内の電子が振幅運動又は回転運動をし、電子とガス分
子との衝突断面積を実効的に大きくなるので、高真空中
においても高いイオン化効率が得られ、また放電も容易
である。

【００８３】従って、本発明のプラズマ発生方法又はそ
の装置によると、従来のマグネトロン放電やＥＣＲ放電
による磁場分布に比べてプラズマ発生部の高周波電界が
均一なため、均一性に優れたプラズマを得ることができ
るので、プラズマ発生装置の大型化が容易である。

【００８４】また、本発明のプラズマ発生方法又はその
発生装置は、プラズマの局所的な偏りがほとんどないた
め、ドライエッチング装置に適用された場合、従来の平
行平板ドライエッチ装置に比べて高真空が可能であり、
ガス分子によるイオン散乱が少ないので、高真空の下で
高密度で且つ広い範囲で均一性の高いプラズマを得るこ
とができる。このため、異方性の高いエッチングを行な
うことが可能になり、微細加工性に優れ且つ量産性が高
く、均一性の良い、ゲート酸化膜の破壊等のデバイスへ
の損傷も極めて少ないエッチングが可能になる。

【００８５】また、請求項１又は請求項３〜５の発明に
よると、一対の側方電極のうちの一方の側方電極に高周
波電源から高周波電力を供給すると共に、他方の側方電
極に前記高周波電源から遅延回路を介して供給された高
周波電力を供給するので、周波数が同一で位相が異なる
高周波電力を簡単な回路で供給することができる。

【００８６】また、請求項２又は６〜１０の発明による
と、３以上の側方電極のうちの一の側方電極に高周波電
源から高周波電力を供給すると共に、他の側方電極に前
記高周波電源から順次遅延回路を介して供給された高周
波電力をそれぞれ供給するので、周波数が同一で位相が
順次異なる高周波電力を簡単な回路で供給することがで
きる。

【００８７】また、請求項１〜１０の発明によると、側
方電極間に何等かの原因で入力電力のアンバランスを生
じても、側方電極同士は遅延回路で互いに接続されてい
るため、入力電力のアンバランスは自動的に補正され
る。

【００８８】また、請求項１１〜１４の発明によると、
試料台に対しては、側方電極に供給される高周波電力の
周波数と異なる周波数の高周波電力が、側方電極に供給
される高周波電力の周波数に対して高インピーダンス特
性を有するフィルター回路を介して供給されるため、試
料台に印加される高周波電力と、回転電場を励起し主と
してプラズマ発生に寄与する高周波電力とは互いに独立
であるので、イオンエネルギーの制御が容易になり、安
定した均一なプラズマを発生させることができる。

【００８９】さらに、請求項１０又は１４の発明による
と、プラズマ発生部内の電子に回転電場による電子の回
転運動の方向と同方向又は逆方向の旋回運動を与える磁
場をプラズマ発生部に印加して、プラズマ発生部内を走
行する電子をプラズマ発生部内に閉じ込めることができ
るので、プラズマの発生がより高密度になると共にいっ
そう均一になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係るプラズマ発生方法が
適用されたドライエッチング装置の構造を示す模式図で
ある。

【図２】前記ドライエッチング装置における遅延回路の
例を示した回路図である。

【図３】前記ドライエッチング装置のチャンバー内の電
子の運動軌跡を示す模式図である。

【図４】前記ドライエッチング装置のチャンバー内の電
子の運動軌跡を示す模式図である。

【図５】前記ドライエッチング装置のチャンバー内の電
子の運動軌跡を水平面に投影した場合の模式図である。

【図６】前記ドライエッチング装置のチャンバー内の電
子の運動軌跡を水平面に投影した場合の模式図である。

【図７】前記ドライエッチング装置における側方電極に
印加される高周波電力の周波数と、該高周波電力の一周
期中に電子の進む距離との関係を示す特性図である。

【図８】従来のマグネトロンエッチング装置における磁
束分布と電子の回転を示す模式図である。

【図９】前記ドライエッチング装置における電子の回転
を示す模式図である。

【図１０】従来のマグネトロンエッチング装置を用いて
ボロンリンガラスに対してエッチングを行なった状態を
説明する図であって、（ａ）はエッチング状態を示す断
面図、（ｂ）は磁場強度の分布を示す図、（ｃ）はエッ
チング速度を示す図である。

【図１１】本発明の一実施例に係るドライエッチング装
置を用いてボロンリンガラスに対してエッチングを行な
った状態を説明する図であって、（ａ）はエッチング状
態を示す断面図、（ｂ）はエッチング速度を示す図であ
る。

【図１２】本発明の一実施例に係るドライエッチング装
置と従来のドライエッチング装置とを比較した表であ
る。

【図１３】本発明の第２実施例に係るプラズマ発生方法
により発生するハロゲンガスプラズマにおける周波数と
シース電圧との関係及び周波数とイオン、ラジカルの発
光強度との関係を示した特性図である。

【図１４】本発明の第３実施例に係るプラズマ発生方法
が適用されたＣＶＤ装置の構造を示す模式図である。

【図１５】前記ＣＶＤ装置により作成した半導体チップ
の断面図である。

【図１６】従来のマグネトロン放電を用いた反応性イオ
ンエッチング装置を示す模式図である。

【符号の説明】

１チャンバー２試料台３被エッチング試料４対向電極５第１の側方電極６第２の側方電極７第３の側方電極８第４の側方電極９Ａ第１の高周波電源９Ｂ第２の高周波電源１０第１の整合回路１１第１の遅延回路１２第２の遅延回路１３第３の遅延回路１４第１のフィルター１５第２の整合回路１６第２のフィルター１７上側円形コイル１８下側円形コイル１９、２０電源２１プラズマ発生部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｃ 9277−4Ｍ (72)発明者大國充弘大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者野村登大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者中山一郎大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空室内のプラズマ発生部を介して対向
する位置に一対の側方電極を配置し、前記一対の側方電
極のうちの一方の側方電極に高周波電源から高周波電力
を供給し、前記一対の側方電極のうちの他方の側方電極
に、前記高周波電源から遅延回路を介して供給され前記
高周波電力と周波数が同じで位相が異なる高周波電力を
供給することにより、前記プラズマ発生部に該プラズマ
発生部内の電子に振幅運動をさせる高周波電場を励起す
ることを特徴とするプラズマ発生方法。
【請求項２】真空室内のプラズマ発生部の側方に該プ
ラズマ発生部を囲むように３以上の側方電極を配置し、
前記３以上の側方電極のうちの一の側方電極に高周波電
源から高周波電力を供給し、前記３以上の側方電極のう
ちの他の側方電極に、前記高周波電源から遅延回路を介
して供給され前記高周波電力と周波数が同じで位相が順
次異なる高周波電力をそれぞれ供給することにより、前
記プラズマ発生部に該プラズマ発生部内の電子に回転運
動をさせる回転電場を励起することを特徴とするプラズ
マ発生方法。
【請求項３】前記真空室内のプラズマ発生部を介して
対向する位置に設けられた一対の側方電極と、前記一対
の側方電極のうちの一方の側方電極に高周波電力を供給
する高周波電源と、前記一対の側方電極のうちの他方の
側方電極に前記高周波電源から受けた高周波電力を遅延
せしめて前記高周波電力と周波数が同じで位相が異なる
高周波電力を供給する遅延回路とからなり、前記プラズ
マ発生部に該プラズマ発生部内の電子に振幅運動をさせ
る高周波電場を励起する電場励起手段を備えていること
を特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項４】前記真空室の側壁は誘電体により形成さ
れており、前記一対の側方電極は前記真空室の外部に設
けられていることを特徴とする請求項３に記載のプラズ
マ発生装置。
【請求項５】前記遅延回路は低域フィルターであるこ
とを特徴とする請求項３に記載のプラズマ発生装置。
【請求項６】真空室内のプラズマ発生部を囲む位置に
設けられた３以上の側方電極と、該３以上の側方電極の
うちの一の側方電極に高周波電力を供給する高周波電源
と、前記３以上の側方電極のうちの他の側方電極に、前
記高周波電源から受けた高周波電力を遅延せしめて前記
高周波電力と周波数が同じで位相が順次異なる高周波電
力をそれぞれ供給する複数の遅延回路からなる遅延回路
群とからなり、前記プラズマ発生部に該プラズマ発生部
内の電子に回転運動をさせる回転電場を励起する電場励
起手段を備えていることを特徴とするプラズマ発生装
置。
【請求項７】前記真空室の側壁は誘電体により形成さ
れており、前記３以上の側方電極は前記真空室の外部に
設けられていることを特徴とする請求項６に記載のプラ
ズマ発生装置。
【請求項８】前記複数の遅延回路はそれぞれ低域フィ
ルターであることを特徴とする請求項６に記載のプラズ
マ発生装置。
【請求項９】前記遅延回路群が前記高周波電源から受
けた高周波電力を順次遅延せしめる遅延時間は互いに略
等しくなるように設定されていることを特徴とする請求
項６に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１０】前記プラズマ発生部内の電子に、前記
電場励起手段により励起される回転電場によってもたら
される電子の回転運動の方向と同方向又は逆方向の旋回
運動を与える磁場を前記プラズマ発生部に印加する磁場
印加手段を備えていることを特徴とする請求項６に記載
のプラズマ発生装置。
【請求項１１】真空室内のプラズマ発生部の下部に設
けられた試料台と、前記プラズマ発生部を囲む位置に設けられた３以上の側
方電極と該３以上の側方電極に周波数が同じで位相が順
次異なる高周波電力をそれぞれ供給する第１の高周波電
力供給手段とからなり、前記プラズマ発生部に該プラズ
マ発生部内の電子に回転運動をさせる回転電場を励起す
る電場励起手段と、前記試料台に、前記第１の高周波電力供給手段から供給
される高周波電力の周波数と異なる周波数の高周波電力
を前記第１の高周波電力供給手段から供給される高周波
電力の周波数に対して高インピーダンス特性を有するフ
ィルター回路を介して供給する第２の高周波電力供給手
段とを備えていることを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項１２】前記第１の高周波電力供給手段は、前
記３以上の側方電極に前記高周波電力を前記第２の高周
波電力供給手段から供給される高周波電力の周波数に対
して高インピーダンス特性を有するフィルター回路を介
して供給することを特徴とする請求項１１に記載のプラ
ズマ発生装置。
【請求項１３】前記第１の高周波電力供給手段から供
給される高周波電力の周波数は、前記第２の高周波電力
供給手段から供給される高周波電力の周波数よりも高く
設定されていることを特徴とする請求項１１に記載のプ
ラズマ発生装置。
【請求項１４】前記プラズマ発生部内の電子に、前記
電場励起手段により励起される回転電場によってもたら
される電子の回転運動の方向と同方向又は逆方向の旋回
運動を与える磁場を前記プラズマ発生部に印加する磁場
印加手段を備えていることを特徴とする請求項１１に記
載のプラズマ発生装置。