JPH0724239B2

JPH0724239B2 - 大容積の磁気プラズマを発生する方法と装置

Info

Publication number: JPH0724239B2
Application number: JP61502794A
Authority: JP
Inventors: ボスウエル、ロードリツク・ウイリアム
Original assignee: ジ・オ−ストラリアン・ナシヨナル・ユニバ−シテイ
Priority date: 1985-05-03
Filing date: 1986-05-02
Publication date: 1995-03-15
Anticipated expiration: 2010-03-15
Also published as: IE57324B1; DE3675149D1; IE861181L; JPS62502786A

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、プラズマの発生に関する。具体的には、低圧
で高密度プラズマを発生することに関する。本発明は、
乾式エツチングや、材料の表面性質の変性に使用する絶
縁空洞内の大容積プラズマの発生に特に有効であるが、
これらの用途に限定されるものではない。

背景技術エツチングなどの目的にプラズマを使用することは周知
である。プラズマエツチングに関する良著に、Hewlett
Packard Journal（1982年８月号、19〜23頁）に記載さ
れた「乾式エツチング：展望」Paul J Marcoux著があ
る。

プラズマ発生に使われる装置は、次のものからなる。

ａ）電気絶縁室（普通は、放電管と呼ばれ、その中にプ
ラズマが発生する）。

ｂ）真空ポンプ（放電管内を低圧にして保持する）。

ｃ）ガス供給源（放電管から空気を追い出し、イオンプ
ラズマを作るイオンと電子の源となる）。

ｄ）無線周波数発振器、増幅器および結合ネツトワーク
（プラズマを確立する電力源として）。

ｅ）結合ネツトワークの出力からプラズマへのrf電力を
結合するアンテナ。

通常、プラズマ管は、円形断面の金属円筒管でできてい
る。しかし、パイレツクスや石英ガラスの円筒管を本発
明者等は使つて来た（本項の以下の出版物を参照のこ
と）。rf電力をプラズマに結合するのに使われるアンテ
ナの中で、最も有効なのは、二重ループアンテナで、こ
れは放電管の側面にぴつたりはまる（例えば、（ａ）R.
W.Boswelの「Physics Letters」第33A巻、1970年12月、
457〜458頁、（ｂ）R.W.Boswell等の「Physics Letter
s」第91A巻、1982年９月、163〜166頁、および（ｃ）R.
W.Boswellの「Plasma Physics and Controlled Fusio
n」第26巻、1147〜1162頁 1984年を参照すること）。

本発明の開示コンピユータ用シリコンチツプ（および他の半導体素
子）の生産性は、チツプを形成するためにエツチングさ
れるシリコンウエハ（または他の半導体材料のウエハ）
の面積を増大できれば高くなることが、これまで認めら
れて来た。大きい容積（すなわち、大きい内径の放電管
内）の高密度プラズマの効率良い製造は、理論的に可能
であるが、本発明以前には実際には行われていなかつ
た。さらに、大きい容積のプラズマは、プラズマが実質
的に均質で、エツチングを行うのに利用される無帯電の
原子状の種（普通は、ふつ素）の密度が妥当に高いこと
がなければ、利益が小さい。

本発明の目的は、従来製造されたよりもかなり大きい体
積を有し、無帯電の原子状の種の実質的に均一な体積を
有するプラズマを製造する手段を提供することである。

この目的は、補助区域に持続する空洞内にプラズマを発
生させ、この空洞と補助区域の内圧を同じにし、プラズ
マが補助区域内に伸びるようにして達成される。

本発明の好適実施例では、プラズマは従来よりもずつと
低い圧力で発生し、（本発明者が発見した）共鳴条件下
に置かれ、原子状のガス種の大容積を作る。

本発明の基本的形に関し、プラズマ管と同じ低圧になつ
ている補助区域に結合したプラズマ管内にプラズマを発
生させれば、プラズマが補助区域内に伸びることを本発
明者は発見した。補助区域は、プラズマの体積よりもか
なり大きい体積とすることができる。エツチングする試
料はプラズマ管、あるいは（好ましくは）補助区域に支
持され、その中でプラズマに接する。

プラズマの低圧作動に関し、本発明者は、半導体材料の
乾式エツチングの分野へ本発明者の科学研究（前掲著を
参照のこと）を応用する中で、反応性種を含有するガス
（例えば六フツ化硫黄）をシリコンの乾式エツチングに
利用すれば、所定の放電管形状で、所定のrf電力に対
し、条件によつては、シリコンのエツチング速度が実質
的に増大することを発見した。本発明者が引き続き研究
した結果、この意外な共鳴効果が生じる条件を実験的に
決定できた。これらの条件は、入力rf電力周波数が7.5M
Hz、アンテナ長さが20cm、磁場が100ガウスのときに、
次の式で表わされる。

D.W.p15,000 （Ｉ）ここで、Ｄは、プラズマが発生する管の内径（cm）で、
Ｗはrf電力（ワツト）で、ｐはプラズマ管の作動圧力
（ミリトル）である。

本発明者は、さらにこの共鳴条件を作るには、アンテナ
の長さ（Ｌ）、プラズマ管内の磁場（Ｂ）およびrf電力
の周波数（ｆ）に相互依存性があり、次式で表わされる
ことを見い出した。

ここでｆはMHz、Ｌはcm、Ｂはガウスで表わす。

プラズマ管内の共鳴条件が成立すると、プラズマ内のイ
オンや電子と無帯電ガス分子との間で相互作用が増大す
ると考えられる。すなわち、原子状の種を作るガスの解
離が著しく増大し、プラズマ管内の原子種の密度を増大
する。プラズマガスが六フツ化硫黄SF₆（これはシリコ
ンウエハのプラズマエツチングに普通に使われる）であ
るとき、原子状硫黄と原子状フツ素に解離すると考えら
れる。原子状フツ素はプラズマ管内の、あるいは補助区
域内の露出シリコンと反応してそれをエツチングする。

本発明によれば、次の要素からなるプラズマ製造装置が
提供される。

ａ）電気的に絶縁された細長い、均一円形断面（直径
Ｄ）の管状空洞。この中に、圧力ｐでイオンと電子の源
がガス状で含まれる。

ｂ）空洞内に磁場Ｂを作るために、空洞の外側に設けた
第１磁場形成手段。

ｃ）空洞内のガスへrf電力を結合するようになつている
長さＬの無線周波数アンテナ。

ｄ）空洞の外側にあつて、アンテナに接続した周波数ｆ
のrf電力源。

この装置は、次のことにより特徴づけられる。

ｅ）空洞と同じ内圧の電気的絶縁補助区域が空洞に結合
されている。

ｆ）補助区域内に必要な磁場を形成する第２の磁場形成
手段が設けられている。またｇ）装置を操作するパラメーターが下式によって定義さ
れる。

そして、〔ここで、Ｗは無線周波数アンテナに加わる電力（ワッ
ト）で、D,p,f,L,Bは各々cm、ミリトル、MHz、cm、ガウ
スで表される。〕本発明によれば、次の工程からなる大きな磁気プラズマ
を形成する方法が提供される。

ａ）電気的に絶縁され、細長い、均一な円形断面（直径
Ｄ）の管状空洞内にプラズマを作り、この空洞内には圧
力ｐでイオンと電子のガス状源があり、プラズマは、空
洞内に磁場Ｂをかけ、空洞の外側にある長さＬの無線周
波アンテナを使ってガス状源に周波数ｆのrf電力を結合
して作られ、ｂ）空洞に接続して空洞と同じ内圧ｐの補助区域内にプ
ラズマが伸びるようにし、そして、ｃ）次の２式が成立するようにプラズマの作動条件を調
整する。

〔ここで、Ｗは無線周波数アンテナに加わる電力（ワッ
ト）で、D,p,f,L,Bは各々cm、ミリトル、MHz、cm、ガウ
スで表される。〕本発明の装置と方法を用いて、空洞内のガスから得られ
た原子状種の密度がプラズマの生成によつて著しく増大
する。

典型的な作動条件では、ｆ・Ｌ^２/Bの値は約50がよい。

普通の環境では、空洞と補助区域における圧力ｐは、真
空ポンプのポンプ速度とガスの供給速度を平衡させて大
体一定の値に維持される。

以下に本発明の一実施例を図面を参照しながら説明す
る。

図面の簡単な説明第１図は、本発明を含むように構成したプラズマエツチ
ング装置の一方から見た部分断面説明図。

第２図は、rf電力をプラズマに結合する好適なアンテナ
の形状を示す図。

第３図は、プラズマ空洞と補助区域の組合せを示す代表
的説明図。

第４図は、第１図の装置のアンテナに供給されるrf電力
と、第１図のプラズマ管内の原子状フツ素の密度との関
係を示すグラフで、プラズマ用のガスに六フツ化硫黄を
使つた場合である。

図示の実施例の詳細な説明第１図において、本発明の装置は、セラミツクまたはガ
ラスの円筒形部材10からなり、その円筒形断面の内径は
Ｄで、第２の円筒形部材20の形の補助区域が円形形部材
10に接続している。円筒形部材10と第２の円筒形部材20
は一体に形成できる。円筒形部材10は、第２の円筒形部
材20から遠い方の端がフランジ11で閉じており、フラン
ジ11には１つ以上の観測窓11Aが密封状態ではめ込まれ
ている。ガス14の源は管19によつて弁15およびフランジ
11を介して円筒形部材10の内部に持続している。管21
は、フランジ12（円筒形部材10から遠い方の円筒形部材
20の端部を密封する）を介して円筒形部材20の内側から
真空ポンプ22へ伸びる。

コイル13が円筒形部材10を囲む。コイル13はDC電源25に
接続され、円筒形部材10内に磁場Ｂを形成する。円筒形
部材10によつて形成される空洞内に形成されるプラズマ
の均一性は、必要に応じて、コイル13の直径をその長さ
に沿つて変えて制御できる。

無線周波数電力発電機30および整合ネツトワークはその
出力がアンテナ32に結合し、アンテナ32は円筒形部材10
内のガス媒体内にrf電力を共鳴結合する。発電機30は、
約1MHz〜約30MHzの範囲で電力を生じる。アンテナ32はr
fアンテナの適当な形をとりうるが、共鳴式（Ｉ）と（I
I）を満足する長さＬを有していなければならない。い
ろいろな長さと直径のアンテナを本発明者は試験したが
完全に成功した。アンテナの好適な形は（本発明者の以
前の公表済み研究に用いられた）、第２図に示してあ
る。第１図に示すように、アンテナ32はコイル13の下で
円筒形部材10の壁近くに置かれる。

円筒形部材20で形成される補助区域は、円筒形である必
要はなく、必要に応じて任意の形をとりうる。円筒形部
材10によつて形成される空洞内に作られるプラズマが補
助区域内に伸びるから、補助区域には、プラズマの延長
区域を制限する手段、すなわち、補助区域内に適当な磁
場を形成する手段が設けられる。補助区域が円筒形部材
であれば、第１図に示すように、第２のDC源24に接続し
たコイル16で磁場が形成できる。補助区域が第３図に示
すように、複雑な形状であれば、公知のように、補助区
域を画成する壁34の近くに永久磁石33を配置して、補助
区域内にプラズマを収容する磁気「フエンス」を形成で
きる。

プラズマをエツチングの目的に使う場合、エツチングす
る材料17（例えば、多数のシリユンチツプからなるマト
リツクスを同時にエツチングできるようにマスクで覆つ
たシリコンウエハ）は、プラズマ空洞（円筒形部材10）
内、あるいは好ましくは第１図に示すように補助区域内
に支持体18によつて支えられる。支持体18は第２のrf源
31に接続でき、支持体18にバイアス電位を加える。

この装置を使用するために、円筒形部材10と円筒形部材
20に源14からのガスを噴流させる。空洞は真空ポンプ22
で排気し、空洞と補助区域内の圧力が0.01ミリトル以下
になるようにする。その後、式（Ｉ）の共鳴関係で決め
られる高い圧力が、源14からのガス流とポンプ22のポン
プ速度との平衡によつて空洞内に維持される。

円筒形部材10内に必要な圧力および磁場が形成されて、
発電機21からの電力レベルが零から大きくなると、プラ
ズマが生じて、原子状種の密度が電力の増加と共に増大
し、従来のプラズマ装置で達成される極大値に達する。
この極大値は第４図のグラフのＡで示される。従来のプ
ラズマ科学者は、発電機21からの電力が増大しつづける
と、極大値Ａが維持されるか、わずかに増大し、第４図
の点線Ｂで示されるようになると予測するだろう。しか
し、本発明者は、本発明に必要な低圧で作動したとき、
共鳴現象が生じて、空洞内に作られた原子状種の密度が
急速に増大し、第４図のＣで示される第２の極大値にな
ることを発見した。

プラズマの中に生成した原子状の種は中性であるから、
コイル13によつて形成される磁場や補助区域内に形成さ
れる磁場によつて影響されることは無い。これらの種
は、大体0.1秒以上の長寿命である。従つて、種は、円
筒形部材10,20の中に等しく分布し、材料のエツチング
が高度に均質となる。原子状の種が均一に分布すること
の他の利点は、プラズマでエツチングしたり表面処理す
る材料の位置が重要でないことである。従つて、材料
は、補助区域（必要なら、円筒形部材10）内の大体どこ
にでも配置できる。

材料17のエツチング角は、材料17の基体を押圧するよう
にrf電圧と周波数を適当に加えて変更できる。このバイ
アス電圧のRMS増幅が２〜３ボルトであると、材料に等
方性のエツチングが行える。バイアス電圧のRMS増幅が2
0〜30ボルトから200〜300ボルトであると、材料17のエ
ツチングは非等方性になる。中間のバイアス電圧増幅で
は、エツチングの非等方性は、バイアスrf電圧の増幅に
比例して、いろいろ変化する。

源14からのガスは、１つの成分のガスでもよいし、ガス
の混合物であつてもよい。これは、必要な材料17のエツ
チングや表面処理の型によつて選定される。

本発明の装置がシリコンウエハからコンピユータチツプ
を製造するようなエツチング用途に利用されるとき、源
14からのガスは、反応性原子状種を生じるように解離す
るガス（例えば、六フツ化硫黄（SF₆）、四フツ化炭素
（CF₄）、四塩化炭素（CCl₄））、あるいはエツチング
に特に有用な反応性原子状種を作るように解理する１つ
以上のガスを含むガスの混合体である。

しかし、前述のように、本発明の装置は、半導体材料の
エツチング用途に限定されない。作動ガスとしての酸素
を置き換えて、フオトレジストのようなポリマーの極め
て高いエツチング速度が得られる。プラズマガスを窒素
とすれば、中性の窒素原子が生じ、鋼の表面に窒化物を
形成して鋼を表面硬化するのに使える。実験装置を利用
して、数ｍに達する長さの鋼試料に極めて硬い表面被覆
を形成できた。

本発明の研究で、本発明者は、第１図に示すような二重
円筒形部材を利用し、円筒形部材10の内径が2cm〜20cm
で、第２の円筒形部材20の内径が2cm〜80cmであつた。
第４図に示す共鳴極大値Ｃは、使用した各円筒形部材に
ついて現われた。円筒形部材の直径が大きくなれば、約
0.1ミリトル〜約1.0ミリトルの範囲の圧力で作動すれ
ば、大きい直径のシリコンウエハのエツチングに使用す
るのに適当な大きい体積のプラズマが得られた。

本発明の具体的実施例を説明して来たが、本発明はこれ
らの実施例に限定されるのではなく、本発明の範囲を逸
脱しないで多くの改変が可能である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】次の各工程からなる大きい磁気プラズマを
形成する方法。ａ）電気的に絶縁された、細長い、均一な円形断面（直
径Ｄ）の管状空洞の中に、圧力ｐでイオンと電子のガス
状源を入れ、磁場Ｂを形成し、空洞の外側に配置された
長さＬの無線周波数アンテナを使ってガス状源内に周波
数ｆのrf電力を結合して、プラズマを生じさせる。ｂ）前記空洞に接続して、空洞と同一の内部圧ｐの補助
区域内にプラズマが伸びるようにする。ｃ）次の２式が成立するようにプラズマの作動条件を調
整する。 D.W.p15,000 （Ｉ）〔ここで、Ｗは無線周波数アンテナに加わる電力（ワッ
ト）で、D,p,f,L,Bは各々cm、ミリトル、MHz、cm、ガウ
スで表される。〕
【請求項２】次式が成立する特許請求の範囲１第項に記
載の方法。
【請求項３】空洞内の圧力ｐが、空洞に接続した真空ポ
ンプのポンプ速度と、イオンおよび電子のガス源の供給
速度とを平衡させて維持される特許請求の範囲第１項〜
第２項のいずれかに記載の方法。
【請求項４】イオンのガス源が、解離した反応性原子状
種を作るガスか、解離して反応性原子状種を作る１つ以
上のガスを含むガス混合体である特許請求の範囲第１項
〜第３項に記載の方法。
【請求項５】イオンと電子の源が、六フッ化硫黄、四フ
ッ化炭素、四塩化炭素、酸素および窒素からなる群から
選ばれる、特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれかに
記載の方法。
【請求項６】イオンまたは電子のガス源が、解離して反
応性ハロゲン原子を空洞内に発生するガスで、半導体材
料のウエハが補助区域に含まれ、ウエハがハロゲン原子
によってエッチングされる、特許請求の範囲第１項〜第
３項のいずれかに記載の方法。
【請求項７】イオンと電子のガス源が酸素で、解離して
酸素原子を生じ、ポリマーが補助区域に含まれて、酸素
ガスによってエッチングされる、特許請求の範囲第１項
〜第３項のいずれかに記載の方法。
【請求項８】イオンおよび電子のガス源が窒素であり、
空洞内で解離して窒素原子を生成し、補助区域内に鋼製
品が含まれ、鋼製品の表面に窒化物が形成される、特許
請求の範囲第１項〜第３項のいずれかに記載の方法。
【請求項９】次のａ）〜ｄ）の各要素からなり、ｅ）〜
ｆ）によって特徴づけられるプラズマ生成装置。ａ）電気的に絶縁された細長い、均一な円形断面（直径
Ｄ）で、圧力ｐのイオンおよび電子のガス源を含む管状
空洞。ｂ）前記空洞内に磁場Ｂを確立するように空洞の外側に
配置された第１の磁場形成手段。ｃ）空洞内のガスにrf電力を結合するための長さＬの無
線周波数アンテナ。ｄ）前記アンテナに接続された空洞の外側に配置された
周波数ｆのrf電力の源。ｅ）空洞と同じ内圧ｐに保たれた電気的絶縁補助区域が
空洞に結合されている。ｆ）補助区域内に必要な磁場を形成する第２の磁場形成
手段が、上記の補助区域に付帯して設けられている。ま
たｇ）装置を操作するパラメーターが下式によって定義さ
れる。 D.W.p＝15,000 （Ｉ）そして、〔ここで、Ｗは無線周波数アンテナに加わる電力（ワッ
ト）で、D,p,f,L,Bは各々cm、ミリトル、MHz、cm、ガウ
スで表される。〕
【請求項１０】次式が成立する特許請求の範囲第９項に
記載の装置。
【請求項１１】補助区域に真空ポンプが接続され、空洞
にガス供給手段が接続され、ガス供給手段がイオンのガ
ス源となり、真空ポンプとガス供給手段の作動が、空洞
内の圧力ｐを実質的に一定に保持するように調整され
る、特許請求の範囲第９項または第10項に記載の装置。
【請求項１２】イオンと電子のガス源が、解離して反応
性原子状種を生じるガス、あるいは解離して反応性原子
状種を生じる１つ以上のガスを含むガス混合体である特
許請求の範囲第９項〜第11項に記載の装置。
【請求項１３】イオンと電子の源が、六フッ化硫黄、四
フッ化炭素、四塩化炭素、酸素および窒素からなる群か
ら選ばれる、特許請求の範囲第９項〜第11項のいずれか
に記載の装置。
【請求項１４】補助区域内に半導体材料のマスキング付
きウエハがとりつけられ、イオンおよび電子のガス源が
空洞内で解離してハロゲン原子を生成するガスで、ウエ
ハの露出区域がエッチングされる特許請求の範囲第９項
〜第11項に記載の装置。
【請求項１５】補助区域内にポリマー材料が取りつけら
れ、イオンと電子のガス源が酸素で、空洞内で解離し、
ポリマー材料をエッチングする酸素原子を生じる、特許
請求の範囲第９項〜第11項に記載の装置。
【請求項１６】補助区域内に鋼製品が配置され、イオン
および電子のガス源が窒素で、空洞内で解離して、窒素
原子を生成し、鋼製品の表面と反応して、該表面に窒化
物を形成する、特許請求の範囲第９項〜第11項に記載の
装置。