JP4171590B2

JP4171590B2 - エッチング方法

Info

Publication number: JP4171590B2
Application number: JP2001149825A
Authority: JP
Inventors: 俊雄林; 巍陳; 吉平杉田
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2021-05-18
Also published as: JP2002343775A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを利用して、シリコン等の半導体基板上に形成された薄膜や電子デバイス用材料、各種ガラス、各種誘電体をエッチングするエッチング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本願発明者らは、真空チャンバー内にガスを導入して、高周波によって誘導放電プラズマを形成すると共に基板電極に高周波電力を印加して基板電極に負の自己バイアスを発生するように構成したエッチング装置において、基板電極と対向する位置に接地電極を設けることを提案した。
【０００３】
ところでエッチングでは反応性の高いラジカル及びイオンを基板に照射して基板物質との反応により基板物質をガス化して蝕刻するが、単に削ればよいわけではなく、微細化に伴いより形状制御が重要になってきている。
このためにはエッチャントの他に微細孔内部の壁面に付着してイオンの当たらない側壁を保護する働きをする物質もプラズマ中で生成されなければならない。0.3μｍ幅以下の微細加工ではこのエッチャントと保護物質との相対濃度及び孔内部への相対的な到達量が重要になる。保護物質がエッチャントに対して多くなり過ぎると0.3μｍ幅以下の微細孔は、保護物質により埋まってしまい、いわゆるエッチストップが起こって、削れないことになる。逆に、保護物質が少なすぎるとエッチャントによって側壁が削られて、Bowingが発生し、望ましい形状が得られない。
【０００４】
このような従来提案してきたエッチング装置においては、プラズマを形成するためのアンテナとバイアス電圧を発生させるための電気的に浮遊状態の電極に高周波電力が印加される。ハロゲン系のガスが導入されてプラズマが形成されると、ガス分子がプラズマ分解され、エッチャントや重合しやすい物質が生成される。重合しやすい物質が基板電極に達すると保護物質として働くが、放電室壁面に達すると壁面に付着してダストの原因になる。
【０００５】
エッチストップが発生するメカニズムの一つに微細孔内のチャージアップが考えられる。基板バイアスが負になっているので、孔内にイオンとラジカルが飛来しイオンアシストによってエッチングが進行する。孔が微細になると、シース電界によって電子流入が不十分になり孔内の電荷補正ができなくなって正にチャージアップする。この結果、正のイオンの流入が阻止され、エッチングが十分に進行しなくなると考えられるのである。
【０００６】
そこで、本願発明者らは、真空チャンバー内にガスを導入して、高周波によって誘導放電プラズマを形成すると共に基板電極に高周波電力を印加して基板電極に負の自己バイアスを発生するように構成したエッチング装置において、基板電極と対向する位置に設けた接地電極を誘電体により電位的に浮遊状態とした対向電極として構成し、この対向電極に第３の高周波電源より電力を供給するように構成したものを提案した。（特願平９−１２３８９７号公報参照）。
【０００７】
このような三つの別個の高周波電源を使用した反応性イオンエッチング装置の例を添付図面の図２に示す。図示エッチング装置において、Ａは真空チャンバーで、上部のプラズマ発生部と基板電極部とを備え、基板電極部には排気口が設けられている。プラズマ発生部は円筒形の誘電体側壁Ｂを備え、誘電体側壁Ｂの外側には、真空チャンバー１内に磁気中性線を形成するための三つの磁場コイルＣ、Ｄ、Ｅが設けられ、真空チャンバーＡの上部のプラズマ発生部内に磁気中性線Ｆを形成する。
【０００８】
中間の磁場コイルＤと誘電体側壁Ｂの外側との間にはプラズマ発生用の高周波コイルＧが配置され、この高周波コイルＣは高周波電源Ｈに接続され、三つの磁場コイルＣ、Ｄ、Ｅによって真空チャンバーＡの上部のプラズマ発生部内に形成された磁気中性線Ｆに沿って交番電場を加えてこの磁気中性線Ｆに放電プラズマを発生するようにしている。
【０００９】
真空チャンバーＡのプラズマ発生部内の形成される磁気中性線Ｆの作る面と平行して下部の基板電極部内には基板電極Ｉが絶縁体部材を介して設けられ、この基板電極Ｉはブロッキングコンデンサを介してＲＦバイアスを印加する高周波電源Ｊに接続されている。
【００１０】
また、真空チャンバーＡの上部のプラズマ発生部の天板Ｋは絶縁体Ｌを介して誘電体側壁Ｂの上部フランジに密封固着され、対向電極を形成し、高周波バイアス電源Ｍに接続され、弱い高周波バイアスが印加されるようにし、浮遊電極として機能する。
【００１１】
このように対向電極、基板電極及びアンテナに高周波電力を印加するように構成したことにより、対向電極面への膜付着を抑制できること、対向電極によるプラズマ生成及び基板面上への電子補給が可能なこと等、多くの利点が期待できる。また、ガスのプラズマ分解によって生成された物質が壁面に付着し、やがて剥離してダストとして基板表面に落ちてくれることがＩＣＰプラズマ源やＥＣＲプラズマ源では問題となっている。基板上部に対向電極を設け、高周波電力を印加することによりプラズマ中のイオンが絶えず対向電極表面をスパッタするので膜の付着が抑えられ、ダスト発生を抑制できるだけでなく、天板すなわち対向電極内面に付着し重合した膜をスパッタすることにより、エッチャントを生成する副次的な効果も期待できるようになった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような誘導放電用高周波電源、対向電極用高周波電源及び基板電極用高周波電源の三つの高周波電源が必要になるだけでなく、対向電極と誘導コイルとが近接しているためこれらに印加する高周波電場が互いに干渉するという問題が生じる。この干渉の問題は、異なった周波数の電力を印加するか又は位相制御すれば、干渉を避けることができるが、圧力や使用するガスの種類、放電電力により干渉条件が異なるので、動作条件を変える毎に干渉の起らないように位相制御する必要があった。
【００１３】
本発明は、上記のような従来技術に伴う問題を解決して構造を簡単化でき、干渉の問題が伴わず、高効率のプラズマを形成でき、良好な垂直エッチング性を得ることができるエッチング方法を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、基板電極と対向する上部天板が誘電体で構成された対向電極である真空チャンバ内ガスを導入し、この真空チャンバ内に連続して存在する磁場ゼロの位置の連がりである環状磁気中性線を形成し、二つのパラレルコイルから成る高周波アンテナコイルで、この磁気中性線に沿って交番電場を加えて、この磁気中性線に放電プラズマを発生させると共に、基板電極に高周波電力を印加して基板電極に負の電圧を発生させ、基板電極に載置された基板をエッチングするエッチング方法において、
前記放電プラズマを発生させる高周波アンテナコイルからコンデンサを介して対向電極に高周波電力を分岐し、対向電極に負のバイアスを発生させ、天板に付着する重合膜をスパッタリングしながらエッチングを行うことを特徴としている。
【００１５】
このように構成することにより、対向電極用として別個に高周波電源を設ける必要がなくなり、装置の構造を簡素化できるだけでなく、干渉の問題を解消できる。対向電極に高周波電力を印加し、対向電極に負のバイアスが発生するようにしたので、対向電極は常に正イオンによって衝撃されるようになる。この結果、従来の天板を接地電位にしていた構成のものに比べて、天板への膜付着が抑えられ天板からのダスト発生が抑制される。さらに、ダスト発生を抑制できるだけでなく、天板内面に付着し重合した膜をスパッタすることにより、エッチャントを生成することができよう。また、ＳｉやＷＳｉ等の金属で構成された天板を用いることにより、ＳｉＦｘやＷＦｘなどの物質を発生させ、これら物質をマスク上に堆積させて、マスクの消耗を抑えることができ、深溝のエッチングが可能となる効果を奏する。
【００１６】
また、対向電極に高周波電力を印加することにより、上部天板面からの二次電子及びシース加熱によって加速された電子が基板面に飛来し微細孔内に発生した正のチャージアップを補正することも可能となり得る。
【００１７】
また、本発明によるエッチング方法においては、誘導放電を発生させる高周波アンテナコイルは一重を含む多重のコイルを平行に巻いて構成することができる。このように構成した場合には、良好な垂直エッチング性が得られ、選択性が向上できる。
【００１８】
さらに、本発明によるエッチング装置においては、好ましくは対向電極は、誘電体で構成した真空チャンバー部分の上部の天板から成り得る。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面の図１を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１には本発明によるエッチング装置の一実施の形態を示し、２周波型磁気中性線放電エッチング装置として構成されている。図示エッチング装置において、１は真空チャンバーで、上部のプラズマ発生部１ａと基板電極部１ｂとを備えている、基板電極部１ｂには排気口１ｃが設けられ、適当な排気系に接続される。
【００２０】
プラズマ発生部１ａは円筒形の誘電体側壁２を備え、誘電体側壁２の外側には、真空チャンバー１内に磁気中性線を形成するための磁場発生手段を構成している三つの磁場コイル３、４、５が設けられ、これらの磁場コイルは真空チャンバー１の上部のプラズマ発生部１ａ内に磁気中性線６を形成する。真空チャンバー１の下部には、基板電極７が絶縁体部材８を介して設けられ、この基板電極７はブロッキングコンデンサ９を介してＲＦバイアスを印加する高周波電源１０に接続されている。
【００２１】
中間の磁場コイル４と誘電体側壁２の外側との間にはプラズマ発生用の二つの高周波コイル１１が配置され、これらの高周波コイル１１は可変コンデンサ１２を介して高周波電源１３に接続され、三つの磁場コイル３、４、５によって真空チャンバー１の上部のプラズマ発生部１ａ内に形成された磁気中性線６に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生するようにしている。
【００２２】
真空チャンバー１の上部のプラズマ発生部１ａの天板１４は絶縁体１５を介して誘電体側壁２の上部フランジに密封固着され、対向電極として構成されている。またこの天板１４は内壁材料として炭素材を用いて構成されている。そして対向電極１４には高周波アンテナコイル１１のプラズマ発生用高周波電源１３から可変コンデンサ１２を介して高周波アンテナコイル１１へ至る給電路の位置から分岐してコンデンサ１６を介して高周波電力が印加され、対向電極１４に自己バイアスを発生するように構成されている。
【００２３】
さらに、真空チャンバー１の上部のプラズマ発生部１ａには、真空チャンバー１内へエッチングガスを導入するガス導入口１７が設けられ、このガス導入口１７は、図示していないがガス供給通路及びエッチングガスの流量を制御するガス流量制御装置を介してエッチングガス供給源に接続される。
【００２４】
このように構成した図示装置による実験において、プラズマ発生用高周波電源１３（13.56MHz)の電力を2.0kW、基板バイアス高周波電源１０(800kHz)の電力を500W、分岐用コンデンサ１６の容量として100ｐＦを用い、Ａｒ 90sccm（90％）、Ｃ₄Ｆ_８10sccm(10％)を導入し、３mToｒrの圧力下でエッチングしたところ、エッチストップなしにシリコン酸化膜に20μｍ深さのほぼ垂直形状のエッチングが可能であった。
従来の装置構成における同条件下でのエッチングでは、パターン幅によって多少の相違はあるものの、約15μｍ深さでマスクが消耗し、それ以上深いエッチングは不可能であった。
【００２５】
壁面に付着する物質にはＣＦ、ＣＦ₂、ＣＦ₃、Ｃ₂Ｆ₂、Ｃ₂Ｆ₄、Ｃ₂Ｆ₅、Ｃ₃Ｆ₅、Ｃ₃Ｆ₆等の化合物やさらに分解の進んだＣ₂Ｆ_x、Ｃ₃Ｆ_x、Ｃ₄Ｆ_x（ｘ＝１〜２）等の化合物がある。これらの化合物は壁面に付着して重合膜を形成する。イオン衝撃がない場合、これらの化合物によって形成された重合膜は厚膜となり、やがて剥離しダストとなる。しかし、イオン衝撃がある場合、重合膜の形成は殆ど起こらないか、起こったとしてもスパッタされて再びＣＦ、ＣＦ₂、ＣＦ₃等のラジカルとなって気相中に飛び出し、エッチャントとなる。
このエッチャント生成と天板すなわち対向電極における電子加速の効果により、従来の装置構成でエッチストップが起こっていた条件下でも、エッチストップなしにサブミクロンのホールパターンがエッチングできたものと考えられる。また、マスクを消耗により15μｍ以上の深さまでエッチングすることができなかったが、本発明により可能となった。
【００２６】
上記の例では、対向電極１４に印加する高周波電力の分岐用コンデンサ１６の容量として100ｐＦを用いたが、この値はプラズマ発生用高周波電力及び基板バイアス高周波電力の値によって適宜選択されなければならない。
また図示実施例では、天板１４の内壁材料として炭素材を用いているが、代わりに硅素材またはそれの化合物か複合物或いは硅素材と炭素材との化合物か複合物を用いて構成することもできる。
【００２７】
ところで図示実施例ではＮＬＤエッチング装置に適用した例について説明してきたが、同様な効果はＮＬＤプラズマＣＶＤ装置に適用しても期待できることは言うまでもない。またＩＰＣエッチング装置やＩＰＣＣＶＤ装置に適用しても同様な効果が期待できることは言うまでもない。
また、誘電放電を発生させる高周波アンテナは、図１のような二重コイルの代わりに、一重のコイル、三重以上のコイルを用いてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によるエッチング方法においては、基板電極と対向する上部天板が誘電体で構成された対向電極である真空チャンバ内ガスを導入し、この真空チャンバ内に連続して存在する磁場ゼロの位置の連がりである環状磁気中性線を形成し、二つのパラレルコイルから成る高周波アンテナコイルで、この磁気中性線に沿って交番電場を加えて、この磁気中性線に放電プラズマを発生させると共に、基板電極に高周波電力を印加して基板電極に負の電圧を発生させ、基板電極に載置された基板をエッチングするエッチング方法において、前記放電プラズマを発生させる高周波アンテナコイルからコンデンサを介して対向電極に高周波電力を分岐し、対向電極に負のバイアスを発生させ、天板に付着する重合膜をスパッタリングしながらエッチングを行うように構成しているので対向電極用として別個に高周波電源を設ける必要がなくなり、装置の構造を簡素化できるだけでなく、干渉の問題を解消できるようになる。
【００２９】
また、誘導放電を発生させる高周波アンテナコイルを二つのパラレルコイルで構成したことにより、良好な垂直エッチング性が得られ、選択性が向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す概略線図。
【図２】従来の磁気中性線エッチング装置を示す概略線図。
【符号の説明】
１：真空チャンバー
２：円筒形の誘電体側壁
３：磁場コイル
４：磁場コイル
５：磁場コイル
１１：高周波コイル
１２：可変コンデンサ
１３：プラズマ発生用高周波電源
１４：天板（対向電極）
１５：絶縁体
１６：コンデンサ

Claims

基板電極と対向する上部天板が誘電体で構成された対向電極である真空チャンバ内ガスを導入し、この真空チャンバ内に連続して存在する磁場ゼロの位置の連がりである環状磁気中性線を形成し、二つのパラレルコイルから成る高周波アンテナコイルで、この磁気中性線に沿って交番電場を加えて、この磁気中性線に放電プラズマを発生させると共に、基板電極に高周波電力を印加して基板電極に負の電圧を発生させ、基板電極に載置された基板をエッチングするエッチング方法において、
前記放電プラズマを発生させる高周波アンテナコイルからコンデンサを介して対向電極に高周波電力を分岐し、対向電極に負のバイアスを発生させ、天板に付着する重合膜をスパッタリングしながらエッチングを行うことを特徴とするエッチング方法。