JPH03206613A - 低温ドライエッチング装置 - Google Patents

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】 〔概要〕 半導体装置の製造工程等に用いる低温ドライエッチング
装置に関し， 温度の制御範囲が広く１制御精度が高く，熱効率の良い
電極温度制御機構を備えた実用的な低温ドライエッチン
グ装置を得ることを目的とし．ウェハを載置する電極と
冷却された蓄冷体との間に伝熱体を有し，該伝熱体は相
互に熱的に絶縁され且つ間隙を持つ複数の導熱体からな
り，少なくとも２個の導熱体はそれぞれ電極と蓄冷体に
熱的に接続され，該間隙の中にガスを満たし，ガス圧力
を変化させることにより電極と蓄冷体間の熱伝導特性を
制御できるように構戒する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は半導体装置の製造工程等に用いる低温ドライエ
ッチング装置に関する。

〔従来の技術〕

半導体装置の高集積化．高速化にともない，デバイスの
パターンが微細化するとともに，デバイス構造を３次元
化するために，エッチング精度に対する要求は厳しくな
ってきている。

例えば，ゲートの導電性材料のエッチングにおいては，
異方性エッチングによるパターン幅の精密な制御と，下
地酸化膜に対する高い選択比との両者を同時に満たす必
要が生じた。

この理由は次のようである。

（１）　　下地のゲート酸化膜が薄くなっている。

（２）　　スタックキャパシタ構造等のように大きな段
差を持つ基板上でパターニングするため，場所によって
は膜厚差が大きく長時間のオーバエッチングが必要にな
る。

又，珪素（Ｓｉ）基板のトレンチエッチングでは，アス
ペクト比（エッチング深さ／エッチング幅）が１０以上
と大きくなるため，より方向性のよいエッチング方法が
求められている。

エッチングの断面形状についても，寸法シフトのないマ
スクパターン幅とおりの完全垂直エッチングや，テーパ
角度の制御性の高いテーバエッチングが要求されている
。

このような，異方性と選択性を併せ持つドライエッチン
グ方法として反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖ
ｅ　ｔｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ，　ＲＩＥ）やＥＣＲ　（
ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎ　Ｒｅｓｏｎａｎ
ｃｅ）プラズマエッチングにおいて，ウェハ温度を低温
に冷却することにより異方性エッチングを実現する，い
わゆる低温ドライエッチング法がある。

低温により異方性エッチングが得られる理由は次のよう
である。

（１）側壁での中性反応種の反応確率が下がる。

（２）反応生戒物の側壁への堆積により側壁が保護され
る。

低温エッチング法では，従来のＲＨのように異方性を得
るために，パターンの側壁にカーボンポリマを堆積させ
て側壁を保護する必要がないので，カーボン不純物を減
らしカーボンによる下地酸化膜のエッチング支援効果を
な《シ，高い選択比と異方性を同時に実現することがで
きる。

この際，低温エッチング法ではエッチング中のウェハ温
度を精密に制御することが重要である。

これは，温度が高いと十分な異方性が得られず，又低す
ぎても十分なエッチングレートが得られないためである
。

なお．最適なウェハ温度は，被エッチング材料，エッチ
ングガス種によって異なるが，高いエッチングレートを
得ることができるＳＦ．等の弗素系ガスを単結晶Ｓｉや
多結晶Ｓｉのエッチングを行う場合は，　−１００　’
Ｃ以下に被エッチング材料を冷却する必要がある。

この場合の冷却方法及び低温エッチング装置については
特開昭６０−１５８６２７　（田地他），特開昭６３−
１１５３３８（辻本他），特開昭６３−２９１４２３　
（金友他）等が開示されている。

（１）特開昭６０−１５８６２７　（田地他）では，冷
却装置としてヒートパイプを用いている。

（２）特開昭６３−１１５３３８（辻本他）では，液体
窒素による冷却と，電熱ヒータによる加熱を併用するこ
とにより，電極温度（被エッチング基板温度）を０〜−
１５０　’Ｃに制御している。

（３）特開昭６３−２９１４２３　（金友他）では．液
体窒素の液面の高さを変化させることにより，冷却特性
を変えて電極温度を制御している。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の公報に開示された技術は次のような問題があった
。

（１）については温度制御範囲が狭いという欠点があっ
た。例えば，液体窒素を用いたヒートパイプの場合の温
度制御範囲は−２０３〜−１６０゜Ｃと低過ぎて実用的
でなかった。

（２）については，冷却と加熱を同時に行うため熱効率
が悪く，液体窒素の消費量が非常に大きいという欠点が
あった。

（３）については．熱効率は（２）より若干良いが，液
面の高さ変化による冷却特性の変化範囲が狭いため，広
い温度範囲で高精度の温度制御をするにはヒータ加熱を
併用する必要があり，やはり液体窒素の消費量が大きく
なった。

本発明は温度の制御範囲が広く，制御精度が高く，熱効
率の良い電極温度制御機構を備えた実用的な低温ドライ
エッチング装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題の解決は，ウェハを載置する電極と冷却された
蓄冷体との間に伝熱体を有し．該伝熱体は相互に熱的に
絶縁され且つ間隙を持つ複数の導熱体からなり，少なく
とも２個の導熱体はそれぞれ電極と蓄冷体に熱的に接続
され．該間隙の中にガスを満たし，ガス圧力を変化させ
ることにより電極と蓄冷体間の熱伝導特性を制御できる
ように構成されている低温ドライエッチング装置により
達成される。

〔作用〕

本発明はウェハを載置ずる電極と液体窒素等で冷却され
た蓄冷体との間に，熱伝導特性を制御できる伝熱体を挿
入することにより，熱効率の優れた温度制御を行うよう
にしたものである。

伝熱体は狭い間隙を持って重ねられた層状の熱の良導体
からなり，間隙の中にガスを満たし，このガス圧力を変
化させることにより，熱伝導特性を大きく変化させるこ
とができる。従ってブラズマからの電極加熱量が変化し
ても，電極内に埋め込まれた温度センサにより電極温度
をモニタしながら，ガス圧力を変化させて蓄冷体と電極
間の熱伝導特性を変化させることにより，加熱と冷却を
平衡させて，精度良く温度制御を行うことができる。

次に，上記の伝熱体の熱伝導特性を第３図を用いて説明
する。

２枚の板１，２が間隔Ｄをおいて固定され，それぞれの
温度がＴ，，Ｔ２とする（　Ｔ　Ｉ＞　Ｔ　ｚ　）。

板が磨いた金属のように低い放射率を持つ場合は，２枚
の板の間の赤外線放射による熱伝導は無視できる。

板の間のガス圧をｐとし，ガス分子３の平均自由行程を
λとすると，間隔Ｄが小さくＤくくλの場合．即ち一方
の板で跳ね返ったガス分子は他の分子と衝突しないでそ
のまま他方の板に達する場合は，熱伝導はガス分子の数
と速度に依存するので．熱エネルギーの流れＱは． Ｑ＝Ｃｐ（Ｔ＋−Ｔ２）Ｔ−”” と表せる。ここに，Ｔはガスの温度，Ｃは比例定数であ
る。

即ち，熱伝導は温度勾配や間隔Ｄには依存しないで，高
温面と低温面の温度差（Ｔ．−Ｔ．）とガス圧力ｐに比
例する。

第４図に高温面と低温面の温度差（Ｔ．−ＴＺ）を一定
とした場合の．熱エネルギーの流れＱとガス圧力ｐの関
係を示す。いま，ガス分子の平均自由行程λがＤと同程
度になる圧力をＰａとすると，ｐ，以下のガス圧力では
，熱伝導する熱量は圧力ｐに比例する。

従って．伝熱体の間隙内のガス圧力を変化させることに
より，熱伝導特性を制御できるので，低温エッチングに
おいては．電極にプラズマから流入する熱と，伝熱体を
通して蓄冷体に流出する熱の平衡により、電極温度を制
御できる。

ここで，流入熱量が小さい場合は従来例のようにヒータ
により加熱してもよいが，本発明では実施例に示される
ように，熱伝導の制御範囲が広いので，従来よりはるか
に少ない加熱量で温度制御が可能である。

従って，熱効率がよく．液体窒素の消費量が少ない低温
エッチングが可能になる。

本発明のようにガス圧力を変化させて熱伝導特性を制御
する場合に，熱伝導の制御範囲が広くなる理由は次の通
りである。

狭い間隙に希薄気体を満たしたときの圧力変化による熱
伝導の変化幅は２〜３桁あるのに対し，液体窒素の液面
を変えて導体の長さを変える場合は，短くした場合の導
体の長さの精度が液面の高さによることから，せいぜい
１桁しか変化させることができない。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例（１）による低温エッチング装
置の断面図である。

低温に冷却できる電極以外は通常のＲＩＥ装置と同じで
ある。

被エッチング基板であるウェハ２１は電極２７の上に置
かれる。電極２７は熱的にも電気的にも良導体からなり
，ウェハ載置領域以外は石英ガラス等の金属不純物を含
まない熱伝導の悪い材料からなる電極カバー２８で覆わ
れている。

ウェハ２１と電極２７間の熱伝導をよくするため，ウェ
ハ２１は電極２７上に設けられた静電チャック２９によ
り吸着される。

静電チャック２９の構造は，電気的絶縁体の中に２つの
電極が埋め込まれていて，両電極間に直流電圧を印加す
ることにより，静電力によりウェハ２１を吸着する。静
電チャック２９の絶縁体は，アルミナや窒化硼素を混入
したシリコン樹脂か，アルミナセラミックのように電気
的に絶縁体か又は１０’〜１０１３Ωｃｆｆｌの電気抵
抗を持つ材料で，熱伝導度の高いものがよい。

さらに，熱伝導をよくするには，ウェハ２１と静電チャ
ック２９の間に２〜２０　ＴｏｒｒのＨｅ等のガスを満
たしてもよい。

又，静電チャック２９でウェハを吸着する代わりに，機
械的にウェハを電極に押しつける機構を用いてもよい。

電極部２６は伝熱体部３０を介して，液体窒素で冷却さ
れた蓄冷体部３５に熱的に接続されている。

伝熱体部３０は，テフロンのような熱の不良導体からな
るスペーサ３４により間隙３３を持って重ねられた熱導
体３２からなる。

熱導体３２は表面を研磨したアルξニウム合金のような
熱伝導のよい金属を用いる。

間隙３３は図示しないがガスの供給及び排気装置に接続
され，間隙３３内のガス圧力を測定しながら制御できる
ようになっている。

実測の結果，間隙３３の間隔Ｄを５〜１００μｍ，ガス
をＨｅ，ガス圧力をＯ〜２００　Ｔｏｒｒに制御するこ
とにより，熱伝導度を１つの間隙につき，０．ＯＯ１〜
０．５　Ｗ　ｃｍ−”゜ｃ−１の範囲で制御することが
できた。

上記の値は間隔，ガス圧を変化させ，　ｒｆ電極に印加
した電力を変えたときのウェハ温度，蓄冷体部温度の実
測から求めた。

電極を加熱するプラズマのパワーが小さい場合は，間隙
の数を増やすことでさらに熱伝導度制御範囲を小さい方
にずらすことができる。

即ち，同じ条件で 間隙が２つでは０．ＯＯ０５０〜０．２５　Ｗ　ｃｍ−
”゜Ｃ一１間隙が３つでは０．ＯＯ０３３〜０．１７　
Ｗ　ｃｍ−”゜ｃ−１の範囲で制御することができる。

蓄冷体部３５は，内部に液体窒素３７等の冷却液体を溜
めることができる構造で，金属等の熱導体からなり，内
部の液体との熱伝導をよくするために複数のフィン３６
が設けられている。図示していないが．冷却液体の供給
口と熱により気化したガスの排出口が設けられている。

伝熱体部３０と蓄冷体部３５は，熱絶縁のためグラスウ
ール等からなる熱シールド３１で覆われる。さらに，全
体にカバー３９を設けて，パージガス人口４０から乾燥
空気または乾燥窒素を入れバージガス排気口４１より排
出することにより結露を防いでいる。

なお，図中２３は平行平板型エッチング装置の対向電極
，２４は反応ガス入口，２５は反応ガス排気口．３８は
高周波（ｒｆ）電源である。

ここで，　ｒｆ電源３８の出力は．通常行われるように
電極２７に直接接続しても，又は図示のように蓄冷体部
３５に接続してもよい。後者の場合は伝熱体部３０の狭
い間隔３３が大きい静電容量を持つので，ｒｆ電力は間
隔３３を経て電極２７に伝達される。

次に，実施例の装置を用いて実際のエッチングを行った
際の，ウェハ温度の制御について説明する。

冷却液体として液体窒素を用い．ウェハ２１を電極２７
上に載置し，エッチングチャンバ２２にＳＦ．を５０　
ＳＣＣＭ導入し，圧力を０．０８　Ｔｏｒｒ，　ＲＦパ
ワー０．６６　Ｗ／ｃ−の条件でエッチングした。

温度の安定するエッチング開始２分後のウェハ温度を図
示しない螢光光ファイバ温度計で測定したところ．第５
図に示すように，間隙のＨｅ圧力ｐを１〜１００　Ｔｏ
ｒｒに変化させることにより，ウェハ温度は−３０〜−
１５０℃の範囲に制御することができた。

又，液体窒素の消費量は温度に依存しないで一定でｌｏ
ｐ．７時間であった。

第２図は本発明の実施例（２）による低温エッチング装
置の断面図である。

伝熱体部３０以外は実施例（１）と同じ構造である。

この構造は間隙３３が１つしかなく．熱導体３２と間隙
３３が伝熱方向に平行で間隙の面積が大きいので実施例
（１）より熱伝導がよい。

実施例（１）と同じ条件でエッチングして，ウェハ温度
を測定したところ，第５図に示すように．間隙のｌｉｅ
圧力ｐを１〜１００　Ｔｏｒｒに変化させることにより
，ウェハ温度は−１００〜−１６０　’Ｃの範囲に制御
することができた。

又，液体窒素の消費量は実施例（１）と同様に温度に依
存しないで一定でｌＯＩ．／時間であった。

次に，比較例として従来の冷却液面の調整による制御例
を第６図を用いて説明する。

第６図は比較例の低温エッチング装置の断面図である。

Ｏ 実施例（１）から伝熱体部算を除いた構造で，蓄冷体部
３５の高さを高くしている。

蓄冷体部３５の中の液体窒素の液面の高さＨを増滅する
ことにより，フィン３６に接続する電極と液体窒素間の
熱伝導特性を変化させて電極の温度を変えるものである
。

さらに，電極２７内には加熱ヒータ５０が埋め込まれて
いる。

実施例（１）と同じ条件でエッチングして，ウェハ温度
を測定したところ，第５図に示すように，液面の高さを
１〜２０　ｃｍに変化させることにより，ウェハ温度は
−１５０〜−１７０゜Ｃの範囲に制御することができた
。

しかし，これでは温度の変化幅が小さいので，電極に内
臓した加熱しータ５０に電流を流してウェハ温度を−２
０〜−１７０゜Ｃの範囲に制御することができた。

この場合，液体窒素の消費量は温度に依存し，１００″
Ｃで３０１！．／時間，−５０゜Ｃで５０１／時間と実
施例（１），　（２）に比して大きい。

〔発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば，温度の制御範囲が
広く，制御精度が高く．熱効率の良い電極温度制御機構
を備えた実用的な低温ドライエッチング装置を得ること
ができた。

即ち，本発明により熱伝導特性を大きく変化させること
ができ，この結果，従来のようにヒータで加熱しなくて
も．加熱と冷却を平衡させて広い温度範囲にわたって精
度よく温度制御を行うことができる。

又，ヒータにより加熱する場合でも，熱伝導の制御範囲
が広いので，従来より遥かに少ない加熱量で温度制御が
可能である。従って熱効率がよく，液体窒素の消費量が
少ない低温エッチングが可能になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例（１）による低温エッチング装
置の断面図， 第２図は本発明の実施例（２）による低温エッチング装
置の断面図， 第３図は熱伝導特性のガス圧力依存の原理を説明する図
， 第４図は熱伝導特性のガス圧力依存を示す図．第５図は
実施例（１），　（２）及び比較例の温度制御特性を示
す図， 第６図は比較例の低温エッチング装置の断面図である。 図において， ２１はウェハ， ２２はエッチングチャンバ， ２３は対向電極，２４は反応ガス入口，２５は反応ガス
排気口，２６は電極部，２７は電極，２８は電極カバー ２９は静電チャック，３０は伝熱体部，３１は熱シール
ド，３２は熱導体， ３３は間隙，３４はスペーサ， ３５は蓄冷体部，３６はフィン， ３７は液体窒素，３８はｒｆ電源， ３９はカバー，４０はパージガス人口，４１はパージガ
ス排気口， ５０は加熱ヒータ ３ｇ 実施例 （１） ｏＵｒ面 図 第 １ 図 実 施 例 （２） の 断 面 図 第 ２ 囚 原埋説明凶 ′Ｊ！ＰＪＳ　　図 熱伝導特性のガス圧力依存 第　４　図 圧力ｐ　（ｔｏ叶）Ｏ ● ３ １０ ３０ ＋００ ３００ Ｈも石高目（ｃｍ）Δ ↓ ８ １２ １６ ２０ 益崖制御特性を７ｒＸす図 舅　５　図 ．．５６ Ｌ　較イ３２り　の　断　面 凶

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ウェハを載置する電極と冷却された蓄冷体との間に伝熱
   体を有し、 該伝熱体は相互に熱的に絶縁され且つ間隙を持つ複数の
   導熱体からなり、少なくとも２個の導熱体はそれぞれ電
   極と蓄冷体に熱的に接続され、該間隙の中にガスを満た
   し、ガス圧力を変化させることにより電極と蓄冷体間の
   熱伝導特性を制御できるように構成されていることを特
   徴とする低温ドライエッチング装置。