JPH05275376A

JPH05275376A - ドライエッチング装置およびドライエッチング方法

Info

Publication number: JPH05275376A
Application number: JP4066916A
Authority: JP
Inventors: Kosei Kumihashi; 孝生組橋; Kazunori Tsujimoto; 和典辻本; Shinichi Taji; 新一田地
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-03-25
Filing date: 1992-03-25
Publication date: 1993-10-22

Abstract

(57)【要約】【構成】実効排気速度を７８０ｌｉｔｅｒ／ｓ以上と
し、２ｋＷ以上、望ましくは３ｋＷ以上の高周波電力を
投入することにより高密度のプラズマを放電して、プラ
ズマ中の反応生成物の割合が２０％以下でイオン電流密
度を４０ｍＡ／ｃｍ²としてドライエッチングする。【効果】堆積反応を抑えて高いイオン電流密度を用いて
エッチングできるので、エッチングが高速でできる。イ
オン電流密度が高くできるので、入射イオンエネルギー
を下げた高選択エッチングができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】半導体素子を作るためのドライエ
ッチング技術に関し、高速でかつ高選択なドライエッチ
ング技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のドライエッチングでは、エッチン
グの異方性を上げるためにガス圧力を下げてエッチング
を行うようになってきた。低いガス圧力でもプラズマを
放電させるためには、効率のよい放電方法を用いなけれ
ばならない。そのような方法として、マイクロ波放電が
用いられている。マイクロ波放電を用いた従来のドライ
エッチング技術としては、例えばジャーナル・エレクト
ロケミカル・ソサイアティ、1982年、ｐ．２７０４や、
ジャーナル・バキューム・サイエンス・アンド・テクノ
ロジー、１９８９年、ｐ．８９９や、プロシーディング
・オブ・ドライプロセスシンポジウム、１９９０年、
ｐ．９９に報告例がある。

【０００３】ガス圧力を下げると通常はエッチング速度
が遅くなる。そのために従来のドライエッチングでは、
プラズマの電離度を高くして、高密度なプラズマを用い
るようになってきた。プラズマが高密度になれば、入射
イオン電流が増える。エッチング反応は入射イオンのエ
ネルギーにより促進されるので、エッチング速度が速く
なる。

【０００４】マイクロ波放電では、投入マイクロ波パワ
ーを高くすれば、プラズマは高密度になり、入射イオン
電流が増加する。しかしマイクロ波パワーを高くすれば
よいというものではない。ジャーナル・エレクトロケミ
カル・ソサイアティ、1982年、ｐ．２７０４の例にある
ように、従来のドライエッチングではマイクロ波パワー
の増加に伴うエッチング速度の上昇は、あるマイクロ波
パワーで飽和してしまう。どのくらいのマイクロ波パワ
ーでエッチング速度の上昇が飽和するかは、装置や条件
によって異なっている。例えば、ジャーナル・バキュー
ム・サイエンス・アンド・テクノロジー、１９８９年、
ｐ．８９９のように、2.5ｋＷまで投入マイクロ波パワ
ーを上げてもエッチング速度が飽和しないこともある。

【０００５】しかし通常はマイクロ波パワー１ｋＷ程度
でエッチング速度の上昇は飽和する。そのため従来のド
ライエッチング技術では、マイクロ波パワーは通常１ｋ
Ｗ程度であった。例えば日立製作所製マイクロ波エッチ
ング装置Ｍ３０８においては最大１．５ｋＷのマイクロ
波を投入してプラズマを発生させていた。この装置にお
ける放電部の面積は直径３５０ｍｍであった。すなわち
プラズマに放射するマイクロ波パワーの面密度は、最大
１．５６Ｗ／ｃｍ²であった。

【０００６】上記のドライエッチング装置は、試料をプ
ラズマに接触させてエッチングを行う。そのためにエッ
チングはイオン電流密度だけでなく、プラズマからの中
性粒子の供給もエッチング速度に影響する。これに対し
イオン引き出し型のプラズマ処理装置ではエッチング速
度がイオン電流密度に強く依存するために、例えば特開
平３−６８１３のように、マイクロ波パワーを４ｋＷま
で高くしてイオン電流密度を上げている例もある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のドライエッチン
グでは、放電部に投入するマイクロ波のパワー面密度
や、投入マイクロ波パワーを上げてプラズマを高密度に
して入射イオン電流を増やしても、エッチング速度が上
がらなくなるという問題があった。そのためにＲＦバイ
アス等を試料に印加して入射イオンのエネルギーを１０
０〜２００Ｖ以上に上げることにより、エッチング速度
を上げていた。しかしこの時には入射イオンエネルギー
が高いので、エッチング選択比が落ちるという問題があ
った。

【０００８】放電部に投入するマイクロ波のパワー面密
度や、投入マイクロ波パワーを上げてプラズマを高密度
にしてもエッチング速度が速くならないのは、エッチン
グ反応生成物がプラズマ中で再解離しやすくなるためで
ある。再解離した反応生成物は堆積反応を起こしやす
い。この堆積反応がエッチング反応を打ち消すので、エ
ッチング速度が落ちてしまう。それだけではなく、堆積
反応の方が勝って異物の堆積が起きたりもする。そのた
めにマイクロ波パワーをあまり上げることができず、イ
オン電流密度は通常数ｍＡ／ｃｍ²程度と少なかった。

【０００９】従来のドライエッチング技術では、その他
に、被エッチング材がAlCuSiなどのように複数種の原子
を含んでいる時には、エッチング速度を速くしても蒸気
圧の低い物質が残渣として残りやすいという問題があっ
た。

【００１０】また従来のドライエッチング技術では、試
料へのイオン電流密度の均一性を調べる方法がなかっ
た。そのため放電時に、イオン電流密度の均一性をモニ
ターしながらエッチング条件を調整することができなか
った。

【００１１】

【課題を解決するための手段】放電部に放射する高周波
のパワー面密度を１．６Ｗ／ｃｍ²以上とし、かつ排気
手段の実効排気速度を７８０ｌｉｔｅｒ／ｓ以上にし
た。

【００１２】従来のドライエッチング装置に出力電力２
ｋＷ以上、望ましくは３ｋＷ以上の高周波発生手段を設
け、実効排気速度を７８０ｌｉｔｅｒ／ｓ以上にし
た。

【００１３】エッチング面積とエッチング速度より決ま
る反応生成物の脱離量の５倍以上のガスを流しながら、
プラズマの電離度が10％以上か、入射イオン電流密度が
40 mA/ｃｍ²以上になるようにした。

【００１４】放電部に接するエッチング処理室の壁面を
金属で形成し、その壁面を冷媒により冷却できるように
した。また試料裏面に液体または固体の冷媒を直接接触
させて試料を冷却するようにした。

【００１５】試料台に複数個の温度検出部を設けた。そ
れらの温度検出部の温度が等しくなるように、外部磁場
条件、マイクロ波の伝播モード等のエッチングパラメー
タを調整するようにした。

【００１６】エッチング処理後のガスを回収し生成する
ようにした。

【００１７】反応性ガスと不活性ガスとを交互に放電さ
せるようにした。不活性ガス放電時に試料にバイアス印
加を行なうようにした。

【００１８】

【作用】反応生成物の影響を抑えることができれば、プ
ラズマを高密度にすることによりエッチング速度の上昇
する。そこで本発明では実効排気速度を７８０ｌｉｔ
ｅｒ／ｓ以上とすることにより反応生成物をすみやかに
装置外へ排気するようにして、放電部に放射する高周波
のパワー面密度を１．６Ｗ／ｃｍ²以上とした。高周波
電力を投入する高周波発生器の最大パワーを２ｋＷ以
上、望ましくは３ｋＷ以上とした。その結果、堆積反応
を起こさないようにして、プラズマを高密度にすること
ができたので、放電部に投入する高周波のパワー面密度
や投入高周波電力を増やせばエッチング速度も速くなる
ようになった。

【００１９】具体的なエッチング方法として、本発明で
は、エッチング面積とエッチング速度より決まる反応生
成物の脱離量に対して５倍以上のエッチング処理ガスを
流すようにした。この方法により、プラズマ中での反応
生成物の割合を２０％以下とすることができた。その結
果、マイクロ波パワーを上げてプラズマを高密度にして
も、反応生成物の再解離・堆積反応の影響を抑えたエッ
チングをすることができた。

【００２０】このドライエッチング方法でどのくらいの
エッチング処理ガスを流さなければならないかは、以下
のように決める。例えば、８インチＳｉウエハを１μｍ
／ｍｉｎでエッチングする時には、２．８×１０¹⁹／ｓ
のＳｉ原子が反応生成物としてプラズマ中に流入する。
この量は、ガス流量６０ｓｃｃｍに匹敵する。反応生成
物の脱離量の５倍以上のエッチング処理ガスを流すの
で、ガス流量は３００ｓｃｃｍ以上となる。

【００２１】このような大ガス流量を流し、かつ圧力を
保持してエッチングを行なうためには、実効排気速度を
大きくする必要がある。例えば上記のように３００ｓｃ
ｃｍのガス流量を流して、かつ圧力を５ｍＴｏｒｒの圧
力にするためには、実効排気速度は７８０ｌｉｔｅｒ
／ｓ必要である。本発明では実効排気速度を７８０ｌｉ
ｔｅｒ／ｓ以上としたために、大ガス流量でかつ圧力を
保持してエッチングすることができる。

【００２２】以上のようなドライエッチング装置、およ
びドライエッチング方法により、反応生成物の堆積反応
を抑えて、高密度プラズマにより高速エッチングが可能
になった。本発明ではプラズマの電離度を１０％以上
か、もしくはイオン電流密度が４０ｍＡ／ｃｍ²以上に
なるようにしてエッチングを行なうようにしたために、
エッチング速度を上げることができた。

【００２３】本発明ではプラズマを高密度にしてイオン
電流密度を増やすことによりエッチング速度を上げるこ
とができたので、従来のドライエッチングで必要だった
ＲＦバイアスの印加を抑えることができた。例えば従来
イオン電流密度１ｍＡ／ｃｍ²でエッチングする時に十
分なエッチング速度を得るためにはイオン入射エネルギ
ーを１００〜２００Ｖ以上印加しなければならなかっ
た。１ｍＡ／ｃｍ²という電流密度は、入射イオンの数
に換算すると６．３×１０¹⁵／ｃｍ²／ｓである。これ
だけの入射イオンにより例えばＳｉをエッチング速度１
μｍ／ｍｉｎでエッチングするためには、入射イオン１
つあたり１０〜２０個のＳｉ原子を反応・脱離させなけ
ればならない。１つの入射イオンでこれだけの数の反応
を起こすためには、１００〜２００Ｖ以上印加しなけれ
ばならなかった。

【００２４】しかしこのように入射イオンエネルギーを
２００Ｖ以上と高くしていくと、マスクにおいても被エ
ッチング材においてもホットスポット温度が高くなるた
めに、被エッチング材だけでなくマスク材のエッチング
速度も速くなってしまい、エッチング選択性が落ちてい
く。例えば従来の塩素ガスプラズマにおけるＳｉエッチ
ングでは、バイアスを印加しなければレジスト／Ｓｉエ
ッチング選択比は１０程度が得られる。しかしこの時の
エッチング速度は２００ｎｍ／ｍｉｎ以下と遅くなって
しまう。十分なエッチング速度を上げるためにＲＦバイ
アスを印加して入射イオンエネルギーを２００Ｖ以上と
すると、Ｓｉのエッチング速度は３００ｎｍ／ｍｉｎま
で上がるが、レジスト／Ｓｉエッチング選択比は５以下
に下がってしまった。

【００２５】本発明ではイオン電流密度を４０ｍＡ／ｃ
ｍ²以上にしてエッチングするようにしたので、１つの
入射イオンあたり０．４個のＳｉが反応するだけでエッ
チング速度を１μｍ／ｍｉｎ以上のエッチング速度を得
ることができた。この反応は入射エネルギーが１０〜数
十Ｖ程度と、プラズマポテンシャルによる加速で、十分
に起こすことができる。このように低いエネルギーでエ
ッチング反応を起こすことができるので、各エッチング
反応の反応速度差が大きくなり、エッチング選択性が向
上する。

【００２６】例えばＳｉエッチングや金属配線エッチン
グでは、レジストマスクにサイドエッチングが生じない
条件でも、Ｓｉ・金属パターンにはサイドエッチングが
生じる。このことは、レジストをエッチングするのに必
要なエネルギーは、Ｓｉ・金属をエッチングするのに必
要なエネルギーよりも大きいことを示している。すなわ
ち、入射イオンエネルギーを下げていくと、レジストマ
スクではエッチング反応が起こらないが、Ｓｉ・金属で
はエッチング反応が起きるという現象が生じる。そのエ
ネルギーは数個の化学結合を切るのに十分なエネルギー
の範囲であり、すなわち１０〜数十Ｖ程度である。この
程度のエネルギーでイオンを入射すれば、レジストマス
クはほとんどエッチングされず、かつＳｉ・金属は入射
イオンの個数に比例してエッチング速度が速くなる。

【００２７】本発明ではイオン電流密度を４０ｍＡ／ｃ
ｍ²以上とすることにより、ＲＦバイアスを印加するこ
となく、１０〜数十Ｖ程度のイオンエネルギーで十分な
エッチング速度を得ることができたので、高速でかつ高
選択エッチングを行なうことができた。

【００２８】従来のエッチングではＡｌＣｕＳｉなどの
複数の原子種を含んだ材料をエッチングする時には、反
応生成物の蒸気圧が異なるために蒸気圧が低くて脱離し
にくい物質、例えばＣｕの残渣が残るという問題があっ
た。この残渣を残さないために、入射イオンのエネルギ
ーを高くしなければエッチングできなかった。そのため
マスク材とのエッチング選択比が小さかった。

【００２９】本発明では、高密度プラズマを用いて反応
性ガスと不活性ガスを交互に放電させて、エッチングを
行なうことにより、蒸気圧の低い物質の残渣を残さずに
高選択エッチングができるようになった。以下その効果
について説明する。

【００３０】反応生成物の蒸気圧が低い物質において
も、エッチング反応は入射イオンエネルギーが小さくて
も進む。例えばＣｕの場合は、エッチング反応は穏やか
な条件でも比較的速く進むため、反応生成物が脱離しな
い条件でエッチングをすると反応生成物の堆積層の厚さ
が厚くなっていく。

【００３１】この反応生成物を取り除くためには、イオ
ンの入射エネルギーを高くしなければならない。従来は
エッチングガスのプラズマ中でイオンの入射エネルギー
を高くしていたので、入射イオンエネルギーは反応生成
物の脱離だけでなく、レジストマスクのエッチング反応
も促進してしまったため、エッチング選択比が小さかっ
た。

【００３２】反応生成物の脱離のためにはイオンの入射
エネルギーだけがあればよく、他の反応活性なエッチャ
ントは必要ない。すなわち不活性なイオンを入射させれ
ばよい。例えば不活性ガスプラズマを放電させて不活性
ガスのイオンを入射させても、反応生成物は脱離する。
もちろんこの時にＲＦバイアスを印加すれば効率よく反
応生成物を脱離させることができるし、プラズマを高密
度にして入射イオン電流を増やしても効率よく反応生成
物を脱離させることができる。

【００３３】この不活性ガス放電時にはエッチャントの
供給はないから、他の物質のエッチング反応はほとんど
起こらない。不活性ガスのイオン入射により蒸気圧の低
い反応生成物だけが脱離する。以上の理由により、反応
性ガスと不活性ガスとを交互に放電してエッチングする
ことにより、反応生成物の中に蒸気圧が低い物質が含ま
れている場合でも高選択エッチングができるようになっ
た。

【００３４】本発明ではプラズマを高密度にするため、
従来よりも放電部の装置壁面がプラズマにより加熱され
る。本発明では放電部の装置壁面を金属で形成し、その
壁面を冷媒により冷却するようにしたので、放電部の装
置壁面が過熱するのを抑えることができた。また放電部
の装置壁面における温度の時間変化を抑えることができ
たので、エッチング特性の計時変化を抑えることができ
た。

【００３５】本発明では、エッチング中の試料温度上昇
を抑えるために、試料裏面に液体または固体の冷媒を直
接接触させて冷却するようにした。従来は試料の冷却に
は気体が用いられていた。気体の熱伝導率は液体や固体
に比べて２桁以上小さいために、試料の冷却効率は十分
ではなかった。本発明では試料裏面に液体または固体の
冷媒を直接接触させて冷却するようにして冷却効率を増
やしたので、イオン電流密度の増加やエッチング速度の
上昇に伴う試料の加熱を抑えることができた。

【００３６】本発明では、反応生成物の堆積を防ぐため
に、反応生成物の発生量以上にエッチング処理ガスを流
す。そのため、排出されるガスの８０％以上は未使用の
ガスである。従来の装置ではこのガスはスクラバーや除
外装置などを通して、有害成分を除去してから排気され
ていた。しかし大ガス流量を流すために、大型のスクラ
バーが必要であったり、除外装置の吸着材を頻繁に交換
する必要があった。本発明では、未使用のガスを分離・
回収する装置を設けたので、有害成分の除去に必要なコ
ストを削減することができた。

【００３７】本発明では試料台上に複数の温度検出部を
設け、それらの温度が等しくなるように放電条件を調整
するようにした。放電時の温度上昇はイオン電流密度に
比例するので、このような調整によりイオン電流密度が
均一にできた。エッチング速度はイオン電流密度に強く
依存するので、この調整法によりエッチング均一性を向
上することができた。従来はエッチング均一性はエッチ
ング速度の面内分布を調べる必要があったのに比べて、
短時間で簡単にエッチング均一性のよい条件を求めるこ
とができた。

【００３８】

【実施例１】本発明によるドライエッチング装置の一実
施例について説明する。図１は、本発明によるドライエ
ッチング装置の一実施例における構成図である。本装置
ではマイクロ波発生器１でマイクロ波を発生させ、その
マイクロ波を導波管４、マイクロ波導入窓５を通して、
真空処理室１０内に設けた放電部２５に放射する。本発
明では放電部２５の直径３５ｃｍに対してマイクロ波の
パワー面密度が１．６Ｗ／ｃｍ²以上になるように投入
した。そのためにマイクロ波発生器１は最大投入パワー
が２ｋＷ以上、望ましくは３ｋＷ以上のものを使用し
て、高密度プラズマを放電させた。そのため、マイクロ
波発生器１、導波管４、放電部２５の壁面は従来のドラ
イエッチング装置に比べて大きな熱を発生する。この熱
を冷却するために冷却機構２を設け、その内部に冷媒を
流して装置を冷却した。投入マイクロ波パワーを効率よ
く放電部２５に放射するために、チューナー棒３を導波
管４の途中に設けた。

【００３９】エッチング処理ガスは、ガス配管６からガ
ス流量コントローラ７により流量制御されて、ガス導入
口８を通して放電部２５に導入される。ガス流速を小さ
くして均一にガスを放電部２５内に流すために、ガス導
入口８と放電部２５の間にバッファ室９を設けた。この
バッファ室９の壁面にメッシュ上の小孔を多数開けて、
この小孔を通してガスを放電部２５内に流すようにし
た。

【００４０】導入されたエッチング処理ガスをマイクロ
波により効率よく放電させるために、ソレノイドコイル
２４により磁場を発生させ、エレクトロンサイクロトロ
ン共鳴(Electorn Cycrotron Resonance:ＥＣＲ)によっ
てマイクロ波がプラズマに効率よく吸収されるようにし
た。

【００４１】エッチング処理後のガスは、コンダクタン
スバルブ１７を介してターボ分子ポンプ１８により真空
処理室１０から排気される。本装置では、全ガス流量中
の２０％以下しかエッチング反応で消費されないよう
に、大ガス流量を流す。ガスの内の８０％以上は未使用
の処理ガスとして、ターボ分子ポンプ１８により排気さ
れる。そこで本発明では、排気されたガスの内の未使用
処理ガスを回収する手段を設けてある。本実施例では、
液化器１９により処理ガスを液化し、液化したガスを精
製器２０により精製し、分離した未使用の処理ガスを回
収容器２１に回収するようにした。液化器１９では圧力
・温度に調整して、未使用の処理ガスが液化するように
した。精製器２０では蒸留により未使用処理ガスとその
他のガスとを分離した。液化器１９および精製器２０で
分離された使用済みガス(反応生成物)は除害装置２２、
スクラバー２３を通してから大気中に放出される。以上
のように未使用の処理ガスを回収するようにしたため
に、有害なエッチング処理ガスは除害装置２２をほとん
ど通過しなくなる。そのために除害装置２２の吸着剤の
交換の頻度が１２回／年から１回／年以下にすることが
できた。また回収ガスは再利用できるために、ガスおよ
び除害にかかる費用を抑えることができた。

【００４２】エッチングされるウエハ１４は試料台１１
に設置される。この試料台１１には試料冷却ライン１２
が設けられている。この試料冷却ライン１２は試料台上
部で開放されており、冷媒がウエハ１４の裏面に直に接
するようになっている。冷媒はサーキュレータ１３によ
り冷却されて、試料冷却ライン１２内を循環するように
なっている。冷媒がウエハ１４の裏面に直に接するよう
になっているので、冷媒が真空処理室１０内にもれない
ようにしなければならない。そこで本実施例では誘電体
１５と直流電源２６とを用いて、静電吸着により試料台
１１とウエハ１４とが密着するようにした。

【００４３】試料台１１にはＲＦ電源１６を接続して、
ＲＦバイアスをウエハ１４に印加できるようにした。

【００４４】本装置を用いてどのように高密度プラズマ
を得て、どのようにイオン電流密度４０ｍＡ／ｃｍ²を
実現したかについて説明する。図２は、プラズマの電離
度を一定にした時の、圧力とイオン電流密度との関係で
ある。プラズマの電離度が１％の時にイオン電流密度が
４０ｍＡ／ｃｍ²以上になるのは、圧力が１００ｍＴｏ
ｒｒ以上の時である。電離度を１０％まで上げれば、１
０ｍＴｏｒｒ以上の圧力でイオン電流密度が４０ｍＡ／
ｃｍ²以上になる。電離度１００％ならば１ｍＴｏｒｒ
以上の圧力であればよい。電離度の上限は１００％であ
るから、イオン電流密度を４０ｍＡ／ｃｍ²以上にする
ためには、少なくとも圧力は１ｍＴｏｒｒ以上でなけれ
ばならない。

【００４５】圧力を一定にした時の、プラズマの電離度
とイオン電流密度との関係を図３に示した。上述したよ
うに、１ｍＴｏｒｒよりも小さい圧力では、電離度を１
００％にしても４０ｍＡ／ｃｍ²以上のイオン電流密度
を得ることはできない。圧力が１０ｍＴｏｒｒならば電
離度１０％以上でイオン電流密度は４０ｍＡ／ｃｍ²以
上になる。圧力１００ｍＴｏｒｒでは電離度は１％程度
でよい。

【００４６】この図において太線で示した範囲は、従来
のドライエッチング装置におけるイオン電流密度の範囲
である。０．５ｍＴｏｒｒではＮＥＣにより最大１５ｍ
Ａ／ｃｍ²のイオン電流密度が得られており、１ｍＴｏ
ｒｒでは最大３０ｍＡ／ｃｍ²のイオン電流密度が得ら
れている。これらの値はプラズマの電離度に換算する
と、７５％と高い電離度に対応している。実際にはプラ
ズマ全体がこのような高い電離度で電離しているわけで
ない。従来のドライエッチング装置では外部磁場がＥＣ
Ｒ条件を満たす部分でマイクロ波の吸収が起きるため
に、この部分の電離度は他の部分に比べて極めて高くな
る。そのために、ＥＣＲ条件を満たす部分をウエハに近
づければ、プラズマ全体の電離度が低くても高いイオン
電流密度を得ることができる。そしてＥＣＲ条件を満た
す部分の電離度はマイクロ波パワーに依存する。

【００４７】図４は、マイクロ波パワーとイオン電流密
度との関係を示した図である。この図に示すように、マ
イクロ波パワーとイオン電流密度は直線的な関係にあ
り、マイクロ波パワーを増やせばイオン電流密度も増加
する。しかしイオン電流密度はどこまでも増加するわけ
ではなく、図２に示すように、ある圧力のもとでは電離
度１００％の値が上限である。そこで本実施例では圧力
５ｍＴｏｒｒでエッチングを行なった。この圧力では、
電離度１００％で２００ｍＡ／ｃｍ²のイオン電流密度
を得ることができる。この時のマイクロ波パワーとイオ
ン電流密度との関係も図４に示した。マイクロ波パワー
が３ｋＷ以上の時に、イオン電流密度は４０ｍＡ／ｃｍ
²以上になった。

【００４８】このように高密度プラズマを利用しても反
応生成物の影響を抑えてエッチングできるようになった
ので、ＲＦバイアスを印加しなくても高速のエッチング
を行なうことができるようになった。例えばＳｉエッチ
ングにおいては、８インチウエハにおいて、ＲＦバイア
スを印加しなくても１μｍ／ｍｉｎのエッチング速度を
得ることができた。これにＲＦバイアスを印加すれば、
さらにエッチング速度は速くなる。例えば２ＭＨｚでＲ
Ｆバイアスを３０Ｗ印加すると、エッチング速度は２μ
ｍ／ｍｉｎまで上がる。バイアス印加により、イオンの
方向性も高くなるので、より異方性の良いエッチングも
できる。これらの効果は印加バイアスを上げる方が高い
が、バイアス増加に伴い選択比は悪くなる。本実施例で
はバイアスを印加しない場合のレジスト／Ｓｉエッチン
グ選択比は５０だったのに対し、２ＭＨｚ，３０Ｗバイ
アス印加時には、選択比は２５だった。ＲＦバイアスの
周波数や電力は、エッチング条件や必要なエッチング特
性によっても変わってくるので、各々の場合での最適な
値を用いれば、より高精度のエッチングが可能になる。

【００４９】ガス圧力は、入射イオンとガス粒子との衝
突頻度が少なくなるので、低い圧力の方が、例えば１〜
５ｍＴｏｒｒでエッチングすると、異方性の高いエッチ
ングができる。例えば開口幅が０．５μｍのトレンチで
は、アスペクト比１０以上の加工ができる。この場合、
高いイオン電流密度を得るためには、圧力が高い場合よ
りもプラズマの電離度を上げる必要があるので、投入高
周波電力を高くする必要がある。本実施例では、投入マ
イクロ波パワー３ｋＷ以上が必要だった。これはパワー
面密度に換算すると、３．１Ｗ／ｃｍ²以上となる。

【００５０】ガス圧力が５〜１０ｍＴｏｒｒ程度の領域
では、１０％程度の電離度でも高いイオン電流密度を得
ることができるので、投入パワーは少なくてもよいとい
う効果がある。低圧力の場合に比べて、異方性は落ちる
が、エッチャントの入射数が増えるので、エッチング速
度も増加する。本実施例の装置で圧力１０ｍＴｏｒｒ、
マイクロ波投入パワー３ｋＷとした場合、エッチング速
度は５μｍ／ｍｉｎ以上を得ることができた。開口幅
０．５μｍのトレンチでは、アスペクト比５程度まで
は、エッチング速度の減少なしにエッチングできる。投
入マイクロ波パワーを２ｋＷとしても、エッチング速度
１μｍ／ｍｉｎを得ることができた。この場合、投入パ
ワーの面密度は２．１Ｗ／ｃｍ²である。

【００５１】ガス圧力を１０ｍＴｏｒｒ以上にすると、
イオンとガス粒子との衝突頻度が多くなり、エッチング
の異方性は悪くなる。しかし投入マイクロ波パワーが低
くてもイオン電流密度を大きくできるので、等方的でか
つ高速・高選択エッチングができる。そのためオーバー
エッチング時の残渣除去等を効果的に行なうことができ
る。例えば圧力１００ｍＴｏｒｒの時に投入パワーとし
ては３ｋＷ以上と高くすれば高速エッチングが可能であ
るが、２ｋＷ以下でも、例えば１．６ｋＷ(パワー面密
度１．７Ｗ／ｃｍ²)でも、エッチング速度１μｍ／ｍｉ
ｎを得ることができた。この時、下地ＳｉＯ₂との選択
比１００以上でオーバーエッチングを行なうことができ
た。この効果は、ガス圧力を１０００ｍＴｏｒｒまであ
げても同様に得ることができる。

【００５２】

【実施例２】実施例１の装置により、イオン電流密度を
４０ｍＡ／ｃｍ²以上にすることができた。この高いイ
オン電流密度を用いて均一性よくエッチングを行なうた
めには、イオン電流密度の均一性をよくしなければなら
ない。イオン電流密度の均一性は、外部磁場条件等のエ
ッチングパラメータにより調整することができる。本実
施例では、これらの調整手段およびその方法について説
明する。

【００５３】イオンは、プラズマポテンシャルにより加
速されて入射するので、入射部分ではジュール熱により
加熱されて温度が上昇する。イオン電流密度が等しけれ
ば、発熱量も等しい。よって試料台１１上に複数個の温
度検出部を設けておき、おのおのの温度が等しくなるよ
うに外部磁場条件を調整することにより、イオン電流密
度の均一性を上げることができる。図５は、試料台上の
温度検出部の配置図を示したものである。図に示すよう
に、試料台１１上に複数個の温度検出部２７を設けた。
本実施例においては、温度検出部２７はＳｉＯ₂をカバ
ーとし、そのＳｉＯ₂の温度を接触型の蛍光温度計によ
り裏面から測定した。放電中に各々の部分の温度を測定
し、それらの温度が等しくなるように外部磁場条件を調
整した。外部磁場条件はソレノイドコイル２４に流す電
流量とコイル位置により調整した。以上のような調整手
段および調整方法を行なうことにより、イオン電流密度
の均一性を上げることができた。その結果、均一性よく
エッチングを行なえるようになった。

【００５４】従来のドライエッチング技術でエッチング
の均一性を上げるためには、実際に試料をエッチングし
て、エッチング速度の面内分布を求める必要があった。
そのために外部磁場条件の最適化には時間と労力がかか
った。本発明の方法を用いれば、短時間に外部磁場条件
の最適化をプロセスごとに行なうことができるので、調
整に要する時間とコストを削減することができた。

【００５５】調整パラメータとしては、外部磁場条件の
ほか、マイクロ波のマッチングを取るためのチューナー
棒の設定位置を変えたり、マイクロ波の伝播モードを変
換したり、放電部内に誘電体等を設置しその位置を変え
たり、マイクロ波入力パワーを変えたり、ことなる種類
の電磁波を放射したりすることがある。これらの調整に
も本実施例の方法は有効である。

【００５６】

【実施例３】本発明により、高速でかつ高選択のエッチ
ングができるようになった。その一実施例として、レジ
ストマスクによるＳｉエッチングについて説明する。

【００５７】本発明の考え方は、プラズマを高密度にし
てイオン電流密度を増すことにより、低い入射イオンエ
ネルギーでも高速でエッチングすることである。イオン
電流密度を４０ｍＡ／ｃｍ²以上と従来の１０倍以上の
イオン電流密度にすることにより、入射イオンエネルギ
ーは従来の１０分の１程度の１０〜２０Ｖとプラズマポ
テンシャル程度にしても、高速エッチングをすることが
できる。このように入射イオンエネルギーが低いために
物質間の反応性の違いが大きくなり、極めて高い選択比
を得るという効果も得られる。

【００５８】従来のドライエッチング技術で高密度のプ
ラズマを利用できなかったのは、プラズマを高密度にす
ると反応生成物の再解離・再付着が起きるために、エッ
チング反応と堆積反応が競合してエッチング速度が速く
ならなかったり、パターンがテーパー状になったり、異
物が付着したりするという問題が生じたためである。本
発明では実効排気速度を上げてエッチング処理ガスの流
量をますことにより反応生成物の分圧を下げることがで
きたために、堆積反応を起こすことなく高密度プラズマ
によりエッチングすることができるようになった。

【００５９】すなわち堆積反応を起こしやすいガス成分
が含まれると、プラズマを高密度にしても本発明の効果
を有効に利用できない。例えばＣＦ₄ガスなどの堆積性
のガスをエッチング処理ガスとして用いると、エッチン
グ処理ガス自身が堆積反応を起こしてしまう。本発明の
効果を有効に利用するためには、エッチング処理ガスに
は非堆積性のガスを用いる方がよい。非堆積性のガスな
らば、フッ素系、塩素系、臭素系等のどのガスを用いて
もよい。本実施例ではＣｌ₂ガスをエッチング処理ガス
として用いた。

【００６０】実施例１で述べたように、ガス圧力が１ｍ
Ｔｏｒｒよりも低いと、プラズマを高密度にしてもイオ
ン電流密度を４０ｍＡ／ｃｍ²以上にすることができな
い。そこで本実施例では、圧力を５ｍＴｏｒｒとしてエ
ッチングした。

【００６１】試料はＳｉＯ₂層上に１μｍの厚さに堆積
したｐｏｌｙＳｉ層を、１μｍ膜厚のレジストマスク
によりエッチングした。試料の大きさは８インチウエハ
であり、Ｓｉ露出部分の割合は５０％である。ウエハ１
枚あたりの処理時間は３０秒前後がスループットが高く
処理もしやすいので、エッチング速度は２μｍ／ｍｉｎ
程度が望ましい。本発明ではイオン電流密度を４０ｍＡ
／ｃｍ²以上としたので、バイアスを印加しなくても十
分なエッチング速度を得ることができた。

【００６２】エッチング速度が２μｍ／ｍｉｎの時にウ
エハから脱離するＳｉ原子の個数は、２．８×１０¹⁹／
ｓである。これはガス流量の単位ｓｃｃｍに換算する
と、６０ｓｃｃｍである。エッチング処理ガスの流量が
３００ｓｃｃｍならば、ガス中の反応生成物の割合が２
０％以下になる。そこで本実施例ではＣｌ₂ガスの流量
を３００ｓｃｃｍとした。さらにＣｌ₂ガスの流量を増
やせば、堆積反応をより完全に抑えることができるの
で、より高密度のプラズマを用いることができる。どの
くらいのガス流量を流して、どのくらいの高密度プラズ
マを用いるかは、エッチングガス種や、試料やマスクの
種類によって異なってくる。

【００６３】圧力５ｍＴｏｒｒでガス流量３００ｓｃｃ
ｍを流すためには、実効排気速度は７８０ｌｉｔｅｒ
／ｓが必要である。本発明では装置の実効排気速度を７
８０ｌｉｔｅｒ／ｓ以上と大きくしたので、上記のよう
な大ガス流を流すことができるようになった。

【００６４】本発明では堆積反応が起こらないようにし
てエッチングするので、エッチング中に自動的にできる
側壁保護膜によってサイドエッチングを抑えることはで
きない。よって側壁保護膜を形成するプロセスを追加す
るか、低温エッチングによりサイドエッチングを抑えな
ければならない。そこで本実施例では試料温度を−６０
℃以下にすることにより、ラジカルによる側壁での反応
を抑えた。その結果、側壁保護膜なしでもサイドエッチ
ングのないエッチングをすることができた。

【００６５】以上の条件で、放電部に３ｋＷのマイクロ
波パワーを投入して、エッチングを行なった。その結
果、ｐｏｌｙＳｉのエッチング速度は２μｍ／ｍｉｎ
に対し、レジストマスクのエッチング速度は４０ｎｍ／
ｍｉｎと、選択比５０のエッチングを行なうことができ
た。試料は裏面より液体冷媒を直接接触させて効率よく
冷却したので、エッチング中のウエハ温度を−６０℃以
下に保つことができたので、サイドエッチングがなく異
方性の高いエッチングを、高速でかつ高選択に行なうこ
とができた。

【００６６】上記の効果はレジストマスクとＳｉのエッ
チングだけでなく、他の物質でも効果がある。Ａｌ、
Ｗ、Ｃｕ、ＧａＡｓ等の金属や半導体ではサイドエッチ
ングが生じる条件でも、ＳｉＯ₂などの絶縁物にはサイ
ドエッチングが入らない。すなわち、金属や半導体のエ
ッチングでは絶縁物のエッチングよりも入射イオンエネ
ルギーが低くてもエッチング反応が起きる。よって、絶
縁物をマスクに用いて金属や半導体のエッチングを行な
う時には、本実施例と同様の効果を得ることができる。

【００６７】

【実施例４】実施例３で述べたように、本発明では入射
イオンの量を増やしてエネルギーを下げることにより、
高速でかつ高選択のエッチングを行なうことができる。
しかし被エッチング剤が複数種の原子を含んでいる時に
は、蒸気圧の低い反応生成物が残渣として残るという問
題がある。例えばＡｌＣｕＳｉのエッチングでは、Ｃｕ
の反応生成物が残渣として残りやすい。そこで従来のド
ライエッチング技術では、高いＲＦバイアスを印加する
ことにより蒸気圧の低い反応生成物が残渣として残らな
いようにしていた。この時には入射イオンのエネルギー
が高いために、マスクとの選択比が小さくなるという問
題があった。

【００６８】蒸気圧の低い反応生成物を脱離させるため
には、入射イオンエネルギーを増やすかわりに入射イオ
ンの量を増やしてもよい。しかしその時には蒸気圧の高
い反応生成物がさらに脱離しやすくなるので、やはり蒸
気圧の低い反応生成物が残渣として残ってしまう。

【００６９】そこで本実施例では、入射イオンのエネル
ギーが低いステップと入射イオンエネルギーが高いステ
ップを交互に繰り返した。この時に入射イオンエネルギ
ーが低いステップでは反応性ガスを放電し、入射イオン
エネルギーが高いステップでは不活性ガスを放電した。
この方法により、高速・高選択で、かつ残渣が残らない
エッチングを行なうことができた。このドライエッチン
グ方法について、レジストマスクによるＡｌＣｕＳｉの
エッチングを例にして以下に説明する。

【００７０】入射イオンエネルギーが低いステップで
は、実施例３で述べたように、Ｃｌ₂ガスを放電させ
た。放電条件および試料温度は実施例３と同様にした。
プラズマを高密度にすることにより、レジストマスクの
エッチング反応を抑えてＡｌＣｕＳｉのエッチング反応
を起こすことがすることができた。この時にＡｌとＳｉ
の反応生成物は蒸気圧が高いので、このステップで脱離
する。しかしＣｕの反応生成物は蒸気圧が低いために、
かなりの量が残渣として残る。

【００７１】この残渣を脱離させるには、高いエネルギ
ーのイオン入射が必要である。そこで不活性ガスを放電
させてＲＦバイアスを印加して、高いエネルギーの不活
性ガスイオンが入射するようにした。そのエネルギーに
より反応生成物の残渣は脱離する。しかし不活性ガスの
放電ではエッチング反応は起こらないので、Ｃｕの反応
生成物以外の物質は脱離しない。従来のドライエッチン
グ技術では、エッチング反応が起きる条件で、エッチン
グ反応を起こす反応性イオンを高いエネルギーで入射し
ていたために、エッチング選択比が小さかった。これに
対し、本実施例ではエッチング反応は低いイオンエネル
ギーで起こし、不活性な雰囲気下で不活性のイオンを高
いエネルギーにより反応生成物を脱離させるようにした
ので、高速・高選択なエッチングを残渣なしで行なうこ
とができた。

【００７２】本実施例ではこの不活性ガスの放電とし
て、Ｘｅガス放電を用いた。Ｘｅを用いたのは、Ｃｕと
質量が近いために、入射エネルギーを効率よく反応生成
物に伝達できるからである。圧力は５ｍｔｏｒｒ、ガス
流量は５００ｓｃｃｍ、マイクロ波パワーは３ｋＷと、
反応生成物の影響がでないようにしてイオン電流密度が
４０ｍＡ／ｃｍ²以上になるようにした。ＲＦバイアス
は２ＭＨｚで１００Ｗを印加した。

【００７３】Ｃｌ₂ガスの放電とＸｅガスの放電はおの
おの１秒ずつ交互に繰り返した。その結果、ＡｌＣｕＳ
ｉのエッチング速度は１μｍ／ｍｉｎに対し、レジスト
マスクのエッチング速度は４０ｎｍ／ｍｉｎと、選択比
２５のエッチングを行なうことができた。

【００７４】以上２つのステップを繰り返すことによ
り、ＡｌＣｕＳｉのような複数種の原子を含み、かつ反
応生成物の中に蒸気圧が低いものがあっても、高速で高
選択なエッチングをすることができるようになった。本
実施例ではＡｌＣｕＳｉの例について述べたが、それ以
外の物質でも効果がある。またＣｕのエッチングにおい
ても、実施例３のように反応性ガスプラズマのみでエッ
チングするのではなく、本実施例のように反応性ガスと
不活性ガスの放電を交互に行なって、反応生成物の脱離
を促進してもよい。

【００７５】

【発明の効果】本発明によれば、高速でかつ高選択なド
ライエッチングを行なうことができる。また反応生成物
の蒸気圧が低い場合でも、マスクのエッチング速度を抑
えて高速で高選択なエッチングを行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるドライエッチング装置の一実施例
における構成図である。

【図２】プラズマの圧力とイオン電流密度との関係を示
した図である。

【図３】プラズマの電離度とイオン電流密度との関係を
示した図である。

【図４】投入マイクロ波パワーとイオン電流密度との関
係を示した図である。

【図５】本発明の一実施例である試料台上における温度
検出部の配置図である。

【符号の説明】

１…マイクロ波発生器、２…冷却機構、３…チューナー
棒、４…導波管、５…マイクロ波導入窓、６…ガス配
管、７…ガス流量コントローラ、８…ガス導入口、９…
バッファ室、１０…真空処理室、１１…試料台、１２…
試料冷却ライン、１３…サーキュレータ、１４…ウエ
ハ、１５…誘電体、１６…ＲＦ電源、１７…コンダクタ
ンスバルブ、１８…ターボ分子ポンプ、１９…液化器、
２０…精製器、２１…回収容器、２２…除害装置、２３
…スクラバー、２４…ソレノイドコイル、２５…放電
部、２６…直流電源、２７…温度検出部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高周波発生手段と、放電部と、排気手段と
を有し、該放電部へ高周波を放射することによりプラズ
マを発生させ、該プラズマによりエッチングを行なうド
ライエッチング装置において、該放電部に放射する該高
周波のパワー面密度を１．６Ｗ／ｃｍ²以上とし、かつ
該排気手段の実効排気速度が７８０ｌｉｔｅｒ／ｓ以
上であることを特徴とするドライエッチング装置。
【請求項２】高周波発生手段と、放電部と、排気手段と
を有し、該放電部でプラズマを発生させ、該プラズマに
よりエッチングを行うドライエッチング装置において、
該高周波発生手段の最大出力電力が２ｋＷ以上であり、
かつ該排気手段の実効排気速度が７８０ｌｉｔｅｒ／
ｓ以上であることを特徴とするドライエッチング装置。
【請求項３】高周波発生手段と、放電部と、排気手段と
を有し、該放電部でプラズマを発生させ、該プラズマに
よりエッチングを行うドライエッチング装置において、
該高周波発生手段の最大出力電力が３ｋＷ以上であり、
かつ該排気手段の実効排気速度が７８０ｌｉｔｅｒ／
ｓ以上であることを特徴とするドライエッチング装置。
【請求項４】エッチング処理ガスを放電によりプラズマ
状態にし、プラズマからの入射イオンによりエッチング
反応と反応生成物の脱離を促進するドライエッチング方
法において、該反応生成物の脱離量の５倍以上の該エッ
チング処理ガスを流しながら、該プラズマの電離度を１
０％以上にするか、もしくは該入射イオンの電流密度を
４０ｍＡ／ｃｍ²以上とすることを特徴とするドライエ
ッチング方法。
【請求項５】放電部に接するエッチング処理室の壁面を
金属で形成し、その壁面を冷却する機構を有することを
特徴とする請求項１、２、３記載のドライエッチング装
置。
【請求項６】試料裏面に液体または固体の冷媒を直接接
触させる手段を有することを特徴とするドライエッチン
グ装置。
【請求項７】エッチング処理後のガスを回収し精製する
手段を有することを特徴とするドライエッチング装置。
【請求項８】試料台上に複数個の温度検出部を設けるこ
とを特徴とするドライエッチング装置。
【請求項９】試料台上に複数個の温度検出部を設け、放
電を発生させ、これらの温度計の温度が等しくなるよう
にエッチングパラメータを調整することを特徴とするド
ライエッチング方法。
【請求項１０】異なる種類のガスを交互に周期的に放電
させるドライエッチング方法において、反応性ガスと不
活性ガスとを交互に放電させることを特徴とするドライ
エッチング方法。
【請求項１１】不活性ガス放電時に試料にバイアスを印
加することを特徴とする請求項１０記載のドライエッチ
ング方法。
【請求項１２】反応性ガスとしてＣｌ₂ガスを用い、不
活性ガスにＸｅガスを用いることを特徴とする請求項１
０および１１記載のドライエッチング方法。