JPS62271432A

JPS62271432A - ドライエツチング装置

Info

Publication number: JPS62271432A
Application number: JP28195786A
Authority: JP
Inventors: Haruo Okano; 晴雄岡野; Yasuhiro Horiike; 靖浩堀池
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-11-28
Filing date: 1986-11-28
Publication date: 1987-11-25

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】本発明は集積回路などの製造工程におけるＳｉや５ｉ０
２あるいはＭなどの膜のエツチングに用いられるドライ
エツチング装置に関する。

近年、集積回路は微細化の一途をたどり、最近では最小
パターン寸法が１〜２μｍの起ＬＳＩも試作開発される
に至っている。この超微細加工にはプラズマエツチング
技術は欠くことのできないものとなっている。本技術は
通常、平行平板型電極を有する反応容器にＣＦ４などの
反応性ガスを導入し、１３．５８　ＭＨｇなどの高周波
（「ｆ）電力を印加すると電極（陰極）上に試料を置き
、そしてグロー放電によって生じたガスプラズマからの
正イオンを陰極に生じる降下電圧（Ｖ　ｄｃ）によって
加速し、試料に衝撃し、これをエツチングする。

この方法は反応性イオンエツチング（ＲＩ　Ｅ）と呼ば
れている。しかしこの平゛行平板の高周波（「ｒ）を印
加して生じるグロー放電では、例えばＣＦ４＋Ｈ２ガス
を用いた５ｉ０２のＲＩＥでは高々３００人／分のエツ
チングであり、１μｍの膜厚の５ｉ０２エツチングでは
４０分も要し、量産性の点で、この極めて低いエツチン
グ速度は現在重大な問題となっている。またＭのＲＩＥ
では通常ＣＣｌ４ガスを主に用いるが、エツチング速度
は約１０００人／分で１μｍの厚さに対して数１０分、
リンドープＰｏ１ｙ−ＳｔのＲＩＥではＣＢｒＦ３ガス
を用いて、エツチング速度は５００人／分で、４０００
人の厚さに対して８分と５ｉ０２程ではないが、比較的
低く、これらの速いエツチングも同様に望まれている。

エツチング速度を向上させるためには、例えばｒｒｍ力
を増大させることによって幾分エツチング速度が向上す
るが、しかし、エツチング種の増加の利点より、ｒｆ’
電力の熱への変換による損失が太き（、又、陰極降下電
圧などの増大によって、エツチングマスクとなるフォト
レジストの変質や劣化、それにＳｔ基盤への電気的損傷
を招く。それ故現在これらの有害な点を考慮して、エツ
チング速度を犠牲にしてもｒｆｍ力をできるだけ下げて
用いられるのが常となっている。この本質的な要因は平
行平板型グロー放電ではガスのイオン化効率が高々５〜
３％程度であるということにある。

これに対して、最近、プラズマ内への電子供給手段をも
った３電極型の装置を用いて、ＳｔおよびＡｌ２Ｏ３の
高速エツチグが得られたという報告もあるが、これは熱
フィラメントを使用しているために、このフィラメント
の反応性ガスによる腐蝕が生じ、長時間の連続使用に対
しては問題がある。（Ｎ、　Ｉｅ１ｍａｎ他、Ｊ　、　
Ｍａｃ、　Ｓｃｉ。

Ｔｅｃｈｎｏｌ、　１？（３）、　７３１．１（１８Ｇ
）さらに、プラズマ中のエツチング種の密度を高めるた
めに、レーザを用いるという方法も提案されている。（
Ｊ、Ｉ。

５ｔｅｌｎｆｅｌｄ他、Ｊ　、　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅ
ｍ、　Ｓｏｃ、　１２７，５１４゜１９８０）この方法
によると、確かに、エツチング種の密度は大きくなり、
エツチング速度も大きくなってはいるが、増加したエッ
チグ種は主に中性ラジカルであり、従って、エツチング
種は垂直な壁をもったエツチングとはならず、サイドエ
ツチングが入るものと考えられ、１μｍ以下のサブミク
ロン加工には受は入れられないものである。

この様な事情は、絶縁材料製反応容器内の電気部品が置
かれる電極にｒｒ印加し、反応容器支持台を接地するタ
イプ、或いは「ｆの代わりにＤＣ電源を用いるものでも
同じである。

そこで、上記の損傷がなく、エツチング速度を増すため
には、印加重力をできるだけ多く用いて効率の良い放電
を行い、導入ガスを解離して、多くの反応種を作り出す
必要がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明
の目的は高速でしかも電気的損傷などの問題が少ないド
ライエツチング装置を提供することにある。。

本発明によれば、電極上又は電極下の永久磁石及び／又
は電磁石により、電極間に、電界と直交する磁界を形成
して電子をドリフト運動させ、電子とガスの衝突解離を
促進して放電効率を向上させることにより、多くのエツ
チング種を生じせしめ、この電極又は磁石上、つまり陰
極面上に置いた被エツチング材料を高速にエツチングす
るものである。

以下本発明の実施例を図面を参照しなから説明する。

第１図は本発明の一実施例を説明するための断面図であ
る。この装置は永久磁石（１）１個に対して矩形（円形
でも良い）の閉じた間隙（放電路）（２）をもつ。同図
において、（１）は、例えばコバルトサマリウム系の永
久磁石であり、磁性材料、ここでは軟鉄製のポールピー
ス（３）とともに、前記間隙（２）において、ステンレ
ス製の対向電極（陽極）（通常接地電位（１７））　（
４）とほぼ平行する磁力線（Ｂ）を発生させる。対向電
極（４）は非磁性材料を用いることができる。また、永
久磁石（１）とポールピース（３）は、前記陽極（４）
と対向して、陰極（８）の１部を構成し、この電極上に
は、非磁性材料（５）、ここでは炭素（Ｃ）ｖｉ、が設
けられている。電気部品（６）は水冷パイプ（７）によ
り冷却されている。

ポールピース（３）は箱状であり、その内、上面の閉ル
ープを為す間隙（２）で囲まれた部分は永久磁石（１）
によって支えられている。永久磁石（１）は上面がＮ１
下面がＳ極であるので、間隙（２）を跡いてポールピー
ス（３）上にアーチ状に磁力線が生ずる。

まず、前記間隙に磁場がないとした時について説明する
。最初に真空仕切バルブ（１３）を開けてから、反応容
器（４）内を真空にυＦ気した後、ガス導入口（１８）
から解離により生成するイオンが反応性を示す原料ガス
を導入してから、高周波１！源（［２）を整合回路（１
１）を介して、陰極（８）に印加する。

そうすると、この高周波電力により、前記導入ガスのグ
ロー放電を生じ、前述した様に陰極上には、陰極降下電
圧（直流自己バイアス）が発生し、いわゆる陰極暗部と
呼ばれる放電光の暗い領域（１０）が観察される。

次に、間隙（２）に磁界が存在する場合には、磁界がな
い場合と同様じ操作するが、この磁界と、前述の直流自
己バイアスおよび高周波電力によって決まる電界とによ
り、この間隙（２）近傍には直交する電磁界が発生する
ため、間隙近傍の電子は、ＩＥＸＩＢ方向にドリフト電
界を受け、間隙近傍のドリフト軌道にトラップされるこ
とになり、従ってその付近（１５）のイオン化効率は、
その周囲（１６）に比較して著しく増加する。実際、本
発明者等が、陰極上の陰極暗部の厚さを磁場がある場合
とない場合に対して観察してみると、磁場がある場合に
は、肉眼ではほとんど観察することができない程狭くな
ることを確認した。このことは、直交電磁界の存在する
間隙部近傍では局所的にプラズマ密度が非常に高いこと
を意味しておりその結果、従来の直流自己バイアスの大
きさに比較して、小さな値で大きな電力密度を投入でき
ることになる。このことが、本発明の目的である高速エ
ツチングの基本となるものである。すなわち、例えば、
導入ガスとして、ＣＦ＜　　（フレオン）、被エッチン
グ材料である電気部品（本明細書では製造中途のものも
含む）（６）として酸化シリコン（Ｓ　ｉ　０２　）を
選び、前述したエツチング装置において、エツチングを
行うと、エッチャントが当ると揮発性ガスに変わりエツ
チング条件、ＣＦ４圧力０　、０４Ｔｏ　ｒ　ｒ　、電
力密度０．２Ｗ／ａｄ、披エンチグ材料載置台をＣ板と
した時、Ｓｔ基板上に形成した５ｉ０２膜のエツチング
速度は約１μｍ／ｍｉｎという高速エツチングが達成さ
れ、しかもＳｔ基板のイオン損傷は小さかった。又、５
ｉ０２膜上にレジストパターンを形成して５ｉ０２膜エ
ツチング後、そのプロファイルをＳＥＭにより観察し、
垂直なエツチング壁をもった異方性エツチングであるこ
とを認識した。

第２図は、同じ装置において、Ｃ２Ｆ、にＮ２を添加し
た時の５ｉ０２．Ｓｉのエツチング特性（ａ）を、従来
例、すなわち被エッチング材料を陰極（８）上に置いた
場合（ｂ）とについて比較したものである。同図より明
らかな様に、本発明の方法を用いて５ｉ０２をエツチン
グした場合には、従来例に比較して数十倍のエツチング
速度が達成され、また、Ｈ２ａ度７０％前後においてＳ
ｉとの選択比も、１０以上と従来と同程度の良い選択性
の値が得られた。

また、本発明者等は、第３図に示すような試料表面上の
磁界の強さと５ｉ０２．ＳＬのエツチング速度の間の特
異な現象を発見した。エツチング条件は０．０４Ｔｏｒ
ｒ、　２５０　ＷでＣ２Ｆ６ガスを用いた。第４図に言
う磁界の強さとは、第１図において陰極（８）の１部を
構成するポールピース（３）に載せたＣ仮（５）表面の
、前記放電間隙（２）上の磁界をホールセンサにて測定
したものである。該Ｃ板の厚みｈを次第に厚くすること
によって、間隙近傍の磁界の強さを変化させた時の５ｉ
０２゜Ｓｌのエツチング速度は、磁界の強さを増すに従
いＳｔのエツチング速度の上昇よりも５ｔｏ２の方が大
きくなり、その結果、５ｉ０２とＳｉのエツチング壁の
比も磁界の強さとともに大きくなることが判明した。す
なわち、この実験事実より、Ｓｉに対する５ｉ０２の選
択エツチングを達成するためには、間隙（２）近傍の磁
界と強さとしては３５０ガウス以上、また、間隙面から
の高さは８＋Ｉ１１以下でなければならないことがわか
っｔ；。なお、披エツチング材料を直接、前記磁性材料
（３）上に置いてエツチングしたもの（、ｈ　−０）は
、５ｔｏ２のエツチング速度が実に３μｍ１分という超
高速の値が得られ、また、Ｓｉとの選択比はＣ２１’ｅ
単独のガスで約５〜６という値となり、この値は、従来
方法により、Ｃ２ＦＧ単独ガスで５ｉ０２．Ｓｔをエツ
チングした時の値（〜約２程度）よりも高いことがわか
った。

第４図は、ガスとしてＣ２Ｆ、を用い、圧力０．０４Ｔ
ｏｒｒ、　Ｃ板の厚さくｈ）を２　ｍｍとした時、ｒｆ
’電力２５０Ｗ、８０Ｗに対してＳｉ、５ｉ０２のエツ
チング速度を間隙（２）の中央からの距離（ｘ）を横軸
として求めたものである。間隙の中央上、即ちｘ−０で
は、２５０Ｗの時には５ｉ０２のエツチング速度は１μ
ｍに達しているが、８０Ｗでは極めて低く、デポジショ
ンの影響があるものと思われる。

第５図は、同じく、Ｃ２Ｆ　ｆｌ、　　０．（１４Ｔｏ
ｒｒ、Ｃ板の厚さを２　ｍｍとした時、ｒ（’ｔ４力に
対してＳｔ。

５ｉ０２のエツチング速度を求めたものである。

１００Ｗは近から選択性が急増を始め、又、５ｉ０２の
エツチング速度も急増し、高速、高選択性が得られてい
る。

第５図で行なった２００〜４００Ｗのエツチングでは、
高周波電力の増加に対して陰極降下電圧が殆んど変化し
なかった。この時の陰極降下電圧Ｖｄｃを横軸に取ると
、Ｖｄｃに対してイオン電流が急峻に増加するマグネト
ロンモードが認められた。

ＶｄｃはＤＣバイアスの時はＤ　Ｃ１１Ｓ圧に対応する
。

第６図は、陰極（８）を接地し、ボーピース（３）に対
向するように平板陽極を反応容器（４）内に設け、ＤＣ
電源を接続した時のＤＣ電圧とイオン電流の関係である
。Ｃ板は除いてあり、Ｃ２Ｆ６ガスを用い、圧力２　ｘ
　１０　　Ｔｏｒｒ（ａ）、７　ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ
（ｂ）、　３　ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ（ｃ）では、（ａ
）　、　（ｂ）にマグネトロンモードが認められた。

第７図は、”第２図で説明した５ｉ０２とＳｔとの選択
比が最も得られる、Ｈ２ａ度７０％付近でＳｉをエツチ
ングした時の試料表面を真上から観察した時の図である
。第２図に示した例においては、従来方法によりエツチ
ングした試料はＨ２濃度が６０％を越えると、Ｃ−Ｆ結
合を有したテフロン系の有機膜がウェハ表面に全面にわ
たって堆積するが、１Ｂ本発明の実施例においては、同
図に示すように、放電間隙（１９）−ａ、ｂ両側約１　
ｃｍ程度（２１）−ａ、ｂ、ｃは全く有機膜の堆積が見
られず、堆積場所はその周辺（２０）−ａ、ｂ、ｃに限
られることがわかった。この有機膜は、この膜を前記放
電間隙（１９）−ａ、　　ｂ、上に置くことによりエツ
チングすることができるが、殊に、１９−ａ。

１９−　ｂ上にプラズマ密度極大位置が複数存在する場
合に、その間の電気部品にあってもエツチングが行なわ
れる如く狭めることによりエツチング均一性を高めるこ
とができる。第３図を例にとれば電界との直交成分が３
５０ガウス以上になるようにする。この有機膜堆積は、
第５図の本発明の実施例において説明するように、前記
放電間隙（１９）−ａ、　　ｔ）の間の間隙を短くし、
従って、各放電間隙の放電を互いにオーバーラツプさせ
ることにより防止することができる。

さらに第１図の装置では、被エツチング材料は矩形又は
ストライブ状（或いはリング状）にエツチングされるの
みで、試料全体にわたって一様にエツチングを行う目的
には適していない。

第８図に、実際に均一なエツチングが行えるようにした
本発明の他の実施例を示す。同図において、（２２）−
ａ、ｂ、ｃは永久磁石であり、整合回路（２Ｂ）を介し
て高周波電源（２７）の電力が印加される非磁性材料か
らなる陰極（３１）の下部に非接触の状態で配置されて
いる。また、（２４）は、磁性材料、例えば軟鉄よりな
るポールピースであり、全体として、例えば１方向に走
査するためのモータに連結された箱型の容器に収納され
ており、モータ（２８）の駆動とともに、全体としてス
キャンすることが可能な構造になっている。また、永久
磁石を複数個配置することにより複数個の放電間隙（２
３）−ａ　−ｆが生じ、かつ、各放電間隙での放電、す
なわち、磁場は第７図に示した実験事実によりオーバラ
ップさせるようになっており、（２３）　−ａ〜ｆ間に
於いて非堆積傾向又はエツチング傾向になるようにしで
ある。また、（２５）は、陰極（３１）を冷却するため
の水冷手段である。（２９）は絶縁材料である。

以上説明した陰極下部を構成する永久磁石、ポールピー
ス等は、全体して真空容器（３６）内に収められており
、排気系（３２）へ、通気孔（３４）を通して真空的に
連結している。また、（３３）は、陰極上の放電が、前
記陰極下部に入り込まないようにするためのダークスペ
ースシールドである。このような装置構成にすることに
より、エツチング中に永久磁石によって発生する磁場を
ウェハ面上で走査することができ、従って、被エッチン
グ材料を高速にエツチングしなから、かつ均一性良くエ
ツチングすることが可能となった。

第９図には、同時に、いわゆる″−筆書き”の放電間隙
（３８）をもった本発明の更に他の実施例を示しである
が、第７図と同様に電気部品上の一方向に対して非堆積
傾向又はエツチング傾向になるようにしである。第７図
と同様に位一方向に走査することによりやはり一様な均
一性のエツチングが得られた。

第１０図は、さらに、バッチ性を考慮した応用例である
。（ａ）は装置の断面図、（ｂ）は陰極の上面図で、（
ａ）で示した永久磁石の断面部位をＸ−Ｘ′で示す。す
なわち、非磁性材料からなる回転テーブル（４９）の下
部に放電間隙（５０）を図の様に構成することにより、
エツチング中回転テーブル上の被エッチング材料（４５
）を連続回転させることによって、高速、かつ均一性良
くバッチ処理ができるエツチング装置を提供するもので
ある。同図において、（４７）は永久磁石、（４８）は
、ダークスペースシールド、（４１）は水冷手段、（３
９）は高周波電源、（４２）は回転のためのモータ、（
４４）は排気系である。

（４８）はガス導入孔、（５１）は真空容器、（５２）
は絶縁材料、（４０）は整合回路、（４３）はプーリー
である。

以上本発明の実施例において示したように、例えば平行
平板型プラズマエツチング装置において、電極上、また
は電極下に閉回路の間隙を有する磁石を置き電極または
磁石の上に生じる直交した電磁界により、電子マグネト
ロン運動させることによって、放電効率を向上させ、こ
の電極上、又は磁石上に置いた被エッチング材料を高速
にエツチングできるドライエツチング方法及び装置が得
られ、生産性は大幅に向上した。かかるドライエツチン
グ方法はコンタクト孔形成、電極や配線のバターニング
等、Ｍ　ＯＳデバイスやバイポーラデバイスの製造に用
いられれる。

本発明のエツチング方法を用いたエツチングに用いるガ
スとしては、実施例においてはＣＦ、など弗素を含むガ
スの例を示したが、その他、塩素や臭素を含む反応性ガ
スを用いても良く、被加工材料の種類に応じて、例えば
、アルミニウム、あるいはアルミニウム合金等に対して
は、ＣＣｌ２゜ＣＣｌ２　＋Ｃｆ１２ガスを、さらに、
多結晶シリコンモリブデンシリサイド等に対しては、Ｃ
ＢｒＦ３．ＣＢｒＦ３　＋ＣＪ２　ＣｊＪ２ガスを用い
ることにより５ｉ０２の場合と同じ様に高速かつ信頼性
良く、又、選択エツチングが可能である。

又、試料を陰極、永久磁石と共に冷却したが、水冷やア
ルコールによる冷却の池、高速エツチングによるレジス
ト膨張を考慮してフレオン等の液化ガスを用いることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を説明するための構成図、
第２図は、本発明の装置を用いＣＦ４＋Ｈ２ガスにより
５ｉ０２．Ｓｔをエツチングした時のエツチング特性を
示す図、第３図は、磁場の強さとエツチングとの関係を
示す図、第４図乃至第６図は本発明の詳細な説明する為
の図、第７図は、第２図のエツチングにおいてテフロン
系の有機膜を堆積させた時のＳｉウェハ表面を見た図、
第８図乃至第１０図は本発明の池の実施例を説明するた
めの構成図である。図において、（１）（２２）　−ａ’〜ｃ、　（３７）（４７）・・
・永久磁石、＜２）（２３＞−ａ　−ｆ　、　（３８）
、（１９）　−ａ、　　ｂ、　　（５０）−放電間隙、
（５）・・・Ｃ板、（４）　（３Ｂ）　（５１）・・・
真空容器、（３）（２４）・・・ポールピース、（６）
　（３０）　（４５）・・・被エツチング材料、（７）
　（２５）　（４１）・・・水冷手段、（１１）（３１
）　（４９）・・・陰極、（９）　（２９）　（５２）
・・・絶縁材料（テフロン等）、（１０）陰極暗部、（
１２）　（２７）　（３９）・・高周波電力、（１１）
　（２６）　（４０）・・・整合回路、（１３）・・・
真空仕切りバルブ、（１４）　（３２）　（４４）・・
・排気系、（１５）・・・高密度プラズマ、（１６）・
・・グロー放電プラズマ、（１７）・・・接地、（１１
１）（４Ｂ）＝・・ガス導入口（２０）　−ａ　−ｃテ
フロン系の有機膜堆積部分、（２１）　−ａ　−ｃテフ
ロン系の有機膜の堆積していない領域、（３３）（４ｇ
）・・・ダークスペースシールド、（３４）・・・通気
口（真空連結口）、（３５）・・・永久磁石を収める箱
、（２８）　（４２）・・・モータ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）陽極及び￥被エッチング￥材料を載置する陰極を
対向配置させた容器と、この容器内に解離により発生す
るイオンが反応性を示す￥塩素、臭素もし￥￥くは弗素
を含む原料ガス￥を導入する手段と、前記両極間に電界
と直交する成分を持つアーチ状の磁場を与えるための磁
石を含む手段と、前記両極間に￥電力￥を印加して前記
両極間にプラズマを生成せしめ￥る手段と￥、前記プラ
ズマから前記磁石をシールドするための部材と、前記磁
石を走査する手段とを具備したドライエッチング装置。
（２）被エッチング材料上に該材料に対しエッチング速
度の異なる￥マスクパターン￥が形成されてなることを
特徴とする特許請求の範囲第１項に記載したドライエッ
チング装置。
（３）陰極の表面に炭素材、Ｃ−Ｆ結合又はＣ−Ｈ結合
を有する膜、あるいはアルミナ膜を形成したことを特徴
とする特許請求の範囲第１項に記載したドライエッチン
グ装置。