JP3067375B2 - プラズマ加工装置及びプラズマ加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ発生を制御し
て被加工材を処理する、プラズマ加工装置及びその加工
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高周波放電を用いて発生させたプラズマ
は、例えば半導体装置製造の微細加工のドライエッチン
グ、薄膜形成のスパッタリングやプラズマＣＶＤ、イオ
ン注入機等、様々な加工工程に適用されている。例え
ば、微細加工に適用されるドライエッチングの技術は、
プラズマ、ラジカル、イオン等による気相−固相表面に
於ける化学的、物理的反応を利用し、薄膜または基板上
の不要な部分を除去し所望のパターンを形成する加工の
装置及び方法に不可欠である。ドライエッチング技術と
して広く用いられている反応性イオンエッチング（ＲＩ
Ｅ）は、適当なガスの高周波放電プラズマ中に試料を曝
して、その試料表面にプラズマを反応させ、その試料の
不要部分をエッチングすることにより除去するというも
のである。なお、前記試料表面の必要な部分は、通常マ
スクとして用いたホトレジストパターンにより保護され
ている。

【０００３】以下図面を参照しながら、従来のドライエ
ッチング装置の一例について説明する。

【０００４】図４は、例えば13.56MHzの高周波電源を用
いた従来の反応性イオンエッチング装置を模式的に示す
概略断面図である。図４において、符号で１１は金属チ
ャンバー、１２は高周波電源、１３はカソード電極、１
４はアノード電極を示し、金属製チャンバー１１中に
は、ガスコントローラ（図示せず）を通して反応性ガス
（Ｇａｓ）が図中左方の導入口から導入され、同右方の
排出口に連結された排気系（図示せず）によって適切な
圧力に制御されている。チャンバーの上部にはアノード
電極（陽極）１４が設けられ、下部にはカソード電極
（陰極）となる試料台１３が設けられている。試料台に
はインピーダンス整合回路を介してＲＦ電源１２が接続
されており、試料台とアノードとの間で高周波放電をお
こすというものである。エッチングの際には、エッチン
グガスの組成、チャンバー内の圧力及びＲＦパワーを数
十秒単位のステップで変化させることにより、プラズマ
の状態を変化させ、ステップエッチングにより所望のエ
ッチング形状を得ていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】素子の微細化に伴い、
微細加工の制御性、安定性は、より厳しく求められつつ
ある。例えば、従来装置のようなステップエッチングを
行い、各ステップにおいて数十秒間一定のプラズマを用
い、吸着、イオンの衝突反応等を制御するには限界があ
る。そこで、この装置を用いて、微細化エッチングとサ
イドウォールデポジションとを交互に行うことにより形
状制御を行う方法も提案されている。しかし、上記のよ
うな装置の構成では、一定の周波数の電源のみを用いて
いるため、エッチングガスの流量、エッチングガスの組
成、チャンバー内の圧力及びＲＦパワーを変化させてプ
ラズマの状態を変化させざるをえず、前記の要素を秒以
下の時間帯においてマスフローコントローラーの応答
性、ＲＦマッチング特性という点から制御するのは非常
に困難であった。また、上記のような装置の構成では、
ＲＦパワーを変化させる際にも、ＲＦマッチング特性と
いう点から数十秒単位でＲＦパワーを変化させるステッ
プエッチングを用いざるをえず、コンタクトホールの形
成等において、テーパ角を形成する際に、不必要なサイ
ドエッチングが生じることがあり、エッチング形状を制
御するのは非常に困難であった。さらに、複数個の高周
波電源を持ち、ステップエッチング中のあるステップで
異なる周波数によりプラズマを発生させる方法も考案さ
れているが、エッチングガスの流量、エッチングガスの
組成、チャンバー内の圧力を秒以下の時間帯において制
御するのは前記ＲＦパワーの変化と同様、マスフローコ
ントローラーの応答性、ＲＦマッチング特性という点か
ら非常に困難であった。本発明は上記問題点に鑑み、高
真空のもとでガス組成、チャンバー内圧力一定で様々な
プラズマの状態を発生できるプラズマ加工装置及びプラ
ズマ加工方法を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明のプラズマ加工装置及びプラズマ加工方法
は、チャンバー内に対向配置された電極間に変調波電力
を与える変調波発生用電源を備えて、前記変調波発生用
電源から供給される変調波電力，例えば振幅変調波（以
下、ＡＭ波と呼ぶ）又は周波数変調波（以下、ＦＭ波と
呼ぶ）の電力によって，真空中で，時間的には秒単位以
下の瞬時に変化する，プラズマを発生させ、このプラズ
マを利用して、前記チャンバー内に置かれた被加工材に
対して、エッチング又は堆積の処理をするものである。

【０００７】

【作用】本発明は上記した構成によって、一対の対向電
極の少なくとも一方の電極に対して、ＦＭ変調波又はＡ
Ｍ変調波電力を印加し、かかる変調波電力を印加するこ
とにより、ガス組成、チャンバー内圧力を変化させるこ
となく、秒以下の時間帯域において周波数を変化させ様
々なプラズマ状態を作り出すことが出来る。ＡＭ波の場
合には、数ミリ秒単位で印加電圧の振幅を、ＦＭ波の場
合には数ミリ秒単位で周波数を変化させ、ガス組成及び
チャンバー内圧力を変化させることなく、プラズマを発
生させることにより気相と固体との反応性を制御し、エ
ッチングとサイドウォールデポジションが可能となる。

【０００８】また、本発明によりエッチングとサイドウ
ォールデポジションをミリ秒単位で制御することがで
き、被エッチング物表面に数オングストローム単位の凹
凸を形成することが可能となる。このような表面上の凹
凸によりＡｌ合金を用いたＬＳＩ配線では、配線の断面
積を大きくすることができ、配線抵抗の低減をはかるこ
とができる。また、ポリシリコンを用いたゲート電極の
形成においても断面積が増大することにより、同様の効
果が得られる。さらにコンタクトホールの形成時にも被
エッチング物の表面に凹凸を形成することにより、コン
タクトホール内の抵抗を低減することができる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明のプラズマ加工装置を、ドライ
エッチング装置に適用した場合の一実施例により、図面
を参照しながら説明する。

【００１０】図１は本発明の実施例のドライエッチング
装置の構造を示す概略断面図である。図１において、１
はチャンバー、２はＡＭ波またはＦＭ波の変調電力を発
生する信号発生器、３は増幅器、４は対向電極となるア
ノード電極、５は変調波電力が印加されるカソード電極
となる試料台を示し、チャンバー１内にはエッチングガ
スがマスフローコントローラ（図示せず）を介して導入
口から導かれ、チャンバー１内圧力は排出口に連結され
たターボポンプ（図示せず）により5Paから100Pa程度に
制御される。

【００１１】以上のように構成されたドライエッチング
装置について、以下、図１、図２、及び図３を用いてそ
の動作を説明する。

【００１２】まず図２は一対の平行平板に印加するＡＭ
波電力の極短時間での入力パワーの変化を模式的に示し
た概略特性図である。ＡＭ波電力を用いることによっ
て、周波数一定で入力パワーを数ミリ秒単位で変化させ
ることが可能となる。入力パワーを数ミリ秒単位の時間
で変化させることにより、プラズマ発生及び安定化の大
きな要素であるガス組成、ガス流量、圧力を変化させる
ことなく、様々なプラズマ状態を生じさせることができ
た。例えば、ガス流量、ガス組成、チャンバー内圧力が
一定の時、入力パワー（例えば数百ワット）が大きいと
プラズマ中のイオンエネルギーが高くなり、入力パワー
が小さいと（例えば数十ワット）プラズマ中のイオンエ
ネルギーが低くなるというように、入力パワーを十ワッ
ト変化させるだけでもプラズマの状態が変化し、様々な
プラズマ状態を生じさせることができるのである。これ
により、図２のように、一定の入力パワー状態をこえる
とデポジションの制御ができ、一方、一定値以下の入力
パワー状態ではエッチングの制御が可能である。このよ
うにして生じた様々なプラズマは、エッチングを支配す
る気相と固体との反応性に、密接に関係してくるのであ
る。以上のように本実施例によれば、平行平板に数ミリ
秒の時間間隔で入力パワーを変化させることが出来るＡ
Ｍ波電力を印加することにより、ガス流量、ガス組成、
圧力を変化させることなく、数ミリ秒という短時間間隔
で様々なプラズマ状態を生じさせることができる。この
ようにして発生したプラズマを用いてＲＩＥを行うこと
のできるドライエッチング装置が実現可能である。

【００１３】次に本発明の第２の実施例であるＦＭ変調
波電源を用いたドライエッチング装置について説明す
る。装置の構成はＡＭ変調波と同様に図１に示すとおり
である。図３は一対の平行平板に印加するＦＭ波電力の
極短時間での周波数の変化を模式的に示した概略特性図
である。ＦＭ波電力を用いることにより、入力パワーを
一定に保ちながらも、数ミリ秒単位の間隔で周波数を変
化させることが出来る。周波数を時間的に変化させるこ
とにより、ガス流量、ガス組成、圧力を変化させること
なく、様々なプラズマ状態を生じさせることができた。
例えば、ガス流量、ガス組成、圧力が一定の時、周波数
が低いとプラズマ中のイオンエネルギーが高くなり、周
波数が高いとプラズマ中のイオンエネルギーが低くなる
というように様々な状態のプラズマが生じるのである。
この周波数によるプラズマ状態の変化を数ミリ秒単位で
行うことが可能となるのである。これらの様々なプラズ
マ状態によりエッチングにおいて、固相と気相との反応
性が変化し、反応性を制御できるのである。そして、図
３のように、所定周波数をこえる高周波変調域では、デ
ポジションの制御ができ、一方、所定周波数以下の周波
数変調域ではエッチングの制御ができる。以上のように
本実施例によれば、数ミリ秒間隔で変化するＦＭ波電力
といった変調波電力を印加することにより、ガス流量、
ガス組成、圧力を変化させることなく、数ミリ秒という
短時間で様々なプラズマ状態を生じさせることができ
る。また、ＡＭ波電力により発生したプラズマと比較
し、より均一なプラズマが得られた。このようにして発
生したプラズマを用いてＲＩＥを行うことのできるドラ
イエッチング装置が実現可能である。

【００１４】本発明の第３の実施例としてＡＭ波電力を
用いたドライエッチング方法について説明する。ドライ
エッチングにおいて所望のエッチング形状を得るため
に、即ち、エッチングの異方性を向上させるために、不
要な部分を除去すると共に、エッチングされてはならな
い箇所にエッチングの際の生成物及びエッチングガスに
添加されたあるガス種によるプラズマ中での重合によっ
て生じた膜を形成し異方性をもたせる。従来の装置では
各数十秒単位のステップ間でＲＦ入力パワーを変化さ
せ、２〜４種類のプラズマによりエッチングを行ってき
たが、ＡＭ波電力では様々なプラズマ状態を数ミリ秒単
位で作り出すことができるため、数ミリ秒単位の時間間
隔で入力パワーを変えることによって、エッチングを進
行させるか、もしくはエッチングされてはならない箇所
へのデポジションの形成を進行させるかを制御できるの
である。また、数ミリ秒単位間隔でのプラズマ状態の変
化により超微細なパターンのエッチングも可能となるの
である。

【００１５】ＬＳＩの配線抵抗を低くするには、配線表
面に微細な凹凸を形成し、断面積を増大させることが有
効である。以下、ＬＳＩ配線に用いられるＡｌ合金配線
のエッチングに本発明のＡＭ変調波を用いたプラズマ加
工方法を適用した例を示す。

【００１６】図５は、以上のＡＭ波電力を用いたドライ
エッチング方法を、シリコン基板の表面に形成されたＳ
ｉＯ₂上にＡｌ合金を堆積し、レジストでパターンを形
成した膜に施したことにより得られたエッチング形状の
模式的な概略断面図である。図５において、５０はレジ
スト、５１はたとえばＳｉＯ₂が形成されたシリコン半
導体基板、５２はＡｌ、Ａｌ合金等の被エッチング材、
５３は変調波電源により発生したプラズマによりエッチ
ングが進行したエッチング部、５４は変調波電源により
発生したプラズマによりデポジションが進行したデポジ
ション部を示す。図６は、そのエッチングの進行過程に
おける各状態を示した模式的な概略断面図である。図６
（Ａ）は変調波電源により発生したプラズマによりエッ
チングが進行した状態を示したものである。ＡＭ波電力
では入力パワーが小さい場合、ＦＭ波電力では周波数の
低い場合にエッチングが進行するが、入力パワーまたは
周波数の変化は数ミリ秒単位であるためエッチングされ
たのは数オングストロームから数百オングストロームの
Ａｌ膜であり、サイドエッチングも数オングストローム
から数百オングストローム生じるにすぎないのである。
ＡＭ波電力の場合、入力パワーが小さい時、サイドエッ
チングが進行し、Ａｌ膜の側壁に数オングストロームか
ら数百オングストロームの凹部６３が形成される。

【００１７】図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のようなエッチ
ングが進行した後、変調波電源によりパワーが変化する
ことによりプラズマ状態が変化し、デポジションが進行
した状態を示すものである。ＡＭ波電力では入力パワー
が大きい場合にデポジションが進行するが、入力パワー
の変化は数ミリ秒単位の間隔であるため、数オングスト
ロームから数百オングストロームのデポジション部５４
がＡｌ膜側壁に堆積される。エッチングとデポジション
が数ミリ秒間隔で交互に行われると、図６（Ｃ）に示す
様な断面となり、側壁表面上に凹凸を持ち、かつエッチ
ング形状はほぼ垂直となる。図に示すように被エッチン
グ材である配線部に大きくサイドエッチが生じることな
く、所望のエッチングパターンをえることができる。こ
のようにしてエッチングしたパターンの側壁には数オン
グストロームの凹凸を作ることが可能となる。このエッ
チングを超ＬＳＩの容量形成に適用すると、側壁の凹凸
ができたことで、従来と同様のルールでより体積の大き
な容量を形成することができる。体積が大きくなったこ
とにより、容量が大きくなり超ＬＳＩ配線に非常に有効
な手段となる。ところで、ＡＭ波電力により発生したプ
ラズマをドライエッチングに用いた場合、パワーのみを
変化させるだけではプラズマ状態が不均一となり、デバ
イスのエッチングをした場合ダメージを与えることが多
々ある。そこで、デバイスへのダメージを考慮すると、
ＦＭ波電力を用いたドライエッチング方法がより好まし
い。以下、本発明の第４の実施例であるＦＭ波電力を用
いたドライエッチング方法について説明する。ＦＭ波電
力では周波数を変化させることができるため、様々なプ
ラズマ状態を数ミリ秒単位間隔で作り出すことができ、
ガス組成、ガス流量、圧力を変化させることなく、周波
数のみを変えることによって、エッチングを進行させる
か、もしくはエッチングされてはならない箇所へのデポ
ジションの形成を進行させるかを制御できるのである。
基本的にガス条件、圧力が同一の場合にはイオンエネル
ギーを高くするとエッチングが進行し、低くするとデポ
ジションが進行する。ＦＭ波電力を用いてドライエッチ
ングを行った場合、エッチングは周波数の低いときに進
行し、デポジションは周波数の高いときに進行するので
ある。

【００１８】以上のＦＭ波電力を用いたドライエッチン
グ方法を、ＳｉＯ₂上にＡｌ合金を堆積し、レジストで
パターンを形成した膜に施したことにより生じたエッチ
ングはＡＭ波電力の場合と同様、図５、図６で説明でき
る。図６（Ａ）は変調波電源により発生したプラズマに
よりエッチングが進行した状態を示すものである。ＦＭ
波電力では周波数の低い場合にエッチングが進行する
が、周波数の変化は数ミリ秒単位の間隔であるためエッ
チングされたのは数オングストロームから数百オングス
トロームのＡｌ膜であり、サイドエッチングも数オング
ストロームから数百オングストローム生じるにすぎない
のである。ＦＭ波電力の場合はしだいに周波数が低くな
る場合に、サイドエッチングが進行し図６（Ａ）に示す
ようにＡｌ膜の側壁に数オングストロームから数百オン
グストロームの凹部６３が形成される。図６（Ｂ）は、
図６（Ａ）のようなエッチングが進行した後、変調波電
源により周波数が変化することによりプラズマ状態が変
化し、デポジションが進行した状態を示すものである。
ＦＭ波電力では周波数の高い場合にデポジションが進行
するが、周波数の変化は数ミリ秒単位であるため、数オ
ングストロームから数百オングストロームのデポジショ
ン５４がＡｌ膜側壁に堆積される。エッチングとデポジ
ションが数ミリ秒で交互に行われると、図６（Ｃ）に示
す様な断面となり、側壁表面上に凹凸を持ち、かつエッ
チング形状はほぼ垂直となる。図に示すように被エッチ
ング材である配線部に大きくサイドエッチが生じること
なく、所望のエッチングパターンをえることができる。
このようにしてエッチングしたパターンの側壁にはＡＭ
波電力を用いた場合と同様に数オングストロームから数
百オングストロームの凹凸を作ることが可能となる。こ
のエッチングを超ＬＳＩの容量形成に適用すると、側壁
の凹凸ができたことで、従来と同様のルールでより体積
の大きな容量を形成することができる。体積が大きくな
ったことにより、容量が大きくなり超ＬＳＩ配線に非常
に有効な手段となる。それとともにＡＭ波電力を用いた
場合に比べ、プラズマが均一となり、よりダメージの少
ないドライエッチングが可能となる。

【００１９】なお、エッチング条件を変更すると、エッ
チング形状にとって非常に大切な条件であるテーパ角を
自由に制御することができる。例えば、ＡＭ波電源でプ
ラズマを発生させ、エッチングを行う際には、まず最初
に小さなパワーを与えプラズマを発生させエッチングを
進行させる。この際には、サイドウォールへのデポジシ
ョンは少ないためサイドエッチも進行する。だが、時間
が経過するとともに、徐々にプラズマの入力パワーを大
きくしていくと、サイドウォールへのデポジションが促
進され、サイドエッチは制限される。すなわち、プラズ
マのパワーを時間的に変化させ、サイドエッチを制御す
ることによって、エッチング形状をテーパ状に制御する
ことが可能となる。又、エッチングとデポジションを適
当に組み合わせることにより、テーパ角を制御すること
が可能となる。ＦＭ波電源を用いた場合は、周波数を時
間的に変化させることによって同様の効果をえることが
できる。なお、本発明はプラズマＣＶＤ装置にも適用す
ることができ、また、対象の被エッチング材は、Ａｌ、
Ａｌ合金のほか、多結晶Ｓｉにも適用可能である。

【００２０】

【発明の効果】以上のように本発明は、変調波電源を用
いることにより、ガス組成、ガス流量、チャンバー内圧
力を制御することなく、様々な状態のプラズマを発生さ
せることができる。このプラズマ手段をドライエッチン
グ装置に適用し、ドライエッチングを行うと，ガス組
成、チャンバー内圧力を制御することなく、ＡＭ波電源
を用いた場合は入力パワーを、ＦＭ波電源を用いた場合
は周波数を数ミリ秒という短時間で変化させ、エッチン
グとデポジションを制御し、所望のエッチング形状を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例におけるドライエッチン
グ装置の概略断面図

【図２】同実施例における動作説明のためのＡＭ変調波
の概略特性図

【図３】同実施例における動作説明のためのＦＭ変調波
の概略特性図

【図４】従来のドライエッチング装置の概略断面図

【図５】本発明の第２の実施例におけるドライエッチン
グ方法によって得られたエッチング形状の概略断面図

【図６】（Ａ）は本発明の第２の実施例におけるドライ
エッチング方法によってエッチングが進行している状態
の概略断面図 （Ｂ）は本発明の第２の実施例におけるドライエッチン
グ方法によってデポジションが進行している状態の概略
断面図 （Ｃ）は本発明の第２の実施例におけるドライエッチン
グ方法によってエッチング、デポジションが交互に行わ
れている状態の概略断面図

【符号の説明】

１ チャンバー ２ 変調波電力を発生する信号発生器 ３ 増幅器 ４ アノード電極 ５ カソード電極 １１ チャンバー １２ ＲＦ波電源 １３ カソード電極 １４ アノード電極 ５０ レジスト ５１ 基板 ５２ 被エッチング材 ５３ エッチング部 ５４ デポジション部

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05H 1/46 H01L 21/3065

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チャンバー内の対向配置された電極間
   に，変調波電力を与える，変調波発生用電源を備えて、
   前記変調波発生用電源により，時間的に状態の異なるプ
   ラズマを発生させて、前記チャンバー内に置かれた被加
   工材に対して、エッチング又は堆積の処理を行うことの
   できるプラズマ加工装置。
2. 【請求項２】 前記変調波発生用電源が振幅変調波又は
   周波数変調波を発生する電源であることを特徴とする請
   求項１記載のプラズマ加工装置。
3. 【請求項３】 変調波発生用電源から，チャンバー内の
   対向配置された電極間に変調波電力を与えて、前記チャ
   ンバー内に発生したプラズマのイオンエネルギーを変調
   して、前記チャンバー内に置かれた被加工材に対して、
   エッチング又は堆積の処理をするプラズマ加工方法。
4. 【請求項４】 前記変調波発生用電源から，チャンバー
   内の対向配置された電極間に与えられる変調波電力が振
   幅変調波電力又は周波数変調波電力であることを特徴と
   する請求項３記載のプラズマ加工方法。