JP3101420B2

JP3101420B2 - ドライエッチング装置

Info

Publication number: JP3101420B2
Application number: JP04135880A
Authority: JP
Inventors: 吉夫石川; 聡川上; 淳一荒見; 功宏長谷川; 誠関根
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1992-04-28
Filing date: 1992-04-28
Publication date: 2000-10-23
Anticipated expiration: 2015-10-23
Also published as: JPH05304115A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エッチングレートの面
内均一性を改善するドライエッチング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体の製造技術の一つにドライエッチ
ング技術があり、このエッチング装置としてマグネトロ
ンプラズマエッチング装置が知られている。この装置
は、平行平板電極間に形成されるプラズマシースの電界
と、これと直交する方向に形成される磁場との相互作用
のため、電子がサイクロイド運動を行ない、分子に電子
が衝突して電離させる回数を増加できる。この結果、比
較的低圧力で高いエッチング速度が得られ、枚葉式処理
装置でありながらスループットが向上し、エッチングの
信頼性も向上する。この種のマグネトロンプラズマエッ
チング装置は、特公昭６４−７１５６号公報等に開示さ
れ公知である。ここで、平行平板電極間に供給される高
周波電力の周波数は、一般に工業用として使用が許可さ
れた周波数である１３．５６ＭＨｚが用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】マグネトロンプラズマ
エッチング装置は、磁場を半導体ウエハと平行に形成す
ることで、プラズマ中の電子がウエハと水平な磁力線を
中心軸としてスピンし、その接線方向に飛び出すため、
異方性の高いエッチングが実現できる点で優れている。
しかしながら、ウエハ面内でのエッチングレートの均一
性の点では未だ改善の余地があった。本発明者等の実験
よれば、例えばエッチングガスとしてＣｌ₂を用い、下
地層にＳｉＯ₂を持つ多結晶シリコン膜をエッチングし
たところ、そのエッチングレートはウエハ周辺程高く、
その面内均一性は±１０％程度と悪化していることが判
明した。

【０００４】この理由は、プロセスチャンバー内での特
に平行平板電極間の電界強度が一様でないためであり、
これは接地電極の面積とウエハ載置電極の面積との面積
比が４倍以上もあり、チャンバー内各所におけるインピ
ーダンスが一様でないことに起因していると思われる。
チャンバー内の特に平行平板電極間の電界強度を一様に
するようにインピーダンスを変更できればよいが、チャ
ンバー形状に起因するキャパシタンスＣおよびインダク
タンスＬを変更することは、チャンバー等の設計上，構
造等のハードウェアの変更を伴なわなければ実現不可能
である。

【０００５】そこで、本発明の目的とするところは、チ
ャンバーの形状，構造等のハードウェアの変更を必ずし
も要せずに、チャンバー内のインピーダンスを変更して
チャンバー内の特に平行平板電極間の電界強度が一様に
なるように近づけ、以てエッチングレートの均一性を向
上することのできるドライエッチング装置を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るドライエッ
チング装置は、真空容器と、この真空容器内に配置され
る被処理物を載置する第１の電極、及び前記第１の電極
と対向しかつ前記第１の電極よりも広い面積の第２の電
極から成る一対の平行電極と、前記真空容器内にエッチ
ングガスを導入する手段と、前記被処理物に平行な磁場
を形成する磁場形成手段と、前記一対の平行電極の一方
に、１３．５６ＭＨｚ以上の複数種の周波数の中から選
ばれた周波数を有する高周波電圧を印加する手段と、前
記一対の平行電極の他方を接地する手段と、を有し、前
記電極に印加する高周波電圧の周波数を、前記被処理物
に対するエッチング開始から終了までの間に少なくとも
１回切り替えることを特徴とする。

【０００７】さらに、高周波電圧を印加する手段と前記
一方の電極との間に自動インピーダンス整合装置を設
け、周波数の切替えに応じて、自動インピーダンス整合
装置のキャパシタンスまたはインダクタンスを切替える
ことが望ましい。

【０００８】

【作用】真空容器内のインピーダンスは、キャパシタン
スＣまたはインダクタンスＬのみに依存するのでなく、
電極に印加される高周波電圧の周波数にも依存してい
る。本発明者等の実験によれば、従来の１３．５６ＭＨ
ｚの周波数に代え、これより高い周波数となるいずれか
一の周波数を持つ高周波電圧を電極に印加することで、
真空容器内のインピーダンスを変更し、電界強度分布を
変更することでエッチングレートの面内均一性が向上す
ることが判明した。１３．５６ＭＨｚのほぼ２倍および
３倍の周波数は、工業上認められた周波数であるので、
電波障害を防止するための厳格なシールドを要すること
もない。

【０００９】

【実施例】以下、本発明に係るドライエッチング装置の
一実施例について、図面を参照して具体的に説明する。

【００１０】図１において、真空処理室１０は、例えば
１０^-6Ｔｏｒｒ程度の真空度まで真空引きでき、その内
部にはウエハ１を載置可能な載置電極である下部電極１
２が支持されている。また、この下部電極１２と上方に
て対向する真空処理室１０の壁部を上部電極１４とし、
両者で平行平板電極を構成している。なお、図示しては
いないが、下部電極１２にはウエハ１の温度制御手段が
設けられると共に、ウエハ１は静電チャックを用いて下
部電極１２上に固着され、ウエハ１と下部電極１２との
間の温度差を例えば５℃以内に抑えられる構造となって
いる。ウエハ１と図示しない静電チャックとの熱伝達特
性を良好とするために、その間には不活性ガス、例えば
Ｈｅガスが所定圧力に充填されている。

【００１１】上部電極１４にはエッチングガスの導入管
１６が連結され、このガス導入管１６は、上部電極１４
内部に形成した供給路１８と、ウエハ１と対向する位置
にほぼ均等に散在配置した噴出口２０とに連通してい
る。したがって、エッチングガス、例えばＣｌ₂ガス
は、上部電極１４に形成した噴出口２０よりウエハ面内
にてほぼ均一濃度にて供給されることになる。さらに、
下部電極１２を挾んだ左右にてほぼ線対称な位置に、真
空処理室２０内部に連通する排気口２２が配置され、ウ
エハ１の周辺にてほぼ均一な排気コンダクタンスを確保
している。

【００１２】下部電極１２には、高周波電源３０および
自動インピーダンス整合装置３６が接続され、下部電極
１２に高周波電圧を印加できるとともに、上部電極１４
を接地している。したがって、本実施例装置は反応性イ
オンエッチング装置（ＲＩＥ）を構成している。尚、上
部電極１４は真空処理室１０の側壁と電気的に導通して
いる。従って、下部電極１２の面積と、上部電極１４お
よびその周壁を含む接地電極の面積比は、ほぼ１対４以
上となっている。さらに、本実施例装置では、上部電極
１４の上方に磁場形成手段としてのマグネット３８を回
転可能に配置している。このマグネット３８は、両端面
に逆極性の主磁極が設けられ、かつ、その周縁部より中
心部に向って段階的あるいはテーパ状に窪んだ凹部３８
ａを有している。このような構造のマグネット３８の作
用については、本出願人の先願に係る平成３年特許願第
２７７０８８号に開示されている。その作用を簡単に説
明すると、マグネット３８の段部間において形成される
曲率大きな磁力線は、凹部３８ａ内に止められ、マグネ
ット３８の一方の外壁より他方の外壁に亘って形成され
る磁力線が、ウエハ１の面内にてウエハ１とほぼ平行に
形成される。したがって、真空処理室１０内部には、平
行平板電極によりウエハ１に垂直な電界が形成され、さ
らにこの電界と直交する方向に磁界が形成される。した
がって、真空処理室１０内部に誘起されるプラズマ中の
電子は、ウエハ１と水平な磁力線を中心軸としてスピン
し、その接線方向に飛び出しプラズマ中のイオンがウエ
ハ１に垂直に入射し、異方性の高いエッチングが実現さ
れる。

【００１３】このようなマグネトロンプラズマエッチン
グ装置において本実施例の特徴的事項は、高周波電源３
０より出力される高周波電圧の周波数が可変であること
である。しかも本実施例では、その周波数を１３．５６
ＭＨｚおよびその整数倍の周波数である２７．１２ＭＨ
ｚ，４０．６８ＭＨｚおよび５４．２４ＭＨｚの４種類
の周波数に切替え可能である。このために、高周波電源
３０は発振パルスの周波数が可変のパルス発振器３２お
よびアンプ３４で構成される。工業用の周波数である１
３．５６ＭＨｚ，２７．１２ＭＨｚ，４０．６８ＭＨｚ
を用いることで、厳格なシールドを必要とせず、万一漏
れた場合にも電波障害の危険が無く、パルス発振器３２
も市販のものを使用できる。

【００１４】自動インピーダンス整合装置３６は、真空
処理室１０内部のプラズマインピーダンスの状態に応じ
て、キャパシタンスＣまたはインダクタンスＬを可変す
ることで、インピーダンスのマッチングを採るものであ
る。プラズマインピーダンスの状態に応じてインピーダ
ンスを自動的に可変する装置は周知であるが、本実施例
のように高周波電圧の帯域を４種類に変更する場合に
は、可変キャパシタンスまたは可変インダクタンスの範
囲では、レンジが大きく異なるためインピーダンスのマ
ッチングは到底不可能である。そこで、自動インピーダ
ンス制御装置３６の回路構成を、図２に示すように構成
している。

【００１５】図２において、キャパシタンスＣ１，Ｃ２
のコンデンサは、プラズマインピーダンスの状態に応じ
てキャパシタンスＣが可変である。一方、インダクタン
スがＬ１〜Ｌ４の４つのコイルを直列接続し、インダク
タンスがＬ２〜Ｌ４の３つのコイルの両端を選択的に短
絡できるスイッチＳ１〜Ｓ３を設けている。周波数が高
い程インダクタンスＬを小さくすれば、可変キャパシタ
ンスの範囲でインピーダンスのマッチングが可能とな
る。したがって、本実施例ではパルス発振器３２にて選
択された周波数に応じた信号が、自動インピーダンス制
御装置３６に入力され、スイッチＳ１〜Ｓ３のオン，オ
フ駆動を行なっている。例えば、最低周波数である１
３．５６ＭＨｚが選択された場合には、スイッチＳ１〜
Ｓ３の全てをオープンとし、４種のインダクタンスＬ１
〜Ｌ４により定まるトータルのキャパシタンスが選択さ
れる。一方、最高周波数である５４．２４ＭＨｚが選択
された場合には、全てのスイッチＳ１〜Ｓ３がクローズ
とされ、１つのキャパシタンスＬ１のみが選択される。

【００１６】上記のように構成されたマグネトロンプラ
ズマエッチング装置において、ウエハ１として、シリコ
ン基板上に下地層としてＳｉＯ₂を形成し、その上に多
結晶シリコン膜を形成し、この多結晶シリコン膜のドラ
イエッチングを実施した。そのエッチング条件として
は、真空処理室１０内の圧力５０ｍＴｏｒｒ高周波電力１５０Ｗエッチングガス（Ｃｌ₂）の供給量１００ｓｃｃｍ上部電極／側壁／下部電極温度６０℃／６０℃／−３０℃ ウエハ裏面のＨｅガス供給量および充填圧力２０ｓｃｃｍ，１０Ｔｏｒｒマグネットの回転数２０ｒｐｍ上記の条件を共通のエッチング条件とし、下部電極１２
に印加する高周波電圧の周波数をそれぞれ１３．５６Ｍ
Ｈｚ，２７．１２ＭＨｚ，４０．６８ＭＨｚおよび５
４．２４ＭＨｚに変更したときの、多結晶シリコン膜の
ウエハ面内でのエッチングレートを図３に示す。同様
に、下地層であるＳｉＯ₂のウエハ面内のエッチングレ
ートを図４に示す。さらに、図３および図４からのデー
タに基づき、横軸を周波数とし、縦軸をそれぞれ、Ｓｉ
Ｏ₂に対する選択比，ＳｉＯ₂のエッチングレートとそ
の均一性および多結晶シリコンのエッチングレートを縦
軸にとった特性図を図５に示す。

【００１７】各図から明らかなように、最低周波数であ
る１３．５６ＭＨｚを選択したときには、多結晶シリコ
ン膜のエッチングレートが最も高くなるが、その面内均
一性は±７．４％と悪化している。高周波電界の周波数
を２７．１２ＭＨｚとしたときには、ＳｉＯ₂のエッチ
ングレートは周波数１３．５６ＭＨｚの場合よりも少し
落ちるが、その面内均一性は±１．８％と各段に向上す
ることが判明した。さらに、この場合には下地層である
ＳｉＯ₂のエッチングレートがかなり低下するので、Ｓ
ｉＯ₂に対する選択比も向上することが判明した。一
方、周波数を４０．６８ＭＨｚおよび５４．２４ＭＨｚ
とした場合には、多結晶シリコン膜のエッチングレート
および均一性は周波数１３．５６ＭＨｚの場合よりさら
に悪くなることが判明した。

【００１８】以上の理由から、上記エッチング条件にお
いて多結晶シリコン膜をエッチングする際には、高周波
電圧の周波数を２７．１２ＭＨｚに設定することが、エ
ッチング特性が最も向上することが判った。

【００１９】尚、周波数を１３．５６ＭＨｚから２７．
１２ＭＨｚに上げた場合には、プラズマ密度が濃くなる
ためイオンエネルギーが小となり、異方性の悪化が懸念
される。しかしながら、この対策として他の手段により
イオンエネルギーを大きくすることができ、この手法と
して例えばＲＦパワーを上げるか、或いは真空処理室１
０内の圧力を下げればよい。真空処理室１０内の圧力を
下げた場合には、特に近年急速に進む微細パターンのエ
ッチングをする上でもメリットが大きい。また、ＲＦパ
ワーおよび圧力を変えても、ウエハ面内のエッチングレ
ートの均一性は変わらないことが判明し、単にエッチン
グレートが変化するだけである。したがって、均一性，
異方性およびエッチングレートの総合的な判断から、Ｒ
Ｆパワーおよび真空処理室１０内の圧力を決定すればよ
い。

【００２０】このように、従来の１３．５６ＭＨｚの周
波数に変えて、それよりも高い周波数を採択すること
で、均一性が向上する理由は下記の通りと考えられる。

【００２１】本実施例装置のように、下部電極１２の面
積と比較して、上部電極１４と同一電位となる接地電極
の面積は４倍以上広く、真空処理室１０内部の電界は一
様にはなっていない。例えば、図３に示すように、周波
数を１３．５６ＭＨｚとした場合には、そのエッチング
レートがウエハ１の周辺で高くなっている理由は、ウエ
ハ１の周辺部での電界強度が中心部に比べて高いものと
思われる。電界を一様にするためには真空処理室１０内
のインピーダンスを変更すればよいが、真空処理室１０
内の等価キャパシタンスＣおよびインダクタンスＬを変
更することは、ハードウェアの変更を伴なわなければ実
現不可能である。

【００２２】ここで、インピーダンスＸは、Ｘ_L＝２πｆＬＸ_C＝１／２πｆＣとなる。本発明者等は、キャパシタンスＣおよびインダ
クタンスＬを変更する代りに、周波数ｆを変更すること
で、形状の定まった真空処理室１０のインピーダンスを
変更し、Ｘ_L−Ｘ_C＝０となる共振条件に近い条件とす
ることで、ウエハ１のエッチングレートの面内均一性の
向上を図ったのである。

【００２３】上記の実験結果によれば、ある一定形状の
真空処理室１０およびエッチング条件が定まった場合、
２７．１２ＭＨｚの周波数が、均一性を向上できる点で
最適な周波数と判明したが、これは真空処理室１０およ
び他のエッチング条件にも依存するため、工業上認めら
れる周波数である１３．５６ＭＨｚより高く、数百ＭＨ
ｚ以下の周波数の中から選ばれるいずれか１の周波数を
採択することができる。なお、上記の実験結果から言
えば、ウエハ中心と固縁とのエッチングレートが、１
３．５６ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲内で反転してい
る。このことから、電極に印加する周波数は、１３．５
６ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの中から適正な値を選択するこ
とが好ましい。

【００２４】なお、工業上認められる周波数以外を使用
する場合は、電波障害を防止する厳重なシールドが必要
である。

【００２５】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可
能である。

【００２６】例えば上記実施例では、被エッチング層と
して多結晶シリコン膜を例に挙げたが、Ａｌ等の金属あ
るいは高融点金属のエッチング、さらには各種酸化膜の
エッチングにも本発明を同様に適用できる。エッチング
ガスも、被エッチング層に応じて種々採択することが可
能であり、金属エッチングの場合にはエッチング生成物
の蒸気圧の高い塩素系および臭素系ガスが最適である。
さらに、上記実施例装置は、反応性イオンエッチング装
置として構成したが、ウエハ１の載置電極１２を接地
し、その対向電極にＲＦ電圧を印加するアノードカップ
リング方式に本発明を採用してもよい。さらに、上記実
施例装置は、工業上認められ得る周波数を任意に選択可
能に構成したが、予め実験により最適周波数を求めてお
き、エッチング装置としては、１３．５６ＭＨｚより高
くかつその整数倍となる１の周波数を固定としてもよ
い。

【００２７】又、電波障害を防止するための厳重なシー
ルドを行えば、１３．５６ＭＨｚの整数倍以外の任意の
周波数を用いることができる。

【００２８】図６は、エッチング工程中において高周波
電圧の周波数を可変することのできるマグネトロンプラ
ズマエッチング装置の一例を示している。図６におい
て、図１と同一機能を有する部材については同一符号を
付してその詳細な説明を省略する。この実施例において
は、プラズマ終点を検出できる終点検出装置（ＥＰＤ）
４０を、真空処理室１０内のプラズマ発光を検出可能に
配置している。このＥＰＤ４０にて検出された終点検出
信号は、パルス発振器３２および自動インピーダンス制
御装置３６に入力される。そしてこの実施例では、終点
検出が行なわれる前は、比較的エッチングレートの高い
周波数、例えば１３．５６ＭＨｚを選択するようにし、
終点検出が行なわれた後は、ウエハ１の面上を均一にエ
ッチングすることのできる周波数、例えば２７．１２Ｍ
Ｈｚを選択するようにしている。このようにすれば、エ
ッチング処理時間を短縮でき、しかも最終的なエッチン
グの均一性をも確保することができる。

【００２９】この他、エッチング処理中に周波数を変更
する方法としては、予めエッチング時間を計測してお
き、ある時間経った後にエッチングレートの高い周波数
から均一性を高く確保できる周波数に一回又は複数回変
更する等の方式を採択できる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、平
行平板電極の一方に印加される高周波電圧の周波数を、
１３．５６ＭＨｚより高く数百ＭＨｚ以下の周波数とす
ることで、真空容器内のプラズマの発生強度がほぼ一様
になるように変更でき、以てエッチングレートの面内均
一性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したマグネトロンプラズマエッチ
ング装置の概略断面図である。

【図２】図１中の自動インピーダンス整合装置の概略を
示す回路図である。

【図３】周波数を変更したときの、ウエハ上の各位置に
おける多結晶シリコンのエッチングレートをそれぞれ示
す特性図である。

【図４】図３と同一エッチング条件下における、下地層
であるＳｉＯ₂のエッチングレートの特性図である。

【図５】横軸に周波数をとり、縦軸にそれぞれＳｉＯ₂
に対する選択比，ＳｉＯ₂のエッチングレートと、多結
晶シリコン膜のエッチングレートおよびその均一性等を
それぞれ示す特性図である。

【図６】エッチング途中に周波数を変更できる本発明に
係るマグネトロンプラスズマエッチング装置の変形例を
示す概略断面図である。

【符号の説明】

１０真空容器１２下部電極１４上部電極３０高周波電源３２パルス発振器３４アンプ３６自動インピーダンス整合装置３８マグネット４０終点検出装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者荒見淳一東京都新宿区西新宿２丁目３番１号東京エレクトロン株式会社内 (72)発明者長谷川功宏神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者関根誠神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献特開昭62−158330（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−73719（ＪＰ，Ａ) 特開平３−171623（ＪＰ，Ａ) 特開平３−124024（ＪＰ，Ａ) 特開平３−204925（ＪＰ，Ａ) 特開平２−298024（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器と、この真空容器内に配置される被処理物を載置する第１の
電極、及び前記第１の電極と対向しかつ前記第１の電極
よりも広い面積の第２の電極から成る一対の平行電極
と、前記真空容器内にエッチングガスを導入する手段と、前記被処理物に平行な磁場を形成する磁場形成手段と、前記一対の平行電極の一方に、１３．５６ＭＨｚ以上の
複数種の周波数の中から選ばれた周波数を有する高周波
電圧を印加する手段と、前記一対の平行電極の他方を接地する手段と、を有し、前記電極に印加する高周波電圧の周波数を、前記被処理
物に対するエッチング開始から終了までの間に少なくと
も１回切り替えることを特徴とするドライエッチング装
置。
【請求項２】請求項１において、前記高周波電圧を印加する手段と前記一方の電極との間
に自動インピーダンス整合装置を有し、周波数の切替に
応じて、前記自動インピーダンス整合装置のキャパシタ
ンス又はインダクタンスを切り替えることを特徴とする
ドライエッチング装置。