JP4077939B2 - 反応性イオンエッチング方法及び装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを利用して、半導体上或いは電子部品、その他の基板上の物質をエッチングする方法及び装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来この種のエッチング技術としては種々のものが知られており、その一つとして添付図面の図4に磁気中性線放電エッチング装置を示す。真空室Aはその側壁部を金属円筒体で構成され、その外側に磁気中性線形成用の三つのコイルBから成る磁場発生手段が設けられ、真空室Aの下部には基板電極Cを、また上部には基板電極Cと対向させて上部電極Dを設け、上部電極Dの周辺部は誘電体Eで構成され、この誘電体E内に高周波コイルFが埋め込まれ、真空室A内に放電アンテナを形成している。基板電極C、上部電極D及び高周波コイルFはそれぞれバイアス用高周波電源G、高周波電源H及びプラズマ発生用高周波電源Iに接続されている。なお、図4においてJは真空室Aの側壁部の内側に沿って設けられた防着板、Kは反応ガス導入部、Lは真空室Aの排気口である。
磁場発生手段すなわち真空室Aの側壁部の外側に配置された三つのコイルBにより真空室A内に連続して存在する磁場ゼロの位置である環状磁気中性線が形成される。この磁気中性線に沿って、上部電極Dの周辺部の誘電体E内に埋設された放電アンテナEにプラズマ発生用高周波電源Iから高周波電場を印加することにより、リング状のプラズマが形成される。エッチングガスは図示してない流量制御器を通して上部天板付近の周囲より導入され、コンダクタンスバルブの開口率によって圧力が制御される。下部の基板電極Cにはバイアス用高周波電源Gからバイアス用の高周波電力が印加される。
【0003】
図4に示す磁気中性線放電エッチング装置の動作について説明する。
図示してない流量制御器を通して上部天板付近の周囲より真空室A内にエッチングガスが導入され、誘電体E内に埋設された放電アンテナFに高周波電力が印加され、プラズマが形成されて導入ガスが分解される。磁気中性線放電では真空中にリング上に形成される磁気中性線の部分に密度の高いプラズマを形成するため、リングに沿って形成される誘導電場を有効利用するものでる。この方法によって、容易に1011cm-3の荷電粒子密度を持つプラズマが形成される。下部の基板電極Cにはバイアス用高周波電源Gからバイアス用の高周波電力が印加される。ブロッキングコンデンサーによって浮遊状態になっている基板電極Cは負のセルフバイアス電位となり、プラズマ中の正イオンが引き込まれて基板上の物質をエッチングする。
この場合、エッチングは、高周波アンテナF、上部電極D及び基板電極Cそれぞれにほぼ同時に電力を印加して行われる。
【0004】
図5は、従来から用いられている誘導結合エッチング装置の一例を概略的に示している。真空室Aはその側壁部を金属円筒体で構成されている。真空室Aの下部には基板電極Cを、また上部には基板電極Cと対向させて上部電極Dを設け、上部電極Dの周辺部は誘電体Eで構成され、この誘電体E内に高周波コイルFが埋め込まれ、真空室A内に放電アンテナを形成している。基板電極C、上部電極D及び高周波コイルFはそれぞれバイアス用高周波電源G、高周波電源H及びプラズマ発生用高周波電源Iに接続されている。なお、図5においてJは真空室 Aの側壁部の内側に沿って設けられた防着板、Kは反応ガス導入部、Lは真空室Aの排気口である。
この場合も、エッチングは同様に、高周波アンテナF、上部電極D及び基板電極Cそれぞれにほぼ同時に電力を印加して行われる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
図4及び図5に示すような従来技術では、高周波アンテナ、上部電極、下部基板電極それぞれにほぼ同時に電力を印加してエッチングが行われていた。その結果、特に図4に示すような磁気中性線放電プラズマ方式を利用した例では均一性が良く、高いエッチング速度で酸化膜の微細加工ができるようになった。しかしながら、レジストに対する選択比は3前後と低く、より以上の選択比を得ようとすると微細な孔が埋まってしまいエッチングできない等の問題があった。
【0006】
エッチングにおいては、反応性の高いラジカル及びイオンを基板に照射して基板物質との反応により基板物質をガス化して蝕刻するが、単に削ればよいわけではなく、微細化に伴いより形状制御が重要になってきている。このためにはエッチャントの他に微細孔内部の壁面に付着してイオンの当たらない側壁を保護する働きをする物質もプラズマ中で生成されなければならない。0.3μm幅以下の微 細加工ではこのエッチャントと保護物質との相対濃度及び孔内部への相対的な到達量が重要になる。
保護物質がエッチャントに対して多くなり過ぎると、0.3μm幅以下の微細孔 は、保護物質により埋まってしまい、いわゆるエッチストップが起こって、削れないことになる。逆に、保護物質が少なすぎると、エッチャントによって側壁が削られて、Bowingが発生したりテーパー形状となって、望ましい形状が得られない。また、微細な構造をレジストに転写するのに光リソグラフィーが行われるが、解像度を上げるため焦点深度が浅くなり、0.1μm幅付近の微細加工ではレジ ストの厚みを0.5μmにしなければならない。このようにレジストが薄くなるた め、酸化膜エッチングの場合、レジストに対する選択比として5以上が必要になる。
しかしながら、従来の方法において微細加工できる条件では、上下電極に印加する高周波電力及びアンテナに印加する高周波電力の相対値を変えても、あるいは導入するガスの組成比を変えても、レジストに対する選択比を4以上にすることができなかった。
【0007】
そこで、本発明は、このような従来技術に伴う問題点を解決して、レジストに対して高い選択比でエッチングを行うことのできる反応性イオンエッチング方法及び装置を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、磁気中性線放電型または誘導結合型エッチングにおいて、最初に高周波アンテナ及び上部電極に電力を印加し、時間をおいて基板電極に電力を印加するように構成される。
【0009】
例えば、上部電極面にPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)を載置し、ガスとしてCF4を用いたとき、CF3ラジカルやC2F4が多量に生成される。導入ガスがプラズマ分解されると、CF3、CF2、CF、Fになる。また、それらのイオンも生成され、負の自己バイアスになっている基板電極表面に衝突し、電極表面材のPTFEをスパッタする。PTFEの分子構造上の終端部は−CF3であ り、鎖状の部分は−CF2−CF2−で構成されている。従つて、スパッタされたPTFEからCF3やC2F4が生成されやすい。その結果、CF3やC2F4が多量に検出されることになる。
【0010】
上部電極面にグラファイトを用いたときには、CFラジカルが多量に検出される。多分、CF4のプラズマ分解によって生成されたF原子がグラファイトと結 合して最表面で−CF結合を作り、それがスパッタされるためと思われる。
上部電極面にポリシリコンを用いたときには、SiF、SiF2ラジカルが多 量に検出され、F原子(ラジカル)の減少が見られた。多分、CF4のプラズマ 分解によって生成されたF原子がポリシリコンと結合して最表面で−SiFx結合を作り、それがスパッタされるためと思われる。
【0011】
このように、分解したガスが電極材と反応し、スパッタによってエッチングに有用な物質や重合の前駆物質として気相中に析出させることができ、また、レジストとの選択比を減少させるF原子の量を少なくする作用もある。基板電極に高周波電力を印加しないと、上部電極上で発生した重合前駆物質が基板上に堆積する。基板全体に堆積するのでパターニングされた微細孔或いは溝部内部にも堆積膜が形成される。バイアス電力を印加して基板をエッチングする場合、この皮膜が厚すぎると微細孔或いは溝部がエッチングされなくなる。薄すぎるとレジストに対する選択比は向上しない。従って、このレジスト保護膜形成時間はエッチング条件によって適宜選択されなければならない。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の一つの実施の形態によれば、真空室の上部に上部電極を設け、前記上部電極を高周波電源に接続し、前記上部電極の周辺部を誘電体で構成すると共に前記誘電体内に高周波コイルを埋め込んで真空室内に放電アンテナを形成してなるプラズマ発生装置を有し、真空室の側壁部を金属円筒体で構成し、前記真空室の下部には前記上部電極と対向させて基板電極を設け、前記基板電極を高周波電源に接続し、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、プラズマを形成するとともに導入気体を分解し、プラズマに接する前記基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して前記基板電極上に載置されたレジストを備えた基板をエッチングする反応性イオンエッチング装置において、
前記上部電極の内壁が、 CF 結合を有する高分子化合物、硅素材もしくは炭素材の少なくともいずれかを含み、
前記上部電極、前記高周波コイル及び前記基板電極に接続されたそれぞれの電源を制御して、前記上部電極と前記高周波コイルに電力を供給して前記上部電極をスパッタする制御と、前記上部電極、前記高周波コイルと前記基板電極に電力を供給して前記基板電極上の基板をエッチングする制御を切り替える電力制御手段が設けられる。
【0013】
本発明の別の実施の形態によれば、前記の反応性イオンエッチング装置を用いた方法において、
前記上部電極の内壁材料として、 CF 結合を有する高分子化合物、硅素材もしくは炭素材の少なくともいずれかを用い、
ガス導入後に上部電極と高周波アンテナに電力を供給して前記上部電極をスパッタエッチングして基板電極上に載置された基板上に皮膜を形成し、その後、前記基板電極、前記高周波コイル、前記上部電極に電力を供給するように構成される。
【0014】
本発明のさらに別の実施の形態によれば、真空室内に連続して存在する磁場ゼロの位置である環状磁気中性線を形成する磁場発生手段を設けると共に、この磁気中性線に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生させる1重を含む多重の高周波コイルを設けて成るプラズマ発生装置を有し、前記真空室の側壁部を金属円筒体で構成し、前記真空室の下部に基板電極を、前記真空室の上部には前記基板電極と対向させて上部電極を設け、基板電極及び上部電極をそれぞれ高周波電源に接続し、前記上部電極の周辺部を誘電体で構成すると共に誘電体内に上記高周波コイルを埋め込んで真空室内に放電アンテナを形成し、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、プラズマを形成すると共に導入気体を分解し、プラズマに接する前記基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して電極上に載置されたレジストを備えた基板をエッチングする反応性イオンエッチング装置において、
前記上部電極の内壁が、 CF 結合を有する高分子化合物、硅素材もしくは炭素材の少なくともいずれかを含み、
前記上部電極、前記高周波コイル及び前記基板電極に接続されたそれぞれの電源を制御して、前記上部電極と前記高周波コイルに電力を供給して前記上部電極をスパッタする制御と、前記上部電極、前記高周波コイルと前記基板電極に電力を供給して前記基板電極上の基板をエッチングする制御を切り替える電力制御手段が設けられる。
【0015】
本発明のさらに別の実施の形態によれば、前記の磁気中性線放電プラズマを利用した反応性イオンエッチング装置を用いた方法において、前記上部電極の内壁材料として、 CF 結合を有する高分子化合物、硅素材もしくは炭素材の少なくともいずれかを用い、
ガス導入後に上部電極と高周波アンテナに電力を供給して前記上部電極をスパッタエッチングして基板電極上に載置された基板上に皮膜を形成し、その後、前記基板電極、前記高周波コイル、前記上部電極に電力を供給するように構成される。
【0016】
皮膜を形成するためのガスとしてはハロゲン化合物を用いることができる。
【0017】
【実施例】
図1には本発明の一実施例による三周波型磁気中性線放電エッチング装置を示す。図1において、1は真空室であり、その側壁部2は金属円筒体で構成されている。真空室1内の底部には基板電極3が絶縁密封部材4を介して取付けられ、この基板電極3は、バイアス用高周波電源5に接続されている。
真空室1内の頂部の天板6には高周波印加浮遊上部電極7が取付けられ、この上部電極7は高周波電源8に接続されている。上部電極7の周辺部は環状の誘電体9で構成され、この誘電体9内には環状の高周波コイル10が埋め込まれ、上部電極7とほぼ同じ高さで真空室1内に放電アンテナを形成している。環状の高周波コイル10はプラズマ発生用高周波電源11に接続されている。基板電極3のバイアス用高周波電源5、上部電極7の高周波電源8及び高周波コイル10の高周波電源11はシーケンシャル制御装置12に接続され、この制御装置12はそれぞれの電源からの高周波電力を印加する時間を制御するように構成されている。この制御の一例を図2に示す。図2からわかるように真空室1内へガス導入した後、まず上部電極7と高周波アンテナ10に電力が供給され、これにより上部電極7はスパッタエッチングされ基板電極3上に載置された基板上に薄い皮膜すなわちレジスト保護膜が形成される。その後、基板電極3に電力を供給し、基板をエッチングするように電力印加を時間的に制御するようにしている。
また、真空室1の側壁部の内側に沿って防着板13が設けられ、真空室1の側壁部には反応ガス導入部14及び排気口15が設けられ、排気口15は図示してない真空排気系に接続される。
さらに、真空室1の側壁部の外側には、真空室1内に連続して存在する磁場ゼロの位置である環状磁気中性線を形成するための磁場発生手段を成す三つのコイル16、17、18が配置されている。
【0018】
このように構成した図1に示す装置の動作について説明する。
図1の装置において、プラズマ発生用高周波電源11(13.56MHz)の電力を 2.Okw、基板バイアス高周波電源5(2MHz)の電力を1.OkW、上部電極 7に印加する高周波電源8(27.12MHz)の電力を200W、上部電極材としてグラファイトを用いAr90sccm(90%)、C4F810sccm(10%)を導入し、 3mTorrの圧力下でエッチングした。
エッチングの前のレジスト保護膜形成時間を、図2で示すように、15秒としたところ、レジストとの選択比がほぼ5でエッチストップなしにシリコン酸化膜にO.3μm径で深さ2μmのほぼ垂直形状のエッチングが可能であった。この時の アンテナ10の電力は1kWである。
エッチングの前のレジスト保護膜形成を行わない従来のエッチング条件下では、エッチストップなしにシリコン酸化膜にO.3μm径で深さ2μmのほぼ垂直形 状のエッチングが可能であるものの、レジストに対する選択比は2〜3程度であった。
【0019】
上記の例では、上部電極7に印加する高周波電力として200Wを用いたが、こ の電力はプラズマ発生用高周波電力及び基板バイアス高周波電力の値によって適宜選択されなければならない。また、27.12MHzの周波数が用いられているが 、基板電極3の周波数よりも高い周波数である必要は必ずしもなく800kHzで も同様な効果は期待できる。厚いレジスト保護膜が必要な場合、むしろ低周波電力を印加した方が大きな負の自己バイアスが発生するので望ましい。
【0020】
図3には本発明を三周波型誘導結合エッチング装置として実施している別の実施例を示し、図1に示す装置と対応する部分は同じ符号で示す。
すなわち、図3において、真空室1の側壁部2は金属円筒体で構成され、そして真空室1の底部には基板電極3が絶縁密封部材4を介して取付けられ、この基板電極3は、バイアス用高周波電源5に接続されている。真空室1内の頂部の天板6には高周波印加浮遊上部電極7が取付けられ、この上部電極7は高周波電源8に接続されている。上部電極7の周辺部は環状の誘電体9で構成され、この誘電体9内には環状の高周波コイル10が埋め込まれ、上部電極7とほぼ同じ高さで真空室1内に放電アンテナを形成している。環状の高周波コイル10はプラズマ発生用高周波電源11に接続されている。基板電極3のバイアス用高周波電源5、上部電極7の高周波電源8及び高周波コイル10の高周波電源11はシーケンシャル制御装置12に接続され、この制御装置12はそれぞれの電源からの高周波電力を印加する時間を制御するように構成され、その制御の仕方は図2に関して上で述べたものと同じである。また、真空室1の側壁部の内側に沿って防着板13が設けられ、真空室1の側壁部には反応ガス導入部14及び排気口15が設けられ、排気口15は図示してない真空排気系に接続される。
図3の装置を用いてICPエッチングプロセスに適用した場合にも図1の酸化膜用としてのNLDエッチング装置に適用した場合と同様な効果が期待できることは言うまでもない。
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、磁気中性線放電型または誘導結合型エッチングにおいて、最初に高周波アンテナ及び上部電極に電力を印加し、時間をおいて基板電極に電力を印加するように構成しているので、レジストの保護膜を形成してからエッチングが行われ、レジストに対する高い選択比を得ることができるようになる。その結果、O.2μm幅以下の微細加工において、サブミク ロンホールのパターンエッチングを効率よくできるようになる。従って、本発明は半導体や電子部品加工に用いられている反応性イオンエッチングプロセスに大きく貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例による三周波型磁気中性線放電エッチング装置を示す概略断面図。
【図2】 本発明における電力印加の制御を示すグラフ。
【図3】 本発明の別の実施例による三周波型誘導結合エッチング装置を示す概略断面図。
【図4】 従来技術による磁気中性線放電エッチング装置を示す概略断面図。
【図5】 従来技術による誘導結合エッチング装置を示す概略断面図。
【符号の説明】
1:真空室
2:側壁部
3:基板電極
4:絶縁密封部材
5:バイアス用高周波電源
6:天板
7:高周波印加浮遊上部電極
8:高周波電源
9:誘電体
10:高周波コイル
11:プラズマ発生用高周波電源
12:シーケンシャル制御装置
13:防着板
14:反応ガス導入部
15:排気口
16:コイル
17:コイル
18:コイル
Claims (8)
- 真空室の上部に上部電極を設け、前記上部電極を高周波電源に接続し、前記上部電極の周辺部を誘電体で構成すると共に前記誘電体内に高周波コイルを埋め込んで真空室内に放電アンテナを形成してなるプラズマ発生装置を有し、真空室の側壁部を金属円筒体で構成し、前記真空室の下部には前記上部電極と対向させて基板電極を設け、前記基板電極を高周波電源に接続し、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、プラズマを形成するとともに導入気体を分解し、プラズマに接する前記基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して前記基板電極上に載置されたレジストを備えた基板をエッチングする反応性イオンエッチング装置において、
前記上部電極の内壁が、 CF 結合を有する高分子化合物、硅素材もしくは炭素材の少なくともいずれかを含み、
前記上部電極、前記高周波コイル及び前記基板電極に接続されたそれぞれの電源を制御して、前記上部電極と前記高周波コイルに電力を供給して前記上部電極をスパッタする制御と、前記上部電極、前記高周波コイルと前記基板電極に電力を供給して前記基板電極上の基板をエッチングする制御を切り替える電力制御手段を設けたことを特徴とする反応性イオンエッチング装置。 - 前記上部電極をスパッタする制御の時に真空室に導入されるガスがハロゲン化合物を含むことを特徴とする請求項1に記載の反応性イオンエッチング装置。
- 真空室の上部に上部電極を設け、前記上部電極に高周波電力を供給できるようにし、前記上部電極の周辺部を誘電体で構成すると共に前記誘電体内に高周波コイルを埋め込んで真空室内に放電アンテナを形成してなるプラズマ発生装置を有し、前記真空室の側壁部を金属円筒体で構成し、前記真空室の下部には前記上部電極と対向させて基板電極を設け、前記基板電極に高周波電力を供給できるようにし、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、プラズマを形成すると共に導入気体を分解し、プラズマに接する前記基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して前記基板電極上に載置されたレジストを備えた基板をエッチングする反応性イオンエッチング方法において、
前記上部電極の内壁材料として、 CF 結合を有する高分子化合物、硅素材もしくは炭素材の少なくともいずれかを用い、
ガス導入後に前記上部電極と前記高周波アンテナに電力を供給して前記上部電極をスパッタエッチングして前記基板電極上に載置された基板上に皮膜を形成し、その後、前記基板電極、前記高周波コイル、前記上部電極に電力を供給するようにしたことを特徴とする反応性イオンエッチング方法。 - 前記皮膜を形成するためのガスとしてハロゲン化合物を前記真空室に導入することを特徴とする請求項3に記載の反応性イオンエッチング方法。
- 真空室内に連続して存在する磁場ゼロの位置である環状磁気中性線を形成する磁場発生手段を設けると共に、この磁気中性線に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生させる1重を含む多重の高周波コイルを設けて成るプラズマ発生装置を有し、前記真空室の側壁部を金属円筒体で構成し、前記真空室の下部に基板電極を、前記真空室の上部には前記基板電極と対向させて上部電極を設け、基板電極及び上部電極をそれぞれ高周波電源に接続し、前記上部電極の周辺部を誘電体で構成すると共に誘電体内に上記高周波コイルを埋め込んで真空室内に放電アンテナを形成し、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、プラズマを形成すると共に導入気体を分解し、プラズマに接する前記基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して電極上に載置されたレジストを備えた基板をエッチングする反応性イオンエッチング装置において、
前記上部電極の内壁が、 CF 結合を有する高分子化合物、硅素材もしくは炭素材の少なく ともいずれかを含み、
前記上部電極、前記高周波コイル及び前記基板電極に接続されたそれぞれの電源を制御して、前記上部電極と前記高周波コイルに電力を供給して前記上部電極をスパッタする制御と、前記上部電極、前記高周波コイルと前記基板電極に電力を供給して前記基板電極上の基板をエッチングする制御を切り替える電力制御手段を設けたことを特徴とする反応性イオンエッチング装置。 - 前記上部電極をスパッタする制御のときに真空室に導入されるガスがハロゲン化合物を含むことを特徴とする請求項5に記載の反応性イオンエッチング装置。
- 真空室内に連続して存在する磁場ゼロの位置である環状磁気中性線を形成する磁場発生手段を設けると共に、この磁気中性線に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生させる1重を含む多重の高周波コイルを設けて成るプラズマ発生装置を有し、前記真空室の側壁部を金属円筒体で構成し、前記真空室の下部に基板電極を、前記真空室の上部には前記基板電極と対向させて上部電極を設け、前記基板電極及び前記上部電極をそれぞれ高周波電力を供給できるようにし、前記上部電極の周辺部を誘電体で構成すると共に誘電体内に前記高周波コイルを埋め込んで前記真空室内に放電アンテナを形成し、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、プラズマを形成すると共に導入気体を分解し、プラズマに接する前記基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して電極上に載置されたレジストを備えた基板をエッチングする反応性イオンエッチング方法において、
前記上部電極の内壁材料として、 CF 結合を有する高分子化合物、硅素材もしくは炭素材の少なくともいずれかを用い、
ガス導入後に前記上部電極と前記高周波アンテナに電力を供給して前記上部電極をスパッタエッチングして前記基板電極上に載置された基板上に皮膜を形成し、その後、前記基板電極、前記高周波コイル、前記上部電極に電力を供給するようにしたことを特徴とする反応性イオンエッチング方法。 - 前記皮膜を形成するためのガスとしてハロゲン化合物を真空室に導入することを特徴とする請求項7に記載の反応性イオンエッチング方法。
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