JPH01211921A - ドライエッチング装置 - Google Patents

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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、ドライエツチング装置に係わり、特にゴミの
発生を抑えたドライエツチング装置に関する。

（従来の技術） 近年、半導体製造における各種エツチングに、反応性イ
オンエツチング（ＲＩ　Ｅ）が広く使用されている。こ
のＲＩＥは、一対の対向する平行平板電極を有する真空
容器内に被処理基体を配置し、ハロゲン元素を含む反応
性ガスを容器内に導入した後、高周波電力を印加して放
電せしめ、発生したプラズマを利用してエツチングを行
う方法である。この方法は、イオンによって引き起こさ
れる化学反応を利用するため、エツチングはイオンの入
射方向に進み方向性の加工が可能となり、微細パターン
の形成に極めて有効である。しかし、このエツチング方
法では、エツチング生成物やエツチングマスクであるレ
ジストの分解物が真空容器の壁面や上部電極表面に堆積
し、それがやがて剥がれてゴミの原因となったり、また
加工形状の変化を引き起こす等の難点が合った。

以下にこの問題を、酸化シリコン膜の選択エツチングを
例にとり説明する。酸化シリコン膜の選択エツチングは
、ＬＳＩ製造ではコンタクトホールエツチングにおいて
広く使用されているプロセスであり、酸化膜のみエツチ
ングを行い一下地のシリコン（実際には燐や砒素が拡散
されている拡散層）が出るとエツチングが停止しなくて
はならない。そのため、酸化膜のエツチングでは、シリ
コンのエツチング速度はできるだけ小さいことが必要で
ある。

この要求を満たすために、酸化膜のエツチングでは、Ｃ
Ｆ　ａ　／　Ｈ２混合ガスやＣＨＦ３ガス、更にＣＨＦ
　３　／　ＣＯ、ＣＨＦ　３　／　０２混合ガス等が使
用される。ＣＦ４ガスを放電すると、ＣＦＸイオン、Ｃ
ＦｘラジカルやＦラジカルを生じる。

ＣＦＸイオンやＦラジカルはエツチングに寄与するが、
ＣＦｘラジカルは重合してフロロカーボン重合膜を生成
する。水素を添加するとＨラジカルが生じるが、このＨ
ラジカルは、Ｆラジカルを捕獲してＨＦを形成し、また
ｃＦＸがらＦを引抜いてＨＦを生成すると同時に、より
不飽和で重合し易いＣＦ２やＣＦ等を生じる。そのため
、−段と重合膜を生成し易い雰囲気となる。

酸化膜は、それ自体の中に酸素を有しておりＣＦｘを酸
化するため、その表面で重合膜は形成されずエツチング
が進行する。これに対し、シリコンは酸素を含有しない
ため、その表面に重合膜が形成され重合膜で覆われる。

その結果、シリコンのエツチング速度のみが著しく低下
し、酸化膜の選択エツチングが可能となる。

ところで、被処理基体を収容した真空容器の壁面は、ス
テンレスやアルミニウム等で作られており、やはり酸素
を含有しないために重合膜が堆積する。第８図はＣＦ４
と水素の混合ガス（ＣＦ４２０ｓｅｃＩＩｌ、　Ｈ２１
０１０５ｅ、圧力０．０１Ｔｏｒｒ、高周波電力０．５
ｗ１ｃＩ１１２）を放電させ、上部電極（容器の上壁面
）で測定した重合膜の堆積状況を示す図である。

放電時間の増加と共に重合膜の膜厚が厚くなることが判
る。第９図は、これに対応するゴミのレベルを示す図で
ある。図中実線に示す如く、放電時間がある時間を越え
ると、急速にゴミのレベルが増大することが判る。これ
は、最初は重合膜は堆積するだけであったのが、ある程
度厚くなると剥がれ始めるからである。

このような状況は、酸化膜の垂直エツチングだけではな
く、テーバエツチングにも認められる。

テーパエツチングは、エツチングガス（Ｃ１２やＣＦ４
）に堆積ガス（Ｃ２Ｈ４やＣＨＣｌ３）を混合し、エツ
チングと堆積を同時に起こすものである。この場合も、
堆積はウェハ表面だけではなく、真空容器壁面全体に起
こり、ゴミの増加をもたらす。そして、ゴミの発生があ
ることから、ＲＩＥ装置では、一般に比較的短期間毎に
装置を分解して洗浄しなければならず、装置稼動率が低
下する問題があった。

（発明が解決しようとする課題） このように従来、反応性ガスを活性化して被処理基体を
選択エツチングするドライエツチング装置では、真空容
器の壁面に反応性ガスの重合又はエツチング生成物の反
応による堆積膜の付着が生じ、これがゴミ発生の要因と
なっていた。このため、真空容器内を短期間毎に分解洗
浄しなければならず、装置稼動率の低下を招く問題があ
った。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、エツチングガスの重合膜、エツチング
生成物の真空容器壁面への堆積を軽減することができ、
装置稼動率の向上をはかり得るドライエツチング装置を
提供することにある。

［発明の構成〕 （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、真空容器の壁面を冷却することにより
、重合反応等による生成物の付着を抑制することにある
。

即ち本発明は、ドライエツチング装置において、被処理
基体を載置する試料台を収容した真空容器と、この容器
内に反応性ガスを導入する手段と、前記容器内に導入さ
れたガスを排気する手段と、前記反応性ガスを活性化す
る手段と、前記容器の壁面を前記反応性ガスの重合又は
エツチング生成物の反応による堆積膜の付着が起こらな
い温度まで冷却する手段とを設けるようにしたものであ
る。

（作　用） 本発明者等は、重合反応と温度との関係を詳細に調べた
ところ、重合反応に特異な温度依存性があることを見出
した。第７図は、平行平板型のドライエツチング装置を
用い、真空容器内でＣＦ４と水素の混合ガスを放電させ
、上部電極（容器壁面）で測定した重合膜の堆積速度の
温度依存性を示す図である。但し、ＣＦ４流ｆｆｉ２０
ｓｅｃｍ。

Ｈ２流ｆｆ１１０ｓｅｃ＋ｎ、圧力０．０ＩＴｏｒｒ、
高周波電力０．５ν１ｃｎＩ２とした。まず、温度の高
い方から順に考える。温度が低下（７０℃以下に低下）
すると堆積速度は増大する。これは、温度が低いほど重
合する化学種であるＣＦＸの表面での吸着量が増加する
ためと推論される。この理由から従来は、壁面への堆積
膜の付着を防止するためには壁面を加熱すればよいと考
えられていた。

ところが、壁面温度を更に低下させたところ、壁面温度
が一２０℃以下となった一時点で、温度の低下に伴い堆
積速度が逆に低下する現象が見られた。

これは、温度が低すぎるとＣＦｘが吸着しても重合反応
が進まないためと考えられる。本発明はこの事実に基づ
いてなされたものである。

このように、容器の壁面を十分に加熱又は冷却すること
により、該壁面への重合膜の堆積を低下させることがで
きる。しかし、容器壁面を加熱した場合には、その放射
熱によってウェハが加熱されるため望ましくない。また
、低温で重合膜の堆積速度が低下する事実は、ＣＦ４と
水素の混合ガスのみならず、他のエツチングガスでも同
様に認められた。従って、真空容器壁面を十分に冷却す
ることにより、容器壁面への重合膜等の堆積を防止する
ことができ、ゴミの発生要因を低減し、装置を長期間安
定に稼動させることが可能となる。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係わるドライエツチン
グ装置を示す概略構成図であり、マグネトロン放電型の
装置を示している。図中１１は真空容器であり、この容
器１１の内部には被処理基体１２を載置する陰極１３が
収容されている。陰極１３は試料台を兼ねるものであり
、該陰極１３にはマツチング回路１４を介して高周波電
源１５が接続されている。そして、陰極１３と容器１１
の上壁（陽極）１１ａとの間に、高周波電力が印加され
るものとなっている。

容器１１内には、ガス導入管１６からエツチングガスが
導入される。そして、容器１１内のガスはガス排気口１
７から排気される。容器１１の上壁１１ａの上方には、
磁石１８及びヨーク１９からなる磁場印加機構が設けら
れており、前記高周波電力印加とこの磁場印加により、
容器１１内にマグネトロン放電を生起するものとなって
いる。

また、容器１１の外周面には、冷却用配管２０が取付け
られており、この配管２０内に冷媒を流すことにより、
容器１１は冷却される。さらに、配管２０を含み容器１
１の外周面は、断熱材２１で被覆されており、これによ
り容器１１の外周面に結露が発生するのを防止している
。なお、図中２２は試料台としての陰極１２を冷却する
ための配管、２３は絶縁材である。

この装置を用い、まず陽極１１ａの下面に堆積膜モニタ
用のウェハを張付け、容器１１内にＣＦ４／Ｈ２混合ガ
スを導入し、各電極間に高周波電力を印加して放電させ
る。条件は酸化シリコンの一般的なエツチング条件であ
るＣＦ４流量３０ｓｃｃｎ＋、　Ｈ２流量１５ｓｅｃｍ
、圧力０．００５Ｔｏｒｒ、高周波電力１ｗ／ｃｍ２と
した。また、陰極１２は配管２２に冷却水を流すことに
より、その温度を約２０℃に保った。さらに、陽極１１
ａを含む容器１１の壁面は、配管２０にフレオンガス等
を流し、その温度を約−２０℃に保った。

第２図に、放電時間に対するウェハへの堆積膜の膜厚変
化を示す。なお、この膜厚の変化は、”容器１１の壁面
に付着する堆積膜の膜厚変化と等価・　である。容器１
１の壁面を常温に保った場合は、堆積膜は放電時間・と
共に増大する。一方、容器１１の壁面を一２０℃に冷却
した場合は、堆積膜の膜厚増加の程度は著しく低下して
いることが判る。

これは、壁面の冷却によりエツチングガスの壁面（ウェ
ハ）への吸着量は増加するが、重合膜の生成速度が抑制
されるためである。また、前記ウェハ上に付着するゴミ
数の変化を調べたところ、第９図中に破線で示す如く放
電時間に関係なく、ゴミ数が略一定であることが判る。

同様の効果は、ＣＦ　４　／　Ｈ２混合ガスに限らず、
例えば塩素ガスを用いてシリコン基板をエツチングした
場合にも認められる。シリコンを塩素ガスでエツチング
した場合、エツチング生成物である５ｉＣ１ｘ　　（ｘ
＝１〜４）が、エツチングマスクである酸化膜から発生
した酸素と反応し、酸化膜を形成して真空容器１１の壁
面に堆積する。この堆積膜も剥がれてゴミとなり、歩留
り低下を招く原因の一つである。このガス系に対しても
、容器１１の壁面を十分に冷却（−４０℃程度以下に冷
却）すると、堆積速度が著しく低下することが確認され
た。

かくして本実施例によれば、真空容器１１の壁面をある
温度以下に冷却しておくことにより、酸化膜やシリコン
のエツチング時に容器壁面に重合膜やエツチング生成物
が付着するのを防止することができる。従って、ゴミの
発生要因をなくし、長期間に渡り安定したエツチングを
行い得る。しかも、容器内を分解洗浄する回数を少なく
することができ、装置稼動率の向上をはかり得る。また
、容器１１の外周面を断熱材２１で覆っているので、結
露防止効果が得られると共に、壁面冷却効率の向上をは
かり得る利点がある。

第３図は本発明の第２の実施例を示す概略構成図である
。なお、第１図と同一部分には同一符号を付して、その
詳しい説明は省略する。この実施例はマグネトロンエツ
チング装置ではなく、通常の平行平板エツチング装置の
例である。従って、磁場印加機構がないのみで、基本的
には第１図の構成と同様である。なお、本実施例では、
容器１１の壁面を冷却する手段として、容器１１の内部
に冷媒を流すための冷媒流路３０を設け、この流路３０
に配管３１を接続している。このような構成であっても
、先の実施例と同様の効果が得られるのは、勿論のこと
である。

第４図は本発明の第３の実施例を示す概略構成図である
。なお、第１図と同一部分には同一符号を付して、その
詳しい説明は省略する。この実施例は、本発明を光エッ
チングに適用した例であり、容器１１の一部に光透過窓
４１が設けられており、レーザ光源４２からのレーザ光
４３がこの窓４１を通して容器１１内に導光され、被処
理基体１２の表面に照射されるものとなっている。ま“
た、真空容器１１の壁面は、先の第１の実施例と同様に
冷却用配管２０により冷却されている。

光エッチングでは、例えばテトラメチルシランと塩素の
混合ガスに紫外光を照射して、シリコン化合物を堆積し
ながら多結晶シリコンの方向性エツチングを行う場合が
ある。このエツチングでは、光が当たらないパターンの
側壁では、シリコン化合物が堆積してパターン側壁が塩
素ラジカルによってエツチングされるのを防止する。一
方、光が当たる表面では、膜が光によって分解されて多
結晶シリコン表面が常に露出するためにエツチングが進
行する。その結果、方向性のエツチングが達成される。

この場合も、光の当たらない容器壁面ではシリコン化合
物の堆積が起こる。

第５図は、真空容器壁面で測定した堆積膜の膜厚の時間
変化を示す図である。エツチング条件は、塩素流量４０
ｓｃｃＩＩｌ、テトラメチルシラン流量ｔｏｓｃｃｎ＋
。

圧力３０Ｔｏｒｒ、照射紫外光はＸｅＣｌエキシマレー
ザとした。第５図から、真空容器壁面を常温にした場合
に比較して、壁面温度を一３０℃に冷却した場合、膜厚
の増加の割合が著しく低下していることが明らかである
。従って、容器１１の壁面を冷却することにより、該壁
面へのシリコン化合物の堆積を防止することができ、先
の第１の実施例と同様の効果が得られる。

第６図は、本発明の第４の実施例を示す概略構成図であ
る。なお、第１図及び第４図と同一部分には同一符号を
付して、その詳しい説明は省略する。この実施例は、マ
イクロ波放電と光照射とを組合せた装置である。容器１
１には、前記ガス導入管１６とは別に放電管６１が接続
されており、この放電管６１を介して反応ガスが導入さ
れる。

放電管６１の途中には、マイクロ波電源６２からマイク
ロ波が印加される導波管６３が設けられており、この位
置で反応ガスは活性化される。また、先の第３の実施例
と同様に、レーザ光源４２からのレーザ光４３が光透過
窓４１を通して容器１１内に導光されるものとなってい
る。

このような装置においては、例えば塩素ガスを放電管６
１から導入し、１．４５ＣＩＩ２のマイクロ波の印加に
より塩素ガスを活性化して塩素ラジカルを生成し、これ
を容器１１内に導入する。これと同時に、メチルメタク
リレート（ＭＭＡ）をガス導入管１６から容器１１内に
導入し、容器内圧力を０．０２Ｔｏｒｒに保持する。さ
らに、エキシマレーザ光源４２からＫｒＦレーザ光４光
合３４１を通して被処理基体１２に照射し、例えば多結
晶シリコンを選択エツチングする。

ここで、塩素ラジカルとＭＭＡとの反応によって高分子
膜を生じる。パターン側壁に堆積した膜は、光が当たら
ないために分解せずに残り、パターン側壁が塩素ラジカ
ルによってエツチングされるのを防止する。一方、光の
当たる表面では高分子膜は分解され、エツチングが進行
する。その結果、レジストや酸化シリコンをマスクとし
た多結晶シリコンの方向性エツチングが実現できる。こ
の場合も、前述の場合と同様に、真空容器１１の壁面に
も高分子膜が堆積するが、容器壁面を一２０℃程度に冷
却しておけば、高分子膜の堆積が生じなくなる。従って
、真空容器１１の壁面を冷却することにより、高分子膜
の堆積を防止することができ、先の第１の実施例と同様
の効果が得られる。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば、真空容器の壁面の冷却温度は−２０℃或
いは一３０℃に同等限定されるものではなく、使用する
ガス、圧力、その他の条件に応じて適宜定めればよい。

要は、真空容器の壁面に反応性ガスの重合又はエツチン
グ生成物の反応による膜が堆積しない温度以下に、該壁
面を冷却すればよい。また、第１及び第２の実施例では
容器の壁面を陽極として用いたが、陽極を別に設ける場
合はこの陽極も冷却すればよい。その他、本発明の要旨
を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができ
る。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、真空容器の壁面を
冷却する機構を設けることにより、該壁面における膜の
堆積を防止することができ、容器の洗浄頻度を低下させ
、装置稼動率の向上をはかり得、引いては半導体素子の
製造コストの低減に寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係わるドライエツチン
グ装置を示す概略構成図、第２図は第１図の装置を用い
た時の放電時間と堆積膜厚との関係を示す特性図、第３
図は本発明の第２の実施例を示す概略構成図、第４図は
本発明の第３の実施例を示す概略構成図、第５図は第４
図の装置を用いた時のエツチング時間と堆積膜厚との関
係を示す特性図、第６図は本発明の第４の実施例を示す
概略構成図、第７図は本発明の基本原理を説明するため
のもので基板温度と堆積膜厚との関係を示す特性図、第
８図及び第９図はそれぞれ従来の問題点を説明するため
のもので放電時間に対する堆積膜厚及びゴミ数を示す特
性図である。 １１・・・真空容器、ｌｌａ・・・陽極（容器の上壁）
、１２・・・被処理基体、１３・・・陰極（試料台）、
１５・・・高周波電源、１６・・・ガス導入管、１７・
・・ガス排気口、１８・・・磁石、２０・・・壁面冷却
用配管、２１・・・断熱材、２２・・・陰極冷却用配管
、３０・・・冷媒流路、４１・・・光透過窓、４２・・
・レーザ光源、４３・・・レーザ光、６１・・・放電管
、６２・・・マスクロ波電源、６３・・・導波管。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第６図 第７０

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）被処理基体を載置する試料台を収容した真空容器
   と、この容器内に反応性ガスを導入する手段と、前記容
   器内に導入されたガスを排気する手段と、前記反応性ガ
   スを活性化する手段と、前記容器の壁面を前記反応性ガ
   スの重合又はエッチング生成物の反応による堆積膜の付
   着が起こらない温度まで冷却する手段とを具備してなる
   ことを特徴とするドライエッチング装置。
2. （２）前記反応性ガスを活性化する手段として、前記容
   器内に配置された一対の平行平板電極間に高周波電力を
   印加する、前記容器とは別の領域で反応性ガスにマイク
   ロ波を印加する、又は前記容器内に赤外光、紫外光、真
   空紫外光、ＳＯＲ光若しくはＸ線を導入することを特徴
   とする請求項１記載のドライエッチング装置。
3. （３）前記反応性ガスとして、弗化炭素ガス、弗化炭化
   水素ガス、又はこれらの少なくとも一方と他のガスとの
   混合ガスを用いたことを特徴とする請求項１記載のドラ
   イエッチング装置。