JPH02109328A - ドライエッチング方法およびそ装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体のドライエツチング方法およびその装
置に関する。

［従来の技術］ 半導体素子の微細化に伴い、ドライエツチングによる微
細加工技術は、その重要性をきわめて増大させている。

近年、ドライエツチングは、その放電方式の相違、例え
ばマグネトロン放電、マイクロ波放電等によって微細化
に対応している。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来の方法において、イオンのエネルギーはプラズ
マの陰極に形成される自己バイアス電位に依存し、主と
して放電圧力によって決まる。このため、イオンのエネ
ルギーを独立に変化させることは困難であった。

すなわち、エツチング速度の面積依存性を少なくし、エ
ッチジグ速度を大きくするためには、ｈり電の圧力を高
くする方が有利であるが、放電の圧力を高くするとイオ
ンエネルギーが低下し、微細化には不向きとなっていた
。

本発明は、このような課題に鑑みて創案されたもので、
放電圧力、即ちエツチングの中性粒子の量とは別に、試
料に入射するイオンのエネルギーを変化させてエツチン
グ速度の面積依存性を少なくし、高速かつ異方的形状の
エツチングが可能なドライエツチング方法およびその装
置を提供することを目的としている。

「課題を解決するための手段］ 本発明は、平行２極電極を使用した陰極結合方式による
ハロゲン原子を有するガスの高周波放電プラズマ中で陰
極上に配置された試料に対するエツチングを該陰極に外
部直流電圧を印加することにより行うドライエツチング
方法であり、陰極に印加する外部直流電圧を放電時間に
より変化させることを好適とし、その装置としては陰極
と接地電位との間に、低域通過型フィルタを介して直流
電源を設けたドライエツチング装置を使用するものであ
る。

［作用］ 本発明は上記の構成によって、従来技術の課題を解決す
る。

放電入力を一定とした場合、放電圧力によってイオンエ
ネルギーが決まっていたのを、本発明では、外部直流電
圧を印加して、陰極降下電圧を独立に設定してエツチン
グする。この方法を実現するためには、陰極結合方式の
平行平板型高周波放電ドライエツチング装置において、
陰極と接地電位との間に低域通過型フィルタを介設し、
外部直流電源を設けて、この直流電圧により、陰極降下
電圧を放電圧力とは独立に変化させる。

また、上記の外部直流電圧を放電時間に対して変化させ
ることにより、イオンエネルギーが変化し、この変化に
応じてエツチング速度、選択比等を制御することができ
る。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図は、本発明の原理を示す構成図である。

第１図に示すように、本発明の陰極結合型高周波放電装
置は、陽極１１および陰極１２の２つの電極を平行に配
設され、その陰極１２上に試料１３を載置する。該陰極
１２は、整合回路１４を介して高周波電源１５に接続さ
れると共に、低域通過型フィルタ１６を介して外部直流
電源１７にも接続されている。外部直流Ｎ源１１は、極
性を切替えるため２個配設され、切替スイッチ１８によ
って切替えられる。

第２図は、上記基本的構成によるプラズマ中のポテンシ
ャルを示す説明図である。第２図に示す如く、放電のた
めの入力電圧を一定とした場合、ある圧力で決まるプラ
ズマポテンシャルと、陰極降下電位とにより実線Ａで示
されるポテンシャルが存在する。これに対し、前記外部
直流電源によって負の電位を印加された場合、陰極、即
ち試料側には点線Ｂで示す如く陰極降下電圧に外部直流
負電圧が加わり、試料に大割するイオンエネルギーは増
加する。

一方、外部から正の直流電圧を印加された場合、点線Ｃ
で示す如く、陰極降下電圧は減り、試料に入射するイオ
ンエネルギーは減少する。実際には、プラズマポテンシ
ャルもこの外部直流電圧の印加によって、わずかながら
変化することが予想されるが、プラズマポテンシャルは
、放電圧力と放電入力、電力電極間隔て決まる要因の方
が大きく寄与すると考えられるので問題ない。

第３図は本発明の一実施例の構成図で、第１図に示した
原理を具体的に装置化した一例を示し、請求項（３）に
対応する。

本実施例の装置は、平行平板２極電極型に適用した例で
、真空チャンバ３０に直径２００ｍ１ｌｌの接地された
陽極３１および直径２２０ｍｍの陰極３２を設け、該陰
極３２には整合回路３３と３ｋＷの高周波電源３４が接
続される。さらに、所定の高周波成分を通過させない低
域通過型フィルタ３５ｉＢよび外部直流電源３６が接続
される。本実施例では１ｋＶ、ＩＯＡの電源を用いた。

なお、この外部直流電源３６の極性を切替えるために、
切換スイッチ３７を設けた。真空チャンバ３０は、ゲー
トバルブ３８およびコンダクタンスバルブ３９を介して
、真空ポンプ４０で真空排気される。エツチングガスは
ガス導入系４１で流量制御され、真空チャンバ３０へ導
入される。エツチング中の放電圧力は、真空泪４２で測
定され、コンダクタンスバルブ３９で排気速度を制御さ
れる。まず、試料４３を水冷された陰極３２上に載置し
、真空ポンプ４０で約１０−６　ｒｏｒｒ稈度まで排気
する。次にコンダクタンスバルブ３９により所望のコン
ダクタンスに設定し、ガス導入系４１よりエツチングガ
スを流入する。本実施例ではＳＦ６　＋ＣＩ！２　（６
０％）５０ＳＣ叶１を導入した。続いて、高周波電源３
４により、５００Ｗの高周波を入力し、整合回路３３の
チュー二ングにより放電を安定させ、ただちに外部直流
電源３６で直流電圧を印加覆る。

第４図は、本発明の外部直流電圧のエツチング速度に対
する効果を示す特性図である。同図に示すように、印加
電圧の負掩方向増加と共に、シリコン（Ｓｉ）のエツチ
ング速度は、はぼ直線的に増加する。このことから、圧
力を一定にしたままで、所望のイオンエネルギーを選択
することが可能であることがわかる。なお、第４図の設
定条件は、ＳＦ６　＋ＣＩ！　２　　（６０％）、５０
３ＣＣ）ｌ、高周波入力電力５００Ｗである。

さらに、外部直流電源がイオンエネルギーを制御する例
として、酸化膜について印加電圧の効果を調べた結果を
第５図に示す。設定条件は、ＣＨＦ３．５０５ＣＣＨ１
高周波入力電力１５０Ｗで、酸化膜をエツチングする。

外部直流電圧を印加しないとき、約５０ｍＴｏｒｒ以上
の圧力ではポリマーの堆積反応が起る。即ち、イオンエ
ネルギーが低くなるためであるが、負の外部直流電圧を
増／ＪＯするに従って、ポリマーの堆積を起ずＣＨＦ５
ｕ力が次第に高くなっていることがわかる。これは、イ
オンの入射エネルギーが高くなることに起因する。

逆に正の電圧を印加すると、低い圧ツノでしポリマーが
堆積する。

以上、第４図および第５図の結果から、外部直流電圧の
変化により、従来は圧力のみに依存していたイオンの入
射エネルギーを変化させることができることが明らかで
ある。

第６図は、複数段階に分けて本発明を実施した場合の縦
軸に外部直流印加電圧、横軸に放電時間を示した特性図
で、請求項（２）に対応するものである。これは、ｌ！
−８ｉ（２％）−Ｃｕ（４％）のＢ　Ｃｆｌ　３　＋Ｃ
ｊ！　２＋Ｓ　！　Ｃｆｌ　４を用いた際のドライエツ
チングについて一例を示したもので、／’Ｊ系のドライ
エツチングでは、表面に酸化物が形成されているため、
−２００Ｖの印加を行い、酸化物層を除去した後、−１
４０Ｖにし、エツチングする。最後に、逆に下地酸化膜
とのエツチング選択比を大きくするため、追加エツチン
グ工程では正の直流電圧を印ｈｕする。この系では、約
１珈のＡｊ　−３ｉ　−Ｃｕ−ｈ＜レジストマスクで６
分５０秒でエツチングすることができた。

さらに別の実施例では、エツチング後の表面処即ち可能
となる。例えば、３ｉ基板のトレンチエツチングの場合
、ＣＲ２＋３　ｉＣＪ！＜　　（２０％）を用い、第７
図に示した放電シーケンスを用いた。

圧力は６０…Ｔｏｒｒである。この場合、放電と同時に
印加電圧は−３５０Ｖとし、異方的にエツチングする。

５分間で約４迦のトレンチエツチングを終了後、印加電
圧を＋１５０とする。即ら、表面の損傷層を最後に低エ
ネルギーエツチングで除去するわけである。この外部直
流電圧の印加が無い場合の陰極降下電圧は約−１６０〜
１７０ｖであったため、最後の表面処即は約１０〜２０
ｅの低イオン、１ネルギーで行われたことになる。

本発明の外部直流電圧により、イオンの入射エネルギー
を変化させた場合のエツチング速度に対する効果は、既
に述べたとおりである。第８図（ａ）　、　（ｂ）　ｌ
よび（Ｃ）は、８１基板８２を、エツチングマスク８１
を用いてエツチングした時のエツチング結果の断面形状
を示す模式図で、図（ａ）および図（ｂ）は従来例を示
し、図（Ｃ）は本発明の一実施例を示している。

同図において、放電入力は０．２誓／ｃｍ２　、Ｓ　Ｆ
６十（Ｊ’２（６０％）で、各測量−である。第８図（
ａ）は、圧力８０ｍＴｏｒｒで比較的エツチング速用の
面積依存性が無い条件である。この場合、圧力が高いた
め、エツチングの形状が等方的になり、酸化膜のエツチ
ングマスク８１下方にサイドエツチングが観測される。

そこで第８図（ｂｌでは、エツチング圧力を２０…Ｔｏ
ｒｒに下げ、イオンエネルギーが高くなる条件を選ぶと
、異方性は出るが、側壁で斜め入射したイオンが底面側
壁でイオン密度を増加させるので、エツチング側壁底面
にいわゆるリブトレンチが入る。もちろん、圧力が低い
ため、エツチング速度がエツチング面積のウェハ上の差
による部分的な面積依存性を持つ、いわゆる、０カルロ
ーデイング効果も現れる。第８図（Ｃ）は、本発明の外
部直流電圧（−１００Ｖ）を印ＦＪＯした場合で、圧力
は、第８図（ａ）と同じ８０ｍＴｏｒｒとしている。第
８図（ｂ）−の２０ｍＴｏｒｒの場合と、第８図（Ｃ）
の８０ｍ丁ｏｒｒで、−１ｏｏｖを印加した際のイオン
大剣エネルギーは、隠極降下電圧の測定からばば等しく
、１４０Ｖであった。しかし、第８図（Ｃ）に示すよう
に異方的でかつ、サブトレンチの入らないエツチング形
状が（ｑられ、これ（よ、イオンエネルギーが同じでも
圧力の高い分だけ、中性粒子によるエツチングの寄与が
大きく、イオン密度のみが大きく寄与するサブトレンチ
が形成されなかったものと考えられる。

エツチングガスの組合わせおよび成型入力電力の違いに
よっては、第８図（Ｃ）において、エツチングマスク８
１下に若干のサイドエツチングが入る場合もあるが、こ
れは圧力が高くなると、イオン自体が中性粒子によって
散乱を受けたためと考えられる。この場合、外部印加電
圧を少し増加させることによりサイドエツチングは現れ
なくなる。

即ら、エツチング形状の制御も本発明の方法では可能と
なる。これはテーパーエツチング等にも応用できること
は、いうまでもない。

次に第８図（Ｃ）の条件で、所定の深さにドライエツヂ
レグ後、追加エツチングとして、エツチングガスを５ｉ
ＣＩ！＜（２０％＞十Ｃβ２に変えて、外部直流印加電
圧を＋１３０ｖにし、約１分３０秒間エツチングし、表
面処理を行った。第９図は、その際の表面のオージェス
ペクトルを示す特性図である。図（ａ）は、エツチング
直後を示し、図（ｂ）は、）０ｈ０エツチングしたもの
を示している。イオウおよび炭素のピークが大きく減少
し、表面処理が行われていることが明らかである。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、放電圧力、即ち
エツチングの中性粒子の量とは別に、試料に入射するイ
オンのエネルギーを変化させてエツチング速度の面積依
存性を少なくして微細化の一途をたどるエツチング形状
に対応し、高速かつ異方的形状のエツチングを可能にす
るドライエツチング方法およびその装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理の構成図、第２図はプラズマ中の
ポテンシャルを示す説明図、第３図（ま本発明の一実施
例の構成図、第４図はＳ　ｉ　（１００）のエツチング
速度の電圧依存性を示す特性図、第５図は放電と外部直
流電圧の特性図、第６図および第７図は外部直流電圧と
放電時間の特性図、第８図はエツチング形状の模式図、
第９図はエツチング後のＳｉ表面のオージェスペクトル
特性図である。 １１、３１・・・陽極　　　　　１２．３．２・・・陰
４本１３、４３・・・試料　　　　　１４．３３・・・
整合回路１５、３４・・・高周波電源 １６、３５・・・低域通過型フィルタ １７、３６・・・外部直流電源　１８．３７・・・切換
スイッチ３０・・・真空チャンバ　　　３８・・・ゲー
トバルブ３９・・・フンダクタンスバルブ ４０・・・真空ポンプ　　　　４１・・・ガス導入系４
２・・・真空計　　　　　　８１・・・エツチングマス
ク８２・・・３ｉ塁板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）平行２極電極を使用した陰極結合方式によるハロ
   ゲン原子を有するガスの高周波放電プラズマ中で陰極上
   に配置された試料に対するエッチングを該陰極に外部直
   流電圧を印加することにより行うことを特徴とするドラ
   イエッチング方法。
2. （２）陰極に印加する外部直流電圧を放電時間により変
   化させることを特徴とする請求項（１）記載のドライエ
   ッチング方法。
3. （３）平行２極電極を使用した陰極結合方式による高周
   波放電エッチング装置において、陰極と接地電位との間
   に、低域通過型フィルタを介して直流電源を設けたこと
   を特徴とするドライエッチング装置。