JPH02298024A

JPH02298024A - リアクティブイオンエッチング装置

Info

Publication number: JPH02298024A
Application number: JP1119651A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Omi; 忠弘大見
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-05-12
Filing date: 1989-05-12
Publication date: 1990-12-10
Also published as: WO1990013909A1; US5272417A

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】［産業上の利用分野コ本発明はリアクティブイオンエッチング装置に係る。

［従来の技術］現在、集積回路の各種薄膜（たとえば、Ａｆｌ。

Ｗ，Ｔａ等の導電性薄膜、ｐｏｌｙｓ　ｉ　、　Ｓ　ｉ
等の半導体薄膜あるいは５１０２　、Ｓ１３　Ｎ４。

、１２　０３等の絶縁薄膜）を、異方性をもたせてエツ
チングするための手段としてスパッタエツチング技術が
用いられる。スパッタエツチング技術の中でもホトレジ
ストとの選択性を高めたものどしてはＲ　Ｉ　Ｅ　（Ｒ
ｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）法が広く用
いられている。ＲＩＥ法とは真空容器内に励起活性種を
生成する、たとえばＣＦ４等のガス（以下励起活性種源
ガスという）を導入し、基体を取り付けたサセプタに直
流または高周波電力を加えてグロー放電を起こし、プラ
ズマを発生させ、プラズマ中に生成したイオンと励起活
性種とを同時に被エツチング面に作用せしめ、物理的か
つ化学的にエツチングを行なう方法であり、この方法に
よればホトレジストとの選択比を大きく保ちながら異方
性エツチングを実現できる。グロー放電の結果、基体表
面はプラズマに対し負にバイアス（これを自己バイアス
と呼ぶ）されるが、このバイアス電圧によって加速され
たイオンが基体表面にぶつかって基体表面に存在する励
起活性種との作用により基体の表面をエツチングする。

第５図に従来用いられている代表的なイオンエツチング
装置の断面構造の模式図を示す。

５０３は被エツチング面を有するたとえば半導体ウェー
ハあるいはガラスや石英などの基体、５０４はサセプタ
の電極である。サセプタ電極５０４には整合回路を介し
て高周波電力が供給されており、真空容器５０５はアー
スされている。

ここで高周波電源（ＲＦ電源）は、発振周波数１３．５
６ＭＨｚのものを用いるのが普通である。なお、実際の
装置では、以上に述べた以外に、真空用の排気ユニット
やガスの導入口、その他ウェーへの出し入れのための機
構が設けられているが本図では簡単のため省略しである
。また、サセプタ電極の上方に対向平板電極を設けた構
造の場合も多い。

半導体ウェー八等の基体５０３及びサセプタ５０４表面
は、サセプタに加えられたＲＦ電力のためにプラズマに
対し負の自己バイアスｈ＜かかり、この電界で加速され
たイオンが基体表面に作用し基体の被エツチング面がエ
ツチングされる。

［発明が解決しようとする課題］一般に、エツチング速度を高める場合には、高周波電力
を大きくすることによりプラズマ密度を高める必要があ
る。

しかし、従来の装置においては、高周波電力を大きくす
ると、自己バイアスも大きくなり、それがために、基板
には、この大きな自己バイアスによって加速された大き
なエネルギーを有するイオンが照射される。その結果、 ■レジストのエツチングをも行フてしまうことがあり、
パターン寸法の変化をもたらし、その結果、微細加工が
不可能となってしまう。特に、Ｉノジストの厚さが、０
．５μｍ以下となっている近時の高集積化素子において
かかる現象は顕著に表われる。

■エツチングすべき薄膜をオーバエッチしてしまい、こ
の薄膜下の下地材料（たとえばＳｌ基板）に大きなエネ
ルギーをもったイオンが照射されてしまう。特に、下地
材料の原子結合力よりも大きなエネルギを有するイオン
が照射されると下地材料にダメージを与え、かかかる材
料により構成された素子の性能及び信頼性の低下をまね
いてしまう。

また、従来の装置では高周波電源の周波数として１３．
５８ＭＨｚのものを使用しているが、１３．５６Ｍ）ｌ
ｚという低い周波数で放電を行った場合におけるイオン
エネルギは第３図に示すように幅広い分布を有しており
、平均エネルギより十分大きなエネルギを有するイオン
が多数存在している。したがって、入射イオンの平均エ
ネルギをたとえば下地材料の原子結合力よりも小さくし
たとしても、下地材料の原子結合力よりも大きなイオン
エネルギを有するイオンも入射されてしまい、結局上記
■ないし■で生じた現象が生じてしまう。また、第３図
で縦軸の電流が０になる電圧が自己バイアスであり、励
起用波数が高くなるにつれて自己バイアスは小さくなる
。

ＬＳＩの超微細化・超高集積化が進むと、コンタクトホ
ールのアスペクト比は次第に太き（なって行く。すなわ
ち、細くて深い穴を制御性よくかつ再現性よくエツチン
グすることが要求される。

エツチング室のガス圧力を低くして、分子の平均自由行
程を長くすることが必要である。たとえば、１０″″’
Ｔｏｒｒ圧である。ガス圧力が低くなった状態でも、十
分に高濃度のプラズマを生成するためには、放電励起の
周波数は高い程望ましい。ただし、サセプタ電極の直径
より、励起高周波の波長が短くなることは望ましくない
。高次モードの放電が起って、均一な工・ツチング性能
が得られないからである。

すなわち、従来の装置においては、プラズマ密度、照射
イオンエネルギをそれぞれ単独かつ直接的に制御するこ
とが、でき、ず、励起活性種源・ガスの圧力、流量、高
周波電力等の条件を適宜組合せて間接的に制御せざるを
得ない。

しかし、制御すべき因子が多数ある中でその最適の条件
を見い出すこと凍困難であり、特に集積度が上り、最小
線幅が０．５μｍ以下ともなると上記最適条件を見い出
すことは不可能に近くなる。

上記問題点は本発明者によって見い出されたものであり
、本発明者は、従来の装置に生ずる上記問題点を解決す
べく鋭意研究を行ない、その解決手段を見い出すにいた
った。

本発明は、下地材料にダメージを与えず高い信頼性を維
持しつつ高速で微細なパターンのエツチングを正確に行
うことが可能なリアクティブイオンエッチング装置を提
供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］本発明の要旨は、減圧状態になされた雰囲気中において
、プラズマを発生させることにより基体表面あるいは基
体表面に形成された薄膜をエツチングさせる装置におい
て、表面に保護層を有する電極と、基体を装置内にて保
持するサセプタと、′ｓ１の周波数を有する高周波電力
を該保護層を有する電極に供給するための手段と、第１
の周波数より小さな第２の周波数を有する高周波電力を
該サセプタに供給するための手段とを少なくとも設けた
ことを特徴とするリアクティブイオンエッチング装置に
存在する。

［実施例］以下図面を用いて本発明の詳細な説明する。

なお、当然のことではあるが、本発明の範囲は以下の実
施例により限定されるものではない。

第１図（ａ）は本発明の第１の実ＩＭ例である薄膜をエ
ツチングするためのエツチング装置を示す模式図である
。ここでは、半導体基板上に形成された薄膜をエツチン
グする場合について説明する。

１０７は電極であり、この電極１０７は、導電性材料か
らなる母材１０２と母材１０２の表面に形成された保護
層１０１とにより構成されている。保護層１０１は放電
により生じたプラズマにより母材１０２がエツチングさ
れることを防止するための層であり、たとえば、Ｓ１％
Ｓ　ｉ　Ｏ，、石英、ＳＩＣその他の材料から構成すれ
ばよい。

また、略化学量論比を満足するフッ化物よりなる不動態
膜により構成してもよい、この不動態膜は、優れた耐エ
ツチング特性を示し、その不動態膜の形成はたとえば次
のように行えばよい。すなわち、母材（たとえばステン
レス、ニッケル、二ケッル合金、アルミニウム合金その
他の金属あるいは合金よりなる母材）を、高純度不活性
雰囲気中においてベーキングし、ベーキング後高純度フ
ッ素にてフッ化処理し、フッ化処理後高純度不活性雰囲
気中において熱処理を行うことにより母材上に形成する
ことができる。

なお、保護層１０１をＳｉにより構成しておけば、保護
層１０１がエツチングされても基板にはＳｌが混入する
こととなるので、基板に与える影響を最小限にすること
ができる。

サセプタ１０４には整合回路を介して第２の周波数の高
周波電力が加えられている。本例では１００ＭＨｚの高
周波電力を加えた例を示している。また、電極１０７に
は整合回路を介して、サセプタ１０４に加えられている
高周波より大きな周波数（第１の周波数）が加えられて
いる。本例では２５０ＭＨｚの高周波電力が加えられた
例を示している。周波数ｆｌ、ｆｚは整数位の関係にな
いことが望ましい。

さらに、電極１０７およびサセプタ電極１０４にはそれ
ぞれ第１の周波数（本例では２１０ＭＨｚ）、第２の周
波数（本例では１００ＭＨｚ）の高周波のみがそれぞれ
入力されるようにバンドエリミネーター（Ｂａｎｄ　Ｅ
ｌｌｎｉｎａｔｏｒ）１０２°、１０４°が設けられて
いる。すなわち、周波数ｆｌはサセプタ電極１０４にお
いてはアースに短絡されており、周波数ｆ２は電極１０
２においてアースに短絡されている。電極１０７に用い
られるバンドエリミネータ−は基本的にはたとえば第１
図（ｂ）に示したように１０２ｂの構成をとればよい。

Ｌ、Ｃの並列回路はｆ　ｌ＝　＜　１　／　２π匹璽＝
でｍ−）の共振周波数でインピーダンスが最大となり（
第１図（Ｃ））、それ以外の周波数に対しては、はとん
ど短絡となるため、所定の周波数（この場合はｆ、−２
１０ＭＨｚ）の高周波のみ選択して電極に供給すること
ができる。

ここに示した東１図（ｂ）の構成はあくまでも基本的な
原理を示すものであり種々の改善のための変更を加えて
もよいことはいうまでもない。

例えば、第１図（ｄ）は改善の一例である。

１０２ｂの回路は直流的には接地となっているが、これ
を直流的に浮遊状態（ｆｌｏａｔｉｎｇ　）としたい場
合には例えば第１図（ｄ）の１０２ｄのようにコンデン
サＣ，を付加し、直流バスをカットすればよい。この場
合、回路の共振周波数がｆ、からずれないようにＣ３の
値はｆｌ　　＝し＋　＞１／ｆ＋　ｃ。

を満たすよう十分大きな値とする必要がある。

この場合、ｆｏ−（１／２πｒ口了−で］）の周波数に
対し、Ｌｌ　、Ｃ，の直列回路はインピーダンスがＯと
なり、周波数ｆ０の高周波に対し短絡となる。このｆＯ
をサセプタ１０４に加えられる周波数ｆ２−１００ＭＨ
ｚに等しくとっておくと、電１１０７にｊｏＯＭＨｚの
高周波がのるのを有効に防止することができる。すなわ
ち、サセプタ１０４に入る高周波電力の電界が、サセプ
タ１０４から電極１０７に垂直に終端するようにしても
、電極１０７は周波数ｆ２に対してはアースに短絡され
ているから、電極１０７の電圧が周波数ｆ２で変動する
ことはない。

以上はバンドエリミネータ−１０２°　について述べた
が、バンドエリミネータ−１０４′　についても同様な
構成とすれば、サセプタ１０４の電圧が、電極１０７に
供給されるｆｔの周波数で変動することがない、エツチ
ングガスの放電は、周波数ｆ、の高周波により行なわれ
る。イオン密度を濃くするために、ｆｌの電力を大きく
して行っても、サセプタ電極の電圧はいっさい影響を受
けない。

以上のような構成とすることにより、電極１０７、サセ
プタ１０４には、他方に供給させる高周波がのることを
有効に防止し、それぞれに供給させる高周波のみを供給
することができるので、自己バイアス等の制御、ひいて
はプラズマ密度、あるいは照射されるイオンエネルギの
制御を容易かつ正確に行うことが可能となる。

なお、電極１０フ真面に設けられた円筒状磁石１０６に
より電極１０７の表面に略々平行な磁界が生じ、電子は
この磁界にまきついてサイクロトロン運動をする。１０
７．１０４の電極間に垂直な高周波電界が存在すると、
このサイクロトロン運動する電子に有効にエネルギが与
えられ、高周波電力が有効に高密度プラズマを発生させ
る。したがって、本装置では、入力される高周波電力ｆ
、、ｆ２の電界が殆ど垂直に、それぞれサセプタ電極１
０４、電極１０７に終端するように設計されている。

真空容器１０５はアースにつながれている。また、１０
６はマグネトロン放電のための永久磁石である。実際に
は、強磁性体を用いた電磁石の方が好もしい。さらに装
置には真空容器を真空に引く排気ユニットや、ガスを導
入する機構、さらにクエへを出し入れする機構が設けら
れているが、ここには簡単のため省略しである。

本発明装置では、従来の装置とは異なり、サセプタ電極
１０４の他に電極１０７を設けであるため、電極１０７
には電力の大きな高周波電源を供給し、それにより高密
度のプラズマを発生させることができ、ひいては高速の
エツチングを行うことができる。ただ、電力の大きな高
周波電源を供給すると電極１０７における自己バイアス
も大きくなり電極をエツチングするおそれが生ずる。そ
こで、かかるエツチングを防止するために本発明では、
電極１０フに供給する高周波電源の周波数（′ｓ１の周
波数）を第２の周波数より大きくし自己バイアスを小さ
くする（周波数を大きくすると自己バイアスは小さくな
る）とともに、電極の表面には保護層を設けておく。

一方、サセプタ電極に生ずる自己バイアスは第２の周波
数を有する高周波電源の電力および周波数により制御す
ることができるので、被エツチング薄膜の材料、厚さ等
を勘案し、適宜高周波電源の電力、周波数を選択して、
サセプタに供給すればよい。

結局、本発明装置を用いれば、電極１０７により高密度
のプラズマを発生させるとともに、高密度のブラダ中の
イオンエネルギをサセプタ電極により所望の値に制御す
ることができるため、基板等へのダメージ防ぎつつ高速
のリアクティブイオンエッチングを行うことができるこ
ととなる。

次に、電極１０７およびサセプタ１０４に供給する高周
波電力の周波数の影響について述べる。

第２図は電極の電流電圧特性を測定するための装置の模
式図である。装置そのものは第１図に示したものと同じ
であるが、直流電源２０１、電流計２０２が例えば第１
図（ｂ）に示したバンドニリミネータ−１０４ｂのよう
にサセプタに加わる高周波電源の周波数の所でだけイン
ピーダンスが高く、その周波数からずれた周波数に対し
てはほとんと短絡となる高周波フィルタ２０３を介して
１つの電極（この図の場合はサセプタ電極２０４）に接
続されている。直流電源２０１及び電流計２０２を高周
波時に短絡するために、並列にコンデンサ２０６が接続
されている。この状態で、例えばＡｒガスを５ｘｌＯ−
’Ｔｏｒｒの圧力で導入し、５０ｗの高周波電力で放電
を起し、電極に加える直流電圧Ｖとその結果流れる電流
の関係をとったものを第３図に示す。この場合、高周波
電源２０５の周波数は可変とし、たとえば１４ＭＨｚ、
４０．６８ＭＨｚ及びＩＱＯＭＨｚ（７）３つの周波数
に対してとった結果が図に示されている。また正電荷を
もったイオンが電極に流れ込む電流を正の値にとってい
る。

例えば、ｔｏＯＭＨｚの特性をみると、■が約−９５ｖ
（この値をｖｓｅど表す）のとき、■＝０となり、ｖ　
＞　ｖ　、８テはＩ　＜Ｏ，Ｖ＜Ｖｓａでは１＞Ｏとな
っている。このＶＳａは自己バイアスと呼ばれ、電極が
フローティング状態で高周波放電させたときに発生する
直流バイアス電圧である。

すなわち、電極がこの電位にあるときは、プラズマより
電極に流れ込むイオンと電子の数が相等しいため互いに
打ち消し合い電流が０となっているのである。外部より
加えた直流バイアスにより電極の電位をコントロールし
てやると電流が流れる。例えばｖ　＞　ｖ　ｓａとする
とより多くの電子が流れ込みＩ＜Ｏとなる。

また、一方、Ｖ　＜　Ｖ　ｓ　ａとすると電子に対する
ポテンシャルバリヤが高くなって電子の流入数が減少す
るためイオン電流の方が大きくなり正の電流が流れる。

ざらにＶを負の方に大きくすると、Ｖ−Ｖ、で電流値は
飽和し、はぼ一定値となる。

これはイオンのみの電流値に等しい０以上の事実から考
えて、Ｖ＞Ｖｏにおける■−ｖ特性の傾きは電子のエネ
ルギ分布の巾に対応している。すなわち、傾きが大きい
ことは電子のエネルギの分布中が狭いことを意味してい
る０図から明らかなように１４ＭＨｚにくらべ、１００
ＭＨｚの場合はエネルギ分布が約１／１０程度に小さく
なっている。一方、イオンのエネルギ分布巾をΔＥ１゜
１とし、電子のエネルギ分布の巾を△Ｅ、とじたとき両
者の間には略々比例関係があるので、イオンのエネルギ
分布の巾も同様に約１／１ｏに減少しているといえる。

さらに、■、の値も同じ５０Ｗの高周波電力であるのに
１４ＭＨｚの場合の一４００Ｖに対し１００ＭＨｚでは
約−９５Ｖと絶対値で１／４以下に小さくなっている。

１００ＭＨｚ放電で電力を５Ｗまで下げると、Ｖ！ｌＩ
Ｓの値は、−２５■に減少する。周波数も電力を制御す
ることにより、自己バイアスは広範囲に制御できるので
ある。

従来のＲＩＥ法では、下地基板に損傷が生じ、微細加工
を困難とし、デバイスの特性が劣化していたのは次の理
由による。すなわち、従来例では１３．５８ＭＨｚの周
波数で放電させていたため、ｌＶ＊ｕｂ　　ｌ”４００
Ｖ　〜６０００Ｖとなり、この高電圧で加速されたイオ
ンが基板にぶつかっていた。さらにイオンのエネルギ分
布が大きく、たとえエネルギの平均値を制御しても平均
値より十分大きなエネルギをもったイオンが数多く存在
することになり、こうしたハイエネルギのイオンが大き
なイオン衝撃を基板に与えることになり、これが損傷の
生じる原因でありた。しかるに、本発明の第１実施例で
は、電極１０７には２５０ＭＨｚの高周波を用いて放電
を行っているため、従来の１３．５８ＭＨｚの場合にく
らべて△Ｅ　ｔｏｎは１／２０以下と小さくすることが
できた。本発明装置では放電は電極１０７に加えられる
周波数ｆ、の高周波電力により維持され、これにより高
密度のプラズマを発生させるとともに、供給する周波数
をサセプタに供給する周波数より大きな周波数（２５０
ＭＨｚ）としているため、発生した高密度プラズマ中の
イオンエネルギの分布幅も小さく（平均エネルギからズ
レなイオンエネルギを有するイオンの数が少なく）なっ
ている。さらに、電極に平行な方向の磁界強度を可能な
限り強くなるように磁気回路が設計されているため（後
述）、ＳＯＷ入力で自己バイアスは一３０Ｖ以下であり
、プラズマ密度が略々１０倍以上に改善されている。保
護層を有する電極材料を殆どスパッタしない。したがっ
て、サセプタに加える高周波電力の電力ないし周波数ｆ
２を、自己バイアスが基板に損傷を与えない程度に小さ
く制御することがきわめて容易となり、かつ所望のエツ
チング速度が得られるようにｆｌの電力を設定しておけ
ば平均エネルギーより大きなイオンエネルギを有するイ
オンが照射されることがなくなり、薄膜、レジスト膜あ
るいは下地基板への損傷を生ずることなく高速かつ選択
性の高いエツチングを行うことが可能となる。

すなわち、ＶＳａは高周波電源の周波数が高くなるほど
また、高周波電力が小さくなるほど低くなる。したがっ
て、薄膜ないし下地基板の品質を損傷せずに、かつ、高
速エツチングに必要なイオンエネルギの照射量になるよ
うに周波数および電力をサセプタに与えるように選択す
ればよい。

また一方、電極１０２には２５０ＭＨｚが加えられてい
るため、小さな自己バイアスが生じており、また、保護
層が形成されているため電極がエツチングされることを
防止できる。さらに、第１図の実施例ではマグネット１
０Ｂが装着されており、電極近傍でマグネトロン放電（
電子が磁力線に巻きついてサイクロトロン運動しながら
高周波電界からエネルギをもらって中性の活性源ガス分
子を効率よくイオン課する）を起すことによりイオン濃
度を高めてさらにエツチング速度を大きくする構成とな
っている。

以上述べたように本発明による２周波励起リアクティブ
イオンエツチング装置によれば、大きなエツチング速度
を維持しつつ、基板に損傷を生じない高品質な薄膜のエ
ツチングが高選択比で可能となった。

また、第２図に示したようにサセプタに直流バイアスを
加えることによってサセプタに流入するイオンのエネル
ギをコントロールすることも可能である。この直流バイ
アスを印加する方法は、エツチングする薄膜や基板（基
体）が導電性材料である場合に有効である。

以上、電極およびサセプタに供給するＲＦの周波数をそ
れぞれｔ、−００ＭＨｚと２５０ＭＨｚの場合について
のみ述べたが、これに限る必要のないことは言うまでも
ない。要するに前者に対し後者を高くすればよいのであ
って、実際の値はそれぞれの目的に応じて必要なエツチ
ング速度や形成された膜の段差部での被覆形状等を考慮
して決めればよい。また、エツチングすべき材料も絶縁
物に限ることなく、当然導電性材料に対しても有効であ
る。

次に、これまで述べてきたような対向する平行平板電極
間にプラズマを作って行う、各種のプロセス（リアクテ
ィブイオンエツチング、スパッタリング成膜。プラズマ
ＣＶＤ成膜）の高性能化の概念を説明する。

放電プラズマプロセス高性能化の必要条件は、（１）基
体表面にダメージ（損傷）を与えないこと、（２）チャ
ンバや電極材料のスパッタによる、基板表面への汚染が
ないことの２要件である。もちろん、そのほかにも高速
エツチング、高速成膜が行えること、できるだけ少ない
高周波電力で、できるだけ高密度のプラズマを実現する
こと等、具体的なエツチング、成膜高性能化の要求があ
ることはいうまでもない。

要件（１）、　（２）が実現されるためには、放電によ
り形成されるプラズマのプラズマ電位が、チャンバや電
極材料をスパッタしない程度の値、すなわち＋３０Ｖ以
下、望ましくは＋２０Ｖ以下であることが要求される。

チャンバは通常接地された状態で使用されるが、チャン
バ内表面に入射するイオンエネルギーは、プラズマ電位
程度のエネルギーになる。電極１０２やサセプタ電極１
０４は、通常負電圧を印加するので、正電荷を持ワたイ
オンが入射するが、そのエネルギーはそれぞれ所要の目
的を持ったエネルギーに制御される。いずれにしても、
対向電極間に形成されるプラズマ電位が＋５〜＋２０Ｖ
程度の範囲に抑え込まれていることが不可欠の条件にな
る。基板表面を照射する個々のイオンのエネルギーには
、エツチング、成膜の目的に応じて基板表面材料に対し
てそれぞれ最適値が存在する。個々のイオンエネルギー
をそれぞれの材料の最適値に調整するのは、サセプタ電
極に入いる周波数ｆ２の高周波電力を調整して、サセプ
タ電極の自己バイアス−■。

（Ｖ）を、Ｖｏ、ＩＩＩＶ、　＋Ｖ、となるようにすれ
ばよい。

ただし、ＶＯＷ：イオンの最適照射電位、■、；プラズ
マ電位、−Ｖ、：サセブタ電極自己バイアスである。

対向電極間に形成されるプラズマの電位が、低い正電圧
に抑えられていなければ、こうした設計論は通用できな
い、すなわち、ＶＰ＜ｖ。、が成立していなければなら
ない。サセプタ電極に高周波電力を印加して実現される
自己バイアスは常に負電圧であるからである。したがっ
て、Ｖｓｐ＞Ｖ　ｏｐ＞　Ｖ　、が満足されるような、
低い正電圧にプラズマ電位ＶＰを設定するのである。た
だし、ＶＩＰはチャンバや電極材料のスパッタ開始電圧
である。

プラズマ応用装置高性能化の要点が、プラズマ電位を低
い正電圧（Ｖ　ｓｐ＞　Ｖ　ｏｐ＞Ｖ　ｐ’　）　ニ設
定することによることが、以上より判明した。プラズマ
電位が正電圧で高くなる理由は、主としてプラズマ空間
から、買置がイオンにくらべて軽い負電荷を持った電子
が逃げてしまい、正電荷を持ったイオンが過剰になり、
プラズマが正電荷を持つことによっている。したがって
、プラズマ電位を正の低い電位に保つには、プラズマ空
間から電子ができるだけ逃げないようにすることが必要
条件となる。同時に高周波電力によりできるだけ有効に
放電・イオン化が起ることが重要である。こうした条件
を実現する直流磁場分布及び高周波電界分布について、
第６図を用いて説明する。′ｓ６図（ａ）は、対向する
電極１０２．サセプタ電極１０４に対する直流磁界分布
６０１（点線）、高周波電界分布（実線）６０２を示す
。第６図（ａ）には、理想状態の一例が示されている。

すなわち、対向する極板に平行に直流磁界が存在し、極
板間に垂直に高周波電界が存在するのである。極板間に
存在する電子は、直流磁界に巻きついて円運動（サイク
ロトロン運動）する。円運動する電子の運動方向に高周
波電界が存在するから、電界から効率よく電子の運動へ
エネルギーが変換される。エネルギーを得た電子は、極
板間にサイクロトロン運動することによって閉じ込めら
れているから、中性の分子や原子と効率よ（衝突し、そ
の分子や原子をイオン化する。電極１０２、サセプタ電
極は高周波入力により、通常自己バイアスは負電圧とな
る。したがって、負電荷を持った電子は両電極に入射す
ることはない。

電子は両電極間に閉じ込められることになる。しかし、
両電極の平行な方向の間隙からは、電子は外部に流れ出
す。この横方向の電子の逃げを抑えるには、第６図（ｂ
）のように直流磁界の強度を分布させればよい。すなわ
ち、直流磁界の強度は極板の中心から極板端部近傍まで
は一定磁界強度にしておいて、端部近傍で磁界強度を強
くしておくのである。この磁界強度が強くなった部分で
、電子は反射されて、一定磁界強度部分に閉じ込められ
るのである。

第６図に示された本発明の考え方を適用した装置の実施
例を、さらに第７図を■いて説明する。

番号が同じものは、第１図と同じものを示す。

電極間に放電を励起する高周波ｆ１は、同軸コネクタ７
１０を通して供給される。７１６は電極１０２まで高周
波電力を導く内導体であり、７１２はテーバ状になされ
た同軸テーブルの外場゛′　体でありチャンバ１０５に
接続されている。第１図では、直流磁界は永久磁石１０
６により供給されていたが、第７図では電磁石７１４．
フ１５で供給されている。７１５は、電磁石を構成する
透磁率μ及び飽和磁率密度の高い磁性体、７１４は直流
電流を供給する電線である。電磁石は、内導体７１６と
サセプタ電＄１１０２により完全に囲われているため、
高周波ｆ、の電界や磁界にはまったくさらされない。サ
セプタ電極の自己バイアスを制御する高周波電力ｆ２は
、同軸コネクタ７１１を通して供給される。７１７は同
軸テーブルの内導体、フ１３は外導体である。ＬｌとＣ
８の直列回路、し２と０２の直列回路は、それぞれ高周
波ｆｌ＋ｆ２を短絡するための回路である。

７０８．７０９は、これら短絡回路を構成するための、
たとえばテフロン含浸絶縁物基板である。

内導体と外導体を短絡する回路は、円筒同軸構成に適合
するように、放射状に形成されている。第８図（ａ）、
（ｂ）にその例を示す。中央に内導体を貫通するための
穴を設け、円板状になされたテフロン含浸絶縁物基板状
に短絡回路は形成されている。第８図の例では、４個の
直列共振回路が９０度の角度で配置された例が示されて
いる。

８０１．８０３はインダクタンス、８０２゜８０４は積
層セラミックなどの高周波コンデンサである。斜線部は
絶縁物基板に残されたＣｕ薄膜である０通常３５〜７０
ｕｍ程度の厚さである。

絶縁物基板の厚さは、高周波電力にもよるが、１〜３ｍ
ｍ程度である。第８図（ａ）では、インダクタンスは直
線の線が有するインダクタンスが使われており、コンデ
ンサはチップコンデンサである。（ｂ）では、インダク
タンスは電線を所要巻数のコイルが使われ、コンデンサ
は平板コンデンサである。

説明を第７図に戻す。高周波電力、特に電極間に放電を
形成するｆｌの電力が、効率よく電極間に閉じ込められ
るために、電極１０２．サセプタ電極１０４は絶縁物の
セラミック７０６と７０７で、それぞれチャンバ１０５
から浮いた形で構成されている。電極間隔にくらべて、
電極からチャンバまでの距離は遠くなされている。電極
１０２に入射した高周波電力ｆ、の電界が、殆ど電極１
０４に終端するためにである。高周波ｆ、の電流は、電
極１０４に終端した後、内導体７１７゜短絡回路（Ｌｉ
　、　ＣＩ　）、チャンバ１０５を通って外導体７１２
に流れ出す。

電極間隔は、ガス圧力にもよるが通常２〜１０ｃｍ程度
である。電極面積は、基板１０３より大きくなされるか
ら、６インチ、８インチ、１０インチクエバということ
になれば、少なくとも、その直径は２０ｃｍ、２５ｃｍ
、３０ｃｍより大きくなければならない。

第９図に、比較的実際の構造に近い例を示す。

高周波電界が殆ど対向する電極間に閉じ込められること
が分ろう、３４９図で、サセプタ電極１０４の高周波電
力ｆ、に対する短絡が不十分な場合には、第１０図に示
すように、サセプタ電極１０４から直接チャンバに、短
絡回路を設ければよい。

本発明の装置の要点は、対向する２枚の電極間に、可能
な限り強い磁界を設ける点にある。第９図、第１０図の
ように、７１４と７１５で構成される電磁石だと、その
磁力線分布は第１１図のように下方向に拡がった分布に
なる。第１２図に示すように、両電極裏面にそれぞれ完
全反磁性を示す超伝導体あるいは超伝導薄膜７３１，７
３２を設けると、磁力線はこの超伝導体の外周には漏れ
ないから、磁力線は両電極間に閉じ込められるようにな
る。基板を冷却しなければならないどきは、たとえば液
体窒素温度で超伝導を示す酸化物超伝導体を電極裏面に
１μｍ程度以上スパッタ成膜等でコーティングすること
で、きわめて大きな磁界閉じ込め効果を示す。その様子
を第１３図に示す。

同じく、両電極間に磁界を閉じ込めて強い平行方向の磁
界を発生させるには、電極１０２側だけではなく、サセ
プタ電極１０４側にもまったく同様に電磁石（７２１，
７２３）を設ければよい。

その様子を第１４図に示す、電磁石（７１５゜７２２）
、（７２１，７２３）はいずれも、高周波電力供給用の
内導体７１６，７１７で、実質的に囲われている。コイ
ル７２２，７２３に電流を供給する電線が内導体を貫通
して外部に引き出されていることは当然である。第１４
図において、電極１０２，１０４１Ｃ超伝導体をコーテ
ィングすれば、さらによくなることはもちろんである、
第１４図では、放電プラズマが形成されるチャンバは、
基本的にはセラミック７０６で構成されている。金属チ
ャンバ１０５は、アースと高周波電流を流す役割をはな
すことになる。このように構成すれば、第１．９．１０
図の実施例の装置に見られた、電極１０２とチャンバ間
の放電がまったく無くなり、高周波電力は電極１０２，
１０４間に殆ど閉じ込められることになり、少ない高周
波電力で高密度のプラズマを電極間に形成することがで
きる。内導体に囲われる電磁石が永久磁石でよいことは
いうまでもない。永久磁石を構成する材料は通常比透磁
率が低い、４〜５以下である。したがって、第１４図で
、コイル７２２，７２３を除去し、第１５図に示すよう
にドーナツ状の完全反磁性超伝導体７５１．７５２をは
め込むとよい、このとき７１５．７２１は永久磁石であ
る。

以上、チャンバ材料のスパッタ汚染を完全に抑え、基板
にいっさい損傷を生じないリアクティブイオンエツチン
グ装置について説明した。

この時、チャンバ内に流されるガスは、エツチングされ
る材料によって、塩素系（Ｃａ２゜Ｓ　ｉ　Ｃｆ１４．
　ＣＨ２ＣＩＬｚ　、　ＣＣｆ１４等）、フッ素系（Ｆ
２　、ＣＨＩ　Ｆ２．ＣＦ４　、Ｓ　ｉ　Ｆ４等）およ
び混合ガス系（ＣＦ２ＣＪ２を等）であり、キャリアガ
スＡｒ、Ｈｅ、添加ガスＨ２，０２が加えられる。

本発明の装置は、リアクティブエツチングだけではなく
、プラズマＣＶＤ、スパッタリング成膜にも、一部の変
更でただちに使用できる。

スパッタリング成膜を行う時には、電極１０２に、たと
えば静電吸着でターゲット材料を設置し、高周波ｆｌの
周波数を１３．５６ＭＨｚとか４０ＭＨｚとか、いわば
１０〜１００　Ｍ、）（ｚの間に設定する。ターゲット
をスパッタするに十分な自己バイアス電圧を生じさせる
ためである。サセプタ電極１０４側の基板バイアス制御
用の周波数ｆ２をｆ、より高く設定する。たとえば、１
００〜２５０ＭＨｚにである。流すガスは、スパッタ成
膜直前の基板表面クリーニング時には、Ａｒ＋Ｈ２の混
合ガスを流す、基板に吸着している水分やカーボン汚染
などを除去するためである。スパッタ成膜時には、成膜
される薄膜が金属、シリコンなどの時にはＡｒ、Ｈｅ等
の不活性ガスを、Ｓ　＋０２　、Ｔａ２０＠　、Ｔ、＋
０２　、ＡｆＬｚ　Ｏｓや酸化物超伝導体の時には、Ａ
ｒ＋０２をまた５ｉｓＮｎ、Ａｊ２Ｎなどの窒化物の時
には、Ａｒ＋Ｈ２ガスを流す、基板表面を照射するイオ
ンの量が十分であれば、基板加熱は不要である。

ＣＶＤ成膜時には、放電が十分起って、基板表面に数ｅ
ｖから数１０ａｖのイオン照射があればよいのであるか
ら、ｆｌ、ｆ、の関係はリアクティブイオンエッチング
の時と同様になる。ただし、流すガスが、Ｓｉｎ、、Ｓ
ｉ２　）１．等（Ｓ　ｉＦ＆１ｌｌｌ）　、Ｓ　ｉＨ４
＋Ｏａ　−Ｓ　ｉＨｚ　ＣＪ１２＋０２．Ｓ　ｔ２　Ｈ
＠　＋０２　　（Ｓ　ｉ　０２成膜）。

５ｉＨ４＋ＮＨ，。Ｓ　ｉ　Ｈ４＋Ｈ２（Ｓ　ｉ　ｓ　
Ｎ４成ｌ１ｌ）、ＴＭＡ、Ａｊ２Ｃ１１２＋）１２　（
Ａｊ２成膜）。

Ｈ２＋ＷＦＳ　　（ＷＪ＊ｌｌＩり　、Ｔ　ｉ　Ｃｆ２
４４Ｈ２（Ｔ　ｉ成膜）　、　Ｔ　ａ　Ｃ４２４＋　Ｈ
２（Ｔ　ａ成膜）等、ＣＶＤ成膜に必要なガスに変えら
れる。

しかし、例えば、２．４５０）ｉｚのようなマクロ波を
用いたような場合には電磁波の波長が基板ウェーハ径に
くらべて小さくなるためエツチング量のバラツキの原因
となることがあるため好ましくない。

高周波放電に使う高周波電源の波長は少なくともウェー
八口径の２倍より大きいことが均一エッチングの立場か
ら要求される。望ましくは１００ＭＨｚ　（波長３ｍ）
　〜ＩＧＨｚ（波長３０ｃｍ）程度である。

また、電極１０７裏面に設置した磁石１０Ｂは第１図に
示した構成に限ることはない、たとえば第４図（１）の
本発明の第２の実施例に示したように強力な競争路形磁
石４０９を設置し均一性を上げるために走査を行っても
よい、この場合、例えば第４図（ａ）に示したように走
査系４１０を真空容器４０５の外に出しておけば反応系
が機械的な動作から生じる発しんにより汚染されること
が防げて好都合である。

さらに、ウェハサセプタ側にも磁石を設置してリアクテ
ィブイオンエツチングの効率を上げてもよい、またここ
で使う磁石は、第１図１０６のように静止して取り付け
られていてもよいし、第４図（ａ）に示す４１０のよう
に移動できるものであってもかまわない。

また基板への損傷をさらに小さくするため例えば次のよ
うな方法をとることも可能である。例えば、露出してい
る基板表面に形成された５ｆＯ２などの絶縁膜をエツチ
ングさせる場合、まず数μｍ程度の膜が形成されている
間はシリコン基板に供給するＲＦ電力を大きくして高速
でエツチングし、基板表面が露出し始めた後は、ＲＦ電
力を小さく切りかえる方式である。こうすれば基板が露
出し始めてからは低速でエツチングを行えるため基板表
面への損傷をほとんど０とすることが可能である。

基板表面に照射するイオンの運動エネルギが大きくなり
すぎればどんな材料でも損傷を生じる。

材料に損傷が生じ始めるのは、各材料の原子間結合力よ
り照射イオンの運動エネルギがやや大きくなったときで
ある。この原子間結合力は、通常絶縁物の方が半導体よ
り大きい。基板材料、絶縁材料の性質を考慮した上で照
射イオンのエネルギを決めればよい。

第４図（ｂ）は本発明の第３図実施例を示すもので基板
への損傷を小さく抑えつ、つ、且つ基板表面に照射する
イオンのエネルギを自由に選択できる方法を示している
。第１図（ａ）の第１の実施例と比較してかわっている
点は、サセプタに対し、ｆ２．ｆ、という２つの異る周
波数を切り換えて入力できるようになっている点であり
、それに応じてバンドエリミネータ−４０１も変換しで
ある。４０２及び４０３はＬＣの共振回路であり、それ
ぞれｆ２゜ｆｓの共振周波数をもっている。

ｆ２−１７（２πＦ丁で７）ｆ、−１／（２π【７で７）２つの共振回路４０２，４０３を直列に接続したバンド
エリミネータ−４０１はｆｘ、ｆｓの２つの周波数に対
してのみインピーダンスが大きくなり、これ以外の周波
数に対しては短絡となっているため、これら２種類の高
周波のみ選択的にサセプタに供給する機能をもっている
。

例えば、ｆ、は２５０ＭＨｚとし、ｆ、１ｌ１１１００
ＭＨｚ％？、−４０ＭＨｚとする。モして′、例えばま
ず最初の数０．５〜，１μｍ程度の膜が形成されている
間は、サセプタ１０４に加える高周波の周波数をｆ、（
４０ＭＨｚ）とすると、自己バイアスは５０〜２５０Ｖ
と大きくなり、大きなエツチング効果が得られる。表面
が１００人程度になった時点で周波数をｆ、（１００Ｍ
Ｈｚ）に切り換えて薄い膜（例えば１０人〜１００人）
をエツチングする。このようにすれば基板表面が露出し
始めたときは！ＯＯＭＨｚに対応する小さな自己バイア
ス値（約１０〜２０■）で基板表面をイオンが照射する
ため基板へのダメージはほとんど生じない。

このような方法は、ＲＩＥ法により堆積した薄膜の表面
形状の平坦度をコントロールする場合特に重要になって
くる。なぜなら周波数を変化させることにより最も有効
なエツチング用のイオンのエネルギをコントロールでき
、最適のエネルギ値を基板へのダメージの心配をしない
で選べるからである。

ここではｆ２．ｆ３の２つの異る周波数の場合について
のみ述べたが、例えばｆ２．ｆｓ、ｆ４という３つの値
を用いてもよいことはいうまでもない。ただし、この場
合、最初に印加する周波数ｆ４はＦ４＜Ｆ２．ｆｓとし
て、後になるほど最も高周波のものを用いダメージを小
さくすることが重要である。また複数の周波数を用いる
場合、これらは放電励起用の周波数？、も含め、ｆｌ＋
ｆ２．Ｆ３．　　・・・・は互いに高調波の関係にない
ように選ぶのが望ましい、放電空間は非線型であり、従
ってｆ、、Ｆ２．Ｆ３．　　・・・・の高調波が放電条
件によっては全く違った形でのってしまうことがあり条
件の設定が不正確になるからである。

なお、第４図（ｂ）における４０２，４０３の回路に替
え第４図（Ｃ）に示す回路を用いても同種の作用をもた
らすことができる。ただ、第４図（ｃ）においてはＣ３Ｉ）Ｃ２，Ｃ３とする。

以上本発明の実施例は主として５ｉ０２やＳｉ膜のエツ
チングについて述べてきたが、これに限る必要はもちろ
んない。例えば、ＰＳＧ膜、Ｂ　Ｐ　Ｓ　Ｇ＠、ＡＳＧ
膜、シリコン窒化膜、Ａｌ２Ｏｍ膜、ＡｕＮ膜、Ａｌ１
．Ｗ、Ｍｏ。

Ｔａ、Ｔｉあるいはこれらの合金等よりなる膜及び基板
のエツチングに用いてもよい。

また、励起活性種源ガスは被エツチング薄膜の種類によ
り適宜選択すればよい。たとえば、ｐｏｌｙ−５ｔ薄膜
の場合はＣＣｊ２４．ＣＣＪ２２　Ｆ２　。

Ｃｆｔ２等、５ｔｆｉｉ＠の場合はＣＣｊ２２Ｆ２゜Ｃ
Ｆ　４等、５ｉｏ２薄膜の場合はＣＦ４／Ｈ，。

Ｃ２ｒａ等、Ａｊ２薄膜の場合はＣＣ，、Ｉ２４゜Ｓ　
ｉ　Ｃｊ２４　、ＢＣｊ２ｓ等、ＭＯ薄膜、Ｗ薄膜、Ｔ
ｉ薄膜、Ｔａｆ１＠等の場合にはＣＦ４等を適宜用いれ
ばよい。

また、これらが形成されている基板も、絶縁性の基板で
もよいし、導電性の基板、半導体基板でもよい。

また０例えばポリイミド膜やレジストなどの高分子材料
のエツチングに対しても必要に応じて用いてもよいこと
はいうまでもない。

また、エツチングを行なう基板も半導体ウェー八に限ら
ないことはいうまでもない。

また、リアクタイブイオンエツチング以外のスパッタエ
ツチングにも利用できる。

［発明の効果］ °本発明によれば基板への損傷を生じることなく、高品
質で表面平坦度の優れたエツチングを行うことができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１実施例を示す装置
の模式図及び説明図である。第２図は電極の電流電圧特
性を測定するための装置を示す模式図である。第３図は
電極の電流電圧特性の実験データを示すグラフである。第４図（ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明の第２実施例及
び第３実施例を示す模式図である。第５図は従来例を示
す模式図である。第６図は平行平板電極構造と高周波電
界及び直流磁界の分布図である。第７図は本発明の第４
実施例の装置図である。第８図は短絡回路の例である。第９図、第１０図は本発明の実施例を示す断面図である
。第１１図は磁界分布（磁力線）図である。第１２図は
本発明の実施例を示す断面図であるゆ第１３図は電極裏
面に超伝導薄膜が設けられたときの磁力線分布図である
。第１４図、第１５図は本発明の実施例を示す断面図であ
る。ｔｏｉ・・・保護層１０２・・・電極（母材）１０４・・・電極１０２°、１０４’　、１０４ｂ。１０４ｄ、４０１・・・バンドエリミネータ−１０２ｂ
・・・回路１０３・・・基板１０４・・・サセプタ電極１０５・・・チャンバ１０６・・・永久磁石（マグネット）１０７・・・電極２０１・・・直流電源２０２・・・電流計２０３・・・高周波フィルタ２０４・・・サセプタ電極２０６・・・コンデンサ２０５・・・高周波電源４０１・・・バンドエリミネータ− ４０２，４０３・・・ＬＣの共振回路４０５・・・真空容器４０９・・・競争路形磁石４１０・・・走査系５０３・・・半導体ウェー八等の基体５０４・・・サセプタの電極５０５・・・真空容器６０１・・・直流磁界分布（点線）６０２・・・高周波電界分布（実線）７０６．７０７・・・セラミック７０８．７０９−・・テフロン含浸絶縁物基板７１０・
・・同軸コネクタ７１１・・・同軸コネクタ７１２・・・外導体７１３・・・外導体磁石７１４．７１５．フ２２゜７２１．７２３・・・電磁石（永久磁石）７１６．７１
７・・・内導体７２２．７２３・・・コイル７３１．７３２・・・超伝導薄膜７５１．７５２・・・完全反磁性超伝導体８０１．８０
３・・・インダクタンス８０２．８０４・・・高周波コンデンサ第１図（ａ）第１図（Ｃ）第１図（ｄ）第２図第５図第６図（ａ）（ｂ）ｒ第７図　　ｆ１第８図（ａ）　　理路回路　１（ｂ）　　短緒回路　２第９図第１１図第１２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）減圧状態になされた雰囲気中において、プラズマ
を発生させることにより基体表面あるいは基体表面に形
成された薄膜をエッチングさせる装置において、表面に
保護層を有する電極と、基体を装置内にて保持するサセ
プタと、第１の周波数を有する高周波電力を該電極に供
給するための手段と、第１の周波数より小さな第２の周
波数を有する高周波電力を該サセプタに供給するための
手段とを少なくとも設けたことを特徴とするリアクティ
ブイオンエッチング装置。
（２）前記第２の周波数が１００ＭＨｚ以上であること
を特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載のリアクテ
ィブイオンエッチング装置。