JPH0294522A

JPH0294522A - ドライエッチング方法

Info

Publication number: JPH0294522A
Application number: JP24597888A
Authority: JP
Inventors: Makoto Sekine; 誠関根; Haruo Okano; 晴雄岡野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-09-30
Filing date: 1988-09-30
Publication date: 1990-04-05

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】［発明の構成コ（産業上の利用分野）本発明は半導体集積回路の製造工程で実施されるドライ
エツチング方法に関し、特にいわゆるマグネトロンＲＩ
Ｅ装置でドライエツチングを行い、これを定期的にクリ
ーニングする方法に関する。

（従来の技術）近年、半導体集積１回路は急速な発展を遂げ、現在はサ
ブミクロンサイズの素子を持つＬＳＩも試作されるに及
んでいる。このような素子形成において、最近、Ｓｉ基
板に溝（トレンチ）を形成し、絶縁物を埋め込んで素子
分離領域としたり、あるいは溝の内面に形成した薄い酸
化膜を介して電極となる導体を埋め込んでＭ　ＯＳ　（
Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−８ｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
）構造のキャパシタを形成する技術が開発されている。

これらの技術では、第２図（ａ）に示すように、シリコ
ン基板２１表面にマスク（例えば５ｉＯ２）２２を形成
し、反応性イオンエツチングにより間口Ｗが狭く深さｄ
が深い、いわゆるアスペクト比（溝の深さ７幅）の高い
溝２３を高速に形成する技術が必須となる。

このような要請に対し、本発明者らは、■高速に加工す
るために、高密度のプラズマを形成して大量のイオンを
生成させ、■高アスペクト比に加工するために、その高
密度プラズマから方向の揃ったイオンを引き出すことを
考えた。具体的には、■ウェハと対向する電極の裏側か
らプラズマに磁界を与え、ウェハから少し離れた位置に
高密度プラズマを生成させる、■ガス圧力を１０−’Ｔ
ｏｒｒ程度の低圧力に保ち、平均自由行程を長くするこ
とにより、イオンと中性粒子の散乱を少なくし、高密度
プラズマからイオンを真直ぐにウェハへ向けて引き出す
方法を採用した。

第１因にこのような方法を実施するために使用されるマ
グネトロンＲＩＥ装置の概略構成図を示す。第１図にお
いて、真空容器１にはガス導入口２及び排気口３が設け
られている。この真空容２ｇｌ内には絶縁物４に支持さ
れて第１の電極（カソード）５が配置され、この第１の
電極５に対向するように真空容器１の上端には第２の電
極（アノード）６が取り付けられている。前記第１の電
極５には高周波電源７からマツチング回路８を介して高
周波電力が印加され、第２の電極６は接地されている。

また、前記第２の電極６の大気側には磁石９が配置され
、第１の電極５の表面近傍に磁界を与えるようになって
いる。なお、第１の電極５は冷却機ｔ＋ＷｌＯによって
冷却される。そして、前記第１の電極５上に彼エツチン
グ試ｔｆ１として例えばＳｉウェハＩＩが載置される。

このマグネトロンＲＩＥ装置によるドライエツチング処
理は以下のようにして行われる。前記のように彼エツチ
ング試料がＳｉウェハ１１である場合、エツチング用の
ガスとしては通常ＣΩ２、ＳｉＣΩ４などの塩素系ガス
もしくはＣＢｒＦ３、ＳＦＬ、、ＣＦ４などのフッ素系
ガスもしくはこれらの混合ガス又はこれらと酸素との混
合ガスが用いられる。このようなエツチングガスをガス
導入口２から真空容器１内に導入し、排気系のバルブ操
作により４Ｐａ以下の特定の圧力、例えば２Ｐａに調整
する。この状態で第１の′電極５に高周波電力を印加す
ると、１５周波放電によりプラズマが発生する。第１の
電極５表面には電界Ｅか誘起され、この電界によりプラ
ズマからイオンが引き出され、ウェハ１１を衝撃し、エ
ツチング反応が進行する。また、磁石９により２００ガ
ウス程度以下の磁界が誘起され、この磁界の第１の電極
５に平行な成分Ｂとこれに直交する電界Ｅにより、プラ
ズマ中の電子が磁界Ｂ及び電界Ｅに直交する方向にサイ
クロイド運動を起す。この結果、電子と中性粒子（分子
、原子）との衝突確率が増加し、イオン化が促進される
ため、高密度プラズマが形成される。

このようなマグネトロンＲＩＥ装置によるドライエツチ
ング方法では、前述したようにエツチング種となるイオ
ンが増加するため高いエツチング速度が得られ、またガ
ス圧力が４Ｐａ程度以下であり平均自由行程が長いこと
から電界によってプラズマからイオンがウェハ１！へ向
けて引き出される際に他の中性粒子などと衝突する確率
が低く、イオンは真直ぐにウェハ１１へ入射するため方
向性のよい加工が可能となる。

ところで、実際に反応性イオンエツチングを行う場合、
第２図（ｔ））に示すように、エツチング中に溝２３の
側面に薄い堆積膜２４を形成させる。これは、例えば第
３図に示す溝２３の側面Ｓｔに着目した場合、この側面
Ｓｔをこれに対向するマスク２２の側面Ｓｍからの反射
イオン２５から保護する必要があるためである。このよ
うな堆積膜２４は、エツチング生成物自体を堆積種とし
て形成させる場合もあるし、エツチングガスに堆積ガス
を僅かに添加して形成させる場合もある。また、こうし
た方法でエツチングを行う場合、基板温度を厳密に制御
してウェハのエツチングと堆積膜の堆積とを微妙にコン
トロールしなければならない（参考文献門限ら；第８回
ドライプロセスシンポジウム予稿集、　ｐ４２．電気学
会、　１９８６）。

ところが、エツチングガスに堆積ガスを添加すると、真
空容器１の内壁やイオン衝撃の少ない第２の電極（アノ
ード）６にも堆積膜が形成される。

また、エツチングガスへの堆積ガスの添加量が少ない場
合でも、エツチング生成物が再付召して厚い堆積膜が形
成される。また、エツチングマスクとして５ｉｎ２を用
いた場合、Ｃｇを含むシリコン酸化物が同様に堆積する
。特に、エツチングガスとしてＣＦ２やＳ　ｉ　Ｃｊｌ
ｌ　４を使用した場合には、エツチング生成物であるＳ
ｉＣΩｘ（Ｘ−１〜２）が多く堆積する。このような堆
積膜は磁石を使用しない通常のＲＩＥ装置においても発
生するが、本発明者らの開発した低ガス圧力のマグネト
ロンＲＩＥ装置において顕著である。以上のように堆積
膜が形成されるのは以下のような理由による。

■低エネルギではあるが大量のイオンでエツチングを進
行させるため、スパッタリングの効果が大きい。このた
め、反応生成物は不飽和のままスパッタリングにより気
１１１へ叩き出され、これが高密度のプラズマ中に入る
と分解されて更に低次の反応生成物となる。このような
反応生成物は真空容器１内壁や第２の電極６などへの吸
着確率が高く堆積膜を形成しやすい。

■低ガス圧力であるため、エツチングガス自体の反応生
成物が気相中で中性の活性種と再結合することが少なく
、蒸気圧か低く堆積しゃすい状態となる。

■ウェハ１１近くまである程度の磁界強度を得るために
電極間隔を３〜５　ｃｍ程度としており、通常のＲＩＥ
装置に比べて狭くなっている。

■第２の電極（アノード）６側に磁石９を配置している
ため、第２の電極６の表面近傍は数百ガウス以上の高磁
界になっている。このため、狭電四間隔方式のＲＩＥ装
置にもかかわらす、第２の電極６側を衝撃するイオンの
エネルギは極めて低く、堆積物が付青しやすい。

■以上のようにして形成される堆積膜はポーラスで密度
の低い弱い膜であり、第１の電極（カソード）５上のウ
ェハ１１のエツチング速度が速く、大量の反応生成物が
供給されるため、堆積膜の形成される速度は速い。

すなわち、低ガス圧力のマグネトロンＲＩＥ装置は高性
能であるがゆえに、堆積膜が生じやすいという問題があ
る。

そして、こうした堆積膜は、■第２の電極６表面の電気
的特性を変化させ、エツチングの再現性を悪くする、■
脱ガス又はガスの吸着確率を変化させることにより、エ
ツチング雰囲気の組成か徐々に変化してエツチング特性
か変わる、■堆積膜が厚くなってくると、はがれ落ちて
パーティクルの発生源となる、■覗き窓を曇らせ、光学
的な終点検出を不可能にする、などの深刻な問題を生し
る。

このため、従来は真空容：（；１の真空を破って洗浄す
ることにより、堆積膜を取り除いていた。しかし、真空
容器１を再び真空に戻し、しかも残留空気の影響をなく
すために一定時間の放電を行わなければならないため、
装置の復帰には非常に時間がかかるという問題があった
。また、洗浄作業にも時間がかかり、かつエツチングに
使用するガスか反応性の高い毒ガスであるため、安全」
二の問題も多かった。

（発明が解決しようとする課題）本発明はこのような問題点を解決するためになされたも
のであり、真空容器の真空を破ることなく堆積膜を除去
することができ、装置の稼働率を上げ、安全上の問題を
避け、しかもエッチングの信頼性を向上し得るドライエ
ツチング方法を提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明のドライエツチング方法は、被エツチング試料が
載置される第１の電極及びこの電極に対向配置された第
２の電極を備えた真空容器と、該真空容器内にエツチン
グ用のガスを供給する手段と、前記真空容器内のガスを
ｆＪＩ気する手段と、前記第１の電極又は第１及び第２
の両電極に高周波電力を印加する手段と、前記第１の電
極の表面近傍に磁界を与える手段とを具備したドライエ
ツチング装置を使用し、前記被エツチング試料をドライ
エツチング処理するにあたり、前記真空容器内に、前記
エツチング用のガスとは異なるクリーニング用のガスを
導入し、ドライエツチング処理時より高い圧力で高周波
放電を起し、ドライエ・。

チング処理により生した前記第２の電極表面及び前記真
空容器内壁の堆積膜を除去する工程を定期的に行うこと
を特徴とするものである。

本発明で使用されるドライエツチング装置（いわゆるマ
グネトロンＲＩＥ装置）では、ドライエツチング時に使
用されるエツチングガスとしては、ＣｇやＦなどのハロ
ゲン元素を含む反応ガス又はこれらに０２を添加した混
合ガスが望ましく、具体的にはＣＤ　２　、ｓ　ｉｃ　
ｐ　４などの塩素系ガスもしくはＣＢ　ｒ　Ｆ　３　、
Ｓ　Ｆ　ｂ　、ＣＦ　４などのフッ素系ガスもしくはこ
れらの混合ガス又はこれらと０２との混合ガスが挙げら
れる。特に、エツチングガスとしてＣＮ２やＳ　ｉ　Ｃ
（１４を使用した場合には、堆積膜の形成が顕著となる
。また、ドライエツチング処理時のガス圧力は通常４Ｐ
ａ以下に設定される。

本発明において、クリーニング時に供給されるクリーニ
ングガスは、エツチングガスとは異なるものであり、Ｆ
を含む反応性ガスが好ましくＮＦ３　ＣＦ４、フロンガ
ス類又はこれらとＨ２Ｏもしくは０２との混合ガスが挙
げられるか、ＣΩ２、ＣＦを含む反応性ガス、０２など
を用いてもよい。これらのうちでもＮＦ、又はＦを含む
ガスとＨ２Ｏとの混合ガスが望ましい。また、クリーニ
ング時のガス圧力はエツチング時のガス圧力よりも高く
、４Ｐａを超えて設定される。

本発明において、クリーニング処理を高速化するという
観点からは、第１の電極の表面近傍に磁界を与える手段
として、磁石を第２の電極の大気側に配置することが望
ましい。前記磁石としてはＮ極とＳ極とが交互に間隔を
持って配列された複数の棒状又は閉回路をなす永久磁石
又は電磁石か挙げられる。

（作用）このような本発明方法によれば、低ガス圧力のマグネト
ロンＲＩＥ装置を用い、エツチング用のガスと異なるク
リーニング用のガスを流すこ占以外はエツチング処理時
と同様な操作により、真空容器の真空を破ることなく、
エツチング処理を繰り返すうちに第２の電極表面や真空
容器内壁に骨管した堆積膜を除去することができる。

なお、本発明方法では、クリーニングガスの圧力はドラ
イエツチング処理時（通常４Ｐａ以下）より高い圧力（
４Ｐ　ａを超える圧力）に保持される。この場合、第２
の電極の大気側に磁石を配置すれば、堆積膜を高速に除
去することができる。

すなわち、クリーニングガスの圧力が２Ｐａ以下の場合
には、第２の電極の大気側の磁石から印加される磁界に
より、第１の電極の少し上の位置に高密度プラズマが形
成される傾向にあり、第１の電極上の被エッチング試料
が高速にエツチングされる。これに対して、クリーニン
グガスの圧力が４Ｐａより高くなると、第２の電極の大
気側の磁石から印加される磁界により、高密度プラズマ
は第２の７１５極に近づいて形成されるようになる。こ
のため、第２の電極近傍で大量のエツチング種を生成さ
せることが可能になり、堆積膜を高速に除去することが
できる。また、この磁界は第２の電極を衝撃するイオン
のエネルギを低下させる作用かあり、第２の電極自体を
エツチングしてしまうことはない。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面の簡単な説明する。

第１図に示すマグネトロンＲＩＥ装置を使用し、エツチ
ングガスとしてＣΩ２＋ＳｉＣΩ４の混合ガスを用いて
２Ｐａの圧力で所定期間Ｓｉ基板のエツチングを行った
。その結果、第２の電極（アノード）６上には堆積物が
付着した。

本発明方法に係るクリーニング処理は以下のようにして
行われる。この場合、第１の電極５上には保設のために
ダミーウェハを載置しておくとよい。そして、クリーニ
ングガス、例えばＮＦ３をガス導入口２から真空容器１
内に導入し、排気系のバルブ操作により所定圧力となる
ように調整する。この状態で第１の電極５に高周波電力
を印加し、エツチング時と同様に高周波放電によりプラ
ズマが発生させる。また、磁石９により２００ガウス程
度以下の磁界が誘起させる。

第３図にこの時のガス圧力に対する第２の電極６上の堆
積膜のエツチング速度を示す。第３図から明らかなよう
に、ガス圧力が低くなるつれて、エツチング速度は低下
する傾向を示している。そして、ガス圧力が４Ｐａ程度
より低い場合には堆積膜が十分に除去されず、いくら長
時間エツチングを行っても残存物が観察された。これは
、第１図に示すような第２の電極２の大気側に磁石９を
設けたマグネトロンＲＩＥ装置では、ガス圧力が低くな
ってくると、高密度プラズマが第１の電極５近傍に形成
されて第１の電極５上のウェハのエツチング速度が速く
なり、更にエツチング生成物か第２の電極６に付着しや
すくなり、クリーニング用のガスを使用しても堆積物が
生じるためである。これに対して、ガス圧力が４Ｐａよ
り高くなると、第２の電極６の大気側の磁石９から印加
される磁界により、高密度プラズマは第２の電極６に近
づいて形成されるようになる。このため、第２の電極６
近傍で大量のエツチング種を生成させることが可能にな
り、堆積膜を高速に除去することができる。したがって
、本発明方法ではクリーングガスの圧力は少なくとも４
Ｐａ以上が釘効である。

第４図（ａ）及び（ｂ）にクリーニング処理を行う前、
及びＮＦ、ガス圧力をＩＯＰ　ａとしてクリーニング処
理を行った後に、それぞれ第２の電極６の表面をＸＰＳ
　（Ｘｉ主電子分光法で分析した結果を示す。

エツチング処理時にはエツチングガスとしてはＣΩ２　
＋　Ｓ　ｈ　ＣＤ　４の混合ガスが用いられているので
、第４図（ａ）に示すように、クリーニング処理前の堆
積膜にはＣｇが多く含まれている。なお、Ａｊのピーク
が現れているのは、第２の電極６を構成する材料として
Ａρを使用し、表面にアルマイト加工を施して耐腐食性
をもたせているためである。

これに対して第４図（ｂ）に示すように、クリーニング
処理後にはＣｐのピークは消えており、堆積膜が除去さ
れていることかわかる。一方、新たにＦのピークが現れ
、第２の電極６にＦが残留していることがわかる。第２
の電極６に残留している影響を調べるために、まずクリ
ーニング処理後に再びＣΩ２＋ＳｉＣΩ４の混合ガスを
用い、Ｓｉウェハのエツチングを行ったところ、クリー
ニング処理前の”ｆ）月υＪと比較してエツチング速度
、エツチング形状、マスク（Ｓ１０２）との選択比は全
く変化しなかった。また、Ｓｉウェハに形成された溝の
内面に酸化膜を形成し多結晶シリコン膜を埋め込んでＭ
Ｏ３構造のキャパシタを作製し、その絶縁耐圧を調べた
ところ、クリーニング処理前の初期に作製されたキャパ
シタと何ら変化がなかった。これらの結果から、クリー
ニングガスとしてＦを含むガスを用いることにより第２
の電極６に微量のＦが残留したとしても、その影響は全
くないことが確認された。もちろん、クリーニングガス
としてＦを含まないガスを用いた場合には、このような
心配は全くない。

なお、本発明方法は以上の実施例に限定されるものでは
なく種々変形して応用が可能である。例えばクリーニン
グガスとしては、堆積膜の組成に応じて、ＮＦ、のほか
にＣＦ４、フロンガス類、ＣＮ　２　、Ｃｌｌを含む反
応性ガスなどを用いることができる。例えば堆積膜が炭
化水素やフロロカーボンを含む場合には、クリーニング
ガスとしてＯ２を使用したり、前記のようなガスに０□
を添加するとａ効である。また、ＮＦ、とＨ２Ｏのよう
に相互に反応して酸素を大量に発生する混合ガスを用い
てもよい。

また、クリーニング処理時に高周波電力を第１の電極（
カソード）だけでなく、第２の電極（アノード）に印加
してもよい。このような方法では堆積膜を更に高速にエ
ツチングすることができる。

［発明の効果］本発明によれば、真空容器の真空を破ることなく、第２
の電極や真空容器内壁に何首した堆積膜を除去すること
が可能になり、装置の稼働率を大幅に上げることができ
る。また、パーティクルの数も減少し、アスペクト比の
高い溝を有するデバイス自体の歩留まりも向上させるこ
とができる。

また、本発明方法は装置を何ら改造することなく利用で
きる。しかも、処理速度が速く処理後のエツチング特性
に影響を与えることもないので短時間で元のエツチング
処理に復帰できる。更に、作業音が毒性の高い化学物質
に触れることがないので、安全衛生の上でも極めて効果
が高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明において用いられるドライエツチング装
置の概略構成図、第２図（ａ）はＳｉ基板表面の溝の説
明図、同図（ｂ）はＳｉ基板に溝を形成する方法を示す
説明図、第３図は本発明の実施例においてクリーニング
処理を行った際のＮＦ、ガス圧力と堆積膜のエツチング
速度との関係を示す特性図、第４図（ａ）は本発明に係
るクリーニング処理を行う前の第２の電極のＸＰＳスペ
クトル図、同図（ｂ）は本発明に係るクリーニング処理
を行った後の第２の電極のＸＰＳスペクトル図である。１・・・真空容器、２・・・ガス導入口、３・・・排気
口、４・・・絶縁物、５・・・第１の電極（カソード）
６・・・第２の電極（アノード）、７・・・高周波電源
、８・・・マツチング回路、９・・・磁石９、ＩＯ・・
・冷却機構ｌ０１Ｉｆ・・・Ｓｉウェハ。出願人代理人　　弁理士　鈴江武彦９石すし６６第２の電才ム男１図第２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被エッチング試料が載置される第１の電極及びこ
の電極に対向配置された第２の電極を備えた真空容器と
、該真空容器内にエッチング用のガスを供給する手段と
、前記真空容器内のガスを排気する手段と、前記第１の
電極又は第１及び第２の両電極に高周波電力を印加する
手段と、前記第１の電極の表面近傍に磁界を与える手段
とを具備したドライエッチング装置を使用し、前記被エ
ッチング試料をドライエッチング処理するにあたり、前
記真空容器内に、前記エッチング用のガスとは異なるク
リーニング用のガスを導入し、ドライエッチング処理時
より、高い圧力で高周波放電を起し、ドライエッチング
処理により生じた前記第２の電極表面及び前記真空容器
内壁の堆積膜を除去する工程を定期的に行うことを特徴
とするドライエッチング方法。
（２）第１の電極の表面近傍に磁界を与える手段が、第
２の電極の大気側に配置され、Ｎ極とＳ極とが交互に間
隔を持って配列された複数の棒状又は閉回路をなす永久
磁石又は電磁石であ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）ドライエッチング時のガス圧力を４Ｐａ以下にす
ることを特徴とする請求項（１）記載のドライエッチン
グ方法。
（４）クリーニング時のガス圧力を４Ｐａより高くする
ことを特徴とする請求項（１）記載のドライエッチング
方法。
（５）クリーニング用のガスがＮＦ＿３又はＦを含むガ
スとＨ＿２Ｏとの混合ガスであ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。