JPH0311542B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、比較的高真空領域で基板例えばシリ
コン或いは金属、半導体、絶縁体基板上薄膜の新
規なドライエツチング装置ならびにドライエツチ
ング方法を提供することを目的とする。

近年、特に半導体集積回路の高密度化につれパ
ターン寸法が小さくなつてきた。それに伴ない基
板例えばシリコン或いは金属、半導体及び絶縁体
等薄膜のエツチングとして化学薬品を用いたウエ
ツトエツチングに代つてドライエツチング法が主
流となつてきた。ドライエツチング法として(1)高
周波を用いたプラズマエツチング法、(2)高周波を
用いたリアクテイブエツチング法、(3)有磁場マイ
クロ波プラズマエツチング法、(4)アルゴン等のイ
オンビームによるイオンエツチング法がある。(1)
のプラズマエツチング法としては装置として種々
の形式のものがあり、被エツチング材料も多結晶
Si、SiO₂、Si₃N₄、PSG或いはAl等多岐に亘る。
しかしプラズマ内の反応に寄与する活性種（中性
ラジカル）は放電が行なわれる真空域（〜
1Torr）でランダム・モーシヨンとなる為、一般
的には等方性エツチングとなつて所謂サイドエツ
チングが発生、微細パターンの加工精度は限界が
ある。一方(3)のエツチング法で磁場中での電子の
サイクロトロン運動とマイクロ波との共鳴現象を
用い低い放電ガス圧力でも、プラズマ密度を低下
させることなくしかもイオンエネルギーは低い状
態でエツチングできるようにしたもので、垂直エ
ツチングが可能となつたことが発表されている。
しかしこの方法では装置構成が複雑で装置自体の
価格も高い。(4)はアルゴンイオン等を加速してそ
の衝撃によつてスパツタリングさせて、サイドエ
ツチングの少ないエツチングを行なう方法で材料
によるエツチング速度の差即ち選択比が大きくな
い。又エツチング速度が小さくイオン衝撃による
素子の損傷も大きい。(2)は微小パターンの加工法
として有力視されているドライエツチング技術
で、平行平板電極を用いそれに高周波を印加して
電極間にプラズマを誘起し平行電極上に置いた試
料を加工する。

第１図は平行平板形電極構造のドライエツチン
グ装置の概略図である。１は下部電極でこの電極
は５，６で示す水冷管により水冷されている。３
はこの電極１上に置かれた試料である。４は
13.56MHzの高周波電源で上部電極２及び下部電
極１の間に印加され、電極間にプラズマを誘起す
る。９はエツチングガスの導入管で７，８は排気
管である。本ドライエツチング法は従来のガスプ
ラズマエツチング法と比べるとガス圧力が低く、
所謂ラジカルによる等方的エツチングに加え、イ
オン衝撃によるスパツタエツチング的要素も加味
されている為、方向性エツチングが行なわれ得
る。このため超LSIの高精度な微細加工の有力な
手段として活発な研究開発がなされている。しか
しながら陰極近傍に形成されるイオンシース内で
加速されるイオン衝撃による損傷を試料に与える
事、しかもこのイオンエネルギーの大きさはなか
なか固定し難く又その制御が難かしい等難点があ
り、また特にAlに対して充分なスループツトを
得るためにはエツチングに用いる塩素系化合物ガ
スの流量を大きくする必要があり、装置のメイン
テイナンス上大きな問題になつている。イオン衝
撃による損傷の低減のため第２図に示しているよ
うに、カソード近辺に第３番目の電極を設けたド
ライエツチング装置を用いて、セルフバイアスの
低減化をはかる方法が提案されている。第２図１
０は容器で１１は該容器を真空に排気するための
真空システムに連なる排気口である。１２はガス
導入管で、１３，１４はそれぞれ従来の二極型ド
ライエツチング装置のカソード及びアノードであ
る。試料１７は水冷されたカソード電極上に置か
れ、近傍して３番目の電極１５が設けられ、その
電極には多数の穴が設けられておりカソード電極
とはアルミナの絶縁ガイシ１６で間隔を保つてい
る。電極１５は浮遊電位になつていて高周波電源
は13.56MHzでカソードに印加されている。本方
法により従来の二極型よりも加工精度がすぐれダ
メージの量が減少することが明らかにされた。し
かしながら使用ガス例えばCCl₄等塩素を含むガ
スの流量は従来例と変わらないし、スループツト
も増加しない。又セルフバイアスは外部入力、そ
の他のエツチングパラメータに依存して二次的に
決まり、設定条件が制限されたものになつてしま
う、またプラズマ領域とエツチング領域とが分離
できていないため試料は損傷を受ける等の大きな
欠点がある。

本発明は、上記欠点を克服する全く新規な高精
度加工可能なドライエツチング装置及びドライエ
ツチング方法を提供するものであり放電プラズマ
としては所謂PIG放電の如き従来より高真空、底
流量下で高速度プラズマが発生可能な放電をエツ
チングに適用するものである。その構成原理例を
第３図に従つて述べることにする。第３図１８は
ステンレス容器、１９は該ステンレス容器内を真
空にする為の排気口、２７はエツチングガスの導
入管、２０は下部平行陰極電極で例えばステンレ
ス円板或いはアルミニウム円板である。又本電極
は必要に応じて電気的に浮かせるようになつてい
る。２１は凹状の金属でメツシユ状電極２２を保
持し、一体となつて上部平行陰極電極を構成す
る。凹状の金属はアルミニウム或いはステンレス
で形成されている。もちろんメツシユ状電極２２
は多数の穴を有する円板であつてもよい。２３は
例えば円筒状或いは中空の円板で陽極電極となる
もので、図には円筒状の電極の場合が示されてい
る。２３′は前記陽極電極を支える絶縁材料で例
えば石英の円筒である。２４は冷却可能な基板２
５を保持するための基板ホルダーで、電気的に任
意の電位に設定できるようになつている。又メツ
シユ状電極２２と前記基板ホルダー２４との距離
ｄは可変である。２６は前記容器１８外におかれ
た電磁石である。第３図に於いて真空用Ｏリング
等は図面の簡略化のため省略してある。第４図は
大型の放電装置に関する構成実施例で、以下その
幾何学的寸法と放電実施例について述べる。２８
は直径400mmのガラスベルジヤーで、２９は６イ
ンチの拡散ポンプおよび油回転ポンプにつながる
排気口である。３０はガス導入系で、本実施例で
は下部平行陰極電極３１を支えるパイプ状金属３
１′内にガスを送り込み放電空間に供給されるよ
うになつている。３１″は下部平行陰極電極３１
に設けた開孔である。下部平行陰極電極３１は直
径220mmのアルミニウム製とした。３２は凹状の
金属で、開口を有する金属電極３３（例えば本実
施例ではメツシユ状金属）を保持し一体となつて
上部平行陰極電極を構成する。凹状の下部の円形
部は直径220mmφで開孔は200mmφとした。前記凹
状金属３２上にステンレス製メツシユ状電極３３
を置いている。又前記一対の陰極間距離は５cmと
した。３４は外径240mmφ、内径230mmφ、高さ
100mmの円筒状陽極電極でアルミニウムを用いて
いる。３５は基板３６を保持する基板ホルダーで
基板３６を冷却する機構を有している。本実施例
では水冷とした。３７はベルジヤーの外部に設け
られた電磁石で、それによつて生ずる磁束の方向
は前記一対の平行陰極面に垂直方向である。N₂
ガスを導入管３０を通じて放電空間に流し、ゲー
トバルブ３８の開きを調節して圧力を
10⁰10^-4Torrの範囲に調節する。例えば基板ホル
ダーとメツシユ状電極間距離を約10mmとし圧力を
0.005Torrに設定したときの例について説明す
る。陽極電極３４に450V、前記一対の平行陰極
電極および基板ホルダーを接地電位とし、磁場強
度を約100Gaussとしたとき、一対の平行陰極電
極と前記陽極電極３４との間のみに非常に均一な
放電プラズマが生じ電流密度として約14ｍＡ／cm²
であつた。次に金属プレートを除外し第４図の構
成で陽極電極３４と一対の平行陰極電極間の電流
を100ｍＡとし、基板ホルダー３５とグランド間
に約6.8kΩ挿入したとき基板ホルダー３５とグラ
ンド間に約10μAの電流が流れた。この時基板ホ
ルダーとグランド間に挿入した抵抗の抵抗値とそ
れに流れる電流との値によつて決められる電圧が
生じた。基板ホルダー３５と、グランド間の電圧
及び電流はその間の抵抗値を変えることによつて
かなりコントロールすることができる。従つてプ
ラズマ中の荷電粒子が基板に飛び込むときのエネ
ルギーやエツチング速度をコントロールできるこ
とになる。一般的にエツチング速度は陽極電圧、
基板ホルダー電圧例えば基板ホルダー３５とグラ
ンド間の抵抗値等により任意にかえ得る。又陽極
電極から流れ出る全電流及び基板ホルダー３５と
グランド間の電流は特に0.005Torrのような高真
空域で磁場強度によつて大きく変化する。例えば
陰極陽極間電圧を450V一定にした時、磁場
50Gaussで電流密度は8.8ｍＡ／cm²が100Gaussで
電流密度は14ｍＡ／cm²となり、印加磁界を制御す
ることによつてもエツチング速度が制御可能であ
る。今迄の例では陽極電極に正電圧を印加し、一
対の平行陰極電極を接地電位にしたが、陽極電極
に正電位を又一対の平行陰極電極に負電位を与
え、該前記一対の平行陰極電極および陽極電極間
に放電プラズマを誘起し、かつ基板ホルダーを接
地或いは正或いは負の電位を与えたり浮遊状態に
したりして、エツチングを制御することも可能で
あることは言うまでもない。前記一対の平行陰極
電極は同電位でなく直流の電位差を与えることに
より、基板上への粒子の運動エネルギーを容易に
コントロールすることもできる。

以上の例では、開口を有する電極例えばメツシ
ユ状金属を上部平行陰極電極として用い、それに
対向して基板が置かれている場合の構成を実施例
及び放電実施例について述べたが、両方を開口を
有する金属電極とし、それらに対向して基板ホル
ダーを有する場合を第５図に示す。第５図におい
て３９は例えばステンレス製の真空容器で、４０
ほ拡散ポンプ４０′及び油回転ポンプ４０″に連が
る真空容器３９の排気口である。４１及び４２は
メツシユ状電極、４３は例えば円筒状陽極電極
で、４４は外部電磁石である。前記一対のメツシ
ユ状電極４１，４２と陽極電極４３間にガス導入
管５１により所要のガスを導入しそれら電極間で
放電プラズマを生成し、前記メツシユ状電極４
１，４２に対向した基板ホルダー４５及び４６上
に置かれた基板４７にプラズマ粒子を導きエツチ
ングする。このように両メツシユ状電極に対向し
て両側に基板を設置できる為、従来例に比べて二
倍程度のエツチング処理能力を有することが可能
となる。５０は前記電極間に生じた放電プラズマ
状態を観察する為の窓である。又４８及び４９は
ゲートバルブ、５１はベローズで前記ゲートバル
ブと一体となり放電空間の真空を破ることなく基
板ホルダー４５，４６を大気中に取り出し、基板
をつけかえするための機構を構成する。

本発明を基板或いは基板上の薄膜の微細加工に
応用する場合についてその効果について述べる。

第３図に示す装置を用い多結晶のエツチングレ
イトを調べる実験を行なつた。用いたガスは
C₃F₈で圧力は５×10^-3Torrで陽極電極２３に例
えば＋500V、一対の平行陰極電極を接地電位、
基板ホルダー２４を接地電位とし上部平行陰極電
極及び基板ホルダー２４の間隔を20mm、ガス流量
を30SCCM、陽極電流として80ｍＡ（電力密度と
しては一方の平行陰極電極あたり0.1W／cm²）と
したときほぼ5000〓／minのエツチングレイトが
得られた。このデータをもとにレジストをマスク
にして1μｍ幅の多結晶Si（厚さ0.4μｍ）形成実験
を行なつた所、ほぼポジ型レジストパタンに忠実
な幅に加工できることがわかつた。又この時レジ
ストはエツチング用マスクとして十分耐え得るこ
とが明らかになつた。本発明は多結晶Siのエツチ
ングにとどまらず半導体集積回路を構成する他の
薄膜例えばSiO₂、PSG膜、アルミニウム膜のド
ライエツチングに適した技術である。アルミニウ
ムをエツチングする場合、ガスとしては塩素化合
物例えばCCl₄とかBCl₃が使われる。

この場合エツチング時のガス流量の多少は装置
の保守上も極めて重大な問題である。本発明によ
るとガス流量は従来法に比べ大幅に少なくできる
為この点からみても非常に有効と考えられる。又
一般に金属配線例えばアルミニウムは凹凸の多い
ところに形成されるため方向性エツチングの強い
方式では段差部の所でエツチングされずに残る可
能性がある。本方式による電磁界を利用の放電を
用いるエツチングでは従来より高真空、低流量で
高密度プラズマの発生が可能であり、又プラズマ
発生領域とエツチング領域とを分離しているため
試料が受ける損傷を減らすことができるさらに電
極間の電圧を変える事や基板ホルダーの電位を制
御する事等によりイオンの運動エネルギーを任意
に設定できまた等方性エツチング、異方性エツチ
ングの両方が可能である等従来方式では成し得な
かつた領域に於けるドライエツチングを可能なら
しめた本発明は半導体集積回路、半導体素子その
他高精度な微細加工を要する分野のデバイスの開
発・製造にきわめて大きなインパクトを与えるも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の２極型リアクテイブエツチング
装置、第２図は改良されたリアクテイブエツチン
グ装置、第３図は本発明の基本構成概念図の例、
第４図は放電実験に用いた装置構成例、第５図は
平行陰極の両方に基板を置く例を示す図である。 １……下部電極、２……上部電極、３……被エ
ツチング試料、４……高周波電源、５，６……水
冷管、７，８……排気管、９，１２，２７，３０
……ガス導入管、１０，１８，３９……真空容
器、１１，１９，２９，４０……排気口、１３…
…カソード、１４……アノード、１５……電極、
１６……絶縁ガイシ（アルミナ）、１７……試料、
２０，３１……下部平行陰極電極、２１，３２…
…凹状の金属（例えばメツシユ状電極のホルダ
ー）、２２，３３，４１，４２……メツシユ状電
極、２３……円筒状電極、２３′……電極２３を
保持する為の石英円筒、２４，３５，４５，４６
……基板ホルダー、２５，３６……基板、２６…
…電磁石、２８……ガラスベルジヤー、３１′…
…パイプ状金属、３１″……平行陰極電極３１に
設けた開口、３４，４３……陽極電極、３７，４
４……外部電磁石、３８……バルブ、４０′……
拡散ポンプ、４０″……油回転ポンプ、４７……
被エツチング試料、４８，４９……ゲートバル
ブ、５０……放電のぞき窓、５１……ベローズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 容器内の圧力を減圧状態にするための排気手
   段と、該容器中にガスを導入する手段と、該容器
   内に配置された複数の電極を備え、前記複数の電
   極間に印加した直流電界及び前記容器外或いは内
   部に設置された磁界発生器による磁界を励起源と
   して前記複数の電極間に放電プラズマを誘起さ
   せ、前記複数の電極間に生じたプラズマ粒子の一
   部により前記複数の電極間〓外に設置した基板ホ
   ルダー上の基板或いは基板上の薄膜をエツチング
   するプラズマエツチング装置において、前記複数
   の電極が、少なくとも一方の電極に開孔を有する
   一対の平行陰極電極と、前記一対の平行陰極電極
   の側部に配置されその平行陰極電極面に垂直及び
   平行な電界成分を与える陽極電極とを含んで構成
   されるとともに、前記一対の平行陰極電極面に垂
   直な磁界を与える磁界発生器を備えたことを特徴
   とするプラズマエツチング装置。 ２ 一対の平行陰極電極に同じ電位を与え、陽極
   電極に正電位を与えることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のプラズマエツチング装置。 ３ 平行陰極電極に電位差を与え、陽極電極に正
   の電位を与えることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のプラズマエツチング装置。 ４ 基板ホルダーの電位を制御することを特徴と
   する特許請求の範囲第２項又は第３項記載のプラ
   ズマエツチング装置。 ５ 減圧状態にした容器内に、少なくとも一方の
   電極に開孔を有する一対の平行陰極電極及び前記
   一対の平行陰極電極の側部に配置されその平行陰
   極電極面に対し垂直および平行な電界成分を与え
   る陽極電極を配し、前記一対の平行陰極電極と前
   記陽極電極との間に平行陰極電極面に対して垂直
   な磁場を印加させた前記一対の平行陰極電極と前
   記陽極電極との間に放電プラズマを誘起し、前記
   プラズマ粒子を前記一対の平行陰極電極の開孔を
   有する陰極電極に面する電極間〓外に置かれた基
   板に導きエツチングすることを特徴とするプラズ
   マエツチング方法。 ６ 基板ホルダーの電位を制御することを特徴と
   する特許請求の範囲第５項記載のプラズマエツチ
   ング方法。