JPH0359573B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、反応性イオンエツチング、特にシリ
コンウエハのバツチ処理において均一なシリコン
エツチングができる改良形反応チヤンバを用いる
反応性イオンエツチングに関する。

問題点と従来技術の説明 集積回路の明らかな傾向は、密度の増加ととも
に、デバイスと接続構造の最小寸法が減少するこ
とである。１〜２ミクロン程度の最小幾何学的パ
ターンサイズをもつデバイスを経済的に製作する
ためには、進歩した技術の製造工程とツールが必
要である。このことは、パターン生成と基板材料
へのパターントランスフアの分野で特にいえるこ
とである。電子ビーム及びＸ線リソグラフイシス
テムがフオトレジスタ材料における細かいパター
ンの生成の必要性を満たすために開発されてき
た。しかしながら、薄い基板材料へのパターンの
トランスフアが可能でしかもひずみが生じないよ
うな加工技術と製作能力の必要性がある。

湿式化学及び低圧プラズマエツチングのような
従来の方法は、細かいパターンのトランスフアの
ためのプロセス技術の必要条件を満たすのに不十
分である。その理由は、このようなエツチング技
術は、本質的に、大量のアンダーカツトを生じる
同位体プロセスだからである。イオンミリング及
びスパツタエツチングによれば、指向性エツチン
グが可能でアンダーカツトはほとんどないが、フ
オトレジストの劣化、電荷損傷、エツチ速度の低
下、選択性の悪化、エツチ面の再溶着などの欠点
が生じる。反面、反応性イオンエツチングは、指
向性エツチング法であるが、イオンミリング及び
スパツタエツチングに付随する欠点がない。

反応性イオンエツチング（RIE）は、各種の薄
巻材料に広く適用可能で、ふつうに使われるフオ
トレジストシステムに適合することがわかつてい
る。しかしながら、反応性イオンエツチングの問
題点の１つは、半導体デバイスの製造に適したエ
ツチ速度の均一性を得ることにあつた。エツチン
グの不均一性は、各種の従来技術のエツチングデ
バイスで扱われてきた。例えば、Batteyらの米
国特許第4148705号では、例えばアルミニウムの
エツチングのためのプラズマエツチング反応器の
配置について述べているが、この場合には、プラ
ズマは間隔の狭い一対の電極間に発生し分布イン
ピーダンスがプラズマと直列に与えられ、イオン
化電流が均一に分布し、電極間の領域にプラズマ
がグロー放電する。他の方法としては、Galicki
らがIBM、TDB第20巻第６号、1977年11月号で、
チヤンバ内でガスの均一流を生じるプラズマエツ
チ反応チヤンバについて述べている。

二酸化シリコンの選択エツチングのための反応
性イオンエツチングチヤンバについては、L.M.
Ephrathが、J.Electrochemical Soc.のSolid−
State Science and Technology、1979年８月号
1419〜1421ページに述べている。Ephrathは、水
冷RF陰極と機械的及び電気的に接続したアルミ
板をウエハに使つている。接地した対電極をウエ
ハのすぐそばに置いて、アルミニウムの後方散乱
を減らしている。

ウエハのバツチ処理においてガスの均一性を得
ようとするプラズマエツチ反応チヤンバについて
は米国特許第4151034号で山本らが述べている。

製造のため、シリコンウエハ大バツチ処理ツー
ルを形成するため反応性イオンエツチングチヤン
バをスケールアツプすると、エツチ速度の均一性
が、関係部分が大きくなるため、問題となる。こ
のようなツールでは、シリコンのような材料のエ
ツチ速度は、比較的不均一になることがある。ふ
つう、十数枚以上のウエハを含むマルチウエハエ
ツチングモードでは、35％の不均一が、シリコン
ウエハのバツチ処理において観察されている。こ
のエツチ速度の不均一は、エツチングプラズマの
プラズマ密度のほかに、注入ガスの分圧が、チヤ
ンバ容積にわたつて均一であつても、起こること
がある。このエツチ速度の不均一についての１つ
の説明としては、チヤンバ容積又は表面の全体に
わたつてエツチング試薬種は均一に生成するが、
大きいロスがターゲツトにおいて起こり、エツチ
ング試薬種の濃度勾配が生じて、その結果、ター
ゲツトの外縁でエツチ速度が増大すると説明され
る。

本発明 本発明の原理にしたがうと、ターゲツトのエツ
チング試薬種の濃度が均一になるように調節する
ためのチヤンバ内の機構をもつことによつて、シ
リコン基板のバツチの均一エツチングが、拡大し
た反応性イオンエツチングチヤンバ内で構成され
る。この機構は、プラズマ増強バツフルプレート
（PEBP）から成るが、このPEBPは、それ自体
と陽極との間にプラズマボリユームを囲むよう
に、ターゲツト上の一般領域に置かれる。この囲
われたボリユームは、各種サイズ、形状、位置の
PEBPに開口をつけることによつて、主チヤンバ
ボリユームに接続される。PEBPが存在する場合
のターゲツト領域におけるエツチング試薬種の濃
度は、プレートなしのものよりかなりの増加を示
す。この理由は、PEBPによつて示される陽極面
積の増大によつて、RF電流、したがつてPEBP
近くの領域のイオン化電流が増大する。さらに、
これらの電流はPEBPの開口を通過しなければな
らないので、開口の領域で圧縮され、開口位置で
高速でエツチング試薬種ができる。開口のサイズ
と位置を調節することによつて、エツチング試薬
種の密度を、均一エツチ速度を得るためにターゲ
ツト上で変化させることができる。

したがつて、本発明の目的の１つは、改良した
エツチング装置を得ることである。

本発明のもう１つの目的は、改良した反応性イ
オンエツチング装置を得ることである。

また本発明のもう１つの目的は、改良したシリ
コンエツチング装置を得ることである。

本発明のもう１つの目的は、シリコン基板のバ
ツチエツチングのための、改良した反応性エツチ
ング装置を得ることである。

本発明のさらにもう１つの目的は、ウエハごと
のエツチングフイールドにわたつて比較的均一な
エツチングのできる、多数のシリコン基板のバツ
チエツチングのための改良した反応性イオンエツ
チング装置を得ることである。

第１図は、「トツプハツト」陰極ターゲツトを
用いた代表的な従来技術の反応性イオンエツチン
グチヤンバ１を示している。図に示すように、内
表面４をもつ陽極３は接地されており、陰極アセ
ンブリ５の陰極トツププレート１３は、RFソー
ス７に結合されている。「トツプハツト」陰極タ
ーゲツトアセンブリは、反応性イオンエツチング
チヤンバ内へ上方にのびるウオール部分１１と一
体となつた丸味をつけたつば部分９から成つてい
る。「トツプハツト」のトツププレート１３は、
絶縁スペーサ１５によつてウオール部分１１から
電気的に絶縁され、ねじでとめられているが、そ
の１つが１７で示されている。反応性イオンエツ
チングチヤンバの内部と外気との間の密封は、ス
ペーサ１５の反対側のＯリング１９と２１で行な
われている。さらに、「トツプハツト」のつば部
まわりのチヤンバ内部と外気の間の密封は、Ｏリ
ング２３によつて行なわれている。図に示すよう
に、パレツト２７がトツププレート１３の上に乗
つており、複数のワークピース２５を収容してい
る。このワークピースはふつうシリコン基板であ
る。チヤンバのポンプダウンはポート２９によつ
て行なわれるが、このポートはスクリーン３０に
よつて主チヤンバボリユームと分離している。ガ
ス供給管とガスリング３３によつて適当なプロセ
スガスをチヤンバ内に入れて分布させることがで
きる。

第１図の装置の作動中、プラズマグローがチヤ
ンバ１の内部プラズマ領域３４内に存在する。従
来技術の装置の作動をはつきり理解しやすくする
ために、内部チヤンバプラズマ領域を、陰極１３
上の位置の中央プラズマ領域３４Ａと、チヤンバ
ウオール近くの位置の外側プラズマ領域３４Ｂと
に分けて説明する。作動中、プラズマは、プラズ
マシースによつて、パレツト面２７、スクリーン
３０、チヤンバウオール３６などのチヤンバ内面
から離れる。プラズマシースの性質は、そのチヤ
ンバ内の特定位置によつて決まる。陰極プラズマ
シース３７は最も広く（ふつう１cm）、その電
位降下が大で（ふつう直流300〜500V）、陰極と
プラズマグローの間の顕著な暗領域としてふつう
観察される。陽極プラズマシース３８とウオール
プラズマシース３９とは、図のようにシステムと
して同じで、厚さがふつう〜１mm、電圧降下が〜
20Vである。陰極縁４０近くに示すように、いろ
いろな暗色スペースは互いに連続的にかわる。第
１図には示していないが、プラズマシースはガス
供給管のまわりにも存在することを知るべきであ
る。

第２図は、第１図に示す従来技術の反応性イオ
ンエツチングチヤンバを本発明によつて改良し、
上面４１Ａと下面４１Ｂをもつプラズマ増強バツ
フルプレート（PEBP）４１をつけたものであ
る。わかりやすくするために、ガスリング３３を
省略しているが、リング又はそれに類似したガス
導入・分布機構がチヤンバ内についていると理解
しなければならない。第２図に示す特定のPEBP
では、囲われたプラズマ領域４３とプラズマ領域
３４Ａとを連結する１個の大きい開口４５がつい
ている。開口４５によつて領域４３における包囲
プラズマができ、その結果、プレート３の表面と
PEBPの上面４１Ａとに陽極プラズマシース４４
が生じる。さらに、PEBPの下面４１Ｂにもシー
スが形成される。

第３図は、一例として、典型的なバツフルプレ
ートの上から見た図を示しているが、このような
設計では、第２図に示すものよりももつと特定の
開口となつている。第３図でわかるように、
PEBPの開口のサイズは半径方向に減少してお
り、第２図のPEBPと同様に、プレートの中央領
域に１個の大きい開口４５がある。中央開口４５
と同心円上に一組の６個の開口４６Ａ〜４６Ｆが
あり、その各々のサイズは中央開口の約3/7であ
る。開口４６Ａ〜４６Ｆと同心円上にもう一組の
６個の開口４８Ａ〜４８Ｆがあり、そのサイズは
開口４６Ａ〜４６Ｆの約1/2である。また図の鎖
線円は、１９のウエハバツチの反応性イオンエツ
チング処理のために可能なウエハの配置を示して
いる。このウエハの配置は説明のためにすぎず、
ウエハと開口との決まつた関係を示すものでない
ことを理解されたい。事実、陰極の同じ一般面積
を占めるウエハ配置は、本発明の目的に十分であ
ろう。

本発明の原理によつて、PEBP開口の相対サイ
ズ、形状、密度及びパターン配置は、PEBPを設
計する反応性イオンエツチングの特性によつて変
化するということも理解されたい。さらに、開口
の非対称パターン配置、又は、半径によつて穴の
サイズが変化する配置も、本発明の範囲に含む。
さらに、あとでもつと詳しく述べるように、開口
の配置又は形態は、必ずしもあるチヤンバに対し
て独特でなく、使用目的に対して特定チヤンバの
エツチ速度の不均一を最適に補償するように設計
されるべきである。

第２図のPEBP４１の作動方法、及び、均一エ
ツチングのためにその使用が必要な条件は、第４
〜６図を参照することによつて十分理解できるで
あろう。

第４図は、一例として、CF₄をもつシリコンエ
ツチングの条件における、第１図に示す反応性イ
オンエツチング開口の陰極ターゲツト１３に対す
る、中性フツ素濃度（Ｆ濃度）のカーブを示して
いる。このカーブは数値計算によつて得たもので
あるが、ガス供給管３１によつて注入されたガス
CF₄と電子が衝突することによつて第１図のプラ
ズマ領域全体、３４Ａ−３４Ｂにおいて、フツ素
が一定速度Ｓで生成されること、及び、フツ素
は、シリコンと結合して除去され、ターゲツト陰
極１３上のシリコンウエハ２５において、又は、
パレツト２７の表面においてSiFxを形成する。
チヤンバ内の任意の点におけるフツ素濃度の密
度は、次の拡散方程式を満足する。

ｎｕ→＝Ｄ▽→ｎ ここで、ｕ→はフツ素の純流速であり、Ｄは拡散
係数、▽→は標準勾配演算子である。さらに、連続
方程式▽→・ｎｕ→＝Ｓを満足する。これらを組合わ
せると▽²＝ｎ＝Ｓ／Ｄ（ポアソンの方程式）とな
り、これは、シリコンのような、フツ素除去表面
では周辺条件をｎ＝０として標準数値法で解くこ
とができ、ステンレス鋼のようなシリコンを除去
しないチヤンバ表面では▽ｎ＝０である。

第４図に示すフツ素濃度カーブの形は、次の簡
単なモデルで説明できる。フツ素は、第１図に示
すプラズマ領域３４Ａ及び３４Ｂ内のあらゆる場
所に形成される。定常状態では、領域３４Ｂに生
成したフツ素は、ターゲツト領域３４Ａに拡散
し、ここでシリコンと結合して結局除去される。
この拡散が起こるためには、フツ素濃度勾配がで
き、フツ素濃度は、ターゲツト陰極１３の中心か
ら外へ半径方向に増加する。

フツ素種の濃度のエツチ速度に与える影響の重
要性は、反応性イオンエツチングの機構を考えれ
ばよく理解できる。一般に、反応性イオンエツチ
ングでは、２つの主要な要素がある。(1)CF₃ ⁺、
F⁺のような正イオンのソースで、プラズマ領域
３４Ａからウエーハ２５の暴露面へ、陰極シース
３７を越えて加速され、エツチプロセスにエネル
ギーを与える。(2)Ｆ、F⁺のような化学種で、シ
リコンのようなエツチされた種と結合して、SiF₄
のような揮発性化合物を形成し、ポート２９を通
つてポンプで除去される。ある反応の場合は、こ
れら２つの種は同じである。反応性イオンエツチ
ング装置における、イオン成分と中性成分とのエ
ツチ速度の相対重要度は、エツチング試薬ガスと
エツチされる材料に強く左右される。例えば、
CF₄プラズマ中でのシリコンの反応性イオンエツ
チングでは、エツチ速度はフツ素濃度（又は他の
活性フツ素基）に強く左右され、一方、CF₄プラ
ズマ中のSiO₂の反応性イオンエツチングでは、
エツチ速度は、イオン（大抵CF₃ ⁺）濃度に支配
され、中性フツ素濃度にはほとんど左右されな
い。

中性エツチング種の濃度勾配によるエツチ速度
の不均一性について上に述べたことは、CF₄を使
つたシリコンエツチングの例にはあてはまらない
が、中性エツチング種の濃度勾配によるエツチ速
度の不均一性の問題は、同様のエツチングプロセ
ス、すなわちエツチ速度がプラズマ内に生成する
中性種の存在に左右されるプロセスにとつて一般
的である。事実均一プラズマ密度をもつこのよう
なシステムでは、エツチ速度は、中性種の密度に
比例する。

第４図では、エツチウエハとエツチングガスと
してCF₄を用いるエツチ速度点の測定値が示され
ている。測定は、第１図に示すものと同様、円筒
形ターゲツト陰極の直径に沿つて並んだ５枚のウ
エハについて行なわれた（ウエハあたり３測定
点）。これらのエツチ速度点は、40μの圧力、
25SCCMの流量、400ワツトのRF電力、及び
13.56MHz台のRF周波数を用いて得られた。この
ような条件下でのシリコンエツチングのバツチ均
一性は、±39パーセントであることがわかつた。
図でわかるように、陰極表面の半径方向の各点に
おけるシリコンエツチ速度の測定値をあらわす一
連の点は、中性フツ素濃度の計算カーブによく合
う。

このようによく合うことは、バツチ処理で要求
されるように、比較的大きい面積でエツチの均一
性を得るためには、陰極ターゲツトの中央領域に
おける活性種を増加する必要があることを示して
いる。本発明によつて、前述のとおり、プラズマ
増強バツフルプレート（PEBP）４１を陽極３と
陰極ターゲツト１３の間に置くことによつて、シ
リコンエツチングの均一性が大幅に増加できるこ
とがわかつた。

第２図に示すように、PEBPを陽極３に比較的
近く置いて領域４３を形成する。陽極とPEBP間
の距離は、最大PEBP径の25パーセントに等しい
距離まで変えられるが、どんな場合にも陽極と陰
極の間の距離の50パーセント以下でなければなら
ない。したがつて、直径508mmの代表的なPEBP
の場合、陽極とPEBPの間の間隔は127mm以下で
なければならないが、陽極から陰極までの距離の
１／２以下でなければならない。一方、陽極と
PEBPとの間の最小距離すなわち間隔は、10〜20
デバイ長さ以上でなければならない。それは、こ
れ以下の間隔では、プラズマが消え始めるからで
ある。陽極とPEBP間の良好な作動距離は、ふつ
う、約25.4mmである。

第５図は、ただ１つの大きい中央の穴が使用さ
れ、その穴が第３図の穴４５に類似している場合
のエツチ速度の測定値のカーブである。図からわ
かるように、エツチ速度は、陰極ターゲツトの中
央の点で約230Å毎分のピークに急激に達し、タ
ーゲツトの中心から約50.8mmの所でエツチ速度は
急激に落ちる。ふつう、このようなエツチ速度カ
ーブは、38.1〜50.8mmのPEBP開口直径を用いて、
開口中心の反対の点でターゲツトにエツチの高い
値が見られる場合に得られる。上述のように、こ
のエツチ速度の増大は、明らかに、開口の下のタ
ーゲツト領域のエツチング試薬の濃度の増加によ
るものである。この理由は以下に述べる。

第３図において、PEBP４１の存在によつて、
PEBPと陽極３の間の領域４３にプラズマグロー
の増大が見られる。このようにプラズマグローが
増大するのに必要な１つの条件は、PEBPが、プ
ラズマデバイ長さよりもかなり大きい寸法の開口
をもつていることである。このような条件では、
領域４３と３４のプラズマは、密接に結合し、装
置の陽極面積は、PEBP４１の全表面積によつて
増大する。このことは２つの影響をもつことにな
る。第１に、多くのRFフイールドライン（した
がつてプラズマの中性及びイオン化成分を生成す
る原因となるイオン化電流）は、接地表面上のチ
ヤンバの外側でもともと終わつていたが、今では
加えられた陽極表面４１Ａと４１Ｂで終わる。し
たがつて、チヤンバ内の、PEBPのすぐ下と、上
の包囲プラズマ領域４３とで、中性種の生成が増
加することになる。第２に、イオン化電流は、開
口を通つて陽極表面４１Ａと４に到達しなければ
ならないので、イオン化電流は開口領域と包囲領
域４３で圧縮され、その結果両領域で中性種の生
成が増加することとなる。

これらの開口は、開口位置、数及びサイズを調
節することによりターゲツト面積上で調節される
エツチング試薬種のソースの増大をあらわす。上
記の技術によると、開口配置がエツチング試薬種
に及ぼす影響が計算でき、装置の特性に応じてエ
ツチ速度の高い均一性を得るように開口が設計で
きることは明らかである。

しかしながら、PEBPを設計するために経験的
方法を使う方が簡単であることがわかつている。
あるチヤンバ形状について、開口４５と類似の１
個の開口を、開始点としてPEBPに使用する。第
４図に類似のエツチ速度結果から、この１個の開
口が、チヤンバ設計とプラズマ条件についてのエ
ツチ速度カーブに及ぼす影響を推定する。次に、
開口４６Ａ〜４６Ｆと４８Ａ〜４８Ｆに類似の小
さい穴をターゲツト領域に加え、エツチ速度を最
低にし、それらのサイズを１個の開口のデータを
使つて推定する。必要ならば、さらに、５０Ａ〜
５０Ｆに類似の穴を加えるが、この場合にも前に
決めた設計から得られるデータを用いて開口の位
置とサイズを決める。これをくり返すと、特定の
反応性イオンエツチング装置に適する均一性が得
られる。ふつう、CF₄でエツチされるシリコンウ
エハの19ウエハバツチで５〜８パーセントのエツ
チ速度均一性に達するには、このようなくり返し
が３乃至４回必要であることがわかつている。

第６図には、PEBPを使用する場合と使用しな
い場合のシリコンエツチ速度のカーブを示してい
る。PEBPを使用しないシリコンエツチ速度カー
ブは、第６図で「オリジナルカーブ」と名づけて
いる。PEBPを使用するカーブの特性は、第３図
に示すものに類似のバツフルプレートを使用して
得られた結果を示している。ふつう、711mm径の
チヤンバでのプレートの径は508mmである。ふつ
う、このような配置では、508mmの陰極ターゲツ
トが使用され、第３図に示すように、例えば、82
mmの寸法の19のシリコンウエハがターゲツト陰極
の中央領域に密につめられている。約88.9mmの電
極間間隔が使用され、初期真空レベルは５×10^-6
トルである。40ミクロンのチヤンバ圧力と
25SCCMの流量のCF₄のようなフツ素含有ガスを
用いることができる。13.56MHz台の周波数のRF
電源が使用されて400ワツト台の電力を発生し、−
300ボルト台の直流電圧を陰極ターゲツトに与え
た。

中央の穴４５から外に広がる同心リングの穴
は、穴４５だけを使用する第５図に示すエツチ速
度カーブを平たくする役目をする。そうすること
によつて、穴によるエツチング種の分布は、第４
図のカーブに示すように、従来技術の反応性イオ
ンエツチングチヤンバ内の種の不足を補償するよ
うに、ターゲツトの中心から外にさらに広がる。
それによつて、この補償は、第６図に示すよう
に、陰極ターゲツトの半径にわたつてエツチ速度
をさらに均一に近くする。

以上のことから明らかなように、陰極ターゲツ
ト全体にわたるエツチ速度が最適に均一になるよ
うな特定用途に合うように特定のバツフルの形態
を設計することができる。特定のパラメータは上
の例に示されているが、いろいろなエツチング試
薬種、流量、チヤンバ圧力、及びRF電力レベル
が使用できる。エツチングが中性種によつて支配
されるエツチング用途にプラズマ増強バツフルプ
レートを使用する場合を中心としてこれまで述べ
てきたが、プラズマ増強バツフルプレートは中性
種成分がかなりの影響をもつエツチング用途にお
いて均一性を高めるために容易に使用できること
は当業者なら理解できる筈である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、代表的な従来技術の反応性イオンエ
ツチング装置の概要図である。第２図は、本発明
による、プラズマ増強バツフルプレートを有する
反応性イオンエツチング装置の概要図である。第
３図は、第２図の反応性イオンエツチング装置の
一部断面を上から見た図である。第４図は、反応
性イオンエツチング装置の陰極ターゲツトに対す
るシリコンエツチ速度のカーブで、第１図に示す
ような、本発明によるプラズマ増強バツフルプレ
ートのない場合である。第５図は、反応性イオン
エツチング装置の陰極ターゲツトに対するシリコ
ンエツチ速度のカーブで、第２図に示すような、
中心領域に開口又は穴を有するプラズマ増強バツ
フルプレートを用いる場合である。第６図は、第
１図の反応性イオンエツチング装置と、第２図の
反応性イオンエツチング装置との、シリコンエツ
チ速度のカーブである。後者の場合は、第３図に
示すように、中心領域からサイズが減少する穴を
有している。 １……反応性イオンエツチングチヤンバ、３…
…陽極、４……内表面、５……陰極アセンブリ、
１１……ウオール部分、１３……陰極トツププレ
ート、１５……スペーサ、２５……ワークピー
ス、２７……パレツト、３４Ａ……プラズマ領
域、４１……プラズマ増強バツフルプレート
（PEBP）、４１Ａ……上面、４１Ｂ……下面、４
３……囲われたプラズマ領域、４４……陽極プラ
ズマシース、４５……開口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ イオン種及び中性種を有する反応チヤンバ内
   でイオン化プラズマを生成するようバイアスされ
   るターゲツト陰極及び陽極と、複数個の開口を有
   し上記陽極に電気的に結合させて該陽極との間に
   圧縮チヤンバ領域を形成するように配置されたプ
   ラズマ増強バツフルプレートと、上記バツフルプ
   レートの外周に沿つてその内側に配置されたガス
   リングとを有する反応性イオンエツチング装置に
   おいて、 上記複数個の開口は、上記バツフルプレートの
   中央部から外縁に向うにつれて寸法の小なる開口
   が配置されるようにしたことと、 上記バツフルプレートは、上記陽極から上記陰
   極までの距離の1/2未満で且つ該バツフルプレー
   トの直径の25％以下の距離（最大距離）の範囲内
   に納まるように、しかも上記陽極から、プラズマ
   の10〜20デバイ長以上の距離（最小距離）を達成
   するように配置したことを特徴とする反応性イオ
   ンエツチング装置。