JPH0412527A - プラズマエッチング装置 - 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、反応性ガスを用いる平行平板型プラズマエツ
チング装置に関するものである。

従来の技術 近年、エツチング技術は微細加工性能の向上を図るため
に、平行平板型の高周波放電を用いたプラズマエツチン
グが主流である。

従来のプラズマエツチング装置は、陰極、陽極、エツチ
ング基板、エンチング基板の位置を決定するためのセラ
ミックリングで構成されており、ガスはガス導入口から
導入され、ガス排気口から排気される。また、高周波は
高周波電源より供給され、整合器によって放電インピー
ダンスかコントロールされる。

このような装置の放電方式の一般的態様は、互いに平行
に配置された一方の電極（以下陰極と称す）に１３．５
６ＭＨｚ等の高周波を印加することにより、陰極と陽極
の間でグロー放電を発生させ、電子とイオンとの易動度
の差により、高周波電力印加後、数サイクル後には前記
陰極電極面上には大きな負電位が発生して定常状態とな
るものである。プラズマ中の正イオンは、前記負電位（
陰極降下電圧）によって加速し、エツチング基板にイオ
ンを垂直に衝突させて、イオンによるアシスト効果と化
学反応によりエツチングするもので反応性イオンエツチ
ング（以下ＲＩＥと称す）と呼ばれている。従来、前記
ＲＩＥに際し電極間の距離は、一般にエツチング特性に
より決定され、６インチの半導体基板の場合、陰極直径
ａ＝２００Ｍで電極間の距離ｂ＝２０〜４０ａｍであり
、その比（陰極直径／電極間距離）は、５〜１０となっ
ていた。

発明が解決しようとする課題 このような従来の方法では、プラズマ中の電界の分布が
不均一となり、その結果プラズマ中の荷電粒子が半導体
装置のゲート電極にチャージアップし前記半導体装置の
ゲート酸化膜を破壊するといった問題があった。

課題を解決するための手段 この問題点を解決するために本発明は、反応性イオンエ
ツチングを行うに当たり、陰極電極直径と平板状電極間
の距離との比を４以下（電極直径／電極間距離≦４）に
することによってプラズマ中の電界の分布を均一にし、
半導体基板をエツチングしようとするものである。

作用 この構成により、真空容器中のプラズマ密度が均一とな
り、半導体基板のエツチング中の荷電粒子のチャージア
ップによる損傷を低減できることになる。

実施例 本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。

第１図は、本発明の一実施例によるプラズマエツチング
装置の断面図である。

第１図において、１陰極、２は陽極であり陰極直径ａ＝
２００ｎｏ、電極間距離ｂ＝６０ｍで、その比（陰極直
径／電極間距離）は３．３である。

また、３は基板、４は半導体基板の位置を決めるための
セラ・ミック・リングであり、さらに真空チャンバー５
、ガス導入口６、ガス排気ロア、水冷パイプ８，９、高
周波電源１０、整合器１１から構成されている。

本実施例の装置は一般にアノード・カップリングと呼ば
れる方式であり陰極１上にエツチング用の基板３をのせ
、陰極１がキャパシタで構成される整合器１１と１３．
５６ＭＨｚの高周波電源を介して接地されている。また
真空チャンバー５は立方体形状をしておりその底面に陰
極１を陰極１と対向した上面に陽極２が設置されている
。陽極２は陰極１とは電気的に絶縁されており、さらに
陽極２は真空チャンバー５の周辺壁とつながり接地され
ている。

本実施例の陰極１．陽極２および真空チャンバー５はス
テンレスまたはアルミニウム合金で作られており、エツ
チングを行なう時に生成するプラズマが数ｅＶ−数十ｅ
Ｖのエネルギーを持つため陰極１と陽極２の表面で直接
接触した部分の温度が上昇する。エツチングはガスを高
エネルギー状態のプラズマにしてそのエネルギーによっ
て基板表面に物理的反応や化学的反応をもたらし基板表
面を加工するため、基板表面の温度が上昇すると各々の
反応速度を加速するためエツチングをエツチング時間に
よって制御できなくなる。このため本実施例の装置では
陰極１内に冷却水を循環し陰極１を常に一定温度にでき
るようになっている。同様の理由から陽極２内において
も冷却水を循環させ安定性の高いエツチングができるよ
うに工夫しである。ここでは冷却水バイブ８，９を陰極
１および陽極２内の一部に循環するようになっているが
陰極１および陽極２内の全面に循環させることがより効
果的であり、このためスパイラル状のパイプを用いたり
することもできる。

ガスの導入口６は真空チャンバー５の側壁に設けられて
おり、ガス導入口６から導入された反応性ガスは陰極１
と陽極２の間に印加された高周波電圧で放電し、反応性
ガスが解離して活性粒子や荷電粒子を生成する。各粒子
はこののち基板３と反応して基板３の加工に寄与するが
、反応によって得られた生成物や反応に寄与しない反応
性ガスの残ガスがガス排気ロアを通ってポンプ（図示せ
ず）に排出される。このようにして真空チャンバー５内
のガス圧力は一定に保たれエツチングが行なわれる。ガ
ス圧力はエツチングの速度やエツチングの均一性に強く
関係している。このためガス導入口６は陰極１や陽極２
を取り囲む円形状にして、その円の所定位置から均一に
反応ガスが導入されるようになっている場合もある。

また、この装置は１回のエツチングで１枚の基板を処理
する枚葉式エツチング装置である。

このエツチング装置で生成されるプラズマでエツチング
を行なう場合について述へる。

第２図に陰極１と陽極２の間に生成されるプラズマの電
圧分布を示す。横軸には陰極１表面を原点とし陰極１か
ら陽極２方向の距離を示し、縦軸に電圧を示している。

またこの分布は３つの領域に分けることができ領域２０
は陰極１に接した状態で生じるシースと呼ばれる領域、
領域２１はプラズマ本体で、領域２２は陽極２直下に生
したシースである。

エツチングは基板３がシースと接して行なわれるもので
、領域２１のプラズマ本体で電荷を帯びない活性粒子や
、イオン等の荷電粒子が生成され、電荷を帯びない活性
粒子は拡散によって基板３に到達し、また、荷電粒子は
シースによって加速され基板３に到達することによって
基板３がエツチングされる。

電荷を帯びない活性粒子によるエツチングでは等方性の
エツチングが支配的となるのに対して、荷電粒子はシー
スによって加速され基板３に到達するため異方性の強い
エツチングがなされる。このようにＲＩＥは異方性のエ
ツチングができるところに特徴がありその大きさは陰極
１表面に生じるシースの厚さによって決まる。陽極２の
表面積をＳａ’ｓ陰極１の表面積をｓｂとすると、陽極
２側のシースの厚さｔａ、陰極１側のシースの厚さｔｂ
の間に次のような関係がある。

Ｓ　ａ　／　Ｓ　ｂ　＝　Ｋ　（ｔ　ｂ　／　ｔ　ａ　
）すなわちカソード・カップリングでは、陽極２が真空
チャンバー５に接続されているためその表面積は陰極１
のそれより大きいため、陰極１側に生じるシースが厚く
より異方性の強いエツチングが可能となる。

逆に基板３を陽極２側に設置し、陽極２に高周波電源を
供給する方法はアノード・カップリングと呼ばれるが、
カソード・カップリングに比べて異方性は低くなる。

このようなＲＩＥを用いた異方性の強いエツチングは素
子か高密度化されて所定の位置に精度よくパターンを形
成するためには欠かすことのできない技術であるが、異
方性を高めると荷電粒子の進入か多くなるため絶縁膜に
進入した荷電粒子は絶縁膜内にトラップされ局所的にチ
ャージ・アップを生し基板表面に生している電圧分布が
歪められてしまい所望のパターンが得られなくなる。

第３図に導電性基板３０上の所定領域に膜厚０．３μｍ
の絶縁膜３１が形成されたパターンを持つ導電性基板全
面にＲＩＥを施した時に生しる電圧分布を示す。第３図
ｆａｔに導電性基板３０の断面の様子を、第３図ｆｂ）
に第３図１８）の導電性基板３０のＡ地点を原点に矢印
方向の距離と電圧分布を、第３図（Ｃ１に第３図ｆａｔ
の導電性基板３０のＢ地点を原点に矢印方向の距離と電
圧分布を、さらに第３図ｆｄｌに第３図ｆａｌのＤ−Ｄ
’面での電圧分布を示す。エツチングは反応性ガスとし
てＨＣｊ！＝５０８ＣＣＩＯ、圧力＝　１００〜５００
ｍＴｏｒｒ、高周波電力−５００Ｗの条件でプラズマを
生起して行なった。

この図から分かるようにシース領域２０は負の電圧を持
っているためプラズマ中で解離され生成された荷電粒子
の内圧のイオンが７−スによって加速され導電性基板３
０および絶縁膜３１に照射される。この時、導電性基板
３０に入射したイオンはイオン電流となって導電性基板
３０内を流れて接地に流れ出るため導電性基板３０内に
留まることなくチャージ・アップが生していないことが
第３図（Ｃ１より分かる。すなわちプラズマ自体の電圧
分布とほぼ等しい（第２図を参照）。一方絶縁膜上に入
射したイオンは、イオンの加速エネルギーが数十ｅＶ−
数百ｅＶであるため数ｎｍ程度の進入深さしか持ってい
ないため、絶縁膜３１内に留まる。このようにして絶縁
膜の表面に荷電粒子は蓄積されて行く、その結果絶縁膜
３１表面の電圧は負電圧になり絶縁膜３１の表面を離れ
るにつれてプラズマの本来の電圧に戻る。この時、絶縁
膜３１表面の電圧はイオンが入射する量が多くなるに連
れて増加して行くが実際には、電荷の保持時間を越える
と荷電粒子が消滅したり、また、プラズマ中で生成され
た高エネルギーの電子かシースに逆らって基板面に照射
され絶縁膜３１表面にあるイオンと結合して中性粒子に
変化しチャージ・アップの効果を減少させ電圧の値は飽
和するか、またはチャージ・アップしている絶縁膜３１
の絶縁破壊電圧まで達すると絶縁膜が破壊されてしまう
。

この時絶縁破壊は絶縁膜３１の材質に影響されることは
もちろん膜厚が薄ければ薄いほど、またパターンの幅が
小さければ小さいほど蓄積された電荷による絶縁膜内の
電界強度が大きくなるため絶縁破壊されやすい。

次に、実際のデバイスを製作する場合についてチャージ
・アップの影響について詳細に説明する。

第４図にＭＯ３型トランジスタの断面形状を示す。第４
図は半導体基板４０に素子分離用の酸化膜（ＬＯＧＯ５
）４１が形成されており、酸化膜４１に挾まれた領域の
半導体基板４０表面にゲート絶縁膜として０．Ｏ２ｎｍ
厚の酸化膜４２を堆積し、さらにゲート電極となるポリ
シリコン膜４３を半導体基板４０全面に堆積する。次に
通常のフォトリソグラフィによってゲート電極を形成す
る領域にレジストマスクを施しＲＩＨによってポリシリ
コン膜４３のエツチングを行なう。ポリシリコン膜４３
のエツチングでは反応性ガスとして、ＨＣＩ！　＝　５
０ｓｅｃｍ、圧力＝　１００〜５００ｍＴｏｒｒ。

高周波電力＝５００Ｗの条件でポリシリコン膜４３をエ
ツチングする。

ゲート電極形成時のＲＩＥによって第４図のようにポリ
シリコン膜４３が半導体基板４０上に残っておればエツ
チング時の荷電粒子はイオン電流となってポリシリコン
膜４３を通って接地に流れ出るためチャージ・アップは
起こらないが、所定領域以外のポリシリコン膜４３がエ
ツチングされ下地酸化膜４１および４２が露出するとと
もに酸化膜中に荷電粒子が蓄積されてチャージ・アップ
して行き最後には絶縁破壊につながる。

絶縁破壊は絶縁膜の材質に影響されることはもちろん膜
厚が薄ければ薄いほど、またパターンの幅か小さければ
小さいほと蓄積された電荷による絶縁膜内の電界強度が
大きくなるため絶縁破壊されやすいことは述へたが実際
に酸化膜の膜厚と絶縁破壊の関係と酸化膜パターンの幅
と絶縁破壊の関係を各々第５図（ａ）、第５図（ｂｌに
示す。

この図から所定のパターン幅で所定の膜厚の絶縁膜があ
る場合に絶縁破壊を起こす条件を求めて絶縁破壊が生じ
ないようにシース電圧を小さくしたり絶縁膜を厚くした
り、絶縁膜パターン幅を広くするとよいわけである。

しかし、実際には素子の高集積化が進み絶縁膜の膜厚は
素子特性上薄く、またパターン幅も小さくなることは避
けられない。このためシース電圧を小さくするためにガ
ス圧力を高くすることでシース電圧は低くなるが反応に
寄与する粒子自体のエネルギーが減少しエツチング時間
が長くなる、また異方性が弱くなり等方性エツチングと
なり精度のよいパターンを形成できなくなる。同様に高
周波電圧を低くすることによってシース電圧を低くでき
るがエツチング時間がかかる。

第４図のように半導体基板４０に素子分離用の酸化膜（
ＬＯＧＯ５）４１が形成されており、酸化膜４１に挟ま
れた領域の半導体基板４０表面にゲート絶縁膜として２
０ｎｍ厚の酸化膜４２を堆積し、さらにゲート電極とな
るポリシリコン膜４３を半導体基板４０全面に堆積し、
次に通常のフォトリングラフィによってゲート電極を形
成する領域にレジストマスクを施しＲＩＥによってポリ
シリコン膜４３のエツチングを行なう。ポリシリコン膜
４３のエツチングでは反応性ガスとして、ＨＣｌ　＝　
５０ｓｃｃｍ、圧力−１００〜５００ｍＴｏｒｒ、高周
波電力＝５００Ｗの条件でポリシリコン膜４３をエツチ
ングする。この場合、陰極直径ａ＝２００＋ｎｍとし、
電極間距離すを変化してエツチングを行なった。

ここでは反応性ガスとして、ＣＨｌを用いたが、塩素、
弗素、臭素の内生なくとも１つのガスを含むガスとして
、例えばＣ１２，５ｉＣ１！４゜Ｃ２Ｃｆ２Ｆｓ、ＨＢ
　ｒ等でもヨイ。

また、反応性ガスの流量は５３ｓｅｃｍを用いたが、反
応室の体積によって異なるが、通常２２００　ｓｃｃｍ
の範囲で使用されている。

また、エツチングガス圧力は　１００〜１００ｍＴ　ｏ
ｒｒを用いたが、エツチングの異方性を十分に得たい場
合にはより低い圧力例えば１−１−１Ｏ０ｏｒｒで使用
するとよい。

さらに、高周波電力は５００Ｗを用いたが、高周波電力
はエツチング時間とエツチングの面内均一性に大きく影
響するが本実施例の装置では５Ｏ−１ｋＷの範囲であれ
ば良好な結果を得ることができた。

第６図にポリシリコン電極を電極間距離すを変化させて
形成した素子のしきい値電圧の変化を調べた。

このようなしきい値電圧の変化はポリシリコン膜をエツ
チングする時にゲート酸化膜に進入した荷電粒子が蓄積
し局部的な絶縁膜破壊をエツチングによるチャージ・ア
ップによって起こしている結果生じるものである。

第６図に示すごとく、陰極直径ａと電極間距離すとの比
Ｘ（ａ／ｂ＝Ｘ）が、２．５≦Ｘ≦４の範囲ではＭＯ８
Ｉ−ランジスタのしきい値電圧の変化は認められなかっ
た。すなわち、これによって、ゲート電極に電荷が蓄積
することなく、ゲート絶縁膜の破壊がないため、良好な
特性のトランジスタが形成ができる。さらに陰極直径と
電極間距離の比を変えてもエツチング形状自体か変わり
エツチング精度を低下させることはない。

ここで用いた素子は酸化膜膜厚が、５ｎｍ−２０ｎｍで
、パターン幅は０．３μｍ−２，０μｍのものについて
行なったところ顕著な効果があった。

ここで陰極直径と電極間距離の比が２．５以下では、電
極間距離が大きくなるため放電電圧を高くする必要かあ
り消費電力が大きくなることと、プラズマの放電が均一
でなくなり局部的な放電を起こしやすいためエツチング
の均一性が失われ信頼性の高い安定したエツチングを行
なうことができない。

また、陰極°直径と電極間距離の比が４以上では、チャ
ージ・アップによるダメージが太きくなり素子に与える
ダメージが無視できなくなる。

次に第７図に陰極直径と電極間距離の比を２．５から４
の範囲で用いることによって所定の形状を持つパターン
が形成され、かつ絶縁破壊の生しない領域を示す。

縦軸に絶縁膜の厚さ、横軸に絶縁膜の幅を示し、陰極直
径と電極間距離の比を２．５から４の範囲で用いること
で効果のある領域を傾斜部で示す。

このようにチャージ・アップを生し難くするためにＲＦ
電力を変化させたり、ガス圧力を変化させること、さら
にはガス流量を変化させることでシース電圧を低くする
ことができるか製作上信頼性の低下や、エツチング時間
の増大、高周波電力の過剰投入することとなり装置上無
理な使用状態によって実現するためエツチング形状が悪
くなってしまうため、第７図に示された斜線領域の物に
ついては陰極直径と電極間距離の比を２．５から４の範
囲に設定することでそれ以外の条件を変えることなしに
所望の形状を持つパターンが形成される。

ここで陰極の直径は陰極１を形成するアルミ合金板の直
径を示しており第１図に示しているように基板３を固定
するためのセラミックリングが陰極１のとれだけの面積
を占めていようとも、陰極１のアルミニウム合金板の直
径によって以上述へた同様の効果がある。

次に、第８図にゲート電極領域の総面積に対する絶縁膜
領域の総面積の比とゲート絶縁膜の破壊率の関係を示す
。第８図で白抜き三角は陰極直径と電極間の距離の比か
２．５から４．０の範囲で用いたもの、白抜き円は陰極
直径と電極間の距離の比が４．０以上の場合について調
へたものである。

これにより、陰極直径と電極間の距離の比が４．０以上
ではゲート電極面積が大きくなるとゲート絶縁膜の絶縁
破壊率が低く、逆に絶縁膜の面積が大きくなるとゲート
絶縁膜の絶縁破壊率は高くなるのに対して、陰極直径と
電極間の距離の比を２．５から４．０に設定することに
よって絶縁膜破壊率が低く押さえられていることが分か
る。

この現象は、ゲート電極が導電膜によって形成され各々
の導電膜がつながっておりエツチング中に導電膜に入射
したイオンは導電膜中でイオン電流となり流れて行く。

このためゲート電極上でのプラズマ電位は接地された状
態と同じ状態になる。しかし、絶縁膜上に入射したイオ
ンは全てチャージ・アップの誘因となり導電膜以外の領
域の電位は上昇する。

この時、被エツチング材内の電位分布は導電膜に電界が
集中するが、絶縁膜ではある程度のイオンしか入射しな
くなっている。

しかし、このような電位分布の基でさらにエツチングが
進められると絶縁膜の電位が上昇し、絶縁膜膜厚が薄く
、パターン幅の小さいゲート絶縁膜の電位が上がり絶縁
破壊に達する。

すなわち、導電膜であるゲート電極の面積を広くすると
絶縁膜に入射するイオンの絶対量は減少し、絶縁破壊に
至るまでに時間がかかる。このた本実施例では面積比が
１０３程度までは絶縁破壊率が低く押さえられている。

面積比か１０４以上では陰極直径と電極間の距離の比が
４．０以上の装置では絶縁破壊率は急激に増加するのに
対して、本実施例の場合には全く絶縁破壊が住じていな
いことから、なんらかの理由によって陰極直径と電極間
の距離の比を２．５から４．０にすることによってゲー
ト絶縁破壊率を低くすることができる。

発明の効果 以上のように本発明によれば、半導体基板上のプラズマ
の電界分布を均一にすることができ、その結果、チャー
ジアップによる半導体装置の破壊や、半導体装置の特性
の変化を低減できるという効果が得られる。

陰極直径と電極間距離の比Ｘを、２．５≦Ｘ≦４の範囲
にすることでＭＯＳ）ランジスタのしきい値電圧の変化
が認められず、良好な特性のトランジスタが形成できる
。さらに陰極直径と電極間距離の比を変えてもエツチン
グ形状自体が変わりエツチング精度を低下させることは
ない。

陰極直径と電極間距離の比を２．５から４の範囲に設定
することでそれ以外エツチング条件を変えることなしに
所望の形状を持つパターンが形成される。

陰極直径と電極間の距離の比を２．５から４．０に設定
することによって絶縁膜破壊率が低くおさえられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例プラズマエツチング装置の断
面図、第２図はプラズマの電圧分布を示す図、第３図は
導電性基板上に絶縁膜をのせエツチングした時の基板断
面図と電圧分布図、第４図はＭＯ３型トランジスタ製作
時のチャージ・アップを説明する概要断面図、第５図は
絶縁腹膜条件と絶縁破壊電圧の関係を示す特性図、第６
図は陰極直径と電極間距離との比に対するＭＯ３型トラ
ンジスタのしきい値電圧の変化を示す特性図、第７図は
陰極直径と電極間距離の比を変える方法が顕著な効果を
持つ条件を示す特性図、第８図はゲート電極領域の総面
積に対する絶縁膜領域の総面積の比とゲート絶縁膜の破
壊率の関係を示す特性図である。 １・・・・・・陰極　２・・・・・・陽極、３・・・・
・・半導体基板、４・・・・・・セラミックリング、５
・・・・・・真空容器、６・・・・・ガス導入口、７・
・・・・・ガス排気口、８・・・・・・水冷パイプ、９
・・・・・・水冷パイプ、１０・・・・・・高周波電源
、１１・・・・・・整合器。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名第 図 ３　￥１−・イＡ；鷹１ｐ屹 ４　　でうＳブフソンク 第 図 第 図 世−ｂ Ｔ吃 縛 第 図 枦抹順順厚 １−抹繰バダーン幅（Ｐ→ 第 第 図 図 紀〕岑朦ｊζ９−ン幅（μｍ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　反応性ガスを導入して互いに対向配置された電極間に
   高周波放電を生起し、前記電極上で半導体基板のプラズ
   マエッチングを行うプラズマエッチング装置において、
   半導体基板を設置する電極の電極直径と電極間の距離と
   の比が２．５以上４以下（２．５≦電極直径／電極間距
   離≦４）であることを特徴とするプラズマエッチング装
   置。