JPH05267226A - ドライエッチング装置およびドライエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】ポンプの排気速度を２０００ ｌ／ｓ以上と
し、排気系のコンダクタンスを２０００ ｌ／ｓ以上と
することにより実効排気速度を１３００ ｌ／ｓとし、
ガスの滞在時間が１００ｍｓ以下にし、ガス滞在時間と
同程度の応答速度のガス流量コントローラを設ける。 【効果】タイムモジュレーションエッチングにおいて側
壁形状を平坦にすることができる。またタイムモジュレ
ーション，マルチステップ，静電吸着の着脱等のガス切
り替えに要する時間を短縮してスループットが向上す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はドライエッチング装置お
よびドライエッチング方法に関し、特に、高異方性，高
速エッチングを高スループットで行なうのに好適なドラ
イエッチング装置およびドライエッチング方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のドライエッチング装置は異方性加
工を行うために、エッチングガスを切り換えてエッチン
グを行っていた。例えば、特開昭61−61423 号や特開昭
63−65628 号公報では第１の工程で異方性エッチングを
し、第２の工程で側壁保護膜を形成し、第３の工程で等
方性エッチングと、各々の工程でガスを切り換えてエッ
チングをする。また特開昭60−50923 号や特開平2−105
413 号公報では数秒間隔でエッチング性ガスとデポジシ
ョン性ガスを切り換える、タイムモジュレーションエッ
チングにより異方性加工を実現する。また特開平2−270
320 号公報では低温エッチングでの温度制御性を向上し
て異方性を上げるために、静電吸着によりウェハを固定
する。静電吸着でウェハを固定したり、固定したウェハ
をはずすためにはプラズマによる放電が必要であり、精
度良くエッチングをするためには不活性ガスにガスを切
り換えてから放電する方がよい。以上のように異方性エ
ッチングを行うときにはガスの切り換えが必須になって
いる。

【０００３】ガスの切り換えを効率よく行うためには、
排気能力が高い方がよい。従来のドライエッチング装置
の排気系の構成はポンプ容量が１０００ ｌ／ｓ、排気
系のコンダクタンスが２００〜１０００ ｌ／ｓであ
り、装置全体の実効排気速度は１００〜５００ ｌ／ｓ
であった。また従来のドライエッチング装置の容積は２
００〜３００ ｌであった。

【０００４】排気能力の一つの目安は、ガスが流入して
から排気されるまで容器内に滞在する時間である。この
ガス滞在時間は、 ガス滞在時間＝装置の容積／実効排気速度 …（１) で求められる。従来の装置ではガス滞在時間が０.４〜
３ｓ であった。ガス切り替えに要する時間はガス滞在
時間よりも長くなるので、従来のドライエッチング装置
およびドライエッチング方法ではこのガスの切り替えに
１ｓ以上必要だった。

【０００５】ガス滞在時間が２５ｍｓと短いドライエッ
チング装置がジャーナル オブ バキューム サイエン
ティフィック テクノロジー Ｂ８（１９９０）１１８
５頁（J. Vac. Sci. Technol. Ｂ８ (１９９０）ｐ. １
１８５）に報告されている。この装置は電極間の体積が
2l程度であり、装置の実効排気速度は８０ ｌ／ｓ程度
である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ガス切り換え時には、
切り換え前後のガス混合によるエッチング特性劣化を抑
えるために、容器内のガスを排出しなければならない。
ガス切り換え時には排出するガスの分圧減少に伴い、実
効的な排気効率が落ちる。そのため排出に要する時間は
ガスの滞在時間の数倍になる。

【０００７】従来のドライエッチング装置では滞在時間
は０.４〜３ｓ 程度あった。すなわち、ガス切り換えに
は１秒以上の時間を要する。そのためにタイムモジュレ
ーションエッチングではエッチングステップ・デポジシ
ョンステップともに１ステップは数秒のステップ時間に
なる。

【０００８】上述のような従来技術では、ステップ時間
が数秒間になると、エッチングステップ中のサイドエッ
チングにより、側壁に段差構造が生じる、ガスの切り替
えに時間がかかるために、エッチングのスループットが
落ちる、エッチング装置に試料観察手段を設けてエッチ
ング中に形状観察するためにはガスを止めて圧力を下げ
なければならなかったので、形状観察をしながらエッチ
ングを行なうとスループットが落ちる、などの問題があ
った。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明においては、ドラ
イエッチング装置の排気系の構成をポンプの排気速度を
２５００ ｌ／ｓ、望ましくは４０００ ｌ／ｓにし、
排気系のコンダクタンス２０００ ｌ／ｓ、望ましくは
３０００ ｌ／ｓとし、装置全体の実効排気速度を１３
００ ｌ／ｓ以上にした。

【００１０】また、従来のドライエッチング装置の容積
を、ガスの滞在時間が１００ｍｓ以下になるように設計
した。すなわち、 実効排気速度×１００ｍｓ …（２） の値よりも容積を小さくした。

【００１１】また少なくとも一つのガス導入系を設け、
そこに設けるガス流量コントローラとして、一定流量を
保持できる最短時間が５０ｍｓ以下のものを用いた。ま
たガス流量コントローラ，放電手段，排気速度を制御す
る手段を一括制御器で制御するようにした。また試料を
観察する手段を設けた。

【００１２】

【作用】エッチング中にガスＡのエッチングからガスＢ
のエッチングに切り換える時には、ガスＡを十分排出し
てからガスＢのエッチングを行わないと、切り換え前後
のガスが混合してエッチング特性が劣化する。

【００１３】ガス停止から排出終了までの間に圧力は図
２のように変化する。十分長い時間排気すれば到達真空
度まで圧力は下がる。しかし、それではスループットが
極端に悪くなるので、実用上は、９５％程度ガス排出が
終了する時点で次のガスを導入する。

【００１４】ガス停止から排出終了時までの圧力変化
は、圧力をＰ、実効排気速度をＳ、装置の容積をＶとす
ると、 ｄＰ／ｄｔ＝−ＳＰ／Ｖ …（３） の微分方程式に従う。図２に示したようにガス停止時間
をｔ＝０として上式を解くと、ガス圧力が排出後圧力に
なるまでの時間（排出時間）は、 排出時間＝（Ｖ／Ｓ）ｌｎ（排出前圧力／排出後圧力） …（４） ここで（Ｖ／Ｓ）はガスの滞在時間であるから、 排出時間＝滞在時間×ｌｎ（排出前圧力／排出後圧力） …（５） となる。

【００１５】容器外に排出したガスの割合と、ｌｎ（排
出前圧力／排出後圧力）との関係を図４に示した。ガス
を停止してからガスの滞在時間だけ排気しても、全体の
６０％のガスしか排出されない。例えば、ガスの９５％
を排出するときには、ｌｎ（排出前圧力／排出後圧力）
は４である。すなわち、滞在時間の４倍の時間排気しな
ければ、ガスの９５％を排出できない。

【００１６】従来のドライエッチング装置では滞在時間
が１ｓ程度なので、排出時間は数秒必要だった。本発明
では実効排気速度を１３００ ｌ／ｓとし、滞在時間が
100ｍｓ以下になるようにしたために、排出時間を従来
の１／１０程度短くできた。その結果、ガス切り換え時
間を短縮してスループットを向上できた。

【００１７】また、ガス流量コントローラが一定流量を
保持できる最短時間を５０ｍｓ以下にしたために、ガス
の切り替え時間が短くなり、かつガス導入をパルス状に
行なうことができるようになった。その結果、タイムモ
ジュレーションエッチングなどのガス切り替えを頻繁に
行なうエッチングで、１ステップの時間を１００ｍｓ以
下にできるようになった。エッチング速度が１２００ｎ
ｍ／min のエッチングで１ステップの時間を例えば１０
ｍｓとすると、１ステップのエッチング量は０.２ｎｍ
と、１原子層程度になる。すなわち、ガス導入およびガ
ス切り替え時間を短くしてパルス状にガスを導入できる
ようになったために、数原子層程度の制御が可能なエッ
チングを行なうことができるようになった。

【００１８】さらに、ガス流量コントローラとともに放
電手段，排気速度を変える手段を一括制御するので、高
精度のエッチングを高スループットで行なえるようにな
った。

【００１９】さらに、試料を観察手段を設けたために、
エッチング形状をモニタしながら高精度エッチングを行
なうことができる。その際、ガス停止・圧力低下に要す
る時間を１００ｍｓ以下にできたために、スループット
を落すことなくエッチングができるようになった。

【００２０】

【実施例】

〈実施例１〉本発明によるドライエッチング装置の一実
施例を図１に示す。この装置では、真空処理室１にエッ
チングガスを導入し、マイクロ波発生器２において２.
４５ＧＨｚの高周波を発生させ、この高周波を導波管３
により放電部４に輸送してガスプラズマ５を発生させ
る。高効率放電のために磁場発生用のソレノイドコイル
６を放電部周囲に配置し、８７５ガウスの磁場による電
子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonanc
e：ＥＣＲともいう）を用いて高密度プラズマを発生さ
せた。放電部４には試料台７があり、この上にウェハ８
を設置してガスプラズマ５によりエッチング処理をす
る。

【００２１】エッチングガスは、ガス導入口９から放電
部４，真空処理室１を経て排気管１０から排気ポンプ１
１により真空処理室１外へ排出される。この際、コンダ
クタンスバルブ１２により、排気速度を変えることがで
きる。

【００２２】ウェハを設置する試料台７には冷却機構１
６を備え、ウェハを０℃以下に冷却することができる。
さらにＲＦ電源１７により４００ｋＨｚから１３.５６M
HzのＲＦバイアスを印加できる。

【００２３】真空処理室１にはヒータ１８を設けて、真
空処理室１を５０℃以上に加熱するベーキング処理がで
きるようにした。その結果、真空処理室１の壁面の残留
ガス成分や、比較的蒸気圧の低い反応生成物の堆積物な
どを除去して、到達圧力を０.５μtorr 以下と、従来の
１／１０以下にできた。そのためエッチング動作圧力を
０.５ｍtorr と低圧力エッチングを行っても不純物ガス
成分を１／１０００以下に抑えたクリーンなエッチング
をすることができる。

【００２４】排気ポンプ１１には排気速度２０００ ｌ
／ｓのターボ分子ポンプ２台を用い、総排気速度を４０
００ ｌ／ｓにして放電部４の中心軸に対して対称に配
置した。ガスの通路である放電部４，真空処理室１，排
気管１０およびコンダクタンスバルブ１２の総排気コン
ダクタンスが４０００ ｌ／ｓとなるように設計した。
実効排気速度は、 １／実効排気速度＝１／ポンプの排気速度＋１／総排気コンダクタンス …（６） で求めることができ、本実施例では実効排気速度は２０
００ ｌ／ｓである。また真空処理室１内のガスの滞在
時間が５０msecとなるように、放電部４，真空処理室
１，排気管１０の総容積を１００ｌと小さく設計した。
その結果、排出時間を短縮でき、例えば９５％排出に要
する時間で２００ｍｓ程度になった。従来の装置は９５
％排出に１〜６ｓ程度かかっていたのに比べると、排出
時間を１／５〜１／３０に短縮できた。そのためにガス
切り替えに要する時間を短くなり、エッチングのスルー
プットが向上した。

【００２５】処理ガスはガス流量コントローラ１３ａ，
ｂ，ｃを通しガス配管１４ａ，ｂ，ｃを経て、ガス導入
口９からメッシュ状に小孔の開いたバッファ室１５を通
して放電部へ導入するようした。バッファ室１５を設け
たことと、メッシュ状の小孔によりガス開口面積を広く
したことにより、ガス導入時のガス流速を音速の１／３
以下とし、かつ均一な流れにできた。また各々のガス配
管１４ａ，ｂ，ｃから放電部４にガスを導入するとき
に、２個所以上のガス導入口９を放電部中心軸に対して
対称に配置した。このことにより、ガスプラズマ５中の
ガス分布の片寄りを抑えることができる。

【００２６】処理ガスを切り替えて放電部４に流すため
に、複数個のガス流量コントローラ１３およびガス配管
１４を設けた。各々の配管系には異なる種類のガス源を
つないだ。もちろん配管系にガス混合装置を取り付け
て、混合ガスを流せるようにしてもよい。

【００２７】本実施例では三つの配管系を設置した。配
管系のガス流量コントローラ１３ａ，ｂ，ｃが一定流量
を保持できる最短時間は、ガスの排出時間と同程度のも
のを用いた。その結果、排出完了とともに直ちにガス種
を交換することができるようになった。ガス流量コント
ローラ１３が一定流量を保持できる最短時間をガスの排
出時間と同程度にする効果について、例えば、ガス流量
コントローラ１３ａと１３ｂを用いて、ガスＡとガスＢ
を交互に切り替えて放電部４に流す場合について述べ
る。

【００２８】ガス流量コントローラ１３が一定流量を保
持できる最短時間が２００ｍｓであれば、図５のような
タイミングでパルス状にガスを流すことが可能である。
もし、ガス流量コントローラ１３が一定流量を保持でき
る最短時間が１ｓ程度と遅ければ、流量コントロールを
１ｓ以下で切り替えることができないので、図６(ａ）
のようにパルスの長さおよび間隔を１ｓ以下にすること
ができない。もし、ガス流量コントローラ１３ａが一定
流量を保持できる最短時間２００ｍｓで、ガス流量コン
トローラ１３ｂが一定流量を保持できる最短時間１ｓと
性能が異なるものを用いると、図６（ｂ）に示すよう
に、ガスＡは十分排出されているのに、ガスＢを流すこ
とができず、未動作時間が生じてしまう。

【００２９】一定流量を保持できる最短時間が排出時間
と同程度のガス流量コントローラを用いれば、本発明の
効果である、排出時間の短縮を最大限に生かすことがで
きる。もちろんガス配管系の数を多く設置して、未動作
時間等の時間を短縮することができる。しかし、その場
合はパルス的にガスを流すことができないため、デジタ
ルエッチング等のパルスエッチング固有の効果は期待で
きなくなる。

【００３０】本発明ではガス滞在時間を１０ｍｓ以下に
し、応答時間が１０ｍｓ以下のピエゾバルブをガス導入
コントローラに使うことにより、通常のエッチング動作
圧力で１０ラングミュア以下のガス露出もできるように
なった。ここで１ラングミュアとは固体表面へのガス露
出量を示す単位であり、１ｓ×１μｔｏｒｒで定義され
る量である。１μtorrのガス雰囲気下では１ｓで固体表
面１層分の原子数と同程度のガス粒子が入射するので、
ガス露出量が１ラングミュアであるということは、固体
表面一層分と同程度のガス粒子が入射することを意味す
る。ガス露出量を１０ラングミュア以下にできるという
ことは、１回のパルス状ガス導入でガス粒子を試料へ表
面１０原子層分以下の量に制御して入射させることがで
きることを意味する。例えば動作圧力１ｍtorrでは１０
ｍｓで１０ラングミュアに相当する。従来のドライエッ
チング装置ではガス滞在時間が１ｓ程度であったので、
このように短い時間のパルスで圧力制御できなかった。
またガス導入コントローラが一定流量を保持できる最短
時間が１ｓ程度であったので、１０ｍｓという短いパル
ス時間のガス導入ができなかった。

【００３１】本発明では、パルスガス導入により、エッ
チングガスを一原子層以下の精度で試料表面に導入でき
るようになったので、高精度のエッチングができるよう
になった。もちろん動作圧力に応じて、ガス導入コント
ローラに必要な一定流量を保持できる最短時間は異な
る。また、必要な一定流量を保持できる最短時間が得ら
れれば、他の種類のガス導入コントローラを用いてもよ
い。

【００３２】ガス流量コントローラ１３ａ，ｂ，ｃのガ
ス流量及びガス流入のタイミングは、ガス切り替え制御
器２２により制御できるようにした。ガス流入のタイミ
ングをさらに制御するには、ガス配管１４中にストップ
バルブを設けて、その開閉もガス切り替え制御器２２で
制御できるようにしてもよい。

【００３３】ガス切り替え制御器２２を一括制御器２３
につなぎ、一括制御器２３からの制御信号によりガス切
り替え制御器２２の動作タイミングを制御できるように
した。さらに一括制御器２３をマイクロ波発生器２，Ｒ
Ｆ電源１７、およびコンダクタンスバルブ１２ともつな
いで、これらの動作条件・動作タイミングを一括制御で
きるようにした。このようにガス切り替え制御器２２、
および一括制御器２３を取り付けることにより、ガス切
り替えを効率よく行うことができる。さらにマイクロ波
やＲＦバイアス等も同時に制御できるので、タイムモジ
ュレーションエッチングやマルチステップエッチングを
高スループット・高精度に行うことができる。

【００３４】一括制御器２３に記憶手段を取り付け、コ
ンダクタンスバルブ１２の開度と実効排気速度との関係
を記憶しておけば、排出時間を求めることができる。圧
力制御のためにコンダクタンスバルブ１３を制御しなが
らガスを切り替えるときに、あらかじめ記憶した排出時
間を用いることにより、ガス切り替えを高精度に行うこ
とができる。例えば、図３のようにガス切り替え時にガ
ス流を中断しないと圧力変化により排出終了をモニタす
ることができない。排出時間があらかじめわかっていれ
ば、その間だけμ波を停止するなどをして、ガス混合の
影響を抑えることができる。

【００３５】〈実施例２〉従来のタイムモジュレーショ
ンエッチングでは１ステップの時間が長かったために、
エッチングステップ中にサイドエッチングが生じる。こ
のサイドエッチングを抑えるためにデポ膜形成を行なっ
ているが、サイドエッチングとデポジションが交互に生
じて、側壁に段差がついてしまった。この段差上に容量
膜等を成長させると、膜厚が不均一になる、リーク電流
が大きい等の問題が生じる。そこで本実施例では、側壁
に段差を生じさせない、ガス導入に超高速パルスを用い
たタイムモジュレーションエッチングについて説明す
る。本実施例ではガス導入を１００ｍｓ以下、望ましく
は１０ｍｓ程度の超高速パルスで行なうことにより、側
壁が垂直でかつ平坦なタイムモジュレーションエッチン
グが可能になった。

【００３６】ガス導入を止めてからガスを９５％排出す
るには、作用の節で述べたように、ガス滞在時間の４倍
の時間がかかる。ガス導入を１０ｍｓのパルスでも可能
にするためには、ガス滞在時間はその１／４の２.５ｍ
ｓ 以下にする必要がある。そこで本実施例では、装置
構成は、実施例１と同様、図１に示した構成になってい
るが、真空処理室１の体積は１０ｌとし、ポンプの排気
速度を１００００ ｌ／ｓ、総排気コンダクタンスを１
００００ ｌ／ｓとした。実効排気速度は5000ｌ／ｓ、
ガス滞在時間２ｍｓである。

【００３７】ガス導入に超高速パルスを用いたタイムモ
ジュレーションエッチングの一実施例として、Ｃｌ₂ガ
スプラズマにより原子層レベルのエッチングをし、Ｏ₂
ガスプラズマにより原子層レベルの側壁保護膜を形成す
るＳｉのトレンチエッチングについて説明する。

【００３８】本実施例で用いた試料は図１１（ａ）に示
すように、Ｓｉ基板２５上にＳiＯ₂マスク２４をパター
ニングしたものを用いた。パターン幅は０.１μｍ、Ｓ
ｉＯ₂マスク２４の厚さは５００ｎｍである。

【００３９】タイムモジュレーションエッチングの第１
ステップは、Ｃｌ₂ ガスプラズマによるＳｉエッチング
である。エッチング時の圧力は０.５ｍtorr とした。こ
の時のガス流量は２００sccmと、高真空・高排気速度エ
ッチングの条件とした。μ波パワー５００Ｗ、ＲＦバイ
アスは２ＭＨｚで２０Ｗ、ウエハ温度は１０℃とした。
この時のＳｉのエッチング速度は１４００ｎｍ／min 、
ＳｉＯ₂ とのエッチング選択比（Ｓｉ／ＳｉＯ₂ ）は５
０であった。ただしエッチング開始直後にはＳｉ表面に
はごく薄い酸化膜２６が存在する。この膜はＲＦバイア
スをかけないとほとんどエッチングされないが、ＲＦバ
イアスを２ＭＨｚで２０Ｗ印加する本条件でのエッチン
グ速度は１割程度の減少のみだった。

【００４０】ウエハ温度が１０℃の時には、Ｃｌ₂ ガス
プラズマによるＳｉエッチングではサイドエッチングが
起きてしまう。しかし、サイドエッチングの速度に比べ
れば垂直方向のエッチング速度は十分大きいので、Ｓｉ
数原子層分のエッチング中にはサイドエッチングはほと
んど入らない。Ｓｉ１原子層の厚さは０.２ｎｍ 程度で
あるから、１０ｍｓの時間だけエッチングすれば、図１
１（ｂ）のようにＳｉ１原子層分だけエッチングするこ
とができる。

【００４１】ここでガス流量コントローラ１３によりＣ
ｌ₂ ガスを止め、Ｏ₂ ガスを流す。Ｃｌ₂ ガスは８ｍｓ
後には９５％排出される。Ｃｌ₂ ガスを止める前にμ波
を止めれば放電は止まり、１原子層分だけのエッチング
のみが進む。この時にμ波を止めなくとも８ｍｓ後には
圧力低下で放電は止まるので、μ波を停止する必要はな
い。ただし、Ｏ₂ ガスを流す前にＣｌ₂ ガスを十分排出
しなければならない。

【００４２】次のステップはＯ₂ ガスプラズマによる処
理で、表面にはごく薄い酸化膜２６が形成される（図１
１（ｃ））。この時の放電条件は、圧力０.５ｍtorr ，
ガス流量２００sccm，μ波パワー５００Ｗとした。側壁
表面の酸化膜２６はサイドエッチングを抑える。その厚
さは数原子層分でよいので、処理時間は１０ｍｓから１
００ｍｓ程度でよい。ただしこの処理時にＲＦバイアス
を印加すると酸素イオンが高いエネルギで底面に入射
し、酸化状態の進んだ厚い酸化膜が底面に形成されてし
まう。そのためエッチング反応が阻害されてしまう。Ｏ
₂ ガスプラズマ処理ではＲＦバイアスをゼロにするのが
よい。

【００４３】Ｏ₂ ガスプラズマ処理後には、Ｏ₂ ガス導
入を停止し、Ｃｌ₂ ガスを流す。８ｍｓ後にはＯ₂ ガス
の９５％が排出されて、次のステップに進むことができ
る。以上のステップが本実施例の一周期である。

【００４４】次のステップは上でも述べたＣｌ₂ ガスプ
ラズマによるＳｉ１原子層分のエッチングである。この
時に図１１（ｄ）に示すように側壁の酸化膜２６が側壁
保護膜になる。あらたにエッチングされた部分は原子層
程度のエッチング量なので、サイドエッチングは入らな
い。

【００４５】以上のステップを繰り返すことにより、側
壁には薄い酸化膜が形成されて、サイドエッチングを抑
える。またＣｌ₂ ガスプラズマによるエッチング１ステ
ップでのエッチング量をＳｉ原子層１層分としたために
エッチングステップでもサイドエッチングが入らない。
以上の効果により、サイドエッチングが入らず、かつ側
壁が平坦なトレンチエッチングをすることができた。Ｓ
ｉＯ₂ マスク２４に対する選択比は５０、エッチングス
テップ中のエッチング速度は１２００ｎｍ／min ，１μ
ｍ深さのトレンチを３分のエッチングで行なうことがで
きた。

【００４６】本実施例ではエッチング１ステップにおけ
るエッチング量を原子層１層分程度に制御するために、
ガスパルス幅を１０ｍｓ程度に制御した。１ステップの
エッチング量は原子層１０層分程度まで増やしてもサイ
ドエッチングは高々１〜２層分ぐらいしか入らない。そ
れゆえエッチングステップを１００ｍｓ程度にしても同
様な効果がある。Ｏ₂ ガスプラズマによる酸化処理も１
００ｍｓ程度までなら、酸化膜による底面のエッチング
の阻害はエッチング速度が数割減少する程度である。つ
まり、ガスパルス幅を１００ｍｓ程度でも本実施例と同
様の効果がある。この場合はガス滞在時間を２０ｍｓ程
度に装置設計ができるので、排気速度の小さなポンプを
用いることができる。

【００４７】従来はＳｉトレンチエッチングにＣｌ₂／
Ｏ₂の混合ガスを用いていた。この従来の方法では反応
生成物がＯ₂ と反応して酸化物がデポ物としてウエハ上
に堆積した。このデポ物は側壁保護膜として作用して、
異方性エッチングを可能とする。しかしこのデポ物はパ
ターン幅の減少やパーティクル汚染の原因にもなってい
た。本実施例では１ステップのエッチング量が数原子
層であること、反応生成物にＯ₂ が作用しないために
デポ物の形成が抑えられることとの二つの作用により、
デポ物の影響が生じない。

【００４８】本実施例ではＣｌ₂ ガスとＯ₂ ガスによる
Ｓｉトレンチエッチングについて説明したが、poly−Ｓ
ｉのゲートエッチングなどにも効果がある。またガスの
組合せもエッチング性のガスと膜形成をする（デポジシ
ョン性）ガスとの組合せであれば、同様の効果がある。

【００４９】〈実施例３〉本発明のドライエッチング方
法の一実施例として、タイムモジュレーションエッチン
グについて説明する。

【００５０】タイムモジュレーションエッチングは、エ
ッチング性ガスとデポジション性ガスを交互に切り替え
てエッチング処理を行う。その結果、マイクロローディ
ング効果を抑えることができる。

【００５１】従来のタイムモジュレーションエッチング
のタイムチャートを図８に示した。この例は特開平2−1
05413 号公報の一実施例である。この例ではエッチング
ガスとデポジションガスを交互に切り替えてエッチング
する。デポジションガスを流すのは、ウェハ上にデポジ
ションを起こすのが目的である。しかし、ガス切り替え
直後はエッチングガスが残留しているので、切り替え直
後にμ波放電を起こすとエッチングガスの影響が出て、
デポジションでなくエッチングが起きたりする問題が生
じる。例えば、エッチング用ガスとしてＳＦ６ガスを用
い、デポジション用ガスとしてＣＣｌ４ガスを用いて多
結晶Ｓｉをエッチングするときには、デポジション用ガ
ス中に５％以上のエッチング用ガスが含まれていると、
タイムモジュレーションエッチングの特性が劣化する。
そのため、エッチング用ガスの９５％を排出してからデ
ポジションを行わなければならない。

【００５２】図４に示したように、９５％のガスを排出
するためにはガスの滞在時間の４倍の時間を要する。従
来のドライエッチング装置では、ガスの滞在時間は１.
５ｓ程度であった。そのため排出時間は少なくとも６ｓ
必要であった。図８に示した例では、９ｓ間μ波放電を
停止している。

【００５３】本発明では実効排気速度を２０００ ｌ／
ｓと大きくし、ガス滞在時間は５０ｍｓと短くしたの
で、排出時間を短くすることができた。その効果を図７
に示した。

【００５４】従来のドライエッチング装置ではガスの滞
在時間は１秒程度もしくはそれ以上であったので、９５
％排気を行うには数秒程度の排出時間を要した。これに
対し本発明では滞在時間を１００ｍｓ以下にしたので、
排出時間は０.２ｓ 程度、もしくはそれ以下にすること
ができた。図中には従来のドライエッチング装置の一実
施例として特開平2−105413 号公報の性能と、本実施例
の性能を示してある。この例では排出時間を１／１００
に短縮できた。

【００５５】本発明によるタイムモジュレーションの一
実施例のタイムチャートを図９に示す。従来はデポジシ
ョンガスを流してから９ｓ間μ波放電を停止していたの
に対し、本実施例では排出時間を０.２ｓ 程度にできた
ので、μ波放電停止期間は０.２ｓ 程度でよいことにな
る。そこで拡大図に示したように、エッチングガスとデ
ポジションガスの切り替え時に０.２ｓの時間間隔をお
いた。この間にガスは容器外に急速に排気されるので、
μ波を停止しなくても短時間(０.２ｓ程度）でガス放電
は止まる。一つのエッチングステップは３ｓであるか
ら、μ波を停止せずにガス排気により放電を止めても影
響はほとんどない。μ波発生装置をオン・オフした直後
は電源系などが不安定なので、μ波を停止しなければ、
その不安定によるエッチング特性の劣化を防ぐことがで
きる。

【００５６】以上のように従来９ｓ放電を止めていた時
間を０.２ｓ まで短縮できた。従来は４サイクルに５２
ｓかかっていたが、本実施例は１６ｓと、エッチングの
トータル時間は７０％短縮できた。本実施例では多結晶
Ｓｉエッチングについて説明したが、タイムモジュレー
トエッチングが有効なエッチング材料すべてに同様な効
果がある。

【００５７】本実施例では放電が停止するのは４ｓ中
０.２ｓ と短いので、放電による加熱のために従来例よ
りもウェハ温度が高くなるという問題がある。しかし、
ウェハを試料台に固定する手段として静電吸着を用いれ
ば、冷却効率が上がり、実用上は問題なくなる。もちろ
んサイクル間の無放電時間を伸ばして、ウェハ温度が上
がらないようにしてもよい。

【００５８】〈実施例４〉本発明のドライエッチング方
法の他の一実施例であるマルチステップエッチングにつ
いて説明する。

【００５９】マルチステップエッチングとは、一回のエ
ッチング中にガスを切り替えるエッチングである。例え
ば、１ステップ目に異方性エッチング用のガスを流し、
２ステップ目にデポジション性のガスにより側壁保護を
し、３ステップ目には等方的なエッチングガスにより段
差上のエッチング残りを取り除く。

【００６０】静電吸着を用いてウェハを固定する場合に
も、ガスの切り替えを行う。ウェハを試料台に静電吸着
させる時、及び静電吸着からはずすときには、ウェハに
電荷をためたり放出させたりしなければならない。この
電荷の移動を行う一方法は、ウェハ上方でプラズマを発
生させることである。

【００６１】ウェハを試料台に静電吸着させるときに
は、まだウェハと試料台の密着性は悪い。そのため熱伝
導が悪く、ウェハ温度はプラズマからの熱で上昇する。
それゆえ静電吸着させるためにエッチング性ガスのプラ
ズマを用いると、サイドエッチング等が入ったりする。
また静電吸着をはずすときにエッチング性ガスのプラズ
マを用いると、オーバーエッチングが進みすぎる等の問
題が生じる。そのため静電吸着の着脱時には、不活性ガ
スプラズマを用いることが望ましい。

【００６２】静電吸着を用いて３ステップのマルチステ
ップエッチングを行うときには、ガスの切り替えを４回
行うことになる。従来のドライエッチングでは１回のガ
ス切り替えのために、６ｓ程度の排出時間が必要だっ
た。つまりウェハ１枚あたり２４ｓが、ガス切り替えに
伴うガス排出に必要だった。ウェハ１枚あたりのエッチ
ング時間は３０ｓ程度であり、ガスの切り替えにエッチ
ングと同じ程度を要していた。

【００６３】本実施例ではガス排出時間を０.２ｓ 以下
にしたために、１回のガス切り替え時間を０.２ｓ 以下
にすることができた。その結果、ウェハ１枚あたりでガ
ス切り替えを０.８ｓ でできるようになった。トータル
のエッチング時間は従来の５４ｓから３１ｓと４３％短
縮でき、スループットが向上した。

【００６４】〈実施例５〉本発明によるドライエッチン
グ方法の一実施例について説明する。本実施例はエッチ
ング中にエッチング形状等を観察を同時に行うものであ
る。エッチング形状は従来、エッチング終了後に電子顕
微鏡を用いて観察していた。エッチング装置に電子顕微
鏡を取り付ければ、エッチング中にも形状観察ができ
る。しかし電子顕微鏡観察はプラズマを止め、かつ圧力
を１０μtorr以下、望ましくは１μtorr以下にしなけれ
ばならない。エッチング圧力が１ｍtorrの時に、ガスを
止めて１μtorrまで排出するのに要する時間は、排出前
後の圧力比が１０００であるから、図１０に示すよう
に、ガス滞在時間の７倍程度の時間がかかる。従来のド
ライエッチング装置ではガス滞在時間は１ｓ程度なの
で、ガス排出には１０ｓ程度かかる。そのためエッチン
グ中に電子顕微鏡観察を行うと、ガス排出の時間だけス
ループットが悪くなる。

【００６５】本実施例ではガス滞在時間を５０ｍｓとし
たので、電子顕微鏡観察のためのガス排出時間は０.４
ｓ 以下になる。このように本実施例ではガス排出に要
する時間を短縮したために、エッチング中の電子顕微鏡
観察によるスループットの低下を最小限に抑えることが
できた。その結果、エッチング形状やエッチング残りを
モニタしながらエッチングを行うことができるために、
高精度のエッチングができるようになった。

【００６６】本発明の効果はエッチング中の電子顕微鏡
観察のほか、高真空下で行う表面分析等の観察を行いな
がらエッチングするときにも、同様の効果がある。

【００６７】

【発明の効果】本発明によれば、超高速ガスパルスを用
いたタイムモジュレーションエッチングにより、異方性
が高く、かつ側壁形状が平坦なエッチングを行なうこと
ができる。また、本発明によれば、ガスの切り替えに要
する時間を従来の１／１００以下にすることができるの
で、タイムモジュレートエッチングマルチステップエッ
チングなど、高異方性エッチングを高スループットで行
うことができる。本発明によれば、高真空を必要とする
分析を行いながらのエッチングを高スループットで行う
ことができるため、エッチング制御を高精度に行うこと
ができる。さらに、本発明の効果は前述のエッチング装
置に限らず、例えば、ＲＩＥ，マグネトロン型ＲＩＥ，
ヘリコン共振型ＲＩＥ等のほかの装置についても、同様
の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるドライエッチング装置
の断面図。

【図２】ガス切り替え時のタイムチャート。

【図３】ガス切り替えのタイムチャート。

【図４】排出ガスの割合と、圧力比の自然対数との関係
を示した特性図。

【図５】ガス切り替えのタイムチャート。

【図６】ガス切り替えのタイムチャート。

【図７】ガス滞在時間と排出時間との関係を示したタイ
ムチャート。

【図８】従来のタイムモジュレートエッチングのタイム
チャート。

【図９】本発明によるタイムモジュレーションエッチン
グのタイムチャート。

【図１０】排出前後の圧力比とその自然対数との関係を
示した説明図。

【図１１】超高速ガスパルスタイムモジュレーションエ
ッチングの一実施例の工程図。

【符号の説明】

１…真空処理室、２…マイクロ波発生器、３…導波管、
４…放電部、５…ガスプラズマ、６…ソレノイドコイ
ル、７…試料台、８…ウェハ、９…ガス導入口、１０…
排気管、１１…排気ポンプ、１２…コンダクタンスバル
ブ、１３ａ，ｂ，ｃ…ガス流量コントローラ、１４ａ，
ｂ，ｃ…ガス配管、１５…バッファ室、１６…冷却機
構、１７…ＲＦ電源、１８…ヒータ、１９…バタフライ
バルブ、２０…ガスの流れ、２１…マイクロ波導入窓。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空処理室内に処理ガスを導入する少なく
   とも一つの手段を有し、前記処理ガス導入手段に少なく
   とも一つのガス流量調整手段を設け、ガスを前記真空処
   理室外に排気する手段、排気コンダクタンスを可変にし
   て排気速度を変える手段を有し、高周波放電またはマイ
   クロ波放電手段を有し、前記放電手段により発生させた
   ガスプラズマを用いて前記真空処理室内に設置した試料
   を処理するドライエッチング装置において、前記排気手
   段に実効総排気速度が１３００ ｌ／ｓ以上になる排気
   ポンプを用い、前記処理ガスの真空処理室内滞在時間を
   １００ｍｓ以下にし、前記ガス流量調整手段と前記排気
   速度を変える手段と前記放電手段の動作とを制御する手
   段を有し、前記ガス流量調整手段が一定流量を保持でき
   る最短時間を５０ｍｓ以下、かつガス露出量を１０ラン
   グミュア以下にすることを特徴とするドライエッチング
   装置。
2. 【請求項２】請求項１において、少なくとも１種のガス
   を所定の時間間隔で周期的にかつ間欠的に流れるよう制
   御するドライエッチング方法。
3. 【請求項３】真空処理室内に処理ガスを導入する少なく
   とも一つの手段を有し、前記処理ガス導入手段に少なく
   とも一つのガス流量調整手段を設け、ガスを前記真空処
   理室外に排気する手段、排気コンダクタンスを可変にし
   て排気速度を変える手段を有し、高周波放電またはマイ
   クロ波放電手段を有し、前記放電手段により発生させた
   ガスプラズマを用いて前記真空処理室内に設置した試料
   を処理するドライエッチング方法において、少なくとも
   １種のガスを所定の時間間隔で周期的にかつ間欠的に流
   れるように制御し、エッチングステップと膜形成ステッ
   プの繰返しを行ない、エッチングステップ時のエッチン
   グ量を該試料の１０原子層以下とすることを特徴とする
   ドライエッチング方法。
4. 【請求項４】請求項１において、前記試料の観察手段を
   有するドライエッチング装置。
5. 【請求項５】請求項１，２または４において、前記ガス
   流量調整手段が一定流量を保持する最短時間が１０ｍｓ
   以下であるドライエッチング方法。
6. 【請求項６】請求項１において、前記ガス流量調整手段
   としてピエゾバルブを用いるドライエッチング装置。