JPH0637046A

JPH0637046A - プラズマエッチング装置

Info

Publication number: JPH0637046A
Application number: JP4186383A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Taji; 新一田地; Tatsumi Mizutani; 巽水谷; Tokuo Kure; 得男久▲禮▼; Yasushi Goto; 康後藤; Kazunori Tsujimoto; 和典辻本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-07-14
Filing date: 1992-07-14
Publication date: 1994-02-10

Abstract

(57)【要約】【構成】プラズマエッチング装置において、ガスプラズ
マ５と相対する固体表面で発生する２次電子の制御機構
を、放電部４などのプラズマ発生部とウェハ８を設置す
る試料台７およびそれらの部分に接する部材の少なくと
も一つに設ける。【効果】１０ｍＴｏｒｒ以下の低ガス圧プラズマでの２
次電子発生に起因した放電の不安定性が解消する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面の微細加工に好適
なプラズマ処理技術を用いたプラズマエッチング装置に
係わり、特に、安定な信頼性に優れたプラズマの生成と
維持を得て処理を行うのに好適なプラズマエッチング装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路（ＬＳＩ）の微細加工法
として用いられるドライエッチング技術は、ＬＳＩの微
細化に伴って、０．１μｍレベルの高精度が必要となっ
ている。従来のリアクティブイオンエッチング（Ｒ
ＩＥ）においては、通常１０ｍＴｏｒｒから１００ｍＴ
ｏｒｒの比較的高いガス圧力においてエッチングが行わ
れていたが、近年、ガスプラズマ中におけるイオンの散
乱を防止するため、より低ガス圧力で、しかもある程度
のエッチング速度を得るために高効率放電を行うエッチ
ングが検討されてきた。そして、例えば、特公昭５２−
１２６１７４号公報や文献「ソリッドステートデバ
イセズアンドマテリアルズ（Solid State Devices
and Materials）、第２０７頁、１９９０年」に記載の
マイクロ波プラズマエッチング（ＥＣＲエッチングとも
いう）や、「ドライプロセスシンポジウム、第５４
頁、１９８８年」に記載のマグネトロン放電型ＲＩＥ
や、「ジャーナルオブバキュアムサイエンステ
クノロジー（Journal of VacuumScience Technolog
y）、B9(2)、310(1991）」に記載のヘリコン型ＲＩＥ装
置等が開発されてきた。これらの装置においては例えば
上記文献のＥＣＲエッチングのように、０．５ｍＴｏｒ
ｒの低ガス圧力において、Ｃｌ₂の２０ｓｃｃｍのガス
流量で、ポリシリコンのエッチングが行われていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術によるエ
ッチングでは、１０ｍＴｏｒｒ以下の低ガス圧プラズマ
において、２次電子発生に起因した放電の不安定性が生
じ、加工不良が起きるという問題があった。

【０００４】本発明の目的は、１０ｍＴｏｒｒ以下の低
ガス圧プラズマにおいての２次電子発生に起因した放電
の不安定性を解消したプラズマエッチング装置を提供す
ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマエッ
チング装置において、プラズマ発生部および処理すべき
試料を設置する試料設置台ならびにその部分に接する部
材に２次電子制御機構を設け、これにより２次電子発生
に起因した放電の不安定性の解消を図ったものである。

【０００６】なお、２次電子制御機構は、具体的には、
電場や磁場を印加して２次電子の軌道の修正を行い、ま
た試料に対向する面に電子低放出材料の使用することで
実現している。

【０００７】

【作用】２次電子は、処理すべき試料、例えばＳｉウェ
ハの表面への高速イオンの入射によって発生する。この
２次電子は、イオン加速空間（イオンシース）をイオン
とは逆に加速されてウェハ表面から飛び出し、低ガス圧
下では分子等と衝突することなく対向する面に衝突し、
さらに多くの２次電子をつくり出す。これら電子はエネ
ルギーが低いが、イオンエネルギーが高く２次電子が多
量に発生すると、プラズマでのイオンと電子の１：１の
比率がくずれ、このバランスを取り戻そうとする力が働
き、放電は不安定化する。この２次電子により生じる問
題に対しては、１）ウェハでの発生を防止すること、
２）イオンシースでの加速を防ぐこと、３）プラズマ中
で２次電子を消滅させること、４）対向する面への２次
電子の入射を防止すること、５）対向面に２次電子が入
射しても、再び２次電子が発生するのを防ぐこと、等に
よって解決できる。

【０００８】前述の本発明の構成は、上記解決策の少な
くとも一つの機能を果たすものであり、これにより２次
電子により生じる問題を解決することができる。

【０００９】

【実施例】実施例の説明に先立ち、本発明によるマイク
ロ波プラズマエッチング装置（ＥＣＲエッチャとも称す
る）の構成を図１により説明する。本装置の特徴は、プ
ラズマと相対する固体表面で発生する２次電子の制御機
構をプラズマ発生部およびウェハ設置台、ならびにそれ
らの部分に接する部材に設けたことである。本装置は、
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
れを導波管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が放電部４の周囲に配置され、８７５ガ
ウスの磁場により電子サイクロトロン共鳴（Electron C
yclotron Resonance：ECRともいう）の高密度プラズマ
が発生される。この放電部４に接するように試料台７が
あり、この上に載置されたウェハ８を前記ガスプラズマ
によりエッチング処理する。処理後のエッチングガス
は、放電部４、真空処理室１を経て排気管１０から排気
ポンプ１１により真空処理室外へ排出される。この際、
コンダクタンスバルブ１２を可変にすることにより、排
気速度を変えることができる。処理ガスは、ガス流量コ
ントローラ１３を通しガス配管１４を経てガス導入口９
から放電管内部へ導入される。ウェハ８を載置する試料
台７には、ウェハを０℃以下に冷却する冷却機構１６が
備えられ、また１３．５６ＭＨｚから４００ｋＨｚのＲ
Ｆバイアス１７が印加できる。真空処理室１にはヒータ
１８が付いており、５０℃以上に加熱できる。排気ポン
プ１１には排気速度２０００リットル／秒のターボ分子
ポンプを用いた。放電部４、真空処理室１、排気管１０
の総容積は１００リットルである。Ｓｉウェハ径は８イ
ンチとした。

【００１０】このマイクロ波プラズマエッチング装置を
用いて、Ｓｉトレンチに用いるＳｉ単結晶のエッチング
を行った。試料は、Ｓｉ基板を５００ｎｍの厚さに熱酸
化膜を形成し、その上にホトレジストマスクを形成し、
酸化膜をドライエッチングした後、ホトレジストを除去
してＳｉＯ₂マスクを形成したものである。エッチング
ガスにはＣｌ₂を用い、ガス圧力５ｍＴｏｒｒ、マイク
ロ波パワー５００Ｗ、ＲＦバイアスは２ＭＨｚで２０
Ｗ、ウェハ温度は室温とし、ガス流量を２００ｓｃｃｍ
とした。磁場強度分布は放電部の上方から下方に向けて
小さく、ＥＣＲ条件を満たす８７５ガウスの位置はウェ
ハ上方４０ｍｍであった。このときのＳｉエッチ速度は
５００ｎｍ／分となった。Ｓｉのエッチング形状につい
ては、５μｍの深さのＳｉ深孔のアンダーカット量は
０．１μｍ程度であった。エッチング速度の孔径依存性
は、０．３μｍから１．０μｍの間の孔径において速度
差は２０％以内であった。エッチングマスクに用いたＳ
ｉＯ₂との選択比（Ｓｉ／ＳｉＯ₂）は約５０となった。
また、リンドープポリシリコンのエッチングでもほぼ同
様の結果が得られた。

【００１１】実施例１：上記性能の装置を使って、プラ
ズマの安定性と２次電子放出との関連性を調べた。２次
電子の発生は、ウェハに印加する２ＭＨｚの高周波電力
の大きさと印加の周期を変化させ、入射イオンのエネル
ギと照射時間を変えて行った。その結果、試料に印加す
る高周波電力が大きく、ウェハに入射するイオンのエネ
ルギが１００ｅＶ以上になるとウェハ表面で発生する２
次電子発生量はかなり多くなり、４００ｅＶを超えると
増加した２次電子の影響で放電が不安定になり、ちらつ
きや発光強度の偏りが発生した。２次電子の発生量は材
料と表面状態で変化するが、表面で発生する２次電子を
抑えるには、イオンのエネルギを低くすることが基本で
ある。ところが、これを１００ｅＶ以下に低くすると、
上記４００ｅＶのエッチング速度は、１／５以下に減少
しかつアンダーカットが発生し、処理時間と加工仕上が
り寸法の制限上で不具合であった。このような場合に
は、２次電子発生の防止の基本として、従来の３倍以上
の高速排気によるガスの高速供給が有効であった。ガス
圧力を０．７ｍＴｏｒｒ以下に設定し、一分あたりに５
０ｃｃ以上の多量のガスを流した結果、１／３の低バイ
アス条件でも、同ガス圧力で１５ｃｃのエッチ速度３０
０ｎｍ／分が得られ、このときに発生する２次電子によ
るプラズマのちらつきや偏り等は解消した。１〜１０ｍ
Ｔｏｒｒのガス圧力のときのエッチングでは、高速排気
によるガス供給量増大の効果が大きく、従来の排気にお
いてエッチング室から排気孔までと排気ポンプ性能を考
慮した実効排気量を５００ｌ／分以上に設定する必要が
あった。より効果が出るのは、１０００から２０００ｌ
／分の排気速度であった。

【００１２】実施例２：上記エッチング装置において、
そのプラズマに接する放電管およびウェハを載置する台
の表面を構成する材料に、２次電子の発生率の小さな材
料を選択することも効果があった。一般に使用される石
英（ＳｉＯ₂）は、高エネルギの電子入射によって２次
電子の発生量が多い。従って、この石英に代わる安定絶
縁材料であれば、効果は出る。より効果的になるのは、
放電管の石英の内面の一部もしくは全面に窒化ボロン、
窒化ケイ素等の窒化物、フッ化マグネシウムやフッ化バ
リウム等のフッ化物、さらにシリコンより原子量の小さ
いリシウムや炭素を含む絶縁性の材料を塗布や堆積させ
たものであった。

【００１３】実施例３：上記エッチング装置において、
放電管およびウェハ抑え等のプラズマに接する表面の構
造が、微細な凹凸構造をもつ場合に、２次電子による放
電不安定性が少なくなることがわかった。すりガラス状
の石英においても効果があり、さらに図２に示すような
石英表面に格子状や市松模様に凹凸を形成する方法も効
果があった。図２は、図１中のマイクロ波導入窓２１に
ついて、図２（ａ）にＡ、Ｂで示す面に、図２（ｂ）や
図（ｃ）のように、凹凸を形成した例を示す。凹凸は一
様な高さと間隔で配置する必要はない。中心部と周辺部
でかえることも効果的であった。

【００１４】特に、低い面の面積が高い面の面積より広
く、かつその段差が深くなるほど好都合であった。同等
の構造を複数以上の石英により形成してもよい。少なく
ともその一枚をグリッド状に形成し、放電管の内面から
距離をおいて設置すると、複雑な構造を石英管または板
の上につくり込む必要がなく、低コスト化に適する。な
お、上記実施例２と組み合わせることは効果的である。

【００１５】実施例４：２次電子発生防止に効果的なマ
イクロ波放電管構成例としては、少なくとも石英板とス
テンレスおよびこれらの材料よりも２次電子発生量の少
ない材料の三種類を使う方法がある。特に、２次電子発
生量の少ない材料をウェハ表面と相対する位置またはそ
の外周部に使うことにより、放電の安定性は向上した。

【００１６】さらに、ウェハ径が８インチ以上のウェハ
を処理するマイクロ波エッチング装置において、放電管
の高さがウェハ面に平行な放電管断面の直径の１．５倍
より大きく、放電管断面の直径がウェハ径の１．５倍よ
り大きくすることにより、放電の安定性は向上した。こ
れは、マイクロ波電力でプラズマを発生させ、ウェハ載
置台に高周波を印加する方式のプラズマエッチング装置
において、プラズマエッチング中にウェハ表面から発生
する２次電子の平均自由行程の少なくとも３倍以上離れ
た位置に放電管の内壁面が存在することである。つま
り、２次電子が放電管壁に到達しないようにすればよ
い。

【００１７】実施例５：上記エッチング装置において、
放電管に２次電子の入射を阻害する電場もしくは磁場を
印加すると、放電は安定化した。具体的な方法として
は、磁場の構成を変更し、電子の発散を促すごとく、か
つウェハから放電管壁に向い磁場強度が一様に増えるの
ではなく、空間的に磁場強度が低くなる部分を設定する
ことである。また、交流磁場を重畳して印加しても同等
の効果が得られた。

【００１８】電子の入射を阻害させるため、磁場の周波
数を時間的に変化させてもよい。

【００１９】マイクロ波放電管の外周部に、部分的に複
数の永久磁石を設置することにより、放電管への電子入
射を阻害することも可能であった。

【００２０】実施例６：上記エッチング装置において、
プラズマに接するウェハを載置する台に高周波と直流の
電位を供給し、これらの電位がウェハ表面からでる電子
のウェハに対する垂直方向運動を阻害するように印加し
た。具体例としては、ウェハ周辺にプラスの電位を印加
し、ウェハ表面の電位と異なった極性に保った。その結
果、２次電子の一部が周辺の正電位の部位に引き込ま
れ、放電管壁への入射量が低減でき、プラズマは安定化
した。

【００２１】マイクロ波放電管の形状が半球状または円
筒状、もしくは両者を併せた形状であり、その放電管外
周の一部分を電極で構成してそれらに電位を与えること
により、放電管壁上に電子が入射することを阻害できる
ようにした。その結果、上記ウェハ周辺への電位印加よ
りも低い電位で２次電子低減効果が現れた。

【００２２】放電管外周の一部分を複数以上の部分に分
割した電極で構成しそれらに独立に電位を与えることに
よって、放電管壁上に電子が入射することを阻害する方
法によれば、さらに２次電子低減の効果があった。

【００２３】実施例７：放電管内のある部分にガス濃度
の高い領域を形成し、放電管のウェハに相対する壁面へ
の弟子入射を阻害することによっても放電の安定化が可
能であった。

【００２４】放電ガスが少なくとも２種類以上であり、
その内に少なくとも１種類のガスが電子の吸収確率が高
いガスを使うことも効果的である。すなわち、電子を放
電管壁まで到達させなくする方法が有効であり、上記実
施例のどの組合わせを使用しても効果は上がる。

【００２５】実施例８：マイクロ波プラズマエッチング
装置により、コンタクトホールに用いられるＳｉＯ₂の
エッチングを行った。試料はＳｉ基板上に２μｍの厚さ
にＣＶＤでＳｉ酸化膜を形成し、その上に、ホトレジス
トマスクを形成した。エッチングガスにはＣＨＦ₃を用
い、ガス圧力０．５ｍＴｏｒｒ、マイクロ波パワー５０
０Ｗ、ＲＦバイアスは８００ｋＨｚで２００Ｗ、ウェハ
温度は−３０℃とし、ガス流量を２から１００ｓｃｃｍ
まで変化させた。２ｓｃｃｍでは５０ｎｍ／分であった
エッチ速度はＣｌ₂ガス流量とともに増加し、１００ｓ
ｃｃｍにおいて５００ｎｍ／分となった。ＳｉＯ₂のエ
ッチング形状は、０．５ｍＴｏｒｒの低ガス圧力である
ため高い方向性が得られ、２μｍの深さのＳｉＯ₂深孔
のアンダーカット量は０．０５μｍ以下で、ガス流量依
存性はほとんどなかった。さらに、エッチング速度の孔
径依存性は小さく０．１μｍから１．０μｍの間の孔径
において速度差は３％以内であった。

【００２６】このようなエッチングガス流量の増大によ
り、放電の安定性は極めて良くなる。すなわち、プラズ
マに接する表面に堆積物を形成しやすい場合において
も、上記実施例１に基づく２次電子防止による放電の安
定化が有効であった。

【００２７】なお、本発明の構成は、プラズマエッチン
グ装置に限らず、他のプラズマ処理装置、例えばマイク
ロ波プラズマＣＶＤ装置、プラズマＣＶＤ装置等に対し
ても有効であることは明らかである。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、ウェハ表面で発生する
２次電子を低減し、対抗する放電管面への入射量を減少
させることができるので、プラズマの正負電荷のバラン
スを取ることができ、顕著な安定性が実現できる。従っ
て、量産装置には必須の技術であり、シリコンの集積回
路の製造において非常に高い方向性や長時間安定性の必
要となるＳｉトレンチやコンタクト孔等の高アスペクト
比（パターン幅／エッチング深さの比）エッチングを、
高速度で高精度に加工することができる。

【００２９】また、本発明の効果はエッチングする材料
によらず、Ｓｉウェハの外、アルミニウム、タングステ
ン、タングステンシリサイド、銅、ＧａＡｓ、Ｓｉ窒化
膜等の他の材料についても同様の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるマイクロ波プラズマエッチング装
置の構成を示す概略図である。

【図２】本発明の一実施例における放電管表面形状を示
す図である。

【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１３…ガス流量コントローラ１４…ガス配管１６…冷却機構１７…ＲＦバイアス１８…ヒータ２１…マイクロ波導入
窓

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者後藤康東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者辻本和典東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波電力または高周波電力もしくは
その両方の手段により発生させたガスプラズマを用いて
真空処理室内に設置された試料を処理するプラズマエッ
チング装置において、プラズマと相対する固体表面で発
生する２次電子の制御機構を、プラズマ発生部および試
料設置台ならびにそれらの部分に接する部材のうちの少
なくとも一つに設けたことを特徴とするプラズマエッチ
ング装置。
【請求項２】請求項１に記載のプラズマエッチング装置
において、ガスプラズマは磁場中におけるマイクロ波放
電もしくは高周波放電により発生したものであり、その
プラズマに接する放電管が少なくとも部分的に石英また
はアルミナなどの絶縁物で構成されており、放電管への
電子の入射を阻害する電場または磁場が印加されること
により、プラズマ発生部およびその部分に接する部材で
の２次電子の制御を行うことを特徴とするプラズマエッ
チング装置。
【請求項３】請求項２に記載のプラズマエッチング装置
において、放電管への電子の入射を阻害するために印加
される電場の強度または周波数もしくは磁場の強度を時
間的に変化させることを特徴とするプラズマエッチング
装置。
【請求項４】請求項１に記載のプラズマエッチング装置
において、ガスプラズマは磁場中におけるマイクロ波放
電により発生したものであり、そのプラズマに接する試
料を載置する台に高周波と直流の電位を供給する手段を
有し、これらの電位が、試料表面からでる電子が該試料
に対して垂直方向に運動することを阻害するように印加
されることにより、試料設置台における２次電子の制御
を行うことを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項５】請求項２に記載のプラズマエッチング装置
において、マイクロ波放電を行う放電管の形状が半球状
または円筒状もしくは両者を合わせた形状をなし、その
放電管の外周の一部を電極で構成するとともに、該電極
に電位を与えることにより、前記放電管の壁上に電子が
入射することを阻害できるようにしたことを特徴とする
プラズマエッチング装置。
【請求項６】請求項５に記載のプラズマエッチング装置
において、放電管の外周の一部に構成される電極が複数
部分に分割された電極であり、分割した電極の各部分に
それぞれ独立に電位を与えることを特徴とするプラズマ
エッチング装置。
【請求項７】請求項２に記載のプラズマエッチング装置
において、マイクロ波放電および高周波放電を行う放電
管の外周部に、部分的に複数の永久磁石を配置し、これ
により放電管への電子の入射を阻害できるようにしたこ
とを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項８】請求項２に記載のプラズマエッチング装置
において、マイクロ波放電を行う放電管が、石英とステ
ンレス、およびこれらの材料よりも２次電子発生量の少
ない材料を含む少なくとも三種類の材料で構成されてい
ることを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項９】請求項８に記載のプラズマエッチング装置
において、マイクロ波放電を行う放電管の内壁面に微小
の凹凸を設け、凹凸による高さの差があることによって
内壁面からの２次電子発生量が少なくなるようにしたこ
とを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項１０】請求項８に記載のプラズマエッチング装
置において、放電管を構成する材料の内の２次電子発生
量の少ない材料が、試料表面と相対する部位もしくはそ
の外周部に位置する部分に用いられていることを特徴と
するプラズマエッチング装置。
【請求項１１】請求項２に記載のプラズマエッチング装
置において、マイクロ波放電を行う放電管は、その高さ
が試料面に平行な放電管断面の直径の１．５倍より大き
く、該放電管断面の直径は試料の径の１．５倍より大き
く、かつ、径が８インチ以上の試料の処理を行うことを
特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項１２】請求項１１に記載のプラズマエッチング
装置において、放電管内のある部分にガス濃度の高い領
域を形成し、放電管の試料と相対する壁面への電子の入
射を阻害するようにしたことを特徴とするプラズマエッ
チング装置。
【請求項１３】請求項１２に記載のプラズマエッチング
装置において、放電ガスとして２種類以上のガスを用い
るとともに、その内の少なくとも１種類のガスが電子の
吸収確率が高いガスであることを特徴とするプラズマエ
ッチング装置。
【請求項１４】請求項８に記載のプラズマエッチング装
置において、マイクロ波放電を行う放電管は、該放電管
内の試料と相対する位置またはその外周部の構造が単調
な平面状または球面状でなく、少なくとも放電管内面に
対して垂直な線が試料の表面を通らないように該内面構
造が形成されていることを特徴とするプラズマエッチン
グ装置。
【請求項１５】請求項１に記載のプラズマエッチング装
置において、マイクロ波電力によりガスプラズマを発生
させ、試料設置台に高周波を印加する方式の装置であっ
て、プラズマエッチング中に試料表面から発生する２次
電子の平均自由行程の少なくとも３倍以上離れた位置に
放電管の内壁面が存在するようにすることにより、プラ
ズマ発生部での２次電子の制御を行うことを特徴とする
プラズマエッチング装置。