JPH0729892A

JPH0729892A - 電極温調機構

Info

Publication number: JPH0729892A
Application number: JP5198001A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Sasamura; 義孝笹村; Shigehiro Fujita; 穣太藤田; Norihiko Tamaoki; 徳彦玉置; Mitsuhiro Okuni; 充弘大國; Ichiro Nakayama; 一郎中山; Masabumi Kubota; 正文久保田; Noboru Nomura; 登野村
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-07-14
Filing date: 1993-07-14
Publication date: 1995-01-31

Abstract

(57)【要約】【目的】３枚以上の上部電極を回転対称の位置に設
け、位相の異なる高周波を印加することにより回転電界
を発生されこれにより反応ガスをプラズマとして、下部
電極の上に載せた半導体ウエハをエッチングするドライ
エッチング装置は、従来のプラズマ発生装置と比較して
上部電極面積が小さい為投入電力が大きいと電極が著し
く加熱される。電極の過熱を押さえるために投入電力を
抑制する必要があった。また温度変化によりウエハ面で
のエッチング性能が変動する。これを防止する。【構成】上部電極に冷媒を通して上部電極の温度制御
を行う。（下部電極の上に置いたウエハと下部電極の間
に熱伝達用の気体を流し、ウエハクランプ機構をもうけ
てウエハを下部電極に押し付けるようにする。）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、回転電界を利用しガ
スをプラズマにするドライエッチング装置における下部
電極とＬＥＰ電極の温調機構に関する。半導体集積回路
の高密度化を一層推し進めるために、フォトリソグラフ
ィ技術、エッチング技術の進歩が不可欠である。この発
明はドライエッチング法の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】ドライエッチングはガスをプラズマにし
てこれを加速し基板に当てて、基板上のレジストによっ
て覆われていない半導体部分を物理的化学的作用により
除去するものである。レジストによって覆われていない
部分をなるべく垂直にエッチングするのが望ましい。他
の分野で使われることのある湿式のエッチングは等方的
にエッチングが進む。これに対して、レジスト面に対し
て垂直にのみエッチングが進行するのを異方性エッチン
グという。乾式のエッチングは異方性に優れている。先
述の性質は異方性が高いということで表現できる。

【０００３】現在最も広く用いられているエッチング方
法は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）である。ガス
としてハロゲンのガスを用いて化学反応により半導体を
除去して行く。これは平行平板電極などを用いてハロゲ
ンガスなどに高周波を印加してプラズマとしこれにより
半導体部分をエッチングする。

【０００４】微細なレジストの穴において垂直に半導体
を削るようにするためには、イオンの入射方向が基板面
に直角でなければならない。このためにはイオンの平均
自由工程を長くし散乱確率を減らせば良い。そのために
真空度を上げる必要がある。しかし真空度を上げると高
周波放電が起こり難くなる。するとエッチングレ−トが
低くなる。

【０００５】これを解決するために、マグネトロン反応
性イオンエッチング法や、ＥＣＲエッチング法が開発さ
れてきている。マグネトロン反応性イオンエッチング法
は、従来の平行平板電極の周囲に例えば４の電磁石を設
け、電磁石の励磁電流の位相を２π／４ずつ変化させる
ことにより、チャンバ内に回転磁場を発生させ、これに
より電子のサイクロトロン運動を起こさせ、イオン化効
率を上げようとするものである。

【０００６】ＥＣＲエッチング法は、例えばチャンバの
外部にコイルを設け直流磁場を縦方向に発生させる。
２．４５ＧＨｚのマイクロ波を外部からチャンバに導入
する。直流磁場によって、電子はサイクロトロン運動す
るが、これの周期とマイクロ波の周期を同じにすると、
電子がマイクロ波を共鳴吸収する。運動エネルギ−を得
た電子がガス原子、分子に衝突してこれをイオンにする
ので、やはりイオン化率が向上する。

【０００７】しかしマグネトロン反応性イオンエッチン
グ法は、回転磁場の密度が空間的に一様でない。ために
プラズマ密度が空間的に不均一になる。ＥＣＲエッチン
グ法は磁場がやはり空間的に不均一であるから、プラズ
マ密度が空間的に不均一になる。このように高真空中で
も放電を維持しイオン化率を高くする方法があるが、い
ずれも磁場の空間的不均一のためにプラズマ密度が不均
一になるという難点がある。

【０００８】プラズマやラジカルの作用で半導体部分を
除去するのであるから、プラズマが空間的に一様でない
と、エッチング速度も空間的に一様でないことになる。
もしも大口径のウエハをエッチングしようとすると、ウ
エハの面内でのエッチング速度が不均一になる。だから
これらの方法は大口径ウエハのエッチングには不向きで
ある。

【０００９】そこで回転電界を用いたドライエッチング
法、が本発明者らによって発明された。特開平４−２６
８７２７号、特開平４−２９０２２６号などに開示され
る。

【００１０】ｎ枚の電極に位相が２π／ｎだけ異なる高
周波電圧を印加して、チャンバ内に回転電界を発生しこ
れによって電子を縦軸回りに回転させ加速しガス原子を
叩いてプラズマにしこのプラズマによって基板をエッチ
ングする。

【００１１】これはチャンバ内に、上下の平行平板電極
と、ｎ枚のＬＥＰ電極を設けたものである。下の平行平
板電極にエッチングすべき基板を載せる。ＬＥＰ電極は
回転対称になるように互いに対向するように設けられ
る。上下の平行平板電極は、上下方向に交番電界を発生
する。側方のＬＥＰ電極は水平方向に回転電界を発生す
る。上下の平行平板電極に掛ける高周波は例えば５０Ｍ
Ｈｚ、水平の回転電界のための高周波は３００ＭＨｚで
ある。

【００１２】先述のように反応性イオンエッチングは平
行平板電極だけを利用している。これに比較すると中間
側方に設けるＬＥＰ電極が増えている。マグネトロン反
応性イオンエッチング法は上下の平行平板電極と中間側
方の電磁石からなるから、これに比較すると、電磁石が
電極に置き換えられているということになる。

【００１３】このような回転電界を利用するエッチング
法を本発明者はＬＥＰ法と名付けた。エッチング装置の
全体をＬＥＰ装置と呼び、側方の回転対称の電極をＬＥ
Ｐ電極ということにした。一般名称になっている訳では
ない。ＬＥＰということもあるしリサ−ジュプラズマエ
ッチング装置ということもある。リサ−ジュ図形という
のは、互いに垂直な方向の単振動を合成した２次元運動
の軌跡のことである。フランスのLISSAJOUS が考案した
機械で描けるのでこの名前がある。

【００１４】こういう様に水平方向に対向する２対の電
極に９０度位相の異なる電圧を印加すると、回転電界を
形成できる。電極配置が直交電界を作る方向であるし、
位相が異なるのでリサ−ジュと名付けたのである。実際
には電界は円運動するかまたは楕円運動するかである。
複雑な一般のリサ−ジュ図形を描くという分けではな
い。しかし本発明者は更に一歩進んで、回転対称の位置
に置いたｎ枚の電極に、２π／ｎだけ位相差のある高周
波を印加した場合も回転電界を形成できるはずであると
いうことに気づいた。ｎ＝４に限らず、ｎ＝３でもｎ＝
６でも回転電界を作ることができる。

【００１５】つまり一般的にｎ枚の電極を設けて、２π
／ｎだけ位相のずれた高周波電圧を印加すると中心から
の距離に比例した回転電界を形成することができる。そ
こでこのような場合も含めて、リサ−ジュプラズマエッ
チングということにした。３枚であろうが、５枚であろ
うがＬＥＰ電極という。装置と区別するために電極はリ
サ−ジュ電極と呼ぶこともある。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】図１は従来のＬＥＰ装
置の概略構成図である。チャンバ１は真空に引くことの
出来る空間である。上部電極（ＬＥＰ電極）２がこの例
では３枚設けられる。チャンバ１の下方には下部電極３
がある。これは、チャンバ１の底部に固定してある。下
部電極３の上に半導体ウエハ４（半導体基板）が戴置さ
れる。下部電極３と対向すべき接地電位の電極はこの例
では省かれている。これはチャンバの上面によって代替
される。そこで、ＬＥＰ電極の事を上部電極２と以後呼
ぶこともある。またリサ−ジュ電極とも呼ぶ。

【００１７】下部電極３の内部を冷却するために、チラ
−５が設けられる。チラ−５はパイプ１３により下部電
極３の内部に繋がっている。冷却水または冷媒がチラ−
５と下部電極３、パイプ１３を循環する。チャンバ１の
底面はパイプを通すための開口がある。下部電極３と底
面の間はＯリング（図示せず）によってシールされてい
る。しかし簡単のためこれらの構造は略す。

【００１８】さらにチャンバ１の側面にはガス導入孔
（図示せず）があり、ここからチャンバ内に反応性ガス
が導入される。これは例えばＣｌ₂ ガスである。これが
プラズマとなり半導体ウエハをエッチングする。

【００１９】第１の高周波電源６が下部電極３に高周波
を与える。これはたとえば５０ＭＨｚである。これに対
してリサ−ジュ電極２にも第２の高周波電源７によって
位相のずれた高周波が印加される。ここでは３枚の電極
を示すが、例えば３００ＭＨｚの高周波を１２０度ずつ
位相が異なるようにしてこれらの電極に印加する。ＬＥ
Ｐ電極に高周波が印加されることにより、チャンバ内に
導入されたガスがプラズマになる。

【００２０】プラズマ中の電子とイオンの速度の違いに
より、５０ＭＨｚの高周波が加えられている下部電極３
はマイナス電圧にバイアスされる。プラズマ中で電子と
イオンが互いに衝突しあう。正イオンやラジカルの一部
がウエハに当たる。ウエハはレジストで覆われ、フォト
リソグラフィによりレジストの上にパタ−ンが描かれ、
一部が除去されている。レジストで覆われた部分はイオ
ンやラジカルが当たらないのでエッチングされない。レ
ジストで覆われない部分はエッチングやラジカルの作用
でエッチングされる。

【００２１】こうして半導体ウエハのエッチングが進行
するのであるが、イオンやラジカルの衝突、放電により
発熱する。この熱を除去しなければ、下部電極３が加熱
される。下部電極３が高温になると、この上に載せたウ
エハも高温になるので所望のエッチングができない。高
温になり過ぎると、レジストが軟化し溶け、更には焼き
付くことがある。

【００２２】またエッチング速度が温度により変化す
る。所定のエッチング速度を維持するためには温度を一
定にしなければならない。また選択比が温度により変化
する。選択比というのは物質によりエッチング速度が違
うがこれの比の事である。Ｓｉの酸化物ＳｉＯ₂ とポリ
シリコンのエッチング速度の比は低温程大きくなる。エ
ッチング速度は温度が高い方が速いが、Ｓｉをエッチン
グする場合、穴の側面と底面でのエッチング速度の温度
依存性が違う。

【００２３】このようにウエハの温度とエッチングの特
性は緊密な関係がある。それでウエハの温度を最適の温
度に保つために、図１のようなチラ−５が設けられるの
である。冷媒または冷却水をパイプから下部電極３、チ
ラ−５間で循環させるので、下部電極３が冷却される。
チラ−５で冷媒の温度を計測し、これがある一定の温度
になるように冷媒の入力温度を調整する。

【００２４】ところが実際にはウエハの温度が所定の温
度になっているとは限らない。ウエハ４は下部電極３の
上に単に置いてあるだけである。下部電極３は平坦であ
るし、ウエハも平坦であるから密着しそうに思えるが必
ずしもそうでない。ウエハは反りや歪みがある。下部電
極３も細かい凹凸がある。ウエハと下部電極３の間に空
隙が生じる。ウエハと下部電極３の接触は点接触とな
る。また真空中で膜形成するので対流による熱の伝達が
ない。ウエハは冷却し難い状況にある。

【００２５】さらに冷媒温度をチラ−５で測定してい
る。これはウエハの温度を直接に測定するものではな
い。下部電極３の温度も熱電対又はファイバー温度計な
どによって測定している。それでも下部電極３とウエハ
温度が常に同一温度差であるわけではなく、接触の状態
により変化する。下部電極３とウエハ温度の関係が一義
的でない。

【００２６】もう一つ上部電極２つまりＬＥＰ電極の問
題がある。これは高周波を印加して回転電界を発生させ
ガスをプラズマにするものであるから、プラズマによっ
て加熱される。金属であるからある程度の熱には耐える
が、それでもあまりに加熱されると、損傷を受ける。ま
た、ウエハの入れ替え時には放電をＯＦＦする必要があ
るが、放電のＯＮ、ＯＦＦにより上部電極の温度は変化
する。特にＬＥＰ電極は他の装置に比べて電極が小さく
その温度変化が激しい電極には反応生成物やプラズマ中
での重合物が堆積する場合が多く、電極の温度変化が著
しいとこれらの堆積物が剥離しパーティクルを発生させ
てしまう。従来は上部電極は全く冷却されていなかっ
た。

【００２７】ＬＥＰ電極を冷却でき、しかも下部電極３
の冷却をより完全にした電極温調機構を提供することが
本発明の目的である。

【００２８】

【課題を解決するための手段】本発明の電極温調機構
は、上部電極に冷媒を通して一定温度に維持し、さらに
ウエハと下部電極の間に熱伝達用の気体を流しさらにウ
エハを下部電極に強く押し付けるためのウエハクランプ
機構を設けている。上部電極にチラ−を設けて冷媒を循
環させるのであるが、これにより上部電極の温度を例え
ば０℃〜７０℃の範囲の任意の温度に設定でき、温度変
化が±３℃以下に抑えられるようにする。またウエハと
下部電極の間に熱伝達用気体を通しウエハをクランプ機
構で下部電極に強く押しつけ密着させることにより熱伝
導を高めてウエハの冷却効果をより高める。下部電極の
温度は例えば−６０℃〜＋６０℃の範囲の任意の温度に
設定できるものとする。

【００２９】

【作用】本発明はウエハと下部電極の間に熱伝達を高め
るための気体を流し、ウエハクランプ機構によってウエ
ハを下部電極に強く押し付けているので、ウエハと下部
電極の熱接触が緊密になる。下部電極の温度と循環する
冷却水または冷媒の温度をチラ−で測定して温度制御す
ると下部電極の温度は正確に制御できる。本発明ではウ
エハが強く下部電極に接触しているので、ウエハ温度が
下部電極温度の関数として正確に決まる。従って下部電
極温度や冷媒温度を制御することによってウエハ温度も
正確に制御することができる。

【００３０】従来上部電極は全く冷却されていなかった
が、本発明では上部電極も冷却するので、上部電極の熱
損傷を防ぐことができる。電極は例えばＡｌを用いるが
冷却すると、しない場合に比較して寿命が著しく長くな
る。さらに上部電極からの輻射熱も一定になり、ウエハ
と下部電極間の温度関係がより安定になる。上部電極と
ウエハの距離は数ｃｍ〜十ｃｍ程度であるから、上部電
極が高熱状態になると輻射によりウエハが加熱される。
上部電極を例えば１０℃〜５０℃あるいは室温に維持す
れば、これからの輻射はほとんど影響しない。また、温
度変化を抑えることにより、電極上の堆積物の剥離を防
止し、パーティクルの発生を抑制することができる。

【００３１】

【実施例】図２は本発明の実施例に係る電極温調機構を
備えたドライエッチング装置の概略構成断面図である。
これはウエハクランプ機構が解放されている状態を示
す。分かり易くするためにウエハを浮かせて描いてある
が、実際に空間に浮くわけではない。図３はウエハクラ
ンプ機構がウエハを固定している状態を示す。図４は装
置の平面図である。

【００３２】チャンバ１の内部上方に３つの上部電極
（ＬＥＰ電極）２が３回回転対称の位置に互いに対向す
るように設置されている。チャンバ１の側面にはガス導
入口（図示せず）があり、ここから反応性ガスが導入さ
れる。これがプラズマとなり、ウエハをエッチングす
る。ガスはＣｌ₂ 、ＢＣｌ₃ などである。

【００３３】チャンバ１の下方には、下部電極３が底面
に絶縁されて設けられる。下部電極３の上にウエハ４が
戴置される。チラ−５があって、下部電極３を適温に冷
却する。パイプ１３を通して冷媒（水またはフッ素系の
液体）が下部電極３に送られ、下部電極３を冷却してパ
イプ１３を通して戻る。チラ−５では、冷媒の温度を測
定してこれが所望の温度になるように制御している。ま
た、下部電極３の温度も測定される。下部電極３には第
１の高周波電源６が接続される。これは例えば１３．５
６ＭＨｚの高周波である。これによって下部電極３が負
電圧にバイアスされる。

【００３４】上部電極２は例えば５４．２４ＭＨｚの高
周波が印加される。３枚の電極に、位相が１２０°ずつ
異なるように高周波を印加する。チャンバにはハロゲン
系のガスを導入する。上部電極２は回転する電界を発生
するので、電子がこの方向に回転しガスをプラズマとす
る。プラズマのなかには正イオン、中性ラジカル、電子
が含まれる。イオンやラジカルはウエハに衝突して、レ
ジストで覆われていない部分を除去してゆく。

【００３５】プラズマの作用で上部電極が加熱される
が、本発明ではチラ−８を設けて上部電極２を冷却する
ようにしている。これにより上部電極の温度上昇を抑え
ることができる。チラ−８において冷媒の温度を調整す
ることにより上部電極の温度を任意に設定できる。例え
ば上部電極の温度は０℃〜７０℃の範囲で自在に設定で
きる。この図では上部電極２とチラ−８を結ぶパイプ１
４は各１本しか描いていないが実際には２本ずつある。

【００３６】ウエハクランプ機構９はウエハ４を下部電
極３に押し付けるものである。ガス供給装置１０は、ウ
エハ４と下部電極３の間には熱伝達を高めるための気体
を供給する。真空度が高いと対流による熱伝達が起こら
ない。そこで気体をウエハと下部電極の間に導入してガ
ス対流による熱伝達を行う。ウエハクランプ機構９はク
ランプリング１１と、昇降機構１２とよりなる。クラン
プリングは円形の押さえ部材であるが、１箇所または２
箇所に油圧シリンダなど昇降機構のロッドがついてい
る。これによりクランプリングが昇降できる。

【００３７】チラ−５から冷媒がパイプ１３を通して下
部電極３の内部に送給される。下部電極３を冷却した冷
媒はパイプを通ってチラ−５に戻る。チラ−５での冷媒
温度を測定し一定温度にすることによりウエハ４の温度
を所望の一定温度に保つようにする。例えば下部電極３
の温度は−６０℃〜＋６０℃の範囲の任意の温度に設定
できるようにする。

【００３８】

【発明の効果】本発明はドライエッチング装置の上部電
極を冷却する機構を備えるので、電極の発熱による損傷
を押さえることができる。従来のものでは電極の熱損傷
を避けるために投入電力が制限されたが、本発明では上
部電極を冷却するからより大きい電力を印加することが
できる。これによりエッチング速度を早めることが出来
る。

【００３９】下部電極３に戴置したウエハの温度をより
正確に制御することができるようになる。ウエハ温度が
変化すると、エッチング速度、選択比、穴形成における
底面と側面の速度比などが変わってくる。所望のエッチ
ング性能を得るためにはウエハ温度が一定であることが
必要である。本発明はウエハ温度をより正確に制御でき
るので、エッチング性能をより向上させることができ
る。微細パタ−ンをエッチングする必要性が高まってい
る現在において本発明の効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例に係る回転電界を利用するドライエッチ
ングの概略断面図。

【図２】本発明の実施例に係る回転電界利用ドライエッ
チング装置のウエハクランプ機構を解放した状態の断面
図。

【図３】本発明の実施例に係る回転電界利用ドライエッ
チング装置のウエハクランプ機構を閉じた状態の断面
図。

【図４】図３と同じものの横断平面図。

【符号の説明】

１チャンバ２上部電極３下部電極４ウエハ５チラ− ６高周波電源７高周波電源８チラ− ９ウエハクランプ機構１０ガス供給装置１１クランプリング１２昇降機構１３パイプ１４パイプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者玉置徳彦大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者大國充弘大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者中山一郎大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者久保田正文大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者野村登大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空に引くことのできるチャンバと、チ
ャンバ内で互いに回転対称の位置に対向するように設け
られる３枚以上の上部電極と、チャンバから絶縁してチ
ャンバの下方に設置され半導体ウエハを戴置すべき下部
電極と、下部電極に高周波を印加する第２の高周波電源
と、上部電極に位相の異なる高周波を印加できるように
した高周波電源とを含み、チャンバ内にエッチングガス
を導入し、上部電極に掛けた位相の異なる高周波電圧に
よって回転電界を発生させガスをプラズマとして、ウエ
ハをエッチングするようにしたＬＥＰドライエッチング
装置において、下部電極に冷媒を流してこれを冷却する
第１のチラ−と、ウエハを下部電極に押し付けるウエハ
クランプ機構とを設けたことを特徴とする電極温調機
構。
【請求項２】真空に引くことのできるチャンバと、チ
ャンバ内で互いに回転対称の位置に対向するように設け
られる３枚以上の上部電極と、チャンバから絶縁してチ
ャンバの下方に設置され半導体ウエハを戴置すべき下部
電極と、下部電極に高周波を印加する第２の高周波電源
と、上部電極に位相の異なる高周波を印加できるように
した高周波電源とを含み、チャンバ内にエッチングガス
を導入し、上部電極に掛けた位相の異なる高周波電圧に
よって回転電界を発生させガスをプラズマとして、ウエ
ハをエッチングするようにしたＬＥＰドライエッチング
装置において、上部電極に冷媒を流してこれを冷却する
第２のチラ−を設けたことを特徴とする電極温調機構。
【請求項３】真空に引くことのできるチャンバと、チ
ャンバ内で互いに回転対称の位置に対向するように設け
られる３枚以上の上部電極と、チャンバから絶縁してチ
ャンバの下方に設置され半導体ウエハを戴置すべき下部
電極と、下部電極に高周波を印加する第２の高周波電源
と、上部電極に位相の異なる高周波を印加できるように
した高周波電源とを含み、チャンバ内にエッチングガス
を導入し、上部電極に掛けた位相の異なる高周波電圧に
よって回転電界を発生させガスをプラズマとして、ウエ
ハをエッチングするようにしたＬＥＰドライエッチング
装置において、下部電極に冷媒を流してこれを冷却する
第１のチラ−と、上部電極に冷媒を流してこれを冷却す
る第２のチラ−と、ウエハを下部電極に押し付けるウエ
ハクランプ機構と、ウエハと下部電極の間に熱伝達用の
気体を導入するガス供給装置を設けたことを特徴とする
電極温調機構。
【請求項４】真空に引くことのできるチャンバと、チ
ャンバ内で互いに回転対称の位置に対向するように設け
られる３枚以上の上部電極と、チャンバから絶縁してチ
ャンバの下方に設置され半導体ウエハを戴置すべき下部
電極と、下部電極に高周波を印加する第２の高周波電源
と、上部電極に位相の異なる高周波を印加できるように
した高周波電源とを含み、チャンバ内にエッチングガス
を導入し、上部電極に掛けた位相の異なる高周波電圧に
よって回転電界を発生させガスをプラズマとして、ウエ
ハをエッチングするようにしたＬＥＰドライエッチング
装置において、下部電極に冷媒を流してこれを冷却する
第１のチラ−と、上部電極に冷媒を流してこれを冷却す
る第２のチラ−と、ウエハを下部電極に押し付けるウエ
ハクランプ機構と、ウエハと下部電極の間に熱伝達用の
気体を導入するガス供給装置を設け、下部電極温度を−
６０℃〜＋６０℃の範囲の任意の温度に設定でき、上部
電極の温度を０℃〜７０℃に設定できるようにしたこと
を特徴とする電極温調機構。