JPH0831439B2

JPH0831439B2 - 反応性イオンエッチング方法

Info

Publication number: JPH0831439B2
Application number: JP61047709A
Authority: JP
Inventors: 誠関根; 晴雄岡野; 靖浩堀池
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-03-05
Filing date: 1986-03-05
Publication date: 1996-03-27
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPS62204529A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明はドライエッチング方法に係わり、特にマグネ
トロン放電を利用したドライエッチング方法に関する。

（従来の技術）近年、高集積デバイス製造のための微細加工には、主
として反応性イオンエッチング技術が使用されている。
反応性イオンエッチング法とは、一対の対向する電極を
有する真空チャンバ内の片方の電極上に被エッチング基
体を置き、例えばCF₄等のハロゲン原子を含有するガス
を該チャンバ内に導入し、上記一対の電極間に高周波電
力を印加してガスを放電せしめ、発生したイオンやラジ
カルを用いて被エッチング基体をエッチングする方法で
ある。

上記方法を利用したエッチング装置では、大型チャン
バ内に例えば10〜20枚の被エッチング基体を一度に入れ
てエッチングを行うバッチ式装置と、小型チャンバ内に
１枚の被エッチング基体のみを入れてエッチングを行う
枚葉式装置とがある。LSIのパターンは今後も益々微細
化し、且つSiウェハ径は８インチや12インチと拡大する
一途を辿っている。従って、大口径ウェハ表面上に均一
に極微細パターンを形成するためには、枚葉式装置の方
が有利であり、この方式が徐々にではあるが主流になり
つつある。当然のことであるが、枚葉式エッチング装置
は、もしエッチング速度が等しければ、バッチ式エッチ
ング装置に比較して処理能力は低い。従って、枚葉式エ
ッチング装置では、磁場を利用してマグネトロン放電を
起こす。或いはホローカソード放電を起こす等、放電効
率を高める工夫がなされている。

第10図に従来のマグネトロン放電利用のドライエッチ
ング装置の概略構成を示す。図中81は真空容器、82は陰
極、83は被エッチング基体、84はマッチング回路、85は
高周波電源、86は棒状磁石86aをNSNSの順に並べた磁場
発生器、87は磁場発生器86を陰極82と平行に移動する移
動機構、88はガス導入口、89はガス排気口、90は絶縁物
をそれぞれ示している。この装置では、陰極82の表面上
に形成されたシースを横切る電場と磁場発生器86の形成
する磁場とが直交する領域で電子がサイクロイド運動
し、密なプラズマが形成される。そして、このプラズマ
中のイオンにより被エッチング基体83が高速でエッチン
グされる。また、磁場発生器86を住復移動しているの
で、プラズマを均一に形成することができ、被エッチン
グ基体83を均一にエッチングすることができる。

しかしながら、この種の装置にあっては次のような問
題があった。即ち、第11図（ａ）に示す如くマグネット
間隙上の密なプラズマ領域91とそうでない領域との間に
空間電位差を生じ、その結果、被エッチング基体に垂直
に入射すべきイオンが曲げられる。一方、磁場の走査方
向（移動方向）に対して直交する方向では、このような
イオンの曲がりはない。このため、磁場走査方向に平行
なパターンでは、第11図（ｂ）に示す如くマスク92に沿
って被エッチング物93が垂直にエッチングされるが、磁
場走査方向と直交するパターンでは、同図（ｃ）に示す
如くエッチング形状にアンダーカットが生じる。つま
り、直交パターンの加工形状が異なると云う問題があっ
た。

（発明が解決しようとする問題点）このように、従来のマグネトロン放電利用のドライエ
ッチング装置では、マグネット間隙上の密なプラズマと
そうでないプラズマとの間に生じる空間電位差に起因し
て、直交パターンの加工形状が異なるものになると云う
欠点があった。また、最近の半導体素子製造工程では、
エッチングパターンの幅に対する深さの大きい、所謂ア
スペクト比（エッチング深さ／パターン幅）の大きな溝
を形成する技術が強く要望されている。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、マグネトロン放電を利用したエッチ
ングにおける直交パターンの加工形状が異なる現像を防
止することができ、且つアスペクト比の大きな溝を垂直
に形成し得るドライエッチング方法を提供することにあ
る。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）本発明の骨子は、一対の電極のうち被エッチング基体
が載置されていない側の電極の近傍に磁場を発生する手
段を設けると共に、エッチングガスの圧力を良好なエッ
チング形状が得られる範囲に設定することにある。

即ち本発明は、被エッチング基体が載置される第１の
電極及びこの電極に対向配置される第２の電極を備えた
容器と、この容器内にガスを供給する手段と、上記容器
内のガスを排気する手段と、前記第１の電極又は前記第
１及び第２の電極に高周波電力を印加する手段と、前記
第２の電極の前記第１の電極に対向する側と反対側に配
置され前記各電極間に磁界を印加する磁界印加手段とを
具備したドライエッチング装置を用い、表面にエッチン
グマスクが選択的に形成された被エッチング基体をエッ
チングするに際し、前記容器内のガス圧を２×10^-4〜８
×10^-3［torr］、かつ前記第１及び前記第２の電極間の
距離を10〜50［mm］に設定するようにした方法である。

（作用）本発明においては、被エッチング基体が載置され高周
波電力を印加される電極（陰極）は磁場発生器等から離
れているが、電極間距離（10〜50［mm］を短く、且つエ
ッチング圧力を比較的低い領域（例えば１×10^-3torr）
に設定することにより、陰極表面に形成されるシースが
伸び、磁界の及ぶ領域内に直流電場を有するシースが重
なるようになる。その結果、磁場とシースの直流電場が
直交する部分においてマグネトロン放電が起り、密なプ
ラズマが形成され、高いエッチング速度を実現すること
ができる。しかも、陰極直下に磁場発生機構を有する従
来例に比較して、マグネトロン放電する領域より基体に
近い側においては磁界は存在せず、イオンの運動は磁界
に影響されない。また、シースに発生する自己バイアス
は陰極直下に磁場発生手段を有する場合に比較して大き
くなるため、イオンのエネルギーは大きく、マグネトロ
ン放電領域と通常放電領域との間の電位差の影響を受け
難くなる。従って、従来例のような直交する２種類のパ
ターンで加工形状が異なると云う現象は防止される。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明す
る。

第１図は本発明の一実施例方法に使用したドライエッ
チング装置を示す概略構成図である。図中10は真空容器
であり、この容器10内には第１及び第２の電極11,12が
対向配置されている。第１の電極（陰極）11は、その上
面に被エッチング基体13を載置するもので、この電極11
にはマッチング回路14を介して高周波電源15から高周波
電力が印加される。さらに、第１の電極11は冷却機構16
により冷却されるものとなっている。

第１の電極11に対向する第２の電極（陽極）12は、容
器10の上壁で形成されており、接地されている。ここ
で、第２の電極12の下面には図示しない石英板等が被着
されている。これは、狭い電極間にマグネトロン放電に
より高密度プラズマが形成されるため、電極12がスパッ
タされる場合があり、そのとき電極12が露出していると
被エッチング基体13に汚染を与えることがあるからであ
る。また、石英板の代りに、第２の電極12の下面を、ア
ルミナ等のセラミックス材料で被覆してもよい。さら
に、用いるガスによっては被覆材料として、ポリイミド
フィルム，マイラフィルム等の有機薄膜或いは炭素板等
を用いてもよい。なお、第１及び第２の電極11,12間の
距離ｄは例えば30［mm］に設定されている。

容器10には、ガス導入口17が設けられており、この導
入口17から容器10内にCl₂等のハロゲンガスが導入され
る。そして、容器10内のガスはガス排気口18から排気さ
れるものとなっている。なお、容器10内の排気には、比
較的高流量（20cc/min）で１×10^-3［torr］程度の真空
度を保つために、ターボ分子ポンプを用いている。

前記容器10の外部で前記第２の電極12の上面には、永
久磁石20aをNSNSの順に並べた磁場発生器20が近接配置
されている。この磁場発生器20は、第２の電極12を通し
て第１及び第２の電極11,12間に所定の磁場を形成する
ものであり、移動機構21により第２の電極12に沿って図
中矢印Ｐ方向に往復移動されるものとなっている。な
お、図中23は磁場発生器20による発散磁界の分布を示し
たものである。

このような構成であれば、容器10内に所定のガスを供
給し容器10内を所定の圧力に保持し、電極11,12間に高
周波電力を印加すると共に、磁場発生器20を往復動する
ことにより、被エッチング基体13上に高密度で均一なプ
ラズマを形成することができ、被エッチング基体13を高
速で均一にエッチングすることができる。

次に、上記装置を用いたエッチングの各種実験結果を
示し、これに基づいてより望ましいエッチング方法につ
いて説明する。

第２図は、磁場発生器20を陰極11の裏面に配置した従
来方式と、陽極12の裏面に配置した本発明方式におい
て、磁場発生器20を静止させた状態でのエッチング速度
のウェハ（被エッチング基体13）上での分布を磁場発生
器20の中心からの距離について調べた結果である。被エ
ッチング基体13としては面方位（100），比抵抗６〜８
［Ωcm］の単結晶Siウェハを用い、エッチングガスとし
てはCl₂（塩素）を用い、このCl₂ガスを容器10内に20
（cc/min）の流量で導入し、容器10内のガス圧力を５×
10^-3［torr］に保持した。また、高周波電力の密度は１
［W/cm²］とした。その結果、従来方式では図中○印で
示す如く、磁極間隙の高密度プラズマの形成される領域
で著しくエッチング速度は増加するが、磁極直上ではエ
ッチング速度は低くなっている。磁場発生器20を走査し
て一応の均一性は達成されるが、高度な均一性は望めな
い。一方、本発明の方式では磁石とウェハの距離がある
ため、前述した発散磁界により、陽極付近から陰極に向
け広い範囲で高密度プラズマが形成される。このため、
図中●印で示す如く、磁場発生器20を静止した状態でも
均一な高速エッチングを可能としている。実際の装置で
は、磁場発生器20を走査し更に高い均一を実現してい
る。

第３図は、電極間隔ｄを変化させたときのエッチング
速度とウェハ上の磁束密度の変化を調べた結果である。
磁場発生器20は陽極12の裏面に、ウェハは陰極11上に配
置し、その他のエッチング条件は第２図の実験と同一で
ある。エッチング速度はｄ＝40〜60［mm］で低下し、そ
の後はあまり下がらない。これをウェハ上での磁束密度
と対応させて考えると、ウェハ上で100〜200［Ｇ］の磁
束密度があればよいことになる。また、電極間隔ｄ＝10
［mm］以下にすると、従来方式での問題点と同じ現象が
現われる。また、ｄ＝40［mm］以上でエッチング速度が
低下するが磁石の形状の改良により、磁石面から100［m
m］程度においては150Gの磁界を得られることが計算に
より得られた。従って、電極間隔はｄ＝10〜100［m
m］、その時のウェハ上での磁束密度は300〜100［Ｇ］
がよい。

第４図はエッチングガス（Cl₂）圧力に対するエッチ
ング速度の変化エッチング形状の変化を示した図であ
る。電極間隔は32［mm］、Cl₂流量20［cc/min］としてS
iをエッチングした。エッチング速度は５×10^-3,5×10
^-2［torr］付近で極大を示す。

５×10^-3［torr］以下ではエッチング種（Clイオン）
が減少したために低いエッチング速度となっている。５
×10^-3［torr］ではマグネトロン放電により生成された
多量のイオンによりエッチングが進む。この圧力ではイ
オンの平均自由行程は電極間隔ｄに比べ十分に長く（〜
10cm）、プラズマシース内でイオンは散乱されることな
く垂直にウェハに入射する。従って、エッチング形状は
側壁の垂直な真直ぐな溝が得られる。圧力上昇に伴いイ
オンは散乱を起こすため減少し、中性の塩素原子の割合
いが増加する。これに従い５×10^-2［torr］付近ではエ
ッチングは中性粒子と少しのイオンにより進行する。当
然平均自由行程は短くなり、ウェハに入射するイオン，
中性粒子は多くの散乱を受けるため色々な角度を持って
入射する。従って、エッチング形状は側壁のえぐれ33と
下部のすそひき34を持った形となる。なお、図中31はSi
ウェハ、32はレジストを示している。

従って、高アスペクト比の微細パターンを垂直にエッ
チングするためにはガス圧力を10^-3［torr］台にするこ
とが重要であることが判った。また、十分なエッチング
速度を得るための条件からガス圧力は２×10^-3［torr］
以上が望ましく、さらにアンダーカットのない垂直エッ
チングを確実に行うにはガス圧力は８×10^-3［torr］以
下が望ましい。つまり、高アスペクト比の微細パターン
をアンダーカットなく垂直に且つ高速にエッチングする
には、ガス圧力を２〜８×10^-3［torr］の範囲に設定す
ればよいことが判明した。

第５図はSiの代りにAlをエッチングしたときの、エッ
チング速度及びエッチング形状の変化を示した図であ
る。なお、エッチング条件は第４図の場合と同一とし
た。この場合もガス圧力10^-3［torr］台以下では、図の
ようにSiO₂膜36上のAl膜35をアンダーカットなく垂直に
エッチングできる。これにより高い10^-2［torr］以上の
高圧力ではCl₂だけではアンダーカットを生じ、またパ
ターン側面に荒れが生じる。即ち、被エッチング材料が
Alの場合であってもガス圧力を８×10^-3［torr］以下、
実用的な高いエッチング速度を得るためには２×10^-4〜
８×10^-3［torr］の範囲に設定すればアンダーカットな
く垂直にエッチングすることができる。

なお、従来、アンダーカットを防ぐために、Cl₂の他
に側壁保護膜を形成するBCl₃やCCl₄，クロロホルム等を
添加していた。しかし、この場合、側壁の荒れが酷く更
に厚い膜が側壁に付くためパターン変換差が大きい等の
問題が生じている。本発明では、アンダーカットの原因
となるClラジカルが少ないため、レジストの分解物等の
極薄い膜がアンダーカットを防いでいると考えられる。
また、イオンで主にエッチングを進めるため、側壁の荒
れのない垂直なエッチングパターンが得られることにな
る。

第６図はSiの深い溝のアスペクト比に対するエッチン
グ深さの変化を圧力をパラメータに調べた結果である。
エッチング深さは十分幅の広い溝の深さを１として規格
化した。圧力の低下によってアスペクト比に対するエッ
チング深さの変化が少なくなることが判る。これは、前
述のように平均自由行程が長くなり、ウェハに垂直に入
射するエッチング種が多くなるためであり、同一ウェハ
上でパターンサイズによりエッチング深さが異なる現象
が大幅に低減される。第７図は、同様のエッチング条件
でCl₂流量を変化させたときのSiのエッチング速度であ
る。これにより、実用的なエッチング速度を得るために
は、 10［cc/min］以上の流量が必要なことが判る。

このように本実施例方法によれば、第１図の装置にお
いて、容器10内に導入するCl₂ガスの圧力を２×10^-4〜
８×10^-3［torr］の範囲に設定することにより、微細な
溝をアンダーカットを招くことなく垂直且つ高速にエッ
チングすることができる。従って、高アスペクト比の溝
であっても垂直且つ良好な形状に形成することができ、
半導体集積回路の製造における有用性は絶大である。ま
た、第２の電極12の表面に石英板等を被着することによ
り、該電極12のエッチングを防止でき、被エッチング基
体13の金属汚染を防止し得る等の利点もある。

第８図及び第９図はそれぞれ変形例を示す概略構成図
である。

第８図に示す装置は基本的な構成は第１図と同様であ
るが、ここではまず複数個のそれぞれ閉ループを持った
磁石20aを同一の架台に設置し、走査している。この場
合走査幅は、これらの磁石20aがウェハ13の直径をカバ
ーする範囲とし、陰極11の面積内であるようにしてい
る。この構成により、閉ループ状に高密度プラズマが形
成され高速エッチングが達成される。この走査方式は、
同一速度の往復運動ではなく、ウェハ13上の一点で磁界
強度の時間積分をとった場合、エッチング終了時にはウ
ェハ13上のどの点でもその積分値が等しくなるように制
御されている。これにより、高度の均一性が得られる。
ガスの供給方式はガス導入口17より導入したガスをウェ
ハ13上の電極12に設けた多くのガス吹出し孔41から均一
に吹出し、ガスの流れによる影響をなくし、また排気も
ウェハ周辺から均等に行う。さらに、容器10内が大気に
晒されるために、ゲートバルブ42を介してウェハの導入
室（予備室）43を設けている。これにより真空容器10内
に大気中の水分等のエッチング条件を乱す要因の混入を
防ぎ、常に安定したエッチングを可能としている。ま
た、高密度プラズマを電極11,12間閉じ込めるため、真
空容器10の内壁をを絶縁材料で構成するか、或いは電気
的に何も接続しないフローティングの状態とすることが
有効である。さらに、図示していないが、真空容器10の
壁面は温度制御した水により常に一定温度となるように
されている。これは、低圧力でエッチングを行うため、
平均自由行程が長く多くのイオンは高エネルギーで壁に
衝突する。従って、壁面の温度もエッチング条件に関係
してくるからである。

第９図の装置は、真空容器10の側壁を電気的にフロー
ティングにし、電極面積比を1:1にしている。また、排
気口18を真空容器10の周辺に均等に設けた。また、狭電
極方式ため、真空容器10と予備室43との間に中間室44を
設け、ここで図示しないウェハ搬送機構によりウェハ13
を電極11上に載置し、その後電極11を上昇機構45により
真空容器10の下面に送り、エッチングを行う。なお、図
中破線46は電極11へウェハを搬送するときの電極位置を
示している。また、47は真空シールを兼ねた絶縁物、48
は絶縁材料を示している。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものでは
ない。例えば、前記容器内に導入するエッチングガスは
塩素に限るものではなく、弗素等の他のハロゲン元素を
用いることができる。さらに、被エッチング基体として
はSiやAlの他に、Ge,GaAs等の半導体材料、SiO₂を始め
とする絶縁材料、MoSi₂等の金属シリサイド、或いは多
層レジスト技術で使用されるフォトレジスト等を用いる
ことが可能である。また、前記磁場発生器を形成する永
久磁石の数は、仕様に応じて適宜変更可能である。さら
に、磁場発生器を移動する移動機構として、無限軌道を
有するように閉ループ状に設けられたベルト或いはチェ
ーン等を用いることも可能である。この場合、磁場発生
器の移動方向を一方向に規定し、且つ第２の電極に常に
磁石を対向させることができるので、エッチング速度を
より高速化することも可能である。また、磁界印加手段
として、永久磁石及び移動機構の代りに電磁石を用い、
この電磁石による磁界を第２の電極に沿って移動させる
ようにしてもよい。つまり、磁界印加手段として、リニ
アモータの固定子を用いることが可能である。その他、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施す
ることができる。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、試料載置の第１
の電極に対向配置された第２の電極側に磁場発生器を配
置することにより、直交パターンの加工形状の異なりを
未然に防止することができる。しかも、ガス圧力を２×
10^-4〜８×10^-3［torr］、かつ第１及び第２の電極間の
距離を10〜50［mm］の範囲に設定することにより、アス
ペクト比の大きな溝を垂直且つ高速でエッチングするこ
とができる。このため、今後の半導体製造技術における
有用性は絶大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例方法に使用したドライエッチ
ング装置を示す概略構成図、第２図乃至第７図はそれぞ
れ実験結果を説明するためのもので第２図は磁石中心か
らの距離に対するエッチング速度の変化を示す図、第３
図は電極間隔に対するエッチング速度及び磁束密度の変
化を示す図、第４図はガス圧力に対するSiのエッチング
速度及びエッチング形状の変化を示す図、第５図はガス
圧力に対するAlのエッチング速度及びエッチング形状の
変化を示す図、第６図はアスペクト比に対するエッチン
グ深さの変化を示す図、第７図はガス流量に対するエッ
チング速度の変化を示す図、第８図及び第９図はそれぞ
れ変形例を示す概略構成図、第10図は従来のドライエッ
チング装置を示す概略構成図、第11図は従来の問題点を
説明するための模式図である。 10…真空容器、11…第１の電極（陰極）、12…第２の電
極（陽極）、13…被エッチング基体（ウェハ）、15…高
周波電源、17…ガス導入口、18…ガス排気口、20a…永
久磁石、20…磁場発生器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−43427（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−232420（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−65423（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被エッチング基体が載置される第１の電極
及びこの電極に対向配置される第２の電極を備えた容器
と、この容器内に反応性ガスを供給する手段と、上記容
器内のガスを排気する手段と、前記第１の電極又は前記
第１及び第２の電極に高周波電力を印加する手段と、前
記第２の電極の前記第１の電極に対向する側と反対側に
配置され前記各電極間に磁界を印加する磁界印加手段と
を具備したドライエッチング装置を用い、表面にエッチ
ングマスクが選択的に形成された被エッチング基体をエ
ッチングするに際し、前記容器内のガス圧を２×10^-4〜
８×10^-3［torr］、かつ前記第１及び前記第２の電極間
の距離を、10〜50［mm］に設定したことを特徴とする反
応性イオンエッチング方法。
【請求項２】前記磁界印加手段は、Ｎ極とＳ極とが交互
に隙間を持って配列された棒状若しくは開ループ状の磁
極間隙を有する永久磁石からなり、該磁石は前記第２の
電極に沿って移動されることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の反応性イオンエッチング方法。
【請求項３】前記磁界印加手段は、リニアモータの固定
子からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の反応性イオンエッチング方法。
【請求項４】前記第２の電極は、前記第１の電極と対向
する面を絶縁材料で被覆されていることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の反応性イオンエッチング方
法。
【請求項５】前記第２の電極は、前記反応性ガスにより
エッチングされない材料で形成されてることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の反応性イオンエッチング
方法。
【請求項６】前記容器内に反応性ガスを供給する手段
は、前記被エッチング基体の表面に均一に吹き付けるも
のであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
反応性イオンエッチング方法。
【請求項７】前記容器内に供給する反応性ガスとして、
Cl₂を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の反応性イオンエッチング方法。
【請求項８】前記容器内に供給する反応性ガスの流量
を、10［cc/min］以上に設定したことを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の反応性イオンエッチング方法。