JPH089787B2 - プラズマエツチング装置 - Google Patents

プラズマエツチング装置

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JPH089787B2
JPH089787B2 JP62183625A JP18362587A JPH089787B2 JP H089787 B2 JPH089787 B2 JP H089787B2 JP 62183625 A JP62183625 A JP 62183625A JP 18362587 A JP18362587 A JP 18362587A JP H089787 B2 JPH089787 B2 JP H089787B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体集積回路の製造において微細パタン形
成に適用されるプラズマエツチング装置に係わり、特に
薄いゲート酸化膜上のゲート電極加工用に好適なプラズ
マエツチング装置に関するものである。
〔従来の技術〕
従来、微細パタンのエツチングには、プラズマにより
生成したイオンやラジカルを利用したプラズマエツチン
グがよく用いられている。なかでも、方向性エツチング
ができるRIE(Reactive Ion Etching)が広く使われて
いる。最近では、薄いゲート酸化膜上のゲート電極加工
が要求されており、低損傷,高選択比の加工ができるEC
R(Electron Cyclotron Resonance)プラズマ流エツチ
ング(小田ほか:第25回半導体集積回路技術シンボジウ
ム予稿集(1983),p.60−65を参照)が注目されてい
る。
第3図は、この種のプラズマエツチング装置の構成を
示す断面図である。同図において、31はイオン化室、32
はコイル、33は導波管、34はガス導入管、35はエツチン
グ室、36は試料台、37はウエハ、38は石英ターゲツト、
39はプラズマ流である。このような構成において、ガス
導入管34よりエツチングガスをイオン化室31に導入し、
コイル32により磁場をかけて、導波管33よりマイクロ波
を導入してECR放電を起こさせてプラズマを生成する。
コイル33が形成する発散磁界により、プラズマ導39がエ
ツチング室35内へ引き出され、ウエハ37に照射されてエ
ツチングが行われる。このウエハ37のまわりは石英ター
ゲツト38で覆われており、ステンレス等の重金属で構成
されれ試料台36からの重金属汚染を防いでいる。RIEに
おいても、重金属汚染対策から、プラズマ流39の当たる
ウエハ37のまわりは石英やテフロン等の絶縁物で覆われ
ている。
〔本発明が解決しようとする問題点〕
第3図に示した従来装置を用いて、薄いSiO2をエツチ
ングしたときに約1000Å程度以下の膜厚でエツチング速
度が膜厚とともに増大する現象を見いだした。第4図
は、SiO2の初期膜厚に対してエツチング速度を測定した
実験結果を示したものである。なお、SiO2はドライO2
化によりSi基板上に形成した。エツチングガスとしては
Cl2を用いた。マイクロ波パワーは、約300Wである。25
Åの極薄SiO2酸化膜のエツチング速度は、十分厚いSiO2
より約1.4倍程度大きいことがわかる。このことは、ゲ
ート電極加工を行うとき、ポリシリコン等のゲート電極
材料とSiO2とのエツチング選択比が、SiO2が薄くなるに
したがつて低下することを意味する。ゲート酸化膜は、
MOS素子の微細化,高性能化の要求からますます薄くな
る傾向にある。このため、第4図のような現象は今後問
題となつてくる。
また、第3図に示すように低エネルギーのイオンを用
いるプラズマエツチング装置でも、ゲート酸化膜の絶縁
耐圧は、ウエツトエツチングと比較すると低下すること
がわかつた。エツチングによるゲート酸化膜の絶縁耐圧
歩留まりは、約500μm角のポリシリコンゲートで、約1
00ÅゲートSiO2の構成のMOSダイオードを用いて評価す
ると、ウエツトエツチングのとき100%であるのに対し
て、第3図に示す装置では約90%程度に低下する。従来
報告されているRIEと比較すれば、絶縁耐圧の歩留まり
はよいが、LSIの歩留まり向上のためさらに改善する必
要がある。
さらに、従来の装置では、エツチングを比較的長く行
つてウエハが長時間プラズマにさらされると、エツチン
グ終了後ウエハが試料台に吸着して取りにくくなること
があつた。これは、ウエハ搬送系のトラブルの原因にな
るので、装置の信頼性が低下するので問題となる。
以上に述べた現象の原因は、種々の実験検討から、い
ずれも絶縁体のターゲツトを用いたためにプラズマが照
射されたウエハがチヤージアツプすることにより生じる
ことがわかつた。したがつて、本発明は、このプラズマ
によるチヤージアツプを低減させて上記の問題点を解決
することができるプラズマエツチング装置を提供するこ
とを目的としている。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明によるプラズマエツチング装置は、プラズマに
よるウエハのチヤージアツプを防ぐ手段として導電性物
質からなるターゲツトをウエハの周辺部のプラズマが照
射されるところに設置するものである。
〔作 用〕
ウエハをプラズマで照射してエツチングを行うときに
ウエハ表面にチヤージアツプした電荷を、プラズマの導
電性を用いてウエハ周辺に配置した導電性のターゲツト
へ逃がすようにして常にウエハに電荷がたまらないよう
にする。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。第1図に本
発明の一実施例によるプラズマエツチング装置の構成を
示す断面図である。同図において、11はイオン化室、12
はコイル、13は導波管、14はガス導入管、15はエツチン
グ室、16は試料台、17はウエハ、18は石英板ターゲツ
ト、19は導電性ターゲツト、20はプラズマ流である。こ
のような構成において、ガス導入管14よりエツチングガ
スをイオン化室に導入し、コイル12により磁場をかけ導
波管13よりマイクロ波を導入してECR放電を起こさせ、
イオン化室11の内部にプラズマを生成する。なお、イオ
ン化室11の内部は石英等の絶縁体で覆い、金属面がプラ
ズマに触れないようにしておく。コイル13が形成する発
散磁界により、プラズマ流20がエツチング室へ引き出さ
れ、ウエハ17に照射されエツチングが行われる。導電性
ターゲツト19は、プラズマ流20が照射される位置に設置
されている。なお導電性ターゲツト19は、石英ターゲツ
ト18の上に設置されており、バイアス電圧が印加できる
ようにしてある。プラズマ流20がウエハ17に照射される
と、絶縁体の表面は、イオン衝撃による2次電子放出等
によりチヤージバランスがくずれるためにチヤージアツ
プする。ウエハ17の表面は、導電性を持つプラズマを介
して導電性ターゲツト19と回路的につながつている。し
たがつて、ウエハ17の表面に生じた電荷は導電性ターゲ
ツト19へ流れる。そのため、実際にはウエハ17表面のチ
ヤージアツプ量は大幅に低減する。これにより、極薄膜
における選択比の低下や絶縁耐圧の劣化等チヤージアツ
プに起因した問題を解消する。具体例を以下に示す。第
1図に示す構成のプラズマエツチング装置を用いて、Cl
2プラズマにより膜厚を変えてSiO2をエツチングした。
第2図にその実験結果を示す。この場合、導電性ターゲ
ツト19は試料台16と同電位となるように接地してある。
マイクロ波パワーは、300Wである。この結果から、第4
図のように従来装置で見られたエツチング速度の膜厚依
存性はほとんどないことがわかる。また、約100Åのゲ
ート酸化膜上のポリシリコンを加工したときの酸化膜の
絶縁破壊を評価した。500μm角のゲート電極の場合、
歩留まりは100%であり、従来装置に比較して非常に良
好な特性が得られる。また、ウエハ17をプラズマで照射
したときにチヤージアツプによる静電気力のため、試料
台16に吸着するかどうかを調べた。その結果、従来のよ
うにウエハが試料台に吸着する現象は観測されなかつ
た。ここでは、導電性ターゲツト19を接地したときの結
果を示したが、バイアス電圧を印加したときも同様の効
果がある。バイアス電圧を印加するのは、ターゲツト19
およびウエハ17の表面電位を均一にしてエツチング均一
性を保つためである。しかし、接地してもあまり均一性
は変化しないので、実用上は接地して差し支えない。
チヤージアツプにより、エツチング速度に膜厚依存性
が生じるメカニズムは、詳細は明かでないが、実験結果
から次のように考えることができる。すなわち、チヤー
ジアツプがある時は、薄い酸化膜ほど絶縁耐圧が劣化し
て、リーク電流が流れる。そのため酸化膜表面にたまつ
ていたチヤージは打ち消され、表面電位が変化する。絶
縁破壊が起こることからチヤージアツプ電圧は約10V以
上と推定できる。第1図の装置ではイオンエネルギー
は、30〜40Vと低エネルギーであるので、チヤージアツ
プの電圧は無視できない。したがつて、酸化膜表面に入
射するイオンエネルギーがチヤージアツプ電圧により変
化するので、エツチング速度が変化すると考えられる。
一方、本発明ではチヤージアツプが無視できるので、酸
化膜の膜厚にかかわらず酸化膜表面に入射するイオンエ
ネルギーは一定であり、エツチング速度も変化しない。
以上の実施例は、ECRプラズマ流エツチング装置に適
用したものであるが、その他RIE等のエツチング装置に
おいても適用できる。すなわち、ウエハの周辺部に導電
性のターゲツトをプラズマが触れるように設置すればよ
い。導電性ターゲツトによるチヤージアツプ低減は、タ
ーゲツトをウエハに近くに設置し、またプラズマにさら
される面積を大きくした方が効果がある。
導電性ターゲツトの構成材料としては、石英と同程度
にウエハへの汚染がないものを選ぶ必要がある。特に重
金属,アルカリ金属の汚染をなくすことが重要である。
そのためにステンレス等の重金属からなる材料は使えな
い。重金属を含まない導電性材料として高純度のカーボ
ン,シリコン,アルミニウム等が適当である。
〔発明の効果〕
以上、説明したように本発明によるプラズマエツチン
グ装置は、導電性物質からなるターゲツトをウエハの周
辺部に配設することにより、絶縁体表面のチヤージアツ
プが低減されるので、以下に示す効果が得られる。すな
わち、第1に極薄ゲート酸化膜上のゲート電極加工を行
うとき、膜厚減少にともなうエツチング速度増大現象が
ないので、選択比が小さくなることがない。そのため、
下地の酸化膜が多少のオーバーエツチングによりなくな
り、シリコン基板がエツチングされる心配がない。オー
バーエツチングの余裕がとれることは、膜厚やエツチン
グ速度のウエハ面内分布があつても、オーバーエツチン
グを長くすることで対処できる利点がある。第2に、チ
ヤージアツプが低減されているので、薄いゲート酸化膜
の絶縁破壊が大幅に低減されるので、ウエツトエツチン
グ並の良好な絶縁耐圧特性が得られる効果がある。その
ため、LSIの歩留まりが向上する。第3に絶縁性のウエ
ハがチヤージアツプにより試料台に吸着されることがな
く、ウエハのアンロードが容易になる効果がある。ま
た、ウエハがチヤージアツプしていると静電気力によ
り、搬送系の爪等とウエハが反発あるいは吸着するため
誤動作の原因となる。そのため、本発明を用いれば、こ
のような搬送系の誤動作を防ぐことができる。第4にEC
Rプラズマ流のようにプラズマが試料室のなかで局在し
ていてプラズマが触れる面積が小さく、チヤージのリー
クパスが少ないプラズマ系に本発明を適用すれば、チヤ
ージアツプの低減効果が大きく現れるなどの極めて優れ
た効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
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
置の構成を示す断面図、第2図は本発明の装置における
薄いSiO2のエツチング速度の膜厚依存性を示す図、第3
図は従来のプラズマエツチング装置の構成を示す断面
図、第4図は従来装置における薄いSiO2のエツチング速
度の膜厚依存性を示す図である。 11……イオン化室、12……コイル、13……導波管、14…
…ガス導入管、15……エツチング室、16……試料台、17
……ウエハ、18……石英板ターゲツト、19……導電性タ
ーゲツト、20……プラズマ流。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】プラズマにより生成したイオンやラジカル
    の作用により試料をエツチングするプラズマエツチング
    装置において、前記試料近傍のプラズマが照射される周
    辺部に導電性物質からなるターゲツトを配設したことを
    特徴とするプラズマエツチング装置。
  2. 【請求項2】前記導電性物質としてアルミニウム,カー
    ボンまたはシリコンを用いたことを特徴とする特許請求
    の範囲第1項記載のプラズマエツチング装置。
  3. 【請求項3】前記プラズマは電子サイクロトロン共鳴に
    より生成したプラズマを用いることを特徴とした特許請
    求の範囲第1項記載のプラズマエツチング装置。
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