JPH0982683A - ドライエッチング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 薄いゲート酸化膜等を具備した半導体装置の
製造プロセスにおいて、その製造プロセスのひとつであ
るドライエッチングによるゲート酸化膜等の耐圧劣化の
生じないようなＲＩＥ装置を提供する。 【解決手段】 ウェハステージとなる電極部２に静電チ
ャック方式で半導体基板１を固定し、この半導体基板１
とウェハステージ２との空隙部にＨｅガス等を充填し
て、半導体基板１を冷却しながらエッチングするＲＩＥ
装置であって、このＨｅガスを充填するための、ウェハ
ステージ２内に設けられたＨｅ導入配管の内壁をアルマ
イト等の絶縁膜２１で被覆し、かつ半導体基板１とウェ
ハステージ２間に厚いポリイミド等の絶縁膜２２を形成
し、半導体基板１の裏面での異常放電を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＲＩＥ装置、プラズ
マエッチング装置などの半導体製造装置に係り、特に高
集積密度ＭＯＳ集積回路の製造工程において、ゲート絶
縁膜やキャパシタ絶縁膜にダメージを与えることのない
ドライエッチング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近の半導体素子産業の隆盛には目を見
張るものがある。これを支えているのが、ドライエッチ
ングを含む微細加工技術の革新である。エッチング技術
は、当初ウェットプロセスから始まり加工寸法の縮小に
ともないイオンビームやプラズマを用いたドライプロセ
スに移行した。現在は、平行平板型ＲＦ放電を用いた反
応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉ
ｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）が主流である。しかし、これま
で達成してきた素子集積度の指数関数的増大は近い将来
も続くものと期待されており、必然的にエッチング工程
への要求も厳しいものとなってきている。特に、微細加
工性能と低損傷、低汚染性能を両立したエッチング技術
の確立が急務である。一方、ＲＩＥでは微細加工性能を
保持するために高エネルギーイオンによる表面照射が必
須であるため、低損傷、低汚染を実現することは極めて
難しい。

【０００３】従来のＲＩＥ装置は、図５のように上部電
極３および下部電極２とが平行に配置されたチャンバー
９と、このチャンバーを真空に排気するための手段と、
真空に排気されたチャンバー内９にマスフローコントロ
ーラ等の導入ガス制御バルブ５１を介して、反応性ガス
を導入するための手段等を具備し、下部電極２に高周波
を印加し、上部電極３を接地してプラズマを発生させる
方法が用いられている。図５のＲＩＥ装置はカソードカ
ップリングとも呼ばれるが、図５と反対に上部電極３か
ら給電した場合をプラズマモード（アノードカップリン
グ）と呼んでいる。これらの給電モードは、エッチング
対象膜やプロセスにより使い分けされている。下部電極
２は通常アルミニウム（Ａｌ）やステンレス等の金属で
形成され、この下部電極の構成材料である金属による汚
染を防止するためにその表面はアルマイト（Ａｌ
₂ Ｏ₃ ）等の絶縁物２１により被覆されている。

【０００４】図５のようなＲＩＥ装置において、通常は
まずシリコン基板（ウェハ）をロードロック室内にセッ
トし、次にロボットアーム等により処理室（チャンバ
ー）９内に移す。次に下部電極２周辺に配置される基板
受け渡しのためのピン上に移し、このピンを下げること
でシリコンウェハが下部電極３にセットされる。最近で
は、エッチング特性の改善のために、シリコンウェハと
下部電極の密着性を向上させる目的で、靜電力を利用し
たり、機械的に加重を掛ける等種々の基板クランプ（基
板保持）機構が採用されている。さらに、基板背面から
Ｈｅガスを導入する冷却機構も行われている。Ｈｅガス
の熱伝導性の良さを利用してプラズマ放電による基板の
温度上昇を抑えることにより、エッチングレートの直線
性や、エッチング形状の改善およびマスク材としてフォ
トレジストを用いた場合の、フォトレジストのプラズマ
耐性の改善に効果がある。シリコンウェハ１と下部電極
２との間には、図５に示すように冷却用のＨｅガス噴出
口近傍を除いてポリイミド等の絶縁物２２が形成されて
いる。

【０００５】冒頭で述べたように最近のＬＳＩ、ＶＬＳ
Ｉ、ＵＬＳＩといった半導体集積回路の高集積化、高性
能化への進歩および、さらなる徴細化への要求は急速で
あり、例えば揮発性メモリとして代表的なＭＯＳ・ダイ
ナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）の開発は、３年で４倍の高
集積化を続けており、ますます広がるニーズに支えられ
て今後も同様な傾向が続くと考えられる。ＤＲＡＭに代
表される半導体記憶装置は世代を追うごとに微細化が進
み、いわゆる“テクノロジー・ドライバー”としての役
割を果たしてきている。このようなＬＳＩ等の高集積化
が行われてきた背景には、上述したドライエッチング等
種々の技術革新が行われてきたことがあるが、ＤＲＡＭ
に要求される酸化膜の膜厚は１０ｎｍ以下に薄くなりつ
つある。またフラッシュＥＥＰＲＯＭやＮＡＮＤ型ＥＥ
ＰＲＯＭ等に用いられるトンネル酸化膜の厚さも数ｎｍ
オーダーといった薄いものが要求されるようになってき
ている。そして酸化膜の厚みに関して最も問題と思われ
るのはロジックＬＳＩである。特に、ワークステーショ
ン用の高速マイクロプロセッサのゲート酸化膜の薄膜化
が要求されている。つまり、ロジックＬＳＩがテクノロ
ジー・ドライバとしてＤＲＡＭにとって代わり、いち早
く０．３μｍリソグラフィーを確立しつつある。ゲート
酸化膜厚においても同様のことがいえ、高速化を狙うた
めにゲート酸化膜の薄膜化が推進されている。ロジック
ＬＳＩの場合、研究レベルでのゲート酸化膜厚は５ｎ
ｍ、実用ベースでは６〜７ｎｍであるがさらに４ｎｍ，
３ｎｍ厚も狙われており、すでに１．５ｎｍ厚のゲート
酸化膜も報告されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな薄いゲート酸化膜やキャパシタ酸化膜等（以下ゲー
ト酸化膜等という）を有したロジックＬＳＩやＤＲＡＭ
等の製造プロセスにおいて、ＲＩＥ時にゲート酸化膜等
の耐圧が低下するという問題がゲート酸化膜等の厚さが
薄くなるにつれ、次第に重要となってきている。図８は
図７に示すような厚さ１０ｎｍのゲート酸化膜を有する
ＭＯＳダイオードについてＲＩＥによりエッチング処理
した場合の電界強度１２ＭＶ／ｃｍ以下で劣化もしくは
破壊するダイオードを除いた良品率を示す図である。図
７においてゲート酸化膜１１は厚いフィールド酸化膜
（ＦＯＸ）１３に囲まれた３×１０^-5ｍｍ² の領域に形
成され、その上部のｎ⁺ ポリシリコン電極１２の面積は
１０ｍｍ² で、シリコンウェハ１はｐ型基板である。図
８で横軸はシリコンウェハ１の裏面に充填されるＨｅの
圧力（バック圧力）であり、Ｈｅの圧力が低下するに従
い、良品率が低下することが示されている。シリコンウ
ェハの冷却効率の点からは、平均自由行程が長くなるよ
うにＨｅの圧力を低くする方が望ましいが、図８に示す
ようにＨｅの圧力を低くするとＲＩＥ時のゲート酸化膜
の耐圧が劣化するという問題があった。なお、図８のデ
ータは静電チャックの電圧２ｋＶの場合においてＲＩＥ
を行った結果である。図８のデータは一例であるが、こ
れらのＨｅのバック圧力に対するゲート酸化膜の劣化の
問題点等を詳細に検討した結果、ＲＩＥ時のゲート酸化
膜の耐圧の低下は、下部電極２の表面とシリコンウェハ
１の裏面の間において異常放電が発生するためと判明し
た。この放電は図６に示すように下部電極２の上部表面
とシリコンウェハ１の裏面の間だけではなく、下部電極
の内部のＨｅガス導入用配管のＡｌ面が露出している部
分とシリコンウェハ１との間においても発生しているこ
とが判明した。

【０００７】ここで、図６の等価回路およびポテンシャ
ルプロファイルを用いて、この酸化膜の劣化の問題につ
いて、説明する。図６に示したモデルでは上部電極３と
下部電極２との間に、プラズマ空間の容量Ｃ₁ と、ゲー
ト酸化膜１１の容量Ｃ₂ と、シリコンウェハ１と下部電
極２との間の容量Ｃ₃ とが直列接続されているという等
価回路を仮定している。このような等価回路モデルにお
いて、正常時にはゲート酸化膜に絶縁耐圧Ｖ_BOX 以下の
ΔＶ₁ なる電圧が印加されているが、もし、シリコンウ
ェハの裏面で異常放電が発生すれば、シリコンウェハ１
と下部電極２との間が短絡状態となり、ゲート酸化膜１
１には正常時のΔＶ_1Nにさらに、本来シリコンウェハ１
と下部電極２との間に印加されているべき電圧ΔＶ_2Nが
加わる結果、異常時（異常放電発生時）には、ゲート酸
化膜１１には

【数１】 ΔＶ_1E≒ΔＶ_1N＋ΔＶ_2N＞Ｖ_BOX ＞ΔＶ_1N …（１） なる電圧が印加されるため、ゲート酸化膜１１の耐圧劣
化を招くものと考えられる。

【０００８】このように現状のＲＩＥ装置は、処理ガス
や圧力などエッチングプロセス条件はもちろん、それに
加えて下部電極等の材料やウェハの冷却に関連したＨｅ
導入口や噴出部の構造、その大きさなどハードウェア的
な要因に未解決な問題が多く残されている。これらの問
題は特に今後ますます薄膜化が要求されるゲート酸化膜
等を有した半導体デバイスの製造工程で問題となってく
ると予想される。例えば、Ｈｅガスによるウェハの冷却
機構には前述したＨｅ導入口あるいはＨｅガス導入配管
等の材料や形状以外にもシリコンウェハ１と下部電極２
との間に用いる絶縁物２２の材料や厚さ、あるいはＨｅ
のガス圧力など多くのパラメータがある。特にシリコン
ウェハ１の裏面と下部電極あるいはＨｅ導入口との間の
異常放電の発生などは材料や形状に左右されるところが
あり、今後さらなる改良の必要がある。

【０００９】この発明は、上記問題点に鑑み、シリコン
ウェハ１の裏面と下部電極２の上面やＨｅ導入口および
Ｈｅガス導入配管内壁面との間に発生する異常放電を防
止し、安定かつ高歩留りで薄いゲート酸化膜等を有した
半導体デバイスを製造することが可能なＲＩＥ装置等の
半導体装置を提供することである。

【００１０】より具体的には、本発明は１０ｎｍ以下の
ゲート酸化膜等を有したＭＯＳデバイスや、これと同等
のＭＩＳデバイスのゲート酸化膜等あるいは絶縁膜のダ
メージを防止できるプラズマエッチング装置、ＲＩＥ装
置等のドライエッチング装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明によるドライエッチング装置は図１、図
３、および図４に示すように、ウェハステージ２上に配
置されたシリコンウェハ等の半導体基板１もしくは半導
体基板表面にエピタキシャル成長、ＣＶＤ、あるいは蒸
着等により形成した各種の被膜を、プラズマ放電によっ
て形成された活性ガスイオンおよびラジカルの少なく共
一方により、エッチングするＲＩＥ装置等のドライエッ
チング装置であって、半導体基板１をウェハステージ２
に第１の絶縁膜２２を介して静電力により固定するため
の静電チャックあるいは静電チャックと同等のウェハ保
持手段と、ウェハステージ２の内部に設けられ、半導体
基板１とウェハステージ２の空隙部に冷却ガスを充填す
るための冷却ガス導入配管と、冷却ガス導入配管の内壁
に設けられた第２の絶縁膜とを少なく共具備し、半導体
基板２をこの冷却ガスにより冷却することを特徴とす
る。

【００１２】好ましくは、冷却ガスはＨｅガスであるこ
とである。

【００１３】また好ましくは、第１の絶縁膜は図２に示
すような厚さ２５０〜５００μｍのポリイミド複合膜で
あることである。

【００１４】また好ましくは、第２の絶縁膜はアルマイ
ト（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）であることである。

【００１５】本発明はＲＩＥ装置の他、マグネトロン型
ＲＩＥ、マイクロ波プラズマエッチング装置、あるいは
イオンエッチング装置等種々のドライエッチング装置の
ウェハステージとして用いることが可能であるが、特
に、平行平板型ＲＩＥ装置の下部電極の構造として用い
るとよりその効果が発揮されるので、平行平板型ＲＩＥ
装置に用いることが好ましい。

【００１６】上記構成によれば、シリコンウェハ等の半
導体基板の裏面とウェハステージの表面間、あるいは半
導体基板の裏面とウェハステージに設けられたＨｅ等の
冷却ガス導入配管の内壁間に発生する異常放電が防止で
きる。したがって異常放電に起因するゲート酸化膜等の
薄い酸化膜のドライエッチング時の耐圧劣化が防止でき
る。また上記構成によれば、従来技術のように異常放電
を防止するために、Ｈｅの充填圧力や静電チャックの電
圧を特定の範囲に限定する必要もなく、任意にその圧力
や電圧を選定できるため、十分な半導体基板の冷却が可
能となり、エッチング特性が改善される。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態
に係るＲＩＥ装置を示す。図１に示したＲＩＥ装置のエ
ッチングチャンバー９には、１３．５６ＭＨ_z の高周波
電源４に接続された下部電極２と、これと平行に相対し
て上部電極３が設置されている。エッチングチャンバー
９には反応性ガスを導入する導入ガス制御バルブ５１を
有したガス源接続部５とエッチングチャンバー内の圧力
を一定に保つための真空排気系を接続するための排気系
接続部６が配置されている。図示を省略するが、エッチ
ングチャンバー９にはダイヤフラム型の圧力計やその他
の真空ゲージ等所定の圧力測定器が配置され、この圧力
測定器の信号を用いて、自動的にエッチングチャンバー
内の圧力が制御できるようになっている。排気系接続部
６には、図示を省略するが、この圧力測定器の信号をフ
ィードバックして制御する圧力制御バルブが接続され、
さらに圧力制御バルブには、ケミカル型ターボ分子ポン
プ、拡散ポンプ、メカニカルブースタポンプあるいは油
回転ポンプ等の真空排気系が接続されている。エッチン
グすべきシリコンウェハ１等の試料は高周波電力が印加
される下部電極２上に厚いポリイミド複合膜２２等の絶
縁膜を介して配置される。ポリイミド複合膜２２はたと
えば図２に示すように厚さ５０μｍの下層ポリイミド２
２５を厚さ２５μｍの接着材２２６により下部電極２の
表面に接着し、さらにその上に厚さ２５μｍの接着材２
２４を介して厚さ３０μｍの銅板２２３を形成し、その
上に厚さ２５μｍの接着材２２２を介して厚さ２００μ
ｍの表層ポリイミド膜２２１を形成すればよい。接着材
の厚さを含めると図２に示したポリイミド複合膜の厚さ
は３５５μｍとなる。なお複合膜でなくて単層の厚さ２
５０〜５００μｍのポリイミド膜でもよい。以後このよ
うなポリイミド複合膜および単層のポリイミド膜を総称
して単にポリイミド２２と呼ぶ。

【００１８】図１のＲＩＥ装置のエッチングチャンバー
９に反応性ガスを所定の圧力に導入し、相対する下部電
極２および上部電極３間に放電を発生させるが、この場
合電子とイオンの易動度の大きな違いにより電極表面に
陰極降下が発生する。この陰極降下内で、活性ガスイオ
ンあるいは活性ガスイオンのラジカルは下部電極２およ
びシリコンウェハ１表面上の垂直な電界にそって入射
し、その方向にリアクティブなエッチングが進行する。
シリコンウェハ１と下部電極２との熱接触を良くするた
めに、シリコンウェハ１は静電力を利用したウェハ保持
手段、いわゆる静電チャック、で下部電極２に固定（ク
ランプ）される。又、冷却効果を高めるためシリコンウ
ェハ１の裏面の厚いポリイミド膜２２の隙間に、下部電
極２の内部に形成されたＨｅ導入配管（Ｈｅ導入経路）
を介して、Ｈｅガスが充填できるようになっている。図
１では模式的にＨｅガス噴出口が２つ示されているが、
実際には下部電極２の中心から６本の放射線が出され、
その各放射線につき５個すなわち６×５＝３０個のＨｅ
ガス噴出口が設けられている。Ｈｅガス噴出口の数やＨ
ｅ導入配管の数は冷却しようとするウェハの大きさ等に
応じて適宜設計すればよい。本発明の第１の実施例にお
いて重要な点は図１に示すようにＨｅ導入配管の内壁表
面はアルマイト（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）等の絶縁膜２１で被覆さ
れ、又下部電極の外周部にもアルマイト等の絶縁膜２１
が被覆され、プラズマ空間に下部電極２の電極金属が露
出しないようになっていることである。下部電極２の電
極金属としては、Ａｌ等の熱伝導率の良い金属が好まし
い。下部電極２がＡｌであることは、Ｈｅ導入配管の内
壁にアルマイトを形成するにも好都合である。すなわ
ち、本発明のＨｅ導入配管の内壁のアルマイトは、下部
電極に所定の（例えば前述のように３０個の噴出口を有
した）Ｈｅ導入配管を形成後、下部電極を硫酸中に投じ
て陽極酸化を行えば容易に形成できる。アルマイトの厚
さは５０μｍ程度とすればよい。さらに、下部電極上面
は陽極酸化後、ブラッシング等によりアルマイトを除去
し、このＡｌが露出した下部電極上面は上述したよう
に、厚さｔ＝３５５μｍのポリイミド２２が形成され、
完全に下部電極はプラズマ空間およびＨｅ充填部に対し
て露出部分がないようになっている。なおポリイミド
（正確にはポリイミド複合膜）２２の厚さは２５０〜５
００μｍ程度であればよく、３５５μｍに限られない。
図１のようにすることにより、シリコンウェハの冷却条
件を最適にするように任意にＨｅ充填圧力、静電チャッ
ク電圧を選定しても、シリコンウェハ１の裏面側に異常
放電が発生することがなくなる。したがって５〜６ｎｍ
程度、あるいはそれ以下の薄いゲート酸化膜等を有した
ＭＯＳ集積回路（ＬＳＩ，ＶＬＳＩ，あるいはＵＬＳＩ
等）の製造プロセスに用いてもゲート酸化膜等の耐圧の
劣化は生じない。

【００１９】図３は本発明の第２の実施の形態に係る低
温ＲＩＥ装置の模式断面図である。マッチングボックス
４１を介して高周波電源４２に接続された下部電極２
と、これと相対して上部電極３が設置されている。エッ
チングチャンバー９には反応性ガスを導入するマスフロ
ーコントローラ等の導入ガス制御バルブ５１を有したガ
ス源接続部５とエッチングチャンバー内の圧力を一定に
保つための排気系を接続するための排気系接続部６が配
置されている。エッチングすべきシリコンウェハ１等の
試料は高周波電力が印加される下部電極２上に厚さ２５
０〜５００μｍのポリイミド膜２２等の絶縁膜を介して
配置される。これら相対する下部電極２および上部電極
３間に放電を発生させるが、この場合電子とイオンの易
動度の大きな違いにより電極表面に陰極降下が発生す
る。この陰極降下内で、ラジカルあるいは活性ガスイオ
ン、又はこの両者が下部電極２およびシリコンウェハ１
表面上の垂直な電界にそって入射し、その方向にリアク
ティブなエッチングが進行するようにされていることは
本発明の第１の実施の形態と同様であるが、０℃以下の
低温でシリコンウェハ１を冷却しエッチングするために
下部電極２は次のように工夫されている。

【００２０】（１）エッチング中の精密な温度制御を行
うため温度の検出回路と温度調節回路、温度用冷却昇温
回路が具備されている。

【００２１】（２）０℃以下の低温冷却を実現するため
のウェハステージ（下部電極）とウェハとの熱接触法、
および十分な冷却能力の向上を測るための工夫。

【００２２】熱接触を良くするために、本発明の第１の
実施の形態と同様に静電力を利用した静電チャックが用
いられている。図３にはウェハクランプ機構２８が示さ
れているが、機械的なクランプ機構は無くてもよい。加
えて、第１の実施の形態と同様に冷却されているウェハ
ステージとウェハの隙間にＨｅガスを充填している。ウ
ェハステージである下部電極の冷却方法については、冷
媒として液体窒素やフロロカーボンを使い、ウェハステ
ージを構成する金属が直接冷却されるようにする。図３
においては液体窒素デュワー３１の上部に設けられた液
体窒素用バルブ３２を介して液体窒素を下部電極２の内
部に送り込むようになっている。また下部電極２はアル
ミニウムなどの熱伝導に優れた材料を用いている。

【００２３】シリコンウェハ１の温度は、熱電対２４を
利用して検出できる。この場合、放電用の高周波を除去
しなければならないが、同じ熱電対線で形成したローパ
スフィルタ２５を使用すればよい。ローパスフィルタ２
５を用いることにより数百Ｖの高周波電圧印加電極上の
数ｍＶの熱起電力が計測できる。この出力から温度調節
機構２６を動作させ、下部電極２内にヒータ２３を配置
すれば、ウェハ温度をたとえば０〜−１５０℃の間で±
１０℃の精度で自動制御できる。ウェハ温度はパイロメ
ータを用いて計測してもよい。

【００２４】シリコンウェハ１の搬送は、まずシリコン
ウェハ１を真空予備室（ロードロック室）６１内にセッ
トし、真空予備室６１を真空排気後、セットされたシリ
コンウェハ１をローダーロボットアーム６２によりチャ
ンバー９内に移す。次に下部電極２周辺に配置される基
板受け渡しのためのピン上に移し、このピンを下げるこ
とでシリコンウェハ１が下部電極２にセットし、＋１ｋ
Ｖ〜＋３ｋＶの電圧を下部電極に印加し静電チャックで
クランプする。

【００２５】図３において下部電極２内のＨｅ導入配管
（Ｈｅ導入経路）および下部電極２の外周、あるいはウ
ェハクランプ機構２８の周辺はアルマイト（Ａｌ
₂ Ｏ₃ ）２１等の絶縁物で被覆され、下部電極２の電極
材料が放電空間およびＨｅ充填部に露出しないようにな
されている。

【００２６】またシリコンウェハ１の裏面と下部電極２
との間には、厚いポリイミド等の絶縁物２２が形成され
ている。図３に示すような下部電極２の構造にすること
により、冷却条件を最適にするように任意にＨｅ充填圧
力、あるいは静電チャックの電圧を選定しても、シリコ
ンウェハ１の裏面側に異常放電が発生することがなくな
る。したがって３〜６ｎｍ程度、あるいはそれ以下の薄
いゲート酸化膜等を有したＭＯＳ集積回路（ＵＬＳＩ
等）の製造プロセスに用いてもゲート酸化膜等の耐圧の
劣化は生じない。

【００２７】図４は本発明の第３の実施の形態に係る枚
葉式ＲＩＥ装置の模式図である。図４はエッチングチャ
ンバー９が１室の場合について示しているが、エッチン
グチャンバー９を２室以上用いて、それぞれ異なる処理
を行うこができるようにしてもよい。下部電極の交換や
修理は枚葉式の場合、電極と一体となったエッチングチ
ャンバー９を交換することで簡単に行える。エッチング
チャンバー９の前後に真空予備室６１が配置され、シリ
コンウェハ１の搬送は、まずシリコンウェハ１を真空予
備室ロードロック室６１内にセットし、真空予備室６１
を真空排気後ゲートバルブ６４を開け、セットされたシ
リコンウェハ１をローダーロボットアーム６２によりエ
ッチングチャンバー９内に移す。次に下部電極２周辺に
配置される基板受け渡しのためのピン上に移し、このピ
ンを下げることでシリコンウェハ１が下部電極２にセッ
トし、所定の静電チャック電圧たとえば＋２ｋＶを下部
電極に印加し静電チャックでシリコンウェハ１をクラン
プする。

【００２８】図４は下部電極３を水冷する構造を示して
いるが、水のかわりに冷却すべき温度に応じて他の冷媒
ガスを流してもよい。水冷の場合でも電子冷凍等を用い
れば５℃以下に冷却できる。これら一連の搬送作業およ
びエッチングチャンバー内へのエッチングガスの導入条
件やプラズマのパワーの制御等はすべてマイクロコンピ
ュータ６５で制御できる。

【００２９】図４において下部電極２内のＨｅ導入配管
（Ｈｅ導入経路）および下部電極２の外周は、アルマイ
ト（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）２１等の絶縁物で被覆され、下部電極
２の電極冷却条件を最適にするように任意にＨｅ充填圧
力、あるいは静電チャック電圧を選定しても、シリコン
ウェハ１の裏面側に異常放電が発生することがなくな
る。したがって３〜６ｎｍ程度、あるいはそれ以下の薄
いゲート酸化膜等を有したＭＯＳＬＳＩ等の製造プロセ
スに用いてもゲート酸化膜等の耐圧の劣化は生じない。
図４の枚葉式ＲＩＥ装置は、エッチングチャンバー９の
前後に真空予備室６１をもっているので、エッチングチ
ャンバー９にシリコンウェハ１を導入するとただちに処
理を開始することができ、処理時間の短縮が行える。ま
た大気中に反応室を開放しないことができるため、大気
と反応しやすい反応生成物が生ずるエッチングやエッチ
ングにより生じた残ガスの影響を大きくうける処理など
に適し、薄いゲート酸化膜等を有したＭＯＳ型デバイス
の製造プロセスにおいて再現性のあるエッチングが行え
る。特に薄いゲート酸化膜等を有したＭＯＳ集積回路の
製造プロセスにおいて反応生成物として活性残ガスが生
じるアルミニウムのエッチングや、比較的高い真空度で
のエッチングが要求される酸化シリコンの選択エッチン
グあるいはディーブサブミクロンゲートの超微細パター
ンのエッチングには、このような方式のプラズマエッチ
ング装置が好ましい。

【００３０】以上の本発明の第１〜第３の実施の形態に
おいてはプラズマ放電のための入力に１３．５６ＭＨｚ
を用いる反応性イオンエッチング法について説明した。
本発明のウェハステージの構造はＲＩＥ法の下部電極の
みに用いられるのみではなく、ガスの解離効率とイオン
化率を高くする種々の放電方式を用いた他のドライエッ
チング装置のウェハステージに用いるこができる。たと
えばＲＩＥに磁場を加えたマグネトロン型ＲＩＥや２．
４５ＧＨｚのマイクロ波を使うマイクロ波プラズマエッ
チング方法に用いてもよい。さらにＥＣＲイオンエッチ
ングや他のイオンビームエッチングのウェハステージに
用いることも可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明のドライエッチング
装置によれば、被エッチング物であるシリコンウェハの
冷却条件を最適にするように、任意にＨｅ充填圧力、静
電チャック電圧を選定しても、シリコンウェハの裏面側
に異常放電が発生することがなくなる。特に従来異常放
電が発生しやすかったＨｅ充填圧力の低圧化を行っても
異常放電が発生しなくなるため、半導体基板の冷却効果
が十分に得られ、エッチング特性が改善できる。また静
電チャック電圧も基板の抵抗率等に応じて任意に選定で
きる。したがって３〜４ｎｍ程度、あるいはそれ以下の
薄いゲート酸化膜等を有したＭＯＳＶＬＳＩやＵＬＳＩ
等の製造プロセスに用いてもゲート酸化膜等の耐圧の劣
化は生じないため、製造歩留りが高く、生産性が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＲＩＥ装置の
模式断面図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態に用いるポリイミド
複合膜の構造を示す図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係る低温ＲＩＥ装
置の模式断面図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態に係る枚葉式ＲＩＥ
装置の模式断面図である。

【図５】従来のＲＩＥ装置の模式断面図である。

【図６】ＲＩＥ時のゲート酸化膜耐圧劣化のメカニズム
を説明するためのモデル図である。

【図７】従来のＲＩＥ装置によるダメージの影響の検討
に用いたＭＯＳダイオードの断面図である。

【図８】従来のＲＩＥ装置におけるＨｅ充填圧力（バッ
ク圧力）とＭＯＳダイオードの良品率との関係を示す図
である。

【符号の説明】

１ シリコンウェハ（半導体基板） ２ 下部電極（ウェハステージ） ３ 上部電極 ４ 高周波電源 ５ ガス源接続部 ６ 排気系接続部 ９ チャンバー １１ ゲート酸化膜 １２ ポリシリコンゲート電極 １３ フィールド酸化膜 １９ 異常放電領域 ２１ アルマイト（Ａｌ₂ Ｏ₃ ） ２２ ポリイミド ２３ ヒータ ２４ 熱電対 ２５ フィルター回路（ローパスフィルタ） ２５ａ ヒーター電源線 ２６ 温度調節機構 ２７ ヒータ電源 ２８ ウェハクランプ機構 ２９ 絶縁物 ３１ 液体窒素デュワー ３２ 液体窒素用バルブ ４１ マッチングボックス ４２ 高周波電源 ５１ 導入ガス制御バルブ ６１ 真空予備室 ６２ ローダー ６３ ウェハカセット ６４ ゲートバルブ ６５ マイクロコンピュータ ２２１ 表層ポリイミド膜 ２２２，２２４，２２６ 接着材 ２２３ 銅板 ２２５ 下層ポリイミド膜

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウェハステージ上に配置された半導体基
   板もしくは半導体基板表面の被膜を、プラズマ放電によ
   って形成された活性ガスイオンおよびラジカルの少なく
   共一方により、エッチングするドライエッチング装置で
   あって、 該半導体基板を該ウェハステージに、第１の絶縁膜を介
   して静電力により固定するためのウェハ保持手段と、 該ウェハステージの内部に設けられ、該半導体基板と該
   ウェハステージの空隙部に冷却ガスを充填するための冷
   却ガス導入配管と、 該冷却ガス導入配管の内壁に設けられた第２の絶縁膜と
   を少なくとも具備し、 該半導体基板を該冷却ガスにより冷却することを特徴と
   するドライエッチング装置。
2. 【請求項２】 前記冷却ガスはＨｅガスであることを特
   徴とする請求項１記載のドライエッチング装置。
3. 【請求項３】 前記第１の絶縁膜は厚さ２５０〜５００
   μｍのポリイミド複合膜であることを特徴とする請求項
   １記載のドライエッチング装置。
4. 【請求項４】 前記第２の絶縁膜はアルマイト（Ａｌ₂
   Ｏ₃ ）であることを特徴とする請求項１記載のドライエ
   ッチング装置。
5. 【請求項５】 前記ドライエッチング装置は反応性イオ
   ンエッチング（ＲＩＥ）装置であることを特徴とする請
   求項１記載のドライエッチング装置。