JPH10209126A

JPH10209126A - プラズマエッチング装置

Info

Publication number: JPH10209126A
Application number: JP985397A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Tsujimoto; 和典辻本; Tetsuo Ono; 哲郎小野; Naoyuki Koto; 直行小藤; Shinichi Taji; 新一田地
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-01-23
Filing date: 1997-01-23
Publication date: 1998-08-07

Abstract

(57)【要約】【課題】パルスバイアスを用いドライエッチング装置の
形状制御性とエッチング速度を向上させる。【解決手段】静電吸着膜による第１の容量と並列に第２
の容量を追加して、総容量を十分大きくする。【効果】パルスバイアスを用いた形状制御性とエッチン
グ速度が同時に向上される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプラズマエッチング
装置に関し、詳しくは、高精度の微細加工を行うことが
でき、高い集積密度を有する半導体装置の製造に特に好
適なドライエッチング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のドライエッチング（プラズマエッ
チングと同義）においては、例えば特開平６-２９３６
８８に記載されているように、エッチすべきウエハにパ
ルス電圧をバイアスとして印加してエッチングの断面形
状を制御し、特にノッチングと呼ばれる局所的なサイド
エッチングを防止する方法が提案されている。

【０００３】この方法は、従来用いられてきたＲＦバイ
アスに代えて、パルスバイアスをエッチすべきウエハに
印加する点に特徴があり、これにより、従来困難であっ
た電子の加速が可能になって、微細パターンの底面への
電子の入射が促進され、ウエハのチャージアップなどの
問題を防止することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このパルスバ
イアス法では、パルス波形のウエハへの伝達が重要な課
題になっている。すなわち、従来用いられていた試料台
では、一方の電極である金属製の試料台の上にエッチす
べきウエハを直接配置する構造のものが多く用いられ、
この場合は、エッチすべきウエハにパルス波形がほぼ直
接印加されることになるので、パルス波形の歪みはあま
り生じなかった。しかし、最近は、試料台上のウエハの
温度を高精度に制御するために、静電吸着と呼ばれるウ
エハの固定法が用いられており、この場合は試料台とウ
エハとの間に静電吸着膜と呼ばれる絶縁膜が存在する。
このような絶縁膜が試料台とウエハの間に介在すると、
パルス波形は直接ウエハには印加されず、静電吸着膜を
通してウエハに印加されるため、ウエハに印加されるパ
ルスバイアスの波形が歪んでしまう場合がある。

【０００５】例えば、本発明者の検討によれば、直径２
００ｍｍのウエハに対して静電吸着膜による容量は２ｎ
Ｆ以下、容量密度は６.４ｐＦ以下であり、このような
場合は、静電吸着膜上のウエハにパルス波形が十分印加
されなかったり、ウエハに自己バイアスが印加され難い
ことが新たに見出された。すなわち、静電容量がこのよ
うに小さいと、図１（ｂ）に示したように、パルス高さ
および自己バイアスはいずれも極めて低く、良好なエッ
チングを行なうのは困難であった。

【０００６】本発明の目的は、パルスバイアスを印加す
る従来のドライエッチング装置の有する上記問題を解決
し、パルス波形の歪みなしに、パルスバイアスを被エッ
チ物に印加できるドライエッチング装置を提供すること
である。

【０００７】本発明の他の目的は、十分大きな静電容量
を被エッチ物若しくは試料台に与えることができるドラ
イエッチング装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明のドライエッチング装置は、処理ガスのプラズ
マを用いて被エッチ物をエッチするための真空処理室
と、当該真空室内に処理ガスを導入する手段と、上記真
空室内を排気する手段と、上記処理ガスのプラズマを発
生させる手段と、上記真空処理室内に配置されたその上
に上記被エッチ物を置くための試料台と、上記被エッチ
物若しくは上記試料台に所定のパルス電圧をバイアス電
圧として印加する手段と、上記試料台上に形成された静
電吸着膜と、上記試料台と上記被エッチ物の間に接続さ
れた上記静電吸着膜の有する第１の静電容量とは電気的
に並列な第２の静電容量を少なくとも具備したことを特
徴とする。

【０００９】すなわち、図１（ｂ）から明らかなよう
に、図１（ａ）に示したパルス波形におけるパルス電圧
の高さと自己バイアスの大きさは、静電容量の増大とと
もに急激に増大し、静電容量の増大が極めて有利である
ことが明らかになった。このような静電容量の増大は、
静電吸着膜による第１の静電容量に加えて、さらに第２
の静電容量を、第１の静電容量に並列に接続することに
よって極めて容易に達成できる。このようにすれば、静
電吸着膜の膜質や厚さなどを変える必要はなく、外部か
らの第２の容量を付加するのみでよいのであるから、実
用上極めて有利である。

【００１０】上記第１の静電容量と第２の静電容量の和
を５ｎＦ以上とすれば、図１（ｂ）から明らかなよう
に、パルス高さおよび自己バイアスは十分大きい値にな
り、静電容量を５ｎＦ以上とすることがパルスバイアス
印加の効果を得るために有効であることが認められた。
しかし、１００ｎＦより大きくなると静電容量が大きす
ぎて除電が困難になってしまうので、１００ｎＦ以下に
した方がよい。

【００１１】さらに、上記第１の静電容量と第２の静電
容量の和が２０ｎＦ以上１００ｎＦ以下であれば、パル
ス高さおよび自己バイアスに加えて、図５に示したよう
にエッチング速度も十分大きくなり、極めて好ましい結
果が得られた。

【００１２】また、上記第１の静電容量と第２の静電容
量を上記被エッチ物と上記静電吸着膜の間の接触面積で
それぞれ割った値の和を、１５ｐＦ／ｃｍ²以上、３０
０ｐＦ／ｃｍ²以下とすれば、好ましい結果が得られ、
６０ｐＦ/ｃｍ²以上、３００ｐＦ／ｃｍ²以下とすれば
極めて好ましい結果が得られた。

【００１３】上記静電吸着膜としては、例えばアルミ
ナ、ポリイミド若しくはセラミックなど、各種誘電体膜
を使用できるが、スパッタリング法ではなく、蒸着法、
塗布法あるいはＣＶＤ法で膜を形成できる材料であるこ
とが好ましい。

【００１４】上記材料からなる静電吸着膜は環状、放射
状若しくは島状とすることができる。静電吸着膜の各部
分の間の空隙にはヘリウムなどの不活性ガスを流して、
エッチング工程中における被エッチ物の冷却を行なうこ
とができる。

【００１５】また、本発明はパルス電圧をバイアス電圧
として用いたドライエッチング装置に関するものである
が、上記パルス電圧に加えて、所定の高周波電圧を上記
被エッチ物若しくは試料台にバイアス電圧として印加す
る手段をさらに具備することができる。この場合、上記
パルス電圧および高周波電圧を、上記被エッチ物若しく
は試料台に同時に重畳して印加してもよく、交互に切り
替えて印加してもよい。上記パルス電圧の繰り返し周波
数を、１００ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下とすることがで
き、上記パルス電圧の正電圧の高さを、２０Ｖ以上５０
０Ｖ以下、上記パルス電圧の正電圧のパルス幅を１μs
以下１０ｎs以上、上記パルス電圧の正電圧のパルス波
形の立ち上がり速度を０.１Ｖ／ｎｓ以上１０Ｖ／ｎｓ
以下にそれぞれすることができ、いずれも好ましい結果
が得られる。

【００１６】さらに、処理ガスのプラズマを用いて被エ
ッチ物をエッチするための真空処理室内に配置されたそ
の上に上記被エッチ物を置くための試料台と、上記被エ
ッチ物若しくは上記試料台に所定のパルス電圧をバイア
ス電圧として印加する手段と、上記試料台上に形成され
た静電吸着膜を有するドライエッチング装置において、
上記試料台、上記静電吸着膜および上記被エッチ物によ
って形成される静電容量を、上記静電吸着膜と上記被エ
ッチ物の接触面積で割った値を１５ｐＦ／ｃｍ²以上３
００ｐＦ／ｃｍ²以下にする。このような値にすること
によって、好ましい結果を得ことができるが、この場合
は、第２の静電容量は用いられないので、静電吸着膜の
材質や製法などによって、静電吸着膜による静電容量を
パルスバイアスの特性に合わせて増大させ、上記値にす
ることが必要である。上記第２の容量を外部から接続す
る方が、所定の静電容量を得るのは容易であり、実用上
は有利である。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明によれば、金属性の試料台
の上に誘電体からなる静電吸着膜が形成されており、そ
の上に被エッチ物が置かれる。被エッチ物または試料台
にはパルス電圧がバイアス電圧として印加されるが、こ
のパルス電圧に加えて、さらに高周波電圧をバイアス電
圧として印加する手段を有することができる。

【００１８】上記試料台、被エッチ物および静電吸着膜
によって形成される第１の静電容量に加えて、第２の静
電容量が外部からこの第１の静電容量に並列に接続され
るので、大きな静電容量を得ることは容易である。しか
も、第２の静電容量は外部から接続される容量であるた
め、容量値を広い範囲から選択することができ、第１お
よび第２の静電容量の和を、極めて容易に所望の値にす
ることができる。その結果、パルスバイアスの効果が極
めて顕著になり、十分大きいパルス高さ、自己バイアス
およびエッチング速度が得られる。

【００１９】静電容量膜としては、アルミナやポリイミ
ドなど各種誘電体の膜を用いることができるが、試料台
の上に形成されるため、スパッタリング法ではなく、蒸
着法やＣＶＤ法によって形成できる材料の膜であること
が好ましい。静電容量膜の膜厚としては、３００μｍ程
度に選択される。静電容量膜の面積は、被エッチ物の面
積と同程度であってもよく、被エッチ物の面積より小さ
くてもよいが、静電容量膜の形状を、環状、放射状ある
いは島状などにして、被エッチ物が静電照射膜と接触し
ない部分を形成すれば、この部分に例えばヘリウムガス
などを流して、エッチングの際の被エッチ物を冷却する
ことができる。

【００２０】

【実施例】

〈実施例１〉図２に本発明によるドライエッチング装置
の例を示した。図２に示したように、本実施例のドライ
エッチング装置は、プラズマ４を発生させるためのマイ
クロ波８と磁場１１を具備し、さらに、試料台６にバイ
アスを独立に印加するための電源３を有している。エッ
チング処理すべきウエハ１を試料台６の上に設置し、試
料台６の上に形成された静電吸着膜１３に直流電圧（４
００Ｖ）を印加して、ウエハ１を試料台６に吸着させ
る。プラズマ中のイオンの加速および電子の加速を行う
ため、試料台６にはパルスバイアスが印加される。

【００２１】試料台６上の上記静電吸着膜１３には、ア
ルミナ系セラミックを堆積して形成された膜を用い、試
料台６の上に形成した。静電吸着膜１３はウエハ１の全
裏面あるいはその一部のいずれに形成してもよいが、本
実施例ではウエハ１の面積の約３０％、すなわち面積が
９４ｃｍ²である円板型の静電吸着膜１３を用いた。こ
の静電吸着膜１３の静電容量は全面積で５ｎＦであり、
直径２００ｍｍのウエハ１の面積は３１４ｃｍ²である
から、ウエハ１の単位面積あたりの静電容量は１５.９
ｐＦ／ｃｍ²であった。なお、図２において、符号３は
パルスバイアス電源、５はガス導入機構、７は排気ポン
プ、９は導波管、１０はガス導入プレート、１１は磁場
プレート、１２はブロッキングコンデンサを、それぞれ
表わす。

【００２２】このドライエッチング装置を用いて、シリ
コンウエハを覆うＳｉＯ₂膜上に形成されたポリシリコ
ン膜を、塩素ガスによってエッチングした。エッチング
条件は、２.４５ＧＨｚのマイクロ波放電パワー８００
Ｗ、ガス圧力１Ｐａ、ガス流量１００ｓｃｃｍ、パルス
バイアス８００ＫＨｚ、正パルス幅１００ｎｓ、正パル
ス高＋１００Ｖとした。印加パルス波形は電源からの入
力高さ＋１００Ｖに対して静電吸着膜上に置かれたシリ
コンウエハ部分では＋７０Ｖであった。

【００２３】その結果、図３に示したように、ノッチン
グ（ポリシリコン膜とＳｉＯ₂膜の界面に生ずる異常な
サイドエッチング）の量は約２０ｎｍでが極めて少な
く、形状制御性がすぐれたエッチングを行うことができ
た。

【００２４】〈実施例２〉実施例１と同じエッチング装
置を用い、図４に示したように、静電吸着膜１３の一部
を除去して、静電吸着膜１３と電気回路的に並列な他の
静電容量１５を追加した。上記静電吸着膜１３の容量は
５ｎＦ、追加された上記他の静電容量１５の容量は１５
ｎＦであり、総容量は２０ｎＦ、単位面積あたりの容量
は６３.７ｐＦ／ｃｍ²であった。

【００２５】本実施例では、容量が上記実施例１よりも
さらに大きくなったため、自己バイアスと呼ばれる負電
圧が上昇して、イオン加速電圧が上昇し、エッチング反
応促進効果が増大した結果、図５に示したように、エッ
チング速度は４００ｎｍ／分以上と極めて大きくなり、
さらに、図３から明らかなように、ノッチング量はさら
に減少して実施例１の場合のほぼ１／２になり、１０ｎ
ｍ程度になった。

【００２６】さらに、静電容量の和を変えて同様の測定
を行った結果、静電容量を１０ｎＦ以上にすれば、図３
に示した高い形状制御性と図５に示した高いエッチング
速度を同時に得ることができ、２０ｎＦ以上にすればさ
らにすぐれた結果を得られることが確認された。

【００２７】〈実施例３〉実施例１と同じエッチング装
置を用い、図６に示したように、試料台６に印加するバ
イアスのみを変えてエッチングを行った。すなわち、バ
イアス電源としてＲＦバイアス１４とパルスバイアス電
源３の両者を用い、当初はＲＦバイアス１４を印加して
エッチングを行い、オーバーエッチング中にパルスバイ
アス３に切り替えてエッチングを行った。

【００２８】このようにすることにより、下地であるＳ
ｉＯ₂膜に達するまでは、ＲＦバイアス１４によって高
いエッチング速度のエッチングを行い、オーバーエッチ
ングになったところでパルスバイアス３に切り替えて、
形状制御性の高いエッチングを行うことができた。この
場合、静電吸着膜１３の容量は５ｎＦであっても、高エ
ッチ速度と高形状制御性を両方満足できた。

【００２９】〈実施例４〉実施例１と同じエッチング装
置を用いて、ＤＲＡＭの駆動ＭＯＳＦＥＴのゲート電極
のパターニングを行った。静電吸着膜の容量は５ｎＦ、
これと並列に接続された容量１５ｎＦを追加して総容量
２０ｎＦとし、他の条件は実施例１と同様にして、酸化
シリコン膜１９上の厚さ３００ｎｍの多結晶シリコン膜
１７（図７（ａ））、厚さ１５０ｎｍの多結晶シリコン
膜１７の上に厚さ１５０ｎｍのタングステンシリサイド
膜２１を積層した膜（図７（ｂ））、または厚さ３００
ｎｍのタングステン膜２２（図７（ｃ））を、ホトレジ
スト膜１６をエッチングマスクとして用いてエッチング
を行った。

【００３０】その結果、図７に示したように、パルスバ
イアスを用いない場合は、いずれもノッチング発生部分
１８が生じたが、パルスバイアスを用いるとそのような
障害は起こらず、形状制御性は極めて良好であった。そ
のため図８に示した構造を有するＤＲＡＭにおいて、幅
０．２５μｍのゲート電極２４をサイドエッチ量０．０
３μｍで形成でき、エッチング速度も４００ｎｍ／分と
十分な値が得られた。なお、図８において数字２３はス
トレージノード、２５はゲート酸化膜をそれぞれ示す。

【００３１】

【発明の効果】上記説明から明らかなように、本発明に
よれば、パルスバイアスを用いたドライエッチング装置
において、ノッチングの発生を大幅に減少することがで
き、高い形状制御性とエッチング速度向上を同時に達成
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】パルス波形電圧と静電膜容量の関係を示す図、

【図２】本発明の第１の実施例を示す図、

【図３】本発明の第１の実施例を示す図、

【図４】本発明の第２の実施例を示す図、

【図５】本発明の第２の実施例を示す図、

【図６】本発明の第３の実施例を示す図、

【図７】本発明の第４の実施例を示す図、

【図８】本発明の第４の実施例を示す図。

【符合の説明】

１……ウエハ、２……処理室、３……パルスバイアス電
源、４……プラズマ、５……ガス導入機構、６……試料
台、７……排気ポンプ、８……マグネトロン、９……導
波管、１０……ガス導入プレート、１１……磁場コイ
ル、１２……ブロッキングコンデンサ、１３……静電吸
着膜、１４……ＲＦバイアス、１５……他の静電容量、
１６……ホトレジスト膜、１７……多結晶シリコン膜、
１８……ノッチング発生部分、１９……酸化シリコン
膜、２０……シリコン基板、２１……タングステンシリ
サイド膜、２２……タングステン膜、２３……ストレー
ジノード、２４……ゲート電極、２５……ゲート酸化
膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田地新一東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目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】処理ガスのプラズマを用いて被エッチ物を
エッチするための真空処理室と、当該真空室内に処理ガ
スを導入する手段と、上記真空室内を排気する手段と、
上記処理ガスのプラズマを発生させる手段と、上記真空
処理室内に配置されたその上に上記被エッチ物を置くた
めの試料台と、上記被エッチ物若しくは上記試料台に所
定のパルス電圧をバイアス電圧として印加する手段と、
上記試料台上に形成された静電吸着膜と、上記試料台と
上記被エッチ物の間に接続された上記静電吸着膜の有す
る第１の静電容量とは電気的に並列な第２の静電容量を
少なくとも具備したことを特徴とするプラズマエッチン
グ装置。
【請求項２】上記第１の静電容量と第２の静電容量の和
は５ｎＦ以上１００ｎＦ以下あることを特徴とする請求
項１に記載のドライエッチング装置。
【請求項３】上記第１の静電容量と第２の静電容量の和
は２０ｎＦ以上１００ｎＦ以下あることを特徴とする請
求項２記載のドライエッチング装置。
【請求項４】上記第１の静電容量と第２の静電容量を上
記被エッチ物と上記静電吸着膜の間の接触面積でそれぞ
れ割った値の和は、１５ｐＦ／ｃｍ²以上３００ｐＦ／
ｃｍ²以下であることを特徴とする請求項１から３のい
ずれか一に記載のドライエッチング装置。
【請求項５】上記第１の静電容量と第２の静電容量を上
記被エッチ物と上記試料台の間の接触面積でそれぞれ割
った値の和は、６０ｐＦ/ｃｍ²以上であることを特徴と
する請求項４に記載のドライエッチング装置。
【請求項６】上記静電容量膜はアルミナ、ポリイミドお
よびセラミックから選ばれた材料からなる膜であること
を特徴とする請求項１から５のいずれか一に記載のドラ
イエッチング装置。
【請求項７】上記静電容量膜は環状、放射状若しくは島
状であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一
に記載のドライエッチング装置。
【請求項８】上記パルス電圧に加えて、所定の高周波電
圧を上記被エッチ物若しくは試料台にバイアス電圧とし
て印加する手段をさらに有していることを特徴とする請
求項１から７のいずれか一に記載のドライエッチング装
置。
【請求項９】上記パルス電圧および高周波電圧を、上記
被エッチ物若しくは試料台に同時に重畳して印加するか
若しくは切り替えて印加する手段を有していることを特
徴とする請求項８に記載のドライエッチング装置。
【請求項１０】上記パルス電圧の繰り返し周波数が、１
００ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下であることを特徴とする
請求項１から９のいずれか一に記載のプラズマエッチン
グ装置。
【請求項１１】上記パルス電圧の正電圧の高さが、２０
Ｖ以上５００Ｖ以下であることを特徴とする請求項１か
ら１０のいずれか一に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項１２】上記パルス電圧の正電圧のパルス幅が１
μs以下１０ｎs以上であることを特徴とする請求項１か
ら１１のいずれか一に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項１３】上記パルス電圧の正電圧のパルス波形の
立ち上がり速度が０.１Ｖ／ｎｓ以上１０Ｖ／ｎｓ以下
であることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一
に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項１４】処理ガスのプラズマを用いて被エッチ物
をエッチするための真空処理室と、当該真空室内に処理
ガスを導入する手段と、上記真空室内を排気する手段
と、上記処理ガスのプラズマを発生させる手段と、上記
真空処理室内に配置されたその上に上記被エッチ物を置
くための試料台と、上記被エッチ物若しくは上記試料台
に所定のパルス電圧をバイアス電圧として印加する手段
と、上記試料台上に形成された静電吸着膜を有し、上記
試料台、上記静電吸着膜および上記被エッチ物によって
形成される静電容量を、上記静電吸着膜と上記被エッチ
物の接触面積で割った値が１５ｐＦ／ｃｍ²以上３００
ｐＦ／ｃｍ²以下であることを特徴とするプラズマエッ
チング装置。