JPH10270422A - 反応性イオンエッチング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の課題は、圧力に関係なくO.3μm幅以下
の微細加工に適用できる反応性ドライエッチング装置を
提供することにある。 【解決手段】本発明による反応性ドライエッチング装置
においては、磁気中性線に放電プラズマを発生するため
の１重の高周波コイルとして幅の広いアンテナが用いら
れ、また基板より上部の放電室体積の約15倍の総流量
（sccm）でガスを導入するように構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマを利用し
て、半導体或いは電子部品、その他の基板上の物質をエ
ッチングする反応性イオンエッチング装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】本願発明者らは先に特願平７−217965号
において永久磁石方式のエッチング装置としては図３で
示されるような平板永久磁石式磁気中性線エッチング装
置を提案した。この先に提案した装置では、真空チャン
バーＡの上部の誘電体Ｂ上に載置された２つの永久磁石
Ｃ、Ｄによって真空チャンバーＡ内部に磁気中性線が形
成され、この磁気中性線に沿って、２つの永久磁石Ｃ、
Ｄの間に１重のアンテナＥを配置し、ガスを導入してこ
のアンテナＥに高周波電場を印加するとリング状のプラ
ズマが形成される。アンテナＥとしては断面円形（断面
直径８〜1Omm）或いは平板（幅1O〜15mm）の導体で構成
されたものが用いられる。幅及び径がほぼ同じであれば
形成されるプラズマの特性はほぼ同じである。静電結合
成分を多くしたい場合には、幅広の平板アンテナが用い
られる。幅が20〜30mmでは効果は現れないが、6Ommにな
ると静電結合成分による効果が現れる。また、エッチン
グガスは符号Ｆで示すように、流量制御器を通して上部
の誘電体Ｂ付近の周囲より導入され、コンダクタンスバ
ルブの開口率によって圧力が制御される。下部の基板電
極Ｇにはバイアス用の高周波電力が印加される。従っ
て、主な外部制御パラメータはアンテナ電力、基板バイ
アス電力、流量（ガス種及び混合比を含む）及び圧力で
ある。これらの外部制御パラメータを独立に制御して、
最適なエッチング条件を求めることになる。

【０００３】このように構成した図３に示される磁気中
性線放電エッチング装置の動作について説明する。エッ
チングガスは真空チャンバーＡの上部フランジ付近に設
けたガス導入口Ｆから導入され、誘電体円盤Ｂ上に設置
されたアンテナＥに高周波電力を印加することによりプ
ラズマが形成されて導入ガスが分解される。下部の基板
電極Ｇにはバイアス用の高周波電力が印加される。ブロ
ッキングコンデンサーＨによって浮遊状態になっている
基板電極Ｇは負のセルフバイアス電位となり、プラズマ
中の正イオンが引き込まれて基板上の物質をエッチング
する。

【０００４】この時、プラズマは、アンテナＥから放射
される方位角方向の誘導電場とアンテナＥ自体の電場に
よって励起、形成される。磁気中性線放電では真空中に
リング状に形成される磁気中性線の部分に密度の高いプ
ラズマを形成するため、リング状の磁気中性線に沿って
形成される誘導電場を有効利用するものである。この方
法によって、容易に10¹¹cm^-3の荷電粒子密度を持つプラ
ズマが形成される。

【０００５】しかしながら、ハロゲン系のガスを用いて
微細な構造をもつレジストパターンのエッチングに適用
すると、微細な孔のエッチングが十分にできないという
不都合のあることがわかった。この理由を知るため、幅
の狭い平板アンテナ（15mm）と幅の広い平板アンテナ
（60mm）を用いてプラズマを形成し、イオン及びラジカ
ルの量を質量分析計で測定した。ガス種及び混合比はＡ
ｒ（90％）、Ｃ₄Ｆ₈（10％）である。質量分析の結果、
幅の狭い（15mm）平板アンテナを用いたときには、ＣＦ
⁺イオン及びＣＦラジカルとも大きな信号強度で測定さ
れ、圧力増加とともに減少しており、幅の広い（6Omm）
アンテナを用いたときには、低圧でＣＦ⁺イオンの信号
強度が小さく、圧力とともに増加していることが分かっ
た。逆に、ＣＦラジカルは低圧で大きく、圧力増加とと
もに減少した。さらに、幅の狭いアンテナを用いたとき
には大きな信号強度で観測されなかったＣ⁺及びＣ原子
が観測されていることも分かった。以上の質量分析結果
から、幅の狭いアンテナを用いたときに微細な孔のエッ
チングが十分にできないのは、放電における誘導結合成
分が大きく、効率の良い放電プラズマが形成されている
ため、ＣＦ⁺イオンの量が多くレジストをエッチングす
るためであると考えられる。つまり、ＣＦ⁺イオンによ
る有機レジストのエッチング生成物が孔の内部に入り込
みエッチストップを起こすためであると考えられた。

【０００６】エッチングでは、反応性の高いラジカル及
びイオンを基板に照射して基板物質との反応により基板
物質をガス化して蝕刻するが、単に削ればよいわけでは
なく、微細化に伴いより形状制御が重要になってきてい
る。このためにはエッチャントの他に壁面に付着してイ
オンの当たらない側壁を保護する働きをする物質もプラ
ズマ中で生成されなければならない。0.3μm幅以下の微
細加工ではこのエッチャントと保護物質との相対濃度及
び孔内部ヘの相対的な到達量が重要になる。保護物質が
エッチャントに対して多くなり過ぎると、0.3μm幅以下
の微細孔は、保護物質により埋まってしまい、いわゆ
るエッチストップが起こって、削れないことになる。保
護物質が、逆に、少なすぎるとエッチャントによって側
壁が削られて、Bowingが発生し、望ましい形状が得られ
ない。アンテナの幅を広くすると、アンテナ電位によっ
て加速される高エネルギーの電子分子が多くなり、より
イオン化エネルギーの高い物質がイオン化され易くな
る。ＣＦラジカルのイオン化エネルギーは約9.2eV、Ａ
ｒのイオン化 エネルギーは15.8eV、Ｃ原子のイオン化
エネルギーは11.3eVである。従って、電子温度が低いプ
ラズマでは、ＣＦラジカルはイオン化され易いがＡｒや
Ｃはイオン化され難い。従って、ＣＦ⁺とレジストとの
反応によって発生した付着性物質が孔の中に入っても、
多量に存在するＡｒ⁺によるスパッタが孔の中でも起こ
るため、エッチストップが発生しないと考えられる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】エッチングではプラズ
マを発生させるための電場導入法以外にも重要な因子が
あり、それらの因子は圧力や流量である。通常、ガスは
流量制御装置(MassFlow Controller)を通して導入さ
れ、流量の制御が行われる。また、圧力は排気口に取り
付けられたコンダクタンスバルブの開口率を変えること
により制御される。このように、流量と圧力は独立に変
えることができるように構成されている。一般には、圧
力が高いと分子数密度が高くなるので、ラジカルや荷電
子数密度が高くなり、エッチ速度は大きくなる。しか
し、衝突頻度も高くなるのでプラズマは拡散しにくくな
り、エッチ速度の均一性は悪くなる。低密度のプラズマ
を用いたときには流量の依存性は低いが、高電力を導入
して形成するプラズマ中では流量依存性が高くなる。流
量が少ないと分解が進み、望ましくない付着性の物質や
エッチャントが生成される。流量を多くすると制御でき
る圧力下限値が高くなる。従って、従来用いられてきた
エッチング装置においては、他の条件が設定されると、
エッチングに最適な圧力や流量の範囲は狭く、ほぼ一義
的に決まるのが一般的であり、使用する立場からすると
大変不便であるという問題があつた。

【０００８】そこで、本発明は、上記の問題を解決し
て、0.3μm幅以下の微細加工において圧力に関係なくエ
ッチングすることのできる磁気中性線放電を利用した反
応性イオンエッチング装置を提供することを目的として
いる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明による磁気中性線放電を利用した反応性イ
オンエッチング装置においては、磁気中性線に放電プラ
ズマを発生するための１重の高周波コイルとして幅の広
いアンテナを用い、また基板より上部の放電室体積の約
15倍の総流量（sccm）でガスを導入するように構成され
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明によれば、真空チャンバー
内に連続して存在する磁場ゼロの位置である環状磁気中
性線を形成するための磁場発生手段を設けると共に、こ
の磁気中性線に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線
に放電プラズマを発生するための１重の高周波コイルを
設けてなるプラズマ発生装置を有し、ハロゲン系のガス
を主体とする気体を真空中に導入し、低圧でプラズマを
形成するとともに導入気体を分解し、発生した原子、分
子、ラジカル、イオンを積極的に利用し、プラズマに接
する基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して電
極上に載置された基板をエッチングする反応性イオンエ
ッチング装置において、真空チャンバー上部を円盤状の
誘電体で構成し、環状磁気中性線を形成するための磁場
発生手段を、誘電体の上部に径の小さな円盤状或いはド
ーナツ状永久磁石とそれよりも内径の大きな永久磁石と
により構成し、磁気中性線に放電プラズマを発生するた
めの１重の高周波コイルを、２つの永久磁石の間の位置
に配置された幅の広いアンテナで構成し、反応室の容積
をＶリットルとしたとき、導入するエッチングガスの流
量を15（±３）×Ｖ［sccm］になるように制御するよう
に構成したことを特徴としている。

【００１１】質量分析の結果から、流量が同じで圧力が
高い時、ガスのレジデンスタイムが長く再結合によって
付着性物質が生成されるためエッチストップが起こり、
逆に圧力が低いときには、ガスのレジデンスタイムが短
くてＡｒ⁺イオンの生成が十分でないためやはりエッチ
ストップが起こってしまうということが分かった。この
ことは、Ａｒ⁺イオンを十分に生成し、付着性物質が生
成され過ぎない条件が望ましいことを意味している。図
２に示すように、本発明の好ましい実施の形態による装
置を用いた場合、反応室の容積を20リットルとした時シ
リコン酸化膜エッチングにおいて、エッチストップが起
こらないで、O.2μm径の孔を垂直にエッチングできる条
件は総流量300sccm付近の時である。ガス種及び混合比
はＡｒ（90％）、Ｃ₄Ｆ₈（10％）である。総流量をＱ、
ガスの排気速度をＳ、放電室すなわち反応室の圧力を
Ｐ、体積をＶとすると、 Ｑ＝ＳＰ τ＝Ｖ／Ｓ であり、図２から、圧力Ｐとレジデンスタイムτは線形
の関係にあることが分かる。一方、レジデンスタイムτ
は τ＝ＰＶ／Ｑ の関係にある。従って、圧力Ｐとレジデンスタイムτは
線形の関係にあることから、放電室の体積Ｖが決まる
と、垂直にエッチングできる条件は総流量Ｑのみに依存
することになる。一般には、レジデンスタイムが短い
と、Ａｒ⁺が生成され難く、一方レジデンスタイムが長
いと、ラジカル同士の再結合が生じ易い。従って、レジ
デンスタイムが短い時には、Ａｒ⁺が生成され易い低圧
力領域にし、レジデンスタイムが長い時にはＡｒ⁺が生
成され易いので付着性物質のできやすい高圧力領域にす
る必要がある。この結果、垂直エッチングできる条件の
総流量がある領域に決まり、圧力には依存しないように
なる。本発明における実験で用いたエッチング装置の反
応室の容積は20リットルである。従って、圧力に関係な
く、総流量が15×20＝3OOsccm付近であるとき、垂直エ
ッチングの形状が得られる。

【００１２】

【実施例】以下添付図面の図１を参照して本発明の実施
例について説明する。図１は本発明によるエッチング装
置の一実施例である。図示装置において１は排気口1aを
備えたプロセス室を形成している円筒形の真空チャンバ
ーで、その上面は平板型誘電体隔壁２で覆われている。
この平板型誘電体隔壁２の外面上には、上下に円盤状ま
たはドーナツ状永久磁石３及びこの永久磁石３よりも内
径が大きくかつ永久磁石３と同極性を持つドーナツ形板
状永久磁石４が同心上に取付けられ、これら両永久磁石
３、４は真空チャンバー１内に磁気中性線を形成するた
めの磁場発生手段を構成している。円盤状またはドーナ
ツ状永久磁石３とドーナツ形板状永久磁石４との間に
は、電場発生手段を構成する幅40〜80mm程度の幅広の１
重のプラズマ発生用高周波コイル５が配置され、この高
周波コイル５はプラズマ発生用高周波電源６に接続さ
れ、永久磁石３、４によって真空チャンバー１内に形成
された磁気中性線に沿って交番電場を加えてこの磁気中
性線に放電プラズマを発生するようにしている。また真
空チャンバー１内の形成される磁気中性線の作る面と平
行して離れた位置には基板電極７が絶縁体部材８を介し
て設けられ、この基板電極７はRFバイアスを印加する高
周波電源９に接続されている。真空チャンバー１の上方
部分には真空チャンバー１内へエッチングガスを導入す
るガス導入口10が設けられ、このガス導入口10に通じる
ガス供給通路11には、真空チャンバー１内へのエッチン
グガスの流量を制御するガス流量制御装置12が設けられ
ている。このガス流量制御装置12は放電室を成す真空チ
ャンバー１の容積のほぼ15倍（好ましくは15±３倍）の
流量でガス導入口10から真空チャンバー１内へエッチン
グガスを導入するように作動される。さらに、真空チャ
ンバー１の排気口1aには流量制御バルブを成すコンダク
タンスバルブ13が設けられ、このコンダクタンスバルブ
13は真空チャンバー１内の圧力を制御するようにされて
いる。

【００１３】このように構成した図示装置において、1
3.56MHzのプラズマ発生用高周波電源６の電力を1.0kW、
100kHzの基板バイアス用の高周波電源９をＶｄｃ−200V
になるように設定し、ガス流量制御装置12により、アル
ゴンを270sccm（90％）、Ｃ₄Ｓ₈を30sccm（10％）を真
空チャンバー１内へ導入したところ、７mTorr〜100mTor
rの圧力範囲内で、エッチストップなしにシリコン酸化
膜のほぼ垂直形状のエッチングが可能であった。総流量
が300sccmより多い400sccmではエッチストップが起こっ
たが、360sccmではエッチストップは起こらなかった。
また総流量200sccmで実験を行ったが、多い時と同様に
エッチストップが起こり、0.2μm径の孔のエッチングは
達成されなかった。しかし総流量を240sccmした時には
エッチストップは起こらず、0.2μm径の孔のエッチング
が可能であった。総流量が300sccm付近の時、Ａｒの組
成比が90％であるため、Ａｒ⁺のイオンが多量に生成さ
れ、ＣＦ⁺とレジストとの反応によって発生したと思わ
れる付着性物質が孔の中に入っても、多量に存在するＡ
ｒ⁺によるスパッタが孔の中でも起こってエッチストッ
プが発生しなかったと考えられる。この効果は、総流量
と組成比が同じであれば圧力には依存しないことを意味
する。

【００１４】ところで図示実施例ではＮＬＤエッチング
装置に適用した例について説明してきたが、同様な効果
はＮＬＤプラズマＣＶＤ装置に適用しても期待できるこ
とは言うまでもない。

【００１５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によるエッチ
ング装置においては、放電プラズマを発生するための１
重の高周波コイルとして幅の広いアンテナを使用し、ま
た放電室の容積の約15倍の流量(sccm)でガスを導入する
ように構成しているので、アンテナから放射される方位
角方向の誘導電場とアンテナ表面に発生する高周波電場
によってプラズマが形成・維持され、この放電成分によ
ってイオン化エネルギーの高いＡｒやＣ原子がイオン化
されるようになると同時に、適当な圧力で0.3μm幅以下
の微細加工に対応できるドライエッチングが可能となっ
た。従って、本発明は、半導体や電子部品加工に用いら
れている反応性イオンエッチングプロセスに大きな貢献
をするものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を示す概略線図。

【図２】 本発明によるエッチング装置の動作特性を示
す図であり、（ａ）は実験による特性を、（ｂ）はモデ
ル値による特性を示す。

【図３】 従来の平板永久磁石式磁気中性線エッチング
装置を示す概略線図。

【符号の説明】

１：円筒形の真空チャンバー ２：平板型誘電体隔壁 ３：円盤状またはドーナツ状永久磁石 ４：ドーナツ形板状永久磁石 ５：電場発生手段を成す幅広の１重のプラズマ発生用高
周波コイル ６：プラズマ発生用高周波電源 ７：基板電極 ８：絶縁体部材 ９：高周波電源 10：ガス導入口 11：ガス供給通路 12：ガス流量制御装置 13：コンダクタンスバルブ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空チャンバー内に連続して存在する磁
   場ゼロの位置である環状磁気中性線を形成するための磁
   場発生手段を設けると共に、この磁気中性線に沿って交
   番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生す
   るための１重の高周波コイルを設けてなるプラズマ発生
   装置を有し、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空
   中に導入し、低圧でプラズマを形成するとともに導入気
   体を分解し、発生した原子、分子、ラジカル、イオンを
   積極的に利用し、プラズマに接する基板電極に交番電場
   或いは高周波電場を印加して電極上に載置された基板を
   エッチングする反応性イオンエッチング装置において、
   真空チャンバー上部を円盤状の誘電体で構成し、環状磁
   気中性線を形成するための磁場発生手段を、誘電体の上
   部に径の小さな円盤状或いはドーナツ状永久磁石とそれ
   よりも内径の大きな永久磁石とにより構成し、磁気中性
   線に放電プラズマを発生するための１重の高周波コイル
   を、２つの永久磁石の間の位置に配置された幅の広いア
   ンテナで構成し、反応室の容積をＶリットルとしたと
   き、導入するエッチングガスの流量を15（±３）×Ｖ
   ［sccm］になるように構成したことを特徴とする反応性
   イオンエッチング装置。