JPS58177472A - 反応性イオン食刻装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明の技術分野 本発明は、少くとも１つのガス導入口及び１つのガス排
出口を有する接地されたケースにより包囲され、上記ケ
ースは水平方向に配置されたプレート状陰極を含み、上
記、陰極の上には基板が配置され、上記陰極の上方には
プラズマを維持７６ための空間が設けられている反応室
を有する反応性イオン食刻装置に係る。上記反応性イオ
ン食刻装置に於て、基板は反応性ガスから形成されたプ
ラズマ中に生じたイオン化された粒子にさらされる。

従来技術 その様な装置については、例えば米国特許第６９９４７
９３号の明細書に記載されており、反応性イオン食刻の
運動学的理論については、Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏｆ　　
Ｖａｃ、Ｓｃｉ、Ｔｅｃｈｎｏｌ、１６（２）、１９７
９年６月〜４月、第４０４頁以降に於けるＪ、　Ｌ、　
Ｍａｕｅ　ｒ及びＪ、　Ｓ、　Ｌｏｇａｎによる＠Ｒｅ
ａｃｔａｎｔ　　５ｕｐｐｌｙ　　ｉｎ　　Ｒｅａｃｔ
ｉｖｅＩｏｎ　　Ｅｔｃｂｉｎｇ”と題する文献に記載
されている。

上述の如き反応性イオン食刻装置は、例えＶ丁半導体ウ
ェハの如き平坦な基板を食刻するために適している。上
記装置に於ては、ケースが陽極として働き、装置中に導
入された反応性ガスから形成されたプラズマが上記陽極
と陰極との間に維持される。上記陰極に平行に配置され
そして上記ケースに導電接続されたプレートも陽極とし
て用いられ得るが、ケースが陽極として用いられた場合
には、陽極表面が陰極表面よりも太き（なる。これは１
つの利点であり、陽極と陰極との表面の比が大きい程、
陰極に於ける電圧降下が大きく、陰極に於ける大きな電
圧降下は、陰極又は該陰極上の基板に衝突するイオン化
された粒子の運動エネルギが高いことを意味する。厳密
に垂直な壁を有する開孔が食刻されるべき場合に用いら
れることが好ましい反応性イオン食刻に於ては、反応室
に於ける対応する低い圧力によって達成される、イオン
化された粒子の大きな平均自由行程以外に、イオン化さ
れた粒子が大きな運動エネルギを有して℃・ることか望
ましい。反応性イオン食刻に於ては、除去が、一方では
物理的に、即ち衝突するイオン化された粒子の運動エネ
ルギによって、他方では化学的に、即ちプラズマ中のイ
オン化された粒子と食刻されるべき材料との反応（イオ
ンによる化学的食刻）によって、達成される。それらの
２つのプロセスのどちらが所定の材料の除去に於ける速
度を決定するかに応じて、その用いられている材料を°
主として物理的に食刻可能な材料”又は°主として化学
的に食刻可能な材料”と称する。

例えば、シリコンは、塩素及びヘリウムを含む雰囲気中
で、主として化学的に食刻可能な材料である。シリコン
、例えばシリコン・ウェハが反応性イオン食刻装置中で
塩素及びヘリウムを含む雰囲気にさらされ、それらの反
応性ガスからプラズマが発生されて、シリコン表面上に
Ｓ　ｉ　Ｃｌ　２の被膜が形成される。Ｓ　ｉＣｌ　２
ラジカルが、衝突するイオン化された粒子のスパッタリ
ング効果により、物理的に除去される。５ｔ（Ｊ　　ラ
ジカルは、プラズマ中で反応して５ｉＣｌ　を形成し、
ポンプで排出される。食刻は、厳密に異方的に行なわれ
、即ち食刻されるべき表面に正確に垂直に行なわれる。

これとは反対に、５１０２は、これらの条件の下で、主
として物理的に食刻（陰極スパッタ９フフ食刻）される
。

反応性イオン食刻は、厳密に異方的な食刻を可能にする
という利点だけでなく、又特に湿式の化学的食刻の場合
と比べて、食刻されるべき部分の不純物の程度が極めて
僅かであるという利点を有する。反応性イオン食刻に関
連する問題は、除去処理の速度が比較的遅いこと（強い
放射による露光及び長い処理速度）であり、その点の改
良が望まれる。

本発明の概要 本発明の目的は、食刻の質に影響を与えずに、従来技術
の場合よりも速い食刻速度を達成する、反応性イオン食
刻装置を提供することである。

本発明による装置を用いることによって、従来技術の場
合よりも速い食刻速度が達成される。食刻の均一性は、
周知の装置を用いた場合と同質である。本発明による装
置に於て、基板上に働く磁力線は、基板表面に垂直及び
／若しくは平行であり得る。５Ｘ１０−２Ｔ程度の磁気
誘導を有する磁界は、主として科学的に食刻可能な材料
の食刻速度を、略１２倍増加させる。」−とじて物理的
に食刻可能な材料の食刻速度は、」記磁界によって、そ
の磁力線が基板表面に水平に廷びる場合には、略１，２
倍増加され、その磁力線が基板表面に垂直に延びる場合
には、２倍増加さ、）（る。基板表面に平行な磁力線を
有する磁界は、プラズマのイオン及び電子の入射角及び
軌道を変イ□、させる（サイクロトロン効果）。これは
、粒子がイオン化される確率及びそれらの運動エネルギ
を増す。磁界を変化させることにより、実際の食刻効果
が局部的に制御され得る。基板表面に垂直に延びる磁力
線を有する磁界は、基板の位置に於ける入射荷電粒子の
密度を増加させ得る（プラズマ・ピンチ効果）。

本発明による装置を用いることによって、前述の如く、
圧力、ガス流量及びプラズマのＨＦレートによって決定
される巨視的燃焼の振舞と、基板の位置に於ける局部的
な食刻の振舞との間の相互作用を断つことが可能である
。換言すれば、プラズマは主として反応性粒子の源とし
て働くが、本発明による反応炉によれば、食刻処理が基
板の位置に於て直接制御される。

本発明による装置は、１実施例に於て、陰極から電気的
に絶縁されている各基板ホルダ上に各基板が配置され、
上記各基板ホルダは陰極中の各々１つの貫通孔内に配置
されて陰極表面に垂直に昇降することが出来、そして磁
界を生ぜしめるための手段が上記各基板ホルダ中に設け
られる様に、有利に設計されている。本発明による装置
の上記実施例は、主として化学的に食刻可能な材料が、
主として物理的に食刻可能な材料の存在の下で、主とし
て物理的に食刻可能な材料よりも相当に速く食刻される
べき場合に、特に有利に用いられる。

その実施例に於ては、食刻されるべき基板が陰極表面の
平面よりも上方に上昇される。この様に基板を上昇させ
ることによって、基板上に到達するイオン及び電子の運
動エネルギに影響を与えることが出来る。例えば基板が
陰極表面上の暗部よりも上方に配置されるようなレベル
に上昇され、そして従来の反応性イオン食刻の場合と同
一の条件が用いられ、即ち何ら磁界が加えられなかった
場合には、粒子は基板上に衝突する前に極めて低い電圧
差しか移動せず、従ってそれに対応する小さな運動エネ
ルギを有するので、食刻速度が著しく低下する。しかし
ながら、本発明に従ってそれらの基板に更に局部的磁界
が加えＣ）れた場合には、上述の如く上昇されることに
よって生じた食刻速度の低下は、主として化学的に食刻
可能な材料については、実際に於て充分に補償され得る
が、主として物理的に食刻可能な材料については、基板
が上述の如く上昇されなかった場合の食刻速度の３乃至
４分の１の低いレベル迄しか食刻速度が増加され得ない
。基板の上昇と磁界の印加との相互作用によって達成さ
れるこの効果は、正確に所望の結果を与え、即ち主とし
て化学的に食刻可能な材料が主として物理的に食刻可能
な材料よりもずっと速く食刻される。従って、′本発明
による装置の上記実施例は、反応性イオン食刻のスパッ
タリングと化学的効果とがプラズマの振舞によって相互
に関連づけられている従来の反応性イオン食刻装置の特
徴を除く。従来の装置に於ては、一方又は他方の効果は
いずれも、それらの効果が同時に変更されなければ、影
響され得な（・。

本発明の実施例 従来の反応性イオン食刻装置とは異なり、本発明による
反応性イオン食刻装置は、各基板の領域に限定されそし
て陰極と陽極との間の電界の電気力線に垂直及び／若し
くは平行に延びる磁力線を有する磁界に、食刻されるべ
き各基板がさらされる様にする手段を含む。それらの手
段は、基板表面領域に於ける磁界のすべての磁力線が基
板表面に平行又は垂直のいずれかの方向に延びる様な寸
法を有する。電界に垂直に延びる磁界は例えば永久磁石
又はコイルによって発生され、電界に平行に延びる磁界
は例えばコイルによって発生される。

磁界を発生させるための上記手段は、基板の下方に配置
される。

次に、図面を参照して、本発明による反応性イオン食刻
装置をその１実施例について更に詳細に述べろ。

第１図は、反応性イオン食刻装置の反応室１υ）断面を
示している。反応室１は、接地されたケース２により包
囲されている。反応室１は、高周波交流電圧を印加され
る、水平方向に配置されたプレート状陰極ろを含む。ケ
ース２は、反応性イオン食刻装置の陽極として働（。し
かしながら、反応室１内に陰極６に平行に配置されて（
・る、接地された又は設定可能な成る電位を印加される
プレートを対向電極として用いることも可能である。

反応室１は、少くとも、１つのガス導入口４と、反応室
１内のガスを真空ポンプ（図示せず）によって排気し得
る１つのガス排出口５とを有する。

装置の動作中にプラズマ６が生ぜしめられる空間が、陰
極３と、ケース２又は陽極プレートの水平な上部との間
に設けられる。昇降素子７及び基板ホルダ８は本成明知
よる装置の成る特定の実施例の特徴的部分である。昇降
素子７は、陰極３中の貫通孔中に配置された基板ホルダ
８を昇降させる。

基板ホルダ８上に基板９が配置され、基板９は昇降素子
７によって陰極表面から陽極に向かって上昇され得る。

基板ホルダ８は浮動電位にある。

第２図は、第１図の円で囲まれた部分を拡大して示して
いる。第２図は、昇降素子Ｚ上に配置された基板ホルダ
８を含む開孔を有する陰極３の領域を示している。陰極
ろの表面は、好ましくは石英より成る、好ましくは厚さ
数ミリメートルの誘電体材料層１１で被覆されている。

基板ホルダ８の上部１−２０、好ましくは石英である誘
電体材料より成る。基板ホルダ８の上部１２中には、少
（とも１つの磁界を生ぜしめるための手段が設けられて
いる。第２図においては、上記手段の１例として、永久
磁石１３が−Ｆ部１２中に設けられ、永久磁石１３は、
上部１２上の配置された基板９の領域に於て、陰極表面
に平行に延びる磁力線を有する磁界を生ぜしめる。永久
磁石１６０代りに、上部１２は、陰極表面に平行に延び
る軸を有するコイルを含んでもよい。氷見明知よる装置
の他の実施例に於ては、陰極表面に垂直に延びる磁力線
を有する磁界を生ぜしめるために、陰極表面に垂直な軸
を有する１つのコイル、又は一方が陰極表面に平行な磁
力線を有する磁界を発生しそして他方が陰極表面に垂直
な磁力線を有する磁界を発生する２つのコイルが上部１
２中に設けられる様に設計され得る。上記２つのコイル
の一方を永久磁石と置換えることも可能である。

本発明による装置は、食刻されるべき基板の位置に局部
的磁界を用いている点で、従来の反応性イオン食刻装置
と異なっている。５Ｘ１０　２Ｔ程度の磁気誘導及び他
は従来の場合と同一のパラメータ（ガス流量、電気力線
、反応室内の圧力、基板温度及び食刻期間）を用いて、
陰極表面に平行に延びる磁力線を有する磁界が加えられ
た場合には、食刻速度の増加は、主として物理的に食刻
された材料及び主として化学的に食刻された材料の両方
に於て、略同−である。５Ｘ１０　　’Ｔ程度の磁気誘
導及び他は従来の場合と同一のパラメータを用いて、電
界あ電気力線に平行に延びる磁力線を有する磁界が加え
られた場合には、食刻速度は従来の場合よりも増加する
が、食刻速度の相対的増加は、主として化学的に食刻可
能な材料の場合の方が、主として物理的に食刻可能な材
料の場合よりも少ない。各々５ｘ１０−２Ｔ程度の磁気
誘導を有しそして電界に水平及び垂直に延びる磁力線を
有する２つの磁界が基板に加えられた場合にも、食刻速
度が従来の場合よりも増加し得ろ。

従って、本発明による装置の本実施例を用℃・た場合に
は、主として物理的に食刻可能な材料及び主として化学
的に食刻可能な材料の食刻速度が増加する。

第１図及び第２図に示されている本発明による装置は、
主として化学的に食刻される材料が、主として物理的に
食刻されるべき材料の存在の下で、優先的に食刻される
べき場合Ｋ、特に用いられる。

これは、主として化学的に食刻可能な材料を選択的に食
刻するために主として物理的に食刻可能な材料より成る
マスクが用いられる場合、又は主として物理的に食刻可
能な材料より成る極めて薄い層が食刻されずに、その上
に重ねられた主として化学的に食刻可能な材料が食刻さ
れるべき場合に極めて重要である。後者の場合の１例は
、二酸化シリコンのゲート酸化物層及び多結晶シリコン
のゲートを有する電界効果型トランジスタの製造に於て
、主として化学的に食刻可能なシリコンより成るゲート
が、主として物理的に食刻可能な二酸化シリコンより成
るゲート酸化物に殆ど影響を与えずに、塩素及びヘリウ
ムを含む雰囲気中で反応性イオン食刻されるべき場合で
ある。従って、本発明に於ける重要な特徴の１つは、化
学的に食刻されるべき材料と物理的に食刻されるべき材
料との食刻速度比が大きいことである。本発明に於ける
もう１つの重要な特徴は、主として化学的に食刻可能な
材料が連続的製造を行うに充分な速度で食刻され、且つ
その食刻が均一に行われることである。本発明による装
置を用いた食刻について更に詳細に説明するために、以
下にシリコンと二酸化シリコンとを組合わせた材料を塩
素及びヘリウムを含む雰囲気中で食刻する場合について
述べる。

しかしながら、本発明による装置は、他の材料の組合せ
又は他の適切な食刻ガスの選択によっても、有利に用い
られ得る。従来の装置が用いられた場合には、シリコン
と二酸化シリコンとの反応性イオン食刻速度比は、１０
乃至１５である。他の条件を変えずに、本発明に従って
、各基板に少（とも１つの局部的磁界を加えた場合には
、前述の如（、主として化学的に食刻可能な材料である
シリコン及び主として物理的に食刻可能な材料である二
酸化シリコンの食刻速度が１０乃至２０％程度増加する
。基板が、従来の場合と同一の条件の下で、即ち何ら局
部的磁界を加えずに、陽極との間に略８ｃｍの距離を有
する陰極の表面の上方に約２０１１１だけ昇降素子７に
よって上昇された場合には、シリコン及び二酸化シリコ
ンの食刻速度が著しく低下する。しかしながら、磁界の
磁力線が電界の電気力線に垂直に、平行に、又は平行及
び水平の両方に延びるかのいずれに係らず、局部的磁界
が更に加えられた場合には、シリコンの食刻速度は５Ｘ
１０−２Ｔ程度の磁気誘導を有する磁界によって、局部
的磁界を加えられずそして基板が陰極表面よりも上方に
上昇されない従来の場合に得られた値よりもほんの僅か
しか低くない値迄補償され得る。二酸化シリコンの場合
には、この様にはならず、その食刻速度は、上昇され且
つ局部的磁界を加えられたとき、何ら磁界を加えずに上
昇された位置で測定された極めて低い値から、何ら磁界
を加えずそして陰極表面よりも上昇されない従来の場合
の３乃至４分の１の低い値迄しか、増加され得ない。こ
の結果は、シリコンの食刻速度を低下させず又は均質性
に損失を与えずに、シリコンと二酸化シリコンとの間に
４０乃至５ｏの食刻速度比を与えるので、極めて有利で
ある。従って、シリコンを食刻するための二酸化シリコ
ンのマスク層をずっと薄く形成することが出来、その結
果、試料素子をより忠実に二酸化シリコン・マスクに転
写し得る。更に、多結晶シリコン・ゲートの形成中にゲ
ート酸化物層が著しく影響される危険が最小限に減少さ
れ得る。

次に、第１図及び第２図の本発明による装置を用いて、
二酸化シリコン層で選択的にマスクされたシリコン・ウ
ェハに行われた食刻の９つの例の結果について、説明す
る。９つのすべての例に於て、次に示す同一のパラメー
タが用いられた。

ヘリウム−塩素混合物：毎分５３ｍ／のヘリウム及び５
ｙｎｌの塩素１ 電　　カニ１０００ワツト 圧　カニ略１３μｂａｒ 時　　間＝１００分間 基板温度：略室温 電極間隔：約８儂 （＊標準的条件の下で） ９つの例に於て異なるパラメータ、得られた食刻速度及
び食刻速度比を次の表に示す。

１　　　　　　　　　　　　０　　　　　　　　　　−
　　　　　　　−２　　　　　　　　　　　８　　　　
　　　　　−　　　　　　　−３　　　　　　　　　　
２０　　　　　　　　　　−　　　　　　　　−４　　
　　　　　　　　０　　　　　　　　　　＋　　　　　
　　−５８十　　　　　　　− ６２０＋− ７０＋ ８　　　　　　　　　８　　　　　　　　　　　　　　
　　　＋９　　　　　　　　２０　　　　　　　　　　
　　　　　　　　＋（＊　測定値得られず） 食刻速度（ｎｍ７分）　　　　食刻速度比５０　　３．
５　　　　　　１０〜１５５２　　　　　　＊ １　−２．６／−３，２ ５８４１４，５ ＊１．０ ４３　−１．２　　　　　　４０〜５０６５　７　　　
　　　　８〜１０ ６１　６　　　　　　　８〜１０ ４７　１．６　　　　　　３６ 除去されたシリコン層及び二酸化シリコン層の厚さが干
渉計を用いて又は機械的に動作するステップ・ゲージに
よって決定され、それらから食刻速度が推断された。更
に食刻の均一性が従来の反応性イオン食刻装置の場合と
同一の質を有していることが解った。上記表に示されて
いる結果は、基板を略８−上昇させても効果は小さいが
、２０＋ｎ上昇させろと効果が極めて大きいことを示し
ている。これは、２０ｍ上昇させることによって基板が
既に暗部よりも上方に配置されたことによるものと考え
られる。暗部に於ては、陰極に向かってイオン化された
粒子に大きな運動エネルギを与える大きな電圧降下が生
じる。従って、暗部よりも上方に配置された基板は、陰
極上に直接配置された基板又は陰極表面の平面から数ミ
リメートルしか上昇されていない基板よりもずっと小さ
な運動エネルギを有する粒子にさらされる。イオン化さ
れた粒子の小さな運動エネルギ及び暗部の上方の低い電
子密度は、上記表の例６に於て、シリコンの遅い食刻速
度及び二酸化シリコンの既に除去された粒子の再付着に
ょる食刻の過度の補償を生ぜしめる。しかしながら、上
記表は、例６及び９に於て、５×１ｏ　Ｔ程度の磁気誘
導を有しそして電界の電気力線に平行又は垂直に延びる
磁力線を有する局部的磁界が、ソリコンの食刻速度を、
何ら磁界を加えられずに陰極表面上に直接配置された基
板の場合よりも僅がしか低くない値迄、再び増加させろ
ことを示している。しかしながら、例６及び９に於て示
されている如く、その様な磁界は、主として物理的に食
刻可能な二酸化シリコンの食刻速度に対しては強く作用
せず、従ってシリコンの食刻速度が二酸化シリコンの食
刻速度よりも４０乃至５０倍速いという望ましい結果が
得られる。上記表の例４．５．７及び８に於ける他の結
果は、陰極の平面から全く又は僅かしか上昇されていな
い基板に対する局部的磁界の前述の効果を証明している
。

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 下記構成を有する反応性イオン食刻装置。 げ）接地したケースにより包囲された、少くとも１つの
   ガス導入口及び１つのガス排出口を有する反応室。 （ロ）高周波交流電圧が印加される、上記反応室内に設
   けた、基板配置領域を有するプレート状電極。 ｅ］　上記電極上のプラズマ維持空間部。 に）個々の上記基板に限定される少くとも１つの磁界を
   発生する手段。