JPS5861631A - ドライエツチング装置 - 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】 本発明は半導体装置等の製造工程に有用なドライエツチ
ング装置の改良に関するものであり、ウェーハ内の工、
、チング加工の均一性の向上を目的とする。

最近、半導体装置、特に高密度半導体集積回路装置にお
いては、集積蜜を向上させ、動作速度を高めるために微
細加工が必要となってきた。この目的を実現する手段の
一つとしてガスプラズマを用いたドライエツチングの技
術が用いられている。

この技術は溶液を用いるウェットエツチング技術と比較
してサイドエツチングによる寸法の不正解さが少なく有
用である。現在一般にドライエツチングの適用を受けて
生産に応用されている材料としては、３１０２　　、シ
リコンナイトライド、ポリシリコン壁アルミニウム等で
あり、気密性容器内で、それぞれに適合した反応ガスを
用いたプラズマを発生させエツチングを行う。

第１図に半導体装置の製造工程に用いられる従来例の、
平行平板電極型プラズマエツチング装置の一例を示す。

気密性容器９の中におかれた平行平板電極１，２に高周
波発生器５で発生させた高−ｌ、−ソ 周波電力を印加する。電極１には処理すべきウェーハ４
を装着し、対向電極２にはガスの吐出口３を設ける。反
応性ガスおよび不活性ガスはそれぞれボンベ８，８′に
保持され、それぞれの流量制御装置７，７′を経由して
混合され、電気絶縁材で構成された配管６を経由してガ
ス吐出口３に到り、予め真空、ガス置換された気密容器
内部に放出され、印加された高周波電界の作用により電
離されプラズマ１ｏを形成する。プラズマ１０の内部に
はイオン、活性化された原子１反応性化合物分子。

反応基等が混在し、半導体ウエーノ・表面に形成された
各種材料物質と反応し、同材料物質をガス状化合物に変
換してウェーハ表面から除去し、エツチング作用を行う
。その際、従来の一般的な事例でみると、ウェーハ表面
においてエツチング速度が異なり、ウェーハ内の膜厚不
均一性をもたらす。

第２図にその状況を示す。ウエーノ・１１上に形成され
た均一な厚さの材料物質を第１図の装置を用いて適当な
時間ドライエツチングを行い、残された材料物質の厚み
を等高純１２で示している。＋ウェーハ上の材料物質の
厚さは中央が厚く、周辺が薄いことが観察された。この
理由は次の様に説明される。材料物質のドライエツチン
グの際に生成する反応生成物はエツチング作用の進行を
妨げないように、すみやかに除去する必要がある。除去
に際して、反応性成物はウェーハ中心から周辺の方向に
拡散し、気密性容器内を通過して真空ポンプに入り排気
される。その除去速度は周辺の方が大であり、周辺の方
が中心と比べて反応生成物濃度が低くなる。その結果と
してウェーハ表面のイオン、原子９反応基等の活性物質
の濃度分布は、周辺が濃く中心に向って薄くなる傾向を
示す。最初一様な厚さの材料物質をウェーハ上に形成し
、一定時間ドライエツチングを実施の結果、第２図に示
す様に、材料物質の厚さが中央に厚く周辺に薄く残るこ
とは、上記活性物質の分布から説明される。活性物質の
濃い所はどエツチング速度が大きいので、濃度の高いウ
ェーハ周辺部の方がエツチング作用が早く進み膜厚が中
央部と比較して薄くなる。この際外見上プラズマ密度は
平坦で、中ｑぺ一２゛ 央部と周辺部に差がない様に見える。従ってこの場合プ
ラズマのエツチング効率が中央部で低く周辺部で高いと
表現することもできる。エツチング効率が中央部で低い
のは、反応生成物が除去しにくいだめである。

この現象が半導体装置の製造に際し不都合をもたらすこ
とを第３図を用−て説明する。第３図は半導体ウェーハ
１７上に一様な膜厚の材料物質。

−例としてアルミニウムを被着し、フォトレジストを塗
布し、同一幅の縞状のパターンを焼付け、現像処理し、
残ったフォトレジストの縞状パターンをマスクとして、
ドライエツチングを行った結果を示しだものである。１
３．１４は中央部のパターン、１．５．１６は周辺部の
パターンのそれぞれの断面を示す。中央部のパターン断
面１３．１４において１３はフォトレジスト、１４はア
ルミニラムラ示シ、エツチング後のアルミニウムの幅は
Ｗｌである。周辺部断面の内フォトレジストは１６、ア
ルミニウムは１６に示す。周辺部のアルミ幅Ｗ２と中央
部のアルミ幅Ｗ１　をくらべるとＷｌ〉Ｗ２の現象が認
められる。その理由は下記の通りである。

周辺部の方が中央部と比べてエツチング速度がはやいた
め、アルミニウムの中、フォトレジストを被着していな
い部分のエツチングが時間ｔ１　の経過後周辺部で先に
完了する。図示されてはいないが、この場合のパターン
幅はＷｌ　である。中央部ではその時点で未完了である
だめ引続きエツチングを続行しなければならない。適当
な時間Δｔ１の追加エツチングを実施し、中央部のアル
ミニウムパターン形成が完了する。この際の中央部のア
ルミニウムパターン形成が完了する。この際の中央部の
アルミ幅はＷ　である。上記Δｔ１の間に周辺部のパタ
ーンにはサイドエツチングの現象が起とり、パターン幅
は狭捷ってＷ２となる。即ち周辺部では適切なエツチン
グ時間ｔ１　に追加エツチング時間Δｔ１を加え合計ｔ
１＋Δｔ１　　の間エツチングを実施したことになる。

Δｔ１がオーバーエツチング時間であり、オーバーエツ
チングによりパターン幅語差ΔＷ−Ｗ１−Ｗ２が発生す
る。この現象は微細加工の立場から見て不利な事象であ
り、半導体７・・−・ 装置の高性能化９歩留り向上の妨げとなるもので改善す
る必要がある。本発明の目的とする所は、上記のパター
ン幅不均一性の改善に関するものである。

本発明のプラズマエツチング装置の原理を第４図に示す
。この図は気密性容器内に配設された各部材を概念的に
表わしている。ウェハ４を装着し−た円板型高周波電極
２２に千行く設置された円板型対向電極２ｏは２２と比
べて小さな直径を持ち、環状電極２１にとり囲まれてい
る。２１はフレキシブルな導線２３を用いて上記対向゛
電極２ｏに連結されている。上記対向電極２０と上記一
方の電極２２はそれぞれ高周波発振器５の一対の出力電
極に連結され、高周波′電力が印加される。図示されて
いないが環状覗４２１を電極２０の平面と直角な方向に
移動させる機構があり、この機構を用いて、同環状電極
２１は図示の矢印の方向に移動することが可能である。

この機構には絶縁物を使用しており、高周波電力の２０
．２１への印加には支障とならない。図には気密性容器
、ガス導入口の記述を省略している２４はプラズマを示
す。

第６図に可動環状電極２１を移動させた場合の、電極間
の電気力線および等電位面の概要を記している。第５図
（ａｌは環状電極２１が対向電極２０に比べてこれと対
向する一方の電極２２から遠ざかっている状態、わ）は
上２各電極２０．２１が上記電極２２から等距離の状態
、ｆｃｌは上記環状電極２１が上記対向電極２ｏに比べ
て上記一方の電極２２に接近している状態である。第５
図（ａ）において環状電極２１の下部は電極２０の下部
に比べて電界が弱い。第６図中では環状電極２１の下部
と電極２ｏの下部は電界がひとしく、同図ｆｃｌにおい
ては逆に環状電極２１の下部の方が電極２ｏの下部より
も電界が強い。電極間に所定のガスを適量導入し、高周
波電力を印加して電極間にプラズマを発生させた際の下
部電極２２の表面の近傍のプラズマ密度分布を第６図に
示す。下部電極２２の中心を原点とし、半径方向にＩ軸
をとり、！１．−１１を夫々Ｉ軸が電極２２の周辺と交
叉する位置とし、ｙ軸にプラズマ密度を記録する。第６
図（ａ）、（ロ）。

９．２−・ ｆｃ）はそれぞれ第５図（ａ）　、　ｆｂｌ　、　（ｃ
ｌのポ極位置に相当するプラズマ密度である。第６図ｆ
ａｔにおいては電極中央部のプラズマ密度が大きく、周
辺が小さい。

これは第５図（ａ）に示す様に電極中央部において電界
強ＩＷが大きいことに起因する。第６図（ｂｌにおいて
は、分布は中心から周辺にかけてほぼ平坦であり、第６
図（Ｃ）においては中心より周辺のプラズマ密度が高く
なる。このことは同様に第５図に）、（Ｃ）から推定で
きることである。第６図ｔａ＋のプラズマ密度について
考察すれば、中央部（ｘ：ｏ）の近くに若干平坦部を有
し、周辺部に向かって緩やかな密度の低下が見られる。

このプラズマを用いてエツチングを開始した場合のエツ
チング初速度分布を第７図（ａ）に示すっこれは第５図
Ｔａｌの電極配置、第６図（ａ）のプラズマ密度分布に
相当し、プラズマエツチング開始直後、分解生成物形成
前の初期のエツチング速度分布を示す。この際−例とし
てのアルミニウムのエツチングの際、表面に存在する酸
化アルミニウム皮膜のエツチングに関する速度は取扱わ
ず一純粋にアルミニウムのエツチングを１０　　　。

開始しはじめた時の初速度を取扱う。エツチング初速度
は概略プラズマ密度に比例すると考えられる。第７図（
ｂ）に下部電極２２の表面に均一プラズマを発生させた
場合に、その電極上に装着された材料物質のエツチング
効率分布を示す。この分布において、中央部と比べて周
辺部の値が横加している理由は次の通りである。エツチ
ング作用の反応性成物除去効率が周辺部においてより大
きく、エツチング対象物表面が新鮮なエツチングガス又
はプラズマ中の反応基等とより密接に接触して反応をす
すめる。従って材料物質に同一密度のプラズマを作用さ
せた場合、周辺部のエツチング効率が高い。このことは
第２図において既に示した。

第７図（ａｌと同図（ｂ）の値をかけ合わすと同図（Ｃ
１の総合効率分布が得られる。総合効率分布は（ａ）　
、　（ｂ）の相反する性質の曲線の相補作用により、平
坦又はそれに近込ものになる。この総合効率分布はウェ
ーハ上の被エツチング材料のエツチング速度分布に相当
するものであり、同図（Ｃ）の場合は、ウェーハ上にお
いて上記材料が均一にエツチングされることを示す。第
７図Ｔｏ）の曲線はガスの材料、圧力。

混合比等により変化する。同図ｆｃ）の分布を均一に保
つためには、環状電極２１の位置を上下し、同図ｆａｔ
の曲線を変化し、（ａ）　Ｘ　（ｂ）　＝　（ｃｌに関
し平坦な分布が得られる様調節すればよい。具体的には
環状電！２１の設定位置を６点とり、各条件におけるエ
ツチングを実施し、中心部と周辺部のエツチング量の差
ΔｙをとりΔｙ＝ｏｆでなる条件（位置）を求めればよ
ｌＡＱ但しその際、器内気圧、ガス流量は一定に保って
実験を行う。

本発明により、プラズマエツチングを用いて半導体装置
の加工を行うにｍして、従来さけることのできなかった
、でき上りパターン幅のウェーハ内不均−性を消滅ない
しは著しく軽減し、加工精変を向上することができた０
パタ一ン幅のウェーハ内均−性向上により、ウェーハ内
容チップの電気特性が揃い、高精変の集積回路の高歩留
の生産が可能となり、産業上その効用は大きい。

本発明の説明に関し、ウェーハ１枚を処理するシステム
を実例とｌ−て示したが、多数のウェーハを同一円板上
に設置する方式のシステムについても本発明の適用でき
ることは容易に判断できるものである。即ち下部円板型
電極にｎ枚のウェーハを適当な間隔をあけて並べ、上部
に第５図中の２０．２１に相当する各′Ｕ極を各ｎ枚設
置し、高周波電力を印加すれば同時にｎ枚のウェーハ処
理が可能に々る。この際プラズマ分布を可変にするため
、２０．２１の各電極の相対位置を才節する機構を持つ
ことは云うまでもない。又高周波のマツチング性能改善
の目的で上部に上記各電極２０．２１とは別に、第３の
電極（上記各電極２０．２１と同電位）を設けてもよい
。

上記環状電極は外部より気密性を損なわずに適当な距離
移動できる様設計することが可能であり、所望の設定条
件わりだし実験においても、所定気密性保持のままウェ
ーハの出入を行う方式のオートローダ−を併用すること
により、迅速に再現性よく所望の設定条件わりだしが可
能となる。

本発明の装置では、さらに、センサーを用いて中央部と
周辺部の均一なエツチングを実施するこ３ とができる。すなわち修正電極（だとえは環状電極２１
）をほぼ適切な位置におき、エツチングが５０％完了し
た時点で、中央部１周辺部に各１ケ設置された膜厚のセ
ンサーから得た信号を比較し、その判断により上記修正
電極を所、定の位置に移動してプラズマ密度をより均一
なエツチングを実施しつる様に修正する。具体的には周
辺部の膜厚が薄ければ周辺部のプラズマ密度を下げ逆の
場合は周辺部のプラズマ密度を上げ、膜厚均一化をはか
る。

また、別なシステム運用の仕方として、タイマーを用い
て一定時間おきに内外２ケのセンサーか−ら得られた信
号を比較し、上記修正電極を微調整してエンチング均一
性を向上することもできる。

センサーはウェーハ内マスクパターンの一つに含めるこ
とを原則とするが、必要な場合はウエーノ・外のモニタ
ーに設けることもできる。

【図面の簡単な説明】

４ エーハ内等高線図、第３図はウェーハ内パターン幅不均
−性の発生説明図、第４図は本発明の一例であるプラズ
マエツチング装置の構成図、第６図は環状電極の位置と
電気力線、等電位面の関係を示す図、第６図は第５図の
電極配置に対応するプラズマ密度分布図、第７図はエン
チング初速度、均一プラズマに対するエツチング効率、
総合効率の夫々の分布を示す図である。 １．２・・・・・・平行平板電極−３・・・・・・ガス
吐出口、４″・・・・・・ウェー・・、５・・・・・・
高周波発振器、６・・・・・・絶縁材で構成されたガス
配管、７，７′・・・・・・・流量制御装置、８，８′
・・・・・・ガスボンベ、９・・・・・・気密性容器、
１ｏ・・・・・・プラズマ、１１・ｅ・・・・ウェーハ
、１２・・・・・会ウェーハ上の材料物質の等高純、１
３・・ｅｏ・フォトレジスト、１４゜・・拳・・・アル
ミニウム、１５・・・ｅ・・フォトレジスト、１６・−
・・・・アルミニウム、１７・・・・・・ウェーハ、２
０・・・・・・円板型対向電極、２１・・・・・・可動
環状電極、２２・・・・・・円板型対向電極、２３・・
・・・・フレキシブルな導線、２４６．・００．ブラノ
？。 第１図 第３図 第５図 一χｌ　　　θ　　　石 一χｆ　　　　　　、　　　　　　　ｌ’。 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）気密性容器の中に設けた平行平板電極の一方の平
   板電極にエツチングを行う材料基板を装着し、対向する
   他方の平板電極と前記一方の平板電極間に高周波電力を
   印加して、同容器内で反応性ガスあるいは不活性ガス流
   にプラズマ状態を生成して前記材料基板にエツチング加
   工を施すドライエツチング装置であって、前記他方の平
   板電極に付属して、各平板電極に対して可動かつ制御可
   能なプラズマ密度分布修正電極を設けたことを特徴とす
   るドライエツチング装置。 （２１Ｉｌ！正電極の運動制御を、別に設けたセンサー
   あるｌＡ蛾タイマーの信号に従って行うことを特徴とす
   る特許請求範囲第１項記載のドライエツチング装置。