JPS6011109B2 - ドライエツチング方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は集積回路など電気部品の製造工程におけるＳｉ
やＳｉ０２やＡＩなどの膜のエッチングに用いられる高
速のドライエッチング方法及び装置に関する。

近年、集積回路は微細化の一途をたどり、最近では最小
パターン寸法が１〜２ム仇の起は１も試作開発されるに
至っている。

この超微細加工にはプラズマエッチング技術は欠くこと
のできないものとなっている。本技術は通常、平行平板
型電極を有する反応容器にＣＦ４などの反応性ガスを導
入し、１３．５即町ｇなどの高周波げ電力を印加する電
極（陰極）上に試料を置き、そしてグロー放電によって
生じたガスプラズマからの正イオンを陰極に生じる陰極
降下電圧Ｖｄｃによって加速し、試料に衝撃し、これを
エッチングする。この本方法は反応性イオンエッチング
ＲＩＥと呼ばれている。しかしこの平行平板の高周波日
を印加して生じるグロー放電では、例えばＣＦ４十はガ
スを用いたＳｊ０２のＲＩＥでは高々３００Ａ／分のエ
ッチングであり、１山肌の膜厚のＳｉ０２エッチングで
は４０分も要し、量産性の点で、この極めて低いエッチ
ング速度は現在重大な問題となっている。またＭのＲ伍
では通常ＣＣ１４ガスを主に用いるが、エッチング速度
は約１０００Ａ／分でｌＡｗの厚さに対して数１０分、
リンドープＰｏｌｙ−ＳｉのＲｍではＣＢｒＦ３ガスを
用いて、エッチング速度は５００Ａ／分で、４０００Ａ
の厚さに対して８分とＳｉ０２程ではないが、比較的低
く、これらの速いエッチングも同様に望まれている。エ
ッチング速度を向上させるためには、例えばＭ電力を増
大させることによって幾分エッチング速度が向上するが
、しかし、エッチング種の増加の利点より、ｈ電力の熱
への変換による損失が大きく、又、陰極降下電圧などの
増大によって、エッチングマスクとなるフオトレジスト
の変質や劣化、それにＳｉ基盤への電気的損傷を招く。

それ故現在これらの有害な点を考慮して、エッチング速
度を蟻性にしてもげ電力をできるだけ下げて用いられる
のが常となっている。この本質的な要因は平行平板型グ
ロー放電ではガスのイオン化効率が高々５〜３％程度で
あるということにある。これに対して、最近、プラズマ
内への電子供聯合手段をもった３電極型の装置を用いて
、ＳｉおよびＮ２０３の高速エッチングが得られたとい
う報告もあるが、これは熱フィラメントを使用している
ために、このフィラメントの反応性ガスによる腐触が生
じ、長時間の連続使用に対しては問題がある。（Ｎ．Ｈ
ｅｉｍａｎ他、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ血１、１
７脚、７３１、１擬０）さらに、プラズマ中のエッチン
グ種の密度を高めるために、レーザを用いるという方法
も提案されている。（Ｊ．１．Ｓｔｅｉｎｆｅｌｄ他、
Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．ＳＭ．１２７、５１４１
９８０）この方法によると、確かに、エッチング種の密
度は大きくなり、エッチング速度も大きくなってはいる
が、増加したエッチング種は主に中性ラジカルであり、
従って、エッチング形状は垂直な壁をもったエッチング
とはならず、サイドエッチングが入るものと考えられ、
ｌｒの以下のサブミクロン加工には受け入れられないも
のである。この様な事情は、絶縁材料製反応容器内の電
気部品が置かれる電極にＭ印加し、反応容器支持台を接
地するタイプ、或し、はげの代わりにＤＣ電源を用いる
ものでも同じである。

そこで、上記の損傷がなく、エッチング速度を増すため
には、印加電力をできるだけ多く用いて効率の良い放電
を行い、導入ガスを解離して、多くの反応種を作り出す
必要がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明
の目的は半導体材料、特にシリコン、ＳｉＱ、山、Ｍｏ
、Ｗなどの耐熱性金属その桂化物を高速、しかも、電気
的損傷などの問題が少ないドライエッチング方法および
装置を提供することにある。

又、本発明の他の目的は下地物質に対し選択性良く高速
エッチングするドライエッチング方法および装置を提供
することにある。

すなわち、かかる方法において、電極上又は電極下の永
久磁石及び／又は電磁石により、電極間に、電界と直交
する磁界を形成して電子をドリフト運動させ、電子とガ
スの衝突解離を促進して放電効率を向上させることによ
り、多くのエッチング種を生じせしめ、この電極又は磁
石上、つまり陰極面上に置いた電気部品となるべき被エ
ッチング材料を高速かつ選択的にエッチングするドライ
エッチング方法および装置を提供するものである。

以下本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の実施例を説明するための装置の断面図
である。

第１の装置は永久磁石１１個に対して矩形（円形でも良
い）の閉じた間隙（放電路）２をもつ。同図において、
１は、例えばコバルトサマリウム系の永久磁石であり、
磁性材料、ここでは軟鉄製のポールピース３とともに、
前記間隙２において、ステンレス製の対向電極（陽極）
（通常接地電位１７）４とほぼ平行する磁力線Ｂを発生
させる。対向電極４は非磁性材料を用いることができる
。また、永久磁石１とポールピース３は、前記陽極４と
対向して、陰極８の１部を構成し、この電極上には、非
磁性材料５、ここでは炭素Ｃ板が設けられている。電気
部品６は水冷パイプ７により冷却されている。ポールピ
ース３は箱状であり、その内、上面の閉ループを為す間
隙２で囲まれた部分は永久磁石１によって支えられてい
る。永久磁石１は上面がＮ、下面がＳ極であるので、間
隙２を跡いでポールピース３上にアーチ状に磁力線が生
ずる。まず、前記間隙に磁場がないとした時について説
明する。最初に真空仕切バルブ１３を開けてから、反応
容器４内を真空に排気した後、ガス導入口１８から解離
により生成するイオンが反応性を示す原料ガスを導入し
てから、高周波電源１２を整合回路１１を介して、陰極
８に印加する。そうすると、この高周波電力により、前
記導入ガスのグロー放電を生じ、前述した様に陰極上に
は、陰極降下電圧（直流自己バイアス）が発生し、いわ
ゆる陰極暗部と呼ばれる放電光の暗い領域１０が観察さ
れる。次に、間隙２に磁界が存在する場合には、磁界が
ない場合と同様じ操作をするが、この磁界と、前述の直
流自己バイアスおよび高周波電力によって決まる電界と
により、この間隙２近傍には直交する電磁界が発生する
ため、間隙近傍の電子は、ＩＥ×ＩＢ方向にドリフト電
界を受け、間隙近傍のドリフト軌道にトラップされるこ
とになり、従ってその付近１５のイオン化効率は、その
周囲１６に比較して著しく増加する。

実際、本発明者等が、陰極上の陰極暗部の厚さを磁場が
ある場合とない場合に対して観察してみると、磁場があ
る場合には、肉眼ではほとんど観察することができない
程狭くなることを確認した。このことは、直交電磁界の
存在する間隙部近傍では局所的にプラズマ密度が非常に
高いことを意味しておりその結果、従釆の直流自己バイ
アスの大きさに比較して、小さな値で大きな電力密度を
投入できることになる。このことが、本発明の目的であ
る高速エッチングの基本となるものである。すなわち、
例えば、導入ガスとして、ＣＦ４（フレオン）、被エッ
チング材料である電気部品（本明細書では製造中途のも
のも含む）６として酸化シリコン（ＳｉＱ）を選び、前
述したエッチング装置において、エッチングを行うと、
エッチャントが当たると揮発性ガスに変わりエッチング
条件；ＣＦよモカ０．０４Ｔｏｍ、電力密度０．２Ｗ／
洲、被エッチング材料戦贋台をＣ板とした時、Ｓｉ基板
上に形成したＳｉ０２膜のエッチング速度は約１仏の′
ｍｊｎという高速エッチングが達成され、しかもＳｉ基
板のイオン損傷は小さかった。

又、Ｓｉ０２膿上にレジストパターンを形成してＳｉ０
２膜エッチング後、そのプロフアィルをＳＥＭにより観
察し、垂直なエッチング壁をもった異方性エッチングで
あることを認識した。第２図は、同じ装置において、Ｃ
２Ｆ６に日２を添加した時のＳｉ０２、Ｓｉのエッチン
グ特性ａを、従来例、すなわち被エッチング材料を陰極
８上に置いた場合ｂについて比較したものである。

同図より明らかな様に、本発明の方法を用いてＳｉ０２
をエッチングした場合には、従釆例に比較して数十倍の
エッチング速度が達成され、、また、比濃度７０％前後
においてＳｉとの選択比も、１肌〆上と従釆と同程度の
良い選択性の値が得られた。また、本発明者等は、第３
図に示すような試料表面上の磁界の強さとＳｊＱ、Ｓｉ
のエッチング速度の間の特異な現象を発見した。

エッチング条件は０．０４Ｔｏｎ、２５０ＷでＣ２Ｆ６
ガスを用いた。第４図に言う磁界の強さとは、第１図に
おいて陰極８の１部を構成するポールピース３に載せた
Ｃ板５表面の、前記放電間隙２上の磁界をホールセンサ
にて測定したものである。該Ｃ板の厚みｈを次第に厚く
することによって、間隙近傍の磁界の強さを変化させた
時のＳｉ０２、Ｓｉのエッチング速度は、磁界の強さを
増すに従いＳｉのエッチング速度の上昇よりもＳｉ０２
の方が大きくなり、その結果、ＳｉＱとＳｉのエッチン
グ速度の比も磁界の強さとともに大きくなることが判明
した。すなわち、この実験事実より、Ｓｉに対するＳｉ
０２の選択エッチングを達成するためには、間隙２近傍
の磁界の強さとしては３５０ガウス以上、また、間隙面
からの高さは８側以下でなければならないことがわかっ
た。なお、被エッチング材料を直接、前記磁性材料３上
に置いてエッチングしたもの（ｈ＝０）は、ＳｉＱのエ
ッチング速度が実に３ムｍｌ分という超高速の値が得ら
れ、また、Ｓｉとの選択比はＣ２Ｆ６単独のガスで約５
〜６という値となり、この値は、従来方法により、Ｃ２
Ｆ６単独ガスでＳｉ０２、Ｓｉをエッチングした時の値
（〜約２程度）よりも高いことがわかつた。第４図は、
ガスとしてＣ２Ｆ６を用い、圧力０．０４Ｔｏｍ、Ｃ板
の厚さ（ｈ）を２側とした時、ｒｆ電力２５０Ｗ、８０
Ｗに対してＳｉ、ＳｉＱのエッチング速度を間隙２の中
央からの距離（ｘ）を機軸として求めたものである。

間隙の中央上、即ちｘ＝０では、２５０Ｗの時にはＳｉ
Ｑのエッチング速度は１ム凧に達しているが、８０Ｗで
は極めて低く、デポジションの影響があるものと思われ
る。第５図は、同じく、Ｃ２Ｆ６、０．０４Ｔｏｎ、Ｃ
板の厚さを２肋とした時、ｄ電力に対してＳｉ、Ｓｉ０
２のエッチング速度を求めたものである。

１００Ｗは近から選択性が急増を始め、又、Ｓｉ０２の
エッチング速度も急増し、高速、高選択性が得られてい
る。

第５図で行なった２００〜４００Ｗのエッチングでは、
高周波電力の増加に対して陰極降下鰭圧が殆んど変化し
なかった。

この時の陰極降下電圧ｙｄｃを機軸に取ると、Ｖｄｃに
対してイオン電流が急峻に増加するマグネトロンモード
が認められた。ＶｄｃはＤＣバイアスの時はＤＣ電圧に
対応する。第６図は、陰極８を接地し、ポールピース３
に対向するように平板陽極を反応容器４内に設け、ＤＣ
電源を接続した時のＤＣ電圧とイオン電流の関係である
。Ｃ板は除いてあり、Ｃよ６ガスを用い、圧力２×１０
‐３Ｔｏｎ‘ａー、７×１０‐４Ｔｏｎ【ｂ’、３×１
０一‐４Ｔｏｎｔｃ）では、‘ａ）、（ｂ｝にマグネト
ロンモードが認められた。第７図は、第２図で説明した
ＳｊＱとＳｉとの選択比が最も得られる、日２濃度７０
％付近でＳｉをエッチングした時の試料表面を真上から
観察した時の図である。

第２図に示した例においては、従来方法によりエッチン
グした試料は日２濃度が６０％を越えると、Ｃ‐Ｆ結合
を有したテフロン系の有機膜がウェハ表面に全面にわた
って堆積するが、１方本発明の実施例においては、同図
に示すように、放電間隙１９−ａ，ｂ両側約１伽程度２
１−ａ，ｂ，ｃは全く有機膜の堆積が見られず、堆積場
所はその周辺２０一ａ，ｂ，ｃに限られることがわかっ
た。この有機膜は、この膜を前記放電間隙１９一ａ，ｂ
上に置くことによりエッチングすることができるが、殊
に、１９−ａ，１９一ｂ上にプラズマ密度極大位置が複
数存在する場合に、その間の電気部品にあってもエッチ
ングが行なわれる如く狭めることによりエッチング均一
性を高めることができる。第３図を例にとれば電界との
直交成分が３５０ガウス以上になるようにする。この有
機膜堆積は、第５図の本発明の実施例において説明する
ように、前記放電間隙１９−ａ，ｂの間の間隔を短かく
し、従って、各放電間隙の放電を互いにオーバラツプさ
せることにより防止することができる。さらに第１図の
装置では、被エッチング材料は矩形又はストライプ状（
或いはリング状）にエッチングされるのみで、試料全体
にわたって一様にエッチングを行う目的には適していな
い。

第８図に、実際に均一なエッチングが行えるようにした
実施例を示す。

同図において、２２一ａ，ｂ，ｃは永久磁石であり、整
合回路２６を介して高周波電源２７の電力が印加される
非磁性材料からなる陰極３１の下部に非鞍鮫の状態で配
置されている。また、２４は、磁性材料、例えば軟鉄よ
りなるポールピ−スであり、全体として、例えば１方向
に走査するためのモー夕２８に連結された箱型の容器に
収納されており、モータ駆動とともに、全体としてスキ
ャンすることが可能な構造になっている。また、永久磁
石を複数個配置することにより複数個の放電間隙２３−
ａ〜ｆが生じ、かつ、各放電間隙での放電、すなわち、
磁場は第７図に示した実験事実によりオーバラツブさせ
るようになっており、２３−ａ〜ｆ間に於いて非堆積便
向又はエッチング傾向になるようにしてある。また、２
５は、陰極３１を冷却するための水冷手段である。２９
は絶縁材料である。

以上説明した陰極下部を構成する永久磁石、ボールピー
ス等は、全体して真空容器３６内に収められており、排
気系３２へ、通気孔３４を通して真空的に連結している
。

また、３３は、陰極上の放電が、前記陰極下部に入り込
まないようにし、磁石の損傷や発熱による消磁あるいは
磁石材料の飛散による雰囲気の汚染を防止するためのダ
ークスペースシールドである。このような装置構成にす
ることにより、エッチング中に永久磁石によって発生す
る磁場をウェハ面上で走査することができ、従って、被
エッチング材料を高速にエッチングしながら、かつ均一
性良くエッチングすることが可能となった。第９図には
、同時に、いわゆる“一筆書き”の放電間隙３８をもっ
た実施例を示してあるが、第７図と同様に電気部品上の
一方向に対して非堆積額向又はエッチング額向になるよ
うにしてある。

第７図と同様に一方向に走査することによりやはり一様
な均一性のエッチングが得られた。第１０図は、さらに
、バッチ性を考慮した応用例である。

ａは装置の断面図、ｂは陰極の上面図で、ａで示した永
久磁石の断面部位を×−Ｘ′で示す。すなわち、非磁性
材料からなる回転テーブル４９の下部に放電間隙５０を
図の様に構成することにより、エッチング中回転テーブ
ル上の被エッチング材料４５を連続回転させることによ
って、高速、かつ均一性良くバッチ処理ができるエッチ
ング装置を提供するものである。同図において、４７は
永久磁石、４８は、ダークスペースシールド、４１は水
冷手段、３９は高周波電源、４２は回転のためのモータ
、４４は排気系、４６はガス導入孔、５１は真空容器、
５２は絶縁材料、４０は整合回路、４３はプーリーであ
る。以上本発明の実施例において示したように、例えば
平行平板型プラズマエッチング装置において、電極上、
または電極下に開回路の間隙を有する磁石を置き電極ま
たは磁石の上に生じる直交した電磁界により、電子をマ
グネトロン運動させることによって、放電効率を向上さ
せ、この電極上、又は磁石上に置いた被エッチング材料
を高速にエッチングできるドライエッチング方法及び装
置が得られ、生産性はズＷ風こ向上した。

かかるドライエッチング方法はコンタクト孔形成、電極
や配線のパターニング等、ＭＯＳデバイスやバイポーラ
デバィスの製造に用いられる。本発明のエッチング方法
を用いたエッチングに用いるガスとしては、実施例にお
いてはＣＦ４など弗素を含むガスの例を示したが、その
他、塩素や臭素を含む解離により生成するイオンが反応
性を有するガスを用いても良く、被加工材料の種類に応
じて、例えば、アルミニウム、あるいはアルミニウム合
金等に対しては、ＣＣ１４、ＣＣ１４十ＣＩ２ガスを、
さらに、多結晶シリコンモリブデンシリサイド等に対し
ては、ＣＢｒＦ３、ＣＢｒＦ３十ＣＩ２ＣＩ２ガスを用
いることによりＳｉ０２の場合と同じ様に高速かつ信頼
性良く、又、選択エッチングが可能である。

又、試料を陰極、永久磁石と共に冷却したが、水冷やア
ルコールによる冷却の他、高速エッチングによるレジス
ト膨潤を考慮してフレオン等の液化ガスを用いることが
できる。また陰極の露出面を炭素材、Ｃ−Ｆ結合又はＣ
−日結合を有する膜、或いはアルミナ膜で覆ってエッチ
ングすることも好ましい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例を説明するための装置の断面
図、第２図は、本発明の装置を用いてＣＦ４十比ガスに
よりＳｉ０２、Ｓｉをエッチングした時のエッチング特
性を示す図、第３図は、磁場の強さとエッチングとの関
係を示す図、第４図乃至第６図は本発明の実施例を説明
する為の図、第７図は、第２図のエッチングにおいてテ
フロン系の有機膜を堆積させた時のＳｉウェハ表面を真
上から見た図、第８図乃至第１０図は本発明の実施例を
説明するための図である。 図において、１，２２−ａ〜ｃ，３７，４７…・・・永
久磁石、２，２３−ａ〜ｆ，３８，１９一ａ，ｂ，５０
・…・・放電間隙、５・・・・・・Ｃ板、４，３６，５
１・…・・真空容器、３，２４・・・・・・ポールピー
ス、６，３０，４５……被エッチング材料、７，２５，
４１・・・・・・水冷手段、８，３１，４９・・・・・
・陰極、９，２９，５２……絶縁材料（テフロン等）、
１０・・・・・・陰極暗部、１２，２７，３９・・・…
高周波電力、１１，２６，４０・・・・・・整合回路、
１３・・・・・・真空仕切りバルブ、１４，３２，４４
・・．・・・排気系、１５・・・…高密度プラズマ、１
６・・・・・・グロー放電プラズマ、１７・…・・接地
、１８，４６……ガス導入口、２０−ａ〜ｃ・・…・テ
フロン系の有機膜堆積部分、２１−ａ〜ｃ・・・・・・
テフロン系の有機膜の堆積していない領域、３３，４８
・・・・・・ダークスペースシールド、３４…・・・通
気口（真空連結口）、３５・・・・・・永久磁石を収め
る箱、２８，４２””“モータ。 第１図 第２図 第３図 繁４概 繁８図 累５図 幻８蟹 繁８図 簾７図 め１０函

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 陽極及び陰極を対向配置させた容器の前記陰極上に
   、表面にパターンを有し、該パターンに対し選択的にエ
   ツチングするための被エツチング材料を載置すると共に
   、前記容器内に、解離により発生するイオンが反応性を
   示す原料ガスを導入し、また前記両極間に電界と直交す
   る成分を持つ磁場を与え、前記両極間に電力を印加する
   ことにより、前記両極間にプラズマを生成せしめて前記
   被エツチング材料を前記パターンに対し選択的にエツチ
   ングすることも特徴とするドライエツチング方法。 ２ 電界及び磁界により、マグネトロンモードを起こし
   てエツチングを行なうことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のドライエツチング方法。 ３ 陰極の表面に炭素材、Ｃ−Ｆ結合又はＣ−Ｈ結合を
   有する膜、或いはアルミナ膜を形成してエツチングする
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のドライエ
   ツチング方法。 ４ 電気部品を冷却しながらエツチングすることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載のドライエツチング方
   法。 ５ 磁場を被エツチング材料に対して相対的に移動させ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載したド
   ライエツチング方法。 ６ 陽極及び被エツチング材料を載置する陰極を対向配
   置させた容器と、この容器内に解離により発生するイオ
   ンが反応性を示す原料ガスを導入する手段と、前記両極
   間に電界と直交する成分を持つ磁場を与えるための磁石
   を含む手段と、前記両極間に電力を印加して前記両極間
   にプラズマを生成せしめる手段と、前記プラズマから前
   記磁石をシールドするための部材とを具備したドライエ
   ツチング装置。 ７ 被エツチング材料上に該材料に対しエツチング速度
   の異なるパターンが形成されてなることを特徴とする特
   許請求の範囲第６項に記載したドライエツチング装置。 ８ 磁石は陰極の裏面側に設けられることを特徴とする
   特許請求の範囲第６項に記載したドライエツチング装置
   。９ 陰極の表面に炭素材、Ｃ−Ｆ結合又はＣ−Ｈ結合
   を有する膜、あるいはアルミナ膜を形成したことを特徴
   とする特許請求の範囲第６項に記載したドライエツチン
   グ装置。 １０ 磁場を被エツチング材料に対して相対的に移動さ
   せる手段を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第６
   項に記載したドライエツチング装置。