JPS63122220A - 反応性イオン・エッチング装置用電極及びこの電極を用いた反応性イオン・エッチング装置 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 この発明は、平行板反応性イオン・エッチングに関する
ものであり、特にエッチ速度の均一性の増大に関するも
のである。

Ｂ、従来技術 平行板反応性イオン・エッチング（ＲＩ　Ｅ）において
、２枚の板、すなわち上下の電極板（それぞれ陽性およ
び陰性）が、圧力を制御したチェンバ内に置かれている
。エツチングすべき１枚または複数のウェハを下部電極
板上に置き、２枚の板の間の高周波（ＲＦ）電圧によっ
て生じるイオンを衡突させる。反応種と呼ばれるイオン
源としてＣＦ４等の不活性気体を２枚の板の間に導入す
る。

ＲＩＥ法では、上部電極板をチェンバに接地し、ＲＦ電
圧源は下部電極板に接続する。この装置は、下部電極に
数百ボルトの負の自己バイアスを形成させ、これがプロ
セス・ガスから生成する反応性ガスを加速させて、電極
上のウェハに垂直に当てる。このようにして、反応性ガ
スは衝突により、化学的、物理的にウェハと反応する。

このウェハとの化学・物理相互作用によって、適当なプ
ロセス拳ガスを使用すれば、ウェハ上のパターンの垂直
、または異方性エツチングが行なわれる。エツチングさ
れるべき区域を画定するフォトレジスト・マスクの下の
横方向のエツチングはほとんどない。

このように、ＲＩＥ法を使用すれば、微細なライン幅を
得ることができる。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点 ＲＩＥの問題点の１つは、陰極上に置いたウェハのバッ
チ内で薄膜のエッチ速度を均一にすることである。測定
によれば、薄膜のエッチ速度は、陰極の中心近くのウェ
ハに比較して、陰極の周縁近くのウェハのほうがかなり
大きい゛ことがわかった。このエッチ速度の不均一は、
半導体の大量生産でＲＩＥを容易に実施することができ
ないほど、著しいことが多い。プロセス・ガス中の反応
種の局部的消耗により、ガスを導入する場所からの距離
によって、エッチ速度が変わるという理論に基づいて、
ＲＩＥチェンバ内のプロセス・ガスの分布を均一にする
ことにより、エツチングの均一性を改良しようとする試
みがなされている。プロセス・ガスが、チェンバ内の反
応種を消耗させないことがわかったので、これらの試み
は効果がない。

同様に板の間隔を変えても、エツチングの均一性は変化
しない。

プラズマ・エツチングも、チェンバ内に板を置いた同様
の装置を使用するが、ＲＦ電源は上部電極に接続され、
異なるタイプのエツチングが行なわれる。プラズマ・エ
ツチング（ＲＩＥを使用しない）における下部電極にか
なりの負の自己バイアスがないと、ウェハとは化学反応
に似た等方性反応を生じる。このため、マスクの下に横
方向のエツチングが起こり、微細なライン幅を得るため
には、この方法は使用できない。プラズマ・エツチング
では、ＲＩＥの場合のような衝突は起こらない。ＲＩＥ
と反対に、プラズマ・エツチングの場合は、化学種生成
ガスの分布が重要である。米国特許第４２９７１６２号
明細書では、ガスを分布させるために、上部電極板に複
数の穴を設けている。この穴は、ガスの分布のためのみ
に用いるものである。上記の特許では、上部電極板を湾
曲させて、エツチングの均一性を増大させている。

ＲＩＥ装置では、このようなガス分布機構は必要ない。

Ｄ０問題点を解決するための手段 この発明では反応性イオン拳エツチング（ＲＩＥ）にお
いて、エッチ速度を均一にすることができる。この発明
のＲＩＥシステムは、上部の電導性陽極板と、下部の電
導性陰極板を設けた、圧力を制御したチェンバを有する
。エツチングされるウェハは、高周波（ＲＦ）電圧源に
接続した下部電極板上に置かれる。ガスは、チェンバ中
のポートから導入され、ウェハに衝突してエツチングし
、所要のパターンを形成する反応種を与える。エッチ速
度の均一性は、チェンバに接地した上部電極板にあるパ
ターンの穴を形成することにより得られる。強化された
プラズマのグローが穴のＦ［に発生して、反応種の局部
的発生が増大し、その結果ウェハ上のエッチ速度がかな
り均一になる。

穴は、各穴によってエッチ速度が増大した領域が均一に
混合して、下部電極板の広い領域にわたって、薄膜全体
が増大するような位置に設ける。これにより、増大した
エッチ速度は、陰極の中心近くのエッチ速度よりすでに
高かった陰極周縁近くのエッチ速度と一致する。この補
償作用により、下部電極板上のすべてのウェハの薄膜の
エッチ速度、がきわめて均一になる。

陽極に形成する穴の好ましい配置の１つは、下部電極板
の中心に同心の２つの同心円上である。

各穴の周辺に発生する強化されたプラズマ・グローによ
り、下部電極板上のウェハを均一にエツチングするため
の活性が十分に強い種が得られる。

チェンバ内のガスの圧力は、各穴の周囲に発生するプラ
ズマ・グローの量を制御するために調節される。最初、
ＲＦ電圧差を下部電極板に印加する時チェンバ内の圧力
を約１００ミリトルに高めてグローを開始させる。次に
、圧力を所要の操作圧力（通常１０〜５０ミリトル）に
下げ、強化したプラズマ領域が自然に持続するようにす
る。この圧力はまた、強化されたプラズマ・グローが発
生しないように減少させることもある。プラズマ・グロ
ー、したがって反応種の生成速度は、ガス循環の場合と
反対に、圧力の調整により、またプラズマ・エツチング
と同様に、板間隔により制御される。このシステムは、
圧力を制御することで均一な動作方式または従来の動作
方式でエツチングを行なうことができる。ＲＦを印加す
る前に、圧力を約１０ミリトルに下げることにより、グ
ロー状態は発生しない。

Ｅ、実施例 平行板プラズマ反応器の概略を、第１図の１０で示す。

反応器１０は、側壁１４および下部陰極板１６で画定し
た円筒形の導電性チ゛エンパ１２からなる。陰極板１Ｂ
は、高周波（ＲＦ）源１８に接続されている。陰極板１
６は、絶縁体１９を介して側壁１４にも接している。導
電性の上部陽極板２０は側壁１４に接続され、側壁１４
は接地されているので、上部陽極板２０は、ＲＦ源に対
して接地される。チェンバの直径は、電極板１゛６およ
び２０よりわずかに大きい。

複数の半導体ウェハ２２は、各ウェハの平坦な表面が下
部陰極板１６に接触し、各ウェハの他の平坦な表面、す
なわちエツチングされる面は、上部陽極板２０に向いて
いる。１実施例では、多結晶シリコン・ウェハが用いら
れる。代表的な方法では、マスキング材料、すなわちフ
ォトレジストの層が用いられる。フォトレジストは、約
５０００オングストロームの多結晶シリコンを付着させ
たウェハにコーティングする。フォトレジスト層には、
写真技法により、パターンを形成させる。

残ったフォトレジストは、薄膜の所定の領域をＲＩＥに
よるエツチングから保護する。その後、酸によりフォト
レジストを除去すると、多結晶シリコンがエツチングさ
れない領域が残る。

多結晶シリコンのエツチング種使用するＣＦ４．５ｉＣ
Ｑ４等の、化学的に活性な化合物を生成する。プロセス
・ガスを、ガス人口２４からチェンバ内に導入する。下
部電極板１６の中央に設け、たポンプ・ポート２５は、
チェンバ１２内の圧力制御に用いる。このポンプ番ポー
ト２５は、通常の真空ポンプおよび制御装置２７に接続
されている。

周波数１３．５６ＭＨｚ１ピーク間電圧約１０００ｖの
ＲＦ電力を、ガスの存在下で下部電極板１６に供給する
と、ガスはＣＦ４からはフッ素、５ｉＣｕ。からは塩素
といった反応種を放出する。

これらの反応種はウェハに衝突し、ウェハを異方性エツ
チングする。このことは、上記のフォトレジストでマス
キングされていないウェハの部分に垂直エツチングが生
じることを意味する。

ＲＩＥで行なわれる他の方法では、５ＩＯ２のエツチン
グにはＣＦ　４、ＣＨＦ　ａ等、有機薄膜のエツチング
には０２　、その他フッ素、塩素、臭素等の反応種を含
有するガスが用いられる。他の周波数および電圧の電力
仕様により所要の結果が得られることは周知の通りであ
る。

第１図のＲＩＥ装置では、上部電極板２０に、下部電極
板１６に向かって開口する開口部２６等の１つまたは複
数の物理的な工夫がなされている。

装置１０の操作中に、２９で示した高度に活性のプラズ
マ領域が上部電極板２０と下部電極板１ｅの間の開口部
２８の周囲に発生する。この開口部の下のウェハのエッ
チ速度は、詔そらく活性の高いプラズマ領域によって反
応性のエツチング種の密度が高（なるため増大する。

工実施例における開口部２６は、上部電極板２０に直径
１／２インチ（１，２７ｃｍ）の穴をあけたものである
。各開口部２６に生じる高度に活性なプラズマ領域は、
開口部２６の周囲に半径約１インチ（２，５４ｃｍ）の
発光する半球影領域として見える。この領域は、ＲＩＥ
で通常見られるプラズマ・グローより明るく輝く。上下
の電極板の間隔は３．５インチ（８，８９ｃｍ）である
。この間隔は、全体のエッチ速度を増減するために変化
させることができる。

開口部の好ましい配列を第２図に示す。第２図では、上
部電極板３０の２つの同心円上に開口部が設けられてい
る。外側の円の開口部３２は、直径２フインチ（６８，
５８ｃｍ）の上部電極板の中心から７．７５インチ（１
９，８９ｃｍ）の距離に２０’　　（０，３４９ラジア
ン）おきに配列されている。内側の円の開口部３４は、
θＯ＠　（１，０４７ラジアン）おきに配列されている
。開口部３２はエッチ速度を増大させる。開口部の配列
、およびこれに対応する開口部の下のエッチ速度によっ
て、従来の平坦な上部電極板を使用する場合より、均一
なエツチングが行なわれる。従来の平坦な上部電極板で
は、各種の通常の条件下で、板の外縁部の下のほうが、
中心に近い部分よりもエッチ速度が約７０％速い。開口
部を有する改良された電極板によれば、全表面上のエッ
チ速度が、従来の電極板の外縁部の下の速いエッチ速度
に近くなる。

平行板プラズマ反応器は、シリコンの下部電極板と、ア
ルミニウムの上部電極板を一有する。ＲＩＥにより多数
のウェハをエツチングする装置は、周知のものであり、
Ｐｌａｓｍａ　Ｔｈｅｒｍ、　Ｉｎｃ、からパッチ・シ
ステム２４８４．２４Ｂ２．２４８Ｂが、Ｔｙｌａｎ／
Ｔｏｋｕｄａからバッチ・システムＴＲＩＥ−８０８、
ＴＲＩＥ−５５５、ＴＲＩＥ−３０３が市販されている
。

単一ウェハ用のＲＩＥ装置も、この改良により有利にな
る。

開口部は上部電極板に丸い穴をあけたものについて述べ
たが、形状の異なる他の開口部もこの発明の範囲内であ
る。正方形または三角形の開口部も、同様に強化された
プラズマ舎グローを与える。

開口部を面取りすることも考えられる。開口部の分布は
、１つの大きいウェハ、または上述のような複数のウェ
ハ上に所要のエッチ速度が得られるように、簡単な実験
によって変えることができる。

開口部の大きさは正確に述べたが、異なる大きさの開口
部も考えられる。

上部電極板３０に、さらに物理的な工夫を加えても、所
要のプラズマ・グローを発生させることができる。これ
らには、同様の直径の開口部を、下部電極板に向かって
あけたものであるが、上部電極板３０を全部貫通してい
ないものがあ条。また、板８０から下部電極板に向かっ
て突起を有するものも可能である。プラズマ・グローの
面積を増大するものであれば、どのような方法もエッチ
速度を増大させるために使用することができる。

下部電極板上に所要のエッチ速度を得るための開口部ま
たは突起の大きさ、形状およびこれらを混合して使用す
ることは、簡単な実験によって決めることができる。こ
のようなエッチ速度は、均一な速度を必要としない場合
は均一である必要はないが、これらの工夫により、均一
なエッチ速度を得るのに、すぐれた手段を与える。

第３図は、ポンプ・ポート４２を有する下部電極板４０
と、その上にのせた複数のウェハの部分上面図である。

１０枚の３１７４インチ（８゜２６ｃ＋＋＋）・の多結
晶シリコン・ウェハを、上述の寸法の、開口部のない上
部電極を用いて、フッ素イオンによるエツチングをした
。エツチングの時間は、多結晶シリコン被膜の厚みの５
０％を除去するのに十分であり、エツチング前後の薄膜
の厚みを測定することにより、エツチングの均一性を計
算することができた。ＲＩＥチェンバ内の圧力は４０ミ
リトルとした。プロセス・ガスはＣＦ４と５ｉＣＱ＋の
混合ガスを用いた。陰極には−４０−〇ｖの負の自己バ
イアスが印加された。

１枚のウェハ４４当たりＸで示す５カ所の位置のエツチ
ングの深さを測定した。エッチ速度は、電極板４０の周
縁に近いほど、エツチングの深さが大きいことで示され
るように、最大になった。

正規化したエツチングの深さは、ポンプ・ポート４２の
近くの約１．０２から、周縁近くの１゜８８までの範囲
に分布した。はぼ半円の線４６は　　。

平均のエツチング深さ１．１を示す。ポンプ・ポート４
２を中心とし、半径が増加する半円である線４８．５０
．５２および５４は、平均の正規化深さ、１．２，１．
３．１．４および１．６を示す。

線４６〜５４は、エッチ速度のよく画定された勾配を示
し、電極板４０の中心付近で最低となり、周縁近くで最
高となった。

第４図は、ポンプΦポート６２を育する下部電極板８０
で、複数のウェハ６４の正規化エッチ深さを示したもの
である。同じエツチング条件であったが、上部電極板に
第２図に示すような開口部を設けることにより、はるか
に均一なエッチ速度が得られた。同じプロセス・ガスと
同じ電圧を使用し、チェンバ内の圧力は各穴の周囲にグ
ローを発生させるため瞬間的に１００ミリトルに上昇さ
せた。２〜３秒後に、圧力を４０ミリトルに低下させた
。

第５図に示す結果は、第４図のものより良好に見える。

これは、エツチングされるウェハの次に、隣りにエツチ
ングされるウェハがないように、ダミーのウェハを使用
したためである。第４図では隣接するウェハのないウェ
ハの縁部は、正規化したエッチ速度より幾分速いエッチ
速度を示す。これはＲＩＥ処理では典型的なものである
。実際の生産では、第５図に示すように、ダミーのウェ
ハを使用しても、すべてのウェハは隣接するウェハを有
する。第５図の結果は、第２図に示す陽極を使用した平
均的な操作の代表例である。均一性は代表的なもので、
操作パラメータを変化しても、著しい変化はない。均一
性は、電圧、圧力またはガス濃度等のどのパラメータの
坦合せよりも、主として上部電極板の穴の関数である。

　　　　−Ｆ０発明の効果 この発明でエッチ速度の均一性が増大する以外の重要な
利点の１つは、速度の上昇である。すべてのウェハが、
従来技術による電極板周縁に近い所でのみ得られるのと
同じ速いエッチ速度でエツチングされるため、ウェハの
加工バッチの生産性が増大する。この発明により、ＲＩ
Ｅが大量生産に実用されるようになり、異方性エツチン
グの利点が生じる。このようなエツチングを使用すれば
、大量生産でもさらにライン幅を減少させることが可能
になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明によるＲＩＥ装置の略図、第２図は
、第１図の装置の上部電極板の上面図、第３図は、多結
晶シリコン薄膜の正規化したエッチ深さを示す従来技術
による下部電極板の上面図、第４図は、複数のエツチン
グされたウェハの正規化されたエッチ深さを示す。第１
図の装置の下部電極板の上面図、 第５図は、エツチングされるウェハの縁部に隣接してダ
ミーのウェハを使用した、複数のエツチングされたウェ
ハの正規化されたエッチ深さを示す第１図の装置の下部
電極板の上面図である。 １０・・・・反応器、１６・・・・陰極板、企Ｏ・・・
・陽極板、２２・・・・半導体ウェハ、２６・・・・開
口部、２９・・・・プラズマ領域。 出願人　　インターナシロナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーシロン 復代理人　弁理士　　合　　１）　　潔１１図 従廠技術によるウェハのエッチ深さく叡１図第３Ｅ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、反応性イオン・エッチング装置用電極において、少
   なくとも１つの開口を設けて、プラズマ・グローの発生
   を可能にし、前記開口付近のエッチ速度を増大させるよ
   うにしたことを特徴とする前記電極。 ２、室内に設けられてエッチングされる物体を支持する
   電極と、この電極に高周波電力を与える手段と、前記室
   内に設けられて前記電極と対向し且つ前記室に電気的に
   接続された電極と、前記室に気体を供給する手段と、を
   備えた反応性イオン・エッチング装置において、 前記室に電気的に接続された前記電極に、少なくとも１
   つの開口を設けて、プラズマ・グローの発生を可能にし
   、前記開口付近のエッチ速度を増大させるようにしたこ
   とを特徴とする、前記装置。