JPH03263827A - デジタルエツチング装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、超ＬＳＩ及び超超ＬＳＩ製造プロセスにおけ
るデジタルエツチング装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来ウェハプロセスに用いられてきたエツチング装置は
主として平行平板型の反応性イオンエツチング（ＲＩ　
Ｅ）装置であり、原理的には添附図面の第６図に示すよ
うに真空容器Ａ内に配置された下部電極ＢにウェハＣを
載置し、この下部電極ＢをブロッキングコンデンサＤを
介して高周波電源Ｅに接続しており、ブロッキングコン
デンサＤにより下部電極Ｂを負の自己バイアス電位にし
、プラズマ中のイオンを引き込み、方向性のあるエツチ
ングを達成するように構成されている。このうな従来の
ＲＩＥによるエツチングプロセスにおいては、真空容器
Ａ内に導入されるハロゲンを含んだガスがプラズマ中で
分解され、それにより生じたラジカルがウェハＣの表面
に吸着して反応すると同時に、プラズマで生じたイオン
が反応表面に衝突する。このイオン衝突は原子同志の結
合を破壊すると同時に表面に存在する原子にエネルギを
与え、反応を促進させる働きをする。これらの過程を経
て、表面の原子は揮発性のハロゲン化物となり、表面か
ら脱離する。これらの一連の過程を総称してエツチング
プロセスと呼ばれ、従ってイオン衝撃がエツチング過程
に大きく寄与しており、ＲＩＥはこれを積極的に利用す
る方法として用いられてきた。

ところで、超ＬＳＩの進展と共にデバイスプロセスは益
々微細化し、トレンチや多層配線等の高アスペクト比（
深さ７幅）構造の形成、その部位への絶縁物や金属の埋
込み、その際の低損傷プロセス等が要求されてきている
。しかしながら従来用いられてきた平行平板型のＲＩＥ
装置では、微細加工はイオンの運動量移送て達成されて
おり、損傷低減のためイオンエネルギを下げると化学反
応性か優勢となり、微細性が劣化するので、上記のよう
な要求を満し得なくなってきた。例えばナノメータ加工
が要求される電子波デバイスにおいてはＲＩＥ加工時の
損傷のため動作しないことが報告されている　［Ｅ、Ｍ
、Ｃ１ａｕｓｅｎ、　Ｊｒ、、ｅｔ　ａｔＡｂｓｔｒｕ
ｃｔｓ　ｆｏｒ　Ｔｈｅ　３３ｒｄ　ＰＩＰＢ、　Ｍｏ
ｎｔｅｒｅｙ、　ｐ−３（１９８９）］。

素子構造が微細になる６４Ｍ、２５６　ＭＤＲＡＭ及び
それよりさらに微細となる超超ＬＳＩでは、従来用いら
れてきた上述のようなＲＩＥ技術では、加工線幅及びコ
ンタクト孔等が０．５６ｍ以下になり、イオン照射によ
って線幅縮小や孔拡大成いは深い部分への損傷か起り、
そしてイオン照射による損傷は数百オングストロームに
まで及んでいるといわれているので、このようなＲＩＥ
技術は使用できない恐れがある。

これを解決するため、イオンを用いない方向性のあるエ
ツチング方法が求めるられるようになってきた。例えば
、光励起プロセスも考えられたが実用には至っていない
。すなわち、その主な理由としては２００ｎｍ程度の光
では回折や反射現象により微細な加工が難しく、また、
より短波長光として放射光を用いた場合にはプロセス用
として十分な光量が得られないからと考えられる。従っ
て従来の方法の延長線上で考える限りこれに応える実用
的な技術は実際問題として開発されない。

このような観点から、低損傷でしかも微細加工に適した
エツチング注として要求されることは、徹底的に表面反
応律速にし、原子スケールでエツチングを制御すること
である。すなわち、人為的に一原子・分子層づづデジタ
ル的にプロセスを行い、下地基板に一切損傷を与えない
ことが必要であると提案されている（日経マイクロデバ
イス、８、Ｎｏ、　５　（１，９８９）　１３５　）　
、添附図面の第７図にはこの考えに基いてデジタルエツ
チングの可能性を得るために製作された実験装置の概要
を示し、二の実験装置においては、図示したようにロー
ト部Ｆから搬入された試料Ｇを試料回転台Ｈに載置し、
ＣＦ４＋０２の放電部■に移送して、ＣＦ４＋０２（４
％）の短時間放電によって得られたＦラジカルをダウン
ストリームで輸送し、冷却された試料Ｇ上に一原子・分
子層を吸着させる（添附図面の第８図参照）。この場合
、試料Ｇは、自然発生的なエツチングが起きないように
冷却しておくことが必要である。場合によってはこうし
た状態において光励起手段Ｊにより反応を促進させ、第
８図に示すように単反応層を形成することもある。その
後、ＥＣＲイオンソース部Ｋに移送し、低イオンエネル
ギＡｒ”によって短い時間に一原子・分子層のみのエツ
チングを行う。この場合Ａ「イオンのエネルギはプロー
ブ測定の結果２０ｅＶか適当であることか認められ、こ
の操作か一反応サイクルであり、試料回転台Ｈに載置し
た試料Ｇに対して上記の操作を繰返し行うことにより一
原子・分子層毎のエツチングが可能であることか日本学
術振興会第１５３委員会第７回研究会資料（１９８９年
１０月１９日）において発表された。

［発明か解決しようとする課題］ 上述のように第７図に示す装置を用いることにより一原
子層毎のエツチングの可能性が明らかになった。しかし
なから、このような従来提案された装置は一原子層毎の
エツチングに時間がかかり過ぎてプロセス装置として実
用化できる段階に至っていない。

ところで、プロセス装置としては、再現性、信頼性を得
るために構造はできるだけ単純でしかも真空内部動部は
ない方が良い。

このような観点から、本発明は、上記の問題点を解決し
て構造が簡単でプロセス装置として実用化できるデジタ
ルエツチング装置を提供することにある。

［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、本発明によれば、真空容
器内で放電部に対向させて基板を配置し、反応性イオン
エツチングを行うようにしたデジタルエツチング装置に
おいて、放電部が、エッチャントを生成する第１プラズ
マ源及び基板上の吸着層のみを剥離するようにエネルギ
制御されたイオンを基板に照射する第２プラズマ源とを
備え、また基板保持台が、第１プラズマ源で生成された
エッチャントを基板上に一原子・分子層だけ吸着させる
ように温度制御されそして第２プラズマ源で発生された
イオンを基板側へ引き寄せさせる基板バイアス電圧印加
機構を備えていることを特徴としている。

第１プラズマ源及び第２プラズマ源は、パルス状に放電
するように制御され、好ましくは、第１プラズマ源はプ
ラズマ分解された活性種が基板上に一原子・分子層を形
成するように時間制御され得、また第２プラズマ源は第
１プラズマ源の休止中に作動され、そして発生するイオ
ンのエネルギを２０ｅＶ〜１５０ｅＶの範囲で制御でき
るようにされ得る。

代わりに、第１、第２プラズマ源は同一のプラズマ発生
装置として構成され得る。

［作　　用コ このように構成したデジタルエツチング装置においては
、真空容器内には常に一定の放電を起こすためにキャリ
アガスが導入される。第１プラズマ源は放電部に第１放
電ガスをパルス状に導入し、放電部においてプラズマ分
解される。そして第１放電ガスのパルス幅は、分解され
た活性種か冷却された基板上で一原子・分子層を形成す
る時間に設定される。第１プラズマ源の作動中、バイア
ス電圧印加機構は基板にバイアス電圧を印加しない。

その後、第２プラズマ源より第２放電ガスが真空容器内
の放電部にパルス状に供給され、それと同時にバイアス
電圧印加機構により基板に負のバイアスパルス電圧が印
加される。これによって、放電部で生成されたイオン種
は基板側に引き寄せられ、基板上をイオン衝撃する。イ
オン衝撃を受けた基板上では吸着した活性種か基板と反
応を起こし、基板の物質をエツチングする。吸着層は一
原子・分子層であるため、一原子・分子層の剥離の生し
た後、エツチング反応は停止する。第２放電ガスの導入
時間及び基板バイアス電圧の印加時間すなわちパルス幅
は、一原子・分子層エツチングか十分起る時間に設定さ
れる。また適性な電位は条件によってプラズマ電位か変
化するため経験的に決められるが、実用範囲としては−
１０〜−１００Ｖの範囲の電圧が選ばれ得る。バイアス
電圧か低すぎると、一原子・分子層の剥離に時間かかる
だけてなく、エツチング反応か起らないことが生し得、
反対にバイアス電圧か高すぎると、一原子・分子層エツ
チングか終了した後でもイオンスパッタエツチングか起
ってしまい、一原子・分子層エツチングの制御ができな
くなるので、バイアス電圧は種々のファクタを考慮して
経験的に設定されるべきである。

［実施例］ 以下添附図面の第１図〜第５図を参照して本発明の実施
例について説明する。

第１図には本発明のデジタルエツチング装置の一実施例
を概略的に示し、第１図において１は適当な型式の真空
ポンプ（図示してない）で排気できるようにされた真空
容器で、この真空容器１内には図示したように絶縁シー
ル部材２を介して基板保持台３が挿設されており、この
基板保持台３は液体窒素のような適当な冷媒を内部に循
環できるように構成されており、またこの基板保持台３
には負のバイアス電源４が接続され、基板保持台３上に
保持された基板５に後で説明するように負のバイアス電
圧を印加するように構成されている。

基板保持台３に対向して真空容器１には放電部６が設け
られ、この放電部６は高周波またはマイクロ波によって
放電できるように例えばガラス管によって構成され、そ
の一端は真空容器１内に開放し、他端には二つの三方弁
７．８及びガス流量制御装置９〜１１を介してキャリヤ
ガス供給源、第１放電ガス供給源及び第２放電ガス供給
源（これらのガス供給源はいずれも図示してない）が結
合されている。また各ガス供給管路はそれぞれ三方弁７
．８の上流でバルブ１２〜１４を介して真空ポンプに接
続されている。

各三方弁７．８は貫通型の流路にデッドボリュウムの生
しないように一方向ハルブを組み込んて構成され、人出
口が三方向にある。各三方弁７．８が閉状態の時にはキ
ャリアカス、第１放電ガス及び第２放電ガスはそれぞれ
排気側バルブ１２〜１４を介して排気されており、また
各三方弁７．８が開状態の時には、排気側バルブ１２〜
１４は閉しられ、圧力変動か生じないように制御される
。本実施例において、第１放電ガス供給系及び第２放電
カス供給系は放電部６と組合さってそれぞれ第１プラズ
マ源及び第２プラズマ源を構成している。

バイアス電源４は、例えば持続時間０１〜１００秒の負
のパルスを発生でき、基準電圧が＋５０〜Ｏｖ１パルス
高が０〜−２００Ｖの範囲の電圧を任意に選択できるよ
うに構成されている。

このように構成した図示装置の動作について第２図を参
照しながら説明する。

第２図には第１図に示す装置を用いてデジタルエツチン
グを行う際のタイムシーケンスの一例を示す。キャリア
ガスとしてはＡｒガスを使用し、常時＋００ＳＣＣＭの
流量て真空容器］内に供給する。また第１放電ガス及び
第２放電ガスとしてはそれぞれＣＦ４＋０２　（４％）
及び八「を使用し、それぞれＩＯ３ＣＣＭでパルス状に
予め設定された時間間隔て交互に導入される。このよう
にして常に放電を行いながら、基板５上で活性種の吸着
及びエツチングか繰返される。

第２放電ガスの導入と同時にイオンを基板５側へ引き込
むための負のバイアス電圧がバイアス電源４によって印
加される。この負のバイアスとして図示例ではＯ〜−７
０Ｖのパルス電圧が印加される。

図示例では、放電のマツチングを取り易くするのと各放
電ガスをパルス状に導入する観点からキャリアガスを常
時ＪＯＯ８ＣＣＭ流しているが、キャリアガスを流さず
に放電ガスをパルス状でのみ導入することもでき、その
場合には放電が可能なように放電ガスを導入したときの
マツチング条件に設定しておく必要がある。

また、図示例では第２放電ガスの導入と同時に負のバイ
アスを掛けるようにしているが、吸着ガスすなわち第１
放電ガスの導入時に基板５付近てシースが形成される場
合にはそのプラズマ電位によってイオンが飛来し、吸着
か阻害されないようにするため、プラズマ電位に相当す
る正の電位を印加しておき、−〜三原子・分子層をエツ
チングするためのＡｒガスすなわち第２放電ガスの導入
と同時に負のバイアスを掛けるようにすることもできる
。

第３図〜第５図には大きなウェハをエツチングするよう
に構成した本発明の別の実施例を示し、第３図は放電ｌ
去としてＥＣＲを用いた場合の実施例を示し、第１図の
装置における構成要素と対応した部分は第１図で用いた
符号と同し符号で示す。

真空容器１の上部外周にはＥＣＲ用コイル１５か設けら
れ、また１６は補助コイルで、この補助コイル１６は磁
場を制御して発散磁場やミラー磁場を形成するのに用い
られる。また真空容器］の上部には第１図に示すものと
同様なガス導入機構（図示してない）及びマイクロ波導
入機構（図示してない）が結合され、電子サイクロトロ
ン共鳴によるブラスマ源を構成している。

バイアス用パルス電源４はフィルタ１７を介して基板保
持台３に接続され、二のフィルタ１７はバイアス用高周
波電源１８からの高周波をカットするように作用してい
る。

この実施例において、マイクロ波を用いて比較的高い圧
力（０，１〜５　Ｔｏｒｒ）で運転する場合にはマツチ
ングが多少ずれていても放電は起り易いが、その場合に
もキャリアガスを流しておいた方がパルスの切れが良く
なる。

また第４図には本発明を容量結合型放電式により実施し
たデジタルエツチング装置を示し、真空容器１の上部に
は石英製のチャンバー１９が設けられ、その外周には高
周波放電電極２０．２１が配置され、これらの放電電極
は放電用高周波電源２２に接続され、また石英製のチャ
ンバー１９の頂部には第１図に示すものと同様なガス導
入機構（図示してない）が結合されている。このように
して放電部が構成されている。

基板保持台３は第３図の実施例と同様にフィルタ１７を
介してバイアス用パルス電源４にまたブロッキングコン
デンサ２３を介してバイアス用高周波電源１８にそれぞ
れ接続されている。この実施例では基板バイアス用と放
電用とに高周波を利用するためバイアス用高周波電源１
８と放電用高周波電源２２とは移相器２４により相互に
干渉しないように位相制御される。

第５図は本発明を誘導結合型高周波放電式により実施し
たデジタルエツチング装置を示し、この例は第４図の高
周波放電電極の代わりに高周波誘導コイル２５を用いて
おり、それ以外の構成は第４図の場合と実質的に同しで
ある。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明によるデジタルエツチ
ング装置においては、第１プラズマ源で生成されたエッ
チャントを基板上に一層だけ吸着させ、第２プラズマ源
により基板上の吸着層のみを剥離するようにエネルギ制
御されたイオンを基板に照射し、そして第２プラズマ源
と同期して、第２ブラスマ源で発生されたイオンを基板
側へ弓き寄せさせるバイアス電圧を基板へ印加するよう
に構成しているので、一原子・分子層毎のエツチングを
実用的に効率よく行うことかできる。

また本発明による装置は真空内部動部をもたないので、
再現性、信頼性の高い実用的なプロセス装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概路線図、第２図は第
１図の装置の動作を説明するためのデジタルエツチング
のタイムシーケンスの一例を示す図、第３図はＥＣＲ型
デジタルエツチング装置として実施した本発明の別の実
施例を示す概路線図、第４図は本発明を容量結合型放電
式デジタルエツチング装置として実施した例を示す概路
線図、第５図は本発明を誘導結合型放電式デジタルエツ
チング装置として実施した例を示す概路線図、第６図は
従来の平行平板型反応性イオンエツチング装置の構成を
示す概路線図、第７図は従来提案されたデジタルエツチ
ング実験装置を示す概略斜視図、第８図はデジタルエツ
チングのプロセスを示す説明図である。 図　中　１　真空容器 ２：絶縁シール部材 ３：基板保持台 ４、負のバイアス電源 ５：基板 ６：放電部 ７．８．三方弁 ９〜１１：ガス流量制御装置 １２〜１４：ハルブ １５：ＥＣＲ用コイル １６：補助コイル １７：フィルタ １８、バイアス用高周波電源 １９　　石英製のチャンバー ２０．２１　　高周波放電電極 ２２：放電用高周波電源 ２３、ブロッキングコンデンサ ２４　　移相器 ２５、高周波誘導コイル 第 １ 図 第２図 日マま八！ｂ 第６図 第７図 淑１４１呈系

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．真空容器内に基板保持台と放電部とを対向させて配
   置し、反応性イオンエッチングを行うようにしたデジタ
   ルエッチング装置において、放電部が、エッチャントを
   生成する第１プラズマ源及び基板上の吸着層のみを剥離
   するようにエネルギ制御されたイオンを基板に照射する
   第２プラズマ源とを備え、また基板保持台が、第１プラ
   ズマ源で生成されたエッチャントを基板上に一原子・分
   子層だけ吸着させるように温度制御されそして第２プラ
   ズマ源で発生されたイオンを基板側へ引き寄せさせる基
   板バイアス電圧印加機構を備えていることを特徴とする
   デジタルエッチング装置。
2. ２．第１プラズマ源及び第２プラズマ源が、交互に制御
   された時間間隔でパルス状に放電するように制御される
   請求項１に記載のデジタルエッチング装置。
3. ３．第２プラズマ源は発生するイオンのエネルギを２０
   〜１５０ｅＶの範囲で制御できるように構成された請求
   項１に記載のデジタルエッチング装置。
4. ４．第１、第２プラズマ源が同一のプラズマ発生装置と
   して構成される請求項１に記載のデジタルエッチング装
   置。