JPH0834205B2

JPH0834205B2 - ドライエツチング装置

Info

Publication number: JPH0834205B2
Application number: JP61277984A
Authority: JP
Inventors: 誠関根; 経敏有門; 晴雄岡野; 靖浩堀池
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-11-21
Filing date: 1986-11-21
Publication date: 1996-03-29
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: US4838978A; JPS63131520A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、ドライエッチング装置に係わり、特にマグ
ネトロン放電を利用したドライエッチング装置に関す
る。

（従来の技術）近年、半導体集積回路は急速な発展を遂げ、現在はサ
ブミクロンサイズの素子を持つLSIも試作されるに至っ
ている。このような素子の形成において、最近、Si基板
に溝（トレンチ）を形成し、この溝を絶縁物で埋込み素
子分離を行う技術、或いは薄い酸化膜を溝の内面に形成
したのち電極となる導体を埋込み、MOS構造のキャパシ
タを形成する技術が研究されている。

上記の技術では、第５図（ａ）に示す如く開口部が狭
く深い溝、つまりアスペクト比（溝の深さ／開口幅）の
高い溝53を形成する技術が必須となる。ところが、従来
の微細溝形成の有力な手段である反応性イオンエッチン
グ（RIE）技術では、例えばSiO₂マスク52を用いたSi基
板51のエッチングの場合、そのエッチング速度は0.1
［μｍ］程度と遅く、エッチング形状も第５図（ｂ）に
示す如く側壁のえぐれ54と溝底部でのテーパ55を持つ。
さらに、溝幅が狭まるとエッチング速度が減少する現象
も報告されている。これは、従来のRIEでは、基板に対
し斜めの方向からのエッチング種56が多く存在するた
め、溝の側壁でのエッチングが進み、また溝の底部まで
到達する粒子が少なくなることに起因する。

一方、生産性向上のために、ウェハは年々大口径化し
ている。従って、従来のように多くのウェハを一度にチ
ャンバ内に入れて処理するバッチ式の装置では高精度の
加工はできず、装置も大型化してしまう。そこで最近で
は、１枚ずつウェハを処理する枚葉式の装置が主流にな
っている。当然のことながら、枚葉式エッチング装置で
は、もしエッチング速度が等しければバッチ式装置に比
較して処理能力は低い。従って、枚葉式エッチング装置
では、高いスループットを得るために、高いエッチング
速度と信頼性が必要である。しかしながら、従来これを
満足するような装置は実現されていない。また、高いエ
ネルギーを持つイオンをウェハに照射してエッチングを
進める反応性イオンエッチング装置では、イオンの照射
損傷が素子の信頼性を低下させる要因となっていた。

（発明が解決しようとする問題点）このように従来のドライエッチング装置では、大口径
（例えば直径20cm以上）のウェハにアスペクト比の高い
溝を高速度で高精度に、且つ照射損傷少なく形成するこ
とは難しかった。また、アルミニウムや燐添加多結晶シ
リコン等の中性のエッチング種（塩素原子等の反応性の
強いガス）と容易に反応する材料のパターン側面に、任
意の角度でテーパを形成することは不可能であった。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、大口径のウェハに対しても、高速・
高精度にアスペクト比の高い溝を形成することができ、
且つイオンによる照射損傷を低減することができ、スル
ープットの向上及び素子特性の向上等をはかり得るドラ
イエッチング装置を提供することにある。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）本発明の骨子は、平行平板を持つ反応性イオンエッチ
ング装置の陽極裏面側に複数の磁石を配置し、そこから
の発散磁界によって陰極表面に高密度のプラズマを形成
し、陰極上の被処理基体を高速にエッチングすることに
あり、この基本原理に基づいてドライエッチング装置を
実現することにある。

即ち本発明は、マグネトロン放電を利用したドライエ
ッチング装置において、対向配置される第１及び第２の
電極を備えた容器と、この容器内に該容器の壁面から内
側に突出して設けられたフランジ部と、エッチングに供
される被処理基体が載置されたトレーを前記第１及び第
２の電極間に搬送して第１の電極上に載置する手段と、
前記第１の電極を前記第１及び第２の電極の対向方向に
沿って移動し、前記トレーの周辺部を前記フランジ部に
押圧した状態で前記容器内を前記第１及び第２の電極間
のエッチング室と前記第１の電極の裏面側のロード室と
に分離する手段と、上記エッチング室内にガスを導入す
る手段と、上記エッチング室内のガスを排気する手段
と、前記第１及び第２の電極間に高周波電力を印加する
手段と、前記第２の電極の裏面側に配置され前記第１の
電極上に磁場を印加する手段とを設けるようにしたもの
である。

（作用）上記構成であれば、磁場の印加によりマグネトロン放
電を生起して高密度のプラズマを発生させることがで
き、さらに第１の電極を移動する機構により第１の電極
を第２の電極側の磁場印加手段に近付けた状態で被処理
基体をエッチングすることができる。このため、高速エ
ッチングが可能となり、スループットの向上をはかるこ
とができる。また、エッチングする際には容器内がエッ
チング室とロード室とに分離されることにより、エッチ
ング室の容積を小さくすることができ、これによりエッ
チング効率の向上をはかると共に、ガス供給量を少なく
することが可能となる。また、通常の反応生イオンエッ
チングと異なり、照射損傷を小さくすることができ、素
子特性の劣化を防止することが可能となる。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明す
る。

第１図は本発明の一実施例に係わるドライエッチング
装置を示す概略構成図である。図中10は接地された真空
容器であり、この容器10内には容器側壁から内方向に突
出してフランジ部11が形成されている。そして、このフ
ランジ部11と後述するトレー26との接触により、容器10
内がエッチング室12とロード室13とに分離されるものと
なっている。

フランジ部11には、環状のガス流路14が設けられてお
り、このガス流路14はガス供給管15に接続されている。
そして、ガス供給管15からガス流路14を介してエッチン
グ室12内に所定のエッチングガスが導入される。エッチ
ング室12内のガスは、フランジ部11に設けられエッチン
グ室12とロード室13とを接続する複数の貫通口16を介し
てロード室13内に導入され、図示しない排気口を介して
排気されるものとなっている。

容器10内には、陽極（第２の電極）として作用する容
器の上壁10aと対向する位置に陰極（第２の電極）20が
配置されている。この陰極20は、容器10の底壁を貫通し
た駆動パイプ21上に取付けられており、上下に昇降可能
となっている。陰極20の内部には冷却水が通流する流路
が形成されており、この流路に配管22が接続されてい
る。そして、この配管22を介して導入される冷却水によ
り、陰極20は冷却される。また、陰極20の一部には上下
に貫通した貫通口が設けられており、この貫通口に挿通
して容器10の底部に取着された支持棒23が配設されてい
る。

陰極20上には、被処理基体としての半導体ウェハ25を
載置したトレー26が載置される。トレー26は金属板等か
らなるもので、その上面には薄い絶縁層が形成されてお
り、これによりウェハ25が静電チャックされる。そし
て、陰極20が上昇し、トレー26の周辺部が前記フランジ
部11に押付けられた状態で、容器10内がエッチング室12
とロード室13とに分離されるものとなっている。

容器10の上方には、陽極10aの裏面と対向する位置に
磁石アセンブリ（磁場印加機構）30が配置されている。
この磁石アセンブリ30は、Ｎ極とＳ極とを交互に間隙を
持って配置した複数の永久磁石からなるものであり、偏
心回転するものとなっている。また、磁石アセンブリ30
の一部には穴31が設けられており、さらに前記陽極10a
の一部には光導入窓32が設けられている。そして、上記
穴31及び光導入窓32を介して容器10内のウェハ25に光33
が照射され、該ウェハ25のエッチング深さが測定される
ものとなっている。

なお、図中41は陽極10aの表面に取付けられた石英
板、42はエッチング室12内を監視するための覗き窓、43
はロード室13内を監視するための覗き窓、44はゲートバ
ルブ、45は絶縁物、46はＯリングを示している。

第２図はウェハ25を載置したトレー26を搬送した状態
を示す図である。トレー26は、搬送アーム48上に載置さ
れ、ゲートバルブ44を通して容器10内に導入される。こ
のとき、陰極20は下降しており、陰極20を貫通した支持
棒23が突出した状態となっている。従って、容器10内に
搬送されたトレー26は支持棒23上に載置される。この
後、搬送アーム48を抜き出したのちゲートバルブ44は閉
じられる。この状態で陰極20を上昇させることにより、
まずトレー26が陰極20上に載置され、さらにトレー20の
周辺部がフランジ部11に押圧されてトレー26と陰極20と
がメカニカルチャックされる。これと同時に、容器10内
がエッチング室12とロード室13とに分離されるものとな
っている。

次に、上記装置を用いてエッチングする際の、シーケ
ンスについて第３図を参照して説明する。ここでは、エ
ッチングガスとして塩素を用い、Si基板に溝を形成する
場合を例にとる。

第３図はドライエッチング装置及びこれに付随する各
部品全体の構成を上から見た図である。図中61はロード
キャリアであり、これにはエッチングすべきウェハ25が
複数枚収容されている。ロードキャリア61から取出され
た１枚のウェハ25はトレー26上に運ばれ、62の位置で静
電チャック機構63によりトレー26上に吸着固定される。
ウェハ25の固定されたトレー26は、第１の搬送機構64に
よりゲートバルブ65を介して第１の予備室66内に搬送さ
れる。予備室66は、トレー26を収容した状態で、ゲート
バルブ65を閉じたのち真空排気される。

予備室66内に収容されたトレー26は、前記第２図に示
す如くして容器10のロード室13内に搬送される。即ち、
トレー26を保持した搬送アーム48を、搬送機構64により
ゲートバルブ44を介して容器10内に搬送し、トレー26を
４本の支持棒23の上に載置する。次いで、搬送アーム48
を第１の予備室66内に戻したのち、ゲートバルブ44を閉
じる。この状態で、陰極20を上昇させ、トレー26をその
上に乗せて、さらにフランジ部11の位置まで上昇し、ト
レー26の周辺部を押え込むことによって、トレー26と陰
極20とを密着させる。これにより、前記第１図に示す状
態となる。

ここで、容器10のエッチング室12内にガス供給管15及
びガス流路14を介して一定流量の塩素ガスを導入する。
このガスは、同一円周上に均等に配置された貫通口16を
介してロード室13内に入り、ロード室13に接続されたタ
ーボ分子ポンプ等のオイルフリーポンプにより排気され
る。なお、この真空ポンプとしては、エッチング室12内
に60［cc/min］程度のガスを流したとき、エッチング室
12内の圧力を３×10^-3［torr］以下に保つ排気能力が必
要である。また、陰極20の中には温度制御した冷媒
（水，オイル，ガス等）を流し、トレー26を介してウェ
ハ25を温度制御（冷却）する。

こうした後に、陰極20に高周波電力を印加しエッチン
グ室12内にプラズマを形成する。このプラズマには陽極
10aの裏面側に設けられた磁石アセンブリ30から磁界が
与えられ、高密度のプラズマを得ることができる。その
結果、高いエッチング速度を得ることができる。また、
磁界はプラズマからウェハ25に衝撃するイオンのエネル
ギーを下げる作用があり、ウェハ25への照射損傷が大幅
に低減される。磁石アセンブリ30は並進往復運動或いは
偏心回転され、均一なエッチングを達成している。陽極
10aの表面には石英板41が配置されているが、これは高
密度プラズマによって陽極10aの表面をスパッタしてウ
ェハ25を金属で汚染するのを防止するためである。

エッチングの様子は、エッチング深さモニターで検知
される。これは、磁石アセンブリ30の一部に設けた穴と
陽極10aの一部に設けた光導入窓32を通して、検出用の
光33をウェハ25の表面に照射し、その反射光を分析して
行う。ここで、均一エッチングを達成するために磁石ア
センブリ30は動かしているので、磁石アセンブリ30の穴
31と陽極10aの窓32とが重なった時に、上記光照射によ
るエッチング深さの測定を行うようにしている。

エッチング終了後、ガスを止め、容器10内が再び高真
空に排気される。その後、陰極20は下降し、トレー26は
支持棒23の上に乗せられる。同時にゲートバルブ44′が
開き、先の搬送機構64と同様の第２の搬送機構67によっ
て、トレー26が第２の予備室68内に搬送される。ゲート
バルブ44′を閉じたのち、第２の予備室68は窒素ガス等
が導入され、大気圧に戻される。その後、トレー26は、
ゲートバルブ69を通り70の位置まで運ばれ、この位置で
ウェハ25の静電チャックが解除される。そして、ウェハ
25はアンロード側のウェハキャリア71に、トレー26は再
びロード側に移動されることになる。

上記のシーケンスを繰返すことにより、ウェハ25が順
次エッチングされることになる。ここで、トレー26は複
数個使用されており、一つのウェハ25がエッチングされ
ているときには他のウェハ25（トレー26）は予備室で真
空排気されている等、各シーケンスで同時にそれぞれの
処理がなされ、高いスループットが得られるようにして
いる。

次に、更に本装置の特徴となる部分について詳しく説
明する。

エッチング中には、ウェハ25は一定の温度に保たなけ
ればならない。本実施例では、ウェハ25をトレー26を介
して冷却するために、ウェハ・トレー間は静電チャック
により、トレー・陰極間はメカニカルチャックにより固
定している。静電チャック機構には、カプトンやマイラ
フィルム等の誘電膜を挟みウェハ・トレー間に直流電圧
を印加する方法、或いは金属箔を前記フィルムで挟み込
んだものをウェハ・トレー間に配置し、前記金属箔とト
レーとの間に高電圧を印加する方法を取ると良い。

一方、トレー・陰極間は、トレー26の周辺部を押え込
み機械的に密着させる方法を取っている。従って、十分
な熱的接触を得るため、第４図に示す如く陰極20の表面
を僅かに球面上に湾曲させ、陰極20とフランジ部11とで
トレー26を挟み込んだとき、トレー26までも湾曲させる
ことによってトレー全体を陰極20に密着させるようにす
ると良い。さらに、トレー・陰極間に熱伝導性の良い薄
い樹脂膜等をはさ挟み込むと熱的接触の点でより有効で
ある。

第４図では陰極20の表面の湾曲は強調して示したが、
実際には中心部と周辺部で１［mm］以下の高さの差があ
る程度のほんの僅かな湾曲である。トレー26は熱容量や
熱伝導の点を考慮すると、アルミニウム等の金属製が良
い。厚さは、上述の湾曲させる方法では比較的薄く、２
〜３［mm］程度、陰極表面を平らにして使うときはそれ
より厚くすると良い冷却効果が得られた。

以上の構成の本実施例装置を用いることにより、低真
空度（10^-3torr台）で高密度のプラズマを形成して、ウ
ェハ25をエッチングすることができる。低真空度によっ
て、プラズマからウェハ25に照射されるイオンは、気相
中で散乱されることが少なく、イオンの多くは垂直にウ
ェハ25に照射される。従って、斜めに入射するイオンに
起因するエッチングした溝の側面のえぐれを防止でき、
垂直断面形状の溝を形成することができる。さらに、高
密度のプラズマから大量のイオンが供給されるため、高
いエッチング速度（例えばSiでは0.7μm/分）が得られ
る。

これらの特徴と全自動で各シーケンス（ウェハの移
動，予備排気，エッチング等）を全て同時進行的に効率
良く制御することによって、極めて高いスループットが
達成される。

また、低圧力下のエッチングでは、気相中に中性の原
子・分子が少なくなることから、従来中性の粒子により
アンダーカットを生じていたアルミニウムや燐添加多結
晶シリコンにおいても、良好な垂直断面形状が得られ
る。さらに、エッチングガスと同時に、堆積を生じるガ
スを導入することにより、上述の材料に対し側面に任意
の角度を付けて加工する、所謂テーパエッチングが可能
となる。従来、特にアルミニウムでは、テーパエッチン
グは難しかったが、本装置で始めて可能となった。

また、本装置では、プラズマに磁界を与えることによ
り、高密度プラズマを生成すると同時に、ウェハに照射
されるイオンエネルギーを低減している。従って、素子
の特性を劣化させる照射損傷が少なく、LSI素子の高信
頼化が可能となる。

また、本装置では、トレー26を陰極20上に載置した後
エッチングする際には、エッチング室13の容積が極めて
小さく、さらに陰極20と磁石アセンブリ30との距離は極
めて短く（数cm）なっている。このため、プラズマを有
効に利用してエッチング効率の向上をはかることがで
き、さらにエッチングガスの供給量を少なくできる等の
利点もある。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものでは
ない。例えば、前記トレーと第１の電極との熱的接触状
態を良好にする手段としては、第１の電極の表面を湾曲
させる代りに、トレー側を湾曲させるようにしてもよ
い。つまり、トレー及び第１の電極の少なくとも一方を
凸型曲面に形成すればよい。さらに、トレーと第１の電
極との間に挟む薄膜は合成樹脂に限るものではなく、良
熱伝導性で弾力性を有するものであればよい。また、前
記磁場印加機構は永久磁石に限るものではなく、電磁石
であってもよい。その他、本発明の要旨を逸脱しない範
囲で、種々変形して実施することができる。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、低圧力下でも高
密度のプラズマを生成でき、従って被処理基体に対し垂
直に大量のイオンを照射してエッチングすることができ
る。このため、アスペクト比の高い微細溝を高速且つ良
好な形状にエッチングすることが可能となり、また磁界
の作用により被処理基体に衝撃するイオンのエネルギー
が低下し照射損傷が少なくなる。さらに、大口径の被処
理基体を高いスループットで処理でき、トレンチ素子分
離或いはトレンチキャパシタ技術を実現するために極め
て有効である。また、垂直からテーパ角を持つパターン
まで容易に形成することが可能であり、上層の膜形成の
信頼性を飛躍的に高め、LSIの高性能化及び歩留りを上
げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わるドライエッチング装
置を示す概略構成図、第２図は上記装置のトレー搬送状
態を示す図、第３図はドライエッチング装置及びその付
随部品全体を上方向から見た模式図、第４図はトレー及
び陰極の密着方法を説明するための図、第５図は従来装
置の問題点を説明するための断面図である。 10……真空容器、10a……陽極（第２の電極）、11……
フランジ部、12……エッチング室、13……ロード室、14
……ガス流路、15……ガス供給管、16……貫通口、20…
…陰極（第１の電極）、21……駆動パイプ、22……配
管、23……トレー支持棒、25……ウェハ（被処理基
体）、26……トレー、30……磁石アセンブリ（磁場印加
機構）、44……ゲートバルブ、48……搬送アーム。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者堀池靖浩神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献特開昭59−186325（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−43427（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対向配置される第１及び第２の電極を備え
た容器と、この容器内に該容器の壁面から内側に突出し
て設けられたフランジ部と、エッチングに供される被処
理基体が載置されたトレーを前記第１及び第２の電極間
に搬送して第１の電極上に載置する手段と、前記第１の
電極を前記第１及び第２の電極の対向方向に沿って移動
し、前記トレーの周辺部を前記フランジ部に押圧した状
態で前記容器内を前記第１及び第２の電極間のエッチン
グ室と前記第１の電極の裏面側のロード室とに分離する
手段と、上記エッチング室内にガスを導入する手段と、
上記エッチング室内のガスを排気する手段と、前記第１
及び第２の電極間に高周波電力を印加する手段と、前記
第２の電極の裏面側に配置され前記第１の電極上に磁場
を印加する手段とを具備してなることを特徴とするドラ
イエッチング装置。
【請求項２】前記被処理基体は、静電チャックにより前
記トレーに固定されていることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載のドライエッチング装置。
【請求項３】前記トレー及び第１の電極の対向する面の
少なくとも一方は、凸型曲面に形成されていることを特
徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載のドライ
エッチング装置。
【請求項４】前記トレー及び第１の電極の対向する面の
少なくとも一方には、弾力性のある良熱伝導性の薄膜が
被着されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
項，第２項又は第３項記載のドライエッチング装置。
【請求項５】前記容器には第１及び第２の予備室がそれ
ぞれゲートバルブを介して連設されており、前記被処理
基体は上記第１の予備室から上記容器のロード室内に搬
送され、該容器のエッチング室内でエッチングされたの
ち、該容器のロード室から上記第２の予備室内に搬送さ
れるものであることを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載のドライエッチング装置。
【請求項６】前記磁場を印加する手段は、Ｎ極とＳ極と
が交互に間隙を持って配置された複数の棒状或いは同心
円環状の閉回路永久磁石、又は電磁石であり、前記第２
の電極の裏面側で往復並進移動若しくは偏心回転するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のドライエッ
チング装置。
【請求項７】前記第１の電極が前記第２の電極に最も近
付いたとき、該第１の電極と前記磁石の表面との距離が
１〜10［cm］であることを特徴とする特許請求の範囲第
６項記載のドライエッチング装置。
【請求項８】前記容器のエッチング室内を排気する手段
は、反応性のガスを少なくとも毎分60［cc］導入したと
きに該エッチング室内を３×10^-3［Torr］以下に保つ能
力を持つことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
ドライエッチング装置。
【請求項９】前記容器のエッチング室内を排気する手段
は、ターボ分子ポンプ等のオイルフリーポンプであるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第８項記載の
ドライエッチング装置。
【請求項１０】前記容器のエッチング室内の排気は、前
記フランジ部に設けられた複数の排気口から該容器のロ
ード室を通して行われることを特徴とする特許請求の範
囲第１項，第８項又は第９項記載のドライエッチング装
置。
【請求項１１】前記第２の電極の面積は、前記第１の電
極の面積の５倍以上であることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載のドライエッチング装置。
【請求項１２】前記磁場を印加する手段の一部には穴が
設けられ、前記第２の電極の一部には光導入窓が設けら
れ、上記穴及び光導入窓を介して前記被処理基体に光を
照射し、該基体のエッチング深さを測定することを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載のドライエッチング装
置。