JPH09129607A - マイクロ波プラズマエッチング装置及び方法 - Google Patents

マイクロ波プラズマエッチング装置及び方法

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JPH09129607A
JPH09129607A JP7285083A JP28508395A JPH09129607A JP H09129607 A JPH09129607 A JP H09129607A JP 7285083 A JP7285083 A JP 7285083A JP 28508395 A JP28508395 A JP 28508395A JP H09129607 A JPH09129607 A JP H09129607A
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Japan
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etching chamber
etching
substrate
gas
plasma
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JP7285083A
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Nobumasa Suzuki
伸昌 鈴木
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Canon Inc
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    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192Microwave generated discharge
    • H01J37/32211Means for coupling power to the plasma
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    • H01J37/32009Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁界を用いずに1mTorr程度の低圧条件
でも大面積均一に高密度プラズマを発生でき、高速に大
面積基体を超微細パターンエッチングできるマイクロ波
プラズマエッチング装置及び方法を提供する。 【解決手段】 プラズマエッチング室101と該エッチ
ング室内に配された被処理基体102支持手段と、該基
体支持手段に対向するように配された多数の孔を有する
平板からなる該エッチング室内へのガス導入手段104
と、該エッチング室内の排気手段105と、該エッチン
グ室の周囲に配された複数のスロットを備えた無終端環
状導波管109を用いるマイクロ波導入手段と、該基体
支持体への高周波電力供給手段とで構成されることを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマエッチン
グ装置及び方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、
高速に大面積基体の超微細パターンエッチングを行うた
めの、マイクロ波プラズマエッチング装置及び方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】超LSI等の電子部品の製造におけるパ
ターン形成には、対向した平行平板型電極間に高周波電
力を印加するリアクティブイオンエッチング(RIE)
装置が多く用いられてきた。RIE装置を図2に示す。
201はエッチング室、202は被処理基体、203は
基体202の支持体、204はガス導入手段、205は
排気手段、206は高周波電源である。エッチングは以
下のようにして行う。排気手段205を介してエッチン
グ室201内を真空排気する。続いてエッチング用ガス
をガス導入手段204を介して所定の流量でエッチング
室内に導入する。次に、排気手段205に設けられたコ
ンダクタンスバルブ(不図示)を調整し、エッチング室
201内を所定の圧力に保持する。高周波電源206よ
り所望の電力を基体支持体203へ供給する。電子が高
周波電界により加速され、エッチング室201内にプラ
ズマが発生する。エッチング用ガスはプラズマにより電
離し、生成したイオンが基体202近傍に形成されたセ
ルフバイアス電界により加速され、基体表面に入射しエ
ッチングする。
【0003】しかしながら、近年、素子の高集積化に伴
うパターンの微細化が要求され、従来のRIE装置では
イオン入射方向の異方性を保てる1mTorr程度の低
圧での放電が難しいので、微細パターンの異方性エッチ
ングができなくなってきている。
【0004】こうしたRIE装置に代わるエッチング装
置として10-3Torr程度の低圧条件でも放電可能
な、電子サイクロトロン共鳴(ECR)を利用したプラ
ズマエッチング装置が検討されてきた。ECRは、磁束
密度87.5mTorrの場合、磁力線の周りを電子が
回転する電子サイクロトロン周波数が、マイクロ波の一
般的な周波数2.45GHzと一致し、電子がマイクロ
波を共鳴的に吸収して加速され、高密度プラズマが発生
する現象である。ECRエッチング装置を図3に示す。
301はエッチング室、302は被処理基体、303は
基体302の支持体、304はガス導入手段、305は
排気手段、306は高周波電源、307はマイクロ波導
入窓、308は磁界発生手段である。エッチングは以下
のようにして行う。排気手段305を介してエッチング
室301内を真空排気する。続いてエッチング用ガスを
ガス導入手段304を介して所定の流量でエッチング室
内に導入する。次に排気手段305に設けられたコンダ
クタンスバルブ(不図示)を調整し、エッチング室30
1内を所定の圧力に保持する。磁界発生手段308を介
してエッチング室301内に875Gの磁界を発生する
と共に、マイクロ波電力をマイクロ波導入窓307を通
してエッチング室301に導入することによりプラズマ
が発生する。電子が磁力線の周りを螺旋運動し、その回
転周波数がマイクロ波の周波数(通常2.45GHz)
と一致した場合(磁束密度875G)に共鳴的にマイク
ロ波を吸収して加速され、さらに衝突により中性分子を
電離させ、高密度プラズマが形成される。このとき、高
周波電源306より所望の電力を基体支持体303へ供
給することにより、イオンが基体302近傍に形成され
たセルフバイアス電界により加速され、基体表面に入射
しエッチングする。
【0005】このようなECRエッチング装置を用いる
ことにより、1mTorr程度の低圧条件でも放電可能
になり、微細パターンの異方性エッチングが可能にな
る。
【0006】しかしながら、図3に示したようなECR
エッチング装置は、磁界を均一に発生するのが難しくエ
ッチングの不均一や基体表面方向の電荷分離による素子
破壊の問題がある。また、電子温度が高くなるために、
アスペクト比の高い微細パターンを加工する場合、基体
深さ方向の電荷分離により異常エッチング(ノッチ)が
発生しやすい。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上述
した従来のプラズマエッチング装置における問題点を解
決し、磁場を用いずに1mTorr程度の低圧条件でも
高密度かつ大面積均一なプラズマを発生でき、高速に大
面積基体の超微細パターンエッチングを行うことが可能
なプラズマエッチング装置及び方法を提供することにあ
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者は、従来のプラ
ズマエッチング装置における上述した問題点を解決し、
上記目的を達成すべく鋭意努力をした結果、概要、プラ
ズマエッチング室と、エッチング室内に配された被処理
基体支持手段と、基体支持手段に対向するように配され
た多数の孔を有する平板からなるガス導入手段と、エッ
チング室内の排気手段と、エッチング室の周囲に配され
た無終端環状マルチスロット導波管を用いるマイクロ波
導入手段と、基体支持手段への高周波電力供給手段とを
設けることにより、磁界を用いずに1mTorr程度の
低圧条件でも高密度かつ大面積均一なプラズマを発生で
き、高速に大面積基体の超微細パターンエッチングがで
きるという知見を得て、本発明は完成されたもので、前
記の目的は以下の手段によって達成される。
【0009】すなわち、本発明は、プラズマエッチング
室と、該エッチング室内に配された被処理基体支持手段
と、該基体支持手段に対向するように配された多数の孔
を有する平板からなる該エッチング室内へのガス導入手
段と、該エッチング室内の排気手段と、該エッチング室
の周囲に配された複数のスロットを備えた無終端環状導
波管を用いるマイクロ波導入手段と、該基体支持体への
高周波電力供給手段とで構成されることを特徴とするマ
イクロ波プラズマエッチング装置を提案するものであ
り、前記基体支持手段にほぼ垂直な磁力線をもつ磁界発
生手段を有することを含む。
【0010】また本発明は、プラズマエッチング室と、
該エッチング室内に配された被処理基体支持手段と、該
基体支持手段に対向するように配された多数の孔を有す
る平板からなる該エッチング室内へのガス導入手段と、
該エッチング室内の排気手段と、該エッチング室の周囲
に配された複数のスロットを備えた無終端環状導波管を
用いるマイクロ波導入手段と、該基体支持体への高周波
電力供給手段とで構成されることを特徴とするマイクロ
波プラズマエッチング装置を用いて、該基体支持体上に
被処理基体を設置する工程と、該エッチング室内を排気
する工程と、該エッチング室内にガスを導入し所定の圧
力に保持する工程と、該エッチング室内にマイクロ波を
導入しプラズマを発生せしめると共に該高周波電力供給
手段を介して該基体支持手段に高周波電力を供給し該基
体をエッチングする工程とを含むことを特徴とするマイ
クロ波プラズマエッチング方法を提案するものである。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を参照してさ
らに詳細に説明する。
【0012】本発明のマイクロ波プラズマ処理装置を図
1に示す。101はエッチング室、102は被処理基
体、103は基体102の支持体、104はエッチング
用ガス導入手段、105は排気手段である。106は高
周波電源、107はマイクロ波を透す石英管、109は
無終端環状マルチスロット導波管である。
【0013】エッチングは以下のようにして行う。排気
手段105を介してエッチング室101内を真空排気す
る。続いてエッチング用ガスをガス導入口104を介し
て所定の流量でエッチング室101内に導入する。次に
排気手段105に設けられたコンダクタンスバルブ(不
図示)を調整し、エッチング室101内を所定の圧力に
保持する。マイクロ波電源(不図示)より所望の電力を
導波管109を介してエッチング室101内に供給する
ことによりプラズマが発生する。このとき、高周波電源
106を介して高周波電力を基体支持体103に供給す
ることにより、イオンが基体102近傍に形成されたセ
ルフバイアス電界により加速され、基体表面に入射しエ
ッチングする。
【0014】エッチング室の周囲に配された無終端環状
マルチスロット導波管と基体支持体への高周波電力供給
手段を用いることにより、磁界を用いずに1mTorr
程度の低圧条件でも高密度かつ大面積均一なプラズマを
発生でき、高速に大面積基体の超微細パターンエッチン
グがきるという知見を得た。
【0015】本発明のマイクロ波プラズマ処理装置にお
いて用いられるマイクロ波周波数は、0.8GHz乃至
20GHzの範囲から適宜選択することができる。
【0016】本発明のプラズマエッチング装置において
用いられる導波管の形状は、円筒状のものでも、エッチ
ング室の形状によって円盤状や多角形等他の形でもよ
い。
【0017】本発明のプラズマエッチング装置において
は積極的には磁界発生手段を用いないが、用いてもよ
い。磁界発生手段としては、無終端環状マルチスロット
導波管の複数のスロットの中心を含む面に節面をもち基
板支持手段にほぼ垂直な磁力線をもちスロット近傍の磁
界の磁束密度は基板近傍の磁界の磁束密度よりも大きい
カスプ磁界を発生できるものなら、コイル以外でも、永
久磁石でも使用可能である。コイルを用いる場合には過
熱防止のため水冷機構や空冷等他の冷却手段を用いても
よい。
【0018】本発明のプラズマエッチング方法における
エッチング室内の圧力は好ましくは0.2mTorr乃
至10.0mTorrの範囲から選択することができ
る。
【0019】本発明のプラズマエッチング方法による処
理可能な薄膜は、Si34 ,SiO2 ,Ta25
TiO2 ,TiN,Al23 ,AlN,MgF2 等の
絶縁膜、a−Si,poly−Si,SiC,GaAs
等の半導体膜、Al,W,Mo,Ti,Ta等の金属膜
等、各種の薄膜を効率よく処理することが可能である。
【0020】本発明のプラズマエッチング方法により処
理する基体は、半導体であっても、導電性のものであっ
ても、あるいは電気絶縁性のものであってもよい。
【0021】導電性基体としてはFe,Ni,Cr,A
l,Mo,Au,Nb,Ta,V,Ti,Pt,Pb等
の金属またはこれらの合金、例えば真鍮、ステンレス鋼
等が挙げられる。
【0022】絶縁性基体としては、SiO2 系の石英や
各種ガラス、Si34 ,NaCl,KCl,LiF,
CaF2 ,BaF2 ,Al23 ,AlN,MgO等の
無機物、ポリエチレン、ポリエステル、ポリカーボネー
ト、セルロースアセテート、ポリプロピレン、ポリ塩化
ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミ
ド、ポリイミド等の有機物のフィルム、シート等が挙げ
られる。
【0023】本発明のプラズマエッチング方法に用いら
れるエッチング用ガスとしては、一般に公知のガスが使
用できる。すなわち、エッチングする膜や基体に応じ
て、F 2 ,CF4 ,CH22 ,C26 ,CF2 Cl
2 ,SF6 ,NF3 等が用いられる。
【0024】また本発明のプラズマエッチング装置及び
方法はエッチングのみならず、表面改質やクリーニン
グ、レジストアッシング等にも適用可能である。例え
ば、基体もしくは表面層としてSi,Al,Ti,Z
n,Ta等を使用してこれら基体もしくは表面層の酸化
処理あるいは窒化処理さらにはB,As,P等のドーピ
ング処理等が可能である。また、基体表面のレジスト等
の有機物や無機物・金属を除去するクリーニング・アッ
シング処理も可能である。
【0025】基体を酸化表面処理する場合の酸化性ガス
としては、O2 ,O3 ,H2 O,NO,N2 O,NO2
等が挙げられる。また、基体を窒化表面処理する場合の
窒化性ガスとしては、N2 、NH3 、N24 、ヘキサ
メチルジシラザン(HMDS)等が挙げられる。
【0026】基体表面のレジスト等の有機物をクリーニ
ング・アッシングする場合のクリーニング用ガスとして
は、O2 ,O3 ,H2 O,NO,N2 O,NO2 等が挙
げられる。また、基体表面の無機物・金属をクリーニン
グする場合のクリニング用ガスとしては、F2 ,CF
4 ,CH22 ,C26 ,CF2 Cl2 ,SF6 ,N
3 等が挙げられる。
【0027】
【実施例】以下実施例を挙げて本発明のプラズマエッチ
ング装置及び方法をより具体的に説明するが、本発明は
これら実施例に限定されるものではない。
【0028】実施例1 図1に示したプラズマエッチング装置を使用し、半導体
素子ゲート電極間ポリシリコン膜のエッチングを行っ
た。
【0029】基体102としては、最上部にポリシリコ
ン膜が形成されたP型単結晶シリコン基板(面方位<1
00>、抵抗率10Ωcm)を使用した。まず、シリコ
ン基板102を基体支持体103上に設置した後、排気
系105を介してエッチング室101内を真空排気し、
10-6Torrの値まで減圧させた。ガス導入口104
を介してCF4 ガスを300sccm、酸素を20sc
cmの流量でエッチング室101内に導入した。次い
で、排気系105に設けられたコンダクタンスバルブ
(不図示)を調整し、エッチング室101内を1.0m
Torrに保持した。次いで高周波電源106を介して
13.56MHzの高周波を基板支持体103に印加す
ると共に、2.45GHzのマイクロ波電源より1.5
kWの電力を環状導波管109を介してエッチング室1
01内に供給した。かくして、エッチング室101内に
プラズマを発生させた。ガス導入口104を介して導入
されたCF4 ガス及び酸素はエッチング室101内で励
起、分解されて活性種となり、シリコン基板102の方
向に輸送され、自己バイアスにより加速されたイオンに
よりポリシリコン膜がエッチングされた。エッチング
後、エッチング速度、選択比、及びエッチング形状につ
いて評価した。エッチング形状は、エッチングされたポ
リシリコン膜の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観
測し、評価した。
【0030】エッチング速度と対SiO2 選択比はそれ
ぞれ600nm/min、30と良好で、マイクロロー
ディング効果も少ないことが確認された。
【0031】実施例2 図1に示したプラズマエッチング装置を使用し、半導体
素子BPSG膜のエッチングを行った。
【0032】基体102としては、ポリシリコンパター
ン(ラインアンドスペース0.5μm)上に1μm厚の
BPSG膜が形成されたP型単結晶シリコン基板(面方
位<100>、抵抗率10Ωcm)を使用した。まず、
シリコン基板102を基体支持体103上に設置した
後、排気系(不図示)を介してエッチング室101内を
真空排気し、10-6Torrの値まで減圧させた。ガス
導入口104を介してCF4 ガスを300sccmの流
量でプラズマ発生室101内に導入した。次いで、排気
系105に設けられたコンダクタンスバルブ(不図示)
を調整し、エッチング室101内を1.2mTorrに
保持した。次いで2.45GHzのマイクロ波電源より
2.0kWの電力を環状導波管109を介してエッチン
グ室101内に供給した。かくして、エッチング室10
1内にプラズマを発生させた。ガス導入口104を介し
て導入されたCF4 ガスはエッチング室101内で励
起、分解されて活性種となり、シリコン基板102の方
向に輸送され、BPSG膜がエッチングされた。エッチ
ング後、エッチング速度、選択比、及びエッチング形状
について評価した。エッチング形状は、エッチングされ
た酸化シリコン膜の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)
で観測し、評価した。
【0033】エッチング速度と対ポリシリコン選択比は
それぞれ300nm/min、30と良好で、エッチン
グ形状もほぼ垂直で、マイクロローディング効果も少な
いことが確認された。
【0034】実施例3 図1に示したプラズマエッチング装置を使用し、半導体
素子素子多層配線Al膜のエッチングを行った。
【0035】基体102としては、最上部にAl膜が形
成されたP型単結晶シリコン基板(面方位<100>、
抵抗率10Ωcm)を使用した。まず、シリコン基板1
02を基体支持体103上に設置した後、排気系105
を介してエッチング室101内を真空排気し、10-6
orrの値まで減圧させた。ガス導入口104を介して
Cl2 ガスを120sccm、ガス化したBCl3 を8
0sccmの流量でプラズマ発生室101内に導入し
た。次いで、排気系105に設けられたコンダクタンス
バルブ(不図示)を調整し、エッチング室101内を
0.8mTorrに保持した。次いで高周波印加手段1
06を介して13.56MHzの高周波を基板支持体1
03に印加すると共に、2.45GHzのマイクロ波電
源より1.2kWの電力を環状導波管109を介してエ
ッチング室101内に供給した。かくして、エッチング
室101内にプラズマを発生させた。ガス導入口104
を介して導入されたCl2 ガス及びBCl3 はエッチン
グ室101内で励起、分解されて活性種となり、シリコ
ン基板102の方向に輸送され、自己バイアスにより加
速されたイオンによりAl膜がエッチングされた。エッ
チング後、エッチング速度、選択比、及びエッチング形
状について評価した。エッチング形状は、エッチングさ
れたAl膜の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観測
し、評価した。
【0036】エッチング速度と対SiO2 選択比はそれ
ぞれ500nm/min、20と良好で、エッチング形
状もほぼ垂直で、マイクロローディング効果も少ないこ
とが確認された。
【0037】実施例4 図1に示したプラズマエッチング装置を使用し、半導体
素子素子多層配線Al膜のエッチングを行った。
【0038】基体102としては、最上部にAl膜が形
成された450mm×550mm青板ガラス基板を使用
した。まず、シリコン基板102を基体支持体103上
に設置した後、排気系105を介してエッチング室10
1内を真空排気し、10-6Torrの値まで減圧させ
た。ガス導入口104を介してCl2 ガスを200sc
cmの流量でエッチング室101内に導入した。次い
で、排気系105に設けられたコンダクタンスバルブ
(不図示)を調整し、エッチング室101内を2.0m
Torrに保持した。次いで高周波印加手段106を介
して13.56MHzの高周波を基板支持体103に印
加すると共に、2.45GHzのマイクロ波電源より
2.0kWの電力を環状導波管109を介してエッチン
グ室101内に供給した。かくして、エッチング室10
1内にプラズマを発生させた。ガス導入口104を介し
て導入されたCl2 ガスはエッチング室101内で励
起、分解されて活性種となり、シリコン基板102の方
向に輸送され、自己バイアスにより加速されたイオンに
よりAl膜がエッチングされた。エッチング後、エッチ
ング速度、選択比、及びエッチング形状について評価し
た。エッチング形状は、エッチングされたAl膜の断面
を走査型電子顕微鏡(SEM)で観測し、評価した。
【0039】エッチング速度と対SiO2 選択比はそれ
ぞれ500nm/min、25と良好で、エッチング形
状も垂直であることが確認された。
【0040】実施例5 図1に示したプラズマエッチング装置を使用し、複写機
光学系の位相格子フィルタ用ガラス基板のエッチングを
行った。
【0041】基体102としては、白板ガラス基板を使
用した。まず、シリコン基板102を基体支持体103
上に設置した後、排気系105を介してエッチング室1
01内を真空排気し、10-6Torrの値まで減圧させ
た。ガス導入口104を介してCF4 ガスを200sc
cm、H2 を40sccmの流量でエッチング室101
内に導入した。次いで、排気系105に設けられたコン
ダクタンスバルブ(不図示)を調整し、エッチング室1
01内を1.2mTorrに保持した。次いで高周波印
加手段106を介して13.56MHzの高周波を基板
支持体103に印加すると共に、2.45GHzのマイ
クロ波電源より2.2kWの電力を環状導波管109を
介してエッチング室101内に供給した。かくして、エ
ッチング室101内にプラズマを発生させた。ガス導入
口104を介して導入されたCF 4 ガス及びH2 はエッ
チング室101内で励起、分解されて活性種となり、シ
リコン基板102の方向に輸送され、自己バイアスによ
り加速されたイオンによりガラス基板がエッチングされ
た。エッチング後、エッチング速度、及びエッチング形
状について評価した。エッチング形状は、エッチングさ
れたガラス基板の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で
観測し、評価した。
【0042】エッチング速度は450nm/minと良
好で、エッチング形状も垂直であることが確認された。
【0043】
【発明の効果】以上説明したように、基体支持手段に対
向するように配された多数の孔を有する平板からなるガ
ス導入手段と、エッチング室の周囲に配された無終端環
状マルチスロット導波管と、基体支持体への高周波供給
手段とを設けることにより、磁界を用いずに1mTor
r程度の低圧条件でも大面積均一に高密度プラズマを発
生でき、高速に大面積基体を超微細パターンエッチング
する方法を提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のプラズマエッチング装置の模式図であ
る。
【図2】従来例の一例であるRIE装置の模式図であ
る。
【図3】従来例の一例であるECRエッチング装置の模
式図である。
【符号の説明】
101 エッチング室 102 被処理基体 103 支持体 104 エッチング用ガス導入手段 105 排気手段 106 高周波電源 107 石英管 109 無終端環状マルチスロット導波管

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 プラズマエッチング室と、該エッチング
    室内に配された被処理基体支持手段と、該基体支持手段
    に対向するように配された多数の孔を有する平板からな
    る該エッチング室内へのガス導入手段と、該エッチング
    室内の排気手段と、該エッチング室の周囲に配された複
    数のスロットを備えた無終端環状導波管を用いるマイク
    ロ波導入手段と、該基体支持体への高周波電力供給手段
    とで構成されることを特徴とするマイクロ波プラズマエ
    ッチング装置。
  2. 【請求項2】 前記基体支持手段にほぼ垂直な磁力線を
    もつ磁界発生手段を有する請求項1に記載のマイクロ波
    プラズマエッチング装置。
  3. 【請求項3】 プラズマエッチング室と、該エッチング
    室内に配された被処理基体支持手段と、該基体支持手段
    に対向するように配された多数の孔を有する平板からな
    る該エッチング室内へのガス導入手段と、該エッチング
    室内の排気手段と、該エッチング室の周囲に配された複
    数のスロットを備えた無終端環状導波管を用いるマイク
    ロ波導入手段と、該基体支持体への高周波電力供給手段
    とで構成されることを特徴とするマイクロ波プラズマエ
    ッチング装置を用いて、該基体支持体上に被処理基体を
    設置する工程と、該エッチング室内を排気する工程と、
    該エッチング室内にガスを導入し所定の圧力に保持する
    工程と、該エッチング室内にマイクロ波を導入してプラ
    ズマを発生せしめると共に該高周波電力供給手段を介し
    て該基体支持手段に高周波電力を供給し該基体をエッチ
    ングする工程とを含むことを特徴とするマイクロ波プラ
    ズマエッチング方法。
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