JPS5832417A

JPS5832417A - プラズマエツチング装置及びプラズマエツチング方法

Info

Publication number: JPS5832417A
Application number: JP56130187A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hirao; 孝平尾; Koshiro Mori; 森　幸四郎; Masatoshi Kitagawa; 雅俊北川; Shinichiro Ishihara; 伸一郎石原
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1981-08-21
Filing date: 1981-08-21
Publication date: 1983-02-25
Also published as: JPH0311542B2

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】コン或いは金属、半導体、絶縁体基板上薄膜の新規なド
ライエツチング装置ならびにドライエツチング方法を提
供することを目的とする。

近年、特に半導体集積回路の高密度化につれ・ぞター．
，ン寸法が小さくなってきた。それに伴ない基板例えば
シリコン或いは金属、半導体及び絶縁体等薄膜のエツチ
ングとして化学薬品を用いたウェットエツチングに代っ
てドライエツチング法が主流となってきた。ドライエツ
チング法として１）高周波を用いたプラズマエツチング
法、２）高周波を用いたりアクティブエツチング法、３
）有磁場マイクロ波プラズマエツチング法、４）アルゴ
ン等のイオンビームによるイオンエツチング法がある。

ｌ）のプラズマエツチング法としては装置として種々の
形式のものがあり、被エツチング材料も多結晶Ｓ＋＋Ｓ
ｔ０２＋Ｓｌ５Ｎ４＋ＰＳＧ或いはＡｔ．１等多岐に亘
る。しかしゾラズマ内の反応に寄与する活性種（中性ラ
ジカル）は放電が行なわれる真空域（〜Ｉ　Ｔｏｒｒ　
）でランダム・モーションとなる為、一般的には等方性
エツチングとなって所謂サイドエツチングが発生、微細
・ぞターンの加工精度は限界がある。一方３）のエツチ
ング法で磁場中での電子のサイクロトロン運動とマイク
ロ波との共鳴現象を用い低い放電ガス圧力でも、プラズ
マ密度を低下させることなくしかもイオンエネルギーは
低い状態でエツチングできるようにしたもので、垂直エ
ツチングが可能となったことが発表されている。しかし
この方法では装置構成が複雑で装置自体の価格も高い。

４）はアルゴンイオン等を加速してその衝撃によってス
バ，タリングさせて、サイドエツチングの少ないエツチ
ングを行なう方法で材料によるエツチング速度の差即ち
遺択比が大きくない。又エツチング速度が小さくイオン
衝撃による素子の損傷も大きい。２）は微小・ぐターン
の加工法として有力視されているドライエツチング技術
で、平行平板電極を用いそれに高周波を印加して電極間
にプラズマを誘起し平行電極上に置いた試料を加工する
。

第１図は平行平板形電極構造のドライエツチング装置の
概略図である。ｌは下部電極でこの電極は５，６で示す
水冷管により水冷されている。３はこの電極１上に置か
れた試料である。４は１３．５６ＭＨｚの高周波電源で
上部電極２及び下部電極ｌの間に印加され、電極間にプ
ラズマを誘起する。９はエツチング速度の導入管で７，
８は排気管である。本ドライエ，チング法は従来のガス
プラズマエツチング法と比べるとガス圧力が低く、所謂
ラジカルによる等方的エッチングに加え、イオン衝撃に
よるス・ぐツタエツチング的要素も加味されている為、
方丙性エッチングが行なわれ得る。このため超ＬＳＩの
高精度な微細加工の有力な手段として活発な研究開発が
なされている。しかしながら陰極近傍に形成されるイオ
ンシース内で加速されるイオン衝撃による損傷を試料に
与える事、しかもこのイオンエネルギーの大きさはなか
なか同定し難く又その制御が難かしい等難点があり、又
特にｋｌに対して充分なスルーグツトを得るだめにはエ
ツチングに用いる塩素系化合物ガスの流量を大きくする
必要があり、装置のメインティナシス上大きな問題にな
っている。イオン衝撃による損傷の低減のため第２図に
示しているように、カソード電極に第３番目の電極を設
けたドライエツチング装置を用いて、セルフバイアスの
低減化をはかる方法が提案されている。第２図ＩＯは容
器で１１は該容器を真空に排気するだめの真空システム
に連なる排気口である。１２はガス導入管で、１３、１
４はそれぞれ従来の二極型ドライエツチング装置のカソ
ード及びアノードである。試料１７は水冷されたカソー
ド電極上に置かれ、近接して第３番目の電極ｌ５が設け
られ、その電極には多数の穴が設けられておりカソード
電極とはアルミナの絶縁がイシｌ６で間隔を保っている
。電極１５は浮遊電位になっていて高周波電源は１３５
６ＭＴ（　ｚでカソードに印加されている。本方法によ
り従来の二極型よりも加工精度がすぐれダメー２の量が
減少することが明らかにされた。しかしながら使用がス
例えばＣＣＩ４等塩素を含むガスの流量は従来例と変わ
らないし、スルーグツトも増加しない。

又セルフバイアスは外部入力、その他エッチング・ぞラ
メータに依存して二次的に決まり、設定条件が制限され
たものになってしまう等の大きな欠点がある。

本発明は、上記欠点を克服する全く新規な高精度加工可
能なドライエツチング装置及びドライエツチング方法を
提供するものであり放電ノラズマとしては所謂ＰＩＧ放
電をエツチングに適用するものである。その構成原理を
第３図に従って述べることにする。第３図１８はステン
レス容器、１９は該ステンレス容器内を真空にする為の
排気口、２７はエツチングガスの導入管、２０は一方の
平行電極で例えばステンレス円板或いはアルミニウム円
板である。又本電極は必要に応じて電気的に浮かせるよ
うになっている。２１は平行電極で他の電極となるメツ
シー状電極２２を支える円筒状のアルミニウム或いはス
テンレスで形成されている。もちろんこの部分は多数の
穴を有する円板であってもよい。２３は例えば円筒状或
いは中空の円板で他の陽極電極となるもので、図には円
筒状の電極の場合が示されている。２３′は該電極を支
える絶縁材料で例えば石英の円筒である。２４は冷却可
能な試料２５を保持するだめのホルダーで、電気的に任
意の電位に設定できるようになっている。又メツシー状
電極２２と該試料ホルダー２４との距離ｄは可変である
。２６は前記容器１８外におかれた電磁石である。第３
図に於いて真空用０リンダ等は図面の簡略化のため省略
しである。

第４図は大型の放電装置に関する構成実施例で、以下そ
の幾何学的寸法と放電実施例について述べる。２８は直
径４００１１ｍのガラスベルツヤ−で、２９は６インチ
の拡散ポンダ及び油回転ポンプにつながる排気口である
。３０はがス導入系で、本実施例では平行陰極電極３１
を支えるパイプ状金属３１′内にガスを送り込み放電空
間に供給されるようになっている。３１“は陰極電極３
１に設けた開孔である。陰極電極３１は直径２２０龍の
アルミニウム製とした。３２は凹状の金属で、他方の平
行陰極となるべき開口を有する金属電極３３（例えば本
実施例ではメツシュ状金属）を保持し一体となって他方
の平行陰極電極を構成する。凹状の下部の円形部は直径
２２０關φで開孔は２００關φとした。該凹状金属３２
」二にステンレス製メッンユ金属を置いている。又該陰
極間距離は５σとした。３４は外径２４０Ｉｌφ、内径
２３０酊φ、高さ１００１１Ｍの円筒状陽極電極でアル
ミニウムを用いている。３５は基板３６を保持するホル
ダーで基板３６を冷却する機構を有している。本実施例
では水冷とした。３７はベルツヤ−の外部に設けられた
電磁石で、それによって生ずる磁束の方向は前記平行陰
極面に垂直方向である。Ｎ２ｆｆスを導入管３０を通じ
て放電空間に流し、ケ゛−トパルブ３８の開きを調節し
て圧力をｌＯ〜１０　　Ｔｏｒｒの範囲に調節する。例
えば基板電極とメツシー電極間距離を約１ＯＩＩ肩とし
圧力を０．００５　Ｔｏｒｒに設定したときの例につい
て説明する。陽極電極３４に４５０　Ｖ、陰極電極を接
地電位ケし、磁場強度を約１００Ｇとしたとき、前記電
極間のみに非常に０、０６　Ｗ／ｃｒｎ２に対応する（
片方のメツシュ状電極上に接して金属プレートを置いた
とき）。次に金属プレートを除外し第４図の構成で陽極
電極、陰極電極間電流１００　ｍＡとし、基板電極、グ
ランド間に約６．８にΩ挿入したとき基板電極、グラン
ド間に約１０　ｍＡの電流が流れた。この時基板、グラ
ンド間に陽極電圧の約Ａの電圧が生ずることが判った。

基板−グランド間電圧及び電流はその間の抵抗値を変え
ることによってかなりコントロールすることができる。

従ってプラズマ中の荷電粒子が基板に飛び込むときのエ
ネルギーをコントロールできることになる。一般的にエ
ツチング速度は陽極電圧、基板−グラウンド間の抵抗値
等により任意にかえ得る。又陽極電極から流れ出る全電
流及び基板−グラウンド電流は特に０．Ｏ０５Ｔｏｒｒ
のような高真空域で磁場強度によって犬きく変化する。

例えば磁場５０　Ｇａｕｓｓで５０　ｍＡが、１００　
Ｇａｕｓｓで８０ｍＡとなる。今度の例では陽極電極に
正電圧を印加し、陰極電極を接地電位にしたが、陽極電
極に正電位を又陰極電極に負電位を与え、該電極間に放
電ゾラズマを誘起し、かつ基板を接地或いは正或いは負
の電位を与えることによって基板上に薄膜を堆積させる
事も可能であることは言うまでもない。例えば陽極電圧
＋２００ｖで陰極電圧２５０■とほぼ同様な放電が得ら
れ、プラズマ−基板間電位差はこの電位の与え方で自由
又前記平行陰極電極は同電位でなく直流の電位差、を与
えることにより、基板上への粒子の運動エネルギーを容
易にコントロールすることができる。メツシュ状金属上
に接して金属板を置き、例えばメソノー状金属に対し＋
１００Ｖの電位を与え他方を接地し、陽極電圧として＋
４５０Ｖ、磁場１００Ｇ。

真空度０．００５　Ｔｏｒｒの下で放電を観察すると非
対称的な放電を生じ、前記陰極電圧値により該陰極直下
のイオンシースの幅も自由にコントロールされることが
明らかになった。

以上の例では、開口を有する電極例えばメツシュ状金属
を一方の電極として用い、それに対向して基板が置かれ
ている場合の構成を実施例及び放電実験例について述べ
た次両方を開口を有する金属電極とし、それらに対向し
て基板ホルダーを有する場合を第５図に示す。第５図に
おいて３９は例えばステンレス製の真空容器で、４０は
拡散ボン７Ｄ４０’及び油回転ポンプ４０〃に連がる真
空容器３９の排気口である。４１及び４２はメ、／、状
電極、４３は例えば円筒状陽極電極で、４４は外部電磁
石である。該電極間にガス導入管５１により所要のガス
を導入し電極間で放電プラズマを生成し、前記メッンユ
状電極４１．４２に対向した基板ホルダー４５及び４６
上に置かれた基板４７にプラズマ粒子を導きエツチング
する。このように両メツシュ状電極に対向して両側に基
板を設置できる為、従来例に比べて二倍程度の堆積処理
能力を有することが可能となる。５０は前記電極間に生
じた放電プラズマ状態を観察する為の窓である。又４８
及び４９はデートバルブ、５１はベローズで前記ケ°−
トパルブと一体となり放電空間の真空を破ることなく基
板ホルダー４５．４６を大気中に取り出し、基′：・板
をつけかえするだめの機構を構成する。

本発明を基板或いは基板上の薄膜の微細加工に応用する
場合についてその効果について述べる。

第３図に示す装置を用い多結晶のエツチングレイトを調
べる実験を行なった。用いたガスはＣ３Ｆ８で圧力は５
　Ｘ　１０−５Ｔｏｒｒで陽極電極２３に例えば＋５０
０Ｖ％陰極電極２０及び２１を接地電位、基板ホルダー
２４を接地電位とし陰極電極２１及び基板ホルダー２４
の間隔を２０朋、ガス流量を３０８ＣＣＭ、陽極電流と
して８０　ｍＡ　（電力密度としては一方の電極あたり
０．１　Ｗ／ｃｍ２）としたときほぼ５０００　Ｘ／ｍ
ｉｎのエツチングレイトが得られた。

このデータをもとにレジストをマスクにして１μｍ幅の
多結晶Ｓｔ　（厚さ０．４μｍ）形成実験を行なった所
はぼボッ型しジス）　ノｆタンに忠実な幅に加工できる
ことがわかった。又この時レノストはエツチング用マス
クとして十分耐え得ることが明らかになった。本発明は
多結晶Ｓｔのエツチングにとどまらず半導体集積回路を
構成する他の薄膜例えば５ｉ０２膜、ＰＳＧ膜、アルミ
ニウム膜のドライエツチングに適した技術である。アル
ミニウムをエツチングする場合、ガスとしては塩素化合
物例えばＣＣｌ４とかＢＣｌ３が使われる。

この場合エツチング時のガス流量の多少は装置の保守上
も極めて重大な問題である。本発明によるとガス流量は
従来法に比べ大幅に少なくできる為この点からみても非
常に有効と考えられる。又一般に金属配線例えばアルミ
ニウムは凹凸の多いところに形成されるため方向性エツ
チングの強い方式では段差部の所でエツチングされずに
残る可能性がある。しかし本方式によるとエネルギーラ
ノカルコントロール以外に条件次第で方向性、等方性エ
ツチングの両方が可能であり、又、電極間の電圧を変え
る事によりイオンの運動エネルギーを任意に設定できる
等従来方式では成し得なかった領域に於けるドライエツ
チングを可能ならしめた本発明は半導体集積回路、半導
体素子その他高精度な微細加工を要する分野のデバイス
の開発・製造にきわめて大きなイン・やストを与えるも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の２極型リアクティブエッチング装置、第２図は改良されたりアクティブエツチング装置、第３図は本発明の基本構成概念図、第４図は放電実験に用いた装置構成例、第５図は平行陰
極の両方に基板を置く例を示す図である。ｌ・・・下部電極、２・・・上部電極、３・・・被エツ
チング試料、４・・・高周波電源、５，６・・・水冷管
、７゜８・・・排気管、９・・・ガス導入管、１０・・
・真空容器、１１・・・排気口、１２・・・ガス導入管
、１３・・・カノード、１４・・アノード、１５・・・
電極、１６・・・絶縁ガイシ（アルミナ）、１７・・試
料、１８・・・真空容器、１９・・・排気口、２０・・
平行電極の一方、２１・・・他の平行電極（例えばメツ
シュ状電極のホルダー）、２２・・・メツシュ状電極、
２３・・・円筒状電極、２３′・・・電極２３を保持す
る為の石英円筒、２４・・・ホルダー、２５・・・試料
、２６・・電磁石、・２７・・・ガス導入管、２８・・
ガラスベルツヤ−１２９・・・排気口、３０・・ガス導
入管、３１・・・平行陰極電極、３１′・・・・Ｐイゾ
状金属、３１１！　・平行陰極電極３１に設けた開口、
３２・・・他方の平行陰極電極、３３・・・メツシュ状
電極、３４・・・陽袷電極、３５・・基板ホルダー、３
６・・基板、３７・・・外部電磁石、３８・・バルブ、
３９・・・真空容器、４０・・排気口、４０′・・・拡
散ポンダ、４０〃・・・油回転ポンダ、４１．４２・・
・メツシュ状電極、４３・・・陽極電極、４４・・外部
電磁石、４５．４６・・・基板ホルダー、４７・被エツ
チング試料、４８．４９・・・ケ゛−トパルブ、５０・
・・放電のぞき窓、５１・・・ベローズ。第３図第４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）容器内の圧力を減圧状態にする為の排気手段と、
該容器中にガスを導入する手段と該容器内に配置された
複数の電極を備え、該電極間に印加した電界及び前記容
器外戚いは内部に設置された磁界発生器による磁界を励
起源として前記電極間に放電プラズマを誘起させ、前記
電極間に生じたプラズマ粒子の一部により前記電極間隙
外に設置した基板ホルダー上の基板或いは基板上の薄膜
をエツチングすることを特徴とするプラズマエツチング
装置。
（２）複数の電極が平行電極及び該電極面に垂直及び平
行な電界成分を与える他の電極（陽極電極）と、前記平
行電極面に垂直な磁界を与える磁界発生器を有すること
を特徴とする特許請求の範囲第（１）　項記載のプラズ
マエツチング装置。
（３）　　平行陰極電極に同じ電位を与え、他の電極に
正電位を与えることを特徴とする特許請求の範囲＝　（
１）項記載のプラズマエツチング装置。
（４）　　平行陰極電極に電位差を与え、且つ他の電極
に正の電位を与えることを特徴とする特許請求の範囲第
（１）項記載のプラズマエツチング装置。
（５）減圧状態にした容器内に、平行陰極電極及び該陰
極電極面に対し垂直及び平行な電界成分を与える他の陽
極電極を配し、これら電極間に電圧を与え原料ガスを供
給しながら、前記平行陰極面に垂直な磁場を印加させて
該電極間に放電プラズマを誘起し、該プラズマ粒子を前
記電極間外に置かれた基板に導きエツチングすることを
特徴とするプラズマエツチング方法。
（６）　　平行陰極電極の少なくとも一方は開孔を有す
る電極であり、かつ該平行陰極電極に接地電位もしくは
負の直流電位を与え、他の陽極に正電位を与えることを
特徴とする特許請求の範囲第（５）項記載のプラズマエ
ツチング方法。