JPS6049628A - 反応性イオン・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］ 本発明は反応性イオン・エツチング（ＲＩ　Ｅ）に関す
るものであり、さらに詳細に述べれば、陰極の働きをす
るパレットを備え、このパレットの表面全体にわたって
非常に一様なエツチングを行うことができる反応性イオ
ン・エツチング装置に関するものである。

［従来技術］ 半導体装置の製造において、半導体ウェーハ等の製作品
をパターン化するために乾式加工法を使用することにか
なりの興味が持たれている。乾式エツチング法に対する
興味は、湿式の化学薬品を用いるエツチングによる、寸
法および形式制御の問題を解決することに基くものであ
る。乾式エツチング法の中では、反応性イオン・エツチ
ングが好まれ、特にエツチング速度が高く、エツチング
した材料の縁部が非常に良く規定されるため、超大規模
集積（ＶＬＳＩ）に要求される超精密解像度の場合に適
している。

大量の半導体装置を処理する必要性から、多重ウェーハ
・バッチＲＩＥシステムが使用されるようになった。ス
ループット即ち処理能力を高め、同時に多数のウェーハ
を、人間の干渉なく加工するために、ＲＩＥシステムが
自動化されて来た。

自動ＲＩＥシステムでは、ウェーハは自動的に輸送、取
付け、加工、取外しが行われる。

ＲＩＥシステムは通常陽極と陰極を設けた容器からなる
。陰極は陽極に対して高周波（ＲＦ）電位により負にバ
イアスされている。エツチングされる表面は、適当なマ
スクで覆われ、直接陰極上に、または陰極に電気的、機
械的に接続したパレット上に置かれる。ＣＦ４等、化学
的に反応性のあるガスが、通常ミリトール台の圧力に保
たれた容器に導入される。陽極と陰極の間の領域に生じ
る電界により、反応性ガスが解離し、容器内にプラズマ
を生じる。プラズマ中の化学的に反応性のあるイオンは
陰極に吸引され、これによりエツチングされる表面に衝
突する。明らから、表面は活性イオンの化学的相互作用
と、表面に打ちつけられるイオンの運動旦輸送の両方に
よりエツチングされる。電界がイオンを陰極に引きつけ
ることにより、イオンはエツチングされる表面に垂直に
衝突し、このため、はっきり規定され、垂直にエツチン
グされた側壁が得られる。

エツチング速度およびエツチングの効率を高めるため、
気体プラズマは通常陰極と陽極の間の小さい反応容積に
限定される。この比較的小さい反応容積を得るための方
法の１つに、平担な円板状の陰極と、陰極を覆い、陰極
と電気的に絶縁されたキャップ型の円筒形の陰極の使用
があげられる。

この装置では、陰極の直径は陽極の直径より小さいため
、円筒形の陽極の内面と、陰極板の間に空間を生じる。

したがって、この反応容積の中央部における電界は均一
で、陰極の表面に垂直であるが、陰極の外縁部での電界
は円周上の位置により異なり、陰極表面に対して垂直で
はない。反応容積における電界が不均一なため、陰極の
円周上の各位置に置かれたウェーハのエツチング速度は
均一でな・く、陰極中央におけるエツチング速度は、外
縁部におけるエツチング速度より大きい。また、陰極外
縁部における電界は、陰極表面に垂直ではないため、外
縁部に置かれたウェーハのエツチングしたプロフィルは
良好ではない。

ウェーハを反応容積から出し入れする、通常シリコン製
のパレットを使用した自動ＲＩＥシステムでは、同様の
エツチング速度の不均一性と、エツチングされた材料の
縁部が良く規定されないことが生じる。パレットの直径
は、たとえば、エツチング工程が終了したときに、パレ
ットを徐々に陰極から引上げ、処理室から運び出すため
に５、陰３− 極の直径より幾分大きくすることが必要である。

この除去可能なパレットによるＲＩＥ装置では、パレッ
トの直径は陰極の直径より大きいため、パレットが直接
陰極と接触する（または重なる）部分、および陰極の周
辺から約２．５ｃｍの部分まで電界は均一で、パレット
表面に垂直である。換言すれば、パレットの周辺から約
２．５国の環状部分では電界は不均一で、電界線は各角
度に傾斜している。この電界の強さおよび方向の変化に
より、パレット外周部に置いたウェーハのエツチング速
度は不均一となり、エツチングした表面のプロフィルは
不良となる。

［発明が解決しようとする問題点コ 」１記の照点を解決するための方法の１つは、米国特許
第４２８３２４９号明細書の第１図に示すように、陰極
」二に金属板を設けて陰極を拡大する方法である。この
ような装置では、陰極面積は拡大し、その上の電界は均
一で陰極表面に垂直であるが、陰極材料のスパッタを生
じ（非常に低い電力密度でも）、これがエツチングされ
ている表面４− に逆拡散して障害の原因になる。もう１つの欠点は、金
属陰極が反応性イオン種を均一、高密度に保つことがで
きないため、反応容積中にいわゆるローディング問題を
生じることである。

他の解決方法は、エツチングされるウェーハをパレット
／陰極の中央に向けて置き換えるか、またはその代りに
、パレット／陰極の縁部の電界をパレット／陰極の表面
に垂直になるよう改良することである。しかし、これら
の方法はいずれも大幅な変更を要し、特に固定式の自動
処理ＲＩＥシステムでは、かかるシステムに要求される
高いスループットを保つためには極めて高価となる。

［問題を解決するための手段］ したがって、本発明の目的は一全ての製作品にわたって
エツチングの一様性を高めたＲＩＥ装置を提供すること
にある。

本発明により、陰極表面全体にわたってエツチングの一
様性のすぐれたＲＩＥ装置を提供することができる。

さらに本発明により、エツチングした製作品に汚染物質
を導入することなく、陰極と電気的に関係付けられた製
作品のバッチ処理を通じて、エツチングの一様性のすぐ
れたＲ、　Ｉ　Ｅ装置を提供することにある。

本発明の目的および利点は、本明細書に開示する、新し
いＲＩＥ装置を用いることにより達成される。本発明の
一実施例では、キャリアが複数のウェーハを乗せたパレ
ットを、Ｒ，Ｉ　Ｅチェンバ外のロード・アンロード部
から出し入れできる自動ＲＩＥ装置が提供される。ＲＩ
Ｅの陰極は円板状で、陰極はキャップ状であり、陰極を
包み、中間に閉された反応領域を形成している。陽極は
ＲＩＥチェンバ内に固定され、陰極は陽極に対して可動
である。パレツ１−は円板状の複合構造で、キャリアが
パレツｌ−を陰極から除去することができるように、パ
レットの直径は陰極の直径より大きくなっている。複合
パレツ１−は、複数の半導体ウェーハを保持する−１一
部絶縁層と、上部層に接着した下部導電層からなり、パ
レットが陰極」二に置かれたとき、下部導電層は、パレ
ッ１〜の全面で一様な反応性イオン・エツチングが行え
るよう、陰極の延長を形成する。実施例の１つでは、パ
レットの」二部絶縁層はシリコンであり、下部導電層は
アルミニウム等の導電性金属である。

［実施例コ 第１図、第１Ａ図および第１Ｂ図に示すＲＩＥ装置の実
施例は、加工チェンバ１０からなり、加工チェンバ１０
は、ウェーハを自動的に加工チェンバから出し入れする
ためのスリット・バルブ開口部１１からなるものである
。チェンバ１０は、出口１２を通じて高真空に減圧でき
る構造になっている。加工チェンバ１０にはまた、チェ
ンバ内に適当な加工ガスを導入してエツチングを行うた
めに用いる各種のガス源に接続したガス入口１３が設け
られている。チェンバ１０内には、陽極１４および陰極
１５が設けである。陽極はチェンバ１０内のガス入口１
３に相当する小さい開口部を有するほか、底部は開き、
上部は閉じた円筒形をなしている。陽極１４の下端は内
部に向って拡がったリップ１６が設けられている。陽極
１４はスフ− テンレス鋼等の、導電性材料で作られており、加工チェ
ンバ１０の内部に機械的に取付けられている。

陰極１５は、陽極１４の反対側に位置し、平らな円板状
である。この陰極１５は、エツチング工程に反応性のな
い導電性材料で作られた高周波電極であることが好まし
い。適当な陰極材料にはステンレス鋼、銅などがある。

陰極］５は、陰極に対してパレットを正確に位置決めす
るために、直径上に相対して２本のピン１７が設けられ
ている（第１Ａ図に示す）。

固定された陽極１４に対して、陰極１５は陽極に対して
垂直方向に動かすことができる。これは上端を陰極１５
に、下端を上下動装置１９に導電性張り合わせ材料２２
を通じて堅固に取り付けたブロック１８により達成され
る。陰極ＲＦが」１下装置１９に印加されるのを防ぐた
め、ブロック１８はたとえばセラミック等の＃！！縁材
料で作られている。導電性張り合わせ材料２２は、ブロ
ック１８を包んでいる。この導電性のケース２２は、陰
８− 極の接地シールドとして機能し、陰極の下のガスがイオ
ン化するのを防ぐとともに、陰極・陽極間にプラズマを
含ませるのに役立つ。導電性ケース２２には外側に突出
したリップ２３が設けられている。陰極１５は、第１Ａ
図および第１Ｂ図に２０で示したギャップにより、導電
性ケース２２から物理的に分離しており、陰極１５とケ
ース２２が短絡するのを防いでいる。ケース２２の下端
は、陰極１５の上下により圧縮、膨張することのできる
金属製ベローズ２４に取付けられている。ベローズ２４
は主として加工チェンバ１０内部の真空状態を保つのに
用いられる。

本発明の原理によれば、エツチングされる多数のウェー
ハは、位置を示したパレット２５に取付けられる。パレ
ット２５は通常円板状で、直径は陰極１５の直径より大
きい。パレット２５の直径は、加工室１０から出し入れ
するために陰極１５上に張り出したパレッ１−の環状部
２６を用いてキャリア３１上にパレットを下すために、
陰極の直径より大きくする必要がある。第２図を参照す
ると、パレット２５の実施例は、非導電性材料で作った
表面板２７と、表面板２７に堅固に取り付けた、導電性
材料で作った底面板２８からなる複合構造である。実施
例では表面板２７はシリコンで、底面板２８はアルミニ
ウムで作られている。表面板２７は、エツチングされる
ウェーハを受けとるために、複数の凹んだポケット２９
　（通常は約８個）を有している。凹み２９の深さはウ
ェーハの厚みとほぼ同一である。パレット２７は底部に
陰極ピン１７−１７と合うピン穴３０−３０が設けられ
ている。この方法でピン穴３０−３０を陰極ピン１．７
−１７と合わせることにより、パレッ１へ２７が陰極１
５と正しく位置合わせができるだけでなく、陰極に対し
てウェーハを正確に位置合わせすることができる。

複合パレット２５は、数種類の方法で構成することがで
きる。その１つはシリコンの表面板の裏面に導電性金属
を蒸着させる方法である。もう１つは、金属のベース・
プレー１−をシリコンの表面板に、Ａｐｉｅｚｏｎ　Ｐ
ｒｏｄｕｃｔｓ　Ｌｊｍｉｔｅｄ、　Ｌｏｎｄｏｎ。

Ｅｎｇ］、ａｎｄの製造する商品名Ａｐｉｅｚｏｎのよ
うな高真空用グリースを用いて接着する方法である。

上記の真空用グリースは複合パレッ１−２５の下面に塗
布し、パレッ１へ２５と陰極１５の間の熱伝導を良好に
するためにも用いることができる。

凹み２９に置いたウェーハはすべてその位置に関係なく
、パレット２５と熱的に接触し、一方パレット２５は、
ベース・プレート２８を介して陰極１５と熱的に接触し
ている。

陰極１５は、パイプ３ｏ内を循環する冷却水により冷却
され、複合パレット２５と陰極１５の間の熱的接触が良
好なため、パレット２５も同時に冷却される。パレット
２５上のウェーハを冷却することには利点がある。冷却
をしないと、エツチング工程中に発生した熱により、ウ
ェーハに含まれる材料（たとえばフォトレジスト）が流
動し、このため製作中のデバイスの寸法が影響を受ける
ことがある。さらに、ウェーハの温度を、ウェーハ表面
が所定の適温に保たれるように制御することにより、エ
ツチング速度が温度依存性のある材１１− 料を、比較的均一に、かつ効率良くエツチングすること
ができる。

加工チェンバ１０には、複合パレッ１〜２５を出し入れ
する場合に、パレット２５を運ぶのに用いられるキャリ
アまたはトレイ３１が含まれている。

キャリア３１は、中央に円形の開口部、底面内部には円
形の突起３２があり、この円形の突起３２により、その
中央の開口部の直径より大きい直径を持つキャリア３１
に、凹んだ円形のポケットを生成する。キャリア３１の
凹んだポケットの直径は、複合パレット２５の直径より
わずかに大きく、パレット２５が環状の突起３２上に乗
り、運ばれている間、パレット２５はキャリア３１の上
面より下または同じ高さにある。キャリアは通常ステン
レス鋼製で、パレット２５を正しく位置合わせするため
のピン（図示されていない）が設けられている。

キャリア３１および複合パレット２５を組合わせたもの
は、フレーム（図示されていない）により加工チェンバ
１０から出し入れされる。

１２− ＲＦ電源３３は、陽極１４に対して陰極１５を効果的に
負にバイアスする。

本発明のＲＩＥ装置の操作を、第１−図、第１Ａ図、お
よび第１Ｂ図を参照して、次に簡単に説明する。エツチ
ングされるウェーハを、凹んだポケット２９に１枚ずつ
入るように、複合パレット２５上に置く。この操作は通
常加工チェンバの外で行う。次に第１Ａ図に示すように
、キャリア３１とパレツ１〜２５を組合わせたものを、
スリット、バルブ開口部１１を通して加工チェンバ１ｏ
に送り、″下″の位置で示すように、固定陽極１４と可
動陰極１５の間に置く。キャリア３１とパレット２５が
陽極と陰極の間に正しく置かれると、陰極１５は上下装
置１９により、陰極ピン１７−１７がパレットのピン穴
３０−３０にけい合するように持上げられる。さらに陰
極を引上げると、キャリアの突起３２からパレット２５
が持上げられ、第１Ｂ図に示すように陰極ケースのリッ
プ２３がキャリア３１にけい合する。陰極をさらに１′
上″の位置（第１図）まで引上げると、陰極ケースのリ
ップ２３はキャリア３１を持」二げ、円形の陽極リップ
１６にけい合する。この“上”の位置では、陽極１４は
キャリア３１および陽極ケース２２−２３とともに、ウ
ェーハの反応容積３４を形成する。

シリコン・ウェーハ上に析出した石英（すなわち二酸化
シリコン）皮膜をエツチングするため、たとえばＣＦ４
に少量の酸素を混合したもの等、エツチング用ガスを、
ガス入口１３を通して反応容積内に導入する。酸素は、
エツチング工程を促進すると同時に、ＣＦ４が金属を蒸
着した陽極１４、キャリア３２等と反応して生じる炭素
の析出物の蓄積を防止する。反応容積３４内がミリ１〜
−ル台の低圧に保たれた後、ＲＦ電源のスイッチングを
入れて陰極１５を負にバイアスし、これにより導電性の
複合パレット２５を陽極１４に対して負にバイアスする
。陰極１−５と、陽極１−４の天井との距離が固定され
ており、パレット２５が金属のベース・プレート２８に
より、陰極１５をパレット２５の直径に相当する直径に
まで拡大するため、陰極と陽極との間の領域に、実質的
に均一かつ垂直な電界を生成する。したがって反応性プ
ラズマからの正のＣＦ３イオンが、陰極に垂直方向に吸
引される。吸引されたイオンの一部はウェーハに衝突し
、化学反応を生じてマスクで覆われていない部分をエツ
チングする。電界は均一で、かく垂直方向であるため、
パレット表面全体にわたってエツチング速度は均一で、
エツチングされさ表面は良好に定義され、垂直にエツチ
ングされた壁面のプロフィルを持つ。

本発明によるウェーハ全面のエツチング速度の均一性と
、シリコン・パレットを使用した従来のＲＩＥ装置によ
るエツチング速度との比較のグラフを第３図に示す。い
ずれの場合も陽極１４の内径と、陰極１５の直径は、そ
れぞれ約４５■およヒ約３４　ｃｒｎと同一である。従
来法のシリコン・パレットの直径と、本発明による複合
パレットの直径も同一で約３９■である。従来法のシリ
コン・パレットの厚みと、本発明による複合パレットの
厚みも同じで、約０．６ａｎであるが、複合パレッ＝１
５− トにはさらに厚みが約０．１１ｍのアルミニウムの底部
層を有している。ウェーハのエツチングは約２７５ワツ
トの電力を用い、反応容積内の処理ガス圧力は約２０ミ
クロン、処理ガスの流量は５〜６８ＣＣＭで行った。エ
ツチング速度は監視されるウェーハの位置を垂直に照明
し、反射光を測定するレーザ装置を用いて監視し、レー
ザに接続したアナログ・ディジタル変換器およびディジ
タル・プロセッサにより、信号の自動処理を行った。

第３図には、石英のエツチング速度をシリコン・ウェー
ハの位置の関数として示しである。示されたデータは、
円形装置内のパレツｌ−に（凹んだポケット内に）取付
けた８個の８２ｎｎ＋ウエーハのバッチの１つを示した
ものである。第３図に示したエツチング速度は、同一の
凹んだポケット（ポケット７）に取付けたウェーハに相
当するデータである。ウェーハ」二の１の位置は、パレ
ットの縁部に近い点に相当し、５の位置は、パレットの
中央に近い点に相当する。

第３図から、従来のシリコン・パレットを使用１６− したＲＩＥ装置の場合、石英のエツチング速度にはウェ
ーハの場所により著しい差があることが明らかである。

パレット縁部（１の位置に相当）でのエツチング速度（
毎分約３３オングストローム）は、パレット中央部（５
の位置に相当）より著しく低い。これに対して、本発明
による複合パレツ１−を使用した場合は、その他の条件
を従来法のＲＩＥ装置における条件と同じにした場合、
パレット全体を通じてのエツチング速度の差は最小（毎
分１０オングストローム未満）となる。

パレット中央部（たとえば４および５の位置）における
、従来法の装置および本発明によるエツチング速度の差
は、２つの場合における陰極の有効面積の差による電力
密度の差に起因するものである。従来法の装置では、Ｒ
Ｆ電位が小面積、すなわちパレットが陰極に直接接触し
、陰極と重なる関係にあるパレットの面積に印加される
ため、電力密度が高くなる。

上に示すように（第３図）一定の直径方向に沿ってのエ
ツチングの均一性がすぐれている以外に、ウェーハに対
する３σのエツチング均一性は、ウェーハの１９の位置
におけるデータに基いて、７％未満であり、これは従来
装置の３σの値が、ウェーハの全バッチについて見られ
た。

［発明の効果］ 要約すれば、複合パレットは、ＲＩＥに組込んだ場合、
各ウェーハの表面全体だけでなく、パレットに取付けら
れ、陰極と電気的に関係付けられたすべてのウェーハに
ついて、すぐれたエツチング速度の均一性が得られる。

このエツチング速度の均一性がすぐれていることは、パ
レットに設けられ、陰極の電位をパレットの周縁部にま
で拡大し、これによりパレットの表面全体に対して実質
的に垂直かつ均一な電界を生成する導電性の底面による
ものである。パレツ１への上面はシリコンで作られてい
るため、シリコンのすぐれたエツチング速度比特性が保
持されている。

このように、本発明により提供される改良されたＲＩＥ
装置は前記した目的および利点を完全に満足する。

１９一 本発明は、特定の好ましい実施例について説明したが、
上記の説明から、多くの代替、修正および変形が可能で
あることは明らかである。また、本装置は、石英皮膜の
エツチングに関して説明したが反応ガス、電力、圧力お
よびエツチング温度を適切に選択すれば、各種材料のエ
ツチングに適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理による自動ＲＩＥ装置の１例の
断面図である。第１Ａ図および第１Ｂ図は、第１図のＲ
ＩＥ装置の操作の各段階における断面図である。 第２図は本発明による複合パレットの断面図である。 第３図は、従来のＲＩＥ装置および本発明のＲＩＥ装置
を用いてウェーハ上の石英コーティングをエツチングし
た場合の、ウェーハの位置とエツチング速度の関係を示
すグラフである・１５・・・・陰極、２５・・・・パレ
ット、２７・・・・非導電性材料の表面板、２８・・・
・導電性材料の底面、２０− 扱口 出願人　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・
コーポレーション 代理人　弁理士　岡　１）　次　生 （外１名） ↓ ＦＩＧ、　１Ｂ ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ、　３

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 円板状の陰極の」二に、直径が前記陰極よりも大きな上
   部絶縁層及び下部導電層から成る円板状のパレツ１〜を
   設けた、反応性イオン・エツチング装置。