(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空室の上部に上部電極を設け、前記上部電極を高周波電源に接続し、前記上部電極の周辺部を誘電体で構成すると共に前記誘電体内に高周波コイルを埋め込んで真空室内に放電アンテナを形成してなるプラズマ発生装置を有し、真空室の側壁部を金属円筒体で構成し、前記真空室の下部には前記上部電極と対向させて基板電極を設け、前記基板電極を高周波電源に接続し、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、プラズマを形成するとともに導入気体を分解し、プラズマに接する前記基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して前記基板電極上に載置されたレジストを備えた基板をエッチングする反応性イオンエッチング装置において、
前記上部電極の内壁が、CF結合を有する高分子化合物、硅素材もしくは炭素材の少なくともいずれかを含み、
前記上部電極、前記高周波コイル及び前記基板電極に接続されたそれぞれの電源を制御して、前記上部電極と前記高周波コイルに電力を供給して前記上部電極をスパッタする制御と、前記上部電極、前記高周波コイルと前記基板電極に電力を供給して前記基板電極上の基板をエッチングする制御を切り替える電力制御手段を設けたことを特徴とする反応性イオンエッチング装置。
【請求項２】
前記上部電極をスパッタする制御の時に真空室に導入されるガスがハロゲン化合物を含むことを特徴とする請求項１に記載の反応性イオンエッチング装置。
【請求項３】
真空室の上部に上部電極を設け、前記上部電極に高周波電力を供給できるようにし、前記上部電極の周辺部を誘電体で構成すると共に前記誘電体内に高周波コイルを埋め込んで真空室内に放電アンテナを形成してなるプラズマ発生装置を有し、前記真空室の側壁部を金属円筒体で構成し、前記真空室の下部には前記上部電極と対向させて基板電極を設け、前記基板電極に高周波電力を供給できるようにし、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、プラズマを形成すると共に導入気体を分解し、プラズマに接する前記基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して前記基板電極上に載置されたレジストを備えた基板をエッチングする反応性イオンエッチング方法において、
前記上部電極の内壁材料として、CF結合を有する高分子化合物、硅素材もしくは炭素材の少なくともいずれかを用い、
ガス導入後に前記上部電極と前記高周波アンテナに電力を供給して前記上部電極をスパッタエッチングして前記基板電極上に載置された基板上に皮膜を形成し、その後、前記基板電極、前記高周波コイル、前記上部電極に電力を供給するようにしたことを特徴とする反応性イオンエッチング方法。
【請求項４】
前記皮膜を形成するためのガスとしてハロゲン化合物を前記真空室に導入することを特徴とする請求項３に記載の反応性イオンエッチング方法。
【請求項５】
真空室内に連続して存在する磁場ゼロの位置である環状磁気中性線を形成する磁場発生手段を設けると共に、この磁気中性線に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生させる１重を含む多重の高周波コイルを設けて成るプラズマ発生装置を有し、前記真空室の側壁部を金属円筒体で構成し、前記真空室の下部に基板電極を、前記真空室の上部には前記基板電極と対向させて上部電極を設け、基板電極及び上部電極をそれぞれ高周波電源に接続し、前記上部電極の周辺部を誘電体で構成すると共に誘電体内に上記高周波コイルを埋め込んで真空室内に放電アンテナを形成し、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、プラズマを形成すると共に導入気体を分解し、プラズマに接する前記基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して電極上に載置されたレジストを備えた基板をエッチングする反応性イオンエッチング装置において、
前記上部電極の内壁が、CF結合を有する高分子化合物、硅素材もしくは炭素材の少なくともいずれかを含み、
前記上部電極、前記高周波コイル及び前記基板電極に接続されたそれぞれの電源を制御して、前記上部電極と前記高周波コイルに電力を供給して前記上部電極をスパッタする制御と、前記上部電極、前記高周波コイルと前記基板電極に電力を供給して前記基板電極上の基板をエッチングする制御を切り替える電力制御手段を設けたことを特徴とする反応性イオンエッチング装置。
【請求項６】
前記上部電極をスパッタする制御のときに真空室に導入されるガスがハロゲン化合物を含むことを特徴とする請求項５に記載の反応性イオンエッチング装置。
【請求項７】
真空室内に連続して存在する磁場ゼロの位置である環状磁気中性線を形成する磁場発生手段を設けると共に、この磁気中性線に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生させる１重を含む多重の高周波コイルを設けて成るプラズマ発生装置を有し、前記真空室の側壁部を金属円筒体で構成し、前記真空室の下部に基板電極を、前記真空室の上部には前記基板電極と対向させて上部電極を設け、前記基板電極及び前記上部電極をそれぞれ高周波電力を供給できるようにし、前記上部電極の周辺部を誘電体で構成すると共に誘電体内に前記高周波コイルを埋め込んで前記真空室内に放電アンテナを形成し、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、プラズマを形成すると共に導入気体を分解し、プラズマに接する前記基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して電極上に載置されたレジストを備えた基板をエッチングする反応性イオンエッチング方法において、
前記上部電極の内壁材料として、CF結合を有する高分子化合物、硅素材もしくは炭素材の少なくともいずれかを用い、
ガス導入後に前記上部電極と前記高周波アンテナに電力を供給して前記上部電極をスパッタエッチングして前記基板電極上に載置された基板上に皮膜を形成し、その後、前記基板電極、前記高周波コイル、前記上部電極に電力を供給するようにしたことを特徴とする反応性イオンエッチング方法。
【請求項８】
前記皮膜を形成するためのガスとしてハロゲン化合物を真空室に導入することを特徴とする請求項７に記載の反応性イオンエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを利用して、半導体上或いは電子部品、その他の基板上の物質をエッチングする方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種のエッチング技術としては種々のものが知られており、その一つとして添付図面の図４に磁気中性線放電エッチング装置を示す。真空室Ａはその側壁部を金属円筒体で構成され、その外側に磁気中性線形成用の三つのコイルＢから成る磁場発生手段が設けられ、真空室Ａの下部には基板電極Ｃを、また上部には基板電極Ｃと対向させて上部電極Ｄを設け、上部電極Ｄの周辺部は誘電体Ｅで構成され、この誘電体Ｅ内に高周波コイルＦが埋め込まれ、真空室Ａ内に放電アンテナを形成している。基板電極Ｃ、上部電極Ｄ及び高周波コイルＦはそれぞれバイアス用高周波電源Ｇ、高周波電源Ｈ及びプラズマ発生用高周波電源Ｉに接続されている。なお、図４においてＪは真空室Ａの側壁部の内側に沿って設けられた防着板、Ｋは反応ガス導入部、Ｌは真空室Ａの排気口である。
磁場発生手段すなわち真空室Ａの側壁部の外側に配置された三つのコイルＢにより真空室Ａ内に連続して存在する磁場ゼロの位置である環状磁気中性線が形成される。この磁気中性線に沿って、上部電極Ｄの周辺部の誘電体Ｅ内に埋設された放電アンテナＥにプラズマ発生用高周波電源Ｉから高周波電場を印加することにより、リング状のプラズマが形成される。エッチングガスは図示してない流量制御器を通して上部天板付近の周囲より導入され、コンダクタンスバルブの開口率によって圧力が制御される。下部の基板電極Ｃにはバイアス用高周波電源Ｇからバイアス用の高周波電力が印加される。
【０００３】
図４に示す磁気中性線放電エッチング装置の動作について説明する。
図示してない流量制御器を通して上部天板付近の周囲より真空室Ａ内にエッチングガスが導入され、誘電体Ｅ内に埋設された放電アンテナＦに高周波電力が印加され、プラズマが形成されて導入ガスが分解される。磁気中性線放電では真空中にリング上に形成される磁気中性線の部分に密度の高いプラズマを形成するため、リングに沿って形成される誘導電場を有効利用するものでる。この方法によって、容易に1011cm-3の荷電粒子密度を持つプラズマが形成される。下部の基板電極Ｃにはバイアス用高周波電源Ｇからバイアス用の高周波電力が印加される。ブロッキングコンデンサーによって浮遊状態になっている基板電極Ｃは負のセルフバイアス電位となり、プラズマ中の正イオンが引き込まれて基板上の物質をエッチングする。
この場合、エッチングは、高周波アンテナＦ、上部電極Ｄ及び基板電極Ｃそれぞれにほぼ同時に電力を印加して行われる。
【０００４】
図５は、従来から用いられている誘導結合エッチング装置の一例を概略的に示している。真空室Ａはその側壁部を金属円筒体で構成されている。真空室Ａの下部には基板電極Ｃを、また上部には基板電極Ｃと対向させて上部電極Ｄを設け、上部電極Ｄの周辺部は誘電体Ｅで構成され、この誘電体Ｅ内に高周波コイルＦが埋め込まれ、真空室Ａ内に放電アンテナを形成している。基板電極Ｃ、上部電極Ｄ及び高周波コイルＦはそれぞれバイアス用高周波電源Ｇ、高周波電源Ｈ及びプラズマ発生用高周波電源Ｉに接続されている。なお、図５においてＪは真空室  Ａの側壁部の内側に沿って設けられた防着板、Ｋは反応ガス導入部、Ｌは真空室Ａの排気口である。
この場合も、エッチングは同様に、高周波アンテナＦ、上部電極Ｄ及び基板電極Ｃそれぞれにほぼ同時に電力を印加して行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図４及び図５に示すような従来技術では、高周波アンテナ、上部電極、下部基板電極それぞれにほぼ同時に電力を印加してエッチングが行われていた。その結果、特に図４に示すような磁気中性線放電プラズマ方式を利用した例では均一性が良く、高いエッチング速度で酸化膜の微細加工ができるようになった。しかしながら、レジストに対する選択比は３前後と低く、より以上の選択比を得ようとすると微細な孔が埋まってしまいエッチングできない等の問題があった。
【０００６】
エッチングにおいては、反応性の高いラジカル及びイオンを基板に照射して基板物質との反応により基板物質をガス化して蝕刻するが、単に削ればよいわけではなく、微細化に伴いより形状制御が重要になってきている。このためにはエッチャントの他に微細孔内部の壁面に付着してイオンの当たらない側壁を保護する働きをする物質もプラズマ中で生成されなければならない。0.3μｍ幅以下の微 細加工ではこのエッチャントと保護物質との相対濃度及び孔内部への相対的な到達量が重要になる。
保護物質がエッチャントに対して多くなり過ぎると、0.3μｍ幅以下の微細孔 は、保護物質により埋まってしまい、いわゆるエッチストップが起こって、削れないことになる。逆に、保護物質が少なすぎると、エッチャントによって側壁が削られて、Bowingが発生したりテーパー形状となって、望ましい形状が得られない。また、微細な構造をレジストに転写するのに光リソグラフィーが行われるが、解像度を上げるため焦点深度が浅くなり、0.1μｍ幅付近の微細加工ではレジ ストの厚みを0.5μｍにしなければならない。このようにレジストが薄くなるた め、酸化膜エッチングの場合、レジストに対する選択比として５以上が必要になる。
しかしながら、従来の方法において微細加工できる条件では、上下電極に印加する高周波電力及びアンテナに印加する高周波電力の相対値を変えても、あるいは導入するガスの組成比を変えても、レジストに対する選択比を４以上にすることができなかった。
【０００７】
そこで、本発明は、このような従来技術に伴う問題点を解決して、レジストに対して高い選択比でエッチングを行うことのできる反応性イオンエッチング方法及び装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、磁気中性線放電型または誘導結合型エッチングにおいて、最初に高周波アンテナ及び上部電極に電力を印加し、時間をおいて基板電極に電力を印加するように構成される。
【０００９】
例えば、上部電極面にＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)を載置し、ガスとしてＣＦ4を用いたとき、ＣＦ3ラジカルやＣ2Ｆ4が多量に生成される。導入ガスがプラズマ分解されると、ＣＦ3、ＣＦ2、ＣＦ、Ｆになる。また、それらのイオンも生成され、負の自己バイアスになっている基板電極表面に衝突し、電極表面材のＰＴＦＥをスパッタする。ＰＴＦＥの分子構造上の終端部は−ＣＦ3であ り、鎖状の部分は−ＣＦ2−ＣＦ2−で構成されている。従つて、スパッタされたＰＴＦＥからＣＦ3やＣ2Ｆ4が生成されやすい。その結果、ＣＦ3やＣ2Ｆ4が多量に検出されることになる。
【００１０】
上部電極面にグラファイトを用いたときには、ＣＦラジカルが多量に検出される。多分、ＣＦ4のプラズマ分解によって生成されたＦ原子がグラファイトと結 合して最表面で−ＣＦ結合を作り、それがスパッタされるためと思われる。
上部電極面にポリシリコンを用いたときには、ＳｉＦ、ＳｉＦ2ラジカルが多 量に検出され、Ｆ原子（ラジカル）の減少が見られた。多分、ＣＦ4のプラズマ 分解によって生成されたＦ原子がポリシリコンと結合して最表面で−ＳｉＦｘ結合を作り、それがスパッタされるためと思われる。
【００１１】
このように、分解したガスが電極材と反応し、スパッタによってエッチングに有用な物質や重合の前駆物質として気相中に析出させることができ、また、レジストとの選択比を減少させるＦ原子の量を少なくする作用もある。基板電極に高周波電力を印加しないと、上部電極上で発生した重合前駆物質が基板上に堆積する。基板全体に堆積するのでパターニングされた微細孔或いは溝部内部にも堆積膜が形成される。バイアス電力を印加して基板をエッチングする場合、この皮膜が厚すぎると微細孔或いは溝部がエッチングされなくなる。薄すぎるとレジストに対する選択比は向上しない。従って、このレジスト保護膜形成時間はエッチング条件によって適宜選択されなければならない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の一つの実施の形態によれば、真空室の上部に上部電極を設け、前記上部電極を高周波電源に接続し、前記上部電極の周辺部を誘電体で構成すると共に前記誘電体内に高周波コイルを埋め込んで真空室内に放電アンテナを形成してなるプラズマ発生装置を有し、真空室の側壁部を金属円筒体で構成し、前記真空室の下部には前記上部電極と対向させて基板電極を設け、前記基板電極を高周波電源に接続し、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、プラズマを形成するとともに導入気体を分解し、プラズマに接する前記基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して前記基板電極上に載置されたレジストを備えた基板をエッチングする反応性イオンエッチング装置において、
前記上部電極の内壁が、CF結合を有する高分子化合物、硅素材もしくは炭素材の少なくともいずれかを含み、
前記上部電極、前記高周波コイル及び前記基板電極に接続されたそれぞれの電源を制御して、前記上部電極と前記高周波コイルに電力を供給して前記上部電極をスパッタする制御と、前記上部電極、前記高周波コイルと前記基板電極に電力を供給して前記基板電極上の基板をエッチングする制御を切り替える電力制御手段が設けられる。
【００１３】
本発明の別の実施の形態によれば、前記の反応性イオンエッチング装置を用いた方法において、
前記上部電極の内壁材料として、CF結合を有する高分子化合物、硅素材もしくは炭素材の少なくともいずれかを用い、
ガス導入後に上部電極と高周波アンテナに電力を供給して前記上部電極をスパッタエッチングして基板電極上に載置された基板上に皮膜を形成し、その後、前記基板電極、前記高周波コイル、前記上部電極に電力を供給するように構成される。
【００１４】
本発明のさらに別の実施の形態によれば、真空室内に連続して存在する磁場ゼロの位置である環状磁気中性線を形成する磁場発生手段を設けると共に、この磁気中性線に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生させる１重を含む多重の高周波コイルを設けて成るプラズマ発生装置を有し、前記真空室の側壁部を金属円筒体で構成し、前記真空室の下部に基板電極を、前記真空室の上部には前記基板電極と対向させて上部電極を設け、基板電極及び上部電極をそれぞれ高周波電源に接続し、前記上部電極の周辺部を誘電体で構成すると共に誘電体内に上記高周波コイルを埋め込んで真空室内に放電アンテナを形成し、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、プラズマを形成すると共に導入気体を分解し、プラズマに接する前記基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して電極上に載置されたレジストを備えた基板をエッチングする反応性イオンエッチング装置において、
前記上部電極の内壁が、CF結合を有する高分子化合物、硅素材もしくは炭素材の少なくともいずれかを含み、
前記上部電極、前記高周波コイル及び前記基板電極に接続されたそれぞれの電源を制御して、前記上部電極と前記高周波コイルに電力を供給して前記上部電極をスパッタする制御と、前記上部電極、前記高周波コイルと前記基板電極に電力を供給して前記基板電極上の基板をエッチングする制御を切り替える電力制御手段が設けられる。
【００１５】
本発明のさらに別の実施の形態によれば、前記の磁気中性線放電プラズマを利用した反応性イオンエッチング装置を用いた方法において、前記上部電極の内壁材料として、CF結合を有する高分子化合物、硅素材もしくは炭素材の少なくともいずれかを用い、
ガス導入後に上部電極と高周波アンテナに電力を供給して前記上部電極をスパッタエッチングして基板電極上に載置された基板上に皮膜を形成し、その後、前記基板電極、前記高周波コイル、前記上部電極に電力を供給するように構成される。
【００１６】
皮膜を形成するためのガスとしてはハロゲン化合物を用いることができる。
【００１７】
【実施例】
図１には本発明の一実施例による三周波型磁気中性線放電エッチング装置を示す。図１において、１は真空室であり、その側壁部２は金属円筒体で構成されている。真空室１内の底部には基板電極３が絶縁密封部材４を介して取付けられ、この基板電極３は、バイアス用高周波電源５に接続されている。
真空室１内の頂部の天板６には高周波印加浮遊上部電極７が取付けられ、この上部電極７は高周波電源８に接続されている。上部電極７の周辺部は環状の誘電体９で構成され、この誘電体９内には環状の高周波コイル10が埋め込まれ、上部電極７とほぼ同じ高さで真空室１内に放電アンテナを形成している。環状の高周波コイル10はプラズマ発生用高周波電源11に接続されている。基板電極３のバイアス用高周波電源５、上部電極７の高周波電源８及び高周波コイル10の高周波電源11はシーケンシャル制御装置12に接続され、この制御装置12はそれぞれの電源からの高周波電力を印加する時間を制御するように構成されている。この制御の一例を図２に示す。図２からわかるように真空室１内へガス導入した後、まず上部電極７と高周波アンテナ10に電力が供給され、これにより上部電極７はスパッタエッチングされ基板電極３上に載置された基板上に薄い皮膜すなわちレジスト保護膜が形成される。その後、基板電極３に電力を供給し、基板をエッチングするように電力印加を時間的に制御するようにしている。
また、真空室１の側壁部の内側に沿って防着板13が設けられ、真空室１の側壁部には反応ガス導入部14及び排気口15が設けられ、排気口15は図示してない真空排気系に接続される。
さらに、真空室１の側壁部の外側には、真空室１内に連続して存在する磁場ゼロの位置である環状磁気中性線を形成するための磁場発生手段を成す三つのコイル16、17、18が配置されている。
【００１８】
このように構成した図１に示す装置の動作について説明する。
図１の装置において、プラズマ発生用高周波電源11（13.56ＭＨｚ）の電力を 2.Oｋｗ、基板バイアス高周波電源５（２ＭＨｚ）の電力を1.OｋＷ、上部電極  ７に印加する高周波電源８（27.12ＭＨｚ）の電力を200Ｗ、上部電極材としてグラファイトを用いＡｒ90sccm（90％）、Ｃ4Ｆ810sccm（10％)を導入し、       ３mTorrの圧力下でエッチングした。
エッチングの前のレジスト保護膜形成時間を、図２で示すように、15秒としたところ、レジストとの選択比がほぼ５でエッチストップなしにシリコン酸化膜にO.3μｍ径で深さ２μｍのほぼ垂直形状のエッチングが可能であった。この時の アンテナ10の電力は１ｋＷである。
エッチングの前のレジスト保護膜形成を行わない従来のエッチング条件下では、エッチストップなしにシリコン酸化膜にO.3μｍ径で深さ２μｍのほぼ垂直形 状のエッチングが可能であるものの、レジストに対する選択比は２〜３程度であった。
【００１９】
上記の例では、上部電極７に印加する高周波電力として200Ｗを用いたが、こ の電力はプラズマ発生用高周波電力及び基板バイアス高周波電力の値によって適宜選択されなければならない。また、27.12ＭＨｚの周波数が用いられているが 、基板電極３の周波数よりも高い周波数である必要は必ずしもなく800ｋＨｚで も同様な効果は期待できる。厚いレジスト保護膜が必要な場合、むしろ低周波電力を印加した方が大きな負の自己バイアスが発生するので望ましい。
【００２０】
図３には本発明を三周波型誘導結合エッチング装置として実施している別の実施例を示し、図１に示す装置と対応する部分は同じ符号で示す。
すなわち、図３において、真空室１の側壁部２は金属円筒体で構成され、そして真空室１の底部には基板電極３が絶縁密封部材４を介して取付けられ、この基板電極３は、バイアス用高周波電源５に接続されている。真空室１内の頂部の天板６には高周波印加浮遊上部電極７が取付けられ、この上部電極７は高周波電源８に接続されている。上部電極７の周辺部は環状の誘電体９で構成され、この誘電体９内には環状の高周波コイル10が埋め込まれ、上部電極７とほぼ同じ高さで真空室１内に放電アンテナを形成している。環状の高周波コイル10はプラズマ発生用高周波電源11に接続されている。基板電極３のバイアス用高周波電源５、上部電極７の高周波電源８及び高周波コイル10の高周波電源11はシーケンシャル制御装置12に接続され、この制御装置12はそれぞれの電源からの高周波電力を印加する時間を制御するように構成され、その制御の仕方は図２に関して上で述べたものと同じである。また、真空室１の側壁部の内側に沿って防着板13が設けられ、真空室１の側壁部には反応ガス導入部14及び排気口15が設けられ、排気口15は図示してない真空排気系に接続される。
図３の装置を用いてＩＣＰエッチングプロセスに適用した場合にも図１の酸化膜用としてのＮＬＤエッチング装置に適用した場合と同様な効果が期待できることは言うまでもない。
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、磁気中性線放電型または誘導結合型エッチングにおいて、最初に高周波アンテナ及び上部電極に電力を印加し、時間をおいて基板電極に電力を印加するように構成しているので、レジストの保護膜を形成してからエッチングが行われ、レジストに対する高い選択比を得ることができるようになる。その結果、O.2μｍ幅以下の微細加工において、サブミク ロンホールのパターンエッチングを効率よくできるようになる。従って、本発明は半導体や電子部品加工に用いられている反応性イオンエッチングプロセスに大きく貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例による三周波型磁気中性線放電エッチング装置を示す概略断面図。
【図２】  本発明における電力印加の制御を示すグラフ。
【図３】  本発明の別の実施例による三周波型誘導結合エッチング装置を示す概略断面図。
【図４】  従来技術による磁気中性線放電エッチング装置を示す概略断面図。
【図５】  従来技術による誘導結合エッチング装置を示す概略断面図。
【符号の説明】
１：真空室
２：側壁部
３：基板電極
４：絶縁密封部材
５：バイアス用高周波電源
６：天板
７：高周波印加浮遊上部電極
８：高周波電源
９：誘電体
10：高周波コイル
11：プラズマ発生用高周波電源
12：シーケンシャル制御装置
13：防着板
14：反応ガス導入部
15：排気口
16：コイル
17：コイル
18：コイル
【図１】
0004077939.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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