(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバー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するための１重を含む多重の高周波コイルを設けてなるプラズマ発生装置を設け、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、低圧でプラズマを形成すると共に導入気体を分解し、発生した原子、分子、ラジカル、イオンを利用し、プラズマに接する基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して基板電極上に載置され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、基板電極近傍に質量分析計を配置して、プラズマ中で生成される各種イオンをモニターしてイオンとＣＨ２Ｆ２流量依存性との関係からＣＨＦ２+イオンのピーク強度の相対値が最大になるようなエッチング条件であるガス混合比を求め、前記ガス混合比になるようにガス流量制御装置を制御してエッチング断面形状の最適化を行うことを特徴とした反応性イオンエッチング方法。
【請求項２】
混合して使用するガスのうち１種類が水素ガスあるいは水素を含むフッ化炭素ガスである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方法。
【請求項３】
真空チャンバー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するための１重を含む多重の高周波コイルを設けてなるプラズマ発生装置を有し、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、低圧でプラズマを形成すると共に導入気体を分解し、発生した原子、分子、ラジカル、イオンを利用し、プラズマに接する基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して基板電極上に載置され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、基板電極の近傍に、プラズマ中で生成される各種イオンをモニターする質量分析計を設け、またこの質量分析計の出力から各種イオンの強度がＣＨ２Ｆ２ガス混合比に対して有する関係からＣＨＦ２+イオンのピーク強度の相対値が最大になるようなエッチング条件を求め、該エッチング条件に設定するエッチング条件設定手段を設けたことを特徴とした反応性イオンエッチング装置。
【請求項４】
混合して使用するガスのうち１種類が水素ガスあるいは水素を含むフッ化炭素ガスであ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装置。
【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反応性イオンエッチング方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術において用いられてきたエッチング装置としては種々の型式のものが知られており、その一つに添付図面の図４で示されるような平行平板型のものである。真空チャンバーＡ内に陽極Ｂと陰極すなわち基板電極Ｃとを対向させて配置し、陽極Ｂから反応ガスが導入され、基板電極Ｃにはマッチング回路Ｄを介して高周波電源Ｅが接続されている。
図５には平行平板型のエッチング装置の別の例を示し、この場合には電極Ｂにもマッチング回路Ｆを介して高周波電源Ｇが接続され、上下の電極に周波数の異なった高周波電力が印加される。
【０００３】
図６には、ECRエッチング装置の従来例を示し、真空チャンバーＡの上部から 誘電体窓Ｂを通してμ波を導入し、875ガウスの磁場のところで電子サイクロト ロン共鳴により高密度プラズマを形成する。
【０００４】
図７に示すものは誘導結合放電エッチング装置であり、真空チャンバーＡ内に放電プラズマを発生するための１重のコイルからなるアンテナＢを真空チャンバーＡの誘電体側壁A1の外側に設け、この高周波アンテナＢにプラズマ発生用高周波電源Ｃから高周波電力を印加し、ハロゲン系のガスを主体とするエッチングガスが流量制御器を通して上部天板A2付近の周囲より導入され、気体を真空チャンバーＡ内に導入し、低圧でプラズマを形成するとともに導入気体を分解し、発生した原子、分子、ラジカル、イオンを積極的に利用し、プラズマに接する基板電極Ｄに高周波電源Ｅから高周波電場を印加して基板電極Ｄ上に載置された基板をエッチングするように構成されている。
図８には図７に示すもの変形例であり、真空チャンバーＡの上部壁を平板の誘電体Ｆ上に渦巻き状のアンテナＧを載置し、誘導結合プラズマを形成するように構成されている。図７の方式をICP(Inductively Coupled Plasma)と呼び、図８ の方式をTCP(Transfer Coupled Plasma)と呼んで区別している。
【０００５】
図９は、本願発明者らが、先に特開平７−263192号において提案した磁気中性線放電エッチング装置を示す。この先に提案した装置は、真空チャンバーＡの上部の誘電体円筒壁A1の外側に載置された３つの磁場コイルＢ、Ｃ、Ｄによって真空チャンバーＡ内部に磁気中性線Ｅが形成され、この磁気中性線Ｅに沿って、中間の磁場コイルＣの内側に配置された１重のアンテナＦにアンテナ用高周波電源Ｇ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ように構成されている。また、エッチングガスは流量制御器を通して上部天板A2付近の周囲より導入され、コングクタンスバルブの開口率によって圧力が制御される。真空チャンバーＡの下部の基板電極Ｈにはバイアス用高周波電源Ｉから高周波電力が印加される。
【０００６】
代表例として、図７で示されているICPエッチングについて説明する。
エッチングガスは上部フランジ付近から導入され、誘電体円筒隔壁A1の外側に設置されたアンテナＢに高周波電源Ｃから高周波電力が印加されてプラズマが形成され、導入ガスが分解される。この時、プラズマ及び導入ガスの分布は基板上で均一であることが要求されるので、一般には、上部フランジに多数の穴のあいたシャワープレートが設けられ、それを通してガスが真空チャンバーＡ内に導入される。ガスの流れが均一で、プラズマ密度及び電位が均一であれば、プラズマ中で発生したエッチャント(ラジカル及びイオン)の密度分布は均一となり、基板は均一にエッチングされる。ところで、ICPエッチングにおけるプラズマ密度及 び電位の均一性はチャンバー構造と圧力に大きく影響を受ける。チャンバー構造が決まってしまうと均一性の得られる圧力条件がほぼ一義的に決まり、条件の選択範囲が極めて狭い。
【０００７】
一方、図９の磁気中性線放電（NLD）エッチング装置では、磁気中性線の位置 を自由に変えられ、しかもICPが発生しない程の低圧ガス領域でプラズマ密度及 び電位を制御することができるので、エッチング均一性の良い条件を容易に設定することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、デバイスが高密度化してきて加工幅が微細になり、従来のように試行錯誤でエッチング条件を設定してプロセス条件を求める方法では超微細加エプロセスに対処できなくなってきた。エッチングで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、形状制御も必要である。例えば、加工幅が0.3μmより広い場合にはガス混合比に要求される精度はそれ程厳しくはなかったが、0.3μmより狭くなると、ガス混合比の精密制御が必要となる。しかしながら、混合比の精密制御を行う場合、混合比を決定するための指標はなく、試行錯誤の実験を繰り返し行い、エッチング形状を電子顕微鏡で観察した後決定してきた。このため、超微細加工条件を求めるまでに多くの時間が費やされた。
【０００９】
酸化膜エッチングの楊合、エッチング補助ガスとして用いられる物質には、アルゴン、水素、一酸化炭素などがあり、エッチング主ガスとしてはＣＦ4、Ｃ3  Ｆ8、Ｃ4Ｆ8などがあり、またＣＨＦ3、ＣＨ2Ｆ2等もエッチング主ガスとして用いられている。エッチング主ガスはプラズマ密度が高くなったり、プラズマ中の滞在時間が長くなると分解が進み、付着性の物質であるＣＦ、ＣＦ2、ＣＦ3、  ＣＨＦ2等のラジカルを多く生成するようになる。エッチング補助ガスとしての Ａｒはラジカル種の濃度を希釈して適度な濃度にする役割を担う他に、エッチング部の側部及び底部に付着した膜をスパッタしたりイオン衝撃により活性化して基板物質との反応を促進してエッチング形状を整える役割をすると考えられている。
【００１０】
また、水素ガスはプラズマ中で分解して水素原子を形成し、ＣＦ、ＣＦ2ラジ カル等と反応し、付着性の弱い物質に変えるとともにＣＨ2、ＣＦ2、ＣＨＦ等の重合前駆物質を形成し、レジスト上部やエッチング部の側壁や底部に付着してエッチング形状に影響を与える物質と考えられている。水素原子がエッチング部表面に付着した場合には、表面で−Ｃ−Ｈあるいは一Ｓｉ−Ｈ結合を形成するためラジカルの付着を抑える働きをするとも考えられている。
いずれにしても、エッチングの詳細なメカニズムが分かっていないため試行錯誤の実験を強いられるのが現状であり、結果を解析し少しでも試行錯誤によってプロセス条件を求めるための時間を減らさなければならない。
【００１１】
そこで、本発明は、上記の問題を解決して、ガス混合比を精密に制御してエッチング断面形状の最適化を可能し、0.3μm幅以下の微細加工に対応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。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、磁気中性線放電エッチング装置を用い、質量分析計を基板電極付近に設け、プラズマ中で生成されるイオン種を観測できるようにすると共に、混合比依存性からＣＨＦ2+イオンのピーク強度が最大値になるような混合比を設定するように構成される。
すなわち、プラズマ密度が必要以上に高くない領域でプラズマを形成できる磁気中性線放電装置を用いて、ガス種に水素を含むガスを少なくとも１種類混合し、エッチング条件とイオン種の相関を調べた。その結果、混合比依存性から    ＣＨＦ2+イオンのピーク強度が最大値になるようにエッチング条件（ここでは混合比）を決めると超微細パターンでも垂直にエッチングできることが分かった。ＣＨＦ2+イオンがピークとなるエッチング条件の近傍では基板に到達するエッチャント物質と付着性物質の比が最適になっており、容易にエッチング形状を制御することができるためと思われる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の一つの実施の形態によれば、真空チャンバー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するための１重を含む多重の高周波コイルを設けてなるプラズマ発生装置を設け、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、低圧でプラズマを形成すると共に導入気体を分解し、発生した原子、分子、ラジカル、イオンを利用し、プラズマに接する基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して基板電極上に載置され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、基板電極近傍に質量分析計を配置して、プラズマ中で生成される各種イオンをモニターしてイオンとＣＨ２Ｆ２流量依存性との関係からＣＨＦ２+イオンのピーク強度の相対値が最大になるようなエッチング条件であるガス混合比を求め、前記ガス混合比になるようにガス流量制御装置を制御してエッチング断面形状の最適化を行うことを特徴としている。
【００１４】
エッチング条件はガス混合比から成り、ＣＨＦ２＋イオンのピーク強度の相対値が最大になるようにガス混合比が設定され得る。
また混合して使用するガスのうち１種類は水素ガスあるいは水素を含むフッ化炭素ガスから成り得る。
【００１５】
本発明の別の実施の形態によれば、真空チャンバー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するための１重を含む多重の高周波コイルを設けてなるプラズマ発生装置を有し、ハロゲン系のガスを主体とする気体を真空中に導入し、低圧でプラズマを形成すると共に導入気体を分解し、発生した原子、分子、ラジカル、イオンを利用し、プラズマに接する基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加して基板電極上に載置され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、基板電極の近傍に、プラズマ中で生成される各種イオンをモニターする質量分析計を設け、またこの質量分析計の出力から各種イオンの強度がＣＨ２Ｆ２ガス混合比に対して有する関係からＣＨＦ２+イオンのピーク強度の相対値が最大になるようなエッチング条件を求め、該エッチング条件に設定するエッチング条件設定手段を設けたことを特徴としている。
【００１６】
【実施例】
以下添付図面の図１〜図３を参照して本発明の実施例について説明する。
図１には本発明を実施している反応性イオンエッチング装置の一例を示す。図示エッチング装置において、１は真空チャンバーで、その上部には円筒形の誘電体側壁２を備え、誘電体側壁２の外側には、真空チャンバー１内に磁気中性線を形成するための磁場発生手段を構成している三つの磁場コイル３、４、５が設けられ、真空チャンバー１の上部内に磁気中性線６を形成する。
中間の磁場コイル４と誘電体側壁２の外側との間には１重を含む多重のプラズマ発生用の高周波コイル７が配置され、この高周波コイル７は高周波電源８に接続され、三つの磁場コイル３、４、５によって真空チャンバー１の上部に形成された磁気中性線６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するようにしている。
真空チャンバー１の上部の天板９は誘電体側壁２の上部フランジに密封固着され、またこの天板９にはエッチングガスを導入するシャワープレート10が設けられ、このシャワープレート10は図示してないエッチング補助ガス源に接続されている。
【００１７】
真空チャンバー１内にはまた図示したように基板電極11が配置され、この基板電極11はマッチングコンデンサー12を介してバイアス高周波電源13に接続されている。基板電極12の近傍において真空チャンバー１の側壁には、エッチング中に生成されたイオン種を観測するための質量分析器14が取付けられ、この質量分析器14の出力はコンピューター15に接続されており、コンピューター15は、データ解析により、ＣＨＦ2+イオンのピーク強度が最大値になる混合比を算出する。コンピュータ14で算出されたデータは図示してないガス流量制御装置(Mass flow  controller)に入力され、天板９におけるシャワープレート10を介して導入され るエッチングガスの流量を制御するように構成されている。それにより、超微細パターンのエッチング条件を設定することができる。
なお、図１において16は図示してない排気系に接続される排気口である。
【００１８】
この様に構成した図示装置の動作について説明する。
図１の装置を用い、プラズマ発生用高周波電源８の電力を1.0KW、基板バイア ス高周波電源13の電力を500W、真空チャンバー１の圧力を３mTorr、Ｃ4Ｆ8の流 量とＣＨ2Ｆ2の流量の和を5Osccmとしたときのプラズマ中の各イオン種のＣＨ2 Ｆ2流量依存性を図２に示す。この例では、ＣＨ2Ｆ2の流量が20sccmのとき     ＣＨＦ2+イオンのピーク強度が最大となる。このとき、図３に示すように酸化膜上に形成された幅20nmのレジストパターンに沿って酸化膜の溝が約800nmの深さ で垂直に形成されている。この時のシリコン酸化膜のエッチング速度は約      550nm／minであつた。
従来、このような超微細な溝加工を行う場合、プラズマパラメータが多いためエッチング条件を求めるのに大変な労力を要していたが、本発明によれば、上述のように、質量分析器13を用いてエッチング中に生成されたイオン種を観測し、測定データをコンピューター14で解析することにより、ＣＨＦ2+イオンのピーク強度が最大値になる混合比を算出し、この混合比に応じて天板９におけるシャワープレート10を介して導入されるエッチングガスの流量を制御することにより超微細パターンのエッチング条件を設定することができる。
【００１９】
ところで図示実施例ではＮＬＤエッチング装置に適用した例について説明してきたが、同様な効果はＮＬＤプラズマＣＶＤ装置に適用しても期待できることは言うまでもない。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、磁気中性線放電エッチング装置を用い、質量分析計を基板電極付近に設け、プラズマ中で生成されるイオン種を観測できるようにすると共に、混合比依存性からＣＨＦ2+イオンのピーク強度が最大値になるような混合比を設定するように構成しているので、プロセス条件を試行錯誤なしに構築できるので、0.3μm幅以下の微細加工に対応できるドライエッチングが容易となった。従って、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ようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例を示す概略線図。
【図２】  図１の装置を使用して実測したプラズマ中の各イオン種のＣＨ2Ｆ2流量依存性を示すグラフ。
【図３】  図１の装置を使用して酸化膜上に形成された幅20nmのレジストパターンに沿って酸化膜の溝が垂直に形成されている様子を示す電子顕微鏡写真。
【図４】  従来の平行平板型エッチング装置の一例を示す概略線図。
【図５】  従来の３極エッチング装置を示す概略線図。
【図６】  従来のECRエッチング装置を示す概略線図。
【図７】  従来の誘導結合型エッチング装置を示す概略線図。
【図８】  従来のトランスファ結合型エッチング装置を示す概略線図。
【図９】  従来の磁気中性線放電型エッチング装置を示す概略線図。
【符号の説明】
１：真空チャンバー
２：円筒形の誘電体側壁
３：磁場コイル
４：磁場コイル
５：磁場コイル
６：磁気中性線
７：高周波コイル
８：プラズマ発生用高周波電源
９：天板
10：シャワープレート
11：基板電極
12：マッチングコンデンサー
13：バイアス高周波電源
14：質量分析器
15：コンピューター
16：排気口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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