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発明の名称 プラズマエッチング装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−252097
公開日 平成6年(1994)9月9日
出願番号 特願平5−35906
出願日 平成5年(1993)2月25日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】薄田 利幸
発明者 大坪 徹 / 大原 和博
要約 目的
多層膜構造を有する高段差なパターン上に下地の削れが少なく、高精度な微細パターンを高速に形成することのできるプラズマエッチング装置を実現する。

構成
反応種の発生をプラズマ処理室のプラズマ発生と独立に制御できるようにすることにより、反応種量とイオン量、イオンエネルギを独立に適正値に制御する構成とし、エッチングの高選択化を図った。また、イオンの基板入射の垂直性を向上する低い圧力での処理、及び基板近傍に磁場を発生させないプラズマ発生方式により高精度化をはかった。
特許請求の範囲
【請求項1】プラズマエッチング処理室と、エッチングガスを予め分解して反応種を生成する反応種発生室とを備え、前記反応種発生室で生成された反応種を前記プラズマエッチング処理室に供給するようにしたプラズマエッチング装置において、前記反応種発生室をプラズマエッチング処理室とは独立に配設すると共に、前記プラズマエッチング処理室内に配設されたステージ電極に高周波バイアスを独立に印加し、前記ステージ電極に載置された試料基板に入射するイオンエネルギを独立に制御する手段を配設して成り、反応種発生と、プラズマ発生と、イオンエネルギ制御とをそれぞれ独立に制御できるように構成して成るプラズマエッチング装置。
【請求項2】上記プラズマエッチング処理室での基板のプラズマ処理を、磁場を用いずに低圧下で処理できるプラズマ発生手段として成る請求項1記載のプラズマエッチング装置。
【請求項3】上記反応種発生室とプラズマエッチング処理室間に配設した反応種ガス供給路に圧力制御バルブを配設し、プラズマエッチング処理室内の圧力と反応種ガス供給量とを制御できるようにして成る請求項1記載のプラズマエッチング装置。
【請求項4】上記磁場を用いずに低圧下で処理できるプラズマ発生手段を、高周波放電プラズマ発生手段として成る請求項2記載のプラズマエッチング装置。
【請求項5】上記磁場を用いずに低圧下で処理できるプラズマ発生手段を、マイクロ波放電プラズマ発生手段として成る請求項2記載のプラズマエッチング装置。
【請求項6】高周波放電によるプラズマエッチング処理室と、エッチングガスを予め高周波放電により分解して反応種を生成する反応種発生室とを備え、前記反応種発生室で生成された反応種を前記プラズマエッチング処理室に供給するようにしたプラズマエッチング装置において、前記プラズマエッチング処理室とは独立に反応種発生室を配設すると共に、前記プラズマエッチング処理室内に配設されたステージ電極に高周波バイアスを独立に印加し、前記ステージ電極に載置された試料基板に入射するイオンエネルギを独立に制御する手段を配設し、しかも前記プラズマエッチング処理室に配設したプラズマ発生電極とそれに接続された高周波電源との間に前記ステージ電極に印加された高周波バイアスを遮断するフィルタ回路を、前記ステージ電極とこれに印加する高周波バイアス電源との間に前記プラズマ発生電極に印加された高周波電力を遮断するフィルタ回路をそれぞれ接続して成り、反応種発生と、プラズマ発生と、イオンエネルギ制御とをそれぞれ独立に制御できるように構成して成るプラズマエッチング装置。
【請求項7】上記プラズマ発生電極に印加する高周波電源の周波数及び電力を、ステージ電極に印加するイオンエネルギ制御用高周波電源の周波数及び電力よりも常に大きく設定する構成として成る請求項6記載のプラズマエッチング装置。
【請求項8】上記プラズマエッチング処理室での基板のプラズマ処理を、磁場を用いずに低圧下で処理できるプラズマ発生手段として成る請求項7記載のプラズマエッチング装置。
【請求項9】上記反応種発生室とプラズマエッチング処理室間に配設した反応種ガス供給路に圧力制御バルブを配設し、プラズマエッチング処理室内の圧力と反応種ガス供給量とを制御できるようにして成る請求項7記載のプラズマエッチング装置。
【請求項10】上記プラズマ発生手段を、プラズマエッチング処理室内の圧力を5Pa以下の低圧に設定してプラズマ処理できるプラズマ発生手段として成る請求項2、4、5もしくは8記載のプラズマエッチング装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子や液晶表示素子の微細なパターンを形成する低温プラズマ処理装置に係り、特に成膜面が高い段差を有していても高精度な微細パターンを形成するのに好適なプラズマエッチング処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体素子の製造では高集積化が進んでおり、半導体素子を形成するパターンの寸法は0.5から0.3μmと微細化している。また、高集積化に伴い成膜積層パターンの数も増え、それにより半導体素子表面の凹凸も大きくなっている。このような高い段差の面にパターンを形成すると、垂直方向の膜厚が高段差面で見かけ上厚くなる。
【0003】微細パターンをエッチングするプラズマエッチングではイオンが垂直に入射しエッチングが進行するため、各場所のエッチング速度は垂直方向速度が同じになる。したがって、高段差面の見かけ上膜厚が厚い部分では、エッチングに要する時間が他の部分に比べて長い時間を必要とする。そのため見かけ上の膜厚が薄くなる部分では、エッチング完了後も長い間プラズマに曝されることになり、下地膜の削れが大きくなる。
【0004】このような場合、上下配線のショートにより半導体素子が機能しなくなる問題、あるいは信頼性が低下する問題等が発生する。したがって、これらの0.5から0.3μmプロセスで生産される半導体素子では、高精度パターンを形成すると共に、下地の膜を削らないようにエッチングすることが重要となっている。
【0005】下地を削らないエッチングに適した装置及び方法として、プラズマ処理室の他にプラズマ発生室を設け、エッチングガスをプラズマ処理室に導入する前にプラズマ処理室で励起分解する方式が提案されている。これによると電気的に中性な反応種だけを多量に発生することができ、エッチング反応における化学反応の割合を増し、下地削れの少ない高選択なエッチングを行うことができる。このようなプラズマ処理装置及びプラズマエッチング方法に関連する技術として、例えば特開昭52−133403号公報及び特開昭60−47421号公報が挙げられる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来技術では、下地削れが少ない高選択エッチングに有効ではあるが、今後のより微細化された高段差パターンエッチングには不十分であり、さらに高選択化する必要がある。また、この種の微細パターンを高精度に形成するという点に関しては、技術的課題があったとしても実用化能なレベルまで改良されていないのが現状である。
【0007】したがって、本発明の目的は、上記従来の問題点を解消し、高段差パターン上に下地の削れが少なく、しかも高精度なパターンを高速に形成することが可能なプラズマエッチング装置を提供することにある。
【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、本発明では従来技術のように反応種の量を増やすだけでなく、反応種発生手段、プラズマ発生手段、イオンエネルギ制御手段をそれぞれ独立させ、個別に制御できるようにし、反応種量に適したイオン量及びイオンエネルギを同時に実現できるようにした。また、高段差部のエッチング寸法精度を高めるために、プラズマ処理室のプラズマ発生圧力を下げることができ、シース間でのエネルギロスが少なく、かつイオンの散乱角を増やす原因となる磁場を用いないプラズマ発生手段を用いるようにした。なお、上記目的達成手段について説明されていない具体的な事項については、後述する作用及び実施例の項で補足し、さらに詳しく説明する。
【0009】
【作用】プラズマエッチング反応は、プラズマ中で発生した反応種がエッチングされる被加工表面に吸着され、これにプラズマよりシース間で加速されたイオンが入射することで、イオンが入射したエッチング面の温度が局所的に上昇し、この領域に吸着されていた反応種とエッチング表面の原子との間で反応が進行し、揮発性の高い反応生成物となり除去されエッチングが進行する。
【0010】ここでイオンの量が多い場合には、反応種のエッチング表面への吸着が間に合わず、イオンの入射量に対し反応種量が不足するためエッチングの進行割合が低下し、選択比が低下する。一方、イオンの量が少ない場合には、エッチングが進行しなくなりエッチング速度が低下する。同様にイオンのエネルギを高めた場合、イオンの入射によりエッチングが進行する領域が広くなり、イオン量の増加と同様に選択比が低下する。したがって、本発明のように反応種量、イオン量、イオンエネルギをそれぞれ独立に適切な量に制御することにより、高選択で、高速のエッチングが実現できる。
【0011】エッチング反応は、イオンの入射により進行するため、斜めに入射するイオンがあると、レジストマスクの下もこのイオンによりエッチング(サイドエッチ)される。特に高段差パターンのエッチングでは、段差部の見かけ上のエッチング膜厚が厚くなり、エッチング時間が長くなるため、斜め入射イオンによるレジストマスク下のエッチング(サイドエッチ)が進行し、高精度なパターン形成を困難にする。
【0012】斜め入射イオンの発生原因は、プラズマと基板間のシースでの中性ガス分子との衝突によりイオンが散乱されること、磁場を用いたプラズマ発生方式ではプラズマ中で電子が磁場に拘束されるため、プラズマ中に発生した電界によりイオンが加速されイオン温度が高くなることによる。イオン温度が高い場合、シースに入射した時点でのイオンの横方向運動速度が、シース間で加速される運動速度に比べ十分小さくないと斜め入射イオンが発生する。したがって、低い圧力で処理基板近傍に磁場を用いないプラズマにより高段差パターンの高精度エッチングが実現できる。
【0013】
【実施例】以下、図面により本発明の一実施例を具体的に説明する。
〈実施例1〉(1)装置構成図1は、在来の高周波放電による平行平板型のプラズマエッチング装置に本発明を適用したプラズマエッチング装置の構成を示す概略図である。本発明の特徴は、反応種発生手段、プラズマ発生手段及びイオンエネルギ制御手段を独立させ、個別に制御できる構成としているところにあり、これら各手段は、以下の記載から明らかとなろう。
【0014】プラズマ処理室1には、試料基板6が載置されるステージ電極2が配設され、プラズマ処理室に対しては絶縁リング3により絶縁されており、その対向面にはプラズマ発生電極4が配設され、絶縁リング5により絶縁されている。ステージ電極2には13.56MHzの高周波電源10が接続され、エッチング処理時に高周波バイアス電圧の印加により基板6に入射するイオンのエネルギが制御できる構成になっている。ステージ電極2と高周波電源10との間にはプラズマ発生電極4からの高周波電流がステージ2に流れないようにフィルタ回路9(この例ではローパスフィルタ)が設けられている。
【0015】エッチングガスは、図示されていない供給源からエッチングガス供給管15により供給され、反応種発生室13を通りプラズマ発生電極4の吹き出し口4aより均等に処理室に供給されるようになっている。反応種発生室13とプラズマ発生電極4の間には反応種発生室13の圧力を制御するバルブ17が配設されている。反応種発生室13には平行平板電極14が設けられており、エッチングガスはこの電極間を通過する間にプラズマにより分解されて反応種を生成し、プラズマ発生電極4に供給されるようになっている。また、この平行平板電極14には13.56MHzの高周波電源16が接続されており、電極間にプラズマを発生する構成となっている。なお、反応種発生室13で生成した反応種を効率良く圧力制御バルブ17を介してプラズマ発生電極4に移送することが重要であり、そのためには反応種の移送手段となるこの輸送系路を極力短くし、輸送中に反応種が減少するのを押さえる構成にすることが望ましい。また、これらの輸送系路を短縮するために輸送路をプラズマ発生電極4の中に組み込む構成としても良い。
【0016】プラズマ発生電極4には、プラズマ発生用の100MHzの高周波電源12が接続されており、さらにプラズマ発生電極4とこの電源間にはステージ電極2に印加されるイオンエネルギ制御用高周波バイアス電流が流れないようフィルタ回路11(この例ではハイパスフィルタ)が設けられている。プラズマ処理室1の内面にはグランド電極7が設けられており、ステージ電極2及びプラズマ発生電極4からの高周波電流が流れるようになっている。
【0017】本実施例の装置構成は以上の通りであり、装置の特徴である反応種発生手段、プラズマ発生手段及びイオンエネルギ制御手段をそれぞれ個別に制御する各構成をまとめると以下の通りである。
【0018】反応種発生手段は、プラズマを発生することのできる反応種発生室13にエッチングガスを供給する手段で構成され、プラズマ発生電極4に供給する反応種の制御は、制御バルブ17による反応種発生室13内の圧力調整及び平行平板電極14に供給する高周波電力の調整により行われる。
【0019】プラズマ発生手段は、プラズマ処理室1内に配設されたプラズマ発生電極4及びこれにフィルタ回路11を介して接続したプラズマ発生用高周波電源12で構成され、高周波電力を調整することにより所定のプラズマを発生することができ、基板6に入射するイオン量の制御できるようになっている。
【0020】イオンエネルギ制御手段は、ステージ電極2にフィルタ回路9を介して接続された高周波電源10で構成され、この高周波電力を調整することによりステージ電極2に印加する高周波バイアスを制御して基板6に入射するイオンのエネルギを制御することができる。
【0021】(2)エッチング処理方法上記装置によるエッチング処理方法を以下に説明する。エッチングガス供給管15によりエッチングガスであるSF6を反応種発生室13に通し、プラズマ処理室1に供給する。排気管8より排気するエッチングガスの排気量を図示しない排気制御装置によりコントロールし、プラズマ処理室1内を1Paの圧力に設定する。この時、反応種発生室13の圧力は50Paの圧力になるように設定されており高周波電源16より平行平板電極14に1000Wの高周波電力を供給し、プラズマを発生させる。
【0022】プラズマ処理室1では、ステージ電極2上に予めW膜を形成した基板6を載せ、プラズマ発生電極4に高周波電源12から100MHz、300Wの高周波電力を供給しプラズマを発生させる。ステージ電極2には、プラズマから基板6に入射するイオンのエネルギを制御するために高周波電源10から13.56MHzの50Wの高周波電力を供給する。エッチングガス(SF6)は反応種発生室13の平行平板電極14間のプラズマにより分解され、反応種であるFを発生しプラズマ処理室1に供給される。
【0023】プラズマ処理室1では100MHz、300Wの高周波電力によりプラズマを発生させるため、プラズマとプラズマ発生電極4間のシース、すなわち、等価回路モデルではコンデンサに当たる部分での電圧が低くなり電力損失が低減され、低いガス圧で安定に放電を発生させることができる。また、プラズマ発生電極4に入射するイオンのエネルギを低減し、プラズマ発生電極4の消耗を低減することができる。基板6に入射するイオンのエネルギは、ステージ電極2に印加される電源10からの高周波電力により制御される。
【0024】プラズマの電位は、高周波電源12からの100MHzのプラズマ発生用高周波により変動するが、100MHzの高周波電流はフィルタ回路9(ローパスフィルタ)によりステージ電極2には流れず、周囲のグランド電極7に流れるため100MHzに対する基板6とプラズマの電位は同位相、同振幅で変動し電位差は変動しない。このためプラズマ発生用高周波によりイオンのエネルギが影響を受けることはなく、基板6に入射するイオンエネルギは電源10の高周波電力を所定値に設定することにより高度な制御ができる構成となっている。これによりイオンエネルギの制御範囲を低エネルギ側に広げることができ、エッチングの高選択化ができるようになった。また、同様にフィルタ回路11(ハイパスフィルタ)により、イオンエネルギ制御用高周波の電流もプラズマ発生電極4に流れないようにし、プラズマ発生電極4に入射するイオンのエネルギを高めないようにしている。
【0025】本実施例のプラズマ発生条件では、通常の反応種発生室13を用いない場合のプラズマ発生高周波電力条件の1000Wに比べ低い300Wに設定し、プラズマ処理室1のプラズマ密度を低くしている。これは、プラズマ処理室1でFガスを多く発生する条件では基板6に入射するイオンの量が多くなり、下地膜の削れが多く、エッチング選択比が低下するためである。それに対し本発明の条件では、基板表面に吸着する反応種Fガスの速度に合わせたイオン量になるようプラズマ発生電力を300Wに適正化できる。これによりFガスの量は反応種発生室13で従来と同等量発生できるため、W膜のエッチング速度は低下させずに、下地膜やレジストの削れ量を低減することができる。
【0026】また、プラズマ処理室内の処理圧力を1Paに低減したため、シース間でのイオンと中性ガス分子の衝突を低減できると共に、磁場を用いないためプラズマ中のイオンの温度が高くならず、イオンは低加速条件でも基板6に対し垂直に入射するようにでき、高精度なパターン形成ができる。なお、本実施例では、プラズマ処理室内の処理圧力を、より好ましい条件である1Paに設定しているが、許容される圧力は5Paを超えない低圧下であればよい。また、イオンの入射角をより垂直に近付けることができるため長いオーバエッチングの際にもパターンの底が逆テーパ形状になったり、高段差部の側面がエッチングされるような現象が大幅に低減でき、0.5から0.3μmプロセスで生産される半導体素子の信頼性向上、歩留まり向上を図ることができる。
【0027】従来装置では下地膜やレジストに対するW膜とのエッチング速度の比率は2程度であったが、本発明では5以上に高めることができ、高い選択比を実現することができた。また、寸法精度も従来の0.1〜0.15μmあった下地の削れを0.03μmに低減できた。
【0028】〈実施例2〉(1)装置構成図2は、在来のマイクロ波放電によるプラズマエッチング装置に本発明を適用したプラズマエッチング装置の構成を示す概略図である。すなわち、本実施例ではプラズマ発生をマイクロ波とスロットアンテナ付き空洞共振器により実現している。プラズマ処理室1の上面は石英窓22により真空シールされ、その上に空洞共振器20が配設されている。空洞共振器20の底面にはスロットアンテナ21が設けられており、導波管23より供給されたマイクロ波の電界強度を強め、プラズマ処理室1に放射するようになっている。このマイクロ波によりプラズマ処理室1にプラズマを発生させ、エッチング処理を行うものである。その他の構成(反応種発生手段及びイオンエネルギ制御手段)は実施例1に示した構成と同じであり、反応種発生室13で発生した反応種(例えばFガス)を、ガス供給管24によりプラズマ処理室1に供給する。この場合も、輸送中に反応種を減少させないようにガス供給管24を極力短くすることが望ましい。
【0029】マイクロ波によるプラズマ発生では、マイクロ波の電界によりプラズマ中の電子に直接エネルギを供給するため、プラズマ発生によりプラズマの電位変動が発生せず、高周波電源10からのイオンエネルギ制御用高周波バイアスにより高精度なイオンエネルギ制御ができる。これにより実施例1で述べたように高選択エッチング処理ができる。また、この方法は磁場を用いずに低い圧力でプラズマが発生できるため、イオンの方向性を高精度化することができ、高段差面上に高精度なパターン形成ができる。
【0030】マイクロ波によるプラズマ発生では先に述べたようにプラズマの電位変動を発生させないため、ステージ電極側のイオンエネルギ制御に影響せず、実施例1に示したフィルタ回路9は必要ない。
【0031】(2)エッチング処理方法エッチングガス供給管15よりエッチングガスであるSF6を、反応種発生室13に通し、圧力制御バルブ17を介してプラズマ処理室1に供給する。排気管8より排気し、プラズマ処理室1内を1Paの圧力に設定する。反応種発生室13の圧力は50Paの圧力になるように設定されており、図示されていない高周波電源16(図1と同一)より1000Wの高周波電力を供給し、プラズマを発生する。
【0032】プラズマ処理室1では、ステージ電極2上に予めW膜を形成した基板6を載せ、図示しないマイクロ波電源より、250Wのマイクロは電力を供給し、プラズマを発生させる。ステージ電極2にはプラズマすら基板6に入射するイオンのエネルギを制御するために、高周波電源10から50Wの高周波電力を供給する。
【0033】エッチングガス(SF6)は、反応種発生室13でプラズマにより分解され、反応種であるFを発生し、プラズマ処理室1に供給される。
【0034】本実施例の場合、エッチング速度360nm/分、選択比6.2で高精度のエッチング特性が得られた。なお、マイクロ波電力を300Wに上げるとWのエッチング速度は360nm/分から395nm/分に上昇するが、選択比は6.2から5.4に低下する。また、マイクロ波電力を200Wに下げると選択比はほとんど変わらず、エッチング速度が310nm/分に低下する。したがって、マイクロ波電力250Wが適正条件となる。
【0035】また、反応種発生室13に電力を投入せず、マイクロ波電力を1000Wにした比較例の場合、Wエッチング速度は305nm/分、選択比は2.4となり、選択比が著しく劣化した。
【0036】高段差パターンでは、図3に要部断面斜視図を示すように、高段差部30のパターン側面の(A)部は入射するイオンにわずかな傾きがあっても、その影響が大きく現れる。なお、同図の31はエッチング形成した微細パターン、32はレジストマスク、33は基板である。
【0037】本実施例では、低圧、無磁場でイオンの入射散乱角を低減すると共に、入射するイオンのエネルギを低減させずに高選択比を実現している。そのため入射するイオンのエネルギを低減し、高選択を実現する方法に比べイオンの垂直入射性を高めることができ、高選択と高精度エッチングの両立を図ることができる。
【0038】また、本実施例の場合、マイクロ波電力を200Wに下げた条件で高周波バイアス電力を50Wから70Wに高めると、選択比は6.2から6.0に多少低下するがイオン加速電圧(ステージ電極2に印加される高周波電圧振幅)は120Vから160Vになり、エッチング寸法精度の高精度化を図ることができる。
【0039】
【発明の効果】以上説明したように本発明により所期の目的を達成することができた。すなわち、今後の表面の凹凸が大きい高集積半導体素子のパターン形成を信頼性よく生産することができ、半導体素子の生産性向上が図れると共に、半導体素子製造の歩留まり向上が図れる。




 

 


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