JP4865951B2

JP4865951B2 - プラズマエッチング方法

Info

Publication number: JP4865951B2
Application number: JP2001049194A
Authority: JP
Inventors: 澄江瀬川; 一樹伝宝; 博之石原
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2021-02-23
Also published as: JP2002252213A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応ガスのプラズマを使用して、二酸化シリコン膜等の被エッチング体をエッチングする方法に関する
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造技術において、シリコンウエハ等の半導体基板上に配線を形成する場合には、一般には、基板上に形成された二酸化シリコン膜にコンタクトホールやスルーホール等の配線孔を形成する必要がある。このように配線孔の形成ために、精度の良い孔が能率的に形成できるプラズマエッチング技術が最近ではほとんど使用されている。この技術は、処理室内に配置され電極を兼ねたサセプタの上に基板を配置し、エッチングガスを反応ガスとして処理室内に供給すると共に、前記サセプタに高周波電圧を印加することにより、反応ガスのプラズマを処理室内に発生させて、このプラズマにより生成されたラジカル、イオン等によりエッチングを果たす技術である。このときに使用される反応ガスとしては、被エッチング材に応じて種々のもので選定されている。例えば、二酸化シリコン膜をエッチングする場合には、ＣＨＦ_３、ＣＦ_４等のハロゲン化合物のガスが使用されている。そして、一般的には、これらガスが単独で使用されることはほとんどなく、希釈ガスとしてアルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスに反応性ガスを添加した状態として使用されている。また、このようなアルゴンガスを使用したプラズマエッチング技術において、プロセス制御は、一般に、下方の電極であるサセプタと上方の電極との間の距離や下方の電極に印加させる高周波バイアス電圧を調節することにより行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、アルゴンガスを希釈ガスとして使用した場合には、被エッチング膜の中心部が周辺部に比較してエッチングレートが高くなること、即ち、エッチンクレートの面内均一性が悪いことが知られている。このように、面内均一性は、基板が小さいときには、さして問題にはならなかったが、最近のようにウエハが大型かつ微細化するのに伴って、製造歩留りの点等で重要な問題になっている。また、上記のようにプロセス制御を電極間距離や高周波バイアス電圧で行うのは面倒である欠点もある。
【０００４】
本発明は、上記状況を鑑みてなされたものであり、第１の目的は、プロセス制御が容易で、エッチングレートの面内均一性の優れたプラズマエッチング方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係わるプラズマエッチング方法は、処理室と、上部電極と、この上部電極に対向して設けられ、上に被エッチング体が支持される下部電極と、この支持された被エッチング体の周りに配置されたフォーカスリングとを具備し、前記上部電極は、電極板と、この電極板を処理室に支持させる支持体と、プラズマを閉じ込めるためのシールドリングとを有し、前記下部電極は、下部電極上に被エッチング体を吸着により固定する静電チャックを有し、
前記シールドリングと電極板とは、シリコンにより形成されている、プラズマエッチング装置を使用して、
処理室内でエッチングガスと希釈ガスとのプラズマを前記上部電極と下部電極とにより発生させて、このプラズマでのイオンと中性粒子との電荷交換反応により中性粒子をイオン化して、前記被エッチング体に入射させて、フォーカスリングにより囲まれ、静電チャックにより固定された被エッチング体をエッチングするのに際して、前記希釈ガスとしてヘリウムガスとアルゴンガスとをその混合比を選定して、前記フォーカスリング近くの被エッチング体の周辺部のエッチングレートを上げる場合にはヘリウムの比率をより大きい設定で使用することを特徴とする。
【０００６】
本発明者達は、プラズマエッチングで、アルゴンガスのような希釈ガスを使用した場合のエッチングメカニズムを研究した結果、このメカニズムは、プラズマにより発生されるイオンと中性粒子との間の相互作用によることが大きく影響していることを見出だした。この現象は次の通りである。プラズマによりエッチングガス（反応ガス）から多数のイオンと中性粒子と電子とが生成される。そして、この生成されたイオンと中性粒子とは、プラズマ中で激しく衝突して、イオンは中性粒子に電荷を渡し、電荷を失ったイオンは高速中性粒子となり、また、電荷をもらった中性粒子は、イオン化する。この結果、イオン化した中性粒子は、被エッチングン体の表面に形成されているシース電界により加速されて被エッチング体へと輸送される。このような反応（電荷交換反応）により、高速中性粒子によるイオンアシスト効果を失わずに、エッチャントを高速で被エッチング体に供給して、エッチングする。このときの、電荷交換衝突の確率は、アルゴンガスでは約５０％であるが、ヘリウムは約９０％であり、はるかに、ヘリウムガスの方が大きい。この結果、ヘリウムガスを希釈ガスとして使用することにより、エッチングレートが高くなると共に、外部の環境（例えば、シールドリング）に左右され易い被エッチング体周辺部のエッチングレートの低下を少なくすることができる。このために、本発明では、エッチングレートを全体的に高くすることができると共に、被エッチング体周辺部のエッチングレートの低下を抑えて、エッチングレートの面内均一性を高めることができる。即ち、ヘリウムのアルゴンに対する混合比率を高くすることにより、被エッチング体周辺部のエッチングレートを高めることができる。これは、ヘリウムの質量が４であるのに対してアルゴンの質量は４０であり、ヘリウムの質量はアルゴンの１／１０の質量であり、拡散係数は、質量（質量数）に比例するために、拡散し易いヘリウムでは、特に、被エッチング体周辺部の拡散に影響を与えるためである。
【０００７】
また、希釈ガスとして、ヘリウムガスとアルゴンガスとの混合ガスを使用し、これらガスの混合比（流量比）を選択することにより、電極間距離や高周波バイアス電圧に頼らずにプロセス制御をすることができるので、この制御が容易となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施の形態に係わるプラズマエッチング方法を、添付図面を参照して説明する。
まず、本方法に使用され得るプラズマエッチング装置の概略を図１を参照して説明する。
プラズマ装置１の接地された処理室２内の底部には、絶縁支持板３が敷かれており、この支持板３上には、支持台４を介してサセプタ５が設けられている。このサセプタ５は、下部電極を構成し、上には、被処理基板（被エッチング体）、例えば８インチウエハＷを吸着保持するための静電チャック１１が設けられている。また、このサセプタ５は、接地されたハイパスフィルター（ＨＰＦ）６に接続されると共に、整合器５１を介して高周波（例えは、２ＭＨｚ）のバイアス電圧印加用の第１の高周波電源５０が接続されている。前記静電チャック１１は、薄膜電極１２を絶縁膜によって挟持した構成を有し、例えば、１．５ｋＶの直流電源１３に接続されている。
【０００９】
前記支持台４の内部には、熱交換室７が設けられ、熱交換媒体が導入管８および排出管９を介して循環し、サセプタ５を介して半導体ウエハＷを所定温度に維持可能になっている。この温度制御は、半導体ウエハＷの裏面にＨｅガス等の電熱媒体を供給するガス通路１４を設けることにより、精度の向上が図られている。
【００１０】
前記サセプタ５の上面には、前記静電チャック１１を囲むようにして、ほぼ環状のフォーカスリング１６が設けられている。このフォーカスリング１６は、例えば、導電性のシリコンにより形成され、プラズマ中のイオンを効果的に半導体ウエハＷに入射させる機能を有している。
【００１１】
前記処理室２内の上部には、絶縁部材２５およびシールドリング５５を介して、上部電極２１が、支持されている。この上部電極２１は、表面がアルマイト処理されたアルミニウムにより形成され、ガス室が内部に規定された電極支持体２２と、ウエハＷと所定間隔（この好ましい実施の形態では電極５，２１間距離は１７ｍｍに設定されている）を有して平行に対面し、多数の吐出孔２４を有した電極板２３とにより構成されている。前記シールドリング５５は、プラズマを閉じ込めて、均一化を図ることにより、処理の微細化、処理速度の向上、処理の均一性の要求に対応するようにしたものである。このシールドリング５５と前記電極板２３とは、シリコンにより形成されている。このようなシールドリング５５は、プラズマの均一化には効果があるが、プラズマにより表面が浸食され易く、使用している間に除々に薄くなって、エッチングレートの面内均一性に悪影響を及ぼすことが、本発明者達に確認されている。シールドリングの好ましい例は、特願２０００−２７９４５３に記載されており、本発明のエッチング方法においても、この先願に記載されたようなシールドリングを使用することが可能である。
【００１２】
前記電極支持体２２には、前記ガス室に連通したガス導入口２６が形成され、ガス供給管２７の一端側に接続されている。このガス供給菅２７には、バルブ２８並びにマスフローコントローラ２９が設けられ、これの他端側が処理ガス供給源３０に接続されている。この処理ガス供給源３０は、フロロカーボンガス（ＣｘＦｙ，例えばＣ４Ｆ８ガス）やハイドロフロロカーボンガス（ＣｐＨｑＦｒ）等のエッチングガス（反応ガス）を供給する反応ガス供給源と、希釈ガスを供給するヘリウムガス供給源並びにアルゴンガス供給源と、他の必要なガス源、例えば酸素ガス源とを有し、これらガス源からのガスの供給流量が調節可能となっている。
【００１３】
前記処理室２の下部には、排気装置３５に通じる排気管３１が接続されている。この排気装置３５は、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプを備えており、処理室２内は、例えば、１０ｍＴｏｒｒないし１０００ｍＴｏｒｒの任意の圧力に減圧可能となっている。また、この処理室２の側壁には、ゲートバルブ３２が設けられ、処理室に対しての半導体ウエハの出し入れが可能となっている。
【００１４】
前記上部電極２１は、給電棒３３並びに整合器４１を介して第２の高周波電源４０に接続されると共に、ローパスフィルター（ＬＰＦ）４２に接続されている。
【００１５】
次に、上記構成のエッチング装置を使用して、半導体ウエハ、より正確には、半導体ウエハの上面に形成された二酸化シリコン膜のプラズマエッチング方法と、この方法を実際に行って得られた、エッチングレートの膜内均一性に関する測定データとを説明する。
【００１６】
処理室２内の静電チャック１１に半導体ウエハＷを吸着させた状態で、処理室２内が２０ｍＴｏｒｒとなるように、処理ガス供給源３０から供給されるガスの流量と、排気装置３５の排気速度と調節した。そして、第１の高周波電源５０により下部電極５に第１の高周波パワーを印加した。この実施の形態では、この第１の高周波パワーは、２ＭＨｚの周波数で、処理中はＶｐｐ電圧が１．５ｋｖで一定となるように電力を調整した。第２の高周波電源４０により上部電極２１に第２の高周波パワーを印加した。この第２の高周波パワーは、６０ＭＨｚで、２５００Ｗである。このように高周波電力を各電極に印加することにより、電極間に、供給ガスによるプラズマを発生させて、このプラズマにより生成された中性粒子とイオンとにもとづいて二酸化シリコン膜のエッチングを行わせた。
【００１７】
このようなエッチングを、アルゴンガスとヘリウムガスとの流量を夫々異ならせて行い、エッチングレートの面内均一性を測定した結果を図２に示す。この図において、縦軸は、半導体ウエハ（二酸化シリコン膜）の中心を１として規格化したエッチングレートを示し、横軸は、上記中心からの位置（距離）を示し、また、線ａ（実線）は、処理室にアルゴンガスのみを３００ｓｃｃｍの流量で供給した場合を、線ｂ（破線）は、アルゴンガスが２００ｓｃｃｍ、ヘリウムガスが１００ｓｃｃｍの場合を、線ｃ（点線）は、アルゴンガスとヘリウムガスとが夫々１５０ｓｃｃｍの場合を、線ｄ（一点破線）は、アルゴンガスが１００ｓｃｃｍ、ヘリウムガスが２００ｓｃｃｍの場合を、そして、線ｅ（二点破線）は、ヘリウムガスのみが３００ｓｃｃｍの場合を、夫々示す。
【００１８】
この図２により判るように、アルゴンガスのみを使用した従来技術に対応する例（実線）では、エッチングレートが全体的に低く、中心部が周辺部に比較してかなり高くなっている。即ち、面内均一性が悪くなっている。一方、ヘリウムガスを使用した例（二点破線）では、全体的にエッチングレートが高くなっているばかりではなく、中心から５０ｍｍの範囲では面内均一性が優れている。そして、アルゴンガスとヘリウムガスとを併用した例では、ヘリウムガスの流量を多くするのに従って周辺部のエッチングレートが高くなっている。このために、ヘリウムガスとアルゴンガスとの流量比を適宜選択することにより、所望の面内均一性を有するエッチングを、電極間距離や高周波バイアス電圧を制御しないで行わせることができる。
【００１９】
図３は、他の条件でエッチングを行った場合の図２と同様の参考の結果を示す。ただし、この例では、希釈ガスの流量比は変化させず、厚さ７ｍｍのシールドリング５５が新規な場合（線ｆ）と、１００時間経過後でシールドリンの厚さが５ｍｍになった場合（線ｇ）との測定結果である。ここで、処理室内圧力は、４０ｍｍＴｏｒｒ、下部電極に印加の高周波パワーは、８００ｋＨｚ、１５００Ｗ、上部電極に印加の高周波パワーは、２７ＭＨｚ、２２００Ｗ、電極間距離は、２７ｍｍで、Ｃ_４Ｆ_８ガスが２０ｓｃｃｍ、ＣＯ_２ガスが４０ｓｃｃｍ、Ａｒガスが５００ｓｃｃｍ、Ｏ_２ガスが１０ｓｃｃｍであった。この測定結果から、希釈ガスとしてアルゴンガスを使用した場合には、時間がたつのに従って、即ち、シールドリングが薄くなるのに従って、ウエハの周辺部のエッチングレートが低くなることが判る。このように、シールドリングの厚さにより部分的にエッチングレートが変わる場合には、シールドリングの厚さ、即、使用期間に応じて、アルゴンガスにヘリウムガスを加え、両者の混合比を変えることにより、面内均一性を制御することができる。
【００２０】
以上説明したように、本発明のプラズマエッチング方法においては、反応ガスと希釈ガスとのプラズマを発生させて電荷交換反応を生じさせる稀釈ガスとしてヘリウムガス単独か、所定の混合比のヘリウムガスとアルゴンガスとを使用することにより、プロセス制御が容易に、エッチングレートを高め、かつ面内均一性を向上させることができる。また、シールドリングの使用期間に応じて変化するエッチングレートの面内均一性の低下は、使用期間に応じてヘリウムガスとアルゴンガスとの混合比を変えることにより補うことができる。
【００２１】
尚、上記実施の形態では、本発明のプラズマエッチング方法を実施するために、図１に示したように平行平板型のプラズマエッチング装置を使用したが、この分野で良く知られている他の形式の装置でも良い。即、本発明は、プラズマエッチング装置の形式には、規定されない。また、被エッチング体として二酸化シリコン膜が形成されたシリコンウエハをエッチングする場合について説明したけれども、他の被膜並びに他の半導体もしくは基板のエッチングにも適用され得る。さらに、被エッチング体の材質に応じて反応ガスも適宜選定され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のプラズマエッチング方法に使用され得るエッチング装置を概略的に示す図である。
【図２】図２は、本発明のプラズマエッチング方法と従来の方法とで夫々エッチングした場合のエッチングレートの面内均一性の測定結果を示す図である。
【図３】エッチングレートの面内均一性とシールドリングとの関係を測定した図である。
【符号の説明】
１…プラズマ装置、２…処理室、５…サセプタ（下部電極）、２１…上部分極、３０…処理ガス供給源、４０…第２の高周波電源、５０…第１の高周波電源、５５…シールドリング。

Claims

処理室と、上部電極と、この上部電極に対向して設けられ、上に被エッチング体が支持される下部電極と、この支持された被エッチング体の周りに配置されたフォーカスリングとを具備し、前記上部電極は、電極板と、この電極板を処理室に支持させる支持体と、プラズマを閉じ込めるためのシールドリングとを有し、前記下部電極は、下部電極上に被エッチング体を吸着により固定する静電チャックを有し、
前記シールドリングと電極板とは、シリコンにより形成されている、プラズマエッチング装置を使用して、
処理室内でエッチングガスと希釈ガスとのプラズマを前記上部電極と下部電極とにより発生させて、このプラズマでのイオンと中性粒子との電荷交換反応により中性粒子をイオン化して、前記被エッチング体に入射させて、フォーカスリングにより囲まれ、静電チャックにより固定された被エッチング体をエッチングするのに際して、前記希釈ガスとしてヘリウムガスとアルゴンガスとをその混合比を選定して、前記フォーカスリング近くの被エッチング体の周辺部のエッチングレートを上げる場合にはヘリウムの比率をより大きい設定で使用することを特徴とするプラズマエッチング方法。
処理室と、上部電極と、この上部電極に対向して設けられ、上に被エッチング体が支持される下部電極と、この支持された被エッチング体の周りに配置されたフォーカスリングとを具備し、前記上部電極は、電極板と、この電極板を処理室に支持させる支持体と、前記電極板の周りに設けられ、プラズマを閉じ込めるためのシールドリングとを有し、前記下部電極は、下部電極上に被エッチング体を吸着により固定する静電チャックを有し、
前記シールドリングと電極板とは、シリコンにより形成されている、プラズマエッチング装置を使用して、
処理室内でエッチングガスと希釈ガスとのプラズマを前記シールドリングとフォーカスリングとにより閉じ込められた状態で、上部電極と下部電極との間に発生させて、このプラズマでのイオンと中性粒子との電荷交換反応により中性粒子をイオン化して被エッチング体に入射させて被エッチング体をエッチングするのに際して、プラズマの均一性を高めるために前記シールドリングの使用状態に応じて、前記希釈ガスとして使用するヘリウムガスとアルゴンガスとの混合比を変えて使用することを特徴とするプラズマエッチング方法。