JP2000173990A - ドライエッチング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】安定かつ密度が10¹¹／cm³以上であるプラズマ
を生成し、プロセスの変動があっても、ウエハ径が300m
m以上でもウエハ面内で均一かつ低ダメージにpoly−S
i、Al：Cu膜および酸化膜等が加工できる装置を提供す
る。 【解決手段】有磁場UHF波エッチング装置のアンテナ部
のVdcをエッチング中にモニタする電極を設け、電極の
電位を基に、ウエハ上のVdcが均一になるようにウエハ
に印加するバイアスパワーの分布を制御し、ダメージ発
生を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマによる半
導体基板の微細加工を行う方法および装置に係り、特に
基板にダメージを与えることが少なく、微細電極、配線
およびコンタクトホールの形成を高精度に行うのに好適
なドライエッチング方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造過程において、ウエハ
上に形成されたポリシリコン（poly−Si）やAl：Cu合金
等の薄膜は、ドライエッチングにより微細加工され、ゲ
ート電極やメタル配線を形成する。ウエハ上に形成され
たトランジスタとメタル配線間あるいはメタル配線とメ
タル配線間の電気的な接続においては、トランジスタ素
子の上あるいは配線間に形成された絶縁膜（SiO₂を主成
分とする薄膜、以下単に酸化膜と呼ぶ）に、ドライエッ
チングによりコンタクトホールを形成し、コンタクトホ
ール内に電気伝導体を充填している。

【０００３】上記ドライエッチングは、エッチングガス
を真空容器であるドライエッチング装置に導入し、高周
波バイアスもしくはマイクロ（μ）波を印加し、プラズ
マを発生させ、プラズマ中で生成した活性種およびイオ
ンによって行われる。ウエハには電極、配線もしくはホ
ールパターンを転写したレジスト薄膜等のマスクが酸化
膜上に形成されている。ドライエッチングでは、Poly−
Si膜、Al：Cu合金膜、酸化膜等をマスクや下地に対し選
択的に加工し、所望の加工形状を形成している。

【０００４】ところで近年では、半導体装置の集積度、
処理能力および生産性向上のため、パターンの微細化お
よび処理ウエハの大口径化（直径300mm）が進められて
いる。ウエハの大口径化に対応するためには、ドライエ
ッチング装置内に発生するプラズマが均一であること、
生産性を高めるためには、プラズマ密度が10¹¹／cm³以
上にできること、加工形状制御性を上げるためには、ガ
ス圧力0.1Paから4Paで安定したプラズマが形成できるこ
と等が要求されている。すなわち、大口径で均一かつ密
度が高いプラズマを低ガス圧力で発生させる必要があ
る。

【０００５】上記ウエハの大口径化とならんで、半導体
装置のいっそうの微細化も進められている。近年、加工
スケールは0.1μmオーダーになり、半導体装置の低電圧
動作のため、ゲート酸化膜の膜厚が4nm以下になってき
た。このため、1つのゲートに対するチップ面積が大き
くなり、プラズマに曝された場合、プラズマの均一性が
十分でないとゲート酸化膜に印加される電圧が、微細化
に伴い高くなる。さらに、薄膜化に伴い、ゲート酸化膜
の耐圧が低くなってきた。すなわち、プラズマが十分に
均一でなければ、ゲート酸化膜に高電圧が印加され、ト
ランジスタ構造が破壊されてしまう。このような理由
で、大口径ウエハへの微細加工では、従来に比べプラズ
マ密度（より正確にはウエハ上のイオン電流密度）の十
分な均一性が要求されている。

【０００６】この要求に対し、平行平板型、誘導結合型
および有磁場マイクロ波型のエッチング装置で対応する
場合、いずれの場合も、ガス圧力、ガス流量、膜質等の
プロセス条件によりプラズマ密度の均一性が若干変動す
る。このため、プロセス条件ごとに装置の組み替えやア
ンテナ電流やコイル電流の微調整が必要となる。特に薄
膜が数層ある積層膜のエッチングの場合、膜ごとにエッ
チング条件が変動するため、プラズマの均一性の制御が
難しくなる。

【０００７】さらに、有磁場マイクロ波エッチング装置
では、大口径ウエハに対応するためには、マイクロ波の
波長を長くする必要がある。プラズマを発生させるため
に導入する高周波の周波数をマイクロ波（2.45GHz）か
らUHF帯（300MHzから900MHz）にすることにより、波長
が300mm以上になるため、比較的均一なプラズマが得ら
れる可能性がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、有磁場UHF波エッチング装置で、安定かつ
密度が10¹¹／cm³以上であるプラズマを生成し、プロセ
スのわずかな変動によるプラズマの不均一が発生して
も、ウエハ径が300mm以上でもウエハ面内で均一かつ低
ダメージにpoly−Si、Al：Cu膜および酸化膜等を加工で
きる装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】ウエハがプラズマに曝さ
れるとウエハ上には、シースが形成される。イオンはこ
のシース両端（ウエハ側とプラズマ側）の電位差（以後
この電位差をシース間電圧と呼ぶ）によって加速され、
ウエハに入射する。この加速イオンにより、ウエハ上の
薄膜が異方的にエッチングされる。シース間電圧は、プ
ラズマ電位、ウエハに印加される高周波（RF）バイアス
のパワーおよびイオン電流密度によって決まる。

【００１０】イオン電流密度が高いとシースのインピー
ダンスが小さくなるため、同じRFパワーでも、シース間
電圧は、イオン電流密度の高い方が小さくなる。したが
って、ウエハ上でイオン電流密度に分布があると、シー
ス間電圧に分布が生じることになる。ウエハ上の構造物
がウエハの基板部のSiと電気的に絶縁されている場合
（例えば、電界効果トランジスタのゲート電極の加
工）、シース間電圧に分布があると、基板のSi部分の電
位は、ウエハ上の平均的なシース間電圧で決まるが、ウ
エハ上の構造物の電位は、局所的なシース間電圧で決ま
る。この結果、ウエハ上の構造物とウエハ間に電位差が
生じ、電位差がゲート破壊電位を超えると半導体装置の
絶縁膜が破壊される（ダメージをうける）のである。

【００１１】このように、イオン電流密度にウエハ面内
分布があると、シース間電圧に分布が発生し、半導体装
置にダメージを与える。そこで従来は、上記ダメージを
低減する方法として、イオン電流密度を均一にすること
が探求されてきた。しかしながら、イオン電流密度（プ
ラズマ密度）の分布が、被エッチング膜の膜質およびエ
ッチングガス種等によって微妙に変化することから、イ
オン電流密度の均一化だけでは半導体装置の微細化に対
応できなくなってきた。例えば、多層膜のエッチング途
中で条件を変更するような従来方法によるプロセスでは
対応がより難しくなる。

【００１２】ダメージの発生は、シース間電圧の分布に
よって発生するので、シース間電圧の分布をうち消すよ
うに高周波（RF）バイアスを制御すればよい。シース間
電圧の時間平均は、概ねRFバイアスとプラズマによって
発生する直流成分Vdcになる。しかしながら、通常のエ
ッチング装置では、シース間電圧の分布を直接モニター
することが難しく、制御方法の確立が難しい。

【００１３】これに対し、有磁場UHF波エッチング装置
では、ウエハにほぼ垂直方向に磁力線があり、電子電流
が磁力線方向に制約されるため、シース間電位やイオン
電流密度に対応する情報がウエハの対向面のアンテナ部
で得られる性質がある。

【００１４】本発明は上記の性質を利用し、有磁場UHF
波エッチング装置において、エッチング中にシース間電
位をモニタする電極をアンテナ部に設け、この電極の電
位を基に、シース間電圧が均一になるようにウエハに印
加するバイアスパワーの分布を制御することを特徴とす
る。具体的には、アンテナ面上のVdcの分布を測定し、
平均より高い場合はアンテナの対向部のウエハ位置のバ
イアスを小さくし、低い場合には高くすることによって
ウエハ上のVdcが均一になるように制御する。

【００１５】ウエハ上で受けるイオンのエネルギーはVd
cにほぼ比例するので、エッチング速度が不均一になる
ことはない。この手段により、シース間電圧のウエハ面
内ばらつきがなくなるので、プロセス条件によってイオ
ン電流密度の均一性が変化しても、半導体装置にダメー
ジを与えることなく薄膜の加工が行える。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明に用いるドライエッチング
装置を図１に示す。この装置では、エッチングガスをア
ンテナ22に設けられたシャワープレートよりエッチング
処理室1に導入し、UHF波電源11において200MHzから1.2G
Hzの間のUHF波を発生させ、このUHF波を金属アンテナ22
に伝搬し、アンテナ誘電体13を介してエッチング処理室
1に輸送してガスプラズマを発生させる。エッチング処
理室周辺に設置された磁場発生用の3つのソレノイドコ
イル18、19、20によって、100から330ガウスの間の磁場
がエッチング処理室1内のシャワープレート（アンテ
ナ）22の10mmから30mm下にくるようにコイル電流を制御
し、プラズマを発生させる。ソレノイドコイルの導線の
巻き数は、それぞれ1200ターンである。

【００１７】処理台2上に被処理物3を設置して、ガスプ
ラズマによりエッチング処理する。エッチングガスは、
ガス流量制御装置8を通してエッチング処理室1に導入さ
れ、排気用バルブ17を通して真空ポンプ（図示せず）に
よりエッチング処理室1の外に排気される。

【００１８】被処理物を設置する処理台2は高周波電源5
を備え、400kHzから13.56MHzまでの高周波バイアスを印
加きる。処理台2は、処理台の対向面（アンテナ22）か
ら装置の許す範囲内で任意の距離で固定することができ
る。

【００１９】アンテナ22の直径は約330mmで、アンテナ
上部には、厚さ約20mmのアンテナ誘電体（アルミナ）1
3、その上部には、磁性体ではない金属で形成されアー
スに接地されたエッチング装置の外周部15がある。アン
テナ22はシャワープレートでもあり、図４に示すよう
に、シリコン板402とアルミ板401のはり合わせ構造で、
真空処理室側の材質がシリコン402である。

【００２０】アンテナ22のシリコン板402の裏面は、図
２に示す構造となっている。シリコン板201上には、直
径1mmのシャワーホール203と高濃度（約10¹⁸個／cm³）
にリンドープされた直径5mmの電極202がある。電極202
は径方向に十字に配置され、シャワーホールは、電極を
避けるようにほぼ全面に均等に配置されている。

【００２１】上記電極部は図３に示すアルミ板301の電
極302に接続されている。さらに電極302は配線304を経
てパッド305に接続される。

【００２２】パッド305は、図４に示すようにUHF波導入
の同軸芯線404内部に設置された信号線405に接続され
る。上記芯線404は整合器10の手前でコイル24に分岐
し、芯線404内部の信号線405は、コイル24を経て外部に
取り出され（図１の信号線25）、バイアス制御用コンピ
ュータ26に接続され、バイアスコントローラ27の内部に
設置された可変コンデンサを制御できるようになってい
る。

【００２３】この装置に、被処理物として12インチシリ
コンウエハ3を搬送する。このシリコンウエハ3上には、
ゲート長100nm、ゲート酸化膜の膜厚が約3nmである電界
効果トランジスタが形成され、その上に厚さ0.5μmの有
機ガラス膜（SOG）および1.0μmの酸化膜が積層され、
その上部にはマスクパターンを転写したレジストマスク
が形成されている。レジストマスクには、150nm径のホ
ールがゲート電極上に形成されている。すなわち、エッ
チングストップ層はゲート電極（多結晶Si）である。

【００２４】この装置に、Arガスを300sccm、C₄F₈ガス
を12sccm、酸素ガスを2sccmガス、COガス150sccmをアン
テナ22のシャワープレート（シャワーホールの総称）よ
り処理室に導入し、ガス圧力を2Paにする。450MHz、2kW
の高周波をアンテナ22よりエッチング処理室1に導入
し、ガスプラズマを生成する。コイル18については7A、
コイル19については2A、コイル20は1Aのコイル電流を流
す。

【００２５】イオン電流の分布は、ウエハ周辺で約6.0m
A／cm²、中心で約6.2mA／cm²となる。処理台に2MHz、2.
4kWのバイアスを印加し、有機ガラス膜および酸化膜を
エッチングする。プラズマ密度は、5×10¹¹／cm³程度で
ある。酸化膜のエッチング速度は約700nm／minである。

【００２６】エッチング開始から約90秒後、被エッチン
グ膜が酸化膜から有機ガラス膜に変わるので、ガス流量
をArを500sccm、C₄F₈ガスを12sccm、酸素ガスを10scc
m、COガスを0sccmに切り替える。この時のイオン電流密
度は、ウエハ周辺で約6.2mA／cm²、中心で約5.8mA／cm²
となる。有機ガラス膜のエッチング速度は約500nm／min
である。

【００２７】バイアスを均一に印加する場合、ウエハ周
辺と中心部でイオン電流密度に差が生じる。この結果、
印加バイアスのVdcもウエハ面内で分布をもつ（ばらつ
く）。Vdcの測定装置をウエハ上に設け、エッチングと
同じ条件で測定すると、酸化膜エッチングの条件では、
Vdcが中心で約500Vであるのに対し、周辺部では、約520
Vとなる。一方、有機SOG膜のエッチング条件では、Vdc
は中心で約530Vであるのに対し、周辺部で約500Vとな
る。この結果、ウエハ中心部と周辺部で電位差が生じ、
トランジスタの約15％にダメージが発生する。

【００２８】図４のアンテナでVdcを測定すると、酸化
膜エッチングの条件では、アンテナ周辺部のVdcが約50
V、中心部が約52V、有機ガラス膜のエッチングでは、中
心部で約53V、周辺部で約50Vとなり、ウエハ上のVdcの
約1／10となる。ウエハに比べVdcが小さいのは、直接バ
イアスが印加されていないこと、表面がSiであるため、
アンテナ面内でVdcが若干均一化されることによる。

【００２９】図１のバイアスコントローラ27を用い、ア
ンテナ部のVdcを測定しながら、バイアスパワーのウエ
ハ面内分布をコントロールしてエッチングを行う。ウエ
ハバイアスは、アンテナでのVdcが均一になるようにRF
バイアスを制御する。酸化膜エッチング時は、ウエハ周
辺のバイアスのピークトゥピーク電位（Vpp）を中心部
より80V高くすることにより、アンテナでのVdcが均一に
なり、有機ガラスエッチング時は、中心部を周辺部より
Vppを100V高くすることによりほぼ均一になる。ここ
で、通常、VppはVdcの2から3倍程度である。

【００３０】バイアスをアンテナVdcにより自動コント
ロールする場合、常にウエハ上のVdcがほぼ均一になる
ため、電位差が生じず、トランジスタへのダメージは見
られない。

【００３１】同様な効果は、酸化膜の他、poly−Si膜、
Al：Cu：Si膜、W膜、WN膜および窒化ケイ素膜でも得ら
れる。特に、SiとWの積層膜、Al：Cu膜とTiN膜の積層膜
でも同様な効果が得られる。ウエハ径も12インチに限ら
ず、8インチおよび16インチでも同様な効果が得られ
る。アンテナに印加するUHF波の周波数を450MHzから900
MHzにし、320ガウスの等磁場面を同様に変調制御しても
同様な効果が得られる。アンテナへの周波数が1GHz以上
では、電磁波の伝播モードによる節が現れ、均一な加工
が難しくなる。他方、アンテナへの印加周波数を、300M
Hzまで小さくしても同様な効果が得られるが、さらに20
0MHzまで小さくするとプラズマ生成効率が低下し、十分
な密度が得られなくなる。

【００３２】

【発明の効果】本発明により、有磁場UHF波エッチング
装置において、アンテナ部のVdc測定をエッチング進行
中に行い、Vdcの分布が均一になるようにウエハバイア
スを制御することにより、トランジスタに電気的なダメ
ージを与えることなく微細加工が行えるようになる。本
発明のアンテナ構造と制御方法をもつエッチング装置を
用いることにより、プロセス条件の変動があってもトラ
ンジスタにダメージを与えることなく半導体装置の微細
パターンの加工を行えるので、より集積度の高い半導体
装置の大量生産が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のドライエッチング装置の断
面図。

【図２】本発明の一実施例の装置で用いるシリコンシャ
ワープレートの構造を示す平面図。

【図３】本発明の一実施例の装置で用いるアンテナのア
ルミ板の裏面構造を示す平面図。

【図４】本発明の一実施例の装置で用いるアンテナの縦
断面図。

【符号の説明】

1…エッチング処理室、2…ウエハ処理台、3…被処理物
（ウエハ）、4…サセプタ、5…処理台に接続する高周波
電源、7…コンダクタンスバルブ、8…ガス流量コントロ
ーラ、10…UHF波整合器、11…UHF電源、13…アンテナ誘
電体、17…排気用ゲートバルブ、16…ウエハ搬送用ゲー
トバルブ、18…第１のソレノイドコイル、19…第２のソ
レノイドコイル、20…第３のソレノイドコイル、21…ヨ
ーク、22…シャワープレート付きアンテナ、23…SiC焼
結材、24…UHF波遮断用コイル、25…Vdc測定電極接続用
信号線、26…バイアス制御用コンピュータ、27…バイア
スコントローラ、28…多分割電極、201…アンテナシリ
コン板、202…リンを高濃度にドープした電極、203…ガ
ス導入用シャワーホール、301…アンテナアルミ板、302
…電極、303…アルミ板に埋め込まれたアルミ板の半分
の厚さの基板、304…アルミ配線、401…アンテナアルミ
板、402…アンテナシリコン板、404…UHF波導入部の芯
線、405…Vdc測定電極接続用信号線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小藤 直行 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 根岸 伸幸 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Ｆターム(参考） 4K057 DA02 DA20 DB01 DB05 DB06 DB08 DB20 DD03 DE06 DE14 DE20 DG20 DM02 DM05 DM06 DM09 DM18 DM21 DM29 DM33 DN01 5F004 AA01 AA16 BA04 BA08 BA09 BB11 BB13 BB14 BB18 BB28 CA06 CB05 DA00 DA23 DA26 DB02 DB07 DB09 DB10 DB16 DB17 EB01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空処理室内に少なくとも1種の処理ガス
   を導入する手段と、上記処理ガスを真空室外に排気する
   排気手段と、上記真空処理室内の上部に設置された高周
   波を印加できる平板アンテナと、上記高周波と上記処理
   ガスから形成されるプラズマの密度もしくは電位等の状
   態を少なくとも2箇所以上で測定する手段を上記アンテ
   ナ内部に有すること特徴とするドライエッチング装置。
2. 【請求項２】真空処理室内に少なくとも1種の処理ガス
   を導入する手段と、上記処理ガスを真空室外に排気する
   排気装置と、上記真空処理室上部に第１の高周波を印加
   する平板アンテナと、上記高周波上記真空処理室内に被
   処理基板を設置る処理台と、第２の高周波を上記処理台
   に印加する手段を有するドライエッチング装置におい
   て、上記平板アンテナが上記請求項１に記載の平板アン
   テナからなり、上記処理台内部に上記第２の高周波を印
   加する少なくとも2個以上の互いに電気的に絶縁された
   電極を有し、上記処理台内の電極に異なる高周波パワー
   を印加する手段を有することを特徴とするドライエッチ
   ング装置。
3. 【請求項３】請求項２において、上記平板アンテナに印
   加する周波数が300MHz以上900MHz以下で、上記真空処理
   室外部に少なくとも2つのソレノイドコイルを有し、上
   記平板アンテナの上記真空処理室側の材質が不純物を含
   むSiであり、上記平板アンテナ内部に直流電位を測定す
   る電極を有し、上記電極で測定した電位を基に、上記処
   理台内部に設置された電極に印加する上記第２の高周波
   のパワーを制御することを特徴とするドライエッチング
   装置。
4. 【請求項４】請求項３において、上記平板アンテナ内部
   の上記電極の電位が等しくなるように、上記処理台の少
   なくとも2つの電極に印加される上記第２の高周波のパ
   ワーを制御することを特徴とするドライエッチング装
   置。
5. 【請求項５】排気ポンプにより真空状態に保持される処
   理室において、上記処理室に設けられたガス導入手段に
   より少なくとも1種類のガスを上記処理室に導入し、上
   記処理室内に設けられた平板アンテナより高周波を上記
   処理室に導入し、上記導入ガスを上記処理室内でプラズ
   マ化し、上記処理室に磁場を印加し、薄膜と上記薄膜の
   一部の上にマスクパターンが転写されたレジスト膜が形
   成されている被処理基板をプラズマに接触もしくは非接
   触の状態になるように上記処理室内に設置し、上記被処
   理基板に第２の高周波を印加することにより上記基板上
   の薄膜をエッチングする方法において、上記平板アンテ
   ナの直流電位を上記平板アンテナの少なくとも2カ所以
   上で測定し、上記直流電位が各測定個所で等しくなるよ
   うに、第２の高周波のパワーを不均等に分割して上記被
   処理基板に印加することを特徴とするドライエッチング
   方法。