JP2000306883A

JP2000306883A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法

Info

Publication number: JP2000306883A
Application number: JP11110459A
Authority: JP
Inventors: Nushito Takahashi; 主人高橋; Toshio Masuda; 俊夫増田; Ryoji Fukuyama; 良次福山; Satoyuki Tamura; 智行田村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-04-19
Filing date: 1999-04-19
Publication date: 2000-11-02

Abstract

(57)【要約】【課題】シリコンなどからなるフッ素消費部材をエッチ
ング室内に設置し、バイアスを印加することでプラズマ
中のフッ素を消費することができるが、フッ素消費量が
フッ素消費部材の温度に依存して変化するため、エッチ
ング特性が変動するという課題があった。【解決手段】フッ素消費部材の削れ量が温度によって変
化しないレベルの高バイアスを印加する。さらに、フッ
素消費部材の広がりをエッチングガスの平均自由行程の
５〜１０倍以内とした。【効果】フッ素消費部材の温度が安定するまでの時間が
不要となるので、スループットが向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ処理装
置、特にプラズマエッチングにおいて、フッ素を含むガ
スプラズマを用いてシリコン酸化膜などの絶縁膜をエッ
チングするに際し、プラズマ中のエッチング活性種を制
御し、エッチング特性の向上を図る方法および装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】シリコン酸化膜などの絶縁膜（以後、単
に酸化膜と称する）のエッチング装置やエッチング方法
に関する従来の技術は、特開昭５２―１１４４４４号公
報に記載のように、エッチングガスの主成分としてフレ
オンガスを用い、スパッタエッチングによるものを基本
としている。エッチングガスはフッ素、炭素、水素、酸
素などから構成されるガス種を使用するのが一般的であ
る。すなわち、これらのエッチングガス種を最適な組成
とすることが優れたエッチング特性を得る方法であり、
その具体的な方法が種々提案されている。

【０００３】なお、特開昭５２―１１４４４４号公報に
は、試料が載置される試料台をフッ素樹脂としたり炭素
とし、エッチングガス中のフッ素を吸収することで酸化
膜とシリコンの選択エッチングを実現している。すなわ
ち、プラズマ中のフッ素が過剰であれば、酸化膜の下地
材料であるシリコンもエッチングされるため、選択エッ
チングが困難であることを示している。エッチング室内
に特定の材料を設置することで過剰な活性種を消費し、
プラズマ中の活性種の組成制御を実現している。同じ主
旨の従来技術が、特開昭６３―９１２０号公報に記載さ
れている。レジストをマスクとしてプラズマエッチング
するに際し、レジストのエッチングを引き起こすイオン
やラジカルなどの活性種を消費する物質をエッチング室
内に設置するものである。これにより、レジストと被エ
ッチング材料との選択比を確保している。また、活性種
を消費する材料は被エッチング材料とは異なる物質にす
ることや、これらの材料でウエハステージを構成するこ
とも示されており、具体的な材料として、シリコンや炭
素が挙げられている。なお、本実施例の他の目的は、シ
リコンや炭素からなる載置台は石英などの載置台と比較
して熱伝導特性に優れているため、ウエハの温度制御性
を向上することにある。

【０００４】他のプラズマ中の活性種制御方法として、
炭化シリコン（ＳｉＣ）に高周波バイアスを印加する方
法が特開平５―２３４６９６号公報に記載されている。
本実施例は、酸化膜の下地材料がシリコンで構成されて
いる場合、ＳｉＣにバイアスを印加することでプラズマ
中の過剰なフッ素を消費するものである。これにより、
下地シリコンのエッチング速度が抑制され選択比が向上
する。また、ＳｉＣはウエハ載置電極の外周部に設置さ
れ、ウエハへの高周波バイアスが印加されると同時にＳ
ｉＣにも高周波バイアスが印加される構造が示されてい
る。

【０００５】特開平７−１３５２００号公報には、ウエ
ハ載置部以外の部分を炭素で覆い、過剰のハロゲンガス
を消費する例が示されている。また、ハロゲンガス消費
以外の他の目的は、堆積物の付着と電子のチャージアッ
プ抑制にある。

【０００６】上述した各実施例では、いずれもウエハ載
置電極に活性種制御部材を設置する例が示されている。
これに対し、特許第２５１９３８３号公報および特許第
２６２５０７２号公報に記載の例では、酸化膜の下地が
窒化シリコンの場合に、プラズマ中のフッ素を消費（ス
カベンジ）する部材をエッチング室内に設置する例が示
されている。この場合は、ウエハ載置電極とは異なる第
３の電極上にシリコン（あるいはグラファイト）を設置
し、高周波バイアスを独立に印加したり温度制御（加
熱）することが示されている。本実施例も、基本的には
先に示した実施例と同じ主旨である。

【０００７】プラズマ中の過剰な活性種を制御するため
に活性消費部材を設置するというアイデアとは若干異な
るが、ウエハ外周部にリング状部材を設置してエッチン
グ均一性を向上する方法が、特開平７−１３５２００号
公報に記載されている。このリング状部材は、異物など
の汚染を防止するため、単結晶シリコンで製作されてい
る。しかし、プラズマ中の過剰な活性種を消費する点に
関しては記載されていない。

【０００８】さらに、ウエハ載置電極に関していえば、
特開平２―６５１３１号公報や特開平３−２０７４０８
号公報、特開平４−２１８３４６号公報、米国特許ＵＳ
Ｐ５，２７１，７８８号公報には、ウエハ外周部の電位
分布を改善する方法が記載されている。すなわち、ウエ
ハ外周部に絶縁部材が設置されているとプラズマシース
の急変などにより電位分布が急激に変化するため、エッ
チング中にダメージの発生する恐れがある。これを抑制
するため、ウエハ外周部をウエハとほぼ同じ電位とする
方法である。具体的には、導体を設置し、この導体にウ
エハに印加している高周波バイアスを印加するものであ
る。このようにすることで、ダメージが抑制されたこと
が示されている。なお、具体的な材料としては、前者は
炭化シリコン、後者は被エッチング材料（ウエハ）より
電気抵抗の低い材料であり、シリコンウエハの場合は炭
化シリコンや炭素など、とされている。

【０００９】また、特開平４−１３９７２２号公報には
ウエハ周辺のプラズマ状態（シース厚さ分布）を均一化
するという点では同じであるが、ウエハ周辺に２次電子
放出部材を設置する例が示されている。２次電子を放出
させるためには、部材にバイアスが印加されイオンが入
射する必要があるので、材料としては導電性の炭素、シ
リコンか厚さ１ｍｍ以下の石英やアルミナの絶縁材が選
定されている。さらに、本部材の幅をウエハの自己バイ
アス電圧分布が１０％以内になるようにするとし、実施
例では１０ｍｍ以上が示されている。

【００１０】以上述べたように、従来の酸化膜エッチン
グでは、プラズマ中の過剰フッ素を制御するため、シリ
コンや炭素あるいは炭化シリコンなどのフッ素消費材料
をエッチング室内に設置する方法が示されている。ま
た、これらのフッ素消費部材に高周波バイアスを印加す
る方法も知られており、ウエハ載置電極へのバイアス印
加を利用してフッ素消費部材にバイアス印加する方法
や、別の電極を設けて独立にバイアス印加する方法もあ
る。さらには、フッ素消費部材の温度調節なども有効で
あることが示されている。

【００１１】また、過剰フッ素を消費する目的とは異な
るが、ウエハ載置電極へのバイアス印加を利用する方法
において、ウエハ外周部の電位が急変するのを抑制する
ため、ウエハ外周部に電気抵抗の低い導体を設置する例
も知られている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来の酸化膜エッチン
グ装置に示されているプラズマ中の過剰フッ素抑制方法
は、プラズマ中のフッ素（イオンやラジカル）をエッチ
ング室内に設置したシリコンや炭素と反応させることで
消費することを基本としている。しかし、本方法には二
つの課題がある。一つは、フッ素消費部材の設置場所と
プラズマ生成場所との位置関係である。エッチングはウ
エハ表面での現象であることを踏まえると、フッ素が生
成されるプラズマ発生領域からウエハ表面までフッ素が
拡散するに際し、ほぼそのままフッ素がウエハに到達す
るようなプラズマ発生方式であるか、あるいは途中でフ
ッ素が消費される構造なのか、さらには過剰フッ素をフ
ッ素消費部材で消費しても、その影響がウエハに及ぶ領
域であるか、などの課題である。フッ素消費部材表面で
のフッ素とフッ素消費部材との反応が、プラズマ中のフ
ッ素量を変化させるなどの課程を経て、ウエハ表面上で
のフッ素量に影響を及ぼすようになっていなければなら
ない。二つ目の課題は、フッ素とフッ素消費部材の反応
がフッ素消費部材の温度の影響を受けることである。温
度制御されていないプラズマ中の部材は、一般的にプラ
ズマからの入熱により次第に温度上昇する。また、フ
ッ素消費部材とフッ素との表面反応も温度依存性がある
ため、フッ素消費量も次第に増加する。すなわち、プラ
ズマ中のフッ素組成比が変動するため、フッ素消費部材
の温度変動がエッチング特性に影響する現象は避けられ
ない。したがって、フッ素消費部材の温度を制御するこ
とができないのであれば、別の方法によりフッ素消費部
材表面におけるフッ素消費量を一定に制御するかエッチ
ング特性に影響しないレベルに制御しなければならな
い。

【００１３】以上の点を考慮すると、上記課題を解決す
るには従来技術に示した実施例のみでは不充分であり、
さらなる工夫が必要である。

【００１４】

【課題を解決するための手段】エッチング反応性生物が
ウエハ表面から離脱して再びウエハ上に入射したりプラ
ズマ中で解離する現象は、S.Tachi, et al.,Near-surfa
ce interactions and their etching-reaction model i
n metal plasma-assisted etching, Journal of Vacuum
Science & Technology, A16(1), 250(1998) に述べら
れているように、エッチングガスの平均自由行程に依存
する。たとえば、酸化膜エッチングで使用されているア
ルゴンガスに関して言えば、１Pa、０℃での平均自由行
程は約６mmである。この平均自由行程の数倍から数１０
倍の領域がエッチングに影響を及ぼす空間であることが
上記論文に示されている。この点を踏まえて、酸化膜エ
ッチングに大きく影響を及ぼしているフッ素の消費部材
は、平均自由行程の数１０倍以内の距離に設置しなけれ
ばならない。本発明では、フッ素消費部材をウエハ外周
部に設置した。その内径はウエハ径とほぼ同じにし、外
径はウエハ外径から平均自由行程の１０倍以内の距離だ
け離れた範囲とした。

【００１５】次に、フッ素消費部材の温度変動に起因す
るフッ素消費量の変動を解消しなければならない。フッ
素消費部材の消耗量を評価する過程で、消耗量すなわち
フッ素の消費量は、フッ素消費部材の温度と印加される
高周波バイアスのレベルに依存することを突きとめた。
すなわち、フッ素消費部材の温度が低ければ印加バイア
スの電圧に依存してフッ素消費量は増加するが、温度が
高ければ印加バイアスの影響は少ない。また、印加バイ
アスが大きければ、フッ素消費部材の温度が変動しても
フッ素消費量の変化は少ない。以上の点を考慮し、本発
明では、フッ素消費部材に高バイアスを印加し、温度変
動の影響を抑制した。なお、フッ素消費部材に高バイア
スを印加すると、フッ素消費部材の消耗量が増加する。
したがって、フッ素消費部材の交換頻度が多くなるとい
った問題や、必要以上にフッ素を消費してしまう恐れも
ある。そこで、本発明では、フッ素の消費を適正な量と
するため、平均自由行程の約１０倍以内の領域にフッ素
消費部材を設けるとともに、外周径を最適化し、フッ素
消費量を制御する方法を採用した。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の一実施例について説明す
る。

【００１７】図１は本発明を適用したプラズマエッチン
グ装置の模式図であり、電子サイクロトロン共鳴を応用
したプラズマ処理装置である。真空容器であるエッチン
グ室１の周囲に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）用磁
場を発生するためにコイル２が設置されている。エッチ
ング用ガスは、ガス供給管３を通して供給され、直径が
０．４ないし０．５ｍｍ程度の微細な穴が数１００個程
度設けられたシリコンあるいはガラス状炭素からなるガ
ス供給板４からエッチング室１に導入される。ガス供給
板４の上方にはＵＨＦ帯のマイクロ波を放射する円盤状
のアンテナ５が設けられ、アンテナ５へのマイクロ波は
電源６からマッチング回路７、導入軸８を通して給電さ
れる。マイクロ波はアンテナ５の周囲から放射されると
ともに、アンテナ５の上方の空間での共振電界が誘電体
９を通ってエッチング室内に導入される。また、アンテ
ナ５と電極１０との間で容量結合的な電界も発生し、効
率的なプラズマ発生源になっている。マイクロ波の周波
数は、プラズマの電子温度を０．２５ｅＶから１ｅＶの
低温度にできる帯域が選定されていて、３００ＭＨｚか
ら１ＧＨｚの範囲である。本一実施例では４５０ＭＨｚ
付近の周波数帯を使用した。また、誘電体９としては、
石英やアルミナが使用できるし、ポリイミドなどの耐熱
性ポリマーで誘電損失が小さいものが使用できる。

【００１８】ガス供給板４の下方にはウエハ載置電極１
０が設けられ、ウエハ１１が静電吸着により支持（静電
吸着用電源は図示せず）されている。ウエハ１１にプラ
ズマ中のイオンを引き込むため、高周波電源１２からウ
エハ載置電極１０に高周波バイアスが印加される。

【００１９】また、エッチング室内壁１３は温度調節さ
れている。図示していない温度調節器から冷媒を内壁１
３に導入して温度調節され、内壁１３は一定の温度に保
持されている。本一実施例では３０〜８０℃に設定し
た。

【００２０】エッチング室１に直結接続された真空室に
は、排気速度が２０００から３０００Ｌ／ｓ程度のター
ボ分子ポンプが設置されている。また、図には示してい
ないが、ターボ分子ポンプの開口部には排気速度調整用
のコンダクタンスバルブが設置され、エッチングに適し
た流量と圧力を達成するために排気速度が調節される。
さらに、大気開放時などにターボ分子ポンプを隔離する
ためにストップバルブも設けられている。

【００２１】次に、本発明のプラズマエッチング装置を
用いた酸化膜エッチングの一実施例について説明する。

【００２２】高真空に排気された状態のエッチング室１
に、図には示していないが、搬送室から搬送アームによ
ってウエハが搬入され、ウエハ載置電極１０の上に受け
渡される。搬送アームが後退してエッチング室１と搬送
室間のバルブが閉じられた後、ウエハ載置電極１０が上
昇して、エッチングに適した位置で停止する。本一実施
例の場合は、ウエハ１１とガス導入板４との距離（電極
間距離）を５０ｍｍから１００ｍｍとした。

【００２３】エッチングガスとして、ＡｒとＣ_４Ｆ_８、
Ｏ_２の混合ガスを使用し、それぞれの流量５００、１
０、５ｓｃｃｍを導入した。圧力は２Ｐａである。ＵＨ
Ｆマイクロ波電源の出力を１ｋＷとし、ウエハへのバイ
アス電源１２の出力を６００Ｗとした。コイル２に電流
を印加し、ＵＨＦマイクロ波４５０ＭＨｚの共鳴磁場
０．０１６Ｔをガス供給板４とウエハ載置電極１０（す
なわちウエハ１１）の間に発生させた。次にマイクロ波
電源６を動作させた。電子サイクロトロン共鳴により、
磁場強度０．０１６ＴのＥＣＲ領域に強いプラズマが発
生する。

【００２４】エッチング特性の均一化を図る上で、ウエ
ハ１１の表面における入射イオン密度を均一にする必要
があるが、ＥＣＲ位置を磁場コイル２で自由に調節する
ことができるため、最適なイオン密度分布が得られる。
本一実施例では、ＥＣＲ領域の形状をウエハ１１側に凸
の状態にとした。

【００２５】プラズマが着火した後に、図には示してい
ないが、高周波電源１２に並列に接続された直流電源か
ら高電圧がウエハ載置電極１０に印加され、ウエハ１１
はウエハ載置電極１０に静電吸着される。静電吸着され
たウエハ１１の裏面にヘリウムガスが導入され、冷媒に
より温度調節されたウエハ載置電極１０のウエハ載置面
とウエハ間でヘリウムガスを介してウエハの温度調節が
行われる。

【００２６】次に、高周波電源１２を動作させ、ウエハ
載置電極１０に高周波バイアスを印加する。これによ
り、ウエハ１１にプラズマ中からイオンが垂直に入射す
る。酸化膜エッチングでは高エネルギーイオン入射が不
可欠であり、本一実施例でも高周波バイアス電圧Ｖｐｐ
（最大ピークと最小ピーク間の電圧）は１０００Ｖから
２０００Ｖの値とした。このような高エネルギーイオン
による衝撃で、ウエハ１１の温度が上昇する。酸化膜エ
ッチングでは、ウエハ温度は、高めの方が選択比は高く
なるなどエッチング特性に優れているため、数１０℃の
値に調節される。しかし、高エネルギーイオンの入射を
必要とすることから、ウエハ１１への入熱量が大きく、
ウエハ載置電極１０の冷媒温度は、２０℃付近に設定し
た。

【００２７】バイアス電圧がウエハ１１に印加されると
同時に、エッチングが開始される。所定のエッチング時
間でエッチングを終了する。あるいは、図示していない
が、反応生成物のプラズマ発光強度変化をモニターし、
エッチング終点を判定してエッチング終了時間を求め、
適切なオーバーエッチングを実施した後、エッチングを
終了する。エッチングの終了は、高周波バイアス電圧の
印加を停止したときである。これと同時に、エッチング
ガスの供給も停止する。

【００２８】次に、静電吸着したウエハ１１をウエハ載
置電極９から脱着する工程が必要であり、除電ガスとし
てアルゴンや実際にエッチングに使用するガス種などが
使用される。静電吸着電圧の供給を停止して給電ライン
をアースに接続した後、マイクロ波の放電を維持しなが
ら１０秒間程度の除電時間を設ける。これにより、ウエ
ハ１１上の電荷がプラズマを介してアースに除去され、
ウエハ１１が容易に脱着できるようになる。除電工程が
終了すると、除電ガスの供給停止とともにマイクロ波の
供給も停止される。さらには、コイル２への電流供給も
停止する。また、ウエハ載置電極１０の高さを、ウエハ
受け渡し位置まで下降させる。

【００２９】この後しばらくの間、エッチング室１を高
真空まで排気する。高真空排気が完了した時点で、搬送
室間のバルブを開け、搬送アームを挿入してウエハ１１
を受け取り、搬出する。次のエッチングがある場合は、
新しいウエハを搬入し、再び上述の手順に従ってエッチ
ングが実施される。

【００３０】以上で、エッチング工程の代表的な流れを
説明した。

【００３１】本装置の電子温度は、０．２５ｅＶから１
ｅＶであり、エッチングガスであるＣ_４Ｆ_８の解離はそ
れほど進まない。Ｃ_４Ｆ_８の解離は複雑であるが、プラ
ズマ中でＣＦ_３からＣＦ_２に解離し、次にＣＦが生成さ
れ、最後にＦが生成される。したがって、電子温度が高
いほど解離が進み、Ｆが豊富なプラズマとなる。酸化膜
エッチングは、ＣＦ系の堆積物とＳｉＯ_２が反応してＳ
ｉＦ_４やＯ_２などの揮発性反応性生物が形成されエッチ
ングが進行する。また、反応性生物として発生した酸素
Ｏ_２は炭素Ｃと反応し、ＳｉＯ_２表面から反応を抑制す
るＣ系堆積物を除去する働きもある。一方、下地のＳｉ
ＮやＳｉなどとの反応は、ＳｉＯ_２に比較して生じにく
い。しかし、酸化膜エッチングでは一般に高エネルギー
のイオンが入射し、イオンによる物理的なスパッタエッ
チングも十分発生する。したがって、ＳｉＯ_２と下地Ｓ
ｉＮやＳｉとの選択比を十分大きくするには、下地層の
上にＣＦ系の堆積物を付着させて高エネルギー入射によ
るエッチングを抑制しなければならない。以上のような
現象のため、酸化膜エッチングを進行させるには、高エ
ネルギーのイオンを穴底まで供給しなければならない上
に、下地層との選択比を確保するためラジカルを供給し
て穴底に堆積膜を形成する必要がある。この堆積膜を形
成するのに有効なラジカルは、ＣＦ_３やＣＦ_２である。
逆にフッ素ラジカル（Ｆ）は、ＳｉＦ_４などを形成して
下地層をエッチングしてしまう。したがって、高選択比
エッチングのためにはＣＦ_２／Ｆ比を大きくすることが
必要である。ＵＨＦ帯マイクロ波ＥＣＲプラズマの場合
は、電子温度が低いために、Ｆの生成量が少なく、ＣＦ
_３、ＣＦ_２、ＣＦが多いプラズマが形成されている。し
かし、デバイスパターンの微細化が進み、コンタクトホ
ールのアスペクト比が大きくなってくると、ＣＦ_２／Ｆ
比の制御をさらに精密に行う必要が出てきている。この
点は本発明の中心課題であり後述する。

【００３２】エッチング室の高さ、すなわち電極間距離
は５０ｍｍから１００ｍｍの距離である。この理由は、
エッチングによって生成した反応生成物が再解離したり
ウエハに再入射したりすることで、酸化膜のエッチング
特性が影響を受けるが、その度合を最適化できる距離に
しているためである。すなわち、本一実施例での圧力２
Ｐａ付近での平均自由行程（アルゴンガスでは約３ｍ
ｍ）の数１０倍程度の電極間距離となっている。この程
度の電極間距離であればウエハ面上での圧力分布が一様
になり、ウエハ径が２００ｍｍから３００ｍｍに大口径
化されても、圧力差を十分小さくできる。さらに、電極
間距離に依存するコンダクタンスも大きいため、真空排
気速度も十分大きくとれ、エッチングガスや反応生成物
の滞在時間を短くすることが容易にできる。

【００３３】側壁の面積が広ければ、それだけ堆積膜の
付着量が多くなる可能性を秘めており、エッチング特性
への影響度も大きくなる。本発明の装置では、側壁の高
さは電極間距離に相当する５０ｍｍから１００ｍｍ程度
であり、酸化膜エッチング装置として普及している平行
平板形誘導プラズマ源方式のものと比較すると２倍から
数倍ほど大きい。しかし、側壁温度を３０℃から８０℃
程度の低温領域に設定しているため、側壁の堆積物が放
出されてエッチング特性に及ぼす影響は、非常に小さ
い。

【００３４】以上述べたように、本発明のプラズマエッ
チング装置は、基本的に酸化膜エッチングに必要とされ
る機能を備えている。これに加えて、本発明の主眼点で
あるプラズマ中のＦ量を制御する方法について説明す
る。

【００３５】図１のウエハ載置電極１０に載置されたウ
エハ１１の外周部にフッ素消費部材１４を設ける。この
フッ素消費部材１４はウエハ載置電極１０と高周波的に
接続されており、ウエハ１１に印加される高周波バイア
スが印加されるようになっている。なお、ウエハ載置電
極１０の外周部側面は電気絶縁材料からなるシールドリ
ング１５と、さらにその外側に同じく電気絶縁材料から
なる電極カバー１６が設けられている。電極カバー１６
の一部はウエハ載置電極１０の上面（ウエハ載置面とほ
ぼ同じ面）も覆っている。さらに、図１の一実施例では
電極カバー１６の上にリング状のカバーリング１７を設
けた。さらに、ウエハ載置電極１０の下方に、高周波バ
イアス電力をシールドするための絶縁板１８とアース板
１９が設けられている。なお、ウエハ載置電極１０はウ
エハ受け渡しや電極間距離を設定するための上下機構を
有しているが、図１では省略してある。また、ウエハ載
置電極１０に白抜きで示した矩形部分は温度調節のため
に冷媒を流す流路であるが、それの温度調節器も省略し
た。

【００３６】次にフッ素消費部材１４の働きについて説
明する。

【００３７】フッ素消費部材１４の材料は、シリコンや
ガラス状炭素、炭化シリコンなどが使用できるが、本一
実施例では単結晶シリコンを使用した。フッ素消費量は
フッ素消費部材１４の消耗量に対応する。シリコンのエ
ッチング特性（削れ量）を図２に示す。エッチングガス
は前述したＡｒ、Ｃ_４Ｆ_８、Ｏ_２の混合ガスであり、酸
化膜エッチングの条件と同じである。シリコンへの高周
波バイアスを変化させ、その時のエッチング速度を測定
した。また、シリコンの温度もパラメータとした。図
２の結果を見ると、印加バイアスパワーが大きくなるに
つれて次第にシリコンのエッチング速度（すなわちフッ
素の消費量）が増加する。また、その増加率は温度が低
いほど大きい。シリコンの温度が高くなるにつれ、シリ
コンの削れ量は印加バイアスの影響を受けにくくなって
いる。なお図２には示されていないが、シリコン温度が
２０℃の場合は、印加バイアスパワー１５０Ｗでエッチ
ング速度がゼロとなる。したがって、フッ素消費部材１
４にシリコンを使用する場合、その温度によって削れ量
すなわちフッ素消費量が大きく変化する。特にフッ素消
費部材１４の温度が低いエッチング開始当初に削れ量の
変動が大きい。

【００３８】本発明の第１の実施例について説明する。
フッ素消費部材１４を図３に示すように、ウエハ１１の
外周部にフッ素消費部材１４０を電極カバー１６を介し
て置いた。この場合は、高周波バイアス電源１２からウ
エハ載置電極１０に高周波バイアスが印加されるが、ウ
エハ１１に印加されるバイアス１２１に比較して、フッ
素消費部材１４０に印加されるバイアス１２２は小さ
い。そのため、フッ素消費部材１４０の削れ量は小さ
い。この理由は、アルミナなどの絶縁部材を介してフッ
素消費部材１４０を載置しているので、高周波バイアス
の抵抗が大きくなったためである。逆に言えば、フッ素
消費部材１４０に印加されるバイアス１２２を電極カバ
ー１６の厚さを変えることにより制御することができる
ので、フッ素消費量を制御できることになる。バイアス
１２２は、実施例ではウエハバイアス１２１の約２０％
とした。また、実施例でのフッ素消費部材１４０の外径
は、ウエハ外周部からの距離（半径の増加分）で示す
と、２Ｐａのアルゴンの平均自由行程３ｍｍの２５倍の
距離とした。この様にすることで、プラズマ中のフッ素
を最適化できた。第１の実施例は、フッ素消費部材１４
０の面積が広いので、フッ素消費に必要なシリコン削れ
量を広い面積で確保できるので、単位時間当たりのシリ
コン削れ深さを小さくでき、寿命が長いという特徴があ
る。また、ウエハ１１の外周部に設置される部材が継ぎ
目のない一枚のシリコン板のみであるため、継ぎ目に堆
積物が付着して異物の原因になるなどの現象が解消で
き、異物低減に有利な構造となっている。

【００３９】ただし、以下に述べる課題がある。

【００４０】図３に示したフッ素消費部材１４０の温度
測定結果を図４に示す。エッチング時間を３分、次のエ
ッチングまでのプラズマ停止時間を１分として、繰り返
しエッチングした結果である。フッ素消費部材１４０の
温度は、エッチング開始当初は室温付近であるが、プラ
ズマ発生後に高周波バイアス１２２が印加されると急激
に上昇した。図４のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、はウエハ一枚の処
理が終了した時点に相当し、高周波バイアス電源１２の
出力が停止した瞬間である。この例を見ると、一枚目の
エッチングは、フッ素消費部材１４０の温度が室温２５
℃から９０℃まで変動している。２枚目は９０℃から１
３０℃に、３枚目は１３０℃から１６０℃のように変動
している。フッ素消費部材１４０には約１５０Ｗ程度の
バイアスが印加されているので、エッチング開始一枚目
のシリコン削れ量は、０から１２００ｎｍ／ｈまで大き
く変動している。すなわち、フッ素消費量が大きく変動
する。したがって、一枚目のエッチング特性は、２枚目
以降のエッチング特性と異なる可能性がある。いわゆ
る、ロット内（短時間）の経時変化が発生することにな
る。したがって、図３に示した実施例の場合は、経時変
化を防ぐためにエッチング開始直後のウエハ１枚目をダ
ミー放電とし、フッ素消費部材１４０の温度を上昇させ
る工程を採用した。この工程の採用により、エッチング
特性の変動を抑制することが可能となった。

【００４１】しかし、ダミー放電のためのウエハが必要
になることやスループットの低下をきたすことなどか
ら、フッ素消費部材１４０の温度にかかわらずエッチン
グ特性を安定化することが望ましい。別の手段によりフ
ッ素消費部材１４０を温度調節する方法も考えられる
が、ウエハの周辺でしかもバイアスも印加してウエハと
は異なる温度に調節することは実際的ではなく、本発明
の他の実施例は、この点を改善したものである。

【００４２】本発明の他の実施例における基本的な考え
方は、フッ素消費部材１４の温度が変動してもシリコン
の削れ量がほぼ一定となる高バイアスをフッ素消費部材
１４に印加することにある。しかし、図３に示したよう
な構造で高バイアスをフッ素消費部材１４０の全体に印
加すると、シリコンの削れ量（全削れ量を意味し、削れ
容積に相当）が多くなり過ぎ、プラズマ中のフッ素を必
要以上に消費してしまう。また、ウエハ１１のエッチン
グ特性に影響を及ぼすプラズマ空間は平均自由行程の数
１０倍程度であるから、ウエハから離れた領域になる程
シリコンを消費してもエッチング特性への影響が低下す
る。そこで、フッ素消費部材の削れ量を必要最小限にす
るとともに、フッ素消費領域をエッチング特性に強く影
響を及ぼす領域に限定することが重要となる。本発明で
は図５に示す構造とした。フッ素消費部材１４１がウエ
ハ載置電極１０の外周部に設置されており、ウエハ１１
に印加される高周波バイアス１２１がフッ素消費部材１
４１にも印加される。なお、ウエハ載置電極１０は静電
吸着電極であるから、表面が絶縁膜（静電吸着膜：図示
せず）で覆われており、その絶縁膜を介して高周波バイ
アス１２３が印加される。しかし、この絶縁膜は通常
０．２〜０．５ｍｍ程度と薄いため、高周波バイアス印
加の障害にはならない。また、ウエハ１１とフッ素消費
部材１４１が同じ絶縁膜の上に載置されているので、単
位面積当たりに印加される高周波バイアスは両者同等と
なる。本発明のエッチング条件では、ウエハ１１への高
周波バイアス１２１は６００Ｗ程度である。したがっ
て、フッ素消費部材１４１にも６００Ｗが印加され、そ
の時のフッ素消費量の温度依存性は、図２と図４の結果
から無視できるほど少ないことがわかる。また、フッ素
消費部材１４１の外径は平均自由行程（２Ｐａのアルゴ
ンの平均自由行程は約３ｍｍ）の５〜１０倍の領域とす
れば十分である。本実施例では７．５倍とした。この領
域に限定できたのは、図３の実施例でエッチング特性へ
の影響領域を評価した結果、平均自由行程より１０倍以
上の距離にあるフッ素消費部材１４０の削れは、エッチ
ング特性への影響度が小さいことが判明したことに基づ
いている。また、フッ素消費部材１４１へのバイアス１
２３（図５）がバイアス１２２（図３）に比較して大き
いため、単位面積当たりのシリコンの削れ量が大きく
（図２参照）、フッ素消費量に必要なシリコン量が消費
されることにもよる。この様な構成とすることにより、
プラズマ中のフッ素消費量を最適化することができ、エ
ッチング特性は一枚目から安定なものとなった。

【００４３】なお、図５の実施例では、フッ素消費部材
１４１の外周側を電極カバー１６で覆っている。この部
分へのバイアス１２４は非常に小さく、電極カバー１６
が消耗することは少ない。また、消耗するとしてもわず
かである。

【００４４】上述した実施例と同じ考え方であるが、フ
ッ素消費部材１４の形状及び構造の他の実施例を以下に
示す。

【００４５】図６は図５の実施例を基本としているが、
フッ素消費部材１４２へのバイアス１２５をウエハ１１
へのバイアス１２１より小さくしたものである。フッ素
消耗量が多過ぎる場合は、バイアス１２５を低くするた
めに絶縁リング１６１をフッ素消費部材１４２の下に挿
入すれば良い。このアルミナなどのセラミックスや石
英、ポリイミド系樹脂からなる絶縁リング１６１によ
り、高周波バイアス電源１２から印加されるバイアス１
２５はウエハ１１へのバイアス１２１より小さくなる。
したがって、絶縁リング１６１の厚さを適正化すること
で、必要なバイアス１２５とすることができる。また、
電極カバー１６はアルミナ性であるが、アルミナが材料
的に好ましくない場合は、石英やポリイミド系樹脂など
の絶縁材料をカバーリング１７０として載置しても良
い。また、フッ素消費部材１４２と接触しないように載
置したシリコンや炭化シリコンなどの導体をカバーリン
グ１７０の材料としても良い。導体としてもバイアス１
２６は小さいので、フッ素を過剰に消費することはな
い。

【００４６】図７に示した例は、フッ素消費部材１４３
は図５の例と同じとし、カバーリング１７１を図６と同
じとしたものである。また、図８は、図７の場合に、フ
ッ素消費部材１４４とカバーリング１７１と電極カバー
１６の間に隙間ができるので、それをフッ素消費部材１
４４の外径を少し大きくすることで防止したものであ
る。この構造は、適宜前述の実施例に適用すれば良い。

【００４７】また、図９に示した実施例は、フッ素消費
量を小さくする必要がある場合の例であり、電極カバー
１６の上にフッ素消費部材１４５とカバーリング１７３
を載置した。電極カバー１６でバイアスを低く抑えて印
加するので、フッ素消費部材１４５の削れ量は小さく、
フッ素消費量も少なくできる。

【００４８】以上述べたフッ素消費部材において、アス
ペクト比の大きい酸化膜ホール加工の場合は、概してウ
エハへの印加バイアスが高い。そのため、載置しただけ
のフッ素消費部材の温度は低印加バイアスのプロセスに
比較して高くなる。たとえば、印加バイアス１５００Ｗ
を越えるような場合は、フッ素消費部材の温度は２５０
℃以上となる。この様な高温度になると、フッ素消費部
材とフッ素はイオンアシストエッチングの他に化学的反
応も生じることがある。したがって、必要以上にフッ素
消費部材の温度を高くすることは望ましくない。本発明
の図５、図７、図８の実施例では、静電吸着によりフッ
素消費部材をウエハ載置電極に吸着固定しているため、
温度調節されたウエハ載置電極との熱伝導で異常な温度
上昇を避けることができる。

【００４９】以上、プラズマ中のフッ素消費方法および
装置構成について実施例を用いて説明した。

【００５０】なお、本実施例では、ＵＨＦ型ＥＣＲプラ
ズマエッチング装置を用いた場合を前提に説明したが、
他のプラズマ源でも何等問題はなく、本発明はＵＨＦ型
ＥＣＲプラズマエッチング装置に限定されるものではな
い。したがって、マイクロ波以外の誘導型プラズマ装置
でも本発明を適用することができる。

【００５１】また、側壁の温度調節は冷媒による例を示
したが、これに限定されるものではなく、水冷や気体に
よる強制冷却、あるいはヒーターの使用、赤外線を使用
するランプ加熱などでも良い。

【００５２】

【発明の効果】本発明により、プラズマ中のフッ素量を
調節することができるので、酸化膜エッチング特性を向
上できるという効果がある。また、ウエハ外周部にフッ
素消費部材が設置されているので、窒化シリコン膜のエ
ッチング均一性を向上できる。さらに、フッ素消費部材
の寸法が小さく最適化されているので、その価格や消費
量が最小限に抑えられる。また、フッ素消費部材の温度
変動があってもエッチング特性に影響の及ばない方法も
取れるので、スループットの低下を防止できるという効
果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した装置の説明図である。

【図２】シリコンの削れ量の説明図である。

【図３】本発明の実施例の説明図である。

【図４】フッ素消費部材の温度測定結果の説明図であ
る。

【図５】本発明の他の実施例の説明図である。

【図６】本発明の他の実施例の説明図である。

【図７】本発明の他の実施例の説明図である。

【図８】本発明の他の実施例の説明図である。

【図９】本発明の他の実施例の説明図である。

【符号の説明】

１…エッチング室、２…コイル、３…ガス供給管、４…
ガス供給板、５…アンテナ、６…電源、７…マッチング
ボックス、８…導入軸、９…誘電体、１０…ウエハ載置
電極、１１…ウエハ、１２…電源、１３…内壁、１４…
フッ素消費部材、１５…シールドリング、１６…電極カ
バー、１７…カバーリング、１８…絶縁板、１９…アー
ス板、１２１〜１２６…バイアス、１４０〜１４５…フ
ッ素消費部材、１７０〜１７３…カバーリング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者福山良次茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者田村智行山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸事業所内Ｆターム(参考） 5F004 AA16 BA14 BA20 BB11 BB25 BB29 CB02 DA23 DA26 DB03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空処理室と、該真空処理室内で処理され
る試料を載置するための試料台と、プラズマ生成手段
と、プラズマ生成用のガス供給手段とを有するプラズマ
処理装置において、前記プラズマを生成する手段とは独
立に前記試料に高周波バイアスを印加する手段を設け、
前記試料台の試料外周部にプラズマ中の特定の活性種と
反応する材料からなる部材を設置し、該設置した部材に
前記高周波バイアスを印加してプラズマ中の特定の活性
種を消費するように構成したことを特徴とするプラズマ
処理装置。
【請求項２】請求項１に記載のプラズマ処理装置におい
て、プラズマ中の活性種と反応する該部材を試料台の試
料外周部に電気的絶縁部材を介して載置し、前記試料台
の試料外周部を該部材のみで覆ったことを特徴とするプ
ラズマ処理装置。
【請求項３】請求項２に記載のプラズマ処理装置におい
て、プラズマ中の活性種と反応する該部材が載置される
絶縁部材の厚さを調節して該部材に印加される高周波バ
イアスを調節できるようにしたことを特徴とするプラズ
マ処理装置。
【請求項４】請求項１に記載のプラズマ処理装置におい
て、プラズマ中の活性種と反応する該部材を試料台の試
料外周部に設置し、試料に印加する高周波バイアスが直
接該部材にも印加されるようにし、該部材の外周部には
該部材と電気的に絶縁した部材を載置したことを特徴と
するプラズマ処理装置。
【請求項５】請求項４に記載のプラズマ処理装置におい
て、プラズマ中の活性種と反応する該部材の内径は試料
外径と略同じかわずかに小径とし、外径は該活性種ある
いはエッチングガスの平均自由行程の５倍から１０倍の
範囲だけ半径が内径より大きいことを特徴とするプラズ
マ処理装置。
【請求項６】請求項５に記載のプラズマ処理装置におい
て、プラズマ中の活性種と反応する該部材と高周波バイ
アスが印加される試料台の間に電気的絶縁部材を挿入
し、該部材に印加される高周波バイアスを絶縁部材の厚
さを調節することで制御するようにしたことを特徴とす
るプラズマ処理装置。
【請求項７】請求項１から請求項６に記載のプラズマ処
理装置において、プラズマ中の活性種と反応する該部材
をシリコンあるいは炭素または炭化珪素としたことを特
徴とするプラズマ処理装置。
【請求項８】請求項１から請求項７に記載のプラズマ処
理装置において、電気的絶縁部材をセラミックスあるい
は石英、ポリイミド系樹脂としたことを特徴とするプラ
ズマ処理装置。
【請求項９】請求項１から請求項８に記載のプラズマ処
理装置において、試料台が静電吸着電極であることを特
徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１０】真空処理室と、該真空処理室内で処理さ
れる試料を載置するための試料台と、プラズマ生成手段
と、プラズマ生成用のガス供給手段とを有するプラズマ
処理装置を用いた試料のプラズマ処理方法であって、前
記プラズマを生成する手段とは独立した手段から前記試
料に高周波バイアスを印加すると共に、前記試料の外周
部に設置した部材に前記高周波バイアスを印加して試料
をプラズマ処理することを特徴とするプラズマ処理方
法。
【請求項１１】請求項１０に記載のプラズマ処理装置を
用いた試料のプラズマ処理方法において、プラズマ中の
活性種と反応する該部材を試料台の試料外周部に電気的
絶縁部材を介して載置し、前記試料台の試料外周部を該
部材のみで覆い、前記試料に高周波バイアスを印加する
と共に該部材にも絶縁部材を介して前記高周波バイアス
を印加することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１２】請求項１０及び請求項１１に記載のプラ
ズマ処理装置を用いた試料のプラズマ処理方法におい
て、試料台に設置した電気的絶縁部材の厚さを変えるこ
とにより、プラズマ中の活性種と反応する該部材に印加
される高周波バイアスを制御して該活性種との反応をコ
ントロールし、プラズマ中の活性種の組成を制御するこ
とを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１３】請求項１１及び請求項１２に記載のプラ
ズマ処理装置を用いた試料のプラズマ処理方法におい
て、一連の継続したプラズマ処理を実施するに際し、最
初のプラズマ処理をプラズマ中の活性種と反応する該部
材の温度を上昇させる処理とすることを特徴とするプラ
ズマ処理方法。
【請求項１４】請求項８に記載のプラズマ処理装置を用
いた試料のプラズマ処理方法において、プラズマ中の活
性種と反応する該部材を試料台の試料外周部に設置し、
前記試料に印加する高周波バイアスが直接該部材にも印
加されるようにし、該部材の外周部には該部材と電気的
に絶縁された部材を載置し、プラズマ中の活性種と反応
する該部材の内径は該試料と略同じかわずかに小径と
し、外径は該活性種あるいはエッチングガスの平均自由
行程の５倍から１０倍の範囲だけ半径が内径より大きく
し、プラズマ中の活性種と反応する該部材に高周波バイ
アスを印加してプラズマ中の活性種の組成を制御するよ
うにしたことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１５】請求項１から請求項１４に記載のプラズ
マ処理装置およびプラズマ処理方法において、該部材と
反応するプラズマ中の該活性種がフッ素であることを特
徴とするプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法。