JP2000332000A

JP2000332000A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理装置の制御方法

Info

Publication number: JP2000332000A
Application number: JP11142805A
Authority: JP
Inventors: Masato Ikegawa; 正人池川; Nushito Takahashi; 主人高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-05-24
Filing date: 1999-05-24
Publication date: 2000-11-30
Anticipated expiration: 2019-05-24
Also published as: JP3408994B2

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体素子のエッチングにおいては、基板内で
被エッチング膜、下地膜やレジストのエッチング速度分
布及び、下地膜やレジストとの高い選択比とこの選択比
の基板面内での高い均一性が要求される。【解決手段】プラズマ生成ガスの噴出穴を複数備えたシ
ャワー板と排気口と、処理する基板を置く台を有するプ
ラズマ生成装置において、前記シャワー板と前記基板と
の距離を３０ｍｍ以上で該被加工試料の最大直径の半分
以下に設定し、前記ガス供給口の有効直径の大きさが基
板の直径の３０〜８５％であるようにした。【効果】半導体素子のエッチングにおいて、基板内で被
エッチング膜、下地膜やレジストのエッチング速度分布
及び、下地膜やレジストとの高い選択比とこの選択比の
基板面内での高い均一性が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマを利用し
たエッチング装置またはＣＶＤ装置や熱を利用したＣＶ
Ｄ装置に係わり、半導体素子基板等の試料に対し、プラ
ズマにより解離したガスまたは熱により解離したガスを
利用して基板を処理するに際し、基板内の処理速度分布
の均一化を図るのに好適なプラズマ処理装置または熱Ｃ
ＶＤ装置及びこの装置を利用して基板表面を処理する制
御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のプラズマ生成装置においては、例
えば、特開平９―１１５８９３号公報に記載のように、
シャワーヘッドの多数の孔のそれぞれにガスフロー供給
器を設け、それにガスを分配させるプログラミング可能
なガスフロー分割器を設けて、流量分布制御をするよう
になっていた。

【０００３】また、特開平５―３３５２７４号公報に記
載のように、シャワー直径を放電室の最大直径の１／４
以下に設定し、反応生成物を効率よく排気するようにし
ていた。また、例えば、特開平６―１６３４６７号公報
に記載のように、反応ガス噴出有効径をウエハの径より
小さくして、反応生成物がエッチング穴の側壁に付着す
るのを防止していた。

【０００４】また、例えば、特開平７―７００１号公報
に記載のように、細孔からガスが噴出する領域がシャワ
ー電極の中心から１８０ｍｍまでの範囲内で１２０ｍｍ
以上に及ぶように設定し、細孔を通過する前記ガスが質
量流量で６２０ｋｇ／ｍ２／時間以上になるようにガス
供給手段を制御することにより、噴出孔内でのポリマー
付着を防止するようにしていた。

【０００５】また、例えば、特開平７―３０７３３４号
公報に記載のように、被加工試料（以下基板という）の
処理面積に対する上部電極の処理ガス噴出有効面積の割
合が８０〜１００％（直径に変換すると８９〜１００
％）になるように構成して、原料ガスと反応生成物の分
布を均一に制御して、エッチング速度とエッチング形状
の面内均一性を均一にするようにしていた。

【０００６】また、シリコン酸化膜加工用として、狭電
極平行平板型（以下「狭電極型」という）のエッチング
装置が実用化されている。狭電極型エッチング装置は１
５ｍｍ〜３０ｍｍ程度の間隔の平行平板間に十数ＭＨｚ
〜数十ＭＨｚの高周波を印加し、プラズマを形成してい
る。原料ガス圧力は、数十ｍＴｏｒｒ領域及びそれ以上
が用いられている。ラジカルが基板だけで消費される場
合、ジャーナルオブエレクトロケミカルササイエテイ
（１９８９年発行）第１３６巻、第６号、１７８１頁か
ら１７８６ページに記載のように、プラズマ直径が基板
直径より大きいと基板の外周側でラジカルの量が多くな
り、その結果基板の半径増加方向にエッチング速度が上
昇する。プラズマ直径が基板直径より小さいと、基板外
周でのラジカルの量が少なくなり、その結果基板の半径
増加方向にエッチング速度が低下する。そこで、このエ
ッチング装置では、上部電極の外周を石英等の絶縁体製
のリングで被って、プラズマ分布を基板近傍に閉じ込
め、エッチングレートの基板内での均一化を図ってい
た。この上部電極にはガス噴出穴が多数設けられいわゆ
るシャワーヘッドが設置されている。この場合、前述の
従来技術のようにシャワー直径は基板直径とほぼ同じ
（８９〜１００％）程度が用いられていた。この狭電極
型エッチング装置は、酸化膜エッチング特性が長期にわ
たって比較的安定に得られるという特徴をもっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】半導体素子製造におけ
るエッチングでは、基板内で被エッチング膜、下地膜や
レジストのエッチング速度分布の均一性、エッチング形
状の異方性及び下地膜やレジストに対する高い選択比が
要求される。プラズマ中では、ガスが解離し、イオンと
数種類のラジカル（活性種：化学的に活性な中性分子）
が生成される。エッチングはこれらのイオンとラジカル
及び再入射する反応生成物等の表面反応により生じる。
それぞれの膜（レジスト膜、被エッチング膜、下地膜）
はイオン、ラジカル、再入射する反応生成物等による異
なった反応によって処理される。従って、基板内での各
膜のエッチング速度の分布が均一であるためには、基板
へのイオンと各種ラジカル及び再入射する反応生成物の
入射量が基板内で均一な分布をもつことが要求される。
プラズマ中のイオンは基板表面近傍に生成されたシース
電界により加速され、基板に垂直に入射する。従って、
プラズマ密度及びシース電圧が基板上で均一であれば、
イオンの入射は基板上で均一になる。

【０００８】一方、ラジカルは、チャンバ内でプラズマ
が分布している領域で原料ガスから解離によって生成す
るが、中性であるため磁場やシース電界の影響を受けず
に空間的に等方的に拡散し、ガス流れによって運ばれ、
基板やチャンバの壁でそれぞれ異なった反応確率で消滅
や付着し、残ったラジカルは排気口から他のガス成分と
いっしょにガス流れによって排気される。

【０００９】このため、ラジカルは、種類によってチャ
ンバ内で異なった密度分布を呈する。例えば、フロロカ
ーボン系のガス、例えば、ＣＦ４がプラズマ中で解離す
ると、Ｆ，ＣＦ、ＣＦ２，ＣＦ３、ＣＦ高分子等のラジ
カルが生成する。フッ素Ｆラジカルは基板やシリコン製
上部電極などでエッチング反応によって消費するが、そ
の他の壁の面での消費は少ない。

【００１０】従って、プラズマがチャンバ全体に広がっ
ていると、基板の外周側でＦラジカルが過剰になり、基
板上の半径増加方向にエッチングレートが増加し、エッ
チングレートの不均一が生じる問題があった。ＣＦ２は
全体的に壁に付着し、基板上で露出しているＳｉＯ２の
面でイオン衝突にアシストされてエッチング反応を起こ
す。ＣＦ２の基板上へのフラックスが十分あれば、エッ
チングは基板へのイオンの入射量が律速するため、イオ
ンの基板への入射量分布の均一化が装置の改善によって
図られる。Ｓｉ膜やＳｉ３Ｎ４膜はＦラジカルによる反
応確率が高く、ＣＦ２による反応確率は低い。Ｓｉ３Ｎ
４膜を下地膜とするＳｉＯ２膜のエッチングにおいて
は、シリコン製の上部電極でＦラジカルを消費させて基
板上のＣＦ２／ＦやＣＦ３／Ｆの入射フラックス比を大
きくし、下地膜（Ｓｉ３Ｎ４）に対する被エッチング膜
（ＳｉＯ２）のエッチング選択比を高く制御する。

【００１１】ところが、Ｆラジカルは量が少量だが、前
記と同様に基板上半径方向に密度が増加するため、基板
上で下地膜のエッチング速度の不均一、さらに選択比の
不均一が生じ、問題となっている。また、排気口を基板
の外周側に有する装置においては、エッチングした後、
噴出した反応生成物の基板上の密度分布は、ウエハ中心
で高く外周で低くなるような不均一な分布を生じる。こ
のようにイオンの入射が基板上で均一であっても、各種
ラジカル、反応生成物の基板への入射はそれぞれ異なっ
た不均一分布を呈するため、これらの分布制御が必要に
なる。

【００１２】以上のように各種ラジカルや反応生成物
は、プラズマ領域、ガスの流れと壁での反応によってチ
ャンバ内の分布が大きく影響を受ける。しかるに、前記
従来技術（特開平９―１１５８９３号公報）では、シャ
ワーヘッドの孔のそれぞれにガスフロー供給器をつける
必要があるため、構造が複雑となり、製品価格も高い問
題があった。また、各種ラジカルの分布に対して、プラ
ズマの広がりやシャワーヘッドの流量分布を設定する考
慮はされていなかった。

【００１３】また、特開平５―３３５２７４号公報に記
載の従来技術では、反応生成物を効率よく排気すること
だけが考慮されていた。また、特開平６―１６３４６７
号公報に記載の従来技術では、反応生成物のエッチング
穴の側壁に付着するのを防止することだけが考慮されて
いた。また、特開平７―７００１号公報に記載の従来技
術では、ガス流速を速くして噴出孔内へのポリマーの付
着するのを防止することだけが考慮されていた。また、
特開平７―３０７３３４号公報に記載の従来技術では、
原料ガスと反応生成物の分布を均一に制御して、エッチ
ング速度とエッチング形状の面内均一性を均一にするこ
とだけが考慮されていた。

【００１４】以上の従来技術では、プラズマの広がりや
そこで解離生成するラジカルの基板面入射フラックスの
均一性に関してはまったく検討されていなかった。ま
た、特開平６―１６３４６７号公報に記載のように、反
応ガス噴出有効径をウエハの径より小さくして、反応生
成物がエッチング穴の側壁に付着するのを防止していた
が、反応生成物がエッチング穴の側壁に付着するのを防
止するには、反応ガス噴出有効径をかなり基板直径より
小さくするか、大流量のガスを流す必要があった。この
ようにすると、逆にラジカルの分布は不均一となり、基
板面内でのエッチング速度の不均一が生じる問題があっ
た。

【００１５】また、特開平７―３０７３３４号公報に記
載のように、被処理体の処理面積に対する上部電極の処
理ガス噴出有効面積の割合が８０〜１００％（直径に変
換すると８９〜１００％）になるように構成すると、プ
ラズマ直径が基板直径より大きくなるとラジカルが基板
外周付近で過剰になり、エッチング速度の不均一が生じ
る問題があった。

【００１６】また、特開平３−１２２２９４号公報や特
開平６−２２４１５５号公報に記載のような電子サイク
ロトロン共鳴を利用したエッチング装置では、基板に対
向する位置から電磁波を導入するため、基板対向位置に
は電磁波を透過させることのできる誘電体を設置しなけ
らばならない。この誘電体は電気的には絶縁物であり、
被加工試料に高周波バイアスを印加する場合に必要なア
ース電極を、被加工試料と対向する位置設置できず、バ
イアスの不均一が生じるという問題と、壁によって不要
なラジカルを減らすような制御ができないという問題が
あった。

【００１７】これに対し、狭電極型エッチング装置で
は、被加工試料の対向部にある電極材料を工夫すること
で、被加工試料に印加された高周波バイアスに対するア
ースの設置とラジカルの制御が可能である。しかし、狭
電極型エッチング装置は、比較的使用ガス圧力が高いた
め被加工試料に入射するイオンの指向性が不均一にな
り、今後の微細化に対応することは困難である。また電
極間隔が３０ｍｍ程度以下のため、高流量ガス導入時に
被加工試料面内で圧力差が大きくなるという問題を有す
る。この問題は被加工試料径の拡大に伴い顕著となり、
次世代の直径３００ｍｍウエハ以上の加工では本質的な
課題である。

【００１８】以上のように、従来技術では、プラズマ直
径と基板直径とシャワー直径と電極間隔の関係及び、ラ
ジカルの生成と壁での消費との関係を考慮していない
為、ある大きさの装置で試行錯誤により、均一性が得ら
れるシャワー直径を決定しても、スケールアップした
り、チャンバの構造を変えてプラズマ分布が変化する
と、シャワー直径が最適値からずれ、エッチング速度や
形状の基板面内での不均一が生じるという不具合があっ
た。

【００１９】本発明の目的は、低消費電力で、被加工試
料の加工面積が大きい場合にも均一性が高いとともに、
かつ微細加工性に優れ、高選択比、高アスペクト比の加
工が可能で、かつ高速度の加工処理ができるプラズマ処
理装置及びその制御方法を提供することにある。特に、
プラズマ内のエッチングラジカルをプラズマ生成条件と
を独立に制御し、高精度な活性種制御を実現することで
高いエッチング性能を実現することにある。また、長期
間にわたりプラズマ内での活性種の組成を安定化するこ
とで、安定したエッチング特性を持続させることも本発
明の目的である。

【００２０】

【課題を解決するための手段】基板に対向する位置にプ
ラズマ発生用電磁波を導入する平面板を設置し、かつ該
平面板に第２の高周波を印加した。さらに平面板と基板
間の距離を３０ｍｍから平面板径あるいは基板直径のう
ちで小さい方の直径の１／２とした。プラズマ発生には
３００ＭＨｚ〜２．４５ＧＨｚの電磁波を用い、これに
重畳させる第２の高周波の周波数は５０ｋＨｚ〜３０Ｍ
Ｈｚを用いる。また基板の周辺にシリコン等の材料で形
成された円環状もしくは円弧状の部材（以下円環状部材
と称す）を配置し、この円環状部材にバイアスが印加で
きる構造とした。さらに、上記平面板と真空容器壁、さ
らに好ましくは円環状部材を温度制御する機能を付加し
た。

【００２１】以上の構成により、低磁場で高密度プラズ
マを形成でき、高速で微細な加工が可能となる。また、
平面板に第２の周波数を重畳し、平面板と基板の間隔を
基板または平面板のいずれか小さい方の直径の１／２以
下とすることで、プラズマ内のラジカル種を制御できる
ため、基板面上での反応を高精度に制御することが可能
となる。これらにより、高選択比と微細加工性を両立し
たプラズマエッチング処理が可能となる。また、本発明
では、プラズマに接する内壁面は、バイアスが印加され
て常時プラズマ反応が持続している状態、あるいは温度
制御されて反応が安定化された状態となっているため、
エッチング処理を重ねるとともにエッチング条件が変動
することが少なく、長期にわたって安定なエッチング処
理特性を得ることが可能となる。

【００２２】さらに、平面板のプラズマに接する部分を
シリコン、炭素、石英、炭化シリコンのいずれかを用
い、アルゴンとＣ₄Ｆ₈に代表されるフロンガスもしくは
ハイドロカーボンガスとの混合ガスを主とする原料ガス
を用いることで、高精度なシリコン酸化膜の加工が可能
となる。また、原料ガスに塩素、３塩化ホウ素、臭化水
素、またはそれらの混合ガスを主体とする原料ガスを用
いることで、シリコン、アルミニウム、タングステンな
どの薄膜の高精度加工が可能となる。

【００２３】さらに、ラジカルの密度分布は、プラズマ
密度分布と、ラジカルのチャンバ壁面への付着係数の大
きさによって決まる。ラジカルが基板だけで消費される
場合、ジャーナルオブエレクトロケミカルササイエ
テイ（１９８９年発行）第１３６巻、第６号、１７８１
頁から１７８６ページに記載のように、プラズマ直径が
基板直径より大きいと基板の外周側でラジカルの量が多
くなり、その結果基板の半径増加方向にエッチング速度
が上昇する。プラズマ直径が基板直径より小さいと、基
板外周でのラジカルの量が少なくなり、その結果基板の
半径増加方向にエッチング速度が低下する。

【００２４】そこでさらに、シャワー直径をプラズマ直
径と基板直径を考慮して設定するようにした。すなわ
ち、上記不具合点を解決するため、処理ガスを供給する
シャワー板の噴出穴が存在する領域の直径（シャワー直
径）を、プラズマ直径がチャンバ全体に広がっている場
合は、基板直径の３０％〜８５％にするようにした。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１、
図２、図３、図４、図５、図６で説明する。図１は、エ
ッチング装置の断面図である。図２は図１のＡ−Ａ断面
図である。図３，図４、図５、図６は本一実施例の効果
を示す説明図である。ここではエッチング処理を例とし
て説明するがＣＶＤ処理でも同様である。図１におい
て、チャンバ１の内部に、第１板２と対向させて配置し
た第２板３の上に基板４が載せてある。第１板２と第２
板３との間隔を３０ｍｍ以上で基板４の最大直径の半分
以下に設定する。但し、基板４の最大直径が６０ｍｍ以
下の場合は、間隔を３０ｍｍとする。

【００２６】本一実施例での基板４は直径２００ｍｍの
シリコンウエハである。基板４と第１板２の間隔は７０
ｍｍとした。第２板３の外周に排気口９が設けられ、真
空ポンプ（図示せず）によりガスが排気されている。第
１板２には450MHzの電磁波を供給する同軸ケーブル１１
が設けてあり、450MHzの電源（図示せず）と結ばれてい
る。ここで、この電磁波は周波数が300MHz〜2.45GHzで
あればどれでも良い。450MHzの電磁波はチャンバ１と同
軸ケーブル１１の間を伝播し、石英ブロック１２を通過
して処理室６内に導入される。チャンバ１、同軸ケーブ
ル１１、第１板２、石英ブロック１２で囲まれる空間
は、電磁波が伝播しやすいように誘電体１６がつめられ
ている。

【００２７】チャンバ１の外には電磁コイル１３が設置
されており、磁場を発生する。電磁波の周波数が450MHz
の場合、磁場強度は0.0161テスラ（161ガウス）で電子
サイクロトロン共鳴（ECR）が起きる。このようにし
て、第１板２と第２板３との間の処理室6内にはプラズ
マ７が生成される。第１板２及び第２板３にはそれぞれ
バイアス電圧が負荷されるようＲＦ（高周波）補助電源
５a、５bが接続されている。補助電源５a,5bの周波数は
50ｋＨｚ〜30MHzを用いる。

【００２８】第２板３には基板４の外側に、円環状部材
１０が設置されている。円環状部材１０の材質には高純
度低抵抗材料としてシリコンや、炭化珪素が用いられ
る。円環状部材１０の下には誘電体（図示せず）が敷か
れている。また、基板４に印加するバイアスの一部をコ
ンデンサ１４により分割して円環状部材１０に供給する
ことで、円環状部材１０にバイアスが印加される構造と
なっている。また、円環状部材１０の直下に温度制御機
能１５を付加して、円環状部材１０の温度を制御するこ
ともできる。

【００２９】また、第１板２の材質には、カーボンやシ
リコン等が用いられる。第１板２の中心部は、多数のガ
ス穴2aが開いており、ガス供給手段８と接続されて、い
わゆるシャワーヘッドを形成している。シャワーヘッド
は第１板２と一体に製作しても良いし、別体として装着
しても良い。このシャワー―ヘッドを、第１板２に処理
ガスを供給する噴出穴2aが存在する領域の直径（シャワ
ー直径：Ds）が基板直径(Dw)の５０％〜８５％にするよ
う構成されている。本一実施例では、噴出穴の直径は
０．５ｍｍである。ここで、処理ガスを供給する噴出穴
が存在する領域の直径（シャワー直径：Ds）とは、反応
ガス（例えばＣ４Ｆ８）の流量の９8％以上が噴出され
る領域の最大直径と定義する。

【００３０】エッチング用のプラズマ生成ガスとして
は、アルゴンとＣＦ４またはＣ４Ｆ８等のフロロカーボ
ン系のガスの混合ガスや、Ｃｌ２，ＢＣｌ３、ＳＦ６，
ＨＢｒ等のガスが、被エッチング膜によって使い分けら
れる。本一実施例での使用される圧力は０．５〜２０Ｐ
ａで、流量は１００〜２０００ＳＣＣＭのようになって
いる。

【００３１】例えばプラズマ生成ガスとして、アルゴン
と、ＣＦ４またはＣ４Ｆ８等のフロロカーボン系のガス
の混合ガスで、パターニングされたＳｉＯ２膜をエッチ
ングする場合を想定する。パターニングされたＳｉＯ２
膜の場所以外はレジスト膜が表面を覆っている。下地膜
はＳｉまたは、Ｓｉ３Ｎ４である。このガスをガス供給
手段８から第１板２に設けたシャワーヘッドのガス孔２
aに供給すると、ガスは、この孔から処理室６に流れ、
排気口９から排出される。

【００３２】次に同軸ケーブル１１に450MHzの電磁波を
供給すると、電磁波はチャンバ１と同軸ケーブル１１の
間を伝播し、石英ブロック１２を通過して処理室６内に
導入され、抵抗加熱とＥＣＲ加熱により、プラズマが生
成される。このプラズマは第１板２と第２板３の間の空
間から、石英ブロック１２の下まで処理室６全体に広が
って分布し、プラズマ直径Ｄｐはチャンバ１の内径Ｄｃ
にほぼ等しい。このプラズマ中でガスが電離及び解離
し、イオンとラジカルが生成され、これらのイオンとラ
ジカルが基板４に入射して、基板がエッチングされる。

【００３３】エッチングに寄与するラジカルとしては、
Ｆ，ＣＦ，ＣＦ２，ＣＦ３等がある。プラズマ中で生成
したＦラジカルは、ＳｉやＳｉ３Ｎ４との反応速度が高
いため、ＳｉやＳｉ３Ｎ４に対する選択比を高める必要
があるときは、Ｆの量を少なくする（スカベンジ作用）
ために、シリコン製の第１板２及び円環状部材１０にバ
イアス電圧を負荷する。するとＦが第１板２及び円環状
部材１０と反応して消費されるため、基板４上のＦの濃
度が低下するが、チャンバ１の外周側壁にはシリコンの
電極がないため処理室６の外周側にＦの濃度が高い領域
が形成される。

【００３４】一方、ＣＦ系のラジカルは、基板上のＳｉ
Ｏ２膜をイオンの衝撃によってエッチングし、その他の
バイアス電圧が付加されていない壁には付着するが、バ
イアスが付加された面には付着しない。レジストと反応
したＦラジカルは、ＣＦ系の生成物を処理室６内に放出
する。このため、ＣＦ系のラジカルは基板中心部で濃度
が高くなりやすい。一方、被エッチング膜から生成され
た反応生成物は基板中心に溜りやすい。この生成物はエ
ッチング孔の側壁に付着して、保護膜の一部となるた
め、エッチング形状に影響を与える。円環状部材１０
は、フッ素との表面反応により被加工試料周辺部で過剰
となるフッ素ラジカルを消費し、基板４へのＦラジカル
の入射量を多少均一化する効果がある。円環状部材１０
の表面反応は、円環状部材１０に分岐するバイアス印加
量を調整することで制御することができる。

【００３５】図１の一実施例では、フッ素ラジカルを制
御するために、円環状部材１０の材質をシリコンとした
が、他に炭素、炭化シリコン、石英、酸化アルミニウ
ム、アルミニウムなど、制御すべき活性種の種類によっ
て適切な材料を選定すればよい。

【００３６】ここで、第１板２と第２板３との間隔（電
極間隔）を３０ｍｍ以上とすると、数パスカルの低圧力
でも基板面内で圧力差が小さく、圧力差によるラジカル
の基板への入射量の不均一は生じない。この関係を図３
に示した。基板面内のエッチングレート均一性を±５％
以内にするには、圧力（または、密度）も±５％以内に
する必要がある。このためには、電極間隔を３０ｍｍ以
上にすることが必要であることがわかる。表面反応の影
響を受ける領域は、反応面の大きさに依存し、ほぼ反応
面の半径となる。

【００３７】したがって、基板４とその対向する位置に
ある第１板２の間隔を、基板４の半径以下あるいは第１
板２の半径以下にすることで、互いの面で生じている表
面反応を強く反映させることができる。具体的には、第
１板２と第２板３との間隔（電極間隔）を基板直径の半
分以上とすると、前述の第１板２の面でのフッ素ラジカ
ルのスカベンジ効果が効きづらくなる。

【００３８】従って、図４のように第１板２と第２板３
との間隔を基板直径の半分以下とすることにより、前述
の第１板２の面でのフッ素ラジカルのスカベンジ効果が
効いて、基板へ入射するラジカル比ＣＦ２／ＦやＣＦ３
／Ｆが大きくなり、ＳｉＯ２膜のＳｉ３Ｎ４膜に対する
選択比が大きくなる。よって、第１板２と基板４との間
隔は、３０ｍｍから基板直径の１／２以下（φ２００ｍ
ｍウエハであれば１００ｍｍ以下、φ３００ｍｍウエハ
であれば１５０ｍｍ以下）で良好な特性が得られる。な
お、基板直径よりも第１板２の直径が小さい場合には、
上記の間隔は第１板直径の１／２以下にすればよい。

【００３９】さらに、図５にシャワー直径とフッ素ラジ
カルの基板面への入射量の半径方向分布との関係を、図
６にシャワー半径とＳｉ３Ｎ４膜エッチングレートの基
板面内均一性の関係を示した。第１板２のシャワーの直
径Ｄｓを基板の直径Ｄｗの８５％以上に設定すると、原
料ガスＣ４Ｆ８が基板直径Ｄｗ以上の領域でまだ濃度が
濃いため、解離してフッ素ラジカルが生成し、処理室６
の外周側でフッ素ラジカルの濃度が高くなり、基板４面
上のＳｉ３Ｎ４膜（下地膜）のエッチングレートが不均
一になる。第１板２のシャワーの直径Ｄｓを基板の直径
Ｄｗの３０％以下に設定すると、シャワー直下の流速が
増し、生成するフッ素ラジカルの濃度が基板上で不均一
になり、エッチングレートも不均一になる。

【００４０】以上のように、プラズマが処理室内全体に
広がり、プラズマ直径が基板直径より十分大きい場合、
第１板２のシャワーの直径Ｄｓを基板の直径Ｄｗの３０
％から８５％に設定することにより基板４の外周付近の
フッ素ラジカルの量を基板中心での量に近づけることが
でき、基板４のＳｉ膜やＳｉ３Ｎ４膜（下地膜）のエッ
チングレート分布は基板面内で均一化する効果がある。

【００４１】すなわち、Ｓｉ３Ｎ４やＳｉを下地とする
ＳｉＯ２膜のエッチングの場合、選択比の基板面内の均
一性が得られる効果がある。被エッチング膜がＳｉ３Ｎ
４の場合は、被エッチング膜のエッチングレート均一性
が得られる効果がある。また、シャワー直径を絞ること
により、反応生成物を処理室６からすみやかに排気で
き、エッチングレートを向上させる効果がある。また、
基板中心付近に溜っている反応生成物が流れで排気さ
れ、基板面内の入射分布が均一になるため、エッチング
形状が基板内で均一になる効果もある。

【００４２】本一実施例のようなプラズマ源では、設定
する磁場によりＥＣＲ面が基板より外周側にある場合、
基板より外周側でプラズマ密度が高くなることがある。
このような条件を使用する場合、本発明の効果はより高
くなる。また、シャワーヘッドの噴出孔２aから流出す
る流量を噴出穴ごとに変えて半径方向に流量を分布させ
たり、濃度を分布させたりして実質的に原料ガスＣ４Ｆ
８の９８％が流出される領域の直径が基板の直径Ｄｗの
３０％から８５％に設定する構成も、本発明と同じ効果
が得られ、本発明に属するものである。

【００４３】本発明の他の実施例を図７で説明する。図
１の実施例と異なり、電磁コイル１３が無い。電磁波の
導入方式は実施例１と同じであるが、スポークアンテナ
等を用いても良い。電磁波は無磁場中のプラズマ中で抵
抗加熱機構で吸収され、プラズマを生成する。この装置
はプラズマ密度が低くても良いプロセスに使用される。
この場合、装置の構造が簡単になる効果がある。

【００４４】図８は本発明のもう一つの別な実施例の断
面図である。第１板２の第２板３と対向する面にシャワ
ーヘッドが形成された石英ブロック１２が設置されてい
る。以上の装置構成に対して、第１板２と第２板３との
間隔を１００ｍｍ〜２００ｍｍとし、このシャワーヘッ
ドを、第１板２に処理ガスを供給する噴出穴が存在する
領域の直径（シャワー直径）が基板直径の３０％〜７５
％にするよう構成した。

【００４５】このような装置構成は基板と対向する面に
直接電極（第１板２）が露出するのを嫌う装置の場合に
適用される。このような装置は、エッチングガスとして
塩素Ｃｌ２を用い、シリコン膜やアルミ膜をエッチング
するプロセスによく用いられる。塩素Ｃｌ２はプラズマ
中で塩素ラジカルに解離し、この塩素ラジカルとイオン
による反応により、基板面のシリコン膜やアルミ膜をエ
ッチングする。塩素ラジカルはチャンバ壁面に一原子層
だけ吸着するとそれ以上壁面には付着せず、基板面での
み消費する。

【００４６】そこで、前述のフッ素ラジカルと同様に基
板の外周側で濃度が高くなりがちだが、シャワー直径を
基板直径の３０％〜７５％にするよう設定することによ
り、基板への塩素ラジカルの入射フラックスが均一にな
り、エッチング速度が基板面内で均一になる効果があ
る。実施例１と異なり、基板４と対向する面でラジカル
のスカベンジ効果が無く、基板４とシャワーヘッドの高
さが高いため、シャワー直径は実施例１より小さ設定さ
れる。また、特にこのような構成により、電極の消耗が
抑えられ、装置寿命が長くなる効果がある。

【００４７】本発明のもう一つの実施例を図９、図１０
で説明する。図９は、平行平板型容量結合型プラズマエ
ッチング装置の断面図である。図１０は図９のＡ−Ａ断
面図である。このような装置は、実施例１よりも高いガ
ス圧力で使用されるため、微細加工には適さないが、微
細加工が必要とされない膜の高速度エッチングに使用さ
れる。図９において、チャンバ１内に設けた第１板２と
対抗させて配置した第２板３の上に基板４が載せてあ
る。第１板２には高周波電源５a、第２板３には高周波
電源５bが接続されている。電源の周波数としては、４
００ＭＨｚから数百ＭＨｚが用いられる。これら高周波
電源５a、５bにより、第１板２と第２板３との間の処理
室6内にはプラズマ7が生成され、基板４を処理するよう
になっている。第１板２の中心部は、多数のガス穴2aが
開いており、ガス供給手段８と接続されて、いわゆるシ
ャワーヘッドを形成している。

【００４８】また、第２板3の外周に排気口９が設けら
れている。第１板２の材質には、カーボンやシリコン等
が用いられる。第１板２の第２板３と対向する面で外周
部分にはリング１５が設けられている。リング１５の材
質は石英等の絶縁体である。リング１５は、第１板２と
第２板３との間の放電で生成されるプラズマ７の径方向
の大きさ制限する働きをする。ここで、リング１５の内
径またはプラズマ直径Ｄpは、基板の直径Ｄｗより大き
く設定されている。さらに、処理ガスを供給するシャワ
ー板の噴出穴が存在する領域の半径（シャワー直径）Ｄ
ｓが基板径Ｄｗの３０％〜８５％にするようなシャワー
ヘッドを装着した。本一実施例では、ウエハの直径が２
００ｍｍで、リング１５の内径が３１０ｍｍ、シャワー
直径は１５０ｍｍである。

【００４９】第１板２、第２板３に高周波電力を印可
し、プラズマ７を生成させると、プラズマは、第１板２
と第２板３の間で、リング１５の内側まで、プラズマが
広がる。すなわち、プラズマの直径Ｄｐは基板の直径Ｄ
ｗよりかなり大きい。このような状況は、直径の大きな
基板を処理できる装置で直径の小さな基板を処理する場
合に生じる。

【００５０】ここで、シャワー直径が基板の直径とほぼ
同じ場合、Ｆラジカルは基板の外周で過剰となるが，本
一実施例のようにシャワー直径が基板直径の３０％〜８
５％にするようなシャワーヘッドを装着すると、原料ガ
スが処理室６の中心付近で分解するため、Ｆラジカルが
基板及び第１板２で消費し、基板上で均一な分布を持
ち、エッチング速度分布が基板上半径方向に均一にな
る。

【００５１】図１１にプラズマ直径Ｄｐが基板直径Ｄｗ
とほぼ同じ場合（従来例）とプラズマ直径Ｄｐが基板直
径Ｄｗより大きい場合に対して、シャワー半径とエッチ
ングレート均一性との関係を示した。

【００５２】このように、従来のように、プラズマ直径
が基板直径にほぼ近い場合、シャワー直径は基板直径に
近い時エッチングレート均一性が良いが、本一実施例の
ようにプラズマ径が基板直径より十分大きい時は、シャ
ワー直径は基板直径の３０％〜８５％の時均一性が高い
（例えば±５％以下となる）。このように構成すること
により、大きな基板も、小さな基板も、シャワヘッドの
シャワー直径を変更するだけでエッチング特性が均一な
装置が得られ、コストを低減できる効果がある。

【００５３】本発明のもう一つの実施例を図１２で説明
する。プラズマ生成方式は誘導結合方式と呼ばれるもの
である。図１２において、チャンバ１の一部に誘電体壁
１７を設け、その外側にコイル１８が巻いてある。この
コイル１８に電源５ｃを接続し、高周波（例えば１３．
５６ＭＨｚ）を流すと、誘導加熱機構でプラズマ７が生
成する。基板４と対向する第１板２はシリコン製であ
り、中心部にシャワーヘッドが形成されている。プラズ
マ７は図１１に示すようにリング状に密度の高い領域が
あるが、処理室６内全体に拡散して広がっているので、
第１板2と基板４との間隔及びシャワー直径に関して
は、実施例1と同じように設定されている。このような
構成により、磁場によるダメージが大きい素子の加工に
対してダメージが無く、基板面内でエッチングレートの
高均一性が得られる効果がある。

【００５４】以上は、ＵＨＦ電磁波ＥＣＲプラズマ装置
及び平行平板容量結合型フ゜ラス゛マ装置及び誘導結合式プラ
ズマ装置への実施例であるが、本発明は他のプラズマ装
置にも共通に実施出来る。また、プラズマＣＶＤ装置や
熱ＣＶＤ装置の場合にも、適用できる。

【００５５】このようにして、チャンバ高さに対して、
基板直径とプラズマ直径を考慮してシャワー直径を設定
してラジカル密度の径方向分布を制御することにより、
基板の被エッチング膜、レジスト膜、下地膜のエッチン
グ速度分布、選択比、エッチング形状を基板面内で均一
に制御することが出来る効果がある。

【００５６】

【発明の効果】本発明によれば、下地膜やレジスト膜に
対し被エッチング膜の選択比が高く、被エッチング膜や
下地膜やレジスト膜のエッチング速度分布の均一性が高
い状態でエッチングすることができ、加工精度の向上が
可能であり、生産性の向上ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のプラズマ処理装置の断面図
である。

【図２】本発明の図１のＡーＡ線断面図である。

【図３】本発明の効果の説明図である。

【図４】本発明の効果の説明図である。

【図５】本発明の効果の説明図である。

【図６】本発明の効果の説明図である。

【図７】本発明のもう一つの実施例のプラズマ処理装置
の断面図である。

【図８】本発明のもう一つの実施例のプラズマ処理装置
の断面図である。

【図９】本発明のもう一つの実施例のプラズマ処理装置
の断面図である。

【図１０】本発明の図９のＡーＡ線断面図である。

【図１１】本発明の効果の説明図である。

【図１２】本発明のもう一つの実施例のプラズマ処理装
置の断面図である。

【符号の説明】

１：チャンバ、２：第１板、２ａ：ガス孔、３：第２
板、４：基板、５a、５b、５ｃ：電源、６：処理室、
７：プラズマ、８：ガス供給手段、９：排気口、１０：
円環状部材、１１：同軸ケーブル，１２：石英窓、１
３：電磁コイル，１４：コンデンサ、１５：温度制御
機能、１６：誘電体、１７：誘電体壁、１８：コイル。

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原料ガスを供給する手段と、真空排気手段
と、該原料ガスをプラズマ化する手段と、被加工試料の
設置手段とを具備し、被加工試料への高周波電力印加手
段を有する真空容器内で、該原料ガスをプラズマ化し該
被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置におい
て、第１板と平行に対向して配置した第２板との間でプ
ラズマを生成させ、第２板に該被加工試料を設置し、該
第１板と該被加工試料との間隔を３０ｍｍ以上で該被加
工試料の最大直径の半分以下に設定し、該第１板に該原
料ガスを供給する複数の穴からなるガス供給口を設け、
前記ガス供給口の有効直径の大きさが該被加工試料の最
大直径の３0〜8５％であることを特徴とするプラズマ処
理装置。
【請求項２】原料ガスを供給する手段と、真空排気手段
と、該原料ガスをプラズマ化する手段と、被加工試料の
設置手段とを具備し、被加工試料への高周波電力印加手
段を有する真空容器内で、該原料ガスをプラズマ化し該
被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置におい
て、該プラズマ発生手段を該真空容器内への電磁波の導
入とし、該電磁波の導入を該被加工試料に平行に対向し
て配置された平面板から行い、該平面板と該被加工試料
の間隔を３０ｍｍ以上で該被加工試料の最大直径の半分
以下に設定し、該平面板に該原料ガスを供給する複数の
穴からなるガス供給口を設け、前記ガス供給口の有効直
径の大きさが該被加工試料の最大直径の３0〜8５％であ
ることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】請求項第１に記載のプラズマ処理装置にお
いて、前記ガス供給口と前記基板との間隔を１００〜２
００ｍｍに設定し、前記ガス供給口の有効直径の大きさ
が該被加工試料の最大直径の３０〜７５％であることを
特徴とするのプラズマ処理装置。
【請求項４】原料ガスを供給する手段と、真空排気手段
と、該原料ガスをプラズマ化する手段と、被加工試料の
設置手段とを具備し、被加工試料への高周波電力印加手
段を有する真空容器内で、該原料ガスをプラズマ化し該
被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置におい
て、該プラズマ発生手段を高周波電力の導入とし、該高
周波電力の導入を該被加工試料を載せた第１板と該第１
板に平行に対向して配置された第２板とから行い、該第
１板に該原料ガスを供給する複数の穴からなるガス供給
口を設け、前記ガス供給口の有効直径の大きさが該被加
工試料の最大直径の３0〜8５％であることを特徴とする
プラズマ処理装置。
【請求項５】請求項１から請求項４に記載のプラズマ処
理装置において、前記ガス供給口の有効直径の大きさ
が、エッチングに寄与する原料ガスの総流量の９８％以
上が流出する領域の直径であることを特徴とするプラズ
マ処理装置。
【請求項６】請求項１から請求項４に記載のプラズマ処
理装置の制御方法において、被加工試料に１００ｋＨｚ
から１４ＭＨｚの高周波電力を被加工試料の単位面積あ
たり０．５Ｗ／ｃｍ^２から８Ｗ／ｃｍ^２印加し、被加工
試料の表面処理を行うことを特徴とするプラズマ処理装
置の制御方法。
【請求項７】請求項１から請求項４に記載のプラズマ処
理装置の制御方法において、フッ素ラジカルの基板上へ
の入射量分布を均一に制御しながら被加工試料の表面処
理を行うことを特徴とするプラズマ処理装置の制御方
法。
【請求項８】請求項１から請求項４に記載のプラズマ処
理装置の制御方法において、ガスを導入するステップ、
プラズマを生成するステップ、基板をエッチングするス
テップ、基板を取り出すステップからなることを特徴と
するプラズマ処理装置の制御方法。