JP2005136165A - ドライエッチング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウエハの端部及び裏面のエッチングを防止抑制し、エッチングレートの面内均一性の向上を確保しうるドライエッチング装置を提供する。
【解決手段】本発明のドライエッチング装置は、静電吸着機構を有する下部電極４と、下部電極４に高圧直流電力を印加するための高圧直流電源１３と、下部電極４に高周波電力を印加するための第一の高周波電源５と、下部電極４の上部に設置された上部電極９と、上部電極９に高周波電力を印加するための第二の高周波電源１２と、少なくとも下部電極４の周囲に配置された絶縁性リング体１５と、少なくとも絶縁性リング体１５の外周囲に配置された周辺部電極１１と、周辺部電極１１に高周波電力を印加するための第三の高周波電源１４を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ドライエッチング装置に関し、特にウエハの端部及び裏面のエッチング防止に関するものである。

半導体製造工程で使用される従来のドライエッチング装置は、図６に示すように、処理室２にて被処理体３、例えば半導体ウエハ（以下、ウエハと呼ぶ。）の載置台を兼ねた下部電極４と、所定の高周波電力を印加して放電プラズマを発生させる上部電極９を併せ持ち、所定の圧力を排気口６にて制御し、エッチングガスをガス導入部７より導入し、反応性エッチングや不活性ガスを用いたスパッタエッチングを行っている。

この装置の下部電極４には、ウエハの面内温度分布、ひいては温度分布に起因したエッチングレートの均一性を向上させる為に、静電吸着機構を採用してウエハ３を固定している。例えばポリイミド製の薄膜で挟持された電極に、高圧直流電力を印加するとチャック面上に載置されたウエハ３が吸着保持される構造となっている。

静電チャック機能を有する下部電極４の周囲を囲うように略環状のリング体が配置されている。

特許文献１には、ウエハの周囲を囲むように大小2つのリング体が配置されており、内側リング体は、プラズマに対してウエハの外径を電気的に大きく見せる為に導電性材料を用いており、外側リング体はプラズマをウエハ上に集中させる為に絶縁性材料を用いている。

一方、この装置の下部電極は、イオンの引き込みによる電極表面へのダメージを無くすため、あるいは冷却機構上、ウエハの大きさより電極表面を小さくしてある。

しかしながらそのため、ウエハの端部・裏面がエッチングされ、それ以後に処理される装置の汚染などが懸念される。特許文献２には、ウエハの周辺部の上面あるいは上方を覆うカバーリングを具備することにより、ウエハ周辺及び裏面に飛散・汚染する被エッチング材を防止・予防できることが開示されている。
特開２０００−３６４９０号公報 特開２００１−３０８０７７号公報

しかしながら、絶縁性の材料を用いたリング体を使用しプラズマを閉じ込めた場合、プラズマ自体は高密度になるが、ウエハ及び内側リング体が積極的にエッチングされ、リング体温度が上昇し、ウエハ及びその周辺をエッチングするラジカル密度が変化してエッチングレートの面内不均一が生じてしまう。

一方、ウエハの周辺部の上面あるいは上方を覆うカバーリングを具備すると、ウエハをエッチングするプラズマ分布が変化し、面内を均一にエッチング出来なくなるばかりでなく、異常パターン形成の可能性が有る。

本発明は、従来の技術が有するこれらの問題点を解決するためになされているものであり、半導体の製造工程で使用されるドライエッチング装置に際して、ウエハの端部及び裏面のエッチングを防止抑制し、エッチングレートの面内均一性の向上を確保しうる静電吸着電極を保持したドライエッチング装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のドライエッチング装置は、ウエハを保持するための静電吸着電極と、前記静電吸着電極に高圧直流電力を印加するための高圧直流電源と、前記静電吸着電極に高周波電力を印加するための第一の高周波電源と、前記静電吸着電極の上部あるいはその周辺に設置されたプラズマを発生させるための電極と、前記電極に高周波電力を印加するための第二の高周波電源と、少なくとも前記静電吸着電極の周囲に配置された絶縁性材料からなるリングと、少なくとも前記絶縁性材料からなるリングの外周囲に配置された周辺部電極と、前記周辺部電極に高周波電力を印加するための第三の高周波電源を備えたことを特徴とする。

また、前記絶縁性材料からなるリングと、少なくとも前記絶縁性材料からなるリングの外周囲に配置された導電性リングと、少なくとも前記導電性リングの外周囲に配置された周辺部電極と、前記周辺部電極に高周波電力を印加するための第三の高周波電源を備えているのが好ましい。

前記周辺部電極に低周波電力を印加するための低周波電源を備えているのがさらに好ましい。

本発明によれば、ウエハの端部及び裏面のエッチングを防止抑制し、ウエハ面内でのエッチングレート均一性を精度よく制御する事ができ、かつ均一性を大幅に向上できる。

以下に、図面を用いた本発明の実施の形態を詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１におけるドライエッチング装置の構造模式図である。

エッチング装置１において、処理室２は接地されており、処理室２に蓋をするような形で上部天板８が配置され、さらにこれに対向する位置で、ウエハの載置台を兼ねた下部電極４が設けられている。

上部天板８の上には上部電極９が配置され、これは第二の高周波電源１２と接続されている。下部電極４はその上に固定・支持するウエハより若干小さめになっている。下部電極４には第一の高周波電源５および高圧直流電源１３が接続されている。

また、下部電極４の外周囲には、例えば石英のような、絶縁性の材料で作製した絶縁リング体１５が配置され、さらにその外周囲に周辺部電極１１が配置されている。周辺部電極１１には第三の高周波電源１４が接続されている。後は基本的な構成として、ガス導入部７、排気口６が設けられている。

次に本装置の動作について説明する。

排気口６から処理室２の真空引きを行い、さらに搬送機構（図示せず）によって下部電極４上にウエハ３を載置する。高圧直流電源１３より下部電極４に高圧直流電力を印加し、ウエハ３を吸着、固定する。その後、ガス導入部７より処理室２にエッチングガスを導入し、排気口６に設けられた圧力制御弁（図示せず）により処理室２内を所定の圧力に調節する。

処理室２内の圧力が一定になるのを待ち、第二の高周波電源１２より上部電極９に高周波電力を印加し、処理室２内のエッチングガスを解離してプラズマを発生させた後、第一の高周波電源５より下部電極４に高周波電力を印加することにより、ウエハ３がエッチングされ始める。

次に、エッチング中のウエハ端部、裏面におけるイオンの挙動に関して図２を用いて説明する。

ガス導入部７より導入したエッチングガスは、処理室２の中で第二の高周波電源１２から上部電極９に印加した高周波電力によりイオンとラジカルに解離され、イオンは下部電極４に引っ張られる。ウエハ直上のイオンはプラズマ中のイオンシースにより加速されてウエハ３に衝突する。

しかし、それ以外のウエハ周辺のイオンは、下部電極４に印加される高周波電力よりも、第三の高周波電源１４から、より大きな高周波電力を印加される周辺部電極１１によって作られるイオンシースにより、加速されて周辺部電極１１に衝突する。

このようにして、下部電極４と周辺部電極１１とで接続する高周波電源を別個に設置し、印加する電圧をそれぞれ制御する事により、ウエハ３の周辺及び裏面にイオンを入射させないようにして、ウエハの端部及び裏面の過剰なエッチングを防止し、エッチングレートの面内均一性の向上を図るものである。

特に、例えば、Ｃｌ₂やＡｒといった、分子量の重い元素を用いたスパッタ性の強いエッチングの場合には、低圧力になればなるほどイオンの衝突回数が減り直進性が増す為、面内エッチングレート均一性の向上に効果的である。

（実施形態２）
本実施形態におけるエッチング中のウエハ端部、裏面の様子について、ウエハ端部のラジカルの挙動を示した図（図３）と、同じくウエハ端部のイオンの挙動を示した図（図４）を用いて説明する。

本実施形態では、絶縁リング体１５の周辺で、周辺部電極１１の内側に、ウエハ上の材料よりラジカルと反応しやすい、例えばカーボン材料で出来ている導電性リング体１０を配置させる。

そうすると、ウエハ周辺部のエッチャントの挙動は次のようになると予測される。

まず、解離されたイオンは、実施形態１で示した場合と同様に、周辺部電極１１によって作られるイオンシースにより、加速されて周辺部電極１１に衝突する。図４にこの様子を示す。

一方、導電性リング体１０は接地されていないため、イオンはほとんど衝突せず、解離されたラジカルが集まってくる。図３にこの様子を示す。

ウエハ周辺部のイオン及びラジカルが上記のような挙動を示す事により、ウエハ端部及び裏面のエッチングが抑制され、その結果、イオンばかりでなく、ラジカルの制御性も向上し、ウエハ端部のエッチングの制御性が向上する。

特に、例えば、ＳＦ₆やＣＦ₄といった、イオンによるスパッタ性とラジカルによる反応性のガス種のバランスにより、側壁を保護することが重要なエッチングの場合には、イオン及びラジカルエッチングの制御性がそれぞれ独立して向上するため、面内エッチングレート均一性の向上や、形状の寸法制御などに効果的である。

（実施形態３）
図５に本発明の実施形態３におけるドライエッチング装置の構造模式図を示す。図５に示した装置と図１に示した装置との相違は、周辺部電極１１に低周波電源１６を接続している点のみである。

ドライエッチング処理中には、下部電極４に第一の高周波電源５から、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加し、周辺部電極１１には、低周波電源１６から、例えば５００ｋＨｚといった、低周波電力を印加する。

次に本実施形態の装置を用いてドライエッチングを行った場合の利点について示す。

電極に低周波電力を印加した方がイオンを引き込みやすいため、イオンによるエッチングは、ウエハ中央部に比べて、ウエハ周辺部の方が促進される。それに対して、ラジカルによるエッチングは、ウエハ周辺部に比べて、ウエハ中央部の方が促進される傾向にあるため、エッチングレートのバランスが取れやすい。

特に、例えば、Ｃｌ₂やＡｒといった、分子量の重い元素を用いて、且つ、イオンによるスパッタ性とラジカルによる反応性のバランスが重要なエッチングの場合には、面内エッチングレート均一性の向上に効果的である。

なお、本実施形態では、周辺部電極１１に低周波電源１６を接続した例を示したが、別途、高周波電源１４も接続されていてもよい。

その場合はエッチングの用途・目的によって周辺部に印加する電力を切り替えることとなる。

また、電力の周波数を可変とできる電源を用いれば、一つの電源で上記の切り替えをまかなうことができ、装置コストを下げられる。

本発明に係るドライエッチング装置は、特にウエハ周辺部のエッチングレートを制御でき、面内均一性が高い高精度の加工ができるドライエッチング装置として有用である。

本発明の実施形態１におけるドライエッチング装置の構造模式図 本発明の実施形態１におけるドライエッチング中のウエハ端部のイオンの挙動を示す概念図 本発明の実施形態２におけるドライエッチング中のウエハ端部のラジカルの挙動を示す概念図 本発明の実施形態２におけるドライエッチング中のウエハ端部のイオンの挙動を示す概念図 本発明の実施形態３におけるドライエッチング装置の構造模式図 従来の技術におけるドライエッチング装置の構造模式図

符号の説明

１ ドライエッチング装置
２ 処理室
３ ウエハ
４ 下部電極
５ 第一の高周波電源
６ 排気口
７ ガス導入部
８ 上部天板
９ 上部電極
１０ 導電性リング体
１１ 周辺部電極
１２ 第二の高周波電源
１３ 高圧直流電源
１４ 第三の高周波電源
１５ 絶縁リング体
１６ 低周波電源

Claims (4)

1. ウエハを保持するための下部電極と、
   前記下部電極に高圧直流電力を印加するための直流高圧電源と、
   前記下部電極に高周波電力を印加するための第一の高周波電源と、
   前記下部電極の上部あるいはその周辺に設置されたプラズマを発生させるための上部電極と、
   前記上部電極に高周波電力を印加するための第二の高周波電源と、
   少なくとも前記下部電極の周囲に配置された絶縁性材料からなるリングと、
   少なくとも前記絶縁性材料からなるリングの外周囲に配置された周辺部電極と、
   前記周辺部電極に高周波電力を印加するための第三の高周波電源を備えたことを特徴とするドライエッチング装置。
2. 前記下部電極は静電吸着機構を有していることを特徴とする請求項１記載のドライエッチング装置。
3. 前記絶縁性材料からなるリングと、
   少なくとも前記絶縁性材料からなるリングの外周囲に配置された導電性リングと、
   少なくとも前記導電性リングの外周囲に配置された周辺部電極と、
   前記周辺部電極に高周波電力を印加するための第三の高周波電源を備えたことを特徴とする請求項１または２記載のドライエッチング装置。
4. 前記周辺部電極に低周波電力を印加するための低周波電源を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のドライエッチング装置。

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