JP2005167088A - ドライエッチング装置及びドライエッチング方法 - Google Patents

ドライエッチング装置及びドライエッチング方法 Download PDF

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通成 山中
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Abstract

【課題】 エッチング対象物の材料と無関係に、エッチストップが発生せず所望のエッチング形状が得られるようにドライエッチングを行う。
【解決手段】 反応室１０１内の下部電極１０２上に被処理基板１５０が設置されていると共に、該基板を囲むようにフォーカスリング１０７が配置されている。フォーカスリング１０７はエッチング時にエッチング対象物から発生する炭素原子の量に応じた表面積を持つ。具体的には、フォーカスリング１０７は、予め準備された半径の異なる複数のリング（１０７ａ〜１０７ｃの三つのリング）の中から選択された一つ又は二つ以上のリングの組み合わせによって構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ドライエッチング装置及びドライエッチング方法に関するものである。
図１１は、酸化膜等に対するエッチングに用いられる従来のドライエッチング装置の概略構成を示している。
図１１に示すように、反応室１１の底部に設けられた下部電極１２上に被処理基板２０が載置されている。反応室１１の天井部には、プラズマを発生させる空間を挟んで下部電極１２と対向するように上部電極１３が設置されている。反応室１１の外側には、下部電極１２に１３．５６ＭＨｚの電力を印加する高周波電源１４が設けられている。また、反応室１１の側部には、反応室１１内にプロセスガスを導入するためのガス導入口１５と、反応室１１からプロセスガスを排出するためのガス排気口１６とが設けられている。さらに、下部電極１２上には、被処理基板２０を囲むように、シリコンからなるフォーカスリング（Ｓｉフォーカスリング）１７が設けられている。
尚、図示は省略しているが、被処理基板２０上には、例えばシリコン窒化膜を介して、エッチング対象物であるシリコン酸化膜が形成されているものとする。
また図１２は、図１１に示すＳｉフォーカスリング１７、つまり従来のフォーカスリングの平面構成を示している。図１２に示すように、Ｓｉフォーカスリング１７は、被処理基板２０つまりウェハの口径に対応する開口部を中心に持つ単一のリングである。
図１１に示す従来のドライエッチング装置を用いた、酸化膜に対するドライエッチング方法の具体的内容は次の通りである。
まず、反応性ガスとしてＣ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8又はＣＦ4 等のフルオロカーボンガスをガス導入口１５から反応室１１内に供給して該ガスからなるプラズマを発生させる。該プラズマ中では、例えば
Ｃ4Ｆ8 → Ｃ4Ｆ7 ＋ Ｆ
又は
ＣxＦy+1 → ＣxＦy ＋ Ｆ
等で表される解離反応が起こる。ここでｘ、ｙは自然数とし、本明細書中で以下全て同様である。前記解離反応の結果、ＣxＦy又はＦ（フッ素）の、ラジカル（活性種）又はイオンが被処理基板２０上に供給される。
このとき、被処理基板２０上の酸化膜（ＳｉＯ2 膜）と例えばフッ素ラジカルとの間で、
ＳｉＯ2 ＋ Ｆ → ＳｉＦx ＋ Ｏ＊ ・・・（式１）
等で表される反応が起こるため、酸化膜に対するエッチング（酸化膜エッチング）が進行する。このエッチングによって、酸化膜の加工を行うことができる。
ところで、前述のプラズマから発生したフルオロカーボン（ＣxＦy）ラジカルは、エッチング対象物である酸化膜上において、炭素とフッ素とからなるポリマー（フルオロカーボンポリマー）が生じる原因となる。該ポリマーがエッチング対象物上に堆積するとエッチングが抑制されることになるが、酸化膜のエッチングの場合には、この抑制は回避されている。なぜなら、（式１）に示す反応によって発生したＯ＊（酸素ラジカル）とフルオロカーボンポリマーとの間で、
ＣxＦy ＋ Ｏ＊ → ＣＯx ＋ Ｆ ・・・（式２）
等で表される反応が起こるため、酸化膜上のフルオロカーボンポリマーが除去されるためである。
一方、酸化膜エッチングが終了して、酸化膜の下側のシリコン基板又はシリコン窒化膜が露出すると、（式１）に示すようなＯ＊の生成が起こらなくなる。このため、（式２）に示すような、酸素ラジカルによるフルオロカーボンポリマーの除去反応も起こらなくなる。結果として、シリコン基板上又はシリコン窒化膜上においては、ＳｉＯ2膜上とは異なり、フルオロカーボンラジカルから生じるフルオロカーボンポリマーが堆積されてしまう。堆積した該ポリマーによってシリコンやシリコン窒化膜のエッチング速度は抑制されるので、エッチング速度の抑制が相対的に小さい酸化膜と比較してエッチング速度が遅くなり、シリコン又はシリコン窒化膜との間でエッチングの選択比を確保することができる。
堆積するフルオロカーボンポリマーが炭素を含むポリマーであるため、該ポリマーの堆積量と、その結果としてのＳｉＯ2／Ｓｉ選択比（又はＳｉＯ2／ＳｉＮ選択比）は、一般にプラズマ中における炭素原子のフッ素ラジカルに対する比（以下、Ｃ／Ｆ比と称する）に依存することになる。具体的には、Ｃ／Ｆ比が高くなると、堆積ポリマーの影響が大きくなってシリコンのエッチング速度が低下するので、ＳｉＯ2／Ｓｉ選択比が高くなる。逆に、Ｃ／Ｆ比が低くなると、堆積ポリマーの影響が小さくなってシリコンのエッチング速度が増大するので、ＳｉＯ2／Ｓｉ選択比が低くなる。このように、酸化膜エッチングにおいてＳｉＯ2／Ｓｉ選択比を確保するためには、Ｃ／Ｆ比の制御は非常に重要である。
図１１に示すドライエッチング装置においては、反応室１１内にシリコンからなる部材を配置することによって、具体的には、下部電極１２の周縁部にＳｉフォーカスリング１７を配置することによって、ＳｉＯ2／Ｓｉ選択比を向上させることができる。その理由は次の通りである。すなわち、反応室１１内において、Ｓｉフォーカスリング１７を構成するシリコンとフッ素ラジカルとが反応するため、フッ素ラジカルがスカベンジされてフッ素ラジカルの密度が低下する。この結果Ｃ／Ｆ比が高くなるため、シリコンのエッチング速度が低下するので、ＳｉＯ2／Ｓｉ選択比が高くなる。すなわち、フォーカスリングは、プラズマ中のラジカル又はイオンと反応することによって該ラジカル又はイオンの密度を制御するという作用を有している（例えば特許文献１〜４参照）。
特許第３３３３１７７号明細書（第１１−１２頁） 特許第３２５７７４１号明細書（第２頁） 特開２００２−１６４３２３号公報（第３頁） 特許第３３９３１１８号明細書（第２頁）
従来、ＬＳＩ製造の配線工程で形成される層間絶縁膜には、シリコン酸化膜が用いられてきた。それに対して、近年、ＩＴＲＳ（International Technology Roadmap for Semiconductor）ロードマップに見られるＬＳＩの微細化及び配線形成工程における配線容量の低減を目的として、層間絶縁膜の低誘電率化への要求が大きくなっている。この要求を満たすため、従来のシリコン酸化膜（誘電率k=4.2）に代えて、膜中に炭素原子又はメチル基を含むようなＳｉＯＣ（k≦3.5）膜が用いられるようになってきた。
このような膜中に炭素原子を含むＳｉＯＣ膜のパターニングを図１１に示す従来のドライエッチング装置を用いて行った場合、以下に述べるような問題点が生じる。
図１３（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、従来のドライエッチング装置を用いたＳｉＯＣ膜エッチングにおける問題点を説明するための図である。
従来のドライエッチング装置を用いてエッチングを行う場合、図１３（ａ）に示すように、基板３０の上にエッチング対象物であるＳｉＯＣ膜３１を形成し、更にその上に、例えばホール形成領域に開口部のあるレジストパターン３２を形成する。ここで、レジストパターン３２の開口部の幅（リソグラフィ後寸法）はＤ０である。その後、図１３（ｂ）に示すように、レジストパターン３２をマスクとしてＳｉＯＣ膜３１に対してエッチングを行ない、ＳｉＯＣ膜３１をパターン化する。このようにすると、ＳｉＯＣ膜３１にはホール３３が形成される。ここでホール３３の底部の径（ドライエッチング後寸法）はＤ１である。
ところが、従来のドライエッチング装置を用いた場合、図１３（ｂ）に示すように、ＳｉＯＣ膜３１のエッチング形状（エッチングにより形成されたホール３３の断面形状）が所望の垂直形状にならずにテーパ形状になってしまう。その結果、ホール３３の底部の寸法Ｄ１がＤ０より小さくなって所望の抵抗が得られないという問題が生じる。また、よりテーパ形状が進行すると、図１３（ｃ）に示すように、エッチング途中でエッチングが止まってしまってホール３３が基板３０に到達しなくなるという現象であるエッチストップ現象の問題も生じる。
前記に鑑み、本発明は、エッチング対象物から発生する炭素の量に関わらず、ドライエッチングによって、エッチストップやホール底部寸法縮小の無い所望のエッチング形状を得ることを目的とする。
前記の目的を達成するために、本願発明者らは、ＳｉＯＣ膜ドライエッチングを従来のドライエッチング装置を用いて行った際に、ホール底部の寸法が小さくなったり又はエッチストップが生じたりする原因を検討した。結果として次のような知見を得た。
従来のドライエッチング装置が支障なく利用されていた、コンタクトホール形成における酸化膜エッチングでは、エッチング対象物である酸化膜から酸素原子が発生する。エッチングに際し、ホール底部にはプラズマから供給された炭素を含むポリマーＣxＦyが堆積するが、該ポリマーは前記酸素原子によって除去されるためにエッチングが進行していた。
これに対して、従来のドライエッチング装置の使用によって問題が生じるＳｉＯＣ膜エッチングでは、ＳｉＯＣ膜中には酸化膜中に比べて酸素原子が少ないことから、酸化膜エッチングの場合に比べて膜から供給される酸素が少ない。その上、ＳｉＯＣ膜中に炭素が含まれるために、プラズマから供給される炭素に加えてエッチング対象物からも炭素が供給さる。このように酸素の供給量が少なく且つ炭素の供給量が多いことから、ホール底部の炭素とフッ素との比（Ｃ／Ｆ比）が、酸化膜の場合と比べて大きくなる。結果として、ホール底部でのエッチングが十分に進行せず、ホール底部の寸法の縮小化、又はエッチストップが生じるのである。
ここで、従来のドライエッチング装置の一例として、Ｓｉフォーカスリングによってフッ素ラジカルをスカベンジすることで、反応室内のＣ／Ｆ比を高める機能を有するドライエッチング装置がある。本願発明者らは、コンタクトホール形成を前提として、前記機能を有するドライエッチング装置を用いて炭素原子又はメチル基を含むＳｉＯＣ膜のエッチングを行なった場合に、前記の各問題が顕著に生じてしまうことを見出した。すなわち、この場合、フッ素ラジカルがＳｉフォーカスリングによってスカベンジされて減少しているために、より顕著にフッ素ラジカルつまりエッチャント（エッチング種）が不足し、ポリマー堆積の原因となる炭素原子又は炭素原子を含むラジカルつまりデポ種が過剰となる。その結果、反応室内においてＣ／Ｆ比が大きくなり過ぎるため、ホール底部寸法が縮小化したり又はエッチストップが生じたりするという問題が顕著に起こる。このことを本願発明者らは見出したのである。
この発見に基づき、本願発明者らは、ドライエッチング装置のフォーカスリングの表面積をエッチング対象物に応じて調節することによって、前記の問題を解決するという着想を得た。具体的には、プラズマ中のフッ素ラジカルをスカベンジするＳｉフォーカスリングの表面積を、エッチング対象物から発生する炭素の量に応じて変更する。このようにすれば、フォーカスリングによってスカベンジされるエッチャントの量を調節できるため、エッチング対象物上におけるＣ／Ｆ比を最適化できる。Ｃ／Ｆ比を最適化できれば、ホール底部寸法の縮小とエッチストップとを防止することが可能になる。以上のような着想である。
これに合わせて、本願発明者らは、次のような着想も得た。すなわち、酸素を含んだ材料、例えば石英（ＳｉＯ2）からフォーカスリングを構成し、該フォーカスリングとプラズマ中のエッチャントとの反応によって、該フォーカスリングから酸素原子を反応室内のプラズマ中に供給する。そして該酸素原子をプラズマ中で炭素原子と結合させてＣＯxとして除去することで、炭素原子量を減少させ、Ｃ／Ｆ比を制御するという着想である。
本発明は、以上の知見に基づいてなされたものである。具体的には、本発明に係る第１のドライエッチング装置は、反応室内の電極上にエッチング対象物を囲むように配置されるフォーカスリングを備えたドライエッチング装置を前提とし、フォーカスリングはエッチング対象物から発生する炭素の量に応じた表面積を持つ。
第１のドライエッチング装置によると、フォーカスリングがエッチング対象物からの炭素原子の発生量に応じた表面積を持つため、エッチング対象物からの炭素原子の発生量に応じてプラズマ中のエッチャントがスカベンジされる量を制御できる。具体的には、エッチング対象物からの炭素原子の発生量が大きくなるに従って、より表面積の小さいフォーカスリングを用いることによって、エッチャントのスカベンジ量を低減する。逆に、エッチング対象物からの炭素原子の発生量が小さくになるに従って、より表面積の大きいフォーカスリングを用いることによってエッチャントのスカベンジ量を増大させる。このようにエッチャントのスカベンジ量を調節することでＣ／Ｆ比を制御することが可能になっている。従って、エッチング対象物から発生する炭素の量に関わらず、ドライエッチングによって、エッチストップやホール底部寸法縮小の無い所望のエッチング形状を得ることが可能となる。
尚、本発明の全てのドライエッチング装置において、フォーカスリングの内側面と、エッチング対象物（例えばＳｉＯＣ膜等）が形成された基板（ウェハ）の端部とが接するように、フォーカスリングが電極上に設けられることを前提とする。言い換えると、本発明のフォーカスリングは、その中心部にウェハの口径に対応する開口部を持つ。従って、本明細書において、フォーカスリングの表面積とは、特に断らない限り、フォーカスリングにおける反応室内のプラズマ中に露出する部分の面積を意味し、これは、エッチング対象物を囲むフォーカスリングの上面及び外側面の面積に相当する。
第１のドライエッチング装置において、フォーカスリングはシリコンを主成分とすることが好ましい。
このようにすると、シリコンを主成分とするフォーカスリングはフッ素原子に対するスカベンジ能力が高いため、フッ素原子がエッチャントである場合に、エッチャントのスカベンジを目的とするフォーカスリングとして特に有効である。
尚、本明細書において、「ある材料を主成分とする」とは「ある材料のみから構成される」ことも含むものとする。
本発明に係る第２のドライエッチング装置は、反応室内の電極上にエッチング対象物を囲むように配置されるフォーカスリングを備えたドライエッチング装置を前提とし、フォーカスリングは、酸素を含む材料によって構成されており、且つ、前記エッチング対象物から発生する炭素の量に応じた表面積を持つ。
第２のドライエッチング装置によると、フォーカスリングが酸素を含む材料で構成されることにより、ドライエッチング中にフォーカスリングから酸素原子が発生する。そして、該酸素原子によって、炭素を含むエッチング対象物から発生した炭素原子をスカベンジできる。また、前記フォーカスリングの表面積を変更することにより、フォーカスリングからの酸素の発生量を制御することが可能で、該酸素によってスカベンジされる炭素量も制御できることから、Ｃ／Ｆ比を制御できる。具体的には、エッチング対象物からの炭素原子の発生量が大きくなるに従って、より表面積の大きいフォーカスリングを用いることでフォーカスリングから発生する酸素原子量を増大させ、該酸素原子によってスカベンジされる炭素原子量を増大させる。逆に、エッチング対象物からの炭素原子の発生量が小さくになるに従って、より表面積の小さいフォーカスリングを用いることでフォーカスリングから発生する酸素原子量を減少させ、該酸素原子によってスカベンジされる炭素原子量を減少させる。このようにして炭素原子のスカベンジ量を調節できることから、Ｃ／Ｆ比を制御することが可能になっている。従って、エッチング対象物から発生する炭素の量に関わらず、ドライエッチングによって、エッチストップやホール底部寸法縮小の無い所望のエッチング形状を得ることが可能となる。
第２のドライエッチング装置において、フォーカスリングは、酸素を含む材料として、石英（ＳｉＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）又は酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）のうち少なくとも１つを含む材料より構成されることが好ましいが、特にこれに限るものではない。
このようにすると、エッチング対象物から発生する炭素原子をスカベンジするためにフォーカスリングから酸素原子を発生させることが確実に可能となる。そのため、前述のエッチストップやホール底部寸法の縮小が起こらず、所望のエッチング形状が得られるドライエッチングが確実に可能となる。
本発明に係る第３のドライエッチング装置は、反応室内の電極上にエッチング対象物を囲むように配置されるフォーカスリングを備えたドライエッチング装置を前提とし、フォーカスリングは、あらかじめ準備された異なる半径を持つ複数のリングの中から選択された１つのリング又は２つ以上のリングの組み合わせによって構成され、それによりフォーカスリングはエッチング対象物からの炭素原子の発生量に応じた表面積を持つ。前記複数のリングは、全て同じ材料で構成されていても良いし、互いに異なる材料を主成分とする２以上のリングを含んでいても良い。
第３のドライエッチング装置によると、フォーカスリングは、あらかじめ準備された異なる半径を持つ複数のリングの中から選択された１つのリング又は２つ以上のリングの組み合わせによって構成される。そのような構成であるため、エッチング対象物から発生する炭素原子の量に応じてフォーカスリングの表面積を容易に調節できる。これにより、エッチング対象物から発生する炭素原子の量に応じて、プラズマ中のエッチャント又は炭素原子のスカベンジ量を容易に調節できる。
尚、本明細書において、リングの半径とは、特に断らない限り、所定の幅を持つリングの最外周部の半径（外径）を意味するものとする。
また、第３のドライエッチング装置において、フォーカスリングを構成する複数のリングは、互いに隙間なく組み合わされるものとする。具体的には、小さな半径を持つリングの外側面と、大きな半径を持つリングの内側面とが接するようにリング同士が組み合わされるものとする。
第３のドライエッチング装置において、複数のリングは、互いに異なる材料を主成分とする少なくとも２つのリングを含むことが好ましい。特に、シリコンを主成分とする第１のリングと、シリコン以外の他の材料を主成分とする第２のリングとを含むことがより好ましい。さらに、第２のリングを構成する、その他の材料としては、酸素を含む材料であることがより好ましい。
このようにすると、フォーカスリングは、エッチャントをスカベンジする材料であるシリコンが主成分の第１のリング（複数個あっても良い）と、エッチング対象物から発生する炭素原子をスカベンジする酸素原子を含む材料が主成分の第２のリング（複数個あっても良い）とから構成することができる。このため、第１のリングによってエッチャントをスカベンジでき、また、第２のリングから発生する酸素原子によって、エッチング対象物から発生する炭素原子をスカベンジできる。第１及び第２のリングの表面積は独立に調節できるため、フォーカスリングの表面積に依存するエッチャント及び炭素原子のスカベンジ量を独立に調節することができ、このことからＣ／Ｆ比を制御することができる。
具体的には、エッチング対象物から発生する炭素原子量が大きい場合には、第１のリングの表面積を小さくすることでエッチャントのスカベンジ量を小さくすることができる。また、それとは独立に、第２のリングの表面積を大きくすることで第２のリングから発生する酸素の量を大きくして、該酸素による炭素原子のスカベンジ量を大きくすることができる。逆に、エッチング対象物から発生する炭素原子量が小さい場合には、第１のリングの表面積を大きくすることでエッチャントのスカベンジ量を大きくすることができる。また、それとは独立に、第２のリングの表面積を小さくすることで第２のリングから発生する酸素の量を小さくして、該酸素による炭素原子のスカベンジ量を小さくすることができる。以上のように、フォーカスリングの構成を変えることで、エッチャント及び炭素原子のスカベンジ量が調節できるため、エッチング対象物から発生する炭素原子量に対応してＣ／Ｆ比を調節する事ができる。従って、エッチング対象物から発生する炭素の量に関わらず、ドライエッチングによって、エッチストップやホール底部寸法縮小の無い所望のエッチング形状を得ることが確実に可能となる。
酸素を含む材料としては、石英（ＳｉＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）又は酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）のうち少なくとも１つの材料を使用すると、本発明の効果が確実に実現できるが、特にこれに限るものではない。
第１〜第３のエッチング装置において、エッチング対象物が炭素原子又はメチル基を含む絶縁膜であると、エッチストップやホール底部寸法の縮小が起こらずに所望のエッチング形状が得られるという本発明の効果が顕著に発揮される。何故なら、このようなエッチング対象物はエッチング時に炭素を発生させるために、従来の装置ではエッチストップやホール底部寸法の縮小が問題となっていたからである。
本発明に係るドライエッチング方法は、反応室内の電極上にエッチング対象物を囲むように配置されるフォーカスリングを備えたドライエッチング装置を用いたドライエッチング方法を前提とし、電極上にエッチング対象物を載置する工程と、前記装置内にガスを導入して該ガスからなるプラズマを発生させ、該プラズマを用いてエッチング対象物に対してドライエッチングを行う工程とを備え、ドライエッチングを行う工程よりも前に、ドライエッチングを行う工程においてエッチング対象物から発生する炭素量に応じてフォーカスリングの表面積を決定し、該決定に従ってフォーカスリングの表面積を調節する工程をさらに備えている。
本発明のドライエッチング方法によると、エッチング対象物からの炭素原子の発生量に応じてフォーカスリングの表面積を決定し、該決定に従ってフォーカスリングの表面積を調節する。このため、エッチング時にプラズマ中のエッチャントをスカベンジする量が制御できる。また、酸素を含む材料で構成されるフォーカスリングを用いる場合には、その表面積を前記の決定に従って調節することで、該フォーカスリングから発生する酸素の量を調節する事ができ、該酸素による炭素原子のスカベンジ量を制御できる。すなわち、エッチャント及び炭素原子のスカベンジ量をそれぞれ制御できることから、Ｃ／Ｆ比を制御することができる。その結果、エッチング対象物から発生する炭素の量に関わらず、ドライエッチングによって、エッチストップやホール底部寸法縮小の無い所望のエッチング形状を得ることが可能となる。
本発明のドライエッチング方法において、フォーカスリングの表面積を調節する工程は、予め準備された異なる半径を持つ複数のリングの中から１つのリング又は２つ以上のリングの組み合わせを選択し、選択されたリングによってフォーカスリングを構成する工程を含むことが好ましい。
このようにすると、フォーカスリングの表面積の調節を簡単に行うことができる。
また、前記複数のリングは、互いに異なる材料で構成された２以上のリングを含んでいることが好ましく、特に、Ｓｉを主成分とする材料から構成されるリングと、酸素を含む材料から構成されるリングの２つのリングを含むことがより好ましい。
このようにすると、フォーカスリングは、エッチャントをスカベンジする材料であるシリコンが主成分の第１のリング（複数個あっても良い）と、エッチング対象物から発生した炭素原子をスカベンジする酸素原子を含む材料が主成分の第２のリング（複数個あっても良い）とから構成することができる。このような構成にすると、第１のリングによってエッチャントをスカベンジでき、また、第２のリングから発生する酸素原子によって、エッチング対象物から発生する炭素原子をスカベンジできる。第１及び第２のリングの表面積は独立に調節できるため、エッチャント及び炭素原子のスカベンジ量を独立に調節することができ、このことから、より広い範囲でＣ／Ｆ比を確実に制御することができる。
具体的には、エッチング対象物から発生する炭素原子量が大きい場合には、第１のリングの表面積を小さくすることでエッチャントのスカベンジ量を小さくすることができる。また、それとは独立に、第２のリングの表面積を大きくすることで第２のリングから発生する酸素の量を大きくして、該酸素による炭素原子のスカベンジ量を大きくすることができる。逆に、エッチング対象物から発生する炭素原子量が小さい場合には、第１のリングの表面積を大きくすることでエッチャントのスカベンジ量を大きくすることができる。また、それとは独立に、第２のリングの表面積を小さくすることで第２のリングから発生する酸素の量を小さくして、該酸素による炭素原子のスカベンジ量を小さくすることができる。以上のように、フォーカスリングの構成を変えることで、エッチャント及び炭素原子のスカベンジ量が調節できるため、エッチング対象物から発生する炭素原子量に対応してＣ／Ｆ比を調節する事ができる。従って、エッチング対象物から発生する炭素の量に関わらず、ドライエッチングによって、エッチストップやホール底部寸法縮小の無い所望のエッチング形状を得ることが可能となる。
尚、エッチング対象物からドライエッチングを行う工程で発生する炭素量に応じ、フォーカスリングの表面積を決定する方法としては、特に限定するものではないが、例えば予め幾つかの条件で実験を行って情報を得ておき、該情報を利用することが考えられる。
具体的には、例えばエッチング対象物である膜の種類（例えばＳｉＯＣ膜やＳｉＣ膜）ごとに、他の条件は固定した上で、使用するフォーカスリングの表面積を変えてエッチングの実験を行う。該実験の結果として得られるフォーカスリングとエッチング形状の関係を情報として蓄積しておけば、該情報に基づいてフォーカスリングの表面積を決定することができる。知見を得ていない種類の膜をエッチングする際は、該膜の化学組成などに基づくと共に、実験済みの種類の膜をエッチングする場合の前記情報を参考にしてフォーカスリングの表面積を決定できる。
前記の膜の種類という条件以外についても、必要となる条件に応じて実験によって情報を得ておけば、フォーカスリングの表面積の決定に利用できる。例えばレジストパターンのパターン開口率や、エッチングに使用する反応性ガスの種類などが条件として考えられるが、その他どんな条件であっても良い。
本発明のドライエッチング方法において、前記のガスは、ＣＦ4、ＣＨＦ3、Ｃ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8、Ｃ4Ｆ6及びＣ2Ｆ6のうちの少なくとも１つのガスを含むものであっても良い。
本発明のエッチング方法は、エッチング対象物が炭素原子又はメチル基を含む絶縁膜であると、エッチストップやホール底部寸法の縮小が起こらずに所望のエッチング形状が得られるという本発明の効果が顕著に発揮される。何故なら、このようなエッチング対象物はエッチング時に炭素を発生させるために、従来の方法ではエッチストップやホール底部寸法の縮小が問題となっていたからである。
本発明によると、エッチング対象物からエッチング時に発生する炭素量に応じてフォーカスリングの表面積が設定されるため、炭素量に応じてエッチャントのスカベンジ量を調節できるので、Ｃ／Ｆ比の制御が可能になる。従って、エッチング対象物から発生する炭素の量に関わらず、ドライエッチングによって、エッチストップやホール底部寸法縮小の無い所望のエッチング形状を得ることが可能となる。
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング装置及びドライエッチング方法について、膜中に炭素原子又はメチル基を含むＳｉＯＣ膜のエッチングを例として、図面を参照しながら説明する。
図１は第１の実施形態に係るドライエッチング装置の概略構成を示している。
図１に示すように、反応室１０１の底部に設けられた下部電極１０２上に被処理基板１５０が載置されている。反応室１０１の天井部には、プラズマを発生させる空間を挟んで下部電極１０２と対向するように上部電極１０３が設置されている。反応室１０１の外側には、下部電極１０２に例えば１３．５６ＭＨｚの電力を印加する高周波電源１０４が設けられている。また、反応室１０１の側部には、反応室１０１内にプロセスガスを導入するためのガス導入口１０５と、反応室１０１からプロセスガスを排出するためのガス排気口１０６とが設けられている。さらに、下部電極１０２上には、被処理基板１５０を囲むようにフォーカスリング１０７が設けられている。
尚、本実施形態では、エッチング対象物である被処理基板１５０を載置する電極は、下部電極１０２として反応室１０１の底部に設けられている。しかし、エッチング対象物を載置する電極の設置場所については特に限定するものではなく、例えば反応室１０１の中央にあっても良い。また、本実施形態では、水平にエッチング対象物を載置するような構造で電極が設けられているが、これに代えて例えば垂直にエッチング対象物を載置するような構造で電極が設けられていても良い。
また、図示は省略しているが、被処理基板１５０上には、例えばシリコン窒化膜を介して、エッチング対象物であるＳｉＯＣ膜が形成されている。
図２は、図１に示すフォーカスリング１０７、つまり本実施形態のフォーカスリングの平面構成を示している。
図１及び図２に示すように、本実施形態のフォーカスリング１０７の特徴は、異なる半径を持つ複数のリング（例えば１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ）を同心円状に組み合わせることによって構成されていることである。具体的には、図２は、幅２ｃｍ、外径１２ｃｍの第１のリング１０７ａと、幅２ｃｍ、外径１４ｃｍの第２のリング１０７ｂと、幅２ｃｍ、外径１６ｃｍの第３のリング１０７ｃとが隙間なく組み合わされることによってフォーカスリング１０７が構成されている場合の様子を示している。この場合、フォーカスリング１０７の内側面となる第１のリング１０７ａの内側面と、被処理基板１５０となる半径１０ｃｍのウェハの端部とが接する。また、本実施形態において、各リング１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃはいずれもシリコンを主成分とする。
ところで、図２に示す場合、３個のリング１０７ａ〜１０７ｃを組み合わせることによって、幅６ｃｍ、半径（外径）１６ｃｍのフォーカスリング１０７が構成されている。しかし、本実施形態においては、リングの組み合わせ方によって、フォーカスリング１０７の幅及び半径、つまりフォーカスリング１０７の表面積を任意に変更することができる。例えば第１のリング１０７ａ及び第２のリング１０７ｂの２個のリングを組み合わせることによって、幅４ｃｍ、半径１４ｃｍのフォーカスリング１０７を構成することもできる。
尚、本実施形態において、フォーカスリング１０７の表面積とは、フォーカスリング１０７における反応室１０１内のプラズマ中に露出する部分の面積であって、これは、被処理基板（ウェハ）１５０を囲むフォーカスリング１０７の上面及び外側面の面積に相当する。
図１に示す本実施形態のドライエッチング装置を用いた、膜中に炭素原子又はメチル基を含んだＳｉＯＣ膜に対するドライエッチング方法の具体的内容は次の通りである。
まず、反応室１０１内の下部電極１０２上にエッチング対象物を載置する。
次に、該エッチング対象物からエッチング時に発生する炭素量に応じたフォーカスリング１０７の表面積を決定し、該決定に従ってフォーカスリング１０７の表面積を調節する。該決定の方法については後述する。
続いて、Ｃ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8又はＣＦ4 等のフルオロカーボンガス（反応性ガス）、Ａｒガス、及び酸素ガスをガス導入口１０５から反応室１０１内に供給して、これらのガスからなるプラズマを発生させると共に、該プラズマを用いて被処理基板１５０上のＳｉＯＣ膜に対してエッチング加工を行う。このときの具体的なエッチング条件は、例えばＣ4Ｆ8流量が１０ml/min（標準状態）、Ｏ2流量が５ml/min（標準状態）、Ａｒ流量が４００ml/min（標準状態）、チャンバー内圧力が７Ｐａ、プラズマ発生用ＲＦ電力が１５００Ｗ、基板温度が２０℃である。
前記のプラズマ中においては、反応室１０１内に導入されたガスが解離して、デポ種となるＣxＦyラジカル（フルオロカーボンラジカル）と、エッチャントとなるＦラジカル（フッ素ラジカル）とが発生する。また、前記のＳｉＯＣ膜のエッチングが進行するに伴い、ＳｉＯＣ膜中から炭素原子が発生する。
発生した前記フッ素ラジカルは、フォーカスリング１０７に含まれるシリコンと反応してスカベンジされる。このためプラズマ中のフッ素ラジカルは実質的に減少する。ここで、フッ素ラジカルの減少は、フォーカスリング１０７とフッ素ラジカルとの反応によって起こるものであるため、フッ素ラジカルの減少量はフォーカスリング１０７の表面積に比例する。従って、デポ種に含まれる炭素量とＳｉＯＣ膜から発生する炭素量との総量の、エッチャント量（フッ素ラジカル量）に対する比（Ｃ／Ｆ比）は、フォーカスリング１０７の表面積を大きくすればそれに対応して大きくなる。逆に、フォーカスリング１０７の表面積を小さくすれば、スカベンジされるフッ素量が減少し、Ｃ／Ｆ比は小さくなる。
以下に、フォーカスリングの表面積の決定方法について詳細に説明する。
図３は、本実施形態と同様のエッチング条件下で、Ｓｉフォーカスリングの半径を変化させた場合のＣ／Ｆ比の変化の様子を調べた結果を示している。図３において、横軸はフォーカスリング半径（外径）を示し、縦軸はＣ／Ｆ比を示している。また、図３に示すＣ／Ｆ比は、エッチング対象物であるＳｉＯＣ膜又は酸化膜のパターン開口率が１０％である場合に、被処理基板である半径１０ｃｍのウェハの中心部上において得られた値である。
尚、被処理基板が半径１０ｃｍのウェハである場合、フォーカスリング半径は常に１０ｃｍよりも大きくなる。
図３に示すように、エッチング対象物が酸化膜であり、且つ、Ｓｉフォーカスリングの半径が１８ｃｍの場合、Ｃ／Ｆ比は８程度である。これに対し、同じく図３に示すように、同一のエッチング条件でＳｉＯＣ膜のドライエッチングを行った場合には、エッチング対象物が酸化膜である場合に比べてＣ／Ｆ比は約１．５倍になっている。これはＳｉＯＣ膜からの炭素の発生によって炭素が増加するためである。この結果、ホール底において炭素量が過剰になるためにエッチストップが発生する。
そこで、フォーカスリング半径を小さくしていくと、エッチストップは解消され、ホール断面形状はテーパ形状を経て垂直形状に変化していく。これは、フォーカスリング半径が小さくなるに従って、ＳｉＯＣ膜のエッチャントであるフッ素ラジカルのスカベンジ量が減少するため、プラズマ中のフッ素濃度が増加してＣ／Ｆ比が小さくなるということに起因する。すなわち、ＳｉＯＣ膜のエッチング形状はＳｉフォーカスリングの半径に依存して変化する。そして本実施形態と同様のエッチング条件下においては、図３に示すように、Ｓｉフォーカスリングの半径が１２ｃｍから１５ｃｍまでのときに、望みのエッチング形状である垂直形状が得られる。
尚、図４（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、いずれも被処理基板１５０上のＳｉＯＣ膜１５１上にホール形成領域に開口部を持つレジストパターン１５２を形成し、該レジストパターン１５２をマスクとしてドライエッチングを行なった結果を示す。エッチングの結果としてホール１５３がＳｉＯＣ膜１５１に形成されている。個別に説明すると、図４（ａ）では、ホール１５３が被処理基板１５０に到達していない場合、つまりＳｉＯＣ膜１５１のエッチング中にエッチストップが発生した場合の様子を示している。図４（ｂ）は、ホール１５３が被処理基板１５０に届いているのだが、つまりエッチストップは発生していないのだが、エッチング形状がテーパ形状になった場合の様子を示す。図４（ｃ）は、ホール１５３が被処理基板１５０に到達し、且つ、エッチング形状が望みの形状である垂直形状となった場合の様子を示す。
図５は、エッチング対象物をＳｉＯ2膜、ＳｉＯＣ膜またはＳｉＣ（炭化シリコン）膜とした際の、それぞれの膜においてホールの垂直形状を実現するために必要なフォーカスリング半径の範囲を調べた結果を示している。図５に示す結果は本実施形態と同様のエッチング条件下で得られたものである。
図５に示すように、膜中に炭素を含む膜のエッチング形状を垂直形状にするためには、膜中に含まれる炭素量が多くなるに従ってフォーカスリング半径を小さくする必要がある。その理由は次の通りである。すなわち、エッチング中にエッチング対象物から発生する炭素量が多くなると、プラズマ中のＣ／Ｆ比が増大し、テーパ形状やエッチストップを引き起こす。このＣ／Ｆ比増大を抑制するには、プラズマ中のフッ素量を増大させる必要がある。フッ素はフォーカスリングにスカベンジされて失われるので、プラズマ中のフッ素量を増大させるには、フォーカスリングの表面積を小さくすることでフッ素のスカベンジ量を少なくする必要があるのである。
図５に示したような情報を予め実験によって得ておけば、垂直なエッチング形状を得るためにフォーカスリングの表面積を具体的に決定する際に、該情報を利用できる。つまり、必要となる条件ごとに、垂直なエッチング形状を得られるようなフォーカスリングの表面積を実験的に求めておくのである。そして、実施する条件に合致するフォーカスリングの表面積を前記情報に基づいて決定すればよい。前記条件としては、例えばエッチング条件、エッチング対象物の種類、レジストパターンのパターン開口率などが考えられるが、その他どんな条件であっても良い。知見を得ていない条件でエッチングする必要がある場合にも、既知の情報を参考にして決定することが可能である。但し、本発明のフォーカスリング表面積の決定方法を該方法に限るというものではない。
前述のように、本実施形態においては、複数のリングの組み合わせ方によってフォーカスリング１０７の半径（外径）を適切な値に設定することができる。例えばフォーカスリング１０７が最小半径を持つ第１のリング１０７ａのみからなる場合、フォーカスリング１０７の表面積が小さいため、フッ素ラジカルのスカベンジ量（減少量）が少なくなり、プラズマ中のフッ素ラジカルが多くなる。このフォーカスリング１０７の構成は、大きな表面積のフォーカスリングを使用する場合に比べてＣ／Ｆ比が小さくなる構成であり、エッチング対象物に炭素を含むＳｉＯＣ膜等のドライエッチングに対して有効である。一方、フォーカスリング１０７が３個のリング１０７ａ〜１０７ｃ全ての組み合わせからなる場合、フォーカスリング１０７の表面積が大きいため、フッ素ラジカルのスカベンジ量（減少量）が大きくなってプラズマ中のフッ素ラジカルが少なくなる。このフォーカスリングの構成ではＣ／Ｆ比が大きくなるので、エッチング対象物に炭素を含まないＳｉＯ2膜等に適した構成となる。
以上に説明したように、第１の実施形態によると、異なる半径を持つ複数のリングの中から選択したリングを組み合わせることで、フォーカスリング１０７を形成することができる。このため、エッチング対象物の構成材料に応じて、フォーカスリング１０７の幅及び半径、つまり表面積を簡単に調節することができる。ここで、エッチャントがスカベンジされる量はフォーカスリングの表面積に依存するから、フォーカスリングの表面積が容易に調節できることで、エッチング対象物の構成材料に応じてエッチャントをスカベンジする量が容易に制御できる。従って、エッチングにおいてデポを誘導する炭素を含む炭素ラジカルやＣxＦyの量と、エッチャント量との比（つまりＣ／Ｆ比）を最適化できる。この結果、エッチング対象物から発生する炭素の量に関わらず、ドライエッチングによって、エッチストップやホール底部寸法縮小の無い所望のエッチング形状を得ることが可能となる。
例を挙げると、図３に示す結果から、エッチング対象物がＳｉＯＣ膜であって本実施形態と同様のエッチング条件を用いる場合、図２に示すフォーカスリング１０７から第３のリング１０７ｃを取り外すことによって、望み通りの垂直なエッチング形状が得られる。言い換えると、リング１０７ａ及び１０７ｂの２つのリングの組み合わせからなる半径１４ｃｍのフォーカスリング１０７を用いることにより、望み通りの垂直なエッチング形状が得られる。
また、第１の実施形態では、ホールのドライエッチングを想定していた。しかし、ライン系のドライエッチングにおいても、エッチング対象物からの炭素の発生量によってフォーカスリング１０７の半径を調節すれば、フッ素ラジカルのスカベンジ量を操作できる。そしてフッ素ラジカルのスカベンジ量の操作によってＣ／Ｆ比を制御することができ、所望のエッチング形状である垂直形状を実現することができる。ここでライン系のドライエッチングとは、ホールのドライエッチングではエッチング対象物に点状のパターンであるホールを形成するのに対し、線状のパターンを形成するドライエッチングのことを言う。言い換えると、エッチング対象物に溝を形成するドライエッチングである。
尚、第１の実施形態において、半径が１２ｃｍ、１４ｃｍ、１６ｃｍの３種類のリング１０７ａ〜１０７ｃの組み合わせ方を変えることにより、フォーカスリング１０７の表面積を調節した。しかし、第１の実施形態において、フォーカスリング１０７の表面積の調節に用いるリングの個数及び各リングの半径は特に限定されるものではない。但し、フォーカスリング１０７を構成する各リングは互いに隙間なく組み合わされると共に、このように構成されたフォーカスリング１０７は、その中心部にウェハ（被処理基板１５０）の口径に対応する開口部を持つものとする。言い換えると、小さな半径を持つリングの外側面と、大きな半径を持つリングの内側面とが接するようにリング同士が組み合わされると共に、フォーカスリング１０７の内側面と被処理基板１５０の端部とが接するようにフォーカスリング１０７が下部電極１０２上に設けられるものとする。
また、第１の実施形態において、炭素を膜中に含むＳｉＯＣ膜エッチングにおいてプラズマ中のエッチャント（フッ素ラジカル）のスカベンジ量を制御するために、フォーカスリング１０７を構成する各リングの主成分としてシリコンを用いた。しかしながら、エッチング対象物がＳｉＯＣ膜以外である場合にも、フォーカスリングを構成する各リングの主成分として、当該エッチング対象物のエッチャントのスカベンジ量を制御できる適切な材料を用いることにより、本実施形態と同様の効果が得られることは言うまでもない。
また、第１の実施形態において、ＳｉＯＣ膜エッチングのための反応性ガス（プラズマ生成用ガス）としてＣ4Ｆ8を用いた。しかし、第１の実施形態において、プラズマ生成用ガスの種類は特に限られるものではなく、プラズマ生成用ガスは、例えばＣＦ4 、ＣＨＦ3 、Ｃ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8、Ｃ4Ｆ6及びＣ2Ｆ6のうちの少なくとも１つのガスを含むものであってもよい。
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係るドライエッチング装置及びドライエッチング方法について、ＳｉＯＣ膜エッチングを例として、図面を参照しながら説明する。
図６は第２の実施形態に係るドライエッチング装置の概略構成を示している。尚、図６において、第１の実施形態に係るドライエッチング装置と同一の部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
また、本実施形態においても、図示は省略しているが、被処理基板１５０上には、例えばシリコン窒化膜を介して、エッチング対象物であるＳｉＯＣ膜が形成されている。
第２の実施形態が第１の実施形態と異なっている点は、下部電極１０２上に被処理基板１５０を囲むように配置されたフォーカスリング１０８の構成材料である。
図７は、図６に示すフォーカスリング１０８、つまり本実施形態のフォーカスリングの平面構成を示している。
図６及び図７に示すように、本実施形態のフォーカスリング１０８は、第１の実施形態と同様に、異なる半径を持つ複数のリング（例えば１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ）を同心円状に組み合わせることによって構成されている。具体的には、図７は、幅２ｃｍ、外径１２ｃｍの第１のリング１０８ａと、幅２ｃｍ、外径１４ｃｍの第２のリング１０８ｂと、幅２ｃｍ、外径１６ｃｍの第３のリング１０８ｃとが隙間なく組み合わされることによってフォーカスリング１０８が構成されている場合の様子を示している。この場合、フォーカスリング１０８の内側面となる第１のリング１０８ａの内側面と、被処理基板１５０となる半径１０ｃｍのウェハの端部とが接する。
ここで、第１、第２、第３のリング１０８ａ、１０８ｂ及び１０８ｃは第１の実施形態とは異なり、酸素を含んだ材料、例えば石英（ＳｉＯ2）を主成分としている。
ところで、図７に示す場合、３個のリング１０８ａ〜１０８ｃを組み合わせることによって、幅６ｃｍ、半径（外径）１６ｃｍのフォーカスリング１０８が構成されているが、本実施形態においても、リングの組み合わせ方によって、フォーカスリング１０８の幅及び半径、つまりフォーカスリング１０８の表面積を任意に変更することができる。例えば第１のリング１０８ａ及び第２のリング１０８ｂの２個のリングを組み合わせることによって、幅４ｃｍ、半径１４ｃｍのフォーカスリング１０８を構成することもできる。
尚、本実施形態において、フォーカスリング１０８の表面積とは、フォーカスリング１０８における反応室１０１内のプラズマ中に露出する部分の面積であって、これは、被処理基板（ウェハ）１５０を囲むフォーカスリング１０８の上面及び外側面の面積に相当する。
図６に示す本実施形態のドライエッチング装置を用いた、ＳｉＯＣ膜に対するドライエッチング方法の具体的内容は次の通りである。
まず、反応室１０１内の下部電極１０２上にエッチング対象物を載置する。
次に、該エッチング対象物からエッチング時に発生する炭素量に応じたフォーカスリング１０８の表面積を決定し、該決定に従ってフォーカスリング１０８の表面積を調節する。
フォーカスリング１０８の表面積を決定するためには、第１の実施形態と同様の手段が利用できる。つまり、予め実験によって、条件ごとに、望みのエッチング形状が得られるフォーカスリングの表面積を調べておけばよい。実施に当たっては、実施するエッチングの条件に合致するようにフォーカスリングの表面積を決定する。但し、本発明のフォーカスリング表面積の決定方法を該方法に限るというものではない。
続いて、Ｃ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8又はＣＦ4等のフルオロカーボンガス（反応性ガス）、Ａｒガス、及び酸素ガスをガス導入口１０５から反応室１０１内に供給して、これらのガスからなるプラズマを発生させると共に、該プラズマを用いて被処理基板１５０上のＳｉＯＣ膜に対してエッチング加工を行う。このときの具体的なエッチング条件は、例えばＣ4Ｆ8流量が１０ml/min（標準状態）、Ｏ2 流量が５ml/min（標準状態）、Ａｒ流量が４００ml/min（標準状態）、チャンバー内圧力が７Ｐａ、プラズマ発生用ＲＦ電力が１５００Ｗ、基板温度が２０℃である。
前記のプラズマ中においては、反応室１０１内に導入されたガスが解離して、デポ種となるＣxＦyラジカル（フルオロカーボンラジカル）と、エッチャントとなるＦラジカル（フッ素ラジカル）とが発生する。また、前記のＳｉＯＣ膜のエッチングが進行するに伴い、ＳｉＯＣ膜中から炭素原子が発生する。さらに、反応室１０１内に生じたフッ素ラジカルは、石英（ＳｉＯ2）からなるフォーカスリング１０８と反応し、該フォーカスリング１０８から酸素を発生させる。
フォーカスリング１０８から生じた酸素は、プラズマ中のＣxＦyラジカル又は炭素原子と気相中で反応してＣＯxを生じる。ＣＯxは反応室内から排出され、このようにしてプラズマ中から炭素原子は除去される。その結果、プラズマ中の炭素原子の総量が低下し、プラズマ中の炭素量とエッチャント量との比（Ｃ／Ｆ比）も低下する。
フォーカスリングからの酸素の発生量はフォーカスリングの表面積に依存するから、フォーカスリングが大きくなるにつれてＣ／Ｆは低下する。具体例として、図８にＣ／Ｆ比及び酸素原子量の、フォーカスリング半径に対する依存性を示す。示されているＣ／Ｆ比及び酸素原子量は、いずれもウェハ（半導体基板）表面から３ｃｍ上側の点で測定されたものである。フォーカスリング半径が増大するとともに、酸素原子の発生量が増加するためにスカベンジされる炭素量も増加し、その結果Ｃ／Ｆ比が低下していくのが分かる。
一方、本実施形態においては、前述のように、複数のリングの組み合わせ方を変えることによってフォーカスリング１０８の幅及び半径（外径）を、つまり表面積を容易に変化させることができる。このため、フォーカスリングからの酸素の発生量はフォーカスリングの表面積に依存するので、フォーカスリングからの酸素の発生量を変化させ、該酸素によってスカベンジされる炭素量を変化させることが容易に可能となっている。結果として、プラズマ中のＣ／Ｆ比を容易に変化させることができる。
本実施形態においても、望みのエッチング形状である垂直形状がＣ／Ｆ比の調節によって実現できることは、第１の実施形態の場合と同様である。前述したように、Ｃ／Ｆ比の調節はフォーカスリングの表面積を調節することで可能であるから、結局、本実施形態においても、フォーカスリングの表面積を調節することで垂直なエッチング形状が得られることになる。
以上に説明したように、第２の実施形態によると、異なる半径を持つ複数のリングの中から選択されたリングを組み合わせることによって、フォーカスリング１０８を形成することができる。このため、エッチング対象物の炭素含有量に応じて、複数のリングの組み合わせ方を変えることで、フォーカスリング１０８の幅及び半径、つまりは表面積を容易に調節することができる。ここで、フォーカスリングから供給される酸素の量は、フォーカスリングの表面積に依存するから、フォーカスリングの表面積が容易に調節できることで、フォーカスリングから発生する酸素の供給量を容易に制御できる。このため、該酸素によってスカベンジされる炭素原子の量が容易に調節でき、プラズマ中のＣ／Ｆ比を容易に最適化できる。以上のことから、エッチング対象物から発生する炭素の量に関わらず、ドライエッチングによって、エッチストップやホール底部寸法縮小の無い所望のエッチング形状を得ることが可能となる。
また、反応室側壁１１１は、エッチングガス及びエッチング対象物から発生する炭素、フッ素、シリコンを含んだポリマー（図示せず）が付着し汚染された状態になっている。このような反応室側壁に付着したポリマーは、半導体装置の製造工程で欠陥を引き起こすパーティクルの発生要因となる。
ここで、先述の通り、本実施形態のようにフォーカスリングとして酸素を含んだ材料である石英を用いると、フォーカスリングから酸素及び酸素原子を発生させることができる。発生した該酸素及び酸素原子は酸化作用により反応室内壁１１１に付着したポリマーを容易に除去する作用を持ち、それによって反応室内のパーティクルの低減を行うことが可能となる。
尚、本実施形態では、プラズマ中に酸素を供給する材料として石英（ＳｉＯ2）を主成分とするリングを用いたが、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）又は酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）を主成分とするリングを用いても同様に酸素をプラズマ中に供給する効果がえられる。さらに、石英、酸化アルミニウム、酸化イットリウムはそれぞれプラズマより供給される粒子との反応確率が異なるために、材料を変更することにより発生する酸素量を変更できる。結果として該酸素による炭素原子のスカベンジ量を変化させることができることから、酸素を供給する材料の変更によってもＣ／Ｆ比を制御することが可能である。
また、第２の実施形態において、半径が１２ｃｍ、１４ｃｍ、１６ｃｍの３種類のリング１０８ａ〜１０８ｃの組み合わせ方を変えることにより、フォーカスリング１０８の表面積を調節した。しかし、第２の実施形態において、フォーカスリング１０８の表面積の調節に用いるリングの個数及び各リングの半径は特に限定されるものではない。但し、フォーカスリング１０８を構成する各リングは互いに隙間なく組み合わされると共に、このように構成されたフォーカスリング１０８は、その中心部にウェハ（被処理基板１５０）の口径に対応する開口部を持つものとする。言い換えると、小さな半径を持つリングの外側面と、大きな半径を持つリングの内側面とが接するようにリング同士が組み合わされると共に、フォーカスリング１０８の内側面と被処理基板１５０の端部とが接するようにフォーカスリング１０８が下部電極１０２上に設けられるものとする。
また、第２の実施形態において、ＳｉＯＣ膜エッチングのための反応性ガス（プラズマ生成用ガス）としてＣ4Ｆ8を用いた。しかし、第２の実施形態において、プラズマ生成用ガスの種類は特に限られるものではなく、プラズマ生成用ガスは、例えばＣＦ4 、ＣＨＦ3 、Ｃ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8、Ｃ4Ｆ6及びＣ2Ｆ6のうちの少なくとも１つのガスを含むものであってもよい。
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係るドライエッチング装置及びドライエッチング方法について、ＳｉＯＣ膜エッチングを例として、図面を参照しながら説明する。
図９は第３の実施形態に係るドライエッチング装置の概略構成を示している。尚、図９において、第１の実施形態に係るドライエッチング装置と同一の部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
また、本実施形態においても、図示は省略しているが、被処理基板１５０上には、例えばシリコン窒化膜を介して、エッチング対象物であるＳｉＯＣ膜が形成されている。
第３の実施形態が第１、２の実施形態と異なっている点は、下部電極１０２上に被処理基板１５０を囲むように配置されたフォーカスリング１０９が、該フォーカスリング１０９は複数のリングから構成されるのであるが、Ｓｉを主成分とするリングと酸素を含む材料を主成分とするリングとの少なくとも２種類のリングを含む構成になっている点である。
図１０は、図９に示すフォーカスリング１０９、つまり本実施形態のフォーカスリングの平面構成を示している。
図９及び図１０に示すように、本実施形態のフォーカスリング１０９は、第１、第２の実施形態と同様に、異なる半径を持つ複数のリング（例えば１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ）を同心円状に組み合わせることによって構成されている。具体的には、図１０は、幅２ｃｍ、外径１２ｃｍの第１のリング１０９ａと、幅２ｃｍ、外径１４ｃｍの第２のリング１０９ｂと、幅２ｃｍ、外径１６ｃｍの第３のリング１０９ｃとが隙間なく組み合わされることによってフォーカスリング１０９が構成されている場合の様子を示している。この場合、フォーカスリング１０９の内側面となる第１のリング１０９ａの内側面と、被処理基板１５０となる半径１０ｃｍのウェハの端部とが接する。
ここで、フォーカスリング１０９を構成する三つのリングである１０９ａ、１０９ｂ及び１０９ｃの材料構成は第１、第２の実施形態とは異なり、１０９ａ、１０９ｂはＳｉを主成分とする材料、１０９ｃは酸素を含む材料である石英（ＳｉＯ2）でそれぞれ構成されている。
ところで、図１０に示す場合、３個のリング１０９ａ〜１０９ｃを組み合わせることによって、幅６ｃｍ、半径（外径）１６ｃｍのフォーカスリング１０９が構成されているが、本実施形態においても、リングの組み合わせ方によって、フォーカスリング１０９の幅及び半径、つまりフォーカスリング１０９の表面積を任意に変更することができる。例えば１０９ａと１０９ｂの２個のリングを組み合わせることによって、幅４ｃｍ、半径１４ｃｍのフォーカスリング１０９を構成することもできる。この場合、１０９ａはＳｉを主成分とする材料で構成し、１０９ｂは酸素を含む材料で構成すると、材料の異なる二種のリングを含むようにすることができる。
尚、本実施形態において、フォーカスリング１０９の表面積とは、フォーカスリング１０９における反応室１０１内のプラズマ中に露出する部分の面積であって、これは、被処理基板（ウェハ）１５０を囲むフォーカスリング１０９の上面及び外側面の面積に相当する。
図９に示す本実施形態のドライエッチング装置を用いた、ＳｉＯＣ膜に対するドライエッチング方法の具体的内容は次の通りである。
まず、反応室１０１内の下部電極１０２上にエッチング対象物を載置する。
次に、該エッチング対象物からエッチング時に発生する炭素量に応じたフォーカスリング１０９の表面積を決定し、該決定に従ってフォーカスリング１０９の表面積を調節する。具体的にフォーカスリングの構成を決定するためには、特に方法を限るものではないが、第１、第２の実施形態の場合と同様の手法が利用できる。つまり、予め実験を行い、各種条件ごとに望みのエッチング形状が得られるフォーカスリングの構成を調べて情報を蓄積しておく。そして、実施するエッチングの条件に合致するようなフォーカスリングの構成を該情報に基づいて決定するのである。
続いて、Ｃ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8又はＣＦ4等のフルオロカーボンガス（反応性ガス）、Ａｒガス、及び酸素ガスをガス導入口１０５から反応室１０１内に供給して、これらのガスからなるプラズマを発生させると共に、該プラズマを用いて被処理基板１５０上のＳｉＯＣ膜に対してエッチング加工を行う。このときの具体的なエッチング条件は、例えばＣ4Ｆ8流量が１０ml/min（標準状態）、Ｏ2 流量が５ml/min（標準状態）、Ａｒ流量が４００ml/min（標準状態）、チャンバー内圧力が７Ｐａ、プラズマ発生用ＲＦ電力が１５００Ｗ、基板温度が２０℃である。
前記のプラズマ中においては、反応室１０１内に導入されたガスが解離して、デポ種となるＣxＦyラジカル（フルオロカーボンラジカル）と、エッチャントとなるＦラジカル（フッ素ラジカル）とが発生する。また、前記のＳｉＯＣ膜のエッチングが進行するに伴い、ＳｉＯＣ膜中から炭素原子が発生する。
ここで、フッ素ラジカルは、第１の実施形態に示したように、Ｓｉ材料からなるフォーカスリング１０９ａ及び１０９ｂと反応してスカベンジされる。フォーカスリング１０９ａ及び１０９ｂの表面積の合計を、従来使われてきたＳｉ材料製の大口径な単一フォーカスリングの表面積よりも小さくすると、スカベンジ量の低減が可能である。その結果、プラズマ中の炭素量とエッチャント量との比（Ｃ／Ｆ比）も、従来のフォーカスリングを使用する場合と比較して低減することが可能となる。
また、フッ素ラジカルは、第２の実施形態に示したように石英からなるフォーカスリング１０９ｃと反応してプラズマ中に酸素を供給し、該酸素はプラズマ中のＣxＦyラジカル及び炭素原子をスカベンジする。その結果、Ｃ／Ｆ比が低減する。
以上２つのことから、本実施形態では、シリコンを主成分とする材料のリングと酸素を含む材料を主成分とするリングの２つを含む複数のリングでフォーカスリングを構成することによって、プラズマ中のエッチャント量と炭素原子量の両方を調節することができる。これを利用すると、Ｃ／Ｆ比の制御を、第１及び第２の実施形態に比べ、より精密に行うことが可能となる。また、フォーカスリング１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃの半径を変化させて組み合わせることで、広い範囲でＣ／Ｆ比を制御することが可能となる。従って、第１、第２の実施形態に比べ、より広い範囲で、エッチストップやホール底部寸法の縮小が起こらず所望のエッチング形状が得られるドライエッチングが確実に可能となる。
また、反応室側壁１１１は、エッチングガス及びエッチング対象物から発生する炭素、フッ素、シリコンを含んだポリマー（図示せず）が付着し汚染された状態になっている。このような反応室側壁に付着したポリマーは、半導体装置の製造工程で欠陥を引き起こすパーティクルの発生要因となる。
ここで、先述したように、フォーカスリング１０９ｃに酸素を含んだ材料である石英を用いると、フォーカスリングから酸素及び酸素原子を発生させることができる。発生した該酸素及び酸素原子は酸化作用により反応室内壁１１１に付着したポリマーを容易に除去する作用を持ち、それによって反応室内のパーティクルの低減を行うことが可能となる。
以上のように、本実施形態では、前述のように異なる材料のフォーカスリングを複数組み合わせることにより、より精密なＣ／Ｆ比制御と、反応室内のパーティクル低減とを同時に行うことが可能となる。
尚、本実施形態では、プラズマ中に酸素を供給する材料として石英（ＳｉＯ2）を主成分とするリングを用いたが、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）又は酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）を主成分とするリングを用いても同様の酸素をプラズマ中に供給する効果がえられる。さらに、石英、酸化アルミニウム、酸化イットリウムはそれぞれプラズマより供給される粒子との反応確率が異なるために、材料を変更することにより発生する酸素量を変更できる。結果としてプラズマ中の炭素原子のスカベンジ量を変化させることができることから、酸素を供給する材料の変更によってもＣ／Ｆ比を制御することが可能である。
また、第３の実施形態において、半径が１２ｃｍ、１４ｃｍ、１６ｃｍの３種類のリング１０９ａ〜１０９ｃの組み合わせ方を変えることにより、フォーカスリング１０９の表面積を調節した。しかし、第３の実施形態において、フォーカスリング１０９の表面積の調節に用いるリングの個数及び各リングの半径は特に限定されるものではない。但し、フォーカスリング１０９を構成する各リングは互いに隙間なく組み合わされると共に、このように構成されたフォーカスリング１０９は、その中心部にウェハ（被処理基板１５０）の口径に対応する開口部を持つものとする。言い換えると、小さな半径を持つリングの外側面と、大きな半径を持つリングの内側面とが接するようにリング同士が組み合わされると共に、フォーカスリング１０９の内側面と被処理基板１５０の端部とが接するようにフォーカスリング１０９が下部電極１０２上に設けられるものとする。
また、第３の実施形態において、炭素を膜中に含むＳｉＯＣ膜のエッチングに際してプラズマ中のエッチャント（フッ素ラジカル）のスカベンジ量を制御するために、フォーカスリング１０９を構成する複数のリングのうち１０９ａ、１０９ｂの主成分としてシリコンを用いた。しかしながら、エッチング対象物がＳｉＯＣ膜以外である場合にも、フォーカスリングを構成する複数のリングのうち１つ又は２つ以上を構成するリングの材料の主成分として、当該エッチング対象物のエッチャントのスカベンジ量を制御できる適切な材料を用いることにより、本実施形態と同様の効果が得られることは言うまでもない。
また、第３の実施形態において、ＳｉＯＣ膜エッチングのための反応性ガス（プラズマ生成用ガス）としてＣ4Ｆ8を用いた。しかし、第３の実施形態において、プラズマ生成用ガスの種類は特に限られるものではなく、プラズマ生成用ガスは、例えばＣＦ4 、ＣＨＦ3 、Ｃ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8、Ｃ4Ｆ6及びＣ2Ｆ6のうちの少なくとも１つのガスを含むものであってもよい。
以上説明したように、本発明は、プラズマを用いたドライエッチング方法及びエッチング装置等に有用である。
本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング装置の概略構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング装置のフォーカスリングの平面構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法と同様のエッチング条件下においてＳｉフォーカスリングの半径を変化させた場合におけるＣ／Ｆ比の変化の様子を本願発明者らが調べた結果を示す図である。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、いずれもホール形成領域に開口部を持つレジストパターン１５２をマスクとしてドライエッチングを行なった結果、ホール１５３がＳｉＯＣ膜１５１に形成された様子を示している。個別には、（ａ）はＳｉＯＣ膜１５１のエッチング中にエッチストップが発生した場合を、（ｂ）はエッチストップは発生していないがエッチング形状がテーパ形状になった場合を、（ｃ）はエッチング形状が望みの形状である垂直形状となった場合を、それぞれ示している。 本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法と同様のエッチング条件下において、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＣ膜、ＳｉＯ2膜を垂直形状にパターン化できるＳｉフォーカスリング半径の範囲を本願発明者らが調べた結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るドライエッチング装置の概略構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るドライエッチング装置のフォーカスリングの平面構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るドライエッチング方法と同様のエッチング条件下において、Ｃ／Ｆ比及び酸素原子量の、Ｓｉフォーカスリング半径に対する依存性を、本願発明者らが調べた結果を示す。 本発明の第３の実施形態に係るドライエッチング装置の概略構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るドライエッチング装置のフォーカスリングの平面構成を示す図である。 従来のドライエッチング装置の概略構成を示す図である。 従来のドライエッチング装置のフォーカスリングの平面構成を示す図である。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は従来のドライエッチング装置を用いた酸化膜エッチングにおける問題点を説明するための図である。
符号の説明
１０１ 反応室
１０２ 下部電極
１０３ 上部電極
１０４ 高周波電源
１０５ ガス導入口
１０６ ガス排気口
１０７ フォーカスリング
１０７ａ 第１のリング
１０７ｂ 第２のリング
１０７ｃ 第３のリング
１０８ フォーカスリング
１０８ａ 第１のリング
１０８ｂ 第２のリング
１０８ｃ 第３のリング
１０９ フォーカスリング
１０９ａ 第１のリング
１０９ｂ 第２のリング
１０９ｃ 第３のリング
１１１ 反応室内壁
１５０ 被処理基板
１５１ ＳｉＯＣ膜
１５２ レジストパターン
１５３ ホール
１１ 反応室
１２ 下部電極
１３ 上部電極
１４ 高周波電源
１５ ガス導入口
１６ ガス排気口
１７ フォーカスリング
２０ 半導体基板
３０ 被処理基板
３１ ＳｉＯＣ膜
３２ レジストパターン
３３ ホール

Claims (15)

  1. 反応室内の電極上にエッチング対象物を囲むように配置されるフォーカスリングを備えたドライエッチング装置であって、
    前記フォーカスリングは、エッチング時に前記エッチング対象物から発生する炭素の量に応じた表面積を持つことを特徴とするドライエッチング装置。
  2. 前記フォーカスリングは、シリコンを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載のドライエッチング装置。
  3. 前記フォーカスリングは、酸素を含む材料より構成されることを特徴とする請求項１に記載のドライエッチング装置。
  4. 前記酸素を含む材料は、石英（ＳｉＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）及び酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項３に記載のドライエッチング装置。
  5. 前記フォーカスリングは、予め準備された異なる半径を持つ複数のリングの中から選択された１つのリング又は２つ以上のリングの組み合わせによって構成され、それにより前記フォーカスリングは、エッチング時に前記エッチング対象物から発生する炭素の量に応じた表面積を持つことを特徴とする請求項１に記載のドライエッチング装置。
  6. 前記複数のリングは、互いに異なる材料を主成分とする少なくとも２つのリングを含むことを特徴とする請求項５に記載のドライエッチング装置。
  7. 前記複数のリングは、シリコンを主成分とする第１のリングと、シリコン以外の他の材料を主成分とする第２のリングとを含むことを特徴とする請求項５に記載のドライエッチング装置。
  8. 前記他の材料は、石英（ＳｉＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）及び酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項７に記載のドライエッチング装置。
  9. 前記エッチング対象物は、炭素原子又はメチル基を含む絶縁膜であることを特徴とする請求項１に記載のドライエッチング装置。
  10. 反応室内の電極上にエッチング対象物を囲むように配置されるフォーカスリングを備えたドライエッチング装置を用いたドライエッチング方法であって、
    前記電極上に前記エッチング対象物を載置する工程と、
    前記装置内にガスを導入してプラズマを発生させ、該プラズマを用いて前記エッチング対象物に対してドライエッチングを行う工程とを備え、
    前記ドライエッチングを行う工程よりも前に、前記ドライエッチングを行う工程で前記エッチング対象物から発生する炭素量に応じた前記フォーカスリングの表面積を決定し、該決定に従って前記フォーカスリングの表面積を調節する工程をさらに備えていることを特徴とするドライエッチング方法。
  11. 前記フォーカスリングの表面積を調節する工程は、予め準備された異なる半径を持つ複数のリングの中から１つのリング又は２つ以上のリングの組み合わせを選択し、選択されたリングによって前記フォーカスリングを構成する工程を含むことを特徴とする請求項１０に記載のドライエッチング方法。
  12. 前記複数のリングは、互いに異なる材料を主成分とする少なくとも２つのリングを含むことを特徴とする請求項１１に記載のドライエッチング方法。
  13. 前記複数のリングは、Ｓｉを主成分とするリングと、酸素を含む材料からなるリングとを含むことを特徴とする請求項１１に記載のドライエッチング方法。
  14. 前記ガスは、ＣＦ4、ＣＨＦ3、Ｃ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8、Ｃ4Ｆ6及びＣ2Ｆ6のうちの少なくとも１つのガスを含むことを特徴とする請求項１０に記載のドライエッチング方法。
  15. 前記エッチング対象物は、炭素原子又はメチル基を含む絶縁膜であることを特徴とする請求項１０に記載のドライエッチング方法。
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