JP2008047687A - 基板処理装置、ガス供給装置、基板処理方法及び記憶媒体 - Google Patents

基板処理装置、ガス供給装置、基板処理方法及び記憶媒体 Download PDF

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Abstract

【課題】基板にガスを供給して基板の処理を行うにあたり、基板の処理の面内均一性を高めること。
【解決手段】基板にガスを供給するガス吐出孔が形成されたシャワーヘッドの内部を、基板の中央領域にガスを供給する中央領域と、基板の周縁領域にガスを供給する周縁領域と、に分割して、基板に対してそれぞれの領域から流量を調整した同じ処理ガスを供給する。その際、ガス供給装置の中央領域の中心から当該中央領域に含まれる最も外側のガス吐出孔までの距離が基板の半径の５３％以上とする。また、周縁領域には更に添加ガスを添加する。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体ウェハ等の基板に対してガスを供給して基板の処理を行う技術に関するものであり、更にこのガスを供給する装置に関する。
半導体デバイスの製造工程において、半導体ウェハ（以下ウェハという）などの基板に対するエッチングやＣＶＤなどの処理は、処理容器内に基板を載置し、この基板に対向して設けられたガスシャワーヘッドと呼ばれるガス供給装置から処理ガスを基板に対してシャワー状に供給することによって行われる。
一方、最近のパターンの微細化、高集積化に伴い、基板の面内におけるパターンの寸法が不均一になりやすいプロセスが出現するようになってきている。例えばトランジスタのゲート電極をエッチングによってライン状に形成するプロセスにおいては、レジストマスクを用いてゲート電極材料層をエッチングすると、レジストマスクに対して大きな選択比を確保しにくく、レジストマスクが先に消失してしまうことから、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）をハードマスクとして用いてエッチングを行うプロセスが検討されている。
しかしながらＳｉＮ膜は、エッチングにより形成されたラインの幅について面内分布が山型になる傾向、言い換えると中央領域のラインの幅が周縁領域よりも大きくなる傾向が強い。ＳｉＮ膜は、堆積物が付着しやすい（いわゆるデポ性が強い）ため、基板の表面における堆積物を堆積するガスの分布の偏りによって、ラインの側壁に堆積する堆積物の量が影響を受けやすい。一方、ウェハの中央領域は周縁領域に比べてガスが排気されにくく、ガスの圧力が僅かに高いことから、ウェハの中央領域においては周縁領域よりも堆積物の付着量が増えて、この差がラインの幅の面内分布に大きく効いているものと考えられる。
例えば図１１（ａ）に示すように、フォトレジストマスク１０１とＳｉＯ2膜１０２などとを介してその下方に形成された例えばＳｉＮ膜１０３に対して、例えば堆積物を堆積するガスであるＣＨ2Ｆ2ガスと、エッチングガスであるＯ2ガスと、を含む処理ガスのプラズマによって同図（ｂ）のようにエッチングを行うプロセスにあっては、ラインの寸法Ｄのばらつきの許容範囲は例えば１０ｎｍ以下となっており、ウェハ１００におけるラインの密部分例えば金属配線とその間の絶縁層との比率が１：１程度の部分だけでなく、これまで寸法のばらつきが比較的広く許容されていたラインの疎部分例えば前述の比率が１：２以上の部分についても、その許容範囲を満たすことが求められている。
特許文献１に記載のガス供給装置は、中央領域と周縁領域とに対して独立してガスを供給できるので、ウェハ１００の周縁領域における単位面積あたりの堆積物を堆積するガスの供給量を中央領域よりも多くすることができる。しかし、周縁領域に供給されるエッチングガスの流量も多くなるので、堆積物の量が増えたとしてもその堆積物をエッチングする量も増えるため、概略的な言い方をすると、周縁領域における堆積物の付着量を多くすることはできず、依然ラインの寸法の面内分布を改善できない。
特開２００５−７２３（（００５２）〜（００５４））
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、基板にガスを供給して基板の処理を行うにあたり、基板の面内において均一性高く処理を行うことのできる技術を提供することにある。
本発明の基板処理装置は、
基板が載置される載置台が内部に設けられた処理容器と、
前記載置台に対向するように設けられ、基板の中央領域に対向すると共に多数のガス吐出孔が形成された中央領域と、基板の周縁領域に対向すると共に多数のガス吐出孔が形成された周縁領域と、から夫々独立して流量調整された処理ガスを基板に供給するように構成されたガス供給装置と、
前記ガス供給装置の前記中央領域と周縁領域とに共通のガスを供給するための手段と、
前記ガス供給装置の周縁領域に前記共通のガスに加えて添加ガスを供給するための手段と、
処理容器内を排気するための排気手段と、を備え、
前記ガス供給装置の中央領域の中心から当該中央領域に含まれる最も外側のガス吐出孔までの距離が基板の半径の５３％以上であることを特徴とする。
また、本発明の基板処理装置の具体的態様として、
複数のガス供給源から供給される複数のガスを混合し、その混合ガスが前記中央領域と周縁領域とに分流されて共通ガスとして供給される例が挙げられ、この場合、前記共通ガスは、例えばエッチングガスと、堆積作用あるいは凸部の側壁保護作用を有するガス、とを含み、それらガスの前記中央領域における流量の比率と周縁領域における流量の比率とが同じであり、前記添加ガスは堆積作用あるいは凸部の側壁保護作用を備えたガスである。また、堆積作用のある添加ガスは、例えば炭素及び水素を含む化合物からなるガスであり、エッチングガスは、例えば基板上の窒化シリコン膜をエッチングするためのガスである。あるいはエッチングガスは、基板上の窒化シリコン膜をエッチングするためのガスであり、凸部の側壁保護作用を備えた添加ガスは、窒素ガスである。前記基板の処理は、例えば基板上の薄膜に対してエッチングによりラインを形成するものである。また、前記処理は、処理容器内におけるプロセス時の圧力が例えば１．３Ｐａ〜４０Ｐａに調整されて行われる。
本発明のガス供給装置は、
基板の中央領域に対向し、多数のガス吐出孔が形成された中央領域と、基板の周縁領域に対向し、多数のガス吐出孔が形成された周縁領域と、から同じ成分の処理ガスを夫々独立して基板に供給するためのガス供給装置において、
前記中央領域の中心から当該中央領域に含まれる最も外側のガス吐出孔までの距離が基板の半径の５３％以上であり、
周縁領域からは更に添加ガスが加えられることを特徴とする。
本発明の基板処理方法は、
基板が載置される載置台が内部に設けられた処理容器と、前記載置台に対向するように設けられ、基板の中央領域に対向すると共に多数のガス吐出孔が形成された中央領域と、基板の周縁領域に対向すると共に多数のガス吐出孔が形成された周縁領域と、を備えたガス供給装置と、を有する基板処理装置を用いて基板を処理する方法において、
前記ガス供給装置の中央領域と周縁領域とから夫々独立して流量調整された共通の処理ガスを基板に供給する工程と、
前記ガス供給装置の周縁領域に前記共通のガスに加えて添加ガスを供給する工程と、
処理容器内を排気する工程と、を含み、
前記ガス供給装置の中央領域の中心から当該中央領域に含まれる最も外側のガス吐出孔までの距離が基板の半径の５３％以上であることを特徴とする。
本発明の記憶媒体は、
基板処理装置に用いられ、コンピュータ上で動作するコンピュータプログラムを格納した記憶媒体であって、
前記コンピュータプログラムは、上記の基板処理方法を実施するようにステップが組まれていることを特徴とする。
本発明によれば、多数のガス吐出孔が形成された中央領域と周縁領域とから共通の処理ガスを夫々独立して基板に供給するガス供給装置を用い、周縁領域からは更に添加ガスが加わるようにすると共に前記中央領域と周縁領域との仕切り位置を適切化しているため、基板の中央領域が周縁領域よりも排気されにくいことに基づく処理の面内の不均一性を緩和することができ、その結果エッチングなどの処理の面内均一性の向上を図ることができる。
例えばシリコン窒化膜などの付着物の堆積性の強い膜をエッチングする場合には、例えばラインなどのパターンについて周辺部側の幅が小さくなる傾向が強いが、周縁領域に堆積作用あるいは凸部の側壁保護作用があるガスを添加することで、パターンの幅の面内均一性が改善される。
本発明のガス供給装置１の適用例について、図１〜図３を参照して説明する。本発明のガス供給装置１が適用されたプラズマ処理装置２は、例えば内部が密閉空間となっている真空チャンバからなる処理容器２１と、この処理容器２１内の底面中央に配設され、下部電極を兼ねる載置台３と、載置台３の上方に当該載置台３と対向するように設けられたシャワーヘッドの一部をなす上部電極４と、を備えている。
処理容器２１の底面には、排気口２２が形成されており、この排気口２２には、排気管２４を介して排気手段である排気装置２３が接続されている。排気装置２３には図示しない圧力調整部が設けられており、この圧力調整部は後述の制御部２Ａからの信号によって処理容器２１内を真空排気して所望の真空度に維持するように構成されている。また、処理容器２１の壁面にはウェハＷの搬送口２５が設けられており、この搬送口２５はゲートバルブ２６によって開閉可能となっている。処理容器２１の外側の側壁部には、搬送口２５を上下に挟む位置に、各々リング状の永久磁石２７、２８が設けられている。
処理容器２１の内壁には堆積物シールドが設けられており、処理容器２１の内壁を高温例えば６０℃以上に保持して、フルオロカーボン等の付着物が堆積しないように構成されているが図では省略する。
載置台３は、例えばアルミニウムからなる支持体３２、静電チャック３４、僅かな隙間を介して静電チャック３４の周囲を囲む絶縁体よりなる第１のリング体３９及びこの第１のリング体３９の上面に設けられ、ウェハＷの上方にプラズマを発生させた時に当該プラズマを横方向に広げる役割を果たす導電体よりなる第２のリング体４０から構成されている。静電チャック３４には、後述するように、ウェハＷを昇降させるための貫通孔３４ａが形成されている。また、静電チャック３４には、高圧直流電源３５が接続されており、高圧直流電源３５からの給電によって、ウェハＷが静電チャック３４に静電吸着される。
載置台３の側壁部には、載置台３と処理容器２１の外壁とのリング状の隙間を埋めるように排気バッファの役割を持つリング状の排気リング２４ａが設けられている。この排気リング２４ａは、周方向における排気量を均一にして、載置台３に載置されるウェハＷの周方向からの排気量を均一にするためのものである。
また、載置台３の支持体３２には、コンデンサＣ及びコイルＬを介して例えば周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波電源３１が接続されており、この高周波電源３１は、処理ガスをプラズマ化するためのものである。高周波電源３１は、後述の制御部２Ａに接続されており、制御信号に従って高周波電源３１に供給される電力が制御される。高周波電源３１と載置台３とは、プラズマ発生手段を構成している。
載置台３の内部には、処理容器２１の外部の図示しない搬送アームとの間でウェハＷの受け渡しを行うための昇降部材５が設けられている。この昇降部材５は、載置台３及び処理容器２１の底面を貫通するように設置された複数本例えば３本の昇降ピン５ａや、これら昇降ピン５ａを駆動する駆動機構５ｂ等で構成されている。駆動機構５ｂにより昇降ピン５ａの先端が静電チャック３４に形成された貫通孔３４ａを介して突没する。
上部電極４とその上側に設けられた蓋体５２とは、ガス供給装置１である概略円板状のガスシャワーヘッドを構成している。尚、蓋体５２は接地されている。上部電極４及び蓋体５２によって挟まれて載置台３に対向するように形成された空間は、リング状の隔壁５５によって中央領域５３ａと周縁領域５３ｂとに隔てられており、中央領域５３ａ及び周縁領域５３ｂには、それぞれ後述の第１のガスと第２のガスとが通流するように、ガス供給口５４ａ及びガス供給口５４ｂが形成されている。この例においては、ガス供給口５４ｂを一箇所設けたが、周方向に等間隔となるように複数箇所設けても良い。
上部電極４には図３に示すように、ウェハＷに対して処理ガスを分散供給するための多数のガス吐出孔５１が配置されている。このガス吐出孔５１は、例えばウェハＷと同心円を成すように例えば７周形成されており、上部電極４の中心からの半径が２０ｍｍから１４０ｍｍまで２０ｍｍ毎の円周上にそれぞれ８個、１２個、２０個、２８個、３６個、４２個及び５０個形成されている。このガス吐出孔５１は、上述の隔壁５５によって、中央領域５３ａに連通する概略円状の複数のガス吐出孔５１と、周縁領域５３ｂに連通する概略リング状の複数のガス吐出孔５１と、に隔てられている。
この例において、隔壁５５の位置は、中央領域５３ａの中心から中央領域５３ａに含まれる最も外側のガス吐出孔５１までの距離（中央領域５３ａにおけるガス吐出孔５１の最外周の半径Ｒ０）が、ウェハＷの半径の８０％となるように調整されている。つまり、直径３００ｍｍのウェハＷに対して、隔壁５５を例えば上部電極４の中央から半径１３０ｍｍの位置となるように設けて、ウェハＷの中央領域に対してガス吐出孔５１の中央側の６周分から第１のガスを供給し、ウェハＷの周縁領域に対してガス吐出孔５１の外周側の１周分から第２のガスを供給するように構成されている。即ちこの場合、前記半径Ｒ０が１２０ｍｍであり、従ってウェハＷの半径に対する半径Ｒ０の割合は８０％ということになる。隔壁５５の位置によって、中央領域５３ａ及び周縁領域５３ｂの大きさを変えることができ、つまり第１のガス及び第２のガスが供給されるウェハＷの中央領域及び周縁領域の面積を変えることができる。
この例においては、ガス吐出孔５１をウェハＷと同心円をなすように配置したが、格子状や千鳥状に配置しても良い。
また、上部電極４及び蓋体５２によって形成された空間は、円板状の拡散板５６によって上下に隔てられている。拡散板５６には、ガス吐出孔５１の位置に対応するように、例えばウェハＷと同心円をなすように通気孔５７が形成されている。この通気孔５７は、拡散板５６の上方に通流してきたガスの流れを乱して、中央領域５３ａ及び周縁領域５３ｂから吐出するそれぞれのガスの分布が均一になるように、拡散板５６に形成されたガス吐出孔５１の位置から例えば１０ｍｍずつずれた位置となっている。また、拡散板５６におけるガス供給口５４ａ、５４ｂに対応する位置には凸部が形成されており、中央領域５３ａ及び周縁領域５３ｂに供給されたガスを分散するように構成されている。前述の隔壁５５は、この拡散板５６によって上下に分割されているが、拡散板５６を介して同じ位置に配置されて、隔壁５５を構成している。
蓋体５２の上面には、上述の通り中央領域５３ａ及び周縁領域５３ｂに連通するようにガス供給口５４ａ、５４ｂが形成されており、このガス供給口５４ａ、５４ｂは、それぞれガス導入管４２ａ、４２ｂを介して中央領域５３ａと周縁領域５３ｂとに供給されるガスの流量を調整する手段である圧力調整部４１ａ、４１ｂに接続されている。圧力調整部４１ａ、４１ｂの上流において、ガス導入管４２ａ、４２ｂは合流してガス導入管４２に接続されている。ガス導入管４２は更に上流側において４本に分岐して分岐管４２Ａ〜４２Ｄを形成し、バルブ４３Ａ〜４３Ｄと流量制御部４４Ａ〜４４Ｄとを介してガス源Ｍであるガス供給源４５Ａ〜４５Ｄに接続されている。ガス源Ｍから圧力調整部４１ａ、４１ｂに供給されるガスは、共通のガスであり、後述の制御部２Ａによってそれぞれの圧力が制御されて、前述の中央領域５３ａ及び周縁領域５３ｂに供給される流量が夫々独立して調整される。尚、共通のガスとは、中央領域５３ａ及び周縁領域５３ｂに供給される処理ガスが例えば複数である場合、その処理ガス中に含まれるガスの混合比が同じ（共通している）ということであり、例えば中央領域５３ａ及び周縁領域５３ｂに供給されるエッチングガスと堆積用ガスとの流量比が同じことを表している。
ガス源Ｍ、流量制御部４４Ａ〜４４Ｄ、バルブ４３Ａ〜４３Ｄ、分岐管４２Ａ〜４２Ｄ、ガス導入管４２、圧力調整部４１ａ及びガス導入管４２ａは、中央領域５３ａに共通ガスを供給するための手段を構成しており、ガス源Ｍ、流量制御部４４Ａ〜４４Ｄ、バルブ４３Ａ〜４３Ｄ、分岐管４２Ａ〜４２Ｄ、ガス導入管４２、圧力調整部４１ｂ及びガス導入管４２ｂは、周縁領域５３ｂに共通ガスを供給するための手段を構成している。
一方、前述のガス導入管４２ｂには、ガス供給口５４ｂと圧力調整部４１ｂとの間においてガス導入管４２ｃが接続されており、ガス導入管４２ｃはその上流で３本に分岐して分岐管４２Ｅ、４２Ｆ及び４２Ｇを形成し、バルブ４３Ｅ、４３Ｆ及び４３Ｇと流量制御部４４Ｅ、４４Ｆ及び４４Ｇとを介して、ガス源Ａをなすガス供給源４５Ｅ及び４５Ｆと、ガス供給源４５Ｇと、に接続されている。ガス源Ａのガスは、前述のガス導入管４２ｂを通流するガス源Ｍからのガスに添加するためのガスであり、後述するフォトレジストマスク７１に形成された開口部７７や、その下方の膜に形成された凹部７８の側壁を保護する作用を有する。ガス源Ａ、流量制御部４４Ｅ、４４Ｆ、バルブ４３Ｅ、４３Ｆ、分岐管４２Ｅ、４２Ｆ及びガス導入管４２ｃは、周縁領域５３ｂに添加ガスを供給するための手段を構成している。
バルブ４３Ａ〜４３Ｇ及び流量制御部４４Ａ〜４４Ｇはガス供給系４６を構成しており、後述の制御部２Ａからの制御信号によって各ガス供給源４５Ａ〜４５Ｇのガス流量及び給断の制御と、ガス導入管４２ａ及びガス導入管４２ｂを通流するガスの圧力の制御と、が行われる。つまり、後述するように、ウェハＷの処理のばらつきを少なくするために、ウェハＷの周縁領域に対して供給する第２のガスの流量と、ウェハＷの中央領域に対して供給する第１のガスの流量と、の調整や、更に第２のガスへのガス源Ａのガスの添加が行われる。ガス導入管４２ａを通流するガス及びガス導入管４２ｂを通流するガスは、それぞれ第１のガス及び第２のガスに相当するものである。
このプラズマ処理装置２には例えばコンピュータからなる制御部２Ａが設けられており、この制御部２Ａはプログラム、メモリ、ＣＰＵからなるデータ処理部などを備えており、前記プログラムには制御部２Ａからプラズマ処理装置２の各部に制御信号を送り、後述の各ステップを進行させることでウェハＷに対してプラズマ処理を施すように命令が組み込まれている。また、例えばメモリには処理圧力、処理時間、ガス流量、電力値などの処理パラメータの値が書き込まれる領域を備えており、ＣＰＵがプログラムの各命令を実行する際これらの処理パラメータが読み出され、そのパラメータ値に応じた制御信号がこのプラズマ処理装置２の各部位に送られることになる。このプログラム（処理パラメータの入力操作や表示に関するプログラムも含む）は、コンピュータ記憶媒体例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ＭＯ（光磁気ディスク）、ハードディスク（ＨＤ）などの記憶部２Ｂに格納されて制御部２Ａにインストールされる。
次に、ガス供給装置１が適用されたプラズマ処理装置２を用いた本発明の実施の形態について説明する。まずゲートバルブ２６を開いて搬送口２５を介して処理容器２１内へ図示しない搬送機構により３００ｍｍ（１２インチ）ウェハＷを搬入する。昇降部材５によってウェハＷを載置台３上に載置した後、ウェハＷを載置台３に静電吸着する。その後搬送機構を処理容器２１から退去させてゲートバルブ２６を閉じる。引き続きガス流路３８からバックサイドガスを供給して、ウェハＷを所定の温度に調整する。その後以下のステップを行う。
ここで、ウェハＷの表面部の構造を図４（ａ）に示す。ウェハＷは図示しないトランジスタのゲート酸化膜の上に積層された多結晶Ｓｉ膜７６上に、Ｗ−Ｓｉ（タングステン−シリコン化合物）膜７５、ＳｉＮ膜７４、ＳｉＯ2膜７３、反射防止膜７２及び開口部７７の形成されたフォトレジストマスク７１がこの順に積層されている。Ｗ−Ｓｉ膜７５及び多結晶Ｓｉ膜７６はゲート電極材料であり、ＳｉＮ膜７４はゲート電極材料をライン状にエッチングしてゲート電極を形成するときのハードマスクとなるものである。
（ステップ１：反射防止膜７２のエッチング工程）
排気装置２３により排気管２４を介して処理容器２１内の排気を行い、処理容器２１内を所定の真空度例えば１５．３Ｐａ（１１５ｍＴｏｒｒ）となるように保持する。その後、ガス源Ｍより例えばＣＦ4ガス、Ａｒガス及びＯ2ガスを例えばそれぞれ１２０ｓｃｃｍ、４２０ｓｃｃｍ及び１０ｓｃｃｍとなるように供給する。そして制御部２Ａによって、ガス導入管４２ａとガス導入管４２ｂとに供給するガス圧力（流量）の比が例えば４５：５５となるように圧力調整部４１ａ、４１ｂを調整する。
続いて例えば周波数が１３．５６ＭＨｚ、電力が８００Ｗの高周波を載置台３に供給して、前記ガスの混合ガスをプラズマ化する。このプラズマは、永久磁石２７、２８の磁場によって、ウェハＷの上方に閉じこめられることで高密度化する。
このプラズマ中には、炭素とフッ素との化合物の活性種が含まれており、反射防止膜７２がこれら活性種雰囲気に曝されると、これらの膜中の原子と反応した化合物が生成され、これにより反射防止膜７２がエッチングされる。
（ステップ２：ＳｉＯ2膜７３のエッチング工程）
次いで、排気装置２３により排気管２４を介して処理容器２１内の排気を行い、処理容器２１内を所定の真空度例えば１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）となるように保持する。その後、ガス源Ｍより例えばＣＨ2Ｆ2ガス、ＣＦ4ガス及びＡｒガスを例えばそれぞれ１５ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍ及び６００ｓｃｃｍとなるように供給する。そして制御部２Ａによって、ガス導入管４２ａとガス導入管４２ｂとに供給するガス圧力（流量）の比が例えば４５：５５となるように圧力調整部４１ａ、４１ｂを調整する。
続いて例えば周波数が１３．５６ＭＨｚ、電力が１２００Ｗの高周波を載置台３に供給して、前記ガスの混合ガスをプラズマ化する。このプラズマは、永久磁石２７、２８の磁場によって、ウェハＷの上方に閉じこめられることで高密度化する。
このプラズマ中に含まれる炭素とフッ素との化合物の活性種にＳｉＯ2膜７３が曝されると、膜中の原子と反応した化合物が生成され、これにより図４（ｂ）に示すようにＳｉＯ2膜７３がエッチングされて凹部７８が形成される。
（ステップ３：ＳｉＮ膜７４のエッチング工程）
排気装置２３により排気管２４を介して処理容器２１内の排気を行い、処理容器２１内を所定の真空度例えば１８．７Ｐａ（１４０ｍＴｏｒｒ）に保持する。その後、ガス源Ｍより例えばＣＨ2Ｆ2ガス、ＣＦ4ガス、Ａｒガス及びＯ2ガスを例えばそれぞれ１５ｓｃｃｍ、８０ｓｃｃｍ、１５０ｓｃｃｍ及び２１ｓｃｃｍとなるように供給する。そして制御部２Ａによって、ガス導入管４２ａとガス導入管４２ｂとに供給するガス圧力（流量）の比（中央領域５３ａと周縁領域５３ｂとの比）が例えば４５：５５となるように圧力調整部４１ａ、４１ｂを調整して、更にガス源Ａより例えばＣＨ2Ｆ2ガスを例えば５ｓｃｃｍ供給する。
続いて例えば周波数が１３．５６ＭＨｚ、電力が７００Ｗの第２の高周波を載置台３に供給して、ガス源Ｍ及びガス源Ａから処理容器２１内に供給されるガスをプラズマ化する。このプラズマは、永久磁石２７、２８の磁場によって、ウェハＷの上方に閉じこめられることで高密度化する。
この例では、ＣＦ4ガス及びＯ2ガス及びＣＨ2Ｆ2ガスは、それぞれエッチングガス及び堆積作用を及ぼすガスであり、これらのガスがプラズマ化されると、ＣＦ4ガスの解離により生成された活性種及び酸素の活性種がＳｉＮ膜７４をエッチングして、凹部７８（溝部）を形成していくと共に、ＣＨ2Ｆ2ガスの解離により生成された活性種により凹部７８に付着物が堆積し、両者の作用が相俟って、図４（ｃ）に示すように開口側の広がりを抑えながらエッチングが進行していく。尚、Ｏ2ガスは、ウェハＷに対して垂直にＳｉＮ膜７４をエッチングするプラズマを生成するためのガスである。
この時、処理容器２１内は排気装置２３によって排気されているため、上部電極４からウェハＷに対して供給されたガスは、中央領域から周縁領域に向かうほど排気口２２に近くなるため排気されやすくなっている。しかし、中央領域５３ａに供給するガス流量と周縁領域５３ｂに供給するガス流量との比率を４５：５５に設定し、中央領域５３ａに比べて周縁領域５３ｂにおける単位面積当たりのガス流量を多くすると共に、後述の実施例から分かるように、中央領域５３ａと周縁領域５３ｂとに独立してガスを供給する境界ゾーンを適切化し、更にガス圧力の差が溝部の堆積量に大きく影響を与えるＳｉＮ膜７４のエッチングの事情に鑑み、中央領域５３ａと周縁領域５３ｂとに供給エリアを分けたことによっても、なお周縁領域５３ｂにおけるガス圧力が低い状況に対して、周縁領域５３ｂから付加ガスとして堆積作用のあるＣＨ2Ｆ2ガスを添加しているため、結果としてウェハＷの中央領域における凸部７９の寸法が周縁領域における凸部７９の寸法よりも太くなることが抑えられた状態でエッチングが進行する。
その後、フォトレジストマスク７１がアッシングによって除去されて、ウェハＷの洗浄などの後に、ＳｉＯ2膜７３とＳｉＮ膜７４とをマスクとして、Ｗ−Ｓｉ膜７５及び多結晶Ｓｉ膜７６がエッチングされる。
上述の実施の形態によれば、ウェハＷの中央領域５３ａと周縁領域５３ｂとに分けてガスを供給するための隔壁５５の位置を最適化し、またＳｉＮ膜７４に対して堆積作用のあるＣＨ2Ｆ2ガスを周縁領域５３ｂに添加しているため、後述の実施例に示すとおり、ウェハＷのパターンが密に形成されている部分例えば金属配線とその間の絶縁層との比率が１：１程度の部分だけでなく、パターンが疎の部分例えば前述の比率が１：２以上の部分についても、ウェハＷに形成されるライン幅のばらつきを抑えることができる。
第２のガスに添加する凸部７９の側壁保護作用を有するガス源Ａのガスとして、この例ではＣＨ2Ｆ2ガスを用いたが、これに限られず、例えば凸部７９の側壁保護作用を有するガス例えばＮ2ガスや、凸部７９の側壁に堆積物を堆積する作用を有する炭素及び水素を含むガス例えばＣＨ3Ｆガスなどを用いても良い。
ＳｉＮ膜７４のエッチングにおいて、ウェハＷからは反応生成物としてＮ2ガスが生成しているが、排気装置２３によって排気されているため、ウェハＷの周縁領域においては中央領域と比較してＮ2ガスの濃度が薄くなっている。そこで、ガス源ＡからＮ2ガスをウェハＷの周縁領域に供給して、ウェハＷの表面におけるＮ2ガスの分布のばらつきを抑えることができる。この結果、ガス源Ｍから中央領域５３ａ及び周縁領域５３ｂを介してウェハＷに供給される処理ガスの分布のばらつきを小さくして、ウェハＷに形成される凸部７９の寸法のばらつきを抑えることができる。Ｎ2ガスは、ＳｉＮ膜７４に影響を及ぼすプラズマ種を生成せず、ウェハＷのプラズマ処理に悪影響を及ぼさないため、上述のように凸部７９の側壁保護作用を有するガスとして用いても良い。
一方、中央領域５３ａにおけるガス吐出孔５１の最外周の半径Ｒ０について、ウェハＷの半径に対する比率は８０％に限られるものではなく、後述の実施例から、５３％以上であれば同様の効果が得られることがわかる。例えば直径３００ｍｍのウェハＷに対して例えば５３％に設定する場合には、ガス吐出孔５１の外周側から３周目と４周目との間に隔壁５５を設けることになる。
ところで本発明のガス供給装置１は、上述の比率のように中央領域５３ａと周縁領域５３ｂとに分け、かつ周縁領域５３ｂから付加ガスを添加することで、均一性の高い処理を行うことができる。このためＳｉＮ膜７４についても本発明を適用する場合には、中央領域５３ａと周縁領域５３ｂとの比率は上述のように設定することが好ましい。しかしＳｉＮ膜７４に限って言えば、中央領域５３ａと周縁領域５３ｂとの前記比率は、必ずしも５３％以上に限られなくても、周縁領域５３ｂに堆積作用あるいは側壁保護作用のあるガスを添加するという新規な手法だけでも従来の手法に比べて十分な効果がある。
ウェハＷにライン状のパターンを形成する場合、ウェハＷに対して供給されたガスは、ウェハＷに形成されたパターンに沿って流れるため、ホールを形成する場合と比べてウェハＷの表面における分布が不均一になりやすい。しかし、本発明のガス供給装置１を適用したプラズマ処理装置２を用いることによって、後述の実施例に示すとおり、ウェハＷにライン状のパターンをエッチングによって形成する場合であっても、ウェハＷの面内におけるラインの寸法のばらつきを小さくすることができる。
本発明に用いるプラズマ処理装置２として、処理ガスをプラズマ化するための高周波を上部電極４に供給すると共に、更にプラズマをウェハＷに引き込むための高周波を載置台３に供給して、いわゆる上下２周波の構成の装置を採用してもよい。また、上記の例では永久磁石２７、２８を用いてウェハＷの上方にプラズマを閉じこめて高密度化するようにしたが、永久磁石２７、２８を設けなくとも良い。
本発明のガス供給装置１は、プラズマ処理装置２だけでなく、処理ガスを基板に供給して基板の処理を行う装置例えばＣＶＤ装置などに適用することができる。
次に、本発明のガス供給装置１における中央領域５３ａに連通するガス吐出孔５１の最外周の半径について、その最適な位置を調べるために行った実験及びシミュレーションについて説明する。以下の実験例において、ウェハＷに対してプラズマ処理を行う装置として図１〜図３に示す構成のプラズマ処理装置２を用いた。ただし、シミュレーションにおいては簡略化のため、処理容器２１は、図６（ａ）に示すように鉛直方向に１／４に分割したモデルを使用した。
隔壁５５の位置は、図５に示す通り、上部電極４のガス吐出孔５１が内周側４周と外周側３周に隔てられる部分（同図（ａ））、内周側５周と外周側２周に隔てられる部分（同図（ｂ））及び内周側６周と外周側１周に隔てられる部分（同図（ｃ））になるように３条件とした。つまり、中央領域５３ａに連通するガス吐出孔５１の最外周の半径がウェハＷの半径の５３％となる位置（上部電極４の中心からの隔壁５５の距離Ｌが９０ｍｍ）、中央領域５３ａに連通するガス吐出孔５１の最外周の半径がウェハＷの半径の６７％となる位置（距離Ｌが１１０ｍｍ）及び中央領域５３ａに連通するガス吐出孔５１の最外周の半径がウェハＷの半径の８０％となる位置（距離Ｌが１３０ｍｍ）に設定した。
また、この実施例において、ＳｉＮ膜７４についての検討を行うため、以下の実験例１及び実験例３では、図４（ａ）に示した構成のウェハＷに対して、以下のプロセス条件において反射防止膜７２及びＳｉＯ2膜７３のエッチングを行って同図（ｂ）の状態としたウェハＷを用いた。
（反射防止膜７２のエッチング）
高周波の周波数 ：１３．５６ＭＨｚ
高周波の電力 ：８００Ｗ
処理圧力 ：１５．３Ｐａ（１１５ｍＴｏｒｒ）
処理ガス（ガス源Ｍ）：ＣＦ4／Ａｒ／Ｏ2＝１２０／４２０／１０ｓｃｃｍ
圧力調整部の圧力 ：圧力調整部４１ａ／圧力調整部４１ｂ＝４５／５５
尚、隔壁５５を距離Ｌ＝１３０ｍｍの位置となるように設置した。
（ＳｉＯ2膜７３のエッチング）
高周波の周波数 ：１３．５６ＭＨｚ
高周波の電力 ：１２００Ｗ
処理圧力 ：１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）
処理ガス（ガス源Ｍ）：ＣＨ2Ｆ2／ＣＦ4／Ａｒ＝１５／１００／６００ｓｃｃｍ
圧力調整部の圧力 ：圧力調整部４１ａ／圧力調整部４１ｂ＝４５／５５
尚、隔壁５５は上記の位置と同様に設置した。
（実験例１：エッチングレート）
シミュレーションを行うにあたり、より実際の状況に即した条件に設定するため、ＳｉＮ膜７４のエッチングにおいてウェハＷから生成するガスの量を予測する実験を行った。以下のプロセス条件において、ＳｉＮ膜７４のエッチングを行った。
（ＳｉＮ膜７４のエッチング）
高周波の周波数 ：１３．５６ＭＨｚ
高周波の電力 ：７００Ｗ
処理圧力 ：１８．７Ｐａ（１４０ｍＴｏｒｒ）
処理ガス（ガス源Ｍ）：ＣＨ2Ｆ2／ＣＦ4／Ａｒ／Ｏ2＝１５／８０／１５０／２１ｓｃｃｍ
処理ガス（ガス源Ａ）：ＣＨ2Ｆ2＝５ｓｃｃｍ
圧力調整部の圧力 ：圧力調整部４１ａ／圧力調整部４１ｂ＝５５／４５（距離Ｌ＝９０ｍｍ）、１／１（距離Ｌ＝１１０ｍｍ）及び４５／５５（距離Ｌ＝１３０ｍｍ）とした。
実験結果
この実験において得られたＳｉＮ膜７４のエッチングレートを表１に示す。
Figure 2008047687
 この結果から、中央領域５３ａに連通するガス吐出孔５１の最外周の半径がウェハＷの半径のどの程度の割合になっているか（距離Ｌの差）に関わらず、同程度のエッチングレートが得られることがわかった。また、ＳｉＮ膜７４のエッチングによって生成するガスは、ＳｉＮ膜７４の組成及びウェハＷに供給するガスの種類と流量とから、主にＣＮガス及びＳｉＦ4ガスであり、そしてこれらのガスの生成量は、ＳｉＮ膜７４のエッチングレートから、０．００１ｇ／秒と考えられる。
（実験例２：シミュレーション）
次に、ＦＬＵＥＮＴ社製の流体解析ソフト（Ｆｌｕｅｎｔ Ｖｅｒｓ．６．２．１６）を用いて、処理容器２１内の気体の分布をシミュレーションした。尚、シミュレーションにおいて、気体は圧縮性流体であり、層流であると仮定した。また、気体は、ウェハＷや上部電極４などの固体表面では、速度スリップ及び温度ジャンプが生じるものとして計算した。
中央領域５３ａに連通するガス吐出孔５１の最外周の半径がウェハＷの半径に対してそれぞれ５３％、６７％及び８０％となるように、隔壁５５の上部電極４からの距離Ｌは、図５に示すように９０ｍｍ、１１０ｍｍ及び１３０ｍｍとした。
尚、シミュレーションにおけるプロセス条件は、以下の処理圧力及び表２のガス流量以外は上述の実験例１と同じ条件とした。
（シミュレーションにおけるプロセス条件）
処理圧力 ：８Ｐａ（６０ｍＴｏｒｒ）、１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）及び１８．７Ｐａ（１４０ｍＴｏｒｒ）の３水準とした。
Figure 2008047687
 尚、上部電極４のガス吐出孔５１の数は、上部電極４の中心側からそれぞれ８箇所、１２箇所、２０箇所、３６箇所、４４箇所及び４８箇所とした。このガス吐出孔５１の数についても表２に併記しておく。
第１のガス及び第２のガスの分布状態を別々に表すため、それぞれ単独で通流させた場合についてもシミュレーションを行った。また、第２のガスに含まれるガス源Ｍ及びガス源Ａのガスについても、それぞれ単独で通流させた場合と、それぞれ単独で第２のガスとして、第１のガスと共に通流させた場合と、をシミュレーションした。尚、反応生成物であるガスについてもシミュレーションを行った。
また、エッチングによってＣＮガス及びＳｉＦ4ガスがそれぞれ２５重量％及び７５重量％の割合でウェハＷから生成すると仮定して、実験例１のエッチングレートから０．００１ｇ／秒の比率で生成するものとして計算した。尚、第１のガス、第２のガス及びウェハＷから生成するガスは、それぞれに含まれるガスが均一に混合しているものと仮定した。
更に、処理容器２１内の各部の温度を測定して、その値をシミュレーションに用いた。この値を表３に示す。
Figure 2008047687
 また、シミュレーションに用いたガスの各種物性を以下の表４に示す。
Figure 2008047687
 実験結果
シミュレーションによって得られた１８．７Ｐａ（１４０ｍＴｏｒｒ）時の処理容器２１内におけるガスの濃度分布を、図７及び図８に示した。尚、図７及び図８は、図６（ｂ）に示したＡ−Ａ’直線で処理容器２１を切断した時のガスの濃度分布を示している。
このシミュレーションの結果、第１のガスに第２のガスとしてガス源Ｍからガスを供給した場合、ウェハＷの表面におけるガスの分布が良好となり、更に第２のガスにガス源Ａからのガスを添加した場合には、ガスの分布がより均一になることがわかった。また、中央領域５３ａに連通するガス吐出孔５１の最外周の半径が大きくなるほど（距離Ｌが１３０ｍｍになるほど）、ウェハＷの表面におけるガスの濃度分布が均一となることが認められた。
この１８．７Ｐａ（１４０ｍＴｏｒｒ）における結果と、８Ｐａ（６０ｍＴｏｒｒ）における結果とを、それぞれのガスの分圧をグラフ化して図９に示した。尚、このときの分圧は、ウェハＷの表面から０．５ｍｍの位置における値を用いた。
この図９から、上述の結果と同じことが確認された。また、同図（ａ）から、ガス源Ａの添加ガスを供給しない場合においても、中央領域５３ａに連通するガス吐出孔５１の最外周の半径が大きくなるほど（距離Ｌが１３０ｍｍに近づくほど）、ウェハＷの中央領域に対する第２のガスの影響が少なくなり、つまりウェハＷの周縁領域におけるグラフの傾きが急峻となり、同図（ｃ）から、良好なガスの圧力分布を示すことがわかった。
圧力の違いによっては、上記の結果の傾向に差異は見られなかったが、圧力が低くなるほどガスの分布のばらつきの度合いが小さくなっていた。また、この図９には示していないが、１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）の条件においてもシミュレーションを行ったが、その結果は図９に示す１８．７Ｐａ（１４０ｍＴｏｒｒ）と８Ｐａ（６０ｍＴｏｒｒ）との結果の中間の結果となっていた。
（実験例３：シミュレーションの検証）
次に、実験例２のシミュレーションの結果を検証するために実験を行った。実験には既述の通り、実験例１と同様の処理を行い、図４（ｂ）の状態のウェハＷに対してエッチングを行った。また、以下に示す条件以外は実験例２と同じプロセス条件とした。
（プロセス条件）
隔壁５５の上部電極４の中心からの距離Ｌ：別記
処理圧力 ：１８．７Ｐａ（１４０ｍＴｏｒｒ）
処理ガス（ガス源Ｍ）：別記
処理ガス（ガス源Ａ）：別記
実験例３−１
中央領域５３ａに連通するガス吐出孔５１の最外周の半径がウェハＷの半径の８０％となる位置（距離Ｌを１３０ｍｍ）として、ガス源Ｍ及びガス源Ａからの処理ガスの流量を既述の表２における距離Ｌが１３０ｍｍの条件とした。
実験例３−２
中央領域５３ａに連通するガス吐出孔５１の最外周の半径がウェハＷの半径の５３％となる位置（距離Ｌを９０ｍｍ）として、ガス源Ｍ及びガス源Ａからの処理ガスの流量を既述の表２における距離Ｌが９０ｍｍの条件とした。
比較例３
ガス源Ａからのガス流量をゼロとした以外は実験例３−２と同じ条件とした。
実験結果
ウェハＷに形成されたパターンが密の部分と疎の部分とにおいて、図４に示すようにフォトレジストマスク７１の底部の寸法Ｄ１と、エッチングによってＳｉＮ膜７４に形成された凸部７９の底部の寸法と、をウェハＷのＸ方向及びＹ方向について測定して、ΔＤ（ΔＤ＝Ｄ２−Ｄ１）を計算して図１０に示した。その結果、中央領域５３ａに連通するガス吐出孔５１の最外周の半径が大きくなるほど、ガスの分布の偏りが改善して、パターンの密部分だけでなく疎部分についてもΔＤのばらつきが小さくなることがわかった。。また、ガス源Ａからガスを第２のガスに添加することによって、ウェハＷの表面におけるΔＤの均一性が向上していた。尚、実験例３−２においては、実験例２において示した通り、ウェハＷの中心からの距離が±１００ｍｍ程度の位置において、第２のガスの影響と見られるΔＤの部分的な上昇が認められたが、比較例３に対して良好な結果を示していた。
本発明のガス供給装置が適用されたプラズマ処理装置の一例を示す縦断面図である。 上記のプラズマ処理装置２の処理容器２１の断面の一例を示す図である。 上記のプラズマ処理装置２の上部電極４の一例を示す図である。 本発明のプラズマ処理に用いられるウェハＷの構成の一例を示す図である。 実験例２における隔壁５５の位置を示す図である。 実験例２における処理容器２１のモデルを示す図である。 実験例２におけるシミュレーションの結果を示す図である。 実験例２におけるシミュレーションの結果を示す図である。 実験例２におけるシミュレーションの結果を示す図である。 実験例３における実験の結果を示す図である。 従来のプラズマ処理におけるウェハ１００の構成を示す図である。
符号の説明
１ ガス供給装置
２ プラズマ処理装置
２１ 処理容器
３ 載置台
３１ 高周波電源
４ 上部電極
５１ ガス吐出孔
５３ａ 中央領域
５３ｂ 周縁領域
５５ 隔壁
７３ ＳｉＯ2膜
７４ ＳｉＮ膜

Claims (20)

  1. 基板が載置される載置台が内部に設けられた処理容器と、
    前記載置台に対向するように設けられ、基板の中央領域に対向すると共に多数のガス吐出孔が形成された中央領域と、基板の周縁領域に対向すると共に多数のガス吐出孔が形成された周縁領域と、から夫々独立して流量調整された処理ガスを基板に供給するように構成されたガス供給装置と、
    前記ガス供給装置の前記中央領域と周縁領域とに共通のガスを供給するための手段と、
    前記ガス供給装置の周縁領域に前記共通のガスに加えて添加ガスを供給するための手段と、
    処理容器内を排気するための排気手段と、を備え、
    前記ガス供給装置の中央領域の中心から当該中央領域に含まれる最も外側のガス吐出孔までの距離が基板の半径の５３％以上であることを特徴とする基板処理装置。
  2. 複数のガス供給源から供給される複数のガスを混合し、その混合ガスが前記中央領域と周縁領域とに分流されて共通のガスとして供給されることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 前記共通のガスは、エッチングガスと、堆積作用あるいは凸部の側壁保護作用を有するガス、とを含み、それらガスの前記中央領域における流量の比率と周縁領域における流量の比率とが同じであり、
    前記添加ガスは、堆積作用あるいは凸部の側壁保護作用を備えたガスであることを特徴とする請求項１または２に記載の基板処理装置。
  4. 堆積作用のある添加ガスは、炭素及び水素を含む化合物からなるガスであることを特徴とする請求項３に記載の基板処理装置。
  5. エッチングガスは、基板上の窒化シリコン膜をエッチングするためのガスであることを特徴とする請求項４に記載の基板処理装置。
  6. エッチングガスは、基板上の窒化シリコン膜をエッチングするためのガスであり、凸部の側壁保護作用を備えた添加ガスは、窒素ガスであることを特徴とする請求項３に記載の基板処理装置。
  7. 基板上の薄膜に対してエッチングによりラインを形成するものであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一つに記載の基板処理装置。
  8. 処理容器内におけるプロセス時の圧力が１．３Ｐａ〜４０Ｐａに調整されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一つに記載の基板処理装置。
  9. 基板の中央領域に対向し、多数のガス吐出孔が形成された中央領域と、基板の周縁領域に対向し、多数のガス吐出孔が形成された周縁領域と、から同じ成分の処理ガスを夫々独立して基板に供給するためのガス供給装置において、
    前記中央領域の中心から当該中央領域に含まれる最も外側のガス吐出孔までの距離が基板の半径の５３％以上であり、
    周縁領域からは更に添加ガスが加えられることを特徴とするガス供給装置。
  10. 複数のガス供給源から供給される複数のガスを混合し、その混合ガスが前記中央領域と周縁領域とに分流されて共通のガスとして供給されることを特徴とする請求項９に記載のガス供給装置。
  11. 前記共通のガスは、エッチングガスと、堆積作用あるいは凸部の側壁保護作用を有するガス、とを含み、それらガスの前記中央領域における流量の比率と周縁領域における流量の比率とが同じであり、
    前記添加ガスは、堆積作用あるいは凸部の側壁保護作用を備えたガスであることを特徴とする請求項９または１０に記載のガス供給装置。
  12. 基板が載置される載置台が内部に設けられた処理容器と、前記載置台に対向するように設けられ、基板の中央領域に対向すると共に多数のガス吐出孔が形成された中央領域と、基板の周縁領域に対向すると共に多数のガス吐出孔が形成された周縁領域と、を備えたガス供給装置と、を有する基板処理装置を用いて基板を処理する方法において、
    前記ガス供給装置の中央領域と周縁領域とから夫々独立して流量調整された共通の処理ガスを基板に供給する工程と、
    前記ガス供給装置の周縁領域に前記共通のガスに加えて添加ガスを供給する工程と、
    処理容器内を排気する工程と、を含み、
    前記ガス供給装置の中央領域の中心から当該中央領域に含まれる最も外側のガス吐出孔までの距離が基板の半径の５３％以上であることを特徴とする基板処理方法。
  13. ガス供給装置の中央領域と周縁領域とから共通の処理ガスを基板に供給する工程は、複数のガス供給源から供給される複数のガスを混合し、その混合ガスが中央領域と周縁領域とに分流されて共通ガスとして供給される工程であることを特徴とする請求項１２に記載の基板処理方法。
  14. 基板の処理は、基板の表面部に対してエッチングを行う処理であり、
    前記共通のガスは、エッチングガスと、堆積作用あるいは凸部の側壁保護作用があるガス、とを含み、それらガスの前記中央領域における流量の比率と周縁領域における流量の比率とが同じであり、
    前記添加ガスは堆積作用あるいは凸部の側壁保護作用を備えたガスであることを特徴とする請求項１２または１３に記載の基板処理方法。
  15. 堆積作用のある添加ガスは、炭素及び水素を含む化合物からなるガスであることを特徴とする請求項１４に記載の基板処理方法。
  16. エッチングガスは、基板上の窒化シリコン膜をエッチングするためのガスであることを特徴とする請求項１５に記載の基板処理方法。
  17. エッチングガスは、基板上の窒化シリコン膜をエッチングするためのガスであり、凸部の側壁保護作用を備えた添加ガスは、窒素ガスであることを特徴とする請求項１４記載の基板処理方法。
  18. 基板の処理は、基板上の薄膜に対してエッチングによりラインを形成する処理であることを特徴とする請求項１２ないし１７のいずれか一つに記載の基板処理方法。
  19. 処理容器内におけるプロセス時の圧力が１．３Ｐａ〜４０Ｐａに調整されることを特徴とする請求項１２ないし１８のいずれか一つに記載の基板処理方法。
  20. 基板処理装置に用いられ、コンピュータ上で動作するコンピュータプログラムを格納した記憶媒体であって、
    前記コンピュータプログラムは、請求項１２ないし１９のいずれか一つに記載の基板処理方法を実施するようにステップが組まれていることを特徴とする記憶媒体。
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