JP2021125504A

JP2021125504A - プラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置

Info

Publication number: JP2021125504A
Application number: JP2020016189A
Authority: JP
Inventors: 敏幸作石; Toshiyuki Sakuishi
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2020-02-03
Filing date: 2020-02-03
Publication date: 2021-08-30

Abstract

【課題】所望のエッチング分布を得るためのエッチング条件の条件出しを簡素化できるようにしたプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置を提供する。【解決手段】真空チャンバ１内にエッチングガスを導入し、その内部に設置したエッチング対象物Ｓｗをプラズマ雰囲気中でエッチングする本発明のプラズマエッチング方法は、エッチング対象物の周辺領域から中央領域に向かうほどエッチングレートが高くなる第１条件で所定時間だけエッチング対象物をエッチングする第１エッチング工程と、エッチング対象物の周辺領域から中央領域に向かうほどエッチングレートが低くなる第２条件でエッチング対象物を所定時間だけエッチングする第２エッチング工程とを少なくとも含み、第１エッチング工程とこれに引き続き実施される第２エッチング工程とを１サイクルとし、この１サイクルを複数回繰り返す。【選択図】図２

Description

本発明は、真空チャンバ内にエッチングガスを導入し、その内部に設置したエッチング対象物をプラズマ雰囲気中でエッチングするプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置に関する。

この種のプラズマエッチング方法を実施するプラズマエッチング装置は例えば特許文献１で知られている。このものは真空チャンバを備え、真空チャンバ内には、シリコンウエハやガラス基板といった基板やそれらの表面に成膜されたものをエッチング対象物とし、エッチング対象物が設置される下部電極としてのステージと、エッチング対象物に対向配置される上部電極としてのシャワープレート（ガス導入部）とを備える。そして、ステージにエッチング対象物が設置された真空チャンバ内を真空排気した後、真空チャンバ内にシャワープレートを介してエッチングガスを導入し、下部電極や上部電極に高周波電力を投入して、エッチング対象物とシャワープレートとの間の空間に容量結合プラズマ（ＣＣＰ：Capacitively Coupled Plasma）を発生させてエッチング対象物をエッチングする。

上記プラズマエッチング装置により所定面積を持つエッチング対象物をエッチングする場合、所謂エッチング分布（エッチングレート等）の面内均一性が求められる。ここで、エッチング対象物をエッチングするときのエッチング条件には、例えば、エッチングガスのガス種、エッチング対象物に対するエッチングガスの導入位置、エッチングガスの導入量、エッチング時の真空チャンバ内の圧力や、電極への投入電力といった多数のパラメータがあり、エッチング条件の１つのパラメータを調整すれば、他のパラメータに影響を与えてしまう。このことから、所望の面内均一性を得るには（特に、エッチング対象物の中央領域とその周辺領域とでエッチング分布を一致させるには）、多数のパラメータの組み合わせを検討することが必要になって、これでは、エッチング条件の条件出しに多大な時間と労力を要するという問題がある。

特開２０１２−２２２２７０号公報

本発明は、以上の点に鑑み、所望のエッチング分布を得るためのエッチング条件の条件出しを簡素化できるようにしたプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、真空チャンバ内にエッチングガスを導入し、その内部に設置したエッチング対象物をプラズマ雰囲気中でエッチングする本発明のプラズマエッチング方法は、エッチング対象物の周辺領域から中央領域に向かうほどエッチングレートが高くなる第１条件で所定時間だけエッチング対象物をエッチングする第１エッチング工程と、エッチング対象物の周辺領域から中央領域に向かうほどエッチングレートが低くなる第２条件でエッチング対象物を所定時間だけエッチングする第２エッチング工程とを少なくとも含み、第１エッチング工程とこれに引き続き実施される第２エッチング工程とを１サイクルとし、この１サイクルを複数回繰り返すことを特徴とする。

本発明によれば、所定面積を持つエッチング対象物の全面に亘って面内均一性が得られるように多数のパラメータの組み合わせの条件出しをする場合と比較して簡単に条件出しできる第１条件と第２条件を予め取得しておく。この第１条件での第１エッチング工程ではエッチング対象物の中央領域が優先的にエッチングされる一方で、第２条件での第２エッチング工程ではその周辺領域が優先的にエッチングされるため、例えば、第１エッチング工程と第２エッチング工程との時間比（時間配分）を調整すれば、エッチング分布が平均化されて所望のエッチング分布の面内均一性を得ることができるので、エッチング条件の条件出しを簡素化できる。この場合、前記第１エッチング工程と前記第２エッチング工程とは、エッチング対象物に対するエッチングガスの導入位置を変えて実施する構成を採用すれば、実質的に単一のパラメータとしての時間比を調整するだけで、所望のエッチング分布の面内均一性が得られるため、エッチング条件の条件出しを一層簡素化できる。

また、上記課題を解決するために、真空チャンバ内に設置されるエッチング対象物に対向配置されるガス導入部を備えるガス導入手段と、エッチング対象物とガス導入部との間にプラズマ雰囲気を発生させるプラズマ発生手段とを備える本発明のプラズマエッチング装置は、ガス導入部が、エッチング対象物の中央領域に向けてエッチングガスを導入する第１部分と、中央領域の周囲に位置するエッチング対象物の周辺領域に向けてエッチングガスを導入する第２部分とを有し、ガス導入手段が切換部を更に備えて、所定流量に流量制御されたエッチングガスを第１部分と第２部分とに交互に供給可能としたことを特徴とする。

本発明の実施形態のプラズマエッチング装置の構成を模式的に説明する断面図。第１エッチング工程と第２エッチング工程との時間比を調整することで得られるエッチングレートの面内均一性を示すグラフ。１サイクルの繰り返し回数と、側壁粗さとの関係を示すグラフ。

以下、図面を参照して、エッチング対象物Ｓｗを、シリコンウエハやガラス基板といった基板やそれらの表面に成膜されたものとし、エッチング対象物Ｓｗをプラズマ雰囲気中でエッチングしてトレンチやホール等を形成する場合を例に、本発明のプラズマエッチング装置及びプラズマエッチング方法の実施形態について説明する。

図１を参照して、ＥＭは、ＣＣＰ型のプラズマエッチング装置であり、プラズマエッチング装置ＥＭは、真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１は、ドライポンプ、ロータリーポンプやターボ分子ポンプ等により構成される真空ポンプユニットＰｕに接続され、真空ポンプユニットＰｕにより真空チャンバ１内が真空排気されて真空雰囲気の形成が可能になっている。以下、「上」「下」といった方向を示す用語は、図１の姿勢を基準として説明する。

真空チャンバ１の天板１１の下面には、上部電極を兼用するガス導入手段としてのシャワーヘッド２が設けられている。シャワーヘッド２は、その下面にガス導入部としてのシャワープレート２１を備え、シャワープレート２１は、その中心が後述するステージ３の中心線上に配置される平面視円状の内側シャワープレート部２１ａと、内側シャワープレート部２１ａと同心に配置される平面視環状の外側シャワープレート部２１ｂとに区画されている。内側シャワープレート部２１ａには、板厚方向に貫通する、エッチング対象物Ｓｗの中央領域に向けてエッチングガスを導入する第１部分としての複数個の第１ガス導入口２２ａが開設され、外側シャワープレート部２１ｂにもまた、エッチング対象物Ｓｗの周辺領域に向けてエッチングガスを導入する第２部分としての複数個の第２ガス導入口２２ｂが開設されている。

シャワーヘッド２内には筒状の隔壁２３が設けられて、その内部が内側シャワープレート部２１ａに通じる第１拡散室２４ａと、外側シャワープレート部２１ｂに通じる第２拡散室２４ｂとに区画されている。第１拡散室２４ａには第１ガス供給管２５ａの一端が接続されると共に、第２拡散室２４ｂには第２ガス供給管２５ｂの一端が接続され、第１及び第２の両ガス供給管２５ａ，２５ｂの他端が、真空チャンバ１の天板１１を貫挿してエッチングガスのガス源に通じるマスフローコントローラ２６に連通している。第１及び第２の両ガス供給管２５ａ，２５ｂの合流部には、切換部としての三方弁２７が設けられ、マスフローコントローラ２６により流量制御されたエッチングガスの供給を第１ガス導入口２２ａと第２ガス導入口２２ｂとの間で選択的に切り換えることができるようになっている。エッチングガスは、エッチング対象物Ｓｗに応じて適宜選択され、例えば、ＣＨＦ_３、ＣＦ_４、ＳＦ_６やＮＦ_３等から選択される少なくとも１種のフッ素系ガスを主ガスとして含み、アルゴンガス等の希ガスや酸素ガスや窒素ガス等が必要に応じて添加される。

真空チャンバ１の底部には、絶縁体Ｉｏを介して下部電極としてのステージ３が設けられている。ステージ３には、図示省略する静電チャック用の電極が埋設され、この電極に図外のチャック用電源から電圧が印加されることで、その上面にエッチング対象物Ｓｗが位置決めされた状態で静電吸着（保持）されるようになっている。ステージ３には、例えば高周波電源等で構成される電源Ｅの出力が接続され、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力をステージ３に投入できるようになっている。尚、電源Ｅが特許請求の範囲のプラズマ発生手段に対応する。また、ステージ３には、図示省略する冷媒循環路が設けられており、この冷媒循環路に図外のチラーからの冷媒を循環させることでステージ３を所定温度（例えば２０℃）に冷却できるようになっている。

上記プラズマエッチング装置ＥＭは、図示省略する公知のマイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた制御手段を備え、この制御手段により、電源Ｅの稼働、マスフローコントローラ２６の稼働や真空ポンプユニットＰｕの稼働等を統括管理するほか、後述の如くエッチング中に三方弁２７の切換操作を制御している。以下、上記プラズマエッチング装置ＥＭを用いたプラズマエッチング方法について説明する。

真空ポンプユニットＰｕを作動させて真空チャンバ１内を所望の真空度（例えば、０．１Ｐａ）まで真空排気した状態で、図外の搬送ロボットを用いてエッチング対象物Ｓｗを真空チャンバ１内に搬送し、ステージ３上に載置する。このとき、ステージ３の冷媒循環路に冷媒を循環させることで、ステージ３を所定温度（例えば２０℃）に冷却する。

次に、エッチング対象物Ｓｗの周辺領域から中央領域に向かうほどエッチングレートが高くなる第１条件（図２のＬ１参照）でエッチング対象物Ｓｗをエッチングする（第１エッチング工程）。この第１エッチング工程では、三方弁２７の操作により真空チャンバ１内へのエッチングガスの導入位置を第１ガス導入口２２ａにした状態で、マスフローコントローラ２６を制御することで、エッチングガスとしてのＣＨＦ_３ガスを５〜５０ｓｃｃｍ、ＣＦ_４ガスを５〜５０ｓｃｃｍ、Ａｒガスを１００〜８００ｓｃｃｍの流量で夫々内側シャワープレート部２１ａに供給し、第１ガス導入口２２ａから真空チャンバ１内に導入する（このときの真空チャンバ１内の圧力は１０〜１００Ｐａ）。これと共に、高周波電源Ｅから例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を５００Ｗ〜１５００Ｗ投入することで、真空チャンバ１内にプラズマ雰囲気が形成される。プラズマ中で電離したエッチングガスのイオンやラジカルにより、エッチング対象物Ｓｗがエッチングされる。

第１エッチング工程を所定時間（例えば１〜１０秒）行った後、エッチング対象物Ｓｗの中央領域から周辺領域に向かうほどエッチングレートが高くなる第２条件（図２のＬ２参照）でエッチング対象物Ｓｗをエッチングする（第２エッチング工程）。この第２エッチング工程では、三方弁２７のみを操作して、真空チャンバ１内へのエッチングガスの導入位置を第２ガス導入口２２ｂに切り換える。それ以外のパラメータは上記第１エッチング工程と同じであるため、真空チャンバ１内に発生したプラズマは維持され、エッチング対象物Ｓｗのエッチングが継続して行われる。

第２エッチング工程を所定時間（例えば、１〜１０秒）行った後、三方弁２７のみを操作して、エッチングガス導入位置を第１ガス導入口２２ａに切り換えることで、第１エッチング工程を再度行う。同様に、第１エッチング工程を所定時間行った後、三方弁２７のみを操作して、エッチングガス導入位置を第２ガス導入口２２ｂに切り換えることで、第２エッチング工程を再度行う。このように、第１エッチング工程と第２エッチング工程とを１サイクルとし、この１サイクルを複数回繰り返すことで、エッチング対象物Ｓｗがエッチングされる。

本実施形態によれば、所定面積を持つエッチング対象物Ｓｗの全面に亘って面内均一性が得られるように多数のパラメータの組み合わせの条件出しをする場合と比較して簡単に条件出しできる第１条件と第２条件を予め取得しておく。この第１条件での第１エッチング工程ではエッチング対象物Ｓｗの中央領域が優先的にエッチングされる一方で、第２条件での第２エッチング工程ではその周辺領域が優先的にエッチングされるため、例えば、第１エッチング工程と第２エッチング工程との時間比（時間配分）を調整すれば、エッチング分布が平均化されて所望のエッチング分布の面内均一性を得ることができるので、エッチング条件の条件出しを簡素化できる。この場合、第１エッチング工程と第２エッチング工程とは、エッチング対象物Ｓｗに対するエッチングガスの導入位置のみを変えて実施する構成を採用すれば、実質的に単一のパラメータとしての時間比を調整するだけで、所望のエッチング分布の面内均一性が得られるため、エッチング条件の条件出しを一層簡素化できる。

ところで、１サイクルのみで（第１エッチング工程と第２エッチング工程とを夫々１回ずつ行うことで）エッチング対象物Ｓｗをエッチングすると、エッチング対象物Ｓｗの周辺領域または中央領域でエッチング形状が悪化したり（例えばトレンチやホールの側壁粗さが大きくなったり）、これら周辺領域と中央領域との間でエッチング形状差が生じたりする場合があるが、本実施形態では、上記１サイクルを連続して複数回繰り返すことで（つまり、第１エッチング工程と第２エッチング工程とを交互に複数回ずつ繰り返すことで）、上述したように、所望のエッチング分布の面内均一性を得ることができるという機能を損なうことなく、エッチング形状の悪化やエッチング形状差を抑制することができる。

次に、上記効果を確認するために、エッチング対象物ＳｗをΦ３００ｍｍのシリコンウエハとし、上記プラズマエッチング装置ＥＭを用いて以下の実験を行った。

実験１では、エッチング対象物Ｓｗの周辺領域から中央領域に向かうほどエッチングレートが高くなる第１条件（図２の一点鎖線Ｌ１参照）と、エッチング対象物Ｓｗの中央領域から周辺領域に向かうほどエッチングレートが高くなる第２条件（図２の一点鎖線Ｌ２参照）とを取得した。即ち、第１条件は、ガス導入位置：第１ガス導入口２２ａ、高周波電力：１３．５６ＭＨｚ，８００Ｗ、ＣＨＦ_３流量：２０ｓｃｃｍ、ＣＦ_４流量：２０ｓｃｃｍ、Ａｒ流量：３００ｓｃｃｍ、真空チャンバ１内の圧力：３０Ｐａ、ステージ温度：２０℃である。また、第２条件は、ガス導入位置を第２ガス導入口２２ｂとした点を除き、上記第１条件と同一とした。これらの第１条件及び第２条件は、エッチング対象物Ｓｗの全面に亘って面内均一性が得られるように多数のパラメータの組み合わせの条件出しをする場合と比較して簡単に条件出しできる。

次に、上記第１条件での第１エッチング工程の時間を９秒、上記第２条件での第２エッチング工程の時間を１秒に設定し（このとき第１エッチング工程と第２エッチング工程との時間比は、９：１である）、これら第１エッチング工程と第２エッチング工程とを１サイクルとし、この１サイクルを１０回繰り返した後、エッチングレートを測定した結果を図２に破線Ｌ３で示す。これによれば、上記一点鎖線Ｌ１の場合よりも面内均一性が向上することが確認された。同様に、第１エッチング工程の時間を８秒、１回の第２エッチング工程の時間を２秒に変更すると（このとき第１エッチング工程と第２エッチング工程との時間比は、８：２である）、図２に破線Ｌ４で示す如く面内均一性が、上記破線Ｌ３の場合よりも更に向上することが確認された。そして、第１エッチング工程の時間を７秒、第２エッチング工程の時間を３秒に変更すると（このとき第１エッチング工程と第２エッチング工程との時間比は、７：３である）、図２に実線Ｌ５で示す如く所望のエッチングレートの面内均一性が得られることが確認された。尚、第１及び第２の両エッチング工程の時間を共に５秒に変更すると（このとき第１エッチング工程と第２エッチング工程との時間比は、５：５である）、図２に破線Ｌ６で示す如くエッチングレートの面内均一性が、上記実線Ｌ５の場合よりも却って悪化することが確認された。更に、第１エッチング工程の時間を３秒、第２エッチング工程の時間を７秒に変更すると（このとき第１エッチング工程と第２エッチング工程との時間比は、３：７である）、図２に破線Ｌ７で示す如くエッチングレートの面内均一性が、上記破線Ｌ６の場合よりも更に悪化することが確認された。このように、第１エッチング工程と第２エッチング工程との時間比（時間配分）を調整すれば、所望のエッチング分布の面内均一性を得ることができ、エッチング条件の条件出しを簡素化できることが判った。

次に、実験２では、第１エッチング工程と第２エッチング工程との時間比を上記実験１で求めた７：３に設定し、１サイクルの繰り返し回数を１回、２回、３回、４回、５回、６回、１０回、２０回のように変化させ、エッチング対象物の中央領域に形成したトレンチの側壁粗さを夫々評価した。側壁粗さの評価は、繰り返し１回のときの側壁粗さを１０として規格化することで行った。その評価結果を図３に示す。これによれば、繰り返し回数が１回の場合（すなわち、第１エッチング工程と第２エッチング工程とを１回ずつ行う場合）には、側壁粗さが比較的大きいことが確認された。一方、第１エッチング工程と第２エッチング工程とを複数回（２回以上）繰り返すことで、上記１回の場合よりも側壁粗さを抑制できることが判った。特に５回以上繰り返すことで、上記１回の場合と比べて側壁粗さを２０％以下に抑制することができ、より好ましいことが判った。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変形することができる。例えば、上記実施形態では、第１条件でのエッチング工程を最初に行っているが、第２条件での第２エッチング工程を最初に行うようにしてもよい。

上記実施形態では、切換部を１つの三方弁２７で構成する場合を例に説明したが、第１ガス供給管２５ａと第２ガス供給管２５ｂとの夫々に開閉弁を設け、これら２つの開閉弁で切換部を構成してもよい。この場合、いずれか一方の開閉弁を開弁すると共にいずれか他方の開閉弁を閉弁することで、エッチングガスの真空チャンバ１内への導入位置を第１ガス導入口２２ａとガス導入口２２ｂとの間で選択的に切り換えることができる。

上記実施形態では、真空チャンバ１内へのエッチングガスの導入位置を２つのガス導入口２２ａ，２２ｂの間で切り換える場合を例に説明したが、３つ以上のガス導入口の間で切り換えるように構成してもよい。この場合も、切換部によるガス導入口（エッチングガス導入位置）の切換タイミングを適宜設定することで、３つ以上のエッチングレートの面内分布が平均化され、上記実施形態と同様にエッチングレートの面内均一性を向上させることができる。このとき、平均化されるエッチングレートの面内分布の１つとして、Ｍ字型のエッチングレートの面内分布が含まれていてもよい。

上記実施形態では、内側シャワープレート部２１ａと外側シャワープレート部２１ｂとが一体に構成されているが、これら２つのシャワープレート部２１ａ，２１ｂが別体で構成されてもよい。

上記実施形態では、ＣＣＰ型プラズマエッチング装置ＥＭを用いる場合を例に説明したが、例えば国際公開第２０１６／１１４２３２に記載されたようなＩＣＰ型プラズマエッチング装置を用いることもできる。この場合も、真空チャンバ内へのエッチングガスの導入位置のみを、真空チャンバの天板に設けたガス導入口と、真空チャンバの側壁に設けたガス導入口との間で変えてエッチングを実施すれば、上記実施形態と同様の効果が得られる。

上記実施形態では、第１エッチング工程と第２エッチング工程とをエッチングガス導入位置のみを変えて実施する場合を例に説明したが、これと共にあるいは単独で、エッチングガスの導入位置以外のパラメータ（例えば、投入電力量）を変えて実施する場合にも本発明を適用することができる。

Ｅ…電源（プラズマ発生手段）、ＥＭ…プラズマエッチング装置、Ｓｗ…エッチング対象物、１…真空チャンバ、２…シャワーヘッド（ガス導入手段）、２１…シャワープレート（ガス導入部）、２１ａ…内側シャワープレート部、２１ｂ…外側シャワープレート部、２２ａ…第１ガス導入口（第１部分）、２２ｂ…第２ガス導入口（第２部分）、２７…三方弁（切換部、ガス導入手段）。

Claims

真空チャンバ内にエッチングガスを導入し、その内部に設置したエッチング対象物をプラズマ雰囲気中でエッチングするプラズマエッチング方法において、
エッチング対象物の周辺領域から中央領域に向かうほどエッチングレートが高くなる第１条件で所定時間だけエッチング対象物をエッチングする第１エッチング工程と、エッチング対象物の周辺領域から中央領域に向かうほどエッチングレートが低くなる第２条件でエッチング対象物を所定時間だけエッチングする第２エッチング工程とを少なくとも含み、
第１エッチング工程とこれに引き続き実施される第２エッチング工程とを１サイクルとし、この１サイクルを複数回繰り返すことを特徴とするプラズマエッチング方法。
前記第１エッチング工程と前記第２エッチング工程とは、エッチング対象物に対するエッチングガスの導入位置を変えて実施することを特徴とする請求項１記載のプラズマエッチング方法。
真空チャンバ内に設置されるエッチング対象物に対向配置されるガス導入部を備えるガス導入手段と、エッチング対象物とガス導入部との間にプラズマ雰囲気を発生させるプラズマ発生手段とを備えるプラズマエッチング装置において、
ガス導入部が、エッチング対象物の中央領域に向けてエッチングガスを導入する第１部分と、中央領域の周囲に位置するエッチング対象物の周辺領域に向けてエッチングガスを導入する第２部分とを有し、
ガス導入手段が切換部を更に備えて、所定流量に流量制御されたエッチングガスを第１部分と第２部分とに交互に供給可能としたことを特徴とするプラズマエッチング装置。