JP2851229B2 - プラズマエッチングシステム及びプラズマエッチング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体ウエハ等の基板
をプラズマエッチングするプラズマエッチングシステム
及びプラズマエッチング方法に係り、とくに平行平板電
極型エッチャーの上部電極として用いられるシャワー電
極の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハのエッチング処理用とし
て、例えば対面する一対の電極を有する平行平板電極型
プラズマエッチング装置がある。平行平板電極型エッチ
ング装置では、下部電極上にウエハを載置し、ウェハに
向けて上部電極の多数のガス噴出孔からプラズマ生成用
ガス（例えばハロゲンガスやフレオンガス等）を噴出さ
せる。そして、上部電極と下部電極間に高周波電圧を印
加してガスをプラズマ化し、このプラズマによってウエ
ハをエッチングする。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の上
部電極（シャワー電極）は、ただ単にプラズマを均一に
発生させることのみを主眼として設計されたものであ
り、ウェハを最適にエッチングするためにガス流速、ガ
ス噴出孔のピッチ、ガス噴出孔の径などを十分に考慮し
たものとはいえない。

【０００４】近時、半導体デバイスのパターンは増々微
細化する傾向にあり、このような超微細加工として高ア
スペクト比の異方性エッチングが利用される。ところで
高アスペクト比の異方性エッチングを実現するには、プ
ロセスチャンバの内圧を低くする必要がある。このた
め、処理ガスがプラズマ重合し、Ｃ，Ｏ，Ｆを含むポリ
マーが上部電極のガス噴出孔の周壁に付着する。このよ
うな付着ポリマーはプラズマ放電時間が長くなるに従っ
て次第に成長し、数十μｍの厚さをもつ異物にまで発達
する。最後には、ポリマー塊は上部電極からウエハ上へ
落下し、これがコンタミネーションとなって半導体デバ
イスの歩留が低下する。

【０００５】また、このような高アスペクト比の異方性
エッチングと通常のエッチングとにおいて同じシャワー
電極を共用することができず、それぞれの用途に合わせ
て専用のシャワー電極を準備しなければならない。

【０００６】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであって、長時間にわたり安定して連続使用する
ことができるプラズマエッチングシステム及びプラズマ
エッチング方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係るプラズマエ
ッチングシステムは、プラズマを閉じ込める容器と、こ
の容器内を排気する手段と、基板を保持するチャック電
極と、このチャック電極に向き合う多数の細孔を有する
シャワー電極と、このシャワー電極および前記チャック
電極の間にプラズマ電圧を印加する電源と、前記シャワ
ー電極の細孔に連通し、細孔を介して前記容器内にプラ
ズマ生成用のガスを供給する手段と、前記細孔を通過す
る前記ガスが質量流量で６２０ｋｇ／ｍ² ／時間以上と
なるように前記ガス供給手段を制御する手段と、を有す
ることを特徴とする。

【０００８】また、本発明に係るプラズマエッチング方
法は、基板を容器内のチャック電極で保持し、容器内が
減圧状態となるように容器内を排気し、シャワー電極の
細孔を通過するときに質量流量で６２０ｋｇ／ｍ² ／時
間以上となるようにプラズマ生成用ガスを容器内に導入
し、シャワー電極およびチャック電極の間に電圧を印加
し、両電極間にプラズマを生成し、生成プラズマを基板
に作用させることを特徴とする。

【０００９】本発明のプラズマエッチングシステムで
は、ガス供給手段を制御してシャワー電極の細孔を通過
するときのガスの流速を高速にする。とくに、細孔のピ
ッチを６ｍｍ以上、及び／または細孔の径を０．８ｍｍ
未満とすると、質量流量で６２０ｋｇ／ｍ² ／時間以上
のガスをシャワー電極に供給しやすくなる。ここで「質
量流量（mass flow rate）」とは管路を通って単位時間
に流れる流体の質量をいう。

【００１０】

【作用】細孔内におけるプラズマ重合反応はガス流速の
影響を大きく受ける。細孔のピッチが狭い場合や細孔の
径が大きい場合はガス流速が遅くなるため、細孔内の弱
電プラズマが重合し、ポリマーが細孔の周壁にデポジシ
ョンする。そこで、質量流量で６２０ｋｇ／ｍ² ／時間
以上のガスをシャワー電極に供給する。このようなガス
供給システムでは細孔におけるプラズマ重合反応が抑制
され、ポリマーが細孔の周壁に付着しにくくなる。万
一、ポリマーが生成されたとしても、高流速のガス流に
よってポリマーは吹き飛ばされ、大きな塊になるまで成
長発達しなくなる。

【００１１】

【実施例】以下、添付の図面を参照しながら本発明の種
々の実施例について説明する。図１は本発明の実施例に
係るプラズマエッチングシステムを示す全体概要図であ
る。処理室１はアルミニウム壁で構成され、内部は気密
に保持されている。処理室１の上部には電極ユニット２
が設けられている。電極ユニット２は昇降シリンダ２１
のロッドにより上下動可能に支持されている。

【００１２】電極ユニット２にはシールドリング２５が
外装され、シールドリング２５内には冷却ブロック２３
が収納されている。シールドリング２５は絶縁体でつく
られている。冷却ブロック２３には内部通路４２が形成
されており、冷却装置４１から内部通路４２に冷媒が通
流されるようになっている。

【００１３】さらに冷却ブロック２３の凹所内にはバッ
フル板５１，５２が設けられている。冷却ブロック２３
の下端部にはシャワー電極３がビス５８で着脱可能に取
り付けられている。シャワー電極３の周縁部は絶縁リン
グ２４によって冷却ブロック２３のほうに押さえ付けら
れている。

【００１４】シャワー電極３はカソード板５４および冷
却板５３を組み合わせてなり、板５３，５４は互いに接
着されている。カソード板５４はアモルファスカーボン
製であり、冷却板５３はアルミニウム製又はアルミニウ
ム合金製である。シャワー電極３は周波数４００ＫＨ
ｚ、電力値１３００Ｗの高周波電源１２に電気的に接続
され、一方チャック電極６１はアースされている。これ
によりシャワー電極３と下方のチャック電極６１とでプ
ラズマ生成回路が形成される。

【００１５】第２バッフル板５２はシャワー電極３の直
上に位置し、第１バッフル板５１は第２バッフル板５２
の直上に位置し、管２６のガス供給口は第１バッフル板
５１の直上に位置している。シャワー電極３、第１及び
第２のバッフル板５１，５２は実質的に水平に、かつ互
いに平行に設けられている。第１バッフル板５１及び冷
却ブロック２３によってガス導入室２２が形成されてい
る。第１及び第２のバッフル板５１，５２およびシャワ
ー電極３には通気孔５１ａ，５２ａ，５５がそれぞれ形
成されている。通気孔５１ａ，５２ａ，５５の径はこの
順に大きい。シャワー電極３のカソード板５４背面には
冷却板５３が密着しており、この冷却板５３が約２０℃
に維持されることによりカソード板５４が冷却されるよ
うになっている。なお、冷却ブロック２３、第１及び第
２のバッフル板５１，５２はアルミニウム製又はアルミ
ニウム合金製である。

【００１６】ガス導入室２２の上部中央にはガス供給管
２６の一端開口が連通している。ガス供給管２６の基端
側は３つに分岐し、各分岐管はマスフローコントローラ
（ＭＦＣ）７２ａ，７２ｂ，７２ｃをそれぞれ経由して
ガス供給源７１ａ，７１ｂ，７１ｃにそれぞれ連通して
いる。ガス供給源７１ａにはＡｒガスが収容され、ガス
供給源７１ｂにはＣＦ₄ ガスが収容され、ガス供給源７
１ｃにはＣＨＦ₃ ガスが収容されている。各ガス供給源
７１ａ，７１ｂ，７１ｃは圧力調整弁を備えており、圧
力調整弁の可動部電源はコントローラ７０の出力部に接
続されている。また、ＭＦＣ７２ａ，７２ｂ，７２ｃの
可動部電源もコントローラ７０の出力部に接続されてい
る。ＭＦＣ７２ａ，７２ｂ，７２ｃは、コントローラ７
０によってガス供給源７１ａ，７１ｂ，７１ｃとは別個
独立に制御されるようになっている。すなわち各ガス供
給源７１ａ，７１ｂ，７１ｃは圧力一定制御がなされる
が、各ＭＦＣ７２ａ，７２ｂ，７２ｃにおいては流量一
定制御がなされる。

【００１７】処理室１の下部にはチャック電極６１を有
するウエハ保持台６が設けられ、ウェハＷがチャック電
極６１の上に載置されるようになっている。チャック電
極６１は、外部の直流電源Ｅから直流電力が供給される
静電チャック６４を内蔵している。チャック電極６１は
アルミニウム製又はアルミニウム合金製である。なお、
シャワー電極３はチャック電極６１との相互間隔が約１
ｃｍになるような高さ位置に配置されている。チャック
電極６１の下面は冷却ブロック６３と密着している。冷
却ブロック６３は内部通路６２をもち、内部通路６２に
冷媒供給源（図示せず）から冷媒が供給されるようにな
っている。

【００１８】処理室１の下方側壁部には排気管１１が接
続されている。排気管１１は真空ポンプ８３の吸引口に
連通している。排気管１１の途中にはバルブ８２及び圧
力センサ８４が取り付けられている。圧力センサ８４は
コントローラ７０の入力部に接続され、検出圧力に基づ
きバルブ８２および真空ポンプ８３の両者が動作制御さ
れるようになっている。

【００１９】図２に示すように、シャワー電極３のカソ
ード板５４は厚さ４ｍｍの円板からなり、冷却板５３で
バックアップされた領域には多数の細孔５５が形成され
ている。図３に示すように、細孔５５は等ピッチ間隔Ｐ
をもって格子状に配列されている。細孔５５は、直径ｄ
が０．６ｍｍであり、ピッチ間隔Ｐが７ｍｍである。８
インチウエハ用のカソード板５４は直径が２８５ｍｍで
あり、この場合に細孔５５が存在するガス噴出領域の直
径を１８０ｍｍ以上とすることが好ましい。また、６イ
ンチウエハ用のカソード板５４は直径が２００ｍｍであ
り、この場合に細孔５５が存在するガス噴出領域の直径
を１２０ｍｍ以上とすることが好ましい。なお、図５お
よび図６に示すように、シャワー電極３を等ピッチ間隔
Ｐをもって放射状に配列してもよい。

【００２０】図４に示すように、カソード板側の細孔５
５ｂは冷却板側の細孔５５ａよりも直径が小さい。この
ため、細孔５５ａ，５５ｂを通過するガス流速が小さい
と、段差５６のところにポリマーがデポジットし、ガス
がカソード板側の細孔５５ｂに流れにくくなるおそれが
ある。

【００２１】次に、シリコンウェハＷをプラズマエッチ
ングする場合について説明する。ウェハＷを処理室１に
搬入し、チャック電極６１上に吸着保持する。Ａｒガ
ス、ＣＦ₄ ガス、ＣＨＦ₃ ガスをシャワー電極３を介し
て処理室１内に導入するとともに、処理室１内を排気し
て内圧を０．５Ｔｏｒｒ以下の圧力にする。次いで、カ
ソード板５４とチャック電極６１の間に４００ＫＨｚ、
電力値１３００Ｗの高周波電圧を印加する。これにより
放電プラズマを発生させ、ガスプラズマがウエハＷに反
応し、その結果ウェハ表面がエッチングされる。

【００２２】その際、従来のようにガス流速が１００Ｋ
ｍ／時間以下と遅いと、細孔５５のなかで処理ガスがプ
ラズマ重合し、ポリマーとして細孔５５の周壁に付着す
る。これに対して本実施例では細孔５５を通過するガス
の流速を１００Ｋｍ／時間以上とするために、質量流量
で６２０ｋｇ／ｍ² ／時間以上となるようにガスを細孔
５５に供給する。

【００２３】図７は横軸にプラズマ放電時間をとり、縦
軸に１枚のウェハに付着した放電異物（ポリマー）の個
数をとってウェハ汚染について調べた結果を示す特性図
である。ウェハ付着ポリマーの個数が４５個を越えると
不合格とした。図から明らかなように、本実施例によれ
ばウェハ付着ポリマーの個数は少なく、合格と判定し
た。

【００２４】またこのようにガス流速を高速にすると、
プラズマが均一に発生し、放電安定領域が０．１５Ｔｏ
ｒｒから３．０Ｔｏｒｒまで拡がる。その結果アスペク
ト比が高いエッチングから低いエッチングまで実現可能
となる。

【００２５】図８は高アスペクト比のエッチングされた
ウェハの断面図である。ウエハ中央部においても周縁部
においても均一にエッチングされている。次に、ウェハ
直上のガス速度分布についてコンピュータシミュレーシ
ョンを用いて検討してみる。ここでは問題を簡単にする
ために、図９および図１５に示すように、ガスはシャワ
ーヘッド全面から均一に供給されるものと仮定する。下
記の条件でシミュレーションした。 ［シミュレーション条件］ モデル形状 カソードプレート細孔直径（mm） ｄ＝０．
６，０．８ シャワー電極のガス噴射領域の直径 φ＝２ｒ₀ （シャワー直径（mm）） ＝１６
０，１８０，２１０ プロセス条件 ガス組成 ：ＣＦ₄ ３０（ＳＣＣＭ） ：ＣＨＦ₃ ３０（ＳＣＣＭ） ：Ａｒ ６００（ＳＣＣＭ） ガス物性 ：上記３種ガスを混合した混合ガスの平均
物性値を温度の３次式で 近似して求めた ガス流動状態：圧縮流（ただし、反応容器の内圧に応じ
て密度が変化することを考慮する。

【００２６】 圧力 ：ウェハ上面の中央部を基準点圧力Ｐ₈ と
すると、 Ｐ₈ ＝０．６（Ｔｏｒｒ） 基準点とガス導入口の差圧ΔＰとすると、 ΔＰ＝１０．９（Ｔｏｒｒ） 温度 ：ガス流量計算の場合は、計算領域内で一
定温度Ｔ＝１００℃となる。

【００２７】：反応計算の場合は、ウェハ上で一定温度
Ｔ₈ ＝６０℃ シャワーヘッドで一定温度Ｔ₉ ＝２５０℃となる。

【００２８】シャワー直径（電極におけるガス噴出領域
の直径）を１６０mm，１８０mm，２１０mmと種々変えた
ときの反応容器内のガス流動状態をコンピュータシミュ
レーションにより求め、ウェハ近傍の速度分布とエッチ
ング特性との関係を考察する。ここでは問題を単純化す
るために、原料ガスの消費と副生成ガスの発生による流
動状態の変化は無視する。

【００２９】図１０乃至図１２は、シャワー直径を１６
０mm，１８０mm，２１０mmと種々変えてガス流動状態に
ついてそれぞれ調べた結果を示すガス流速分布図であ
る。この場合に、８インチ径シリコンウェハに対して細
孔直径０．６mmのシャワー電極を用いて調べた。これら
の図から明らかなように、バッフル５１からシャワーヘ
ッド３上に到達する間に、ガスは水平方向に分散する
が、ガス流速のばらつきは大きい。このことはバッフル
５１，５２はガスを分散させる機能は有するが、流速を
整えて均一化する機能はもたないことを意味している。
一方、シャワーヘッド３とウェハＷとの間では中央部か
ら周縁部に向かってほぼ一様にガス流速が増加してい
る。このことはシャワーヘッド３がガス流速を均一化す
る機能を有することを意味している。

【００３０】なお、図９に示す最上部のバッフル５０は
導入ガスの圧力を調整するための部材である。図中にて
距離Ｌ₁ は１６mm、距離Ｌ₂ は１６．５mm、距離Ｌ₃ は
２４mm（＝２０mm＋４mm）、距離Ｌ₄ は１０mm、半径ｒ
₀ は１１０．５mm、半径ｒ₁は１６０mm（または１８０m
mまたは２１０mm）である。

【００３１】図１０から明らかなように、シャワー直径
が１６０mmの場合はウェハ中央部から周縁部に向かって
急速にガス流速が大きくなる。また、ガス流速の最大値
も三者のなかで最も大きい。これに対して図１１および
図１２から明らかなように、シャワー直径が１８０mmお
よび２１０mmの場合はウェハ中央部から周縁部に向かっ
てガス流速はほぼ一定であり、変動が少ない。

【００３２】次に、図１３および図１４を参照してガス
速度の分布特性について説明する。図１３は横軸にウェ
ハ中心からの距離ｒ（mm）をとり、縦軸にガス速度ｖ
（ｍ／秒）をとって、細孔直径０．６mmのシャワー電極
について調べた結果を示す。図１４は横軸にウェハ中心
からの距離ｒ（mm）をとり、縦軸にガス速度ｖ（ｍ／
秒）をとって、細孔直径０．８mmのシャワー電極につい
て調べた結果を示す。図中、黒丸はシャワー直径が１６
０mmの結果を、白丸はシャワー直径が１８０mmの結果
を、黒三角はシャワー直径が２１０mmの結果を、それぞ
れ示す。

【００３３】両図から明らかなように、ウェハ直上のガ
ス速度分布は細孔直径ｄに依存しない。また、ガス速度
はウェハ中心から直線的に増大し、ウェハ周縁部で最大
となる。シャワー直径が１６０mmの場合は距離ｒが８０
mmの位置でガス速度の最大値１．３２ｍ／秒が得られ
た。シャワー直径が１８０mmの場合は距離ｒが９５mmの
位置でガス速度の最大値１．１０ｍ／秒が得られた。シ
ャワー直径が２１０mmの場合は距離ｒが１０５mmの位置
でガス速度の最大値０．９８ｍ／秒が得られた。

【００３４】次に、ウェハ直上におけるガス速度の分布
について検討してみる。図１３および図１４に示したよ
うに、ウェハ半径方向のガス速度はウェハ周縁部の近傍
で最大値となる分布であった。この理由について考察す
る。

【００３５】ここでは問題を単純化するために、図１５
に示すモデルにおいてガスはシャワーヘッド全面から均
一に供給されるものとする。距離ｒ（ウェハ中心からの
距離）がシャワーガス噴射領域の半径ｒ₀ より小さい場
合（ｒ≦ｒ₀ ）と、距離ｒが直径ｒ₀ より大きい場合
（ｒ＞ｒ₀ ）とに場合分けしてそれぞれ説明する。 （ａ）ｒ≦ｒ₀ の場合 この領域（シャワーガスが噴射される領域）では、シャ
ワーヘッド単位面積あたりのガス流量ｆは下式（１）で
与えられる。ただし、ｒ₀ はシャワー電極におけるガス
噴射領域の直径を示し、Ｖ₀ は導入ガス流量を示す。

【００３６】 ｆ＝Ｖ₀ ／πｒ₀ ² …（１） 距離ｒの位置におけるガス流量Ｆは下式（２）で与えら
れる。 Ｆ＝πｒ² ｆ ＝（ｒ² Ｖ₀ ）／（ｒ₀ ² ） …（２） 流量Ｆのガスが通過する流路の断面積Ｓは下式（３）で
与えられる。ただし、Ｌ₅ はガス噴出口からウェハ上面
までの距離である。

【００３７】 Ｓ＝２πｒＬ₅ …（３） よって、ガス速度ｖは下式（４）で与えられる。 ｖ＝Ｆ／Ｓ ＝（Ｖ₀ ／２πＬ₅ ｒ₀ ² ）・ｒ …（４） これから明らかなようにガス速度ｖは距離ｒに比例して
大きくなる。また、ガス速度ｖはｒ₀ ² に反比例するの
で、シャワー半径ｒ₀ が小さくなればなるほどガス速度
ｖは大幅に大きくなる。 （ｂ）ｒ＞ｒ₀ の場合 この領域（シャワーガスの噴射領域を外れた領域）で
は、中心から半径ｒ₀ の範囲内のみにガスが供給される
ので、ガス流量Ｆは下式（５）に示すようにＶ₀に等し
くなる。

【００３８】 Ｆ＝Ｖ₀ …（５） そこで、ガス速度ｖは下式（６）によって求められる。 ｖ＝Ｆ／Ｓ ＝（Ｖ₀ ／２πＬ₅ ）・（１／ｒ） …（６） これから明らかなように、ガス速度ｖは、半径ｒが大き
くなるほど小さくなり、またｒ₀ に依存しない。

【００３９】表１にガス速度とエッチレートとの関係に
つき実験で調べた結果を示す。なお、各ガス速度および
エッチレートはウェハ中心から９０mm離れたところで測
定した。この表から明らかなように、シャワー直径２ｒ
₀ が大きくなるほど、ガス速度が小さくなるほどエッチ
レートは低下する。これは、ガス速度が小さいほどエッ
チング反応により生じた副生成ガスが排出されにくく、
ウェハ表面近傍に滞留することに起因している。

【００４０】 表１ ２ｒ₀ ガス速度 エッチレート （mm） （ｍ／秒） （Ａ／分） 160 1.150 5024 180 1.033 5023 210 0.7605 4770 表２および表３にガス濃度とコンタクトホール形状との
関係につき実験で調べた結果をそれぞれ示す。表２はウ
ェハ中心から１０mm離れたところで測定した結果を示
し、表３はウェハ中心から９０mm離れたところで測定し
た結果を示す。ここで、「テーパ角度」とは図８に示す
コンタクトホール９４の周壁の傾き角度をいう。

【００４１】いずれの位置においてもシャワー直径２ｒ
₀ が大きくなるほど、ガス速度が小さくなるほどテーパ
角度が小さくなる。これは、ガス速度が小さいほどエッ
チング反応により生じた副生成ガスが排出されにくく、
ウェハ表面近傍に滞留することに起因している。

【００４２】 次に、エッチング反応についてコンピュータシミュレー
ションを用いて検討した結果について説明する。

【００４３】図１６乃至図１８のそれぞれは、反応シミ
ュレーションによりモデル化したプラズマ生成領域にお
けるＳｉＦ₄ ガス濃度分布を示すシミュレーションモデ
ル図である。図中、ウェハ端部は符号ＷＥのところに位
置し、ウェハ上方からガスが供給され、右方向に排気さ
れている。

【００４４】プラズマ生成領域では下式（７）に示す反
応が進行し、副生成ガスとしてＳｉＦ₄ が生じる。 ＳｉＯ₂ ＋ＣＦ₄ →ＳｉＦ₄ ＋ＣＯ₂ …（７） ウェハ近傍では原料ガスだけでなく副生成ガスも反応に
関与している。エッチレートはＣＦ₄ ガス濃度およびＳ
ｉＦ₄ ガス濃度に支配される。一方、コンタクトホール
形状はＣＨＦ₃ ガス濃度およびＳｉＦ₄ ガス濃度に支配
される。従って、原料ガスであるＣＦ₄ およびＣＨＦ₃
のみならず副生成ガスであるＳｉＦ₄ の濃度分布を知る
必要がある。

【００４５】図１９および図２０にそれぞれ示すよう
に、ウェハ直上の原料ガスおよび副生成ガスの濃度はウ
ェハ中央付近では均一であり、ウェハエッジ付近で変化
するようなガス濃度分布となった。

【００４６】表４にシャワー直径２ｒ₀ とＣＦ₄ 濃度分
布との関係について調べた結果を示す。表中にて括弧書
きした％数値は、ガス供給側における初期濃度値4.5454
×10^-2（ mol／mol ）に対するウェハ直上のＣＦ₄ 濃度
の低下率を表わしたものである。なお、ガス濃度はウェ
ハ直上の位置で調べた。

【００４７】シャワー直径２ｒ₀ が１６０mmの場合は、
ウェハ直上の濃度と初期濃度との差は３．６％である。
また、ウェハ面内におけるＣＦ₄ 濃度差は１％にすぎな
い。シャワー直径２ｒ₀ が１８０mmの場合は、ウェハ直
上の濃度と初期濃度との差は３．６％である。また、ウ
ェハ面内におけるＣＦ₄ 濃度差は僅かに０．１％にすぎ
ない。

【００４８】シャワー直径２ｒ₀ が２１０mmの場合は、
ウェハ直上の濃度と初期濃度との差は４．６％である。
この濃度差は前二者に比べて大きく、無視できない数値
である。一方、ウェハ面内におけるＣＦ₄ 濃度差は僅か
に０．２％にすぎない。

【００４９】シャワー直径１６０mm（ガス供給速度１
０．６ｍ／秒）の場合がガス濃度は最大になり、シャワ
ー直径２１０mm（ガス供給速度５．７０ｍ／秒）の場合
がガス濃度は最小になる。しかし、両者の濃度差は１．
５％にすぎない。また、ウェハ面内におけるＣＦ₄ 濃度
差も１％未満にすぎない。よって、シャワー直径の相違
によるウェハ面上のＣＦ₄ ガス（原料ガス）濃度の差は
小さいといえる。

【００５０】 表４ ２ｒ₀ ＣＦ₄ 濃度（ mol／mol ） （mm) ウェハ中心部 ウェハ周縁部 160 4.4211×10^-2（2.8 ％） 4.3744×10^-2（3.8 ％） 180 4.3818×10^-2（3.6 ％） 4.3755×10^-2（3.7 ％） 210 4.3386×10^-2（4.6 ％） 4.3471×10^-2（4.4 ％） 表５にシャワー直径２ｒ₀ とＳｉＦ₄ 濃度分布との関係
について調べた結果を示す。なお、ガス濃度はウェハ直
上の位置で調べた。

【００５１】シャワー直径２ｒ₀ が１６０mmの場合は、
ウェハ中心部より周縁部のほうがＳｉＦ₄ 濃度が高い。
ウェハ中心部と中間部とのＳｉＦ₄ 濃度差が１％である
のに対して、ウェハ中心部と周縁部との濃度差は３６％
にもおよぶ。ウェハ面内におけるＳｉＦ₄ 濃度差は特に
大きいといえる。

【００５２】シャワー直径２ｒ₀ が１８０mmの場合は、
ウェハ中心部と中間部との濃度差は１％であり、ウェハ
中心部と周縁部との濃度差は３％である。ウェハ面内に
おけるＳｉＦ₄ 濃度差は小さいといえる。

【００５３】シャワー直径２ｒ₀ が２１０mmの場合は、
ウェハ中心部と中間部との濃度差は１％であり、ウェハ
中心部と周縁部との濃度差は３．２％である。ウェハ面
内におけるＳｉＦ₄ 濃度差は小さいといえる。

【００５４】１６０mmのシャワー直径２ｒ₀ の場合と２
１０mmのシャワー直径２ｒ₀ の場合とを比べてみると、
ウェハ中心部で後者のほうが前者よりも約４０％も高
い。また、ウェハ面内濃度差については前者のほうが後
者よりも大幅に大きい。

【００５５】 表５ ２ｒ₀ ＳｉＦ₄ 濃度（ mol／mol ） （mm) ウェハ中心部 ウェハ中間部 ウェハ周縁部 160 1.4168×10^-3 1.4299×10^-3 1.9257×10^-3 180 1.8512×10^-3 1.8700×10^-3 1.9145×10^-3 210 2.3299×10^-3 2.3583×10^-3 2.2573×10^-3 このような知見に基づきＳｉＦ₄ ガス濃度分布について
考察してみる。ここでも問題を簡単にするために、図１
５に示すようにガスはシャワーヘッド全面から均一に供
給されるものと仮定する。ウェハ単位面積あたりのＳｉ
Ｆ₄ 発生量をｂとすると、ウェハ中心から距離ｒだけ離
れたところでのＳｉＦ₄ 総量Ｂは下式（８）で与えられ
る。

【００５６】 Ｂ＝πｒ² ・ｂ …（８） 以下、シャワー電極におけるガス噴射領域の半径（シャ
ワー半径）ｒ₀ およびウェハ半径ｒ₈ と、ウェハ中心か
らの任意距離ｒとの大小により場合分けして説明する。 （ｃ）ｒ≦ｒ₀ の場合 この領域（シャワーガスの噴射領域）では、ＳｉＦ₄ の
濃度Ｃは下式（９）で与えられる。なお、原料ガス流量
Ｆは上式（２）で与えられる。

【００５７】 Ｃ＝Ｂ／Ｆ ＝（πｂ／Ｖ₀ ）ｒ₀ ² …（９） この領域内では濃度Ｃは半径ｒ₀ が大きくなるほど高く
なる。 （ｄ）ｒ₀ ≦ｒ≦ｒ₈ の場合 この領域では原料ガス流量Ｆは上式（５）で与えられ
る。一方、シャワーガスがウェハに向かって噴射される
領域であるので、ＳｉＦ₄ は生成される。よってＳｉＦ
₄ の濃度Ｃは下式（１０）で与えられる。

【００５８】 Ｃ＝Ｂ／Ｆ ＝（πｂ／Ｖ₀ ）ｒ² …（１０） この領域内では濃度Ｃは、半径ｒ₀ に依存せず、半径ｒ
が大きくなるほど高くなる。 （ｅ）ｒ₈ ≦ｒの場合 この領域（ウェハから遠く離れた領域）では、ＳｉＦ₄
総量Ｂは下式（１１）で与えられる。

【００５９】 Ｂ＝πｒ₈ ² ・ｂ …（１１） よってＳｉＦ₄ の濃度Ｃは下式（１２）で与えられる。
なお、原料ガス流量Ｆは上式（２）で与えられる。

【００６０】 Ｃ＝Ｂ／Ｆ ＝（πｒ₈ ² ｒ₀ ² ｂ／Ｖ₀ ）・（１／ｒ² ） …（１２） この領域では濃度Ｃは、半径ｒ₀ が大きくなるほど高く
なり、距離ｒが大きくなるほど低くなる。

【００６１】表６にガス濃度とエッチレートとの関係に
つき実験で調べた結果を示す。なお、各ガス濃度および
エッチレートはウェハ中心から９０mm離れたところで測
定した。この表から明らかなように、シャワー直径２ｒ
₀ が２１０mmのときのエッチレートは２ｒ₀ が１６０mm
のときのそれよりも５％（4770／5024＝0.95）増えてい
る。両者はＣＦ₄ モル分率がほとんど同じであるからＳ
ｉＦ₄ モル分率の差異がエッチレートの差異となってあ
らわれたものである。このことからエッチレートは副生
成ガスであるＳｉＦ₄ の濃度に強く依存することが明ら
かである。

【００６２】ＳｉＦ₄ がシリコンウェハ表面に吸着する
と仮定した場合に、ＳｉＦ₄ の濃度が高いほどウェハ表
面への吸着量が増大してエッチング反応が阻害される。
この場合の反応速度式としてラングミュアの吸着等温式
を採用することが望ましい。また、シャワー直径２ｒ₀
が大きくなるほどエッチングの均一性が向上する。

【００６３】 表６ ２ｒ₀ ＣＦ₄ モル分率 ＳｉＦ₄ モル分率 エッチレート （mm) （Ａ／min ） 160 4.384 ×10^-2 1.814 ×10^-3 5024（6.9 ％） 180 4.379 ×10^-2 1.873 ×10^-3 5023（6.4 ％） 210 4.343 ×10^-2 2.294 ×10^-3 4770（5.2 ％） 表７および表８にガス濃度とコンタクトホール形状との
関係につき実験で調べた結果をそれぞれ示す。表７はウ
ェハ中心から１０mm離れたところで測定した結果を示
し、表８はウェハ中心から９０mm離れたところで測定し
た結果を示す。ここで、「テーパ角度」とは図８に示す
コンタクトホール９４の周壁の傾き角度をいう。

【００６４】いずれの位置においてもシャワー直径２ｒ
₀ が大きくなるほど、ＣＦ₄ 濃度が低くなるほどテーパ
角度は小さくなる。一方、ＳｉＦ₄ 濃度が低くなるほど
テーパ角度は大きくなる。

【００６５】 表７ ２ｒ₀ ＣＦ₄ モル分率 ＳｉＦ₄ モル分率 テーパ角度 （mm） （°） 160 4.421 ×10^-2 1.417 ×10^-3 88.0 180 4.382 ×10^-2 1.851 ×10^-3 86.8 210 4.339 ×10^-2 2.330 ×10^-3 85.8 表８ ２ｒ₀ ＣＦ₄ モル分率 ＳｉＦ₄ モル分率 テーパ角度 （mm） （°） 160 4.384 ×10^-2 1.814 ×10^-3 87.6 180 4.379 ×10^-2 1.873 ×10^-3 87.0 210 4.343 ×10^-2 2.294 ×10^-3 86.0 なお、上記実施例では、高周波印加法はプラズマエッチ
ング（ＰＥ）モードを採用しているが、パワースプリッ
トモードまたは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）モー
ドを採用しても良い。

【００６６】

【発明の効果】本発明のプラズマエッチングシステムに
よれば、シャワー電極のガス噴出孔にポリマーが付着せ
ず、長時間にわたり連続して安定に使用することができ
る。このため、ウェハが生成ポリマーによって汚染され
なくなり、半導体デバイスの歩留まりが飛躍的に向上す
る。

【００６７】また、シャワー電極の細孔を通過するガス
の流速を高速にするので、高アスペクト比から低アスペ
クト比までの広範囲のエッチングを実現することができ
る。さらに、シャワー電極の細孔を通過するガスの流速
を高速にしたことによりプラズマの均一性が良くなり、
プラズマ放電の安定領域が０．１５〜３．０Ｔｏｒｒま
で広がり、高アスペクト比（アスペクト比３まで）のエ
ッチングも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るプラズマエッチングシス
テムの全体概要を示す断面ブロック図。

【図２】シャワー電極を示す平面図。

【図３】シャワー電極の一部を拡大して示す部分拡大平
面図。

【図４】シャワー電極の細孔の一部を示す縦断面図。

【図５】他のシャワー電極を示す平面図。

【図６】他のシャワー電極の一部を拡大して示す部分拡
大平面図。

【図７】本発明の効果を示す特性線図。

【図８】高アスペクト比エッチングされたウェハの一部
を拡大して示す縦断面図。

【図９】上部電極ユニットを模式化して示す断面モデル
図。

【図１０】ガス流速分布を示すシミュレーションモデル
図。

【図１１】ガス流速分布を示すシミュレーションモデル
図。

【図１２】ガス流速分布を示すシミュレーションモデル
図。

【図１３】ウェハ直上におけるガス速度を示す特性線
図。

【図１４】ウェハ直上におけるガス速度を示す特性線
図。

【図１５】電極およびウェハ間のガスシャワーを模式的
に示すモデル図。

【図１６】ＳｉＦ₄ ガス濃度分布を示すシミュレーショ
ンモデル図。

【図１７】ＳｉＦ₄ ガス濃度分布を示すシミュレーショ
ンモデル図。

【図１８】ＳｉＦ₄ ガス濃度分布を示すシミュレーショ
ンモデル図。

【図１９】ウェハ直上におけるＣＦ₄ ガス濃度を示す特
性線図。

【図２０】ウェハ直上におけるＳｉＦ₄ ガス濃度を示す
特性線図である。

【符号の説明】

１…処理室、２…上部電極ユニット、３…シャワー電
極、６…ウェハ保持台、１１…排気管、１２…高周波電
源、５１，５２…バッフル板、５３…冷却板、５４…カ
ソード板、５５…細孔、６１…チャック電極、７０…コ
ントローラ、７１ａ，７１ｂ，７１ｃ…ガス供給源、７
２ａ，７２ｂ，７２ｃ…マスフローコントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊東 儀一 山梨県中巨摩郡竜王町西八幡（番地な し） 株式会社日立製作所甲府工場内 (72)発明者 平野 基博 東京都青梅市藤橋３丁目３番地２ 日立 東京エレクトロニクス株式会社内 (72)発明者 野沢 光 東京都青梅市藤橋３丁目３番地２ 日立 東京エレクトロニクス株式会社内 (72)発明者 松尾 浩光 東京都青梅市藤橋３丁目３番地２ 日立 東京エレクトロニクス株式会社内 (72)発明者 飯室 俊一 山梨県韮崎市藤井町北下条2381番地１ 東京エレクトロン山梨株式会社内 (72)発明者 戸澤 茂樹 山梨県韮崎市藤井町北下条2381番地１ 東京エレクトロン山梨株式会社内 (72)発明者 三浦 豊 山梨県韮崎市穂坂町三ツ沢650 東京エ レクトロン株式会社内 審査官 大日方 和幸 (56)参考文献 特開 平４−37124（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−67739（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/3065

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマを閉じ込める容器と、この容器
   内を排気する手段と、基板を保持するチャック電極と、
   このチャック電極に向き合う多数の細孔を有するシャワ
   ー電極と、このシャワー電極および前記チャック電極の
   間にプラズマ電圧を印加する電源と、前記シャワー電極
   の細孔に連通し、細孔を介して前記容器内にプラズマ生
   成用のガスを供給する手段と、前記細孔を通過する前記
   ガスが質量流量で６２０ｋｇ／ｍ² ／時間以上となるよ
   うに前記ガス供給手段を制御する手段と、を有すること
   を特徴とするプラズマエッチングシステム。
2. 【請求項２】 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以上の範囲に及ぶことを特徴
   とする請求項１記載のプラズマエッチングシステム。
3. 【請求項３】 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
   の範囲に及ぶことを特徴とする請求項１記載のプラズマ
   エッチングシステム。
4. 【請求項４】 ６ｍｍ以上のピッチ間隔で細孔が形成さ
   れたシャワー電極を有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システム。
5. 【請求項５】 ０．８ｍｍ未満のガス噴出口径をもつ細
   孔が形成されたシャワー電極を有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システム。
6. 【請求項６】 細孔の開口総面積が１００乃至１２０mm
   ² の範囲にあることを特徴とする請求項１記載のプラズ
   マエッチングシステム。
7. 【請求項７】 冷媒で冷却される冷却部材がシャワー電
   極に取り付けられてい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システム。
8. 【請求項８】 シャワー電極は円盤形状であり、細孔が
   等間隔ピッチの格子状配列となるようにシャワー電極に
   形成されていることを特徴とする請求項１記載のプラズ
   マエッチングシステム。
9. 【請求項９】 シャワー電極は円盤形状であり、細孔が
   等間隔ピッチの同心円配列となるようにシャワー電極に
   形成されていることを特徴とする請求項１記載のプラズ
   マエッチングシステム。
10. 【請求項１０】 基板を容器内のチャック電極で保持
    し、容器内が減圧状態となるように容器内を排気し、シ
    ャワー電極の細孔を通過するときに質量流量で６２０ｋ
    ｇ／ｍ² ／時間以上となるようにプラズマ生成用ガスを
    容器内に導入し、シャワー電極およびチャック電極の間
    に電圧を印加し、両電極間にプラズマを生成し、生成プ
    ラズマを基板に作用させることを特徴とするプラズマエ
    ッチング方法。