JP2903239B2

JP2903239B2 - プラズマエッチング方法

Info

Publication number: JP2903239B2
Application number: JP6525390A
Authority: JP
Inventors: 義男深沢
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1990-03-15
Filing date: 1990-03-15
Publication date: 1999-06-07
Anticipated expiration: 2014-06-07
Also published as: JPH03266428A

Description

【発明の詳細な説明】【産業上の利用分野】

この発明は、プラズマエッチング方法に関する。

【従来の技術】

半導体素子の複雑な製造工程の簡略化、工程の自動化
を可能とし、しかも微細パターンを高精度で形成するこ
とが可能な各種薄膜のエッチング装置として、ガスプラ
ズマ中の反応成分を利用したプラズマエッチング装置が
注目されている。このプラズマエッチング装置は、真空装置に連接した
気密容器の下方に下部電極を設けると共に、この下部電
極と対向する上方に上部電極を設け、上部電極と下部電
極との間、例えば下部電極上に被処理基板例えば半導体
ウェーハを設置する。そして、所定のエッチングガスを
両電極間に供給すると共に、両電極間に高周波（RF）電
力を印加することにより、エッチングガスをプラズマ化
し、このプラズマ化したガスにより半導体ウェーハ表面
のエッチングを行うものである（例えば特開昭57−1560
34号、特開昭61−174632号等参照）。そして、この種のエッチング装置として、特開昭62−
12129号公報には、ウェーハの汚染の原因となるミスト
の付着を防止するために、上部電極、下部電極、気密容
器を同一温度に温調する技術が示されている。

【発明が解決しようとする課題】

ところで、エッチング処理の評価をする場合、エッ
チング速度すなわちエッチングレート、ウェーハ面内
におけるエッチングの均一性、下地膜に対するエッチ
ング速度とエッチング対象の膜に対するエッチング速度
の比すなわち選択性、の３つのエッチング特性が問題に
なると共に、エッチング部のテーパ形状が問題になる。
このエッチング部のテーパ形状（以下、エッチング形状
と略称する）は、エッチングすべき膜を下地膜に対し
て垂直にエッチングするときは異方性形状、エッチン
グ端面と下地膜とのなす角が鋭角となるようにするとき
は正テーパ形状、エッチング端面と下地膜とのなす角
が鈍角になるようにするときは逆テーパ形状と呼ぶ。通
常は、上記のエッチング特性が最適になるようにすると
共に、所望のエッチング形状となるように、種々のパラ
メータ、例えば気密容器内の圧力、RFパワー、ガス流量
等のパラメータが定められる。ところが、エッチングの前処理の膜付け工程の際の条
件が変わると膜質が変化する。このため、前処理の膜付
け工程において、ある条件で成膜されたウェーハに対し
て、エッチング形状が所望の形状例えば異方性形状にな
ると共に、エッチング特性が最適になるように各パラメ
ータを定めたとしても、前処理の膜付け工程の際の条件
が異なるウェーハを、同じパラメータ条件でエッチング
した場合に、エッチング形状が異方性形状とならない事
態が生じる。このような場合に、通常は、上記圧力、RF
パワー、ガス流量をコントロールすることにより、異方
性形状となるように制御している。ところが、これらのパラメータはエッチング特性にも
関与しており、これらを変更すると、エッチング形状は
所望の形状例えば異方性形状にできるが、エッチング特
性すなわちエッチングレート、均一性、選択性は、悪化
してしまう欠点がある。この発明は、この点にかんがみ、エッチング特性を悪
化させずに、エッチング形状のみを所望の形状に制御で
きるプラズマエッチング方法を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

気密容器内で２つの電極の間に電力を印加して処理ガ
スをプラズマ化し、このプラズマ化した処理ガスにより
エッチングを行う方法において、前記２つの電極の温度差を調整することにより、被処
理体におけるエッチング形状を調整するようにしたこと
を特徴とする。

【作用】

例えば、プラズマを生起させる上部電極と下部電極と
の間の温度の高低及びその温度差を調整することによっ
て、処理ガスの電極間の濃度分布状態を調整することが
でき、この結果、エッチング溝形状を調整することがで
きる。すなわち、処理ガスの吸着性向に着目すると、温度依
存性がある。そこで、例えば温度が低い方に対して吸着
しやすい性質を有するガス（ほとんどのガスはそうであ
る）を使用した場合、この温度の低い方の電極に近いほ
ど処理ガスの濃度は高くなり、その濃度勾配は両電極の
温度差に応じたものとなる。そして、処理ガスの濃度が
高いほうが側壁保護効果が高くなると考えられる。この
ため、濃度分布に応じたエッチング形状が得られるもの
である。このことは、実験をした結果、後述のように確
認された。そして、電極の温度を変えてもエッチング特
性は全く悪化しないことも実験により確認された。

【実施例】

以下、この発明によるプラズマエッチング方法の一実
施例を、この方法を実施するエッチング装置の一例と共
に図を参照しながら説明する。第２図は、この例のプラズマエッチング装置の全体の
概要を示す図で、複数枚の半導体ウェーハが収納された
ウェーハカセットが収容されているセンダー１からハン
ドリングアーム２により、１枚の半導体ウェーハ３を取
り出し、アライメントステージ４に載置する。そして、
アライメントステージ４で位置合わせしたウェーハ３
は、イン側のロードロック室（真空予備室）６のゲート
５を開けて、このロードロック室６に搬入し、ゲート５
を閉じる。そして、ロードロック室６内を真空吸引し、
エッチング処理室８内とほぼ同一真空雰囲気になったら
ゲート７を開けて、ロードロック室６内に設けられるハ
ンドリングアーム（図示せず）によりウェーハ３をエッ
チング処理室８に搬入する。エッチング処理が終了したら、アウト側のロードロッ
ク室10内をエッチング処理室８とほぼ同一真空雰囲気に
した状態でゲート９を開け、処理済みウェーハを、ロー
ドロック室10に設けられるハンドリングアーム（図示せ
ず）により、このロードロック室10内に搬入する。次に、ロードロック室10を後処理室12と同じ真空雰囲
気にしてゲート11を開け、ウェーハを後処理室12に搬送
する。後処理室12では必要に応じてライトエッチやアッ
シング等のトリートメントを行う。後処理が終了したら
ゲート13を開け、ウェーハは、ハンドリングアーム２に
よりレシーバー14に収納する。エッチング処理室８は、例えば第１図に示すように構
成され、アルミニウム製で表面がアルマイト処理された
円筒状の形状とされている。この処理室８の下方には、下部電極21が例えばエアー
シリンダを用いた昇降機構22により昇降自在に設けられ
ている。下部電極21には、その昇降に応じて伸縮する例
えばSUS製のベローズ23が接続されて、気密が保たれて
いる。この下部電極21は、例えばアルミニウム製で、表
面にアルマイト処理が施されたものであり、半導体ウェ
ーハを設置するこの下部電極21の上面は円形に形成され
る。この上面は中心部から周縁部にかけて傾斜してい
る。この下部電極21のウェーハ載置面には、半導体ウェー
ハと下部電極21との間のインピーダンスを一様にするよ
うに、合成高分子フィルム例えば厚さ20μｍ〜100μｍ
程度の耐熱性ポリィミド系樹脂（図示せず）が、耐熱性
アクリル樹脂系粘着材で接着することにより設けられて
いる。また、下部電極21には鉛直方向に貫通した例えば４か
所の貫通口（図示せず）が形成され、この貫通口内には
昇降自在なリフターピン24が挿入される。このリフター
ピン24は、例えばSUSで構成され、４本のリフターピン2
4が、板25を介して昇降機構26の駆動によって昇降自在
となっている。この場合、板25は、常時、コイルスプリ
ング27により下方に付勢されており、昇降機構26が駆動
していないと、リフターピン24の先端は下部電極21表面
より下降している。また、上記貫通口には冷却ガス流導管（図示せず）が
接続されており、この冷却ガス流導管は半導体ウェーハ
周縁部に位置する下部電極21表面に設けられた複数個例
えば16個の開口（図示せず）に連通している。この開口
及び前記貫通口から半導体ウェーハ裏面に冷却ガス例え
ばヘリウムガスを供給自在なように、処理室８下部に冷
却ガス導入管（図示せず）が設けられ、図示しない冷却
ガス供給源に連接している。また、下部電極21に流路28が設けられ、この流路28に
温調機構30から配管29を通じて、例えばエチレングリコ
ール100％の液あるいはエチレングリコールと水との混
合液からなる温調液が供給されている。そして、下部電
極21の温度を検出する温度センサ例えば白金測温抵抗体
31が設けられ、この温度センサ31の検知出力が温調機構
30に供給され、これに基づいて下部電極21の温度を所定
のものに制御することができるように構成される。下部電極21の側部から処理室８の内面間での隙間に、
所定の間隔で均等に配された複数個、例えば36個の排気
口を備えた排気リング（図示せず）が処理室８の側壁51
に固定されており、この排気リング下方の処理室８の側
壁51に接続した排気管を介して図示しない排気装置例え
ばターボ分子ポンプとロータリーポンプを連続的に接続
したもの等により処理室８内部の排気ガスを排気自在と
している。このような下部電極21に半導体ウェーハを載置固定す
るために、下部電極21が上昇したとき、ウェーハを押え
るようにクランプリング32が設けられている。そして、
このクランプリング32にウェーハが当接し、さらに下部
電極21を上昇させたとき、このクランプリング32は所定
の押圧力を保持しながら所定の高さ例えば5mm上昇する
ように構成されている。すなわち、このクランプリング
32は、複数のシャフト33により支持され、例えば４本の
エアーシリンダ34を介して上下動するように構成されて
いる。このクランプリング32は、半導体ウェーハの周縁
部を下部電極21の円形に形成した表面に当接させるよう
に、半導体ウェーハの口径に適応させたものとなってい
る。また、このクランプリング32は、例えばアルミニウ
ム製で、表面にアルマイト処理を施し、このアルマイト
処理により表面に絶縁性のアルミナの被膜が設けられて
いる。処理室８の上部の、前記下部電極21と対向した位置に
は、上部電極35が設けられている。この上部電極35は、
導電性材質例えばアルミニウム製で、表面にアルマイト
処理を施したもので構成され、電極表面体35aと中間体3
5bと本体35cの３体が一体に組み立てられた構成となっ
ている。そして、この上部電極35にも温調手段が施されてい
る。すなわち、例えば、上部電極35の例えば本体35c内
部に循環する流路36が設けられ、この流路36に温調機構
38から配管37を通じて、例えばエチレングリコール100
％の液あるいはエチレングリコールと水との混合液から
なる温調液が供給されている。そして、上部電極35の温
度を検出する温度センサ例えば白金測温抵抗体39が設け
られ、この温度センサ39の検知出力が温調機構30に供給
され、これに基づいて上部電極35の温度を所定のものに
制御することができるように構成される。上部電極35の本体35cと中間体35bとの間には空間41が
形成され、この空間41にはガス供給管42が接続されてお
り、処理室８の外部に設けられたガス供給源（図示せ
ず）から図示しない流量調節器を介してエッチング処理
ガス例えば四塩化炭素CCl₄やCF₄等とキャリアガス例え
ばArやHe等がこの空間41内に供給されるように構成され
ている。また、この空間41内には、ガスを均等に拡散するため
に複数の開口を有するバッフル板43が複数枚設けられて
いる。そして、このバッフル板43で拡散された反応ガス等を
上部電極35を介して処理室８内部へ流出させるように、
表面電極体35aには複数の孔44が形成されている。この
上部電極35の周囲には図示しない絶縁リングが設けられ
ており、この絶縁リングの下面から上部電極35の下面周
縁部に伸びたシールドリング46が配設されている。この
シールドリング46は、エッチング処理される半導体ウェ
ーハとほぼ同じ口径にプラズマを発生可能なように、絶
縁体例えば四弗化エチレン樹脂製で形成されている。また、上部電極35には、高周波電源47から高周波電力
が供給される。なお、この例では、図示しなかったが、
下部電極21にも高周波電源から高周波電力が供給され
る。もっとも、下部電極21には、高周波電力は印加せず
にプラズマエッチング処理を行う場合もある。また、エッチング処理室８の側壁51には、この側壁に
ミストが付着することを防止するために、側壁内部に処
理室８を巻回するように流路48が設けられ、この流路48
に連接した配管49を介して温調機構50により所定温度に
設定制御可能となっている。次に、エッチング処理室８におけるプラズマエッチン
グの動作について説明する。エッチング処理室８が、イン側ロードロック室６とほ
ぼ同じ真空雰囲気、例えば１×10^-4Torrに減圧された
後、ゲート７が開かれ、イン側ロードロック室６のハン
ドリングアーム（図示せず）により、ウェーハをロード
ロック室６から処理室８に搬入する。この搬入動作によ
り、下部電極21の昇降機構26の駆動によりリフターピン
24を例えば12mm/sのスピードで上昇させる。この上昇に
より各リフターピン24の上端部でウェーハを載置し停止
状態とする。この後、イン側ロードロック室６のハンド
リングアームをイン側ロードロック室６内に戻し、ゲー
ト７を閉鎖する。そして、処理室８内の下部電極21を所
定量、例えば下部電極21でウェーハを載置する如く、昇
降機構22の駆動により上昇させる。さらに、連続動作で
下部電極21を低速度で上昇させ、クランプリング32に当
接させ、さらに所定の押圧力を保持しながら所定量例え
ば5mm上昇させる。これにより、下部電極21と上部電極3
5とのギャップが所定の間隔例えば６〜20mmに設定され
る。上記動作中、排気制御しておき、所望のガス流及び
排気圧に設定されているか確認する。その後、処理室８
内を0.1〜3Torrに保つように排気制御しながら、反応ガ
ス例えばCCl₄ガス100SCCM、CHF₃ガス100SCCMやCF₄ガス1
00SCCM及びキャリアガス例えばHeガス1000SCCMやArガス
1000SCCM等をガス供給源よりガス供給管42を介して上部
電極35の空間41に設けられたバッフル板43により均等整
流させ、上部電極35の電極表面体35aに設けられた複数
の孔44から半導体ウェーハへ流出させる。同時に、高周
波電源47により上部電流35と下部電極21との間に周波数
が例えば13.56MHzの高周波電力を印加して上記反応ガス
をプラズマ化し、このプラズマ化した反応ガスにより半
導体ウェーハのエッチングを行なう。この際、下部電極21の流路28には温調装置30から配管
29を介して温調液が供給されている。そして、温度セン
サー31からの下部電極21の温度データが温調機構30に供
給され、この温度データに基づいて下部電極21は後述す
る所定温度になるように温度調節される。同様にして、上部電極35の流路36には温調装置38から
配管37を介して温調液が供給されている。そして、温度
センサー39からの上部電極35の温度データが温調機構38
に供給され、この温度データに基づいて上部電極35は後
述する所定温度になるように温度調節される。上部電極
35及び下部電極21は、高周波電力の印加により高温にな
ろうとするが、上記温調によりこれら上部電極35及び下
部電極21は、常に上記所定温度になるように温調され
る。上記上部電極35及び下部電極21の設定温度は、予め予
備的に目的のウェーハのエッチングを、エッチング特性
を最適にできるエッチング条件において行ない、そのエ
ッチング形状が所望の形状になるように定められる。例えばウェーハの酸化膜の上に形成されたポリシリコ
ン膜をエッチングする場合において、エッチング条件
を、圧力を30mTorr、上下の電極21,35の間隔を1cm、RF
パワーを150W、プロセスガスはCCl₄＝100SCCMとHe＝350
SCCMとO₂＝20SCCMの混合ガス、ウェーハ冷却ガスHe＝5S
CCM、側壁51の温度は温調機構50により40℃に、また、
下部電極21の温度は温調機構30により50℃に温調する状
態において、上部電極35の温度を温調機構38により、40
℃、50℃、60℃の３通りに変えてエッチングを行なって
エッチング形状を調べた結果、半導体ウェーハの中央部
では第３図に示すようになり、半導体ウェーハの周辺部
では第４図に示すようになった。すなわち、この例の場合、エッチング溝形状は、上部
電極35の温度が50℃のとき、つまり下部電極21との温度
差が０のときには、第３図Ｂ及び第４図Ｂに示すよう
に、異方性形状になった。そして、上部電極35の温度を40℃にしたときには、エ
ッチング形状は第３図Ｃ及び第４図Ｃに示すように逆テ
ーパ形状になった。これは、下部電極21の温度に比較し
て上部電極35の温度が10℃低くなっているため、エッチ
ングガスは低温の上部電極35側により多く吸着分布する
状態になるためであると考えられる。このときの逆テー
パの度合いは温度差に依存するものとなる。また、上部電極35の温度を60℃にしたときには、エッ
チング形状は、第３図Ａ及び第４図Ａに示すように正テ
ーパ形状になった。これは、下部電極21の温度に比較し
て上部電極35の温度が10℃高くなっているため、エッチ
ングガスは低温の下部電極21側により多く吸着分布する
状態になるためであると考えられる。このときの正テー
パの度合いは温度差に依存するものとなる。そして、以上のように上部電極35の温度を変更した時
の各温度における、ポリシリコンのエッチングレートを
第５図において○印で示し、酸化膜のエッチングレート
を同図において△印で示し、両者の比である選択比を同
図において□印で示す。この第５図から明らかなよう
に、エッチングレート及び選択比は、いずれも上部電極
35の温度を変化させてエッチングを行なった場合にも、
ほぼ一定のものとなって悪化することはなく、最適状態
に保たれることが分かる。また、第３図及び第４図から
明らかなように、ウェーハ面内でのエッチングの均一性
も上部電極35の設定温度を変更しても良好であることが
確認された。上部電極35の温度を一定にしておいて、下部電極21の
温度を変更しても同様の結果が得られる。すなわち、前
述と同様のエッチング条件において、上部電極35の温度
を40℃に設定固定した状態で、下部電極21の温度を30
℃,40℃,50℃に変更したところ、エッチング形状は、下
部電極21の温度が30℃のときには、第６図Ｃに示すよう
に正テーパ形状になり、40℃のときには同図Ｂに示すよ
うに異方性形状になり、50℃のときには逆テーパ形状と
なった。そして、このように下部電極21の温度を変更し
た時の各温度における、ポリシリコンのエッチングレー
ト、酸化膜のエッチングレート、両者の比である選択比
は、第７図に示すようになり、エッチングレート及び選
択比は、いずれも下部電極21の温度を変化させてエッチ
ングを行なった場合にも、ほぼ一定のものとなって悪化
することはなく、最適状態に保たれることが確認され
た。なお、図示しなかったが、この場合にもウェーハの
中央部と周辺部とでエッチング形状はほぼ一定になり、
均一性も保たれていることが確認された。したがって、エッチング特性を最適にした状態で、上
部電極35あるいは下部電極21の設定温度を、温調機構38
または30により設定変更して、上部電極35と下部電極21
との温度の高低及びその温度差をコントロールすること
により、所望のエッチング形状でエッチングを行なうこ
とができる。因みに、上記の例では異方性形状にエッチ
ングを施す、すなわち異方性エッチングを行なう場合に
は、上部電極35及び下部電極21は共に、50℃あるいは40
℃に温調制御するようにすればよい。そして、こうして上部電極35及び下部電極21の設定温
度も含めたエッチング条件を定めた後、このエッチング
工程の前工程での膜付け工程の条件が異なるウェーハを
同じように異方性エッチングする場合には、予備的にエ
ッチングを行ない、エッチング形状を確認する。そし
て、エッチング形状が所望の形状、例えば異方性になっ
ていない場合には、例えば上部電極35の設定温度を変更
して異方性形状になるように、下部電極21との温度の高
低及び温度差を調節する。そして、こうして定めた上部
電極35及び下部電極21の温度条件で、その新たなウェー
ハに対する異方性エッチングを行なうものである。この
場合に、前述もしたように、上部電極35の設定温度を変
更しても、エッチング形状のみが変化し、エッチングレ
ート、選択性、均一性のエッチング特性が悪化すること
はない。なお、上部電極35及び下部電極21の両方の温度を変更
して両者の温度の高低及び温度差をコントロールするよ
うにしても良いことはいうまでもない。また、上記実施例では上部電極35及び下部電極21さら
にエッチング処理室側壁51の温調に温調水を使用するよ
うにしたが、温調方法はこれに限定されるものではな
く、例えばペルチェ効果素子を用いた温調でも同様の効
果を得ることができる。また、被処理基板としては、上記の例のような半導体
ウェーハに限らず、例えばLCD基板にも適用できる。さらに、また上記実施例では、高周波放電電極により
プラズマを発生させたが、ウェーハの表面と平行に磁場
を形成し、その磁界と直交する方向に電界を形成してプ
ラズマを生起させてもよい。さらにμ波によりプラズマ
を発生させてもよい。

【発明の効果】

以上説明したように、この発明のエッチング方法によ
れば、プラズマを生起させる電極の温度を制御すること
により、エッチング特性を所望のものにすることがで
き、所望のエッチング形状に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による方法に用いるエッチング処理室
の一実施例を示す図、第２図はこの発明によるエッチン
グ方法が適用されるエッチング装置の全体の概要の一例
を示す図、第３図及び第４図は上部電極の温度を変えた
ときのエッチング形状を示す図、第５図はそのときのエ
ッチング特性を示す図、第６図は下部電極の温度を変え
たときのエッチング形状を示す図、第７図はそのときの
エッチング特性を示す図である。 8;エッチング処理室 21;下部電極 28,36;流路 29,37:配管 30,38;温調機構 31,39;温度センサー 33;クランプリング 42;ガス供給管

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】気密容器内で、対向する２つの電極の一方
の電極に被処理体が設置され、前記２つの電極の間に電
力を印加して処理ガスをプラズマ化し、このプラズマ化
した処理ガスによりエッチングを行う方法において、前
記２つの電極の温度差を調整することにより、被処理体
のエッチング部のテーパ形状を調整するようにしたこと
を特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項２】前記２つの電極の温度差は、それぞれの電
極を所定の温度に設定することにより生じさせることを
特徴とする請求項（１）に記載のプラズマエッチング方
法。