JP3422540B2 - 電磁的に結合された平面プラズマ装置内の酸化物をエッチングするための改良されたプロセス - Google Patents

電磁的に結合された平面プラズマ装置内の酸化物をエッチングするための改良されたプロセス

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、電磁的に結合された
平面プラズマ装置内の酸化物をエッチングするための改
良されたプロセス及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】オーグル（Ogle）への米国特許4,948,45
8 号は、広い圧力範囲で動作しうる平面プラズマを発生
する装置について述べている。この装置は、チャンバの
１つの壁に絶縁窓（dielectric window ）またはシール
ド、チャンバ外の絶縁シールドの近くに配置された平面
コイル、及びコイルに結合されたＲＦ源を有する真空チ
ャンバである。チャンバは、チャンバにプラズマ先行ガ
スを導入するためのポート、及び処理される基板の出し
入れのためのポートも備えており、基板を絶縁窓に対し
て平行に支持する支持部も備えている。ＲＦ電流がコイ
ルに付与されたとき変化する磁場が誘導され、この磁場
は、絶縁シールドを通ってチャンバ内に広がり、チャン
バの処理領域内に電子の回転流れを誘導する。この誘導
された電子の回転場は、実質的に、平面コイルに平行な
面内に存在し、平面方向でない方向の運動エネルギの移
動を小さくする。エッチングされる基板はプラズマ面の
方向にも設けられ、このため、処理される間の、帯電し
た粒子の、基板に対して平面方向でない方向の速度成分
は最小にされ、基板の処理は、ＲＦバイアスが接地され
た電極またはチャンバに対して基板に付与される場合を
除いて、一般に基板に対するプラズマ種の化学的作用に
限られる。米国特許4,948,458 号の全開示は、引用形式
で組み込まれる。
【０００３】上記プラズマ反応器は、アルミニウムのよ
うな材料をエッチングするのに有用であるが、半導体デ
バイスの製造において要求されるシリコン酸化物のよう
な酸化物のエッチングに関しては限界がある。例えば、
シリコン酸化物の薄膜及び層は、シリコン、金属層、シ
リコン窒化物等を含むシリコンデバイスの製造中に種々
の基板に適用される。典型的には、フォトレジストはシ
リコン酸化物層上に蒸着され（is deposited）、エッチ
ングされ、パターンが形成される。シリコン酸化物は、
ＣＦ4 、Ｃ2 Ｆ6 、Ｃ3 Ｆ8 、ＣＨＦ3 等のようなフッ
化炭化水素（fluorohydrocarbon ）ガスによってエッチ
ングされる。例えば、ポリシリコン上のシリコン酸化物
層内の開口部（via ）はエッチングされた後、その開口
部は導体によって満たされ、下層のポリシリコンとシリ
コン酸化物上の導体層との間の接点となる。もっと小さ
くて深い開口部を満たすためには、エッチングプロセス
にはいくつかの厳しい要求がある。すなわち、開口部の
側壁は真っ直ぐでなければならず（異方性（anisotropi
c ）のエッチング）、エッチングは上層のフォトレジス
ト層及び下層の材料に対して選択的でなければならな
い。換言すれば、エッチングプロセスはシリコン酸化物
層を少なくとも上層及び下層をエッチングする速度より
も速くエッチングしなければならず、好ましくは、この
選択性は約１０：１よりも高くなければならない。他の
半導体デバイス及びアレイには、大きな形状の部分（fe
atures）や小さな形状の部分が存在するが、同じ速度で
エッチングされなければならない。このためには、同じ
材料、例えばシリコン酸化物の大きな形状の部分と小さ
な形状の部分が同じ速度で、すなわち微小負荷（microl
oading）なしにエッチングされることが必要である。こ
こでの目的に対する微小負荷は
【０００４】
【数１】
【０００５】で定義される。さらに、シリコン酸化物層
は一般に非常に厚いため、エッチング速度が高いことも
好ましい。特に、単一ウエハ処理ないし枚葉式ウエハ処
理（バッチ型処理に対立するもの）がなされているとき
に、高いスループットを達成するためには好ましい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】前記米国特許4,948,45
8 号に開示された公知のエッチング反応器は、導体の金
属層をエッチングするには有用であるが、シリコン酸化
物のような酸化物をエッチングする際の上記要求は満た
すことができない。一般に、シリコン酸化物は、上記の
ようにフッ素を含むエッチガスによってエッチングされ
る。シリコン酸化物は、高いＣ：Ｆ比のガスを用いたと
きには、悪い選択性でエッチングされる。水素を含むガ
スは選択性を高めるが、エッチング速度が犠牲にされ、
テーパ形状や微小負荷となる。従って、単にエッチガス
の炭素：フッ素比を増やすことや、ガスの流速を増やす
ことは、側壁のテーパを増大し、微小負荷を増加させ、
エッチング速度を低下させる。付加されるフッ化炭化水
素のエッチガスは、基板に堆積する粒子となりうる重合
体（polymeric solids）を形成し、エッチングプロセス
において基板を汚染する原因となる。
【０００７】従って、上記の電磁的に結合された平面プ
ラズマ装置において、酸化物膜や層のエッチングを改良
するための方法が、強く望まれている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】我々は、フッ素補集材を
電磁的に結合された平面プラズマ装置に加えることが、
酸化物のエッチングの選択性に関して、フッ化炭化水素
のエッチング液を有する酸化物のエッチングを改善する
こと、異方性及びエッチング速度を改善することを発見
した。
【０００９】この発明の装置は、平面プラズマを生成す
るものであって、壁面にアクセスポートを有するチャン
バと、アクセスポートをシールする絶縁窓と、チャンバ
に供給されるプラズマ先行ガスのためのポートと、処理
される基板をチャンバに対して出し入れするためのポー
トと、アクセスポートにほぼ平行な基板支持部と、チャ
ンバの外で絶縁窓の近くに配置された電導体の平面コイ
ルと、高周波源をコイルに結合する手段とを備え、チャ
ンバ内で発生したプラズマの中または近傍にフッ素補集
材が設けられている。
【００１０】また、この発明の方法は、酸素を含む層を
有する基板を処理するための方法であって、絶縁シール
ドを備えた真空チャンバ内に基板を取り付けて、基板を
シールドに本質的に平行にするステップ、基板に高周波
数のバイアスを適用するステップ、チャンバにフッ化炭
化水素のエッチガスを導入するステップ、チャンバの外
で絶縁窓の近くに配置された実質的に平面のコイルに高
周波数の電流を付与することにより、ガスからプラズマ
を形成するステップ、及びチャンバにフッ素補集材を導
入することにより、酸素を含む層を基板上の酸素を含ま
ない層に対して選択的にエッチングするステップを含
む。
【００１１】
【実施例】図１を参照しながらこの発明をさらに説明す
る。単一の半導体ウエハをエッチングするのに適するプ
ラズマ処理装置１０は、真空チャンバ１２を含んでお
り、チャンバ１２の上壁１６にアクセスポート１４を有
している。絶縁シールド１８が上壁１６の下方に配置さ
れており、アクセスポート１４を横切って延びている。
絶縁シールド１８は上壁１６に対するシールとなり、真
空をシール可能なチャンバ１２を構成する。チャンバ１
２は、チャンバ１２にプラズマ先行（precursor ）ガス
を導入するためのポート１７も有している。
【００１２】平面コイル２０は、絶縁シールド１８に隣
接したアクセスポート１４内に配置されている。コイル
２０は、中央タップ２２及び外タップ２４を有する螺旋
状に形成されている。コイル２０の平面は、絶縁シール
ド１８と、チャンバ１２内で処理されるウエハ１５の支
持部１３との両方に平行になっている。従って、コイル
２０は、チャンバ１２内でウエハに平行な平面プラズマ
を発生することができる。コイル２０と支持面１３との
距離は、通常約３〜１５ｃｍの範囲にあり、調節可能で
ある。シリコン体２６として示されているフッ素の補集
材（scavenger）が、支持面１３と絶縁シールド１８の
近傍との間に配置されている。従って、フッ素補集材
は、生成されたプラズマの中または近くにある。
【００１３】ここで、図１及び２を参照すると、平面コ
イル２０は、約１００ｋＨｚから１００ＭＨｚの範囲の
周波数、好ましくは約１３．５６ＭＨｚ以下で動作でき
るタイプのＲＦ発振器（generator ）３０によって駆動
される。発振器３０の出力は同軸ケーブル３２によって
マッチング回路３４に供給される。マッチング回路３４
は１次コイル３６及び２次ループ３８を含む。１次コイ
ル３６及び２次ループ３８は、回路を効果的にカップリ
ングし、動作周波数における回路の負荷となるように配
置される。１次コイル３６は、カップリングを調節する
ために垂直軸４２の回りを回転しうるディスク４０上に
取り付けられていてもよい。可変容量４４が、回路の共
振周波数をＲＦ発振器３０の出力周波数に調節するため
に、２次ループ３８に直列にされている。インピーダン
スのマッチングをとることは、平面コイル２０への電力
伝達効率を最大にする。付加容量４６が、回路のコイル
３６の誘導リアクタンスの部分を打ち消すために、１次
回路に備えられていてもよい。
【００１４】ＲＦバイアス電力は、チャンバ１２内の酸
化物をエッチングするときには、基板支持部１３を介し
て基板に印加できる。第２のＲＦ信号がＲＦバイアス３
０から通されてもよいし、分離したＲＦ源（図示せず）
が基板支持部１３に接続されていてもよい。チャンバ１
２の壁面は、その場合、接地電極として働く。別の方法
は、平面コイルか、シリコンまたは他の固体フッ素補集
体を対抗する電極として用いるものである。ＲＦバイア
ス電力は基板のシース電圧を制御する。
【００１５】ここで図３に示すように、平面コイル２０
は、絶縁シールド１８を貫き、破線で示すような強度プ
ロフィール６０を有する電磁場を誘導する。均一な電磁
場は、電磁場領域内に電子の均一な回転場（circulatin
g field ）を提供し、その電子は先行（precursor ）ガ
ス分子に衝突し、プラズマ領域内にプラズマ種（plasma
species）を創製する。ＲＦバイアス電力により意識的
に発生させられるもの以外では、平面方向でない方向の
基板に対する衝突は少ないかまたは無いため、反応的な
プラズマ種がウエハに与えるダメージは少ない。
【００１６】フッ素補集材は、それが固体であるときに
は、エッチングされる面の上方に平行に配置されていな
ければならず、最大効率を達成し、直径２００ｍｍのシ
リコンウエハのような大きな基板について良い均一性を
得るためには、絶縁シールドに隣接して配置されていな
ければならない。それが、シリコン板２６のような固体
であるとき、フッ素補集材は、絶縁シールドを通って生
成されるＲＦ誘導場に干渉しないような配置と大きさで
なければならない。これは、固体の厚さ、温度の関数で
ある固有抵抗、及びコイルに誘導的にカップリングされ
たＲＦ電力の周波数を考慮することによってなされる。
ＲＦ電力の周波数及び固体の厚さ及び固有抵抗は、固体
が機能する最高温度において、固有抵抗が最低になると
きに、フッ素補集材のＲＦ電磁場の表皮深さ（skin dep
th）が固体の厚さに比べて大きくなるように選ばれなけ
ればならない。典型的に、これには１３．５６ＭＨｚよ
り低い低周波数の動作と、例えば数ｍｍより薄いシリコ
ン板とが要求される。固体の補集源の固有抵抗も、例え
ばドープされたシリコン板を用いることにより変化させ
うる。なぜなら、ドーパントは、セッ氏数百度までの動
作温度においてシリコンの固有抵抗を下げるからであ
る。プロセスを安定にするために、補集源の温度制御が
されていてもよい。
【００１７】このプロセスにおいては、フッ化炭化水素
（fluorohydrocarbon ）の先行ガスがプラズマ発生領域
にさらされたときに、Ｆ、ＣＦ及びＣＦ2 基（radical
）を含む種々の破片（fragments ）が発生する。遊離
したフッ素は、シリコン酸化物のような酸化物をエッチ
ングするが、他の種は、一般に約５０％のフッ素を含む
Ｃ−Ｆ重合体を形成し、これはエッチングされた開口部
（via ）の側壁に堆積し、下層及び上層がエッチングさ
れるのを防止するようにも機能する。しかし、この重合
体は、シリコン酸化物から生成される酸素や遊離したフ
ッ素によっても攻撃され、従って、シリコン酸化物とエ
ッチングされる基板上の他の物質と間の選択性は高くな
い。しかし、シリコン源のようなフッ素の補集材がプラ
ズマ中に設けられたとき、その補集材は遊離したフッ素
を捕えるため、遊離したフッ素による基板の攻撃は弱め
られる。さらに、プラズマ中に存在する遊離したフッ素
基がもっと少ないときには、保護重合体は炭素含有量の
多いもの、例えば重量で約４０％しかフッ素を含まない
ものになる。
【００１８】フッ素の補集材は、プラズマ中または近傍
の固体シリコン例えばシリコン板の形で最も容易に提供
される。しかし、プラズマ先行ガスに加えられたシラン
や他のシリコンを含むガス（ＴＥＯＳ、ジエチルシラ
ン、４フッ化シラン等）のような他のシリコン源も用い
うる。炭素の化合物もフッ素の補集材として好適であ
る。例えば、ベンゼン（Ｃ6 Ｈ6 ）やアセチレン（Ｃ2
Ｈ2 ）のような炭素含有量の多いガスをプラズマ先行ガ
スに加えることができる。グラファイトやシリコンカー
バイドのような炭素を含む固体化合物も用いることがで
き、シリコン板と取り替えうる。また、炭素を含む物の
厚さは、適応されたＲＦ電力の使用温度における表皮深
さと比べて薄くなければならない。フッ素補集源がプラ
ズマ領域外に配置されているときには、遊離したシリコ
ンや炭素原子をプラズマ中に渡せる温度まで加熱されう
る。このような場合、シリコンや炭素源を加熱する手段
も設けうる。固体の形状は、例えば、板状でもリング状
でも円筒状でもよい。
【００１９】この発明を特定の実施例に関して説明して
きたが、この発明がそれに限定されることは意味しな
い。例えば、絶縁窓と基板との間の空間が大きいなら、
反応性のプラズマ種のチャンバの他の部分への拡散が起
こるように、フッ素補集材は、基板の回りへのリング状
の配置や絶縁窓の端部への配置のような、他の配置であ
ってもよい。このような場合、ＲＦ誘導場は固体フッ素
補集材を貫く必要がなくなり、上記のような、固体フッ
素補集材に対する大きなＲＦ表皮深さが必要でなくな
る。配置及び材料の他の変形は、当業者には自明のもの
であり、ここに含まれるべきものである。この発明は特
許請求の範囲によってのみ限定される。
【００２０】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、シリ
コン酸化物がフッ化炭化水素ガスのプラズマによってエ
ッチングされたとき、フッ素補集材が遊離したフッ素基
を減少させ、エッチングの選択性及び異方性が改善さ
れ、粒子の形成を減少させつつエッチング速度が改善さ
れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の装置の断面図である。
【図２】図１の装置の回路図である。
【図３】図１の装置によって生成される電磁場の形状を
示す図である。
【符号の説明】
１２…真空チャンバ、１３…支持部、１４…アクセスポ
ート、１５…ウエハ、１８…絶縁シールド、２０…平面
コイル、２６…フッ素補集材、３０…ＲＦ発振器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェフリー マークス アメリカ合衆国， カリフォルニア州 94087， サニーヴェール， クレセン ト アヴェニュー ナンバー21 455 (56)参考文献 特開 平４−334022（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−229431（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−276626（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−53833（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開379828（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/3065 B01J 19/08 C23F 4/00

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 平面プラズマを生成する装置であって、
    チャンバと、該チャンバの一端に設けられている絶縁窓
    と、前記チャンバに供給されるプラズマ先行ガスのため
    のアクセスポートと、前記チャンバ内に設けられ前記ア
    クセスポートに略平行な基板支持部と、前記チャンバの
    外で前記絶縁窓の近くに配置された電導体の平面コイル
    と、高周波源を前記コイルに結合する手段とを備え、前
    記チャンバ内で発生したプラズマの中または近傍に固体
    フッ素補集材が設けられ、 ＲＦ電力の周波数及び前記固体フッ素補集材の厚さ及び
    固有抵抗は、前記固体フッ素補集材が機能する最高温度
    において、固有抵抗が最低になるときに、前記固体フッ
    素補集材のＲＦ電磁場の表皮深さが固体フッ素補集材の
    厚さに比べて大きくなるように選択されていることを特
    徴とする、前記装置。
  2. 【請求項２】 前記フッ素補集材がシリコン単体または
    シリコン化合物である請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記フッ素補集材が、前記絶縁窓と前記
    基板支持部との間に取り付けられ、それにほぼ平行のシ
    リコン単体である請求項２の装置。
  4. 【請求項４】 シリコン化合物体（an article of a sil
    icon compound）が、前記絶縁窓と前記基板支持部との
    間に取り付けられ、それらにほぼ平行の請求項１に記載
    の装置。
  5. 【請求項５】 シリコン源が、基板の周辺を覆うシリコ
    ン炭化物のリングである請求項４の装置。
  6. 【請求項６】 前記フッ素補集材がグラファイトのリン
    グまたは円柱である請求項１に記載の装置。
  7. 【請求項７】 第２の高周波源が前記基板支持部に接続
    された請求項１に記載の装置。
  8. 【請求項８】 酸素を含む層を上部に有する基板を処理
    するための方法であって、絶縁窓を備えた真空チャンバ
    内に前記基板を取り付けて、前記基板を前記絶縁窓に対
    し本質的に平行にするステップ、前記基板に高周波数の
    バイアスを印加するステップ、前記チャンバにフッ化炭
    化水素のエッチガスを導入するステップ、前記チャンバ
    の外で前記絶縁窓の近くに配置された実質的に平面のコ
    イルに高周波数の電流を印加することにより、前記ガス
    からプラズマを形成するステップ、及び前記チャンバに
    固体フッ素補集材を導入することにより、酸素を含む層
    を前記基板上の酸素を含まない層に対して選択的にエッ
    チングするステップを含み、 ＲＦ電力の周波数及び前記固体フッ素補集材の厚さ及び
    固有抵抗は、前記固体フッ素補集材が機能する最高温度
    において、固有抵抗が最低になるときに、前記固体フッ
    素補集材のＲＦ電磁場の表皮深さが固体フッ素補集材の
    厚さに比べて大きくなるように選択されることを特徴と
    する、前記方法。
  9. 【請求項９】 前記フッ素補集材が固体シリコンであ
    る請求項８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記固体シリコンが、前記基板と前記
    絶縁窓との間に取り付けられ、それらに実質的に平行で
    ある請求項９の方法。
  11. 【請求項１１】 前記フッ素補集材がシリコンを含む化
    合物である請求項８に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記フッ素補集材がシリコン炭化物の
    板である請求項８に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記シリコン含有化合物がシリコン含
    有ガスである請求項１１の方法。
  14. 【請求項１４】 前記フッ素補集材が炭素含有化合物で
    ある請求項８に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記フッ素補集材が炭素含有量の多い
    ガス（carbon-richgas ）である請求項１４の方法。
  16. 【請求項１６】 前記炭素含有量の多いガスが、ベンゼ
    ン及びアセチレンからなるグループから選ばれたもので
    ある請求項１５の方法。
  17. 【請求項１７】 前記炭素含有化合物が、グラファイト
    である請求項１４の方法。
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