JP3752468B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置（半導体集積回路）の製造過程における、特に微細で深い溝や穴の加工に好適なドライエッチング技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドライエッチング技術は、薬液を用いたウェットエッチング技術に比べて微細加工が容易に行えるため半導体集積回路（ＬＳＩ）の製造に広く用いられている。従来の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いた場合、エッチング時のガス圧は１０ｍＴｏｒｒから１００ｍＴｏｒｒ、反応ガス流量は１０ｓｃｃｍから１００ｓｃｃｍである。ＲＩＥ法においては、該圧力の下限よりも低いと放電が不安定になり、該圧力の上限よりも高いと等方性エッチングとなる。従来のドライエッチング装置では、排気速度が１０００ ｌ／ｓｅｃ以下のポンプが多用されており、上記反応ガス流量は上記ガス圧に設定可能な範囲の値が選ばれている。
【０００３】
また、特公昭５２−１２６１７４号やソリッド ステ−ト デバイシス アンド マテリアルズ ｐ２０７，（１９９０）（Solid State Devices and Materials P207,(1990))にはマイクロ波プラズマエッチング（ＥＣＲ）技術が開示されている。さらに、ドライプロセスシンポジウムｐ５４，（１９８８）にはマグネトロン放電型ＲＩＥが、ジャ−ナル オブ バキュ−ム サイエンス テクノロジ ビ− ９（２）、３１０（１９９１）（Journal of Vacuum Science Technology B9(2),310(1991)）にはヘリコン型ＲＩＥ等のドライエッチング装置が開示されている。これらのドライエッチング装置の反応ガス圧力は０．５ｍＴｏｒｒ以上であり、ガス流量は２０ｓｃｃｍ以下である。エッチング速度は、例えば、ＥＣＲエッチング法の場合、被エッチング物として多結晶シリコン、反応ガスとして塩素（Ｃｌ₂）を用い、ガス圧０．５ｍＴｏｒｒ、ガス流量２０ｓｃｃｍとすると約３００ｎｍ／ｍｉｎの値が得られている。
【０００４】
従来のドライエッチング装置の１例として、マイクロ波ドライエッチング装置を図１６に示す。１０１はマイクロ波発生部、１０２は導波管、１０４は反応ガス用導入口、１０５は反応ガス用配管、１０６はマスフロ−コントロ−ラ、１０７は発生したプラズマを高密度化するための電磁石、１０９はシリコンウェ−ハ、１１０は試料台、１１１はチャンバ−、１１２は高周波電源、１１４は真空ポンプ、１１７はエッチング処理室をそれぞれ示す。マイクロ波発生部１０１で発生したマイクロ波は導波管１０２を伝わりチャンバ−１１１内に導入され、該チャンバ−１１１内で反応ガスをプラズマ化する。該プラズマは、試料台１１０上のシリコンウェ−ハ表面をエッチングする。該ドライエッチング装置においては、一種類のガスは一本のガス配管１０５と一つのマスフロ−コントロ−ラ１０５を用いてチャンバ−１１１内に導入され、該ガス配管１０５はチャンバ−１１１に直接取り付けられている。そのガス導入口１０４の開口部の面積は、ガス配管１０５の断面積程度である。チャンバ−１１１内のガス圧は、チャンバ−内に導入される反応ガスの流量が多いほど高く、真空ポンプ１１４によるチャンバ−内の実効排気速度が大きいほど低くなる。ガス圧が１ｍｔｏｒｒ以上では数十ｓｃｃｍ、０．１ｍｔｏｒｒ台の低ガス圧領域では数ｓｃｃｍの値が用いられている。また、実効排気速度は真空ポンプの排気速度と排気系統のコンダクタンスで決まり、従来の装置では４００ ｌ／ｓｅｃ以下である。
【０００５】
導入するガス流量に対する処理室内圧力は次式で表される。
【０００６】
Ｐ＝（ｑ＋Ｑ）／Ｓ …（１）式
ここで、Ｐ（Ｔｏｒｒ）は処理室内圧力（処理室内の場所により圧力が異なる場合はプラズマ放電部のガス圧力）、ｑはガスを導入しない場合の装置からのリーク量、Ｑは導入ガス流量（Ｔｏｒｒ・ｌ／ｓｅｃ）、Ｓは装置の実効排気速度（ｌ／ｓｅｃ）である。通常の場合、ｑはＱの１／１０００以下でありほとんど無視できる。従来装置では、例えば、ポンプの排気速度（Ｓ₀）が約１０００ ｌ／ｓｅｃ以下のターボ分子ポンプを備え、処理室の排気コンダクタンス（Ｃ）は２００ ｌ／ｓｅｃ〜１０００ ｌ／ｓｅｃで、この時の実効排気速度Ｓ０は複数台の排気ポンプの排気速度Ｓ１からＳｎ（ｎはポンプの台数を示す数値）と真空処理室の排気コンダクタンスＣにより次式で表され、
１／Ｓ０＝（１／ΣＳｎ）＋１／Ｃ …（２）式
従来は実効排気速度１００〜４００ ｌ／ｓｅｃの排気を行っていた。従って、０．５ｍＴｏｒｒにガス圧力を設定すると流すことができるガス流量は４〜２０ｓｃｃｍとなっていた。
【０００７】
一方、真空処理室内でのガスの流れやすさを表す量として、ガスの処理室内滞在時間があり、これは次式のように表される。
【０００８】
τ＝Ｖ／Ｓ（＝ＰＶ／Ｑ） …（３）式
ここで、Ｖは真空処理室の総容積である。従来装置においては、上記の通り実効排気速度が１００〜４００ ｌ／ｓｅｃで、真空処理室容積が１００〜３００ ｌ程度であり、ガス滞在時間は４００ｍｓｅｃ〜３０００ｍｓｅｃ程度となっていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ＬＳＩの微細化に伴い、０．３μｍ程度の寸法の溝や穴の加工技術が要求されてきているが、従来のＲＩＥ法を用いたドライエッチングでは、ガス圧が高いためガスプラズマ中でのイオンの散乱等により基板に入射するイオンの方向性が乱れ、微細な寸法の溝や穴を高精度に加工することが困難である。
【００１０】
反応ガス圧を低くすることにより、ガスプラズマ中のイオンの散乱を防止することができる。上記程度の寸法の溝や穴を異方性加工するためには、試料に入射する斜めイオンの入射角度を１°以下に抑える必要が有り、反応ガス圧（動作圧力）としては１ｍＴｏｒｒ以下、望ましくは０．５ｍＴｏｒｒ以下にする必要がある。但し、プラズマを安定に放電させるためには０．０１ｍＴｏｒｒ以上の圧力が必要である。反応ガス圧の低いドライエッチング装置としては、上記ＥＣＲエッチング装置、マグネトロン放電型ＲＩＥ装置及びヘリコン型ＲＩＥ装置がある。しかしながら、従来のドライエッチング装置においては、反応ガス圧が低いと、エッチング速度が小さくなるという問題が生じる。すなわち、エッチングの方向性を高めることと、エッチング速度高めることとはドレ−ドオフの関係にあり両立することが困難である。
【００１１】
さらに、ＬＳＩを形成するＳｉウェハの直径は大型化してきており、例えば、上記ＥＣＲエッチング装置では、ウェハを一枚ごとに真空処理室に搬送してエッチング処理する枚葉式ドライエッチング装置が用いられていた。このような装置を用いると、例えば６インチウェハで２００ｎｍの厚さのポリシリコンをエッチングするために、２００〜３００ｎｍ／ｍｉｎのエッチ速度で約１〜２分間の処理時間を要する。直径８インチのウェハを用いると、エッチ速度はエッチング面積依存性（いわゆるローディング効果）のために低下し、処理時間が２〜４分間に増え、エッチング処理速度（スループット）が低下するとの問題が生じる。高周波またはマイクロ波の入力パワーを増大してエッチング速度を高めてスル−プットを高めると、イオンエネルギが増大して選択性が低下するとの問題が発生する。上記枚葉式ドライエッチング装置を複数台用いて並列処理することにより、エッチング条件を変えることなくスループットの向上をはかることが可能であるが、装置コストが膨大になる。
【００１２】
また、上記ＥＣＲエッチング装置では、ガス導入口の開口部の断面積が小さいために、実効的な排気速度を従来の装置よりも大きくしてエッチング処理室１１７を流れるガス流量を大きくし、例えば、１３００ ｌ／ｓｅｃ以上にすると、ガス導入口１０４からチャンバー１１１へガスが流れ込むときのガス流速が音速近くまで上昇し、流れの中に衝撃波が生じて流れの中の圧力が不均一になる。この状態では試料上のガス密度の均一性だけでなく、放電によるプラズマの不均一や不安定が生じて、エッチング速度の均一性の低下などの問題を生じる。このため、ガスの流速は音速以下、望ましくは音速の１／３以下にする必要がある。
【００１３】
また、ガス導入口１０４が、エッチング処理室１１７の排気口である試料台１１０の横の部分に近いところにある構成では、ガス導入口からチャンバー内に入るガスがチャンバー全体に広がる前に排気口から排気されてしまい、効率よくガスが利用されないという問題があった。また、チャンバー形状によってはガスの流れが十分エッチング処理室１１７の中心に広がらないという問題があった。
【００１４】
また、一種類のガスを流すのに一つのマスフローコントローラ１０６と一本のガス配管のみを用いていたので、エッチング処理室１１７内のガスの流れが偏るためにエッチングの均一性が悪くなるという問題があった。
【００１５】
さらに、従来の上記装置ではウェハーの大口径化が進むにつれ、ガスの流れがエッチング処理室１１７の中心に十分広がらないという問題があった。
【００１６】
本発明の主たる目的は、微細なパターンを高精度に、かつ、高速にエッチングすることのできるドライエッチング技術を用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１７】
本発明の他の目的は、スル−プットの大きなドライエッチング技術を用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１８】
本発明の他の目的は、異方性の高いドライエッチング方法及びドライエッチング装置を提供することにある。
【００１９】
本発明の他の目的は、選択性の高いドライエッチング技術を用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００２０】
本発明の他の目的は、１ｍＴｏｒｒ以下、望ましくは０．５ｍＴｏｒｒ以下の低ガス圧力において５００ｎｍ／ｍｉｎ以上、望ましくは１０００ｎｍ／ｍｉｎ以上の高エッチ速度を得るドライエッチング技術を用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００２１】
本発明の他の目的は、均一性の良好なドライエッチング技術を用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００２２】
本発明の他の目的は、ウェハ表面や処理室内壁への反応生成物の再付着による汚染の少ないドライエッチング技術を用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の主たる特徴は以下のとおりである。
処理室内に、アルミニウム膜、タングステン膜、タングステンシリサイド膜、銅膜、ＧａＡｓ膜、シリコン窒化膜の何れかの第１の膜が形成された半導体基体を設置する工程と、
前記処理室内にガスを供給し、前記ガスをプラズマ化し、前記プラズマにより、前記第１の膜をエッチング除去し、
前記処理室内のガスを実効排気速度５００ｌ／ｓ以上で排気することにより達成される。
【００２４】
図３３に、本発明の具体的な排気速度、ガス圧力制御範囲とその効果を示す。前述したように、ガス圧力は、エッチング方向性（異方性）を制御するパラメータであり
、排気速度はエッチ速度を制御するパラメータである。従来エッチングでは、実効排気速度は約４００ ｌ／ｓｅｃ以下の低速排気のため、マイクロ波エッチング等高密度プラズマエッチング装置を用いても低エッチ速度の問題があり、また低ガス圧において入射粒子の方向性が揃ってもマスクとの選択比が小さいこと等のため実際には高異方性加工が困難であった。
【００２５】
本発明の主な適用範囲は、図に示す三つの領域に分けることができる。すなわち、
（１）ガス圧力の領域によらず、従来の１．５倍以上の中程度のエッチ速度高速化を目的とする領域、すなわち、実効排気速度８００ ｌ／ｓｅｃ以上を必要とする領域、
（２）従来の１．５倍以上の中程度のエッチ速度高速化、従来の１．５倍以上の中程度の高異方性を目的とする領域、すなわち、実効排気速度５００ ｌ／ｓｅｃ以上、ガス圧力５ｍＴｏｒｒ以下を必要とする領域、
（３）従来の２倍以上の高速化、従来の２倍以上の高異方性を目的とする領域、すなわち、実効排気速度１３００ ｌ／ｓｅｃ以上、ガス圧力１ｍＴｏｒｒ以下を必要とする領域、
である。
【００２６】
プロセス向上の点のみからすると（３）の方式が最適であるが、半導体製造プロセスには種々の加工工程があるため、装置のコストを考慮にいれると、低コストで要求性能を得るために、（１）や（２）の適用法も可能である。
【００２７】
前述の（１）式により、ガス圧力Ｐ、排気速度Ｓ、ガス流量Ｑの関係は、Ｐ＝Ｑ／Ｓで表されるので、上記手段を満足するために必要なガス流量は必要最低ガス圧力を０．５ｍＴｏｒｒ、実効排気速度を８００ ｌ／ｓｅｃとすると３２ｓｃｃｍとなる。しかし、実際にはガス圧力の微調整をするため、この変動分を考慮し、望ましくは４０ｓｃｃｍ以上となる。
【００２８】
ここで、ガス圧力は０．０１ｍＴｏｒｒ以下で放電が不安定になるので、ガス圧力の下限は０．０１ｍＴｏｒｒを越えることが望ましい。
【００２９】
また、排気速度は装置の大きさを考慮にいれると、最大でも実効排気速度１０００００ ｌ／ｓｅｃを越えるべきではない。
【００３０】
また、ガス滞在時間は、真空処理室の容積と上記排気速度の上限、及びエッチング表面反応の反応時間を考慮に入れると、０．１ｍｓｅｃ以上とするべきである。
【００３１】
また、ガス流量は、ガスの使用コストとガス流制御を考慮に入れると、１００００ｓｃｃｍを越えるべきではない。
【００３２】
第二に、前項の目的は、ガス導入口の面積を広げて導入ガスの流速を音速の１／３以下とすること、ガス導入口とガス配管の間にガスバッファ室を設けること、排気口と試料台とを近接して設け、該試料台とチャンバへのガス導入口取り付け位置を離すとともに、該チャンバ−の中心方向に設けること、マスフローコントローラでガス流量を制御してガスを流すガス配管及びガス導入口をチャンバーの周りに対称性よく複数取り付けること、ガスの流れを制御するじゃま板をチャンバー内に設けること、エッチング処理室の高さ／幅の比を０．５以上とすること、ガス導入口の高さをエッチング処理室の上部から１／３以内の位置に設けること、排気系とエッチング処理室の間に真空バッファ室を設けること、典型的には、ポンプの排気速度を２５００ ｌ／ｓｅｃ以上、望ましくは４０００ ｌ／ｓｅｃ以上にし、排気コンダクタンスを２０００ ｌ／ｓｅｃ以上、望ましくは３０００ ｌ／ｓｅｃ以上にして実効排気コンダクタンスを１３００ ｌ／ｓｅｃ以上にすること等により、効果的に達成される。
【００３３】
第三に、前項の目的は、チャンバ−内における反応ガスの滞在時間を１００ｍｓｅｃ以下とするとするとともに、さらに大型ベッセルを用いて大口径ウェハを多数枚を同時にバッチ処理することにより達成される。
【００３４】
さらに、上記目的は、大型ベッセル内の試料台の中心部に排気口を設けること、大型ベッセルの真空室内に導入するガス流量を１００ｓｃｃｍ以上とすること、試料台となる電極面積を５０００ｃｍ²以上とすること、処理室、及び排気管の総排気コンダクタンスを３３００ ｌ以上とし、かつ、排気速度５０００ ｌ／ｓｅｃ以上の排気ポンプを用いること、実効排気速度を２０００ ｌ／ｓｅｃ以上とすること等により、効果的に達成される。
【００３５】
従来のドライエッチング装置では、ガス圧力を低くするとエッチング速度は著しく減少し、実用的なエッチング速度が得られなくなる。これは、ガス圧力を低くすると反応室内のイオン数が減少するためであると考えられている。本発明者らは、ガス圧力を低くし、かつ、高エッチング速度を得るために種々の検討を重ねた。その結果、イオンが最初に被エッチング物と衝突する際、エッチングが生じることを見出した。即ち、未反応のイオン（反応性ガス）が既反応イオン（反応生成物）に比べて反応室内に多数存在すれば、ガス圧力が同一でもエッチング速度を高めることができることを見出した。そこで、さらに、未反応のイオンと反応生成物との割合を決定する要因について検討を行った。
【００３６】
図５は、ガス流量を変化させた時の反応性ガスと全入射粒子（反応性ガス＋反応生成物）の基板への入射割合Ｒを計算した結果である。即ち、該入射割合Ｒは、
Ｒ＝１／（１＋２．７３５×１０²Ｃ₁・Ａ・Ｐ／（α・Ｑ）） …（４）式
で与えられる。ここで、Ｃ₁は被エッチング物及びエッチングガスにより決まる定数で、０．１から１０の範囲の値を有する。Ａはエッチングされる面積、Ｐはガス圧、αはガスの利用率を表し、エッチング装置における導入ガスの放電効率やエッチング処理室の形状等により決まる定数で１０から１００％の範囲の値を有する。Ｑはガス流量である。図５は、エッチング面積Ａを７８．５ｃｍ²、ガス利用率αを４２％、ガス圧力を０．５ｍＴｏｒｒとして表示したものである。この結果から、反応性ガスの割合はガス流量とともに増大することがわかる。一方、図６にガス流量を変化させた時のガス滞在時間の変化を式（３）を用いて計算で求めた結果を示す。ガス流量が増大するとガス滞在時間は急激に減少する。従って、ガス流量の増加にともないエッチング反応を阻害する反応生成物の処理室内滞在時間が減少し、速やかに処理室外に排気されるため、エッチング反応が促進され、エッチング速度が増大する。しかしながら、単にガス流量を大きくすると、図１７に示すように動作圧力（ガス圧力）が大きくなり、その結果、異方性が低下する。動作圧力（ガス圧力）を変えず、ガス流量を大きくする方法については、図１７に示すように実効排気速度（エッチング処理内部におけるガス流量）が大きいほど同一動作圧力でのガス導入口でのガス流量が大きくなることになる。即ち、実効排気速度を大きくすることにより、同一動作圧力でのガス流量を大きくすることができる。
【００３７】
図７は反応性ガス及び全入射粒子の割合とガス滞在時間との関係を式（３）及び式（４）を用いて求めた結果を示す。なお、真空処理室内の総容積は１００ ｌ、エッチング面積Ａは７８．５ｃｍ²、ガス利用率αは４２％として求めた。図７から、ガス滞在時間の減少とともに反応性ガスの割合が増大し、１ｓｅｃから１００ｍｓｅｃの間に大幅に変化することがわかる。従って、エッチング反応を効率良く行うためには、反応性ガスの割合をウェハ入射全粒子の６０％以上とした場合、図５からガス流量を４０ｓｃｃｍ以上、望ましくは１００ｓｃｃｍ以上、また、図７からガス滞在時間を１００ｍｓｅｃ以下、望ましくは５０ｍｓｅｃ以下にすればよいことがわかる。
【００３８】
エッチング処理室内の容積が１０００ ｌ以下の場合、該室内を流れるガス流量を１３００ ｌ／ｓｅｃ以上とすることにより、上記ガス滞在時間を実現できる。また、ガス導入口の総開口部面積を１５０ｃｍ²とすることによりガス導入口でのガス流速を音速の１／３以下とすることが可能となり、ガスの流れが圧縮性になることを防ぐことができた。これにより、ガスの流れに発生する衝撃波を抑えることができ、プラズマの不安定性や不均一性を抑制することができた。
【００３９】
ガス導入口を、エッチング処理室の排気口である試料台の横の部分から遠い位置に取り付けた結果、ガスの流れがチャンバー内に十分広がるようになり、効率よくガスがプラズマ化されるのでエッチング処理速度と均一性が増加した。またその向きをチャンバー中心方向に向けたためにチャンバー中心方向にガスが十分流れるようになり、そのためエッチング速度と均一性が向上した。
【００４０】
マスフローコントローラでガス流量を制御してガスを流すガス配管をチャンバーの周りに対称性よく複数取り付けることにより、チャンバー内のガスの流れの偏りを防止することができた。その結果、エッチングの均一性が上昇した。ガス導入口の取り付けも対称性を考慮したため、ガスの流れの均一性が改善された。また、じゃま板を取り付けることにより、チャンバー内のガスの流れを制御することが可能になり、特にプラズマを生成する場所にガスの流れを作ることができ、エッチング速度が増加した。
【００４１】
チャンバーの高さ／幅の比を０．５以上にすることにより、チャンバー中心方向へ十分にガスが流れるようになった。これを図１５を用いて説明する。図に示したのはエッチング処理室内のガスの流れの密度がエッチング処理室の高さ／幅の比にどのように影響を受けるかをシミュレーションした結果である。エッチング処理室の高さ／幅の比を大きくすればエッチング処理室の中心であるウェハー上部の流れの密度が大きくなり、均一性が向上することがわかる。このように本発明ではエッチング処理室の中心へ効率よく均一にガスが流れるようにできたので、プラズマ密度が増加し、プラズマの均一性がよくなった。その結果、低圧力領域でもエッチング速度が速く均一性の良いエッチングを行うことができるようになった。
【００４２】
ドライエッチング装置では動作圧力が低いほど、プラズマからウェハに入射するイオンの散乱の頻度が減り、エッチングの異方性が高くなる。本発明によれば、実用的なエッチング速度で低圧力動作による異方性エッチングを均一性よく行なうことができる。
【００４３】
大型の真空処理室を用いてドライエッチングを行うことにより、一度に多数の試料を処理することができるのでスル−プットを向上することができる。大型ベッセルを用いた場合、特に、エッチング反応によって発生する反応生成物を速やかに処理室外に排気することが重要である。そのために、高速排気が必要である。従来装置では、例えば、ポンプ排気速度が約１０００ ｌ／ｓｅｃ以下のターボ分子ポンプを備え、排気コンダクタンスＣが２００ ｌ／ｓｅｃ〜１０００ ｌ／ｓｅｃで、１００〜４００ ｌ／ｓｅｃであった。従って、５ｍＴｏｒｒにガス圧力を設定すると流すことができるガス流量は４０〜２００ｓｃｃｍとなっていた。本発明では、大型ベッセル装置において前述のような高速排気ポンプと大きい排気コンダクタンスにより実効排気速度１３００ ｌ／ｓｅｃ以上、望ましくは２０００ ｌ／ｓｅｃ以上にし、５ｍＴｏｒｒで８００ｓｃｃｍのガス流量を流すことが可能である。
【００４４】
図１８は真空処理室容積を１００ ｌから１００００ ｌまで変化させた場合の、実効排気速度とガス滞在時間の関係を示す。処理室容積が１００ ｌの場合実効排気速度を７００ ｌ／ｓｅｃ以上、容積５００ ｌでは３６００ ｌ／ｓｅｃ以上、容積１００００ ｌでは７００００ ｌ／ｓｅｃ以上の実効排気速度とすることにより、ガス滞在時間を１００ｍｓｅｃ以下にすることができる。一例として実効排気速度７００００ ｌ／ｓｅｃを実現するためには、前記（２）式から、例えば１４００００ ｌ／ｓｅｃの排気速度のポンプを用い、１４００００ ｌ／ｓｅｃの排気コンダクタンスの真空処理室を用いればよい。
【００４５】
また、試料台の中心部に排気口を設けることにより、試料台の中心と周辺での処理ガス密度を均一にすることができる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明による高速排気マイクロ波プラズマエッチング装置の一実施例を図１に示す。真空処理室１にエッチングガスを導入し、マイクロ波発生器２において２．４５ＧＨｚの高周波を発生させ、これを導波管３により放電部４に輸送してガスプラズマ５を発生させる。高効率放電のために磁場発生用のソレノイドコイル６が放電部周囲に配置され、８７５ガウスの磁場により電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ： ＥＣＲともいう）により高密度のプラズマが発生される。放電部には試料台７があり、この上に設置されたウェハ８をガスプラズマによりエッチング処理する。処理後のエッチングガスはガス導入口９から放電部４、真空処理室１を経て排気管１０から排気ポンプ１１により真空処理室外へ排出される。この際、コンダクタンスバルブ１２を可変にすることにより、排気速度を変えることができる。処理ガスはガス流量コントローラー１３を通しガス配管１４を経てガス導入口９からメッシュ状に小孔の開いたバッファ室１５を通して放電部４へ導入される。ガス導入口９は２個所以上設け、放電部中心軸に対して対称に配置した。エッチング時のガス圧力はプラズマ放電部に設置したガス圧力センサ２３により測定した。これにより、プラズマ放電部におけるガス流量、ガス圧力、ガス排気速度、ガス滞在時間を決定できる。ウェハを設置する試料台には、ウェハを０℃以下に冷却する冷却機構１６が備えられ、１３．５６ＭＨｚから４００ＫＨｚのＲＦバイアス１７が印加できる。真空処理室にはヒータ１８が付いており、５０℃以上に加熱できる。
【００４７】
排気ポンプには排気速度２０００ ｌ／ｓｅｃのターボ分子ポンプ２台を用い、総排気速度４０００ ｌ／ｓｅｃにして放電部の中心軸に対して対称に配置した。また、真空処理室の実質的なガス排気口部分１０もウエハ中心軸に対して対照に配置した。これにより、排気コンダクタンスを極力大きくしながら、ガスの流れをウェハ中心に対して対照にすることができた。ガスの通路となる放電部、真空処理室、排気管及びコンダクタンスバルブの総排気コンダクタンスは４０００ ｌ／ｓｅｃとした。このために、放電部４の下方部の直径を上方部より大きくし、これにともなって、この部分に設置する磁場コイル６の直径も、その上部に位置するコイル直径より大きくした。エッチング時のウェハ位置は、最下段のコイルの厚み方向の中心よりも下に位置させ、放電部の下方の排気コンダクタンスを極力大きくする構造とした。この時、最大実効排気速度は２０００ ｌ／ｓｅｃである。また、放電部、真空処理室、排気管の総容積は１００ ｌであり、真空処理室内のガス滞在時間は前述の（３）式より５０ｍｓｅｃである。
【００４８】
この高速排気マイクロ波プラズマエッチング装置を用いて、Ｓｉトレンチに用いられるＳｉ単結晶のエッチングを行なった。試料は、Ｓｉ基板を５００ｎｍの厚さに熱酸化膜し、その上にホトレジストマスクを形成し、酸化膜をドライエッチングして直径０．１μｍから１．０μｍのホ−ルパタ−ンを形成後、ホトレジストを除去してＳｉＯ₂マスクを形成したものである。エッチングガスにはＣｌ₂を用い、ガス圧力０．５ｍＴｏｒｒ、マイクロ波パワー５００Ｗ、ＲＦバイアスは２ＭＨｚで２０Ｗ、ウェハ温度は−３０℃とし、ガス流量を２から１００ｓｃｃｍまで変化させた。磁場強度分布は放電部の上方から下方に向けて小さく、ＥＣＲ条件を満たす８７５ガウスの位置はウェハ上方４０ｍｍであった。この時のＳｉエッチ速度のガス流量依存性を図２に示す。２ｓｃｃｍでは８０ｎｍ／ｍｉｎのエッチ速度はＣｌ₂ガス流量とともに増加し、１００ｓｃｃｍにおいて１３００ｎｍ／ｍｉｎとなった。また、同様のエッチング条件による、ガス圧力とＳｉのマスクからのアンダーカット量の関係を図３に示す。Ｓｉのエッチング形状は、０．５ｍＴｏｒｒの低ガス圧力であるため高い方向性が得られ、５μｍの深さのＳｉ深孔のアンダーカット量は０．０３μｍ以下で、ガス流量依存性はほとんどなかった。図４に、本発明による実効排気速度２５００ ｌ／ｓｅｃの装置、及び従来の実効排気速度１５０ ｌ／ｓｅｃの装置を用いた場合のＳｉエッチング速度のガス圧力依存性を示す。エッチング条件は図２の結果におけるものと同様である。従来エッチング装置ではガス圧力低下とともにＳｉのエッチング速度は大幅に減少している。これはガス滞在時間が４７０ｍｓｅｃと長く、また、排気速度が遅いため低ガス圧でガス流量が減少していることによる。高排気速度の本発明装置を用いると、０．５ｍＴｏｒｒ以下の低ガス圧において従来装置の１０倍以上のエッチ速度が得られ、０．５ｍＴｏｒｒ以下で１μｍ／ｍｉｎ以上の高速エッチングを行なうことができた。一方、エッチング速度の孔径依存性は小さく０．１μｍから１．０μｍの間の孔径において速度差は３％以内であった。また、ガス流量を変化させても、ＳｉＯ₂のエッチ速度はほとんど変化せず、ガス流量１００ｓｃｃｍにおいてエッチングマスクに用いたＳｉＯ₂との選択比（Ｓｉ／ＳｉＯ₂）は約５０であった。
【００４９】
また、リンドープポリシリコンのエッチングでも図２および図３とほぼ同様の結果が得られ、Ｃｌ₂流量１００ｓｃｃｍで１５００ｎｍ／ｍｉｎで、アンダーカット量は０．０３μｍ以下であった。
【００５０】
（実施例２）
図１に示す高速排気マイクロ波プラズマエッチング装置により、コンタクトホールに用いられるＳｉＯ₂のエッチングを行った。試料はＳｉ基板上に２μｍの厚さにＣＶＤ法でＳｉ酸化膜を形成し、その上に、ホトレジストマスクを形成した。エッチングガスにはＣＨＦ₃を用い、ガス圧力０．５ｍＴｏｒｒ、マイクロ波パワー５００Ｗ、ＲＦバイアスは８００ＫＨｚで２００Ｗ、ウェハ温度は−３０℃とし、ガス流量を２から１００ｓｃｃｍまで変化させた。２ｓｃｃｍでは５０ｎｍ／ｍｉｎのエッチ速度はＣｌ₂ガス流量とともに増加し、１００ｓｃｃｍにおいて５００ｎｍ／ｍｉｎとなった。ＳｉＯ₂のエッチング形状は、０．５ｍＴｏｒｒの低ガス圧力であるため高い方向性が得られ、２μｍの深さのＳｉＯ₂深孔のアンダーカット量は０．０５μｍ以下で、ガス流量依存性はほとんどなかった。さらに、エッチング速度の孔径依存性は小さく０．１μｍから１．０μｍの間の孔径において速度差は３％以内であった。また、ガス流量を２ｓｃｃｍから１００ｓｃｃｍ増大させた時のＳｉＯ₂とホトレジストとの選択比は、２倍以上増大した。
【００５１】
（実施例３）
図８に高速排気反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置の実施例を示す。磁場コイルを備えた磁場印加型であるため、１ｍＴｏｒｒ以下でも放電は可能である。真空処理室１にエッチングガスを導入し、１３．５６ＭＨｚの高周波で放電しガスプラズマ５を発生させる。放電部には試料台７があり、この上に設置されたウェハ８をガスプラズマによりエッチング処理する。処理後のエッチングガスはガス導入口９から真空処理室１を経て排気管１０から排気ポンプ１１により真空処理室外へ排出される。この際、コンダクタンスバルブ１２を可変にすることにより、排気速度を変えることができる。処理ガスはガス流量コントローラー１３を通しガス配管１４を経てガス導入口９からメッシュ状に小孔の開いたバッファ室１５を通して真空処理室１へ導入される。ガス導入口９は２個所以上設け、放電部中心軸に対して対称に配置した。ウェハを設置する試料台には、ウェハを０℃以下に冷却する冷却機構１６が備えられている。真空処理室にはヒータ１８が付いており、５０℃以上に加熱できる。
【００５２】
排気ポンプには排気速度２０００ ｌ／ｓｅｃのターボ分子ポンプ２台を放電部の中心軸に対して対称に配置した。ガスの通路となる放電部、真空処理室、排気管及びコンダクタンスバルブの総排気コンダクタンスは４０００ ｌ／ｓｅｃとした。この時、実効排気速度は２０００ ｌ／ｓｅｃである。また、放電部、真空処理室、排気管の総容積は１００ ｌであり、真空処理室内のガス滞在時間は前述の（３）式より５０ｍｓｅｃである。
【００５３】
図８に示す高速排気反応性イオンエッチング装置により、多層レジストマスクに用いられるホトレジストのエッチングを行った。試料は、Ｓｉ基板上にホトレジストを１．５μｍの厚さに塗布しベークし、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−Ｏｎ−Ｇｌａｓｓ）やチタンシリカ等の中間層を形成し、その上にホトレジストでパターニングを行った後、中間層をドライエッチングして下層ホトレジストをエッチングするためのマスクを形成したものである。エッチングガスにはＯ₂を用い、ガス圧力０．５ｍＴｏｒｒ、ＲＦパワー５００Ｗ、ウェハ温度は−１００℃とし、ガス流量を２から１００ｓｃｃｍまで変化させた。２ｓｃｃｍでは１００ｎｍ／ｍｉｎのエッチ速度はＣｌ₂ガス流量とともに増加し、１００ｓｃｃｍにおいて１０００ｎｍ／ｍｉｎとなった。レジストのエッチング形状は、０．５ｍＴｏｒｒの低ガス圧力であるため高い方向性が得られ、１．５μｍの深さのレジストのアンダーカット量は０．０５μｍ以下で、ガス流量依存性はほとんどなかった。さらに、エッチング速度の孔径依存性は小さく０．１μｍから１．０μｍの間の孔径において速度差は３％以内であった。
【００５４】
（実施例４）
本発明の一実施例を図９に示す。マイクロ波発生器１０１から発生したマイクロ波は導波管１０２を通り、マイクロ波導入口を通してチャンバー１１１内のエッチング処理室１１７に送られる。ガスはマスフローコントローラ１０６で流量を調節した後、ガス配管１０５を通してエッチング処理室１１７に送られる。ガスはガス配管１０５の後に備え付けられたガス導入口１０４を通ってエッチング処理室１１７に広がる。
【００５５】
エッチング処理室１１７に入ったガスはじゃま板１０８により流れを制御されてエッチング処理室１１７の中心部の密度が均一になるように流れる。このガスの流れはウェハー１０９の上部でマイクロ波により励起されてプラズマ状態になる。このプラズマにより活性な粒子を生成してウェハーのエッチングを行なう。この時に電磁石１０７により外部磁場を印加することによりマイクロ波のエネルギーが効率よくプラズマに伝わるように調整する。
【００５６】
試料台には高周波電源１１２により高周波電圧を印加することができる。この電源によりウェハー１０９にバイアス電圧を印加して入射イオンの方向性やエネルギーを制御する。この試料台に冷却機構や加熱機構を装備すればウェハー温度を制御したエッチングを行なうこともできる。
【００５７】
ガス導入口１０４からチャンバー１１１内に入り、エッチング処理室１１７でプラズマ状態になってウェハー１０９でエッチング反応に用いられたガスの流れは、反応生成物とともにエッチング処理室１１７からみた排気口である試料台１１０の横を通り、排気バッファ室１１３を介して真空ポンプ１１４により排気される。
【００５８】
高排気速度の真空ポンプを用いるときや、真空ポンプを複数用いるときには、チャンバー１１１に直接真空ポンプ１１４を取り付けるのではなく、排気バッファ室１１３を介してチャンバー１１１に取り付けることにより、エッチング処理室１１７からみた排気口である試料台の横の排気速度を均一化することができる。その結果、ガスの流れにムラがなくなるために、均一性のよいエッチングが可能になる。
【００５９】
本実施例のガスの流れを制御するための構成要素にはガス導入口１０４とじゃま板１０８と排気バッファ室１１３がある。
【００６０】
ガス導入口１０４は従来の装置では特に何も処理がされていなかった。ガス配管１０５をチャンバー１１１に直接接続し、その接続位置も特に考慮はされていなかった。従来の装置の一例を図１６に示している。ガス配管１０５はチャンバー１１１に直接取り付けてある。
【００６１】
本発明ではガス導入口の開口部の面積を広げることにより、ガス流速が音速の１／３を越えないようにすることを特徴とする。図９に示した実施例ではガス配管１０５がチャンバー１１１と接続する部分にガス導入バッファ室１１６を設けて、そのバッファ部の壁面に複数のガス導入口１０４を設けることにより、ガス導入口の開口部面積を増やしてガス流速を音速の１／３以下に抑えている。
【００６２】
マスフローコントローラ１０６通してガス配管１０５を流れるガスの圧力は１気圧程度であり、そのガスを直接チャンバーの中に流し込むと、圧力差からチャンバーにガスが入るところで流れが乱れやすい。本実施例ではガス配管１０５とチャンバー１１１との間にガス導入バッファ室１１６を設けたことにより、圧力差による流れの乱れを抑えることもできる。
【００６３】
さらに本実施例ではマスフローコントローラ１０６を含めたガス配管１０５をチャンバーの周りに対称性を考慮して複数取り付けることにより、ガスの流れの均一性を上げている。
【００６４】
プラズマはエッチング処理室の中心付近に生じる方が活性粒子が効率良くウェハーに入射し、均一性も上昇する。エッチング処理室１１７の壁面に沿って流れるガスの流れはエッチングに対する寄与が小さい。そこで本実施例ではこのチャンバー１１１の壁面を流れるガスの流れをチャンバーの中心付近に流れるように流れを制御するために、じゃま板１０８を取り付けた。じゃま板１０８は流れのコンダクタンスを悪くする副作用もあるので、あまり大きなものを取り付けると逆効果になる可能性もある。本実施例ではガス導入口１０４から、エッチング処理室１１７の排気口になる試料台１１０とチャンバー１１１の間の隙間が見えなくなり、かつウェハー１０９の上にかからないようにした。
【００６５】
さらに本実施例ではチャンバー１１１と真空ポンプ１１４の間に排気バッファ室１１３を取り付けたことも流れを制御する特徴の一つである。流れを均一にするためには排気系も対称性がよいことが望ましい。しかし、試料台１１２にはバイアス印加電圧のための高周波電源１１２を接続したり、ウェハー１０９の温度制御をする低温ドライエッチングを行なうために、冷媒を流すための冷却機構を取り付けたりする必要がある。そのために、真空ポンプを含めた排気系を対称性良く配置することは難しい。本実施例で取り付けた真空バッファ１１３は真空ポンプ１１４の排気能力がエッチング処理室１１７の排気部分に均一にかかるようにする働きがある。さらに排気能力を上げるために複数の真空ポンプを取り付けるときなども、排気バッファ室１１３はエッチング処理室１１７の排気を均一にする働きの効果が高い。
【００６６】
図１０は本実施例のチャンバー１１１のガス配管１０５を含んだ水平方向の断面図である。ここではガス配管１０５は４本取り付けてあるが、ガス導入バッファ室１１６があるのでガス配管１０５は１本でもよい。しかし流れを均一にするためには対称性を考慮して複数本取り付けた方がよい。
【００６７】
以上のような構成のマイクロ波ドライエッチング装置を用いて０．３〜０．５μｍの穴や溝をＳｉ基板表面に形成した。試料はレジストマスク、もしくはＳｉＯ２マスクによりパターンを形成したものを用い、マイクロ波パワー４００Ｗ、圧力０．５ｍＴｏｒｒ、ガス流量５０ｓｃｃｍ、ＲＦバイアス３０Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）の条件で、ＳＦ₆ガスを用いた。その結果、エッチング速度は５００ｎｍ／ｍｉｎ以上であった。また、サイドエッチ量は０．０５μｍ以下であり、良好な垂直形状を得ることができた。
【００６８】
（実施例５）
図１１は本発明の他の一実施例を示したものである。この実施例ではガス導入バッファ室１１６を円周状ではなく、ガス配管１０５に対応した数の孤立したガス導入バッファ室１１６を取り付けた。均一性を比べると図９に示した実施例の方がよいが、装置を作成するのは、図１１に示した実施例の方が簡単にできるという長所がある。
【００６９】
じゃま板１０８も円周状でなく、孤立したものを複数取り付ける方法がある。また円周状のじゃま板１０８をチャンバー１１１の違う高さの場所に複数取り付けたり、円周状のじゃま板と孤立したじゃま板を組み合せて使ったり、大きさや形の違うじゃま板をチャンバー１１１内のさまざまな部分に取り付けて、ガスの流れを制御することができる。このように、バッファ室１１６を設けることにより、該室を設けない場合に比べて８インチウェ−ハ内のエッチング速度の均一性が２倍以上向上し、±１０％以下にすることができた。
【００７０】
（実施例６）
図１２は本発明の一実施例として他のガス配管法を説明したものである。この例ではガス配管１０５がチャンバー１１１に複数の部分で接続しているのに対し、ボンベ１１５から流れてくるガスを１つのマスフローコントローラ１０６だけで流量を制御している。１つのマスフローコントローラだけで流量を制御しているので、流量を正確に制御でき、装置構造も簡単にできるという長所があるのに対し、マスフローコントローラ１０６からチャンバー１１１までのガス配管１０５の距離が変わってくるために、エッチング処理室１１７内のガスの流れの均一性が多少悪くなる欠点がある。しかし、ガス導入口バッファ室１１６の大きさを場所によって変化させたり、ガス導入口１０４の開口面積や開口率を場所によって変化させたり取付け高さを調節することにより、ガスの流れの均一性をシステムとして調整することもできるので、均一性の低下は実用上はそれほど問題にならない。
【００７１】
このように、複数のガス配管１０５を用いることにより、単一ガス配管の場合に比べて８インチウェ−ハ内のエッチング速度の均一性が２倍以上向上し、±１０％以下にすることができた。
【００７２】
（実施例７）
図１３は本発明の一実施例として他のガス配管法を説明したものである。チャンバー１１１に接続する複数のガス配管１０５に対して、それぞれ一つ以上のマスフローコントローラ１０６を用いて１つ以上のボンベ１１５からのガス流量を制御することが本実施例の特徴である。それぞれのマスフローコントローラ１０６を流れるガス流量を調整することによりチャンバー１１１内のガスの流れを均一にすることができる。また同一ガス種のボンベを複数用いることによりそのガスのエッチング処理室内の流れを均一にするという使用法の他に、異なる種類のガス種をエッチング処理室で混合するために違うガス種のボンベを使用する方法も行なうことができる。それぞれのガス種に対するガス配管の数や位置、そしてその中を流れるガス流量を調節することにより、異なる種類のガスを十分均一に混合して、なおかつその混合ガスのエッチング処理室内での流れを均一にすることができる。このように、複数のガス配管１０５と複数のガスボンベを用いることにより、単一ガス配管、単一ガスボンベを用いる場合に比べて８インチウェ−ハ内のエッチング速度の均一性が２倍以上向上し、±１０％以下にすることができた。
【００７３】
（実施例８）
本発明の他の一実施例を図１４に示す。この実施例ではマイクロ波導入窓１０３の下にガス導入バッファ室１１６を取り付け、ウェハー１０９の上部にガス導入口１０４を形成した。この方法はガスの流れの均一性が良くなり、特にチャンバー中心部のガス流量密度が増加するという長所を持つ。しかしマイクロ波の通り道にガス圧力が高い部分が生じるために、マイクロ波の進行を妨げたり、ガス導入バッファ室１１６内で放電を起こす可能性があるという問題点もある。しかしこれはマイクロ波のパワーや電磁石１０７による調整、ガス導入口バッファ室１１６内の圧力上昇を抑えるためにガス流量に時間変調をかけたり、その時間変調と同期してマイクロ波を投入するようにして回避することができるために、実用上はそれほど問題ではない。
【００７４】
（実施例９）
本発明による大型ベッセル高速排気反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置の実施例を図１９示す。真空処理室２０１にエッチングガスを導入し、１３．５６ＭＨｚの高周波２０２で放電しガスプラズマ２０３を発生させる。真空処理室は直径１２０ｃｍ、高さ約４０ｃｍの円筒型で、電極は平行平板型のカソードカップリング型で、上部電極２０４がアース電位、下部電極２０５が高周波印加電極であり、下部電極がウェハを載置する試料台になっている。下部電極の直径は９０ｃｍで、エッチングの均一性向上のため、下部電極中央部にも処理ガスを排気できる直径１０ｃｍの排気口２０６を設け、下部電極の中央と周辺の両方から真空処理室外へ排気した。電極面積は約６３００ｃｍ²あり、８インチウェハ２０７を６枚載置して同時にエッチング処理した。処理ガスの排気速度はコンダクタンスバルブ２０８を可変にすることにより変えることができる。処理ガスはガス流量コントローラー２０９を通しガス配管２１０を経てガス導入口２１１からメッシュ状に小孔の開いたバッファ室２１２を通して真空処理室２０１へ導入される。ガス導入口２１１は２個所以上設け、放電部中心軸に対して対称に配置した。ウェハを設置する試料台には、ウェハを０℃以下に冷却する冷却機構２１３が備えられている。真空処理室にはヒータ２１４が付いており５０℃以上に加熱できる。
【００７５】
排気ポンプには排気速度６０００ ｌ／ｓｅｃのターボ分子ポンプ２台を放電部の中心軸に対して対称に配置した。ガスの通路となる放電部、真空処理室、排気管及び全開のコンダクタンスバルブの総排気コンダクタンスは１２０００ ｌ／ｓｅｃであった。この時、実効排気速度は６０００ ｌ／ｓｅｃである。また、真空処理室、排気管の総容積は約５００ ｌであり、真空処理室内のガス滞在時間は前述の（３）式より８３ｍｓｅｃである。
【００７６】
図１９に示す高速排気反応性イオンエッチング装置により、Ｓｉ単結晶のエッチングを行なった。試料は、８インチＳｉ基板の上にホトレジストマスクを形成したもので、試料台に６枚同時に載置した。エッチングガスにはＣＦ₄を用い、ガス圧力２００ｍＴｏｒｒ、ＲＦパワー２ＫＷ（パワー密度は０．３２Ｗ／ｃｍ²）、ウェハ温度は−５０℃とし、コンダクタンスバルブの開度を変えることにより排気速度を変えてガス滞在時間を変化させた。このとき、ガス圧力は一定でガス流量を変化させた。この時のＳｉエッチ速度のガス流量依存性を図２０に示す。ガス流量５０ｓｃｃｍの時、Ｓｉエッチ速度は１００ｎｍ／ｍｉｎであったが、ガス流量９００ｓｃｃｍでは８００ｎｍ／ｍｉｎにエッチ速度が増大した。この時、１μｍの深さにエッチングしＳｉのマスクからのアンダーカット量は０．１μｍ以下であった。また、Ｓｉとホトレジストとの選択比は４．０であった。エッチ速度のウェハ内及びウェハ間均一性は±５％以下であった。
【００７７】
（実施例１０）
本発明による大型ベッセル高速排気マイクロ波プラズマエッチング装置の実施例を図２１示す。真空処理室２０１には５個所のマイクロ波放電部２１６が設置され、それぞれ独立にガスプラズマ２０３を発生させることができる。真空処理室内に配置された試料台上で５個所のマイクロ波放電部の下にそれぞれ、合計５枚の８インチウェハ２０７を設置し、同時にエッチング処理した。試料台内部で５個所のウェハ設置部の近辺にそれぞれガス排気口２０６を設けた。ガスプラズマは、真空処理室２０１にエッチングガスを導入し、マイクロ波発生器２１７において２．４５ＧＨｚの高周波を発生させ、これを導波管２１８により放電部２１６に輸送して発生させる。高効率放電のために磁場発生用のソレノイドコイル２１９が放電部周囲に配置され、８７５ガウスの磁場により電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ： ＥＣＲともいう）により高密度のプラズマが発生される。エッチングガスはガス導入口２１１から放電部２１９、真空処理室２０１を経て排気ポンプ２１５により真空処理室外へ排出される。排気速度はコンダクタンスバルブ２０８を可変にすることにより変えることができる。処理ガスはガス流量コントローラー２０９を通しガス配管２１０を経てガス導入口２１１からメッシュ状に小孔の開いたバッファ室２１２を通して放電部２１６へ導入される。ガス導入口２１１は２個所以上設け、放電部中心軸に対して対称に配置した。ウェハを設置する試料台には、ウェハを０℃以下に冷却する冷却機構２１３が備えられ、１３．５６ＭＨｚから４００ＫＨｚのＲＦバイアス２０２が印加できる。真空処理室にはヒータ２１４が付いており、５０℃以上に加熱できる。
【００７８】
排気ポンプには排気速度２００００ ｌ／ｓｅｃのターボ分子ポンプ２台を放電部の中心軸に対して対称に配置した。ガスの通路となる放電部、真空処理室、排気管及び全開のコンダクタンスバルブの総排気コンダクタンスは４００００ ｌ／ｓｅｃとした。この時、実効排気速度は２００００ ｌ／ｓｅｃである。また、真空処理室、放電部、排気管の総容積は約２０００ ｌであり、真空処理室内のガス滞在時間は１００ｍｓｅｃである。
【００７９】
図２１に示す大型ベッセル高速排気マイクロ波プラズマエッチング装置により、Ｓｉ単結晶のエッチングを行なった。試料は、８インチＳｉ基板の上にホトレジストマスクを形成したもので、試料台に５枚同時に載置した。エッチングガスにはＣＦ₄を用い、ガス圧力５ｍＴｏｒｒ、マイクロ波パワー２ＫＷ、ＲＦバイアスは２ＭＨｚで２００Ｗ、ウェハ温度は−５０℃とした。この時のＳｉエッチ速度は、ガス流量９００ｓｃｃｍにおいて１．５μｍ／ｍｉｎであった。この時、１μｍの深さにエッチングしＳｉのマスクからのアンダーカット量は０．１μｍ以下であった。また、Ｓｉとホトレジストとの選択比は３．０であった。エッチ速度のウェハ内及びウェハ間均一性は±５％以下であった。
【００８０】
（実施例１１）
図１に示す高速排気マイクロ波プラズマエッチング装置により、８インチウェハ上に総面積の異なるパターンを形成して、Ａｌエッチングを行った。エッチング条件はＣｌ₂ガス圧力３ｍＴｏｒｒ、マイクロ波パワー５００Ｗ、ＲＦバイアスは２ＭＨｚで５０Ｗ、ウェハ温度は０℃とした。ウェハ口径を６インチから８インチに変化させた場合の実効排気速度（以下の実施例内容説明では単に排気速度と表す）とエッチ速度の関係を、図２２に示す。ウェハ内エッチング面積比率は５０％である。ガス圧を一定（３ｍＴｏｒｒ）にしているので、排気速度（Ｓｌ／ｓｅｃ）に対するガス流量（Ｑ ｓｃｃｍ）は、Ｑ＝７９．０５×Ｓ×０．００３である。
【００８１】
従来の低速排気（約２００ ｌ／ｓｅｃ）のＡｌエッチングでは６インチの場合、エッチ速度は約０．８μｍ／ｍｉｎであった。排気速度を５００ ｌ／ｓｅｃにすると、エッチ速度は約１．５倍の１．２μｍ／ｍｉｎとなり、８００ ｌ／ｓｅｃでは約１．８倍の１．４μｍ／ｍｉｎになり、１３００ ｌ／ｓｅｃでは２倍の１．６μｍ／ｍｉｎとなった。８インチウェハでは、より顕著な変化が認められ、８００ ｌ／ｓｅｃでは従来の２．４倍、１３００ ｌ／ｓｅｃでは従来の約３倍になった。
【００８２】
従って、８インチウェハで従来エッチ速度（６インチ、２００ ｌ／ｓｅｃ）の１．５倍以上を得ようとすると、少なくとも８００ ｌ／ｓｅｃ以上が必要であることがわかり、２倍以上を得ようとすると少なくとも１３００ ｌ／ｓｅｃ以上が必要であることがわかった。
【００８３】
なお、このようなエッチ速度の面積依存性はＡｌ以外にＳｉ等の他材料でもほぼ同様に見られ、８インチウェハで従来エッチ速度の１．５倍以上を得るためには、８００ ｌ／ｓｅｃ以上の排気速度が必要であった。またガス圧力、マイクロ波パワー、試料温度、バイアス等のエッチング条件の異なる場合も同様に、８インチウェハで従来エッチ速度の１．５倍以上を得るためには、８００ ｌ／ｓｅｃ以上の排気速度が必要であった。
【００８４】
（実施例１２）
図１に示す高速排気マイクロ波プラズマエッチング装置により、ＥＣＲ面（プラズマ内で磁場が８７５Ｇになる面）とウェハとの距離（ＥＣＲ面距離）を変化させて、Ｓｉエッチングを行った。エッチング条件はＣｌ₂ガス圧力０．５ｍＴｏｒｒ、マイクロ波パワー５００Ｗ、ＲＦバイアスは２ＭＨｚで２０Ｗ、ウェハ温度は−３０℃とした。排気速度を変化させた場合のＥＣＲ面距離とエッチ速度の関係を図２３に示す。従来排気速度（２００ ｌ／ｓｅｃ）ではＥＣＲ面距離を０から１５０ｍｍに遠ざけるとエッチ速度は３００から１００ｎｍ／ｍｉｎまで減少した。一方、５００ ｌ／ｓｅｃの高速排気によるエッチングではＥＣＲ面距離が１５０ｍｍと遠くても、エッチ速度は３００ｎｍ／ｍｉｎが得られ、さらに距離を近付けると１０００ｎｍ／ｍｉｎ以上に増大した。すなわち、高速排気エッチングによりＥＣＲ面距離がある程度離れても、ＥＣＲ面を近付けた場合と同等もしくはそれ以上のエッチ速度が得られることがわかった。
【００８５】
ＥＣＲ面を近付けた場合に問題となるのは、ＥＣＲ領域ではプラズマの解離効率が高いために、ウェハから発生した反応生成物が再解離してウェハ表面に再デポジションすることである。この減少により、エッチング形状の劣化や表面汚染につながる場合がある。また、ＥＣＲ面距離を小さくすると、エッチング均一性が低下する場合もある。表面分析から、反応生成物のウェハへの吸着量を調べると図２４に示すように、排気速度が５００ ｌ／ｓｅｃの場合、ＥＣＲ面距離が小さくなるにつれて吸着量の増大することが分かった。排気速度が小さい場合（２００ ｌ／ｓｅｃ）には反応生成物の排気速度が遅いためＥＣＲ面距離がある程度離れて再解離が少なくても、ウェハへの吸着量が多くなる。従って、反応生成物吸着の少ない低汚染で高速のエッチングのためには、ＥＣＲ面距離をある程度大きくして高速排気することが良い。図２４の結果から、ＥＣＲ面距離は４０ｍｍ以上離して、排気速度５００ ｌ／ｓｅｃ以上を用いることが適当であることが分かった。
【００８６】
（実施例１３）
図１に示す高速排気マイクロ波プラズマエッチング装置により、１から１０ｍＴｏｒｒのガス圧力においてＡｌをエッチングした。エッチング条件はＣｌ₂ガス圧力５ｍＴｏｒｒ、マイクロ波パワー５００Ｗ、ＲＦバイアスは２ＭＨｚで２０Ｗ、ウェハ温度は０℃とした。排気速度とＡｌエッチ速度の関係を図２５に示す。ガス流量はガス圧力に排気速度を乗じたものである。５００ ｌ／ｓｅｃ以上でエッチ速度は大きく増大する。一方、アンダーカット量の排気速度依存性を図２６に示す。ガス圧が５ｍＴｏｒｒと高いためアンダーカットは生じやすく、特に排気速度１３００ ｌ／ｓｅｃ以上において増大傾向が大きかった。排気速度１３００ ｌ／ｓｅｃ以下においてアンダーカット量が小さい理由は、反応生成物の滞在時間が長く、これがパターン側壁にデポして側面エッチングを防止するからである。従って、側壁デポを用いなければアンダーカットを押さえられないエッチングで、しかも高エッチ速度が必要な場合に、１０００ｎｍ／ｍｉｎ以上の高エッチ速度で、アンダーカット量を０．１μｍ以下に抑えるためには、５００ ｌ／ｓｅｃが適当であった。また、同様のエッチング傾向は１から１０ｍＴｏｒｒの圧力で得られ、１０００ｎｍ／ｍｉｎ以上の高エッチ速度で、アンダーカット量０．１μｍ以下を満足する排気速度は５００ ｌ／ｓｅｃと１３００ｌ／ｓｅｃの間にあった。なお、ガス滞在時間は５００ ｌ／ｓｅｃの時に３００ｍｓｅｃであった。
【００８７】
（実施例１４）
図１に示す高速排気マイクロ波プラズマエッチング装置により、ＢＣｌ₃ガスを用いてＡｌをエッチングした。エッチング条件はＢＣｌ₃ガス圧力４ｍＴｏｒｒ、マイクロ波パワー５００Ｗ、ＲＦバイアスは２ＭＨｚで２０Ｗ、ウェハ温度は２０℃とした。Ａｌアンダーカット量のガス圧力依存性を図２７に示す。排気速度は８００ ｌ／ｓｅｃとした。アンダーカット量は５ｍＴｏｒｒ以下で顕著に減少し、０．１μｍ以下になった。Ｃｌ₂によるエッチングに比較し、ＢＣｌ₃ではより高いガス圧力でアンダーカットが減少する。この理由は、ＢＣｌ₃がパターン側壁にデポジションし側壁を保護する効果があるためである。一方、Ａｌエッチ速度のマイクロローディング（パターンサイズ依存性：ここでは０．２μｍ；ａと１０μｍ；ｂの溝パターンでのエッチ速度の比；ａ／ｂ）の排気速度依存性を図２８に示す。マイクロロディングは排気速度の増大とともに減少し、８００ ｌ／ｓｅｃ以上で実用に適する０．９以上となった。排気速度増大とともにマイクロロディングが減少する理由は、排気速度増大によりエッチング反応粒子が小さい溝内にも十分供給されるようになるためである。従って、ＢＣｌ₃を用いたＡｌエッチングにおいてアンダーカットとマイクロローディングを抑えたエッチングを行うためには、ガス圧力５ｍＴｏｒｒ以下で排気速度８００ ｌ／ｓｅｃ以上が良いことがわかった。マイクロロディグは、小さい溝内を最後までエッチングするのに必要なオーバーエッチング量に関係するが、この場合マイクロローディングは０．９以上では実用上大きな問題がないため、排気速度を必要以上に大きくする必要はない。
【００８８】
（実施例１５）
図１に示す高速排気マイクロ波プラズマエッチング装置及び図２９に示す反応性イオンエッチング装置により、Ａｌをエッチングした。エッチング条件は、マイクロ波エッチング装置ではＣｌ₂ガス、マイクロ波パワー５００Ｗ、ＲＦバイアスは２ＭＨｚで２０Ｗ、ウェハ温度は１０℃とし、反応性イオンエッチングではＲＦパワー５００Ｗ、Ｃｌ₂ガス、ウェハ温度は１０℃とした。Ａｌエッチ速度とガス圧力の関係を図３０に示す。排気速度は５００ ｌ／ｓｅｃとした。マイクロ波エッチングではガス圧力の低いところでエッチングできるため、４ｍＴｏｒｒでアンダーカットが０．１μｍ以下になり、エッチ速度は１０００ｎｍ／ｍｉｎであった。反応性イオンエッチングでは、低ガス圧ではエッチングできず、１０ｍＴｏｒｒでアンダーカットは０．２μｍであり、エッチ速度は３００ｎｍ／ｍｉｎであった。すなわち、マイクロ波エッチングは反応性イオンエッチングに比べると、低ガス圧でアンダーカットが小さく高速のエッチングが可能である。一方、Ａｌエッチ速度と排気速度との関係を図３１に示す。ガス圧力は４ｍＴｏｒｒである。排気速度を増大すると、Ａｌエッチ速度は反応性イオンエッチングよりもマイクロ波エッチングの方が顕著に増大する。これは、マイクロ波エッチングでは反応性イオンエッチングに比べて表面反応速度が大きく、いわばエッチング反応粒子の供給律速の状態にあるため、排気速度増大によりエッチング反応粒子の供給を増大するとエッチング反応が促進されるためである。特に、５００ ｌ／ｓｅｃ以上でエッチ速度が飽和傾向にあった。一方、反応性イオンエッチングでは、表面反応速度が小さく、反応律速の状態にあるため、排気速度増大によりエッチング反応粒子の供給を増やしてもエッチ速度の増加は小さい。従って、マイクロ波プラズマエッチングを用いて、低ガス圧でアンダーカットを防止し、高速排気でエッチ速度を増大させるために、ガス圧を４ｍＴｏｒｒ以下にし、５００ ｌ／ｓｅｃ以上の排気速度にすることが適する。アンダーカットはガス圧力を下げるほど小さくなるが、Ａｌエッチ速度は０．５ｍＴｏｒｒ以下で大きく低下して３００ｎｍ／ｍｉｎ以下になり、実用的にはあまり適さない。
【００８９】
（実施例１６）
図１に示す高速排気マイクロ波プラズマエッチング装置及び図２９に示す反応性イオンエッチング装置により、Ａｌをエッチングした。エッチング条件は、マイクロ波エッチング装置ではＣｌ₂ガス圧４ｍＴｏｒｒ、マイクロ波パワー５００Ｗ、ＲＦバイアスは２ＭＨｚで２０Ｗ、ウェハ温度は１０℃とし、反応性イオンエッチングではＲＦパワー５００Ｗ、Ｃｌ₂ガス圧１０ｍＴｏｒｒ、ウェハ温度は１０℃とした。Ａｌエッチ速度とガス滞在時間の関係を図３２に示す。ここではガス流量を可変とした。滞在時間の減少もにいずれのエッチング方法でもＡｌエッチ速度は増加傾向にあるが、マイクロ波エッチングの方が顕著に増加した。滞在時間３００ｍｓｅｃにおいてＡｌエッチ速度は１０００ｎｍ／ｍｉｎであった。従って、アンダーカット０．１μｍ以下で、エッチ速度１０００ｎｍ／ｍｉｎを得るためには、ガス圧力４ｍＴｏｒｒ以下でガス滞在時間３００ｍｓｅｃ以下にすることが必要である。
【００９０】
【発明の効果】
本発明によれば、１ｍＴｏｒｒ以下の高真空下でガス流量を４０ｓｃｃｍ以上に増大でき、ガス滞在時間を１００ｍｓｅｃ以下にできるため、高真空下でアンダーカットを防止し、大ガス流量で高いエッチ速度を達成でき、被エッチング材料とその他の材料とのエッチング速度比（選択比）も増大できる効果がある。その結果、非常に高い方向性が必要となるＳｉトレンチやコンタクト孔等の高アスペクト比（パターン幅／エッチング深さの比）エッチングを、高速度で高精度に加工することができる。
【００９１】
また、１ｍＴｏｒｒ以上のガス圧力でもアンダーカットをある程度防止し、エッチ速度、エッチング選択性を向上することができる。
【００９２】
また、反応生成物の再デポジションが少ないので、これによるウェハや装置の汚染、エッチング形状の異常などを低減できる。
【００９３】
本発明の効果は前述のエッチング装置やエッチング材料に限らず、例えば、マグネトロン型ＲＩＥやヘリコン共振型ＲＩＥ等の他の装置、およびアルミニウム、タングステン、タングステンシリサイド、銅、ＧａＡｓ、Ｓｉ窒化膜等の微細パターン加工についても同様の効果がある。
【００９４】
また、大型ベッセルを用いることにより、例えば８インチ以上のウェハを多数枚同時にエッチング処理でき、そのエッング速度も従来と同程度にできるので、ドライエッチングのスループットを向上でき、半導体製品のコスト低減できる効果がある。
【００９５】
本発明による大型ベッセル、高速排気処理装置での大口径ウェハ一括処理は、ドライエッチング以外のプロセスにおいてもスループット増大の効果が大きい。例えば、プラズマＣＶＤ装置、スパッタリング装置、イオンミリング装置、プラズマドーピング装置等がその例である。いずれの装置でも真空処理室が大型化すると処理室内の残留ガス量が増加し、例えば形成膜内への残留ガス混入による膜質劣化等の問題が生ずるが、高速排気によりこのような効果が低減でき、良質の薄膜を形成できる。さらに、残留ガス量を膜形成のために必要な値以下にする時間を高速排気により短縮でき、プロセススループット向上を図ることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高真空高速排気型のマイクロ波プラズマエッチング装置の概略断面図である。
【図２】本発明に係る高真空高速排気型のマイクロ波プラズマエッチング装置を用いたＳｉエッチングにおけるガス流量とエッチング速度の関係を示す図である。
【図３】本発明に係る高真空高速排気型のマイクロ波プラズマエッチング装置を用いたＳｉエッチングにおける、ガス圧力とアンダーカット量の関係を示す図である。
【図４】本発明に係る高真空高速排気型のマイクロ波プラズマエッチング装置を用いたＳｉエッチングにおける、ガス圧力とエッチ速度の関係を示す図である。
【図５】ガス流量を変化させた時の反応性ガスと反応生成物の基板への入射割合を求めた計算結果を示す図である。
【図６】ガス流量を変化させた時のガス滞在時間を求めた計算結果を示す図である。
【図７】ガス滞在時間を変化させた時の反応性ガスと反応生成物の基板への入射割合を求めた計算結果を示す図である。
【図８】本発明に係る高真空高速排気型の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置の概略断面図である。
【図９】本発明に係るドライエッチング装置の概略断面図である。
【図１０】本発明に係るドライエッチング装置の部分平面図である。
【図１１】本発明に係るドライエッチング装置の部分平面図である。
【図１２】本発明に係るドライエッチング装置のガス配管の構成を示した平面図である。
【図１３】本発明に係るドライエッチング装置のガス配管の構成を示した平面図である。
【図１４】本発明に係るドライエッチング装置の概略断面図である。
【図１５】エッチング処理室の高さと幅の比と、エッチング処理室内のガスの流れ密度の関係を、シミュレーションにより求めた結果である。
【図１６】従来のドライエッチング装置の概略断面図である。
【図１７】異なる実行排気速度に対するガス圧力とガス流量との関係を示す図である。
【図１８】実効排気速度とガス滞在時間との関係を真空処理室容積をパラメ−タとして示す図である。
【図１９】本発明に係る大型ベッセル高速排気反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置の概略図である。
【図２０】高真空高速排気型のマイクロ波プラズマエッチング装置を用いたＳｉエッチングにおける、ガス流量とエッチ速度の関係を示す図である。
【図２１】本発明に係る大型ベッセル高速排気マイクロ波プラズマエッチング装置の概略図である。
【図２２】本発明に係るＡｌエッチ速度と実効排気速度のグラフである。
【図２３】本発明に係るＳｉエッチ速度とウェハ−ＥＣＲ面距離のグラフである。
【図２４】本発明に係るウェハ表面への反応生成物とウェハ−ＥＣＲ面距離のグラフである。
【図２５】本発明に係るＡｌエッチ速度と実効排気速度のグラフである。
【図２６】本発明に係るＡｌアンダーカット量と実効排気速度のグラフである。
【図２７】本発明に係るＡｌアンダーカット量とガス圧力のグラフである。
【図２８】本発明に係るＡｌエッチング深さ比（パターンサイズ依存）と実効排気速度のグラフである。
【図２９】本発明に係る高速排気反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置の概略図である。
【図３０】本発明に係るＡｌエッチ速度とガス圧力のグラフである。
【図３１】本発明に係るＡｌエッチ速度と実効排気速度のグラフである。
【図３２】本発明に係るＡｌエッチ速度とガス滞在時間のグラフである。
【図３３】本発明の効果を適用する処理ガス圧力と実効排気速度の範囲を示す図である。
【符号の説明】
１…真空処理室、２…マイクロ波発生器、３…導波管、４…放電部、５…ガスプラズマ、６…ソレノイドコイル、７…試料台、８…ウェハ、９…ガス導入口、 １０…排気管、１１…排気ポンプ、１２…コンダクタンスバルブ、１３…ガス流量コントローラ、１４…ガス配管、１５…バッファ室、１６…冷却機構、１７…ＲＦバイアス、１８…ヒータ、１９…バタフライバルブ、２０…ガスの流れ、２１…マイクロ波動導入窓、２２…上部電極、２３…ガス圧センサ
１０１…マイクロ波発生部、１０２…導波管、１０３…マイクロ波導入窓、１０４…ガス導入口、１０５…ガス配管、１０６…マスフローコントローラ、１０７…電磁石、１０８…じゃま板、１０９…ウェハ、１１０…試料台、１１１…チャンバー、１１２…高周波電源、１１３…排気バッファ室、１１４…真空ポンプ、１１５…ガスボンベ、１１６…ガス導入バッファ室、１１７…エッチング処理室２０１…真空処理室、２０２…高周波、２０３…ガスプラズマ、２０４…上部電極、２０５…下部電極、２０６…ガス排気口、２０７…８インチウェハ、２０８…コンダクタンスバルブ、２０９…ガス流量コントローラ、２１０…ガス配管、２１１…ガス導入口、２１２…バッファ室、２１３…冷却機構、２１４…ヒータ、２１５…排気ポンプ、２１６…放電部、２１７…マイクロ波発生器、ＲＦバイアス、２１８…導波管、２１９…ソレノイドコイル、２２０…ガスの流れ。

Claims (3)

1. 処理室内に、アルミニウム膜、タングステン膜、タングステンシリサイド膜、銅膜、ＧａＡｓ膜、シリコン窒化膜の何れかの第１の膜が形成された半導体基体を設置する工程と、
   前記処理室内にガスを供給し、前記ガスをプラズマ化し、
   前記処理室内のガスの圧力を５ｍＴｏｒｒ以下、実効排気速度を５００ｌ／ｓ以上に維持しながら、前記プラズマにより生成された反応性ガスによって前記第１の膜を選択エッチングする工程とを含み、
   前記ガスの処理室内滞在時間は、１００ｍｓｅｃ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記ガスの供給は、前記処理室内のガス流速が音速の１／３以下で行われることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記ガスの供給は、前記処理室内に供給されるガス流量が４０ｓｃｃｍ以上で行われることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。

Images