JP3816081B2 - プラズマエッチング装置及びプラズマエッチング方法 - Google Patents

プラズマエッチング装置及びプラズマエッチング方法 Download PDF

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Description

本発明は、主に強誘電体キャパシタの電極材料膜のパターン加工工程において用いるプラズマエッチング装置及びプラズマエッチング方法に関し、特に、パーティクル発生を低減しつつ電極材料膜を微細加工するプラズマ装置及びそれを用いたエッチング方法に関するものである。
近年、半導体集積回路装置の高集積化、高機能化及び高速化に伴って、不揮発性メモリ(例えばFeRAM(Feroelectric Random Access Memory ))を用いる技術が提案されている。この不揮発性メモリにおけるキャパシタ用の絶縁膜としては、SBT(タンタル酸ストロンチウムビスマス)又はPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等の強誘電体膜が用いられる。また、キャパシタの電極材料としては、白金(Pt)又はイリジウム(Ir)等の単体膜が用いられると共に、その微細パターン形成には主に塩素ガスによるプラズマドライエッチング技術が用いられる。しかしながら、これらの電極材料膜をドライエッチングすることは大変難しい。以下、その理由について説明する。
表1は、様々な電極材料膜と塩素含有エッチングガスとの反応によって生じるエッチング反応生成物及びその沸点を示している。
Figure 0003816081
表1に示すように、電極材料膜が通常の集積回路に使用されるようなポリシリコン膜である場合、エッチング反応生成物としてSiCl4 が生成される。SiCl4 は沸点が58℃程度と低いため、エッチング反応室内で容易にガス化して外部に排出される。
それに対して、Pt又はIrと塩素含有エッチングガスとの反応生成物であるPtCl2 、PtCl4 又はIrCl3 は、それぞれの沸点がSiCl4 と比べて著しく高いため、ガス化(気化)しにくい。その結果、これらの反応生成物はエッチング中にチャンバー内から排気されずにチャンバー壁面に付着残留し、これが後の工程においてパーティクル発生源となる。特に、プラズマエッチング装置においては、チャンバーの上部天板がエッチング処理される半導体ウェハと対向していることが多いため、該上部天板に付着した反応生成物がパーティクルとしてエッチング中にウェハ上に落下し、それが微細パターンの欠陥要因となるので、半導体集積回路を製造する上で大きな問題となっている。
ところで、一般的に多く用いられている誘導結合型ドライエッチング装置の中には、チャンバー外壁と、それを取り巻くように設けられ且つチャンバー内にエッチングガスのプラズマを発生させる誘導結合コイル(以下ICPコイルという)との間にファラデーシールド電極(以下FS電極という)を設置し、そのFS電極に電圧又は高周波電力を印加することによって、チャンバー内部壁面の絶縁材料がプラズマによって削られることを抑制した装置がある(例えば特許文献1参照)。
図5(a)は、従来のFS電極を有する誘導結合型プラズマ処理装置(エッチング装置)の概略構成を示す図である。図5(a)に示すように、ドライエッチング等のプラズマ処理を行なうチャンバー1の内部にウェハ支持部を兼ねる電極2が設けられている。電極2は支持部材2aを介してチャンバー1の底部に取り付けられている。また、電極2の上にはプラズマ処理の対象となるウェハ3が設置される。電極2には高周波電源4から高周波バイアス電圧を印加することができる。
チャンバー1の上部には、電極2又はウェハ3と対向するように石英やセラミックからなる天板7が設けられている。天板7の上面つまりチャンバー1の外壁面に近接するように、チャンバー1の内部にプラズマを発生させる誘導結合コイル5(以下ICPコイル5という)が設けられている。ICPコイル5には高周波電源6から高周波電圧を供給することができる。また、ICPコイル5と天板7との間には、前述の機能を持つFS電極40が挿入されている。
ウェハ3のエッチング中においては、FS電極40に対して高周波電源10から適切に調整された高周波電圧が印加され、それによって、特に天板7を構成している絶縁材料等がプラズマイオン衝撃によって削られることを防止する。
図5(b)は図5(a)に示すエッチング装置におけるFS電極40の平面図である。図5(b)に示すように、一般にFS電極40の平面形状は円形状であり、その断面形状は図5(a)に示すような板状である。
尚、図5(a)に示すエッチング装置の底部には排気口13が設けられており、ゲートバルブ12を解放することによってチャンバー1の内部を減圧状態(常圧(大気圧)よりも低い圧力状態)にすることができる。
図5(a)に示すような装置に対して、FS電極つまりファラデーシールドを有していない装置においては、発生したプラズマと誘導結合コイルとが誘導結合することに加えて、両者が静電容量的にも結合するので、チャンバー壁面を構成している石英等の絶縁材料がプラズマによってエッチングされる事態が起こる。特にチャンバー内部におけるICPコイル直下のチャンバー壁面付近では、コイルに印加された高電圧高周波によってプラズマ中の電子及びイオンがチャンバー内壁面に対して垂直な方向に加速される。ここで、電子の質量がイオンよりもはるかに小さいので、チャンバー内壁面は電子の衝突を優先的に多く受けて負に帯電する。その結果、該負に帯電した領域に、反対電荷を持つイオンが引き込まれることとなり、該イオン衝撃によって壁面材料がエッチングされるのである。
それに対して、図5(a)に示すエッチング装置の構造においては、ICPコイル5とチャンバー1の内壁絶縁材料との間にFS電極40を設置すると共にFS電極40に電圧を印加することによって、チャンバー壁面がエッチングされることを防止している。ところで、FS電極40は、元来チャンバー内壁がエッチングされて削られることを抑制するために設けられるものであるが、このFS電極40に印加する電圧を最適な値に設定することによって、絶縁材からなるチャンバー1の内部におけるICPコイル5の直下の領域に最適な値を持つ容量結合成分を確保することができる。この場合、該容量結合成分による自己バイアス電圧によって、エッチング中に生じ且つチャンバー内壁面に付着しようとする反応生成物をエッチングすることが可能になる。すなわち、図5(a)に示すエッチング装置によると、以上のようにして理想的な場合には、チャンバー内壁を構成する絶縁材が削られることを防止でき、且つプラズマエッチング中に生じる反応生成物の付着をある程度抑制できる(つまりパーティクルの発生を低減できる)エッチングを実現できる。
特開平10−275694号公報
しかしながら、回路における代表的な寸法最小値が例えば0.18μm以下であるような、微細な強誘電体不揮発性メモリのキャパシタの電極材料膜としては、Pt若しくはIr又はそれらを含む導電材料からなる積層構造が用いられるようになってきている。そして、このような積層多層膜のエッチング中に反応生成物としてPtCl4 又はIrCl3 等の混合体が生じる結果、比較的パターン寸法の大きいメモリのキャパシタに適用される、1種類の材料からなる電極膜をエッチングする場合と比べて、より一層反応生成物が残りやすくなってきている。図5(a)に示す装置においては、このような反応生成物は天板7におけるチャンバー内壁側の表面に付着し、しかも、該反応生成物が天板7の中央部により厚く付着しやすいという傾向がある。その理由は次のように考えられる。すなわち、図5(a)に示すように、ウェハ3の表面が天板7の中央部と対向するという、ウェハ3と天板7との相対配置関係においは、ウェハ3の表面と天板7の中央部との間の距離が最も短く、ウェハ3の表面と天板7の周縁部との間の距離は相対的に長い。従って、ウェハ3表面からエッチングによって放出された反応生成物は天板7の中央部により容易に到達することになる。
前述のように、チャンバー内壁に付着する反応生成物の厚さに分布(ムラ)を生じた場合、FS電極40に加える電圧値、つまりICPコイル5直下の天板7等の絶縁材チャンバー内壁にかかるバイアス電圧成分(容量結合によって生じる)を最適な値に設定したとしても、天板7の中央部等に反応生成物が残ってしまう箇所が生じる場合がある。このように絶縁材チャンバー内壁に反応生成物が付着した状態においては、チャンバー1の内部にパーティクルが発生し、それがウェハ3に飛来して欠陥となってしまうという問題が起きる。
また、図5(a)に示すような従来のエッチング装置においては、In−situで反応生成物の付着状態を観察して特定しているわけではないので、言い換えると、実際にどの部分にどれだけ反応生成物が付着しているのかがわからないので、エッチング中にFS電極40に加える電圧値を調整することにより反応生成物を十分にエッチングすることは困難である。
また、従来のエッチング装置においては、反応生成物が付着していないか又は付着していたとしてもその厚さが小さい箇所、例えば天板7の周縁部等では、FS電極40に印加する高周波電圧に起因する過度な電圧成分(容量結合によって生じる)によって絶縁材が過度にスパッタされてしまうため、絶縁材の消耗が激しくなるという問題も起こる。
前記に鑑み、本発明は、プラズマエッチングにおいて、チャンバー内壁を構成する絶縁材料が削られることを防止しながら、チャンバー内における反応生成物の残留に起因するパーティクル発生を抑制できるようにすることを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明に係る第1のプラズマエッチング装置は、減圧可能なチャンバーと、チャンバーの内部に設けられ且つ基板を載置する基板支持部と、チャンバーの外部におけるチャンバーの近傍に設けられ且つチャンバーの内部にエッチングガスからなるプラズマを生成するための高周波電力が印加される第1の電極と、チャンバーと第1の電極との間に設けられ且つそれぞれ独立に高周波電力が印加される複数の分割電極からなる第2の電極とを備えている。
尚、本願において、高周波とは10kHz以上で且つ10GHz以下の周波数を意味する。
また、第1のプラズマエッチング装置において、第2の電極はチャンバーの壁部内に設けられていてもよい。
また、第1のプラズマエッチング装置において、基板支持部は、その上に載置された基板の表面が第2の電極と対向するように配置されており、第2の電極は、同心状に組み合わせられる複数の分割電極によって構成されることが好ましい。この場合、第2の電極は、同心円状に組み合わせられる複数の分割電極によって構成されてもよい。
本発明に係る第2のプラズマエッチング装置は、減圧可能なチャンバーと、チャンバーの内部に設けられ且つ基板を載置する基板支持部と、チャンバーの外部におけるチャンバーの近傍に設けられ且つチャンバーの内部にエッチングガスからなるプラズマを生成するための高周波電力が印加される第1の電極と、チャンバーと第1の電極との間に設けられ且つ高周波電力が印加される第2の電極と、チャンバーと第1の電極との間において第2の電極をチャンバーの壁面に沿って移動させる駆動機構とを備えている。
本発明に係る第3のプラズマエッチング装置は、減圧可能なチャンバーと、チャンバーの内部に設けられ且つ基板を載置する基板支持部と、チャンバーの外部におけるチャンバーの近傍に設けられ且つチャンバーの内部にエッチングガスからなるプラズマを生成するための高周波電力が印加される第1の電極と、チャンバーと第1の電極との間に設けられ且つ高周波電力が印加される第2の電極と、チャンバーの内壁における第2の電極と対向する部分に付着したエッチング反応生成物を検出する検出手段と、検出手段によるエッチング反応生成物の検出信号に基づいて、チャンバーと第1の電極との間において第2の電極をチャンバーの壁面に沿って移動させる駆動機構とを備えている。
本発明に係る第1のプラズマエッチング方法は、本発明に係る第1のプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法であって、具体的には、基板支持部の上に、被エッチング膜が形成された基板を載置する工程と、基板を載置する工程よりも後に、チャンバーの内部にエッチングガスを導入すると共に第1の電極に高周波電力を印加することによって、チャンバーの内部にエッチングガスからなるプラズマを発生させる工程と、プラズマによって被エッチング膜に対してエッチングを行なうと同時に、チャンバーの内壁における第2の電極と対向する部分に付着したエッチング反応生成物の厚さ分布に応じて、第2の電極を構成する複数の分割電極のそれぞれに独立に高周波電力を印加する工程とを備えている。
本発明に係る第2のプラズマエッチング方法は、本発明に係る第1のプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法であって、具体的には、基板支持部の上に、被エッチング膜が形成された基板を載置する工程と、基板を載置する工程よりも後に、チャンバーの内部にエッチングガスを導入すると共に第1の電極に高周波電力を印加することによって、チャンバーの内部にエッチングガスからなるプラズマを発生させる工程と、プラズマによって被エッチング膜に対してエッチングを行なう工程と、被エッチング膜に対してエッチングを行なう工程よりも後に、チャンバーの内壁における第2の電極と対向する部分に付着したエッチング反応生成物の厚さ分布に応じて、第2の電極を構成する複数の分割電極のそれぞれに独立に高周波電力を印加する工程とを備えている。
第1又は第2のプラズマエッチング方法において、複数の分割電極のそれぞれに独立に高周波電力を印加する工程において、エッチング反応生成物の厚さ分布に関わらずエッチング反応生成物に対して一様にエッチングを行なえることが好ましい。
本発明に係る第3のプラズマエッチング方法は、本発明に係る第2のプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法であって、具体的には、基板支持部の上に、被エッチング膜が形成された基板を載置する工程と、基板を載置する工程よりも後に、チャンバーの内部にエッチングガスを導入すると共に第1の電極に高周波電力を印加することによって、チャンバーの内部にエッチングガスからなるプラズマを発生させる工程と、プラズマによって被エッチング膜に対してエッチングを行なうと同時に、チャンバーの内壁における第2の電極と対向する部分に付着したエッチング反応生成物の厚さ分布に応じて駆動機構によって第2の電極をチャンバーの壁面に沿って移動させながら第2の電極に高周波電力を印加する工程とを備えている。
本発明に係る第4のプラズマエッチング方法は、本発明に係る第3のプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法であって、具体的には、基板支持部の上に、被エッチング膜が形成された基板を載置する工程と、基板を載置する工程よりも後に、チャンバーの内部にエッチングガスを導入すると共に第1の電極に高周波電力を印加することによって、チャンバーの内部にエッチングガスからなるプラズマを発生させる工程と、プラズマによって被エッチング膜に対してエッチングを行なうと同時に、チャンバーの内壁における第2の電極と対向する部分に付着したエッチング反応生成物の厚さ分布を検出手段により検出し、該検出された厚さ分布に応じて駆動機構によって第2の電極を前記チャンバーの壁面に沿って移動させながら第2の電極に高周波電力を印加する工程とを備えている。
第3又は第4のプラズマエッチング方法において、第2の電極に高周波電力を印加する工程において、エッチング反応生成物の厚さ分布に関わらずエッチング反応生成物に対して一様にエッチングを行なえることが好ましい。
第1〜第4のプラズマエッチング方法において、被エッチング膜は、少なくとも貴金属元素又は白金族元素を含む膜であり、エッチングガスは塩素含有ガスであることが好ましい。
本発明によると、例えばファラデーシールド電極等の第2の電極を複数の分割電極から構成すると共にチャンバー内壁に付着した反応生成物の厚さ分布に応じて各分割電極に独立に高周波電圧を印加するか、又は第2の電極をチャンバー壁面に沿って移動させながら該移動場所に付着した反応生成物の厚さに応じた高周波電圧を印加する。このため、チャンバー内壁におけるICPコイル等の第1の電極の直下の領域が削られることを防止しながら、チャンバー内に残留する反応生成物に対して十分にエッチングを行なうことができる。従って、第2の電極の本来の役割である、チャンバーを構成する絶縁材の消耗の防止を確実に実現しながら、反応生成物に起因するパーティクル発生を抑制できるので、電極材料膜のプラズマエッチングを低コストで且つ低欠陥で行なうことができる。特に、非常に沸点が高く気化しにくい反応生成物、つまり排気されにくい反応生成物を生じる貴金属膜又は白金族膜等のエッチングに本発明を適用して強誘電体メモリの電極形成を行なった場合に顕著な効果が得られる。
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係るプラズマエッチング装置及びプラズマエッチング方法について、図面を参照しながら説明する。
図1(a)は、本発明の第1の実施形態に係るプラズマエッチング装置の概略構造を示す図である。本実施形態の装置は、ICPコイルと誘導結合するプラズマと、FS電極と容量結合するプラズマの両方を生じさせることのできるプラズマエッチング装置であって、その主な特徴は、後述するように、FS電極が複数に分割されていることである。
具体的には、図1(a)に示すように、本実施形態の装置においては、ドライエッチング等のプラズマ処理を行なうチャンバー1、つまり減圧可能なチャンバー1の内部にウェハ支持部を兼ねる電極2が設けられている。電極2は支持部材2aを介してチャンバー1の底部に取り付けられている。また、電極2の上にはプラズマ処理の対象となるウェハ3が設置されると共に、電極2には高周波電源4から高周波バイアス電圧を印加することができる。
チャンバー1の上部には、電極2又はウェハ3と対向するように石英やセラミックからなる天板7が設けられている。天板7の上面つまりチャンバー1の外壁面に近接するように、ウェハ3をエッチングするための主要プラズマをチャンバー1の内部に発生させる高周波電極、具体的にはICPコイル5が設けられている。ICPコイル5には高周波電源6から高周波電圧(高周波電力)を供給することができる。
本実施形態の特徴は、ICPコイル5と天板7との間に、2個の分割電極、具体的には第1のFS電極8及び第2のFS電極9が挿入されていることである。尚、第1のFS電極8及び第2のFS電極9と天板7とは空間的に離れていてもよいし、天板7の材質によっては第1のFS電極8及び第2のFS電極9が天板7と接していてもよい。また、第1のFS電極8及び第2のFS電極9は、天板7におけるチャンバー内壁面側に露出しないように天板7の内部に埋め込まれていてもよい。
ウェハ3のエッチング中においては、第1のFS電極8及び第2のFS電極9に対しては、それぞれ高周波電源10及び高周波電源11から適切に調整された高周波電圧(高周波電力)が独立に印加され、それによって、特に天板7を構成している絶縁材料等がプラズマイオン衝撃によって削られることを防止する。
図1(b)は、図1(a)に示すエッチング装置における第1のFS電極8及び第2のFS電極9の平面図である。図1(b)に示すように、第1のFS電極8の平面形状はリング状であり、第2のFS電極9の平面形状は円盤状であり、さらに、第1のFS電極8と第2のFS電極9とは同心円状に組み合わされている。
尚、図1(a)に示すエッチング装置の底部には排気口13が設けられており、ゲートバルブ12を解放することによってチャンバー1の内部を減圧状態にすることができる。
以下、図1(a)に示す本実施形態のプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法について図面を参照しながら説明する。
図2(a)〜(c)はSBT又はPZT等よりなる強誘電体膜を記憶容量絶縁膜に用いた強誘電体メモリセルにおける記憶容量(容量素子)を形成するための各工程を示す断面図である。
まず、図2(a)に示すように、半導体基板(図示省略)上に例えばCVD(chemical vapor deposition )法によりSiN膜30を形成した後、SiN膜30に、記憶容量電極と半導体基板とを接続するコンタクト孔を開口し、該コンタクト孔の内部にタングステン(W)を埋め込むことによってコンタクトプラグ31を形成する。続いて、コンタクトプラグ31の上及びSiN膜30の上に貴金属元素又は白金属元素を含む積層金属膜、具体的には、厚さ50nmのIr膜32、厚さ50nmのIrO2 膜33及び厚さ100nmのPt膜34を順次堆積する。さらに、Pt膜34の上に厚さ100nmのTiAlN膜35を堆積した後、電極形成領域を覆うレジストパターン36をマスクとしてTiAlN膜35に対してエッチングを行なう。尚、厚さ50nmのIr膜32に代えて、厚さ100nmのTiAlN膜と厚さ50nmのIr膜との積層膜を用いてもよい。
次に、図2(b)に示すように、レジストパターン36を除去した後、前述の積層金属膜が形成された半導体基板を、図1(a)に示すプラズマエッチング装置におけるチャンバー1内の電極2上に設置する。続いて、パターン化されたTiAlN膜35をマスクとして、塩素(Cl2 )と酸素(O2 )との混合ガスを用いて、Pt膜34、IrO2 膜33及びIr膜32に対して順次選択的にエッチングを行なう。これにより、Ir膜32、IrO2 膜33及びPt膜34がパターン化されて容量下部電極が形成される。このときの具体的なエッチング条件を表2に示す。
Figure 0003816081
表2に示すように、本実施形態のドライエッチング工程では、第1のFS電極8及び第2のFS電極9にそれぞれ独立に高周波電力を供給する。具体的には、第1のFS電極8(外電極)に200Wの高周波電力(周波数12.56MHz)を印加すると共に第2のFS電極9(内電極)に300Wの高周波電力(周波数13.56MHz)を印加することによってエッチングを実施する。尚、表2において、下部電極は、図1(a)に示すプラズマエッチング装置の電極2と対応している。すなわち、エッチング中においてはIPCコイル5に1500Wの高周波電力(周波数13.56MHz)を印加すると共に、エッチングガス中のイオンが基板に入射する際のエネルギーを制御するために下部電極(電極2)に200Wの高周波電力(周波数13.56MHz)を印加する。また、表2に示すように、Cl2 ガス及びO2 ガスのそれぞれの流量は100ml/min(標準状態)及び250ml/min(標準状態)であり、チャンバー1内の圧力は2.0paであり、下部電極の温度は50℃である。
次に、図2(c)に示すように、TiAlN膜35を除去した後、半導体基板の上に全面に亘って層間絶縁膜37を平坦に形成し、その後、Pt膜34の表面が露出するように層間絶縁膜37を開口する。その後、Pt膜34の上及び層間絶縁膜37の上に、容量絶縁膜となる強誘電体膜38をパターン形成し、さらに、強誘電体膜38を覆うように、例えばPtからなる容量上部電極39を形成する。
以上の記憶容量形成工程において、Pt膜34、IrO2 膜33及びIr膜32の積層膜をエッチングする工程(図2(b)参照)では、第1のFS電極8及び第2のFS電極9のそれぞれに高周波電力を独立に印加すると共に第1のFS電極8と比べて第2のFS電極9の方に大きな電力を印加する。ところで、図1(a)に示す装置のように、ウェハ3と天板7又はその外部のICPコイル5とが対向している構成では、既に説明したように、天板7におけるチャンバー内壁面となる表面の中央部に周縁部と比べてエッチング反応生成物がより厚く付着する。しかし、本実施形態のように第2のFS電極9に第1のFS電極8よりも大きい電力を印加することによって、天板7の中央部に付着した反応生成物に対するエッチング速度が、天板7の周縁部に付着した反応生成物に対するエッチング速度よりも大きくなる。すなわち、2つのFS電極8及び9に印加する電力を最適に調整することによって、天板7の全面に亘って反応生成物を均一にエッチングすることができるので、反応生成物を最終的に完全に除去できると共に、天板7を構成する絶縁材料が部分的に過剰にエッチングされてしまう事態を回避できる。
図3(a)及び(b)は、例えば強誘電体メモリデバイスを形成するために前述のようなIrやPtからなる電極材料膜をエッチングしている最中のエッチング装置における天板7のチャンバー内壁側の表面及びその付近の状態を示しており、図3(a)は従来のプラズマエッチング装置(図5(a)参照)を用いた場合の状態を示し、図3(b)は本実施形態のプラズマエッチング装置(図1(a)参照)を用いた場合の状態を示す。
図3(a)に示すように、従来の装置を用いた場合、FS電極40の全面に亘って一様な高周波電力が印加されており、それによって自己バイアスポテンシャルVppが均一に200Vとなっている。このため、ウェハ3(図示省略)と天板7との相対配置関係に起因して天板7の表面に不均一に付着した、IrやPtを含有するエッチング反応生成物41のうち、天板7の表面中央部に付着した反応生成物41を除去することができない。
それに対して、図3(b)に示すように、本実施形態のエッチング装置を用いた場合、天板7の表面に付着した反応生成物の厚さに応じて第1のFS電極8及び第2のFS電極9のそれぞれに独立に高周波電力を印加することによって、該高周波電力による自己バイアスポテンシャルVppを天板7の中央部で300Vに設定し、天板7の周縁部で200Vに設定している。これにより、同一の時間で反応生成物を均一に除去できるように、反応生成物の付着場所に応じて反応生成物のエッチング速度を調整できるので、言い換えると、エッチング反応生成物の厚さ分布に関わらず天板7の表面全体に亘ってエッチング反応生成物に対して一様にエッチングを行なうことができるので、天板7には反応生成物がほとんど付着しない。
以上に述べた、本実施形態に係るプラズマエッチング方法を実施したところ、表2に示すように、8インチ円形ウェハ上において0.2μm以上の粒径を持つパーティクルの増加数は20個程度であった。それに対して、図5(a)に示す従来のプラズマエッチング装置を用いてFS電極40に高周波電圧を印加してエッチングを実施した場合、8インチ円形ウェハ上において0.2μm以上の粒径を持つパーティクルの増加数は約500個であった。すなわち、本実施形態によれば、従来技術と比べて、パーティクル発生数を大幅に低減することができる。
以上のように、本実施形態によると、複数のFS電極8及び9を用いると共にチャンバー内壁に付着した反応生成物の厚さ分布に応じて各FS電極8及び9に独立に高周波電力を印加するため、チャンバー内壁(天板7)におけるICPコイル5の直下の領域が削られることを防止しながら、チャンバー1内に残留する反応生成物に対して十分にエッチングを行なうことができる。従って、FS電極の本来の役割である、天板7を含むチャンバー1を構成する絶縁材の消耗の防止を確実に実現しながら、反応生成物に起因するパーティクル発生を抑制できるので、電極材料膜のプラズマエッチングを低コストで且つ低欠陥で行なうことができる。特に、非常に沸点が高く気化しにくい反応生成物、つまり排気されにくい反応生成物を生じる貴金属膜又は白金族膜等のエッチングに本実施形態を適用して強誘電体メモリの電極形成を行なった場合に顕著な効果が得られる。
尚、本実施形態において、リング状の第1のFS電極8及び円盤状の第2のFS電極9を組み合わせて用いたが、FS電極の数及び形状が特に限定されないことは言うまでもない。但し、本実施形態のように、基板支持部(電極2)上に載置された基板の表面がFS電極と対向するように配置される場合には、同心状、特に同心円状に組み合わせ可能な形状を持つ複数のFS電極を用いることが好ましい。このようにすると、チャンバー内壁に付着した反応生成物の厚さ分布に応じて各FS電極に独立に高周波電力を印加することが容易になる。
また、本実施形態において、天板7におけるチャンバー内壁側の表面に付着したエッチング反応生成物を検出するための検出手段(例えば第2の実施形態の光検出器24等)を設けてもよい。
また、本実施形態において、電極材料膜に対してエッチングを行なうと同時に、第1のFS電極8及び第2のFS電極9に高周波電力を印加して反応生成物を除去した。しかし、これに代えて、図2(b)に示す、積層構造を持つ電極材料膜のエッチングを終了した後、該積層電極材料膜が形成された半導体基板を、図1(a)に示すエッチング装置におけるチャンバー1内の電極2上に載置したまま、又は該半導体基板をチャンバー1から取り出してから、第1のFS電極8及び第2のFS電極9にそれぞれ独立に高周波電力を印加することにより、当該エッチング時に生じた反応生成物を除去する工程を行なってもよい。尚、この場合も、反応生成物を除去した後の工程は、図2(c)を用いて説明した工程と同じである。
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係るプラズマエッチング装置及びプラズマエッチング方法について、図面を参照しながら説明する。
図4(a)は、本発明の第2の実施形態に係るプラズマエッチング装置の概略構造を示す図である。本実施形態の装置は、ICPコイルと誘導結合するプラズマと、FS電極と容量結合するプラズマの両方を生じさせることのできるプラズマエッチング装置であって、その主な特徴は、FS電極がチャンバー上部の天板上を這うように動くこと、及び該天板に付着する堆積物(エッチング反応生成物)をIn−situでモニタリングする機器を備えていることである。すなわち、本実施形態のエッチング方法においては、天板における反応生成物の付着箇所をIn−situモニタリングにより特定し、該反応生成物の付着箇所にFS電極を移動させて該反応生成物を除去するという工程を繰り返し行ないながらエッチングを実施する。
具体的には、図4(a)に示すように、本実施形態の装置においては、ドライエッチング等のプラズマ処理を行なうチャンバー1、つまり減圧可能なチャンバー1の内部にウェハ支持部を兼ねる電極2が設けられている。電極2は支持部材2aを介してチャンバー1の底部に取り付けられている。また、電極2の上にはプラズマ処理の対象となるウェハ3が設置されると共に、電極2には高周波電源4から高周波バイアス電圧を印加することができる。
チャンバー1の上部には、電極2又はウェハ3と対向するように石英やセラミックからなる天板7が設けられている。天板7の上面つまりチャンバー1の外壁面に近接するように、ウェハ3をエッチングするための主要プラズマをチャンバー1の内部に発生させる高周波電極、具体的にはICPコイル5が設けられている。ICPコイル5には高周波電源6から高周波電圧(高周波電力)を供給することができる。
ICPコイル5と天板7との間にはFS電極20が挿入されている。尚、FS電極20と天板7とは空間的に離れていてもよいし、天板7の材質によってはFS電極20が天板7と接していてもよい。
ウェハ3のエッチング中においては、FS電極20に対しては高周波電源21から適切に調整された高周波電圧(高周波電力)が印加され、それによって、特に天板7を構成している絶縁材料等がプラズマイオン衝撃によって削られることを防止すると共に天板7におけるチャンバー内壁側の表面に付着した反応生成物を除去する。
本実施形態の装置の第1の特徴は、天板7とICPコイル5との間においてFS電極20を天板7の表面に沿って移動させる駆動装置23を備えていることである。駆動装置23は、駆動装置23と連動するアーム22を介してFS電極20と接続されている。
図4(b)は、図4(a)に示すエッチング装置におけるFS電極20の平面図である。図4(b)に示すように、FS電極20の平面形状は円盤状であり、通常、このような形状が望ましい。
本実施形態の装置の第2の特徴は、チャンバー1の側部に、天板7におけるチャンバー内壁側の表面に付着したエッチング反応生成物を検出する検出手段、具体的には、光検出器24を備えていることである。図示はしていないが、光検出器24の先端部にはCCD(charge-coupled device )等の光センサーデバイスが取り付けられている。これにより、エッチング中に天板7の表面に反応生成物等が付着した際に、エッチングガスからなるプラズマが発する光を光源として、該付着膜の上面及び下面のそれぞれからの反射光の干渉現象によって生じた干渉光25の時間的周期的変化(膜干渉信号変化)を読みとることができるので、該付着膜の成長状況を検知することができる。また、光検出器24は駆動装置23と連動しているので、光検出器24によって検出された膜干渉検出信号を駆動装置23にフィードバックしてFS電極20を適切に移動させることができる。具体的には、エッチング中に検出器24の角度(干渉光25の測定方向)を時間的に変化させて天板7の表面全体を走査し、それによって得られた干渉光25の周期的変化に基づいて付着膜の成長をモニターする。また、光検出器24によって検出された干渉光25の変化に基づいて、駆動装置23はアーム22を用いてFS電極20を付着膜の成長が大きい箇所に移動させ、該箇所の付着膜つまり反応生成物を除去する。
尚、図4(a)に示すエッチング装置の底部には排気口13が設けられており、ゲートバルブ12を解放することによってチャンバー1の内部を減圧状態にすることができる。
図4(a)に示す本実施形態のプラズマエッチング装置を用いて、SBT又はPZT等よりなる強誘電体膜を記憶容量絶縁膜に用いた強誘電体メモリセルにおける記憶容量(容量素子)を形成するための各工程は、図2(a)〜(c)に示す第1の実施形態と基本的に同じであるが、詳細には図2(b)に示す工程の内容が異なっている。
具体的には、本実施形態においては、第1の実施形態の図2(a)に示す工程と同様の工程を行なった後、図2(b)に示す工程で、第1の実施形態と異なるエッチング条件を用いてPt膜34、IrO2 膜33及びIr膜32に対して順次エッチングを行なって容量下部電極を形成する。このときの具体的なエッチング条件を表3に示す。
Figure 0003816081
表3に示すように、本実施形態のドライエッチング工程では、FS電極20に500Wの高周波電力(周波数12.56MHz)を印加することによってエッチングを実施する。尚、表3において、下部電極は、図4(a)に示すプラズマエッチング装置の電極2と対応している。すなわち、エッチング中においてはIPCコイル5に1500Wの高周波電力(周波数13.56MHz)を印加すると共に、エッチングガス中のイオンが基板に入射する際のエネルギーを制御するために、下部電極(電極2)に200Wの高周波電力(周波数13.56MHz)を印加する。また、表3に示すように、Cl2 ガス及びO2 ガスのそれぞれの流量は100ml/min(標準状態)及び250ml/min(標準状態)であり、チャンバー1内の圧力は2.0paであり、下部電極の温度は50℃である。
すなわち、本実施形態のドライエッチング工程では、ICPコイル5及び電極2にそれぞれ高周波電力を印加してプラズマを発生させるだけではなく、FS電極20に1種類の高周波電力を印加しながら、光検出器24によって天板7の全面を走査して、Pt又はIr等を含有する反応生成物の厚さ分布を検出する。ここで、該検出結果に基づいて、反応生成物の成長が比較的大きい場所にFS電極20を移動させ、それにより反応生成物を効果的に除去しながらエッチング工程を行なってもよい。或いは、FS電極20を移動させた場所における反応生成物の厚さに応じてFS電極20に印加する高周波電力を変化させながら(具体的には反応生成物の厚さが大きくなるに従って、印加する高周波電力を大きくする)エッチング工程を行なってもよい。いずれの場合にも、エッチング反応生成物の厚さ分布に関わらず天板7の表面全体に亘ってエッチング反応生成物に対して一様にエッチングを行なうことができるので、天板7には反応生成物がほとんど付着しない。
以上に述べたエッチング工程の後に行なう工程は、第1の実施形態の図2(c)に示す工程と同様である。
尚、以上の説明においては、光検出器24を1個設けた場合を前提としたが、これに代えて、光検出器24を2個以上設けると共に、各光検出器24による干渉光25の検出領域を例えば天板7の中央部及び周縁部のそれぞれに分けて設定してもよい。このようにすると、反応生成物等の付着膜の成長状況をより一層効率的に検出できるので、反応生成物の除去作業も効率化される。
以上のように、本実施形態によると、IrやPtを含む積層膜のエッチング中に光検出器24を用いたIn−situモニターリングを行なうことにより、天板7における堆積物(エッチング反応生成物)の付着箇所を特定し、該特定された付着箇所にFS電極20を随時移動させて堆積物を除去すると共にこのような堆積物の除去を繰り返しながらエッチングを実施する。すなわち、天板7における反応生成物の付着場所においてのみFS電極20による反応生成物のエッチングを行なうので、天板7又はチャンバー1における反応生成物の付着がない箇所での絶縁部材の消耗を防ぎながら、不均一に付着した反応生成物を残さず除去することが可能となる。従って、FS電極20の本来の役割である、天板7を含むチャンバー1を構成する絶縁材の消耗の防止を確実に実現しながら、反応生成物に起因するパーティクル発生を抑制できるので、電極材料膜のプラズマエッチングを低コストで且つ低欠陥で行なうことができる。特に、非常に沸点が高く気化しにくい反応生成物、つまり排気されにくい反応生成物を生じる貴金属膜又は白金族膜等のエッチングに本実施形態を適用して強誘電体メモリの電極形成を行なった場合に顕著な効果が得られる。
以上に述べた、本実施形態に係るプラズマエッチング方法を実施したところ、表3に示すように、8インチ円形ウェハ上において0.2μm以上の粒径を持つパーティクルの増加数は20個程度であった。それに対して、図5(a)に示す従来のプラズマエッチング装置を用いてFS電極40に高周波電圧を印加してエッチングを実施した場合、8インチ円形ウェハ上において0.2μm以上の粒径を持つパーティクルの増加数は約500個であった。すなわち、本実施形態によれば、従来技術と比べて、パーティクル発生数を大幅に低減することができる。
尚、第2の実施形態において、電極材料膜に対してエッチングを行なうと同時に、FS電極20を移動させると共にFS電極20に高周波電力を印加して反応生成物を除去した。しかし、これに代えて、図2(b)に示す、積層構造を持つ電極材料膜のエッチングを終了した後、該積層電極材料膜が形成された半導体基板を、図4(a)に示すエッチング装置におけるチャンバー1内の電極2上に載置したまま、又は該半導体基板をチャンバー1から取り出してから、FS電極20を移動させると共にFS電極20に高周波電力を印加することにより、当該エッチング時に生じた反応生成物を除去する工程を行なってもよい。尚、この場合も、反応生成物を除去した後の工程は、図2(c)に示す工程と同じである。
また、第2の実施形態において、天板7におけるチャンバー内壁側の表面に付着したエッチング反応生成物を検出するための検出手段として光検出器24を設けたが、該検出手段が光検出器24に限られないことは言うまでもない。また、このエッチング反応生成物の厚さ分布を、光検出器24等の検出手段を用いずに求めてもよい。
また、第1及び第2の実施形態において、被エッチング膜が貴金属元素又は白金族元素を含む膜に限られないことは言うまでもない。すなわち、第1及び第2の実施形態において、被エッチング膜として、特に沸点が高くて気化しにくい(残りやすい)エッチング反応生成物を生じる電極材料膜を対象としたが、これに代えて、その他の半導体製造プロセス又は材料製造プロセスで用いられる材料膜を対象としても、同様の効果が得られることは言うまでもない。同様に、第1及び第2の実施形態において、エッチングガスとして、Cl2 ガス及びO2 ガスの混合ガスを用いたが、エッチングガスの種類は特に限定されるものではなく、例えば他の塩素含有ガス等を用いてもよい。
また、第1及び第2の実施形態において、ICPコイル及びFS電極を持つエッチング装置(誘導結合プラズマエッチング装置)を対象とした。しかし、本発明は、これに限られず、チャンバーの外部に設けられ且つチャンバー内にプラズマを生成するための高周波電力が印加される第1の電極と、チャンバーと第1の電極との間に設けられ且つ高周波電力が印加される第2の電極とを持つタイプのエッチング装置であれば適用可能である。
以上に説明したように、本発明は、プラズマエッチング装置及びプラズマエッチング方法に関し、強誘電体キャパシタの電極材料膜のパターン加工工程を含む製造工程に適用した場合に特に有用なものである。
(a)は本発明の第1の実施形態に係るプラズマエッチング装置の概略構造を示す図であり、(b)は(a)に示すエッチング装置における第1のFS電極及び第2のFS電極の平面図である。 (a)〜(c)は、本発明の第1及び第2の実施形態に係るプラズマエッチング方法を用いた、容量素子を形成するための各工程を示す断面図である。 (a)は従来のプラズマエッチング装置におけるエッチング中の反応生成物付着状態を示す図であり、(b)は本発明の第1の実施形態に係るプラズマエッチング装置におけるエッチング中の反応生成物付着状態を示す図である。 (a)は本発明の第2の実施形態に係るプラズマエッチング装置の概略構造を示す図であり、(b)は(a)に示すエッチング装置におけるFS電極の平面図である。 (a)は従来のプラズマエッチング装置の概略構造を示す図であり、(b)は(a)に示すエッチング装置におけるFS電極の平面図である。
符号の説明
1 チャンバー
2 電極
2a 支持部材
3 ウェハ
4 高周波電源
5 ICPコイル
6 高周波電源
7 天板
8 第1のFS電極
9 第2のFS電極
10 高周波電源
11 高周波電源
12 ゲートバルブ
13 排気口
20 FS電極
21 高周波電源
22 アーム
23 駆動装置
24 光検出器
25 干渉光
30 SiN膜
31 コンタクトプラグ
32 Ir膜
33 Ir02
34 Pt膜
35 TiAlN膜
36 レジストパターン
37 層間絶縁膜
38 強誘電体膜
39 容量上部電極
40 FS電極
41 エッチング反応生成物

Claims (13)

  1. 減圧可能なチャンバーと、
    前記チャンバーの内部に設けられ且つ基板を載置する基板支持部と、
    前記チャンバーの外部における前記チャンバーの近傍に設けられ且つ前記チャンバーの内部にエッチングガスからなるプラズマを生成するための高周波電力が印加される第1の電極と、
    前記チャンバーと前記第1の電極との間に設けられ且つそれぞれ独立に高周波電力が印加される複数の分割電極からなる第2の電極とを備えていることを特徴とするプラズマエッチング装置。
  2. 前記基板支持部は、その上に載置された前記基板の表面が前記第2の電極と対向するように配置されており、
    前記第2の電極は、同心状に組み合わせられる前記複数の分割電極によって構成され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装置。
  3. 前記第2の電極は、同心円状に組み合わせられる前記複数の分割電極によって構成されることを特徴とする請求項2に記載のプラズマエッチング装置。
  4. 減圧可能なチャンバーと、
    前記チャンバーの内部に設けられ且つ基板を載置する基板支持部と、
    記チャンバーの外壁面に近接して設けられ且つ前記チャンバーの内部にエッチングガスからなるプラズマを生成するための高周波電力が印加される第1の電極と、
    前記チャンバーと前記第1の電極との間に設けられ且つ高周波電力が印加される第2の電極と、
    前記チャンバーと前記第1の電極との間において前記第2の電極を前記チャンバーの前記外壁面に沿って2次元的に移動させる駆動機構とを備え、
    前記第2の電極は前記チャンバーの前記外壁面よりも小さいことを特徴とするプラズマエッチング装置。
  5. 減圧可能なチャンバーと、
    前記チャンバーの内部に設けられ且つ基板を載置する基板支持部と、
    前記チャンバーの外壁面に近接して設けられ且つ前記チャンバーの内部にエッチングガスからなるプラズマを生成するための高周波電力が印加される第1の電極と、
    前記チャンバーと前記第1の電極との間に設けられ且つ前記第1の電極に印加される高周波電力とは独立した高周波電力が印加される第2の電極と、
    前記チャンバーと前記第1の電極との間において前記第2の電極を前記チャンバーの外壁面に沿って移動させる駆動機構とを備えていることを特徴とするプラズマエッチング装置。
  6. 記チャンバーの内壁における前記第2の電極と対向する部分に付着したエッチング反応生成物を検出する検出手段をさらに備え、
    前記駆動機構は、前記検出手段による前記エッチング反応生成物の検出信号に基づいて、前記チャンバーと前記第1の電極との間において前記第2の電極を前記チャンバーの前記外壁面に沿って移動させることを特徴とする請求項4又は5に記載のプラズマエッチング装置。
  7. 請求項1に記載のプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法であって、
    前記基板支持部の上に、被エッチング膜が形成された基板を載置する工程と、
    前記基板を載置する工程よりも後に、前記チャンバーの内部にエッチングガスを導入すると共に前記第1の電極に高周波電力を印加することによって、前記チャンバーの内部に前記エッチングガスからなるプラズマを発生させる工程と、
    前記プラズマによって前記被エッチング膜に対してエッチングを行なうと同時に、前記チャンバーの内壁における前記第2の電極と対向する部分に付着したエッチング反応生成物の厚さ分布に応じて、前記第2の電極を構成する前記複数の分割電極のそれぞれに独立に高周波電力を印加する工程とを備えていることを特徴とするプラズマエッチング方法。
  8. 請求項1に記載のプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法であって、
    前記基板支持部の上に、被エッチング膜が形成された基板を載置する工程と、
    前記基板を載置する工程よりも後に、前記チャンバーの内部にエッチングガスを導入すると共に前記第1の電極に高周波電力を印加することによって、前記チャンバーの内部に前記エッチングガスからなるプラズマを発生させる工程と、
    前記プラズマによって前記被エッチング膜に対してエッチングを行なう工程と、
    前記被エッチング膜に対してエッチングを行なう工程よりも後に、前記チャンバーの内壁における前記第2の電極と対向する部分に付着したエッチング反応生成物の厚さ分布に応じて、前記第2の電極を構成する前記複数の分割電極のそれぞれに独立に高周波電力を印加する工程とを備えていることを特徴とするプラズマエッチング方法。
  9. 前記複数の分割電極のそれぞれに独立に高周波電力を印加する工程において、前記エッチング反応生成物の厚さ分布に関わらず前記エッチング反応生成物に対して一様にエッチングを行なうことを特徴とする請求項7又は8に記載のプラズマエッチング方法。
  10. 請求項4又は5に記載のプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法であって、
    前記基板支持部の上に、被エッチング膜が形成された基板を載置する工程と、
    前記基板を載置した後、前記チャンバーの内部にエッチングガスを導入すると共に前記第1の電極に高周波電力を印加することによって、前記チャンバーの内部に前記エッチングガスからなるプラズマを発生させる工程と、
    前記プラズマによって前記被エッチング膜に対してエッチングを行なうと同時に、前記チャンバーの内壁における前記第2の電極と対向する部分に付着したエッチング反応生成物の厚さ分布に応じて前記駆動機構によって前記第2の電極を前記チャンバーの前記外壁面に沿って移動させながら前記第2の電極に高周波電力を印加する工程とを備えていることを特徴とするプラズマエッチング方法。
  11. 請求項6に記載のプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法であって、
    前記基板支持部の上に、被エッチング膜が形成された基板を載置する工程と、
    前記基板を載置した後、前記チャンバーの内部にエッチングガスを導入すると共に前記第1の電極に高周波電力を印加することによって、前記チャンバーの内部に前記エッチングガスからなるプラズマを発生させる工程と、
    前記プラズマによって前記被エッチング膜に対してエッチングを行なうと同時に、前記チャンバーの内壁における前記第2の電極と対向する部分に付着したエッチング反応生成物の厚さ分布を前記検出手段により検出し、該検出された厚さ分布に応じて前記駆動機構によって前記第2の電極を前記チャンバーの前記外壁面に沿って移動させながら前記第2の電極に高周波電力を印加する工程とを備えていることを特徴とするプラズマエッチング方法。
  12. 前記第2の電極に高周波電力を印加する工程において、前記エッチング反応生成物の厚さ分布に関わらず前記エッチング反応生成物に対して一様にエッチングを行なうことを特徴とする請求項10又は11に記載のプラズマエッチング方法。
  13. 前記被エッチング膜は、少なくとも貴金属元素又は白金族元素を含む膜であり、
    前記エッチングガスは塩素含有ガスであることを特徴とする請求項7〜12のいずれか1項に記載のプラズマエッチング方法。
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