JP4230029B2 - プラズマ処理装置およびエッチング方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板等の基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置およびプラズマを用いたエッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体デバイスの製造プロセスにおいては、被処理基板である半導体ウエハに対して、エッチングやスパッタリング、ＣＶＤ（化学気相成長）等のプラズマ処理が多用されている。
【０００３】
このようなプラズマ処理を行うためのプラズマ処理装置としては、種々のものが用いられているが、その中でも容量結合型平行平板プラズマ処理装置が主流である。
【０００４】
容量結合型平行平板プラズマ処理装置は、チャンバー内に一対の平行平板電極（上部および下部電極）を配置し、処理ガスをチャンバー内に導入するとともに、電極の一方に高周波を印加して電極間に高周波電界を形成し、この高周波電界により処理ガスのプラズマを形成して半導体ウエハに対してプラズマ処理を施す。
【０００５】
このような容量結合型平行平板プラズマ処理装置により半導体ウエハ上の膜、例えば酸化膜をエッチングする場合には、チャンバー内を中圧にして、中密度プラズマを形成することにより、最適ラジカル制御が可能であり、それによって適切なプラズマ状態を得ることができ、高い選択比で、安定性および再現性の高いエッチングを実現している。
【０００６】
具体的には、上部電極にプラズマ形成用の２７．１２ＭＨｚの高周波を印加してプラズマを形成し、下部電極に８００ｋＨｚの高周波を印加してイオンを引き込み、２０〜１００mTorrの圧力にて良好なエッチングが実現可能なことが1997 DRY PROCESS SYMPOSIUM P385〜390に開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、ＵＳＬＩにおけるデザインルールの微細化がますます進み、ホール形状のアスペクト比もより高いものが要求されており、酸化膜のエッチング等において従来の条件では必ずしも十分とはいえなくなりつつある。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、より微細化に対応可能なプラズマ処理装置およびより微細化に対応可能でかつより選択性の高いエッチングが可能なエッチング方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の観点によれば、チャンバー内に第１および第２の電極を対向するように設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ上記第１および第２の電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、前記第１の電極には５０〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有する第１の高周波電源が接続され、前記第２の電極には約２〜４ＭＨｚの範囲の周波数を有する第２の高周波電源が接続され、前記第１の電極と前記第２の電極とが、１０〜６０ｍｍ離間し、前記第１の電極が電極板を備え、この電極板の材料がシリコンであることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
【００１０】
本発明の第２の観点によれば、チャンバー内に第１および第２の電極を対向するように設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ上記第１および第２の電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板にエッチングを施すエッチング方法であって、前記第１の電極には５０〜１５０ＭＨｚの範囲の高周波を印加し、前記第２の電極には約２〜４ＭＨｚの範囲の高周波を印加し、前記第１の電極と前記第２の電極とを、１０〜６０ｍｍ離間させ、前記第１の電極に電極板を備え、この電極板の材料をシリコンとすることを特徴とするエッチング方法が提供される。
【００１１】
本発明においては、チャンバー内に第１および第２の電極を対向するように設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ上記第１および第２の電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、そのプラズマにより被処理基板に対してプラズマ処理、特にエッチング処理を行うに際し、第１の電極には５０〜１５０ＭＨｚ、第２の電極には約２〜４ＭＨｚと従来よりも高い周波数の高周波を印加する。このように、第１の電極に対して５０〜１５０ＭＨｚという従来よりも高い周波数の高周波を印加することにより、プラズマの解離状態を従来の適切なプラズマとほとんど変化させることなくプラズマ密度を上げることができ、より低圧の条件下で適切なプラズマを形成することができるので、さらなるデザインルールの微細化に適切に対応することが可能となる。また、第２の電極に対しても約２〜４ＭＨｚという従来よりも高い周波数の高周波を印加することにより、低圧において被処理基板に適切なイオン作用を及ぼすことができ、特にエッチングの場合には、より選択性の高い異方性エッチングが可能となり、かつ被処理基板へのダメージも小さくなる。さらに、本発明の条件を採用することにより、プロセス条件のマージンが広く、極めて安定したプラズマ処理、特にエッチング処理を実現することができる。
【００１２】
この場合に、第１の電極に印加される高周波が５０〜８０ＭＨｚの範囲であり、第２の電極に印加される高周波が約２〜３ＭＨｚの範囲であることが好ましい。典型的には、第１の電極に印加される高周波が約６０ＭＨｚであり、第２の電極に印加される高周波が約２ＭＨｚである。また、このようにしてエッチングする場合には、チャンバー内圧力を１．０６〜１３．３Ｐａにしてエッチングを行うことが好ましい。
【００１３】
本発明のエッチング方法は、被処理基板としてＳｉＮ膜とその上のＳｉＯ２膜とを有し、被エッチング層がＳｉＯ２膜である場合に有効であり、この際の処理ガスとしてはＣ５Ｆ８とＯ２とを含むものが適している。この場合に、Ｃ５Ｆ８とＯ２の他にＡｒ、Ｈｅ等の希ガスやＮ２を添加してもよい。また、ＣＦ４、Ｃ４Ｆ８等の他のフロロカーボンガス（ＣｘＦｙ）や、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２等のハイドロフロロカーボンガス（ＣｐＨｑＦｒ）を加えてもよい。Ｃ５Ｆ８の分圧は０．５〜２ｍＴｏｒｒの範囲であることが好ましい。さらに、Ｃ５Ｆ８とＯ２とを含む処理ガスにおいて、Ｃ５Ｆ８に対するＯ２の流量比Ｏ２／Ｃ５Ｆ８は、５／８≦Ｏ２／Ｃ５Ｆ８≦７／８の範囲内であることが好ましい。
【００１４】
また、同様に、被処理基板がＳｉＮ膜とその上のＳｉＯ２膜とを有し、被エッチング層がＳｉＯ２膜でありる場合に、処理ガスとしてはＣ４Ｆ８を含むものも適している。この場合に、Ｃ４Ｆ８の他にＡｒ、Ｈｅ等の希ガスやＮ２を添加してもよい。また、同様に他のフロロカーボンガスやハイドロフロロカーボンガスを加えてもよい。処理ガスとしてＣ４Ｆ８を含むものを用いた場合には、チャンバー内の圧力が１．０６〜２．００Ｐａと低圧状態で良好なエッチング特性を得ることができるので、このような低圧でエッチングすることが好ましい。また、このようにしてエッチングによりＳｉＯ２膜にホールを形成する場合に、条件を適切に制御することにより、ホール径が０．１〜０．４μｍと微細であっても高エッチレートでエッチングすることが可能である。特に０．１５〜０．４μｍが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。このプラズマ処理装置１は、電極板が上下平行に対向し、一方にプラズマ形成用電源が接続された容量結合型平行平板エッチング装置として構成されている。
【００１６】
このエッチング処理装置１は、例えば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形状に成形されたチャンバー２を有しており、このチャンバー２は接地されている。前記チャンバー２内の底部にはセラミックなどの絶縁板３を介して、被処理体、例えば半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）Ｗを載置するための略円柱状のサセプタ支持台４が設けられており、さらにこのサセプタ支持台４の上には、下部電極を構成するサセプタ５が設けられている。このサセプタ５にはハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。
【００１７】
前記サセプタ支持台４の内部には、冷媒室７が設けられており、この冷媒室７には、例えば液体窒素などの冷媒が冷媒導入管８を介して導入されて循環し、その冷熱が前記サセプタ５を介して前記ウエハＷに対して伝熱され、これによりウエハＷの処理面が所望の温度に制御される。
【００１８】
前記サセプタ５は、その上中央部が凸状の円板状に成形され、その上にウエハＷと略同形の静電チャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶縁材の間に電極１２が介在されており、電極１２に接続された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加されることにより、例えばクーロン力によってウエハＷを静電吸着する。
【００１９】
そして、前記絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、さらには前記静電チャック１１には、被処理体であるウエハＷの裏面に、伝熱媒体、例えばＨｅガスなどを供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５の冷熱がウエハＷに伝達されウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。
【００２０】
前記サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置されたウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５はシリコンなどの導電性材料からなっており、このためエッチングの均一性を向上させる。
【００２１】
前記サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２２を介して、チャンバー２の上部に支持されており、サセプタ５との対向面を構成し、多数の吐出孔２３を有する、例えばシリコン、ＳｉＣまたはアモルファスカーボンからなる電極板２４と、この電極２４を支持する導電性材料、例えば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる電極支持体２５とによって構成されている。なお、サセプタ５と上部電極２１とは、例えば１０〜６０ｍｍ程度離間している。また、電極板２４として、上記材料の中でもスカベンジングが可能なシリコンを用いることが好ましい。
【００２２】
前記上部電極２１における電極支持体２５の中央にはガス導入口２６が設けられ、さらにこのガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されており、さらにこのガス供給管２７には、バルブ２８、並びにマスフローコントローラ２９を介して、処理ガス供給源３０が接続されている。処理ガス供給源３０から、プラズマ処理、例えばエッチングのための処理ガスが供給される。
【００２３】
処理ガスとしては、従来用いられている種々のものを採用することができ、例えばフロロカーボンガス（ＣｘＦｙ）のようなハロゲン元素を含有するガスを好適に用いることができる。ウエハＷがＳｉＮ膜およびその上のＳｉＯ２膜を有し、このＳｉＯ２膜をエッチングするような場合には、処理ガスとしては、Ｃ４Ｆ８またはＣ５Ｆ８を含むものが好適である。Ｃ５Ｆ８を用いる場合には、Ｏ２を添加することが好ましく、その場合には、Ｃ５Ｆ８の分圧が０．５〜２ｍＴｏｒｒの範囲であること、およびその比率が５／８≦Ｏ２／Ｃ５Ｆ８≦７／８の範囲であることが好ましい。処理ガスとしてＣ４Ｆ８を含むものを用いる場合でも、Ｃ５Ｆ８およびＯ２を含むものを用いる場合でも、他にＡｒ、Ｈｅ等の希ガスやＮ２を添加してもよく、また、他のフロロカーボンガス（ＣｘＦｙ）やハイドロフロロカーボンガス（ＣｐＨｑＦｒ）を加えてもよい。
【００２４】
前記チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、これによりチャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開にした状態でウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。
【００２５】
上部電極２１には、第１の高周波電源４０が接続されており、その給電線には整合器４１が介在されている。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、５０〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このように高い周波数を印加することによりチャンバー２内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成することができ、従来より低圧条件下のプラズマ処理が可能となる。この第１の高周波電源４０の周波数は、５０〜８０ＭＨｚが好ましく、典型的には図示した６０ＭＨｚまたはその近傍の条件が採用される。
【００２６】
下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介在されている。この第２の高周波電源５０は１〜４ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このような範囲の周波数を印加することにより、被処理体であるウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。第２の高周波電源５０の周波数は１〜３ＭＨｚの範囲が好ましく、典型的には図示した２ＭＨｚまたはその近傍の条件が採用される。
【００２７】
次に、このように構成されるプラズマ処理装置１において、例えば、ウエハＷに形成された酸化膜をエッチングする場合について説明する。まず、被処理体であるウエハＷは、ゲートバルブ３２が開放された後、図示しないロードロック室からチャンバー２内へと搬入され、静電チャック１１上に載置される。そして、高圧直流電源１３から直流電圧が印加されることによって、ウエハＷが静電チャック１１上に静電吸着される。次いで、ゲートバルブ３２が閉じられ、排気機構３５によって、チャンバー２内が所定の真空度まで真空引きされる。
【００２８】
その後、バルブ２８が開放されて、処理ガス供給源３０から処理ガス、例えばＣ４Ｆ８ガスと希釈ガスでＡｒガスが、マスフローコントローラ２９によってその流量が調整されつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６を通って上部電極２１の中空部へと導入され、さらに電極板２４の吐出孔２３を通って、図１の矢印に示すように、ウエハＷに対して均一に吐出される。
【００２９】
そして、チャンバー２内の圧力が、所定の圧力に維持される。この場合の圧力は１．０６〜１３．３Ｐａが好ましい。その後、第１の高周波電源４０から５０〜１５０ＭＨｚ、例えば６０ＭＨｚの高周波が上部電極２１に印加される。これにより、上部電極２１と下部電極としてのサセプタ５との間に高周波電界が生じ、処理ガス、例えばＣ４Ｆ８ガスが解離してプラズマ化する。
【００３０】
他方、第２の高周波電源５０からは、１〜４ＭＨｚ、例えば２ＭＨｚの高周波が下部電極であるサセプタ５に印加される。これにより、プラズマ中のイオンがサセプタ５側へ引き込まれ、イオンアシストによりエッチングの異方性が高められる。
【００３１】
このように、上部電極２１に印加する高周波の周波数を従来の２７ＭＨｚよりも高くすることにより、プラズマの解離状態を従来の適切なプラズマとほとんど変化させることなくプラズマ密度を上げることができ、より低圧の条件下で適切なプラズマを形成することができ、一層のデザインルールの微細化に適切に対応することが可能となる。また、下部電極であるサセプタ５に対しても上述のように従来の８００ｋＨｚよりも高い周波数の高周波を印加することにより、より低圧において被処理基板に適切なイオン作用を及ぼすことができ、より選択性の高い異方性エッチングが可能となり、かつ被処理基板へのダメージも小さくなる。またこのように、低圧条件下で適切なプラズマ状態を形成することができ、かつ適切なイオン作用を及ぼすことができることから、上記範囲の周波数の高周波を上部電極２１およびサセプタ５に印加することにより、プロセス条件のマージンが広く、極めて安定したエッチング処理を行うことができる。
【００３２】
次に、シリコン基板上にＳｉＮ膜が形成されその上のＳｉＯ２膜が形成されたウエハＷについて、処理ガスとしてＣ５Ｆ８とＯ２とを含むものを用い、本発明を適用してＳｉＯ２膜のエッチングを実施した実施例について説明する。
【００３３】
ここでは、図２の（ａ）に示すような構造において、ホールを形成した。図中参照符号６１はシリコン基板を示し、その上にゲート酸化膜（ＳｉＯ２）６２を介してゲート６３が形成されている。ゲート６３を覆うようにＳｉＮ膜６４が形成されており、その上にＳｉＯ２膜６５が形成されている。そして、レジスト層６６をマスクとして、ＳｉＯ２膜６５の開口部６７に対応する部分にホールを形成した。
【００３４】
その際に、上部電極２１およびサセプタ５に印加する高周波の周波数を、実施例ではそれぞれ６０ＭＨｚおよび２ＭＨｚ、比較例では２７ＭＨｚおよび８００ｋＨｚとし、高周波電力を、実施例および比較例とも、上部電極２１およびサセプタ５に１０００Ｗずつとし、圧力３０ｍＴｏｒｒ、ガス流量（ｓｃｃｍ）比をＣ５Ｆ８：Ｏ２：Ａｒ＝１：７／８：５０でエッチングを行い、ＳｉＮに対するＳｉＯ２の選択比を把握した。ここで選択比は、図２の（ｂ）のＡのようにエッチングされた場合に、ＳｉＯ２のエッチングレート／ＳｉＮ肩部のエッチングレートである。ＳｉＮ肩部のエッチングレートは、図２の（ｃ）に拡大して示すように、垂直方向の削れが最大の部分Ｂをもとに算出した。
【００３５】
その結果、実施例では上記選択比が２４．４であり、比較例が７．２であった。この結果から、印加する高周波の周波数を本発明の範囲内とすることにより選択比が飛躍的に向上した。なお、流量比Ｏ２／Ｃ５Ｆ８が、５／８≦Ｏ２／Ｃ５Ｆ８≦７／８の範囲内でこのような高い選択比が得られ好ましい。
【００３６】
次に、本発明の効果を把握するために行った実験結果について説明する。ここでは、処理ガスとしてＣ４Ｆ８およびＡｒを用い、種々のプロセス条件で実験を行った。また、一部シミュレーションを行った結果を示す。
【００３７】
まず、電極間ギャップ（プロセスギャップ）を２５ｍｍとし、上部電極のＲＦパワーを２５００Ｗ、上部電極へ印加する高周波の周波数を２７ＭＨｚおよび６０ＭＨｚにして、チャンバー内圧力を０．６７〜１０．６４Ｐａと変化させ、μ波干渉計を利用してプラズマ密度を測定した。図３にその際のチャンバー内圧力とプラズマ密度の関係を示す。この図に示すように、上部電極に印加する高周波の周波数を６０ＭＨｚと高くしたほうが、周波数を２７ＭＨｚにした場合よりもプラズマ密度が高いことがわかる。特に、２Ｐａ以下の低圧領域において、２７ＭＨｚではプラズマ状態が不安定であったのに対し、６０ＭＨｚの場合には十分に安定したプラズマが得られることが確認された。
【００３８】
また、上部電極のＲＦパワーを２０００Ｗ、上部電極へ印加する高周波の周波数を２７ＭＨｚ、４０ＭＨｚおよび６０ＭＨｚとし、チャンバー内圧力を５．３２Ｐａとして、プロセスギャップを１７〜５０ｍｍと変化させ、同様にプラズマ密度を測定した。図４にその際のプロセスギャップとプラズマ密度の関係を示す。この図に示すように、上部電極に印加する高周波の周波数が大きいほどプロセスギャップの増加に伴うプラズマ密度の下降の度合いが小さく、周波数が６０ＭＨｚであれば、広い範囲のプロセスギャップが適用可能であることが確認された。
【００３９】
次に、上部電極へ印加する高周波の周波数が２７ＭＨｚおよび６０ＭＨｚの場合について、処理ガスであるＣ４Ｆ８の解離について実験を行った。ここではレジデンスタイムが一定の条件下で希ガス加法によって電子エネルギー分布（ＥＥＤＦ）を推定した。その結果、周波数によってＥＥＤＦにはほとんど違いがなく、分布がマックスウエル分布であると仮定すると、３σの範囲内にある電子の分布が２０ｅＶ以下であることが確認された。Ｃ４Ｆ８等のフロロカーボン系ガスの解離は、プラズマ中のプラズマ電子と中性粒子との多段衝突に委ねられており、電子エネルギー分布とレジデンスタイムに依存するから、上記結果より、上部電極に印加される高周波の周波数が増加してもガスの解離状態はあまり変化しないといえる。
【００４０】
一方、ＩＲＬＡＳ（Infrared Diode Laser Absorption Spectroscopy）により、上部電極への印加周波数が２７ＭＨｚおよび６０ＭＨｚの場合におけるＣ４Ｆ８およびＡｒプラズマ中のＣＦ、ＣＦ２、およびＣＦ３ラジカルを測定した。その結果を図５に示す。この図に示すように、周波数が上昇するとＣＦが増加し、ＣＦ３が減少する傾向にあり、周波数が上昇することによりある程度解離が進むことが示されているが、主なラジカル種はいずれもＣＦ２であり、周波数が上昇することによってガスの解離状態に大きな変化はなく、上述の結果が確認された。
【００４１】
次に、Ａｒイオンによるウエハに入射するイオンエネルギー分布のシミュレーション（ＩＥＳ）を利用して、チャンバー内圧力を２Ｐａ、上部電極に印加する高周波の周波数を６０ＭＨｚ、パワーを２５００Ｗに固定し、下部電極に印加する高周波の周波数を８００ｋＨｚ、２ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、パワーを６００Ｗ、１０００Ｗ、１５００Ｗと変化させた場合のＩＥＤＦ（Ion Energy Distribution Function）のピーク値について調査した。その結果を図６に示す。この図に示すように、２ＭＨｚの場合に、いずれのパワーでも適切なイオンエネルギーにおいてピーク値が得られている。したがって、下部電極に２ＭＨｚを印加することによりウエハにダメージを与えることなく、適切なイオンアシストを得ることができることが確認された。
【００４２】
次に、同様にＩＥＳを利用して、上部電極および下部電極に印加する高周波の周波数をそれぞれ６０ＭＨｚおよび２ＭＨｚ、上部電極のパワーを２５００Ｗに固定し、チャンバー内圧力を１．０６Ｐａ、２．００Ｐａ、５．３２Ｐａ、下部電極に印加するパワーを６００Ｗ、１０００Ｗ、１５００Ｗと変化させた場合のＩＥＤＦのピーク値について調査した。その結果を図７に示す。この図に示すように、５．３２ｐａではプラズマシース内でイオンが散乱しているため、低バイアスＲＦパワーからＩＥＤＦは変化しない。すなわち、ＩＥＤＦの制御が困難である。これに対して、１．０６Ｐａ、２．００Ｐａでは、下部電極に印加するバイアスＲＦパワーを変化させることにより、ＩＥＤＦのピーク値を６００〜９００ｅＶの範囲で制御可能なことが確認された。
【００４３】
次に、ブランケットＳｉＯ２サンプルおよびブランケットＳｉＮサンプルを用いて、上部電極および下部電極に印加する高周波の周波数をそれぞれ６０ＭＨｚおよび２ＭＨｚ、上部電極のパワーを２５００Ｗに固定し、下部電極に印加するパワーを変化させた場合におけるエッチレートを、チャンバー内圧力をそれぞれ１．０６Ｐａ、２．００Ｐａ、５．３２Ｐａにした場合について調査した。その結果を図８に示す。処理ガスとしてＣ４Ｆ８およびＡｒを用いた場合、チャンバー内圧力が５．３２ＰａではＳｉＯ２膜およびＳｉＮ膜のエッチレートは、ともにＲＦバイアスに比例して増加し、高い選択比が得られない。これに対して、低圧側の１．０６Ｐａ、２．００Ｐａでは、低ＲＦバイアスパワー側（図中斜線で示す領域）で高選択比が得られることが確認された。
【００４４】
次に、上部電極および下部電極に印加する高周波の周波数をそれぞれ６０ＭＨｚおよび２ＭＨｚとし、セルフアラインコンタクト（Self Aline Contact）での選択比が同等（＞２０）になるような下部電極のＲＦパワーとチャンバー圧力の組合せで、ホール径が２０μｍから０．１５μｍまでのマイクロローディング効果を測定した。その結果を図９に示す。ここでは、マイクロローディング効果は、ホール径が２０μｍの時のエッチングレートを１００％としたエッチングレートとして示している。この図に示すように、やはり１．０６Ｐａおよび２．００Ｐａと低圧側で良好な結果が得られた。すなわち、低圧側において、０．１５〜４μｍという微細なホールを高エッチングレートでエッチング可能なことが確認された。また、１μｍというさらに微細なエッチングホールでも十分に対応可能なことが推測される。
【００４５】
以上の結果により、本発明の範囲により、微細加工性と高選択比との両立が可能であることが確認された。特に、１．０６Ｐａ、２．００Ｐａの低圧側でより優れた効果が得られることが確認された。
【００４６】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、被処理基板として半導体ウエハを用い、これにエッチングを施す場合について説明したが、これに限らず、処理対象としては液晶表示装置（ＬＣＤ）基板等の他の基板であってもよく、またプラズマ処理もエッチングに限らず、スパッタリング、ＣＶＤ等の他の処理であってもよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、チャンバー内に第１および第２の電極を対向するように設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ上記第１および第２の電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、そのプラズマにより被処理基板に対してプラズマ処理、特にエッチング処理を行うに際し、第１の電極には５０〜１５０ＭＨｚと従来よりも高い周波数の高周波を印加することにより、プラズマの解離状態を従来の適切なプラズマとほとんど変化させることなくプラズマ密度を上げることができ、より低圧の条件下で適切なプラズマを形成することができるので、さらなるデザインルールの微細化に適切に対応することが可能となり、また、第２の電極に対しても約２〜４ＭＨｚという従来よりも高い周波数の高周波を印加することにより、低圧において被処理基板に適切なイオン作用を及ぼすことができ、特にエッチングの場合には、より選択性の高い異方性エッチングが可能となり、かつ被処理基板へのダメージも小さくなる。さらに、本発明の条件を採用することにより、プロセス条件のマージンが広く、極めて安定したプラズマ処理、特にエッチング処理を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るエッチング装置を示す断面図。
【図２】処理ガスとしてＣ５Ｆ８およびＯ２を用いてエッチングの実験を行った際に用いたサンプル構造およびその際のＳｉＮ膜のエッチングレートの求め方を示す模式図。
【図３】上部電極へ印加する高周波の周波数を２７ＭＨｚおよび６０ＭＨｚにして、チャンバー内圧力を０．６７〜１０．６４Ｐａと変化させた場合のチャンバー内圧力とプラズマ密度との関係を示すグラフ。
【図４】上部電極へ印加する高周波の周波数を２７ＭＨｚ、４０ＭＨｚおよび６０ＭＨｚとし、チャンバー内圧力を５．３２Ｐａとした場合のプロセスギャップとプラズマ密度との関係を示すグラフ。
【図５】上部電極への印加周波数が２７ＭＨｚおよび６０ＭＨｚの場合におけるチャンバー内圧力とＣ４Ｆ８およびＡｒプラズマ中のＣＦｘ／ＣＦ２比との関係を示すグラフ。
【図６】下部電極に印加する高周波の周波数を８００ｋＨｚ、２ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、パワーを６００Ｗ、１０００Ｗ、１５００Ｗと変化させた場合のＩＤＥＦのシミュレーション結果を示すグラフ。
【図７】上部電極および下部電極への高周波の周波数を６０ＭＨｚおよび２ＭＨｚとし、チャンバー内圧力を１．０６Ｐａ、２．００Ｐａ、５．３２Ｐａ、下部電極に印加するパワーを６００Ｗ、１０００Ｗ、１５００Ｗと変化させた場合のＩＤＥＦのシミュレーション結果を示すグラフ。
【図８】上部電極および下部電極への高周波の周波数を６０ＭＨｚおよび２ＭＨｚとし、下部電極に印加するパワーを変化させた場合におけるブランケットＳｉＯ２サンプルおよびブランケットＳｉＮサンプルのエッチレートを、チャンバー内圧力を１．０６Ｐａ、２．００Ｐａ、５．３２Ｐａにした場合について示すグラフ。
【図９】上部電極および下部電極への高周波の周波数を６０ＭＨｚおよび２ＭＨｚとし、セルフアラインコンタクトでの選択比が同等（＞２０）になるような下部電極のＲｆパワーとチャンバー圧力の組合せで、ホール径が２０μｍから０．１５μｍまでのマイクロローディング効果を測定した結果を示すグラフ。
【符号の説明】
１；エッチング装置
２；チャンバー
５；サセプタ（第２の電極）
６；ハイパスフィルタ
２１；上部電極（第１の電極）
３０；処理ガス供給源
３５；排気装置
４０；第１の高周波電源
４２；ローパスフィルタ
４１，５１；整合器
５０；第２の高周波電源
Ｗ；半導体ウエハ
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板等の基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置およびプラズマを用いたエッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体デバイスの製造プロセスにおいては、被処理基板である半導体ウエハに対して、エッチングやスパッタリング、ＣＶＤ（化学気相成長）等のプラズマ処理が多用されている。
【０００３】
このようなプラズマ処理を行うためのプラズマ処理装置としては、種々のものが用いられているが、その中でも容量結合型平行平板プラズマ処理装置が主流である。
【０００４】
容量結合型平行平板プラズマ処理装置は、チャンバー内に一対の平行平板電極（上部および下部電極）を配置し、処理ガスをチャンバー内に導入するとともに、電極の一方に高周波を印加して電極間に高周波電界を形成し、この高周波電界により処理ガスのプラズマを形成して半導体ウエハに対してプラズマ処理を施す。
【０００５】
このような容量結合型平行平板プラズマ処理装置により半導体ウエハ上の膜、例えば酸化膜をエッチングする場合には、チャンバー内を中圧にして、中密度プラズマを形成することにより、最適ラジカル制御が可能であり、それによって適切なプラズマ状態を得ることができ、高い選択比で、安定性および再現性の高いエッチングを実現している。
【０００６】
具体的には、上部電極にプラズマ形成用の２７．１２ＭＨｚの高周波を印加してプラズマを形成し、下部電極に８００ｋＨｚの高周波を印加してイオンを引き込み、２０〜１００mTorrの圧力にて良好なエッチングが実現可能なことが1997 DRY PROCESS SYMPOSIUM P385〜390に開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、ＵＳＬＩにおけるデザインルールの微細化がますます進み、ホール形状のアスペクト比もより高いものが要求されており、酸化膜のエッチング等において従来の条件では必ずしも十分とはいえなくなりつつある。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、より微細化に対応可能なプラズマ処理装置およびより微細化に対応可能でかつより選択性の高いエッチングが可能なエッチング方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の観点によれば、チャンバー内に第１および第２の電極を対向するように設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ上記第１および第２の電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、前記第１の電極には５０〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有する第１の高周波電源が接続され、前記第２の電極には約２〜４ＭＨｚの範囲の周波数を有する第２の高周波電源が接続され、前記第１の電極と前記第２の電極とが、１０〜６０ｍｍ離間し、前記第１の電極が電極板を備え、この電極板の材料がシリコンであることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
【００１０】
本発明の第２の観点によれば、チャンバー内に第１および第２の電極を対向するように設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ上記第１および第２の電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板にエッチングを施すエッチング方法であって、前記第１の電極には５０〜１５０ＭＨｚの範囲の高周波を印加し、前記第２の電極には約２〜４ＭＨｚの範囲の高周波を印加し、前記第１の電極と前記第２の電極とを、１０〜６０ｍｍ離間させ、前記第１の電極に電極板を備え、この電極板の材料をシリコンとすることを特徴とするエッチング方法が提供される。
【００１１】
本発明においては、チャンバー内に第１および第２の電極を対向するように設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ上記第１および第２の電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、そのプラズマにより被処理基板に対してプラズマ処理、特にエッチング処理を行うに際し、第１の電極には５０〜１５０ＭＨｚ、第２の電極には約２〜４ＭＨｚと従来よりも高い周波数の高周波を印加する。このように、第１の電極に対して５０〜１５０ＭＨｚという従来よりも高い周波数の高周波を印加することにより、プラズマの解離状態を従来の適切なプラズマとほとんど変化させることなくプラズマ密度を上げることができ、より低圧の条件下で適切なプラズマを形成することができるので、さらなるデザインルールの微細化に適切に対応することが可能となる。また、第２の電極に対しても約２〜４ＭＨｚという従来よりも高い周波数の高周波を印加することにより、低圧において被処理基板に適切なイオン作用を及ぼすことができ、特にエッチングの場合には、より選択性の高い異方性エッチングが可能となり、かつ被処理基板へのダメージも小さくなる。さらに、本発明の条件を採用することにより、プロセス条件のマージンが広く、極めて安定したプラズマ処理、特にエッチング処理を実現することができる。
【００１２】
この場合に、第１の電極に印加される高周波が５０〜８０ＭＨｚの範囲であり、第２の電極に印加される高周波が約２〜３ＭＨｚの範囲であることが好ましい。典型的には、第１の電極に印加される高周波が約６０ＭＨｚであり、第２の電極に印加される高周波が約２ＭＨｚである。また、このようにしてエッチングする場合には、チャンバー内圧力を１．０６〜１３．３Ｐａにしてエッチングを行うことが好ましい。
【００１３】
本発明のエッチング方法は、被処理基板としてＳｉＮ膜とその上のＳｉＯ２膜とを有し、被エッチング層がＳｉＯ２膜である場合に有効であり、この際の処理ガスとしてはＣ５Ｆ８とＯ２とを含むものが適している。この場合に、Ｃ５Ｆ８とＯ２の他にＡｒ、Ｈｅ等の希ガスやＮ２を添加してもよい。また、ＣＦ４、Ｃ４Ｆ８等の他のフロロカーボンガス（ＣｘＦｙ）や、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２等のハイドロフロロカーボンガス（ＣｐＨｑＦｒ）を加えてもよい。Ｃ５Ｆ８の分圧は０．５〜２ｍＴｏｒｒの範囲であることが好ましい。さらに、Ｃ５Ｆ８とＯ２とを含む処理ガスにおいて、Ｃ５Ｆ８に対するＯ２の流量比Ｏ２／Ｃ５Ｆ８は、５／８≦Ｏ２／Ｃ５Ｆ８≦７／８の範囲内であることが好ましい。
【００１４】
また、同様に、被処理基板がＳｉＮ膜とその上のＳｉＯ２膜とを有し、被エッチング層がＳｉＯ２膜でありる場合に、処理ガスとしてはＣ４Ｆ８を含むものも適している。この場合に、Ｃ４Ｆ８の他にＡｒ、Ｈｅ等の希ガスやＮ２を添加してもよい。また、同様に他のフロロカーボンガスやハイドロフロロカーボンガスを加えてもよい。処理ガスとしてＣ４Ｆ８を含むものを用いた場合には、チャンバー内の圧力が１．０６〜２．００Ｐａと低圧状態で良好なエッチング特性を得ることができるので、このような低圧でエッチングすることが好ましい。また、このようにしてエッチングによりＳｉＯ２膜にホールを形成する場合に、条件を適切に制御することにより、ホール径が０．１〜０．４μｍと微細であっても高エッチレートでエッチングすることが可能である。特に０．１５〜０．４μｍが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。このプラズマ処理装置１は、電極板が上下平行に対向し、一方にプラズマ形成用電源が接続された容量結合型平行平板エッチング装置として構成されている。
【００１６】
このエッチング処理装置１は、例えば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形状に成形されたチャンバー２を有しており、このチャンバー２は接地されている。前記チャンバー２内の底部にはセラミックなどの絶縁板３を介して、被処理体、例えば半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）Ｗを載置するための略円柱状のサセプタ支持台４が設けられており、さらにこのサセプタ支持台４の上には、下部電極を構成するサセプタ５が設けられている。このサセプタ５にはハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。
【００１７】
前記サセプタ支持台４の内部には、冷媒室７が設けられており、この冷媒室７には、例えば液体窒素などの冷媒が冷媒導入管８を介して導入されて循環し、その冷熱が前記サセプタ５を介して前記ウエハＷに対して伝熱され、これによりウエハＷの処理面が所望の温度に制御される。
【００１８】
前記サセプタ５は、その上中央部が凸状の円板状に成形され、その上にウエハＷと略同形の静電チャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶縁材の間に電極１２が介在されており、電極１２に接続された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加されることにより、例えばクーロン力によってウエハＷを静電吸着する。
【００１９】
そして、前記絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、さらには前記静電チャック１１には、被処理体であるウエハＷの裏面に、伝熱媒体、例えばＨｅガスなどを供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５の冷熱がウエハＷに伝達されウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。
【００２０】
前記サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置されたウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５はシリコンなどの導電性材料からなっており、このためエッチングの均一性を向上させる。
【００２１】
前記サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２２を介して、チャンバー２の上部に支持されており、サセプタ５との対向面を構成し、多数の吐出孔２３を有する、例えばシリコン、ＳｉＣまたはアモルファスカーボンからなる電極板２４と、この電極２４を支持する導電性材料、例えば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる電極支持体２５とによって構成されている。なお、サセプタ５と上部電極２１とは、例えば１０〜６０ｍｍ程度離間している。また、電極板２４として、上記材料の中でもスカベンジングが可能なシリコンを用いることが好ましい。
【００２２】
前記上部電極２１における電極支持体２５の中央にはガス導入口２６が設けられ、さらにこのガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されており、さらにこのガス供給管２７には、バルブ２８、並びにマスフローコントローラ２９を介して、処理ガス供給源３０が接続されている。処理ガス供給源３０から、プラズマ処理、例えばエッチングのための処理ガスが供給される。
【００２３】
処理ガスとしては、従来用いられている種々のものを採用することができ、例えばフロロカーボンガス（ＣｘＦｙ）のようなハロゲン元素を含有するガスを好適に用いることができる。ウエハＷがＳｉＮ膜およびその上のＳｉＯ２膜を有し、このＳｉＯ２膜をエッチングするような場合には、処理ガスとしては、Ｃ４Ｆ８またはＣ５Ｆ８を含むものが好適である。Ｃ５Ｆ８を用いる場合には、Ｏ２を添加することが好ましく、その場合には、Ｃ５Ｆ８の分圧が０．５〜２ｍＴｏｒｒの範囲であること、およびその比率が５／８≦Ｏ２／Ｃ５Ｆ８≦７／８の範囲であることが好ましい。処理ガスとしてＣ４Ｆ８を含むものを用いる場合でも、Ｃ５Ｆ８およびＯ２を含むものを用いる場合でも、他にＡｒ、Ｈｅ等の希ガスやＮ２を添加してもよく、また、他のフロロカーボンガス（ＣｘＦｙ）やハイドロフロロカーボンガス（ＣｐＨｑＦｒ）を加えてもよい。
【００２４】
前記チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、これによりチャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開にした状態でウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。
【００２５】
上部電極２１には、第１の高周波電源４０が接続されており、その給電線には整合器４１が介在されている。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、５０〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このように高い周波数を印加することによりチャンバー２内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成することができ、従来より低圧条件下のプラズマ処理が可能となる。この第１の高周波電源４０の周波数は、５０〜８０ＭＨｚが好ましく、典型的には図示した６０ＭＨｚまたはその近傍の条件が採用される。
【００２６】
下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介在されている。この第２の高周波電源５０は１〜４ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このような範囲の周波数を印加することにより、被処理体であるウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。第２の高周波電源５０の周波数は１〜３ＭＨｚの範囲が好ましく、典型的には図示した２ＭＨｚまたはその近傍の条件が採用される。
【００２７】
次に、このように構成されるプラズマ処理装置１において、例えば、ウエハＷに形成された酸化膜をエッチングする場合について説明する。まず、被処理体であるウエハＷは、ゲートバルブ３２が開放された後、図示しないロードロック室からチャンバー２内へと搬入され、静電チャック１１上に載置される。そして、高圧直流電源１３から直流電圧が印加されることによって、ウエハＷが静電チャック１１上に静電吸着される。次いで、ゲートバルブ３２が閉じられ、排気機構３５によって、チャンバー２内が所定の真空度まで真空引きされる。
【００２８】
その後、バルブ２８が開放されて、処理ガス供給源３０から処理ガス、例えばＣ４Ｆ８ガスと希釈ガスでＡｒガスが、マスフローコントローラ２９によってその流量が調整されつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６を通って上部電極２１の中空部へと導入され、さらに電極板２４の吐出孔２３を通って、図１の矢印に示すように、ウエハＷに対して均一に吐出される。
【００２９】
そして、チャンバー２内の圧力が、所定の圧力に維持される。この場合の圧力は１．０６〜１３．３Ｐａが好ましい。その後、第１の高周波電源４０から５０〜１５０ＭＨｚ、例えば６０ＭＨｚの高周波が上部電極２１に印加される。これにより、上部電極２１と下部電極としてのサセプタ５との間に高周波電界が生じ、処理ガス、例えばＣ４Ｆ８ガスが解離してプラズマ化する。
【００３０】
他方、第２の高周波電源５０からは、１〜４ＭＨｚ、例えば２ＭＨｚの高周波が下部電極であるサセプタ５に印加される。これにより、プラズマ中のイオンがサセプタ５側へ引き込まれ、イオンアシストによりエッチングの異方性が高められる。
【００３１】
このように、上部電極２１に印加する高周波の周波数を従来の２７ＭＨｚよりも高くすることにより、プラズマの解離状態を従来の適切なプラズマとほとんど変化させることなくプラズマ密度を上げることができ、より低圧の条件下で適切なプラズマを形成することができ、一層のデザインルールの微細化に適切に対応することが可能となる。また、下部電極であるサセプタ５に対しても上述のように従来の８００ｋＨｚよりも高い周波数の高周波を印加することにより、より低圧において被処理基板に適切なイオン作用を及ぼすことができ、より選択性の高い異方性エッチングが可能となり、かつ被処理基板へのダメージも小さくなる。またこのように、低圧条件下で適切なプラズマ状態を形成することができ、かつ適切なイオン作用を及ぼすことができることから、上記範囲の周波数の高周波を上部電極２１およびサセプタ５に印加することにより、プロセス条件のマージンが広く、極めて安定したエッチング処理を行うことができる。
【００３２】
次に、シリコン基板上にＳｉＮ膜が形成されその上のＳｉＯ２膜が形成されたウエハＷについて、処理ガスとしてＣ５Ｆ８とＯ２とを含むものを用い、本発明を適用してＳｉＯ２膜のエッチングを実施した実施例について説明する。
【００３３】
ここでは、図２の（ａ）に示すような構造において、ホールを形成した。図中参照符号６１はシリコン基板を示し、その上にゲート酸化膜（ＳｉＯ２）６２を介してゲート６３が形成されている。ゲート６３を覆うようにＳｉＮ膜６４が形成されており、その上にＳｉＯ２膜６５が形成されている。そして、レジスト層６６をマスクとして、ＳｉＯ２膜６５の開口部６７に対応する部分にホールを形成した。
【００３４】
その際に、上部電極２１およびサセプタ５に印加する高周波の周波数を、実施例ではそれぞれ６０ＭＨｚおよび２ＭＨｚ、比較例では２７ＭＨｚおよび８００ｋＨｚとし、高周波電力を、実施例および比較例とも、上部電極２１およびサセプタ５に１０００Ｗずつとし、圧力３０ｍＴｏｒｒ、ガス流量（ｓｃｃｍ）比をＣ５Ｆ８：Ｏ２：Ａｒ＝１：７／８：５０でエッチングを行い、ＳｉＮに対するＳｉＯ２の選択比を把握した。ここで選択比は、図２の（ｂ）のＡのようにエッチングされた場合に、ＳｉＯ２のエッチングレート／ＳｉＮ肩部のエッチングレートである。ＳｉＮ肩部のエッチングレートは、図２の（ｃ）に拡大して示すように、垂直方向の削れが最大の部分Ｂをもとに算出した。
【００３５】
その結果、実施例では上記選択比が２４．４であり、比較例が７．２であった。この結果から、印加する高周波の周波数を本発明の範囲内とすることにより選択比が飛躍的に向上した。なお、流量比Ｏ２／Ｃ５Ｆ８が、５／８≦Ｏ２／Ｃ５Ｆ８≦７／８の範囲内でこのような高い選択比が得られ好ましい。
【００３６】
次に、本発明の効果を把握するために行った実験結果について説明する。ここでは、処理ガスとしてＣ４Ｆ８およびＡｒを用い、種々のプロセス条件で実験を行った。また、一部シミュレーションを行った結果を示す。
【００３７】
まず、電極間ギャップ（プロセスギャップ）を２５ｍｍとし、上部電極のＲＦパワーを２５００Ｗ、上部電極へ印加する高周波の周波数を２７ＭＨｚおよび６０ＭＨｚにして、チャンバー内圧力を０．６７〜１０．６４Ｐａと変化させ、μ波干渉計を利用してプラズマ密度を測定した。図３にその際のチャンバー内圧力とプラズマ密度の関係を示す。この図に示すように、上部電極に印加する高周波の周波数を６０ＭＨｚと高くしたほうが、周波数を２７ＭＨｚにした場合よりもプラズマ密度が高いことがわかる。特に、２Ｐａ以下の低圧領域において、２７ＭＨｚではプラズマ状態が不安定であったのに対し、６０ＭＨｚの場合には十分に安定したプラズマが得られることが確認された。
【００３８】
また、上部電極のＲＦパワーを２０００Ｗ、上部電極へ印加する高周波の周波数を２７ＭＨｚ、４０ＭＨｚおよび６０ＭＨｚとし、チャンバー内圧力を５．３２Ｐａとして、プロセスギャップを１７〜５０ｍｍと変化させ、同様にプラズマ密度を測定した。図４にその際のプロセスギャップとプラズマ密度の関係を示す。この図に示すように、上部電極に印加する高周波の周波数が大きいほどプロセスギャップの増加に伴うプラズマ密度の下降の度合いが小さく、周波数が６０ＭＨｚであれば、広い範囲のプロセスギャップが適用可能であることが確認された。
【００３９】
次に、上部電極へ印加する高周波の周波数が２７ＭＨｚおよび６０ＭＨｚの場合について、処理ガスであるＣ４Ｆ８の解離について実験を行った。ここではレジデンスタイムが一定の条件下で希ガス加法によって電子エネルギー分布（ＥＥＤＦ）を推定した。その結果、周波数によってＥＥＤＦにはほとんど違いがなく、分布がマックスウエル分布であると仮定すると、３σの範囲内にある電子の分布が２０ｅＶ以下であることが確認された。Ｃ４Ｆ８等のフロロカーボン系ガスの解離は、プラズマ中のプラズマ電子と中性粒子との多段衝突に委ねられており、電子エネルギー分布とレジデンスタイムに依存するから、上記結果より、上部電極に印加される高周波の周波数が増加してもガスの解離状態はあまり変化しないといえる。
【００４０】
一方、ＩＲＬＡＳ（Infrared Diode Laser Absorption Spectroscopy）により、上部電極への印加周波数が２７ＭＨｚおよび６０ＭＨｚの場合におけるＣ４Ｆ８およびＡｒプラズマ中のＣＦ、ＣＦ２、およびＣＦ３ラジカルを測定した。その結果を図５に示す。この図に示すように、周波数が上昇するとＣＦが増加し、ＣＦ３が減少する傾向にあり、周波数が上昇することによりある程度解離が進むことが示されているが、主なラジカル種はいずれもＣＦ２であり、周波数が上昇することによってガスの解離状態に大きな変化はなく、上述の結果が確認された。
【００４１】
次に、Ａｒイオンによるウエハに入射するイオンエネルギー分布のシミュレーション（ＩＥＳ）を利用して、チャンバー内圧力を２Ｐａ、上部電極に印加する高周波の周波数を６０ＭＨｚ、パワーを２５００Ｗに固定し、下部電極に印加する高周波の周波数を８００ｋＨｚ、２ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、パワーを６００Ｗ、１０００Ｗ、１５００Ｗと変化させた場合のＩＥＤＦ（Ion Energy Distribution Function）のピーク値について調査した。その結果を図６に示す。この図に示すように、２ＭＨｚの場合に、いずれのパワーでも適切なイオンエネルギーにおいてピーク値が得られている。したがって、下部電極に２ＭＨｚを印加することによりウエハにダメージを与えることなく、適切なイオンアシストを得ることができることが確認された。
【００４２】
次に、同様にＩＥＳを利用して、上部電極および下部電極に印加する高周波の周波数をそれぞれ６０ＭＨｚおよび２ＭＨｚ、上部電極のパワーを２５００Ｗに固定し、チャンバー内圧力を１．０６Ｐａ、２．００Ｐａ、５．３２Ｐａ、下部電極に印加するパワーを６００Ｗ、１０００Ｗ、１５００Ｗと変化させた場合のＩＥＤＦのピーク値について調査した。その結果を図７に示す。この図に示すように、５．３２ｐａではプラズマシース内でイオンが散乱しているため、低バイアスＲＦパワーからＩＥＤＦは変化しない。すなわち、ＩＥＤＦの制御が困難である。これに対して、１．０６Ｐａ、２．００Ｐａでは、下部電極に印加するバイアスＲＦパワーを変化させることにより、ＩＥＤＦのピーク値を６００〜９００ｅＶの範囲で制御可能なことが確認された。
【００４３】
次に、ブランケットＳｉＯ２サンプルおよびブランケットＳｉＮサンプルを用いて、上部電極および下部電極に印加する高周波の周波数をそれぞれ６０ＭＨｚおよび２ＭＨｚ、上部電極のパワーを２５００Ｗに固定し、下部電極に印加するパワーを変化させた場合におけるエッチレートを、チャンバー内圧力をそれぞれ１．０６Ｐａ、２．００Ｐａ、５．３２Ｐａにした場合について調査した。その結果を図８に示す。処理ガスとしてＣ４Ｆ８およびＡｒを用いた場合、チャンバー内圧力が５．３２ＰａではＳｉＯ２膜およびＳｉＮ膜のエッチレートは、ともにＲＦバイアスに比例して増加し、高い選択比が得られない。これに対して、低圧側の１．０６Ｐａ、２．００Ｐａでは、低ＲＦバイアスパワー側（図中斜線で示す領域）で高選択比が得られることが確認された。
【００４４】
次に、上部電極および下部電極に印加する高周波の周波数をそれぞれ６０ＭＨｚおよび２ＭＨｚとし、セルフアラインコンタクト（Self Aline Contact）での選択比が同等（＞２０）になるような下部電極のＲＦパワーとチャンバー圧力の組合せで、ホール径が２０μｍから０．１５μｍまでのマイクロローディング効果を測定した。その結果を図９に示す。ここでは、マイクロローディング効果は、ホール径が２０μｍの時のエッチングレートを１００％としたエッチングレートとして示している。この図に示すように、やはり１．０６Ｐａおよび２．００Ｐａと低圧側で良好な結果が得られた。すなわち、低圧側において、０．１５〜４μｍという微細なホールを高エッチングレートでエッチング可能なことが確認された。また、１μｍというさらに微細なエッチングホールでも十分に対応可能なことが推測される。
【００４５】
以上の結果により、本発明の範囲により、微細加工性と高選択比との両立が可能であることが確認された。特に、１．０６Ｐａ、２．００Ｐａの低圧側でより優れた効果が得られることが確認された。
【００４６】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、被処理基板として半導体ウエハを用い、これにエッチングを施す場合について説明したが、これに限らず、処理対象としては液晶表示装置（ＬＣＤ）基板等の他の基板であってもよく、またプラズマ処理もエッチングに限らず、スパッタリング、ＣＶＤ等の他の処理であってもよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、チャンバー内に第１および第２の電極を対向するように設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ上記第１および第２の電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、そのプラズマにより被処理基板に対してプラズマ処理、特にエッチング処理を行うに際し、第１の電極には５０〜１５０ＭＨｚと従来よりも高い周波数の高周波を印加することにより、プラズマの解離状態を従来の適切なプラズマとほとんど変化させることなくプラズマ密度を上げることができ、より低圧の条件下で適切なプラズマを形成することができるので、さらなるデザインルールの微細化に適切に対応することが可能となり、また、第２の電極に対しても約２〜４ＭＨｚという従来よりも高い周波数の高周波を印加することにより、低圧において被処理基板に適切なイオン作用を及ぼすことができ、特にエッチングの場合には、より選択性の高い異方性エッチングが可能となり、かつ被処理基板へのダメージも小さくなる。さらに、本発明の条件を採用することにより、プロセス条件のマージンが広く、極めて安定したプラズマ処理、特にエッチング処理を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るエッチング装置を示す断面図。
【図２】処理ガスとしてＣ５Ｆ８およびＯ２を用いてエッチングの実験を行った際に用いたサンプル構造およびその際のＳｉＮ膜のエッチングレートの求め方を示す模式図。
【図３】上部電極へ印加する高周波の周波数を２７ＭＨｚおよび６０ＭＨｚにして、チャンバー内圧力を０．６７〜１０．６４Ｐａと変化させた場合のチャンバー内圧力とプラズマ密度との関係を示すグラフ。
【図４】上部電極へ印加する高周波の周波数を２７ＭＨｚ、４０ＭＨｚおよび６０ＭＨｚとし、チャンバー内圧力を５．３２Ｐａとした場合のプロセスギャップとプラズマ密度との関係を示すグラフ。
【図５】上部電極への印加周波数が２７ＭＨｚおよび６０ＭＨｚの場合におけるチャンバー内圧力とＣ４Ｆ８およびＡｒプラズマ中のＣＦｘ／ＣＦ２比との関係を示すグラフ。
【図６】下部電極に印加する高周波の周波数を８００ｋＨｚ、２ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、パワーを６００Ｗ、１０００Ｗ、１５００Ｗと変化させた場合のＩＤＥＦのシミュレーション結果を示すグラフ。
【図７】上部電極および下部電極への高周波の周波数を６０ＭＨｚおよび２ＭＨｚとし、チャンバー内圧力を１．０６Ｐａ、２．００Ｐａ、５．３２Ｐａ、下部電極に印加するパワーを６００Ｗ、１０００Ｗ、１５００Ｗと変化させた場合のＩＤＥＦのシミュレーション結果を示すグラフ。
【図８】上部電極および下部電極への高周波の周波数を６０ＭＨｚおよび２ＭＨｚとし、下部電極に印加するパワーを変化させた場合におけるブランケットＳｉＯ２サンプルおよびブランケットＳｉＮサンプルのエッチレートを、チャンバー内圧力を１．０６Ｐａ、２．００Ｐａ、５．３２Ｐａにした場合について示すグラフ。
【図９】上部電極および下部電極への高周波の周波数を６０ＭＨｚおよび２ＭＨｚとし、セルフアラインコンタクトでの選択比が同等（＞２０）になるような下部電極のＲｆパワーとチャンバー圧力の組合せで、ホール径が２０μｍから０．１５μｍまでのマイクロローディング効果を測定した結果を示すグラフ。
【符号の説明】
１；エッチング装置
２；チャンバー
５；サセプタ（第２の電極）
６；ハイパスフィルタ
２１；上部電極（第１の電極）
３０；処理ガス供給源
３５；排気装置
４０；第１の高周波電源
４２；ローパスフィルタ
４１，５１；整合器
５０；第２の高周波電源
Ｗ；半導体ウエハ
Claims (14)
- チャンバー内に第１および第２の電極を対向するように設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ上記第１および第２の電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記第１の電極には５０〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有する第１の高周波電源が接続され、前記第２の電極には約２〜４ＭＨｚの範囲の周波数を有する第２の高周波電源が接続され、
前記第１の電極と前記第２の電極とが、１０〜６０ｍｍ離間し、前記第１の電極が電極板を備え、この電極板の材料がシリコンであることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記第１の高周波電源は５０〜８０ＭＨｚの範囲の周波数を有し、前記第２の高周波電源は約２〜３ＭＨｚの周波数を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 前記第１の高周波電源は約６０ＭＨｚの周波数を有し、前記第２の高周波電源は約２ＭＨｚの周波数を有することを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
- チャンバー内に第１および第２の電極を対向するように設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ上記第１および第２の電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板にエッチングを施すエッチング方法であって、
前記第１の電極には５０〜１５０ＭＨｚの範囲の高周波を印加し、前記第２の電極には約２〜４ＭＨｚの範囲の高周波を印加し、前記第１の電極と前記第２の電極とを、１０〜６０ｍｍ離間させ、前記第１の電極に電極板を備え、この電極板の材料をシリコンとすることを特徴とするエッチング方法。 - 前記第１の電極に印加される高周波が５０〜８０ＭＨｚの範囲であり、前記第２の電極に印加される高周波が約２〜３ＭＨｚの範囲であることを特徴とする請求項４に記載のエッチング方法。
- 前記第１の電極に印加される高周波が約６０ＭＨｚであり、前記第２の電極に印加される高周波が約２ＭＨｚであることを特徴とする請求項５に記載のエッチング方法。
- チャンバー内圧力を１．０６〜１３．３Ｐａにしてエッチングを行うことを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか１項に記載のエッチング方法。
- 前記被処理基板はＳｉＮ膜とその上のＳｉＯ２膜とを有し、被エッチング層がＳｉＯ２膜であり、前記処理ガスはＣ５Ｆ８とＯ２とを含むことを特徴とする請求項４ないし請求項７のいずれか１項に記載のエッチング方法。
- Ｃ５Ｆ８の分圧が０．５〜２ｍＴｏｒｒの範囲であることを特徴とする請求項８に記載のエッチング方法。
- 前記処理ガスのＣ５Ｆ８に対するＯ２の流量比Ｏ２／Ｃ５Ｆ８は、５／８≦Ｏ２／Ｃ５Ｆ８≦７／８の範囲内であることを特徴とする請求項８または請求項９に記載のエッチング方法。
- 前記被処理基板はＳｉＮ膜とその上のＳｉＯ２膜とを有し、被エッチング層がＳｉＯ２膜であり、前記処理ガスはＣ４Ｆ８を含むことを特徴とする請求項４ないし請求項７のいずれか１項に記載のエッチング方法。
- 前記チャンバー内の圧力を１．０６〜２．００Ｐａにしてエッチングを行うことを特徴とする請求項９に記載のエッチング方法。
- エッチングにより前記ＳｉＯ２膜にホールを形成し、そのホール径が０．１〜０．４μｍであることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載のエッチング方法。
- ホール径が０．１５〜０．４μｍであることを特徴とする請求項１ ３に記載のエッチング方法。
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