JP4327804B2 - エッチング装置及びエッチング処理方法 - Google Patents

Description

本発明は，半導体基板上の酸化ケイ素膜のエッチング装置及びその運転方法に係り，特に１２インチ以上の大口径ウェハに対して均一なエッチング速度を実現することが可能なエッチング装置及びその運転方法に関する。

ＬＳＩの酸化ケイ素系材料のエッチングには，例えば，非特許文献１に記載されているような平行平板電極を用いたＲＩＥ(Reactive Ion Etching)装置が多く用いられている。該装置では，電極に投入する高周波電力により電極間に平面状プラズマを形成し，ウェハを一枚ずつエッチング処理する。前記電極間に形成される平面状プラズマは電極間隔に強く依存し，エッチング特性も電極間隔の影響を受けることが知られている。

１ジャーナル・オブ・エレクトロケミカル・ソサイアティ，第１３２巻（１９８５年）１８０頁〜１８６頁

次世代ＬＳＩ用エッチング装置では，１２インチ以上の大口径のＳｉ基板に対して面内の均一性も良好で，且つ高速エッチングが可能であることが要求される。前述した平行平板電極式ＲＩＥ装置では，大面積の平行平板電極間でのガス流れを反映した圧力勾配が顕在化し，均一なエッチングが困難になる。

本発明の目的は，平行平板電極式ＲＩＥ装置において，大口径ウェハに対して均一なエッチング処理が可能となるエッチング装置及びその運転方法を提供することにある。

上記目的は，平行平板電極のうち試料と対向する電極面側からエッチングガスの供給が可能であり，該電極面上の中心を共通とする円或いはリング状の複数領域に別々にガスの供給系統を設けたエッチング装置を用いて， フルオロカーボン系ガス，及び電離電圧の異なる複数種の希ガスを平行平板間での圧力勾配に因るプラズマ不均一化傾向を補完するように流量比を変えて供給し，半導体基板上のレジストマスク開孔部から露出した酸化ケイ素膜をエッチングすることにより，達成される。

本発明では，平行平板電極間でのガス流れを反映した圧力勾配の生じる方向に対してガス供給用電極面上の中心を共通とする円或いはリング状の複数領域に別々にガスの供給系統を設けており，前記圧力勾配によるプラズマ不均一化傾向を補完するように前記ガス供給系統における流量を設定している。また，電離電圧の異なる複数種の希ガスの流量比を前記ガス供給系統において，プラズマ密度の低くなる電極面領域に電離電圧の低い希ガスの比を高くしてガスを供給することにより，前記電極面全域において均一なプラズマを形成できる。その結果，１２インチ以上の大口径基板上で均一なエッチングを行うことが可能になる。

本発明を用いると，大面積の平行平板電極を具備したＲＩＥ装置を用いて，ガス流れによる圧力勾配の影響を補正することができるため，１２インチ以上の大口径の試料に対しても均一なエッチングが可能になる。その結果，例えばＬＳＩの酸化ケイ素系材料のエッチング工程などで要求される均一性，下地材料との高選択比，低損傷等のプロセス性能を満足することが可能になる。

[実施例１]

本発明の一実施例を図１に示す装置概略図，図２に示すガス供給電極図，及び図３に示す工程図を用いて説明する。

図１において，本一実施例に用いたエッチング装置は，真空排気が可能なエッチング処理室１００内に試料１０１の搭載を兼ねたステージ電極１０２と該電極に対向してガス供給を兼ねたガス供給電極１０３が設置されており，各々の電極には第１の高周波電源１０４と第２の高周波電源１０５が接続されている。高周波の反射電力が最小となるように，自動整合器等が用いられることは言うまでもない。前記ガス供給を兼ねたガス供給電極１０３の電極面は，図２に示すように，第１のガス供給領域２００，第２のガス供給領域２０１，及び第３のガス供給領域２０２に分かれており，各々のガス供給領域に対して，複数以上の原料ガスボンベ１０６からのガスを第１のガス流量制御系１０７，第２のガス流量制御系１０８，及び第３のガス流量制御系１０９により独立して制御，供給している。

前述した第１のガス供給領域２００，第２のガス供給領域２０１，及び第３のガス供給領域２０２は，円或いはリング状領域に分布されたガス噴き出し孔群よりなっており，該領域表面はＳｉ或いはＣを主成分としており，５０〜２００℃の範囲で温度制御可能である。また，前記ガス噴き出し孔の径は０.２〜１ｍｍ程度の範囲である。

上述したエッチング装置に，半導体基板３００上のゲート３０１を積層，埋め込みした窒化ケイ素膜３０２及びＢＰＳＧ膜３０３上にレジストマスク３０４を形成した試料（図３（ａ））を投入した。次に， Ｃ4Ｆ８及びＡｒガスを第１のガス流量制御系１０７，第２のガス流量制御系１０８，及び第３のガス流量制御系１０９により独立して制御，供給し，前記レジストマスク３０４の開孔部から露出したＢＰＳＧ膜３０３をエッチング除去して窒化ケイ素膜３０２表面にまで至るコンタクト孔３０５を形成した（図３（ｂ））。第１のガス流量制御系１０７，第２のガス流量制御系１０８，及び第３のガス流量制御系１０９により制御するガス流量の相対比は，第１のガス流量制御系によるガス流量を１とすれば，第２のガス流量制御系１０８，第３のガス流量制御系１０９によるガス流量を各々１.１及び１.３として設定した。各ガス流量制御系でのガス流量の設定比は，エッチング処理室１００の圧力，ステージ電極１０２とガス供給電極の間隔，第１のガス供給領域２００，第２のガス供給領域２０１，及び第３のガス供給領域２０２の状態に応じて最適化する。前記ステージ電極１０２とガス供給電極１０３の間隔は，ステージ電極１０２に上下可動機構をもたせることで１０〜１００ｍｍ程度の範囲で調整でき，本一実施例では該間隔が２０〜５０ｍｍ程度の範囲でプロセス性能が良好となった。

また，各ガス流量制御系でのガス流量の設定比は，第１のガス流量制御系１０７，第２のガス流量制御系１０８，及び第３のガス流量制御系１０９の各流量を入力し制御することも可能であるが，ガス流量の設定比による入力制御を持たせることで使いやすくできる。

本一実施例を用いると，１２インチ以上の大口径の試料１０１に対しても，エッチングガスの分圧を径方向に対して補正できるため，均一なエッチングが可能である。

本一実施例では，ガス供給電極１０３の電極面は第１のガス供給領域２００，第２のガス供給領域２０１，及び第３のガス供給領域２０２の３領域に分かれ各々に独立して第１のガス流量制御系１０７，第２のガス流量制御系１０８，及び第３のガス流量制御系１０９が接続されているが，ガス供給領域及びそれに対応するガス流量制御系の数は３系統に限定されるものではなく，２系統以上あれば同様の効果はある。

また，ガス供給領域の形状は，概ね図２のような円或いはリング状領域が好ましく，製作も容易であるが，排気系の接続位置等に関連して領域形状を補正した方が好ましい場合もありえる。

本一実施例では，ステージ電極１０２に上下可動機構をもたせているが，ガス供給電極１０３側に上下可動機構をもたせても電極間隔を制御できることは言うまでもない。

本一実施例では， Ｃ4Ｆ８を用いてエッチングしているが，フルオロカーボン系ガスとして， ＣＦ４，Ｃ２Ｆ６，Ｃ３Ｆ８，Ｃ4Ｆ８， ＣＦ３ＯＣＨＦＣＦ３の一つ以上を含めたガス系を用いても同様の効果がある。

また，本一実施例では Ｃ4Ｆ８とＡｒを用いてエッチングしているが， Ａｒの他にＨｅ，Ｎｅ，Ｋｒ，及びＸｅ等の他の希ガスを用いても同様の効果がある。

本一実施例では，ＢＰＳＧ膜３０３をエッチングしているが，他の酸化ケイ素膜がＰＳＧ，ＳｉＯ2膜或いは該積層膜であっても同様の効果がある。また，窒化ケイ素膜３０２についてもＳｉ3Ｎ4膜の他に，Ｈ或いはＯを僅かに含有するＳｉＮ膜であっても同様の効果がある。

また，本一実施例は１２インチ以上の大口径の試料１０１において窒化ケイ素膜３０２をエッチング停止層としてＢＰＳＧ膜３０３をエッチングできることが特長であり，図３に示した工程図に限らず他の構造においても窒化ケイ素膜３０２をエッチング停止層としたＢＰＳＧ膜３０３のエッチング工程であれば適用可能であることは言うまでもない。

また，本一実施例ではステージ電極１０２とガス供給電極１０３極に高周波電力を投入して，プラズマ放電しているが，磁場印加手段を用いて高周波電界との相互作用によるマグネトロン放電或いは電子サイクロトロン共鳴を起こしてプラズマ密度の向上を図ることが可能であることは言うまでもない。
[実施例２]

本発明の他の一実施例を図１に示す装置概略図，図２に示すガス供給電極図，及び図３に示す工程図を用いて説明する。本発明に用いるエッチング装置及びガス供給電極は実施例１で述べたものと同様である。

図１に示したエッチング装置に，半導体基板３００上のゲート３０１を積層，埋め込みした窒化ケイ素膜３０２及びＢＰＳＧ膜３０３上にレジストマスク３０４を形成した試料（図３（ａ））を投入した。

次に，第１のガス流量制御系１０７よりＣ4Ｆ８及びＡｒガスを，第２のガス流量制御系１０８よりＣ4Ｆ８及びＡｒ，Ｘｅガス，及び第３のガス流量制御系１０９によりＣ4Ｆ８及びＸｅガス独立して制御，供給し，レジストマスク３０４の開孔部から露出したＢＰＳＧ膜３０３をエッチング除去して窒化ケイ素膜３０２表面にまで至るコンタクト孔３０５を形成した（図３（ｂ））。各ガス流量制御系でのガス流量は，エッチング処理室１００の圧力，ステージ電極１０２とガス供給電極の間隔，第１のガス供給領域２００，第２のガス供給領域２０１，及び第３のガス供給領域２０２の状態に応じて最適化する。

前記ステージ電極１０２とガス供給電極１０３の間隔は，ステージ電極１０２に上下可動機構をもたせることで１０〜１００ｍｍ程度の範囲で調整でき，本一実施例では該間隔が２０〜５０ｍｍ程度の範囲でプロセス性能が良好となった。

本一実施例を用いると，１２インチ以上の大口径の試料１０１に対しても，径方向に対するイオン電流の分布を補正できるため，均一なエッチングが可能である。ここでは，イオン電流が低下しがちな試料１０１周辺領域に第３のガス流量制御系１０９により電離電圧の低い希ガスＸｅ圧力を高めることでイオン電流分布を均一にして，均一なエッチングを可能にする。

本一実施例では，ガス供給電極１０３の電極面は第１のガス供給領域２００，第２のガス供給領域２０１，及び第３のガス供給領域２０２の３領域に分かれ各々に独立して第１のガス流量制御系１０７，第２のガス流量制御系１０８，及び第３のガス流量制御系１０９が接続されているが，ガス供給領域及びそれに対応するガス流量制御系の数は３系統に限定されるものではなく，２系統以上あれば同様の効果はある。

また，上述した試料１０１の径方向に対するイオン電流分布は，プラズマに磁場を印加した場合等により，イオン電流分布の傾向が逆転する場合もあるため，状況に応じた補正が必要になることは言うまでもない。その際に添加する希ガスはＡｒ，Ｘｅに限らず，Ｈｅ，Ｎｅ，Ｋｒ等の電離電圧の違いを有効に利用することが可能である。

本一実施例では， Ｃ4Ｆ８を用いてエッチングしているが，フルオロカーボン系ガスとして， ＣＦ４，Ｃ２Ｆ６，Ｃ３Ｆ８，Ｃ4Ｆ８， ＣＦ３ＯＣＨＦＣＦ３の一つ以上を含めたガス系を用いても同様の効果がある。また，本実施例ではＣ4Ｆ８とＡｒを用いてエッチングしているが， Ａｒの他にＨｅ，Ｎｅ，Ｋｒ，及びＸｅ等の他の希ガスを用いても同様の効果がある。

また，本一実施例ではステージ電極１０２とガス供給電極１０３極に高周波電力を投入して，プラズマ放電しているが，磁場印加手段を用いて高周波電界との相互作用によるマグネトロン放電或いは電子サイクロトロン共鳴を起こしてプラズマ密度の向上を図ることが可能であることは言うまでもない。

本発明の一実施例の装置概略図である。 本発明の一実施例の供給電極図である。 本発明の工程説明図である。

符号の説明

１００…エッチング処理室、１０１…試料、１０２…ステージ電極、１０３…ガス供給電極、１０４…第１の高周波電源、１０５…第２の高周波電源、１０６…原料ガスボンベ、１０７…第１のガス流量制御系、１０８…第２のガス流量制御系、１０９…第３のガス流量制御系、２００…第１のガス供給領域、２０１…第２のガス供給領域、２０２…第３のガス供給領域、３００…半導体基板、３０１…ゲート、３０２…窒化ケイ素膜、３０３… ＢＰＳＧ膜、３０４…レジストマスク、３０５…コンタクト孔。

Claims (2)

1. エッチング処理室内に設けられた試料の搭載手段を兼ねた第１の電極と前記第１の電極に対向して設けられ希ガスを含むエッチングガス供給手段を兼ねた第２の電極と、
   前記第１の電極と第２の電極間に高周波電力を印加する手段とを備え、
   前記高周波電力の印加によって前記電極間に生成したプラズマを用いて前記試料のエッチング処理を行うエッチング装置であって、
   前記第２の電極は該電極面に径方向に分かれた円或いはリング状の複数のガス供給領域を有し、
   前記複数のガス供給領域から前記エッチング処理室内に供給されるエッチングガスの分圧を径方向に対して補正する手段を有し、
   該手段によって供給されるエッチングガス中の前記希ガスは、電離電圧の異なる複数の希ガスであって、
   電離電圧の低い希ガスの圧力を前記試料の周辺領域で高めたことを特徴とするエッチング装置。
2. エッチング処理室内に設けられた試料の搭載手段を兼ねた第１の電極と前記第１の電極に対向して設けられ希ガスを含むエッチングガス供給手段を兼ねた第２の電極との間に高周波電力を印加しプラズマを発生させて前記試料のエッチング処理を行うエッチング処理方法であって、
   前記第２の電極を該電極面の径方向に円或いはリング状の複数のガス供給領域に分け、
   前記複数のガス供給領域から前記エッチング処理室内に供給されるエッチングガス中の前記希ガスは、電離電圧の異なる複数の希ガスを用い、
   前記複数のガス供給領域から前記エッチング処理室内に供給するエッチングガスの分圧を径方向に対して補正する手段を用いて、電離電圧の低い希ガスの圧力を前記試料の周辺領域で高めて前記試料のエッチング処理を行うことを特徴とするエッチング処理方法。

Images