JP5382125B2 - エッチング装置 - Google Patents

Description

本明細書に開示の技術は、プラズマを用いて被加工物をエッチングするエッチング装置に関する。

日本国特許公開公報２００４−２４１７９２（以下、特許文献１という）には、プラズマを用いて被加工物をエッチングするエッチング装置が開示されている。このエッチング装置は、ステージと、チャンバと、ガス導入管と、空心コイルを有している。このエッチング装置によりエッチングが行われる際には、ステージ上に被加工物が載置される。また、ガス導入管からチャンバ内にエッチングガスが供給される。さらに、空心コイルに高周波電圧が印加されるとともに、ステージに高周波電圧が印加される。ステージに高周波電圧が印加されると、ステージの上方のチャンバ内の空間に振動電場が発生する。また、空心コイルに高周波電圧が印加されると、ステージの上方のチャンバ内の空間に振動磁場が発生する。すると、電場と磁場の相互作用によって、ステージの上方の空間で、エッチングガスが電離してプラズマが発生する。プラズマが発生すると、ステージが負に帯電する。したがって、発生したプラズマがステージ上の被加工物近傍に移動すると、プラズマ中のイオンがステージ上の被加工物に向かって加速される。これによって、プラズマ中のイオンが被加工物に打ち込まれる。また、プラズマ中のラジカルは、被加工物と反応する。このように、ラジカルとイオンによって、被加工物がエッチングされる。

特許文献１のエッチング装置では、ステージの上方の空間の外周部で、ステージの上方の空間の中央部よりも高濃度にプラズマが発生する。この濃度分布を維持したままプラズマが被加工物に到達すると、被加工物の外周部は高濃度のプラズマによって高いレートでエッチングされ、被加工物の中央部は低濃度のプラズマによって低いレートでエッチングされる。すなわち、被加工物上におけるエッチングレートが不均一となる。この問題を解決する為に、特許文献１のエッチング装置は、ステージの周囲に設置されたフォーカスリングを備えている。フォーカスリングには、高周波電圧が印加される。フォーカスリングに高周波電圧が印加されると、被加工物の外周部近傍に存在するプラズマ中のイオンがフォーカスリングに引き込まれ、フォーカスリングとプラズマ中のラジカルとの反応が促進される。このように、特許文献１のエッチング装置では、被加工物の外周部近傍に存在するプラズマがフォーカスリングに引き込まれるので、被加工物の外周部近傍のプラズマの濃度が低下する。これによって、被加工物近傍のプラズマの濃度が均一化され、被加工物を均一にエッチングすることができる。

特許文献１のエッチング装置は、外周部のプラズマをフォーカスリングに引き込むことで、外周部のプラズマの濃度を低下させる。フォーカスリングに引き込まれたプラズマは、被加工物のエッチングに何ら寄与しない。このように、特許文献１のエッチング装置は、外周部に発生したプラズマの多くがエッチングに寄与しない。このため、エネルギーの無駄が多く、エッチングの効率が悪いという問題があった。

したがって、本明細書では、均一に被加工物をエッチングできるとともに、効率的に被加工物をエッチングすることができるエッチング装置を提供する。

本明細書が開示するエッチング装置は、プラズマを用いて被加工物をエッチングする。このエッチング装置は、ステージと、プラズマ発生手段と、中央電極と、外周電極を備えている。ステージは、載置面を有している。載置面には、被加工物が載置される。プラズマ発生手段は、ステージの上方において、載置面の中心軸上よりも、その中心軸の周囲の空間で高濃度にプラズマを発生させる。中央電極は、プラズマ発生手段がプラズマを発生させる空間よりも下側に設置されており、前記中心軸が通過する位置に設置されている。中央電極は、その電位を制御可能に構成されている。外周電極は、ステージよりも上側、かつ、中央電極よりも下側に設置されており、前記中心軸に沿って見たときに、中央電極の周囲に沿って伸びている。外周電極は、その電位を制御可能に構成されている。

なお、「ステージの上方において、載置面の中心軸上よりも、その中心軸の周囲の空間で高濃度にプラズマを発生させる」との記載は、載置面の中心軸上の領域に低濃度のプラズマを発生させるものと、載置面の中心軸上の領域に全くプラズマを発生させないものとを含む。

このエッチング装置では、エッチング時に中央電極と外周電極の電位を制御することで、中央電極とステージの間の空間（以下では、ステージ上空間という）における電界を制御することができる。中央電極の電位を、プラズマ発生手段がプラズマを発生させる空間の電位とステージの電位との間で制御することで、中央電極からステージに向かう電界を制御することができる。また、外周電極の電位を、プラズマ発生手段がプラズマを発生させる空間の電位とステージの電位との間で制御することで、ステージ上空間に、外周部から中心部に向かう電界を発生させることができる。したがって、中央電極と外周電極の電位を制御することで、ステージ上空間に、ステージ側に向かうとともに載置面の中心軸に向かう電界を発生させることができる。この電界によって、ステージの上方の外周部の空間で高濃度に発生したプラズマ中のイオンを、載置面の中心側に向かって移動させることができる。その結果、プラズマがステージ上の被加工物に到達するまでの間に、プラズマ中のイオンの濃度が均一化される。したがって、イオンをより均一に被加工物に打ち込むことができる。このため、このエッチング装置によれば、より均一に被加工物をエッチングすることができる。また、このエッチング装置では、発生したプラズマ中のイオンの大部分が被加工物に打ち込まれる。すなわち、発生したプラズマ中のイオンの大部分がエッチングに寄与する。したがって、このエッチング装置によれば、効率的に被加工物をエッチングすることができる。

上述したエッチング装置では、外周電極が上下方向に伸びていることが好ましい。

このような構成によれば、載置面の中心軸に向かう前記電界をより発生させ易い。

上述したエッチング装置は、中央電極の電位及び外周電極の電位を、プラズマ発生手段がプラズマを発生させる空間の電位より低く、ステージの電位より高い電位に制御する電位制御手段をさらに有していることが好ましい。なお、電位制御手段は、中央電極及び外周電極をアースに接続する配線であってもよいし、これらに所定の電圧を印加する電源であってもよい。また、電位制御手段が、中央電極の電位と、外周電極の電位を独立して変更可能であることが好ましい。

このように、中央電極と外周電極の電位を独立して変更できれば、イオンの濃度を均一化するのにより適した電界を、ステージ上空間に生じさせることが可能となる。

上述したエッチング装置は、中央電極と外周電極が、これらを互いに連結する１つの電極により構成されていてもよい。この場合、その電極に、上面と下面とを連通する複数の通気孔が形成されていることが好ましい。

この構成によれば、プラズマ発生手段が発生させたプラズマが、電極の通気孔を通ってステージ上空間に移動することができる。ステージ上空間に移動したプラズマは、電極により形成される電界によって均一に分布するようになる。したがって、被加工物を均一かつ効率的にエッチングすることができる。

第１実施例のエッチング装置１０の縦断面図。 中心軸３２ａに沿って見たときのチャンバ２０内の部材の配置を示す平面図。 空間４４内の等電位線１００を示す縦断面図。 第１実施例のエッチング装置１０によってエッチングしたときの加工量の分布を示すグラフ。 従来のエッチング装置によってエッチングしたときの加工量の分布を示すグラフ。 変形例のエッチング装置の縦断面図。 変形例のエッチング装置の縦断面図。 第２実施例のエッチング装置２１０の縦断面図。

（第１実施例）
第１実施例に係るエッチング装置について説明する。図１に示すように、エッチング装置１０は、チャンバ２０を備えている。チャンバ２０の上部には、エッチングガス供給管６２が接続されている。エッチングガス供給管６２は、チャンバ２０内にエッチングガス（本実施例では、ＳＦ_６）を供給する。また、チャンバ２０の下部には、排気管３８が接続されている。排気管３８は、図示しない排気ポンプに接続されている。排気管３８は、図１の矢印８０に示すように、チャンバ２０内のガスを排気する。チャンバ２０内には、シャワープレート６０、ＲＦ電極５０、中央電極４２、外周電極４０、及び、ステージ３０が設置されている。

シャワープレート６０は、チャンバ２０の最上部に設置されている。シャワープレート６０には、多数の通気孔が形成されている。エッチングガス供給管６２から供給されるエッチングガスは、図１の矢印７０に示すように、シャワープレート６０の通気口からチャンバ２０内に導入される。シャワープレート６０は導体であり、アースに接続されている。

ＲＦ電極５０は、シャワープレート６０の下側に設置されている。図２は、チャンバ２０の中心軸に沿って見たときのチャンバ２０内の部材の配置を示している。なお、図２では、図の見易さを考慮して、各部材にハッチングを付している。図２に示すように、ＲＦ電極５０は、チャンバ２０の内壁面に沿って円周状に延びている。ＲＦ電極５０は、図２の左側の位置で途切れている。ＲＦ電極５０の一端は高周波電源５２に接続されている。ＲＦ電極５０の他端はアースに接続されている。高周波電源５２によってＲＦ電極５０に高周波電圧が印加されると、図１のＲＦ電極５０に囲まれた空間５４内に上下方向に振動する磁場が生じる。空間５４内に振動磁場が生じると、後述するように、空間５４にプラズマが発生する。以下では、空間５４をプラズマ発生空間５４という。

図１に示すように、中央電極４２は、プラズマ発生空間５４の下側に設置されている。中央電極４２は、後述するステージ３０の載置面３２の中心軸３２ａが通過する位置に設置されている。図２に示すように、中央電極４２は、中心軸３２ａを中心とする円板形状を備えている。中央電極４２の直径は、ＲＦ電極５０の内径より小さい。中央電極４２は、アースに接続されている。

図１に示すように、外周電極４０は、中央電極４２よりも下側に設置されている。図１、２に示すように、外周電極４０は、チャンバ２０内を上下方向に伸びる円筒形状を備えている。外周電極４０の中心軸は、中心軸３２ａと略一致している。外周電極４０の内径は、中央電極４２の直径よりも大きい。すなわち、図２に示すように、外周電極４０は、中心軸３２ａに沿って見たときに、中央電極４２から距離を隔てた状態で、中央電極４２の外周に沿って伸びている。外周電極４０は、アースに接続されている。

ステージ３０は、チャンバ２０の底部に設置されている。ステージ３０の上面には、載置面３２が形成されている。載置面３２は、平面であり、その外形が円形に形成されている。載置面３２には、被加工物であるウエハ３４を載置することができる。載置面３２の中心軸３２ａは、チャンバ２０の内壁面の中心軸と略一致している。ステージ３０の直径は、外周電極４０の内径よりも小さい。すなわち、載置面３２の直径は、外周電極４０の内径よりも小さい。ステージ３０は導体である。ステージ３０は、ブロッキングコンデンサ３６を介してアースに接続されている。

次に、ウエハ３４をエッチングするときのエッチング装置１０の動作について説明する。なお、ここでは、ウエハ３４の表面にシリコン層が露出しており、そのシリコン層をエッチングする際の動作について説明する。

最初に、ステージ３０の載置面３２上に、ウエハ３４を載置する。次に、図示しない排気ポンプを動作させて、排気管３８からチャンバ２０内のガスを排気する。これによって、チャンバ２０内の気圧を低下させる。チャンバ２０内の気圧が十分に低下したら、排気ポンプを継続して動作させながら、エッチングガス供給管６２によってエッチングガスを供給する。エッチングガスは、シャワープレート６０の通気孔を通ってチャンバ２０内に流入する。次に、高周波電源５２によって、ＲＦ電極５０に高周波電圧を印加する。ＲＦ電極５０に高周波電圧を印加すると、プラズマ発生空間５４内に振動磁場が発生する。発生した振動磁場によって、プラズマ発生空間５４内のエッチングガスが電離する。これによって、プラズマ発生空間５４内にプラズマが発生する。具体的には、エッチングガスであるＳＦ_６が分解されて、ラジカル（Ｆ^＊，ＳＦ_５ ^＊，ＳＦ_４ ^＊）、イオン（ＳＦ_５ ^＋，ＳＦ_４ ^２＋）、及び、電子が発生する。電子は、発生すると瞬時にシャワープレート６０とステージ３０に引き込まれる。したがって、プラズマ発生空間５４内にラジカルとイオンからなるプラズマが生じる。高周波電源５２によってＲＦ電極５０に高周波電圧を継続して印加することで、プラズマ発生空間５４内にプラズマが発生し続ける。

なお、プラズマ発生空間５４内では、ＲＦ電極５０から離れている中央側の領域（すなわち、中心軸３２ａ近傍の領域）よりも、ＲＦ電極５０に近い外周側の領域でより高い磁場が生じる。このため、プラズマ発生空間５４の外周側の領域には、プラズマ発生空間５４の中央側の領域よりも高い濃度のプラズマが発生する。

また、プラズマが発生すると、電子がステージ３０に引き込まれるので、ステージ３０は負に帯電する。また、プラズマ発生空間５４ではラジカルとイオンに比べて電子が極端に少なくなるので、プラズマ発生空間５４の電位は高電位となる。

プラズマ発生空間５４内で発生したプラズマは、イオン同士の反発力とチャンバ２０内のガスの流れとによって、チャンバ２０内を下方向に流れる。すなわち、プラズマは、プラズマ発生空間５４から、中央電極４２と外周電極４０の間の空間を通って、ステージ３０上の空間４４に流入する。上述したように、ステージ３０は負に帯電している。すなわち、空間４４の下方には、電位がマイナスであるステージ３０が存在している。一方、中央電極４２と外周電極４０はアースに接続されているので、これらの電位は０Ｖである。すなわち、空間４４は、上方及び側方を電位が０Ｖである中央電極４２と外周電極４０に囲まれている。このため、空間４４内では、図３の等電位線１００によって表されるように電位が分布する。すなわち、中心軸３２ａに近い位置で等電位線１００が上方に突出するように電位が分布する。言い換えると、空間４４内に、外周電極４０側から中心軸３２ａ側に向かう電界が発生する。イオンは、等電位線１００に対して略直交する方向に移動する。したがって、図３の矢印１１０に示すように、イオンが中心軸３２ａ側に移動しながら下方に向かって移動する。上述したように、プラズマ発生空間５４内では、外周部ほど高濃度にプラズマ（すなわち、イオン）が発生する。外周部で高濃度に発生したイオンが、中心軸３２ａに引寄せられながらチャンバ２０内を下方に向かって流れるので、ウエハ３４に近づくほど、イオンの濃度が均一化される。

プラズマがウエハ３４の表面に到達すると、プラズマ中のラジカルがウエハ３４（すなわち、シリコン）と反応する。これによって、ウエハ３４の表面に、ＳｉＦ_４が生成される。また、ウエハ３４の表面に達したプラズマ中のイオンは、その表面近傍にイオンシースを形成する。また、上述したように、ステージ３０は負に帯電している。このため、ウエハ３４の表面近傍に、ウエハ３４側に向かう極めて強い電界が発生する。この電界によって、プラズマ中のイオンが、ウエハ３４に向かって加速され、ウエハ３４に打ち込まれる。イオンがウエハ３４に衝突すると、ウエハ３４の表面に生成されたＳｉＦ_４が弾き出されて気体となる。ＳｉＦ_４が弾き飛ばされると、これにより露出したシリコンとラジカルが反応してＳｉＦ_４が生成され、生成されたＳｉＦ_４はイオンによって弾き出される。このように、ラジカルによる反応とイオンの衝突とが繰り返されることで、ウエハ３４がエッチングされる。

上述したように、ウエハ３４の表面近傍ではイオンの濃度分布がより均一となる。このため、ウエハ３４の表面に衝突するイオンの数が、その表面内でより均一となる。また、ラジカルとウエハ３４との反応は、イオンがウエハ３４に衝突することで促進される。このため、ラジカルとウエハ３４との反応も、ウエハ３４の表面内で均一化される。したがって、エッチング装置１０によれば、ウエハ３４の表面を均一にエッチングすることができる。

図４は、エッチング装置１０により一定時間ウエハをエッチングしたときの加工量を示している。また、図５は、中央電極４２と外周電極４０を有していないエッチング装置により図４のエッチングと同じ時間だけウエハをエッチングしたときの加工量を示している。なお、図４、図５では、イオンの濃度分布を正確に把握するために、ＳｉＯ_２膜に対してエッチングを行った。ＳｉＯ_２膜は、ラジカルと反応し難いので、図４、図５の加工量は、イオンの衝突による加工量が支配的である。なお、図４、図５の横軸は、ウエハの径方向の位置を示している。図４では、ウエハ全体の平均加工量が約６７μｍであるのに対して、ウエハの中央部とウエハの外周部との加工量の差ｄＥ１が約２．５μｍである。平均加工量に対する差ｄＥ１の比率は、約３．７％となっている。これに対し、図５では、ウエハ全体の平均加工量が約５４μｍであるのに対して、ウエハの中央部とウエハの外周部との加工量の差ｄＥ２が約４．５μｍである。平均加工量に対する差ｄＥ２の比率は、約８．３％となっている。このように、エッチング装置１０によれば、従来のエッチング装置に比べて均一なエッチングが可能となる。

以上に説明したように、このエッチング装置１０によれば、中央電極４２と外周電極４０によって、ステージ３０上の空間４４に載置面３２の中心に向かう電界を発生させることができる。このため、エッチング装置１０は、ウエハ３４を均一にエッチングすることができる。なお、中央電極４２を設置せずに、外周電極４０のみによって載置面３２の中心に向かう電界を発生させることも可能である。しかしながら、この場合には、プラズマ発生空間５４の不安定な電位に応じて、ステージ３０上の空間４４における電位分布が変動する。このため、中央電極４２が存在しないと、ウエハ３０を均一にエッチングすることは難しい。本実施例のエッチング装置１０は、中央電極４２が存在するので、プラズマ発生空間５４の電位の影響をほとんど受けることなく、ステージ３０上の空間４４の電位分布を制御することができる。したがって、エッチング装置１０は、ウエハ３０を均一にエッチングすることができる。

また、このエッチング装置１０は、プラズマ発生空間５４の外周部で発生した高濃度のイオンをウエハ３４の中心軸３２ａ側に移動させることによって、ウエハ３４の表面においてイオンの濃度分布を均一化する。このため、発生したイオンの大部分がウエハ３４のエッチングに寄与する。したがって、このエッチング装置１０は、効率的にエッチングを行うことができる。

なお、エッチング装置１０では、中央電極４２と外周電極４０がアースに接続されていた。しかしながら、図６に示すように、直流電源９０、９２によって中央電極４２と外周電極４０が一定の電位に制御されてもよい。この場合には、中央電極４２と外周電極４０を、プラズマ発生空間５４の電位より低く、ステージ３０の電位より高い電位に制御することで、ウエハ表面におけるイオンの濃度分布の均一化を図ることができる。また、直流電源９０、９２の印加電圧が、変更可能とされていることが好ましい。この場合、直流電源９０の印加電圧が直流電源９２の印加電圧に連動するようにしてもよいが、直流電源９０の印加電圧が直流電源９２の印加電圧から独立して制御できるように構成しておくことが好ましい。このような構成によれば、ステージ３０上の空間４４における電位分布をより細かく制御することが可能となる。

また、図７に示すように、プラズマ発生空間５４とステージ３０の間に、単一の電極９８が設置されていてもよい。電極９８には、その上面からその下面に連通する多数の通気孔が形成されている。プラズマ発生空間５４で発生したプラズマは、電極９８の通気孔を通ってウエハ３４側へ流れる。電極９８は、中心軸３２ａ上に位置する中央部分９８ａと、中央部分９８ａより下側に位置するとともに中央部分９８ａの周囲に沿って伸びる外周部分９８ｂを有している。中央部分９８ａは、上述した中央電極４２と同様に機能する。また、外周部分９８ｂは、上述した外周電極４０と同様に機能する。したがって、電極９８によっても、図３と同様に空間４４内の電位分布を制御することができる。電極９８は、中央部分９８ａと外周部分９８ｂが繋がっているので、より複雑な形状に形成することができる。このため、空間４４内の電位分布をより適切に制御することができる。

（第２実施例）
次に、図８に示す第２実施例のエッチング装置２１０について説明する。第２実施例のエッチング装置２１０のチャンバ２２０、ステージ２３０、外周電極２４０、中央電極２４２等は、第１実施例のエッチング装置１０と同様に構成されている。エッチング装置２１０では、チャンバ２２０の上部に、コイル２７０とコイル２７２が設置されている。コイル２７０は、コイル２７２の内側に配置されている。コイル２７０、２７２は、ステージ２３０の載置面２３２の中心軸２３２ａと同心状に配置されている。コイル２７０の巻き線の両端は、高周波電源２５６に接続されている。コイル２７２の巻き線の両端は、高周波電源２５８に接続されている。コイル２７０とコイル２７２は距離を隔てて配置されており、これらの間にプラズマ発生空間２５４が形成されている。チャンバ２２０の上面のプラズマ発生空間２５４に繋がる位置には、エッチングガス供給管２６２が接続されている。

エッチング装置２１０を動作させる際には、チャンバ２２０内が減圧された後に、エッチングガス供給管２６２からプラズマ発生空間２５４内にエッチングガスが供給される。そして、コイル２７０、２７２に高周波電圧が印加される。これによって、プラズマ発生空間２５４内に振動磁場が生じ、プラズマ発生空間２５４内にプラズマが発生する。なお、コイル２７０の巻き線の内側の領域（すなわち、載置面２３２の中心軸２３２ａが通過する領域）には、プラズマは発生しない。プラズマ発生空間２５４内に発生したプラズマは、第１実施例のエッチング装置２１０と同様にして、ウエハ２３４をエッチングする。このとき、中央電極２４２と外周電極２４０により形成される電界によって、ウエハ２３４表面におけるイオンの濃度分布が均一化される。したがって、このエッチング装置２１０によれば、均一にウエハ２３４をエッチングすることができる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (5)

1. プラズマを用いて被加工物をエッチングするエッチング装置であって、
   載置面を有しており、載置面に被加工物が載置されるステージと、
   ステージの上方において、載置面の中心軸上よりも、その中心軸の周囲の空間で高濃度にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
   プラズマ発生手段がプラズマを発生させる空間よりも下側に設置されており、前記中心軸が通過する位置に設置されており、電位を制御可能な中央電極と、
   ステージよりも上側、かつ、中央電極よりも下側に設置されており、前記中心軸に沿って見たときに、中央電極の周囲に沿って伸びており、電位を制御可能な外周電極、
   を備えていることを特徴とするエッチング装置。
2. 外周電極が、上下方向に伸びていることを特徴とする請求項１に記載のエッチング装置。
3. 中央電極の電位及び外周電極の電位を、プラズマ発生手段がプラズマを発生させる空間の電位より低く、ステージの電位より高い電位に制御する電位制御手段をさらに有していることを特徴とする請求項１または２に記載のエッチング装置。
4. 電位制御手段が、中央電極の電位と、外周電極の電位とを独立して変更可能であることを特徴とする請求項３に記載のエッチング装置。
5. 中央電極と外周電極が、これらを互いに連結した１つの電極により構成されており、
   その電極に、上面と下面とを連通する複数の通気孔が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のエッチング装置。
   

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