JP5774539B2

JP5774539B2 - プラズマエッチング方法

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Publication number: JP5774539B2
Application number: JP2012092941A
Authority: JP
Inventors: 山本　孝; 孝山本; 野沢　善幸; 善幸野沢
Original assignee: SPP Technologies Co Ltd
Current assignee: SPP Technologies Co Ltd
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2012169652A

Description

本発明は、エッチングガスをプラズマ化して、例えば、シリコン基板やガラス基板などの基板表面をエッチングするプラズマエッチング方法に関する。

従来、シリコン基板をプラズマエッチングする装置として、特開２００６−８０５０４号公報（従来例１）及び特開２００６−６００８９号公報（従来例２）に開示される装置が知られている。

図６に示すように、上記従来例１に係るプラズマエッチング装置１０１は、上側にプラズマ生成空間１０９が設定され、下側に処理空間１１０が設定された円筒状のチャンバ１０２と、プラズマ生成空間１０９に対応するチャンバ１０２の外方に、これを捲回するように配設されたコイル１０３と、コイル１０３に高周波電力を供給する高周波電力供給手段１０４と、プラズマ生成空間１０９にエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段１０５と、処理空間１１０に配設された基板載置用の基台１０６と、基台１０６に高周波電力を供給する高周波電力供給手段１０７と、チャンバ１０２内の気体を排気する排気手段１０８とを備える。

このプラズマエッチング装置１０１では、前記コイル１０３に高周波電力を印加することで、プラズマ生成空間１０９に誘導電界が生じ、当該プラズマ生成空間１０９に供給されたエッチングガスが、この誘導電界によってプラズマ化され、生成されたプラズマによって基台１０６上の基板Ｋがエッチングされる。

また、図７に示すように、上記従来例２に係るプラズマエッチング装置２０１は、上側の小径部２０２ａ及び下側の大径部２０２ｂからなる、同じく円筒状をしたチャンバ２０２を備える。小径部２０２ａには、その外方に、これを捲回するように配設されたコイル２０３が設けられ、この小径部２０２ａ内がプラズマ生成空間２０９に設定される。また、大径部２０２ｂ内は、処理空間２１０に設定され、この処理空間２１０内に基板載置用の基台２０６が配設される。

そして、高周波電力供給手段２０４からコイル２０３に高周波電力が供給され、一方、基台２０６には高周波電力供給手段２０７から高周波電力が供給される。また、エッチングガス供給手段２０５からプラズマ生成空間２０９にエッチングガスが供給され、排気手段２０８によってチャンバ２０２内の気体が排気される。

このプラズマエッチング装置２０１によれば、上記従来例１に係るプラズマエッチング装置１０１と同様に、前記コイル２０３に高周波電力を印加することで、プラズマ生成空間２０９に誘導電界が生じ、当該プラズマ生成空間２０９に供給されたエッチングガスが、この誘導電界によってプラズマ化され、生成されたプラズマによって基台２０６上の基板Ｋがエッチングされる。

特開２００６−８０５０４号公報特開２００６−６００８９号公報

ところで、近年では、処理対象の基板が大型化してきており、このような大型基板の全面を均一にエッチングすることができるプラズマエッチング装置が求められている。

ところが、かかる大型基板を上記従来のプラズマエッチング装置１０１，２０１によって処理した場合、それぞれ以下に説明するような問題があった。

即ち、上記プラズマエッチング装置１０１の場合、プラズマ生成空間１０９が大きいため、構造的には比較的大きな基板に対応し易いものではあるが、基板Ｋの大型化に対応してチャンバ１０２を大きくし、プラズマ生成空間１０９を大きくすると、プラズマ生成空間１０９で生成されるプラズマの平面内密度Ｐｍは、コイル１０３に近い部分が高く、中央部が低くなった中凹の密度分布となり、これがそのまま基板Ｋに作用するため、基板Ｋ表面が均一にエッチングされないのである。

特に、基板Ｋの外周部については、プラズマの平面内密度Ｐｍが均一であっても、中央部に比べてエッチングレートが高く、エッチングが進行し易い傾向にあるため、上記のような中凹の密度分布となる場合には、なおさら基板Ｋの外周部のエッチングが進行し易く、基板Ｋの全表面を均一にはエッチングすることができないのである。

また、外周部のプラズマ密度が高いと、例えば、基板Ｋに深穴を形成する場合、図８に示すように、高密度のイオンによって、穴３００の入口部周縁がエッチングされ、この入口部の形状がテーパ状になる他、その表面がスパッタによって荒れたものになり、エッチング形状が悪くなるという問題を生じる。

一方、プラズマエッチング装置２０１の場合、プラズマ生成空間２０９の容積が小さく、コイル２０３に印加する高周波電力が小さくても高密度のプラズマを生成することができ、また、その平面内密度Ｐｍも中凸になるため、比較的小さな基板Ｋの場合には、その全面を均一にエッチングすることができるものの、プラズマ生成空間２０９をそのままにして、基板Ｋの大型化に対応して処理空間２１０のみを大きくすると、プラズマ生成空間１０９で生成されたプラズマが基板Ｋの外周部に作用し難くなり、この場合も基板Ｋの全面を均一にエッチングすることができない。

これに対し、基板Ｋの大型化に対応してプラズマ生成空間２０９も大きくすると、上述したプラズマエッチング装置１０１の場合と同様の問題を生じる。

本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、大型の基板であってもその表面全体を均一にエッチングすることができ、また、イオンによる形状の悪化を防止することができるプラズマエッチング方法の提供を、その目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、
円筒状の胴部、この胴部の上部を閉塞する天板、及び胴部の底部を閉塞する底板からなるとともに、前記胴部内の上部領域に設定されたプラズマ生成空間、及びこのプラズマ生成空間の下方に設定され、処理対象の基板を載置する基台を具備する処理空間を有し、前記プラズマ生成空間を形成する胴部の内径は前記基板の外径よりも大径に形成され、前記プラズマ生成空間の外方にコイルが捲回されたチャンバ、を用いるプラズマエッチング方法であって、
前記プラズマ生成空間に誘導電界を生じさせ、この状態で、前記プラズマ生成空間に処理ガスを供給してプラズマ化するプラズマ生成段階と、
接地された導電性の材料から構成されるとともに、上部及び下部が開口し、その下端部の内径が、その上端部の内径及び前記プラズマ生成空間を形成する胴部内径よりも小径となった漏斗状に形成されてなるプラズマ密度調整部材の上端部を、前記プラズマ生成空間と前記基台との間の、前記チャンバ内壁に固設し、前記プラズマ密度調整部材の開口部に前記プラズマ生成空間で生成されたプラズマを通過させ、該プラズマを集束させて平面内密度を平準化しつつ、該プラズマの外周部に位置する高密度のイオンを、前記プラズマ密度調整部材との接触により除電、中和して、前記外周部のイオン密度を低減させることにより、前記プラズマの平面内密度を調整して前記基台上の基板に導くプラズマ密度調整段階とを備え、
前記基台に高周波電力を印加して前記基板にバイアス電位を与え、前記プラズマ中のイオンを前記基板に向けて照射するイオンアシストエッチングを行う方法である。

このプラズマエッチング方法においては、例えば、コイル電力供給手段によってコイルに高周波電力を印加する。これにより、チャンバ内のプラズマ生成空間に誘導電界が生じ、この状態で、処理ガス供給手段によりプラズマ生成空間に処理ガスを供給すると、供給された処理ガスが前記誘導電界によってプラズマ化される。前記処理ガスは、ＳＦ６ガスを用いることが好ましい。

このようにして生成されるプラズマは、その平面内密度が、コイル寄りの外周部の密度が高く、中央部の密度が低い中凹状の密度分布を有するものとなる。

そして、このような中凹状の密度分布を有するプラズマは、下方に流下し、上部及び下部が開口した円筒状のプラズマ密度調整部材内を流通して、その下方の基台上に載置された基板上に至り、その表面をエッチングする。

プラズマ密度調整部材は、その下端部の内径が、上端部の内径及びプラズマ生成空間を形成する胴部内径よりも小径の漏斗状に形成されているので、このプラズマ密度調整部材内を流通することで、プラズマは、その平面内密度が極端な中凹状のものが平準化され、或いは、逆に、やや中凸状の密度分布に調整されて基板上に至る。

また、上述したように、プラズマ生成空間で生成されたプラズマは、その外周部が高密度、即ち、イオン密度も高密度になっているが、前記プラズマ密度調整部材は、接地された導電性の材料から構成されているので、このようなプラズマがプラズマ密度調整部材を通過する際に、プラズマの外周部に位置する高密度のイオンがプラズマ密度調整部材と接触することによって、除電，中和され、外周部のイオン密度が低減される。尚、前記プラズマ密度調整部材は、アルミニウムからなることが好ましい。

したがって、上述した高密度のイオンによってエッチング形状が悪化するという問題を改善することができる。

尚、本発明の目的は、大型の基板であってもその表面全体を均一にエッチングすること、即ち、表面全体でのエッチングレートを均一にすることであるが、本発明者等の知見によると、そのためには、基板のマスク開口率や基板の大きさなどの諸条件によって、プラズマの平面内密度を緩やかな中凹状や、逆に緩やかな中凸状にする必要があるが、上記プラズマ密度調整部材を用いて、その長さや下端部の内径を適宜設定することで、プラズマの平面内密度をこのような状態に調整することができ、この結果、基板表面の全体を均一にエッチングすることが可能となる。

尚、前記プラズマエッチング方法において、前記天板の中心部に、これから下方に垂下する円筒状の芯部材を設けて、前記プラズマ生成空間をドーナツ状に形成するのが好ましい。

このようにすれば、プラズマ生成空間の容積を小さくすることができ、コイルに比較的小さい高周波電力を供給することで、高密度のプラズマを生成することができ、エネルギ効率を高めることができる。

更に、この芯部材は、これを非導電性の材料から構成するのが好ましい。芯部材が導電性の材料から構成され、これが接地されていると、前記プラズマ生成空間で生成されたプラズマ中のイオンが消失し、結果としてプラズマ密度が低下するが、芯部材を非導電性の材料から構成することで、プラズマ密度が低下するのを防止することができる。

本発明に係るプラズマエッチング方法によれば、プラズマ密度調整部材内を流通させることで、プラズマの平面内密度を最適な状態に調整することができ、この結果、基板表面の全域を均一にエッチングすることができる。

本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング方法を実施する装置を示した正断面図である。本実施形態に係るプラズマエッチング方法を実施する装置によってトレンチエッチングを行ったそのエッチング形状を説明するための説明図である。本実施形態に係るプラズマ密度調整部材を示した断面図である。本実施形態に係るプラズマ密度調整部材によりプラズマ密度を調整してエッチングしたそのエッチングレートに関するグラフである。本実施形態に係るプラズマ密度調整部材によりプラズマ密度を調整してエッチングしたそのエッチングレートに関するグラフである。従来例に係るプラズマエッチング装置を示した正断面図である。従来例に係るプラズマエッチング装置を示した正断面図である。従来例に係るプラズマエッチング装置によってトレンチエッチングを行ったそのエッチング形状を説明するための説明図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を、図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本例のプラズマエッチング装置１は、下胴部３，上胴部７，底板４，中間板５及び天板８から構成されるチャンバ２を備える。これら下胴部３，上胴部７，底板４，中間板５及び天板８はそれぞれ、例えばセラミックスなどから構成され、上胴部７及び下胴部３は円筒状に形成されている。

底板４は下胴部３の下端部に固設され、中間板５は下胴部３の上端部に固設され、これら下胴部３，底板４及び中間板５によって処理空間６が形成される。

この処理空間６内には、基板Ｋを載置するための基台１０が配設されており、この基台１０は適宜昇降機構によって昇降されるようになっている。この基台１０にはマッチングユニット１４を介して高周波電源１３が接続されており、この高周波電源１３によって当該基台１０に高周波電力が供給される。尚、符号１１は、基台１０の外周部を覆うカバーであり、符号１２は基台１０の昇降を支持する支持台である。

また、下胴部３には、基板Ｋを出し入れするための開口部３ａ、及び処理空間６内の気体を排気するための排気口３ｂが形成されており、開口部３ａはシャッタ機構２１によって開閉され、一方、排気口３ｂには排気装置２２が接続され、この排気装置２２によって処理空間６内の気体が排気される。

前記上胴部７は前記中間板５上に固設され、この上胴部７の上端部に天板８が固設され、天板８の中心部には、これから下方に垂下するようにカップ状の芯部材１５が固設されている。斯くして、これら上胴部７，天板８及び芯部材１５によってドーナツ状のプラズマ生成空間９が形成される。尚、この上胴部７の内径は、基板Ｋの外径よりも大径となっている。

また、前記中間板５には開口部５ａが形成され、その下面に、上部及び下部が開口した漏斗状のプラズマ密度調整部材２０が固設されており、この開口部５ａ及びプラズマ密度調整部材２０を介して前記プラズマ生成空間９と処理空間６とが連通した状態となっている。このプラズマ密度調整部材２０は、プラズマ生成空間９と基板Ｋとの間に位置しており、導電性を有する材料（例えば、アルミニウム）から構成され、適宜接地されている。また、このプラズマ密度調整部材の下端部の内径は、上胴部７の内径よりも小径となっている。

前記上胴部７の外方には、これを捲回するようにコイル１６が配設されるとともに、このコイル１６にマッチングユニット１８を介して高周波電源１７が接続されており、この高周波電源１７によってコイル１６に高周波電力が供給される。

また、前記天板５には、エッチングガス供給源１９に接続される供給管１９ａが接続されており、このエッチングガス供給源１９から前記プラズマ生成空間９内にエッチングガスが供給される。

以上の構成を備えた本例のプラズマエッチング装置１によれば、まず、前記開口部３ａを介して下降位置にある基台１０上に基板Ｋ（例えば、シリコン基板）が載置される。ついで、基台１０が処理位置に上昇され、排気装置２２によって処理空間６及びプラズマ生成空間９が負圧にされるとともに、高周波電源１３から基台１０に高周波電力が供給される。

また、前記コイル１６に高周波電源１７から高周波電力が供給され、プラズマ生成空間９内に誘導電界が生じる。そして、この状態で、エッチングガス供給源１９からプラズマ生成空間９内にエッチングガス（例えば、ＳＦ_６）が供給され、前記誘導電界によってエッチングガスがプラズマ化される。

上記のように、前記プラズマ生成空間９は、前記円筒状の芯部材１５によってドーナツ状に形成されているのでその容積が小さく、また、コイル１６に近い外周部分のみがプラズマ生成空間９となっているので、コイル１６に印加する電力を比較的小さい電力としても、高密度のプラズマを生成することができる。

そして、このようにして生成された高密度のプラズマは、下方に流下し、プラズマ密度調整部材２０内を流通して、その下方の基板Ｋ上に至り、その表面をエッチングする。尚、プラズマ生成空間９から流下したプラズマの平面内密度は、その外周部の密度が極めて高く、中央部の密度が低い、中凹状態となっている。

そして、このような密度状態のプラズマが前記プラズマ密度調整部材２０を通過する際、当該プラズマ密度調整部材２０が、その下部開口部の内径が上胴部７の内径よりも小径となった漏斗状をしていることから、プラズマは、徐々に集束され、その平面内密度が徐々に平準化されて、緩やかな中凹の状態、或いはフラットな均一状態、或いは緩やかな中凸の状態に調整されて基板上に至る。

斯くして、このように調整された高密度プラズマが基板表面に作用することで、基板表面の全域が均一にエッチングされる。

また、本例では、基台１０に高周波電力を印加して基板Ｋにバイアス電位を与えている。したがって、プラズマ中のイオンが基板Ｋに向けて照射され、所謂イオンアシストエッチングが行われる。

前記プラズマ密度調整部材２０は、接地された導電性の材料から構成されているので、プラズマがプラズマ密度調整部材２０内を通過する際に、プラズマの外周部に位置する高密度のイオンがプラズマ密度調整部材２０と接触することによって、これが除電，中和されて消滅するため、高密度のイオンが作用することによってエッチング形状が悪化するという問題が解消される。

因みに、本例のプラズマエッチング装置１を用いて、基板Ｋに深穴を形成したその結果を図２に示す。図２に示すように、穴３０の入口部はテーパ状にはならず、また、その表面も荒れていない。

また、図１に示した本例のプラズマエッチング装置１を用い、エッチングガスとしてＳＦ_６ガスを用い、プラズマ生成空間９に供給するＳＦ_６ガスの供給流量を５００ｍｌ／ｍｉｎとし、コイル１６に印加する高周波電力を２０００Ｗとし、基台１０に印加する高周波電力を７０Ｗとし、図３に示すプラズマ密度調整部材２０の寸法、即ち、下端部内径Ｄ_１を１７２ｍｍ、上端部内径Ｄ_２を２７０ｍｍ、長さＬを１０６ｍｍとして、６インチのシリコン基板上のＳｉＯ_２膜をエッチングした結果を図４に示す。

図４に示すように、この例では、基板Ｋの全面を、そのエッチングレートが１５．５ｎｍ／ｍｉｎ±３．１％という極めて高い均一度でエッチングすることができた。

また、上記において、プラズマ密度調整部材２０の前記Ｄ_１を１６５ｍｍと２４２ｍｍにし、長さＬを８６ｍｍにしたときのエッチング結果を図５に示す。この図５に示すように、Ｄ_１が１６５ｍｍのとき、基板Ｋの全面におけるエッチングレートは１７．８ｎｍ／ｍｉｎ±１０．１％であり、Ｄ_１が２４２ｍｍのとき、基板Ｋの全面におけるエッチングレートは２３．９ｎｍ／ｍｉｎ±１１．１％であった。

これらの例から分かるように、プラズマ密度調整部材２０の諸寸法を適宜調整することで、基板Ｋの全面にわたってこれを均一に処理することができる。また、図４から分かるように、プラズマ密度調整部材２０の諸寸法を最適な条件に設定することで、基板Ｋの全面を極めて高い均一度でエッチングすることができる。

尚、前記芯部材１５は、これを非導電性の材料から構成するのが好ましい。芯部材１５が導電性の材料から構成され、これが接地されていると、前記プラズマ生成空間９で生成されたプラズマ中のイオンが消失し、結果としてプラズマ密度が低下するが、芯部材１５を非導電性の材料から構成することで、プラズマ密度が低下するのを防止することができる。

以上本発明の一実施形態について説明したが、本発明が採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。例えば、上例では芯部材１５を設けたが、必ずしもこれを設ける必要は無い。

以上説明したように、本発明は、基板表面の全面を、極めて高い均一度でエッチングすることができるプラズマエッチング方法として好適に用いることができる。

１プラズマエッチング装置
２チャンバ
３下胴部
４底板
５中間板
６処理空間
７上胴部
８天板
９プラズマ生成空間
１０基台
１３高周波電源
１５芯部材
１６コイル
１７高周波電源
１９エッチングガス供給源
２０プラズマ密度調整部材

Claims

円筒状の胴部、この胴部の上部を閉塞する天板、及び胴部の底部を閉塞する底板からなるとともに、前記胴部内の上部領域に設定されたプラズマ生成空間、及びこのプラズマ生成空間の下方に設定され、処理対象の基板を載置する基台を具備する処理空間を有し、前記プラズマ生成空間を形成する胴部の内径は前記基板の外径よりも大径に形成され、前記プラズマ生成空間の外方にコイルが捲回されたチャンバ、を用いるプラズマエッチング方法であって、
前記プラズマ生成空間に誘導電界を生じさせ、この状態で、前記プラズマ生成空間に処理ガスを供給してプラズマ化するプラズマ生成段階と、
接地された導電性の材料から構成されるとともに、上部及び下部が開口し、その下端部の内径が、その上端部の内径及び前記プラズマ生成空間を形成する胴部内径よりも小径となった漏斗状に形成されてなるプラズマ密度調整部材の上端部を、前記プラズマ生成空間と前記基台との間の、前記チャンバ内壁に固設して、前記プラズマ密度調整部材の開口部に前記プラズマ生成空間で生成されたプラズマを通過させ、該プラズマを集束させて平面内密度を平準化しつつ、該プラズマの外周部に位置する高密度のイオンを、前記プラズマ密度調整部材との接触により除電、中和して、前記外周部のイオン密度を低減させることにより、前記プラズマの平面内密度を調整して前記基台上の基板に導くプラズマ密度調整段階とを備え、
前記基台に高周波電力を印加して前記基板にバイアス電位を与え、前記プラズマ中のイオンを前記基板に向けて照射するイオンアシストエッチングを行うことを特徴とするプラズマエッチング方法。
前記天板の中心部に、これから下方に垂下する円筒状の芯部材を設けて、前記プラズマ生成空間をドーナツ状に形成した請求項１記載のプラズマエッチング方法。
前記芯部材が非導電性の材料から構成されてな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方法。
前記プラズマ密度調整部材は、アルミニウムからなることを特徴とする請求項１乃至３記載のいずれかのプラズマエッチング方法。
前記処理ガスは、ＳＦ_６ガスであることを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかのプラズマエッチング方法。
円筒状の胴部、この胴部の上部を閉塞する天板、及び胴部の底部を閉塞する底板からなるとともに、前記胴部内の上部領域に設定されたプラズマ生成空間、及びこのプラズマ生成空間の下方に設定され、処理対象の基板を載置する基台を具備する処理空間を有し、前記プラズマ生成空間を形成する胴部の内径は前記基板の外径よりも大径に形成され、前記プラズマ生成空間の外方にコイルが捲回されたチャンバと、
接地された導電性の材料から構成されるとともに、上部及び下部が開口し、その下端部の内径が、その上端部の内径及び前記プラズマ生成空間を形成する胴部内径よりも小径となった漏斗状に形成されてなるプラズマ密度調整部材と、
前記プラズマ生成空間に処理ガスを供給する処理ガス供給部とから構成され、
前記プラズマ密度調整部材は、その上端部が前記プラズマ生成空間と前記基台との間の前記チャンバ内壁に固設されており、
該プラズマ密度調整部材の開口部に前記プラズマ生成空間で生成されたプラズマを通過させ、該プラズマを集束させて平面内密度を平準化しつつ、該プラズマの外周部に位置する高密度のイオンを、該プラズマ密度調整部材との接触により除電、中和して、前記外周部のイオン密度を低減させることにより、前記プラズマの平面内密度を調整して前記基台上の基板に導くよう構成されることを特徴とするプラズマエッチング装置。
前記プラズマ密度調整部材は、アルミニウムからなることを特徴とする請求項６記載のプラズマエッチング装置。
前記処理ガスは、ＳＦ_６ガスであることを特徴とする請求項６又は７記載のプラズマエッチング装置。