JP5859792B2

JP5859792B2 - プラズマエッチング方法

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Publication number: JP5859792B2
Application number: JP2011210945A
Authority: JP
Inventors: 久保田　和宏; 和宏久保田; 昌伸本田
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2031-09-27
Also published as: JP2013074031A

Description

本発明は、エッチング対象にプラズマを照射することにより、エッチング対象をエッチングするプラズマエッチング方法に関する。

半導体デバイスの製造工程においては、エッチング対象膜（又はエッチング対象基板）に対してプラズマを照射してエッチングするプラズマエッチングが不可欠である。プラズマエッチングでは、エッチングガスが高周波電界により活性化されプラズマが生成される。プラズマには、荷電粒子（以下「イオン」という。）及び中性粒子（以下「ラジカル」という。）等の活性種が含まれている。イオンやラジカルなどの活性種とウエハ表面が反応して反応生成物が生じ、生じた反応生成物が揮発することによってエッチングが進行する。

近年の半導体ウエハの大口径化に伴い、ウエハ面内におけるエッチングレートの均一化が難しくなっている。面内均一性の改善のため、ウエハ面内の中心部領域及び周辺部領域における活性種の密度を、上部電極からのエッチングガス供給量を調整することにより均一化することが試みられている（特許文献１）。

特許４７０１７７６号公報

プラズマエッチングによりビアホールやトレンチを形成する場合に、各々深さや幅がウエハ面内で均一になるようにエッチング条件（処理ガス供給量、エッチング時にチャンバ内圧力、ウエハ温度など）が調整される。例えば、デバイス製造開始前にテストウエハを用いて予備実験を行った結果、ビアホールの幅（内径）が、ウエハの周縁部において小さく、ウエハの中央部において大きくなった場合、これを矯正するためにエッチング条件が調整される。しかし、例えば処理ガスの供給量を調整することによりビアホールの幅をウエハ面内で均一にすることができたとしても、そのような調整の結果、例えばビアホールの深さのウエハ面内のバラツキが増大してしまうという問題がある。すなわち、ビアホールやトレンチの各形状パラメータ（幅、直径、深さなど）を独立に制御することは難しく、このため、ビアホールやトレンチのエッチング形状をウエハ面内で均一にすることは容易ではない。

本発明は、上記の事情に照らし、ビアホールやトレンチなどのエッチング形状をウエハ面内で均一化することが可能なエッチング方法を提供する。

本発明の第１の態様は、エッチング処理対象である基板へ供給されるエッチングガスの供給量を調節する供給量調整部と、載置台上に載置される前記基板の温度を前記基板の半径方向に沿って調整する温度調整部と、前記載置台と平行に対向して設けられる電極板及び前記載置台の間の空間にプラズマを発生させるプラズマ発生部とを有するエッチング装置において前記基板をエッチングするエッチング方法であって、前記温度調整部により前記基板の温度を第１の温度に前記基板面内で均一に制御する工程と、前記プラズマ発生部により発生されるプラズマ中の中性活性粒子の前記基板上方における濃度分布を前記供給量調整部により調整することにより、前記基板面内でのエッチングレートを均一化する工程と、を含み、前記供給量調整部は、前記載置台の上方に設けられ、前記載置台の径方向中心側の部分にエッチングガスを供給する第１の供給部と、前記中心側の部分よりも前記載置台の径方向外周側の部分にエッチングガスを供給する第２の供給部とを有し、前記調整する工程において、前記第２の供給部によりエッチングガスが供給される領域における、エッチングガスの流速をｕとし、エッチングガスの拡散係数をＤとし、前記載置台と前記電極板との間隔をＬとしたときに、前記供給量調整部は、エッチングガスが供給される前記領域におけるｕＬ／Ｄにより演算されるペクレ数が１より小さいか否かに応じてエッチングガスの供給量を調整する、プラズマエッチング方法を提供する。

本発明の実施形態によれば、ビアホールやトレンチなどのエッチング形状をウエハ面内で均一化することが可能なエッチング方法が提供される。

図１は、本発明の実施形態によるプラズマエッチング方法の実施に好適なプラズマエッチング装置の一例を示す概略図である。図２は、図１のシャワーヘッドの構造の一例を説明するための概略図である。図３は、図１のプラズマエッチング装置のガス供給装置を示す概略図である。図４は、本発明の実施形態によるプラズマエッチング方法おけるウエハ径方向位置におけるペクレ数及びエッチングレートを示す図である。図５は、本発明の実施形態によるプラズマエッチング方法おけるウエハ径方向位置におけるペクレ数及びエッチングレートを示す他の図である。図６は、比較例としてのエッチングレートの均一化を説明するための説明図である。図７は、本発明の実施形態におけるエッチングレートの均一化を説明するための他の説明図である。図８は、本発明の実施形態によるプラズマエッチング方法を示すフローチャートである。

次に、本発明を実施するための形態について図面と共に説明する。

（プラズマエッチング装置の概略構成）
始めに、図１を参照し、本実施形態に係るプラズマエッチング方法の実施に好適なプラズマエッチング装置について説明する。

図１を参照すると、プラズマエッチング装置１００は、例えば表面が陽極酸化処理（アルマイト処理）されたアルミニウムから成る円筒形状に成形されたチャンバ（処理容器）１０２を有している。チャンバ１０２は接地されている。

チャンバ１０２内の底部には、セラミック等の絶縁板１０３を介して略円柱状のサセプタ支持台１０４が設けられている。また、サセプタ支持台１０４の上には、下部電極を構成するサセプタ１０５が設けられている。サセプタ１０５は、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１０５ａを介して接地されている。

サセプタ１０５は、その上側中央部が凸状の円板状に成形されている。サセプタ１０５の上には、被処理体の一例であるウエハＷの直径と略同一の直径を有する静電チャック１１１が設けられている。静電チャック１１１は、円板状のセラミックス部材で構成される絶縁材と、これらの間に介在される静電電極１１２とを有している。また、静電チャック１１１の静電電極１１２には直流電源１１３が接続されている。例えば、１．５ｋＶの直流電圧が直流電源１１３から静電電極１１２に印加されると、クーロン力又はジョンソン・ラーベック力により、ウエハＷが静電チャック１１１に吸着保持される。

また、サセプタ１０５には、第１の整合器１１５を介して第１の高周波電源１１４が接続され、第２の整合器１１７を介して第２の高周波電源１１６が接続されている。第１の高周波電源１１４は、比較的低い周波数、例えば、１３．６ＭＨｚの周波数を有するバイアス電力をサセプタ１０５に印加する。第２の高周波電源１１６は、比較的高い周波数、例えば、４０ＭＨｚの周波数を有するプラズマ生成電力をサセプタ１０５に印加する。このプラズマ生成電力により、チャンバ１０２の内部にプラズマが生成される。

絶縁板１０３、サセプタ支持台１０４、サセプタ１０５、及び静電チャック１１１には、ウエハＷの裏面に伝熱媒体（例えばＨｅガスなどのバックサイドガス）を供給するためのガス通路１１８が形成されている。この伝熱媒体を介して、サセプタ１０５とウエハＷとの間の熱伝達がなされ、ウエハＷが所定の温度に維持される。

サセプタ１０５の上端周縁部には、静電チャック１１１上に支持されたウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１１９が配置されている。フォーカスリング１１９は、セラミックス又は石英等の誘電材料、若しくは、導電体、例えば、ウエハＷを構成する材料と同じ単結晶シリコンなどの導電性材料によって構成されている。

プラズマの分布域をフォーカスリング１１９上まで拡大することで、ウエハＷの外周側におけるプラズマの密度を、ウエハＷの中心側におけるプラズマの密度と同程度に維持することができる。これにより、ウエハＷの面内におけるプラズマエッチングの均一性を向上することができる。

サセプタ１０５の上方には、サセプタ１０５と平行に対向して設けられ、サセプタ１０５に支持されるウエハＷに向けてエッチングガスを供給するシャワーヘッド１４０（後述）を兼ねる上部電極１２０が設けられている。上部電極１２０には直流電源１２３が接続されている。また、上部電極１２０は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２４を介して接地されている。

また、上部電極１２０は、上部電極駆動部２００によって、例えば鉛直方向に駆動可能に構成されている。上部電極１２０を鉛直方向に駆動可能に構成することにより、上部電極１２０とサセプタ１０５との間の空間の距離（以下、「ギャップ」という。）Ｇを調整することができる。ギャップＧは、エッチングガスの拡散及び流れに大きく影響を与えるパラメータである。そのため、ギャップＧを調整可能な構造とすることにより、チャンバ１０２の内部の上部電極１２０とサセプタ１０５との間のプラズマ分布を制御することができる。例えば、サセプタ１０５に印加されるプラズマ電力によりプラズマ中のイオンがサセプタ１０５方向へ移動してサセプタ１０５上のウエハＷにほぼ垂直に入射できるように、ギャップＧを広く設定することが好ましい。この場合、イオンは、ウエハとほぼ垂直な方向のエッチングに主に寄与する。

なお、上部電極駆動部２００により駆動される上部電極１２０の鉛直方向に沿った移動量は、特に制限はない。一例として、上部電極１２０の鉛直方向に沿った移動量を７０ｍｍとし、ギャップＧを２０ｍｍ以上９０ｍｍ以下に調整可能な構造とすることができる。

なお、本実施形態におけるプラズマエッチング装置１００は、被エッチング面を上に向けて（フェースアップで）サセプタ１０５に載置されるウエハＷに対して、サセプタ１０５の上方に配置されたシャワーヘッド１４０からエッチングガスを供給するが、他の実施形態では、プラズマエッチング装置１００は、ウエハが鉛直方向に沿って支持されるようにサセプタを配置し、このサセプタに支持されるウエハの横方向からエッチングガスを供給できるようにシャワーヘッドを配置しても良い。更に別の実施形態においては、ウエハがフェースダウンで支持されるようにサセプタを配置し、サセプタの下方に配置されるシャワーヘッドから、フェースダウンで支持されるウエハに対してエッチングガスを供給するようにしてもよい。

上部電極１２０は、チャンバ１０２の上部内壁にベローズ１２２を介して支持されている。ベローズ１２２はチャンバ１０２の上部内壁に環状の上部フランジ１２２ａを介してボルトなどの固定手段により取付けられるとともに、上部電極１２０の上面に環状の上部フランジ１２２ｂを介してボルトなどの固定手段により取付けられる。

ギャップＧを調節するための、上部電極駆動部２００の構成について、詳細に説明する。上部電極駆動部２００は、上部電極１２０を支持する略円筒状の支持部材２０４を有する。支持部材２０４は上部電極１２０の上部略中央にボルトなどで取付けられている。

支持部材２０４は、チャンバ１０２の上壁の略中央に形成された孔１０２ａを出入自在に配設される。具体的には、支持部材２０４の外周面はスライド機構２１０を介してチャンバ１０２の孔１０２ａの内部に支持されている。

スライド機構２１０は、例えばチャンバ１０２の上部に断面Ｌ字状の固定部材２１４を介して固定部材２１４の鉛直部に固定された案内部材２１６と、この案内部材２１６に摺動自在に支持され、支持部材２０４の外周面に一方向（本実施形態では鉛直方向）に形成されたレール部２１２と、を有する。

スライド機構２１０の案内部材２１６を固定する固定部材２１４は、その水平部が環状の水平調整板２１８を介してチャンバ１０２の上部に固定される。この水平調整板２１８により、上部電極１２０の水平位置が調整される。

水平調整板２１８は、例えば、水平調整板２１８の周方向に等間隔で配置した複数のボルト等によりチャンバ１０２に固定される。また、水平調整板２１８の水平方向に対する傾き量を、これらのボルトの突出量により、調整することも可能である。水平調整板２１８が水平方向に対する傾きを調整し、上記スライド機構２１０の案内部材２１６が鉛直方向に対する傾きが調整することで、上部電極１２０の水平方向の傾きを調整することができる。即ち、上部電極１２０を常に水平位置に保つことができる。

チャンバ１０２の上側には、上部電極１２０を駆動するための空気圧シリンダ２２０が、筒体２０１を介して取付けられている。即ち、筒体２０１の下端は、チャンバ１０２の孔１０２ａを覆うようにボルト等で気密に取付けられており、筒体２０１の上端は、空気圧シリンダ２２０の下端に気密に取付けられている。

空気圧シリンダ２２０は、一方向に駆動可能なロッド２０２を有している。ロッド２０２の下端は、支持部材２０４の上部略中央にボルト等で連設されている。ロッド２０２が駆動されることにより、上部電極１２０は、支持部材２０４によりスライド機構２１０に沿って移動することができる。ロッド２０２は、例えば円筒状に構成され、ロッド２０２の内部空間が支持部材２０４の略中央に形成された中央孔と連通して大気開放される。これにより、上部電極１２０とローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２４を介して接地する配線、及び上部電極１２０に直流電源１２３から直流電圧を印加するための給電線は、ロッド２０２の内部空間から支持部材２０４の中央孔を介して上部電極１２０に接続するように配線することができる。

また、空気圧シリンダ２２０の側部には、例えばリニアエンコーダ２０５等の、上部電極１２０の位置を検出する位置検出手段が設けられている。一方、ロッド２０２の上端には、ロッド２０２から側方に延出する延出部２０７ａを有する上端部材２０７が設けられている。上端部材２０７の延出部２０７ａとリニアエンコーダ２０５の検出部２０５ａとが当接している。上端部材２０７は上部電極１２０の動きに連動するため、リニアエンコーダ２０５により上部電極１２０の位置を検出することができる。

空気圧シリンダ２２０は、筒状のシリンダ本体２２２、上部支持板２２４及び下部支持板２２６を含む。筒状のシリンダ本体２２２は、上部支持板２２４と下部支持板２２６とにより挟まれる構成となっている。ロッド２０２の外周面には、空気圧シリンダ２２０内を上部空間２３２と下部空間２３４に区画する環状の区画部材２０８が設けられている。

空気圧シリンダ２２０の上部空間２３２には、上部支持板２２４の上部ポート２３６から圧縮空気が導入されるようになっている。また、空気圧シリンダ２２０の下部空間２３４には、下部支持板２２６の下部ポート２３８から圧縮空気が導入されるようになっている。上部ポート２３６及び下部ポート２３８から上部空間２３２及び下部空間２３４へと導入する空気量を制御することにより、ロッド２０２を一方向（例えば鉛直方向）へと駆動制御することができる。この空気圧シリンダ２２０へ導入する空気量は、空気圧シリンダ２２０の近傍に設けられた空気圧回路３００により制御される。

また、上部電極駆動部２００は、制御部２９０を有しており、制御部２９０は、装置制御部１９０と接続されている。装置制御部１９０からの制御信号は制御部２９０に伝えられ、制御部２９０により、上部電極駆動部２００の各部が駆動制御される。

サセプタ支持台１０４の内部には、ウエハＷの面内における温度分布を調節可能とする、温度分布調整部１０６が配置されている。温度分布調整部１０６は、ヒータ１０６ａ、１０６ｂ、ヒータ用電源１０６ｃ、１０６ｄ、温度計１０６ｅ、１０６ｆ、冷媒流路１０７ａ、１０７ｂを有する。

サセプタ支持台１０４の内部には、中心側から外周側に向かって、中心側ヒータ１０６ａと外周側ヒータ１０６ｂとが設けられている。中心側ヒータ１０６ａには、中心側ヒータ用電源１０６ｃが接続され、外周側ヒータ１０６ｂには、外周側ヒータ用電源１０６ｄが接続されている。中心側ヒータ用電源１０６ｃ、外周側ヒータ用電源１０６ｄは、各々、中心側ヒータ１０６ａ、外周側ヒータ１０６ｂに投入する電力を独立に調節することができる。これにより、サセプタ支持台１０４及びサセプタ１０５に、ウエハＷの径方向に沿った温度分布を発生させることができる。即ち、ウエハＷの径方向に沿った温度分布を調節することができる。

また、サセプタ支持台１０４の内部には、中心側から外周側に向かって、中心側温度計１０６ｅ及び外周側温度計１０６ｆが設けられている。中心側温度計１０６ｅ及び外周側温度計１０６ｆは、各々、サセプタ支持台１０４の中心側及び外周側の温度を計測し、これによりウエハＷの中心側及び外周側の温度を導出できる。中心側温度計１０６ｅ及び外周側温度計１０６ｆで計測された温度は、後述する装置制御部１９０に送られる。装置制御部１９０は、計測された温度から導出されたウエハＷの温度が目標温度となるように、中心側ヒータ用電源１０６ｃ及び外周側ヒータ用電源１０６ｄの出力を調整する。

更に、サセプタ支持台１０４の内部には、中心側から外周側に向かって、中心側冷媒流路１０７ａ及び外周側冷媒流路１０７ｂを設けても良い。そして、各々に異なる温度の、例えば冷却水、フルオロカーボン系の冷媒を循環させても良い。冷媒を循環させる場合、冷媒は、中心側導入管１０８ａを介して中心側冷媒流路１０７ａに導入され、中心側排出管１０９ａから排出される。一方、外周側冷媒流路１０７ｂには、外周側導入管１０８ｂを介して冷媒が導入され、外周側排出管１０９ｂから排出される。

サセプタ１０５は、ヒータ１０６ａ、１０６ｂによる加熱と、冷媒からの冷却と、により、温度が調整される。したがって、ウエハＷは、プラズマからの輻射やプラズマに含まれるイオンの照射などによる加熱分と、前述のサセプタ１０５との熱量の授受と、により、所定の温度になるように調整される。また、サセプタ支持台１０４は、中心側ヒータ１０６ａ（及び中心側冷媒流路１０７ａ）及び外周側ヒータ１０６ｂ（及び外周側冷媒流路１０７ｂ）を有する。そのため、ウエハＷは、中心側と外周側とで独立して温度を調整することができる。

また、図１には図示していないが、中心側ヒータ１０６ａと外周側ヒータ１０６ｂとの間、又は、中心側冷媒流路１０７ａと外周側冷媒流路１０７ｂとの間に、断熱層として断熱材又は空間を設けても良い。断熱層を設けることにより、中心側ヒータ１０６ａと外周側ヒータ１０６ｂとの間、又は中心側冷媒流路１０７ａと外周側冷媒流路１０７ｂとの間が熱的に遮断される。即ち、ウエハＷの中心側と外周側との間に、より大きな温度分布を生じさせることができる。

チャンバ１０２の底部には排気管１３１が接続されており、排気管１３１には排気装置１３５が接続されている。排気装置１３５は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、チャンバ１０２内を所定の減圧雰囲気（例えば０．６７Ｐａ以下）に調整する。また、チャンバ１０２の側壁にはゲートバルブ１３２が設けられている。ゲートバルブ１３２が開くことによって、チャンバ１０２内へのウエハＷの搬入、及び、チャンバ１０２内からのウエハＷの搬出が可能となる。なお、ウエハＷの搬送には例えば搬送アームが用いられる。

（エッチングガスの供給条件を調節する調節部の概略構成）
次に、図２を参照しながらシャワーヘッド１４０について説明する。図示のとおり、シャワーヘッド１４０は、エッチングガス等のガスをウエハＷに供給する多数のガス噴出孔ｈ（ｈａ〜ｈｄ）を有する円形状の電極板１４１（上部電極１２０）と、電極板１４１の上面側を着脱自在に支持する電極支持体１４２を備えている。電極支持体１４２は、電極板１４１の外径と等しい外径を有する円盤形状を有し、電極支持体１４２の内側に円形状のバッファ室１４３が形成されている。

バッファ室１４３内では、電極板１４１上に、図２（ａ）に示すように、たとえばＯリングから成る１つ以上の環状隔壁部材１４５が配置されている。具体的には、本実施形態においては、異なる直径を有する３つの環状隔壁部材１４５ａ、１４５ｂ、１４６ｃが同心円状に配置されている。これにより、バッファ室１４３は、電極板１４１の径方向に沿って、センタ領域１４３ａ、中間領域１４３ｂ、周縁領域１４３ｃ、及び最外縁領域１４３ｄに分割される。
また、図２（ｂ）に示すように、領域１４３ａ〜１４３ｄの夫々は、ガス供給装置１５０と接続され、これによりガス供給装置１５０から各領域１４３ａ〜１４３ｄに対してエッチングガスが供給される。各領域１４３ａ〜１４３ｄに供給されたエッチングガスは、対応するガス噴出孔ｈから、サセプタ１０５に支持されるウエハＷに向かって噴出される。

なお、ガス噴出孔ｈの数と配置については、ウエハＷに対してエッチングガスが均一に噴出されるように決定して良い。これに限定されないが例えば、ガス噴出孔ｈは、シャワーヘッド１４０（電極板１２１）の中心を中心とし、同心円状に位置する複数の同心円の各円周上に配置して良い。具体的には、３００ｍｍの直径を有するウエハＷを使用する場合、センタ領域１４３ａにおいて、半径１１ｍｍの円の円周上に４つのガス噴出孔ｈａが（例えば等間隔で）配置され、半径３３ｍｍの円の円周上に１２個のガス噴出孔ｈｂが（例えば等間隔で）配置されている。中間領域１４３ｂにおいては、半径５５ｍｍの円の円周上に２４個のガス噴出孔ｈｃが（例えば等間隔で）配置され、半径７７ｍｍの円の円周上に３６個のガス噴出孔ｈｄが（例えば等間隔で）配置されている。周縁領域１４３ｃにおいては、図示を省略するが、半径９９ｍｍの円の円周上に４８個のガス噴出孔が（例えば等間隔で）配置され、半径１２１ｍｍの円の円周上に６０個のガス噴出孔が（例えば等間隔で）配置されている。最外縁領域１４３ｄにおいては、図示を省略するが、半径１４３ｍｍの円の円周上に８０個のガス噴出孔が（例えば等間隔で）配置され、半径１６５ｍｍの円の円周上に１００個のガス噴出孔が（例えば等間隔で）配置されている。

次に、図３を参照しながら、バッファ室１４３の各領域１４３ａ〜１４３ｄに個別にエッチングガスを供給するガス供給装置１５０及びガス供給系について説明する。図示のとおり、ガス供給装置１５０は、第１のガスボックス１６１と、第２のガスボックス１６０とを備えている。第１のガスボックス１６１には、複数のガス供給源（図示せず）と接続される第１の集合バルブ３０３が収容されており、第２のガスボックス１６０には、第２の集合バルブ３０２と、第２の集合バルブ３０２の各バルブに対応して設けられる、例えばマスフローコントローラ等の流量制御器３０１と、第３の集合バルブ３００とが収容されている。

本実施形態において、ガス供給源には、例えば、フロロカーボン系のフッ素化合物（ＣＦ系）、例えばＣＦ_４、Ｃ_４Ｆ_６、Ｃ_４Ｆ_８、ＣＨ_２Ｆ_２、ＣＨＦ_３等のガスが封入されている。他にも、例えばＣＦ系の反応生成物の付着を制御するガスとして例えば酸素（Ｏ_２）ガスが封入されている。さらに、キャリアガスとして例えばＡｒガス、Ｎ_２ガス、Ｈｅガスが封入されている。

各ガス供給源からの配管は、第１のガスボックス１６１内の第１の集合バルブ３０３における対応するバルブに接続されている。また、本実施形態では、第１の集合バルブ３０３の下流側において、ＣＨＦ_３ガス配管とＯ_２ガス配管とが合流し、更に４本の分岐管１７０ａ、１７１ａ、１７２ａ、１７３ａに分岐している。分岐管１７０ａ〜１７３ａには、第１の集合バルブ３０３を制御することにより、ＣＨＦ_３ガス及びＯ_２ガスのいずれか、又はこれらの混合ガスが流れる。

また、同様にして、第１の集合バルブ３０３の下流側において、ＣＦ_４ガス配管とＮ_２ガス配管とが合流し、更に４本の分岐管１７０ｂ、１７１ｂ、１７２ｂ、１７３ｂに分岐している。分岐管１７０ｂ〜１７３ｂには、第１の集合バルブ３０３を制御することにより、ＣＦ_４ガス及びＮ_２ガスのいずれか、又はこれらの混合ガスが流れる。

同様に、第１の集合バルブ３０３の下流側において、Ｏ_２ガス配管とＡｒガス配管とが合流し、更に４本の分岐管１７０ｃ、１７１ｃ、１７２ｃ、１７３ｃに分岐している。分岐管１７０ｃ〜１７３ｃには、第１の集合バルブ３０３を制御することにより、Ｏ_２ガス及びＡｒガスのいずれか、又はこれらの混合ガスが流れる。

さらに第１の集合バルブ３０３の下流側において、Ｃ_４Ｆ_６ガス配管とＣ_４Ｆ_８ガス配管とが合流し、更に４本の分岐管１７０ｄ、１７１ｄ、１７２ｄ、１７３ｄに分岐している。分岐管１７０ｄ〜１７３ｄには、第１の集合バルブ３０３を制御することにより、Ｃ_４Ｆ_６ガス及びＣ_４Ｆ_８ガスのいずれか、又はこれらの混合ガスが流れる。

分岐管１７０ａ〜１７３ａ、１７０ｂ〜１７３ｂ、１７０ｃ〜１７０ｃ、及び１７０ｄ〜１７０ｄは、第２のバルブボックス１６０内の第２の集合バルブ３０２における対応するバルブに接続され、さらに、対応する流量制御器３０１を介して、第１の集合バルブ３００の対応するバルブに接続されている。
第１の集合バルブ３００の下流側において、分岐管１７０ａ、１７０ｂ、１７０ｃ、及び１７０ｄに対応した配管が配管１７０に合流し、配管１７０は、シャワーヘッド１０４のセンタ領域１４０ａに連通している（図２（ｂ）参照）。また、第１の集合バルブ３００の下流側において、分岐管１７１ａ、１７１ｂ、１７１ｃ、及び１７１ｄに対応した配管が配管１７１に合流し、配管１７１は、シャワーヘッド１０４の中間領域１４３ｂに連通している（図２（ｂ）参照）。同様に、第１の集合バルブ３００の下流側において、分岐管１７２ａ、１７２ｂ、１７２ｃ、及び１７２ｄに対応した配管が配管１７２に合流し、配管１７２は、シャワーヘッド１０４の周縁領域１４３ｃに連通している（図２（ｂ）参照）。さらに、第１の集合バルブ３００の下流側において、分岐管１７３ａ、１７３ｂ、１７３ｃ、及び１７３ｄに対応した配管が配管１７３に合流し、配管１７３は、シャワーヘッド１０４の最外縁領域１４３ｄに連通している（図２（ｂ）参照）。

以上の構成により、第１の集合バルブ３００、第２の集合バルブ３０２、及び第３の集合バルブ３０３を適宜開閉することにより、シャワーヘッド１４０の各領域１４３ａ〜１４３ｄに対して、各エッチングガス（混合ガスを含む）を選択的に供給することができる。即ち、図３の例においては、各ガス供給源に接続される配管は、配管１７０〜１７３のように４つに分岐されている。また、配管は第１の集合バルブ３０３が接続されており、所望するプロセスに応じて、ガス種を切り替えることが可能な構造となっている。このような構造にすることにより、新たなガス供給源を追加する場合や、プロセスにより不要なエッチングガスのガス供給を停止する場合も、簡易な操作で実行することができる。

前述の通り、プラズマエッチング装置１００は装置制御部１９０（図１）を有する。装置制御部１９０は、例えばＣＰＵよりなる図示しない演算処理装置と、例えばハードディスクよりなる図示しない記録媒体を備えている。装置制御部１９０は、前述した、第１の高周波電源１１４、第２の高周波電源１１６、温度分布調整部１０６、上部電極駆動部２００、ガス供給条件調整部１３０の各部の動作を制御する。そして、装置制御部１９０は、上記各部を動作させる際は、例えば装置制御部１９０のＣＰＵが、例えば装置制御部１９０のハードディスクに記録されている、それぞれのエッチング処理に対応するプログラムに応じて、各部を制御する。

（プラズマエッチング方法）
次に、プラズマエッチング装置１００におけるエッチングガス供給制御について説明する。
シャワーヘッド１４０のガス噴出孔ｈから、シャワーヘッド１４０とサセプタ１０５との間の空間にエッチングガスが供給されると、エッチングガスは、排気管１３１を通して排気装置１３５により吸引され、サセプタ１０５の外周に向かって広がっていく。このとき、エッチングガス成分（例えば、ラジカル）の濃度分布は、エッチングガスが「拡散」と「流れ」のいずれに支配されて輸送されるかにより異なる。「拡散」と「流れ」のいずれかにどの程度依存しているかを定性的に示す、無次元数としてペクレ数（Ｐｅ）が知られている。ペクレ数は下記の式（１）で表される。

Ｐｅ＝ｕＬ／Ｄ_ＡＢ式（１）
ここで、ｕ：ガスの流速（ｍ／ｓ）
Ｄ_ＡＢ：ガス種の相互拡散係数
Ｌ：代表長さ（ｍ）
ペクレ数Ｐｅが１より小さい場合、主に「拡散」によりガスが輸送され、ペクレ数Ｐｅが１以上の場合、主に「流れ」によりガスが輸送される。

なお、相互拡散係数Ｄ_ＡＢは、ガスＡとガスＢの混合ガスの場合には、下記の式（２）で表される。

例えば、温度１５０（℃）及び圧力８０mTorr（1.05x10^-4atm）において、ＡｒとＣ_４Ｆ_８を含むエッチングガスの相互拡散係数Ｄ_ＡＢは１．２３×１０^−１ｍ^２／ｓであり、温度１５０（℃）及び圧力３０mTorr（3.95x10^-5atm）において、ＡｒとＣＨＦ_３を含むエッチングガスの相互拡散係数Ｄ_ＡＢは、０．６６ｍ^２／ｓである。

具体的な例により説明するために、図４（ａ）に、プラズマエッチング装置１００における、ウエハの径方向に沿ったペクレ数Ｐｅの変化を示す。図４（ａ）は、ＡｒとＣ_４Ｆ_８のエッチングガス（相互拡散係数Ｄ_ＡＢ＝１．２３×１０^−１ｍ^２／ｓ）を用い、代表長さＬ（即ち、サセプタ１０５と上部電極１２０との間のギャップＧ）を３０ｍｍとし、ガスの流速ｕを計算により算出したペクレ数Ｐｅを示す。なお、図４（ａ）において、横軸は、直径３００ｍｍのウエハの中心を原点（０ｍｍ）としている。
図４（ａ）から、ウエハの中心から径が８６ｍｍに位置でペクレ数Ｐｅが１となり、これを境に「拡散」が支配的である領域（０ｍｍから８６ｍｍまでの領域）と「流れ」が支配的である領域（８６ｍｍから１５０ｍｍまでの領域）とに区分されることがわかる。ただし、「拡散」が支配的である領域と「流れ」が支配的である領域とがペクレ数Ｐｅ＝１を境に明りょうに区別される分けではなく、ペクレ数Ｐｅが例えば０．７から１．３までの範囲においては、過渡的な領域となっていると考えられる。

また、図４（ｂ）に、ウエハの径方向に沿ったエッチングレートを示す。具体的には、プラズマエッチング装置１００におけるセンタ領域１４３ａ、中間領域１４３ｂ、周縁領域１４３ｃ、及び最外縁領域１４３ｄ（図２参照）の各々からエッチングガスを供給し、高周波電力によりプラズマを生成してウエハ（直径３００ｍｍのベアウエハ）をエッチングし、ウエハ面内のエッチングレートを測定した。なお、図４（ｂ）において、縦軸には、最もエッチングレートが大きい位置を１として、規格化した規格化エッチングレートをとっている。

図４（ｂ）を参照すると、センタ領域１４３ａからエッチングガスと不活性ガスの混合ガスを供給し、他の領域から不活性ガスを供給した場合（△印）は、センタ領域１４３ａの下方位置においてエッチングレートが大きくなっている。また、中間領域１４３ｂからエッチングガスと不活性ガスの混合ガスを供給し、他の領域から不活性ガスを供給した場合（◇印）においても、中間領域１４３ｂの下方位置においてエッチングレートが大きくなっている。

また、センタ領域１４３ａからエッチングガスを供給した場合には、センタ領域１４３ａだけでなく、中間領域１４３ｂにおいても比較的大きなエッチングレートでウエハがエッチングされている。さらに、中間領域１４３ｂからエッチングガスを供給した場合には、周縁領域１４３ｃ及び最外縁領域１４３ｄだけではなく、センタ領域１４３ａにおいても比較的大きなエッチングレートでウエハがエッチングされることが分かる。これは、センタ領域１４３ａ及び中間領域１４３ｂに対応する領域においては、エッチングガスの「拡散」が支配的であり、他の領域にまでエッチングガスが拡散したためと考えられる（図４（ａ）参照）。

一方、周縁領域１４３ｃからエッチングガスと不活性ガスの混合ガスを供給し、他の領域から不活性ガスを供給した場合（□印）は、周縁領域１４３ｃよりも外側の最外縁領域１４３ｄの下方位置におけるエッチングレートには増加が認められるものの、周縁領域１４３ｃよりも内側のセンタ領域１４３ａ及び中間領域１４３ｂの下方位置におけるエッチングレートは殆ど増加しない。また、最外縁領域１４３ｄからエッチングガスと不活性ガスの混合ガスを供給し、他の領域から不活性ガスを供給した場合（○印）にも、センタ領域１４３ａ及び中間領域１４３ｂの下方位置においてはエッチングレートの増加は殆ど認められない。これは、周縁領域１４３ｃ及び最外縁領域１４３ｄからのエッチングガスは、センタ領域１４３ａ及び中間領域１４３ｂへは拡散せずに、主に「流れ」によりエッチングガスが輸送されるためと考えられる（図４（ａ）参照）。

また、ＡｒとＣ_４Ｆ_８の混合ガスに代わり、ＡｒとＣＨＦ_３の混合ガス（相互拡散係数Ｄ_ＡＢは０．６６ｍ^２／ｓ）を用いた場合のペクレ数Ｐｅの変化と、エッチングレートの変化とを図５に示す。ＡｒとＣＨＦ_３の混合ガスの相互拡散係数Ｄ_ＡＢは、ＡｒとＣ_４Ｆ_８の混合ガスの相互拡散係数Ｄ_ＡＢよりも小さく、図５（ａ）に示すように、ウエハの全面に対応した領域においてペクレ数Ｐｅは１よりも小さくなっている。すなわち、このＡｒとＣＨＦ_３の混合ガスを用いた場合には、ウエハの全面に対応した領域において、ガスの輸送が「拡散」に支配されることとなる。このため、図５（ｂ）に示すように、周縁領域１４３ｃ及び最外縁領域１４３ｄにおいても、それぞれの領域の下方位置においてエッチングレートが最大となる傾向が認められる。

以上の結果から、エッチングガスの供給条件を調整することによりエッチングレートの面内均一性の改善を図る場合、エッチングガスの拡散が支配的となる領域と、エッチングガスの流れが支配的となる領域とでは、エッチングガスを供給する位置を変える必要があることがわかる。すなわち、拡散が支配的な領域においては、その位置に対応する（略真上にある）ガス噴出孔ｈからのエッチングガス供給量を調整することによりエッチングレートを制御することができ、流れが支配的な領域においては、その位置に対応するガス噴出孔ｈよりもむしろウエハ中心側に位置するガス噴出孔ｈからのエッチングガス供給量を調整することによりエッチングレートを制御することができる。

また、上述のとおり、使用するエッチングガス（混合ガス）により相互拡散係数Ｄ_ＡＢが異なり、その結果、同一のチャンバ内において、エッチングガスの拡散が支配的となる領域と、エッチングガスの流れが支配的となる領域とが大きく異なることとなる。これは、同じチャンバを用いても、エッチング対象膜により、エッチングレートのウエハ面内均一性が異なり得ることを示唆しており、このことから、ペクレ数Ｐｅに基づく検討、及びその検討に基づいてガスの供給条件を変えることの重要性が理解される。特に、エッチングガスの拡散が支配的となる領域と、エッチングガスの流れが支配的となる領域とがチャンバ内に存在する場合に、どのようにガスの供給条件を変えるかはエッチングレートを均一化するために重要である。本実施形態によるプラズマエッチング装置１００においては、３つの環状隔壁部材１４５によりシャワーヘッド１４０のバッファ室１４３が４つの領域１４３ａ〜１４３ｄに分割され、各々から異なる流量でエッチングガスを供給することができるため、上記の検討に基づいたガス供給条件の変更が可能となり、エッチングレートのウエハ面内での均一性を改善できるという利点がある。また、エッチング対象膜ごとに異なるエッチングガス（混合ガス）に対応して、ガス供給条件を変更することにより、ウエハ面内の均一性を改善できるため、異なる複数のエッチング対象膜を連続してエッチングすることが可能となる。

また、ビアホールやトレンチの各形状パラメータを独立に制御することが困難という事情を踏まえ、各形状パラメータを独立に制御し得るエッチング条件を見出すために実験を繰り返した結果、本発明の発明者らは以下の知見を得た。
エッチングのために生成されるプラズマ中にはイオン（荷電粒子）とラジカル（中性粒子）とが含まれている。イオンは、例えばサセプタに印加されるバイアス電圧により加速され、上部電極１２０とサセプタ１０５との間の空間のギャップＧが十分に大きい場合、サセプタに対して直交する方向に沿って、サセプタ上に載置されるエッチング対象膜に照射される。一方、ラジカルは、バイアス電圧によって加速されることはなく、濃度勾配により拡散しながらエッチング対象膜に吸着する。そして、エッチング対象膜の表面（ビアホールやトレンチがある場合は、これらの内表面も含む）から反応副生成物が離脱することにより、エッチングが進行する。これらを考慮すると、エッチング対象膜の深さ方向のエッチングレートＥＲｖは、以下の式（３）で表すことができる。

一方、エッチング対象膜の平面方向のエッチングレートＥＲｈは、以下の式（４）で表すことができる。

式（３）及び式（４）を比較すると、深さ方向のエッチングレートにはイオン衝撃による離脱が影響するのに対して、平面方向のエッチングレートには、そのような影響はなくラジカルの吸着と熱エネルギーによる離脱と依存する。言い換えると、イオンは深さ方向のエッチングに寄与し、ラジカルは深さ方向と平面方向の双方に寄与すると考えられる。したがって、プラズマエッチングによりビアホールやトレンチ（以下、ビア等）を形成する場合、ビア等の幅の制御に関しては、ビア等の側壁表面のラジカルによるエッチング量の制御が重要となる。ラジカルによるエッチング量は、ラジカルを発生させるための処理ガスの供給量や処理ガスの混合比により制御され得る。

一方、プラズマエッチングによりビア等をエッチングする場合には、ビア等の側壁に反応副生成物やエッチングガスの分解により生じたポリマーなど（以下、副生成物等）が吸着し、ラジカルの吸着を妨げる場合がある。副生成物等の側壁への吸着は吸着係数に依存し、吸着係数は温度に依存するため、ビアホールやトレンチの幅を制御する上で、ウエハ温度の制御を欠かすことはできない。

例えば、図６（ａ）に示すように、ラジカルの供給量Γradicalがウエハ表面上で中央部から周縁部にかけて上昇する場合には、図６（ｂ）に示すようにウエハ周縁部に近づくに従ってウエハ温度が高くなるように調整し、吸着係数γを図６（ａ）のように変えれば、Γradicalの変化を相殺することができ、図６（ｃ）に示すようにラジカルの吸着（γ・Γradical）をウエハ面内において均一化することが可能となる。しかし、吸着係数γを変化させるために図６（ｂ）に示すようにウエハ温度を調整すると、図６（ｄ）に示すように、熱反応速度Ｋｄをウエハ面内において均一にすることができなくなる。そのため、エッチングレートＥＲｖ及びＥＲｈをウエハ面内において均一にすることができない。

上述のプラズマエッチング装置１００によれば、３つの環状隔壁部材１４５によりシャワーヘッド１４０のバッファ室１４３が４つの領域１４３ａ〜１４３ｄに分割され、各々から異なる流量でエッチングガスを供給することができる。したがって、例えば図７（ａ）中の線Ａのようにラジカルの供給量Γradicalが変化する場合であっても、ウエハの温度を変化させることなく（図７（ｂ）参照）、線Ｂのようにラジカルの供給量Γradicalを均一化することが可能となる。その結果、図７（ｃ）に示すようにラジカルの吸着（γ・Γradical）をウエハ面内において均一化することができる。しかも、ウエハ温度は均一のままであるため、熱反応速度Ｋｄをウエハ面内において均一にすることができる（図７（ｄ）参照）。すなわち、ラジカルの吸着をウエハ面内で均一化しても、エッチングレートに影響を与える他の要因を変化させることがない。したがって、エッチングレートＥＲｖ及びＥＲｈをウエハ面内において均一にすることが可能となる。

また、ウエハ温度に分布を設けることによりラジカルの吸着をウエハ面内で一定とする場合においては、エッチング対象膜によって異なるエッチングガスを用いる場合には、そのエッチングガスに合わせてウエハの温度分布を変える必要が生じる。すなわち、エッチング対象膜毎に異なる温度分布となるようにウエハ温度を調整しなければならない。そのような温度分布を実現するようにウエハ温度を変更するには時間がかかるという問題がある。

しかし、本発明の実施形態においては、エッチング対象膜が変わってもウエハの温度を面内で均一に変更すればよいので、ウエハ温度の変更が容易であり、エッチングレートを容易に均一化できるという利点が提供される。また、ウエハ面内で温度分布を設ける場合には、その分布からずれると、均一性が悪化する一方で、所定の温度分布に維持することは一般に難しい。これに比べ、ウエハ面内で温度を均一化することはむしろ容易である。

以上から、上述のプラズマエッチング装置１００を用いて行う、本発明の実施形態によるプラズマエッチング方法においては、まず、ウエハＷをサセプタ１０５に載置し、温度分布調整部１０６（図１）によりサセプタ１０５に載置されるウエハＷの面内温度を均一に維持して（図８のステップＳ８１）、所定のエッチング条件にてエッチング対象をエッチングする（ステップＳ８２）。そのエッチング対象について求めたエッチング形状のウエハＷの面内分布と、上述のペクレ数に基づく検討とからシャワーヘッド１４０の各領域１４３ａ〜１４３ｄにおけるガスの供給条件を得ることができる（ステップＳ８３）。そして、半導体デバイスの製造用のウエハに対し、得られた条件でプラズマエッチングを行うことにより、すなわち、温度分布調整部１０６によりサセプタ１０５上のウエハの面内温度を均一に維持し、得られた供給条件でシャワーヘッド１４０（各領域１４３ａ〜１４３ｄ）からエッチングガス（混合ガス）を供給し、プラズマを生成してエッチングすることにより（ステップＳ８４）、ウエハＷの面内でのエッチングレートを均一化することができる。

以上、幾つかの実施形態を参照しながら本発明を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されることなく、添付の特許請求の範囲の記載に照らし、種々に変形又は変更が可能である。

Ｗウエハ
１０５サセプタ（支持部）
１０６温度分布調整部
１２０上部電極
１２２ベローズ
１３０調節部
１４０シャワーヘッド
１４３バッファ室
１４５環状隔壁部材
１５０ガス供給装置
１９０装置制御部
２００上部電極駆動部

Claims

エッチング処理対象である基板へ供給されるエッチングガスの供給量を調節する供給量調整部と、載置台上に載置される前記基板の温度を前記基板の半径方向に沿って調整する温度調整部と、前記載置台と平行に対向して設けられる電極板及び前記載置台の間の空間にプラズマを発生させるプラズマ発生部とを有するエッチング装置において前記基板をエッチングするエッチング方法であって、
前記温度調整部により前記基板の温度を第１の温度に前記基板面内で均一に制御する工程と、
前記プラズマ発生部により発生されるプラズマ中の中性活性粒子の前記基板上方における濃度分布を前記供給量調整部により調整することにより、前記基板面内でのエッチングレートを均一化する工程と
を含み、
前記供給量調整部は、前記載置台の上方に設けられ、前記載置台の径方向中心側の部分にエッチングガスを供給する第１の供給部と、前記中心側の部分よりも前記載置台の径方向外周側の部分にエッチングガスを供給する第２の供給部と
を有し、
前記調整する工程において、前記第２の供給部によりエッチングガスが供給される領域における、エッチングガスの流速をｕとし、エッチングガスの拡散係数をＤとし、前記載置台と前記電極板との間隔をＬとしたときに、
前記供給量調整部は、エッチングガスが供給される前記領域におけるｕＬ／Ｄにより演算されるペクレ数が１より小さいか否かに応じてエッチングガスの供給量を調整する、
プラズマエッチング方法。
エッチング処理対象である基板へ供給されるエッチングガスの供給量を調節する供給量調整部と、載置台上に載置される前記基板の温度を前記基板の半径方向に沿って調整する温度調整部と、前記載置台と平行に対向して設けられる電極板及び前記載置台の間の空間にプラズマを発生させるプラズマ発生部とを有するエッチング装置において前記基板をエッチングするエッチング方法であって、
前記温度調整部により前記基板の温度を第１の温度に前記基板面内で均一に制御する工程と、
前記プラズマ発生部により発生されるプラズマ中の中性活性粒子の前記基板上方における濃度分布を前記供給量調整部により調整することにより、前記基板面内でのエッチングレートを均一化する工程と
を含み、
前記供給量調整部が、前記載置台の上方に設けられ、前記載置台の径方向中心側の部分にエッチングガスを供給する第１の供給部と、前記中心側の部分よりも前記載置台の径方向外周側の部分にエッチングガスを供給する第２の供給部と、
を有し、
前記調整する工程において、前記第２の供給部によりエッチングガスが供給される領域の活性種濃度分布において、前記供給されたエッチングガスの拡散の影響が支配的であるなら、前記供給量調整部により、前記第２の供給部により供給されるエッチングガスの供給量が調整され、
前記第２の供給部よりエッチングガスが供給される前記領域の活性種濃度分布において、前記供給されたエッチングガスの流れの影響が支配的であるなら、前記供給量調整部は、前記第１の供給部により供給されるエッチングガスの供給量が調整される、
プラズマエッチング方法。
前記エッチングガスを変更する工程と、
前記エッチングガスの変更に合わせて前記温度調整部により前記基板の温度を第１の温度と異なる第２の温度に前記基板面内で均一に制御する工程と
を更に含む、請求項１又は２に記載のプラズマエッチング方法。