JP6030994B2 - プラズマエッチング装置及びプラズマエッチング方法 - Google Patents

プラズマエッチング装置及びプラズマエッチング方法 Download PDF

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Description

本発明の種々の側面及び実施形態は、プラズマエッチング装置に関するものである。
半導体デバイスの製造工程において、半導体ウェハなどの基板（以下「ウェハ」という。）を加工する装置として、プラズマをウェハに照射することによって、ウェハにエッチングを行うプラズマエッチング装置がある。
プラズマエッチングでは、フッ素、塩素、酸素などを含むガスを処理ガスとして用いてプラズマ化する。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。）などの活性種が含まれている。ウェハの表面がイオンとラジカルとを含むプラズマと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、半導体デバイスの製造工程において、ウェハが大口径化している。ウェハの大口径化に伴い、エッチング時のウェハの面内における、ホールやトレンチの底部の線幅（Critical Dimension；ＣＤ）及び深さの面内均一性を確保することが難しくなってきている。
なお、ウェハ面内の中心部と周辺部領域とのラジカルの密度分布の制御を、上部電極からの処理ガス供給量を調整することにより制御する技術もある。
特許４３５８７２７号公報
しかしながら、ウェハ面内の中心部と周辺部領域とでは、ラジカルの拡散具合が不均一であり、面内均一性を確保することが難しいという問題がある。
開示するプラズマエッチング装置は、１つの実施態様において、プラズマ化された処理ガスにより基板をエッチングする。また、プラズマエッチング装置は、処理容器を有する。また、プラズマエッチング装置は、前記処理容器内に設けられた、基板を保持する保持部を有する。また、プラズマエッチング装置は、前記処理容器内に設けられた、前記保持部と対向する電極板を有する。また、プラズマエッチング装置は、前記保持部と前記電極板とに挟まれた空間に処理ガスを供給するための、前記基板の径方向に対して同心円状にｎ（ｎは２以上の自然数）個に分割された領域各々に配置され、前記領域各々に均等間隔で形成されたガス供給孔から処理ガスを供給する複数の供給部を有する。また、プラズマエッチング装置は、前記保持部又は前記電極板の少なくとも一方に高周波電力を供給することによって、前記複数の供給部により前記空間に供給された処理ガスをプラズマ化する高周波電源を有する。また、プラズマエッチング装置は、以下の式により、前記領域各々の前記ガス供給孔から供給されるガス流量を制御する制御部を有する。
Figure 0006030994
 Ｑ：処理ガスの総流量、
Ｑ１’〜Ｑｎ’：ｎ個に分割された領域各々の処理ガス流量
Ｄ１〜Ｄｎ：ｎ個に分割された領域各々における処理ガスの濃度比
Ｎ１〜Ｎｎ：ｎ個に分割された領域各々のガス供給孔数
開示する測定方法の１つの態様によれば、所望のエッチング特性を得るための流量比率を容易に選択可能となるという効果を奏する。
図１は、第１の実施形態に係るプラズマエッチング装置の構成の一例を示す概略図である。 図２は、第１の実施形態における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、本実施形態におけるウェハの、径方向の位置におけるペクレ数を示す概略図である。 図４は、本実施形態における処理ガスの供給条件を変更した場合の、エッチレートの変化を示す概略図である。 図５−１は、第１の実施形態における面積比とガス濃度比との関係について示す図である。 図５−２は、第１の実施形態における面積比とガス濃度比との関係について示す図である。
以下に、開示するプラズマエッチング装置及びプラズマエッチング方法の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施形態により開示する発明が限定されるものではない。各実施形態は、処理内容を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係るプラズマ化された処理ガスにより基板をエッチングするプラズマエッチング装置は、実施形態の一例において、処理容器を有する。また、プラズマエッチング装置は、処理容器内に設けられた、基板を保持する保持部を有する。また、プラズマエッチング装置は、処理容器内に設けられた、保持部と対向する電極板を有する。また、プラズマエッチング装置は、保持部と電極板とに挟まれた空間に処理ガスを供給するための、基板の径方向に対して同心円状にｎ（ｎは２以上の自然数）個に分割された領域各々に配置され、領域各々に均等間隔で形成されたガス供給孔から処理ガスを供給する複数の供給部を有する。また、プラズマエッチング装置は、保持部又は電極板の少なくとも一方に高周波電力を供給することによって、複数の供給部により空間に供給された処理ガスをプラズマ化する高周波電源を有する。また、プラズマエッチング装置は、以下の式により、領域各々のガス供給孔から供給されるガス流量を制御する制御部を有する。
Figure 0006030994
 Ｑ：処理ガスの総流量、
Ｑ１’〜Ｑｎ’：ｎ個（ｎは２以上の自然数）に分割された領域各々の処理ガス流量
Ｄ１〜Ｄｎ：ｎ個に分割された領域各々における処理ガスの濃度比
Ｎ１〜Ｎｎ：ｎ個に分割された領域各々のガス供給孔数
また、第１の実施形態に係るプラズマ化された処理ガスにより基板をエッチングするプラズマエッチング方法は、処理容器内に設けられた保持部により基板を保持する保持ステップを含む。また、第１の実施形態に係るプラズマエッチング方法は、処理容器内に設けられた、保持部と対向する電極板と保持部とに挟まれた空間に、基板の径方向に対して同心円状に複数に分割された領域各々に配置された複数の供給部により、領域各々に均等間隔で形成されたガス供給孔から処理ガスを供給する処理ガス供給ステップを含む。また、第１の実施形態に係るプラズマエッチング方法は、保持部又は電極板の少なくとも一方に、高周波電源により高周波電力を供給することによって、領域各々に設けられたガス供給孔から空間に供給された処理ガスをプラズマ化する高周波電力供給ステップを含む。また、第１の実施形態に係るプラズマエッチング方法は、処理ガス供給ステップが、以下の式により、領域各々のガス供給孔から供給されるガス流量を制御する。
Figure 0006030994
 Ｑ：処理ガスの総流量、
Ｑ１’〜Ｑｎ’：ｎ個（ｎは２以上の自然数）に分割された領域各々の処理ガス流量
Ｄ１〜Ｄｎ：ｎ個に分割された領域各々における処理ガスの濃度比
Ｎ１〜Ｎｎ：ｎ個に分割された領域各々のガス供給孔数
（第１の実施形態に係るプラズマエッチング装置）
図１は、第１の実施形態に係るプラズマエッチング装置の構成の一例を示す概略図である。第１の実施形態に係るプラズマエッチング装置１００は、例えば、平行平板型のプラズマエッチング装置である。
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な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、セラミックなどの絶縁板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には、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１０５ａが接続されている。
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、その上に、被処理体の一例であるウェハＷと略同形の、静電チャック１１１が設けられている。静電チャック１１１は、絶縁材の間に静電電極１１２が介在する構成となっている。また、静電チャック１１１は円板状のセラミック部材で構成され、静電電極１１２には直流電源１１３が接続されている。
静電電極１１２に正の直流電圧が印加されると、ウェハＷにおける静電チャック１１１側の面（以下、「裏面」という。）に負の電位が生じる。これにより、静電電極１１２とウェハＷの裏面との間に電位差が生じる。この電位差に起因するクーロン力又はジョンソン・ラーベック力により、ウェハＷは静電チャック１１１に吸着保持される。この時、静電チャック１１１には、静電電極１１２に接続された直流電源１１３から、例えば、１．５ｋＶの直流電圧が印加される。
サセプタ１０５には、第１の高周波電源１１４及び第２の高周波電源１１６が、各々、第１の整合器１１５及び第２の整合器１１７を介して接続されている。第１の高周波電源１１４は、比較的低い周波数、例えば、１３．６ＭＨｚの高周波電力であ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の高周波電力であるプラズマ生成電力をサセプタ１０５に印加する。これにより、サセプタ１０５は、チャンバ１０２の内部にプラズマ生成電力を印加する。
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、ウェハ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とウェハＷとの間の熱伝達がなされ、ウェハ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上に支持されたウェハ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、セラミック又は石英などの誘電材料、若しくは、導電体、例えば、ウェハ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、ウェハＷの外周側におけるプラズマの密度を、ウェハ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、ウェハ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には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２４が接続されている。
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、処理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、後述するように、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。
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。この点において制限されない。なお、プラズマエッチング装置１００は、図１に示す構成を９０°回転して横に倒した構成にしても良く、上下反転した構成にしても良い。
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などによりチャンバ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は、これらのボルトの突出量により、調整可能な構成であっても良い。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。すなわち、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。すなわち、筒体２０１の下端は、チャンバ１０２の孔１０２ａを覆うようにボルトなど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。
上記空気圧シリンダ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などで連設されている。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に沿って駆動する。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ようになっている。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、ウェハ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。温度分布調節部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、ウェハ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。すなわち、ウェハ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、これによりウェハ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ェハ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。従って、ウェハ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）並びに外周側ヒータ１０６ｂ（及び外周側冷媒流路１０７ｂ）を有する。そのため、ウェハ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。すなわち、ウェハ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内へのウェハＷの搬入、及び、チャンバ１０２内からのウェハＷの搬出が可能となる。なお、ウェハＷの搬送には例えば搬送アームが用いられる。
また、プラズマエッチング装置１００は、サセプタ１０５に支持されたウェハＷに供給されるプラズマガスの供給条件を調整するためのガス供給条件調節部１３０を有する。ガス供給条件調節部１３０は、上部電極１２０と一体で構成されているシャワーヘッド１４０と、ガス供給装置１５０とを有する。
シャワーヘッド１４０は、サセプタ１０５に支持されたウェハＷ上に、所定の処理ガス（混合ガスであっても良い）を噴出するものである。シャワーヘッド１４０は、多数のガス供給孔１４１ａ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と同じ径の円盤形状に形成され、内部に円形状のバッファ室１４３が形成されている。電極板１４１には、処理ガスなどのガスをウェハＷに供給するための、ガス供給孔が設けられている（以後ガス供給孔１４１と呼ぶことがある）。
図２は、第１の実施形態における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２に示すように、バッファ室１４３内には、Ｏリングからなる１つ以上の環状隔壁部材１４５が設けられている。１つ以上の環状隔壁部材１４５は、各々、シャワーヘッドの径方向に対して異なる位置に配置される。図３では、環状隔壁部材１４５は、シャワーヘッドの径方向に対して中心側から、第１の環状隔壁部材１４５ａ、第２の環状隔壁部材１４５ｂ、第３の環状隔壁部材１４５ｃで示されている。これにより、バッファ室１４３は、中心側から第１のバッファ室１４３ａ、第２のバッファ室１４３ｂ、第３のバッファ室１４３ｃ、第４のバッファ室１４３ｄに分割されている。このように、バッファ室１４３は、複数の領域に分割される。
環状隔壁部材１４５の数は、１つ以上であれば特に制限されないが、例えば、図２で示すように３つとしても良く、２つであっても良く、４つ以上であっても良い。直径３００ｍｍのウェハＷを使用してプラズマエッチングする場合、処理ガスの制御の容易さと、後述するプラズマエッチング方法によるエッチングの面内均一性とを両立する観点から、環状隔壁部材１４５の数は３つ（すなわち、４つに分割されたバッファ室を有する）とすることが好ましい。なお、ｎ個の環状隔壁部材１４５を配置することにより、Ｎ＋１個に分割されたバッファ室を設置することができる。
各々のバッファ室１４３ａ、１４３ｂ、１４３ｃ、１４３ｄには、ガス供給装置１５０により、所定の処理ガスが供給される。
また、各々のバッファ室１４３ａ、１４３ｂ、１４３ｃ、１４３ｄの下面には、１つ以上のガス供給孔１４１が連通しており、このガス供給孔１４１を介して、ウェハＷ上に所定の処理ガスを噴出することができる。ガス供給孔１４１の配置及び配置する数については、ウェハＷに対し、均一に処理ガスが噴出される配置となることが好ましい。
具体的には、ガス供給孔１４１は、環状隔壁部材１４５により分割される領域各々に、均等間隔で形成される。例えば、ガス供給孔１４１は、面積当たりのガス供給孔１４１の数が、等しくなるように設けられる。
ガス供給装置１５０は、１つ又は複数のガスが混合された処理ガスを供給するガス供給源１６１と、流量制御部（ＭＦＣ、マスフローコントローラ）１７４ａ〜１７４ｄとを有する。また、ガス供給源１６１から延びた１つの配管が、枝分かれして流量制御部１７４ａ〜１７４ｄに接続される。また、枝分かれした配管には、それぞれ、ガス供給源１６１と流量制御部１７４ａ〜１７４ｄそれぞれとの間の配管を閉じたり開けたりするバルブ１７５ａ〜１７５ｄが設けられる。また、流量制御部１７４ａ〜１７４ｄは、それぞれ、４つのバッファ室のいずれかと接続される。また、流量制御部１７４ａ〜１７４ｄと４つのバッファ室とを結ぶ配管には、バルブ１７６ａ〜１７６ｄが設けられる。
すなわち、ガス供給源１６１から供給された処理ガスは、流量制御部１７４ａ〜１７４ｄのうちのいずれかによって流量が制御された上で、配管１７１〜配管１７４のいずれかを介して４つのバッファ室のいずれかに供給される。その後、バッファ室に供給された処理ガスは、バッファ室に設けられたガス供給孔１４１から噴射される。
なお、ガス供給装置１５０からは、例えば、フロロカーボン系のフッ素化合物（ＣＦ系）、Ａｒガス、Ｎ２ガス、Ｈｅガスなどのうち１つ又は複数の混合ガスが供給される。フロロカーボン系のフッ素化合物（ＣＦ系）とは、例えば、ＣＦ４、Ｃ４Ｆ６、Ｃ４Ｆ８、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨＦ３である。ただし、処理ガスはこれに限定されるものではなく、任意の処理ガスを用いて良い。
流量制御部１７４ａから１７４ｄによる動作は、例えば、プラズマエッチング装置１００の後述する装置制御部１９０により制御される。
ここで、プラズマエッチング装置１００の装置制御部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、温度分布調節部１０６、上部電極駆動部２００、ガス供給条件調節部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）
プラズマエッチング装置１００を用いた、プラズマエッチング方法の例について説明する。
ガス供給孔から、上部電極１２０とサセプタ１０５との間の空間に、ガスが供給されると、ガスは排気方向（排気装置１３５が接続されている方向）に拡散されながら流れていく。「拡散」と「流れ」により輸送されるガス成分（例えば、ラジカル）の濃度分布は、ガス供給孔の位置などにより、「拡散」と「流れ」のどちらの因子に依存しているかが異なる。「拡散」と「流れ」のどちらの因子に、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、ガスの流速ｕ（ｍ／ｓ）、ガス種の相互拡散係数ＤＡＢ（ｍ２／ｓ）、代表長さＬ（ｍ）を用いて、下記式（２）で表される。
Figure 0006030994
 ペクレ数は、１を境として、Ｐｅが１より小さい場合、ガスの輸送は「拡散」が支配的であるとされ、Ｐｅが１より大きい（又は１の）場合、ガスの輸送は「流れ」が支配的であるとされる。
具体的な例により、詳細に説明するために、図３（ａ）に、本実施形態におけるウェハの、径方向の位置におけるペクレ数を示す。図３（ａ）は、ガス種としてＡｒとＣ４Ｆ８の混合ガス（相互拡散係数ＤＡＢは１．２３×１０−１ｍ２／ｓとなる）を使用した場合で、代表長さＬ（すなわち、サセプタ１０５と上部電極１２０との間のギャップＧ）を０．０３ｍとし、ガスの流速ｕを計算により算出して、ペクレ数を求めた。また、図３（ａ）の横軸は、直径３００ｍｍのウェハの中心を０ｍｍとし、径方向に対するペクレ数を示している。
図３（ａ）よりウェハの中心から径が８６ｍｍに位置を境界に、「拡散」が支配的である領域と「流れ」が支配的である領域とに区分されることがわかる。
また、図３（ｂ）に、直径３００ｍｍのウェハを使用した場合の、ウェハの位置に対するエッチレート比を示す。具体的には、直径３００ｍｍのウェハＷを使用して、３つの環状隔壁部材によりバッファ室を４つのゾーン（Ｃｅｎｔｅｒ、Ｍｉｄｄｌｅ、Ｅｄｇｅ、Ｖｅｒｙ Ｅｄｇｅ）に分割して、各々のゾーンからガスを噴出してプラズマエッチングし、ウェハ位置に対するエッチレート比を求めた。なお、Ｃｅｎｔｅｒのゾーンに対応するガス供給孔は、シャワーヘッドの中心から１１ｍｍの円周上に４つのガス供給孔を、３３ｍｍの円周上に１２個のガス供給孔を配置した。Ｍｉｄｄｌｅのゾーンには、シャワーヘッドの中心から５５ｍｍの円周上に２４個のガス供給孔を、７７ｍｍの円周上に３６個のガス供給孔を配置した。Ｅｄｇｅのゾーンには、シャワーヘッドの中心から９９ｍｍの円周上に４８個のガス供給孔を、１２１ｍｍの円周上に６０個のガス供給孔を配置した。Ｖｅｒｙ Ｅｄｇｅのゾーンには、シャワーヘッドの中心から１４３ｍｍの円周上に８０個のガス供給孔を、１６５ｍｍの円周上に１００個のガス供給孔を配置した。以後、Ｃｅｎｔｅｒ、Ｍｉｄｄｌｅ、Ｅｄｇｅ、Ｖｅｒｙ Ｅｄｇｅからのガスの供給に関する記載は、上述のガス供給孔の配置のことを指す。
また、図３（ｂ）の縦軸は、最もエッチレートが大きい位置を１として、規格化して示している。
図３（ｂ）から、Ｃｅｎｔｅｒ及びＭｉｄｄｌｅのゾーンからガスを供給した場合、概ね、ガスが供給された位置に対応する位置において、エッチレートが大きくなっていることがわかる。これは、Ｃｅｎｔｅｒ及びＭｉｄｄｌｅのゾーンでは、ガスの輸送は「拡散」が支配的であるため（図３（ａ）参照）である。また、Ｃｅｎｔｅｒ及びＭｉｄｄｌｅのゾーンから供給されたガスは、Ｅｄｇｅ及びＶｅｒｙ Ｅｄｇｅのゾーンのエッチレートにも影響が及ぶと推察される。
一方、Ｅｄｇｅ（及びＶｅｒｙ Ｅｄｇｅ）のゾーンからガスを供給した場合、エッチレート影響範囲が、外周側にシフトしていることがわかる。これは、Ｅｄｇｅ（及びＶｅｒｙ Ｅｄｇｅ）のゾーンでは、ガスの輸送は「流れ」が支配的であり（図３（ａ））、Ｅｄｇｅゾーンから導入されたガスが、外周側に流されたからであると推察される。また、Ｅｄｇｅ及びＶｅｒｙ Ｅｄｇｅのゾーンから供給されたガスは、Ｃｅｎｔｅｒ及びＭｉｄｄｌｅのゾーンのエッチレートには、ほとんど影響を及ぼさない。
つまり、供給された処理ガスの拡散の影響が支配的である位置と、供給された処理ガスの流速の影響が支配的である位置とでは、ガスの供給条件を変えて制御することが重要となる。具体的には、供給された処理ガスの拡散の影響が支配的である位置なら、その位置に対応する（略真上にある）ガス供給孔のガス供給条件を調整し、供給された処理ガスの拡散の流れが支配的である位置なら、その位置よりもウェハの中心方向にあるガス供給孔のガス供給条件を調整することで、プラズマエッチング時の面内均一性を向上させることができる。より具体的には、ｕ、Ｌ、ＤＡＢなどにより、Ｅｄｇｅ（Ｖｅｒｙ Ｅｄｇｅ）ゾーンから供給された処理ガスの拡散の影響が支配的な場合には、Ｅｄｇｅ（Ｖｅｒｙ Ｅｄｇｅ）ゾーンからの処理ガスの条件を調整し、流れの影響が支配的な場合には、ウェハ中心方向側のＣｅｎｔｅｒ（Ｍｉｄｄｌｅ）のゾーンからの処理ガスの条件を調整する。
次に、ガスの供給条件がガスの輸送に与える影響について説明する。すなわち、供給ガスのどのようなパラメータが、ウェハ面内形状における、面内均一性の向上に影響を与えるかについて説明する。
供給ガスの拡散は、拡散分子（ガス分子）の平均自由行程ｌ（ｍ）とガスの流速ｕ（ｍ／ｓ）に依存する。この時、拡散分子の平均自由行程ｌは、ガスが理想気体であり、拡散分子の速度がマスクウェル分布に従うと仮定される場合、下記の式（３）で表される。
Figure 0006030994
 式（３）中、Ｃ１は定数であり、ｄは拡散分子の衝突分子径（ｍ）であり、Ｐは系内の圧力（ａｔｍ）であり、Ｔは系内の温度（Ｋ）である。
一方、供給ガスの流速ｕも、ガスが理想気体であると仮定した場合、下記の式（４）で表される。
Figure 0006030994
 式（４）中、Ｃ２は定数であり、Ｑは１気圧での流量（ｍ３／ｓ）であり、Ｐは系内の圧力であり、Ｖは系内の体積（ｍ３）である。
この時、供給ガスの拡散領域ｄａｒｅａは、平均自由行程ｌ／流速ｕに比例するため、式（３）及び式（４）より、式（５）が導出される。
Figure 0006030994
 式（５）中、Ｃ３は定数である。
すなわち、供給ガスの拡散領域は、系内の体積、供給ガスの流量、系内の温度及び衝突分子径に依存することがわかる。なお、系内の体積とは、本実施の形態では、上部電極１２０とサセプタ１０５との間の空間の体積に近似されるが、プラズマエッチング中には被処理体の径は変化しないため、上部電極１２０とサセプタ１０５との間の空間の距離（ギャップＧ）を指す。また、供給ガスの流量は、系内の圧力とも相関がある。更に、衝突分子径は、供給ガスの種類（すなわち、供給ガスの分子量）によって異なるため、供給ガスの拡散領域は、供給ガスの分子量にも依存する。
供給ガスの拡散領域は、供給ガスの流量（及び供給ガスの圧力）、供給ガスの分子量、及びギャップＧなどのパラメータ（供給条件）に依存することを確認した実験について、図４を参照して説明する。
図４に、本実施形態における処理ガスの供給条件を変更した場合の、エッチレートの変化を示す概略図を示す。前述と同様に、３つの環状隔壁部材によりバッファ室を４つのゾーン（Ｃｅｎｔｅｒ、Ｍｉｄｄｌｅ、Ｅｄｇｅ、Ｖｅｒｙ Ｅｄｇｅ）に分割して、各ガス供給孔から供給されるガス分圧（後述のエッチング条件参照）が一定になるようにした。更に、Ｖｅｒｙ Ｅｄｇｅのゾーンの最外周（シャワーヘッドの中心から径方向に、１６５ｍｍの円周上）のガス供給孔からは、下記のエッチング条件で示す量の追加ガスを供給し、各ウェハ位置におけるエッチレートをプロットした。なお、図４の縦軸は、シリコンウェハ上にハードマスクとしてシリコン酸化物が堆積された被処理体の、ＢＥＯＬ（Ｂａｃｋ Ｅｎｄ ｏｆ Ｌｉｎｅ）トレンチパターンにおける、シリコン酸化物のエッチレートを示している。
図４（ｂ）の縦軸は、最もエッチレートが大きい位置（最外周）を１として、規格化して示している。
詳細なエッチング条件を下記に示す。
エッチング装置内圧力 ：８０ｍＴｏｒｒ（圧力変更時：３０〜１５０ｍＴｏｒｒ）
ギャップＧ：３０ｍｍ（ギャップ変更時：２２ｍｍ〜５０ｍｍ）
高周波電源パワー（４０ＭＨｚ／１３ＭＨｚ）：７００／１０００Ｗ
上部電極の電位 ：０Ｖ
処理ガスの流量（全圧換算） ：Ｃ４Ｆ８／Ａｒ／Ｎ２／Ｏ２＝３０／１２００／７０／１７ｓｃｃｍ（ただし、最外周領域には、Ｃ４Ｆ８（分子量変更時には、Ｏ２又はＣＨ２Ｆ２）＝２０ｓｃｃｍを添加し、流量変更時は、上記流量×０．３３〜×１．５の範囲で行った。
処理時間 ：６０秒
図４のエッチレートのプロットより、各々のパラメータが、供給ガスの拡散に対してどのような影響を及ぼすかがわかる。すなわち、供給ガスの流量を低くする、供給ガスの分子量を小さくする、系内圧力を大きくする、ギャップＧを広くすることにより、供給ガスの拡散が広くなることがわかる。すなわち、これらのパラメータを制御することにより、ガス（すなわち、ラジカル）の濃度分布を制御することができるため、プラズマエッチング時におけるウェハの面内形状について、面内均一性を向上できることがわかった。
上述したように、エッチングの均一性を制御する上では、ラジカル分布、すなわち、ガス濃度分布が重要となる。プラズマエッチング装置は、ｎ（ｎは２以上の自然数）個に分割された領域からガスを供給することになり、各領域各々から反応室に供給するガスの分配割合は、ガス濃度と相関性の高いパラメータを用いて行うことが好ましい。第１の実施形態に係るプラズマエッチング装置１００は、以下に詳細に説明するように、反応室に供給するガスの流量を制御することで、所望のエッチング特性を得る。
具体的には、複数の領域各々の面積比とガス濃度とは相関性があり、シャワーヘッドに均等間隔でガス供給孔１４１が設けられている場合、ガス供給孔１４１の数と領域の面積とには相関関係がある。つまり分割された領域の面積比が決まれば、その領域に形成されているガス供給孔１４１の数に置換できる。このことを踏まえ、プラズマエッチング装置１００は、領域各々におけるガス供給孔１４１の数に基づいて、領域各々から反応室に供給するガス流量を制御する。
具体的には、プラズマエッチング装置１００は、式（１）により、領域各々のガス供給孔から供給されるガス流量を制御する制御部を有する。
Figure 0006030994
 Ｑ：処理ガスの総流量、
Ｑ１〜Ｑｎ：ｎ個（ｎは２以上の自然数）に分割された領域各々の処理ガス流量
Ｄ１〜Ｄｎ：ｎ個に分割された領域各々における処理ガスの濃度比
Ｎ１〜Ｎｎ：ｎ個に分割された領域各々のガス供給孔数
例えば、プラズマエッチング装置の制御部は、例えば、ｎ個ある領域それぞれに対応する流量制御部１７４に対して、「Ｑ１／Ｑ」…「Ｑｎ／Ｑ」のガス流量比率を送信することで、領域各々から反応室に供給される処理ガスの流量が制御される。
なお、プラズマエッチング装置の制御部は、領域数が３つである場合には、上記の式（１）を下記の式（６）に変形した上で、領域各々のガス供給孔から供給されるガス流量を制御することになる。
Figure 0006030994
図５−１及び図５−２は、第１の実施形態における面積比とガス濃度比との関係について示す図である。図５−１及び図５−２に示す例では、説明の便宜上、領域Ａと領域Ｂとがある場合を例に示す。また、図５−１に示す例では、領域Ａと領域Ｂとの面積比が「１：２」であり、図５−２に示す例では、領域Ａと領域Ｂとの面積比が「１：１」である場合を用いて説明する。
ここで、総流量３００ｓｃｃｍの処理ガスを反応室に供給する場合であって、領域Ａと領域Ｂでガス濃度比を１：１にする場合を例に説明する。この場合、式（１）で領域Ａと領域Ｂのガス濃度比Ｄは等しいため、ガス流量比率はガス供給孔数で求まる。図５−１に示す場合には、領域Ａの流量が「３００ｓｃｃｍ×（１／３）＝１００ｓｃｃｍ」となり、領域Ｂの流量が「３００ｓｃｃｍ×（２／３）＝２００ｓｃｃｍ」となる。このガス流量比率に設定することで、領域Ａと領域Ｂのガス供給孔から供給されるガス濃度比が等しくなる。また、図５−２に示す場合には、領域Ａの流量が「１５０ｓｃｃｍ」となり、領域Ｂの流量が「１５０ｓｃｃｍ」となる。また、領域Ａと領域Ｂでガス濃度比を２：１にする場合を例に説明する。この場合、図５−１に示す場合には、式（１）で領域Ａに比べて領域Ｂのガス濃度比が半分になるため、領域Ａの流量が「１５０ｓｃｃｍ」となり、領域Ｂの流量が「１５０ｓｃｃｍ」となる。また、図５−２に示す場合には、領域Ａの流量が「２００ｓｃｃｍ」となり、領域Ｂの流量が「１００ｓｃｃｍ」となる。
ここで、単純に、領域ごとに同一のガス流量比率で処理ガスを供給するのでは、領域間における処理ガスの濃度比が異なる結果、領域間におけるエッチングレートの関係が変化する。これに対して、第１の実施形態によれば、式（１）に基づいて所望の処理ガスの濃度比となるように処理ガスの流量比率を決定して流量を決定する。これによって、シャワーヘッドにおける領域の設定（例えば、面積比など）を変更しても、各領域におけるエッチングレートの関係を簡単に調節することが可能となる。
すなわち、第１の実施形態によれば、処理ガスを複数の領域に分配する場合に、各領域が所望のガス濃度比となるようにガス流量比率を制御することで所望のエッチング特性を得ることが可能である。
以上、本発明の好ましい実施の形態について記述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、実施例においては同心円状にガスが供給される領域が分割されている場合について説明したが、同心円には限らず正方形などの多角形においても同様に適用することができる。また、本発明のプラズマエッチング装置でエッチング可能である被処理体は、特に限定されない。具体的には、例えば、シリコン基板よりなるウェハであって、そのウェハ上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜、ポリシリコン膜よりなる被エッチング膜、１層又は複数層よりなるマスク層、反射防止膜（Ｂｏｔｔｏｍ Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ Ｃｏａｔｉｎｇ； ＢＡＲＣ）及びフォトレジスト膜などが形成されているものなどが使用できる。この時、レジスト膜は、予め露光、現像が行われ、所定のパターンが形成されている。
Ｗ ウェハ
１００ プラズマエッチング装置
１０５ サセプタ（支持部）
１０６ 温度分布調節部
１２０ 上部電極（電極）
１２２ ベローズ
１３０ ガス供給条件調節部
１４０ シャワーヘッド
１４１ ガス供給孔
１４３ バッファ室
１４５ 環状隔壁部材
１５０ ガス供給装置
１７４ 流量制御部
１９０ 装置制御部
２００ 上部電極駆動部（間隔調節部）

Claims (2)

  1. プラズマ化された処理ガスにより基板をエッチングするプラズマエッチング装置において、
    処理容器と、
    前記処理容器内に設けられた、基板を保持する保持部と、
    前記処理容器内に設けられた、前記保持部と対向する電極板と、
    前記保持部と前記電極板とに挟まれた空間に処理ガスを供給するための、前記基板の径方向に対して同心円状にｎ（ｎは２以上の自然数）個に分割された領域各々に配置され、前記領域各々に均等間隔で形成されたガス供給孔から処理ガスを供給する複数の供給部と、
    前記保持部又は前記電極板の少なくとも一方に高周波電力を供給することによって、前記複数の供給部により前記空間に供給された処理ガスをプラズマ化する高周波電源と、
    以下の式により、前記領域各々の前記ガス供給孔から供給されるガス流量を制御する制御部と
    を有することを特徴とするプラズマエッチング装置。
    Figure 0006030994
     Ｑ：処理ガスの総流量、
    Ｑ１’〜Ｑｎ’：ｎ個に分割された領域各々の処理ガス流量
    Ｄ１〜Ｄｎ：ｎ個に分割された領域各々における処理ガスの濃度比
    Ｎ１〜Ｎｎ：ｎ個に分割された領域各々のガス供給孔数
  2. プラズマ化された処理ガスにより基板をエッチングするプラズマエッチング方法において、
    処理容器内に設けられた保持部により基板を保持する保持ステップと、
    前記処理容器内に設けられた、前記保持部と対向する電極板と前記保持部とに挟まれた空間に、前記基板の径方向に対して同心円状にｎ（ｎは２以上の自然数）個に分割された領域各々に配置された複数の供給部により、前記領域各々に均等間隔で形成されたガス供給孔から処理ガスを供給する処理ガス供給ステップと、
    前記保持部又は前記電極板の少なくとも一方に、高周波電源により高周波電力を供給することによって、前記領域各々に設けられた前記ガス供給孔から前記空間に供給された処理ガスをプラズマ化する高周波電力供給ステップと、
    を有し、
    前記処理ガス供給ステップは、
    以下の式により、前記領域各々の前記ガス供給孔から供給されるガス流量を制御するプラズマエッチング方法。
    Figure 0006030994
     Ｑ：処理ガスの総流量、
    Ｑ１’〜Ｑｎ’：ｎ個に分割された領域各々の処理ガス流量
    Ｄ１〜Ｄｎ：ｎ個に分割された領域各々における処理ガスの濃度比
    Ｎ１〜Ｎｎ：ｎ個に分割された領域各々のガス供給孔数
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