JPH03266428A - プラズマエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この発明は、プラズマエツチング方法に関する。

【従来の技術】

半導体素子の複雑な製造工程の簡略化、工程の自動化を
可能とし、しかも微細パターンを高精度で形成すること
が可能な各種薄膜のエツチング装置として、ガスプラズ
マ中の反応成分を利用したプラズマエツチング装置が注
目されている。 このプラズマエツチング装置は、真空装置に連接した気
密容器の下方に下部電極を設けると共に、この下部電極
と対向する上方に上部電極を設け、上部電極と下部電極
との間、例えば下部電極上に被処理基板例えば半導体ウ
ェーハを設置する。そして、所定のエツチングガスを両
電極間に供給すると共に、両電極間に高周波（ＲＦ）電
力を印加することにより、エツチングガスをプラズマ化
し、このプラズマ化したガスにより半導体ウェーハ表面
のエツチングを行うものである（例えば特開昭５７−１
５６０３４号、特開昭６１−１７４６３２号等参照）。 そして、この種のエツチング装置として、特開昭６２−
１２１２９号公報には、ウェーハの汚染の原因となるミ
ストの付着を防止するために、上部電極、下部電極、気
密容器を同一温度に温調する技術が示されている。

【発明が解決しようとする課題】

ところで、エツチング処理の評価をする場合、■エツチ
ング速度すなわちエツチングレート、■ウェーハ面内に
おけるエツチングの均一性、■下地膜に対するエツチン
グ速度とエツチング対象の膜に対するエツチング速度の
比すなわち選択性、の３つのエツチング特性が問題にな
ると共に、エツチング形状が問題になる。このエツチン
グ形状は、■エツチングすべき膜を下地膜に対して垂直
にエツチングするときは異方性形状、■エツチング端面
と下地膜とのなす角が鋭角となるようにするときは正テ
ーパ形状、■エツチング端面と下地膜とのなす角が鈍角
になるようにするときは逆テーパ形状と呼ぶ。通常は、
上記のエツチング特性が最適になるようにすると共に、
所望のエツチング形状となるように、種々のパラメータ
、例えば気密容器内の圧力、ＲＦパワー、ガス流量等の
パラメータが定められる。 ところが、エツチングの前処理の膜付は工程の際の条件
が変わると膜質が変化する。このため、前処理の膜付は
工程において、ある条件で成膜されたウェーハに対して
、エツチング形状が所望の形状例えば異方性形状になる
と共に、エツチング特性が最適になるように各パラメー
タを定めたとしても、前処理の膜付は工程の際の条件が
異なるウェーハを、同じパラメータ条件でエツチングし
た場合に、エツチング形状が異方性形状とならない事態
が生じる。このような場合に、通常は、上記圧力、ＲＦ
パワー、ガス流量をコントロールすることにより、異方
性形状となるように制御している。 ところが、これらのパラメータはエツチング特性にも関
与しており、これらを変更すると、エツチング形状は所
望の形状例えば異方性形状にできるが、エツチング特性
すなわちエツチングレート、均一性、選択性は、悪化し
てしまう欠点がある。 この発明は、この点にかんがみ、エツチング特性を悪化
させずに、エツチング形状のみを所望の形状に制御でき
るプラズマエツチング方法を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

この発明は、気密容器内で電極の間に電力を印加して処
理ガスをプラズマ化し、このプラズマ化した処理ガスに
よりエツチングを行う方法において、 前記電極の温度差をコントロールすることにより、被処
理体におけるエツチング形状を制御するようにしたこと
を特徴とする。

【作用】

例えば、プラズマを生起させる上部電極と下部電極との
間の温度の高低及びその温度差をコントロールすること
によって、処理ガスの電極間の濃度分布状態をコントロ
ールすることができ、この結果、エツチング溝形状をコ
ントロールすることができる。 すなわち、処理ガスの吸着性向に着目すると、温度依存
性がある。そこで、例えば温度が低い方に対して吸着し
やすい性質を有するガス（はとんどのガスはそうである
）を使用した場合、この温度の低い方の電極に近いほど
処理ガスの濃度は高くなり、その濃度勾配は画電極の温
度差に応じたものとなる。そして、処理ガスの濃度が高
いほうが側壁保護効果が高くなると考えられる。このた
め、濃度分布に応じたエツチング形状が得られるもので
ある。このことは、実験をした結果、後述のように確認
された。そして、電極の温度を変えてもエツチング特性
は全く悪化しないことも実験により確認された。

【実施例】

以下、この発明によるプラズマエツチング方法の一実施
例を、この方法を実施するエツチング装置の一例と共に
図を参照しながら説明する。 第２図は、この例のプラズマエツチング装置の全体の概
要を示す図で、複数枚の半導体ウェーハが収納されたウ
ェーハカセットが収容されているセンダー１からハンド
リングアーム２により、１枚の半導体ウェーハ３を取り
出し、アライメントステージ４に載置する。そして、ア
ライメントステージ４で位置合わせしたウェーハ３は、
イン側のロードロック室（真空予備室）６のゲート５を
開けて、このロードロック室６に搬入し、ゲート５を閉
じる。そして、ロードロック室６内を真空吸引し、エツ
チング処理室８内とほぼ同一真空雰囲気になったらゲー
ト７を開けて、ロードロック室６内に設けられるハンド
リングアーム（図示せず）によりウェーハ３をエツチン
グ処理室８に搬入する。 エツチング処理が終了したら、アウト側のロードロック
室１０内をエツチング処理室８とほぼ同一真空雰囲気に
した状態でゲート９を開け、処理済みウェーハを、ロー
ドロック室１０に設けられるハンドリングアーム（図示
せず）により、このロードロック室１０内に搬入する。 次に、ロードロック室１０を後処理室１２と同じ真空雰
囲気にしてゲート１１を開け、ウェーハを後処理室１２
に搬送する。後処理室１２では必要に応じてライトエッ
チやアッシング等のトリートメントを行う。後処理が終
了したらゲート１３を開け、ウェーハは、ハンドリング
アーム２によりレシーバ−１４に収納する。 エツチング処理室８は、例えば第１図に示すように構成
され、アルミニウム製で表面がアルマイト処理された円
筒状の形状とされている。 この処理室８の下方には、下部電極２１が例えばエアー
シリンダを用いた昇降機構２２により昇降自在に設けら
れている。下部電極２１には、その昇降に応じて伸縮す
る例えばＳＵＳ製のベローズ２３が接続されて、気密が
保たれている。この下部電極２１は、例えばアルミニウ
ム製で、表面にアルマイト処理が施されたものであり、
半導体ウェーハを設置するこの下部電極２１の上面は円
形に形成される。この上面は中心部から周縁部にかけて
傾斜している。 この下部電極２１のウェーハ載置面には、半導体ウェー
ハと下部電極２１との間のインピーダンスを一様にする
ように、合成高分子フィルム例えば厚さ２０ＲＡ−１０
０１ｍ程度の耐熱性ポリイミド系樹脂（図示せず）が、
耐熱性アクリル樹脂系粘着材で接着することにより設け
られている。 また、下部電極２１には鉛直方向に貫通した例えば４か
所の貫通口（図示せず）が形成され、この貫通口内には
昇降自在なリフタービン２４が挿入される。このリフタ
ービン２４は、例えばＳＵＳで構成され、４本のりフタ
−ビン２４が、板２５を介して昇降機構２６の駆動によ
って昇降自在となっている。この場合、板２５は、常時
、コイルスプリング２７により下方に付勢されており、
昇降機構２６が駆動していないと、リフタービン２４の
先端は下部電極２１表面より下降している。 また、上記貫通口には冷却ガス流導管（図示せず）が接
続されており、この冷却ガス流導管は半導体ウェーハ周
縁部に位置する下部電極２１表面に設けられた複数個例
えば１６個の開口（図示せず）に連通している。この開
口及び前記貫通口から半導体ウェーハ裏面に冷却ガス例
えばヘリウムガスを供給自在なように、処理室８下部に
冷却ガス導入管（図示せず）が設けられ、図示しない冷
却ガス供給源に連接している。 また、下部電極２１に流路２８が設けられ、この流路２
８に温調機構３０から配管２９を通じて、例えばエチレ
ングリコール１００％の液あるいはエチレングリコール
と水との混合液からなる温調液が供給されている。そし
て、下部電極２１の温度を検出する温度センサ例えば白
金測温抵抗体３１が設けられ、この温度センサ３１の検
知出力が温調機構３０に供給され、これに基づいて下部
電極２１の温度を所定のものに制御することができるよ
うに構成される。 下部電極２１の側部から処理室８の内面間での隙間に、
所定の間隔で均等に配された複数個、例えば３６個の排
気口を備えた排気リング（図示せず）が処理室８の側壁
５１に固定されており、この排気リング下方の処理室８
の側壁５１に接続した排気管を介して図示しない排気装
置例えばターボ分子ポンプとロータリーポンプを連続的
に接続したもの等により処理室８内部の排気ガスを排気
自在としている。 このような下部電極２１に半導体ウェーハを載置固定す
るために、下部電極２１が上昇したとき、ウェーハを押
えるようにクランブリング３２が設けられている。そし
て、このクランブリング３２にウェーハが当接し、さら
に下部電極２１を上昇させたとき、このクランブリング
３２は所定の押圧力を保持しながら所定の高さ例えば５
關上昇するように構成されている。すなわち、このクラ
ンブリング３２は、複数のシャフト３３により支持され
、例えば４本のエアーシリンダ３４を介して上下動する
ように構成されている。このクランブリング３２は、半
導体ウェーハの周縁部を下部電極２１の円形に形成した
表面に当接させるように、半導体ウェーハの口径に適応
させたものとなっている。また、このクランブリング３
２は、例えばアルミニウム製で、表面にアルマイト処理
を施し、このアルマイト処理により表面に絶縁性のアル
ミナの被膜が設けられている。 処理室８の上部の、前記下部電極２１と対向した位置に
は、上部電極３５が設けられている。この上部電極３５
は、導電性材質例えばアルミニウム製で、表面にアルマ
イト処理を施したもので構成され、電極表面体３５ｇと
中間体３５ｂと本体３５ｃの３体が一体に組み立てられ
た構成となっている。 そして、この上部電極３５にも温調手段が施されている
。すなわち、例えば、上部電極３５の例えば本体３５ｃ
内部に循環する流路３６が設けられ、この流路３６に温
調機構３８から配管３７を通じて、例えばエチレングリ
コール１００％の液あるいはエチレングリコールと水と
の混合液からなる温調液が供給されている。そして、上
部電極３５の温度を検出する温度センサ例えば白金側温
抵抗体３９が設けられ、この温度センサ３９の検知出力
が温調機構３０に供給され、これに基づいて上部電極３
５の温度を所定のものに制御することができるように構
成される。 上部電極３５の本体３５ｃと中間体３５ｂとの簡には空
間４１が形成され、この空間４１にはガス供給管４２が
接続されており、処理室８の外部に設けられたガス供給
源（図示せず）から図示しない流量調節器を介してエツ
チング処理ガス例えば四塩化炭素ＣＣ１，やＣＦ、等と
キャリアガス例えば−ＡｒやＨｅ等がこの空間４１内に
供給されるように構成されている。 また、この空間４１内には、ガスを均等に拡散するため
に複数の開口を有するバッフル板４３が複数枚設けられ
ている。 そして、このバッフル板４３で拡散された反応ガス等を
上部電極３５を介して処理室８内部へ流出させるように
、表面電極体３５ａには複数の孔４４が形成されている
。この上部電極３５の周囲には図示しない絶縁リングが
設けられており、この絶縁リングの下面から上部電極３
５の下面周縁部に伸びたシールドリング４６が配設され
ている。 このシールドリング４６は、エツチング処理される半導
体ウェーハとほぼ同じ口径にプラズマを発生可能なよう
に、絶縁体例えば四弗化エチレン樹脂製で形成されてい
る。 また、上部電極３５には、高周波電源４７から高周波電
力が供給される。なお、この例では、図示しなかったが
、下部電極２１にも高周波電源から高周波電力が供給さ
れる。もっとも、下部電極２１には、高周波電力は印加
せずにプラズマエツチング処理を行う場合もある。 また、エツチング処理室８の側壁５１には、この側壁に
ミストが付着することを防止するために、側壁内部に処
理室８を巻回するように流路４８が設けられ、この流路
４８に連接した配管４９を介して温調機構５０により所
定温度に設定制御可能となっている。 次に、エツチング処理室８におけるプラズマエツチング
の動作について説明する。 エツチング処理室８が、イン側ロードロック室６とほぼ
同じ真空雰囲気、例えばＩ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒに減
圧された後、ゲート７が開かれ、イン側ロードロック室
６のハンドリングアーム（図示せず）により、ウェーハ
をロードロック室６から処理室８に搬入する。この搬入
動作により、下部電極２１の昇降機構２６の駆動により
リフタービン２４を例えば１２１ｍ／ｓのスピードで上
昇させる。この上昇により各リフタービン２４の上端部
でつ工−ハを載置し停止状態とする。この後、イン側ロ
ードロック室６のハンドリングアームをイン側ロードロ
ック室６内に戻し、ゲート７を閉鎖する。 そして、処理室８内の下部電極２１を所定量、例えば下
部電極２１でウェーハを載置する如く、昇降機構２２の
駆動により上昇させる。さらに、連続動作で下部電極２
１を低速度で上昇させ、クランプリング３２に当接させ
、さらに所定の押圧力を保持しながら所定量例えば５龍
上昇させる。これにより、下部電極２１と上部電極３５
とのギャップが所定の間隔例えば６〜２０ｍ■に設定さ
れる。 上記動作中、排気制御しておき、所望のガス流及び排気
圧に設定されているか確認する。その後、処理室８内を
０．１〜３　Ｔｏｒｒに保つように排気制御しながら、
反応ガス例えばＣＣＲ＜ガス１１００５ＣＣ、ＣＨＦ３
ガス１１００５ＣＣやＣＦ、ガス１１００５ｃｃ及びキ
ャリアガス例えばＨｅガス１１０００８ｃｃやＡｒガス
１１００ＯＳＣＣ等をガス供給源よりガス供給管４２を
介して上部電極３５の空間４１に設けられたバッフル板
４３により均等整流させ、上部電極３５の電極表面体３
５ａに設けられた複数の孔４４から半導体ウェーハへ流
出させる。同時に、高周波電源４７により上部電極３５
と下部電極２１との間に周波数が例えば１３．５８ＭＨ
ｚの高周波電力を印加して上記反応ガスをプラズマ化し
、このプラズマ化した反応ガスにより半導体ウェーハの
エツチングを行なう。 この際、下部電極２１の流路２８には温調装置３０から
配管２９を介して温調液が供給されている。そして、温
度センサー３１からの下部電極２１の温度データが温調
機構３０に供給され、この温度データに基づいて下部電
極２１は後述する所定温度になるように温度調節される
。 同様にして、上部電極３５の流路３６には温調装置３８
から配管３７を介して温調液が供給されている。そして
、温度センサー３９からの上部電極３５の温度データが
温調機構３８に供給され、この温度データに基づいて上
部電極３５は後述する所定温度になるように温度調節さ
れる。上部電極３５及び下部電極２１は、高周波電力の
印加により高温になろうとするが、上記温調によりこれ
ら上部電極３５及び下部電極２１は、常に上記所定温度
になるように温調される。 上記上部電極３５及び下部電極２１の設定温度は、予め
予備的に目的のウェーハのエツチングを、エツチング特
性を最適にできるエツチング条件において行ない、その
エツチング形状が所望の形状になるように定められる。 例えばウェーハの酸化膜の上に形成されたポリシリコン
膜をエツチングする場合において、エツチング条件を、
圧力を３００■Ｔｏｒｒ、上下の電極２１゜３５の間隔
を１（至）、ＲＦパワーを１５０　Ｗ、プロセスガスは
ＣＣＲ４−１１００５ＣＣとＨｅ　−３５０ＳＣＣＭと
０□−２０ＳＣＣＭの混合ガス、ウェーハ冷却ガスＨｅ
−５ＳＣＣＭ、側壁５１の温度は温調機構５０により４
０℃に、また、下部電極２１の温度は温調機構３０によ
り５０℃に温調する状態において、上部電極３５の温度
を温調機構３８により、４０℃、５０℃、６０℃の３通
りに変えてエツチングを行なってエツチング形状を調べ
た結果、半導体ウェーハの中央部では第３図に示すよう
になり、半導体ウェーハの周辺部では第４図に示すよう
になった。 すなわち、この例の場合、エツチング溝形状は、上部電
極３５の温度が５０℃のとき、つまり下部電極２１との
温度差が０のときには、第３図Ｂ及び第４図Ｂに示すよ
うに、異方性形状になった。 そして、上部電極３５の温度を４０℃にしたときには、
エツチング形状は第３図Ｃ及び第４図Ｃに示すように逆
テーパ形状になった。これは、下部電極２１の温度に比
較して上部電極３５の温度が１０℃低くなっているため
、エツチングガスは低温の上部電極３５側により多く吸
着分布する状態になるためであると考えられる。このと
きの逆テーバの度合いは温度差に依存するものとなる。 また、上部電極３５の温度を６０℃にしたときには、エ
ツチング形状は、第３図Ａ及び第４図Ａに示すように正
テーバ形状になった。これは、下部電極２１の温度に比
較して上部電極３５の温度が１０℃高くなっているため
、エツチングガスは低温の下部電極２１側により多く吸
着分布する状態になるためであると考えられる。このと
きの正テーパの度合いは温度差に依存するものとなる。 そして、以上のように上部電極３５の温度を変更した時
の各温度における、ポリシリコンのエッチングレートを
第５図においてＱ印で示し、酸化膜のエツチングレート
を同図においてΔ印で示し、両者の比である選択比を同
図において口中で示す。 この第５図から明らかなように、エツチングレート及び
選択比は、いずれも上部電極３５の温度を変化させてエ
ツチングを行なった場合にも、はぼ一定のものとなって
悪化することはなく、最適状態に保たれることが分かる
。また、第３図及び第４図から明らかなように、ウェー
ハ面内でのエツチングの均一性も上部電極３５の設定温
度を変更しても良好であることが確認された。 上部電極３５の温度を一定にしておいて、下部電極２１
の温度を変更しても同様の結果が得られる。すなわち、
前述と同様のエツチング条件において、上部電極３５の
温度を４０℃に設定固定した状態で、下部電極２１の温
度を３０℃、４０℃。 ５０℃に変更したところ、エツチング形状は、下部電極
２１の温度が３０℃のときには、第６図Ｃに示すように
正テーバ形状になり、４０℃のときには同図Ｂに示すよ
うに異方性形状になり、５０℃のときには逆テーパ形状
になった。そして、このように下部電極２１の温度を変
更した時の各温度における、ポリシリコンのエツチング
レート、酸化膜のエツチングレート、両者の比である選
択比は、第７図に示すようになり、エツチングレート及
び選択比は、いずれも下部電極２１の温度を変化させて
エツチングを行なった場合にも、はぼ一定のものとなっ
て悪化することはなく、最適状態に保たれることが確認
された。なお、図示しなかったが、この場合にもウェー
ハの中央部と周辺部とでエツチング形状はほぼ一定にな
り、均一性も保たれていることが確認された。 したがって、エツチング特性を最適にした状態で、上部
電極３５あるいは下部電極２１の設定温度を、温調機構
３８または３０により設定変更して、上部電極３５と下
部電極２１との温度の高低及びその温度差をコントロー
ルすることにより、所望のエツチング形状でエツチング
を行なうことができる。因みに、上記の例では異方性形
状にエツチングを施す、すなわち異方性エツチングを行
なう場合には、上部電極３５及び下部電極２１は共に、
５０℃あるいは４０℃に温調制御するようにすればよい
。 そして、こうして上部電極３５及び下部電極２１の設定
温度も含めたエツチング条件を定めた後、このエツチン
グ工程の前工程での膜付は工程の条件が異なるウェーハ
を同じように異方性エツチングする場合には、予備的に
エツチングを行ない、エツチング形状を確認する。そし
て、エツチング形状が所望の形状、例えば異方性になっ
ていない場合には、例えば上部電極３５の設定温度を変
更して異方性形状になるように、下部電極２１との温度
の高低及び温度差を調節する。そして、こうして定めた
上部電極３５及び下部電極２１の温度条件で、その新た
なウェーハに対する異方性エツチングを行なうものであ
る。この場合に、前述もしたように、上部電極３５の設
定温度を変更しても、エツチング形状のみが変化し、エ
ツチングレート、選択性、均一性のエツチング特性が悪
化することはない。 なお、上部電極３５及び下部電極２１の両方の温度を変
更して両者の温度の高低及び温度差をコントロールする
ようにしても良いことはいうまでもない。 また、上記実施例では上部電極３５及び下部電極２１さ
らにエツチング処理室側壁５１の温調に温調水を使用す
るようにしたが、温調方法はこれに限定されるものでは
なく、例えばペルチェ効果素子を用いた温調でも同様の
効果を得ることができる。 また、被処理基板としては、上記の例のような半導体ウ
ェーハに限らず、例えばＬＣＤ基板にも適用できる。 さらに、また上記実施例では、高周波放電電極によりプ
ラズマを発生させたが、ウェーハの表面と平行に磁場を
形成し、その磁界と直交する方向に電界を形成してプラ
ズマを生起させてもよい。 さらにμ波によりプラズマを発生させてもよい。

【発明の効果】

以上説明したように、この発明のエツチング方法によれ
ば、プラズマを生起させる電極の温度を制御することに
より、エツチング特性を所望のものにすることができ、
所望のエツチング形状に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による方法に用いるエツチング処理室
の一実施例を示す図、第２図はこの発明によるエツチン
グ方法が適用されるエツチング装置の全体の概要の一例
を示す図、第３図及び第４図は上部電極の温度を変えた
ときのエツチング形状を示す図、第５図はそのときのエ
ツチング特性を示す図、第６図は下部電極の温度を変え
たときのエツチング形状を示す図、第７図はそのときの
エツチング特性を示す図である。 ８；エツチング処理室 ２１；下部電極 ２８．３６；流路 ２９．３７；配管 ３０．３８；温調機構 ３１．３９；温度センサー ３３；クランブリング ４２；ガス供給管

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　気密容器内で電極の間に電力を印加して処理ガスをプ
   ラズマ化し、このプラズマ化した処理ガスによりエッチ
   ングを行う方法において、 前記電極の温度差をコントロールすることにより、被処
   理体におけるエッチング形状を制御するようにしたこと
   を特徴とするプラズマエッチング方法。