JPH05136092A

JPH05136092A - プラズマ装置およびこれを用いたドライエツチング方法

Info

Publication number: JPH05136092A
Application number: JP32230591A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Tatsumi; 哲也辰巳; Shingo Kadomura; 新吾門村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1991-11-12
Filing date: 1991-11-12
Publication date: 1993-06-01

Abstract

(57)【要約】【目的】堆積性物質を側壁保護に用いるドライエッチ
ングと、該堆積性物質の除去とを、装置をマルチ・チャ
ンバ化せずに連続プロセスとして行う。【構成】有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置
のウェハ・ステージ９に冷却配管１０を内蔵させ、裏面
からは着脱式の板状発熱体１７を押さえ板１２により圧
接する。冷却配管１０への冷媒の供給と板状発熱体１７
への通電を切り換えることにより、マイナス数十℃〜百
数十℃の広い温度範囲でウェハ８の温度を制御できる。
ウェハ温度は光ファイバ１６を利用した蛍光ファイバ温
度計によりモニタする。上記装置は、たとえばＳ₂Ｆ₂
等のガスを用い、Ｓ（イオウ）を堆積させて異方性加工
を行うプロセスに適用でき、スループット，経済性，信
頼性を向上できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造分野等
において適用されるプラズマ装置およびこれを用いたド
ライエッチング方法に関し、特に堆積性物質を用いて側
壁保護を行いながらエッチングを行う工程と該堆積性物
質の除去とを、単一チャンバ内で連続的に行うことを可
能とする装置および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩ，ＵＬＳＩ等にみられる
ように半導体装置の高集積化および高性能化が進展する
に伴い、各種プロセスに対する技術的要求も年々厳しさ
を増している。ドライエッチング技術についても、本来
は互いに取捨選択される関係にある高異方性，高速性，
高選択性，低損傷性，低汚染性等の諸要求を、いずれも
高いレベルで満足できる方法が切望されている。

【０００３】このような諸要求を満足するものとして有
望視されている技術のひとつに、低温エッチングがあ
る。これは、基板（ウェハ）の温度を０℃以下に保持す
ることにより、深さ方向のエッチング速度をイオン・ア
シスト効果により実用レベルに維持したまま、側壁部に
おけるラジカル反応を凍結または抑制してアンダカット
等の形状不良を防止しようとする技術である。この方法
によれば、異方性加工に必要な入射イオン・エネルギー
を低減できるため、低損傷性，低汚染性も達成できると
いうメリットも得られる。

【０００４】たとえば、第３５回応用物理学関係連合講
演会（１９８８年春季年会）講演予稿集第４９５ペー
ジ，演題番号２８ａ−Ｇ−２には、ウェハを−１３０℃
に冷却し、ＳＦ₆ガスを用いてシリコン・トレンチ・エ
ッチングおよびｎ⁺型多結晶シリコン層の異方性エッチ
ングを行った例が報告されている。なお、通常のエッチ
ング・プロセスでは、特にウェハの冷却を行わなければ
エッチング中のウェハ温度はプラズマ輻射熱や反応熱に
より百数十℃にまで上昇するのが普通なので、ウェハ温
度をたとえば室温近傍に維持するプロセスも広義の低温
エッチングと解釈できる。

【０００５】しかし、低温エッチングにおいて高異方性
の達成をラジカル反応の凍結もしくは抑制のみに頼ろう
とすると、冷媒として液体窒素を要するレベルの低温冷
却が必要となる。このことは、経済性やスループットを
大きく低下させる原因となる他、チラー，真空ポンプ，
真空シール材等のハードウェア面の性能限界による問題
も多く抱えることとなり、早期実用化は困難である。

【０００６】そこで、低温によるラジカル反応抑制に側
壁保護を組み合わせ、室温に近い温度領域でも異方性エ
ッチングを可能とすることが、より実用的なアプローチ
として考えられる。

【０００７】本願出願人は、この側壁保護をイオウ
（Ｓ）の堆積により行う一連の技術をこれまでに多数提
案している。このＳの堆積は、１分子中のＳ原子数とハ
ロゲン（Ｘ）原子数との比、すなわちＳ／Ｘ比が比較的
大きいハロゲン化イオウを主体とするエッチング・ガス
を使用することにより可能となる。たとえば、特願平２
−１９８０４５号明細書では、酸化シリコン系材料層を
エッチングするために、エッチング・ガスの主成分とし
てＳ₂Ｆ₂に代表されるフッ化イオウを提案した。これ
は、ＳＦ⁺等のイオンを主エッチング種として利用する
プロセスである。また、特願平３−２１０５１６号明細
書では、シリコン系材料層およびアルミニウム（Ａｌ）
系材料層をエッチングするために、上記フッ化イオウに
加えてＳ₂Ｃｌ₂に代表される塩化イオウ、およびＳ₂
Ｂｒ₂に代表される臭化イオウを提案した。これは、Ｆ
^*，Ｃｌ^*，Ｂｒ^*等のハロゲン・ラジカルを主エッチ
ング種として利用するプロセスである。特に、酸化シリ
コン系材料層やシリコン系材料層のエッチングに関して
は、クロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）系ガスを用いず
に済むプロセス（いわゆる脱フロン対策）としての意義
が極めて大きい。

【０００８】さらに、上記ハロゲン化イオウは、既にエ
ッチング・ガスとして良く知られているＳＦ₆とは異な
り、放電解離により気相中にＳを生成することができ
る。このＳは、基板がおおよそ室温以下に冷却されてい
ればその表面へ堆積し、側壁保護効果を発揮する。した
がって、ウェハの冷却温度も−７０〜−５０℃程度の中
低温域ないし室温域とすれば十分であり、エタノール等
の汎用の有機溶媒を冷媒として使用することができる。
しかも、堆積したＳはエッチング終了後に基板を９０〜
１５０℃程度に加熱すれば容易に昇華除去できるため、
パーティクル汚染を惹起させる虞れもない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
にＳの堆積および昇華除去を巧妙に利用するプロセスで
は、ウェハ温度を中低温域から百数十℃程度におよぶ広
い温度範囲で制御する必要がある。そこで、最も単純な
発想としては、ウェハ冷却に使用する冷媒をそのまま加
熱して加熱媒体としても使用することが考えられる。し
かし、冷媒がたとえばエタノールである場合、熱容量が
大きく昇温速度が遅いこと、Ｓが昇華できる温度に達す
る前に自身が気化してしまうこと等の問題がある。

【００１０】このため、従来はエッチングの終了したウ
ェハをエッチング・チャンバから大気中へ一旦取り出
し、別の真空チャンバ内のヒータでウェハを加熱してＳ
を昇華除去せざるを得なかった。しかし、これは当然の
ことながらスループットの低下、ダストの付着、あるい
は大気開放中のＳの酸化等の問題を引き起こす。近年で
は、ウェハの昇温が可能な後処理チャンバを具備したマ
ルチチャンバ型の低温エッチング装置等も提案されてい
るが、クリーン・ルーム内の限られた設置スペース内に
このような高価で大型の装置を導入することが、コスト
的にも物理的にも常に可能であるとは限らない。

【００１１】そこで本発明は、装置の高コスト化や大型
化を招くことなく、ウェハの冷却加熱を行うことが可能
なプラズマ装置、およびこれを効果的に用いたドライエ
ッチング方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の目的を
達成するために提案されるものである。すなわち、本願
の第１の発明にかかるプラズマ装置は、プラズマ中に設
置される基板載置電極を有し、この基板載置電極上に載
置される基板に対して所定の処理を施す装置であって、
上記基板載置電極が、前記基板を冷却するための冷却手
段と、この基板載置電極に対し着脱自在であって前記基
板を加熱するための加熱手段と、前記基板の温度をモニ
タするための温度モニタ手段とを備えてなることを特徴
とする。

【００１３】本願の第２の発明にかかるドライエッチン
グ方法は、第１の発明のプラズマ装置を用い、前記冷却
手段により前記基板を冷却した状態で堆積性物質を該基
板の表面に堆積させながらエッチングを行う工程と、前
記加熱手段により前記基板を加熱することにより前記堆
積性物質を除去する工程とを有することを特徴とする。

【００１４】

【作用】本願の第１の発明にかかるプラズマ装置は、基
板載置電極がウェハの冷却手段と加熱手段と温度モニタ
手段とを具備してなるものである。つまり、冷却手段を
備えた従来の低温エッチング装置のウェハ載置電極に、
加熱手段と温度モニタ手段とが付加されたものである。
あるいは、基板載置電極に加熱手段を付加する構成に限
ってみれば、Ａｌ系材料層や銅（Ｃｕ）系材料層のよう
にエッチング反応生成物の蒸気圧を高める必要があるプ
ロセスに適用されるドライエッチング装置が既に公知で
あるので、この基板載置電極に冷却手段と温度モニタ手
段が付加されたものとも考えられる。いずれにしても、
単一のウェハ載置電極上でウェハ温度をマイナス数十℃
の中低温域から百数十℃以上に至る広い温度範囲で制御
することは、本発明のプラズマ装置にして初めて可能と
なり、装置の大型化を招かない。この冷却／加熱は、温
度モニタ手段を併用することで、高精度に行うことがで
きる。

【００１５】ここで、上記加熱手段を着脱可能な構成と
したことは、装置の保守管理上、極めて大きな意義を有
している。これは、エッチング反応生成物や堆積性物質
が種類によっては加熱手段を構成する材料を劣化させる
虞れがあること、および上記材料が広い温度域で膨張と
収縮を繰り返すことにより該材料にストレスが生じ、断
線等の事故が発生し易くなること等の理由により、上記
加熱手段が基本的に消耗品であるからである。

【００１６】本願の第２の発明では、上記のプラズマ装
置を使用して堆積性物質の堆積と除去を行うドライエッ
チング方法を提案する。すなわち、エッチング中は、想
定する堆積性物質が安定に存在し得る温度までウェハを
冷却することにより、該堆積性物質をウェハの表面に堆
積させ、選択性の向上効果や側壁保護効果を得る。一
方、エッチング終了後は、この堆積性物質が気化，分
解，昇華等の機構により容易にウェハ表面から脱離し得
る温度までウェハを加熱することにより、堆積性物質を
除去するわけである。本発明の方法によれば、途中でウ
ェハを大気搬送する必要がないのでスループットが向上
する他、ウェハの汚染や堆積性物質の変質等も防止する
ことができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００１８】実施例１本実施例は、本願の第１の発明を適用してＲＦバイアス
印加型の有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置を
構成した例である。まず、この装置の構成例の概略につ
いて、図１を参照しながら説明する。基本的な構成要素
は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマグネトロ
ン１、マイクロ波を導く矩形導波管２および円形導波管
３、上記マイクロ波を利用してＥＣＲ放電により内部に
プラズマＰを生成させるための石英製のベルジャー４、
上記円形導波管３と上記ベルジャー４を周回するように
配設され８７５Ｇａｕｓｓの磁場強度を達成できるソレ
ノイド・コイル５、上記ベルジャー４に接続され図中矢
印Ａ方向に高真空排気される処理チャンバ６、該処理チ
ャンバ６と上記ベルジャー４へ処理に必要なガスをそれ
ぞれ矢印Ｂ₁，Ｂ₂方向から供給するガス導入管７、ウ
ェハ８を載置するためのウェハ・ステージ９、該ウェハ
・ステージ９にＲＦバイアスを印加するためにブロッキ
ング・コンデンサ１１等を介して接続されるＲＦ電源１
４等である。

【００１９】ここで、上記ウェハ・ステージ９の内部に
は、外部に設置されるチラー１５から導出される冷却配
管１０が埋設されており、適当な冷媒を矢印Ｃ₁，Ｃ₂
方向に循環させることによりウェハ８を冷却するように
なされている。また、ウェハ・ステージ９の裏面側には
該ウェハ・ステージ９とほぼ同じ外周を有する導電性の
押さえ板１２が圧接され、これら両者の間に板状発熱体
１７が挾持されている。これにより、また板状発熱体１
７からウェハ・ステージ９への熱伝導が可能となる。し
たがって、ウェハ８を加熱する際には、上記冷却配管１
０への冷媒の供給を停止し、上記板状発熱体１７に通電
すれば良い。また、上記押さえ板１２の中心部は導電性
の支柱１３に接合支持されており、ウェハ・ステージ
９、押さえ板１２、支柱１３の三者は電気的に一体化さ
れており、ウェハ載置電極として機能する。前述のＲＦ
電源１４はこの支柱１３に接続されており、ＲＦバイア
スはここから押さえ板１２、ウェハ・ステージ９を介し
てウェハ８に印加される。

【００２０】ここで、上記ウェハ・ステージ９のより詳
細な構成を図２の分解斜視図にもとづいて説明する。上
記冷却配管１０は、冷却効率を高めるために適当なパタ
ーンにて迂回しながらウェハ・ステージ９中に埋設され
ている。ここでは、図示を簡略化する都合上、比較的単
純なパターンを示したが、温度分布を均一化させるため
により複雑な渦巻き状等のパターンであっても良い。こ
の冷却配管１０にエタノール、あるいはフルオロカーボ
ン系冷媒（３Ｍ社製；商品名フロリナート等）等を供給
すれば、−８０〜−７０℃程度のウェハ冷却が可能であ
る。

【００２１】上記ウェハ・ステージ９と上記押さえ板１
２の圧接は、たとえばねじ１９で両者を螺合させること
により行われる。すなわち、ねじ１９は、押さえ板１２
に穿設されたねじ穴１２ｂを介してウェハ・ステージ９
の裏面側に穿設されたねじ穴９ｂに挿入される。ねじ穴
９ｂ，１２ｂの穿設位置や個数は図示された例に限られ
るものではない。

【００２２】上記板状発熱体１７は、上記押さえ板１２
と上記ウェハ・ステージ９の間において、両者の螺合位
置および後述の温度モニタ手段等の配設位置に支障を来
さない適当な位置に配設される。この板状発熱体１７か
らはリード線１８が導出されて電源２２に接続されてお
り、これらによりヒータが構成されている。この板状発
熱体１７としては、ポリイミド・フィルムにニクロム
（ＮｉＣｒ合金）を蒸着したものや、カーボン・ヒータ
を雲母で絶縁したもの等を使用することができ、おおよ
そ１５０℃までの加熱が可能である。

【００２３】さらに、本発明の装置には、ウェハ８の温
度をモニタするために、蛍光ファイバ温度計が配設され
ている。この蛍光ファイバ温度計は、特定波長の光に励
起されて蛍光物質が発する蛍光の減衰時間が被測温体の
温度に依存して変化する性質（蛍光緩和特性）を、温度
計測に利用するものである。具体的には、光ファイバ１
６の先端にマグネシウム蛍光体等の蛍光体１６ａが接着
されてなるプローブと、このプローブに接続され、励起
用パルス光源，受光素子，演算回路等を内蔵する温度測
定回路２０から構成される。上記蛍光体１６ａはウェハ
８の裏面に接触保持され、励起用パルス光により励起さ
れる。蛍光体１６ａから発した蛍光は光ファイバ１６を
介して受光され、その際の減衰パターンを上記温度測定
回路２０演算処理することによりウェハ８の温度を算出
するわけである。

【００２４】ここで、上述のような蛍光ファイバ温度計
の配設を可能とするため、上記ウェハ・ステージ９、押
さえ板１２、支柱１３には、それぞれ貫通孔９ａ，１２
ａ，１３ａが穿設され、光ファイバ１６を挿通可能とな
されている。また、このウェハ８の測温データをヒータ
の温度制御に利用するため、上記温度測定回路２０はリ
レー回路２１を介して上記電源２２に接続されている。
すなわち、上記リレー回路２１は、ヒータの設定温度と
ウェハ８の測温データを比較し、その結果に応じて電源
２２のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うわけである。

【００２５】かかる装置構成によれば、単一のウェハ載
置電極上でウェハ温度をおおよそ−７０〜１５０℃の範
囲で精密に制御することができるので、装置の大型化や
高コスト化を招くことなく、温度設定の異なる連続プロ
セスに対応することが可能となる。しかも、ヒータの一
部を構成する板状発熱体１７はウェハ・ステージ９と押
さえ板１２の間に挾持されているのみであり、リード線
１８と共に容易に着脱可能であるため、メンテナンス性
も良好である。

【００２６】実施例２本実施例では、実施例１で前述した板状発熱体１７に代
えて、図３に示されるようなシース（鞘）・ヒータ２３
を使用した。シース・ヒータ２３は任意の形状に屈曲さ
せて使用できるため、ここでは押さえ板１２の上面にお
いて貫通孔１２ａの周囲に渦巻き状に配設した。リード
線２４を実施例１と同様に電源２２へ接続し、上記押さ
え板１２をウェハ・ステージ９に圧接させ、図示されな
い蛍光ファイバ温度計も同様に接続すれば、ウェハ８の
昇降温および温度制御を行うことができる。

【００２７】実施例３本実施例は、本願の第２の発明をゲート電極加工に適用
し、前述の有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置
内でＳ₂Ｆ₂を使用して多結晶シリコン層をエッチング
した例である。まず、本実施例でエッチング・サンプル
として用いたウェハ８の構成例を図４（ａ）に示す。こ
のウェハ８は、単結晶シリコン基板３１上に酸化シリコ
ンからなるゲート酸化膜３２を介してｎ型不純物を含有
する多結晶シリコン層３３が積層され、さらにその上に
所定の形状にパターニングされたレジスト・マスク３４
が形成されてなるものである。

【００２８】このウェハ８を、実施例１で前述したＲＦ
バイアス印加型の有磁場マイクロ波プラズマ・エッチン
グ装置のウェハ・ステージ９上にセットし、チラー１５
から冷却配管１０にエタノール冷媒を供給した。この状
態で、一例として下記の条件で上記多結晶シリコン層３
３をエッチングした。

【００２９】Ｓ₂Ｆ₂流量５ＳＣＣＭガス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー３０Ｗ (２ＭＨｚ）ウェハ温度 −５０℃ このエッチング過程では、Ｓ₂Ｆ₂から生成するＦ^*に
よるラジカル反応が、ＳＦ⁺，Ｓ⁺等のイオンにアシス
トされる機構でエッチングが進行し、多結晶シリコン層
３２はＳｉＦ_xの形で除去された。一方、Ｓ₂Ｆ₂から
解離生成する遊離のＳは、低温冷却されたウェハ８の表
面に吸着された。ここで、吸着されたＳのうち原理的に
イオンの垂直入射が生じないパターン側壁部に堆積した
分は、側壁保護膜３５を形成した。このようなイオン・
アシスト機構と側壁保護膜３５の寄与により、図４
（ｂ）に示されるように、良好な異方性形状を有するゲ
ート電極３３ａが形成された。

【００３０】次に、冷却配管１０へのエタノール冷媒の
供給を停止し、電源２２をＯＮとしてヒータに通電し
た。これにより、板状発熱体１７を昇温させ、さらにウ
ェハ・ステージ９を介してウェハ８を加熱した。このと
き、ウェハ８の目標温度設定値を１５０℃とし、蛍光フ
ァイバ温度計の測温データにもとづくフィードバック制
御を行った。このウェハ加熱によりＳが昇華するため、
図４（ｃ）に示されるように、パターン側壁部の側壁保
護膜３５は何らパーティクル汚染を惹起させることなく
除去された。

【００３１】このように本実施例では、Ｓの堆積と昇華
を行うために−５０〜１５０℃の広い温度範囲にわたる
制御を要するプロセスを、単一のベルジャー４内の単一
のウェハ・ステージ９上で実施することができ、優れた
スループットが達成された。しかも、新たなダストの付
着やＳの酸化等の問題は生じなかった。なお、本願の第
２の発明は、上述のような多結晶シリコン・ゲート電極
加工のみならず、ポリサイド・ゲート電極加工、Ａｌ配
線加工、シリコン・トレンチ・エッチング等にも適用で
きる。また、ウェハ上における材料層の構成、堆積性物
質の種類、エッチング条件、エッチング装置の構成等は
適宜変更可能であることは、言うまでもない。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明のプラズマ装置によれば、装置を何ら大型化，高コス
ト化することなく、単一のウェハ載置電極上で従来より
も遙かに幅広い温度範囲でウェハ温度を制御することが
可能となる。この装置は、消耗品である加熱手段を着脱
式としたことで、優れたメンテナンス性を有するもので
もある。

【００３３】また、かかる装置を使用してドライエッチ
ングを行えば、堆積性物質の堆積と除去とを巧妙に利用
しながら高選択異方性エッチングを行うことが可能とな
り、しかも別チャンバへのウェハの移送が不要となるた
め、スループットや信頼性を高めることができる。特
に、上記堆積性物質としてＳを選択した場合には、優れ
た脱ＣＦＣ対策を提供することができる。

【００３４】したがっで本発明は、微細なデザイン・ル
ールにもとづいて設計され、高性能および高集積度を有
する半導体装置の製造に好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したプラズマ装置の一構成例を示
す概略断面図である。

【図２】図１に示されるプラズマ装置のウェハ載置電極
の近傍を拡大し温度モニタ手段と共に示す分解斜視図で
ある。

【図３】本発明のプラズマ装置において、他の加熱手段
を用いた例を示す斜視図である。

【図４】本発明のドライエッチング方法を多結晶シリコ
ン・ゲート電極加工に適用したプロセス例をその工程順
にしたがって示す概略断面図であり、（ａ）は多結晶シ
リコン層上にレジスト・マスクが形成された状態、
（ｂ）はエッチングにより側壁保護膜の形成を伴いなが
らゲート電極が形成された状態、（ｃ）はウェハ加熱に
より側壁保護膜が昇華除去された状態をそれぞれ表す。

【符号の説明】

４・・・ベルジャー８・・・ウェハ９・・・ウェハ・ステージ１０・・・冷却配管１２・・・押さえ板１３・・・支柱１５・・・チラー１６・・・光ファイバー１６ａ・・・蛍光体１７・・・板状発熱体１８，２４・・・リード線２０・・・温度測定回路２１・・・リレー回路２２・・・電源２３・・・シース・ヒータ３１・・・単結晶シリコン基板３２・・・ゲート酸化膜３３・・・多結晶シリコン層３３ａ・・・ゲート電極３４・・・レジスト・マスク３５・・・側壁保護膜（Ｓ）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ中に設置される基板載置電極を
有し、この基板載置電極上に載置される基板に対して所
定の処理を施すプラズマ装置において、前記基板載置電極は、前記基板を冷却するための冷却手
段と、この基板載置電極に対し着脱自在であって前記基
板を加熱するための加熱手段と、前記基板の温度をモニ
タするための温度モニタ手段とを備えてなることを特徴
とするプラズマ装置。
【請求項２】請求項１記載のプラズマ装置を用い、前
記冷却手段により前記基板を冷却した状態で堆積性物質
を該基板の表面に堆積させながらエッチングを行う工程
と、前記加熱手段により前記基板を加熱することにより前記
堆積性物質を除去する工程とを有することを特徴とする
ドライエッチング方法。