JPH08162292A

JPH08162292A - プラズマ処理装置及びその制御方法

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Publication number: JPH08162292A
Application number: JP6330239A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tsuchiya; 浩土屋; Yoshio Fukazawa; 義男深澤; Shuji Mochizuki; 修二望月
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Tokyo Electron Yamanashi Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Tokyo Electron Yamanashi Ltd
Priority date: 1994-12-05
Filing date: 1994-12-05
Publication date: 1996-06-21
Anticipated expiration: 2016-03-26
Also published as: JP3150044B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】低圧雰囲気であっても、良好な選択比及びエッ
チングレートを確保できるプラズマ処理装置を提供す
る。【構成】プラズマエッチング処理装置１は、処理室２内
に配置され被処理体が載置される下部電極４と、下部電
極４に対向する位置に配置される上部電極２１とを備
え、それぞれの電極には高周波電力が位相及び電力比率
が個別制御されて印加可能に構成されており、要求され
るエッチングレート及び／又は選択比に応じて、両電極
間に印加される高周波電力の位相差及び電力比率とを制
御することにより、１００ｍＴｏｒｒ以下の低圧雰囲気
であっても好適な選択比及びエッチングレートを得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマ処理装置及びそ
の制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より半導体製造工程において、被処
理体、たとえば半導体ウェハ表面に微細加工を施すため
に、処理室内に導入された反応性ガスの高周波グロー放
電を利用したプラズマエッチング装置が広く使用されて
いる。

【０００３】図１８には、かかるグロー放電を利用した
プラズマエッチング装置、いわゆる平行平板型プラズマ
エッチング装置の典型例が示されている。図示のよう
に、処理装置１００は、処理室１０１内に被処理体Ｗを
載置可能な下部電極１０２と、その下部電極１０２に対
向する位置に配置された上部電極１０３とを備えてお
り、この上部電極１０３に対して高周波発振器１０４よ
り整合器１０５を介してたとえば１３．５６ＭＨｚの高
周波電圧を上部電極１０３に印加することにより、接地
された下部電極１０２との間にグロー放電を生じさせ、
反応性ガスをプラズマ化し、両電極間に生じる電位差に
より、プラズマ中のイオンを下部電極１０２上に載置さ
れた被処理体の処理面に衝突させ、所望のエッチングを
行うことが可能なように構成されている。

【０００４】しかしながら、図１８に示すような装置構
成では、上部電極１０３にのみ高周波電力を印加するの
で、両電極間に生じるプラズマ電位の制御が困難であ
り、また接地電位に保持される処理室１０１の壁面に放
電の一部が逃げるなどの問題点を抱えているため、プラ
ズマが不均一、不安定になり易く、近年要求されている
ようなハーフミクロン単位、さらにはクォータミクロン
単位の超微細加工に対応させることが難しかった。

【０００５】そこで、図１９に示すように、上部電極１
０３に対しては第１高周波発振器１０６により第１整合
器１０７を介して第１高周波電力を印加するとともに、
下部電極１０２には第２高周波発振器１０８により第２
整合器１０９を介して第２高周波電力を印加することに
より、処理室１０１内に発生するプラズマの密度を制御
し、超微細加工を実現しようとする試みがなされてい
る。

【０００６】また一方で、超微細加工の問題に対応する
ために、圧力条件を、例えば１００ｍＴｏｒｒ以下の低
圧に設定したり、あるいは炭素を含まない処理ガスを選
定したりすることにより、チャージアップダメージを回
避しながら、高選択比及び高エッチングレートの超微細
加工を行う試みがなされている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１９
に示すような２つの高周波発振器１０６、１０８が接続
される構成では、２つの発振器から出力される高周波電
力同士の干渉や波形の歪みのために、プラズマ密度の制
御が困難であった。そして、干渉や歪みを除去するため
には装置構成が複雑となり問題であった。

【０００８】また圧力条件を、例えば１００ｍＴｏｒｒ
以下の低圧に設定し、超微細加工を実現しようとした場
合には、低圧雰囲気下でプラズマ粒子の平均自由行程が
伸びることにより放電空間が広がり、その結果、プラズ
マが不安定になり、またプラズマ密度の低下及びエッチ
ャントの減少によりエッチングレートが低下するという
問題があった。さらに、低圧雰囲気ではイオンエネルギ
ーが増加するため選択比が低下するという問題もあっ
た。

【０００９】また炭素を含まない処理ガスを使用するこ
とにより、例えばシリコン酸化膜に対する選択比を向上
させることができるが、他方、レジストパターンの影響
を受けやすくなるという問題もあった。

【００１０】本発明は、従来のプラズマ処理装置有する
上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その
目的は、２つの高周波発振器を用いた２電源方式のプラ
ズマ処理装置を用いて、１００ｍＴｏｒｒ以下の低圧条
件下で、高エッチングレート及び高選択比で超微細加工
を実現することが可能な、新規かつ改良されたプラズマ
処理装置及びその制御方法を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、処理室内に配置され被処理体が載置され
る下部電極と、その処理室内において下部電極に対向す
る位置に配置される上部電極と、その上部電極に高周波
電力を印加する第１高周波発振器と、下部電極に高周波
電力を印加する第２高周波発振器とを備えたプラズマ処
理装置に、第１高周波発振器の出力を位相制御するため
の第１位相制御器と、第２高周波発振器の出力を位相制
御するための第２位相制御器とを設けている。そして、
請求項１の発明は、上部電極に印加される電力と下部電
極に印加される電力との電力比率に応じて第１高周波発
振器の出力と第２高周波発振器の出力との位相差を制御
するように構成される。これに対して、請求項２の発明
は、第１高周波発振器の出力と第２高周波発振器の出力
との位相差に応じて上部電極に印加される電力と下部電
極に印加される電力との電力比率を制御するように構成
される。さらに、請求項３の発明は、要求されるエッチ
ングレート及び／又は選択比に応じて、第１高周波発振
器の出力と第２高周波発振器の出力との位相差、及び上
部電極に印加される電力と下部電極に印加される電力と
の電力比率とを制御するように構成される。

【００１２】さらに本発明は、少なくとも臭化水素（Ｈ
Ｂｒ）及び塩素（Ｃｌ₂）のいずれか一方を含むプロセ
スガスにより被処理体に対して処理を行うプラズマ処理
装置にも適用される。その場合に、請求項４の発明は、
臭化水素（ＨＢｒ）と塩素（Ｃｌ₂）との混合比に応じ
て、第１高周波発振器の出力と第２高周波発振器の出力
との位相差を制御するように構成される。これに対し
て、請求項５の発明は、第１高周波発振器の出力と第２
高周波発振器の出力との位相差に応じて、臭化水素（Ｈ
Ｂｒ）と塩素（Ｃｌ₂）との混合比を制御するように構
成される。さらに、請求項６の発明は、要求されるエッ
チングレート及び／又は選択比に応じて、第１高周波発
振器の出力と記第２高周波発振器の出力との位相差、及
び臭化水素（ＨＢｒ）と塩素（Ｃｌ₂）との混合比を制
御するように構成される。

【００１３】そして、本発明によれば、上記のように構
成されたプラズマ処理装置の処理圧力は、請求項７に記
載のように、１００ｍＴｏｒｒ以下の低圧雰囲気に設定
されることが好ましい。

【００１４】さらに、請求項８の発明は、請求項１〜３
の前段に記載されているようなプラズマ処理装置の制御
方法を提供する。この制御方法は、対象となる処理のダ
ミーウェハを用いて、第１高周波発振器の出力と第２高
周波発振器の出力との位相差及び上部電極に印加される
電力と下部電極に印加される電力との電力比率と、エッ
チングレート及び／又は選択比との関係に関する情報を
予め獲得する工程と、要求されるエッチングレート及び
／又は選択比に応じて、第１高周波発振器の出力と第２
高周波発振器の出力との位相差、及び上部電極に印加さ
れる電力と下部電極に印加される電力との電力比率とを
前記情報に基づいて選択する工程を含んでいる。また請
求項９の発明は、請求項４〜６の前段に記載されている
ようなプラズマ処理装置の制御方法を提供する。この制
御方法は、対象となる処理のダミーウェハを用いて、前
記第１高周波発振器の出力と前記第２高周波発振器の出
力との位相差及び臭化水素（ＨＢｒ）と塩素（Ｃｌ₂）
との混合比と、エッチングレート及び／又は選択比との
関係に関する情報を予め獲得する工程と、要求されるエ
ッチングレート及び／又は選択比に応じて、第１高周波
発振器の出力と第２高周波発振器の出力との位相差、及
び臭化水素（ＨＢｒ）と塩素（Ｃｌ₂）との混合比とを
前記情報に基づいて選択する工程とを含んでいる。そし
て、これらのプラズマ処理装置の制御方法においても、
請求項１０に記載のように、処理圧力は１００ｍＴｏｒ
ｒ以下に設定することが好ましい。

【００１５】

【作用】本発明によれば、第１高周波発振器の出力と第
２高周波発振器の出力との位相差と、上部電極に印加さ
れる電力と前記下部電極に印加される電力との電力比率
との関係を、例えば図１３に示すような、電力比率及び
位相差と選択比との関係に基づいて、あるいは図１４に
示すような、電力比率及び位相差とエッチングレートと
の関係に基づいて、適当に選択することにより、所望の
エッチングレート及び選択比で被処理体に対してエッチ
ングなどのプラズマ処理を施すことができる。その際
に、位相制御の最適化を図ることにより、プラズマの均
一化を図り、被処理体のチャージアップダメージを有効
に回避することができる。また、特に１００ｍＴｏｒｒ
以下の低圧条件で、処理を行うことにより、クォータミ
クロン単位の超微細加工を施すことが可能である。

【００１６】さらに、炭素を含まないプロセスガス、例
えば少なくとも臭化水素（ＨＢｒ）及び塩素（Ｃｌ₂）
のいずれか一方を含むプロセスガスにより被処理体に対
して処理を行う場合にも、臭化水素（ＨＢｒ）と塩素
（Ｃｌ₂）の塩素の混合比及び第１高周波発振器の出力
と第２高周波発振器の出力との位相差を、位相差とエッ
チングレートと混合比との関係に基づいて、適当に選択
することにより、所望のエッチングレート及び選択比で
被処理体に対してエッチングなどのプラズマ処理を施す
ことができる。そして、この場合にも、特に１００ｍＴ
ｏｒｒ以下の低圧条件で、処理を行うことにより、クォ
ータミクロン単位の超微細加工を施すことが可能であ
る。

【００１７】

【実施例】以下に添付図面を参照しながら、本発明をプ
ラズマエッチング装置に適用した一実施例について詳細
に説明する。

【００１８】図１に示すプラズマエッチング装置１は、
導電性材料、例えばアルミニウムなどから成る円筒ある
いは矩形状に成形された処理容器２を有しており、この
処理容器２内には、モータなどの昇降機構３により昇降
運動自在に構成されたウェハＷを載置するための略円筒
状の載置台（下部電極）４が収容される。この載置台４
は、アルミニウムなどより形成された複数の部材をボル
トなどにより組み付けることにより構成することが可能
であり、その内部には、熱媒循環手段５などの熱源手段
が内設され、被処理体の処理面を所望の温度に調整する
ことができるように構成されている。

【００１９】この熱媒循環手段５には、図示しない温調
手段により適当な温度に温調された熱媒を熱媒導入管６
を介して導入可能であり、導入された熱媒は熱媒循環手
段５内を循環し、その間に冷熱又は温熱が上記載置台４
を介して半導体ウェハＷに対して伝熱し、半導体ウェハ
Ｗの処理面を所望する温度に温調することが可能であ
る。熱交換後の熱媒は熱媒排出管７より容器外へ排出さ
れる。なお、図示の例では、図示しない温調手段により
予め温調された熱媒を循環させる構成を示したが、この
他にも、冷却ジャケット及び加熱用ヒータを上記載置台
４に内装して上記載置台４を加熱冷却することにより、
ウェハＷの温調を行う構成を採用することも可能であ
る。

【００２０】上記載置台４は、上面中央部が凸状にされ
た円板状で、この中央上面には、被処理体を保持するた
めのチャック部として、たとえば静電チャック８が被処
理体である半導体ウェハＷと略同径大、あるいはウェハ
Ｗの径よりも若干小さい径又は若干大きい径で設けられ
ている。この静電チャック８は、ウェハＷを載置保持す
る面としてポリイミド樹脂などの高分子絶縁材料からな
る２枚のフィルム８ａ、８ｂ間に銅箔などの導電膜８ｃ
を挟持した静電チャックシートより構成されており、そ
の導電膜８ｃは、電圧供給リード９により、途中高周波
をカットするフィルタ１０、たとえばコイルを介して可
変直流電圧源１１に接続されている。したがって、その
導電膜８ｃに高電圧を印加することにより、静電チャッ
ク８の上側フィルム８ａの上面にウェハＷをクーロン力
により吸着保持し得るように構成されている。なお図示
の実施例では、被処理体を吸着保持するチャック手段と
して静電チャック８を例に挙げて説明するが、本発明は
かかる構成に限定されない。たとえば、昇降運動自在の
円環状のクランプ部材により被処理体を機械的に保持す
るメカニカル・チャック手段を使用することも可能であ
るが、ウェハＷに対するダメージを軽減する観点からは
静電チャック８を適用することが好ましい。

【００２１】そして、この静電チャックシート８には、
伝熱ガス供給孔１２が同心円状に穿設されている。これ
らの伝熱ガス供給孔１２には、伝熱ガス供給管１３が接
続されており、図示しないガス源よりヘリウムなどの伝
熱ガスを、被処理体Ｗの裏面と静電チャック８のチャッ
ク面との間に形成される微小空間に供給し、上記載置台
４から被処理体Ｗへの伝熱効率を高めることが可能であ
る。

【００２２】さらに上記載置台４の周囲には、静電チャ
ック８上のウェハＷの外周を囲むとともに、ウェハＷの
外縁がかかるように環状のフォーカスリング１４が配置
されている。このフォーカスリング１４は反応性イオン
を引き寄せない絶縁性または導電性の材料からなり、反
応性イオンを内側の半導体ウェハＷにだけ効果的に入射
せしめるように作用するものである。また上記載置台４
と上記処理容器２の内壁との間には複数のバッフル孔が
穿設された排気リング１５が、上記載置台４を囲むとと
もに、上記フォーカスリング１４の外縁がかかるように
配置されている。この排気リング１５は、排気流の流れ
を整え、処理容器２内から処理ガスなどを均一に排気す
るためのものである。

【００２３】そして上記載置台４には、中空に成形され
た導体よりなる給電棒１６が接続され、さらに、この給
電棒１６にはブロッキングコンデンサなどから成る整合
器１７を介して高周波発振器１８が接続されており、プ
ロセス時には、たとえば１３．５６ＭＨｚの高周波電力
を上記給電棒１６を介して上記載置台４に印加すること
が可能である。なお、上記整合器１７と上記載置台４と
の間には検出器１９が介装されている。この検出器１９
により検出された高周波発振器１８の出力に関する情
報、例えば位相、電力などは制御器２０にフィードバッ
クされ、プロセス制御の際に使用される。このように、
上記載置台４は下部電極として作用し、後述するように
被処理体Ｗに対向するように設けられた上部電極２１と
の間にグロー放電を生じ、処理容器内に導入された処理
ガスをプラズマ化し、そのプラズマ流にて被処理体にエ
ッチング処理を施すことが可能である。

【００２４】上記上部電極２１は、下部電極を構成する
上記載置台４の載置面上方に、これより所定間隔、例え
ば約５ｍｍ〜１５０ｍｍ程度離間させて配置されてい
る。なお上記上部電極２１と上記下部電極４との間隔は
上記昇降機構３により上記下部電極４を上下動すること
により調整することができる。この上部電極２１には、
上記下部電極４と同様に、ブロッキングコンデンサなど
から成る整合器２８を介して高周波発振器２９が接続さ
れており、プロセス時には、たとえば１３．５６ＭＨｚ
の高周波電力を上記上部電極２１に印加することが可能
である。なお、上記整合器２８と上記上部電極２１との
間には検出器３０が介装されている。この検出器３０に
より検出された高周波発振器２９の出力に関する情報、
例えば位相、電力などについても、制御器２０にフィー
ドバックされ、プロセス制御の際に使用される。

【００２５】さて、上記上部電極２１は中空に形成さ
れ、その中空部に処理ガス供給管２２が接続され、処理
ガス源２３より流量制御器（ＭＦＣ）２４を介して所定
の処理ガス、例えば、例えば少なくとも臭化水素（ＨＢ
ｒ）及び塩素（Ｃｌ₂）のいずれか一方を含むプロセス
ガスを導入することが可能である。さらに中空部の中程
には、処理ガスの均一拡散を促進するための多数の小孔
が穿設されたバッフル板２５が配置され、このバッフル
板２５の下方には処理ガス噴出口として多数の小孔２６
が穿設された板部材からなる処理ガス導入部２７が設置
されている。さらに上記処理容器２の下方には真空ポン
プなどからなる排気系に連通する排気口３１が設けられ
ており、処理室内を所定の圧力に、たとえば１００ｍＴ
ｏｒｒ以下の減圧雰囲気に真空排気することが可能であ
る。

【００２６】さらに、上記処理容器２の一方の側面の下
方には、ゲートバルブ３２を介してロードロック室３３
が設置されている。このロードロック室３３には、搬送
アーム３４を備えた搬送機構３５が設置されている。図
示のように、上記ゲートバルブ３２は、上記処理容器２
の下方に開口部を有しているので、ウェハＷを搬入搬出
する際には、上記昇降機構３により上記載置台４を下降
させる。これに対して、ウェハＷの処理時には、上記上
部電極２１と上記下部電極４との間隔が最適になるま
で、上記昇降機構３により上記載置台４を上昇させ、処
理を行うように構成されている。

【００２７】次に、上記のように構成されたプラズマエ
ッチング装置の動作に関する実施例について、従来装置
との比較において説明する。まず、１００ｍＴｏｒｒ以
下の圧力条件下で、図１に示すような本願装置が、従来
のＲＩＥ型装置又はＰＥ型装置に比較して、高エッチン
グレートの超微細加工に対して優れた特性を示すことを
図２及び図３を参照しながら説明する。

【００２８】図２は、従来のＲＩＥモードの場合と図１
に示すような本願装置の場合のプラズマ密度と圧力との
関係を示している。なお図示の実施例において、本願装
置では、上部電極２１及び下部電極４に対して、それぞ
れ１５０Ｗ、１３．５６ＭＨｚの高周波を印加して塩素
ガスによりプラズマを生成したのに対して、ＲＩＥモー
ドでは、下部電極４に対して、３００Ｗ、１３．５６Ｍ
Ｈｚの高周波を印加して塩素ガスによりプラズマを生成
した。図示のように、従来のＲＩＥモードの場合には、
１００ｍＴｏｒｒ（＝約１３．３Ｐａ）以下の低圧条件
ではプラズマ密度が急激に低下し、プラズマの均一性及
びエッチングレートの点でも問題が生じることが予想さ
れるのに対して、本願装置の場合には、１００ｍＴｏｒ
ｒ（約１３．３Ｐａ）以下の低圧条件であっても、ある
程度のプラズマ密度を維持することが可能なので、所定
水準のプラズマの均一性及びエッチングレートを保ちな
がら、超微細加工を実施することが可能である。

【００２９】図３は、従来のＰＥモードの場合と図１に
示すような本願装置の場合のウェハＷの各位置（中央、
中間点、エッジ）における寸法変換差の関係を示してい
る。なお図示の実施例において、本願装置では、上部電
極２１及び下部電極４に対して、それぞれ１５０Ｗ、１
３．５６ＭＨｚの高周波を印加して７５ｍＴｏｒｒの低
圧条件下で塩素ガスによりプラズマを生成したのに対し
て、ＰＥモードでは、上部電極２１に対して、２５０
Ｗ、１３．５６ＭＨｚの高周波を印加して６００ｍＴｏ
ｒｒの圧力条件下で塩素ガスによりプラズマを生成し
た。図示のように、従来のＰＥモードの場合には、寸王
変換差は比較的高くばらつきが生じるのに対して、本願
装置の場合には、寸法変換差が低い上にばらつきも少な
い。従って、本願装置によれば、低い圧力条件下で面内
均一に優れた寸法変換差の低い微細加工を実施すること
が可能である。

【００３０】以上のように、本願装置によれば、従来装
置では困難であった１００ｍＴｏｒｒ以下の低圧条件で
の超微細加工を実施することが可能である。次に、図４
〜図１４を参照しながら、本発明に基づいて実施される
エッチングレート及び選択比を最適化するための制御方
法について説明する。本発明によれば、エッチングレー
ト及び選択比の最適化は、上部電極に印加される高周波
電力と下部電極に印加される高周波電力の位相差及び電
力比率、並びに処理ガスの混合比により実施することが
可能である。

【００３１】まず、処理圧力と両電極間の位相差との関
係について説明する。ここで、図４及び図５には、上部
電極２１と下部電極４とに印加する高周波電力の位相差
が１８０゜及び０゜の場合に、下部電極４の被処理面上
の各位置においてプローブにより検出されたプラズマ電
流値の関係が示されている。また図６には、比較例とし
て、下部電極にのみ高周波電力を印加するＲＩＥモード
の場合に、下部電極４の被処理面上の各位置においてプ
ローブにより検出されたプラズマ電流値の関係が示され
ている。なお図４及び図５に示す実施例では、上部電極
２１及び下部電極４に対して、それぞれ１５０Ｗ、１
３．５６ＭＨｚの高周波を印加して位相差を調整して塩
素ガスに対してプラズマを生成した。また図６に示す実
施例では、下部電極４に対して、３００Ｗ、１３．５６
ＭＨｚの高周波を印加して塩素ガスに対してプラズマを
生成した。

【００３２】図６に示すように、従来のＲＩＥモードで
は、処理圧力によって、プラズマ電流、従ってプラズマ
密度が大きく変動し、特に微細加工に適した低圧領域、
例えば１００ｍＴｏｒｒ以下では、プラズマ電流がプロ
ーブ位置に応じて大きく変動するとともに、圧力低下に
伴い密度が低下していた。またプラズマが下部電極４の
周辺部にも広がるため、処理室２の構造（例えば、排気
リングやフォーカスリングの構造）の影響を受けやす
く、プラズマの不均一を招来するという問題を抱えてい
た。

【００３３】これに対して、本発明によれば、上部電極
２１及び下部電極４に印加される高周波電力の位相差を
適当に調整することにより、同じ圧力条件であっても、
プラズマ電流の特性を最適に制御することが可能であ
る。例えば、図５に示すように位相差が０゜の場合に
は、イオン飽和電流を下げた状態で安定的なプラズマが
得られているが、図４に示すように、位相差を１８０゜
に調整することによりプラズマ電流を安定させ、イオン
飽和電流を高くすることが可能となる。このように、本
実施例によれば、位相制御を実施することにより、従来
のＲＩＥ装置ではプラズマの不均一を招来する状態であ
っても、均一なプラズマを生成することができ、イオン
エネルギーを制御することが可能である。

【００３４】本発明者らは、まず位相差とエッチングレ
ート及び選択比との関係について検討してみた。図７に
は、位相差とポリシリコンに対するエッチングレートと
の関係及び位相差とポリシリコンの均一性との関係が示
されている。なお処理条件として、１００ｍＴｏｒｒ
で、上部電極及び下部電極に、それぞれ２００Ｗ、１
３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加し、ＨＢｒとＣｌ₂
との混合比が１：１の処理ガスによりエッチングを行っ
た。図示のように、上記処理条件では、位相比１００
％、すなわち１８０゜の位相差付近で最もエッチングレ
ートが高く、均一性が良好な特性を得ることが可能であ
ることが分かる。

【００３５】これに対して、図８には、位相差とシリコ
ン酸化膜に対するポリシリコンの選択比との関係及び位
相差とフォトレジストに対するポリシリコンの選択比と
の関係が示される。なお処理条件としては、図７の場合
と同様に、１００ｍＴｏｒｒで、上部電極及び下部電極
に、それぞれ２００Ｗ、１３．５６ＭＨｚの高周波電力
を印加し、ＨＢｒとＣｌ₂との混合比が１：１の処理ガ
スによりエッチングを行った。図示のように、シリコン
酸化膜に対する選択比は電力比率が１７５％、すなわち
３１５゜の位相差付近にピークがあるのに対して、フォ
トレジストに対する選択比は電力比率が５０％付近と、
１７５％付近の２つのピーク値をもっており、処理対象
によって大きく異なることが分かる。また図７及び図８
を比較すると、選択比は必ずしも最適なエッチングレー
トが得られる位相差において最適化されるわけではない
ことが判明した。

【００３６】本発明者らは、次いで上部電極と下部電極
に印加する電力比率とエッチングレート及び選択比との
関係について検討してみた。なお、図９及び図１０は、
総電力を一定とし混合比を変えた実施例を示し、図１１
及び図１２は、上部電極の電力値を一定とし下部電極印
加電力を変えた実施例を示している。図９は、総電力を
一定とした場合の電力比率とポリシリコンに対するエッ
チングレート関係、及び電力比率とポリシリコンの均一
性との関係を示すものである。なお、処理条件として
は、１００ｍＴｏｒｒで、上部電極と下部電極とに印加
する総電力を４００Ｗとし電力比率を変えて、ＨＢｒと
Ｃｌ₂との混合比が１：１の処理ガスによりエッチング
を行った。図示のように、均一性はほぼ安定しているも
のの、エッチングレートは電力比率に応じて異なり、上
部電極が１００Ｗで下部電極が３００Ｗの場合に最も高
い値を示している。

【００３７】図１０は、総電力を一定とした場合の電力
比率とシリコン酸化膜に対するポリシリコンの選択比及
びフォトレジストに対するポリシリコンの選択比の関係
を示している。処理条件は、図９の場合と同様であり、
１００ｍＴｏｒｒで、上部電極と下部電極とに印加する
総電力を４００Ｗとし電力比率を変えて、ＨＢｒとＣｌ
₂との混合比が１：１の処理ガスによりエッチングを行
った。図示のように、選択比は１：３〜３：１の範囲で
は大きな変動は見られないが、下部電極に印加する電力
が１００Ｗを下回ると急激に向上している。

【００３８】図１１は、上部電極の電力を３５０Ｗに固
定した場合の電力比率とポリシリコンに対するエッチン
グレート関係、及び電力比率とポリシリコンの均一性と
の関係を示すものである。なお、処理条件としては、１
００ｍＴｏｒｒで、上部電極に印加する電力を３５０Ｗ
固定とし下部電極に印加する電力を変えて、ＨＢｒとＣ
ｌ₂との混合比が１：１の処理ガスによりエッチングを
行った。図示のように、この場合には、エッチングレー
ト及び均一性ともに大きな変動は見られなかった。

【００３９】図１２は、上部電極の電力を３５０Ｗに固
定した場合の電力比率とシリコン酸化膜に対するポリシ
リコンの選択比及びフォトレジストに対するポリシリコ
ンの選択比の関係を示している。なお、処理条件として
は、図１１の場合と同様に１００ｍＴｏｒｒで、上部電
極に印加する電力を３５０Ｗ固定とし下部電極に印加す
る電力を変えて、ＨＢｒとＣｌ₂との混合比が１：１の
処理ガスによりエッチングを行った。図示のように、選
択比は、下部電極の電力割合を増加させていくにつれて
低くなることが分かる。

【００４０】以上の結果より、本発明者らは、電力比率
及び位相差を最適化することにより、１００ｍＴｏｒｒ
以下の低圧条件下であっても、所望の選択比及びエッチ
ングレートを得ることが可能であると知見するに到っ
た。図１３は、両電極間の電力比率及び選択比をそれぞ
れ調整した場合のシリコン酸化膜に対するポリシリコン
の選択比の分布を示す図表である。また図１４は、両電
極間の電力比率及び選択比をそれぞれ調整した場合のポ
リシリコンのエッチングレートの分布を示す図表であ
る。

【００４１】このように、本発明によれば、予めダミー
ウェハなどを用いたり、シミュレーションによって求め
た図１３及び図１４に示すような両電極間の電力比率及
び位相差と選択比及びエッチングレートとの関係に基づ
いて、電力比率に応じて位相差を調整し、あるいは逆に
位相差に応じて電力比率を調整することにより所望の選
択比及びエッチングレートを得ることが可能である。そ
の際に、本発明によれば、超微細加工が可能な１００ｍ
Ｔｏｒｒ以下の低圧条件で、最適な選択比及びエッチン
グレートを得ることが可能である。

【００４２】ところで、一般に炭素を含まない処理ガス
を用いることにより、ポリシリコンに対する選択比を向
上させることが知られている。そこで、本発明者らは、
カーボンレスの処理ガスであるＨＢｒとＣｌ₂との混合
ガスを用いた場合の、両ガスが選択比及びエッチングレ
ートに与える影響を検討した。図１５〜図１７は、処理
ガスの総流量を５０ｓｃｃｍに固定して、Ｃｌ₂とＨＢ
ｒガスの混合比をそれぞれ、５０／０、２５／２５、０
／５０にした場合の両電極間の位相比とポリシリコン及
びシリコン酸化膜に対するエッチングレートの関係を示
している。図示のように、Ｃｌ₂とＨＢｒガスの混合比
と両電力間の位相差を調整することによってもエッチン
グレートを調整することが可能である。

【００４３】次に、図１に示すエッチング処理装置を用
いてポリシリコンエッチングを行う場合の動作の一実施
例について簡単に説明する。処理対象であるウェハＷ
は、ロードロック室３３よりハンドリングアーム３４に
よりゲートバルブ３２を介して、処理室２内に搬入され
る。その際に、載置台４は、昇降機構３により搬送位置
にまで下降されている。ウェハＷはハンドリングアーム
３４により載置台４の静電チャック８の吸着面に載置さ
れ、直流高圧電源１１より高電圧が上記静電チャック８
の導電層８ｃに印加され、クーロン力によりウェハＷが
チャック面に吸着保持される。その後、昇降機構３によ
り上記載置台４は処理位置にまで上昇される。その後、
処理室内は、所定の圧力雰囲気、例えば１００ｍＴｏｒ
ｒに減圧され、ガス源２３より、カーボンレスのＨＢｒ
とＣｌ₂の混合ガスが、上部電極２１を介して処理室内
に導入される。なお処理ガスの混合比は、本実施例に基
づいて所定値に調整される。

【００４４】また、図１３及び図１４に示すような分布
表に基づいて所望の選択比及びエッチングレートが選択
され、制御器２０により高周波発振器１８及び２９に指
示が送られ、上部電極２１及び下部電極４に対して所定
の位相差及び電力比率の高周波電力が印加され、ウェハ
Ｗに対してエッチング処理が施される。この間、両電極
に印加される高周波電力は検出器１９及び３０により監
視されており、その信号は制御器２０にフィードバック
されて、最適な処理条件が保持される。以上のようにし
て、所定のエッチングが終了した後、処理ガスの供給が
停止され、処理室内をパージするとともに、載置台４を
搬出位置にまで下降させ、処理済みのウェハＷを、処理
室２内からハンドリングアーム３４によりロードロック
室３３に搬出することにより一連の処理が終了する。

【００４５】以上のように、本発明によれば、両電極間
に印加される高周波電力の位相差及び電力比率、並びに
カーボンレスの処理ガスの混合比を調整することによ
り、１００ｍＴｏｒｒ以下の低圧雰囲気であっても、選
択比及びエッチングレートの最適化を図ることが可能と
なる。しかも、処理中にウェハに与えるチャージアップ
ダメージを最小限に抑えることができる。さらに、本発
明によれば、両電極間に印加される高周波電力の位相差
及び電力比率、並びにカーボンレスの処理ガスの混合比
を調整することにより、テーパ角度や異方性などのエッ
チング形状の制御も可能となる。

【００４６】以上本発明の好適な実施例についてプラズ
マエッチング装置を例に挙げて説明したが、本発明はか
かる構成に限定されない。本発明はこの他にも、処理室
内に処理ガスを導入し、上部電極及び下部電極の双方に
高周波電力を印加してプラズマ処理を行う各種装置、例
えばプラズマＣＶＤ装置、アッシング装置などにも適用
することが可能である。また上記実施例では、ポリシリ
コンに対するエッチング処理を例に挙げて説明したが、
本発明は、フォトレジスト、タングステンシリサイド、
モリブデンシリサイド、チタンシリサイドなどのＳｉ化
合物や高融点金属のエッチング処理に対しても適用する
ことが可能である。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
２電極間での高周波電力の位相差、電力比率を制御する
ことにより、プラズマ電流の分布を制御し、放電の安定
化及び均一化を図ることが可能である。さらに２電極間
に高周波電力を印加することによりプラズマ解離回数を
上げることが可能であり、１００ｍＴｏｒｒ以下の低圧
条件であっても高いエッチングレートを確保できる。ま
た、２電極間の位相差、電力比率の調整により、選択比
及びエッチング形状の制御が可能となる。さらにまた、
本発明によれば、カーボンレスの処理ガスを使用するこ
とにより、選択性を向上させることができる。また本発
明によれば、ウェハに対するチャージアップダメージを
最小限に抑えることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用可能なプラズマエッチング装置の
一実施例を示す概略的な断面図である。

【図２】従来の装置と本願装置におけるプラズマ密度と
圧力との関係を比較して示す図表である。

【図３】従来の装置と本願装置における寸法変換差を比
較して示す図表である。

【図４】上部電極と下部電極との位相差を１８０゜に設
定した場合の、各圧力におけるプラズマ電流とプローブ
位置との関係を示す図表である。

【図５】上部電極と下部電極との位相差を０゜に設定し
た場合の、各圧力におけるプラズマ電流とプローブ位置
との関係を示す

【図６】従来のＲＩＥ型装置を使用した場合の、各圧力
におけるプラズマ電流とプローブ位置との関係を示す図
表である。

【図７】両電極間の位相差とエッチングレート及び均一
性の関係を示す図表である。

【図８】両電極間の位相差と選択比との関係を示す図表
である。

【図９】両電極間の電力比率とエッチングレート及び均
一性の関係を示す図表である。

【図１０】両電極間の電力比率と選択比の関係を示す図
表である。

【図１１】両電極間の電力比率のエッチングレート及び
均一性の関係を示す図表である。

【図１２】両電極間の電力比率と選択比の関係を示す図
表である。

【図１３】両電極間の電力比率と位相差と選択比との関
係を示す図表である。

【図１４】両電極間の電力比率と位相差とエッチングレ
ートの関係を示す図表である。

【図１５】処理ガスの混合比と両電極間の位相差との関
係を示す図表である。

【図１６】処理ガスの混合比と両電極間の位相差との関
係を示す図表である。

【図１７】処理ガスの混合比と両電極間の位相差との関
係を示す図表である。

【図１８】従来の平行平板型プラズマエッチング装置の
概略を示す説明図である。

【図１９】従来の他の平行平板型プラズマエッチング装
置の概略を示す説明図である。

【符号の説明】

１プラズマエッチング装置２処理室３昇降機構４下部電極１７整合器１８高周波発振器１９検出器２１上部電極２３ガス源２４ＭＦＣ２８整合器２９高周波発振器３０検出器Ｗウェハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者望月修二東京都港区赤坂５丁目３番６号東京エレクトロン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理室内に配置され被処理体が載置され
る下部電極と、前記処理室内において前記下部電極に対
向する位置に配置される上部電極と、前記上部電極に高
周波電力を印加する第１高周波発振器と、前記下部電極
に高周波電力を印加する第２高周波発振器とを備えたプ
ラズマ処理装置において、前記第１高周波発振器の出力を位相制御するための第１
位相制御器と、前記第２高周波発振器の出力を位相制御
するための第２位相制御器とを設け、前記上部電極に印加される電力と前記下部電極に印加さ
れる電力との電力比率に応じて前記第１高周波発振器の
出力と前記第２高周波発振器の出力との位相差を制御す
るように構成したことを特徴とする、プラズマ処理装
置。
【請求項２】処理室内に配置され被処理体が載置され
る下部電極と、前記処理室内において前記下部電極に対
向する位置に配置される上部電極と、前記上部電極に高
周波電力を印加する第１高周波発振器と、前記下部電極
に高周波電力を印加する第２高周波発振器とを備えたプ
ラズマ処理装置において、前記第１高周波発振器の出力を位相制御するための第１
位相制御器と、前記第２高周波発振器の出力を位相制御
するための第２位相制御器とを設け、前記第１高周波発振器の出力と前記第２高周波発振器の
出力との位相差に応じて前記上部電極に印加される電力
と前記下部電極に印加される電力との電力比率を制御す
るように構成したことを特徴とする、プラズマ処理装
置。
【請求項３】処理室内に配置され被処理体が載置され
る下部電極と、前記処理室内において前記下部電極に対
向する位置に配置される上部電極と、前記上部電極に高
周波電力を印加する第１高周波発振器と、前記下部電極
に高周波電力を印加する第２高周波発振器とを備えたプ
ラズマ処理装置において、前記第１高周波発振器の出力を位相制御するための第１
位相制御器と、前記第２高周波発振器の出力を位相制御
するための第２位相制御器とを設け、要求されるエッチングレート及び／又は選択比に応じ
て、前記第１高周波発振器の出力と前記第２高周波発振
器の出力との位相差、及び前記上部電極に印加される電
力と前記下部電極に印加される電力との電力比率とを制
御するように構成したことを特徴とする、プラズマ処理
装置。
【請求項４】処理室内に配置され被処理体が載置され
る下部電極と、前記処理室内において前記下部電極に対
向する位置に配置される上部電極と、前記上部電極に高
周波電力を印加する第１高周波発振器と、前記下部電極
に高周波電力を印加する第２高周波発振器とを備え、少
なくとも臭化水素（ＨＢｒ）及び塩素（Ｃｌ₂）のいず
れか一方を含むプロセスガスにより被処理体に対して処
理を行うプラズマ処理装置において、前記第１高周波発振器の出力を位相制御するための第１
位相制御器と、前記第２高周波発振器の出力を位相制御
するための第２位相制御器とを設け、臭化水素（ＨＢｒ）と塩素（Ｃｌ₂）との混合比に応じ
て、前記第１高周波発振器の出力と前記第２高周波発振
器の出力との位相差を制御するように構成したことを特
徴とする、プラズマ処理装置。
【請求項５】処理室内に配置され被処理体が載置され
る下部電極と、前記処理室内において前記下部電極に対
向する位置に配置される上部電極と、前記上部電極に高
周波電力を印加する第１高周波発振器と、前記下部電極
に高周波電力を印加する第２高周波発振器とを備え、少
なくとも臭化水素（ＨＢｒ）及び塩素（Ｃｌ₂）のいず
れか一方を含むプロセスガスにより被処理体に対して処
理を行うプラズマ処理装置において、前記第１高周波発振器の出力を位相制御するための第１
位相制御器と、前記第２高周波発振器の出力を位相制御
するための第２位相制御器とを設け、前記第１高周波発振器の出力と前記第２高周波発振器の
出力との位相差に応じて、臭化水素（ＨＢｒ）と塩素
（Ｃｌ₂）との混合比を制御するように構成したことを
特徴とする、プラズマ処理装置。
【請求項６】処理室内に配置され被処理体が載置され
る下部電極と、前記処理室内において前記下部電極に対
向する位置に配置される上部電極と、前記上部電極に高
周波電力を印加する第１高周波発振器と、前記下部電極
に高周波電力を印加する第２高周波発振器とを備え、少
なくとも臭化水素（ＨＢｒ）及び塩素（Ｃｌ₂）のいず
れか一方を含むプロセスガスにより被処理体に対して処
理を行うプラズマ処理装置において、前記第１高周波発振器の出力を位相制御するための第１
位相制御器と、前記第２高周波発振器の出力を位相制御
するための第２位相制御器とを設け、要求されるエッチングレート及び／又は選択比に応じ
て、前記第１高周波発振器の出力と前記第２高周波発振
器の出力との位相差、及び臭化水素（ＨＢｒ）と塩素
（Ｃｌ₂）との混合比を制御するように構成したことを
特徴とする、プラズマ処理装置。
【請求項７】処理圧力は１００ｍＴｏｒｒ以下である
ことを特徴とする、請求項１、２、３、４、５又は６の
いずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】処理室内に配置され被処理体が載置され
る下部電極と、前記処理室内において前記下部電極に対
向する位置に配置される上部電極と、前記上部電極に高
周波電力を印加する第１高周波発振器と、前記下部電極
に高周波電力を印加する第２高周波発振器と、前記第１
高周波発振器の出力を位相制御するための第１位相制御
器と、前記第２高周波発振器の出力を位相制御するため
の第２位相制御器とを備えたプラズマ処理装置の制御方
法であって、対象となる処理のダミーウェハを用いて、前記第１高周
波発振器の出力と前記第２高周波発振器の出力との位相
差及び前記上部電極に印加される電力と前記下部電極に
印加される電力との電力比率と、エッチングレート及び
／又は選択比との関係に関する情報を予め獲得する工程
と、要求されるエッチングレート及び／又は選択比に応じ
て、前記第１高周波発振器の出力と前記第２高周波発振
器の出力との位相差、及び前記上部電極に印加される電
力と前記下部電極に印加される電力との電力比率とを前
記情報に基づいて選択する工程を含むことを特徴とす
る、プラズマ処理装置の制御方法。
【請求項９】処理室内に配置され被処理体が載置され
る下部電極と、前記処理室内において前記下部電極に対
向する位置に配置される上部電極と、前記上部電極に高
周波電力を印加する第１高周波発振器と、前記下部電極
に高周波電力を印加する第２高周波発振器と、前記第１
高周波発振器の出力を位相制御するための第１位相制御
器と、前記第２高周波発振器の出力を位相制御するため
の第２位相制御器とを備え、少なくとも臭化水素（ＨＢ
ｒ）及び塩素（Ｃｌ₂）のいずれか一方を含むプロセス
ガスにより被処理体に対して処理を行うプラズマ処理装
置の制御方法であって、対象となる処理のダミーウェハを用いて、前記第１高周
波発振器の出力と前記第２高周波発振器の出力との位相
差及び臭化水素（ＨＢｒ）と塩素（Ｃｌ₂）との混合比
と、エッチングレート及び／又は選択比との関係に関す
る情報を予め獲得する工程と、要求されるエッチングレート及び／又は選択比に応じ
て、前記第１高周波発振器の出力と前記第２高周波発振
器の出力との位相差、及び臭化水素（ＨＢｒ）と塩素
（Ｃｌ₂）との混合比とを前記情報に基づいて選択する
工程を含むことを特徴とする、プラズマ処理装置の制御
方法。
【請求項１０】処理圧力は１００ｍＴｏｒｒ以下であ
ることを特徴とする、請求項８又は９に記載のプラズマ
処理装置の制御方法