JPH08306671A

JPH08306671A - プラズマエッチング装置

Info

Publication number: JPH08306671A
Application number: JP13597595A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Horiike; ▲靖▼浩堀池; Tsutomu Tsukada; 勉塚田
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1995-05-08
Filing date: 1995-05-08
Publication date: 1996-11-22
Anticipated expiration: 2018-03-17
Also published as: JP3386287B2

Abstract

(57)【要約】【目的】シリコン酸化物の選択エッチングの最適条件
を設定して、高選択性が常時得られるような装置を提供
する。【構成】排気系１３を備えた反応容器１と、この反応
容器１内にフッ化炭素系ガスを導入するガス導入手段２
と、導入されたガスによってプラズマを反応容器１内に
発生させるプラズマ発生手段３とを有し、フッ化炭素系
ガスのプラズマによってシリコンの酸化膜をエッチング
する。プラズマ中で生成される一フッ化炭素ラジカルと
二フッ化炭素ラジカルとの数密度の比が、イオン化エネ
ルギー調整機構を備えた四重極質量分析計５０よりなる
測定手段５によって測定され、測定手段５の測定結果に
基づき制御部６がエッチング条件を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願の発明は、プラズマエッチン
グ装置に関し、特に酸化シリコンを選択エッチングする
ことが可能なプラズマエッチング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の高集積化に伴い、ドライエ
ッチングにより微細加工を行うことが必須になった。特
に、絶縁膜であるシリコンの酸化膜をエッチングする工
程は、半導体の高集積化とともに増大する傾向にある。
シリコンの酸化膜をエッチングする場合は、下地が単結
晶シリコンないしは多結晶シリコンである場合が多く、
この時、下地のシリコンを削らずに、酸化膜のみをエッ
チングする必要がある。即ち、選択エッチングが必要と
なる。

【０００３】選択エッチングが可能となるメカニズムに
ついて、下地Ｓｉに対するＳｉＯ₂の選択エッチングを
例にとって説明する。エッチングに使用されるガスはＣ
Ｆ₄等の反応性の高いガスであり、このガスでプラズマ
が形成され、プラズマ中で生成されるラジカルやイオン
がＳｉＯ₂ と反応することによってエッチングが行われ
る。この場合、実際にはＣＦ₄ による重合膜の堆積が、
エッチングに対する競合現象として同時に起こってい
る。

【０００４】ここで、ＳｉＯ₂ 層においては酸素が存在
するので、この酸素がエッチング中に解離し重合膜と化
合して揮発性のＣＯ，ＣＯ₂ ，ＣＯＦ₂ 分子を形成す
る。従って、ＳｉＯ₂ 層のエッチングの場合には上記重
合膜の堆積は生じない。しかし、エッチングがＳｉ層に
達すると、Ｓｉ層には酸素が存在しないので上記のよう
な重合膜堆積の抑制がされず、重合膜が堆積する。この
際、堆積した重合膜中のフッ素濃度を低下させ高カーボ
ン膜が堆積するようにしておけば、フッ素が重合膜中を
拡散してＳｉをエッチングしてしまうことが防止され、
ＳｉＯ₂ ／Ｓｉの高選択性エッチングが達成される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ようなシリコン酸化物の選択エッチングにおいて、高い
選択性を得るための最適条件を設定することは一般に困
難であった。たとえば、プラズマ形成のための高周波等
の投入エネルギーの密度、プラズマを形成するガスの流
量、プラズマ空間の雰囲気圧力などの一般的な条件を単
に設定しただけでは、シリコン酸化物の高選択エッチン
グを達成することは困難であった。特に最近では高アス
ペクト比のコンタクトホール等のパターンを選択エッチ
ングすることが必要になってきており、深い溝の底部に
おいてシリコン等の下地材料を削らずにシリコン酸化物
をエッチングする必要が生じている。また、最適なエッ
チング条件を設定しても、エッチング処理の最中やエッ
チング処理を繰り返した場合などで反応容器内の条件が
変化し、この結果必要な選択性が得られなくなってしま
う恐れもある。

【０００６】本願の発明は、このような課題を考慮して
成されたものであり、シリコン酸化物の選択エッチング
の最適条件を設定して、高選択性が常時得られるような
装置を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本願の請求項１記載のプラズマエッチング装置は、
排気系を備えた反応容器と、この反応容器内にフッ化炭
素系ガスを導入するガス導入手段と、導入されたガスに
よってプラズマを反応容器内に発生させるプラズマ発生
手段とを有し、フッ化炭素系ガスのプラズマによってシ
リコンの酸化膜をエッチングするプラズマエッチング装
置において、プラズマ中で生成される一フッ化炭素ラジ
カルと二フッ化炭素ラジカルとの数密度の比を測定する
測定手段と、この測定手段の測定結果に基づきエッチン
グ条件を制御する制御部とを備えている。また同様に上
記目的を達成するため、請求項２記載のプラズマエッチ
ング装置は、請求項１の構成において、反応容器は、当
該反応容器内の圧力を調整する圧力調整器を備え、制御
部は、この圧力調整器に信号を送って二フッ化炭素ラジ
カルに対する一フッ化炭素ラジカルの数密度の比が最大
となるように制御するものであるという構成を有する。
また同様に上記目的を達成するため、請求項３記載のプ
ラズマエッチング装置は、請求項１又は２の構成におい
て、ガス導入手段は、導入するガスの流量を調整する流
量調整器を備え、制御部は、この流量調整器に信号を送
って二フッ化炭素ラジカルに対する一フッ化炭素ラジカ
ルの数密度の比が最大となるように制御するものである
という構成を有する。また同様に上記目的を達成するた
め、請求項４記載のプラズマエッチング装置は、請求項
１，２又は３の構成において、フッ化炭素系ガスに水素
ガス又は水素元素を有するフッ化炭素化合物のガスが混
合されているという構成を有する。また同様に上記目的
を達成するため、請求項５記載のプラズマエッチング装
置は、請求項１，２，３又は４の構成において、ガス導
入手段は、導入するガスの混合比を調整する混合比調整
手段を備え、制御部は、この混合比調整手段を二フッ化
炭素ラジカルに対する一フッ化炭素ラジカルの数密度の
比が最大となるように制御するものであるという構成を
有する。また同様に上記目的を達成するため、請求項６
記載のプラズマエッチング装置は、請求項１，２，３，
４又は５の構成において、測定手段は、反応容器内に存
在する気体の種類とその量を質量分析によって測定する
質量分析計であるという構成を有する。また同様に上記
目的を達成するため、請求項７記載のプラズマエッチン
グ装置は、請求項６の構成において、質量分析計は、四
重極質量分析計であるという構成を有する。また同様に
上記目的を達成するため、請求項８記載のプラズマエッ
チング装置は、請求項７の構成において、四重極質量分
析計は、イオン化エネルギー調整機構を備えているとい
う構成を有する。

【０００８】

【作用】上記各請求項のプラズマエッチング装置におい
ては、フッ化炭素系ガスによってプラズマが形成され、
このプラズマによって生成されたラジカルによってシリ
コン酸化物のエッチングが行われる。この際、プラズマ
中で発生する一フッ化炭素ラジカルと二フッ化炭素ラジ
カルとの数密度の比が測定され、この測定結果に基づい
てエッチング条件が制御される。また特に、請求項４又
は５のプラズマエッチング装置では、上記作用に加え、
水素ラジカルによってフッ素が捕集され、シリコン酸化
物の選択エッチングを助ける。

【０００９】

【実施例】以下、本願発明の実施例を説明する。図１
は、本願発明の実施例のプラズマエッチング装置の構成
を説明する側面概略図であり、図２は、図１のプラズマ
エッチング装置のうちの反応容器の部分の断面概略図で
ある。

【００１０】図１に示すプラズマエッチング装置は、排
気系１３を備えた反応容器１と、この反応容器１内にフ
ッ化炭素系ガスを導入するガス導入手段２と、導入され
たガスによってプラズマを反応容器１内に発生させるプ
ラズマ発生手段３と、プラズマ発生手段３が発生させた
フッ化炭素系ガスのプラズマによってエッチングされる
位置に基板１０を配置するステージ４と、プラズマ中で
生成される一フッ化炭素ラジカルと二フッ化炭素ラジカ
ルとの数密度（以下、単に密度とする）の比を測定する
測定手段５と、この測定手段５の測定結果に基づきエッ
チング条件を制御する制御部６とから主に構成されてい
る。

【００１１】図１に示す実施例は、本発明をヘリコン波
プラズマエッチング装置に応用した実施例である。反応
容器１は、ソースチャンバ１１と拡散チャンバ１２とよ
り構成されており、ソースチャンバ１１は拡散チャンバ
１２の上に載せられて配置されている。

【００１２】ソースチャンバ１１は、先端が半球状の形
成された円筒状の部材であり、高周波を効率よく透過さ
せることが可能な材料具体的には石英ガラスで形成され
ている。ソースチャンバ１１の寸法形状は、プラズマ発
生手段３の構成や基板１０の大きさ、バッチ処理か枚葉
処理かなどによって異なる。例えば直径６インチのウエ
ハを枚葉処理する場合、内径１６０ｍｍで高さ１００ｍ
ｍ程度の円筒状の部分の先端に半径５０ｍｍ程度の半球
状の部分を設けた寸法形状のソースチャンバ１１が採用
される。また、石英ガラスは肉厚は例えば３ｍｍ程度で
ある。石英ガラス以外の材質としては、例えばアルミナ
等を使用することができる。

【００１３】拡散チャンバ１２は、上下を塞いだ円筒状
の箱状のものであり、アルミニウム製である。拡散チャ
ンバ１２は、上面に円形の開口１２１を有し、この開口
１２１に嵌め込められた状態で上記ソースチャンバ１１
が配置されている。拡散チャンバ１２の大きさは、ソー
スチャンバ１１同様、基板１０の大きさ等によって異な
るが、同様に直径６インチのウエハを枚葉処理する場
合、高さ２００ｍｍで断面の内径が３５０ｍｍ程度の大
きさである。

【００１４】このような拡散チャンバ１２の外側面に
は、拡散チャンバ１２の高さ方向に長い棒状の永久磁石
１４が設けられている。図２に示すように、この永久磁
石１４は、拡散チャンバ１２の外側面に沿って対角上に
配置されている。そして向かい合った各々の永久磁石１
４の内側に向いた表面には同じ極性になっており、隣り
合った各々の永久磁石１４の内側に向いた表面には異な
る極性になっている。このように永久磁石１４を配置し
ておくことによって、図２に示すようなカスプ磁場が拡
散チャンバ１２の側壁内面に沿って形成される。このカ
スプ磁場は、中央のプラズマ領域から飛来する電子が側
壁内面に到達するのを抑制し、この結果、側壁部分への
プラズマの拡散を防止するよう作用し、広い領域にわた
って均一なプラズマを得るのに貢献する。

【００１５】尚、図１に示すように、拡散チャンバ１２
の側壁には、排気系１３の排気管１３０を接続する排気
用開口１２、ガス導入手段２のガス導入用の主配管２０
を接続するガス導入用開口１２３、測定手段５を接続す
る測定用開口１２４等がそれぞれ形成され、また、基板
１０の出し入れを行うための開口にはゲートバルブ１５
が設けられている。

【００１６】上記反応容器１に備えられた排気系１３
は、粗引き用の油回転ポンプや主排気用のターボ分子ポ
ンプ等の排気ポンプ１３１と、排気ポンプ１３１と反応
容器１とをつなぐ排気管１３０と、排気管１３０による
排気経路上に設けられた圧力調整器としてのバリアブル
オリフィス１３２等から構成されている。このような排
気系１３によって、反応容器１の内部は例えば１×１０
^-5Ｔｏｒｒ程度の到達圧力まで排気できるようになって
いる。尚、反応容器１内の圧力を測定する不図示の真空
計が設けられており、その測定信号は後述の制御部６に
送られるようになっている。尚、圧力調整器としてのバ
リアブルオリフィス１３２は、開口の大きさを変化させ
て排気速度を調整するものである。

【００１７】ガス導入手段２は、少なくとも二種類のガ
スを混合して導入できるよう複数のガス導入系２１，２
２から構成されている。各々のガス導入系２１，２２
は、導入するガスを収容した不図示のガスボンベ２１
１，２２１と、このガスボンベ２１１，２２１と反応容
器１内とを繋ぐガス導入用配管２１２，２２２と、ガス
導入用配管２１２，２２２上に設けられた流量調整器と
してのマスフローコントローラ２１３，２２３及び不図
示のフィルタ等から構成されている。これらのガス導入
系２１，２２は、具体的にはその一つが四フッ化炭素ガ
スのガス導入系２１であり、もう一つが水素ガスのガス
導入系２２になっている。尚、それぞれのガス導入系２
１，２２に設けられたマスフローコントローラ２１３，
２２３は、後述する制御部６からの信号によって独立し
て制御されるよう構成されている。このため、ガス導入
手段２が導入する混合ガスの混合比が調整できるように
なっている。即ち、マスフローコントローラ２１３，２
２３は、請求項５の混合比調整手段に相当している。

【００１８】前述したように本実施例の装置はヘリコン
波プラズマを利用するものであり、プラズマ発生手段３
としては、所定のヘリコン波を導入するものが採用され
ている。即ち、プラズマ発生手段３は、ソースチャンバ
１１の周囲に巻かれたコイル状のアンテナ３１と、アン
テナ３１に供給する高周波電力を発生させるソースプラ
ズマ発生用高周波電源３２と、ソースプラズマ発生用高
周波電源３２からの高周波の供給経路上に設けられたマ
ッチングボックス３３と、ソース磁界を発生させるため
にアンテナ３１の周囲に巻かれたソレノイドコイル３４
とから主に構成されている。

【００１９】ヘリコン波プラズマは、強い磁場を加える
とプラズマ振動数より低い周波数の電磁波が減衰せずに
プラズマ中を伝搬することを利用するものであり、高密
度プラズマを低圧で形成できる技術として最近注目され
ているものである。プラズマ中の電磁波の伝搬方向と磁
場の方向とが平行のとき、電磁波はある定まった向きの
円偏光となりらせん状に進行する。このことからヘリコ
ン波プラズマと呼ばれている。但し、実際の電磁波の伝
搬形状は、プラズマ空間の条件によって異なり、図１に
示すようなソースチャンバ１１内の気体放電プラズマ中
では、ソースチャンバ１１の形状寸法等によって決まる
一定のモードのみの電場が形成される。図１に示す構成
では、ソースプラズマ発生用高周波電源３２から１００
０Ｗ程度の高周波がアンテナ３１を通して印加され、ソ
レノイドコイル３４によって直流磁場が高周波の伝搬方
向と平行に印加されるようになっている。磁場の強さと
しては、ソースチャンバ１１の中心付近で１００ガウス
程度である。このような構成によって、１０ｍＴｏｒｒ
程度の圧力で１×１０¹²ｃｍ^-3程度の高密度プラズマが
形成されるようになっている。

【００２０】ステージ４は、拡散チャンバ１２内に配置
されており、ソースチャンバ１１の下端からステージ４
までの距離は例えば１５０ｍｍ程度である。このステー
ジ４は、アルミニウム等の金属で形成されており、バイ
アス用高周波電源４１がマッチングボックス４２を介し
て接続されている。バイアス用高周波電源４１がステー
ジ４に与える高周波は、例えば１３．５６ＭＨｚで５０
０Ｗ程度である。ステージ４上に載置された基板１０に
は、このように印加された高周波とプラズマ発生手段３
が形成するプラズマとの相互作用によって１００Ｖ程度
の自己バイアス電圧が印加される。この自己バイアス電
圧は、プラズマ（≒０Ｖ）との間で電界を形成し、プラ
ズマ中のイオンを電界によって引き出すことによって異
方性のエッチングを可能にする。また、ステージ４の表
面を所定の誘電体で覆うことによって基板１０をステー
ジ４に静電吸着させるよう動作させることも、この自己
バイアス電圧によって可能になる。尚、本実施例では枚
葉式の装置を取り上げたので、ステージ４には一枚の基
板のみが載置されるが、バッチ式の装置では所定のサセ
プタに複数の基板を配置し、このサセプタをステージ４
上に配置するようにする。また、ステージ４には、必要
に応じて水冷機構等が付設される。

【００２１】測定手段５は、図１に示すように、反応容
器１の側方に設けられている。拡散チャンバ１２の側壁
に設けられた測定用開口１２４には、外方に延びる短い
管状のフランジ１２５がこの設けられており、このフラ
ンジ１２５に測定手段５が取り付けられている。

【００２２】測定手段５としては、本実施例では、四重
極質量分析計（ＱｕａｄｒｕｐｏｌｅＭａｓｓＳｐ
ｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，以下ＱＭＳと略す）５０が採用
されている。ＱＭＳは、測定空間の残留ガスを分析する
ために開発されたもので、対角上に平行に配置した四本
の円柱状の電極（以下、四重極電極）５１の間にイオン
化させた所定の粒子のみを通過させるようにして測定す
るものである。四重極電極５１の手前には、測定する粒
子をイオン化させるための後述するイオン化部５００が
配置されている。ＱＭＳ５０に入射した粒子は、イオン
化部５００によってイオン化した後、四重極電極５１に
よって囲まれた通路内に進入する。そして、所定のイオ
ン化粒子のみが四重極の間を通過できるようになってい
る。四重極電極５１を通過した位置には、二次電子倍増
管等の検出素子５０１が配置されており、通過したイオ
ン化粒子は検出素子によって検出されそのイオン化粒子
の量が測定される。四重極電極５１の部分を通過できる
イオン化粒子は、四重極電極５１に与えられる双曲線電
界の大きさに応じた所定のＭ／ｅ（Ｍは質量，ｅは電荷
量）を有するもののみであり、双曲線電界の大きさを制
御することによって通過させるイオン化粒子を選択する
ことができる。このようなＱＭＳ５０としては、例えば
日電アネルバ株式会社製四重極質量分析計の型式３６０
が採用可能である。

【００２３】このようなＱＭＳ５０は、イオン化エネル
ギー調整機構を備えている。図３は、図１のＱＭＳ５０
におけるイオン化エネルギー調整機構の説明図であり、
ＱＭＳにおけるイオン化部５００の構成の概略を示した
ものである。図１に示すイオン化部５００は、四重極電
極５１への入射位置の手前に配置されたものであり、測
定粒子をイオン化させるための電子を放出するフィラメ
ント５２と、フィラメント５２から放出される電子を加
速する電子加速電極５３と、イオン化した粒子を四重極
電極５３で囲まれた空間に加速して入射させるためのイ
オン加速電極５４とから主に構成されている。

【００２４】フィラメント５２は熱電子放出を行うもの
であり、タングステン等の材料で構成され、フィラメン
ト通電用電源５２１が接続される。電子加速電極５３
は、四重極電極５１で囲まれた空間の中心軸（以下、単
に中心軸）と同軸上に配置された円筒かご状の電極本体
５３１と、この電極本体５３１を保持した円管状の電極
支持板５３２とから構成されている。電極支持板５３２
には、イオン化エネルギー調整用電源５３３が接続され
ている。イオン加速電極５４は、電子加速電極５３の電
極支持板５３２と同様な円環状の部材であり、中心軸と
同軸上に配置されている。このイオン加速電極５４に
は、イオン加速用電源５４１が接続されている。イオン
加速用電源５４１は、負の直流電位をイオン加速電源に
与えるものであり、正の直流電位が与えられる電子加速
電極５３の電極支持板５３１との間で電界が形成され、
この電界によってイオンが加速されるようになってい
る。尚、このイオン加速電極５４と四重極電極５１との
間には、スリット電極５５が同様に同軸上に配置されて
いる。このスリット電極５５は、接地されている。

【００２５】上記構成のイオン化部５００において、フ
ィラメント５２から放出された電子は電子加速電極５３
によって加速され、中心軸に向けて飛行する。ＱＭＳに
入射した測定粒子は、電子加速電極５３の円筒かご状の
電極本体５３１の内部に達すると、この電子によってイ
オン化される。イオン化された測定粒子は、イオン加速
電極５４による電界によって加速され、四重極電極５１
で囲まれた空間に達する。そして、前述の通り所定のイ
オン化粒子のみが四重極電極５１の部分を通過して検出
される。上記構成において、イオン化エネルギーを調整
する場合には、電子加速電極５３に接続されたイオン化
エネルギー調整用電源５３３の出力電圧を調整する。こ
れにより、電子の加速エネルギーが調整され、後述のよ
うな所定のラジカルのみを選択した測定が可能となる。

【００２６】このような測定手段５を構成するＱＭＳ５
０は、サンプリングオリフィス５６、不要荷電粒子除去
機構及びＱＭＳ排気系５７等とともに設けられている。
サンプリングオリフィス５６及びＱＭＳ排気系５７は、
ＱＭＳ５０内の圧力を低く維持するために設けられたも
のである。ＱＭＳ５０内の圧力は１０^-6Ｔｏｒｒ程度以
下に保持する必要があり、拡散チャンバ１２内の圧力が
これよりも高い場合には、ＱＭＳ５０の内部を作動排気
する必要がある。サンプリングオリフィス５６は、前述
したフランジ１２５の端面に配置されており、オリフィ
ス開口の大きさは０．５ｍｍ程度である。測定粒子は、
このオリフィス開口を通ってＱＭＳに入射するようにな
っている。尚、拡散チャンバ１２の側壁からサンプリン
グオリフィス５６までの距離は６ｃｍ程度となってい
る。また、ＱＭＳ５０に設けられたＱＭＳ排気系５７
は、粗引き用の油回転ポンプ及び主排気用のターボ分子
ポンプ等を備え、４×１０^-8Ｔｏｒｒ程度の到達圧力ま
で排気できるよう構成されている。

【００２７】図４を使用してサンプリングオリフィス５
６及び不要荷電粒子除去機構５８についてさらに詳しく
説明する。図４は、図１の装置に採用されたサンプリン
グオリフィス及び不要荷電粒子除去機構の詳細を説明す
る断面概略図である。サンプリングオリフィス５６は、
図３に示すように、フランジ１２５の端面に取り付けら
れたオリフィス５６１板と、オリフィス板５６１の開口
をさらに小さくするためにオリフィス板５６１の外面に
設けられた補助オリフィスシート５６２とから構成され
ている。そして、補助オリフィスシート５６２のオリフ
ィス孔が前述の通り直径０．５ｍｍ程度となっている。

【００２８】一方、不要荷電粒子除去機構５８は、上記
サンプリングオリフィス５６の外側に設けられている。
不要荷電粒子除去機構５８は、測定粒子の引き出し方向
に垂直になるように前後に配置した一対の金属メッシュ
５８１，５８２と、この一方の金属メッシュ５８１に所
定の正の電位を付与する正の直流電源５８３及び他方の
金属メッシュ５８２に所定の負の電位を付与する負の直
流電源５８４とから構成されている。正の直流電源５８
３及び負の直流電源５８４が付与する電位は、例えばそ
れぞれ＋３０Ｖ，−３０Ｖとされる。尚、一対の金属メ
ッシュ５８１，５８２の間隔は１ｍｍ程度、サンプリン
グオリフィス５６から手前側の金属メッシュ５８１まで
の距離は２ｍｍ程度に設定されている。また、各々の金
属メッシュ５８１，５８２は、開口が２００μｍ程度
で、材質としてはステンレスが使用されている。プラズ
マ中で形成された電子やイオンは、上述のような正負の
電位が与えられる一対の金属メッシュ５８１，５８２の
部分で押し返され、ＱＭＳへ不要に入射してしまうこと
が防止される。

【００２９】本実施例における装置は、測定手段５によ
って一フッ化炭素ラジカルと二フッ化炭素ラジカルとの
密度の比（以下、ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル密度比）を測
定することが特徴点の一つになっている。このような構
成は、「シリコン酸化物の選択エッチングの最適条件を
設定する」という本願発明の目的に密接に関連してい
る。最近発表された論文では、総ガス流量を最適化する
ことによりＳｉＯ₂ ／Ｓｉのエッチング選択性を最大化
できることが報告されている（Jpn. J. Appl. Phys. Vo
l.33(1994)pp.2139-2144）。しかし、この実験におい
て、選択性を最大化させた総ガス流量の条件下では、Ｓ
ｉＯ₂ 層のエッチング中に重合膜が堆積してしまい、Ｓ
ｉＯ₂ のエッチングが停止してしまったことが報告され
ている。

【００３０】発明者は、このエッチング停止の理由につ
いて、プラズマ中のラジカルのバランスが影響している
のではないかと考えたのである。つまり、プラズマ中に
はフッ化炭素ガスから生成されるラジカルが数種類存在
するが、これらのラジカルが高カーボン重合膜堆積に対
して及ぼす影響は一様ではなく、特定のラジカルが高カ
ーボン重合膜堆積に主要な役割を果たすのではないかと
考えたのである。カーボン重合膜堆積に主要な役割を果
たすと想定されるのは、フッ素含有量の低いラジカル即
ち、ＣＦ₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃ 等であると考えられる。そ
こで、上記ような装置を使用して、プラズマ中でＣＦ
₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃ がどのようなバランスで生成されて
いるかを測定する実験を行った。この実験の結果、ＣＦ
₁ ，ＣＦ₂ 各ラジカルの密度比を測定して、それを最大
にするようにしておくことが最良であることが判明した
のである。

【００３１】以下、本実施例の有効性を示すため、発明
者が行った実験の結果について説明する。測定手段５に
採用されたＱＭＳ５０の出力は、四重極電極５１の部分
を通過したイオンによる電流であるが、この電流値の比
をそのままとってみても、ＣＦ₁，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃ の密
度が分かる訳ではない。これらの分子のイオン化断面積
が異なるからである。イオン化断面積とは、ある空間に
数密度Ｎの分子が存在し、ある空間中をある粒子が１ｃ
ｍ飛行する際に分子に衝突する回数のうち衝突によって
イオン化する回数ＴとしたときのＱ／Ｔのことであり、
イオン化が起こる確率を表している。イオン化断面積は
分子の数密度Ｎに依存するが、通常は０℃１Ｔｏｒｒに
おける値を指している。

【００３２】ＱＭＳの出力電流Ｉは、イオン化エネルギ
ー（Ｅ）の関数であり、Ｉ（Ｅ）と表せる。また、上記
イオン化断面積σもイオン化エネルギー（Ｅ）の関数で
ありσ（Ｅ）となる。このＩ（Ｅ）およびσ（Ｅ）、そ
して、イオンの密度ｎの間には、以下のような関係があ
ることが知られている。Ｉ（Ｅ）＝α β σ（Ｅ）ｎ上式において、αとβは測定機器の構造からくる比例定
数である。このうち、αは、サンプリングオリフィス５
６の排気コンダクタンスからくるものであり、Ｍ^1/2
（Ｍ：ラジカルの質量）に比例している。βは、ＱＭＳ
の質量依存性の感度要因と適用された電気技術上の要因
とに依るものである。またイオン化断面積σ（Ｅ）は、
ＣＦ₃ についてはＷｅｎｔｚｅｌによって報告されたσ
_i＝4.93x10^-18cm²の値が使用できる（R.C.Wetzel, F.A.
Baiocchi and R.S.Freund: Abstr.37th Gaseous Electr
onics Conf., Boulder Co.,(1984)）。しかし、ＣＦ₂
とＣＦ₁ のイオン化断面積についてはまだ知られていな
いため、これらの値は、既知の値である上記ＣＦ₃ のイ
オン化断面積σ_i の値とＣｅＭａらによって報告され
たＣＦ₄ のＣＦ₃ への解離イオン化断面積σ_diの値（σ
_di＝８．８４×１０^-1 ^/2ｃｍ²（２５ｅＶ），Ce Ma, M.
R.Bruce and R.A.Bonham:Phys. Rev. A44(1991)2921）
から推定して求める。これは、Ｅ1'，Ｅ2'，Ｅ3'をそれ
ぞれＣＦ₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃ のイオン化臨界エネルギー
としたとき、ＣＦ₂ ラジカル（又はＣＦ₁ ラジカル）か
らＣＦ₂ ⁺イオン（又はＣＦ₁ ⁺イオン）へのイオン化断面
積は、同じ断面積の大きさを持つイオン化臨界エネルギ
ーＥ3'からイオン化臨界エネルギーＥ2'（又はＥ1'）へ
のシフトにより得られる値に殆ど等しいとの想定に基づ
くものである。

【００３３】しかして、以下のような式に従って、ＱＭ
Ｓ出力から各ラジカルの密度を算出される。［ＣＦ₃］＝5.24x10²³・(Ion(13.0eV)-6.00x10^-11)[cm^-3] ［ＣＦ₂］＝2.34x10²³・(Ion(13.0eV)-6.80x10^-12)[cm^-3] ［ＣＦ₁］＝3.01x10²⁴・(Ion(13.0eV)-1.40x10^-11)[cm^-3] 上記各式において、ＱＭＳ出力Ｉonから、6.00x10^-11，
6.80x10^-12，1.40x10^- ¹¹の値をそれぞれ引いているの
は、ＱＭＳ内で照射される電子ビームにより発生するイ
オンによる誤差分を取り除くためである。即ち、ＱＭＳ
が検出する例えばＣＦ₃ イオンの電流値は、プラズマに
よって生成された目的とするＣＦ₃ ラジカルのイオンに
よる電流の他、ＱＭＳ内での電子ビームの照射によって
親分子であるＣ₄Ｆ₈から直接イオン化されたＣＦ₃ イオ
ンによる分も含まれる。従って、ＱＭＳ出力をそのまま
用いると、このようなプラズマ空間に実際には存在しな
いＣＦ₃ まで数に数えることになってしまうからであ
る。このようなＱＭＳ内で発生するＣＦ₃ イオンによる
電流値は、放電をオフにしてプラズマを解消した状態の
ＱＭＳ出力に等しい。そのため、この放電をオフにした
状態でのＱＭＳ出力の値を、放電をオンにしてプラズマ
を形成した状態でのＱＭＳ出力(Ion) から引いているの
である。

【００３４】尚、測定に使用される電子のイオン化エネ
ルギーＥＥについては、特別な注意が必要である。とい
うのは、測定空間に存在するＣＦ₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃ の
各分子のうち、これらの分子のラジカルのみをイオン化
させなければならず、基底状態にある分子をイオン化さ
せたり、また基底状態にある分子を励起してラジカルに
しまったりすることがないようにしておかなければなら
ない。イオン化エネルギーを増加させた際のＱＭＳの出
力電流の立ち上がりから、ＣＦ₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃ の各
ラジカルのイオン化エネルギーのしきい値は、それぞれ
１０．８ｅＶ，１２．５ｅＶ，１１．２ｅＶであると判
断される。一方、１３．８ｅＶのエネルギーにより、Ｃ
₂Ｆ₄のビラジカルからＣＦ₁ のラジカルが生成されてし
まう。従って、使用可能なイオン化エネルギーは、１
２．５ｅＶより大きく１３．８ｅＶより小さいエネルギ
ーであり、１３．０ｅＶ程度のエネルギーが好適に採用
される。

【００３５】図５、図６、図７、図９及び図１０は、得
られたＱＭＳの出力電流の値から上記計算に従って算出
した各ラジカルの密度をグラフ化したものである。ま
ず、図５は、Ｃ₄Ｆ₈中の水素ガス濃度をパラメーターと
した各ラジカルの密度の測定結果を示した図である。図
５から分かる通り、ＣＦ₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃の各ラジカ
ルの総量は、水素濃度が増加するに従って即ちＣ₄Ｆ₈を
より希釈化するに従って減少している。しかしながら、
ＣＦ₁ の減少の度合いは、ＣＦ₂ のそれより大きいよう
に見える。ＣＦ₁ ラジカルは、容器の内壁への重合膜の
堆積に部分的に使用されるようである。ＣＦ₃ ラジカル
密度は小さい値に保たれ、めぼしい変化を示していな
い。

【００３６】また、図６は、全圧力をパラメーターとし
た場合のＣＦ₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃ の各ラジカルの密度の
測定結果を示した図である。図６から分かる通り、ＣＦ
₁ ラジカル密度及びＣＦ₂ ラジカル密度ともに、全圧力
の増加即ちガス分子の総量の増加に伴って増加してい
る。この図６で注目されるべきは、ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジ
カル密度比が１０ｍＴｏｒｒ付近において最大値を示し
ていることである。また図７は、高周波電力をパラメー
ターとした場合のＣＦ₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃の各ラジカル
の密度の変化を示した図である。図７から分かるよう
に、高周波電力を増大させると、Ｃ₄Ｆ₈のみあるいは３
０％の水素を添加したいずれの場合も、ＣＦ₂ ラジカル
が減少するのと対照的に、ＣＦ₁ は険しく上昇する。こ
のＣＦ₁ の上昇は、ＣＦ₂ の解離から生じたものと考え
られる。なお、図６及び図７におけるＣＦ₃ ラジカル密
度は低く、同様に変化していない。

【００３７】図８は、コンタクトホールのような深い溝
のエッチングをシミュレーションするため、特にそのよ
うなエッチングにおける水素添加の効果を確かめるため
になされた実験の説明図である。具体的には、図４に示
すようなサンプリングオリフィス５６の内側に、溝をシ
ミュレートした細管５６３を配置して実験を行った。細
管５６３は、コンタクトホール等のアスペクト比の変更
に相当するものとして、１０ｍｍから３０ｍｍの長さの
異なるものが用意され、これらをロードロックシステム
を経由して取り替えて実験は行われた。これらの細管５
６３は、石英製で内径が１．５ｍｍ程度のものである。
尚、図８に示すように、細管５６３の先端はオリフィス
孔を臨むオリフィス板５６１の開口内に位置しており、
細管５６３の先端とオリフィス板５６１の開口との間に
はシリコンラバーよりなるシール材５６４が介在されて
いる。

【００３８】図９は、図８の装置を使用して細管５６３
のアスペクト比をパラーメーターとした場合のＣＦ₁ ，
ＣＦ₂ ，ＣＦ₃ の各ラジカルの密度の測定結果を示した
図である。Ｃ₄Ｆ₈のみの場合、細管５６３の長さ即ちア
スペクト比を増加させると、ＣＦ₂ ラジカル密度は殆ど
急落を見せていない。これに対し、ＣＦ₁ ラジカル密度
は急激に低下した。これは、ＣＦ₂ ラジカルの活性は低
くて重合膜の堆積に貢献しないこと、及び、ＣＦ₁ ラジ
カルが重合膜堆積の主要な前駆体であることを意味して
いる。しかしながら、３０％の水素を添加した場合、ア
スペクト比の増加に対するＣＦ₁ ラジカルの減少の度合
いは、Ｃ₄Ｆ₈のみの場合に比べ緩やかである。同時にＣ
Ｆ₂ ラジカル密度は変化していない。この結果から、細
管５６３の内面（コンタクトホールの内壁面に相当）へ
のＣＦ₁ の付着確率は、水素の存在下減少するようであ
る。

【００３９】次に、Ｓｉ表面への重合膜の堆積のメカニ
ズムをさらに詳しく調べるため、シリコン基板をプラズ
マ中に晒す実験を行った。基板には、−２０ｅＶの浮遊
電位又は−３００Ｖの自己バイアス電圧（Ｖdc）が与え
られた。この自己バイアス電圧は、いわゆるイオン衝撃
法の効果を確認するためのものである。これは、自己バ
イアス電圧によってプラズマ中の正イオンが基板に衝突
し、この衝突のエネルギーによって膜堆積が促進される
効果のことである。自己バイアス電圧は、前述したバイ
アス用高周波電源４１が与える高周波電力とプラズマと
の相互作用によって与えれる。また一方、導入するガス
はＣ₄Ｆ₈のみ又はＣ₄Ｆ₈＋３０％Ｈ₂ とした。

【００４０】この実験の結果を示したのが、図１０であ
る。図１０は、上記のように形成されたプラズマに３分
間晒されたシリコン基板の表面をＸ線電子分光法（ＸＰ
Ｓ）により測定した結果を示すものである。図１０に示
すように、Ｃ₄Ｆ₈のみのプラズマでは、Ｃ−Ｃのピーク
の隣りにＣＦ₁ 、ＣＦ₂ 及びＣＦ₃ のピークが観察さ
れ、これらのフッ化炭素による重合膜が形成されている
ことが分かる。また、Ｃ₄Ｆ₈の場合には、浮遊電位（−
２０ｅＶ）と自己バイアス電圧（−３００Ｖ）との間で
ピークの状態は大きな変化を示していない。一方、Ｃ₄
Ｆ₈＋３０％Ｈ₂ のプラズマによると、Ｃ−Ｃの高いピ
ークが観察され、高カーボン重合膜が形成されているこ
とが分かる。特に、自己バイアス電圧を印加した場合だ
けでなく浮遊電位に保持しただけの場合でさえ高カーボ
ン重合膜が形成されることが示されている。これらの結
果は、高カーボン重合膜の形成には、イオン衝撃は特に
影響を及ぼさず、ガス組成が重要な要因であることを示
している。

【００４１】次に、上述のような高カーボン重合膜が、
コンタクトホールのような深い溝の底面のシリコン表面
においても堆積するかどうかを確かめるたために行われ
た実験について説明する。表面に堆積した膜の分析は、
図１０の実験例と同様に、ＸＰＳによって行われた。但
し、底部表面は非破壊的に検出することが困難であるの
で、ある模擬実験が行われた。

【００４２】この実験では、高アスペクト比の細孔を設
けた板状の部材（以下、細孔プレート）をシリコン基板
の上に配置し、次にこの細孔プレートでマスクされたシ
リコン基板の表面をプラズマに晒してエッチングし、最
後にプレートを取り除いてシリコン基板の表面をＸＰＳ
で測定するようにした。用いられた細孔プレートとして
は、市販のＨＡＭＡＭＡＴＳＵ：Ｊ５０２２−１１が使
用された。図１０の実験と同様に、基板上の細孔プレー
トには、バイアス用高周波電源４１によって自己バイア
ス電圧Ｖdcが与えられた。ただ、ヘリコン波プラズマの
ような高密度プラズマ中では、短いデバイ長による高い
シース容量のため、Ｖdcを印加するのは困難である。１
００ｋＨｚの高周波が印加されたステージ４に高いＶdc
を印加するため、細孔プレートが配置されたエリアを除
いて厚い重合膜でステージの表面を被うことにより、ス
テージの表面エリアを減少させ、これによって−３００
ＶのＶdcを細孔プレートに印加した。

【００４３】このようにして行った実験の結果を示した
のが、図１１である。図１１中、横軸は重合体の束縛エ
ネルギー、縦軸はＸＰＳの光電流強度である。図１１
中、下側の（ａ）がＣ₄Ｆ₈のみのガスの場合、（ｂ）が
Ｃ₄Ｆ₈＋３０％Ｈ₂ のガスの場合の結果をそれぞれ示
す。図１１から分かる通り、３０％水素添加の場合、フ
ッ素の混入の僅かなで高カーボン重合膜がシリコン表面
を厚く被った。Ｃ₄Ｆ₈のみの場合、シリコン表面の重合
膜からはＣＦx(x=1-3)のピークが観察され、高い濃度で
フッ素混入があったことを示している。

【００４４】図１２は、上記図１１の実験において細孔
プレートをマスクにしてエッチングを試みたシリコン基
板の表面の状態を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し
た結果を示す図である。このうち（ａ）がＣ₄Ｆ₈のみの
ガスを使用した場合、（ｂ）がＣ₄Ｆ₈＋３０％Ｈ₂ のガ
スを使用した場合の結果をそれぞれ示している。図１２
（ａ）（ｂ）にはそれぞれシリコン表面への重合膜の堆
積が示されているが、（ａ）の場合、重合膜を除去する
と、シリコン表面がエッチングされて削られていること
が確認された。一方、（ｂ）の場合、重合膜を除去する
と平坦なシリコン表面が現れ、重合膜中の材料によるエ
ッチングは行われていないことが確認された。（ａ）の
場合のシリコンのエッチングは、シリコン表面に堆積し
た重合膜が多量のフッ素を含んでいるために生じたもの
である。また、Ｃ₄Ｆ₈＋３０％Ｈ₂ の条件における高カ
ーボン薄膜の生成は、水素ラジカルが深いホールを通り
抜けて底部表面にまで達することを示している。

【００４５】最後に、ＳｉＯ₂ ／Ｓｉの選択エッチング
に対する総ガス流量の条件の影響度を調べるための実験
について説明する。図１３は、総ガス流量をパラメータ
ーとしてエッチング条件を調べた結果の図である。図１
３（ａ）は、総ガス流量をパラメーターとした場合のＳ
ｉＯ₂ ，Ｓｉエッチング速度と選択性の変化を、（ｂ）
は同じく総ガス流量をパラメーターとした場合のＣ
Ｆ₁，ＣＦ₂，ＣＦ₃ の各ラジカル密度の変化を、（ｃ）
は同じく総ガス流量をパラメーターとした場合のＣ−Ｃ
／ＦのＸＰＳ光電流強度比を、それぞれ示している。
尚、これらの実験は前述した細孔プレートを使用した方
法と同様な方法で行われた。

【００４６】まず図１３（ａ）において、総ガス流量が
減少した場合のシリコンのエッチング速度の増加は、高
密度プラズマ中へのＨＦの滞留時間が増加してＨＦの再
解離が促進されたためと理解される。また、ＳｉＯ₂ の
エッチング速度は４０ｓｃｃｍの総ガス流量において最
大値を持っており、これ以上総ガス流量を増加させると
逆にエッチング速度は減少する。これは、あまりにガス
の量が多くなるため、ＳｉＯ₂ 表面上においても厚い重
合膜の堆積が避けられなくなったためと考えられる。ま
た、図１３（ｂ）において、ＣＦ₁ とＣＦ₂ の双方のラ
ジカル密度とも、総ガス流量を増加させると増加したけ
れども、ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル密度比は点線で描かれ
たように４０ｓｃｃｍ付近で最大値を持った。また、図
１３（ｃ）において、Ｃ−Ｃ／ＦのＸＰＳ光電流強度比
は、大体４０ｓｃｃｍの総ガス流量の条件で最大値を示
している。これは、この流量条件において最もカーボン
含有率の高い即ちフッ素含有率の少ない重合膜が得られ
ることを示している。

【００４７】さて、図１３の（ａ）（ｂ）（ｃ）の対比
から特筆すべきことは、（ｂ）においてＣＦ₁ ／ＣＦ₂
ラジカル密度比を得た総ガス流量値（４０ｓｃｃｍ付
近）と殆ど同じ総ガス流量値において（ｃ）のＣ−Ｃ／
ＦのＸＰＳ光電流強度比も最大値を示していることであ
る。さらに、この総ガス流量値付近において（ａ）中の
ＳｉＯ₂ のエッチング速度も最大値を得ている。これら
の事実は、ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル密度比が最も高くな
る流量でガスを流すようにしておけば、シリコン表面に
堆積する重合膜の炭素含有率が最も高くなり、ＳｉＯ₂
のエッチング速度も最も速くできることを意味してい
る。

【００４８】なお、図１３の（ａ）のＳｉＯ₂ ／Ｓｉ選
択性のデータからは、７０ｓｃｃｍ付近で選択性が最大
値を取っているので、この流量条件の方が有利なように
思える。しかし、わずかに流量が増えた８０ｓｃｃｍ付
近においてＳｉＯ₂ のエッチング速度がゼロ（エッチン
グ停止）になってしまっており、この条件は非常に危険
である。これに対し、上述した総ガス流量４０ｓｃｃｍ
程度の条件では、最も高いＳｉＯ₂ のエッチング速度が
得られるとともにＳｉＯ₂ ／Ｓｉ選択性も２０程度と充
分な値が得られる。

【００４９】本実施例が、請求項１記載の発明のように
「ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル密度比」に着目してシリコン
酸化物の選択エッチングを行うのは、以上のような実験
結果の評価に基づくものである。つまり、上述したよう
に、「ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル密度比」を測定して、こ
れが最大値を取るようにエッチング条件を制御すること
で、シリコン酸化物のエッチング速度を損なうことなく
充分な選択性が可能になるのである。

【００５０】次に、図１に戻って具体的な制御系の構成
について説明する。エッチング条件を制御する制御部６
は、上記測定手段５からの信号が入力される入力部６１
と、入力部６１からの信号を処理して所定の演算を行う
演算処理部６２と、演算結果等を記憶する記憶部６３
と、演算処理部６２の演算結果に基づいて制御信号を出
力する出力部６４等から主に構成されている。また、制
御部６には、反応容器１に設けられた不図示の真空計の
測定信号及びガス導入手段２に設けられた不図示の流量
計の測定信号が入力されるよう構成されている。

【００５１】まず、ＱＭＳ５０からの信号はアナログ信
号であるため、入力部６１は所定のＡ／Ｄ変換回路を含
んでいる。演算処理部６２は、入力部６１からの信号を
演算処理してＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル密度比を逐次算出
し、ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル密度比が最大となった圧力
値やガス流量値等のエッチング条件のデータを記憶部６
３に記憶するよう構成されている。出力部６４は、記憶
部６３に記憶されたエッチング条件に基づき、圧力調整
器としてのバリアブルオリフィス１３２や流量調整器と
してのマスフローコントローラ２１３，２２３等に制御
信号を送るよう構成されている。

【００５２】尚、制御部６は、ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル
密度比を測定してのエッチング条件の制御の他、装置の
各部分の動作を制御する制御手段の役割も兼ねている。
その他、図１の装置は、ゲートバルブ１５を通して基板
を出し入れする基板搬送系７や、エッチング終了すべき
タイミングを検出する不図示のエッチング終点検出機構
等が設けられている。

【００５３】次に、上記構成に係る本実施例のプラズマ
エッチング装置の動作について説明する。基板搬送系７
は、シリコン酸化物が表面に形成された基板１０をゲー
トバルブ１５を通して拡散チャンバ１２内に搬入し、ス
テージ４上に載置する。ゲートバルブ１５が閉じて排気
系１３が動作し、拡散チャンバ１２内を１×１０^-5Ｔｏ
ｒｒ程度まで排気する。次に、ガス導入手段２が動作し
て、ＣＦ₄／Ｈ₂の混合ガスを５０ｓｃｃｍ程度の流量で
拡散チャンバ１２内に導入する。導入された混合ガス
は、ソースチャンバ１１内に拡散しソースチャンバ１１
内を満たす。排気系１３に設けられたバリアブルオリフ
ィス１３２を調整して、反応容器１内の圧力を１０ｍＴ
ｏｒｒ程度とする。並行してＱＭＳ排気系５７も動作し
ており、ＱＭＳ５０の内部が１×１０^-5Ｔｏｒｒ程度と
なるよう排気する。

【００５４】この状態でプラズマ発生手段３が動作し、
ソースプラズマ発生用用高周波電源３２からアンテナ３
１に高周波が送られ、アンテナ３１からソースチャンバ
１１内に導入される。導入された高周波は、ソースチャ
ンバ１１内に存在する混合ガスを電離させてプラズマを
形成し、このプラズマ中においてＣＦ₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ
₃ 等のラジカルが生成される。生成されたラジカルは、
拡散チャンバ１２内に拡散して基板１０に達し、基板１
０の表面のシリコン酸化物をエッチングする。そして、
不図示のエッチング終点検出機構がエッチング終了のタ
イミングを検出すると、プラズマ発生手段３及びガス導
入手段２の動作が停止し、排気系１３が再び反応容器１
内を排気した後、基板搬送系７が基板１０を反応容器１
から取り出す。

【００５５】次に、上記エッチング動作において行われ
る「ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル密度比を最大化させる制
御」について説明する。「ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル密度
比を最大化させる制御」は幾通りか考えられるが、基本
的には、ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル密度比を測定して最適
なエッチング条件を見いだして記憶し、その条件を再現
してエッチング処理を行うものである。具体的には、エ
ッチング処理の前やエッチング処理の合間にＣＦ₁ ／Ｃ
Ｆ₂ ラジカル密度比の測定を行う。即ち、必要に応じて
ダミーの基板をステージ４上に載置して前述と同様にガ
スを導入してプラズマを形成し、プラズマ中で生成され
たＣＦ₁ 及びＣＦ₂ のラジカルを前述のように測定す
る。そして、測定結果を制御部６に送ってＣＦ₁ ／ＣＦ
₂ ラジカル密度比が最大となる圧力値や流量値を算出す
る。

【００５６】例えばＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル密度比が最
大となる圧力値を算出する場合、制御部６から圧力調整
器としてのバリアブルオリフィス１３２に信号を送って
反応容器１内の圧力を例えば５〜２０ｍＴｏｒｒ程度の
範囲で変化させ、その際のＣＦ₁ ，ＣＦ₂ の各ラジカル
の密度を逐次算出する。そして、ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカ
ル密度比が最大値を持ったと判断される圧力値を、制御
部６内に設けられた記憶部６３に記憶する。尚、もしそ
の圧力範囲内で最大値を持たなかった場合、変化させる
圧力範囲を広くしたりずらしたりして再度測定及び算出
を行うようにする。

【００５７】また流量値を算出する場合も同様であり、
制御部６から流量調整器としてのマスフローコントロー
ラ２１３，２２３に信号を送って例えば１０〜１００ｓ
ｃｃｍ程度の範囲で流量を変化させ、その際のＣＦ₁ ／
ＣＦ₂ ラジカル密度比を逐次算出してＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラ
ジカル密度比が最大値となる流量値を求め、これを記憶
部６３に記憶する。さらに、混合比も同様であって、マ
スフローコントローラ２１３，２２３に信号を送って混
合比を変化させ、ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル密度比が最大
値となる混合比を求めて記憶部６３に記憶する。

【００５８】このようにして記憶された圧力値，流量
値，混合比等のデータに基づき、本番のエッチング処理
においてＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル密度比が最大となるエ
ッチング条件を再現する。即ち、前述のように基板をス
テージ４上に配置して排気系１３及びガス導入手段２を
動作させる。その際、制御部６は、記憶部６３に記憶さ
れた圧力値や流量値、混合比等のデータを読み出し、そ
のような圧力値，流量値，混合比等になるように、圧力
調整手段としてのバリアブルオリフィス１３２や流量調
整器及び混合比調整器としてのマスフローコントローラ
２１３，２２３に信号を送って制御する。これによって
ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル密度比が最大となる最適エッチ
ング条件が再現され、前述の通りシリコン酸化物の高選
択エッチングが可能となる。

【００５９】また、上記最適エッチング条件を再現して
のエッチングの際、反応容器１に設けられた不図示の真
空計によって反応容器１内の圧力をフィードバック制御
すると好適である。即ち、真空計の測定値を制御部６に
送り、最適エッチング条件を達成する圧力値になるよう
に制御部６がバリアブルオリフィス１３２をフィードバ
ック制御するようにする。これによって、外乱等により
最適エッチング条件が満足されなくなることが防止され
る。同様に、ガス導入手段２に設けられた不図示の流量
計の測定値を制御部６に送り、上記記憶されたガス流量
になるようにマスフローコントローラ２１３，２２３を
フィードバック制御すると好適である。さらに、エッチ
ング処理中にＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル密度比を算出し
て、その値が上記エッチング処理の前や合間に測定され
た値と比較して、ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル密度比が予定
された最大値になっているかどうかをモニターするよう
にしてもよい。

【００６０】参考までに説明すると、上記ＣＦ₁ ／ＣＦ
₂ ラジカル密度比を最大化させるエッチング条件は、経
時的に変化する場合がある。例えば、図１の装置で高周
波を１３．５６ＭＨｚ１０００Ｗとし、ガスをＣＦ₄ ＋
５０％のＨ₂ のガスを５０ｓｃｃｍの流量で導入したエ
ッチング条件では、当初は１０ｍＴｏｒｒの圧力でＣＦ
₁ ／ＣＦ₂ のラジカル密度比が最大になったが、１８０
秒程度の同様なエッチング処理を５回程度繰り返した後
では、ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル密度比の最大値は低圧側
にシフトし、７ｍＴｏｒｒ付近で最大となった。この原
因は必ずしも明確ではないが、エッチングを繰り返すこ
とによって反応容器１の内壁面に重合膜が形成され、こ
の重合膜からＣＦ₂ やＣＦ₃ 等のフッ化数の高い分子が
放出されたか、もしくは重合膜によってそのようなフッ
化数の高い気体ガス分子の内壁面での損失が低減された
かに起因しているものと予想される。いずれにしろ、こ
のようにＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル密度比は経時的に変化
する場合があるので、上述のようにエッチング処理の前
やエッチング処理の合間にＣＦ₁ 及びＣＦ₂ の各ラジカ
ル密度を測定し、ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル密度比を最大
化させるエッチング条件を頻繁に見い出しておくことは
非常に重要である。

【００６１】前述した実施例では測定手段５として四重
極質量分析計（ＱＭＳ）を採用したが、これに限られる
ものではなく、タンデム型質量分析計、飛行質量分析計
（ＴＯＦ）等の他の質量分析計も採用可能である。た
だ、ＱＭＳは小型で測定動作が簡便であり、本願発明の
実施に最も適しているといえよう。また、プラズマ発生
手段３としては、前述したヘリコン波プラズマを形成す
るもの以外にも、ＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｒ
ｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ，電子サイクロトロン
共鳴）放電を利用したプラズマ発生手段、放電空間の容
量で高周波回路を結合した容量結合型のプラズマ発生手
段、反応容器の周囲に配置した高周波コイルや反応容器
内に挿通した高周波アンテナを使用したプラズマ発生手
段、さらには直流二極放電を利用するプラズマ発生手段
等が採用可能である。

【００６２】さらに、導入されるガスとしては、ＣＦ₄
にＨ₂ を添加したガスが使用されたが、ＣＦ₄ にＣＨＦ
₃ 等のフッ化炭化水素化合物のガスを添加するようにし
てもよいし、ＣＨＦ₃ 等のフッ化炭化水素化合物のみを
使用してもよい。尚、「フッ化炭素系ガス」としては、
このようなフッ化炭化水素化合物のガスの他、Ｃ₂Ｆ₆，
Ｃ₃Ｆ₈，Ｃ₄Ｆ₁₀ ，ＣＨ₂Ｆ₂，ＣＨ₃Ｆ，Ｃ₂ＨＦ₅，Ｃ
₂Ｈ₂Ｆ₄ 等が挙げられる。また、エッチング処理を施す
基板１０としては、ＬＳＩを製作する際の半導体ウエハ
や液晶ディスプレイを製作する際の液晶基板等が想定さ
れる。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、本願の請求項１，
４又は６の発明によれば、ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ ラジカル密度
比の測定結果に基づいてエッチング条件が制御されるの
で、シリコン酸化物の高選択エッチングが常時可能とな
る。また、請求項２の発明によれば、上記請求項１，４
又は６の効果に加え、選択エッチングが最適化される条
件で反応容器内の圧力がフィードバック制御されるの
で、反応容器内の圧力が外乱によって変化した場合でも
高選択エッチングを維持することが可能となるという効
果が得られる。また、請求項３の発明によれば、上記請
求項１，２，４又は６の効果に加え、選択エッチングが
最適化される条件でガス流量がフィードバック制御され
るので、ガス流量が外乱によって変化した場合でも高選
択エッチングを維持することが可能となるという効果が
得られる。また、請求項５の発明によれば、上記請求項
１，２，３，４又は６の効果に加え、選択エッチングが
最適化される条件でガスの混合比がフィードバック制御
されるので、混合比が外乱によって変化した場合でも高
選択エッチングを維持することが可能となるという効果
が得られる。また、請求項７の発明によれば、上記請求
項６の効果に加え、小型で測定動作が簡便なＱＭＳが使
用されるので、装置全体の小型化及び測定系の構成の簡
素化に寄与するという効果が得られる。さらに、請求項
８の発明によれば、上記請求項７の効果に加え、イオン
化エネルギー調整機構を備えているので、必要なラジカ
ルのみを精度よく抽出して測定することが可能となり、
測定結果を使用した制御の精度向上に貢献するという効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の実施例のプラズマエッチング装置の
構成を説明する側概略面図である。

【図２】図１に示すプラズマエッチング装置のうちの反
応容器の部分の断面概略図である。

【図３】図１のＱＭＳにおけるイオン化エネルギー調整
機構の説明図であり、ＱＭＳにおけるイオン化部の構成
の概略を示したものである。

【図４】図１の装置に採用されたサンプリングオリフィ
ス及び不要荷電粒子除去機構の詳細を説明する断面概略
図である。

【図５】ＣＦ₁，ＣＦ₂，ＣＦ₃ の各ラジカルの密度を四
重極質量分析計よりなる測定手段で測定した結果の図で
あって、Ｃ₄Ｆ₈中の水素ガス濃度をパラメーターとした
各ラジカルの密度の測定結果を示した図である。

【図６】全圧力をパラメーターとした場合のＣＦ₁，Ｃ
Ｆ₂，ＣＦ₃ の各ラジカルの密度の測定結果を示した図
である。

【図７】高周波電力をパラメーターとした場合のＣ
Ｆ₁，ＣＦ₂，ＣＦ₃ の各ラジカルの密度の測定結果を示
した図である。

【図８】コンタクトホールのような深い溝のエッチング
をシミュレーションするため、特にそのようなエッチン
グにおける水素添加の効果を確かめるためになされた実
験の説明図である。

【図９】細管のアスペクト比をパラーメーターとした場
合のＣＦ₁，ＣＦ₂，ＣＦ₃ の各ラジカルの密度の変化を
示す図である。

【図１０】プラズマに３分間晒されたシリコン基板の表
面をＸ線電子分光法（ＸＰＳ）により測定した結果を示
すものである。

【図１１】細孔プレートをシリコン基板の上に配置して
行った実験の結果を示した図である。

【図１２】図１１の実験において細孔プレートをマスク
にしてエッチングを試みたシリコン基板の表面の状態
を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した結果を示す
図である。

【図１３】ガス流量をパラメーターとしてエッチング条
件を調べた結果の図である。

【符号の説明】

１反応容器１０基板１３排気系１３２バリアブルオリフィス２ガス導入手段２１３マスフローコントローラ２２３マスフローコントローラ３プラズマ発生手段４ステージ５測定手段５０四重極質量分析計５３３イオン化エネルギー調整用電源６制御部

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成７年９月２０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２２】測定手段５としては、本実施例では、四重
極質量分析計（ＱｕａｄｒｕｐｏｌｅＭａｓｓＳｐ
ｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，以下ＱＭＳと略す）５０が採用
されている。ＱＭＳは、測定空間の残留ガスを分析する
ために開発されたもので、対角上に平行に配置した四本
の円柱状の電極（以下、四重極電極）５１の間にイオン
化させた所定の粒子のみを通過させるようにして測定す
るものである。四重極電極５１の手前には、測定する粒
子をイオン化させるための後述するイオン化部５００が
配置されている。ＱＭＳ５０に入射した粒子は、イオン
化部５００によってイオン化した後、四重極電極５１に
よって囲まれた通路内に進入する。そして、所定のイオ
ン化粒子のみが四重極電極５１の間を通過できるように
なっている。四重極電極５１を通過した位置には、二次
電子倍増管等の検出素子５０１が配置されており、通過
したイオン化粒子は検出素子によって検出されそのイオ
ン化粒子の量が測定される。四重極電極５１の部分を通
過できるイオン化粒子は、四重極電極５１に与えられる
双曲線電界の大きさに応じた所定のＭ／ｅ（Ｍは質量，
ｅは電荷量）を有するもののみであり、双曲線電界の大
きさを制御することによって通過させるイオン化粒子を
選択することができる。このようなＱＭＳ５０として
は、例えば日電アネルバ株式会社製四重極質量分析計の
型式３６０が採用可能である。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２３】このようなＱＭＳ５０は、イオン化エネル
ギー調整機構を備えている。図３は、図１のＱＭＳ５０
におけるイオン化エネルギー調整機構の説明図であり、
ＱＭＳにおけるイオン化部５００の構成の概略を示した
ものである。図１に示すイオン化部５００は、四重極電
極５１への入射位置の手前に配置されたものであり、測
定粒子をイオン化させるための電子を放出するフィラメ
ント５２と、フィラメント５２から放出される電子を加
速する電子加速電極５３と、イオン化した粒子を四重極
電極５１で囲まれた空間に加速して入射させるためのイ
オン加速電極５４とから主に構成されている。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２６】このような測定手段５を構成するＱＭＳ５
０は、サンプリングオリフィス５６、不要荷電粒子除去
機構及びＱＭＳ排気系５７等とともに設けられている。
サンプリングオリフィス５６及びＱＭＳ排気系５７は、
ＱＭＳ５０内の圧力を低く維持するために設けられたも
のである。ＱＭＳ５０内の圧力は１０^−６Ｔｏｒｒ程度
以下に保持する必要があり、拡散チャンバ１２内の圧力
がこれよりも高い場合には、ＱＭＳ５０の内部を差動排
気する必要がある。サンプリングオリフィス５６は、前
述したフランジ１２５の端面に配置されており、オリフ
ィス開口の大きさは０．５ｍｍ程度である。測定粒子
は、このオリフィス開口を通ってＱＭＳ５０に入射する
ようになっている。尚、拡散チャンバ１２の側壁からサ
ンプリングオリフィス５６までの距離は６ｃｍ程度とな
っている。また、ＱＭＳ５０に設けられたＱＭＳ排気系
５７は、粗引き用の油回転ポンプ及び主排気用のターボ
分子ポンプ等を備え、４×１０^−８Ｔｏｒｒ程度の到達
圧力まで排気できるよう構成されている。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排気系を備えた反応容器と、この反応容
器内にフッ化炭素系ガスを導入するガス導入手段と、導
入されたガスによってプラズマを反応容器内に発生させ
るプラズマ発生手段とを有し、フッ化炭素系ガスのプラ
ズマによってシリコンの酸化膜をエッチングするプラズ
マエッチング装置において、プラズマ中で生成される一
フッ化炭素ラジカルと二フッ化炭素ラジカルとの数密度
の比を測定する測定手段と、この測定手段の測定結果に
基づきエッチング条件を制御する制御部とを備えたこと
を特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項２】前記反応容器は、当該反応容器内の圧力
を調整する圧力調整器を備え、前記制御部は、この圧力
調整器に信号を送って二フッ化炭素ラジカルに対する一
フッ化炭素ラジカルの数密度の比が最大となるように制
御するものであることを特徴とする請求項１記載のプラ
ズマエッチング装置。
【請求項３】前記ガス導入手段は、導入するガスの流
量を調整する流量調整器を備え、前記制御部は、この流
量調整器に信号を送って二フッ化炭素ラジカルに対する
一フッ化炭素ラジカルの数密度の比が最大となるように
制御するものであることを特徴とする請求項１又は２記
載のプラズマエッチング装置。
【請求項４】前記フッ化炭素系のガスに水素ガス又は
水素元素を有するフッ化炭素化合物のガスが混合されて
いることを特徴とする請求項１、２又は３記載のプラズ
マエッチング装置。
【請求項５】前記ガス導入手段は、導入するガスの混
合比を調整する混合比調整手段を備え、前記制御部は、
この混合比調整手段を二フッ化炭素ラジカルに対する一
フッ化炭素ラジカルの数密度の比が最大となるように制
御するものであることを特徴とする請求項４記載のプラ
ズマエッチング装置。
【請求項６】前記測定手段は、反応容器内に存在する
気体の種類とその量を質量分析によって測定する質量分
析計であることを特徴とする請求項１、２、３、４又は
５記載のプラズマエッチング装置。
【請求項７】前記質量分析計は、四重極質量分析計で
あることを特徴とする請求項６記載のプラズマエッチン
グ装置。
【請求項８】前記四重極質量分析計は、イオン化エネ
ルギー調整機構を備えていることを特徴とする請求項７
記載のプラズマエッチング装置。