JPH09115880A

JPH09115880A - ドライエッチング装置

Info

Publication number: JPH09115880A
Application number: JP7266679A
Authority: JP
Inventors: Kinya Kobayashi; 金也小林
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-10-16
Filing date: 1995-10-16
Publication date: 1997-05-02

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマを利用したドライエッチング装置のウ
エハ表面上での表面処理反応の面上の不均一性を削減す
るための、面上の表面処理反応を制御可能な手段を提供
する。【解決手段】ドライエッチング装置で、ガス供給手段１
０とガス供給手段１１に炭素とハロゲン元素をふくむ分
子で構成された異なるエッチング性能を有するガスを導
入し、ホルダ３上にあるウエハ４面上のエッチング反応
をガス種の混合比で調節で制御し、均一ガス吹き出し法
で生じる可能性があるウエハ４の表面上のエッチング反
応の不均一性を是正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波あるい
は誘導結合の高周波と供給ガスを用いてプラズマを発生
させ、そのプラズマにより基板に表面処理を行うプラズ
マ処理装置に係り、特に、基板上のウエハのエッチング
を行うドライエッチング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ドライエッチング技術（産業図
書）に記述されているように酸化膜をエッチングするた
めのプラズマ処理は現在最も難度の高い技術である。そ
のようなプラズマ処理では、しばしば、フッ素と炭素等
からなるフルオロカーボン系のガスが反応ガスとして用
いられる。特にシリコン窒化膜をストッパとして用いる
場合には、シリコン窒化膜上で堆積性の高い炭素元素の
高含有率ガスを使用し、できる限り下地のエッチングを
抑止する。シリコン窒化膜は、シリコン酸化膜より炭素
を多く含むラジカルの吸着性が高く、表面上に保護膜を
作り、エッチングされにくい。一方、酸化膜への炭素を
多く含むラジカルの付着性は低く、フッ素を多く含むラ
ジカルの表面反応と、プラズマ内のイオン照射により、
酸化膜のエッチングが促進させる。この場合、（シリコ
ン酸化膜のエッチング速度）／（窒化酸化膜のエッチン
グ速度）＝選択比が大きな値を持つ。このとき、プラズ
マ発生環境の違い等により供給ガスの解離度が変化して
フッ素の比率が高いラジカルが多くなると、エッチング
が促進し、膜のエッチング速度が高くなる。逆に炭素の
比率が高いラジカルが多くなると、保護膜の成長速度が
増加し、膜のエッチング速度が低くなる。

【０００３】エッチング速度，選択比のウエハ上での不
均一性は、半導体の生産性を落すので装置全体のスルー
プットを大きく左右する。このため、ウエハ上での表面
処理の反応速度の均一化は重要な技術課題である。とこ
ろが、近年のウエハの大面積化に伴い、プラズマを利用
したエッチング装置の表面処理反応速度が、以下の３種
類の（混合）過程により、ウエハ面上で不均一となる可
能性がある。（１）プラズマ内の電子が中心集中とな
り、分子の解離度は中央部が周辺部より高い。このた
め、周辺部では中央部にくらべ解離度が低いラジカルが
多く発生する。(２)エッチング反応により発生し、付着
性の高いＳｉＦｎ等の生成物が付着する部分は、中央部
が周辺部より多い。このため、保護膜が中央部で厚くな
る。（３）基板に与えるバイアス電流の不均一性で中央
部で入射イオンの速度が小さくなる可能性がある。

【０００４】同様の課題は他のエッチング処理（ゲー
ト，メタル）でも顕在化している。

【０００５】特開昭57−102022号，特開平5−102084 号
公報で公開されている同一の供給ガスを２個所以上から
導入するプラズマ発生装置では、ウエハ面上での流量を
制御可能である。ただし、流量調整のみでは表面反応が
関係する選択比の制御は困難である。また特開昭64−58
919 号公報で公開されている２種類の供給ガスを２個所
以上から導入するプラズマ発生装置では、第２のガスと
して水素原子を含む。ただし、この水素原子は窒化膜を
エッチングするため、酸化膜のエッチングを促進し、窒
化膜のエッチングを抑制する様な上記プロセスには適さ
ない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の技
術の様に供給ガスをプラズマ内に均一に導入するドライ
エッチング装置では、エッチング速度及び選択比がウエ
ハ上で不均一な場合、それを修正するのが困難であると
いう問題があった。このウエハ上での不均一性は、半導
体の信頼・生産性に大きく影響するので、重要な課題で
ある。

【０００７】本発明の目的は、ホルダ上のウエハのエッ
チング速度，選択比の均一化を実現する手段を有するド
ライエッチング装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明は、電磁波と表面処理用のガスによりプラズ
マを発生するプラズマ発生装置と、前記ガスが導入され
るプラズマ発生室と、表面処理が行われるウエハを支え
るホルダと、前記プラズマ発生室内に前記ガスを導入す
るガス導入手段を複数種類備え、前記電磁波により生成
したプラズマを利用するドライエッチング装置で、少な
くとも炭素とハロゲン元素をふくむ分子で構成された表
面処理能力が異なるガスを異なる部位から導入する手段
を有するプラズマ発生室を備えたものである。

【０００９】好ましくはクヌーセン数（分子間衝突の平
均自由行程／装置の代表寸法）が０.０１以上に対応す
る圧力領域で処理装置を使用する。

【００１０】好ましくは、プラズマ発生室として、ホル
ダ上のウエハの中央部近くと周辺部近くに向かって、異
なる表面処理能力を持つガスが吹き付けられる様にガス
導入手段を配する。

【００１１】好ましくは、表面処理ガスとして表面をエ
ッチングするための処理用ガスを用い、ウエハの中央部
近くに向かって吹き付けるガスと周辺部近くに向かって
吹き付けるガスとして、互いにエッチング速度が異なる
ガスを配する。

【００１２】好ましくは、表面処理用のガスとして、エ
ッチング速度の大きいガスとしては相対的に（ハロゲン
元素）／（炭素元素）の比が高いガスを配する。

【００１３】好ましくは、表面処理用のガスとして、エ
ッチング速度の小さいガスとしては相対的に（ハロゲン
元素）／（炭素元素）の比が低いガスを配する。

【００１４】好ましくは、表面処理用のガスとして、エ
ッチング速度の大きいガスとしては酸素を含むガスを配
する。

【００１５】好ましくは、表面処理用のガスとして、エ
ッチング速度の小さいガスに添加するガスとしてはある
いはＨｅ、あるいはＮｅ、あるいはＡｒ、あるいは一酸
化炭素ガス、あるいは窒素ガスを配する。

【００１６】異なる導入口からガスを導入することによ
り、ウエハの面上のラジカルの流量を制御できる。特に
クヌーセン数が０.０１以上で特徴づけられる低圧領域
(２０cm寸法容器に閉じこまれた２０℃の空気の圧力＜
２５ｍTorr）では分子（ラジカル）の流れは希薄気体流
となり、ガス導入口位置の違いがウエハ面上のラジカル
流量分布に反映しやすくなる。この効果を見積もるため
に通常用いられる半導体プロセス用のプラズマ装置によ
るデポジション速度の測定及び数値計算結果を図２に示
した（圧力約３ｍTorr，クヌーセンス数＝０.１)。この
実験では同一ガスを（ａ）周辺部に吹き付けやすいリン
グ吹き出し口から導入、（ｂ）中央部に吹き付けやすい
面上吹き出し口から導入、（ｃ）両方の口から導入し
た。図１から（ｂ）の場合は比較的中央部に、（ａ）の
場合は比較的周辺部の蒸着レートが大きい事が分かる。
（ｃ）の場合は蒸着レートは低圧領域にあるため近似的
に(ａ)と（ｂ）の和となる。ラジカルの蒸着レートは酸
化膜ドライエッチングにおける保護膜の生成速度に対応
する。選択比はこの保護膜生成速度に大きく依存するた
め、本結果か選択比を面上で制御可能であることがわか
る。

【００１７】以上の検討から、表面処理用ガスの導入手
段を複数個所備えたプラズマ生成室内に導入するプラズ
マ装置で、表面処理能力が異なるガスを異なる部位から
導入することにより、面上の表面処理能力を制御可能で
ある。特にクヌーセン数が０.０１以上の低圧力ではよ
り有効に上記手段が働く。

【００１８】従って、異なるガス導入口から導入するガ
スの種類を調整することにより、表面処理速度を均一化
できる。

【００１９】また、ウエハの中央部近くと周辺部近くに
向かって、異なる表面処理能力を持つガスを吹き付ける
事により、ウエハ中央部近くと周辺部近くの表面処理速
度を調節・補正できる。

【００２０】このとき、表面処理ガスとしてエッチング
するための処理用ガスを用い、中央部と周辺部近くに向
かって、エッチング速度が異なるガスを吹き付ける事に
より、ウエハ中央部近くと周辺部近くのエッチング速度
を調節・補正できる。

【００２１】このとき、炭素とハロゲン元素で構成され
た分子からなる処理ガスを用いているが、相対的に炭素
元素／ハロゲン元素の比が高いガスは、エッチレートが
高くなり、この比率の調整でエッチレートを制御でき
る。

【００２２】この場合、さらに、酸素ガスの添加によ
り、エッチレートが高くなり、Ｈｅ、あるいはＮｅ、あ
るいはＡｒ、あるいは一酸化炭素ガス、あるいは窒素ガ
スの添加によりエッチレートが低くなるため、この添加
量の調整でエッチレートを制御できる。

【００２３】このようにして、異なる導入口から導入す
るガスの種類の調節をして、ウエハ面上の表面処理速度
を制御して、（プラズマ装置が固有に持っている）表面
処理速度の非均一性を補正すれば、ウエハ面上での選択
比、エッチレートを均一できるので、スループットを向
上可能である。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施例を図１及び
図３に基づいて説明する。本実施例の装置はマイクロ波
１により生成したプラズマ２を利用するマイクロ波酸化
膜エッチング装置である。本装置はホルダ３上のウエハ
４のレジスト及び窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄）のエッチングを抑
え、酸化膜（ＳｉＯ₂）のみをエッチングする。ここで
マグネトロン５から出たマイクロ波１はマイクロ波導波
管６に導かれ、プラズマ発生室内７に誘導される。この
時、チャンバー壁８の外側に設けた電磁石９による磁場
とマイクロ波１により、ガス導入系１０及び１１から入
ってくるガスが電離し、プラズマ２が生成する。このと
き、とくに、位置７の部分で生じるＥＣＲ（Electronic
Cyclotoron Resonance)が生じているプラズマ密度が高
く、この近くで供給ガスがプラズマ２内の電子衝突によ
り分解し、反応性が高い解離種が生成される。この解離
種はホルダ３上のウエハ４と反応し、かつ、解離種中の
イオンは高周波電源１２によりバイアスが掛かるため、
ウエハ４上に衝突する。これら、ウエハ４上の解離種の
反応とウエハ４へのイオン衝突によりウエハ４上の酸化
膜のエッチングが進行する。また圧力は３ｍTorrでクヌ
ーセン数が０.０１以上である。このときガス導入系１
０はウエハ４中央の上方に位置し、面形状を有する。こ
こから導入したガスが解離したラジカルは、ウエハ４中
央部近くに向かって吹き付けられる。一方、ガス導入系
は１１はホルダ４周辺に位置し、リング形状を持つ。こ
こから導入したガスは周辺部近くに向かって吹き付けら
れる。ここで、中央部のウエハ４上は、（１）解離度が
中心で高い、（２）生成物の再付着が多い、（３）バイ
アスの不均一性、の効果により、周辺部にくらべ、エッ
チング反応がおさえられる。この効果によるウエハ４表
面上の反応の不均一性は、酸化膜エッチング速度、選択
比＝（酸化膜のエッチングレート）／（窒化膜のエッチ
ングレート）のウエハ上の不均一性をもたらす。これを
解消するためガス導入系１０からはＣ₃Ｆ₈とＣ₂Ｆ₆を約
２：１の比率で導入し、ガス導入系１１からはＣ₃Ｆ₈と
Ｃ₄Ｆ₈を約２：１の比率で導入する。すなわち、周辺部
のウエハは中央部に比べ、よりエッチング速度が小さい
ガスを吹き付ける。このとき、酸化膜のエッチングレー
ト及び選択比がウエハ上で均一でなければ、上記ガスの
比率をガス制御器１３，１４により変化させる。そし
て、均一になるまでこれをくり返す。

【００２５】本発明の第２の実施例を図４に従って説明
する。図４は実施例１のリング状吹き出しであるガス導
入系１１を、ホルダ３の周囲に張り巡らしたものを示し
たものである。図４の様にホルダ３の近くに吹き出し口
を設置する事により、ウエハの周囲の部分に到達するガ
ス分子の割合をウエハ中央部分に到達するガス分子の割
合より、大きくする事ができる。しかも、ウエハの外周
の近くに吹き出し口を設置することにより、これらの到
達割合の差は実施例１よりも大きくできる。これによ
り、ガス導入系１１から導入され、ウエハ周辺部に吹き
付けられるガスと、導入系１０から導入され、ウエハ中
央部に吹き付けられるガスの差を、より明確化できる。
このため、ウエハ４上のエッチング性能の均一性のコン
トロールが容易となる。

【００２６】本発明の第３の実施例を図５に従って説明
する。図５は実施例１の面状吹き出しであるガス導入系
１０をリング形状として、ガス導入系１１の上方に、設
置したものである。実施例１の場合はガス導入系１０の
面状吹き出し部は、マイクロ波１の通過経路内にあり、
マイクロ波１を微妙に変化させる可能性がある。一方、
図５のようなリング形状のガス導入系１０はマイクロ波
１に影響を与えず、かつ、ウエハの中央の部分に達する
ガス分子の割合をウエハの周囲部分に達するガス分子の
割合より、大きくする事ができる。

【００２７】本発明の第４の実施例を図６に従って説明
する。実施例１ではエッチング用ガスとして、Ｃ₄Ｆ₈，
Ｃ₃Ｆ₈，Ｃ₂Ｆ₆を組み合わせた。一方、本実施例の組み
合わせは、図６にある１種類のガスあるいは混合ガスを
用いる。そして、ガス導入系１０から導入するガスはガ
ス導入系１１から導入するガスより、図６で左側に位置
するものとする。混合ガスを用いる場合はその平均値で
比較する。そして、これらのガスの比率はウエハ上のエ
ッチング速度，選択比が均一になる様に調整する。この
ような異なるエッチング性能をもつ多種のガスを利用す
ることにより、選択の幅が広がり、ウエハ上のエッチン
グ速度，選択比をより均一にできる。

【００２８】本発明の第５の実施例を図７に従って説明
する。実施例１ではエッチング用ガスとして、Ｃ₄Ｆ₈，
Ｃ₃Ｆ₈，Ｃ₂Ｆ₆を組み合わせた。一方、本実施例ではエ
ッチング用ガスに炭素，フッソ元素を持たないガスを添
加する。このとき、ガス導入系１０で添加するガスはガ
ス導入系１１で添加するガスより、図７で左側に位置す
るものとする。これらの添加ガスの割合はウエハ上のエ
ッチング速度，選択比が均一になる様に調整する。この
ように、多種の添加ガスを利用することにより、選択の
幅が広がり、ウエハ上のエッチング速度，選択比をより
均一にできる。本発明の第６の実施例を図８に示す。本
実施例では、プラズマを発生する装置はＲＩＥ装置を用
いる。実施例１では、図１のマグネトロン５で発生させ
たマイクロ波１と、電磁石９で発生させた磁場によりプ
ラズマを発生させている。一方、本実施例ではプラズマ
反応室内７に平行平板でできた電極１５，１６を持ち、
いずれか一方の電極あるいは両方の電極に高周波が印加
し、この高周波によりプラズマを発生させている。この
場合も実施例１と同様にガス導入系１０，１１を設置す
る。これにより、ガス導入系１１から導入するガスをガ
ス導入系１０から導入するガスより、エッチング速度が
小さいガスを使用する事によりウエハ上のエッチング速
度，選択比を均一化できる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、異なる性質のガスを異
なる供給手段で導入することにより、ウエハ面上の反応
性を制御でき、エッチング速度，選択比の面上分布を抑
制可能となる。とくに本実施例中で説明したような例で
は、従来困難であった、ウエハ面上のエッチング速度，
選択比の均一化が可能となることが見込まれる。とく
に、酸化膜エッチング装置では、ウエハ面上の均一性を
大幅に改善でき、半導体製造における装置全体のスルー
プットを向上させる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例であるエッチング装置の
説明図。

【図２】蒸着用のガスをウエハ上空から面状に吹き付け
た場合と、ウエハ周囲からリング状に吹き付けた場合の
蒸着速度を示した特性図。

【図３】本発明の第１の実施例であるエッチング装置の
構成を示す説明図。

【図４】本発明の第２の実施例であるエッチング装置の
説明図。

【図５】本発明の第２の実施例であるエッチング装置の
説明図。

【図６】本発明の第３の実施例であるエッチング装置の
供給ガスの候補を示す説明図。

【図７】本発明の第３の実施例であるエッチング装置の
添加ガスの候補を示す説明図。

【図８】本発明の第４の実施例であるエッチング装置の
説明図。

【符号の説明】

１…マイクロ波、２…プラズマ、３…ホルダ、４…ウエ
ハ、７…プラズマ発生室内、８…チャンバ壁、９…電磁
石、１０…ガス導入系、１１…ガス導入系、１２…高周
波電源、１００…エッチング装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電磁波と表面処理用のガスによりプラズマ
を発生するプラズマ発生装置と、前記ガスが導入される
プラズマ発生室と、表面処理が行われるウエハを支える
ホルダと、前記プラズマ発生室内に前記ガスを導入する
ガス導入手段を複数種類備え、前記電磁波により生成し
たプラズマを利用するドライエッチング装置において、
炭素とハロゲン元素をふくむ分子で構成された表面処理
能力が異なるガスを異なる部位から導入することを特徴
とするドライエッチング装置。
【請求項２】請求項１において、クヌーセン数が０.０
１以上に対応する圧力領域で作動させるドライエッチ
ング装置。
【請求項３】請求項１において、前記表面処理用のガス
として、ホルダ上のウエハ面上の表面処理速度が均一に
なる様に、異なるガス導入口から導入するガスの種類を
調整するドライエッチング方法。
【請求項４】請求項１において、前記プラズマ発生室と
して、ホルダ上のウエハの中央部近くと周辺部近くに向
かって、異なる表面処理能力を持つガスが吹き付けられ
る様にガス導入手段を備えたドライエッチング装置。
【請求項５】請求項４において、前記表面処理ガスとし
てウエハ表面をエッチングするための処理用ガスを用
い、ウエハの中央部近くに向かって吹き付けるガスと周
辺部近くに向かって吹き付けるガスとして、互いにエッ
チング速度が異なるガスを導入するドライエッチング装
置。
【請求項６】請求項５において、前記表面処理用のガス
として、エッチング速度の大きいガスとしては相対的に
（ハロゲン元素）／（炭素元素）の比が高いガスを導入
するドライエッチング装置。
【請求項７】請求項５において、前記表面処理用のガス
として、エッチング速度の小さいガスとしては相対的に
（ハロゲン元素）／（炭素元素）の比が低いガスを導入
するドライエッチング装置。
【請求項８】請求項５において、前記表面処理用のガス
として、エッチング速度の大きいガスとしては酸素を含
むガスを導入するドライエッチング装置。
【請求項９】請求項５において、前記表面処理用のガス
として、エッチング速度の小さいガスとしてはＨｅ、あ
るいはＮｅ、あるいはＡｒ、あるいは一酸化炭素ガス、
あるいは窒素ガスを添加するドライエッチング装置。