JPWO2005104203A1 - 基板処理装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
基板処理装置は、排気系により排気され、被処理基板を保持する基板保持台を備え、内部にプロセス空間を画成する処理容器と、前記処理容器中にエッチングガスを導入する処理ガス供給路と、前記プロセス空間にプラズマを形成するプラズマ発生源と、前記基板保持台に結合された高周波源とよりなり、前記処理容器内には、前記プロセス空間を、前記被処理基板の表面を含む第１のプロセス空間部分と前記プロセス空間の残りの領域よりなる第２のプロセス空間部分とに分割する遮蔽板を備え、前記遮蔽板には、前記被処理基板以上の大きさを有する開口部が形成されている。
Description
本発明は一般にエッチング技術に係り、特に半導体装置の製造に用いられるエッチング装置に関する。
プラズマエッチングは半導体装置の製造に不可欠な技術であり、平行平板型エッチング装置をはじめ、様々なエッチング装置が一般的な半導体装置の製造に使われている。
従来の半導体装置の製造工程では、エッチング技術は主にＳｉＯ２を主とする絶縁膜のパターニング、あるいはＡｌやＷ，Ｔｉなどの金属膜のパターニングに使われている。
一方、最近の強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）など、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）やＰＬＺＴ（（Ｐｂ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３），ＢＳＴ（ＢｉＳｒＴｉＯ３），ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３）のような強誘電体膜あるいは高誘電体膜を有し、さらにＰｔやＩｒ，Ｒｕのような蒸気圧の低い金属材料よりなる電極膜を有する半導体装置の製造においては、これらの膜をエッチングするのに高い電子密度と電子エネルギ（電子温度）が必要で、このためにＥＣＲ型やヘリコン型、ＩＣＰ（誘導結合）型などの高密度プラズマエッチング装置を使う必要がある。このうち特にＩＣＰ型のエッチング装置は装置構造が比較的簡単なため、多く使用されている。
プラズマエッチングは半導体装置の製造に不可欠な技術であり、平行平板型エッチング装置をはじめ、様々なエッチング装置が一般的な半導体装置の製造に使われている。
従来の半導体装置の製造工程では、エッチング技術は主にＳｉＯ２を主とする絶縁膜のパターニング、あるいはＡｌやＷ，Ｔｉなどの金属膜のパターニングに使われている。
一方、最近の強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）など、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）やＰＬＺＴ（（Ｐｂ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３），ＢＳＴ（ＢｉＳｒＴｉＯ３），ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３）のような強誘電体膜あるいは高誘電体膜を有し、さらにＰｔやＩｒ，Ｒｕのような蒸気圧の低い金属材料よりなる電極膜を有する半導体装置の製造においては、これらの膜をエッチングするのに高い電子密度と電子エネルギ（電子温度）が必要で、このためにＥＣＲ型やヘリコン型、ＩＣＰ（誘導結合）型などの高密度プラズマエッチング装置を使う必要がある。このうち特にＩＣＰ型のエッチング装置は装置構造が比較的簡単なため、多く使用されている。
図１Ａ〜１Ｄは、従来のＦｅＲＡＭの製造工程の一部、特に強誘電体キャパシタの製造工程を示す。
図１Ａを参照するに、シリコン基板１上には図示を省略したメモリセルトランジスタを覆うように絶縁膜２が形成されており、前記絶縁膜２上には、Ｔｉなどの密着層（図示せず）を介してＰｔなどの貴金属や、ＩｒＯ２，ＳｒＲｕＯ３などの導電性酸化物よりなる下部電極層３が形成されている。さらに前記下部電極３上には、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）などの強誘電体膜４が形成され、前記強誘電体膜４上には、ＰｔやＩｒ，Ｒｕなどの貴金属や、ＩｒＯ２，ＳｒＲｕＯ３などの導電性酸化物よりなる上部電極層５が形成されている。
次に図１Ｂの工程において前記上部電極層５がフォトリソグラフィ工程によりパターニングされ、前記強誘電体膜４上に上部電極５Ａが形成される。
図１Ｂの工程においてはさらに酸素雰囲気中での熱処理により、前記強誘電体膜４中に前記上部電極層５のパターニングの際に形成された酸素欠損が補償され、さらに図１Ｃの工程において前記強誘電体膜４をフォトリソグラフィ工程によりパターニングし、前記下部電極層３上に強誘電体キャパシタ絶縁膜４Ａを形成する。
図１Ｃの工程では、さらにこのようにして形成された強誘電体キャパシタ絶縁膜４Ａを酸化雰囲気中で熱処理することにより、前記強誘電体膜４のパターニングの際に前記強誘電体キャパシタ絶縁膜４Ａ中に形成された酸素欠損が補償され、さらにＡｌ２Ｏ３などの水素の浸透に対してバリア性を有する第１のエンキャップ層６により、前記上部電極５Ａおよび強誘電体キャパシタ絶縁膜４Ａを覆う。
さらに図１Ｄの工程において前記下部電極層３およびその下のＴｉ密着層をフォトリソグラフィ工程によりパターニングし、下部電極３Ａを形成する。
さらに図１Ｄの工程では、このようにして形成された強誘電体キャパシタを前記第１のエンキャップ層６を介して覆うように、Ａｌ２Ｏ３などよりなる第２のエンキャップ層７が形成される。
このようなＦｅＲＡＭの製造工程では、前記下部電極層３、強誘電体膜４および上部電極層５をパターニングするフォトリソグラフィ工程においてプラズマエッチングプロセスが使われるが、これらの膜は蒸気圧の低い金属元素を含んでおり、プラズマ励起されたラジカルの作用だけでは充分なエッチング速度が得られず、ラジカルによるエッチング作用に加えて顕著なスパッタ作用が生じる高密度プラズマエッチングプロセスを使う必要がある。
図２は、図１Ｂ〜１Ｄの高密度プラズマエッチングプロセスで従来使われているＩＣＰ型エッチング装置１０の構成を示す。
図２を参照するに、ＩＣＰ型エッチング装置１０は排気ポート１０Ａにおいて排気されプロセス空間１１Ａを画成する石英ベルジャ１１を処理容器として備え、前記処理容器１１内には被処理基板Ｗを保持する基板保持台１５が設けられている。また前記処理容器１１の外周にはコイル１２が、アンテナとして巻回されている。
前記コイル１２はインピーダンス整合回路１３を介して高周波電源１４に接続されており、前記処理容器１１中にプラズマガス供給ポート１１ａからＡｒなどのプラズマガスを導入し、さらに前記高周波電源１４からコイル１２に高周波電力を供給することにより、前記処理容器１１内にプラズマが形成される。そこで前記処理容器１１内に処理ガス導入ポート１１ｂより、例えばＣｌやＦなどのハロゲンを含むエッチングガスを導入することにより、前記被処理基板Ｗの表面には前記プラズマにより、エッチングガスのラジカルが励起される。
さらに前記基板保持台１５は、ブロッキングキャパシタ１６及びインピーダンス整合回路１７を介して高周波バイアス電源１８に接続されており、前記高周波バイアス電源１８より高周波バイアスパワーを供給することにより、前記基板保持台１５には負のバイアス電位が印加される。
かかるバイアス電位の印加の結果、前記プラズマ中のＡｒ＋などの正イオンがラジカルとともに前記基板保持台１５上の被処理基板に衝突し、エッチングと同時にスパッタリングが生じ、前記被処理基板Ｗに略垂直方向に、効率的な異方性エッチングが実現される。
特開２０００−１９５８４１号公報 特開昭５７−９６５２８号公報 特開昭５８−１６８２３０号公報 特開平６−３３３８８１号公報 特開平６−２４３９９３号公報 特開平１０−１６３１８０号公報
図１Ａを参照するに、シリコン基板１上には図示を省略したメモリセルトランジスタを覆うように絶縁膜２が形成されており、前記絶縁膜２上には、Ｔｉなどの密着層（図示せず）を介してＰｔなどの貴金属や、ＩｒＯ２，ＳｒＲｕＯ３などの導電性酸化物よりなる下部電極層３が形成されている。さらに前記下部電極３上には、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）などの強誘電体膜４が形成され、前記強誘電体膜４上には、ＰｔやＩｒ，Ｒｕなどの貴金属や、ＩｒＯ２，ＳｒＲｕＯ３などの導電性酸化物よりなる上部電極層５が形成されている。
次に図１Ｂの工程において前記上部電極層５がフォトリソグラフィ工程によりパターニングされ、前記強誘電体膜４上に上部電極５Ａが形成される。
図１Ｂの工程においてはさらに酸素雰囲気中での熱処理により、前記強誘電体膜４中に前記上部電極層５のパターニングの際に形成された酸素欠損が補償され、さらに図１Ｃの工程において前記強誘電体膜４をフォトリソグラフィ工程によりパターニングし、前記下部電極層３上に強誘電体キャパシタ絶縁膜４Ａを形成する。
図１Ｃの工程では、さらにこのようにして形成された強誘電体キャパシタ絶縁膜４Ａを酸化雰囲気中で熱処理することにより、前記強誘電体膜４のパターニングの際に前記強誘電体キャパシタ絶縁膜４Ａ中に形成された酸素欠損が補償され、さらにＡｌ２Ｏ３などの水素の浸透に対してバリア性を有する第１のエンキャップ層６により、前記上部電極５Ａおよび強誘電体キャパシタ絶縁膜４Ａを覆う。
さらに図１Ｄの工程において前記下部電極層３およびその下のＴｉ密着層をフォトリソグラフィ工程によりパターニングし、下部電極３Ａを形成する。
さらに図１Ｄの工程では、このようにして形成された強誘電体キャパシタを前記第１のエンキャップ層６を介して覆うように、Ａｌ２Ｏ３などよりなる第２のエンキャップ層７が形成される。
このようなＦｅＲＡＭの製造工程では、前記下部電極層３、強誘電体膜４および上部電極層５をパターニングするフォトリソグラフィ工程においてプラズマエッチングプロセスが使われるが、これらの膜は蒸気圧の低い金属元素を含んでおり、プラズマ励起されたラジカルの作用だけでは充分なエッチング速度が得られず、ラジカルによるエッチング作用に加えて顕著なスパッタ作用が生じる高密度プラズマエッチングプロセスを使う必要がある。
図２は、図１Ｂ〜１Ｄの高密度プラズマエッチングプロセスで従来使われているＩＣＰ型エッチング装置１０の構成を示す。
図２を参照するに、ＩＣＰ型エッチング装置１０は排気ポート１０Ａにおいて排気されプロセス空間１１Ａを画成する石英ベルジャ１１を処理容器として備え、前記処理容器１１内には被処理基板Ｗを保持する基板保持台１５が設けられている。また前記処理容器１１の外周にはコイル１２が、アンテナとして巻回されている。
前記コイル１２はインピーダンス整合回路１３を介して高周波電源１４に接続されており、前記処理容器１１中にプラズマガス供給ポート１１ａからＡｒなどのプラズマガスを導入し、さらに前記高周波電源１４からコイル１２に高周波電力を供給することにより、前記処理容器１１内にプラズマが形成される。そこで前記処理容器１１内に処理ガス導入ポート１１ｂより、例えばＣｌやＦなどのハロゲンを含むエッチングガスを導入することにより、前記被処理基板Ｗの表面には前記プラズマにより、エッチングガスのラジカルが励起される。
さらに前記基板保持台１５は、ブロッキングキャパシタ１６及びインピーダンス整合回路１７を介して高周波バイアス電源１８に接続されており、前記高周波バイアス電源１８より高周波バイアスパワーを供給することにより、前記基板保持台１５には負のバイアス電位が印加される。
かかるバイアス電位の印加の結果、前記プラズマ中のＡｒ＋などの正イオンがラジカルとともに前記基板保持台１５上の被処理基板に衝突し、エッチングと同時にスパッタリングが生じ、前記被処理基板Ｗに略垂直方向に、効率的な異方性エッチングが実現される。
しかしながら、被処理基板Ｗに対し、このようにスパッタ作用を加味したプラズマエッチングを行った場合、スパッタリング作用の結果、前記処理容器１１の内壁面には、図３に示すように前記被処理基板Ｗからスパッタされた粒子が堆積してしまう問題が生じる。特に高密度プラズマエッチング装置を図１Ａ〜１Ｄで説明したような、ＦｅＲＡＭなど強誘電体キャパシタを含む半導体装置の製造に使う場合、蒸気圧の低いＰｔやＩｒ，Ｒｕなど、貴金属膜の堆積が生じやすい。
図２のＩＣＰ型プラズマエッチング装置１０の場合、前記処理容器１１の内壁面にこのような導電性の膜が堆積すると前記コイル１２からの高周波パワーが処理容器１１内のプロセス空間１１Ａに到達しなくなり、プラズマエッチングは不可能となる。また、このような処理容器１１の内壁面の堆積物が剥離するとパーティクルとなり、半導体装置の製造歩留まりが低下する。
通常のＳｉＯ２系の絶縁膜やＡｌ，Ｗ，Ｔｉなどの金属膜のプラズマエッチングでは、このように前記処理容器１１の内壁面に堆積物が生じても、前記処理容器１１中にクリーニングガスを供給し、さらに前記高周波源１４より高周波パワーを供給して前記処理容器中にプラズマを誘起することにより、前記堆積物を効率よく除去することができる。また、最近の低誘電率層間絶縁膜のプラズマエッチングの場合にも、前記処理容器１１中に酸素ガスなどの酸化ガスを供給し、さらに前記高周波コイル１２を高周波源１４からの高周波パワーで駆動して前記処理容器中に酸素プラズマを誘起することにより、処理容器１１の内壁に付着した炭化水素などの堆積物を効率よく除去することができる。
これに対し、ＦｅＲＡＭなどの蒸気圧が低くエッチング速度の遅い材料を含む半導体装置の製造においては、前記処理容器１１の内壁面に付着する堆積物が貴金属など蒸気圧の低い材料であることが多く、このため上記のプラズマクリーニングプロセスは有効でなく、プラズマエッチングを効率よく、高い歩留まりで実行するためには、プラズマエッチング装置１０を分解し、処理容器１１のウェットクリーニングを頻繁に行う必要があった。しかし、このような頻繁なメンテナンスは半導体装置の製造効率を低下させることになる。
本発明の一の課題は、
排気系により排気され、被処理基板を保持する基板保持台を備え、内部にプロセス空間を画成する処理容器と、
前記処理容器中にエッチングガスを導入する処理ガス供給路と、
前記プロセス空間にプラズマを形成するプラズマ発生源と、
前記基板保持台に結合された高周波源とよりなる基板処理装置において、
前記処理容器内には、前記プロセス空間を、前記被処理基板の表面を含む第１のプロセス空間部分と前記プロセス空間の残りの領域よりなる第２のプロセス空間部分とに分割する遮蔽板を備え、
前記遮蔽板には、前記被処理基板以上の大きさを有する開口部が形成されている基板処理装置を提供することにある。
本発明によれば、基板保持台上の被処理基板を高密度プラズマを使ってプラズマエッチングする際に、プラズマエッチングに伴って生じるスパッタリング作用により前記被処理基板から放出される粒子が前記遮蔽板により効果的に捕捉され、前記処理容器内壁への堆積物の堆積が抑制される。その際、前記遮蔽板は前記被処理基板以上の大きさの開口部を有するため、前記遮蔽板上に堆積した堆積物が剥離しても前記被処理基板上に落下することはなく、かかる遮蔽板の使用により半導体装置の製造歩留まりが低下することはない。また、前記遮蔽板に前記被処理基板以上の大きさの開口部を形成することにより、前記基板前面にわたり一様なプラズマエッチング処理を行うことが可能になる。
本発明のその他の課題および特徴は、以下に図面を参照しながら行う本発明の詳細な説明より明らかとなろう。
図２のＩＣＰ型プラズマエッチング装置１０の場合、前記処理容器１１の内壁面にこのような導電性の膜が堆積すると前記コイル１２からの高周波パワーが処理容器１１内のプロセス空間１１Ａに到達しなくなり、プラズマエッチングは不可能となる。また、このような処理容器１１の内壁面の堆積物が剥離するとパーティクルとなり、半導体装置の製造歩留まりが低下する。
通常のＳｉＯ２系の絶縁膜やＡｌ，Ｗ，Ｔｉなどの金属膜のプラズマエッチングでは、このように前記処理容器１１の内壁面に堆積物が生じても、前記処理容器１１中にクリーニングガスを供給し、さらに前記高周波源１４より高周波パワーを供給して前記処理容器中にプラズマを誘起することにより、前記堆積物を効率よく除去することができる。また、最近の低誘電率層間絶縁膜のプラズマエッチングの場合にも、前記処理容器１１中に酸素ガスなどの酸化ガスを供給し、さらに前記高周波コイル１２を高周波源１４からの高周波パワーで駆動して前記処理容器中に酸素プラズマを誘起することにより、処理容器１１の内壁に付着した炭化水素などの堆積物を効率よく除去することができる。
これに対し、ＦｅＲＡＭなどの蒸気圧が低くエッチング速度の遅い材料を含む半導体装置の製造においては、前記処理容器１１の内壁面に付着する堆積物が貴金属など蒸気圧の低い材料であることが多く、このため上記のプラズマクリーニングプロセスは有効でなく、プラズマエッチングを効率よく、高い歩留まりで実行するためには、プラズマエッチング装置１０を分解し、処理容器１１のウェットクリーニングを頻繁に行う必要があった。しかし、このような頻繁なメンテナンスは半導体装置の製造効率を低下させることになる。
本発明の一の課題は、
排気系により排気され、被処理基板を保持する基板保持台を備え、内部にプロセス空間を画成する処理容器と、
前記処理容器中にエッチングガスを導入する処理ガス供給路と、
前記プロセス空間にプラズマを形成するプラズマ発生源と、
前記基板保持台に結合された高周波源とよりなる基板処理装置において、
前記処理容器内には、前記プロセス空間を、前記被処理基板の表面を含む第１のプロセス空間部分と前記プロセス空間の残りの領域よりなる第２のプロセス空間部分とに分割する遮蔽板を備え、
前記遮蔽板には、前記被処理基板以上の大きさを有する開口部が形成されている基板処理装置を提供することにある。
本発明によれば、基板保持台上の被処理基板を高密度プラズマを使ってプラズマエッチングする際に、プラズマエッチングに伴って生じるスパッタリング作用により前記被処理基板から放出される粒子が前記遮蔽板により効果的に捕捉され、前記処理容器内壁への堆積物の堆積が抑制される。その際、前記遮蔽板は前記被処理基板以上の大きさの開口部を有するため、前記遮蔽板上に堆積した堆積物が剥離しても前記被処理基板上に落下することはなく、かかる遮蔽板の使用により半導体装置の製造歩留まりが低下することはない。また、前記遮蔽板に前記被処理基板以上の大きさの開口部を形成することにより、前記基板前面にわたり一様なプラズマエッチング処理を行うことが可能になる。
本発明のその他の課題および特徴は、以下に図面を参照しながら行う本発明の詳細な説明より明らかとなろう。
図１Ａ〜１Ｄは、従来の強誘電体キャパシタの製造工程を示す図；
図２は、従来のＩＣＰ型高密度プラズマエッチング装置の構成を示す図；
図３は、図２のプラズマエッチング装置の問題点を説明する図；
図４は、本発明の第１実施例によるプラズマエッチング装置の構成を示す図；
図５は、図４のプラズマエッチング装置で使われる遮蔽板の構成を示す図；
図６は、図５の遮蔽板の一変形例を示す図；
図７は、本発明の第２実施例によるプラズマエッチング装置の構成を示す図；
図８は、図７のプラズマエッチング装置の一変形例を示す図；
図９は、本発明の第１実施例によるプラズマエッチング装置の構成を示す図；
図１０は、本発明の第３実施例によるプラズマエッチング装置の構成を示す図である。
図２は、従来のＩＣＰ型高密度プラズマエッチング装置の構成を示す図；
図３は、図２のプラズマエッチング装置の問題点を説明する図；
図４は、本発明の第１実施例によるプラズマエッチング装置の構成を示す図；
図５は、図４のプラズマエッチング装置で使われる遮蔽板の構成を示す図；
図６は、図５の遮蔽板の一変形例を示す図；
図７は、本発明の第２実施例によるプラズマエッチング装置の構成を示す図；
図８は、図７のプラズマエッチング装置の一変形例を示す図；
図９は、本発明の第１実施例によるプラズマエッチング装置の構成を示す図；
図１０は、本発明の第３実施例によるプラズマエッチング装置の構成を示す図である。
［第１実施例］
図４は、本発明の第１実施例によるプラズマエッチング装置２０の構成を示す。
図４を参照するに、前記ＩＣＰ型エッチング装置２０は排気ポート２０Ａにおいて排気されプロセス空間２１Ａを画成する石英ベルジャ２１を処理容器として備え、前記処理容器２１内には被処理基板Ｗを水平に保持する基板保持台２５が設けられている。また前記処理容器２１の外周にはコイル２２が、アンテナとして巻回されている。前記処理容器２１は、石英ガラスよりなり前記プロセス空間２１Ａを画成するスリーブ状の側壁部２１Ｂと、前記石英側壁部２１Ｂ上に形成され、前記プロセス空間２１Ａを上部において塞ぐ金属蓋２１Ｃと、前記石英側壁部２１Ｂの下部において前記基板保持台２５を囲み、前記石英側壁部２１Ｂを支え、さらに前記排気ポート２０Ａが形成された本体部２１Ｄとより構成されている。
前記コイル２２はインピーダンス整合回路２３を介して高周波電源２４に接続されており、前記処理容器２１中に前記金属蓋２１Ｃに形成されたプラズマガス供給ポート２１ａからＨｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅなどのプラズマガスを導入し、さらに前記高周波電源２４からコイル２２に高周波電力を供給することにより、前記処理容器２１内にプラズマが形成される。そこで前記処理容器２１内に、前記本体部２１Ｄに形成された処理ガス導入ポート２１ｂより、例えばＦやＣｌなどのハロゲンを含む、例えばＣｌ２，ＣＣｌ４，ＣＦ４，ＣＨＦ３などのエッチングガスを導入することにより、前記被処理基板Ｗの表面には前記プラズマにより、エッチングガスのラジカルが励起される。
さらに前記基板保持台２５は、ブロッキングキャパシタ１６及びインピーダンス整合回路２７を介して高周波バイアス電源２８に接続されており、前記高周波バイアス電源２８より高周波バイアスパワーを供給することにより、前記基板保持台２５には負のバイアス電位が印加される。
かかるバイアス電位の印加の結果、前記プラズマ中のＡｒ＋などの正イオンがラジカルとともに前記基板保持台２５上の被処理基板に衝突し、前記被処理基板Ｗ上においては、前記ラジカルによるエッチングと同時にスパッタリングが生じ、前記被処理基板Ｗに略垂直方向に、効率的な異方性エッチングが実現される。
図４のＩＣＰ型プラズマエッチング装置２０では、さらに前記基板Ｗからスパッタリングにより放出されたスパッタ粒子を捕獲して、前記処理容器２１の内壁上における堆積物の形成を可能な限り抑制するために、前記被処理基板Ｗ上には、前記処理容器２１内のプロセス空間２１Ａを、前記基板表面を含みエッチングおよびスパッタリングが生じるプロセス空間部分２１Ａ１と、前記コイル２１より高周波パワーを供給され高密度プラズマが励起されるプロセス空間部分２１Ａ２とに分割するように、石英あるいはアルミナなどの絶縁物よりなる遮蔽板２６が、前記被処理基板Ｗを覆うように形成されており、前記遮蔽板２６には、前記被処理基板Ｗの径よりも大きな開口部２６Ａが形成されている。
図４のプラズマエッチング装置２０では、前記プロセス空間２１Ａ２で励起されたエッチングガスのラジカルおよびイオンは前記遮蔽板２６中の開口部２６Ａを通って前記被処理基板Ｗの表面に到達し、基板前面にわたり一様で効率的なエッチングがなされる。
一方、前記イオンの衝突に伴うスパッタリング作用により放出されたスパッタ粒子のうち、前記処理容器２１の側壁面へと飛散するものは前記遮蔽板２６により捕獲され、その結果、前記処理容器２１の側壁面上における堆積物の形成は生じない。
さらに図４のプラズマエッチング装置２０では、前記遮蔽板２６中の開口部２６Ａが前記被処理基板Ｗの直上に、前記被処理基板Ｗの径よりも大きな径で形成されているため、前記遮蔽板２６上に形成された堆積物が剥離しても、剥離した堆積物が被処理基板Ｗの表面に落下することがなく、半導体装置の製造歩留まりが低下する問題を回避することができる。
特に前記被処理基板Ｗが１５から２０ｃｍ径のウェハである場合、前記開口部２６Ａを前記ウェハ径よりも０．５〜５ｃｍ大きく設定し、さらに前記被処理基板Ｗの表面と前記遮蔽板２６との間の距離Ｈを１５ｃｍ程度あるいはそれ以下に設定することにより、前記遮蔽板２６から剥離した堆積物が不規則な経路をたどった場合でも、前記被処理基板Ｗの表面に落下する確率を低減することができる。
図４のプラズマエッチング装置２０においてエッチングプロセスを行う場合、本実施例では前記石英側壁部２１Ｂ上の金属蓋２１Ｃを接地することにより、前記被処理基板Ｗに高周波電源２８から基板保持台２５を介して印加される負の基板バイアス電圧が効果的に作用し、高いエッチング速度を実現することができる。同時に、このような構成により、前記開口部２６Ａを通過して前記金属蓋２１Ｃの下面に堆積したスパッタ粒子は、前記開口部２６Ａを通過して新たに入来する荷電粒子により逆スパッタ作用を受け、その結果、前記処理容器２１のうち、前記被処理基板Ｗの直上に位置する部分に形成される堆積物はわずかである。すなわち、かかる構成では、前記金属蓋２１Ｃの下面のうち、前記被処理基板Ｗの直上の部分に厚い堆積物が堆積することはない。そこで、前記開口部２６Ａが前記被処理基板Ｗを露出していても、前記開口部２６Ａを介して前記基板Ｗ上に堆積物が前記金属蓋２１Ｃから落下する恐れは少ない。
図５は、前記遮蔽板２６の詳細を示す。
図５を参照するに、前記遮蔽板２６の下面には、サンドブラスト処理などにより微細な凹凸２６ａが、０．１〜数ミリメートル程度のピッチで形成されている。
かかる凹凸２６ａを形成することにより、前記遮蔽板２６下面の表面積が増大し、前記被処理基板Ｗの表面からスパッタされた堆積物Ｗ‘は、かかる凹凸面２６ａにより効果的に捕獲される。また、このように遮蔽板２６下面の表面積が増大する結果、単位面積あたりの堆積物Ｗ‘の厚さが低減する。
なお図５では前記凹凸面を矩形断面を有するものとして示したが、これはあくまでも模式図であり、図６に示すようにのこぎり波状の断面、あるいは不規則な断面を有していてもよい。
図４のプラズマ処理装置２０では、基板保持台２５が被処理基板Ｗを水平に保持するため基板の着脱が容易で、しかも基板上方からの落下物による被処理基板Ｗの汚染を軽減できる好ましい効果が得られる。
［第２実施例］
図７は、本発明の第２実施例によるプラズマエッチング装置４０の構成を示す。ただし図７中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図７を参照するに、前記プラズマエッチング装置４０は、図４のプラズマエッチング装置２０と類似した構成を有するが、前記遮蔽板２６の代わりに遮蔽板４６を有している。
遮蔽板４６も前記遮蔽板２６と同様に、前記被処理基板Ｗの径よりも大きな開口部４６Ａを有しているが、前記遮蔽板４６のうち、前記開口部４６Ａを含む内縁部は、前記開口部４６Ａの中心に近い部分４６Ｂが上方に反った斜面を形成している。
図７のプラズマエッチング装置４０では、前記遮蔽板４６にこのように上方に反った斜面４６Ｂを形成することにより、前記被処理基板Ｗから放出されるスパッタ粒子の捕獲面積が増大し、前記石英側壁部２１Ｂにおけるより効率的なスパッタ粒子の堆積抑制および堆積物の剥離に起因するパーティクルの除去が可能となる。またかかる斜面４６Ｂを形成することにより、仮に剥離した堆積物が前記遮蔽板４６上に落下しても、かかる剥離物が前記開口部４６Ａを通って被処理基板Ｗの表面に落下することがない。
図８は、図７のプラズマエッチング装置４０の一変形例によるプラズマエッチング装置４０Ａの構成を示す。ただし図８中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図８を参照するに、プラズマエッチング装置４０Ａでは前記斜面４６Ｂの内縁に、前記開口部４６Ａを画成するように、上部に向かって延在する延在部４６Ｃが形成されている。かかる延在部４６Ｃを形成することにより、前記スパッタ粒子の捕獲面積がさらに増大し、また剥離して遮蔽板４６上に落下する堆積物が前記被処理基板Ｗの表面に落下するのが、効果的に阻止される。
［第３実施例］
図９は、本発明の第３実施例によるプラズマエッチング装置６０の構成を示す。ただし図９中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図９を参照するに、プラズマエッチング装置６０は、図４のプラズマエッチング装置２０と類似した構成を有するが、前記遮蔽板４６の一部に、前記遮蔽板４６の温度を制御するヒータなどの温度制御部４６Ｈを設けている。
前記温度制御部４６Ｈは前記遮蔽板４６の温度を、前記被処理基板Ｗの着脱時を含め、常時数十度から２００℃程度の温度の保持し、これにより、前記遮蔽板４６の温度が、例えば被処理基板Ｗを入れ替えるような場合に降下し、熱膨張係数の差により前記遮蔽板４６上に捕獲されていた堆積物が剥離して被処理基板Ｗ上に落下するのが抑制される。
なお、かかる温度調節部４６Ｈは、先の実施例、および以下に説明する実施例のいずれに設けてもよい。
［第４実施例］
図１０は、本発明の第４実施例によるプラズマエッチング装置８０の構成を示す。ただし図１０中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
本実施例では図４のプラズマエッチング装置４０において、石英やアルミナより構成されている遮蔽板４６を金属遮蔽板８６に置き換えている。
このように前記処理容器２１中に金属遮蔽板８６を設けた場合、前記処理容器２１中のプラズマが形成は、かかる金属遮蔽板８６の電位により影響される。
そこで、図１０のプラズマエッチング装置８０では、前記金属遮蔽板８６の電位を制御するために、前記金属遮蔽板８６に電気的に接続して、電圧制御回路８６Ａを設けている。
かかる構成によって、前記処理容器２１中でのプラズマ形成に実質的な影響を及ぼすことなく、スパッタ粒子の処理容器２１内壁への堆積を抑制することが可能となる。
以上、本発明をＩＣＰ型のプラズマエッチング装置について説明したが、本発明はかかる特定のプラズマエッチング装置に限定されるものではなく、ＥＣＲ型など、他の形式の高密度プラズマエッチング装置に対しても同様に適用可能である。
本発明のプラズマエッチング装置を使い、先に図１Ａ〜１Ｄで説明したような強誘電体キャパシタを形成することができる。その際、本発明のプラズマエッチング装置を使うことにより、基板上に形成されたＰＺＴ膜のみならず、ＰＬＺＴ（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）膜、ＳＢＴ（ＳｒＢｉ２（Ｔａ，Ｎｂ）２Ｏ９）膜など、他の強誘電体膜、ＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ３）膜、ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３）膜、ＨｆＯ２膜などの高誘電体膜、Ａｌ，Ｔｉなどの金属元素を含む金属酸化膜、さらにはＰｔ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｓｍ，Ｎｉのいずれかを含む金属膜あるいは化合物膜を、効率よく、高い歩留まりでパターニングすることができる。
図４は、本発明の第１実施例によるプラズマエッチング装置２０の構成を示す。
図４を参照するに、前記ＩＣＰ型エッチング装置２０は排気ポート２０Ａにおいて排気されプロセス空間２１Ａを画成する石英ベルジャ２１を処理容器として備え、前記処理容器２１内には被処理基板Ｗを水平に保持する基板保持台２５が設けられている。また前記処理容器２１の外周にはコイル２２が、アンテナとして巻回されている。前記処理容器２１は、石英ガラスよりなり前記プロセス空間２１Ａを画成するスリーブ状の側壁部２１Ｂと、前記石英側壁部２１Ｂ上に形成され、前記プロセス空間２１Ａを上部において塞ぐ金属蓋２１Ｃと、前記石英側壁部２１Ｂの下部において前記基板保持台２５を囲み、前記石英側壁部２１Ｂを支え、さらに前記排気ポート２０Ａが形成された本体部２１Ｄとより構成されている。
前記コイル２２はインピーダンス整合回路２３を介して高周波電源２４に接続されており、前記処理容器２１中に前記金属蓋２１Ｃに形成されたプラズマガス供給ポート２１ａからＨｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅなどのプラズマガスを導入し、さらに前記高周波電源２４からコイル２２に高周波電力を供給することにより、前記処理容器２１内にプラズマが形成される。そこで前記処理容器２１内に、前記本体部２１Ｄに形成された処理ガス導入ポート２１ｂより、例えばＦやＣｌなどのハロゲンを含む、例えばＣｌ２，ＣＣｌ４，ＣＦ４，ＣＨＦ３などのエッチングガスを導入することにより、前記被処理基板Ｗの表面には前記プラズマにより、エッチングガスのラジカルが励起される。
さらに前記基板保持台２５は、ブロッキングキャパシタ１６及びインピーダンス整合回路２７を介して高周波バイアス電源２８に接続されており、前記高周波バイアス電源２８より高周波バイアスパワーを供給することにより、前記基板保持台２５には負のバイアス電位が印加される。
かかるバイアス電位の印加の結果、前記プラズマ中のＡｒ＋などの正イオンがラジカルとともに前記基板保持台２５上の被処理基板に衝突し、前記被処理基板Ｗ上においては、前記ラジカルによるエッチングと同時にスパッタリングが生じ、前記被処理基板Ｗに略垂直方向に、効率的な異方性エッチングが実現される。
図４のＩＣＰ型プラズマエッチング装置２０では、さらに前記基板Ｗからスパッタリングにより放出されたスパッタ粒子を捕獲して、前記処理容器２１の内壁上における堆積物の形成を可能な限り抑制するために、前記被処理基板Ｗ上には、前記処理容器２１内のプロセス空間２１Ａを、前記基板表面を含みエッチングおよびスパッタリングが生じるプロセス空間部分２１Ａ１と、前記コイル２１より高周波パワーを供給され高密度プラズマが励起されるプロセス空間部分２１Ａ２とに分割するように、石英あるいはアルミナなどの絶縁物よりなる遮蔽板２６が、前記被処理基板Ｗを覆うように形成されており、前記遮蔽板２６には、前記被処理基板Ｗの径よりも大きな開口部２６Ａが形成されている。
図４のプラズマエッチング装置２０では、前記プロセス空間２１Ａ２で励起されたエッチングガスのラジカルおよびイオンは前記遮蔽板２６中の開口部２６Ａを通って前記被処理基板Ｗの表面に到達し、基板前面にわたり一様で効率的なエッチングがなされる。
一方、前記イオンの衝突に伴うスパッタリング作用により放出されたスパッタ粒子のうち、前記処理容器２１の側壁面へと飛散するものは前記遮蔽板２６により捕獲され、その結果、前記処理容器２１の側壁面上における堆積物の形成は生じない。
さらに図４のプラズマエッチング装置２０では、前記遮蔽板２６中の開口部２６Ａが前記被処理基板Ｗの直上に、前記被処理基板Ｗの径よりも大きな径で形成されているため、前記遮蔽板２６上に形成された堆積物が剥離しても、剥離した堆積物が被処理基板Ｗの表面に落下することがなく、半導体装置の製造歩留まりが低下する問題を回避することができる。
特に前記被処理基板Ｗが１５から２０ｃｍ径のウェハである場合、前記開口部２６Ａを前記ウェハ径よりも０．５〜５ｃｍ大きく設定し、さらに前記被処理基板Ｗの表面と前記遮蔽板２６との間の距離Ｈを１５ｃｍ程度あるいはそれ以下に設定することにより、前記遮蔽板２６から剥離した堆積物が不規則な経路をたどった場合でも、前記被処理基板Ｗの表面に落下する確率を低減することができる。
図４のプラズマエッチング装置２０においてエッチングプロセスを行う場合、本実施例では前記石英側壁部２１Ｂ上の金属蓋２１Ｃを接地することにより、前記被処理基板Ｗに高周波電源２８から基板保持台２５を介して印加される負の基板バイアス電圧が効果的に作用し、高いエッチング速度を実現することができる。同時に、このような構成により、前記開口部２６Ａを通過して前記金属蓋２１Ｃの下面に堆積したスパッタ粒子は、前記開口部２６Ａを通過して新たに入来する荷電粒子により逆スパッタ作用を受け、その結果、前記処理容器２１のうち、前記被処理基板Ｗの直上に位置する部分に形成される堆積物はわずかである。すなわち、かかる構成では、前記金属蓋２１Ｃの下面のうち、前記被処理基板Ｗの直上の部分に厚い堆積物が堆積することはない。そこで、前記開口部２６Ａが前記被処理基板Ｗを露出していても、前記開口部２６Ａを介して前記基板Ｗ上に堆積物が前記金属蓋２１Ｃから落下する恐れは少ない。
図５は、前記遮蔽板２６の詳細を示す。
図５を参照するに、前記遮蔽板２６の下面には、サンドブラスト処理などにより微細な凹凸２６ａが、０．１〜数ミリメートル程度のピッチで形成されている。
かかる凹凸２６ａを形成することにより、前記遮蔽板２６下面の表面積が増大し、前記被処理基板Ｗの表面からスパッタされた堆積物Ｗ‘は、かかる凹凸面２６ａにより効果的に捕獲される。また、このように遮蔽板２６下面の表面積が増大する結果、単位面積あたりの堆積物Ｗ‘の厚さが低減する。
なお図５では前記凹凸面を矩形断面を有するものとして示したが、これはあくまでも模式図であり、図６に示すようにのこぎり波状の断面、あるいは不規則な断面を有していてもよい。
図４のプラズマ処理装置２０では、基板保持台２５が被処理基板Ｗを水平に保持するため基板の着脱が容易で、しかも基板上方からの落下物による被処理基板Ｗの汚染を軽減できる好ましい効果が得られる。
［第２実施例］
図７は、本発明の第２実施例によるプラズマエッチング装置４０の構成を示す。ただし図７中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図７を参照するに、前記プラズマエッチング装置４０は、図４のプラズマエッチング装置２０と類似した構成を有するが、前記遮蔽板２６の代わりに遮蔽板４６を有している。
遮蔽板４６も前記遮蔽板２６と同様に、前記被処理基板Ｗの径よりも大きな開口部４６Ａを有しているが、前記遮蔽板４６のうち、前記開口部４６Ａを含む内縁部は、前記開口部４６Ａの中心に近い部分４６Ｂが上方に反った斜面を形成している。
図７のプラズマエッチング装置４０では、前記遮蔽板４６にこのように上方に反った斜面４６Ｂを形成することにより、前記被処理基板Ｗから放出されるスパッタ粒子の捕獲面積が増大し、前記石英側壁部２１Ｂにおけるより効率的なスパッタ粒子の堆積抑制および堆積物の剥離に起因するパーティクルの除去が可能となる。またかかる斜面４６Ｂを形成することにより、仮に剥離した堆積物が前記遮蔽板４６上に落下しても、かかる剥離物が前記開口部４６Ａを通って被処理基板Ｗの表面に落下することがない。
図８は、図７のプラズマエッチング装置４０の一変形例によるプラズマエッチング装置４０Ａの構成を示す。ただし図８中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図８を参照するに、プラズマエッチング装置４０Ａでは前記斜面４６Ｂの内縁に、前記開口部４６Ａを画成するように、上部に向かって延在する延在部４６Ｃが形成されている。かかる延在部４６Ｃを形成することにより、前記スパッタ粒子の捕獲面積がさらに増大し、また剥離して遮蔽板４６上に落下する堆積物が前記被処理基板Ｗの表面に落下するのが、効果的に阻止される。
［第３実施例］
図９は、本発明の第３実施例によるプラズマエッチング装置６０の構成を示す。ただし図９中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図９を参照するに、プラズマエッチング装置６０は、図４のプラズマエッチング装置２０と類似した構成を有するが、前記遮蔽板４６の一部に、前記遮蔽板４６の温度を制御するヒータなどの温度制御部４６Ｈを設けている。
前記温度制御部４６Ｈは前記遮蔽板４６の温度を、前記被処理基板Ｗの着脱時を含め、常時数十度から２００℃程度の温度の保持し、これにより、前記遮蔽板４６の温度が、例えば被処理基板Ｗを入れ替えるような場合に降下し、熱膨張係数の差により前記遮蔽板４６上に捕獲されていた堆積物が剥離して被処理基板Ｗ上に落下するのが抑制される。
なお、かかる温度調節部４６Ｈは、先の実施例、および以下に説明する実施例のいずれに設けてもよい。
［第４実施例］
図１０は、本発明の第４実施例によるプラズマエッチング装置８０の構成を示す。ただし図１０中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
本実施例では図４のプラズマエッチング装置４０において、石英やアルミナより構成されている遮蔽板４６を金属遮蔽板８６に置き換えている。
このように前記処理容器２１中に金属遮蔽板８６を設けた場合、前記処理容器２１中のプラズマが形成は、かかる金属遮蔽板８６の電位により影響される。
そこで、図１０のプラズマエッチング装置８０では、前記金属遮蔽板８６の電位を制御するために、前記金属遮蔽板８６に電気的に接続して、電圧制御回路８６Ａを設けている。
かかる構成によって、前記処理容器２１中でのプラズマ形成に実質的な影響を及ぼすことなく、スパッタ粒子の処理容器２１内壁への堆積を抑制することが可能となる。
以上、本発明をＩＣＰ型のプラズマエッチング装置について説明したが、本発明はかかる特定のプラズマエッチング装置に限定されるものではなく、ＥＣＲ型など、他の形式の高密度プラズマエッチング装置に対しても同様に適用可能である。
本発明のプラズマエッチング装置を使い、先に図１Ａ〜１Ｄで説明したような強誘電体キャパシタを形成することができる。その際、本発明のプラズマエッチング装置を使うことにより、基板上に形成されたＰＺＴ膜のみならず、ＰＬＺＴ（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）膜、ＳＢＴ（ＳｒＢｉ２（Ｔａ，Ｎｂ）２Ｏ９）膜など、他の強誘電体膜、ＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ３）膜、ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３）膜、ＨｆＯ２膜などの高誘電体膜、Ａｌ，Ｔｉなどの金属元素を含む金属酸化膜、さらにはＰｔ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｓｍ，Ｎｉのいずれかを含む金属膜あるいは化合物膜を、効率よく、高い歩留まりでパターニングすることができる。
本発明によれば、基板保持台上の被処理基板を高密度プラズマを使ってプラズマエッチングする際に、プラズマエッチングに伴って生じるスパッタリング作用により前記被処理基板から放出される粒子が前記遮蔽板により効果的に捕捉され、前記処理容器内壁における堆積物の形成が抑制される。その際、前記遮蔽板は前記被処理基板以上の大きさの開口部を有するため、前記遮蔽板上に堆積した堆積物が剥離しても前記被処理基板上に落下することはなく、かかる遮蔽板の使用により半導体装置の製造歩留まりが低下することはない。また、前記遮蔽板に前記被処理基板以上の大きさの開口部を形成することにより、前記基板前面にわたり一様なプラズマエッチング処理を行うことが可能になる。
Claims (17)
- 排気系により排気され、被処理基板を保持する基板保持台を備え、内部にプロセス空間を画成する処理容器と、
前記処理容器中にエッチングガスを導入する処理ガス供給路と、
前記プロセス空間にプラズマを形成するプラズマ発生源と、
前記基板保持台に結合された高周波源とよりなる基板処理装置において、
前記処理容器内には、前記プロセス空間を、前記被処理基板の表面を含む第１のプロセス空間部分と前記プロセス空間の残りの領域よりなる第２のプロセス空間部分とに分割する遮蔽板を備え、
前記遮蔽板には、前記被処理基板以上の大きさを有する開口部が形成されている基板処理装置。 - 前記遮蔽板は、前記基板保持台の上方に設けられる請求項１記載の基板処理装置。
- 前記遮蔽板は、少なくともその下面に、凹凸パターンが形成されている請求項１記載の基板処理装置。
- 前記遮蔽板は、その一部に、前記被処理基板の表面に対して傾斜した傾斜面を有する請求項１記載の基板処理装置。
- 前記傾斜面は前記開口部に沿って、前記開口部の中心に向かって上方に反るように形成されており、前記傾斜面は前記開口部を画成する請求項１記載の基板処理装置。
- 前記遮蔽板は、前記傾斜面のうち、前記開口部を画成する縁部に、上方に向かって前記被処理基板の表面に対して略垂直に延在する延在部を有する請求項５記載の基板処理装置。
- 前記遮蔽板は絶縁物よりなる請求項１記載の基板処理装置。
- 前記遮蔽板は石英ガラスあるいはアルミナよりなる請求項１記載の基板処理装置。
- 前記遮蔽板は金属よりなり、さらに前記基板処理装置は前記遮蔽板の電位を制御する制御回路を含む請求項１記載の基板処理装置。
- 前記基板保持台は、前記被処理基板を水平に保持する請求項１記載の基板処理装置。
- 前記処理容器は、前記被処理基板に対向する導体蓋を備え、前記導体蓋は接地されている請求項１記載の基板処理装置。
- 前記処理容器は誘電体材料よりなる側壁面を有し、前記プラズマ発生源は、前記処理容器に巻回されたコイルよりなる請求項１記載の基板処理装置。
- 基板上の膜をパターニングする工程を含む半導体装置の製造方法であって、
前記膜を形成された基板を、排気系により排気され内部にプロセス空間を画成する処理容器中の基板保持台上に被処理基板として保持する工程と、
前記処理容器中にエッチングガスを導入し、前記プロセス空間にプラズマを形成し、前記基板保持台にバイアス電圧を印加して前記膜をエッチングする工程とを含み、
さらに前記エッチング工程の際に前記被処理基板からスパッタされる粒子を、前記処理容器内に、前記プロセス空間を前記被処理基板の表面を含む第１のプロセス空間部分と前記プロセス空間の残りの領域よりなる第２のプロセス空間部分とに分割するように設けられ、前記被処理基板以上の大きさの開口部が形成されている遮蔽板により捕獲する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記基板は前記基板保持台上に、略水平に保持されることを特徴とする請求項１３記載の方法。
- 前記膜は、強誘電体膜である請求項１３記載の方法。
- 前記膜は、ＡｌあるいはＴｉのいずれかを含む金属酸化膜である請求項１３記載の方法。
- 前記膜は、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｓｍ，Ｎｉのいずれかを含む請求項１３記載の方法。
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