JPWO2019146267A1 - 反応性イオンエッチング装置 - Google Patents

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Abstract

被処理基板の面内全体に亘ってエッチングレートを略均一にできる低コストで且つ簡単な構造の反応性イオンエッチング装置を提供する。ステージ４に一対の電極４２ｂ，４２ｃを有する静電チャック４２が設けられ、被処理基板Ｗのエッチング時、これら一対の電極に対して直流電圧を印加することで被処理基板が静電チャックに静電吸着されるようにした本発明の反応性イオンエッチング装置ＥＭは、ステージに第１出力ラインＬ１を介して接続されて被処理基板に対しバイアス電位を印加する高周波電源Ｅ２が、第２出力ラインＬ２を介して一対の電極に接続されて直流電圧に重畳させて高周波電位を印加するように構成され、第１及び第２の両出力ラインに第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２とが夫々介設され、第２コンデンサに対する第１コンデンサの静電容量比が０．２５〜２５の範囲内に設定される。

Description

本発明は、反応性イオンエッチング装置に関する。
例えば半導体デバイスの製造工程において、シリコンウエハ等の基板表面に形成された金属膜や絶縁物膜を選択的に除去するために、真空雰囲気を利用した反応性イオンエッチング装置が従来から利用されている。このものは、一般に、真空チャンバ内で被処理基板が設置されるステージと、真空雰囲気中の真空チャンバ内にエッチングガスを導入するガス導入手段と、この導入されたエッチングガスを電離するプラズマを真空チャンバ内に発生させるプラズマ発生手段と、ステージに出力ラインを介して接続されて被処理基板に対しバイアス電位を印加する高周波電源とを備える。
ここで、近年、被処理基板が大面積化しており、このような被処理基板に対しても、その面内全体に亘って略均一なエッチングレートが得られることが要求される。従来、２台の高周波電源を用い、ステージに、互いに絶縁された状態で設けられた第１電極（内側電極）と第２電極（外側電極）とに周波数が異なる高周波電力を夫々投入することが例えば特許文献１で知られている。このものでは、第１電極と第２電極とに印加される電力比を変化させて、被処理基板に対し印加されるバイアス電位の分布を調整することで、被処理基板全体に亘って略均一なエッチングレートが得られるようにしている。
然しながら、上記従来例のものは、２台の高周波電源（及び分配器）を利用するため、装置コストが高くなると共に装置構成も複雑になるという問題がある。ところで、上記反応性イオンエッチング装置を用いて被処理基板に対してエッチング処理を施す場合、被処理基板を所定温度に制御することがある。このような場合、ステージには、加熱手段や冷却手段を組み込むと共に所謂静電チャックを設けることが一般的である。静電チャックは、通常、被処理基板を静電吸着するために一対の電極を備えることから、これを利用できれば、装置コストが低く、装置構成も簡単にできる。
特開２０１１−２２８４３６号公報
本発明は、以上の点に鑑み、被処理基板の面内全体に亘って略均一なエッチングレートを得ることができる低コストで且つ簡単な構造の反応性イオンエッチング装置を提供することをその課題とするものである。
上記課題を解決するために、真空チャンバ内で被処理基板が設置されるステージと、真空雰囲気中の真空チャンバ内にエッチングガスを導入するガス導入手段と、この導入されたエッチングガスを電離するプラズマを真空チャンバ内に発生させるプラズマ発生手段と、ステージに第１出力ラインを介して接続されて被処理基板に対しバイアス電位を印加する高周波電源とを備え、ステージに一対の電極を有する静電チャックが設けられ、被処理基板のエッチング時、これら一対の電極に対して直流電圧を印加することで被処理基板が静電チャックに静電吸着されるようにした本発明の反応性イオンエッチング装置は、高周波電源が、第２出力ラインを介して一対の電極に接続されて直流電圧に重畳させて高周波電位を印加するように構成され、第１及び第２の両出力ラインに第１コンデンサと第２コンデンサとが夫々介設され、第２コンデンサに対する第１コンデンサの静電容量比が０．２５〜２５の範囲内に設定されることを特徴とする。
本発明によれば、被処理基板のエッチング時に、静電チャックの一対の電極を利用して被処理基板を静電吸着するのに印加される直流電力に重畳して高周波電位を印加し、このとき、第２コンデンサに対する第１コンデンサの静電容量比を０．２５〜２５の範囲内に設定するため、被処理基板に対し印加されるバイアス電位の分布が調整されて、被処理基板全面に亘って略均一なエッチングレートが得られるようになる。このように本発明では、被処理基板全面に亘って略均一なエッチングレートが得られるという機能を有しつつ、静電チャックの一対の電極を利用して単一の高周波電源でバイアス電位を印加するため、上記従来例のように２台の高周波電源を用いる場合と比較して装置構成を簡単にでき、装置コストを低くできる。
本発明においては、エッチング対象（金属膜や絶縁膜等）に応じてバイアス電位の分布を適宜調整できるように、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの少なくとも一方は、その静電容量が可変の可変コンデンサであることが好ましい。
本発明の実施形態のエッチング装置の構成を模式的に説明する断面図。
以下、図面を参照して、本発明の反応性イオンエッチング装置（以下「エッチング装置」という）の実施形態について説明する。以下において、方向を示す用語は図１を基準にする。
図１を参照して、ＥＭはエッチング装置であり、エッチング装置ＥＭは、真空ポンプＰにより真空排気されて真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の上部開口には、Ｏリング等の真空シール１１を介して、石英等の誘電体製の天板１２が装着されている。真空チャンバ１の側壁には、図示省略のガス源に通じるガス管２が接続され、ガス管２にはマスフローコントローラ２１が介設され、真空チャンバ１内にエッチングガスを所定流量で導入できるようになっている。エッチングガスは、エッチング対象に応じて適宜選択され、例えば、アルミニウムやタングステン等の金属膜をエッチングする場合には、Ｃｌ２，ＢＣｌ３，ＣＣｌ４等の塩素系ガスが主として用いられ、必要に応じて希釈ガスとしての希ガス等が添加される。これらのガス管２及びマスフローコントローラ２１は、本発明の「ガス導入手段」を構成することができる。
天板１２の上方には、複数段（本実施形態では２段）のループ状のアンテナコイル３が設けられ、このアンテナコイル３には高周波電源Ｅ１からの出力が接続され、プラズマ発生用の高周波電力を投入できるようになっている。これらのアンテナコイル３及び高周波電源Ｅ１は、本発明の「プラズマ発生手段」を構成することができる。そして、真空チャンバ１内の底部にはステージ４が設けられている。
ステージ４は、真空チャンバ１内の底部に絶縁体Ｉを介して配置される、金属製の筒状部材で構成される基台４１と、基台４１の上面に設けられる静電チャック４２とを備える。基台４１には、特に図示して説明しないが、ヒータ等を有する加熱手段と、冷媒循環路を有する冷却手段とが組み込まれ、エッチング時に被処理基板Ｗを所定温度に加熱したり、または冷却できるようにしている。基台４１にはまた、第１出力ラインＬ１を介して高周波電源Ｅ２が接続され、エッチング時には、高周波電源Ｅ２より所定周波数の高周波電力を投入することで、被処理基板Ｗに対しバイアス電位が印加されるようにしている。
静電チャック４２は、基台４１の上面に密着される、誘電体からなるチャックプレート４２ａと、チャックプレート４２ａに埋設された一対の電極４２ｂ，４２ｃとを備え、両電極４２ｂ，４２ｃには直流電源Ｅ３から出力ケーブルが夫々接続されている。そして、一対の電極４２ｂ，４２ｃ間に所定の直流電圧を印加することで、被処理基板Ｗをチャックプレート４２ａの上面に静電吸着できるようにしている。両電極４２ｂ，４２ｃは、特に図示して説明しないが、例えば、夫々が櫛歯状に成形された金属板で構成され、その歯部が互いに噛合う姿勢で配置して、チャックプレート４２ａの同一平面内の略全域に亘って存するようにしている。なお、各電極４２ｂ，４２ｃの形状や配置等はこれに限定されるものではない。
ここで、被処理基板Ｗに対してその面内全体に亘って略均一なエッチングレートを得ようとすると、高周波電源Ｅ２より所定周波数の高周波電力を投入したときに、被処理基板Ｗに対し印加されるバイアス電位の分布を略均等にする必要がある。本実施形態では、高周波電源Ｅ２は、第２出力ラインＬ２を介して一対の電極４２ｂ，４２ｃにも接続され、これら一対の電極４２ｂ，４２ｃに対して上記直流電圧に重畳させて高周波電位を印加できるようにしている。この場合、第１及び第２の出力ラインＬ１，Ｌ２には、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２とが夫々介設されている。本実施形態では、第１コンデンサＣ１として可変コンデンサを用い、第２コンデンサＣ２として固定コンデンサを用いている。可変コンデンサＣ１は、例えば、１２．５〜５０００ｐＦの間で静電容量が可変であるものを例示でき、固定コンデンサＣ２は、例えば、５０〜２００ｐＦの間の所定の静電容量を持つものを例示できる。尚、固定コンデンサＣ２の種類は、電解コンデンサ、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサ、電気二重層コンデンサ等の中から適宜選択することができる。
エッチング時には、例えば、エッチング対象（金属膜または絶縁膜）やエッチング条件（エッチングガス種やエッチング時の圧力）及び電極４２ｂ，４２ｃの形状等を考慮して、第１コンデンサＣ１の静電容量を適宜変化させ、第２コンデンサＣ２に対する第１コンデンサＣ１の静電容量比を０．２５〜２５の範囲に設定する。なお、静電容量比が０．２５〜２５の範囲を外れる場合には、所望のエッチングレートの面内均一性が得られないという不具合が生じる虞がある。
上記エッチング装置ＥＭは、特に図示しないが、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段を有し、制御手段により上記各電源Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３の稼働、マスフローコントローラ２１の稼働や真空ポンプＰの稼働等を統括管理するほか、可変コンデンサＣ１の静電容量を調整することで固定コンデンサＣ２に対する可変コンデンサＣ１の静電容量比を調整している。以下、被処理基板Ｗをシリコン基板の表面にアルミニウム膜が形成されたものとし、上記エッチング装置ＥＭを用いてアルミニウム膜をエッチングする場合を例にエッチング方法について説明する。
先ず、真空ポンプＰを作動させて真空チャンバ１内を所望の真空度（例えば、０．５Ｐａ）まで真空引きした状態で、図外の搬送ロボットを用いて被処理基板Ｗを搬送してステージ４のチャックプレート４２ａ上に載置する。次に、直流電源Ｅ３から静電チャック４２の一対の電極４２ｂ，４２ｃに直流電圧を印加し、被処理基板Ｗをチャックプレート４２ａの上面に静電吸着する。そして、マスフローコントローラ２１を制御して真空チャンバ１内に塩素系ガスを２０〜２００ｓｃｃｍの流量で導入すると共に、高周波電源Ｅ１からアンテナコイル３に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を１００Ｗ〜１０００Ｗ投入することで、真空チャンバ１内にプラズマを発生させる。これと併せて、高周波電源Ｅ２からステージ４に例えば１２．５ＭＨｚの高周波電力を２０〜６００Ｗ投入して被処理基板Ｗにバイアス電位を印加する。これにより、プラズマ中で電離したイオンが被処理基板Ｗ表面に引き込まれてアルミニウム膜がドライエッチングされる。
ところで、近年、大面積化した被処理基板Ｗに対しても、その面内全体に亘って略均一なエッチングレートが要求されることがある。この要求を満たすために、上記従来例では、２台の高周波電源を用い、ステージに設けられた２つの電極に周波数が異なる高周波電力を夫々投入してバイアス電位の分布を調整しているが、これでは、装置コストが高くなると共に装置構成も複雑になる。
そこで、本実施形態では、被処理基板Ｗのエッチング時に、高周波電源Ｅ２から一対の電極４２ｂ，４２ｃに上記直流電圧に重畳して高周波電位を印加するようにした。このとき、第２コンデンサＣ２に対する第１コンデンサＣ１の静電容量比を０．２５〜２５の範囲に設定しておくことで、被処理基板Ｗに対し印加されるバイアス電位の分布が調整されて、被処理基板Ｗ全面に亘って略均一なエッチングレートを得ることができる。後述する実験によれば、アルミニウム膜のエッチングレートの面内均一性を±３．５％以下、より好ましくは±２．０％以下と高くできることが確認された。尚、一対の電極４２ｂ，４２ｃを金属製板状部材で夫々構成し、各電極４２ｂ，４２ｃを被処理基板Ｗの吸着面の略全面に亘って存するように配置することで、効果的にバイアス電位の分布を調整することができる。このように本実施形態では、被処理基板Ｗ全面に亘って略均一なエッチングレートが得られるという機能を有しつつ、静電チャック４２の一対の電極４２ｂ，４２ｃを利用して単一の高周波電源Ｅ２でバイアス電位を印加するため、上記従来例のように２台のバイアス用高周波電源（及び分配器）を用いる場合と比較して装置構成を簡単にでき、装置コストを低くできる。
ところで、エッチング対象（金属膜や絶縁膜等）やエッチング条件（エッチングガス種やエッチング時の圧力）が異なると、被処理基板Ｗ全面に亘って略均一なエッチングレートが得られるバイアス電位の分布が変化する場合がある。この場合、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２との少なくとも一方を可変コンデンサで構成すれば、エッチング対象やエッチング条件に応じてバイアス電位の分布を適宜調整でき、有利である。
次に、上記効果を確認するために、上記エッチング装置ＥＭを用いて次の実験を行った。本実験では、基板Ｗとしてシリコン基板上にアルミニウム膜をスパッタリング法により約３００ｎｍの厚さで成膜したものとし、このアルミニウム膜を以下の条件でエッチングした。即ち、塩素系ガス（例えば、Ｃｌ２，ＢＣｌ３）の流量を５０ｓｃｃｍ，５０ｓｃｃｍ（このときの真空チャンバ１内の圧力は０．５Ｐａ）、ステージ４に投入するバイアス電力を１２．５ＭＨｚ，１５０Ｗ、アンテナコイル３への投入電力を１３．５６ＭＨｚ，３００Ｗ、静電チャック４２に印加する直流電圧を１．０ｋＶに設定した。ここで、第１コンデンサＣ１として静電容量が可変の可変コンデンサを用い、第２コンデンサＣ２として静電容量が固定（２００ｐＦ）の固定コンデンサを用い、可変コンデンサＣ１の静電容量を２５００ｐＦに調整した（このときの第２コンデンサＣ２に対する第１コンデンサＣ１の静電容量比は１２．５であり、以下「発明実験１」という）。発明実験１のエッチング前後のアルミニウム膜の膜厚を夫々被処理基板Ｗの径方向の７点で測定し、その測定値から求めたエッチングレートの平均値は３５０ｎｍ／ｍｉｎ、面内均一性±１．８％であった。
可変コンデンサＣ１の容量を５０ｐＦ，５００ｐＦ,１５００ｐＦ，３０００ｐＦ，４０００ｐＦ，５０００ｐＦに変化させた点（以下「発明実験２」，「発明実験３」，「発明実験４」，「発明実験５」，「発明実験６」，「発明実験７」という）を除き、上記発明実験１と同様にエッチングを行い、エッチングレートの平均値及び面内均一性を求めた。発明実験２（静電容量比＝０．２５）では３５０ｎｍ／ｍｉｎ±３．５％であり、発明実験３（静電容量比＝２．５）では３６０ｎｍ／ｍｉｎ±２．８％であり、発明実験４（静電容量比＝７．５）では３５３ｎｍ／ｍｉｎ±２．０％であり、発明実験５（静電容量比＝１５）では３４５ｎｍ／ｍｉｎ±２．０％であり、発明実験６（静電容量比＝２０）では３４３ｎｍ／ｍｉｎ±２．５％であり、発明実験７（静電容量比＝２５）では３３９ｎｍ／ｍｉｎ±３．４％であった。
上記発明実験１〜７に対する比較のため、可変コンデンサＣ１の容量を４０ｐＦ，６０００ｐＦ（このときの静電容量比＝０．２，３０）に変化させた点（以下「比較実験１」，「比較実験２」という）を除き、上記発明実験１と同様にエッチングを行い、エッチングレートの平均値及び面内均一性を求めたところ、比較実験１（静電容量比＝０．２）では３４７ｎｍ／ｍｉｎ±３．７％であり、比較実験２（静電容量比＝３０）では３３２ｎｍ／ｍｉｎ±４．７％であった。これら発明実験１〜７及び比較実験１〜２の結果を表１に纏めて示す。
（表１）
Figure 2019146267
以上の実験によれば、第２コンデンサＣ２に対する第１コンデンサＣ１の静電容量比を０．２５〜２５の範囲にすることで、面内均一性を±３．５％以内にでき、被処理基板Ｗ全面に亘って略均一なエッチングレートが得られることが確認された。また、静電容量比を７．５〜１５の範囲にすることで、面内均一性を±２．０％以内にでき、より一層均一なエッチングレートが得られることが確認された。これより、被処理基板Ｗに対し印加されるバイアス電位の分布を効果的に調整できることが判った。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態では、第１コンデンサＣ１を可変コンデンサ、第２コンデンサＣ２を固定コンデンサとする場合を例に説明したが、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２との少なくとも一方が可変コンデンサであることが好ましく、例えば、第１コンデンサＣ１を固定コンデンサ、第２コンデンサＣ２を可変コンデンサとしてもよい。この場合も、エッチング対象やエッチング条件に応じてバイアス電位の分布を適宜調整できる。
上記実施形態では、エッチング対象が金属膜（アルミニウム膜）である場合を例に説明したが、エッチング対象が絶縁膜である場合にも本発明を適用することができる。
Ｃ１…可変容量コンデンサ（第１コンデンサ）、Ｃ２…固定コンデンサ（第２コンデンサ）、Ｅ２…高周波電源、Ｅ１…高周波電源（プラズマ発生手段）、ＥＭ…反応性イオンエッチング装置（プラズマ処理装置）、Ｌ１…第１出力ライン、Ｌ２…第２出力ライン、１…真空チャンバ、２…ガス管（ガス導入手段）、２１…マスフローコントローラ（ガス導入手段）、３…コイル（プラズマ発生手段）、４…ステージ、４２…静電チャック、４２ｂ，４２ｃ…一対の電極。

Claims (2)

  1. 真空チャンバ内で被処理基板が設置されるステージと、真空雰囲気中の真空チャンバ内にエッチングガスを導入するガス導入手段と、この導入されたエッチングガスを電離するプラズマを真空チャンバ内に発生させるプラズマ発生手段と、ステージに第１出力ラインを介して接続されて被処理基板に対しバイアス電位を印加する高周波電源とを備え、
    ステージに一対の電極を有する静電チャックが設けられ、被処理基板のエッチング時、これら一対の電極に対して直流電圧を印加することで被処理基板が静電チャックに静電吸着されるようにした反応性イオンエッチング装置において、
    高周波電源は、第２出力ラインを介して一対の電極に接続されて直流電圧に重畳させて高周波電位を印加するように構成され、第１及び第２の両出力ラインに第１コンデンサと第２コンデンサとが夫々介設され、第２コンデンサに対する第１コンデンサの静電容量比が０．２５〜２５の範囲内に設定されることを特徴とする反応性イオンエッチング装置。
  2. 前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの少なくとも一方は、その静電容量が可変の可変コンデンサであることを特徴とする請求項１記載の反応性イオンエッチング装置。
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