JP2976898B2 - ドライエッチング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、材料のドライエッ
チング方法に関し、特に、半導体装置の製造工程におけ
る、半導体ウェハの残留電荷の除去方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの高集積化が進
み、パターンの微細化に伴い、ドライエッチング技術の
重要性は、ますます大きくなってきている。ドライエッ
チング工程においては、パターンサイズの精度と均一性
を保つためにも、ドライエッチング中のウェハ温度の制
御が、重要な技術の一つとなってきている。

【０００３】このように、ウエハ温度を制御する方法と
しては、ウェハをウェハステージに固定して、冷却用の
媒体によりウエハステージを冷却する方法が一般的であ
る。このような、ウェハをウェハステージに固定する方
法としては、静電吸着による方法と、ウェハの外周部を
ウェハ押さえにより押さえて、ウェハステージにウエハ
を密着させる方法とがある。このうち、上部電極、下部
電極の他に、中間電極を備えたことを特徴とする、トラ
イオード式プラズマエッチング装置では、一般的に、後
者のウェハ押さえ方式が採用されている。

【０００４】図１に、ウェハ押さえ方式を採用した、ト
ライオード式プラズマエッチング装置の概略構造を示
す。トライオード式プラズマエッチング装置Ａは、概
略、エッチング室１と、プラズマ制御系３と、処理ガス
導入系５とからなっている。エッチング室１内には、上
部電極１１と、下部電極１５の他に、中間電極１７が設
けられている点が、トライオード式プラズマエッチング
装置の特徴である。

【０００５】また、下部電極１５の上には、半導体ウェ
ハ１９がウェハ台２１上に載せられており、ウェハ押さ
え２３により、エッチング室１に固定されている。さら
に、エッチング室１には、図に示すようにウェハ１９を
持ち上げて、次のプロセス装置に搬送するためのリフト
ピン２５が設けられている。一方、プラズマ制御系３
は、高周波電源３１と、図に示す、３つの制御可能なキ
ャパシタ３３ａ、３３ｂ、３３ｃとを備えて構成されて
いる。

【０００６】処理ガス導入系５は、エッチング室１に処
理ガスを導入するための、ガス導入管３５、３５、３５
と、電磁弁３７、３７、３７と、フローメータ４１、４
１、４１とが設けられるとともに、図示しないが、エッ
チング室１を排気するための真空ポンプが取り付けられ
ている。

【０００７】このようなトライオード式プラズマエッチ
ング装置Ａにおいては、通常の２電極方式のドライエッ
チング装置と比較して、上部電極１１と中間電極１７の
間、及び中間電極１７と下部電極１５の間にプラズマ放
電を行い、高密度のプラズマを生成することができるた
め、エッチング処理の効率が高いという利点がある。こ
こで、中間電極１７には、貫通孔１７ａが多数設けられ
ており、処理ガスが自由に移動できるようになってい
る。

【０００８】ここで、下部電極１５は、ウェハ１９を設
置するための、ウェハステージをも兼ねており、ウェハ
台２１とともに、ウェハ１９を下から支えている。ま
た、下部電極１５には、冷却用の冷媒として水を流して
おり、ウェハ１９の温度を一定に保持する。エッチング
室１からウェハ１９を搬出する場合には、ウェハ台２１
が下降することで、リフトピン２５が上昇し、ウェハ１
９を持ち上げる仕組みになっている。ここで、上記ウェ
ハ押さえ２３の材料としては、セラミックス等の絶縁体
が一般的であるが、このような絶縁体には、プラズマエ
ッチング処理後に、ウェハ１７に電荷が残留しやすいと
いう問題点もある。

【０００９】この残留電荷の影響により、エッチング終
了後に、ウェハ１９がウェハ押さえ２３に密着してしま
い、ウェハ押さえ２３を上昇させて両者を分離させよう
とした場合に、両者がなかなか離れず、しばしば搬送エ
ラーの原因となっていた。このような問題点を解決する
ために、これまでにもいくつかの方法が提案されてい
る。

【００１０】例えば、特開平７−１１５０８５では、ト
ライオード式プラズマエッチング装置ではなく、通常の
２電極式のプラズマエッチング装置を用いた場合である
が、静電吸着されたウェハに、所定のプラズマエッチン
グを行う工程の後で、ウェハにバイアスを印加し、イオ
ンをウェハに入射させて残留電荷を除去する方法が開示
されている。

【００１１】また、特開平５−２８３３７９では、トラ
イオード式プラズマエッチング装置ではない、通常のプ
ラズマエッチング装置であるが、静電吸着されたウェハ
に、イオンをウェハに入射させる工程において、ウェハ
をプラズマエッチングする工程よりも、印加するバイア
スを小さくすることで、静電吸着力を小さくして、搬送
エラーを防止する方法が開示されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ウェハ
押さえ２３によるウェハ固定方法の場合の、ウェハ１７
の残留電荷の除去方法に関しては、これまでに解決手段
が提示されていなかった。また、上記の従来技術（静電
吸着の場合）を、ウェハ押さえ２３による固定手段を用
いたトライオード式プラズマエッチング装置によるドラ
イエッチング技術に、そのまま適用したとしても、ウェ
ハ１７にダメージ入ったり、予定外のエッチングの進行
が起こったりするという問題点があった。これは、ウェ
ハ１７に対して、数秒から数十秒間、バイアスを印加す
るからである。

【００１３】上記のような問題点に鑑みて、本発明のド
ライエッチング方法においては、トライオード式プラズ
マエッチング装置を用いたドライエッチング方法におい
て、トライオード式プラズマエッチング装置特有の機構
を考慮しつつ、ウェハのエッチング後に、ウェハに残留
する電荷を、ウェハに悪影響を与えずに、迅速に除去
し、搬送エラーが起こらないような、ドライエッチング
方法を提供することを目的とする。そして、このような
手段を提供することにより、半導体製造プロセスにおい
て、次のプロセスへの搬送をスムーズに行い、また、ウ
ェハの破損等をなくすことにより、製造コストを削減す
ることをも課題としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のドライエッチング装置においては、次に示
すような手段を講じた。すなわち、請求項１記載のドラ
イエッチング方法においては、上部電極と、貫通孔が多
数設けられた板状の中間電極と、ウェハステージを兼ね
る下部電極との、３つの電極を備え、これら上部電極と
中間電極の間、及び中間電極と下部電極の間にプラズマ
放電を行い、高密度のプラズマを生成するトライオード
式プラズマエッチング装置を用いたドライエッチング方
法であって、該ドライエッチング方法は、該エッチング
装置のエッチング処理室内に配置された、前記ウェハス
テージの上にウェハを配置する第１の工程と、誘電体材
料からなるウェハ押さえより、前記ウェハの外周部分
を、前記ウェハステージと密着させて固定する第２の工
程と、前記ウェハに対して、該ウェハをエッチングする
ための第１の処理ガスを用いて、前記上部電極と前記中
間電極の間及び、該中間電極と前記下部電極の間で放電
を行うことにより、所定のプラズマエッチングを行う第
３の工程と、前記ウェハを前記ウェハステージに密着さ
せたままで、該ウェハの残留電荷の除去のための第２の
処理ガスを用いて、前記エッチング装置の前記上部電極
と前記中間電極との間で放電を行うことにより、所定の
プラズマエッチングを行う第４の工程と、を有すること
を特徴とする。

【００１５】上記のドライエッチング方法においては、
通常行われている前記第１、第２及び第３の工程の次
に、前記第４の工程を追加している。前記第４の工程に
おいては、前記上部電極と前記中間電極との間にのみプ
ラズマが発生する。発生したプラズマ中の、前記第２の
処理ガスの正イオンは、前記中間電極に引き寄せられ
て、該中間電極をすり抜けて、負に帯電した前記ウェハ
にを入射する。また、前記中間電極と、前記下部電極と
の間には、プラズマが発生しないので、前記下部電極上
に配置されている前記ウェハには、直接プラズマは入射
せず、ダメージ等が入らない。

【００１６】請求項２記載のドライエッチング方法にお
いては、請求項１記載のドライエッチング方法であっ
て、前記第４の工程において、前記プラズマエッチング
を行う時間を、１秒以上５秒以下の時間とすることを特
徴とする。上記のドライエッチング方法においては、前
記第４の工程による処理時間が短いため、ウェハにダメ
ージを与えす、また、余計なエッチングが進行すること
もない。また、上記時間は除電には十分である。

【００１７】請求項３記載のドライエッチング方法にお
いては、請求項１または２記載のドライエッチング方法
であって、前記第２の処理ガスとして、前記第１の処理
ガスと同一のガスを含むガスを用いることを特徴とす
る。上記ドライエッチング方法においては、前記第１の
処理ガスと前記第２の処理ガスとが同一である。従っ
て、前記第３の工程と前記第４の工程の間において、前
記第１の処理ガスを排気する工程と、前記第２の処理ガ
スを前記処理室内に導入して、ガス圧の調整を行う工程
を省略して、第４の工程を行うことができる。

【００１８】請求項４記載のドライエッチング方法にお
いては、請求項１または２記載のドライエッチング方法
において、前記第２の処理ガスとして、酸素、窒素、或
いは不活性ガスを用いることを特徴とする。このような
ドライエッチング方法においては、第１の処理ガスと第
２の処理ガスとを、同一のガスにできないような事情が
ある場合において、もっとも簡便で、入手しやすいエッ
チングガスである、酸素または窒素ガスや、ウェとのと
反応を起こしにくい不活性ガスを用いる。

【００１９】請求項５記載のドライエッチング方法にお
いては、請求項３記載のドライエッチング方法であっ
て、前記中間電極と前記下部電極との間の放電を停止す
る工程のみにより、前記第３の工程から前記第４の工程
に移行することを特徴とする。このようなドライエッチ
ング方法においては、前記中間電極と前記下部電極との
間の放電の停止作業のみにより、前記第３の工程から前
記第４の工程に移行することができるので、連続した工
程として、迅速にエッチング工程を進行させることがで
きる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面に基づいて説明する。図１は、本発明のドライエッチ
ング方法を説明するための、ドライオード式プラズマエ
ッチング装置の概略図であり、従来例で示した構造と全
く同一であるため、共通して使用する。また、このトラ
イオード式プラズマエッチング装置Ａの概略構成につい
ても、従来例で説明したので、その説明は省略する。

【００２１】ここで、中間電極１７には、厚さ５ｍｍの
アルミ製の板を用いており、また、中間電極１７の上下
において、処理ガスが移動可能なように、中間電極１７
には直径４ｍｍの貫通孔１７ａが、全面にわたって多数
設けられている。また、ウェハ押さえ２３は絶縁性のセ
ラミック材料からできている。

【００２２】次に、図１から図３までを用いて、本発明
のドライエッチング方法の工程について説明する。ま
ず、第１の工程においては、エッチング装置Ａのエッチ
ング処理室１内に配置された、下部電極１５とウェハ台
２１の上にＳｉウェハ１９を配置する。このＳｉウェハ
１９には、Ａｓを拡散したポリシリコン膜が堆積されて
おり、このポリシリコン膜を、フォトレジスト等をエッ
チングマスクとしてエッチングする。

【００２３】次に、第２の工程において、ウェハ台２１
が上昇すると同時に、ウェハ１９は、セラミック（誘電
体材料）からなるウェハ押さえ２３により、その外周部
分が押さえられ、ウェハ台２１に密着して、固定され
る。そして、第３の工程として、ウェハ１９に対して、
上部電極１１と中間電極１７の間及び、中間電極１７と
下部電極１５との間で放電を行うことにより、所定のプ
ラズマエッチングを行う。

【００２４】次に、真空系（図示せず）で排気後、エッ
チング処理室１内に第１の処理ガスとして、ＳＦ6ガス
を１０ＳＣＣＭ、Ｃｌ2を５ＳＣＣＭ、ＣＨＦ3を５ＳＣ
ＣＭの流量で、エッチング室１に導入する。そして、真
空系でガス圧を調整して、２００ｍＴｏｒｒに保つ。こ
こで、キャパシタの値を３３ａ：３３ｂ：３３ｃ＝２
５：１５：１５になるように設定する。そして、高周波
電力を８０Ｗにして、通常のエッチングを１分間行う。

【００２５】このエッチング工程により、上記のポリシ
リコンがエッチングされる。この場合、ウェハ１９は、
プラズマの影響により負に帯電してしまい、セラミック
製のウェハ押さえ２３に、吸着することがある（１０〜
１５％の割合で、搬送に支障が生じる）。そこで、第４
の工程として、上記の第２の処理ガス、すなわち、Ｏ2
を５０ＳＣＣＭ導入し、ガス圧を１５０ｍＴｏｒｒに保
つ。

【００２６】その後、キャパシタの値を、３３ａ：３３
ｂ：３３ｃ＝７：０：１０に設定し（３３ｂを０にす
る）、高周波電力を５０Ｗにして、１秒間印加する。こ
れにより、ウェハ１９の残留電荷が中和され、ウェハ１
９のウェハ押さえ２３への吸着がなくなる。次に、上記
の工程において、負に帯電したウェハ１９の残留電荷
を、除去できるメカニズムについて詳細に説明する。

【００２７】図２は第３の工程を示している。第３の工
程では、上部電極１１と中間電極１７の間及び中間電極
１７と下部電極１５との間に放電が起こり、プラズマ中
の正イオンは、高周波電力（印加電圧）が負の時には、
上部電極１１と下部電極１５とに引き寄せられ、一方、
電子は、高周波電力が正の時には、上部電極１１と下部
電極１５に引き寄せられる。

【００２８】ここで、正イオンに比べて電子の質量は小
さいため、より多くの電子が上部電極１１と下部電極１
５とに引き寄せられ、下部電極１５上に接地されたウェ
ハ１９は、負の電荷を担う。

【００２９】図３は、第４の工程において、上部電極１
１と中間電極１７との間に放電を行い、プラズマが生成
している状態を示している。次に、第４の工程に移る前
に、第１の処理ガスを排気する。次に、第４の工程にお
いては、まず、第２の処理ガスを導入し、キャパシタ３
３ｂを０に設定する。

【００３０】そして、１〜５秒間、高周波電力を印加す
ると、上部電極１１と中間電極１７との間にのみ、第２
の処理ガスのプラズマが発生する。下部電極１５は、中
間電極１７に対して、残留電荷の除電が完了するまでは
常に負の電位を有する。

【００３１】一方、上部電極１１は、高周波電力により
正・負を繰り返す。プラズマ中の正イオンは、図３に示
すように高周波電力が正の時、中間電極１７に引き寄せ
られて、中間電極１７の貫通孔１７ａを通過し、下部電
極１７との電位差により加速され、ウェハ１９に入射す
る。

【００３２】一方、電子は、高周波電力が負の時、中間
電極１７に引き寄せられて、貫通孔１７ａを通過した
後、下部電極１７の負の電位及びウェハの負の電荷によ
り反発し、中間電極１７に引き寄せられる。これによ
り、ウェハ１９の残留電荷は中和され、この中和が進行
するに従って、上記イオンの入射エネルギーが減少し、
最後には除電が完了する。以上のメカニズムにより、ウ
ェハ１９の残留電荷は除去される。

【００３３】ここでは、直接ウェハ１９にバイアスを印
加されないので、処理時間も５秒以下と短いため、ウェ
ハに悪影響を及ぼすことはない。これにより、ウェハ１
９の負の電荷は中和され、ウェハ１９とウェハ押さえ２
３との静電吸着力は弱まり、その後のウェハ１９の搬送
工程に支障をきたすことはない。

【００３４】尚、第２の処理ガスによりエッチングをす
る時間を１〜５秒としたのは、１秒以下では、除電の効
果があまりなく、次の搬送工程に支障をきたす場合があ
り、一方、５秒以上の処理を行うと、ウェハ１９に余計
なダメージが入ったり、予定外のエッチングが進行した
りするという問題点が生じる上に、除電という本来の目
的は５秒以内で達成されるからである。

【００３５】また、第２の処理ガスとしては、ここでは
酸素ガスを用いたが、窒素ガスを用いても良いし、さら
にアルゴンやヘリウムなどの不活性ガスを用いれば、エ
ッチングはほとんど起こらない。

【００３６】次に、本発明のドライエッチング方法を用
いた第２の実施の形態について説明する。ここでは、第
４の工程においては、第１の実施の形態に示した場合と
異なり、第２の処理ガスとして、前記第１の処理ガスと
同一のガスを含むガスを用いている。

【００３７】すなわち、第２の処理ガスとして、第３の
工程と全く同じように、ＳＦ6ガスを１０ＳＣＣＭ、Ｃ
ｌ2ガスを５ＳＣＣＭ、ＣＨＦ3ガスを５ＳＣＣＭの流量
で、エッチング室１に導入する。そして、真空系で排気
して、ガス圧を２００ｍＴｏｒｒに保つ。ここで、キャ
パシタ３３ａ：３３ｂ：３３ｃを、７：０：１０に変化
させると共に、高周波電力を３０Ｗに低下させ、エッチ
ングを１秒間行う。

【００３８】このエッチング工程により、第２の処理ガ
スを、第１の処理ガスと変更することなく、キャパシタ
と高周波電力の変更のみで、第３の工程において生じた
残留電荷を除去することができる。

【００３９】尚、この実施の形態においては、第２の処
理ガスとして、第１の処理ガスと同じ種類のガスを用い
たため、ウェハ１９上のポリシリコンもエッチングされ
てしまう恐れがあるようにみえるが、第４の工程では、
上部電極１１と中間電極１７との間のみにプラズマが発
生すること、高周波パワーを小さくしていること、エッ
チング（プラズマ発生）時間が１秒間ときわめて短いこ
とから、エッチングは進行しない。

【００４０】次に、本発明の第３の実施の形態について
説明する。この場合には、第２の実施の形態に示したド
ライエッチング方法において、中間電極１７と下部電極
１５との間の放電を停止する操作のみにより、第３の工
程から前記第４の工程に移行する。

【００４１】このような操作は、第３の工程のエッチン
グ時間が終了した後、ガス圧も高周波電力も変化させず
に、ただ、キャパシタの値のみを瞬時に変化させ、その
後１秒間のエッチングを継続することにより達成でき
る。従って、このドライエッチング方法においては、ウ
ェハ１９の残留電荷を瞬時に除電できる。

【００４２】

【発明の効果】以上に述べたように、請求項１記載のド
ライエッチング方法においては、トライオード式プラズ
マエッチング装置を用いてドライエッチングを行う際に
生じる、ウェハの残留電荷を、新たな機構を必要としな
い簡単な方法で、かつ、速やかに除電することができ
る。

【００４３】従って、次のプロセスへの搬送時の搬送ミ
スによる、ウェハの破損やプロセスラインの停止といっ
た事態が防止でき、製造コストの低減や製造工程の短縮
化が促進できる。

【００４４】次に、請求項２記載のドライエッチング方
法においては、残留電荷の除電を目的とした第２のプラ
ズマ処理の時間を１〜５秒に設定したため、ウェハの除
電という観点からは、十分であり、かつ余計なエッチン
グやダメージが入ることがない。

【００４５】請求項３記載のドライエッチング方法にお
いては、第１の処理ガスと第２の処理ガスとが同一のガ
スであるため、第３の工程から第４の工程への移行がス
ムーズになる。

【００４６】請求項４記載のドライエッチング方法にお
いては、第２の処理ガスとして、酸素、窒素、或いは不
活性ガスを用いているため、エッチングが進行しにく
く、かつ、最も一般的に用いられているガスであるた
め、通常は、余計な機構の追加を必要としないという利
点がある。

【００４７】請求項５記載のドライエッチング方法にお
いては、請求項３記載のドライエッチング方法におい
て、第３の工程から第４の工程への移行が、中間電極と
下部電極との放電を停止するだけの工程で行われるた
め、余計な機構の追加が不要かつ、スムーズな移行が可
能となる。

【００４８】以上述べたように、本発明のドライエッチ
ング方法によれば、トライオード式プラズマエッチング
装置を用いたドライエッチング方法において、従来から
問題となっていた、エッチング後のウェハの残留電荷を
スムーズに除去することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 トライオード式プラズマエッチング装置の概
略構成図である。

【図２】 本発明のドライエッチング方法の原理を説明
するための、第３の工程を示す原理図である。

【図３】 本発明のドライエッチング方法の原理を説明
するための、第４の工程を示す原理図である。

【符号の説明】

Ａ…トライオード式プラズマエッチング装置、１…エッ
チング室、３…プラズマ制御系、５…処理ガス導入系、
１１…上部電極、１５…下部電極、１７…中間電極、１
７ａ…貫通孔、１９…ウェハ、２１…ウェハ台、２３…
ウェハ押さえ、２５…リフトピン、３３ａ…キャパシ
タ、３３ｂ…キャパシタ、３３ｃ…キャパシタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−188305（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−216088（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−279486（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−29879（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−177092（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−115085（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−132219（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−111259（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−153740（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/3065 H01L 21/68

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上部電極と、貫通孔が多数設けられた板
   状の中間電極と、ウェハステージを兼ねる下部電極と
   の、３つの電極を備え、これら上部電極と中間電極の
   間、及び中間電極と下部電極の間にプラズマ放電を行
   い、高密度のプラズマを生成するトライオード式プラズ
   マエッチング装置を用いたドライエッチング方法であっ
   て、 該ドライエッチング方法は、 該エッチング装置のエッチング処理室内に配置された、
   前記ウェハステージの上にウェハを配置する第１の工程
   と、 誘電体材料からなるウェハ押さえより、前記ウェハの外
   周部分を、前記ウェハステージと密着させて固定する第
   ２の工程と、 前記ウェハに対して、該ウェハをエッチングするための
   第１の処理ガスを用いて、前記上部電極と前記中間電極
   の間及び、該中間電極と前記下部電極の間で放電を行う
   ことにより、所定のプラズマエッチングを行う第３の工
   程と、 前記ウェハを前記ウェハステージに密着させたままで、
   該ウェハの残留電荷の除去のための第２の処理ガスを用
   いて、前記エッチング装置の前記上部電極と前記中間電
   極との間で放電を行うことにより、所定のプラズマエッ
   チングを行う第４の工程と、を有することを特徴とする
   ドライエッチング方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のドライエッチング方法で
   あって、前記第４の工程において、前記プラズマエッチ
   ングを行う時間を、１秒以上５秒以下の時間とすること
   を特徴とするドライエッチング方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載のドライエッチン
   グ方法であって、前記第２の処理ガスとして、前記第１
   の処理ガスと同一のガスを含むガスを用いることを特徴
   とするドライエッチング方法。
4. 【請求項４】 請求項１または２記載のドライエッチン
   グ方法であって、前記第２の処理ガスとして、酸素、窒
   素、或いは不活性ガスを用いることを特徴とするドライ
   エッチング方法。
5. 【請求項５】 請求項３記載のドライエッチング方法で
   あって、前記中間電極と前記下部電極との間の放電を停
   止する工程のみにより、前記第３の工程から前記第４の
   工程に移行することを特徴とするドライエッチング方
   法。