JP3764594B2

JP3764594B2 - プラズマ処理方法

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Publication number: JP3764594B2
Application number: JP28969698A
Authority: JP
Inventors: 主人高橋; 俊夫増田; 哲徳加治; 賢悦横川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-10-12
Filing date: 1998-10-12
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2018-10-12
Also published as: US20090008363A1; US20020040766A1; US7048869B2; JP2000124190A; US20060157449A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置に関し、特にシリコン酸化膜などの絶縁膜をプラズマによりエッチングする装置に関し、エッチングパターンの微細化に対応できるプラズマ発生源を有し、しかも長期にわたって安定なエッチング特性を維持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】
従来のプラズマ処理装置の中で、酸化膜エッチング装置を例にとり、その技術と課題を示す。従来の酸化膜用のプラズマエッチング装置として最も広く使用されている型式は、１対の対向する電極からなる狭電極型の高周波プラズマ生成装置である。１３．５６ＭＨｚから数１０ＭＨｚ程度の高周波を片方の電極に印加し、他方にはウエハを載置して周波数が１ＭＨｚ前後のウエハへの高周波バイアスを別に印加する方式や、１対の電極に高周波を印加する方式が知られている。この方式のエッチング装置は、電極間の距離が２０から３０ｍｍ程度と狭いため、狭電極型プラズマ源や平行平板型プラズマ源と呼ばれている。なお、狭電極型のプラズマ源は圧力が低い領域でのプラズマ生成が困難であるが、磁場印加などの機能を付加することで、放電圧力の低下を図った装置も使用されている。
【０００３】
また、これとは別に誘導コイルを使用した誘導型プラズマ源や、マイクロ波を導入するマイクロ波プラズマエッチング装置などが知られている。これらのプラズマ源は低圧力でもプラズマの発生と維持が可能であり、しかもプラズマ密度が高いことから、低圧力高密度プラズマ源と呼ばれている。
【０００４】
これらのプラズマ源を用いたシリコン酸化膜エッチングでは、エッチングガスとしてアルゴンＡｒにＣ_４Ｆ_８などの炭素Ｃ、フッ素Ｆを含むガスや、ＣＨＦ_３などの水素Ｈを含むガスなどを混合したり、さらに酸素Ｏ_２や一酸化炭素ＣＯ、水素Ｈ_２等が添加された混合ガスが使用されている。
【０００５】
これらのガスは、プラズマにより解離し、ＣＦ_３，ＣＦ_２，ＣＦ，Ｆに分解される。このガス分子種の量や比率がシリコン酸化膜（以下、単に酸化膜と称する）のエッチング特性に大きく影響を及ぼす。
【０００６】
特に、高密度プラズマ源の場合はプラズマ中の電子温度が高いためにプラズマ解離が進行し、フッ素ガス分子種Ｆが多いプラズマとなる。さらに、イオン化も進み中性ガス分子種（ラジカル）の比率が低いという特徴がある。このため、高電子温度高密度プラズマによる酸化膜エッチングでは、酸化膜の下地であるシリコン表面に付着するＣｆｘ（ＣＦ_３、ＣＦ_２、ＣＦ）の量が低下するため、シリコンＳｉのエッチング速度が大きく、選択比が小さいという問題がある。これを解決するための手段として、エッチング室壁面の温度を２００℃程度に上げ、壁面に付着した堆積物を放出させたり、壁面への堆積物の付着を抑制するなどして、プラズマ中のＣｆｘラジカル量を増加させる方法が知られている。そのため、高密度プラズマを使用する装置では、選択比を得るために壁面の高温化が必須となっている。
【０００７】
公開特許公報特開平７−１８３２８３号に記載の酸化膜エッチング装置も壁面を高温化した例である。
【０００８】
そのほかの高選択比を得る対策として、プラズマ中の電子温度を低下させプラズマ解離を抑制する方法がある。具体的には、プラズマ印加を間欠的に行うもので、パルスプラズマと呼ばれている方法である。
【０００９】
もう一つの高選択比を得る例としては、エッチング室内にＦを消費する材料を予め設置しておく方法である。公開特許公報特開平９−２８３４９４号は、この例であり、エッチング室側壁をＳｉで構成し、側壁の加熱手段やバイアス印加手段を備え、プラズマ中のＦを消費させている。
【００１０】
狭電極型のプラズマを使用する酸化膜エッチングでは、デバイスパターンが０．２５μｍ以下へと微細化するのに対応して、被エッチング部へのイオン入射角度のズレを極力小さくする必要がある。イオン入射角度のズレが、エッチング形状の異常を引き起こしたり、深い穴の底まで到達するイオン量が減少することでエッチング速度の低下やエッチングの停止を引き起こすなどの問題があるためである。イオン入射角度のズレは、プラズマ中のラジカルにイオンが衝突するなどで入射角度分布に広がりを持つことが原因である。これの解決には、イオンとラジカルの衝突を減少するのが有効であり、具体的には圧力を低下させる必要がある。そのため、低圧力でのプラズマ放電が難しい狭電極型の装置では、低圧力でもプラズマ生成が可能なように、プラズマ発生源の周波数を高周波化したり、磁場印加したりなどの工夫が図られている。
【００１１】
なお、電極間の距離が狭い狭電極型のプラズマ源において低圧力化を図ると、ガス分子の平均自由行程が長くなるためにガス分子同士の衝突頻度が減少し、代わりにガス分子と電極との衝突が支配的となる。これはプラズマ中でのガス分子衝突によってプラズマを維持したり反応を制御する必要のあるエッチング装置としては好ましい状態ではなく、低圧力化に対応するには電極間隔を大きくしなければならない。電極間隔が広くなると、エッチング室内表面積に占める側壁面積の割合が大きくなる。これまで狭電極型のプラズマ源では、プラズマやウエハから見て側壁面積が狭かったため、側壁での堆積とガス放出がほとんどエッチング特性に影響しなかったが、低圧力化を図った狭電極型プラズマ装置では、新たな対策が必要になる。また、ウエハの大口径化に対応し、ウエハ面内のガス圧力分布や反応生成物分布を均一にしなければならないが、そのためにも電極間隔を広くする必要があり、側壁の重要性は益々高くなる。
【００１２】
側壁に付着した反応生成物がエッチング特性に影響を及ぼすことを示したが、エッチングを長期にわたって継続する場合には、その影響度合の変化が問題になる。たとえば、エッチングを綴り返し実施することで側壁の温度が次第に上昇する。側壁の温度が上昇すると側壁への反応生成物の付着や脱離の挙動が変化し、エッチング特性が変動することになる。
【００１３】
また、エッチングとともに側壁への付着物の量が次第に増加する場合には、付着物の量に依存して側壁表面での反応生成物の吸着脱離挙動が変化することもありうる。このような経時的な変化で、エッチング特性が影響を受ける現象は、特に酸化膜エッチングの場合に知られている。したがって、側壁の温度調節は酸化膜エッチング装置にとって重要な課題である。
【００１４】
特に、高電子温度高密度プラズマ源では、側壁温度を高く設定せざるを得ない。このような高い側壁温度においては、わずかに側壁温度が変動しても付着物の吸着脱離挙動が大きく変化する。そのため、側壁温度変動を小さい範囲に抑えなければならず、２００℃±２℃などといった高精度の温度調節も行われている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、いずれのプラズマ源においても、酸化膜エッチングの要求を満たすために解決すべき課題が残されている。
【００１６】
酸化膜エッチング装置の重要な課題は、プラズマによるガス分子の解離を酸化膜のエッチングに最適な状態にすることである。これに対応し、低電子温度で高密度プラズマの新しいプラズマ発生源が提案されている。たとえば、公開特許公報特願平８−３０００３９号に記載のように、プラズマ励起周波数を３００Ｍｈｚから１ＧｈｚのＵＨＦ帯にしたＵＨＦ型ＥＣＲ装置である。この範囲の周波数帯で励起されたプラズマの電子温度は０．２５ｅＶから１ｅＶと低く、Ｃ_４Ｆ_８のプラズマ解離が酸化膜エッチングに適したレベルになっている。また、ＥＣＲ方式であるため、低圧力でも高密度のプラズマを生成することが可能となっている。
【００１７】
この様に、微細化とウエハ大口径化に対応するには、電子温度を低くしてエッチングガスの過剰解離を抑制するとともにプラズマ密度を高くし、プラズマ密度やガス圧力、反応生成物分布をウエハ上で均一化し、かつ酸化膜エッチング特性が長期にわたって変化しない装置を提供する必要がある。
【００１８】
本発明の目的は、酸化膜エッチングに必要な低電子温度で高密度プラズマの発生が可能なＵＨＦ型ＥＣＲプラズマエッチング装置等を用い、長期に渡りエッチング特性の変動を小さく抑え、かつエッチングの停止などを発生することなく、安定稼動が可能なプラズマ処理装置及び処理方法を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、真空処理室と、該真空処理室内で処理される試料を載置するための試料台と、
プラズマ生成手段とを有するプラズマ処理装置により、少なくとも炭素とフッ素を含むガスを導入してプラズマを生成し、プラズマ解離によって炭素とフッ素を含むガス種を発生させてプラズマ処理を行うプラズマ処理方法であって、
該プラズマ生成手段によって生成されるプラズマの電子温度を０．２５ｅＶ〜１ｅＶの範囲とすることにより前記ガス種の比率としてＦの生成量が少なくＣＦ₃またはＣＦ₂またはＣＦの多いプラズマを生成し、該プラズマを用いて被処理膜が絶縁膜である試料のエッチング処理を行うにあたり、
該真空処理室を形成している温調側壁の温度を１０℃から１２０℃の範囲に制御して該温調側壁に堆積物を付着させると共に該堆積物からのガス放出量を抑制する、ことにある。
【００２０】
ＵＨＦ型ＥＣＲプラズマエッチング装置は、ウエハと対向した位置にＵＨＦ帯のマイクロ波放射アンテナを有し、かつアンテナ部に設けたガス供給部からエッチングガスを供給する構造である。ＵＨＦ帯マイクロ波は、アンテナから直接プラズマに放射されるとともに、アンテナの周囲に設けられた誘電体を通してプラズマ中に放射される。また、ウエハ載置電極はエッチング位置とウエハ受け渡し位置が別の位置であり、電極上下機能も有している。ウエハ載置電極とアンテナあるいはガス供給板の間の距離（電極間距離と称する）は、反応生成物の再解離などを考慮して５０ｍｍから１００ｍｍの範囲に設定されている。
【００２１】
電極周りの側壁温度は、本発明の装置では、１０℃から１２０℃の範囲、好ましくは３０℃から５０℃に温度調節されている。側壁温度が変動すると、側壁の堆積物からガス種が放出され、エッチング特性に影響を及ぼす。本発明では、この影響を抑制するため、側壁の温度を±５℃に制御している。温度が低いために、側壁の温度が５℃程度変動しても、側壁から放出される放出ガス量の変動が少ないため、エッチング特性への影響は無視できる。
【００２２】
また、本発明のプラズマ源はＵＨＦ型ＥＣＲ方式であるため、プラズマ解離が中程度でＣｆｘ種が酸化膜エッチングに必要なレベルまで十分に存在する。そのため、高密度プラズマ源で問題となるＣｆｘ種の不足と過剰Ｆは解決されていて、選択比を高くするために側壁温度を高くする必要はない。また、側壁温度が低温度に制御されているので、温度制御精度が±５℃でも長期にわたってエッチング特性の変動を抑えるのに十分である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について述べる。図１はＵＨＦ型ＥＣＲプラズマエッチング装置の一例である。真空容器であるエッチング室１の周囲に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）用磁場を発生するためにコイル２が設置されている。エッチング用ガスは、ガス供給管３を通して供給され、直径が０．４ないし０．５ｍｍ程度の微細な穴が数１００個程度設けられたシリコンあるいはガラス状炭素からなるガス供給板４からエッチング室１に導入される。ガス供給板４の上方にはＵＨＦ帯のマイクロ波を放射する円盤状のアンテナ５が設けられ、アンテナ５へのマイクロ波は電源６から導入軸７を通して給電される。
【００２４】
マイクロ波は、アンテナ５の周囲から放射されるのと、アンテナ５の上方の空間での共振電界が誘電体８を通ってエッチング室内に導入される。また、アンテナ５と電極９との間で容量結合的な電界も発生し、効率的なプラズマ発生源になっている。マイクロ波の周波数は、プラズマの電子温度を０．２５ｅＶから１ｅＶの低温度にできる帯域が選定されていて、３００ＭＨｚから１ＧＨｚの範囲である。本実施例では４５０ＭＨｚ付近の周波数帯を使用した。また、誘電体８としては、石英やアルミナが使用できるし、ポリイミドなどの耐熱性ポリマーで誘電損失が小さいものが使用できる。
【００２５】
ガス供給板４の下方にはウエハ載置電極９が設けられ、ウエハ１０が静電吸着により支持されている。ウエハ１０にプラズマ中のイオンを引き込むため、ウエハ載置電極９に高周波バイアスが高周波電源１１から印加される。
【００２６】
また、本発明の特徴であるエッチング室内壁の温度制御は、温調側壁１２においてなされる。温調側壁１２には、図には示していないが、温度調節された冷媒が導入され、一定の温度に保持されている。本実施例では３０℃に設定した。
【００２７】
エッチングガスや反応生成物がエッチング室１の内壁に堆積するが、ウエハ載置電極９の周囲や下流域にも堆積し、異物の発生源となる。そのため、定期的に清掃する必要があるが、強固に付着した堆積物を除去するのは、必ずしも容易ではない。そこで、堆積物の洗浄は改めて専用の洗浄装置で実施することにした。大気開放したエッチング室１は速やかに真空排気に移行するのが、装置の不稼働時間を短縮し生産性を向上する上で重要である。そのため、堆積物は部品交換が容易に実施できない部分には付着させないようにし、堆積物の付着した部品は別に準備した洗浄品と交換することが、望ましい。このようにすることで、エッチング室１の大気開放時間が短縮され、その後の真空排気時間の短縮が図れる。
【００２８】
本発明では、エッチング室１の下流域に堆積物を付着させないため、堆積物付着用のカバー１３を温調側壁１２の下流域に設置した。カバー１３には、真空排気やウエハ受け渡し用の開口部を設けた。カバー１３で堆積物が回収されるので、下流域における堆積物の付着が低減される。
【００２９】
エッチング室１に直結接続された真空室１５には、排気速度が２０００から３０００Ｌ／ｓ程度のターボ分子ポンプ１４が設置されている。また、図には示していないが、ターボ分子ポンプの開口部には排気速度調整用のコンダクタンスバルブが設置され、エッチングに適した流量と圧力を達成するために、排気速度を調節する。バルブ１６は、大気開放時などにターボ分子ポンプ１４を隔離するために使用される。
【００３０】
次に、本発明のプラズマエッチング装置を用いた酸化膜エッチングの実施例について説明する。
【００３１】
高真空に排気された状態のエッチング室１に、図には示していないが、搬送室から搬送アームによってウエハが搬入され、ウエハ載置電極９の上に受け渡される。搬送アームが後退してエッチング室１と搬送室間のバルブが閉じられた後、ウエハ載置電極９が上昇して、エッチングに適した位置で停止する。本実施例の場合は、ウエハ１０とガス導入板４との距離（電極間距離）を５０ｍｍから１００ｍｍとした。
【００３２】
エッチングガスとして、ＡｒとＣ_４Ｆ_８、Ｏ_２の混合ガスを使用し、それぞれの流量５００、１０、５ｓｃｃｍを導入した。圧力は２Ｐａである。ＵＨＦマイクロ波電源の出力を１ｋＷとし、ウエハへのバイアス電源１１の出力を６００Ｗとした。コイル２に電流を印加し、ＵＨＦマイクロ波４５０ＭＨｚの共鳴磁場０．０１６Ｔをガス供給板４とウエハ載置電極９（すなわちウエハ１０）の間に発生させた。次にマイクロ波電源６を動作させた。電子サイクロトロン共鳴により、磁場強度０．０１６ＴのＥＣＲ領域に強いプラズマが発生する。
【００３３】
エッチング特性の均一化を図る上で、ウエハ１０の表面における入射イオン密度を均一にする必要があるが、ＥＣＲ位置を上記のようにし、ＥＣＲ領域の形状をウエハ１０側に凸の状態とすることで、イオン電流密度の均一化が図れる。
【００３４】
プラズマが着火した後に、図には示していないが、高周波電源１１に並列に接続された直流電源から高電圧がウエハ載置電極９に印加され、ウエハ１０はウエハ載置電極９に静電吸着される。静電吸着されたウエハ１０の裏面にヘリウムガスが導入され、冷媒により温度調節されたウエハ載置電極９のウエハ載置面とウエハ間でヘリウムガスを介してウエハの温度調節が行われる。
【００３５】
次に、高周波電源１１を動作させ、ウエハ載置電極９に高周波バイアスを印加する。これにより、ウエハ１０にプラズマ中からイオンが垂直に入射する。酸化膜エッチングでは高エネルギーイオン入射が不可欠であり、本実施例でも高周波バイアス電圧Ｖｐｐ（最大ピークと最小ピーク間の電圧）は１０００Ｖから２０００Ｖの値とした。このような高エネルギーイオンによる衝撃で、ウエハ１０の温度が上昇する。酸化膜エッチングでは、ウエハ温度は、高めの方が選択比は高くなるなどエッチング特性に優れているため、数１０℃の値に調節される。しかし、高エネルギーイオンの入射を必要とすることから、ウエハ１０への入熱量が大きく、ウエハ載置電極９の冷媒温度は、−２０℃付近に設定した。
【００３６】
バイアス電圧がウエハ１０に印加されると同時に、エッチングが開始される。所定のエッチング時間でエッチングを終了する。あるいは、図示していないが、反応生成物のプラズマ発光強度変化をモニターし、エッチング終点を判定してエッチング終了時間を求め、適切なオーバーエッチングを実施した後、エッチングを終了する。エッチングの終了は、高周波バイアス電圧の印加を停止したときである。これと同時に、エッチングガスの供給も停止する。
【００３７】
ただし、静電吸着したウエハ１０をウエハ載置電極９から脱着する工程が必要であり、除電ガスとしてアルゴンなどが供給される。静電吸着電圧の供給を停止して給電ラインをアースに接続した後、マイクロ波の放電を維持しながら１０秒間程度の除電時間を設ける。これにより、ウエハ１０上の電荷がプラズマを介してアースに除去され、ウエハ１０が容易に脱着できるようになる。除電工程が終了すると、除電ガスの供給停止とともにマイクロ波の供給も停止される。さらには、コイル２への電流供給も停止する。また、ウエハ載置電極９の高さを、ウエハ受け渡し位置まで下降させる。
【００３８】
この後しばらくの間、エッチング室１を高真空まで排気する。高真空排気が完了した時点で、搬送室間のバルブを開け、搬送アームを挿入してウエハ１０を受け取り、搬出する。次のエッチングがある場合は、新しいウエハを搬入し、再び上述の手順に従ってエッチングが実施される。
【００３９】
以上で、エッチング工程の代表的な流れを説明した。
【００４０】
ＵＨＦ帯マイクロ波ＥＣＲプラズマの電子温度は、０．２５ｅＶから１ｅＶであり、エッチングガスであるＣ_４Ｆ_８の解離はそれほど進まない。Ｃ_４Ｆ_８の解離は複雑であるが、エッチングに寄与するガス種は、ＣＦ_３からＣＦ_２に解離し、次にＣＦが生成され、最後にＦが生成される。したがって、電子温度が高いほどＦが豊富なプラズマとなる。従来技術の項でも述べたように、酸化膜エッチングで選択比を確保するには、下地シリコンの上に堆積物を付着させて高エネルギー入射によるエッチングを抑制しなければならない。すなわち、高エネルギーのイオンが入射するため、堆積膜がないと物理的なスパッタによってエッチングが進行する可能性もあるためである。したがって、エッチングを進行させるためには、高エネルギーのイオンを穴底まで供給しなければならないが、選択比を確保するためには、堆積膜を形成するラジカルの供給も必要である。この堆積膜を形成するラジカルは、ＣＦ_３やＣＦ_２であるとされている。逆にＦラジカルは、ＳｉＦ_４などを形成して下地シリコンをエッチングしてしまう。したがって、高選択比エッチングのためにはＣＦ_２／Ｆ比を大きくすることが必要である。ＵＨＦ帯マイクロ波ＥＣＲプラズマの場合は、電子温度が低いために、Ｆの生成量が少なく、ＣＦ_３、ＣＦ_２、ＣＦが多いプラズマが形成されている。したがって、高電子温度高密度プラズマの場合のように、プラズマプラズマ解離が過剰に進行したために不足したＣＦ_２やＣＦ_３を供給するため、エッチング室内壁を２００℃以上に加熱する必要もない。
【００４１】
微細化対応エッチングに必要な点は、（１）低電子温度でプラズマ解離を適度に抑制してＣＦ２／Ｆ比の大きいプラズマを発生させること、（２）イオン入射角の９０度からのズレを小さく抑え、エッチング形状のテーパ化を防ぐこと、（３）エッチングを多数回繰り返してもエッチング特性の変動が小さいこと、が挙げられる。その他、エッチング特性に関連した項目も重要な開発課題であるが、ここでは触れない。
【００４２】
第１項目は、本発明のＵＨＦ帯マイクロ波プラズマエッチング装置を使用することで解決される。第２項目は、イオンと気相中のガス分子との衝突で軌道がずれることが主原因であり、分子間衝突を少なくするよう圧力を下げることが有効な対策である。本発明のＵＨＦ型ＥＣＲ装置は電子サイクロトロン共鳴を利用しているため低圧力でのプラズマ発生が可能である。第３項目は、エッチング回数を数１００枚のオーダーで繰り返してもエッチング特性が変動しないことであり、いわゆる経時変化の抑制である。経時変化の主原因は、エッチング室１の内壁や部品に付着している堆積物から放出されるガス種の時間変動である。具体的には、側壁など対象部材の温度変動が大きな原因となっている。
【００４３】
経時変化抑制の対策としては、温度制御により壁面の堆積物の吸着脱離現象が変動しないようにすることを基本としているが、プラズマの発生方式により、装置として必要な壁面の面積が異なる。その関係を図２に示した。狭電極型プラズマ装置はエッチング室の高さも小さく側壁面積も狭い。これに対し、高密度プラズマ型装置はエッチング室高さが高く側壁面積も広い。本発明のＵＨＦ型ＥＣＲ装置は、エッチング室の高さ（電極間距離）と側壁面積が中間に位置していて、酸化膜エッチングに適した領域を占めている。
【００４４】
エッチング室の高さ、すなわち電極間距離が５０ｍｍから１００ｍｍという中間の距離にあるのは、エッチングによって生成した反応生成物が再解離したりウエハに再入射したりすることで、酸化膜のエッチング特性が影響を受けるが、その度合を最適化できる距離にしているためである。すなわち、本実施例での圧力２Ｐａ付近での平均自由行程との相関から決められた電極間距離となっている。この程度の電極間距離にすることができたため、ウエハ面上での圧力分布が一様になった。ウエハ径が２００ｍｍから３００ｍｍに大口径化されても、圧力差を十分小さくできる。さらに、電極間距離に依存するコンダクタンスも大きいため、真空排気速度も十分大きくとれ、エッチングガスや反応生成物の滞在時間を短くすることが容易にできる。
【００４５】
側壁の面積が広ければ、それだけ堆積膜の付着量が多くなる可能性を秘めており、エッチング特性への影響度も大きくなる。高密度プラズマを維持する装置では、プラズマ発生方法などの要請で、エッチング室の高さを１００ｍｍから２００ｍｍの範囲にする必要がある。そのため、側壁がエッチング室全体の面積に占める割合が高く、側壁でのエッチングガスや反応生成物の堆積などが変動した際の影響が大きい。この影響を抑制する方法は、側壁の温度変動を小さくするか、堆積物が付着しないように側壁を高温に加熱するかである。また、先にも述べたように、高密度プラズマ源を用いた装置では、電子温度が高いためＦが多いプラズマが生成されているので、選択比を確保するために側壁に堆積するガス種を低減したり堆積物からのガス放出を促進する必要があり、側壁を高温度にせざるを得ない。以上のような理由により、高電子温度高密度プラズマエッチング装置では、側壁を２００℃程度に加熱し±２℃の範囲に温度調節している。しかし、２００℃以上の高温度に側壁を加熱し、温度変動を±２℃のように高精度に抑えるのは技術的に困難であり、装置の複雑さや信頼性の問題、価格の高騰などにつながる。なお、側壁とはエッチング室内壁と同じ意味であり、天井や他のプラズマに接する部分も含む。また、堆積物が付着する部分であれば、プラズマに直接接していなくてもエッチング特性に影響する可能性があるので、装置によって十分な注意が必要である。なお、本発明の装置では、側壁は５０ｍｍから１００ｍｍ程度であり、下流域において堆積物が付着している領域は、ほとんど認められない。
【００４６】
したがって、酸化膜プラズマエッチング装置としては、側壁温度の温度調節精度をゆるめてもエッチング特性の変動が生じないような装置が望ましい。本発明のＵＨＦ型ＥＣＲプラズマ装置では、選択比を向上するために側壁温度を高くする必要がない。経時変化抑制の観点で側壁温度を設定できるという利点がある。
【００４７】
図３に、堆積膜の温度が１℃変化した場合の堆積膜からのガス放出量を測定した結果を示した。堆積膜の温度が高ければ、１℃の温度変動によって放出されるガス量も多いことが分かった。エッチングガスの流量に換算して０．０１ｓｃｃｍの流量に相当するガスが堆積膜から放出されると、エッチング特性に影響を及ぼす可能性があると仮定し、その時の側壁温度の温度調節範囲を図３の右側に示した。２００℃の場合は、±２℃に側壁を制御しないとガス放出量の変動が０．０１ｓｃｃｍ以上になってしまう。これに対し、側壁温度を１２０℃以下にすると、側壁温度が変化してもガス放出量の変化は小さい。すなわち、側壁温度の制御精度を±５℃や±１０℃にしても、エッチング特性に影響を及ぼすほどのガス放出は生じないことが分かる。
【００４８】
本発明のエッチング装置では、側壁温度を１０℃から１２０℃の範囲に設定した。好ましくは、室温３０℃から５０℃程度に制御するのが良い。この温度範囲は、エッチング室を高温度に加熱しないので装置の寸法変化が少なく真空シールや熱膨張係数の異なる材料を自由に使用できるメリットがあるし、温度制御も容易であるといった特徴がある。本発明では、温度調節器に接続された冷媒を側壁に導入する方式を採用した。この方式の採用で、温度制御性を±５℃以下にすることが出来た。
【００４９】
なお、図３は堆積物からのガス放出量を調べた結果である。側壁温度が２００℃以上の高温度になると、堆積物の付着量そのものが少なくなるので、堆積物が付着しないような高温度制御の装置では図３の例より実質的なガス放出量は少なくなる。堆積物の付着量を考慮したガス放出量の安定性、変動量の大小を図４に示した。
【００５０】
図４の横軸はエッチング室の側壁温度であり、縦軸は相対的な大小の度合を示している。堆積膜からのガス放出量は２００℃を越える付近から急激に増加する。これに対し、側壁への堆積物の付着量（堆積速度）は温度が高くなるにつれて次第に減少し、２００℃付近から急激に減少する。これは、温度が２００℃を越え３００℃以上になると側壁に堆積膜が付着しなくなるためである。
【００５１】
したがって、領域１の温度範囲では、温度が低いために堆積膜は多いが堆積膜からのガス放出量は少なく、結果として側壁の堆積膜がエッチング特性に及ぼす影響は小さい。また、領域３においては、温度が高いために単位堆積物からのガス放出量は多いが、堆積膜がほとんど付着していないので、結果としてガス放出量は小さく、エッチング特性への影響も小さい。ところが、両者の中間の温度範囲である領域２においては、堆積膜も比較的多くガス放出量も多いため、結果的に側壁の温度変動がエッチング特性に大きく影響する。以上の点を考慮すると、経時変化を抑制するためには、側壁温度を領域１にするか領域３にすれば良い。領域１の温度範囲は１２０℃以下であり、領域３は２００℃以上、領域２は１２０℃から２００℃の範囲である。本発明においては、領域１の温度範囲に側壁を設定した。なお、原理的には、側壁温度は低くても良いが、温度設定が容易な温度であることや冷媒流路が結露しないことなどを考慮し、下限温度を１０℃とした。
【００５２】
図５は、本発明のＵＨＦ型ＥＣＲプラズマエッチング装置において、ＡｒとＣ_４Ｆ_８の混合ガスを用いて連続エッチングした場合のエッチング速度変動を示したものである。この時、側壁の温度調節は行っていないので、プラズマの放電時間とともに上昇し、室温から６０℃程度まで上昇した。温度変動として±２０℃程度あったことになる。エッチング開始当初の窒化シリコンのエッチング速度が高くなっていて、エッチング特性の変動が認められる。
【００５３】
これに対し、図６に示したのは、側壁の温度調節を実施した場合のエッチング特性である。エッチング室を大気に開放して真空排気した後、エッチング室内を堆積膜で被って定常状態にする処理などは一切実施せず、直ちにエッチングを開始したにもかかわらず、エッチング開始当初からエッチング特性は安定で、その後の変動もほとんど認められない。なお、この時の側壁温度変動は±５℃以内であった。
【００５４】
以上の結果からもわかるように、ＵＨＦ型ＥＣＲプラズマエッチング装置において、側壁の温度調節を実施することにより、極めて安定なエッチング特性が得られる。
【００５５】
なお、本実施例では、ＵＨＦ型ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いた場合を前提に説明したが、酸化膜のエッチングにとって適したプラズマ源であればＵＨＦ型ＥＣＲプラズマエッチング装置に限定されるものではない。すなわち、プラズマ中の電子温度が１ｅＶ以下の低電子温度であり、しかも高密度プラズマであれば良いので、たとえば、マイクロ波の印加を間欠的に実施するパルスプラズマ源を用いた装置でも良い。さらには、マイクロ波以外の誘導型プラズマをパルス駆動したプラズマ源を用いた装置でも良い。これらのプラズマ源を用いた装置のエッチング室側壁を１０℃から１２０℃の範囲に設定することで、酸化膜エッチング特性に優れ、しかも長期にわたって安定な特性を示すことが可能になる。
【００５６】
また、側壁の温度調節は、冷媒を用いた例を示したが、これに限定されるものではなく、水冷や気体による強制冷却、あるいはヒーターの使用、赤外線を使用するランプ加熱など、どれを採用しても良い。要は、温度範囲を１０℃から１２０℃の範囲とすることである。この温度範囲に設定することで、側壁の温度調節範囲は±５℃程度でも十分安定なエッチング特性を得ることができる。エッチング条件によっては、±１０℃程度でも安定なエッチング特性が得られ、温度調節が極めて容易になる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、酸化膜エッチング特性に優れ、しかも長期にわたって安定なエッチング特性を得ることができるので、歩留まりが向上し、スループットも向上するという利点が期待できる。また、側壁の温度調節は１０℃から１２０℃と低い温度に設定されているので、エッチング室の寸法が熱膨張により大きくなることによる弊害が回避できる。
【００５８】
たとえば、エッチング室に多用されているアルミニウム合金の線膨張係数は２４×１０^−６Ｋ^−１であるが、アルミナや石英では、それぞれ５．６×１０^−６Ｋ^−１、０．４１×１０^−６Ｋ^−１である。これだけ線膨張係数が異なると、プラズマ放電によりエッチング室が加熱されたり、強制的に高温度に温度制御したりする場合、材料間の寸法差が大きくなり、構造的に熱膨張を回避する工夫が必要になる。また、真空シール部の寸法変化はシール特性に影響するし、シール材であるエラストマーの耐熱性も問題になる。１５０℃を越えるレベルまで温度が高くなると、シール材の寿命も短くなる可能性が高くなる。この様に、温度が高いことによる弊害、構造的に耐熱性を付加しなければならない点、そのためのコスト増加、など種々の問題が生じてくる。
【００５９】
この点、本発明によれば、側壁温度を１２０℃以下の低温度に設定できるので、上述した問題点が解消されるといった利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエッチング装置の一例を示す図。
【図２】各種プラズマ源の寸法関係を示す図。
【図３】堆積膜からのガス放出の特性を示す図。
【図４】経時変化に及ぼす側壁温度の影響を示す図。
【図５】側壁の温度調節をしない場合のエッチング速度変化を示す図。
【図６】側壁を温度調節した場合のエッチング速度変化を示す図。
【符号の説明】
１…エッチング室、２…コイル、３… ガス供給管、４…ガス供給板、５…アンテナ、６…電源、７…導入軸、８…誘電体、９…ウエハ載置電極、１０…ウエハ、１１…高周波電源、１２…温調側壁、１３…カバー、１４…ターボ分子ポンプ、１５…真空室、１６…バルブ

Claims

真空処理室と、該真空処理室内で処理される試料を載置するための試料台と、
プラズマ生成手段とを有するプラズマ処理装置により、少なくとも炭素とフッ素を含むガスを導入してプラズマを生成し、プラズマ解離によって炭素とフッ素を含むガス種を発生させてプラズマ処理を行うプラズマ処理方法であって、
該プラズマ生成手段によって生成されるプラズマの電子温度を０．２５ｅＶ〜１ｅＶの範囲とすることにより前記ガス種の比率としてＦの生成量が少なくＣＦ₃またはＣＦ₂またはＣＦの多いプラズマを生成し、該プラズマを用いて被処理膜が絶縁膜である試料のエッチング処理を行うにあたり、
該真空処理室を形成している温調側壁の温度を１０℃から１２０℃の範囲に制御して該温調側壁に堆積物を付着させると共に該堆積物からのガス放出量を抑制する、ことを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、プラズマ生成手段を、周波数が
３００MHｚから１GHｚの範囲のマイクロ波を用いた電子サイクロトロン共鳴方式としたことを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１または２に記載のプラズマ処理方法において、前記温調側壁の温度を調節する手段として、温度調節された冷媒を用いたことを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマ処理方法において、前記温調側壁の温度を、３０℃〜５０℃の範囲に制御したことを特徴とするプラズマ処理方法。