JP4827083B2

JP4827083B2 - プラズマエッチング装置およびプラズマエッチング方法

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Publication number: JP4827083B2
Application number: JP2006049639A
Authority: JP
Inventors: 理子中谷; 幸児丸山
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
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Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2026-02-27
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Description

本発明は、プラズマエッチング装置及びプラズマエッチング方法に関し、詳細には、プラズマを用いて被処理体をエッチングする際に使用されるプラズマエッチング装置およびプラズマエッチング方法に関する。

半導体装置の製造過程、例えば三次元実装デバイスの製造において、シリコン基板に１００μｍ以上の深さで配線用の貫通孔やメカニカル構造用の溝等を形成するシリコンエッチングが行なわれる。

上記シリコンエッチングでは、まずパターン形成されたレジストをマスクとしてＳｉＯ_２膜などの酸化膜をエッチングし、レジストを剥離した後、エッチングガスとして例えばＳＦ_６／Ｏ_２ガスを用い、ＳｉＯ_２膜をマスクとしてシリコンをエッチングする方法が一般的に採用されてきた。しかし、最近では工程数を少なくするために、レジストをマスクとして直接シリコンをエッチングする手法が検討されている。

また、三次元実装デバイスの製造でシリコンエッチングの後に必要となるエッチング孔への絶縁膜形成、シードメタル層形成、Ｃｕめっき等の工程を容易に行なうために、エッチング孔の形状をテーパー状、つまり孔の上部より底部の径が狭くなるように側壁を傾斜させて形成することが求められる場合がある。ところが、レジストをマスクとしてシリコンエッチングを行なおうとした場合、被処理基板である半導体ウエハ面内でのエッチングレート（つまり、孔の深さ）の均一性及び形状の制御性が得られにくいという問題があった。より具体的には、半導体ウエハの周縁部（エッジ）よりも中央部（センター）のエッチングレートが速いため、中央部の孔が周縁部に比べて深く形成される傾向があり、また、周縁部では中央部に比べて側壁に傾斜が入らず、しかも垂直に近い孔が形成される傾向があった。

ところで、絶縁膜のエッチングに関するものであるが、微細なエッチングを高速で実現するために、上部電極の周辺のシールドリングに下方へ突出する突出部を設け、プラズマの拡散を防止しつつエッチング処理を行なう技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

また、シャワーヘッドからのガス吹き出し量およびガス流れを制御する目的で、開口径を自在に縮小・拡大できる開口を有するシャッター装置を備えたシャワーヘッドに関する技術が提案されている（例えば、特許文献２）。
特開平８−３３５５６８号公報（例えば、図２）特開平１０−６０６７３号公報（例えば、図１）

上記特許文献１、特許文献２では、シールドリングの突出部やシャワーヘッドのシャッター装置が提案されているが、レジストをマスクとして用いるシリコンエッチングにおいて、エッチングレートの均一性を図ることや、エッチング形状をテーパー状に制御することについては一切考慮が払われていない。

本発明の目的は、レジストをマスクとしてシリコンエッチングを行なう際に、エッチングレートの面内均一性を確保しつつエッチング形状を制御することである。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点は、被処理体に対しプラズマエッチング処理を行なうための減圧排気可能な処理室と、
前記処理室内で被処理体を載置する載置台と、
前記載置台に対向配備され、前記処理室内にプラズマを生成するための処理ガスを導入するシャワーヘッドと、
前記シャワーヘッドの下面において、前記載置台へ向けて環状に突設された環状凸部と、
前記シャワーヘッドの下面の前記環状凸部の内側中央部において、被処理体の面積よりも小さな面積の領域内に分布して配設された複数のガス吐出孔と、
を備え、
前記環状凸部の外径は、被処理体の直径Ｌに対して１．１Ｌ〜１．５Ｌであり、
前記環状凸部の内径は、被処理体の直径Ｌよりも大きく、
前記環状凸部の高さは、前記載置台から前記シャワーヘッドまでの距離に対して、０．４倍〜０．８倍であり、
前記ガス吐出孔は、被処理体の直径Ｌに対し、０．３Ｌ×０．３Ｌ〜０．７Ｌ×０．７Ｌの面積を持つ四角形の領域内に形成されている、プラズマエッチング装置を提供する。

第１の観点のプラズマエッチング装置は、シャワーヘッドの下面に、載置台へ向けて環状に突設された環状凸部を設けると共に、この環状凸部の内側中央部に集中してガス吐出孔を配設したので、環状凸部によってその内側のプラズマ形成空間の圧力を均一化することにより、主に環状凸部近傍のプラズマ密度および堆積物の量を制御するとともに、ガス吐出孔の中央部集中によって被処理体中央部上方のガス流速を速め、中央部でのエッチャントの生成量を抑えている。その結果、エッチングレートの面内均一性と、エッチング形状の制御が可能になる。

本発明の第２の観点は、上記第１の観点のプラズマエッチング装置を用い、
シリコンを主成分とする被エッチング層と、該被エッチング層よりも上層に形成され、予めパターニングされたレジスト層と、を有する被処理体に対して、ＳＦ_６とＯ_２とを含む処理ガスから生成されるプラズマを作用させて、前記レジストをマスクとして被エッチング層をプラズマエッチング処理する、プラズマエッチング方法を提供する。

上記第２の観点において、前記被エッチング層は、シリコン基板またはシリコン層であることが好ましい。

本発明の第３の観点は、コンピュータ上で動作し、実行時に、上記第２の観点のプラズマエッチング方法が行なわれるように前記プラズマエッチング装置を制御する、制御プログラムを提供する。

本発明の第４の観点は、コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、上記第２の観点のプラズマエッチング方法が行なわれるように前記プラズマエッチング装置を制御するものである、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体を提供する。

本発明のプラズマエッチング装置は、シャワーヘッドの下面において、載置台へ向けて環状に突設された環状凸部と、この環状凸部の内側中央部において、被処理体の面積に対して小さな面積の領域内に分布して配設された複数のガス吐出孔と、を備えた構成としたため、このプラズマエッチング装置を用いることにより、被処理体面内のエッチング深さの均一性と、例えばテーパーの形成などエッチング形状の制御性に優れたエッチングが可能になる。従って、このプラズマエッチング装置は、信頼性の高い半導体装置を製造する上で有利に利用できるものであり、半導体装置のデザインルールの微細化、高集積化への対応も可能である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るマグネトロンＲＩＥプラズマエッチング装置１００を示す断面図である。このプラズマエッチング装置１００は、気密に構成され、小径の上部１ａと大径の下部１ｂとからなる段つき円筒状をなし、壁部が例えばアルミニウム製のチャンバー（処理容器）１を有している。

このチャンバー１内には、被処理体として単結晶Ｓｉ基板であるウエハＷを水平に支持する支持テーブル２が設けられている。支持テーブル２は例えばアルミニウムで構成されており、絶縁板３を介して導体の支持台４に支持されている。また、支持テーブル２の上方の外周にはＳｉ以外の材料、例えば石英で形成されたフォーカスリング５が設けられている。上記支持テーブル２と支持台４は、ボールねじ７を含むボールねじ機構により昇降可能となっており、支持台４の下方の駆動部分は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製のベローズ８で覆われている。ベローズ８の外側にはベローズカバー９が設けられている。なお、上記フォーカスリング５の外側にはバッフル板１０が設けられており、このバッフル板１０、支持台４、ベローズ８を通してチャンバー１と導通している。チャンバー１は接地されている。

チャンバー１の下部１ｂの側壁には、排気ポート１１が形成されており、この排気ポート１１には排気系１２が接続されている。そして排気系１２の真空ポンプを作動させることによりチャンバー１内を所定の真空度まで減圧することができるようになっている。一方、チャンバー１の下部１ｂの側壁上側には、ウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ１３が設けられている。

支持テーブル２には、整合器１４を介してプラズマ形成用の高周波電源１５が接続されており、この高周波電源１５から所定の周波数の高周波電力が支持テーブル２に供給されるようになっている。一方、支持テーブル２に対向してその上方には後で詳細に説明するシャワーヘッド２０が互いに平行に設けられており、このシャワーヘッド２０は接地されている。したがって、支持テーブル２およびシャワーヘッド２０は一対の電極として機能する。

支持テーブル２の表面上にはウエハＷを静電吸着して保持するための静電チャック６が設けられている。この静電チャック６は絶縁体６ｂの間に電極６ａが介在されて構成されており、電極６ａには直流電源１６が接続されている。そして電極６ａに電源１６から電圧が印加されることにより、静電力例えばクーロン力によってウエハＷが吸着される。

支持テーブル２の内部には、冷媒室１７が設けられており、この冷媒室１７には、冷媒が冷媒導入管１７ａを介して導入され冷媒排出管１７ｂから排出されて循環し、その冷熱が支持テーブル２を介してウエハＷに対して伝熱され、これによりウエハＷの処理面が所望の温度に制御される。

また、チャンバー１が排気系１２により排気されて真空に保持されていても、冷媒室１７に循環される冷媒によりウエハＷを有効に冷却可能なように、冷却ガスが、ガス導入機構１８によりそのガス供給ライン１９を介して静電チャック６の表面とウエハＷの裏面との間に導入される。このように冷却ガスを導入することにより、冷媒の冷熱がウエハＷに有効に伝達され、ウエハＷの冷却効率を高くすることができる。冷却ガスとしては、例えばＨｅなどを用いることができる。

上記シャワーヘッド２０は、チャンバー１の天壁部分において、支持テーブル２に対向するように設けられている。このシャワーヘッド２０の下面２０ｂには、多数のガス吐出孔２２が設けられており、これらのガス吐出孔２２の周囲には、対向配置された支持テーブル２へ向けて突設された円筒状の壁体からなる環状凸部４０が設けられている。環状凸部４０は、シャワーヘッド２０と一体に設けてもよく、シャワーヘッド２０とは別の環状部材をシャワーヘッド２０の下面に装着してもよい。環状凸部４０は、シャワーヘッド２０と同様の材質、例えばアルミニウム等により構成される。また、必要により環状凸部４０の表面には、シャワーヘッド２０と同様に、アルマイト処理や、Ｙ_２Ｏ_３などのセラミックス溶射膜を形成することができる。

また、シャワーヘッド２０の上部には、ガス導入部２０ａを有している。そして、その内部には空間２１が形成されている。ガス導入部２０ａにはガス供給配管２３ａが接続されており、このガス供給配管２３ａの他端には、エッチングガスおよび希釈ガスからなる処理ガスを供給する処理ガス供給系２３が接続されている。

エッチングガスとしては、ＳＦ_６とＯ_２を含むガスを用いることが好ましい。ＳＦ_６ガスは、プラズマ中で生成されるＦ原子の密度が他のフッ素系ガスよりも数倍大きいことや、ＳＦ_６に含まれるＳ原子がＳｉ表面の酸化を防止してエッチングを促進する働きがあることから、シリコンエッチングに好適に用いることができる。
また、Ｏ_２ガスは、シリコン基板中のシリコンと反応して側壁にシリコン酸化膜（ＳｉＯ_ｘ）を形成し、垂直方向への異方性エッチングを促進する働きがある。
なお、上記以外のエッチングガスとしては、例えばＳ_２Ｆ_１０、ＮＦ_３、ＳｉＦ_４などを用いることができる。

このような処理ガスが、処理ガス供給系２３からガス供給配管２３ａ、ガス導入部２０ａを介してシャワーヘッド２０の空間２１に至り、ガス吐出孔２２から吐出される。

一方、チャンバー１の上部１ａの周囲には、同心状に、ダイポールリング磁石２４が配置されている。ダイポールリング磁石２４は、図２の水平断面図に示すように、複数の異方性セグメント柱状磁石３１がリング状の磁性体のケーシング３２に取り付けられて構成されている。この例では、円柱状をなす１６個の異方性セグメント柱状磁石３１がリング状に配置されている。図２中、異方性セグメント柱状磁石３１の中に示す矢印は磁化の方向を示すものであり、この図に示すように、複数の異方性セグメント柱状磁石３１の磁化の方向を少しずつずらして全体として一方向に向かう一様な水平磁界Ｂが形成されるようになっている。

したがって、支持テーブル２とシャワーヘッド２０との間の空間には、図３に模式的に示すように、高周波電源１５により鉛直方向の電界ＥＬが形成され、かつダイポールリング磁石２４により水平磁界Ｂが形成され、このように形成された直交電磁界によりマグネトロン放電が生成される。これによって高エネルギー状態のエッチングガスのプラズマが形成され、ウエハＷがエッチングされる。

また、プラズマエッチング装置１００の各構成部は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ５０に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ５０には、工程管理者がプラズマエッチング装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマエッチング装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインタフェース５１が接続されている。

また、プロセスコントローラ５０には、プラズマエッチング装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５０の制御にて実現するための制御プログラムや処理条件データ等が記録されたレシピが格納された記憶部５２が接続されている。

そして、必要に応じて、ユーザーインタフェース５１からの指示等にて任意のレシピを記憶部５２から呼び出してプロセスコントローラ５０に実行させることで、プロセスコントローラ５０の制御下で、プラズマエッチング装置１００での所望の処理が行われる。また、前記レシピは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリなどのコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させて利用したりすることも可能である。

次に、シャワーヘッド２０における環状凸部４０とガス吐出孔２２の配置について、図４および図５を参照しつつ説明する。
シャワーヘッド２０の下面に環状凸部４０を設けることにより、シャワーヘッド２０のガス吐出孔２２から吐出されるガス流れのコンダクタンスを低下させ、環状凸部４０で囲まれた空間内の圧力分布を均一にできる。その結果、環状凸部４０で囲まれた空間内の特に凸部近傍で、プラズマ密度および堆積物の元となるシリコン反応生成物の量を制御することでエッチングホール内の側壁保護膜の量をコントロールし、シリコンのエッチング形状を順テーパー状に制御することが可能になる。

環状凸部４０の突出量（高さ；Ｈ）は、上下の電極間距離（ギャップ）Ｇ、すなわち支持テーブル２の上面（図１の場合は静電チャック６の上面）とシャワーヘッド２０の下面２０ｂとの距離の０．４倍以上、例えば０．４〜０．８倍とすることが好ましい。環状凸部４０の突出量ＨがギャップＧに対して０．４倍未満であると、ガス流れのコンダクタンス低下が十分に起こらず、環状凸部４０で囲まれた空間の圧力を均一化させる効果が少ない。また、突出量ＨがギャップＧに対して０．８倍超になると、ガス流れのコンダクタンスが低下し過ぎてエッチングガス成分の解離が過剰に進み、エッチング特性が悪化するおそれがある。なお、ギャップＧは、例えば２５〜５０ｍｍとすることが好ましい。

また、環状凸部４０の外径Ｌ_１は、ウエハＷ上方のガス流のコンダクタンスを低下させる観点から、ウエハＷの直径Ｌに対して１．１Ｌ〜１．５Ｌとすることが好ましい。また、外径Ｌ_１は、支持テーブル２においてウエハＷを載置する水平な載置面の径より小さく設定することが好ましい。なお、支持テーブル２にフォーカスリング５が配備される場合には、環状凸部４０の外径Ｌ_１はフォーカスリング５の外径Ｌ_４よりも小さく設定することが好ましい。

一方、環状凸部４０の内径Ｌ_２は、ウエハＷの上方に均一なプラズマ空間を形成する観点から、ウエハＷの径Ｌよりも大きく設定することが好ましい。

また、本実施形態では、図５に示されるようにシャワーヘッド２０の下面２０ｂの中央部付近にガス吐出孔２２を集中して設けている。すなわち、シャワーヘッド２０の下面２０ｂにおいて、ウエハＷの径Ｌに対し、好ましくは一辺（Ｌ_３）が略０．３Ｌ〜０．７Ｌとなる四角形の領域Ｓ（つまり、Ｓ＝Ｌ_３×Ｌ_３）内にガス吐出孔２２を集中して分布させており、シャワーヘッド２０の下面２０ｂにおいて、ウエハＷの周縁部に対向する領域には、ガス吐出孔２２を配設していない。このように、本実施形態では、ウエハＷの面積に対して小さな面積の領域Ｓに全てのガス吐出孔２２が入るようにシャワーヘッド２０の下面２０ｂの中央付近にガス吐出孔２２を集中させている。なお、図５では、参照の目的で、通常配置のガス吐出孔２２を有するシャワーヘッドにおいて、領域Ｓより外側に形成されるべきガス吐出孔２２を仮想線で示している。

ガス吐出孔２２をシャワーヘッド２０の中央部に集中して形成することによって、ウエハＷの中央部の上方空間でのガス流量を大きくすることが可能になる。そして、ウエハＷの中央部上方空間でガスの流速が速められる結果、ラジカルのレジデンスタイムが短くなるので、この空間ではエッチャントであるＦラジカルへの解離が抑制され、シリコンのエッチングレートが低下して、ウエハＷの面内における均一性が改善される。
なお、シャワーヘッド２０におけるガス吐出孔２２の分布は、ウエハＷの周縁部に対向する領域のガス吐出孔２２に嵌入可能な部材を詰めて閉塞させることにより調節してもよい。例えば、図５において仮想線で示した位置のガス吐出孔２２を閉塞させることによって、ガス吐出孔の配置（分布領域）を調節し、シャワーヘッド２０の中央に集中させることができる。

次に、このように構成されるプラズマエッチング装置を用いて、シリコン（単結晶シリコン基板またはポリシリコン層）に対してプラズマエッチングを行なう本発明のエッチング方法について説明する。
まず、ゲートバルブ１３を開にしてウエハＷをチャンバー１内に搬入し、支持テーブル２に載置した後、支持テーブル２を図示の位置まで上昇させ、排気系１２の真空ポンプにより排気ポート１１を介してチャンバー１内を排気する。

そして処理ガス供給系２３からエッチングガスおよび希釈ガスを含む処理ガスが所定の流量でチャンバー１内に導入され、チャンバー１内を所定の圧力にし、その状態で高周波電源１５から支持テーブル２に所定の高周波電力を供給する。この際に、ウエハＷは、直流電源１６から静電チャック６の電極６ａに所定の電圧が印加されることにより例えばクーロン力により静電チャック６に吸着保持されるとともに、上部電極であるシャワーヘッド２０と下部電極である支持テーブル２との間に高周波電界が形成される。シャワーヘッド２０と支持テーブル２との間にはダイポールリング磁石２４により水平磁界Ｂが形成されているので、ウエハＷが存在する電極間の処理空間には直交電磁界が形成され、これによって生じた電子のドリフトによりマグネトロン放電が生成される。そしてこのマグネトロン放電により形成されたエッチングガスのプラズマによりウエハＷがエッチングされる。この際、前記のように環状凸部４０の内側空間の圧力上昇と、ガス吐出孔２２の中央付近での集中配置によるガス流速の上昇によって、エッチングレートのウエハ面内における均一性とエッチング形状の制御性が良好になる。

エッチングの形状を良好なものにするためには、ウエハＷの温度を調節することも有効である。そのために冷媒室１７が設けられており、この冷媒室１７に冷媒が循環され、その冷熱が支持テーブル２を介してウエハＷに対して伝熱され、これによりウエハＷの処理面が所望の温度に制御される。

プラズマ生成用の高周波電源１５は、所望のプラズマを形成するためにその周波数および出力が適宜設定される。シリコンエッチングにおいては、ウエハＷの直上のプラズマ密度を高くする観点から、周波数を例えば４０ＭＨｚもしくはそれ以上とすることが好ましい。

ダイポールリング磁石２４は、ウエハＷの直上のプラズマ密度を高くするために、対向電極である支持テーブル２およびシャワーヘッド２０の間の処理空間に磁場を印加するが、その効果を有効に発揮させるためには処理空間に１００００μＴ（１００Ｇ）以上の磁場を形成するような強度の磁石であることが好ましい。磁場は強ければ強いほどプラズマ密度を高くする効果が増加すると考えられるが、安全性の観点から１０００００μＴ（１ｋＧ）以下であることが好ましい。

プラズマエッチング装置１００を用いてシリコンエッチングを行なうための好適な条件は次のとおりである。エッチングガスの流量は、ＳＦ_６＝１００〜１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｏ_２＝０〜５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とし、エッチング形状制御の観点から、その流量比をＳＦ_６／Ｏ_２＝３／１〜２／１とすることが好ましい。
処理圧力は、十分なエッチングレートとマスク選択比を確保する観点から、１０〜６０Ｐａ（７５ｍＴｏｒｒ〜４５０ｍＴｏｒｒ）とすることが好ましい。
また、十分なエッチングレートとマスク選択比を得るために、高周波電源１５の高周波の周波数は４０ＭＨｚ以上、高周波パワーは、０．５〜２．０ｋＷとすることが好ましい。
また、ダイポールリング磁石２４により形成される磁場の強さは、１００００μＴ〜３００００μＴとすることが好ましい。
また、エッチング形状つまり異方性を良好に制御する観点から、ウエハＷの温度を例えば−１５〜３０℃程度に調整することが好ましい。

図６および図７は、本発明のプラズマエッチング装置１００を用いたプラズマエッチング方法を説明するために、ウエハＷなどの被処理体１１０の表面付近の断面構造を模式的に示している。
図６に示すように、被処理体１１０は、シリコン基板１０１の上に、予めパターン形成されたレジスト１０２を備えている。なお、レジスト１０２の直下に、図示しない反射防止膜を設けることもできる。そして、被処理体１１０に対し、プラズマエッチング装置１００を用い、レジスト１０２をマスクとしてそのパターンに基づき、処理ガスのプラズマを作用させてシリコンエッチングを実施する。処理ガスとしては、例えばＳＦ_６／Ｏ_２を用いることができる。この際のエッチング条件は前記のとおりである。

このシリコンエッチングによって、シリコン基板１０１には、図７に示すように、レジスト１０２のパターン形状に対応した所定深さＤのホール１２１が形成される。
ここで、ホール１２１の上部の開口径Ｌ_５と、底部の径Ｌ_６とを比較すると、底部の径Ｌ_６の方が小さくなっていることから理解されるように、ホール１２１の側壁は傾斜して形成されている。つまり、ホール１２１は断面視テーパー状に形成されている。ホール１２１の側壁が水平方向に対してなす角度（１８０°−θ；以下「側壁角度」と記す）は、例えば８３°〜８７°に形成することが好ましい。

このように、シャワーヘッド２０に環状凸部４０を備え、かつガス吐出孔２２をシャワーヘッド２０の下面２０ｂの中央部付近に集中して設けたプラズマエッチング装置１００を用い、レジスト１０２をマスクとしてシリコン基板１０１のエッチングを行なうことにより、エッチングレートのウエハＷの面内における均一性とエッチング形状の制御およびウエハＷの面内における均一化が図られる。従って、ウエハＷの面内におけるホール深さを揃え、所定の側壁角度に制御しながら均一な形状のホールを形成することが可能になる。

次に、試験例、実施例および比較例を挙げ、本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらによって制約されるものではない。なお、以下の試験例等では、８インチ径（２００ｍｍ径）のウエハＷを使用した。
試験例１
下記に示すＡ、Ｂの２種類の寸法の環状凸部４０を設けたシャワーヘッド２０を用い、上下の電極間距離（ギャップＧ）を２２ｍｍ、２７ｍｍまたは３２ｍｍに設定して、図６と同様の構造の被処理体１１０に対してプラズマエッチング処理を実施し、シリコン基板１０１にホール１２１を形成した。なお、シャワーヘッド２０としては、表面にアルマイト処理したものを使用した。

環状凸部Ａ：
突出量（Ｈ）＝１５ｍｍ
外径（Ｌ_１）＝２６０ｍｍ
内径（Ｌ_２）＝２４０ｍｍ
幅［（Ｌ_１−Ｌ_２）×１／２］＝１０ｍｍ
環状凸部Ｂ
突出量（Ｈ）＝２１ｍｍ
外径（Ｌ_１）＝２７０ｍｍ
内径（Ｌ_２）＝２４０ｍｍ
幅［（Ｌ_１−Ｌ_２）×１／２］＝１５ｍｍ

エッチング条件は下記のとおりである。
レジスト：膜厚＝７μｍ
処理ガス：ＳＦ_６／Ｏ_２＝１７０／５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
圧力＝３７．３Ｐａ（２８０ｍＴｏｒｒ）
ＲＦ周波数（高周波電源１５）＝４０ＭＨｚ
ＲＦパワー＝８４０Ｗ（２．６８Ｗ／ｃｍ^２）
磁場＝１７０００μＴ（１７０Ｇ）
背圧（センター部／エッジ部）＝１３３３／４０００Ｐａ（１０／３０Ｔｏｒｒ；Ｈｅガス）
温度（下部電極／上部電極／チャンバ側壁）＝０℃／４０℃／４０℃
エッチング時間＝４分１１秒

上記条件のプラズマエッチングにより形成されたホール１２１の断面形状（エッチング形状）について、ウエハＷの面内における均一性を評価した。その結果を表１に示した。表中、○印はエッチング形状をテーパー状に制御する制御性が良好であったことを示し、×印は制御性が不良であったことを示す。

表１より、突出量（Ｈ）が１５ｍｍと短い環状凸部Ａを使用した場合には、ギャップＧが最も短い２２ｍｍのときでさえもエッチング形状の制御性は得られなかった。従って、良好なエッチング形状の制御性を得るためには、最低１５ｍｍを超える突出量Ｈが必要と考えられた。

試験例２
次に、シャワーヘッド２０として、その下面２０ｂの中央部の１０８．７ｍｍ×１０８．７ｍｍの領域Ｓ内に４９個のガス吐出孔２２を備えたものを用い、上下の電極間距離（ギャップＧ）を２２ｍｍ、２７ｍｍ、３２ｍｍまたは３３ｍｍに設定して、図６と同様の構造の被処理体１１０に対して試験例１と同様の条件でプラズマエッチング処理を実施し、シリコン基板１０１にホール１２１を形成した。そして、ホール１２１のエッチング深さＤについて、ウエハＷの面内における均一性を評価した。その結果を表２に示した。表中、○印はエッチング深さのウエハ面内均一性が良好であったことを示し、×印は不良であったことを示す。

表２より、１０８．７ｍｍ×１０８．７ｍｍの領域Ｓ内に４９個のガス吐出孔２２を備えたシャワーヘッド２０においては、環状凸部Ａおよび環状凸部Ｂの両方とも、ギャップＧが２７ｍｍ〜３２ｍｍの範囲においてウエハ面内で均一なエッチング深さが得られたが、ギャップＧが３３ｍｍでは突出量Ｈが２１ｍｍの環状凸部Ｂを使用してもエッチング深さのウエハ面内均一性は得られなかった。この結果から、エッチング深さのウエハ面内均一性を得るためには、環状凸部４０の突出高さＨを、ギャップＧとの関係で選択する必要があることが推察された。

試験例３
次に、表面にＹ_２Ｏ_３溶射膜を形成したシャワーヘッド２０を用い、その下面２０ｂの中央部のガス吐出孔が分布する領域Ｓの面積と、その内側に形成されたガス吐出孔２２の個数を表３に示すように変化させ、図６と同様の構造の被処理体１１０に対して試験例１と同様の条件でプラズマエッチング処理を実施し、シリコン基板１０１にホール１２１を形成した。そして、ホール１２１のエッチング深さについて、ウエハＷの面内における均一性を評価した。なお、本試験では、上下の電極間距離（ギャップＧ）は３７ｍｍに設定し、環状凸部４０は設けなかった。その結果を表３に併記した。表中、○印はエッチング深さのウエハ面内均一性が良好であったことを示し、×印は不良であったことを示す。

表３より、２００ｍｍ径のウエハＷに対して、６１．７ｍｍ×６１．７ｍｍの領域Ｓ内に２５個のガス吐出孔２２を形成したシャワーヘッド２０、および９６．９６ｍｍ×９６．９６ｍｍの領域Ｓ内に３７個のガス吐出孔２２を形成したシャワーヘッド２０においては、ウエハ面内で均一なエッチング深さが得られたのに対し、１２０．５ｍｍ×１２０．５ｍｍの領域Ｓ内に８１個のガス吐出孔２２を備えたシャワーヘッド２０においては、エッチング深さのウエハ面内均一性が得られなかった。
この結果から、エッチング深さのウエハ面内均一性を得るためには、ガス吐出孔２２の配置および個数を選択する必要があると考えられた。

上記試験結果を踏まえ、下記比較例１〜３および実施例１を実施した。
比較例１
環状凸部４０を設けず、２１０ｍｍ×２１０ｍｍの領域Ｓに１５３個のガス吐出孔２２を配設した従来構造のシャワーヘッドを用い、図６と同様の構造の被処理体１１０に対して下記の条件でプラズマエッチング処理を実施し、シリコン基板１０１にホール１２１を形成した。

エッチング条件は下記のとおりである。
レジスト：膜厚＝７μｍ
処理ガス：ＳＦ_６／Ｏ_２＝１７０／５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
圧力＝３７．３Ｐａ（２８０ｍＴｏｒｒ）
ＲＦ周波数（高周波電源１５）＝４０ＭＨｚ
ＲＦパワー＝８４０Ｗ（２．６８Ｗ／ｃｍ^２）
磁場＝１７０００μＴ（１７０Ｇ）
ギャップ＝３７ｍｍ
背圧（センター部／エッジ部）＝１３３３／４０００Ｐａ（１０／３０Ｔｏｒｒ；Ｈｅガス）
温度（下部電極／上部電極／チャンバ側壁）＝０℃／４０℃／４０℃
エッチング時間＝４分１１秒

比較例２
突出量（Ｈ）＝２１ｍｍ、外径（Ｌ_１）＝２７０ｍｍ、内径（Ｌ_２）＝２４０ｍｍ、幅［（Ｌ_１−Ｌ_２）×１／２］＝１５ｍｍの形状の環状凸部４０を備え、２１０ｍｍ×２１０ｍｍの領域Ｓに１５３個のガス吐出孔２２を配設したシャワープレートを用い、図６と同様の構造の被処理体１１０に対して下記の条件でプラズマエッチング処理を実施し、シリコン基板１０１にホール１２１を形成した。

エッチング条件は下記のとおりである。
レジスト：膜厚＝７μｍ
処理ガス：ＳＦ_６／Ｏ_２＝１７０／５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
圧力＝３７．３Ｐａ（２８０ｍＴｏｒｒ）
ＲＦ周波数（高周波電源１５）＝４０ＭＨｚ
ＲＦパワー＝７００Ｗ（２．２３Ｗ／ｃｍ^２）
磁場＝１７０００μＴ（１７０Ｇ）
ギャップ＝３７ｍｍ
背圧（センター部／エッジ部）＝１３３３／４０００Ｐａ（１０／３０Ｔｏｒｒ；Ｈｅガス）
温度（下部電極／上部電極／チャンバ側壁）＝０℃／４０℃／４０℃
エッチング時間＝４分１１秒

比較例３
環状凸部４０を備えず、シャワープレート下面の中央部の６１．７ｍｍ×６１．７ｍｍの領域Ｓに２５個のガス吐出孔２２を集中して配設したシャワープレートを用い、図６と同様の構造の被処理体１１０に対して下記の条件でプラズマエッチング処理を実施し、シリコン基板１０１にホール１２１を形成した。

実施例１
突出量（Ｈ）＝２１ｍｍ、外径（Ｌ_１）＝２７０ｍｍ、内径（Ｌ_２）＝２４０ｍｍ、幅［（Ｌ_１−Ｌ_２）×１／２］＝１５ｍｍの形状の環状凸部４０を備え、シャワープレート下面の中央部の１０８．７ｍｍ×１０８．７ｍｍの領域Ｓに４９個のガス吐出孔２２を集中して配設したシャワープレートを用い、図６と同様の構造の被処理体１１０に対して下記の条件でプラズマエッチング処理を実施し、シリコン基板１０１にホール１２１を形成した。

エッチング条件は下記のとおりである。
レジスト：膜厚＝７μｍ
処理ガス：ＳＦ_６／Ｏ_２＝１７０／５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
圧力＝３３．３Ｐａ（２５０ｍＴｏｒｒ）
ＲＦ周波数（高周波電源１５）＝４０ＭＨｚ
ＲＦパワー＝５００Ｗ（１．５９Ｗ／ｃｍ^２）
磁場＝１７０００μＴ（１７０Ｇ）
ギャップ＝３２ｍｍ
背圧（センター部／エッジ部）＝１３３３／４０００Ｐａ（１０／３０Ｔｏｒｒ；Ｈｅガス）
温度（下部電極／上部電極／チャンバ側壁）＝０℃／４０℃／４０℃
エッチング時間＝４分３０秒

上記比較例１〜３、実施例１のプラズマエッチング後に、各ウエハＷの面内の複数ポイントにおいて、ホール１２１のエッチング深さおよびエッチング形状（側壁角度）を、透過型電子顕微鏡の撮像を元に計測した。測定ポイントは、ウエハＷの面内中央（センター）、エッジ５０ｍｍ、エッジ３０ｍｍ、エッジ２０ｍｍおよびエッジ１０ｍｍとした。ここで、「エッジ５０ｍｍ」は、ウエハの周端部から面内中央へ向けて５０ｍｍ入った位置であることを意味する。同様に、「エッジ３０ｍｍ」、「エッジ２０ｍｍ」、「エッジ１０ｍｍ」は、それぞれウエハの周端部から面内中央へ向けて３０ｍｍ、２０ｍｍおよび１０ｍｍ入った位置であることを意味する。比較例１〜３、実施例１の結果をまとめて表４に示した。

表４に示すように、環状凸部４０を設けず、ガス吐出孔２２の形成領域が広い従来構造のシャワーヘッドを使用した比較例１のプラズマエッチング結果では、ウエハ面内におけるエッチングの深さ（ホール１２１の深さ）のばらつきが大きい。また、特にウエハＷのエッジ部においてホール１２１の側壁角度が９０°に近く、断面視テーパー形状に制御できていない。

環状凸部４０を設けたが、ガス吐出孔２２の形成領域が従来構造のシャワーヘッドと同様に広いシャワーヘッドを使用した比較例２のプラズマエッチング結果では、ホール１２１の側壁角度は比較例１よりも改善され、側壁に若干の傾斜を持たせることができたが、ウエハ面内におけるエッチングの深さ（ホール１２１の深さ）のばらつきは依然として大きかった。

環状凸部４０は設けず、ガス吐出孔２２の形成領域のみを狭く形成したシャワーヘッドを使用した比較例３のプラズマエッチング結果では、比較例１、２に比べてウエハ面内におけるエッチングの深さ（ホール１２１の深さ）のばらつきは改善された。しかし、ホール１２１の側壁角度は比較例１同様に９０°に近く、断面視テーパー形状に制御できていない。

環状凸部４０を設けたとともに、シャワープレート下面の中央部にガス吐出孔２２を集中して配設したシャワープレートを用いた実施例１のプラズマエッチング結果では、比較例１〜３に比べてウエハ面内におけるエッチング深さ（ホール１２１の深さ）のばらつきが大幅に改善された。また、ホール１２１の側壁角度は、８３°〜８５°となってウエハ面内の全てで断面視テーパー形状に制御できた。

比較例１と比較例２との対比から、ホール１２１の側壁に傾斜を持たせ、エッチング断面をテーパー形状に制御する目的では、環状凸部４０を備えたシャワープレートを使用することによって一応の効果が得られることが理解される。
また、比較例１と比較例３の対比から、エッチング深さのウエハ面内均一性は、シャワープレート下面の中央部にガス吐出孔２２を集中して設けたシャワープレートを用いることにより一応の改善がみられることがわかる。

しかし、比較例２、３と実施例１との対比から、環状凸部４０を設け、かつ中央部にガス吐出孔２２を集中して配設したシャワープレートを用いた実施例１では、エッチング深さのウエハ面内均一性およびホール１２１の側壁角度の制御性の両方において、明らかに比較例１、２よりも優れていた。つまり、実施例１の結果は、比較例１、２の結果の総和ではなく、エッチング深さのウエハ面内均一性とエッチング形状の制御性の両方がより優れたものに改善されていた。

以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明は上記実施形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態ではマグネトロンＲＩＥプラズマエッチング装置の磁場形成手段としてダイポールリング磁石を用いたが、これに限るものではなく、磁場の形成も必須なものではない。また、本発明のガス種によってプラズマを形成することができれば装置は問わず、容量結合型や誘導結合型等の種々のプラズマエッチング装置を用いることができる。

本発明は、例えばトランジスタなどの各種半導体装置を製造する過程において好適に利用可能である。

本発明のエッチング方法の実施に好適なマグネトロンＲＩＥプラズマエッチング装置を示す断面図。図１の装置のチャンバーの周囲に配置された状態のダイポールリング磁石を模式的に示す水平断面図。チャンバー内に形成される電界および磁界を説明するための模式図。環状凸部とガス吐出孔の配置の説明に供する図面。環状凸部とガス吐出孔の配置の説明に供するシャワーヘッドの下面の平面図。プラズマエッチングをしている状態を示す半導体ウエハの表面付近の模式的断面図。プラズマエッチング後の半導体ウエハの表面付近の模式的断面図。

符号の説明

１；チャンバー（処理容器）
２；支持テーブル（電極）
１２；排気系
１５；高周波電源
１７；冷媒室
１８；ガス導入機構
２０；シャワーヘッド（電極）
２２；ガス吐出孔
２３；処理ガス供給系
２４；ダイポールリング磁石
４０；環状凸部
１０１；シリコン基板
１０２；レジスト
Ｗ；ウエハ

Claims

被処理体に対しプラズマエッチング処理を行なうための減圧排気可能な処理室と、
前記処理室内で被処理体を載置する載置台と、
前記載置台に対向配備され、前記処理室内にプラズマを生成するための処理ガスを導入するシャワーヘッドと、
前記シャワーヘッドの下面において、前記載置台へ向けて環状に突設された環状凸部と、
前記シャワーヘッドの下面の前記環状凸部の内側中央部において、被処理体の面積よりも小さな面積の領域内に分布して配設された複数のガス吐出孔と、
を備え、
前記環状凸部の外径は、被処理体の直径Ｌに対して１．１Ｌ〜１．５Ｌであり、
前記環状凸部の内径は、被処理体の直径Ｌよりも大きく、
前記環状凸部の高さは、前記載置台から前記シャワーヘッドまでの距離に対して、０．４倍〜０．８倍であり、
前記ガス吐出孔は、被処理体の直径Ｌに対し、０．３Ｌ×０．３Ｌ〜０．７Ｌ×０．７Ｌの面積を持つ四角形の領域内に形成されている、プラズマエッチング装置。
前記載置台を下部電極とし、前記シャワーヘッドを上部電極として一対の対向電極を構成した、請求項１に記載のプラズマエッチング装置。
前記載置台にフォーカスリングが配備される場合、前記環状凸部の外径が、前記フォーカスリングの外径よりも小さい、請求項１または請求項２に記載のプラズマエッチング装置。
前記被処理体の温度が、−１５〜３０℃に調整されることを特徴とする請求項１〜請求項３に記載のプラズマエッチング装置。
前記プラズマエッチング装置は、マグネトロンＲＩＥプラズマエッチング装置であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプラズマエッチング装置。
シリコンを主成分とする被エッチング層と、該被エッチング層よりも上層に形成され、予めパターニングされたレジスト層と、を有する被処理体に対して、ＳＦ _６とＯ _２とを含む処理ガスから生成されるプラズマを作用させて、前記レジストをマスクとして被エッチング層をプラズマエッチング処理する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のプラズマエッチング装置。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載されたプラズマエッチング装置を用い、
シリコンを主成分とする被エッチング層と、該被エッチング層よりも上層に形成され、予めパターニングされたレジスト層と、を有する被処理体に対して、ＳＦ_６とＯ_２とを含む処理ガスから生成されるプラズマを作用させて、前記レジストをマスクとして被エッチング層をプラズマエッチング処理する、プラズマエッチング方法。
前記被エッチング層は、シリコン基板またはシリコン層である、請求項７に記載のプラズマエッチング方法。
コンピュータ上で動作し、実行時に、請求項７または請求項８に記載されたプラズマエッチング方法が行なわれるように前記プラズマエッチング装置を制御する、制御プログラム。
コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、請求項７または請求項８に記載されたプラズマエッチング方法が行なわれるように前記プラズマエッチング装置を制御するものである、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体。