(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内にフロロカーボン系のガスを供給して試料台に載置された被処理基板をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
前記試料台の前記被処理基板が載置される箇所の周辺に配置されシリコンにより構成されたフォーカスリングと、
前記被処理基板の上方に配置され前記ガスがこれを介して前記真空容器内に導入されるシャワープレートと、
前記シャワープレートを介して前記真空容器内において前記被処理基板の中心部と外周部とにそれぞれ前記フロロカーボン系のガスを供給する第１供給手段と第２供給手段とを備え、
前記第１供給手段と前記第２供給手段とから供給される前記ガスは、前記第２の供給手段から供給されるガスが、前記第１の供給手段から供給されるガスに対して、炭素とフッ素の比率（C/F 比）が小さいものであって、当該炭素とフッ素の比率が小さいガスが前記第２の供給手段のみから供給されることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記フロロカーボン系のガスとして、前記第１の供給手段からＣ４Ｆ６が及び前記第２の供給手段からＣＦ４が供給される、または前記第１の供給手段からＣ６Ｆ６が及び前記第２の供給手段からＣ４Ｆ８が供給されることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、前記第２供給手段はフォーカスリングの上方に配置され、プラズマ処理に用いるフロロカーボン系のガスに対して炭素とフッ素の比率（C/F比）の低いフロロカーボン系のガスを前記被処理基板の外周部に上方から供給することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、前記第２供給手段はフォーカスリングの下方あるいは側面に配置され、プラズマ処理に用いるフロロカーボン系のガスに対して炭素とフッ素の比率（C/F比）の低いフロロカーボン系のガスを前記被処理基板の外周部に下方あるいは側方から供給することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
真空容器内にフロロカーボン系のガスを供給して試料台に載置された被処理基板をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、
前記試料台の前記被処理基板が載置される箇所の周辺にシリコンにより構成されたフォーカスリングが配置され、前記被処理基板の上方に前記ガスを前記真空容器内に導入するシャワープレートが配置され、前記シャワープレートを介して前記真空容器内において前記被処理基板の中心部と外周部とにそれぞれ前記フロロカーボン系のガスを供給する第１供給手段と第２供給手段とを備え、前記第１供給手段と前記第２供給手段とから供給される前記ガスは、前記第２の供給手段から供給されるガスが、前記第１の供給手段から供給されるガスに対して、炭素とフッ素の比率（C/F 比）が小さいものであって、当該炭素とフッ素の比率が小さいガスを前記第２の供給手段のみから供給することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項６】
請求項５記載のプラズマ処理方法において、前記フロロカーボン系のガスとして、前記第１の供給手段からＣ４Ｆ６を及び前記第２の供給手段からＣＦ４を供給し、または前記第１の供給手段からＣ６Ｆ６を及び前記第２の供給手段からＣ４Ｆ８を供給することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項７】
請求項５または６に記載のプラズマ処理方法において、プラズマ処理に用いるフロロカーボン系のガスに対して、炭素とフッ素の比率（C/F比）の低いフロロカーボン系のガスを前記被処理基板の外周部に上方から供給することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項８】
請求項５または６に記載のプラズマ処理方法において、プラズマ処理に用いるフロロカーボン系のガスに対して、炭素とフッ素の比率（C/F比）の低いフロロカーボン系のガスを前記被処理基板の外周部に下方あるいは側方から供給することを特徴とするプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置を用いたエッチング工程の中でも、層間絶縁膜のエッチングに用いられるドライエッチング装置（プラズマ処理装置）及びエッチング方法（プラズマ処理方法）に関し、特に被処理基板上のパターンが高アスペクト比のコンタクトホールである場合に、ウェハ端部でのエッチングレートの低下によるウェハ面内のエッチングレート均一性低下の防止に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体技術の中でDRAM（Dynamic Random Access Memory）などのメモリデバイスでは集積化が進むに従い、キャパシタ容量を維持するために高アスペクト比のホールを形成し、キャパシタの高さを大きくする方向へと進んでいる。国際半導体ロードマップでは２０１１年にアスペクト比は５０程度と大変高くなる。さらに、歩留まりを向上させるため、φ３００ｍｍ以上の大口径ウェハにおいては、ウェハの端部２ｍｍまでは均一に加工することが要求されることになる。今後の傾向としては恐らく、この２ｍｍという値は徐々に小さくなることが望まれ、究極の要求としてはウェハ端部０ｍｍまで良品を取ることが必要となるであろう。
【０００３】
ウェハ端部までの均一な加工を施すため、ウェハ外周部（エッジ部）には、例えばSiからなるリング状のフォーカスリングが設置されている。フォーカスリングによって、ウェハ端部が電気的、あるいは化学的な界面であることが緩和され、処理の面内均一性が向上する。
【０００４】
次にドライエッチング方法を説明する。ドライエッチングとは真空容器内に導入されたエッチングガスを外部から高周波電力を印加してプラズマ化し、プラズマ中で生成された反応性ラジカルやイオンをウェハ上で高精度に反応させることでレジストに代表されるマスク材料や、ビア、コンタクトホール、キャパシタ等の下にある配線層や下地基板に対して選択的に被加工膜をエッチングする技術である。
【０００５】
ビアやコンタクトホール、前述のキャパシタ形成においては、プラズマガスとして、CF4、CHF3、C2F6、C3F6O、C4F8、C5F8、C4F6等のフロロカーボン（CF）系のガスにArに代表される希ガス、及び酸素等の混合ガスを導入し、０．５Paから１０Paの圧力領域でプラズマを形成し、ウェハに入射するイオンエネルギーを下部電極に印加される高周波バイアス電圧のピーク・トゥ・ピーク値（ウェハVpp）にて０．５ｋVから５．０ｋVまで加速する。
【０００６】
この際、前述のCF系のガスよりなるプラズマ中で炭素（以下Cと記す）とフッ素(以下Fと記す)よりなる多種の生成物（ラジカル、イオン等）が生成する。被エッチング材料はSiO2であって、テトラエトキシシラン（TEOS）を原料として成膜したものや、ガラス膜（PSG、あるいはBPSG）である。SiO2の表面に、高い密度のラジカル束の入射と、加速されたイオン衝撃により、Si、C、F、Oよりなる層が形成される。
【０００７】
この条件下では、特許文献１に示されるように、用いるガスのCとFの比率（C/F比）により、エッチングが進行するか、カーボンあるいはポリマーの薄膜が成長するかが決まる。即ち、C/F比が低く、Fが多いガスを用いると、プラズマ中のFラジカルの量が多く、エッチングが進行する。逆にC/F比が高く、Cが多いガスを用いると、カーボンあるいはポリマーの薄膜が成長し、エッチングレートが低下、あるいはエッチングが停止してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−７７３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のようにC/F比が変化するとエッチングレートが不均一となるので、特許文献１では高C/F比ガスに低C/F比ガスを混合することにより、均一化を図ろうとしている。
【００１０】
しかしながら、前述のような高アスペクト比のホールの加工は、下部電極に印加するバイアス電圧を高くすることで、高速、かつ異方性の高い加工を実現しているが、ウェハエッジ部に置かれたSiによりなるフォーカスリングは、高いバイアス電圧によって３００℃以上の高温に加熱される。フォーカスリングが高温になると、SiとFの純化学的な反応の増大や、フォーカスリング表面に付着する堆積物（デポ）が薄くなることにより、フォーカスリング周辺でFが消費される。従って、フォーカスリング周辺のウェハエッジ部（ウェハ外周部）では、Fの減少によりC/F比がウェハ中心よりも高くなってしまい、エッチングレートの低下、デポの付着などが起こり易くなる。
【００１１】
このように、ウェハエッジ部でのエッチングレートがウェハ中心部に比べて低下すると、ウェハ面内のエッチング加工にばらつきが生じ、ひいては歩留まりが悪化してしまという問題が生じる。
【００１２】
本発明は、上記従来技術に鑑み、ウェハエッジ部でのレート低下を解消し、ウェハ面内の中心部からエッジ部にわたって均一なエッチング加工を可能にするプラズマエッチング装置及び、プラズマ処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、真空容器内にフロロカーボン系のガスを供給して試料台に載置された被処理基板をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
前記試料台の前記被処理基板が載置される箇所の周辺に配置されシリコンにより構成されたフォーカスリングと、
前記被処理基板の上方に配置され前記ガスがこれを介して前記真空容器内に導入されるシャワープレートと、
前記シャワープレートを介して前記真空容器内において前記被処理基板の中心部と外周部とにそれぞれ前記フロロカーボン系のガスを供給する第１供給手段と第２供給手段とを備え、
前記第１供給手段と前記第２供給手段とから供給される前記ガスは、前記第２の供給手段から供給されるガスが、前記第１の供給手段から供給されるガスに対して、炭素とフッ素の比率（C/F 比）が小さいものであって、当該炭素とフッ素の比率が小さいガスが前記第２の供給手段のみから供給されることを特徴とする。
【００１４】
また、前記のプラズマ処理装置において、前記フロロカーボン系のガスとして、前記第１の供給手段からＣ４Ｆ６が及び前記第２の供給手段からＣＦ４が供給される、または前記第１の供給手段からＣ６Ｆ６が及び前記第２の供給手段からＣ４Ｆ８が供給されることを特徴とする。
【００１５】
また、前記のプラズマ処理装置において、前記第２供給手段はフォーカスリングの上方に配置され、プラズマ処理に用いるフロロカーボン系のガスに対して炭素とフッ素の比率（C/F比）の低いフロロカーボン系のガスを前記被処理基板の外周部に上方から供給することを特徴とする。
【００１６】
また、前記のプラズマ処理装置において、前記第２供給手段はフォーカスリングの下方あるいは側面に配置され、プラズマ処理に用いるフロロカーボン系のガスに対して炭素とフッ素の比率（C/F比）の低いフロロカーボン系のガスを前記被処理基板の外周部に下方あるいは側方から供給することを特徴とする。
また、本発明は、真空容器内にフロロカーボン系のガスを供給して試料台に載置された被処理基板をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、
前記試料台の前記被処理基板が載置される箇所の周辺にシリコンにより構成されたフォーカスリングが配置され、前記被処理基板の上方に前記ガスを前記真空容器内に導入するシャワープレートが配置され、前記シャワープレートを介して前記真空容器内において前記被処理基板の中心部と外周部とにそれぞれ前記フロロカーボン系のガスを供給する第１供給手段と第２供給手段とを備え、前記第１供給手段と前記第２供給手段とから供給される前記ガスは、前記第２の供給手段から供給されるガスが、前記第１の供給手段から供給されるガスに対して、炭素とフッ素の比率（C/F 比）が小さいものであって、当該炭素とフッ素の比率が小さいガスを前記第２の供給手段のみから供給することを特徴とする。
【００１７】
また、前記のプラズマ処理方法において、前記フロロカーボン系のガスとして、前記第１の供給手段からＣ４Ｆ６を及び前記第２の供給手段からＣＦ４を供給し、または前記第１の供給手段からＣ６Ｆ６を及び前記第２の供給手段からＣ４Ｆ８を供給することを特徴とする。
【００１８】
また、前記のプラズマ処理方法において、プラズマ処理に用いるフロロカーボン系のガスに対して、炭素とフッ素の比率（C/F比）の低いフロロカーボン系のガスを前記被処理基板の外周部に上方から供給することを特徴とする。
【００１９】
また、前記のプラズマ処理方法において、プラズマ処理に用いるフロロカーボン系のガスに対して、炭素とフッ素の比率（C/F比）の低いフロロカーボン系のガスを前記被処理基板の外周部に下方あるいは側方から供給することを特徴とする。
また、本発明は、ウェハ中心部とウェハ端部のフォーカスリング周辺部のそれぞれに、C/F比の異なるCF系のガスを供給することにより、ウェハエッジ部でのエッチングレート低下を解消したものである。即ち、ウェハエッジ部ではフォーカスリングとフッ素の反応によりウェハ中心部と比べて、カーボンの比率が高くなってしまうため、ウェハエッジ部には、ウェハ中心部よりもC/F比の低いCF系のガスを供給することで、ウェハエッジ部と中心部のC/F比を同じにすることが出来る。この結果、エッジ部で部分的にC/F比が高くなることはなく、エッチングレートの低下を解消することが出来る。
【００２０】
ウェハ端部のフォーカスリング周辺部へのCF系ガスの供給方法として、通常のエッチングガスと同様にウェハに対向する、シャワープレートからエッジ部のみに供給しても良い。あるいは、フォーカスリングの上方にのみガスを供給する専用のガス孔を開けたシャワープレートを使用しても良い。あるいは、フォーカスリングが載置される下部電極から供給しても良い。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ウェハ外周部でのエッチングレートの低下を抑え、ウェハ面内での加工均一性を向上することが出来、歩留まりを向上することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第一の実施例のプラズマ処理装置の縦断面図。
【図２】ウェハ中心部とエッジ部のエッチング結果の従来例の説明図。
【図３】本発明の第一の実施例のウェハ中心部とエッジ部のエッチング結果の説明図。
【図４】本発明の第二の実施例のプラズマ処理装置の縦断面図。
【図５】本発明の第三の実施例のプラズマ処理装置の縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図を用いて本発明の実施例を説明する。本実施例ではC/F比の異なるCF系ガスをシャワープレートからウェハ中心部とエッジ部に供給することで、エッジ部でのエッチングレートの低下を抑止する方法を説明する。
【００２４】
以下、第１の実施例で用いるプラズマ処理装置（エッチング装置）の装置構成の概略を図１で説明する。図１はプラズマエッチング装置の縦断面図である。プラズマ処理装置は真空容器１内にシャワープレート２と、上部電極３と、ウェハ（被処理基板）を載置する試料台を兼ねた下部電極４を備える。上部電極３にはプラズマ生成用の高周波電力が高周波電源５より供給される。下部電極４にはウェハ電力が高周波バイアス電源６より供給される。
【００２５】
本実施例では真空容器１に原料ガスをシャワープレート２を介して導入し、上部電極３を介して高周波電源５より２００MHｚの高周波電力を供給してプラズマＰを発生させる。ここでシャワープレート２は、例えばシリコンからなり、ガスを上方から下方のウェハに吹き出す複数の孔を持つ円盤状の部材であり、ウェハと対向して設置される。また、シャワープレート２は外側シャワープレート２Ａ（第２供給手段）と内側のシャワープレート２Ｂ（第１供給手段）の二つに分割されており、内側と外側には異なる２種類のＣＦ系ガスがそれぞれガス導入管９（第１供給手段）と１０（第２供給手段）を介して供給される。内外の境界として、こでは半径r=120mmの位置とした。好ましくは内外の境界が半径r=100〜200mmであることが望ましい。
【００２６】
被処理基板（ウェハ）Ｗは下部電極４上に載置されており、この下部電極４には４MHｚの高周波バイアス電源６が接続されており、ウェハＷ上に発生するウェハVppによりイオンを引きこんでエッチングを行う。本実施例では原料ガスとしてＡｒとＯ２、ＣＦ系ガスの混合ガスを真空容器内に導入して、図示しない真空排気系と圧力制御手段により圧力を４Ｐａに制御し、シリコン酸化膜、例えばＴＥＯＳや、ガラス膜(ＰＳＧ、ＢＰＳＧ)のエッチングを行う。ここではエッチング対象膜としてＴＥＯＳ、マスク材料として、ＡＣＬ(Amorphous Carbon Liner)を用いた場合を述べる。
【００２７】
試料台兼下部電極４の中央部にはウェハＷを保持するための図示しないチャック部（半導体ウェハ保持機構）が設けられる。チャック機構として例えば静電チャックが設けられる。この静電チャックはウェハを保持する面は例えば窒化アルミニウムなどからなるセラミック薄膜と、その下のアルミニウム基材から構成されており、その基材に上記高周波バイアス電源６からの電力と、図示しないチョークコイルなどから構成された低周波通過フィルタを介した、直流電圧電源からのＤＣ電圧を印加するようになっている。また、この静電チャックは図示しない電熱ガス供給孔が設けられており、例えばＨｅガスを流すことにより下部電極４とウェハＷの熱伝達効率を向上させることが出来る。
【００２８】
また下部電極４へ印加した電力が外部へ漏れないようにするために、絶縁体からなるサセプタ８が設置される。さらに上記下部電極４の周囲にはフォーカスリング７が配置されている。フォーカスリング７は導電性または絶縁性の材料からなり、ここではシリコンによって構成されている。
【００２９】
まず、従来の方法として、内側シャワープレート２Ａと外側シャワープレート２Ｂから同じ種類のCF系ガスを供給した場合について述べる。即ち、CF系ガス１とCF系ガス２は同じ種類（同じC/F比）である。また、図示しないCF系以外のガスは、ウェハ面内で均一になるように内側と外側よりそれぞれ供給する。
【００３０】
図２はシャワープレート２の内側と外側からC4F6を上方から供給した場合の実験結果である。ウェハ中心部とウェハエッジ部（ウェハ外周部）（ウェハエッジから2mm）では、マスク材料のＡＣＬの残りは同程度であるが、ＴＥＯＳのエッチングレートは中心部の方がエッジ部より早く、孔が深くなっている。この状態ではウェハ全体のエッチングレート均一性が悪く、エッジ部まで良品を取ることは難しく、歩留まりが悪い。この原因は、エッジ部ではFとフォーカスリング(Si)の反応により、中心部に比べてCが豊富な状況になっているためである。Cが豊富な状況では、ポリマーが形成されやすく、デポが豊富になるためエッチングレートが低下してしまう。
【００３１】
この問題を解消するには、例えば、外周の酸素を増加させても良いが、その際にはエッジ部のACLの均一性が犠牲となるトレードオフが発生してしまう。
【００３２】
そこで、本実施例では、内側シャワープレート２ＡからCF系ガス１としてC4F6をウェハ中心部（被処理基板の中心部）に上方から供給し、外側シャワープレート２BからはCF系ガス２としてCF4を上方からウェハエッジ部（被処理基板の外周部）に供給する。外側から供給するCF4は、C4F6に比べて１つの分子内でのCがFに比べて少なく、C/F比が低い。そのため、フォーカスリングとの反応によりFが消費されることによりC/F比が高くなり、C4F6が供給される中心部と同等のC/F比となる。
【００３３】
このときの実験結果を図３に示す。図２と同様に中心部とエッジ部でACLの残りは同程度であるが、TEOSのエッチングレートは、中心部とエッジ部で同程度となり、図２と比べて均一性が向上している。
【００３４】
このように本実施例を用いれば、通常の方法ではエッチングレートが低下してしまうエッジ部の形状を中心部と同等にして、ウェハ面内での加工の均一性を向上させることが出来る。本実施例では内側と外側に異なるCF系ガスを導入する方法を説明したが、内側と外側に同じCF系ガスを供給しつつ、外側のみにC/F比の低いCF系ガスを添加しても同様の結果が得られる。この場合、C/F比の低いCF系ガスを添加により、外側がC/F比の低いCF系ガスの雰囲気となる。
【００３５】
第二の実施例では、シャワープレートの最外周の孔からのみC/F比の低いCF系ガスを供給する方法を述べる。図４は第二の実施例で用いる装置の縦断面図である。図４の装置では、CF系ガス２のみが外側ガス導入管１０を介して外側シャワープレート２Ａに繋がっている。シャワープレート２Ａの位置は、望ましくは半径r=100〜200ｍｍであり、より望ましくは半径r=150mmであることが望ましい。プラズマを生成するCF系ガス１と他のガスは、内側ガス導入管９を介して内側シャワープレート２Ｂに繋がっている。このような装置でも、第一の実施例と同様に、CF系ガス２として、CF系ガス１よりもC/F比の低いCF系ガスを用いることで、実施例１で述べたのと同様にエッチングレートのウェハ面内均一性を向上させることが出来る。
【００３６】
次に第三の実施例として、フォーカスリング下部からC/F比の異なるガスを供給する方法を説明する。図５は第三の実施例で用いる装置の縦断面図である。図１の装置と同様の構造に加えて、フォーカスリングの下部あるいは側面にガスを供給するためのガス導入管１１（第２供給手段）を持っている。ガス導入管１１から導入されたガスは、フォーカスリングの下方あるいは側面から、すなわち、フォーカスリングの内外周からウェハエッジ部に供給される。
【００３７】
本構造では、シャワープレート２は図１、図４のように内外（第１、第２供給手段）に分かれていてもよいし、分かれていなくてもよい。本実施例では、第１供給手段のシャワープレート２からは、CF系ガス１としてC/F比が高いC6F6を供給し、第２供給手段のガス導入管１１からは、CF系ガス２としてC/F比が低いC4F8を供給することで、第一の実施例で述べたのと同様にエッチングレートのウェハ面内均一性を向上させることが出来る。このときガス導入の方法として、フォーカスリング７の下部に開けたガス孔から供給しても良いし、フォーカスリングの側面にあるサセプタ８との隙間から導入しても良い。
【符号の説明】
【００３８】
１…真空容器、２…シャワープレート、２Ａ…外側シャワープレート（第２供給手段）、２Ｂ…内側シャワープレート（第１供給手段）、３…アンテナ、４…下部電極、５…プラズマ生成用高周波電源、６…バイアス用高周波電源、７…フォーカスリング、８…サセプタ、９…内側ガス導入管（第１供給手段）、１０…外側ガス導入管（第２供給手段）、１１…フォーカスリング下部ガス導入管（第２供給手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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