(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室内でプラズマ放電によってフッ素ラジカルを６フッ化硫黄または４フッ化炭素より生成し、このフッ素ラジカルをシリコンまたはシリコン化合物を主な材質とする被処理基板に作用させてプラズマエッチング処理を行うプラズマエッチング装置であって、前記処理室内に体積比率が５％から２０％の酸素と６フッ化硫黄または４フッ化炭素を含む混合ガスを供給するガス供給手段と、前記処理室内に配置された平行平板電極とこの平行平板電極に高周波電圧を印加する高周波電源部を備え、前記電極間距離Ｌ［ｍ］と前記処理室内の放電圧力Ｐ［Ｐａ］がそれぞれ２ｍｍ〜１０ｍｍと８３３Ｐａ〜１００００Ｐａであり、且つ両者の積ＰＬが、２．５［Ｐａ・ｍ］〜１５［Ｐａ・ｍ］の範囲の値となるように前記放電圧力Ｐを制御する制御手段を備えたことを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項２】
平行平板電極が配置された処理室内でプラズマ放電によってフッ素ラジカルを６フッ化硫黄または４フッ化炭素より生成し、このフッ素ラジカルをシリコンまたはシリコン化合物を主な材質とする被処理基板に作用させてプラズマエッチング処理を行うプラズマエッチング方法であって、前記処理室内に体積比率が５％から２０％の酸素と６フッ化硫黄または４フッ化炭素を含む混合ガスを供給し、前記電極間距離Ｌ［ｍ］と前記処理室内の放電圧力Ｐ［Ｐａ］がそれぞれ２ｍｍ〜１０ｍｍと８３３Ｐａ〜１００００Ｐａであり、且つ両者の積ＰＬが、２．５［Ｐａ・ｍ］〜１５［Ｐａ・ｍ］の範囲の値となる条件下で前記平行平板電極に高周波電圧を印加してプラズマ放電を行うことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置などに用いられるシリコン基板などの加工を行う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ものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置などに用いられるシリコン基板の加工方法としてプラズマエッチングが知られている。この方法は被処理物を処理室内に置き、処理室内を減圧した後にプラズマ発生用のガスを供給して処理室内に配置された電極間に高周波電圧を印加することによりプラズマを発生させ、この結果発生したイオンや電子などのエッチング作用を加工に利用するものである。従来プラズマエッチングに用いられる条件として、プラズマ放電を発生させる電極間の距離を３０〜８０ｍｍ程度に設定し、処理室内の圧力を１〜１０Ｐａ程度まで減圧した状態でプラズマエッチングが行われていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来のプラズマエッチングには以下に述べるような問題点があった。まず、上記のような高真空度でプラズマエッチングを行った場合には、エッチングによって表面が除去される速度を示すエッチングレートが０．１μｍ／分程度であり、所要除去量が多い場合にはエッチング処理に長時間を要するとともに、高真空度が求められるため各処理サイクルごとに長い排気時間を必要とし、前述のエッチングレートの低さと相まって全体の処理効率を更に低下させることとなっていた。
【０００４】
また高真空度を必要とするため真空系に高い設備コストを要すること、および処理対象物は高真空下に置かれるためこの対象物の保持に真空吸着を用いることができず、高価な静電吸着や機械的な固定方法が用いられていたことなどから、設備の簡略化が困難で設備費用の低減が困難であった。更に、従来のプラズマエッチングには、電極間に発生するプラズマを均一に発生させることが困難で、処理対象物に部分的なエッチング効果のばらつきがが生じ、安定したエッチング処理が困難であった。このように従来のプラズマエッチングにおいては、効率よく低コストで均一なエッチング加工を行うことが困難であるという問題点があった。
【０００５】
そこで本発明は、効率よく低コストで均一なエッチング加工を行うことができ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を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のプラズマエッチング装置は、処理室内でプラズマ放電によってフッ素ラジカルを６フッ化硫黄または４フッ化炭素より生成し、このフッ素ラジカルをシリコンまたはシリコン化合物を主な材質とする被処理基板に作用させてプラズマエッチング処理を行うプラズマエッチング装置であって、前記処理室内に体積比率が５％から２０％の酸素と６フッ化硫黄または４フッ化炭素を含む混合ガスを供給するガス供給手段と、前記処理室内に配置された平行平板電極とこの平行平板電極に高周波電圧を印加する高周波電源部を備え、前記電極間距離Ｌ［ｍ］と前記処理室内の放電圧力Ｐ［Ｐａ］がそれぞれ２ｍｍ〜１０ｍｍと８３３Ｐａ〜１００００Ｐａであり、且つ両者の積ＰＬが、２．５［Ｐａ・ｍ］〜１５［Ｐａ・ｍ］の範囲の値となるように前記放電圧力Ｐを制御する制御手段を備えた。
【００１０】
請求項２記載のプラズマエッチング方法は、平行平板電極が配置された処理室内でプラズマ放電によってフッ素ラジカルを６フッ化硫黄または４フッ化炭素より生成し、このフッ素ラジカルをシリコンまたはシリコン化合物を主な材質とする被処理基板に作用させてプラズマエッチング処理を行うプラズマエッチング方法であって、前記処理室内に体積比率が５％から２０％の酸素と６フッ化硫黄または４フッ化炭素を含む混合ガスを供給し、前記電極間距離Ｌ［ｍ］と前記処理室内の放電圧力Ｐ［Ｐａ］がそれぞれ２ｍｍ〜１０ｍｍと８３３Ｐａ〜１００００Ｐａであり、且つ両者の積ＰＬが、２．５［Ｐａ・ｍ］〜１５［Ｐａ・ｍ］の範囲の値となる条件下で前記平行平板電極に高周波電圧を印加してプラズマ放電を行うようにした。
【００１６】
各請求項記載の発明によれば、平行平板電極間の電極間距離と処理室内の混合ガスの圧力との積が、エッチング率を向上させる所定範囲の値となるようにエッチング条件を設定することにより、低コスト・高効率のプラズマエッチングを行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１のプラズマエッチング装置の断面図、図２は同プラズマエッチング装置のエッチングレートを示すグラフ、図３は同プラズマエッチング条件を示すグラフ、図４は同半導体装置の製造方法の工程説明図である。
【００１８】
まず図１を参照してプラズマエッチング装置について説明する。図１においてベース部材１には開口部１ａが設けられており、開口部１ａに嵌入して下方より下部電極３が絶縁部材２を介して装着されている。ベース部材１には、上方より蓋部材４が気密に当接する。蓋部材４、下部電極３およびベース部材１により閉囲される空間は、下部電極３上に載置される被処理基板７をプラズマエッチング処理する処理室５となっている。図示しない上下動手段によって蓋部材４を上下動させることにより、処理室５は開閉され基板７の搬入・搬出を行うことができる。基板７はシリコンもしくは酸化珪素などのシリコン化合物を主な材質としている。
【００１９】
蓋部材４の上部には、上部電極６の支持部６ａが気密に挿通しており、上部電極６の下面と、下部電極３の上面は略平板状で対向した配置となっている。すなわち、上部電極６と下部電極３は平行平板電極となっている。なお上部電極６の下面および下部電極３の上面は完全な平板状である必要はなく、多少の凹凸を有する形状であっても良い。また、蓋部材４を上部電極として兼用する構造でも良い。
【００２０】
支持部６ａを上下させて処理室５内での上部電極６の高さ位置を調整することにより、上部電極６の下面と下部電極３の上面との間の距離Ｌ（以下、電極間距離Ｌと略称する。）を所定値に設定可能となっている。すなわち、支持部６ａは電極間距離設定手段となっている。なおこの電極間距離設定手段は、装置稼働時に電極間距離Ｌを調整して設定するものであっても、また装置製作時に電極間距離Ｌが設定され装置稼働時には電極間距離Ｌを固定して使用するものであっても良い。
【００２１】
上部電極６の下面にはガス孔６ｃが多数設けられており、ガス孔６ｃは支持部６ａの内部に設けられたガス供給孔６ｂと連通している。ガス供給孔６ｂはバルブ１１を介してガス供給部１０と接続されている。ガス供給部１０は、ガス供給手段であり５〜２０％の体積比率の酸素ガスと、６フッ化硫黄（ＳＦ6）や４フッ化炭素（ＣＦ4）などのフッ素系ガスを含む混合ガスを供給する。
【００２２】
ベース部材１には給排気孔１ａが設けられており、給排気孔１ａにはバルブ１７を介して排気用真空ポンプ１６が接続されている。処理室５が閉じた状態で、排気用真空ポンプ１６を駆動することにより処理室５内は排気され減圧される。真空系１８によって真空度を検出し、検出結果に基づいて制御部２０によって排気用真空ポンプ１６を制御することにより、処理室５内部は制御部２０に予め設定されている所定の真空度まで到達する。
【００２３】
ガス供給部１０から前記混合ガスを処理室５内にガス孔６ｃを介して供給するとともに、真空計１８によって処理室５内のガス圧力を検出し検出結果に基づいて制御部２０によってバルブ１１を制御することにより、処理室５内の混合ガスの圧力Ｐ、すなわちプラズマエッチングのためのプラズマ放電時の混合ガスの圧力（以下、放電圧力と略称）Ｐを制御部２０に予め設定されている所定圧力に設定することができる。したがって、混合ガスの圧力Ｐを制御するガス供給部１９，バルブ１１，真空計１８，および制御部２０は、積ＰＬの値が所定範囲の値になるように放電圧力Ｐを制御する制御手段となっている。
【００２４】
また給排気孔１ａには大気導入用バルブ１９が接続されており、大気導入用バルブ１９を開くことにより、処理室５内には真空破壊用の空気が導入される。下部電極３の上面には多数の吸着孔３ｂが設けられており、吸着孔３ｂは下部電極３の内部に設けられた吸引孔３ａに連通している。吸引孔３ａは基板吸着用真空ポンプ１３とバルブ１２を介して接続されている。下部電極３上に基板７が載置された状態で、基板吸着用真空ポンプ１３を駆動して吸着孔３ｂから処理室５内の真空度より高い真空度、すなわち処理室５内の圧力より低い圧力で吸引することにより、基板７は下部電極３に真空吸着により保持される。したがって吸着孔３ｂおよび基板吸着用真空ポンプ１３は、基板７を真空吸引によって保持する保持手段となっている。
【００２５】
下部電極３の内部には、冷却用の管路３ｃが設けられている。管路３ｃは冷却手段である冷却装置１４と接続されており、冷却装置１４と管路３ｃ内を水などの冷却媒体を循環させることにより、プラズマエッチング処理時に発生する熱を冷却媒体に吸収させて、処理対象基板７を冷却することができる。これにより、すでに片面に回路が形成された基板に対しても過熱による回路に対するダメージを生じることなくエッチング処理を行うことができる。
【００２６】
下部電極３は同調回路部を備えた高周波電源部１５と電気的に接続されている。高周波電源部１５を駆動することにより、下部電極３には高周波電圧が印加される。処理室５内を真空排気した後にガス供給部１０によって前述の混合ガスを処理室５内に供給し、処理室内を所定の圧力に保った状態で、下部電極３に高周波電圧を印加することにより、下部電極３と上部電極６の間にはプラズマ放電が発生する。
【００２７】
制御部２０は、真空計１８の検出結果を受け、基板吸着用真空ポンプ１３，冷却装置１４，高周波電源部１５，排気用真空ポンプ２０の各部、およびバルブ１１，１２，１７を制御することにより、プラズマエッチング装置全体の動作制御を行う。これにより、下部電極３上に載置された基板７を対象としてプラズマエッチング処理が行われる。このプラズマエッチング処理について（化１）に示す反応式に基づいて説明する。
【００２８】
【化１】
0003695184.tif 000002
【００２９】
（化１）の（１）式に示すように、ＣＦ4を含む混合ガスにプラズマ放電が行われることにより、ＣＦ4はガス状のフッ素ラジカルＦ*（ｇ）と同じくガス状の３フッ化炭素ラジカルＣＦ3*（ｇ）に変化する。このＦ*（ｇ）が処理対象基板７の成分であるＳｉに作用することにより、（２）式に示すようにＳｉはガス状のＳｉＦ4となって基板７の表面から蒸散して除去される。そして（１）式の反応より発生したＣＦ3*は（３）式に示すようにＣと３Ｆ*に分離し、ここで発生したＣにＦ*が作用することにより（４）式に示すようにＣＦｎが発生する。
【００３０】
そしてこのＣＦｎに混合ガス中の酸素ガスがプラズマによってラジカル化したＯ2*が作用することにより、（５）式に示すようにＣＯ2（ｇ）とＦ*が発生する。このＦ*は（２）式の反応に寄与してＳｉを除去する。このように、酸素とフッ素系ガスの混合ガスのプラズマ中にＳｉを成分とする基板７を載置することにより、基板表面のＳｉを除去するエッチング処理を行うことができる。なお、ＣＦ4の替りにＳＦ6を使用しても同様のエッチング効果を得ることができる。
【００３１】
次に図２、図３を参照して上述のプラズマエッチング処理におけるエッチング速度を表すエッチングレートと、プラズマエッチング条件との関連について説明する。図２は、縦軸にエッチングレート（シリコンの除去厚さ／毎分）と、放電圧力Ｐと電極間距離Ｌとの積ＰＬ（単位Ｐａ・ｍ）との相関関係を示したものである。図２のグラフから判るように、エッチングレートは前述の積ＰＬと相関関係があり、積ＰＬが特定値のときに最大の値を示している。すなわち、高いエッチングレートを実現するためには、積ＰＬが特定の範囲の値となるように放電圧力Ｐと電極間距離Ｌとの組み合わせを選定する必要がある。
【００３２】
たとえば、１．０μｍ（１０．０００オングストローム）／ｍｉｎ．以上のエッチングレートを得ようとすれば、図２に示すように積ＰＬの値を、２．５〜１５［Ｐａ・ｍ］の範囲となるような条件設定を行えばよいことがわかる。図３はこの条件設定に際し放電圧力Ｐと電極間距離Ｌを具体的にどのような値に設定すればよいかを示すものである。図３のグラフ中、２つの曲線は積ＰＬが２．５〜１５［Ｐａ・ｍ］の範囲となる境界を示すものである。図３のグラフ中、太線の内側のハッチング部分２１で示される範囲は、良好なエッチングレートが得られる最適条件範囲を示しており、具体的には電極間距離Ｌが３〜７ｍｍの範囲、放電圧力Ｐが３５０〜５０００Ｐａの範囲で条件が設定される。太線で囲まれた範囲２２は、実用上使用可能な適応可能条件範囲を示しており、具体的には電極間距離Ｌで２〜１０ｍｍ、放電圧力Ｐで８３３〜１００００Ｐａ（大気圧）の範囲であれば実用上の条件として選択可能であることを示している。
【００３３】
図３においてグラフ中の放電圧力Ｐが低く電極間距離Ｌが大きい領域に示す範囲２３は、従来のドライエッチングに用いられていたプラズマエッチング条件を示している。すなわち、従来は放電圧力Ｐが１００Ｐａ以下で、電極間距離Ｌが約２０ｍｍ以上の範囲が採用されていた。そしてこのような条件下で行われるドライエッチングでは、０．１μｍ／ｍｉｎ．程度のエッチングレートしか得られていなかった。すなわち、本実施の形態によるプラズマエッチングによれば、従来のドライエッチングと比較して、単純なエッチングレートのみを比較しても１０〜１５倍程度の効率向上が実現されている。
【００３４】
このプラズマエッチング装置は上記のように構成されており、以下本実施の形態のプラズマエッチング方法をＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）作製工程に用いた半導体装置の製造方法について図４を参照して説明する。ＳＯＩは、回路が形成されるシリコンを極薄膜状にしてこの薄膜の下にシリコン酸化膜を介在させたものであり、半導体装置の高速化、省電力化が実現させるという特徴を有している。
【００３５】
図４（ａ）において、まずＳｉウェハ３０および酸化膜３１ａが表面に形成された酸化膜付Ｓｉウェハ３１がＳＯＩの構成材料として準備され、図４（ｂ）に示すようにＳｉウェハ３０上に酸化膜付Ｓｉウェハ３１を貼り合わせて接合することによりＳＩＯ構造を有するシリコン基板３２を作製する。次いでシリコン基板３２は研磨工程に送られ、ここで図１（ｃ）に示すように酸化膜付Ｓｉウェハ３１は研磨加工されて大半が除去され、ウェハ３０上には酸化膜３１ａを含んで約２０μｍ程度の膜厚ｔ１のみが残留する。ＳＯＩの機能上酸化膜３１ａのシリコン膜は１μｍ程度の極薄膜であることが求められるため、この膜厚までシリコン膜を削る微細加工処理をプラズマエッチングにより行う。
【００３６】
研磨加工後のウェハ３０は図１に示すプラズマエッチング装置に送られ、処理室５内の下部電極３上に載置される。ここで、前述のように放電圧力Ｐと電極間距離Ｌとの積が２・５〜１５［Ｐａ・ｍ］の範囲の値となるように電極間距離Ｌや放電圧力Ｐなどのプラズマエッチング条件が選定され、この条件下で所定時間プラズマエッチング処理を行うことにより、図４（ｄ）に示すように酸化膜３１ａ上のシリコンは約１μｍ程度の膜厚ｔ２に薄膜化される。そしてこのシリコンの薄膜上に、図４（ｅ）に示すようにトランジスタなどの回路３３が形成され、その後ダイシング工程にて個片チップにカットされてＳＯＩ構造の半導体装置が完成する。
【００３７】
（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法の工程説明図である。本実施の形態２は、シリコン基板の表面に回路を形成した後に、このシリコン基板の回路形成面の裏面を研磨して薄化する工程において、実施の形態１に示すプラズマエッチングを行うものである。
【００３８】
図５（ａ）において、４０はＳｉウェハであり、Ｓｉウェハ４０の表面には図５（ｂ）に示すように回路４１が形成される。次いで図５（ｃ）に示すように、回路４１を覆って保護樹脂が貼付けられ保護膜４２が形成される。この後Ｓｉウェハ４０は研磨工程に送られ、ここでＳｉウェハ４０は回路形成面の裏面が研磨加工され、薄化処理される。この研磨加工において、研磨加工面の表層には加工歪層４３が残留する。加工歪層４３は研磨加工時の機械的外力によりシリコン表面に発生した応力や微細なクラックが残留したものであり、半導体装置完成後の強度を損なうため除去する必要がある。
【００３９】
この加工歪層除去は、実施の形態１に示すプラズマエッチングにより行われる。Ｓｉウェハ４０は図１に示すプラズマエッチング装置の処理室５内に載置され、実施の形態１と同様のプラズマエッチング条件、すなわち放電電圧Ｐと電極間距離Ｌの積ＰＬの値が２．５〜１５［Ｐａ・ｍ］の範囲の値となるように条件設定が行われる。これにより図５（ｅ）に示すように加工歪層４３が除去されると同時に、除去後のＳｉウェハ４０の下面はより平滑に仕上げられ、応力集中による形状的な強度低下のないＳｉウェハ４０を得ることができる。このとき、図１に示すように下部電極３は冷却装置１４によって冷却されているため、既にＳｉウェハ４０に形成された回路４１が過熱されて損傷することがない。
【００４０】
この後、図５（ｆ）に示すようにＳｉウェハ４０の表面の保護膜４２が除去され、次いで図５（ｇ）に示すようにダイシング工程に送られて個片の半導体装置４４にカットされて半導体装置の製造工程を完了する。
【００４１】
上記実施の形態１，２で示すように、本発明は酸素とフッ素ガスを用いたプラズマエッチング処理において、放電圧力Ｐと電極間距離Ｌとの積ＰＬが、２．５〜１５［Ｐａ・ｍ］の範囲の値となるようにプラズマエッチング条件を設定するものである。このような条件設定とすることにより、以下に述べるような優れた効果を得ることができる。
【００４２】
まず、従来のプラズマによるドライエッチングと比較して低真空度（高圧力）で処理を行うようにしているためエッチングに寄与する粒子密度が高く、従って高いエッチングレートを実現することができる。また処理室内を高真空度に排気する必要がないことから真空排気および真空破壊時の大気導入時間を短縮することができ、前述のエッチングレート向上の効果と相まって、プラズマエッチング処理全体のタクトタイムを従来方法と比較して大幅に短縮し、従来方法の約１００倍にも達する効率向上が実現される。
【００４３】
また高真空度を必要としないことから、プラズマエッチング装置の真空ポンプなど真空系の構成を簡素化することができる。さらに、同様の理由により処理室内において基板を保持する際に、処理室内の圧力と真空吸着用の吸引圧力との差圧を容易に確保することができるため、真空吸着によって基板を簡略な方法で保持することができる。従って、プラズマエッチング装置の機構簡略化、低コスト化が実現される。また従来行われていた薬液を使用してエッチングを行うウエットエッチングと比較した場合においても、高効率、低コストであり、更に廃液の排出がなく環境汚染のおそれがないことなど、優れた特徴を有している。
【００４４】
また、品質面においても上記条件では、電極間距離が従来と比較して狭く設定されるため、電極間で発生するプラズマの分布は均一となり、基板のどの位置においても均一なエッチング効果を得ることができ、ばらつきのない安定した品質を確保できる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、平行平板電極間のと処理室内の混合ガスの圧力との積がエッチング率を向上させる所定範囲の値となるようにエッチング条件を設定するようにしたので、高効率・低コストで均一な品質のプラズマエッチングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１のプラズマエッチング装置の断面図
【図２】本発明の実施の形態１のプラズマエッチング装置のエッチングレートを示すグラフ
【図３】本発明の実施の形態１のプラズマエッチング条件を示すグラフ
【図４】（ａ）本発明の実施の形態１の半導体装置の製造方法の工程説明図
（ｂ）本発明の実施の形態１の半導体装置の製造方法の工程説明図
（ｃ）本発明の実施の形態１の半導体装置の製造方法の工程説明図
（ｄ）本発明の実施の形態１の半導体装置の製造方法の工程説明図
（ｅ）本発明の実施の形態１の半導体装置の製造方法の工程説明図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法の工程説明図
（ｂ）本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法の工程説明図
（ｃ）本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法の工程説明図
（ｄ）本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法の工程説明図
（ｅ）本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法の工程説明図
（ｆ）本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法の工程説明図
（ｇ）本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法の工程説明図
【符号の説明】
３  下部電極
５  処理室
６  上部電極
７  基板
１０  ガス供給部
１３  基板吸着用真空ポンプ
１４  冷却装置
１５  高周波電源部
１６  排気用真空ポンプ
２０  制御部
【図１】
0003695184.tif 000003
【図２】
0003695184.tif 000004
【図３】
0003695184.tif 000005
【図４】
0003695184.tif 000006
【図５】
0003695184.tif 000007