(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空処理室内に少なくとも1種の処理ガスを導入する手段と、
上記処理ガスを真空室外に排気する排気手段と、
上記真空処理室内の上部に設置された高周波を印加できる平板アンテナと、
該被処理試料を設置する試料台とを有し、
該平板アンテナは、
上記高周波と上記処理ガスから形成されるプラズマに対抗して配置されるシリコン板と該シリコン板上にはり合わされたアルミ板と、
前記シリコン板内部に設けられた前記プラズマの電位を測定する手段を備えることを特徴とするドライエッチング装置。
【請求項２】
真空処理室内に少なくとも1種の処理ガスを導入する手段と、
上記処理ガスを真空室外に排気する排気装置と、
上記真空処理室上部に第１の高周波を印加する平板アンテナと、
上記高周波上記真空処理室内に被処理基板を設置する処理台と、
第２の高周波を上記処理台に印加する手段を有するドライエッチング装置において、
上記平板アンテナは、
上記高周波と上記処理ガスから形成されるプラズマに対抗して配置されるシリコン板と、
該シリコン板上にはり合わされたアルミ板と、
前記シリコン板内部に設けられた前記プラズマの電位を測定する手段とを有し、
上記処理台内部に上記第２の高周波を印加する少なくとも2個以上の互いに電気的に絶縁された電極を有し、上記処理台内の電極に異なる高周波パワーを印加する手段を有することを特徴とするドライエッチング装置。
【請求項３】
請求項２において、
上記平板アンテナに印加する周波数が300MHz以上900MHz以下で、上記真空処理室外部に少なくとも2つのソレノイドコイルを有し、
上記平板アンテナの上記真空処理室側の材質が不純物を含むSiであり、
上記平板アンテナ内部に直流電位を測定する電極を有し、上記電極で測定した電位を基に、上記処理台内部に設置された電極に印加する上記第２の高周波のパワーを制御することを特徴とするドライエッチング装置。
【請求項４】
請求項３において、
上記平板アンテナ内部の上記電極の電位が等しくなるように、上記処理台の少なくとも2つの電極に印加される上記第２の高周波のパワーを制御することを特徴とするドライエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマによる半導体基板の微細加工を行う方法および装置に係り、特に基板にダメージを与えることが少なく、微細電極、配線およびコンタクトホールの形成を高精度に行うのに好適なドライエッチング方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造過程において、ウエハ上に形成されたポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）やＡｌ：Ｃｕ合金等の薄膜は、ドライエッチングにより微細加工され、ゲート電極やメタル配線を形成する。ウエハ上に形成されたトランジスタとメタル配線間あるいはメタル配線とメタル配線間の電気的な接続においては、トランジスタ素子の上あるいは配線間に形成された絶縁膜（ＳｉＯ２を主成分とする薄膜、以下単に酸化膜と呼ぶ）に、ドライエッチングによりコンタクトホールを形成し、コンタクトホール内に電気伝導体を充填している。
【０００３】
上記ドライエッチングは、エッチングガスを真空容器であるドライエッチング装置に導入し、高周波バイアスもしくはマイクロ（μ）波を印加し、プラズマを発生させ、プラズマ中で生成した活性種およびイオンによって行われる。ウエハには電極、配線もしくはホールパターンを転写したレジスト薄膜等のマスクが酸化膜上に形成されている。ドライエッチングでは、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜、Ａｌ：Ｃｕ合金膜、酸化膜等をマスクや下地に対し選択的に加工し、所望の加工形状を形成している。
【０００４】
ところで近年では、半導体装置の集積度、処理能力および生産性向上のため、パターンの微細化および処理ウエハの大口径化（直径３００ｍｍ）が進められている。ウエハの大口径化に対応するためには、ドライエッチング装置内に発生するプラズマが均一であること、生産性を高めるためには、プラズマ密度が１０１１／ｃｍ３以上にできること、加工形状制御性を上げるためには、ガス圧力０．１Ｐａから４Ｐａで安定したプラズマが形成できること等が要求されている。すなわち、大口径で均一かつ密度が高いプラズマを低ガス圧力で発生させる必要がある。
【０００５】
上記ウエハの大口径化とならんで、半導体装置のいっそうの微細化も進められている。近年、加工スケールは０．１μｍオーダーになり、半導体装置の低電圧動作のため、ゲート酸化膜の膜厚が４ｎｍ以下になってきた。このため、１つのゲートに対するチップ面積が大きくなり、プラズマに曝された場合、プラズマの均一性が十分でないとゲート酸化膜に印加される電圧が、微細化に伴い高くなる。さらに、薄膜化に伴い、ゲート酸化膜の耐圧が低くなってきた。すなわち、プラズマが十分に均一でなければ、ゲート酸化膜に高電圧が印加され、トランジスタ構造が破壊されてしまう。このような理由で、大口径ウエハへの微細加工では、従来に比べプラズマ密度（より正確にはウエハ上のイオン電流密度）の十分な均一性が要求されている。
【０００６】
この要求に対し、平行平板型、誘導結合型および有磁場マイクロ波型のエッチング装置で対応する場合、いずれの場合も、ガス圧力、ガス流量、膜質等のプロセス条件によりプラズマ密度の均一性が若干変動する。このため、プロセス条件ごとに装置の組み替えやアンテナ電流やコイル電流の微調整が必要となる。特に薄膜が数層ある積層膜のエッチングの場合、膜ごとにエッチング条件が変動するため、プラズマの均一性の制御が難しくなる。
【０００７】
さらに、有磁場マイクロ波エッチング装置では、大口径ウエハに対応するためには、マイクロ波の波長を長くする必要がある。プラズマを発生させるために導入する高周波の周波数をマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）からＵＨＦ帯（３００ＭＨｚから９００ＭＨｚ）にすることにより、波長が３００ｍｍ以上になるため、比較的均一なプラズマが得られる可能性がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、有磁場ＵＨＦ波エッチング装置で、安定かつ密度が１０１１／ｃｍ３以上であるプラズマを生成し、プロセスのわずかな変動によるプラズマの不均一が発生しても、ウエハ径が３００ｍｍ以上でもウエハ面内で均一かつ低ダメージにｐｏｌｙ−Ｓｉ、Ａｌ：Ｃｕ膜および酸化膜等を加工できる装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
ウエハがプラズマに曝されるとウエハ上には、シースが形成される。イオンはこのシース両端（ウエハ側とプラズマ側）の電位差（以後この電位差をシース間電圧と呼ぶ）によって加速され、ウエハに入射する。この加速イオンにより、ウエハ上の薄膜が異方的にエッチングされる。シース間電圧は、プラズマ電位、ウエハに印加される高周波（ＲＦ）バイアスのパワーおよびイオン電流密度によって決まる。
【００１０】
イオン電流密度が高いとシースのインピーダンスが小さくなるため、同じＲＦパワーでも、シース間電圧は、イオン電流密度の高い方が小さくなる。したがって、ウエハ上でイオン電流密度に分布があると、シース間電圧に分布が生じることになる。ウエハ上の構造物がウエハの基板部のＳｉと電気的に絶縁されている場合（例えば、電界効果トランジスタのゲート電極の加工）、シース間電圧に分布があると、基板のＳｉ部分の電位は、ウエハ上の平均的なシース間電圧で決まるが、ウエハ上の構造物の電位は、局所的なシース間電圧で決まる。この結果、ウエハ上の構造物とウエハ間に電位差が生じ、電位差がゲート破壊電位を超えると半導体装置の絶縁膜が破壊される（ダメージをうける）のである。
【００１１】
このように、イオン電流密度にウエハ面内分布があると、シース間電圧に分布が発生し、半導体装置にダメージを与える。そこで従来は、上記ダメージを低減する方法として、イオン電流密度を均一にすることが探求されてきた。しかしながら、イオン電流密度（プラズマ密度）の分布が、被エッチング膜の膜質およびエッチングガス種等によって微妙に変化することから、イオン電流密度の均一化だけでは半導体装置の微細化に対応できなくなってきた。例えば、多層膜のエッチング途中で条件を変更するような従来方法によるプロセスでは対応がより難しくなる。
【００１２】
ダメージの発生は、シース間電圧の分布によって発生するので、シース間電圧の分布をうち消すように高周波（ＲＦ）バイアスを制御すればよい。シース間電圧の時間平均は、概ねＲＦバイアスとプラズマによって発生する直流成分Ｖｄｃになる。しかしながら、通常のエッチング装置では、シース間電圧の分布を直接モニターすることが難しく、制御方法の確立が難しい。
【００１３】
これに対し、有磁場ＵＨＦ波エッチング装置では、ウエハにほぼ垂直方向に磁力線があり、電子電流が磁力線方向に制約されるため、シース間電位やイオン電流密度に対応する情報がウエハの対向面のアンテナ部で得られる性質がある。
【００１４】
本発明は上記の性質を利用し、有磁場ＵＨＦ波エッチング装置において、エッチング中にシース間電位をモニタする電極をアンテナ部に設け、この電極の電位を基に、シース間電圧が均一になるようにウエハに印加するバイアスパワーの分布を制御することを特徴とする。具体的には、アンテナ面上のＶｄｃの分布を測定し、平均より高い場合はアンテナの対向部のウエハ位置のバイアスを小さくし、低い場合には高くすることによってウエハ上のＶｄｃが均一になるように制御する。
【００１５】
ウエハ上で受けるイオンのエネルギーはＶｄｃにほぼ比例するので、エッチング速度が不均一になることはない。この手段により、シース間電圧のウエハ面内ばらつきがなくなるので、プロセス条件によってイオン電流密度の均一性が変化しても、半導体装置にダメージを与えることなく薄膜の加工が行える。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に用いるドライエッチング装置を図１に示す。この装置では、エッチングガスをアンテナ２２に設けられたシャワープレートよりエッチング処理室１に導入し、ＵＨＦ波電源１１において２００ＭＨｚから１．２ＧＨｚの間のＵＨＦ波を発生させ、このＵＨＦ波を金属アンテナ２２に伝搬し、アンテナ誘電体１３を介してエッチング処理室１に輸送してガスプラズマを発生させる。エッチング処理室周辺に設置された磁場発生用の３つのソレノイドコイル１８、１９、２０によって、１００から３３０ガウスの間の磁場がエッチング処理室１内のシャワープレート（アンテナ）２２の１０ｍｍから３０ｍｍ下にくるようにコイル電流を制御し、プラズマを発生させる。ソレノイドコイルの導線の巻き数は、それぞれ１２００ターンである。
【００１７】
処理台２上に被処理物３を設置して、ガスプラズマによりエッチング処理する。エッチングガスは、ガス流量制御装置８を通してエッチング処理室１に導入され、排気用バルブ１７を通して真空ポンプ（図示せず）によりエッチング処理室１の外に排気される。
【００１８】
被処理物を設置する処理台２は高周波電源５を備え、４００ｋＨｚから１３．５６ＭＨｚまでの高周波バイアスを印加きる。処理台２は、処理台の対向面（アンテナ２２）から装置の許す範囲内で任意の距離で固定することができる。
【００１９】
アンテナ２２の直径は約３３０ｍｍで、アンテナ上部には、厚さ約２０ｍｍのアンテナ誘電体（アルミナ）１３、その上部には、磁性体ではない金属で形成されアースに接地されたエッチング装置の外周部１５がある。アンテナ２２はシャワープレートでもあり、図４に示すように、シリコン板４０２とアルミ板４０１のはり合わせ構造で、真空処理室側の材質がシリコン４０２である。
【００２０】
アンテナ２２のシリコン板４０２の裏面は、図２に示す構造となっている。シリコン板２０１上には、直径１ｍｍのシャワーホール２０３と高濃度（約１０１８個／ｃｍ３）にリンドープされた直径５ｍｍの電極２０２がある。電極２０２は径方向に十字に配置され、シャワーホールは、電極を避けるようにほぼ全面に均等に配置されている。
【００２１】
上記電極部は図３に示すアルミ板３０１の電極３０２に接続されている。さらに電極３０２は配線３０４を経てパッド３０５に接続される。
【００２２】
パッド３０５は、図４に示すようにＵＨＦ波導入の同軸芯線４０４内部に設置された信号線４０５に接続される。上記芯線４０４は整合器１０の手前でコイル２４に分岐し、芯線４０４内部の信号線４０５は、コイル２４を経て外部に取り出され（図１の信号線２５）、バイアス制御用コンピュータ２６に接続され、バイアスコントローラ２７の内部に設置された可変コンデンサを制御できるようになっている。
【００２３】
この装置に、被処理物として１２インチシリコンウエハ３を搬送する。このシリコンウエハ３上には、ゲート長１００ｎｍ、ゲート酸化膜の膜厚が約３ｎｍである電界効果トランジスタが形成され、その上に厚さ０．５μｍの有機ガラス膜（ＳＯＧ）および１．０μｍの酸化膜が積層され、その上部にはマスクパターンを転写したレジストマスクが形成されている。レジストマスクには、１５０ｎｍ径のホールがゲート電極上に形成されている。すなわち、エッチングストップ層はゲート電極（多結晶Ｓｉ）である。
【００２４】
この装置に、Ａｒガスを３００ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ８ガスを１２ｓｃｃｍ、酸素ガスを２ｓｃｃｍガス、ＣＯガス１５０ｓｃｃｍをアンテナ２２のシャワープレート（シャワーホールの総称）より処理室に導入し、ガス圧力を２Ｐａにする。４５０ＭＨｚ、２ｋＷの高周波をアンテナ２２よりエッチング処理室１に導入し、ガスプラズマを生成する。コイル１８については７Ａ、コイル１９については２Ａ、コイル２０は１Ａのコイル電流を流す。
【００２５】
イオン電流の分布は、ウエハ周辺で約６．０ｍＡ／ｃｍ２、中心で約６．２ｍＡ／ｃｍ２となる。処理台に２ＭＨｚ、２．４ｋＷのバイアスを印加し、有機ガラス膜および酸化膜をエッチングする。プラズマ密度は、５×１０１１／ｃｍ３程度である。酸化膜のエッチング速度は約７００ｎｍ／ｍｉｎである。
【００２６】
エッチング開始から約９０秒後、被エッチング膜が酸化膜から有機ガラス膜に変わるので、ガス流量をＡｒを５００ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ８ガスを１２ｓｃｃｍ、酸素ガスを１０ｓｃｃｍ、ＣＯガスを０ｓｃｃｍに切り替える。この時のイオン電流密度は、ウエハ周辺で約６．２ｍＡ／ｃｍ２、中心で約５．８ｍＡ／ｃｍ２となる。有機ガラス膜のエッチング速度は約５００ｎｍ／ｍｉｎである。
【００２７】
バイアスを均一に印加する場合、ウエハ周辺と中心部でイオン電流密度に差が生じる。この結果、印加バイアスのＶｄｃもウエハ面内で分布をもつ（ばらつく）。Ｖｄｃの測定装置をウエハ上に設け、エッチングと同じ条件で測定すると、酸化膜エッチングの条件では、Ｖｄｃが中心で約５００Ｖであるのに対し、周辺部では、約５２０Ｖとなる。一方、有機ＳＯＧ膜のエッチング条件では、Ｖｄｃは中心で約５３０Ｖであるのに対し、周辺部で約５００Ｖとなる。この結果、ウエハ中心部と周辺部で電位差が生じ、トランジスタの約１５％にダメージが発生する。
【００２８】
図４のアンテナでＶｄｃを測定すると、酸化膜エッチングの条件では、アンテナ周辺部のＶｄｃが約５０Ｖ、中心部が約５２Ｖ、有機ガラス膜のエッチングでは、中心部で約５３Ｖ、周辺部で約５０Ｖとなり、ウエハ上のＶｄｃの約１／１０となる。ウエハに比べＶｄｃが小さいのは、直接バイアスが印加されていないこと、表面がＳｉであるため、アンテナ面内でＶｄｃが若干均一化されることによる。
【００２９】
図１のバイアスコントローラ２７を用い、アンテナ部のＶｄｃを測定しながら、バイアスパワーのウエハ面内分布をコントロールしてエッチングを行う。ウエハバイアスは、アンテナでのＶｄｃが均一になるようにＲＦバイアスを制御する。酸化膜エッチング時は、ウエハ周辺のバイアスのピークトゥピーク電位（Ｖｐｐ）を中心部より８０Ｖ高くすることにより、アンテナでのＶｄｃが均一になり、有機ガラスエッチング時は、中心部を周辺部よりＶｐｐを１００Ｖ高くすることによりほぼ均一になる。ここで、通常、ＶｐｐはＶｄｃの２から３倍程度である。
【００３０】
バイアスをアンテナＶｄｃにより自動コントロールする場合、常にウエハ上のＶｄｃがほぼ均一になるため、電位差が生じず、トランジスタへのダメージは見られない。
【００３１】
同様な効果は、酸化膜の他、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜、Ａｌ：Ｃｕ：Ｓｉ膜、Ｗ膜、ＷＮ膜および窒化ケイ素膜でも得られる。特に、ＳｉとＷの積層膜、Ａｌ：Ｃｕ膜とＴｉＮ膜の積層膜でも同様な効果が得られる。ウエハ径も１２インチに限らず、８インチおよび１６インチでも同様な効果が得られる。アンテナに印加するＵＨＦ波の周波数を４５０ＭＨｚから９００ＭＨｚにし、３２０ガウスの等磁場面を同様に変調制御しても同様な効果が得られる。アンテナへの周波数が１ＧＨｚ以上では、電磁波の伝播モードによる節が現れ、均一な加工が難しくなる。他方、アンテナへの印加周波数を、３００ＭＨｚまで小さくしても同様な効果が得られるが、さらに２００ＭＨｚまで小さくするとプラズマ生成効率が低下し、十分な密度が得られなくなる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明により、有磁場ＵＨＦ波エッチング装置において、アンテナ部のＶｄｃ測定をエッチング進行中に行い、Ｖｄｃの分布が均一になるようにウエハバイアスを制御することにより、トランジスタに電気的なダメージを与えることなく微細加工が行えるようになる。本発明のアンテナ構造と制御方法をもつエッチング装置を用いることにより、プロセス条件の変動があってもトランジスタにダメージを与えることなく半導体装置の微細パターンの加工を行えるので、より集積度の高い半導体装置の大量生産が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のドライエッチング装置の断面図。
【図２】本発明の一実施例の装置で用いるシリコンシャワープレートの構造を示す平面図。
【図３】本発明の一実施例の装置で用いるアンテナのアルミ板の裏面構造を示す平面図。
【図４】本発明の一実施例の装置で用いるアンテナの縦断面図。
【符号の説明】
１…エッチング処理室、２…ウエハ処理台、３…被処理物（ウエハ）、４…サセプタ、５…処理台に接続する高周波電源、７…コンダクタンスバルブ、８…ガス流量コントローラ、１０…ＵＨＦ波整合器、１１…ＵＨＦ電源、１３…アンテナ誘電体、１７…排気用ゲートバルブ、１６…ウエハ搬送用ゲートバルブ、１８…第１のソレノイドコイル、１９…第２のソレノイドコイル、２０…第３のソレノイドコイル、２１…ヨーク、２２…シャワープレート付きアンテナ、２３…ＳｉＣ焼結材、２４…ＵＨＦ波遮断用コイル、２５…Ｖｄｃ測定電極接続用信号線、２６…バイアス制御用コンピュータ、２７…バイアスコントローラ、２８…多分割電極、２０１…アンテナシリコン板、２０２…リンを高濃度にドープした電極、２０３…ガス導入用シャワーホール、３０１…アンテナアルミ板、３０２…電極、３０３…アルミ板に埋め込まれたアルミ板の半分の厚さの基板、３０４…アルミ配線、４０１…アンテナアルミ板、４０２…アンテナシリコン板、４０４…ＵＨＦ波導入部の芯線、４０５…Ｖｄｃ測定電極接続用信号線。
【図１】
0003565061.tif 000002
【図２】
0003565061.tif 000003
【図３】
0003565061.tif 000004
【図４】
0003565061.tif 000005