(57)【要約】【課題】本発明は、高周波電極のスパッタに帰因するエッチング残渣をなくし、高速かつ均一なエッチングを可能とするエッチング方法及びエッチング装置を提供することを目的とする。【解決手段】真空室内部に、基板を保持する基板載置電極と多数のガス吹出孔を有するガス板を備えた高周波電極とを配置し、高周波電極から基板に向かってシャワー状に吹き出される反応性ガスのプラズマを発生させるとともに、基板に所定のバイアス電圧を印加して基板表面のエッチングを行うエッチング方法及び装置において、前記高周波電極表面での平行磁界強度が少なくとも３０ｍＴとなるポイントカスプ磁場を形成してプラズマを発生させ、前記高周波電極の自己バイアス電位を６０Ｖ以下としたことを特徴とする。また、前記磁石を前記高周波電極に垂直な方向に移動させる構成としたことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空室内部に、基板を保持する基板載置電極と多数のガス吹出孔を有するガス板を備えた高周波電極とを配置し、該高周波電極に第１の高周波電力を供給して該高周波電極から前記基板に向かってシャワー状に吹き出される反応性ガスのプラズマを発生させるとともに、前記基板載置電極に第２の高周波電力を加えて前記基板に所定のバイアス電圧を印加して基板表面のエッチングを行うエッチング方法において、
前記高周波電極表面での平行磁界強度が少なくとも３０ｍＴとなるポイントカスプ磁場を形成してプラズマを発生させ、前記高周波電極の自己バイアス電位を６０Ｖ以下としたことを特徴とするエッチング方法。
【請求項２】
前記平行磁界強度を処理条件に応じて調整することを特徴とする請求項１に記載のエッチング方法。
【請求項３】
前記第１の高周波電力の周波数を５０〜２００ＭＨｚとしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のエッチング方法。
【請求項４】
前記ガス板はアルミニウムであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のエッチング方法。
【請求項５】
前記基板表面はシリコン又はその化合物であり、前記反応性ガスはＦ２ガス又はＦ元素を含む化合物或いはこれらを含む混合ガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のエッチング方法。
【請求項６】
エッチング用ガスと側壁保護膜形成用ガスとを交互に導入し、それぞれ１回のガス導入時間を１秒以下としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のエッチング方法。
【請求項７】
真空室内部に、基板を保持する基板載置電極と多数のガス吹出孔を有するガス板を備えた高周波電極とを配置し、該高周波電極に第１の高周波電力を供給して該高周波電極から前記基板に向かってシャワー状に吹き出される反応性ガスのプラズマを発生させるとともに、前記基板載置電極に第２の高周波電力を加えて前記基板に所定のバイアス電圧を印加して基板表面のエッチングを行うエッチング装置において、
前記ガス板の裏面側に、隣り合う磁石間の極性が垂直方向で逆となるように多数の磁石を配置して前記ガス板表面にポイントカスプ磁場を発生させる構成とし、該磁石と前記ガス板のプラズマに接する面との距離を２ｍｍ以下としたことを特徴とするエッチング装置。
【請求項８】
真空室内部に、基板を保持する基板載置電極と多数のガス吹出孔を有するガス板を備えた高周波電極とを配置し、該高周波電極に第１の高周波電力を供給して該高周波電極から前記基板に向かってシャワー状に吹き出される反応性ガスのプラズマを発生させるとともに、前記基板載置電極に第２の高周波電力を加えて前記基板に所定のバイアス電圧を印加して基板表面のエッチングを行うエッチング装置において、
前記ガス板の裏面側に、隣り合う磁石間の極性が垂直方向で逆となるように多数の磁石を板状体に固定して前記ガス板の表面側にポイントカスプ磁場を発生させる構成とし、前記板状体を前記高周波電極に垂直な方向に移動させる移動機構を設けたことを特徴とするエッチング装置。
【請求項９】
前記高周波電極の自己バイアス測定用プローブを配置したことを特徴とする請求項７又は８に記載のエッチング装置。
【請求項１０】
前記ガス板は金属又は金属酸化物であることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載のエッチング装置。
【請求項１１】
前記金属はアルミニウムであることを特徴とする請求項７に記載のエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エッチング方法及びエッチング装置に係り、特に、エッチング残渣のないシリコン及びシリコン化合物の高速エッチングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のシリコン深堀エッチング装置は、高いプラズマ密度が得られ、また、装置が簡単であることから、誘導結合型プラズマエッチング装置が一般に用いられてきた。この一例を図３に示す。
図に示すように、ガス供給装置１７及び排気装置１８が連結された処理室１００の内部にガス供給装置１７からガス導入配管１を通して反応性ガスを導入し、外部アンテナ１０に高周波電源４から電力を供給してプラスマを発生させる。一方、基板３０を保持する基板載置台２０に高周波電源５から高周波電力を供給して基板にバイアスを印加する。このようにして、基板表面に輸送されるＦラジカルと基板バイアスにより引き込まれるイオンとにより、垂直な段差形状の異方性エッチングを高速に行うことができる。
【０００３】
しかし、外部アンテナ１０を用いた誘導結合型プラズマエッチング装置は、反応容器の少なくとも外部アンテナを配置する部分には誘電体を用いる必要であり、通常、石英が用いられる。シリコンのエッチングは、プラズマにより生成したＦラジカルが主にその役割を担うが、Ｆラジカルは壁材の石英によっても消費されてしまうため、これがエッチングのさらなる高速化を阻害する原因となっていた。従って、石英の代わりにＦラジカルとの反応性の小さいアルミナを用いることも可能であるが、アルミナは、熱ショックにより破壊し易く、実用性に乏しいと言う問題がある。
さらに、誘導結合型プラズマエッチング装置は、基板全面にフレッシュなガスを均一に供給することが困難であるため、基板面内でのエッチング均一性が低いという問題があった。
【０００４】
かかる問題を解決すべく、本出願人のグループは、ポイントカスプ磁界による電子閉じ込み効果を利用した平行平板型プラズマエッチング装置を開発した（特開平１１−２８３９２６）。この装置は、図４に示すように、高周波電極１０と基板載置電極２０とが対向して配置され、高周波電極の裏側には多数の磁石１４が隣り合う磁石間で極性を交互に変えて取り付けられている。反応性ガスは高周波電極の表面に設けられた多数のガス吹出孔を有するガス板から基板３０に向けて放出され、第１の高周波電源４から整合器１５を介して高周波電極１０に供給される電力によりプラズマが発生する。また、基板載置電極２０には第２の高周波電源５から整合器１６を通して供給され、所定の基板バイアスが加えられる。ここで、多数の磁石１４により形成されるポイントカスプ磁場により、電子が閉じこめられ中性粒子を効率よくイオン化して高密度のプラズマが発生して高速エッチングが可能となる。
【０００５】
以上のようにして、容量結合型でありながら高密度で均一なプラズマを生成することが可能となり、また、Ｆラジカルを消費する材質を用いる必要がなく、しかもフレッシュなガスが常に基板全面に供給できることから、大面積基板を均一にかつ高速にエッチング処理することが可能となった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体デバイスの高集積化、高機能化が進み、例えば、０．１μｍ径以下のより微細で高アスペクト比のエッチングが要求されてくると、微小なエッチング残渣やエッチング形状の悪化がデバイスの動作不良を起こす場合があり、この原因を種々検討したところ、エッチング残渣は、多数のガス吹出孔を有するガス板（例えばアルミニウム製）がスパッタされ、それが基板上に付着する結果であることが分かった。また、より高速のエッチングを行うため供給する高周波電力を増加させてプラズマ密度を大きくすると、ガス板のスパッタに帰因するエッチング残渣不良が増加する傾向にあることも判明した。
【０００７】
このような状況において、本発明者は、エッチングの高速性を維持しつつガス板のスパッタを抑えるべく、装置構成及び処理条件を種々検討したところ、プラズマを発生させる高周波電力の周波数及び電力、ガス種、圧力等の処理条件及びポイントカスプ磁界の水平成分と、エッチング残渣（ガス板のスパッタ）との間に密接な関係があり、処理条件に応じてポイントカスプ磁界の水平成分を適切に選択して高周波電極の自己バイアス電圧を６０Ｖ以下とすると、ガス板のスパッタによるエッチング不良は実質的になくなることを発見した。
【０００８】
本発明は、かかる知見を基にさらに検討を加えて完成したものであり、本発明は、高周波電極のガス板のスパッタに帰因するエッチング不良をなくし、高速かつ均一なエッチングを可能とするエッチング方法及びエッチング装置を提供することを目的とする。特に、シリコン及びシリコン化合物の高速エッチングを可能とするエッチング方法及びエッチング装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のエッチング方法は、真空室内部に、基板を保持する基板載置電極と多数のガス吹出孔を有するガス板を備えた高周波電極とを配置し、該高周波電極に第１の高周波電力を供給して該高周波電極から前記基板に向かってシャワー状に吹き出される反応性ガスのプラズマを発生させるとともに、前記基板載置電極に第２の高周波電力を加えて前記基板に所定のバイアス電圧を印加して基板表面のエッチングを行うエッチング方法において、
前記高周波電極表面での平行磁界強度が少なくとも３０ｍＴとなるポイントカスプ磁場を形成してプラズマを発生させ、前記高周波電極の自己バイアス電位を６０Ｖ以下としたことを特徴とする。
前記前記平行磁界強度を処理条件に応じて調整することを特徴とし、前記第１の高周波電力の周波数を５０〜２００ＭＨｚとするのが好ましい。
【００１０】
かかる構成とすることにより、高密度のプラズマが生成するにもかからわず、高周波電極の自己バイアスは６０Ｖ以下に低減することができる。この結果、高速エッチングを維持しながら高周波電極のスパッタを実質的に抑えることができ、エッチング残渣等の不良を回避することができる。また、例えば、シリコン基板をフッ素系エッチングガスを用いてエッチングする場合、従来、高周波電極の表面となるガス板には基板を汚染しないよう被エッチング材料と同種のシリコンやＳｉＯ２等を用いる必要があったが、本発明ではガス板がスパッタされなくなったため、被エッチング材料と異なる材料（例えばアルミニウム）を用いることが可能となった、この結果、生成したＦラジカルをガス板自体が消費することがなくなるため、発生したＦラジカル等を有効に基板のエッチングに使用することができ、さらなる高速化が可能となった。
【００１１】
また、ガス板を通して反応性ガスが基板全面に向かってシャワー状に吹き出される構成としたことから、フレッシュなガスが基板全面に均一に供給されるため、均一性に優れたエッチングが可能となる。
即ち、ポイントカスプ磁場を３０ｍＴ以上としてガス板に加わる自己バイアスを６０Ｖ以下とすることにより、微小で高アスペクト比のホールや基板全面のエッチングにおいても、均一かつ高速のエッチングを歩留まり良く行うことができる。
本発明は、特に、シリコン又はその化合物の基板に好適に適用され、その場合反応性ガスとしてＦ２ガス又はＦ元素を含む化合物或いはこれらを含む混合ガスが用いられる。
【００１２】
また、本発明において、ＳＦ６ガスのようなエッチング用ガスとフッ化炭素系ガスのような側壁保護膜形成用ガスとを交互に導入し、それぞれ１回のガス導入時間を１秒以下としたことを特徴とする。それぞれのガス導入時間を１秒以下とすることにより、平行平板型電極構造を採用したことによるプラズマ空間のガス滞在時間の短縮化に関連し、エッチングの高速化及び均一性が向上するとともに、エッチングの異方性はさらに改善され、側壁の凹凸が抑えられてより垂直なエッチングが可能となる。
【００１３】
本発明のエッチング装置は、真空室内部に、基板を保持する基板載置電極と多数のガス吹出孔を有するガス板を備えた高周波電極とを配置し、該高周波電極に第１の高周波電力を供給して該高周波電極から前記基板に向かってシャワー状に吹き出される反応性ガスのプラズマを発生させるとともに、前記基板載置電極に第２の高周波電力を加えて前記基板に所定のバイアス電圧を印加して基板表面のエッチングを行うエッチング装置において、
前記ガス板の裏面側に、隣り合う磁石間の極性が垂直方向で逆となるように多数の磁石を配置して前記ガス板表面にポイントカスプ磁場を発生させる構成とし、該磁石と前記ガス板のプラズマに接する面との距離を２ｍｍ以下としたことを特徴とする。
または、前記ガス板の裏面側に、隣り合う磁石間の極性が垂直方向で逆となるように多数の磁石が板状体に固定され、前記ガス板の表面側にポイントカスプ磁場を発生させる構成とし、前記板状体を前記高周波電極に垂直な方向に移動させる移動機構を設けたことを特徴とする。
【００１４】
磁石とガス板のプラズマに接する面との距離を２ｍｍ以下とすることにより、高周波電極表面で３０ｍＴ以上の平行磁界強度を容易に形成することができるとともに、磁場均一性が向上する。この結果、ガス板のバイアス電位は６０Ｖ以下となって例えばガス板がアルミニウムの場合であっても、アルミニウムのスパッタによるエッチング不良を回避することが可能となり、残渣がなく基板全面で均一なエッチングを行うことができる。
さらに、磁石の移動機構を設けることにより、基板のダメージを引き起こす基板表面での磁場強度を適正化することができ、より高特性・高性能のデバイスの製造に適用することができる。また、要求されるエッチング仕様及びスループットに応じて、高周波電力並びに周波数を選択した場合、これに対応してガス板表面での平行磁界強度及び基板表面での垂直磁場を適正化することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図１に基づいて説明する。
図１は、本発明のエッチング装置の一構成例を示す模式的断面図である。
図１に示すように、ガス導入管１及び排気口２を有する処理室１００内部には、高周波電極１０と基板載置電極２０とが所定の間隔を開けて対向して配置され、それぞれは絶縁体６，９を介して室壁に取り付けられている。
【００１６】
高周波電極１０は、多数のガス吹出孔１１ａを有するガス板１１と、この多数のガス吹出孔１１ａに連通するガス通路１２ａを有し、かつ冷媒通路１２ｂを有するガス板冷却用の熱交換器１２とからなり、これらが第１の高周波電源４に連結されている。ガス板１１は冷媒通路１２ｂに供給される冷媒により所定の温度に制御される。高周波電極１０の裏面側には、ガス板表面側にポイントカプス磁場を発生するように、多数の磁石１４がその極性が隣り合う磁石間で逆にして取り付けられた板状体１３が配置されている。板状体１３は上下に移動可能となるようにベローズ７の上板８に絶縁体１９を介して取り付けられている。また、板状体１３には多数の小孔１３ａが形成され、ガス導入管１から導入されるガスが熱交換器１２のガス通路１２ａに均一に流れるようにガス分散板の役割も担っている。また、熱交換器１２の磁石１４に対応する位置には、磁石１４が挿入できるように溝が形成されており、ガス板１１のプラズマに接する面と磁石１４先端との距離を例えば０．５ｍｍ〜１０ｍｍまで移動可能な構成となっている。
【００１７】
ガス導入管１を通して高周波電極１０に供給される反応ガスは、板状体１３の小孔１３ａを通って、全体で均一に広がった後、熱交換器１２のガス通路１２ａを通り、ガス板１１のガス吹出孔１１ａから処理室１００の内部に均一に流れ出す。
なお、磁石１４は、ガス板表面で均一な磁場となるように、例えば、正方形や正６角形の頂点に配置し、磁石の直径、長さ、材質に応じて、正方形や正６角形の一辺の大きさを定めればよい。
【００１８】
一方、基板載置電極２０は、内部に冷媒流路２１ａを有する熱交換器２１と、その上部に基板３０を静電吸着する静電チャック２２とから構成される。冷媒流路２１ａに供給される冷媒により静電チャック２２を介して基板３０は所定の温度に冷却される。この基板載置電極１０は、基板のバイアス制御用の第２の高周波電源５及び基板静電吸着用の直流電源２３に接続されている。また、第２の高周波電源５及び直流電源２３と基板載置電極２０の間には、ブロッキングコンデンサや高周波カットフィルタ（不図示）が取り付けられ、相互の干渉を防止している。
【００１９】
次に、図１の装置を用いて場合のシリコンエッチング方法を説明する。
まず、上記の多数の磁石からなる磁石ユニットについて、平行磁界強度と磁石先端部からの距離との関係を磁気プローブを用いてあらかじめ測定しておく。
以上の測定結果を基づき、ガス板表面の平行磁場強度が３０ｍＴ以上となる位置まで、べローズの上板を駆動機構で押し下げ固定しておく。この状態で、基板搬送口３に設けられたゲートバルブ（不図示）を開け、基板を保持したロボットハンドを挿入し、基板３０を静電チャック２２の上に載置し、直流電源２３から所定の電圧を印加して基板を静電吸着する。
【００２０】
次いで、ガス供給系（不図示）からガス導入管１、高周波電極１０を介して、反応性ガスを処理室１００内に供給して所定の圧力に設定する。その後、高周波電極１０に第１の高周波電源４から５０〜２００ＭＨｚのＶＨＦ帯の高周波電力を供給する。一方、基板載置電極２０には第２の高周波電源からＨＦ帯（例えば１．６ＭＨｚ）の高周波電力をそれぞれ印加する。ＶＨＦ帯の高周波電力によって高密度のプラズマが発生し、エッチングに寄与するラジカル等の活性種が生成する。一方、ＨＦ帯の高周波電力によってイオンエネルギをプラズマ密度とは独立に制御することができる。しかも、高周波電極のガス板１１の自己バイアスは、６０Ｖ以下となり、ガス板のスパッタリングを実質的に防止され、エッチング残渣による不良を回避することができる。
【００２１】
また、高周波電極表面の平行磁場強度を大きくするほど、高密度のプラズマが発生し、しかも自己バイアスは６０Ｖ以下に抑えられ、ガス板のスパッタを防止することができるが、基板への影響も徐々に大きくなりデバイス特性に影響を及ぼす場合があるため、作製するデバイスに応じて磁場強度を適正化するのが好ましく、さらに処理条件に応じて適正化するのが好ましい。
【００２２】
本発明においては、エッチングガスと側壁保護膜形成用ガスとを交互に導入するガスチョッピング法が好適に適用される。エッチングガスとしてはＳＦ６、側壁保護膜形成用ガスとしてはＣｘＦｙ（ｘ＝１〜５，ｙ＝４〜８）が好適に用いられ、それぞれのガスの導入時間を１秒以下としてを繰り返すことにより、より高速でかつ異方性に優れたエッチングが可能となる。
【００２３】
なお、デバイス特性との関係が確定した生産用のエッチング装置としては、用いる磁石とガス板との距離を固定したエッチング装置を用いることができる。この一例を図２に示す。
図２のエッチング装置は、高周波電極の構造を除いて図１と同じである。即ち、磁石は熱交換器１２に内部に埋め込まれ、磁石１４とガス板１１のプラズマに接する面との距離は２ｍｍ以下の所定値に固定され、ガス板表面で３０ｍＴ以上の平行磁場強度が得られる構成となっている。なお、本例では、小孔１９ａを有するガス分散板１９，１９’が２枚配置されている。
【００２４】
次に、図１の装置を用いて行ったシリコンのエッチング実験について説明する。図１において、基板載置電極と高周波電極との距離は４０ｍｍとし、１０ｍｍ径、高さ１０ｍｍの磁石（信越化学工業社製Ｎ３４ＵＨ）３００個を板状体上にハニカム状（１辺が１８ｍｍの正６角形の頂点）に配置した。駆動機構により板状体を移動させ、Ａｌ製ガス板（２５０ｍｍ径、４ｍｍ厚）の表面での平行磁界が２０ｍＴ及び３０ｍＴとなるように設定して、それぞれエッチング実験を行った。
【００２５】
以下のエッチング条件で、２００ｍｍウエハについてシリコンの全面エッチングを行った後、表面状態を電子顕微鏡で観察した。なお、高周波電極の自己バイアス電圧は一般に用いられる公知の電圧モニターで測定した。
エッチングガス  ：  ＳＦ６（Ｏ２）
流量：２００ｓｃｃｍ（１０ｓｃｃｍ）
圧力：３０Ｐａ
第１の高周波電力：    ５  ｋＷ（６０ＭＨｚ）
第２の高周波電力：    ０．０１  ｋＷ（１．６ＭＨｚ）
【００２６】
ガス板表面での平行磁場強度が２０ｍＴの場合は、自己バイアス電位はほぼ１００Ｖであり、シリコン基板上に直径１〜数ｎｍ程度の突出部が多数観測されたのに対し、平行磁場強度が３０ｍＴの場合は自己バイアス電位は５８Ｖとなり、ガス板のスパッタに帰因するエッチング残渣は全くみられなかった。また、いずれの場合もエッチング速度は３７μｍ／分と高速エッチングを行うことができた。
【００２７】
さらに、ガスチョッピング法を用いて、シリコン基板について、直径３μｍ、深さ２００μｍのエッチングを行った。ここで、エッチングガスとしてＳＦ６（１００ｓｃｃｍ）側壁保護膜形成ガスとしてＣ４Ｆ８（１００ｓｃｃｍ）を用いて、それぞれのガス導入時間を１秒の場合と３秒の場合についてエッチングを行った。  この結果、３秒の場合は高さ０．１μｍ程度のリップルが形成されたが、１秒とすることによって、ほとんどリップルは観測されないことが分かった。
なお、本発明においては、高周波電極の自己バイアス電圧を電圧モニターにより測定し、電圧モニターの出力に応じて第１の高周波電源の出力を調整する制御系を設ける構成とし、高周波電極の自己バイアスが６０Ｖ以下になるように高周波電力を制御しながらエッチング処理するのが好ましい。
【００２８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、ガス板のスパッタが実質的に回避され、エッチング残渣のない高速エッチング処理を安定して行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエッチング装置の一構成例を示す模式的断面図である。
【図２】本発明のエッチング装置の他の構成例を示す模式的断面図である。
【図３】従来のポイントカスプ磁場を利用したエッチング装置を示す模式図である。
【図４】従来の高速エッチング装置を示す模式図である。
【符号の説明】
１  ガス導入管、
２  排気口、
３  基板搬送口、
４  第１の高周波電源、
５  第２の高周波電源５、
６，９、１９  絶縁体、
７  ベローズ、
８  上板、
１０  高周波電極、
１１  ガス吹出孔１１ａ
１１  ガス板。
１２  熱交換器、
１２ａ  ガス通路、
１２ｂ  冷媒通路、
１３  板状体、
１４  磁石、
１５，１６  整合器、
１７  ガス供給装置、
１８  排気装置、
１９，１９’  ガス分散板、
２０  基板載置電極、
２１ａ  冷媒流路、
２２  静電チャック、
２３  直流電源、
３０  基板、
１００  処理室。
【図１】
2004335637.tif 000003
【図２】
2004335637.tif 000004
【図３】
2004335637.tif 000005
【図４】
2004335637.tif 000006