(57)【要約】【課題】処理中の基板上、特に半導体ウエハ上でアーキングが発生し難いプラズマエッチング装置を提供すること。【解決手段】被処理基板である半導体ウエハＷを収容するチャンバー１と、チャンバー１内に処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成手段１５と、チャンバー１内に設けられ、被処理基板である半導体ウエハＷを載置する載置台２と、載置台２上の半導体ウエハＷの周囲に設けられたリング状部材５とを具備し、リング状部材５は、半導体ウエハＷ上でのアーク放電が生じ難いようにその外径が設定されている。【選択図】      図１
2004165266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理基板を収容するチャンバーと、
前記チャンバー内に処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
前記チャンバー内に設けられ、被処理基板を載置する載置台と、
前記載置台上の基板の周囲に設けられたリング状部材と
を具備し、
前記リング状部材は、前記被処理基板上でのアーク放電が生じ難いようにその外径が設定されていることを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項２】
前記プラズマ生成手段は、前記載置台の上方の空間に前記被処理基板の被処理面に対して垂直な高周波電界を形成する高周波電界形成手段を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項３】
前記プラズマ生成手段は、下部電極としての前記載置台と、下部電極としての前記載置台の上方に対向して設けられた上部電極と、前記載置台に高周波電力を印加して、前記載置台と前記上部電極との間の空間に前記被処理基板の被処理面に対して垂直な高周波電界を形成する高周波電源とを有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項４】
前記載置台と前記上部電極との間の空間に、高周波電界に直交する水平磁界を形成する磁場形成手段をさらに具備することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項５】
半導体ウエハを収容するチャンバーと、
前記チャンバー内に設けられ、前記半導体ウエハを支持する下部電極と、
前記下部電極の上方に対向して設けられた上部電極と、
これら下部電極および上部電極の間に半導体ウエハ面に対して垂直方向の高周波電界を形成するために前記下部電極に高周波電力を供給する高周波電源と、
チャンバー内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、
前記下部電極および上部電極の間の処理空間に、前記電界方向と直交しかつ一方向に向かう磁場を形成する磁場形成手段と、
前記下部電極の周囲に設けられたリング状部材と
を具備し、
前記リング状部材は、前記半導体ウエハ上でのアーク放電が生じ難いようにその外径が設定されていることを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項６】
前記半導体ウエハはその直径が２００ｍｍであり、前記リング状部材の外径が２４０ｍｍよりも大きく、２８０ｍｍよりも小さい値であることを特徴とする請求項５に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項７】
前記リング状部材の外径が２６０ｍｍであることを特徴とする請求項６に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項８】
前記半導体ウエハはその直径が３００ｍｍであり、前記リング状部材の外形が３８０ｍｍよりも小さい値であることを特徴とする請求項５に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項９】
前記リング状部材の外径が３６０ｍｍであることを特徴とする請求項８に記載のプラズマエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板、特に半導体ウエハに対しプラズマエッチングを施すプラズマエッチング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造プロセスにおいては、被処理基板である半導体ウエハ（以下、単にウエハと記す）に対して、プラズマによりエッチングを施すプラズマエッチングが多用されている。プラズマエッチング装置としては、種々のものが用いられているが、その中でも容量結合型平行平板プラズマ処理装置が主流である。また、このような容量結合型平行平板プラズマ処理装置に永久磁石を配置し、永久磁石により形成した磁場を半導体ウエハに対して水平に印加するとともに、これに直交する高周波電界を印加して、その際に生じる電子のドリフト運動を利用して極めて高効率でエッチングするマグネトロンプラズマ処理装置も用いられている（例えば、特許文献１，２）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−２０７９４号公報
【特許文献２】
特開平８−１２４９１２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、エッチングの際には、プラズマシース近傍のレジスト膜の部分はマイナスに帯電しているため、プラズマからの電子は横方向の運動量のほうが大きくなり、アスペクト比が大きいコンタクトホールが形成されている部分では電子はコンタクトホール内に到達しにくくなるが、イオンはプラズマシースによって加速されてコンタクトホールに到達するため、コンタクトホール内の底部がプラスに帯電するようになる。一方、コンタクトホールが形成されていないスペース部分やトレンチ部分には、困難性を伴うことなく電子とイオンとが到達する。この結果、これらの間に大きな電位差が生じる。これをシェーディング効果という。また、プラズマとの間の直流電位Ｖｄｃは、ウエハ上の部位によって相違し、それによっても半導体ウエハに大きな電位差が生じる。
【０００５】
このようなＶｄｃの差やシェーディング効果等に起因する大きな電位差が生じている状態では水平方向に大きな電界が形成される。したがって、エッチングが下地層に到達した瞬間にこの電界が生じてウエハ上にアーク放電（アーキング）が発生することがある。このようにウエハ上にアーキングが発生すると、ウエハ上に形成された回路が破壊され、チップ歩留まりの低下、およびパーティクル発生の原因となる。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、処理中の基板上、特に半導体ウエハ上でアーキングが発生し難いプラズマエッチング装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、プラズマエッチングの際にある層を抜けた瞬間に、基板上でアーキングが発生する原因について検討を重ねた結果、下部電極である載置台上の被処理基板の周囲に設けられているリング状部材、いわゆるフォーカスリングの外径が重要であることを見出した。すなわち、このようなリング状部材は、半導体ウエハ等の被処理基板の周囲にあって被処理基板と同様に帯電して上記電界形成に影響を与え、その外径を適切に調整することにより被処理基板上のアーク放電が発生し難くなることを見出した。特に、下部電極としての載置台と上部電極との間の空間に、高周波電界に直交する水平磁界を形成する磁場形成手段を具備する場合には、リング状部材上で発生した電子が電界および磁界によってドリフトして被処理基板に供給されるが、リング状部材の外径を適切に調整することにより、リング状部材上での電子の助走距離を適切にしてアーク放電が起こり難くすることができることを見出した。
【０００８】
すなわち、本発明は、被処理基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内に処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記チャンバー内に設けられ、被処理基板を載置する載置台と、前記載置台上の基板の周囲に設けられたリング状部材とを具備し、前記リング状部材は、前記被処理基板上でのアーク放電が生じ難いようにその外径が設定されていることを特徴とするプラズマエッチング装置を提供する。
【０００９】
また、本発明は、半導体ウエハを収容するチャンバーと、前記チャンバー内に設けられ、前記半導体ウエハを支持する下部電極と、前記下部電極の上方に対向して設けられた上部電極と、これら下部電極および上部電極の間に半導体ウエハ面に対して垂直方向の高周波電界を形成するために前記下部電極に高周波電力を供給する高周波電源と、チャンバー内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、前記下部電極および上部電極の間の処理空間に、前記電界方向と直交しかつ一方向に向かう磁場を形成する磁場形成手段と、前記下部電極の周囲に設けられたリング状部材とを具備し、前記リング状部材は、前記半導体ウエハ上でのアーク放電が生じ難いようにその外径が設定されていることを特徴とするプラズマエッチング装置を提供する。そして、具体的には、直径が２００ｍｍの半導体ウエハでは、前記リング状部材の外径が２４０ｍｍよりも大きく、２８０ｍｍよりも小さい値、特に２６０ｍｍの場合に半導体ウエハ上のアーク放電が生じ難い。また、直径が３００ｍｍの半導体ウエハでは、前記リング状部材の外径が３８０ｍｍよりも小さい値、特に３６０ｍｍの場合に半導体ウエハ上のアーク放電が生じ難い。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
ここでは、マグネトロンＲＩＥプラズマエッチング装置を例にとって説明する。図１は、本発明の一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を示す断面図である。このエッチング装置は、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。
【００１１】
このチャンバー１内には、被処理基板である半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す）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の上方の外周には導電性材料、例えば単結晶シリコンで形成されたフォーカスリング（リング状部材）５がその面をウエハ面と略面一にして設けられている。このフォーカスリング５は、後述するように、ウエハＷ上でのアーク放電が生じ難いようにその外径が設定されている。一例として、ウエハＷの径が２００ｍｍで、フォーカスリング５の外径が２４０ｍｍよりも大きく、２８０ｍｍよりも小さい値、具体的には２６０ｍｍに設定されている。
【００１２】
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。
【００１３】
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、半導体ウエハ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。
【００１４】
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１３．５６ＭＨｚ以上の所定の周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ、４０ＭＨｚ）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は下部電極として、シャワーヘッド２０は上部電極として機能する。なお、これら電極間の距離は５０ｍｍ未満であることが好ましい。
【００１５】
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に直流電源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。
【００１６】
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、ウエハＷが支持テーブル２を介して冷却される。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。
【００１７】
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、ウエハＷが支持テーブル２を介して冷却され、ウエハＷの冷却効率を高くすることができる。
【００１８】
上記シャワーヘッド２０は、チャンバー１の天壁部分に支持テーブル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は、その下面に多数のガス吐出孔２２が設けられており、かつその上部にガス導入部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、エッチングガスを供給するエッチングガス供給系２３が接続されている。エッチングガス供給系２３からは、エッチングガスとしてハロゲン系のガス、Ｏ２ガス、Ａｒガス、Ｈｅガス等、通常この分野で用いられるガスが供給され、このようなエッチングガスがガス供給配管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。
【００１９】
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３０が配置されている。ダイポールリング磁石３０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。
【００２０】
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Ｅが形成され、かつダイポールリング磁石３０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上の所定の膜がエッチングされる。
【００２１】
次に、このように構成されるマグネトロンＲＩＥプラズマエッチング装置を用いてウエハＷの所定の膜をエッチングする際のエッチング動作について説明する。
【００２２】
ここでは、図４に示す構造のウエハＷにエッチングを施して、図５の状態を形成する。図４のウエハＷは、Ｓｉ基板４１上に、例えばＳｉＯ２からなる絶縁層４２が形成され、その上に例えばストッパ層や電極として機能する導電性層４３が形成され、その上に例えばＳｉＯ２からなる層間絶縁層４４が形成されている。そして、さらにその上にフォトリソグラフィー技術によりパターン形成されたレジスト膜４５が形成されている。このような図４の積層膜について、レジスト膜４５をマスクとして、ホール４６とトレンチ４７を同時に導電性層４３に達するまでエッチングして、図５に示す半導体装置を得る。
【００２３】
上記図１の装置を用いて、図４の構造のエッチングを行う際には、まず、ゲートバルブ１３を開にしてこのような構造を有するウエハ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内を所定の真空度まで排気する。
【００２４】
そして、エッチングガス供給系２３から所定のエッチングガスを導入しつつ、高周波電源１５から下部電極である支持テーブル２に１３．５６ＭＨｚ以上の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、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３０により水平磁界Ｂが形成されているので、半導体ウエハ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の所定の膜がエッチングされる。
【００２５】
ホール４６およびトレンチ４７のエッチングにおいては、エッチングが導電性層４３に達した瞬間に、シェーディング効果等によりウエハＷ上でアーキングが発生する場合があるが、このようなアーキングの発生しやすさは、フォーカスリング５の外径と関係があり、フォーカスリング５の外径を適切に調節することにより、ウエハＷ上でのアーキングを生じ難くすることができる。すなわち、フォーカスリング５はウエハＷと同種の材料であり、ウエハＷと同様に帯電してウエハＷの水平方向に形成される電界形成に影響を与えるから、その外径を適切に調整することによりウエハＷ上のアーキングを発生し難くすることができる。そして、フォーカスリング５の外径が適切な範囲よりも大きくても小さくてもウエハＷ上でのアーキングが発生しやすくなる。
【００２６】
具体的には、ウエハＷの径が２００ｍｍの場合に、フォーカスリング５の外径が２４０ｍｍより大きく、２８０ｍｍより小さい値、特に２６０ｍｍの場合にアーキングを生じ難くすることができる。また、ウエハＷの径が３００ｍｍの場合に、フォーカスリング５の外径が３８０ｍｍより小さい値、特に３６０ｍｍの場合にアーキングを生じ難くすることができる。
【００２７】
次に、図１の構造の２００ｍｍウエハ用のマグネトロンプラズマエッチング装置を用い、フォーカスリング５の外径を２４０ｍｍ、２６０ｍｍ、２８０ｍｍとしてエッチングを行い、図５に示すトレンチ４７を形成した際のアーキングの有無を確認した結果について説明する。ダイポールリング磁石３０として、チャンバー１の中心の磁界強度が６０００μＴ（６０Ｇａｕｓｓ）となるものを用い、最初に、チャンバー内圧力を５．４５Ｐａ、エッチングガスをＣＦ４／Ａｒ／Ｏ２＝０．０４／０．２／０．０１Ｌ／ｍｉｎの流量で供給するとともに４０ＭＨｚ、６００Ｗの高周波電力を供給して層間絶縁層４４としてのＳｉＯ２膜をエッチングした後、チャンバー内圧力を６．６７Ｐａ、エッチングガスをＣＨＦ３／ＣＯ／Ｏ２＝０．０４／０．３４／０．００２Ｌ／ｍｉｎの流量で供給するとともに４０ＭＨｚ、１５００Ｗの高周波電力を供給して導電性層４３としてのＴｉＮ膜をエッチングした。その結果、フォーカスリング５の外径が２８０ｍｍの場合には、ウエハＷに明確なアーキングが発生し、２４０ｍｍの場合にも多少のアーキングが発生したが、外径が２６０ｍｍの場合にはアーキングが発生しなかった。このことから、フォーカスリング５の外径を２４０ｍｍより大きく、２８０ｍｍより小さい値である２６０ｍｍにすれば、ウエハＷ上でのアーキングが発生し難いことが確認された。
【００２８】
次に、ウエハＷの径が３００ｍｍの場合におけるフォーカスリング５の最適な外径を求めた実験結果について説明する。
ダイポールリング磁石３０として、チャンバー１の中心の磁界強度が１２０００μＴ（１２０Ｇａｕｓｓ）となるものを用い、チャンバー内圧力を４．０Ｐａ、エッチングガスをＣＦ４／ＣＯ／Ａｒ／Ｏ２＝０．０２／０．１／０．４／０．０１Ｌ／ｍｉｎの流量で供給するとともに１０００Ｗの高周波電力を供給してエッチングを行った。その結果、フォーカスリング５の外径が３８０ｍｍの場合にはウエハＷにアーキングが発生し、外径３６０ｍｍの場合にはアーキングが発生しなかった。このことから、フォーカスリング５の外径を３８０ｍｍより小さい値、３６０ｍｍにすれば、ウエハＷ上でのアーキングが発生し難いことが確認された。
【００２９】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく種々変更可能である。例えば、上記実施形態では、マグネトロンＲＩＥエッチング装置を例にとって説明したが、本発明はこれに限らず他のいかなるタイプのプラズマエッチング装置にも適用可能である。また、上記実施形態における被処理基板であるウエハの構造は例示に過ぎず、アーキング発生の可能性がある場合の全てに有効である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、載置台上の基板の周囲に基板と略面一になるように設けられたリング状部材について、前記被処理基板上でのアーク放電が生じ難いようにその外径を設定したので、被処理基板上におけるアーキングを有効に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一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を示す断面図。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】図１の装置によりエッチングされる半導体ウエハの層構成を示す断面図。
【図５】図４の半導体ウエハをエッチングした状態を示す断面図。
【符号の説明】
１；チャンバー
２；支持テーブル（載置台，下部電極）
５；フォーカスリング（リング状部材）
１２；排気系
１５；高周波電源（高周波電界形成手段）
２０；シャワーヘッド（上部電極）
２３；エッチングガス供給系
３０；ダイポールリング磁石
Ｗ；半導体ウエハ
【図１】
2004165266.tif 000003
【図２】
2004165266.tif 000004
【図３】
2004165266.tif 000005
【図４】
2004165266.tif 000006
【図５】
2004165266.tif 000007