(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバ内にプラズマソース電極と被処理基板とが対向配置され、これらプラズマソース電極と被処理基板との間にエッチングガスを導入するためのガス供給手段が配置され、上記ガス供給手段は、上記プラズマソース電極側にガスを吹き出すガス導入孔と、上記被処理基板側にガスを吹き出すガス導入孔とを有し、上記プラズマソース電極側のガス導入孔から吹き出されるガスの組成と、上記被処理基板側のガス導入孔から吹き出されるガスの組成とは異なるとともに、上記プラズマソース電極側のガス導入孔から吹き出されるガスはプラズマを発生させるためのバルクガスであり、上記被処理基板側のガス導入孔から吹き出されるガスはエッチャントとして作用するガスを含むことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
上記エッチャントとして作用するガスがフッ化炭素系ガスであることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
チャンバ内にプラズマソース電極と被処理基板とを対向配置するとともに、これらプラズマソース電極と被処理基板との間にエッチングガスを導入するためのガス供給手段を配置し、上記ガス供給手段により、プラズマソース電極側にバルクガスを導入するとともに、被処理基板側にエッチャントとして作用するガスを含むエッチングガスを導入し、上記被処理基板をプラズマ処理することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項４】
上記エッチャントとして作用するガスとしてフッ化炭素系ガスを用いることを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理方法。
【請求項５】
上記プラズマ処理が、プラズマエッチングであることを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマエッチングなどのプラズマ処理を行うためのプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関するものであり、特に、チャンバ内へのガス導入方法の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの高集積化に伴って、高精度の微細加工技術が要求される一方、経済性の追求という観点から、併せて生産性も重視されるようになってきている。そのため、例えば半導体デバイスの製造工程の一つであるドライエッチング工程においては、高密度プラズマを利用したドライエッチング方法を採用することにより、高エッチング選択性と高エッチングレートを実現し、高精度の微細加工と高生産性を両立する試みがなされている。
【０００３】
近年、生産性向上を目的に、ウエハ寸法も直径２００ｍｍから３００ｍｍ、さらには４００ｍｍと大径化しており、被エッチング面積も次第に大きくなっていることから、高密度プラズマを利用したドライエッチング方法は、益々多用される傾向にある。高密度プラズマを利用してドライエッチングを実施するためのエッチング装置としては、例えばＲＦバイアス印加型ＥＣＲプラズマエッチング装置、誘導結合（ＩＣＰ）型プラズマエッチング装置、ヘリコン波型プラズマエッチング装置などが開発されており、各方面で利用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、エッチングプロセスにおける重要なポイントは、高速処理とマスク材や下地との高選択性、さらにはエッチングレートやエッチングプロファイルがウエハ全面において均一であることなどである。
【０００５】
高速処理の実現には、ラジカル、イオンなどのエッチャントの数が多いことが必要であり、そのためには上記のような高密度プラズマが要求される。しかしながら、高密度のプラズマでは、エッチャントの解離が過度に進行し、その結果、本来のエッチングとは異なるエッチングなどが進行して選択比の低下が生ずるという問題がある。例えば、酸化膜のエッチングでは、マスク材のレジストや、下地のＳｉ、ＳｉＮとの選択比を十分に確保することは難しい。
【０００６】
均一性に関しては、エッチングガスをどのようにチャンバ内に導入するかが鍵となり、一般には、ウエハ上部に多数のガス噴出孔を設けたシャワーヘッドを設置することが均一性を向上する上で有利であると考えられている。このシャワーヘッドは、ウエハに対して極力近い位置にあることが望ましいが、例えば大口径ウエハなどにおいては、ウエハのセンター部分にデポジション性の高いガスの比率が高くなる傾向にあり、エッチングの均一性が悪化する懸念がある。特に、誘導結合型（ＩＣＰ）のプラズマソースの場合、プラズマソースがウエハに近いとアンテナ形状に依存した形状の悪化を招き、また、アンテナに近い部分は電子温度が高く過度の解離やダメージが懸念される。
【０００７】
本発明は、かかる従来の実情に鑑みて提案されたものであり、均一性に優れたプラズマ処理が可能で、種々のプロセスに対応することが可能なプラズマ処理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。また、導入ガスの過度の解離のない高選択なエッチングを実現することができ、同時に高速処理を実現することが可能なプラズマ処理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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置は、チャンバ内にプラズマソース電極と被処理基板とが対向配置され、これらプラズマソース電極と被処理基板との間にエッチングガスを導入するためのガス供給手段が配置されていることを特徴とするものである。また、本発明のプラズマ処理方法は、チャンバ内にプラズマソース電極と被処理基板とを対向配置するとともに、これらプラズマソース電極と被処理基板との間にエッチングガスを導入するためのガス供給手段を配置し、上記被処理基板をプラズマ処理することを特徴とするものである。
【０００９】
上記の構成において、ガス供給手段は被処理基板の至近距離に設置可能であり、均一なプラズマ処理が実現される。このとき、プラズマソース電極は、被処理基板に近づける必要がないことから、形状の悪化を招くこともなく、また過度の解離やダメージも回避される。また、ガス供給手段の設計により、各種プロセスに対応して容易に均一性の良いプロセスが得られる。
【００１０】
特に、上記ガス供給手段により、プラズマソース電極側にバルクガスを導入するとともに、被処理基板側にエッチャントとして作用するガスを含むエッチングガスを導入し、プラズマ処理を行えば、エッチングガスの過度の解離のない高選択なプラズマ処理（エッチング）が実現される。また、このとき高密度プラズマによる高速処理も同時に実現される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用したプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下においては、プラズマエッチング装置及びプラズマエッチング方法を例にして、その構成を説明する。
【００１２】
本例のプラズマエッチング装置においては、図１にその基本構造を示すように、真空チャンバ１内にウエハ支持部材２に支持された状態で被処理基板であるウエハ３が設置され、これと対向して、真空チャンバ１の上部にプラズマソース電極４が設けられている。また、上記ウエハ３とプラズマソース電極４の間には、ガス供給手段であるプロセスガス導入治具５が設置されており、ここからプロセスガスを供給するようになっている。
【００１３】
適用可能なプラズマエッチング装置としては、ＲＦバイアス印加型ＥＣＲプラズマエッチング装置、誘導結合（ＩＣＰ）型プラズマエッチング装置、ヘリコン波型プラズマエッチング装置などを挙げることができる。例えばＩＣＰ型プラズマエッチング装置では、マイクロストリップ型の電磁波放射アンテナを用いてＵＨＦ帯域の電磁波を真空チャンバ１内に導入してプラズマを発生させ、真空チャンバ１内に設置されたウエハ３の表面のシリコン酸化膜のエッチング処理を行う。したがって、上記プラズマソース電極４は、アンテナを備えた上部プレートということになる。勿論、これに限らず、種々のプラズマエッチング装置に適用可能であることは言うまでもない。
【００１４】
本発明において特徴的なのは、上記ウエハ３とプラズマソース電極４の間にガス供給手段であるプロセスガス導入治具５を設置したことであり、エッチングに際しては、上記プロセスガス導入治具５の上方及び下方からプロセスガスを導入している。これまで、このような位置からプロセスガスを導入した例はない。
【００１５】
ここで、上記プロセスガス導入治具５から上方に向かって、すなわちプラズマソース電極４に向かって吹き出されるガスは、Ａｒなどのバルクガスである。このバルクガスは、プラズマを発生するために必要なものであるが、解離について考慮する必要がなく、たとえ過度に解離されたとしてもエッチングの選択性に影響を及ぼすことはない。
【００１６】
一方、上記プロセスガス導入治具５から下方に向かって、すなわちウエハ３に向かって吹き出されるガスは、いわゆるエッチャントとして作用するガスを含むエッチングガスである。エッチャントとして作用するガスとしては、Ｃ４Ｆ８などのフッ化炭素系のガスを挙げることができる。これらフッ化炭素系のガスは、分子量がある程度大きく、電子温度が高いプラズマなどに晒されると過度に解離し、例えばＣＦ２やフッ素にまで解離する。解離したＣＦ２やフッ素のラジカルやイオンは、本来エッチャントとして機能するＣ４Ｆ８のラジカル、イオンとは異なるエッチング特性を示し、例えば酸化膜エッチングではマスク材のレジストや下地のＳｉ、ＳｉＮなどとの選択比を得ることが困難になる。
【００１７】
上記のように、エッチャントを含むエッチングガスをプロセスガス導入治具５からプラズマソース電極４の反対側に向かって吹き出せば、真空チャンバ１の下方の電子温度の低い領域へ導入されることになり、上記エッチャントとして作用するガスの過度の解離が抑制される。また、プロセスガス導入治具５とウエハ３との距離が近いために、エッチングガスがウエハ３上に解離の進行が過度に進む前に到達する。したがって、例えば酸化膜エッチングにおいて、マスク材や下地に対して高い選択比を得ることが可能である。
【００１８】
また、上記プロセスガス導入治具５は、ウエハ３とプラズマソース電極４の間に設置されており、その位置（特にウエハ３に対する高さｈ）は任意に設定することができる。したがって、プラズマソース電極４をウエハ３に近づけることなくプロセスガス導入治具５のみをウエハ３の至近距離まで近づけることができる。これにより、例えばＩＣＰ型プラズマエッチング装置において問題になるアンテナ形状に依存するプラズマの不均一性による影響を回避しながら、シャワーヘッドと同様の効果による均一なガス導入により、均一なエッチング特性を得ることができる。特に、センターとエッジでガス導入の影響により不均一性が生じ易い直径３００ｍｍ以上の大口径ウエハにおいても、均一なエッチング特性を得ることができ、その効果は絶大である。
【００１９】
上記プロセスガス導入治具５には、プラズマソース電極４に向かって吹き出されるバルクガスと、ウエハ３に向かって吹き出されるエッチングガスの２種類のガスが供給される。各ガスは、マスフローコントローラによって制御され、その組成、流量が設定される。例えば、図１に示すエッチング装置では、プラズマソース電極４に向かって吹き出されるバルクガスは、マスフローコントローラ６ａ，６ｂによって２種類のガスが混合され、導入されている。同様に、ウエハ３に向かって吹き出されるエッチングガスは、マスフローコントローラ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄによって４種類のガスが混合され、導入されている。
【００２０】
ここで、上記各マスフローコントローラを調整し、上方へ流すバルクガスの組成、流量と、下方へ流すエッチングガスの組成、流量を所定の設定（レシピ）に従ってコントロールすることにより、種々のプロセスに対応することが可能である。また、上記プロセスガス導入治具５の高さｈを変えることでも種々のプロセスに対応可能である。さらに、プロセスガス導入治具５のガスの吹き出し方向、速度を変えたものを複数常備するようにし、処理プロセスに応じて最適なものを使用することで、各種プロセスに対し容易に均一性の良いプロセスを実現することができる。
【００２１】
上記の構成を有するプラズマエッチング装置においては、プロセスガス導入治具５から２種類のガスを導入する必要があり、これに対応してプロセスガス導入治具５の構造を工夫する必要がある。そこで、以下、このプロセスガス導入治具５の構造例について説明する。
【００２２】
上記プロセスガス導入治具５は、図２に示すように、上記各ガスを供給するための直線状の主経路１１，１２と、円環状の枝経路１３とから構成されている。主経路１１と主経路１２とは、互いに直交する形で配置されており、それぞれ枝経路１３を貫通する形で当該枝経路１３と連通されている。
【００２３】
枝経路１３は、径の異なる複数の円環状のガス吹き出し管１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが同心円状に配置されており、大口径のウエハ３に対しても均等にガスが供給されるように工夫されている。ここで、上記ガス吹き出し管１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの数は、ガスの導入の均一性の観点からは多い方が良い。また、積極的にプロセスガス導入管５の上下のプラズマを分離したい場合も、ガス吹き出し管１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの数が多い方が好ましい。逆に、プラズマへの影響を低減したい場合には、ガス吹き出し管１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの数は少ない方が好ましい。本例では、ガス吹き出し管１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの数は４本としている。
【００２４】
上記各ガス吹き出し管１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは２重構造を有しており、バルクガスとエッチングガスとを別々に導入し得る構造を採用している。図３は、各ガス吹き出し管１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの構造を示すものである。各ガス吹き出し管１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、図３に示すように、バルクガスの通路となる溝２１ａが形成された第１の半管状部材２１と、エッチングガスの通路となる溝２２ａが形成された第２の半管状部材２２とを、仕切り板２３を介して接合してなる構造を有しており、上記溝２１ａにより形成される空間と、上記溝２２ａにより形成される空間は、上記仕切り板２３によって互いに独立したガス導入路とされている。また、上記第１の半管状部材２１及び第２の半管状部材２２には、上記各溝２１ａ，２２ａのほぼ中央に沿った形でそれぞれガス吹き出し孔２１ｂ，２２ｂが配列形成されている。
【００２５】
したがって、例えばバルクガスは、主経路１１から導入され、各ガス吹き出し管１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの２階建て構造のうちの上段の溝２１ａを通ってガス吹き出し孔２１ｂから上方に向かって（プラズマソース電極４に向かって）吹き出される。エッチングガスは、主経路１２から導入され、各ガス吹き出し管１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの下段の溝２２ａを通ってガス吹き出し孔２２ｂから下方に向かって（ウエハ３に向かって）吹き出される。
【００２６】
上記枝経路１３を構成する円環状のガス吹き出し管１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの材質は、積極的にＦラジカルなどをトラップする目的で、ＳｉやＳｉＣなどとすることが好ましい。例えば、上記ガス吹き出し管１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの材質をＳｉとし、これをウエハ３の直近に設ければ、上記ガス吹き出し管１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄがＦによってスパッタされ、ＦはＳｉＦとなってスカベンジされる。その結果、たとえ過剰な解離によりＦラジカル、Ｆイオンが生じたとしても、本来のエッチングに悪影響を及ぼすことはない。また、プラズマソース電極４（アンテナを備えた上部プレート）にこのような役割を負わせる必要がなくなるので、上部プレートの材質を非消耗材とすることも可能である。なお、上記において、ガス吹き出し管１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ全体のの材質をＳｉやＳｉＣなどの消耗材としてもよいし、下部の半管状部材２２のみをＳｉなどの消耗材とし、上部の半管状部材２１は石英やアルミアルマイト、セラミックなどの非消耗材とすることも可能である。
【００２７】
次に、プロセスガス導入治具の実際の使用例について説明する。本例は、ＩＣＰ型プラズマエッチング装置において酸化膜をエッチングする場合の使用例である。ＩＣＰ型プラズマエッチング装置における設定は下記の通りである。
ソースアンテナパワー：周波数１３．５６ＭＨｚ、パワー２ｋＷ
下部電極バイアスパワー：周波数８００ｋＨｚ、パワー５００ｋＷ
圧力：１００ｍＴｏｒｒ
上段導入（上方噴出）バルクガス流量：ＣＯ  ２００ｓｃｃｍ、Ａｒ  ５００ｓｃｃｍ
下段導入（下方噴出）エッチングガス流量：ＣＨＦ３  ５ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ８１０ｓｃｃｍ、ＣＯ  １００ｓｃｃｍ
【００２８】
本例では、解離を抑制したいＣＨＦ３、Ｃ４Ｆ８ガスを下方の電子温度の低い領域へ導入しており、プラズマ生成のためのＡｒ（バルクガス）を上部プレート方向へ噴出させている。これにより、ＣＨＦ３、Ｃ４Ｆ８ガスの過度な解離による選択比の劣化を招くことなく、均一なエッチングを実現することができた。
【００２９】
以上、本発明を適用したプラズマ処理装置、プラズマ処理方法について説明してきたが、本発明がこれらの例に限定されるものではなく、本願発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることは言うまでもない。例えば、上記においてはプラズマエッチング装置、プラズマエッチング方法を中心に説明したが、プラズマＣＶＤ装置、プラズマＣＶＤ方法など、プラズマ処理装置、プラズマ処理方法全般に適用することが可能である。また、プロセスガス導入治具から導入するガスは、必ずしも上下で分ける必要はなく、単にプロセスガスを上部プレートとウエハの間から供給するようにし、例えばプロセスガス導入治具の位置を調整することなどによっても、ある程度の効果を得ることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明のプラズマ処理装置、プラズマ処理方法によれば、電子温度の高い上部プレート（プラズマソース電極）直下にバルクガスが導入され、プロセスガスが解離の進行が過度に進む前にウエハ（被処理基板）直上へ到達するため、例えばプラズマエッチングを行う場合、マスク材やストップ材に対して高い選択比を得ることができる。
【００３１】
また、上部プレートをウエハに近づけずにガスの導入のみをウエハ直上に設置できるので、例えば上部プレートのアンテナ形状に依存するプラズマの不均一性による影響が小さく、シャワーヘッドと同様の効果による均一なガスの導入により均一な処理を実現することができる。特に、センターとエッジでガス導入の影響による均一性の悪化の生じやすい直径３００ｍｍ以上の大口径ウエハにおいても、均一な処理特性を実現することができる。
【００３２】
さらに、本発明においては、上方へ流すガスの組成、流量と、下方へ流すガスの組成、流量をレシピでコントロールすることにより、種々のプロセスに対応することができる。また、ガス供給手段であるプロセスガス導入治具の設置位置（設置高さ）を変えることによっても、種々のプロセスに対応可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したプラズマエッチング装置の一構成例を示す模式図である。
【図２】プロセスガス導入治具の一例を示す概略斜視図である。
【図３】円環状のガス吹き出し管の構造例を一部破断して示す要部概略斜視図である。
【符号の説明】
１  真空チャンバ、３  ウエハ、４  プラズマソース電極、５  プロセスガス導入治具、１１，１２  主経路、１３  枝経路、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄガス吹き出し管、２１，２２  半管状部材、２１ｂ，２２ｂ  ガス吹き出し孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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