(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室と、前記処理室に処理ガスを供給するガス供給ユニットを備え、前記処理ガスを放電させ、複数のステップを用いて試料のエッチング処理を行うプラズマエッチング装置において、
前記処理ガスからプラズマを生成する電力を供給する内側のアンテナコイルと外側のアンテナコイルと、
エッチング処理中の試料の残膜厚をモニタする膜厚モニタ部と、
前記複数のステップの条件切換えのタイミングを判定する判定部と、前記判定部によって判定されたタイミングに基づいて前記ガス供給ユニットを動作させ、前記ガス供給ユニットから前記導入される処理ガスが、ステップ切換え直後に所定の圧力以下とならないように、前記処理ガスの流量及び圧力を制御する制御部とを備え、
前記ガス供給ユニットは、複数のガス供給ライン毎にガス排気ラインを具備し、
前記制御部は、さらに、前記膜厚モニタ部によりモニタしたデータに基づいて前記ステップ切換えのタイミングを予測し、次のステップに使用する処理ガスのガス流量が安定するのに要する時間だけ前記予測されたタイミングの前から前記次のステップに使用する処理ガスを前記ガス排気ラインに流しながら、所望のガス流量に安定させ、前記ステップ切換え直後には、前記外側のアンテナコイルのみから電力を供給することを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項２】
処理室と、前記処理室に処理ガスを供給するガス供給ユニットと、前記処理ガスからプラズマを生成する電力を供給する内側のアンテナコイルと外側のアンテナコイルと、エッチング処理中の試料の残膜厚をモニタする膜厚モニタ部とを備えたプラズマエッチング装置を用いて、前記処理ガスを放電させ、複数のステップを用いて試料のエッチング処理を行うプラズマエッチング方法において、
前記ガス供給ユニットは、複数のガス供給ライン毎にガス排気ラインを具備し、
前記膜厚モニタ部によりモニタしたデータに基づいて前記ステップ切換えのタイミングを予測し、
次のステップに使用する処理ガスのガス流量が安定するのに要する時間だけ前記予測されたタイミングの前から前記次のステップに使用する処理ガスを前記ガス排気ラインに流しながら、所望のガス流量に安定させ、前記ステップ切換え直後には、前記外側のアンテナコイルのみから電力を供給する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】
【技術分野】
【０００１】
半導体デバイスのプラズマエッチング装置及び方法に関わり、特に、エッチングの欠陥が低減され、処理速度を向上させた連続放電のプラズマエッチング装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスのゲート加工に用いられるプラズマエッチングの推移について説明する。１９９０年代前半までは、ゲート電極には単層のＰｏｌｙ−Ｓｉ（ポリシリコン）膜が使われていた。このため、単一のエッチング条件で加工する方法が主流であった（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
１９９０年代後半になって、異種材料の積層構造のゲートが導入されると、単一条件による加工は難しくなり、複数の条件をいくつかのステップに分けて処理する方法が用いられるようになった（例えば、非特許文献２参照）。この場合、条件切換え直後にガス流量やガス圧力をなどが十数秒間変動する。変動中の不確定な条件でゲートがエッチングされて再現性が低下することを避けるために、ステップ間でプラズマ放電を中断する方法（放電中断）がとられるようになってきた。
【０００４】
しかしながら、この方法には二つの問題があった。一つは、スループットの低下である。条件切替えには十数秒を要するため、条件切替えの回数が増えると処理時間が増大する問題がある。もう一つは製品欠陥の増加である。通常、エッチングによって処理室内部では、大量のパーティクルが発生する。このパーティクルは、プラズマ放電中にはプラズマとウエーハの界面に存在するイオンシースと呼ばれる部分にトラップされていて、プラズマ放電を中断した瞬間にウエーハに付着する特徴がある。
【０００５】
以前の単一条件の処理の場合、パーティクルは、エッチング中はシースにトラップされていて、エッチングが終了してプラズマ放電が中断された瞬間にウエーハに付着していた。付着したパーティクルは、洗浄により除去され、製品欠陥はほとんど発生しなかった。
【０００６】
一方、放電中断を用いた処理の場合、放電中断によってエッチング途中でパーティクルがウエーハに付着する。この後、エッチングを再開した際には、付着したパーティクルの直下がエッチングされずにそのまま残ることになる。このため、洗浄でパーティクルが除去されても、エッチングされていない部分が残り、製品欠陥を発生させる。
【０００７】
製品欠陥低減のため、一部の半導体デバイスメーカでは、ステップ間で放電中断しない方法（連続放電）が検討されはじめている。
連続放電の多くは、ステップ間に中間ステップを設け、その間を反応性の少ない希ガス等で希釈することによってガス切替え中のエッチングを抑制する方法を用いている。しかしながら、この方法を用いても、ガスの切替え時間は短縮されないため、スループットの低下は避けられない。
【０００８】
スループットを向上させるためには、中間ステップを用いずに連続放電する必要がある。この場合、再現性を向上するために条件を切替えた直後の流量や圧力が変動する時間を極力短くしなければならない。
【０００９】
ガス切換え直後の流量や変動を抑える方法としては、ガスを排気ラインに流してから、バルブ切換えで処理室に導入方法がある（例えば、特許文献１の従来技術参照）。従来技術の具体的な構成を図４１に示す。ガス供給源４からＭＦＣ(マスフローコントローラ)３、処理室６、排気ポンプ７をつなぐ処理ガスライン８とは、別にＭＦＣ３と排気ポンプ５をつなぐ排気ガスライン９を設けて、それぞれのガスラインにバルブ１およびバルブ２を設置する。ガス供給時には、バルブ１を閉じたまま、バルブ２を開き、ＭＦＣ３の流量Ｑｏを処理時の流量Ｑと同じ値に設定して、ガスを排気ポンプ５に流す。流量Ｑｏが安定した時点でバルブ２を閉じると同時にバルブ１を開けることで、オーバシュートのないガス供給をする方法が従来方法として開示されている。
【００１０】
また、排気ガスライン９と処理ガスライン８のコンダクタンスの違いによってガス供給開始時の微小なオーバシュートを回避するため、排気ガスラインに流す流量Ｑｏを処理時の流量Ｑより小さな値にする方法も開示されている（例えば、特許文献１）。
【００１１】
一方、圧力の変動に関しては、排気ポンプ７と処理室６の間に可変バルブを設置し、圧力計の測定値を可変バルブの開度にフィードバック制御することによって、処理室６の圧力を所望の値に保つ方法が一般的に用いられている。
【特許文献１】特開平５−１９８５１３号公報
【非特許文献１】S.K.KIM et al., “Investigation of ECR plasma and its  Silicon Etchingat LN2 Temperature in SF6” , Proceedings of symposium on Dryprocess1992,P.39-42
【非特許文献２】H.Ootera et al., “Highly Selective Etching of W/WN/poly-Si Gate onThin Oxide Film with Gaspuff Plasmas”, Proceedings of symposium on Dry process1999, P.155-160
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
プラズマエッチングにおいて中間ステップを用いずに連続放電するためには、互いに相関のあるガス流量とガス圧力をスムーズかつ短時間で切替える必要がある。しかるに、従来技術には、ガス流量の高速制御や圧力の安定制御を実現するものはあるが、ガス流量とガス圧力の互いの相互作用まで考慮した技術はなかった。このため条件切換え直後にガス流量やガス圧力が瞬間的に不安定になる問題がある。この状態で連続放電した場合、条件切換え直後にプラズマが明滅する。プラズマが消滅した瞬間に、パーティクルがウエーハに付着するため、結果的に製品欠陥が低減されない問題がある。
【００１３】
本発明の目的は、プラズマエッチングにおいて連続放電した際に、プラズマの明滅を生じさせないようにガス流量およびガス圧力を制御するプラズマエッチング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のプラズマエッチング装置は、処理室と、前記処理室に処理ガスを供給するガス供給ユニットを備え、前記処理ガスを放電させ、複数のステップを用いて試料の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、前記処理ガスからプラズマを生成する電力を供給する内側のアンテナコイルと外側のアンテナコイルと、エッチング処理中の試料の残膜厚をモニタする膜厚モニタ部と、前記複数のステップの条件切換えのタイミングを判定する判定部と、前記判定部によって判定されたタイミングに基づいて前記ガス供給ユニットを動作させ、前記ガス供給ユニットから前記導入される処理ガスが、ステップ切換え直後に所定の圧力以下とならないように、前記処理ガスの流量及び圧力を制御する制御部とを備え、前記ガス供給ユニットは、複数のガス供給ライン毎にガス排気ラインを具備し、前記制御部は、さらに、前記膜厚モニタ部によりモニタしたデータに基づいて前記ステップ切換えのタイミングを予測し、次のステップに使用する処理ガスのガス流量が安定するのに要する時間だけ前記予測されたタイミングの前から前記次のステップに使用する処理ガスを前記ガス排気ラインに流しながら、所望のガス流量に安定させ、前記ステップ切換え直後には、前記外側のアンテナコイルのみから電力を供給することを特徴とする。
また、本発明のプラズマエッチング方法は、処理室と、前記処理室に処理ガスを供給するガス供給ユニットと、前記処理ガスからプラズマを生成する電力を供給する内側のアンテナコイルと外側のアンテナコイルと、エッチング処理中の試料の残膜厚をモニタする膜厚モニタ部とを備えたプラズマエッチング装置を用いて、前記処理ガスを放電させ、複数のステップを用いて試料の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、前記ガス供給ユニットは、複数のガス供給ライン毎にガス排気ラインを具備し、前記膜厚モニタ部によりモニタしたデータに基づいて前記ステップ切換えのタイミングを予測し、次のステップに使用する処理ガスのガス流量が安定するのに要する時間だけ前記予測されたタイミングの前から前記次のステップに使用する処理ガスを前記ガス排気ラインに流しながら、所望のガス流量に安定させ、前記ステップ切換え直後には、前記外側のアンテナコイルのみから電力を供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、中間ステップ無しで、連続放電で処理できるため、スループットが向上する。また、ステップ切換え時の放電の不安定がないため、パーティクルに起因する製品欠陥を大幅に低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１に本発明の実施例１のエッチング装置の構成を示す。この装置では、エッチングガスをガス供給ユニット１６からガスノズル１９を介して、減圧処理室２０に供給するとともに、アルミナ製の誘電体窓２６の外部に設置されたアンテナコイル１３およびアンテナコイル１２にＲＦ（高周波）電源１４から１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力を印加して、エッチングガスから誘導結合プラズマ１７を発生させる。
【００１８】
このアンテナコイル１２およびアンテナコイル１３とＲＦ電源１４との間には電力分配器１５があり、アンテナコイル１２および１３の供給電力の比を調整することによって、プラズマの生成分布を調整できる構造になっている。このプラズマをウエーハステージ１８に搭載されたウエーハ２１に照射して、エッチング処理を行う。ウエーハステージ１８には、ＲＦ電源２９が接続されており、１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力を印加することによって、効率的にウエーハ２１をエッチングすることができる。
【００１９】
また、減圧処理室２０の圧力はターボ分子ポンプ２２および圧力制御用可変バルブ２３によって調整することができる。圧力は可変バルブ２３の上方に取り付けたキャパンシタンスマノメータ２４によって測定される。
【００２０】
圧力を所望の値に保つため、システム全体を制御するコンピュータ２５が、０．２ｓ（秒）毎に圧力値をサンプリングし、可変バルブ２３の開度にフィードバック制御している。可変バルブの開閉に要する時間は１．０ｓ（秒）である。圧力制御の応答性を上げるため、減圧処理室の容積を６０Ｌ（リットル）と比較的小さくしている。
【００２１】
処理室側面には石英窓３０が設けられており、ここに光ファイバ２７を介して分光システム２８が接続されており、プラズマ発光を分析して、条件切換えのタイミングを判断することができる。分光システム２８からの条件切替え指示に基づき、コンピュータ２５が、ガス供給ユニット２８を始めとする装置各ユニットに次の条件を指示する構造になっている。
【００２２】
本発明の実施例１では、図１に記載されているガス供給ユニット１６の構成として、図２のように標準的にプラズマエッチング装置で用いられる構造を用いる。各ガスラインにはＭＦＣ１０２，１１２，１２２とバルブ１０３，１１３，１２３が取り付けられており、バルブの後段で全てのガスラインが結合され、バルブ１００を介して、処理室へ導入される構造になっている。図２では３つのガスラインを用いる例を示したが、３つに限らず、複数本のガスラインを用いて複数のガスを条件を変更して切換ることができる。
【００２３】
この構成でガス１０１からガス１１２に切換える場合を例にとり、通常のガス切換えシーケンスを説明する。ガス１０１のステップでは、ガス１０１のガスラインに取り付けられたＭＦＣ１０２の流量が所望の値に設定されており、ＭＦＣ１０２と減圧処理室との間をつなぐ処理ガスライン１０５に設置されたバルブ１０３および１００が開いている状態である。また、それ以外のバルブは全て閉止されており、他のＭＦＣの流量は０ｓｃｃｍ（standard cc/min）に設定されている。条件切換えの信号が入力されたと同時に、ＭＦＣ１０２の流量を０ｓｃｃｍにして、バルブ１０３を閉じ、バルブ１１３を開く。これと同時にガス１１１のＭＦＣ１１２の流量を所望の値に設定する。
【００２４】
つぎに、流量変更について、ガス１０１の流量を変更する場合を例にとり、説明する。前のステップではバルブ１０３および１００が開いている状態で、ＭＦＣ１０２の流量設定がＱ１に設定されている状態である。条件切換えの指示と同時にＭＦＣ１０２の設定値がＱ２に設定される。
【００２５】
この装置を用いて連続放電を行う場合、ステップ間で圧力が変化した場合も安定放電を維持する必要がある。そこで、反射電力をモニタする方法によって、プラズマ安定性に関して、プラズマ圧力変化に対するマージンを調べた。
図３から図５に、図１に記載された内側のアンテナコイル１３と外側のアンテナコイル１２の電力比率を１：１、１：０、および０：１にした場合の放電安定領域と放電不安定領域を調べた結果を示す。
内側のアンテナコイル１３と外側のアンテナコイル１２の電力比率が１：１および１：０の場合には、圧力が０．３Ｐａ（パスカル）以下の低圧条件では放電が不安定になり、また、圧力変化率が０．５Ｐａ／ｓ（パスカル／秒）以上の条件で、放電が不安定になることがわかった（図３と図４に対応）。
一方、内側のアンテナコイル１３と外側のアンテナコイル１２の電力比率が０：１の場合、圧力が０．３Ｐａ以下の領域で反射電力が大きくなりプラズマが消滅していることがわかる（図５に対応）。また、この場合には、圧力が０．３Ｐａよりも大きいときには圧力変化率が変化しても放電安定状態となっている。
以上の実験結果から、いずれの場合においても圧力が所定の圧力値（０．３Ｐａ）以下になると放電不安定領域になり、連続放電を行う場合、ステップ間で条件が変化した場合に安定放電を維持するためには、ステップ切換え直後のガス圧力が所定の圧力値にならないように、ガス流量とガス圧力を制御することが必要である。また、ステップ切換え直後の圧力の変動に対応するには、外側のアンテナコイル１２から電力を供給することが適している。
【００２６】
そこで、本発明の実施例１では、ステップ切換え直後のガス圧力が所定の圧力値以下にならないようにガス流量とガス圧力を制御すると共に、ステップ切換え直後の圧力変動の大きな期間に圧力変化率の変化に対するマージンの大きい０：１の電力比率の条件を用いる、即ち、ステップ切換え直後の圧力変動が大きい期間には、内側のアンテナコイル１３は０電力として、外側のアンテナコイル１２のみから電力を供給することとした。
【００２７】
本発明の実施例１では、ステップ切換え直後のガス圧力が所定圧力値より大きくなるように制御され、かつ、外側のアンテナコイル１２から電力を供給することにより、ステップ切換え直後の急激なガス圧力の変動に対しても放電安定状態を維持できるという効果を奏する。
【実施例２】
【００２８】
上記実施例１の方式を用いて、図６の３ステップエッチングで、ガスの種類、ガスの流量及びガスの圧力を切換えて連続放電を行って、２枚のウエーハを連続処理した場合には、１枚目と２枚目のウエーハで仕上がり寸法が大きく異なる現象が見られることがあった。
図７は１枚目のウエーハ処理中の総ガス流量の時間変化を示し、図８は２枚目の総ガス流量の時間変化を示す。図７に示す１枚目のウエーハ処理では、２番目のガス１１１の流れ始めの３秒間と３番目のガス１２１の流れ始めの３秒間にガス流量が大きく変動し不安定になっている。これに対して図８に示す２枚目のウエーハ処理では、ガス１１１の流れ始めやガス１２１の流れ始めに、このようなガス流量の不安定は見られない。このため１枚目と２枚目のウエーハの仕上がり寸法が異なったものと考えられる。
【００２９】
実施例１の方式でも２枚目以降のウエーハの仕上がり寸法は一定であるが、本発明の実施例２では、再現性を更に向上するため、特許文献１の従来技術に記載のガス流量制御方法を用いることとした。この場合のガス供給ユニットの構成を図９に示す。実施例１の図２に示されたガス供給ユニット１６との違いは、ＭＦＣ１０２とバルブ１０３との間，ＭＦＣ１１２とバルブ１１３との間およびＭＦＣ１２２とバルブ１２３との間に排気ポンプ１０７に繋がる排気ガスライン１０６を追加し、それぞれにバルブ１０４，１１４および１２４を設置している点である。
【００３０】
このガス供給ユニットを用いてガス１０１からガス１２１に切替える場合を例にとって説明する。
ガス１０１のステップでは、ガス１０１のガスラインに取り付けられたＭＦＣ１０２の流量が所望の値に設定されており、ＭＦＣ１０２と減圧処理室との間をつなぐ処理ガスライン１０５に設置されたバルブ１０３および１００が開いている状態である。また、それ以外のバルブは全て閉止されており、他のＭＦＣの流量は０ｓｃｃｍに設定されている。条件切換えの信号が入力されたと同時に、ＭＦＣ１０２の流量を０ｓｃｃｍにして、バルブ１０３を閉じる。同時に、バルブ１１４を開き、ガス１１１のＭＦＣ１１２の流量を所望の値に設定する。ＭＦＣ１１２の流量が安定したところで、処理ガスラインのバルブ１１３を開くと同時に、バルブ１１４を閉止する。また、ガス流量の変更のみの場合は、従来方法と同じシーケンスをとるものとする。
【００３１】
実際の連続放電処理に、この方式のガス切換えを図６の３ステップエッチングに適用した場合の総ガス流量の変化の１枚目の結果を図１０に２枚目の結果を図１１にそれぞれ示す。１枚目、２枚目ともガス流量の不安定は見られず、再現性が向上した。また、加工寸法についても再現性の向上が見られた。
【００３２】
本発明の実施例２では、ガス供給ユニット１６として、図９に示されるガス供給ユニット、すなわち、各ガス供給ラインに、排気ポンプにつながる排気ガスラインをそれぞれ追加したガス供給ユニットを用いて、条件切換え時には、前段のＭＦＣの流量を０にしてバルブを閉じると共に、次段の排気バルブを開き、次段のガスのＭＦＣの流量を所望の値に設定して、ＭＦＣの流量が安定したところで、処理ガスラインのバルブを開くと同時に、排気バルブを閉止するように制御することにより、切換え時の不安定は見られず、再現性を向上させるという効果を奏する。
【実施例３】
【００３３】
上記実施例２の方式では、１枚目、２枚目のウエーハを含めて切換え時の不安定は見られず再現性を向上させた連続放電を行うことができたが、実施例２の方式においても製品に欠陥が生じる場合があった。
次に、このウエーハの製品欠陥を詳細に調べてみると、実施例２の方式を用いて連続放電を行った場合のパーティクル起因の製品欠陥率は、放電中断の場合と同程度の７０％に達する場合があった。
上記の問題点を改善するために、図１０の場合について、反射電力の時間変化を調べた結果を図１２に示す。図１２においてＳｔｅｐ１からＳｔｅｐ２に移行し、ガス１０１からガス１１１に切替えた直後と、Ｓｔｅｐ２からＳｔｅｐ３に移行し、ガス１１１からガス１２１に切替えた直後に、反射電力が瞬間的に増大しており、これは、ガス切換え直後にプラズマが一瞬消滅する場合があることを示している。プラズマが消滅した瞬間には、パーティクルがウエーハに付着するため、このプラズマの消滅により製品欠陥合が発生していると思われる。
【００３４】
ガス切換え直後にプラズマ放電が消滅する原因を検討するため、処理室の圧力の変化を調べてみた。図１３は、エッチング中の処理室圧力の変化である。処理室圧力はステップ切換え直後に０．３Ｐａ以下に低下している。図５の結果から、処理室圧力が０．３Ｐａ以下に低下するとプラズマ放電を維持できないことがわかっている。したがって、ステップ切換え直後の圧力低下がプラズマ消滅の原因であると推測される。調査の結果、この圧力低下は、ガス切換え直後に流量が０ｓｃｃｍになることに起因することがわかった。本装置では圧力制御用可変バルブ２３によって自動的に圧力調整するシステムになっているが、流量０ｓｃｃｍの状態では、所望の圧力が維持できず、処理室圧力が大幅に低下したと考えられる。
【００３５】
本発明の実施例３では、上記の問題を解決するためガス切換え方式を改善した。ステップの開始時にガス流量が０ｓｃｃｍになることを防止するためには、ガス切換えに要する時間を考慮して、終点判定の数秒前にバルブ切換えを行って、次ステップのガスをガス排気ラインに流しておいてく必要がある。しかし、通常の発光分光を用いた終点判定法では終点判定のタイミングは事前に終点を予測することが難しい。
【００３６】
そこで、本発明の実施例３では、終点判定用の発光分光システムに加えて干渉膜厚計を搭載して、干渉膜厚計を用いて被エッチング膜の残膜の時間変化から終点判定のタイミングを予測した。このときのエッチング装置の構造を図１４に示す。この装置では、ウエーハ２１に対面するアルミナ製の誘電体窓２６の一部が石英窓３１になっている。また、ウエーハ２１に照射する光の光源３３とウエーハ２１からの反射光を解析するために分光システム３２を具備している。また、光源３３からの光を処理室内に導入するため光源３３と石英窓３１が光ファイバ３４で接続され、また、反射光を分光器システム３２に導入するために、石英窓３１と分光システム３２が光ファイバ３５で接続されている。この方式では、ウエーハ２１のエッチング皮膜の膜厚が変化した場合、干渉による反射光強度の変化によって残膜厚を検知することができる。
【００３７】
メモリディバイスのゲートエッチングに関して、波長３６５ｎｍと４２７ｎｍの反射光強度の時間変化をモニタした結果を図１５に示す。４２７ｎｍの反射光は７．３秒後にピークとなり、その後、徐々に減少する。一方３６５ｎｍの反射光は１３．３秒後にピークとなり、その後、徐々に減少する。また、終点は１７．３ｓである。実際の量産では、この反射光強度やエッチングの終点にはばらつきがでるが、波形は相似形となる。したがって、３６５ｎｍがピークになるエッチング時間ｔ１と４２７ｎｍがピークになるエッチング時間ｔ２から、終点時間ｔ３が数式１を使って予測できる。
【数１】
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【００３８】
例えば、ガス排気ラインにガスを流しはじめてから、ガス流量が安定なるまでに２ｓ（秒）要する場合は、数式１からジャストエッチ時刻ｔ３を予測し、その２ｓ（秒）以前より次ステップで使うガスを排気ラインに流し始める。その後、終点に達した時点でバルブの切替えにより処理ガスを切り替える。この方式を、図６の３ステップエッチングに適用した場合の流量の時間変化を図１６に示す。
【００３９】
これによってステップ切換え後、スムーズに所望のガス流量に達するようになった。この時の圧力の時間変化を図１７に示す。ステップ切換え時の、大幅な圧力の下落が改善されている。ステップ１直後にアンダーシュートで圧力が下がっていることを除けば、圧力はスムーズに変化するようになった。
【００４０】
この時の反射電力の変化を図１８に示す。プラズマが消滅して反射電力が大幅に増加するのは、ステップ１直後の一瞬のみで、ステップ２直後の反射電力増加はみられなくなった。本方式を用いて連続放電を行った場合のパーティクル起因の製品欠陥率は、放電中断の場合の７０％から４０％に低減された。
【００４１】
以上のように、本発明の実施例３では、図９のガス切換えシステムを用いて、かつ、図１４の光源３３と分光システム３２を具備した干渉膜厚計等による終点時刻の予測に基づいて、次ステップのガスを事前に排気ラインに流しておくことによって、ステップ切換え時の圧力の落ち込みを低減できる。このため、連続放電した場合に、放電の不安定を生じることなく、パーティクル起因の製品欠陥を減らすことができるという効果を奏する。
【実施例４】
【００４２】
実施例３では、ステップ１の直後に瞬間的ではあるが圧力が０．２Ｐａまで低下して、プラズマが消滅している。このため、連続放電による製品欠陥低減の効果が十分ではない。そこで、ステップ１の直後の圧力低下を低減する方法を検討した。
【００４３】
ステップ１とステップ２では、圧力はほぼ同じであるが、流量が１／２に減少している。圧力制御の応答性が遅く、ステップ切替時の急激な流量減少に追従できないため、圧力のアンダーシュートが起きていることがわかった。このアンダーシュートの問題を解決するため、本発明の実施例４では、ガス流量を段階的に変化させる方法を導入した。
【００４４】
図１９に示すように、ステップ２の直後の１．０ｓ間だけＭＦＣ１１２の流量を１５０ｓｃｃｍに設定し、それ以降を１００ｓｃｃｍに減らした。このときの圧力の変化を図２０に示す。ガス流量を段階的に引き下げることによって圧力のアンダーシュートが小さくなっており、圧力が０．３Ｐａ以下になることはない。この時の反射電力の変化を図２１に示す。プラズマ消滅によって反射電力が増える現象は発生しなくなった。この時の、パーティクル起因の製品欠陥率は４％と大幅に低減された。
【００４５】
以上のように、本発明の実施例４では、実施例３のガス流量切換え方式を用いても解決できない、ステップ１とステップ２の流量の違いによる圧力のアンダーシュートについて、ステップ２の開始時の流量を、ステップ１とステップ２の中間的な流量にすることによって、圧力のアンダーシュートを低減できることができた。この方式を用いれば、連続放電した場合でも、ステップ切換え時のプラズマ消滅がなくなり、パーティクル起因の製品欠陥を大幅に軽減できる。
【実施例５】
【００４６】
本発明の実施例５では、上記実施例３のアンダーシュートを圧力制御の性能アップで改善する方法を導入した。圧力制御用可変バルブ２３の応答速度を改善して、開閉に要する時間を１ｓ（秒）から０．５ｓ（秒）に向上させた。このときの結果を図２２に示す。圧力制御用可変バルブ２３の開閉速度をのみ向上させても、アンダーシュートの低減には全く効果がないことがわかった。
【００４７】
そこで次に、制御周期の影響を調べた。実施例１〜４の構成では、コンピュータ２５が圧力制御用可変バルブ２３だけでなく、エッチングシステム全体を制御している。このため多数のユニットからコンピュータ２５にＩ／Ｏ割り込みがあり、制御周期を０．２ｓ（秒）以下にすることは困難である。そこで、本発明の実施例５では、図２３に示すように、圧力制御専用のマイコン３６を搭載し、コンピュータ２５からは圧力の設定値のみが、マイコン３６に指示されるような構成に変更して、制御周期を短くした。
【００４８】
制御周期を０．２ｓ（秒）から０．０１ｓ（秒）まで変えていった場合の圧力の極小値を調べた結果を図２４に示す。制御周期０．２ｓ以上の領域では、圧力制御用可変バルブ２３の開閉速度を改善しても、圧力の極小値には変化がない。一方、制御周期０．２ｓ未満の場合は、圧力制御用可変バルブ２３の開閉速度を向上させることで、圧力の極小値が大きくなる。
【００４９】
したがって、アンダーシュートを低減するには、制御周期を０．２ｓ未満にして、かつ、圧力制御用可変バルブ２３の開閉速度を向上させればよいことが分かった。制御周期を０．０１ｓに設定し、圧力制御用可変バルブ２３の開閉時間を０．５ｓにした場合の、圧力の変化を図２５に示す。ステップ１直後のアンダーシュートは軽減され、処理圧力が０．３Ｐａ以下になることはなくなった。この時の反射電力の変化を図２６に示す。プラズマ消滅によって反射電力が増える現象は発生しなくなった。この時の、パーティクル起因の製品欠陥率は４％と大幅に低減された。
【００５０】
以上のように、本発明の実施例５では、実施例３のガス流量切換え方式を用いても解決できない、ステップ１とステップ２の流量の違いによる圧力のアンダーシュートについて、圧力制御専用のマイコン３６を用いて、圧力の制御周期を０．２ｓ以下にして、バルブの開閉速度を向上させることによって、圧力のアンダーシュートを低減できることができた。本発明の実施例５によれば、連続放電した場合でも、ステップ切換え時のプラズマ消滅がなくなり、パーティクル起因の製品欠陥を大幅に軽減できる。
【実施例６】
【００５１】
本発明の実施例６では、実施例５のガス切替え方式および圧力制御方式をマイクロ波エッチング装置に適用した。この場合の構成を図２７に示す。この装置では、エッチングガスは、ガス供給ユニット１６から、石英製の誘電体窓５０の内部に作られたガス溜り５１を経て、誘電体窓５０の減圧処理室側に設けられた複数の穴から、減圧処理室内に導入される。また、マグネトロン５３で生成されたマイクロ波が導波管５４、空洞共振部５５、誘電体窓５０を経て、減圧処理室内に供給される構造になっており、このマイクロ波と、コイル５６の作る磁場の相互作用によってプラズマ１７を生成する構造になっている。また、この装置は、圧力制御の安定性を上げるため、減圧処理室の容積を１５０Ｌ（リットル）と比較的大きくなっている。その他の構成は実施例５と同様である。
【００５２】
この装置を用いて、図２９の構造の試料を図２８の３ステップエッチングで処理した。このエッチングではレジストパターンのマスク６０に沿って、ポリシリコン６１、シリコン酸化膜６２、ポリシリコン６３をエッチングし、シリコン酸化膜６４と基板シリコン６５を残す必要がある。まず、第１ステップでは、ポリシリコン６１、シリコン酸化膜６２をエッチングする。第２ステップでは、シリコン酸化膜６４が露出するまで、ポリシリコン６３をエッチングする。
【００５３】
このときの加工形状は、図３０のように、ポリシリコン６３がテーパ形状になる。第３ステップでは、このテーパ形状の裾部をエッチング除去する。このとき、シリコン酸化膜６４がエッチングされないようにするため、シリコン酸化膜のエッチング速度の遅い高圧力条件を用いている。
【００５４】
放電中断と連続放電の二つの方法で処理して加工形状を比較した。放電中断処理の場合は、十分な膜厚のシリコン酸化膜６４が残っていたのに対して、連続放電の場合は、図３１のように、シリコン酸化膜６４が消失して、基板シリコン６５の一部が深くエッチングされていた。
【００５５】
この違いの発生する理由を調べた。放電中断処理の場合のガス圧力の変化を図３２に示し、放電中断処理の場合のマイクロ波の投入電力・反射電力の変化を図３３に示す。
放電中断処理では、各ステップの始め５ｓ間に、マイクロ波電力を投入しない時間帯を設けることによって、圧力の安定な時間帯のみにエッチング処理を行っている。
【００５６】
一方、連続放電の場合のガス圧力の変化を図３４に示し、連続放電の場合のマイクロ波の投入電力・反射電力の変化を図３５に示す。この場合は、最初の５ｓ（秒）間を除き、エッチング終了までマイクロ波電力を投入している。このため、圧力の変化している最中もエッチング処理していることになる。特にステップ３の開始時は圧力が０．５Ｐａから３Ｐａに徐々に上昇する時間帯が２．５ｓ（秒）程あり、この間のエッチングを考慮する必要がある。
【００５７】
ステップ３のガス条件にて、圧力を０．４Ｐａから３Ｐａまで変えた場合のポリシリコンおよびシリコン酸化膜のエッチング速度を図３６に示す。３Ｐａの圧力では、シリコン酸化膜のエッチング速度がほとんど０ｎｍ／ｍｉｎであるのに対して、圧力を下げた場合はシリコン酸化膜のエッチング速度が増加しており、０．５Ｐａの圧力の近傍では、エッチング速度が４０ｎｍ／ｍｉｎ程度の高い値となり、シリコンとの選択比が大幅に低下していることがわかる。このため、シリコン酸化膜６４の膜厚が薄い場合は、ステップ３開始後、３Ｐａに達するまでの２．５ｓ（秒）間にシリコン酸化膜６４がエッチング除去されたと考えられる。
【００５８】
そこで、圧力の立上がりの時間を短縮する方法を考えた。圧力の立ち上がり時間は、ほぼ処理室容積に比例し、ガス流量に反比例する。そこで、本発明の実施例６では、ステップ３の開始時の総ガス流量を通常よりも増加し、その後、通常の流量に戻す方法を導入した。通常の総ガス流量は図３７に示すように各ステップともほぼ同量の１００ｓｃｃｍであるが、本発明の実施例６では、図３８に示すように、ステップ３の開始１秒間のＨＢｒ（臭化水素）およびＯ２（酸素）のガス流量を通常の４倍の４００ｓｃｃｍと８ｓｃｃｍに増やし、その後、通常の流量に戻すようにした。
この時の圧力の変化を図３９に示す。３Ｐａの圧力に達するために要する時間は０．５ｓ（秒）に短縮され、ガス流量を４倍の値から標準値に戻す際の圧力変動も極めて小さく抑えることができた。この方法を用いて、図２９の試料をエッチングした結果、シリコン酸化膜の残膜厚や加工形状が、図４０のように放電中断処理の場合とほぼ同じになった。
【００５９】
以上のように、本発明の実施例６では、ステップ１からステップ２に移行する際に圧力増加が必要な場合、ステップ２開始時の流量を、ガス流量比を一定のまま、ガス流量を所望の値より大きくすることによって、より短時間で目的の圧力値にすることができる。この方法を用いれば、連続放電処理を行った場合でも、放電中断処理と差異のない加工特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施例１のエッチング装置の構成図である。
【図２】実施例１のエッチング装置のガス供給ユニットの構成である。
【図３】実施例１の電力比１：１の場合のプラズマ放電安定域である。
【図４】実施例１の電力比１：０の場合のプラズマ放電安定域である。
【図５】実施例１の電力比０：１の場合のプラズマ放電安定域である。
【図６】本発明の実施例２のエッチング条件表である。
【図７】実施例１の１枚目の総ガス流量の時間変化である。
【図８】実施例１の２枚目の総ガス流量の時間変化である。
【図９】実施例２のエッチング装置のガス供給ユニットの構成である。
【図１０】実施例２の１枚目の総ガス流量の時間変化である。
【図１１】実施例２の２枚目の総ガス流量の時間変化である。
【図１２】実施例２の反射電力の時間変化である。
【図１３】実施例２の減圧処理室圧力の時間変化である。
【図１４】本発明の実施例３のエッチング装置の構成図である。
【図１５】実施例３の干渉膜厚モニタで得られた反射強度の時間変化である。
【図１６】実施例３の総ガス流量の時間変化である。
【図１７】実施例３の減圧処理室圧力の時間変化である。
【図１８】本発明の場合の反射電力の時間変化である。
【図１９】本発明の実施例３の総ガス流量の時間変化である。
【図２０】実施例３の減圧処理室圧力の時間変化である。
【図２１】実施例３の反射電力の時間変化である。
【図２２】実施例３の減圧処理室圧力の時間変化である。
【図２３】本発明の実施例４のエッチング装置の構成図である。
【図２４】実施例４のバルブ開度制御周期と圧力極小値の関係である。
【図２５】実施例４の減圧処理室圧力の時間変化である。
【図２６】実施例４の反射電力の時間変化である。
【図２７】本発明の実施例５のエッチング装置の構成図である。
【図２８】実施例５のエッチング条件表である。
【図２９】実施例５の処理前の被エッチング試料の断面構造である。
【図３０】実施例５のステップ２直後の被エッチング試料の断面構造である。
【図３１】実施例５のステップ３直後の被エッチング試料の断面構造である。
【図３２】放電中断の場合の減圧処理室圧力の時間変化である。
【図３３】放電中断の場合のマイクロ波の入反射電力の時間変化である。
【図３４】連続放電の場合の減圧処理室圧力の時間変化である。
【図３５】連続放電の場合のマイクロ波の入反射電力の時間変化である。
【図３６】ステップ３の条件の場合の減圧処理室圧力とシリコンおよびシリコン酸化膜エッチング速度の関係である。
【図３７】本発明の実施例６の総ガス流量の時間変化である。
【図３８】実施例６の総ガス流量の時間変化である。
【図３９】実施例６の減圧処理室圧力の時間変化である。
【図４０】実施例６のステップ３直後の被エッチング試料の断面構造である。
【図４１】特許文献１の従来例のガス供給ユニットの構成である。
【符号の説明】
【００６１】
１    バルブ
２    バルブ
３    ＭＦＣ
４    ガス供給源
５    排気ポンプ
６    処理室
７    排気ポンプ
８    処理ガスライン
９    排気ガスライン
１２    アンテナコイル
１３    アンテナコイル
１４    ＲＦ電源
１５    電力分配器
１６    ガス供給ユニット
１７    プラズマ
１８    ウエーハステージ
１９    ガスノズル
２０    減圧処理室
２１    ウエーハ
２２    ターボ分子ポンプ
２３    圧力制御用可変バルブ
２４    キャパンシタンスマノメータ
２５    コンピュータ
２６    誘電体窓
２７    光ファイバ
２８    分光システム
２９    ＲＦ電源
３０    石英窓
３１    石英窓
３２    分光器システム
３３    光源
３４    光ファイバ
３５    光ファイバ
３７    圧力制御専用のマイコン
５０    石英製の誘電体窓
５１    ガス溜り
５３    マグネトロン
５４    導波管
５５    空洞共振部
５６    コイル
６０    レジストパターンのマスク
６１    ポリシリコン
６２    シリコン酸化膜
６３    ポリシリコン
６４    シリコン酸化膜
６５    基板シリコン
１００    バルブ
１０１    ガス
１０２    ＭＦＣ
１０３    バルブ
１０４    バルブ
１０５    処理ガスライン
１０６    排気ガスライン
１０７    排気ポンプ
１１１    ガス
１１２    ガス
１１２    ＭＦＣ
１１３    バルブ
１２１    ガス
１２２    ＭＦＣ
１２３    バルブ
１２４    バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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