(57)【要約】【課題】電極間隔の短いエッチング装置においても、形状寸法を所望の形状にする。【解決手段】本発明のエッチング装置は、反応室１と、反応室１の底面部に設けられた下部電極２と、天井部に下部電極２と対向して設けられた上部電極１０と、下部電極２の上に設けられ、被処理基板３を保持するための空洞を有するフォーカスリング８とを備えている。上部電極１０の下面の中心部には、被処理基板３の直径よりも小さな内径を有する凹部が設けられている。これにより、被処理基板３の中心部において、プラズマを発生させた場合にラジカルが再入射する量を低減することができる。したがって、被処理基板３の中心部のホール等を、テーパー状の形状にせずに所望の形状で形成することができる。【選択図】図１
2005217240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応室と、
上記反応室内に設けられた下部電極と、
上記反応室内において上記下部電極と対向して設けられた上部電極と、
上記反応室内において上記下部電極の面のうち上記上部電極と対向する面の上に設けられたリングであって、上記リングの内側に被処理基板を固定することができる基板固定部材とを備え、
上記上部電極の面のうち上記下部電極と対向する面には、上記基板固定部材の内径よりも小さな内径の凹部が設けられている、ドライエッチング装置。
【請求項２】
請求項１に記載のドライエッチング装置であって、
上記上部電極と上記下部電極との間の間隔は、上記上部電極と上記下部電極のうち半径が小さい方の電極半径よりも狭い、ドライエッチング装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のドライエッチング装置であって、
上記凹部は、上記上部電極の中心から離れるにしたがって深さが浅くなるドーム形状である、ドライエッチング装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載のドライエッチング装置であって、
上記上部電極のうちの中心部と上記中心部の側面上を囲む外周部とは互いに独立して上記下部電極との間隔を調整することができ、上記中心部と上記下部電極との間隔を上記外周部と上記下部電極との間隔よりも長くすることにより上記凹部が設けられている、ドライエッチング装置。
【請求項５】
反応室と、
上記反応室内に設けられた下部電極と、
上記反応室内において上記下部電極と対向して設けられた上部電極と、
上記反応室内において上記下部電極の面のうち上記上部電極と対向する面の上に設けられたリングであって、上記リングの内側に被処理基板を固定することができる基板固定部材とを備え、
上記上部電極は、上記基板固定部材の内径よりも小さな直径を有する中心部と、上記中心部の側面上を囲み、上記中心部よりもエッチャントに対するスカベンジ能力が高い材質からなる外周部とを有する、ドライエッチング装置。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか１項に記載のドライエッチング装置であって、
エッチングにより生じたプラズマ粒子が上記下部電極に再入射する時間よりも、上記反応室内におけるエッチングガスの滞在時間が長い状態で使用される、ドライエッチング装置。
【請求項７】
請求項１〜７のうちいずれか１項に記載のドライエッチング装置であって、
上記上部電極は、シリコン（Ｓｉ），石英（ＳｉＯ2 ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、アルミニウム（Ａｌ）および酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）のうちの少なくとも１つを含む物質からなる、ドライエッチング装置。
【請求項８】
請求項１〜７のうちいずれか１項に記載のドライエッチング装置を用いたドライエッチング方法であって、
上記基板固定部材に上記被処理基板を載置する工程（ａ）と、
上記反応室内にエッチングガスを導入した状態で上記上部電極と上記下部電極との間にプラズマを発生させることによりドライエッチングを行なう工程（ｂ）とを備え、
上記工程（ｂ）の前に、上記エッチングガスの滞在時間とエッチングにより生じたプラズマ粒子が上記下部電極に再入射する時間に応じて、上記上部電極と上記下部電極との間隔を調節する工程をさらに備える、ドライエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドライエッチング装置およびドライエッチング方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１０は、酸化膜等に対するエッチングに用いられる従来のドライエッチング装置の構成を示す概略図である。
【０００３】
図１０に示すように、反応室１０１内には、底面部に設けられた下部電極１０２と、天井部に下部電極１０２と対向するように設けられた上部電極１１０とが配置している。下部電極１０２と上部電極１１０とは、プラズマを発生させるために必要な空間の分だけ離間して設けられている。下部電極１０２の上には、被処理基板１０３を保持するためのフォーカスリング１０８が設けられている。フォーカスリング１０８は、中心部に被処理基板１０３を保持するための空洞を有している。
【０００４】
反応室１０１の外側には、下部電極１０２に電圧を印加するための高周波電源１０４が設けられている。高周波電源１０４は、下部電極１０２に１３．５６ＭＨｚの電圧を印加する。一方、上部電極１１０は接地電位１０７に接続されている。上部電極１１０の上には、反応室１０１内にプロセスガスを導入するためのガス導入口１０５が設けられている。ガス導入口１０５から供給されたプロセスガスは、上部電極１１０を貫通して設けられた導入管（図示せず）を通過して反応室１０１内に供給される。一方、反応室１０１の下部には、反応室１０１内から外部にプロセスガスを排出するためのガス排気口１０６が設けられている。
【０００５】
次に、図１０に示すような従来のドライエッチング装置を用いてドライエッチングを行う方法について、図１１を参照しながら説明する。ここでは、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜をエッチング停止膜として用い、層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程を例として説明する。図１１は、ＳＲＡＭのメモリセルにおいて、隣接するゲート電極の間で上層配線を基板と電気的に接続するためのコンタクトホールを途中まで形成した状態を示す断面図である。
【０００６】
コンタクトホールを形成する工程前の半導体装置では、図１１に示すように、予めウェル形成や素子分離形成を行ったシリコン基板１１７の表面上に、熱酸化によって形成されたゲート酸化膜１１５と、その上に位置するゲート電極１１８とが設けられている。そして、ゲート電極１１８の上面上にはオフセット酸化膜１１３が設けられ、ゲート電極１１８の側面上には、断面形状がＬ字状の膜１１６と、Ｌ字状の膜１１６の上に設けられた被覆膜１２０とからなるサイドウォールが設けられている。また、シリコン基板１１７のうちの表層部には、ＬＤＤ構造を有するソース・ドレイン領域（図示せず）が設けられている。つまり、ゲート電極１１８に対して自己整合的に設けられたエクステンション拡散層（図示せず）と、サイドウォールに対して自己整合的に設けられたソース・ドレイン領域とが設けられている。
このような状態で、シリコン基板１１７の上に、オフセット酸化膜１１３およびサイドウォールの上を覆うようにＳｉＮエッチング停止膜１１４を形成し、その上にＳｉＯx （ｘ＝１, ２・・・）からなる層間絶縁膜１１２を堆積した後、層間絶縁膜１１２の表面を平坦化する。その後、フォトリソグラフィを行うことにより、層間絶縁膜１１２の上にレジストパターン１１９を形成する。次に、レジストパターン１１９をマスクとして層間絶縁膜１１２に対してドライエッチングを行う。このドライエッチングの際にＳｉＮエッチング停止膜１１４に対して、層間絶縁膜１１２を構成するＳｉＯx の選択比が十分に大きければ、コンタクトホールが層間絶縁膜１１２を貫通してＳｉＮエッチング停止膜１１４に到達した時点で、エッチング速度が急激に低下する。この時点で、ＳｉＮを選択的に除去することができるエッチング条件に切り替えれば、コンタクトホールを完成することができる。
しかしながら、ＳｉＮとＳｉＯx とは、結晶格子を構成する化学結合のエネルギーが近接しており、エッチング種も基本的に共通であるというエッチング特性を有する。しかも、フッ素ラジカルによるエッチングを行った場合には、ＳｉＮの方がＳｉＯx よりもエッチング速度がやや速い。以上のことから、ＳｉＮをエッチング停止膜として用いるＳｉＯx 膜の高選択エッチングは、極めて難度の高いものとされている。
【０００７】
層間絶縁膜１１２に対するドライエッチングとしては、フルオロカーボン系ガスのプラズマを用いることによりＣＦ系ポリマーを形成して選択比を確保する方法が主流となってきている。フルオロカーボン系のガスを用いた場合には、ＣＦ系ポリマーが生成され、これが下地表面に堆積してＣＦ系保護膜が形成される。このＣＦ系保護膜の堆積によるエッチング速度の低下を補うために、高密度プラズマ中でエッチング種を大量生成させる。このように、高選択比を得るためには、高密度プラズマを発生させることが非常に重要である。
【０００８】
図１０に示すドライエッチング装置においては、エッチングレートの均一性を向上することが要求されている。この要求に対して、上部電極の形状を凹状に湾曲させる方法が提案されている（特許文献１参照）。その理由は次の通りである。反応室内における被処理基板の外周部では、エッチングガスの対流が起きて、反応生成物が堆積しやすい状態になる。これにより、被処理基板の外周部ではエッチングレートの低下が起きるため、被処理基板全体としてのエッチングレートの均一性が悪化する。このとき、特許文献１に開示されているように、反応室内の上部電極の形状を凹状に湾曲させることによって、被処理基板外周部において電極間隔を短くすれば、その部分のエッチングレートを高めることができる。したがって、被処理基板の外周部のエッチングレートを、被処理基板の中心部とほぼ等しくすることができる。すなわち、上部電極の形状を凹状に湾曲させることによってエッチングレートの均一性を高めることができる。
【特許文献１】特開平１１−３１７３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、近年では、デバイスの取れ数を増大しコストを削減するために、被処理基板の直径が拡大している。被処理基板の口径が大きくなると、エッチング装置における電極の直径も大きくなる。
【００１０】
その一方では、半導体装置の高集積化によりデザインルールの微細化が進んでおり、エッチングをより正確に行うために、エッチングの際に発生させるプラズマの制御性を向上させなければならない。このために、エッチング装置の電極間隔を狭くする必要がある。
【００１１】
以上のことから、電極の直径が拡大する傾向にあるのに対して、電極間隔は狭くなっていることがわかる。しかしながら、このようなエッチング装置でエッチングを行うと、以下のような不具合が生じる。図１２（ａ）〜（ｃ）は、従来において、電極間隔が狭いエッチング装置を用いて大口径被処理基板にコンタクトホールを形成する際の問題点を説明するための断面図である。
【００１２】
図１２（ａ）に示すように、エッチングの対象である酸化膜１２１の上に、例えばコンタクトホールパターンの開口１２３を有するレジストパターン１２２を形成する。ここで、レジストパターン１２２のホール径（リソグラフィ後寸法）をＬ０と表す。
【００１３】
図１２（ａ）に示す状態の酸化膜１２１に対して、レジストパターン１２２をマスクとしてエッチングを行なうことにより、酸化膜１２１にコンタクトホールを形成する。ここで、図１２（ｂ）は被処理基板の中心部におけるコンタクトホール１２３ａの形状を示し、図１２（ｃ）は被処理基板の外周部におけるコンタクトホール１２３ｂの形状を示している。ここで、それぞれにおいて開口されたコンタクトホールのホール径（ドライエッチング後寸法）のうち、トップ径をＬ１, Ｌ１’と示し、ボトム径をＬ２, Ｌ２' と示す。
【００１４】
従来のドライエッチング装置を用いた場合には、図１２（ｂ）, （ｃ）に示すように、被処理基板の中心部におけるコンタクトホール１２３ａがテーパ形状になってしまい、深さが深くなるほど内径が小さくなってしまう。このように、被処理基板面内でのホール寸法の均一性が悪化してしまう。
【００１５】
本発明の目的は、電極間隔が狭いエッチング装置においても、エッチング形状の面内均一性を向上させて所望の形状を得ることにある。より具体的には、電極間隔が狭く大口径の被処理基板に対してコンタクトホールを形成する際に、被処理基板の中心部のコンタクトホールの形状がテーパー状になるのを防止して、所望の形状となるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述の目的を達成するために、本願発明者は、狭い電極間隔のエッチング装置で大口径被処理基板に対してドライエッチングを行った場合に形状寸法の面内均一性が悪化する原因を検討した結果、次のような知見を得た。
【００１７】
図１３は、従来のエッチング装置において、被処理基板の口径Ｓに対する電極間隔Ｌの比と、ホールの形状寸法の３σ（σ：標準偏差）との関係を示すグラフ図である。
図１３に示すように、例えば、Ｓ＝２００ｍｍ、Ｌ＝２５ｍｍ（Ｌ／Ｓ＝０．１２５）のときには、エッチング後形状寸法の被処理基板面内での面内ばらつき３σは２０ｎｍ程度である。一般に、ホール径のルールの１０％がばらつきとして許容されるため、ホール径が０．２μｍ程度の場合に、面内ばらつきが２０ｎｍであれば問題はない。
【００１８】
それに対して、例えばＳ＝３００ｍｍ、Ｌ＝２５ｍｍ（Ｌ／Ｓ≒０．０８３）のときには、被処理基板面内での面内ばらつき３σは３０ｍｍ程度となる。この場合には、今後も微細化の一途をたどるホール径に対応することができず、例えばホール径が０．１５μｍの場合には、面内ばらつきは許容範囲を超えるものとなる。
【００１９】
本願発明者は、反応室内に一対の電極が設置され、電極半径よりも電極間隔が狭い状態で使用されるドライエッチング装置を用いて酸化膜エッチングを行なった場合に、ホールの面内ばらつきが問題となることを見出した。すなわち、電極間隔がせまいため、ガス滞在時間より、プラズマ粒子が被処理基板から脱離して上部電極によって反射され被処理基板に再入射する時間のほうが、はるかに短くなる。そのため、被処理基板の中心部においてプラズマ粒子の再入射の影響が大きくなり、ポリマー堆積の原因となるフルオロカーボンラジカル、つまりデポ種が過剰となる。その結果、エッチングレートが均一であっても、被処理基板の中心部において、エッチング形状の制御性（以下、形状制御性と称する）が悪化するといった不具合が生じる。
【００２０】
このような不具合を解消するために、本発明の第１のエッチング装置は、反応室と、上記反応室内に設けられた下部電極と、上記反応室内において上記下部電極と対向して設けられた上部電極と、上記反応室内において上記下部電極の面のうち上記上部電極と対向する面の上に設けられたリングであって、上記リングの内側に被処理基板を固定することができる基板固定部材とを備え、上記上部電極の面のうち上記下部電極と対向する面には、上記基板固定部材の内径よりも小さな内径の凹部が設けられている。
【００２１】
このように中心部のみに凹部を設けることにより、プラズマ粒子の再入射量を被処理基板の外周部と中心部とで均一にすることができる。よって、エッチング後におけるホール等の形状寸法の制御性を良好に保ちつつ、所望のエッチング形状を実現することができる。
【００２２】
上記上部電極と上記下部電極との間の間隔が、上記上部電極と上記下部電極のうち半径が小さい方の電極半径よりも狭い場合には、従来では、外周部と中央部とで形状寸法の差が大きくなっていたが、本発明では、形状寸法を良好にすることができる。
【００２３】
上記凹部は、上記上部電極の中心から離れるにしたがって深さが浅くなるドーム形状である場合には、上部電極に凹凸がないので、プラズマ粒子の対流が生じず、寸法制御性を高めることができる。
【００２４】
上記上部電極のうちの中心部と上記中心部の側面上を囲む外周部とは互いに独立して上記下部電極との間隔を調整することができ、上記中心部と上記下部電極との間隔を上記外周部と上記下部電極との間隔よりも長くすることにより上記凹部が設けられていてもよい。この場合には、エッチングの条件に対応して、常に寸法の制御性を高くすることができる。
【００２５】
本発明の第２のエッチング装置は、反応室と、上記反応室内に設けられた下部電極と、上記反応室内において上記下部電極と対向して設けられた上部電極と、上記反応室内において上記下部電極の面のうち上記上部電極と対向する面の上に設けられたリングであって、上記リングの内側に被処理基板を固定することができる基板固定部材とを備え、上記上部電極は、上記基板固定部材の内径よりも小さな直径を有する中心部と、上記中心部の側面上を囲み、上記中心部よりもエッチャントに対するスカベンジ能力が高い材質からなる外周部とを有する。これにより、上部電極にプラズマ粒子が衝突すると、外周部よりも中心部のほうでより多くのプラズマ粒子が除去される。したがって、上部電極から被処理基板の中心部に再入射するラジカルの量を従来よりも少なくすることができ、プラズマ粒子の再入射量を外周部と中心部とで均一にすることができる。したがって、エッチング後におけるホール等の形状寸法の制御性を常に良好に保ちつつ、所望のエッチング形状を実現することができる。
【００２６】
エッチングにより生じたプラズマ粒子が上記下部電極に再入射する時間よりも、上記反応室内におけるエッチングガスの滞在時間が長い状態で使用されることが好ましい。
【００２７】
上記上部電極は、シリコン（Ｓｉ），石英（ＳｉＯ2 ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、アルミニウム（Ａｌ）および酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）のうちの少なくとも１つを含む物質からなることが好ましい。
【００２８】
本発明のドライエッチング方法は、上述の第１および第２のドライエッチング装置を使用するものであって、上記基板固定部材に上記被処理基板を載置する工程（ａ）と、上記反応室内にエッチングガスを導入した状態で上記上部電極と上記下部電極との間にプラズマを発生させることによりドライエッチングを行なう工程（ｂ）とを備え、上記工程（ｂ）の前に、上記エッチングガスの滞在時間とエッチングにより生じたプラズマ粒子が上記下部電極に再入射する時間に応じて、上記上部電極と上記下部電極との間隔を調節する工程をさらに備える。
【００２９】
この場合には、エッチングの条件に対応して、常に寸法の制御性を高くすることができる。
【００３０】
なお、本明細書において、「ある材料を主成分とする」とは「ある材料のみから構成される」ことも含むものとする。
【発明の効果】
【００３１】
本発明のエッチング装置およびそれを用いたエッチング方法によると、上部電極と下部電極との間の間隔が被処理基板の半径よりも短い場合であっても、被処理基板に再入射するプラズマ粒子の量を基板の中心部と外周部において均一にすることができるので、エッチングの制御性を高めることができ、被処理基板に所望の形状を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング装置およびドライエッチング方法について、図面を参照しながら説明する。なお、以下では、酸化膜に対してコンタクトホールを形成するエッチングを例として説明する。図１は、第１の実施形態に係るドライエッチング装置の概略構成を示す模式図である。
【００３３】
図１に示すように、反応室１内には、底面部に設けられた下部電極２と、天井部に下部電極２と対向するように設けられた上部電極１０とが配置している。下部電極２と上部電極１０とは、プラズマを発生させるために必要な空間の分だけ離間して設けられている。
【００３４】
下部電極２の上には、被処理基板３（ウェハ）を保持するためのフォーカスリング８が設けられている。フォーカスリング８は、中心部に被処理基板３を保持するための空洞を有している。
【００３５】
反応室１の外側には、下部電極２に電力を印加するための高周波電源４が設けられている。高周波電源４は、下部電極に１３．５６ＭＨｚの電力を印加する。一方、上部電極１０は接地電位７に接続されている。
【００３６】
上部電極１０の上には、反応室１内にプロセスガスを導入するためのガス導入口５が設けられている。ガス導入口５から供給されたプロセスガスは、上部電極１０を貫通して設けられた導入管（図示せず）を通過して反応室１内に供給される。一方、反応室１の下部には、反応室１内から外部にプロセスガスを排出するためのガス排気口６が設けられている。
【００３７】
なお、図示は省略しているが、被処理基板３の上には、シリコン窒化膜等のエッチング停止膜を挟んで、エッチングの対象となるシリコン酸化膜が形成されている。
【００３８】
図２は、図１に示す上部電極１０の構造を示す断面図および凹部形成側の平面図である。図２に示すように、本実施形態の特徴は、上部電極１０の中心部に、他の部分よりも厚さの薄い凹部１０ａが設けられている点である。具体的には、外径が２０ｃｍであって厚さが２０ｍｍの上部電極１０の中心部に、内径が１０ｃｍであって深さが５ｍｍの凹部１０ａが形成されている。なお、この凹部１０ａの内径は、フォーカスリング８の内径よりも小さくなるように設けられている。フォーカスリング８の内径は、被処理基板３の外径と一致するように設定されているため、凹部１０ａの内径は、被処理基板３の外径よりも小さく設けられているともいえる。なお、上部電極１０はシリコンを主成分とする材料からなっている。
【００３９】
次に、上述したドライエッチング装置を用いて行うドライエッチングの方法について、図１を再度参照しながら具体的に説明する。まず、ガス導入口５から反応室１内に、Ｃ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8又はＣＦ4 等のフルオロカーボンガス（反応性ガス）、Ａｒガスおよび酸素ガスを供給する。そして、下部電極２に電圧を印加することにより、上記のガスからなるプラズマを発生させて、被処理基板３上の酸化膜に対してエッチング加工を行なう。このときのエッチングは、例えば、Ｃ4Ｆ8の流量が１０ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）、Ｏ2 流量が５ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）、Ａｒ流量が４００ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態、チャンバー内圧力が７Ｐａ、プラズマ発生用ＲＦ電力が１５００Ｗ、基板温度が２０℃の条件で行う。
【００４０】
次に、本実施形態のドライエッチング方法によって形成されたホールの形状寸法の精度について、図３を参照しながら説明する。図３は、従来のエッチング装置と本実施形態のエッチング装置のそれぞれにおいて、電極間隔を変化させてエッチングを行った場合に、形状寸法の３σが変化する様子を示すグラフ図である。図３において、横軸は電極間隔を示し、縦軸はエッチング後のボトム径の形状寸法の３σを示している。曲線（ａ）は本実施形態のエッチング装置における測定結果を示し、曲線（ｂ）は従来のエッチング装置における測定結果を示す。従来のエッチング装置としては、上部電極が平板型のものを用いた。なお、本実施形態のエッチング装置における電極間隔とは、上部電極１０の凹部以外の領域から下部電極２までの長さをいう。
【００４１】
従来の平板型上部電極を用いてエッチングを行った場合には、図３の曲線（ｂ）に示すように、電極間隔が減少するにしたがって、３σの値が大きくなっている。それに対し、本実施形態の上部電極１０を用いてエッチングを行った場合には、図３の曲線（ａ）に示すように、電極間隔が１０ｍｍ程度になっても良好な３σの値を得ることができる。このように、電極間隔が狭くなってもホールの形状が制御可能になっていることがわかる。その理由について以下に説明する。
【００４２】
プラズマ中においては、反応室１内に導入されたガスが解離して、デポ種となるＣx Ｆy ラジカル（フルオロカーボンラジカル）と、エッチャントとなるＦラジカル（フッ素ラジカル）とが発生する。これらのラジカルの粒子には、被処理基板３上で反応するものと、被処理基板３で反射されてチャンバー外に排出されるものと、被処理基板３で反射された後にさらに上部電極１０で反射されて、被処理基板３に再入射したり被処理基板３の側方に排出されたりするものとがある。
【００４３】
従来では、被処理基板の外周部よりも中心部において、粒子が被処理基板に再入射する割合が大きくなる。ここで、被処理基板の外周部と中心部との再入射量の差の値は、電極間隔と電極半径（下部電極と上部電極のうち半径が小さい方の電極半径であり、本明細書においては下部電極半径である）との比に依存する。つまり、再入射量の差の値は、電極間隔が小さくなるにつれて、または、電極半径が大きくなるにつれて大きくなる。そのため、電極間隔が電極半径よりも広い場合には特に、再入射量の差の値が大きくなる。
【００４４】
それに対し、本実施形態では、前述のように、上部電極１０の下面（下部電極２に対向する面）における中心部を凹型１０ａに形成することにより、中心部での電極間隔のみを長くすることができるため、プラズマ粒子の再入射量を被処理基板３の外周部と中心部とで均一にすることができる。よって、エッチング後におけるホール等の形状寸法の制御性を良好に保ちつつ、所望のエッチング形状を実現することができる。なお、本明細書において、「電極間隔が短い」とは、具体的には、電極間隔が電極半径よりも短い場合をいう。
なお、本実施形態では、外径２０ｃｍ、厚さ２０ｍｍの上部電極１０において、中心からの距離が５ｃｍの円内の領域が５ｍｍ窪んでいる例を示した。しかし、本実施形態の発明において、上部電極１０の凹部１０ａの深さは特に限定されるものではなく、凹部１０ａの半径も、被処理基板３の半径よりも小さい範囲であれば特に限定されるものではない。
【００４５】
また、本実施形態では、上部電極１０の主成分としてはシリコンを用いた。しかしながら、上部電極１０の主成分として、他の材料を用いることによっても、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４６】
また、本実施形態では、酸化膜エッチングのための反応性ガス（プラズマ生成用ガス）としてＣ4Ｆ8を用いた。しかし、本実施形態の発明において、プラズマ生成用ガスの種類は特に限られるものではなく、プラズマ生成用ガスは、例えばＣＦ4 、ＣＨＦ3 、ＣＨ2Ｆ2、ＣＨ3Ｆ 、Ｃ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8、Ｃ4Ｆ6及びＣ2Ｆ6のうちの少なくとも１つのガスを含むものであってもよい。
【００４７】
（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態に係るドライエッチング装置およびドライエッチング方法について、図面を参照しながら説明する。なお、以下では、酸化膜に対してコンタクトホールを形成するエッチングを例として説明する。図４は、第２の実施形態に係るドライエッチング装置の概略構成を示す模式図である。なお、図４において、第１の実施形態の図１に示すドライエッチング装置と同一の部材には同一の符号を付し、明細書においてもその部材の説明を省略する。
【００４８】
第２の実施形態のうちで第１の実施形態と異なる点は上部電極２０の構成である。具体的には、外径２０ｃｍであって厚さが２０ｍｍの上部電極２０の中心部に、内径が１５ｃｍのドーム状の凹部２０ａが形成されている。ドーム状の凹部２０ａの深さは、その中心部、つまり上部電極２０の中心部において最大の５ｍｍであり、中心から離れるにしたがって浅くなる。本実施形態において、上部電極２０はシリコンを主成分とする材料からなっている。なお、図示は省略しているが、被処理基板３上には、例えばシリコン窒化膜を介してエッチング対象物であるシリコン酸化膜が形成されている。
【００４９】
次に、上述したドライエッチング装置を用いて行うドライエッチングの方法について、図４を再度参照しながら具体的に説明する。まず、ガス導入口５内に、Ｃ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8又はＣＦ4 等のフルオロカーボンガス（反応性ガス）、Ａｒガスおよび酸素ガスを供給する。そして、下部電極２に電圧を印加することにより、上記のガスからなるプラズマを発生させて、被処理基板３上の酸化膜に対してエッチング加工を行なう。このときのエッチングは、例えば、Ｃ4Ｆ8の流量が１０ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）、Ｏ2 流量が５ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）、Ａｒ流量が４００ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）、チャンバー内圧力が７Ｐａ、プラズマ発生用ＲＦ電力が１５００Ｗ、基板温度が２０℃の条件で行う。
【００５０】
プラズマ中においては、反応室１内に導入されたガスが解離して、デポ種となるＣx Ｆy ラジカル（フルオロカーボンラジカル）と、エッチャントとなるＦラジカル（フッ素ラジカル）とが発生する。これらのラジカルの粒子には、被処理基板３上で反応するものと、被処理基板３で反射されてチャンバー外に排出されるものと、被処理基板３で反射された後にさらに上部電極２０で反射されて、被処理基板３に再入射したり被処理基板３の側方に排出されたりするものとがある。
【００５１】
従来では、被処理基板の外周部よりも中心部において、粒子が被処理基板に再入射する割合が大きくなる。ここで、被処理基板の外周部と中心部との再入射量の差の値は、電極間隔と電極半径との比に依存する。つまり、再入射量の差の値は、電極間隔が小さくなるにつれて、または、電極半径が大きくなるにつれて大きくなる。そのため、電極間隔が電極半径よりも広い場合には特に、再入射量の差の値が大きくなる。
【００５２】
それに対し、本実施形態では、前述のように、上部電極２０の下面（下部電極２に対向する面）における中心部をドーム状の凹型２０ａに形成することにより、中心部での電極間隔のみを長くすることができるため、プラズマ粒子の再入射量を被処理基板３の外周部と中心部とで均一にすることができる。よって、エッチング後におけるホール等の形状寸法の制御性を良好に保ちつつ、所望のエッチング形状を実現することができる。
さらに、本実施形態では、上部電極２０に直角形状を有する凹凸がないため、凹凸に起因してプラズマ粒子の対流が発生し、プラズマ制御性が悪化するのを防止することができる。それについて以下に説明する。
図５は、本実施形態の条件でエッチングを行った場合において、エッチング後の形状寸法のウェハ半径方向分布を示すグラフ図である。図５のグラフにおいて、横軸は電極の中心からの距離を示し、縦軸は、エッチングにより形成したホール等のボトム径の寸法を示している。曲線（ａ）は本実施形態のエッチング装置における測定結果を示し、曲線（ｂ）は比較例のエッチング装置における測定結果を示す。図５では、比較例として、第１の実施形態で示した外径２０ｃｍ、厚さ２０ｍｍの上部電極１０の中心部に内径１０ｃｍで深さ１０ｍｍのコーナー部に直角形状を有する凹部１０ａが設けられているエッチング装置を用いた。比較例のエッチング装置においては、上部電極１０の凹部１０ａの側面は、凹部１０ａの底面に対して垂直に形成されている。なお、本実施形態のエッチング装置と比較例のエッチング装置とにおいては、共に上述した本実施形態の条件でエッチングを行った。
【００５３】
比較例の測定結果では、図５の曲線（ｂ）に示すように、ウェハのうちで上部電極の急峻な段差部分の下に位置する部分で寸法が小さくなっている。それに対し、本実施形態の測定結果では、図５の曲線（ａ）に示すように、どの位置においても寸法はほぼ一定である。これは、比較例のエッチング装置では、上部電極の急峻な段差部分でプラズマ粒子の対流が生じてウェハに影響を与えるのに対して、本実施形態の上部電極２０では、ドーム形の凹部２０ａが設けられており、凹部２０ａの外周部はなめらかな形状で設けられていることから、プラズマ粒子の対流が生じないためと考えられる。その結果、本実施形態のエッチング装置では、全体的に寸法制御性が向上する。
【００５４】
なお、本実施形態では、外径２０ｃｍ、厚さ２０ｍｍの上部電極２０の中心部に、内径１５ｃｍであって最深部で５ｍｍ窪んでいるドーム状の凹部２０ａが設けられている例を示した。しかし、本実施形態の発明において、上部電極２０の凹部２０ａの深さは特に限定されるものではなく、凹部２０ａの半径も、被処理基板３の半径よりも小さい範囲であれば特に限定されるものではない。
【００５５】
また、本実施形態では、上部電極２０の主成分としてはシリコンを用いた。しかしながら、上部電極２０の主成分として、他の材料を用いることによっても、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５６】
また、本実施形態では、酸化膜エッチングのための反応性ガス（プラズマ生成用ガス）としてＣ4Ｆ8を用いた。しかし、本実施形態の発明において、プラズマ生成用ガスの種類は特に限られるものではなく、プラズマ生成用ガスは、例えばＣＦ4 、ＣＨＦ3 、ＣＨ2Ｆ2、ＣＨ3Ｆ 、Ｃ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8、Ｃ4Ｆ6及びＣ2Ｆ6のうちの少なくとも１つのガスを含むものであってもよい。
【００５７】
（第３の実施形態）
以下に、本発明の第３の実施形態に係るドライエッチング装置およびドライエッチング方法について、図面を参照しながら説明する。なお、以下では、酸化膜に対してコンタクトホールを形成するエッチングを例として説明する。図６は、第３の実施形態に係るドライエッチング装置の概略構成を示す模式図である。なお、図６において、第１の実施形態の図１に示すドライエッチング装置と同一の部材には同一の符号を付し、明細書においてもその部材の説明を省略する。
【００５８】
第３の実施形態のうちで第１の実施形態と異なる点は、上部電極３０の構成である。上部電極３０は、厚さ２０ｍｍで外径１０ｃｍの中心部３２と、中心部３２の側面を囲み、厚さ２０ｍｍで外形が２０ｃｍの、ドーナツ状の外周部３１との２つの電極で構成されている。そして、中心部３２および外周部３１はそれぞれ、下部電極２との間隔を独立に制御できる構成となっている。
本実施形態において、上部電極３０はシリコンを主成分とする材料からなっている。なお、図示は省略しているが、被処理基板３上には、例えばシリコン窒化膜を介して、エッチング対象物であるシリコン酸化膜が形成されている。
【００５９】
次に、上述したドライエッチング装置を用いて行うドライエッチングの方法について、図６を再度参照しながら具体的に説明する。まず、ガス導入口５内に、Ｃ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8又はＣＦ4 等のフルオロカーボンガス（反応性ガス）、Ａｒガスおよび酸素ガスを供給する。そして、下部電極２に電圧を印加することにより、上記のガスからなるプラズマを発生させて、被処理基板３上の酸化膜に対してエッチング加工を行なう。このときのエッチングは、例えば、Ｃ4Ｆ8の流量が１０ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）、Ｏ2 流量が５ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）、Ａｒ流量が４００ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）、チャンバー内圧力が７Ｐａ、プラズマ発生用ＲＦ電力が１５００Ｗ、基板温度が２０℃の条件で行う。
次に、本実施形態のドライエッチング方法によって形成されたホールの精度について、図７を参照しながら説明する。図７は、本実施形態のエッチング装置において、外周部３１の電極間隔を変化させてエッチングを行った場合に、形状寸法の３σが最小となるときの中心部３２と外周部３１との高さの差を示すグラフ図である。図７において、横軸は外周部３１と下部電極２との電極間隔を示し、縦軸は、エッチング後のボトム径の形状寸法の３σが最小となるときの中心部３２と下部電極２との電極間隔から、外周部３１と下部電極２との電極間隔を引いた値を示している。
図７に示すように、外周部３１と下部電極２との電極間隔が減少するにしたがって、３σが最小となるときの電極間隔差は大きくなる。言い換えると、外周部３１と下部電極２との電極間隔が変化すると、外周部３１と中心部３２との高さの最適な差の値も大きくなる。ここで、本実施形態のように中心部３２と外周部３１とで電極間隔を独立に制御することができれば、エッチングの条件に対応して、常に寸法の制御性を高くすることができる。つまり、プラズマ粒子の再入射量を外周部３１と中心部３２とで均一にすることができる。
【００６０】
なお、本実施形態においては、上部電極３０が、厚さ２０ｍｍ、外径２０ｃｍ、内径１０ｃｍの外周部３１と、厚さ２０ｍｍ、外径１０ｃｍの中心部３２とで構成されている例を示した。しかし、本実施形態の発明において、上部電極３０を構成する部分の数や、各部分の外径は特に限定されるものではない。
【００６１】
また、本実施形態では、上部電極３０の主成分としてはシリコンを用いた。しかしながら、上部電極３０の主成分として、他の材料を用いることによっても、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６２】
また、本実施形態では、酸化膜エッチングのための反応性ガス（プラズマ生成用ガス）としてＣ4Ｆ8を用いた。しかし、本実施形態の発明において、プラズマ生成用ガスの種類は特に限られるものではなく、プラズマ生成用ガスは、例えばＣＦ4 、ＣＨＦ3 、ＣＨ2Ｆ2、ＣＨ3Ｆ 、Ｃ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8、Ｃ4Ｆ6及びＣ2Ｆ6のうちの少なくとも１つのガスを含むものであってもよい。
【００６３】
（第４の実施形態）
以下に、本発明の第４の実施形態に係るドライエッチング装置およびドライエッチング方法について、図面を参照しながら説明する。なお、以下では、酸化膜エッチングを例として説明する。図８は、第４の実施形態に係るドライエッチング装置の概略構成を示す模式図である。なお、図８において、第１の実施形態の図１に示すドライエッチング装置と同一の部材には同一の符号を付し、明細書においてもその部材の説明を省略する。
【００６４】
第４の実施形態のうちで第１の実施形態と異なる点は、上部電極４０の構成である。上部電極４０は、厚さ２０ｍｍで外形１０ｃｍの中心部４２と、中心部４２の側方を囲み、厚さ２０ｍｍ、外形２０ｃｍの、ドーナツ状の外周部４１との２つの電極で構成されている。そして、中心部４２はフッ素ラジカルに対するスカベンジ能力の低い炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分とする材料からなり、外周部４１はフッ素ラジカルに対するスカベンジ能力の高いシリコンを主成分とする材料からなっている。
【００６５】
なお、図示は省略しているが、被処理基板３上には、例えばシリコン窒化膜を介して、エッチング対象物であるシリコン酸化膜が形成されている。
【００６６】
次に、上述したドライエッチング装置を用いて行うドライエッチングの方法について、図８を再度参照しながら具体的に説明する。まず、ガス導入口５内に、Ｃ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8又はＣＦ4 等のフルオロカーボンガス（反応性ガス）、Ａｒガスおよび酸素ガスを供給する。そして、下部電極２に電圧を印加することにより、上記のガスからなるプラズマを発生させて、被処理基板３上の酸化膜に対してエッチング加工を行なう。このときのエッチングは、例えば、Ｃ4Ｆ8の流量が１０ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）、Ｏ2 流量が５ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）、Ａｒ流量が４００ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）、チャンバー内圧力が７Ｐａ、プラズマ発生用ＲＦ電力が１５００Ｗ、基板温度が２０℃の条件で行う。
次に、本実施形態のドライエッチング方法によって形成されたホールの精度について、図９を参照しながら説明する。図９は、従来のエッチング装置と本実施形態のエッチング装置とのそれぞれにおいて、電極間隔を変化させてエッチングを行った場合に、形状寸法の３σが変化する様子を示すグラフ図である。図９において、横軸は上部電極と下部電極との電極間隔を示し、縦軸はエッチング後のボトム径の形状寸法の３σを示している。曲線（ａ）は本実施形態のエッチング装置における測定結果を示し、曲線（ｂ）は従来のエッチング装置における測定結果を示す。なお、従来のエッチング装置としては、上部電極が平板型のものを用いた。
従来の平板型上部電極を用いてエッチングを行った場合には、図９の曲線（ｂ）に示すように、電極間隔が減少するにしたがって、３σの値が大きくなっている。それに対し、本実施形態の上部電極４０を用いてエッチングを行った場合には、図９の曲線（ａ）に示すように、電極間隔が狭くなっても３σの値はあまり増加せず、電極間隔が１０ｍｍ程度になっても良好な３σの値を得ることができる。このように、電極間隔が狭くなってもホールの形状が制御可能になっていることがわかる。その理由について以下に説明する。
【００６７】
プラズマ中においては、反応室１内に導入されたガスが解離して、デポ種となるＣx Ｆy ラジカル（フルオロカーボンラジカル）と、エッチャントとなるＦラジカル（フッ素ラジカル）とが発生する。これらのラジカルの粒子には、被処理基板３上で反応するものと、被処理基板３で反射されてチャンバー外に排出されるものと、被処理基板３で反射された後にさらに上部電極４０で反射されて、被処理基板３に再入射したり被処理基板３の側方に排出されたりするものとがある。
【００６８】
従来では、被処理基板の外周部よりも中心部において、粒子が被処理基板に再入射する割合が大きくなる。ここで、被処理基板の外周部と中心部との再入射量の差の値は、電極間隔と電極半径との比に依存する。つまり、再入射量の差の値は、電極間隔が小さくなるにつれて、または、電極半径が大きくなるにつれて大きくなる。そのため、電極間隔が電極半径よりも広い場合には特に、再入射量の差の値が大きくなる。
それに対し、本実施形態では、上部電極４０の外周部４１のスカベンジ効果が中心部４２よりも高いので、上部電極４０にラジカルが衝突すると、中心部４２よりも外周部４１の方でより多くの割合のラジカルが除去される。したがって、上部電極４０から被処理基板３の外周部に再入射するラジカルの量を従来よりも少なくすることができ、デポ種とエッチャントの割合を外周部４１と中心部４２とで均一にすることができる。このように、プラズマ粒子の再入射の影響度合いの差を相殺することができるため、エッチング後におけるホール等の形状寸法の制御性を常に良好に保ちつつ、所望のエッチング形状を実現することができる。
さらに、本実施形態では、外周部４１と中心部４２からなる上部電極４０が平坦な下面を有しているため、上部電極４０の凹凸によってプラズマ粒子の対流が発生するおそれがなくなる。
【００６９】
なお、第４の実施形態においては、上部電極４０の外周部４１を、外径２０ｃｍで厚さ２０ｍｍの寸法で、フッ素ラジカルに対するスカベンジ能力の高いシリコンを主成分とする材質からなるとした。また、上部電極４０の中心部４２を、外径１０ｃｍで厚さ２０ｍｍの寸法で、フッ素ラジカルに対するスカベンジ能力の低いＳｉＣを主成分とする材質からなるとした。しかしながら、本実施形態の発明において、上部電極４０を構成する部分の数、寸法、材質は特に限定されるものではない。
【００７０】
また、本実施形態では、酸化膜エッチングのための反応性ガス（プラズマ生成用ガス）としてＣ4Ｆ8を用いた。しかし、本実施形態の発明において、プラズマ生成用ガスの種類は特に限られるものではなく、プラズマ生成用ガスは、例えばＣＦ4 、ＣＨＦ3 、ＣＨ2Ｆ2、ＣＨ3Ｆ 、Ｃ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8、Ｃ4Ｆ6及びＣ2Ｆ6のうちの少なくとも１つのガスを含むものであってもよい。または、Ｃｌ系のガスやＢｒ系のガス（例えばＨＢｒ）を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、上部電極と下部電極との間の間隔が被処理基板の半径よりも短い場合であっても被処理基板に所望の形状を形成することができる点で、産業上の利用可能性は高い。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】第１の実施形態に係るドライエッチング装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図１に示す上部電極１０の構造を示す断面図および平面図である。
【図３】従来のエッチング装置と第１の実施形態のエッチング装置のそれぞれにおいて、電極間隔を変化させてエッチングを行った場合に、形状寸法の３σが変化する様子を示すグラフ図である。
【図４】第２の実施形態に係るドライエッチング装置の概略構成を示す模式図である。
【図５】第２の実施形態の条件でエッチングを行った場合において、エッチング後の形状寸法のウェハ半径方向分布を示すグラフ図である。
【図６】第３の実施形態に係るドライエッチング装置の概略構成を示す模式図である。
【図７】第３の実施形態のエッチング装置において、外周部３１の電極間隔を変化させてエッチングを行った場合に、形状寸法の３σが最小となるときの中心部３２と外周部３１との高さの差を示すグラフ図である。
【図８】第４の実施形態に係るドライエッチング装置の概略構成を示す模式図である。
【図９】従来のエッチング装置と第４の実施形態のエッチング装置とのそれぞれにおいて、電極間隔を変化させてエッチングを行った場合に、形状寸法の３σが変化する様子を示すグラフ図である。
【図１０】酸化膜等に対するエッチングに用いられる従来のドライエッチング装置の構成を示す概略図である。
【図１１】ＳＲＡＭのメモリセルにおいて、隣接するゲート電極の間で上層配線を基板と電気的に接続するためのコンタクトホールを途中まで形成した状態を示す断面図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は、従来において、電極間隔が狭いエッチング装置を用いて大口径被処理基板にコンタクトホールを形成する際の問題点を説明するための断面図である。
【図１３】従来のエッチング装置において、被処理基板の口径Ｓに対する電極間隔Ｌの比と、ホールの形状寸法の３σとの関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００７３】
１      反応室
２      下部電極
３      被処理基板
４      高周波電源
５      ガス導入口
６      ガス排気口
７      接地電位
８      フォーカスリング
１０      上部電極
１０ａ    凹部
２０      上部電極
２０ａ    ドーム状の凹部
３０      上部電極
３１      外周部
３２      中心部
４０      上部電極
４１      外周部
４２      中心部
【図１】
2005217240.tif 000003
【図２】
2005217240.tif 000004
【図３】
2005217240.tif 000005
【図４】
2005217240.tif 000006
【図５】
2005217240.tif 000007
【図６】
2005217240.tif 000008
【図７】
2005217240.tif 000009
【図８】
2005217240.tif 000010
【図９】
2005217240.tif 000011
【図１０】
2005217240.tif 000012
【図１１】
2005217240.tif 000013
【図１２】
2005217240.tif 000014
【図１３】
2005217240.tif 000015