(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、該真空容器内に設けられ被処理基板を載置する電極と、排気手段と、原料ガス供給手段と、前記電極上の前記被加工試料へ高周波電力を供給する高周波電力印加手段とを備え、
前記真空容器内で、前記原料ガスをプラズマ化し、該プラズマにより前記被処理基板のエッチング処理を行うプラズマ処理装置において、
前記被処理基板を載置する電極に設けられた熱交換部と、
比熱の大きい材料で構成され、前記熱交換部との間で熱輸送パイプを介して熱媒体を輸送する熱だめと、
前記熱交換部に設けられ、前記輸送される熱媒体との熱交換速度を調節する熱輸送速度調節機構と、
前記熱輸送速度調節機構を制御し、前記被処理基板の温度を処理の進行に従って予め設定された温度パターンに制御するコントローラと、
前記被処理基板の温度をモニタする温度モニタと、
前記熱だめに接続され前記熱容量の大きい部材との間で蓄熱を行うサーキュレーターとを備えており、
前記コントローラは、
前記被処理基板のエッチングのインターバルに前記蓄熱を行い、
前記温度モニタの信号に基づいて、前記熱交換部の熱交換速度を調節し、前記被処理基板のエッチング処理の進行に伴い、該被処理基板の温度を前記予め設定された所定の温度パターンに制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記被処理基板を載置する電極の熱伝達手段として、物体の潜熱を用いることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記被処理基板を載置する電極の熱伝達手段として、物体の化学反応熱を用いることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路の加工に用いられるプラズマ処理装置に係り、特に、ドライエッチング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術では、電極に供給される冷媒の温度を一定に制御してプラズマによるドライエッチング処理を行っていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では微細化、高アスペクト比化するデバイス、並びに、大口径化する処理ウエハに対し、広範なプロセスウインドウを供給することが困難で、安定的に高歩留まりで最新の半導体集積回路を加工することが困難になってきた。
【０００４】
本発明の目的は、高速の半導体回路を高歩留まりで加工することができるプラズマ処理装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する本発明の要旨は、真空容器と、該真空容器内に設けられ被処理基板を載置する電極と、排気手段と、原料ガス供給手段と、前記電極上の前記被加工試料へ高周波電力を供給する高周波電力印加手段とを備え、前記真空容器内で、前記原料ガスをプラズマ化し、該プラズマにより前記被処理基板のエッチング処理を行うプラズマ処理装置において、前記被処理基板を載置する電極に設けられた熱交換部と、比熱の大きい材料で構成され、前記熱交換部との間で熱輸送パイプを介して熱媒体を輸送する熱だめと、前記熱交換部に設けられ、前記輸送される熱媒体との熱交換速度を調節する熱輸送速度調節機構と、前記熱輸送速度調節機構を制御し、前記被処理基板の温度を処理の進行に従って予め設定された温度パターンに制御するコントローラと、前記被処理基板の温度をモニタする温度モニタと、前記熱だめに接続され前記熱容量の大きい部材との間で蓄熱を行うサーキュレーターとを備えており、前記コントローラは、前記被処理基板のエッチングのインターバルに前記蓄熱を行い、前記温度モニタの信号に基づいて、前記熱交換部の熱交換速度を調節し、前記被処理基板のエッチング処理の進行に伴い、該被処理基板の温度を前記予め設定された所定の温度パターンに制御することを特徴とするプラズマ処理装置にある。
【０００６】
即ち、電極と冷媒との熱交換機構の間に、冷媒によって所定の温度に保たれた熱容量の大きい部材と、その間を結ぶ熱輸送パイプと、熱交換機構の熱交換速度を調節する機構とその制御回路を設ける。
【０００７】
ウエハには温度センサを設け、センサの信号に基づいて、制御回路により熱交換速度を調節し、ウエハ温度をユーザの設定した所定の温度パターンに時間制御する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例をＵＨＦ帯のＥＣＲ（電子共鳴加速）を用いたプラズマエッチング装置で、酸化膜の高アスペクト比の穴を加工する場合について説明する。
【０００９】
図１はＵＨＦ帯でのＥＣＲを用いたプラズマ処理装置の構成を説明する説明図である。
【００１０】
プラズマ処理室のエッチング室１０１は、ガス供給管１０２（ガス供給手段）からガス供給板１０３を通って一定流量でガスを供給し、同時に排気ポンプ１０４（排気手段）によって一定速度で排気することで、所定のガス圧力に保たれている。
【００１１】
エッチング室１０１の上面から電源１０５によってアンテナ１０６からエッチング室１０１中に導入された電磁波と、コイル１０７によってエッチング室１０１内に生じた静磁界との相互作用により、エッチング室１０１内にプラズマを生じ、ウエハ載置電極１０８上に置かれたウエハ１０９は、高周波電源１１０によって印加されたバイアス電圧により加速したプラズマ中のイオン、並びに、プラズマ中の活性ガスにより、ウエハ１０９上に予め設けたフォトマスクパターンに従って、パターン下の酸化膜がエッチング加工される。
【００１２】
図２は、従来技術によりエッチングした場合のエッチング終了直前の加工形状の模式断面図である。
【００１３】
深さ方向にエッチングが進行するに伴ない側壁の加工形状がテーパー状となり、その後、更にエッチングを継続するとエッチングが停止してしまうと云う問題があった。
【００１４】
さらに、対フォトレジスト選択比が低く、特に、最近の微細化によるフォトレジスト初期厚さの薄膜化によって、エッチング終了までレジストがパターン転写に必要な形状を維持できず、加工形状が歪んでしまうと云う問題があった。
【００１５】
こうした問題を解決するため本発明者らはエッチング底面への中性粒子（エッチャント，デポ）の輸送について詳細に検討した。
【００１６】
高アスペクト比を有する形状を加工する場合、エッチャントおよびデポは、レジストおよび酸化膜の側面と数回の衝突を経て底面に到達し、ほとんど衝突せずに底面に入射したイオンとの相互作用でエッチングが進行する。中性粒子の側壁との数回の衝突の際、これらの粒子はある確率を持って側面に付着し、底面まで到達できなくなるために、付着確率はエッチングの進行に大きな影響を及ぼす。
【００１７】
エッチング開始直後には、側面としてはレジストが大部分を占めるため、レジストとの付着確率が中性粒子の輸送に大きな影響を持ち、一方、エッチング終点近くでは被エッチング材料である酸化膜との付着確率が大きな影響を持つ。それぞれの対レジスト付着確率の粒子種・ウエハ温度依存性を図３に、また、対酸化膜付着確率の粒子種・ウエハ温度依存性を図４に示す。図より付着確率は、粒子と壁との組合せおよび壁の温度依存性が大きいことが分かる。
【００１８】
図５は図１に示すエッチング装置に、図６に示す従来のヒートフローシステムを用いた場合のウエハ温度の時間変化を示したものである。
【００１９】
ウエハは、ほぼ室温で電極に搬送され、その後エッチング開始までのガス圧力調整時間中に電極温度（即ち、サーキュレーター温度）に漸近し、その後、放電開始と共に徐々に上昇する。その後エッチングステップの切替（低バイアス電力プロセスへの移行）により温度は徐々に低下し、エッチング終了後、再びウエハを搬送するまでの間はプラズマからの入熱が無くなって、急速に温度が低下している。
【００２０】
図６に示すように、従来の電極温度制御系では電極内に設けられた冷却水の流路に、サーキュレーターで一定温度に保たれた冷媒を流し、電極とウエハの温度差によって熱を移動させており、プラズマやバイアス電力によるウエハへの入熱とのバランスでウエハ温度は定まっていた。
【００２１】
従来のヒートフローシステムでは電極の大口径化に伴なって相対的に電極全体の熱容量が小さくなっており、しかも最近のプロセスでは大きなバイアスパワーを用いるため、従来の熱システムでは前記のようにウエハ温度の変動が生じ易くなっている。
【００２２】
この温度変動のプロセスへの影響を検討する。図５において、エッチング開始直後の時間ａ、エッチング終点近くの時間ｂのそれぞれのウエハ温度Ｔａ，Ｔｂを図３，４にプロットする。図３，４からエッチング開始時には、主な側壁であるフォトレジストへのエッチャントの付着確率が、デポに対して相対的に高い状態でプロセスが行われており、これにより酸化膜のエッチング速度が低くなって、対レジスト選択比が低下していることが分かった。
【００２３】
一方、エッチング終点近くでも主な側壁である酸化膜に対して同様な状態でプロセスが行われており、これがエッチングの停止につながっていることが分かった。
【００２４】
本発明では上記の原因解明結果に基づき、ウエハ温度をエッチャントおよびデポの底面への輸送に対して最適化するものである。
【００２５】
図７に本発明によるヒートフロー制御システムの構成を示す説明図である。ウエハが載置された電極７０１は、電極内部に熱輸送パイプ７０４によって輸送された熱媒体との熱交換部７０２（熱伝達手段）を有し、熱媒体の蒸発、あるいは、化学変化が行われ、大きな熱輸送速度を持っている。
【００２６】
熱交換部７０２には圧力、あるいは、反応を調節することによって熱交換速度を調節する熱輸送速度調節機構７０３を有している。熱だめ７０５は比熱の大きい材料で構成され、サーキュレーター７０６との間で熱のバファリングを行い、特に大きなバイアスパワーを用いる大熱入力プロセスに対して、エッチングのインターバルに蓄熱（冷）を行うことで、サーキュレーター７０６の温度負荷を小さくできる。
【００２７】
エッチング統合コントローラ７０７は、ウエハ温度制御パターン入力装置７１０にユーザが入力した目標温度設定に基づきエッチング進行モニタ７０８を参照して、温度モニタ７０９の信号をフィードバックしながら熱輸送速度調節機構７０３を制御する。
【００２８】
また、エッチング統合コントローラ７０７は、温度時間制御パターン設定時にサーキュレーターの最適設定温度を算出し、予めその温度に設定しておく。
【００２９】
本発明を上記ＵＨＦ帯ＥＣＲ装置での酸化膜エッチングに適用した。エッチング開始時の酸化膜エッチング速度の向上と、終点近くのエッチング停止防止のため、ウエハ温度の時間制御目標点を図８に示すように設定した。図８は本発明によるヒートフロー制御システムを用いた場合のウエハ温度の時間変化を表すグラフである。
【００３０】
図７のエッチング統合コントローラ７０７は、この目標温度設定に基づき、サーキュレーター７０６の温度、熱輸送速度調節機構７０３の調整量タイミングを計算する。
【００３１】
このヒートフローシステムによって得られた実際のウエハ温度を図８中に連続線で示す。
【００３２】
この制御を用いて実際のサンプルをエッチングした結果、開始後のエッチング速度が高まることにより、対レジスト選択比は３０％向上し、またエッチング形状は図９に示すように、テーパー形状（例えば、図２）にはならず、エッチングストップの発生も抑制できた。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によればチャージアップによるダメージに敏感な高速デバイスを、大口径のウエハで、高歩留まりで加工できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＵＨＦ帯のＥＣＲを用いたドライエッチング装置を説明する図である。
【図２】従来技術によるエッチング加工形状の模式断面図である。
【図３】対レジスト付着確率の粒子種・ウエハ温度依存性を表すグラフである。
【図４】対酸化膜付着確率の粒子種・ウエハ温度依存性を表すグラフである。
【図５】従来技術でのウエハ温度の時間変化を表すグラフである。
【図６】従来技術でのヒートフローシステムを用いた場合のウエハ温度の時間変化の説明図である。
【図７】本発明によるヒートフロー制御システムの構成を示す説明図である。
【図８】本発明によるヒートフロー制御システムを用いた場合のウエハ温度の時間変化を表すグラフである。
【図９】本発明を用いた場合のエッチング加工形状の模式断面図である。
【符号の説明】
１０１…エッチング室、１０２…ガス供給管、１０３…ガス供給板、１０４…排気ポンプ、１０５…電源、１０６…アンテナ、１０７…コイル、１０８…ウエハ載置電極、１０９…ウエハ、１１０…高周波電源、７０１…電極、７０２…熱交換部、７０３…熱輸送速度調節機構、７０４…熱輸送パイプ、７０５…熱だめ、７０６…サーキュレーター、７０７…エッチング統合コントローラ、７０８…エッチング進行モニタ、７０９…温度モニタ、７１０…ウエハ温度制御パターン入力装置。
【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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