(57)【要約】【課題】プラズマ密度やラジカルの密度をより高め、効率的なエッチング処理を実施することができるプラズマエッチング装置を提供する。【解決手段】プラズマエッチング装置１は、第１チャンバ１２と、第１チャンバ１２内に配設され、基板Ｋが載置される基台１６と、エッチングガスを第１チャンバ１２内に供給する第１ガス供給装置２３と、第１チャンバ１２の外部に配置された第１コイル３０と、第１コイル３０に高周波電圧を印加してエッチングガスをプラズマ化する第１高周波電源３２と、第１チャンバ１２内のガスを排気する排気装置２０と、第１チャンバ１２の上面に固設された第２チャンバ１３と、不活性ガスを第２チャンバ１３内に供給する第２ガス供給装置２６と、第２チャンバ１３の外部に配置された第２コイル３１と、第２コイル３１に高周波電圧を印加して不活性ガスをプラズマ化する第２高周波電源３３とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉塞空間を有する第１チャンバと、
前記第１チャンバ内に配設され、基板が載置される基台と、
エッチングガスを含んだ処理ガスを前記第１チャンバ内に供給する処理ガス供給手段と、
前記第１チャンバの外部且つ前記基台よりも上側に配置された第１コイルと、
前記第１コイルに高周波電圧を印加して、前記第１チャンバ内に供給された処理ガスをプラズマ化する第１電圧印加手段と、
前記第１チャンバ内のガスを排気して内部を減圧する排気手段と、
前記第１チャンバ内の圧力を制御する圧力制御手段とを備えたプラズマエッチング装置であって、
前記第１コイルよりも上側で前記第１チャンバの外面に固設され、この第１チャンバの閉塞空間と内部空間が連通するように設けられた第２チャンバと、
不活性ガスを前記第２チャンバ内に供給する不活性ガス供給手段と、
前記第２チャンバの外部に配置された第２コイルと、
前記第２コイルに高周波電圧を印加して、前記第２チャンバ内に供給された不活性ガスをプラズマ化する第２電圧印加手段とを備えてなることを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項２】
前記不活性ガス供給手段は、前記第２チャンバ内の圧力が前記第１チャンバ内の圧力よりも低くなるような供給流量で前記第２チャンバ内に不活性ガスを供給するように構成されてなることを特徴とする請求項１記載のプラズマエッチング装置。
【請求項３】
前記第２チャンバは、前記第１チャンバよりも外径が小さく形成され、前記第１チャンバの上面中央部に配設されてなることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定のエッチングガスを含む処理ガスを処理チャンバ内に供給してプラズマ化し、プラズマ化した処理ガスによって、処理チャンバ内に配置された基板をエッチングするプラズマエッチング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、前記プラズマエッチング装置として、例えば、特開２００６−５４３０５号公報に開示されたものが知られている。このプラズマエッチング装置は、閉塞空間を有する処理チャンバと、処理チャンバ内の下部側に配設され、シリコン基板が載置される基台と、処理チャンバ内にエッチングガスを供給するガス供給装置と、処理チャンバの外側且つ上部に配置されたコイルと、コイルに高周波電圧を印加して、処理チャンバ内に供給されたエッチングガスをプラズマ化するコイル用高周波電源と、基台に高周波電圧を印加する基台用高周波電源と、ガス供給装置，コイル用高周波電源及び基台用高周波電源の作動を制御し、ガス供給装置からエッチングガスを処理チャンバ内に供給するとともに、コイル用高周波電源及び基台用高周波電源によりコイル及び基台に高周波電圧を印加する制御装置などから構成される。
【０００３】
このプラズマエッチング装置では、処理チャンバ内のエッチングガスがプラズマ化され、プラズマ中のラジカルがシリコン原子と化学反応したり、プラズマ中のイオンがバイアス電位により基台側に向けて移動してシリコン基板と衝突することで、シリコン基板がエッチングされる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−５４３０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、エッチングガスは、以下のようにしてプラズマ化される。即ち、コイルに高周波電圧が印加され高周波電流が流れると、コイル内側（処理チャンバ内）に磁界が形成され、この磁界によって電界が誘起される。そして、この電界によって電子が加速され、電離衝突を繰り返すことで、エッチングガスがイオンやラジカル、電子などを含んだプラズマとなる。
【０００６】
しかしながら、前記電界は、表皮効果によりプラズマ外周部の表層部分に生成され、内部が中空の筒状に生成されるので、主に前記表層部分で電離衝突が行われることとなる。したがって、上記従来のプラズマエッチング装置では、エッチングに寄与するラジカルやイオンの生成量に一定の限界があり、エッチング速度をより高めたり、エッチングガスの使用量を少なくしたり、消費電力を低く抑えることなどができず、エッチング処理を効率的に実施することができなかった。
【０００７】
本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、プラズマ密度やラジカルの密度をより高め、効率的なエッチング処理を実施することができるプラズマエッチング装置の提供をその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明は、
閉塞空間を有する第１チャンバと、
前記第１チャンバ内に配設され、基板が載置される基台と、
エッチングガスを含んだ処理ガスを前記第１チャンバ内に供給する処理ガス供給手段と、
前記第１チャンバの外部且つ前記基台よりも上側に配置された第１コイルと、
前記第１コイルに高周波電圧を印加して、前記第１チャンバ内に供給された処理ガスをプラズマ化する第１電圧印加手段と、
前記第１チャンバ内のガスを排気して内部を減圧する排気手段と、
前記第１チャンバ内の圧力を制御する圧力制御手段とを備えたプラズマエッチング装置であって、
前記第１コイルよりも上側で前記第１チャンバの外面に固設され、この第１チャンバの閉塞空間と内部空間が連通するように設けられた第２チャンバと、
不活性ガスを前記第２チャンバ内に供給する不活性ガス供給手段と、
前記第２チャンバの外部に配置された第２コイルと、
前記第２コイルに高周波電圧を印加して、前記第２チャンバ内に供給された不活性ガスをプラズマ化する第２電圧印加手段とを備えてなることを特徴とするプラズマエッチング装置に係る。
【０００９】
この発明によれば、処理ガス供給手段によって第１チャンバ内に処理ガスが供給され、第１電圧印加手段によって第１コイルに高周波電圧が印加され、排気手段及び圧力制御手段によって第１チャンバ内の圧力が減圧されることで、第１チャンバ内に供給された処理ガスがイオンやラジカル、電子などを含むプラズマとされる。そして、このプラズマ中のラジカルやイオンによって、例えば、シリコン基板やガラス基板などの処理対象基板がエッチングされる。
【００１０】
上述したように、コイルに高周波電流が流れ、第１チャンバ内に磁界が形成されると、この磁界により電界が誘起され、この電界によって加速された電子による電離衝突が繰り返し発生し、これによって処理ガスがラジカル，イオン及び電子などに解離してプラズマ化されるが、この電界は、表皮効果によりプラズマ外周部の表層部分に生成されるため、主としてこの表層部分で電離衝突が行われる。
【００１１】
そこで、本発明では、前記第２チャンバ，不活性ガス供給手段，第２コイル及び第２電圧印加手段を設けている。即ち、不活性ガス供給手段によって第２チャンバ内に不活性ガスを供給するとともに第２電圧印加手段によって第２コイルに高周波電圧を印加して第２チャンバ内の不活性ガスを低圧条件下でプラズマ化すると、このプラズマ化により高速の電子が生成されて広角的に拡散，移動し、その一部が第２チャンバ内から第１チャンバ内に移動して第１チャンバ内の処理ガスと衝突解離するので、処理ガスをラジカル，イオン及び電子などに解離させて処理ガスの解離を促進させることができる。
【００１２】
このように、本発明では、前記表層部分の電界により加速された電子だけでなく、第２チャンバ側から第１チャンバ側に移動した電子によっても処理ガスを解離させ、処理ガスの解離をより促進させることができるので、より多くのイオン，ラジカル及び電子を生成することができ、第１チャンバ内のプラズマ密度をより高めたり、ラジカルの密度をより高めることができる。したがって、エッチング処理に寄与するラジカルやイオンが従来に比べて多くなり、エッチング速度を高めてエッチング処理を効率的に行うことができる。また、処理ガスを有効に利用して処理ガス使用量を少なくしたり、エッチング時間を短くして消費電力を低く抑えることができるので、エッチングコストを抑えることもできる。
【００１３】
尚、前記不活性ガス供給手段は、高速の電子を得るために、前記第２チャンバ内の圧力が前記第１チャンバ内の圧力よりも低くなるような供給流量で前記第２チャンバ内に不活性ガスを供給するように構成されていても良い。このようにすれば、不活性ガスのプラズマ化により生成される電子の自由行程を長くすることができるので、第１チャンバ内の処理ガスとの衝突時における速度を速くして運動エネルギを高めることができ、電子の運動エネルギが低いために処理ガスを解離させることができなくなるのを防止することができる。
【００１４】
また、前記第２チャンバは、前記第１チャンバよりも外径が小さく形成され、前記第１チャンバの上面中央部に配設されていても良い。このようにすれば、処理ガスのプラズマの真上で不活性ガスのプラズマを生成することができるので、第２チャンバ内で生成された電子を、第１チャンバ内のプラズマの中央部に存在する処理ガス、即ち、プラズマ外周部から離れた部分の処理ガスと衝突させ易くなり、処理ガスをラジカル，イオン及び電子などに解離させてプラズマ密度やラジカルの密度を高めるのに効果的である。
【００１５】
尚、前記エッチングガスとしては、例えば、ＳＦ６ガスやＣＦ４ガスなどを挙げることができ、前記不活性ガスとしては、例えば、ＡｒガスやＨｅガスなどを挙げることができる。
【発明の効果】
【００１６】
斯くして、本発明に係るプラズマエッチング装置によれば、第１チャンバ内におけるプラズマ密度やラジカルの密度をより高め、効率的なエッチング処理を実施することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の具体的な実施形態について、添付図面に基づき説明する。尚、図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング装置の概略構成を示した断面図である。
【００１８】
図１に示すように、本例のプラズマエッチング装置１は、第１チャンバ１２及び第２チャンバ１３により上下２部構成に形成された処理チャンバ１１と、第１チャンバ１２内に昇降自在に配設され、エッチング対象であるシリコン基板Ｋが載置される基台１６と、基台１６を昇降させる昇降シリンダ１９と、処理チャンバ１１内の圧力を減圧する排気装置２０及び圧力制御装置（図示せず）と、第１チャンバ１２内に処理ガスを供給する処理ガス供給装置２３と、第２チャンバ１３内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置２６と、第１チャンバ１２及び第２チャンバ１３の外部にそれぞれ配置された複数の第１コイル３０及び第２コイル３１と、第１コイル３０及び第２コイル３１にそれぞれ高周波電圧を印加する第１コイル用高周波電源３２及び第２コイル用高周波電源３３と、基台１６に高周波電圧を印加する基台用高周波電源３４と、昇降シリンダ１９，排気装置２０，処理ガス供給装置２３，不活性ガス供給装置２６，第１コイル用高周波電源３２，第２コイル用高周波電源３３及び基台用高周波電源３４の作動を制御する制御装置（図示せず）などを備える。
【００１９】
前記第１チャンバ１２及び第２チャンバ１３は、それぞれ円筒容器状に形成され、相互に連通した内部空間を有する。また、上部容器１３は、その外径が第１チャンバ１２の外径よりも小さく形成されており、第１チャンバ１２の上面中央部に配設されている。また、下部容器１２の外周面には、シリコン基板Ｋを搬入したり、搬出するための開口部１２ａが形成されており、この開口部１２ａは、シャッタ１４によって開閉される。また、第１チャンバ１２の上面には、第２チャンバ１３の配置位置よりも外周側に上下に貫通する取付穴１２ｂが形成され、第１チャンバ１２の天井面には、表裏に貫通し、前記取付穴１２ｂと連通する環状の貫通穴１５ａを備えた環状板１５が設けられている。
【００２０】
前記基台１６は、上下に配設された上部材１７及び下部材１８からなり、上部材１７上にシリコン基板Ｋが載置され、下部材１８には前記昇降シリンダ１９が接続される。
【００２１】
前記排気装置２０は、排気ポンプ２１と、排気ポンプ２１と第１チャンバ１２とを接続する排気管２２とから構成され、排気ポンプ２１により排気管２２を介して第１チャンバ１２内の気体を排気し、圧力制御装置（図示せず）により第１チャンバ１２及び第２チャンバ１３の内部をそれぞれ所定圧力に減圧する。
【００２２】
前記処理ガス供給装置２３は、処理ガスとして、エッチングガス（例えば、ＳＦ６ガスやＣＦ４ガス）を供給する処理ガス供給部２４と、一端が処理ガス供給部２４に接続し、他端が第１チャンバ１２の取付穴１２ｂに接続した処理ガス供給管２５とから構成され、処理ガス供給部２４から処理ガス供給管２５を介して第１チャンバ１２内にエッチングガスを供給する。尚、エッチングガスは、環状板１５の貫通穴１５ａを通して第１チャンバ１２の内部に供給されるようになっている。
【００２３】
前記不活性ガス供給装置２６は、例えば、ＡｒガスやＨｅガスなどの不活性ガスを供給する不活性ガス供給部２７と、不活性ガス供給部２７と第２チャンバ１３の上面とを接続する不活性ガス供給管２８とから構成され、不活性ガス供給部２７から不活性ガス供給管２８を介して第２チャンバ１３内に不活性ガスを供給する。
【００２４】
前記第１コイル３０及び第２コイル３１は、それぞれ環状に形成され、第１コイル３０は、第１チャンバ１２の周囲に且つ基台１６よりも上側に、第２コイル３１は、第２チャンバ１３の周囲に上下に並設される。
【００２５】
前記第１コイル用高周波電源３２は、第１コイル３０に高周波電圧を印加することで、第１チャンバ１２内に磁界を形成し、この磁界によって誘起される電界により、第１チャンバ１２内に供給されたエッチングガスをプラズマ化する。前記第２コイル用高周波電源３３は、第１コイル用高周波電源３２と同様、第２コイル３１に高周波電圧を印加することで、第２チャンバ１３内に磁界を形成し、この磁界によって誘起される電界により、第２チャンバ１３内に供給された不活性ガスをプラズマ化する。前記基台用高周波電源３４は、基台１６に高周波電圧を印加することで、基台１６と第１チャンバ１２内に生成されたプラズマとの間に電位差（バイアス電位）を生じさせる。
【００２６】
前記制御装置（図示せず）は、第１コイル用高周波電源３２及び基台用高周波電源３４によって第１コイル３０及び基台１６に高周波電圧をそれぞれ印加し、処理ガス供給部２４から第１チャンバ１２内にエッチングガスを供給し、排気ポンプ２１によって処理チャンバ１１内を所定圧力にしてエッチングを行う。
【００２７】
また、制御装置（図示せず）は、エッチングの際に、第２コイル用高周波電源３３によって第２コイル３１に高周波電圧を印加し、不活性ガス供給部２７から第２チャンバ１３内に不活性ガスを供給する。また、制御装置（図示せず）は、第２チャンバ１３内の圧力が第１チャンバ１２内の圧力よりも低くなるように、不活性ガス供給部２７から第２チャンバ１３内に供給される不活性ガスの供給流量を制御する。
【００２８】
以上のように構成された本例のプラズマエッチング装置１によれば、シリコン基板Ｋが第１チャンバ１２内の基台１６上に適宜載置された後、制御装置（図示せず）による制御の下、エッチングが行われる。即ち、第１チャンバ１２内のエッチングガスがプラズマ化され、プラズマ中のラジカルがシリコン原子と化学反応したり、プラズマ中のイオンがバイアス電位により基台１６側に向けて移動してシリコン基板Ｋと衝突することで、シリコン基板Ｋがエッチングされる。
【００２９】
ところで、上記のように、第１コイル３０に高周波電圧が印加されて高周波電流が流れ、第１チャンバ１２内に磁界が形成されると、この磁界により電界が誘起され、この電界によって加速された電子による電離衝突が繰り返し発生し、これによってエッチングガスがラジカル，イオン及び電子などに解離してプラズマ化されるが、この電界は、表皮効果によりプラズマ外周部の表層部分に生成されるため、主としてこの表層部分で電離衝突が行われる。尚、解離時の化学反応式の一例として、ＳＦ６ガス及びＣＦ４ガスの化学反応式を以下に示す。
【００３０】
（化式１）
ＳＦ６＋ｅ−→ＳｘＦｙ＋＋ＳｘＦｙ＊＋Ｆ＊＋ｅ−
【００３１】
（化式２）
ＣＦ４＋ｅ−→ＣＦｘ＋＋ＣＦｘ＊＋Ｆ＊＋ｅ−
【００３２】
そこで、本例のプラズマエッチング装置１では、第１チャンバ１２の上面に第２チャンバ１３を設けて処理チャンバ１１を２段構成にし、この第２チャンバ１３内で不活性ガスのプラズマを生成するようにしている。即ち、不活性ガス供給部２７から第２チャンバ１３内に不活性ガスを供給し、第２コイル用高周波電源３３により第２コイル３１に高周波電圧を印加して第２チャンバ１３内の不活性ガスを低圧条件下でプラズマ化すると、このプラズマ化により高速の電子が生成されて広角的に拡散，移動し、その一部が第２チャンバ１３内から第１チャンバ１２内に移動して第１チャンバ１２内のエッチングガスと衝突解離するので、エッチングガスをラジカル，イオン及び電子などに解離させてこれらガスの解離を促進させることができる。
【００３３】
このように、本例では、前記表層部分の電界により加速された電子だけでなく、第２チャンバ１３側から第１チャンバ１２側に移動した電子によってもエッチングガスを解離させ、これらのガスの解離を促進させることができるので、より多くのイオン，ラジカル及び電子を生成することができ、第１チャンバ１２内のプラズマ密度をより高めたり、ラジカルの密度をより高めることができる。したがって、エッチングに寄与するラジカルやイオンが従来よりも多くなり、エッチング速度を高めてエッチング処理を効率的に行うことができる。また、エッチングガスを有効に利用してその使用量を少なくしたり、エッチング時間を短くして消費電力を低く抑えることができるので、エッチング処理に掛かるコストを抑えることもできる。
【００３４】
また、第２チャンバ１３内の圧力が第１チャンバ１２内の圧力よりも低くなるように第２チャンバ１３内に不活性ガスを供給しているので、第２チャンバ１３内で生成される電子の自由行程を長くすることができる。したがって、第１チャンバ１２内のエッチングガスとの衝突時における速度を速くして運動エネルギを高めることができ、電子の運動エネルギが低いためにエッチングガスを解離させることができなくなるのを防止することができる。
【００３５】
また、前記第２チャンバ１３を、その外径を第１チャンバ１２よりも小さく形成して第１チャンバ１２の上面中央部に設けるようにしたので、エッチングガスのプラズマの真上で不活性ガスのプラズマを生成することができる。したがって、第２チャンバ１３内で生成された電子を、第１チャンバ１２内のプラズマの中央部に存在するエッチングガス、即ち、プラズマ外周部から離れた部分のエッチングガスと衝突させ易くなり、エッチングガスをラジカル，イオン及び電子などに解離させてプラズマ密度やラジカルの密度を高めるのに効果的である。
【００３６】
因みに、上記のような上下２段構成に形成された処理チャンバ１１の第１チャンバ１２内にエッチングガスとしてＳＦ６ガスを１２９ｓｃｃｍの流量で供給し、第１コイル３０に８００Ｗの高周波電圧を印加し、基台１６に３Ｗの高周波電圧を印加し、第１チャンバ１２内を１．３３Ｐａに減圧し、第２チャンバ１３内に不活性ガスとしてＡｒガスを第２チャンバ１３内にその内部の圧力が０．１３３Ｐａ以下となるような流量で供給し、第２コイル３１に１５Ｗ，２０Ｗ，３０Ｗ，４０Ｗ，６０Ｗ，８０Ｗ，１００Ｗの高周波電圧を印加してシリコン基板Ｋをエッチングし、そのエッチング速度を測定した。また、合わせて、Ａｒガスを第２チャンバ１３内に供給せず、したがって、第２コイル３１に高周波電圧も印加せず、第１チャンバ１２内のみにＳＦ６ガスを供給してシリコン基板Ｋをエッチングしたときのエッチング速度を測定した。その結果を図２のグラフに示す。尚、図２において、Ａｒガスを第２チャンバ１３内に供給しなかったときの測定値は、第２コイル３１への印加電圧が０のところで示している。また、エッチング速度の測定点は、図３に示すように、シリコン基板Ｋの中央部（Ｂ部）一ヶ所、シリコン基板Ｋの端部（Ａ部，Ｃ部，Ｄ部及びＥ部）４ヶ所である。
【００３７】
このグラフを見ると、第２チャンバ１３内でＡｒガスのプラズマを生成したときの測定値が、第２チャンバ１３内でＡｒガスのプラズマを生成しなかったときの測定値よりも上側にあり、この実験結果から、第２チャンバ１３内でプラズマを生成すると、どの測定点においても、プラズマを生成しなかったときに比べてエッチング速度が上昇していることが分かる。したがって、第２チャンバ１３内でプラズマを生成すれば、エッチング速度が全体的に上昇すると言える。
【００３８】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。
【００３９】
上例では、第２チャンバ１３を第１チャンバ１２の上面に設けたが、これに限られるものではなく、図４に示すように、第１チャンバ１２の外周面に設けるようにしても良い。この場合、前記第１コイル３０は、第１チャンバ１２の上下方向中央部で基台１６よりも上側に配置され、前記処理ガス供給管２５は、処理ガス供給部２４と第１チャンバ１２の上面とを接続する。また、第１チャンバ１２の上部外周には外周面から内周面に貫通する貫通穴１２ｃが形成されており、第２チャンバ１３は、その内部空間が貫通穴１２ｃを介して第１チャンバ１２の内部空間と連通するように第１チャンバ１２の上部外周面に固設されている。
【００４０】
このように構成しても、第２チャンバ１３側から第１チャンバ１２側に電子を移動させてエッチングガスと電離衝突させ、イオン，ラジカル及び電子を生成することができるので、上記と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
また、前記プラズマエッチング装置１を、前記処理ガス供給部２４から耐エッチング層形成ガス（例えば、Ｃ４Ｆ８ガス）を供給してプラズマ化するように構成するとともに、処理ガス供給部２４から第１チャンバ１２内にエッチングガスを供給してシリコン基板Ｋをエッチングするエッチング工程と、処理ガス供給部２４から第１チャンバ１２内に耐エッチング層形成ガスを供給してシリコン基板Ｋの表面に耐エッチング層（フロロカーボン膜）を形成する耐エッチング層形成工程とを交互に繰り返すように構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング装置の概略構成を示した断面図である。
【図２】不活性ガスのプラズマを生成したときと生成しなかったときのエッチング速度の関係を示したグラフである。
【図３】シリコン基板表面のエッチング速度測定点を示した平面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係るプラズマエッチング装置の概略構成を示した断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１    プラズマエッチング装置
１１  処理チャンバ
１２  第１チャンバ
１３  第２チャンバ
１６  基台
１９  昇降シリンダ
２０  排気装置
２３  処理ガス供給装置
２６  不活性ガス供給装置
３０  第１コイル
３１  第２コイル
３２  第１コイル用高周波電源
３３  第２コイル用高周波電源
３４  基台用高周波電源
【図１】
2009224388.tif 000003
【図２】
2009224388.tif 000004
【図３】
2009224388.tif 000005
【図４】
2009224388.tif 000006