JP4433614B2

JP4433614B2 - エッチング装置

Info

Publication number: JP4433614B2
Application number: JP2001009282A
Authority: JP
Inventors: 喜芳岸本
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-01-17
Filing date: 2001-01-17
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2021-01-17
Also published as: JP2002217171A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウェハまたはウェハの表面に形成された薄膜の全面または特定の箇所をエッチングするエッチング装置に関し、さらに詳しくは、３００ｍｍ以上の大口径のウェハやウェハ周辺領域のようにエッチング特性が悪化するプロセスに対しても、均一なエッチング特性が得られるようにしたエッチング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造プロセス、特にプラズマを用いたドライエッチング装置においては、いかにしてウェハを均一に処理するかがエッチング特性の面から重要なポイントなっている。
ここで、均一なエッチングとは、エッチングレート、エッチング選択比、エッチング形状がウェハの全面に亘って可能な限り等しくなることである。
一方、均一なエッチングを実現する方法としては、エッチングされるウェハ表面の直上におけるプラズマ密度、電子温度、ラジカルの組成、電場（バイアス）、磁場及び圧力等を均一にすることが最適であるといわれている。
しかし、実現困難なものは、エッチングに使用されるガスの組成である。これはあらゆるエッチングパラメータをウェハ面内で均一にしても、ウェハ周辺領域におけるエッチングの非均一性は避けられない。すなわち、ウェハの中央領域においては、その周囲が被エッチング対象で囲まれているため、エッチャントの消費が激しく、エッチング時の生成物であるバイプロダクトの生成が増加する。これに対して、ウェハの周辺領域では、上記中央領域と逆の現象が生じるからである。
【０００３】
そこで、従来のエッチング装置においては、図４に示すように、真空反応室１内の下部電極（ウェハステージ）２上に載置されたウェハ３の外周囲に位置する下部電極２上の箇所に、円環状のフォーカスリング４を設け、このフォーカスリング４により上述する現象を緩和し、エッチングの均一性を改善するようにしている。
また、上記フォーカスリング４には、ウェハ３の外側が単なる空間とならないように、図５に示す縦断面形状が矩形状を呈するもの、または図６に示す縦断面形状が階段状を呈するものなどが使用される。そして、これらのフォーカスリング４に、ウェハのようにエッチャントを積極的に消費する材料を使用したり、電気的な連続性を持たせたり、或いはフォーカスリング４を図６に示すように階段状にして、エッチングガスの流れに淀みを作ることにより、エッチングの均一性効果を持たせるようにしている。
なお、図４において、５は真空反応室１内の上部に設けた上部電極であり、６は上部電極５の下面に設けたガス噴出用のシャワープレートである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のような従来のエッチング装置においても、エッチングガスの組成の違いによる上記現象の緩和効果は小さく、しかも、図４に示すように、真空反応室１の上部からのガス導入に加えて側面箇所からエッチングガスを導入する構成にしても、希望する緩和効果の実現できない。
また、真空反応室１の側面箇所からエッチングガスを導入する構造のエッチング装置では、真空反応室の側壁部からウェハの外周領域までの距離が相当あるため、側面からのガス導入による効果にも限界がある。また、真空反応室の側壁部からウェハの外周領域までの距離が狭いと真空反応室の排気特性が劣化したり、エッチングの均一性が悪化するという問題がある。
【０００５】
そこで本発明は、上述の問題を解決するためになされたもので、大口径のウェハやウェハ周辺領域部の均一性が得られるにくいエッチングプロセスに対しても均一なエッチング特性を得ることができるエッチング装置を提供することを目的とする。
【０００６】
上記目的を達成するために本発明のエッチング装置は、真空反応室と、前記真空反応室内に設置され、ウェハが載置されるウェハステージと、前記ウェハステージ上のウェハに対して上方からエッチングガスを噴出する第１ガス噴出手段とを有し、前記第１ガス噴出手段から噴出されるエッチングガスを高周波電力によりプラズマ化し、このプラズマ化した活性ガスにより前記ウェハをエッチングする装置において、前記ウェハステージに載置されたウェハの外周に臨ませて設けられたフォーカスリングと、前記フォーカスリングの内部に該フォーカスリングの全長に亘りリング状に形成したガス通路と、前記フォーカスリングの円周方向に所定の間隔離して形成されるとともに一端が前記ガス通路に連通され、他端が前記フォーカスリングの内方に向け開口された複数のガス噴出孔を備え、該ウェハの外周から中央に向けエッチングガスを噴出する第２ガス噴出手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明のエッチング装置においては、第１ガス噴出手段とは独立した第２ガス噴出手段からウェハの周辺領域に対してエッチングガスを噴出することができる。これにより、大口径のウェハやウェハ周辺領域部の均一性が得られるにくいエッチングプロセスに対しても均一なエッチング特性を得ることが可能になる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施の形態を示すドライエッチング装置の概略構成図、図２は本発明の一実施の形態におけるドライエッチング装置に使用されるフォーカスリングの一例を示す要部の拡大断面図、図３は本発明の一実施の形態におけるドライエッチング装置に使用されるフォーカスリングの他の例を示す要部の拡大断面図である。
【０００９】
図１において、ドライエッチング装置は、ウェハ１０をエッチング処理する真空反応室１２と、この真空反応室１２内に設置された円形状の下部電極（請求項に記載のウェハステージを構成する）１４と、この下部電極１４上に載置されたウェハ１０の外周に臨む下部電極１４の上面箇所１４１に設けられた円環状のフォーカスリング１６と、真空反応室１２内の上部に設けた上部電極１８と、この上部電極１８の下面に設けたガス噴出用のシャワープレート２０（請求項に記載した第１ガス噴出手段に相当する）を備える。また、真空反応室１２の外周には図示省略した周知の空心コイルが設置される構成になっている。
なお、下部電極１４上に載置されたウェハ１０は、下部電極１４に設けられた静電チャックまたは機械的チャック（何れも図示省略）により保持される。また、フォーカスリング１６は、下部電極１４の上面箇所１４１に載置またはネジ止め等により保持される構成になっている。
【００１０】
上記シャワープレート２０には、種類の異なる複数のエッチングガス源、例えばＯ₂、Ａｒ、Ｃ₄Ｆ₈、ＣＯ等のガス源からシャワープレート２０に供給されるガス流量及びガス組成を調整する各別の流量制御弁（請求項に記載した第１ガス噴出手段の流量制御手段に相当する）２２−１〜２２−４がガス供給路２４を介して接続されている。
また、シャワープレート２０を含めた上部電極１８とアースとの間には、例えば２７ＭＨｚの電磁波を発生するＵＨＦ電源２６が接続され、さらに、下部電極１４とアースとの間には、例えば８００ｋＨｚの高周波バイアス電源２８が接続されている。
なお、上記ＵＨＦ電源２６の周波数及び高周波バイアス電源２８の周波数は上述した値に限定されない。
【００１１】
上記フォーカスリング１６は、シリコン、アルミニウム、ステンレス、酸化シリコン、酸化アルミニウム等を主体とする材料から構成されるもので、その縦断面形状は、図２に示すように矩形状を呈し、かつ下部電極１４に載置されたウェハ１０の上面までの高さにほぼ同じ厚さを有している。
このフォーカスリング１６の下部電極１４との当接面箇所には、図１及び図２に示すように、ガス通路１６１がフォーカスリング１６の全長に亘りリング状に形成され、さらに、一端がガス通路１６１に連通され他端がフォーカスリング１６を貫通してフォーカスリング１６の中心に対して斜め上方へ向け開口されたガス噴出孔１６２がフォーカスリング１６の円周方向に所定の間隔離して複数形成されている。
この実施の形態におけるガス噴出孔１６２の数は４個以上である。
【００１２】
また、フォーカスリング１６の縦断面形状は、図３に示すように、下部電極１４に載置されたウェハ１０の上面までの高さより低い部分１６Ａと、ウェハ１０の上面までの高さより高い部分１６Ｂとを有する階段形状を呈し、この高い部分１６Ｂには、フォーカスリング１６の中心に対して水平方向に開口されたガス噴出孔１６２がフォーカスリング１６の円周方向に所定の間隔離して複数形成され、この各ガス噴出孔１６２は下部電極１４との当接面箇所に形成したガス通路１６１に連通されている。
上記ガス通路１６１には、種類の異なる複数のエッチングガス源、例えばＯ₂、Ａｒ、Ｃ₄Ｆ₈、ＣＨＦ₃等のガス源からガス通路１６１及びガス噴出孔１６２を通してウェハ１０の周辺領域に供給されるガス流量及びガス組成を調整する各別の流量制御弁（請求項に記載した第２ガス噴出手段の流量制御手段に相当する）３０−１〜３０−４がガス供給路３２を介して接続されている。
なお、上記フォーカスリング１６を含めたガス通路１６１及びガス噴出孔１６２は、請求項に記載した第２ガス噴出手段を構成する。
【００１３】
上記のように構成されたエッチング装置において、真空反応室１２内の下部電極１４上にウェハ１０を載置した状態で、Ｏ₂、Ａｒ、Ｃ₄Ｆ₈、ＣＯ等のガス源からウェハ１０のエッチングに最適なガスを流量制御弁２２−１〜２２−４により選択し、かつその流量及び組成を調整した混合ガスをシャワープレート２０に供給し、さらに、Ｏ₂、Ａｒ、Ｃ₄Ｆ₈、ＣＨＦ₃等のガス源からウェハ１０のエッチングに最適なガスを流量制御弁３０−１〜３０−４により選択し、かつその流量及び組成を調整した混合ガスをガス通路１６１及びガス噴出孔１６２を通してウェハ１０の周辺領域に供給する。そして、空反応室１２内を図示省略した真空排気装置により真空排気し、上部電極１８にＵＨＦ電源２６からの電磁波を供給し、かつ図示省略した空心コイルにより印加される磁場との相互作用によって活性ガスプラズマを発生させる。
かかる状態で、下部電極１４に接続された高周波バイアス電源２８からウェハ１０に高周波バイアス電圧を印加することにより、プラズマ中の活性ガスをウェハ表面に引き込んでエッチングを行う。
【００１４】
なお、この実施の形態において、フォーカスリング１６のガス噴出孔１６２からウェハ１0の周辺領域に向け噴出されるエッチングガスの方向はガス噴出孔１６２の開口の向きにより決定され、そして、噴出ガスの初速はガス噴出孔１６２の径に依存にする。
また、ガス噴出孔１６２の径と初速との関係は、おおよそ次式に示すようになる。
流量制御弁３０−１〜３０−４で決定される流量Ｆは、Ｆ＝ｋ１γβ^-2である。ただし、ｋ１は定数、γは圧力、βはガス噴出孔の径である。
この式から、圧力が決まり、初速Ｓは、Ｓ＝ｋ２γとなる。ただし、ｋ２は常数である。
【００１５】
この実施の形態に示すエッチング装置において、ウェハ１０表面のシリコン酸化膜をエッチングする場合は、上部電極１８のＵＨＦ電源２６の周波数を２７ＭＨｚ、パワーを２．５ｋＷとし、下部電極１４の高周波バイアス電源２８の周波数を８００ｋＨｚ、パワーを２ｋＷとし、真空反応室１２の圧力を１００ｍＴｏｒｒとする。
そして、シャワープレート２０に供給されるエッチングガスの種類および流量を、Ｃ₄Ｆ₈：２０ｓｃｃｍ、Ｏ₂：５０ｓｃｃｍ、Ａｒ：５００ｓｃｃｍとし、また、フォーカスリング１６に供給されるエッチングガスの種類および流量を、ＣＨＦ₃：３ｓｃｃｍ、Ｃ₄Ｆ₈：２ｓｃｃｍ、Ｏ₂：１０ｓｃｃｍ、Ａｒ：２５０ｓｃｃｍとした。
【００１６】
このような実施例においては、フォーカスリング１６からウェハ１０の周辺領域に対して、エッチング部分の内側面のデポ性に寄与するＣＨＦ₃ガスを噴出し、デポ成分の逆の働きをするＯ₂ガスの比率をシャワープレート２０側より下げ、エッチングレートへの寄与が大きいＣ₄Ｆ₈ガスの比率をシャワープレート２０側より下げる。
【００１７】
このようにウェハ１０の中央領域および周辺領域に対して、別々のガス噴出系でエッチングガスを噴出させると共に、導入ガスの流量および組成を変えることにより、フォーカスリング１６からウェハ１０の周辺領域に向け流すガスについて、その組成をウェハ周辺領域で過剰となるエッチャントの比率を下げることができ、かつウェハ周辺領域で不足するバイプロダクトの影響を補正するためのデポ性のガスを増やすことが可能になる。
このような実施例によれば、３０ｍｍ以上の大口径ウェハやウェハ周辺領域部の均一性が得られるにくいエッチングプロセスに対しても均一なエッチング特性を得ることができる。
【００１８】
また、同一の真空反応室１２を使用しながら、コンタクト及びエッチバック等のようにウェハの中央領域と周辺領域の均一性が大きく変わる異種のプロセスを処理することが可能になる。この場合、フォーカスリング１６からのガスの組成を変化させる方法以外に、ガスの噴出向きや噴出初速を変えた複数種類のフォーカスリングを利用する方法もある。
さらにまた、ウェハ周辺部やフォーカスリングそのものにデポが付着し易いプロセスにおいて、ウェハ外周の近傍から未反応のバージンガスを流すことにより、ウェハ周辺部やフォーカスリングに対するデポ性を低減でき、デポによるエッチストップの防止やフォーカスリングのクリーニング頻度を低減できる。
また、ウェハ周辺近傍からウェハの中央部方向にガスを噴出させることにより、特に酸化膜エッチングで高いエッチング選択比を得る場合などに好適隣、エッチングガスの過度な解離を抑制することができる。
【００１９】
また、本発明においては、図１に示すように、真空反応室１２にレーザ等の光を発する共にウェハ１０の処理面から反射される光を受ける光学系３４を設け、この光学系３４からの光信号を分光器３６を通してコンピュータ等の演算処理部３８に取り込んで処理することにより、ウェハ１０の中央領域及び周辺領域を含む複数箇所のエッチングレート、すなわちエッチング速度及び均一性をモニタし、このモニタ結果に応じて流量制御弁３０−１〜３０−４を制御することにより、流量制御弁３０−１〜３０−４からフォーカスリング１６のガス噴出孔１６２を通してウェハ１０の周辺領域に噴出されるガス流量及び／またはガス組成を調整することができる。これにより、ウェハ１０の均一はエッチングが可能になる。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように、本発明のエッチング装置によれば、３０ｍｍ以上の大口径ウェハやウェハ周辺領域部の均一性が得られるにくいエッチングプロセスに対しても均一なエッチング特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示すドライエッチング装置の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施の形態におけるドライエッチング装置に使用されるフォーカスリングの一例を示す要部の拡大断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態におけるドライエッチング装置に使用されるフォーカスリングの他の例を示す要部の拡大断面図である。
【図４】従来におけるドライエッチング装置の概略構成図である。
【図５】従来におけるドライエッチング装置に使用されるフォーカスリングの一例を示す要部の拡大断面図である。
【図６】従来におけるドライエッチング装置に使用されるフォーカスリングの他の例を示す要部の拡大断面図である。
【符号の説明】
１０……ウェハ、１２……真空反応室、１４……下部電極、１６……フォーカスリング、１６１……ガス通路、１６２……ガス噴出孔、１８……上部電極、２０……シャワープレート、２２−１〜２２−４……流量制御弁（流量制御手段）、２６……ＵＨＦ電源、２８……高周波バイアス電源、３０−１〜３０−４……流量制御弁（流量制御手段）、３４……光学系、３６……分光器、３８……演算処理部。

Claims

真空反応室と、前記真空反応室内に設置され、ウェハが載置されるウェハステージと、前記ウェハステージ上のウェハに対して上方からエッチングガスを噴出する第１ガス噴出手段とを有し、前記第１ガス噴出手段から噴出されるエッチングガスを高周波電力によりプラズマ化し、このプラズマ化した活性ガスにより前記ウェハをエッチングする装置において、
前記ウェハステージに載置されたウェハの外周に臨ませて設けられたフォーカスリングと、
前記フォーカスリングの内部に該フォーカスリングの全長に亘りリング状に形成したガス通路と、前記フォーカスリングの円周方向に所定の間隔離して形成されるとともに一端が前記ガス通路に連通され、他端が前記フォーカスリングの内方に向け開口された複数のガス噴出孔を備え、該ウェハの外周から中央に向けエッチングガスを噴出する第２ガス噴出手段と、
を備える、ことを特徴とするエッチング装置。
前記フォーカスリングが、前記ウェハの上面までの高さより低い部分と前記ウェハの上面までの高さより高い部分とを有する階段形状を呈し、
前記複数のガス噴出孔が、前記フォーカスリングの前記高い部分に開口されていることを特徴とする請求項１記載のエッチング装置。
前記第２ガス噴出手段のガス噴出孔のガス噴出方向と噴出初速の少なくともいずれかを変えたフォーカスリングを複数種類備えることを特徴とする請求項１又は２記載のエッチング装置。
前記第１ガス噴出手段は、種類の異なる複数のエッチングガス源に各別の流量制御手段を介して接続され、前記真空反応室内に供給するエッチングガスの組成を、前記各流量制御手段の流量制御により調整するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載のエッチング装置。
前記第２ガス噴出手段は、種類の異なる複数のエッチングガス源に各別の流量制御手段を介して接続され、前記ウェハの外周から中央に向けて噴出させるエッチングガスの組成を、前記各流量制御手段の流量制御により調整するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載のエッチング装置。
前記ウェハの中央領域と周辺領域のエッチングレートをモニタし、このモニタ結果に応じて前記第２ガス噴出手段の流量制御手段を制御することを特徴とする請求項４記載のエッチング装置。