JPH11330047A - エッチング装置及びエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フォーカスリング表面の堆積物がエッチング
途中でウエハ上に剥がれ落ち、エッチングの形状精度を
得ることができない。 【解決手段】 下部電極３のウエハ載置面３ａを底面に
して、下部電極３の側周にフォーカスリング４を設けて
なるエッチング装置において、フォーカスリング４の底
面に冷却手段７を設けた。冷却手段７は、フォーカスリ
ング４の底面に沿って密着配置された基材７ａ内に、フ
ォーカスリング４の底面に沿って冷媒を循環させる冷媒
管７ｂを内設してなるものである。これによって、フォ
ーカスリング４の表面を冷却しながらエッチングを行う
ことが可能になり、フォーカスリング４表面の加熱によ
るフォーカスリング４表面からの堆積物ａの剥離が防止
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
工程において用いられるエッチング装置及びエッチング
方法に関し、特にはウエハを載置する下部電極の側周に
フォーカスリングを設けてなるエッチング装置及びこの
エッチング装置を用いたエッチング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４には、半導体装置の製造工程で用い
られているエッチング装置の要部構成図を示した。この
図に示すエッチング装置は、反応室１と、この反応室１
内に互いに対向する状態で設けられた上部電極２及び下
部電極３と、下部電極３におけるウエハ載置面３ａを底
面としてその側周に設けられたフォーカスリング４とを
有するのもである。

【０００３】このエッチング装置を用いてウエハの表面
をエッチングする場合には、先ず、下部電極３のウエハ
載置面３ａ上にウエハＷを載置し、ウエハＷの側周をフ
ォーカスリングで囲む。その後、反応室１内にプロセス
ガスを導入した状態で上部電極２に高周波を印加し、こ
れによって反応室１内にプロセスガスのプラズマＰを発
生させ、プラズマＰをウエハＷ表面に供給する。そし
て、このプラズマＰによって当該ウエハＷの表面をエッ
チングする。この際、ウエハＷの側周を囲む状態でフォ
ーカスリング４が設けられていることで、下部電極３上
に載置したウエハＷ表面にプラズマＰが均等に供給さ
れ、エッチングにおけるウエハ面内均一性が得られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記エッチン
グ装置及びこれを用いたエッチングにおいては、以下の
ような課題がある。すなわち、図４に示したように、上
記構成のエッチング装置では、下部電極３の側周にフォ
ーカスリングを設けたことから、エッチングによる反応
生成物がこのフォーカスリング４の表面に付着し、ウエ
ハＷの処理枚数を重ねることによってフォーカスリング
４の表面に上記反応生成物による堆積物ａが構成される
ようになる。ところが、エッチングの際には、プラズマ
Ｐから受ける直接的な熱や、上部電極２及び反応室１側
壁からの輻射熱によって、フォーカスリング４の表面温
度が上昇する。このため、上記堆積物ａがフォーカスリ
ング４の表面から剥がれ易くなり、エッチング途中に堆
積物ａがウエハＷの表面に落下する場合がある。このよ
うな場合には、この堆積物ａがエッチングのマスクにな
り、ウエハＷの表面にエッチング残りが生じる。

【０００５】近年、半導体装置の高集積化及び高機能化
の要求に伴う微細加工技術の進歩によって、配線の寸法
及び、コンタクトホール等のスルーホールの径の微細化
が進み、上記スルーホール内にはタングステンのように
より低抵抗な導電性材料を用いたプラグが形成されるよ
うになってきている。そして、上記エッチング装置を用
いてこのプラグを形成する場合には、先ず、図５（１）
に示すように、層間絶縁膜１１に形成したスルーホール
１２内を埋め込む状態で密着層１３を介してタングステ
ン膜１４を形成した後、上記エッチング装置を用いて密
着層１３及びタングステン膜１４をエッチバックしてい
る。そして、図５（２）に示すように、スルーホール１
２内のみにタングステン膜１４を残し、これをプラグ１
４ａとして形成している。

【０００６】ところが、上述のようにして、上記エッチ
ング装置をもちいたタングステン膜のエッチバック途中
でウエハＷの表面に堆積物ａが剥がれ落ちた場合には、
この堆積物がエッチングのマスクになる。この結果、エ
ッチバック終了後に層間絶縁膜１１上にタングステン膜
のエッチング残りｂが生じる。そして、後の工程で層間
絶縁膜１１上に上層配線（図示省略）を形成した場合
に、この上層配線間にエッチング残りｂが残存すること
になる。このエッチング残りｂは、上層配線間をショー
トさせ、半導体装置の歩留りを低下させる要因になる。
これは、堆積物ａ自体が層間絶縁膜１１上に残った場合
でも同様であり、この堆積物ａが上記上層配線間をショ
ートさせる要因になる。

【０００７】また、上記プラグの形成以外であっても、
例えば配線をパターニングする際のエッチングにおいて
上記堆積物ａがウエハ上に脱落した場合には、この堆積
物ａが配線間をショートさせる要因になる。

【０００８】そこで本発明は、エッチングによる反応生
成物の堆積物がフォーカスリングからウエハ状に剥がれ
落ちることを防止できるエッチング装置及びエッチング
方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明のエッチング装置は、下部電極のウエハ載置面
を底面にして、当該下部電極の側周にフォーカスリング
を設けてなるエッチング装置において、前記フォーカス
リングには、当該フォーカスリングの表面を冷却する冷
却手段を設けたことを特徴としている。

【００１０】上記エッチング装置によれば、フォーカス
リングに設けた冷却手段によって、フォーカスリングの
表面が冷却される。このため、エッチングの際にフォー
カスリングの周囲で発熱が生じても、フォーカスリング
の表面を冷却した状態で、下部電極上に載置したウエハ
のエッチングが行われる。したがって、エッチングの際
に、フォーカスリングの表面における反応生成物の堆積
物が、当該フォーカスリングから剥離し難くなる。

【００１１】また、本発明のエッチング方法は、側周が
フォーカスリングで囲まれたウエハの表面にプラズマを
供給することによって当該ウエハの表面をエッチングす
る方法において、前記フォーカスリングの表面を冷却す
ることを特徴としている。

【００１２】上記エッチング方法によれば、フォーカス
リングの表面が冷却された状態でエッチングが行われ
る。このため、エッチングの際には、フォーカスリング
の表面における反応生成物の堆積物が、当該フォーカス
リングから剥離し難くなる。したがって、フォーカスリ
ング表面の堆積物をウエハ上に落下させることなくエッ
チングが行われる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明のエッチング装置及
びエッチング方法を適用した実施の形態を図面に基づい
て説明する。図１は、本発明のエッチング装置の一実施
形態を示す要部構成図であり、先ずこの図を用いてエッ
チング装置の実施の形態を説明する。尚、従来の技術で
説明したと同様の構成要素には同一の符号を付して説明
を行う。

【００１４】この図に示すエッチング装置は平行平板型
のエッチング装置であり、反応室１と、この反応室１内
に互いに対向する状態で設けられた上部電極２及び下部
電極３と、下部電極３の側周に設けられたフォーカスリ
ング４とを有するのもである。

【００１５】反応室１の上面には、当該反応室１内にプ
ロセスガスを導入するためのガス導入管６が接続されて
いる。また、反応室１の下面には、反応室１内のガスを
排気するための排気管７が接続されている。そして、反
応室１は、ここでは図示を省略したロードロック室に接
続されており、このロードロック室から反応室１内には
真空状態を確保したままでウエハＷが収納されるように
なっている。また、上記ロードロック室には、この反応
室１以外にもその他の複数の反応室やウエハを待機させ
ておくカッセット室が接続されていても良く、全体とし
てマルチチャンバとして構成されているものであっても
良い。

【００１６】そして、上記上部電極２は、反応室１の上
方に設けられており、プラズマ励起源となる高周波電源
２ａに接続されている。さらに、上記下部電極３は、上
部電極２と対向する状態で反応室１内に設けられてお
り、例えば冷媒導入路が内設された静電チャックとして
構成されている。

【００１７】また、上記フォーカスリング４は、下部電
極３におけるウエハ載置３ａを底面としてその側周壁を
構成する状態で、当該下部電極３の上部側周に設けられ
ている。そして、このこのフォーカスリング４の底面
に、本発明に特徴的な構成要素である冷却手段７が設け
られている。この冷却手段７は、フォーカスリング４の
下面に沿って設けられたものであり、フォーカスリング
４の下面に密着させて設けられた熱伝導性の良好な材料
からなる基材７ａ内に、フォーカスリング４の底面に沿
って冷媒を循環させる冷媒管７ｂを内設してなるもので
ある。この冷媒管７ｂは、下部電極３の冷媒導入路とは
個別に設けられたものである。また、冷却手段７には、
フォーカスリング４の表面温度を制御するための温度制
御機能（図示省略）が備えられており、上部電極２、下
部電極３及び反応室１等とは別に、フォーカスリング４
の表面温度を独立して制御可能に構成されていることと
する。

【００１８】上記構成のエッチング装置では、排気管７
からの排気によって反応室１内を所定の減圧状態にし、
ガス導入管６からプロセスガスを導入して上部電極２に
高周波電源２ａから高周波を印加することで、反応室１
内でプロセスガスのプラズマが発生する。この際、下部
電極３の側周に設けられたフォーカスリング４によっ
て、下部電極３上に載置したウエハＷにプラズマが均等
に供給され、このプラズマによってウエハＷの表面がエ
ッチングされる。そして特に、フォーカスリング４の下
面に設けた冷却手段７によって、フォーカスリング４の
表面が冷却されるため、エッチングの際にプラズマＰか
ら受ける直接的な熱や、上部電極２及び反応室１側壁か
らの輻射熱によって、フォーカスリング４の表面温度が
上昇することが抑えられる。このため、エッチングによ
る反応生成物がフォーカスリング４表面に堆積して堆積
物ａが形成されていても、この堆積物ａがフォーカスリ
ング４表面から剥がれ難くなる。したがって、エッチン
グの際に、この堆積物ａがウエハＷ上に落下することは
ない。

【００１９】図２は、本発明のエッチング方法をタング
ステンからなるプラグの形成方法に適用した実施の形態
を説明するための断面工程図である。以下にこの図２と
共に上記図１を用いて、上記エッチング装置を用いたタ
ングステンからなるプラグの形成方法を説明する。

【００２０】先ず、図２（１）に示すように、基板２１
の上部にポリシリコンからなる下層配線２２を形成す
る。この下層配線２２の形成は、ＣＶＤ(Chemical Vapo
r Depositin)法によって形成したポリシリコン膜をパタ
ーニングすることによって行う。次に、下層配線２２を
覆う状態で、基板２１上に層間絶縁膜１１を形成する。
この層間絶縁膜１１は、例えばＣＶＤ法によって形成し
たＢＰＳＧ膜またはＰＳＧ膜で構成されることとする。
その後、層間絶縁膜１１をパターニングすることによっ
て、この層間絶縁膜１１に下層配線２２に達するスルー
ホール１２を形成する。

【００２１】次いで、図２（２）に示すように、スルー
ホール１２の内壁を覆う状態で、層間絶縁膜１１上にチ
タンからなる密着層１３をスパッタ法にて形成する。そ
の後、スルーホール１２の深さを越える膜厚で、密着層
１３上にタングステン膜（以下、タングステン膜と記
す）１４を形成する。これによって、スルーホール１２
内をタングステン膜１４で完全に埋め込む。

【００２２】以上の後、図２（３）に示すように、スル
ーホール１２の内部にのみタングステン膜１４及び密着
層１３を残すように、タングステン膜１４及び密着層１
３をその表面側からエッチバックし、層間絶縁膜１１上
のタングステン膜１４及び密着層１３を除去する。

【００２３】この際、上記図１を用いて説明したエッチ
ング装置を用い、下部電極３の載置面３ａ上に基板２１
（すなわちウエハＷ）を載置し、排気管７からの排気に
よって反応室１内を所定の圧力にまで減圧した後、ガス
導入管６からプロセスガスを所定の流量で導入した状態
で上部電極２に高周波電源２ａから高周波電圧を印加す
る。これによって、反応室１内にプロセスガスのプラズ
マＰを発生させて、フォーカスリング４で囲まれたウエ
ハＷの表面にこのプラズマＰを供給し、これによってウ
エハＷをその表面側からエッチングする。

【００２４】この際特に、エッチング装置の冷却手段７
における冷媒管７ｂに冷媒を循環させることによって、
フォーカスリング４の表面を冷却することが、本実施形
態の特徴となる。フォーカスリング４の冷却条件として
は、好ましくはウエハＷの表面温度よりも低い温度とす
る。冷却条件の一例としては、上部電極２の温度＝７０
℃、下部電極３の温度＝２５℃、反応室１側壁の温度＝
４５℃に制御した場合に、フォーカスリング４の冷却温
度＝２０℃程度に設定する。

【００２５】上記温度条件下におけるタングステン膜１
４及び密着層１３のエッチング条件の一例を以下に示
す。 ・タングステン膜１４の初期エッチング条件（第１ステップ）、 プロセスガス及び流量 ；６フッ化硫黄（ＳＦ₆ ）＝１１０sccm、 アルゴン（Ａｒ） ＝ ９０sccm、 エッチング雰囲気内圧力 ；３７．３Ｐａ、 高周波（13.56MHz）印加電力；６００Ｗ、 エッチング時間 ；３５秒。 ・タングステン膜１４のエッチング条件（第２ステップ）、 プロセスガス及び流量 ；６フッ化硫黄（ＳＦ₆ ）＝ ８０sccm、 アルゴン（Ａｒ） ＝ ４０sccm、 エッチング雰囲気内圧力 ；２８．０Ｐａ、 高周波（13.56MHz）印加電力；３００Ｗ、 エッチング時間 ；終点検出まで。 ・タングステン膜１４のオーバーエッチング条件（第３ステップ）、 プロセスガス及び流量 ；６フッ化硫黄（ＳＦ₆ ）＝ ８０sccm、 アルゴン（Ａｒ） ＝ ４０sccm、 エッチング雰囲気内圧力 ；２８．０Ｐａ、 高周波（13.56MHz）印加電力；３００Ｗ、 エッチング時間 ；４５秒。 ・密着層１３のエッチング条件、 プロセスガス及び流量 ；塩素（Ｃｌ₂ ）＝ ２０sccm、 窒素（Ｎ₂ ） ＝２００sccm、 エッチング雰囲気内圧力 ； ５．３Ｐａ、 高周波（13.56MHz）印加電力；５５０Ｗ、 エッチング時間 ；７５秒。 ただし、上記sccmは、standard cubic centimeter/minu
tes であることとする。

【００２６】以上のようにして、スルーホール１２内に
のみ密着層１３及びタングステン膜１４を残すことによ
って、このスルーホール１２内に密着層１３を介してタ
ングステンからなるプラグ１４ａを形成する。

【００２７】その後、図３に示すように、スパッタ法に
よって層間絶縁膜１１上にプラグ１４ａを覆う状態でア
ルミニウム膜１５を形成し、このアルミニウム膜１５を
パターニングし、アルミニウムからなる上層配線１５ａ
を形成する。これによって、プラグ１４ａに接続された
上層配線１５ａを層間絶縁膜１１上に形成してなる半導
体装置を完成させる。

【００２８】上記方法では、フォーカスリング４の表面
を冷却した状態でタングステン膜１４のエッチバックが
行われ、このエッチバックの際にはプラズマＰから受け
る直接的な熱や、上部電極２及び反応室１側壁からの輻
射熱によって、フォーカスリング４の表面温度が上昇す
ることが抑えられる。このため、フォーカスリング４の
表面における反応生成物の堆積物ａを当該フォーカスリ
ング４から剥離し難くすることが可能になる。したがっ
て、上記エッチバックの際にウエハＷ上に堆積物ａが剥
がれ落ちることはなく、層間絶縁膜１１上にこの堆積物
ａが残ったり、この堆積物ａをマスクにしたエッチング
残りを生じることが防止される。この結果、層間絶縁膜
１１上に形成した上層配線１５ａ間が堆積物ａや上記エ
ッチング残りによってショートすることが防止され、半
導体装置の歩留りの向上を図ることが可能になる。

【００２９】上記実施形態においては、フォーカスリン
グ４の下面に冷却手段７を設けた構成のエッチング装置
を例示した。しかし、冷却手段７としては、フォーカス
リング４に冷媒管を内設した構成であっても良い。ま
た、本発明のエッチング装置は、下部電極３のウエハ載
置面３ａを底面としてその側周にフォーカスリング４を
有するエッチング装置４であれば、本実施形態で説明し
た平行平板型のものに限定れることはなく、例えばマグ
ネトロン、ＥＣＲ、誘導放電またはヘリコン波をプラズ
マ源とするその他のエッチング装置に適用可能であり、
同様の効果を得ることができる。

【００３０】また、上記実施形態においては、タングス
テンプラグの形成におけるタングステン膜のエッチバッ
クに上記エッチング装置を用いた場合のエッチング方法
を説明した。しかし、本発明のエッチング方法は、これ
に限定されるものではなく、配線形成やスルーホール形
成のためのパターニング等におけるその他エッチングに
も適用され、同様の効果を得ることが可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明のエッチング
装置によれば、フォーカスリングの表面を冷却した状態
で下部電極上に載置したウエハのエッチングを行うこと
ができるため、エッチングの際にフォーカスリングが加
熱されて表面の堆積物がウエハ上に剥がれ落ちることを
防止できる。したがって、形状の精度が良好なエッチン
グを行うことが可能になる。また、本発明のエッチング
方法によれば、フォーカスリングの表面を冷却しながら
エッチングを行うことで、フォーカスリングの表面にお
ける反応生成物の堆積物を当該フォーカスリングから剥
離させずにエッチングを行うことが可能になる。したが
って、ウエハ上への堆積物の落下を防止でき、形状の精
度の良好なエッチングを行うことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のエッチング装置の一実施形態を示す要
部構成図である。

【図２】本発明のエッチング方法をタングステンからな
るプラグの形成方法に適用した実施形態を説明するため
の断面工程図である。

【図３】本発明のエッチング方法を適用して形成された
半導体装置の断面図である。

【図４】従来のエッチング装置の一例を示す要部構成図
である。

【図５】従来の課題を説明するための断面図である。

【符号の説明】

３…下部電極、３ａ…ウエハ載置面、４…フォーカスリ
ング、７…冷却手段、Ｐ…プラズマ、Ｗ…ウエハ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下部電極のウエハ載置面を底面にして、
   当該下部電極の側周にフォーカスリングを設けてなるエ
   ッチング装置において、 前記フォーカスリングには、当該フォーカスリングの表
   面を冷却する冷却手段を設けたことを特徴とするエッチ
   ング装置。
2. 【請求項２】 側周がフォーカスリングで囲まれたウエ
   ハの表面にプラズマを供給することによって、当該ウエ
   ハの表面をエッチングする方法において、 前記フォーカスリングの表面を冷却することを特徴とす
   るエッチング方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載のエッチング方法におい
   て、 前記フォーカスリングの表面を前記ウエハの表面よりも
   低い温度にまで冷却することを特徴とするエッチング方
   法。