JP2006049468A - ドライエッチング方法及びドライエッチング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＢマスクなどのメンブレンのドライエッチングの際に、メンブレンを破壊することなく、且つエッチング特性を低下することないドライエッチング方法及びドライエッチング装置を提供すること。
【解決手段】ステージをいくつかの領域に分割し、各領域毎にステージ温度、熱伝導用ガス流量及び圧力を設定してドライエッチングを行なうこと。１）仕切り２５によって、いくつかの領域に一体的に分割されたステージ、２）分割されたステージ毎にステージ温度を設定し、維持する機構２７、３）分割されたステージ毎に熱伝導用ガス流量及び圧力を設定し、維持する機構２８を具備すること。
【選択図】図６

Description

本発明は、半導体製造用マスクの製造プロセス、半導体製造プロセス、ディスプレイ基板製造プロセスなどの微細加工分野に適用されるドライエッチングに関するものであり、特に、ＥＢマスク等のメンブレンを破壊することのないドライエッチング方法、及びドライエッチング装置に関する。

半導体集積回路の高密度化には、デバイス配線などの寸法幅の微細化や、接続孔の形成方法が大きな役割を担っている。これらの寸法は６５ｎｍ以下のパターンが実用化されつつあるが、こうした微細パターンの実現にはドライエッチング技術の発展に負うところが大きい。また、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ等のディスプレイ分野においても、高密度化、微細化、大口径化の流れは半導体集積回路と全く同様であり、以下、半導体分野のドライエッチング技術を例にとって説明する。

まず、ドライエッチング技術について図１を用いて説明する。図１は、一般的な誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）方式によるドライエッチング装置を示した説明図である。真空チャンバー１に反応ガスを導入し、ＩＣＰプラズマ発生用の高周波発振器２によりエネルギーを投入することにより反応ガスを電離、解離させプラズマ３を発生させる。プラズマ中に生成されたラジカルやイオンによって、真空チャンバー１内のカソードステージ４上に固定されたウェハ５がエッチングされる。

また、カソードステージには、ＲＦバイアス制御用の高周波発振器６が接続されており、ウェハに入射するイオンの運動エネルギーを制御することで、垂直エッチングやエッチングレート等のエッチング特性を制御している。カソードステージへのウェハの固定には、静電チャック方式とメカチャック方式がある。
エッチング中のウェハの温度は、加工寸法やエッチング深さ等のエッチング特性に大きく影響するため、ウェハ温度は重要なパラメータの一つである。従って、より精密なプロセスを実現するために、一般にはウェハの冷却を行ない、ウェハの温度分布を均一化することが要求されている。このため、カソードステージには様々な工夫がなされている。

第一の従来技術を図２に示す。第一の従来技術は、特開昭５８−３２４１０号公報、特開昭６０−１１５２２６号公報に記載されているように、エッチング中のステージ１３の温度は熱交換器によりある温度に設定されており、加熱及び冷却用チラー配管１５によって設定温度に保たれる。ステージ１３とウェハ１２の熱伝導を効率良く行なうため、その間に熱伝導用ガス（Ｈｅなどの希ガス）が数Ｔｏｒｒの圧力で満たされており、これによりウェハの温度制御を行なう方式である。

しかしながら、この方式ではウェハ周縁付近で熱伝導用ガスが微量ながらリークするため圧力が低くなるので、プラズマからの熱の入りがウェハ面内で均一であっても、ウェハ周縁の温度が高くなったり、ウェハ周縁のみでステージと接触するドライエッチング装置においては、ウェハ中心が高温になる、などの問題が生じる。また、プラズマからの熱の入りが均一でないときは、ウェハ上でそれに応じた温度分布が生じ、分布を改善、補正することは出来ない。

この問題を解決する手段として、第二の従来技術を図３に示す。第二の従来技術は、特開平８−１９１０５９号公報に記載されているように、ステージ１９を複数の領域に分割し、それぞれを独立したヒータ１６により独立制御することで、ウェハ１８の温度分布を
改善、または意図的に温度分布を持たすことが可能となっている。この方式は、ヒータの独立制御によってウェハ温度をコントロールするものであるが、熱伝導用ガスは第一の従来技術と同様に１系統であるため、熱伝導ガスの圧力を領域毎にコントロールすることはできない。

よって、被エッチング材がＥＰＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）マスク、ＬＥＥＰＬ（Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅ−ｂｅａｍ Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）マスク、ＥＢ部分一括露光マスク、Ｘ線マスク、ＩＰＬ（Ｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）マスク、イオン注入装置用マスク等のメンブレンマスクの場合（図４）、メンブレンマスクは、１つのウェハ内に膜厚がサブミクロンから数十ミクロンの非常に破れやすいメンブレン領域２１と、それ以外のバルク領域２２を有するため、第一及び第二の従来技術でエッチングを実施すると、真空チャンバーのプロセスガス圧力と熱伝導用ガス圧力の差圧により、メンブレンを破壊してしまう。

また、メンブレンの破壊を避けるために熱伝導用ガスの圧力を下げるか、流量をゼロにすると、メンブレンは破れないが、バルク領域の冷却も不十分になるため、試料全体としての冷却が不十分になり、レジストとの選択性が低下するなどのエッチング特性が大きく低下していしまう。尚、図４は一般的なＥＢマスクの模式図であり、（ａ）はＥＢマスクの上方からの平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ｂ線に沿った断面図である。
特開昭５８−３２４１０号公報 特開昭６０−１１５２２６号公報 特開平８−１９１０５９号公報

近年、ＶＬＳＩ、ＵＬＳＩ等に見られる半導体デバイスの高集積化、微細化、高性能化が進展するに伴い、半導体デバイス製造の主要なプロセスであるドライエッチング技術は、技術的要求がますます厳しくなってきているが、半導体デバイス製造に用いられるリソグラフィ技術において重要な役割を果たすＥＰＬマスク、ＬＥＥＰＬマスク、ＥＢ部分一括露光マスク等のＥＢマスクや、Ｘ線マスク、ＩＰＬマスクの製造においても、新しいドライエッチング技術が求められている。

これらＥＢマスクや、Ｘ線マスク、ＩＰＬマスク、イオン注入装置用マスクは、１つのマスク面内に膜厚がサブミクロンから数十ミクロンの非常に破れやすいメンブレン領域とそれ以外のバルク領域を有している。ドライエッチングによりメンブレン領域を微細加工する際に、第一及び第二の従来技術でドライエッチングを実施すると、真空チャンバーのプロセス圧力とステージ−ウェハ間の熱伝導用ガスによる圧力に、大きな圧力差が生じることにより、メンブレンを破壊してしまう。
また、メンブレンの破壊を避けるために熱伝導用ガスの圧力を下げるか、流量をゼロにすると、メンブレンは破れないが、ＥＢマスクや、Ｘ線マスク、ＩＰＬマスク全体の冷却が不十分になり、レジストとの選択性が低下するなどのエッチング特性が大きく低下していしまう。

本発明は、上記のような従来技術の課題を解決するものであり、ＥＢマスクや、Ｘ線マスク、ＩＰＬマスク、イオン注入装置用マスクにおけるメンブレンのドライエッチングの際に、メンブレンを破壊することなく、且つエッチング特性を低下することないドライエ
ッチング方法及びドライエッチング装置を提供することを課題とするものである。また、本発明は、ＥＢマスクや、Ｘ線マスク、ＩＰＬマスク、イオン注入装置用マスクに限らず、必要に応じてディスプレイ基板などの様々なドライエッチングにも適応できる。

本発明は、基板とステージの間に基板の冷却もしくは加熱を促進するための熱伝導用ガスを導入しながらドライエッチングを行なう方法において、ステージをいくつかの領域に分割し、各領域毎にステージ温度、熱伝導用ガス流量及び圧力を設定してドライエッチングを行なうことを特徴とするドライエッチング方法でる。

また、本発明は、基板とステージの間に基板の冷却もしくは加熱を促進するための熱伝導用ガスを導入しながらドライエッチングを行なうドライエッチング装置において、
１）仕切りによって、いくつかの領域に一体的に分割されたステージ、
２）分割されたステージ毎にステージ温度を設定し、維持する機構、
３）分割されたステージ毎に熱伝導用ガス流量及び圧力を設定し、維持する機構、
を少なくとも具備することを特徴とするドライエッチング装置である。

また、本発明は、上記発明によるドライエッチング装置において、前記熱伝導用ガスが、ＨｅもしくはＡｒであることを特徴とするドライエッチング装置である。

本発明は、ステージをいくつかの領域に分割し、各領域毎にステージ温度、熱伝導用ガス流量及び圧力を設定してドライエッチングを行なうドライエッチング方法であるので、基板裏面の熱伝導用ガスの圧力によって容易に破壊しやすいＥＢマスク等のサンプルを破壊することなく、且つ冷却を十分に行なうドライエッチングが可能である。基板の各領域毎に熱伝導用ガスの圧力と温度をコントロール出来るため、線幅や対レジスト選択比、パターン形状等のエッチング特性が良好なエッチングが可能になる。

また、本発明は、１）仕切りによって、いくつかの領域に一体的に分割されたステージ、２）分割されたステージ毎にステージ温度を設定し、維持する機構、３）分割されたステージ毎に熱伝導用ガス流量及び圧力を設定し、維持する機構具備するドライエッチング装置であるので、基板裏面の熱伝導用ガスの圧力によって容易に破壊しやすいＥＢマスク等のサンプルを破壊することなく、且つ冷却を十分に行なうエッチングが可能なドライエッチング装置となる。

本発明を一実施の形態に基づいて以下に説明する。
図５及び図６は、本発明のドライエッチング装置のカソードステージユニット２３の説明図である。図５はカソードステージユニットの上方からの平面図であり、図６は図５のＸＹ線に沿った断面図である。

図５及び図６に示すように、カソードステージユニット２３のウェハ接触面は、静電チャック２４になっており、ウェハを静電気力により吸着できる。静電チャックは、仕切り２５によって各ブロック２６ａ〜２６ｉに分割されている。分割された各ブロックには、各々加熱および冷却用チラー配管（図６においては２７ａ〜２７ｅ）と熱伝導用ガスの導入口２８ａ〜２８ｉが内蔵されており、ブロック毎にチラー温度制御、熱伝導用ガスの圧力および流量の制御が可能となっている。

図５に示した例では、カソードステージユニット２３を、９つのブロック（２６ａ〜２６ｉ）に分割しているが、処理したいサンプルの構造にあわせて、任意に設計した方が良
い。また、ブロック数を多くした方が、試料の温度、裏面の熱伝導用ガス圧力及び流量の細かい制御が可能となるが、ブロックの数だけ流量コントローラ、圧力計、チラー温度コントローラ、配管等が必要となる。

この発明の方法では、被エッチング材、マスク材、エッチングガスの材料は、ドライエッチングが可能であれば、特に制限はない。また、エッチング装置のプラズマ発生方法は、平行平板型、容量結合型（ＣＣＰ）、誘導結合型（ＩＣＰ）、超高周波型（ＵＨＦ）、電子サイクロトロン共鳴型（ＥＣＲ）、マイクロ波型、ヘリコン波型、表面波型、等の制限はなく、これら全てのプラズマ発生方式が使用可能である。

以下、図面を用いて本発明の実施例１を説明する。一般的なＩＣＰ型ドライエッチング装置と本発明のカソードステージユニットを作製した。図７、図８、及び図９を用いて本発明の装置について説明する。図７は、装置全体の概要図であり、図８はカソードステージユニットの上方からの平面図であり、図９は図８のＸＹ線に沿った断面図である。

図７に示すＩＣＰプラズマ発生用の高周波発振器２９は、ＰＦＰＰ社製の型番ＲＦ−２０Ｍ（２０ＭＨｚ、２ｋＷ）を用い、ＲＦバイアス制御用の高周波発振器３０は、ＥＮＩ社製の型番ＡＧＣ−６Ｂ（１３．５６ＭＨｚ、６００Ｗ）を用いた。真空チャンバー３１は、一般的な真空チャンバーで、反応ガス供給口３２と反応ガス排気口３３があり、真空チャンバーの上部にはＩＣＰプラズマ発生用のアノード電極のコイル３４と、チャンバー下部には、ＲＦバイアス用のカソード電極を内蔵したカソードステージユニット３５が接続されている。

一般的なＩＣＰ型ドライエッチング装置と異なる点は、このカソードステージユニット３５が、ステージの各領域毎に、温度、熱伝導用ガスの流量、圧力をコントロール出来る機能を有する点である。本実施例では、熱伝導用ガスにはヘリウム（Ｈｅ）を、温度制御用チラーには純水を用いた。

図８、及び図９に示すように、カソードステージユニット３５の表面は、全面が静電チャック４０になっており、静電気力によりウェハを吸着できる。本実施例１では、仕切り４１により静電チャック４０を外周領域Ａ、通常領域Ｂ、中心領域Ｃに分割した。それぞれの領域には、熱伝導用ガス（Ｈｅ）の導入口４５（４５Ａ−Ｌ、４５Ａ−Ｒ、４５Ａ−Ｔ、４５Ａ−Ｂ、４５Ｂ−Ｌ、４５Ｂ−Ｒ、４５Ｂ−Ｔ、４５Ｂ−Ｂ、及び４５Ｃ）と、加熱及び冷却用チラー配管４６（４６Ａ−Ｌ、４６Ａ−Ｒ、４６Ａ−Ｔ、４６Ａ−Ｂ、４６Ｂ−Ｌ、４６Ｂ−Ｒ、４６Ｂ−Ｔ、４６Ｂ−Ｂ、及び４６Ｃ）が設けられている。

以下に、図７〜図９に示す本装置を用いてドライエッチングを実施した例により本発明によるドライエッチング方法を説明する。まず、実験方法として、図１０（ａ）に示す、１０００ｎｍ厚（Ｔ１）の熱酸化膜４８付きシリコンウェハ４７（８インチφ）を用意し、ドライエッチングにより、図１０（ｂ）に示すように熱酸化膜４８を薄く（Ｔ２）した。
エッチング前後の酸化膜の膜厚を光学式膜厚計により測定することで、エッチングレートの面内分布を求めた。

表１に示すように、カソードステージユニットの条件を４種類設定した。条件１はステージ温度を全領域とも２５℃及びＨｅ冷却をＯＦＦ（流さない）とし、条件２はステージ温度を全領域とも２５℃及びＨｅ圧力を全領域とも６Ｔｏｒｒとし、条件３はステージ温度を領域毎に５℃ずつ変化させ及びＨｅ冷却を全領域とも６Ｔｏｒｒとし、条件４はステージ温度を全領域とも２５℃及びＨｅ冷却を２Ｔｏｒｒずつの変化とした。
その他のエッチング条件は、プラズマソース：５００Ｗ、バイアスパワー：１００Ｗ、エッチングガス：ＣＦ₄ ＝２０ｓｃｃｍ、圧力：１５ｍＴｏｒｒに固定し、カソードステージユニットの条件のみをパラメータとして、酸化膜のエッチングレートの面内分布を測定した。

結果を図１１、図１２に示す。条件１の結果を図１１（ａ）に、条件２の結果を図１１（ｂ）に示してある。図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、条件１、条件２では、各領域毎のステージ温度制御や熱伝導用Ｈｅの圧力制御がされていないため、実際のウェハ上では中心領域Ｃの温度が高く、周辺が低いという温度分布が生じてしまい、その温度分布を反映したエッチングレートの分布が見られる。

また、図１２（ａ）に示す条件３では、各領域毎にステージ温度制御を行なったので、エッチングレートの面内分布が均一化されている。また、図１２（ｂ）に示すように、条件４では、各領域毎に熱伝導用Ｈｅの圧力制御を行なったので、エッチングレートの面内分布が均一化されている。
このように、各領域毎の熱伝導用Ｈｅの圧力制御は、各領域毎の温度制御と同様の効果が得られる。

次に、本発明のドライエッチング装置の第２例を用いてＥＢマスクの製造を実施した例を示す。カソードステージユニット以外の装置本体は、実施例１と同じ構造である（図７参照）。カソードステージユニットは、図４に示すようなＥＢマスクのメンブレン領域２１とバルク領域２２に合うように、図１３に示すように、仕切り５５によって静電チャック５１を周辺領域Ｄと中心領域Ｅに分割した。各領域には、実施例１と同様に熱伝導用ガス（Ｈｅ）の導入口５４と加熱及び冷却用チラー配管（図示せず）が設けられており、各領域毎に、温度、熱伝導用ガスの流量、圧力をコントロール出来る機能を有いている。

本実施例２では、まず、ＥＢマスクには８インチφのＳＯＩ基板を用い、フォトリソグラフィ、ＥＢリソグラフィ、ウェットエッチング、ドライエッチング、洗浄等の工程を経て、図１４（ａ）に示すような、略５００μｍの膜厚を持つバルク領域２２と、略１０μｍの膜厚のメンブレン領域２１を形成した。
次に、ＥＢレジスト５６をコート（図１４（ｂ））し、描画、現像によりレジストパターン５７を形成した（図１４（ｃ））。その後、本発明のドライエッチング装置を用い、３種類のカソードステージの条件でドライエッチングすることによりメンブレン領域にメインパターン形成を実施した（図１４（ｄ））。

ドライエッチングのカソードステージの条件以外の設定条件は、プラズマソース：５００Ｗ、バイアスパワー：１５０Ｗ、エッチングガス：Ｃ₃ Ｆ₈ ＝２０ｓｃｃｍ、圧力：１０ｍＴｏｒｒに固定し、カソードステージの条件のみをパラメータとした。３種類のステージ条件を表２に示す。条件１は、中心領域Ｅ及び周辺領域Ｄともにステージ温度を２５℃及びＨｅ冷却圧力を６Ｔｏｒｒとし、条件２は、中心領域Ｅ及び周辺領域Ｄともにステージ温度を２５℃及びＨｅ冷却圧力を０Ｔｏｒｒ（流量ＯＦＦ）とし、条件３は、ステージ温度を中心領域Ｅで低くし、Ｈｅ冷却圧力も中心領域で小さくした。

これら条件１、２、３でドライエッチングを実施した結果、条件１ではＨｅ冷却圧力により、ドライエッチング中にメンブレン破壊が生じた。条件２ではＨｅ冷却を切っているため、メンブレン破壊は発生しなかったが、メンブレン領域（特にウェハ中心）の温度上昇し、ウェハ中心のエッチングレートが大きいという面内分布が発生した（図１５（ａ）
）。条件３では、メンブレンを破壊することなく、メンブレン部を十分に冷却することが出来るため、エッチングレートの面内分布は非常に均一で良好であった（図１５（ｂ））。その後、レジスト剥離によりＥＢマスクの加工を完了させた（図１４（ｅ））。

一般的な誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）方式によるドライエッチング装置を示した説明図である。 第一の従来技術におけるドライエッチング装置のステージの説明図である。 第二の従来技術におけるドライエッチング装置のステージの説明図である。 （ａ）は、メンブレンマスクのメンブレン領域とバルク領域を模式的に説明する平面図である。（ｂ）は、メンブレンマスクのメンブレン領域とバルク領域を模式的に説明する断面図である。 本発明のドライエッチング装置のカソードステージユニットの平面図である。 図５のＸＹ線に沿った断面図である。 実施例１、２における本発明のドライエッチング装置全体の概略図である。 実施例１におけるカソードステージユニットの平面図である。 図８のＸＹ線に沿った断面図である。 （ａ）は、エッチング前の熱酸化膜付きシリコンウェハの断面図である。（ｂ）は、エッチング後の熱酸化膜付きシリコンウェハの断面図である。 （ａ）は、実施例１における条件１の結果の説明図である。（ｂ）は、実施例１における条件２の結果の説明図である。 （ａ）は、実施例１における条件３の結果の説明図である。（ｂ）は、実施例１における条件４の結果の説明図である。 実施例２におけるカソードステージユニットの平面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、実施例２における工程の説明図である。 （ａ）は、実施例２における条件２の結果の説明図である。（ｂ）は、実施例２における条件３の結果の説明図である。

符号の説明

１、３１・・・真空チャンバー
２、２９・・・プラズマ発生用の高周波発振器
３・・・プラズマ
４・・・カソードステージ
５、１２、１８、３８・・・ウェハ
６、３０・・・ＲＦバイアス制御用の高周波発振器
７・・・ブロッキングコンデンサ
８、３７、３９・・・整合器
９、３４・・・コイル
１０、３２・・・反応ガス供給口
１１、３３・・・反応ガス排気口
１３、１９・・・ステージ
１４、２８ａ〜２８ｉ、４５・・・熱伝導用ガスの導入口
１５、２７ａ〜２７ｅ、４６・・・加熱及び冷却用チラー配管
１６・・・ヒータ
１７、２５、４１，５５・・・仕切り
２０，５４・・・熱伝導用ガスの導入口
２１・・・メンブレン領域
２２・・・バルク領域
２３、３５・・・カソードステージユニット
２４、４０、５１・・・静電チャック
２６ａ〜２６ｉ・・・ブロック（領域）
３６・・・ブロッキングコンデンサ
４７・・・エッチング前のシリコンウェハ
４８・・・熱酸化膜
４９・・・シリコン
５０・・・エッチング後のシリコンウェハ
５６・・・ＥＢレジスト
５７・・・レジストパターン
Ａ・・・外周領域
Ｂ・・・通常領域
Ｃ、Ｅ・・・中心領域
Ｄ・・・周辺領域

Claims (3)

1. 基板とステージの間に基板の冷却もしくは加熱を促進するための熱伝導用ガスを導入しながらドライエッチングを行なう方法において、ステージをいくつかの領域に分割し、各領域毎にステージ温度、熱伝導用ガス流量及び圧力を設定してドライエッチングを行なうことを特徴とするドライエッチング方法。
2. 基板とステージの間に基板の冷却もしくは加熱を促進するための熱伝導用ガスを導入しながらドライエッチングを行なうドライエッチング装置において、
   １）仕切りによって、いくつかの領域に一体的に分割されたステージ、
   ２）分割されたステージ毎にステージ温度を設定し、維持する機構、
   ３）分割されたステージ毎に熱伝導用ガス流量及び圧力を設定し、維持する機構、
   を少なくとも具備することを特徴とするドライエッチング装置。
3. 前記熱伝導用ガスが、ＨｅもしくはＡｒであることを特徴とする請求項２記載のドライエッチング装置。

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