JP2020115498A - エッチング方法およびエッチング装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】反応生成物の影響によるエッチング不良の発生を抑制する技術を提供する。【解決手段】エッチング方法は、基板に形成されたシリコン含有膜又はメタル含有膜をエッチングする工程と、エッチングする工程中に基板に対して一時的に電磁波を照射して基板を加熱する工程と、を有する。【選択図】図５

Description

本開示は、エッチング方法およびエッチング装置に関するものである。
特許文献１は、基板の表面の温度を−３５℃未満に制御し、水素含有ガス及びフッ素含有ガスからプラズマを生成して、プラズマによりシリコン酸化膜をエッチング処理する技術を開示する。
特開２０１７−１１２５５号公報
本開示は、反応生成物の影響によるエッチング不良の発生を抑制する技術を提供する。
本開示の一態様によるエッチング方法は、基板に形成されたシリコン含有膜又はメタル含有膜をエッチングする工程と、エッチングする工程中に基板に対して一時的に電磁波を照射して基板を加熱する工程と、を有する。
本開示によれば、反応生成物の影響によるエッチング不良の発生を抑制できる。
図１は、実施形態に係るエッチング装置の概略構成の一例を示す図である。 図２は、実施形態に係るシリコン含有膜のエッチングレートの一例を示す図である。 図３は、実施形態に係る蒸気圧曲線の一例を示す図である。 図４は、実施形態に係るエッチング処理の流れを示すタイミングチャートである。 図５は、実施形態に係るエッチング処理中のウェハの状態を模式的に示した図である。 図６は、実施形態に係る冷却時間の算出に用いる計算モデルの一例を模式的に示す図である。 図７は、実施形態に係る温度変化の一例を示す図である。 図８は、実施形態に係るエッチング処理の流れの一例を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して本願の開示するエッチング方法およびエッチング装置の実施形態について詳細に説明する。なお、本実施形態により、開示するエッチング方法およびエッチング装置が限定されるものではない。
ところで、シリコン含有膜又はメタル含有膜が形成された基板のエッチングを行った場合、基板に反応生成物が生成され、反応生成物の影響によりエッチング形状の悪化やエッチストップなどのエッチング不良が発生する場合がある。そこで、反応生成物の影響によるエッチング不良の発生を抑制する技術が期待されている。
［エッチング装置の構成］
実施形態に係るエッチング装置の構成の一例を説明する。図１は、実施形態に係るエッチング装置の概略構成の一例を示す図である。本実施形態では、エッチング装置１を、容量結合型平行平板のプラズマ処理装置とした場合を例に説明する。後述する載置台２０は、下部電極としても機能する。ガスシャワーヘッド２５は、上部電極としても機能する。
エッチング装置１は、例えば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形のチャンバ１０を有している。チャンバ１０は、電気的に接地されている。チャンバ１０の内部には、載置台２０が設けられている。載置台２０は、チャンバ１０の底部に設置され、半導体ウェハ（以下、単に「ウェハＷ」という。）を載置する。ウェハＷは、基板の一例である。載置台２０は、たとえばアルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等で円柱状に成形されている。載置台２０の上面には、ウェハを静電吸着するための静電チャック１０６が設けられている。静電チャック１０６は、絶縁体１０６ｂの間にチャック電極１０６ａを挟み込んだ構造になっている。チャック電極１０６ａには、直流電圧源１１２が接続されている。チャック電極１０６ａは、直流電圧源１１２からチャック電極１０６ａに直流電圧ＨＶが印加されることにより発生するクーロン力によってウェハＷを吸着する。
静電チャック１０６の周縁部には、載置台２０の周囲を囲むようにフォーカスリング１０８が配置されている。フォーカスリング１０８は、例えばシリコンや石英から形成されている。フォーカスリング１０８は、エッチングの面内均一性を高めるように機能する。
載置台２０は、支持体１０４により支持されている。支持体１０４の内部には、冷媒流路１０４ａが形成されている。冷媒流路１０４ａには、冷媒入口配管１０４ｂ及び冷媒出口配管１０４ｃが接続されている。冷媒入口配管１０４ｂ及び冷媒出口配管１０４ｃは、チラー１０７に接続されている。チラー１０７は、例えば冷却水やブライン等の冷却媒体（以下、「冷媒」ともいう。）を冷媒入口配管１０４ｂに出力する。チラー１０７から出力された冷媒は、冷媒入口配管１０４ｂ、冷媒流路１０４ａ及び冷媒出口配管１０４ｃを通りチラー１０７に戻る。チラー１０７は、冷媒入口配管１０４ｂ、冷媒流路１０４ａ及び冷媒出口配管１０４ｃに冷媒を循環させる。載置台２０、静電チャック１０６及びウェハＷは、冷媒により抜熱され、冷媒の温度と同程度の温度に冷却される。
載置台２０および静電チャック１０６には、ガス供給ライン１３０がもうけられている。ガス供給ライン１３０は、伝熱ガス供給源８５に接続されている。伝熱ガス供給源８５は、ヘリウムガス（Ｈｅ）やアルゴンガス（Ａｒ）等の伝熱ガスをガス供給ライン１３０に通して静電チャック１０６上のウェハＷの裏面に供給する。かかる構成により、静電チャック１０６は、冷媒流路１０４ａに循環させる冷媒と、ウェハＷの裏面に供給する伝熱ガスとによって温度制御される。この結果、ウェハを所定の温度に制御することができる。伝熱ガス供給源８５及びガス供給ライン１３０は、ウェハＷの裏面に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給機構の一例である。
載置台２０には、重畳した２周波の高周波電力を供給する電力供給装置３０が接続されている。電力供給装置３０は、第１周波数の第１高周波電力（プラズマ生起用高周波電力）を供給する第１高周波電源３２と、第１周波数よりも低い第２周波数の第２高周波電力（バイアス電圧発生用高周波電力）を供給する第２高周波電源３４とを有する。第１高周波電源３２は、第１整合器３３を介して載置台２０に電気的に接続される。第２高周波電源３４は、第２整合器３５を介して載置台２０に電気的に接続される。第１高周波電源３２は、例えば、６０ＭＨｚの第１高周波電力を載置台２０に印加する。第２高周波電源３４は、例えば、１３．５６ＭＨｚの第２高周波電力を載置台２０に印加する。なお、本実施形態では、第１高周波電力は載置台２０に印加されるが、ガスシャワーヘッド２５に印加されてもよい。
第１整合器３３は、第１高周波電源３２の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させる。第２整合器３５は、第２高周波電源３４の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させる。第１整合器３３は、チャンバ１０内にプラズマが生成されているときに第１高周波電源３２の内部インピーダンスと負荷インピーダンスとが見かけ上一致するように機能する。第２整合器３５は、チャンバ１０内にプラズマが生成されているときに第２高周波電源３４の内部インピーダンスと負荷インピーダンスとが見かけ上一致するように機能する。
載置台２０の上部には、載置台２０と対向するようにガスシャワーヘッド２５が配置されている。ガスシャワーヘッド２５は、周縁部を被覆するシールドリング４０を介してチャンバ１０の天井部の開口を閉塞するように取り付けられている。ガスシャワーヘッド２５は、図１に示すように電気的に接地してもよい。また、ガスシャワーヘッド２５は、可変直流電源を接続して所定の直流（ＤＣ）電圧を印加してもよい。
ガスシャワーヘッド２５には、ガスを導入するガス導入口４５が形成されている。ガスシャワーヘッド２５の内部にはガス導入口４５に連通する拡散室５０が設けられている。ガス導入口４５は、ガス配管を介してガス供給源１５に接続されている。ガス供給源１５は、プラズマ処理に用いる各種のガスを供給する。ガス供給源１５から出力されたガスは、ガス導入口４５を介して拡散室５０に供給され、拡散室５０にて拡散されて多数のガス供給孔５５から載置台２０に向けて導入される。
エッチング装置１は、ウェハＷを加熱するために、ウェハＷに対して電磁波を照射する照射部が設けられている。本実施形態では、電磁波として、マイクロ波をウェハＷに照射してウェハＷを加熱する場合を例に説明する。エッチング装置１は、照射部として、マイクロ波発生部９０と、導波管９１とが設けられている。マイクロ波発生部９０は、チャンバ１０外、例えば、ガスシャワーヘッド２５の上部に配置されている。マイクロ波発生部９０は、マグネトロンなどを含んで構成され、マイクロ波を発生する。マイクロ波の周波数としては、例えば、２．４５ＧＨｚや５．８５ＧＨｚが挙げられる。ガスシャワーヘッド２５の周辺には、石英窓９２が設けられている。導波管９１は、一端がマイクロ波発生部９０に接続され、他端が石英窓９２に接続されており、マイクロ波が載置台２０に向けて照射されるように配置されている。マイクロ波発生部９０で発生したマイクロ波は、導波管９１および石英窓９２を介して載置台２０に向けて照射される。載置台２０に載置されたウェハＷは、照射されたマイクロ波を吸収して内部加熱により発熱し、温度が上昇する。なお、エッチング装置１は、チャンバ１０内、例えば、ガスシャワーヘッド２５にアンテナを配置し、アンテナからマイクロ波を発振して載置台２０に載置されたウェハＷにマイクロ波を照射してもよい。また、エッチング装置１は、ガスシャワーヘッド２５の中央部やチャンバ１０の側壁に石英窓を設け、ガスシャワーヘッド２５の中央部やチャンバ１０の側壁からマイクロ波をウェハＷに照射してもよい。
チャンバ１０の底面には、排気口６０が形成されている。排気口６０には、排気装置６５が接続されている。排気装置６５は、チャンバ１０内を排気する。チャンバ１０内は、プラズマ処理の際、排気装置６５によって所定の真空度に維持される。チャンバ１０の側壁には、ゲートバルブＧが設けられている。ゲートバルブＧは、チャンバ１０からウェハＷの搬入及び搬出を行う際に搬出入口を開閉する。
エッチング装置１には、装置全体の動作を制御する制御部１００が設けられている。制御部１００は、例えばコンピュータであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１００ａと、ＲＡＭ（Random Access Memory）１００ｂと、ＲＯＭ（Read Only Memory）１００ｃと、補助記憶装置等の記憶部１００ｄとを有する。
記憶部１００ｄは、エッチング装置１を制御する制御プログラムや後述するエッチング処理を実行するプログラムなど各種プログラムを記憶する。さらに、記憶部１００ｄは、レシピなどのエッチング処理のプロセス条件を記憶する。レシピには、プロセス条件に対する装置の制御情報であるプロセス時間、圧力（ガスの排気）、高周波電力や電圧、各種ガス流量などが記載されている。また、レシピには、チャンバ内温度（上部電極温度、チャンバの側壁温度、ウェハＷ温度（静電チャック温度）など）、チラー１０７から出力される冷媒の温度などが記載されている。なお、これらのプログラムや処理条件を示すレシピは、ハードディスクや半導体メモリに記憶されてもよい。また、レシピは、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性のコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体に収容された状態で所定位置にセットされ、読み出されるようにしてもよい。
制御部１００は、ＣＰＵ１００ａが、記憶部１００ｄに格納されたプログラムや、プラズマ処理のプロセス条件に基づいて動作し、装置全体の動作を制御する。なお、制御部１００は、エッチング装置１の内部に設けられていてもよく、外部に設けられていてもよい。制御部１００が外部に設けられている場合、制御部１００は、有線又は無線等の通信手段によって、エッチング装置１を制御することができる。
次に、エッチング装置１によりウェハＷをエッチングする流れを簡単に説明する。エッチング装置１は、ゲートバルブＧを開状態とする。エッチング装置１には、図示しないロボットアームにより、エッチング対象のウェハＷがゲートバルブＧを介して、チャンバ１０内へ搬入され、載置台２０上に載置される。ウェハＷには、エッチング対象膜として、シリコン含有膜が形成されている。シリコン含有膜としては、例えば、Ｓｉ膜、ＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜、ＳＩＣ膜、低誘電率材料膜（Low-k膜）が挙げられる。エッチング装置１は、ロボットアーム退出後、ゲートバルブＧを閉状態とする。
エッチング装置１は、排気装置６５によりチャンバ１０内をエッチングに適した所定の真空度に排気する。また、エッチング装置１は、直流電圧源１１２からチャック電極１０６ａに直流電圧ＨＶを印加し、クーロン力によってウェハＷを静電チャック１０６に吸着して保持する。
エッチング装置１は、ウェハＷのエッチング処理を開始する。例えば、エッチング装置１は、チラー１０７からの冷却した冷媒を冷媒入口配管１０４ｂ、冷媒流路１０４ａ及び冷媒出口配管１０４ｃに循環させて、載置台２０、静電チャック１０６およびウェハＷを低温に冷却する。例えば、エッチング装置１は、３０℃以下に冷却した冷媒を循環させて、ウェハＷを３０℃以下に冷却する。そして、エッチング装置１は、ガス供給源１５からエッチング用のガスを供給し、ガスシャワーヘッド２５からエッチング用のガスをチャンバ１０内に供給する。また、エッチング装置１は、電力供給装置３０から重畳した２周波の電力を載置台２０に印加する。例えば、エッチング装置１は、第１高周波電源３２から第１高周波電力を載置台２０に印加する。また、エッチング装置１は、第２高周波電源３４から第２高周波電力を載置台２０に印加する。これにより、エッチング装置１では、チャンバ１０内にプラズマが生成され、生成されたプラズマによりウェハＷのシリコン含有膜がエッチングされる。
エッチング装置１は、エッチング処理後、直流電圧源１１２からチャック電極１０６ａにウェハＷの吸着時とは正負が逆の直流電圧ＨＶを印加してウェハＷの電荷を除電し、ウェハＷを静電チャック１０６から剥がす。エッチング装置１は、ゲートバルブＧを開状態とする。エッチング装置１には、図示しないロボットアームがゲートバルブＧを介してチャンバ１０内に侵入し、ウェハＷが載置台２０上から搬出される。エッチング装置１は、ロボットアーム退出後、ゲートバルブＧを閉状態とする。
エッチング装置１は、ウェハＷを低温に冷却してエッチングを行うことで、ウェハＷを常温でエッチングした場合と比較して、シリコン含有膜を高いエッチングレートでエッチングできる。
図２は、実施形態に係るシリコン含有膜のエッチングレートの一例を示す図である。図２には、冷媒の温度を−４０℃から−６０℃として、エッチング用のガスとしてＣＦ４ガス、Ｈ２ガスを供給し、ＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜をエッチングした際のエッチングレートが示されている。ウェハＷは、冷媒の温度と同程度の−４０℃から−６０℃に冷却される。図２では、冷媒の温度を−４０℃から−６０℃とした場合を示したが、一例であり、冷媒の温度は、これに限定されるものではない。エッチング装置１は、例えば、Ｓｉ膜、ＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜などのシリコン含有膜をエッチングする場合、ウェハＷの温度を−３０℃以下に冷却してエッチングすることで、高いエッチングレートでエッチングできる。
ところで、エッチング装置１は、ウェハＷのエッチングを行った場合、ウェハＷに反応生成物が生成され、反応生成物の影響によりエッチング形状の悪化やエッチストップなどのエッチング不良が発生する場合がある。例えば、エッチング装置１は、ＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜のエッチングを行った場合、ウェハＷには、（ＮＨ４）２ＳｉＦ６（アンモニウムフルオロシリケート（ammonium fluorosilicate））が反応生成物として生成される。以下、（ＮＨ４）２ＳｉＦ６を「ＡＦＳ」とも称する。この反応生成物は、ウェハＷの温度を低温（例えば、−３０℃以下）とした場合、揮発性が低下によりウェハＷに残留し、エッチング形状の悪化やエッチストップなどのエッチング不良を発生させる場合がある。
図３は、実施形態に係る蒸気圧曲線の一例を示す図である。図３には、ＳｉＯ２膜やＳｉＮ膜をエッチングした場合に生成される主要な物質の蒸気圧曲線が示されている。例えば、ＳｉＯ２膜やＳｉＮ膜をエッチングした場合、反応生成物として、ＡＦＳが生成される。また、ＣＯ、ＳｉＦ４、ＳｉＨ４、ＮＨ３、ＳｉＨ４が生成される。
ＣＯ、ＳｉＦ４、ＳｉＨ４、ＮＨ３は、飽和蒸気圧の温度が低く、低温（例えば、−３０℃）とした場合でも、揮発する。なお、Ｓｉ膜や、ＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜などのシリコン含有膜は、エッチングの際、主に、ＳｉＨ４ガスに変化して揮発する。しかし、ウェハＷの温度が低すぎると、ＳｉＨ４が揮発しなくなる。例えば、ウェハＷの温度が、エッチングの際のチャンバ１０内の圧力に対するＳｉＨ４の飽和蒸気圧の温度以下となると、ＳｉＨ４が揮発しなくなる。よって、エッチングを実施可能なウェハＷの温度には、下限がある。例えば、シリコン含有膜をエッチングする場合、ウェハＷの下限の温度は、チャンバ１０内の圧力に対するＳｉＨ４の飽和蒸気圧の温度である。エッチング装置１は、下限の温度よりも高い温度にウェハＷの温度を温調する必要がある。本実施形態に係るエッチング装置１は、シリコン含有膜をエッチングする場合、ウェハＷを、例えば、−３０℃〜−６０℃の範囲に冷却（温調）する。
一方、ＡＦＳは、飽和蒸気圧の温度が高く、低温（例えば、−３０℃）とした場合、揮発せずに反応生成物としてウェハＷに残留する。
そこで、エッチング装置１は、エッチング中にウェハＷに対して一時的にマイクロ波を照射してウェハＷを加熱する。例えば、エッチング装置１は、マイクロ波を、例えば、数秒程度、パルス状にウェハＷに照射してウェハＷを加熱する。ウェハＷを加熱することで、ウェハＷに残留した反応生成物は、揮発して除去されるため、反応生成物の影響によるエッチング不良の発生を抑制できる。
図４は、実施形態に係るエッチング処理の流れを示すタイミングチャートである。図５は、実施形態に係るエッチング処理中のウェハの状態を模式的に示した図である。図５（Ａ）に示すように、ウェハＷは、エッチング対象膜としてシリコン酸化膜１５０が形成され、シリコン酸化膜１５０上にマスク膜１５１が設けられている。シリコン酸化膜１５０は、例えば、Ｓｉ膜や、ＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜である。なお、シリコン酸化膜１５０は、Ｓｉ膜、ＳｉＯ２膜およびＳｉＮ膜を積層した積層膜であってもよい。例えば、シリコン酸化膜１５０は、ＳｉＯ２膜とＳｉＮ膜とを積層した積層膜であってもよい。マスク膜１５１は、ポリシリコン膜、有機膜、アモルファスカーボン膜、チタンナイトライド（ＴｉＮ）膜等を使用することができる。マスク膜１５１には、シリコン酸化膜１５０に到達するパターンＰが形成されている。
エッチング装置１は、冷却した冷媒を循環させて、ウェハＷを−３０℃〜−６０℃に冷却する。そして、エッチング装置１は、ガス供給源１５からエッチング用のガスをチャンバ１０内に供給しつつ、電力供給装置３０から重畳した２周波の高周波電力を載置台２０に印加してチャンバ１０内にプラズマを生成してエッチングを行う。図４には、エッチング処理中のウェハＷの温度が示されている。また、図４には、電力供給装置３０から重畳した２周波の高周波電力（ＲＦ）が印加している期間が示されている。２周波の高周波電力（ＲＦ）が印加されている期間は、プラズマが生成されている期間に対応する。また、図４には、マイクロ波を照射する照射期間が示されている。図５（Ｂ）は、図４の期間Ｔ１でのウェハＷの状態を示している。ウェハＷは、マスク膜１５１のパターンＰに沿ってシリコン酸化膜１５０がエッチングされ、シリコン酸化膜１５０に凹部１５３が形成される。しかし、エッチングに伴いＡＦＳなどの反応生成物が発生して凹部１５３に反応生成物１５４が残留する。
エッチング装置１は、エッチング中にウェハＷに対して一時的にマイクロ波を照射してウェハＷを加熱する。図４の期間Ｔ２では、最初にマイクロ波をパルス状にウェハＷに照射している。マイクロ波が照射されたことにより、ウェハＷは、温度が急速に上昇する。図５（Ｃ）は、図４の期間Ｔ２でのウェハＷの状態を示している。ウェハＷでは、温度が上昇したことにより、反応生成物１５４が昇華し、凹部１５３から反応生成物１５４が除去される。マイクロ波の照射が停止すると、載置台２０からの冷却に伴い、ウェハＷの温度が低下する。ここで、マイクロ波の影響により、プラズマの状態が乱れる場合がある。そこで、本実施形態に係るエッチング装置１は、マイクロ波の照射期間の間、２周波の高周波電力（ＲＦ）の印加を停止して、プラズマを一時的に消失させる。これにより、マイクロ波の影響によりプラズマの状態が乱れ、エッチングに影響することを抑制できる。なお、エッチング装置１は、マイクロ波が照射されている期間も高周波電力（ＲＦ）の印加を継続してエッチングを継続してもよい。これにより、エッチングの期間を長くできる。
エッチング装置１は、マイクロ波の照射停止後、２周波の高周波電力（ＲＦ）の印加を再開してチャンバ１０内にプラズマを生成してエッチングを行う。図５（Ｄ）は、図４の期間Ｔ３でのウェハＷの状態を示している。ウェハＷでは、凹部１５３がさらに深くエッチングされている。しかし、エッチングに伴いＡＦＳなどの反応生成物が発生して凹部１５３に反応生成物１５４が残留する。エッチング装置１は、図４の期間Ｔ２と同様に、エッチング中にウェハＷに対して一時的にマイクロ波を照射してウェハＷを加熱することを定期的に繰り返す。これにより、エッチング中、定期的に反応生成物１５４が昇華して除去され、反応生成物の影響によるエッチング形状の悪化やエッチストップなどのエッチング不良の発生が抑制される。
このように、エッチング装置１は、エッチング中に、一時的にマイクロ波を照射してウェハＷを加熱し、反応生成物１５４を昇華させることを定期的に繰り返すことで、反応生成物の影響によるエッチング不良の発生を抑制してエッチングを行うことができる。
次に、反応生成物の昇華に必要なウェハＷの温度について説明する。ウェハＷに残留する反応生成物を昇華させるためには、マイクロ波によりウェハＷを反応生成物の昇華温度以上に加熱する必要がある。しかし、ウェハＷは、プラズマからも入熱がある。このため、エッチング装置１は、マイクロ波のみでウェハＷを反応生成物の昇華温度まで加熱しなくてもよい。例えば、反応生成がＡＦＳである場合、エッチング装置１は、マイクロ波により、例えば、図４の期間Ｔ１に示したエッチング中よりもウェハＷを４０℃以上昇温できればＡＦＳによる反応生成の大部分を除去できる。
次に、一例として、ウェハＷの温度を上昇させるために必要なエネルギーの一例を説明する。ウェハＷは、シリコンウエハであり、重さが１２５［ｇ］であり、比熱が０．７１［Ｊ／ｇ］とする。この場合、例えば、ウェハＷの温度を１００℃上昇させる場合、必要な熱量Ｑは、以下の式（１）から求まる。
Ｑ＝０．７１×１２５×１００＝８８７５［Ｊ］ （１）
マイクロ波は、ウェハＷの表皮から１００μｍ程度の深さまで侵入する。ウェハＷの厚みを７７５μｍとすると、ウェハＷの表面付近（例えば、ウェハＷの表皮から１００μｍ）を１００℃上昇させる場合、必要な熱量Ｑ´は、以下の式（２）から求まる。
Ｑ´＝８８７５×（１００／７７５）＝１１５５［Ｊ］ （２）
よって、例えば、ウェハＷの表面付近のみを１００℃上昇させる場合は、マイクロ波を１１１５［Ｗ］の投入電力で１秒間照射すれはよい。
次に、加熱したウェハＷの冷却に必要な冷却時間の一例を説明する。例えば、加熱したウェハＷの温度変化を求めるため、ウェハＷと載置台２０の静電チャック１０６をモデル化する。図６は、実施形態に係る冷却時間の算出に用いる計算モデルの一例を模式的に示す図である。図６の計算モデルには、ウェハ部１６０とＥＳＣ部１６１が重なるように設けられている。ウェハ部１６０は、ウェハＷをモデル化したものである。ＥＳＣ部１６１は、静電チャック１０６をモデル化したものである。計算モデルは、ウェハ部１６０及びＥＳＣ部１６１の厚さ方向をｘ軸方向とし、ウェハ部１６０の表面をｘ軸のゼロとする。また、ウェハ部１６０の厚さは、Ｌとする。この場合、ｘ軸方向の１次元の熱伝導方程式は、以下の式（３）のように表せる。
Figure 2020115498
ここで、
ρは、ウェハＷの密度である。例えば、ρは、２３００［Ｋｇ／ｍ３］とする。
αは、ウェハＷの熱伝導率である。例えば、αは、１４９［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］とする。
ｃは、ウェハＷの単位体積熱容量である。例えば、ｃは、１６０００００［Ｊ／（Ｋ・ｍ３）］とする。
Ｔ０は、静電チャック１０６に対するウェハＷの初期の温度差である。例えば、ウェハＷの表面付近のみを１００℃上昇させた場合、Ｔ０は、１００［℃］とする。
Ｌは、ウェハＷの厚さである。例えば、Ｌは、７５０［μｍ］とする。
ウェハ部１６０の表面（０μｍ）から１００μｍの範囲を、ＥＳＣ部１６１に対して１００℃上昇させた場合、計算モデルの境界条件は、以下の式（４）のように表せる。
Figure 2020115498
式（４）の境界条件を用いて式（３）の熱伝導方程式からウェハ部１６０の表面（ｘ＝０μｍ）の温度変化を求める。図７は、実施形態に係る温度変化の一例を示す図である。図７には、ＥＳＣ部１６１の温度に対するウェハ部１６０の表面の温度の差（ΔＴ）の経時的な変化が示されている。図７に示すように、ＥＳＣ部１６１に対してウェハ部１６０の表面を１００℃上昇させた場合でも、ウェハ部１６０の表面の温度は、ミリ秒のオーダーでΔＴが急速に小さくなる。すなわち、ウェハＷは、マイクロ波の照射を停止した場合、静電チャック１０６により急速に冷却される。
ウェハＷは、静電チャック１０６から抜熱されて冷却されているため、マイクロ波を照射した際の温度の上昇率が低くなる。そこで、エッチング装置１は、マイクロ波を照射してウェハＷを加熱する際に所定の基板温度にするために伝熱ガスの供給量を制御してもよい。例えば、エッチング装置１は、マイクロ波の照射期間の間、伝熱ガス供給源８５から静電チャック１０６とウェハＷとの間に供給される伝熱ガスの供給量を減少させてもよい。エッチング装置１は、マイクロ波の照射期間の間、伝熱ガスの供給量を減少させた場合、ウェハＷから静電チャック１０６への抜熱量が減少するため、マイクロ波によりウェハＷの温度を速やかに上昇させることができる。
ここで、例えば、エッチング装置１は、エッチング中に、載置台２０や静電チャック１０６を加熱して、載置台２０や静電チャック１０６の温度を上昇させて反応生成物を昇華させることが考えられる。しかし、載置台２０や静電チャック１０６は、昇温スピードが遅く、また、加熱されると低温への切り替えに時間がかかるなどの問題がある。
一方、本実施形態に係るエッチング装置１は、マイクロ波をウェハＷに照射してウェハＷのみ温度を上昇させるため、ウェハＷの温度を速やかに上昇させることができる。また、エッチング装置１は、マイクロ波の照射を停止した場合、ウェハＷのみを冷却するため、ウェハＷの低温への切り替え時間を短くすることができる。すなわち、本実施形態に係るエッチング装置１は、エッチング中にウェハＷの温度を高温と低温とに速やかに切替できる。
なお、本実施形態では、電磁波として、マイクロ波をウェハＷに照射してウェハＷの温度を上昇させる場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。エッチング装置１は、電磁波として、レーザ、放射線、赤外線、紫外線、可視光線の何れかをウェハＷに照射してウェハＷの温度を上昇させてもよい。マイクロ波は、広い範囲に照射でき、広い面積を一度に加熱できる。また、マイクロ波は、ウェハＷの内部から発熱させることができるため、ウェハＷを直接的に加熱できる。レーザは、ピンポイントで照射でき、特定の範囲のみ加熱できる。このため、例えば、エッチング装置１は、ウェハＷに対してレーザ光源を走査させてウェハＷ全体にレーザを照射してもよい。また、例えば、エッチング装置１は、載置台２０を周方向に回転可能とし、レーザ光源を載置台２０の上部のライン状に配置する。そして、エッチング装置１は、レーザ光源からのレーザ光を照射しつつ載置台２０を周方向に回転させてウェハＷ全体にレーザを照射してもよい。赤外線、紫外線、可視光線は、広い範囲に照射でき、広い面積を一度に加熱できる。また、赤外線は、ウェハＷの表面を発熱させることができる。
次に、本実施形態に係るエッチング処理の流れを簡単に説明する。図８は、実施形態に係るエッチング処理の流れの一例を示すフローチャートである。
制御部１００は、チラー１０７からの冷却した冷媒を冷媒入口配管１０４ｂ、冷媒流路１０４ａ及び冷媒出口配管１０４ｃに循環させて、載置台２０、静電チャック１０６およびウェハＷを−３０℃〜−６０℃に冷却する（ステップＳ１０）。
制御部１００は、ガス供給源１５からエッチング用のガスをチャンバ１０内に供給しつつ、電力供給装置３０から重畳した２周波の高周波電力を載置台２０に印加してチャンバ１０内にプラズマを生成してエッチングを開始する（ステップＳ１１）。
制御部１００は、マイクロ波の照射タイミングであるか否かを判定する（ステップＳ１２）。例えば、照射タイミングを一定期間ごとのタイミングとした場合、制御部１００は、エッチング中、一定期間ごとに照射タイミングであると判定する。照射タイミングではない場合（ステップＳ１２、Ｎｏ）、後述するステップＳ１４へ移行する。
一方、照射タイミングである場合（ステップＳ１２、Ｙｅｓ）、制御部１００は、マイクロ波発生部９０からマイクロ波をパルス状に出力させ、ウェハＷにマイクロ波を照射してウェハＷを加熱する（ステップＳ１３）。ウェハＷでは、温度の上昇により、反応生成物が昇華して除去される。なお、制御部１００は、マイクロ波の照射期間の間、電力供給装置３０から重畳した２周波の高周波電力の出力を停止してもよい。また、制御部１００は、マイクロ波を照射してウェハＷを加熱する際に所定の基板温度にするために伝熱ガスの供給量を制御してもよい。例えば、制御部１００は、マイクロ波の照射期間の間、伝熱ガス供給源８５からの伝熱ガスの供給量を減少させてもよい。
マイクロ波の照射が終了とすると、ウェハＷは、静電チャック１０６から抜熱により−３０℃〜−６０℃に冷却される。
制御部１００は、エッチングの終了タイミングであるか否かを判定する（ステップＳ１４）。例えば、エッチングを所定の期間実施した場合、エッチングの終了タイミングと判定する。エッチングの終了タイミングではない場合（ステップＳ１４、Ｎｏ）、上述のステップＳ１２へ移行する。
一方、エッチングの終了タイミングである場合（ステップＳ１４、Ｙｅｓ）、制御部１００は、ガス供給源１５からのエッチング用のガスの供給を停止すると共に、電力供給装置３０からの２周波の高周波電力の供給を停止し（ステップＳ１５）、処理を終了する。
以上のように、本実施形態に係るエッチング処理は、基板（ウェハＷ）に形成されたシリコン含有膜をエッチングする。また、エッチング処理は、エッチング中に基板に対して一時的に電磁波を照射して基板を加熱する。これにより、本実施形態に係るエッチング処理では、反応生成物の影響によるエッチング不良の発生を抑制できる。
また、本実施形態に係るエッチング処理は、エッチングにより基板に生成される反応生成物が昇華する昇華温度よりも低い温度に基板を温調してエッチングを行う。そして、エッチング処理は、エッチング中に一時的に電磁波を照射して昇華温度よりも高い温度に基板を加熱する。これにより、本実施形態に係るエッチング処理では、エッチング中に反応生成物を昇華させて除去できるため、反応生成物の影響によるエッチング不良の発生を抑制できる。
また、本実施形態に係るエッチング処理は、高周波電力（ＲＦ）を印加してプラズマを生成してシリコン含有膜をエッチングする。そして、エッチング処理は、基板を加熱するための電磁波の照射期間の間、高周波電力の印加を中断する。これにより、本実施形態に係るエッチング処理では、プラズマの状態が乱れることを抑制できる。
また、基板は、シリコン含有膜が形成されている。本実施形態に係るエッチング処理は、基板を３０℃以下に冷却してエッチングを行う。そして、エッチング処理は、エッチング中に一時的に、エッチングする工程よりも基板を４０℃以上昇温させる。これにより、本実施形態に係るエッチング処理では、エッチング中に反応生成物として生成されるＡＦＳを昇華させることができる。
また、本実施形態に係るエッチング処理は、電磁波として、マイクロ波、レーザ、放射線、赤外線、紫外線、可視光線の何れかを基板に照射して基板を加熱する。これにより、本実施形態に係るエッチング処理では、基板のみを効率的に加熱できる。
また、基板は、載置台２０に載置され、載置台２０と基板との間に伝熱ガスが供給される。本実施形態に係るエッチング処理は、基板を加熱する際に所定の基板温度にするために伝熱ガスの供給量を制御する。これにより、本実施形態に係るエッチング処理では、加熱により基板の温度を速やかに上昇させることができる。
また、本実施形態に係るエッチング処理は、エッチング中、一時的に電磁波を照射して基板を加熱することを定期的に繰り返す。これにより、本実施形態に係るエッチング処理では、エッチング処理の期間が長くなっても、定期的に反応生成物を昇華させて除去できるため、反応生成物の影響によるエッチング不良の発生を抑制できる。
以上、実施形態について説明してきたが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実に、上記した実施形態は、多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、請求の範囲およびその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
例えば、実施形態では、処理対象の基板を半導体ウェハとした場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。処理対象の基板は、ガラス基板など、他の基板であってもよい。
また、実施形態では、エッチング中、定期的に電磁波を照射して基板を加熱する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ＳｉＯ２膜やＳｉＮ膜をエッチングした場合、ＳｉＨ４ガスが発生するが、反応生成物によりエッチングが阻害されている場合、ＳｉＨ４ガスの量が低下する。これにより、エッチング中のプラズマの発光色が変化する。そこで、エッチング装置１は、プラズマの発光を検出する光センサなどの検出部を設け、検出部により検出されるプラズマの色の変化から、基板に電磁波を照射して基板を加熱するタイミングを検出してもよい。
また、実施形態では、基板に形成されたシリコン含有膜をエッチングする場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、基板に形成されたメタル含有膜をエッチングする場合に適用してもよい。例えば、半導体では、ゲート絶縁膜として、高誘電率材料（high-k材料）によるメタル含有膜が形成される。高誘電率材料としては、例えば、ＨｆＳｉＯ（ハフニウムシリケート）や、ＨｆＡｌＯＮ（窒素添加ハフニウムアルミネート）、ＨｆＯ２，Ｙ２Ｏ３などが挙げられる。これらのメタル含有膜は、温度を低くすると、エッチングレートが向上する。例えば、メタル含有膜は、基板を６０℃以下に冷却（温調）してエッチングを行うと、基板を６０℃より高い温度でエッチングした場合と比較して、エッチングレートが向上する。しかし、このようなメタル含有膜をエッチングした場合、反応生成物が生成され、反応生成物の影響によりエッチング形状の悪化やエッチストップなどのエッチング不良が発生する場合がある。メタル含有膜をエッチングした際に生成される反応生成物は、例えば、２００℃以上で昇華する。そこで、基板に形成されたメタル含有膜をエッチングするエッチング中に基板に対して一時的に電磁波を照射して基板を加熱する。ここで、基板は、プラズマからも入熱がある。このため、エッチング装置１は、電磁波のみで基板を反応生成物の昇華温度まで加熱しなくてもよい。例えば、エッチング装置１は、ウェハＷに形成されたメタル含有膜をエッチングする場合、ウェハＷを、例えば、６０℃以下に冷却（温調）する。そして、エッチング装置１は、エッチング中にウェハＷに対して一時的にマイクロ波を照射してウェハＷを加熱する。例えば、エッチング装置１は、マイクロ波を、例えば、数秒程度、パルス状にウェハＷに照射してウェハＷをエッチング中よりも２００℃以上昇温させる。メタル含有膜をエッチングする際も、ウェハＷを加熱することで、エッチング中に反応生成物を昇華させて除去できるため、反応生成物の影響によるエッチング不良の発生を抑制できる。
また、実施形態では、エッチング装置１を、容量結合型平行平板のプラズマ処理装置とした場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。エッチング装置１は、任意の形式のプラズマ処理装置であってよい。例えば、エッチング装置１は、誘導結合プラズマ(ＩＣＰ)型のプラズマ処理装置であってよく、ラジアルラインスロットアンテナを用いたプラズマ処理装置であってよい。また、エッチング装置１は、ヘリコン波励起型プラズマ（ＨＷＰ：Helicon Wave Plasma）装置であってよく、電子サイクロトロン共鳴プラズマ（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance Plasma）装置であってよい。
１ エッチング装置
１０ チャンバ
１５ ガス供給源
２０ 載置台
２５ ガスシャワーヘッド
３０ 電力供給装置
８５ 伝熱ガス供給源
９０ マイクロ波発生部
９１ 導波管
１００ 制御部
１００ｄ 記憶部
１０７ チラー

Claims (10)

  1. 基板に形成されたシリコン含有膜又はメタル含有膜をエッチングする工程と、
    前記エッチングする工程中に前記基板に対して一時的に電磁波を照射して前記基板を加熱する工程と、
    を有するエッチング方法。
  2. 前記エッチングする工程は、エッチングにより前記基板に生成される反応生成物が昇華する昇華温度よりも低い温度に前記基板を温調してエッチングを行い、
    前記加熱する工程は、前記昇華温度よりも高い温度に前記基板を加熱する
    請求項１に記載のエッチング方法。
  3. 前記エッチングする工程は、高周波電力を印加してプラズマを生成して前記シリコン含有膜又は前記メタル含有膜をエッチングし、前記加熱する工程による前記電磁波の照射期間の間、前記高周波電力の印加を中断する
    請求項１または２に記載のエッチング方法。
  4. 前記エッチングする工程は、高周波電力を印加してプラズマを生成して前記シリコン含有膜又は前記メタル含有膜をエッチングし、前記加熱する工程による前記電磁波の照射期間の間も、前記高周波電力の印加を継続する
    請求項１または２に記載のエッチング方法。
  5. 前基板は、前記シリコン含有膜が形成され、
    前記エッチングする工程は、前記基板を３０℃以下に冷却してエッチングを行い、
    前記加熱する工程は、前記エッチングする工程よりも前記基板を４０℃以上昇温させる
    請求項１〜４の何れか１つに記載のエッチング方法。
  6. 前基板は、前記メタル含有膜が形成され、
    前記エッチングする工程は、前記基板を６０℃以下に冷却してエッチングを行い、
    前記加熱する工程は、前記エッチングする工程よりも前記基板を２００℃以上昇温させる
    請求項１〜４の何れか１つに記載のエッチング方法。
  7. 前記加熱する工程は、前記電磁波として、マイクロ波、レーザ、放射線、赤外線、紫外線、可視光線の何れかを前記基板に照射して前記基板を加熱する
    請求項１〜６の何れか１つに記載のエッチング方法。
  8. 前記基板は、載置台に載置され、前記載置台と前記基板との間に伝熱ガスが供給され、
    前記加熱する工程は、前記基板を加熱する際に所定の基板温度にするために前記伝熱ガスの供給量を制御する
    請求項１〜７の何れか１つに記載のエッチング方法。
  9. 前記加熱する工程は、前記エッチングする工程中、一時的に電磁波を照射して前記基板を加熱することを定期的に繰り返す
    請求項１〜８の何れか１つに記載のエッチング方法。
  10. 請求項１〜９のいずれか１つに記載のエッチング方法を実行するプログラムを記憶する記憶部と、
    当該プログラムを実行するよう制御する制御部と、
    を備えるエッチング装置。
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