JP3169851B2 - エッチング装置及びエッチング方法並びに半導体基板の温度制御方法 - Google Patents

エッチング装置及びエッチング方法並びに半導体基板の温度制御方法

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JP3169851B2 JP04010097A JP4010097A JP3169851B2 JP 3169851 B2 JP3169851 B2 JP 3169851B2 JP 04010097 A JP04010097 A JP 04010097A JP 4010097 A JP4010097 A JP 4010097A JP 3169851 B2 JP3169851 B2 JP 3169851B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子デバイス等の
製造プロセスに用いられる半導体素子基板等のエッチン
グを行うドライエッチング装置及び方法に関する。
【0002】
【従来の技術】赤外線を用いた光エッチングとして、例
えば文献(1)(J.Chem.Phys.74(19
81)、p1453、p1461)には、Si基板のエ
ッチングを行う方法が記載されている。フッ素系のエッ
チングガスとCO2レーザ照射を組み合わせることによ
って、6〜12nm/pulse(パルス)のエッチン
グレートと異方的な形状を得ている。
【0003】光エッチングは、エッチングガスと基板の
双方を励起することによって、エッチングが進行する。
赤外線を用いたエッチングにおいては、基板の励起の影
響が大きいと考えられている。また、光エッチングは、
イオンアシストエッチングに比して、イオン入射による
ダメージがない分、デバイスに対するダメージ(損傷)
が少ないと考えられている。
【0004】赤外線は、光エッチングの他に、基板温度
の制御にも使用することができる。基板温度の高速制御
として、例えば文献(2)(第43回応用物理学関係連
合講演会講演予稿集2(1996春期)、第626頁)
などが参照できる。ウェハ温度をフィードバックして電
極に供給する冷却ガスの流量を変化させてウェハ温度を
制御する。バルブの切り替えによって高温、低温の2種
の温度制御を高速に行える。
【0005】また例えば特開平4−162622号公
報、あるいは特開平4−336423号公報には、ウェ
ハ表面、もしくは裏面から赤外線を入射し、基板の熱励
起による温度上昇を利用し、基板の温度制御を行う方法
が記載されている。この従来技術は、赤外線を温度上昇
手段として用いることによって、電極内にヒーターを設
置した場合に比べ、迅速に温度制御が行える。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】赤外線をエッチングに
利用する場合、上記従来技術では、基板表面方向から赤
外線を照射している。基板表面方向から入射する場合局
所的に基板最表面がもっとも励起されやすくなる。これ
により以下に記載の問題点が生じる。
【0007】(1)基板最表面にあるマスクがもっとも
励起されやすいため、マスクのレートが速くなり、マス
クとの選択比が低下する。特に有機系のレジストは、赤
外線波長領域に大きな吸収を持っているため、振動励起
によって加熱されやすく、耐熱性の点からも加工マスク
として、使用が困難になる。
【0008】(2)赤外線波長より短い(おおよそ0.
8μm以下)微細加工スペースにおいては、赤外線がス
ペース底部に照射されないため、赤外線が照射される部
分と照射されない部分で、局所的なエッチングレートの
不均一性が生じる(図8参照)。
【0009】(3)さらに、表面照射の場合、赤外線が
基板に到着する前に、石英、フッ化カルシウム窓などの
赤外線透過窓の汚れや、エッチングガスなどにより、散
乱、吸収されエネルギー損失が大きくなる。
【0010】特に、透過窓の汚れは、ドライエッチング
プロセスにおいて避けられない問題であり、これにより
プロセス再現性が大幅に低下する。
【0011】また、赤外線を温度制御として用いる場
合、上記従来技術のように、赤外線を基板表面または裏
面のどちらから照射しても、基板温度の制御は可能であ
る。
【0012】しかしながら、基板表面から照射した場
合、上述した問題(マスクのレートの増加、微細パター
ン底部への照射、プロセス再現性)が生じる。
【0013】一方、基板裏面から照射する場合は、基板
ステージに赤外線の透過光路を確保しないとならないた
め、構造上、基板ステージに電極や静電気チャック、基
板の温度制御装置などを設置することが困難になる。
【0014】したがって、本発明は、上記問題点を解消
すべく創案されたものであって、その目的は、エネルギ
ー損失が少なく、均一に、再現良く赤外線照射が行え、
装置の構造、配置を大きく変えることなく赤外線照射機
構を取付可能とするドライエッチング装置を提供するこ
とにある。
【0015】また、本発明の他の目的は、微細パターン
底部への赤外線の照射を可能とする装置を提供すること
にある。さらに、本発明は、基板温度の高速制御を可能
とする装置を提供することも目的としている。
【0016】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明のエッチング装置は、半導体基板に赤外線を
入射する手段を備え、前記半導体基板内に入射された赤
外線が前記半導体基板界面での反射を繰り返して前記半
導体基板内を導波して、エッチングガスと前記半導体基
板の双方を励起することによって、エッチングを行う。
【0017】また本発明のエッチング方法は、半導体基
板に赤外線を入射し、前記半導体基板内に入射された赤
外線が前記半導体基板界面での反射を繰り返して前記半
導体基板内部を導波して、エッチングガスと前記半導体
基板の双方を励起することによって、エッチングを行
う。
【0018】さらに本発明の温度制御方法は半導体基板
に赤外線を入射し、前記半導体基板内に入射された赤外
線が前記半導体基板界面での反射を繰り返して前記半導
体基板内部を導波し、前記半導体基板温度の制御を行
う。
【0019】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について以下
に説明する。本発明は、その好ましい実施の形態におい
て、赤外線を基板に導入するための赤外線導波路を用意
し、そこから基板内部に赤外線が導波するような角度で
赤外線を入射し、全反射面に表面波を発生させ、光エッ
チングを行う。基板に接するようにカップリングプリズ
ムを配置、または基板端を削り、赤外線が基板表面で全
反射しないような角度で基板内に入射し、基板内を赤外
線が導波することで基板表面に赤外線表面波が発生し、
基板自体が赤外線光源とし、この表面波(図1参照)に
よって基板(図1の3)表面近傍のエッチャントを励起
し、また例えばAl配線エッチング時等において残渣の
除去が行われる。本発明の実施の形態によれば、赤外線
波長より短いスペース底部での光エッチングが可能とな
り(図1参照)、コンタクトホールや微細なランド部な
どの異方性エッチングに有効である。このように、本発
明の実施の形態は、電磁波として波長性が無視できると
いう表面波の特徴を利用し、基板表面すべてを均一に励
起あるいは基板を昇温するものである。
【0020】本発明の実施の形態によれば、基板に赤外
線を導波しその表面波でエッチングを行うようにしたこ
とにより、エネルギー損失が少なく、均一に、再現良く
赤外線照射が行える。赤外線照射機構が単純であり、従
来機能を保ったまま装置への取り付け改造が可能とな
る。
【0021】また、本発明は、その好ましい実施の形態
において、基板内を導波する赤外線と赤外線表面波によ
って、基板温度を制御するようにしたことにより、基板
温度の高速、精密制御が可能となる。
【0022】
【実施例】上記した本発明の実施の形態について更に詳
細に説明すべく、本発明の実施例について図面を参照し
て以下に説明する。
【0023】
【実施例1】図2は、本発明の一実施例の構成を説明す
るための図であり、基板に赤外線を入射させるための構
成を示す図である。また図3は、本発明の一実施例にお
ける基板ステージを上側からみた平面図である。
【0024】図2及び図3を参照すると、光ファイバー
1と、カップリングプリズム2と、温度制御機構を持っ
た電極と、外周リング4と、を備えて構成され、赤外線
光源から複数の光ファイバー1を通じてカップリングプ
リズム2まで赤外線を導く。カップリングプリズム2
は、高屈折率かつ高透過率な物質で構成され、これがウ
ェハ3に接することで、ウェハ表面で赤外線が全反射さ
れることなくウェハ3内部に入射する。
【0025】入射した赤外線は、基板界面で全反射し、
ウェハ3内部を導波し、反射界面で表面波を放出する。
【0026】本実施例において、赤外線光源は、赤外線
ランプ、赤外線レーザなどと区別する必要がないという
ことはいうまでもなく、カップリングプリズム2の配置
もウェハ端に限ったことではない。
【0027】また赤外線の入射方向も基板裏面からに限
らず、基板表面からの入射も可能である。
【0028】基板自体は、赤外線が透過し、且つ境界面
で全反射するものであれば、本実施例のSi(シリコ
ン)基板に限定されるものではない。
【0029】
【実施例2】図4は、本発明の第2の実施例の構成を示
す図である。ウェハ3の端部を削り、ウェハ表面で全反
射しない角度をつけることによって、カップリングプリ
ズムを使用せずに、赤外線をウェハ3内を導波させるこ
とが可能になる。
【0030】なお、赤外線を導く方法として、光ファイ
バー1を用いたが、反射鏡、凹面鏡などを用いて導くよ
うにしてもよい。
【0031】
【実施例3】図5は、本発明のドライエッチング装置の
一実施例の構成を示す図である。図5において、1は光
ファイバー、3は基板、4は赤外線光源、5は排気装
置、6は基板ステージ、10はRF電源、11はアンテ
ナ、12はコイル、13はバイアス電源である。
【0032】この装置を用いて、光エッチングを通常の
イオンアシストエッチングと組み合わせ、酸化膜エッチ
ングを行った実施例の結果を示す。
【0033】赤外線光源4として、NdYAGレーザ励
起のチタン・サファイアレーザを用いて、基板に吸収さ
れない発振線を選び、基板昇温が起こらないようにし
た。
【0034】赤外線を導波することによって、酸化膜の
エッチングレートが10%増加し、マイクロローディン
グ効果が0.4μmスペース/オープンスペースで5%
減少した。
【0035】
【実施例4】図6に、上記実施例1に従い、温度制御を
行った実験結果を示す。図8に示す装置を用い、熱電対
温度計7、8と、熱電対温度計7、8で得られた温度を
赤外線出力にフィードバックする制御装置9を用いて、
ウェハ面内の温度均一性、昇温速度を求めた。
【0036】予備加熱装置で、温度を一定にしたウェハ
3に赤外線を、導波させ、基板に流入する熱量を、赤外
線出力と接続した制御装置9により制御することにより
15秒間に20度の昇温と±10%の温度均一性を得
た。
【0037】
【実施例5】次に、上記実施例4をプラズマ処理装置に
適用した結果を示す。図5に示した装置で、PR(フォ
トレジスト)マスクAlCu配線サンプルのエッチング
を行った。
【0038】エッチング条件は、電極温度40度では垂
直異方性形状だが残渣が発生し、60度では、残渣が生
じないがサイドエッチ形状になる条件である。
【0039】メインエッチを、予備加熱装置で電極温度
40度にして行い、オーバーエッチで基板温度を赤外線
を導波させ昇温を行い、おおよそ60度にしてエッチン
グを行ったところ、垂直異方性形状で残渣が発生しな
い。また、赤外線照射によるPRの損傷、選択比の低下
は認められない。
【0040】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
装置の構造、配置を大きく変えることなく赤外線照射機
構を取り付けることができる、という効果を奏する。本
発明によれば、赤外線導入に光ファイバーを用いた場
合、赤外線導入窓を採用する必要がなく、赤外線照射機
構の大幅な小型化を実現することができる。
【0041】また本発明によれば、微細パターン底部へ
の赤外線の照射が可能となることである。
【0042】従来の表面からの赤外線照射法では、赤外
線波長より短いパターン底部には赤外線は照射されな
い。これに対し、本発明によれば、表面波の波長による
制限がなくなるという特徴を利用して、微細パターン底
部への赤外線の照射が可能となる。
【0043】さらに、本発明によれば、基板温度の高速
制御を達成するという効果を奏する。従来装置では、基
板温度の高速制御は電極の熱容量のため限界があった。
【0044】これに対し、本発明によれば、赤外線波長
を選択することと、出力を調整することで基板の振動励
起の結果としての熱励起が生じ基板温度の高速制御が可
能となる。また、微細スペース底部まで赤外線が照射さ
れるため局所的な熱不均一性も生じない。これにより、
エッチングステップ間の基板温度変化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を模式的に示す説明図であ
る。
【図2】本発明の一実施例の構成を示す断面図である。
【図3】本発明の一実施例における基板ステージの平面
図である。
【図4】本発明の別の実施例の構成を示す断面図であ
る。
【図5】本発明の一実施例のプラズマ処理装置の構成を
模式的に示す図である。
【図6】本発明の一実施例における実験結果を示す図で
ある。
【図7】本発明の一実施例のプラズマ処理装置の構成を
模式的に示す図である。
【図8】従来の赤外線照射方法を模式的に示す説明図で
ある。
【符号の説明】
1 光ファイバー 2 カップリングプリズム 3 基板 4 赤外線光源 5 排気装置 6 基板ステージ 7 温度測定装置 8 熱電対 9 制御装置 10 RF電源 11 アンテナ 12 コイル 13 バイアス電源

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板に赤外線を入射する手段を備
    え、前記半導体基板内に入射された赤外線が前記半導体
    基板界面での反射を繰り返して前記半導体基板内を導波
    して、エッチングガスと前記半導体基板の双方を励起す
    ることによって、エッチングを行う、ことを特徴とす
    ッチング装置。
  2. 【請求項2】半導体基板に赤外線を入射し、前記半導体
    基板内に入射された赤外線が、前記半導体基板界面での
    反射を繰り返して前記半導体基板内を導波して、エッチ
    ングガスと前記半導体基板の双方を励起することによっ
    て、エッチングを行う、ことを特徴とするエッチング方
    法。
  3. 【請求項3】半導体基板に赤外線を入射し、前記半導体
    基板内に入射された赤外線が前記半導体基板界面で全反
    射を繰り返して前記半導体基板内部を導波して、前記半
    導体基板温度の制御を行う、ことを特徴とする半導体基
    板温度の制御方法。
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