JP5072082B2 - ドライエッチング方法 - Google Patents

Description

本発明は、エッチング対象膜が表面に形成され、中央部が凸状に反った形状の基板を適正にエッチング処理することができるドライエッチング方法に関する。

従来、基板の上に絶縁膜等を厚く形成すると、基板に反りが生じ易くなることが知られている。具体的に、シリコン（Ｓｉ）基板の表面にシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）を厚く形成すると、基板の中央部が表面側に凸となる方向に反ることが避けられない（例えば特許文献１参照）。

基板のエッチングプロセスには、真空槽内にプラズマを形成し、基板にバイアス電圧を印加しながら、プラズマ中のイオンを基板に引き込みエッチングを行うドライエッチング方法が知られている。このようなイオンアシスト作用を利用したエッチング処理においては、基板の温度は上昇し、素子の熱破壊や膜質の変動を生じさせる。これを防止するために、基板を支持するステージの上面と基板の裏面の間にヘリウム（Ｈｅ）等のガスを導入して、基板やメカニカルクランプを所定温度に冷却することが行われている（特許文献２参照）。

特開平１０−３２２３３号公報 特開２００６−６６８２４号公報

しかしながら、基板に反りが生じた状態で上述したドライエッチングプロセスを行うと、基板の冷却効率が悪いために、基板面内に生じた温度差を原因として割れあるいはクラックが発生するという問題がある。

特に近年、基板を薄厚化することによってデバイスの小型化、薄型化を図ることが行われている。この場合、基板の反りの問題は益々顕著となるため、基板に割れ又はクラックを生じさせることなくエッチング処理を実現することは、非常に困難である。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、反りが生じた基板に割れ又はクラックを生じさせることなくエッチング処理を行うことができるドライエッチング方法を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明のドライエッチング方法は、真空槽内にプラズマを形成し、中央部が表面側に凸に反った形状を有する基板にバイアス電圧を印加しながらエッチングを行うドライエッチング方法であって、エッチング開始から終了にかけて前記バイアス電圧を段階的に大きくすることを特徴とする。

基板の反り量はエッチング対象膜の膜厚に大きく関係し、その膜厚が大きいほど膜応力も大きくなる結果、基板の反り量は大きくなる。一方、エッチングが進行するとエッチング対象膜の膜厚は減少し、膜応力も徐々に緩和されることから、基板の反り量は小さくなる。

そこで、本発明では、エッチングの開始から終了にかけて、基板に印加するバイアス電圧を段階的に大きくする。これによって、基板の反り量が比較的大きく冷却効率が低いエッチング開始直後において、イオンアシスト作用による加熱で基板に割れ又はクラックが生じることを回避することができる。そして、エッチングが進行し、基板の反り量が小さくなると、冷却用ガスによる基板裏面の冷却効率が高まるため、バイアス電圧を大きくしても基板の所定以上の温度上昇が防止される。

具体的に、本発明のドライエッチング方法は、基板の反り量の変化を測定するステップと、測定された基板の反り量の変化に基づいてバイアス電圧を調整するステップとを有し、基板の反り量が小さくなるに従って、バイアス電圧を上昇させることを特徴とする。

基板の反り量の変化は、基板の裏面に導入される冷却用ガスの導入量の変化に基づいて測定することができる。すなわち、基板の反り量が大きいほど冷却用ガスの漏れ量も多い。一方、基板裏面に導入される冷却用ガスを定圧に維持しようとすると、冷却用ガスの導入量を変化させる必要がある。そこで、この冷却用ガスの導入量の変化をモニタリングすることで、間接的に基板の反り量の変化を測定することが可能となる。

バイアス電圧の調整は、冷却用ガスの導入量の変化に応じて多段階で行う構成が好ましい。ここでいう多段階の調整には、バイアス電圧の大きさをあらかじめ複数設定しておき、冷却用ガスの導入量の変化に応じて段階的にバイアス電圧を調整する手法は勿論のこと、冷却用ガスの導入量の変化に応じてバイアス電圧を連続的に変化させる手法も含まれる。

また、エッチング対象膜は、絶縁性の膜でもよいし導電性の膜でもよい。エッチング形態は、マスクパターンを介してのパターンエッチングのほか、基板表面の全面エッチバックも含まれる。パターンエッチングの場合、本発明は、マスクパターンの開口率が５０％以上である場合に特に効果的である。

以上述べたように、本発明のドライエッチング方法によれば、中央部が表面側に凸に反った形状の基板に対して、割れ又はクラックを発生させずに、適正にエッチング処理を行うことができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態において用いられるドライエッチング装置１１の概略構成図である。図示するドライエッチング装置１１は、ＮＬＤ（磁気中性線放電：magnetic Neutral Loop Discharge）型のプラズマエッチング装置として構成されている。以下、その構成について説明する。

図１において、２１は真空槽であり、内部にプラズマ形成空間２１ａを含む真空チャンバが形成されている。真空槽２１にはターボ分子ポンプ等の真空ポンプＰが接続され、真空槽２１の内部が所定の真空度に真空排気されている。

プラズマ形成空間２１ａの周囲は、真空槽２１の一部を構成する筒状壁２２によって区画されている。筒状壁２２は石英等の透明絶縁材料で構成されている。筒状壁２２の外周側には、第１高周波電源ＲＦ１に接続されたプラズマ発生用の高周波コイル（アンテナ）２３と、この高周波コイル２３の外周側に配置された三つの磁気コイル２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃからなる磁気コイル群２４がそれぞれ配置されている。

磁気コイル２４Ａと磁気コイル２４Ｃにはそれぞれ同一方向に電流が供給され、磁気コイル２４Ｂには他の磁気コイル２４Ａ，２４Ｃと逆方向に電流が供給される。その結果、プラズマ形成空間２１ａにおいて、磁場ゼロとなる磁気中性線２５が環状に連続して形成される。そして、高周波コイル２３により磁気中性線２５に沿って誘導電場（高周波電場）が形成されることで、放電プラズマが発生される。

特に、ＮＬＤ方式のプラズマ処理装置においては、磁気コイル２４Ａ〜２４Ｃに流す電流の大きさによって、磁気中性線２５の形成位置および大きさを調整することができる。すなわち、磁気コイル２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃに流す電流をそれぞれＩ_A，Ｉ_B，Ｉ_Cとしたとき、Ｉ_A＞Ｉ_Cの場合は磁気中性線２５の形成位置は磁気コイル２４Ｃ側へ下がり、逆に、Ｉ_A＜Ｉ_Cの場合は磁気中性線２５の形成位置は磁気コイル２４Ａ側へ上がる。また、中間の磁気コイル２４Ｂに流す電流Ｉ_Bを増していくと、磁気中性線２５のリング径は小さくなると同時に、磁場ゼロの位置での磁場の勾配が緩やかになる。これらの特性を利用することで、プラズマ密度分布の最適化を図ることができる。

プラズマ形成空間２１ａの上部には、天板２８が設置されている。天板２８は、ステージ２６の対向電極として構成されており、コンデンサ２９を介して第３高周波電源ＲＦ３に接続されている。また、天板２８の近傍には、真空槽２１の内部にプロセスガス（エッチングガス）を導入するためのガス導入部材３０が設置されている。

一方、真空チャンバの内部には、被処理基板Ｗを支持するステージ２６が設置されている。本実施形態では、被処理基板Ｗとしてシリコン基板が用いられている。ステージ２６は導電体で構成されており、コンデンサ２７を介して第２高周波電源ＲＦ２に接続されている。第２高周波電源ＲＦ２は、電圧を多段階に調整できる可変電源で構成されている。また、ステージ２６の上部には、基板Ｗの周縁をステージ２６の上面に押圧するメカニカルクランプ３６が設置されている。なお、ステージ２６には、基板Ｗを所定温度に加熱するためのヒータ等の加熱源が内蔵されていてもよい。

ステージ２６の内部には、冷却用ガスを導入するための冷却用ガス導入ライン３５が設けられている。冷却用ガス導入ライン３５は、ステージ２６の上面と基板Ｗの裏面との間にヘリウム（Ｈｅ）等の冷却ガスを導入するためのものであり、図２に示すように、ヘリウムガス源（図示略）と、マスフローコントローラ３７と、圧力モニター３８を備えている。

圧力モニター３８は、ステージ２６上の基板Ｗの裏面に導入される冷却ガスのガス圧を監視し、マスフローコントローラ３７は、圧力モニター３８の出力に基づいて基板Ｗの裏面に導入される冷却ガスの流量を制御する。マスフローコントローラ３７の制御は、圧力モニター３８が直接行ってもよいし、圧力モニター３８の出力を受けるコントローラ（図示略）によって行うようにしてもよい。

基板Ｗは、図３Ａに示すように、シリコン基板の表面に絶縁膜４２が形成されてなり、この絶縁膜４２の表面には所定形状のレジストマスク４３が形成されている。レジストマスク４３の開口率（基板面積に対するレジストマスクの開口部の面積の割合）は、５０％以上である。絶縁膜４２は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）である。絶縁膜４２の厚さは特に限定されず、例えば４μｍ以上である。エッチング前の状態においては、基板Ｗは、中央部が表面（被エッチング面）側に凸に反った形状を有している。例えば、シリコン基板の厚みが１ｍｍでＳｉＯ₂の厚みが４０μｍの時、基板の反りは約６００μｍになり、基板の厚みが１ｍｍでＳｉＯ₂の厚みが８０μｍの時、基板の反りは約８００μｍになる。反り量は、基板の厚みが薄くなればなるほど大きくなる。

次に、以上のように構成される本実施形態のドライエッチング装置１１の作用と併せて本発明に係るドライエッチング方法について説明する。

図１を参照して、プラズマ形成空間２１ａは所定の真空度に真空排気されている。ステージ２６の上面には図３Ａに示した基板Ｗが載置され、基板Ｗの周縁部はメカニカルクランプ３６によってステージ２６上に押圧支持されている。上述したように、基板Ｗはプラズマ形成空間２１ａに対向する表面側の中央部が凸に反った形状を有するため、基板Ｗはステージ２６に対して図４Ａに示すような形態で支持される。

高周波コイル２３には、第１高周波電源ＲＦ１から所定の高周波電力が印加される。また、磁気コイル群２４には所定の大きさの電流が供給される。これにより、プラズマ形成空間２１ａに導入されたエッチングガスのプラズマが形成される。ステージ２６の上面と基板Ｗの裏面の間には、冷却用ガス導入系３５によって冷却ガスが供給されている。図４Ａに示したように、基板Ｗの表面中央部は凸状に反りが生じているため、ステージ２６の上面との間に比較的大きな間隙４５が形成されている。

エッチング時、ステージ２６には、第２高周波電源ＲＦ２から所定の高周波電力が印加されることで、基板Ｗにバイアス電圧が印加される。このバイアス電圧の印加により、プラズマ中のイオンが基板Ｗの表面に引き込まれる。そして、レジストマスク４３の開口部から露出する絶縁膜４２がイオンによるスパッタ作用を受けてエッチングされる。高周波電源ＲＦ３は、エッチング領域の正イオンによるチャージアップを抑制し、基板Ｗの適正なエッチング加工を実現する。

このとき、基板Ｗは、その裏面に導入される冷却ガスによって冷却が試みられるが、基板Ｗの反りの影響で、基板Ｗの裏面とステージ２６の上面との間に形成される間隙４５が大きく、冷却効率が悪い。このため、基板面内に冷却ムラを生じさせて、基板Ｗに割れ又はクラックを発生させるおそれがある。また、基板Ｗの反りが大きいため、基板Ｗとステージ２６の間から真空槽２１の内部へ漏出する冷却ガスの量も多くなる。

そこで本実施形態では、エッチングの開始から終了にかけて、基板Ｗに印加するバイアス電圧を段階的に大きくする。これにより、基板の反り量が比較的大きく冷却効率が低いエッチング開始直後において、イオンアシスト作用による加熱で基板に割れ又はクラックが生じることを回避することができる。

そして、エッチングが進行し、絶縁膜４２の膜厚が小さくなると、絶縁膜４２の膜応力が低下するため、図３Ｂおよび図３Ｃに示すように基板Ｗの反り量が小さくなる。その結果、図４Ｂおよび図４Ｃに示すように基板Ｗの裏面の間隙４５の大きさが小さくなり、冷却ガスによる基板Ｗの裏面の冷却効率が高まるため、バイアス電圧を大きくしても基板Ｗの所定以上の温度上昇が防止される。

また、バイアス電圧の上昇によりイオンの引き込み力が高まるため、エッチングレートの向上を図ることができるとともに、生産性を高めることができる。更に、エッチングレートの面内均一性が高められるため、エッチング加工精度の向上を図ることが可能となる。

図５は、エッチング前後における基板の反り量の変化を示す一実験結果である。直径６インチ（１５ｃｍ）、厚さ１ｍｍのシリコンウエハの上に、厚さ４０μｍのシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）を形成した基板を準備した。エッチング前の基板中央部の反り量は約０．６ｍｍであった。パターン密度が一様で開口率が７０％であるレジストマスクを上記基板の表面に形成してプラズマエッチング処理を行った結果、基板中央部の反り量は減少し、約０．２ｍｍとなった。なお、図５は、基板の面内において直交する２つの軸方向（Ｘ，Ｙ）に関し、その各々の方向について測定したプロット値を表している。

基板Ｗとステージ２６の間から漏出する冷却ガスの量は、基板Ｗの裏面とステージ２６の上面との間隙４５の大きさが小さくなるに従って減少する。このため、基板Ｗの反り量の変化は、基板Ｗの裏面に導入される冷却ガスの導入量の変化に基づいて測定することができる。本実施形態では、冷却用ガス導入ライン３５において、圧力モニター３８によって検出される冷却ガスの導入圧の変化量に基づいて、基板Ｗの反り量の変化を測定する。そして、その測定された基板Ｗの反り量の変化に基づいて、基板Ｗに印加するバイアス電圧（ＲＦ２）の大きさを調整する。

本実施形態において、基板Ｗに印加するバイアス電圧の大きさは、あらかじめ複数設定されており、冷却ガスの導入量の変化に応じて段階的にバイアス電圧を調整する手法が採用されている。具体的に、図４Ａに示すように、基板Ｗの反りが比較的大きいエッチング開始時においては、バイアス電圧は比較的低いＶｓ１の値に設定される。また、エッチングが進行し、基板Ｗの反り量が比較的小さくなったことが冷却ガスの漏れ量の変化から判断された場合は、バイアス電圧をＶｓ１より大きいＶｓ２に調整する。そして、基板Ｗの反り量がほとんどなくなり、ほぼ平坦であることが判断された場合は、バイアス電圧を更に大きなＶｓ３に切り換える。なお、Ｖｓ１〜Ｖｓ３の値の大きさは任意に設定可能である。また、バイアス電圧Ｖｓ２とＶｓ３は同一の設定値であってもよい。

以上のように、本実施形態によれば、エッチングの開始から終了にかけて、基板に印加するバイアス電圧を段階的に大きくするようにしているので、基板に割れ又はクラックを生じさせることなく、適正に基板Ｗのエッチング処理を行うことができる。すなわち、反りが生じた基板Ｗを適正にエッチング処理することが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施形態では、基板Ｗに印加するバイアス電圧の調整を２段階あるいは３段階で行ったが、これに限らず、バイアス電圧の調整段数を更に増加させてもよい。

また、以上の実施形態では、基板Ｗの反り量（又はその変化）を基板裏面冷却用ガスの漏れ量から間接的に測定するようにしたが、勿論これに限られず、例えばレーザ変位計等の非接触式センサを用いて基板の反り具合を監視しながらバイアス電圧の調整を行うようにしてもよい。あるいは、エッチング開始からの処理時間を基準としてバイアス電圧の調整を行うことも可能である。

また、以上の実施形態では、エッチング対象膜が絶縁膜である例について説明したが、導電膜や半導体膜であってもよい。また、形成されるエッチング対象膜の膜厚や基板の厚さは、特に限定されない。更に、エッチング装置は上述したＮＬＤ型に限られず、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、容量結合プラズマ（ＣＣＰ）型のエッチング装置を用いて行う場合にも、本発明は適用可能である。

本発明の実施形態において用いられるドライエッチング装置の概略構成図である。 図１のドライエッチング装置における要部の概略構成図である。 エッチングの進行状態と基板の反りとの関係を説明する模式図である。 ステージ上に支持される基板の反り量の変化の様子を示す模式図である。 エッチング前後における基板の反り量の変化を示す一実験結果である。

符号の説明

１１ ドライエッチング装置
２１ 真空槽
２３ 高周波コイル
２４ 磁気コイル群
２５ 磁気中性線
２６ ステージ
３５ 冷却用ガス導入系
３６ メカニカルクランプ
３７ マスフローコントローラ
３８ 圧力モニター
４１ シリコン基板
４２ 絶縁膜
４３ レジストパターン
Ｗ 基板

Claims (5)

1. 真空槽内にプラズマを形成し、中央部が表面側に凸に反った形状を有する基板にバイアス電圧を印加しながらエッチングを行い、エッチング開始から終了にかけて前記バイアス電圧を段階的に大きくするドライエッチング方法であって、
   前記基板の反り量の変化を測定するステップと、
   測定された前記基板の反り量の変化に基づいて前記バイアス電圧を調整するステップとを有し、
   前記基板の反り量が小さくなるに従って、前記バイアス電圧を上昇させる
   ドライエッチング方法。
2. 前記基板の反り量の変化を、前記基板の裏面と前記基板を支持するステージの上面との間に導入される冷却用ガスの導入量の変化に基づいて測定する
   請求項１に記載のドライエッチング方法。
3. 前記バイアス電圧の調整を多段階で行う
   請求項１に記載のドライエッチング方法。
4. 前記基板の表面にはエッチング対象膜が形成されており、前記エッチング対象膜は、マスクパターンが表面に形成された絶縁膜である
   請求項１に記載のドライエッチング方法。
5. 前記マスクパターンは５０％以上の開口率を有する
   請求項４に記載のドライエッチング方法。

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