JP5125950B2

JP5125950B2 - プラズマエッチング方法及び装置

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Publication number: JP5125950B2
Application number: JP2008252784A
Authority: JP
Inventors: 雅史川下
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2028-09-30
Also published as: JP2010087109A

Description

本発明は、半導体製造及びＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）製造等におけるプラズマエッチング方法及び装置に関するものである。

プラズマエッチング方法及び装置は、基板上に微細な凹凸形状を形成するために用いられる。気体分子を電力などの印加により励起することで生成することのできるプラズマ中には、中性分子のほか、ラジカルと呼ばれる反応性の高い状態にある原子、もしくは分子や、中性分子が電離して生じる電子や、正イオンなどが存在する。

プラズマ中のラジカルや正イオンと基板表面物質とが化学反応などを起こすことで、基板表面から反応を生じた部分が脱離する。以下、これをエッチング反応と記す。

基板上に樹脂などによる保護膜に覆われた部分と、基板表面が露出している部分を形成し、基板表面物質とエッチング反応を生じる物質を含むプラズマに晒した後、保護膜を除去すれば、エッチング反応により表面物質の一部が脱離した部分と、保護膜により保護されていた部分からなる、基板上の凹凸形状が形成できる。

プラズマを発生させる際には、ある一定の圧力に保たれた空間に対し、外力を印加し、空間内の中性分子を電離させ、さらに発生した電子を加速するなどして、電離、解離、イオン化などを繰り返し発生させる必要がある。

この時、印加する外力が非常に強ければ、電離して発生する電子のエネルギーは非常に大きくなるため、空間内に存在する中性分子は電子との衝突を繰り返すことにより、細分化される。したがって、エッチング反応手段を考慮した上で、チャンバ内に封入するガス種や、外部から印加する力を制御することが重要となる。

また、プラズマを用いたエッチングでは、数百ミクロンの高さの溝を形成する場合がある。その代表例として、ＭＥＭＳ製造プロセス等に用いられる、ケイ素基板の深堀エッチング技術がある。ケイ素はフッ素原子と非常に反応性が高く、そのためフッ素の供給源として代表的なＳＦ６をプロセスガスとして選択し、プラズマエッチングをすると、非常に高速でエッチングが進行することが知られている。

しかしながら、ＳＦ６ガスプラズマによるケイ素のエッチングは、自発的なエッチング反応の進行が支配的であり、エッチングが等方的に進行してしまうことから、ＳＦ６ガスのみでのプロセスでは、高アスペクト比の形状を形成するのが困難である。

そこで、フッ素によるエッチングステップ（以下エッチングステップと記述）と、重合体による凹凸形状の側壁保護（以下デポジッションステップと記述）を繰り返し行うことで、等方的なエッチングの進行を防ぎ、非常に深い溝を形成するプロセスが発案された（特許文献１参照）。

現在、ケイ素の異方性深堀エッチングとして代表的な方法は、ボッシュ法と呼ばれる方法であり、エッチングステップにＳＦ６を、デポジッションステップにＣＨＦ３やＣ４Ｆ８をそれぞれメインプロセスガスとして採用している。

特表平７−５０３８１５号公報

しかしながら、ボッシュ法においては、エッチングステップ、及びデポジッションステップを短時間で繰り返し、そのたびにプロセスガスを入れ換えなくてはならず、そのためプラズマが不安定な時間が多く、制御が困難であるという問題がある。

また、このようなボッシュ法にかかわらず、基板表面と反応するラジカル種やイオン種を効率的に生成することが、他のラジカル種、イオン種の生成反応と競合してしまい、困難になってしまうという問題がある。

本発明の目的は、基板のエッチングに対して効果的なラジカル種又はイオン種の密度を制御することにより、エッチングに対して有効なプラズマを生成して効果的なエッチング加工を行うことができるプラズマエッチング方法及び装置を提供することにある。

請求項１の発明に係るプラズマエッチング方法は、プロセスチャンバの内部にプロセスガスを一定の流量で導入する工程と、前記プロセスチャンバの内部の圧力を一定に保つ工程と、電源により前記プロセスチャンバの内部に存在するガスを励起しプラズマを発生させる工程と、被エッチング材をプラズマによりエッチングする工程と、を有するプラズマエッチング方法において、前記電源は電力をパルス制御できるものであり、前記プロセスチャンバの内部にガス分子の光解離をさらに誘起する光を、波長可変なパルスレーザ光を放射する光源から前記プロセスチャンバの内部に導入し、前記電源の電力のパルスと前記パルスレーザ光のパルスとの重なりの遅延時間を制御することにより、前記プロセスチャンバ内部での光解離反応を制御し、光解離により生成したラジカルをエッチングに対して効率的に作用させることを特徴とする。

請求項２の発明に係るプラズマエッチング方法は、請求項１に記載の発明において、前記電源による前記ガスの励起によるプラズマの発生は、前記電源が前記プロセスチャンバの上部に設置された誘導コイルに電力を供給することでなされることを特徴とする。

請求項３の発明に係るプラズマエッチング装置は、プロセスチャンバの内部にプロセスガスを一定の流量で導入するガス導入手段と、前記プロセスチャンバの内部の圧力を一定に保つ圧力保持手段と、パルス制御可能な電源により前記プロセスチャンバの内部に存在するガスを励起しプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、被エッチング材を前記プラズマによりエッチングするエッチング手段と、前記プロセスチャンバの内部にガス分子の光解離をさらに誘起する光を、波長可変なパルスレーザ光を放射する光源から前記プロセスチャンバの内部に導入する光導入手段と、前記電源の電力のパルスと前記パルスレーザ光のパルスとの重なりの遅延時間を制御する手段とを具備すること特徴とする。

請求項４の発明に係るプラズマエッチング装置は、請求項３に記載の発明において、前記プラズマ発生手段は、前記プロセスチャンバの上部に設置され前記電源から電力が供給される誘導コイルを含んで構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、プロセスチャンバの内部にガス分子の光解離をさらに誘起する光を光源からプロセスチャンバの内部に導入するため、基板のエッチングに対して効果的なラジカル種又はイオン種の密度を制御することにより、エッチングに対して有効なプラズマを生成して効果的なエッチング加工を行うことができる。

以下、本発明の最良の形態について、図面を用いながら説明する。また、以下に示す本発明の最良の実施の形態は、外部アンテナ方式で、プロセスチャンバの上部に誘導コイルが設置された誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：ＩｎｄｕｃｔｉｖｅＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）エッチング装置に本発明を適用した場合である。本発明は、分子の電子、振動励起を誘起する光の光軸を遮ることの無い構造することで、側壁に誘導コイルを設置した装置、及び、内部アンテナ式のＩＣＰ型エッチング装置にも、適用できる。また、本発明は、他のプラズマ源を持つエッチング装置に関しても同様に光軸を遮ることの無い構造にすることにより適用可能である。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係るプラズマエッチング装置を示す概略図である。本発明の実施の形態１に係るプラズマエッチング装置は、外部アンテナ式のＩＣＰエッチング装置であり、プロセスチャンバ１の上部に配置されている誘電コイル２を具備し、誘電コイル２の周辺を覆う絶縁層３を具備している。また、プロセスチャンバ１の内部には、バイアス電極４が配置されている。バイアス電極４の上には、エッチングを行う被エッチング材である基板１００が設置される。

また、プラズマエッチング装置は、プロセスチャンバ１の外部に配置されている誘電コイル電源７及びバイアス電源８を具備している。誘電コイル電源７は、誘電コイル２に接続されており、誘電コイル２に所定の電力を与える。バイアス電源８は、バイアス電極４に接続されており、バイアス電極４に所定のバイアス電圧を与える。

プロセスチャンバ１の側壁には、２つの窓９が対向するように形成されている。一方の窓９の外には、光源１０が配置さている。光源１０から放射される光は、一方の窓９からプロセスチャンバ１の内部に導入され、かつ、他方の窓９から導出される。

また、プラズマエッチング装置は、ガス導入ライン５及び排気手段６を具備している。ガス導入ライン５からプロセスチャンバ１へプロセスガスが一定流量で導入され、排気手段６で排気速度を調節することにより、プロセスチャンバ１の内の圧力を制御する。ガス導入ライン５から導入するガスは、単一分子からなるガスでも混合ガスでもよいが、光源１０からの光によって、光解離が誘起される分子が含まれている。

ガス導入ライン５は、プロセスチャンバ１の内部にプロセスガスを一定の流量で導入するガス導入手段を構成している。また、ガス導入ライン５及び排気手段６は、プロセスチャンバの内部の圧力を一定に保つ圧力保持手段を構成している。

プロセスチャンバ１の内部の圧力が一定になったところで、誘導コイル電源７により誘導コイル２に所定の電力を与え、かつ、バイアス電源８によりバイアス電極４に所定のバイアス電圧を印加し、プラズマを発生させる。

この段階で、光源１０からの光をプロセスチャンバ１に導入し、プラズマ中に存在する中性分子を光解離させる。光解離した分子はラジカルとして基板１００と反応又はプラズマ内で励起し、イオン化して基板１００と反応又は衝突することで、エッチングを進行させる。

必要に応じ、プロセスチャンバ１を通過した光は、対向の窓９の外部の設置した光遮断機構１１にて遮断される。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２を図面に基づいて説明する。図２は本発明の実施の形態２に係るプラズマエッチング装置を示す概略図である。本発明の実施の形態２においては、本発明の実施の形態１と同じ構成要素には同じ参照符号を付してその説明を省略する。

図２に示すように、本発明の実施の形態２に係るプラズマエッチング装置は、本発明の実施の形態１において光源１０の代わりにレーザ光源１２を具備している。

図２で示したように、レーザ光源１２は、光子密度の高いため光解離の効率が上がる。一般的に光解離は、分子に光が入射し、解離性ポテンシャルへと励起した場合に生じる。この解離性ポテンシャルへの励起は、分子の基底状態から直接遷移するものの他に、一度準安定な電子励起状態へと遷移し、この電子状態のポテンシャルと解離性ポテンシャルが交差することによる前期解離がある。

したがって、様々な分子種を用いる場合、効率的に光解離させるには、光解離に用いる光源は波長可変であることが必要である。特定の分子のみ光解離を生じさせる場合で、固体レーザや半導体レーザ又は気体レーザなどの既存の特定の波長光源を用いて光解離が可能であるならば、出力の範囲が広いため、有利である場合もある。レーザ光源１２は、パルス制御することにより、１パルス時間内の光子密度を上げることができる。また、光解離反応により生成するラジカル種の中には、非常に寿命が短く、ナノ秒、ピコ秒スケールで再結合してしまうものもある。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３を図面に基づいて説明する。図３は本発明の実施の形態３に係るプラズマエッチング装置を示す概略図である。本発明の実施の形態３においては、本発明の実施の形態１と同じ構成要素には同じ参照符号を付してその説明を省略する。

図３に示すように、本発明の実施の形態３に係るプラズマエッチング装置は、本発明の実施の形態１において光源１０の代わりにパルスレーザ光源１３を具備し、誘導コイル電源７の代わりに誘導コイルパルス電源１４を具備している。

パルスレーザ光源１３と誘導コイルパルス電源１４とは、パルスレーザ光源１３のパルスと誘導コイルパルス電源１４のパルスをパルスジェネレータ１５により同期させ、光解離により生成したラジカルをエッチングに対して効率的に作用させることが可能となる。レーザ光源１３からの光のプロセスチャンバ１への導入、遮断の切り換えにより、光解離反応の発生も容易に切り換えることが可能である。

図３のプラズマエッチング装置を用いて説明する。光解離により生成されるラジカル種をエッチングに作用させたい場合には、パルスレーザ光源１３から発振したレーザ光は、窓９からプロセスチャンバ１へ導入される。反対に、光解離により生成されるラジカル種をエッチングに作用させたくない場合は、パルスレーザ光源１３からの発振は止められるか、又は、パルスレーザ光源１３と窓９の間で発振されたレーザ光を遮断すればよい。

この手法を用いることにより、これまでプロセスチャンバ１へ導入するガス種を切り換えることにより行ってきたエッチングステップと、デポジッションプロセスとの繰返しによる基板１００の深堀エッチングは、ガス種を切り換えることなく、光の導入又は遮断による切り換えにより可能となる。

プロセスガスとして、ＳＦ_６、Ｃ４Ｆ_８、Ｉ_２が選択され、ケイ素の深堀エッチングが行われる場合を説明する。

ケイ素はフッ素に対して非常に高い反応性を示し、そのため、ＳＦ_６プラズマのみのエッチングでは等方的にエッチングが進行し、垂直な形状を形成するのは困難となる。一方、Ｃ_４Ｆ_８は、プラズマ中でＣとＦからなる重合体を形成しやすく、この重合体が保護膜となり、フッ素によるパターン側壁へのエッチングを阻害する。

したがって、ケイ素の深堀エッチングを実施するには、ＳＦ_６とＣ_４Ｆ_８が混在する空間内において、フッ素によるエッチングステップが支配的となるのか、ＣとＦからなる重合体によるデポジッションステップが支配的となるのかを、制御することができれば、側壁へのエッチングを抑制し、垂直な形状を形成することが可能となる。

次に、Ｉ_２ガスの混合について説明する。ヨウ素原子は、非常に高いフッ素吸着性をもつ原子として知られており、ＩＦ_５やＩＦ_７という構造を持った化合物を形成する。

したがって、ＳＦ_６、Ｃ_４Ｆ_８、Ｉ_２の混合ガスによるプラズマ放電を行い、フッ素によるエッチングステップが十分進行するように制御されたプラズマにおいて、Ｉ_２の光解離を促進するレーザ光を照射することにより、ヨウ素原子によるフッ素の吸着が進行し、エッチングの進行が抑制される。

一方で、Ｃ_４Ｆ_８のプラズマ中での挙動は、ＣＦ_２などの化合物を重合前駆体とする重合体形成が支配的であり、安定した化合物を形成することにより、ヨウ素原子によるフッ素吸着性の影響を無視することができる。

ＣとＦからなる重合体形成におけるレーザ光の照射の影響が無視できるのであれば、結果としてレーザ光を照射している間はＣとＦとからなる重合体によるデポジッションステップが支配的となる。

エッチングステップとデポジッションステップとをより明確に切り換えるために、誘導コイルパルス電源１４が用いられ、プラズマ放電の際の印加電力がパルス制御される。

ＳＦ_６、Ｃ_４Ｆ_８、Ｉ_２の混合ガスがガス導入ライン５からプロセスチャンバ１へと導入され、パルスジェネレータ１５から発振される信号により、パルス制御された電力が誘導コイルパルス電源１４から印加されプラズマを発生させる。

パルスジェネレータ１５は、誘導コイルパルス電源１４のパルスとパルスレーザ光源１３から発振するレーザ光を同期させ、チャンバ１にパルスレーザ光を導入する。チャンバ１に導入するパルスレーザ光波長は、Ｉ_２の光解離を誘起する波長に設定される。

パルスジェネレータ１５は、誘導コイルパルス電源１４のパルスとパルスレーザ光源１３から発振するレーザ光の遅延時間を制御することで、プラズマ放電によるフッ素原子発生の時間と、レーザ光照射によるヨウ素原子発生の時間を調節することができる。

エッチングする基板１００がプロセスチャンバ１の内部に挿入され、プラズマエッチングが実施される。エッチングステップの間には、レーザ光はプロセスチャンバ１に導入する前で遮断し、デポジッションステップの間には、レーザ光をプロセスチャンバ１に導入する。

以上の動作により、ガス種を切り換えずに、エッチングステップとデポジッションステップの繰返しによる基板１００の深堀エッチングを実施することができる。

（実施例１）
次に、本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。図４は、本発明の実施例１を示す概略図である。本発明の実施例１においては、本発明の実施の形態３と同じ構成要素には同じ参照符号を付してその説明を省略する。

本発明の実施例１に係るプラズマエッチング装置は、誘導結合型プラズマ発生装置２０、プロセスチャンバ１、誘電コイル２、絶縁層３、ガス導入ライン５、排気手段６、電極２１、石英窓２２、Ｎｄ：ＹＭＧレーザ２３、色素レーザ２４、ダンパ２５、パルスジェネレータ１５、プラズマ発光分光装置２６及びＩＣＰコイル電源２９を具備している。Ｎｄ：ＹＭＧレーザ２３は、パルス制御可能なものである。

プロセスガスとしてＳＦ_６、Ｏ_２、Ｉ_２が選択され、これらがプロセスチャンバへ１に導入され、プラズマ放電させた場合について解説する。プラズマ放電はパルス制御可能な外部アンテナ式の誘導結合型（ＩＣＰ）プラズマ発生装置２１が用いられた。

ＳＦ_６を３５ｓｃｃｍの流量とし、Ｏ_２を５ｓｃｃｍの流量とし、Ｉ_２を１０ｓｃｃｍの流量とし、これらの混合ガスがガス導入管５からプロセスチャンバ１へと導入され、排気機構６を調節することで、チャンバ１の内圧力が１０ｍＴｏｒｒにされた。

パルスジェネレータ１５から遅延時間無く同期した１０ＭＨｚの信号がＩＣＰコイル電源２９及びＮｄ：ＹＡＧレーザ２３に送られた。誘電コイル２に３５０Ｗが印加され、プラズマを発生させた。プラズマ発光分光装置２６によりプラズマ発光分光スペクトルを観測したところ、観測された複数のピークから７０４ｎｍにフッ素原子に起因するピークが確認された。

Ｎｄ：ＹＡＧレーザ２３の第三高調波を励起源とし、クマリン系の色素を用いた色素レーザ２４からレーザ光が繰り返し周波数１０ＭＨｚで発振され、石英窓２２からプロセスチャンバ１の内部へレーザ光が導入された。

４５０−５１０ｎｍでレーザ光の波長を掃引したところ、７０４ｎｍのフッ素原子起因のピーク強度の減少が確認され、その後、波長が４５１ｎｍに固定された。

ＩＣＰコイル電源２９に電力印加するためのパルス信号と、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ２３の発振のパルス信号との遅延時間が、７０４ｎｍのピーク強度が最も減少する時間に調節された。

以上から、プロセスチャンバ１へ４５１ｎｍのレーザ光が導入されることにより、プラズマ中に存在するフッ素原子の密度が抑制されることに成功した。

本発明の実施の形態１に係るプラズマエッチング装置を示す概略図である。本発明の実施の形態２に係るプラズマエッチング装置を示す概略図である。本発明の実施の形態３に係るプラズマエッチング装置を示す概略図である。本発明の実施例１を示す概略図である。

符号の説明

１プロセスチャンバ
２誘導コイル
３絶縁層
４バイアス電極
５ガス導入ライン
６排気手段
７誘導コイル電源
８バイアス電源
９窓
１０光源
１１光遮断手段
１２レーザ光源
１３パルスレーザ光源
１４誘導コイルパルス電源
１５パルスジェネレータ
２０電極
２１誘導結合型プラズマ発生装置
２２石英窓
２３Ｎｄ：ＹＭＧレーザ
２４色素レーザ
２５ダンパ
２６プラズマ発光分光装置
２９ＩＣＰコイル電源
１００基板

Claims

プロセスチャンバの内部にプロセスガスを一定の流量で導入する工程と、
前記プロセスチャンバの内部の圧力を一定に保つ工程と、
電源により前記プロセスチャンバの内部に存在するガスを励起しプラズマを発生させる工程と、
被エッチング材をプラズマによりエッチングする工程と、
を有するプラズマエッチング方法において、
前記電源は電力をパルス制御できるものであり、前記プロセスチャンバの内部にガス分子の光解離をさらに誘起する光を、波長可変なパルスレーザ光を放射する光源から前記プロセスチャンバの内部に導入し、前記電源の電力のパルスと前記パルスレーザ光のパルスとの重なりの遅延時間を制御することにより、前記プロセスチャンバ内部での光解離反応を制御し、光解離により生成したラジカルをエッチングに対して効率的に作用させる、
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
前記電源による前記ガスの励起によるプラズマの発生は、前記電源が前記プロセスチャンバの上部に設置された誘導コイルに電力を供給することでなされる、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマエッチング方法。
プロセスチャンバの内部にプロセスガスを一定の流量で導入するガス導入手段と、
前記プロセスチャンバの内部の圧力を一定に保つ圧力保持手段と、
パルス制御可能な電源により前記プロセスチャンバの内部に存在するガスを励起しプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
被エッチング材を前記プラズマによりエッチングするエッチング手段と、
前記プロセスチャンバの内部にガス分子の光解離をさらに誘起する光を、波長可変なパルスレーザ光を放射する光源から前記プロセスチャンバの内部に導入する光導入手段と、
前記電源の電力のパルスと前記パルスレーザ光のパルスとの重なりの遅延時間を制御する手段と、
を具備すること特徴とするプラズマエッチング装置。
前記プラズマ発生手段は、前記プロセスチャンバの上部に設置され前記電源から電力が供給される誘導コイルを含んで構成されている、
ことを特徴とする請求項３記載のプラズマエッチング装置。