(57)【要約】【課題】プラズマ内に存在するラジカル種及びイオン種の種類又は密度を制御し、プロセスに対して適したプラズマを生成し、かつ、光の照射の有無によりプラズマ状態の切り換えをすることができるラズマエッチング方法及び装置を提供すること。【解決手段】誘導コイル２、コイル電源７、バイアス電極４及びバイアス電源８は、電源によりプロセスチャンバ１の内部に存在するガスを励起しプラズマを発生させる。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。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。光源１０及び窓９は、プロセスチャンバ１の内部に存在するガス分子の電子、振動又は回転励起を誘起する光をプロセスチャンバ１の内部に導入する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記プロセスチャンバの内部に存在するガス分子の電子、振動又は回転励起を誘起する光を光源から前記プロセスチャンバの内部に導入することを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項２】
前記光源はレーザ光を放射することを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
【請求項３】
前記光源は波長可変な光を放射することを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
【請求項４】
前記光源は波長可変なレーザ光を放射することを特徴とする請求項２に記載のプラズマエッチング方法。
【請求項５】
前記ガスを励起し前記プラズマを発生させる前記電源はパルス制御でき、かつ、前記光源はパルスレーザであることを特徴とする請求項２及び請求項４のいずれか１つに記載のプラズマエッチング方法。
【請求項６】
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、
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存在するガス分子の電子、振動又は回転励起を誘起する光を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、
を具備すること特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項７】
前記光源はレーザ光を放射することを特徴とする請求項６に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項８】
前記光源は波長可変な光を放射することを特徴とする請求項６に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項９】
前記光源は波長可変なレーザ光を放射することを特徴とする請求項７に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項１０】
前記ガスを励起し前記プラズマを発生させる前記電源はパルス制御でき、かつ、前記光源はパルスレーザであることを特徴とする請求項７及び請求項９のいずれか１つに記載のプラズマエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造及びＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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）。
【００１０】
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。
【００１１】
【特許文献１】特表平７−５０３８１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
本発明の目的は、プラズマ内に存在するラジカル種及びイオン種の種類又は密度を制御し、プロセスに対して適したプラズマを生成し、かつ、光の照射の有無によりプラズマ状態の切り換えをする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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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、前記プロセスチャンバの内部に存在するガス分子の電子、振動又は回転励起を誘起する光を光源から前記プロセスチャンバの内部に導入することを特徴とする。
【００１６】
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、前記光源がレーザ光を放射することを特徴とする。
【００１７】
請求項３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、前記光源が波長可変な光を放射することを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明に係るプラズマエッチング方法は、請求項２に記載の発明において、前記光源が波長可変なレーザ光を放射することを特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明に係るプラズマエッチング方法は、請求項２及び請求項４のいずれか１つに記載の発明において、前記ガスを励起し前記プラズマを発生させる前記電源がパルス制御でき、かつ、前記光源がパルスレーザであることを特徴とする。
【００２０】
請求項６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、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存在するガス分子の電子、振動又は回転励起を誘起する光を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、を具備すること特徴とする。
【００２１】
請求項７の発明に係るプラズマエッチング装置は、請求項６に記載の発明において、前記光源がレーザ光を放射することを特徴とする。
【００２２】
請求項８の発明に係るプラズマエッチング装置は、請求項６に記載の発明において、前記光源が波長可変な光を放射することを特徴とする。
【００２３】
請求項９の発明に係るプラズマエッチング装置は、請求項７に記載の発明において、前記光源が波長可変なレーザ光を放射することを特徴とする。
【００２４】
請求項１０の発明に係るプラズマエッチング装置は、請求項７及び請求項９のいずれか１つに記載の発明において、前記ガスを励起し前記プラズマを発生させる前記電源がパルス制御でき、かつ、前記光源がパルスレーザであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、プロセスチャンバの内部に存在する分子の電子、振動又は回転励起を誘起する光を導入することで、分子の量子状態、及び、それに伴う電子衝突による励起の遷移経路を変化させることにより、解離やイオン化などの励起分子の挙動を変えことができるため、プラズマ内に存在するラジカル種及びイオン種の種類又は密度を制御し、プロセスに対して適したプラズマを生成し、かつ、光の照射の有無によりプラズマ状態の切り換えをすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）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。
【００２７】
（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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、量子準位が励起される分子が含まれている。
【００３１】
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。
【００３２】
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。プラズマ中では、電子と分子との衝突により、分子が励起状態へと遷移し、解離やイオン化が生じるが、この電子衝突による遷移は遷移選択則に基づく。また、ある準位間の遷移強度は、遷移前後の準位の波動関数の重なりに支配される。波動関数は、分子を構成する原子の原子核間距離、時間、量子数などによって表現される。被エッチング材である基板１００は、プラズマによりエッチングされる。
【００３３】
誘導コイル２、コイル電源７、バイアス電極４及びバイアス電源８は、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を構成している。また、誘導コイル２、コイル電源７、バイアス電極４及びバイアス電源８は、被エッチング材をプラズマによりエッチングするエッチング手段を構成している。
【００３４】
この状態において、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の内部に導入される。光源１０及び窓９は、プロセスチャンバ１の内部に存在するガス分子の電子、振動又は回転励起を誘起する光をプロセスチャンバ１の内部に導入する光導入手段を構成している。
【００３５】
導入される光の吸収により、基底状態から励起状態へと遷移した分子が、緩和する前に電子と衝突した場合、遷移選択則を満足し、さらに波動関数の重なりが十分にある、準位へと遷移することになり、この準位は基底状態から直接電子衝突により遷移する準位とは異なるものとなる。
【００３６】
したがって、プロセスチャンバ１の内部の中性分子が、電力などの印加により電離し、放出された電子が他の中性分子と衝突し、解離、電離を繰り返すプラズマ内において、中性分子の励起を光の照射により電子衝突以前に分子の量子準位を制御することができれば、その後の電子衝突における遷移経路が変化し、結果として、電子励起後の分子のイオン化や解離といった挙動が変化する。このため、光の照射の有無により、プラズマ内のラジカル種、イオン種を変化させることが可能となる。
【００３７】
光源１０からの光がプロセスチャンバ１に導入され、プラズマ中に存在する中性分子の励起を誘起する。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の外部に設置される光遮断手段１１により遮断する。
【００３８】
（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。
【００３９】
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。レーザ光源１２は、光子密度の高いため分子の励起効率は上がる。
【００４０】
量子化された準位は分子それぞれに固有であり、様々な分子種用いる場合、分子の励起に用いる光源は波長可変であることが必要である。レーザ光源１２として、特定の分子の特定の量子準位間のみを励起する場合では、固体レーザ、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を放射するものを用いてもよい。なお、レーザ光源１２は、パルス制御をすることにより、１パルス時間内の光子密度を上げることができる。また、分子の励起状態の寿命は様々であり、フェムト秒スケールの準位も存在する。
【００４１】
（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。
【００４２】
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。
【００４３】
レーザ光源１３と誘導コイルパルス電源１４とは、パルスジェネレータ１５に接続され、各パルスの重なりの遅延時間を制御することで、より効率的にプラズマ状態の制御をすることができる。
【００４４】
例えば、プロセスチャンバ１の内部の中性分子の光励起を誘起することにより、特定の分子結合の解離を促進できる場合、光励起を誘起することで行う前記プラズマ制御方法は、ドライエッチングプロセスなどに応用することができる。
【００４５】
図３のプラズマエッチング装置を用いて説明する。特定の分子結合の解離が、光の照射による励起と、電子衝突の二段階励起により促進されるとすると、この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は、パルスレーザ光源１３から発振したレーザ光が、窓９からプロセスチャンバ１へ導入される。反対に、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からの発振が止められるか、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が遮断されればよい。
【００４６】
多原子分子には、複数の振動モードが存在し、その多くは赤外領域の光で励起することができる。各々の振動モードにおいて、その振動周波数は異なり、単色赤外レーザを用いれば、特定の振動モードのみ励起することが可能である。分子が電子、振動共に基底状態にあるとき、ある特定の振動モードを励起すると、前記記載どおり、波動関数が変化する。
【００４７】
したがって、電子基底状態において、振動励起し、多原子分子内の特定の化学結合が選択的に解離する電子状態との波動関数の重なりを大きくすることで、電子衝突励起により、特定の化学結合が選択的に解離を促進し、プラズマ内に存在するラジカル種、イオン種が変化する。
【００４８】
例えば、フッ素原子吸着効果のあるヨウ素原子のプラズマ内密度が、ＣＨ２Ｉ２やＣＨ３Ｉ、ＣＤ３Ｉなどのヨウ素化合物から、前記手法による赤外レーザの照射、遮断により制御される場合を説明する。
【００４９】
前記化合物のうちいずれか化合物のガスと、ＳＦ６、Ｃ４Ｆ８、混合ガスによるプラズマ放電が行なわれ、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を生成する。
【００５０】
Ｃ−Ｉ結合が解離する電子状態への励起が有利になるように、赤外レーザ照射により、電子基底状態での特定の振動モードの励起することで、ヨウ素原子がより多く解離性生物としてプラズマ内に放出され、結果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。
【００５１】
一方で、Ｃ４Ｆ８のプラズマ中での挙動は、ＣＦ２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。
【００５２】
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。
【００５３】
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シリコン基板の深堀エッチングが、ガス種を切り換えることなく、光の導入、遮断による切り換えにより可能となる。
【００５４】
（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。
【００５５】
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：ＣＯ２レーザ２３、ダンパ２４、パルスジェネレータ１５、プラズマ発光分光装置２５及びＩＣＰコイル電源２８を具備している。Ｎｄ：ＣＯ２レーザ２３は、パルス制御可能なものである。
【００５６】
プロセスガスとして、ＳＦ６、Ｏ２、ＣＤ３Ｉが選択され、これらがプロセスチャンバ１へ１に導入され、プラズマ放電された場合について説明する。
【００５７】
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を用いて行なわれた。ＳＦ６を３５ｓｃｃｍの流量とし、Ｏ２を５ｓｃｃｍの流量とし、ＣＤ３Ｉを１０ｓｃｃｍの流量とし、これら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、排気手段６を調節することで、プロセスチャンバ１の内圧力は１０ｍＴｏｒｒにされた。
【００５８】
パルスジェネレータ１５から遅延時間無く同期した１０ＭＨｚの信号がプラズマ発生装置２１のＩＣＰコイル電源２８及びＮｄ：ＣＯ２レーザ２３に送られ。ＩＣＰの誘導コイル２に３５０Ｗが印加され、プラズマが発生された。
【００５９】
プラズマ発光分光装置２５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、波長７０４ｎｍにフッ素原子に起因するピークが確認された。
【００６０】
Ｎｄ：ＣＯ２レーザ２３からＣＤ３Ｉのν２振動モードの振動周波数に相当する波長約１０．５μｍの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。
【００６１】
Ｎｄ：ＣＯ２レーザ２３によるレーザ光の照射により、プラズマ発光分光装置２５にて波長７０４ｎｍのフッ素原子起因のピーク強度が、Ｎｄ：ＣＯ２レーザ２３のレーザ光を照射しない場合と比較して、減少したことを確認された。
【００６２】
ＩＣＰの誘導コイル２に電力印加するためのパルス信号と、Ｎｄ：ＣＯ２レーザ２３の発振のパルス信号との遅延時間が、前記した波長７０４ｎｍのピーク強度が最も減少する時間に調節された。
【００６３】
以上から、波長約１０．５μｍのレーザ光の入射により、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。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】本発明の実施例１を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６５】
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
２３  Ｎｄ：ＣＯ２レーザ
２４  ダンパ
２５  プラズマ発光分光装置
２８  ＩＣＰコイル電源
２９  排気手段
１００  基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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