(57)【要約】【課題】パターンの内部に残った反応性生物を速やかに排気し、反応種の過剰な供給による等方性エッチングを防止し、加工形状への依存性の無いエッチング装置とエッチング方法を提供する。【解決手段】反応室６と、該反応室６内に設けられ、エッチング加工される試料７を保持する試料保持手段５と、前記反応室６内に放電プラズマ８を発生させるプラズマ発生手段と、前記試料保持手段５に保持された試料に、高周波電力を印加する高周波電力印加手段９と、前記高周波電力印加手段９によって前記試料７に印加される高周波電力を、エッチング加工中に周期的に変化させる手段とを備え、前記試料保持手段５は、前記高周波電力の周期的な変化に同期させて、前記試料７を垂直方向に振動可能な手段を備える。【選択図】図１
2008016585.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応室と、
該反応室内に設けられ、エッチング加工される試料を保持する試料保持手段と、
前記反応室内に放電プラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
前記試料保持手段に保持された試料に、高周波電力を印加する高周波電力印加手段と、
前記高周波電力印加手段によって前記試料に印加される高周波電力を、エッチング加工中に周期的に変化させる手段とを備え、
前記試料保持手段は、前記高周波電力の周期的な変化に同期させて、前記試料を垂直方向に振動可能な手段を備えることを特徴とするエッチング装置。
【請求項２】
反応室と、
該反応室内に設けられ、エッチング加工される試料を保持する試料保持手段と、
前記反応室内に放電プラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
前記試料保持手段に保持された試料に、高周波電力を印加する高周波電力印加手段と、
前記高周波電力印加手段によって前記試料に印加される高周波電力を、エッチング加工中に周期的に変化させる手段とを備え、
前記試料保持手段は、高周波電力が小さい時には、前記試料の位置を垂直方向に下げ、前記高周波電力が大きい時には、前記試料の位置を垂直方向に上げることが可能な手段を備えることを特徴とするエッチング装置。
【請求項３】
試料保持手段による該試料保持手段に保持された試料の垂直方向の振動の振幅は、前記試料の表面構造のラフネスの0.5倍以上、25倍以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のエッチング装置。
【請求項４】
反応室内に試料を保持し、
前記試料に高周波電力を印加しつつ、反応性ガスを含むガスの放電プラズマを用いて、前記反応室内で試料表面をエッチング加工し、
さらに、前記試料表面のエッチング加工中に、前記放電プラズマを連続発生させた状態で、前記高周波電力を周期的に変化させると共に、
前記エッチング加工中に、前記高周波電力の周期的な変化に同期させて、前記試料を垂直方向に振動させることを特徴とするエッチング方法。
【請求項５】
反応室内に試料を保持し、
前記試料に高周波電力を印加しつつ、反応性ガスを含むガスの放電プラズマを用いて、前記反応室内で試料表面をエッチング加工し、
さらに、前記試料表面のエッチング加工中に、前記放電プラズマを連続発生させた状態で、前記高周波電力を周期的に変化させると共に、
前記エッチング加工中に、前記高周波電力が小さい周期には、前記試料の位置を垂直方向に下げ、前記高周波電力が大きい周期には、前記試料の位置を垂直方向に上げることを特徴とするエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高密度プラズマを用いて、パターンのアスペクト比依存性の少ないエッチング加工を行なうことのできる、エッチング装置およびエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子においては、エッチングパターンの微細化は、必然的にエッチング加工形状の高アスペクト比化を伴うと共に、加工形状への依存性が問題になっている。具体的には、エッチングイオンはほぼ垂直方向に揃って入射しているにも拘らず、ラインアンドスペースパターンの疎密間において、加工変換差が異なるという問題である。この問題は、加工寸法が微細化するに伴い、アスペクト比が高くなると共に疎密パターンが混在する傾向にあるため、特に重要な課題となっている。
【０００３】
そこで、特許文献１には、被加工物（試料）の保持台に接続した高周波電源の大きさ又はプラズマ中に印加する磁界の強度を断続的に変化させることによって、平均イオンシース厚さdと平均イオンエネルギーVsを、互いに異なる二つの状態間で交互に切り換えることを繰り返す技術が開示されている。この技術によると、高周波電力が小さいか、若しくは0Wの場合の周期、又は、平均イオンシース厚さdが薄く平均イオンエネルギーVsが低い場合の周期では、イオンの入射が無くエッチングによる反応生成物の脱離が促進される。
【０００４】
一方、近年の一般的なエッチング装置においては、エッチング用の反応性ガスを含んだガスを反応室の上部から下方へ試料に衝突させるように給気し、更に、エッチング後の反応生成物を含んだガスを当該試料の外周から下方へ排気する構造となっている。この構造においては、反応室上部から垂直軸上に試料まで下降する流れと、試料に衝突してから外周へ向かう流れとが生じることが、非特許文献１に開示されている。
【０００５】
つまり、従来の装置においては、ガスを反応室の上部から下方へ試料に衝突させるように給気し、更に、エッチング後のガスを当該試料の外周から下方へ排気する構造と、試料の保持台に接続した高周波電源の出力、又は、プラズマ中に印加する磁界の強度を断続的に変化させる手段とを組み合わせることによって、エッチングによる反応生成物の脱離を促進させて、当該脱離した反応生成物の排気を効率的に行うことができ、加工形状のアスペクト比依存性を小さくすることが可能となっている。
【特許文献１】特開平０６−１５１３６０号公報
【非特許文献１】池川正人、他4名、「有磁界マイクロ波プラズマエッチング装置の希薄流構造とエッチング生成物の排気に関する直接シミュレーションモンテカルロ法解析」、日本機械学会論文集（B編）、社団法人日本機械学会、2000年8月、66巻、648号、p.72−77
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術において、試料に印加する高周波電力が小さい期間には、プラズマ中の反応種（エッチャント）が、拡散により試料に付着する為、エッチングが等方的に進行する。特に、高周波電力が0Wの場合においては、この傾向が顕著となる。
【０００７】
また、上述したガスの給排気構造においては、試料の加工面近傍の反応生成物は、効率よく排気されるとはいえ、比較的アスペクト比の高いパターン（特にナローパターン）の内部の反応生成物は、逆に外部への拡散が抑えられてパターン内に閉じ込められてしまう。
【０００８】
言い換えるなら、上記何れの技術を用いても、反応生成物や反応種の拡散に関するパターン依存性は残るという問題点がある。
【０００９】
本発明の目的は、上記問題を解決し、パターンの内部に残った反応生成物を速やかに排気し、反応種の過剰な供給による等方性エッチングを防止し、加工形状への依存性の無いエッチング装置及びエッチング方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、試料を垂直方向に所定の振幅により振動させることにより、パターンの内部に残るエッチング後の反応生成物や反応種を、試料から乖離させて、さらにガスの衝突流に乗せて効率よく排気することを特徴とする。本発明の要旨は、以下のとおりである。
（１）本発明に係るエッチング装置は、反応室と、該反応室内に設けられ、エッチング加工される試料を保持する試料保持手段と、前記反応室内に放電プラズマを発生させるプラズマ発生手段と、前記試料保持手段に保持された試料に、高周波電力を印加する高周波電力印加手段と、前記高周波電力印加手段によって前記試料に印加される高周波電力を、エッチング加工中に周期的に変化させる手段とを備え、前記試料保持手段は、前記高周波電力の周期的な変化に同期させて、前記試料を垂直方向に振動可能な手段を備えることを特徴とする。
（２）また、本発明に係るエッチング装置は、反応室と、該反応室内に設けられ、エッチング加工される試料を保持する試料保持手段と、前記反応室内に放電プラズマを発生させるプラズマ発生手段と、前記試料保持手段に保持された試料に、高周波電力を印加する高周波電力印加手段と、前記高周波電力印加手段によって前記試料に印加される高周波電力を、エッチング加工中に周期的に変化させる手段とを備え、前記試料保持手段は、高周波電力が小さい時には、前記試料の位置を垂直方向に下げ、前記高周波電力が大きい時には、前記試料の位置を垂直方向に上げることが可能な手段を備えることを特徴とする。
（３）また、上記（１）又は（２）において、試料保持手段による該試料保持手段に保持された試料の垂直方向の振動の振幅は、前記試料の表面構造のラフネスの0.5倍以上、25倍以下であることを特徴とする。
（４）また、本発明に係るエッチング方法は、反応室内に試料を保持し、前記試料に高周波電力を印加しつつ、反応性ガスを含むガスの放電プラズマを用いて、前記反応室内で試料表面をエッチング加工し、さらに、前記試料表面のエッチング加工中に、前記放電プラズマを連続発生させた状態で、前記高周波電力を周期的に変化させると共に、前記エッチング加工中に、前記高周波電力の周期的な変化に同期させて、前記試料を垂直方向に振動させることを特徴とする。
（５）また、本発明に係るエッチング方法は、反応室内に試料を保持し、前記試料に高周波電力を印加しつつ、反応性ガスを含むガスの放電プラズマを用いて、前記反応室内で試料表面をエッチング加工し、さらに、前記試料表面のエッチング加工中に、前記放電プラズマを連続発生させた状態で、前記高周波電力を周期的に変化させると共に、前記エッチング加工中に、前記高周波電力が小さい周期には、前記試料の位置を垂直方向に下げ、前記高周波電力が大きい周期には、前記試料の位置を垂直方向に上げることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、試料に印加する高周波電力の周期的な変化に同期させて、当該試料を振動させることで、エッチング後の反応生成物や過剰な反応種を、試料のパターン内部から強制的に乖離させることができる。同時に、ガスを反応室の上部から下方へ給気しつつ、エッチング後のガスを当該試料の外周より下方から排気すると共に、当該試料を垂直方向に振動させることにより、反応室内で試料衝突後のガスが外周に向かう流れに乗せて、効率的に反応生成物を排気することができる。この結果、疎密パターンにおける加工変換差を縮小することが可能となり、半導体装置の微細化に要求される寸法ばらつきを低減して、製品の品質を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態の一例として、有磁場マイクロ波放電によるプラズマを用いたエッチング装置（以下、ECRエッチング装置と記す。）において、ウェハ状態の半導体試料の表面を加工する場合について説明する。図１は、本発明に係るエッチング装置の一例であり、ECRエッチング装置の構造を模式的に示した縦断面を示している。
【００１３】
図１において、１はマイクロ波電力発生器、２は導波管、４は磁場発生用電磁コイル、５は試料台、６は反応室、８は発生したプラズマ、７は加工される試料、９は高周波電力印加電源、１０は電磁コイル電源を示している。また、反応室６の上部に位置し電磁コイル４に囲まれた部分は、プラズマ８が発生する放電室３となる。
【００１４】
反応室６の上部にはガス給気口１１、下部にはガス排気口１２が設けられている。ガス給気口１１より、反応性ガスを含んだガスを反応室内に導入するが、この時、反応室６の上部から下方へ試料７に衝突させるようにガスを給気する。さらに、ガス排気口１２を試料７の外周より下に、即ち、図１中の点線AA’より下に設けることにより、ガスが、試料７に衝突した後に外周へ向かう流れとなって排気される構造となっている。
【００１５】
さらに、チョッパー１５は、高周波電力印加電源９からの高周波電力を試料台５を介して試料７に印加する経路内に設けられている。チョッパー１５により、試料７への高周波電力の印加において、異なる2種類の電力値を断続的かつ繰返し切り換えることができる。
【００１６】
これらは、従来からのECRエッチング装置において、すでに用いられているものである。
【００１７】
図１に示した実施の形態においては、上記の装置構成に加えて、試料台５を振動させる振動子１３、振動子用電源１４および制御機構１６を備えている。振動子１３は試料台５に取り付けられ、振動子用電源１４より供給される電力で振動し、試料７ごと試料台５を垂直方向に振動させる。一方、制御機構１６は、チョッパー１５にも接続しており、振動子１３による試料台５の振動を、チョッパー１５による試料台５への高周波電力の周期的な変化に同期させる。
【００１８】
上記の装置構成において、エッチング加工されるべき試料７を試料台５上に載置して、反応室６内をガス排気口１２より真空排気した後、ガス給気口１１より放電管３内にエッチング用の反応性ガスを含むガスを給気する。この状態で、マイクロ波電力発生器１より導波管２を介して放電室３内にマイクロ波電力を供給する。これにより、放電室３内にマイクロ波放電プラズマ８が発生する。また、発生したプラズマ８中に、電磁コイル４により適当な強度の磁場を印加することにより、プラズマ８の密度が高められる。この高密度プラズマ中で放電用ガスが励起解離されて、エッチングイオン及び反応性の反応種が生成される。このエッチングイオン及び反応種によって、試料７表面のエッチングが行われる。なお、試料７の表面には、図１では図示していないエッチングマスク２１が設けられている。
【００１９】
この時、チョッパー１５により、高周波電力は0Wと50Wの2値の間で周期的に変化する。本明細書においては便宜上、高周波電力が0Wの場合をOFFモード、高周波電力が50Wの場合をONモードと呼ぶ。高周波電力の周波数は、13.56MHzに固定とする。ONモードでは、エッチングイオンと反応種が供給されるため、エッチングが支配的となり、OFFモードでは、反応種の拡散による供給と反応生成物の拡散による乖離が支配的となる。エッチング加工中に、ONモードとOFFモードを周期的に繰り返すことにより、エッチングイオンと反応種の供給、及び、反応種の拡散による供給と反応生成物の拡散による乖離が、交互に繰り返される。
【００２０】
図１の装置を用いて行われるエッチングにおいて、試料７に印加される高周波電力の周期的変化と、試料台５の垂直方向の振動との同期について、図２を用いて説明する。図２において、（ａ）は試料位置と反応生成物の位置関係を模式的に断面図で示し、（ｂ）は試料位置の振動波形の一例を示し、（ｆ）は試料に印加する高周波電力（RFパワー）の変化を示している。図２（ａ）において、試料７の表面にはエッチングマスク２１が設けられており、反応生成物２０や反応種は、このエッチングマスク２１の隙間に溜まる。
【００２１】
試料７に印加する高周波電力は、プラズマ８を連続発生（連続放電）させたままの状態で、図２（ｆ）に示すように、高周波電力が50Wの場合（ONモード）と高周波電力が0Wの場合（OFFモード）とを、一定周期で繰り返している。本明細書では便宜上、ONモードの時間をON時間Ton、OFFモードの時間をOFF時間Toff、ON時間TonとOFF時間Toffの合計でONモードとOFFモードの１周期分の時間をON-OFF周期時間T、ON-OFF周期時間Tの逆数である1/TをON-OFF周波数λonoffと、各々呼ぶことにする。
【００２２】
ONモードではエッチングが進むため、反応種やエッチングイオンが試料７の加工部分に供給されやすいように、図２（ａ）の「試料位置：上」に示した如く、試料位置を保持または上方へ上げる。一方、OFFモードでの反応生成物２０の拡散による乖離を促進させ、また、反応種の過剰な付着を防ぐ為に、試料位置をONモード時より相対的に下方へ下げて、図２（ａ）の「試料位置：下」に示した如く、試料７や試料のエッチングマスク２１より上方に反応生成物２０や過剰な反応種を残す。この時、試料７に衝突した後に外周へ向かうガスの流れ（図２（ａ）中の太い矢印）が生じているので、このガス流に乗って、当該反応生成物や過剰な反応種は、試料面に沿って概ね横方向へ試料外周まで流され、そこから下方へ排気される。但し、各モードの間において、試料位置は同じ位置に固定されている必要は無く、移動していても構わない。
【００２３】
図２（ａ）の試料位置の変化を、連続的に模式図として示したのが図２（ｂ）である。図２（ｂ）では、試料の振動波形を振幅Bなる正弦波としている。この場合、高周波電力のONモードからOFFモードに切り替わる時に試料位置の下降が始まり、OFFモードからONモードに切り替わる時に試料位置の上昇が始まるように、同期が取られている。即ち、OFFモードの間は試料位置は下がり続け、ONモードの間は試料位置は上がり続ける。
【００２４】
ここで、試料の振動の振幅Bが、表面構造のラフネスに対し十分大きければ、OFFモード中に試料位置が最も下がらなくても、反応生成物２０や過剰な反応種はエッチングマスク２１に妨げられること無くガス流に乗ることができる。よって、試料の振幅Bの大きさは、表面構造のラフネスの0.5倍以上、25倍以下であることが望ましい。0.5倍未満の場合は、上記理由から反応生成物２０や過剰な反応種がガス流に乗り難くなる。また、25倍より大きい場合は、反応種の供給効率が悪くなることが経験的に分かっている。
【００２５】
なお、上記「表面構造のラフネス」とは、エッチングの進行と共に薄くなるエッチングマスクの厚みと、エッチングにより加工された部分の深さとの合計値をいう。
【００２６】
図２（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）に、試料の振動波形の別の例を示す。図２（ｃ）は三角波形の場合で、図２（ｂ）と同じく、高周波電力がOFFモードの間は試料位置は下がり続け、ONモードの間は試料位置は上がり続ける。
【００２７】
また、図２（ｄ）は矩形波の場合で、高周波電力のONモードからOFFモードに切り替わる時に、試料位置が下がりそのまま保持され、OFFモードからONモードに切り替わる時に、試料位置が上がりそのまま保持されるように、同期が取られている。即ち、OFFモードの間は試料位置は最も低い位置で保持され、ONモードの間は試料位置は最も高い位置で保持される。
【００２８】
図２（ｅ）は、図２（ｄ）を正弦波とした場合で、高周波電力のONモードからOFFモードに切り替わる時に、試料の振動中心位置（図２（ｂ）から（ｅ）における一点差線で示した位置）からの下降が始まり、OFFモードからONモードに切り替わる時に、試料の振動中心位置からの上昇が始まるように、同期が取られている。即ち、OFFモードの間は試料位置は、試料の振動中心位置より常に下方に位置し、ONモードの間は試料位置は、試料の振動中心位置より常に上方に位置する。
【００２９】
上記何れの同期方法を取るかは、振動子１３の特性と制御機構１６の特性から選択すれば良い。例えば、振動子１３としてピエゾ素子を利用する場合は、ピエゾ素子の消費電力特性から、図２（ｂ）か図２（ｅ）の正弦波を用いることが望ましい。
【００３０】
また、試料を振動させていない場合の試料位置（以下、試料の初期位置と記す。）に対して、試料の振動の中心をどの位置に取るかは、製造条件において適宜決定すれば良い。
【００３１】
なお、試料台５と試料７を振動させる機構は、製造装置や振動周波数に合わせて、適宜選択すれば良い。ピエゾ素子等の圧電素子に交流電圧を印加する方法や、リニアモータ駆動を利用する方法が考えられる。
【００３２】
なお、本実施の形態では、ONモードにおける高周波電力が50Wの場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。50Wの代わりに、高周波電力を製造条件により適宜選択すれば良い。
【００３３】
また、チョッパー１５を用いる代わりに、高周波電力印加電源９自体に、上記と同様の試料に印加する高周波電力を断続的に変化させることが可能な手段を付加し、制御機構１６からの制御信号により当該手段を直接制御するように構成しても良い。要は、試料へ印加する高周波電力の大きさを、断続的に変化させることが可能な手段であればよい。この場合、高周波電力は0Wと50Wの2値の間で周期的に変化させるのではなく、任意の2種類の電力値（但し、一方の電力値は、他方の電力値よりも小さくかつ0W以上）の間で周期的に変化させることができる。
【実施例】
【００３４】
図１に示した実施の形態において、下記の寸法差により評価した。
【００３５】
寸法差＝Ｐ−Ｑ
なお、上記式のＰ及びＱは、下記表１で定義される。
【００３６】
【表１】
2008016585.tif 000003
【００３７】
ここでは、試料を垂直方向に振動させながら、試料へ印加する高周波電力を2値間で振動させる場合と、振動させない場合について、各々調べた。
【００３８】
試料７の構造は、上から順に、レジストを1,000nm、TiNを23nm、AlCuを500nm、TiNを100nm及びTiを500nmSi、ウェハ上に積層したものである。ここで、レジスト線幅は0.25μmである。エッチング装置は、汎用のECRエッチング装置に、試料台に振動子としてピエゾ素子を付与したものを使用した。エッチング用ガスには、BCl3、Cl2、CxHyおよびArの混合ガスを使用した。
【００３９】
高周波電力の試料への印加条件は、高周波電力を振動させる場合、高周波電力がONモードで50W、OFFモードで0Wとし、ON-OFF周波数λonoffが1kHz、ON-OFF周期時間Tに対するON時間Tonの時間比は50%とした。一方、高周波電力を振動させない場合、試料へ印加する高周波電力は50W一定とした。高周波電力の周波数は、13.56MHz固定である。
【００４０】
試料の振動周波数は、0Hz（即ち、振動無しの場合）、100Hz、1kHz、10kHzおよび20kHzの5種類とし、波形は正弦波とした。但し、発明例の場合、試料の振動は図２（ｂ）のタイミングで高周波電力の振動に同期させた。
【００４１】
【表２】
2008016585.tif 000004
【００４２】
発明例と比較例に対し、得られた結果を表２に示す。
【００４３】
この結果から、発明例においては、ラインアンドスペースパターンと、孤立パターンとの間で発生する寸法差が縮小されており、エッチング加工形状のアスペクト比依存性が、大きく改善されたことが明確になった。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係るエッチング装置の一例の要部構成を模式的に示した縦断面図を示す。
【図２】試料に印加される高周波電力の周期的変化と、試料の垂直方向の振動との同期についての説明図を示す。（ａ）は試料位置と反応性生物の位置関係を模式的に断面図で示し、（ｂ）から（ｅ）は試料位置の振動波形の一例を示し、（ｆ）は試料に印加する高周波電力（RFパワー）の変化を示している。
【符号の説明】
【００４５】
１    マイクロ波発生器
２    導波管
３    放電室
４    電磁コイル
５    試料台
６    反応室
７    試料
８    プラズマ
９    高周波電力印加電源
１０  コイル電源
１１  ガス給気口
１２  ガス排気口
１３  振動子
１４  振動子用電源
１５  チョッパー
１６  制御機構
２０  反応生成物
２１  エッチングマスク
【図１】
2008016585.tif 000005
【図２】
2008016585.tif 000006