(57)【要約】反応性ラジカルを有するプラズマを照射するエッチング方法において、プラズマ形成に用いられる処理ガスは、Ｈ２ガスを含むエッチングガスと、Ｎ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２からなる群から選択される少なくとも１種のガスを含む表面改質ガスとを含んでおり、エッチングレートを向上すると共にエッチングの際の表面粗さの増加を抑制することができる。
2018088532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属を含む試料のエッチング装置において、
処理容器と、
前記処理容器内に配置される試料ホルダーと、
前記試料ホルダーに対向する位置に設けられ、プラズマを発生させ、プラズマ中に直接処理ガスを供給することを可能とするプラズマ生成電極と、
前記プラズマ生成電極に接続された高周波電源と、
前記プラズマ生成電極に処理ガスを供給する処理ガス導入口と、
を備え、
前記処理ガスは、
Ｈ２ガスを含むエッチングガスと、
Ｎ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２からなる群から選択される少なくとも１種のガスを含む表面改質ガスと、
を含む、
エッチング装置。
【請求項２】
前記プラズマ生成電極は、
前記処理ガス導入口に連通したガス放出通路を備え、
前記ガス放出通路の先端部においてプラズマが発生する、
請求項１に記載のエッチング装置。
【請求項３】
前記金属は、Ｃｕを含む請求項１又は２に記載のエッチング装置。
【請求項４】
反応性ラジカルを有するプラズマを照射するエッチング方法において、
プラズマ形成に用いられる処理ガスは、
Ｈ２ガスを含むエッチングガスと、
Ｎ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２からなる群から選択される少なくとも１種のガスを含む表面改質ガスと、
を含む、
エッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを用いたエッチング装置及びエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、Ｃｕなどの金属配線などの形成のため、種々のエッチング方法が検討されている。一般的には、化学機械研磨（ＣＭＰ）法などの他、塩素などのハロゲンガスを用いて、Ｃｕをドライエッチングする方法が知られている（特許文献１参照）。共有結合を有するシリコンや、ゲルマニウム等の半導体材料のドライエッチングにおいては、地球温暖化係数の高いパーフルオロカーボンガスや、ハロゲンガス等を用いることなく、水素を用いることで、エッチングが可能であることが知られている。水素を用いたエッチング法は、パーフルオロカーボンガスやハロゲンガスを用いたエッチング法に比べて、ガス単価が安い、地球温暖化の効果が無い、毒性が無いなど、優れた利点を有しており、とりわけ大気圧近傍の圧力とすることで、狭ギャップ中に高密度なプラズマを形成し、プラズマとの反応により発生した揮発性生成物を効率良く除去することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１６１６８７号公報
【特許文献２】特開２０１４−６３８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
金属のエッチングにおいては、環境負荷の小さい廉価なエッチングガスの使用、エッチング速度の高速化、さらにはエッチングした金属表面の粗さを低減することが同時に期待されている。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、環境負荷の小さいエッチングガスを用いて高速エッチングし、得られる金属表面の粗さを低減することが可能なエッチング装置及びエッチング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の課題を解決するため、第１の態様のエッチング装置は、金属を含む試料のエッチング装置において、処理容器と、前記処理容器内に配置される試料ホルダーと、前記試料ホルダーに対向する位置に設けられ、プラズマを発生させ、プラズマ中に直接処理ガスを供給することを可能とするプラズマ生成電極と、前記プラズマ生成電極に接続された高周波電源と、前記プラズマ生成電極に処理ガスを供給する処理ガス導入口と、を備え、前記処理ガスは、Ｈ２ガスを含むエッチングガスと、Ｎ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２からなる群から選択される少なくとも１種のガスを含む表面改質ガスと、を含む。【０００６】
第２の態様のエッチング装置においては、前記プラズマ生成電極は、前記処理ガス導入口に連通したガス放出通路を備え、前記ガス放出通路の先端部においてプラズマを発生することができる。【０００７】
第３の態様のエッチング装置においては、前記金属はＣｕを含むことができる。【０００８】
第４の態様のエッチング方法は、反応性ラジカルを有するプラズマを照射するエッチング方法において、プラズマ形成に用いられる処理ガスは、Ｈ２ガスを含むエッチングガスと、Ｎ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２からなる群から選択される少なくとも１種のガスを含む表面改質ガスとを含むことができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、廉価で環境負荷の小さなエッチングガスを用いて、エッチング速度の向上とともに、エッチングした金属表面の粗さを低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】エッチングの原理を説明するための図である。
【図２】サンプル基板を示す図である。
【図３】表面粗さ等の改善結果を示す図表である。
【図４】水素濃度とエッチング速度の関係を示すグラフである。
【図５】高周波電源からの高周波電力のパワーとエッチング速度の関係を示すグラフである。
【図６】第１のエッチング装置の構成を示す図である。
【図７】プラズマ発生領域の近傍の状態について説明するための縦断面図である。
【図８】第２のエッチング装置の構成を示す図である。
【図９】プラズマ発生領域の近傍の状態について説明するための縦断面図である。
【図１０】第３のエッチング装置の構成を示す図である。
【図１１】第４のエッチング装置の構成を示す図である。
【図１２】第５のエッチング装置の構成を示す図である。
【図１３】第６のエッチング装置の構成を示す図である。
【図１４】ドラムの詳細構成を示す図である。
【図１５】第７のエッチング装置の構成を示す図である。
【図１６】第８のエッチング装置の構成を示す図である。
【図１７】第９のエッチング装置の構成を示す図である。
【図１８】第１０のエッチング装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施の形態に係るエッチング装置及びエッチング方法について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１２】
図１は、エッチングの原理を説明するための図である。
【００１３】
このエッチング方法では、反応性ラジカルを有するプラズマを照射するエッチング方法において、プラズマ形成に用いられる処理ガスは、エッチングガス（Ｈ２ガス）に加えて、表面改質ガス（Ｎ２ガス）を用いている。エッチング対象は、金属であり、好適には、銅である。
【００１４】
本願発明者らの研究によれば、銅に、水素プラズマのみを照射してエッチングを行おうとすると、銅表面が粗くなるという現象が観察された。この原因は、透過型電子顕微鏡等による観察によると、水素ラジカル（水素原子）が、銅内部に侵入して、結晶粒内や結晶粒界におけるボイドを形成していることにあることが判明した。
【００１５】
そこで、このエッチング方法では、エッチャント用の水素ガスに、表面改質ガスとして窒素ガスを混入している。銅サンプル上部に窒素混合水素プラズマを形成すると、金属銅の表面に、銅の窒化物（窒化層）が形成される。銅サンプル上部には、水素と窒素の原子が、ラジカルとして存在している（図１（Ａ））。
【００１６】
金属銅表面に、窒化層が形成されると、水素プラズマにおける水素ラジカル（水素原子）の深部への拡散が防止され、表面の窒化層が最初に削れていく（図１（Ｂ））。また加工対象としての銅は、非常に都合の良いことに、窒化層の融点は、窒化前の金属銅よりも低く、窒化層を非常に高速にエッチングすることができる。このことは、窒化物の銅―窒素の結合エネルギーが、金属銅の結合エネルギーに比べて低いことも意味している。
【００１７】
詳説すれば、このエッチング方法において、エッチング対象の金属と、反応性ラジカルとなった表面改質ガスとが反応すると、これらの化合物の融点は、元の金属よりも低下する場合があり、原子状水素が、この溶融化合物中に過剰に溶解し、化合物の蒸散を促進する。ここで、水素ラジカル（水素原子）のみのエッチングの場合、金属表面は常に清浄な金属表面が露出することとなるため、水素原子が極めて容易に金属中へ溶解する。水素原子は、その粒子径が非常に小さいため、容易に金属の深部まで拡散し、これら過剰溶解した水素が、金属結晶内や粒界などにボイド等の表面粗さの増加原因を生成する。この方法では、対象の金属と表面改質ガスとの反応生成物が、基板の表層に形成されている。この表層の反応生成物（窒化層）は、金属結合によるものではなく、共有結合性、もしくはイオン結合性をもち、局在した未結合手等の欠陥を多く含む層であるため、水素は、これら欠陥にトラップされることで、金属中の拡散に比べて低速となる。この層が、水素ラジカル（水素原子）の拡散を抑制する障壁として機能するため、金属中への過剰な水素原子の上記拡散を抑制し、金属バルク内のボイドの発生を妨げる結果、表面粗さの増加を抑制することができる。
【００１８】
しかも、例えば、ＳｉＯ２等の絶縁膜をＣｕ配線が同一基板上に形成されているデバイスにおいて、このエッチング方法を用いれば、Ｃｕのみを非常に高い選択比でエッチングすることが可能である。
【００１９】
なお、金属としてＣｕを用いる場合、表面改質ガスとして、Ｎ２の他に、ＮＨ３、Ｈ２Ｏ又はＣＯ２を用いても、表面粗さが改善される。なぜならば、これらガスから生成される窒素、酸素、ならびに水酸化ラジカルにより、金属表面が共有結合性、もしくはイオン結合性の物質に変換されるためである。
【００２０】
さらに、金属として、Ｃｕ以外の金属、例えば、Ａｌ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｇａ、Ｃｒ、又は、Ｍｎをエッチングする場合においても、本方法は有効であると考えられる。なぜならば、これらの金属は、水素原子との反応により比較的不安定な水素化物を形成すると共に、窒素ラジカル、酸素ラジカルなどにより、非金属結合の物質へ改質可能だからである。
【００２１】
なお、上記プラズマでは、高密度原子状水素(１０１６〜１０１９atoms/ｃｃ)を生成している。また、ＣｕとＮの化合物である窒化層は、化学量論的組成ではＣｕ３ＮでありＣｕよりも融点が低い。窒化による非金属化により、未結合手からなる欠陥を多数含む層を形成し、これにより窒化層が水素バリア層として機能する。
【００２２】
図２は、サンプル基板（試料）を示す図である。
【００２３】
サンプル基板は、Ｓｉ基板上に、ＳｉＯ２層が形成されており、ＳｉＯ２層の間に、Ｃｕ層が埋め込まれているものである。このサンプル基板に対して、上記のエッチングを適用した。
【００２４】
図３は、表面粗さ等の改善結果を示す図表である。
【００２５】
エッチングガスは、比較例においては水素のみ（水素濃度：１００％）であり、実施例においては、水素と表面改質ガス（Ｎ２）を用いた（水素濃度：９０％、窒素濃度：１０％）。なお、これらの濃度は、常圧において、処理容器の内部に供給する各ガスの質量流量の比率である。
【００２６】
プラズマを発生させるプラズマ生成電極に印加する高周波電力のパワーは１００Ｗ、処理容器内圧力は１３．３ｋＰａ、処理容器内の温度は室温、プラズマ生成電極とサンプル基板との間の距離は０．７ｍｍ、プラズマ生成電極から放出されるガスの流速は１０ＳＬＭである。エッチング装置は、図６に示すものを用いた。
【００２７】
これらの実験結果から明らかなように、水素のみのエッチングと比較して、Ｎ２を混合したエッチングガスを用いた場合、表面粗さは著しく改善され、Ｃｕとの選択エッチング比（ＳｉＯ２の１９０倍）も著しく増加し、さらに、Ｃｕのエッチング速度も著しく増加していることが分かる。
【００２８】
図４は、水素濃度とエッチング速度の関係を示すグラフである。
【００２９】
この水素濃度は、処理容器の内部に供給する各ガスの質量流量の比率である。エッチング速度は、水素濃度が９０％（窒素濃度＝１０％）の場合に、最も高くなっていることが分かる。
【００３０】
図５は、高周波電源からの高周波電力のパワー（Ｗ）とエッチング速度（μｍ／ｍｉｎ）の関係を示すグラフである。
【００３１】
パワーの増加に伴って、エッチング速度は増加するが、水素のみのエッチング（純水素）に比べて、窒素を混入した場合のエッチング速度（Ｎ２＝１０％添加水素）は高い。このことからも、窒素の添加が、エッチング速度の増加に有効であることが分かる。
【００３２】
次にエッチング装置について説明する。
【００３３】
図６は、第１のエッチング装置の構成を示す図である。
【００３４】
このエッチング装置は、金属（Ｃｕ）を含むサンプル基板のエッチング装置において、処理容器１と、処理容器１内に配置される基板ホルダー２と、基板ホルダー２に対向する位置に設けられ、プラズマ８を発生させるプラズマ生成電極５と、プラズマ生成電極５に電気的に接続された高周波電源６と、プラズマ生成電極５に処理ガスを供給する処理ガス導入口４とを備えている。プラズマ生成電極５は、プラズマ８中へ直接ガスを供給する機能を持ち、サンプル基板（Ｓ、Ｆ）とプラズマ８の反応により生成された反応生成物を強制的に輸送する流れを形成する機能をもつ。
【００３５】
ここで、処理ガスは、Ｈ２ガスを含むエッチングガスと、Ｎ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２からなる群から選択される少なくとも１種のガスを含む表面改質ガスを含むものである。
【００３６】
上述のように、金属をエッチングする場合に、Ｈ２ガスの他に、Ｎ２等の表面改質ガスをプラズマ化することで、エッチングレートの増大、エッチング選択比の向上、ならびに金属表面の粗さを大幅に低減することができる。
【００３７】
なお、プラズマ生成電極５は、処理ガス導入口４に連通したガス放出通路５Ｐを備えており、ガス放出通路５Ｐの先端部とサンプル基板（Ｆ、Ｓ）の間にプラズマ８が発生する。ガス放出通路５Ｐの先端部近傍とサンプル基板（Ｆ，Ｓ）の間でプラズマ８が発生するので、プラズマ８中へ効率的にプロセスガスの供給が行われ、このガスの流れにしたがって、プラズマ８とサンプル基板（Ｆ、Ｓ）の反応によって生じたエッチング反応生成物を好適にサンプル基板表面から除去することができる。
【００３８】
この装置は、狭ギャップで高圧プラズマを形成することができ、狭ギャップ中にガスを直接供給できるため、サンプル基板上で生成した反応生成物を効率良くサンプル基板表面から除去・輸送することができる。
【００３９】
この装置は、処理容器１内の基板ホルダー２に対向する位置に配置されるプラズマ生成電極ホルダー３と、処理容器１内に処理ガスを導入するための処理ガス導入口４と、プラズマ生成電極ホルダー３に配置されるプラズマ生成電極５に接続された高周波電源６と、高周波電源６や容器内圧力等を制御する制御装置７とを備えている。
【００４０】
処理容器１の内部空間にはバルブＶを介して排気ポンプＥＸが連通しており、排気ポンプＥＸを駆動することで、内部空間内の圧力を減圧することができる。排気ポンプＥＸの排気量は、バルブＶを調整することで制御することができる。処理容器１内の圧力は、圧力計ＰＳによって計測されている。
【００４１】
処理容器１内の基板ホルダー２上には、エッチング対象の金属や金属膜Ｆが形成されたサンプル基板Ｓが保持され、その上方にパイプ状のプラズマ生成電極５が配置されている。プラズマ生成電極５の上端は、プラズマ生成電極ホルダー３によって保持されている。プラズマ生成電極ホルダー３は、処理容器１の内壁に固定することができる。パイプ状のプラズマ生成電極５の内部空間は、配管及び流量制御器ＭＦＣを介して、複数のプロセスガス貯蔵タンク（図示せず）に接続されている。本例では、これらのタンク内に水素と窒素が充填されており、流量制御器ＭＦＣを制御することで、処理容器１の外壁に設けられた処理ガス導入口４を介して、処理容器１内部に水素ガス（Ｈ２）と窒素ガス（Ｎ２）を導入することができる。なお、流量制御器は、それぞれのガス流量を制御するように設けることも可能である。
【００４２】
流量制御器ＭＦＣを介して、処理ガス導入口４から導入された水素は、パイプ状のプラズマ生成電極５の内部空間を通り、その下方端から排出される。排出先の近傍には、高周波電源６によって高電界の高周波電界が形成されており、排出された水素と窒素によって、パイプの先端部近傍にプラズマが形成される（プラズマ発生領域８）。
【００４３】
プラズマ生成電極５は、高周波電源６に電気的に接続されており、基板Ｓ、基板ホルダー２、処理容器１の外壁は、グランド電位に接続されている。
【００４４】
制御装置７には、圧力計ＰＳ、バルブＶ、高周波電源６、流量制御器ＭＦＣが接続されており、処理容器１内が所望の圧力になるように、圧力計ＰＳで内部圧力をモニターしながら、流量制御器ＭＦＣやバルブＶの開度を調整する。制御装置７は、高周波電源６の出力電力を制御することができ、所望の内部圧力の場合において、適切な高周波電力をプラズマ生成電極５に供給することで、プラズマ生成電極５の先端部の周囲にプラズマを発生させることができる。
【００４５】
ここで、制御装置７は、処理ガス導入口４から処理容器１内に水素と窒素が導入された場合に、高周波電源６を制御し、プラズマ生成電極５の周囲に水素・窒素ガス混合のプラズマを発生させる。高周波電源６によってプラズマ生成電極５のプラズマ発生領域８における単位面積当たりに与えられる高周波電力の密度Ａ、プラズマ生成電極５とサンプル基板Ｓとの間の距離Ｂ、処理容器１内のプラズマ生成電極５の周囲の圧力Ｃは、以下の関係を満たすように設定される。
・Ａ≧１３０（Ｗ／ｃｍ２）
・０．１（ｍｍ）≦Ｂ≦１５（ｍｍ）
・８０（Ｐａ）≦Ｃ≦０．２（ＭＰａ）
【００４６】
なお、原料金属のプラズマ発生領域８における単位面積は、プラズマ生成電極５とプラズマとの接触面における単位面積である。プラズマ生成電極５からなるパイプ先端部の近傍において、プラズマ密度が高いので、同図では、プラズマ発生領域８は、比較的密度の高いプラズマ領域を示している。このプラズマ発生領域は、基板方向に広がり基板に触れている。
【００４７】
すなわち、サンプル基板Ｓとパイプ状のプラズマ生成電極５の先端部との間の距離Ｂ（ギャップ）は、非常に狭く、０．１（ｍｍ）以上、１５（ｍｍ）以下に設定され、圧力Ｃは８０（Ｐａ）以上、０．２（ＭＰａ）以下と、比較的高く、高周波電力の密度Ａは、１３０（Ｗ／ｃｍ２）以上であり、非常に高い。
【００４８】
この状態で窒素混合水素プラズマを発生させると、プラズマが、金属膜Ｆの表面に作用し、エッチングが行われる。なお、プラズマ生成電極５の材料は、鉄やステンレス鋼など、水素プラズマに対して、Ｃｕなどよりも反応性の低い物質から構成される。通常の金属であっても、表面を水素と反応性の低いＡｌ２Ｏ３などの絶縁体でコーティングすれば、プラズマ生成電極５に使用することができる。プラズマと金属の反応生成物は、ガス流によって、プラズマ生成電極の外部へと移動する。
【００４９】
図７は、プラズマ生成電極５の周囲のプラズマ発生領域について説明するための縦断面図である。
【００５０】
基板表面の金属膜Ｆにおいて、プラズマ生成電極から排出されたガス流の影響により、その直下よりもやや外側の領域をエッチング領域ＥＲとして削り、エッチング生成物をプラズマの外側へ放出する。
【００５１】
プラズマ生成電極５の形状はパイプ状（円管）であり、外径ＤＯＵＴ、内径ＤＩＮを有しており、その長さは、プラズマ発生領域８と接するパイプ長手方向の寸法Ｈよりも長ければよい。プラズマ発生領域８と接するパイプの寸法Ｈは、一例では、２．７ｍｍ以上６．５７ｍｍ以下である。
プラズマ発生領域８と接するプラズマ生成電極５の表面積ＳＰは、以下の式で与えられる。
ＳＰ＝π×ＤＯＵＴ×Ｈ＋（ＤＯＵＴ／２）２×π−（Ｄｉｎ／２）２×π
【００５２】
外径ＤＯＵＴ＝１．０６ｍｍ、内径ＤＩＮ＝０．７ｍｍ、投入電力３０〜１００Ｗとした場合の寸法Ｈは、以下の通りである。
・３０Ｗの時：Ｈ＝２．７ｍｍ
・４０Ｗの時：Ｈ＝３．５ｍｍ
・５０Ｗの時：Ｈ＝４．１ｍｍ
・６０Ｗの時：Ｈ＝４．５ｍｍ
・７０Ｗの時：Ｈ＝５．４ｍｍ
・８０Ｗの時：Ｈ＝５．８ｍｍ
・１００Ｗの時：Ｈ＝６．６ｍｍ
【００５３】
したがって、投入電力をプラズマ発生領域８と接するプラズマ生成電極５の表面積ＳＰで除算すれば、高周波電力の密度Ａを得ることができる。
【００５４】
以上のように、本装置では、改質ガスと水素をパイプ状のプラズマ生成電極（電極）から同時供給した。なお、水平断面が円や正方形のパイプ状ではなく、縦断面形状が、これと同一のスリット状であり、水平断面が長方形を有するプラズマ生成電極とすることもできる。
【００５５】
図８は、第２のエッチング装置の構成を示す図であり、図９は、プラズマ発生領域の近傍の状態について説明するための縦断面である。
【００５６】
第２のエッチング装置と、第１のエッチング装置との相違点は、ガスの流れる方向が反対である点であり、その他の構成・作用効果は、同一である。なお、前述の処理ガス導入口４は、ガス放出口として機能する。処理ガスの流入量を流量制御器ＭＦＣで制御し、排気バルブＶ２のコンダクタンスを制御することで、処理容器内の圧力を制御しながら金属膜周辺のガス流速を制御することができる。また、ガス導入口４をガス放出口として用いるので、新たに、処理ガスを導入する処理ガス導入口４’を処理容器１の外壁に設けてある。この処理ガス導入口４’には、流量制御器ＭＦＣが付帯し、流入量を制御している。
【００５７】
この処理ガス導入口４’からエッチングガス（Ｈ２）と表面改質ガス（Ｎ２）を処理容器１内に導入し、パイプ状のプラズマ生成電極５で、これらの雰囲気を吸引しながら、プラズマを生成する。
【００５８】
この構造によれば、金属のエッチングによる反応生成物が、処理容器１の内壁などへ再付着するのを抑制することができる。
【００５９】
図１０は、第３のエッチング装置の構成を示す図である。
【００６０】
この装置は、上記のエッチング装置と比較して、ＸＹステージ１１を備えた点のみが異なり、その他の構造は、同一である。ＸＹステージ１１は、内部にアクチュエータを備えており、制御装置７からの制御信号により、基板表面に平行な面内で、二次元状に移動することができる。この構成により、二次元走査によって、局在したプラズマを用いても大面積の金属膜のエッチング処理が可能となる。
【００６１】
図１１は、第４のエッチング装置の構成を示す図である。
【００６２】
第４のエッチング装置と、第１のエッチング装置との相違点は、パイプ状のプラズマ生成電極５の周囲を、ガラス等の絶縁体からなるガスシールド筒２０で覆い、これらの間のガスを、外部に排出する構成とした点であり、その他の構成・作用効果は、同一である。ガスシールド筒２０は、処理容器１の外部の配管まで連通しており、排気の有無は、配管に設けられたバルブＶ２によって制御することができる。
【００６３】
この構成によっても、上記の吸引タイプの装置と同様に、反応生成物の再付着を抑制することができる。なお、中央のパイプから処理ガスを供給し、その周囲のガスシールド筒２０を介して、処理済みのガスを排気することで、処理済みのガスが吸い込みやすくなるという利点がある。ガス供給量とシールド筒２０によるガス排気量をバランスさせることにより、容器内の雰囲気が空気等のプロセスガス以外の成分であってもエッチング処理ができる。また、この構成においても、第３のエッチング装置と同様に、走査を行うことができる。
【００６４】
図１２は、第５のエッチング装置の構成を示す図である。
【００６５】
第５のエッチング装置と、第１のエッチング装置との相違点は、プラズマ生成電極５の形状を、ドラム状とし、ドラム型のプラズマ生成電極５１とした点であり、その他の構成・作用効果は、同一である。ドラム型のプラズマ生成電極５１が、水平方向の軸を中心に回転すると、ドラム電極表面近傍にガス粘性によるガスの運動が誘起され、サンプル基板表面に平行な粘性のガス流が発生し、プラズマの発生と共に、上記と同様にエッチングが行われる。処理容器１内には、予め、処理ガスが導入されている。
【００６６】
この構造によれば、処理ガスの貯蔵タンクからの連続ガス供給は必ずしも必要ではないという利点がある。また、回転により、新鮮なガスが金属膜表面に提供されるため、連続加工が容易となり、回転による電極冷却効果によって、高周波電力を増加させることも可能である。
【００６７】
図１３は、第６のエッチング装置の構成を示す図であり、図１４は、ドラムの詳細構成を示す側面図である。
【００６８】
第６のエッチング装置と、第５のエッチング装置との相違点は、ドラム型のプラズマ生成電極５１の外周面上に、複数の孔の空いたプレートを巻き付け、各孔が、ドラムの中心部に位置する空間に連通するようにした点であり、その他の構成・作用効果は、同一である。ドラムの中心部に位置する空間は、処理容器１の内部に連通している。
【００６９】
ドラムの中心から放射状に延びた通路は、外表面上の孔に接続されているため、ドラムが回転すると、遠心力により、孔から外部に処理ガスが放出される。これに伴い、ドラムの中心の空間内には、その水平方向両端部に設けられた開口から、処理ガスが導入される（図１４参照）。また、ガス流は、孔のみからでなく、金属膜Ｆとの間には回転ドラムの接線方向へ向けた粘性によるガス流も発生しており、これらのガス流の存在する中でのプラズマの発生に伴い、上記と同様にエッチングが行われる。この装置でも、処理ガスの貯蔵タンクからの連続ガス供給は必ずしも必要ではないという利点がある。
【００７０】
図１５は、第７のエッチング装置の構成を示す図である。
【００７１】
第７のエッチング装置と、第６のエッチング装置との相違点は、ドラム型のプラズマ生成電極５１に代えて、回転軸を垂直軸とするプラズマ生成電極５２を用いた点であり、その他の構成・作用効果は、同一である。この装置でも、処理ガスの貯蔵タンクからの連続ガス供給は必ずしも必要ではないという利点がある。
【００７２】
プラズマ生成電極５２は、鉛直方向に延びた筒部５２１を備えており、その側面には、複数の微細孔が設けられている。各孔には、径方向に延びた排出パイプ５２２が連通しており、筒部５２１を回転させると、遠心力に誘起されたガス流が、排出パイプ５２２内を外側に向かって流れ、したがって、筒部５２１の内部の気圧が下がり、筒部５２１の先端部において周辺の処理ガス（Ｈ２＋Ｎ２）の吸引が生じる。他の作用効果は、第６のエッチング装置と同様である。
【００７３】
図１６は、第８のエッチング装置の構成を示す図である。
【００７４】
第８のエッチング装置と、第１又は第４のエッチング装置との相違点は、プラズマ生成電極５を含むセットを複数並べ、大面積のエッチングに対応したものであり、その他の構成・作用効果は、同一である。反応生成物は、プラズマ生成電極５の間の隙間を通って、外部に排気・排出される。
【００７５】
図１７は、第９のエッチング装置の構成を示す図である。
【００７６】
第９のエッチング装置と、第２のエッチング装置との相違点は、プラズマ生成電極５を含むセットを複数並べ、大面積のエッチングに対応したものであり、その他の構成・作用効果は、同一である。反応生成物は、プラズマ生成電極５内の空間を通って、外部に排気・排出される。
【００７７】
図１８は、第１０のエッチング装置の構成を示す図である。
【００７８】
第１０のエッチング装置と、第１のエッチング装置との相違点は、プラズマ生成電極５の機能を、処理ガス別（Ｈ２、Ｎ２）に分離し、複数並べたものであり、その他の構成・作用効果は、同一である。なお、基板は走査して移動させることができる。この構成により、水素プラズマと、改質ガスプラズマを別々に発生させることができるので、より緻密な制御が期待できる。
【００７９】
以上、説明したように、上述のエッチング装置及び方法によれば、処理ガスのプラズマで金属表面をエッチングする場合に、エッチングレートを向上すると共にエッチングした金属表面の粗さを低減することができる。
【００８０】
上述の実施形態に係るエッチング装置は、金属を含む試料のエッチング装置において、処理容器１と、処理容器１内に配置される試料ホルダー（基板ホルダー２）と、試料ホルダーに対向する位置に設けられ、プラズマを発生させ、プラズマ中に直接処理ガスを供給することを可能とするプラズマ生成電極５と、プラズマ生成電極５に接続された高周波電源６と、プラズマ生成電極５に処理ガスを供給する処理ガス導入口４とを備え、処理ガスは、Ｈ２ガスを含むエッチングガスと、Ｎ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２からなる群から選択される少なくとも１種のガスを含む表面改質ガスとを含む。
【００８１】
プラズマ生成電極５は、プラズマと基板の間の反応で生成した反応生成物を速やかにプラズマ外部へ輸送するガス流れを形成する。金属をエッチングする場合に、Ｈ２ガスの他に、Ｎ２等の表面改質ガスをプラズマ化することで、環境負荷の小さな廉価なエッチングガスを用いつつ、エッチング速度の増加、金属表面の粗さを大幅に低減することができた。
【００８２】
また、上述の実施形態に係るエッチング装置においては、プラズマ生成電極５は、処理ガス導入口に連通したガス放出通路５Ｐを備え、ガス放出通路５Ｐの先端部においてプラズマが発生させることができる。ガス放出通路５Ｐは、ガス吸引通路とすることも可能である。この場合、ガス吸引通路の先端部でプラズマが発生するので、プラズマによってエッチングされた金属がガスの流れにしたがって、好適に試料から速やかに取り去られ、エッチング速度の向上につながると共に、金属試料からのエッチング生成物が未加工面へ付着することを防止でき、粗さの増大がさらに改善できる。
【００８３】
また、上述の実施形態に係るエッチング装置においては、前記金属はＣｕを含むことができる。金属がＣｕを含む場合において、Ｈ２及びＮ２を同時に用いた場合には、表面粗さを著しく低減できることが確認された。
【００８４】
また、上述の実施形態に係るエッチング方法は、反応性ラジカルを有するプラズマを照射するエッチング方法において、プラズマ形成に用いられる処理ガスは、Ｈ２ガスを含むエッチングガスと、Ｎ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２からなる群から選択される少なくとも１種のガスを含む表面改質ガスとを含み、上述の作用効果を奏する。
【００８５】
金属としてＣｕを用いる場合、表面改質ガスとして、Ｎ２の他に、ＮＨ３、Ｈ２Ｏ又はＣＯ２を用いても、表面粗さが改善される。なぜならば、これらに含まれる窒素ラジカル、酸素ラジカル、ならびに水酸基ラジカル等により、金属銅が窒化、酸化、ならびに水酸化され、共有結合型、もしくはイオン結合型の表面層に改質されることで、金属中での水素原子の拡散に比べ、これらラジカル表面改質層が、水素の拡散を抑制し、金属中への過剰な水素の導入を防止できるためである。また、この様なラジカルによる表面改質層では、水素の移動が生じにくいため、層内での水素原子濃度が上昇し、層を構成する元素群との反応確率を上昇させる効果がある。これによりエッチングレートの上昇につながる。
【００８６】
さらに、金属として、Ｃｕ以外の金属、例えば、Ａｌ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｇａ、Ｃｒ、Ｍｎをエッチングする場合においても、本方法は有効であると考えられる。なぜならば、これらの金属は、水素原子との反応により比較的不安定な水素化物を形成するとともに、窒素ラジカル、酸素ラジカルなどにより、非金属結合の物質へ改質可能だからである。
【００８７】
なお、上記のエッチング方法においては、エッチング対象の金属と、反応性ラジカルとなった表面改質ガスとが反応すると、これらの化合物の融点は、元の金属よりも大きく低下する場合が有り、試料温度をこの化合物の融点以上に設定する事で、水素プラズマが、溶融した化合物を著しい速さでエッチングする。ここで、水素ラジカル（水素原子）のみのエッチングの場合、加工対象となる金属表面は、常時新鮮な金属面が露出することとなる。この場合、プラズマ曝露された表面から金属結合物質中へ水素が極めて容易に溶解する。
【００８８】
水素原子の半径は非常に小さく、また軽量であるため、比較的容易に金属の深部まで大量に拡散し、バルク内でのボイド発生や粒界におけるガスバブルの発生等が生じ、これらがエッチングの進行と共に、エッチング面として露出することで、表面粗さの増加を招く。即ち、エッチング進行前に金属中に過剰溶解した水素により形成されるボイドやガスバブル等が表面粗さの原因となっている。一方、本発明では、対象の金属と表面改質ガスとの化合物層（改質層）が、基板の表層に形成される。この表層の化合物層（改質層）は、局在した未結合手による欠陥を多数含み、これが水素をトラップし、水素ラジカル（水素原子）の拡散を抑制する障壁として機能するため、上記拡散を抑制し、表面粗さの増加を抑制することができる。また障壁となる層には、水素が貯留しやすいため、改質層内での水素濃度の増加と滞在時間の長時間化により改質層を構成する元素と水素原子との反応速度を高める効果がある。これによりエッチング速度の向上を達成できる。
【符号の説明】
【００８９】
１…処理容器、３…プラズマ生成電極ホルダー、４…処理ガス導入口、５…プラズマ生成電極、６…高周波電源、７…制御装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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