JP2012142495A - プラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高アスペクト比を有しながら内径が均一なパターンを形成することが可能なプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置を提供すること。
【解決手段】本発明に係るプラズマエッチング方法は、表面にマスクパターンが形成された基板Ｗを真空槽２１内に配置し、真空槽２１内に導入したガスのプラズマを発生させ、基板Ｗに高周波電場を印加しながらプラズマを用いて基板Ｗをエッチングし、基板Ｗに対するエッチングの進行に応じて高周波電場の周波数を変化させる。これにより、エッチングの指向性（等方的か異方的か）を変化させることが可能となる。エッチングが等方的となる周波数とエッチングが異方的となる周波数を切り替えることにより、パターンの拡張と縮小を抑え、内径が均一なパターンを形成することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波電場によりエッチングガスをプラズマ化するプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置に関する。

半導体製造用途等に用いられる基板処理プロセスにプラズマエッチング法がある。この方法では、真空室内に導入されたエッチングガスがプラズマ化されて処理対象基板（以下、基板）と反応し、基板をエッチングする。基板にはエッチングマスク等が形成されており、エッチングによりパターニングされる。

ここで、プラズマエッチングは、基板あるいはエッチングガスの種類、エッチング条件等によってはエッチングの等方性が大きい場合がある。そのような場合、基板にアスペクト比の高い（深度方向に深い）パターンを形成する場合には側壁方向（深度方向に直交する方向）のエッチングを防止する必要がある。深度方向のエッチングの進行に伴い、当初の孔径が拡張されていくためである。この点に対応する、種々のプラズマエッチング法が提案されている。

例えば、特許文献１には、エッチングにより形成されたパターンの側壁に、スパッタリングによって保護膜を形成し、高アスペクト比のパターンを形成するエッチング法及びエッチング装置が開示されている。磁気中性線放電（ＮＬＤ：magnetic Neutral Loop Discharge）型プラズマエッチング装置が用いられ、磁気中性線（磁場がゼロである領域）に沿って印加された高周波電場によりプラズマ中のイオンが基板あるいはスパッタリングターゲットに引き込まれ、エッチングあるいはスパッタリングが進行する。

ＷＯ２００６／００３９６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のエッチング法及びエッチング装置では、プラズマ中のイオンを基板に引き込む高周波電場の周波数はエッチングの工程中は同一とされている。
ここで、高周波電場の周波数が高い場合、エッチングマスクと基板との選択性が高く、エッチング速度も大きい一方、エッチングの等方性が大きい。このため、エッチングの進行に伴いパターンの内壁が侵食され、パターン内径が拡張されるおそれがある。また、高周波電場の周波数が低い場合、エッチングの異方性が大きい一方、エッチングマスクと基板との選択性が小さく、エッチング速度も小さい。このため、エッチングの進行に伴いパターンの深部に到達するイオンの数が減少し、パターン内径が縮小されるおそれがある。このように、特に高アスペクト比のパターンでは開口から底部まで一定の内径を有するパターンを形成することは困難である。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、高アスペクト比を有しながら内径が均一なパターンを形成することが可能なプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置を提供することにある。

本発明の一形態に係るプラズマエッチング方法は、表面にマスクパターンが形成された基板を真空槽内に配置することを含む。
上記真空槽内に導入したガスのプラズマが発生させられる。
上記基板は、高周波電場を印加されながら上記プラズマを用いてエッチングされる。
上記真空槽内に設置されたターゲット材は、上記プラズマでスパッタされ、保護膜が基板に形成されたエッチングパターンの側壁部に形成される。
上記高周波電場の周波数は、上記基板に対するエッチングの進行に応じて変化させられる。

本発明の一形態に係るプラズマエッチング装置は、真空槽と、ステージと、プラズマ発生手段と、第１の高周波電源と、第２の高周波電源と、制御手段とを具備する。
上記ステージは、上記真空槽内に配置された基板を支持する。
上記プラズマ発生手段は、上記真空槽内に導入されたガスをプラズマ化する。
上記第１の高周波電源は、上記ステージに第１の周波数の高周波電場を印加する。
上記第２の高周波電源は、上記ステージに上記第１の周波数より高い第２の周波数の高周波電場を印加する。
上記制御手段は、上記ステージに対する上記第１の高周波電源の接続と上記ステージに対する上記第２の高周波電源の接続とを制御する。

第１の実施形態に係るプラズマエッチング装置の概略構成図である。 プラズマエッチング装置の動作例を示すフローチャートである。 プラズマエッチング装置の動作例を示すタイミングチャートである。 基板に印加される高周波の周波数について説明する図である。 パターン形状への高周波の周波数の影響を示す図である。 第２の実施形態によるプラズマエッチング装置の概略構成図である。

本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング方法は、表面にマスクパターンが形成された基板を真空槽内に配置することを含む。
上記真空槽内に導入したガスのプラズマが発生させられる。
上記基板は、高周波電場を印加されながら上記プラズマを用いてエッチングされる。
上記真空槽内に設置されたターゲット材は、上記プラズマでスパッタされ、保護膜が基板に形成されたエッチングパターンの側壁部に形成される。
上記高周波電場の周波数は、上記基板に対するエッチングの進行に応じて変化させられる。

上記プラズマエッチング方法によれば、エッチングにより形成されたパターンにスパッタによる保護膜が形成され、パターンの側壁方向がエッチングされることが防止される。
また、エッチング時に印加される高周波電場の周波数を変更することにより、エッチングの指向性（等方的か異方的か）を変化させることが可能となる。エッチングが等方的となる周波数とエッチングが異方的となる周波数を切り替えることにより、パターンの拡張と縮小を抑え、内径が均一なパターンを形成することが可能となる。

上記エッチングする工程は、第１の周波数の上記高周波電場でエッチングする第１の工程と、上記第１の工程の後、上記第１の周波数より高い第２の周波数の上記高周波電場でエッチングする第２の工程と、上記第２の工程の後、上記第２の周波数より低い第３の周波数の上記高周波電場でエッチングする第３の工程とを含んでもよい。

上記構成によれば、エッチング開始段階ではエッチングの異方性が高い第１の周波数によりエッチングすることにより高い加工精度が得られる。次にエッチングの等方性が高い第２の周波数によりエッチングすることによりパターンの内径が縮小することが防止される。エッチング終了段階では再びエッチングの異方性が高い第３の周波数によりエッチングすることによりパターンの内径が拡張することが防止される。

上記基板は、シリコン基板または石英基板であるものとしてもよい。

上記構成によれば、シリコン基板あるいは石英基板上に、高アスペクト比ながら内径が均一なパターンを形成することが可能である。

上記第１の周波数と上記第３の周波数は同一であるものとしてもよい。

上記第１の周波数は１．０ＭＨｚであり、上記第２の周波数は１３．５６ＭＨｚであるものとしてもよい。

本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング装置は、真空槽と、ステージと、プラズマ発生手段と、第１の高周波電源と、第２の高周波電源と、制御手段とを具備する。
上記ステージは、上記真空槽内に配置された基板を支持する。
上記プラズマ発生手段は、上記真空槽内に導入されたガスをプラズマ化する。
上記第１の高周波電源は、上記ステージに第１の周波数の高周波電場を印加する。
上記第２の高周波電源は、上記ステージに上記第１の周波数より高い第２の周波数の高周波電場を印加する。
上記制御手段は、上記ステージに対する上記第１の高周波電源の接続と上記ステージに対する上記第２の高周波電源の接続とを制御する。

上記制御手段は、エッチングの開始時に上記第１の高周波電源と上記ステージを接続し、エッチングの進行に伴い上記第２の高周波電源と上記ステージを接続し、さらなるエッチングの進行に伴い上記第１の高周波電源と上記ステージを接続する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態によるプラズマエッチング方法に適用されるプラズマエッチング装置２０の概略構成図である。図示するプラズマエッチング装置２０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おり、基板表面のエッチング機能と、基板表面のエッチングパターンの側壁部に保護膜を形成する機能とを兼ね備えている。

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（プラズマチャンバ）が形成されている。真空槽２１にはターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）等の真空ポンプが接続され、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の周囲には、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群２４（２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ）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に沿った誘導電場（高周波電場）が形成されることで、放電プラズマが形成される。

特に、ＮＬＤ方式のプラズマエッチング装置においては、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。

一方、真空槽２１の内部には、半導体ウエハ（シリコン（Ｓｉ）基板）Ｗを支持するステージ２６が設置されている。ステージ２６は、導電体で構成されており、制御部３６に接続されている。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る。制御部３６は、コンデンサ２７を介して第２高周波電源ＲＦ２（１．０ＭＨｚ）と、コンデンサ３５を介して第３高周波電源ＲＦ３（１３．５６ＭＨｚ）に接続されている。制御部３６は、第２高周波電源ＲＦ２と第２高周波電源ＲＦ３のどちらがステージ２６と接続されるかを切り替える。制御部３６は例えば、切り替え信号を出力するコンピュータによって制御される。

第２高周波電源ＲＦ２の周波数は１．０ＭＨｚに限られず、採用するエッチング条件において、エッチングの異方性が大きくなる周波数、即ち、後述するように物理的プロセスが支配的となる周波数の範囲内とすることが可能である。また、第３高周波電源ＲＦ３の周波数は１３．５６ＭＨｚに限られず、採用するエッチング条件において、エッチングの等方性が大きくなる周波数、即ち後述するように化学的プロセスが支配的となる周波数の範囲内とすることが可能である。

プラズマ形成空間２１ａの上部には、天板２９が設置されている。天板２９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２８を介して第４高周波電源ＲＦ４に接続されている。天板２９のプラズマ形成空間２１ａ側の面には、スパッタにより基板を成膜するためのターゲット（スパッタリングターゲット）３０が取り付けられている。ターゲット３０は、本実施形態では、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂が用いられているが、これ以外の合成樹脂材料、あるいは珪素材、炭素材、炭化珪素材、酸化珪素材、窒化珪素材等が適用可能である。

天板２９の近傍には、真空槽２１の内部にプロセスガスを導入するためのガス導入管３１が設置されている。本実施形態において、プロセスガスは、エッチング用のガス、スパッタ用のガス、そして、後述するクリーニング用のガスが含まれる。

プラズマエッチング装置２０の動作を説明する。
図２は、プラズマエッチング装置２０の動作の一例を示すフローチャートである。
同図に示すように、プラズマエッチング装置２０では、エッチング（ＳＴ１０１、２０３等）とスパッタリング（ＳＴ１０２、ＳＴ２０３等）とクリーニング（ＳＴ２０１、ＳＴ３０１）が行われる。エッチングによる基板Ｗの表面の除去と、スパッタリングによる保護膜の成膜が交互に複数サイクル（５０〜１００サイクル）行われた後、クリーニングによる堆積物の除去が行われ、再びエッチング、スパッタリングが実行されることによって所定のパターンが形成される。エッチング及びスパッタリングの実行回数は適宜設定することが可能であり、クリーニングの間にエッチング及びスパッタリングを繰り返す回数も任意である。

ＲＦ２エッチング（ＳＴ１０１、ＳＴ３０２等）は、ステージ２６に高周波電源ＲＦ２が接続されて、ステージ２６に高周波電源ＲＦ２の周波数（１．０ＭＨｚ）の高周波が印加された状態で進行するエッチングを意味する。ＲＦ３エッチング（ＳＴ２０１等）は、ステージ２６に高周波電源ＲＦ３が接続され、ステージ２６に高周波電源ＲＦ３の周波数（１３．５６ＭＨｚ）の高周波が印加された状態で進行するエッチングを意味する。図２では、クリーニングの前後で周波数が変更されているが、これに限られず、例えば、ステップ１０３をＲＦ３エッチングとすることも可能である。

エッチング及びスパッタリングについて説明する。
図３は、本実施形態に係るプラズマエッチング装置２０の動作例を示すタイミングチャートである。図３において、Ａは、高周波コイル２３に供給される第１高周波電源ＲＦ１の電力印加タイミング、Ｂは、ステージ２６に供給される第２高周波電源ＲＦ２の電力印加タイミング、Ｃは、ステージ２６に供給される第３高周波電源ＲＦ３の電力印加タイミング、Ｄは、天板２９に供給される第４高周波電源ＲＦ４の電力印加タイミング、Ｅは、真空槽２１の内部における圧力をそれぞれ示している。この例では、エッチングの処理圧力（プロセスガス導入量）は、スパッタリングのそれよりも高く設定されている。

基板Ｗの表面にはあらかじめ、マスクパターンが形成されている。このマスクパターンには、有機レジストやメタルマスク等のエッチングマスクが含まれる。エッチングおよびスパッタリングでは、プラズマ形成空間２１ａに、磁気コイル群２４による環状磁気中性線２５が形成され、更に、第１高周波電源ＲＦ１から高周波コイル２３への電力投入により、環状磁気中性線２５に沿って誘導結合プラズマが形成される。

エッチングにおいて、真空槽２１の内部に導入されたエッチングガス（ＳＦ_６とＡｒの混合ガス）は、プラズマ形成空間２１ａでプラズマ化され、生成されたイオンとラジカルによりステージ２６上の基板Ｗをエッチング処理する。このとき、第２高周波電源ＲＦ２、もしくは第３高周波電源ＲＦ３からの電力投入で基板バイアスがＯＮとなり、イオンをステージ２６側へ加速させ、基板Ｗ上のラジカル生成物をスパッタ除去してエッチング性を高める。すなわち、フッ素ラジカルがシリコンと反応してラジカル生成物を形成し、これをプラズマ中のイオンによるスパッタ作用で除去することで、基板Ｗのエッチング処理が進行する。第２高周波電源ＲＦ２及び第３高周波電源ＲＦ３の切替については後述する。

エッチング処理を所定時間行った後、真空槽２１の内部に残留するエッチングガスが排気される。そして、保護膜形成用のプロセスガス（Ａｒ）が真空槽２１の内部に導入されることでスパッタリングが開始される。導入されたプロセスガスは、プラズマ形成空間２１ａでプラズマ化される。このとき、基板バイアス（ＲＦ２もしくはＲＦ３）はＯＦＦとなり、代わりに、第４高周波電源（ＲＦ４）からの電力投入で天板バイアスがＯＮとなる。その結果、天板２９に設置されたターゲット３０はプラズマ中のイオンによりスパッタされ、そのスパッタ物が基板Ｗの表面および上述のエッチングで形成されたエッチングパターンに付着する。以上のようにして、エッチングパターンの底部および側壁部に、保護膜として機能するポリマー層が形成される。

ここで、ターゲット３０から叩き出されたスパッタ粒子は、プラズマ形成空間２１ａに形成されているＮＬＤプラズマを通過して基板へ到達する。このとき、スパッタ粒子は、環状磁気中性線２５が形成される高密度プラズマ領域で分解、再励起されることにより、化学的蒸着法（ＣＶＤ法）に類似する成膜形態で、基板の表面に対して等方的に入射する。したがって、本実施形態によって得られるエッチングパターンの段差被膜（保護膜）は、カバレッジ性が高く、面内均一性に優れる。

なお、スパッタリングのプロセスガスとして、例えば、Ａｒとフロロカーボン系ガス（Ｃ_４Ｆ_８、ＣＨＦ_３等）の混合ガスを用いることで、プロセスガス中の反応ガスがプラズマ形成空間２１ａにおいてプラズマ化し、そのラジカル生成物が基板表面に堆積することによって、保護膜として機能するポリマー層を形成する。更に、プロセスガスとして上記混合ガスを用いることで、Ａｒガスのみをプロセスガスとして用いる場合に比べてスパッタレート（成膜レート）の向上を図ることができる。

スパッタリングを所定時間行った後、再び上述したエッチングが行われる。このエッチングの初期段階は、エッチングパターンの底部を被覆する保護膜の除去作用に費やされる。その後、保護膜の除去により露出したエッチングパターンの底部のエッチング処理が再開される。このとき、プラズマ中のイオンは、基板バイアス作用によって基板に対して垂直方向に入射する。このため、エッチングパターンの側壁部を被覆する保護膜に到達するイオンは、エッチングパターンの底部に到達するイオンに比べて少ない。したがって、エッチングの間、エッチングパターンの側壁部を被覆する保護膜は完全に除去されることなく残留する。これにより、エッチングパターンの側壁部とフッ素ラジカルとの接触が回避され、エッチングパターンの側壁部のエッチングによる侵食が防止される。

以上のようにエッチングとスパッタリングが交互に複数回実行されることによってパターンが形成される。ここで、エッチングの際にステージ２６に接続される高周波電源を、制御部３６によって第２高周波電源ＲＦ２と第３高周波電源ＲＦ３のいずれかに切り替えることによって、基板Ｗに印加される高周波の周波数を変更し、エッチング特性を最適なものとする。

図４は、本実施形態に係るプラズマエッチング装置２０による、基板に印加される高周波の周波数について説明する図である。
図４（Ａ）は、エッチングの進行にともなって周波数が変更される様子を示す。
図示するように、開口に近い部分、すなわちエッチングの開始段階においては第２高周波電源ＲＦ２（１．０ＭＨｚ）が用いられ、中間段階においては第３高周波電源ＲＦ３（１３．５６ＭＨｚ）が用いられ、最奥部分、すなわち終了段階においては再び第２高周波電源ＲＦ２（１．０ＭＨｚ）が用いられる。
図４（Ｂ）は、形成されたパターンの、エッチング深度毎の使用周波数を示す。

図５は、パターン形状への高周波の周波数の影響を示す図である。
図５（Ａ）は、エッチング時に高周波の周波数を１．０ＭＨｚのみとした場合のパターンの概念図である。同図に示すように、当該パターンでは開口から先端に向かって径が縮小し、また、エッチングマスクＭの膜厚が減少する。

図５（Ｂ）は、エッチング時に高周波の周波数を１３．５６ＭＨｚのみとした倍のパターンの概念図である。同図に示すように、当該パターンは側壁がエッチングされて拡張され、一方、エッチングマスクＭの膜厚はほとんど減少しない。

エッチング時の高周波の周波数がエッチング特性に与える影響として、選択性、指向性、エッチング速度が上げられる。上述のように、エッチングガスのプラズマは高周波電場によりラジカルとイオンに解離し、生成したラジカルと基板Ｗが反応（化学的プロセス）し、イオンが基板Ｗに衝突してラジカル生成物が除去（物理的プロセス）されることにより進行する。高周波の周波数は、プラズマの解離度と、基板Ｗに入射するイオンの入射エネルギーに影響を与える。このため、高周波の周波数により化学的プロセスと物理的プロセスのどちらが支配的であるかが異なり、エッチング特性が変化する。

周波数が高い高周波（１３．５６ＭＨｚ）は、低い高周波（１．０ＭＨｚ）に比べ、プラズマの解離度が大きく、化学的プロセスの寄与が大きいのに対し、低い周波数は高い周波数に比べイオンの入射エネルギーが大きく、物理的プロセスの寄与が大きい。

選択性は、エッチングマスクＭと基板Ｗのエッチング速度の比である。基板Ｗのみがエッチングされ、エッチングマスクＭはエッチングされない場合が理想的であるが、多くの場合、エッチングマスクＭもエッチングされる。選択性が大きい場合、エッチング速度の差が大きい、すなわちエッチングマスクＭはエッチングされ難く、選択性が小さい場合エッチング速度の差は小さい、すなわちエッチングマスクＭはエッチングされ易い。
パターンの形成が完了する前にエッチングマスクＭが失われてしまうと、基板Ｗ上のマスクされるべき領域もエッチングされてしまうため、選択性が大きい方が好適である。

本実施形態に係るプラズマエッチング装置２０において、周波数が１．０ＭＨｚである場合は選択性は小さく、１３．５６ＭＨｚである場合は選択性は大きい。これは、物理的プロセスよりも化学的プロセスによるエッチングの進行が支配的であり、基板ＷとエッチングマスクＭの材質（化学組成）が異なるため、化学的プロセスの寄与が大きい１３．５６ＭＨｚではエッチング速度の差が大きいためである。

指向性は、エッチングが等方的に進行するか、異方的に進行するかを意味する。本実施形態に係るプラズマエッチング装置２０においては、パターンの側壁部を保護するための保護膜が形成されるが、エッチングの等方性が大きい場合は、側壁部の保護膜も除去され高アスペクト比のパターンを形成することができない。

本実施形態に係るプラズマエッチング装置２０において、周波数が１．０ＭＨｚである場合は異方性が大きく、１３．５６ＭＨｚである場合は等方性が大きい。これは、イオンの入射（物理的プロセス）は異方性が大きく、ラジカルと基板Ｗとの反応（化学的プロセス）は等方性が大きいためである。

エッチング速度は基板Ｗを深度方向にエッチングする速度である。本実施形態に係るプラズマエッチング装置２０においては、周波数が１３．５６ＭＨｚである場合が１．０ＭＨｚである場合に比べエッチング速度が大きい。これは、高周波ほどプラズマ解離が進行し、結果的にフッ素ラジカルが多く生成されるためである。

図５（Ａ）においては、エッチングの異方性が高いため、パターンの深度が深くなるにつれて、底部に到達するイオンが減少し開口から先端に向かって径が縮小し、エッチング速度も遅い。また、上述のようにエッチングマスクＭの残存膜厚が小さい。
図５（Ｂ）においては、エッチングの等方性が高いため、パターンの側壁がエッチングされて拡張されて、エッチングパターンの形状維持性が低下する。

以上のように高周波の周波数が大きい（例えば１３．５６ＭＨｚ）場合、化学的プロセスの寄与が大きいことに起因し、選択性が大きく、エッチング速度が大きい一方、エッチングの等方性が大きい。また、高周波の周波数が小さい（例えば１．０ＭＨｚ）場合、物理的プロセスの寄与が大きいことに起因し、エッチングの異方性が大きい一方、選択性が小さく、エッチング速度が小さい。このような高周波の周波数によるエッチング特性への影響を利用して、エッチングの進行に伴い高周波の周波数を切り替える。

エッチング開始段階では高周波の周波数を１．０ＭＨｚとする（第２高周波電源ＲＦ２を用いる）。異方性が高い１．０ＭＨｚとすることにより、開口の加工精度を維持することが可能である。

エッチングがある程度進行した段階で、高周波の周波数を１３．５６ＭＨｚとする（第３高周波電源ＲＦ３を用いる）。等方性が高い１３．５６ＭＨｚとすることにより、パターンの径が収縮することを防止し、かつ、エッチング速度を向上させることが可能である。また、エッチングマスクがエッチングされることも防止される。

さらにエッチングが進行した段階で、高周波の周波数を再び１．０ＭＨｚとする。１３．５６ＭＨｚのままでは、上述のように側壁が拡張してしまうが、適当な段階で１．０ＭＨｚに変更することにより、パターンの形状を維持することが可能である。
また、パターンの底面の加工精度も高いものとなる。

以上のように、エッチングが等方的となる周波数とエッチングが異方的となる周波数を切り替えることにより、パターンの拡張と縮小を抑え、内径が均一なパターンを形成することが可能となる。同時に、加工精度、エッチング速度、エッチングマスク残存膜厚のいずれも向上させることが可能である。

次に、本発明に係るターゲット３０の表面のクリーニング工程について説明する。

基板のエッチング処理および保護膜の成膜処理を続けると、プラズマ形成空間２１ａ内で生成されるエッチングガス（ＳＦ_６／Ａｒ）、ターゲット材（ＰＴＦＥ）、基板材料（シリコン）等に関連する反応生成物がターゲット３０の表面に堆積する。この種の堆積膜は、プラズマの照射を受けてスパッタされて、基板の表面に形成されたエッチングパターンに付着する。エッチングの際に上記堆積膜のスパッタ物がエッチングパターンの開口部に堆積することによってエッチングの進行を妨げる。

そこで本実施形態では、エッチングの途中またはエッチング後に、真空槽２１内の雰囲気ガスを酸素系ガスに置換して、ターゲット３０の表面を清浄化するためのクリーニング工程が実施される。このクリーニング工程では、真空槽２１内で酸素系ガスのプラズマを発生させて、ターゲット３０の表面に付着した反応生成物をプラズマアッシングによって除去する。

このクリーニング工程で用いられるプロセスガスとしては、Ｏ_２、Ｏ_３、ＣＯｘ、ＮＯｘ、Ｈ_２Ｏ、ＳＯｘの何れか又はこれらの混合ガスが用いられる。また、これら酸素系ガスと希ガスとの混合ガスを用いてもよい。プロセス圧力は、エッチングと同程度に設定され、例えば１．０Ｐａ〜６．０Ｐａである。酸素系ガスのプラズマは、第１高周波電源ＲＦ１に接続された高周波コイル２３および磁気コイル群２４を用いて発生される。

図２では、ターゲット３０のクリーニングを、エッチングとスパッタリングを交互に複数回実行した後に実施する例を示している。エッチングとスパッタリングを所定サイクル（５０〜１００サイクル）実施する毎に、ターゲット３０の表面のクリーニング処理が実行される。上述したように、エッチング時の周波数を変更するタイミングとクリーニングのタイミングは関連しない。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係るプラズマエッチング装置３７の概略構成図である。なお、図において上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施形態では、基板Ｓは石英基板で構成され、ターゲット３８はシリコン（Ｓｉ）プレートで構成されている。また、天板２９は、コンデンサ２８を介して、高周波コイル２３用の第１高周波電源ＲＦ１と接続される。これにより、プラズマ形成空間２１ａ内でプラズマが形成されている間、天板２９にもバイアス電力が印加される。

一方、真空槽２１の内部には、基板Ｗを支持するステージ２６が設置されている。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と、コンデンサ３５を介して第３高周波電源ＲＦ３に接続されている。第２高周波電源ＲＦ２（１．０ＭＨｚ）と第３高周波電源ＲＦ３（１３．５６ＭＨｚ）は、制御部３６によって接続されている。

石英からなる基板Ｗのエッチングガスには、Ｃ_３Ｆ_８やＣＦ_４、ＣＨＦ_３等のフロロカーボン系ガスが用いられる。プラズマ形成空間２１ａでエッチングガスのプラズマを発生させて、表面にマスクパターンが形成された基板Ｗをエッチングする。エッチング時、ターゲット３８に高周波電力が印加されることで、プラズマ中のイオンが天板２９へ引き込まれ、ターゲット３８をスパッタする。スパッタされたシリコン粒子はエッチングガスの一部と反応し、チャンバ内におけるエッチャント濃度を調整する機能を果たす。これにより、基板Ｗの適切なエッチング処理が可能となり、形状制御性に優れたパターン加工を実現する。

このような構成のプラズマエッチング装置３７においても、第１の実施形態と同様に、エッチングの進行段階に応じて高周波の周波数を変更することにより、加工精度、エッチング速度、エッチングマスク残存膜厚のいずれも向上させ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、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

上述の実施形態では、エッチング工程において、ステージに印加される高周波電力の周波数を２回切り替えたが、この回数は２回に限られず、より多段階であってもよい。また、連続的に高周波の周波数を変化させてもよい。また、エッチング開始段階において低い周波数とし、その後に高い周波数、さらに再び低い周波数としたが、この順に限られず、所望するパターンの形状に合わせて適宜変更することができる。

上述の実施形態では、ステージに接続される、周波数の異なる高周波電源を２基としたが、これに限られず、３基以上でもよい。あるいは、１基の高周波電源でその発振周波数を可変としてもよい。エッチング開始から終了までにわたって使用される周波数の大きさ、切り替え順序、切り替え回数等は、要求されるエッチング精度、パターン形状、アスペクト比の大きさ等に応じて、適宜設定可能である。

Ｗ 基板
Ｍ エッチングマスク
Ｓ 基板
ＲＦ２ 第２高周波電源
ＲＦ３ 第３高周波電源
２０ プラズマエッチング装置
２１ 真空槽
３０ ターゲット
３６ 制御部
３７ プラズマエッチング装置
３８ ターゲット

Claims (7)

1. 表面にマスクパターンが形成された基板を真空槽内に配置し、
   前記真空槽内に導入したガスのプラズマを発生させ、
   前記基板に高周波電場を印加しながら前記プラズマを用いて前記基板をエッチングし、
   前記真空槽内に設置されたターゲット材を前記プラズマでスパッタして、前記基板に形成されたエッチングパターンの側壁部に保護膜を形成し、
   前記基板に対するエッチングの進行に応じて前記高周波電場の周波数を変化させる
   プラズマエッチング方法。
2. 請求項１に記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記エッチングする工程は、
   第１の周波数の前記高周波電場でエッチングする第１の工程と、
   前記第１の工程の後、前記第１の周波数より高い第２の周波数の前記高周波電場でエッチングする第２の工程と、
   前記第２の工程の後、前記第２の周波数より低い第３の周波数の前記高周波電場でエッチングする第３の工程とを含む
   プラズマエッチング方法。
3. 請求項２に記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記基板は、シリコン基板または石英基板である
   プラズマエッチング方法。
4. 請求項３に記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記第１の周波数と前記第３の周波数は同一である
   プラズマエッチング方法。
5. 請求項４に記載の
   前記第１の周波数は１．０ＭＨｚであり、
   前記第２の周波数は１３．５６ＭＨｚである
   プラズマエッチング法。
6. 真空槽と、
   前記真空槽内に配置された基板を支持するためのステージと、
   前記真空槽内に導入されたガスをプラズマ化するプラズマ発生手段と、
   前記ステージに第１の周波数の高周波電場を印加するための第１の高周波電源と、
   前記ステージに前記第１の周波数より高い第２の周波数の高周波電場を印加するための第２の高周波電源と、
   前記ステージに対する前記第１の高周波電源の接続と前記ステージに対する前記第２の高周波電源の接続とを制御する制御手段と
   を具備するプラズマエッチング装置。
7. 請求項６に記載のプラズマエッチング装置であって、
   前記制御手段は、エッチングの開始時に前記第１の高周波電源と前記ステージを接続し、エッチングの進行に伴い前記第２の高周波電源と前記ステージを接続し、さらなるエッチングの進行に伴い前記第１の高周波電源と前記ステージを接続する
   プラズマエッチング装置。

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