JP2021048194A - エッチング装置およびエッチング方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】被加工層の形状を適切に制御することが可能なエッチング装置およびエッチング方法を提供する。【解決手段】一の実施形態によれば、エッチング装置は、基板を保持する保持部と、第１イオンを発生させ、前記第１イオンが前記基板に第１入射角で入射するように前記基板に前記第１イオンを照射する第１イオン源とを備える。前記装置はさらに、第２イオンを発生させ、前記第２イオンが前記基板に第２入射角で入射するように前記基板に前記第２イオンを照射する第２イオン源と、前記第１入射角と前記第２入射角とを制御する制御部とを備える。【選択図】図１
Description
本発明の実施形態は、エッチング装置およびエッチング方法に関する。
イオンエッチングにより被加工層を所望の形状に加工する場合、被加工層の形状を適切に制御することが求められる。
被加工層の形状を適切に制御することが可能なエッチング装置およびエッチング方法を提供する。
一の実施形態によれば、エッチング装置は、基板を保持する保持部と、第１イオンを発生させ、前記第１イオンが前記基板に第１入射角で入射するように前記基板に前記第１イオンを照射する第１イオン源とを備える。前記装置はさらに、第２イオンを発生させ、前記第２イオンが前記基板に第２入射角で入射するように前記基板に前記第２イオンを照射する第２イオン源と、前記第１入射角と前記第２入射角とを制御する制御部とを備える。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１から図４において、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のエッチング装置の構成を示す断面図である。
図１は、第１実施形態のエッチング装置の構成を示す断面図である。
図１のエッチング装置は、イオンエッチングを行う半導体製造装置であり、エッチングチャンバ１と、ＴＭＰ（Turbo Molecular Pump）２と、制御部３とを備えている。エッチングチャンバ１は、チャンバ本体１０と、第１イオン源２０ａと、第２イオン源２０ｂとを備えている。
図１は、エッチング装置が設置された面に平行で互いに垂直なＸ方向およびＹ方向と、エッチング装置が設置された面に垂直なＺ方向とを示している。本明細書では、＋Ｚ方向を上方向として取り扱い、−Ｚ方向を下方向として取り扱う。ただし、−Ｚ方向は、重力方向と一致していてもよいし、重力方向と一致していなくてもよい。図１は、エッチング装置のＸＺ断面を示している。
チャンバ本体１０は、ステージ１１と、ＥＳＤ（Electrostatic Discharge）部１２とを備えている。ステージ１１は、チャンバ本体１０内に収容されており、チャンバ本体１０に搬入されたウェハ（基板）Ｗを横向きに保持する。図１は、ステージ１１の回転軸Ｌを示している。ステージ１１は、ウェハＷの中心が回転軸Ｌ上に位置し、ウェハＷの表面が回転軸Ｌに垂直になるようにウェハＷを保持する。ステージ１１はさらに、矢印Ｒで示すように、ウェハＷを回転軸Ｌを中心に回転させることができる。ステージ１１は保持部の例である。ＥＳＤ部１２は、ステージ１１の表面に設けられており、ステージ１１により保持されているウェハＷから静電気を除去する。ステージ１１は、ＥＳＤ部１２を介してウェハＷを保持する。
ウェハＷは例えば、シリコン基板などの半導体基板（半導体ウェハ）と、半導体基板に設けられた１つ以上の層とを含んでいる。本実施形態のエッチング装置は、これらの層のうちのいずれかを被加工層とするイオンエッチングを行ってもよいし、半導体基板を被加工層とするイオンエッチングを行ってもよい。
第１イオン源２０ａは、所定のソースガスからイオンを発生させ、イオンがウェハＷに第１入射角θａで入射するようにウェハＷにイオンを照射する。このソースガスは例えばアルゴンガス（Ａｒ）であり、この場合のイオンはアルゴンイオン（Ａｒ＋）である。当該イオンは第１イオンの例である。本実施形態の第１入射角θａは、ステージ１１の回転軸Ｌと第１イオン源２０ａの軸Ｌａとの間の角度である。符号Ｉａは、アルゴンガスから発生し、軸Ｌａに沿ってウェハＷに向かうアルゴンイオンや電子を示している。
第２イオン源２０ｂは、所定のソースガスからイオンを発生させ、イオンがウェハＷに第２入射角θｂで入射するようにウェハＷにイオンを照射する。このソースガスは例えばアルゴンガス（Ａｒ）であり、この場合のイオンはアルゴンイオン（Ａｒ＋）である。当該イオンは第２イオンの例である。本実施形態の第２入射角θｂは、ステージ１１の回転軸Ｌと第２イオン源２０ｂの軸Ｌｂとの間の角度である。符号Ｉｂは、アルゴンガスから発生し、軸Ｌｂに沿ってウェハＷに向かうアルゴンイオンや電子を示している。
第１イオン源２０ａおよび第２イオン源２０ｂは、本実施形態ではウェハＷにアルゴンイオンを照射するが、その他のイオンを照射してもよい。このようなイオンの例は、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）などの希ガスのイオンや、酸素（Ｏ）イオンや、窒素（Ｎ）イオンである。また、第１イオン源２０ａおよび第２イオン源２０ｂは、本実施形態では同じ種類のイオン（アルゴンイオン）をウェハＷに照射するが、異なる種類のイオンをウェハＷに照射してもよい。
第１イオン源２０ａおよび第２イオン源２０ｂの各々は、ガス供給部３１、ベルジャー３２、高周波電源３３、アンテナ３４、およびＥＭ（Electromagnet）３５を含むイオン発生部２１と、第１グリッド電極４１、第２グリッド電極４２、および第３グリッド電極４３を含むイオン照射部２２と、複数のニュートラライザー２３とを備えている。以下、第１イオン源２０ａおよび第２イオン源２０ｂのこれらの構成要素の動作を、第１イオン源２０ａの動作として説明するが、以下の説明は第２イオン源２０ｂにも当てはまる。
イオン発生部２１は、ガス供給部３１から供給されたガス（アルゴンガス）から、ベルジャー３２内でイオン（アルゴンイオン）を発生させる。ベルジャー３２は、石英で形成された容器である。高周波電源３３は、ベルジャー３２の側面に設けられたアンテナ３４に高周波電力を供給する。ＥＭ３５は、アンテナ３４と同様にベルジャー３２の側面に設けられている。イオン発生部２１は、高周波電源３３、アンテナ３４、およびＥＭ３５によりソースガスにマイクロ波と磁場とを供給して、ソースガスをイオンに変化させる。
イオン照射部２２は、イオン発生部２１で発生したイオンがウェハＷに第１入射角θａで入射するように、ウェハＷにイオンを照射する。イオン照射部２２は、電圧「＋Ｖ」が印加され、加速電極として機能する第１グリッド電極４１と、電圧「−Ｖ」が印加され、引き出し電極として機能する第２グリッド電極４２と、０Ｖの電圧が印加され、グランド電極として機能する第３グリッド電極４３とを備えている。イオン照射部２２は、これらの電極４１〜４３によりウェハＷにイオンを照射する。これらの電極４１〜４３は、イオンを加速できるようにメッシュ状の形状を有している。
ニュートラライザー２３は、ウェハＷの表面に電子を供給して、ウェハＷの表面のチャージアップを防止するために設けられている。ニュートラライザー２３は、図１に示す位置と異なる位置に設けられていてもよい。
ＴＭＰ２は、エッチングチャンバ１を真空引きするために設けられている。本実施形態のエッチング装置は、エッチングチャンバ１の真空引き用にその他のポンプを備えていてもよい。
制御部３は、本実施形態のエッチング装置の種々の動作を制御する。制御部３の例は、プロセッサ、電気回路、コンピュータなどである。制御部３は例えば、第１イオン源２０ａの動作、第２イオン源２０ｂの動作、ＴＭＰ２の真空引きなどを制御する。
本実施形態の制御部３は、第１イオン源２０ａからのイオンがウェハＷに入射する第１入射角θａや、第２イオン源２０ｂからのイオンがウェハＷに入射する第２入射角θｂを制御することができる。後述するように、本実施形態の第１イオン源２０ａと第２イオン源２０ｂはレール上に設置されており、制御部３は、第１イオン源２０ａをレール上で移動させることで第１入射角θａを制御することができ、第２イオン源２０ｂをレール上で移動させることで第２入射角θｂを制御することができる。制御部３は、第１イオン源２０ａからのイオンと第２イオン源２０ｂからのイオンとを用いてウェハＷをエッチングする際に、第１入射角θａと第２入射角θｂを同じ角度に調整しても異なる角度に調整してもよい。
本実施形態の制御部３は、第１入射角θａと第２入射角θｂとを独立して制御することが可能である。例えば、制御部３は、第１入射角θａと第２入射角θｂの一方を固定した状態で、第１入射角θａと第２入射角θｂの他方を増加または減少させることが可能である。また、制御部３は、第１入射角θａと第２入射角θｂの一方を増加させながら、第１入射角θａと第２入射角θｂの他方を減少させることが可能である。
本実施形態の制御部３は、第１入射角θａと第２入射角θｂとを制御してイオンエッチングを行うことで、第１イオン源２０ａからのイオンと第２イオン源２０ｂからのイオンにより被加工層を所望の形状に加工することができる。例えば、ウェハＷが、半導体基板と、半導体基板に設けられた配線層とを含む場合において、配線層から所望の形状の配線パターンを形成することが可能となる。以下、本実施形態のこのような効果のさらなる詳細について説明する。
一般に、配線層からＬ／Ｓ（Line and Space）配線パターンを形成する場合には、配線層をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により加工する。しかしながら、配線層がＮｉ（ニッケル）層、Ｃｏ（コバルト）、鉄（Ｆｅ）などを含む金属層（例えば磁性層）である場合には、配線層を従来のＲＩＥにより加工することは難しい。例えば、配線層を従来のＲＩＥにより加工すると、エッチングレートの向上と、エッチングされた配線層の材料の再堆積の低減とがトレードオフの関係となる。そのため、エッチングレートを向上させようとすると、再堆積が生じて配線パターンの形状が不適切なものとなる。例えば、ＲＩＥにより生じたごみが配線に付着したり、配線がテーパー形状に加工されるおそれがある。
そこで、本実施形態のエッチング装置は、第１イオン源２０ａと第２イオン源２０ｂという２つのイオン源を備えており、第１入射角θａと第２入射角θｂとを制御してイオンエッチングを行う。これにより、エッチングレートを向上させつつ、再堆積を低減することが可能となる。実験によれは、エッチングレートの大きさや再堆積の量は、ウェハＷに対するイオンの入射角に依存する。本実施形態によれば、第１入射角θａと第２入射角θｂの一方をエッチングレートの向上に適した角度に調整し、第１入射角θａと第２入射角θｂの他方を再堆積の低減に適した角度に調整することで、エッチングレートの向上と再堆積の低減とを両立することが可能となる。
なお、本実施形態の第１イオン源２０ａと第２イオン源２０ｂの各々は、イオン照射部２２として、グリッド電極（第１から第３グリッド電極４１〜４３）を備えている。グリッド電極によれば、ウェハＷの広い領域、例えば、ウェハＷの全面に一度にイオンを照射することが可能となる。よって、ウェハＷの全面にイオンを照射するために、ウェハＷをイオンビームで走査する回数を減らすことや、ウェハＷをイオンビームで走査する動作を不要とすることが可能となる。一般に、ウェハＷをイオンビームで走査すると、イオンエッチングにより生じたごみがウェハＷに付着しやすい。よって、本実施形態によれば、イオン照射部２２を第１から第３グリッド電極４１〜４３により構成することで、イオンビーム走査に伴うごみの付着を低減することが可能となり、被加工層を所望の形状に加工しやすくなる。
本実施形態では、配線層からＬ／Ｓ配線パターンを形成する場合に、例えば、第１入射角θａを８０度に設定し、第２入射角θｂを８０度よりも小さい所定の角度に設定する。この場合、第１イオン源２０ａにより配線層を高速に加工することが可能となり、第２イオン源２０ｂにより配線がテーパー形状に加工されるのを抑制することが可能となる。なお、第２入射角θｂは、テーパー形状の出現が抑制されるような角度に設定される。本実施形態のエッチング装置は、ウェハＷをステージ１１により回転させながら、第１および第２イオン源２０ａ、２０ｂによりウェハＷを加工してもよい。
配線層からＬ／Ｓ配線パターンを形成する場合、半導体基板の表面に配線層を形成し、配線層の表面にマスク層（例えばレジストマスク層またはハードマスク層）を形成し、マスク層からＬ／Ｓマスクパターンを形成し、図１のエッチング装置によりＬ／Ｓマスクパターンを配線層に転写することで配線層からＬ／Ｓ配線パターンを形成してもよい。配線層は、第１の膜の例である。Ｌ／Ｓマスクパターンを構成する複数のラインパターンは、複数のマスクの例である。これらのラインパターンは、配線層の表面で同じ方向（第１方向）に伸びている。配線層からＬ／Ｓ配線パターンを形成する際には、第１イオンが第１方向に平行な方向に入射しているときの第１イオンおよび第２イオンのそれぞれの単位時間当たりの照射量が、第１イオンが第１方向とは異なる第２方向に入射しているときの第１イオンおよび第２イオンのそれぞれの単位時間当たりの照射量より多くなるように制御部３により制御し、配線層をエッチングしてもよい。例えば、第１イオンまたは第２イオンが第１方向に平行な方向に入射しているときだけ第１イオンまたは第２イオンがウェハＷに入射されるように、制御部３により第１イオンの照射タイミング、第２イオンの照射タイミング、およびステージ１１の回転数を制御してもよい。これにより、Ｌ／Ｓ配線パターン形成時のエッチングレートとマスク選択比を大きくすることが可能となる。
本実施形態の制御部３は、第１入射角θａの値や第２入射角θｂの値を、例えば次のような方法で決定することができる。エッチング装置のユーザーが、第１入射角θａの設定値と第２入射角θｂの設定値をエッチング装置に入力し、制御部３が、第１入射角θａの値と第２入射角θｂの値をこれらの設定値に制御してもよい。また、制御部３は、第１入射角θａの値や第２入射角θｂの値を、ユーザーからの入力によらずに自動的に決定してもよい。
図２は、第１実施形態のエッチング装置の構成を示す平面図である。
本実施形態のエッチング装置は、図２に示すように、６つのエッチングチャンバ１と、３つのＴＭＰ２と、制御部３と、４つのＦＯＵＰ（Front Opening Unified Pod）台４と、ロードモジュール５と、トランスファチャンバ６と、３つのロードロックチャンバ７とを備えている。
図２に示す各エッチングチャンバ１、各ＴＭＰ２、および制御部３は、図１を参照して説明したエッチングチャンバ１、ＴＭＰ２、および制御部３と同じ構造や機能を有している。図１のエッチングチャンバ１は、図２に示す面Ｓにおけるエッチングチャンバ１の断面を示している。なお、図２に示すＸ方向は、面Ｓに対して少し傾いているが、図１は、図を見やすくするために、Ｘ方向が面Ｓに平行であるとしてエッチングチャンバ１を図示している。
本実施形態では、加工対象のウェハＷが収容されたＦＯＵＰがいずれかのＦＯＵＰ台４に載置されると、ＦＯＵＰ内のウェハＷが、ロードモジュール５、トランスファチャンバ６、およびロードロックチャンバ７を経由していずれかのエッチングチャンバ１内に搬入され、このエッチングチャンバ１内でエッチングにより加工される。加工が終了したウェハＷは、このエッチングチャンバ１から搬出され、ロードロックチャンバ７、トランスファチャンバ６、およびロードモジュール５を経由してＦＯＵＰに戻される。なお、エッチング装置内でのウェハＷの搬送は、トランスファチャンバ６内に配置された搬送アームなどにより行われる。
図３は、第１実施形態のエッチング装置の動作を説明するための断面図である。
図３は、図１と同様に、エッチングチャンバ１のＸＺ断面を示しているが、以下の説明を分かりやすくするために、図１よりも模式的にエッチングチャンバ１を示している。本実施形態のエッチングチャンバ１は、図３に示すように、円弧状の形状を有し、チャンバ本体１０に取り付けられたレール２０ｃを備えている。
本実施形態の第１イオン源２０ａおよび第２イオン源は２０ｂは、図３に示すように、レール２０ｃ上を移動することができる。制御部３は、第１イオン源２０ａをレール２０ｃ上で移動させることで、第１入射角θａを変化させることができ、第２イオン源２０ｂをレール２０ｃ上で移動させることで、第２入射角θｂを変化させることができる。
本実施形態の第１イオン源２０ａは例えば、第１入射角θａが０度付近の値から９０度付近の値まで変化できるように構成されていてもよい。同様に、本実施形態の第２イオン源２０ｂは例えば、第２入射角θｂが０度付近の値から９０度付近の値まで変化できるように構成されていてもよい。これらの場合、レール２０ｃの形状は、中心角が１８０度程度の円弧状とすることが考えられる。
なお、図３の第１イオン源２０ａと第２イオン源は２０ｂは、同じレール２０ｃ上に配置されているが、異なるレール上に配置されていてもよい。また、本実施形態の第１イオン源２０ａは、互いに平行に配置された２本のレール上を移動してもよいし、本実施形態の第２イオン源２０ｂも、互いに平行に配置された２本のレール上を移動してもよい。
図４は、第１実施形態のエッチング装置の動作を説明するためのグラフである。
図４(ａ)から図４(ｄ)はそれぞれ、第１イオン源２０ａからのイオンがウェハＷに照射されるタイミングと、第２イオン源２０ｂからのイオンがウェハＷに照射されるタイミングの第１から第４の例を示している。図４(ａ)から図４(ｄ)において、縦軸の値がハイの期間は、イオンが照射されている期間を示し、縦軸の値がローの期間は、イオンが照射されていない期間を示している。
第１の例（図４(ａ)）では、第１イオン源２０ａからのイオンと、第２イオン源２０ｂからのイオンが、ウェハＷに同時に照射されている。一方、第２の例（図４(ｂ)）では、第１イオン源２０ａからのイオンと、第２イオン源２０ｂからのイオンが、ウェハＷに交互に照射されている。本実施形態の制御部３は、第１の例のようにウェハＷにイオンを照射してもよいし、第２の例のようにウェハＷにイオンを照射してもよい。
第３の例（図４(ｃ)）では、第１イオン源２０ａからのイオン（第１イオン）がウェハＷに照射される期間と、第２イオン源２０ｂからのイオン（第２イオン）がウェハＷに照射される期間が、一部重複している。よって、第３の例では、ある期間には第１イオンと第２イオンの両方がウェハＷに同時に照射されており、別の期間には第１イオンと第２イオンのいずれか一方がウェハＷに照射されている。
第１から第３の例では、第１イオンがウェハＷに照射される周期と、第２イオンがウェハＷに照射される周期が同じ長さになっている。一方、第４の例（図４(ｄ)）では、第１イオンがウェハＷに照射される周期と、第２イオンがウェハＷに照射される周期が異なる長さになっている。このように、第１イオンがウェハＷに照射される周期と、第２イオンがウェハＷに照射される周期は、同じ長さでも異なる長さでもよい。
なお、第１から第３の例の波形の周波数は、例えば数十Ｈｚから数百Ｈｚである。この場合、第１イオンのパルスがウェハＷに１秒当たり数十回から数百回照射され、第２イオンのパルスもウェハＷに１秒当たり数十回から数百回照射される。一方、ステージ１１の回転数は、例えば数十ｒｐｍに設定される。
以上のように、本実施形態のエッチング装置は、１つのエッチングチャンバ１用に第１イオン源２０ａと第２イオン源２０ｂという２つのイオン源を備えており、第１入射角θａと第２入射角θｂとを制御してウェハＷのイオンエッチングを行う。よって、本実施形態によれば、例えばエッチングレートを向上させつつ再堆積を低減させるなど、被加工層の形状を適切に制御することが可能となる。
なお、本実施形態のエッチング装置は、イオンの入射角を制御可能な３つ以上のイオン源を１つのエッチングチャンバ１用に備えていてもよい。この場合の各イオン源は、第１イオン源２０ａまたは第２イオン源２０ｂと同様に構成することができる。この場合、これらのイオン源の入射角は、互いに独立して制御できることが望ましい。
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置および方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置および方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
１：エッチングチャンバ、２：ＴＭＰ、３：制御部、４：ＦＯＵＰ台、
５：ロードモジュール、６：トランスファチャンバ、７：ロードロックチャンバ、
１０：チャンバ本体、１１：ステージ、１２：ＥＳＤ部、
２０ａ：第１イオン源、２０ｂ：第２イオン源、２０ｃ：レール、
２１：イオン発生部、２２：イオン照射部、２３：ニュートラライザー、
３１：ガス供給部、３２：ベルジャー、３３：高周波電源、
３４：アンテナ、３５：ＥＭ、４１：第１グリッド電極、
４２：第２グリッド電極、４３、第３グリッド電極
５：ロードモジュール、６：トランスファチャンバ、７：ロードロックチャンバ、
１０：チャンバ本体、１１：ステージ、１２：ＥＳＤ部、
２０ａ：第１イオン源、２０ｂ：第２イオン源、２０ｃ：レール、
２１：イオン発生部、２２：イオン照射部、２３：ニュートラライザー、
３１：ガス供給部、３２：ベルジャー、３３：高周波電源、
３４：アンテナ、３５：ＥＭ、４１：第１グリッド電極、
４２：第２グリッド電極、４３、第３グリッド電極
Claims (9)
- 基板を保持する保持部と、
第１イオンを発生させ、前記第１イオンが前記基板に第１入射角で入射するように前記基板に前記第１イオンを照射する第１イオン源と、
第２イオンを発生させ、前記第２イオンが前記基板に第２入射角で入射するように前記基板に前記第２イオンを照射する第２イオン源と、
前記第１入射角と前記第２入射角とを制御する制御部と、
を備えるエッチング装置。 - 前記制御部は、前記第１入射角と前記第２入射角とを独立して制御可能である、請求項１に記載のエッチング装置。
- 前記第１または第２イオン源は、前記基板に前記第１または第２イオンを照射するグリッド電極を備える、請求項１または２に記載のエッチング装置。
- 前記制御部は、前記第１入射角と前記第２入射角とを制御することで、前記第１イオンと前記第２イオンにより前記基板をエッチングする、請求項１から３のいずれか１項に記載のエッチング装置。
- 前記第１イオン源と前記第２イオン源は、前記第１イオンと前記第２イオンとして同じ種類のイオンを前記基板に照射する、請求項１から４のいずれか１項に記載のエッチング装置。
- 前記第１または第２入射角は、前記第１または第２イオン源がレール上を移動することで変化する、請求項１から５のいずれか１項に記載のエッチング装置。
- 前記制御部は、前記第１および第２イオン源から前記基板に前記第１および第２イオンを同時に照射する、請求項１から６のいずれか１項に記載のエッチング装置。
- 前記制御部は、前記第１および第２イオン源から前記基板に前記第１および第２イオンを交互に照射する、請求項１から６のいずれか１項に記載のエッチング装置。
- 第１の膜と、前記第１の膜の表面に設けられ第１方向に伸びる複数のマスクと、を有する基板を保持部により保持し、
第１イオン源により第１イオンを発生させ、前記第１イオンが前記基板に第１入射角で入射するように前記第１イオン源から前記基板に前記第１イオンを照射し、
第２イオン源により第２イオンを発生させ、前記第２イオンが前記基板に第２入射角で入射するように前記第２イオン源から前記基板に前記第２イオンを照射し、
前記第１イオンが前記第１方向に平行な方向に入射しているときの前記第１イオンおよび前記第２イオンのそれぞれの単位時間当たりの照射量が、前記第１イオンが前記第１方向とは異なる第２方向に入射しているときの前記第１イオンおよび前記第２イオンのそれぞれの単位時間当たりの照射量より多くなるように制御部により制御し、前記第１の膜をエッチングする、
ことを含むエッチング方法。
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2020
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