言 2．2μm／min
Iil ！40 Si Etching
ξ
…lll。5S，
Time（II由1）
図2．24 電極面での発熱量と電極表面 の温度33）
39
Siのエッチング反応、
Si （固体） 十 4F −→ ．Si F ，（気体）
の生成熱は、461Kcal／mole（25℃）であることが知られているので・s 、4インチウコ・一ハ が1μm／minでエッチングされたときの反応生成熱は約20 Wのヒーターによる加熱と同 等であると見積もることができる したがって、エッチングの発熱量は、この反応生成熱 によって大部分説明がつくものと考える このようなウコ・一ハ表面で生じる熱量が、エッ チング装置のウ」…ハ冷却能力を超えた場合の対策を次に検討する「
ウ1一ハ温度の川l／↓を一定の温度以Fに保つ方法として、これまで行ってきた連続エッ チングでぱなく、短時間にエッチング条件を切り替える方法を考えた．特にここでは、秒 単位で：1−一・ソチングの放電電力やRFバイアス電力、主たはエッチングガス雰囲気を切り替 えて、繰り返し：ILッチングを行う方法を検討した．これをTM（Time Modulation）法と
呼ぶ・12｝：13［
ここごは、単純なTM法として、マイクUl波放電電力のみをオン・オフする間歌的エッ チングを検討した・｛5；図2．25に示すkうに、エッチングを10秒間行った後に10秒間 ソヲズマ放電を停止すると、ウ．IL 一ハ温度の上限はほぼ一120 C以下に抑制できている．，
このフラズマ放電のオン・オソ時間をさらに半分の5秒にすると、温度変動量をさらに半 分に抑制でき、温度のヒ限を一 130℃に抑制できている，、
︵P︶三三ξc︵ぎハこ﹂
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Time （mln）
図2．25 TMエツチング法によるウェーバ温度制御33）
40
この連続エッチングの場合と、5秒TMの場合に一）いて、溝と孔ハターンのエッチング 形状を図2．26に示す、連続エッチングq）では側壁はほぼ垂直にな・）ているが、ごく 微小なサイドエッチングが見られ、溝と孔ハターンのエッチング深さの差が顕箸に見られ
る、このようなエッチング深さの変動は、アスヘクト比依存性（ARDE：Aspect
Ratio・Dependent Etching）圭たはマイクロローディング効果と呼ばれる1）これは、微 細な溝ほど、また同じ寸法でも溝に対して孔のkうに全周が囲われる・・ターンほどエッチ
ング面へのエッチング粒子の供給が少なくなって、エッチング速度の低下を起こす現象の ことである綱連続エッチングに比べてTMエッチング（2）では、サイドエッチングが 見られず、側壁はややテーハー状になっている これは、ゴ35C程度の低温のt、とで反 応生成物がエッチング中に側面に堆積していたためと考える また、TMエッチングでは 孔パターンのエッチング遅れは小さく、アスヘクト比依存性が少なくなる傾向が見られる
これは間敏的なエッチングによって休止時間中にもエッチング粒∫ の供給が進む効果が現 れたものと推測している37）・細rなお、TMエッチングの形状には、間欲のサイクルに伴う やや波状の痕跡が側壁に見られる、
L一 Z．5μm
図2．26 連続エッチング（1）とTMエッチング（2）によるSi基板エッチング形状 （マスク：単層レジスト）33）
41
上記Si基板の場合と同様の条件でPoly−Si膜をエッチングした結果を、図2．27に示 す 連続エッチンク（1）では、特異なサイドエッチンク形状が見られる、これは、Poly−Si 膜のエッチンクが完rし、ド地のSio2が現れたときに、これまでSiのエッチングに消費
されていたFの消費が急激に減少することによりF過剰の状態になって、サイドエッチン グ反応が進みやすくノcったためと考える、 一般に、エッチング側壁はイオン衝撃にさらさ れないために堆積物の保護膜が形成されやすいが、Poly−Si側壁の下地に近い側では、そ の保護膜の成長が少ないために、ド地との境界部分から優先的にサイドエッチングが進み、
図のkうな形状にな・・たと考える 5秒のTMエッチング（2）ではサイドエッチングがな く、Si基板の場合と同じく、ややテーハー状の側壁になっている。
一〇．5μm
図2．27 連続エッチング（1）とTMエッチング（2）によるPoly−Siエッチング形状33）
以1二のように、SF6のようなF系ガスにおいても、エッチング表面の温度を低くするこ とによってFラジカノレによるサイドエッチングを抑制しイオンアシストによる異方性エッ チングを実現することができる．、なお、高速に多量のSiをエッチングすると反応熱による
ウェーハ温度上昇が起きるので、冷却能力とのバランスをとることが重要であり、その制 御法として間歌的にエッチングするTMエッチング技術の有効性が確認できた、
42
2．4 イオン入射角の制御
エッチング面の反応制御が十分に行われて、イオンアシスト反応による異方性エッチン グのみでエッチングが進行するという状態が満足されると、次に、エッチングをアシスト するイオンの入射方向がエッチング面に対して厳密に垂直になるように制御する必要があ る イオンはイオンシースの電界によって基本的に電極面に対して垂直方向に加速される が、シース突入前のランダムな運動のエネルギー、シース内での衝突・散乱・Sf）〕、さらには マスクハターンや加工した側壁への衝突・反射によ・）て方向が乱れることなどが9Jえられ るIo）．また、シースの加速電界が厳密に均・…であるかどうかにも注意する必要があるH））
ここでは、イオン入射角分布が生じた場合のエッチング形状のシミュレーションと実際の 加工例の比較、シース内での衝突・散乱現象、シース内の局所電界について検討を行・・た 結果について述べる、
2．4．1 入射角変動とエッチング形状
エッチングイオンの入射方向によって引き 起こされた、いくつかの極端な加T．形状の例 を、まず図2．28に示す。これらは、いずれもCCLガスによる反応性イオンエッチング
によって得られた形状である．（1）はエッチ ング装置の電極端部にウェーハを配置した際 に生じた形状であり、電極の端部でシース電 界が傾いていることを反映した斜めエッチン グになっている。このように斜めにエッチン グされる現象は、微小なエッチングサンプル を電極上に傾けて置いた実験によっても起こ ることが報告されている28｝，（2）はサブトレ ンチと呼ばれる形状であり、エッチング側面 で反射した入射イオンが集中することによっ て溝パターンのエッジ部が他よりも深くエッ チングされるに現象である40 一（3）は稀な例イオン ／ 7
Fha
t、 ／ユ
／ ／／
二＿一一一
Si
l −一．＿． ．・．一」
（3）■■■■■■
イオン
＼げ
μ∠：一「ぺ
い・
川
h l、
門
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Si 図2．28 エッチングイオンの不規則な 入射角の影響を受けた特異形状 43
であるが、左右のマスクの高さが異なる状態でエッチングした際に、微細溝内部で多重の 反射が生じていることを反映したと思われる複雑に屈折した形状が見られる 以上のよう な例からも、イオン人射角がイオンアスストエッチンにおけるエッチング形状を決定付け ており、特に高アスヘクト比の加J二を高精度に行おうとする場合には重要であることがわ
かる
2．4．2 シミュレーションとエッチング形状の比較
エッチング面に人射するイオンは、その人射角がエッチング面に対して完全に垂直に揃 っているわけではなく、シース内で種々の散乱を受けることによって入射角ばらつきをも つものと思われる、このようなイオンシース内でのイオン挙動について、Arイオンを例に と・・てボルツマン方程式に基づき精密にイオンのエネルギーと方向をシミュレーションし、
Alのスハッタリング率のデータからエッチング形状を求めた例が報告されているiS9）／t ここeはそのような厳密なシミュレーションではなく、LSI製造プロセスにおける断面 形状の推移を簡易にシミー 1一レーションするESPRIT（Etching Simulation PRogram with
〜mhnproved sTring lnodel）ll（；｝と呼ぶシミュレータを用いて、イオン入射角分布を仮定し たときにエッチング形状にどσ）ような影響が見られるかについて示す。
図2．29は、イオン入射角のばらつきをガウス分布と仮定して、その偏差値oが5°、
30 の2つの条件について、エッチング溝形状の2次元シミュレーションを行った結果で ある・川、なお、反応確率としては、エッチング面にイオンが入射した位置でエッチング反 応が100％起こると仮定して計算した、エッチングハターンは、エッチングマスクの厚さ が1μmで、溝ハターン幅を無限大および1μm、0．5μm、0．3μm、0．1μmとして与え た、、したがって、エッチング開始時のアスペクト比は、1μm幅の溝では1、最小のO．1 μm幅の溝では10ということになる、図2．29では、エッチングの時間進展を、溝パタ ーン幅無限大において0．05μmヒッチ（0．5μm以下び）溝では0．1μmヒッチ相当）で1 μm深さまでエッチングした様子を示したttなお、エッチングマスクのエッチング速度は 0で、変化しないものと仮定た。
図2．29において、イオン入射角ばらつきσが5 の場合、1μm幅の溝（アスペクト 比が1）においてはエッチング深さの減少はほとんど認められないが、アスベクト比が10 になると、平坦部の約30％しノ）深さしかエッ⇒ングされていない，oが30［と大きくなると、