JPS62232927A

JPS62232927A - ドライエツチング方法及び装置

Info

Publication number: JPS62232927A
Application number: JP7583886A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Hayasaka; 伸夫早坂; Haruo Okano; 晴雄岡野; Yasuhiro Horiike; 靖浩堀池
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-04-02
Filing date: 1986-04-02
Publication date: 1987-10-13

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、半導体素子製造プロセスに用いられるドライ
エツチング技術に係わり、特に光を用いてＬＳＩ材料の
異方性エツチングを行うドライエツチング方法及びドラ
イエツチング装置に関する。

（従来の技術）従来、半導体素子製造プロセスにおける微細加工方法に
おいては、反応性イオンエツチング（ＲＩ　Ｅ）に代表
される荷電粒子を用いたドライエツチング技術が主とし
て用いられている。しかし、この荷電粒子の被処理基体
への入射が素子特性に悪影響を及ぼすことが知られてお
り、荷電粒子を用いたプロセスの問題点が明らかとなっ
てきた。即ち、荷電粒子の入射が被処理基体にダメージ
を与えることが明らかとなっている。

そこで最近、荷電粒子によるダメージを生じることなく
エツチングを行う方法の一つとして、光励起エツチング
が提案されている。光励起エツチングにおいては、エツ
チング種のみを被処理基体に供給する方法では、材料に
よってはエツチングが等方向に進行するために、正確な
微細加工を行うことはできない。そこで、エツチング種
と堆積種とを同時に供給し、被処理基体に垂直に光を照
射する光励起による方向性エツチングが提案されている
（例えば、ＵＳＰ、４５２９７５）。この先励起エッチ
ング方法においては、アンダーカットのない異方性エツ
チングか達成されるものの、エツチング形状が第６図（
ａ）に示す如くエツチング底部ですそを引くことがあり
、同図（ｂ）に示す如くより高精度な加工を要求される
プロセスとしては問題となる。なお、第６図中６１はエ
ツチング停止層、６２は被エツチング物、６３はマスク
である。

一方、容器内に収容された被処理基体に対し、エツチン
グ種と共に堆積種を供給し、被処理基体に垂直方向から
光を照射して方向性エツチングを行う方法も既に報告さ
れている（　ＵＳＰ、４５２９４７５或いは１９８５　
Ｄｒｙ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　５ｙＩＩＩｐ、）。これは、
第７図（ａ）に示す如くもし光照射がない場合には被処
理基体全面に薄膜Ｂ４の堆積が生じエツチングは進行し
ないが、同図（ｂ）に示す如く光照射６５がある場合に
は光照射面では堆積膜６４が除去されエツチングが進行
する。そして、光照射のないエツチング側面では薄膜６
４が残り、アンダーカットを防ぎ、これにより方向性エ
ツチングが達成されると言うものである。

この方法では、アンダーカットのない方向性エツチング
が行われるものの、実際のエツチング形状は前記第６図
（ａ）に示したように、エツチング底部ですそを引く形
状となる。これは、マスク端部で回折効果のため光強度
が弱くなるためであり、使用する光の波長が長くなる程
顕著になる。

（発明が解決しようとする問題点）このように従来の光励起によるドライエツチングでは、
被処理基体のダメージを招（ことなく、高精度な方向性
エツチングを行うことは困難であちた。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、光励起により生成されたイオンを用い
ることにより、制御性の良い高精度な方向性エツチング
を行うことができ、且つ被処理基体表面へのダメージを
防止し得るドライエツチング方法を提供することにある
。

また本発明の他の目的は、上記方法を実施するためのド
ライエツチング装置を提供することにある。

［発明の構成コ（問題点を解決するための手段）本発明の骨子は、半導体素子製造材料の方向性エツチン
グのために、光励起によりイオンを生成し、そのイオン
に電界により方向性を持たせてエツチングを行うことに
ある。

即ち本発明は、被処理基体の表面を方向性エツチングす
るドライエツチング方法において、被処理基体の表面に
ガスを供給すると共に、該基体基板表面に対し垂直方向
の電界を印加しておき、この状態で上記被処理基体の表
面若しくは表面近傍に光を照射して上記ガスをイオン化
し、イオン化した粒子を上記電界により被処理基体の表
面に入射せしめて該表面をエツチングするようにした方
法である。

また本発明は、上記方法を実施するためのドライエツチ
ング装置において、被処理基体を収容する容器と、この
容器内にガスを導入する手段と、上記ガスのイオン化ポ
テンシャル以上のエネルギーを釘する光を前記被処理基
体の表面若しくは表面近傍に照射する手段と、前記被処
理基体の表面に垂直方向の電界を発生させる手段とを設
けるようにしたものである。

（作用）上記の方法であれば、気相中或いは被処理基体表面に吸
若したガスの粒子を光照射により励起してイオンを生成
し、このイオンを電界により気相中で加速するか被処理
基体の表面から内部に向かってイオンを引込むことによ
り、イオンの方向に沿った方向性エツチングを行うこと
が可能となる。そしてこの場合、電界の強さを適切に制
御することにより、イオンの照射による被処理基体への
ダメージをなくすことが可能である。また、この方法に
よるエツチングでは、低速イオンはマスク端で回折効果
がなく、前記第６図（ｂ）に示す如きエツチング形状を
得ることができる。さらに、被処理基体表面上での光強
度がエツチング速度に影響するような物質のエツチング
においても、粒子のイオン化を起こすような光の波長は
一般に短いため、その回折効果は少ない。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係わるドライエツチン
グ装置を示す概略構成図である。図中１１は真空容器で
あり、この容器１１内には被処理基体１２を載置する試
料台１３が設置されている。容器１１にはガス導入口１
４．１５が設けられており、ガス導入口１４には放電管
１Ｇの一端が接続されている。放電管１６は、マイクロ
波尾７１Ｊ！１７に接続された導波管１８にカップリン
グされている。そして、放電管１Ｂの他端には、Ｆ、Ｃ
，ｆｆそれぞれを含む２種の反応性ガス（例えばＮＦ３
とＣ）２）が導入され、これらのガスは放電管ｌＧ内で
解離されたのち容器ｌｌ内に導入されるものとなってい
る。また、ガス導入口１５からは、堆積ガス（例えばＭ
ＭＡ）が導入される。そして、容器ｌｌ内のガスはガス
排気口１９から排気されるものとなっている。

一方、容器１１の上部には窓２１が設けられており、こ
の窓２１を通してＨｇランプ等の光源２２からの光（第
２の光）２３が容器ｌｌ内に導入され、前記被処理基体
１２の表面に垂直に照射される。また、容器１１の右方
部には紫外光透過窓２４が設けられており、こ窓２４を
通して真空紫外光光源２５からの紫外光（第１の光）２
Ｇが容器１１内に導入され、前記被処理基体１２の表面
近傍に水平方向に照射されるものとなっている。

また、前記試料台１３には図示極性の直流電源２７が接
続されており、これにより被処理基体１２の表面に垂直
方向の電界が発生するものとなっている。

次に、上記装置を用いたドライエツチング方法について
説明する。ここでは、ガス導入口１４から導入する反応
性ガスとしてＮＦ３．Ｃ１２の混合ガス、ガス導入口１
５から導入する堆積ガスとしてメタクリル酸メチル（Ｍ
ＭＡ）を用い、Ｐ添加多結晶シリコンの異方性エツチン
グを行う場合について説明する。

ＮＦ３．Ｃノ２．ＭＭＡをある条件で導入し、Ｈｇラン
プ或いはエキシマレーザ等からの紫外光２３を被処理基
体１２の表面に垂直方向がら照射することにより、多結
晶Ｓｉを異方性エツチングすることができるが、エツチ
ング形状は前記第６図（ａ）に示す如く、エツチング底
部ですそを引く形となる。

そこで、本実施例においては、試料台１３に直流電圧を
印加し、被処理基体１２の表面近くの気相部分に基体表
面に垂直方向に電界を印加し、また基体表面すれすれに
真空紫外光２６を照射する。真空紫外光２Ｂの照射によ
り、被処理基体１２の表面付近の気相中でガス分子が光
によりイオン化されイオンが生じる。このイオンは、被
処理基体１２の表面に存在する電界により基体表面に入
射する。この時、イオンの加速エネルギーが１５０［ｅ
Ｖ］を越えないように直流電圧を調整する。

このようにして光照射と同時に低速のイオンを被処理基
体１２の表面に入射させることができ、この場合のエツ
チング形状は前記第６図（ｂ）に示す如くすそ引きのな
い形状となる。さらに、光照射のみでのエツチングに比
較すると、エツチング速度が約２倍程度速くなる。

かくして本実施例によれば、光照射によるイオンを利用
することにより、Ｐ添加多結晶Ｓ１をすそ引きのない形
状に異方性エツチングすることができ、且つそのエツチ
ング速度を従来の光励起のみによる場合の約２倍に速め
ることができる。しかも、試料台１３に印加する電圧を
容器１１内で放電が生じる電圧以下に調整することによ
り、イオン照射による被処理基体１２の表面へのダメー
ジをなくすことができる。このため、今後の集積回路製
造技術における有用性は絶大である。

なお、上記実施例では、活性種を供給するガスとしてＮ
Ｆ３．Ｃ，ｌ？２を用い、堆積種を生じさせるガスとし
てＭＭＡを用いた系について述べたが、活性種を供給す
るガスとしては、ＮＦ３の代りにＣＦ、、ｃ２Ｆ８．Ｃ
３Ｆ８．ＳＦ８．Ｆ２等のＦを含むガスで、放電により
エツチング種を生成するガスであれば用いることができ
る。同様に、Ｃ，ｅ２の代すニハ、　ＣＣｌ２＜　、　
　　ＢＣＩ！３゜ＰＣＪ２３等Ｃ，＋７を含み、放電に
よりエツチング種を生成するものであれば用いることが
可能である。

さらに、この系の場合、Ｃ，＋７系活性種とＭＭＡとの
反応で堆積を生じるので、活性種を供給するガスとして
Ｃ１２だけを用いてもよい。また、堆積ガスとしては、
メタクリル、アクリル系の有機系ガス、或いはその他の
有機系ガスをＭＭＡの代りに用いてもよい。また、堆積
ガスとして、ＳｉＨ４，ＳｉＣｌ２等の無機系ガス、或
いはそれらと酸素、窒素との混合ガスを用いても良く、
この場合には堆積を生じさせるガスをエツチング室とは
別の領域で放電し、予め励起しておいて被処理基体に供
給することにより堆積を生じさせることができる。

また、彼エツチング材料は多結晶Ｓｉに限らず、エツチ
ング種としてＦ系のものを用いれば単結晶Ｓ　ｉ、Ｓ　
ｉ０２　、Ｓ　ｉ３　Ｎ４　、Ｗ、Ｍｏ等をエツチング
でき、Ｃノ系のものを用いれば　ＡＩ。

Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　、　　Ｇ　ａ　Ａ　Ｊ！　Ａ　ｓ等の
エツチングができ、ガスの選択により、半導体、金属絶
縁物のあらゆるものの異方性エツチングが達成される。

照射する真空紫外光２Ｂは容器ｌｌ内にある粒子をイオ
ン化できるものであれば何でもよい。例えば、Ａｒ、Ｋ
ｒ、Ｘｅ、Ｈｅ等の希ガス放電によるランプ（例えば共
鳴線ランプやＨ２，Ｄ２ランプ等からの共鳴線や、連続
光又はシンクロトロン放電光（ＳＯＲ）等を用いてもよ
い。さらに、上記の実施例の場合、光イオン化を促進す
るために、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｈｅ等を反応性ガスに混
入させ、光エネルギーをまずこれらの不活性ガスに吸収
させ、その励起種との反応で他の粒子をイオン化する、
所謂増感作用、或いは触媒作用等を用いることにより、
イオン化の効率が良くすることが可能である。

また、放電により励起された粒子は比較的低エネルギー
の光によりイオン化されるため、もし粒子がイオン化す
るならば、普通の紫外光をイオン化光源としてもよい。

さらに、イオン化用の光２Ｇは上述の例では、被処理基
体１２の表面に平行に入射させて、表面近くでイオンを
生成させているが、第２の光２３と同じく、被処理基体
１２の表面に垂直に入射させてもよい。ここで、真空紫
外光２Ｂの入射を行うために窓２４を用いているが、１
　［ｅＶ］以上の光を通す窓材は限られており、光の透
過率も良くない。従って、真空紫外光の入射光は作動排
気方式により、窓２４を用いずに光を入射させる方法を
用いてもよい。

また、上述の例ではエツチングと堆積の両方の反応を用
いて方向性エツチングを行う方法について述べたが、イ
オンの方向性を利用する本エツチング方法では、本来エ
ツチングの方向性が良いため、堆積ガスを用いなくても
よい。この場合、エツチング速度は遅くなるものの、エ
ツチング形状は前記第６図（ｂ）に示した如くすそ引き
のない形となり、良好な方向性エツチングが達成される
のを確認している。

第２図は本発明の第２の実施例を示す要部構成図であり
、第１図と同一部分には同一符号を付しである。ガスの
導入、排気系は第１図と同様なのでここでは省略してあ
り、被処理基体１２の設置法と光照射の方法についての
装置構成の概略を示す。

被処理基体１２は、電界を印加できる試料台１３の上に
載置されるが、試料台１３は被処理基体１２の温度を調
整するための温度調整機構３１を有する。イオン化を行
うための光２Ｇは被処理基体１２の表面に垂直方向から
照射されるが、図示しない紫外光光源からの光路の途中
に光学マスク３２があり、マスク３２のパターンが被処
理基体１２の表面に結像されるようになっている。

このような構成であれば、マスク３２によりパターニン
グされた光学像を被処理基体１２の表面に結像させて照
射することにより、光照射部のみエツチングし、パター
ン転写を行うことができる。第３図にマスクパターンと
エツチング形状の対応を示す概略図を示す。この場合、
マスク３２は被処理基体１２に近接させて設置する近接
露光方式でも、また被処理基体１２とは離して設置し、
光学系を用いてその像を被処理基体１２の表面に投影さ
せる投影露光方式でもよい。

第４図に示すのは、パターン転写を行う異なる２つの機
構について説明するための模式図である。

第４図（ａ）に示すのは、被処理基体１２の表面近傍の
気相中に図中に示す電界Ｅ１を印加する方法であり、気
相中の光照射部で生成されるイオン３５を電界Ｅ１によ
り加速し、被処理基体１２の表面に入射させ方向性エツ
チングを行い、パターン転写を行うものである。また、
第４図（ｂ）に示すのは、被処理基体１２の表面近傍の
被処理基体内部に電界Ｅ２を発生させる方法である。こ
の場合には、表面にガス粒子３６を全面に吸着させてお
き、そこで部分的に光２６を照射すると、光照射部で吸
着粒子３６がイオン化してエツチング種３７となり、被
処理基体１２の内部の電界Ｅ２によりエツチング種３７
を内部に引込むことにより、エツチング反応が促進され
、パターン転写を行うものである。

反応種の吸着は低温において起こり易く、吸着量をコン
トロールするために、基板温度を低温で調整する必要が
ある。例えば、基板としてＳｉを用い、基板温度を−３
０［’Ｃ］以下で調整し、反応性ガスとしてＦ２ガスを
用いると、Ｆ２ガスは基板表面に吸着するが、エツチン
グの進行は極めて遅い。そこで、Ｆ２ガスをイオン化す
るｌｏ［ｅＶ］以上のエネルギーを何する光を照射し、Ｆ２−Ｆ２＋のイオン化を起こし、更に基板内部に電界を印加してお
くと、光照射部でのエツチングが生じる。

ここで、表面近傍に発生させる電界は直流電界でなくて
もよい。直流電界の印加では基板表面に正又は負の電荷
のみが入射し、基板がチャージアップする虞れがある。

このことは特に、絶縁物のエツチングにおいて顕著とな
る。このチャージアップを防ぐために、交流電界を印加
し、正電荷粒子、負電荷粒子を交互に表面に入射させて
基板内での電荷量を中性に保つ方法があり、チャージア
ップによる入射イオンへの影響がなくなる。

第５図は本発明の第３の実施例を示す要部構成図であり
、第１図と同一部分には同一符号を付しである。

これは、２つの波長の光を被処理基体１２の表面に両方
用垂直に入射させる方法である。図中５１は光源２２か
らの光２３のみを透過し、光源２５からの光２Ｂを反射
させるミラーであり、これを用いることにより、両方の
光２３．２６を被処理基体１２の表面に対し垂直方向か
ら入射させることができる。また、２つの光２３．２６
は、同時に照射しても、パルス光源を用いて交互に入射
させてもよい。ＣＷ光源においても、ミラー５１を可動
にすることにより、交互に光を入射させることができる
。

更に、シンクロトロン放射光（ＳＯＲ）を用いるならば
、ＳＯＲでは放射光中の波長成分は、軟Ｘ線領域から赤
外領域まで極めて広く、不必要な波長域をカットするフ
ィルターを用いることにより、必要な波長を混合して同
時に被処理基体に照射することも可能である。

要するに本発明は、被処理基体を収容する容器、この容
器内にエツチング用ガス等を導入する手段、上記ガスに
紫外光等を照射してイオンを生成する手段、被処理基体
の表面に垂直方向の電界を発生させる手段を基本要素と
し、ガスの種類、光の種類及び照射方向等、仕様に応じ
て適宜変更可能である。

［発明の効果コ以上詳述したように本発明によれば、半導体素子製造に
用いられる材料に対し、エツチング底部のすそ引き等を
招くことなく、高精度に方向性エツチングすることがで
きる。また、彼エツチング基体及びその下地基体にダメ
ージを与えることなくエツチングが行える。従って、超
微細素子。

高速素子或いは超ＬＳＩの製造プロセスに好適である。

さらに、エツチングにイオンが関与していることから、
従来の光励起エツチングに比較し、エツチング速度を速
くすることができ、実用上火なる効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係わるドライエツチン
グ装置を示す概略構成図、第２図は本発明の第２の実施
例を示す要部構成図、第３図はパターン転写の概念を示
す模式図、第４図はエツチング機構を説明するための模
式図、第５図は本発明の第３の実施例を示す要部構成図
、第６図及び第７図はそれぞれ従来の問題点を説明する
ための断面図である。１１・・・真空容器、１２・・・被処理基体、１３・・
・試料台、１４．１５・・・ガス導入口、１６・・・放
電管、１７・・・マイクロ波電源、１８・・・導波管、
１９・・・ガス排気口、２１．２４・・・窓、２２．２
５・・・光源、２３・・・第２の光、２６・・・第１の
光、２７・・・直流電源、３１・・・冷却機構、３２・
・・マスク。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第３図（ａ）第４図第５図第６図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被処理基体の表面にガスを供給すると共に、該基
体表面に対し垂直方向の電界を印加し、上記被処理基体
の表面若しくは表面近傍に光を照射して上記ガスをイオ
ン化し、イオン化した粒子を上記電界により上記被処理
基体の表面に入射せしめて該表面をエッチングすること
を特徴とするドライエッチング方法。
（２）前記ガスとして、少なくともハロゲン元素を含む
エッチング用ガスを用いたことを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載のドライエッチング方法。
（３）前記ガスとして、少なくともハロゲン元素を含む
エッチング用ガスとアクリル、メタクリル系の有機系の
堆積用ガスとの混合ガスを用いたことを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載のドライエッチング方法。
（４）前記ガスとして、少なくともハロゲン元素を含む
エッチング用ガスとシラン系の無機系の堆積用ガスとの
混合ガス、或いはこれに窒素若しくは酸素を添加した混
合ガスを用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載のドライエッチング方法。
（５）前記ガスを、前記光照射の前に予め解離しておく
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のドライエ
ッチング方法。
（６）前記光を、前記被処理基体の表面に垂直に照射或
いは該基体表面近傍に水平方向に照射することを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載のドライエッチング方法
。
（７）前記被処理基体には、レジストでマスクがパター
ニングされていることを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載のドライエッチング方法。
（８）前記光は、前記被処理基体の表面に選択的に照射
されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のド
ライエッチング方法。
（９）前記光として、前記エッチング用ガスをイオン化
するための第１の光と、前記堆積用ガス若しくは前記被
処理基体表面を励起するための第２の光を用いたことを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載のドライエッチン
グ方法。
（１０）前記被処理基体を、冷却することを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載のドライエッチング方法。
（１１）被処理基体を収容する容器と、この容器内にガ
スを導入する手段と、上記ガスのイオン化ポテンシャル
以上のエネルギーを有する光を前記被処理基体の表面若
しくは表面近傍に照射する手段と、前記被処理基体の表
面に垂直方向の電界を発生させる手段とを具備してなる
ことを特徴とするドライエッチング装置。
（１２）前記ガスは、少なくともハロゲン元素を含むエ
ッチング用ガスであることを特徴とする特許請求の範囲
第１１項記載のドライエッチング装置。
（１３）前記ガスは、少なくともハロゲン元素を含むエ
ッチング用ガスと、アクリル、メタクリル系の有機系の
堆積用ガスとの混合ガスであることを特徴とする特許請
求の範囲第１１項記載のドライエッチング装置。
（１４）前記ガスは、少なくともハロゲン元素を含むエ
ッチング用ガスと、シラン系の無機系の堆積用ガスとの
混合ガス、或いはこれに酸素、窒素を添加した混合ガス
であることを特徴とする特許請求の範囲第１１項記載の
ドライエッチング装置。
（１５）前記ガスは、前記容器と真空で連結された別の
容器内で予め解離されることを特徴とする特許請求の範
囲第１１項記載のドライエッチング装置。
（１６）前記被処理基体表面に発生させる電界は、前記
容器内で放電が生じるしきい値電界より小さいものであ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１１項記載のドラ
イエッチング装置。
（１７）前記光は、前記被処理基体の表面に垂直に照射
されるか、又は前記被処理基体の表面近傍を水平方向に
照射されることを特徴とする特許請求の範囲第１１項記
載のドライエッチング装置。
（１８）前記ガスのイオン化を起こさせる光以外の波長
域の光を、前記被処理基体に垂直に照射する手段を含む
ことを特徴とする特許請求の範囲第１１項記載のドライ
エッチング装置。
（１９）前記被処理基体は、その表面にレジストからな
るマスクパターンが形成されたものであることを特徴と
する特許請求の範囲第１１項記載のドライエッチング装
置。
（２０）前記光は、前記被処理基体の表面に選択的に照
射されるものであることを特徴とする特許請求の範囲第
１１項記載のドライエッチング装置。
（２１）前記被処理基体を冷却する冷却機構が設けられ
ていることを特徴とする特許請求の範囲第１１項記載の
ドライエッチング装置。