JPS5813624B2 - イオンエツチング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、反応性ガスをイオン化して加速し、シリコン
、あるいはその他高融点金属等の薄膜上の酸化シリコン
膜をエッチングするイオンエッチング方法に関する。

近年集積回路等の製造におけるエッチング工程では、従
来の化学薬品を用いたウエットエッチングに代えて反応
性ガスプラズマを用いたドライエッチングが用いられつ
つある。

ガスプラズマを用いたドライエッチングには、いわゆる
プラズマエッチングの他、スパツタエッチング、イオン
エッチング等の種類がある。

プラズマエッチングには、通常０．１〜１ ｔｏｒｒ程
度の圧力の反応性ガス、例えばフレオンＣＦ４を円筒管
内に導入し、これを放電解離させてガスプラズマを生起
させて、そのプラズマ中に被エッチング物を置いてエッ
チングするものである。

このエッチングはプラズマ中の活性中性原子、例えば弗
素ラジカルと被エッチング物との化学反応によるもので
あると考えられる。

このような方法によれば、従来のウエットエッチングに
比べて、エッチング工程の簡略化、パターン寸法精度の
向上、無公害化等の点ですぐれている。

その反面プラズマエッチング法は本来化学反応によるも
のなので従来溶液法で生じる被エッチング物のマスク下
のアンダーカットがプラズマ、エッチング法においても
避けられない欠点がある。

即ち、プラズマエッチングでは円筒管内に導入される反
応性ガスの圧力が０．１〜１ ｔｏｒｒ程度と高く、反
応種の平均自由行程が短く（１０〜１００μｍ程度）、
それ故第１図に示すような等方性エッチングになる。

ただし第１図において、被エッチング物１は、酸化シリ
コン層２上に多結晶シリコン（ ｐｏｌｙ−Ｓ ｉ ）
層３を設けたものである。

多結晶シリコン層３上にはマスクとなるフォト・レジス
トが設けられており、プラズマエッチングを行なうと多
結晶シリコン層３は等方的にエッチングされ、図に示す
ようにフォト・レジスト４の下部が削り取られてしまう
。

このようなアンダーカットが生じる為、プラズマエッチ
ング方法では高々４μｍ程度のパターンしか作ることが
できず、集積回路の超微細化には不向きである。

また反応性ガスの種類に依らずシリコン層の方が酸化シ
リコンＳｉＯ、層より速くエッチングされ、例えば集積
回路の製作上重要なコレタクト・ホールのエッチングの
ため酸化シリコン層の方を速くエッチングするような用
途には用いることができない難点がある。

一方、スパツタエッチングは、反応室内に設けられた対
向電極に高周波電圧を印加し、１０〜１０ ｔｏｒｒ程
度の圧力に保たれた被イオン化ガス、例えばＣ２Ｆ６、
Ｃ３Ｆ８等に放電を起こさせ、発生したプラズマ中のイ
オンを陰極電極として用いている被エッチング物に加速
衝突させエッチングするものである。

第２図はこの様子を示すもので、被エッチング物５はシ
リコン層６上に酸化シリコン層７を設けたものである。

この酸化シリコン層７上にはさらにマスクであるフォト
・レジスト８が設けられており、上記イオンの衝突によ
り酸化シリコン層７は垂直方向にカツトされる。

従って、前述したプラズマエッチング方法のようなマス
ク下のアンダーカットは生じない。

ところが、この方法ではプラズマからの輻射熱によって
被エッチング物５が相当高い温度例えば２００℃程度ま
で上昇し、その為フォト・レジスト８、例えば ＯＦＰ
Ｒ，ＯＭＲ８３（東京応化製商品名）等までも相当速く
エッチングされてしまい、フォト・レジスト８が後退し
てしまう。

結局マスク下のアンダーカットは避けられても、パター
ンの寸法精度はプラズマエッチングと大差がないものに
なつてしまう。

次にイオンエツチンクは、１０ｔｏｒｒ以下の圧力の被
イオン化ガス、通常アルゴンＡｒを放電室内で放電解離
し、発生したプラズマ中のイオンをグリッドで加速し放
電室とは分離した試料室に置かれた被エッチング物に衝
突させてエッチングするものである。

このような方法によれば、試料がプラズマから離れてい
るので温度上昇が少なくレジストのエッチング速度が低
くいので好都合であるが被エッチング物質のエッチング
速度はどの物質でも余り変らず選択性が極めて少く集積
回路の製作には不向きである。

本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、反応性
ガスとしてハロゲンを含み多価の炭素原子を含むガスを
用い、このガスを放電室内で放電解離し、生成したイオ
ンを被エッチング物に当てることにより、被エッチング
物を選択的に加工精度良くエッチングできるようにした
イオンエッチング方法を提供するものである。

以下本発明を図面を参照しながら具体的に説明する。

先ず本発明方法に使用する装置の一例として、Ｋａｕｆ
ｍａｎｎ型（電子衝撃型）イオン源装置を第３図を参照
して説明する。

図においてイオンエッチング装置の容器１０は、大きく
分けて放電室１１とエッチング室１２で構成されている
。

放電室１１には反応性ガスの導入口１３が設けられ、エ
ッチング室１２には真空排気口１４が設けられている。

放電室１１内にはフィラメント陰極１５が配置されてお
り、陽極である放電室１１壁との間に交流電源１６から
電圧を印加することにより放電室１１内に放電を生起さ
せるようになっている。

放電室１１の開口部１７とエッチング室１２の開口部１
８間には多数の透孔が穿設された３個の電極２０〜２２
が設けられ、さらにそれら電極２０〜２２相互間に環状
の絶縁部材２３〜２５を介在させて気密を保つ如くに構
成されている。

このようにして放電室１１とエッチング室１２は連通さ
れている。

３個の電極２３〜２５の内、電極２３は正の高電位に保
持されるグリッド、電極２４は放電室１１から出ようと
する電子を逆戻りさせるために負の電位に保持させる電
子サプレツサ、また電極２５は零電位を保持されるグリ
ッドである。

一方、エッチング室１２内には、被エッチング物２７を
保持するための保持機構２８が設けられている。

保持機構２８はエッチング室１２内壁に固定されかつ図
示しないが内部に冷却水の通路が設けられている。

保持機構２８とグリッド電極２５の間の空間には中和用
フィラメント３０及びイオンシャッター３１が配設され
ている。

中和用フィラメント３０は電流を通流されて熱せられ、
熱電子を放出するものである。

イオンシャッター３１は屈曲形成された棒状のタングス
テン部材であり、エッチング室１２内部から容器１０外
に導出されている。

そしてイオンをさえぎる作用をすると同時に、イオンの
電流密度を測定するモニターの役割を果すものである。

尚、３５はイオン集束用マグネットである。

このような装置に於いて、先ず排気口１４から拡散ポン
プ等により容器１０内全体を１０ ｔｏｒｒ台の圧力
に真空排気した後、導入口１３より反応性ガス４０を放
電室１１内に導入し、圧力をＩ×ＩＯ ｔｏｒｒ程度に
上昇させる。

そして放電室１１及び陰極１５間に交流電圧を印加し、
マグネット３５に交流電流を流すと放電室１１内で放電
プラズマが生起する。

このプラズマ中のイオンは、高電圧グリッド電極２０と
アースグリッド電極２２間の電圧により加速されエッチ
ング室１２内へ引き出される。

このイオン流中の電子は電子サプレツサ電極２１により
、放電室１１内へはね返えされる。

こうして加速されたイオンの一部は中和用フィラメント
３０からの熱電子により中和されて中性原子化される。

そしてイオン流は被エッチング物２７に衝突してエッチ
ングが行なわれる。

尚、電子サブレッサー電極２１を、アースグリツド電極
２２と中和用フィラメント３０との間に配置しても上述
した装置と同様な動作を行なわせることが可能である。

ここで反応性ガスとしてＣＦ４ガスとＣ３Ｆ８ガスを使
用し又比較の為従来用いられているアルゴンＡｒを使用
してそれぞれにより酸化シリコンＳｉＯ２及び多結晶シ
リコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）をエッチングする場合に、グ
リッド電極２０．２１間の電圧、即ちイオンの加速電圧
を変化させてエッチング速度を測定した。

その結果第４図に示すような効果が得られた。

図中実線で示した曲線がシリコンをエッチングした場合
で、破線で示した曲線がＳｉＯ２をエッチングした場合
である。

この結果より明らかなように、アルゴンガスの場合、加
速電圧の増加に対し酸化シリコンと多結晶シリコンのエ
ッチング速度は除々に増すが、酸化シリコンと多結晶シ
リコンのエッチング選択性も低い。

しかしＣＦ４ガスの場合、加速電圧増加に対し酸化シリ
コンのエッチング速度は直線的に増加し、しかもアルゴ
ンガスの場合より高い。

一方多結晶シリコンでは加速電圧６００■迄はエッチン
グ速変が極めて低く、しかしそれ以上では急激に増大し
加速電圧９００■以上では酸化シリコンのエッチング速
度を上回る。

更にＣ３Ｆ８ガスの場合、酸化シリコンのエッチング速
度は少しずつ増大し、しかも多結晶シリコンのエッチン
グの立上りはＣＦ４ガスの場合より高いほぼ１１００Ｖ
の加速電圧で生じる。

加速電圧６００■附近では、ＣＦ４ガスの酸化シリコン
と多結晶シリコンエッチング速度の比は３〜４倍程であ
るのに対し、０３Ｆ８ガスの場合、７〜８倍程度に達す
る。

このようなＣ−Ｆ結合を有するガスを用いた場合、選択
性がすぐれる理由は、Ｃ−Ｆ結合を有するガスの放電に
よりシリコン上に炭素が吸着し、低エネルギーではこの
炭素層をイオンが突き抜け難くいのに対し、酸化シリコ
ン上ではエッチングにより酸素が生じＣＯを生成し常に
酸化シリコン表面が露出する故に酸化シリコンのエッチ
ング速度が多結晶シリコンのエッチング速度を上回るた
めと推定される。

以上の測定結果から、多価の炭素原子と多価のフッ素原
子を含むガスを用いた場合、酸化シリコンのエッチング
速度が高まるばかりでなく多結晶シリコンに対し選択比
が向上する。

尚、Ｃ３Ｆ８の他に、Ｃ２Ｆ６やＣ４Ｆ８等のガスも同
様に選択比がすぐれ、例えばＣ４Ｆ８の場合、加速電圧
６００■附近で１２〜１５倍もの選択比に達することが
確認された。

これらの実験では多結晶シリコンと単結晶シリコンのエ
ッチング速度は同じ程度であった。

次にＣ３Ｆ８ガスとアルゴンガスを用いた場合における
、マスクとなるフォト・レジストのエッチング特性を第
５図に示す。

使用したフォト・レジストはネガ型のＯＭＲ−８３（東
京応化製）である。

破線は酸化シリコン上のレジストのエッチング速度実線
はｐｏｌｙ−Ｓｉ上のレジストのエッチング速度である
。

ＳｉＯ ２上のレジストのエッチング速度が一般的に高
いのはＳｉＯ２のエッチング時に酸素が放出されその酸
素がレジストのエッチングを増倍されるものと考えられ
る。

その場合でもＣ３Ｆ８ガスを用いた方がＡｒガスの場合
よりレジストのエッチング速度が低く、図示しなかった
が、ＣＦ４ガスを用いた場合はちょうどＡｒガスを用い
た場合とＣ３Ｆ８ガスを用いた場合の中間の値になる。

従って炭素原子とフッ素原子量の多いガスを用いた方が
、アルゴンやＣＦ４ガスを用いた場合に較べレジストの
エッチングも減少し、それだけ、パターンの精度を向上
させるのに有利であることが理解できる。

例えば３００■の加速電圧で、ポジレジストを使用して
Ｃ２Ｆ６ガスを用いて実験した所幅０．２５μｍ、高さ
１μｍでマスク下のアンダーカットの無いシャープな酸
化シリコン膜のエッチングを行なうことができた。

ところで第４図に示したように酸化シリコンのエッチン
グ速度は、加速電圧６００ボルト程度では約４００〜５
００人と余り大きくない。

集積回路の製造工程では１μｍの厚さのＳｉＯ２膜が一
般的に用いられており、この程度のエッチング速度では
実際の製造ラインでは用いることが困難である。

一方、加速電圧６００ボルト以上では酸化シリコンのエ
ッチング速度が増加するが、それと共にレジストのエッ
チングも急激に増し実際上このような加速電圧を用いる
ことは困難である。

そこで酸化シリコンのエッチングを有効に行なうにはイ
オン電流を大きくし、しかも加速電圧を低くする必要が
ある。

この目的のために、第７図に示すような減速機構を備え
たエッチング装置を用いればよい。

この装置の基本的原理はイオン銃で作られたイオンを引
き出すと共に引き出しに要した電圧とほぼ同じ程度逆の
極性を持った電圧をイオンに加えることにあり、つまり
一旦イオンを加速した後減速するものである。

図において、装置本体１００は、大きく分けて２つの室
１０１，１０２から構成されている。

一方の室１０１はエッチング室であり、この室を形成す
る円筒状容器１０３の下端には拡散ポンプ等に接続され
る排気口１０４が設けられている。

また容器１０３の側壁にはのぞき窓１０５が設けられて
おり、室１０１内に配置される被エッチング物１０６の
エッチング状態を観察できるようになっている。

被エッチング物１０６を載置する試料台１０７は、内部
に図示しない水路が設けられており、水されている。

また、試料、台１０７は、室１０１外部の駆動機構１０
８により水平方向に自転されるとともに公転される。

一方室１０２は、円筒状容器１０３の上方開口端上に環
状電極１０９〜１１３及び蓋状電極１１４と円筒状スペ
ーサ１１５〜１１９を交互に積層し、電極１０９〜１１
４に設けた孔に支持用ロツド１ ２０ ， １ ２１を
挿通して一体化して構成されている。

蓋状電極１１４の内壁には絶縁部材１２２を介して筒状
電極１２３が固定されており、これら電極１１４，１２
３で囲まれた空間が放電室１２４になっており、ＰＩＧ
型電子銃を構成している。

放電室１２４内にはガス導入管１２５を通して反応性ガ
ス、例えば０３Ｆ８ガスが導入される。

電極１１４を陽極、電極１２３を陰極として高電圧を印
加すると反応性ガスは放電解離してイオン化する。

尚、１２６はステンレス鋼のコールドトラップである生
じたイオンは引き出し電極１３０により引出され加速さ
れる。

引出し電圧は２５ＫＶ程度とした。

電極１３１，１３２は、マインツエル・レンズと呼ばれ
ているもので、イオン流を収束させる作用をする。

電極１３３〜１３５は減速用電極であり、イオンを減速
させる。

このようにしてイオンは最終的に２００Ｖ程度で加速さ
れ、被エッチング物１０６に照射される。

このとき装置１００内の真空度はＩ× １ ０ ｔｏ
ｒｒ程度であった。

このようにしてエッチングした場合、レジストのエッチ
ング速度は１００Å／分程度と低く、又酸化シリコンの
エッチング速度は１５００Å／分程度に達し、実用上十
分な結果が得られた。

酸化シリコン層のエッチング速度は多結晶シリコン層の
エッチング速度の７〜８倍程度であった。

次に０３Ｆ８ガスに代えて、ガス導入管１２５よりＣＦ
４ガスとＣ２Ｈ２やＣ２Ｈ４等の炭素を含むガスの混合
ガスを導入しエッチングを行なった。

この場合、酸化シリコン層のエッチング速度は、多結晶
シリコン層のエッチング速度の３０倍にも達した。

以上述べたイオン・エッチング装置のイオン源は、カウ
フマン型及びＰＩＧ型であるが、これに限らずデュオプ
ラズマ型、フリーマン型、又これらの混合型でもよく、
更にエレクトロン・サイクトロン共鳴を用いたマイクロ
波イオン源でも良い。

又上述した実験に用いた酸化シリコン膜の基盤となった
多結晶シリコン膜を単結晶シリコンや他にタングステン
・モリブデン・ニオビウム等の耐熱性高融点金属で置き
換えても同様な結果が得られた。

そして、反応性ガスとしてＣ３Ｆ８のみならずＣ４Ｆ８
を使用した場合でも十分なエッチング選択比を得ること
ができた。

又、酸化シリコン膜をアルミナ（Ｍ２０３）のような酸
化物に置き換えた場合でも、塩素を含むガス、例えば塩
素ガスにｃ２Ｈ２ガスを加えることによって選択的にア
ルミナ層をエッチングすることが可能になった。

以上詳細に説明したように、この発明によれば単結晶シ
リコンや多結晶シリコンあるいはタングステン・モリブ
デン・ニオビウム等の耐熱性金属上の酸化膜を前者より
はるかに大きい速度で選択的にエッチングすることが可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はプラズマエッチング装置を用いた多結晶シリコ
ン膜のエッチングの様子を示す断面図、第２図は、平行
板型のスパツタエッチング装置を、用いた酸化シリコン
膜のエッチングの様子を示す断面図、第３図及び第６図
は本発明方法に使用する装置の一例を示す縦断面図、第
４図は反応性ガスとして、アルゴン、ＣＦ４及び０３Ｆ
８を用いてそれぞれについて酸化シリコン及び多結晶シ
リコンをエッチングする場合のイオン加速電圧とエッチ
ング速度の関係を示す特性図、第５図は反応性ガスとし
てアルゴン及びＣ３Ｆ８を用いて酸化シリコン及び多結
晶シリコンをエッチングする場合のイオン加速電圧とマ
スクとなるフォト・レジストのエッチング速度の関係を
示す特性図である。 １１，１２４・・・放電室、１２，１０１・・・エッチ
ング室、２７，１０６・・・被エッチング物。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくともハロゲン原子及び多価の原素原子を含む
   反応性ガスをイオン化し、このイオン化されたイオンを
   酸化物で形成される第１の層とシリコンもしくは高融点
   金属で形成される第２の層で構成される積層物からなる
   被エッチング物に、６００ボルト以下の加速電圧で照射
   して、前記被エッチング物をエッチングすることを特徴
   とするイオンエッチング方法。 ２ 反応性ガスとして、多価のハロゲン原子と結合した
   多価の炭素を含むガスを用いたことを特徴とする前記特
   許請求の範囲第１項に記載したイオンエッチング方法。 ３ 酸化物が酸化シリコンであることを特徴とする上記
   特許請求の範囲第１項に記載したイオンエッチング方法
   。 ４ 引出し加速されたイオンを被エッチング物に照射す
   る前に減速することを特徴とする上記特許請求の範囲第
   １項に記載したイオンエッチング方法。