JPS6158975B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は基体と、酸化シリコン（例えばSiO及
び或はSiO₂）、窒化シリコン、オキシ窒化シリコ
ンなどのその（基体）表面とを含むウエハの如き
物体を反応性イオン食刻（reactive ionetching）
し、かくて酸化シリコン、窒化シリコン、オキシ
窒化シリコンなどが基体の食刻率よりも大きな割
合で、及び或はレジスト材料の使用時にはその食
刻率よりも大きな割合で、選択的に食刻さるよう
にすることに関係する。本発明は食刻に使用され
る気体混合物或はプラズマに対して相対的に大き
い負のDCバイアスが掛けられた陰極上に物体が
配置されるようなイオン食刻プロセスに関係す
る。

半導体チツプの製造に於て、完成チツプを構成
する異つた幾つかの層を食刻するステツプは中で
も最もクリテカル且つ困難なステツプである。食
刻のために広く採用されている１つの方法は、食
刻されるべき表面を適当なマスクで掩い、然る後
マスクを残したまま食刻されるべき表面を侵食し
うる化学溶液中に表面及びマスクを浸すことであ
る。このような湿式化学食刻プロセスは良好に限
定された縁端を食刻表面上に得難いと云う難点が
ある。これはマスクの下にしみ込むなどにより化
学薬品がマスクの下をえぐり、かくてマスクされ
た領域の下の部分さえも食刻するように表面の侵
食を続けることに起因する。

「プラズマ食刻」と呼ばれる技術が半導体チツ
プの製造のために提案されてきた。この技術は一
般にベルジヤーなどの容器中にCF₄のような成分
イオンを含む化学反応性の気体を充満することを
伴う。食刻されるべき表面はマスクで掩われ、反
応性気体と一緒に容器中に納められる。反応性気
体は容量性或は誘導性の結合によりプラズマに対
し高周波電力を与えることより解離されて正及び
負のイオンを形成するのが普通である。解離され
たイオンは食刻されるべき表面と化学的に相互反
応するものと信じられる。そのようなプロセスに
於て、基体は大地面或はプラズマ気体と同じ電位
の何れかに置かれる。プラズマ食刻のような化学
食刻プロセスは領域の下をえぐる傾向に悩まされ
ている。

半導体チツプ或は薄膜回路を食刻するための他
のプロセスとしては「スパツタ食刻」が知られて
いる。スパツタ食刻では一般に、ベルジヤーのよ
うな容器がアルゴンのような不活性気体で充満さ
れる。容器中に陽極及び陰極が配設される。陰極
は例えば印加される高周波信号により陽極に対し
て負にバイアスされる。食刻されるべき表面は適
当なマスクで掩われて陰極上に載置される。高周
波電位が陰極に印加されると、陰極及び陽極間の
領域中の不活性気体が電離され、正イオンが陰極
へ向かつて引付けられる。食刻されるべき表面に
ぶつかるイオンはその表面から原子を叩き出すよ
うに働くことにより、次第に材料を食刻する。ス
パツタ食刻は湿式化学食刻に良好に縁端を限定す
るけれども、比較的遅く、極めて長時間を要する
プロセスである。

このようなスパツタ食刻の遅さを打開するた
め、例えば米国特許第3971684号ではスパツタ食
刻プロセスの食刻気体としてCF₄のような化学的
に反応性の気体を用いることを提案している。電
界を印加することによりその反応性の気体は解離
し、化学的に反応性の気体イオンが陰極へ引付け
られる。表面は活性イオンとの化学的相互反応、
及び表面上に衝突するイオンの運動量転換の両者
により食刻されるものと信じられている。このこ
とは、プラズマ食刻では食刻プロセス中に化学的
相互反応のみが生じる点でプラズマ食刻から区別
される。更にイオンを陰極へ引付ける電界によ
り、すべてのイオンは食刻されるべき表面に対し
てその表面に垂直な方向に大部分が衝突する。従
つて反応性イオン食刻として引用した上記プロセ
スは良好に限定された垂直に食刻された側壁を与
える。

上記の反応性イオン食刻プロセスに関連した問
題点は、使用される反応性気体が種々の電子ビー
ム・レジスト及びフオト・レジストのようなマス
ク材料と、シリコンのような基体と、チタン、タ
ンタル、モリブデン及びタングステンなど揮発性
弗化物を形成する種々の金属を侵食することであ
る。

従つて本発明の目的は基体、フオト・レジスト
及び電子ビーム・レジスト・マスクに対して選択
的に酸化シリコン、窒化シリコン、オキシ窒化シ
リコンなどを食刻する改良された反応性イオン食
刻プロセスを提供することである。本発明の他の
目的は下にある基体及びレジスト材料に対する酸
化シリコン、窒化シリコン、オキシ窒化シリコン
などの選択的食刻が正確に制御できるプロセスを
提供することである。

本発明に従うと、基体の食刻率と比較して酸化
シリコン、窒化シリコン、オキシ窒化シリコンの
相対的食刻率が大幅に高められるため、下にある
基体或は薄い拡散された領域の食刻停止が自然的
に達成されることがわかつている。

本発明は基体と、その基体上の酸化シリコン、
窒化シリコン、オキシ窒化シリコン表面とを含む
所の物体を反応性イオン食刻する方法に向けられ
る。そのプロセスは食刻されるべき物体を陰極上
に載置し、陰極及び食刻されるべき物体を容器中
に封入することを含む。食刻剤気体がその容器中
へ導入される。

食刻剤気体はCF₃を供給しうる気体フルオロカ
ーボンと、水素を供給しうる第２の気体（水素、
アンモニヤ及び或は気体飽和脂肪族炭化水素）と
の混合物である。フルオロカーボンは表面の食刻
を与えるのに十分な量だけ気体混合物中に存在す
る。第２の気体はレジストが使用されたとき基体
及び或はそのレジストの食刻率よりも大きい割合
で酸化シリコン及び或は窒化シリコンの選択的食
刻を与えるのに十分な量だけ存在する。

反応性気体を解離し且つ化学的に反応性の食刻
剤気体イオンを陰極へ向けて加速するために、
AC電位が陰極へ印加される。

第１図は本発明の方法を実施するのに適した装
置の概略図である。第１図には底板２と、その底
板２を密封するガラス或は金属などのベルジヤー
３とを含む真空封体１が図示されている。本発明
の実施例に使用された１つの真空封体の体積は約
15リツトルであつた。真空封体１の中には陽極板
４及び陰極板１４がある。陰極板１４は陰極６と
電気的及び機械的に連結されている。陽極板４は
陰極板１４と対向して配置されている。封体全体
を陽極として働らかせた例もある。

陰極は平坦な高周波電極６、支柱８、上記電極
６を底板２に対して実質的に並行に保持するよう
に支柱８と底板２との間に挿間された絶縁スペー
サ７を含む高周波電極であるのが望ましい。そこ
には電極６を遮蔽するためのシールド９が含まれ
る。更に、通常銅製である陰極６には、必要なら
陰極板１４を冷却するための流体管１０を配設し
てもよい。冷却は処理中にレジスト材料の質が低
下するのを防ぐために望ましいことである。それ
に加えてAC、望ましくは高周波の電源１１が電
極支柱８と大地の間に接続される。

陽極板４はシールド９へ電気的及び機械的に連
結され且つ接地されている。陽極板４は陰極から
約2.5cm離してその上方に配置されるのが望まし
く、穿孔されている。比較的低電力密度が通常使
用されるとは云つても、アルミニウム、ステンレ
ス鋼、或は銅などの金属を用いるとき陰極板材料
１４は若干スパツタする傾向が依然として存在す
る。これが生じたとき陽極の配置はそのようなス
パツタされた金属を捕獲し、それが食刻されつつ
ある表面上に拡散して戻るのを妨げる。

第１図は陰極板（即ち食刻台）１４上に載置さ
れた複数個の物体１３の食刻を図示する。第３図
は基体２６、表面２５、マスク２７を有する物体
１３を詳しく図解している。

真空封体４はそれに囲まれた空間を空にするた
めの排気パイプ１５を有し、そのパイプはポンプ
（図示せず）に連結されている。それによつて封
体は物体が本発明のプロセスを受けるに先立つて
排気される。封体は更に導管１７及び１８に分岐
する導管１６を有する。導管１７及び１８には
夫々可変漏出弁１９及び２０と、流量計２１及び
２２が配設されている。漏出弁と流量計の各組合
わせは流体制御器などの同じ機能を果す装置と置
換可能であること勿論である。導管１８は一方の
気体のための気体貯蔵容器２３へ連結され、導管
１７は他方の気体のための気体貯蔵容器２４へ連
結されている。

本発明のプロセスで処理される物体は基体と、
SiO及びSiO₂などの酸化シリコン及び或は窒化シ
リコン及び或はオキシ窒化シリコンである基体表
面とより成る。基体はそのプロセスの条件下で揮
発性の弗化物を形成しないような材料を含む、反
応性イオン食刻に使用される任意周知の適当な基
体でよい。このプロセスがパターン付けされた物
体の製造に使用されるときは、マスク、例えばフ
オト・レジスト或は電子ビーム・レジスタ材料の
マスクが上述の表面上に付着される。

その上更に、本発明は達成された選択性に起因
して、基体として通常使用される材料のほかにチ
タン、タンタル、モリブデン及びタングステンな
ど揮発性弗化物を形成するような材料を使用可能
にした。又食刻されるべき表面とレジスト材料と
の間に達成された選択性に起因して、本発明は基
体の形式如何に拘らずにレジストが存在するプロ
セスに於て取りわけ有効である。

本発明に従つて使用される食刻剤気体混合物は
CF₃イオンを供給しうるCF₄、CHF₃或はC₂F₆な
どの気体フルオロカーボンを含む。望ましい気体
フルオロカーボンはCF₄である。

気体混合物の第２の成分は如何なる他の反応性
試料をも導入することなくプラズマに対して水素
を供給しうる気体である。それに適した気体の例
は水素、NH₄と、メタン、エタン、プロパン及び
ブタンなどの気体飽和脂肪族炭化水素とを含む。

フルオロカーボンが水素をも含んでいる場合で
あつても、水素はフルオロカーボンとは別個独立
の成分として供給されなければならない。追加の
水素が別個の成分として添加されることなく
CHF₃のような炭化水素弗化物を使用すことは本
発明の目的からすると適当でないことに注意され
たい。何故ならそれでは本発明の条件下では必要
な食刻率が達成されないからである。

気体フルオロカーボは表面を食刻するのに十分
な量だけ気体混合物中に存在し、通常その量は約
30乃至90％であつて望ましく気体の合計流量の約
30乃至75％である。

水素を供給する気体は、基体及び或はレジスト
（若しも存在するならば）の食刻率よりも大きい
割合で酸化シリコン及び或は窒化シリコン及び或
はオキシ窒化シリコンの選択的食刻を与えるのに
十分な量だけ存在する。一般に、第２の気体の流
量率は約70乃至10％の量だけH₂を与えるのに十
分であり、望ましくは気体の合計流量率の約70乃
至25％である。従つて第２の気体が水素以外のも
のであるとき、使用されるべき流量率を決定する
ため第２の気体の分子中のH₂の相対量に基づい
て数学的に算出されなければならない。

反応性イオン食刻に於て、反応試料は主として
陽性のCF₃イオン及び弗素のようなハロゲン基で
あることが理論づけられる。フルオロカーボン・
プラズマに対する水素の添加は化合物HFを形成
させることにより、例えば弗素基を清掃する作用
で酸化シリコン及び或は窒化シリコン及び或はオ
キシ窒化シリコンの選択的食刻を結果として生じ
させる。従つてCF₃のようなフルオロカーボン・
イオン（それは酸化シリコン及び窒化シリコンを
食刻するが基体のシリコン或は他の材料は食刻し
ない）が優勢な食刻材料として残留する。従つて
高い食刻率比が得られる。

約35ミリトルの圧力及び30cc／分の流量率の下
でCF₄の量に対して約40％のH₂を使用すると、約
35対１の「二酸化シリコン」対「シリコン」の食
刻率比が得られた。「二酸化シリコン」対「ポリ
メチル・メタクリレート及びShipletAZ1350Bの
ようなレジスト材料」の相対的食刻率は約10対１
であつた。二酸化シリコンの絶対的食刻率は約
440Å／分であつた。それに加えて、同じ条件下
での「Si₃N₄」対「シリコン及び或る種のフオト
レジスト」の食刻率比は夫々100及び20対１であ
つた。

本発明に従う反応性イオン食刻に於ける気体の
使用は、米国特許第3940506号で提案されたよう
にプラズマ食刻に於て気体フルオロカーボンと共
に混合した水素を使用することは全く相異する。
例えばプラズマ食刻では、重合が起きる（第２
欄、第48行乃至52行参照）ので、部分圧力により
40％を越える水素の量を採用することが出来な
い。その上更にそのようなプロセスによつて達成
可能な「二酸化シリコン」対「シリコン」の食刻
率の最大比は５対１であるとして示されている。
他方、本発明に従うと、著しく高い相対的食刻率
が達成される。上述のようにプラズマ食刻に於て
はイオンが大地或はプラズマ電位にある基体へ向
けて加速されないので、プラズマ食刻は本発明の
反応性イオン食刻とは全く相異する。他方、反応
性イオン食刻に於て経験される加速は化学的相互
反応を著しく高める。

気体の量は相互に混合されるのに先立つて個々
の気体の相対的流量率により調整されるのが望ま
しい。これは、均一且つ再現可能なプロセスを提
供するため、及び本発明に従つて多量の水素を用
いるとき生じるかも知れない重合の防止を保証す
るため、流量率の調整に必要な精度を与える。部
分的圧力による如き、気体の相対量を測定する他
の手段はそのような測定に際して及び給送線の変
動に際して若干の誤差があるので、本発明のプロ
セスにとつて望ましい正確さを与えない。気体は
適当なポンプ手段の使用により真空室から排出さ
れる。試験の段階では、回転メカニカル・ポンプ
でバツクアツプされて液体窒素冷却油拡散ポンプ
が使用された。

本発明のプロセスは一般に約５乃至200ミリト
ル望ましくは少くとも20乃至100ミリトルの圧力
の真空下で実施される。約100ミリトルよりも高
い圧力は一般に、より高い水素濃度に於て重合を
もたらす。約100ミリトル或はそれより低い圧力
は高い食刻率比を与えるので望ましい。高周波電
源を動作させるために都合のよい電力密度は0.05
乃至１ワツト、望ましくは0.1乃至0.5ワツト（陰
極面積cm²当り）である。

気体の合計流量率は概して少くとも約10cc／分
である。最大流量率は主としてポンプ装置の能力
によつて決定される。望ましい最小流量率は約
20cc／分である。望ましい最大流量率は約
1000c／分である。

基体の実際の食刻率は通常約５乃至100Å／分
であつて、酸化シリコン及び或は窒化シリコン層
の食刻率は約250乃至1000Å／分である。「酸化シ
リコン及び窒化シリコン」対「基体」の食刻率の
比を少くとも約５対１にするのが望ましい。

「酸化シリコン」対「レジスト材料」の食刻率
の比は少くとも10対１であり、「窒化シリコン」
対「レジスト」については少くとも20対１であ
る。

望ましい陰極板材料はアルミニウムのような金
属である。何故ならばその金属はレジストの温度
が高くなりすぎて液化するのを防止するのに役立
つからである。金属陰極はヒートシンクとして働
らき、従つて高速食刻が実施可能である。その上
更に、若しも必要ならば前述のように陰極を外部
手段によつて冷却することも出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のプロセスを実施するめに使用
しうる装置の略断面図、第２図はH₂の百分率を
変化したときの種々の材料の食刻率の変化を示す
グラフ、第３図は本発明のプロセスで処理される
物体の拡大断面図である。 １……ベルジヤー、４……陽極板、１１……
AC（高周波）電源、１４……陰極板、１６……
導管、２３……第１の気体貯蔵容器、２４……第
２の気体貯蔵容器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基体と、酸化シリコン、窒化シリコン、オキ
   シ窒化シリコン、及びその混合物より成る群から
   選択された材料が上記基体表面に被着されて成る
   表面層とを含む物体を陰極上に載置し、上記物体
   が載置された陰極を陽極と共に密封容器中に封入
   し、上記容器内に食刻気体を導入して上記物体を
   食刻する食刻方法に於て、 上記食刻気体としてCF₃を供給する第１の気体
   フルオロカーボンと、水素、NH₄、気体飽和脂肪
   族炭化水素及びそれらの混合物より成る群から選
   択され上記第１の気体とは別個に水素を供給する
   第２の気体とを使用し、 上記第１及び第２の気体を夫々個別的な流量制
   御の下で上記容器内へ導入し、 上記第２の気体の導入量を第１及び第２の気体
   に合計量の70％乃至10％とし、 上記容器内に於て上記第１及び第２の気体の混
   合気体を解離し且つそれによつて生じた化学的反
   応性イオンを上記陰極に向けて加速するため、上
   記陰極及び陽極間に高周波電界を印加することを
   特徴とする食刻方法。 ２ 上記基体はシリコンである所の特許請求の範
   囲第１項記載の食刻方法。 ３ 上記基体は揮発性弗化物を形成しうる金属で
   ある所の特許請求の範囲第１項記載の食刻方法。 ４ 上記基体はチタン、タンタル、モリブデン、
   及びタングステンより成る群から選択された金属
   である所の特許請求の範囲第１項記載の食刻方
   法。 ５ 上記気体フルオロカーボンはCF₄、C₂F₆より
   成る群から選択された気体である所の特許請求の
   範囲第１項記載の食刻方法。 ６ 上記気体飽和脂肪族炭化水素はメタン、エタ
   ン、プロパン、プタンより成る群から選択された
   ものである所の特許請求の範囲第１項記載の食刻
   方法。