JPH02207524A - 微細加工方法およびその製造装置 - Google Patents

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】 （産業上の利用分野〕 本発明は半導体の微細加工用のドライエツチング法に係
り、特に垂直な異方性の優れた光励起ドライエツチング
を用いた微細加工方法およびその製造装置に関する。

〔従来の技術〕

光励起ドライエツチングは等方的なエツチングであり微
細化に必要な垂直異方性エツチングが困難である。これ
は気相の反応ガスが励起し、等方的な拡散により被エツ
チング膜表面に到達して反応するためと考えられている
。

従来、光励起ドライエツチングにおいて微細加工に必要
な垂直異方性エツチングするため、反応性イオンエツチ
ング法（ＲＩＥ）と併用する方法やＲＩＥのメカニズム
に基づいて側壁保護膜を形成しながら光励起ドライエツ
チングする方法が提案されている。前者の例として特開
昭６２−３０３２４号、後者の例として特開昭６１−７
５５２９号、特開昭６０−１６５７２５号、特開昭６０
−１６５７２５号などが挙げられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、前者はＲＩＥと光励起ドライエツチン
グの二種類の複合設備が必要であり、プロセス制御も繁
雑である。また後者は、ドライエツチングと側壁保護膜
形成用のＣＶＤと二つの個別条件を同時に制御する必要
がありプロセス条件の設定が極めて難しい。

本発明の目的は、光励起ドライエツチングにおいて、一
つの反応システムによりかつ容易な条件制御により微細
パターンの異方性エツチングを達成することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、絶縁物上の半導体、金属、半導体と金属の
化合物の単層又は複合層の光励起ドライエツチングにお
いて、エツチングガスの圧力が比較的高い状態で２倍以
上のオーバーエツチング即ち所定の膜厚をエツチングす
るのに要する時間の２倍以上の時間エツチングすること
により達成される。

この方法においては、光励起ドライエツチングは半導体
等を選択的にエツチングするが、下地の絶縁物は全くエ
ツチングしない。このためオーバーエツチングしても下
地の絶縁物は良好な形状を保つことができる。−力積方
向のエツチング（サイドエツチング、アンダーカット）
は、エツチングの当初は通常の等方的なサイドエツチン
グ形状であるが、下地の絶縁物が露出すると絶縁物に近
い部分のエツチング速度が大きくなり次第に垂直な側面
が得られる。特にエツチングガスの圧力が大きい程、膜
厚方向のエツチング速度が大きくなるためサイドエツチ
ング量（アンダーカット量）は相対的に少ない。このた
め予めマスクサイズをサイドエツチング量を見込んで大
きく作成しておくことによりパターンサイズの適正な異
方性エツチングが達成できる。

〔作用〕

本発明者は、光励起ドライエツチングの機構をエツチン
グ速度の観点から詳細に調べた。その結果、半導体等の
光励起ドライエツチングは次の過程で進行することが判
った。

ｉ）気相のエツチングガスが被エツチング基板（半導体
膜）に吸着する。

ｉｉ）吸着種が励起光を吸収し、半導体膜と反応する。

この結果、等方的なエツチングが進行する。

この時、励起光の照射方法は被エツチング基板に直接照
射させた場合及び、被エツチング基板上の気相を通過さ
せた場合のいずれでもよい。

後者の場合は励起光は気相のエツチングガスによりレイ
リー散乱され被エツチング基板上の吸着種に光照射され
るためである。またエツチングガスの圧力が高い場合は
、気相におけ委吸収が大きくなり、散乱光による廻り込
みは小さくなる。このためマスクの下部への光照射量は
少なくなり、サイドエツチング量を少なくできる。

被エツチング膜をエツチングし、下地の絶縁物が露出し
た場合は、光吸収して励起した吸着種はマイグレーショ
ンし下地に接している部分の半導体の側壁のエツチング
に寄与する。これにより側壁は下部のエツチング量が大
きくなり。

断面形状は次第に垂直に近ずく。

■）反応生成物が脱着する。

上記反応過程によりオーバエツチング量を制御すると異
方性エツチングが達成できる。

〔実施例〕

本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

失凰且よ 第１図は本発明による光励起ドライエツチングの過程を
示す断面模式図である。

第１図（ａ）は被エツチング基板上で、Ｓｉ単結晶基板
２上にＳｉＯ２膜３．多結晶Ｓｉ膜４が積層されたもの
である。Ｓｉ単結晶基板２の品位は製法ＣＺ、導電型Ｐ
型、抵抗率１０Ω・■、結晶方位（１００）面２表面仕
上げ超ミラー、厚み４５０μｍ、直径１００φである。

Ｓ　ｉ　０２膜３は上記Ｓｉ単結晶基板を８５０℃、３
５分間、酸素と水蒸気の混合気流で熱酸化により形成し
、膜厚２４ｎｍである。多結晶Ｓｉ膜４は、ＳｉＨ＋を
原料とした減圧ＣＶＤ法により、温度６４３℃。

圧力０．８ｍｂａｒ、反応時間３７．５分の反応条件で
膜厚５００ｎｍ堆積させた。その後、Ｐ　ＯＣＱ　ａを
用いて９５０℃、１０分のリン拡散と引続き窒素雰囲気
中の３０分の熱処理してｎ型とした。この時多結晶Ｓｉ
膜の抵抗率は１３Ω／口で、リン濃度は厚さ方向にほぼ
均一で約８　Ｘ　１０　”ａｔｏｍｓ／印３である。

第１図（ｂ）は多結晶Ｓｉ４エツチング用マスク５を形
成した状態を示す。マスク５は５ｉＯｚ膜であり、これ
は、Ｓ　ｉ　　（ＯＣ２ＨＩＳ）４と０２を用いた減圧
ＣＶＤ法により７４０℃、　Ｑ、３ｍｂａｒ　。

２０分の反応条件で膜厚１１００ｎ堆積し、９５０℃で
デンシファイ（Ｈｌ、密化熱処理）したものである、こ
のＳｉ○２膜上にホトリソグラフィによりレジストパタ
ーンを形成し、５ｉＯｚ膜をＨＦとＮ　Ｈ４Ｆ　の混合
液（容積比１：６）２５℃、９０ｓエツチングし、その
後ホトレジストを除去したものである。マスクパターン
サイズはライン及びスペースが各々０．８〜２０μｍの
各種を形成した。

なおここで５ｉＯｚ膜のエツチングにウェット法を用い
た理由は、下地の多結晶Ｓｉ膜４のエツチングを防ぐた
めである。

第１図（ｃ）は上記被エツチング基板１を光励起ドライ
エツチングにより、はぼ多結晶Ｓｉ膜４をエツチングし
た状態を示す。エツチングは膜厚方向のみならず、５ｉ
Ｏｚ膜マスク５の下の横方向にも膜厚方向の約半分のエ
ツチングが見られる。

光励起ドライエツチング装置及びプロセスは後で詳しく
説明する。

第１図（ｄ）は光励起ドライエツチングを更に続けて、
（ｃ）の時間の１．５倍エツチングした状態を示す、下
地の５ｉＯｚ膜３は完全に露出し、多結晶Ｓｉ膜４の側
壁、特にアンダーカット部は（ｃ）より傾斜が強くなっ
ている。

第１図（ｅ）は光励起ドライエツチングを更に続けて、
（ｃ）の時間の２倍エツチングした状態を示す、多結晶
Ｓｉ膜４はマスク５に対してはアンダーカットがあるが
、側壁の形状は垂直に異方性エツチングされている。下
地の５ｉＯｚ膜３及びマスクのＳｉ○２膜５はいずれも
全くエツチングされず、オーバーエツチングしたことに
よる凹凸や粗れは生じていない。

この様にして微細加工した半導体基板は、加工前と比べ
て下地の５ｉＯｚ膜３の絶縁耐圧は８Ｘ１０８Ｖ／■で
全く劣化なく、また電圧−容量特性から測定したフラッ
トバンド電圧も変化せずダメージを受けていないことが
確認できた。

第２図は、上記の本発明により光励起ドライエツチング
した多結晶Ｓｉ膜の断面の走査型電子顕微鏡写真を示す
。第２図（ａ）は下地のＳｉＯ２膜が露出する直前で、
多結晶Ｓｉ膜は厚さ方向のエツチング量の約半分のサイ
ドエツチングが見られ、所謂ｆｉｎｉｔｅ　ｕｎｄｅｒ
ｃｕｔが生じている。第２図（ｂ）は２倍のオーバエツ
チングした状態で、下地の５ｉＯｚ膜は平坦であり、多
結晶Ｓｉ膜のサイドエツチング量は厚さ方向の約３／４
でありかつ垂直である。

第３図は、本発明に用いた光励起ドライエツチング装置
の模式図を示す。

装置は、反応室及びロードロック室系１０．励起光源及
び照射光学系叉立、ガス供給系主立、排気系生立より成
る。

反応室１１はステンレス製で、光入射窓１２゜冷却用試
料支持台１３．ガス導入口及び排気口を有し、ゲートバ
ルブ１４を介してロードロック室１５と接続している。

反応室１１の大きさは６′φ被エツチング基板１６の枚
葉処理用である。支持台１３と光入射窓１２の間隔は８
ｍｍであり、これはエツチングガスが励起光を吸収して
被エツチング基板１６表面の照射光が低下するのを防止
するため、装置組立の必要最小限の値である。

光入射窓１２は波長１８５ｎｍ　（低圧水銀ランプの共
鳴線）までの真空紫外線を透過させるため合成石英製で
ある。

試料支持台１３はペルチェ効果を用いた電子冷凍で一６
０℃まで冷却できる。

ロードロック室１５は加熱用試料支持台１６を有し、こ
れはハロゲンランプ１７が内蔵されており最高６００℃
まで１２０秒で加熱でき、被エツチング基板の表面に吸
着しているガスの脱着に用いる。

励起光源系２０は低圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、エ
キシマレーザの３種類の光源を装備している。但し一度
に照射できる光源はいずれか一種類である。ランプハウ
スは光吸収のない窒素雰囲である。

低圧水銀ランプは電力４５０Ｗで被エツチング基板１６
表面における照度は、波長λ＝１８５ｎｍで４　、２　
ｍ　Ｗ　／　ｃｘｒ　”、λ＝２５４ｎｍで６０ｍＷ／
■２である。

高圧水銀ランプは電力２ｋＷで凹面鏡で集光し照度はλ
＝３６５ｎｍ附近で１８０ｍＷ／ｃｍ”λ＝４Ｑ５ｎｍ
附近で８０ｍＷ／ａｍ”　＋　λ＝４３６ｎｍ附近で１
５０ｍＷ／ａｎ”であり、それより長波長の光は被エツ
チング基板の加熱を防ぐためフィルターで除去した。

エキシマレーザ−は、ＡｒＦ（λ＝１９３ｎｍＬＫｒＦ
　（λ＝２４９ｎｍ）、ＸｅＣＱ　（λ＝３０８１ｍ）
等の発光が可能で、最大繰返し周波数１００七、１パル
ス当りの最大エネルギー２００ｍＪ、ビームサイズ６×
２２１ｍ２であり、直交する二枚のミラーにより被エツ
チング基板１６の表面を走査できる。

ガス供給系旦は、エツチングガスとしてＨＣＱ、ＣＱｘ
をマスフローコントローラ３１で流量制御し、バルブ３
２によりパルス状に供給できる。

排気系４０はターボ型粗引ポンプ４１．４２とターボ分
子ポンプ４３．４４より成る。それぞれのポンプの排気
速度は粗引ポンプ４１及び４２は１２００１／ｍｉｎ、
ターボ分子ポンプ４３及び４４は５００　Ｑ　／ｗｉｎ
で、到達圧力は１０−”Ｔｏｒｒである。

光励起ドライエツチングのプロセス手順は次の通りであ
る。

被エツチング基板をロードロック室１５の加熱用試料支
持台１６にセットし、排気系４１，４３により１０−７
Ｔｏｒｒ以下に排気後、ハロゲンランプ１７により２５
０〜３５０℃に加熱し、表面の吸着ガスを脱着させる。

被エツチング基板表面に水分や酸素等の吸着があると、
光励起ドライエツチングのスタートが遅れ、ばらつきの
要因となるためである。

次にゲートバルブ１４を開けて被エツチング基板１６を
反応室１１の冷却用試料支持台１３に搬送し、０〜−１
０℃に冷却する。

反応室１１にエツチングガスとしてＭＣＩＩＩを５０　
ｍ　Ｑ　／ｍｉｎの流量でパルス幅１ｓ、周期２ｓで供
給し、エツチングガスの供給のＯＦＦ時には、バルブ４
５を開けて排気速度２〜３Ｑ／ｍｉｎでゆっくり排気す
る。反応室１１内の圧力は５００〜６００　Ｔｏｒｒか
ら７００Ｔｏｒｒである。

励起光源としては低圧水銀ランプ（λ＝１８５ｎｍ及び
２５４ｎｍ）を用いて連続的に被エツチング基板１６の
表面を照射する。

この条件による多結晶Ｓｉ膜のエツチング速度は１２０
　ｎ　ｍ／ｍｉｎであり、第１図に示したサンプルは約
４分でほぼ多結晶Ｓｉ膜がエツチング除去され、８分で
側壁が垂直な異方性パターニングができる。

光励起ドライエツチング終了後、被エツチング基板１６
はロードロック室に搬送され、そこから取出す。

去１１例４２ 被エツチング膜として、実施例１と同様の多結晶Ｓｉ膜
（膜厚２００ｎｍ）上に、Ｍ　ｏ　Ｓ　ｉ　２をスパッ
タ法により厚さ３００ｎｍ堆積させ、積層膜の光励起ド
ライエツチングを試みた。

光励起ドライエツチングは、エツチングガスとしてＣＱ
ｚ、励起光源としてＸｅＣＱエキシマレーザ（１００Ｈ
ｚ、ｌ０Ｗ）を用いた。ＣＱ　ｚは、Ｍｏ５ｉｚ膜と多
結晶Ｓｉ膜のエツチング速度がほぼ等しいエツチングガ
スであり、ＸｅＣＱエキシマレーザ（λ＝　３０８　ｎ
　ｍ　）は（、Ｑｚの吸収にマツチングした波長である
。

この結果、約３．５分のエツチングで積層膜がほぼエツ
チング除去され、７分のエツチングで垂直な側壁が達成
できた。

災施五ユ ５ｉＯｚ膜上に次の膜を堆積させて、異方性ドライエツ
チングを試みた。

被エツチング膜は、ＷＦｅを原料としたＣＶＤ法（反応
温度４０５℃）によるＷ膜、ＷＦｅとＳ　ｉ　Ｈ４を原
料としたＣＶＤ法によるＷシリサイド（ＷＳｉｚ等）膜
、スパッタ法によるＡＱ膜及びＡＱ−２％Ｓｉ膜である
。

エツチングガスはＨＣＱ、励起光源はＡｒＦエキシマレ
ーザである。

第４図はエツチング時間と側壁傾斜角度の関係を示す。

エツチング時間はジャストエツチング時間で規格化した
。側壁傾斜角度は、パターンの上端と下端を直線で近似
し、図中のθで規格化した。

尚、図中測定点の縦線はパターンサイズ０．８〜２μｍ
のばらつきを示す。その結果、上記４種類の膜はいずれ
も１．８〜２倍以上オーバーエツチングすると側壁複斜
角θを直角にすることができることが判った。

〔発明の効果〕

本発明によれば、光励起ドライエツチングにおける垂直
な異方性エツチングが可能となり、半導体プロセスの微
細加工が、低ダメージ、高選択比で実現できる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の工程を示す断面模式図、第
２図はその走査型電子顕微鏡写真を示す図、第３図は本
発明の光励起ドライエツチング装置の模式図、第４図は
本発明による光励起ドライエツチングの特性図である。 １　・・・被エツチング基板、３・・・５ｉＯｔ膜、４
・・・多結晶Ｓｉ膜、１０　・・・反応室及びロードロ
ック室系、２０・・・励起光源及び照射光学系、３０−
・・ガス供給系、生立・・・排気系。 第１図 第２図 ７、ｔｔｔｎ 第 図 第 図 １．０ ２．０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、絶縁物上の半導体膜、金属膜または半導体と金属の
   化合物膜のドライエッチングにおいて、被エッチング基
   板を反応容器内にセットし、該反応容器内にエッチング
   ガスを供給し、該エッチングガスの吸収帯の波長の励起
   光を被エッチング膜に照射し、被エッチング膜を所定の
   厚みにエッチングするのに要する時間の２倍以上の時間
   エッチングすることを特徴とする微細加工方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、半導体はシリコン
   、半導体と金属の化合物はシリサイド、エッチングガス
   はハロゲン又はハロゲン化物、励起光は紫外光であるこ
   とを特徴とする微細加工方法。 ３、絶縁物上の半導体膜、金属膜または半導体と金属の
   化合物膜をドライエッチングする装置において、反応容
   器及びそれに接続してエッチングガスをパルス状に供給
   する手段と反応ガスを排気する手段、反応前に被エッチ
   ング膜上の吸着物を脱着するための加熱手段と反応中は
   被エッチング基板を冷却する手段、被エッチング基板表
   面にエッチングガスの吸収帯の波長の光を照射する手段
   から成ることを特徴とする微細加工製造装置。