JPH03163825A - エッチング方法およびエッチング装置 - 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】 （産業上の利用分封） 本発明はシリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、ガリ
ウムヒ素、Ｗ合金、ＡＩ合金、Ｃｕ合金、Ｆｅ一Ｓｉ−
ＡＩ合金、ＮｉＦｅ合金、ダイヤモンド、有機化合物等
への微細パターン形威のためのエッチング方法およびこ
れに用いるエッチング装置に関する。

（従来の技術） 従来、原子あるいはイオン、分子を用いて試料をエッチ
ングする方法としては、代表的なものとしてはイオンビ
ームエッチングが実用化されている。それは、たとえば
Ｌ．　Ｄａｖｉｄ　Ｂｏｌｌｉｎｇｅｒ：　Ｓｏｌｉｄ
Ｓｔａｔｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９８３年、１月
号９９ページに開示されているような装置を用いエッチ
ングするもので、その概要は第３図に示す如きものであ
る。ここでは第３図を参照して、アルゴンイオンビーム
を用いて試利をエッチングする方法を説明する。ずなわ
ら、イオンソース１３中で、カソード１４から飛び出し
た電子１５は、マグネッｌ・１６によるサイクロトロン
運動中にボンベから供給されるアルゴンガス１ｌと衝突
し、アルゴンイオン１２を生成する。前記アルゴンイオ
ンビーム１２は、加連電極８によってイオンソース１３
外のエッチングチャンパー４へ加連され、フィラメント
６から放出された電子１８と共に基盤９上の試判１０へ
照躬される。ここで前記試料１０に衝突したアルゴンイ
オン１２は、試；Ｉ’−４４０表面にスパッタリングを
起こし、試料１０をエッチングする。

（発明が解決しようとする課題） 近年、上述した従来のイオンビームエッチングでは、基
盤に高エネルギーのイオンが照射されるため、Ｈ．　Ｒ
．　Ｄｅｐｐｅ他：　Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎｉｃｓ　，第２０巻、１９７７年５１ページ
に開示されているように、資料表面結晶性の照射損傷が
問題となってきている。本発明者の研究でも、直径２イ
ンチの単結晶石英基板に加速電圧１ｋＶ、イオン電流密
度約ＩＡ／ｃｍ２で照射されたアルゴンイオンビームに
よって、エッチングを５００ＯＡ行った後、表面の電子
線回折を行ったところ、エッチング面の深さ方向に最大
１００Ａ厚の格子欠陥密度の高い損傷領域が認められた
。

そこで損傷が小さくするために、イオンビームエッチン
グ時の加速電圧を低く保ち、イオンが高エネルギーを有
しないようにして試料に照削することが考えられるが、
大きなイオン電流がとれず充分なエッチング速度が得ら
れないという課題がある。この現象を回避するためには
、前記説明中のイオンソースを多数個具備し、多数のイ
オンビームを同時に試料に照射することの可能な装置を
開発する必要があるが、このようなことは現実的ではな
い。

ところで成膜の分野では、金属クラスターイオンビーム
を用いた成膜が行われている。これは、クラスタービー
ムを基板に照０；１シ、基板上にクラスター構成物質の
薄膜を形成する技術である。クラスターとは、原子また
はイオンが多数個集合したものである。従って、クラス
ターをある加速電圧で加速する場合、原子一個当たりの
保有運動エネルギーは単独の原子を加速した場合よりも
小さいものになる。そのためクラスターイオンビームを
戒膜に用いた場合、単独のイオンを加速して戊膜する場
合と比較して、欠陥の少ない良質の膜を形或することが
可能である。なお、これらクラスターイオンビームを用
いた威膜方法については、高木俊宜：応用物理、第５５
巻、第８号、１９８６年、７４６ページに開示されてい
るが、現在のところクラスターイオンビームの応用は、
威膜の分野に限られているのが実情である。

本発明の目的は、クラスターを用いることによりビーム
照射による試料表面の損傷を小さくＬつつエッチングを
進める方法およびこれに用いる装置を提供することにあ
る。

（課題を解決するための手段） 本発明は、クラスターを試料表面へ供給し、該クラスタ
ーの試料表面原子に幻する物理的およびまたは化学的作
用によりエッチングを行うエッチング方法を提供する。

クラスター横成原子とには、塩素、塩化水素、フッ素、
酸素、ＣＣｌ４、ＳＦ６、ＣＦ４、ＣＨＦ３、ＣＩＦ３
、ｃｏ２、ＣＯ，　Ｈ２０．　ＮＨ３等の反応性の高い
化学種のうち、少なくとも一種構成される。前記のエッ
チング方法を実現するために、クラスター生或部分と、
該クラスター生戊部分で生成されたクラスターを導入す
る真空排気機構を含むエッチングチャンバー部分と、前
記クラスターをイオン化する部分と、試料を前記イオン
化クラスタービーム中で保持する基盤と、Ｗｉ＋記イオ
ン化クラスターを基盤に向けて電界により加速する加速
電極と、前記イオン化クラスターを平行ビーム化するコ
リメーター部分とを具備するエッチング装置を提供する
。さらに、クラスター試料表面に供給しつつ、反応性の
高いガスを試料表面に供給することによりエッチングを
行うエッチング方法を提供する。そのエッチング方法を
実現するために、クラスタ一生或部分と、該クラスター
生成部分で生或されたクラスターを導入する真空排気機
構を含むエッチングチャンバ一部分と、前記クラスター
をイオン化する部分と、試オ」を前記イオン化クラスタ
ービーム中で保持する基盤と、前記イオン化クラスター
を基板に向けて電界により加速する加速電極と、前記イ
オン化クラスターを平行ビーム化するコリメーター部分
と、前記試判と反応性を有するガスを充填した部分と、
該反応性ガスをエッチングヂャンバー中の基盤上の試料
表面に必要量導入する部分とを具備するエッチング装置
を提供する。

（作用） クラスターは、前述のように一原子当たりの保有運動エ
ネルギーは、従来のイオンビームエツチングにおけるイ
オンの保有エネルギーに比べて小さい。例えばアルゴン
イオンを１ｋＶで加速した場合、保有している運動エネ
ルギーは、１原子（イオン）当たり１０００ｅＶ程度で
ある。ところがクラスターは、例えば１００個の原子か
ら構威されて、全体として一価にイオン化されている場
合、１ｋＶの加速電圧で加速したとしても、１原子当た
りの保有運動エネルギーはその１／１００の１０ｅＶ程
度で、イオンエッチング装置の場合の１０００ｅＶの、
１／１００程度の低エネルギーである。ここでエッチン
グの初期過程を考えると、試刺一最表面原子を本来の格
子位置から変位させることが必要であるが、それに必要
なエネルギーは原子間結合エネルギーの数ｅＶ程度であ
り、クラスターの構威原子においては低エネルギーとは
いえ個々の原子の保有しているエネルギー量は前記例か
ら考えると約１０ｅＶである。従って、クラスターの衝
突により試料最表面原子を試料から脱離させることが可
能となり、エッチングを進行させることができる。そし
て、このような低エネルギーを有したクラスターイオン
ビームを試料に照躬した場合には、高エネルギーのイオ
ンビームを照則した場合に比べて試料内部への侵入が起
こりにくく、その結果試料表面の結晶性が損傷を受けに
くいという特徴がある。本発明者の検利によると、シリ
コンをエビタキシャル或長させた基板にたいして、アル
ゴンクラスタービームによるエッチングを行った後、直
ちにＲＨＥＥＤ（反１；１高速電子線回折）でエッチン
グ面の結晶性のｉｎ−ｓｉｔｕ評価したところ、エッチ
ング前と殆ど遜色のない高い結晶性を有していた。一方
、従来技術であるアルゴンイオンビームでエッチングし
た場合はＲＨＥＥＤパターンがハロー状になり、結晶性
が低下したことを示していた。このように、クラスター
ビームを用いたエッチング方法を用いれば、試料表面の
結晶性を糺持したままエッチングが可能なので、エッチ
ング後にアニール等を行って結晶性を回復する工程が必
要なく、実際に製品を製造する場合において工程数を減
少し、経費、時間を節減することができる。エッチング
の回数が多いときは、その分だけ大幅な工程数の減少が
期待できるわけである。

また低損傷性に加え、被エッチング試料と反応性の高い
物質で構威されるクラスターを用いる場合には、クラス
ターから生或した反応性の高いラジカルと前記スパッタ
リングされた原子あるいは分子との化学反応によるアシ
スト効果をエッチングに付与できるため、従来のイオン
ビームエッチング装置と同じ程度の大きさのエッチング
レートを有するエッチング方法及び装置を提供でき、ま
た不活性な物質で構威されるクラスターを用いる場合に
は、エッチング後の試料面に腐食性物質の残存しない、
不純物の少ないエッチング面を実現可能なエッチング方
法及び装置を提供できる。さらにクラスグーの照射と同
時に、試料表面上に反応性の高いガスを供給する場合に
は、クラスターの衝突により不安定化した試料表面原子
と、反応性ガスとの間の化学反応が容易に進行し、従来
のイオンビームエッチング装置と遜色のない、充分（１
１） 大きなエッチングレー１・を待ったエッチング方法及び
装置を提供できる。

（実施例） 次に本発明の実施例を図面を参照して説明する。ここで
はまず実施例１として、ＳＦ６クラスターを用いてシリ
コンをエッチングする場合を示す。

第１図は、クラスターを用いてエッチングを行う装置の
概略図である。ＳＦ６クラスターの生威は以下のように
行う。クラスタ一生ＪＲ川原別ガスボンベ１から原子Ｓ
Ｆ６ガス１７を必要量だけ真空排気機構を有するソース
チャンバー２中に送り、そこからクラスター生戊用ノズ
ル３を通して、真空排気機構を有するエツチングチャン
バー４中に超音速で噴出させる。その結果、ＳＦ５が多
数個集合已た中性クラスター５が生或される。その際、
ソースチャンバー２内の圧力が約５ｔｏｒｒになるよう
にＳＦ６ガス１７の流量を調節する。また、クラスター
生或用ノズル３の径は０．５ｍｍ、クラスター生成時の
エッチングチャンバー４内の圧力は２Ｘ１０−’ｔｏｒ
ｒである。

（１２） 次に得られた前記中性クラスター５は、フィラメント６
から放出される電子の衝撃によってイオン化する。イオ
ン化クラスター７は、加速電極８と基盤９の間の電位差
によって加速され、コリメータ１９によって平行ビーム
にされ、前記基盤９に装着されたシリコン試料１０と衝
突する。加速電圧としては、この場合約１ｋＶである。

クラスタ一〇イオン化は、安定なクラスターの個数を選
択的に増加させる効果があるため、エッチングレー１・
の安定化に寄与する。

クラスターの衝突によって、前記シリコン試料１０にお
いてスパッタリングと表面原子の不安定化が起こり、同
時に衝突により分解したクラスターから各種のラジカル
が生威し、前記シリコン試料１０のスパッタリング物質
及び表面不安定原子と反応し、反応生成物が試料表面か
らガスとして揮発し、エッチングが進行する。シリコン
試料１０としては２インチのウエハーを用いた。この時
の基盤９の温度は約５０°Ｃである。エッチングレート
は、当然のことながらＳＦ６ガス圧、加速電圧等のエツ
チング条件に大きく左右されるが、代表的なエッチング
レートは、本実施例において２１ＯＡ／ｍｉｎであった
。従来の方法であるアルゴンイオンビームエッチングで
は、同じ加速電圧下で代表的なエッチングレー１・は約
２５ＯＡ／ｍｉｎである。さらに、従来のアルゴンイオ
ンビームエッチングを行ったシリコン試料１０の表面付
近の、高分解能透過電子顕微鏡践察によれば、エッチン
グ後の試料表面付近に多数の転移、ボイド等の欠陥が記
められたのに列し、本実施例におけるシリコン試利の場
合は、ほとんど欠陥が硯察されず、エッチング表面の結
晶格子の乱れが、本発明のクラスターを用いたエッチン
グ方法を用いた場合の方が格段に少ないことがわかった
。さらに同シリコン試料の走査型電子顕微鏡、走査型ト
ンネル顕微鏡による践察においても、従来のアルゴンイ
オンビームエッチングの場合には、全エッチング量の３
％程度の凹凸がエッチング面に賎察されたが、本実施例
においては、その凹凸が全エッチング量の１％程度であ
った。このことは、従来の方法とほぼ同程度のエッチン
グレートが基板表面の損傷をより小さくして得られたこ
とを示している。

（実施例２） 次にクラスター構威物貿を不活性な化学種であるキセノ
ンとしてシリコンをエッチングした場合の実施例を実施
例２として示す。装置の概略は実施例１とほぼ同様で、
第１図のＳＦ６ガス１７をキセノンガス１７と読み変え
ればよい。エッチング条件は、加速電圧を１．５ｋＶと
した以外はガス圧、クラスター生或用ノズル３の径等の
設定は実施例１と同一である。その結果シリコン試料１
０のエッチングレートとして、ＩＯＯＡ／ｍｉｎが得ら
れ、エッチング面の凹凸は、実施例１と同じ装置による
測定によると全エッチング量の２％であった。また本実
施例のシリコン試料１０の、エッチング後の表面のＸＰ
ＳｉＪｌ察によって塩素、フッ素等の腐食性不純物のピ
ークが餞察されなかった。これらのことは、非常に不純
物の少ないシリコン表面が低損傷で得られたことを示し
ている。

（１５） なお上述の実施例１及び実施例２においては、ＳＦ６、
キセノンのみを用いた例を示したが、塩素、塩化水素、
フッ素、酸素、ＣＣ１４、ＳＦ６、ＣＦ４、ＣＨＦ３、
ＣｌＦ３、ＣＯ２、ＣＯ，Ｈ２０，ＮＨ３等の反応性の
高い化学種、あるいは、アルゴン、クリプ１・ン、等の
不活性種のうち、少なくとも一種を用いて実施しても構
わない。ただこの場合、被エッチング物質によっては、
エッチングが進行しない場合もあるので、クラスターの
構戊種の選択には充分な吟味を行うのが望ましい。

（実施例３） 次にクラスター照射と同時に反応性の高いガスを試料表
面に供給してエッチングを行う場合の実施例を図面を参
照して説明する。第２図は装置の概略図である。ここで
は、クラスター構威物質としてアルゴンを、反応性ガス
として塩素を用いてシノコンをエッチングする場合を示
す。クラスターの生威方法は実施例１とほぼ同様であり
、ｓＦ６ガス１７をアルゴンガス１７と読み変えればよ
い。また装置は、実施例１のエッチング装置に反応性ガ
ス導入（１６） 管２０と反応性ガス導入機構２１が追加された形態であ
る。クラスターによるエッチング条件は、加速電圧１．
５ｋＶとした以外はガス圧、クラスター生或用ノズル３
の径等の設定は実施例１と同一である。

エッチングは、クラスターの衝突によって前記シリコン
試料１０においてスパッタリングと表面原子の不安定化
が起こり、同士に反応性ガス導入感２０から塩素ガス２
２をシリコン試料１０に供給し、前記シリコン試判１０
のスパッタリング物質及び表面不安定原子と反応し、反
応生威物が基盤表面からガスとして揮発することにより
進行する。この時の基盤９の温度は約６０’Ｃ、反応性
ガス流量は１０ｓｅｃｍである。エッチングレートは、
当然のことながらエッチング条件に大きく左右されるが
、代表的なエッチングレートは本実施例において２０Ｏ
Ａ／ｍｉｎであった。従来の方法であるアルゴンイオン
ビームによるエッチングでは、同じ加速電圧下で代表的
なエッチングレートは約２５０人／ｍｉｎである。さら
に、従来のアルゴンイオンビームエッチングを行ったシ
リコン試料１０の表面刊近の、高分解能透過電子顕微鏡
Ｍ察によれば、エッチング後の試料表面付近に多数の転
移、ボイド等の欠陥が認められたのに列し、本実施例に
おけるシリコン試料の場合は、ほとんど欠陥が賎察され
ず、エッチング表面の結晶格子の乱れが、本発明のエッ
チング方法を用いた場合の方が格段に少ないことがわか
った。さらに同シリコン試判の走査型電子顕微鏡、走査
型トンネル顕微鏡による硯察においても、従来のアルゴ
ンイオンビームによるエッチングの場合には、全エッチ
ング量の３％程度の凹凸がエッチング面に硯察されたが
、本実施例においては、その凹凸が全エッチング利用の
１％程度であった。このことは、従来の方法とほぼ同程
度のエッチングレートが、基板表面の損傷をより小さく
して得られたことを示している。

なお、上述の実施例１から実施例３においては、クラス
ターの生或方法として、ノズルを通した高真空中への噴
出に件う、気体の断熱凝縮による生或方法を用いたが、
他の生或方法として極低温に冷却し作製したガスの固体
表面に、イオンビーム、電子ビーム、レーザー光等で衝
撃を与えクラスターを脱離して生威しても構わない。ま
た同じく反応性の高い化学種で構威されるクラスターの
生或方法として、反応性の高い化学種と不活性種の混合
物を、ノズル通して高真空中に噴出することにより反応
性の高いクラスターを生或する方法を用いても構わない
。もちろん反応性の高い化学種で構成されるクラスター
と不活性種で構威されるクラスターを同時に用いてもエ
ッチング可能である。また、クラスターのイオン化の方
法として、フィラメン１・からの電子衝撃による方法を
示したが、レーザー光等を照射する方法でも構わない。

さらにここではクラスターをイオン化、平衡ビーム化し
て加速する方法を示したが、被エッチング形状に異方性
が要求されないならば、イオン化せずにクラスター生成
の際の運動エネルギーのみを用いてもエッチングは進行
する。

（発明の効果） 以上述べてきたように本発明のエッチング方法では、通
常のイオンビームと比較して構成原子ま（１９） たはイオンのエネルギーが１７１００程度であるような
、クラスターイオンビームの低エネルギー性を用いるた
め、スパッタリングによる試料表面の損傷を小さくしつ
つ、多数個の原子またはイオンからなるクラスターを用
いることにより実質的なイオン電流を充分に確保できる
ため、試料表面でのスパッタリ′ングを充分に起こさせ
ることができるそして、反応性の高い物質で構威される
クラスターを用いる場合には、生威した反応性の高いラ
ジカルと前記スパッタリングされた原子あるいは分子と
の化学反応によるアシス１・効果をエッチングに付）．
でき、従来のイオンビームエッチング装置と同じ程度の
早さのエッチングが実現される。

また、不活性な物質で構成されるクラスターを用いる場
合には、エッチング後の試料面に腐食性物質の残存しな
い、非常にクリーンなエッチング面が実現される。さら
にクラスター照躬と同時に反応性の高いガスを流すこと
により、該反応性ガスと前記スパッタリングされた原子
あるいは分子との化学反応によるアシスト効果をエッチ
ングに付｛２０｝ 与でき、従来のイオンビームエッチング装置と同じ程度
の早さのエッチングが実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のエッチング方法の実施例１及び実施
例２を説明するためのエッチング装置の断面図である。 第２図は、本発明のエッチング方法の実施例３を説明す
るためのエッチング装置の断面図である。第３図は、゛
従来技術を説明するためのイオンビームエッチング装置
の断面図である。図中、１二クラスター原料ガスボンベ
、２：ソースチャンバー、３：ノズル、４：エッチング
チャンバー、５：中性クラスター、６：フィラメント、
７：イオン化クラスター、８：加速電極、９：基盤、１
０：試料、１１：アルゴンガス、１２：アルゴンイオン
、１３：イオンソース、１４：カソード、１５：電子、
１６：マグネット、１７：ＳＦ６ガス、１９：コリメー
夕、２０：反応性ガス導入管、２２：塩素ガスである。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料表面へ化学種を供給し、該化学種の試料表面
   に対する物理的およびまたは化学的作用により試料表面
   原子を試料表面から脱離せしめることにより、試料表面
   を蝕刻するエッチング工程において、前記試料表面に供
   給する化学種をクラスターとして供給することを特徴と
   するエッチング方法。
2. （２）クラスター構成原子あるいは分子として、塩素、
   塩化水素、フッ素、酸素、ＣＣｌ＿４、ＳＦ＿６、ＣＦ
   ＿４、ＣＨＦ＿３、ＣｌＦ＿３、ＣＯ＿２、ＣＯ，Ｈ＿
   ２Ｏ，ＮＨ＿３等の反応性の高い化学種のうち、少なく
   とも一種を用いる請求項（１）記載のエッチング方法。
3. （３）クラスター構成原子あるいは分子として、アルゴ
   ン、クリブトン、キセノン等の不活性種のうち、少なく
   とも一種を用いる請求項（１）記載のエッチング方法。
4. （４）クラスター生成部分と、該クラスター生成部分で
   生成されたクラスターを導入する真空排気機構を含むエ
   ッチングチャンバー部分と、前記クラスターをイオン化
   する部分と、試料を前記イオン化クラスタービーム中で
   保持する基盤と、前記イオン化クラスターを基盤に向け
   て電界により加速する加速電極と、前記イオン化クラス
   ター平行ビーム化するコリメーター部分とを具備するこ
   とを特徴とするエッチング装置。
5. （５）試料表面へ化学種を供給し、該化学種の試料表面
   に対する物理的およびまたは化学的作用により試料表面
   原子を試料表面から脱離せしめることにより、試料表面
   を蝕刻するエッチング工程において、前記試料表面に化
   学種をクラスターとして供給しつつ、反応性の高い化学
   種を試料表面に同時に供給することを特徴とするエッチ
   ング方法。
6. （６）クラスター生成部分と、該クラスター生成部分で
   生成されたクラスターを導入する真空排気機構を含むエ
   ッチングチャンバー部分と、前記クラスターをイオン化
   する部分と、試料を前記イオン化クラスタービーム中で
   保持する基盤と、前記イオン化クラスターを基盤に向け
   て電界により加速する加速電極と、前記イオン化クラス
   ターを平行ビーム化するコリメーター部分と、前記試料
   と反応性を有するガスを充填した部分と、該反応性ガス
   をエッチングチャンバー中の基板上の試料表面に必要導
   入する部分とを具備することを特徴とするエッチング装
   置。