JPH0458176B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、半導体集積回路などの電子デバイス
の製造にあたり試料基板上の各種薄膜をエツチン
グ除去する方法に関するもので、とくに反応性ガ
スプラズマ中のイオンを利用して制御性よく高品
質に微細パタンを形成する反応性イオンエツチン
グ方法に関するものである。

従来技術 半導体集積回路などの電子デバイスの製造のた
めの高速化、高集積化にともない、高精度、高品
質に微細パタンを形成できるエツチング方法が望
まれている。特に、MOSデバイス等のゲート金
属パタン形成では、それ自体を高精度にパタン加
工するとともに、薄い下地ゲート酸化膜、レジス
ト膜を選択性高くエツチングし、下地半導体への
損傷を極力小さくする必要がある。

従来、例えばゲート金属として広く用いられて
いるポリシリコンに対してはCF₄ガスプラズマエ
ツチング法が広く用いられている。この場合ガス
圧は10〜100Paと高ガス圧であり、エツチング反
応の殆んどは方向性がなく、反応性の高い弗素ラ
ジカルとの反応によつている。したがつて酸化膜
との選択性を高くしてエツチングできるが、等方
的なエツチング反応となるためアンダカツトが生
じ、パタンの微細化には限界があつた。

これに対して１〜10Paのガス圧範囲で、イオ
ン衝撃反応を併用してエツチングする反応性スパ
ツタエツチング法がある。この方法では、平行平
板形電極による高周波放電によつて試料表面上に
形成されるプラズマシース内のセルフバイアス電
界でイオンエネルギを付与し、イオンの衝撃効果
でエツチング反応を生じさせるため、アンダカツ
トのないパタン形が可能である。しかし、ガス圧
が比較的に高いため、反応性ラジカルのエツチン
グ作用を抑制してアンダカツトを生じないように
するために、CCl₂F₂，CBrF₃などのハロゲン化
炭素をガスとして用いる必要があり、また、200
〜1000eVのイオンエネルギを必要としている。
したがつてこのエツチング方法は高精度にパタン
加工できるが、充分大きい選択特性は実現困難で
あり、また、下地半導体に損傷を与えることがあ
るため、ゲート金属のエツチング法としては、そ
の適用が制限されていた。また、塩素ガス等の炭
素を含まないハロゲンガスを用いた場合には、ガ
ス圧が高いためアンダカツトを生じたり、またイ
オンエネルギが高すぎてレジストや下地に対して
充分な選択性が得られず、薄い酸化膜上の高精度
な金属エツチングには使用できない。

このように、従来の反応性ドライエツチング法
では、アンダカツトのない高精度なエツチング
と、下地やレジストに対する充分な選択性を得る
ことを両立させることは難しく、このため、下地
へのイオン衝撃損傷を防止して、選択性高く、微
細にパタン加工する必要のあるMOSデバイス等
のゲート金属膜エツチングに充分に適用できない
という欠点があつた。

発明の目的 本発明は以上の状況に鑑みてなされたもので、
その目的は、アンダカツトなく、選択性高く、高
品質に、微細パタンを形成しうる反応性イオンエ
ツチング方法を提供することにある。

発明の構成および作用 本発明においては、電子サイクロトロン共鳴放
電を利用して低ガス圧でプラズマを生成し、発散
磁界によりプラズマ流としてイオンを効率良く引
き出すことにより、50eV以下のエネルギと方向
性を反応性イオンに付与し、方向性のない中性ラ
ジカル濃度を低くし、さらにガスとして中性ラジ
カルでは比較的反応性が小さく、かつ50eV以下
の低エネルギで金属に対して反応性が促進される
ガス、たとえば、弗素以外のハロゲンガスを主成
分として用いる。

以下に図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

第１図は本発明方法の検討に用いた装置の例で
あつて、１はプラズマ生成室、２は試料室、３は
マイクロ波導入窓、４は矩形導波管、５はプラズ
マ流、６はプラズマ引出し窓、７は試料基板、８
は試料載置台、９は試料台、１０は排気系、１１
は磁気コイル、１２は磁気シールド、１３は第１
ガス導入系、１４は第２ガス導入系、１５は冷却
水の給水口、排水口である。

プラズマを生成する時、排気系１０により高真
空にプラズマ生成室１と試料室２を排気し、第１
ガス導入系１３と第２ガス導入系１４の一方、ま
たは両方よりガスを導入し、10^-3〜1Paの圧力と
し、マイクロ波源（図示省略）よりマイクロ波を
矩形導波管４、マイクロ波導入窓３を介してプラ
ズマ生成室１に導入し、同時にプラズマ生成室１
に周設した磁気コイル１１により、プラズマ生成
室の少なくとも一部に電子サイクロトロン共鳴条
件を満たす磁界を与える。マイクロ波源には例え
ば周波数2.45GHzのマグネトロンを用いることが
でき、この時の電子サイクロトロン共鳴条件は磁
束密度875Gである。プラズマ生成室１はマイク
ロ波の電界強度を高め、放電の効率を高めるため
に、マイクロ波空洞共振器の条件に構成するのが
好適で、本実施例ではTE₁₁₃の円形空洞共振器モ
ードを採用し、内のり寸法で直径17cm、高さ20cm
の円筒形状とした。プラズマ引出し窓６は直径５
cmの円形窓とし、マイクロ波に対する反射面とし
た。

磁気コイル１１により発生する磁界は、プラズ
マ生成室１の内部の電子サイクロトロン共鳴領域
から、料試室２に設置された試料台９の方向に適
当な勾配で減少する発散磁界の構成としている。
マイクロ波電子サイクロトロン（ECR）共鳴に
より生成されたプラズマでは、電子が高エネルギ
状態で円運動しているため、電子の持つ磁気モー
メントと発散磁界の磁界勾配との相互作用で、磁
界強度の減少する方向、つまりプラズマ生成室１
から試料台９の方向にプラズマ中の電子が加速さ
れ、この結果プラズマ流５が形成される。本構成
ではプラズマ生成室１と電気的に絶縁した状態で
試料台９の上に試料載置台８を配置している。こ
のような構成では、電子の入射によつて試料載置
台８は負に帯電し、その結果イオンの入射数と電
子の入射数とが一致するような条件で平衡状態に
なる。すなわち、プラズマ流５の内部には電子を
減速させ、イオンを加速するような電界が生じ
る。この際プラズマ流中のイオンは、従来法のよ
うにイオンが熱拡散でプラズマ流中を移動する場
合と異なり、本発明ではプラズマ流中の電界によ
つて輪送されるので、効率的に試料のシース表面
に到達することになる。さらに、試料載置台８の
表面には電子の熱運動に起因した電界が生じ、プ
ラズマシースが形成される。これらの結果、プラ
ズマ中のイオンは、プラズマ流中の電界と、プラ
ズマシース中の電界の和に等しい運動エネルギお
よび方向性を付与されて試料載置台８、試料基板
７に入射する。

プラズマ流５の内部に電界を効率よく発生させ
るため、第１図の構成ではプラズマ生成室１を接
地電位、試料載置台８を浮遊電位としたが、これ
とは逆に、プラズマ生成室１を浮遊電位、試料載
置台８を接地電位としても効果は変わらない。ま
た、必要な場合には試料台９に試料冷却機能を持
たせることができる。さらに、試料基板への汚染
対策としてプラズマ生成室内部を石英等で覆うこ
とができる。

第２図は本発明の実施例におけるプラズマ電位
分布の測定結果である。本実施例では、10^-5Pa
の高真空までプラズマ生成室、試料室を排気し、
その後Arをプラズマ生成室に導入して5x10^-2Pa
（●）、または1.5x10^-Pa（▲）の圧力として、プ
ラズマ生成室にマイクロ波（2.45GHz，100W）
を導入し、磁気コイルによりECR条件の磁界を
プラズマ生成室に与えてプラズマを生成した。プ
ラズマ電位はエミツシブプローブ法より測定し
た。試料台はプラズマ引出し窓から16.5cmの位置
に配置した。プラズマ電位はプラズマ引出し窓か
らの距離にしたがつて徐々に減少し、試料台の位
置Ａで急激に減少している。プラズマ流中のプラ
ズマ電位が徐々に減少する傾向は、同じく図に示
した磁界の分布Ｘの傾向と良く一致している。こ
れは発散磁界による高エネルギ回転運動電子の加
速効果によつて、プラズマ流中のイオンにエネル
ギが付与されることを示している。また、この傾
向はガス圧にも依存し、高ガス圧程、磁界の分布
に対する依存度は小さくなつている。これは、電
子がプラズマ流中でガス分子などと衝突し、磁界
による加速効果が弱くなるためと考えられる。さ
らに、プラズマ電位が試料台の近傍で急激に減少
しているが、この部分は電子の熱的な運動に起因
して形成されるプラズマシースと呼ばれる部分で
ある。このように、プラズマ引出し窓から引き出
されたイオンは、プラズマ流中の電界によつて効
率的に試料近傍まで輪送されると共に発散磁界の
効果とプラズマシースによつてエツチングに適当
なエネルギと方向性を付与された状態で試料に入
射する。

イオンエネルギは、第２図にも示したように磁
界分布構成、ガス圧に依存するが、さらにマイク
ロ波電力、試料台とプラズマ引出し窓との距離に
も依存し、これらを種々変化させることによつ
て、自由にイオンエネルギを制御することができ
る。本発明においては、イオンエネルギを10^-3〜
1Paの範囲のガス圧およびマイクロ波電力によつ
て制御する。

第２図の電位分布測定に用いたガスはArであ
るが、反応性ガスを用いても同様の電位分布を示
し反応性ガスを用いて実用的に50eV以下のイオ
ンエネルギ制御が可能である。このイオンエネル
ギ領域は、従来の方法では制御不能の領域であつ
てCl₂等のガスに対してイオン衝撃による化学反
応を誘起するのに充分であつて、かつ、エツチン
グ反応領域以外へのイオン衝撃損傷を考慮する必
要のないものである。なお、50eVよりのイオン
エネルギが大きくなるにつれSiO₂、レジストに
対してもエツチング反応が促進され、選択性が低
下する。本方法におけるイオンエネルギ領域で
は、Cl₂などのハロゲンガスに対してSiO₂、レジ
ストのエツチング速度を増加させずに、Si等金属
のエツチング反応を充分に促進させる効果を有し
ている。また、試料基板上でのイオン電流密度は
３〜5mA／cm²であり、高エツチング速度が期待
できる。

第３図は本発明の他の実施例であつて単結晶シ
リコン（100面）のエツチング特性を示すもので
ある。ガスは塩素ガス（Cl₂）を第１ガス導入系
１３より導入し、その流量でガス圧を変化させ
た。マイクロ波電力は300Wとした。単結晶シリ
コンのエツチング速度は、ガス圧5x10^-2Pa以下
で1000Å／min以上と大きな値となつている。ま
た、これは、ガス圧に大きく依存し、ガス圧が高
くなるにしたがつてエツチング速度は減少する。
さらに、この傾向は、同じく第３図に示したイオ
ン引出し電圧のガス圧依存の傾向と良く一致して
いる。イオン引出し電圧は第２図に示したプラズ
マ電位が徐々に減少する部分、すなわちプラズマ
流中に発生している発散磁界に基づくイオン加速
電圧を表している。試料基板に入射するイオンの
エネルギはこのイオン引出し電圧とプラズマシー
ス電位の和である。プラズマシース電位は約
10eVであり、ガス圧依存性は小さかつた。これ
らの結果は、単結晶シリコンのエツチングのため
には、20〜50eVのイオンエネルギが有効であり、
またこのイオンエネルギを制御性良く付与するこ
とが重要なことを示している。本実施例では、エ
ネルギの低い塩素ラジカルは低濃度かつ反応性が
小さいため、アンダカツトは全く起こらず、サブ
ミクロンパタンに対して極めて高精度な加工が実
現できた。

第４図は本発明の他の実施例であつて多結晶Si
膜の選択エツチング特性を示すものである。本実
施例では第１ガス導入系１３より塩素ガス（Cl₂）
を導入し、その流量でガス圧を変化させた。マイ
クロ波電力は300Wとした。エツチング速度は多
結晶Si膜（〇）の他に、レジスト膜として
AZ1350J（●）、下地膜としてSiO₂膜（▲）につ
いても示した。多結晶Si膜、SiO₂膜のエツチン
グ速度はガス圧に依存し、この傾向は第３図のイ
オンエネルギのガス圧依存性と良く一致してい
る。多結晶Siエツチング速度はガス圧0.05Paの時
850Å／minと非常に大きく、また選択性は、
SiO₂に対して20、レジストに対して10であつた。
また、ガス圧0.2Paの時多結晶Siの選択性はSiO₂
に対して100、レジストに対して５であつた。さ
らに、いづれの条件においても200％オーバエツ
チングを行つても、アンダカツトは観察されず垂
直なサブミクロンパタンが形成できた。第４図に
は図示していないが、ガス圧が高くなるとエツチ
ング速度がこの割合で低下していくので1Pa以上
では多結晶Siのエツチングができなくなる。

第５図は本発明の他の実施例であつて酸素ガス
（O₂）によるレジスト膜（AZ1350J）のエツチン
グ特性を示すものである。ガスは第１ガス導入系
１３より導入した。レジスト膜のエツチング速度
は、マイクロ波電力の増加にともなつて直線的に
増加する。とくに、ガス圧8x10^-2Paでは、マイ
クロ波電力200W以上において1000Å／min以上
のエツチング速度が得られており、非常に効率の
良い処理が可能なことを示している。さらに、
SiO₂マスクを設けてエツチングした結果、ラジ
カル反応に起因するアンダカツトは殆んど観察さ
れず、高精度なパタン形成が実現できた。これら
は、低ガス圧領域でプラズマを生成し、かつプラ
ズマ流としてイオンを選択的に効率良く試料基板
上に入射させる本発明の特徴を良く示している。
このため本発明は、単に単一層のレジスト膜のエ
ツチングのみならず多層レジストパタン形成にも
有効なことは明らかである。

以上の実施例の他、SiO₂上のM₀膜の選択エツ
チングについても検討した。この場合は第１ガス
導入系１３より塩ガスを導入して0.25Paの圧力と
して、マイクロ波電力を300Wとした。この時M₀
のエツチング速度は160Å／minであり、選択性
はSiO₂に対して40であつた。また、さらに第２
ガス導入系１４より酸素ガスを導入し、全圧力
0.25Pa、酸素ガス混合率12.5％の条件では、M₀
のエツチング速度280Å／minであり、選択性は
SiO₂に対して60、AZ1350Jレジストに対して３
と高い値が得られた。この場合も多結晶Siの場合
と同様に、アンダカツトは200％オーバエツチン
グを行つても観察されなかつた。

以上の実施例では、シリコンに対しては塩素ガ
スを用いた場合について説明したが、参考のた
め、CF₄ガス等弗素を主成分としたハロゲン系ガ
スを用いた場合のシリコンのエツチングについて
も検討した。この場合、酸化膜に対して選択性高
くエツチングが可能であるが、ガス圧が10^-1Pa
台の高ガス圧領域ではアンダカツトを生じやすく
なり高精度なパタン加工にはあまり向いていな
い。これは、弗素ラジカルは低エネルギにおいて
も反応性が充分高いために、高ガス圧領域ではイ
オン衝撃による反応に比べて方向性のないラジカ
ルによる反応が顕著になるためである。したがつ
て本発明方法による反応性イオンエツチング方法
では、ラジカルのエツチング反応性が低く、かつ
イオンエネルギに対してエツチング反応性が敏感
なガスを用いることがより好ましい。このため具
体的には実施例の塩素、酸素の他に、臭素
（Br₂）、ヨウ素（I₂）などのハロゲンガスや、塩
素、臭素、ヨウ素などから構成される化合物ハロ
ゲン系ガスを主成分として用いるのが好適であ
る。

これらのガスの選択によつてTa、Ｗ等の金属
をはじめM₀Si₂等の金属化合物膜のエツチングに
も適用できる。さらに同一装置内でイオンエネル
ギを高い状態で、表面の自然酸化膜を初めに除去
した後に、連続して本発明の方法による反応性イ
オンエツチング法を適用すれば、Al，Al−Si等
に対しても高品質にパタン加工できる。

なお、選択性をある程度犠性にしてエツチング
速度を向上させる場合のように、50eV以上のイ
オンエネルギが必要なときは、試料台を電極とし
て用い、高周波電力を印加してセルフバイアス電
圧を発生させ、このセルフバイアス電圧によつて
シース電位をくしてイオンエネルギを増加、制御
することもできる。

発明の効果 以上説明したように、本発明ではマイクロ波に
よる電子サイクロトロン共鳴放電によりイオン化
率の高いプラズマを低ガス圧で生成し、発散磁界
の効果によりプラズマ流として試料基板上に導
き、エツチングに適当なイオンエネルギで、かつ
大イオン電流が得られるようにし、さらに、この
エネルギ領域で反応性を促進される反応性ガスを
用いてエツチングするようにしたので、アンダカ
ツトなしに選択性を極めて高く、高精度な加工が
可能になつた。このため、下地基板への損傷なし
に制御性、生産性高く、高品質に微細なパタンを
形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の検討に用いた装置の例、
第２図は本発明方法の実施例としてプラズマ電位
分布を示す図、第３図は本発明方法の実施例とし
て単結晶シリコンエツチング特性を示す図、第４
図は本発明方法の実施例として多結晶Siの選択エ
ツチング特性を示す図、第５図は本発明方法の実
施例としてレジストのエツチング特性を示す図で
ある。 １はプラズマ生成室、２は試料室、３はマイク
ロ波導入窓、４は矩形導波管、５はプラズマ流、
６はプラズマ引出し窓、７は試料基板、８は試料
載置台、９は試料台、１０は排気系、１１は磁気
コイル、１２は磁気シールド、１３は第１ガス導
入系、１４は第２ガス導入系、１５は冷却水の給
水口、排水口である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ プラズマ生成室においてマイクロ波による電
   子サイクロトロン共鳴放電によりプラズマを生成
   し、該プラズマ中の電子の持つ磁気モーメントと
   前記プラズマ生成室から試料に向かつて適当な勾
   配で減少する発散磁界とを相互作用せしめること
   により、該試料に向かうプラズマ流の内部に電子
   を減速し、イオンを加速する電界を付与し、かつ
   前記プラズマ流から前記試料に入射するイオンの
   エネルギーを、10^-3〜1Paの範囲のガス圧および
   マイクロ波電力によつて50eV以下に制御し、か
   つ反応性ガスの主成分が塩素ガスもしくは酸素ま
   たはそれらの混合ガスであつて、シリコン、金
   属、それらの化合物、またはレジストをシリコン
   酸化物に対して選択的にかつ方向性を付与してエ
   ツチングすることを特徴とする反応性イオンエツ
   チング方法。