JPH0762262B2

JPH0762262B2 - 気相エッチング方法

Info

Publication number: JPH0762262B2
Application number: JP1282546A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1985-10-14
Filing date: 1989-10-30
Publication date: 1995-07-05
Anticipated expiration: 2010-07-05
Also published as: JPH02225681A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、異方性エッチングを行う気相エッチング方法
に関するものである。

〔従来の技術〕

気相エッチング反応によるエッチング（気相化学的除去
方法）技術として、プラズマエッチング法（グロー放電
エッチング法）が知られている。

プラズマエッチング法は、高周波または直流電界によっ
てエッチング用反応性気体を活性化もしくは分解する。
このプラズマエッチング法は、パターン転写精度が高い
異方性エッチングとして、超LSIの製造プロセスに採用
されている。

しかしながら、最近の超LSIの微細化技術の進歩の度合
いに対し、プラズマエッチング法のパターン転写精度の
向上（異方性の促進）の度合いは遅れている。このた
め、パターン転写精度が高い異方性エッチング技術が求
められている。

また、異方性エッチング技術として、電子サイクロトロ
ン共鳴を用いたエッチング法が知られている。サイクロ
トロン共鳴は、たとえば共鳴原子としてアルゴンが使用
され、2.45〔GHz〕の周波数および875〔ガウス〕の強磁
場の条件下において発生できる。

サイクロトロン共鳴を用いたエッチング法は、被エッチ
ング基板または基板上の被エッチング膜（被膜）の表面
全体のエッチングが行なえる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前記サイクロトロン共鳴を用いたエッチ
ング法は、サイクロトロン共鳴によって反応性気体が表
面全体に平行に移動するので、微細な幅もしくは微細な
径を有しかつ深さを有する、選択的な異方性エッチング
が行なえない。

具体的に、サイクロトロン共鳴を用いたエッチング法
は、次世代の製造プロセスに要求される、サブミクロン
（１〔μｍ〕以下、たとえば0.2〔μｍ〕）の幅もしく
は径を有し、かつ２〔μｍ〕乃至４〔μｍ〕の深さを有
する穴状の加工を行なうことができない。

また、サイクロトロン共鳴を用いたエッチング法は、サ
イクロトロン共鳴によって活性化もしくは分解された励
起気体を被エッチング基板または被エッチング膜の全体
表面に広げるために、サイクロトロン共鳴を発生させる
サイクロトロン共鳴空間、および強磁場を発生させる磁
場発生用空心コイルを大きくする必要があり、エッチン
グ装置全体が大型になる。

本発明は、以上のような課題を解決するためのもので、
異方性エッチングの異方性を促進でき、しかも装置を小
型化できる気相エッチング方法を提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成するために、本発明の気相エッチング方
法は、異方性エッチングを行なう基板が配置された反応
空間（１）と、前記基板の表面に対して、垂直方向が長
くなるように反応室（１）から突出していると共に、基
板の表面積と比較して、明らかに狭い断面積を有するサ
イクロトロン共鳴空間（２）とを備え、前記反応室
（１）においてサイクロトロン共鳴と電界とによって得
られるエネルギーを同時に用いることにより、異方性エ
ッチングを行なうものであって、反応空間（１）に設け
られた基板または基板表面上の被エッチング部材（10）
に高周波または直流エネルギーのバイアスを印加する工
程と、前記反応空間（１）に対して、垂直方向に反応空
間（１）から突出されたサイクロトロン共鳴空間（２）
内でサイクロトロン共鳴を用いて、ハロゲン元素または
その化合物を含有したエッチング用反応性気体（22）を
基板または基板表面上の被エッチング部材（10）に対し
て垂直方向から供給する工程と、からなり前記基板また
は基板表面上の被エッチング部材（10）にサブミクロン
の幅または径を有する異方性エッチングを行なうことを
特徴とする。

また、上記エッチング用反応性気体（22）は、弗化炭素
（CHnF_4-n、０≦ｎ＜４）、塩化炭素（CHnCl_4-n、０≦
ｎ＜４）、弗化珪素（SiF₄、si₂F₆等）、または弗化窒
素（NF₃、N₂F₄）が用いられることを特徴とする。

〔作用〕

本発明は、前述した工程に基づき、以下の作用が得られ
る。

まず、反応空間に設けられた基板または基板表面上の被
エッチング部材に対して高周波または直流エネルギーの
バイアスが印加される。

一方、サイクロトロン共鳴空間は、前記基板の表面に対
して、垂直方向が長くなるように反応室から突出してい
ると共に、基板の表面積と比較して、明らかに狭い断面
積を有している。

そして、サイクロトロン共鳴空間内において、供給され
た不活性気体および／または非生成物気体は、サイクロ
トロン共鳴空間の周囲を巻回した空心コイルの磁場とマ
イクロ波エネルギーとによってサイクロトロン共鳴状態
を形成して、上記気体の粒子が互いに衝突しながら、増
幅的にさらに高いエネルギーを持つようになる。また、
サイクロトロン共鳴空間が狭い程、不活性気体および／
または非生成物気体の粒子は、衝突回数を増加し、高い
エネルギーを得ることができる。

その後、これらの活性化されて高いエネルギーを持った
不活性気体および／または非生成物気体は、狭いサイク
ロトロン共鳴空間から明らかに広い反応空間に移動し、
生成物気体と混合し反応性気体となり、反応室内に均一
に拡散される。

その結果、ハロゲン元素またはその化合物を含有したエ
ッチング用反応性気体は、反応空間に導入されると共
に、基板または基板表面上の被エッチング部材の表面に
対して垂直方向に、全域にわたって、場所的なバラツキ
もなく供給される。

そして、本発明の気相エッチング方法は、基板または基
板表面上の被エッチング部材にサブミクロンの幅または
径を有する異方性エッチングを行なうことができる。

また、本発明は、グロー放電用電源として直流電源に変
えて高周波電源であっても同様に、高周波グロー放電に
よってエッチング用反応性気体の励起状態が持続され、
しかも同時にセルフバイアス状態となるので、異方性エ
ッチングが行なえる。

本発明は、前記エッチング用反応性気体として、たとえ
ば、CF₄、CF₄H₂、CFH₃、CF₃H、CCl₄、弗化窒素(NF₃、N₂
F₆)、弗化水素（HF）、弗素(F₂)、塩化水素（HCl）もし
くは塩素(Cl₂)のいずれか、またはいずれかにキャリア
ガスもしくは酸素を混合した気体を使用する。

本発明は、前記サイクロトロン共鳴によって活性化、分
解または反応が促進されたエッチング用反応性気体が一
対の電極間に印加される電界によって加速され、かつ方
向性を与えられるので、異方性エッチングの異方性がよ
り促進できる。

本発明は、被エッチング基板または基板上の被エッチン
グ部材の表面に対して電界が印加される方向を垂直に設
定する。

結果として、本発明は、サブミクロンレベルの幅もしく
は径を有し、かつ数〔μｍ〕の深さを有する穴状の加工
が実現できる。

本発明は、前記非生成物気体（分解または反応をしても
それ自体は気体しか生じない気体）として、不活性気体
として代表的なアルゴンを使用する。また、本発明は、
非生成物気体として、ヘリューム、ネオン、クリプトン
のいずれかを使用してもよい。

本発明は、前述のように、反応空間内においてグロー放
電によるエッチング用反応性気体の活性化、分解もしく
は反応で異方性エッチングを行ない、前記エッチング用
反応性気体の活性化、分解もしくは反応の促進にサイク
ロトロン共鳴を併用するので、このサイクロトロン共鳴
を発生させる共鳴空間、磁場発生用空心コイルのいずれ
も小型化でき、気相エッチング装置全体を小型化でき
る。

また、本発明は、前述の異方性エッチングに際し、被エ
ッチング基板もしくは基板上の被エッチング部材を室温
から300〔℃〕の温度範囲において加熱することによ
り、異方性をさらに促進できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例について説明する。

第１図は、本発明の一実施例であるサイクロトロン共鳴
型プラズマエッチング装置の概要を示す構成図である。

第１図において、反応空間（１）は、ステンレス製の反
応容器（１′）および蓋（１″）で構成される。前記反
応容器（１′）の上部には、基板ホルダ（10′）が設け
られる。基板ホルダ（10′）は、被エッチング基板また
は表面に被エッチング部材（たとえば、被エッチング
膜）を有する基板（10）が装着される。被エッチング基
板または基板（10）の装着は、反応容器（１′）の上部
側に開閉可能に設けられた蓋（１″）を上方向に開けて
行なわれる。

前記蓋（１″）の内側には、ハロゲンランプヒータ
（７）が設けられる。このハロゲンランプヒータ（７）
は、反応空間（１）との間に配設された石英窓（19）を
通して被エッチング基板（10）の裏面に赤外線を照射
し、この被エッチング基板（10）を加熱できる。

本実施例において、反応容器（１′）は、ハロゲンラン
プヒータ（７）によって、常温から300〔℃〕の温度範
囲内で被エッチング基板（10）を加熱できる。

反応空間（１）内において、基板ホルダ（10′）に装着
された被エッチング基板（10）の被エッチング表面と対
向する裏面、または基板（10）の被エッチング部材が形
成されない裏面に位置する部分には、一方の網状電極
（20′）が配設される。また、反応容器（１′）の反応
空間（１）内の下部において、前記一方の網状電極（2
0′）に対向しかつ離間する位置には、他の一方の網状
電極（20）が配設される。

前記網状電極（20′）、（20）のそれぞれは、高周波電
源または直流電源（６）に接続される。そして、網状電
極（20′）、（20）のそれぞれの間には、13.56〔MHz〕
の高周波または直流の電界が印加される。

本実施例は、基板ホルダ（10′）に装着された被エッチ
ング基板（10）の被エッチング表面または基板（10）の
被エッチング部材の表面が印加される電界の方向に対し
て垂直に設定される。

前記反応容器（１′）の反応空間（１）は、ガス供給系
（16）を通してドーピング系（13′）に連結される。ド
ーピング系（13′）は、反応空間（１）内にエッチング
用反応性気体を供給する。

このエッチング用反応性気体は、反応空間（１）内に配
設された複数のリング状ノズル（17）を通して、この反
応空間（１）内に均一に放出される。前記エッチング用
反応性気体としては、CF₄、CF₂H₂、CFH₃、CF₃H、CCl₄、
弗化窒素(NF₃、N₂F₆)、弗化水素（HF）、弗素(F₂)、塩
化水素（HCl）もしくは塩素(Cl₂)のいずれか、またはい
ずれかにキャリアガスもしくは酸素を混合した気体を使
用する。

また、前記反応容器（１′）の反応空間（１）は、反応
容器（１′）の下部つまり他の一方の網状電極（20）側
において、しかも網状電極（20′）、（20）のそれぞれ
の間に印加される電界の方向に一致する方向（延長線
上）において、サイクロトロン共鳴空間（２）の一端が
連結される。このサイクロトロン共鳴空間（２）は、石
英管（共鳴容器:29）で構成される。

そして、石英管からなる共鳴容器（29）は、反応容器
（１′）の下側表面からほぼ垂直方向の下側に細長く突
出した形状で構成される。

前記サイクロトロン共鳴空間（２）は、ガス供給系（1
8）を通してドーピング系（13）が連結される。このド
ーピング系（13）は、サイクロトロン共鳴空間（２）に
非生成物気体を供給する。非生成物気体としては、アル
ゴン、ヘリューム、ネオン、クリプトンのいずれかを使
用する。なお、本実施例は、非生成物気体としてアルゴ
ンを使用する。

前記共鳴容器（29）の外周囲には、サイクロトロン共鳴
空間（２）の一端側から他端側に沿って磁場発生用空心
コイル（５）および（５′）が配設される。

この磁場発生用空心コイル（５）および（５′）は、サ
イクロトロン共鳴空間（２）内に供給される非生成物気
体に磁場を加える。

前記サイクロトロン共鳴空間（２）の他端は、アナライ
ザー（４）を通してマイクロ波発振器（３）に連結され
る。

このマイクロ波発振器（３）は、たとえば2.45〔GHz〕
のマイクロ波をサイクロトロン共鳴空間（２）内に発振
し、サイクロトロン共鳴空間（２）内に供給された非生
成物気体にサイクロトロン共鳴を発生させる。

前記反応容器（１′）における反応空間（１）は、コン
トロールバルブ（14）、（15）およびターボポンプを併
用した真空ポンプ（９）で構成される真空排気系（11）
に連結される。この真空排気系（11）は、反応空間
（１）およびそれに連結されたサイクロトロン共鳴空間
（２）の圧力を常圧状態から減圧された状態の範囲、つ
まり１〔torr〕ないし10^-4〔torr〕、たとえば0.03〔to
rr〕ないし0.001〔torr〕の範囲に調整できる。

反応空間（１）およびそれに連結されたサイクロトロン
共鳴空間（２）の圧力を減圧された状態に保持すると、
反応空間（１）内にエッチング用反応性気体を充分に広
げることができ、かつサイクロトロン共鳴空間（２）内
でサイクロトロン共鳴が容易に発生できる。

このように構成されるサイクロトロン共鳴型プラズマエ
ッチング装置は、まず、非生成物気体としてのアルゴン
ガスをサイクロトロン共鳴空間（２）内に供給し、この
アルゴンガスに磁場発生用空心コイル（５）および
（５′）からアルゴンの質量および周波数により決めら
れた磁場（たとえば875〔ガウス〕）、マイクロ波発振
器（３）からマイクロ波のそれぞれを与える。

前記アルゴンガスが励起され、かつ磁場でピンチングさ
れると同時に、サイクロトロン共鳴空間（２）内におい
てサイクロトロン共鳴が発生する。

充分に励起された後、この電子化されかつ励起されたア
ルゴンガスは、反応空間（１）に放出される。このアル
ゴンガスが放出されるサイクロトロン共鳴空間（２）の
出口において、ドーピング系（13′）からガス供給系
（16）、複数のリング状ノズル（17）のそれぞれを通し
て供給されたエッチング用反応性気体（22）と混合され
る。この混合によって、エッチング用反応性気体（22）
は、非生成物気体（21）の励起エネルギーが与えられ、
エッチング用反応性気体（22）の活性化、分解または反
応が促進される。

さらに、反応空間（１）内において活性化、分解または
反応が促進されたエッチング用反応性気体（22）は、一
対の網状電極（20）と（20′）との間に印加された電界
によって加速されかつ方向性が与えられる。

このプラズマグロー放電にサイクロトロン共鳴が併用さ
れた結果、反応空間（１）内において活性化、分解また
は反応が促進されたエッチング用反応性気体（22）は、
印加された電界の方向と一致する方向に飛翔し、被エッ
チング基板（10）の表面もしくは基板（10）の被エッチ
ング部材の表面を選択的に異方性エッチングする。しか
も、この異方性エッチングの異方性は促進される。

また、サイクロトロン共鳴型プラズマエッチング装置
は、反応空間（１）内に供給されたエッチング用反応性
気体（22）を活性化、分解または反応する程度に、非生
成物気体（21）にサイクロトロン共鳴を発生すれば足り
るので、サイクロトロン共鳴空間（２）、磁場発生用空
心コイル（５）および（５′）を小型化でき、装置全体
を小型化できる。

〈実験例〉この実験例は、前述の実施例のサイクロトロン共鳴型プ
ラズマエッチング装置を使用し、シリコン半導体基板を
NF₃でエッチングした、一実験例である。サイクロトロ
ン共鳴型プラズマエッチング装置は、反応空間（１）内
の圧力を0.003〔torr〕に設定し、反応空間（１）内に
エッチング用反応性気体（22）としてNF₃をドーピング
系（13′）から20〔cc/分〕で供給し、自己バイアスが
印加された13.56〔MHz〕の高周波電界を印加する。

一方、サイクロトロン共鳴空間（２）内には、非生成物
気体（21）としてアルゴンガスがドーピング系（13）か
ら50〔cc/分〕で供給される。また、マイクロ波は、2.4
5〔GHz〕の周波数を有し、かつ30〔Ｗ〕ないし500
〔Ｗ〕の範囲の出力、たとえば200〔Ｗ〕の出力に調整
される。

さらに、磁場発生用空心コイル（５）、（５′）の共鳴
強度は、875〔ガウス〕に設定される。

被エッチング基板（10）は、シリコン半導体基板、具体
的には非単結晶半導体基板、たとえばアモルファスシリ
コン（非晶質）半導体基板を使用する。被エッチング基
板（10）の被エッチング面となる表面上には、エッチン
グマスクとしてのフォトレジスト膜が選択的にコーティ
ングされる。

前述の条件下において、実際にエッチングを開始し、ア
モルファスシリコン半導体基板を選択的に除去し、反応
空間（１）内から真空排気系（11）により不要気体を放
出した。

この結果、エッチング速度は、15〔Å／秒〕が得られ
た。このエッチング速度は、プラズマエッチングのみで
得られる５〔Å／秒〕に比べて３倍の速さである。

また、アモルファスシリコン半導体基板の表面上に0.3
〔μｍ〕の幅でフォトレジスト膜にパターンを切ってお
くと、0.3〔μｍ〕幅、４〔μｍ〕深さの穴状の加工が
実現できた。つまり、確実に異方性エッチングの異方性
が促進できた。

なお、前記サイクロトロン共鳴型プラズマエッチング装
置は、異方性エッチングの終了後に反応空間（１）内の
エッチング用反応性気体（22）を除去し、この反応空間
（１）内に酸素を導入し、被エッチング基板（10）の表
面上のフォトレジスト膜をアッシング処理で除去する、
連続処理方式を採用してもよい。

以上説明したように、本発明の一実施例によれば、気相
エッチング装置において、異方性エッチングの異方性を
促進でき、しかも装置を小型化できる。

なお、以上、本発明の一実施例を詳述したが、本発明
は、前記実施例に限定されるものではない。そして、特
許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することがなけ
れば、種々の設計変更を行うことが可能である。

たとえば、本発明は、光電変換素子、発光素子、MISFET
（電界効果型半導体素子）、SL素子（スーパーラティス
素子）、HEMT素子を有する半導体装置、もしくは超LSI
の製造プロセスで採用するエッチング技術に適用でき
る。

同様に、本発明は、半導体レーザ装置もしくは光集積回
路装置の製造プロセスで採用するエッチング技術に適用
できる。

また、本発明は、前述のサイクロトロン共鳴を用いたエ
ッチング技術において、同時に光エネルギーを加える光
エッチング技術を併用してもよい。この場合、本発明
は、特に、光源として低圧水銀灯ではなく、エキシマレ
ーザ（波長100〔nm〕乃至400〔nm〕）、アルゴンレー
ザ、窒素レーザ等のいずれかを使用することにより、共
鳴波長を自由にもしくは適宜選択できる。

また、本発明は、被エッチング基板として、単結晶シリ
コン半導体基板（膜）、多結晶シリコン半導体基板
（膜）、ガラス基板、ステンレス基板のいずれかを使用
してもよい。同様に、本発明は、被エッチング基板とし
て、III−Ｖ族化合物半導体基板たとえばGaAs基板、GaA
lAs基板、InP基板、GaN基板、もしくはアルミニューム
や珪化物金属を使用してもよい。

また、本発明は、被エッチング基板として、単結晶半導
体基板のみではなく、非単結晶半導体基板、たとえばSi
Ge_1-X（０＜Ｘ＜１）、SiO_2-X（０＜Ｘ＜２）、SixC_1-X
（０＜Ｘ＜１）、Si₃N_4-X（０＜Ｘ＜４）等、Siを含む
アモルファス半導体基板を使用してもよい。

また、本発明は、前記第１図において、被エッチング基
板を下側もしくは垂直に装着する構造とし、サイクロト
ロン共鳴および電界を上方向から下方向にもしくは横方
向に放出する構造としてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、サイクロトロン
共鳴空間を基板の表面に対して、垂直方向が長くなるよ
うに反応室から突出していると共に、基板の表面積と比
較して、明らかに狭い断面積を有するようにしたので、
サイクロトロン共鳴空間内において、供給された不活性
気体および／または非生成物気体は、サイクロトロン共
鳴空間の周囲を巻回した空心コイルの磁場とマイクロ波
エネルギーとによってサイクロトロン共鳴状態を形成し
て、上記気体の粒子が互いに衝突しながら、増幅的にさ
らに高いエネルギーを持つようになる。その結果、サイ
クロトロン共鳴空間が狭い程、不活性気体および／また
は非生成物気体の粒子は、衝突回数を増加し、高いエネ
ルギーを得ることができると共に、狭いサイクロトロン
共鳴空間から明らかに広い反応空間に移動し、生成物気
体と混合し反応性気体となり、反応室内に均一に拡散さ
れる。

また、基板または基板表面上の被エッチング部材には、
高周波または直流エネルギーのバイアスが印加され、広
い面積にわたって均一な異方性エッチングを高精度に行
なうことができる。

また、本発明によれば、反応空間内に配設された基板ま
たは基板表面上の被エッチング部材に対して、垂直方向
に反応空間から突出された基板と比較して明らかに狭い
サイクロトロン共鳴空間を設けたので、気相エッチング
装置を小型化することができると共に、磁場発生用空心
コイルも小型にできた。

さらに、本発明によれば、広い面積の基板または基板表
面上の被エッチング部材に対して、垂直方向からハロゲ
ン元素またはその化合物を含有したエッチング用反応性
気体が均等に供給されて異方性エッチングを行なうた
め、サブミクロンの幅、および径、あるいは深さの加工
が容易にできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例であるサイクロトロン共鳴
型プラズマエッチング装置の概要を示す構成図である。１……反応空間１′……反応容器２……サイクロトロン共鳴空間３……マイクロ波発振器４……アナライザー５、５′……磁場発生用空心コイル６……高周波電源または直流電源７、７′……ハロゲンランプヒータ９……真空ポンプ 10……被エッチング部材または基板 11……真空排気系 13、13′……ドーピング系 17……ノズル 20、20′……網状電極 21……不活性気体および／または非生成物気体 22……エッチング用反応性気体 29……共鳴容器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】異方性エッチングを行なう基板が配置され
た反応空間と、前記基板の表面に対して、垂直方向が長
くなるように反応室から突出していると共に、基板の表
面積と比較して、明らかに狭い断面積を有するサイクロ
トロン共鳴空間とを備え、前記反応室においてサイクロ
トロン共鳴と電界とによって得られるエネルギーを同時
に用いることにより、異方性エッチングを行なう気相エ
ッチング方法であって、反応空間に設けられた基板または基板表面上の被エッチ
ング部材に高周波または直流エネルギーのバイアスを印
加する工程と、前記反応空間に対して、垂直方向に反応空間から突出さ
れたサイクロトロン共鳴空間内でサイクロトロン共鳴を
用いることにより、ハロゲン元素またはその化合物を含
有したエッチング用反応性気体を基板または基板表面上
の被エッチング部材に対して垂直方向から供給する工程
と、からなり前記基板または基板上の被エッチング部材にサ
ブミクロンの幅または径を有する異方性エッチングを行
なうことを特徴とする気相エッチング方法。
【請求項２】エッチング用反応性気体は、弗化炭素（CH
nF_4-n、０≦ｎ＜４）、塩化炭素（CHnCl_4-n、０≦ｎ＜
４）、弗化珪素（SiF₄、si₂F₆等）、または弗化窒素（N
F₃、N₂F₄）が用いられることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の気相エッチング方法。