JPS6228574B2

JPS6228574B2 -

Info

Publication number: JPS6228574B2
Application number: JP53008340A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Horiike; Masahiro Shibagaki; Katsuo Sumino
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1978-01-30
Filing date: 1978-01-30
Publication date: 1987-06-22
Also published as: JPS54102872A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、反応性ガスをイオン化して加速し被
エツチング対象物である酸化シリコン層を選択的
にエツチングするイオンエツチング方法に関す
る。

近年集積回路等の製造におけるエツチング工程
では、従来の化学薬品を用いたウエツトエツチン
グに代えて反応性ガスプラズマを用いたドライエ
ツチングが用いられつつある。ガスプラズマを用
いたドライエツチングには、いわゆるプラズマエ
ツチングの他、スパツタエツチング、イオンエツ
チング等の種類がある。

プラズマエツチングには、通常0.1〜1torr程度
の圧力の反応性ガス、例えばフレオン（CF₄）を
円筒管内に導入し、これを放電解離させてガスプ
ラズマを生起させて、そのプラズマ中に被エツチ
ング物を置いてエツチングするものである。この
エツチングはプラズマ中の活性中性原子、例えば
弗素ラジカルと被エツチング物との化学反応によ
るものであると考えられる。

このような方法によれば、従来のウエツトエツ
チングに比べて、エツチング工程の簡略化、パタ
ーン寸法精度の向上、無公害化等の点ですぐれて
いる。

その反面プラズマエツチング法は本来化学反応
によるものなので従来溶液法で生じる被エツチン
グ物のマスク下のアンダーカツトがプラズマ、エ
ツチング法においても避けられない欠点がある。
即ち、プラズマエツチングでは円筒管内に導入さ
れる反応性ガスの圧力が0.1〜1torr程度と高く、
反応種の平均由行程が短く（10〜100μｍ程度）、
それ故第１図に示すような等方性エツチングにな
る。ただし第１図において、被エツチング物１
は、酸化シリコン層２上に多結晶シリコン層３を
設けたものである。多結晶シリコン層３上にはマ
スクとなるフオト・レジストが設けられており、
プラズマエツチングを行なうと多結晶シリコン層
３は等方的にエツチングされ、図に示すようにフ
オト・レジスト４の下部が削り取られてしまう。
このようなアンダーカツトが生じる為、プラズマ
エツチング方法では高々４μｍ程度のパターンし
か作ることができず、集積回路の超微細化には不
向きである。また反応性ガスの種類に依らずシリ
コン層の方が酸化シリコン層より速くエツチング
され、例えば酸化シリコン層の方を速くエツチン
グするような用途には用いることができない難点
がある。一方、スパツタエツチングは、反応室内
に設けられた対向電極に高周波電圧を印加し、
10^-1〜10^-3torr程度の圧力に保たれた被イオン化
ガス、例えばC₂F₆、C₃F₈等に放電を起こさせ、
発生したプラズマ中のイオンを陰極電極として用
いている被エツチング物に加速衝突させエツチン
グするものである。第２図はこの様子を示すもの
で、被エツチング物５はシリコン層６上に酸化シ
リコン層７を設けたものである。この酸化シリコ
ン層７上にはさらにマスクであるフオト・レジス
ト８が設けられており、上記イオンの衝突により
酸化シリコン層７は垂直方向にカツトされる。従
つて、前述したプラズマエツチング方法のような
マスク下のアンダーカツトは生じない。ところ
が、この方法ではプラズマからの輻射熱によつて
被エツチング物５が相当高い温度例えば200℃程
度まで上昇し、その為フオト・レジスト８、例え
ばOFPR、OMR83（東京応化製商品名）等まで
も相当速くエツチングされてしまい、フオト・レ
ジスト８が後退してしまう。結局マスク下のアン
ダーカツトは避けられても、パターンの寸法精度
はプラズマエツチングと大差がないものになつて
しまう。更に、この方法では使用する反応性ガス
がCF₄、CF₂Cl₂等の場合はシリコン層の方が酸化
シリコン層より速くエツチングされ、又C₃F₈、
C₂F₆の場合は酸化シリコン層の方がシリコン層
より速くエツチングされる。例えば被エツチング
物が多結晶シリコン、酸化シリコン及び単結晶シ
リコンの３層で構成されており、多結晶シリコン
層上にマスクであるフオト・レジストを設けて、
多結晶シリコン及び酸化シリコンを順次エツチン
グする場合を考える。この場合、最初CF₄、
CF₂Cl₂等を用い、その後酸化シリコン層が現わ
れてきた後はC₃F₈、C₂F₆等を用いて多結晶シリ
コン層のエツチングを少なくしなければならな
い。このように同一の被エツチング物をエツチン
グするのに被イオン化ガスの種類を変えなければ
ならず、工程が頻雑になる欠点がある。次にイオ
ンエツチングは、10^-4torr以下の圧力の被イオン
化ガス、通常アルゴンを放電室内で放電解離し、
発生したプラズマ中のイオンをグリツドで加速し
放電室とは分離した試料室に置かれた被エツチン
グ物に衝突させてエツチングするものである。こ
のような方によれば、プラズマエツチングと異な
り被エツチング物をイオンの衝突により垂直方向
にカツトすることができる。また被エツチング物
を放電室内には置かないので、スパツタエツチン
グのようにプラズマからの輻射熱を受けることも
少なく、フオト・レジストが昇温して速くエツチ
ングされるようなことがない。従つて、集積回路
の超微細加工が可能となる。

しかしながら、被イオン化ガスとしてアルゴン
を用いた場合、例えば多結晶シリコンに対するエ
ツチング速度と酸化シリコンに対するエツチング
速度の差が小さくエツチング対象物の選択性が少
ない。その為被エツチング物が数層で構成されて
いる場合、それらの内一層もしくは被数層のみを
選択的にエツチングする用途に使用するのは困難
となつてしまう。

本発明はこのような事情に鑑みなされたもの
で、反応性ガス例えばハロゲンを含むガスを用
い、このガスを放電室内で放電解離し、生成した
イオンを900ボルト以下の低い電圧で加速して多
結晶シリコン層と酸化シリコン層の積層構造試料
に当てることにより被エツチング物である酸化シ
リコン層を選択的に加工精度良くエツチングでき
るようにしたイオンエツチング方法を提供するも
のである。

以下本発明を図面を参照しながら具体的に説明
する。先ず本発明方法に使用する装置の一例とし
て、Kaufmann型（電子衝撃型）イオン源装置を
第３図を参照して説明する。図においてイオンエ
ツチング装置の容器１０は、大きく分けて放電室
１１とエツチング室１２で構成されている。放電
室１１には反応性ガスの導入口１３が設けられ、
エツチング室１２には真空排気口１４が設けられ
ている。放電室１１内にはフイラメント陰極１５
が配置されており、陽極である放電室１１壁との
間に交流電源１６から電圧を印加することにより
放電室１１内に放電を生起させるようになつてい
る。放電室１１の開口部１７とエツチング室１２
の開口部１８間には多数の透孔が穿設された３個
の電極２０〜２２が設けられ、さらにそれら電極
２０〜２２相互間に環状の絶縁部材２３〜２５を
介在させて気密を保つ如くに構成されている。こ
のようにして放電室１１とエツチング１２は連通
されている。３個の電極２０〜２２の内、電極２
０は正の高電位に保持されるグリツド、電極２１
は放電室１１から出ようとする電子を逆戻りさせ
るために負の電位に保持させる電子サプレツサ、
また電極２２は零電位を保持されるグリツドであ
る。

一方、エツチング室１２内には、被エツチング
物２７を保持するための保持機構２８が設けられ
ている。保持機構２８はエツチング室１２内壁に
固定されかつ図示しないが内部に冷却水の通路が
設けられている。保持機構２８とグリツド電極２
２の間の空間には中和用フイラメント３０及びイ
オンシヤツター３１が配設されている。中和用フ
イラメント３０は電流を通流されて熱せられ、熱
電子を放出するものである。

イオンシヤツター３１は屈曲形成された棒状の
タングステン部材であり、エツチング室１２内部
から容器１０外に導出されている。そしてイオン
をさえぎる作用をすると同時に、イオンの電流密
度を測定するモニターの役割を果すものである。
尚、３５はイオン集束用マグネットである。この
ような装置に於いて、先ず排気口１４から拡散ポ
ンプ等により容器１０内全体を10^-7torr台の圧力
に真空排気した後、導入口１３より反応性ガス４
０を放電室１１内に導入し、圧力を１×10^-4torr
程度に上昇させる。そして、反応性ガス１１及び
陰極１５間に交粒電圧を印加し、マグネツト３５
に交流電流を流すと放電室１１内で放電プラズマ
が生起する。このプラズマ中のイオンは、高電圧
グリツド電極２０とアースグリツド電極２２間の
電圧により加速されエツチング室１２内へ引き出
される。このイオン流中の電子は電子サプレツサ
電極２１により、放電室１１内へはね返えされ
る。こうして加速されたイオンの一部は中和用フ
イラメント３０からの熱電子により中和されて中
性原子化される。そしてイオン流は被エツチング
物２７に衝突してエツチングが行なわれる。

ここで反応性ガスとしてフレオン（CF₄）を使
用し又比較の為従来用いられているアルゴン
（Ar）を使用してそれぞれにより酸化シリコン
（SiO₂）及び多結晶シリコン（poly―Si）をエツチ
ングする場合に、グリツド電極２０，２２間の電
圧、即ちイオンの加速電圧を変化させてエツチン
グ速度を測定した。その結果第４図にすような効
果が得られた。図中実線で示した曲線がフレオン
を用いた場合で、破線で示した曲線がアルゴンの
場合である。

フレオンガスを使用した場合、イオンの加速電
圧がほぼ900ボルト以上では多結晶シリコンのエ
ツチング速度が酸化シリコンのエツチング速度を
上回り、逆にイオンの加速電圧がほぼ900ボルト
以上では酸化シリコンのエツチング速度が多結晶
シリコンのエツチング速度を上回る。これはフレ
オンを用いた酸化シリコンのエツチング特性が直
線状であるのに対し、多結晶シリコンのエツチン
グ特性が加速電圧約600ボルト以下で相当低いの
に対し、約600ボルト以上では急激に増加するた
めである。

特に加速電圧約600ボルト付近では酸化シリコ
ンのエツチング速度は多結晶シリコンのエツチン
グ速度の約3.5倍に達した。

これに対して、従来被イオン化ガスとして用い
られているアルゴンの場合、酸化シリコン、多結
晶シリコン共にイオン加速電圧に対して単調にエ
ツチング速度が増加し、同一加速電圧ではそれぞ
れのエツチング速度に大差がなかつた。

以上の測定結果から、フレオンガスを用いた場
合にはイオン加速電圧を適宜選定することにより
酸化シリコン層と多結晶シリコン層を有する材料
の一方の層を選択的にエツチングすることができ
従来用いれているアルゴンガスを用いた場合に
は、イオン加速電圧を変化させても酸化シリコン
と多結晶シリコンの両方のエツチング速度が変わ
るのみで、両者を選択的にエツチングするのは困
難であることが解る。

特に、酸化シリコンのエツチングには500ボル
ト程度の加速電圧が最適で、又多結晶シリコンの
エツチングには1100〜1200ボルト程度の加速電圧
が最適である。

次にフレオンガス及びアルゴンガスを用いた場
合におけるマスクとなるフオト・レジストのエツ
チング特性を第５図に示す。使用したフオト・レ
ジストはポジ型のOFPR（東京応化製商品名）
である。実線はアルゴン（Ar）を用いた場合の
特性を示し、破線はフレオン（CF₄）を用いた場
合の特性を示している。アルゴンを用いた場合、
イオン加速電圧の増加に伴なつてエツチング速度
が相当速くなるのに対し、フレオンを用いた場合
はエツチング速度がそれ程速くならないことが解
る。

従つてフレオンガスを用いた方がアルゴンガス
を用いた場合のようにレジストのエツチングが進
行しないから、パターンの精度を向上させるのに
有利である。

フレオンガスの場合、イオンの加速電圧が1000
ボルトのときでもエツチング速度は高々60Å／分
程度であり、それ以下では30〜50Å／分と極めて
遅い。イオン加速電圧が500ボルトの場合、酸化
シリコンのエツチング速度はフオト・レジストの
エツチング速度の約９〜10倍にも達し、マスクを
使用したエツチングに適したものである。

実験したところ、幅１μｍ、高さ１μｍでマス
ク下のアンダーカツトの無いシヤープな酸化シリ
コンのエツチングを行なうことができた。

前述した説明ではフレオンガスを用いたエツチ
ング特性について述べたが、その他例えばハロゲ
ンを単体もしくは化合物の形で含む反応性ガス、
例えばC₂F₆、C₃F₈、CF₂Cl₂等を用いた場合にも
同様な特性が得られた。この場合、特にガス中に
炭素を含んでいるときにすぐれたエツチング特性
が得られた。そして、これらハロゲンを含む反応
性ガスを用いた場合、実用上イオン加速電圧がほ
ぼ900ボルト（CF₄で900V、C₃F₈で1100V程度）
以下の低加速下では、シリコン層上の酸化シリコ
ン層を選択的にエツチングし、ほぼ900ボルト
（CF₄で900V、C₃F₈で1100V程度）以上では酸化
シリコン層上のシリコン層あるいはタングステ
ン、モリブデン、ニオブ、チタン、バナジウム等
の高融点金属層を選択的にエツチングできること
が確認された。また反応性ガスが塩素を含んだガ
スである場合、クロム、アルミニウム等の選択的
なエツチングが可能であつた。

以下述べたように本発明方法は第３図の装置に
おいて反応性ガス、例えばハロゲンガスを含むガ
スを導入口１３から放電室１１内に導入し放電プ
ラズマを生起させるとともに、グリツド電極２
０，２２間の電圧即ちプラズマ中のイオンの加速
電圧を被エツチング物２７の種類に応じて例えば
900ボルト前後（反応性ガスに種類により900±
200ボルト程度の幅が有る）を境としてそれより
下の値を印加し、放電室１１から離れた位置にあ
るエツチング室１２内の被エツチング物２７にイ
オンを加速衝突させてエツチングするものであ
る。

尚、上述した説明では、被エツチング物２７を
保持する保持機構２８が静止した状態の場合につ
いて述べたが、保持機構２８は例えば被エツチン
グ物２７を載せる円板状部分５０を自転させ、さ
らに部分５０以外の部分５１を円周上に駆動して
円板状部分５０を公転させて、被エツチング物２
７をむらなくエツチングさせることもできる。更
に、円板状部分５０をイオンの照射される方向に
対して傾斜させて、被エツチング物２７の選択的
にエツチングされる層のエツチング段部をテーパ
状にして、集積回路製造工程の最終段階で行なわ
れるアルニウム配線の段切れを有効に防止するこ
とも可能である。

以上詳述した本発明によれば、例えばハロゲン
を含む反応性ガスを放電室内で放電解離し、生成
したイオンを被エツチング物の種類に応じた低い
電圧で加速して被エツチング物に照射することに
より、被エツチング物を選択的に加工精度良くエ
ツチングすることができ実用的価値は高い。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれプラズマエツチン
グ方法及びスパツタエツチング方法を用いた被エ
ツチング物のエツチング後の様子を示す断面図、
第３図は本発明方法に使用する装置の一例を示す
縦断面図、第４図は反応性ガスとしてフレオン及
びアルゴンを用いてそれぞれについて酸化シリコ
ン及び多結晶シリコンをエツチングする場合の、
イオン加速電圧とエツチング速度の関係を示す特
性図、第５図は、反応性ガスとしてフレオン及び
アルゴンを用いてフオト・レジストをエツチング
した場合のイオン加速電圧とエツチング速度の関
係を示す特性図である。図において１０…容器、１１…放電室、１２２…エツチン
グ室、１５…フイラメント陰極、１６…交流電
源、２０〜２２…グリツド電極、２７…被エツチ
ング物。

Claims

【特許請求の範囲】

１ハロゲンを含む反応性ガスを放電室内で放電
解離させ、該放電解離されたイオンをほぼ900ボ
ルト以下の電圧で加速し、前記放電室から離れた
位置に設けられた多結晶シリコン層と酸化シリコ
ン層の積層構造の試料に照射することにより、前
記酸化シリコン層を選択的にエツチングすること
を特徴とするイオンエツチング方法。