JPS639935A

JPS639935A - ドライエツチング装置

Info

Publication number: JPS639935A
Application number: JP15267386A
Authority: JP
Inventors: Kanji Tsujii; 辻井　完次; Yusuke Yajima; 裕介矢島; Seiichi Murayama; 村山　精一
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-07-01
Filing date: 1986-07-01
Publication date: 1988-01-16
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: JPH0834203B2

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〕この発明は半導体集積回路等を製造する工程に利用する
ドライエツチング装置に関するものである。。

〔従来の技術〕

半導体集積回路等の製造工程で使用されるドライエツチ
ング装置には、プラズマエツチング装置や反応性スパッ
タエツチング装置等があり、現在広く使用されている。

これらのエツチング装置においては、ハロゲン元素を含
有するプロセスガスを減圧下で放電して、ラジカルやイ
オン等の反応種を発生させ、この反応種と被エツチング
基板の表面とを反応させて、被エツチング基板のエツチ
ングを行なっている。

このようなドライエツチング装置は加工精度において溶
液エツチング装置より優れているため。

加工寸法が微細化して１趨レベルのパターンの加工が必
要となっている現状下では、益々重要な技術となっ゛て
いる。しかしながら、プラズマエツチング装置や反応性
スパッタエツチング装置においては、放電容器内に被エ
ツチング基板を設置するため、荷電粒子によって被エツ
チング基板が損傷され易く、またプラズマの熱輻射等に
よりレジストが劣化する等の問題点がある。

このような問題点を解決する新しいドライエツチング装
置（特開昭６１−２２６２８号）が本発明者等によって
提案されている。このドライエツチング装置においては
、被エツチング基板を収容する反応室と、その反応室を
排気する排気手段と、準安定励起種を発生する準安定励
起種発生手段と、その準安定励起種を反応室に導入する
手段と、ハロゲン元素を含有するプロセスガスを反応室
に導入する手段とを有しており、準安定励起種の脱励起
反応により活性化したプロセスガスによって被エツチン
グ基板をエツチングする。

このようなエツチング装置においては、被エツチング基
板を収容する反応室内で放電を行なわないので、荷電粒
子による被エツチング基板の損傷やプラズマからの熱輻
射によるレジストの劣化等の問題点を大幅に低減するこ
とができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このドライエツチング装置においては、
準安定励起種発生手段で準安定励起種と共に生成したイ
オンの一部が反応室内に流入する。

たとえば、準安定励起種発生用のガスとして希ガスを利
用した場合には、　Ｈｅ”、　Ａｒ”、Ｎｅ”、Ｋｒ＋
等が反応室内に流入する。このことは準安定励起種発生
用のガスとしてたとえばＨａガスを用いた場合に、反応
室内にＣＯ□ガスを別に導入すると、Ｈｅ＋とＣＯ２ガ
スとの解離性電荷移動反応によるＧ　Ｏ”（Ａ　−Ｘ）
の発光がＷＡ察されることから明らかである。また、準
安定励起種発生用のガスとして窒素ガスを使用した場合
にも、１６ａＶの高エネルギーをもつＮ　、　＋　（ｘ
　１２ｇ４″）が生成し、これが反応室内に流入する。

このように、反応室内にイオン等の荷電粒子が流入する
と、荷電粒子により被エツチング基板の表面が損傷され
てしまう。

この発明は上述の問題点を解決するためになされたもの
で、荷電粒子により被エツチング基板の表面が損傷され
ることのないドライエツチング装置を提供することを目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的を達成するため、この発明においては。

被エツチング基板を収容する反応室と、その反応室を排
気する排気手段と、準安定励起種を発生する準安定励起
種発生手段と、上記準安定励起種を上記反応室に導入す
る準安定励起種尋人手段と。

ハロゲン元素を含有するプロセスガスを上記反応室に導
入するプロセスガス導入手段とを有するドライエツチン
グ装置において、上記準安定励起種発生手段において準
安定励起種と共に生成した荷電粒子が上記被エツチング
基板に到達するのを抑制するための到達抑制手段を設け
る。

〔作用〕

このドライエツチング装置においては、到達抑制手段に
より荷電粒子が被エツチング基板に到達するのを抑制す
ることができ、荷電粒子により被エツチング基板の表面
が損傷されるのを防止することができる。

〔実施例〕

第１図はこの発明に係るドライエツチング装置を示す図
である０図において、１は反応室、２は反応室１内に収
容されたシリコン基板、３は窒素ガス貯蔵部、３１は貯
蔵部３と反応室１とを接続する導入管、４は導入管３１
に設けられた弁、５は導入管３１に設けられたマスフロ
ーコントローラ、６は導入管３１に設けられた準安定励
起種発生部で。

準安定励起種発生部６は２．４５ＧＨｚのマイクロ波放
電を利用して準安定励起種を発生させるものであり、準
安定励起種発生部６のガス流出側端面と反応室１の導入
管３１との接続部との距離は２０ｃｍ以上である。７は
反応室１と導入管３１との接続部に設けられたイオンコ
レクタ、８はハロゲン元素を含有するプロセスガスの貯
蔵部、３２は貯蔵部８と反応室１とを接続する導入管、
９は導入管３２に設けられた弁、１０は導入管３２に設
けられたマスフローコントローラ、１１．１２は導入管
３２のガス噴出口で。

ガス噴出口１１．１２は反応室１内に開口している。

１３は反応室１内を排気する排気装置である。そして、
最上流側に反応室１と導入管３１との接続部が設けられ
、その下流側にガス噴出口１１．１２が設けられ、その
下流側にシリコン基板２が設けられ、その下流側に反応
室１と排気袋＠１３との接続部が設けられている。

このエツチング装置においては、排気装置１３で反応室
１内を排気した状態にしたのち、貯蔵部３から流量が５
１１ＩＱ／ｌｌ１ｉｎの窒素ガスを弁４、マスフローコ
ントローラ５を経て準安定励起種発生部６に導き、準安
定励起種発生部６でマイクロ波出力２００Ｗでマイクロ
波放電を行なうと、準安定励起種発生部６においてイオ
ン、電子、ラジカル、準安定励起分子等多くの化学種が
生成される。これらのイオン、電子、ラジカル等は、放
電部から離れるに従って、再結合反応によって消失する
が。

一部の荷電粒子は反応室１と導入管３１との接続部に到
達した段階でも電荷を保持している。しかし、イオンコ
レクタ７が反応室１と導入管３１との接続部に設けられ
ているので、このような荷電粒子の大部分はイオンコレ
クタ７によって除去され、中性の準安定励起分子は反応
室１内に流入する。ここで、窒素分子には種々の励起状
態が存在するが、とくに準安定励起種Ｎ２”（Ａ３Σｕ
＋）は長時間（寿命は約２秒）その準位に留まっている
。そのため、準安定励起種Ｎ　、　＊　（Ａ２Σｕ＋）
は反応室１内に流入した段階においてもその準位にある
。一方、貯蔵部８から流出したプロセスガスは弁９、マ
スフローコントローラ１０を経たのち二方向に分岐し、
ガス噴出口１１．１２から反応室１内に流入する。この
ため１反応室１内では準安定励起種Ｎ、’（Ａ’Σｕ＋
）とプロセスガスとが反応し、準安定励起種Ｎ　、　＊
　（Ａ　３Σｕ＋）がプロセスガスを活性化させ、その
結果シリコン基板２がエツチングされる。そして、排気
装置１３により反応生成物や未反応窒素ガスさらには未
反応のプロセスガスが排気される。

このように、荷電粒子の大部分はイオンコレクタ７によ
って除去され、中性の準安定励起種が反応室１内に流入
するので、荷電粒子によってシリコン基板２が損傷され
ることはない。

ところで、被エツチング基板の損傷を誘起する別の原因
として、準安定励起種のもつ励起エネルギーＥｍも重要
である。すなわち、被エツチング基板の結晶を構成する
原子を正規の結晶格子位置からずらすのに必要なディス
プレイスタンドエネルギーＥ　ｄ　（Ｄｉｓｐｌａｃｅ
ｍｅｎｔ　Ｅｎｅｒｇｙ）より高いエネルギーＥ＋ｓを
もつ準安定励起種が被エツチング基板の表面に到達する
と、被エツチング基板の表面に損傷をもたらす。たとえ
ば、被エツチング基板がシリコン基板２の場合、エネル
ギーＥｄは１２．９ｅＶであり、準安定励起種発生用ガ
スにＨｅガスやＮ。

ガスを用いると１両ガスの準安定励起種のもつエネルギ
ーＥｍ　（Ｈｅ”（２ＬＳ）　；　２０．６ａＶ、　Ｈ
ｅ”（２”　Ｓ）；　１９．８ｅＶ、　Ｎ６”（’　Ｐ
、）　：　１６．７ｅＶ、　Ｎｅ”（３Ｐ２）　；１６
．６ｅＶ）がシリコンのエネルギーＥｄより高くなるこ
とから、シリコン基板２の表面の結晶格子に乱れを生じ
させるという危険性がある。

そして、ＨｅガスやＮｅガス等の希ガスの準安定励起種
のエネルギーＥｍより低いエネルギーＥｍを有する準安
定励起種Ｎ　−（Ａ３２０勺を生成する窒素ガスは、低
価格であるという長所もあり、ドライエツチングを実施
するガスとしては適したものである。しかしながら、準
安定励起種発生用ガスとして窒素ガスを用いた場合にも
、放電により準安定励起種を生成する際に、シリコンの
エネルギーＥｄより高いエネルギーＥｍをもつ励起種が
生成され、このような高いエネルギーＥｍをもつ励起種
がシリコン基板２の表面に衝突すれば、シリコン基板２
の表面の結晶格子位置をずらせるおそれがある。

ところで、高いエネルギーＥｍをもつ活性種は、放電条
件により異なるが、窒素分子と電子との衝突や準安定励
起窒素分子間の衝突により生成するものと考えられてい
る。そのため、高いエネルギー　Ｅ　ｒａをもつ活性種
は放電により形成されるアフターグローのなかでも比較
的放電部に近い領域に存在する。たとえば、窒素ガスの
流量を０．２＋＊ｆｉ／ｆｆ１ｉｎとし、マイクロ波出
力２００Ｗで２．４５Ｇ＆のマイクロ波放電を行なった
場合には、準安定励起種発生部６から約１０ｃ■下流に
わたってピンク色を呈したアフターグローが形成され、
この領域では高いエネルギーＥａ＋をもつ活性種が多量
に存在する。

一方、所望の準安定励起種Ｎ　２ｍ　（Ａ　３Σ、＋）
の多くは第１正帯と呼ばれる遷移（Ｎａ（Ｂ”ｒＩｇ）
→Ｎ、（Ａ３Σｕ１）〕　を経て形成される。この遷移
の過程では５ｇ０ｎ＋＋の黄色の発光が観測され、目視
によってもその存在が容易に確認できる。このような観
点から、窒素ガスの準安定励起種Ｎ−（Ａ’Σｕ　＋　
）を利用してドライエツチングを行なうためには、５８
０ｎｍ付近のアフターグローが支配的となる条件を選定
し、かかる黄色のアフターグローが存在する空間領域も
しくはそれより下流側にプロセスガスとの反応領域を形
成すれば、極めて低損傷でドライエツチングを行なうこ
とができる。

そして、第１図に示したドライエツチング装置において
、窒素ガスの流量を５ｍｊｌ／＋ａｉｎとし、プロセス
ガスを導入しない状態で、マイクロ波出力２００Ｗで放
電した場合、反応室１内全域にわたり５８０ｎｍの黄色
が観測された。したがって、第１図に示したドライエツ
チング装置によりエツチングを行なう場合には、シリコ
ン基板２の表面にシリコンのエネルギーＥｄより高いエ
ネルギーＥｍをもつ励起種が到達することはなく、準安
定励起種Ｎ２”（Ａ”Σｕ　＋　）がプロセスガスを活
性化させるが、準安定励起種Ｎ　、　＊　（Ａ３Σｕ＋
）のもつエネルギーＥｍは６．．２ｅＶであり、被エツ
チング基板であるシリコン基板２のもつエネルギーＥｄ
は１２　、９ｅＶであるから、準安定励起種Ｎ、”（Ａ
３Σｕ　＋　）のもつエネルギー　Ｅ　ｍはシリコンの
もつエネルギーＥｄより十分に小さいため、Ｎ２′（Ａ
３Σｕ＋）がシリコン基板２の表面に衝突したとしても
、シリコン基板２の表面に損傷が発生することはない。

なお、第１図に示したドライエツチング装置においては
、到達抑制手段としてイオンコレクタ７を用いたが、到
達抑制手段として磁場を印加して荷電粒子の進路を曲げ
ることによって実質的に被エツチング基板の表面に荷電
粒子が衝突しないような手段を用いてもよい。

また、被エツチング基板の結晶のもつエネルギーＥｄよ
り小さいエネルギーＥ１１をもつ準安定励起種を利用す
る装置は、被エツチング基板表面全面が単一結晶で構成
され、かかる被エツチング基板の表面を全面的にエツチ
ングする場合はもちろん、半導体プロセスで代表される
ように、エツチングを行なうべき部分が被エツチング基
板の表面の一部であり、他の部分には異なった材質が露
出している場合にも用いることができることはいうまで
もない。

第２図はこの発明に係る他のドライエツチング装置を示
す図である０図において、１４は光源、１５はレンズ、
１６は光透過窓である。

このドライエツチング装置においては、ガス貯蔵部８か
ら流出し反応室１内に導入されたプロセスガスは、準安
定励起種発生部６で生成しイオンコレクタ７を通過して
反応室１内に導入された準安定励起種と反応するととも
に、光源１４から投射されレンズ１５、光透過窓１６を
通過して反応室１内に照射された光のエネルギーによっ
ても反応が励起されるため１両者の相乗効果によって効
率よく反応が進行する。

なお、このドライエツチング装置においては。

光源１４から出た光はシリコン基板２に均一に照射され
ているが、光源１４から出た光としてパタン情報をもっ
た光たとえばマスクを通過した光、レーザーのごときビ
ーム状の光等であってもよい。このような場合、シリコ
ン基板２の表面の所望の場所を選択的にエツチングする
ことができるという効果が追加される。また、光源１４
としては、炭酸ガスレーザーやエキシマレーザ−のごと
きレーザー光源、Ｈｇランプ、Ｈｇ−Ｘ５ランプ、メタ
ルハライドランプ等の紫外領域に強いスペクトルを放射
する気体放電管が有効である。さらに、この実施例にお
いては、シリコン基板２に直角に光ビームを照射したが
、シリコン基板２と平行な光ビームを通過させる方式で
もよい。

第３図はこの発明に係る他のドライエツチング装置を示
す図である１図において、１７は反応室１にシリコン基
板２を搬入するための前置室、１８はエツチング処理終
了後に反応室１からシリコン基板２を搬出するための後
置室、１９は反応室１と前置室１７との隔壁、２０は反
応室１と後置室１８との隔壁、２３．２４はそれぞれ前
置室１７、後置室１８を排気する排気装置である。

このドライエツチング装置においては、反応室１におけ
るエツチングの工程が終了すると、隔壁２０が開かれ、
反応室１内のシリコン基板２は後置室１８に搬送され、
それと同時に隔壁１９が開かれ。

前置室１７に設置されているシリコン基板２は反応室１
内に挿入される。続いて、隔壁１９．２０を閉じたのち
、新たに反応室１内に搬入されたシリコン基板２に対し
てエツチングが行なわれる。

このドライエツチング装置においては１反応室１に隣接
して２つの予備室すなわち前置室１７および後置室１８
が設けられ、かつ前置室１７、後置室１８が排気装置ｉ
２３．２４で連続的に排気されていることから、シリコ
ン基板２のエツチング工程が終了して次のステップに進
む際に１反応室１内に外気が流入することがない。その
結果、反応室１内を所望の真空度に再排気する工程を省
略もしくは短縮できるとともに、外気たとえば空気や水
蒸気が反応室１内に流入することによってもたらされる
ドライエツチング装置固有の問題点、すなわち反応室１
内に吸着した空気や水蒸気は塗安定励起種の活性度を低
下させるため、エツチングに要する時間が長くなるとい
う問題点を克服でき、エツチングのスループットが向上
する。

また、第３図に示した装置に第２図に示したような光源
、レンズ、光透過窓等を付加して、光励起反応と準安定
励起種の脱励起反応との相乗効果を利用すれば、エツチ
ング効率がさらに向上することはいうまでもない。

なお、上述実施例においては、被エツチング基板がシリ
コン基板２の場合について説明したが、被エツチング基
板が他の基板の場合にもこの発明を適用することができ
る。この場合、被エツチング基板の結晶のもつエネルギ
ーＥｄがシリコン基板２のエネルギーＥｄより小さいと
きには、準安定励起種発生用ガスとして窒素ガスを用い
ると、１１ｅＶ付近のエネルギーＥｍをもつ励起種Ｎ２
（Ｃ３ｒＩｕ）が同時に発生するので、励起種Ｎ、（Ｃ
３ｒＴｕ）が被エツチング基板に損傷を与える可能性が
大きい。そのため、励起種Ｎ、（Ｃ３ｒＩｕ）が反応室
１内に流入するのを抑える放電条件を設定し、準安定励
起種Ｎ　２ＩＩ（Ａ３Σｕ＋）を支配的に反応室１に流
入させるのがよい。また、上述実施例においては、準安
定励起種発生用ガスとして窒素ガスを使用したが、準安
定励起種発生用ガスとして他のガスたとえばアルゴンガ
ス、キセノンガス等の希ガスを使用してもよい、そして
、アルゴンガスを使用した場合には、エネルギーＥｍが
１１　、７ｅＶのＡｒ’（３Ｐｏ）、エネルギーＥｍが
１１　、５ｅＶのＡｒ”（’Ｐ、）を利用することがで
き、キセノンガスを使用した場合には、エネルギーＥ１
１が９，５ｅＶのＸｅ”（３Ｐ、）、エネルギーＥ１１
が８　、３ｅＶのＸｅ’（３Ｐ、）を利用することがで
きる。さらに、上述実施例においては、準安定励起種発
生手段としてマイクロ波放電を利用した準安定励起種発
生部６を用いたが、高周波放電を利用したものを用いて
もよい。

また、プロセスガスとしては目的に応じてＳＦ、。

ＣＣＩいＣＦ、、　Ｃ，Ｃ１いＣ，Ｃ１，Ｆ２などを使
用すればよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明に係るドライエツチング
装置においては、荷電粒子が被エツチング基板に到達す
るのを防止することができるから、極めて低損傷のドラ
イエツチングを行なうことが可能となる。このように、
この発明の効果は顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はそれぞれこの発明に係るドライエ
ツチング装置を示す図である。１・・・反応室　　　　　２・・・シリコン基板３・・
・窒素ガス貯蔵部６・・・準安定励起種発生部７・・・イオンコレクタ８・・・プロセスガスの貯蔵部１３・・・排気装置代理人　弁理士　　中　村　純之助ｔ　ｌ　図中２図

Claims

【特許請求の範囲】１、被エッチング基板を収容する反応室と、その反応室
を排気する排気手段と、準安定励起種を発生する準安定
励起種発生手段と、その準安定励起種を上記反応室に導
入する準安定励起種導入手段と、ハロゲン元素を含有す
るプロセスガスを上記反応室に導入するプロセスガス導
入手段とを有するドライエッチング装置において、上記
準安定励起種発生手段により準安定励起種と共に生成し
た荷電粒子が上記被エッチング基板に到達するのを抑制
するための到達抑制手段を具備することを特徴とするド
ライエッチング装置。２、上記到達抑制手段としてイオンコレクタを用い、そ
のイオンコレクタを上記反応室と上記準安定励起種導入
手段との接続部に設けたことを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載のドライエッチング装置。３、上記準安定励起種発生のためのガスとして窒素ガス
または希ガスを使用したことを特徴とする特許請求の範
囲第１項または第２項記載のドライエッチング装置。４、上記被エッチング基板がシリコン基板であり、上記
準安定励起種発生のためのガスとして窒素ガス、アルゴ
ンガスまたはキセノンガスを使用したことを特徴とする
特許請求の範囲第１項または第２項記載のドライエッチ
ング装置。５、上記被エッチング基板の結晶のもつディスプレイス
タンドエネルギーより低い励起エネルギーを有する準安
定励起種を上記プロセスガスの活性化に利用することを
特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれ
かに記載のドライエッチング装置。６、上記準安定励起種発生のためのガスとして窒素ガス
を使用し、上記反応室の上記プロセスガス導入手段との
接続部を、上記プロセスガスが導入されない状態で５８
０ｎｍの黄色を呈するアフターグローが観察される空間
領域またはその下流側に位置させたことを特徴とする特
許請求の範囲第５項記載のドライエッチング装置。７、上記反応室内に光励起反応を誘起するための光を照
射する光照射手段を設けたことを特徴とする特許請求の
範囲第１項ないし第６項のいずれかに記載のドライエッ
チング装置。８、上記光照射手段として、パタン情報を有する光を上
記被エッチング基板面に照射するものを用いたことを特
徴とする特許請求の範囲第７項記載のドライエッチング
装置。９、上記反応室に隣接して排気機能を有する予備室を設
け、その予備室を通して上記被エッチング基板の搬入、
搬出を行なうことを特徴とする特許請求の範囲第１項な
いし第８項のいずれかに記載のドライエッチング装置。１０、上記予備室が上記反応室に上記被エッチング基板
を搬入するための前置室と上記反応室から上記被エッチ
ング基板を搬出するための後置室とに分離されているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第９項記載のドライエッ
チング装置。１１、上記反応室の最上流側に上記反応室と上記準安定
励起種導入手段との接続部が設けられ、その下流側にプ
ロセスガス導入手段のガス噴出口が設けられ、その下流
側に上記被エッチング基板が設けられ、その下流側に上
記反応室と上記排気装置との接続部が設けられているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第１０項の
いずれかに記載のドライエッチング装置。