JP2006294846A

JP2006294846A - ドライエッチング方法

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Publication number: JP2006294846A
Application number: JP2005113219A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Hori; 健一郎堀; Yumiko Oshima; 由美子大島; Nobutaka Hayashi; 信孝林; Shinji Hirata; 信治平田; Tsutomu Nakanishi; 努中西
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2006-10-26

Abstract

【課題】強誘電体膜のドライエッチング工程において、ハロゲンガスと不活性ガスの混合ガスをエッチング処理ガスとし、高真空、高密度プラズマ下で強誘電体膜に高周波のバイアス電力を印加することにより側壁付着物のないドライエッチング方法を提供することを目的とする。
【解決手段】ハロゲンガスと不活性ガスの混合ガスをエッチング処理ガスとし、高真空、高密度プラズマ下で強誘電体膜に高周波のバイアス電力を印加する方法とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子、焦電素子等に用いられる強誘電体膜を微細加工するための強誘電体膜のドライエッチング方法に関するものである。

従来この種のドライエッチング方法としては、ウエットエッチング、あるいはＡｒガスを用いたイオンミリング、塩素系ガスを用いた化学エッチング等が行われていた。

なお、この出願に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１〜４が知られている。
特開平０２−２０９７２８号公報特開平０４−３６９２２０号公報特開平０５−１４４７７８号公報特開平０５−２６７２４３号公報

しかしながら、半導体等で使用される不揮発メモリー等の強誘電体膜の膜厚はせいぜい数１００ｎｍ程度であるのに対し、圧電素子、焦電素子等に必要とされる強誘電体膜の膜厚は数μｍにもなり、一桁程度厚い。

従って、ウエットエッチングでは対応が困難であり、またＡｒの不活性ガスを用いたイオンミリングではエッチング速度が遅く、工業生産的には向かないうえ、エッチングされた物質がエッチング側壁およびレジストパターン側壁に再付着するという課題がある。また、ハロゲン系のエッチングガス、例えば塩素ガスのみを用いたドライエッチングでは強誘電体膜のエッチングレートが遅く、また強誘電体膜を構成する元素のハロゲン化物の蒸気圧が低いため、被エッチング体の面上に反応生成物が付着したり、エッチング側壁に反応生成物が付着するという課題があった。

図３はこのような問題を説明するための断面図であり、１はＳｉ基板、２は電極膜、３は強誘電体膜、４はパターン形成されたレジスト膜であり、これらを総称して被エッチング体５と称する。また６は側壁付着物である。

図３に示すように、Ａｒガスのみによるイオンミリング、あるいは塩素ガスのみによるドライエッチングを行った場合、レジストマスク側壁およびエッチング加工側壁面に不揮発性の堆積物が付着する。この側壁付着物はレジスト剥離工程後においても溶解または剥離されず壁上に残るため、その後の工程において配線の断線等の原因になることがある。

前記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、特に、ハロゲンガスと不活性ガスの混合ガスをエッチング処理ガスとして用い、大流量のガスを流し、かつその時のガス圧が高真空になるように制御し、さらにバイアス電力に高周波電力を印加するという方法のものであり、これにより、エッチングで生成された不揮発性の物質がエッチング側壁およびレジスト側壁に付着しないという作用効果を有する。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、強誘電体膜が鉛を含む酸化物であるというものであり、これにより、圧電素子等の圧電定数の高い素子が作成できるという作用効果を有する。

本発明の請求項３に記載の発明は、特に、ハロゲンガスと不活性ガスの総流量に対するハロゲンガス流量比率が６０％以上であるというものであり、これにより、高速でエッチングしても側壁に付着物が付きにくいという作用効果を有する。

本発明の請求項４に記載の発明は、特に、エッチング処理ガスとしてＣＦ₄ガスもしくはＣ₄Ｆ₈等のフロロカーボン系ガスとＡｒガスの混合ガスを使用するというものであり、これにより、ＣＦ₄ガスもしくはＣ₄Ｆ₈等のフロロカーボン系ガスによる化学的エッチングとＡｒガスによるスパッタエッチングの相互効果によりエッチングガスの混合比率を最適化することにより高速でエッチングしても側壁に付着物がつきにくいという作用効果を有する。

本発明の請求項５に記載の発明は、特に、エッチング処理ガスとしてＳＦ₆ガスとＡｒガスの混合ガスを使用するというものであり、これにより、ＳＦ₆ガスによる化学的エッチングとＡｒガスによるスパッタエッチングの相互効果によりエッチングガスの混合比率を最適化することにより高速でエッチングしても側壁に付着物がつきにくいという作用効果を有する。

本発明の請求項６に記載の発明は、特に、バイアス電力の周波数が２ＭＨｚ以上、６０ＭＨｚ以下であるというものであり、これにより、プラズマ化したイオンが被エッチング体に引き込まれ、より効果的にエッチングができるという作用効果を有する。

本発明のドライエッチング方法は、エッチングガスとしてハロゲンガスと不活性ガスとの混合ガスを用い、エッチングガスを大容量供給しながら高真空でプラズマを生成し、かつバイアスに高周波電力を印加してエッチングすることにより強誘電体膜の鉛と酸素との結合力を不活性ガスのスパッタリング作用により分離させ、鉛とハロゲンガスとの化合物を促進し、ハロゲン化物ガスとして揮発させると共に、不揮発性ガスは高真空のため周辺に付着することなく排気され、エッチング側壁に付着物のない強誘電体膜をドライエッチングできるという効果を有する。

（実施の形態）
以下、実施の形態を用いて、本発明の特に全請求項に記載の発明について図面を参照しながら説明する。

なお、上記背景技術の項において説明したものと同じ構成の部材などについては、同じ符号を付与し詳細な説明は省略する。

図１は、本発明の一実施の形態におけるドライエッチング装置の概要を示した断面図であり、図２は同実施の形態における被エッチング体を示した断面図である。

図１において、処理室１５にはエッチング処理に用いるハロゲンガスを供給するハロゲンガス供給部７と、不活性ガスを供給する不活性ガス供給部８を設け、また処理室１５の内部を所定の圧力に排気する真空ポンプ９、１０と、ガスを供給したときに所定のガス圧に保つためのオリフィスバルブ１１が設置されている。さらにこの処理室１５の内部には強誘電体膜が形成された被エッチング体５を載置するための載置台１４が設置されており、この載置台１４にはバイアス電圧を印加できるようにマッチング回路１３を介してバイアス電源１２が接続されている。また、処理室１５の外部にはプラズマを発生させるためのアンテナ１６と、マッチング回路１７を介して高周波電源１８が接続されている。

なお、本発明は図１に示すような誘導結合型プラズマエッチング装置を使用して説明するが、誘導結合型プラズマエッチング装置で発生するような、高真空下で高密度プラズマを発生することができるＥＣＲ型プラズマエッチング装置、ヘリコン波型プラズマエッチング装置等を用いても実施可能である。

次に、ドライエッチング方法について説明する。熱酸化膜が形成されたＳｉ基板１に電極膜２となる白金などの高融点金属膜をスパッタ等で形成し、その上に強誘電体膜３をスパッタ等により１μｍ以上の厚みに形成する。ドライエッチング加工用のマスクとしては有機系のレジスト膜４をスピンコータ等で５μｍ以上の厚みにコーティングし、フォトリソグラフィー工程を経て所定のパターン形状を形成する。

この強誘電体膜３が形成された被エッチング体５をドライエッチング装置の処理室１５内の載置台１４の上に載置する。次に、オリフィスバルブ１１を全開にして処理室１５を高真空、例えば１０^-2Ｐａ以下に排気した後、オリフィスバルブ１１を絞り、処理室１５内にエッチング処理ガスとしてＣＦ₄ガスをハロゲンガス供給部７から８０ＳＣＣＭ、Ａｒガスを不活性ガス供給部８から２０ＳＣＣＭ供給する。このとき処理室１５のガス圧を０．２Ｐａとなるようにオリフィスバルブ１１を制御する。次に、高周波電源１８より１３．５６ＭＨｚの高周波を１０００Ｗの電力で印加し、処理室１５内にプラズマを生成させる。また、載置台１４にはバイアス電源１２より１３．５６ＭＨｚの高周波を４００Ｗの電力で印加する。なお、バイアス電源の高周波を１３．５６ＭＨｚとしたが、２ＭＨｚ以上６０ＭＨｚ以下でもかまわない。当該プラズマによりレジスト膜４で覆われていない強誘電体膜３がエッチングされる。

図４にエッチングガスの総流量に対するＣＦ₄ガスの流量比とエッチング速度との関係を示す。図５はエッチングガスの総流量に対するＣＦ₄ガスの流量比とレジストエッチング速度、さらに図６にはエッチングガスの総流量に対するＣＦ₄ガスの流量比と側壁付着物の関係を示す。

図４に示すように、ＣＦ₄ガスの流量比が６０％以上ではエッチング速度はアップする。しかし、ＣＦ₄ガスのみでは逆にエッチング速度が低下する。また、ＣＦ₄ガス流量比が増加すると図５に示すようにレジストエッチング速度が速くなる。ここでレジストエッチング速度があまり速くなると強誘電体膜のエッチングが終了する前にレジスト膜がなくなってしまいエッチングができなくなる。

さらに、図６に示すようにＣＦ₄ガスの流量比が６０％以上では側壁への付着物が少なくなる。これは、側壁付着物が再エッチングされるものと考えられる。特に、ＣＦ₄ガスが８０ＳＣＣＭの流量のとき側壁付着物は観察されなかった。

ところが、このガス流量でバイアス電源の周波数を低周波、例えば１．６ＭＨｚ、５００ｋＨｚの周波数で確認したところ側壁付着物が多く見受けられた。これはバイアス周波数が低周波により、入射するイオンの加速電圧が上昇するため、スパッタ作用の効果が大きくなり、エッチング速度が上がりすぎ、排気される以前に被エッチング体５に付着したためと考えられる。

つまり、プロセスパラメータの中で処理圧力にも大きな影響を受ける。その理由は処理圧力が下がると反応生成物や堆積物の沸点が下がったり、また被エッチング体５上空の反応生成物の分圧が下がることにより、側壁に付着しにくくなったり、エッチングガスどうしの衝突頻度が減少し、その結果として側壁に付着しにくくなるものと考えられる。

本発明にかかるドライエッチング方法は、エッチングガスとしてハロゲンガスと不活性ガスとの混合ガスを用い、エッチングガスを大容量供給しながら高真空でプラズマを生成し、かつバイアスに高周波電力を印加してエッチングすることにより強誘電体膜の鉛と酸素との結合力を不活性ガスのスパッタリング作用により分離させ、鉛とハロゲンガスとの化合物生成を促進し、ハロゲン化物ガスとして揮発させると共に、不揮発性ガスは高真空のため周辺に付着することなく排気され、エッチング側壁に付着物のない強誘電体膜をドライエッチングできるという効果を有し、圧電素子、焦電素子等に用いられる強誘電体膜を微細加工するための強誘電体膜のドライエッチング方法に関する用途として有用である。

本発明の一実施の形態におけるドライエッチング装置の概要を示した断面図同被エッチング体の断面図従来のドライエッチングにおける問題を説明するための断面図エッチングガスの総流量に対するＣＦ₄ガスの流量比とエッチング速度との関係図エッチングガスの総流量に対するＣＦ₄ガスの流量比とレジストエッチング速度との関係図エッチングガスの総流量に対するＣＦ₄ガスの流量比と側壁付着物の関係図

符号の説明

１Ｓｉ基板
２電極膜
３強誘電体膜
４レジスト膜
５被エッチング体
６側壁付着物
７ハロゲンガス供給部
８不活性ガス供給部
９真空ポンプ
１０真空ポンプ
１１オリフィスバルブ
１２バイアス電源
１３マッチング回路
１４載置台
１５処理室
１６プラズマ生成アンテナ
１７マッチング回路
１８高周波電源

Claims

強誘電体膜のドライエッチング方法において、ハロゲンガスと不活性ガスとの混合ガスをエッチング処理ガスとして用い、被エッチング体に高周波のバイアス電圧を印加し、ガス流量が５０ＳＣＣＭ以上、ガス圧が０．１Ｐａ〜１Ｐａでエッチングを行うドライエッチング方法。
強誘電体膜が鉛を含む酸化物からなる強誘電体膜である請求項１に記載のドライエッチング方法。
混合ガスの総流量に対するハロゲンガスの流量比率が６０％以上である請求項１または２に記載のドライエッチング方法。
エッチング処理ガスのハロゲンガスがＣＦ₄もしくはＣ₄Ｆ₈等のフロロカーボン系であり、不活性ガスがＡｒの混合ガスである請求項１〜３のいずれか一つに記載のドライエッチング方法。
エッチング処理ガスのハロゲンガスがＳＦ₆であり、不活性ガスがＡｒの混合ガスである請求項１〜３のいずれか一つに記載のドライエッチング方法。
高周波のバイアス電力の周波数が２ＭＨｚ以上、６０ＭＨｚ以下である請求項１〜５のいずれか一つに記載のドライエッチング方法。