JP2006294848A

JP2006294848A - ドライエッチング方法

Info

Publication number: JP2006294848A
Application number: JP2005113221A
Authority: JP
Inventors: Nobutaka Hayashi; 信孝林; Kenichiro Hori; 健一郎堀; Yumiko Oshima; 由美子大島; Shinji Hirata; 信治平田
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】第１の電極膜と強誘電体膜あるいは高誘電率膜と第２の電極膜とからなる積層構造体のドライエッチング方法において、反応生成物の付着・堆積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】第１、第２の電極膜である貴金属をエッチングする場合にはＡｒガスの流量比率を多くしてスパッタエッチング効果を強めると共に、バイアス電源の周波数を低周波にしてイオンの入射をより強くし、低ガス圧にし、強誘電体膜、高誘電率膜はＣＦ₄ガスの流量比率を多くして反応性を促進させることにより反応エッチング効果を強め、低ガス圧化、エッチングガス大流量化により反応生成物の付着・堆積を防止する方法とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子、焦電素子、薄膜コンデンサ等に用いられる強誘電体膜、高誘電率膜を微細加工するためのドライエッチング方法に関するものである。

従来この種のエッチング方法としては、ウエットエッチング、Ａｒを用いたイオンミリング、塩素ガスを用いた化学的ドライエッチング等で、同じ条件によりエッチングを実施していた。

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。
特許第２５０３６６２号公報特開平０４−２７３４３５号公報特開平０４−３２３８２２号公報特開平０５−０２９２６２号公報

しかしながら、貴金属は化学的に安定なため、ウエットエッチングではエッチング液が王水等限られたエッチング液しか使用できない。また、貴金属をエッチングするエッチング液では強誘電体膜、および高誘電率膜に損傷を与えてしまうため、同時にウエットエッチングするのは困難である。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、また、エッチングされた物質がレジストの側壁およびエッチングされた側壁に再付着し、レジスト剥離工程においても溶解または剥離されず壁上に残るため、ショートや断線が起こるという課題がある。

また、ハロゲン系ガスを用いた貴金属のドライエッチングでは、貴金属との反応生成物の蒸気圧が低く、エッチング側壁およびレジスト膜側壁に反応生成物が付着する。また、貴金属のエッチング速度が遅く、有機系レジストのエッチング速度が速いという性質がある。いわゆる選択比が低く、積層構造となっている厚い被エッチング体を全層にわたってエッチングできないという課題があった。

図３（ａ）〜（ｄ）はこのような問題点を説明するための製造工程図であり、被エッチング体７には基板１の上に第１の電極膜２、その上に強誘電体膜３あるいは高誘電率膜４が形成され、さらにその上に第２の電極膜５が形成された積層体をなしており、その上に所定のパターンを形成するためのレジスト膜６が形成された構成となっている。

例えば、従来のＡｒガスによるイオンミリング、またはＡｒガスだけによるドライエッチング、およびハロゲン系ガスだけによるドライエッチングを行った場合、図３に示すようにレジスト側壁、エッチング面の側壁に側壁付着物８が堆積するというものであった。

本発明は、前記課題を解決しようとするものであり、被エッチング体の側壁およびレジスト側壁への堆積物の付着がなく、積層構造体であっても形状再現性の良いエッチングを行うことが可能なドライエッチング方法を提供することを目的とするものである。

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、第２の電極膜をエッチングする工程と、強誘電体膜または高誘電率膜をエッチングする工程と、第１の電極膜をエッチングする工程とで、エッチングプロセス条件を順次変更して各層で異なるプロセス条件でエッチングするようにした方法のものであり、これにより、エッチング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堆積物が付着せずに全層エッチングできる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、ハロゲンガスと不活性ガスとの混合ガスをエッチングガスとして用い、大流量のガスを流し、かつそのときのガス圧が低くなるように制御し、さらにバイアス電力の周波数が高周波であるというものであり、これにより、エッチング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堆積物が付着せずに全層エッチング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、ドライエッチングガスとしてＣＦ₄ガスとＡｒガスの混合ガスをエッチングガスとして使用するというものであり、これにより、ＣＦ₄ガスによる化学的エッチング効果と、Ａｒガスによるスパッタエッチング効果で、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堆積物が付着し難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、ドライエッチングガスとしてＳＦ₆ガスとＡｒガスの混合ガスをエッチングガスとして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効果と、Ａｒガスによるスパッタエッチング効果で、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堆積物が付着し難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、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、圧電素子等の電気特性の優れた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６に記載の発明は、特に、高誘電率膜がＢａＳｔＴｉＯ（ＢＳＴ）またはＳｒＴｉＯ₃（ＳＴＯ）のいずれかからなるというものであり、これにより、薄膜コンデンサ等の比誘電率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７に記載の発明は、特に、貴金属を含む膜の第１の電極膜の材料が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒおよびそれらの化合物のうち少なくとも一つの材料を有するというものであり、これにより、シリコン、強誘電体膜あるいは高誘電率膜に対して相互拡散がなく、シリコンまたはシリコン酸化膜との密着性が良好になるという作用効果を有する。

本発明の請求項８に記載の発明は、特に、貴金属を含む膜の第２の電極膜の材料が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒおよびそれらの化合物のうち少なくとも一つの材料を有するというものであり、これにより、シリコン、強誘電体膜あるいは高誘電率膜に対して相互拡散がなく、シリコンまたはシリコン酸化膜との密着性が良好になるという作用効果を有する。

本発明の請求項９に記載の発明は、特に、エッチングプロセス条件で変更するパラメータが、プラズマ発生電力、ハロゲンガスの流量、不活性ガスの流量、ハロゲンガスと不活性ガスの混合比率、バイアス電力の周波数、エッチング処理時のガス圧のうち少なくとも一つの条件であるというものであり、これにより、第１の電極膜、第２の電極膜、強誘電体膜あるいは高誘電率膜の全層のエッチングを行ってもエッチング側壁およびレジスト側壁への堆積物の付着がなく、形状再現性の良いドライ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、積層構造体の被エッチング体を各層のエッチング時にエッチングプロセス条件であるプラズマ発生電力、ハロゲンガスの流量、不活性ガスの流量、ハロゲンガスと不活性ガスの混合比率、バイアス電力の周波数、エッチング処理時のガス圧等の条件を各層に応じて順次変更して各層で異なる条件でエッチングするようにした方法により、高速でエッチングしてもエッチング側壁およびレジスト側壁への堆積物の付着がなく、形状再現性の良いドライエッチングが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（ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施の形態におけるエッチング工程を示す被エッチング体の断面図、図２は同実施の形態に用いる誘導結合型プラズマドライエッチング装置の概要を示した断面図である。

以下に図１、図２を用いて本実施の形態のドライエッチング方法を説明する。

まず、被エッチング体７をエッチングするための装置について図２を用いて説明する。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１２と、不活性ガスを供給する不活性ガス供給部１３が設けられている。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が設けられている。この処理室１５の内部には被エッチング体７を載置するために載置台１４が設けられている。載置台１４にはバイアス高周波電源２１またはバイアス低周波電源２２のいずれか一方が接続できるように切替スイッチ２０が設けられている。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、本発明では図２に示すような誘導結合型プラズマドライ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ドライ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やヘリコン波型プラズマエッチング装置を用いても実施可能である。

次に、被エッチング体７について説明する。

基板１に第１の電極膜２がスパッタ等で形成されている。第１の電極膜２の材質としては基板１と密着性がよく、この第１の電極膜２の上に形成される強誘電体膜３あるいは高誘電率膜４への相互拡散のない貴金属が適している。本実施の形態ではこの貴金属膜をＰｔとした場合について説明する。密着性向上のため基板１の面にＴｉを１０ｎｍ形成してからＰｔを３００〜５００ｎｍ形成する。

強誘電体膜３は２〜４μｍの厚さになるようにスパッタで形成した。高誘電率膜４は薄膜コンデンサ等に用いるため数１００ｎｍとした。ここで、膜厚が厚くドライエッチングとしては困難な強誘電体膜３について説明する。

さらにこの上に第２の電極膜５が形成されている。第２の電極膜５の材質としては強誘電体膜３と密着性がよく、また相互拡散のない貴金属、およびワイヤボンディング等、外部接続が容易な材料が適している。本実施の形態ではこの材料をＰｔと異なるＡｕとした場合について説明する。また、強誘電体膜３とＡｕとの密着性向上のため、強誘電体膜３の上にＴｉを１０ｎｍ形成した後、Ａｕを２００ｎｍ形成した。さらに、ドライエッチング加工用のマスクとして有機系のレジスト膜６をスピンコータで１０μｍの厚みにコーティングし、フォトリソ工程を経て所定のパターン形状を形成した。

つまり本実施の形態では、基板１の上に、第１の電極膜Ｔｉ、Ｐｔ、強誘電体膜、第２の電極膜Ｔｉ、Ａｕという積層構造体となっている。この積層構造体を総称して被エッチング体７と称する。また、エッチングする膜厚が全体で４〜５μｍにもなる。

この被エッチング体７をプラズマドライエッチング装置の処理室１５内の載置台１４に設置する。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^-3Ｐａに排気した後、オリフィスバルブ１１を絞り、処理室１５内にエッチングガスとしてＣＦ₄ガスをハロゲンガス供給部１２から２０ｓｃｃｍ供給し、Ａｒガスを不活性ガス供給部１３から８０ｓｃｃｍ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、載置台１４にはバイアス低周波電源２２より５００ｋＨｚの周波数で４００Ｗの電力で印加すると共に高周波電源１８より１３．５６ＭＨｚの高周波を５００Ｗの電力で印加し、処理室１５内にプラズマを発生させる。当該プラズマによりレジスト膜６に覆われていない第２の電極膜５のＡｕがエッチングされる。このとき、レジスト膜６も同時にエッチングされる。このときＡｕの膜に対するエッチングプロセス条件が最適でないと、上記図３（ｂ）に示すように側壁付着物８が堆積するが、エッチングプロセス条件が最適な場合には図１（ｂ）に示すようなマスク形状に沿ったエッチングが可能となる。

エッチングが進行して、第２の電極膜５がエッチング完了し、強誘電体膜３が露出した時点を発光分光モニター（図示せず）で検出し、次の層の膜、つまり強誘電体膜３のエッチングプロセス条件に切り替える。強誘電体膜３をエッチングする条件としては、ＣＦ₄ガスを２０ｓｃｃｍから８０ｓｃｃｍに変更し、Ａｒガスを８０ｓｃｃｍから２０ｓｃｃｍに変更、バイアス電源２２をバイアス電源２１に接続できるようスイッチ２０で切り替え、１３．５６ＭＨｚの周波数で４００Ｗの電力を印加、高周波電源１８を１０００Ｗに出力をアップした。前記同様、このとき強誘電体膜３に対するエッチングプロセス条件が最適でないと、上記図３（ｃ）に示すように側壁付着物８が堆積するが、エッチングプロセス条件が最適な場合には図１（ｃ）に示すようなマスク形状に沿ったエッチングが可能となる。前層と同様にエッチングが進行して強誘電体膜３のエッチングが完了し、第１の電極膜２が露出した時点を同様に発光分光モニターで検出し、次の層の膜、つまり第１の電極膜２のＰｔをエッチングする条件に切り替える。

第１の電極膜２のＰｔをエッチングする条件としては、ＣＦ₄ガスを８０ｓｃｃｍから２０ｓｃｃｍに変更、Ａｒガスを２０ｓｃｃｍから８０ｓｃｃｍに変更、バイアス電源を２１からバイアス電源２２に切り替え、５００ｋＨｚで４００Ｗ印加した。また、高周波電源１８の出力は１０００Ｗのままとした。以上のような条件でエッチングが進行し、第１の電極膜２がエッチング完了して基板１のＳｉが露出し、Ｐｔが検出されなくなったことを発光分光モニターで検出するとすべての層のエッチングが完了となる。前記同様、このときＰｔ膜に対するエッチングプロセス条件が最適でないと、上記図３（ｄ）に示すように側壁付着物８が堆積するが、エッチングプロセス条件が最適な場合には図１（ｄ）に示すようなマスク形状に沿ったエッチングが可能となる。

ここで前記のようなプロセス条件としたのは、エッチングされた生成物がエッチング側壁およびレジスト側壁への付着を防止するための最適条件であるからであり、これらの条件から外れると前述したように図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すような側壁付着物８が堆積し、後工程で様々な不具合が発生する。

ここで、第２の電極膜５のＡｕのエッチング条件についてもう少し詳細に述べる。Ａｕのドライエッチングの場合、Ａｒガスだけを用いたＡｕのプラズマエッチング、あるいはハロゲンガスだけを用いたＡｕのプラズマエッチングでは、Ａｕとの反応生成物の蒸気圧が低く、ガス化しにくいために側壁等に付着し易い。本実施の形態では反応生成物が被エッチング体７側に再付着し難いよう、まず低ガス圧下、例えば０．２Ｐａでのエッチングができるようにした。つまり被エッチング体７上空の反応生成物や堆積物の分圧が下がることによりエッチングガスどうしの衝突頻度が減少し、その結果として堆積物が生成され難くなるためである。また、エッチング速度が速すぎると反応生成物どうしが衝突し、被エッチング体７側にも入射し易くなるため、高周波電源１８の出力を少し下げ、プラズマ密度を弱めることによりエッチング速度をコントロールした。また、ＡｕとＣＦ₄ガスとの反応生成物は蒸気圧が低く気化し難いが、圧力が下がると反応生成物や堆積物の沸点が下がるため蒸気化し易くなる。さらにＣＦ₄ガスが多くなるとレジストと反応してレジスト膜６のエッチング速度が増加し、その反応生成物が付着し易くなるため、ＣＦ₄ガスよりＡｒガスの流量を多くしている。なおかつバイアス電源の周波数を低周波にすることにより、イオンの入射を増加させて効率的にエッチングができる。

次に、強誘電体膜３のエッチング条件についてもう少し詳細に述べる。

強誘電体膜３は貴金属膜よりＣＦ₄ガスと反応し易い。そのためＣＦ₄ガス流量をＡｒガス流量よりも多くし、スパッタエッチングより反応エッチングを優先させた。また、バイアス電源はイオンダメージの少ない高周波を用いた。ただし、その反応生成物は蒸気圧が低く、気化し難いため、Ａｕの場合と同様に低ガス圧、例えば０．２Ｐａでエッチングを行った。また、付着、堆積し易い反応生成物を付着、堆積し難い新しいエッチングガスと入れ替えるため、エッチングガスの総流量を１００ｓｃｃｍと多量に導入できるようにした。これにより強誘電体膜３のエッチング反応生成物は蒸気圧が低いにも関わらず被エッチング体７に再付着し難くなる。

次に、第１の電極膜２のＰｔのエッチングについてもう少し詳細に述べる。

基本的には第２の電極膜５のＡｕの場合と同じような条件であるが、Ｐｔの方がＡｕよりエッチング速度が遅い。従って、エッチング速度を上げるため高周波電源１８の出力を上げてプラズマ密度をより大きくした。

以上のように、各材料に最適なエッチング条件で加工することにより数μｍの積層された膜でも側壁に付着、堆積物がなく、形状の安定したドライエッチングができるようになるものである。

本発明にかかるドライエッチング方法は、積層構造体の被エッチング体を各層のエッチング時にエッチングプロセス条件であるプラズマ発生電力、ハロゲンガスの流量、不活性ガスの流量、ハロゲンガスと不活性ガスの混合比率、バイアス電力の周波数、エッチング処理時のガス圧等の条件を各層に応じて順次変更して各層で異なる条件でエッチングする方法により、高速でエッチングしてもエッチング側壁およびレジスト側壁への堆積物の付着がなく、形状再現性の良いドライエッチングができるという効果を有し、圧電素子、焦電素子、薄膜コンデンサ等に用いられる強誘電体膜、高誘電率膜を微細加工するためのドライエッチング方法などの用途として有用である。

本発明の一実施の形態におけるエッチング工程を示す被エッチング体の断面図同エッチング装置の概要を示した断面図従来のエッチング工程を示す被エッチング体の断面図

符号の説明

１基板
２第１の電極膜
３強誘電体膜
４高誘電率膜
５第２の電極膜
６レジスト膜
７被エッチング体
８側壁付着物
９真空ポンプ
１０真空ポンプ
１１オリフィスバルブ
１２ハロゲンガス供給部
１３不活性ガス供給部
１４載置台
１５処理室
１６アンテナ
１７マッチング回路
１８高周波電源
１９マッチング回路
２０切替スイッチ
２１バイアス高周波電源
２２バイアス低周波電源

Claims

基板の表面に貴金属を含む膜の第１の電極膜を有し、さらにその上に強誘電体膜を有し、さらにその上に貴金属を含む膜の第２の電極膜を有する積層構造体の被エッチング体のドライエッチング方法において、第２の電極膜をエッチングする工程と、強誘電体膜または高誘電率膜をエッチングする工程と、第１の電極膜をエッチングする工程とで、エッチングプロセス条件を順次変更して各層で異なるプロセス条件でエッチングするようにしたドライエッチング方法。
エッチング処理ガスとしてハロゲンガスと不活性ガスの混合ガスを用い、ハロゲンガスと不活性ガスの総流量が５０ＳＣＣＭ以上、ガス圧が０．１〜０．７Ｐａとし、被エッチング体に高周波電力または低周波電力のバイアス電力を印加するようにした請求項１に記載のドライエッチング方法。
ハロゲンガスがＣＦ₄ガスであり、不活性ガスがＡｒガスの混合ガスである請求項２に記載のドライエッチング方法。
ハロゲンガスがＳＦ₆ガスであり、不活性ガスがＡｒガスの混合ガスである請求項２に記載の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請求項１記載のドライエッチング方法。
高誘電率膜がＢａＳｔＴｉＯ（ＢＳＴ）またはＳｒＴｉＯ₃（ＳＴＯ）のいずれかからなる請求項１に記載のドライエッチング方法。
貴金属を含む膜の第１の電極膜の材料が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒおよびそれらの化合物のうち少なくとも一つの材料を有する請求項１に記載のドライエッチング方法。
貴金属を含む膜の第２の電極膜の材料が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒおよびそれらの化合物のうち少なくとも一つの材料を有する請求項１に記載のドライエッチング方法。
エッチングプロセス条件で変更するパラメータが、プラズマ発生電力、ハロゲンガスの流量、不活性ガスの流量、ハロゲンガスと不活性ガスの混合比率、バイアス電力の周波数、エッチング処理時のガス圧のうち少なくとも一つの条件で請求項１に記載のドライエッチング方法。