JP2009004778A - 高解像度プラズマ・エッチング - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロスケールおよびナノスケールの構造体を製造する方法および装置を提供すること。
【解決手段】前駆体のビーム誘起分解などのビーム法を用いて正確なパターンでマスクを堆積し、次いで選択的なプラズマ・ビームを適用する微視的構造体の製造方法であって、最初に、電子ビームなどのビーム法、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）、またはレーザ法を用いて基板の表面部分上に保護マスクを形成することと、次に、選択的プラズマ・ビーム・エッチング法を用いて非マスク基板部分をエッチングすることとを含む。場合によっては、保護マスクを除去することを含む第３のステップが、第２の材料的に反対の選択的プラズマ・ビーム法を用いて実行されてよい。
【選択図】図１

Description

本発明は微視的スケールの材料処理に関する。

現代の科学技術は電子回路、光学部品、微小電気機械構造体（ＭＥＭＳ）および他の用途のためのこれまでより小型でより正確な構造体を製造することを要求している。マイクロメートルまたはナノメートルスケールのそういった構造体およびデバイスの多くは、フォトリソグラフィ法を用いてシリコン・ウェハ上に製造される。

典型的なフォトリソグラフィ技術は、「フォトレジスト」と呼ばれる感光性材料の薄層を「キャスティング」と呼ばれる方法によってシリコン・ウェハなどの半導体基板の表面上に付着させることを含む。次いで、フォトリソグラフィ・イメージング（ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ）を用いて、光などの放射線源への選択的露光によって、フォトリソグラフィ・マスク上にデザインされた所望のパターンをフォトレジストに転写する。次いで、フォトレジストを化学的に現像して（ポジ型レジストにおける）放射線露光領域または（ネガ型レジストにおける）非露光領域を除去し、エッチング（材料の除去）、堆積（基板表面への材料付加）、または拡散（基板内への原子拡散）などの次の工程中に基板の特定の部分を保護するためにフォトレジストのパターンを残す。例えば、場合によってはプラズマ形態の反応性化学物質を用いてエッチングを行うことができる。プラズマを用いて、表面分子を移動させるのに十分な運動量でプラズマからの荷電粒子を表面に衝突させることによって、表面から材料をスパッタリングすることもできる。堆積は、例えば化学的または物理的蒸着、あるいはプラズマ化学蒸着によって実行可能である。処理後、パターン化されたフォトレジストが除去される。リソグラフィ法は時間がかかり、完全なウェハを処理するには効果的であるが、局所的処理にはあまり有用ではない。

集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）、電子ビーム、およびレーザ・ビームなどの集束ビームも小さな構造体を形成するのに用いられる。非常に正確な構造体を形成することができるが、そのようなビームによる処理は一般には非常にゆっくりであるため、微細構造体の大量生産には用いることができない。ＦＩＢを用いて基板表面をスパッタリングすることができる。これはＦＩＢが、例えば容易に加速させて基板の分子を移動させるのに必要な運動量を達成することができるガリウム・イオン（Ｇａ⁺）などの比較的大きなイオンを用いるためである。ＦＩＢを前駆ガスと一緒に用いて、エッチングを化学的に強化することもでき、材料を表面上に堆積することもできる。電子ビームをアシスト前駆ガスと一緒に用いて、エッチング工程または堆積工程を行うこともできる。

電子ビーム法、ＦＩＢ法、反応性ガス法、およびプラズマ法を単独で、または互いに組み合わせて用いて、基板表面を処理して、例えばフォトリソグラフィ・マスクを形成および補修することができる。反応性ガスは一般に材料選択性も示す。これらの方法は種々の程度の製造公差、材料特性、処理時間、および機械加工に対する柔軟性を提供することができる。

しかし、現在用いられている、上記のような製造方法に関しては多くの問題がある。例えば、高アスペクト比の孔、すなわち、その幅よりも非常に大きい深さを有する孔を正確に作製することは困難である。現在の製造法では、孔あるいはトレンチは深くエッチングされるにつれて幅が広くなるので、隣接する深いフィーチャ（ｆｅａｔｕｒｅｓ）は、所望の距離よりさらに離間させなければならない。時間のかかるフォトリソグラフィ法は、ウェハ全体を処理するには効率的であるが、ウェハの局所的領域を処理するには有用ではない。逆に、ナノ・プロトタイピング、回路編集、およびフォトリソグラフィ・マスク補修において利用される高度に局所的な処理には直接書き込みＦＩＢ法および電子ビーム誘起法が効率的であるが、ウェハ全体を処理するには有用ではない。
米国特許第６７５３５３８号 米国特許第４６０９８０９号 Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍ Ｏｐｔｉｃｓ、Ｅｄ．Ｊｏｎ Ｏｒｌｏｆｆ、ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ（１９９７） 米国特許第６９７７３８６号 米国特許出願第１１／５９０５７０号 米国特許出願公開第２００５／０１８３６６７号

本発明の目的は、マイクロスケールおよびナノスケールの構造体を製造する方法および装置を提供することである。

上記目的によれば、本発明は、好ましくは集束ビーム法を用いて基板の各部分上に保護コーティングを形成することと、次いで、プラズマ・チャンバと基板との間に配置されたイオン集束カラムを用いて形成された材料選択性プラズマ・ビームを用いて、基板のマスクされていない各部分をエッチングすることとを含む。

最後に、特に上記考察ならびに以下の添付図面、例示的な詳細な説明および添付の特許請求の範囲を考慮すれば、本発明の他の多くの特徴、目的および利点は当業者には明白となろう。

本発明の範囲はどのような具体的な実施形態よりも非常に広いものであるが、好適な実施形態の詳細な説明が例示的な図面と共に以下に続く。同様の参照番号は同様の構成要素を指すものとする。

当業者であれば、特に本明細書に示した実施例を考慮して多数の代替実施形態があることを理解できようが、この詳細な説明は本発明の好適な実施形態の例示的なものであり、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

本発明の好適な実施形態は、保護マスクを局所的に作製するために用いられるビームを用い、次いでプラズマ・ビーム・エッチング法を用いることにより、集積回路または微小電気機械システムなどのナノスケール構造体およびマイクロスケール構造体を製造する方法に関する。

リソグラフィが微細な機械加工（ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ）におけるパターン画定に一般に用いられる場合、本発明の好適な実施形態において用いられるビーム法が、正確に画定された保護マスクを基板表面上に形成し、次いで、プラズマ・ビームを用いてエッチングすることによって、優れた構造的公差および機械加工に対する柔軟性が得られる。例えば、ビーム蒸着法は線幅が約１０ｎｍ未満などの表面フィーチャを生じることができる。

ここで各図面を参照すると、図１は本発明の方法の各ステップの好適な順番を示すフローチャートである。図２から４および図６は図１に示す方法による基板処理の種々の段階を示す。図２は処理開始前の表面２０２を有するサンプル基板２００を示す。

ステップ１０２では、集束ビーム（例えば、１ｎｍから１００μｍの範囲、より一般的には１ｎｍから１０ｎｍの範囲のビーム径を有する）を用いて、基板表面の一部をマスクしてマスクされた部分を次のエッチング・ステップ中に保護するための保護層を作製する。例えば、ビームを用いて、ビームアシスト堆積を用いてマスク材料を堆積することもでき、ビームを用いて、他の周知の方法によって先に堆積されたマスク材料の層にあるパターンをエッチングすることもできる。好適な一実施形態において、露出したあるいはマスクされていない基板材料の表面より、次の処理による堆積した材料のエッチングの度合いが少ない場合は、ビームを用いて次のエッチングの工程に適した材料を堆積させる。好適なステップ１０２で用いられるようなビーム法は一般に、フォトリソグラフィ手段を通して利用可能な保護層よりも高度に画定された保護層を作る。さらに、ビーム法は従来のフォトリソグラフィ・マスクを作製しなくても、集束ビームを用いた検査の直後に基板の任意の領域を処理することができる。このことにより、ビーム法はフォトリソグラフィ・マスク補修、回路編集、およびナノ構造プロトタイピングにおいて遭遇するような特定の修正（ｏｎｅ−ｏｆｆ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ）にとって特に有用なものとなる。ビーム法は一般に、堆積の局所化に特に適している。堆積の局所化とは基板全体よりも著しく小さい基板の一部分上の堆積を意味する。

図３はビーム３０２を用いて表面２０２の１つまたは複数の部分３０６の上に保護層またはマスク３０４を堆積し、ここでさらによく理解されるように、プラズマ・ビームによって処理される非マスク領域３０８を残す工程を示す。好適な実施形態では、ビーム３０２は電子ビームなどの荷電粒子ビームを含む。電子ビーム蒸着法は、例えば、「Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」と題されたＭｕｓｉｌらの米国特許第６７５３５３８号に記載されている。Ｍｕｓｉｌは、電子ビームを用いて、電子ビームの存在下で分解して表面上に適した材料を残す前駆ガス中で化学反応を誘起することによって材料を堆積させる工程を記載している。好適な堆積前駆ガスには、例えば、ＸｅＦ₂エッチング法によってゆっくりと除去される炭素保護マスクを堆積するためのスチレン（Ｃ₆Ｈ₅ＣＨ＝ＣＨ₂）およびＨ₂Ｏなどの酸素ベースのカーボン・エッチング前駆体に抵抗性のあるタングステンが豊富な保護マスクを堆積するためのＷＦ₆（六フッ化タングステン）またはＷ（ＣＯ）₆（タングステンヘキサカルボニル）が挙げられる。結果的に酸化物層の堆積を生じさせる前駆ガスには、例えば、酸化珪素保護マスクを堆積させるＴＥＯＳ（テトラエチルオルソシリケート）が挙げられる。電子ビーム堆積用の他の前駆体は周知であり、同様に用いてもよい。ＧａＮおよびＰｔがそれぞれ豊富に存在するマスクを堆積させるための重水素化ガリウムアジド（Ｄ₂ＧａＮ₃）およびＰｔ（ＰＦ₃）₄（ｔｅｔｒａｋｉｓ（ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｐｈｏｓｐｈａｎｅ）ｐｌａｔｉｎｕｍ）が挙げられる。

荷電粒子ビーム堆積の当業者であれば、堆積は必要な堆積速度および解像度に応じてある範囲の電子ビーム・エネルギーおよび電流にわたって行うことができることを理解できよう。一般に、ビーム電流が高く、ビーム・エネルギーが低いと、堆積速度は速くなり、最適なビーム・エネルギーは約１００ｅＶである。一般に、エネルギーがこの値以下であれば、堆積速度は遅くなる。しかし、堆積物の解像度を最適にするには、より小さい電子ビームを生じるためにより高いビーム・エネルギーが典型的には必要となる。したがって、本発明の譲受人であるＦＥＩ社から入手可能なものなど従来の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた場合には、エネルギーは約１ＫｅＶから約３０ｋｅＶの範囲にあるのが妥当であると思われる。透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に一般に用いられる３００ｋｅＶもの高さのエネルギーを用いてもよい。

好適なビーム電流はピコアンペアからナノアンペアの範囲である。しかし、例えば、いくつかのＭＥＭＳ製造における用途が考えられ、ここでは非常に高い堆積速度が必要とされ、低解像度が受容可能であるときには非常に高いマイクロアンペア範囲の電流が好ましい。典型的な電子ビーム・スポット・サイズは１ｎｍから１００ｎｍの範囲とすることができるが、ＴＥＭシステムおよび非常に高い電子電流のＳＥＭカラムに及ぶ、いくつかの用途においては０．１ｎｍから１０μｍの範囲のスポット・サイズが有用となり得る。

あるいは、保護マスク３０４を形成する材料を堆積させるのに用いるビーム３０２はＦＩＢであり得る。堆積に用いられるＦＩＢ法では、ガスが表面の方に誘導され、（典型的にはガリウム・イオンを含んだ）微細集束オン・ビームがターゲット表面に吸収されたそのガス分子を分解し、金属生成物を堆積させる。ＦＩＢを用いて金属材料を堆積させる方法は、Ｙａｍａｇｕｃｈｉらに付与された「Ｍｅｔｈｏｄ Ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｆｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇ Ｄｅｌｉｃａｔｅ Ｗｉｒｉｎｇ ｏｆ ＩＣ Ｄｅｖｉｃｅ」についての米国特許第４６０９８０９号に記載されており、この特許はＦＩＢの存在下でタングステン前駆ガス化合物を用いて基板表面上にタングステンを堆積させることを記載している。ＦＩＢ存在下で分解して材料を堆積させ、本発明と一緒に用いることのできる他の前駆ガスは、例えば、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍ Ｏｐｔｉｃｓ、Ｅｄ．Ｊｏｎ Ｏｒｌｏｆｆ、ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ（１９９７）に記載されている。例えば本発明の譲受人に譲渡されたＧｅｒｌａｃｈらに付与された「Ａｎｇｕｌａｒ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｓｈａｐｅｄ Ｂｅａｍ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ」についての米国特許第６９７７３８６号に記載されたように、イオン・ビームはある地点に集束させることもでき、成形することもできる。

レーザ・ビーム誘起堆積を用いてもよい。ビームは、エネルギーを提供して上記のような前駆体を分解することによって材料を堆積させることもでき、ビームは、例えば「Ｃｈａｒｇｅｄ−Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｃｌｕｓｔｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ」についての米国特許出願第１１／５９０５７０号に記載のように、表面上に堆積されるフラーレンなどの粒子を含むこともできる。

いずれの場合でも、堆積法および堆積される材料は、以下で説明するように、結果的に保護マスク３０４が次のマスク除去ステップにおいて選択的に除去され得るようなものであることが好ましい。上記のように、マスクは対象領域をマスク材料層で被覆し、次いでビームを用いてマスク層から材料を除去して所望のパターンを形成することによって形成することもできる。

図１はコリメートされた第１のプラズマ・ビームを基板表面に向けて誘導することを含む第２のステップ１０４を示しており、ビームは保護マスクをエッチングする速度よりも非常に速い速度で、マスクで被覆されていない基板表面を選択的にエッチングする。第１のプラズマ・ビーム４０２は、マスクされていない材料が好ましくは保護マスク３０４材料のエッチング速度の少なくとも２倍の速さで、より好ましくは５倍の速さで、さらに好ましくは１０倍の速さで、そして最も好ましくは１００倍の速さでエッチングされるような選択的特性を示すのが好ましい。

図４を参照すると、コリメートされた第１のプラズマ・ビーム４０２が基板サンプル２００の表面２０２の方に誘導されてマスクされていない（保護されていない）領域をエッチングする。コリメートの好適な程度はエッチングされたフィーチャの所望の特性およびビームの所望のサイズに依存する。より高度にコリメートされたビームは、エッチングされたフィーチャにおいてより垂直の側壁を生み出す。コリメートの程度はビーム・スポット・サイズにも影響を及ぼす。第１のプラズマ・ビーム４０２は、ビーム・スポット領域が好ましくは基板表面の非マスク領域よりも大きいが、マスクの領域よりも小さくなるようにコリメートされ、実質的には非集束化されることが好ましい。すなわち、プラズマ・ビームは非マスク領域３０８全体をエッチングするのに十分に広いものであることが好ましいが、実施形態によっては、プラズマ・ビームまたはサンプルを動かして必要な領域全部を走査してエッチングすることができる。プラズマ・ビームは領域を均一にエッチングするためにマスクされていないエッチング領域３０８全体にわたって一定のイオン・フラックス・プロフィール（ｉｏｎ ｆｌｕｘ ｐｒｏｆｉｌｅ）を有することが好ましい。イオン・フラックスは好ましくは基板表面の非マスク領域の約２０％以内、より好ましくは約１％以内、さらに好ましくは約０．１％以内、そして最も好ましくは約０．００１％以内で一定である。プラズマ・ビーム４０２は局所的である。すなわち、プラズマ・ビーム４０２はサンプル全体よりも非常に小さい領域を覆う。プラズマ・ビーム４０２は、高アスペクト比の孔をエッチングするために使用される場合、孔のエッチングがテーパー状になるのを避けるために高度にコリメートされるのが好ましい。低アスペクト比の孔などいくつかのフィーチャを形成する際には、コリメートはそれほど重要ではない。

第１のプラズマ・ビーム４０２は、表面２０２と接触したときにプラズマ・ビーム中のイオンを解離させるのに十分に高いエネルギーであって、かつ、表面２０２の著しいスパッタリングを防ぐに十分な低いエネルギーを有することが好ましい。すなわち、プラズマ・ビーム中のイオンから表面への運動量移動によって除去される材料ではなく、非マスク領域３０８中の材料は主に、サンプル表面と接触したときにプラズマ・ビーム中のイオンが解離することによって形成される反応性分子間の化学反応によって除去される。この化学反応は真空チャンバから排出される揮発性副生成物を形成する。イオン化された粒子のエネルギーは、スパッタリングによる材料除去速度が化学的エッチングによるものよりも少なくとも５分の１、好ましくは１０分の１、より好ましくは１００分の１、最も好ましくは１０００分の１となるようなものであることが好ましい。この選択性はエッチング工程が完了したときにマスクが好ましくは完全には除去されないか、あるいは少なくともマスクはマスク領域が受容可能な量のエッチングに晒されるのに十分長く適所に存在するようなものになる。イオン解離とスパッタリング保護との組合せは、イオンが表面と接触するエネルギーを細かく調整することによって達成される。一般的なエネルギーは１ｅＶから１０ｋｅＶの範囲、より好ましくは１０ｅＶから５００ｅＶの範囲にある。プラズマからのイオンは表面２０２と接触すると解離し、保護マスク３０４を殆どまたは全くエッチングしないが、主に非マスク領域３０８をエッチングする。

使用できる反応性プラズマ前駆体には、例えば、ＳＦ₆およびＸｅＦ₂が挙げられ、これを用いて、例えばＳＦ₆ ⁺およびＸｅＦ₂ ⁺からそれぞれ構成されるプラズマ・ビームを形成することができる。

図４は側壁４１２を有するトレンチ４１０を形成する工程中のプラズマ・ビーム４０２を示す。当業者であれば、上記プラズマ・エッチング法が非常に平行な側壁を有する高アスペクト比のトレンチをエッチングする傾向があることが理解されよう。これは（ｉ）プラズマ・ビームがコリメートされ、（ｉｉ）揮発性副生成物がピット側壁上に再付着せず、（ｉｉｉ）サンプル２００をプラズマ・チャンバの外部に位置決めすることによって、サンプル２００が入っているチャンバ内部では中性ガス分子が低減または除去されることによる。プラズマ・ビームはサンプルから二次電子放出を生じるため、この最後のポイントは重要である。前記電子は側壁４１２に衝突し、そこで電子は吸収されたエッチング前駆ガス分子を解離させて、（一般には望ましくない）側壁の側方エッチングを生じさせる可能性がある。このような側方エッチングは、中性のエッチング前駆体分子が試料チャンバ内部に存在しないときには生じない。理想的なプラズマ源においては、イオン化されたガス分子のみが抽出され、プラズマ・ビームを形成するのに用いられる。実際、中性ガス分子はプラズマ・ビーム集束カラムおよび試料チャンバ内に拡散する。本発明の好適な実施形態では、差動ポンプ式プラズマ集束カラムを用いることにより、中性分子が試料チャンバ内に入るのを防ぐことができる。

図５は本発明のデュアルビーム・システム５００の装置を概略的に示す。システム５００はイオン・ビーム・カラム５０２および電子ビーム・カラム５０４を備える。イオン・ビーム・カラム５０２は垂直に配向され、電子ビーム・カラム５０４は垂直に対してある角度を成して配向されているが、他の実施形態は垂直の電子ビーム・カラム５０４および傾斜したイオン・ビーム・カラム５０２を用いてよい。イオン・ビーム・カラム５０２はガス注入口５０６を介して単独のガスまたは複数のガスが供給されるプラズマ・チャンバ５０４を含む。プラズマ・チャンバ５０４は、例えば磁気強化型誘導結合プラズマ源を用いてプラズマを発生することができる。イオン化されたガス分子および一部の中性ガス分子は開口部５０８を通って出て行く。イオンは位置決め可能ステージ５１２上に位置決めされたワーク・ピース５１０に向けて加速される。プラズマ・チャンバ５０４を出て行く中性分子の大半がカラム５０２に沿った種々のガス出口５２２によってイオン・カラムから除去されるように、一連の開口部５２０がイオン・カラム５０２に沿って差動真空ポンピングの稼働を可能にする。

イオン・カラム５０２はイオン・ビームを遮断するビーム・ブランカ５３０と、ワーク・ピース５１０上にビームを位置決めし、ビームを走査するためのビーム偏向器５３２とを含む。レンズ５３４がイオン化されたガス分子ビームをコリメートまたは集束する。ワーク・ピースがプラズマ・チャンバ内に位置決めされる一般的な半導体プラズマ処理システムとは異なり、本発明の実施形態はワーク・ピース５１０からプラズマ・チャンバ５０４を分離する。この分離により、ビームがイオン・カラム内のイオン光学素子を通過するときにビームをコリメートまたは集束し、中性分子の大半を除去して、それらがワーク・ピースに到達しないようにし、かつワーク・ピースにおけるイオン・ビームの衝突エネルギーを制御する機会が得られる。

当業者であれば、上記プラズマ・エッチング法は非常に高い材料除去速度および非常に高い側方処理解像度を達成することができることを理解できよう。材料除去速度はプラズマ・ビーム電流によって決定され、ビームが照射された表面領域の吸着質欠乏によって限定されない。吸着質欠乏とは、ガスアシスト荷電粒子ビーム・エッチングおよび蒸着法の処理速度を制限することの多い周知の現象である。

第１のプラズマ・ビーム４０２の他の属性は、ビーム径が一般的な液体金属イオン源ＦＩＢの１つよりも比較的大きいが、一般的な誘導結合プラズマ（「ＩＣＰ」）に比して小さいことである。ビーム径はサイズが数十ナノメートルから数ミリメートルの範囲にあることが意図される。すなわち、プラズマ・ビームは一般に、保護層を生成するのに用いられビーム径よりも、１桁、より好ましくは２桁以上大きい。したがって、保護層をパターン化するビームは複雑なフィーチャのパターンを形成することができ、プラズマ・ビームはパターン全体を包含して、１ステップでそのパターンをエッチングすることができる。プラズマ・ビーム径は一般に、基板径の１／２未満、より好ましくは、基板径の１／１０未満である。したがって、この方法はウェハ全体のプロセスではなく、局所的エッチング法として用いられる。第１のプラズマ・ビーム４０２の電流は数ピコアンペアから数ミリアンペアの範囲であり得るが、一般的なビーム電流は１ナノアンペアから数マイクロアンペアの範囲になる可能性が高い。

この方法のために、磁気強化型誘導結合プラズマ源は高輝度が特に優れているので好ましい。このようなＩＣＰ源はＫｅｌｌｅｒらに付与された「Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｅｎｈａｎｃｅｄ，Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ａ Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｙｓｔｅｍ」についての米国特許出願公開第２００５／０１８３６６７号に記載されている。当業者であれば、この源の輝度が高くなるほど、ビームは所与のビーム電流に対してますますコリメートされ、したがって、エッチングはずっと正確になることが理解できよう。しかし、このステップのために、例えばデュオプラズマトロン、ペニング・イオン源、または容量結合プラズマ源などの他のプラズマ・イオン源を用いることもできる。

使用できる反応性プラズマ前駆体には、例えば、ＳＦ₆およびＸｅＦ₂が挙げられる。好適な一実施形態は、タングステンを覆うシリコンをエッチングするＸｅＦ₂の選択性に起因して保護層がタングステンから形成されたときに、第２のステップにおいてＸｅＦ₂を用いることを意図している。

ワーク・ピース５１０近傍に位置決めされたノズル５４２を有するガス注入システム５４０によって真空チャンバ内に導入されるエッチャント前駆ガスと一緒に、非反応性プラズマ・ガスを用いることもできる。このような場合、プラズマの分子がサンプルと反応するよりはむしろ、プラズマ分子およびサンプルにイオンが衝突する結果放出される二次電子が、サンプルとサンプル近傍の真空チャンバ内に導入されるエッチング前駆体との間に反応を誘起させるためのエネルギーを提供する。いくつかの実施形態では、プラズマの場合のようにアルゴンを用いることができる。これはアルゴンのイオン化ポテンシャルが低く、したがって、分解し、プラズマ・ビームとして持続するためのエネルギーをあまり必要としないためである。アルゴンは前駆ガスと一緒に用いることもでき、アルゴンはプラズマ・チャンバ内で反応性ガスと混合することもできる。いずれの場合でも、保護マスク３０４ではなく露出している非マスク領域３０８をエッチングするために、プラズマ・ビームおよび／またはプラズマ・ビームとアシストガスとの組合せを、このステップにおいて選択することが好ましい。

第３のステップ１０６では、マスク材料が除去される。図６を参照すると、第２のプラズマ・ビーム６０２がサンプルの方に誘導される。いくつかの実施形態では、ビームは走査を行わずにマスクを除去できるのに十分な大きさである。プラズマ・ビーム６０２は、基板サンプル２００をエッチングせずに、あるいは非常に遅い速度でエッチングしながら、保護マスク３０４の材料をエッチングするために選択される。マスク材料は好ましくは、基板材料のエッチング速度の少なくとも２倍の速度で、より好ましくは少なくとも５倍の速度で、さらに好ましくは少なくとも１０倍の速度で、そして最も好ましくは少なくとも１００倍の速さでエッチングされる。

例えば、酸素イオン・プラズマ・ビームを用いて炭素質マスクを揮発させることができ、ＸｅＦ₂プラズマ・ビームを用いてタングステン・マスクを除去することができる。他の実施形態では、多数のガスを混合して、特定のエッチング特性を有するプラズマ・ビームを生成することができる。例えば、酸素をプラズマ中でＳＦ₆と混合していくつかの基板のエッチング速度を強化することができる。例えば、ＳＦ₆と５％酸素との混合物は純粋なＳＦ₆に比してシリコンのエッチング速度を低減させるが、タングステンなどの金属は依然として非常に迅速にエッチングする。このガス混合物は露出された基板がＷ：ＳｉＯ₂の比が１０：１またはほぼ１０：１のＳｉＯ₂であるときに、タングステンを良好に選択的にエッチングする。あるいは、純粋な酸素プラズマ・ビームを用いて最初に表面全体を酸化させ、次いで上記のＳＦ₆と５％酸素とを用いることができる。他の実施形態では、保護層は集束イオン・ビーム・ミリング、選択的化学的エッチング法または、化学的機械的研磨などの従来の任意の方法によって除去することもできる。図６のビーム６０２の径はマスクされた領域よりも小さいので、ビーム６０２がマスク領域の上を走査する。

本発明の他の実施形態では、マスクは（Ｇａ液体金属イオン源ＦＩＢツールに用いられるものなどの）標準的な集束イオン・ビーム・スパッタリング法によって、または化学的エッチングと物理的スパッタリングとの組合せによって除去されてもよい。本発明者らはそういったプロセスが非マスク領域を「オーバーエッチング」させるが、ステップ１０４の後に、マスク厚がステップ１０４中に生成されたエッチング孔（ｅｔｃｈ ｐｉｔｓ）の深さに対して小さい場合には無視できることに注目している。

上記説明は本発明の好適な実施形態の例示であって、当業者であれば、特にこの説明、添付図面、およびそこに引き出された特許請求の範囲を考慮すれば、多数の変形例、改変例、修正例、置換例、等を理解できよう。例えば、トレンチ４１０はステップ１０６においてマスク材料３０４を除去する前または後で、ガス媒介荷電粒子ビーム誘起蒸着法によって充填することができる。いずれの場合にも、本発明の範囲はあらゆる特定の実施形態よりも非常に広いので、上記の詳細な説明は本発明の範囲を限定するものと解釈してはならず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

本発明の処理の好適な順序を示すフローチャートである。 上部表面を有する基板サンプルを示す立面側面図である。 表面上の保護マスクの各部分をさらに示す図２の基板の図である。 コリメートされたプラズマ・ビームが図２および３の基板の保護されていない部分を選択的にエッチングする工程を示す図である。 電子カラムと、プラズマ・ビームを発生するためのプラズマ・チャンバおよび差動ポンプ式イオン集束カラムの組合せとを備えたデュアルビーム・システムを示す図である。 図２および３の保護マスクを選択的にエッチングする段階を示す図である。

符号の説明

２００ サンプル基板
２０２ 表面
３０２ ビーム
３０４ マスク
３０８ 非マスク領域
４０２、６０２ プラズマ・ビーム
４１０ トレンチ
４１２ 側壁
５００ デュアルビーム・システム
５０２ イオン・ビーム・カラム
５０４ 電子ビーム・カラム
５０６ ガス入口
５０８、５２０ 開口部
５１０ ワーク・ピース
５１２ 位置決め可能ステージ
５２２ ガス出口
５３０ ビーム・ブランカ
５３２ ビーム偏向器
５３４ レンズ
５４０ ガス注入システム
５４２ ノズル

Claims (25)

1. 基板をエッチングして微視的構造を形成する方法であって、
   集束ビームが前駆ガスを分解することによりビームの衝突地点近傍にマスク材料を堆積するか、または、前記ビームの前記衝突地点近傍の前記マスク材料をエッチングすることによって前記マスク材料の既存の層をパターン化する集束ビーム法を用いて、前記基板の表面の１つまたは複数の部分上に保護マスクを形成することと、
   前記基板と接触したときに非マスク部分を化学的にエッチングするのに十分なエネルギーを有するが、前記非マスク部分を実質的にスパッタリングするにはエネルギーが不十分であるイオン化粒子ビームを、プラズマ源からイオン光学カラムを通してサンプルの方に誘導して前記基板の非マスク部分を選択的にエッチングすることにより前記基板に構造を形成することと、
   前記表面と接触したときに前記マスク部分を化学的にエッチングするのに十分なエネルギーを有するが、前記マスク部分をスパッタリングするにはエネルギーが不十分である第２のイオン化粒子ビームを誘導して、前記基板材料を実質的にエッチングすることなく前記マスク材料を選択的にエッチングすることにより前記マスク材料を除去することとを含む、方法。
2. イオン化粒子ビームをプラズマ源からイオン光学カラムを通して前記サンプルの方に誘導して前記基板の非マスク部分を選択的にエッチングすることにより前記基板に構造体を形成することが、前記保護マスク材料の少なくとも一部を残したままで、イオン化粒子ビームを誘導して構造体の形成を本質的に完成させることを含む、請求項１に記載の方法。
3. イオン化粒子ビームをプラズマ源からイオン光学カラムを通して前記サンプルの方に誘導して基板の非マスク部分を選択的にエッチングすることにより前記基板に構造体を形成することが、中性粒子が前記プラズマ源から前記基板に達するのを阻止することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 保護マスクを形成することが、荷電粒子ビームを前記基板の前記表面の１つまたは複数の部分の方に誘導することを含み、前記基板に構造体を形成することが、差動ポンプ式イオン・カラムを通して、前記基板に衝突する中性粒子数を低減させるためにビームを誘導することを含む、請求項１に記載の方法。
5. 基板をエッチングして微視的構造を形成する方法であって、
   パターンを形成し、前記基板の非マスク領域を残す保護マスクを前記基板の表面の１つまたは複数の部分上に形成することと、
   プラズマ・チャンバ内でイオンを発生させることと、
   基板から材料を著しくスパッタリングするには前記基板表面におけるランディング・エネルギーが不十分であるイオンを、前記プラズマ・チャンバから前記ビーム内に形成することと、
   イオン化粒子ビームを前記プラズマ・チャンバからイオン光学カラムを通して前記基板の方に誘導して前記基板の非マスク部分を選択的にエッチングすることであり、前記イオン化粒子ビームを形成するイオン光学素子を含み、かつ、前記イオンが化学反応を誘起して、マスク領域から材料をあまり除去せず、前記非マスク領域から基板材料を選択的に除去することとを含む、方法。
6. 前記イオン化粒子ビームを前記プラズマ・チャンバから誘導することが、中性粒子が前記基板に到達する前に前記プラズマ・チャンバを出てくる前記中性粒子を除去することを含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記イオン化粒子ビームを誘導することが、前記マスク領域よりも小さいが、複数の孔を非マスク領域に形成するには十分に大きい径を有するビームを誘導することを含む、請求項５に記載の方法。
8. 前記ビーム中の前記イオン化粒子が、サンプル表面と接触したときに前記ビーム中の前記イオン化粒子を解離させるのに十分なエネルギーを有する、請求項５に記載の方法。
9. 前記ビーム中の前記イオン化粒子が１０ｅＶから５００ｅＶの範囲のエネルギーを有する、請求項５に記載の方法。
10. 前記ビームがコリメートされる、請求項５に記載の方法。
11. 前記ビームが収束性である、請求項５に記載の方法。
12. 前記ビームが前記基板表面の前記非マスク領域にわたって実質的に均一なイオン・フラックスを有する、請求項５に記載の方法。
13. イオン化粒子ビームをプラズマ源から誘導することが、試料チャンバ内の中性ガス分子の濃度を最小化するように、前記イオン化粒子を差動ポンプ式イオン光学カラムを通して誘導することを含む、請求項５に記載の方法。
14. サンプル基板材料よりも保護マスク材料をより迅速に選択的にエッチングする第２のビームをサンプルの方に誘導することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
15. 化学的エッチング、物理的スパッタリング、または化学的エッチングと物理的スパッタリングとの組合せを用いて保護マスク材料および基板材料の両方をエッチングする第２のビームを前記サンプルの方に誘導することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
16. 集束ビーム法を用いて前記基板の表面の１つまたは複数の部分上に保護マスクを形成することが、ガスを１つまたは複数の部分の方に誘導しながら荷電粒子ビームを前記１つまたは複数の部分の方に誘導することであって、前記荷電粒子ビームは前記ガスを分解して保護層を堆積させることを含む、請求項５に記載の方法。
17. 荷電粒子ビームを前記１つまたは複数の部分の方に誘導することが、電子ビームを誘導することを含む、請求項１５に記載の方法。
18. 荷電粒子ビームを前記１つまたは複数の部分の方に誘導することが、イオン・ビームを誘導することを含む、請求項１５に記載の方法。
19. 荷電粒子ビームを前記１つまたは複数の部分の方に誘導することが、レーザ・ビームを誘導することを含む、請求項１５に記載の方法。
20. プラズマ・チャンバ内でイオンを発生させることが、磁気強化型誘導結合プラズマ・イオン源においてイオンを発生させることを含む、請求項１５に記載の方法。
21. 前記基板の表面の１つまたは複数の部分上に保護マスクを形成することが、前記表面上にマスク材料を塗布することと、続いて、集束ビーム法を用いて、前記１つまたは複数の部分以外の表面領域から前記マスク材料を除去することとを含む、請求項５に記載の方法。
22. イオン化粒子ビームを誘導して前記サンプルの非マスク部分を選択的にエッチングすることが、平均の前記イオン・エネルギーが前記サンプルから材料をスパッタリングするのに必要なエネルギー未満であるコリメートされたイオン・ビームを誘導することを含む、請求項５に記載の方法。
23. 前記プラズマ・チャンバからイオン化粒子ビームを誘導して前記サンプルの非マスク部分を選択的にエッチングすることが、平均の前記イオン・エネルギーが５００ｅＶ未満であるコリメートされたイオン・ビームを誘導することを含む、請求項５に記載の方法。
24. 基板をエッチングして微視的構造を形成する装置であって、
    ガス注入システムと、
    ビームの衝突地点近傍のサンプルの方にガスを誘導してマスク材料をあるパターンで前記表面上に堆積させるようにプログラムされた、微細ビームを発生させるビーム発生カラムを含む第１のシステムと、
    プラズマ・チャンバと、前記プラズマ・チャンバからのイオンをビームに集束またはコリメートすることによりイオン・ビームを形成する１つまたは複数のレンズを有する、前記プラズマ・チャンバから前記イオンを受け取るイオン・カラムとを含む第２のシステムと、
    表面と化学反応するには十分であるが、表面をスパッタリングするには不十分なエネルギーをイオンに与えるためにある電圧に維持された、１つまたは複数の加速電極とを備える、装置。
25. 前記第１のシステムが電子ビーム・システム、集束イオン・ビーム・システム、またはレーザ・システムを含む、請求項２４に記載の装置。

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