JP2564664B2

JP2564664B2 - 気相エッチング方法

Info

Publication number: JP2564664B2
Application number: JP1282544A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1989-10-30
Filing date: 1989-10-30
Publication date: 1996-12-18
Anticipated expiration: 2011-12-18
Also published as: JPH02297931A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、異方性エッチングを行う気相エッチング方
法に関するものである。

〔従来の技術〕

気相エッチング反応によるエッチング（気相化学的除
去方法）技術として、プラズマエッチング法（グロー放
電エッチング法）が知られている。

プラズマエッチング法は、高周波または直流電界によ
ってエッチング用反応性気体を活性化もしくは分解す
る。このプラズマエッチング法は、パターン転写精度が
高い異方性エッチングとして、超LSIの製造プロセスに
採用されている。

しかしながら、最近の超LSIの微細化技術の進歩の度
合いに対し、プラズマエッチング法のパターン転写精度
の向上（異方性の促進）の度合いは遅れている。このた
め、パターン転写精度が高い異方性エッチング技術が求
められている。また、異方性エッチング技術として、電
子サイクロトロン共鳴を用いたエッチング法が知られて
いる。サイクロトロン共鳴は、たとえば共鳴原子として
アルゴンが使用され、2.45〔GHz〕の周波数および875
〔ガウス〕の強磁場の条件下において発生できる。

サイクロトロン共鳴を用いたエッチング法は、被エッ
チング基板または基板上の被エッチング膜（被膜）の表
面全体のエッチングが行える。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前記サイクロトロン共鳴を用いたエッ
チング法は、サイクロトロン共鳴によって反応性気体が
表面全体に平行に移動するので、微細な幅もしくは微細
な径を有しかつ深さを有する、選択的な異方性エッチン
グが行なえない。

具体的に、サイクロトロン共鳴を用いたエッチング法
は、次世代の製造プロセスに要求される、サブミクロン
（１〔μｍ〕以下、たとえば0.2〔μｍ〕）の幅もしく
は径を有し、かつ２〔μｍ〕乃至４〔μｍ〕の深さを有
する穴状の加工を行うことができない。

また、サイクロトロン共鳴を用いたエッチング法は、
サイクロトロン共鳴によって活性化もしくは分解された
励起気体を被エッチング基板または被エッチング膜の全
体表面に広げるために、サイクロトロン共鳴を発生させ
るサイクロトロン共鳴空間および強磁場を発生させる磁
場発生用空心コイルを大きくする必要があり、エッチン
グ装置全体が大型になる。

本発明は、以上のような課題を解決するためのもの
で、異方性エッチングの異方性を促進でき、しかも装置
を小型化できる気相エッチング方法を提供することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成するために、本発明の気相エッチング
方法は、ターボ分子ポンプを用いて、反応空間（１）の
圧力を１ないし10^-4torrに保持し、前記反応空間（１）
に配置された基板または基板表面上の被エッチング部材
（10）に対して垂直方向に高周波または直流電界を印加
すると共に、反応性気体を反応空間（１）に供給し、前
記反応空間（１）に配置された被エッチング部材（10）
の表面に対して垂直方向で、広い空間（１）から狭い所
へと突出するように連結されたサイクロトロン共鳴空間
（２）で、非生成物気体にサイクロトロン共鳴を発生さ
せると共に、非生成物気体のエネルギーを持続させ、前
記反応空間（１）において、高周波または直流電界、お
よび前記励起された非生成物気体によって、反応性気体
を励起または活性化し、前記基板または基板表面上の被
エッチング部材（10）にサブミクロンの幅または径を有
する異方性エッチングを行い、その後、真空排気系によ
り排気量を調整しつつ、不要気体を排気することを特徴
とする。

〔作用〕

本発明は、前述した工程に基づき、以下の作用が得ら
れる。

まず、反応空間の圧力は、ターボ分子ポンプを用いて
１ないし10^-4torrに保持される。そして、前記反応空間
内に設けられた基板または基板表面上の被エッチング部
材に対して高周波または直流電界が印加される。また、
反応空間には、反応性気体が供給されることによってプ
ラズマが発生する。

一方、サイクロトロン共鳴空間は、前記反応空間に配
置された被エッチング部材の表面に対して垂直方向で、
広い空間から狭い所へと突出するように連結される。ま
た、サイクロトロン共鳴空間は、その周囲に磁場発生用
空心コイルが巻回され、当該磁場発生用空心コイルに印
加されたマイクロ波の電界によって、非生成物気体にサ
イクロトロン共鳴を発生させる。さらに、サイクロトロ
ン共鳴空間において、サイクロトロン共鳴が発生した非
生成物気体は、エネルギーが持続される。

そして、反応空間は、前記高周波または直流電界と、
サイクロトロン共鳴空間によって活性化された非生成物
気体のエネルギーがプラズマ化された生成物気体のプラ
ズマ化を効率良くすると共に、被エッチング面の損傷を
なくす。

さらに、上記エッチングが開始された後、反応空間
は、真空排気系によって、排気量を調整しつつ、不要気
体を排気する。

以上のように、活性化された不活性気体および／また
は非生成物気体、あるいはエッチング用反応性気体は、
基板または基板表面上の被エッチング部材に対して、垂
直に供給される。

そして、本発明の気相エッチング方法において、前記
サイクロトロン共鳴と直流または高周波電界とによっ
て、活性化された非生成物気体は、狭いサイクロトロン
共鳴空間から広い空間に飛び出すため、基板または基板
表面上の被エッチング部材の全域にわたって、場所的な
バラツキもなくサブミクロンの幅または径を有する異方
性エッチングを行うことができる。

また、本発明は、グロー放電用電源として直流電源に
変えた高周波電源であっても同様に、高周波グロー放電
によってエッチング用反応性気体の励起状態が持続され
て異方性エッチングが行なえる。

本発明は、前記エッチング用反応性気体として、たと
えば、CF₄、CF₂H₂、CFH₃、CF₃H、CCl₄、弗化窒素（N
F₃、N₂F₆）、弗化水素（HF）、弗素（F₂）、塩化水素
（HCl）もしくは塩素（Cl₂）のいずれか、またはいずれ
かにキャリアガスもしくは酸素を混合した気体を使用す
る。

本発明は、被エッチング基板または基板上の被エッチ
ング部材の表面に対して電界が印加される方向を垂直に
設定する。

結果として、本発明は、サブミクロンレベルの幅もし
くは径を有し、かつ数〔μｍ〕の深さを有する穴状の加
工が実現できる。

本発明の非生成物気体（分解または反応をしてもそれ
自体は気体しか生じない気体）は、不活性気体として代
表的なアルゴンを使用する。また、本発明は、非生成物
気体として、ヘリューム、ネオン、クリプトンのいずれ
かを使用してもよい。

本発明は、前述のように、反応空間内においてグロー
放電によるエッチング用反応性気体の活性化、分解もし
くは反応で異方性エッチングを行い、前記エッチング用
反応性気体の活性化、分解もしくは反応の促進にサイク
ロトロン共鳴を併用するので、このサイクロトロン共鳴
を発生させるサイクロトロン共鳴空間、磁場発生用空心
コイルのいずれも小型化でき、気相エッチング装置全体
を小型化できる。

また、本発明は、前述の異方性エッチングに際し、被
エッチング基板もしくは基板上の被エッチング部材を室
温から300〔℃〕の温度範囲において加熱することによ
り、異方性をさらに促進できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例について説明する。

第１図は、本発明の一実施例であるサイクロトロン共
鳴型プラズマエッチング装置の概要を示す構成図であ
る。

第１図において、反応空間（１）は、ステンレス製の
反応容器（１′）および蓋（１″）で構成される。前記
反応容器（１′）の上部には、基板ホルダ（10′）が設
けられる。基板ホルダ（10′）は、被エッチング基板ま
たは表面に被エッチング材料（たとえば、被エッチング
膜）を有する基板（10）が装着される。被エッチング基
板または基板（10）の装着は、反応容器（１′）の上部
側に開閉可能に設けられた蓋（１″）を上方向に開けて
行われる。

前記蓋（１″）の内側には、ハロゲンランプヒータ
（７）が設けられる。このハロゲンランプヒータ（７）
は、反応空間（１）との間に配設された石英窓（19）を
通して被エッチング基板（10）の裏面に赤外線を照射
し、この被エッチング基板（10）を加熱できる。

本実施例において、反応容器（１′）は、ハロゲンラ
ンプヒータ（７）によって、常温から300〔℃〕の温度
範囲内で被エッチング基板（10）を加熱できる。

反応空間（１）内において、基板ホルダ（10′）に装
着された被エッチング基板（10）の被エッチング表面と
対向する裏面、または基板（10）の被エッチング材料が
形成されない裏面に位置する部分には、一方の網状電極
（20′）が配設される。また、反応容器（１′）の反応
空間（１）内の下部において、前記一方の網状電極（2
0′）に対向し、かつ離間する位置には、他の一方の網
状電極（20）が配設される。

前記網状電極（20′）、（20）のそれぞれは、高周波
電源または直流電源（６）に接続される。そして、網状
電極（20′）、（20）のそれぞれの間には、13.56〔MH
z〕の高周波、または直流の電界が印加される。

本実施例は、基板ホルダ（10′）に装着された被エッ
チング基板（10）の被エッチング表面、または基板（1
0）の被エッチング材料の表面が印加される電界の方向
に対して垂直に設定される。

前記反応容器（１′）の反応空間（１）は、ガス供給
系（16）を通してドーピング系（13′）に連結される。
ドーピング系（13′）は、反応空間（１）内にエッチン
グ用反応性気体を供給する。

このエッチング用反応性気体は、反応空間（１）内に
配設された複数のリング状ノズル（17）を通して、この
反応空間（１）内に均一に放出される。前記エッチング
用反応性気体としては、CF₄、CF₂H₂、CFH₃、CF₃H、CC
l₄、弗化窒素（NF₃、N₂F₆）、弗化水素（HF）、弗素（F
₂）、塩化水素（HCl）、もしくは塩素（Cl₂）のいずれ
か、またはいずれかにキャリアガスもしくは酸素を混合
した気体を使用する。

また、前記反応容器（１′）の反応空間（１）は、反
応容器（１′）の下部、つまり他の一方の網状電極（2
0）側において、しかも網状電極（20′）、（20）のそ
れぞれの間に印加される電界の方向に一致する方向（延
長線上）において、サイクロトロン共鳴空間（２）の一
端が連結される。このサイクロトロン共鳴空間（２）
は、石英管（共鳴容器:29）で構成される。そして、石
英管からなる共鳴容器（29）は、反応容器（１′）の下
側面からほぼ垂直方向の下側に細長く突出した形状で構
成される。

前記サイクロトロン共鳴空間（２）は、ガス供給系
（18）を通してドーピング系（13）が連結される。この
ドーピング系（13）は、サイクロトロン共鳴空間（２）
に非生成物気体を供給する。非生成物気体としては、ア
ルゴン、ヘリューム、ネオン、クリプトンのいずれかを
使用する。なお、本実施例は、非生成物気体としてアル
ゴンを使用する。

前記共鳴容器（29）の外周囲には、サイクロトロン共
鳴空間（２）の一端側から他端側に沿って磁場発生用空
心コイル（５）および（５′）が配設される。

この磁場発生用空心コイル（５）および（５′）は、
サイクロトロン共鳴空間（２）内に供給される非生成物
気体に磁場を加える。

前記サイクロトロン共鳴空間（２）の他端は、アナラ
イザー（４）を通してマイクロ波発振器（３）に連結さ
れる。

このマイクロ波発振器（３）は、たとえば2.45〔GH
z〕のマイクロ波をサイクロトロン共鳴空間（２）内に
発振し、サイクロトロン共鳴空間（２）内に供給された
非生成物気体にサイクロトロン共鳴を発生させる。

前記反応容器（１′）における反応空間（１）は、コ
ントロールバルブ（14）、（15）およびターボポンプを
併用した真空ポンプ（９）で構成される真空排気系（1
1）に連結される。この真空排気系（11）は、反応空間
（１）およびそれに連結されたサイクロトロン共鳴空間
（２）の圧力を常圧状態から減圧された状態の範囲、つ
まり１〔torr〕ないし10^-4〔torr〕、たとえば0.03〔to
rr〕ないし0.001〔torr〕の範囲に調整できる。

反応空間（１）およびそれに連結されたサイクロトロ
ン共鳴空間（２）の圧力を減圧された状態に保持する
と、反応空間（１）内にエッチング用反応性気体を充分
に広げることができ、かつサイクロトロン共鳴空間
（２）内でサイクロトロン共鳴が容易に発生できる。

このように構成されるサイクロトロン共鳴型プラズマ
エッチング装置は、まず、非生成物気体としてのアルゴ
ンガスをサイクロトロン共鳴空間（２）内に供給し、こ
のアルゴンガスに磁場発生用空心コイル（５）および
（５′）からアルゴンの質量および周波数により決めら
れた磁場（たとえば875〔ガウス〕）、マイクロ波発振
器（３）からマイクロ波のそれぞれを与える。

前記アルゴンガスが励起されかつ磁場でピンチングさ
れると同時にサイクロトロン共鳴空間（２）内において
サイクロトロン共鳴が発生する。

充分に励起された後、この電子化されかつ励起された
アルゴンガスは、反応空間（１）に放出される。このア
ルゴンガスが放出されるサイクロトロン共鳴空間（２）
の出口において、ドーピング系（13′）からガス供給系
（16）、複数のリング状ノズル（17）のそれぞれを通し
て供給されたエッチング用反応性気体（22）と混合され
る。この混合によって、エッチング用反応性気体（22）
は、非生成物気体（21）の励起エネルギーが与えられ、
エッチング用反応性気体（22）の活性化、分解または反
応が促進される。

さらに、反応空間（１）内において活性化、分解また
は反応が促進されたエッチング用反応性気体（22）は、
一対の網状電極（20）と（20′）との間に印加された電
界によって加速されかつ方向性が与えられる。

このプラズマグロー放電にサイクロトロン共鳴が併用
された結果、反応空間（１）内において活性化、分解ま
たは反応が促進されたエッチング用反応性気体（22）
は、印加された電界の方向と一致する方向に飛翔し、被
エッチング基板（10）の表面もしくは基板（10）の被エ
ッチング材料の表面を選択的に異方性エッチングする。
しかも、この異方性エッチングの異方性は促進される。

また、サイクロトロン共鳴型プラズマエッチング装置
は、反応空間（１）内に供給されたエッチング用反応性
気体（22）を活性化、分解または反応する程度に、非生
成物気体（21）にサイクロトロン共鳴を発生すれば足り
るので、サイクロトロン共鳴空間（２）、磁場発生用空
心コイル（５）および（５′）を小型化でき、装置全体
を小型化できる。

〈実験例〉この実験例は、前述の実施例のサイクロトロン共鳴型
プラズマエッチング装置を使用し、シリコン半導体基板
をNF₃でエッチングした、一実験例である。サイクロト
ロン共鳴型プラズマエッチング装置は、反応空間（１）
内の圧力を0.003〔torr〕に設定し、反応空間（１）内
にエッチング用反応性気体（22）としてNF₃をドーピン
グ系（13′）から20〔cc/分〕で供給し、自己バイアス
が印加された13.56〔MHz〕の高周波電界を印加する。

一方、サイクロトロン共鳴空間（２）内には、非生成
物気体（21）としてアルゴンガスがドーピング系（13）
から50〔cc/分〕で供給される。また、マイクロ波は、
2.45〔GHz〕の周波数を有しかつ30〔Ｗ〕ないし500
〔Ｗ〕の範囲の出力、たとえば200〔Ｗ〕の出力に調整
される。

さらに、磁場発生用空心コイル（５）、（５′）の共
鳴強度は、875〔ガウス〕に設定される。

被エッチング基板（10）は、シリコン半導体基板、具
体的に、非単結晶半導体基板、たとえばアモルファスシ
リコン（非晶質）半導体基板を使用する。被エッチング
基板（10）の被エッチング面となる表面上には、エッチ
ングマスクとしてのフォトレジスト膜が選択的にコーテ
ィングされる。前述の条件下において、実際にエッチン
グを開始し、アモルファシシリコン半導体基板を選択的
に除去し、反応空間（１）内から真空排気系（11）によ
り不要気体を放出した。

この結果、エッチング速度は、15〔Å／秒〕が得られ
た。このエッチング速度は、プラズマエッチングのみで
得られる５〔Å／秒〕に比べて３倍の速さである。

また、アモルファスシリコン半導体基板の表面上に0.
3〔μｍ〕の幅でフォトレジスト膜にパターンを切って
おくと、0.3〔μｍ〕幅、４〔μｍ〕深さの穴状の加工
が実現できた。つまり、確実に異方性エッチングの異方
性が促進できた。

なお、前記サイクロトロン共鳴型プラズマエッチング
装置は、異方性エッチングの終了後に反応空間（１）内
のエッチング用反応性気体（22）を除去し、この反応空
間（１）内に酸素を導入し、被エッチング基板（10）の
表面上のフォトレジスト膜をアッシング処理で除去す
る、連続処理方式を採用してもよい。

以上説明したように、本発明の一実施例によれば、気
相エッチング装置において、異方性エッチングの異方性
を促進でき、しかも装置を小型化できる。

なお、以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明
は、前記実施例に限定されるものではない。そして、特
許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することがなけ
れば、種々の設計変更を行うことが可能である。

たとえば、本発明は、光電変換素子、発光素子、MISF
ET（電界効果型半導体素子）、SL素子（スーパーラティ
ス素子）、HEMT素子を有する半導体装置、もしくは超LS
Iの製造プロセスで採用するエッチング技術に適用でき
る。

同様に、本発明は、半導体レーザ装置もしくは光集積
回路装置の製造プロセスで採用するエッチング技術に適
用できる。

また、本発明は、前述のサイクロトロン共鳴を用いた
エッチング技術において、同時に光エネルギーを加える
光エッチング技術を併用してもよい。この場合、本発明
は、特に、光源として低圧水銀灯ではなく、エキシマレ
ーザ（波長100〔μｍ〕乃至400〔μｍ〕）、アルゴンレ
ーザ、窒素レーザ等のいずれかを使用することにより、
共鳴波長を自由にもしくは適宜選択できる。

また、本発明は、被エッチング基板として、単結晶シ
リコン半導体基板（膜）、多結晶シリコン半導体基板
（膜）、ガラス基板、ステンレス基板のいずれかを使用
してもよい。同様に、本発明は、被エッチング基板とし
て、III−Ｖ族化合物半導体基板たとえばGaAs基板、GaA
lAs基板、InP基板、GaN基板、もしくはアルミニューム
や珪化物金属を使用してもよい。

また、本発明は、被エッチング基板として、単結晶半
導体基板のみではなく、非単結晶半導体基板、たとえば
SiGe_1-x（０＜Ｘ＜１）、SiO_2-x（０＜Ｘ＜２）、SixC
_1-x（０＜Ｘ＜１）、Si₃N_4-x（０＜Ｘ＜４）等、Siを含
むアモルファス半導体基板を使用してもよい。

また、本発明は、前記第１図において、被エッチング
基板を下側もしくは垂直に装着する構造とし、サイクロ
トロン共鳴および電界を上方向から下方向にもしくは横
方向に放出する構造としてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、ターボ分子ポ
ンプを用いて、反応空間の圧力を１ないし10^-4torrに保
持し、被エッチング部材に高周波または直流電界を印加
して反応性気体を供給すると共に、非生成物気体にサイ
クロトロン共鳴を発生させることによって、基板または
基板表面上の被エッチング部材の全面にわたって均等に
供給されるので、広い面積にわたって均一な異方性エッ
チングを高精度に行うことができる。

本発明によれば、反応空間内に配置された基板または
基板表面上の被エッチング部材に対して、垂直方向で広
い空間から狭いサイクロトロン共鳴空間を突設したの
で、気相エッチング装置および電磁コイルを小型化する
ことができた。

本発明によれば、広い面積の基板または基板表面上の
被エッチング部材に対して、垂直方向からエッチング用
反応性気体および活性化された不活性気体および／また
は非生成物気体が均等に供給されて異方性エッチングを
行うため、サブミクロンの幅、および径、あるいは深さ
の加工が容易にできる。

本発明によれば、エッチングを開始した後、ターボ分
子ポンプを用いた真空排気系により排気量を調整しつ
つ、不要反応性気体を排気したため、エッチング速度を
上げることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例であるサイクロトロン共鳴
型プラズマエッチング装置の概要を示す構成図である。１……反応空間１′……反応容器２……サイクロトロン共鳴空間３……マイクロ波発振器４……アナライザー５、５′……磁場発生用空心コイル６……高周波電源または直流電源７、７′……ハロゲンランプヒータ９……真空ポンプ 10……被エッチング部材または基板 11……真空排気系 13、13′……ドーピング系 17……ノズル 20、20′……網状電極 21……不活性気体および／または非生成物気体 22……エッチング用反応性気体 29……サイクロトロン共鳴空間

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ターボ分子ポンプを用いて、反応空間の圧
力を１ないし10^-4torrに保持し、前記反応空間に配置された基板または基板表面上の被エ
ッチング部材に対して垂直方向に高周波または直流電界
を印加すると共に、反応性気体を反応空間に供給し、前記反応空間に配置された被エッチング部材の表面に対
して垂直方向で、広い空間から狭い所へと突出するよう
に連結されたサイクロトロン共鳴空間で、非生成物気体
にサイクロトロン共鳴を発生させると共に、非生成物気
体のエネルギーを持続させ、前記反応空間において、高周波または直流電界、および
前記励起された非生成物気体によって、反応性気体を励
起または活性化し、前記基板または基板表面上の被エッ
チング部材にサブミクロンの幅または径を有する異方性
エッチングを行い、その後、真空排気系により排気量を調整しつつ、不要気
体を排気することを特徴とする気相エッチング方法。