JP2709175B2

JP2709175B2 - エッチングパターンの形成方法

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Publication number: JP2709175B2
Application number: JP2117644A
Authority: JP
Inventors: 隆行八木; 利行小松
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-05-09
Filing date: 1990-05-09
Publication date: 1998-02-04
Anticipated expiration: 2013-02-04
Also published as: JPH0417685A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、半導体、金属、絶縁体等からなる被加工材
にエッチングパターンを形成する方法に関し、特に電子
デバイスのパターン形成などの微細なエッチングパター
ンの形成に好適なエッチングパターンの形成方法に関す
る。

［従来の技術］近年、フォトリソグラフィーを利用したパターン形成
技術に利用する露光装置の大口径化にともない、アクテ
ィブマトリックス液晶ディスプレイ、直流プラズマディ
スプレイ等のフラットパネルにみられる大面積デバイス
が商品化されつつある。

これらデバイスの有する各種パターンの形成に用いる
フォトリソグラフィーを利用したパターン形成法は、被
加工材の所定面にフォトレジストを塗布し、これにパタ
ーン露光、現像を含む処理を行いレジストパターンを形
成し、該レジストパターンをマスクとして溶剤を用い
た、あるいは気相での物理的、化学的反応を利用したエ
ッチングを行う過程を含む。

ところで、VLSIチップでは、１ウエハー上に数十個以
上のチップを一体化された状態で同時作製し、ダイシン
グにより切断してチップ化するので、１ウエハー上での
欠陥チップの選択、除外が可能である。これに対し、大
面積デバイスでは、１ウエハーから取り出せるチップの
数は、１〜数個に留まり、フォトリソグラフィーを利用
したパターン形成に必要なレジストマスク総数の低減、
設計ルールの最適化等のデバイス設計による対応のみで
は、デバイスコストを決定する主要因の一つである歩留
まりの向上をはかることは困難となっている。

フォトリソグラフィーを利用したパターン形成におけ
る高歩留まりを達成するための試みとして二つの方法が
検討されている。

一つは、欠陥発生が、成膜、パターン形成のラインに
おける環境によるものとして、これらラインにおける作
業工程のクリーン化をはかる方法である。

中でも、超クリーン化技術（日経マイクロデバイス、
別冊No.2、1986年10月参照）は欠陥発生密度を従来の二
桁以下にすることを可能とした。

しかしながら、この方法を採用する場合は、用いる純
水、ガス等の純度におけるグレードを極めて高く保持す
る付帯設備、自動搬送装置等の大幅な設備投資が必要と
なる。

他の一つの方法は、デバイスに冗長回路を設け、微細
加工プロセスに欠陥修正工程を付加する方法である（応
用電子物性分科会、研究報告No.427、13頁）。

ところが、この方法においては、フォトリソグラフィ
ーのプロセスは複雑になり、かつ検査、修正にかかる費
用および時間が増大するという問題が残されている。

以上のようなフォトリソグラフィーを利用したパター
ン形成技術の現状に対して、フォトリソグラフィーを用
いないパターン形成技術の開発が試みられている。

その一つとして、光プロセスを利用する方法が提案さ
れている（「新電子材料に関する調査研究報告書XIII」
62−Ｍ−273、日本電子工業振興協会参照）。中でも、
光エッチングは、クリーンな環境を維持しうる真空中に
て被加工材への部位選択的光照射により、光照射部にお
いてエッチングを行わせる方法は、フォトリソグラフィ
ーにおけるレジストの塗布、パターン露光、現像の各工
程を利用せず、高い歩留まりが見込め、イオン衝撃が少
なく、かつフォトリソグラフィーにおけるレジストパタ
ーンの形成に必要な材料費の削減による大幅なコストダ
ウンが可能な理想的なパターン形成法として注目されて
いる。

この光エッチング法の一例として、塩素ガスとメタア
クリル酸メチルを共存させた雰囲気中にリン添加多結晶
シリコン基板にエキシマレーザーを選択的に照射して、
非照射部分および照射光量の弱い部分では重合膜が形成
され、照射光量の強い部分では重合膜が形成されず、塩
素のラジカルによって基板をエッチングすることによ
り、パターンを形成する方法が知られている（SEMI Tec
hnol.Symp′86,P.F−３−１）。

［発明が解決しようとする課題］ところが、上述の光エッチング方法はなお種々の改良
すべき問題を有する。

例えば、従来のドライエッチングにおけるプラズマ中
の分子の電子衝突解離面積に比べて、光子による分子の
光吸収断面積が１〜２桁小さいために、エッチングに必
要な有効な非結合手を持つ反応性分子または原子である
ラジカルの生成量が少ない。そのため、照射光量を上げ
る必要がある。

しかしながら、現在利用できる光照射装置では、満足
できる照射光量を得ることができず、長時間の光照射が
必要となる。

例えば、J.Vac.Sci.Technol.,B3（５）,1507（1985）
には、大出力レーザーであるエキシマレーザーを用いた
エッチングの高速化について開示しているが、この方法
における照射面積は数十mm角程度であり、例えば、被加
工材の処理面積がA4サイズ程度になった場合、エッチン
グ処理に要する時間が一時間以上となる。

光エッチングでの十分な照射光量を得るには、レーザ
ーの大口径化、高出力化の実現を持たねばならず、デバ
イスの大口径化にともなう枚葉数式高速エッチングため
の微細加工プロセスへの光エッチングの適用は困難であ
るのが現状である。

本発明は、以上述べた微細加工プロセスに利用する各
種エッチング技術における問題に鑑みなされたものであ
り、フォトリソグラフィーにおけるレジストパターンの
形成工程を利用せずに、光照射を利用したエッチングに
対する耐性を有するパターン状部分の形成を行い、高歩
留まりで、かつ低コストでのエッチングパターンの形成
が可能な方法を提供することをその目的とする。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成する本発明のエッチングパターンの形
成方法は、以下の過程を有することを特徴とする。

A:被加工材のエッチング加工される清浄な表面に、光ラ
ジカル生成性物質としての二酸化窒素の雰囲気下で、該
物質からラジカルを生成させるための光を部位選択的に
照射し、前記表面の光照射部にエッチング耐性を有する
改質部を形成する過程。

B:過程Ａにおいてエッチング耐性が付与された部分を有
する被加工材表面をエッチング処理し、過程Ａにおける
該表面の未改質部をエッチングし、過程Ａにおける光の
部位選択的照射パターンに応じたエッチングパターンを
形成する過程。

本発明の方法では、パターン状耐エッチング部の形成
に、高歩留まりの達成が容易な光ラジカル生成性物質の
雰囲気下での光の部位選択的照射処理が利用されるの
で、歩留まりの高いエッチング形成が可能となる。

また、本発明の方法によれば、フォトリソグラフィー
におけるレジストパターンの形成工程に必要な材料や工
程にかかる費用を削減して、低コストでのエッチングパ
ターンの形成が可能である。

更に、本発明の方法では、光照射は、光エッチングに
おけるようにエッチングのために利用されるのではな
く、被加工材の表面の所定部の改質によるエッチングに
対する耐性を有する部分の形成に利用され、現在実用化
されている光照射装置を用いて実施可能である。

以下、本発明の方法を図面を用いて更に詳細に説明す
る。

第１図および第２図は、本発明の方法に用いることの
できる装置の概要を示す図である。

本発明の方法で加工される被加工材としては、後述す
るエッチング処理においてエッチングできる材料で、光
ラジカル生成性物質の存在下での光照射によって発生し
たラジカルの作用でエッチング処理においてエッチング
されない部分（耐エッチング部）を形成できるものから
成るエッチング加工される部分を有する。

該加工部分としては、Al、Si、SiN、Ｃ、Ge、GaAs、T
i、Ta、Mo、ＷおよびNbから選択された１以上からなる
材料等の金属、半導体、各種絶縁体材料など、半導体デ
バイスなどの各種電子材料に利用される各種材料から構
成されたものが本発明の方法に適用できる。

また、この加工部分としては、例えば、シリコンウエ
ハ等の適当な基板に、半導体、絶縁体あるいは各種金属
から成る薄膜を、真空蒸着法、CVD法、スパッタ法、イ
オンプレーティング法などの薄膜形成技術によって形成
したものが適用できる。

第１図および第２図では、適当な基板1a上に薄膜形成
技術によって形成した半導体、絶縁体あるいは各種金属
から成る薄膜1bを有するものが例示されている。

まず、図示したように被加工材１を真空槽２内の所定
の位置に設置する。

薄膜1bは、その成膜工程の特性上、大気に触れた場
合、その表面に自然酸化膜、水、有機系付着物などが形
成されている場合が多い。そこで、薄膜1bの清浄化のた
めの処理が必要となる。

この清浄化処理には、排気装置３によって真空雰囲気
とした真空槽２内にガス導入パイプ４より不活性ガス、
水素ガス等を導入し、プラズマ発生器５、５′を作動さ
せてプラズマを発生させて励起し、生成するラジカルに
よって薄膜1b表面の自然酸化膜、水、有機系付着物など
を除去する方法が好適に利用できる。

更に、薄膜1bの成膜後、該薄膜を大気に曝すことなく
真空槽２内に設置することによっても、清浄化された表
面を有する薄膜1bを真空槽２内に設置することができ
る。

また、薄膜1bの成膜後、大気に曝す前に、その表面に
水素イオン、フッ素イオンなどを照射してその表面改質
を行うことによって、薄膜1b表面に自然酸化膜などが形
成されたり、あるいは水や付着物が付着にしくくなるよ
うにすることによっても清浄化された表面を得ることが
できる。

なお、これらの清浄化のための処置は、その２以上を
組合せて行ってもよい。

本発明の方法においては、薄膜1b表面などのエッチン
グ加工される面の精度良い部位選択的表面改質を行うに
は、エッチング加工される面が清浄化されていることは
極めて重要となる。

次に、光ラジカル生成性物質のガスをガス導入パイプ
４より真空槽２内に導入し、薄膜1b表面の所望とするエ
ッチングパターンに応じた部分に光を部位選択的に照射
する。

この部位選択的な光照射の方法としては、第１図に示
す投影露光方式と、第２図に示すレーザー直接画描方式
が利用できる。

投影露光方式では、第１図に示すように、レンズ７、
８を含む光学系を通した光源６からの光で露光マスク８
の有する露光パターンを薄膜1b表面に投射、結像させ
て、薄膜1b表面をパターン露光する。

また、直接画描方式では、第２図に示すように、レー
ザー光源10から発振した連続レーザー光が光変調器11、
コリメータレンズ12および回転多面鏡13を通り、ｆθレ
ンズ14により窓15から真空槽２内の薄膜1b表面にスポッ
ト結像されて露光が行われる。この、レーザー直接画描
方式における部位選択的光照射は、光変調器11により変
調したレーザー光の結像位置を回転多面鏡13の回転によ
って薄膜1b表面の一方向に走査し、同時に被加工材１を
被加工材送り系16を用いレーザー光の結像装置の走査方
向と垂直な方向に送り出してレーザー光の結像位置を移
動させ、その際の回転多面鏡での走査、被加工材の送り
出し、レーザーの照射、非照射のタイミングを調節する
ことで行うことができる。

本発明の方法で用いる光照射用の光源は、真空槽２内
に導入される光ラジカル生成性物質としての二酸化窒素
から光ラジカルを発生させることができるものが選択さ
れる。

光ラジカル生成性物質としては、例えば、酸素、二酸
化窒素、オゾン、亜酸化窒素、二酸化炭素などの酸素ラ
ジカルを形成できる化合物を挙げることができるが、本
発明では二酸化窒素のガスを真空槽２に導入して上記の
操作を行う。

光源としては、光ラジカル生成性物質としての二酸化
窒素の紫外光吸収端波長以下の波長の光を発生できるも
のであれば、制限なく利用できる。

例えば、光ラジカル生成性物質として酸素ガスを用い
る場合には、そのラジカル発生における紫外光吸収端波
長が242nm程度であるので、それ以下の短波長光を発生
する光源が利用でき、例えば希ガスエキシマレーザー、
希ガスハライドエキシマレーザーなど利用できる。

一方、本発明におけるように光ラジカル生成性物質と
して二酸化窒素ガスを用いる場合は、そのラジカル発生
における紫外光吸収端波長が400nm近くにあるので、例
えば希ガスエキシマレーザー、希ガスハライドエキシマ
レーザーなどのエキシマレーザーの他に、アルゴンイオ
ンレーザー、クリプトンイオンレーザー、He−Cdレーザ
ーなどの連続発振レーザーも利用でき、光源の選択枝も
拡大し、取扱も容易であるという利点を有する。

このようにして光励起によって発生するラジカルの作
用によって、薄膜1bの光照射部分は改質される。

このようにして形成された改質部は、フツ素ラジカ
ル、塩素ラジカルなどのハロゲン原子ラジカルでエッチ
ングされず、また光照射が行われなかった未改質部はこ
れらのエッチング用反応種でエッチングされる状態のま
ま残される。

次に、排気装置３によって真空槽２内から不要の残存
ガスなどを排出し、真空槽２内を所定の真空度としたと
ころで、エッチング用の化合物ガスをガス導入パイプ17
から導入し、マグネトロン18から発振するマイクロ波に
よりプラズマ管19中にてマイクロ波励起し、輸送管20を
通して真空槽２内へ導入する。

このエッチング用の化合物としては、薄膜1bのエッチ
ングを可能とするラジカルを発生できるものであれば制
限なく利用できる。

例えば、Cl₂、CF₃、Cl、CCl₄、NF₃などの塩素ラジカ
ル、フッ素ラジカルなどのハロゲン原子ラジカルを発生
できるものなどが利用できる。

［実施例］以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。

実施例１基体としてのシリコンウエハー上にスパッタ法により
膜厚1500ÅのAl膜を形成した被加工材を第１図に示す装
置の被加工材の設置位置にセットした。

次に、真空槽２内を排気装置３により10^-6Torr以下に
真空排気した後、アルゴンガスを20 SCCMで流入させ、
プラズマ発生器５、５′を作動させてプラズマを発生さ
せ、発生したプラズマの雰囲気内に被加工材を20分間曝
し、Al膜表面からAl酸化膜や付着物等を除去し、清浄化
した。その後真空槽２内を10_-6Torr以下に真空排気し
た。

次に、N₂Oガスを200 SCCMで真空槽内にガス導入パイ
プ４より流入させ、Ar Fエキシマレーザー（波長193n
m）を光源６として用いて、所望露光パターンを形成す
るための露光マスク８を介して、レーザー発振周波数50
Hzで５分間のパターン露光を行った。

その後、エッチング用の塩素ガスを500 SCCMでガス導
入パイプ17から流入させ、マグネトロン18によって励起
し、塩素ラジカルを形成させ、輸送管20からそれを真空
槽２内に導入し、その状態で10分間エッチング処理を行
った。

エッチング終了後、被加工材を装置から取り出し、そ
の表面観察をおこなった。その結果、光照射部ではエッ
チングが見られず、非照射部では基体であるシリコンウ
エハーが露出しており、かつそれもエッチングされてい
た。

実施例２基体としてのシリコンウエハー上にCVD法によりポリ
シリコン膜（膜厚4000Å）を成膜した後、引き続き同一
真空槽内で10^-3Torr以下の真空度でのECRプラズマ法を
用により水素ガスから発生させた水素イオンを上記ポリ
シリコン膜に照射し、その表面改質を行った。

こうして得た被加工材を第２図に示す装置の被加工材
の設置位置にセットした。

次に、真空槽２内を10^-6Torr以下に真空排気した後、
NO₂ガスを100 SCCMで真空槽２内にガス導入パイプ４か
ら流入させ、アルゴンイオンレーザーをレーザー光源10
として用い、出力1W、スポット径50μｍ、平行走査速度
20cm/秒、被加工材送り出し速度2mm/秒の条件で連続照
射し、ストライプ状の照射パターンを被加工材のポリシ
リコン膜表面に形成した。

その後、エッチング用のNF₃ガスを800 SCCMでガス導
入パイプ17から流入させ、マグネトロン18によってこれ
を励起し、フッ素ラジカルを形成させ、それを真空槽２
内に輸送管20から導入し、その状態で３分間エッチング
処理を行った。

エッチング終了後、被加工材を装置から取り出し、エ
ッチングされた部分のエッチング深さを、ホブソン・テ
イラー社製タリステップにより測定した。

その結果、光照射部はエッチングされておらず、非照
射部は2500Åの深さでエッチングされていることが確認
された。

また、その表面観察をおこなった結果、ストライプ状
に配列された光照射部と未照射部に対応して連続した凹
凸の模様が観察された。

実施例３第２図に示す装置の真空槽２内の被加工材設置位置に
シリコウエハーからなる基体上に、SiH₄ 20 SCCM、NH₃
500 SCCMおよびH₂ 180 SCCMのガスを真空槽２内にガス
導入パイプ４から流入させて混合し、プラズマ発生器5,
5′を作動させて、300℃に加熱した基体上にアモルファ
ス窒化シリコン膜（ａ−SiN:H膜）を5000Åの厚さで成
膜して被加工材を形成した。

この被加工材を真空槽２内に引き続きセットした状態
で、すなわち装置外に取り出して大気と接触させること
なく、以下のエッチングパターンの形成を行った。

次に、真空槽内を10^-6Torr以下に真空排気した後、NO
₂ガスを100 SCCMで真空槽２内にガス導入パイプ４より
流入させ、アルゴンイオンレーザーをレーザー光源10と
して用い、出力1W、スポット径50μｍ、平行走査速度20
cm/秒、被加工材送り出し速度2mm/秒の条件で連続照射
し、ストライプ状の照射パターンを被加工材のポリシリ
コン膜表面に形成した。

その後、エッチング用のCl₂ガス200 SCCMと、NF₃ガス
を100 SCCMでガス導入パイプ17より流入させ、これらを
マグネトロン18によって励起し、塩素およびフッ素のラ
ジカルを形成させ、それらを輸送管20から真空槽２内に
導入し、その状態で10分間エッチング処理を行った。

その結果、光照射部はエッチングされておらず、非照
射部は3000Åの深さでエッチングされていることが確認
された。

さらに、本実施例の操作において表面改質されたａ−
SiN:H膜（エッチングされずに残された部分）の誘電率
と、絶縁破壊電圧を測定したところ、誘電率は7.0と改
質前と変わらないものであったが、絶縁破壊電圧は6MV/
cmと改質前よりも1.5倍程度向上した。

実施例４本発明の方法を利用してTFTを以下の操作によって作
製した。なお、その工程の概略を第３図に示す。

まず、ガラス基板21上にプラズマCVD法を用いてSiH₄
のプラズマ分解により、基板温度250℃でアモルファス
シリコン膜22（膜厚5000Å）を成膜した［第３図
（ａ）］。

次に、同一真空領域中でプラズマCVD法により、SiH₄
とPH₃の混合ガスをプラズマ分解し、基板温度250℃でア
モルファスシリコンn⁺層23（膜厚1000Å）を成膜した
［第３図（ｂ）］。

更に、第２図に示した装置に層23を形成した段階の基
板をセットし、実施例２と同様にして、表面の清浄化を
おこなった後、引き続き同一装置内で層23を所望のパタ
ーンにエッチングした［第３図（ｃ）］。

このようにしてパターン状とした層23を含む基板表面
に、同一装置内で、実施例３と同様にして、ａ−SiN:H
膜24（膜厚4000Å）を形成し［第３図（ｄ）］、更に引
き続き、実施例３と同様にして表面改質及びエッチング
処理を行った［第３図（ｅ）］。

最後に、実施例１と同様にして、Al膜25（膜厚3000
Å）をスパッタ法によって成膜し［第３図（ｆ）］、そ
れを第１図の装置にセットして、実施例１と同様にし
て、表面の清浄化、光照射、エッチング処理を行った
後、装置から取り出してTFTを得た。

なお、上記の各エッチング工程のための部位選択的露
光は、作製するTFTのチャンネル幅が25μｍ、チャンネ
ル長が10μｍとなるように露光マスクのパターンやレー
ザービームの走査条件等を制御した。

得られたTFTのドレイン電流I_Dのドレイン電圧V_D依存
性をしらべた。その結果を第４図に示す。

第４図の結果から明らかなように、本実施例で得られ
たTFTはゲートチャンネル下でのトラップサイトの少な
い良好な特性を有するものである。

［発明の効果］本発明の方法は、フォトリソグラフィーにおけるレジ
ストパターンの形成工程と異なる光照射を利用した表面
改質によるパターン状耐エッチング部を形成する工程を
用いるので、高歩留まりで、かつ低コストでのエッチン
グパターンの形成が可能である。

また、本発明の方法によって窒化シリコン膜のエッチ
ングを行った場合、その耐圧性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の方法に用いることのでき
る装置の概略図、第３図（ａ）〜（ｇ）はFETの製造工
程を示す工程図、第４図は実施例４で作製したFETのド
レイン電流I_Dのドレイン電圧V_D依存性を示すグラフであ
る。 1:被加工材、2:真空槽 3:排気装置、4:ガス導入パイプ５、５′：プラズマ発生器 6:光源、7:レンズ 8:マスク、9:レンズ 10:レーザー光源、11:光変調器 12:コリメータレンズ 13:回転多面鏡、14:fθレンズ 15:窓 16:被加工材送り系、17:ガス導入パイプ 18:マグネトロン、19:プラズマ管 20:輸送管、21:ガラス基板 22:アモルファスシリコン膜 23:アモルファスシリコンn⁺膜 24:アモルファス窒化シリコン膜 25:アルミニウム膜

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被加工材のエッチング加工される清浄な表
面に、二酸化窒素の雰囲気下で、該二酸化窒素からラジ
カルを生成させるための光を部位選択的に照射し、前記
表面の光照射部にエッチング耐性を有する改質部を形成
する過程Ａと、過程Ａにおいてエッチング耐性が付与された部分を有す
る被加工材表面をエッチング処理し、過程Ａにおける該
表面の未改質部をエッチングし、過程Ａにおける光の部
位選択的照射パターンに応じたエッチングパターンを形
成する過程Ｂとを有することを特徴とするエッチングパ
ターンの形成方法。
【請求項２】被加工材のエッチング加工される清浄な表
面が、被加工材のエッチング加工される表面への水素ガ
ス及び不活性ガスの少なくとも一種から得たラジカルの
照射によって形成されたものである請求項１に記載のエ
ッチングパターンの形成方法。
【請求項３】被加工材のエッチング加工される清浄な表
面が、薄膜形成法によって形成された薄膜を大気に曝す
ことなく直接過程Ａに供することで提供される請求項１
または２に記載のエッチングパターンの形成方法。
【請求項４】被加工材のエッチング加工される清浄な表
面が、薄膜形成法によって形成された薄膜の表面の水素
イオンまたはフッ素イオンの照射による改質によって形
成されたものである請求項１〜３のいずれかに記載のエ
ッチングパターンの形成方法。
【請求項５】前記二酸化窒素に光を照射することにより
酸素ラジカルを発生させる請求項１〜４のいずれかに記
載のエッチングパターンの形成方法。
【請求項６】過程Ｂにおけるエッチングが、ハロゲン原
子ラジカルを用いて行われる請求項１〜５のいずれかに
記載のエッチングパターンの形成方法。
【請求項７】請求項１〜６のいずれかの方法によって得
られたエッチングパターンを有する半導体素子。