JP2768689B2

JP2768689B2 - ドライエッチング方法

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Publication number: JP2768689B2
Application number: JP63131425A
Authority: JP
Inventors: 経敏有門; 晴雄岡野; 誠関根; 靖浩堀池
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-07-02
Filing date: 1988-05-31
Publication date: 1998-06-25
Anticipated expiration: 2013-06-25
Also published as: JPH01103836A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、第１の薄膜上の第２の薄膜を第１の薄膜に
対して、選択的にエッチングするに際し、前記第２の薄
膜が有効にエッチングされるドライエッチング方法およ
びドライエッチング装置に関する。

（従来の技術）半導体集積回路は、益々集積度が向上しパターンサイ
ズは微細化しているが、パターンの微細化とともに製造
過程で用いられる各種薄膜の膜厚は薄くなっている。例
えば、MOS型集積回路のゲート酸化膜の場合、やがて100
Å以下になろうとしている。

従来、多結晶シリコン等の電極材料のエッチング法と
しては、反応性イオンエッチング法が行われている。反
応性イオンエッチングは、一対の平行平板電極を備える
真空容器内に被エッチング材料をいれ、反応性ガスを導
入した後、高周波電力の印加により前記ガスを放電せし
め、この放電により発生したガスプラズマを用いて被エ
ッチング材料をエッチングする方法である。

この反応性イオンエッチングの他に、プラズマエッチ
ング、ECR型ドライエッチング、イオンビームエッチン
グ、光励起エッチング（第８図に示す。）等があるが、
これらのエッチングも真空容器内の被エッチング材を活
性化した反応性ガスのイオンを化学的あるいは物理的に
作用させてエッチングを行うものであり、この点におい
て前記反応性イオンエッチングと同様と考えてよい。

ここで、反応性イオンエッチングには、大きく分けて
次の２つの方式がある。すなわち、高周波電力の印加さ
れる側の電極上に被エッチング材料を置く陰極結合方式
と、接地電極上に被エッチング材料を置く陽極結合方式
とである。そして、被エッチング材料の載置される電極
は、一般には被エッチング材の上に形成されるレジスト
の熱変形を防止するために常温程度に水冷されている。
被エッチング材料はこの水冷された電極に静電的または
機械的にチャックされて載置されるか、または水冷され
た電極上に置くだけの構成となっている。何れの高周波
結合方式においても、プラズマ中のイオンが被エッチン
グ材料を衝撃して進行するイオン促進化学反応と、ラジ
カルによって自然に進行する化学反応とによってエッチ
ングが進行する。前者が、方向性エッチングの原動力で
あり、後者は等方性エッチング形状を与える。したがっ
て、イオン促進化学反応の寄与が大きいほどエッチング
の方向性は良く、形状は垂直に近づく。

又、被エッチング材料と試料台（反応性イオンエッチ
ングの場合、電極が用いられる。）との密着性が前記し
たチャック等により良好である場合、試料に形成された
レジストの劣化は生じることがないようにするために
は、前述したように常温程度の水冷を行なえば十分であ
った。また被エッチング材の温度を下げるとエッチング
速度は低下するので前記密着性が劣る場合でも通常のレ
ジストの劣化を抑制し得る温度以下までは被エッチング
材を冷却することはなかった。

次に、従来用いられているエッチング装置の問題点に
ついて述べる。

第11図は、従来より一般的に用いられている陰極結合
型の平行平板型のドライエッチング装置の概略図であ
る。真空容器（１）はその内部に一対の平行平板電極
（陽極（２）と陰極（３））を備えており、陽極（２）
は、接地され、陰極（３）には13.56MHzの高周波電力が
マッチングボックス（４）から印加される。陰極（３）
には、冷媒として冷却水を流すための通路（５）が設け
られ陰極（３）を冷却することが可能となっている。エ
ッチングガスは、ガス導入管（６）から真空容器（１）
内に導入され、排気口（７）から排気される。被エッチ
ング基体（８）は、陰極（３）上に載置される。このよ
うな構成を持つ通常のエッチング装置では、陰極（３）
は真空容器（１）の一部を兼ねている。前述したように
陰極（３）には常温程度に冷媒が流されるが、真空容器
（１）内との温度等により、陰極（３）や冷媒を流すた
めの通路（５）の表面には水蒸気が液化し、結露する。
その結果、装置内に水が垂れ、電気的なショートなどの
不都合を起こす。

例えば上記した従来のエッチング装置では、被エッチ
ング基体を収納した真空容器（１）内の陰極（３）電極
と接続して、rf電圧を印加するマッチングボックス
（４）が設けられているが、このマッチングボックス
は、rf電圧を印加する電極の下に設ける場合と、電極に
接続された銅等に配線をアルミニウム等の管（ケース）
で囲み、この管をマッチングボックスにつないで、前記
配線がマッチングボックス内の回路に接続されるように
設ける場合等がある。

いずれの場合でも、電極を水冷したとき生じる水滴に
よりドライエッチング装置内の配線回路のショートの原
因となり得る。また、従来、陰極側の真空シールは、バ
イトンＯリング等の絶縁材料が一般に使用されている
が、この材料は高温に強い材料が用いられる。しかしな
がら、陰極の温度が低下すると、前記Ｏリング等の絶縁
材料は硬化し、リークが起こるようになるという問題点
もあった。これらの問題は、他のエッチング装置にも大
なり小なり存在する。

次に従来の装置を用いて例えば多結晶シリコンをエッ
チングする場合の問題点について述べる。

第12図は、反応性イオンエッチング装置内での電位の
分布を示す。（３）および（２）をそれぞれ第11図のド
ライエッチング装置の陰極、陽極とする。ここで真空容
器（１）内の放電空間内で最も高い電位は、第12図に示
すようにプラズマ電位（10）である。電子の移動は、イ
オンのそれに比較して極めて大きいために、プラズマに
接するあらゆる表面上には電子が蓄積し、電位はプラズ
マ電位（10）よりも低くなる。陰極（３）の表面では、
放電を維持するために大きな陰極降下電圧を生じるのに
対し、陽極（２）の表面では、プラズマ電位（10）の分
だけしか電位差を生じない。したがって、陰極結合方式
の方がイオン促進化学反応の寄与が大きく、エッチング
の方向性は良い。陽極結合方式では、イオン衝撃のエネ
ルギーが小さいために、エッチングの方向性が陰極結合
方式に比較して悪く、アンダーカットや逆テーパ形状等
を生じやすい。すなわち、加工性能の点からは、陰極結
合方式の方が優れており、今後のサブミクロン領域の微
細パターン形成に適しているといえる。

一方、エッチングにおいては、加工形状のみならず下
地材料に対する選択比が重要である。例えば、多結晶シ
リコン等のゲート材料のエッチングにおいて、既に述べ
たように、ゲート酸化膜の膜厚は100Å以下の薄い膜厚
になった場合、酸化シリコン膜に対して極めて高い選択
比が要求される。陰極結合方式ではイオン衝撃エネルギ
ーが大きいために、材料の性質に無関係に表面が分解さ
れたり励起されたりする結果、材料の違いによるエッチ
ング速度の違い、すなわち選択比は、一般に陽極結合方
式に比較して小さい。

したがって、総合的に見ると、陽極結合方式を用いた
場合は、選択比はとれるけれども加工形状が悪く、陰極
結合方式を用いた場合には、加工形状は良いけれども選
択比が小さいという難点があった。又、両者の方式によ
り、通常のMOSトランジスタ等のデバイスを製作した場
合、前者の方式では、加工形状の悪さがチャネル長のば
らつきの原因となり、一方、後者では、エッチングがゲ
ート酸化膜上で止まらず、下地のシリコン基板までエッ
チングされ、歩留りの低下を招く等の問題があった。

更に、近年ECR放電を利用したエッチング装置が開発
され、多結晶シリコンのエッチングに応用されている。
この方式では、イオンエネルギーがわずか数十Ｖのため
酸化シリコン膜に対して30以上の選択比が得られてい
る。しかし、この方式でも陽極結合方式によるイオンエ
ッチング装置と同様にイオンエネルギーが小さいために
加工形状は陰極結合方式の装置に比較して劣るという難
点があった。

以上、反応性イオンエッチング、ECR型エッチングの
問題点を述べたが、前述した他のエッチングを行なう場
合においても今後の微細デバイスを製作するために、選
択比が高く、かつ加工形状の優れたエッチング方法及び
エッチング装置が望まれている。

（発明が解決しようとする課題）本発明の目的とするところは、上記のごとく、高い選
択比を得ようとする加工形状が悪くなり、一方、良好な
加工形状を得ようとする選択比が低下するという従来の
エッチングの問題点を解決し、高い選択比を得つつ、垂
直形状に加工すること等を可能とするエッチング方法及
びエッチング装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）従来エッチングに用いられるエッチング装置では、既
に述べたように前記装置内に配置された被エッチング材
料は電極上にただ置くか、静電的もしくは機械的にチャ
ックされて水冷される。したがって、エッチング中に被
エッチング材料の温度は、せいぜい冷却されても水温ま
でであった。また、ドライエッチングにおいて、被エッ
チング材料の水温以下の低温度についての検討はこれま
でほとんど試みられていなかった。

本発明者らは、塩素等をふくむ反応性ガスを用いて多
結晶シリコン等の材料と酸化シリコン膜のエッチング速
度の温度依存性について鋭意検討した結果、多結晶シリ
コン等の材料では、温度の逆数に対してエッチング速度
は直線的に変化するのに対し、酸化シリコン膜の場合、
高温側では、変化の傾きが小さく、低温側では、傾きが
大きい二種類の温度依存性があり、低温側において、選
択比が著しく向上することを見いだした。更に調べた結
果、他にも高い選択比を示す材料があることがわかっ
た。

そして、本発明では、この知見に基づき、第１の薄膜
と第２の薄膜が形成された基板を真空容器内に配置し、
この真空容器内に予め電気的エネルギーにより活性化さ
れた反応性ガスを導入するか、又は反応性ガスを導入し
てこの反応性ガスを電気的エネルギーにより活性化し
て、活性化により生じた活性種を電界により前記基板に
引き込むことにより、前記第２の薄膜を前記第１の薄膜
に対して選択的にエッチングするドライエッチング方法
において、前記基板を前記第１の薄膜の温度の逆数に対
するエッチング速度の対数の関係を示す負特性の傾きの
大きさが小から大となる変曲点近傍の温度以下まで冷却
することを特徴とするドライエッチング方法を提供す
る。

更に、本発明は、第１の薄膜と第２の薄膜が形成され
た試料を収納する真空容器と、この真空容器内に前記第
１の薄膜に対して前記第２の薄膜を選択的にエッチング
するための反応性ガスを導入する手段と、前記反応性ガ
スを排気する手段と、電気エネルギーの印加により前記
反応性ガスを活性化し、活性化により生じた活性種を電
界により前記基板に引き込む手段と、前記試料を前記第
１の薄膜の温度の逆数に対するエッチング速度の対数の
関係を示す負特性の傾きの大きさが小から大となる変曲
点近傍の温度以下に冷却する手段を備えたことを特徴と
するドライエッチング装置を提供する。

（作用）基板表面の温度が高い場合には、反応性ガスの例え
ば、塩素（Cl₂）と被エッチング材の例えば、多結晶シ
リコン（Si）から生成されるエッチング生成物のSiCl₄
等は、主に蒸発によって表面から脱離していく。そし
て、イオン衝撃によって表面は励起または分解され、新
たなイオン促進化学反応が進む。ところが、被エッチン
グ材を例えば水点下などの低温に冷却すると、SiCl₄等
の蒸気圧の低いエッチング生成物は、表面から蒸発しに
くくなり、表面でのエッチング生成物の被覆率が高くな
る。そのため、イオン衝撃が加わると、エッチング生成
物の下面で励起ないし分解が生じる。その結果、被エッ
チング材の下地が例えば、SiO₂ならば、前述のSiCl₄の
分解からSiができ、一方SiO₂の分解から酸素が出てくる
ため、再びSiO₂が生成してしまう。そのため、SiO₂のエ
ッチング速度は、基板温度が低い場合、Siに比較して大
幅に低下し、選択比が向上する。

（実施例）まず、本発明によるドライエッチング方法を説明する
ために、第１の薄膜に対して第２の薄膜を選択的にエッ
チングした時の基板温度の逆数に対するエッチング速度
の関係第１図の特性図により説明する。

すなわち、ここでは第１の薄膜として酸化シリコン膜
（Ａ）、シリコン窒化膜（Ｂ）、第２の薄膜としてリン
添加した多結晶シリコン膜（ａ）、モリブデンシリコン
サイド（ｂ）、タングステンシリサイド（ｃ）、チタニ
ウムシリサイド（ｄ）を選びそれぞれについて調べた。
この実施例で使用される本発明による一実施例であるド
ライエッチング装置は、第11図に示す如く陰極結合型の
平行平板型の装置を用いたが、第11図のドライエッチン
グ装置と異なるところは、基板を０℃以下に冷却する手
段を有している点である。前記ドライエッチング装置の
真空容器に導入する反応性ガスとしては塩素ガスを用
い、圧力は0.05Torrとして、200Wの高周波電力を用い
た。図中、縦軸は、エッチング速度を、横軸は温度の逆
数を目盛っている。ここで第２の薄膜のエッチング速度
は、温度の低下と共に単調に低下する。一方、第１の薄
膜のエッチング速度も温度の低下と共に低下するが、０
℃付近（＝3.6×10^-3・K^-1）で変曲点を持ち、その温度
以下でエッチング速度は急激に低下する。その結果、氷
点下では、選択比は著しく増大することになる。この原
因は、既に述べたごとく、基板温度が低下すると、もと
もと蒸気圧の高くないエッチング生成物（この実施例で
はCl₂ガスと多結晶シリコンの反応によるSiCl₄など）が
表面から脱離しにくくなり表面濃度が高くなる。そし
て、次に加わったイオン衝撃によって例えば、第１の薄
膜が酸化シリコン膜の場合、その表面から発生してきた
物質、すなわち酸素と反応して再び酸化膜を形成してし
まう。すなわち、エッチング反応によって表面から酸化
シリコンを取り去っても、エッチング生成物が気相での
CVD反応によって再び酸化シリコンが堆積する。その結
果、酸化シリコン膜のエッチング速度は、著しく低下し
選択比は向上する。シリコン窒化膜（Ｂ）の場合も、酸
化シリコン膜（Ａ）と同様の傾向がみられたが、ここで
は酸化シリコン膜（Ａ）に対して、多結晶シリコン
（ａ）を選択的にエッチングする場合に、特に良好な選
択比が得られた。これ以外の組合せとして、シリコン窒
化膜（Ｂ）に対して多結晶シリコン膜（ａ）を選択的に
エッチングする場合、あるいはシリコン酸化膜（Ａ）に
対してシリコン窒化膜（Ｂ）を選択的にエッチングする
場合等、特性を利用した種々の材料の組合せに適用する
ことができる。又、酸化シリコン膜と多結晶シリコン膜
の場合、エッチング速度と選択比を考慮して最も適当な
温度は−10℃〜−30℃であった。また、前記温度の逆数
とエッチング速度の関係を示す特性における変曲点は圧
力によって変化する。つまり、圧力が低いほど、その変
曲点温度は低くなり、変曲点の温度以上では負特性の傾
きが正になることもある。

しかし、いずれの場合においても、負特性の傾きは変
曲点を境に小から大へと変化する。

次に、本発明の一実施例によるドライエッチング方法
により、実際にエッチングした被エッチング材の断面形
状を第２図を用いて説明する。まず、第２図（ａ）に示
される被エッチング材を形成する。つまり、Ｐ型Si（10
0）等の基板（20）に第１の薄膜としてCVD・SiO₂膜（2
1）を形成し、更に第２の薄膜として添加多結晶シリコ
ン膜（22）を形成する。更に下層レジスト層（23）、中
間層スピオングラス（24）をこの順で形成し、通常の露
光技術によりパターニングを行ない第２図（ａ）に示さ
れる被エッチング材を形成する。

この被エッチング材を、第１の薄膜のSiO₂膜（21）が
第１図で示した特性図の変曲点以下の温度であるマイナ
ス20℃に冷却した所第２図（ｂ）に示すように多結晶シ
リコン膜（22a）はサイドエッチングを生じることなく
垂直にエッチングされた。また、常温でエッチングした
場合には、第２図（ｃ）に示すごとく、多結晶シリコン
膜（22b）はサイドエッチングが生じた。本来、燐添加
多結晶シリコンは、塩素ラジカルと自然に反応するため
サイドエッチングを生じやすい。しかし、反応性イオン
エッチングでは、レジストの分解生成物が多結晶シリコ
ンの側壁に付着し、側壁をラジカルのアタックから防ぐ
ために、サイドエッチングが防止され垂直エッチングが
達成される。したがって、第２図（ａ）に示したように
レジストが直接プラズマに曝されない多層レジストをマ
スクとした場合には、側壁保護膜が形成されず多結晶シ
リコンの側壁がラジカルのアタックから防御されないた
めに、常温ならばサイドエッチングを生じる。しかし、
ラジカルによって自然に進む化学反応の温度依存性は、
イオン促進化学反応の温度依存性よりも大きいうえに、
低温では、ラジカルのエッチング表面での移動度が小さ
くなるために、マイナス20℃では、サイドエッチングを
生じず、このような場合、特に、有効であることがわか
った。

同様の効果が陰極結合型のみならず陽極結合型ドライ
エッチング装置でエッチングを行った場合も得られる。
陽極結合型装置の場合、既に述べたように加工形状に難
点があるが、本発明方法によって、選択比の向上だけで
なく加工形状が大幅に改善される。このように本発明に
よるドライエッチング方法では高選択比が得られるとと
もにエッチング加工形状も良好となる。

次に本発明による更に最良の他の実施例について図面
を用いて説明する。

第９図はこの実施例に用いられる本発明による一実施
例装置の概略図である。このドライエッチング装置は第
９図の装置と基本的な構成は同様であるので第９図と同
一の部分には同一の符号を付して示し、詳細な説明は省
略する。

このドライエッチング装置は、基板をその温度とエッ
チング速度の関係を示す負特性の傾きの大きさが小から
大となる変曲点近傍の温度以下に冷却する手段（５）を
有している他に、真空容器（１）内に磁場（Ｂ）を発生
するための手段（11）を有していることを特徴とする。
前記磁場を発生する手段は、陽極（２）の上部に磁石が
設けられたものであり、この磁石は偏心回転するものと
なっている。

前記磁石から陰極（３）へ向けて供給される漏洩磁場
陰極表面上のシースの直流電場（Ｅ）とが直交する領域
で電子がサイクロイド運動し、高密度のマグネトロンプ
ラズマが発生する。この高密度なマグネトロンプラズマ
は磁石の偏心回転とともに、基板（８）表面に近接した
状態で移動し、前記基板（８）の高選択エッチングを可
能とする。

第10図は、第９図に示したドライエッチング装置を用
い、前記装置の真空容器（１）内にCl₂ガスを流してエ
ッチングした場合のエッチング速度と温度の逆数との関
係を示す特性図である。ガスの圧力及び電極に印加する
高周波電力は、先の実施例と同様、0.05Torr,200Wとし
た。また基板（８）は、第２の薄膜として燐添加多結晶
膜が全面に形成され、更にこの上に第１の薄膜として、
酸化シリコン膜が所望の形状にパターニングされたもの
を用いた。

この図から、磁場を発生しない先の実施例とこの実施
例では定性的には同様の現象が認められるが、酸化シリ
コン膜（Ａ）のエッチング速度の低下の割合は、磁場を
発生するこの実施例の方が大きく、より高い選択比が得
られることがわかる。

この実施例では、第１及び第２の薄膜として酸化シリ
コン膜及び燐添加多結晶シリコン膜、エッチングガスと
してはCl₂ガスを用いたが、他の材料、及び他のハロゲ
ン元素を含む反応性ガスを用いてもよく、この場合、磁
場を発生しないでエッチングを行なうのに比べて、より
高い選択比を得ることができる。

更に、本発明によるドライエッチング方法の他の実施
例について説明する。すなわち、この実施例は、エッチ
ングを２段階に分けて行なう方法である。まず、第２図
に示したのと同様の基板に第1,第２の薄膜が形成された
被エッチング材を、まず始めに通常の反応性イオンエッ
チングにより第２の薄膜の膜厚を極めて薄い膜厚とす
る。その後、被エッチング材を第２図で説明したのと同
様の方法で冷却しながらエッチングをする。

このようなエッチング方法は最初の段階でエッチング
が早く進むので、第２の薄膜が第１の薄膜の膜厚よりも
極めて大きい場合に、特に有効である。

次に、本発明のドライエッチング方法に適用される前
述したドライエッチング装置の他の種々の改良を施した
ドライエッチング装置の実施例を図面を用いて詳しく説
明する。

第３図は、本発明による一実施例方法を実施するにあ
たり製作した改良を施したエッチング装置の断面図であ
る。これは、陰極結合型エッチング装置であり、基本的
には、第９図に示した装置とほぼ同様の構成であるが、
陰極（31）は真空容器の壁面を兼ねてはおらず、真空容
器（32）を構成する底板（33）の上に絶縁材（34）を介
して設置され、容器内を真空にシールするために、前記
底板（33）と真空容器（32）を構成する壁面のフランジ
部の間に絶縁性の弾性体のＯリング（35）を介在させ
て、前記底板（33）とフランジ部を密着させる。前記真
空容器の上部も同じように上板（図示せず）及びＯリン
グにより真空シールされたものとなっている。rf電源等
の電源に接続された陰極（31）を冷却するための冷媒を
流す配管は、底板を突き抜けて大気中に出るが、底板
（33）と断熱するために、底板（33）を貫通する部分
は、セラミックパイプ（36）であり、このパイプを樹脂
（37）を用いて底板（33）に固定すると同時に真空シー
ルを行う。陰極（31）内部には、ステンレスパイプ（3
8）が陰極上に載置される試料の温度制御が有効となる
ように、例えば陰極内にらせん状に配置されたものとな
っている。そして、陰極からでたステンレスパイプ（3
8）とセラミックパイプ（36）とで、ステンレスパイプ
側で溶接し、セラミックパイプ側でＯリングシールする
構造となったコネクター（39）で結合し、陰極（31）に
冷媒が流れるようにしている。

ここで、冷媒は陰極（31）上に配置される試料（25）
の薄膜の材質に応じて温度の逆数に対するエッチング速
度の関係を示す負特性の傾きが大となる変曲点温度以下
に任意に冷却できる試料温度制御手段（32）を介して、
前記セラミックパイプ（36）及びステンレスパイプ（3
8）内を流れるものとなっている。冷媒は、具体的に
は、上記したように試料を冷却できるものであれば何で
もよいがここでは窒素ガスを用い、これを液体窒素を通
した配管内に循環させた。他に、フロンガスを流すよう
にしてもよい。又、冷却手段は、パイプではなくウォー
タージャケットタイプのものを用いてもよい。このよう
な構造を持つことにより、例えばマイナス30℃程度にま
で陰極（31）を冷却することが可能となる。従って、こ
の装置によれば、先に述べたように高選択比で良好なエ
ッチングができる。

また、絶縁材（34）のように結露防止手段があるので
底板（33）の外側には、従来のように結露は見られず、
長時間使用しても、水滴によってショートすることもな
かった。更に、真空シールに用いたＯリングはこのドラ
イエッチング装置ではシリコンゴムを用いたので、マイ
ナス30℃もの低温まで陰極を冷却したにも拘わらず、Ｏ
リングが硬化することなく、リークの発生も見られなか
った。

第４図は、陰極部分に施された結露防止手段の他の実
施例は、第３図に示した装置あるいは、本発明による後
述する他のドライエッチング装置にも適用し得ることは
言うまでもない。この実施例も先に述べた第３図の実施
例と同様に、陰極（41）には試料温度制御手段により試
料の薄膜の材質に応じて温度の逆数に対するエッチング
速度の負特性の傾きが大となる変曲点温度以下に冷却さ
れた冷媒を通す配管（45）が設けられている。これによ
り、試料が前記した所望の温度以下に冷却されるものと
なっている。又、陰極（41）の裏面は厚い断熱材（42）
で覆われている。真空シールは、Ｏリング（45）によっ
てなされるが、ここでは通常のバイトン等のＯリングで
も陰極の温度が下がった時の硬化の防止を可能とするた
めに、絶縁材（43）の中にヒータ（44）を埋め込みＯリ
ングを常温に保つようにしている。

第５図（ａ）は、円筒型プラズマエッチング装置の断
面概略図である。石英製の円筒型真空容器（51）とガス
導入系（52）と排気系（53）と高周波電力を印加するた
めのコイルまたは電極（図示せず）を容器（51）のまわ
りに備える。エッチングガスを（52）から導入し、圧力
を0.1〜1Torrに保って、前記コイルまたは電極により容
量または誘導的に高周波電力を印加してプラズマを発生
させ、容器内の材料（54）をエッチングする。エッチン
グ試料（54）は、普通、石英製のボート（55）上に置か
れ電気的には浮いた状態にあり、プラズマ電位と浮遊電
位の差分しか電位差がないためイオン促進化学反応の寄
与は小さく、主にラジカルによってエッチングが進む。
したがって試料の加工形状は、等方的である。通常、CF
₄と酸素（10％程度）の混合ガスを導入し、多結晶シリ
コンや窒化シリコン膜のエッチングに用いられる。やは
り酸化シリコン膜に対して、大きな選択比が必要であ
る。第５図（ａ）に示す如く通常の装置では、燐添加多
結晶シリコンと酸化シリコン膜との間で、20程度の選択
比が得られるが、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との
間の選択比は、たかだか５〜６程度であり、LOCOSの窒
化シリコン膜の剥離を行なう等のために選択比の向上が
望まれていた。第５図（ｂ）は、試料（54）を冷却でき
るように改良した本発明による他のドライエッチング装
置の実施例を示す断面図である。第５図（ａ）と同一の
ものは同一の符号を付して示した。第５図（ａ）と異な
るのは、石英製の試料台（56）の上にプリント基板（5
7）を置き、試料（54）を静電チャックするようにし
て、試料台（56）には、冷却パイプ（57）の中に冷媒を
流して冷却するようにした点である。この実施例におい
ても、第３図に示した実施例と同様に、酸化シリコン膜
の特性が変化する変曲点の温度以下の例えばマイナス20
℃に冷却した。CF₄と酸素の混合ガスにさらに約30％程
度の塩素を添加した結果、多結晶シリコンと酸化シリコ
ン膜との間の選択比は30に、また窒化シリコン膜と酸化
シリコン膜とでは12〜15に向上し、この実施例による効
果が確認された。

第６図（ａ）は、ECR型ドライエッチング装置の概略
図である。この装置は、大きく分けて石英製の放電室
（61）とそれとは分離されたエッチング室（62）からな
る。放電室（61）のまわりには、875ガウスの磁場を発
生する磁石（63）を備える。マイクロ波は、マイクロ波
電源（図示せず）からマイクロ波導入管（64）を介して
放電室（61）に供給される。エッチングガスは、放電室
（61）にも、エッチング室（62）にも導入できるように
配管（65），（66）が設けられている。試料（67）は、
エッチング室（62）の中に設置された試料台（68）の上
に置かれる。試料台には、試料の薄膜の材質に応じて温
度の逆数に対するエッチング速度の負特性の傾きが小か
ら大となる変曲点温度以下に試料を冷却する冷却手段
（69）が設けてある。又、この冷却手段は冷却温度を制
御するための手段と接続され、任意の冷却温度に冷却さ
れるようになっている。放電室でECR放電が起こり、生
じたイオンは、磁場の勾配に沿って押し出され、エッチ
ング試料にほぼ垂直に照射される。動作圧力は、10^-4to
rr台と低いためラジカルの量は少なく、エッチングは主
に、イオンによって行われる一種のイオンシャワーのよ
うなエッチング装置である。この装置では、プラズマ電
位が低く、試料（67）は普通電気的に浮いているため、
イオンエネルギーが小さいことが特徴的である。導入す
る反応性ガスは、塩素ガスだけでは残さを生じるため
に、たとえばSF₆と塩素などの混合ガスが用いて、燐添
加多結晶シリコンのエッチングが行われる。この装置
で、冷却しない場合でも残さを生じないエッチング条件
下（塩素80％、SF₆10％、全ガス流量15sccm、圧力0.000
3Torr、マイクロ波200W）では、酸化シリコン膜に対し
て40程度の選択比が得られる。

しかしながら、基板（70）上に第１の薄膜として酸化
シリコン膜（71）が形成され、更にその上に、リン添加
多結晶シリコンの第２の薄膜（72）、更にエッチングし
ない第２の薄膜（72）上にマスクとしてレジスト（73）
が形成された被エッチング材をエッチングした場合、第
２の薄膜は第７図（ａ）に示すように、わずかのサイド
エッチングを生じたり、オーバーハング形状になり易か
った。

一方、前記冷却手段（69）を作動させ試料温度がマイ
ナス20℃に冷却されるようにして同じ条件でエッチング
すると、選択比は、50以上に向上したのに加え、加工形
状も第７図（ｂ）に示すように、サイドエッチング、オ
ーバーハング等が見られず、極めて良好であった。

上記ECR型エッチング装置と極めて類似した装置であ
るが、放電部とエッチング部をわけ、放電部で形成され
たプラズマからグリッドに負電位を印加して正イオンを
引き出し、加速して試料に照射するイオンビームエッチ
ング装置でも、またグリッドに正電位を印加して負イオ
ンおよび電子を引き出し、基板に照射する電子ビームエ
ッチング装置でも、エッチングガスとして塩素を含む反
応性ガスを用いれば、基板冷却は、同様な効果を与える
ことが確認された。

以上、本発明の実施例を述べたが、本発明は、基本的
には基板冷却により酸化シリコン膜等の第１の薄膜のエ
ッチング速度が異常に低下するという事実の知見に基づ
くものである。また、第１の薄膜としては、酸化シリコ
ン膜以外に、シリコン窒化膜でも本発明で有効である。
本発明は、第２の薄膜としては多結晶シリコンのみなら
ずタングステン、モリブデン、チタンおよびこれらのシ
リサイドなど酸化シリコン膜に対して高い選択比を必要
とする材料のエッチングにおいて有効である。

〔発明の効果〕

本発明の効果は、以上述べたごとく第１の酸化シリコ
ン膜等の第１の薄膜エッチング速度が著しく低下するた
めに、第２の薄膜との選択比が著しく増大する。また、
基板を冷却することによってサイドエッチングが抑制さ
れ垂直エッチングが達成されやすくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるドライエッチング方法を説明す
るための特性図、第２図は本発明によるドライエッチン
グ方法を説明するための図、第３図乃至第６図及び第９
図は、本発明によるドライエッチング装置を説明するた
めの概略図、第７図は本発明によるドライエッチング装
置の効果を説明するための図、第８図は、従来の光励起
エッチング装置を説明するための図、第10図は、第９図
の本発明による一実施例装置の効果を説明するための特
性図、第11図及び第12図は、従来の技術の問題点を説明
するための説明図である。 11……磁場を発生する手段、21……酸化シリコン膜、22
……多結晶シリコン膜、36,46,57,69,82……冷却手段、
34,42……結露防止手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者関根誠神奈川県川崎市幸区小向東芝町１株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者堀池靖浩神奈川県川崎市幸区小向東芝町１株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献特開昭60−158627（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−144330（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−240635（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−169418（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン酸化物またはシリコン窒化物から
なる第１の薄膜と、多結晶シリコン、不純物を添加した
多結晶シリコン、タングステン、モリブデン、チタニウ
ム、およびこれらのシリサイドのうちのいずれかからな
る第２の薄膜が形成された基板を真空容器内に配置し、
この真空容器内に塩素ガスを含む反応性ガスを導入し、
この反応性ガスを電気エネルギーにより活性化して、活
性化により生じた活性種を電界により前記基板に引き込
むことにより、前記第２の薄膜を前記第１の薄膜に対し
て選択的にエッチングするドライエッチング方法であっ
て、前記基板を前記第１の薄膜の温度の逆数に対するエ
ッチング速度の対数の関係を示す負特性の傾きの大きさ
が小から大となる変曲点の温度以下まで冷却することを
特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】シリコン酸化物またはシリコン窒化物から
なる第１の薄膜と、多結晶シリコン、不純物を添加した
多結晶シリコン、タングステン、モリブデン、チタニウ
ム、およびこれらのシリサイドのうちのいずれかからな
る第２の薄膜が形成された基板を真空容器内に配置し、
この真空容器内に少なくとも１つのハロゲン元素を有す
るガスを含む反応性ガスを導入し、この反応性ガスを電
気エネルギーにより活性化するとともに、前記真空容器
内に磁場を発生せしめて、活性化により生じた活性種を
電界により前記基板に引き込むことにより、前記第２の
薄膜を前記第１の薄膜に対して選択的にエッチングする
ドライエッチング方法であって、前記基板を前記第１の
薄膜の温度の逆数に対するエッチング速度の対数の関係
を示す負特性の傾きの大きさが小から大となる変曲点の
温度以下まで冷却することを特徴とするドライエッチン
グ方法。
【請求項３】シリコン酸化物からなる第１の薄膜と、多
結晶シリコンまたは不純物を添加した多結晶シリコンか
らなる第２の薄膜が形成された基板を真空容器内に配置
し、この真空容器内に塩素ガスを含む反応性ガスを導入
し、この反応性ガスを電気エネルギーにより活性化し
て、活性化により生じた活性種を電界により前記基板に
引き込むことにより、前記第２の薄膜を前記第１の薄膜
に対して選択的にエッチングするドライエッチング方法
であって、前記基板を摂氏零度以下まで冷却することを
特徴とするドライエッチング方法。
【請求項４】シリコン酸化物からなる第１の薄膜と、多
結晶シリコンまたは不純物を添加した多結晶シリコンか
らなる第２の薄膜が形成された基板を真空容器内に配置
し、この真空容器内に塩素ガスを含む反応性ガスを導入
し、この反応性ガスを電気エネルギーにより活性化する
とともに、前記真空容器内に磁場を発生せしめて、活性
化により生じた活性種を電界により前記基板に引き込む
ことにより、前記第２の薄膜を前記第１の薄膜に対して
選択的にエッチングするドライエッチング方法であっ
て、前記基板を摂氏零度以下まで冷却すえることを特徴
とするドライエッチング方法。
【請求項５】前記反応性ガスは塩素ガスであることを特
徴とする請求項１乃至４記載のドライエッチング方法。
【請求項６】前記反応性ガスの活性化は、10^-4Torr以上
で行われることを特徴とする請求項１乃至４記載のドラ
イエッチング方法。
【請求項７】前記基板は、前記反応性ガスを活性化する
領域から離隔して配置されることを特徴とする請求項１
乃至４に記載のドライエッチング方法。
【請求項８】前記反応性ガスの活性化は、前記真空容器
内に設けられた一対の平行平板電極に高周波電力を印加
する方法、真空容器に容量結合または誘電結合方式で高
周波電力を印加する方法、マイクロ波を印加する方法の
いずれかの方法であることを特徴とする請求項１乃至４
記載のドライエッチング方法。
【請求項９】前記多結晶シリコンに添加する不純物は燐
であることを特徴とする請求項１乃至４記載のドライエ
ッチング方法。
【請求項１０】前記基板温度を−10℃〜−30℃に冷却す
ることを特徴とする請求項３又は４記載のドライエッチ
ング方法。