JP2871460B2 - シリコンのエッチング方法 - Google Patents

シリコンのエッチング方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はプラズマを利用したシリ
コン基板等の材料に微細加工を施すプラズマエッチング
方法に係り、特に加工速度を向上し、生産性を向上する
上で優位なシリコンのエッチング方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より塩素ガスをを用いてシリコン等
の材料をプラズマエッチングする方法は広く、一般的に
使用されてきた。また数パ−セントの酸素を添加するこ
とにより加工形状が改善され、下地材料(シリコン熱酸
化膜等)のエッチング速度との比(以下選択比と記す)
が各々の材料の物理的あるいは化学的披エッチング特性
の差から増大することも知られている。例えば、平成4
年10月6日に産業図書株式会社より発行された「半導
体ドライエッチング技術」のP95−103(4.2.
3 多結晶シリコンのエッチング)に記載のものが挙げ
られる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来の条件下のエッチングにおいては、酸素の添加に
より形状制御性および選択比の向上は図れるものの、エ
ッチング速度そのものは増大せず、従って生産性が増大
しないような問題がある。
【0004】本発明の目的は、加工速度を向上し、生産
性を向上することのできるシリコンのエッチング方法を
提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】われわれは、従来のプラ
ズマエッチング装置で実現可能な圧力条件、すなわち真
空下(0.1〜10Pa)でのエッチングの表面の反応
機構について注意深く考察してきた。例えば、特開平5
−259119には高速排気の有用性について述べてい
る。この考え方によれば、ポリシリコンのエッチングに
おいては、プラズマ密度を大きく保ち、エッチャントの
供給律速にならないように高排気速度で低圧力を維持し
つつ、反応ガスを十分供給してシリコンのエッチング速
度を大きくすることができる。この際、イオンの加速エ
ネルギ−を低く保つことにより、下地材料のエッチング
速度を小さくして選択比を増大させることが可能とな
る。ところでこのような高速排気によった条件下では、
反応生成物の濃度が低下するために形状制御性(マスク
材料に忠実に垂直加工形状を得ること)が難しくなる。
このために何らかの形状制御性を向上させる手段が必要
となる。このため前述の酸素添加に加え、試料を冷却し
てエッチングすることを試みた。
【0006】その結果、高速排気の条件下(250ml
/分以上)では従来の酸素添加量よりもより小さな領域
(1.5%以下)で、合わせて試料を低温(試料温度を
0℃以下)に保持することにより、室温で得られるエッ
チング速度より大きなそれを得られることを見出した。
これにより、従来よりも高い生産性を保つことが可能と
なる。
【0007】
【作用】塩素ガスを用いたシリコンのエッチングにおい
ては、Si−Cl、Si−Cl−Oのように結合した反
応生成物が試料の表面を覆っていることが、知られてい
るが、レジストマスク(有機膜)をもちいたエッチング
においてはカ−ボンの供給が有るため、Si−Cl,C
l−Oの結合エネルギ−(それぞれ3.99eV,2.
75eV)よりも大きな結合エネルギ−を有するSi−
C(4.64eV)が形成されており、シリコンのエッ
チングを阻害している。Si−Siどうしの結合エネル
ギ−(3.21eV)よりもSi−Cの結合エネルギ−
の方が大きいことからも理解できる。極微量酸素はもち
ろん装置内の表面のアウトガスとして供給されるが、他
にもやオ−バ−エッチング中の酸化膜表面より供給され
る。エッチングの前期ではまだ下地酸化膜が露出してい
ないため、酸素の供給が反応的に不足し、前出のシリコ
ンのエッチングの阻害物質であるSi−Cを、除去でき
ない。酸素はC−Oの結合エネルギ−(11.1eV)
が十分に大きいことから容易にSi−Cのボンドを切離
し、C−OとSi−Clのような結合体を形成し阻害物
質Si−Cを除去することができる。エッチングの後期
においては、下地酸化膜の一部が露出するが、選択比を
大きく取るようなエッチングとした場合に、酸化膜の削
れ量が少ないため酸素の供給量が反応的に不足し、やは
りエッチング速度を大きくできる理想的な酸素濃度に達
していないことがある。通常レジストは、酸化膜の2〜
5倍のエッチング速度を有しており、十分なカ−ボンの
供給源となっている。酸素ガスをある一定濃度でプラズ
マ中に積極的に供給してやることにより、化学反応平衡
に上記のような変化を与え、選択比やエッチング速度の
増大という良い効果をもたらすことができる。
【0008】ところで、従来のエッチング装置において
は、プラズマ密度が十分でなく、エネルギ−律速となっ
ていたり、排気性能が十分でなくエチャントの供給律速
となっていたりすることが多く、かならずしもシリコン
のエッチング速度を大きくすることができなかった。高
密度のプラズマを維持しつつ、高速排気をすることで、
従来と異なる特性が見えてくる。重ねて試料を低温にす
ることで従来以上のエッッチャントをシリコン表面に吸
着させ、酸素添加による化学反応平衡の適正化によりエ
ッチング速度を大きくすることができたと考える。一方
シリコン酸化膜のほうは試料温度が−100℃を下回る
ような非常に低温の領域で初めて反応を抑制できること
が知られており、エッチング速度に対しての低温化によ
る抑制効果はないものと考える。むしろ酸化膜表面への
過剰酸素の供給による化学的エッチング抑制(Si−O
の再結合等)が支配的と考える。
【0009】
【実施例】本発明の一実施例を図1、図2および図3に
より説明する。図1は塩素ガス流量と、酸素ガスの塩素
ガスの流量に対する添加率を変化させて、シリコンのエ
ッチング速度の挙動を調べたものである。このとき試料
温度を−30℃(エッチング中の試料台温度は約−50
℃)に保ち、高密度プラズマの維持のために、プラズマ
発生用電源は1KW、イオン引込み用のバイアス用電源
は60Wで一定に保った。プラズマをたてないときの制
御圧力(下流)に対する放電部圧力(上流)を各流量ご
とにプレッシャ−・ドロップ分として計測して求めてお
き、エッチング中の制御圧力は放電部での圧力が1Pa
で一定とみなせるように補正した。制御圧力測定位置か
ら放電部までの処理室の排気コンダクタンスが十分に大
きい場合(500ml/分流しても圧力差が10%以内
となるような場合)には、このような圧力補正をする必
要はない。図1に示すように、250ml/分以上のガ
ス流量を流した場合に従来のシリコンのエッチング速度
(通常300nm/分)以上の値を得ている。特徴的な
のは、約1%の酸素添加位置で大流量側の高速排気の条
件とした場合のエッチング速度の増大である。1.5%
以上の酸素を添加すると逆にシリコンのエッチング速度
が酸素を添加しないときと同じような値まで低下する。
250ml/分以上の塩素ガス流量で、一定流量を保ち
酸素添加率を変化させて調べると、1.5%以下の酸素
添加した範囲ではシリコン酸化膜のエッチング速度は、
シリコンのエッチング速度の上昇比率と同じように上昇
するため選択比はほとんど一定であった。以上のように
1.5%以下の酸素添加率で250ml/分以上の塩素
ガスを用いることにより、選択比を低下させることなく
シリコンのエッチング速度を大きくすることができ生産
性の向上を図ることができる。
【0010】図2は塩素ガス流量を500ml/分に保
ち、酸素の添加率を変えてエッチング形状を調べたもの
である。図2から判るように、酸素を2%以上添加する
と、側壁の保護膜を残してシリコン上のレジストが過度
に削られて不都合であるも。エッチングの後に実施され
るレジスト灰化処理の工程においても、この酸素2%以
上添加した場合の側壁保護膜が除去できない不良が発生
した。このことからも酸素の添加率を1.5%以下と規
定するものである。
【0011】次に、図1に示した高速排気条件下におけ
るシリコンのエッチング速度の上昇が温度に対してどの
ようなふるまいをするか調べた。酸素の添加率を1%に
保ち、塩素ガス流量を変化させて調べた。結果を図3に
示す。試料温度を0℃以下にすることにより、シリコン
のエッチング速度が上昇できることが判る。、試料の温
度は裏面より輻射温度計を用いて測定した。通常は試料
を搭載したステ−ジ温度をコントロ−ルして間接的に温
度制御するが、放電中のステ−ジ温度はこの場合に約−
10℃であった。このような高速排気と、高密度プラズ
マを用いてシリコンのエッチング速度を300nm/m
in以上に増大できる条件においては、エッチング装置
のプラズマ形成方法による試料への入熱量に大差はない
ものと考えられ、またエッチング中のステ−ジと試料と
の間に温度差が現れるが、この間の伝熱方法により試料
温度は大きく変化する。本実施例のような試料温度をコ
ントロ−ルすることが重要なエッチングプロセスにおい
ては試料とステ−ジとの伝熱をできるだけ良くすること
が重要である。本実施例で得られた、0℃に試料温度を
保持する際に必要であったステ−ジ温度−10℃により
規定するものである。
【0012】以上述べてきたように、特許請求の範囲の
プロセス条件でシリコンをエッチングすることにより、
選択比を低下させずにエッチング速度を大きくすること
ができ、処理時間が短縮されて生産性を向上させること
が可能となる。もちろん、ノンド−プドポリシリコン、
ド−プドポリシリコン、アモルファスシリコン等材料的
にシリコンを主体とする素材に対しては同等の効果が得
られる。
【0013】なお、前述の本発明を実施するエッチング
装置の一実施例を図4に示す。真空容器7内には試料第
6が設けられ、試料第6に対向して真空容器7の上部に
反応室1が形成されている。反応室1の上部にはマイク
ロ波の導入窓を介して空洞共振機2が形成され、さらに
導波管3を介してマグネトロン4が設けられている。一
方、真空容器7の底部には、試料台6を挾んで真空ポン
プ8および9が設けられている。真空ポンプ8および9
は、この場合、真空容器7内を高速に排気するために、
それぞれ2000l/secの排気流量を有している。
試料台6は図示を省略した冷却装置により試料台温度を
制御可能になっている。反応室1内には図示を省略した
処理ガス供給装置によりエッチングガスが導入される。
【0014】
【発明の効果】本発明によれば、選択比を大きく保った
ままシリコンのエッチング速度を増大でき、有効であ
る。またエッチングレジストマスクにも過度のダメ−ジ
を与えないでエッチングすることが可能である。エッチ
ング速度の増大によりエッチング装置の生産性を向上さ
せることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を説明する塩素ガス流量と酸素添加率に
対するシリコンのエッチング速度の変化特性を示しず図
である。
【図2】本発明を説明する酸素添加率に対する加工形状
の変化を表す図である。
【図3】本発明を説明する試料温度に対するシリコンの
エッチング速度の変化特性を表す図である。
【図4】本発明を実施するエッチング装置の一実施例を
示す縦断面図である。
【符号の説明】
1…反応室、2…空洞共振器、3…導波管、4…マグネ
トロン、5…ソレノイドコイル、6…試料台、7…真空
容器、8,9…真空ポンプ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 縄田 誠 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (72)発明者 加治 哲徳 山口県下松市大字東豊井794番地 株式 会社 日立製作所 笠戸工場内 (56)参考文献 特開 平5−259119(JP,A) 特開 平4−350932(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/3065

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】プラズマを用いたシリコンのエッチング方
    法において、250ml/分以上の塩素ガス流量を使用
    し、塩素ガスの1.5%(体積比)以下の酸素ガスを添
    加し、さらに試料温度を0℃以下もしくは試料を搭載し
    たステ−ジ温度を−10℃以下にしてエッチングするこ
    とを特徴とするシリコンのエッチング方法。
  2. 【請求項2】請求項1記載のシリコンのエッチング方法
    において、高密度のプラズマを維持しつつ高速排気する
    シリコンのエッチング方法。
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