JP3353296B2 - 低温エッチング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 以下の順序で本発明を説明する。

産業上の利用分野 発明の概要 従来の技術 発明が解決しようとする問題点 発明の目的 問題点を解決するための手段 作 用 実施例 実施例−１（本発明以外の参考実施例） 実施例−２（本発明以外の参考実施例） 実施例−３（本発明以外の参考実施例） 実施例−４（本発明以外の参考実施例） 実施例−５（本発明以外の参考実施例） 実施例−６（本発明に係る実施例） 発明の効果 〔産業上の利用分野〕 本発明は、低温エッチング方法に関する。本発明の低
温エッチング方法は、例えば、電子材料（半導体装置な
ど）の形成の際の微細なエッチング加工技術として利用
することができる。

〔従来の技術〕

エッチング加工を利用する分野、例えば半導体装置製
造の分野においては、半導体集積回路等の微細化・高集
積化が一層進行して来ている。これに伴い、ドライエッ
チングの加工精度の仕様も益々厳しくなりつつある。そ
の要求に応えるエッチング技術として、低温エッチング
技術がある。低温エッチング技術は、従来法に比べ基本
的に堆積性ガスをできるだけ少なくしているため、上記
の厳しい加工精度の要求にも対応できる。

低温エッチングによれば、シリコン基板を被エッチン
グ材とし、エッチングガスとして堆積性のガスを含まな
い例えばSF₆のみを用いた場合にも、基板温度の冷却に
従ってアンダーカットが小さくなり、−90℃以下でアン
ダーカットのない良好な異方性形状が得られる。よっ
て、例えば水冷温度では堆積性ガスを添加しないと等方
性エッチングしか実現できない条件にあっても、このよ
うな低温状態にすることにより異方性エッチングを達成
でき、よって堆積性ガスの使用を僅かに抑えることが可
能となる。

更に、Siのエッチング速度は低温になるに従って大き
くなり、よって高速エッチングが可能となる。

しかも、これに対し、マスクとなるフォトレジストや
SiO₂のエッチング速度は逆に小さくなるので、マスクと
の選択性を高めることができ、SiO₂マスクなしにレジス
トのみでも例えば高選択性のSiトレンチエッチングが可
能ならしめられる。

このように低温エッチング技術によれば、従来それぞ
れ互いに相反する要請とされて来た高異方性、高速性、
高選択性をすべて満足することができるものである。

従来提案されて来た低温エッチング技術については、
プレスジャーナル社刊「月刊Semiconductor World」198
8年１月号、58〜59頁、また電学誌108巻12号、昭63、11
95〜1198頁に記載がある。また、具体的な提案として
は、特開昭63−110726号公報に、シリコンをプラズマエ
ッチングするに際し、エッチングガスに堆積性のガスで
ある炭素及びシリコンを含まず、かつエッチャントとな
るフッ素、塩素及び臭素の少なくとも１種を含むガスを
用い、かつ該エッチャントとシリコンとの反応確率が20
℃における反応確率の1/10以下になる温度、例えば−60
℃以下とか、−40℃以下とか、−10℃以下の温度でエッ
チングを行う技術が開示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、低温エッチング技術には更に解決すべき問題
点が多い。

第１の問題点は、被エッチング部が異なる２以上の層
を有する多層膜である場合、必ずしも各層に対して適正
な条件でエッチングがなされないということである。

例えば、第１図（ａ）に示すような異なる材料（従っ
て異なるエッチング特性をもつ）から成る２層1a,1bか
ら構成される多層膜を被エッチング部１としてこれをエ
ッチングする場合に、同一条件で連続してエッチングを
行うと、いずれかの層は適正なエッチングがなされず、
例えば第３図に示すように、被エッチング層1aが裾広が
りの形状になり、これにより被エッチング部1bもレジス
トマスクより広い形状でパターニングされてしまうよう
な事態が生じる。

本発明者は鋭意研究の結果、このようなパターニング
の形状不良は、いくつかの要因によって特に著しく生ず
ることを見い出した。その一つは、エッチングガスに堆
積性ガスを用いた場合に、かかる形状不良が著しいとい
うことである。

即ち、多層膜をエッチングする際に、堆積性ガス（そ
れ自体が堆積物を形成するいわゆるデポガスと、堆積を
促進するガスとの双方を含む）を添加する場合には、低
温エッチングにあってはその添加量の制御はきわめて重
要であることがわかった。堆積性ガスの最適添加量は、
多層膜の各層でそれぞれ異なることは推測できるが、低
温エッチングの場合はかかる各層毎の制御がきわめて重
要であり、エッチングの加工形状の良否を定める大きな
要因になることを見い出したのである。恐らく、低温エ
ッチングの場合は、前記したように必ずしも堆積性ガス
を用いなくても或る程度良好な異方性形状が得られるの
で、堆積性ガスを用いるとそれがエッチング形状の変化
に寄与する度合いが大きくなるからと推定されるが、い
ずれにしても、低温エッチングの実施に当たっては、多
層膜のエッチングの場合、その堆積性ガスの添加量の制
御はきわめて重要なのである。

例えば、本発明者の実験によれば、SF₆/HBrガスでエ
ッチングを行うと、SF₆がエッチャントとなるガスを構
成し、HBrが堆積性ガス、ここでは厳密にいうとデポ促
進ガスになるわけであり、この堆積性ガスは、デポを促
進することにより被エッチング部の側壁を保護すること
によってアンダーカットの発生を防ぎ、もって異方性加
工を行わしめる作用を呈するが、かかるアンダーカット
防止のために要する堆積性ガスの量は各被エッチング材
料によって異なる。例えば、被エッチング層1a,1bにつ
いてのHBr添加量とアンダーカット量との関係が、各々
第２図にI a,I bで示すものだとすると、アンダーカッ
トの生じないエッチングを行うためには、被エッチング
層1aはHBrを第２図のＡの量だけ添加すればすむのに対
し、被エッチング層1bはHBrを第２図のＢの量添加しな
ければならないことになる。実際、これを同一条件でエ
ッチングしたところ、第３図のように、被エッチング部
1aが太ってエッチングされてしまった。これでは、良好
な異方性加工が実現できるという低温エッチングを用い
る意味がなくなってしまう。

次に第２の問題点は、同様に被エッチング部が異なる
２以上の層を有する多層膜である場合、エッチングの温
度条件が重要であるということである。特に温度条件の
問題は、上記したような堆積性ガスを用いない場合に重
要である。即ちこれも本発明者の検討によるものである
が、堆積性ガスを用いずに第１図（ａ）に示したような
多層膜をエッチングする場合に、エッチングの形状コン
トロールをいかに行うかを考えると、次のようになる。
いま、第４図に示すように、温度（横軸）とアンダーカ
ット量（縦軸）との関係が、被エッチング層1aについて
はII aに示すとおりであり、被エッチング層1bについて
はII bに示すとおりであったとすると、各層1a,1bにつ
いてアンダーカットを起こさない温度は、それぞれＡ′
（℃）、Ｂ′（℃）ということになり、よって、例えば
Ａ′（℃）でエッチングすると、層1aにはアンダーカッ
トは起きないが、層1bには大きくアンダーカットが入っ
てしまう。

このように、低温エッチングを用いて多層膜をエッチ
ングするには、特に堆積性ガスを用いない場合、温度制
御がきわめて重要になるのであるが、従来はこれに対す
る対策は何ら提案されていなかった。

また、多層膜に限らず、単層膜についても、温度制御
して所望のエッチング速度や選択性を確保したい場合が
あるが、この場合も、かかる温度制御を可能ならしめる
技術は提案されていなかった。

次に第３の問題は、例えばエッチングの終点判定等、
エッチングの制御のモニタが必ずしも適正には行えてい
なかったということである。ラジカルの動きを全く凍結
する極低温エッチングにはエッチングレートの低下とい
う問題があるので、或る程度の温度範囲内で、或る程度
の側壁保護効果をもたせてエッチングを行う中低温エッ
チングが有効と考えられるが、例えばこのような場合、
エッチング速度によりエッチング状況をモニタするので
は問題が生じることがある。第５図にそれぞれ模式的
に、温度とエッチングレートとの関係をグラフIIIで、
温度とアンダーカット量との関係をグラフIVで示すが、
低温エッチングでは、グラフIVから理解されるように低
温ほどアンダーカットは抑えられるが、グラフIIIに示
す如く、エッチレートはある程度までは一定である。こ
の物理的意味は、イオンによるデポの除去が律速になっ
ていることを示すものと考えられるが、明らかではな
く、推定の域を出ない。しかしいずれにしても、単にエ
ッチレートだけで、終点のモニタ等のエッチング状況の
モニタを行っていると、蓄熱等で温度が上がってしまっ
た場合、思わぬアンダーカットを招くということが懸念
される。

更に第４の問題は、上記第２の問題において述べたよ
うに、エッチング温度制御が重要であるが、かかる温度
制御はエッチング形状についてのみならず、例えばエッ
チング装置についての温度制御もきわめて重要である。
即ち、チェンバー内の堆積物の除去のための昇温や、あ
るいは放射防止のための降温などチェンバー温度を制御
する必要がある場合があるにも拘らず、このように適正
な温度制御ができる技術は開発されていないということ
である。

〔発明の目的〕

本発明は、温度を良好に制御し、適正チェンバー条件
としてエッチングを行うことができる低温エッチング方
法を提供せんとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、 被エッチング材の少なくとも被エッチング部を０℃以
下にした状態でエッチングを行う低温エッチング方法に
おいて、 エッチングチェンバーを石英により形成し、 該石英チェンバーに２つの中空部を形成し、一方には
温媒を、他方には冷媒をそれぞれ必要に応じて流せるよ
うにし、 所定のエッチングのラン数を重ねた後、チェンバー内
に温度制御媒体として上記温媒を流すことによりチェン
バー内の堆積物を除去するようにした ことを特徴とする低温エッチング方法 であって、この構成により上記目的を達成したもので
ある。

〔作用〕

本発明によれば、チェンバーの温度制御を良好に達成
でき、チェンバーの堆積物除去のための昇温その他の各
種の温度制御を適正に実現できて、適正チェンバー条件
としてエッチングを行うことができる。

〔実施例〕

以下本出願の各発明の実施例について、図面を参照し
て説明する。但し当然のことではあるが、各発明は以下
に示す実施例により限定されるものではない。

実施例−１（本発明外の参考実施例） この参考実施例は、微細化・集積化した半導体装置の
製造の際に、多層膜をエッチングする場合の、参考例で
ある。

本実施例では、第１図（ａ）に示すように、基板２上
に形成された被エッチング層1a,1bから成るエッチング
部１をレジスト３にマスクにエッチングする場合に、被
エッチング層1aのエッチングの時には、堆積性ガスを第
２図の添加量Ａ以上で加えたガスを用い、これにより該
被エッチング層1aにアンダーカットの生じないようにす
るとともに、被エッチング層1bのエッチング時には、堆
積性ガスを第２図の添加量Ｂ以上で加えたガスを用い、
これにより該被エッチング層1aにアンダーカットの生じ
ないようにして、エッチングを行う。

本実施例では具体的には、被エッチング層1aはタング
ステンシリサイドWSixから成る高融点金属シリサイド層
（膜厚1000Å）であり、この場合、次のような条件でエ
ッチングを行った。

即ち、エッチング装置としてマイクロ波プラズマエッ
チャーを用い、温度−70℃で、圧力５×10^-3Torr、RFバ
イアス200W、マイクロ波800Wで、エッチングを行った。
エッチングガスは、WSixから成る被エッチング層1aにつ
いては、 SF₆/HBr＝20/15SCCM のガス系を用い、n⁺−ポリシリコンから成る被エッチン
グ層1b（膜厚1000Å）については、 SF₆/HBr＝20/30SCCM のガス系を用いるようにした。

このように、被エッチング部１を−70℃の低温にした
状態で、エッチャントとなるガスであるSF₆に対し、堆
積性ガスであるHBrをそれぞれ上記のような適正量加え
て、各層1a,1bのエッチングを行ったところ、第１図
（ｂ）に示すように、良好なエッチング形状でエッチン
グを達成することができた。

即ち、本発明を採用して、各膜種によって堆積性ガス
を最適に添加することにより、寸法変換差のないエッチ
ングを実現できる。

その他、本実施例と同様に、被エッチング層1a,1bが
各々モリブデンシリサイド（MoSi₂）,n⁺−ポリシリコン
である場合、同じくエッチャントとなるガスSF₆に対し
て堆積性ガスであるHBrを各々最適量添加して、良好な
結果を得ることができる。

また、被エッチング部にコンタクトホールなどの開口
を形成する場合、被エッチング層1a,1bが各々BPSG（ホ
ウ素リン含有シリケートガラス）,SiO₂であると、エッ
チャントとなるガスC₃F₈に対して堆積性ガスであるC₂H₄
を各々最適量添加して、良好なホール形状を得ることが
できる。

実施例−２（本発明外の参考実施例） この参考実施例は、実施例−１と同様の微細化・集積
化した半導体装置の製造の際に、第１図（ａ）に模式的
に示す如き多層膜をエッチングする場合についての、参
考例である。

この参考実施例では、被エッチング層1a,1bから成る
エッチング部１をエッチングする場合に、複数のエッチ
ングチェンバーを有するエッチング装置を用い、かつ各
被エッチング層1a,1bの各々のエッチング毎にエッチン
グチェンバーの設定温度を変えて用いる。

具体的には、実施例−１と同じく被エッチング層1aが
WSix層（1000Å）で、被エッチング層1aがn⁺−ポリシリ
コン層（1000Å）である積層膜から成る被エッチング部
１を、エッチングガスとしてSF₆を用いてエッチングす
る際、２つのチェンバーを有するマイクロ波プラズマエ
ッチャーを用いて、下記の条件でエッチングした。これ
により、良好な結果を得ることができた。

なお、各チェンバーの間で、被エッチング材であるウ
ェハ等は、真空搬送されて移送される。かつ本実施例で
用いる低温エッチング装置は、冷却機構のほか、露結防
止のための加熱室等を有していてもよいものであり、そ
の他低温エッチャーに必要な各種の機能を有しているも
のを用いる。

この参考実施例では、多層膜構造をエッチングするに
際して、異なる設定温度のチェンバーを少なくとも２つ
有するエッチング装置を用いて、これにより各膜の最適
温度でエッチングしたものである。

実施例−３（本発明外の参考実施例） この参考実施例は、単層膜のエッチングについて、高
選択比エッチングを行うようにした参考例である。

ここではSiO₂膜を０℃に近い側でエッチングすること
により高速エッチングし、次いでより低温側でエッチン
グすることにより高選択比エッチングを実現するように
したものである。装置は、実施例２と同じものを用い
た。

具体的なエッチング条件は次のとおりである。

高温（０℃に近い側）でのエッチング条件： 使用ガス系:C₃F₈/C₂H₄＝30/2.5SCCM 圧 力 :5×10^-3Torr マイクロ波:800w RFバイアス:500W 低温（−50℃）でのエッチング条件： 使用ガス系:C₃F₈/C₂H₄＝30/1.2SCCM 圧 力 :5×10^-3Torr マイクロ波:800w RFバイアス:200W 本実施例では、同一膜構造をエッチングする際に、複
数のチェンバーをもつエッチング装置を用いて、温度を
途中で変えてエッチングし、選択比をとるようにしたの
で、高選択性で、かつ全体としては高速のエッチングを
実現できる。

実施例−４ この参考実施例は、微細化・集積化した半導体装置の
製造の際のエッチングを行う場合の参考例である。

本実施例は、エッチング中の被エッチング材（ここで
は具体的にはウェハ）の温度を常にモニタしておき、被
エッチング材が所定の温度以上になった場合には、自動
的にガス供給71及び／またはマイクロ波出力72、及び／
またはRFバイアス出力73などの供給が停止されるように
構成したものである。

具体的には、第６図に示す構成の装置を用いた。第６
図中、４はエッチングチェンバー、５は被エッチング材
であるウェハである。６は制御部であり、測温度手段74
である温度モニタから入力した温度信号61に基づいて、
マイクロ波出力制御信号62、ガス供給制御信号63、RF出
力制御信号64を発し、各々を制御するものである。

本実施例では、第５図に模式的に示したように、エッ
チングレートとアンダーカットの関係がグラフIII,IVで
示されるような場合、マージンをみこんでアンダーカッ
トが０になるより低温の図のＣ点を境にして（Ｃはアン
ダーカットが生じるようになる温度より少し低い）この
Ｃ点以上の温度になると、マイクロ波、RF出力、ガスが
ストップするような信号が発せられるように設定してお
く。具体的にはＣ点以上になると、測温手段74（温度モ
ニタ）がそのような信号を制御部６に与えるようにして
おけばよい。このようにすれば、温度の上昇による思わ
ぬアンダーカットを未然に防止できる。このような停止
信号が発せられるようになった被エッチング材５（ウェ
ハ）は、不良として処分してもよいし、Ｃ点以下に冷却
されるまで待って、また、エッチングを開始してもよ
い。

測温手段74として用いる温度モニタは、、螢光ファイ
バー式温度モニタを使って好適に実施できる。即ち、螢
光式ファイバー温度計により、エッチング時の被エッチ
ング材５（ウェハ）の温度が好適に計測できる。これに
よれば、石英ファイバー先端に取付けられた螢光物質
の、温度による螢光緩和特性を利用して、温度計測が行
える。よって熱電対の如くRFの電気ノイズ等の影響を受
けることなく、正確な温度計測が可能であり、測温範囲
も、−190℃〜400℃と広い。測温は、センサー先端を被
測温体に接触させる接触型でも、非接触型で行えるよう
にしたのでもよい。かかる測温手段は、そのセンサー
を、イオンゲージポートを利用してエッチャー内に導入
できる（これについては、本出願人は特願平１−124285
号において既に提案を行った）。

本実施例では、被エッチング材であるウェハを０℃以
下に冷却してエッチングを行う際に、エッチング中ウェ
ハ温度をモニタし、アンダーカットが生じる温度以上に
なったら自動的にエッチングがストップするように構成
したので、アンダーカットの発生が未然に防止できる。

実施例−５（本発明外の参考実施例） この参考実施例は、微細化・集積化した半導体装置の
製造の際のエッチングを行う場合の参考例である。

ラジカル反応の凍結をねらう−100℃以下位の極低温
における低温エッチングは実用上、問題があるので、多
少、側壁保護を使うプロセス（例えばO₂/Cl₂ガス系によ
るレジストエッチングの利用）で、−30℃〜−50℃位の
温度でエッチングを行うことが実用的である。

しかし、かかる低温エッチングであると、やはり、側
壁保護に寄与する反応生成物のエッチングチェンバーへ
の付着が問題となる。

本実施例はこの問題を、特に、低温エッチング技術に
好適に利用できる、放電のパラメータと、イオンエネル
ギーが独立にコントロールできるマイクロ波エッチャー
の使用の場合を具体例として、解決したものである。

本実施例では、マイクロ波エッチャーのチェンバーが
石英であることを利用して、該チェンバーを中空構造に
し、そこに温度制御媒体である温媒または冷媒を流せる
ようにしたものである。この構造を第７図に示す。第７
図に略示するように、エッチングチェンバー４に、特に
図にハッチングは付して示す中空部41を形成し、ここに
温媒等の温度制御媒体を流せるようにしたものである。

この装置を用いて、所定のエッチングのラン数を重ね
た後、チェンバー内に温媒を流す。例えば、O₂/Cl₂プロ
セスによるレジストエッチングの例だと、反応生成物は
CCl_Xであり、CCl₄の沸点は70℃位なので、100℃位の温
媒を流す。これにより、CCl₄は蒸発排気できる。

この場合、チェンバーは石英から成るので、チェンバ
ーからの熱の放射は殆どないし、チェンバーは排気され
ているので熱の対流もない。従ってサセプターの温度上
昇は、殆どないと考えられる。

また、必要に応じて、冷媒も流せるように（例えばソ
レノイドコイルからの放射を防ぐため）、図示しない
が、上流側に冷媒と温媒の切り換えスイッチを設ける構
成にしておいてもよい。

なお第７図はチェンバーの断面をみた図であり、勿
論、中心部はチェンバーを囲む形で作られている。図示
は簡明にしてあるが、中空部は熱交換を良好にするた
め、実際には、もっと緻密に引きまわしてある。勿論、
ガスを温度制御媒体として用いて、加熱または冷却して
もよい。

本実施例によれば、チェンバー内のデポ（堆積物）を
効果的に除去でき、その他所望の温度制御を行うことが
できる。

実施例−６（本発明に係る実施例） 本実施例は本発明を具体化した実施例である。これは
前記参考実施例−５の変形例である。

これは第８図に示すように、チェンバー４の中空部の
パスを２つ作ったものである。即ち、図に符号42,43で
略示するような中空部を形成しておく。このように構成
して、一方には温媒を、他方には、冷媒をそれぞれ必要
に応じて、流せるようにしておく。

このようにすれば、外部の切り換えスイッチの必要な
く、加熱または冷却を行える。

その他の構成は、実施例−５と同様である。

なお第８図はチェンバーを側面からみた図であり、温
媒または冷媒である温度制御媒体のout側は、図の反対
側にある。

〔発明の効果〕

上述の如く、本出願の各発明によれば、低温エッチン
グの実用化に際して隘路となっていた問題を解決するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は、実施例−１の工程を被エッチン
グ材の断面図で示すものである。第２図は、実施例−１
の作用を説明するための図である。第３図及び第４図は
問題点を示す図である。第５図は実施例−４の説明のた
めの図である。第６図は、実施例−４で用いた装置の構
成図である。第７図は実施例−５で用いた装置の構成図
である。第８図は実施例−６で用いた装置の構成図であ
る。 11……被エッチング部、1a,1b……被エッチング層、４
……チェンバー、５……被エッチング材（ウェハ）、６
……制御部、74……測温手段（温度モニタ）、41,42,43
……中空部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−256726（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−166539（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−32633（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−76876（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−113778（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−184828（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−145814（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−103836（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 C23F 4/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被エッチング材の少なくとも被エッチング
   部を０℃以下にした状態でエッチングを行う低温エッチ
   ング方法において、 エッチングチェンバーを石英により形成し、 該石英チェンバーに２つの中空部を形成し、一方には温
   媒を、他方には冷媒をそれぞれ必要に応じて流せるよう
   にし、 所定のエッチングのラン数を重ねた後、チェンバー内に
   温度制御媒体として上記温媒を流すことによりチェンバ
   ー内の堆積物を除去するようにした ことを特徴とする低温エッチング方法。