JP4056316B2

JP4056316B2 - ドライエッチング方法及び装置

Info

Publication number: JP4056316B2
Application number: JP2002218258A
Authority: JP
Inventors: 裕也原田; 浩田辺; 佳則中川; 宏之鈴木; 宏今井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2022-07-26
Also published as: JP2004063658A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを用いたドライエッチング方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＩｎＰやＧａＡｓなどの化合物材料からなる被加工物をプラズマを用いてドライエッチングする際には、真空容器内にハロゲンガスを含むガスを供給しつつ排気し、所定の圧力に制御しながら電力を供給することでプラズマを発生させ、真空容器内の基板電極上に載置した被加工物をエッチング処理している。
【０００３】
具体的には、図８に示すように、被加工物５１は石英やアルミナなどにて構成された担持基板５２上に設置されて供給され、その担持基板５２を基板電極５３上に載置し、担持基板５２の外縁部を、石英、アルミナ、セラミックス、サファイアなどにて構成されたクランプ部材５４にて固定した状態、若しくは担持基板５２を静電吸着して固定し、周囲に石英、アルミナ、セラミックス等を配置した状態でエッチング処理を行っている。また、供給ガスには、ＨＢｒ、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃、ＨＣｌ、ＨＩなどのハロゲンガスの単体ガス若しくはそれらの混合ガスや、それにＡｒ、Ｈｅなどの不活性ガスを必要に応じて添加したものが用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８に示すような状態で、ＩｎＰやＧａＡｓなどの化合物材料からなる被加工物５１をエッチング処理した場合、図９（ａ）に示すように、エッチング溝５５内にエッチングされない部分が微小柱状に残って柱状残渣５６が発生してしまうという問題があり、また図９（ｂ）に示すように、レジスト５７のエッチングレートに対する被加工物５１のエッチングレートの比である対レジスト選択比が低いためレジスト削れが発生するという問題があった。
【０００５】
なお、被加工物５１を２００℃〜３００℃程度の高温状態でエッチング処理すれば、上記柱状残渣５６を生じることなく、エッチング処理することもできるが、そのような高温に耐えるレジスト５７は、特殊なものに限定されて、作業性及びコスト面で好ましくなく、またＩｎＰの場合にはＰが飛び出してしまう等、被加工物５１にダメージを与えるために適用することはできない。
【０００６】
本発明は、上記従来の問題に鑑み、ハロゲンガスを用いて化合物材料からなる被加工物を処理する際に、柱状残渣を発生せず、レジストに対する選択比を向上できるドライエッチング方法及び装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
真空容器内にハロゲンガスを含むガスを供給しつつ排気し、所定の圧力に制御しながら電力を供給することでプラズマを発生させ、前記真空容器内の基板電極に載置された化合物材料から成る被加工物をエッチング処理するドライエッチング方法であって、
供給ガスにＳｉ含有ガスを添加し、
前記Ｓｉ含有ガスの添加量を、供給ガス総量の１〜５％とするように制御することにより、エッチング溝に発生する柱状残渣量を低減するように調節するものである。
【０００８】
化合物材料をエッチングする際に柱状残渣が発生する原因としては、化合物材料の組織の不均一のためプラズマ中のハロゲンイオンでは速やかにエッチング出来ない部分が発生したり、被加工物の周囲に存在する石英やアルミナなどの極めて安定性の高い部材がエッチングされてその粒子がエッチング箇所に飛散することで、その粒子がマスクとして機能してエッチング出来なかったりすることが想定されるが、本発明では供給ガスにＳｉ含有ガスを添加することで、プラズマ中で発生したＳｉイオンにてハロゲンイオンではエッチングされ難い部分も速やかにエッチングされ、また被加工物の周囲に存在する石英やアルミナなどから成る部材の表面にＳｉが堆積することで、石英やアルミナなども極めて安定性の高い粒子の飛散が防止され、柱状残渣の発生を防止でき、またＳｉの堆積により対レジスト選択比も向上できる。特に、Ｓｉ含有ガスの供給ガス総量に対する１〜５％の添加によって柱状残渣の発生を効果的になくすことができる。
【００１２】
したがって、Ｓｉ含有ガスの添加量を、供給ガス総量の１％に制御して有効である。
【００１４】
また、Ｓｉ含有ガスはＳｉＣｌ ₄ であり、被加工物がＩｎＰなどのＩｎ系化合
物からなる場合に、本発明を適用することで特に大きな効果が発揮される。
【００１９】
また、本発明のドライエッチング装置は、真空容器と、前記真空容器内にガスを導入するためのガス供給手段と、前記真空容器内を排気して所定の圧力に制御する排気手段と、前記真空容器内に化合物材料から成る被加工物を載置するための基板電極と、前記真空容器内にプラズマを発生させる電力を供給する電力供給手段とを備えたドライエッチング装置であって、前記ガス供給手段は、供給ガスにＳｉ含有ガスを添加し、前記Ｓｉ含有ガスの添加量を、前記供給ガス総量の１〜５％とするように制御することによりエッチング溝に発生する柱状残渣量を低減するように調整するものであり、Ｓｉ含有ガスを添加する上記ドライエッチング方法を実施してその効果を奏することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のドライエッチング方法及び装置の第１の実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
【００２４】
図１、図２において、１は真空容器で、その天井壁は電磁波を真空容器１内に透過する石英などの誘電体２にて構成されている。誘電体２上には、中心から外周に向けて渦巻き状に巻回された複数のコイル３が配設され、その中心部にはインピーダンス整合手段４を介してコイル用高周波電源５が接続され、外周端は接地されている。真空容器１は排気手段６に接続され、真空容器１内を所定の圧力に維持できるように構成されている。また、真空容器１内にガスを導入するガス導入口７が設けられ、このガス導入口７に所定のガスを所定流量にコントロールして供給するガス供給手段８が接続されている。
【００２５】
真空容器１内の下部には、支持体９及び絶縁体９ａを介して基板１１を載置する基板電極１０が配設されている。基板１１は、石英又はアルミナ製の担持基板１２上にＩｎＰなどの化合物材料から成る被加工物１３を設置して構成されている。基板電極１０にはインピーダンス整合手段１４を介して基板電極用高周波電源１５が接続されている。また、基板電極１０内には冷却通路が内蔵され、冷却手段１６から冷却媒体を流通させることで、被加工物１３を所定の温度に制御できるように構成されている。
【００２６】
また、基板電極１０上に載置された基板１１の外縁部を押圧固定する石英又はアルミナ製のクランプ部材１７が配設され、真空容器１外に配設された昇降手段１８にて基板１１の固定及び固定解除を行うように構成されている。
【００２７】
ガス供給手段８は、ハロゲンガス源２１とその流量を制御するマスフローコントローラ２２と開閉弁２３ａ、２３ｂ、及びＳｉ含有ガス源２４とその流量を制御するマスフローコントローラ２５と開閉弁２６ａ、２６ｂとを備え、ハロゲンガスとＳｉ含有ガスを所定の流量で混合して真空容器１内に供給するように構成されている。本実施形態では、ハロゲンガスはＨＩ、Ｓｉ含有ガスはＳｉＣｌ₄である。
【００２８】
ハロゲンガスとしては、本実施形態のようにＨＩを用いると、低温でのエッチング処理が可能であるため好適であるが、Ｃｌ₂、ＨＢｒなども好適に用いることができる。また、その他にもＨＣｌ、ＢＣｌ₃等のガスを含有しても構わない。また、Ｓｉ含有ガスとしても、ＳｉＣｌ₄に限らず、ＳｉＦ₄、ＳｉＨ₄、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂などを好適に用いることができる。
【００２９】
以上の構成において、基板電極１０上に基板１１を設置し、ガス供給手段８にてガス導入口７から真空容器１内にハロゲンガスとＳｉ含有ガスの混合ガスを供給しつつ、排気手段６にて真空容器１内を排気し、真空容器１内を０．１〜１０Ｐａの所定の圧力に保ちながら、コイル３及び基板電極１０に、コイル用高周波電源５及び基板電極用高周波電源１５からそれぞれ高周波電力を印加し、真空容器１内にプラズマを発生させ、基板１１のＩｎＰから成る被加工物１３をエッチング処理する。このとき、基板電極１０が冷却手段１６にて冷却され、基板１１の被加工物１３の温度が２０℃〜１７０℃の範囲内、好適には１４０℃以下の所定温度に保持される。
【００３０】
以上のエッチング処理において、エッチングガスとして、ハロゲンガスとしてのＨＩガスにＳｉ含有ガスとしてのＳｉＣｌ₄を添加した混合ガスを用いたことにより、ＩｎＰから成る被加工物１３におけるエッチング部のハロゲンイオンではエッチングされ難い部分も、プラズマ中で発生したＳｉイオンにて速やかにエッチングされ、また被加工物１３の周囲に存在する石英やアルミナから成るクランプ部材１７などの表面にＳｉが堆積することで、石英やアルミナなどの極めて安定性の高い部材がエッチングされてその粒子が飛散するのを防止することができ、したがってエッチング溝に柱状残渣が発生するのを確実に防止することができ、またＳｉの堆積によりレジストに対する選択比も向上できる。
【００３１】
また、基板電極１０上の被加工物１３の温度を、２０℃〜１７０℃の範囲の温度、特に１４０℃以下の温度に制御することにより、適用できるレジストの選択幅が広がるとともに、ＩｎＰのように耐熱性の低い化合物材料からなる被加工物１３においてもそのＰの飛び出しが防止されてダメージを受けず、かつ上記Ｓｉの作用にてこのような温度範囲においても柱状残渣の発生を確実に防止できる。
【００３２】
次に、ハロゲンガスに対するＳｉ含有ガスの添加量の変化による作用の変化を確認するために行った実験例について説明する。
【００３３】
図１に示したような構成のドライエッチング装置において、ハロゲンガスとしてのＨＩガスを１２０ｓｃｃｍ、それにＳｉ含有ガスとしてのＳｉＣｌ₄を後述のように添加して真空容器１内に供給しつつ、真空容器１内を排気手段６で排気して１〜３Ｐａに維持し、その状態でコイル３にコイル用高周波電源５から１３．５６ＭＨｚ、７００Ｗの高周波電力を印加するとともに、基板電極１０に基板電極用電源１４から１３．５６ＭＨｚ、１００Ｗの高周波電力を印加することで、真空容器１内にプラズマを発生させ、ＩｎＰから成る被加工物１３のエッチング処理を行った。ＳｉＣｌ₄の添加量を、ＳｉＣｌ₄を総ガス供給量の０％〜２０％の範囲内で変化させた時の柱状残渣の発生と、エッチング溝のテーパ角度と、エッチングレートと対レジストの選択比を調べたところ、図３〜図５に示すような結果が得られた。
【００３４】
図３は、ＳｉＣｌ₄の添加量を０％〜２０％の範囲で変化させた時に、柱状残渣の発生量が無添加の場合の柱状残渣の量を１００％としてどの程度発生したかを示したものである。図３から分かるように、ＳｉＣｌ₄の添加によって急激に柱状残渣が低減し、１％の添加で５０％となり、５％以上添加すると、柱状残渣は１０％以下となって実質的に柱状残渣が全く問題にならなくなる。
【００３５】
図４は、ＳｉＣｌ₄の添加量を０％〜２０％の範囲で変化させた時に、エッチング溝のテーパ角度がどのように変化したかを示したものである。エッチング溝のテーパ角度とは、図４（ｂ）に示すように、エッチングによって形成されたエッチング溝２８の側壁２９の水平面に対する傾斜角θを示す。３０はレジストである。図４（ａ）から分かるように、ＳｉＣｌ₄の添加量が５％になるまではテーパ角度θは殆ど９０°であるが、５％から１５％の間でテーパ角度θが９０°から６０°に変化している。従って、ＳｉＣｌ₄の添加量の制御によって、エッチング溝２８のテーパ角度θを９０°から６０°の範囲で制御することができる。なお、テーパ角度θが６０度以下は実用的でない。
【００３６】
図５は、ＳｉＣｌ₄の添加量を０％〜１５％の範囲で変化させた時に、そのエッチング処理速度であるエッチングレート、及びレジストのエッチングレートに対する被加工物のエッチングレートの比である対レジストの選択比がどのように変化したかを示したものである。図５から分かるように、エッチングレートは、ＳｉＣｌ₄を添加しない状態で１．１μｍ／ｍｉｎ程度であったものが、ＳｉＣｌ₄の添加に伴って急上昇し、添加量が１％程度で２．０μｍ／ｍｉｎ程度にまで達し、その後添加量が１５％程度で元の１．１μｍ／ｍｉｎ程度になるまで漸減している。また、対レジストの選択比は、ＳｉＣｌ₄を添加しない状態で３程度であったものが、ＳｉＣｌ₄の添加に伴って上昇し、添加量が５％程度で１０程度にまで達し、その後添加量が１５％程度で２〜３程度になるまで低下している。
【００３７】
以上のように、ＳｉＣｌ₄の１〜５％の添加によって柱状残渣の発生を急激に低減することができ、また１〜１０％の添加によって対レジストの選択比を大幅に向上することができ、また、微量から１５％の添加範囲でエッチングレートを格段に向上することができ、特に１％を中心としてエッチングレートを２倍近くまで高くでき、また５〜１５％の添加によってエッチング溝のテーパ角を制御することができ、しかもこれらの効果が１４０℃程度の低温でのエッチング処理によって得られ、被加工物１３にダメージを与えずまたレジスト３０の選択の幅も広がるという効果が得られる。
【００３８】
なお、エッチング処理時の上記プロセス条件を変更しても、ＳｉＣｌ₄の添加による上記作用効果に関しては同様の結果が得られた。
【００３９】
次に、本発明のドライエッチング方法及び装置の第２の実施形態について、図６、図７を参照して説明する。
【００４０】
上記第１の実施形態では、供給ガスにＳｉを含むガスを添加したが、本実施形態では、被加工物１３の周囲にＳｉを配置したものであり、同様の作用効果を得ることができる。なお、ドライエッチング装置の全体構成は図１を参照して説明したものと、Ｓｉ含有ガス源２４を用いない点を除いて同一である。
【００４１】
本実施形態では、図６（ａ）に示すように、基板１１における石英又はアルミナ製の担持基板１２に代えてＳｉ担持基板３２が用いられ、このＳｉ担持基板３２上に被加工物１３が設置されている。また、クランプ部材１７の被加工物１３の周辺部の表面がＳｉカバー３３で覆われている。
【００４２】
以上の構成によれば、被加工物１３の周囲にＳｉ担持基板３２が配設され、さらに被加工物１３の周囲に露出しているクランプ部材１７などの石英やアルミナからなる部材の表面がＳｉカバー３３で覆われているので、そのＳｉがエッチングされることで、被加工物１３の周囲に露出しているクランプ部材１７など、石英やアルミナから成る部材の表面にＳｉが堆積し、それによって石英やアルミナがエッチングされてその粒子が被加工物１３のエッチング部位に飛散するのを防止でき、またＳｉイオンが発生してハロゲンイオンではエッチングされ難い部分に対するエッチング作用が得られるため、柱状残渣の発生を確実に無くし、またＳｉの堆積によりレジストに対する選択比も向上できる。
【００４３】
上記図６（ａ）に示した例では、Ｓｉ担持基板３２を用いるとともにＳｉカバー３３でクランプ部材１７の表面の一部を覆ったが、図６（ｂ）に示すように、Ｓｉ担持基板３２を用い、クランプ部材１７の表面はＳｉで覆わなくても柱状残渣の発生を低減することができた。また、図６（ｃ）に示すように、Ｓｉ担持基板３２に代えて、石英基板３５の上面にＳｉ基板３６を貼り合わせた複合担持基板３４を用い、そのＳｉ基板３６上に被加工物１３を設置した基板１１を用いても同様の効果が得られた。また、図６（ｄ）に示すように、石英又はアルミナ製の担持基板３７上に被加工物１３を設置した従来と同様の基板における担持基板３７の表面をＳｉカバー３８で覆った基板１１を用いても同様の効果が得られた。
【００４４】
また、図６に示した例では、基板電極１０上に載置した基板１１をクランプ部材１７にて押圧固定するように構成したものを示したが、図７に示すように、基板１１を静電吸着するように構成された基板電極１０の場合にも、図７（ａ）に示すように、Ｓｉ担持基板３２を有する基板１１を用い、基板電極１０におけるＳｉ担持基板３２の周囲の表面をＳｉカバー３９で覆うことによって、上記と同様に柱状残渣の発生を確実に無くし、またレジストに対する選択比も向上できる。また、この場合も、図７（ｂ）に示すように、Ｓｉ担持基板３２を有する基板１１を用いることで、基板電極１０におけるＳｉ担持基板３２の周囲の表面を従来と同様に石英カバー４０で覆っている場合でも柱状残渣の発生を無くすことができる。
【００４５】
以上の説明では、基板１１を、担持基板３２上に被加工物１３を載置したものを例示したが、基板１１を１枚の化合物基板とした場合でも、その周囲にＳｉからなる部材を配置することで、柱状残渣の発生を無くし、対レジスト選択比を向上することができる。
【００４６】
また、上記実施形態の説明ではＳｉカバー３３、３８、３９にて、被加工物基板１３の周辺に露出している石英やアルミナの表面を覆った例を示したが、Ｓｉに代えて、ポリイミド、レジストなどのエッチングされ易い材料を用いてカバーしても、同様の作用効果を奏することができる。
【００４７】
以上の説明では、第１と第２の実施形態を単独で実施した例のみを説明したが、第１と第２の実施形態を併用して実施しても良いことは言うまでもない。
【００４８】
また、以上の実施形態の説明では、化合物材料から成る被加工物１３としてＩｎＰの例を説明したが、その他のＩｎ系化合物材料からなる被加工物や、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＰなどのＧａ系化合物材料からなる被加工物に適用しても同様の効果がある。
【００４９】
また、プラズマ源として高密度プラズマが得られる誘導結合方式プラズマ源を用いた例を示したが、容量結合方式プラズマ源を用いても良く、また高密度プラズマ源としても、電子サイクロトロン共鳴方式プラズマ源、ヘリコン波方式プラズマ源、ＶＨＦプラズマ源等を用いることもできる。
【００５０】
本発明のドライエッチング方法及び装置によれば、ハロゲンガスを用いて化合物材料から成る被加工物をエッチングする際に、供給ガスにＳｉ含有ガスを添加することで、プラズマ中で発生したＳｉイオンにてハロゲンイオンではエッチングされ難い部分も速やかにエッチングされ、また被加工物の周囲に存在する石英やアルミナの表面にＳｉが堆積して石英やアルミナなども極めて安定性の高い部材がエッチングされた粒子の飛散が防止でき、柱状残渣の発生を防止し、またＳｉの堆積によりレジストに対する選択比も向上する。特に、Ｓｉ含有ガスの供給ガス総量に対する１〜５％の添加によって柱状残渣の発生を効果的になくすことができる。
【００５１】
また、被加工物の周囲にＳｉを配設しても、そのＳｉがエッチングされ、被加工物の周囲に露出している石英やアルミナの表面にＳｉが堆積し、またＳｉイオンが発生することで、上記と同様の効果を奏することができる。
【００５２】
また、被加工物の周囲に露出している石英やアルミナの表面をＳｉにて覆っても、上記と同様に同様の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のドライエッチング装置の第１の実施形態の概略構成を示す縦断面図である。
【図２】同実施形態の概略構成を示す斜視図である。
【図３】同実施形態におけるＳｉＣｌ₄の添加量と残渣比率の関係を示すグラフである。
【図４】同実施形態におけるＳｉＣｌ₄の添加量とエッチング溝のテーパ角度の関係を示し、（ａ）はそのグラフ、（ｂ）はテーパ角度を説明する断面図である。
【図５】同実施形態におけるＳｉＣｌ₄の添加量とエッチングレート及び選択比の関係を示すグラフである。
【図６】本発明のドライエッチング装置の第２の実施形態における基板電極部分の構成を示し、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ各種構成例を示す断面図である。
【図７】同実施形態における基板電極部分の他の構成を示し、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ各種構成例を示す断面図である。
【図８】従来例のドライエッチング装置における基板電極部分の構成を示す断面図である。
【図９】同従来例における問題点を示し、（ａ）は柱状残渣の発生状態を示す断面図、（ｂ）はレジスト削れの発生状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１真空容器
３コイル
５コイル用高周波電源
６排気手段
８ガス供給手段
１０基板電極
１１基板
１３被加工物
２１ハロゲンガス源
２４Ｓｉ含有ガス源
３２Ｓｉ担持基板
３３Ｓｉカバー
３６Ｓｉ基板
３８Ｓｉカバー
３９Ｓｉカバー

Claims

真空容器内にハロゲンガスを含むガスを供給しつつ排気し、所定の圧力に制御しながら電力を供給することでプラズマを発生させ、前記真空容器内の基板電極に載置された化合物材料から成る被加工物をエッチング処理するドライエッチング方法であって、
供給ガスにＳｉ含有ガスを添加し、
前記Ｓｉ含有ガスの添加量を、供給ガス総量の１〜５％とするように制御することにより、エッチング溝に発生する柱状残渣量を低減するように調節する
ことを特徴とするドライエッチング方法。
Ｓｉ含有ガスの添加量を、供給ガス総量の１％とするように制御することにより、更に、エッチングレートを格段に向上させる
ことを特徴とする請求項１に記載のドライエッチング方法。
Ｓｉ含有ガスはＳｉＣｌ４であり、被加工物はＩｎＰなどのＩｎ系化合物である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のドライエッチング方法。
真空容器と、前記真空容器内にハロゲンガスを含むガスを導入するためのガス供給手段と、前記真空容器内を排気して所定の圧力に制御する排気手段と、前記真空容器内に化合物材料から成る被加工物を載置するための基板電極と、前記真空容器内にプラズマを発生させる電力を供給する電力供給手段とを備えたドライエッチング装置であって、
前記ガス供給手段は、供給ガスにＳｉ含有ガスを添加し、前記Ｓｉ含有ガスの添加量を、供給ガス総量の１〜５％とするように制御することにより、エッチング溝に発生する柱状残渣量を低減するように調節する
ことを特徴とするドライエッチング装置。