JPH03276719A - デジタルエツチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、超ＬＳＩ及び超超ＬＳＩ製造プロセスにおけ
るデジタルエツチング方法に関するものである。

［従来の技術］ 従来ウェハプロセスに用いられてきたエツチング方法に
は主として平行平板型の反応性イオンエツチング（ＲＩ
　Ｅ）装置が利用されており、原理的には添附図面の第
４図に示すように真空容器Ａ内に配置された下部電極Ｂ
にウェハＣを載置し、この下部電極Ｂをブロッキングコ
ンデンサＤを介して高周波電源Ｅに接続しており、ブロ
ッキングコンデンサＤにより下部電極Ｂを負の自己バイ
アス電位にし、プラズマ中のイオンを引き込み、方向性
のあるエツチングを達成するように構成されている。こ
のうな従来のＲＩＥによるエツチングプロセスにおいて
は、真空容器Ａ内に導入されるハロゲンを含んだガスが
プラズマ中で分解され、それにより生じたラジカルがウ
ェハＣの表面に吸着して反応すると同時に、プラズマで
生じたイオンが反応表面に衝突する。このイオン衝突は
原子同志の結合を破壊すると同時に表面に存在する原子
にエネルギを与え、反応を促進させる働きをする。これ
らの過程を経て、表面の原子は揮発性のハロゲン化物と
なり、表面から脱離する。これらの一連の過程を総称し
てエツチングプロセスと呼ばれ、従ってイオン衝撃がエ
ツチング過程に大きく寄与しており、ＲＩＥはこれを積
極的に利用する方法として用いられてきた。

ところで、超ＬＳＩの進展と共にデバイスプロセスは益
々微細化し、トレンチや多層配線等の高アスペクト比（
深さ７幅）構造の形成、その部位への絶縁物や金属の埋
込み、その際の低損傷プロセス等が要求されてきている
。しかしながら従来用いられてきた平行平板型のＲＩＥ
装置では、高エネルギイオンを用いるため上記のような
要求を満し得なくなってきた。すなわち、イオンの運動
量移送で微細加工を達成する平行平板型のＲＩＥ装Ｗに
よるエツチングプロセスにおいてイオンエネルギを下げ
て損傷を低減させようとすると、化学反応性が優勢とな
り、微細性が劣化してしまい、従って上記のような微細
加工には平行平板型のＲＩＥ装置を利用したエツチング
プロセスは実質的に使用できなくなってきている。確か
にナノメータ加工が要求される電子波デバイスにおいて
はＲＩＥ加工時の損傷のため動作しないことが報告され
ている［Ｅ、Ｍ、ＣＩａｕｓｅｎ、　Ｊｒ、＋ｅｔ　ａ
ｌ、　Ａｂｓｔｒｕｃｔｓｆｏｒ　Ｔｈｅ　３３ｒｄ　
ＰＩＰＢ、　Ｍｏｎｔｅｒｅｙ、　ｐ−３（１９８９）
］。

素子構造が微細になる８４Ｍ、２５８　ＭＤＲＡＭ及び
それよりさらに微細となる超超ＬＳＩでは、従来用いら
れてきた上述のようなＲＩＥ技術では、加工線幅及びコ
ンタクト孔等が０．５μｍ以下になり、イオン照射によ
って線幅縮小や孔拡大成いは深い部分への損傷が起り、
そしてイオン照射による損傷は数百オングストロームに
まで及んでいると言われているので、このようなＲＩＥ
技術は使用できない恐れがある。

これを解決するため、イオンを用いない方向性のあるエ
ツチング方法が求めるられるようになってきた。例えば
、−例として光励起プロセスを挙げることかできるが、
２００ｎｍ程度の光では回折や反射現象により微細な加
工が難しく、また、より短波長光として放射光を用いた
場合にはプロセス用として十分な光量が得られないため
、実用には至っていない。従って従来の方法の延長線上
で考える限りこれに応える実用的な技術は実際問題とし
て開発されない。

ところで、低損傷でしかも微細加工に適したエツチング
方法として要求されることは、徹底的に表面反応律速に
し、原子スケールでエツチングを制御することである。

すなわち、人為的に一原子・分子層づづデジタル的にプ
ロセスを行い、下地基板に一切損傷を与えないことが必
要である。

添附図面の第５図にはこの考えに基いてデジタルエツチ
ングの可能性を得るために製作された実験装置の概要を
示し、この実験装置においては、図示したようにロード
部Ｆから搬入された試料Ｇを試料回転台Ｈに載置し、Ｃ
Ｆ４＋０２（またはＮＦ３或いはその他のハロゲンガス
）の放電部Ｉに移送して、ＣＦ４　＋０２　　（４％）
またはＮＦ３或いはその他のハロゲンガスの短時間放電
によって得られたＦラジカルをダウンストリームで輸送
し、冷却された試料Ｇ上に−または複数の原子・分子層
を吸着させる。添附図面の第６図に示す基板温度とエツ
チング速度との関係から、この場合、試料Ｇは、自然発
生的なエツチングが起きないように冷却しておくことが
必要であることが認められる。この例では基板Ｇは一１
２０℃の温度に冷却される。なお、第５図において符号
Ｊは反応を促進させて単反応層を形成する場合に使用さ
れる光励起手段である。その後、ＥＣＲイオンソース部
Ｋに移送し、低イオンエネルギＡｒ＋によって短い時間
に−また複数の原子・分子層のみのエツチングを行う。

この場合Ａｒイオンのエネルギはプローブ測定の結果２
０ｅＶが適当であることが認められ、この操作が一反応
サイクルであり、試料回転台Ｈに載置した試料Ｇに対し
て上記の操作を繰返し行うことにより−または複数の原
子・分子層毎のエツチングが可能であり、従ってこのよ
うな操作によってほぼ一原子層毎のエツチングを達成で
きることが明らかになった。しかしながら、このような
従来提案された装置は一原子層毎のエツチングに時間が
かかり過ぎてプロセス装置として実用化できるものでは
なく、そのため先に平成２年３月１４日に出願した特願
平２−　　　号において、第１プラズマ源で生成された
エッチャントを基板上に一層だけ吸着させ、第２プラズ
マ源により基板上の吸着層のみを剥離するようにエネル
ギ制御されたイオンを基板に照射し、そして第２プラズ
マ源と同期して、第２プラズマ源で発生されたイオンを
基板側へ引き寄せさせるバイアス電圧を基板へ印加する
ように構成したデジタルエツチングを提案し、これによ
り、一原子・分子層毎のエツチングを実用的に効率よく
行うことができるようになった。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、一原子層毎のエツチングを確実に達成するた
めには、エッチャントの吸着量を、一原子層のみをエツ
チングするのに必要にして十分な量にするか或いは十分
なエッチャントを吸着させておいて照射イオン量を一原
子層エツチングに必要な量に制御するかの二つの方法が
考えられる。

一原子層エツチングを達成ししかもエツチング速度を高
めるには、イオン照射時間が少なくて済む後者の方法が
良いと考えられる。そこでイオン照射時間を制御する後
者の方法により、径の異なる複数の孔を備えた試料をエ
ツチング処理したところ、エツチング速度の制御は行わ
れているものの、径の小さい孔の部位ではエツチング速
度が遅く、反対に径の大きい孔の部位ではエツチング速
度が大きくなるといういわゆるマイクロローディング効
果が認められ、低損傷でしかも微細加工に適したエツチ
ングプロセスとして実用化することができない。

マイクロローディング効果は、孔径の違いにより吸着・
反応層及びイオン照射量が異なるか或いは吸着・反応層
は同してイオン照射量が異なるかのどちらかの状態が起
きることにより生じるものと考えられている。

そこで、本発明は、マイクロローディング効果を伴わな
いように吸着量またはイオン照射量を正確に制御して確
実に一原子層毎のエツチングを実施できるようにしたデ
ジタルエツチング方法を提供することを目的としている
。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、真空容器内で放電部に対
向させて基板を配置し、反応性ガスのプラズマ分解によ
るエツチングを行うようにした本発明によるデジタルエ
ツチング方法は、プラズマを形成してエッチャントを生
成すること、このエッチャントを基板上に一層または複
数層吸着させるように基板保持部材を温度制御すること
、及び基板上の吸着層のみを剥離するようにエネルギ制
御された希ガスイオンを基板に照射することを特徴とし
ている。

本発明のデジタルエツチング方法においては、エツチン
グプロセスは好ましくは、エツチング深さがイオン照射
時間に依存しないプラトー領域において行われ得るよう
にされる。

［作　　用］ このように構成したデジタルエツチング方法においては
、放電ガスの供給時間を制御することにより、プラズマ
分解によって生成されたエッチャントすなわち活性種が
冷却された基板上に一層または複数層吸着するようにさ
れる。この間、基板にはバイアス電圧を印加しない。そ
の後、別の放電ガスすなわち希ガスが真空容器内の放電
部に供給され、それと同時に基板に負のバイアスパルス
電圧が印加される。これによって、放電部で生成された
イオン種は基板側に引き寄せられ、基板上をイオン衝撃
する。イオン衝撃を受けた基板上では吸着した活性種が
基板と反応を起こし、基板の物質をエツチングする。こ
れにより基板上の吸着層は剥離される。この場合、基板
上の吸着層のみを剥離するように希ガスイオンはエネル
ギ制御される。

また、本発明の方法においては、エツチング量がイオン
照射量に依存しないプラトー領域を用いることにより、
マイクロローディング効果なしに基板全面を均一にエツ
チングすることができる。

［実施例コ 以下添附図面の第１図〜第３図を参照して本発明の実施
例について説明する。

第１図には本発明のデジタルエツチング方法を実施する
ための装置の一例を概略的に示し、第１図において１は
適当な型式の真空ポンプ（図示してない）で排気できる
ようにされた真空容器で、この真空容器１内には図示し
たように絶縁シール部材２を介して基板保持台３が挿設
されており、この基板保持台３は液体窒素のような適当
な冷媒を内部に循環できるように構成されており、また
この基板保持台３には負のバイアス電源４が接続され、
基板保持台３上に保持された基板５に後で説明するよう
に負のバイアス電圧を印加するように構成されている。

基板保持台３に対向して真空容器１には放電部６が設け
られ、この放電部６は高周波またはマイクロ波によって
放電できるように例えばガラス管によって構成され、そ
の一端は真空容器１内に開放し、他端には二つの三方弁
７．８及びガス流量１ 制御装置９〜１１を介してキャリヤガス供給源、第１放
電ガス供給源及び第２放電ガス供給源（これらのガス供
給源はいずれも図示してない）が結合されている。また
各ガス供給管路はそれぞれ三方弁７．８の上流でバルブ
１２〜１４を介して真空ポンプに接続されている。

各三方弁７．８は貫通型の流路にデッドボリュウムの生
じないように一方向バルブを組み込んで構成され、人出
口が三方向にある。各三方弁７．８が閉状態の時にはキ
ャリアガス、第１放電ガス及び第２放電ガスはそれぞれ
排気側バルブ１２〜１４を介して排気されており、また
各三方弁７．８が開状態の時には、排気側バルブ１２〜
１４は閉じられ、圧力変動が生じないように制御される
。

バイアス電源４は、例えば持続時間０．１〜１００秒の
負のパルスを発生でき、基準電圧が＋５０〜Ｏｖ１パル
ス高がＯ〜−２００ｖの範囲の電圧を任意に選択できる
ように構成されている。

第１図に示す装置を用いてデジタルエツチングを行う際
に、キャリアガスとしてはＡ「ガスを使用２ し、常時１０（ＩｓｃｃＭの流量で真空容器ｌ内に供給
する。また第１放電ガス及び第２放電ガスとしてはそれ
ぞれＮＦ３＋Ｎ２　　（０〜９７％）及びＡｒを使用し
、それぞれ１０８００Ｍでパルス状に予め設定された時
間間隔で交互に導入される。このようにして常に放電を
行いながら、基板５上で活性種の吸着及びエツチングが
繰返される。また基板は一１１０℃に冷却され得る。

第２放電ガスの導入と同時にイオンを基板５側へ引き込
むための負のバイアス電圧がバイアス電源４によって印
加される。この負のバイアスとして図示例では０〜−７
０Ｖのパルス電圧が印加される。

マイクロローディング効果の問題は例えばイオン照射量
を変えたときのエツチング量を求めることにより解明で
き、第２図には第１図の装置を用いて実験により得られ
たＡｒイオン照射時間とエツチングされる量との関係を
示す。この場合、基板温度を一１１０℃に冷却し、ＮＦ
３＋Ｎ２　（０〜９７％）の放電によって得られたＦラ
ジカルを基板上に吸着させた試料にＡｒイオンを照射し
た時のエツチング深さを示している。ＮＦ３の濃度によ
って、飽和するエツチング深さが異なり、僅３％のＮＦ
３を放電させた時でも、−回のエツチングで１．８人削
ることができ、１０％のＮＦ３を放電させた時にはエツ
チング深さは４．８人と深くなるが、それ以上の濃度に
すると、エツチング深さは飽和する傾向にあることが認
められた。例えばＮＦ。

を１００％にしてもエツチング深さは８人にしかならな
かった。

この実験で行った条件では、約３０秒以上で一回のイオ
ン照射に対するエツチング量はほぼ等しく、変化しなか
った。

一回のＡｒイオン照射時間１５秒で５入側ることのでき
る条件と一回のＡｒイオン照射時間４５秒で約８入側る
ことのできる条件において、径の異なる複数の孔をもつ
試料についてエツチングを行った結果、前者の条件のも
とではマイクロローディング効果が現れ、一方後者の条
件のもとでは、マイクロローディング効果は現れず、孔
径が異なってもエツチングされた深さは同じであった。

すなわち、前者の条件の場合には、孔径の小さい部位で
は斜め入射イオンが制限されてしまうために、孔径の大
きい部位よりイオン照射量が少なくなり、エツチング量
が少なかったと解釈される。このことから、孔径の大き
い部位でのエツチングは早く進行するが、３０秒経過し
たところでエツチングは終了し、−刃孔径の小さい部位
でのエツチングは遅いが４５秒ではエツチングが終了す
ると考えられる。このような考察から、マイクロローデ
ィング効果なしにエツチングするためには、エツチング
量がイオン照射量に依存しないプラトー領域を用いて、
孔径の大きい部位でエツチングがある一定量以上進行し
ない条件にする必要がある。そしてこの条件を用いるこ
とにより、マイクロローディング効果なしに基板全面を
均一にエツチングすることができることが実験的に見出
された。これらの実験結果から、基板全面にわたって一
原子層毎のデジタルエツチングを行うには、約３％の濃
度のＮＦ３混合ガスを用いることにより一原子層工５ ツチングするのに必要にして十分な吸着量とすることが
でき、十分なイオン照射量を与えるプラトー領域を用い
ることによりマイクロローディング効果なしにエツチン
グを行うことができることが認められた。

第３図には、イオン照射時間をパラメータにした、′パ
ターン幅によるエツチング深さの依存性を示し、第３図
において点線は１５秒照射の時で、パターン幅による依
存性があることを示している。

また第２図に示すように１５秒照射ではエツチング深さ
がイオン照射量に依存する領域である。

第３図において実線で示す４５秒のイオン照射を行った
場合には、パターン幅依存性は現れなかった。すなわち
第２図に示すように４５秒照射では、エツチング量がイ
オン照射時間に依存しない領域にあり、従って孔径すな
わちパターン幅が異なっても実質的に同じ深さまでエツ
チングされたものと認められる。

従って、エツチング深さがイオン照射時間に依存しない
プラトー領域（エツチング量のＡｒイ第６ ン照射量依存性において）を用いることにより超ＬＳＩ
及び超超ＬＳＩデバイスプロセスに欠がせないデジタル
エツチングを達成することができる。

ところで、本発明の方法は、エッチャントの吸着、イオ
ン照射を繰返し行いながら一原子層毎のエツチングを行
うものであるので、第１図に示すような装置に限らず、
同じ原理で動作し得る装置であればいかなる型式の装置
でも同様に実施することが可能である。

また、実施例ではＳｔ基板について例示してきたが、当
然化合物半導体や液晶表示デイスプレィ用の薄膜トラン
ジスタ等の加工にも適用することができる。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明によるデジタルエツチ
ング方法においては、プラズマによって生成されたエッ
チャントを基板上に一層または複数層吸着させ、そして
基板上の吸着層のみを剥離するようにエネルギ制御され
た希ガスイオンを基板に照射することにより、確実に一
原子層毎のエツチングを実施することができ、また、プ
ラズマエツチング深さがイオン照射時間に依存しないプ
ラトー領域においてエツチングプロセスが行われるよう
にしていので、マイクロローディング効果なしに基板全
面を均一にエツチング処理することができる。その結果
、低損傷でしがも微細加工に適したエツチングプロセス
として実用化すること力呵能となり、超ＬＳＩや超超Ｌ
ＳＩ製造用として再現性、信頼性の高い実用的なプロセ
スを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるデジタルエツチング方法を実施し
得る装置の一例を示す概路線図、第２図はＳｉ基板上に
ＮＦ３を吸着させた時のＡｒイオン照射時間とＳｉのエ
ツチング速度との関係を示すグラフ、第３図はデジタル
エツチング速度が飽和している場合と飽和していない場
合とのパターン幅に対するエツチング深さの関係を示す
グラフ、第４図は従来の平行平板型反応性イオンエツチ
ング装置の構成を示す概路線図、第５図は従来提案され
たデジタルエツチング実験装置を示す概略斜視図、第６
図はＮＦ３プラズマのダウンフローによるＳｉ基板のエ
ツチング速度の低温特性を示すグラフである。 ９ 第２図 Ａｒイオン照射時間 （Ｓ） 第４図 り汁−□ パターン幅 （μｍ） ′吊す図 次体！系

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真空容器内に基板保持台と放電部とを対向させて配
   置し、反応性ガスをプラズマ分解してエッチングを行う
   ようにしたデジタルエッチング方法において、プラズマ
   を形成してエッチャントを生成すること、このエッチャ
   ントを基板上に一層または複数層吸着させるように基板
   保持部材を温度制御すること、及び基板上の吸着層のみ
   を剥離するようにエネルギ制御された希ガスイオンを基
   板に照射することを特徴とするデジタルエッチング方法
   。 ２、エッチングプロセスを、エッチング深さがイオン照
   射時間に依存しないプラトー領域において行うように少
   なくとも希ガスイオンの照射時間を制御する請求項１に
   記載のデジタルエッチング方法。