JPH04352327A - ドライエッチング装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、多層薄膜をエネルギ
ー粒子を用いてエッチングするドライエッチング装置に
係わり、高速で低損傷なドライエッチングを可能とする
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイス等の高密度・大規
模集積化が進展し、それに伴い高精度かつ微細な加工プ
ロセスが必須とされてきている。このような加工プロセ
スを実現するための方法として、プラズマ、イオン等を
利用した、いわゆるドライエッチング方法が提案され実
用化されている。ドライエッチング法においては、エネ
ルギー粒子のエネルギーが低い場合、被エッチング膜と
下地膜とのエッチング選択比が大きくとれ、エッチング
後の表面層の損傷が少ないが、エッチング速度が遅く、
異方性エッチングを実現することがむずかしい。一方、
エネルギー粒子のエネルギーが高い場合は、エネルギー
粒子が被エッチング材表面に損傷を与え化学反応を促進
させているといわれており、そのため、エッチング速度
が速く、異方性エッチングが実現し易いので、アスペク
ト比の大きい微細加工が実現でき、スループットが高い
ので一般に広く用いられている。

【０００３】ところで、今後、さらなる素子の高密度・
高集積化に伴い、例えば、半導体集積回路におけるゲー
ト膜厚の薄膜化に代表されるように、膜厚が百オングス
トロームを切る薄膜を含む多層膜により素子が構成され
るようになり、その薄膜の質が、デバイスの特性ひいて
は歩留まりを左右するようになる。このため、エネルギ
ー粒子のエネルギーが高い場合、選択比が減少するため
オーバーエッチングをするということと、エッチング終
了後の表面層に損傷を残すということが大きな問題点と
して浮かび上がってくる。前者の問題に対しては、エッ
チング速度と時間からエッチング終了点を見い出すこと
が考えられるが、ドライエッチング装置においては、被
エッチング材周辺の雰囲気ガス濃度や被エッチング材表
面温度が変動し易く、またこれらを制御することが困難
なため、エッチング速度の再現性が不十分であり、時間
とエッチング速度からエッチング深さを見積ることが困
難である。そこで、光干渉式深さ測定法を用いてエッチ
ング深さを測定することが一般に試みられている。その
例として、特開昭６３−１７５７０３号公報があげられ
る。被エッチング膜の下地薄膜が数百オングストローム
の場合、光干渉式深さ測定法の精度が±数百オングスト
ローム程度であるので、下地薄膜をオーバーエッチング
し、下地薄膜までも除去する可能性がある。そのため、
特開平１−１１１３３５号公報に示されたようなエッチ
ング反応生成物量の変化を調べる方法でエッチングの終
了点を見い出すことが提案されている。この方法では一
部分でもエッチングが終了点まで達すればエッチング反
応生成物量が変化するので、エッチング終了点を上記の
方法よりも正確に見い出すことが可能である。そして、
部分的に残った被エッチング膜を選択比の高いエッチン
グ方法で除去することでオーバーエッチング量を減らす
ことが可能である。しかし、エッチング終了点に達した
場所でのオーバーエッチングを防ぐことは困難である。 さらに、特開平２−２４６４４号公報に示されるような
試料からの二次電子量の変化を調べる方法でエッチング
終了点を見い出す方法や電子銃を組み合わせ試料に電子
線を照射し試料から出る特性Ｘ線やオージェ電子を分析
することで被エッチング膜が除去されているかを調べる
方法でエッチング終了点を見い出す方法が提案されてい
る。光干渉式深さ測定法を用いたエッチング終了点検出
法よりもエッチング終了点を正確に見い出すことが可能
であるが、上記と同様の問題点がある。また、後者の問
題に対しては、高速なエッチングをする場合、エネルギ
ー粒子のエネルギーが大きく粒子の膜中での飛程が長い
ので、上記のようなエッチング終了点を見い出す方法に
おいて、エッチング終了点に達した場所はもちろんのこ
と、被エッチング膜が薄く残っている場所においても下
地膜に損傷が残る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような従来のドラ
イエッチング方法では、アスペクト比の大きい微細加工
において高速なエッチングを実現する場合、部分的なオ
ーバーエッチングや下地の損傷による素子の劣化や素子
の不良が出るという問題点があった。

【０００５】この発明は、かかる問題点を解決するため
になされたものであり、アスペクト比の大きい微細加工
において高速なエッチングを実現する場合にも、部分的
なオーバーエッチングや下地の損傷による素子の劣化や
素子の不良が生じにくいドライエッチング装置を提供す
ることを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係わるドライ
エッチング装置は、エッチングに用いるエネルギー粒子
より質量の軽いエネルギー粒子を同時または交互に照射
する手段、エネルギー粒子により励起された特性Ｘ線を
検出する手段、励起された特性Ｘ線量の変化により終了
点手前を判定する終了点手前判定手段、およびこの終了
点手前判定手段によって判定された信号に基づき上記高
速エッチング過程を低損傷な低速エッチング過程に切り
替える手段を備えるものである。

【０００７】さらに、エネルギー粒子としてイオンを、
それよりも軽い粒子としてイオンまたは電子を用いるも
のである。

【０００８】

【作用】この発明においては、エッチング用エネルギー
粒子より質量の軽いエネルギー粒子を同時または交互に
照射すると、同じエネルギーを持つ場合エネルギー粒子
の質量が軽くなればなるほど物質中での飛程が長くなる
ため、軽いエネルギー粒子の方が先に下地膜に達し、下
地膜中の元素の特性Ｘ線を励起する。また、質量の軽い
物質の方が膜に損傷を与える割合が少ない。飛程の差が
大きく異なる場合には軽いエネルギー粒子のエネルギー
を下げて飛程を短くすることも可能であり、そのことに
より膜に与える損傷も減少する。その質量の軽いエネル
ギー粒子により励起された特性Ｘ線を検出し、特性Ｘ線
量の変化により終了点手前を判定し、判定された信号に
基づき高速エッチング過程を低損傷な低速エッチング過
程に切り替える。そのことにより、アスペクト比の大き
い微細加工において高速なエッチングが実現でき、部分
的なオーバーエッチングや下地の損傷による素子の劣化
や素子の不良が生じにくくなる。

【０００９】また、エッチング用エネルギー粒子として
イオンを用いると粒子のエネルギーを加速電圧で制御で
きるので、加速電圧を変えることで高速エッチング過程
と低速エッチング過程を切り換えることができる。さら
に、エッチング用エネルギー粒子よりも質量の軽い粒子
としてイオンまたは電子を用いると加速電圧に対応した
エネルギーに粒子のエネルギーを揃えることができるの
で、エネルギー粒子により励起される特性Ｘ線量の変化
がエネルギーが揃っていない場合よりも明白に現われる
。

【００１０】

【実施例】

実施例１．図１はこの発明によるエッチング装置の一実
施例で集束イオンビームエッチング装置を示す構成図で
ある。試料１を支持するＸ−Ｙステージ２、イオン源３
、コンデンサレンズ４、ブランキング電極５、対物レン
ズ６、走査電極７、試料１上にエッチングガスを導入す
るガス銃１０、試料１上にチャージアップ中和用の電子
ビームを照射する電子銃１２は図５の従来の集束イオン
ビーム装置と全く同一のものである。イオン源３で発生
するイオンよりも軽い質量のイオンを発生するイオン源
１４、二つのイオンを交互に加速するためのチョッパー
１５、二つのイオンをイオンビーム照射光学系１６に導
入するための磁石１７、試料１に照射されたイオンによ
り励起された特性Ｘ線を検出するためのＸ線検出器１８
、イオンビーム照射光学系１６を制御する制御器１９で
構成されている。

【００１１】イオン源３とイオン源１４で発生されたイ
オンはチョッパー１５で交互に磁石１７に入射される。 イオンの質量が異なるので磁石１７の磁界中で受ける力
が異なり、イオン源３からのイオンとイオン源１４から
のイオンをそれぞれに対してある角度で磁石１７に入射
させると、磁石１７から出射するイオンビームの光軸を
一致させることができる。チョッパー１５に同期させて
イオンビーム照射光学系１６でそれぞれのイオンを集束
して、同一箇所にほぼ同一ビーム径のイオンビームを試
料１に照射する。イオン源３から出たイオンは質量が大
きいので試料に与える損傷が大きくエッチングガスによ
るエッチングを増速させる効果が大きい。イオン源１４
からのイオンはエッチングの増速作用は少ないが、飛程
がイオン源３からのイオンよりも長いので先に下地層の
元素の特性Ｘ線を励起できる。Ｘ線検出器１８で下地層
の元素の特性Ｘ線強度を測定した結果は図２のようにな
る。図２で、下地元素の特性Ｘ線強度がある値ａになっ
たときにエッチング終了点手前を判定することができる
。この値ａはイオンの種類、加速電圧、膜の構成元素等
によりに異なる。この判定値に基づき加速電圧を下げて
損傷を抑えてエッチングをするか、または中性エネルギ
ー粒子を用いた選択比が高く損傷の少ない別のエッチン
グ手法等に切り替えて残留膜のエッチングをする。

【００１２】実施例２．図３はこの発明によるエッチン
グ装置の他の実施例で集束イオンビームエッチング装置
の構成図である。図において、１、２、４〜７、１０、
１２、１８は図１と同じものである。エッチングに用い
るイオンとそれよりも軽い質量のイオンを同時に発生す
るイオン源２０、エッチングに用いるイオンとそれより
も質量の軽いイオンを交互に加速するためのマスフィル
タ２１、イオンビーム照射光学系２２、イオンビーム照
射光学系２２を制御する制御器２３で構成されている。

【００１３】イオン源により発生させられたエッチング
に用いるイオンとそれよりも軽いイオンを同時にイオン
ビーム照射光学系２２に導きマスフィルタ２１でエッチ
ングに用いるイオンと軽いイオンを交互にフィルタリン
グする。フィルタリングと同期させてイオンビーム照射
光学系２２でそれぞれのイオンを集束して、同一箇所に
ほぼ同一ビーム径のイオンビームを試料１に照射する。 イオン源２０から出たエッチング用イオンは質量が大き
いので試料に与える損傷が大きくエッチングガスによる
エッチングを増速させる効果が大きい。また、イオン源
２０から出たエッチングイオンより質量の軽いイオンは
エッチングの増速作用は少ないが、飛程がエッチングイ
オンよりも長いので先に下地層の元素の特性Ｘ線を励起
できる。Ｘ線検出器１８で下地層の元素の特性Ｘ線強度
を測定した結果は図２のようになる。図２で、下地元素
の特性Ｘ線強度がある値ａになったときにエッチング終
了点手前を判定することができる。この値ａはイオンの
種類、加速電圧、膜の構成元素等によりに異なる。この
判定値に基づき加速電圧を下げて損傷を抑えてエッチン
グをするか、または中性エネルギー粒子を用いた選択比
が高く損傷の少ない別のエッチング手法等に切り替えて
残留膜のエッチングをする。また、検出器を軽いイオン
が照射されたときにのみ働くように同期させるとエッチ
ング用イオンによって励起された特性Ｘ線が測定の妨害
になることが避けられる。

【００１４】実施例３．図４はこの発明によるエッチン
グ装置の別の実施例でプラズマエッチング装置を示す構
成図である。図において、１、１０、１８は図１と同じ
ものである。２５は電磁波源２４の電源、２６は導波管
、２７は放電室、２８は磁石、２９はバイアスをかける
機構、３０は制御器である。

【００１５】電磁波源２４より出た電磁波を導波管２６
で放電室２７に導き、ガス銃１０で導入されたエッチン
グ用ガスを放電させ、ガスをプラズマ状態にする。この
プラズマはアース電位のチャンバーに対してフローティ
ング電位Ｖｆを持つ。このプラズマに対してバイアスを
かける機構２９で試料１がＶｆに対して負の電位を持つ
ようにするとプラズマ内の正イオンが加速されエッチン
グ速度の速いエッチングができる。このバイアスをかけ
る機構の電位を一時的に反転させ、プラズマ中の電子を
加速して試料１に照射すると試料中の元素の特性Ｘ線を
励起することができる。電子は質量が軽く物質中での飛
程が長いので、被エッチング膜の残っている状態で下地
膜に含まれる元素の特性Ｘ線を励起することが可能であ
る。Ｘ線検出器１８で下地層の元素の特性Ｘ線強度を測
定し、実施例１、２とほぼ同様にして下地元素の特性Ｘ
線強度がある値になったときにエッチング終了点手前を
判定することができる。この値は電子の加速電圧、膜の
構成元素等によりに異なる。この判定値に基づきバイア
スをかける機構２９の正イオンを加速する電圧値を下げ
て損傷を抑えてエッチングをするか、または中性エネル
ギー粒子を用いた選択比が高く損傷の少ない別のエッチ
ング手法等に切り替えて残留膜のエッチングをする。ま
た、被エッチング膜に含まれる元素の特性Ｘ線の強度の
減少状態からもエッチング終了点手前を判定できる。さ
らに、電子を照射した時試料からの二次電子放出量が少
ない場合には、絶縁物等のエッチング時に生じるチャー
ジアップを中和する効果を期待できる。

【００１６】ところで上記の説明では、この発明を集束
イオンビームエッチング装置やプラズマエッチング装置
に適用する場合について述べたが、その他のエッチング
装置にも利用できることは言うまでもない。

【００１７】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、エッ
チングに用いるエネルギー粒子より質量の軽いエネルギ
ー粒子を同時または交互に照射する手段、エネルギー粒
子により励起された特性Ｘ線を検出する手段、励起され
た特性Ｘ線量の変化により終了点手前を判定する終了点
手前判定手段、およびこの終了点手前判定手段によって
判定された信号に基づき上記高速エッチング過程を低損
傷な低速エッチング過程に切り替える手段を備えるので
、アスペクト比の大きい微細加工において高速なエッチ
ングを実現する場合にも、部分的なオーバーエッチング
や下地の損傷による素子の劣化や素子の不良が生じにく
い。

【００１８】また、エッチング用エネルギー粒子として
イオンを用いると粒子のエネルギーを加速電圧で制御で
きるので、加速電圧を変えることで高速エッチング過程
と低速エッチング過程を切り換えることができる。さら
に、エッチング用エネルギー粒子よりも質量の軽い粒子
としてイオンまたは電子を用いると加速電圧に対応した
エネルギーに粒子のエネルギーを揃えることができるの
で、エネルギー粒子により励起される特性Ｘ線量の変化
がエネルギーが揃っていない場合よりも明白に現われ、
終了点手前検出に関する精度を上げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１を示す構成図である。

【図２】この発明の実施例１で終了点手前検出の検出信
号を示す曲線図である。

【図３】この発明の実施例２を示す構成図である。

【図４】この発明の実施例３を示す構成図である。

【図５】従来の集束イオンビーム装置を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１　　試料 ３　　エッチング用イオンのイオン源 １４　　エッチング用イオンより質量の軽いイオンのイ
オン源 １５　　チョッパー １７　　磁石 １８　　Ｘ線検出器 ２０　　イオン源 ２１　　マスフィルタ ２４　　電磁波源 ２６　　導波管 ２７　　放電室 ２８　　磁石 ２９　　バイアスをかける機構

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　多層薄膜をエネルギー粒子を用いて方
   向性を持たせた高速エッチング手段によりエッチングす
   るドライエッチング装置において、エッチングに用いる
   エネルギー粒子より質量の軽いエネルギー粒子を同時ま
   たは交互に照射する手段、エネルギー粒子により励起さ
   れた特性Ｘ線を検出する手段、励起された特性Ｘ線量の
   変化により終了点手前を判定する終了点手前判定手段、
   およびこの終了点手前判定手段によって判定された信号
   に基づき上記高速エッチング過程を低損傷な低速エッチ
   ング過程に切り替える手段を備えることを特徴とするド
   ライエッチング装置。
2. 【請求項２】　　エッチングに用いるエネルギー粒子と
   してイオンを、上記エネルギー粒子よりも軽い粒子とし
   てイオンまたは電子を用いる請求項第１項記載のドライ
   エッチング装置。