JPH0626208B2 - ドライエツチング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、半導体素子製造工程及びその他の表面微細加
工分野における材料の表面微細加工技術に係わり、特に
光照射を利用したドライエッチング方法に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来、半導体素子製造工程における微細加工技術として
のエッチング方法において、その加工精度の良さから放
電領域で生成された励起粒子、特にイオンを用いた反応
性イオンエッチング方法が主に用いられている。しか
し、被処理基体表面が電磁界により加速された粒子に晒
される反応性イオンエッチングやイオンビームエッチン
グ等においては、それらの粒子による被処理基体表面に
与えるダメージが素子特性に悪影響を及ぼすと云う現象
があり、この現象が超ＬＳＩ製造工程において重大な問
題となっている。

そこで最近、上記運動エネルギーを持つ粒子の被処理基
体に与えるダメージをなくすために、粒子の励起に光を
用いる、所謂光励起ドライエッチング方法が注目を集め
ている。この光励起ドライエッチング方法では、被処理
基体にダメージを与えるような高運動エネルギーを持つ
粒子は生成されず、その処理後においても高品質な表面
が保たれる。

しかしながら、この種の方法にあっては次のような問題
があった。即ち、微細加工性を見た場合、気相中のガス
分子を励起する光励起ドライエッチング方法においては
励起粒子の方向性を持たせることが困難であり、従って
エッチングの異方性を出すことが困難である。例えば、
有機感光性レジスト等で微細にパターニングした表面を
光エッチングすると、レジストで覆われた被処理基体部
分までもエッチングが進行するアンダーカット現象が生
じる。エッチングの異方性は超ＬＳＩ製造プロセスとし
てのエッチング技術においては極めて重要であり、光励
起ドライエッチング技術においてその異方性の乏しさが
重大な問題となっている。このように、被処理基体表面
にダメージを与えないこと及び異方性のあるエッチング
を行うことを両立させることは極めて困難であった。

一方、光を用いたエッチングにおいて、被処理基体表面
に有機物の薄膜を形成し、その薄膜を光照射により方向
的に除去し、異方性エッチングを行う技術も提案されて
いるが、清浄度を要求される超ＬＳＩ製造工程におい
て、被処理基体表面に有機膜等を形成することは望まし
くない。また、エッチング処理後に有機膜を除去する工
程が必要となり、工程の複雑化を招く。つまり、エッチ
ング処理後の表面清浄度の信頼性及び技術的なメリット
に欠ける。

〔発明の目的〕

本発明は上記の事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、被処理基体表面にダメージを与える
ことなく異方性エッチングすることができ、且つエッチ
ング制御性の向上と共に、エッチング処理後の表面清浄
度の向上をはかり得るドライエッチング方法を提供する
ことにある。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、光照射によるエッチング方法におい
て、被処理基体を冷却しておくことにある。即ち、被処
理基体を冷却しておくと、基体表面に供給された反応性
ガス粒子は該表面に付着される。この状態で被処理基体
表面に光を照射すると、光照射部の反応性ガスが励起さ
れ、この部分がエッチングされることになる。

本発明はこのような点に着目し、光照射によるドライエ
ッチング方法において、被処理基体を該基の表面に反応
性ガスが付着する温度まで冷却しておき、この基体の表
面に対し、反応性ガスの供給と光の照射とを交互に行
い、該照射部をエッチングするようにした方法である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、光励起によるエッチング反応であるた
め、被処理基体表面にダメージを与えることなく、光照
射部分を選択的にエッチングすることができる。また、
光の方向性の制御により、異方的にも等方的にもエッチ
ングを進行させることができる。しかも、有機膜を形成
しながらエッチングする方法と異なり、エッチング処理
後の表面も洗浄であり、工程の増大を招くこともない。
このため、半導体素子製造において、信頼性の高い高品
質の微細加工技術と云うことができる。

また本発明は、反応性ガスの供給と光の照射とを交互に
行うことにより、エッチングの制御性の向上をはかるこ
とができる。これは、１回の光照射によるエッチング量
が、光照射時におけるエッチング時間やエッチング条件
に殆ど依存せず、１回のガス供給による被処理基体表面
へのガスの付着量で一義的に決まるためである。

〔発明の実施例〕

まず、実施例を説明する前に、本発明の基本原理につい
て説明する。

本発明の基本原理は、反応容器内に設置した被処理基体
を冷却し、その被処理基体表面に光励起により活性化す
る反応性ガスを供給することにより、反応性ガス粒子を
被処理基体表面に付着させ、そのガス粒子の付着した被
処理基体表面へ光を入射させガス粒子及び基体表面の少
なくとも一方を励起し、光の入射した部分でエッチング
反応を生じさせるものである。ここで、反応性ガス粒子
としては、被処理基体の表面温度では該基体と殆ど反応
しないもので、且つ基体表面に付着するものを用いる必
要がある。また、被処理基体表面の温度は、その反応性
ガス粒子が適当に付着するような温度に制御されている
必要がある。ここで云う付着とは、物理吸着，化学吸着
或いは表面と反応して表面に薄い反応物層を作るものの
いずれであってもよい。

このような表面に光を入射させエッチングを生じさせる
ためには、付着粒子を含む表面を光で励起させなければ
ならないが、励起の仕方には次の３つがある。

(1)ガス粒子の励起；付着したガス粒子が光子エネルギ
ーを吸収して励起され、そのまま励起状態となるか、解
離して励起種を作るかのいずれかである。

(2)被処理基体表面の励起；固体表面が光子を吸収し、
励起されるもので有り、固体の励起は電子−正孔対の生
成，表面結合エネルギーの励起，また熱的励起を含む種
々の励起があり、反応を生じさせる。

(3)上記２つの励起が複合して行われる反応を生じさせ
る場合もある。

以上のいずれかの励起により反応が生じ、ガス粒子と被
処理基体表面反応生成物が生じるが、反応生成物は揮発
性に富むものでなければならない。また、基体表面の励
起には、揮発性の低い反応生成物の励起も含まれ、光照
射によりこの揮発性の低い反応生成物を取り除くことも
ある。

反応性ガスとしてＸｅＦ_２，被エッチング物としてＳｉ
を用いた場合について、更に詳しく説明する。反応容器
内にＳｉ基板を設置し、これを液体窒素温度付近まで冷
却する。そして、容器内にＸｅＦ_２を導入する。室温の
場合ＳｉはＸｅＦ_２の導入により光照射を行わなくても
エッチングされるが、低温の場合エッチング速度は極め
て遅い。ＸｅＦ_２は始めＳｉ基板表面に吸着し直ちにＦ
はＳｉと反応し、ＳｉＦｘ（ｘ＝１〜４）を形成する。
低温の場合には極一部は気相中へ放出されるが、殆どの
ＳｉＦｘは基板表面に残り、表面にＳｉ−Ｆｘの薄い層
を形成する。この表面に光を照射すると、ＳｉＦｘは気
相中へ放出されてゆき、エッチングが進行することにな
る。

以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は本発明の一実施例方法に使用したドライエッチ
ング装置を示す概略構成図である。図中１１は反応容器
であり、この容器１１内にはガス導入系１２からガス導
入口１３を介して反応性ガスが導入される。ここで、反
応性ガスとは、光照射により活性化するガスであり、例
えばＸｅＦ_２である。そして、容器１１内のガスは排気
口１４を介して排気されるものとなっている。エッチン
グに供される被処理基体１５は容器１１内に配設された
冷却機構１６上に載置される。この冷却機構１６は、上
記基体１５を液体窒素程度の温度まで冷却するものとな
っている。

一方、光源１７からの光はパターニングされたマスク１
８に照射され、マスク１８を通過したパターン情報を持
つ光は光学系１９により縮小され、容器１１の上壁に設
置された窓２０を通り容器１１内に導入され、前記被処
理基体１５の表面に結像照射されるものとなっている。
なお、マスク１８は、石英基板等の透明基板１８ａ上に
光を遮断するパターン１８ｂを形成してなるものであ
る。

次に、上記装置を用いたＳｉのドライエッチング方法に
ついて説明する。被処理基体１５としてはＳｉ基板を用
い、反応性ガスとしてはＸｅＦ_２を用い、光源１７とし
ては紫外光を含むＨｇランプ或いはエキシマレーザを用
いた。

まず、被処理基体１５を前記容器１１の冷却機構１６上
に載置し、この基体１５を液体窒素温度程度まで冷却し
た。この状態で容器１１内にＸｅＦ_２ガスを導入した。
容器１１内に導入されたＸｅＦ_２ガスは、低温状態の被
処理基体１５の表面に吸着し、第２図（ａ）に示す如く
Ｓｉ表面と反応してＳｉ−Ｆ化合物層２１を形成する。
光を照射しない場合、Ｓｉ−Ｆ化合物層２１はそのまま
表面に残り、エッチングは進行しない。ここで、光を照
射することにより、光照射部のＳｉ−Ｆ化合物層２１ａ
は気相中へ放出されることになる。また、これと同時に
第２図（ｂ）に示す如く、Ｓｉの露出面に新しくＸｅＦ
_２の吸着，Ｓｉ−Ｆ化合物層２１ａの生成が生じる。そ
して、上記Ｓｉ−Ｆ化合物層２１の生成及び該化合物層
２１ａの放出の繰返しによりエッチングが進行し、被処
理基体１５は第２図（ｃ）に示す如く選択エッチングさ
れることになる。

ここで、光照射部分だけがエッチングされるので、エッ
チング形状は異方的な形状となっている。これは、垂直
な側壁には光が入射しないためである。なお、最終的に
被処理基体１５の表面にＳｉ−Ｆ化合物層２１が残る
が、これは被処理基体１５の温度を上げる（実際には冷
却を停止する）ことにより容易に除去することができ
る。そして、この除去後の被処理基体１５の表面は極め
て清浄なものであった。また、Ｓｉ−Ｆ化合物層２１は
極めて薄いものであり、最終段階でこれを除去しても、
これによる膜厚の変化は殆ど無視できる程度である。

上記の説明では、ガスの供給と光照射とを同時に行って
いるが、より望ましくはこれらを交互に行うようにす
る。この場合、１度反応性ガスを反応容器内に導入し、
表面にガスを吸着或いは反応させておき、気相中のガス
粒子を排気する。その後に、吸着或いは反応している表
面に光を照射してエッチングすればよい。これにより、
１原子層或いはそれ以下のエッチング深さをコントロー
ルすることが可能となる。

このように本実施例方法によれば、Ｓｉ−Ｆ化合物層２
１の形成及び光照射部の化合物層２１ａの気相放出を繰
返すことにより、光照射部のみをエッチングすることが
でき、被処理基体１５の選択エッチングが可能となる。
さらに、入射光を平行光線とすることで、被処理基体１
５に垂直に光を入射させることが可能であり、これによ
り異方性エッチングを行うことができる。このため、荷
電ビーム等の照射損傷を招くことなく、異方性エッチン
グを行うことができ、超ＬＳＩ等の製造に極めて有効で
ある。また、有機膜を形成しながらエッチングする方法
と異なり、エッチング後の表面清浄度の向上をはかり得
る。さらに、最終段階での化合物層２１の除去に際して
は、被処理基体１５の冷却を停止するのみでよく、格別
なエッチング工程を必要とせず、工程の簡略化をはかり
得る。

なお、本発明は上述した実施例方法に限定されるもので
はない。例えば、前記被処理基体と離間したマスクを用
いる代りに、前記反応性ガス及び光照射によりエッチン
グされない材料、例えばアルミニウム等からなるマスク
を被処理基体上に設けるようにしてもよい。この場合、
第３図（ａ）（ｂ）に示す如く、マスク３１で覆われて
いない部分のみがエッチングされることになるので、先
の実施例と同様なエッチングが可能である。また、第４
図に示す如くマスクを用いることなくエッチングするこ
とにより、被処理基体の表面洗浄（ドライ洗浄）に適用
することも可能である。

また、被処理基体はＳｉに限るものではなく、仕様に応
じて適宜変更可能である。さらに、反応性ガスとしては
ＸｅＦ_２に限るものではなく、Ｃｌ_２，Ｉ_２，Ｂｒ_２、
その他のガスを被処理基体の材料に応じて用いることが
可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例方法に使用したドライエッチ
ング装置を示す概略構成図、第２図（ａ）〜（ｃ）は上
記装置を使用したＳｉのドライエッチング工程を示す断
面図、第３図（ａ）（ｂ）及び第４図はそれぞれ変形例
を説明するための断面図である。 １１……反応容器、１２……ガス導入系、１３……ガス
導入口、１４……ガス排気口、１５……被処理基体、１
６……冷却機構、１７……光源、１８……マスク、１９
……光学系、２０……窓、２１，２１ａ……Ｓｉ−Ｆ化
合物層、３１……マスク。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被処理基体を該基体の表面に反応性ガスが
   付着する温度まで冷却しておき、この基体の表面に上記
   反応性ガスを供給すると共に、上記基体の表面に光を照
   射して該照射部をエッチングするドライエッチング方法
   であって、 前記反応性ガスの供給及び光の照射を、交互に行うこと
   を特徴とするドライエッチング方法。
2. 【請求項２】前記反応性ガスとして、少なくともハロゲ
   ン元素を含むガスを用いることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のドライエッチング方法。
3. 【請求項３】前記反応性ガスとして、ＸｅＦ_２を用いた
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のドライエ
   ッチング方法。
4. 【請求項４】前記光の照射を、選択的に行うことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載のドライエッチング方
   法。
5. 【請求項５】前記光の照射を選択的に行う手段として、
   前記被処理基体に照射される光の光路中に該基体と離間
   してマスクを配置することを特徴とする特許請求の範囲
   第４項記載のドライエッチング方法。