JPS61110782A - 反応性イオンエツチング方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は反応性ガスプラズマ中のイオンを利用して、電
子デバイス基板上に、制御性よく高品質に微細パタンを
形成する反応性イオンエツチング方法に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

半導体集積回路などの電子デバイスの高速化や高集積化
にともない、高精度で高品質に微細パタンを形成できる
エツチング方法が望まれている。

とくにＭＯＳデバイス等のゲート金属バタンの形成では
、下地となる薄いゲート酸化膜とゲート金属とを選択性
高く高精度に加工するとともに、下地半導体への損傷を
極力小さくし、またエツチング面上に金属などの残留物
がないように高品質のエツチングをすることが必要であ
る。

従来、ガスプラズマを用いるエツチング方法としてプラ
ズマエツチング法が広く用いられてきた。

この場合はガス圧が１０〜１００　Ｐ　ａと高いため、
エッチング反応の殆どは方向性がなく、反応性が高い中
性ラジカルとの反応によっている。したがって酸化膜と
の選択性を高くしてエツチングできるが、等方的なエツ
チングとなるためアンダカットを生じバタンの微細化に
は限界があった。これに対して１〜１０Ｐａのガス圧範
囲で、イオン衝撃反応を併用してエツチングする反応性
スパッタエツチング法がある。この方法ではプラズマ中
のイオンの衝撃効果でエツチング反応を生じさせるため
、アンダカットがないバタン形成が可能である。しかし
比較的ガス圧が高いために反応性ラジカルのエツチング
を抑制できるハロゲン化炭素ガスを用い。

また２００〜１ｏ００ｅＶのイオンエネルギを必要とし
ている。このため下地酸化膜やマスク材に対して十分に
大きい選択特性は実現困難であり、また下地半導体に損
傷を与えることがあるためゲート金属のエツチング方法
としてはその適用が制限されていた。

これらの欠点を補うため、０．００１〜ＩＰａのガス圧
範囲で電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）放電を利用し
てプラズマを生成し、プラズマ中のイオンに５０ｅ　Ｖ
以下のエネルギと方向性とを与え、アンダカットがなく
、高精度に選択性高くゲート金属をエツチングするＥＣ
Ｒ反応性イオンエツチング法（特願昭５８−２２８６３
５号参照）がある。このエツチング法ではガス圧が低い
ために中性ラジカルの濃度が低く、さらにガスとして中
性ラジカルでは比較的反応性が小さく、かつ５０ｅ　Ｖ
以下の低エネルギで金属に対して反応性が促進される弗
素以外のハロゲンガス１例えば塩素ガスを主成分として
用いているため、アンダカットがないバタン加工ができ
る。さらに低イオンエネルギであるために、下地へのイ
オン衝撃の損傷を防止して加工でき、そのためＭＯＳデ
バイスなどのゲート金属膜のエツチング法として非常に
すぐれている。

しかし上記ＥＣＲ反応性イオンエツチングでは弗素以外
のハロゲンガスを主成分としており、金属とのエツチン
グ反応生成物は沸点が室温と同程度かそれよりも低い。

一方金属膜のエツチングには耐熱性が低い高分子材料か
らなるレジストをマスクとして用いるため、その温度を
室温程度に保つ必要がある。このためエツチング反応生
成物が除去されずに残渣となってエツチング面に残った
り、またエツチング反応生成物の除去速度がエツチング
温度領域で大きく変化し、エツチング速度が不安定にな
る原因を作ることになる６さらに弗素以外のハロゲンガ
スは本質的に反応性が低いために、エツチング装置内の
排気が不十分で水蒸気などが残留してエツチング表面に
吸着した場合や、エツチングの前工程でエツチング表面
が極めてわずかでも酸化などで変質している場合には、
エツチングが円滑に進行しないことがあるなどという欠
点があった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のＥＣＲ反応性イオンエツチングにおいて、エツチ
ング反応生成物やエツチング表面の変質に起因するエツ
チングの不安定性を防止することにより、低イオンエネ
ルギで微細バタンか形成できる信頼性が高い反応性イオ
ンエツチング方法を得ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による反応性イオンエツチング方法は、反応性ガ
スをプラズマ生成室に導入して反応性ガスプラズマを生
成し、該反応性ガスプラズマを生成室から引出し、かつ
試料に向う上記反応性ガスプラズマ流の内部に、試料に
向って減少する発散磁界を作用させ、電子を減速しイオ
ンを加速する電界を付与する反応性イオンエツチング方
法において、上記反応性ガスとして弗素以外のハロゲン
ガスに、弗素ガスまたは弗素化合物のガスを含むガスを
添加したものである。

〔作用〕 上記反応性イオンエツチングではイオンエネルギが１０
〜５０ｅ　Ｖと低く、エツチング反応が化学的に進行す
るため、エツチング面の清浄さが極めて影響しやすくな
る。上記イオンエネルギ領域で反応性が促進される弗素
以外のハロゲンガスを主成分にして、これに弗素または
弗素化合物のガスを添加してエツチングを行うが弗素は
雰囲気における不純物の影響を受けに＜＜、またエツチ
ングによる反応生成物である弗素化合物は沸点が高いた
め、上記反応生成物の除去が円滑に行われる。

〔実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。

第１図は本発明による反応性イオンエツチング方法に使
用する装置の一実施例を示す構成図、第２図は本実施例
における塩素と六弗化硫黄の混合ガスによる多結晶シリ
コンの工′ツチング特性を示す図、第３図は本発明の他
の実施例で、（ａ）はモリブデンとＡＺレジストのエツ
チング速度を示す図、（ｂ）は上記エツチングに際し六
弗化硫黄を加えた場合のエツチング速度を示す図である
。第１図において、プラズマ生成室１と、プラズマ引出
し窓２を介して連設された試料室３は、該試料室３に取
付けられた試料台４上に試料基板５を載置した試料載置
台６を設け、第２ガス導入系７と排気系への接続部８と
を備えている。上記プラズマ生成室１はマイクロ波導入
窓９を経て矩形導波管１０に接続され、外側に磁気コイ
ル１１を周設し該磁気コイル１１の外周には磁気シール
ド１２を施している。なお上記プラズマ生成室１は第１
ガス導入系１３および冷却水の給水口１４を有している
。

プラズマを生成するときは、排気系の接続部８より上記
プラズマ生成室１と試料室３とを高真空に排気し、第１
ガス導入系１３と第２ガス１人系７の一方または両方か
らガスを導入して０．００１〜ＩＰａの圧力とし、マイ
クロ波源（図示なし）よりマイクロ波を矩形導波管１０
およびマイクロ波導入窓９を介してプラズマ生成室１に
導入し、同時にプラズマ生成室１に周設した磁気コイル
１１によって、プラズマ生成室１の少なくとも一部に電
子サイクロトロン共鳴条件を満たす磁界を与える。マイ
クロ波源には、例えば周波数２．４５ＧＨｚのマグネト
ロンを用いることができ、この時の電子サイクロトロン
共鳴条件は磁束密度８７５Ｇである。プラズマ生成室１
はマイクロ波の電界強度を高め放電効率をあげるために
マイクロ波空洞共振器の条件にするのが好適で１本実施
例ではＴ　Ｅ　１１２の円形空洞共振器モードを採用し
、内のり寸法で直径１５国、高さ１５ａａの円筒形状に
した。プラズマ引出し窓２は直径５ａｉの円形窓とし、
マイクロ波に対する反射面とした。磁気コイル１１によ
り発生する磁界はプラズマ生成室１の内部の電子サイク
ロトロン共鳴領域から、試料室３に設置された試料台４
の方向に、例えば試料台部表面が１００〜２００ガウス
程度になるような所定の勾配で減少する発散磁界を構成
している。なお本構成では磁界が装置の外部へしみだす
のを防止し、効率よく発散磁界を構成するために、磁気
コイル１１の外周に磁気シールド１２を配置している。

電子サイクロトロン共鳴によって生成されたプラズマで
は、電子が高エネルギ状態で円運動しているため、電子
が持つ磁気モーメントと磁界勾配との相互作用で、磁界
速度が減少する方向、つまりプラズマ生成室１から試料
台４の方向にプラズマ中の電子が加速され、この結果プ
ラズマ流１５が形成される。さらに本構成ではプラズマ
生成室１と電気的に絶縁した状態で試料台４の上に試料
載置台６を配置しているため、上記プラズマ流１５の内
部には電子を減速させイオンを加速するような電界が生
じ、試料載置台６へのイオンと電子との入射数が一致す
る礪うな条件で平衡状態になる。

したがってプラズマ中のイオンは、従来方法のように熱
゛拡散によって移動するのと異なり、本発明ではプラズ
マ流１５中の電界によって試料表面へ効果的に輸送され
る。さらに試料載置台６．試料基板５の表面には電子の
熱運動に起因した電界が生じ、プラズマシースが形成さ
れる。これらの結果、プラズマ流１５中のイオンはプラ
ズマ流１５中の電界と、プラズマシース中の電界の和に
等しい運動エネルギおよび方向性を付与されて試料載置
台６および試料基板５に入射する。上記のような装置の
構成、プラズマ流形成法およびイオンエネルギ付与の原
理は、先願の反応性イオンエツチング方法（特願昭５８
−２２８６４５）に同じである。本発明が上記方法と異
なる点は、弗素以外のハロゲンガスを用いたときに生じ
易いエツチングの不安定性を除去し、信頼性高く微細パ
タンを形成するために弗素あるいは弗素の化合物ガスを
混合させる点である。

第２図は本実施例における塩素（ＣＵｔ）と六弗化硫黄
（ｓＦｓ）との混合ガスによる多結晶シリコンのエツチ
ング特性を示す図である。横軸にはＳＦ、と０６の総流
量を１５ｃｃ／分としたときのＳＦ、の流量比（％）を
示し、縦軸には多結晶シリコンエツチングの速度（Ｘ）
、多結晶シリコンと酸化シリコンのエツチング速度比（
Ｙ）および多結晶シリコンバタンのアンダカット量（Ｚ
）を示している。ＳＦ、流量比Ｏ％（ｃｍ流量比１００
％）のとき、多結晶シリコンのエツチング面には針状の
エツチング残渣が生じ、エツチング速度も５５０人／分
と小さい、しかしＳＦ、流量比１０％以上の領域ではエ
ツチング残渣を生じない清浄なエツチング面が得られる
とともに、１０００人／Ａ以上のエツチング速度が得ら
れる。一方、ＳＦｓ流量比２０％まではアンダカットを
生じないバタンか得られているが、ＳＦ、流量比３０％
以上になるとアンダカット量が急激に増加する。またこ
の傾向と一致して多結晶シリコンと酸化シリコンとのエ
ツチング速度比（選択性）はＳＦ、流量比２０％以上で
急激に低下する。

塩素ガスを用いて単結晶シリコンを従来のエツチング法
でエツチングしたときにｗｔ察される針状のエツチング
残渣については、Ｈ，Ｂ、Ｐｏｇｇｅ等によっても報告
されている（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　ＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ
　ｏｆ　５ｉｌｉｃｏｎ　ｗｉｔｈ　Ｃ１ｌ、／Ａｒ、
　Ｊ、　Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｃｈｅｌｌ、　Ｓａｃ、、　
Ｖｏｌ、　１３０．１５９２　（１９８３）。上記文献
によれば、エツチング残渣は装置内に残留した水蒸気等
が原因でエツチング表面に形成される酸化シリコンによ
ると推定している。そして十分に装置内の残留ガスを排
気すれば、エツチング残渣の発生は防止できるとしてい
る０発明者等が検討した多結晶シリコンのエツチング面
に発生しているエツチング残渣も同様な原因によるもの
と考え、試料交換時にエツチング装置内を直接大気に接
しないような構造にするなど、水蒸気等の不純物が装置
内に残留しないように工夫して検討した。これによって
残渣の個数や大きさは減少したが、非常に再現性が悪く
、また信頼性に欠けるものであった。従来の反応性イオ
ンエツチングではイオンエネルギが２００〜１０００ｅ
　Ｖであるために、表面が汚染されていたとしても極め
て僅がであれば、高いイオンエネルギによって半ば物理
的にスパッタリングしてその影響を除くことが可能と考
えられる。

しかし本発明の反応性イオンエツチングではイオンエネ
ルギが１０〜５０ｅ　Ｖであり、エツチングが化学的に
進行するため表面の清浄さには非常に敏感になる。これ
に加えて塩素とシリコンとの反応生成物である四塩化珪
素の沸点が５７℃と低いために、上記四塩化珪素の除去
が円滑に進まず、条件が悪いときはさらに上記四塩化珪
素と雰囲気不純物が結合しエツチング残渣の原因になる
ことが考えられる。

本発明では雰囲気の不純物の影響を軽減し、かつエツチ
ング反応生成物の円滑な除去を増長するために、塩素ガ
ス（Ｃ６）に弗素の化合物ガス、実施例では六弗化硫黄
（Ｓ　Ｆ、）を添加した。すなわち雰囲気の不純物の影
響を受けにくい弗素によってエツチング反応を助長する
とともに、エツチング反応生成物としてより沸点が高い
弗化塩化化合物を形成して、エツチング反応生成物除去
の円滑化をはかった。第２図に示すように本実施例では
ＳＦ、流量比５〜２０％の範囲においてエツチング残渣
を生じることなく、高いエツチング速度でエツチングす
ることができた。さらに上記範囲ではアンダカットを生
じることなく、高精度に、かつ酸化シリコンとの謂択性
高く高品質なエツチングバタンが得られた。また第２図
においてＳＦ、流量比３０％以上ではアンダカットを生
じ。

酸化シリコンとの選択性が低下するなど、エツチング特
性の低下が見られた。これは反応性が高い弗素がエツチ
ング反応の主役を果たすためである。

すなわち中性ラジカルの状態では反応性が低く、エネル
ギと方向性とを付与されたイオンがエツチングの主要な
役割りを果たすような弗素以外のハロゲンガス、本実施
例では塩素ガスを主成分として用いることが必要である
。

第３図は本発明における他の実施例を示す図で、（ａ）
はモリブデン（Ｍ　ｏ　）膜とＡＺレジストのエツチン
グ特性を示す図である。横軸には塩素ガス１０ｃｃ／分
に混合した酸素ガス（０□）の流量を、縦軸にはエツチ
ング速度を示している。モリブデンのエツチング速度は
酸素流量５ｃｃ／分以上では６００人／分と一定で、こ
の領域ではエツチング残渣を生じない清浄なエツチング
面が得られた。しかし上記領域ではマスクとして用いた
ＡＺレジストのエツチング速度が大きく微細なバタン形
成には適さない。さらに酸素流量を２ｃｃ／分以下にす
るとレジストのエツチング速度が小さく微細なバタン形
成には適しているが、この場合はエツチング残渣を生じ
るとともに、酸素流量を極端に小さくするとモリブデン
のエツチング速度も著しく低下する。これに対し第３図
（ｂ）は、上記第３図（ａ）に示した塩素１０ｃｃ／分
、酸素２ｃｃ／分の条件に六弗化硫黄を添加した場合に
おけるエツチング速度を示す図である。本実施例ではＳ
Ｆ、を２ｃｃ／分以上を添加した場合、モリブデンをエ
ツチングした残渣がなく、高速度で、かつレジストとの
選択性が高いエツチングをすることができた。

上記の各実施例ではいずれも塩素ガスを主成分として用
いた場合について説明したが、他に臭素。

沃素などのハロゲンガスや、塩素、臭素、沃素などから
構成される化合物ハロゲン系ガスを主成分として用いた
場合も同様である。さらに弗素の添加方法としてＣＩＬ
Ｆ、　Ｓｏ、Ｃｆ１Ｆなどの塩化弗化物。

弗化沃化物のガスを用いることができる。これらのガス
の選択によってタンタル、タングステン等の金属をはじ
め、Ｍ　ＯＳ　ｉｘ等の金属化合物膜に対しても微細、
高精度、高品質にエツチングすることができる。

〔発明の効果〕

上記のように本発明による反応性イオンエツチング方法
は１反応性ガスをプラズマ生成室に導入して反応性ガス
プラズマを生成し、該反応性ガスプラズマを上記生成室
から引出し、かつ試料に向う反応性ガスプラズマ流の内
部に、電子を減速しイオンを加速する電界を付与する反
応性イオンエツチング方法において、上記反応性ガスは
弗素以外のハロゲンガスを主成分とし、弗素ガスまたは
弗素化合物ガスを含むガスを添加することにより、マイ
クロ波による電子サイクロトロン共鳴放電によってイオ
ン化率が高いプラズマを生成し９発散磁界の効果でプラ
ズマ流として試料基板上に導き、１０〜５０ｅ　Ｖのイ
オンエネルギが得られるようにし。

さらに上記イオンエネルギ領域で反応性を促進される弗
素以外のハロゲンガスを主成分にし、弗素または弗素の
化合物ガスを添加してエツチングするため、アンダカッ
トがなく１選択性が極めて高く、しかもエツチング残渣
がない高品質な微細パタンを形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による反応性イオンエツチング方法に使
用する装置の一実施例を示す構成図、第２図は本実施例
における塩素と六弗化硫黄の混合ガスによる多結晶シリ
コンのエツチング特性を示す図、第３図は本発明の他の
実施例で、（ａ）はモリブデンとＡＺレジストのエツチ
ング速度を示す図、（ｂ）は上記エツチングに際し六弗
化硫黄を加えた場合のエツチング速度を示す図である。 １・・・プラズマ生成室　　５・・・試料基板１５・・
・反応性プラズマ流

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）反応性ガスをプラズマ生成室に導入して反応性ガ
   スプラズマを生成し、該反応性ガスプラズマを上記生成
   室から引出し、かつ試料に向う反応性ガスプラズマ流の
   内部に、電子を減速しイオンを加速する電界を付与する
   反応性イオンエッチング方法において、上記反応性ガス
   は弗素以外のハロゲンガスを主成分とし、弗素ガスまた
   は弗素化合物ガスを含むガスを添加することを特徴とす
   る反応性イオンエッチング方法。
2. （２）上記電界を付与することは、プラズマ生成室にお
   いてマイクロ波による電子サイクロトロン共鳴放電によ
   って反応性ガスプラズマを生成し、上記プラズマ生成室
   から試料に向って所定の勾配で減少する発散磁界と相互
   作用させることによりなされることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載した反応性イオンエッチング方法
   。