JPS629633A - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明はエツチング方法に係り、特にシリコン（Ｓｉ）
に微細溝を高精度で形成するのに好適なドライエツチン
グ方法に関する。

〔発明の背景〕

半導体集積回路の製造を始め、微細パターンの加工には
、近年１反応ガスのプラズマを用いたドライエツチング
法が用いられている０例えば、Ｓｉのドライエツチング
法としては、 ＣＣＱ２Ｆ２９　ＣＱ２＊　ＣＣＱ、、ＣＢｒＦ３゜Ｃ
Ｉ　、Ｆ３などを反応ガスとして用いる方法が知られて
いる（特開昭５１−１３０１７３号、特開昭５２−９６
４８号、特公昭５７−１３１３７号）。

このようなドライエツチング法による微細加工いエツチ
ングが行われることによる。なお、エツチングは、被エ
ツチング物表面に入射したイオン自身のスパッタエツチ
ング（物理衝撃によるエツチング）及び化学エツチング
（イオンと被エツチング材の間の化学反応によって揮発
性の反応生成物が形成されることによるエツチング）や
、入射イオンの衝撃により促進される化学エツチング（
被エツチング物とその表面に吸着した化学種間のエツチ
ング反応がイオン衝撃によって加速される場合）など、
様々の形態で進行することが知られている。

反応性スパッタエッチと呼ばれる方法はこのようなドラ
イエッチの代表的なものであり、用いる反応ガスを工夫
することによって加工精度の改良が進められてきている
。すなわち、反応ガスの選択に際しては、まず電気的に
中性な粒子によるエツチングが起こりにくく、上記のよ
うなイオンの働きでエツチングが進むものが選ばれるこ
とになる。例えばＣＦ４とｏ２の混合ガスを用いたので
は中性のＦ原子によるＳｉの等方性エツチングが起こり
、マスク寸法通りの高精度加工が難かしい。

一方、上記ＣｌＦ３などのガスは、このような中性原子
・分子によるサイドエツチング（マスク下部に食い込む
横方向への゛エツチング）を抑止するために、使用が提
案されており、ＣｌＦ３ではＳｉ＋ＣＦＸ＋Ｉ→５ｉＦ
Ｘ＋ＣＩのようなエツチング反応（特に工によるＣ除去
反応）がＣＦ３＋などのイオン衝撃を伴ってはじめて進
行する性質が利用されている。一般に、ＣＤ、Ｂｒ、Ｉ
などのエツチング粒子はＦに比べ反応性が低く、イオン
衝撃を伴う場合のみＳｉをエツチングできる。

また、ＣＦｘ（ｘ＝１〜３）では、Ｓｉ表面に残るＣを
除去するためにイオン衝撃を要する。したがって、ＣＣ
Ｑ　２Ｆ　２．ＣＱ　２．ＣＣＱ　４゜ＣＢｒＦ３．Ｃ
ｌＦ３などのガスはＳＬの高精度加工に適するガスと考
えられる。

しかし、このような従来のガスでは、中性粒子によるサ
イドエツチングはかなり抑止され比較的幅の広い溝や凸
パターンの加工には使用が可能であるが、イオン衝撃を
伴うサイドエツチングに対しては十分に考慮されていな
い。そして、これが微細な溝や孔を加工する際に、大き
な障害となることが発明者の検討により明らかとなった
。この点につき、反応性スパッタ法を例にとり以下に説
明する。

周知のように、反応性スパッタ法どは真空容器内で発生
させた反応ガスのプラズマと被エツチング物との間にイ
オン・シースと呼ばれる領域ができ、イオン・シースに
かかる負バイアスによってイオンが被エツチング物に向
かって加速される。

この際、加速中のイオンが周囲に存在するガス分子と衝
突し散乱される可能性がある０例えば、イオン・シース
幅１ｍｍ、エツチングガス圧１０Ｐａ（平均自由行程約
１ｍｍ）の場合は、およそ６割ものイオンが加速中に散
乱されることになる。

この散乱により微細孔内のエツチングがどうなるかを第
１図に示す。散乱イオン１は、Ｓｉ２の表面にマスク３
をもとに形成されつつある孔４に入射する際、第１図（
ａ）に示したように斜めに入射すると孔の側面５を衝撃
する。この衝撃は側壁をエツチングして、マスク３の下
部に食い込むサイドエツチングの原因となる。ただし、
幅の広い溝や凸パターンの場合には、たとえこのような
斜め入射イオンがあっても、側壁に保護皮膜が形成され
やすいためにサイドエツチングは生じにくい。

微細孔の場合には保護皮膜を形成する粒子が孔内に入り
にくいためにサイドエツチングされやすくなる。

ＣｌＦ３ガスを用いた場合を例にとると、ＣＦ３．Ｉ、
ＣＦ２．Ｆなどのイオンや中性粒子がプラズマ中に生じ
る。ＣＦＸ　（ｘ＝ｏ〜３）のイオンや中性粒子はエツ
チング側面にＣを主とする保護皮膜を形成しやすい。第
１図（ｂ）において破線７はＣＦＸ中性粒子の孔内への
入射量を相対値で示したものであるが、アスペクト比（
孔深さ対孔幅の比）が大きくなるとその孔の内部へは急
激に入射しにくくなる。すなわち″影″の効果で孔内に
は中性粒子による保護皮膜は形成されにくいのである。

また、イオンの場合は、散乱なしに入射する垂直入射イ
オンでは曲線８に示したようにアスペクト比がいくら大
きくなっても孔の底６に入射する量に変化はないが、散
乱されたイオンはその質量に依存して入射量が変化する
。軽いイオン（例えばＦ＋やＣＦ２＋）は曲線９のよう
にアスペクト比に大きく依存し、重いイオン（例えばＩ
＋）は曲線１０のようにあまり依存しない、これは、反
応ガスであるＣｌＦ３とイオンが衝突した際に、イオン
が軽いほど散乱角が大きいためである。

なお、一般にドライエツチングに用いられる低温ガスプ
ラズマでは電離度が１０−５程度であり、イオンのほと
んどは反応ガス分子と衝突すると考えられる。衝突はイ
オン・シース幅に比ベイオンの平均自由行程を十分大き
くする（ガス圧を下げる）ことによって低減できるが、
これを完全になくすことはできない。したがって、微細
孔の場合、深さくアスペクト比）によって働くイオン種
や中性粒子の比率が大幅に変化するという問題が極めて
深刻になる。ＣｌＦ３では深さの増大とともに、Ｉ”、
ＣＦ３”、ＣＦ２”、Ｆ＋の順で入射量の比率が大きく
なり（ただし、深くなると絶対量は減少する）、側面の
場所ごとに保護皮膜とエツチングイオンのバランスが変
動して、側面のサイドエッチの増大や側面に凹凸の面荒
れができやすくなる。

その他の従来ガスでも解離によって質量が大幅に異なり
且つ反応性（エツチング性、保護皮膜形成性）も大幅に
異なるイオンができやすいため、上記のような微細孔内
でのエツチング特性の変動。

特にサイドエツチングの増大が問題となる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記従来の問題を解決し、微細な溝を
高い精度で形成することのできるエツチング方法を提供
することである。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため、本発明は、反応ガスとして、
質量が大きくかつ均質なイオンを生じやすい分子構造を
有し、かつ、そのイオンには側面保護のためのＣが含ま
れているガスをエツチングの反応ガスとして用いる。す
なわち（ＣＸＦ２）２−（ＣＸ２Ｆ）２及び（ＣＸ３）
２（ＸはＣＱ、Ｂｒ。

■の少なくとも１種）というガスはＣ−Ｃの結合部が切
れて対称形のイオンや中性粒子に分離しやすく１本発明
の目的に極めてよく合致することが明らかになったので
、これらのガスの少なくとも１種を反応ガスとして使用
してエツチングを行なうものである。

〔発明の実施例〕

以下、実施例により本発明の詳細な説明する。

エツチング装置として平行平板電極を有する反応性スパ
ッタ装置を用い、（ＣＢｒＦ２）ｚ（一般にはＣ２Ｂｒ
２Ｆ４の化学式で記されるジブロモテトラフルオロエタ
ンであるが、ここでは分子構造を明確にするため上記の
化学式を用いる。）ガスを導入してエツチングを行った
。エッング装置の電極径は５０ｃｍで、１３．５６ＭＨ
ｚの高周波電力を印加する電極上に被エツチング物を置
いた。

エツチングガスは、まずエツチング室を１Ｏ−３Ｐａ以
下に排気した後、一定流量で導入・排気し、エツチング
室内を一定のガス圧力に保持する。

（ＣＢｒＦ２）２を流量５ｃｃ／ｗｉｎでエツチング室
内に導入し、ガス圧力２　Ｐａ、高周波電力６００Ｗの
条件でエツチングしたＳｉ深孔の形状を第２図に示す、
エツチング側面５はほぼ垂直で、側面５及び底面６は平
滑に仕上った。なお、この孔の幅は０．８μｍで深さは
５μｍである。Ｓｉエツチング速度は１２０ｎｍ／ｌ０
ｉｎであったので、エツチング時間約４０分で、この孔
は形成できた。

エツチングマスク３としてはレジスト、５ｉｎ２゜Ｓｉ
３Ｎ４などを用いることができ、選択比（Ｓｉとのエツ
チング速度比）はレジストで約４゜５ｉ０２で約５であ
った。したがって深さ５μｍの孔を形成するには、余裕
を見込んでレジスト、５ｉ０２共に約１．５〜２μｍの
厚さのマスクを用いればよい。

マスクの形成法として、近年、１μｍ幅以下のレジスト
パターンには多層レジスト法と呼ばれる高解像化を狙っ
た方法が広く適用されるようになった。この多層レジス
ト法では、約２μｍの厚さで側面が垂直なレジストパタ
ーンが容易に形成でき、Ｓｉの高精度加工に適するマス
クが得られる。

ＳｉＯ２膜をマスクとする場合は、このレジスト膜をマ
スクにさらにＳｉＯ□膜をドライエッチして形成するの
で加工工程が増えることになる。なお、マスクパターン
の側面が傾斜している場合には、゛Ｓｉエツチング中に
マスクもエツチングされることによってマスク開口部が
拡大し、高精度加工が阻害されるので、マスク側面は約
８０″の傾斜よりもゆるやかにならないことが好ましい
、また、傾斜が９０”以上のオーバーハング形状のマス
クはＳｉエツチング側面に凹凸の面荒れをつくる原因に
なるので避けた方がよい。

エツチング条件として、ガス流量を２ｃｃ／ｗｉｎ程度
に減少させると、第３図に示すように側面にくの字形の
サイドエッチ部１１が発生することがあった。また比較
のため、ＣＢｒＦ３ガスを用いて、（ＣＢｒＦｇ）ｇと
同じく流ｔ　５　ｃｃ　／　ｗｉｎ、ガス圧２Ｐａ、電
力６００Ｗでエツチングすると、第４図に示すように側
面にサイドエッチとともに面荒れ部１２が発生した。な
お、この面荒れは幅の広い溝の側面１３では認められな
かった。さらに他の例として、上記ＣＢｒＦ３を用いた
エツチングでガス圧だけを７Ｐａに上げ他の条件を同じ
にした場合には、第５図に示すようにサイドエッチ部１
１が大きくマスク下に食い込むようになった。

上記結果から、（ＣＢｒＦａ）２ガスではＣＢｒＦ２＋
イオンによって良好なエツチングができること、ガス流
量が少ないときは同じガス圧に保持するためにガスのエ
ツチング室内での滞留時間を増大させればよいが、あま
り滞留時間が長くなると、（ＣＢｒＦｇ）ｇの解離が進
んでＣＦ２＋やＢｒ＋などの軽い種々のイオンができる
ためサイドエツチングを生じやすくなる恐れが生ずるこ
となどが推測される。また、ＣＢｒＦ３でのエツチング
結果はこれをよく裏付けており、最初の解離でＣＦ、＋
やＢｒ＋といった異種のイオンを発生するため、第１図
で示したようなメカニズムで側面荒れなどを生じたと考
えられる。

したがって、エツチング条件として、（ＣＢｒＦ　２）
１１ガスを３〜５ｃｃ／ｗｉｎ以上で、ガス圧力を２Ｐ
ａ程度の低ガス圧で（実用的には０．１〜５Ｐａの範囲
が良好であった）用いることが好ましい。

なお、反応性スパッタの場合、エツチング室内壁材料な
ど種々の雑多の条件がエツチング特性を変動させる０本
実施例においては、石英で電極面を被覆し、またレジス
トをマスクとする際には石英からの酸素放出によるレジ
スト灰化効果を低減するためＳｉで電極の一部を被覆し
た。その他高周波電力の周波数やエツチング室の寸法な
どもエツチング特性に強い影響を及ぼしたが、基本的に
（ＣＢｒＦ２）＊ガスを低ガス圧で用いれば、その他の
条件範囲は多少変動するものの、第２図に示した良好な
高精度エツチングが可能であった。

（ＣＢｒＦ２）２単独ガスではなくＨａを混合しても良
好なエツチング特性が得られた。

（ＣＢｒＦ２）２とＨａを１対９の割合で混合すると、
ガス圧力を２０　Ｐａまで高くしても第２図に示したよ
うな良好な断面形状の溝が実測できた。

さらに、レジストとの選択比は４〜５となりやや大きく
なった。

これは、Ｈｅの原子量（質量）が４と小さいため１分子
量約１３０のＣＢｒＦｇ＋イオンと衝突してもその散乱
にはほとんど寄与しないためである。

Ｈａは被エツチング物の冷却効果がある以外はほとんど
真空と同等と考えてよく、実際のエツチング特性におい
ても（ＣＢｒＦ２）２の分圧だけで決まる傾向があった
。

その他エツチングガスとして（ＣＣＱＦ２）２−（ＣＧ
ｊｌ　１１Ｆ）２１　ＣＣＣＱ　３）２１　（ＣＩＦ２
）２９（ＣＢｒ、Ｆ）２なども同様の特性を示した。た
だし、Ｃａを含むガスではサイドエツチングが多少大き
くなる傾向が見られたが、他のガスに比ベガス圧力をよ
り低くしてエツチングを行なえば、良好な結果が得られ
た。

上記のように、Ｃを含み対称形に解離しやすい反応ガス
を用いると、イオン散乱を小さくでき且つエツチング側
面を均一に保護する効果があるので、幅の広い溝だけで
なく非常に微細で深い孔まで高精度に加工が可能である
。

なお、上記ガスは単独で用いてもよいが、２種以上混合
して使用してもよいことはいうまでもない。

また、上記又も同一分子中ただ形１種のみではなく、た
とえばＢｒとＣＱのように複数種の元素を含んでいても
よい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、上記のように、例えば幅１μｍ以下で
深さ数μｍに及ぶ微細孔をマスク寸法通りに高精度に加
工できる。このような微細孔や溝は、半導体集積回路の
立体形キャパシタや埋込み形抵抗素子、さらに溝形の素
子分離構造など、ＳＬ基板内に造り込む種々の微小デバ
イスに応用でき、本発明の高精度加工を用いればこれら
デバイスの縮小、高精度化、信頼性の向上などを大幅に
向上できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の詳細な説明するための図。 第２図および第３図は本発明の実施例を示す図。 第４図および第５図は、従来のエツチング方法によって
形成した溝の形状を示す図である。 １・・・入射粒子、２・・・Ｓｉ基板、３・・・マスク
、４・・・微細孔、５・・・エツチング側面、１１・・
・サイドエッチ部、１２・・・面荒れ部。 第２凹　、　　第３凹

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ＣＸＦ＿２）＿２、（ＣＸ＿２Ｆ）＿２および（
   ＣＸ＿３）＿２なる群から選ばれた少なくとも１種類の
   ガス（ただし上記ＸはＣｌ、ＢｒおよびＩなる群から選
   ばれた少なくとも１種）のプラズマとシリコンの所望部
   分を接触させることにより、上記シリコンの所望部分を
   エッチングすることを特徴とするエッチング方法。 ２、上記ガスは（ＣＢｒＦ＿２）＿２であり、ヘリウム
   が添加されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のエッチング方法。 ３、上記エッチングはガス圧力０．１〜５Ｐａの高周波
   スパッタエッチングであることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項乃至第２項記載のエッチング方法。 ４、上記エッチングは、断面形状が実質的に矩形である
   レジスト膜をマスクにして行なわれることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項乃至第３項記載のエッチング方法
   。