JPS63115338A - 低温ドライエツチング方法及びその装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は表面の微細加工処理技術に係り、特に半導体ウ
ェハの異方性エツチング加工に好適な低温ドライエツチ
ング方法とその装置に関する。

（従来の技術） 半導体集積回路がＬＳＩから超ＬＳＩと集積度が大きく
なるにつれ、集積されるデバイスの寸法はますます微細
化する。１虜以下のパターンを有するレジスト像をマス
クにして、その下の物質をエツチングする場合に、低圧
のガスプラズマを用いれば反応生成物の除去も容易とな
り、かつ反応性エツチングにおけるような、電界による
イオンの加速を利用すればアンダカットの問題も少なく
、微細パターンの作成が容易になることが期待される。

溶液を用いずにガスを使用する所謂ドライエツチングは
、超ＬＳＩ製造には不可欠の技術であるが、レジストマ
スクの変質を防止するために、試料を載置する試料台を
冷却することは公知技術として知られており、冷却には
水冷が最も一般的であるが、一部にはガスも利用され、
ニュークリアインスツルメンツアンドメソッヅ［Ｎｕｃ
ｌｅａｒ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｎｔｓ　ａｎｄ　Ｍｅｔ
ｈｏｄｓ　１８９（１９８１）Ｐ１６９−１７３］に発
表されている。これはいずれもレジストが変質する１２
０〜１５０℃以下の温度に試料台を冷却することが自明
であり、温度制御範囲は２０〜１．００℃の範囲内にあ
る。さらにまた試料をヒートパイプを用いて室温以下す
なわちマイナス数１０℃以下の温度に冷却してサイドエ
ツチングを防止する先行技術が、特開昭６０−１５８６
２７号発明として開示されている。ドライエツチングに
おいては、試料の水平面にイオンや電子等の高エネルギ
ー粒子と、ラジカル等の中性粒子が同時に入射する一方
、パターン側壁には中性粒子だりが入射する。上記先行
技術は、試料をマイナス数１０℃の低温に冷却すると、
試料と中性粒子との反応速度は著しく低下し、パターン
側壁はエツチングされなくなるが、水平面に対してはイ
オンや電子等の高エネルギーの粒子が衝突するため、ご
く表面に擬似高温状態が作られてエツチングが進行する
。これによりサイドエツチングの少ない異方性エツチン
グが達成されるというものである。

また特開昭６０−５０９２３号発明として開示されてい
る発明中には、ハロゲン元素を含むエツチングガスと被
エツチング材表面に薄膜を形成させるガスとを真空容器
内に交互に導入し、これらのガスから励起したプラズマ
の中で、被エツチング材表面に対するエツチング及び薄
膜形成を交互に繰り返しながら、異方性エツチングを実
施する技術が含まれている。

（発明が解決しようとする問題点） 上記従来技術は、被処理材表面をエツチングする時間に
加えて、その表面に薄膜を形成する時間が必要で、この
ため処理時間が増加する傾向があった。また上記先行技
術を実施する場合において、冷却装置としてはヒートパ
イプを使用しており温度の許容範囲が狭かった。例えば
液体窒素を用いたヒートパイプの場合の温度制御範囲は
、概ね−２０３〜−１６０℃である。しかし実用的には
０〜−２００℃の範囲で各材料及びエツチングガスに対
して最適な温度を設定することが望ましい。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
、被処理材を０℃、好ましくは一５０℃以下の低温に冷
却して薄膜形成効率を高め、薄膜形成時間の短縮を図る
と共に、低温によるサイドエツチング防止効果によって
、薄膜形成のための繰返しサイクルを減少させ、エツチ
ング条件の変化に対応する低温の温度領域を拡げて、試
料を所望の温度範囲に任意設定することが可能な試料台
を備えた低温ドライエツチング装置とその方法を提供す
ることを目的としている。

（問題点を解決するための手段） 上記の目的は、液化ガスによる冷却と加熱ヒータを併用
する装置によって試料台温度を制御する回路と、被エツ
チング材を０〜−２００°Ｃの範囲に冷却すると共に、
エツチングガス及び薄膜形成用ガスを真空容器内へ交互
導入する手段としては、ガスラインバルブの自動開閉の
タイミングを設定する装置を経由して行なう低温ドライ
エツチング方法によって達成が可能である。

（作用） 被エツチング材を」１記の温度範囲に、任意に精度よく
設定して冷却することにより、被エツチング材表面に被
膜の組成粒子が吸着しやすく、またサイドエツチングの
原因となる中性ラジカルとパターン側面との反応効率が
低下し、同時に反応生成物の蒸気圧が低下する。これら
の相乗作用によって、薄膜の生成速度が増加し、サイド
エツチング量が減少する。すなわち薄膜生成速度の増加
によって、薄膜生成時間の短縮を図っても、サイドエツ
チングを抑制することが可能となるものである。

（実施例） 本発明を一実施例装置によって以下に説明する。

第１図は本発明に係るＲＩＥ　（反応性イオンエツチン
グ装置）を使用した低温ドライエツチングの一実施例を
示す概要説明図であって、処理室１はロードロック式に
なっており、試料交換室２とゲートバルブ３によって相
互に分離することにより、大気中の水分による試料台の
結露を防止している。

４は処理ガス供給口、２４はエツチングガス及び薄膜形
成用ガスを反応容器内へ交互導入すべく、ガスラインバ
ルブの自動開閉のタイミング時間を設定制御する装置、
７は試料台で、その内部に液体窒素１０を導入し、加熱
ヒータは電熱ヒータ９を用い温度センサ１８を配置して
いる。１７はテフロン製台、１９は温度計、２０は絶縁
物、２１は液化ガス容器である。試料台７は、被エツチ
ング材８の冷却効率を高めるために本実施例では銅製を
用い、銅のスパッタによる汚染を防止するため、被エツ
チングｋＡ’　８を載置する部分以外は石英カバー６で
被覆されている。石英カバー６の表面が冷却されて、反
応ガスや反応生成物が付着するのを防止するために、石
英カバー６の厚さは５　ｍ　ｍ以上が好ましく、これを
取付けない場合は、−１５０℃以下では電極がＳＦ６ガ
スに対するトラップとして働くため、ガス圧力の制御が
困難であった。また実施条件によっては石英カバー６は
テフロンカバーによる代用が可能で、試料台７内部と処
理室１とが接触する真空シール部分は金属製のＯリング
５を使用して気密を保持している。電熱ヒータ９への供
給電圧はパルス電圧を使用し、パルス間隔は試料台６の
設定温度によって０．１〜６０秒の範囲に設定した。ま
た温度センサ１８からの出力信号をフィードバック回路
２２を経由して、ヒータ用電源１２及びガス供給制御系
２３に送信し、試料台７の加熱、冷却の制御を行なって
いる。これにより、試料台７の温度を設定値±２℃に制
御することができた。

試料交換室２は処理室１へ搬送する前の被エツチング材
８の予備冷却及び処理後の被エツチング材８の加熱を行
なう。試料交換室２の被エツチング材８と接触する試料
台１３の面には、石英台１６（テフロンによる代用も可
能）を設けている。冷却ガス供給口１４からは液体窒素
によって冷却されたガスが流入し、被エツチング材８を
冷却する。被エツチング材８に損傷を与えないために、
冷却ガスの流量を徐々に増加し、処理室１の試料台７の
温度に達するまで徐々に冷却した。処理後の被エツチン
グ材８は、再び試料台１３上に搬送され、加熱用ランプ
１５によって室温にまで昇温される。

上記の装置において、被エツチング材Ｓｉに対し温度を
一８０℃に設定しエツチングガスはＳＦ、、被膜形成用
ガスとしてＣＣ勉を使用し、ＳＦＧとＣＣＩＬ４の１サ
イクル中の設定時間をそれぞれ４０秒及び５秒とし、５
サイクルで合計２２５秒のエツチング処理を実施した結
果は、エツチング深さ］、ＩＭ、サイドエツチング量は
０．１庫以下であった。一方被エッチング材を冷却せず
に上記と同様の結果を得るためには、ＳＦＧ、ＣＣ０，
４の１サイクル設定時間をそれぞれ共に２０秒とし、１
２サイクルで合計４８０秒のエツチング処理時間を必要
とした。すなわちエツチングガスと被膜生成用ガズを交
互に導入して、被エツチング材を冷却するすることによ
り、本実施例では処理時間を概ね４７％短縮することが
できた。

次に試料台７の冷却温度をＯ〜−１５０℃の範囲で変化
させて、Ｓｌのエツチング形状を比較した。

第３図は試料台の温度とサイドエツチング量の関係を示
す特性図で概ね一８０℃以下の温度で顕著なサイドエツ
チングの減少傾向が見られ、−１００℃におけるサイド
エツチング量は０．０５ρ以下に減少した。また−１２
０℃以下ではエツチング割合の低下が認められ好ましく
ない。この結果から本実施例における最適エツチング温
度は−１００〜−１２０℃であることがわかる。

第１図の実施例装置においてエツチングガスはＳＦ、、
に代えて５ｉＣ１１４を使用したところ、−８０〜−１
００℃を最適温度とし、サイドエツチング量は概ね０．
０５７７ｆｆ＋以下に減少した。

また第１図の実施例装置において被エツチング材にＷを
使用した場合には、−２０℃からサイドエツチング量の
減少効果が見られ、−４０〜−８０℃の範囲が最適の温
度であった。

その他の被エツチング材では、Ａｆｌ、ＳｊＯ，、Ｓｉ
、Ｎ４．Ｍｏ、　Ｔｉ、　Ｔａ、ホトレジスト等の材料
についても、それぞれ程度の相違はあるが、冷却による
サイドエツチング抑制の効果が認められた。

また第１図の実施例装置において冷却用液化ガスを、液
体窒素に代えて液体ヘリウムを使用した場合は冷却効率
が高く、液体窒素よりも短時間で試料台を冷却すること
ができた。その他液体アンモニア、トリクロロモノフル
オロメタン等のガスについても実用が可能である。

第２図は本発明の他の実施例を示し、マイクロ波プラズ
マエツチングを使用した実施例装置で、第１図実施例と
同じ符号を付したものは、同等の機能を有するものであ
る。マグネトロン２５で励起されたマイクロ波は、導波
管２６に導かれ処理室１内でプラズマを発生させる。マ
グネット２７はＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）作用
によって、励起効率を高める働きをする。上記の構成を
有する装置を使用してＳｉのエツチングを実施し、ＳＦ
いｃｃｎ４の１サイクルのガス供給時間はそれぞれ２０
秒、３秒に設定した。本装置によるとイオン化効率が高
く、第１図実施例装置に比較して活性種の密度が高いた
め、４サイクル合計処理時間９２秒で１１Ｍの深さのエ
ツチング量が得られた。冷却しない場合は、１サイクル
の処理時間はそれぞれ２０秒とし、これを４サイクル繰
り返すことにより１６０秒で同等のエツチング量が得ら
れたので、合計の処理時間は５８％に短縮された。なお
本装置を使用してＳＦ、ガスによりＳｉに対して−８０
〜−１２０°Ｃの温度範囲でエツチングしたときのサイ
ドエッチング量は０．０５７ｆｆｉ以下であった。

また本実施例における加熱ヒータは電熱ヒータを使用し
ているが、他の熱源によるヒータの使用を妨げない。

（発明の効果） 本発明の実施により、被エツチング材及び処理ガスに対
する最適の温度を広範囲に設定することができ、エツチ
ング処理時間の短縮と、サイドエツチングの抑制に成果
が認められ、微細加工における精度向上などに顕著な効
果を示した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る一実施例を示す低温ドライエツチ
ング装置の概要説明図、第２図は本発明に係る他の実施
例の概要説明図、第３図は試料台の温度とサイドエツチ
ング量の関係を示す特性図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真空容器内に、エッチングガスと被エッチング材表
   面に薄膜を形成させるガスとを、それぞれ所定時間おき
   に交互に導入し、前記導入ガス若しくは該ガスから得ら
   れた励起プラズマ中で前記被エッチング材表面を所定の
   温度で化学処理するドライエッチング方法において、前
   記被エッチング材の温度制御には液化ガスを用いた低温
   冷却とヒータによる加熱を併用することを特徴とする低
   温ドライエッチング方法。 ２、真空容器と、この容器内に被エッチング材を載置す
   る試料台と、被エッチング材表面に薄膜を形成させるガ
   スとエッチングガスとをそれぞれ所定時間おきに交互に
   供給制御する装置と、前記供給ガスから得られた励起プ
   ラズマを発生する装置と、前記被エッチング材表面を所
   定の温度で化学処理する装置とを備える低温ドライエッ
   チング装置において、液化ガスを用いた低温冷却とヒー
   タ加熱を併用した前記試料台装置と、前記液化ガスの供
   給制御及び前記ヒータの加熱制御に、温度センサから入
   力される電気信号をフィードバックさせる回路とを備え
   ていることを特徴とする低温ドライエッチング装置。 ３、前記加熱は電熱ヒータを使用し、これに対する供給
   電圧はパルス電圧とすることを特徴とする特許請求の範
   囲第２項記載の低温ドライエッチング装置。 ４、上記液化ガスは液体窒素、液体アンモニア、トリク
   ロロモノフルオロメタン（ＣＣｌ＿３Ｆ）若しくは液体
   ヘリウムを使用することを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項記載の低温ドライエッチング装置。