JPS63141316A - 表面処理方法 - 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） 本発明はガスプラズマ、イオンビーム、レーザビーム等
による固体の表面処理方法に係り、特に高い選択性と寸
法精度が要求される半導体基板の低温ドライエツチング
方法に関するものである。

（従来の技術） 上記のような高エネルギー粒子のエネルギーを利用して
、半導体基板をエツチング若しくは改質する技術におい
て、ラジカル等の反応性中性粒子と被エツチング基板と
の反応制御のために低温下でドライエツチングを行なう
方法が特開昭６０−１５８６２７号公報に開示されてい
る。これはエツチングガスの被エツチング基板温度にお
ける蒸気圧が。

ガスプラズマの圧力と等しくなる温度１８以上で、かつ
エツチング生成物の室温におけるの蒸気圧の１／ＩＱ以
下となる温度Ｔ２以下の、所定温度に基板を保持しサイ
ドエツチングを防止する技術である。

またイオンビームを用いたエツチング方法は特開昭５２
−８８２３８号公報に記載されている。

（発明が解決しようとする問題点） 上記従来技術においては上記Ｔ、以下の温度ではエツチ
ングガスが、冷却された基板面上の低温部分に選択的に
析出してしまい、ガスプラズマが保持できないという問
題があった。またこの吸着析出現象のために、Ｔ１以上
の温度領域であってもＴ１に近い温度に基板面が冷却さ
れると、エツチングガスの蒸気圧が低下し処理圧力の制
御が十分にできなくなる等の問題点があった。

さらにイオンアシスト反応の効率に対して配慮が不十分
で、特開昭６０−１５８６２７号公報に記載の低温ドラ
イエツチングにも、プラズマ乃至はイオンビームの間け
つ的照射の具体的な技術は示されておらず、イオンビー
ムを連続的に照射する場合は、ガスの流量やガス圧力に
よりイオンビームが被エツチング基板の表面に到達する
までに減衰するという問題点があり、被エツチング基板
表面の冷却も不十分なため、ガスの吸着効率が低くガス
吸着層も極く薄いので、上記イオンアシスト反応の効果
が弱く反応確率も低かった。

本発明は上記の問題点を解決するためのものであって、
被エツチング基板表面の温度を十分に下げ、前記Ｔ１以
下の温度においてもプラズマの発生条件を維持し１反応
性ガスの被エツチング基板表面に対する吸着効率を高く
すると共に、エツチングガスの消費量を少なくし、また
イオンビームの入射強度の低下を防止し、基板の下地材
料が極力エツチングされないような低温ドライエツチン
グ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） 上記の目的は真空容器内で希ガスプラズマを形成し、こ
れに加えて反応性ガスを導入して試料表面のエツチング
を行ない、この反応によって生じた反応生成物の蒸気圧
が常温（本明細書に記載の常温は１５℃とする。）にお
ける前記反応生成物の蒸気圧の１７１０となる温度Ｔ２
以下に前記試料を冷却して前記エツチングを行なうと共
に、前記反応性ガスの導入を時分割して行なうことによ
って達成される。

（作用） 上記Ｔ２以下の温度の低温でエツチング処理を実施する
ことにより、被エツチング基板表面への吸着効率が高く
なり、さらに被エツチング基板温度がＴ１以下となって
、エツチング用ガスが冷却面に吸着析出する状態になっ
ても、希ガスは蒸気圧が高く、真空容器内はこの希ガス
雰囲気を保つことができる。このため基板の温度がＴ１
以下の温度においてもプラズマが維持される。

前記Ｔ１以下の温度に冷却した場合のエツチング現象は
、被エツチング基板表面が冷却されているところに反応
性ガスが導入されると、常温の真空容器内壁よりも冷却
されている面の方に１例えば被エツチング基板表面にガ
スが著しく吸着され易くなる。この吸着ガスと被エツチ
ング基板表面との化学反応速度は低温であるため著しく
小さく、エツチングは殆ど行なわれない、ここに希ガス
を導入するとプラズマが維持される。すなわち反応性ガ
スの吸着した面にプラズマからのイオンや活性粒子が入
射する。ここで被エツチング基板表面に吸着した層にイ
オンがある程度のエネルギーで入射すると、吸着層の分
子が解離励起され、さらに被エツチング基板表面温度は
イオン入射近傍だけが局部的に温度上昇する現象が起き
、吸着粒子と表面原子の反応が促進され、いわゆるイオ
ンアシスト反応が生ずる。反応生成物は局部的な温度上
昇により脱離しやすくなり、エツチングが進むことにな
る。ここでイオンと反応性ガスを被エツチング基板表面
に同時に入射する場合を考えると、反応性ガスの吸着効
率が高いため、微量の反応性ガスを導入すれば良いがそ
の反面１反応性ガスの流入量の制御を厳密に行なう必要
がある。これに対し１反応性ガスの導入を間けつ的に行
なうことは、ガス流入の制御性において優れる。プラズ
マの代りに希ガスイオンのイオンビームを用いた場合を
考えると、常時イオンが照射されているため、被エツチ
ング基板の表面温度は温度上昇したままとなり冷却効果
が低下する。したがってイオン照射を間けつ的に行なう
本方法も低温ドライエツチングの温度の安定性、再現性
において優れている。

上述の作用に加えて、エツチング経過をモニタして、イ
オンのエネルギーを変えることができるので、例えばエ
ツチング終了時点以後のオーバエッチングにおいては、
できるだけイオンのエネルギーを小さくしてエツチング
残りの処理をすれば、下地材料に対する選択比を向上さ
せることができる。下地に凹凸がある場合で、平面部の
エツチングが終了時点に達したとき、段差部の肩部分（
垂直面側面）にはエツチングされていない残りがあり、
同一エツチング条件であるとオーバエツチングの比率を
高くしないと除去されない場合が多い。

ここでイオンビームの入射角度を寝かせる方向に傾ける
と、上記の肩の部分のエツチング速度は大きくなり、オ
ーバエツチング率を低く下げて残り部分を除去すること
が可能になる。

（実施例１） 以下本発明の実施例を図面と共に説明する。第１図は平
行平板型高周波放電プラズマエツチング装置を用いてＳ
Ｌ基板上にＰｏ１ｙ−５Ｌ被膜を形成した基板に対し、
基板の温度を変え、ＳＦＧとＨｅの混合ガスを用いてエ
ツチングしたときの基板温度と５Ｆｌｌガスの流量との
関係を示す特性図であって、試験条件は下記の通りであ
る。

Ｈｅガスの圧カニ５０ｍＴｏｒｒ 入力電圧：　４００Ｗ Ｐｏｌｙ−８ｉに対する設定 エツチング速度：　５００ｎｍ／ｗｉｎこれによるとＳ
Ｆ、ガスの蒸気圧は一１６０℃で１００ｍＴｏｒｒ内外
となり、この温度以下ではＳＦ、ガスが冷却された基板
に選択的に吸着し、ＳＦ、の流量が減少しても５００ｎ
ｍ／ｗｉｎのエツチング速度が得られることがわかった
。またＨｅの蒸気圧は一２５０℃のような低温下であっ
ても、１０　Ｔ　ｏｒｒ以上の圧力があり、プラズマの
発生には支障がなく、良好なエツチングを実施すること
ができた。一方希ガスの導入がない場合には、同図破線
で示すように概ね一１３０℃以下の温度ではガスは流れ
ない。

すなわち希ガスをプラズマガス用に導入することにより
、極低温下においてもエツチングが可能になり、しかも
エツチングガスの消費量を著しく低減することができた
。本発明は、ＨｅのほかＮｅ、Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒ等の希
ガスをプラズマ化し、これをエツチングガスと同時混合
することによって本実施例以外のエツチング装置を用い
ても、また他の被エツチング材に対しても適用が可能で
ある。

エツチングガスとしては、Ｆを含むガス、Ｃ１１を含む
ガス、Ｂｒを含むガス、またはこれらの混合ガス、さら
に０８、Ｈ，Ｏ，Ｎ、、Ｃｏ、Ｇｏ、などを添加しても
良い。

被エツチング材は、　Ｓｉ、　ＧａＡｓ、　Ｐｏ１ｙ−
５ｉ。

Ｇｅ、ＩｎＰなどの半導体材料、Ｓ　ｉ　Ｏｚ　、　Ｈ
ｆ　Ｏ＊、Ｔａ、Ｏｓ、　ＳｉＮ、　Ａ！ＪＬ２０．な
どの絶縁物、Ａｎ、Ｍ合金、Ｔ１、ＴｉＮ、Ｗ、Ｍｏ、
及びこれらのシリサイドからなる金属がエツチング可能
である。

−２５０〜−２７０℃の湿度域ではＨｅ、−２００〜−
２５０℃の温度域ではＨｅ、Ｎｅが、−１５０〜−２０
０℃の温度域ではＨｅ、Ｎｅ、Ａｒが、−１５０℃以上
の温度域ではＫｒ、Ｘｅが使用可能であるが、重元素の
場合は、エツチング速度は大きくすることができる。

また上記放電機能は、必ずしも希ガスに限定しなくても
１例えば窒素のような低活性ガスを、液化する直前の低
温で導入しても放電の維持が可能である。

次に第２図は本発明の他の実施例に使用したイオンアシ
スト低温ドライエツチング装置の断面を示す図であるが
、同図において、真空容器１にイオンビーム源２が接続
されており、反応性ガス導入口３及びイオン源用ガス導
入口４．ガス排気口５が設けられている。冷却試料台６
には試料台冷却媒体７．試料台温度制御ヒータ電源８、
試料９と冷却試料台６との熱接触を考慮した押えリング
１０がある。反応性ガス導入口３に取付けられたバルブ
１１とイオンビーム源２とを時分割で作用させるため、
時分割コントローラ１２が設けられている。

またイオン加速電圧を制御するために、試料台電位を付
与する電源１３が設けられている。上記第２図で示した
構成はイオンビームを試料面に垂直に入射させ、垂直な
エツチング形状を得ることを目的としたときの装置であ
る。

第３図は試料面に対し、斜め方向からイオンを照射でき
るように、イオンビーム源２′を斜め方向に取付けた装
＠図である。斜め方向は試料の種類によって、最適角度
に調整できる機構を備えている、冷却試料台６′は回転
できるように、冷却媒体との連結パイプがワンタッチで
外すことができる構造になっている。ここでイオンビー
ム源はカウフマン型でもマイクロ波放電型でもよいが。

斜め方向に取付けるイオン源の口径は、試料の見込角が
小さくなるので、垂直方向に取付けたイオン源口径より
も小さくしても良い。

（実施例２） 第２図に示す装置を用いて反応性ガスにＳＦい試料はＳ
ｉ上にレジストマスクを形成したもので、試料温度を概
ね一１００℃に設定し、イオンビーム用ガスにＡｒを使
用した。予め真空容器内をガス圧１０””　Ｔｏｒｒ以
下に排気した後、試料を冷却しＡｒイオンビームにより
軽くスパッタクリーニングした。続いてＳＦ＠ガスをＩ
ＱｍＴｏｒｒで概ね３秒間恋人（この時Ａｒイオンビー
ムは照射していない、）し２、試料表面にＳＦ、ガスを
吸着させた。その後、Ａｒイオンビームの加速電圧を１
００〜２００ｖで、概ね７秒間照射しＡｒイオンビーム
照射を中止して、ＳＦ、ガスを上記条件で流入すること
を繰り返した。試料に対して５Ｆｆｌガス流入とＡｒイ
オンビーム照射を交互に１０回繰り返して実施した結果
。

Ｓｌのエツチング深さは概ね１４となった。平均のエツ
チング速度は６００ｎｍ／ｗｉｎ内外であるが、Ａｒイ
オンビーム照射時だけでエツチング速度を算出すると、
８５０ｎａ＋／ｍｉｎ内外である。同じエツチング条件
で試料温度を常温に近い温度に設定すると、Ｓｉの平均
エツチング速度は２００ｎｍ／ｗｉｎ内外、Ａｒイオン
照射時だけで算出したエツチング速度は２８０ｎｍ／ｗ
ｉｎ内外となり、試料温度が一１００℃のほぼ１／３の
エツチング速度に低下した。試料温度を一１００℃より
も高温に次第に温度上昇させていくと、ＳＦ、の吸着量
が減少するので、エツチング速度も次第に減少していく
が、ＳＦ、ガス流入設定時間を長く、Ａｒイオンビーム
の加速エネルギーを大きくすることにより、エツチング
速度の増大が認められた。

上記の結果に対し従来の連続イオンビーム照射（１００
Ｖ以上）、連続ＳＦ、ガス流入方式の場合は、試料温度
に対するエツチング速度の依存性は小さく、はぼ一定値
の４００ｎｍ／ｍｉｎ内外であった。槌って常温近傍で
は連続イオンビームの照射、連続反応性ガス流入方式で
のエツチング速度が大きいが。

概ね一１００℃に達すると従来の連続方式よりも、イオ
ンビーム照射と反応性ガス流入を交互に行なう方式での
エツチング速度の方が大きいことがわかる。上記エツチ
ング方式ではいずれもレジストマスク寸法に忠実で、断
面形状は垂直になった。

（実施例３） 試料として段差構造を有する下地Ｓｉ表面に多結晶Ｓｉ
膜を形成し、その上部にレジストマスクのある試料を用
いた、平坦部の多結晶Ｓｉのエツチング終了時点までは
実施例２で示した装置でエツチングを行なった。この段
階では下地Ｓｉｏ、の段差部の垂直部分に多結晶Ｓｉが
残留している。

このままエツチングを続行すると、上記残留多結晶Ｓｉ
をエツチングする間に、下地５ｉｎ２もエツチングされ
る度合いが大きくなる。下地ＳｉＯ□のエツチング量を
できるだけ小さくするためには、Ａｒイオンビームのエ
ネルギーを小さくすると良いが、上記残留多結晶Ｓｉの
エツチング時間も長くなるので、必ずしも得策ではない
。そこで第３図に示した装置を用いて斜め方向からＡｒ
イオンビームを照射すると、上記残留多結晶Ｓｉのエツ
チング時間を短縮できるという効果がある。このとき段
差下部のＳｉｏ、表面にイオンが入射しないようマスク
の陰になるように、イオンビームの入射角度を設定した
。試料台は回転させるが１回転により下地Ｓｉｎ、面が
照射される方向にあり好ましくないので、マスクパタン
に平行にイオンが入射する時間が短くなるように回転ス
ピードを制御すると１選択的に残留多結晶Ｓｉが効率良
くエツチングされる。また実施例２のように試料面に垂
直にイオンを入射させた場合の下地Ｓ　ｉｏ２のエツチ
ング速度より、斜め方向からのイオン入射の場合の下地
Ｓｉｏ、のエツチング速度は小さく、多結晶Ｓｉと下地
Ｓｉｎ、のエツチング速度比は斜め方向からのイオン入
射の場合の方が大きい。

以上ＳＬ％多結晶ＳｉをＳＦ、ガスの吸着、Ａｒイオン
照射によってエツチングしたが、Ａｒイオンの代りにＨ
ｅ、　Ｎｅ、　Ｋｒ、　Ｘｓ、などのイオンを用いても
殆ど同じ効果が得られるのは勿論である。

またＳＦ、ガスのような反応性ガス吸着に代えて、Ｃａ
２、ＮＦ３ガスによってもエツチングが可能であり、そ
の他ＣとＦやＣｍなどの化合物を用いてもエツチング断
面形状は垂直にすることができる。イオンビームのエネ
ルギーはエツチング経過で変化させ、エツチング終了間
際乃至終了後にエネルギーを小さくすると、選択比の向
上と被エツチング基体の損傷の防止に有効である。

（発明の効果） 本発明の実施により、プラズマが発生する温度領域が拡
張され極低温でのエツチングが可能となり、またエツチ
ングガスが選択的に冷却面に吸着されるめで、エツチン
グガスの消費が節減され製造コストの低減に寄与する効
果をもたらした。

またイオンビーム照射時にエツチングガスが被エツチン
グ基板の周囲に存在しないため、イオン源の汚染や損傷
を低減できる。またイオンビーム照射時のガス圧力を任
意に設定することができ。

１０−’〜１０−’　Ｔｏｒｒという低圧力下でもエツ
チングが可能で、イオンビームが飛翔する間に粒子との
衝突等で消滅しないようにすることができるので、極め
て効率の良いエツチングができる。エツチング特性につ
いても、断面形状が垂直で選択性の高いプロセスの構成
が可能で、これによりサブミクロン級の加工技術として
極めて効果的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による一実施例の基板温度とガス流量と
の関係を示す特性図、第２．３図は本発明の他の実施例
に使用するイオンアシストエツチング装置の断面図であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真空容器内に置いた試料に、反応性ガスのプラズマ
   を接触させて、前記試料表面のエッチングを行なう方法
   において、蒸気圧が前記反応性ガスよりも高い希ガスを
   前記反応性ガスと共に前記真空容器内に導入し、かつ、
   前記反応性ガスと前記試料との反応によって生じた反応
   生成物の蒸気圧が、常温における前記反応生成物の蒸気
   圧の１／１０となる温度以下に前記試料を冷却して前記
   エッチングを行なうことを特徴とする低温ドライエッチ
   ング方法。 ２、前記反応性ガスの導入を間けつ的に時分割制御して
   行なうことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の低
   温ドライエチング方法。