JPS63199428A - 光ドライエツチング装置及び方法 - 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〕 〔従来の技術〕 従来、この種の光ドライエツチング装置及び方法として
は、エキシマレーザ光や水銀ランプ光なとの遠紫外光（
波長約３０００人〜１０００人）を光源とした装置・方
法が提案・開発されている。第６図に従来の光ドライエ
ツチング装置の構成を示す。この従来の光ドライエツチ
ング装置及び方法は、エキシマレーザや水銀ランプなど
の遠紫外光源／で発生した遠紫外光コを遠紫外光を透過
する石英ガラスやフッ化カルシウム等の材料かう成る窓
３を介してチェンバーμ内に導き、エツチングガス導入
ロタから塩素等のエツチングガスをチェンバー弘内に導
入して所定のエツチングガス圧力とし、エツチングガス
またはエツチングガスと基板支持台２に保持された被加
工基板７の表面を遠紫外光２′で励起して被加工基板７
をエツチングするものであった。

これらの従来の技術は、例えば、堀池、岡野。

間板「応用物理」第５３巻第１／号（／りｇ≠）ｐｐり
７９、あるいは、ティー：７ジイ、アール。

カワバタ、エイチ、コミャ；アンドエイチ、シミズ、エ
クステンデドアブストラクト　オブザ　エイティーンス
　コンファレンスオン　ソリッド・ステート　デバイセ
ズアンドマテリアルズ（Ｔ、Ｆｕｊｉｉ＋　Ｒ，Ｋａｗ
ａｂａｔａ＋　　Ｈ，Ｋｏｍｉｙａ　ａｎｄ　Ｈ。

５１ｍ１ｚｕ、　Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ａｂｓｔｒａｅｔ
ｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　／Ｊ’−ｔｈＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ
　ｏｎ　５ｏｌｉｄ　−８ｔａｔｅ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　
ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）（／りｆ＆）ｐｐ、２０
／−２０≠に記載されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

通常良く用いられるエツチングガスの光励起や光イオン
化の断面積は約／　ＯｅＶ以上のホトンエネルギーをも
つ光（波長にしておおよそ１０００＾以下）に対して大
きくなワていることが知られている。第７図にその一例
としてエツチングガスとして良く知られている六フッ化
イオウ（ＳＦ６）　　ガスと酸素（Ｏ２）ガスとの吸収
断面積のスペクトルデータ（’Ｐｈｏｔｏａｂｓｏｒｐ
ｔｉｏｎ　＋　Ｐｈｏｔｏｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　、　
ａｎｄＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ　５ｐｅｃｔｒｏｓ
ｅｏｐｙ　”　Ｊ、　Ｂｅｒｋｏｗｉｔｚ、　Ａｃａｄ
ｅｍｉｃＰｒｅｓｓ＋　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ　（／　９７
り））を示す。

この図から明らかなようにこれらのエツチングガスの吸
収断面積は波長１０００＾〜１００λ　程度の真空紫外
光の範囲で大きく、これらの波長の光は良く吸収される
。そしてこれらの波長の光は、ホトンエネルギーにして
／　ＯｅＶ以上なので、エツチングガス分子を励起・イ
オン化・分離させるエネルギーを充分に持っており、光
ドライエツチングに最も適した光であると考えられてい
た。

従来の遠紫外光を用いたドライエツチング法では、１０
００λ以上の波長の光を光源としていたため、エツチン
グガスの吸収断面積が小さいばかりでなく、ホトンエネ
ルギーも小さいためにエツチングガスを励起させるのに
励起で消費するパワーよシもはるかに大きなパワーの光
を供給せねばならなかった。あるいは遠紫外光でも割合
に分解し易い塩素〔Ｑｔ２）ガスをエツチングガスに用
いる等の方法をとらねばならなかった。

真空紫外光が光ドライエツチング用の光源として適して
いると考えられていたにもがかわらず、適用することが
できなかった理由がいくつがある。

その一つは、真空紫外光がどのような物質に対しても吸
収され易いために真空中でしか存在できないことであり
、例えば第２図の従来の光ドライエツチング装置では遠
紫外光２の通路が大気であったシヘリウムガス中であっ
たりすることができないばかシでなく、窓３も使用する
ことができない。

窓３を極く薄＜Ｃ０，２μｍ以下程度）することによっ
て真空紫外光を透過させることができるが、エツチング
を起こさせるに必要なパワー密度を持つ真空紫外光を透
過させようとするとこのような極く薄い窓は耐えること
ができずに破れてしまう。

この欠点は、光源が超高真空状態である電子シンクロト
ロン放射光発生装置を光ドライエツチングの真空紫外用
光源として用いることを困難ならしめていた。また、ガ
スで満たされた電極間を電気的に放電させて得られる放
電ガスプラズマから真空紫外光を得ることができるが、
この真空紫外光についても光源とエツチングガスを導入
するチェンバーとの仕切シに窓を用いることができず、
まだ、発生する真空紫外光のパワー密度が小さいために
光ドライエツチングへの利用は困難でありた。

真空紫外光のこのような物質に吸収され易い性質は、凹
面鏡等を用いて集光しそのパワー密度を大きくすること
をも困難ならしめている。

以上のような理由により真空紫外光を用いた光ドライエ
ツチングはその実現が困難であった。

〔問題点を解決するだめの手段〕

上記の問題点を解決するため本発明は電子シンクロトロ
ン放射光源と該電子シンクロトロン放射光源からの真空
紫外光を導く差圧排気部と該差圧排気部の先に接続され
、少なくともエツチングガス導入口及び被エツチング物
保持部とを有するチェンバーとを具備し、前記チェンバ
ー内に所定圧力のエツチングガスが導入された状態で前
記真空紫外光が前記真空紫外光源から直接前記チェンバ
ー内に導入されるようになされている光ドライエツチン
グ装置であって、前記電子シンクロトロン放射光源は電
子シンクロトロン放射光発生装置と集光装置とから成り
、集光された真空紫外光を供給する真空紫外光源を適用
し得る光ドライエツチング装置を提案するものである。

まだ、上記光ドライエツチング装置を用いた光トライエ
ツチング方法として、電子シンクロトロンから放射され
る真空紫外光を、差圧排気手段を通してエツチングチェ
ンバー内に導き、前記エツチングチェンバー内に供給さ
れたエツチングガスまたは前記エツチングガスと被エツ
チング物表面の両方を照射し、被エツチング物をエツチ
ングする光ドライエツチング方法であって、前記エツチ
ングガスには六フッ化イオウ（ＳＦ６）ガスまたはＳＦ
６ガスと酸素（Ｏ２）ガスの混合ガスを、また、前記被
エツチング物にはシリコンまたは酸化シリコンを適用し
得る光ドライエツチング方法を提案するものである。

〔作用〕

上記の電子シンクロトロン放射光発生装置は、指向性が
鋭どくパワー密度の大きい真空紫外光を放射せしめる。

上記の集光装置は電子シンクロトロン放射光発生装置か
ら放射される放射光を集光しそのパワー密度を大きくす
る。また、上記の差圧排気部は超高真空状態で動作する
電子シンクロトロン放射光発生装置と低真空状態のエツ
チングチェンバーとを窓々して接続せしめる。さらに、
上記の電子シンクロトロンからの真空紫外光はエツチン
グガスを効率良く励起せしめ、他の励起光源とは異なる
エツチング特性を生じせしめる。

〔実施例〕

次に、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。

第１図は本発明の光ドライエツチング装置の実施例を説
明するだめの基本的な構成を示す模式図である。第１図
において、Ｕで示した部分は電子シンクロトロン放射光
発生装置（電子蓄積リングの場合もある）を示し、ＩＯ
は電子軌道リング、／／は偏向磁石を示す。電子軌道リ
ング１０内でほぼ光速に等しい速度に加速された電子は
この偏向磁石／／によってその軌道が曲げられ、曲線軌
道部から曲線の接線方向にシンクロトロン放射光／２を
放出する。このシンクロトロン放射光／２は鋭い指向性
を有しており、その強度の波長分布（スペクトル）は第
２図に示すような連続分布を有している。第２図のスペ
クトルは、電子の加速電圧が２夕ＯｅＶで曲線部の曲率
半径がｇｚ乙ｍの電子シンクロトロン放射光発生装置か
ら放射される放射光のスペクトルであり、縦軸のフォト
ン数ンをカウントしたときの数である。この図から分か
るように、シンクロトロン放射光は波長の短かいＸ線か
ら紫外光よりも波長の長い光までを連続的に放射する。

同図にはレーザの発振限界も示したが、シンクロトロン
放射光にはレーザでは得られないしかもパワー密度の高
い真空紫外光が含まれている。本発明者らはこの真空紫
外光を用いた光ドライエツチングに初めて成功し、ここ
にその光ドライエツチング装置と方法を提案するもので
ある。なお、電子シンクロトロン放射光発生装置の詳細
については、単行本［）・ンドブック　オン−ｌ〇　　
　− シンクロトロン　ラジエーション　／Ａ、　／Ｂ」イー
。

イー、コック編ノース・ホーランド出版（／り♂３年）
（’　ＨＡＮＤＢＯＯＫ　ＯＮ　５ＹＮＯＨ囮Ｔ囮Ｎ　
ＲＡＤＩＡＴＩＯＮ　／Ａ。

／　Ｂ　”　　ｃｄ、　ｂｙ　Ｂ、　−Ｅ、　ＫＯＯＨ
，Ｎ０ＲＴＨＨＯＬＬＡＮＤ　ＰＵＢ。

ｃｏ、　（／？Ｉ３）　）が詳しいので参照されたい。

偏向磁石／／によって発生せられたシンクロトロン放射
光／２は、電子軌道リング１０に連結された光取ｐ出し
部／３から取り出され、速断バルブ／４’を介してミラ
ーチェンバー２７中のトロイダルミラー２ｇに導かれ、
集光されて差圧排気部／夕及び／乙を介してチェンバ／
７内に導かれる。ここで、シンクロトロン放射光７．２
が導出される光取り出し部／３から差圧排気部／乙まで
の真空経路をビームラインと呼び、電子軌道リングに近
い方をビームラインの上流側、遠い方を下流側と呼ぶこ
とにする。電子軌道リングＩＯ、ビームライン及びチェ
ンバー／７は−続きの空間でつながっている。

チェンバー７７にはエツチングガス導入口／♂、基板支
持台／り、電極、２０及び被加工基板２／が図示のよう
に配置されている。電極−〇に電圧を印加する電源２２
はエツチングを増速させるものであるが、これは必ずし
も必要ではない。基板支持台／りの接地に関しても同様
である。エツチングガス導入口／ざからエツチングガス
を導入し、差圧排気部／夕、／１．を動作させてシンク
ロトロン放射光／２をチェンバー／７内に導入すれば被
加工基板２／をエツチングすることができる。

チェンバー／７内に導入されたエツチングガスは排気部
２３及びビームライン下流の差圧排気部／ｊ及び／ｌに
よって排気されるが、排気部２３は必ずしも必要ではな
い。差圧排気部／！及び／乙に関しては、チェンバー７
７内でエツチングを行なうに必要な望ツチングガス圧力
が０．　／　Ｔｏｒｒ　程度のオーダーである一方、　
−−−１、−に保つ必要があるので、このような圧力差
を保てるだけの性能を有していなければならない。差圧
排気の性能を上げるにはガスが流れる経路の真空コンダ
クタンスを小さくし、排気能力を大きくすれば良い。た
だし、真空コンダクタンスを小さくするためにビームラ
インの径をしぼるとその分シンクロトロン放射光がしぼ
られるのでなるべく多くのシンクロトロン放射光がチェ
ンバー／７内に導入されるように差圧排気部を設計する
。この差圧排気部とチェンバー／７内の被加工基板２／
との位置関係については、その設計によっては真空紫外
光がエツチングガスによって吸収されて被加工基板２／
の近くに到達しなくなることもあり得るので注意を要す
る。

ビームライン上流に設けられている速断パルプフグは、
それよシも下流側のミラーチェンバー、２７や差圧排気
部／夕などの真空度が許容範囲よシも悪化したときに閉
じるようになされているがこれは安全のために設けられ
ている。また、図示を省略してたが、差圧排気部／！、
及び／乙の部分にも電磁パルプが設けられておシ、下流
側の圧力が異常に高くなった時に閉じるようになされて
いるトロイダルミラー２とは、シンクロトロン放射光７
．２を集光してそのパワー密度を大きくするために設置
されておシ、シンクロトロン放射光／２がチェンバー１
７近傍で焦点を結ぶような曲率の曲面を持たせである。

シンクロトロン放射光／２は、このトロイダルミラー、
２ｆの曲面に平均の入射角にして≠度程度で斜めに入射
される。このような浅い角度で入射するのは真空紫外光
を充分にする働きも持ワている。光の各波長に対するミ
ラーの反射率は、ミラー表面の材質と入射角度に寄シ、
所望のカットオフ特性をもつミラーをこの部位に設置す
ることができる。トロイダルミラー２ｇ及ヒミラーチエ
ンバー２７は、シンクロトロン放射光／２のパワー密度
がエツチングを生じさせるのに充分大きければ設けなく
とも良い。

第１図に示した装置においては、被加工基板２／の主面
がシンクロトロン放射光７．２に平行に置かれる構造の
ものを示したが、第３図に示すようガシンクロトロン放
射光／２が被加工基板、２／の表面を照射するような構
造のものも第１図のものに変わって設置される場合もあ
る。第３図において第１図と同じ番号のものは同じもの
を示しているが、２グはその中心に穴の明いた電極、２
．３−は縦形の基板支持台、２乙は基板支持台、２Ｊ′
を上下に移動させるだめの移動機構である。

次に、上記の光ドライエツチング装置を用いて行なう本
発明の光ドライエツチング方法について実施例に基いて
詳細に説明する。

以下、本発明を成すに至った一実施例について述べる。

本実施例においては第３図に示した構造のエソチンクチ
ェンハーヲ用いシンクロトロン放射光／２が直接被加工
基板、２／を照射するようにした。エツチングガス導入
口／どよシ六フッ化イオウＣＳＦ６　）ガスをチェンバ
ー７７内の圧力がθ、　／　Ｔｏｒｒに々るように導入
し、これに酸素（Ｏ２）ガスを混入した。このとき差圧
排気系／夕及び／２の動作によシミラーチェンバー、２
７よシも上流側は１Ｏ−９Ｔｏｒｒ台以上の真空度を保
つようにした。排気部、２３はチェンバー内のエツチン
グガス圧力を上げるだめに停止した。また、電源、２２
も停止し電極２グには電圧を印加しなかった。基板２／
には面方位Ｃ１００）のｎ型単結晶シリコン（Ｓｉ　）
基板と、この基板を熱酸化して形成した酸化シリコン（
ＳｉＯ□）膜がその表面に形成された基板を用いた。エ
ツチング実験は電子軌道リングＩＯの電子蓄積電流（リ
ング電流）が９０９０−２Ｏ０のときに行なった。また
、トロイダルミラー２ｇは表面が白金でコートされたも
のを用い、シンクロトロン放射光／２の入射角を約弘度
とした。

この場合、計算によれば約１０＾以下の波長のＸ線はカ
ットオフされている。

第≠図は８Ｆ６ガスと０２ガスの混合ガスの０２ガス濃
度（（６）に対するＳｉとＳｉＯ□のエツチング速度（
Ａ、　／　ｍｉｎ　）　　を示す実験結果である。リン
グ電流を１００ｍｋに規格化して示しだ。この図から、
シンクロトロン放射光を励起光源としてＳｉとＳｉｎ、
、のエツチングが可能であること。この実験系では５Ｉ
０２の方が８１　　よシもエツチング速度が大きいこと
。酸素ガス濃度を大きくして行くに従い５ｉｎ２のエツ
チング速度は余９減少しないがｓｌのエツチング速度は
急激に減少し、酸素ガス濃度が約ｇ係でエツチングされ
なくなること等がわかる。

この実験系でのＳｉとｓＩＯ□のエツチング速度は、半
導体装置の製造工程で通常用いられている反応性イオン
エツチング（ＲＩＥ）　（平行平板電極の一方に被加工
基板を置き、エツチングガスを導入して平行平板電極間
で高周波放電させ、エツチングガスプラズマ中のイオン
成分を被加工基板に多量に衝突させることによって方向
性エツチングを行なうもの）での８１とＳ　Ｌ０２のエ
ツチング速度の傾向と異なっている。すなわち、反応性
イオンエツチング（エツチングガスには通常四フッ化炭
素（ＯＦ、）又はＯＦ、十〇□が用いられる）ではｓｌ
とＳ　ｉ　Ｏ２のエツチング速度比（Ｓｉ　／　５ｉｎ
２）が３０−７０程度であるのに対して、本実験系では
エツチングのされ易さがＳｉとＳｉＯ２で逆になってお
９゜しかも、酸素濃度をｇ％以上とするとエツチング速
度比は無限大となシ、極めて高いエツチング選択比が得
られている。この違いは、高周波励起と光励起による違
いであると考えられる。第７図のエツチングガスの吸収
断面積のスペクトルからエツチングガスはシンクロトロ
ン放射光のうち真空紫外光（波長１００λ〜１０００λ
）を良く吸収することがわかるので、実際にも真空紫外
光によって励起されエツチングを生じせしめているもの
と考えられる。

次に、第５図に光照射部と非照射部のエツチング段差形
状を測定した結果を示す。このエツチング実験ではエツ
チングガスにはＳＦ、ガスのみを用いた。第５図かられ
かるように、Ｓｉｎ、の方は段差が急峻で光照射部のみ
がエツチングされているのに対し、Ｓｌの方は段差がな
だらかで非照射部もエツチングされている。この傾向は
ＳＦ、ガスに０２　ガスを添加しても同様であった。Ｓ
ｉＯ□の方が光照射部のみがエツチングされるのは表面
励起光化学反応が支配的であることを意味し、Ｓｌの方
が非照射部もエツチングされるのはエッチングガス分子
が気相中で励起されて生ずる活性種によってエツチング
が進行していることを示唆している。

このような性質を用いると、第１図に示した構造のエツ
チングチェンバーで上述の実験と同様な１実験を行なっ
た場合、被加工基板２／の表面にシンクロトロン放射光
を照射しないようにすれば、５ｉｎ２をほとんどエツチ
ングせずに８１のみをエツチングすることも可能である
。この場合にも高い選択比が得られることが第≠図と第
５図のデータから明らかであり、従って、基板配置をこ
のように変えることによってＳｌと５ｉｎ）、のいずれ
か一方のみを高い選択比をもりてエツチングすることが
可能となる。

上記の実験ではチェンバー／７内の電極２弘に電圧を印
加しなかったが、これに負の直流電圧を印加するとエツ
チングが増速されることが観測された。これは、シンク
ロトロン放射光で励起されたエツチングガスのイオンが
電界によって被加工基板に集められるためと考えられる
。この方法はエツチング速度を上げるのに有効である。

このように、本発明の光ドライエツチング方法では従来
のドライエツチング法には見られないエツチング特性が
生じ、このようなエツチング特性は、半導体装置の製造
や将来の超薄膜デバイスの製造等に大いに貢献し得るも
のと考えられる。

上述の実施例ではエツチングガスにはＳＦ、ガスと０２
ガスを、被加工基板にはＳｌとＳ　＋　０２を用いたが
、本発明がこれらの材料に限られることがないことは、
通常のドライエツチングの傾向から明らかである。すな
わち、他のエツチングガスと基板の組み合わせに対して
も、シンクロトロン放射光のパワー密度と差圧排気部の
性能とエツチングチェンバー内の被加工基板の配置、エ
ツチングガス圧力やそれらの混合比、さらには電極に印
加する電圧の大きさ等を適当に設定することによってエ
ツチングを生じせしめることが可能である。この場合、
本実施例で示したような従来のドライエツチングでは見
られないエツチング特性が得られるであろう。

〔発明の効果〕

本発明の光ドライエツチング装置は、電子、シンクロト
ロン放射光発生装置を光源に用いており、これを直接エ
ツチングチェンバー内に導入しているので、強力な真空
紫外光でエツチングガスを励起することができる。真空
紫外光はそのホトンエネルギーが分子を励起するのに必
要なエネルギーよシも太きいためあらゆる種類のエツチ
ングガスを励起することができる。従って、従来のエキ
シマレーザ光等を光源に用いた光ドライエツチングと比
較してエツチングガスと被加工基板の種類に対する適用
範囲を格段に広げることができる。また、従来のエツチ
ング技術では得られないエツチング特性が得られるので
、半導体装置の製造等に適用した場合に有益である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の特徴を最も良く表わしている光ドライ
エツチング装置の一実施例の基本的構成を示す模式図、
第２図は電子シンクロトロン放射光発生装置が放出する
放射光の強度スペクトルを示す図、第３図はエツチング
チェンバ一部の別の構成を示す図、第≠図及び第５図は
本発明の光ドライエツチング法を用いて得られる一実験
結果（エツチング特性）を表わす図、第２図は従来の光
ドライエツチング装置と方法を説明するための模式図、
第７図はエツチングガスの吸収スペクトルを示す図であ
る。 ／・・・遠紫外光源、λ、２′・・・遠紫・外光、３・
・・窓、ｕ、／、７・・・チェンバー、ｊ＋　　／♂・
・・エツチングガス導入口、乙、／り、２ｊ・・・基板
支持台、　７゜２／・・・被加工基板、ＩＯ・・・電子
軌道リング、／／・・・偏光磁石、／２・・・シンクロ
トロン放射光、／３・・・光取り出、し部、／≠・・・
速断バルブ、ｉｓ、ｉｔ・・・差圧排気部、２０，２≠
・・・電極、２２・・・電源１．２３・・・排気部１．
２ｔ・・・移動機構、２７・・・トロイダルミ７−１，
２．５’・・・ミラーチェンバー。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）電子シンクロトロン放射光源と該電子シンクロト
   ロン放射光源からの真空紫外光を導く差圧排気部と該差
   圧排気部の先に接続され、少なくともエッチングガス導
   入口及び被エッチング物保持部とを有するチェンバーと
   を具備し、前記チェンバー内に所定圧力のエッチングガ
   スが導入された状態で前記真空紫外光が前記真空紫外光
   源から直接前記チェンバー内に導入されるようになされ
   ていることを特徴とする光ドライエッチング装置。
2. （２）前記電子シンクロトロン放射光源は電子シンクロ
   トロン放射光発生装置と集光装置とから成り、集光され
   た真空紫外光を供給する真空紫外光源であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の光ドライエッチン
   グ装置。
3. （３）電子シンクロトロンから放射される真空紫外光を
   、差圧排気手段を通してエッチングチェンバー内に導き
   、前記エッチングチェンバー内に供給されたエッチング
   ガスまたは前記エッチングガスと被エッチング物表面の
   両方を照射し、被エッチング物をエッチングすることを
   特徴とする光ドライエッチング方法。
4. （４）前記エッチングガスは六フッ化イオウ（ＳＦ＿６
   ）ガスまたはＳＦ＿６ガスと酸素（Ｏ＿２）ガスの混合
   ガスであり、前記被エッチング物はシリコン（Ｓｉ）ま
   たは酸化シリコン（ＳｉＯ＿２）であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第３項に記載の光ドライエッチング方
   法。