JPS6370528A - シリコン半導体表面の無マスクの高速エッチング方法 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 この発明は総括的に材料のエツチングに関するものであ
り、詳細にいえばエネルギー参ビームによる解離を用い
た高速エツチングに関するものである。

Ｂ、従来技術 エツチングは多くの製品、特に電子産業用の半導体回路
製品の製造に使用される標準的な処理工程である。エツ
チング媒体として湿式の化学エツチング浴または乾式の
エツチングＯプラズマのいずれかを使用することに基づ
いた、さまざまなエツチング方式がある。これらの方式
はすべて、マスク層、通常はフォトレジスト層をエツチ
ングされる表面上にまず付着し、これによってエツチン
グされる表面パターンを画定しなければならないことを
特徴としている。典型的な場合、このようなマスキング
段階はマスク層の付着、この層の適切な現像、およびエ
ツチング段階後のマスク層の除去という別個の段階を必
要とする。エツチング段階自体の間に希望するエツチン
グ・パターンを画定し、これによって上述のマスキング
段階を除去することがきわめて望ましい。しかしながら
、このようなエツチング処理のエツチング速度は、現在
のエツチング方式を凌駕する明確な処理上の利益をもた
らすに十分な速さのものでなければならない。

この点に関し、レーザで誘起された分子の解離によって
、エツチングされる表面に隣接してラジカル・エッチャ
ントを形成しエツチングすることは周知である。ロー３
およびタバット（Ｌｏｐｅｒａｎｄ　Ｔａｂａｔ）はア
プライド・フィジックスΦレター４６　（７）、１９８
５年４月１臼［ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ　　Ｌｅ
ｔｔｅｒｓ　　４６（７）、Ｉ　　Ａｐｒｉｌ　　１９
８５コ　の６７５ページで、ＡｒＦレーザを使用してＣ
ＯＦ２を解離し、シリコンをエツチングするためのフッ
素基を得ることを開示している。同様に、チュアン（Ｃ
ｈｕａｎｇ　）はジャーナルφオブ・ケミカル・フィジ
ックス、７４　（２）、１９８１年１月１５日［Ｊｏｕ
ｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、
　７４（２）、　１５Ｊａｎｕａｒｙ　１９８１コの１
４５３ページで、ＣＯ□レーザを使用しｅｓ　Ｆ６を解
離し、シリコンをエツチングするためのフッ素基を得る
ことを開示している。これらの文献は両方とも、ガスと
基板の界面における、あるいはこの近傍におけるラジカ
ル先駆分子と光子との相互作用によって、ラジカル・エ
ッチャントを生成するための光解離方式を説明したもの
である。界面における基板は基板の元素を含む揮発性化
合物を形成することによって、レーザ光に露出された局
部領域の基とのエツチング反応を受ける。レーザ光に露
出される局部領域を制御することによって、サブミクロ
ンの解像度で基板のパターン形成およびエツチングを同
時に行なうことができる。しかしながら、レーザによっ
て誘起された解離によるラジカル・エツチングは、現在
利用可能なエツチング方法よりも遅いものである。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点 この発明は現在必要とされている基板のマスキング段階
を除去し、エネルギー・ビーム解離による材料の高速な
ラジカル・エツチングを提供することを目的とするもの
である。

Ｄ０問題点を解決するための手段 要約すれば、この発明は半導体材料のような物体の高速
エツチングを行なう方法を含むものであり、この方法は
、 少なくとも１つの吸収線を有するフッ素含有分子とＨ２
とのガス混合物を、エツチングされる物体の表面領域に
存在させ、 フッ素含有分子の上記少なくとも１つの吸収線と実質的
に一致した波長を有し且つこの分子を解離させて、分子
あたり少なくとも１つのフッ素原子を形成するに十分な
エネルギーを有するエネルギー・ビームを、エツチング
される物体の表面領域に入射させるものである。

この発明の実施例においては、Ｈ２と、ＮＦ３、ＳＦｓ
およびＣｏＦ２からなるグループから選択されたフッ素
含有分子とのガス混合物を用いる。

この発明の最も好ましい実施例においては、Ｎ　Ｆ　３
およびＨ２のガス混合物を、ＮＦ３／Ｈ２の圧力比を２
〜１４の範囲としてシリコン材料の表面に存在させ、且
つエネルギー串ビームとしてレーザを使用する。

Ｅ、実施例 Ｈ２の存在下でフッ素原子基を得るための分子の光解離
が、エツチングされる隣接した半導体表面上で、きわめ
て高いエツチング速度をもたらすことが判明した。この
きわめて高いエツチング速度はＮＨ２の添加がフッ素基
のエツチング速度を減じるという、プラズマ・エツチン
グの分野における従来技術の教示するところから見ると
、驚くべきことであり、予期されないことである。この
点については、米国特許第４５７９６２３号および第４
５０５９４９号を参照されたい。

この発明の方法および装置を、図示の装置に関して説明
する。留意しなければならないのは、図示の装置がこの
発見をなすのに利用された実Ｉａ装置だということであ
る。この発明はいかなる態様においても、図示の特定の
実験装置に限定されるものではない。

図面には、エツチングされろ半導体ウェハ材料１２を保
持するための標準的なエツチング・チェンバ１０が示さ
れている。ウェハ１２はエソチングされる表面が中心線
１１を中心とするようにして配置される。チェンバ１０
はチェンバ内に真空を生じさせるためポンプに接続され
た管１４を含んでいる。チェンバはさらに、チェンバ内
に希望するエツチング・ガス混合物をもたらすガス入力
管１６を含んでいる。チェンバ１０は圧力計１８、およ
びエツチングされるウェハ１２を保持するための受台２
０も含んでいる。受台２０は図面において、ウェハ１２
の質量の変化を検出するため、水晶の微量はかりに接続
されている。この微量はかりはウェハ１２の質量に依存
した周波数を発生し、この周波数の変化を測定して、ウ
ェハ１２の表面におけるエツチング速度を測定するよう
に作動する。

図面において、チェンバ内に含まれているエツチング・
ガスの分子を、エツチングされるウェハ１２の表面の近
傍で解離するための手段２２が設けられている。図示の
実施例において、この解離手段２２はエネルギーのビー
ムをエツチングされるウェハ１２の表面に送るための手
段を含んでおり、エネルギー・ビームは解離される分子
の強い吸収線にほぼ合致するエネルギーを有している。

図示の実験的な実施例において、エネルギーのビームを
送るための手段はレーザ２４を含み、レーザ２４はチェ
ンバ１０のレーザ・ビームに対して透明な１つまたはそ
れ以上の窓２６または２８を介して、レーザ２４からの
ビームを送るためにさまざまな光学構成要素と組み合わ
されている。図示の実施例において、レーザ・ビームの
光学系はアイリス絞り３０、ビーム−スプリッタ３２、
フィルタ３４、レンズ３５、鏡３６および３８、フィル
タ３７、ならびにレンズ４０からなっている。

この一連の光学構成要素は、レーザ２４からのビームの
一部が光学的な窓２８を通ってウェハ１２の表面に直角
に当たり、且つレーザ・ビームの一部がチェンバ１０の
光学的な窓２６を通って、ウェハ１２の表面に隣接し、
且つ平行に伝搬するように構成されている。

作動時に、レーザ２４からのレーザービームはビームの
大きさを画定するアイリス絞り３０を通過する。この画
定されたレーザ拳ビームは次いで、ビームの一部を経路
４２に沿って通過させ、ビームの一部を経路４４に沿っ
て反射させるビーム・スプリッタ３２に送られる。経路
４２に沿った通過レーザ・ビームはフィルタ３４および
レンズ３５を通り、且つ窓２８を通ってチェンバ１０中
へ伝搬する。経路４２のフィルタ３４はレーザ拳ビーム
のパワーを制御するためのパワー減衰器である。

レンズ３５はレーザ・ビームの焦点を、ウェハ１２に対
する中心線に沿った点に合わせるためのものであって、
焦点はウェハの表面またはその近傍になる。同様に、光
路４４に沿って反射したレーザ拳ビームの部分は鏡３６
によって反射され、フィルタ３７を通り、鏡３８によっ
て反射され、レンズ４０によって焦点が合わされ、窓２
６を通ってチェンバ１０中へ伝搬する。この場合も、フ
ィルタ３７はレーザ・ビームのパワーを制御するパワー
減衰器である。レンズ４０はレーザ・ビームの焦点を、
ウェハ１２に対する中心線１１に合わせるために利用さ
れる。

図示の装置はさらに、レーザ拳ビームをシステム内で整
合させるための何らかの手段を含んでいると有利なこと
がある。図示の実施例においては、小型のＨｅ−Ｎｅレ
ーザ５０がビーム・スプリッタ５２によって、レーザ２
４と同一の経路に沿って向けられている。解Ｗ１ｍのレ
ーザ２４をオンにする前に、この小型レーザ５０を利用
して整合を行なうことができる。図示の装置はさらに、
第３の窓５４、および解離用のレーザ２４のビーム・パ
ワー減衰器するためのパワー・メータ／ビーム・ストッ
プ５６を含んでいる。

上述のように、この発明はエツチングされる半導体材料
の表面に隣接してＨ２が存在する場合に、フッ素含有分
子のエネルギー・ビームによる解難が、この材料の表面
のきわめて高速なエツチングを生起するという予期しな
い発見に基づくものである。この発明に関し、以下に３
つの例を挙げる。

第１の例においては、室温においてＮＦ３およびＨ２の
ガス混合物を利用して、この発明を検証した。この実験
において、ＮＦ３（三フッ化チッ素）のガス圧力は一連
のテストで２５トルないし１５０トルの範囲で変化し、
Ｈ２の圧力は５ドルないし３０トルで変化した。ＮＦ３
分子を解離した場合に、２〜１４のＮ　Ｆ　３　／　Ｈ
２の圧力比がシリコンのきわめて高速なエツチングをも
たらすことが判明した。この解離は１００ｍＪ／パルス
から６００ｍＪ／パルスまでのエネルギー範囲のＣＯ。

レーザを利用することによって達成された。

このレーザは９２２　ｃ　ｍ”の波長を発生し、この波
長はＮＦ３の強い吸収線に合致している。ＣＯ２レーレ
ーザームの焦点合わせは焦点距ｊｆｉ　１５　ｃ　ｍの
セレン化亜鉛レンズ３５によって行なわれる。

好ましい実施例において、１ｏトルのＨ２を７０トルの
Ｎ　Ｆ　３とともに利用し、結果として８０トルの圧力
を得た。水晶微景はかりによってシリコンのエツチング
を監視した結果によると、ＣＯ２レーザ２４からの１つ
のパルスで瞬時的なエツチングが生じ、その後ダーク・
エツチングが数分間継続することが示された。最終的な
エツチング速度が２００’／ｃｍ２／パルスを超えるこ
とが判明した。これとは対照的に、７０トルのＮＦ３を
単独で使用し、かつ同一のレーザ条件を使用した場合、
エツチング速度が約２°／ｃｍ２／パルスにすぎないこ
とが判明した。したがって、Ｈ２をＮ　Ｆ　３に添加す
ることによって、ＮＦ３単独のばあいにくらべ、エツチ
ング速度が２桁以上改善されるという予期しなかった結
果が観察された。

上述の予期しなかった結果は、エネルギー・ビームがＮ
Ｆ３およびＨ２（またはこれらの反応生成物）と、シリ
コンとの間の光誘起化学反応を促進して、高速シリコン
書エツチングのための条件をつくるように作用すること
によるものと考えられる。Ｈ２あるいは可能性としては
ＨＦが半導体表面上の酸化物を除去するように作用し、
これによって下側シリコンの高速エツチングを促進する
ものと劣えられる。また、プラズマ令エツチング装置に
おいては、標準的なプラズマ・イオン生成物の複雑な組
合せ作用がこの効果を打ち消す傾向があると考えられる
。

ＮＦａはかなり不活性なガスであって、レーザによって
光活性化されない限り、シリコンなどの所定の基板に作
用しないから、この点でＮＦａによる上述の実験は重要
である。レーザは本質的に、Ｎ　Ｆ　３分子をきわめて
反応性の高い少なくとも１個のフッ素原子を含む構成部
分に分解するものである。Ｎ　Ｆ　３分子は比較的不活
性であるが、Ｈ２の存在下で解離した場合は非常に高速
なエツチング速度を与えるという特性は、このエツチン
グ方法をマスクレス轡エツチングを実施するための有力
な候補技術とするものである。エツチングされるウェハ
の表面またはその隣接部にレーザ・ビームが当たること
を使用して、マスク層を用いずにウェハ表面に所定のエ
ツチング・パターンを画定することができる。このよう
な所定のパターンは、当技術分野で公知の通り、レーザ
・ビームを所定のパターンで走査するだけで、ウェハ１
２の表面上に画定できるものである。あるいは、レーザ
・ビームを固定軸に沿って送り、且つ公知の態様で、ウ
ェハ１２を標準的なＸ−Ｙサーボモータによって移動さ
せることもできる。両方のレーザ・ビーム、すなわちウ
ェハ１２の表面に平行に送られるビームおよび表面に垂
直に送られるビームを同時に利用して、希望するエツチ
ング速度を得ることもできる。

Ｎ　Ｆ　３がマスクレス・エツチングに有利なのは、そ
の分子が比較的小さく、解離された成分が、たとえば何
らかの形態のポリマをエツチング表面へ付着させるよう
な望ましくない二次的な反応を生起することがないから
である。また、ＮＦ３は長い波長によって解離できると
いう点でも有利である。

Ｎ　Ｆ　３分子には、解離に利用できる他の強い吸収線
が多数存在することに、留意されたい。たとえば、エキ
サイマＵＶレーザを利用し、ＮＦ３分子を解離すること
ができる。

この発明の他の例としては、Ｈ２の存在下でＳＦ６のレ
ーザ解離を利用して、シリコンなどの基板の望ましい高
速エツチングを行なうことが挙げられる。この点に関し
、Ｈ２の存在しないＳＦ６の一般的な解離が、上述のジ
ャーナル舎オブ拳ケミカルーフィジックス、７４　（２
）、１９８１年１月１５日［Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃ
ｈｅｍｉｃａｌ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、　７４（２）、１５
　Ｊａｎｕａｒｙ　１９８１コ、１４！５３ページのＴ
−Ｊ−チュアン（Ｔ、　Ｊ、Ｃｈｕａｎｇ　）による「
シリコン表面との多重光子励起ＳＦｅの相互作用（Ｍｕ
ｌｔｉｐｌｅ　Ｐｈｏｔｏｎ−Ｅｘｃｉｔｅｄ　ＳＦ６
　Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｗｉｔｈ　５ｉｌｉｃｏｎ　
５ｕｒｆａｃｅｓ）　Ｊという記事で説明されている。

この場合は、１〜５０トルの圧力のＳＦｓを十分な圧力
のＨ２とともに利用して、１〜１０という範囲のＳＦ６
／Ｈ２圧力比を実現する。

波長が１０．６ミクロンで、パルス・エネルギーの範囲
が１００〜６００ｍＪ／パルスのＣＯ２赤外線レーザに
よって、ＳＦ６分子の解離を行なうことができる。

３番目の例として、Ｈ２の存在下にＣＯＦ　２をエネル
ギー・ビームで解離し、材料の高速エツチングを行なう
こともできる。Ｈ２の存在しないＣＯＦ２の解離は、上
述のアプライド・フィジックス拳レター４６　（７）、
１９８５年４月１日口Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈ′ｙｓｉｃ
ｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　４６（７）、　Ｉ　Ａｐｒｉ１１
９８５コ、６５４ページのＧ−Ｌ−ｔ：ｌ−バおよびＭ
−ＤＩ＋タバット（Ｇ、　Ｌ、　Ｌｏｐｅｒ　ａｎｄ　
Ｍ、　Ｄ、　Ｔａｂａｔ）のｒＵＶレーザによって発生
するフッ素原子による多結晶ＳｉｌＭｏおよびＴｉのエ
ツチング（ＵＶＬａｓｅｒ−Ｇｅｎｅｒａｔｅｃｌ　Ｆ
ｌｕｏｒｉｎｅ　Ａｔｏｍ　Ｅｔｃｈｉｎｇ　ｏｆＰｏ
ｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　Ｓｉ、　Ｍｏ、　ａｎｄ
　Ｔｉ）　Ｊという記事で検討されている。この場合は
、５０〜５００トルの圧力のＣＯＦ２を５０）ルのＨ２
とともに利用して、１〜１０の範囲のＣＯＦ２／Ｈ２比
を実現することができる。ＣＯＦ２は、波長０．１９３
ミクロン、パワ−５０ル１００ ゴン・フッ素ＵＶレーザによって解離することができる
。

Ｆ０発明の効果 Ｈ２の存在下でフッ素含有分子をエネルギー・ビームに
よって解離することによって、きわめて高速なエツチン
グ速度を達成することができる。

本発明によれば、表面のマスクレス・エツチングが可能
となり、標準的なマスク形成工程およびマスク除去工程
をなくすことができる。

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明を実施するために利用できる装置の一実
施例の図面である。 １０・・・・エツチング・チェンバ、１１・・・・中心
線、１２・・・・半導体ウェハ、１８・・・・圧力計、
２０・・・・受台、２２・・・・解離手段、２４・・・
・レーザ、２６、２８、５４・・・・窓、３０・・・・
アイリス絞り、３２、５２・・・・ビームΦスプリッタ
、３６、３８・・・・鏡、３４、３７・・・・フィルタ
、３５、４０・・・・レンズ、５０・・・・Ｈｅ−Ｎｅ
レーザ、５６・・・・パワｍ−メータ／ビーム・ストッ
プ。 出願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 代理人　　弁理士　　山　　本　　仁　　朗（外１名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 少なくとも１つの吸収線を有するフッ素含有分子とＨ＿
   ２とのガス混合物を、エッチングされる物体の表面領域
   に存在させ、 上記フッ素含有分子の上記少なくとも１つの吸収線と実
   質的に一致した波長を有し且つこの分子を解離させて、
   分子あたり少なくとも１つのフッ素原子を形成するに十
   分なエネルギーを有するエネルギー・ビームを、上記物
   体の表面領域に入射させること、 を含む、フッ素含有分子の解離を用いたエッチング方法
   。