JP4470717B2

JP4470717B2 - プラズマエッチング方法

Info

Publication number: JP4470717B2
Application number: JP2004353799A
Authority: JP
Inventors: 浩文鍋澤; 元一金沢; 豊久浅地
Original assignee: Toyama Prefecture; Tateyama Machine Co Ltd
Current assignee: Toyama Prefecture; Tateyama Machine Co Ltd
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2024-12-07
Also published as: JP2006165228A

Description

この発明は、ドライエッチング方法に関するもので、特にエッチングガスをプラズマ化して対象物のエッチングを行うプラズマエッチング方法に関する。

従来、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：以下ＬＮと称す）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３以下ＬＴと称す）に代表される酸化物材料に対しては、不活性ガスやハロゲンガスまたはそれらを混合したガスのプラズマを用いたエッチング方法が用いられている。このエッチング方法では、不活性ガスの一部がプラズマ中で電子と衝突を起こし、正イオンとなり、この正イオンを負電極に設置してある被エッチング材料に衝突させることで、物理的に対象物表面の物質を除去すること（イオンボンバード効果）を利用している。一方、ハロゲンガスは、プラズマ中で解離あるいは電離を起こし、化学的に活性なラジカルやイオンを生成する。これらの一部は不活性ガスの正イオンと同様に物理的に対象物表面の物質を除去する。

さらに、プラズマエッチング方法は、被エッチング材料表面で蒸気圧の高い反応生成物を形成し、化学的に表面物質を除去する効果や、化学的に被エッチング材料表面の結合エネルギー弱め、それを物理的に除去する反応性イオンエッチングの効果もある。

上記従来のプラズマエッチング方法では、これらのガス種を単独かあるいは混合したプラズマを生成して、プラズマ密度、プロセスガス圧、ガス流量、被エッチング材料温度等の諸条件の最適化を図り、エッチング速度、選択比、エッチング形状を制御している。
特開２００１−６０５８７号公報 T.IEE Japan, Vol.118-E, NO.9, '98 ＬｉＮｂＯ３のプラズマによるドライエッチング特性

上記従来のプラズマエッチング方法は、半導体材料等に比較して、エッチング対象物のエッチング割合と、エッチングによるマスク材料の除去割合の比である選択比が大きくならない問題点があった。また、ＬＮ，ＬＴ等の酸化物材料の含有元素の中には、ハロゲンのラジカルやイオンと化学反応を起こし、蒸気圧の低い反応生成物を形成する場合が多い。これを除去し、エッチング速度を上げるためには、飛来するイオンの運動エネルギーを増大させ、化学反応を促進させたり、物理的効果で取り除くしか方法がなかった。

しかしながら、この方法ではエッチングマスクとして用いるフォトレジストや金属膜のエッチング速度までも増大するため、選択比が上がらない問題があった。選択比が上がらないことは、深溝などアスペクト比（深さと開口幅の比）の高い加工が不可能であることを意味する。

そこで、選択比を上げる方法としては、シリコンの深溝加工に応用されているボッシュプロセスがある。このプロセスは、エッチングガスと側壁及びマスクの保護膜を形成するデポジションガスを交互に用いることで、選択比を大きく取ることを可能にし、良好なエッチング形状を実現している。

しかしながら、この方法は２種類のプロセスガスを用いるため、被エッチング材料と化学反応を起こした副次的な反応生成物が多種に生成され、エッチング特性の再現性や安定性に劣るものであった。また、装置の製作費が高額になったり、真空チャンバーの汚染による装置維持の不利益等種々のデメリットがある。

また、上述のようにイオンの運動エネルギーを増加させると、被エッチング材料上面（プラズマとの接触面）の温度が上昇し、被エッチング材料下面との熱膨張の差異により、エッチング中途で被エッチング材料にクラックを生じるケースが多々あった。さらに、酸化物は非導電体であるため、プラズマから飛来した被エッチング材料表面の電荷が放電されず、過度に蓄積された電荷は、被エッチング材料の電荷の分布状態やステージ電位の差異等により、瞬間的に大電流が発生し、被エッチング材料が破壊に至ることもあった。さらに、ＬＮやＬＴといった焦電材料においては、プラズマによる表面の温度勾配や電子の蓄積により、他材料に比較して特にこの現象が顕著であった。

この発明は、上記従来の技術に鑑みてなされたもので、エッチングされる基板等のクラックや破壊を抑制しつつ、エッチング選択比を増大させ、酸化物材料に対して精密かつ高アスペクト比な微細加工を可能とするプラズマエッチング方法を提供することを目的とする。

この発明は、酸化物材料である被エッチング材料の表面をエッチングガスによる反応性イオンやラジカルによりエッチングするプラズマエッチング方法であって、少なくともフッ素原子を含むガスを主成分とし、それらに不活性ガスやハロゲンガスを混合したフッ素含有プラズマを用いて、このプラズマにエッチング可能なセルフバイアス電圧を印加するエッチング工程と、前記プラズマにエッチング可能な電圧を印加しない若しくはエッチングが進行しない程度のセルフバイアス電圧を印加して、前記プラズマにより前記被エッチング材料表面を覆った金属製のエッチングマスクの表面改質を行う工程とを交互に繰り返して、エッチングを行うプラズマエッチング方法である。前記エッチングと表面改質の切り替えは、負電極に印加する高周波電力の増減で制御するものである。

また、前記プラズマは、電子サイクロトロン共鳴を利用して発生させるものである。反応性イオンエッチングのエッチングマスク材料として、ニッケル等の金属材料を用いるものである。また、前記エッチングは、３ＭＨｚ以下の高周波電力を負電極に印加して行うものであり、前記エッチングと前記表面改質の切り替えは、前記高周波電力の増減で制御するものである。

前記被エッチング材料は、酸化物材料であるニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウム等である。前記エッチングガスは、六フッ化硫黄ガスまたはフロン１４等を含む。さらに、前記エッチングガスの前記フッ素含有プラズマには、アルゴンまたはキセノンを混合したものなどである。

この発明のプラズマエッチング方法によれば、複雑な装置や工程を用いることなく、被エッチング材料である酸化物材料のクラックや破壊がなく、エッチング選択比が大きく、エッチングによる精密かつ高アスペクト比の微細加工を可能とするものである。

以下、この発明の実施形態について説明する。この実施形態のプラズマエッチング方法は、六フッ化硫黄ガスやフロン１４を主成分とするエッチングガスのプラズマを生成し、ＬＮ，ＬＴをはじめとする酸化物の被エッチング材料の表面に対して、エッチングガスと反応させながら、エッチング工程と表面改質工程とを交互に行うものである。エッチングガスは、少なくともフッ素原子を含むガスであれば特に制限されない。

そして、このエッチングプラズマについて、高周波電力を制御することにより、ＬＮ，ＬＴをはじめとする酸化物に、高い選択比で異方的な加工を可能とする。さらに、微細な鋭い形状の転写も可能となる。

例えば、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）型プラズマエッチング装置の場合、プロセス圧力を１Ｐａ以下とし、マイクロ波供給電力を１×１０^１１／ｃｍ^３程度まで高密度にすることが望ましい。バイアスＲＦ電力は、３Ｗ／ｃｍ^２程度が望ましく、バイアス電力の切り替えは、エッチングが３０秒から２分、表面改質が１５秒から１分程度が望ましい。

容量結合型や誘導結合（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）型のプラズマエッチング装置であっても、同様のプラズマ密度を生成し、バイアスＲＦ電力を前述の通り時分割で制御することにより、上記と同様に選択比の大きいエッチングを可能とする。

エッチング速度の増大や高アスペクト比のエッチング形状などを実現させるためには、高プラズマ密度が可能で、プラズマ生成とイオンの運動エネルギーを独立に制御できるＥＣＲ型やＩＣＰ型のエッチング装置が有利である。

また、エッチング装置のシース近傍のイオンの運動エネルギーを増大させるために、４００ｋＨｚ〜３ＭＨｚ、好ましくは１ＭＨｚ程度の高周波バイアスＲＦ電力を供給することが望ましい。反応性イオンエッチングのエッチングマスク材料としては、ニッケル等の金属材料を用いる。

ここで、この発明により高選択比が可能になる理由は、以下の通りである。まず、高電力の場合、負電極に飛来する正イオンの運動エネルギーが増大し、ＳＦ_Ｘ ^＋イオンによるエッチング作用が支配的となる。他方、低電力の場合、イオンの運動エネルギーは減少することから、ＳＦ_ＸやＦラジカルによる表面改質が支配的になる。具体的には、低電力による表面改質工程期間中には、マスク表面が、プラズマに対して耐性の高いフッ化ニッケル（ＮｉＦ_２）等に改質されるため、マスク材料のエッチング速度が低下する。このため、相対的にマスク材料と被エッチング材料の選択比が増大するのである。

次に、表面電荷や熱応力に起因する被エッチング材料の破壊がなくなる理由は、低電力供給時（表面改質時）には、被エッチング材料表面に飛来するイオン流量と個々のイオンが保有する運動エネルギーが減少する。従って、被エッチング材料に蓄積される熱量や電荷量が減少する。その結果、被エッチング材料の表面と裏面の温度差や、被エッチング材料表面と、それを載置したステージの電位差が減少し、被エッチング材料の破壊が抑制されるというものである。

この実施形態のプラズマエッチング方法によれば、ＥＣＲエッチング装置等を用いて簡単な工程で、エッチング選択比が大きく、エッチングによる精密かつ高アスペクト比の微細加工を可能とする。さらに、被エッチング材料である酸化物材料のクラックや破壊がなく、安定にエッチングを行うことができ、複雑な微細加工や薄い被エッチング材料の表面加工等を精密に行うことができる。

次に、この発明によるプラズマエッチング方法の実施例について説明する。この実施例では、ＥＣＲ型反応性イオンエッチング装置を用いて、ＳＦ_６プラズマによるＬＴの反応性イオンエッチングを行った。このときの条件は、上記実施形態の条件であって、マイクロ波電力１７０Ｗ、プロセス圧力０．４Ｐａで、エッチング時のバイアスＲＦ電力３００Ｗ、表面改質時のバイアスＲＦ電力は０Ｗ、プロセス時間６０分（エッチング時間２分、改質時間１分を１周期とし、２０周期）であった。この結果、図１のエッチング形状が得られた。エッチング深さは４μｍ、選択比は７であった。

表面改質工程を行わず、同様の条件（マイクロ波電力１７０Ｗ、プロセス圧力０．４Ｐａで、エッチング時のバイアスＲＦ電力３００Ｗ）で連続エッチングを行った場合、マスクの消耗が激しく、５分以上のエッチングは不可能であり、チャージアップや温度上昇による基板割れと言った現象が多く見られた。このときのエッチング深さは、１μｍ程度、選択比２であった。

ＥＣＲ型エッチング装置を用いたＬＮのＳＦ_６のプラズマエッチングについて、表面改質時間を変化させながら、ＬＮ表面のニッケル及びフッ素の組成比を測定した。その結果を表１に示す。ここでは、連続的なエッチングにおいては、Ｎｉ：Ｆ＝１：１．５６であるが、表面改質時間を設けることで、マスク材料の改質（フッ化）が進行し、フッ化ニッケルの化学量論的組成比（Ｎｉ：Ｆ＝１：２）に近い値を示している。即ち、マスク表面が、プラズマに対して耐性の高いフッ化ニッケル（ＮｉＦ_２）等に改質されていることが分かる。

この発明の一実施例のエッチング結果を示す電子顕微鏡写真である。

Claims

酸化物材料である被エッチング材料の表面をエッチングガスによる反応性イオンによりエッチングするプラズマエッチング方法において、
少なくともフッ素原子を含むガスを主成分とし、それらに不活性ガスやハロゲンガスを混合したフッ素含有プラズマを用いて、このプラズマにエッチング可能なセルフバイアス電圧を印加するエッチング工程と、
前記プラズマにエッチング可能なセルフバイアス電圧を印加しない若しくはエッチングが進行しない程度のセルフバイアス電圧を印加して、前記被エッチング材料表面を覆った金属製のエッチングマスクの表面改質を行う工程とを、
交互に繰り返してエッチングを行うことを特徴とするプラズマエッチング方法。
前記プラズマは、電子サイクロトロン共鳴を利用して発生させるものである請求項１記載のプラズマエッチング方法。
前記エッチングは、３ＭＨｚ以下の高周波電力を負電極に印加して行うものであり、前記エッチングと前記表面改質の切り替えは、前記高周波電力の増減で制御するものである請求項１または２記載のプラズマエッチング方法。
前記被エッチング材料は、酸化物材料であるニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムであり、前記エッチングガスは六フッ化硫黄ガスまたはフロン１４を含み、前記エッチングマスクの材料としてニッケルを用い、前記フッ素含有プラズマにはアルゴンまたはキセノンを混合したものである請求項３記載のプラズマエッチング方法。