JPS5990930A - ドライエツチング方法及び装置 - 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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、紫外光もしくはＸ線を利用した選択エツチン
グ方法及びそれに使用する装置に関する。

〔従来技術とその間一点〕

近年、集積回路素子のＶＬＳＩ化に伴ない、そのエツチ
ングプロセスで高いパターン変換差が求められているこ
とから、従来のウェットエツチング法にかわって、ＣＦ
４などのグロー放電を利用したプラズマエツチング法が
用いられるようになってきた。例えば′ｔｉｔ他材料色
材料用いられる多結晶シリコンなどのエツチングには　
ＣＦＩ、やＣ１，ガス等を用い、これらを放電させ、そ
の反応性イオンの衝撃によって異方性エツチングが行な
われる。このようなエツチングを選択的に行なうには、
まずフォトレジストをウェハ上に塗布し、これをＥＢや
光等によってパターン形成しこれをマスクとして上記反
応性イオンにさらすのが一般的である。それ故、精度の
よいパターンをウェノ・上にできるだけ正確に転写、つ
まシエッチングすることがＶｌ８１製造の懸案となって
おり、パターンがμｍ以下になってくるとごくわずかな
パターン変換差でもデバイスの電気的特性に大きな影響
を与えることになってしまう。又、上述したエツチング
では、試料がプラズマ中に置れているために、イオン、
電子などの荷電粒子の帯電による酸化膜の破壊やソフト
Ｘ線による閾値電圧のシフトなど種々の２ジエーシ目ン
ダメージを生じる。これらのラジエーシ四ンダメージの
中には、デバイスのＶｌ、ＳＩ化にとって致命傷となる
要因が多々含まれておシ無ダメージのエツチング技術が
切望されている。ところで、最近選択エツチングプロセ
スの簡素化のため、Ｍｌｉｌｌｅｒの電界・イオン顕微
鏡の原理（例えば、Ｅ、　Ｗ、　Ｍｉｌｌｌｅｒ　ａｎ
ｄ　Ｔ、　Ｔ、　’ｌ’５ｏｎｔ；　ｌｉ’１ｅｌｄ　
Ｉｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ。

ｊ４１ｓｅｖｉｅｒ、　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ　（１９６９
）参照）を利用したイオン源に、Ａｒなどの不活性ガス
を導入して電界電離させレンズで集束し、走査し、マス
クを用いず直接にイオンスパッタエツチングでパターン
を形成したシ、ＣＪ−２などの反応性ガス雰囲気中で上
記集束Ａｒイオンを衝撃して行うイオンアシストエツチ
ング（例えば、Ｔ、　Ｗ、　Ｃｏｂｕｒｎ、　Ｐｒｏｃ
、　８ｎｄ　Ｓｙｍｐ、　ｏｎ　ＤｒｙＰｒｏｃｅｓｓ
　（１９８０）Ｐ１０３参照）を利用したマスクレスの
選択エツチングなどが報告されている。しかし、これら
に於いても試料照射のイオンエネルギが極めて高い（数
１０ＫｅＶ　）ため、基板に対するダメージが避けがた
く、まだ、集束したイオンビームを走査しながらエツチ
ングするため、大口径ウエノ１に対して量産性を上げる
ことは難しい状態にある。

この他、マスクレスプロセスとしては、例えば、ＡＬｔ
０８やＳム薄膜からなるマスクをウエノ・上に近接して
配置し、コリメートされた・イオンビームをステップア
ンドリピート方式で照射する方法が提案されているが、
芙際には、このマスクの製作が困難であυ、また、マス
クの劣化など実用化できないのが現状である。

〔発明の目的〕

本発明は、エツチングパターンの精度がすぐれかつエツ
チングされる基板に損傷を与えることがなく、又基板に
密着したマスクが不要なドライエツチング方法及び装置
を提供することを目的としている。

〔発明の概要〕

本発明は、被エツチング材料から距離をおいて紫外光も
しくはＸ線の透過部及び非透過部を有するマスクを配置
し、前記被エツチング材料上に塩素等の反応性ガスを導
入するとともに紫外光もしくはＸ線を前記マスクの紫外
光もしくはＸ＃１１の透過部を通して前記被エツチング
材料へ照射して前記被エツチング材料を、損傷無く、被
エツチング材料に密着形成されるマスク無しに選択的に
エツチングするものである。

第１図及び第２図は本発明Ｑ基鍵となった実験結果を説
明するためのそれぞれ実験装置ｆｇ略図及び基板温度対
エツチング速度特性図である。第１図に於いて、（１）
は例えばＨｐ　−Ｘｅ紫外線ランプでｓｂランプハウス
（２）内に収約されておシ、紫外光に対して透明な溶融
石共レンズ（３）、及び溶融石莢からなる窓（４）を通
して、排気ＩＱ１）された反応室（１０）内に設けた被
エツチング材料（５）上に集光される。

また、被エツチング材料（５）は、ステンレスよシなる
ステージ（１２）に埋込まれたヒータ（７）によシ加熱
されることが可能であり、その温度は熱′シ対（６）に
よル測定される。第２図は、この様な実験装置に於いて
、反応室（ｌＯ）内にマスフローメータ（９）を通して
（ＪＲガスを導入口（８）よシ導入し、基板温度を上げ
ながら同時に紫外光を照射し、リン添加多結晶シリコン
（Ｐ　−ｄｏｐｅｄ　Ｐｏ１ｙ　−８１；曲線Ａ）と非
不純物添加多結晶クリニア　ン（ｕｎｄｏｐｅｄ　−Ｐ
ｏ１ｙ　−８１Ｈ曲ＩｆＭＢ）のエツチング速度を調べ
たものである。

：Ｉニー　ｙ　ｆ　ング圧力は１ＱＴｏｒｒ　、　ＨＪ
Ｆ　−Ｘｅランプ（１）出力は２００Ｗでめる。その結
果、両方の試料とも、大きな基板温度依存性を示し、塩
素によるエツチングが、気相中で光解離したＣＪ−よシ
も、表面に吸着した（Ｊ、から光解離によシ生じたＣＪ
原子によシ主に行われることが判明した。基板温匿１５
０℃付近までのＰドープト多結晶シリコンのエツチング
速度の増加は、温度上昇によるリンの引抜きの促門の結
果、８ｉ−８ｔ結合が脆弱になるためであると考えられ
る。一方、アンド−ブト多結晶シリコンは、基板温度を
上げるだけでは全くエツチングされず、表面に吸着した
Ｃ−１２の熱脱離が促進されて、エツチング速度は単調
に減少する。

ここで特記したいのは、紫外光を照射しない場合には、
室温においては、両試料とも全くエツチングされず、光
照射によ勺初めてエツチングされ、かつ、このエツチン
グの促進が、紫外光による５ｔ−８ｔ結合の励起による
という事実でおる。このことを第３図を用いて更に説明
する。第３図（ａ）。

（ｂ）は、各々ｓｉｏ、マスク及びＡＪ−マスクを使用
したアンド−ブト多結晶シリコンのエツチング形状を示
す断面図であシ、（１８）は光線、（１３）は８　ｉｏ
、のマスク、（１９）はＡｊのマスク、（１４）は非不
純物添加多結晶シリコン、（１６）はシリコン単結゛晶
基板、（１５）は８１０、膜である。エツチング条件は
、室温において、第２図と同一条件で行った。その結果
、ＳｔＯ，マスク（１３を使用した場合には該マスクの
下に、穴状のえぐれ（１７）を生じるが、ＡＡマスク（
１９）の場合にはこの様なえぐれはなく、ハはマスク通
シの垂直なエツチングが達成されることが見い出された
。、Ｓｌｙ。

マスク（１３）の場合には、紫外光に対して透明マスク
と考えられ、マスク下の多結晶シリコン表向で５ｔ−ｓ
ｔ結合が励起されて、８１０２マスクとアンド−ブト多
結晶シリコン（１４）界面から横方向へエツチングが進
行する。一方、ＡＩマスク（１９）の場合には、紫外光
を吸収、又は反射するため、横方向へのエツチングは生
じない。すなわら、紫外光が照射された多結晶シリコン
表向のみが優先してエツチングされることが判明した。

この効果は、前述のイオンアシストエツチング効果と非
常に類似の効果である。第４図（ａ）　、　（ｂ）は、
各々８４０！マスク及びＡＩマスクを使用した場合Ｐド
ープト多結晶シリコン（２０）に対するエツチング結果
であシ、第３図と同一部月は同一符号で示されている。

Ｐ多結晶シリコンの場合、Ｐの引抜き効果のため、第３
図（ａ）のアンド−ブト多結晶シリコンにおけるえぐれ
（１７）は容易に拡がって、大きなアンダカッ）　（２
１）を生じるが、Ａｊマスクを用いればアンド−ブト多
結晶シリコン同様に異方性となシ、やはシ光照射部のエ
ツチングが促進されることが見い出された。

本発明は以上の事実に基ずいてなされたものである。

〔発明の実施例〕

第５図は本発明方法の一実施例を説明するための説明図
である。

図に於いて、ウェハー（１００）はシリコン単結晶基板
（２６）上に二酸化硅素膜（２５）が形成され、更にそ
の上に被エツチング材料である多結晶シリコン膜（２４
）が形成されたものである。これは、例えばＭＯ８集積
回路に於ける多結晶シリコンから成るＭＯＳ）ランジス
タのゲート電極のバターニング前の状態を示している。

このウェハー（１００）上には間隔をおいて対向するよ
うにマスク（１０１）が配置されている。このマスク（
１０１）は、紫外光に対して透明なサファイア等の基板
（２２）と、この基板（２２）上に形成される紫外線に
対して反射もしくは吸収する性質を有し紫外線の非透過
部を構成するアルミニウム、クロム等の金属から成るマ
スクパターン（２８）から構成されている。基板（２２
）のマスクパターン（２８）が被覆されない部分は紫外
線の透過部となる。マスク（１０１）とウェハー（１０
０）の間隙に塩素等の反応性ガス（２３）を導入すると
共に上方よシ、例えばＨｐ　−Ｘｅランプの紫外光（２
７）を照射することにより、マスク（１０１）を通過し
た紫外線が被エツチング材料（２４）に照射され前述し
た原理にヨ）、被エツチング材料（２４）が選択エツチ
ングされる。

尚、上述した実施例では、紫外光をウェハー（１００）
に対して一括照射して選択エツチングしているが、ステ
ップ状に照射したシ、するいに第６図に示すようにシリ
ンドリカルレンズによシウェハ−（１００）の長径よシ
も大角〈集光した紫外光Ｇ２９）を所定の方向に往復さ
せることにより均一なエツチングを達成することもで龜
る。この場合、紫外光を往復させる代わシにウェハー（
ｉｏｏ）を載置する台を往復動させても同様な効果が得
られる。

これらの実施例に於いて、Ｆ地あ二酸化硅素膜（２５）
は全くエツチングされず、殆んど無限大に近いエツチン
グの選択比が得られた。

第７図は本発明装置の一実施例を示す配置図である。

図に於いて反応容器（４５）内には、被エツチング材料
（４７）を載置する載置台（テーブル）　（４６）が設
けられており、この載置台（４６）は軸受（ｓｇによシ
支承され丸軸（５０）を介してＸ−Ｙ走査のだめの駆動
機構（４８）により移動ｈ」能となっている。また反応
容器（４５）には、反応性ガス（２３）を導入するだめ
の導入管（４９）が接続されておシ、又排気管（５０）
により排気できるようになっている。容器（４５）外に
Ｕ　ｆｆ　、（り（４３）が固定配置されている。この
マスク（４３）は紫外線を透過する溶融石英等の基板（
２２）とその表面上に形成された紫外線を反射もしくは
吸収するＣｒＱ＃の金属で構成されたＩＣパターンの５
〜ｌＯ倍の大きさのマスクパターン（２８）とから成っ
ておシ、メタルマスクレチクルと一般的に称されるもの
である。

更に容器（４５）外にはＨｙ　−Ｘｅランプ光源（４０
）が固定配置されており、この光源（４０）から発した
紫外光はミラー（４１）で反射されレンズ（４２）によ
υマスク（４３）へ照射され、選択的にマスク（４３）
を通過する。通過した紫外光は更に容器（４５）壁に設
けたレンズ（４４）によ如被エツチング材料（４７）上
に集光され照射される。この装置はステップアンドリピ
ート方式であって次のような動作を行なう。すなわち、
Ｈｐ−Ｘｅランプ光源（４０）から放出された紫外線光
は、ミラー（４１）で反射されてレンズ（４２）を経て
マスク（４３）を通過する。この影ノくターンはレンズ
（４４）を通して、反応容器（４５）内に導かれ、Ｘ−
Ｙ走査を可能にするウエノ・−載置台（４６）上のシリ
コンウェハー（４７）に画直に集光され転写される。Ｘ
−Ｙ走査駆動機構（４Ｂ）はウエノ・−の所望箇所を順
次紫外線照射するための移動機構である。導入管（４９
）から例えば塩素ガスが導入され、反応容器（４５）内
の圧力を１０　Ｔｏｒｒ　程腿にしながら排気管（５０
）から排気すると、シリコンからなる被エツチング材料
（４７）にマスク（４３）のパターンの”／１０から１
１５のエツチングパターンがレジストを用いることな、
く形成される。

〔発明の他の実施例〕

上述した実施例では、多結晶／リコンのエツチングにつ
いて説明したが、本発明は、これにとどまることなく、
例えば、平均出力がｌＯＷ以上の高出力の紫外線を発す
るＫｒＦ’やＸｅＦのレーザを用いれば、Ｓｉｎ、　、
　５ｉｓＮ、などの絶縁物のエツチングも可能であり、
さらに、基板温度を上げることにより、ＡＪやＡ１合金
も異方性エツチングされることが確められた。

さらに、ガスとして、ＯＲを用いれば、レジストなどの
有機材料のエツチングも達成される。その他、例えば、
ＣＪｔにＨ７を添加した混合ガスの場合には、光解離し
たＣＪ−ラジカルとＨラジカルが反応して、ＨＣＪ−と
じて系外へ排気埒れ、アンダカットの原因となるＣｌラ
ジカルを有効に除去してやることもできる。

要するに、本発明に於いて反応性ガスとしては、Ｃｌ−
２，Ｂｒ　、　Ｉ、などのノ・ロゲン元素、少なくとも
ノ・ロゲン元素を言むｃｐ、　、　ｃｎｉ＋、　、　ｃ
ｃｔｙ、　、　ｃｃ、、　、　５ｔｃｔ、　。

ＢＣＬ８など通常プラズマエツチングに使用されるガス
、あるいは、Ｈ２，０，などのノ・ロゲン元素を含まな
い反応性ガス、さらには、これらの混合ガスを用い、被
エツチング材料（２４）、　（４７）としては、単結晶
シリコン、多結晶シリコン、アルミニウム、′ア　・ル
ミニウム合金、　Ｗ、　Ｔａ　、　Ｍｏ等の高融点金属
シリコンのシリサイド化合物、　ＩｎＰ　、　ＧａＡｓ
などの化合物半導体、さらには、これら材料の酸化物、
レジストなどの高分子材料を用いることができる。又、
マスクパターンの形成される基板（２２）としては、溶
融石英以外に高純就アルミナ単結晶、リチウムフロライ
ドなど、紫外光に対して透明である材料を用いることが
できる。またマスクとして紫外線を反射又は吸収する平
板を用いて、これに紫外光透過用の孔パターンを設ける
ように構成してもよい。更に上述の実施例における被エ
ツチング材料（２２）、　（４７）の載置台（４６）は
、エツチングレートを調整するため加熱又は冷卸手段を
備えていてもよい。

更に上述した実施例では、反応性ガスを活性化するため
紫外線を照射したが、これに代えてＸ線を用いても同様
なエツチング効果が得られた。

〔発明の効果〕

以上述べた本発明によればエツチングパターンの精度が
すぐれ、プラズマエッチングのようにエツチングされる
基板に損傷を与えることもなく、又基板に密層したマス
クが不要であるので、半導体装置の製造が簡素化される
等多大な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基鑓となる原理を確認するための実験
装置の概要を示す配置図、第２図は基板温度とエツチン
グ速度の関係を示す特性図、第３図（ａ）　、　（ｂ）
は谷々８ｉ（Ｊ、マスク及びＡＪ−マスクを用いた場合
のアンド−ブト多結晶シリコンのエツチング状況を示す
断面図、第４図（ａ）、　（ｂ）は各々Ｓ　ｉｏ、マス
ク及びＡＪ−マスクを使用した場合のＰドーグト多結晶
シリコンのエツチング状況を示す断面図、第５図及び第
６図は各々本発明方法の各実施例を説明するだめの説明
図、第７図は本発明装置の一実施例を示す配置図である
。 ２７・２９・・・紫外光、　　　４０・・・Ｈｔ−Ｘｓ
ランプ光源、４３・１０１・・・マスク、　２２・・・
透明基板、四・・・金属パターン、２４・４７・・・被
エツチング材料、４６・・・載置台。 （７３１７）代理人　弁理士　　則　近　憲　佑（ほか
１名） 第　　２　　図 差級う五泉　　（°Ｃ） 第３図

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）被エツチング材料から距離をおいて紫外光もしく
   はＸ線の透過部及び非透過部を有するマスクを配置し、
   前記被エツチング材料上に反応性ガスを導入するととも
   に紫外光もしくはＸ線を前記マスクの紫外光もしく娘Ｘ
   線の透過部を通して前記被エツチング材料へ照射して前
   記被エツチング材料を選択的にエツチングすることを特
   徴とするドライエツチング方法。
2. （２）マスクは、紫外光もしくはＸ線を透過する基板と
   この基板表面に形成される紫外光もしくはＸ線を吸収も
   しくは反射する材料からなるマスクパターンとから構成
   されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載し
   たドライエツチング方法。
3. （３）被エツチング材料は、紫外光もしくはＸ線の照射
   に対して相対的に機械的に移動されることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のドライエツチング方法。
4. （４）反応性ガスは、Ｃ’ｔ、　Ｂｒ　、　Ｉ、などの
   ノ・ロゲン元素、少なくともハロゲン元累を含むＣＦ、
   　、　ＣＨＦ、　＋。 ＣＣＬＦ２．　ＣＣｊ−４，５ｉＣＪ４．　ＢＣＪ、Ｂ
   ｉどのプラズマエツチングに使用されるガス、るるいは
   、Ｈ２，０，などの反応性ガスから選ばれる少くとも一
   種であることを特徴とする特許請求の範囲第１乃至第３
   項記載のドライエツチング方法。
5. （５）被エツチング材料は、単結晶シリコン、多結晶シ
   リコン、アルミニウム、アルミニウム合金もしくはＷ　
   、　Ｔａ　、　Ｍｏ等の高融点金属と硅素のシリサイド
   化合物、　ＩｎＰ　、　０ａＡｓなどの化合物半導体、
   さらには、これら材料の酸化物もしくはレジストな法。
6. （６）紫外光又はｘｉｔｍｕ、一括して又はステップ状
   に被エツチング材料に照射されることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のドライエツチング方法。
7. （７）紫外光もしくはＸ線が、シリンドリカルレンズに
   よシ被エツチング材料の長径よυも大きく集光されると
   共に、該集光領域が被エツチング材料全体にわたって走
   査・Ｊ−′か、又は、前記被エツチング材料が走査され
   ることを特徴とする請求の範囲第１項記載のドライエツ
   チング方法。
8. （８）紫外光又はＸ線は、被エツチング材料に対して垂
   直かつ該拐料表面上に集光されることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のドライエツチング方法。
9. （９）マスクパターンの形成された基板は、溶融石英、
   高純度アルミナ単結晶、リチウムフロライドなど、紫外
   光に対して透明な材料によ多構成されることを特徴とす
   るｊｉＶ　ｉ’Ｆ　ｉｉＮ求の範囲第２項記載のドライ
   エツチング方法。 （ＩＱマスクは、紫外光もしくはＸ線を吸収又は反射す
   る拐料からなる紫外光又はＸ線の透過部を有することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載したドライエツ
   チング方法。 １反応性ガスが尋人されかつ排気される反応容器と、こ
   の容器内に設けられ被エツチング材料を載置する移動可
   能な載置台と、との載置台を駆動する手段と、前記被エ
   ツチング材料から距離をおいて配置されるとともに紫外
   光もしくはｘ、１の透過部及び非透過部を有するマスク
   と、このマスクの紫外光もしくはＸ線の透過部を通して
   紫外光もしくはＸ線を前記被エツチング材料へ照射する
   ための照射源とを具備したドライエツチング装置。 αクマスクは、被エツチング材料と対向配置されること
   を特徴とする特許請求の範囲第１１項に記載のドライエ
   ツチング装置ｉｔ。 （１３マスク及び照射源は反応容器外に設けられかつ前
   記マスクを通過した紫外光もしくはＸ線は前記反応容器
   壁に設けた紫外光又はＸａの透過窓を通して被エツチン
   グ材料に照射されることを特徴とする特許請求の範囲第
   １１項に記載したドライエツチング装置。 たドライエツチング装置。 （ｌ騰マスクは、紫外光もしくはＸ線を透過する基板と
   、この基板表面に形成される紫外光もしくはＸ線を吸収
   もしくは反射する材料からなるマスクチング装置。