JPH0695501B2 - エッチング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の属する技術分野） 本発明はイオン衝撃の物理的および化学的効果を利用し
て材料表面をエッチングするエッチング方法に関するも
のであり、特に半導体集積回路や光集積回路などの微細
なパターン形成のためのエッチング方法に関するもので
ある。

（従来の技術） 従来のこの種エッチング方法に用いられるエッチング装
置はカウフマン形のイオン源として知られ、第１図に示
すような構成をとっていた。ここで、プラズマ発生室１
の内部には熱電子を放出させるための熱フィラメント２
を配置し、プラズマ発生室１の壁面３を陽極、熱フィラ
メント２を陰極とした直流放電によって、プラズマ発生
室１の内部にプラズマを発生させる。プラズマ発生室１
の外周には放電の効率を高めるための磁気コイル４が周
設されている。プラズマ発生室１の内部に発生したプラ
ズマを例えば３枚のメッシュ状電極板5A,5B,5Cより成る
イオン引出し電極５に通してシヤワ状のイオンビームを
形成する。このイオンシヤワをプラズマ発生室１に隣接
して設けた試料室６に導く。試料室６内には試料台７を
設け、この試料台７上にエッチングすべき試料８を載置
する。それにより、プラズマ発生室１から電極５を介し
て形成されたイオンシヤワにより試料台７上の試料８を
イオン照射（試料をエッチング）していた。更に第１図
において、９は熱フィラメント２の加熱用電源、10は直
流放電用電源である。11はプラズマ発生室１に導入され
るガスの導入口であり、可変バルブ（図示省略）の調整
によってガス流量およびプラズマ発生室１内のガス圧を
制御できるように構成されている。この導入口11から導
入されたガスはメッシュ状イオン引出し電極５を通り、
試料室６を経て油拡散ポンプおよび油回転ポンプより構
成されている排気系12に導かれ、ここより排気される。
なお、プラズマ発生室１および試料室６には真空ゲージ
（図示省略）が取付けられている。

このように、従来装置では熱フィラメント２を用いてイ
オンを生成するように構成されていたので、イオンの種
類すなわちプラズマ発生室１に導入するガスの種類とし
ては、アルゴンなどの不活性ガスに限定されていた。す
なわち、プラズマエッチングやプラズマ・スパッタ複合
エッチング（反応性スパッタエッチング）に用いられる
フレオンガスや酸素ガスなどの反応性ガスをプラズマ発
生室１に導入すると、フィラメント２の断線や熱電子放
出量の著しい低減などの問題を生じるので、従来装置で
は反応性ガスによるエッチング、すなわちイオン衝撃の
化学的効果を利用したエッチング法を行なうことができ
ないという欠点があった。

一方、反応性ガスを用いることができるエッチング方法
としては、プラズマエッチング方法及び反応性スパッタ
エッチング（プラズマ・スパッタ複合エッチング）方法
がある。しかしこれらのエッチング方法はプラズマの生
成とイオンエネルギーの付与を独立して制御できず、試
料へのイオン入射方向を自由に制御できなかった。その
他反応性スパッタエッチング方法では、反応性生成物が
プラズマにさらされるため、エッチングの特性が不安定
になる等の欠点があった。

ところで、マイクロ波による電子サイクロトロン共鳴を
利用した放電形式は、核融合研究のためのプラズマ発生
源や原子核などの研究用のイオン生成源などに以前から
用いられていた。最近、このような放電形式を応用して
イオン注入装置やプラズマ装置が開発されてきたが、こ
のイオン生成源を大面積の試料をエッチングするエッチ
ング方法に適用することは全く考えられていなかった。
即ち、仮にかかるイオン源をエッチング方法に用いても
プラズマ励起方式として同軸ケーブル構造を用いたり、
ビーム径を絞るためにミラー磁場を採用しているため大
口径の面積をエッチングするエッチング方法を実現でき
ないという欠点があった。

（発明の目的） 本発明はこれらの欠点を解決するため、熱フィラメント
を用いないで、マイクロ波により電子サイクロトロン共
鳴を用いた放電によりプラズマ発生室内に反応性ガスの
プラズマを発生させ、発生させたプラズマを発散磁場と
の相互作用によりイオン引出し電極まで輸送して、イオ
ン引出し電極に到達したプラズマからイオンをシヤワ状
に引出し、引き出されたイオンシヤワにより試料をエッ
チングするようにしたものである。

本発明の目的は、反応性ガスを用いることのできる新た
なエッチング方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、大面積にわたり均一に試料をエッ
チングできるエッチング方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、異方性エッチングのエッチング速
度を大きくできるエッチング方法を提供することにあ
る。

本発明の他の目的は、プラズマの生成とイオンエネルギ
ーの付与を独立して制御できるエッチング方法を提供す
ることにある。

（発明の構成） まず本発明の実施に際し使用するエッチング装置につい
て、以下に図面を参照して詳細に説明する。

第２図は新規なエッチング装置であって、13はプラズマ
発生室１にあけた開口に設けたマイクロ波導入用窓であ
って、プラズマ発生室１の内部を真空に保持でき、かつ
マイクロ波が透過できるように、例えば石英ガラス板に
より構成するのが好適である。14は窓13に取付けたマイ
クロ波導入のための矩形導波管であり、図示を省略した
整合器、マイクロ波電力計、アイソレータを経てマイク
ロ波源に結合されている。マイクロ波源として、例えば
周波数2.45GHzで最大出力1300Wのマグネトロンを用いる
ことができる。15は電子サイクロトロン共鳴を引起すに
必要な磁場発生用の磁気コイルである。ここで、イオン
引出しの効果を高めるために、磁気コイル15は、磁場強
度がプラズマ発生室１の中央部からイオン引出し電極５
に向かって弱くなる、いわゆる発散磁場を形成するよう
な構成とする。周波数2.45GHzのマイクロ波に対して
は、磁場強度875ガウスの条件で電子サイクロトロン共
鳴が引起されるため、本例では、磁気コイル15として
は、余裕度を考慮して、最大1500ガウスの磁場を発生で
きるものとした。また、マイクロ波の電磁場強度を高め
てマイクロ波電力を有効に利用するため、プラズマ発生
室１はマイクロ波空胴共振器の条件となるような形状寸
法とするのが好都合である。第２図における励起では円
形空胴共振器のTE_11nモード（ｎは整数）を利用するの
が便利であるため、一例として、ｎ＝３とし、直径200m
m、高さ200mmの内のり寸法の形状を採用した。プラズマ
発生室１は水冷方式等で冷却し、プラズマによって温度
が上昇することを防止するものとする。イオン引出し用
電極５は、例えば直径100mmの領域に直径3mmの穴を多数
あけた３枚の金属板5A,5B,5Cからなり、イオンシヤワ径
は100mmφとなるものとする。イオンシヤワ径の増大の
要求に対しては、電極板5A〜5Cのみを交換することによ
り容易に150mmφ以上に変えることができる。電極板5A
〜5Cから引き出されたシヤワ状イオンビームは試料室６
内に設けられた試料台７およびその上に載置された試料
８の表面に照射される。試料室６は排気系12に接続され
ている。排気系12は、例えば油拡散ポンプ（1200l/se
c）および油回転ポンプ（500l/min）により構成でき
る。

イオン引出し電極５は従来と同様に構成し、その３枚の
電極板5A〜5Cのうち、最も上の電極板5Aはプラズマ発生
室１と同電位であり、接地電位に対して０〜＋2kVの正
電位が印加されるようにする。最も下の電極板5Cは接地
電位であり、試料室６と同電位とする。中間の電極板5B
は接地電位に対して０〜−300Vの負電位が印加されるよ
うにして、シヤワ状イオンビームの平行性を改善し、試
料室側からの電子の流入を防止するようにする。ここ
で、イオンは最も上の電極板5Aと最も下の電極板5Cとの
間の印加された０〜2kVの電圧によって、プラズマ発生
室１から引出され加速されて、シヤワ状イオンビームと
なって試料８を照射する。

なお、試料台７は、プラズマ・スパッタ複合エッチング
（反応性スパッタエッチング）法とは異なり、プラズマ
発生用の電極を兼ねていないため、表面形状や電気的接
続などの条件に拘束されることなく構成できるので、試
料台７に試料冷却機構を設けてもよい。また、試料台７
を傾斜させたり回転させたりする機構を設けてもよい。

エッチングすべき試料６が絶縁体の場合は、イオンシヤ
ワの照射によって試料が正の電位に帯電し、エッチ速度
が減少することがあるが、従来のイオンシヤワ装置の場
合と同様に、試料室６の内部に熱電子放出用のフィラメ
ントを取付けてこれを防止することもできる。

試料台７の表面およびプラズマ発生室１の内壁の材質と
してテフロン，カーボン，シリコン，石英ガラスなどを
使用する方法など、プラズマ・スパッタ複合エッチング
（反応性スパッタエッチング）やプラズマエッチングに
おけると同様の方法を適用することができる。この方法
はエッチングすべき試料の汚染防止にも役立つ。この観
点から、イオン引出し電極板の材質としてシリコンまた
はカーボンを用いることも、金属汚染をきらう半導体集
積回路の製造工程などへの適用にあたって効果がある。

なお、本発明の方法に使用するイオンシヤワ装置は上述
した微細パターンエッチング装置のみならず、イオンシ
ヤワによる付着効果を利用した膜形成装置の構成にも適
用して極めて有効なものである。

本発明の実施例を以下に説明する。

プラズマ発生室１に反応性ガスとして例えばフレオンガ
ス（CF₄，C₂F₆等）をガス導入口11から導入し、例えば
2.45GHzのマイクロ波を導波管14、マイクロ波導入窓15
からプラズマ発生室１内に導入する。このときプラズマ
発生室１内には前記マイクロ波に対して電子サイクロト
ロン共鳴をおこす磁場が磁気コイル15によって印加され
ており、プラズマ発生室１内にプラズマが発生する。ま
た磁気コイル15は先に述べたようにプラズマ発生室１の
中央部からイオン引出し電極５に向かって単調に弱くな
る発散磁場を形成している。それ故、発生したプラズマ
はこの発散磁場の磁力線に沿って発生した所からイオン
引出し電極５に向かって角運動量が保存されるように輸
送される。このときプラズマがプラズマ発生室１の中央
付近で均一に発生し、磁力線の広がりに従ってプラズマ
が輸送されるので、イオン引出し電極に到達するプラズ
マは均一かつ大口径のものになる。またいろいろな方向
の運動成分をもった荷電粒子であっても磁場にはね返さ
れることなくイオン引出し電極に到達する。このように
してイオン引出し電極５に輸送されたプラズマから反応
性ガスのイオンがイオン引出し電極５によってプラズマ
発生室１からこれと隣接する試料室６に大口径のイオン
シャワ状になって引き出される。そして、イオン引出し
電極によって方向性とエネルギーを与えられたイオンが
試料室６内の試料台７上の試料８に照射され試料をエッ
チングする。

ここでイオンシヤワの特性について簡単に説明する。導
入ガスとして、フレオンガス（CF₄およびC₂F₆）を用い
た場合、プラズマ発生室１内のガス圧が８×10^-5Torr以
上のとき放電が可能であり、安定にプラズマが発生し
た。このときの試料室６内のガス圧は３×10^-5Torrであ
り、従来のイオンシヤワ装置に比較して、より広いガス
圧領域で安定なプラズマが得られた。また、イオンシヤ
ワの特性としては、プラズマ発生室１内のガス圧を５×
10^-4Torr、マイクロ波電力を400Wに設定し、イオン引出
し電極に1.5kVの電圧を印加したとき、イオン電流はフ
レオンガスで100mA以上の値が得られた。さらに、この
ときのイオンシヤワの強度分布はシヤワ径（100mmφ）
の範囲内で±５％以下であり、良好な均一性が得られ
た。なお、参考に同じ条件でアルゴンガスを用いたと
き、イオン電流は80mA以上であり、イオンシヤワの強度
分布は同様であった。

次にエッチング特性について説明する。

反応性ガスとしてC₂F₆ガスを導入し、加速電圧を1kVと
してイオン電流密度が0.5mA/cm²であるとき、SiO₂につ
いては600Å/min、Si₃N₄については400Å/minのエッチ
速度が得られた。また、レジスト（AZ1350J）をマスク
に用いて、３インチウエハ全面に良好なSiO₂パターンを
形成できた。さらに、反応性ガスとしてCBrF₃ガスを導
入し、加速電圧を1kVとして、イオン電流密度が0.5mA/c
m²であるとき、Siについては700Å/min、Si₃N₄について
は450Å/minのエッチ速度が得られた。このように、本
発明によれば反応性ガスの導入により、きわめて能率よ
くエッチングを行うことができる。

また、プラズマの生成とイオンの試料面の入射方向を独
立に制御できるので、例えば、試料台７を45°の角度に
傾斜させてエッチングを行えば、マスクのパターンが45
°の斜め方向に投影された形状の特殊な加工も実現でき
る。

プラズマ発生室に導入するガスとしては、これまで述べ
た他にフレオンガスなどに炭化水素や酸素などのガスを
混合したものを用いてもよい。

またこれまでは、プラズマ発生室１に反応性ガスを導入
した場合のエッチング方法について説明したが、プラズ
マ発生室１の他試料室６にガスを直接導入するエッチン
グ方法もある。即ち、エッチング特性の制御として、イ
オンシヤワによるイオン衝撃とは独立に試料室６に雰囲
気として酸素，水素，炭化水素，ハロゲン元素などの反
応性ガスを直接導入することにより、イオンシヤワエッ
チング法独自の新しいエッチング特性を実現することも
できる。この場合、プラズマ発生１に導入するガスは反
応性ガスでもよいし、アルゴンガスのようなガスでもよ
い。これによりイオン衝撃を伴なった試料面と雰囲気と
して導入された反応性ガスとの相互作用を利用すること
ができる。

なお、第２図のエッチング装置のプラズマ室にアルゴン
等の不活性ガスを用いてエッチングできることもいうま
でもない。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明は、従来の熱フィラメント
を用いた直流放電のかわりに、マイクロ波による、電子
サイクロトロン共鳴を利用した放電によってプラズマを
発生させ、発生したプラズマを発散磁場との相互作用で
その径を広げつつイオン引出し電極まで輸送し、イオン
をイオン引出し電極でシヤワ状試料室に引出しこのイオ
ンで試料をエッチングするエッチング方法である。プラ
ズマ発生をマイクロ波放電により行なうのでアルゴンな
どの不活性ガスだけでなく、フレオンガスや酸素ガスな
どの反応性ガスを利用することができる。発散磁場を利
用することにより、反応性ガスによるイオン衝撃の化学
的効果を利用したエッチング法が均一で大口径でできる
ようになる。また生成されたプラズマを効率よくイオン
引出し電極まで輸送できるので、高イオン電流がとれ、
異方性エッチングのエッチング速度を大きくできる。ま
た本発明はプラズマ・スパッタ複合エッチング（反応性
スパッタエッチング）やプラズマエッチング法と異な
り、エッチングすべき試料はプラズマとは分離されてお
り、試料室のガス圧が十分低いため、方向性をもったイ
オンによるエッチング効果をプラズマおよびガス自体の
化学的効果とは独立に制御することができる。さらに、
試料冷却機構によって、試料を冷却すれば、反応性ガス
自体の化学的効果による等方的なエッチングを低減する
ことができる。従って、本発明は、高精度かつパターン
の形状を制御できる高能率のエッチングを実現できる利
点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のイオンシヤワ装置の構成を示す線図、第
２図は本発明の方法の実施に使用するイオンシヤワエッ
チング装置の構成の一例を示す線図である。 １…プラズマ発生室、２…熱フィラメント（陰極）、３
…プラズマ発生室壁面（陽極）、４…磁気コイル、５…
イオン引出し電極、5A,5B,5C…電極板、６…試料室、７
…試料台、８…試料、９…熱フィラメント加熱用電源、
10…直流放電用電源、11…ガス導入口、12…排気系、13
…マイクロ波導入用窓、14…マイクロ波導入用矩形導波
管、15…サイクロトロン共鳴用磁気コイル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山崎 新一 東京都武蔵野市緑町３丁目９番11号 日本 電信電話株式会社武蔵野電気通信研究所内 (56)参考文献 特開 昭55−141729（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料を試料台に設置して冷却した状態で、
   プラズマ発生室に導入した反応性ガスをマイクロ波と磁
   場の存在下で電子サイクロトロン共鳴させプラズマを生
   成し、生成したプラズマをプラズマ生成箇所から徐々に
   イオン引出し電極に向かって弱くなる発散磁界との相互
   作用によって前記イオン引出し電極まで輸送し、前記イ
   オン引出し電極に到達したプラズマ中から前記反応性ガ
   スのイオンを前記プラズマ発生室の外へ引き出し、引き
   出された前記イオンにより前記試料をエッチングするこ
   とを特徴とするエッチング方法。
2. 【請求項２】試料を試料台に設置して冷却した状態で、
   プラズマ発生室に導入したガスをマイクロ波と磁場の存
   在下で電子サイクロトロン共鳴させプラズマを生成し、
   生成したプラズマをプラズマ生成箇所から徐々にイオン
   引出し電極に向かって弱くなる発散磁界との相互作用に
   よって前記イオン引出し電極まで輸送し、前記イオン引
   出し電極に到達したプラズマ中から前記ガスのイオンを
   前記プラズマ発生室と前記イオン引出し電極を隔てて設
   けられた試料室に引き出し、この引き出されたイオンと
   前記試料室に直接導入した反応性ガスとにより前記試料
   をエッチングすることを特徴とするエッチング方法。