ドライエッチング技術に関する研究

超ＬＳＩ製造における

ドライエッチング技術に関する研究

平成 17 年度

関根 誠

目 次

第 1 章 序論 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1 1-1 はじめに ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 2 1-2 ドライエッチング技術 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 2 1-3 技術課題 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 5 1-4 研究の目的と意義 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 9 1-5 本論文の構成 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 10

第 2 章 光励起エッチングの研究 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 13 2-1 はじめに ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 14 2-2 実験方法 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 16 2-3 Si の光励起エッチング ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 22 2-4 poly-Si の異方性エッチング ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 38 2-5 パターン転写 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 47 2-6 照射損傷の評価 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 53 2-7 光励起エッチング技術の限界 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 68 2-8 まとめ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 72

第 3 章 マグネトロン RIE 技術の開発 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 73

3-1 はじめに ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 74

3-2 マグネトロン RIE ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 74

3-3 照射損傷と磁界分布 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 79

3-4 損傷の発生機構と磁界分布の改善 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 84

3-5 まとめ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 104

第 4 章 マグネトロン RIE によるプロセス技術の展開 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 105 4-1 はじめに ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 106 4-2 トレンチ－単結晶 Si ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 107 4-3 ゲート電極－多結晶 Si ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 128 4-4 配線－Al 合金 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 139 4-5 コンタクトホール－SiO

膜 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 148 4-6 地球温暖化ガス排出量削減技術の検討 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 166 4-7 Si の超高速エッチング ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 169 4-8 まとめ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 174

第 5 章 ドライエッチング技術の効率的技術開発 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 175 5-1 はじめに ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 176 5-2

5-3

第 6 章 結 論 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 181 6-1 はじめに ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 182 6-2 本研究の成果 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 182 6-3

参考文献 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 187

謝辞 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 193

本研究に関する主要論文 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 194

本研究に関する国際学会 等の発表、およびその他の業績 ・・・・・・・・・・・・・・・・・ 198

第１章

序論

1-1 はじめに

ドライエッチング技術[1-7]は、リソグラフィ[8]により形成したフォトレジストパターンなどを マスクにして、反応性ガスのプラズマ[9-13]に晒すことにより、シリコン（Si）や金属、絶縁物 材料に溝やホールのパターンを作製する手法である。溶液を使用する湿式（ウェット）エッチン グに対し、ガスやガスを放電で励起して発生した活性な原子、分子さらにイオンを利用する。特 に反応性イオンエッチング（RIE: Reactive Ion Etching）[4,5]の技術が開発されてからは、リソ グラフィとともに半導体デバイスの高集積化を牽引する主要な生産技術として利用され、かつ研 究開発も活発化するなど、半導体デバイスの隆盛と共に発展した基盤技術である。デバイスの高 集積化、高性能化、さらにコストパフォーマンスの追及には今後ともプラズマを利用したドライ エッチング技術の開発が不可欠である。

著者がドライエッチングの研究に携わるようになったのは、RIE 技術が LSI（Large Scale

Integration）デバイスの生産に適用され始めた時期である。単純な平行平板型[2]の RIE 装置の

カソード上に 2~3 インチ径のシリコンウェハを多数並べ（バッチ式）、真空バルブの操作、ガス 流量設定と導入、圧力調整、RF 電源での放電励起、最後にウェハを取り出すまでの工程を、す べて手動で行う生産装置が使われ始めていた。現在の直径 300mm のウェハをカセット･ツゥー･

カセットで処理するというコンピュータ制御のフルオート装置を見ると、 20 年余りの期間である がその技術進歩の速さを改めて感じる。

本論文は、そのような RIE の導入期から間もなく 急激にドライエッチングの技術レベルを向 上させた発展期に、光励起エッチングを研究し、マグネトロン RIE 技術の開発を進め、さらにそ のプロセス性能の向上を通して現在の LSI 生産に僅かながらも寄与できた研究開発成果をまと めたものである。その間には、技術研究組合 超先端電子技術開発機構（ASET）[14-16]にて研 究を進める機会を得て、高度な課題に取り組むこともできた。最後にその成果も加え、今後の研 究の展開を展望している。

まず序論においては、エッチング技術開発の歴史と技術概要を述べ、エッチング技術の課題を まとめる。その上で、研究目的と異議を述べ、論文全体の構成を示す。

1-2 ドライエッチング技術

本節ではエッチング技術の沿革と技術概要について述べる。

エッチング技術は、写真製版技術であるリソグラフィにより形成したフォトレジストパターン をマスクとして、被加工膜を如何に精度良く、素子への損傷を少なく、かつ高効率に加工する技 術である。

トランジスタの発明[17,18]から、素子をウェハ上に多数構成する集積回路が 1950 年代末に発

明され[19,20]、その製造方法としてプレーナ技術[21]と呼ばれる方式が提案された。これはシリ

コン酸化膜（SiO

）をマスクとしてシリコン中に不純物を拡散する工程を繰り返すことにより半

導体集積回路を作るものである。さらに、シリコン上に作られた各素子の間の配線を、素子を絶 縁膜で被い、その上に形成される金属のパターンで行う構造が開発された[22]。

当時のパターン形成方法は液体の薬品による化学反応で被エッチング膜を溶解処理するウェ ットエッチングが用いられた。純粋な化学反応を利用するこの方法では耐薬品性を持つフォトレ ジストマスクのパターンエッジから等方的にエッチングが進行する。図 1.2.1 にエッチング形状 の例を示す。 SiO

薄膜上の多結晶シリコン（poly-Si）膜をエッチングした場合の等方性エッチン グ形状(a)と異方性エッチング形状(b)である。(a)ではエッチングを進めて下地のSiO

が露出する 段階でpoly-Siの膜厚相当のアンダーカットが生じることとなる。実際にはオーバーエッチングを 行うために、アンダーカットはさらにマスクの下に拡大し、マスクの寸法と被加工膜パターンの 寸法に膜厚の 2 倍以上の大きな差異が発生する。したがって、2~3 µmレベルのパターンの加工 までは使用できるが、更なる微細化には対応できない。微細化のためには、図 1.2.1(b)に示すよ うにマスク寸法通りに加工する異方性エッチングの技術が必要である。

さらに、ウェットエッチングでは、poly-Siや窒化シリコン（Si

N

）のエッチングでは、化学 反応を促進するために高温の薬液処理が必要であり、フォトレジストマスクの劣化が問題となる。

このようにパターン寸法の制御性が悪く、さらに化学反応性の高い薬液の廃液処理も課題であっ た。

一方、プラズマを使用したドライプロセスの開発は、活性化した酸素（O

）をフォトレジスト 膜に反応させて除去するアッシング技術[23]から始まった。フォトレジストの成分は高分子有機 系樹脂であり、プラズマで活性化した酸素分子、酸素原子と反応して揮発性の高いガスとして排 気する。従来、強酸を使用していたレジスト膜除去をドライで行うことが可能となった。

さらに、ハロゲンガスのプラズマによりSiをエッチングする技術が提案された[24]。次の式に 示すように、CF

ガスのプラズマにより発生した反応性の高いF原子（F*）がSiと反応して揮発

Photoresist mask

Si substrate

(a) Isotropic etching

(b) Anisotropic etching

Poly-Si Si substrate

Poly-Si Undercut

Photoresist mask SiO

SiO

Photoresist mask

Si substrate

(a) Isotropic etching

(b) Anisotropic etching

Poly-Si Si substrate

Poly-Si Undercut

Photoresist mask SiO

SiO

図 1.2.1 エッチング形状の (a)等方性（Isotropic）と (b)異方性（Anisotropic）

性の高いSiF

ガスとなり排気され、エッチングが可能となる。

CF

＋ e

→ CF

+ F* ＋ 2e

Si ＋ 4 F* → SiF

↑

その後、この反応系にO

を添加することで、上記の反応系で残るCを効果的に除去し、大量の F*を供給できることがわかり、CDE（Chemical Dry Etching）技術[1]が発明された。被エッチ ング膜表面に拡散で供給されるF*によるエッチングは、ウェットプロセスと同様に等方的なエッ チングとなり、～2µm程度より微細なパターンの加工には使用できないが、薄膜の除去や表面処 理などで現在も使われている。

異方性の加工に関しては、 1970 年代中ごろに Heinecke 等により、平行平板型の電極間で低圧 力のハロゲンガスプラズマを発生させ、片側の電極に載せたウェハ表面で加工が可能であること が示されたこと[24-26]が最初である。 0.1～0.5Torr 程度の圧力でプラズマを発生させることで粒 子の平均自由行程が長くなり、ウェハ表面に形成されるイオンシース内でのイオンの散乱が減少、

ウェハへ垂直に供給されるイオンが増加する。イオン衝撃を受けた面のエッチング速度が高まる ことから異方性加工が可能となる。これにより RIE が開発されるに至った[27,28]。

その後、 1980 年代初めにかけて Coburn や Flamm 等により、 RIE における異方性加工の機構 が調査され、ハロゲン元素の存在下でイオン衝撃を受けた表面のエッチング反応が著しく促進さ れることが発見され、イオン支援エッチングの原理が明らかにされた[29,30] 。図 1.2.2 に RIE における異方性エッチングの機構を図示した。(a)は上述のイオン支援エッチング反応（Ion assisted etch reaction）であり、エッチング種が吸着した表面（Adsorbed layer）をイオンが衝 撃することで、エッチング種と被エッチング材料の反応が促進される。

一方、 (b)の側壁保護膜（Sidewall protection film）の形成は、ハロゲン分子や原子などの中性 のエッチング種と容易に反応が進む材料（例えば、n

poly-SiとCl原子、SiとF原子、AlとCl

分 子、Cl原子等の場合）を加工する場合に適用される。エッチング生成物（図の例ではSiClx）や レジストの分解物などがパターン側面に堆積し中性のエッチング種との反応を抑制することが 知られている[31]。イオンが衝撃する面ではこの薄膜が除去されるために、異方性の加工が可能 となる。

これらの技術が現在まで使用されている RIE の基本であり、その後、本研究のマグネトロン

RIE を契機に RIE の高性能化を目指した新たなプラズマ生成方式が現在までに数多く開発され

た。さらにガスケミストリーの研究により、いろいろな被エッチング膜種において高精度の加工

が追及され、半導体デバイスの高集積化、微細化を通して高性能デバイスの実現に寄与している。

n

-Poly-Si

Photoresist mask

Cl ⁺

Si substrate

Cl ⁺

Cl*

SiCl ₄

SiCl

Cl*

Cl*

CH

poly-Si

(b) Sidewall protection film (Etch products, ..)

Adsorbed layer

(a) Ion assisted etch reaction

n

-Poly-Si

Photoresist mask

Cl ⁺

Si substrate

Cl ⁺

Cl*

SiCl ₄

SiCl

Cl*

Cl*

CH

poly-Si

(b) Sidewall protection film (Etch products, ..)

Adsorbed layer

(a) Ion assisted etch reaction 図 1.2.2 RIE による異方性エッチングの機構

(a)イオン支援エッチング（Ion assisted etch reaction）

(b)側壁保護膜（Sidewall protection film）の形成

1-3 技術課題

1-2 節で、エッチング技術の沿革、概要と本研究を開始する当時までの技術開発状況を概説し た。初期の RIE 技術では、照射損傷の発生、低いエッチング速度、形状制御、再現性や均一性な ど基本的な性能に関して多くの課題があった。以下に技術課題と本研究の対象について述べる。

図 1.3.1 にトレンチ容量を使用した DRAM（Dynamic Random Access Memory）の素子の断 面形状を示す[32]。トレンチ開口寸法（直径）が 1µm 程度の寸法である。

まず、薄いゲート酸化膜（SiO

）がワードラインおよびMOS（Metal-Oxide-Semiconductor）

構造FET（Field Effect Transistor）のゲート電極下に設けられる。本研究に着手する時点で使 用されていた従来の単純な平行平板型のRIE装置を用いて、これらのワードラインやゲートの加 工を行うと、下地のゲートSiO

膜が照射損傷を受けて絶縁耐圧劣化や絶縁破壊を引きおこす場合 があった。この原因が、ウェハ表面の帯電[33,34]あるいはパターン内外で発生する電位差[35,36]

などにあることがわかってきている。照射損傷を与える要因を図 1.3.2 に示した。上記の様にパ

ターンの帯電に起因すると考えられる絶縁破壊は、プラズマを使用する場合には本質的な問題で

ある。また、基板を衝撃し、結晶欠陥や不純物を打ち込む物理的な損傷（Physical damage）も

イオンに起因し、特にイオンエネルギーが影響する。また、プラズマで生成されるX線や真空紫

外光（VUV）はエネルギーがSiO

のバンドギャップより大きくSiO

膜中に欠陥や準位を形成す

る可能性がある。

Si substrate

Bitline Contact

Wordline (n

poly-Si) Gate(n

poly-Si)

P-well Junction

Oxide collar

Storage trench n

poly-Si

Si substrate

Bitline Contact

Wordline (n

poly-Si) Gate(n

poly-Si)

P-well Junction

Oxide collar

Storage trench n

poly-Si

Gate oxide (SiO

)

Si substrate

Bitline Contact

Wordline (n

poly-Si) Gate(n

poly-Si)

P-well Junction

Oxide collar

Storage trench n

poly-Si

Si substrate

Bitline Contact

Wordline (n

poly-Si) Gate(n

poly-Si)

P-well Junction

Oxide collar

Storage trench n

poly-Si

Gate oxide (SiO

)

図 1.3.1 トレンチ容量を使用した DRAM 素子の断面形状

Photoresist mask

Physical damage Contamination

X-ray, VUV

SiO ₂

poly-Si

＋

Si substrate

+ + + + + e

e

e

e

e

e

e

e

Charge build-up

Photoresist mask

Physical damage Contamination

X-ray, VUV

SiO ₂

poly-Si

＋

Si substrate

+ + + + + e

e

e

e

e

e

e

e

Charge build-up

図 1.3.2 照射損傷を与える要因

これらの照射損傷を抑制するためにプラズマを使用せずに、エネルギーの低い光を照射して加

工する光励起エッチングの研究を行った。特に帯電に起因する照射損傷は光励起エッチングでは

発生しないと考えられる。光励起エッチングについては、第 2 章で詳述するように、そもそもエ

ッチングが可能であるのか、本当に照射損傷が発生しないのか、光照射の特徴を生かしてレジス

トマスクなしでパターン形成ができないか、さらにパターン寸法が波長よりも短い領域で微細な

エッチングが可能であるかの調査を行った。

光励起エッチングで照射損傷のない加工技術を追及する一方で、マグネトロン RIE を使用して の低照射損傷、高速、高精度エッチングの研究を行った。マグネトロン RIE は、単純な平行平板 型 RIE においてウェハと平行に磁界を与えることで、従来より低いガス圧力においても高密度の プラズマを形成することが可能である。また、磁界の存在により、ウェハを衝撃するイオンエネ ルギーを下げることで照射損傷を少なくできる可能性がある。

図 1.3.1 で示した DRAM の構造では、Si トレンチのホール、ワードライン、コンタクトホー

ル、ビットライン（W や Al 合金などの配線用金属）の加工が必要である。それらの加工はアス ペクト比（パターン深さ d とパターン開口幅 W の比： AR= d/W）がサブミクロンデバイスでは、

3～10 程度になり、将来はさらに高いアスペクト比の加工が要求される。したがって、高いエッ チング速度と寸法制御性が必要になり、それぞれプラズマの高密度化、ガス圧力を低下させるこ とが基本的な施策と考えられる。ところが従来の RIE では、数 mTorr 程度以下の低いガス圧力 では安定した放電維持が困難であり、イオンエネルギーが極端に上昇する。また従来の RIE 装置 では、50nm/min 程度のエッチング速度が限界であった。マグネトロン RIE を使用することで、

これらの課題を克服できる可能性がある。その研究開発を行った結果を第 3 章に示す。

さらに第 4 章ではマグネトロン RIE を適用して以下に示す課題を調査した結果を示している。

まず Si トレンチエッチングでは、従来の装置では、直径が 0.5µm より小さくアスペクト比が

10～40 にもおよぶ微細なホールの加工において、エッチング速度、形状、選択比などを両立さ

せて達成することができなかった。そのため 1990 年代初め頃にはトレンチ容量方式を採用した メモリーデバイスの開発が断念されかねない深刻な状況にあった。

ワードラインやトランジスタのゲート電極加工では、電極の下のゲート酸化膜（厚さが 10nm 未満の極薄SiO

膜）に対して高い選択性を達成することが大きな課題であった。従来のRIE装置 では選択比は 10 程度であった。また、エッチング速度や寸法制御との両立も重要な課題であっ たが、高周波電力を減少させ、 SiO

表面を衝撃するイオンエネルギーを下げて選択比を高めると、

エッチング速度が低下する。ガス圧力を数百mTorrに高めることでエッチング速度と選択比はあ る程度両立されるが、中性の活性なエッチング種（Cl原子など）が増加し、形状制御が困難とな っていた。マグネトロンRIEの高密度プラズマを使用するとともに、基板温度を 0℃以下に冷却 することでCl

ガスで 60 程度までの高い選択比を実現、エッチング形状も改善した。

ビットラインのAl合金の加工では、側壁の荒れと荒れた表面に残留したClがウェハをチャンバ

から出した後に腐食をおこす問題が発生していた。これは、表面の自然酸化膜が除去された後に

はAlはCl

分子と自然に反応（発熱反応）するためである。異方性形状を得るためには厚い側壁

保護膜が必要となり、レジスト分解物の厚い堆積膜が側壁に形成されるような条件でエッチング

を行っていた。この厚い堆積膜にはCl原子が含まれ、腐食の原因となる。マグネトロンRIEで従

来より 1 桁以上低い 10

Torrの圧力でエッチングすることで、極めて薄い側壁保護膜で異方性

エッチングが達成できる。さらに、堆積性のガスを意図的に添加することで、パターンの側壁に

傾斜をつけるテーパーエッチングが実現できる。テーパー形状により、配線間の絶縁膜埋め込み

が容易となり、埋め込みの不良が低減し、信頼性が向上することが確認されている。

Si上のSiO

膜にコンタクトホールを形成するエッチングについては、典型的な課題が多く存在 するため、図 1.3.3 に課題を図示した。まず、基本的なプロセス性能として、照射損傷、エッチ ング速度、エッチング形状が挙げられる。エッチング速度に関しては、初期のRIEはSiO

の加工

で 50nm/min程度のエッチング速度であった。生産性を高めるために、ウェハ径は拡大され、直

径が 5 インチ以上の大型のウェハでは、バッチ処理では反応チャンバが大きくなりすぎ、細やか な制御ができない。そこで、ウェハを一枚ごとにエッチング処理する毎葉式が検討されていた。

しかし、その採用にあたっては生産性を維持するために従来よりも 1 桁以上高い速度を達成する 必要があった。

さらに、エッチングされては困る材料、例えばレジストマスクや下地のSi、Si

N

膜などに対 しては、エッチングの選択性が要求される。これは、均一性との兼ね合いであるが、ウェハ面内 でエッチング速度の遅い部分と速い部分がある場合は、遅い部分のエッチングが終了するまでエ ッチングが継続され、高速部分は下地が露出した状態でオーバーエッチングされることになるた めである。その場合に、低選択比では下地材料までエッチングされてしまうこととなる。

形状は微細化が進展しアスペクト比が高くなると、制御が難しくなる傾向にある。アンダーカ ットやボーイング、ノッチングなどがよく知られている。パターン寸法依存性（RIE-lag あるい は ARDE : Aspect Ratio Depenent Etching） [37]は、エッチング速度及び他の特性がマスクの開 口幅に依存して変化したり、エッチングが進みアスペクト比が増加するとエッチング速度が低下 する現象である。場合によってはエッチングが途中で停止してしまう現象まである。エッチング 反応がおきるホールや溝の底へ供給されるエッチング種（イオン、中性ラジカル）の組成やエネ ルギーが、アスペクト比が高くなるにつれて変化することなどが原因の一つとして考えられてい る。

SiO

の加工に使用するC

F

、CF

あるいはCHF

などのガスは安定で毒性がないために、従来 ARDE (Aspect Ratio Dependent Etching)

Dispersion of CD (Critical Dimension)

Profile degradation

Si substrate

Etch stop

Gate oxide damage Edge

roughness

SiO ₂

Crystallographic defect Erosion of Shallow junction

Mask Notch Mask Selectivity

Undercut

CD loss Bow

Selectivity

ARDE (Aspect Ratio Dependent Etching)

Dispersion of CD (Critical Dimension)

Profile degradation

Si substrate

Etch stop

Gate oxide damage Edge

roughness

SiO ₂

Crystallographic defect Erosion of Shallow junction

Mask Notch Mask Selectivity

Undercut

CD loss Bow

Selectivity

図 1.3.3 ドライエッチングの課題

広く使用されてきた。しかし、地球温暖化係数が極めて高く、排出量を低減する必要がある。吸 着や燃焼方式といった除外装置により排出量を低減する試みがなされているが、コストや性能の 面で不十分である。SiO

のエッチングではガス流速を高めてガスの分解を抑制することで、Si やSi

N

に対する選択比を高めることができる。ガスの分解が抑制されているということは、ガ スの多くは実際にはエッチング反応には使用されずに排出していることを意味する。そこで、真 空ポンプで一度チャンバから排気されたガスの一部を再びチャンバに戻すことでガスの有効活 用を図る技術を研究した。

微細化、高集積化が著しく進み、さらに SOC（System On Chip）技術が検討され、メモリー とロジックやマイクロプロセッサーを同じチップ上に作りこむことが進められている。しかし、

そのために益々プロセスの技術難度が高まり、課題は増えるばかりである。そこで、考えられた 技術がチップ積層技術であり、高集積化や SOC の機能をパッケージの段階で実現する SiP

（System in Package）と呼ばれる技術である。特にチップを直接積層する COC（Chip On Chip）技術は高性能化が期待できる。その実現の鍵となるチップスルーホールを高速に形成する エッチング技術についても調査した。

最後に、第 5 章ではエッチング技術の開発効率についての課題を取り上げる。本研究を含め、

従来の研究開発は実際にエッチングしその形状や速度などを計測することを条件を変えて繰り 返す、いわゆるトライアンドエラーで進められてきた。このアプローチには時間、コストがか かり、特に今後、少量多品種生産の場合には大口径のウェハを大量に使用して条件を詰めるよう なことはできない。そこで、エッチングモデルとシミュレーション、プラズマや高周波電源系 の計測データからプロセスを制御して、効率良く開発を進める手法のコンセプトを第 5 章におい て議論し、今後の開発の方向を展望する。

1-4 研究の目的と意義

ウェットエッチングからプラズマを使用したドライエッチング技術、特に RIE の実用化により 微細化が急速に推進され、本研究に着手する 1980 年代初期の段階では 64k ビット DRAM の開 発が進められていた。最小加工寸法がいよいよ~2µm 程度の領域となり、RIE は必須のエッチン グ技術として導入され始めていたところであり、それに伴い、1-3 節でまとめたとおり、生産技 術として実用上の多くの課題が明らかとなってきた。特に、照射損傷と高精度加工、エッチング 速度の課題は深刻であり、本研究を開始するに至る動機となった。

本研究では、サブミクロン時代の超 LSI のエッチング技術を開発することを目的として、特に

照射損傷のないエッチングを、新規に光励起プロセスの適用で実現することを試みた。また、光

励起エッチングで実際に照射損傷が発生しないかを調査し、従来の RIE と比較した。さらに、生

産性を向上させるために光投影によりレジストマスクを使わずに直接にパターン形成を行う技

術の可否を検討した。また、光励起による微細加工の精度について実用性を調査することを目的

とした。

一方、従来の RIE を高性能化する研究開発を並行して進めた。当時提案されて間もなかったマ グネトロン RIE を研究し、照射損傷の発生機構と低減方法の研究を進め、磁界分布を最適化した ダイポールリング磁石を使ったマグネトロン RIE を提案し、パターンの高精度加工の研究を進め た。このようにマグネトロン RIE 装置の特に磁界分布の改善を進めることで、照射損傷を低減で きるマグネトロン RIE 装置を開発することを目的とした。

さらに、マグネトロンRIEを使った高精度プロセス技術の開発を進め、超LSIの高性能化へ寄 与するプロセスを提案することを目的とした。具体的な開発の目標は、超微細化へ向けて、Siト レンチキャパシタ用の高アスペクト比ホールの高精度加工を実用的なエッチング速度で実現す ること、トランジスタや容量に使われる薄いゲートSiO

膜に対して高い選択比を持つゲート材料

（poly-Si）の加工技術、高精度の配線（Al合金）加工技術、高速な微細コンタクトホール（SiO

） 加工を実現することである。

上記の基本的なプロセス技術開発に加えて、地球温暖化ガスの排出量低減、SiP（System in Package）技術を実用化するキー技術であるチップ積層のためのウェハスルーホールエッチング 技術の開発も本研究の目的としている。

以上の研究開発の成果により、光励起エッチングの可能性を明確にし、マグネトロン RIE の研 究開発ではサブミクロン世代の超 LSI 製造の装置および高性能プロセスを提供することができ る。また、本研究の低損傷・高性能装置・プロセス技術の開発で得られる知見は今後の一層の微 細化へ向けた研究開発の基礎となり、技術を一層進展させ、半導体デバイスの高性能化、多機能 化あるいは生産技術の効率化、低環境負荷を実現し、高度情報化社会に不可欠な半導体デバイス の可能性を広げ、優れた社会環境の実現に資するものと期待される。

1-5 本論文の構成

本研究では、デバイスへの照射損傷が少なく、微細化に適したエッチング技術の開発を目的に 低エネルギープロセスである光励起エッチングの基礎と実用化可能性を検討した結果を示す。さ らに従来の RIE の課題を、マグネトロン RIE の開発によって克服し、反応メカニズムの理解と 高速、高精度プロセスの研究開発を進めた結果について論じる。

本論分の構成を各章毎に下記に示す。また、各章の関係を図 1.5.1 にチャートで示す。

まず、第 1 章では本研究を進めた背景として、ドライエッチング技術の沿革と研究開始当時の 技術概要、技術課題、さらに目的・意義について概説し、本論文の構成を示した。

第 2 章では 紫外光照射によるエッチング技術について総合的に論じている。特に照射損傷の ない加工技術としてゲート電極のエッチングへの適用の検討を詳述する。光照射下での多結晶

Si、単結晶 Si と Cl および F との反応の機構について調べ、n 型、p 型の伝導型や不純物濃度に

よりエッチング速度が変化する反応機構のモデルを提示する。また、堆積性のガスを使用した異

方性の加工を検討し、微細化を進める上での課題を論じている。さらに、照射損傷の評価を実施 し、RIE と比較を行った。高エネルギーの光照射で発生した中性トラップの生成機構を調べる。

光照射部のみエッチング反応がおこることから、レジストレスのパターン転写の可能性を調査し ている。

第 3 章では、従来のRIEで課題であった低いエッチング速度と照射損傷を克服し、高い加工精 度を実現するために、磁界を利用したマグネトロンRIEについて調査している。開発の端緒から の経緯を述べ、マグネトロンRIEの原理を示し、当初問題となった形状異常や照射損傷の機構を 論じる。ゲートSiO

膜の絶縁破壊や耐圧劣化をおこす要因をウェハ表面ポテンシャルの分布と基 板ポテンシャルの差異の観点から解析している。その結果に基づき、磁界分布を改善した経緯を 示し、大口径ウェハを高精度に処理するダイポールリング磁石（DRM : Dipole-ring Magnet）を 採用した装置の研究開発について詳述している。

第 4 章では、マグネトロンRIEを用いて開発された超LSI製造のためのエッチングプロセス技 術について論じている。マグネトロンRIE装置は、磁界を印加することで高効率な電離と電子の 閉じ込めを可能にし、従来より低いガス圧力領域においても比較的高いプラズマ密度を実現でき る特長がある。この利点を活用し、素子分離用のトレンチやキャパシタ用の深いホールを単結晶

Siに形成するSiトレンチエッチング、ゲートpoly-Si電極の下地のゲートSiO

膜に対しての高選択

なエッチング、配線に使われるAl合金の高精度加工とテーパー形状加工、さらに配線の層間に形 成するコンタクトホールのエッチングについて、それぞれ研究成果を示しエッチング機構を議論 している。エッチングプロセスで使用されるC

F

、CF

などのPFC は地球温暖化ガスとして排 出の削減が求められている。PFC の排出量削減を目的に、一度エッチングチャンバから排気し たガスの一部をチャンバへ戻して効率よくガスを利用するガス循環システムの調査を行ってい る。最後に、デバイスの微細化限界をパッケージレベルでのチップのシステム化により打開しよ うとする高密度実装技術への応用として、Si基板の超高速エッチングに関する研究を行っている。

第 5 章では、今後の 45nm ノード以降のドライエッチング技術の開発を効率的に進める方法に ついて議論し、プラズマ装置モニターとモデリング、データベースを組み合わせて高効率の開発 を実現、装置を制御するコンセプトを提案している。

最後に第 6 章において、各章で得られた成果をまとめ，研究終了後の研究開発状況、本研究の

与えたインパクトについて述べ、本研究を総括している。

第 1 章 序 論

ドライエッチング技術の沿革と研究開始当時の技術概要・技術課題 本研究の目的・意義、本論文の構成

第 2 章 光励起エッチング

反応機構の調査・モデル提案 異方性加工・パターン転写の試み

照射損傷の調査

技術の課題･光励起による加工限界

第 3 章 マグネトロン RIE 技術の開発

開発の経緯・マグネトロン RIE の原理 形状異常・照射損傷の機構調査と磁界分布の改善

ダイポールリング磁石（DRM）の提案と装置化

第 4 章 マグネトロン RIE によるプロセス技術の展開

Si トレンチキャパシタ用の高アスペクト比ホールの高精度加工 ゲート材料（poly-Si）の高選択比加工技術の開発

高精度の Al 合金配線加工技術 微細コンタクトホール（SiO

）加工技術

地球温暖化ガスの排出量削減技術 チップ積層技術向け超高速 Si エッチング

第 5 章 ドライエッチング技術の効率的技術開発

将来のドライエッチング技術開発へ向けた装置制御方法とその研究開発アプローチの提案

第 6 章 結 論

成果まとめ、研究終了後の研究開発状況、本研究の与えたインパクト、本研究の総括

図 1.5.1 本論文の構成を示すチャート

第２章

光励起エッチングの研究

2-1 はじめに

本章では、プラズマによるデバイスへの照射損傷のない加工技術として光励起によるエッチ ング技術について述べる。

半導体の微細加工技術には、反応性イオンエッチング（RIE）法が広く使用されている。RIE では、ウェハがプラズマに晒され、ウェハ表面はプラズマからの高エネルギーイオン、電子、

あるいは紫外線、Ｘ線などの照射を受ける。表面に微細素子などが形成されている場合には、

これらの高エネルギー粒子の照射に起因した照射損傷が発生することが報告されている[38,39]。

特にMOS（Metal Oxide Semiconductor）構造のゲートにおいて、薄い絶縁膜（SiO

）が絶縁破壊 をおこす現象が知られている[33]。 その機構としてエッチング中にゲート電極に帯電した負の電 荷がエッチング終了後にはプラズマとの接触がなくなり、電界から開放され、電位の再分配に起 因する電位差がゲート絶縁膜上下で発生して破壊をおこすモデルが提案されている[40]。

これらの照射損傷は、ウェハが直接プラズマに晒される為に発生し、プラズマエッチング技 術では本質的に不可避である。そこで、荷電粒子を使用しない中性ビームによるエッチング[41]

などが提案されている。

しかし、ウェハプロセスへ適用するためには、方向性の揃った大口径の中性ビームをの生成が 必要であるがその実現は容易ではなく、装置の大型化、高コスト化を招く。さらに、実用的なエ ッチング速度を得るためには、大きなフラックスを実現し、なおかつ選択比や形状の調整にはい ろいろなガスを添加することが要求され、荷電粒子を除去した中性ビームを 10

Torr程度のガス 圧力領域で輸送するようなシステムはLSIの製造技術としては使用できない。

一方、1979 年頃より低照射損傷、中性・低温プロセス、直接パターン形成などの可能性がある 光励起エッチングが MIT の Ehrlich や IBM の Chuang らにより検討され始めた[25,26]。光化学反 応によるエッチングは荷電粒子に伴う照射損傷がないことと共に、光の直進性を利用してアンダ ーカットのない異方性エッチングを実現できる可能性もある。さらに通常の露光システムと組み 合わせることによりレジストマスクを用いることなくパターンを直接転写できる可能性があり、

将来のドライエッチングとして有望と考えられていた。さらに、そのエッチング機構の研究は、

プラズマ中の複雑な反応過程を解明する手がかりともなり、プラズマ化学を理解する上で示唆を 与えるものと考えられる。

Ehrlichらは、Cl

中でAr

イオンレーザを単結晶Siに照射し、レーザ照射強度依存性を調べた。

その結果、レーザ強度を高め、Si表面が融点近くの温度に達した時に高いエッチング速度を示す こと、また、波長依存性の調査から 514.5nmから 458nmの範囲の波長では波長の減少に対してエ ッチング速度が増加することを明らかにした[42]。これは、短波長化にともないレーザの波長成 分がCl

の連続吸収スペクトル内に重なる範囲が広がるためであると考えられる。これらの結果か

ら、 EhrlichらはCl

中でのSiの光励起エッチングがCl

の光解離過程により律速されていると結論し

た。

ChuangらはXeF

ガス中でのSiへのCO

レーザ（波長 10.6mm）照射によるエッチングの反

応律速過程を検討した。その結果、レーザ照射によるエッチング速度の促進が基板の加熱効果だ けでは説明できないことがわかり、その原因をSi中での多光子吸収により電子が 1eV程度のバン ドギャップを超えて伝導帯に励起されエッチングに関与したと推論した[43]。

さらに、光照射されたSi表面で電子－ホール対が励起され、移動度の違いから表面に強い電界

（10

～10

V/cm）が発生し、バンドが上向きに曲げられる[44,45]。このことから、伝導帯 へ励起された電子の一部が、 Si表面に吸着したCl原子へ移動しやすく、 Cl

が形成され、 Cl

がSi 表面付近の強い電界に引き寄せられて反応が促進するというモデルを提案した[46]。

光励起が気相のガス励起だけであれば、CDE などと同様に解離したハロゲン原子によるエッ チングであり、微細加工には適さない。しかし、Si 基板の電子励起がエッチング反応を促進して いるとすると、光照射面においてのみエッチングを進められる可能性がある。この段階では、反 応機構が明確ではなく、基板加熱の効果との分離が不十分である。そこで、本研究ではガスの解 離と基板の励起を分離した実験を行った。

また、照射損傷のない加工が要求される材料としてまず挙げられるゲート電極は、高濃度にP を添加し活性化した多結晶Si（n

poly-Si）であり、伝導帯に多くの電子が存在する。このような 材料についての調査はされておらず、異方性加工の検討もなされていない。本研究では、伝導型 に対する依存性を調査し、反応機構を明確にするとともに、異方性加工についての方法を提案す る。また、電子励起によるエッチング促進の効果を模擬実験で追求した。

照射損傷については、波長が 300nm 程度の紫外光照射により照射損傷は発生しないことを確 認し、さらに短波長の紫外光の影響を調査するとともに、RIE との比較も行った。

微細化の進展により加工寸法が小さくなる状況で、パターン寸法に近い波長の光を使うことに より、どこまでの微細加工が可能であるかの研究を行い、光励起エッチングの限界を調査した。

以上から、本研究の着手当時はまだ端緒についたばかりの光励起エッチングについて、反応基

礎過程結果を踏まえ、反応機構をさらに追及し、その知見に基づいて実用的なエッチングプロセ

スとして使用できるか否かを、照射損傷、加工性などについて調査することとした。さらに、パ

ターン転写、微細化の可能性まで実用的な観点から研究した結果を示し、その課題を論じる。

2-2 実験方法 2-2-1 光源の選択

光励起によるエッチングの研究に使用する光源を最初に検討した。エッチングの対象とした薄 膜は、LSIデバイスの容量の電極やトランジスタのゲート材料として最も一般的に使用されてい るpoly-Siである。poly-Siのプラズマエッチングには従来からCl

ガスが使用されている。プラズ マ中でCl

分子が解離して生成されるCl原子とSiが反応してSiClx （x = 1~4）となり脱離して排気 されることでエッチングされる。

したがって、 Cl

をエッチングガスとして使用するためには、エッチング種となるCl原子を光励 起で生成することが必要となる。また、RIEでは、プラズマからのイオンが表面を衝撃すること でエッチング反応が促進される、いわゆるイオン支援反応が異方性加工の機構の一つである。光 励起エッチングにおいても、Si表面に直接光照射してエッチングを促進することが考えられ、こ の観点でも光源の選択を考える必要がある。

図 2.2.1 にCl

ガスの光吸収スペクトルを示す[47]。Cl

は 330nmを中心とする紫外光の領域に 緩やかな吸収特性を示し、光解離によりCl原子が生成されることが知られている。したがって、

この波長領域に十分な強度を有する光源が必要である。

1

200 250 300 350 400 450 Wavelength (nm)

Absorbance (A rbit rar y unit s)

0 3 4 5

2 1

200 250 300 350 400 450 Wavelength (nm)

Absorbance (A rbit rar y unit s)

0 3 4 5

2

図 2.2.1 Cl

ガスの光吸収スペクトル[47]

光励起エッチングでは荷電粒子は使用しないために、帯電が原因となる照射損傷は発生しない はずである。しかし、高いエネルギーの光照射では、エッチングするpoly-Siの下地にあるSiO

膜 がエッチング終了後に光照射を受ける。このSiO

膜はトランジスタや容量の絶縁材料として使用 されるために、不純物準位や欠陥の発生も問題となる。図 2.2.2 に熱酸化法で形成したゲート用 のSiO

膜の光吸収スペクトルを示す[63]。熱酸化法では不純物としてHが入り込み、実際はSiO

中 に多くのSi－OH結合が存在する。したがって、高純度の合成石英（Quartz）と比較して、吸収 が多くなる。特に低エネルギー側で裾を引くために、200nm程度より高い波長を選択することが 好ましいと予想される。

以上の観点から光源を選択し、まずエッチングの可能性を検討するための光源として、比較的 取り扱いが容易であり、図 2.2.3 に示すように 300nm～400nmの領域に強い発光があるHg-Xe ランプを採用した。次節で図示するように、 N

でパージしたランプ容器にHg-Xeランプを設置し、

石英の凸レンズを通してエッチング容器内のウェハ表面に集光した。集光領域の直径は約 2mm であり、パワーメータで測定した照射強度は 275mW/cm

である。

一方、Ar

イオンレーザをエッチング機構検討の実験に使用した。Ar

イオンレーザの出力波長

Energy (eV)

6 7 8 9 10

Log α

6 5 4 3 2 1 0 -1

OH

impurity

A. Appleton Thermally　grown SiO

Quartz

200 180 160 140 120 Wavelength (nm)

Energy (eV)

6 7 8 9 10

Log α

6 5 4 3 2 1 0 -1

OH

impurity

A. Appleton Thermally　grown SiO

Quartz

200 180 160 140 120 Wavelength (nm)

6 7 8 9 10

Log α

6 5 4 3 2 1 0 -1

OH

impurity

A. Appleton Thermally　grown SiO

Quartz

200 180 160 140 120 Wavelength (nm)

図 2.2.2 熱酸化法で形成したSiO

膜の紫外光吸収スペクトル[63]

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Wavelength (nm)

In te n si ty (m W cm

nm

) at 50 cm

10³

10²

10¹

10⁰

10^-1

10^-2

10^-3

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Wavelength (nm)

In te n si ty (m W cm

nm

) at 50 cm

10³

10²

10¹

10⁰

10^-1

10^-2

10^-3

(a)

200 300 400

Wavelength (nm) Int e nsity (mW cm

nm

) at 50 cm

10³

10²

10¹

10⁰

10^-1

10^-2

10^-3

200 300 400

Wavelength (nm) Int e nsity (mW cm

nm

) at 50 cm

10³

10²

10¹

10⁰

10^-1

10^-2

10^-3

(b)

図 2.2.3 使用した水銀キセノンランプの光強度スペクトル

(a) 200－1000nm、(b) 200－400nm 領域の拡大図

ではCl

ガスはあまり解離されないが、Siの電子励起が可能である。

次に Hg-Xe ランプの波長領域で特に効果のある波長を分離検討するために、光学フィルターを

使用した。図 2.2.4 にエッチング速度の波長依存性を調査するために使用したシャープカットフ

ィルターの透過率スペクトルを示す。それぞれのフィルターは特定の波長より短い波長の光をカ

ットするものである。これらのフィルターを通した光を照射することで波長依存性を調査する。

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2

0 200 300 400 500 600 700 750 1000 2000

L-38 Y-46

UV-22

UV-30 UV-34

UV-32 UV-36

Trancemittance

Wavelength (nm)

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2

0 200 300 400 500 600 700 750 1000 2000

L-38 Y-46

UV-22

UV-30 UV-34

UV-32 UV-36

Trancemittance

Wavelength (nm)

図 2.2.4 エッチング速度の波長依存性を調査するために使用した

シャープカットフィルターの透過率分布

各フィルターの透過率が低下する波長領域より長波長側の透過率は 85%以上ある。また、フィル ターを重ねることで照射光強度の調整を行う。

以上の Hg-Xe ランプは基礎検討用に使用するが、照射面積が小さく、ランプ光を集光するため に斜めに入射する成分が存在する。そこで、高強度の紫外光光源として XeCl エキシマレーザを 使用した。その他の光源特性とともに表 2.2.1 にその基本特性をまとめた。

XeCl エキシマレーザ装置からは、10mm x 20mm の矩形のビームが放射され、エッチング実 験ではそのまま試料に照射した。エキシマレーザではビーム内部に強度分布が生じるためエッチ ング速度にも分布が発生する。エッチング速度は矩形のビームの中央付近で数点測定してその平 均値をデータとした。

照射損傷評価のために、 XeCl エキシマレーザ（308nm, 4.0eV）の他に、 KrF （249nm, 5.0eV）、

ArF（193nm, 6.4eV）エキシマレーザを使用した。それぞれ出力強度が異なり、ウェハへの照射 強度を一定にするために石英製のシリンドリカルレンズで適宜照射領域を拡大して使用した。な お、照射損傷の評価では予め損傷のない手段（CDE）でパターンを形成した後に光照射を行った。

XeF エキシマレーザは光照射によりエッチング反応が促進される機構を検討するための実験

に使用した。

表 2.2.1 実験に使用した光源の基本特性

光 源 波長 ( nm )

平均出力 ( W )

繰返し速度

(pps)*

パルス 幅(ns)

ビーム形状

(mm) *

照射強度*

(W/cm

)

使用した 実験 Hg-Xe ランプ 図 2.2.3

参照

― ― (CW)

― 丸形 2

（集光）

0.275 *

エッチング

Ar

イオンレー ザ

514.5 488

2 ―

(CW)

― 丸形 3

（直径）

28 エッチング 機構調査 XeCl エキシマ

レーザ

308 3 80 ～12 矩形

10 x 20

1.5 エッチング

XeCl エキシマ レーザ

308 6 160 ～12 矩形

10 x 20

0.5 *

照射損傷

評価

KrF エキシマ

レーザ

249 10 140 ～12 矩形

10 x 20

0.5 *

照射損傷

評価 ArF エキシマ

レーザ

193 5 100 ～12 矩形

10 x 20

0.5 *

照射損傷

評価

XeF エキシマ

レーザ

350 6 150 ～12 矩形

10 x 20

3 反応機構調 査

*

pps : pulse per second、*

レーザでは光源出力部アパーチャ寸法を記載、 *

それぞれの実験系に

おいてウェハ位置でカロリーメータを使用して大気中で計測した値、 *

石英製凸レンズによりウ

ェハ上直径 2mmに集光、 *

石英製シリンドリカルレンズにより拡大し、ウェハ上で 0.5 W/cm

に

調整

2-2-2 実験装置と被エッチング膜の作製

図 2.2.5 に実験装置の概略図を示す。200Wの低圧Hg-Xeランプ光源からの紫外光は溶融石英の

レンズを通して試料表面に集光した。試料は真空容器中でステージに固定し、光導入窓からの 距離は通常は 2mmあるいは 10mmに設定し、適宜変化させた。真空容器にはCl

ガスを満たし、数Torr

から 200Torr程度の圧力で変化させた。紫外光を照射した領域は直径が約 2ｍｍであり、その光強

度は大気中でパワーメータで計測したテータから 275mW/cm

と見積もられる。

Ar

イオンレーザ（出力 2W）を他の窓からチャンバへ導入し、ウェハ表面あるいは ウェハ上 方をウェハと平行に照射することができる。また、エッチング反応による反応生成物を四重極質 量分析計（QMS：Quadruple Mass Spectrometer）を用いて分析した。QMSへは直径 0.1mmのオリ フィスを通して反応生成物を含むガスを引き込んだ。このオリフィスとウェハ上の光照射部の距

離は約 1mmに設定した。すべての実験はチャンバを一度 1x10

Torr未満の圧力まで排気した後

にCl

ガスを導入して行った。

被エッチング試料は、Si基板上に 100nm程度のシリコン熱酸化膜を形成し、その上にLPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 法により成長させた約 400nmのpoly-Si薄膜を使用した。

poly-Siには燐（P）あるいは硼素（B）を高濃度に添加し、n型およびp型のn

poly-Si、p

poly-Si を作製した。この不純物添加はイオン注入法により行い、高温アニール（~ 1000℃ ~30 分、窒素 雰囲気）により活性化した。さらに、イオン注入量を変えて、不純物濃度を変化させたpoly-Si膜、

Cryo pump

Wafer

QMS Fused quartz window Cl ₂

200W

Etching cell

Wafer

Fused quartz lens 　 Hg-Xe lamp

( φ 8 cm x 8 cm) Cryo pump

Wafer

QMS Fused quartz window Cl ₂

200W

Etching cell

Wafer

Fused quartz lens 　 Hg-Xe lamp

( φ 8 cm x 8 cm)

図 2.2.5 実験装置の概略図

および無添加（undoped）のpoly-Si膜も比較のために用意した。試料をチャンバへ導入する直前に は緩衝フッ化水素溶液（BHF）に浸し、表面の自然酸化膜を除去した。エッチング後に表面のプ ロファイルを接触式走査段差計で計測し、最も深くエッチングされた部分の深さからエッチング 速度を算出した。

2-3 Si の光励起エッチング

2-3-1 エッチングの基本特性

ゲート電極材料として使用される poly-Si の光励起エッチングについて調査した。

図 2.3.1 に n

poly-Siとのエッチング形状を示す。条件は、Cl

ガス圧力 10Torr、チャンバ中の光路長

（光導入窓からウェハまでの距離）10mm、ウェハ温度は室温であり、エッチングマスクにはスパッタ法で形 成したAl膜を使用した。断面形状を走査電子顕微鏡で観察した。ここで光をウェハと平行に導入し、ウェ ハを直接照射しない場合も、同様に等方的なアンダーカットが発生した。

まずn

poly-Siのエッチング特性から詳細に調べた。図 2.3.2 に図 2.2.4 で透過特性を示したシャープ

カットフィルターを使用して光源からの光の波長を変化させた時のn

poly-Siエッチング速度の変化を 示す[48]。 それぞれのデータ点位置に使用したフィルターの名称を示した。各フィルターはx軸の波長よ り短波長の紫外線を除去している。また、図中の破線は図 2.2.1 で示したCl

分子の光吸収特性である。

Cl

分子は吸収帯内の波長の光を吸収してCｌ原子に解離する。n

poly-Siのエッチング速度は、Cl原子 の生成に寄与する波長成分を順次カットすることにより単調に減少する。

図 2.3.3 にCl

ガス圧力に対するn

poly-Siのエッチング速度と 313nm光の吸収の変化を調べた結

果を示す。

図 2.3.1 n+ poly-Si のエッチング形状。マスクには Al 膜を使用した。

100

200 250 300 350 400 450 Wavelength (nm)

Et ch Ra te (n m /m in )

Hg-Xe lamp irradiation (200W)

UV-22

0 300 400 500

Absorption spectrum of Cl

(Arb. units)

200

UV-30 UV-32

UV-34 UV-36

L-38 Y-46

100

200 250 300 350 400 450 Wavelength (nm)

Et ch Ra te (n m /m in )

Hg-Xe lamp irradiation (200W)

UV-22

0 300 400 500

Absorption spectrum of Cl

(Arb. units)

200

UV-30 UV-32

UV-34 UV-36

L-38 Y-46

図 2.3.2 n

poly-Siのエッチング速度とHg-Xeランプ波長の関係

10

10 10 ² Cl ₂ Pressure (Torr)

Etch Rate (nm/min)

10 ²

λ = 313 nm

Photomultiplier tube

10 ^-9

10 ^-8

10 ^-7

Si gna l curre nt ( A)

50mm

Hg lamp

Cl

gas

10

10 10 ² Cl ₂ Pressure (Torr)

Etch Rate (nm/min)

10 ²

λ = 313 nm

Photomultiplier tube

10 ^-9

10 ^-8

10 ^-7

Si gna l curre nt ( A)

50mm

Hg lamp

Cl

gas

図 2.3.3 Cl

圧力に対するn

poly-Siのエッチング速度と 313nm光の吸収