JPH04302426A - デジタル・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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造等に適
用されるデジタル・エッチング方法に関し、特にエッチ
ング速度の向上および低損傷性の徹底化を図る方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩ，ＵＬＳＩ等にみられる
ように、半導体デバイスのデザイン・ルールは既にサブ
ミクロンのレベルにおいて実用化され、ハーフミクロン
、さらにはクォーターミクロンのレベルで研究が進めら
れている。かかる微細加工技術の主導的役割を果たして
きたものは、言うまでもなくプラズマ中のイオンの方向
性を利用した反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）である
。しかし、ＲＩＥでは加速された反応性イオンが基板へ
衝突し、活性種との反応を促進する機構でエッチングが
進行するため、対下地選択性を大きくとることは本質的
に難しい。また、このような運動エネルギーを有する荷
電粒子の衝突により、シリコン基板内における結晶欠陥
の発生、酸化膜内における固定電荷や中性トラップの発
生等の種々の照射損傷が惹起される。さらに、プラズマ
中でマスクが負電荷に帯電することにより、キャパシタ
膜やゲート絶縁膜等の薄い酸化膜が誘電破壊を起こすこ
ともある。

【０００３】近年、低損傷化を目指すアプローチとして
、デジタル・エッチングが提唱されている。これは、た
とえば第３７回応用物理学関係連合講演会　（１９９０
年春季）　講演予稿集第２分冊４５９ページ，演題番号
２８ａ−ＺＦ−９、および１９９０年３ｒｄ．Ｍｉｃｒ
ｏｐｒｏｃｅｓｓ　　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ抄録集，演
題番号Ｂ−５−１に発表されているように、被エッチン
グ材料層を単原子層レベルでエッチングする技術である
。すなわち、まず第１のチャンバでマイクロ波放電によ
りエッチング・ガスを解離させ、生成した中性活性種を
ダウンストリーム式に輸送して予め自発的な化学反応を
起こさない程度の低温まで冷却された被エッチング基体
の表面に吸着させて反応させる。次に、この被エッチン
グ基体を第２のチャンバに搬送し、そこで必要最低限（
２０ｅＶ程度）のエネルギーを有するＡｒ＋　ビームを
照射することにより反応生成物の脱離を行わせる。この
吸着／反応と脱離を１サイクルとして単原子層レベルの
エッチングを行い、上記サイクルを所定の回数繰り返し
て所望の深さの加工を行うわけである。具体的には、Ｎ
Ｆ３　ガスを用いて単結晶Ｓｉ基板をエッチングしたプ
ロセスが紹介さている。この方法によれば、被エッチン
グ基板の受けるイオン衝撃を従来に比べて大幅に低減さ
せることができる。

【０００４】また、低損傷化を目指す別のアプローチと
して、中性ビーム・アシスト・エッチングが提唱されて
いる。これは、たとえば第５１回応用物理学会学術講演
会（１９９０年秋季）講演予稿集第２分冊４８３ページ
，演題番号２７ｐ−ＺＦ−５、および１９９０年３ｒｄ
．Ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓ　　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ
抄録集，演題番号Ｂ−５−３に発表されている技術であ
り、イオン源から引き出した低エネルギー（２００〜７
００ｅＶ）のイオン・ビームを気相中における電荷交換
反応により中性化し、この中性ビームをエッチングに使
用するものである。このプロセスは、プラズマ・エッチ
ングにおけるイオン・アシスト反応機構が主としてイオ
ンの運動エネルギーに依存し、イオンの電荷は本来不要
である点に着目して開発されたものであり、荷電粒子に
よる照射損傷を回避する上で極めて有効である。具体的
には、ＣＨＦ３　プラズマ中で発生する中性ラジカルを
中性ＡｒビームでアシストしながらＳｉ基板上のＳｉＯ
２　層をエッチングしたプロセスが紹介されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、無損傷プ
ロセスを目指して種々の試みがなされているが、いまだ
解決すべき問題も残されている。まず、上述のデジタル
・エッチングに関しては、当初は冷却された単結晶Ｓｉ
基板の表面に吸着されたＦ＊　（フッ素ラジカル）が直
ちにシリコンと反応してＳｉＦｘ　からなる反応生成物
層が形成されるものと考えられていた。しかし、ｉｎ−
ｓｉｔｕＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）分析を用いたその後
の研究により、低温ではＦ＊　は単結晶Ｓｉ基板とはほ
とんど反応せず、主に物理吸着とラジカルの再結合が生
じているのみであり、反応生成物層はイオン照射が行わ
れて初めて形成されることが明らかになってきた。この
事実については、第５１回応用物理学会学術講演会（１
９９０年秋季）講演予稿集第２分冊４８２ページ，演題
番号２７ｐ−ＺＦ−３に報告されている。このため、エ
ッチング速度を大幅に向上させることは本質的に難しい
。デジタル・エッチングでは、所望の加工深さを達成す
るために吸着→反応→脱離といったサイクルを数十〜数
千回繰り返すことが必要となるため、個々のプロセスに
おけるエッチング速度の低さは実用化へ向けての大きな
障害となる。さらに、従来のデジタル・エッチングでは
、反応生成物の脱離にＡｒ＋　のような荷電粒子の照射
を行っているため、完全な無損傷プロセスとはなり得な
い。たとえ１サイクルがほぼ無損傷に近い状態で行われ
たとしても、実用上はこのサイクルを上述のように多数
回繰り返す必要となるため、この間に損傷が徐々に蓄積
されてゆき、工程によってはこの影響が無視できないレ
ベルまで達することも懸念される。

【０００６】一方、上述の中性ビーム・アシスト・エッ
チングに関しては、次のような問題がある。このエッチ
ングによれば、荷電粒子に起因する照射損傷は防止する
ことができる。しかし、電気的に中性な粒子の運動エネ
ルギーを利用するために反応機構は本質的にはＲＩＥ等
のイオン・アシスト・エッチングと同様であり、イオン
衝撃に起因する格子欠陥の発生等を防止することは原理
的に不可能である。そこで本発明は、デジタル・エッチ
ングにおいてエッチング速度の向上および低損傷性の徹
底化を図ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の目的を達
成するために提案されるものである。すなわち、本願の
第１の発明にかかるデジタル・エッチング方法は、被エ
ッチング基板の表面にダングリング・ボンドを形成する
工程と、前記被エッチング基板を冷却してエッチング種
を吸着させ表面反応層を形成する工程と、前記被エッチ
ング基板に荷電ビームを照射して前記表面反応層を脱離
させる工程とを逐次繰り返すことを特徴とするものであ
る。

【０００８】本願の第２の発明にかかるデジタル・エッ
チング方法は、被エッチング基板を冷却してエッチング
種を吸着させる工程と、前記被エッチング基板に中性ビ
ームを照射して表面反応層の形成および該表面反応層の
脱離を行わせることを特徴とするものである。

【０００９】さらに、本願の第３の発明にかかるデジタ
ル・エッチング方法は、被エッチング基板の表面にダン
グリング・ボンドを形成する工程と、前記被エッチング
基板を冷却してエッチング種を吸着させ表面反応層を形
成する工程と、前記被エッチング基板に中性ビームを照
射して前記表面反応層の脱離を行わせることを特徴とす
るものである。

【００１０】

【作用】本願の第１の発明は、従来のデジタル・エッチ
ングにおける低エッチング速度を改善しようとするもの
である。すなわち、従来の技術では中性活性種が被エッ
チング基板上で直ちには反応生成物層を形成しないこと
がプロセスを律速している点に着目し、本発明では反応
生成物層が速やかに形成されるよう予め被エッチング基
板の表面にダングリング・ボンド（切れた結合手）を形
成し、該表面を活性化する。たとえばＳｉ系材料をＦ＊
　によりエッチングする場合、Ｓｉのダングリング・ボ
ンドにはＦ＊　が容易に結合してＳｉ−Ｆ結合（共有結
合）を生成し、表面にＳｉＦｘ　層を形成する。かかる
結合が容易に形成されることは、たとえば、アモルファ
ス・シリコンの製造分野において水素やフッ素が有効な
ダングリング・ボンドの終端材料として使用されている
ことからも明らかである。その後は荷電ビームを照射す
ることにより速やかに反応生成物層（上述の例ではＳｉ
Ｆｘ　層）を脱離させることができるので、エッチング
速度を大幅に向上させることが可能となる。

【００１１】本願の第２の発明は、従来のデジタル・エ
ッチングにおける低損傷性を徹底化させるものである。 すなわち、被エッチング基板を冷却してその表面にエッ
チング種を吸着させた後、従来のＡｒ＋　等のイオン・
ビームに代えて中性ビームを照射することにより、表面
反応層の形成と脱離を行わせるのである。この中性ビー
ムは、被エッチング基板に照射されることによりその運
動エネルギーを予め基板表面に吸着されている中性活性
種に供与する。中性活性種はこの運動エネルギーを被エ
ッチング基板との反応に必要な活性化エネルギーおよび
脱離に必要なエネルキーとして利用するわけである。し
かも、上記中性ビームは電荷を持たないため、絶縁破壊
等の照射損傷を何ら惹起させるものではない。

【００１２】さらに本願の第３の発明は、第１の発明と
第２の発明を組み合わせることにより、エッチングの高
速化と低損傷性の徹底化とを同時に達成しようとするも
のである。すなわち、予め被エッチング基板の表面にダ
ングリング・ボンドを形成しておき、ここへ中性活性種
を吸着させて速やかに表面反応層を形成し、さらに中性
ビームを用いて照射損傷を惹起させることなく該表面反
応層を脱離させる。ここで、上述の第２の発明では中性
ビームの運動エネルギーが表面反応層の形成とその脱離
の両方に利用されているのに対し、第３の発明では主と
して脱離に利用されることになる。したがって、脱離に
おけるエネルギー効率を向上させることも可能となる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について図面
を参照しながら説明する。

【００１４】実施例１ 本実施例は、本発明の第１の発明を量子細線の形成等を
目的とした単結晶シリコン（Ｓｉ）基板のエッチングに
適用し、Ａｒビームにより該基板の表面にダングリング
・ボンドを形成した後、Ｆ＊　を吸着させてＳｉＦｘ　
層を形成させ、さらにＡｒビームを照射して上記ＳｉＦ
ｘ　層を脱離させた例である。

【００１５】まず、本実施例で使用したデジタル・エッ
チング装置の概略的な一構成例を図１に示す。この装置
は、ダングリング・ボンドの形成とＳｉＦｘ層の脱離に
利用されるイオン照射チャンバ１とマイクロ波放電式ダ
ウンストリーム・チャンバ１０（以下、単にダウンスト
リーム・チャンバ１０と称する。）とがゲート・バルブ
８にて高真空下に接続されてなるものである。上記イオ
ン照射チャンバ１は、ウェハ７を載置するためのウェハ
・ステージ６を収容しており、その内部は排気孔５を介
して接続される真空系統（図示せず。）により図中矢印
Ａ方向に高真空状態に排気されている。また、イオン照
射チャンバ１には多重開口電極４を介してイオン生成室
２が接続されており、該イオン生成室２にガス導入管３
を介して導入されるガスを原料としてイオンを発生させ
、これを前記ウェハ７に向けて照射するようになされて
いる。一方のダウンストリーム・チャンバ１０は、ウェ
ハ７を載置するためのウェハ・ステージ１５を収容して
おり、その内部は排気孔１７を介して図中矢印Ｂ方向に
高真空状態に排気されている。上記ウェハ・ステージ１
５は冷却配管１６を内蔵しており、該冷却配管１６に装
置外部に設置されているチラー等の冷却系統（図示せず
。）から冷媒を図中矢印Ｃ１　，Ｃ２　方向に供給循環
させることにより、ウェハ７を冷却可能となされている
。 また、上記ダウンストリーム・チャンバ１０にはマイク
ロ波放電管１１が接続されている。上記マイクロ波放電
管１１は、発振周波数２．４５ＧＨｚのマグネトロン発
振器１２から導波管１３を通じて供給されるマイクロ波
により電界を形成するための一対の電極１４に挾持され
ている。上記マイクロ波放電管１１に導入された反応ガ
スはマイクロ波により励起されてプラズマＰ１　を生成
する。このプラズマ中に発生する化学種のうち、比較的
寿命の長い中性活性種がダウンストリーム・チャンバ１
０へ引き出され、冷却保持されたウェハ７上へ吸着され
るようになされている。

【００１６】この装置を使用して、単結晶Ｓｉ基板のエ
ッチングを行った例を、図２（ａ）ないし（ｄ）を参照
しながら説明する。ただし、これらの図面は説明の便宜
を図るために深さ方向のエッチング量を誇張して模式的
に描いたものである。エッチング・サンプルであるウェ
ハ７の構成は、図２（ａ）に示されるように、単結晶Ｓ
ｉ基板５０上に所定のパターンにレジスト・マスク５１
が形成されてなるものである。この状態のウェハ７をイ
オン照射チャンバ１内のウェハ・ステージ６上に載置し
、ガス導入管３からＡｒガスを導入してイオン生成室２
にてＡｒ＋　を発生させた。このＡｒ＋　を多重開口電
極４を介してビームとして引出し、入射エネルギー約２
０ｅＶにてウェハ７を照射した。これにより、図２（ｂ
）に示されるように、単結晶Ｓｉ基板５０の表面のうち
レジスト・マスク５１に被覆されていない領域において
ダングリング・ボンド５２が形成された。

【００１７】次に、上記ウェハ７をダウンストリーム・
チャンバ１０に移設し、予め冷却配管１６に液体窒素を
循環させることにより冷却されたウェハ・ステージ１５
上に載置した。ここで、マイクロ波放電管１１の一端か
らＮＦ３　を流量１０００ＳＣＣＭにて導入し、ガス圧
１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ），マイクロ波パワー１ｋＷ（
１３．５６ＭＨｚ）の条件でマイクロ波放電を行い、プ
ラズマＰ１　中に生成したＦ＊　をウェハ７上へ供給し
た。Ｆ＊　は、ウェハ７表面に予め形成されているダン
グリング・ボンド５２に結合し、図２（ｃ）に示される
ように速やかにＳｉＦｘ　層５３を形成した。これは、
従来のデジタル・エッチングにおいてＦが吸着されてい
るだけの状態とは大きく異なる点である。

【００１８】次に、上述のウェハ７を再びイオン照射チ
ャンバ１に戻し、前述の条件にてＡｒ＋　ビームを照射
した。この照射により、ＳｉＦｘ層５３は速やかに脱離
し、図２（ｄ）に示されるように異方性形状を有するＳ
ｉパターン５０ａが形成された。ただし、これら一連の
過程、すなわちダングリング・ボンド形成→ＳｉＦｘ　
層形成→ＳｉＦｘ　層脱離のサイクルは単原子層レベル
で進行するものであり、実際のデジタル・エッチングの
プロセスにおいて図２（ｄ）に示されるようなＳｉパタ
ーン５０ａを得るためには、多数回のサイクルを繰り返
さなければならない。

【００１９】本実施例において異方性加工が可能となる
のは、ダングリング・ボンド５２の形成とＳｉＦｘ　層
５３の脱離とがＡｒ＋　ビームの照射面においてのみ行
われるからである。上述のプロセスではＦ＊　の吸着に
先立ってダングリング・ボンド５２が形成されるため、
ダングリング・ボンド５２を形成しない場合に比べてエ
ッチング速度を約２倍に増速することができた。

【００２０】実施例２ 本実施例は、本願の第２の発明を同じく単結晶Ｓｉ基板
のエッチングに適用し、単結晶Ｓｉ基板の表面にＦを吸
着させた後、中性Ａｒビームを照射してＳｉＦｘ　層の
形成および脱離を行わせた例である。

【００２１】まず、本実施例で使用したデジタル・エッ
チング装置の概略的な一構成例を図３に示す。ただし、
図３中、前述の図１と共通する部分については同一の番
号を付して説明する。この装置は、単結晶Ｓｉ基板の表
面にＦを吸着させるためのダウンストリーム・チャンバ
１０と、中性Ａｒビーム照射するための中性ビーム照射
チャンバ２０とがゲート・バルブ１８にて高真空下に接
続されてなるものである。上記ダウンストリーム・チャ
ンバ１０の構成は前述のとおりであり、説明は省略する
。上記中性ビーム照射チャンバ２０は、ウェハ７を載置
するためのウェハ・ステージ２４を収容しており、その
内部は排気孔２５を介して接続される真空系統（図示せ
ず。）により図中矢印Ｄ方向に高真空状態に排気されて
いる。また、中性ビーム照射チャンバ２０には多重開口
電極２３を介してイオン生成室２１が接続されており、
該イオン生成室２１にガス導入管２２を介して導入され
るガスを原料としてイオンを発生させる。このイオンは
中性ビーム照射チャンバ２０内に引き出された後、バッ
クグラウンド・ガスとの電荷交換反応により中性化され
、荷電粒子除去電極２６を介してウェハ７に入射するよ
うになされている。また、上記中性ビーム照射チャンバ
２０には、必要に応じてエッチング反応系内に活性種を
供給するためのＥＣＲプラズマ供給部（図３中、Ｘ−Ｘ
線より右側の部分）が配設されている。このＥＣＲプラ
ズマ供給部においては、ＥＣＲプラズマ生成室２７にガ
ス導入管３０から反応ガスが導入され、導波管２９とマ
イクロ波導入窓２８を介して供給されるマイクロ波とＥ
ＣＲプラズマ生成室２７を周回するソレノイド・コイル
３１が発生する磁場とを利用してＥＣＲ（電子サイクロ
トロン共鳴）放電を行うことにより、プラズマＰ２　が
生成される。

【００２２】この装置を使用して、単結晶Ｓｉ基板のエ
ッチングを行った例を、図４（ａ）および（ｂ）を参照
しながら説明する。ただし、図４において図２と共通の
部分については同一の番号を付して説明する。また、本
実施例では上記装置のうちＥＣＲプラズマ供給部は使用
しない。エッチング・サンプルであるウェハ７の構成は
、図２（ａ）に示されるものと同様である。この状態の
ウェハ７を、ダウンストリーム・チャンバ１０内で予め
冷却配管１６に液体窒素を循環させることにより冷却さ
れたウェハ・ステージ１５上に載置した。ここで、マイ
クロ波放電管１１の一端からＮＦ３　を流量１０００Ｓ
ＣＣＭにて導入し、ガス圧１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ），
マイクロ波パワー１ｋＷの条件でマイクロ波放電を行い
、プラズマＰ１　中に生成したＦ＊　をウェハ７上へ供
給した。この結果、図４（ａ）に示されるように、ウェ
ハ７表面にＦが吸着された状態となった。これは、従来
のデジタル・エッチング方法における初期状態と同様で
ある。

【００２３】次に、上述のウェハ７を中性ビーム照射チ
ャンバ２０へ搬送してウェハ・ステージ２４上へ移設し
、ガス導入管２２からＡｒガスを導入してイオン生成室
２１にてＡｒ＋　を発生させた。このＡｒ＋　を多重開
口電極２３を介してビームとして引出し、さらに電荷交
換反応により中性Ａｒビームに変換し、これを荷電粒子
除去電極２６を介してウェハ７に入射させた。この中性
Ａｒビームの運動エネルギーがウェハ７表面に吸着され
たＦに移行してＳｉＦｘ　層の形成とその脱離とが進行
し、図４（ｂ）に示されるように異方性形状を有するＳ
ｉパターン５０ａが形成された。従来のデジタル・エッ
チングのプロセスではこの段階で荷電ビーム（Ａｒ＋　
ビーム）を照射しているために、照射損傷を防止するこ
とは本質的に困難であったが、本発明によれば中性Ａｒ
ビームを使用するため、照射損傷をほぼ完全に防止する
ことができた。

【００２４】実施例３ 本実施例は、本願の第２の発明を酸化シリコン（ＳｉＯ
２　）層上における窒化シリコン（ＳｉＮｘ　）層の高
選択比エッチングに適用し、ＳｉＮｘ　層の表面にＦを
吸着させた後、Ｃｌ系活性種によるエッチングを中性Ａ
ｒビームによりアシストした例である。ＳｉＯ２　層上
におけるＳｉＮｘ　層のエッチングは、たとえばＬＯＣ
ＯＳ法において素子分離領域を規定するためのパターニ
ング等で行われるが、バーズ・ビーク長を最小限に止め
るためにパッド酸化膜（ＳｉＯ２　層）が薄膜化されて
いる現状では、極めて高い下地選択性の要求されるプロ
セスである。また、コンタクト・ホール加工においても
基板ダメージを低減させるために層間絶縁膜の下地とし
てＳｉＯ２　層とＳｉＮｘ　層との積層膜が敷設される
場合があり、ここでも高選択比加工が要求されている。 しかし、両層のエッチャントが共通であること、および
Ｓｉ−ＮとＳｉ−Ｏの原子間結合エネルギーが近似して
いること等の理由により、その実現は従来より困難とさ
れている。かかる高選択比加工を実現する技術のひとつ
として、ケミカル・ドライエッチング装置にＮＦ３　と
Ｃｌ２　とを供給し、マイクロ波放電により気相中に生
成するＦＣｌをエッチングに利用するプロセスがＰｒｏ
ｃｅｅｄｉｎｇｓ　　ｏｆＳｙｍｐｏｓｉｕｍ　　ｏｎ
　　Ｄｒｙ　　Ｐｒｏｃｅｓｓ，第８８巻７号，８６〜
９４ページ（１９８７年）に報告されている。しかし、
このプロセスにおけるエッチング反応は本質的にはラジ
カル反応であり、異方性加工が困難であるという欠点を
有している。

【００２５】以下に述べるプロセスは、ＳｉＯ２　層と
ＳｉＮｘ　層との高選択比エッチングにおいて異方性加
工を実現するものである。このプロセスを、図５（ａ）
ないし（ｃ）を参照しながら説明する。本実施例で使用
する装置は前述の図３に示されるものと同様であるが、
ここではＥＣＲプラズマ供給部も使用する。まず、図５
（ａ）に示されるように、単結晶シリコン基板６０上に
ＳｉＯ２　層６１およびＳｉＮｘ　層６２が順次積層さ
れてなり、該ＳｉＮｘ　層６２上にレジスト・マスク６
３が選択的に形成されてなるウェハ７を用意し、ダウン
ストリーム・チャンバ１０内のウェハ・ステージ１５上
に載置して冷却保持した。この状態で、前述と同様の条
件によりＮＦ３　の放電によりプラズマＰ１　を生成さ
せ、ＳｉＮｘ　層６２表面のうちレジスト・マスク６３
に被覆されていない領域においてＦを吸着させた。

【００２６】次に、上記ウェハ７を中性ビーム照射チャ
ンバ２０内のウェハ・ステージ２４上に移設した。この
状態で、ガス供給管３０から流量１０００ＳＣＣＭにて
Ｃｌ２　を供給し、ガス圧１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ），
マイクロ波パワー１ｋＷ（１３．５６ＭＨｚ）の条件で
マイクロ波放電を行わせ、ＥＣＲプラズマ生成室２７内
にプラズマＰ２　を発生させた。このプラズマＰ２　か
らＣｌ＊　を中性ビーム照射チャンバ２０側へ引き出し
、これと同時に中性Ａｒビームをウェハ７へ照射した。 この過程では、すでに吸着されているＦとＣｌ＊　との
反応によりＦＣｌが生成し、該ＦＣｌとＳｉＮｘ　層６
２とが中性Ａｒビームにアシストされながら反応してＳ
ｉＦｘ　およびＳｉＣｌｘ　が生成され、これら反応生
成物が中性Ａｒビームから運動エネルギーを供与されて
脱離するという機構によりエッチング反応が進行した。 この様子を模式的に示したの図５（ｂ）である。

【００２７】このようにして、Ｆ吸着→中性Ａｒビーム
照射およびＣｌ＊供給を１サイクルとする単原子層レベ
ルのエッチングが進行するが、さらにこのサイクルを多
数回繰り返すことにより、異方性形状を有するＳｉＮｘ
　パターン６２ａが形成された。このように異方性加工
が可能となるのは、方向性を有する中性Ａｒビームの入
射面においてのみ、反応生成物の生成と脱離が起こるか
らである。ＦＣｌはＳｉＯ２　のエッチャントとはなり
得ないため、エッチングはＳｉＯ２　層６１の表面が露
出した時点で停止し、高選択性も達成された。

【００２８】なお、上述の反応機構から考えると、初め
にＳｉＮｘ　層６２の表面にＣｌを吸着させておき、次
にＦ＊　を供給しながら中性Ａｒビームのアシストによ
るエッチングを行っても原理的には高選択比加工が可能
である。しかし、ＦとＣｌとの質量差を考慮すると、初
めに質量の小さいＦをダウンストリーム式に輸送する方
が均一な吸着が実現でき、また後から質量の大きいＣｌ
＊　を供給する方がウェハ７面へ到達する際の運動エネ
ルギーの一部を反応エネルギーとして使用することが可
能となるので、有利であると言える。

【００２９】実施例４ 本実施例は、本願の第３の発明を単結晶Ｓｉ基板のエッ
チングに適用し、Ａｒ＋　ビームにより該基板の表面に
ダングリング・ボンドを形成した後、Ｆ＊　を吸着させ
てＳｉＦｘ　層を形成させ、さらに中性Ａｒビームを照
射して上記ＳｉＦｘ　層を脱離させた例である。

【００３０】まず、本実施例で使用したデジタル・エッ
チング装置の概略的な一構成例を図６に示す。図６中、
前述の図１および図３と共通する部分については同一の
番号を付して説明する。この装置は、ダングリング・ボ
ンドの形成に利用されるイオン照射チャンバ１と、Ｆ＊
　の吸着とＳｉＦｘ　層の形成に利用されるダウンスト
リーム・チャンバ１０と、ＳｉＦｘ　層の脱離に利用さ
れる中性ビーム照射チャンバ２０とがそれぞれゲート・
バルブ４１，４２，４３を介して高真空下にウェハ・ハ
ンドリング・ユニット４０と接続されてなるマルチ・チ
ャンバ式の構成を有するものである。かかる構成によれ
ば、あるチャンバにおいて所定の処理を終了したウェハ
７は、その都度ウェハ・ハンドリング・ユニット４０を
経由して他のチャンバに搬送される。ただし、図６は各
チャンバの平面配置を模式的に示すものであって、三次
元的な配置を考慮したものではない。また、各チャンバ
の構成については、いずれも前述したとおりである。

【００３１】上記の装置を使用して、単結晶Ｓｉ基板の
エッチングを行った例を、図７（ａ）ないし（ｄ）を参
照しながら説明する。これらの図において、図１と共通
の部分については同じ番号を付した。サンプル・ウェハ
の構成は、図７（ａ）に示されるごとく、単結晶Ｓｉ基
板５０上にレジスト・マスク５１が選択的に形成されて
なるものである。このウェハ７をイオン照射チャンバ１
内のウェハ・ステージ６上に載置し、約２０ｅＶのイオ
ン入射エネルギーにてＡｒ＋ビームを照射した。この結
果、図７（ｂ）に示されるように、単結晶Ｓｉ基板５０
の表面にダングリング・ボンド５２が形成された。次に
、上記ウェハ７をウェハ・ハンドリング・ユニット４０
を経由してダウンストリーム・チャンバ１０内の冷却さ
れたウェハ・ステージ１５上に移設し、ＮＦ３　のマイ
クロ波放電により生成したＦ＊　を吸着させた。これに
より、図７（ｃ）に示されるように単結晶Ｓｉ基板５０
の表面にＳｉＦｘ　層５３が形成された。次に、上記ウ
ェハ７をウェハ・ハンドリング・ユニット４０を経由し
て中性ビーム照射チャンバ２０内のウェハ・ステージ２
４上に移設し、中性Ａｒビームを照射した。この照射に
よりＳｉＦｘ　層５３が脱離し、図７（ｄ）に示される
ように、異方性形状を有するＳｉパターン５０ａが形成
された。本実施例では、ダングリング・ボンド５２の形
成によりエッチング速度がほぼ倍増され、さらにＳｉＦ
ｘ　層５３の脱離に中性ビームを使用することにより低
損傷化が徹底された。

【００３２】以上、本発明を４つの実施例にもとづいて
説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定される
ものではなく、たとえばＳｉＦｘ　，ＳｉＣｌｘ　等の
反応生成物の脱離に際して光照射を併用しても良い。こ
の際の光エネルギーは加熱に利用されるので、光エッチ
ングの場合等とは異なり、特に反応ガスの吸収極大を考
慮して波長を限定する等の必要はない。また、ウェハ７
の冷却温度は、反応生成物が揮発せず、脱離律速の条件
を達成し得る程度の温度であれば、特に上述の温度に限
定されるものではない。ただし、過度の冷却は反応速度
を低下させる原因となるため、反応系に応じた温度制御
が必要である。さらにガス圧についても、中性活性種の
散乱や再結合が抑制される程度の低圧であれば、特に限
定されるものではない。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本願
の第１の発明によれば、従来のデジタル・エッチング技
術における低エッチング速度が克服される。本願の第２
の発明によれば、従来の中性ビーム・アシスト・エッチ
ングにおける照射損傷が徹底的に排除される。さらに本
願の第３の発明によれば、上記第１および第２の発明を
併せた効果を得ることができる。したがって、本発明は
微細なデザイン・ルールにもとづき高集積度および高性
能を有する半導体装置を製造するに極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願の第１の発明を実施するにあたり使用され
るデジタル・エッチング装置の一構成例を示す概略断面
図である。

【図２】本願の第１の発明を単結晶Ｓｉ基板のエッチン
グに適用した例をその工程順にしたがって示す概略断面
図であり、（ａ）はエッチング前のウェハの状態、（ｂ
）はＡｒ＋　ビーム照射によりダングリング・ボンドが
形成された状態、（ｃ）はＳｉＦｘ　層が形成された状
態、（ｄ）はＡｒ＋　ビーム照射によりＳｉＦｘ　層が
脱離した状態をそれぞれ示す。

【図３】本願の第２の発明を実施するにあたり使用され
るデジタル・エッチング装置の一構成例を示す概略断面
図である。

【図４】本願の第２の発明を単結晶Ｓｉ基板のエッチン
グに適用した例をその工程順にしたがって示す模式的断
面図であり、（ａ）は単結晶Ｓｉ基板の表面にＦが吸着
された状態、（ｂ）は中性Ａｒビーム照射によりＳｉＦ
ｘ　の生成と脱離が競合的に生ずる状態をそれぞれ示す
。

【図５】本願の第２の発明をＳｉＯ２　層上におけるＳ
ｉＮｘ　層の高選択比エッチングに適用した例をその工
程順にしたがって示す模式的断面図であり、（ａ）はＳ
ｉＮｘ　層の表面にＦが吸着された状態、（ｂ）はＣｌ
＊　の供給と中性Ａｒビーム照射によりＳｉＮｘ　層の
エッチングが進行する途中状態、（ｃ）はＳｉＮｘ　層
のエッチングが終了した状態をそれぞれ示す。

【図６】本願の第３の発明を実施するにあたり使用され
るデジタル・エッチング装置の一構成例を示す概略断面
図である。

【図７】本願の第３の発明を単結晶Ｓｉ基板のエッチン
グに適用した例をその工程順にしたがって示す概略断面
図であり、（ａ）はエッチング前のウェハの状態、（ｂ
）はＡｒ＋　ビーム照射によりダングリング・ボンドが
形成された状態、（ｃ）はＳｉＦｘ　層が形成された状
態、（ｄ）は中性Ａｒビーム照射によりＳｉＦｘ　層が
脱離した状態をそれぞれ示す。

【符号の説明】

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　被エッチング基板の表面にダングリン
   グ・ボンドを形成する工程と、前記被エッチング基板を
   冷却してエッチング種を吸着させ表面反応層を形成する
   工程と、前記被エッチング基板に荷電ビームを照射して
   前記表面反応層を脱離させる工程とを逐次繰り返すこと
   を特徴とするデジタル・エッチング方法。
2. 【請求項２】　　被エッチング基板を冷却してエッチン
   グ種を吸着させる工程と、前記被エッチング基板に中性
   ビームを照射して表面反応層の形成および該表面反応層
   の脱離を行わせることを特徴とするデジタル・エッチン
   グ方法。
3. 【請求項３】　　被エッチング基板の表面にダングリン
   グ・ボンドを形成する工程と、前記被エッチング基板を
   冷却してエッチング種を吸着させ表面反応層を形成する
   工程と、前記被エッチング基板に中性ビームを照射して
   前記表面反応層の脱離を行わせることを特徴とするデジ
   タル・エッチング方法。