JP2000091321A

JP2000091321A - 表面処理方法および装置

Info

Publication number: JP2000091321A
Application number: JP10256926A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Ono; 哲郎小野; Tatsumi Mizutani; 巽水谷; Tokuo Kure; 得男久礼; Masayuki Kojima; 雅之児島; Takafumi Tokunaga; 尚文徳永; Motohiko Kikkai; 元彦吉開; Takashi Sato; 孝佐藤; Yasushi Goto; 康後藤
Original assignee: Hitachi Techno Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマを用いた半導体素子の微細パタンのエ
ッチング処理において、ラインパタンの太りと形状マイ
クロローディングを低減し異方性を向上させるとともに
選択比の低下を防ぐ。【解決手段】プラズマエッチングによる微細パタンの加
工において、試料に入射するイオンのエネルギーを十分
高くすると同時に、イオンを加速するための高周波電源
をオンオフする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は表面処理方法および
装置に係り、特にプラズマを用いて半導体素子等の表面
をエッチング処理するのに好適な表面処理方法および装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術として半導体素子をプラズマ
中でエッチングする装置、例えば、ECR(電子サイクロト
ロン共鳴)方式と呼ばれる装置を例に説明する。この方
式では、外部より磁場を印加した真空容器中でマイクロ
波によりプラズマを発生する。磁場により電子はサイク
ロトロン運動し、この周波数とマイクロ波の周波数を共
鳴させることで効率良くプラズマを発生できる。試料に
入射するイオンを加速するために、試料には高周波電圧
が印加される。プラズマとなるガスには塩素やフッ素な
どのハロゲンガスが用いられる。

【０００３】この装置の主に高精度化をはかる目的で特
開平6-151360号公報が知られている。該公報には、試料
に印加する高周波電圧をオンオフと間欠的に制御するこ
とにより、エッチングしたい物質であるSiと下地酸化膜
との選択比を高くでき、かつエッチング速度のパタン依
存性を低減できることが開示されている。また、特開平
8-339989号公報には、金属のエッチングで高周波電圧を
オンオフと間欠的に制御することにより、エッチ残りを
低減できることが記載されている。また、特開昭62-154
734号公報には、堆積性の強いエッチングガスを用いて
かつ高周波電圧をオンオフと間欠的に制御することによ
り、傾斜部を加工する方法が述べられている。また、特
開昭60-50923号公報には、エッチングガスの導入量に合
わせて高周波電圧をオンオフ制御して異方性を上げる方
法が記載されている。また、米国特許4585516号明細書
には３電極型のエッチング装置で、そのうち２つの電極
にかかる高周波電圧をオンオフ制御することで、エッチ
ング速度のウエハ面内均一性を向上する方法が述べられ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】半導体素子の微細化に
伴い、配線や電極に相当するラインとスペースの加工寸
法は０.３μm以下の領域に入っている。このよう微細パ
タンの加工ではラインが次第に太くなり、パタンが設計
寸法に加工できない問題が顕著になる。さらに微細溝内
と比較的広い部分でのエッチング速度の差に加えて、形
状の差、いわいる形状マイクロローディングが顕著にな
り、加工の障害となる。さらに、MOS(metal oxide semi
conductor)トランジスタのゲート酸化膜の厚さは256M以
降のメモリ素子では6nm以下になる。このような素子で
は、異方性と下地酸化膜の選択比がトレードオフの関係
になり加工をより困難にする。

【０００５】本発明の目的は、微細パタンのエッチング
において、異方性の向上と選択比の低下を防ぐことので
きる表面処理方法および装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】微細パタンの加工におい
て、試料に印加する高周波電圧を繰返しオンオフ制御し
て、かつ電圧の振幅を十分高く設定した。ラインが次第
に太る現象は、反応生成物などの側壁への付着が、エッ
チングに対して優勢になるために生じる。一般的にはエ
ッチング時にウエハに入射するイオンのエネルギーを高
くすると、側壁への付着よりもエッチングが優勢になる
ために、ラインの太りは改善される。しかし、イオンの
エネルギーを高く設定すると酸化膜のエッチング速度が
大きくなり、下地の酸化膜が薄いゲート電極の加工など
には適さなくなる。そこで、高周波電圧にオフ期間を設
けて高エネルギーイオンの数を減らすことで、選択比の
低下を防いだ。

【０００７】

【発明の実施の形態】〔実施例１〕以下、本発明の一実
施例を図１および図２により説明する。図１(１）は本
発明を適用するプラズマエッチング装置の全体構成図で
ある。マイクロ波電源１０１から導波管１０２と導入窓
１０３を介して真空容器１０４内にマイクロ波が導入さ
れる。導入窓１０３の材質は石英、セラミックなど電磁
波を透過する物質である。真空容器１０４の回りには電
磁石１０５が設置されており、磁場強度はマイクロ波の
周波数と共鳴を起こすように設定されて、たとえば周波
数が2.45GHzならば磁場強度は875Gaussである。この磁
場強度でプラズマ１０６中の電子のサイクロトロン運動
が電磁波の周波数と共鳴するために、効率よく電磁波の
エネルギーがプラズマに供給され高密度のプラズマがで
きる。試料１０７は試料台１０８の上に設置される。試
料に入射するイオンを加速するために、高周波のバイア
ス電源１０９が試料台１０８に接続されている。高周波
バイアスの周波数に特に制限はないが、通常では周波数
は２００kHzから２０ＭHzの範囲が実用的である。図１
(２)は高周波バイアス電源１０９の電圧波形１１０を示
す。高周波バイアス電源１０９はバイアス電圧がオンオ
フできるようになっている。

【０００８】次にこの装置でラインとスペースからなる
微細パタンをエッチングした結果を図２に示す。エッチ
ングのガスには塩素(７２sccm)と酸素(８sccm)の混合ガ
スを用い、真空容器１４内部の圧力を0.4Paとした。マ
イクロ波電源１０１の出力を４００Wとした。バイアス
電源１０９の周波数は８００KHzである。エッチングし
た素子の構造は、シリコン基板２０１上のゲート酸化膜
２０２の厚さが4nm、poly Si２０３の厚さ３００nm、レ
ジスト２０４の厚さが１μmでラインとスペースの幅は
それぞれ0.4μmである。図２（１）は、バイアス電源１
０９を連続出力で６０Wとした場合（以後連続バイアス
と呼ぶ）、図２（２）は高周波電圧をオンオフ制御（以
後オンオフバイアスと呼ぶ）でピーク出力３００Wでデ
ューティー比（一周期におけるオン期間の割合）を２０
％した場合のエッチング形状を示す。オンオフの繰返し
周波数は１kHzとした。この条件でのpoly Siのエッチン
グ速度は約２５０nm/分で、酸化膜との選択比は約２０
となる。図２は、poly Si２０３のエッチングの途中の
形状である。連続バイアスではpoly Siの側壁の垂直性
が悪くかつ、狭い部分に面した側壁２０７と広い部分に
面した側壁２０８では、広い部分の方がより垂直性が悪
くなる（形状マイクロローディング）。また、エッチン
グ底面にはサブトレンチ２０９と呼ばれる微細な溝が発
生する。オンオフバイアスでは側壁の垂直性が良くなり
形状マイクロローディングが低減される。同時に、サブ
トレンチならびにライン間のpoly Si２０５の掘れ深さ
と広いスペース部のpoly Si２０６の掘れ深さに差Ｄが
低減する。

【０００９】サブトレンチは、側壁の垂直性が悪くなり
イオンが側壁で反射され底面に入射するので生じる。従
って、側壁の垂直性が良くなることにより低減される。
垂直性は一般にイオンエネルギが高いと良くなる。イオ
ンのエネルギーは、ほぼバイアス電圧の振幅（以後Vpp
と呼ぶ）に比例する。連続バイアス６０WでのVppは３２
０Vで、オンオフバイアスピーク電力３００WのVppは１
４１０Vになる。従って、オンオフバイアスでイオンの
エネルギーがより高くなり、垂直性が向上した。連続バ
イアスでVppを高くしても垂直性は良くなる。しかし、
酸化膜のエッチング速度がほぼVppに比例して大きくな
るためにpoly Siと酸化膜の選択比が低くなり、トラン
ジスタのゲート電極のエッチングのように下地の酸化膜
が薄い場合には適さなくなる。オンオフバイアスでは、
イオンの加速にオフ期間を設けることで、高エネルギー
イオンの数を低減して、選択比を低下させずに垂直性を
上げることができる。

【００１０】poly Siのエッチングに適したガスには他
にHBrやSF6がある。典型的な条件としては、HBr(100cc)
+酸素(5cc)で圧力０.２Pa、マイクロ波電源１０１の出
力を４００Wがある。また、塩素とHBrと酸素の混合ガス
も多く用いられ、塩素(20cc)+酸素(3cc)+HBr(90cc)で圧
力０.４Paなどの混合が用いられる。

【００１１】〔実施例２〕次に別材料のエッチングに適
用した結果を述べる。試料は、図３に示すようにシリコ
ン基板３０１上に４nmの酸化膜３０２、その上に３００
nmのpoly Si膜３０３と８０nmのタングステンシリサイ
ド(WSi)膜３０４があり、最上層にはマスクとしてパタ
ン状に加工されたの窒化シリコン膜３０５がある。エッ
チングガスは塩素(１８５sccm)と酸素(１５sccm)の混合
ガスで、圧力を０.８Paとした。マイクロ波電源１０１
の出力を４００Wとした。高周波電源１０９の周波数は
８００KHzである。図３はpoly Siのエッチング途中の断
面形状を示す。図３（１）は、連続バイアス６０W（Vpp
は約３７０V）とした場合、図３（２）はオンオフバイ
アスでピーク出力３００W（Vppは約１４５０V）でデュ
ーティー比を２０％とした場合のエッチング形状を示
す。この条件でのpoly Siのエッチング速度は約３５０n
m/分で、酸化膜との選択比は約２５となる。この試料に
おいても、連続バイアスでエッチングした場合は、垂直
性が悪くかつマイクロローディングも大きい。一方、オ
ンオフバイアスでは側壁の垂直性が良くなる。さらにこ
の試料ではpoly Siのエッチング表面に針状の突起３０
６が見られる。これはおそらく、poly Si３０３とWSi３
０４の界面の異物などがマスクとなり生じるものと考え
られ、エッチ残りの一因となる。オンオフバイアスでは
この針状突起の密度も低減できる。

【００１２】〔実施例３〕次に、金属と半導体の多層膜
のエッチングに本発明を実施した例を述べる。半導体素
子のより高速化のためにトランジスタのゲート電極に抵
抗がpoly Siより低い金属を用いる開発が進んでいる。
試料は図４に示すように、シリコン基板４０１上に堆積
した酸化膜４０２、多結晶シリコン４０３、窒化タング
ステン４０４、タングステン４０５の多層膜で、最上層
に窒化Siのマスク４０６が形成されている。

【００１３】エッチングに使用したガスは塩素３８sccm
と酸素１２sccmで圧力０.２Ｐａである。マイクロ波の
電力は５００Ｗ、試料温度は７０℃である。図４（１）
は連続バイアス１４０Ｗ（Vppは８９０V）を試料に印加
した場合、図４（２）はオンオフバイアスでピーク電力
７００（Vppは１７２０V）デューティー比２０％の場合
の形状を示す。この試料では、タングステンの塩化物の
蒸気圧が低くてエッチングし難いため、連続バイアスで
は垂直性低下と形状マイクロローディングがさらに問題
となる。この差が、下地のpoly Siの形状にも反映され
る。一方、オンオフバイアスでのエッチングではタング
ステンエッチングの側壁の垂直性が上がる。さらに、エ
ッチング底面も連続バイアスと比較して平滑になる。

【００１４】図４の試料では、タングステン４０５と酸
化膜４０２の間にバッファ層としてpoly Si４０３とWN
４０４が挿入されているが、より高速化を目指すために
タングステン４０５のみの構造も検討されている。本発
明はこの構造の素子でも効果がある。

【００１５】以上、タングステンを例に取り説明した
が、他の金属材料には、モリブデン，ニッケル，コバル
ト，チタンなどの高温熱処理に耐えられる高融点金属が
ある。さらに、バリア膜としては、これらの金属の窒化
物の組み合わせがある。これらの材料の加工でも、オン
オフバイアスとしさらには酸素のような金属のエッチン
グを促進するガスを添加することで、垂直性を上げてか
つ平滑なエッチング面を得ることができる。また、マス
クの材質は通常の有機ホトレジストでもよいが、レジス
トに含まれる炭素が酸化膜のエッチングを促進して選択
比を下げるので、酸化シリコンあるいは窒化シリコンの
ような無機物の膜の方が選択比を高くできる。

【００１６】また、タングステンなどをエッチングする
ガスとしてはこの他にSF6,CF4などフッ素原子を含むガ
スがある。このガス系でも、高周波電圧をオン，オフ制
御することで、タングステンを平滑にエッチングでき
る。さらに、これらのガスに酸素を添加すると、酸素が
タングステンのエッチングを促進するので効果がより大
きくなる。フッ素原子を含むガスを使用すると、試料温
度が低くてもエッチング速度は比較的大きくなるが、フ
ッ素による多結晶シリコン部のエッチング溝の側壁のエ
ッチングが進行するので、試料の温度は２０℃以下にす
る必要がある。

【００１７】〔実施例４〕以下にデュアルゲートと呼ば
れる、素子高速化のために同じウエハ上に導電性の異な
るpoly Si電極を持つ構造の素子の実施例を述べる。図
５は試料断面図で、シリコン基板５０１上に酸化膜５０
２、ｐ型多結晶シリコン５０３、ｎ型多結晶シリコン５
０４、最上層にレジスト５０５が形成されている。エッ
チングに使用したガスは塩素５５sccmと酸素４sccm、圧
力０.４Ｐａで、マイクロ波電力は４００Ｗである。

【００１８】図５（１）は連続バイアスで電力３５Ｗと
し、図５（２）はオンオフバイアスでピーク電力１７５
Ｗデューティー２０％での形状である。半導体のエッチ
ング速度はその導電性に依存して、ｎ型で大きくｐ型で
小さくなる。従って、デュアルゲートの加工ではｎ型と
ｐ型のエッチング速度の差により、広いスペースでも、
エッチ深さの差Eが発生する。さらに加工形状差もあ
り、ｐ型の方がｎ型より側壁の垂直性が悪くなる。この
ために加工がより困難になる。オンオフバイアスでは、
ｐ型とｎ型の形状差も改善できる。ｎ型とｐ型の差は、
塩素などのハロゲンラジカルとの化学反応性の差による
と考えられ、ｐ型の方がハロゲンとの反応性が低く、エ
ッチング速度が小さくなりかつラインの太りも大きくな
る。。一方、イオンのエネルギーが寄与する部分は、物
理的なスパッタが多くあり、ｎ型とｐ型の差がない。し
たがってイオンエネルギーが大きいオンオフバイアスで
は、ｎ型とｐ型の差が小さくなる。

【００１９】〔実施例５〕次に、アルミなどの金属のエ
ッチングに本発明を適用した結果を述べる。試料構造
は、基板Si６０１上に酸化膜（６０２）３００nm、TiN
（６０３）１００nm、Al（６０４）４００nm、 TiN（６
０５）７５nmを堆積させて最上層にはレジストマスク
（６０６）１μmが付いている。ラインとスペースの寸
法は０.４μmである。エッチングガスは塩素（８０scc
m）とBCl3（２０sccm）の混合で、圧力を１Paとした。
マイクロ波電源１０１の出力を７００Wとし、電極温度
は４０℃とした。高周波電圧電源１０９の周波数は８０
０KHzとし、オンオフの繰返し周波数は２kHzとした。

【００２０】図６（１）は連続バイアスで電力を７０W
の場合、図６（２）はオンオフバイアスでピーク電力３
５０Wでデューティー比２０％の場合のエッチング形状
を示す。この試料では形状マイクロローディングが大き
く、連続バイアス時の広いスペースに面した側壁６０７
の垂直性が特に悪くなるが、オンオフバイアスにするこ
とで抑制される。

【００２１】〔実施例６〕図７は本発明を適用する別の
装置構造で、この装置では数百kHzから数十MHzのいわゆ
るラジオ波帯（以後rfと呼ぶ）の周波数で誘導結合によ
りプラズマを発生させる。真空容器７０３はアルミナや
石英などの電磁波を透過する物質でつくられている。そ
の回りに、プラズマ７１０を発生させるための電磁コイ
ル７０２が巻いてある。コイルにはrf電源７０４が接続
されている。真空容器７０１内には試料台７０８があり
その上に試料７０７が置かれ、高周波電圧電源７０９が
接続されている。真空容器７０１には上蓋７０５がつい
ているがこれは一体型でもかまわない。

【００２２】この方式の装置でも、高周波電圧電源７０
９をオンオフして垂直性を向上することができる。図７
に示す装置では、電磁コイル７０２は上蓋７０５の上に
設置されていても効果は同じである。

【００２３】〔実施例７〕図８は本発明を適用する別の
装置構造で、この装置ではrf電力の容量結合によりプラ
ズマを発生させる。真空容器８０１内には２枚の電極８
０２、８０５が平行に配置してある。電極にはそれぞれ
rf電源８０３と高周波電圧電源８０６が接続してある。
試料８０４は試料台をかねる電極８０５の上におかれ
る。ガスは試料と対向した電極８０２の穴から導入管８
０８を通して容器内に入れられる。プラズマ８０７は２
枚の電極の間で発生する。

【００２４】この方式の装置でも、高周波電圧電源８０
６をオンオフして垂直性を改善することができる。

【００２５】〔実施例８〕次に、垂直性を改善するのに
必要なイオンのエネルギーとその高周波電圧との関係に
ついて述べる。垂直な側壁を得るイオンのエネルギーの
絶対値は、試料やエッチング条件により異なるため規定
はできない。しかし、実験から連続バイアス時のイオン
エネルギーの１.２倍程度から効果が見えはじめ、１.５
倍以上で顕著になる。従って、エッチング速度と選択比
を変えずに、垂直性を上げるにはイオンエネルギーを
１.２倍にして、そのエネルギーのイオンの数を約８０
％に減らせばよい。すなわち、オンオフバイアスにして
そのデューティー比を８０％にすればよい。イオンエネ
ルギーを１.５倍では、デューティー比を６７％とすれ
ばよい。

【００２６】エッチングの形状に影響を与える本質的な
物理量はイオンエネルギーなので、垂直性を上げるには
イオンエネルギーを高くすれば良い。しかし、エネルギ
ーの測定には時間がかかるので、バイアスの振幅Vppを
その目安にすることができる。プラズマを介して高周波
電圧を試料台に印加すると、アース（一般には導体壁が
アースとなる）と電極間に電流を流そうとする作用のた
めに試料台にはイオンを引き込むように直流電位が発生
する（以後Vdcと呼ぶ）。イオンはこのVdcと時間的に変
化する高周波電圧を重ね合わせた電界により加速され
る。イオンの得る最大エネルギーは、高周波電圧の時間
的変化に追随するか否かで変わってくる。一般に、エッ
チングに使われるプラズマの密度は1立方cm当たり10の1
0乗個以上である。この密度では、高周波の周波数が15M
Hz以下では高周波電圧が負にふれている期間すなわち
正弦波の1/2周期の間に、イオンはプラズマシースを横
切り試料に到達するために、Emaxはほぼ電圧振幅の２分
の１（Vpp/2)にVdcを加えた値に等しくなる。実際には
電気回路での電圧降下などがあり、実際にはEmaxはVpp
の７０から８０％になることが測定からわかっている。
高周波の周波数が上がって、電圧の変化にイオンの動き
がついて行かなくなると、Emaxは次第にVdcに近づく。
周波数が15M Hz以上から数十M Hzの間は過渡期となるが
その場合でもEmaxはVpp/2以上となる。

【００２７】またオンオフの繰り返し周波数は100Hzか
ら10kHzの間が適当である。周波数がこれより低くなる
と、オンオフ制御したことの効果が徐々に低くなる。ま
た繰り返し周波数が高いと高周波電源１０９の作成が技
術的に難しくなる。

【００２８】次に高異方性を達成するのに必要なイオン
エネルギーの目安を述べる。この値は、エッチングする
材料とエッチング条件に依存するので、一つの値に決ら
ないが、バイアスのオンオフ制御をする際の指針とな
る。ここではエッチングの異方性の度合をラインパタン
の側壁の傾き（テーパ角）で表し、９０゜に近いテーパ
角を得るに必要なイオンエネルギーEを算出する。テー
パ角の計算には日本電気学会刊１９９７年ドライプロセ
スシンポジウム予稿集４５頁に掲載されている理論式を
用いる。この理論ではテーパ角qはq=arccos(R/dAF)で表
される。ここでRは反応生成物などの堆積速度、dはイオ
ンが入射したときに影響を与える深さで、イオンレンジ
と呼ばれd=0.01E(nm)で与えられる。A はイオンが入射
してできる影響範囲（ホットスポット）の面積で、A=0.
025E^2/3で与えられる。Fは単位面積当りのイオンの衝突
頻度で、試料に入射するイオン電流密度から計算でき
る。図９に以上に述べた式で計算したイオンエネルギー
E とテーパ角qの関係を示す。ここでバイアスにオフ期
間を設けることは、加速されるイオンの数を減らすこと
になり、すなわち実質的なイオン電流密度をデューティ
ー比分だけ下げることに相当する。図９はイオン電流密
度を1.4mA/cm2、デューティー比２０％とした計算であ
る。堆積速度R(nm/s)をパラメータとしてある。この値
はエッチング物質や圧力により変わるが、およそ図９に
示した１０から４０nm/分と推定する。Rが小さいことは
反応生成物が少ない（排気速度が速い）あるいは反応生
成物が付着しにくい場合に相当し、Rが大きいことは反
応生成物が多いあるいは付着しやすい場合に相当する。
図９より、許容範囲であるテーパ角８０゜以上を得るた
めには、R=10nm/sでE=300eV以上、R=40nm/sでE=600eV以
上に設定することが目安となることがわかる〔実施例９〕次に、エッチングの条件について述べる。
先に実施例で述べた条件は典型的な値であり、ガス圧
力、種類、プラズマ発生のための電力値などが変って
も、本発明は効果があるしかし、エッチング速度や選択
比を考えると以下に述べるような範囲で使用するのがの
ぞましい。まず、主にpoly Siとその多層膜のエッチン
グに用いる塩素と酸素の混合ガスでは、塩素流量20sccm
から1000sccmで酸素の混合割合は０％から５０％が適量
である。酸素の混合量がこれ以上多くなると、polySiの
エッチング速度が極端に遅くなる。また圧力は0.1Paか
ら10Paが適当である。またエッチングガスを塩素とHBr
と酸素の混合ガスにする場合も塩素とHBrの流量はそれ
ぞれ20sccmから1000sccmで酸素の混合率０％から５０％
が適量である。

【００２９】またAlなどのメタル配線のエッチングには
塩素、塩素とBCl3の混合ガス、塩素とHClの混合ガス、
あるいは塩素とBCl3とHClの混合ガスが適している。こ
の場合には塩素とHClの流量それぞれ20sccmから1000scc
mでBCl3の混合率０％から５０％が適量である。さら
に、これらのガスにCH4あるいはアルゴンなどの希ガス
を混合しても良い。

【００３０】プラズマの密度はプラズマ発生用の電源の
電力で決り、エッチング速度と密接な関係がある。実用
的な速度を得るためには、プラズマ発生空間すなわち試
料台と電極の間の体積に対する電力を0.01W/cc以上にす
るとよい。また、プラズマ密度が高すぎると素子の電気
的な損傷などが問題となるので0.2W/cc以下にするのが
よい。

【００３１】また試料に印加する高周波電源の周波数は
100KHzから100MHzの間がよい。オンオフバイアスの繰返
し周波数は100Hz以下では、オンオフの時間が長すぎ
て、エッチング側壁が滑らかでなくなる。繰返し周波数
が高いと電源の作成が技術的に難しくなるので10KHz以
下が適している。オンオフのデューティー比は小さすぎ
るとエッチング速度を保つのが困難になるので５％以上
がよい。大きすぎると連続バイアスと同じになってしま
すので、８０％以下がよい。試料に印加する高周波電力
は周波数により大きく異なるが、100KHzから800KHzでは
20Wから500Wで、800KHzから5MHzでは40Wから1KWで、5MH
zから100MHzでは80Wから2KWがよい。なお、オンオフバ
イアスの電力はピーク電力とデューティー比の積であ
る。

【００３２】また本発明が特に効果を発揮するのは、ラ
インとスペースの間隔が0.5μm以下の微細なパタンの加
工である。ゲート電極では下地の酸化膜の厚さが5nm以
下の試料の加工である。

【００３３】エッチング途中で条件を変えるステップエ
ッチに本発明を用いても良い。この場合には例えば、po
ly Siをエッチングするメインエッチにオンオフバイア
スを用いて、下地酸化膜が露出してからエッチ残りを取
るためオーバエッチに選択比が高くなるHBrと酸素の混
合ガスを用いるなどの組合わせがある。また、本発明
は、エッチング速度の疎密依存を低減する効果もあるの
で、エッチング中にプラズマ中のイオンと電子の方向性
の差から生じるいわゆる電子シェーディングダメージを
低減することもできる。この場合には最初のステップで
オンオフバイアスにして、被エッチング物質のエッチン
グ終了直前から高周波電圧の振幅を小さくすることで選
択比を低下せずにダメージを低減できる。

【００３４】なお、本発明の実施例では、高周波電源の
オンオフによる実施例で説明したが、オフの時間の間
は、完全に高周波電源からの出力を零にしても良いが、
必ずしも零にする必要はない。すなわち、高周波電源か
らの出力を小さくしイオンに作用するエネルギが、オフ
時間に処理に影響を与えない範囲内であれば良い。した
がって、オフは小さい出力も含む。

【００３５】また、本発明の実施例では高周波電源の出
力をオンオフする制御、すなわち、バイアス電圧のタイ
ムモジュレーションについて説明したが、図１０に示す
ように周期的プラズマの発生と組み合わせて使用するこ
ともできる。マイクロ波電源１０１に制御装置１１２を
接続し、マイクロ波の出力をパルス状の出力１１３に制
御する。また、高周波電源の出力のオンオフ制御におけ
るオフ時に正の電位のパルス電圧１１１を出力させるこ
ともできる。なお、図１０において図１と同符号は同一
部材を示し説明を省略する。また、プラズマ発生手段は
この場合のようにマイクロ波に限定されるものではな
い。ここで、オフ時にパルス電圧を出力、または他の電
源装置により重畳させることにより、パルス電圧の印加
時に電子を被エッチング面に引き込むことができチャー
ジアップキャンセルの効果が向上する。しかしながら、
パタン幅がさらに小さくアスペクト比の高い被エッチン
グ部においては、側壁にチャージした電子によってパタ
ン上部の入口で電子が反発され、低面まで電子が達する
ことができずチャージアップキャンセルの効果がなくな
る。このような場合には、プラズマの電子温度を低くす
ることによって電子の自由な動きを鈍くし、正の電圧に
よる電子の引き込み時の電子の水平方向成分の動きを少
なくして、側壁への電子のチャージを低減しパタン低面
への電子の入射を容易にしてチャージアップキャンセル
の効果を生じさせるようにすれば良い。このとき、プラ
ズマの電子温度を下げる手段としてプラズマを周期的に
発生させることにより達成できる。したがって、微細パ
タンのチャージアップを防止するために、プラズマの周
期的発生と、高周波電源のオンオフと、オフ時の正電位
のパルス電圧印加とを組み合わせることは効果的であ
る。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、微細パタンのエッチン
グにおいて、異方性の向上と選択比の低下を防ぐことが
できるという効果がある。

【００３７】また、本発明によれば、エッチングの垂直
性を高めると同時に形状マイクロローディングを低減さ
せることができる。

【００３８】また、本発明によれば、ラインパタンの太
りを低減すると同時に形状マイクロローディングを低減
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の表面処理装置の一実施例であるマイク
ロ波プラズマエッチング装置を示す構成図である。

【図２】図１の装置におけるエッチング処理状態を示す
試料の断面図である。

【図３】図１の装置におけるエッチング処理状態を示す
試料の断面図である。

【図４】図１の装置におけるエッチング処理状態を示す
試料の断面図である。

【図５】図１の装置におけるエッチング処理状態を示す
試料の断面図である。

【図６】図１の装置におけるエッチング処理状態を示す
試料の断面図である。

【図７】本発明の表面処理装置の他の実施例であるプラ
ズマエッチング装置を示す構成図である。

【図８】本発明の表面処理装置のさらに他の実施例であ
るプラズマエッチング装置を示す構成図である。

【図９】本発明の方法におけるイオンエネルギーとテー
パ角との関係を示す図である。

【図１０】本発明の表面処理装置のさらに他の実施例で
あるプラズマエッチング装置を示す構成図である。

【符号の説明】

101…マイクロ波電源、102…導波管、103…導入窓、10
4,703,801…真空容器、105…磁石、106,710,807…プラ
ズマ、107,707,804…試料、108,708…試料台、109,709,
806…高周波電圧電源、808…ガス導入管、110…電圧波
形、201,301,401,501,601…基板Si, 202,302,402,502,6
02…酸化膜、203,303,403…poly Si,204,305,406,505,6
06…マスク、304…WSi,405…W,503…ｐ型poly Si、504
…ｎ型poly Si、603,605…TiN,604…Al, 702…電磁コイ
ル、704,803…ｒｆ電源、705…上蓋、802,805…電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者水谷巽山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者久礼得男東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者児島雅之東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者徳永尚文東京都青梅市今井町2326番地株式会社日立製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者吉開元彦山口県下松市大字東豊井794番地日立テクノエンジニアリング株式会社笠戸事業所内 (72)発明者佐藤孝山口県下松市大字東豊井794番地日立テクノエンジニアリング株式会社笠戸事業所内 (72)発明者後藤康東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内Ｆターム(参考） 4G075 AA30 AA61 BC06 CA14 CA26 CA47 CA65 EB42 EC21 FB04 FB06 5F004 AA05 AA09 BA14 BA16 BB13 BB17 BC01 BD02 BD03 CA03 DA01 DA04 DA11 DA18 DA26 DA29 DB02 DB03 DB07 DB09 DB10 DB17 DB26 EA01 EA09 EA28 EA29 EB02 EB03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器とその中にプラズマを発生させる
手段およびプラズマにより表面処理される試料を設置す
る試料台と試料に高周波電圧を印加するための高周波電
源からなる装置による微細パタンのエッチングにおい
て、エッチングの垂直性が向上するように高周波電圧の
振幅を高くして、かつ高周波電源をオンとオフを繰返し
たことを特徴とする表面処理方法。
【請求項２】請求項１において、オンオフの１周期に占
めるオンの割合すなわちデューティー比を８０％以下に
したことを特徴とする表面処理方法。
【請求項３】請求項１において、オンオフの１周期に占
めるオンの割合すなわちデューティー比を６０％以下に
したことを特徴とする表面処理方法。
【請求項４】請求項１ないし３において、試料に入射す
るイオンエネルギーの最大値が300eV以上になるよう
に、高周波電圧の振幅を設定したことを特徴とする表面
処理方法。
【請求項５】請求項１ないし３において、試料に入射す
るイオンエネルギーの最大値が600eV以上になるよう
に、高周波電圧の振幅を設定したことを特徴とする表面
処理方法。
【請求項６】請求項１ないし３において、高周波電圧の
周波数が15MHz以下の場合は、高周波電圧の振幅を375V
以上とし、15Mhzより大きい場合は600V以上とすること
を特徴とする表面処理方法。
【請求項７】請求項１ないし３において、高周波電圧の
周波数が15MHz以下の場合は、高周波電圧の振幅を750V
以上とし、15Mhzより大きい場合は1200V以上とすること
を特徴とする表面処理方法。
【請求項８】請求項１ないし７において、表面処理する
物質はウエハ基板上の少なくとも多結晶Siから成る膜で
あることを特徴とする表面処理方法。
【請求項９】請求項１ないし７において、表面処理する
物質はウエハ基板上の少なくとも多結晶Siとタングステ
ンシリサイドなどのSiと金属の合金から成る多層膜であ
ることを特徴とする表面処理方法。
【請求項１０】請求項１ないし７において、表面処理す
る物質はウエハ基板上の少なくとも多結晶Siとタングス
テンなど金属からなる多層膜であることを特徴とする表
面処理方法。
【請求項１１】請求項１ないし７において、表面処理す
る物質はウエハ基板上の少なくとも導電性が異なる多結
晶Siからなる膜であることを特徴とする表面処理方法。
【請求項１２】請求項１ないし８において、表面処理す
る物質はウエハ基板上の少なくとも導電性が異なる多結
晶Siとタングステンなどの金属からなる多層膜であるこ
とを特徴とする表面処理方法。
【請求項１３】請求項１ないし８において、表面処理す
る物質はウエハ基板上の少なくともアルミニウムからな
る膜であることを特徴とする表面処理方法。
【請求項１４】真空容器と、前記真空容器内にプラズマ
を発生させる手段と、前記真空容器内に設けられ前記プ
ラズマにより微細パタンにエッチング処理される試料を
配置する試料台と、前記試料台に高周波電圧を印加する
ための高周波電源と、エッチングの垂直性が向上するよ
うに前記高周波電圧の振幅を高くしかつ前記高周波電源
をオンとオフの繰返しを実行可能に制御する制御手段と
を具備したことを特徴とする表面処理装置。
【請求項１５】請求項１４記載の表面処理装置におい
て、前記プラズマの発生手段にマイクロ波を用いたこと
を特徴とする表面処理装置。
【請求項１６】請求項１４記載の表面処理装置におい
て、前記プラズマの発生手段に誘導コイルを用いたこと
を特徴とする表面処理装置。
【請求項１７】請求項１４記載の表面処理装置におい
て、前記プラズマの発生手段に平行平板電極を用いたこ
とを特徴とする表面処理装置。
【請求項１８】請求項１４ないし１７の表面処理装置に
おいて、前記高周波電圧の周波数が15MHz以下の場合
は、前記高周波電圧の振幅を375V以上とし、15Mhzより
大きい場合は600V以上とすることを特徴とする表面処理
装置。
【請求項１９】請求項１４ないし１７の表面処理装置に
おいて、前記高周波電圧の周波数が15MHz以下の場合
は、前記高周波電圧の振幅を750V以上とし、15Mhzより
大きい場合は1200V以上とすることを特徴とする表面処
理装置。