JP2000150492A

JP2000150492A - ドライエッチング方法

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Publication number: JP2000150492A
Application number: JP11279564A
Authority: JP
Inventors: Masaru Izawa; 勝伊澤; Shinichi Taji; 新一田地; Katanobu Yokogawa; 賢悦横川; Seiji Yamamoto; 清二山本; Nobuyuki Negishi; 伸幸根岸
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2000-05-30
Anticipated expiration: 2017-09-26
Also published as: JP3854019B2

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体製造におけるフロロカーボンガスプラズ
マによる酸化ケイ素膜のエッチングにおいて、微細加工
性に優れ、レジストや窒化ケイ素膜に対して選択性が高
いエッチング方法を提供する。【解決手段】２種類以上の電子温度領域をプラズマ中に
設け、この２つ以上の電子温度領域の大きさを可変させ
ることにより、Ｆ／ＣＦ_２生成比をイオン生成量と独立
に制御する。【効果】ガス圧力、ガス流量に大きく依存することな
く、レジストや窒素化膜に対する選択比が高い、酸化膜
エッチングが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の微細
加工に用いるドライエッチング装置及びドライエッチン
グ方法に関し、特に酸化ケイ素膜の高精度ドライエッチ
ング加工を実現するドライエッチング装置及びドライエ
ッチング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置においては、ウエハ上に形成
されたトランジスタとメタル配線間およびメタル配線間
を電気的に接続するために、トランジスタ構造上および
配線間に形成された絶縁膜（ＳｉＯ_２を主成分とする薄
膜、以後、酸化膜と呼ぶ）に、ドライエッチング方法で
コンタクトホールを形成し、コンタクトホール内に電気
伝導体を充填する。ドライエッチングでは、エッチング
ガスを真空容器に導入し、このガスに高周波バイアスも
しくはμ波を印加プラズマを発生させ、プラズマ中で生
成した活性種およびイオンによって酸化膜を選択的にエ
ッチングし、コンタクトホールを形成する。このエッチ
ングに際して、ホールパターンを転写したレジスト薄膜
が酸化膜上に形成されている。このコンタクトホール加
工では、レジスト膜、コンタクトホールの下部にある配
線層、およびトランジスタを形成しているシリコンに対
し選択的に酸化膜をエッチングする必要がある。この
他、ウエハ上に形成された電界効果トランジスタのゲー
ト電極を、配線層間と異なった材質の第２の絶縁膜で覆
い、ソースおよびドレイン領域と配線層を接続するドラ
イエッチング方法においては、エッチング中、ホール内
に前記第２の絶縁膜が現れるため、第２の絶縁膜に対す
る選択性も必要となる。このコンタクト加工のことをセ
ルフアラインコンタクト（ＳＡＣ）加工といい、第２の
絶縁膜として、窒化ケイ素膜が用いられる。

【０００３】上記コンタクトホールの加工は、エッチン
グ装置内にＣＦ_４，ＣＨＦ_３，Ｃ_４Ｆ_８等のフロロカー
ボンガスおよびＡｒガスを導入し、４Ｐａから１０Ｐａ
のガス圧力条件で高周波プラズマ放電して、ウエハに
１.５から２.０ｋＶのＶpp電圧が印加される条件でエッ
チングを行っている。配線層間の酸化膜が厚く、コンタ
クトホールのアスペクト比（深さ／直径）が高い場合に
は、ホール開口性を高めるため酸素ガスの添加、ＳＡＣ
加工においては、窒化膜に対する選択性を高めるためＣ
Ｏガスの添加等が行われてきた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
エッチング装置では、ガス圧力，プラズマ発生に必要な
高周波パワー等のエッチング条件を決めると、プラズマ
密度および電子温度が決まってしまうため、ガス解離に
よるＦとＣＦ_２およびイオンの生成量が固定されてしま
う。プラズマ中では、ＣＦ_２の他、ＣＦ，ＣＦ_３，Ｃ_２
等が存在するが、本明細書では、Ｃ，ＣＦ，ＣＦ_２等を
ＣＦ_２ラジカルで代表し、ＣＦ_２ラジカルをＣＦ_２で、
ＦラジカルをＦで表記する。このためＦとＣＦ_２の生成
量を一定にしたまま、イオン生成量を変えたり、イオン
生成量一定の条件で、ＦとＣＦ_２の入射量を変えること
が難しかった。例えば、平行平板型のエッチング装置の
場合、プラズマ生成用の高周波バイアスのパワーを高く
するとプラズマ密度が高くなるためイオン生成量が増加
し、同時に、プラズマによる解離が進むためＣＦ_２に対
するＦの生成量も変わってしまう。

【０００５】このような従来のエッチング装置では、次
のような問題が生じる。アスペクト比が高いコンタクト
加工する場合、レジスト選択比が高い条件では、コンタ
クトホール底面でフッ素ラジカルＦが少なくなるため、
ＣＦ系のラジカルによりポリマーが形成され、ホールの
途中でエッチングが停止してしまう。逆にエッチングが
停止しない条件では、酸素ガスの添加やフッ素過剰にな
り、酸素やフッ素により、レジストマスクがエッチング
されるため、レジストに対する選択比が十分に得られな
くなってしまう。従来の技術では、プラズマ中のガス解
離が固定され、この問題に対応できなかった。

【０００６】この他、ガス圧力が高い条件（４Ｐａ以
上）でアスペクト比の高いコンタクトホールをエッチン
グする場合、ガス分子との衝突により、ウエハに対し傾
め方向から入射するイオンがあるため、酸化膜の一部が
横方向にエッチングされてしまい垂直加工することが難
しくなる。ガス分子との衝突は、ガス圧力を低くするこ
とにより、低減できるが、従来の装置では、ガス圧力を
低くするとプラズマ密度と電子温度が変わってしまうた
め、Ｆの比率が増えレジストや窒化膜に対する十分な選
択比が得られず、低ガス圧力化の障害となっていた。

【０００７】上記酸化膜のエッチングにおいては、半導
体装置の微細化に伴い、加工精度，窒化膜に対する選択
比（対窒化膜選択比）およびレジストに対する選択比等
の向上、および、半導体装置の平坦化や配線の多層化に
伴い、深さ／ホール径比率（アスペクト比）の高いコン
タクトホールの加工が必要となってきた。

【０００８】本発明が解決しようとする課題は、プラズ
マ中でのＣＦ２に対するＦおよびイオンの生成量を制御
し、アスペクト比の高いコンタクトホールや窒化ケイ素
膜に対して高い選択比が要求される酸化膜の加工を実現
することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】電子温度の異なる２以上
のプラズマ領域を形成することによって、プラズマ中で
のＣＦ_２に対するＦおよびイオンの生成量を独立に制御
することができる。

【００１０】フロロカーボンガスを用いた酸化膜エッチ
ングにおいて、ＣＦ_２に対するＦの生成量は、プラズマ
温度に依存し、イオンの生成量はプラズマ生成に導入し
たパワーに比例して決まる。Ｃ_４Ｆ_８の場合、Ｃ_４Ｆ_８
からＦの生成の閾エネルギー６ｅＶ程度であるのに対
し、ＣＦ_２の生成は１２ｅＶ程度である。このため、電
子温度が低い場合（１−４ｅＶ）、Ｆが生成しやすくＦ
／ＣＦ_２生成比は大きくなる。電子温度が５−２０ｅＶ
では、ＣＦ_２の生成が促進されるため、Ｆ／ＣＦ_２生成
比は低電子温度の場合に比べ小さくなる。そこで、２種
類の電子温度を用いると、高電子温度領域でＦとＣＦ_２
を生成させ、低温度領域でＦを生成させることが可能に
なる。この２つの電子温度領域の大きさを可変させるこ
とにより、Ｆ／ＣＦ_２比を制御する。これらの電子温度
の差は１ｅＶ以上、好ましくは５ｅＶ以上あると良い。

【００１１】プラズマ中でのＣＦ_２に対するＦおよびイ
オンの生成量を独立に制御すべきであることは以下の理
由による。導入したフロロカーボンガスが、プラズマ中
でＣＦ_２ラジカルとＦラジカルおよびイオンに解離しウ
エハに入射する。酸化膜のエッチングは、ＣＦ_２および
Ｆが付着した面にイオンが入射することにより、エッチ
ングが進行する。これに対し、レジストや窒化ケイ素膜
は、主にＦとイオンによってエッチングされ、ＣＦ_２は
表面でポリマーを形成するため、レジストや窒化ケイ素
膜上では耐エッチング膜として作用する。このため、Ｃ
Ｆ_２に比べイオンやＦの入射量が少ない条件でエッチン
グすると、レジストや窒化ケイ素膜に対して高い選択比
を得ることができる。しかしながら、イオン入射量を少
なくすると、酸化膜のエッチング速度が遅くなり、Ｆの
入射量が少なくなると、アスペクト比の高いホールでは
エッチングが停止してしまうという問題が発生する。こ
のように、酸化膜のエッチングプロセスは、おおむねＣ
Ｆ_２，Ｆ，イオンの入射によって決まり、特にＣＦ_２入
射量に対するイオンの入射量およびＦ入射量に依存す
る。したがって、プラズマ中でのＣＦ_２に対するＦおよ
びイオンの生成量を独立に制御できると、プロセス条件
が広がり、結果としてより微細で深い酸化膜の加工が可
能になる。

【００１２】しかしながら、２つの電子温度領域でとも
に、Ｆが生成することから、全体にＦが過剰な条件でＦ
／ＣＦ_２を制御することになる。Ｆを選択的に除外する
には、水素原子を含むガス（Ｈ_２，ＣＨ_２Ｆ_２，ＣＨ_４
等）を添加しＦをＨラジカルと反応させ除外することが
できる。この他、内壁材との反応でＦを消費させること
ができる。具体的には、エッチング装置内壁面にＳｉ
板，ＳｉＣ板等のＦと反応する材料を設置し、Ｆ消費を
促進するため前記板に高周波バイアスを印加することに
よりＦを除外する。この他、ＣＦ_２が壁に付着して形成
されたポリマーとＦを反応させてＦを除外することがで
きる。ウエハと内壁部の距離を近づけると、プラズマの
体積に対する内壁面の面積が大きくなるため、エッチン
グ装置内のプラズマで生成したＦが内壁部に入射する割
合が高くなる。すなわち、ウエハと内壁部を接近させる
ことによりＦは効率的にポリマーと反応し除外される。
具体的には、ウエハとエッチング装置のウエハ対向面と
の距離を短くすることが上げられる。これらの方法と２
種類の電子温度をもつプラズマを用いることにより、Ｆ
／ＣＦ_２比を広い範囲で制御することが可能になる。

【００１３】これに対し、イオンの生成量は、プラズマ
中の電子密度によって決まり、電子密度は入力する高周
波のパワーにほぼ比例する。Ｆ／ＣＦ_２の解離はガス分
子と電子衝突によって生成するため、高周波のパワーに
依存するが、２つの電子温度領域を可変させることによ
り、イオン生成量とは、独立にＦ／ＣＦ_２の生成比率を
制御することができる。

【００１４】２種類の電子温度領域を生成する具体的な
方法として、図１に示すようにエレクトロンサイクロト
ロン共鳴（ＥＣＲ）を用いたエッチング装置の場合、Ｅ
ＣＲ領域で電子温度が高く(高電子温度領域１０３)、そ
れ以外の部分では、低電子温度領域１０２を形成する。
ＥＣＲ領域は、外部から印加する磁場の磁場勾配を大き
くするとＥＣＲ領域は狭くなる。したがって、ＥＣＲ領
域の磁場勾配の制御により、Ｆ／ＣＦ_２生成比を可変す
ることが可能になる。図２に示すように、磁場勾配が小
さい条件では、高電子温度領域が広がるので、Ｆ／ＣＦ
_２生成比は小さくなり、磁場勾配を大きくすると、高電
子温度領域が狭くなるので、Ｆ／ＣＦ_２生成比を大きく
することができる。この他、ＥＣＲ領域は導入する高周
波の周波数におおむね反比例する。例えば、周波数を
２.４５ＧＨｚから４５０ＭＨｚにするとＥＣＲ領域は
約５倍に広がる。したがって、導入する高周波の周波数
を低くすることによって高電子温度領域を広くし、Ｆ／
ＣＦ_２生成比を小さくすることができる。

【００１５】ＥＣＲ領域１０１を固定した場合、ウエハ
６とウエハ対向面１０３の距離を変えると低電子温度領
域１０２の大きさを変えることができる。図２に示すよ
うにウエハ６とウエハ対向面１０３の距離を短くすると
低電子温度領域１０２は狭くなるため、Ｆ／ＣＦ_２生成
比を小さくすることができる。

【００１６】以上のようにＥＣＲエッチング装置の場
合、磁場勾配、導入する高周波の周波数、ウエハとウエ
ハ対向面の距離を制御することにより、イオンの生成量
と独立にＦ／ＣＦ_２の生成比を制御することができる。

【００１７】本発明は、具体的には次に掲げる方法を提
供する。

【００１８】本発明は、第１の電子温度領域と、第２の
電子温度領域とを有するプラズマを利用して、膜をエッ
チングするドライエッチング方法を提供する。

【００１９】本発明は、更に前記第１の電子温度と前記
第２の電子温度の差は１ｅＶ以上であるドライエッチン
グ方法を提供する。

【００２０】本発明は、更に前記第１の電子温度と前記
第２の電子温度の差は５ｅＶ以上であるドライエッチン
グ方法を提供する。

【００２１】本発明は、更に前記第１の電子温度が２ｅ
Ｖ以上４ｅＶ以下であって、前記第２の電子温度が５ｅ
Ｖ以上であるドライエッチング方法を提供する。

【００２２】本発明は、更に前記膜は酸化ケイ素膜であ
り、前記プラズマを発生させるためのガスはフロロカー
ボンガスであるドライエッチング方法を提供する。

【００２３】本発明は、更に前記プラズマを発生させる
ためのガスの圧力は４Ｐａ以下であるドライエッチング
方法を提供する。

【００２４】本発明は、処理室内にフロロカーボンガス
を含むガスを導入し、前記ガスをプラズマ化させ、前記
プラズマ中のフッ素ラジカル、フロロカーボンラジカル
およびイオンの生成量をエッチング中に独立に制御し
て、前記プラズマを利用して絶縁膜をドライエッチング
するドライエッチング方法を提供する。

【００２５】本発明は、更に前記フッ素ラジカルおよび
前記フロロカーボンラジカルの量は、前記エッチング中
に変化するドライエッチング方法を提供する。

【００２６】本発明は、更に前記プラズマは、前記処理
室外部からソレノイドコイルによって形成された磁場を
前記処理室に印加することにより形成され、前記磁場の
磁場勾配を前記ソレノイドコイルによって制御すること
により、Ｆラジカルとフロロカーボンラジカルの生成比
率を制御するドライエッチング方法を。

【００２７】本発明は、更に前記磁場勾配を前記絶縁膜
のエッチングの経過とともに大きくするドライエッチン
グ方法を提供する。

【００２８】本発明は、更に前記処理室内のガス圧力
は、４Ｐａ以下であるドライエッチング方法を提供す
る。

【００２９】本発明は、更に前記プラズマは高周波を印
加することにより形成され、前記高周波の周波数は３０
０ＭＨｚ以上９００ＭＨｚ以下であるドライエッチング
方法を提供する。

【００３０】本発明は、更に前記プラズマは、入力パワ
ーの異なる高周波を少なくとも２種類印加することによ
り形成されるドライエッチング方法を提供する。

【００３１】本発明は、処理室と、前記処理室内に設け
られ、ドライエッチングされるべき基体を設置するため
の台と、前記処理室内にガスを導入する手段と、前記ガ
スをプラズマ化する手段と、前記プラズマ中に第１及び
第２の電子温度領域を形成するドライエッチング装置を
提供する。

【００３２】本発明は、更に前記プラズマ化する手段
は、３００ＭＨｚ以上９００ＭＨｚ以下の高周波を印加
する手段であるドライエッチング装置を提供する。

【００３３】本発明は、更に前記処理室の周囲には４つ
以上のソレノイドコイルが設置させられているドライエ
ッチング装置を提供する。

【００３４】本発明は、更に前記プラズマ化する手段
は、処理室内に設けられたアンテナに高周波を印加する
手段であり、前記基体と前記アンテナとの距離は１００
ｍｍ以下であるドライエッチング装置を提供する。

【００３５】

【発明の実施の形態】（実施例１）本発明に用いるドラ
イエッチング装置を図４に示す。この装置ではエッチン
グ処理室１にエッチングガスを導入し、マイクロ波発生
器２において９００ＭＨｚから２.４５ＧＨｚの間の高
周波を発生させ、この高周波を導波管３を通し、エッチ
ング処理室１に輸送してガスプラズマを発生させる。Ｅ
ＣＲ領域の鉛直方向の磁場勾配がＥＣＲ領域の磁場強度
に対し、広い範囲で制御できるようにエッチング処理室
周辺に磁場発生用のソレノイドコイルを４つ設置する。
これらのソレノイドコイル４によって、０から８７５ガ
ウスの間の磁場が処理台のほぼ真上にくるように４つの
コイル電流を制御し、エレクトロンサイクロトロン共鳴
(ＥＣＲ)を用いて電子密度が１０^１１個／ｃｍ^３以上の
高密度プラズマを発生させる。

【００３６】ＥＣＲ領域の磁場勾配は、磁場勾配／磁場
強度の値が０.１ｃｍ^−１から０.０１ｃｍ^−１の範囲で
制御する。エッチング処理室１には処理台５があり、こ
の上に被処理物６を設置して、ガスプラズマによりエッ
チング処理する。エッチングガスは、ガス流量制御装置
を通してエッチング処理室１に導入され、排気ポンプ７
によりエッチング処理室１の外に排気される。被処理物
を設置する処理台５には高周波電源１２を備え、４００
ＫＨｚから１３.５６ＭＨｚまでの高周波バイアスを印
加できる。処理台の位置は、処理台の対向面（ガス導入
口１１）から距離が２０ｍｍから１５０ｍｍの範囲で固
定することができる。

【００３７】この装置に、被処理物として８インチシリ
コンウエハを搬送する。このシリコンウエハ上には厚さ
２ｍｍの酸化膜が形成されその上部にはマスクパターン
を転写したレジストマスクが形成されている。レジスト
マスクには、２００ｎｍ径のホールが形成されている。

【００３８】この装置に、Ａｒ４００sccm、Ｃ_４Ｆ_８を
１０sccm、ＣＨ_２Ｆ_２を５sccmガス導入口より処理室に
導入しガス圧力を２Ｐａにする。２.４５ＧＨｚ，１ｋ
Ｗの高周波をマイクロ波発生器より発生させ、処理台８
００ＫＨｚ，１０００Ｗのバイアスを印加し、酸化膜を
エッチングする。処理台の位置をマイクロ波導入窓から
１００ｍｍとして、ウエハの真上６ｃｍの位置で磁場強
度が８７５ガウス、その位置における磁場勾配が５０ガ
ウス／ｃｍとなるようにコイル電流を調整する。その条
件で、ＥＣＲ領域の厚さは１０ｍｍ程度で、電子温度は
１０ｅＶ程度である。ＥＣＲ領域以外の電子温度は３ｅ
Ｖ程度になる。すなわち、約１０ｍｍの厚さの高電子領
域と約９０ｍｍの厚さの低電子領域が形成される。Ｆの
一部は、ＣＨ_２Ｆ_２から生成されるＨと反応して除外さ
れる。このため、Ｃ_４Ｆ_８からのＦの生成量はＣＦ_２に
対し２倍程度であるが、ウエハに入射するＦ／ＣＦ_２の
比率は、０.６程度になると推定できる。電子密度は３
×１０^１１個／ｃｍ^３程度で、イオン電流密度は５ｍＡ
／ｃｍ^２程度になる。この条件で、酸化膜のエッチング
速度は約７００ｎｍ／ｍｉｎで、レジストに対する選
択比は５である。加工形状はほぼ垂直な形状が得られる
が、同じ条件でガス圧力を５Ｐａまで高くすると、斜め
に入射するイオンのため２０ｎｍほど横方向に削れがホ
ール内に見られる。ガス圧力、４Ｐａ以下でほぼ垂直な
加工形状になる。

【００３９】磁場勾配を１５Ｇ／ｃｍにすると、ＥＣＲ
領域の厚さは、２０ｍｍ程度に広がる。この結果、ウエ
ハに入射するＦ／ＣＦ_２比は０.３程度に小さくなる。
一方、プラズマ密度は磁場勾配を変えてもほとんど変化
せず、両者の場合、イオン電流密度は５ｍＡ／ｃｍ^２程
度になる。このため、酸化膜のエッチング速度は、ほと
んど変わらず平面部では７００ｎｍ／ｍｉｎ程度にな
る。これに対し、Ｆの比率が小さくなるためレジスト選
択比は３０とよくなるが、ＣＦ_２が過剰にあるため、酸
化膜は深さ約１ｍｍまでエッチングされ停止する。

【００４０】エッチング中に磁場勾配を、１５ガウス／
ｃｍから５０Ｇ／ｃｍに、毎分１２Ｇ／ｃｍで変化させ
ると、変えるとエッチング速度は７００ｎｍ／ｍｉｎ
程度で、エッチングは停止することなく、３分ほどで終
了する。レジストに対する選択比は２０程度になり、磁
場勾配５０Ｇ／ｃｍのエッチングに比べレジスト選択比
が大きく改善される。

【００４１】このように磁場勾配を制御するとイオン電
流を一定に保ったまま、Ｆ／ＣＦ_２比を変えることがで
きる。磁場勾配を小さくすることによってレジストに対
する選択比は高くなる。しかしながら、磁場勾配をより
小さくするということは、エッチング装置内で均一な磁
場を形成することを意味し、これを同じ磁場強度で実現
するためには、エッチング装置周辺に多くのコイルを設
置する必要がある。これに対し、磁場強度を小さくする
と、磁場勾配もそれに比例して小さくなるので、容易に
磁場勾配を小さくすることができる。ＥＣＲを形成する
磁場強度は、マイクロ波の周波数によって決まるので、
磁場強度および磁場勾配を小さくするには、マイクロ波
の低周波数化が有利である。

【００４２】（実施例２）次に同じ装置を用いてマイク
ロ波の周波数を９００ＭＨｚにした場合について説明す
る。ウエハの真上６０ｍｍの位置で磁場強度が３２０ガ
ウス、その位置における磁場勾配が２０ガウス／ｃｍと
なるようにコイル電流を調整する。この条件では、ＥＣ
Ｒ領域の厚さは２０ｍｍ程度で、磁場勾配／磁場強度が
ほぼ一定の条件では、２.４５ＧＨｚの場合に比べ、Ｅ
ＣＲ領域は約２倍に広がる。このため、同じ条件でガス
を導入した場合、イオン電流密度は５ｍＡ／ｃｍ^２程度
と２.４５GHzとほぼ同じであるが、ウエハに入射するＦ
／ＣＦ_２の比率は、０.７程度になると推定できる。こ
のため、酸化膜のエッチング速度は約７００ｎｍ／ｍｉ
ｎで、レジストに対する選択比は１５になる。

【００４３】（実施例３）次に図５の装置を用いた別の
実施形態について説明する。この装置ではエッチング処
理室１にエッチングガスを導入し、高周波電源５０３に
おいて生成した３００ＭＨｚから９００ＭＨｚの間の高
周波をアンテナ５０２からエッチング処理室１に導入し
てガスプラズマを発生させる。高効率放電のために磁場
発生用のソレノイドコイル４をエッチング処理室周辺に
３つ配置し、０から３２０ガウスの間の磁場が処理台の
ほぼ真上にくるように２つのコイル電流を制御し、エレ
クトロンサイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を用いて電子密
度が１０１１個／ｃｍ^３以上の高密度プラズマを発生さ
せる。エッチング処理室１には処理台５があり、この上
に被処理物６を設置して、ガスプラズマによりエッチン
グ処理する。エッチングガスは、ガス流量制御装置を通
してエッチング処理室１に導入され、排気ポンプ７によ
りエッチング処理室１の外に排気される。被処理物を設
置する処理台５には高周波電源１２を備え、４００ＫＨ
ｚから１３.５６ＭＨｚまでの高周波バイアスを印加で
きる。処理台の位置は、マイクロ波導入窓から距離が２
０ｍｍから１５０ｍｍの範囲で固定することができる。

【００４４】この装置に、被処理物として８インチシリ
コンウエハを搬送する。このシリコンウエハ上には厚さ
０.１ｍｍの窒化ケイ素膜、その上に厚さ１.５ｍｍの酸
化膜が形成されその上部にはマスクパターンを転写した
レジストマスクが形成されている。レジストマスクに
は、１５０ｎｍ径のホールが形成されている。

【００４５】この装置に、Ａｒ２００sccm、Ｃ_４Ｆ_８を
１０sccmをガス導入口より処理室に導入しガス圧力を１
Ｐａにする。４５０ＭＨｚ，１ｋＷの高周波によりガス
プラズマを生成し、処理台に８００ＫＨｚ，８００Ｗの
バイアスを印加し、酸化膜をエッチングする。処理台の
位置をアンテナ５０２から６０ｍｍとして、ウエハの真
上４０ｍｍの位置で磁場強度が１６０ガウス、その位置
における磁場勾配が４ガウス／ｃｍとなるようにコイル
電流を調整する。この条件で、ＥＣＲ領域の厚さは５０
ｍｍ程度で、電子温度は８ｅＶ程度である。ＥＣＲ領域
以外の電子温度は２ｅＶ程度になる。Ｃ_４Ｆ_８の解離に
より、Ｆ／ＣＦ_２の生成比は１.０程度になるが、ウエ
ハ対向面のポリマーとＦとの反応によりＦのウエハ入射
量は少なくなる。このため、ウエハに入射するＦ／ＣＦ
_２の比率は、０.５程度になると推定される。イオン電
流密度は５ｍＡ／ｃｍ^２程度になる。この条件で、酸化
膜のエッチング速度は約７００ｎｍ／ｍｉｎでレジス
トに対する選択比は２０、下地の窒素化膜に対する選択
比は３０である。

【００４６】この条件で、酸化膜の膜厚が３ｍｍ、コン
タクトホール径が１５０ｎｍのエッチングを行うと深さ
約２ｍｍで停止してしまう。従来技術では、このような
場合、酸素ガスを添加しエッチング停止を防止する必要
があった。酸素ガスを添加する場合、エッチング停止が
起きない条件では、レジストの選択比は、５程度に低下
する。これに対し、磁場勾配を４ガウス／ｃｍから１０
ガウス／ｃｍに大きくし、Ｆの発生量を増やすと、酸化
膜の膜厚が３ｍｍ、コンタクトホールの径が１５０ｎｍ
のエッチングでは、途中で停止することなくほぼ垂直な
加工形状が得られる。このとき、レジストに対する選択
比は１０程度に小さくなるが、酸素添加に比べ大きくな
る。

【００４７】このように、同じガス条件でも磁場勾配を
変えＦ／ＣＦ_２比を制御することにより、異なるエッチ
ング条件に対応することが容易になるとともに、酸素ガ
ス等の添加が不要になる。

【００４８】プラズマ形成用の高周波電源の周波数を３
００ＭＨｚから９００ＭＨｚの範囲内で変えても、磁場
勾配を制御することにより、４５０ＭＨｚと同様な結果
が得られる。周波数を低くすると、ソレノイドコイルが
小さくなり、低磁場勾配の条件が実現しやすいことか
ら、特に、３００ＭＨｚから６００ＭＨｚの周波数が望
ましい。ガス圧力については、ガス圧力を５Ｐａ程度に
高くすると横方向に酸化膜の削れが見え、０.１Ｐａ以
下の低ガス圧力では、ＣＦ_２の入射量が少なくなるた
め、高い選択比を維持したまま十分なエッチング速度を
得ることが難しくなる。したがって、ガス圧力としては
特に０.１Ｐａから４Ｐａが望ましい。

【００４９】先述のアンテナに印加する高周波の周波数
が４５０ＭＨｚ、磁場勾配が４ガウス／ｃｍと同じエッ
チング条件で、ウエハとアンテナの距離を６０ｍｍから
１００ｍｍに変え、１.５ｍｍの酸化ケイ素膜、コンタ
クトホールの径１５０ｎｍの加工を行う。距離を長くす
ることにより、低電子温度領域が増加するとともに、ウ
エハ対向面におけるＦ消費の影響が小さくなるため、Ｆ
の相対的な入射量は増加する。このため、レジストや窒
素化膜に対する選択比はそれぞれ１０と１２と小さくな
る。ウエハとアンテナの距離が１００ｍｍ以上では、選
択比の変化は見られなかった。この条件に、ＣＨ_２Ｆ_２
ガスを５sccm程度加えると、レジストの選択比は２０、
窒素化膜の選択比は２５程度になるが、ＣＨ_２Ｆ_２は堆
積性が強く内壁面に付着するためクリーニングの頻度が
増え、スループットが低下する。すなわち、ウエハとア
ンテナの距離を６０ｍｍに短くし、選択比を向上させる
方がスループットの点で有利になる。逆にウエハとアン
テナの距離を４０ｍｍまで短くすると、Ｆの入射量が減
り、選択比は大きくなるが、１.２ｍｍ程度の深さでエ
ッチングが停止する。このように、ウエハとアンテナ距
離、磁場勾配の制御によりＦの相対的な入射量を制御す
ることにより、ガスを添加することなく所望のエッチン
グ条件は達成できる。

【００５０】次に図６の装置を用いた別の実施形態につ
いて説明する。この装置ではエッチング処理室１にエッ
チングガスを導入し、第一の高周波電源６０１および第
二の高周波電源６０２において１０−１００ＭＨｚの間
の高周波を発生させ、この高周波をリングアンテナ６０
３，６０４からそれぞれエッチング処理室１に導入して
ガスプラズマを発生させる。プラズマの電子密度は１０
^１１個／ｃｍ^３以上の高密度プラズマになる。エッチン
グ処理室１には処理台５があり、この上に被処理物６を
設置して、ガスプラズマによりエッチング処理する。エ
ッチングガスは、ガス流量制御装置を通してエッチング
処理室１に導入され、排気ポンプ７によりエッチング処
理室１の外に排気される。被処理物を設置する処理台５
には高周波電源１２を備え、４００ＫＨｚから１３.５
６ＭＨｚまでの高周波バイアスを印加できる。

【００５１】この装置に、被処理物として８インチシリ
コンウエハを搬送する。このシリコンウエハ上には厚さ
２ｍｍの酸化膜が形成されその上部にはマスクパターン
を転写したレジストマスクが形成されている。レジスト
マスクには、２００ｎｍ径のホールが形成されている。

【００５２】この装置に、Ａｒ４００sccm、Ｃ_４Ｆ_８を
１０sccmをガス導入口より処理室に導入しガス圧力を３
Ｐａにする。１３.５６ＭＨｚの１５００Ｗの高周波を
第一のリングアンテナ６０３に印加し、１３.５６ＭＨ
ｚの１０００Ｗの高周波を第二のリングアンテナ６０
４に印加し、ガスプラズマを発生させ、処理台に８００
ｋＨｚ，１２００Ｗのバイアスを印加し、酸化膜をエッ
チングする。この条件で、第一のリングアンテナの高さ
付近の電子温度は、約１０ｅＶでウエハ付近では４ｅＶ
になる。酸化膜のエッチング速度は約７００ｎｍ／ｍｉ
ｎでレジストに対する選択比は２５程度になるが、コ
ンタクトホールの中途でエッチングの停止が見られる。

【００５３】第二のリングアンテナ６０４に印加する高
周波パワーを５００Ｗにすると、ウエハ付近の電子温度
は２ｅＶ程度に小さくなる。プラズマ密度は第一のリン
グアンテナでほぼ決まるため、イオン電流密度は変わら
ず、酸化膜のエッチング速度は７００ｎｍ／ｍｉｎで
あるが、電子温度の低下によりレジストの選択比は１０
程度に小さくなる。しかしこの条件では、エッチングの
停止は生じない。

【００５４】エッチング中に、第二のリングアンテナ６
０４に印加する高周波パワーを１０００Ｗから５００Ｗ
にエッチング時間の経過とともに変えていくと、エッチ
ングの停止なく、コンタクトホールが形成され、エッチ
ング中の平均のレジストの選択比は２０程度になる。

【００５５】

【発明の効果】本発明により、Ｆ／ＣＦ_２の生成比が任
意に制御できるため、ガス圧力，ガス流量に大きく依存
することなく、レジストや窒素化膜に対する選択比が高
い、酸化膜エッチングが可能になる。本発明を用いる
と、アスペクト比の高いコンタクトホールの加工やレジ
ストおよび窒化ケイ素膜に対して高い選択比で酸化膜の
加工ができる。１Ｐａから４Ｐａの低ガス圧力条件で
も、上記エッチングが可能になるため、アスペクト比の
高いコンタクトホールで垂直加工形状が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の２種類の電子温度領域の形成を示す概
念図である。

【図２】本発明の磁場勾配の制御による２種類の電子温
度領域の形成とＦ／ＣＦ_２生成比の関係を示す図であ
る。

【図３】本発明のウエハとウエハ対向面の距離の制御に
よる２種類の電子温度領域の形成とＦ／ＣＦ_２生成比の
関係を示す図である。

【図４】本発明で用いるドライエッチング装置の断面図
である。

【図５】本発明で用いる別のドライエッチング装置の断
面図である。

【図６】本発明で用いる別のドライエッチング装置の断
面図である。

【符号の説明】

１…エッチング処理室、２…マイクロ波発生器、３…導
波管、４…ソレノイドコイル、５…処理台、６…被処理
台、７…排気ポンプ、８…排気バルブ、９…コンダクタ
ンスバルブ、１０…ガス流量コントローラ、１１，５０
１…ガス導入口、１２…処理台用の高周波電源、１３…
石英チャンバー、１０１…高電子温度領域、１０２…低
電子温度領域、１０３…ウエハ対向面、２０１…磁場勾
配とＦ／ＣＦ_２生成比の関係を示す曲線、３０１…高電
子温度領域、３０２…エッチング装置のウエハ対向面と
ウエハ間の距離と、Ｆ／ＣＦ_２生成比の関係を示す曲
線、５０２…アンテナ、５０３…高周波電源、６０１…
第一の高周波電源、６０２…第二の高周波電源、６０３
…第一のリングアンテナ、６０４…第二のリングアンテ
ナ。

フロントページの続き (72)発明者横川賢悦東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者山本清二東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者根岸伸幸東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の電子温度領域と、第２の電子温度領
域とを有するプラズマを利用して、膜をエッチングする
ことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】前記第１の電子温度と前記第２の電子温度
の差は１ｅＶ以上であることを特徴とする請求項１記載
のドライエッチング方法。
【請求項３】前記第１の電子温度と前記第２の電子温度
の差は５ｅＶ以上であることを特徴とする請求項１記載
のドライエッチング方法。
【請求項４】前記第１の電子温度が２ｅＶ以上４ｅＶ以
下であって、前記第２の電子温度が５ｅＶ以上であるこ
とを特徴とする請求項１記載のドライエッチング方法。
【請求項５】前記膜は酸化ケイ素膜であり、前記プラズ
マを発生させるためのガスはフロロカーボンガスである
ことを特徴とする請求項１記載のドライエッチング方
法。
【請求項６】前記プラズマを発生させるためのガスの圧
力は４Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１記載の
ドライエッチング方法。
【請求項７】処理室内にフロロカーボンガスを含むガス
を導入し、前記ガスをプラズマ化させ、前記プラズマ中
のフッ素ラジカル、フロロカーボンラジカルおよびイオ
ンの生成量をエッチング中に独立に制御して、前記プラ
ズマを利用して絶縁膜をドライエッチングすることを特
徴とするドライエッチング方法。
【請求項８】前記フッ素ラジカルおよび前記フロロカー
ボンラジカルの量は、前記エッチング中に変化すること
を特徴とする請求項７記載のドライエッチング方法。
【請求項９】前記プラズマは、前記処理室外部からソレ
ノイドコイルによって形成された磁場を前記処理室に印
加することにより形成され、前記磁場の磁場勾配を前記
ソレノイドコイルによって制御することにより、Ｆラジ
カルとフロロカーボンラジカルの生成比率を制御するこ
とを特徴とする請求項７記載のドライエッチング方法。
【請求項１０】前記磁場勾配を前記絶縁膜のエッチング
の経過とともに大きくすることを特徴とする請求項７記
載のドライエッチング方法。
【請求項１１】前記処理室内のガス圧力は、４Ｐａ以下
であることを特徴とする請求項７記載のドライエッチン
グ方法。
【請求項１２】前記プラズマは高周波を印加することに
より形成され、前記高周波の周波数は３００ＭＨｚ以上
９００ＭＨｚ以下であることを特徴とする請求項７記載
のドライエッチング方法。
【請求項１３】前記プラズマは、入力パワーの異なる高
周波を少なくとも２種類印加することにより形成される
ことを特徴とする請求項７記載のドライエッチング方
法。
【請求項１４】処理室と、前記処理室内に設けられ、ド
ライエッチングされるべき基体を設置するための台と、
前記処理室内にガスを導入する手段と、前記ガスをプラ
ズマ化する手段と、前記プラズマ中に第１及び第２の電
子温度領域を形成する手段とを有することを特徴とする
ドライエッチング装置。
【請求項１５】前記プラズマ化する手段は、３００ＭＨ
ｚ以上９００ＭＨｚ以下の高周波を印加する手段である
ことを特徴とする請求項１４記載のドライエッチング装
置。
【請求項１６】前記処理室の周囲には４つ以上のソレノ
イドコイルが設置させられていることを特徴とする請求
項１４または１５記載のドライエッチング装置。
【請求項１７】前記プラズマ化する手段は、処理室内に
設けられたアンテナに高周波を印加する手段であり、前
記基体と前記アンテナとの距離は１００ｍｍ以下である
ことを特徴とする請求項１４記載のドライエッチング装
置。