JP2007214299A - エッチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 パターンに疎密の差がある場合でも被処理体上のポリシリコン層を制御性よくエッチングすることが可能なエッチング方法を提供する。
【解決手段】 ポリシリコン層１０３の上に、パターン間隔が狭い密の領域１０５ａと、パターン間隔が広い疎の領域１０５ｂとが存在するライン＆スペースの開口パターン１０５が形成されたマスク膜１０４を有する被処理体に対し、少なくともＣｌ_２と、ＨＢｒと、ＣＦ_４またはＣＨＦ_３から選ばれるフッ素含有ガスと、を含有する処理ガスを用い、ＨＢｒとＣｌ_２との流量比（ＨＢｒ／Ｃｌ_２）が１．２以上、かつフッ素含有ガスとＨＢｒとの流量比（フッ素含有ガス／ＨＢｒ）が１．０以上となるようにしてエッチングを行なう。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エッチング方法に関し、詳細には、被処理体のシリコンを形状制御性よくエッチングするエッチング方法に関する。

ポリシリコンゲート電極の製造過程においては、予め作成されたレジストパターンをマスクとして半導体ウエハなどの被処理体上に形成されたポリシリコン層をドライエッチングすることが行なわれている。このドライエッチングの際には、例えばＣｌ_２とＨＢｒをメインエッチングガスとして含むガス系を用いてプラズマを励起させ、エッチングが行なわれてきた（例えば、特許文献１、特許文献２）。

近年では、半導体装置の微細化、高集積化に伴い、マスクパターンに疎密がある被処理体に対しても形状制御性よくエッチングを行なうことが求められている。ところが、従来エッチングに使用されてきた上記ガス系の場合、パターンが疎な部位と密な部位との間でエッチング形状に差異が生じる。

上記Ｃｌ_２とＨＢｒを含むガス系は、被エッチング対象であるシリコンと反応してＳｉＣｌ_ｘ、ＳｉＢｒ_ｘなどの反応生成物を生じ、これらがエッチング溝の側壁部分に付着して保護膜として機能することによりサイドエッチングを抑制する役割を果たしている。しかし、パターンの密な部位では、エッチング溝の間隔が狭いため、被エッチング面積が小さく、それに比例して反応生成物の付着が制限される結果、保護作用が弱くなる。他方、パターンの疎な部位では、エッチング溝の間隔が広いため、被エッチング面積が大きく、それに比例して前記反応生成物の付着量が増加し、保護作用が強く現れる。その結果、パターンが密な部位ではサイドエッチングが進行しやすくなり、逆にパターンの疎な部位では、エッチングが十分に進行せずに本来垂直に形成されるべき溝の側壁が逆テーパー状に形成されてしまうという問題があった。
特開２００４−２６６２４９号公報（例えば、段落００３４） 特開２００５−７９２８９号公報（例えば、段落００４７）

上記特許文献１では、Ｃｌ_２とＨＢｒとＣＦ_４を含むガス系（例えばＣｌ_２／ＨＢｒ／ＣＦ_４、Ｃｌ_２／ＨＢｒ／ＣＦ_４／Ｏ_２）でエッチングを行なうことが記載されているが、これらのガス系は、主に対酸化膜選択比を考慮して選択されたものであり、疎密を有するパターンにおけるエッチング形状の制御については考慮されていない。

また、上記特許文献２では、Ｃｌ_２とＨＢｒとＣＦ_４とＯ_２を含むガス系でポリシリコン膜に対してドライエッチングを行なうことが開示されているが、このガス系はポリシリコン膜のゲート酸化膜に対する選択比が低くなる条件として選択されたものであり、疎密を有するパターンにおけるエッチング形状の制御については全く考慮されていない。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、パターンに疎密の差がある場合でも被処理体上のポリシリコン層を制御性よくエッチングすることが可能なエッチング方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点は、プラズマ処理装置の処理室内で被処理体上の被エッチング層に対しプラズマエッチング処理を行なって凹部を形成するエッチング方法であって、
被エッチング層上に形成された、開口幅の狭い密の領域と開口幅の広い疎の領域とを有する開口パターンのマスクを用い、
少なくともＣｌ_２と、ＨＢｒと、ＣＦ_４またはＣＨＦ_３から選ばれるフッ素含有ガスと、を含有する処理ガスを、ＨＢｒとＣｌ_２とのガス流量比（ＨＢｒ／Ｃｌ_２）が１．２以上、かつフッ素含有ガスとＨＢｒとのガス流量比（フッ素含有ガス／ＨＢｒ）が１．０以上となるように前記処理室内に導入してプラズマを励起させ、該プラズマにより、前記開口パターンにおいて露出した部分の前記被エッチング層をエッチングして前記凹部を形成することを特徴とする、エッチング方法を提供する。

また、本発明の第２の観点は、プラズマ処理装置の処理室内で被処理体上の被エッチング層に対しプラズマエッチング処理を行なって凹部を形成するエッチング方法であって、
被エッチング層上に形成された、開口幅の狭い密の領域と開口幅の広い疎の領域とを有する開口パターンのマスクを用い、
少なくともＣｌ_２と、ＨＢｒと、ＣＦ_４またはＣＨＦ_３から選ばれるフッ素含有ガスと、を含有する処理ガスを、ＨＢｒとＣｌ_２とのガス流量比（ＨＢｒ／Ｃｌ_２）が１．２以上、かつフッ素含有ガスとＨＢｒとのガス流量比（フッ素含有ガス／ＨＢｒ）が１．０以上となるように前記処理室内に導入してプラズマを励起させ、該プラズマにより、前記開口パターンにおいて露出した部分の前記被エッチング層をエッチングし、
前記凹部の側壁角度が９０°を超えず、かつ前記疎の領域に形成される前記凹部の側壁角度と、前記密の領域に形成される前記凹部の側壁角度との差が１６°以下となるように前記凹部を形成することを特徴とする、エッチング方法を提供する。

上記第１の観点および第２の観点において、前記被エッチング層は、ポリシリコン層であることが好ましい。また、前記密の領域の前記開口パターンの幅に対する前記疎の領域の前記開口パターンの幅の比率が、１０以上であることが好ましい。

本発明の第３の観点は、コンピュータ上で動作し、実行時に、上記第１の観点および第２の観点のエッチング方法が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御することを特徴とする、制御プログラムを提供する。

本発明の第４の観点は、コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、上記第１の観点および第２の観点のエッチング方法が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御するものであることを特徴とする、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体を提供する。

本発明の第５の観点は、被処理体に対しプラズマエッチング処理を行なうための処理室と、
前記処理室内で被処理体を載置する支持体と、
前記処理室内を減圧するための排気手段と、
前記処理室内に処理ガスを供給するためのガス供給手段と、
前記処理室内で上記第１の観点および第２の観点のエッチング方法が行なわれるように制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする、プラズマ処理装置を提供する。

本発明の第６の観点は、基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜より上層に形成されたポリシリコン層と、を備えた被処理体に対し、
前記ポリシリコン層上に形成された、開口幅の狭い密の領域と開口幅の広い疎の領域とを有する開口パターンのマスクを用い、少なくともＣｌ_２と、ＨＢｒと、ＣＦ_４またはＣＨＦ_３から選ばれるフッ素含有ガスと、を含有する処理ガスを、ＨＢｒとＣｌ_２とのガス流量比（ＨＢｒ／Ｃｌ_２）が１．２以上、かつフッ素含有ガスとＨＢｒとのガス流量比（フッ素含有ガス／ＨＢｒ）が１．０以上となるように処理室内に導入してプラズマを励起させ、前記開口パターンにおいて露出した部分の前記ポリシリコン層をエッチングして凹部を形成するエッチング工程を含むことを特徴とする、半導体装置の製造方法を提供する。

本発明の第７の観点は、基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜より上層に形成されたポリシリコン層と、を備えた被処理体に対し、
前記ポリシリコン層上に形成された、開口幅の狭い密の領域と開口幅の広い疎の領域とを有する開口パターンのマスクを用い、少なくともＣｌ_２と、ＨＢｒと、ＣＦ_４またはＣＨＦ_３から選ばれるフッ素含有ガスと、を含有する処理ガスを、ＨＢｒとＣｌ_２とのガス流量比（ＨＢｒ／Ｃｌ_２）が１．２以上、かつフッ素含有ガスとＨＢｒとのガス流量比（フッ素含有ガス／ＨＢｒ）が１．０以上となるように処理室内に導入してプラズマを励起させ、前記開口パターンにおいて露出した部分の前記ポリシリコン層をエッチングし、
凹部の側壁角度が９０°を超えず、かつ前記疎の領域に形成される前記凹部の側壁角度と、前記密の領域に形成される前記凹部の側壁角度との差が１６°以下となるように前記凹部を形成するエッチング工程を含むことを特徴とする、半導体装置の製造方法を提供する。

本発明のエッチング方法によれば、少なくともＣｌ_２と、ＨＢｒと、ＣＦ_４またはＣＨＦ_３から選ばれるフッ素含有ガスと、を含有する処理ガスを所定の流量比で用いることによって、マスクパターンに疎密が存在し、微細なマスクパターンと幅広いマスクパターンが混在する被処理体にエッチングを行なう場合であっても、制御性よくエッチング形状を均一にすることができる。
従って、半導体装置のデザインルールの微細化、高集積化への対応も可能である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい形態について説明する。図１は、本発明のエッチング方法が適用される半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す）Ｗなどの被処理体１１０の断面構造を模式的に示す図面である。この被処理体１１０は、例えばＭＯＳトランジスタのゲート電極製造に用いられるものであり、イオン注入によるＮ型もしくはＰ型の拡散層および素子分離層（いずれも図示せず）が形成されたＳｉ基板１０１上には、ＳｉＯ_２などのゲート絶縁膜１０２が形成され、さらにその上層にＣＶＤ法などによるポリシリコン層１０３が形成されている。必要に応じてリンやホウ素などの不純物が注入されたポリシリコン層１０３の上には、ＴＥＯＳによるＳｉＯ_２などのマスク膜１０４が形成されており、このマスク膜１０４には、予めフォトリソグラフィーにより疎密のあるライン＆スペースの開口パターン１０５が形成されている。
すなわち、マスク膜１０４には、パターン間隔が狭い密の領域１０５ａと、パターン間隔が広い疎の領域１０５ｂとが形成されている。ここで、密の領域１０５ａと疎の領域１０５ｂのパターン間隔については特に制限はないが、密の領域１０５ａの開口幅ＣＤ_１：疎の領域１０５ｂの開口幅ＣＤ_２＝１：１０以上である場合に、後述する本発明の効果が良好に奏される。また、密の領域１０５ａの開口幅ＣＤ_１としては、５０〜２００ｎｍ、疎の領域１０５ｂの開口幅ＣＤ_２としては５００ｎｍ以上が例示される。

以上のような構造の被処理体１１０に対し、本発明方法のプラズマエッチング処理を施すことにより、図２に示されるように、パターンの間隔の疎密に応じ、ゲート電極となるポリシリコン電極１０６の両側に、幅の狭い溝１０７ａと、幅の広い溝１０７ｂが形成される。

マスクパターンの開口幅ＣＤ_１，ＣＤ_２の違いに基づき、通常のエッチングガス例えばＣｌ_２／ＨＢｒ／Ｏ_２／希ガスを使用したエッチングでは、図３に例示するように、幅の狭い溝１０７ａを構成するポリシリコン電極１０６の側壁部分にサイドエッチング１０６ａが入りやすく、側壁角度（１８０°−α）が垂直（９０°）にならない。他方、幅の広い溝１０７ｂを構成するポリシリコン電極１０６では、被エッチング面積が大きいため反応生成物であるＳｉＣｌ_ｘ，ＳｉＢｒ_ｘが側壁に付着して保護膜として作用し、図３に例示するように、側壁角度（１８０°−β）が垂直（９０°）より小さくなり、幅の広い溝１０７ｂの断面がテーパー形状になってしまう。

通常エッチングガスとしてＣｌ_２やＨＢｒを用いた場合には、被エッチング膜であるポリシリコンとの反応生成物であるＳｉＣｌ_ｘ，ＳｉＢｒ_ｘを側壁保護膜としてエッチング形状の制御を行なうが、マスクパターンの疎密差が大きくなると被エッチング面積の差も大きくなるため、反応生成物の量が変わる。すなわち、パターンの密な領域１０５ａでは、相対的に被エッチング面積が小さいため反応生成物の量が少なく、側壁への付着量も少なくなるので、保護作用はさほど大きくならず、ポリシリコンのエッチングが横方向に進むため、ポリシリコン電極１０６の側壁部分にサイドエッチング１０６ａが発生しやすい。
他方、パターンの疎な領域１０５ｂでは、相対的に被エッチング面積が大きいため、反応生成物が多く生成し、側壁への付着量も多くなり、保護作用が高くなるのでポリシリコンのエッチングが抑制される。以上のような理由から、図３に示すように、パターンの疎密差に応じてエッチング形状にも疎密の差異が生じることになる。このようなエッチング形状の疎密差は、デバイス特性に影響を与えるため、その改善が望まれていた。

本発明のエッチング方法においては、上記エッチング形状の疎密差の問題を解決するため、エッチングガスとして、少なくともＣｌ_２と、ＨＢｒと、ＣＦ_４、ＣＨＦ_３等から選ばれるフッ素含有ガスと、を含有する処理ガスを用いる。例えばＣＦ_４は、ＣＦ_ｘ（ポリマー）を形成しやすく、これがポリシリコン電極１０６の側壁に付着して保護膜として機能する。つまり、被エッチング膜であるポリシリコンと反応してＳｉＣｌ_ｘやＳｉＢｒ_ｘを生成するＣｌ_２やＨＢｒとは異なり、ＣＦ_４の場合は被エッチング膜であるポリシリコンと無関係に保護作用を持つポリマーを形成できるため、パターンの疎密（つまり、被エッチング面積の大小）に関わらず、被エッチング膜の表面に一様に付着して保護作用を発揮する。また、被エッチング膜の表面にＣＦｘが付着することにより、ＳｉＣｌ_ｘやＳｉＢｒ_ｘの生成自体が抑制されるので、パターンの疎密に基づく被エッチング面積の大小に影響されず、図２に示すように、ウエハＷの全体で均一なエッチング形状が確保できる。

この場合、パターンの密な部位におけるサイドエッチングの発生を抑制する観点から、ＨＢｒとＣｌ_２を、その流量比（ＨＢｒ／Ｃｌ_２）が１．２以上となるようにプラズマエッチング装置のチャンバー１内に導入することが好ましい。
また、パターンの疎密によるエッチング形状の差（疎密差）、特に側壁角度（１８０°−α、１８０°−β）の差を改善する観点から、ＣＦ_４等のフッ素含有ガスとＨＢｒとの流量比（フッ素含有ガス／ＨＢｒ）が１．０以上となるように処理室内に導入することが好ましい。

以上のようなエッチングガスを用いることにより、パターンの疎密差が大きな被処理体、例えば密の領域１０５ａの開口幅ＣＤ_１と疎の領域１０５ｂの開口幅ＣＤ_２との比率が１：１０以上となる被処理体に対しても十分に均一なエッチングが可能になる。より具体的には、開口パターンにおいて露出した部分に形成される溝１０７ａ，１０７ｂの側壁角度がいずれも９０°を超えず、かつ疎の領域１０５ｂにおける溝１０７ｂの側壁角度と、密の領域１０５ａにおける溝１０７ａの側壁角度との差が好ましくは１６°以下となるようにエッチング形状を制御できる。

以上のようにエッチングによって、ゲート電極（ポリシリコン電極１０６）を形成した後は、不純物注入によりソース・ドレイン領域からなるＰ型もしくはＮ型の拡散層（図示せず）を形成することにより、トランジスタを形成することができる。

次に、平行平板型プラズマエッチング装置を用いて本発明方法を実施する例について説明する。図４は、本発明方法を実施するために好適に使用可能な平行平板型プラズマエッチング装置１００を示す断面図である。このプラズマエッチング装置１００は、気密に構成され、小径の上部１ａと大径の下部１ｂとからなる段つき円筒状をなし、壁部が例えばアルミニウム製のチャンバー（処理容器）１を有している。

このチャンバー１内には、被処理体として単結晶Ｓｉ基板であるウエハＷを水平に支持する支持テーブル２が設けられている。支持テーブル２は例えばアルミニウムで構成されており、絶縁板３を介して導体の支持台４に支持されている。また、支持テーブル２の上方の外周には、例えばＳｉで形成されたフォーカスリング５が設けられている。上記支持テーブル２と支持台４は、ボールねじ７を含むボールねじ機構により昇降可能となっており、支持台４の下方の駆動部分は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製のベローズ８で覆われている。ベローズ８の外側にはベローズカバー９が設けられている。なお、上記フォーカスリング５の外側にはバッフル板１０が設けられており、このバッフル板１０、支持台４、ベローズ８を通してチャンバー１と導通している。チャンバー１は接地されている。

チャンバー１の下部１ｂの側壁には、排気ポート１１が形成されており、この排気ポート１１には排気系１２が接続されている。そして排気系１２の真空ポンプを作動させることによりチャンバー１内を所定の真空度まで減圧することができるようになっている。一方、チャンバー１の下部１ｂの側壁上側には、ウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ１３が設けられている。

支持テーブル２には、整合器１４を介してプラズマ形成用の第１の高周波電源１５が接続されており、この第１の高周波電源１５から所定の周波数の高周波電力が支持テーブル２に供給されるようになっている。一方、支持テーブル２に対向してその上方には後で詳細に説明するシャワーヘッド２０が互いに平行に設けられており、このシャワーヘッド２０は接地されている。したがって、支持テーブル２およびシャワーヘッド２０は一対の電極として機能する。

第１の高周波電源１５の給電線には、整合器２５を介して第２の高周波電源２６が接続されている。第２の高周波電源２６は第１の高周波電源１５の周波数よりも低い高周波電力を供給しプラズマ形成用の高周波電力に重畳されるようになっている。

支持テーブル２の表面上にはウエハＷを静電吸着して保持するための静電チャック６が設けられている。この静電チャック６は絶縁体６ｂの間に電極６ａが介在されて構成されており、電極６ａには直流電源１６が接続されている。そして電極６ａに電源１６から電圧が印加されることにより、静電力例えばクーロン力によってウエハＷが吸着される。

支持テーブル２の内部には、冷媒室１７が設けられており、この冷媒室１７には、冷媒が冷媒導入管１７ａを介して導入され冷媒排出管１７ｂから排出されて循環し、その冷熱が支持テーブル２を介してウエハＷに対して伝熱され、これによりウエハＷの処理面が所望の温度に制御される。

また、チャンバー１が排気系１２により排気されて真空に保持されていても、冷媒室１７に循環される冷媒によりウエハＷを有効に冷却可能なように、冷却ガスが、ガス導入機構１８によりそのガス供給ライン１９を介して静電チャック６の表面とウエハＷの裏面との間に導入される。このように冷却ガスを導入することにより、冷媒の冷熱がウエハＷに有効に伝達され、ウエハＷの冷却効率を高くすることができる。冷却ガスとしては、例えばＨｅなどを用いることができる。

上記シャワーヘッド２０は、チャンバー１の天壁部分に支持テーブル２に対向するように設けられている。このシャワーヘッド２０は、その下面に多数のガス吐出孔２２が設けられており、かつその上部にガス導入部２０ａを有している。そして、その内部には空間２１が形成されている。ガス導入部２０ａにはガス供給配管２３ａが接続されており、このガス供給配管２３ａの他端には、エッチングガスおよび希釈ガスからなる処理ガスを供給する処理ガス供給系２３が接続されている。

このような処理ガスが、処理ガス供給系２３からガス供給配管２３ａ、ガス導入部２０ａを介してシャワーヘッド２０の空間２１に至り、ガス吐出孔２２から吐出される。

一方、チャンバー１の上部１ａの周囲には、同心状に、マルチポール磁石２４が配置されており、支持テーブル２とシャワーヘッド２０との間の処理空間の周囲に磁界を形成するようになっている。このマルチポール磁石２４は、図示しない回転機構により回転可能となっている。マルチポール磁石２４は、図５の水平断面図に示すように、永久磁石からなる複数のセグメント磁石３１が図示しない支持部材により支持された状態でリング状に配置されて構成されている。この例では、１６個のセグメント磁石３１がリング状（同心円状）にマルチポール状態で配置されている。すなわち、マルチポール磁石２４においては、隣接する複数のセグメント磁石３１同士の磁極の向きが互いに逆向きになるように配置されており、したがって、磁力線が図示のように隣接するセグメント磁石３１間に形成され、処理空間の周辺部のみに例えば０．０２〜０．２Ｔ（２００〜２０００Ｇａｕｓｓ）、好ましくは０．０３〜０．０４５Ｔ（３００〜４５０Ｇａｕｓｓ）の磁場が形成され、ウエハ配置部分は実質的に無磁場状態となる。このように磁場強度が規定されるのは、磁場が強すぎると洩れ磁場の原因となり、弱すぎるとプラズマ閉じこめ効果が得られなくなるためである。ただし、適正な磁場強度は装置構造等にも依存するため、その範囲は装置によって異なるものである。なお、ウエハ配置部分における実質的に無磁場状態とは、完全に磁場が存在しない場合のみならず、ウエハ配置部分にエッチング処理に影響を与える磁場が形成されず、実質的にウエハ処理に影響を与えない磁場が存在する場合も含む。

図５に示す状態では、ウエハ周辺部に例えば磁束密度４２０μＴ（４．２Ｇａｕｓｓ）以下の磁場が印加されており、これによりプラズマを閉じ込める機能が発揮される。

上記各セグメント磁石３１は、図示しないセグメント磁石回転機構により垂直方向の軸を中心に回転自在に構成されている。図５および図６（ａ）に示すように、各セグメント磁石３１の磁極がチャンバー１側に向いた状態から、例えば図６（ｂ）、図６（ｃ）と隣接するセグメント磁石３１が同期して逆方向に回転する。したがって、一つおきのセグメント磁石３１は同方向に回転する。なお、図６（ｂ）はセグメント磁石３１が４５度回転した状態を示しており、図６（ｃ）はセグメント磁石３１が９０度回転した状態を示している。セグメント磁石３１をこのように回転させることにより、実質的にマルチポール磁場が形成される状態とマルチポール磁場が形成されない状態との間で切替可能となっている。エッチングする膜の種類によっては、マルチポール磁場が有効に作用する場合と、作用しない場合とがあるから、このようにマルチポール磁場を形成した状態と形成しない状態とを切替可能とすることにより、膜に応じて適切なエッチング条件を選択することができる。

また、プラズマエッチング装置１００の各構成部は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ５０に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ５０には、工程管理者がプラズマエッチング装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマエッチング装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインタフェース５１が接続されている。

また、プロセスコントローラ５０には、プラズマエッチング装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５０の制御にて実現するための制御プログラムや処理条件データ等が記録されたレシピが格納された記憶部５２が接続されている。

そして、必要に応じて、ユーザーインタフェース５１からの指示等にて任意のレシピを記憶部５２から呼び出してプロセスコントローラ５０に実行させることで、プロセスコントローラ５０の制御下で、プラズマエッチング装置１００での所望の処理が行われる。また、前記レシピは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリなどのコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させて利用したりすることも可能である。

次に、このように構成される平行平板型プラズマエッチング装置を用いた本発明のエッチング方法について説明する。
まず、ゲートバルブ１３を開にしてウエハＷをチャンバー１内に搬入し、支持テーブル２に載置した後、支持テーブル２を図示の位置まで上昇させ、排気系１２の真空ポンプにより排気ポート１１を介してチャンバー１内を排気する。

そして処理ガス供給系２３からエッチングガスおよび希釈ガスを含む処理ガスが所定の流量でチャンバー１内に導入され、チャンバー１内を所定の圧力にし、その状態で第１の高周波電源１５から支持テーブル２に所定の高周波電力を供給する。この際に、ウエハＷは、直流電源１６から静電チャック６の電極６ａに所定の電圧が印加されることにより例えばクーロン力により静電チャック６に吸着保持されるとともに、上部電極であるシャワーヘッド２０と下部電極である支持テーブル２との間に高周波電界が形成される。これにより処理空間に供給された処理ガスがプラズマ化されて、そのプラズマによりウエハＷ上のポリシリコン層１０３のエッチングが行なわれる。このエッチングの際に、マルチポール磁石２４により、処理空間の周囲に図５に示すような磁場を形成することにより、プラズマ閉じこめ効果が発揮され、ウエハＷのエッチングレートを均一化することができる。

エッチングガスとしては、エッチング形状の均一性を確保する観点から、Ｃｌ_２、ＨＢｒとともにフッ素含有ガスを含むものを用いる。フッ素含有ガスとしては、１分子中に存在するＦの数が多いものが好ましく、例えば、ＣＦ_４、ＣＨＦ_３、ＳＦ_６、ＮＦ_３等を用いることが好ましい。また、フッ素含有ガスとともに酸素ガスを用いることによりエッチングの異方性を高めることができ、エッチングの形状を良好にすることができる。

エッチングの形状性を良好にするためには、ウエハＷの温度を調節することも有効である。そのために冷媒室１７が設けられており、この冷媒室１７に冷媒が循環され、その冷熱が支持テーブル２を介してウエハＷに対して伝熱され、これによりウエハＷの処理面が所望の温度に制御される。エッチングの形状性つまり異方性を良好にするためには、ウエハＷの温度を例えば３０〜９０℃程度に調整することが好ましい。

プラズマ生成用の第１の高周波電源１５は、所望のプラズマを形成するためにその周波数および出力が適宜設定される。ウエハＷの直上のプラズマ密度を高くする観点からは、周波数が４０ＭＨｚ以上であることが好ましい。

第２の高周波電源２６は、プラズマのイオンエネルギーをコントロールするための高周波電力を供給するものであり、その周波数は第１の高周波電源１５の周波数よりも小さく３．２ＭＨｚ以上であることが好ましい。

以上のように、エッチングの際に使用するガス種とその流量比を選択することにより、エッチング形状の均一化を図ることができる。また、他の処理条件の好ましい範囲として、チャンバー１内のガス圧力は０．１３〜６．６７Ｐａ（１〜５０ｍＴｏｒｒ）、第１の高周波電源１５の周波数を１００ＭＨｚ、第２の高周波電源２６の周波数を１３ＭＨｚ、マルチポール磁石２４によって形成される処理空間での磁場の強さを５．６〜４５．４μＴ（５６〜４５４Ｇ）とする。このような条件を採用することにより、マスクパターンの疎密差に関わらずウエハＷのエッチング形状を均一化することができる。

次に、エッチングガスの組成を変化させてウエハＷをエッチングし、そのエッチング形状を観察した試験結果について説明する。
ウエハの表面に、下層からゲート絶縁膜１０２と、ポリシリコン層１０３と、疎密を有するライン＆スペースのマスクパターンが形成済みのＳｉＯ_２（ＴＥＯＳ）のマスク膜１０４が形成された被処理体を準備し、図４の平行平板型プラズマエッチング装置１００を用いてエッチングを行った。エッチング形状は、側壁角度［１８０°−溝の側壁と底面とのなす角度］およびサイドエッチングの有無についてＳＥＭの撮像を元に測定を行なった。

エッチングの際のチャンバー１内の圧力は０．６７Ｐａ（５ｍＴｏｒｒ）とし、チャンバー１内に供給するエッチングガスとしてＣｌ_２／ＨＢｒ／Ｏ_２／ＣＦ_４を用いた。Ｏ_２ガスの流量は１ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）に固定し、Ｃｌ_２とＨＢｒとＣＦ_４の流量を表１に示すように変化させた。そして、第１の高周波電源１５の周波数を１００ＭＨｚ、第２の高周波電源２６の周波数を１３ＭＨｚ、第１の高周波電源１５からの高周波電力の出力を１００Ｗ、第２の高周波電源２６からの高周波電力の出力を２００Ｗとした。また、ウエハＷを効率よく冷却するためにウエハ裏面に冷却ガスをウエハＷのセンター部で１３３３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）、ウエハのエッジ部で４０００Ｐａ（３０Ｔｏｒｒ）のバックプレッシャーで供給することにより、ウエハＷの温度が３０℃になるようにした。なお、シャワーヘッド２０の温度は８０℃、チャンバー１側壁の温度＝７０℃とした。また、エッチングにより形成する溝の幅は、０．０５μｍおよび０．３μｍとした。

表１に、各条件における側壁角度を示した。ＨＢｒの流量に対するＣＦ_４の流量が少ないと、パターンの疎密に基づく側壁角度の差（疎密差）が大きくなる傾向が確認された。これはＣＦ_４による側壁保護作用が十分に発揮されず、被エッチング部位の面積の差によってＳｉＣｌ_ｘ、ＳｉＢｒ_ｘなどの反応生成物の付着量に差が生じ、エッチングの進行に疎密差が生じたためであると考えられる。

一方、Ｃｌ_２流量が少ないと、溝の断面形状がテーパー状になり、側壁角度が小さくなるとともに疎密差が大きくなる傾向が確認された。逆に、Ｃｌ_２流量が多い場合は、側壁角度が大きくなる傾向がみられ、パターンが密の領域では９０°を超えてしまいサイドエッチングが発生した。
また、ＨＢｒの流量に対するＣＦ_４の流量が少なく、かつＣｌ_２流量が少ないと、疎の領域におけるエッチングの進行が遅くなり、疎密差が拡大する結果となった。
さらに、ＨＢｒの流量に対するＣＦ_４の流量が多く、かつＣｌ_２流量も多い場合には、疎密差は改善されるものの、サイドエッチングの発生も顕著であった。

以上のように、本実施形態の方法を採用することにより、疎密のあるパターンに対してエッチングを行なう際にも、エッチング形状の均一性を確保できることが確認された。

以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明は上記実施形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では平行平板型プラズマエッチング装置の磁場形成手段としてマルチポール磁石を用いたが、これに限るものではなく、磁場の形成も必須なものではない。また、本発明のガス種によってプラズマを形成することができれば装置は問わず、容量結合型や誘導結合型、マイクロ波型等の種々のプラズマエッチング装置を用いることができる。

本発明は、例えばトランジスタなどの各種半導体装置を製造する過程において好適に利用可能である。

本発明方法が適用される半導体ウエハの断面構造を示す模式図。 本発明方法によるエッチング後の半導体ウエハの断面構造を示す模式図。 従来の方法によるエッチング後の半導体ウエハの断面構造を示す模式図。 本発明のエッチング方法の実施に好適な平行平板型プラズマエッチング装置を示す断面図。 図４の装置のチャンバーの周囲に配置されたマルチポール磁石を模式的に示す水平断面図。 図４の装置のセグメント磁石の回転動作およびその際の磁場の変化を説明するための図。

符号の説明

１；チャンバー（処理容器）
２；支持テーブル（電極）
１２；排気系
１５；第１の高周波電源
１７；冷媒室
１８；ガス導入機構
２０；シャワーヘッド（電極）
２３；処理ガス供給系
２４；マルチポール磁石
２６；第２の高周波電源
１０１；Ｓｉ基板
１０２；ゲート絶縁膜
１０３；ポリシリコン層
１０４；マスク膜
１０５；開口パターン
１０５ａ；密の領域
１０５ｂ；疎の領域
Ｗ；ウエハ

Claims (9)

1. プラズマ処理装置の処理室内で被処理体上の被エッチング層に対しプラズマエッチング処理を行なって凹部を形成するエッチング方法であって、
   被エッチング層上に形成された、開口幅の狭い密の領域と開口幅の広い疎の領域とを有する開口パターンのマスクを用い、
   少なくともＣｌ_２と、ＨＢｒと、ＣＦ_４またはＣＨＦ_３から選ばれるフッ素含有ガスと、を含有する処理ガスを、ＨＢｒとＣｌ_２とのガス流量比（ＨＢｒ／Ｃｌ_２）が１．２以上、かつフッ素含有ガスとＨＢｒとのガス流量比（フッ素含有ガス／ＨＢｒ）が１．０以上となるように前記処理室内に導入してプラズマを励起させ、該プラズマにより、前記開口パターンにおいて露出した部分の前記被エッチング層をエッチングして前記凹部を形成することを特徴とする、エッチング方法。
2. プラズマ処理装置の処理室内で被処理体上の被エッチング層に対しプラズマエッチング処理を行なって凹部を形成するエッチング方法であって、
   被エッチング層上に形成された、開口幅の狭い密の領域と開口幅の広い疎の領域とを有する開口パターンのマスクを用い、
   少なくともＣｌ_２と、ＨＢｒと、ＣＦ_４またはＣＨＦ_３から選ばれるフッ素含有ガスと、を含有する処理ガスを、ＨＢｒとＣｌ_２とのガス流量比（ＨＢｒ／Ｃｌ_２）が１．２以上、かつフッ素含有ガスとＨＢｒとのガス流量比（フッ素含有ガス／ＨＢｒ）が１．０以上となるように前記処理室内に導入してプラズマを励起させ、該プラズマにより、前記開口パターンにおいて露出した部分の前記被エッチング層をエッチングし、
   前記凹部の側壁角度が９０°を超えず、かつ前記疎の領域に形成される前記凹部の側壁角度と、前記密の領域に形成される前記凹部の側壁角度との差が１６°以下となるように前記凹部を形成することを特徴とする、エッチング方法。
3. 前記被エッチング層が、ポリシリコン層であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のエッチング方法。
4. 前記密の領域の前記開口パターンの幅に対する前記疎の領域の前記開口パターンの幅の比率が、１０以上であることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のエッチング方法。
5. コンピュータ上で動作し、実行時に、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載されたエッチング方法が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御することを特徴とする、制御プログラム。
6. コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、
   前記制御プログラムは、実行時に、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載されたエッチング方法が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御するものであることを特徴とする、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
7. 被処理体に対しプラズマエッチング処理を行なうための処理室と、
   前記処理室内で被処理体を載置する支持体と、
   前記処理室内を減圧するための排気手段と、
   前記処理室内に処理ガスを供給するためのガス供給手段と、
   前記処理室内で請求項１から請求項４のいずれか１項に記載されたエッチング方法が行なわれるように制御する制御部と、
   を備えたことを特徴とする、プラズマ処理装置。
8. 基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜より上層に形成されたポリシリコン層と、を備えた被処理体に対し、
   前記ポリシリコン層上に形成された、開口幅の狭い密の領域と開口幅の広い疎の領域とを有する開口パターンのマスクを用い、少なくともＣｌ_２と、ＨＢｒと、ＣＦ_４またはＣＨＦ_３から選ばれるフッ素含有ガスと、を含有する処理ガスを、ＨＢｒとＣｌ_２とのガス流量比（ＨＢｒ／Ｃｌ_２）が１．２以上、かつフッ素含有ガスとＨＢｒとのガス流量比（フッ素含有ガス／ＨＢｒ）が１．０以上となるように処理室内に導入してプラズマを励起させ、前記開口パターンにおいて露出した部分の前記ポリシリコン層をエッチングして凹部を形成するエッチング工程を含むことを特徴とする、半導体装置の製造方法。
9. 基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜より上層に形成されたポリシリコン層と、を備えた被処理体に対し、
   前記ポリシリコン層上に形成された、開口幅の狭い密の領域と開口幅の広い疎の領域とを有する開口パターンのマスクを用い、少なくともＣｌ_２と、ＨＢｒと、ＣＦ_４またはＣＨＦ_３から選ばれるフッ素含有ガスと、を含有する処理ガスを、ＨＢｒとＣｌ_２とのガス流量比（ＨＢｒ／Ｃｌ_２）が１．２以上、かつフッ素含有ガスとＨＢｒとのガス流量比（フッ素含有ガス／ＨＢｒ）が１．０以上となるように処理室内に導入してプラズマを励起させ、前記開口パターンにおいて露出した部分の前記ポリシリコン層をエッチングし、
   凹部の側壁角度が９０°を超えず、かつ前記疎の領域に形成される前記凹部の側壁角度と、前記密の領域に形成される前記凹部の側壁角度との差が１６°以下となるように前記凹部を形成するエッチング工程を含むことを特徴とする、半導体装置の製造方法。

Images