JP2603217B2 - 表面処理方法及び表面処理装置 - Google Patents
表面処理方法及び表面処理装置Info
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- H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
- H01L21/31—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to form insulating layers thereon, e.g. for masking or by using photolithographic techniques; After treatment of these layers; Selection of materials for these layers
- H01L21/3205—Deposition of non-insulating-, e.g. conductive- or resistive-, layers on insulating layers; After-treatment of these layers
- H01L21/321—After treatment
- H01L21/3213—Physical or chemical etching of the layers, e.g. to produce a patterned layer from a pre-deposited extensive layer
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Description
本発明は、マイクロ波プラズマを用いたドライエッチ
ングにおける試料バイアス印加方法に係り、特にエッチ
ング断面形状および下地材料との選択比向上に好適な、
表面処理方法およびその装置に関するものである。
ングにおける試料バイアス印加方法に係り、特にエッチ
ング断面形状および下地材料との選択比向上に好適な、
表面処理方法およびその装置に関するものである。
従来のマイクロ波プラズマを用いたエッチング方法の
バイアス印加方法は、試料にバイアスが効果的に印加さ
れる方式を採用していた（特願昭59−234918号）。しか
し、この場合には試料に入射するイオンが常に高いエネ
ルギを保有したままであるから、選択性の低下や素子に
与える損傷を低減するため、バイアス電圧を下げるか、
またはバイアス電圧を印加停止させる必要があった。本
発明は、バイアス電圧を下げることなく、イオンの加速
・減速が自然に行われる方法を見出したことに基づくも
のである。 半導体ゲート電極材料であるポリサイド（タングステ
ンシリサイドと多結晶シリコンの２層膜）をエッチング
する場合に、マスク寸法からの寸法シフトが大きくなら
ないことと、薄い下地酸化膜のエッチング速度が大きく
ならないことが要求されている。従来の反応性スパッタ
エッチングあるいは反応性イオンエッチングでは、上記
の要求を満足するエッチング方法が見出されていなかっ
た。また、従来のマイクロ波プラズマエッチング方法で
も、選択比は大きいが垂直エッチングは満足されず、垂
直エッチングにすると選択比が小さくなるのが特徴であ
った。すなわち、弗素を含む化合物ガスプラズマでは選
択比は大きいが垂直エッチングは不可能に近く、塩素系
ガスプラズマあるいは弗素系ガスにH2やNH3などを添加
した混合ガスプラズマでは、垂直エッチングができても
選択比を大きくすることができなかった。例えば、従来
のバイアス印加方式のマイクロ波プラズマエッチングで
も、常にイオンのエネルギが高いために、下地酸化膜の
エッチング速度が大きいことはもちろん、ガスの種類に
よってはエッチング断面の側壁に薄い膜を形成する、い
わゆるサイドウォール膜が形成できず、垂直エッチング
も不可能になる場合が多かった。
バイアス印加方法は、試料にバイアスが効果的に印加さ
れる方式を採用していた（特願昭59−234918号）。しか
し、この場合には試料に入射するイオンが常に高いエネ
ルギを保有したままであるから、選択性の低下や素子に
与える損傷を低減するため、バイアス電圧を下げるか、
またはバイアス電圧を印加停止させる必要があった。本
発明は、バイアス電圧を下げることなく、イオンの加速
・減速が自然に行われる方法を見出したことに基づくも
のである。 半導体ゲート電極材料であるポリサイド（タングステ
ンシリサイドと多結晶シリコンの２層膜）をエッチング
する場合に、マスク寸法からの寸法シフトが大きくなら
ないことと、薄い下地酸化膜のエッチング速度が大きく
ならないことが要求されている。従来の反応性スパッタ
エッチングあるいは反応性イオンエッチングでは、上記
の要求を満足するエッチング方法が見出されていなかっ
た。また、従来のマイクロ波プラズマエッチング方法で
も、選択比は大きいが垂直エッチングは満足されず、垂
直エッチングにすると選択比が小さくなるのが特徴であ
った。すなわち、弗素を含む化合物ガスプラズマでは選
択比は大きいが垂直エッチングは不可能に近く、塩素系
ガスプラズマあるいは弗素系ガスにH2やNH3などを添加
した混合ガスプラズマでは、垂直エッチングができても
選択比を大きくすることができなかった。例えば、従来
のバイアス印加方式のマイクロ波プラズマエッチングで
も、常にイオンのエネルギが高いために、下地酸化膜の
エッチング速度が大きいことはもちろん、ガスの種類に
よってはエッチング断面の側壁に薄い膜を形成する、い
わゆるサイドウォール膜が形成できず、垂直エッチング
も不可能になる場合が多かった。
本発明は、半導体材料のエッチングにおいて、エッチ
ング断面形状を垂直にすると同時に、下地材料との選択
比を高くできるバイアス印加表面処理方法およびその装
置を得ることを目的とする。
ング断面形状を垂直にすると同時に、下地材料との選択
比を高くできるバイアス印加表面処理方法およびその装
置を得ることを目的とする。
マイクロ波プラズマエッチングにおいて微細加工性能
と選択性がよいエッチングを行うには、イオンのエネル
ギ制御が重要な技術であり、上記技術としては自己バイ
アスを常に高くせず、周期的にバイアスを印加する方法
が最も有力である。すなわち、本発明による表面処理法
及び表面処理装置は、表面処理装置内の減圧容器内に設
けられた試料台上に被処理物を載置する工程と、上記減
圧容器内にガスを導入してプラズマを発生させる工程
と、上記試料台に交流電圧を印加する工程と、上記プラ
ズマが発生する領域内に上記試料台の面積よりも小さい
面積を有する固定電位付与電極に一定電位を付与して自
己バイアスを制御する工程と、上記プラズマを用いて上
記被処理物の表面を処理する工程とを有する表面処理方
法を用いる。 また、上記交流電圧の周波数は10MHz以下とする。 また、表面処理装置に、減圧容器と、該減圧容器内に
導入するガスをマイクロ波によりプラズマ化する手段
と、上記減圧容器内に設けられ上記プラズマによって処
理される被処理物を載置する試料台と、上記試料台に交
流電圧を印加する手段と、上記プラズマが発生する領域
内に上記試料台の面積よりも小さい面積を有し、自己バ
イアスを制御する固定電位付与電極とを設ける。また、
上記交流電圧の周波数は10MHz以下とする。 また、表面処理装置に、上記減圧容器と、該減圧容器
内に導入するガスをマイクロ波によりプラズマ化する手
段と、上記減圧容器内に設けられ上記プラズマによって
処理される被処理物を載置する試料台と、高周波印加電
源と該高周波印加電源に接続されたオフ・マッチング状
態のマッチング回路により構成された、上記試料台に高
周波電圧を加える手段とを設ける。
と選択性がよいエッチングを行うには、イオンのエネル
ギ制御が重要な技術であり、上記技術としては自己バイ
アスを常に高くせず、周期的にバイアスを印加する方法
が最も有力である。すなわち、本発明による表面処理法
及び表面処理装置は、表面処理装置内の減圧容器内に設
けられた試料台上に被処理物を載置する工程と、上記減
圧容器内にガスを導入してプラズマを発生させる工程
と、上記試料台に交流電圧を印加する工程と、上記プラ
ズマが発生する領域内に上記試料台の面積よりも小さい
面積を有する固定電位付与電極に一定電位を付与して自
己バイアスを制御する工程と、上記プラズマを用いて上
記被処理物の表面を処理する工程とを有する表面処理方
法を用いる。 また、上記交流電圧の周波数は10MHz以下とする。 また、表面処理装置に、減圧容器と、該減圧容器内に
導入するガスをマイクロ波によりプラズマ化する手段
と、上記減圧容器内に設けられ上記プラズマによって処
理される被処理物を載置する試料台と、上記試料台に交
流電圧を印加する手段と、上記プラズマが発生する領域
内に上記試料台の面積よりも小さい面積を有し、自己バ
イアスを制御する固定電位付与電極とを設ける。また、
上記交流電圧の周波数は10MHz以下とする。 また、表面処理装置に、上記減圧容器と、該減圧容器
内に導入するガスをマイクロ波によりプラズマ化する手
段と、上記減圧容器内に設けられ上記プラズマによって
処理される被処理物を載置する試料台と、高周波印加電
源と該高周波印加電源に接続されたオフ・マッチング状
態のマッチング回路により構成された、上記試料台に高
周波電圧を加える手段とを設ける。
つぎに、本発明の実施例を図面とともに説明する。第
１図は本発明に係る表面処理装置の構成図、第２図およ
び第３図は上記表面処理装置の試料台に印加された高周
波電圧の電位波形をそれぞれ示す図、第４図は下地段差
部を有するタングステン・シリサイドと多結晶シリコン
２層膜のエッチング断面図である。第１図において、マ
イクロ波導入部１とともに放電ガス導入口２および排気
口３を有する真空容器４内に、試料５を保持する試料台
６を設け、上記マイクロ波導入部１にはマイクロ波発生
器７から導波管８によりマイクロ波が導かれ、本実施例
では、上記導波管８のマイクロ波導入部近傍外側に磁場
発生コイル９を設置している。また、上記真空容器４内
の試料台６の軸の外周に沿ってシールドするように取り
付け、上記試料台に沿って拡がった導電材料よりなる固
定電位付与電極10を設け、上記試料台６の軸はマッチン
グ回路21を介して高周波印加電源11に接続されている。
真空容器４内をあらかじめ真空排気し、エッチングに適
合するガスを減圧状態でガス導入口２から導入し、マイ
クロ波発生器７で発生したマイクロ波を導波管８を経て
マイクロ波導入部１から真空容器４内に導入して、放電
によるプラズマを発生させガスを励起させる。磁場発生
コイル９はプラズマ発生効率を向上させるために印加さ
れる場合と、プラズマを効率よく輸送する場合に用いら
れるが、マイクロ波電場と磁場との働きによって、エレ
クトロン・サイクロトロン・レゾナンス（ECR）状態に
することも可能であり、とくに低ガス圧力（例えば10-3
Torrよりも低いガス圧力）での放電励起を可能にさせる
ためには、磁場の印加が有効な手段であるが、原理的に
は磁場がないマイクロ波プラズマエッチング装置であっ
てもよい。試料５はプラズマ中に位置する試料台６と電
気的に接触しているが、上記試料台６は真空容器４およ
び排気系内壁などと電気的に絶縁されている。上記試料
台６に外部から高周波印加電源11によりマッチング回路
21を経て高周波電圧を加えると、試料５の表面に高周波
が発生する。マイクロ波放電は原理的に無極放電である
ため、プラズマと試料との間に電位差を大きく与えるた
めには、上記のように試料台６にだけ高周波電圧を与え
ただけでは、自己バイアス（この場合は浮遊電位だけで
約20V程度）が発生するだけであるため、プラズマ中の
どこかに一定電位を保つ電極を設ける必要がある。本装
置では固定電位付与電極10を使用し、固定電位としてア
ース電位を選んだ。またプラズマが試料台６より下方に
拡散するときには、排気系を構成する装置の金属内壁12
もアース電極の役割をする。真空容器４内でエッチング
が進行する状況は発光モニタ13を用いて観測可能であ
る。 プラズマエッチングでは、プラズマ中の活性イオンお
よび活性中性粒子（以下ラジカルという）が寄与するこ
とが知られている。ただし試料表面が酸化物の膜で覆わ
れているときには、ラジカルだけだとエッチング反応が
非常に遅いため、ある程度以上のエネルギを有するイオ
ンの寄与が必要である。またシリコン（Si），多結晶シ
リコン（Poly−Si），モリブデン（Mo），タンタル（T
a），チタン（Ti）および、それらのシリコン化合物
（シリサイド）等を塩素系（Cl系）ガスでエッチングす
る場合にも、ある程度以上のイオンエネルギが必要であ
る。タングステン（Ｗ）のような材料では、エネルギを
有するCl系ガスでもＷとClとの化合物の蒸気圧が低いた
め、エッチングされにくい性質を有するものもある。一
方、弗素系（Ｆ系）ガスではイオンのエネルギが低くて
も、またはラジカルだけでも実用的なエッチング速度が
得られる。 上記のエッチング反応から、Cl系ガスを用いたエッチ
ングにおいては試料表面に入射するイオンのエネルギを
高くすることが、Si,Poly−Si,Mo,Ta,Ti,シリサイドの
エッチングに有効となる。またＦ系ガスとCl系ガスとの
混合ガス（例えばSF6とCCl4,C2ClF5,C2Cl2F4,C2Cl3F3,C
2Cl4F2,C2Cl5F）などを用いたときは、ＷやＷシリサイ
ドなどでも有効になる。イオンのエネルギを高くするた
めに印加する高周波電圧は、高周波のピーク電圧（Vp
p）と高周波印加によって新たに発生したプラズマと試
料間の平均的な電位差（自己バイアス:VDC）とがあり、
これらの値でイオンのエネルギが表現できる。すなわ
ち、VDCは試料に入射するイオンの平均的な加速電圧を
意味している。一方、Vppは高周波電圧の周波数とVDCと
によって周期的にイオンを与える加速電圧としての効果
が変化するので、この状態を第２図を用いて説明する。
第２図においては、簡単のためにVDCが0Vとなるときの
試料台６の高周波電圧波形を示した。この場合、マイナ
ス電位になる点描部分14の時間帯だけが、イオンが加速
される領域であり、最大加速電圧は1/2Vppである。ただ
し周波数が高すぎると、プラズマ中のイオンがイオンシ
ース幅を通過して試料表面に到達する以前に逆バイアス
がかかることになり、イオンが試料表面に到達できない
ことになる。0.1mm程度のイオンシース幅とＦ＋イオン
を例として近似計算すると、イオンが加速バイアスに追
随して試料表面に入射できる周波数は約10MHz以下の場
合である。本実施例では余裕をみて800KHzの周波数を用
いた。第２図のプラス電位の時間帯ではイオンが加速さ
れず試料に入射できない状態になり、エッチングされに
くくなるか、もしくは、ガス種によっては試料表面にデ
ポジションが起きることも考えられる。例えばプラズマ
中の炭素原子や炭化水素分子、弗化炭素系の分子は、入
射エネルギが低いときにはデポジションをする傾向が強
い。したがって第２図のような高周波電圧が印加されて
いるときは、エッチングとデポジションが周期的に繰り
返される。これは、いわゆる周期的エッチング方式（ガ
スチョッピング方式）に類似したものといえる。 つぎに通常反応性スパッタエッチングなどで印加され
る高周波バイアスと同じように、マイクロ波プラズマエ
ッチング装置でも、試料台面積に較べてある程度以上の
面積を有するアース電極である固定電位付与電極を設け
ると、試料に高周波電圧を印加したとき、第３図に示す
ようにVDCが大きくなる。ここで固定電位を付与する面
積は、実際にプラズマが接触する部分の有効面積で定義
すべきである。すなわち、ガス圧力、パワー、磁場強
度、試料台の高さなどによりプラズマ分布が変化するの
で、有効面積は第１図の構成であっても変化する。例え
ばガス圧力が高く（〜0.01Torr以上）、試料台６の高さ
が高い場合には、第１図のマイクロ波導入部１で覆われ
た部分にだけプラズマが局在しやすいので有効面積は固
定電位付与電極10の試料台６に沿う面積としてよいが、
逆の場合にはプラズマが広範囲に拡散しやすいので、真
空容器４の内壁や、試料台６の軸に沿う部分も有効面積
に含まれる。このように有効面積が大きい場合も第２図
と同じくマイナス電位になる点描領域14′でイオンが加
速されることになるが、第２図のVDC＝０の場合よりイ
オンが加速される時間帯が長くなると同時に、同じVpp
の場合には加速電界が強く働くことになる。したがって
デポジションよりもエッチングが支配的になる。 上記理由からエッチング反応を速やかにするために
は、試料の損傷が許される範囲内において、高周波バイ
アスVppが大きく、自己バイアスVDCが大きい程よいこと
になる。しかしこの場合、試料材質に関係なくエッチン
グ速度が大きくなるので、材料間のエッチング速度比を
大きくすることができず、選択性が悪いエッチングにな
ってしまう。本発明によるエッチング方式は、選択性を
低下させないために、特に下地がSiO2のように絶縁物材
料がエッチングされないように、高周波バイアスを印加
する技術を見出したものであり、上記Vppを高く、VDCを
比較的低くさせる方法である。すなわち、第２図に示し
た高周波電位波形に近い結果が得られる印加方法であ
る。このような電位波形を得るには、通常の場合とは逆
に、高周波電力のマッチング回路21をオフ・マッチング
状態にしてVDCが下がるようにするか、あるいはマッチ
ング状態であったとしても、プラズマ中に設けた固定電
位付与電極（アース電極）10の面積を小さくすることに
より簡単に実現できる。上記マッチング回路21は、通常
コンデンサＣと抵抗Ｒとの組合せ回路で、プラズマ発生
によって生じた電気的な負荷に合わせるように調整でき
る回路である。したがってＣおよびＲが可変できる回路
になっているものが多い。オフ・マッチング状態とは、
上記ＣおよびＲの値を変化させ、高周波電力の入力効率
を下げることである。 つぎにエッチングの実施例としてタングステンシリサ
イド（WSi2）と多結晶シリコン（Poly−Si）の２層膜に
ついて説明する。その他ゲート電極材料およびAl合金材
料についても、エッチング条件に多少のずれはあるがほ
ぼ同じ結果が得られる。エッチングガスとしてCCl4とSF
6との混合ガスを用い、ガス圧力10-2Torr,マイクロ波パ
ワー300W,高周波800KHz,30WとしたときVppが約300V,VDC
が約10V程度であった。このとき試料台６の面積は約300
cm2であり、固定電位付与電極10の有効面積は60cm2であ
った。得られた結果はWSi/Poly−Siの２層膜の平均エッ
チング速度が500nm/min下地SiO2のエッチング速度が10n
m/minであり、したがってWSi/Poly−SiとSiO2との選択
比は50倍になる。なお、このときの断面形状は第４図に
示すように垂直エッチング形状であった。第４図におい
て、15がWSi2、16がPoly−Si、17がSiO2であるが、上記
試料には18に示したように下地SiO217に段差があり、段
差部19にWSi2/Poly−Siのエッチング残りが発生しやす
い構造になっている。上記エッチング条件では選択比が
大きいので、オーバエッチング時間を十分にとっても下
地のSiO2膜17が減少しないため、この場合500nmの段差
があっても、約70％のオーバエッチング率のエッチング
をすることによって、エッチング残りを除去することが
できた。下地SiO2膜17は20nmの厚さが8nmだけ減少した
が、ゲート劣化を起こすことなく正常な特性が得られ
た。なおオーバエッチング中に高周波バイアスの印加を
停止させれば、さらに選択比を大きくすることができ
る。つぎに上記実施例において、固定電位付与電極10の
有効面積だけを300cm2と大きくした場合、Vppの300Vは
変わらないが、VDCが150Vと大きくなり、WSi2/Poly−Si
2層膜のエッチング速度が約600nm/min,SiO2のエッチン
グ速度が約60nm/minと両者とも大きくなったが、選択比
は10倍程度に減少してしまうことが確認された。 上記の結果から明らかなように、VDCが高い場合はSiO
2のエッチング速度だけが比較的大きくなるため、SiO2
に対するWSi2/Poly−Si2層膜のエッチング速度比が小さ
くなる。またガス圧力が異なる条件においてもVDCを低
くすることによって選択比が向上する特性は変らず、さ
らに固定電位付与電極の有効面積を変えなくても、マッ
チングをずらしてオフ・マッチング状態にすることによ
って、VDCを低くしても選択比を高くすることができる
ことも確認した。
１図は本発明に係る表面処理装置の構成図、第２図およ
び第３図は上記表面処理装置の試料台に印加された高周
波電圧の電位波形をそれぞれ示す図、第４図は下地段差
部を有するタングステン・シリサイドと多結晶シリコン
２層膜のエッチング断面図である。第１図において、マ
イクロ波導入部１とともに放電ガス導入口２および排気
口３を有する真空容器４内に、試料５を保持する試料台
６を設け、上記マイクロ波導入部１にはマイクロ波発生
器７から導波管８によりマイクロ波が導かれ、本実施例
では、上記導波管８のマイクロ波導入部近傍外側に磁場
発生コイル９を設置している。また、上記真空容器４内
の試料台６の軸の外周に沿ってシールドするように取り
付け、上記試料台に沿って拡がった導電材料よりなる固
定電位付与電極10を設け、上記試料台６の軸はマッチン
グ回路21を介して高周波印加電源11に接続されている。
真空容器４内をあらかじめ真空排気し、エッチングに適
合するガスを減圧状態でガス導入口２から導入し、マイ
クロ波発生器７で発生したマイクロ波を導波管８を経て
マイクロ波導入部１から真空容器４内に導入して、放電
によるプラズマを発生させガスを励起させる。磁場発生
コイル９はプラズマ発生効率を向上させるために印加さ
れる場合と、プラズマを効率よく輸送する場合に用いら
れるが、マイクロ波電場と磁場との働きによって、エレ
クトロン・サイクロトロン・レゾナンス（ECR）状態に
することも可能であり、とくに低ガス圧力（例えば10-3
Torrよりも低いガス圧力）での放電励起を可能にさせる
ためには、磁場の印加が有効な手段であるが、原理的に
は磁場がないマイクロ波プラズマエッチング装置であっ
てもよい。試料５はプラズマ中に位置する試料台６と電
気的に接触しているが、上記試料台６は真空容器４およ
び排気系内壁などと電気的に絶縁されている。上記試料
台６に外部から高周波印加電源11によりマッチング回路
21を経て高周波電圧を加えると、試料５の表面に高周波
が発生する。マイクロ波放電は原理的に無極放電である
ため、プラズマと試料との間に電位差を大きく与えるた
めには、上記のように試料台６にだけ高周波電圧を与え
ただけでは、自己バイアス（この場合は浮遊電位だけで
約20V程度）が発生するだけであるため、プラズマ中の
どこかに一定電位を保つ電極を設ける必要がある。本装
置では固定電位付与電極10を使用し、固定電位としてア
ース電位を選んだ。またプラズマが試料台６より下方に
拡散するときには、排気系を構成する装置の金属内壁12
もアース電極の役割をする。真空容器４内でエッチング
が進行する状況は発光モニタ13を用いて観測可能であ
る。 プラズマエッチングでは、プラズマ中の活性イオンお
よび活性中性粒子（以下ラジカルという）が寄与するこ
とが知られている。ただし試料表面が酸化物の膜で覆わ
れているときには、ラジカルだけだとエッチング反応が
非常に遅いため、ある程度以上のエネルギを有するイオ
ンの寄与が必要である。またシリコン（Si），多結晶シ
リコン（Poly−Si），モリブデン（Mo），タンタル（T
a），チタン（Ti）および、それらのシリコン化合物
（シリサイド）等を塩素系（Cl系）ガスでエッチングす
る場合にも、ある程度以上のイオンエネルギが必要であ
る。タングステン（Ｗ）のような材料では、エネルギを
有するCl系ガスでもＷとClとの化合物の蒸気圧が低いた
め、エッチングされにくい性質を有するものもある。一
方、弗素系（Ｆ系）ガスではイオンのエネルギが低くて
も、またはラジカルだけでも実用的なエッチング速度が
得られる。 上記のエッチング反応から、Cl系ガスを用いたエッチ
ングにおいては試料表面に入射するイオンのエネルギを
高くすることが、Si,Poly−Si,Mo,Ta,Ti,シリサイドの
エッチングに有効となる。またＦ系ガスとCl系ガスとの
混合ガス（例えばSF6とCCl4,C2ClF5,C2Cl2F4,C2Cl3F3,C
2Cl4F2,C2Cl5F）などを用いたときは、ＷやＷシリサイ
ドなどでも有効になる。イオンのエネルギを高くするた
めに印加する高周波電圧は、高周波のピーク電圧（Vp
p）と高周波印加によって新たに発生したプラズマと試
料間の平均的な電位差（自己バイアス:VDC）とがあり、
これらの値でイオンのエネルギが表現できる。すなわ
ち、VDCは試料に入射するイオンの平均的な加速電圧を
意味している。一方、Vppは高周波電圧の周波数とVDCと
によって周期的にイオンを与える加速電圧としての効果
が変化するので、この状態を第２図を用いて説明する。
第２図においては、簡単のためにVDCが0Vとなるときの
試料台６の高周波電圧波形を示した。この場合、マイナ
ス電位になる点描部分14の時間帯だけが、イオンが加速
される領域であり、最大加速電圧は1/2Vppである。ただ
し周波数が高すぎると、プラズマ中のイオンがイオンシ
ース幅を通過して試料表面に到達する以前に逆バイアス
がかかることになり、イオンが試料表面に到達できない
ことになる。0.1mm程度のイオンシース幅とＦ＋イオン
を例として近似計算すると、イオンが加速バイアスに追
随して試料表面に入射できる周波数は約10MHz以下の場
合である。本実施例では余裕をみて800KHzの周波数を用
いた。第２図のプラス電位の時間帯ではイオンが加速さ
れず試料に入射できない状態になり、エッチングされに
くくなるか、もしくは、ガス種によっては試料表面にデ
ポジションが起きることも考えられる。例えばプラズマ
中の炭素原子や炭化水素分子、弗化炭素系の分子は、入
射エネルギが低いときにはデポジションをする傾向が強
い。したがって第２図のような高周波電圧が印加されて
いるときは、エッチングとデポジションが周期的に繰り
返される。これは、いわゆる周期的エッチング方式（ガ
スチョッピング方式）に類似したものといえる。 つぎに通常反応性スパッタエッチングなどで印加され
る高周波バイアスと同じように、マイクロ波プラズマエ
ッチング装置でも、試料台面積に較べてある程度以上の
面積を有するアース電極である固定電位付与電極を設け
ると、試料に高周波電圧を印加したとき、第３図に示す
ようにVDCが大きくなる。ここで固定電位を付与する面
積は、実際にプラズマが接触する部分の有効面積で定義
すべきである。すなわち、ガス圧力、パワー、磁場強
度、試料台の高さなどによりプラズマ分布が変化するの
で、有効面積は第１図の構成であっても変化する。例え
ばガス圧力が高く（〜0.01Torr以上）、試料台６の高さ
が高い場合には、第１図のマイクロ波導入部１で覆われ
た部分にだけプラズマが局在しやすいので有効面積は固
定電位付与電極10の試料台６に沿う面積としてよいが、
逆の場合にはプラズマが広範囲に拡散しやすいので、真
空容器４の内壁や、試料台６の軸に沿う部分も有効面積
に含まれる。このように有効面積が大きい場合も第２図
と同じくマイナス電位になる点描領域14′でイオンが加
速されることになるが、第２図のVDC＝０の場合よりイ
オンが加速される時間帯が長くなると同時に、同じVpp
の場合には加速電界が強く働くことになる。したがって
デポジションよりもエッチングが支配的になる。 上記理由からエッチング反応を速やかにするために
は、試料の損傷が許される範囲内において、高周波バイ
アスVppが大きく、自己バイアスVDCが大きい程よいこと
になる。しかしこの場合、試料材質に関係なくエッチン
グ速度が大きくなるので、材料間のエッチング速度比を
大きくすることができず、選択性が悪いエッチングにな
ってしまう。本発明によるエッチング方式は、選択性を
低下させないために、特に下地がSiO2のように絶縁物材
料がエッチングされないように、高周波バイアスを印加
する技術を見出したものであり、上記Vppを高く、VDCを
比較的低くさせる方法である。すなわち、第２図に示し
た高周波電位波形に近い結果が得られる印加方法であ
る。このような電位波形を得るには、通常の場合とは逆
に、高周波電力のマッチング回路21をオフ・マッチング
状態にしてVDCが下がるようにするか、あるいはマッチ
ング状態であったとしても、プラズマ中に設けた固定電
位付与電極（アース電極）10の面積を小さくすることに
より簡単に実現できる。上記マッチング回路21は、通常
コンデンサＣと抵抗Ｒとの組合せ回路で、プラズマ発生
によって生じた電気的な負荷に合わせるように調整でき
る回路である。したがってＣおよびＲが可変できる回路
になっているものが多い。オフ・マッチング状態とは、
上記ＣおよびＲの値を変化させ、高周波電力の入力効率
を下げることである。 つぎにエッチングの実施例としてタングステンシリサ
イド（WSi2）と多結晶シリコン（Poly−Si）の２層膜に
ついて説明する。その他ゲート電極材料およびAl合金材
料についても、エッチング条件に多少のずれはあるがほ
ぼ同じ結果が得られる。エッチングガスとしてCCl4とSF
6との混合ガスを用い、ガス圧力10-2Torr,マイクロ波パ
ワー300W,高周波800KHz,30WとしたときVppが約300V,VDC
が約10V程度であった。このとき試料台６の面積は約300
cm2であり、固定電位付与電極10の有効面積は60cm2であ
った。得られた結果はWSi/Poly−Siの２層膜の平均エッ
チング速度が500nm/min下地SiO2のエッチング速度が10n
m/minであり、したがってWSi/Poly−SiとSiO2との選択
比は50倍になる。なお、このときの断面形状は第４図に
示すように垂直エッチング形状であった。第４図におい
て、15がWSi2、16がPoly−Si、17がSiO2であるが、上記
試料には18に示したように下地SiO217に段差があり、段
差部19にWSi2/Poly−Siのエッチング残りが発生しやす
い構造になっている。上記エッチング条件では選択比が
大きいので、オーバエッチング時間を十分にとっても下
地のSiO2膜17が減少しないため、この場合500nmの段差
があっても、約70％のオーバエッチング率のエッチング
をすることによって、エッチング残りを除去することが
できた。下地SiO2膜17は20nmの厚さが8nmだけ減少した
が、ゲート劣化を起こすことなく正常な特性が得られ
た。なおオーバエッチング中に高周波バイアスの印加を
停止させれば、さらに選択比を大きくすることができ
る。つぎに上記実施例において、固定電位付与電極10の
有効面積だけを300cm2と大きくした場合、Vppの300Vは
変わらないが、VDCが150Vと大きくなり、WSi2/Poly−Si
2層膜のエッチング速度が約600nm/min,SiO2のエッチン
グ速度が約60nm/minと両者とも大きくなったが、選択比
は10倍程度に減少してしまうことが確認された。 上記の結果から明らかなように、VDCが高い場合はSiO
2のエッチング速度だけが比較的大きくなるため、SiO2
に対するWSi2/Poly−Si2層膜のエッチング速度比が小さ
くなる。またガス圧力が異なる条件においてもVDCを低
くすることによって選択比が向上する特性は変らず、さ
らに固定電位付与電極の有効面積を変えなくても、マッ
チングをずらしてオフ・マッチング状態にすることによ
って、VDCを低くしても選択比を高くすることができる
ことも確認した。
以上説明したように、本発明に係る表面処理方法にお
いては、表面処理装置内の減圧容器内に設けられた試料
台上に被処理物を載置する工程と、上記減圧容器内にガ
スを導入してプラズマを発生させる工程と、上記試料台
に交流電圧を印加する工程と、上記プラズマが発生する
領域内に上記試料台の面積よりも小さい面積を有する固
定電位付与電極に一定電位を付与して自己バイアスを制
御する工程と、上記プラズマを用いて上記被処理物の表
面を処理する工程とを用いることにより、半導体製造に
際し最もエッチング加工が困難であるゲート電極材料の
ような配線材料に対して、寸法精度がよく、下地材料
（SiO2などの酸化膜）と選択比を高くしてエッチングで
きるため、下地材料に段差がある場合でも、電気的ショ
ートの原因になる段差部でのエッチング残りを防ぐオー
バエッチングを十分行うことができる。本発明は、従来
のドライエッチングの主流であった反応性スパッタエッ
チング、あるいは反応性イオンエッチングでは実現困難
であった試料印加高周波バイアス制御を実現することが
でき、半導体製造における歩留り向上や高密度化に対す
る問題点を解決するのに効果がある。 また、減圧容器と、該減圧容器内に導入するガスをマ
イクロ波によりプラズマ化する手段と、上記減圧容器内
に設けられ上記プラズマによって処理される被処理物を
載置する試料台と、上記試料台に交流電圧を印加する手
段と、上記プラズマが発生する領域内に上記試料台の面
積よりも小さい面積を有し、自己バイアスを制御する固
定電位付与電極とを有する表面処理装置を用いることに
より、半導体製造における歩留り向上や高密度化に対す
る問題点を解決することができた。 また、上記交流電圧の周波数を1OMHz以下にすること
により、イオンを加速バイアスに追随して試料表面に入
射することができろので、効率的な表面処理が可能とな
った。 また、オフ・マッチング状態にするマッチング回路に
より、VDCを低くしても選択比を高くすることができ
た。
いては、表面処理装置内の減圧容器内に設けられた試料
台上に被処理物を載置する工程と、上記減圧容器内にガ
スを導入してプラズマを発生させる工程と、上記試料台
に交流電圧を印加する工程と、上記プラズマが発生する
領域内に上記試料台の面積よりも小さい面積を有する固
定電位付与電極に一定電位を付与して自己バイアスを制
御する工程と、上記プラズマを用いて上記被処理物の表
面を処理する工程とを用いることにより、半導体製造に
際し最もエッチング加工が困難であるゲート電極材料の
ような配線材料に対して、寸法精度がよく、下地材料
（SiO2などの酸化膜）と選択比を高くしてエッチングで
きるため、下地材料に段差がある場合でも、電気的ショ
ートの原因になる段差部でのエッチング残りを防ぐオー
バエッチングを十分行うことができる。本発明は、従来
のドライエッチングの主流であった反応性スパッタエッ
チング、あるいは反応性イオンエッチングでは実現困難
であった試料印加高周波バイアス制御を実現することが
でき、半導体製造における歩留り向上や高密度化に対す
る問題点を解決するのに効果がある。 また、減圧容器と、該減圧容器内に導入するガスをマ
イクロ波によりプラズマ化する手段と、上記減圧容器内
に設けられ上記プラズマによって処理される被処理物を
載置する試料台と、上記試料台に交流電圧を印加する手
段と、上記プラズマが発生する領域内に上記試料台の面
積よりも小さい面積を有し、自己バイアスを制御する固
定電位付与電極とを有する表面処理装置を用いることに
より、半導体製造における歩留り向上や高密度化に対す
る問題点を解決することができた。 また、上記交流電圧の周波数を1OMHz以下にすること
により、イオンを加速バイアスに追随して試料表面に入
射することができろので、効率的な表面処理が可能とな
った。 また、オフ・マッチング状態にするマッチング回路に
より、VDCを低くしても選択比を高くすることができ
た。
第１図は本発明に係る表面処理装置の構成図、第２図お
よび第３図は上記表面処理装置の試料台に印加された高
周波電圧の電位波形をそれぞれ示す図、第４図は下地段
差部を有するタングステン・シリサイドと多結晶シリコ
ン２層膜のエッチング断面図である。 １……マイクロ波導入部 ２……放電ガス導入口 ４……真空容器 ５……試料 ６……試料台 ７……マイクロ波発生器 10……固定電位付与電極 11……高周波印加電源 21……マッチング回路
よび第３図は上記表面処理装置の試料台に印加された高
周波電圧の電位波形をそれぞれ示す図、第４図は下地段
差部を有するタングステン・シリサイドと多結晶シリコ
ン２層膜のエッチング断面図である。 １……マイクロ波導入部 ２……放電ガス導入口 ４……真空容器 ５……試料 ６……試料台 ７……マイクロ波発生器 10……固定電位付与電極 11……高周波印加電源 21……マッチング回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 二宮 健 国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式 会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭57−164986（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−158874（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−50435（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−32417（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−81678（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−79726（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−75526（ＪＰ，Ａ)
Claims (5)
- 【請求項１】表面処理装置内の減圧容器内に設けられた
試料台上に被処理物を載置する工程と、上記減圧容器内
にガスを導入してマイクロ波によりプラズマを発生させ
る工程と、上記試料台に交流電圧を印加する工程と、上
記プラズマが発生する領域内に上記試料台の面積よりも
小さい面積を有する固定電位付与電極に一定電位を付与
して自己バイアスを制御する工程と、上記プラズマを用
いて上記被処理物の表面を処理する工程とを有すること
を特徴とする表面処理方法。 - 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の表面処理方法
において、上記交流電圧の周波数は10MHz以下であるこ
とを特徴とする表面処理方法。 - 【請求項３】減圧容器と、該減圧容器内に導入するガス
をマイクロ波によりプラズマ化する手段と、上記減圧容
器内に設けられ上記プラズマによって処理される被処理
物を載置する試料台と、上記試料台に交流電圧を印加す
る手段と、上記プラズマが発生する領域内に上記試料台
の面積よりも小さい面積を有し、自己バイアスを制御す
る固定電位付与電極とを有することを特徴とする表面処
理装置。 - 【請求項４】特許請求の範囲第３項記載の表面処理装置
において、上記交流電圧の周波数は10MHz以下であるこ
とを特徴とする表面処理装置。 - 【請求項５】減圧容器と、該減圧容器内に導入するガス
をマイクロ波によりプラズマ化する手段と、上記減圧容
器内に設けられ上記プラズマによって処理される被処理
物を載置する試料台と、高周波印加電源と該高周波印加
電源に接続されたオフ・マッチング状態のマッチング回
路により構成された、上記試料台に高周波電圧を加える
手段とを有することを特徴とする表面処理装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60152159A JP2603217B2 (ja) | 1985-07-12 | 1985-07-12 | 表面処理方法及び表面処理装置 |
| US07/158,126 US4844767A (en) | 1985-07-12 | 1988-02-16 | Method of and apparatus for etching |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60152159A JP2603217B2 (ja) | 1985-07-12 | 1985-07-12 | 表面処理方法及び表面処理装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6214429A JPS6214429A (ja) | 1987-01-23 |
| JP2603217B2 true JP2603217B2 (ja) | 1997-04-23 |
Family
ID=15534310
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60152159A Expired - Lifetime JP2603217B2 (ja) | 1985-07-12 | 1985-07-12 | 表面処理方法及び表面処理装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4844767A (ja) |
| JP (1) | JP2603217B2 (ja) |
Families Citing this family (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2690900B2 (ja) * | 1987-07-10 | 1997-12-17 | 株式会社日立製作所 | ドライエッチング方法 |
| US5147500A (en) * | 1987-07-31 | 1992-09-15 | Hitachi, Ltd. | Dry etching method |
| NL8701867A (nl) * | 1987-08-07 | 1989-03-01 | Cobrain Nv | Werkwijze voor het behandelen, in het bijzonder droog etsen van een substraat en etsinrichting. |
| JPH0628253B2 (ja) * | 1988-02-17 | 1994-04-13 | 工業技術院長 | エッチング方法 |
| US5079031A (en) * | 1988-03-22 | 1992-01-07 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Apparatus and method for forming thin films |
| US5133826A (en) * | 1989-03-09 | 1992-07-28 | Applied Microwave Plasma Concepts, Inc. | Electron cyclotron resonance plasma source |
| JPH0362517A (ja) * | 1989-03-27 | 1991-03-18 | Anelva Corp | マイクロ波プラズマ処理装置 |
| US5078851A (en) * | 1989-07-26 | 1992-01-07 | Kouji Nishihata | Low-temperature plasma processor |
| US5292673A (en) * | 1989-08-16 | 1994-03-08 | Hitachi, Ltd | Method of manufacturing a semiconductor device |
| JPH0383335A (ja) * | 1989-08-28 | 1991-04-09 | Hitachi Ltd | エッチング方法 |
| US5242561A (en) * | 1989-12-15 | 1993-09-07 | Canon Kabushiki Kaisha | Plasma processing method and plasma processing apparatus |
| US5160407A (en) * | 1991-01-02 | 1992-11-03 | Applied Materials, Inc. | Low pressure anisotropic etch process for tantalum silicide or titanium silicide layer formed over polysilicon layer deposited on silicon oxide layer on semiconductor wafer |
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