JP3326864B2 - ドライエッチング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造のための微
細加工技術の１つであるドライエッチング技術に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの微細化が進み、
０.３μｍ〜１μｍの微細加工技術が必要となってい
る。特に、０．５ミクロン以下のプロセスにおいては、
ドライエッチング時の下地膜のエッチレートに対する被
エッチング膜のエッチレート比（以下、選択比とい
う。）への要求はますます厳しくなる一方であり、下地
に対してより高選択なドライエッチングが嘱望されてい
る。

【０００３】以下図面を参照しながら、上記した従来の
ドライエッチングの一例としてＳｉ系半導体の酸化膜エ
ッチング、特にコンタクトホールエッチングの場合につ
いて説明する。（図７）は従来のドライエッチングの機
構説明図である。（図７）において、１０１及び１０２
はそれぞれアノード及びカソードであり、平行平板型の
ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置を形成している。
１０３はエッチング処理される半導体基板である。ここ
で言う半導体基板は、通常Ｓｉ基板にシリコン酸化膜が
形成され、さらにその上にレジストマスクが形成されて
いる。１０４は高周波電源であり、カソードに高周波出
力が印加される。図中の（１）から（６）は、ドライエ
ッチングの素過程を示しており、以下に示すとおりであ
る。

【０００４】 （１）生成：プラズマ中におけるラジカル及びイオンの
生成 （２）輸送：ラジカル及びイオンの基板表面への輸送 （３）吸着：ラジカルの基板表面への吸着 （４）反応：＜１＞物理及び化学スパッタエッチング反
応 ＜２＞イオンアシストエッチング反応 ＜３＞ラジカルエッチング反応 ＜４＞デポジション反応 （５）脱離：反応生成物の基板表面からの脱離 （６）排気：脱離反応生成物のエッチングチャンバから
の排気 （注）図においては、エッチングガスとして少なくとも
Ｃ、Ｈ、Ｆ原子を含むガスを使用する場合について記述
されており、このとき生成されるラジカルには、反応性
（エッチング性）ラジカル：図中、Ｆ^*、ＣＦｘ^*と非反
応性（デポ性）：ＣＨｍＦｎ^*の２種類がある。ここ
で、ｘ、ｍ及びｎは１，２，３，４のいずれかの値をと
る。この他に、炭素原子が２個以上の分子のラジカル等
々も生成されるが、説明を簡単にするためにここでは特
に取り扱わない。また、ＣＦｘ⁺イオンの場合ｘ＝１，
２，３である。以下、単にラジカルという場合、反応性
ラジカルと非反応性ラジカルの両方を指すものとする。

【０００５】以上のように構成されたドライエッチング
について、以下その動作について説明する。まず、プラ
ズマ中においてラジカルとイオンが生成され、ラジカル
は拡散により一様に基板表面に輸送され、イオンはイオ
ンシース中で加速され数十から数百ｅＶの運動エネルギ
ーを持ってほぼ垂直に基板表面に入射する。表面反応は
（３）吸着→（４）反応→（５）脱離の順に進む。表面
反応の形態としては、＜１＞物理及び化学スパッタエッ
チング反応、＜２＞イオンアシストエッチング反応、＜
３＞ラジカルエッチング反応、＜４＞デポジション反応
の４種類が考えられるが、基板表面における主なエッチ
ング反応は＜２＞イオンアシストエッチング反応であ
る。基板表面より脱離した反応物質はドライエッチング
の排気システムにより速やかに装置外に排気される。

【０００６】ここで、前記４種類の各反応についてそれ
ぞれ簡単に説明する。（図８）はドライエッチングにお
ける反応機構説明図である。図において、１０５は運動
エネルギーをもった非反応性イオンであり、１０６は運
動エネルギーをもった反応性イオン、いわゆるリアクテ
ィブイオンである。１０７は半導体基板であり、１０８
は基板構成原子である。１０９は反応生成物であり、運
動エネルギーを持った反応性イオン１０６と基板構成原
子１０８により構成される。１１０は反応性ラジカルで
ある。１１１は反応生成物であり、反応性ラジカル１１
０と基板構成原子により構成される。１１２は非反応性
ラジカルである。

【０００７】＜１＞物理及び化学スパッタエッチング反
応 ・物理スパッタエッチング反応：運動エネルギーを持っ
た非反応性イオン１０５が半導体基板表面に入射し被エ
ッチング膜表面層に衝突する際、原子間結合を切断する
とともに原子を弾き飛ばすことによりエッチングが進む
反応。

【０００８】・化学スパッタエッチング反応：運動エネ
ルギーを持った反応性イオン１０６が基板表面に入射し
被エッチング膜表面層に衝突する際、原子間結合を切断
するとともに切断された原子と化学結合して脱離するこ
とによりエッチングが進む反応。 ＜２＞イオンアシストエッチング反応 被エッチング膜表面層に反応性性ラジカル１１０が吸着
している状態のところに運動エネルギーを持ったイオン
（図中には非反応性イオン１０５が描かれているが、反
応性ラジカル１０６でもよい）が入射し、その運動エネ
ルギーにより被エッチング膜表面層の原子間結合の切断
され表面に吸着していた反応性ラジカル１１０と被エッ
チング膜構成原子との化学反応が促進され反応生成物が
脱離することによりエッチングが進む反応。

【０００９】＜３＞ラジカルエッチング反応（熱誘起化
学エッチング反応） 被エッチング膜表面層に反応性ラジカル１１０が吸着
し、吸着部における熱エネルギーにより反応性ラジカル
１１０と被エッチング膜構成原子が自発的に化学反応し
反応生成物１１１が脱離することによりエッチングが進
む反応。

【００１０】＜４＞デポジション反応 被エッチング膜表面層に非反応性ラジカル１１２が吸着
しデポジション（堆積）が進む反応。 ドライエッチング反応は、従来よりこれら４種類の反応
の起こる割合により説明されてきた。すなわち、ドライ
エッチング反応は反応を起こす反応性ラジカルの被エッ
チング膜表面層への吸着量と、エッチング反応を抑止す
る非反応性ラジカルの被エッチング膜表面層への吸着量
と、イオンアシスト反応やスパッタ反応を誘起するイオ
ンの入射量との３者の競合反応であり、３者の量的バラ
ンスによりそのエッチング特性が決定されるという考え
かたにより説明されてきた。

【００１１】以上の考え方をもとに、従来技術の範囲内
においていくつかの問題解決が図られてきた。（図９）
は、従来のドライエッチング方法によるの問題点と解決
方法説明図であり、前記のドライエッチング反応の理解
に基づくものである。（図９）において、（Ａ）は最適
化前の状態、（Ｂ）は従来技術による最適化後の状態を
示している。１２０は下地膜であり、１２１はその上に
形成された被エッチング膜であり、１２２はさらにその
上に形成されたエッチングマスクとしてのレジストパタ
ンである。１２３はイオン、１２４は反応性ラジカル、
１２５は非反応性ラジカル、を示している。図は、被エ
ッチング膜のドライエッチング途中の状態を示してい
る。一般に、最適化されていないエッチング条件でドラ
イエッチングを行うと、（Ａ）に示すようにパタン側壁
がエッチングされ垂直形状が得られないという問題が発
生する。また図示外であるが、被エッチング膜１２１対
下地膜１２０の選択比が得られない、すなわち下地膜１
２０がエッチングされ易いという問題が発生する。そこ
で、従来のドライエッチングの表面反応の考え方によ
り、基板温度の低温化や、非反応性ラジカル１２５を生
成し易いガスを添加する（デポガス添加）などの方法を
組み合わせて適用することにより前記問題に対処してき
た。低温化は、基板温度を下げることにより、エッチン
グ中パタン側壁及びパタン底部へのラジカルの吸着量を
増加させることを目的としている。一方、非反応性ラジ
カル１２５を発生し易いガスの添加は、非反応性ラジカ
ル１２５の生成量をイオン１２３や反応性ラジカル１２
４の生成量に対して相対的に増加させることにより、エ
ッチング中のパタン側壁及び底部への非反応性ラジカル
１２５の吸着量を相対的に増加させることを目的として
いる。

【００１２】このように、従来技術によるドライエッチ
ング方法は前記２つの手法を組み合わせることにより、
（Ｂ）に示すようにラジカルエッチング反応による側壁
エッチングを側壁保護膜により抑制して垂直形状確保す
るとともに、被エッチング膜１２１対下地膜１２０の選
択比の増大を実現してきた。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな構成では、エッチレートのマイクロローディング効
果（開口が小さくなりアスペクト比が大きくなるとエッ
チレートが減少する効果）が大きく、かつ、マスク開口
部が大きなパタンにおいて十分に高選択比（被エッチン
グ膜／下地膜）が得られる場合でも、マスク開口部が小
さな高アスペクト比：約１以上のパタンにおいては高選
択比が得られないという問題点を有していた。

【００１４】以下、発明が解決しようとする課題の具体
例を示す。（図１０）は従来技術によるコンタクトホー
ルエッチング特性を示している。図において、（Ａ）は
エッチレートのアスペクト比依存性を示しており、
（Ｂ）は選択比（ＢＰＳＧ／Ｓｉ）のアスペクト比依存
性を示している。この結果はＲＩＥエッチングによるも
ので、（表１）に示される条件が使用された。

【００１５】

【表１】 （注１）アノードとカソード間の距離 （図１０）に示されるように、従来技術によるエッチレ
ートと選択比のアスペクト比依存性において、 （１）選択比 アスペクト比０のスクライブラインにおいて、約１０８
といいう極めて大きな選択比が得られているにもかかわ
らず高アスペクト比パタンにおいては急激に低下し、ア
スペクト比約３から約５（直径０.５５μｍ〜０.３５μ
ｍのコンタクトホールに相当）においては約１７の選択
比しか得られない。 （２）エッチレート アスペクト比０〜約５（スクライブライン直径０.３５
μｍのコンタクトホールに相当）においおけるエッチレ
ートバラツキはレンジで約１６％も発生している。 という特性しか得られなかった。

【００１６】したがって、 本発明は上記問題点に鑑
み、エッチレートのマイクロローディング効果が小さ
く、かつ、マスク開口部の大きなパタンの場合だけでな
く、マスク開口部の小さな高アスペクト比パタンの場合
にも高選択比が得られるドライエッチング方法を提供す
るものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明のドライエッチン
グ方法は、シリコン系酸化膜にアスペクト比が１以上の
コンタクトホールを形成するための、プラズマを用いた
ドライエッチング方法であって、プラズマにより生成さ
れコンタクトホール底部に供給されるラジカルの吸着率
を０.１以下の状態に制御してエッチングを行うことを
特徴とする。この場合、吸着率を制御する方法は、２５
０ｍＴｏｒｒ以下の圧力域でエッチングすることができ
る。吸着率を制御する方法は、エッチング処理中の基板
温度を前記レジストパタンの耐熱温度以下の範囲で上昇
させてエッチングしてもよい。本発明に係るドライエッ
チングは、ソースまたはドレイン接合のコンタクトホー
ルエッチング加工に用いることができる。また、本発明
に係るドライエッチングは、層間絶縁膜差の大きなコン
タクトホールを一度に加工することができる。本発明の
ドライエッチングはコンタクトホールの垂直形状を確保
しつつ行うことが好ましい。また、本発明のドライエッ
チングの対象物であるシリコン系酸化膜は、Ｓｉ基板ま
たはＰｏｌｙ Ｓｉ上に形成されていてもよい。この場
合、高選択比が得られるという効果を奏する。 本発明に
係るドライエッチングのためのプラズマは、フルオロカ
ーボン系ガス、またはフルオロハイドロカーボン系ガ
ス、またはフルオロカーボン系ガスとフルオロハイドロ
カーボン系ガスの組合せからなるフロン系混合ガスを含
むエッチングガスによりプラズマを生成させることが好
ましい。なお、前記エッチングガスには、更に希ガスを
含んでいてもよい。また、前記エッチングガスには、更
に還元性ガスを含んでいてもよい。

【００１８】

【作用】従来技術のコンタクトホールエッチング方法に
おいては、ラジカルの吸着率が考慮されていなかった
が、本発明ではラジカルの吸着率を制御したことによ
り、マスク開口部が大きな低アスペクト比コンタクトホ
ールの底部だけでなく、マスク開口部が小さな高アスペ
クト比コンタクトホールの底部に対しても多くのラジカ
ルが供給可能となる。ラジカルはプラズマ中から基板ま
で拡散により供給されるため、コンタクトホール底部に
供給されるラジカルのフラックスは、幾何学的入射制限
効果（入射可能な角度が制限される）によりコンタクト
ホールのアスペクト比に依存して制限される。さらに微
視的にみると、コンタクト底部に供給されるフラックス
は幾何学的効果だけでなくラジカルの吸着率にも極めて
大きく依存する。

【００１９】（図１１）は、従来技術と本発明のドライ
エッチング方法における凹凸構造を持った半導体基板へ
のラジカルの振舞い説明図である。図において、（Ａ）
は従来技術のばあいであり、（Ｂ）は本発明の場合であ
る。１２６は、凹凸構造を持った半導体基板であり、１
２７は反応性ラジカルであり、１２８は非反応性ラジカ
ルである。従来技術のドライエッチング方法では、ラジ
カルの吸着率が大きく、コンタクトホール内に入ってき
たラジカルは凹凸部の入口付近でその多くが吸着してし
まい、凹凸部底部にまで供給されなかった。これに対
し、本発明のドライエッチング方法では、ラジカルの吸
着率が小さいため凹凸部入口での吸着はきわめて少な
く、ラジカルは凹凸部の奥まで十分供給される。

【００２０】（図１２）は、コンタクトホール底部に供
給されるラジカルフラックス（ラジカル量）及びイオン
フラックス（イオン量）のコンタクトホールアスペクト
比依存性（シミュレーション結果）を示している。もち
ろん、この結果は、幾何学的入射制限効果と吸着率の効
果の両方が考慮されてたものである。（図１２）におい
て、ξはラジカルの吸着率を示しており、高アスペクト
比コンタクトホール底部に供給されるラジカルフラック
スは吸着率の低下にともない改善できることが分かる。
なお、イオンフラックスは３％の角度広がりを持ってい
る場合の結果であるが、アスペクト比４程度まででは、
アスペクト比による低下がほとんど見られない。よっ
て、イオンアシスト反応におけるイオンの供給量はアス
ペクト比にほとんど依存せず一定と見ることができる。
従って、この場合、ドライエッチングの表面反応はラジ
カルの供給により律速されている。

【００２１】次に、どの様にしてエッチング特性が改善
されるかを（図１３）及び（図１４）を用いて、コンタ
クトホールエッチングを例にとって説明する。（図１
３）は、従来技術ドライエッチング方法におけるコンタ
クトホールエッチングの機構説明図である。また、（図
１４）は本発明のドライエッチング方法におけるコンタ
クトホールエッチングの機構説明図である。（図１３）
及び（図１４）において、（Ａ）はＳｉ系酸化膜エッチ
ング中の様子を示しており、（Ｂ）は下地膜としてのＳ
ｉ基板またはＰｏｌｙ Ｓｉに到達してからのエッチン
グの様子を示している。両図において、１３０はエッチ
ング下地膜としてのＳｉ基板またはＰｏｌｙ Ｓｉであ
る。１３１は被エッチング膜としてのＳｉ系酸化膜であ
り、１３２はエッチングマスクとしてのレジストパタン
である。１３３はイオン、１３４は反応性ラジカル、１
３５は非反応性ラジカルを示している。従来技術ののエ
ッチングにおいては、図１３（Ａ）及び（ｂ）に示され
るように、スクライブラインやマスク開口部の大きなコ
ンタクトホール底部にはラジカルが十分に供給される
が、マスク開口部の小さな高アスペクト比コンタクトホ
ール底部にはラジカルが十分供給され難い。

【００２２】以下、（Ａ）の場合と、（Ｂ）の場合に分
けて説明する。 （Ａ）Ｓｉ系酸化膜エッチング途中の場合 （図１３）の（Ａ）に示すように、ラジカルの吸着率が
大きな従来技術では、コンタクトホール底部におけるラ
ジカル供給量の低下により大開口パタン部のエッチレー
トに比べ小開口パタン部のエッチレートが大きく低下す
る。すなわち、エッチレートのマイクロローディング効
果が大きくなる。これに対し、（図１４）の（Ａ）に示
すように、吸着率の小さな本発明のドライエッチング方
法によると高アスペクト比コンタクトホール底部に十分
ラジカルを供給できるため、エッチレートのマイクロロ
ーディング効果を低減できる。

【００２３】（Ｂ）Ｓｉ基板またはＰｏｌｙ Ｓｉに達
してからの場合 （図１３）の（Ｂ）に示すように大開口部で高選択比が
得られても小開口部の高アスペクト比コンタクトホール
底部で高選択比が得られない。これもまた、吸着率が大
きいことによる高アスペクト比コンタクトホール底部に
おけるラジカルの減少が原因である。したがって、（図
１４）の（Ｂ）に示すように、吸着率の小さい本発明の
ドライエッチング方法によると高アスペクト比コンタク
トホール底部に十分な量のラジカルを供給することがで
きるため、高アスペクト比コンタクトホール底部におい
ても高選択比を得ることができる。

【００２４】（図１３）及び（図１４）において、
（Ａ）と（Ｂ）で吸着しているラジカル量が異なるの
は、イオンアシスト反応によるドライエッチングが起こ
っている場所の膜質によるものである。（Ａ）のよう
に、被エッチング膜がＳｉ系酸化膜の場合は酸化膜中の
酸素がラジカルの一部を消費するために、被エッチング
膜がＳｉまたはＰｏｌｙ Ｓｉの場合よりラジカルの吸
着量が低下する。したがって、適当なラジカル量をプラ
ズマにより生成供給し、本発明のドライエッチング方法
によりコンタクトホール底部に十分なラジカルを供給可
能とすることにより、（Ａ）の場合のように、被エッチ
ング膜（Ｓｉ系酸化膜）エッチング時にエッチレートの
マイクロローディング効果を低減できる。また、（Ｂ）
の場合のように、下地膜（Ｓｉ）エッチング時にマスク
開口部が大きなパタンだけでなくマスク口部が小さな高
アスペクト比（約１以上）パタンにおいても高選択比
（Ｓｉ系酸化膜／ＳｉまたはＰｏｌｙ Ｓｉ）を実現で
きるようになる。ただし、スクライブライン（アスペク
ト比０に相当する）の場合と同量のラジカルをコンタク
トホール底部に供給することは不可能であり、コンタク
ト底部に供給できるラジカル量は、最大限で吸着率の効
果の無い幾何学的入射制限効果のみの状態まで向上させ
ることができる。

【００２５】図を用いて上記問題点の発生する理由を説
明する。

【００２６】

【実施例】以下本発明の一実施例のドライエッチング方
法について、図面を参照しながら説明する。（図１）
は、本発明の第１の実施例におけるドライエッチング方
法において使用する装置の概略説明図であり、標準的な
ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ ＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）
装置である。（図１）において、１は反応室であり、ド
ライエッチング処理を行うための真空室である。２はア
ノード、３はカソードであり、アノード２とカソード３
が一対になって平行平板電極を構成している。４は絶縁
体であり、アノード２と反応室１は電気的に絶縁可能な
構造になっているが、この場合配線により電気的に接続
されている。５は絶縁体であり、カソード３と反応室１
を電気的に分離するように構成している。６は半導体基
板であり、カソード３上に配置されている。７及び８
は、ガス導入口及びガス排気口であり、反応室１に設け
られている。９は高周波電源であり、１０はブロッキン
グコンデンサである。高周波電源９は、ブロッキングコ
ンデンサ１０を介して、カソード３に電気的に接続され
ており、かつ、反応室１とは電気的に分離された構造と
なっている。１１、１２はアースであり、アース１１は
アノード２及び反応室１に接続されており、アース１２
は高周波電源９に接続されている。１３は冷却水導入口
であり、１４は冷却水排水口である。冷却水導入口１３
及び冷却水排水口１４は、反応室１及び絶縁体５を貫通
し絶縁体配管でカソード３に接続されている。１６は温
度コントローラーであり、冷却水の温度を変えるための
ものである。温度コントローラー１５により基板温度を
制御できるように構成されている。１６はプラズマを模
式的に示している。右図の基板表面拡大図中の１７は基
板上の凹凸構造を示している。１８はラジカルであり、
基板上の凹凸構造１７の表面に一様に吸着している状態
を示している。

【００２７】上記ＲＩＥ装置において、本発明のドライ
エッチング方法を実現するための第１の実施例のコンタ
クトホールエッチング条件を（表２）に示す。（表１）
に示される従来技術によるコンタクトホールエッチング
条件と比較して異なる点は、エッチング処理中の基板温
度である。本発明の第１の実施例においては、エッチン
グ処理中の基板温度を上げることにより吸着率を低下さ
せている。

【００２８】

【表２】 （注１）アノードとカソード間の距離 以上のように構成されたドライエッチング方法につい
て、以下図面を用いて説明する。

【００２９】まず、本発明のドライエッチング方法にお
ける吸着率の評価方法について説明し、従来技術及び本
発明のドライエッチング方法の一実施例における吸着率
の評価結果を示す。（図２）は、ドライエッチング中の
エッチングラジカルの吸着率評価用テスト構造説明図で
ある。 （図２）において、２１は、厚さ０.９μｍの
ポリシリコン膜であり、２２は、厚さ約２μｍの Ｓｉ
系酸化膜であり、２３はＳｉ基板である。２４はイオン
を示しており、２５はラジカルを示している。２６はイ
オンの移動方向を示しており、２７はラジカルの移動方
向を示している。ＰｏｌｙＳｉのオーバーハングの距離
は２.５ミクロンであるが、このテスト構造の寸法はあ
くまで一例にすぎない。（図２）に示すような空洞をも
った構造の形成された半導体基板をエッチング処理する
と、 ラジカルは等方的に拡散し、イオンは半導体基板
ほぼ垂直に入射するため、ポリシリコン膜２１のひさし
の下面（Ｐ面）、酸化膜２２の側面（Ｑ面）、ポリシリ
コン膜２１のひさしの影になっているＳｉ基板表面（Ｒ
面）のようなイオン照射の無いところにラジカルが堆積
する。この中で、Ｑ面は最もイオン２４や電子（図示
外）の影響を受け易いため、純粋なラジカルの堆積物と
は言えない。逆に、Ｐ面の堆積物はイオン２４や電子の
影響を受けにくい。そのため、Ｐ面に堆積した堆積物の
堆積形状からラジカルの吸着率を推定している。一方、
（図３）の形状に堆積する堆積形状をシミュレーション
により求め、実験結果と比較することにより吸着率を求
めた。ここで使用したシミュレータは、ラジカルの吸着
率を考慮した形状シミュレータであり、１９９２年のＩ
ＥＤＭ（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｉ
ＥＤＭ，ｐ．ｐ．１６９〜１７２）で報告している。

【００３０】次に、（図２）のテスト構造を用いて、従
来技術及び本発明のドライエッチング方法における一実
施例のラジカルの吸着率評価結果について説明する。
（図３）は、従来技術のコンタクトホールエッチングに
おける実験結果とシミュレーション結果を示しており、
（図４）は本発明のドライエッチング方法の第１実施例
のコンタクトホールエッチングにおける実験結果及びシ
ミュレーション結果を示している。

【００３１】（図３）に示すように、従来技術における
コンタクトホールエッチング条件の場合の吸着率ξは
０.３であった。また、（図４）に示すように、本発明
の第１の実施例のコンタクトホールエッチングの場合の
吸着率ξは０.０３であた。（図３）及び（図４）の結
果から明らかなように、吸着率が大きい従来技術の場合
（ξ＝０.３）、Ｐ面においてポリシリコン膜のひさし
端（Ｅ点）に厚く堆積し、ひさしの奥（Ｆ点）は薄く堆
積していることが分かる。これに対して吸着率が小さい
本発明の場合（ξ＝０.０３）、Ｅ点及びＦ点において
ほぼ同量のラジカル量が堆積している。このことから、
「ラジカルの吸着率がより小さい。」ということと、
「凹凸部に一様にラジカルが吸着する。」ということは
等価であることが分かる。

【００３２】なお、シミュレーションの結果、ラジカル
の吸着率ξが約０.１以下において、「凹凸部にほぼ一
様にラジカルが吸着する。」状態になっている。本発明
の第１の実施例においては、凹凸部に一様にラジカルを
吸着させる、すなわち、ラジカルの吸着率を下げるため
に、ドライエッチング中の基板温度を３０℃から１０３
℃まで上昇させている。基板温度を上昇させるのは、ラ
ジカルの吸着率を低下させるための一手段であり、プラ
スマを生成させるガスを変えたり、圧力を変えたり、プ
ラズマ密度を変えたりしても実現可能であり、他の如何
なる手段により変えてもよい。また、温度を上昇させる
場合、レジストパタンの耐熱性の問題から約２００℃を
越えることは好ましくない。

【００３３】また、本発明の第１の実施例において圧力
は６０ｍＴｏｒｒを使用したが、本発明の解決しようと
している高アスペクト比パタン底部にラジカルを十分供
給するためには、少なくとも２５０ｍＴｏｒｒ以下の圧
力域で使用する必要がある。次に、図を用いて、本発明
の第１の実施例におけるコンタクトホールエッチング
（ξ＝０.０３）の特性についいて、従来技術によるコ
ンタクトホールエッチング（ξ＝０.３)と比較しながら
説明する。

【００３４】（図５）は、従来技術（ξ＝０.３）及び
本発明の第１の実施例（ξ＝０ .０３）におけるエッチ
レートのアスペクト比依存性を示している。ここで、エ
ッチレートのアスペクト比依存性は、スクライブライン
においてＢＰＳＧ１.５μｍエッチング相当のエッチン
グ処理した後、断面ＳＥＭ観察により求められている。
アスペクト比は、（レジストを含む高さ：約２．５μ
ｍ）／（コンタクトホール直径）で定義されている。
（図５）において、エッチレートのマイクロローディン
グ効果を、アスペクト比０（スクライブライン）〜約７
（０.３５μｍコンタクトホールホール）間のエッチレ
ートばらつきで評価すると、従来技術（ξ＝０.３）の
場合約１６％のエッチレートばらつきがあるのに対し
て、本発明の第１の実施例（ξ＝０.０３）の場合、そ
のエッチレートばらつきは７％と極めて良好な結果が得
られている。これは、吸着率を従来よりも小さくしたこ
とにより、従来技術ではラジカルが供給されなかった高
アスペクト比コンタクトホール底部により多くのラジカ
ルが供給されたためである。

【００３５】（図６）は、従来技術（ξ＝０.３）及び
本発明の第１の実施例（ξ＝０ .０３）における選択比
（ＢＰＳＧ／Ｓｉ）のアスペクト比依存性を示してい
る。ここで、選択比（ＢＰＳＧ／Ｓｉ）のアスペクト比
依存性は、厚さ０.７μｍのＢＰＳＧを３００％オーバ
ーエッチした後に、断面ＳＥＭ観察により求められてい
る。このときのアスペクト比は、（レジストを含む高
さ：１.７μｍ）／（コンタクトホール直径）で定義さ
れている。（図６）において、従来技術（ξ＝０.３）
の選択比（ＢＰＳＧ／Ｓｉ）は、アスペクト比０のスク
ライブラインにおいて１００以上得られているにもかか
わらず、コンタクトホール底部の選択比は、全体的に大
きく低下している。これは、既に何度も述べている幾何
学的効果と吸着率による効果によるコンタクトホール底
部へのラジカルの供給律速を示している。この特性は、
（図５）のエッチレートの場合に比べかなり大きなもの
となっている。しかし、従来技術ののドライエッチング
方法による０.３５μｍホール底部の選択比（ＢＰＳＧ
／Ｓｉ）が１７であるのに対し、本発明のそれは３５で
あり、２倍以上向上している。アスペクト比０における
選択比に対するアスペクト比約５における選択比の割合
を選択比の改善率と定義し選択比を評価すると、従来技
術の場合（ξ＝０.３）改善率が約１６％であったもの
が、本発明の第１の実施例（ξ＝０.０３）の場合は、
約２７％と約２倍向上していることが分かる。この理由
もまた、ラジカルの吸着率の低下により高アスペクト比
コンタクトホール底部に供給されるラジカル量が供給さ
れるようになったことにある。

【００３６】以上のように本実施例のよれば、プラズマ
を用いたエッチングにおいて、前記プラズマにより生成
され基板表面に供給されるラジカルの吸着率が、凹凸部
に一様に吸着するような吸着率を実現することにより、
コンタクトホール底部により多くのラジカルを供給する
ことができるため、コンタクトホールにおけるエッチレ
ートのローディング効果を低減することができると共
に、大開口部だけでなく、小開口部の高アスペクト比コ
ンタクトホールの底部においても大きな選択比を得るこ
とができる。

【００３７】なお、第１の実施例では、高アスペクト比
コンタクトホール底部において、従来技術では不可能だ
った３５というきわめて高い選択比（ＢＰＳＧ／Ｓｉ）
が得られた。この値は、１６ＭＤＲＡＭや６４ＭＤＲＡ
Ｍ以降のデバイスにおいて実用上十分な値であるが、ス
クライブライン（アスペクト比０）において１００以上
の選択比が得られているため、さらに大きな選択比が得
られる条件が存在する。このことは、本発明のドライエ
ッチング方法のポテンシャルが極めて高いこと示してい
るに他ならない。

【００３８】また、第１の実施例において、本発明のド
ライエッチング方法はコンタクトホールエッチングを例
に取って説明したが、コンタクトホール以外のＳｉ系酸
化膜エッチング、ＳｉＮｘ、ＰＯｌｙ Ｓｉ、アルミ及
びＷエッチング等々のあらゆる膜種のエッチングに対し
ても成立する。さらに、第１の実施例において、本発明
のドライエッチング方法はＲＩＥ装置を使用し、ＣＨＦ
₃とＣＯの混合ガスによるプラズマを使用しているが、
プラズマの装置及びガス系において、如何なる組合せで
あってもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上のように本発明は、プラズマを用い
たエッチングにおいて、前記プラズマにより生成され基
板表面に供給されるラジカルの吸着率が、凹凸部に一様
に吸着するような吸着率となるようになドライエッチン
グ条件を設けることにより、ラジカルの吸着率が小さな
ドライエッチング条件が実現される。ラジカルの吸着率
の低下により、吸着率による高アスペクト比パタン内へ
のラジカルの入射制限を効果を大きく低減することがで
き、最大で幾何学的入射制限限度までラジカルを供給す
ることが可能となる。その結果、スクライブラインのよ
うなマスク開口部の大きなパタン底部だけでなく、マス
ク開口部が小さな高アスペクト比パタンの底部に対して
もドライエッチング表面反応に必要不可欠なラジカル
（反応性ラジカル及び非反応性ラジカル）を十分、か
つ、安定に供給することができる。したがって、高アス
ペクト比パタン底部においても高いエッチング特性が得
られるようなドライエッチング条件設計を行うことが可
能となる。以上の効果は、すべての膜種主のドライエッ
チングに対して適用できるため、本発明のドライエッチ
ング方法は半導体を初めとするプラズマを用いた微細加
工及び表面処理技術にもたらす効果は絶大である。

【００４０】特に、コンタクトホールエッチングの場
合、本発明のドライエッチング方法により、ラジカルが
高アスペクト比コンタクトホールの底部まで十分供給で
きるため、被エッチング膜（Ｓｉ系酸化膜）エッチング
時にエッチレートのマイクロローディング効果が大きく
低減されると共に、下地膜（Ｓｉ）エッチング時にマス
ク開口部が大きなパタンだけでなくマスク開口部が小さ
な高アスペクト比（約１以上）パタンにおいても高選択
比（Ｓｉ系酸化膜／ＳｉまたはＰｏｌｙ Ｓｉ）を実現
できる。その結果、近年浅層化が進むソース＆ドレイン
の接合コンタクトホールエッチング加工や１６ＭＤＲＡ
Ｍ以降のデバイスにおける層間膜厚差の大きなコンタク
トホールを一度に加工することが可能となる。したがっ
て、本発明のドライエッチング方法の有効性は極めて高
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例におけるドライエッチン
グ方法において使用する装置の概略説明図である。

【図２】ドライエッチング中のエッチングラジカルの吸
着率評価用テスト構造説明図である。

【図３】（Ａ）は従来技術のコンタクトホールエッチン
グにおける実験結果を示す結晶構造図、（Ｂ）はそのシ
ミュレーション結晶説明図である。

【図４】（Ａ）は本発明のドライエッチング方法の第１
実施例のコンタクトホールエッチングにおける実験結果
を示す結晶構造図、（Ｂ）はシミュレーション結晶説明
図である。

【図５】従来技術（ξ＝０．３）及び本発明の第１の実
施例（ξ＝０．０３）におけるエッチレートのアスペク
ト比依存性説明図である。

【図６】従来技術（ξ＝０．３）及び本発明の第１の実
施例（ξ＝０．０３）における選択比（ＢＰＳＧ／Ｓ
ｉ）のアクペクト比依存性である。

【図７】従来のドライエッチングの機構説明図である。

【図８】ドライエッチングにおける反応機構説明図であ
る。

【図９】従来のドライエッチング方法による問題点と解
決方法説明図である。

【図１０】従来技術によるコンタクトホールエッチング
特性説明図である。

【図１１】従来技術と本発明のドライエッチング方法に
おける凹凸構造を持った半導体基板へのラジカルの振舞
い説明図である。

【図１２】コンタクトホール底部に供給されるラジカル
フラックス（ラジカル量）及びイオンフラックス（イオ
ン量）のコンタクトホールアスペクト比依存性（シミュ
レーション結果）説明図である。

【図１３】従来技術ドライエッチング方法におけるコン
タクトホールエッチングの機構説明図である。

【図１４】本発明のドライエッチング方法におけるコン
タクトホールエッチングの機構説明図である。

【符号の説明】

１ 反応室 ２ アノード ３ カソード ４、５ 絶縁体 ６ 半導体基板 ７ ガス導入口 ８ ガス排気口 ９ 高周波電源 １０ ブロッキングコンデンサ １１、１２ アース １３ 冷却水導入口 １４ 冷却水排水口 １５ 温度コントローラ １６ プラズマ １７ 基板上の凹凸構造 １８ ラジカル ２１ ポリシリコン膜 ２２ Ｓｉ系酸化膜 ２３ Ｓｉ基板 ２４ イオン ２５ ラジカル ２６ イオンの移動方向 ２７ ラジカルの移動方向 １０１ アノード １０２ カソード １０３ 半導体基板 １０４ 高周波電源 １０５ 運動エネルギーを持った非反応性イオン １０６ 運動エネルギーを持った反応性イオン １０７ 半導体基板 １０８ 基板構成原子 １０９ 反応生成物 １１０ 反応性ラジカル １１１ 反応生成物 １１２ 非反応性ラジカル １１３ 反応性ラジカル １２０ 下地膜 １２１ 被エッチング膜 １２２ レジストパタン １２３ イオン １２４ 反応性ラジカル １２５ 被反応性ラジカル １２６ 凹凸構造を持った半導体基板 １２７ 反応性ラジカル １２８ 非反応性ラジカル １３０ Ｓｉ基板 １３１ Ｓｉ系酸化膜 １３２ レジストパタン １３３ イオン １３４ 反応性ラジカル １３５ 非反応性ラジカル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久保田 正文 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−36647（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−247673（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−211829（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−152521（ＪＰ，Ａ) 松元睦美他，特集 半導体素子シミュ レータ 反応性イオンエッチングにおけ る表面反応モデル，富士総研技報，日 本，1991年12月31日，２／２，71−77 Ｈａｒｏｌｄ Ｆ．Ｗｉｎｔｅｒｓ, Ｔｈｅ ｒｏｌｅ ｏｆ ｃｈｅｍｉｓ ｏｒｐｔｉｏｎ ｉｎ ｐｌａｓｍａ ｅｔｃｈｉｎｇ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，米 国，Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕ ｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，49／10, 5165−5170 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 C23F 4/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン系酸化膜にアスペクト比が１以
   上のコンタクトホールを形成するための、プラズマを用
   いたドライエッチング方法であって、 前記プラズマにより生成され前記コンタクトホール底部
   に供給されるラジカルの吸着率を０．０５以下の状態に
   制御してエッチングを行うことを特徴とするドライエッ
   チング方法。