JP3429776B2 - ドライエッチング方法 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
技術分野
プラズマを用いたエッチングに関し、特に試料へのバ
イアス電圧の印加方法に関する。 背景技術 プラズマエッチングにおけるバイアス印加法としても
っとも代表的なものにRFバイアスと呼ばれるバイアス印
加方法がある。このバイアス印加装置の例を図２に示
す。被エッチング試料１は、キャパシタ２を介して高周
波電源３に接続される。高周波電源３からは図３に示す
ような正弦波状の電圧が印加される。この電圧印加によ
って試料１には図４に示すような負にシフトした電圧が
表れる。この負電圧によってプラズマ中の正イオンが加
速されて試料に入射することによってエッチング反応が
起こり、エッチングが行なわれる。 RFバイアスを用いたエッチング方法では、図４に示す
ような波形のタイミングでイオンが試料に入射される。
図４のａ、ｂは、バイアス電圧が最大となる瞬間および
最小となる瞬間である。試料に入射されるイオンの持つ
エネルギーは、試料に印加するバイアス電圧の大きさに
ほぼ比例するため、図４のａの瞬間ではエネルギーの大
きなイオンが試料に入射され、図４のｂの瞬間ではエネ
ルギーの小さなイオンが試料に入射され、そのエネルギ
ー分布は図８に示すように広範囲なエネルギー分布とな
るので、大きなエネルギーを持つイオンが試料に多量に
入射されることになる。このようなイオンを図９に示す
ような構造の試料に入射すると、マスク５や下地６がス
パッタされてしまうため、被エッチング材料７との選択
性が低下してしまう。また選択性を低下させないため
に、バイアス電圧を低くすると、イオンの平均エネルギ
ーが小さくなり、エッチ速度や異方性が低下してしま
う。すなわち、RFバイアス印加では、エッチ速度や異方
性と選択性がトレードオフの関係になるという問題があ
った。 上述したRFバイアス印加法に代わる方法として、特開
昭56−13480号公報や特開平６−61182号公報などに開示
されているように、パルス波形電圧をバイアス電圧とし
て用いる方法（以下ではパルスバイアスと呼ぶ）が考案
されている。このバイアス印加装置の例を図５に示す。
この装置ではRF電源の代わりにパルス電源４が接続され
る。このパルス電源４からは図６のような正のパルス電
圧が印加される。この電圧印加によって試料には図７の
ようなバイアス波形の電圧が発生すると予測される。こ
のバイアス波形の電圧によって正イオンが加速されて試
料へ入射するものと考えられている。 上述したパルスバイアス印加法では、図７に示すよう
にイオン加速時の試料電位が一定であるため試料に入射
するイオンのエネルギーが揃うため、エネルギーの大き
なイオンの発生がないものと予測されていた。そのた
め、RFバイアスに比べ高い選択性が得られることが期待
されていた。しかし、実際にパルスバイアスの印加を行
った結果、図10に示すように試料バイアス電位波形のよ
うなパルスの立ち下がり時に、パルス印加中の電子電流
に基づく電圧降下（以下、オーバーシュート）が発生す
ることが分かった。このオーバーシュートのために、イ
オンのエネルギー分布には図11に示すようなエネルギー
の大きなイオンが多量に発生することが分かった。この
多量のエネルギーの大きなイオンがあるために、RFバイ
アスに比べ十分な選択性の改善が見られないことが分か
った。 発明の開示 本発明は、パルスバイアス印加のプラズマエッチング
において発生するオーバーシュートの低減することによ
って、エッチングの選択性を改善することを目的とす
る。 上記課題を解決するため本発明は、試料に印加するバ
イアス電圧として、パルス波形の間隔が所定の値に制御
された正のパルス波形を有する電圧を用いることにより
解決される。 また、上記課題は、正のパルス波形を有する電圧をバ
イアス電圧として試料に印加し、プラズマを発生する処
理ガスとして軽元素を含むガスを添加することによって
も解決される。 本発明ではオーバーシュートの低減法として、パルス
間隔を制御する方法と軽元素を含むガスを添加する方法
の二つを提案している。 まず、パルス間隔の制御をすることによってオーバー
シュートを低減する方法について説明するため、オーバ
ーシュートの大きさとパルス間隔の関係について説明す
る。試料に連続パルスを印加した場合、図12に示すよう
に基板電位にパルス印加中の電子電流に基づく電圧降下
が発生する。これがオーバーシュートであり、その大き
さは次の数式１で表される。 一方、パルスの印加がオフの期間にはイオン電流に起
因して次の数式２で表される電圧上昇を生じる。 従って、１サイクルではΔVe1−ΔVi1の電圧降下が発
生する。この電圧降下をくり返し、電圧降下ΔVen−ΔV
inが０になるところで定常状態に達する。従って定常状
態を考えた場合、オーバーシュートの大きさΔVenはΔV
inと同じ大きさなっている。つまり定常状態のオーバー
シュートの大きさは、次の数式３で書き表せる。 ゆえに、オーバーシュートの大きさを、エッチングで
用いられるイオンの標準的バイアス電圧の大きさ102Vの
10％すなわち10V以下にするには、次の数式４を満たす
ようにパルス間隔を制御する必要がある。 パルス間隔は、プラズマ密度、電子温度、ウエーハ面
積、キャパシタ容量に起因し、標準的な値としてプラズ
マ密度1011、電子温度3eV、ウエーハサイズ６インチ、
キャパシタ容量5nFを用いた場合、数式４の条件は、 パルス間隔＜５μｓ と書き換えることができる。このようにパルス間隔を短
くすることにより、オーバーシュートが低減されると考
えられる。また、パルス間隔の下限値はイオンがバイア
ス電圧に追従しうる下限値0.1μｓである、 以上の考察を裏付けるため、前記標準条件におけるパ
ルスバイアス印加の場合について間隔と試料バイアス電
位波形との関係を調べた。その結果を図13に示す。パル
ス間隔を短くするにしたがって、オーバーシュートは小
さくなる。これにより試料に入射するイオンのエネルギ
ー分布の高エネルギー成分が少なくなることが予測され
る。実際のパルス間隔のイオンの試料入射エネルギー分
布の関係を図14に示す。パルス間隔を短くすることによ
りイオンの高エネルギー成分が少なくなり、エネルギー
分布がシャープになる。このため、高選択のエッチング
が可能になる。 以上のように、標準的な条件下では、パルス間隔を0.
1μｓ以上５μｓ以下にすることによってオーバーシュ
ートの大きさをバイアス電圧の10％以下に抑えられ、高
選択性のエッチングが可能になる。 次にオーバーシュートの低減のためにＨやHeなどの軽
元素を添加した場合のオーバーシュートの変化について
説明する。ＨやHeなどのイオンは Cl+などのエッチング元素のイオンに比べ質量が小さい
ため、エッチング元素のイオンが試料に到達する時間に
比べ、充分に短い時間でプラズマから試料に入射でき
る。そのため、パルスの立ち下がりのオーバーシュート
の瞬間には、Cl+などよりも先にH+、He+などのイオンが
試料に入射するため、図15の試料バイアス電位波形に示
すように、試料電位が急速に上昇し、前述した短い時間
で一定値に落ちつく。エッチング元素のイオンはこの電
圧上昇の後に入射するため、図16のイオンの試料入射エ
ネルギー分布に示すようにオーバーシュート時に発生す
る高エネルギーのエッチングイオンが減少する。このた
め、エッチングイオンによるマスクや下地の削れ大幅に
低減される。また、添加されたＨやHeのイオンによるス
パッタ能力は、エッチングイオンによるスパッタ能力と
比較して充分に小さいので、ＨやHeイオンによるマスク
や下地の削れも無視することができ、マスク材料や下地
材料に対する選択性が大幅に改善することができる。 図面の簡単な説明 図１は、Poly−Siの対下地SiO2選択比の平均エネルギ
ー依存性のNH3、Heガス添加による変化を示す図であ
る。 図２は、従来のRFバイアス印加に用いるエッチング装
置の構成を示す図である。 図３は、従来のRFバイアス印加の場合のバイアス入力
電圧波形を示す図である。 図４は、従来のRFバイアス印加の場合の試料バイアス
波形を示す図である。 図５は、パルスバイアス印加に用いるエッチング装置
の構成を示す図である。 図６は、パルスバイアス印加の場合のバイアス入力電
圧波形を示す図である。 図７は、パルスバイアス印加の場合の理想的な試料バ
イアス波形を示す図である。 図８は、従来のRFバイアス印加の場合のイオンの試料
入射エネルギー分布を示す図である。 図９は、プラズマエッチングに用いられる試料構造の
一例を示す図である。 図10は、従来パルスバイアス印加の場合の実際の試料
バイアス波形を示す図である。 図11は、従来パルスバイアス印加の場合の実際のイオ
ンの試料入射エネルギー分布を示す図である。 図12パルスバイアスの印加開始時から定常状態に達す
るまでの試料バイアス波形の変化を示す図である。 図13は、パルスバイアス印加の場合の試料バイアス波
形のパルス間隔の違いによる変化を示す図である。 図14は、パルスバイアス印加の場合のイオンの試料入
射エネルギー分布のパルス間隔の違いによる変化を示す
図である。 図15は、パルスバイアス印加の場合の試料バイアス波
形のＨやHe添加による変化を示す図である。 図16は、パルスバイアス印加の場合のイオンの試料入
射エネルギー分布のＨやHe添加による変化を示す図であ
る。 図17は、本発明のパルスバイアス印加を実施すること
のできるマイクロ波エッチング装置の例を示す図であ
る。 図18は、実施例１のポリシリコン加工に用いた試料の
構造を示す図である。 図19は、パルスバイアス印加の場合の試料バイアス波
形のNH3やHe添加による変化を示す図である。 図20は、パルスバイアス印加の場合のイオンの試料入
射エネルギー分布のNH3やHe添加による変化を示す図で
ある。 図21は、ポリシリコンエッチング速度の平均イオンエ
ネルギー依存性のNH3やHe添加による変化を示す図であ
る。 図22は、実施例２のAl−Cu−Si加工に用いた試料の構
造を示す図である。 図23は、パルスバイアス印加の場合の試料バイアス波
形のパルス間隔の違いによる変化を示す図である。 図24は、パルスバイアス印加の場合のイオンの試料入
射エネルギー分布のパルス間隔の違いによる変化を示す
図である。 図25は、Poly−Siの対レジストマスク選択比の平均エ
ネルギー依存性のパルス間隔の違いによる変化を示す図
である。 図26は、ポリシリコンエッチング速度の平均イオンエ
ネルギー依存性のパルス間隔の違いによる変化を示す図
である。 発明を実施するための最良の形態 以下に、本発明の実施例につき図面を参照して具体的
に説明する。 〈実施例１〉 図17は本発明のパルスバイアス印加を実施することの
できるマイクロ波エッチング装置の例である。この装置
では、マグネトロン８で発生したマイクロ波を導波管９
を通して放電管10に導入し、導入されたマイクロ波とコ
イル11で作られる磁場の電子サイクロトロン共鳴によっ
て、ガス導入部12から導入された処理ガスからガスプラ
ズマ13を生成できる構造になっている。エッチングされ
る試料１としては、６インチサイズのSiウェーハ14を熱
酸化して形成したSiO215上にポリシリコン酸16を堆積さ
せ、このポリシリコン膜16上にレジストマスク17を形成
させた図18のような構造のものを用いた。 この試料１が静電容量5nFの静電吸着用絶縁セラミッ
ク18を介して、静電吸着用定電圧源19およびバイアス用
パルス電源４に接続されている。ここで、静電吸着機構
のキャパシタンスはほぼ前記絶縁セラミックの容量に等
価であった。 本装置において、定電圧源19から−500Vの負電圧を供
給し、バイアス用パルス電源４からパルス幅１μｓ、パ
ルス間隔20μｓ、波高値100Vのパルス電圧を印加し、試
料１をエッチングした。処理ガスとしては塩素ガス単独
の場合、塩素にヘリウムを添加したもの、及び水素元素
を含んでいるアンモニアを塩素を添加した場合の３つの
場合について、エッチング特性の違いを評価した。 まず、試料バイアス電位波形を調べた。その結果を図
19に示す。波形中のオーバーシュートの幅が塩素ガス単
独のものから、ヘリウム、、アンモニアを添加したもの
の順に小さくなっている。この結果から高エネルギーの
Cl+イオンが減少していることが予測される。 試料に入射するCl+イオンのエネルギー分布を測定し
た結果を図20に示す。塩素ガス単独のものから、ヘリウ
ム、アンモニアを添加したものの順に高エネルギー成分
が小さくなり、エネルギー分布がシャープになっている
ことがわかる。この結果から、エッチングの選択性の向
上が予測される。 パルス電圧の大きさを変化させることによりイオンの
平均エネルギーを変化させ、試料１のPoly−Si層の下地
SiO2層との選択性とイオンの平均エネルギーの関係を測
定した。その結果を図１に示す。同じ平均エネルギーで
も、ヘリウムやアンモニアを添加した場合により高い選
択性が得られることがわかる。また、このときのSiエッ
チング速度とイオンの平均エネルギーの関係を図21に示
す。手法によらず同じ平均エネルギーでは同じエッチン
グ速度が得られることがわかる。図１と図21の結果か
ら、ヘリウムガスやアンモニアガスの添加により高速か
つ高選択の加工が行えることが確認できた。 本発明では、Heやアンモニアガスを添加したが、He元
素やＨ元素を含むその他のガスを添加したり、また、HC
lやHBrなどように組成中にＨ元素を含むエッチングガス
を用いても同様の効果がある。 〈実施例２〉 本発明を用いてメタル配線のエッチングを行った。試
料としては、CVDシリコン酸化膜21上にTiN22、Al−Cu−
Si23、TiN24を順に堆積させ、、このポリシリコン膜上
にレジストマスク17を形成させた図22のような構造のも
のを用いた。この試料を実施例１のエッチング装置にお
いて、エッチングガスとしてCl2ガスとBCl3の混合ガス
を用いて加工した。バイアスの条件は、パルス幅１μ
ｓ、パルス電圧250Vとしパルス間隔を変化させて、エッ
チング特性の変化を測定した。 まず、試料バイアス電位波形を調べた。その結果を図
23に示す。波形中のオーバーシュート電圧の大きさは、
パルスの間隔を短くするにしたがって小さくなることが
わかる。この結果から高エネルギーのCl+イオンが減少
していることが予測される。 試料に入射するCl+イオンのエネルギー分布を測定し
た結果を図24に示す。パルス間隔を短くすることによっ
て高エネルギー成分が小さくなり、エネルギー分布がシ
ャープになっていることがわかる。この結果から、エッ
チングの選択性の向上が予測される。 パルス電圧の大きさを変化させることによりイオンの
平均エネルギーを変化させ、試料のPoly−Si層と下地Si
O2層との選択性とイオンの平均エネルギーの関係を測定
した。その結果を図25に示す。同じ平均エネルギーで
も、パルス間隔が短い程高い選択性が得られることがわ
かる。また、このときのSiエッチング速度とイオンの平
均エネルギーの関係を図26に示す。パルス間隔によらず
同じ平均エネルギーであるなら同じエッチング速度が得
られることが確認できた。図25と図26の結果から、パル
ス間隔を短くすることによって高速かつ高選択の加工が
行えることが確認できた。 以上、本発明によれば、オーバーシュートを低減する
ことが可能となるので、エッチングの高速性および高異
方性を維持しながら、下地材料やマスク材料に対しする
選択を向上できる。 産業上の利用可能性 以上のように、本発明にかかるドライエッチング方法
は、プラズマを用いたエッチング方法で有用であり、特
に高速かつ高選択性のエッチングを行うのに適してい
る。
イアス電圧の印加方法に関する。 背景技術 プラズマエッチングにおけるバイアス印加法としても
っとも代表的なものにRFバイアスと呼ばれるバイアス印
加方法がある。このバイアス印加装置の例を図２に示
す。被エッチング試料１は、キャパシタ２を介して高周
波電源３に接続される。高周波電源３からは図３に示す
ような正弦波状の電圧が印加される。この電圧印加によ
って試料１には図４に示すような負にシフトした電圧が
表れる。この負電圧によってプラズマ中の正イオンが加
速されて試料に入射することによってエッチング反応が
起こり、エッチングが行なわれる。 RFバイアスを用いたエッチング方法では、図４に示す
ような波形のタイミングでイオンが試料に入射される。
図４のａ、ｂは、バイアス電圧が最大となる瞬間および
最小となる瞬間である。試料に入射されるイオンの持つ
エネルギーは、試料に印加するバイアス電圧の大きさに
ほぼ比例するため、図４のａの瞬間ではエネルギーの大
きなイオンが試料に入射され、図４のｂの瞬間ではエネ
ルギーの小さなイオンが試料に入射され、そのエネルギ
ー分布は図８に示すように広範囲なエネルギー分布とな
るので、大きなエネルギーを持つイオンが試料に多量に
入射されることになる。このようなイオンを図９に示す
ような構造の試料に入射すると、マスク５や下地６がス
パッタされてしまうため、被エッチング材料７との選択
性が低下してしまう。また選択性を低下させないため
に、バイアス電圧を低くすると、イオンの平均エネルギ
ーが小さくなり、エッチ速度や異方性が低下してしま
う。すなわち、RFバイアス印加では、エッチ速度や異方
性と選択性がトレードオフの関係になるという問題があ
った。 上述したRFバイアス印加法に代わる方法として、特開
昭56−13480号公報や特開平６−61182号公報などに開示
されているように、パルス波形電圧をバイアス電圧とし
て用いる方法（以下ではパルスバイアスと呼ぶ）が考案
されている。このバイアス印加装置の例を図５に示す。
この装置ではRF電源の代わりにパルス電源４が接続され
る。このパルス電源４からは図６のような正のパルス電
圧が印加される。この電圧印加によって試料には図７の
ようなバイアス波形の電圧が発生すると予測される。こ
のバイアス波形の電圧によって正イオンが加速されて試
料へ入射するものと考えられている。 上述したパルスバイアス印加法では、図７に示すよう
にイオン加速時の試料電位が一定であるため試料に入射
するイオンのエネルギーが揃うため、エネルギーの大き
なイオンの発生がないものと予測されていた。そのた
め、RFバイアスに比べ高い選択性が得られることが期待
されていた。しかし、実際にパルスバイアスの印加を行
った結果、図10に示すように試料バイアス電位波形のよ
うなパルスの立ち下がり時に、パルス印加中の電子電流
に基づく電圧降下（以下、オーバーシュート）が発生す
ることが分かった。このオーバーシュートのために、イ
オンのエネルギー分布には図11に示すようなエネルギー
の大きなイオンが多量に発生することが分かった。この
多量のエネルギーの大きなイオンがあるために、RFバイ
アスに比べ十分な選択性の改善が見られないことが分か
った。 発明の開示 本発明は、パルスバイアス印加のプラズマエッチング
において発生するオーバーシュートの低減することによ
って、エッチングの選択性を改善することを目的とす
る。 上記課題を解決するため本発明は、試料に印加するバ
イアス電圧として、パルス波形の間隔が所定の値に制御
された正のパルス波形を有する電圧を用いることにより
解決される。 また、上記課題は、正のパルス波形を有する電圧をバ
イアス電圧として試料に印加し、プラズマを発生する処
理ガスとして軽元素を含むガスを添加することによって
も解決される。 本発明ではオーバーシュートの低減法として、パルス
間隔を制御する方法と軽元素を含むガスを添加する方法
の二つを提案している。 まず、パルス間隔の制御をすることによってオーバー
シュートを低減する方法について説明するため、オーバ
ーシュートの大きさとパルス間隔の関係について説明す
る。試料に連続パルスを印加した場合、図12に示すよう
に基板電位にパルス印加中の電子電流に基づく電圧降下
が発生する。これがオーバーシュートであり、その大き
さは次の数式１で表される。 一方、パルスの印加がオフの期間にはイオン電流に起
因して次の数式２で表される電圧上昇を生じる。 従って、１サイクルではΔVe1−ΔVi1の電圧降下が発
生する。この電圧降下をくり返し、電圧降下ΔVen−ΔV
inが０になるところで定常状態に達する。従って定常状
態を考えた場合、オーバーシュートの大きさΔVenはΔV
inと同じ大きさなっている。つまり定常状態のオーバー
シュートの大きさは、次の数式３で書き表せる。 ゆえに、オーバーシュートの大きさを、エッチングで
用いられるイオンの標準的バイアス電圧の大きさ102Vの
10％すなわち10V以下にするには、次の数式４を満たす
ようにパルス間隔を制御する必要がある。 パルス間隔は、プラズマ密度、電子温度、ウエーハ面
積、キャパシタ容量に起因し、標準的な値としてプラズ
マ密度1011、電子温度3eV、ウエーハサイズ６インチ、
キャパシタ容量5nFを用いた場合、数式４の条件は、 パルス間隔＜５μｓ と書き換えることができる。このようにパルス間隔を短
くすることにより、オーバーシュートが低減されると考
えられる。また、パルス間隔の下限値はイオンがバイア
ス電圧に追従しうる下限値0.1μｓである、 以上の考察を裏付けるため、前記標準条件におけるパ
ルスバイアス印加の場合について間隔と試料バイアス電
位波形との関係を調べた。その結果を図13に示す。パル
ス間隔を短くするにしたがって、オーバーシュートは小
さくなる。これにより試料に入射するイオンのエネルギ
ー分布の高エネルギー成分が少なくなることが予測され
る。実際のパルス間隔のイオンの試料入射エネルギー分
布の関係を図14に示す。パルス間隔を短くすることによ
りイオンの高エネルギー成分が少なくなり、エネルギー
分布がシャープになる。このため、高選択のエッチング
が可能になる。 以上のように、標準的な条件下では、パルス間隔を0.
1μｓ以上５μｓ以下にすることによってオーバーシュ
ートの大きさをバイアス電圧の10％以下に抑えられ、高
選択性のエッチングが可能になる。 次にオーバーシュートの低減のためにＨやHeなどの軽
元素を添加した場合のオーバーシュートの変化について
説明する。ＨやHeなどのイオンは Cl+などのエッチング元素のイオンに比べ質量が小さい
ため、エッチング元素のイオンが試料に到達する時間に
比べ、充分に短い時間でプラズマから試料に入射でき
る。そのため、パルスの立ち下がりのオーバーシュート
の瞬間には、Cl+などよりも先にH+、He+などのイオンが
試料に入射するため、図15の試料バイアス電位波形に示
すように、試料電位が急速に上昇し、前述した短い時間
で一定値に落ちつく。エッチング元素のイオンはこの電
圧上昇の後に入射するため、図16のイオンの試料入射エ
ネルギー分布に示すようにオーバーシュート時に発生す
る高エネルギーのエッチングイオンが減少する。このた
め、エッチングイオンによるマスクや下地の削れ大幅に
低減される。また、添加されたＨやHeのイオンによるス
パッタ能力は、エッチングイオンによるスパッタ能力と
比較して充分に小さいので、ＨやHeイオンによるマスク
や下地の削れも無視することができ、マスク材料や下地
材料に対する選択性が大幅に改善することができる。 図面の簡単な説明 図１は、Poly−Siの対下地SiO2選択比の平均エネルギ
ー依存性のNH3、Heガス添加による変化を示す図であ
る。 図２は、従来のRFバイアス印加に用いるエッチング装
置の構成を示す図である。 図３は、従来のRFバイアス印加の場合のバイアス入力
電圧波形を示す図である。 図４は、従来のRFバイアス印加の場合の試料バイアス
波形を示す図である。 図５は、パルスバイアス印加に用いるエッチング装置
の構成を示す図である。 図６は、パルスバイアス印加の場合のバイアス入力電
圧波形を示す図である。 図７は、パルスバイアス印加の場合の理想的な試料バ
イアス波形を示す図である。 図８は、従来のRFバイアス印加の場合のイオンの試料
入射エネルギー分布を示す図である。 図９は、プラズマエッチングに用いられる試料構造の
一例を示す図である。 図10は、従来パルスバイアス印加の場合の実際の試料
バイアス波形を示す図である。 図11は、従来パルスバイアス印加の場合の実際のイオ
ンの試料入射エネルギー分布を示す図である。 図12パルスバイアスの印加開始時から定常状態に達す
るまでの試料バイアス波形の変化を示す図である。 図13は、パルスバイアス印加の場合の試料バイアス波
形のパルス間隔の違いによる変化を示す図である。 図14は、パルスバイアス印加の場合のイオンの試料入
射エネルギー分布のパルス間隔の違いによる変化を示す
図である。 図15は、パルスバイアス印加の場合の試料バイアス波
形のＨやHe添加による変化を示す図である。 図16は、パルスバイアス印加の場合のイオンの試料入
射エネルギー分布のＨやHe添加による変化を示す図であ
る。 図17は、本発明のパルスバイアス印加を実施すること
のできるマイクロ波エッチング装置の例を示す図であ
る。 図18は、実施例１のポリシリコン加工に用いた試料の
構造を示す図である。 図19は、パルスバイアス印加の場合の試料バイアス波
形のNH3やHe添加による変化を示す図である。 図20は、パルスバイアス印加の場合のイオンの試料入
射エネルギー分布のNH3やHe添加による変化を示す図で
ある。 図21は、ポリシリコンエッチング速度の平均イオンエ
ネルギー依存性のNH3やHe添加による変化を示す図であ
る。 図22は、実施例２のAl−Cu−Si加工に用いた試料の構
造を示す図である。 図23は、パルスバイアス印加の場合の試料バイアス波
形のパルス間隔の違いによる変化を示す図である。 図24は、パルスバイアス印加の場合のイオンの試料入
射エネルギー分布のパルス間隔の違いによる変化を示す
図である。 図25は、Poly−Siの対レジストマスク選択比の平均エ
ネルギー依存性のパルス間隔の違いによる変化を示す図
である。 図26は、ポリシリコンエッチング速度の平均イオンエ
ネルギー依存性のパルス間隔の違いによる変化を示す図
である。 発明を実施するための最良の形態 以下に、本発明の実施例につき図面を参照して具体的
に説明する。 〈実施例１〉 図17は本発明のパルスバイアス印加を実施することの
できるマイクロ波エッチング装置の例である。この装置
では、マグネトロン８で発生したマイクロ波を導波管９
を通して放電管10に導入し、導入されたマイクロ波とコ
イル11で作られる磁場の電子サイクロトロン共鳴によっ
て、ガス導入部12から導入された処理ガスからガスプラ
ズマ13を生成できる構造になっている。エッチングされ
る試料１としては、６インチサイズのSiウェーハ14を熱
酸化して形成したSiO215上にポリシリコン酸16を堆積さ
せ、このポリシリコン膜16上にレジストマスク17を形成
させた図18のような構造のものを用いた。 この試料１が静電容量5nFの静電吸着用絶縁セラミッ
ク18を介して、静電吸着用定電圧源19およびバイアス用
パルス電源４に接続されている。ここで、静電吸着機構
のキャパシタンスはほぼ前記絶縁セラミックの容量に等
価であった。 本装置において、定電圧源19から−500Vの負電圧を供
給し、バイアス用パルス電源４からパルス幅１μｓ、パ
ルス間隔20μｓ、波高値100Vのパルス電圧を印加し、試
料１をエッチングした。処理ガスとしては塩素ガス単独
の場合、塩素にヘリウムを添加したもの、及び水素元素
を含んでいるアンモニアを塩素を添加した場合の３つの
場合について、エッチング特性の違いを評価した。 まず、試料バイアス電位波形を調べた。その結果を図
19に示す。波形中のオーバーシュートの幅が塩素ガス単
独のものから、ヘリウム、、アンモニアを添加したもの
の順に小さくなっている。この結果から高エネルギーの
Cl+イオンが減少していることが予測される。 試料に入射するCl+イオンのエネルギー分布を測定し
た結果を図20に示す。塩素ガス単独のものから、ヘリウ
ム、アンモニアを添加したものの順に高エネルギー成分
が小さくなり、エネルギー分布がシャープになっている
ことがわかる。この結果から、エッチングの選択性の向
上が予測される。 パルス電圧の大きさを変化させることによりイオンの
平均エネルギーを変化させ、試料１のPoly−Si層の下地
SiO2層との選択性とイオンの平均エネルギーの関係を測
定した。その結果を図１に示す。同じ平均エネルギーで
も、ヘリウムやアンモニアを添加した場合により高い選
択性が得られることがわかる。また、このときのSiエッ
チング速度とイオンの平均エネルギーの関係を図21に示
す。手法によらず同じ平均エネルギーでは同じエッチン
グ速度が得られることがわかる。図１と図21の結果か
ら、ヘリウムガスやアンモニアガスの添加により高速か
つ高選択の加工が行えることが確認できた。 本発明では、Heやアンモニアガスを添加したが、He元
素やＨ元素を含むその他のガスを添加したり、また、HC
lやHBrなどように組成中にＨ元素を含むエッチングガス
を用いても同様の効果がある。 〈実施例２〉 本発明を用いてメタル配線のエッチングを行った。試
料としては、CVDシリコン酸化膜21上にTiN22、Al−Cu−
Si23、TiN24を順に堆積させ、、このポリシリコン膜上
にレジストマスク17を形成させた図22のような構造のも
のを用いた。この試料を実施例１のエッチング装置にお
いて、エッチングガスとしてCl2ガスとBCl3の混合ガス
を用いて加工した。バイアスの条件は、パルス幅１μ
ｓ、パルス電圧250Vとしパルス間隔を変化させて、エッ
チング特性の変化を測定した。 まず、試料バイアス電位波形を調べた。その結果を図
23に示す。波形中のオーバーシュート電圧の大きさは、
パルスの間隔を短くするにしたがって小さくなることが
わかる。この結果から高エネルギーのCl+イオンが減少
していることが予測される。 試料に入射するCl+イオンのエネルギー分布を測定し
た結果を図24に示す。パルス間隔を短くすることによっ
て高エネルギー成分が小さくなり、エネルギー分布がシ
ャープになっていることがわかる。この結果から、エッ
チングの選択性の向上が予測される。 パルス電圧の大きさを変化させることによりイオンの
平均エネルギーを変化させ、試料のPoly−Si層と下地Si
O2層との選択性とイオンの平均エネルギーの関係を測定
した。その結果を図25に示す。同じ平均エネルギーで
も、パルス間隔が短い程高い選択性が得られることがわ
かる。また、このときのSiエッチング速度とイオンの平
均エネルギーの関係を図26に示す。パルス間隔によらず
同じ平均エネルギーであるなら同じエッチング速度が得
られることが確認できた。図25と図26の結果から、パル
ス間隔を短くすることによって高速かつ高選択の加工が
行えることが確認できた。 以上、本発明によれば、オーバーシュートを低減する
ことが可能となるので、エッチングの高速性および高異
方性を維持しながら、下地材料やマスク材料に対しする
選択を向上できる。 産業上の利用可能性 以上のように、本発明にかかるドライエッチング方法
は、プラズマを用いたエッチング方法で有用であり、特
に高速かつ高選択性のエッチングを行うのに適してい
る。
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭56−13480（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−27399（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−255782（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−241885（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−193049（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−124797（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−61182（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−357829（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−174514（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−130370（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−301141（ＪＰ，Ａ)
特開 平１−100923（ＪＰ，Ａ)
特許3201223（ＪＰ，Ｂ２)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C03F 4/00
H01L 21/3065
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】減圧処理室内に載置した被処理物に、該処
理室内にガスを導入することにより放電させたプラズマ
を供給すると共にバイアス電圧を印加することにより該
被処理物をエッチングして半導体装置を製造する方法に
おいて、 該バイアス電圧として、正のパルス波形を有する電圧を
印加し、該パルス波形の間隔が0.1μｓ以上５μｓ以下
の値に制御されることを特徴とする半導体装置の製造方
法。
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