JP3500178B2 - 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】本発明は半導体デバイスの製造等
の微細加工に適用されるドライエッチング方法に関し、
特にシリコン系材料膜の加工断面形状をテーパ形状とす
るいわゆるテーパ加工を行う際、基板面内でテーパ形状
を均一化する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＶＬＳＩさらにはＵＬＳＩと半導
体デバイスの高集積化が進む中、その微細加工に用いら
れるドライエッチング技術に対する要求精度も厳しさを
増している。ドライエッチングにおける高い加工精度
は、通常は異方性加工により達成されると考えられてい
る。しかし、多層配線構造においては、下層配線パター
ンの段差に起因する上層配線膜のステップ・カバレージ
（段差被覆性）を改善したり、あるいは上層配線膜のエ
ッチング残渣の発生を防止する目的で、下層配線パター
ンの断面形状を意図的にテーパ形状とする場合がある。

【０００３】かかるテーパ加工を臭素または臭化水素を
含む反応ガスと酸素との混合ガスを用いたＲＩＥ（反応
性イオンエッチング）により行う方法が、特開平２−８
９３１０号公報に開示されている。この方法は、ＲＩＥ
に際してシリコン（Ｓｉ）のエッチング（ＳｉＢｒＯｘ
の生成）と酸化反応（ＳｉＯｘの生成）とを所望の割合
で並行して進行させ、イオン入射の少ないパターンの側
壁面に堆積する酸化シリコン（ＳｉＯｘ）を利用して実
効的なエッチング・マスクの幅を漸次太らせながら、Ｓ
ｉ層のテーパ加工を実現するものである。

【０００４】この方法をＭＯＳ−ＦＥＴやＣＣＤのゲー
ト電極に用いられるポリシリコン層のＲＩＥに適用した
プロセス例を、図４および図５を参照しながら説明す
る。ここで用いた被エッチング試料２０は、図４に示さ
れるように、シリコン基板２１上に、下地絶縁膜として
ＯＮＯ（酸化シリコン／窒化シリコン／酸化シリコン）
膜２２が形成され、このＯＮＯ膜２２上にたとえばＣＶ
Ｄ法によりポリシリコン層２３が形成され、さらにこの
ポリシリコン層２３上にレジスト・マスク２４が形成さ
れたものである。

【０００５】この被エッチング試料２０を平行平板型プ
ラズマ・エッチング装置にセットし、ＨＢｒ／Ｏ_２混合
ガスを用いて上記被エッチング試料２０のポリシリコン
層２３のＲＩＥを行う。

【０００６】上記ＲＩＥを下地ＯＮＯ膜２２が表出する
まで行った場合の状態を、図５に示す。このときのポリ
シリコン層２３は、パターン側壁面上に形成されるＳｉ
Ｏｘを主体とした堆積物層２５の過剰な側壁保護効果を
受け、テーパ形状を有するゲート電極２３ａ，２３ｂと
なる。

【０００７】なお、上述のように堆積性を有するエッチ
ング反応生成物の一部（以下、エッチング堆積物と称す
る。）を加工断面形状の制御に利用する系においては、
基板を冷却して該基板上における堆積物の蒸気圧を下げ
ることが、該エッチング堆積物の堆積を促進する上で有
効である。この冷却は、一般に冷媒循環用の冷却配管を
内蔵した基板載置電極を通じて行われている。さらに、
このときの冷却効率を高めるために、上記基板載置電極
には静電チャック機構、あるいはＨｅガス等の冷却用ガ
スを用いた補助冷却機構が設けられている場合が多い。

【０００８】上記静電チャック機構は、静電気力により
基板をその基板載置面に密着させることで、冷却効率の
向上を図るものである。この静電チャックの基板載置面
には、その中央に冷却用ガスを流出させるための開口が
設けられると共に、該開口を中心として放射状および同
心円状にガス流通溝が刻まれており、このガス流通溝に
たとえばＨｅガスを流すことにより、基板を裏面から冷
却するようになされている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記ゲート
電極２３ａ，２３ｂの加工精度はデバイス特性に直接影
響を与えるため、このポリシリコン層２３を上述のよう
にテーパ加工しようとする場合には、そのテーパ角を高
精度に制御する必要がある。それは、上記テーパ角の変
動によりたとえばゲート電極２３ａ，２３ｂ直下のチャ
ネル長が変動したり、あるいはこれらゲート電極２３
ａ，２３ｂ上に形成される上層配線膜（図示せず。）の
エッチング残渣の残り具合が基板上の場所により異な
り、結果的に過剰なオーバーエッチングが必要となって
信頼性の高い多層配線構造を得ることが難しくなるから
である。

【００１０】エッチング堆積物を利用してテーパ加工を
行うプロセスにおいては、上記堆積物層２５の厚さがテ
ーパ角を左右する要因となるため、エッチング堆積物の
堆積量を基板面内で均一化しなければならない。しかし
ながら、実際にエッチングを行ってみると堆積量の均一
化を達成することは困難であり、堆積量はしばしば図６
のグラフＩＩで示されるように基板の周辺部に向かうほ
ど低下する。

【００１１】この結果、図５に示されるように基板の中
央部近傍と周辺部とでテーパ角が異なってしまう。すな
わち、周辺部では堆積物層２５が厚く形成されているた
めにテーパ角の小さい（側壁面の傾斜の大きい）ゲート
電極２３ａが得られるが、周辺部では堆積物層２５が薄
くしか形成されないのでテーパ角の大きい（側壁面の傾
斜の小さい）ゲート電極２３ｂが形成される。

【００１２】この現象は、基板の冷却効率が中央部近傍
よりも周辺部において低く、周辺部においてエッチング
堆積物の堆積が促進されないことに起因している。すな
わち、一般に静電チャックの基板載置面の直径は、基板
（ウェハ）のオリエンテーション・フラット部からはみ
出さない様に基板の直径より若干小とされている。ま
た、上記基板載置面に刻まれるガス流通溝の形成範囲も
当然のことながらこの基板載置面の内側にあり、しかも
ガス流が中心から外周側へと向かっているために基板の
周辺部では冷却用ガスが昇温する。したがって、基板の
周辺部では中央部近傍に比べて十分な冷却が行われず、
堆積物層２５が薄くなり、結果的にゲート電極２３ｂの
テーパ角が大きくなるのである。

【００１３】本発明はこのような問題に鑑み、基板面内
でのテーパ形状を均一に制御することが可能なドライエ
ッチング方法を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係るドライエッ
チング方法は、上述の目的を達成するために提案される
ものであり、ドライエッチング装置のエッチング・チャ
ンバ内で少なくともフッ素系化学種以外のハロゲン系化
学種と酸素系化学種とを含むプラズマを用い、被エッチ
ング領域に酸化シリコン系のエッチング反応生成物の一
部（エッチング堆積物）を堆積させながら基板上のシリ
コン系材料膜のエッチングを行う際に、前記基板の周辺
部に配設されるチャンバ内部構成部材の表面と前記プラ
ズマとの接触により生成するスパッタ生成物に由来する
堆積性物質（以下、スパッタ堆積物と称する。）を、前
記エッチング堆積物と共に前記被エッチング領域に堆積
させながらエッチングを行うものである。

【００１５】上記ハロゲン系化学種とは、典型的にはＣ
ｌ系化学種，Ｂｒ系化学種，Ｉ系化学種である。また、
シリコン系材料膜とは、典型的には単結晶シリコン膜、
ポリシリコン膜、シリサイド膜、ポリサイド膜である。

【００１６】ここで、前記チャンバ内部構成部材として
は、少なくともその一部が酸化シリコン、シリコン系化
学種、酸素系化学種の少なくともいずれかをスパッタ放
出し得る材料にて構成されたものを用いることができ
る。かかる材料としては、たとえばＡｌＯｘ，Ｓｉ，Ｓ
ｉＯｘ，ＳｉＮｘ，ＳｉＯＮ，ＳｉＣを用いることがで
きる。

【００１７】本発明は、前記プラズマとしてイオン密度
が１×１０^１１／ｃｍ^３以上であるいわゆる高密度プラ
ズマを用いた場合に、特に優れた結果をもたらす。かか
る高密度プラズマとしては、ＥＣＲ（電子サイクロトロ
ン共鳴）プラズマ、ヘリコン波プラズマ、ヘリカル共振
プラズマ、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）等を用いること
ができる。

【００１８】

【作用】本発明において生成するスパッタ堆積物は、基
板の周辺部に配設されるチャンバ内部構成部材の表面か
ら供給されるため、その堆積プロファイルは図３のグラ
フＩで示されるように、基板の周辺部ほど多く、中心に
向かうほど少なくなる。しかし、前述したエッチング堆
積物の堆積プロファイルは、グラフＩＩで示されるよう
にスパッタ堆積物のそれとは逆である。したがって、エ
ッチング堆積物とスパッタ堆積物との両方 (総堆積物)
を堆積物層の形成に利用すれば、両者の堆積プロファイ
ルが互いに相殺され、グラフＩＩＩで示されるような平
坦な堆積プロファイルが得られる。したがって、基板面
内で配線パターンのテーパ角が均一化される。

【００１９】本発明で用いられるチャンバ内部構成部材
の構成材料は、ＳｉＯｘ，Ｓｉ系化学種あるいはＯ系化
学種の少なくともいずれかをスパッタ放出するので、ス
パッタ堆積物としてはエッチング堆積物とほぼ同組成の
ＳｉＯｘ系の堆積物が得られる。ここで、Ｓｉ系化学種
はプラズマ中のＯ系化学種と反応することにより、また
Ｏ系化学種は被エッチング物であるＳｉ系材料膜と反応
することにより、いずれもＳｉＯｘ系の堆積物を与え
る。したがって、基板面内で均一な量のＳｉＯｘ系の堆
積物が均一なテーパ加工に寄与することになる。

【００２０】また、このときいわゆる高密度プラズマを
用いれば、チャンバ内部構成部材からのスパッタ効率が
向上し、基板の外周部における堆積物の補充が容易とな
る。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００２２】本実施例は、ＲＦバイアス印加型の有磁場
マイクロ波プラズマ・エッチング装置を用いたポリシリ
コン・ゲート電極加工において、石英ベルジャー内にお
けるＥＣＲ面の位置を最適化することにより、その内壁
面から効率良くＳｉＯｘを供給した例である。

【００２３】まず、本実施例のドライエッチングに用い
た有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置の構成例
を図１に示す。この装置の基本的な構成要素は、２．４
５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマグネトロン１、マイ
クロ波を導く矩形導波管２及び円形導波管３、上記マイ
クロ波を利用してＥＣＲ放電により内部にＥＣＲプラズ
マＰを生成させるための石英ベルジャー４、上記円形導
波管３と上記ベルジャー４とを周回するように配設され
８．７５×１０^−２Ｔの磁場強度を達成できるソレノイ
ド・コイル５、上記ベルジャー４に接続され矢印Ａ方向
に高真空排気される処理チャンバ６、該処理チャンバ６
と上記ベルジャー４へ処理に必要なガスをそれぞれ矢印
Ｂ_１、Ｂ_２方向から供給するガス導入管７、基板１０を
載置するための基板載置電極８、この基板載置電極８を
上下動可能にチャンバ内で支持するための支柱１２等で
ある。

【００２４】上記処理チャンバ６の一端にはゲートバル
ブ１４が設けられており、その先の図中矢印Ｄ方向には
たとえば図示されない真空ロードロック室が接続されて
いる。

【００２５】ここで、上記基板載置電極８は、図示され
ないチラーから供給される冷媒を矢印Ｃ_１方向から矢印
Ｃ_２方向に循環させるごとく埋設される冷却配管１１
と、基板１０を静電力で吸着保持する静電チャック９
と、上記基板載置電極８と上記静電チャック９とに挿通
され、矢印Ｇ方向から導入されるＨｅガス等の冷却用ガ
スを該静電チャック９の基板載置面の中央に設けられた
開口１７から基板１０の裏面に沿って流出させる補助冷
却配管１５を備える。また、支柱１２には、基板１０に
ＲＦバイアスを印加するために図示されない整合回路等
を介してＲＦ電源１３が接続されている。

【００２６】さらに、上記ソレノイド・コイル５は、上
段コイル５ａと下段コイル５ｂから構成され、この両コ
イル５ａ，５ｂの各々へ供給する電流の制御を通じて石
英ベルジャー４内の磁界強度分布を変化させ、これによ
りＥＣＲ面１６の位置を最適化するようになされてい
る。

【００２７】ここで、ＥＣＲ面１６の基板１０からの高
さが１０ｃｍとなるように上段コイル５ａと下段コイル
５ｂの各動作電流を設定した後、基板１０として前出の
図４に示した被エッチング試料２０を基板載置電極８に
載置保持した。この状態で、一例として下記の条件によ
るエッチングを行った。

【００２８】 ＨＢｒ流量 １２０ ＳＣＣＭ Ｏ_２流量 ４ ＳＣＣＭ ガス圧 ０．７ Ｐａ マイクロ波パワー ６００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアス・パワー ３５ Ｗ（２ＭＨｚ） 基板載置電極温度 ０ ℃（水冷＋Ｈｅガス）

【００２９】上記のエッチングにおいて、ポリシリコン
層２３のエッチングに伴いＳｉＢｒｘ，ＳｉＯｘ等の組
成を有するエッチング反応生成物が生成した。ここで、
ＳｉＢｒｘの一部は酸化されてＳｉＯｘもしくはＳｉＢ
ｒｘＯｙ等に変化し、もともと生成していたＳｉＯｘと
共にエッチング堆積物となった。このエッチング堆積物
の堆積量は、基板１０の周辺部において少なくなってい
た。

【００３０】一方、石英ベルジャー４の内壁とＥＣＲ面
１６とが接触する部分からは、ＳｉＯｘ、Ｓｉ^＊（シリ
コン・ラジカル）、Ｏ^＊（酸素ラジカル）等のスパッタ
生成物が矢印Ｅで示されるように放出され、そのままあ
るいはＥＣＲプラズマＰ中の化学種と反応してＳｉＯｘ
を主体とするスパッタ堆積物を生成した。このスパッタ
堆積物の堆積量は、基板の周辺部に向かうほど多くなっ
た。

【００３１】したがって、エッチング堆積物とスパッタ
堆積物の堆積量の総和が基板面内でほぼ均一となった。

【００３２】この結果、図２に示されるように、得られ
たゲート電極２３ａのテーパ角は、基板の中央部近傍、
周辺部のいずれにおいても均一となった。さらに、この
ゲート電極２３ａ上でたとえば２層目ポリシリコン層か
らなる上層配線パターンをＲＩＥにより形成する際に
も、エッチング残渣が生じず、信頼性の高い多層配線構
造を形成することができた。

【００３３】以上、本発明を実施例にもとづいて説明し
たが、本発明はこの実施例に何ら限定されるものではな
い。たとえば、上述の実施例ではドライエッチング装置
としてＲＦバイアス印加型の有磁場マイクロ波プラズマ
・エッチング装置を用いたが、この代わりにヘリコン波
プラズマ・エッチング装置、誘導結合プラズマ・エッチ
ング装置、ヘリカル共振器型プラズマ・エッチング装置
等の高密度プラズマを生成可能なエッチング装置を用い
ても良い。

【００３４】また、チャンバ構成部材の一例として石英
ベルジャーを例示したが、これら以外にもプラズマとの
接触により基板の中心に対して対称に、しかも周辺部に
おいて相対的に多くのスパッタ堆積物を堆積させ得る組
成、形状または配置を有する部材を適宜選択して用いる
ことができる。たとえば、スパッタ堆積物をＡｌＯｘ，
Ｓｉ，ＳｉＯｘ，ＳｉＮｘ，ＳｉＯＮ，ＳｉＣ等の材料
からなるウェハ・カバーやウェハ・クランプから供給す
るようにしても良い。

【００３５】この他、被エッチング試料の構成やエッチ
ング条件の細目等が適宜変更可能であることは、言うま
でもない。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明のドライエッチング方法によれば、基板面内の総堆積
物の堆積量を均一とし、基板面内でのテーパ形状のバラ
つきを解消することができる。このため、テーパ形状に
加工されたシリコン系材料膜をたとえば配線パターンと
して用いるデバイスにおいて、デバイス特性が基板面内
で均一となる。また、下層配線パターンがかかる均一な
テーパ形状に加工された場合には、上層配線パターンの
加工精度も向上する。このため、多層配線構造を有する
半導体デバイスの製造歩留りおよび信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いたドライエッチング装置におい
て、石英ベルジャーにＥＣＲ面を接触させた状態を模式
的に示す断面図である。

【図２】本発明のドライエッチング方法により得られる
良好なテーパ形状の一例を模式的に示す断面図である。

【図３】本発明のドライエッチング方法によるエッチン
グ堆積物、スパッタ堆積物、総堆積物の堆積量の基板直
径方向の分布図である。

【図４】本発明および従来のドライエッチング方法にお
いて用いられる被エッチング試料の構成例を模式的に示
す断面図である。

【図５】従来のドライエッチング方法により得られるテ
ーパ形状の基板面内における差異を模式的に示す断面図
である。

【図６】従来のドライエッチング方法における堆積量の
基板直径方向の分布図である。

【符号の説明】

４ 石英ベルジャー ５ ソレノイド・コイル ８ 基板載置電極 ９ 静電チャック １０ 基板 １６ ＥＣＲ面 Ｐ ＥＣＲプラズマ ２３ ポリシリコン層 ２３ａ ゲート電極 ２５ 堆積物層

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ドライエッチング装置のエッチング・チ
   ャンバ内で少なくとも塩素系化学種または臭素系化学種
   またはヨウ素系化学種のうちいずれか一の化学種と酸素
   系化学種とを含むプラズマを用いて、基板上のシリコン
   系材料膜の被エッチング領域に酸化シリコン系のエッチ
   ング反応生成物の一部を堆積させながら該シリコン系材
   料膜のエッチングを行うドライエッチング方法におい
   て、前記エッチング・チャンバは、 酸化シリコン、シリコン
   系化学種、酸素系化学種の少なくともいずれかをスパッ
   タ放出し得る材料にて構成され、前記エッチングは、前記エッチング・チャンバ内に前記
   プラズマを発生させるコイルの動作電流を、前記エッチ
   ング・チャンバ内に前記プラズマとの接触により生成す
   るスパッタ堆積物に由来する堆積性物質が、前記エッチ
   ング反応生成物と共に前記被エッチング領域に堆積する
   ことにより前記被エッチング領域の全面に亘って略均一
   な堆積物層を形成し得る値に設定した後に行うことを特
   徴とする ドライエッチング方法。
2. 【請求項２】 前記プラズマは、そのイオン密度が１×
   １０^１１／ｃｍ^３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。