JP3524763B2 - エッチング方法 - Google Patents
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Description
工方法にかかわり、特にプラズマを用いてエッチングを
行う方法に関する。
を利用した装置が広く用いられている。本発明は、この
ようなプラズマを利用した装置に適用する。従来、タン
グステン膜をエッチングするプラズマとしては、垂井康
夫 総合監修:半導体プロセスハンドブック:(p92
−93):(株)プレスジャーナルに記載されているよ
うにフッ素系ガス、塩素系ガス、臭素系ガス、あるいは
それらの混合ガスが利用されていた。
低消費電力化に伴い、電極や配線部分などの導体部分は
低抵抗化が必要となっている。このため、従来多結晶シ
リコン膜が用いられていたMOS(Metal Oxide Semico
nductor)素子のゲート電極を形成するために、シリコ
ン酸化膜上に多結晶シリコン膜を形成し、その上にタン
グステン膜を形成する構造がある。さらに、多結晶シリ
コン膜とタングステン膜の間には相互の拡散を抑制する
ために、たとえば窒化タングステン膜などのバリア膜が
必要となる。
ると、多結晶シリコンとタングステンのエッチング反応
の違いにより従来にない問題点が発生する。たとえばエ
ッチングガスとしてフッ素系ガスを適用した場合は、多
結晶シリコンのエッチング速度が速いために、タングス
テン膜エッチング後の多結晶シリコン膜のエッチング速
度の抑制が難しく、シリコン酸化膜がフッ素系ガスプラ
ズマに晒されて、シリコン酸化膜がエッチングされる。
あるいはエッチングガスとして塩素系ガスを適用した場
合は、タングステンのエッチング速度が遅いために、タ
ングステン膜あるいはバリア膜が多結晶シリコン上に部
分的に残り、エッチング表面に凹凸が生じるなどの問題
点が生じる。この塩素系ガスプラズマによるタングステ
ン膜のエッチング速度を速くする手段としては、試料温
度を高温にすることで改善できることは知られている
が、タングステン膜のエッチング後の多結晶シリコン膜
エッチング時に試料温度が高いために、等方性にエッチ
ングが進行しサイドエッチングが生じるなどの問題点が
ある。
提供するものである。
に、金属膜エッチング時に試料温度を100℃以上に保
って処理し金属膜のエッチング速度を速める。さらに、
多結晶シリコン膜のエッチング速度の抑制や、サイドエ
ッチングを防止するために、ハロゲン元素を含むガスに
酸素ガスを添加する。
リコン酸化膜のエッチング速度を抑制するために、少な
くとも金属膜エッチング条件と多結晶シリコン膜エッチ
ング条件を分けて処理する。
より説明する。図1は本発明を適用するプラズマエッチ
ング装置のエッチング処理室構成図である。マイクロ波
電源101から導波管102と石英板103を介して真
空容器110内にマイクロ波が導入される。真空容器1
10の回りには、電磁石104が設置されおり、磁場と
マイクロ波により電子サイクロトロン共鳴を利用して、
プラズマ105を発生させる構造となっている。試料1
06は誘電膜109を介して、試料台108上に設置さ
れている。また、試料台108には高周波電源112と
直流電源113及び試料台温度調整機構111が接続さ
れており、直流電源113により印可された直流電圧に
より誘電膜109と試料106の間にクーロン力を発生
させて、試料106を試料台108に吸着させ、試料1
06の温度を制御する。さらに、試料台108には温度
センサ107が設置されており、試料106の温度をモ
ニタできる。
に示すようにシリコン基板206の上に酸化膜205、
多結晶シリコン膜204、窒化タングステン膜203、
タングステン膜202の多層膜で最上層に所望のパター
ンに加工されたマスク201が形成されている。
温度調整機構111により150℃に加熱された試料台
108上に、試料106を設置し、直流電源113によ
り印加された直流電圧により、試料106を試料台10
8に吸着させると同時にアルゴンあるいはヘリウムの不
活性ガスで、プラズマ105を発生し試料106の温度
を上昇させ、所望の温度であることを温度センサ107
で確認後にプラズマ105をオフする。その後ガスを変
更し、プラズマ105発生と同時に高周波電源112を
印可し試料106に入射するイオンを加速して、タング
ステン膜202、窒化タングステン膜203及び、多結
晶シリコン膜204の上層部をエッチングし、図2
(b)の状態まで処理する。その際のエッチングガス
は、塩素40ml/分と酸素10ml/分、圧力0.2
Paで、マイクロ波の電力500w、試料温度150
℃、高周波電力100wである。図5は、塩素と酸素を
エッチングガスとし、タングステン膜、多結晶シリコン
膜および、酸化膜のエッチング速度の試料温度依存性を
調べた例である。このように、高温で、塩素と酸素のプ
ラズマでエッチングすることにより、多結晶シリコン膜
のエッチング速度を増加させることなくタングステン膜
のエッチング速度は増加できる。そのため、タングステ
ン膜や窒化タングステンの部分的なエッチ残り無く、多
結晶シリコン膜を残すことが出来る。
0ml/分と酸素5ml/分で、圧力1Paで、マイク
ロ波電力500w、試料温度150℃、高周波電力30
wで図2(c)の状態まで処理する。本実施例のよう
に、タングステン膜を100℃以上の高温エッチングす
ることで、タングステン膜やバリア膜のエッチング残り
無く多結晶シリコン膜を残すことが出来る。そのため、
多結晶シリコン膜を酸化膜に対して高選択にエッチング
できる条件に切り替えて、高精度な加工ができる。
に示すプラズマエッチング装置を使用して該多層膜を加
工した例を説明する。試料台温度調整機構111により
20℃に冷却された試料台108上に、試料106を設
置し、試料106を試料台108に静電吸着することな
く、アルゴンガス100ml/min、圧力1Pa、マイクロ
波電力500wの放電条件でプラズマを発生させて試料
106を150℃まで加熱する。図3に、この時の試料
106の温度変化を示す。その後、前記実施例1に記載
の塩素と酸素をエッチングガスとした条件で、図2
(b)の状態まで処理する。その後、直流電源113に
より直流電圧を印可し、試料106を試料台108に吸
着させ試料106を20℃まで冷却し、前記実施例1に
記載の臭化水素と酸素をエッチングガスとした条件で図
2(c)の状態まで処理する。
素をエッチングガスとした場合の加工形状の試料温度依
存性を調べた例である。本実施例のように、タングステ
ン膜を100℃から200℃の高温で加工し、多結晶シ
リコン膜を0℃から80℃の温度領域で加工することに
より、タングステン膜あるいは窒化タングステン膜の部
分的なエッチング残り無く、かつ、多結晶シリコン膜に
サイドエッチの無い優れた加工精度が得られる。
数のプラズマ処理室から構成された装置である。本装置
は、試料搬入室301、真空排気されているバッファ室
305、試料を各処理室へ搬送するための搬送ロボット
302、及び、プラズマで試料の表面加工を行う図1と
同様な構成のA処理室303とB処理室304からな
る。被加工試料は、搬入室301を介し搬送ロボット3
02によりA処理室303へ搬入され、150℃に加熱
された試料台108上に設置し静電吸着することにより
速やかに試料温度を150℃まで昇温し、前記実施例1
に記載の塩素と酸素をエッチングガスとした条件で、図
2(b)の状態まで処理する。その後、搬送ロボット3
02によりB処理室304へ搬入され、10℃に冷却さ
れた試料台108上に設置し、静電吸着することにより
速やかに試料温度を20℃まで冷却し、前記実施例1に
記載の臭化水素と酸素をエッチングガスとした条件で図
2(c)の状態まで処理する。
晶シリコン膜を各々異なる温度で制御された試料台を有
する処理室で、連続処理することでタングステン膜ある
いは窒化タングステン膜の部分的なエッチング残り無
く、かつ、多結晶シリコン膜にサイドエッチの無い優れ
た加工が効率よくできる。
らなる多層膜のエッチングにおいて、金属膜をエッチン
グ時に試料温度を100℃以上の高温で処理すること
で、金属膜のエッチング速度が速くなるため、金属膜や
バリア膜の部分的なエッチング残り無く、バリア膜のエ
ッチングが終了した時点で、多結晶シリコン膜を酸化膜
に対して高選択でエッチングできる条件に切り替えて、
高精度な加工ができる。
構成を示した図である。
図である。
の試料温度の時間的変化を示した図である。
る装置の全体構成図である。
ン膜、多結晶シリコン膜および、酸化膜のエッチング速
度の試料温度依存性を調べた例である。
グガスとした場合の加工形状の試料温度依存性を調べた
例である。
英板、104…電磁石、105…プラズマ、106…試
料、107…温度センサ、108…試料台、109…誘
電膜、110…真空容器、111…温度制御機構、11
2…高周波電源、113…直流電源、201,601…
マスク、202,602…タングステン膜、203,6
03…窒化タングステン膜、204,604…多結晶シ
リコン膜、205…酸化膜、206…シリコン基板、3
01…搬入室、302…搬送ロボット、303…A処理
室、304…B処理室、305…バッファ室、605…
サイドエッチ
Claims (8)
- 【請求項1】 真空容器とその中にプラズマを発生させ
る手段と、該プラズマにより表面加工される試料を設置
する試料台と、該試料台の温度を制御する温調機構と、
前記試料台に高周波電圧を印可するための電源からなる
プラズマ処理装置を用いて、半導体基板上に堆積された
少なくとも金属膜とバリヤ膜と半導体膜からなる多層膜
からなる試料をエッチングするエッチング方法におい
て、 半導体膜とバリヤ膜と金属膜を積層してなる多層膜をハ
ロゲン系のガスのプラズマを用いてエッチングする際
に、前記 金属膜部のエッチング時に前記多層膜が形成された
試料を100℃以上の温度に保ってエッチングし、 前記半導体膜のエッチング時に前記試料を温度80℃以
下に保ってエッチングすることを特徴とするエッチング
方法。 - 【請求項2】 真空容器とその中にプラズマを発生させ
る手段と、該プラズマにより表面加工される試料を設置
する試料台と、該試料台の温度を制御する温調機構と、
前記試料台に高周波電圧を印可するための電源からなる
プラズマ処理装置を用いて、半導体基板上に堆積された
少なくとも金属膜とバリヤ膜と半導体膜からなる多層膜
からなる試料をエッチングするエッチング方法におい
て、 半導体膜とバリヤ膜と金属膜を積層してなる多層膜をハ
ロゲン系のガスのプラズマを用いてエッチングする際
に、前記金属膜部とバリヤ膜のエッチング時に前記多層膜が
形成された試料を100℃から200℃の温度に保って
エッチングし、 前記半導体膜のエッチング時に前記試料を0℃〜80℃
の温度に保ってエッチングすることを特徴とするエッチ
ング方法。 - 【請求項3】 真空容器とその中にプラズマを発生させ
る手段と、該プラズマにより表面加工される試料を設置
する試料台と、該試料台の温度を制御する温調機構と、
前記試料台に高周波電圧を印可するための電源からなる
エッチング装置を用いて、半導体基板上に堆積された少
なくとも金属膜とバリヤ膜と半導体膜からなる多層膜か
らなる試料をエッチングするエッチング方法において、 半導体膜とバリヤ膜と金属膜を積層してなる多層膜をハ
ロゲン系のガスのプラズマを用いてエッチングする際
に、前記金属膜部とバリヤ膜とのエッチング時に前記多層膜
が形成された試料を第1の処理室で100℃以上に保た
れた第1の試料台に配置してエッチングし、 該エッチングされた試料を真空排気されたバッファ室を
介して第2の処理室に搬送し、 前記半導体膜のエッチング時に前記試料を第2の処理室
で温度80℃以下に保たれた第2の試料台に載置してエ
ッチングすることを特徴とするエッチング方法。 - 【請求項4】 プラズマを発生させるガスは、少なくと
もハロゲン原子を含むガスと酸素原子を含むガスの混合
ガスであることを特徴とする請求項1ないし請求項3の
いずれか1項記載のエッチング方法。 - 【請求項5】 エッチングされる多層膜は、少なくとも
タングステン膜と、窒化タングステン膜あるいは窒化チ
タン膜と、多結晶シリコン膜を含むことを特徴とする請
求項1ないし請求項3のいずれか1項記載のエッチング
方法。 - 【請求項6】 ハロゲン原子を含むガスと酸素原子を含
むガスでエッチングする前に、少なくともアルゴンガス
あるいはヘリウムガスを含むガスでプラズマを発生さ
せ、前記料温度を昇温させることを特徴とする請求項1
ないし請求項5のいずれか1項記載のエッチング方法。 - 【請求項7】 混合ガス圧力は、1.0Pa(パスカ
ル)以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項
6のいずれか1項記載のエッチング方法。 - 【請求項8】 試料は前記試料台に静電吸着により保持
できることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいず
れか1項記載のエッチング方法。
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