JP3808902B2 - プラズマエッチング方法 - Google Patents
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Description
［技術分野］
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体の表面上に配設されたシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）を優先的にエッチングするためのプラズマエッチング方法に関する。
［背景技術］
ＩＣやＬＳＩ等の半導体デバイスの製造プロセスにおいては、半導体ウエハに対してＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等による成膜やエッチング等によるパターニングを繰り返し施すことにより、所望の回路パターンを形成する。エッチングの代表的なものの１つはプラズマドライエッチングである。プラズマドライエッチングでは、パターン化されたフォトレジスト膜をマスクとして用い、目的膜の露出部分をプラズマ化されたエッチングガスで削り取る。
プラズマドライエッチングにおいては、エッチング対象となる目的膜とエッチング対象とならない異種膜との選択比をできるだけ大きく設定することが重要となる。従来、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）に対してシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）を優先的にエッチングするため、ＣＨＦ3ガスとＯ2ガスとの混合ガスが用いられている。この混合ガスはキャリアガスであるＡｒガスと共に使用される。ＣＨＦ3ガスとＯ2ガスとの混合ガスを使用した場合、ＳｉＯ2に対するＳｉＮｘの選択比（［ＳｉＮｘのエッチングレート］／［ＳｉＯ2のエッチングレート］）は高々２程度である。また、Ｓｉに対するＳｉＮｘの選択比（［ＳｉＮｘのエッチングレート］／［Ｓｉのエッチングレート］）も高々２程度である。
エッチングにより形成される線幅やホール径の要求がそれ程厳しくない場合、２程度の選択比でもそれ程問題は生じない。しかし、半導体デバイスの高密度、高集積化が更に推進されて、線幅やホール径に対してサブミクロンのオーダーが要求されると、２程度の選択比では十分ではない。
特開平８−５９２１５（ＵＳ Ｎｏ．０８／１８９０２７）は、シリコン酸化物、金属シリサイド、及びシリコンに対して、シリコン窒化物を優先的にエッチングするため、ＣＨxＦ4-x（ｘ＝２〜３）と、Ｏ2、ＣＯ、及びＣＯ2の群から選択された１つまたは複数の酸素含有ガスとの混合ガスを用いるエッチング方法を開示する。このエッチング方法において、望ましくはＣＨxＦ4-xはＣＨＦ3から本質的になり、酸素含有ガスは、ＣＯ、ＣＯ2若しくはこれら両者、より望ましくはＣＯ2から本質的になる。その結果、この公報は、同エッチング方法により、選択比（［ＳｉＮｘのエッチングレート］／［ＳｉＯ2のエッチングレート］）が４程度まで向上すると述べている。
一方、プラズマドライエッチングにおいては、被処理基板の中央部分と周辺部分との加工寸法の差で規定されるエッチングの面内均一性が高いことが重要となる。例えば、面内均一性は、中央部分と周辺部分との加工寸法の差が±７％以内であれば良好であり、±５％であればかなり良好であるといえる。選択比と面内均一性とは、あるパラメータに関してはトレードオフの関係を有する。上述の特開平８−５９２１５は、選択比に関して概要を述べているが、面内均一性について何ら考慮していない。
［発明の開示］
本発明は、以上のような従来技術に着目し、シリコン酸化物及びシリコンに対するシリコン窒化物のエッチング選択性とエッチング面内均一性とのバランスがとれたプラズマエッチング方法を提供することを目的とする。
本発明は、シリコン窒化物から基本的になる第１層と、シリコン若しくはシリコン酸化物から基本的になる第２層とが配設された表面を有する被処理基板を、プラズマエッチング装置においてプラズマエッチングする方法であって、
前記第２層に対する前記第１層のエッチング選択比の設定値と、前記被処理基板の中央部分と周辺部分との加工寸法の差で規定されるエッチングの面内均一性の設定値と、に基づいて前記エッチング装置を設定する工程と、
前記被処理基板を前記エッチング装置の処理室内に収納する工程と、
前記処理室内を排気しながら、前記処理室内に処理ガスを導入する工程と、前記処理ガスはＣＨ2Ｆ2ガスとＯ2ガスとの混合ガスを容積比で５５％〜１００％具備することと、前記ＣＨ2Ｆ2ガスと前記Ｏ2ガスとの第１混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）は容積比で０．２〜０．６であることと、
前記処理室内を５０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒの第１圧力に維持しながら、前記処理ガスを放電させてプラズマに転化する工程と、
前記プラズマを用いて前記第２層に対して前記第１層を優先的にエッチングする工程と、
ここで、前記面内均一性の設定値に基づいて前記エッチング装置を設定するための均一性用パラメータが前記第１圧力及び前記第１混合比を具備し、前記面内均一性の設定値が厳しいほど、前記第１圧力及び前記第１混合比のいずれか一つを高くすることと、
を具備する。
本発明によれば、ＣＨ2Ｆ2ガスとＯ2ガスの混合ガスを用いると共に、特定のパラメータを設定することにより、シリコン酸化物及びシリコン、特にシリコン酸化物に対するシリコン窒化物のエッチング選択性とエッチング面内均一性とのバランスがとれたプラズマエッチング方法を提供することができる。例えば、本発明によれば、選択比（［ＳｉＮｘのエッチングレート］／［ＳｉＯ2のエッチングレート］）が３．５以上で且つ面内均一性が±７％以内の条件でプラズマエッチングを行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング方法を実施するためのプラズマエッチング装置を示す構成図。
図２Ａ〜Ｃは、比較例方法によるエッチング結果を示す断面写真図。
図３Ａ〜Ｃは、本発明方法によるエッチング結果を示す断面写真図。
図４は半導体デバイスのコンタクトホールを形成する途中を示す部分拡大断面図。
図５は混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）と、選択比（ＳｉＮｘ／ＳｉＯ2］及び面内均一性との関係を示すグラフ。
図６は処理圧力と、選択比（ＳｉＮｘ／ＳｉＯ2）及び面内均一性との関係を示すグラフ。
図７は混合比（混合ガス／キャリアガス）と、選択比（ＳｉＮｘ／ＳｉＯ2）及び面内均一性との関係を示すグラフ。
［発明を実施するための最良の形態］
図１図示の如く、本発明方法を実施するためのプラズマエッチング装置１４は、例えばアルミニウムにより筒体状に成形された処理室１６を有する。処理室１６の上部は段部状にその径が僅かに縮径され、そこに後述するリング状の磁石が配設される。処理室１６は接地され、この内部には下部電極として導電材料、例えばアルミニウムよりなる円板状の載置台１８が設置される。載置台１８は、例えばセラミックスよりなる絶縁部材２０を介して導電性材料よりなる容器状の載置台支持台２２に支持される。
載置台支持台２２の底部は、処理室底部１６Ａの中央部の開口２４を介して挿入された昇降軸２６の上端に支持固定される。昇降機構（図示せず）により昇降軸２６を昇降駆動することにより、載置台１８を上昇或いは下降し得る。
載置台１８の上面には、内部に直流高電圧を印加する導電板を有する例えばセラミック製、或いはポリイミド樹脂製の静電チャック２８が配設される。静電チャック２８の上面にクーロン力により被処理体としての半導体ウエハＷを吸着保持する。
載置台１８の上面の周辺部分には、ウエハＷの外周全体をこれと略同一水平レベルで囲むように例えば石英製のフォーカスリング３０が配設される。フォーカスリング３０により、プラズマ生成時の電界をウエハ表面側に集中させることができる。
載置台支持台２２の裏面と処理室底部１６Ａの開口２４の周辺との間は、伸縮可能になされたベローズ３２を介して気密に連結される。ベローズ３２は、処理室１６内の気密性を保持しつつ、載置台１８の昇降を許容する。
載置台１８内には、通路状の冷却ジャケット３４が配設され、これに冷媒を流すことによりウエハＷを所望の温度に維持する。載置台１８の周辺部の所定の位置には、複数のリフタ孔３６が上下方向に貫通して形成される。リフタ孔３６に対応させて上下方向に昇降可能にウエハリフタピン３８が配設される。リフタピン３８は底部開口２４を通って上下動可能になされたピン昇降ロッド４０によって一体的に昇降移動可能となる。ピン３８の貫通部には、載置台支持台２２の裏面との間で金属性の伸縮ベローズ４２が配設される。ベローズ４２は、ピン３８が気密性を保持しつつ上下動することを許容する。図１中、載置台１８を一点鎖線に示すところに位置させた状態でピン３８を昇降させることにより、ウエハＷを持ち上げたり、持ち下げたりすることができる。このようなウエハリフタピン３８は一般的にはウエハ周辺部分に対応させて４本配設される。
載置台１８にはリード線４４が接続され、リード線４４は絶縁状態で外部に引き出される。リード線４４には、マッチング回路４６を介して例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を出力する高周波電源４８が接続され、載置台１８にプラズマ発生用の高周波電力を印加することができる。
一方、処理室１６の天井１６Ｂには載置台１８に対向させて薄い容器状のシャワーヘッド５０が配設される。シャワーヘッド５０の下面のガス噴射面には、ヘッド５０内に導入されたプラズマガス等を処理空間Ｓに向けて噴出する多数の噴射孔５２が配設される。シャワーヘッド５０は、電極を構成するように、導電性材料、例えば表面がアルマイト処理されたアルミニウムにより形成される。
処理室外側には、リング状になされた磁石５６がその周方向へ回転可能に配設される。磁石５６は、ウエハ面に対して平行となるような回転磁界Ｍを処理空間Ｓ内に発生させる。回転磁界Ｍとプラズマとの間で生ずるローレンツ力等によってプラズマ密度を高めることが可能となる。
シャワーヘッド５０のガス導入口５８には、ガス導入管６０が接続される。ガス導入管６０は複数に分岐され、Ａｒガス源６２、ＣＨ2Ｆ2ガス源６４、Ｏ2ガス源６６、Ｃ4Ｆ8ガス源７１、ＣＯガス源７２、Ｈ2ガス源７３に接続される。ガス源６２からのＡｒガスは希釈用の添加ガス即ちキャリアガスとして使用される。ガス源６４、６６からのＣＨ2Ｆ2ガス及びＯ2ガスは、シリコン窒化膜をエッチングするためのエッチングガスとして使用される。ガス源７３からのＨ2ガスは必要に応じて添加される添加ガスとして使用される。ガス源７１、７２からのＣ4Ｆ8ガス及びＣＯガスはシリコン酸化膜をエッチングするためのエッチングガスとして使用される。これらの各ガスは、途中に介設したマスフローコントローラ６８や開閉弁７０により流量制御されつつ供給される。
処理室１６の側壁の一部には、載置台１８を降下させた位置に対応させてウエハ搬出入口７４が形成される。搬出入口７４には、真空引き可能になされたロードロック室６６との間を選択的に連通させるためのゲートバルブＧが配設される。処理室１６の側壁にはまた、真空ポンプ（図示せず）等を介設した真空排気系に接続される排気口７８が配設される。
載置台１８の支持台２２には、処理室内壁に向けて延びるバッフルプレート８０が配設される。バッフルプレート８０には、処理空間Ｓ内の雰囲気を排出口７８に導く、複数のバッフル孔８２が形成される。
次に、以上の構成を有する装置１４を用いた本発明の実施の形態にかかるプラズマエッチング方法について説明する。なお、以下では、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）プロセスにより形成された、半導体デバイスのフィールド酸化膜の近傍にコンタクトホールを形成するプロセスを例に挙げて説明する。
半導体ウエハ上で２つの素子形成領域間や素子形成領域とフィールド領域とを分離する素子分離領域を形成するためＬＯＣＯＳプロセスが行われる。素子分離領域は、ＭＯＳＬＳＩ等において重要な領域であり、この近傍にコンタクトホール形成のためのエッチングを施す場合には、素子分離領域のシリコン酸化膜がエッチング時に削り取られることを極力抑制しなければならない。
図４は半導体デバイスのコンタクトホールを形成する途中の状態を示す部分拡大断面図である。図示の工程段階において、シリコン基板２全体が層間絶縁膜となるＳｉＯ2絶縁膜６により被覆される。シリコン基板２の表面内には、素子形成領域を形成するためのＬＯＣＯＳフィールド酸化膜４が配設される。フィールド酸化膜４に重なるように、配線層１０が延在する。
配線層１０に対してコンタクトホールを形成する場合、図示の状態から、先ず、絶縁膜６の上にフォトレジスト層８をパターン形成する。次に、フォトレジスト層８をマスクとして絶縁膜６にエッチングを施す。
絶縁膜６とフィールド酸化膜４とは同じシリコン酸化物であることから両膜６、４の間にエッチング選択性をもたせることはできない。従って、もし、絶縁膜６の下にフィールド酸化膜４が直接接触していると、フィールド酸化膜４にダメージを与えることなくエッチングを終了させることは難しい。このような理由から、絶縁膜６を基板２上に形成する前に、異種材料であるシリコン窒化膜１２を全面に形成し、２段階でエッチングを行なう。
即ち、先ず、第１ステップでＳｉＮｘ（シリコン窒化物）に対するＳｉＯ2のエッチング選択比（［ＳｉＯ2のエッチングレート］／［ＳｉＮｘのエッチングレート］）が大きいエッチングガスを用いて絶縁膜６をエッチングする。次に、第２段階でＳｉＯ2に対するＳｉＮｘ（シリコン窒化物）のエッチング選択比（［ＳｉＮｘのエッチングレート］／［ＳｉＯ2のエッチングレート］）が大きいエッチングガスを用いてシリコン窒化膜１２をエッチングする。これにより、フィールド酸化膜４及びＳｉ基板２のダメージをできるだけ少なくして配線層１０に対するコンタクトホールを形成することができる。
より具体的には、先ず、後述の第１及び第２段階のエッチングにおける、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜のエッチングレート、シリコン酸化膜に対するシリコン窒化膜のエッチング選択比、ウエハの中央部分と周辺部分との加工寸法の差で規定されるエッチングの面内均一性、等の設定値に基づいてプラズマエッチング装置１４を設定する。このため、予めこれらの設定値と、エッチング装置１４の調節可能なパラメータとの関係を実験により求め、これらの関係をＣＰＵに入力しておく。これにより、エッチング条件の規定値をＣＰＵに入力することにより、装置１４のパラメータを自動的に調節することができる。
被処理体である半導体ウエハＷは、真空状態に維持された処理室１６内に、ロードロック質７６側からウエハ搬出入口７４を介して搬入する。この時、ウエハＷ上においては、図４に示すように、コンタクトホールの開口寸法にあわせてパターニングされたフォトレジスト層８が、層間絶縁膜６上に配設された状態となっている。図１中、一点鎖線で示すように降下された載置台１８上にウエハＷを載置し、静電チャック２８のクーロン力によりこれを吸着保持する。そして、載置台１８を上昇させて所定のプロセス位置に位置させる。
次に、処理室１６内を真空排気しながら、処理室１６内にシャワーヘッド５０より所定の処理ガスを供給し、所定のプロセス圧に維持する。これと同時に、上下の電極、即ち、シャワーヘッド５０と載置台１８との間に１３．５６ＭＨｚの高周波電界を印加し、処理ガスをプラズマに転化してエッチングを行なう。また、処理室１６の外側に設けた磁石５６を回転することによって処理空間Ｓに回転磁界Ｍを発生させる。回転磁界Ｍを発生すると、ローレンツ力によってプラズマを閉じ込めることができ、従って、プラズマ密度を高めてエッチングレートを高くすることができる。
先ず、第１段階として、ＳｉＯ2絶縁膜６のコンタクトホール部分のみをエッチングする。この時、処理ガスとして、Ｃ4Ｆ8ガスとＣＯガスとの混合ガスをＡｒガス等のキャリアガスと共に用いる。ここで、処理室１６の容量が３５リットル〜４５リットルであるとすると、処理圧力を２０ｍＴｏｒｒ〜６０ｍＴｏｒｒ、Ｃ4Ｆ8ガス、ＣＯガス及びＡｒガスの夫々の流量を１０ｓｃｃｍ〜２０ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍ〜３００ｓｃｃｍ及び０ｓｃｃｍ〜４００ｓｃｃｍとなるようにする。また、載置台１８の上面の温度を−３０℃〜３０℃に設定する。
このようにして、第１段階のエッチングにより絶縁膜６のコンタクトホール部分のエッチングが終了した時点で、Ｃ4Ｆ8ガス及びＣＯガスの供給を停止する。そして、第２段階である、シリコン窒化膜１２のコンタクトホール部分のエッチングに移行する。
第２段階において、処理ガスとして、ＣＨ2Ｆ2ガスとＯ2ガスとの混合ガスをＡｒガス等のキャリアガスと共に用いる。Ｏ2ガスは、エッチングによりコンタクトホールの底に生成される反応生成物によるデポジションを除去するという機能を発揮する。ここで、処理室１６の容量が３５リットル〜４５リットルであるとすると、処理圧力を５０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒ、望ましくは６５ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒとする。また、ＣＨ2Ｆ2ガス、Ｏ2ガス及びＡｒガスの夫々の流量を２０ｓｃｃｍ〜６０ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍ及び５０ｓｃｃｍ〜３００ｓｃｃｍとなるようにする。混合ガスの流量が大きすぎるとウエハのダメージが大きくなり、流量が小さすぎると十分なエッチングレートが得られない。また、載置台１８の上面の温度を−３０℃〜３０℃に設定する。
なお、上述の如く、第２段階においても、処理室１６内を真空排気しながら、処理室１６内にシャワーヘッド５０より処理ガスを供給し、所定のプロセス圧に維持する。これと同時に、上下の電極、即ち、シャワーヘッド５０と載置台１８との間に１３．５６ＭＨｚの高周波電界を印加し、処理ガスをプラズマに転化してエッチングを行なう。また、処理室１６の外側に設けた磁石５６を回転することによって処理空間Ｓに回転磁界Ｍを発生させる。
このようにエッチングガスとしてＣＨ2Ｆ2ガス及びＯ2ガスの混合ガスを用いることにより、シリコン窒化膜に対するシリコン膜及びＳｉ膜に対する選択比を大幅に向上させることができる。例えばエッチングガスとしてＣＨＦ3ガスを用いた従来の方法と比較して、選択比を２、３倍程度、向上させることができる。従って、図４においてシリコン窒化膜１２のコンタクトホール部分のみを精度良くエッチング除去することができ、ＳｉＯ2よりなるフィールド酸化膜４やＳｉ基板２がエッチングにより削られることを極力抑制することが可能となる。
なお、上述の実施の形態では、不活性ガスよりなる添加ガスとしてＡｒガスを加えたが、このガスは加えなくてもよい。或いはＡｒガスに代えて他の不活性ガス、例えばＮ2ガス、Ｎｅガス、Ｈｅガス、Ｘｅガス等を用いてもよい。
また、上述の実施の形態では、同一の処理装置内で、第１段階（シリコン酸化膜６のエッチング）及び第２段階（シリコン窒化膜１２のエッチング）を連続的に行なっている。しかし、例えば第１段階を別の処理装置で行ない、第２段階のみを図１に示す処理装置で行なうようにしてもよい。
次に、ＣＨ2Ｆ2及びＯ2の使用の効果を、実験結果に基づいて説明する。
図２Ａ〜ＣはＣＨＦ3を用いた方法によるエッチング結果を示す断面写真図であり、図３Ａ〜ＣはＣＨ2Ｆ2を用いた方法によるエッチング結果を示す断面写真図である。ここではＳｉＮｘ、ＳｉＯ2、Ｓｉについて夫々直径０．６μｍのホールをエッチング形成した時の結果を示している。図中においてセンターは、ホールの位置がウエハの表面の略中央にある場合を示し、エッジは、ホールの位置が上表面の周辺部分にある場合を示す。また、各写真にエッチングタイムとエッチングレートとを併記してある。
図２Ａ〜Ｃに示すＣＨＦ3を用いた方法のプロセス条件に関し、プロセス圧を４０ｍＴｏｒｒ、ＲＦパワーを５００Ｗとした。処理ガスに関し、ＣＨＦ3／Ａｒ／Ｏ2を夫々２０／１００／２０ｓｃｃｍの流量とした。また、処理室内の上部電極及び側壁の温度を６０℃、下部電極の温度を２０℃とした。
図３Ａ〜Ｃに示すＣＨ2Ｆ2を用いた方法のプロセス条件に関し、プロセス圧を４０ｍＴｏｒｒ、ＲＦパワーを５００Ｗとした。エッチングガスに関し、ＣＨ2Ｆ2／Ａｒ／Ｏ2を夫々２０／１００／２０ｓｃｃｍの流量とした。また、処理室内の上部電極及び側壁の温度を６０℃で、下部電極の温度を２０℃とした。従って、両方法は、エッチングガスがＣＨＦ3であるか、ＣＨ2Ｆ2であるかの点でのみ異なっている。
図２Ａ〜Ｃに示すようにＣＨＦ3を用いた方法において、ＳｉＮｘに対するエッチングレートは、ＳｉＯ2、Ｓｉに対するエッチングレートに比べて高くなった。これらエッチングレートを平均すると、ＳｉＮｘに対しては２５１．７ｎｍ／ｍｉｎ、ＳｉＯ2に対しては１１８．９ｎｍ／ｍｉｎ、Ｓｉに対しては９４．０ｎｍ／ｍｉｎであった。従って、ＳｉＯ2及びＳｉ夫々に対するＳｉＮｘの選択比は、略２．１及び略２．７であった。
これに対して、図３Ａ〜Ｃに示すようにＣＨ2Ｆ2を用いた方法においては、ＳｉＮｘに対するエッチングレートはＣＨＦ3を用いた方法と同様に大きいが、ＳｉＯ2、Ｓｉに対するエッチングレートがかなり低くなった。これらエッチングレートを平均すると、ＳｉＮｘに対しては２５２．９ｎｍ／ｍｉｎ、ＳｉＯ2に対しては６５．３ｎｍ／ｍｉｎ、Ｓｉに対しては３８．３ｎｍ／ｍｉｎであった。従って、ＳｉＯ2及びＳｉ夫々に対するＳｉＮｘの選択比は、略３．９及び略６．６であった。
このように、ＣＨ2Ｆ2を用いた方法においては、ＳｉＯ2及びＳｉ夫々に対するＳｉＮｘの選択比をＣＨＦ3を用いた方法の略２倍に向上させることができた。しかし、面内均一性は、この実験条件において、ＣＨ2Ｆ2を用いた方がＣＨＦ3を用いた場合に比べて幾分低下した。
次に、本発明のエッチング方法におけるＳｉＯ2に対するＳｉＮｘの選択性と面内均一性との関係を、実験結果に基づいて説明する。
図５〜図７は、種々のパラメータと選択性（ＳｉＮｘ／ＳｉＯ2）及び面内均一性との関係を調べた結果を示すグラフである。図５〜図７において、「Ｓｅｌ．」及び「Ｕｎｉ．」は夫々選択性（ＳｉＮｘ／ＳｉＯ2）及び面内均一性を示す。「Ｓｅｌ．」は選択比そのものを表すため、数値が大きいほど特性が良好となり、「Ｕｎｉ．」はウエハの中央部分と周辺部分とのエッチング加工寸法の差を表すため、数値（絶対値）が小さいほど特性が良好となる、
図５〜図７に関する実験において、次の３つのパラメータ、即ち、ＣＨ2Ｆ2ガスとＯ2ガスとの混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）と、処理室１６内の処理圧力と、混合ガス（ＣＨ2Ｆ2ガス＋Ｏ2ガス）とＡｒキャリアガスとの混合比（混合ガス／キャリアガス）と、に注目した。なお、これら実験において、共通条件として、ＲＦパワーを５００Ｗ、処理室内の上部電極及び側壁の温度を６０℃、下部電極の温度を２０℃とした。
図５は混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）と選択比（ＳｉＮｘ／ＳｉＯ2）及び面内均一性との関係を示す。この実験では、処理圧力を１００ｍＴｏｒｒ、Ａｒキャリアガスの流量を０（ゼロ）ｓｃｃｍとした。図５図示の如く、混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）が０．２〜０．６において、選択比が４．５以上、均一性が±７．０％以内という従来の方法に比べて選択比及び均一性のバランスがとれた条件が得られた。この範囲において、選択比は混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）が低くなるほど良好となり、逆に、均一性は混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）が高くなるほど良好となった。また，混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）が０．３〜０．５において、選択比が５．０以上、均一性が±６．０％以内という望ましい値が得られ、更に、混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）が０．３〜０．４において、選択比が５．０以上、均一性が±５．０％以内というより望ましい値が得られた。
図６は処理圧力と選択比（ＳｉＮｘ／ＳｉＯ2）及び面内均一性との関係を示す。この実験では、ＣＨ2Ｆ2ガス、Ｏ2ガス及びＡｒキャリアガスの流量を夫々６０ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍ、及び０（ゼロ）ｓｃｃｍとした。図６図示の如く、処理圧力が５０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒにおいて、選択比が４．３以上、均一性が±７．０％以内という従来の方法に比べて選択比及び均一性のバランスがとれた条件が得られた。この範囲において、選択比及び均一性は共に処理圧力が高くなるほど良好となった。また、処理圧力が６５ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒにおいて均一性が±５．０％以内という望ましい値が得られた。
図７は混合比（混合ガス／キャリアガス）と選択比（ＳｉＮｘ／ＳｉＯ2）及び面内均一性との関係を示す。この実験では、処理圧力を４０ｍＴｏｒｒ、
混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）を１とした。図７図示の如く、混合比（混合ガス／キャリアガス）が１．３以上において、選択比が３．５以上、均一性が±７．０％以内という従来の方法に比べて選択比及び均一性のバランスがとれた条件が得られた。この範囲において、選択比及び均一性は共に混合比（混合ガス／キャリアガス）が高くなるほど良好となった。なお、図５及び図６図示の如く、キャリアガスはない場合にも良好な結果が得られ、これらから、処理ガスにおける混合ガスの割合は容積比で約５５％〜１００％が望ましい範囲であることが判明した。
実験の結果を整理すると、上述の３つのパラメータと選択性（ＳｉＮｘ／ＳｉＯ2）及び面内均一性との概略的な関係は表１及び表２の様なものとなる。
従って、以上述べた実験結果を考慮することにより、本発明によれば、図４図示のようなコンタクトホールの形成プロセスだけでなく、次のような汎用性の高いプラズマエッチングする方法を提供することができる。
即ち、シリコン窒化物から基本的になる第１層と、シリコン若しくはシリコン酸化物から基本的になる第２層とが配設された表面を有する被処理基板を、プラズマエッチング装置においてプラズマエッチングする方法であって、
前記第２層に対する前記第１層のエッチング選択比の設定値と、前記被処理基板の中央部分と周辺部分との加工寸法の差で規定されるエッチングの面内均一性の設定値と、に基づいて前記エッチング装置を設定する工程と、
前記被処理基板を前記エッチング装置の処理室内に収納する工程と、
前記処理室内を排気しながら、前記処理室内に処理ガスを導入する工程と、前記処理ガスはＣＨ2Ｆ2ガスとＯ2ガスとの混合ガスを容積比で５５％〜１００％具備することと、前記ＣＨ2Ｆ2ガスと前記Ｏ2ガスとの第１混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）は容積比で０．２〜０．６であることと、
前記処理室内を５０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒの第１圧力に維持しながら、前記処理ガスを放電させてプラズマに転化する工程と、
前記プラズマを用いて前記第２層に対して前記第１層を優先的にエッチングする工程と、
ここで、前記面内均一性の設定値に基づいて前記エッチング装置を設定するための均一性用パラメータが前記第１圧力及び前記第１混合比を具備し、前記面内均一性の設定値が厳しいほど、前記第１圧力及び前記第１混合比のいずれか一つを高くすることと、
を具備する。
前記第１圧力の望ましい値は６５ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒである。前記第１混合比の望ましい値は０．３〜０．５で、より望ましい値は０．３〜０．４である。
前記処理ガスはＡｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｎ2からなる群から選択された不活性ガスからなるキャリアガスを更に具備することができる。この場合、前記均一性用パラメータは、前記混合ガスと前記キャリアガスとの第２混合比（混合ガス／キャリアガス）を更に具備することができる。前記面内均一性の設定値が厳しいほど、前記第１圧力、前記第１混合比、及び前記第２混合比のいずれか一つを高くする。
また、前記選択比の設定値に基づいて前記エッチング装置を設定するための選択比用パラメータも、前記第１圧力及び前記第１混合比を具備することができる。この場合、前記選択比の設定値が高いほど、前記第１圧力を高くするか、前記第１混合比を低くする。
前記選択比用パラメータも前記混合ガスと前記キャリアガスとの第２混合比（混合ガス／キャリアガス）を更に具備することができる。前記選択比の設定値が厳しいほど、前記第１圧力及び前記第２混合比のいずれか一つを高くするか、前記第１混合比を低くする。
前記処理ガスを放電させてプラズマに転化する工程において、前記被処理基板の温度を制御するため、前記被処理基板は−３０℃〜３０℃の範囲の温度に設定された載置台上に載置されることが望ましい。
前記第２層はシリコン酸化物から基本的になることが望ましい。例えば、コンタクトホールを形成する場合、前記第２層が、シリコン酸化物から基本的になり且つ前記第１層の上に配設された層間絶縁膜と、シリコン酸化物から基本的になり且つ前記第１層の下に配設されたフィールド酸化膜と、を具備する。この場合、本発明の方法は、前記処理室内に前記処理ガスを導入する工程前に、前記処理室内を排気しながら、前記処理室内にＣ4Ｆ8を含む別の処理ガスを導入し、前記別の処理ガスをプラズマに転化することにより、前記層間絶縁膜のプラズマエッチングを行い、前記第１層に到達するホールを前記層間絶縁膜に形成する工程を更に具備する。
また、前記記プラズマを用いて前記第２層に対して前記第１層を優先的にエッチングする工程において、前記プラズマを閉じ込めるように、前記被処理基板の前記表面に対して略平行となる回転磁界を前記処理室内に形成することが望ましい。
なお、上記実施の形態では、処理空間Ｓに回転磁界を付与してプラズマ密度を向上させた、いわゆるダイポール型の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置を例にとって説明した。しかし、本発明は、プラズマ処理装置の種類には限定されず、どのような形式の装置にも適用できる。例えば上部電極のみに高周波電圧を印加した型式のプラズマエッチング装置、上下電極の双方に高周波電圧を印加した型式のプラズマエッチング装置、或いは、マイクロ波によりプラズマを発生させる型式のプラズマエッチング装置にも適用することができる。また、上記実施の形態では、被処理体として半導体ウエハをエッチングする場合を例にとって説明したが、本発明は、例えばガラス基板やＬＣＤ基板等に成膜する場合にも適用し得る。
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体の表面上に配設されたシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）を優先的にエッチングするためのプラズマエッチング方法に関する。
［背景技術］
ＩＣやＬＳＩ等の半導体デバイスの製造プロセスにおいては、半導体ウエハに対してＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等による成膜やエッチング等によるパターニングを繰り返し施すことにより、所望の回路パターンを形成する。エッチングの代表的なものの１つはプラズマドライエッチングである。プラズマドライエッチングでは、パターン化されたフォトレジスト膜をマスクとして用い、目的膜の露出部分をプラズマ化されたエッチングガスで削り取る。
プラズマドライエッチングにおいては、エッチング対象となる目的膜とエッチング対象とならない異種膜との選択比をできるだけ大きく設定することが重要となる。従来、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）に対してシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）を優先的にエッチングするため、ＣＨＦ3ガスとＯ2ガスとの混合ガスが用いられている。この混合ガスはキャリアガスであるＡｒガスと共に使用される。ＣＨＦ3ガスとＯ2ガスとの混合ガスを使用した場合、ＳｉＯ2に対するＳｉＮｘの選択比（［ＳｉＮｘのエッチングレート］／［ＳｉＯ2のエッチングレート］）は高々２程度である。また、Ｓｉに対するＳｉＮｘの選択比（［ＳｉＮｘのエッチングレート］／［Ｓｉのエッチングレート］）も高々２程度である。
エッチングにより形成される線幅やホール径の要求がそれ程厳しくない場合、２程度の選択比でもそれ程問題は生じない。しかし、半導体デバイスの高密度、高集積化が更に推進されて、線幅やホール径に対してサブミクロンのオーダーが要求されると、２程度の選択比では十分ではない。
特開平８−５９２１５（ＵＳ Ｎｏ．０８／１８９０２７）は、シリコン酸化物、金属シリサイド、及びシリコンに対して、シリコン窒化物を優先的にエッチングするため、ＣＨxＦ4-x（ｘ＝２〜３）と、Ｏ2、ＣＯ、及びＣＯ2の群から選択された１つまたは複数の酸素含有ガスとの混合ガスを用いるエッチング方法を開示する。このエッチング方法において、望ましくはＣＨxＦ4-xはＣＨＦ3から本質的になり、酸素含有ガスは、ＣＯ、ＣＯ2若しくはこれら両者、より望ましくはＣＯ2から本質的になる。その結果、この公報は、同エッチング方法により、選択比（［ＳｉＮｘのエッチングレート］／［ＳｉＯ2のエッチングレート］）が４程度まで向上すると述べている。
一方、プラズマドライエッチングにおいては、被処理基板の中央部分と周辺部分との加工寸法の差で規定されるエッチングの面内均一性が高いことが重要となる。例えば、面内均一性は、中央部分と周辺部分との加工寸法の差が±７％以内であれば良好であり、±５％であればかなり良好であるといえる。選択比と面内均一性とは、あるパラメータに関してはトレードオフの関係を有する。上述の特開平８−５９２１５は、選択比に関して概要を述べているが、面内均一性について何ら考慮していない。
［発明の開示］
本発明は、以上のような従来技術に着目し、シリコン酸化物及びシリコンに対するシリコン窒化物のエッチング選択性とエッチング面内均一性とのバランスがとれたプラズマエッチング方法を提供することを目的とする。
本発明は、シリコン窒化物から基本的になる第１層と、シリコン若しくはシリコン酸化物から基本的になる第２層とが配設された表面を有する被処理基板を、プラズマエッチング装置においてプラズマエッチングする方法であって、
前記第２層に対する前記第１層のエッチング選択比の設定値と、前記被処理基板の中央部分と周辺部分との加工寸法の差で規定されるエッチングの面内均一性の設定値と、に基づいて前記エッチング装置を設定する工程と、
前記被処理基板を前記エッチング装置の処理室内に収納する工程と、
前記処理室内を排気しながら、前記処理室内に処理ガスを導入する工程と、前記処理ガスはＣＨ2Ｆ2ガスとＯ2ガスとの混合ガスを容積比で５５％〜１００％具備することと、前記ＣＨ2Ｆ2ガスと前記Ｏ2ガスとの第１混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）は容積比で０．２〜０．６であることと、
前記処理室内を５０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒの第１圧力に維持しながら、前記処理ガスを放電させてプラズマに転化する工程と、
前記プラズマを用いて前記第２層に対して前記第１層を優先的にエッチングする工程と、
ここで、前記面内均一性の設定値に基づいて前記エッチング装置を設定するための均一性用パラメータが前記第１圧力及び前記第１混合比を具備し、前記面内均一性の設定値が厳しいほど、前記第１圧力及び前記第１混合比のいずれか一つを高くすることと、
を具備する。
本発明によれば、ＣＨ2Ｆ2ガスとＯ2ガスの混合ガスを用いると共に、特定のパラメータを設定することにより、シリコン酸化物及びシリコン、特にシリコン酸化物に対するシリコン窒化物のエッチング選択性とエッチング面内均一性とのバランスがとれたプラズマエッチング方法を提供することができる。例えば、本発明によれば、選択比（［ＳｉＮｘのエッチングレート］／［ＳｉＯ2のエッチングレート］）が３．５以上で且つ面内均一性が±７％以内の条件でプラズマエッチングを行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング方法を実施するためのプラズマエッチング装置を示す構成図。
図２Ａ〜Ｃは、比較例方法によるエッチング結果を示す断面写真図。
図３Ａ〜Ｃは、本発明方法によるエッチング結果を示す断面写真図。
図４は半導体デバイスのコンタクトホールを形成する途中を示す部分拡大断面図。
図５は混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）と、選択比（ＳｉＮｘ／ＳｉＯ2］及び面内均一性との関係を示すグラフ。
図６は処理圧力と、選択比（ＳｉＮｘ／ＳｉＯ2）及び面内均一性との関係を示すグラフ。
図７は混合比（混合ガス／キャリアガス）と、選択比（ＳｉＮｘ／ＳｉＯ2）及び面内均一性との関係を示すグラフ。
［発明を実施するための最良の形態］
図１図示の如く、本発明方法を実施するためのプラズマエッチング装置１４は、例えばアルミニウムにより筒体状に成形された処理室１６を有する。処理室１６の上部は段部状にその径が僅かに縮径され、そこに後述するリング状の磁石が配設される。処理室１６は接地され、この内部には下部電極として導電材料、例えばアルミニウムよりなる円板状の載置台１８が設置される。載置台１８は、例えばセラミックスよりなる絶縁部材２０を介して導電性材料よりなる容器状の載置台支持台２２に支持される。
載置台支持台２２の底部は、処理室底部１６Ａの中央部の開口２４を介して挿入された昇降軸２６の上端に支持固定される。昇降機構（図示せず）により昇降軸２６を昇降駆動することにより、載置台１８を上昇或いは下降し得る。
載置台１８の上面には、内部に直流高電圧を印加する導電板を有する例えばセラミック製、或いはポリイミド樹脂製の静電チャック２８が配設される。静電チャック２８の上面にクーロン力により被処理体としての半導体ウエハＷを吸着保持する。
載置台１８の上面の周辺部分には、ウエハＷの外周全体をこれと略同一水平レベルで囲むように例えば石英製のフォーカスリング３０が配設される。フォーカスリング３０により、プラズマ生成時の電界をウエハ表面側に集中させることができる。
載置台支持台２２の裏面と処理室底部１６Ａの開口２４の周辺との間は、伸縮可能になされたベローズ３２を介して気密に連結される。ベローズ３２は、処理室１６内の気密性を保持しつつ、載置台１８の昇降を許容する。
載置台１８内には、通路状の冷却ジャケット３４が配設され、これに冷媒を流すことによりウエハＷを所望の温度に維持する。載置台１８の周辺部の所定の位置には、複数のリフタ孔３６が上下方向に貫通して形成される。リフタ孔３６に対応させて上下方向に昇降可能にウエハリフタピン３８が配設される。リフタピン３８は底部開口２４を通って上下動可能になされたピン昇降ロッド４０によって一体的に昇降移動可能となる。ピン３８の貫通部には、載置台支持台２２の裏面との間で金属性の伸縮ベローズ４２が配設される。ベローズ４２は、ピン３８が気密性を保持しつつ上下動することを許容する。図１中、載置台１８を一点鎖線に示すところに位置させた状態でピン３８を昇降させることにより、ウエハＷを持ち上げたり、持ち下げたりすることができる。このようなウエハリフタピン３８は一般的にはウエハ周辺部分に対応させて４本配設される。
載置台１８にはリード線４４が接続され、リード線４４は絶縁状態で外部に引き出される。リード線４４には、マッチング回路４６を介して例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を出力する高周波電源４８が接続され、載置台１８にプラズマ発生用の高周波電力を印加することができる。
一方、処理室１６の天井１６Ｂには載置台１８に対向させて薄い容器状のシャワーヘッド５０が配設される。シャワーヘッド５０の下面のガス噴射面には、ヘッド５０内に導入されたプラズマガス等を処理空間Ｓに向けて噴出する多数の噴射孔５２が配設される。シャワーヘッド５０は、電極を構成するように、導電性材料、例えば表面がアルマイト処理されたアルミニウムにより形成される。
処理室外側には、リング状になされた磁石５６がその周方向へ回転可能に配設される。磁石５６は、ウエハ面に対して平行となるような回転磁界Ｍを処理空間Ｓ内に発生させる。回転磁界Ｍとプラズマとの間で生ずるローレンツ力等によってプラズマ密度を高めることが可能となる。
シャワーヘッド５０のガス導入口５８には、ガス導入管６０が接続される。ガス導入管６０は複数に分岐され、Ａｒガス源６２、ＣＨ2Ｆ2ガス源６４、Ｏ2ガス源６６、Ｃ4Ｆ8ガス源７１、ＣＯガス源７２、Ｈ2ガス源７３に接続される。ガス源６２からのＡｒガスは希釈用の添加ガス即ちキャリアガスとして使用される。ガス源６４、６６からのＣＨ2Ｆ2ガス及びＯ2ガスは、シリコン窒化膜をエッチングするためのエッチングガスとして使用される。ガス源７３からのＨ2ガスは必要に応じて添加される添加ガスとして使用される。ガス源７１、７２からのＣ4Ｆ8ガス及びＣＯガスはシリコン酸化膜をエッチングするためのエッチングガスとして使用される。これらの各ガスは、途中に介設したマスフローコントローラ６８や開閉弁７０により流量制御されつつ供給される。
処理室１６の側壁の一部には、載置台１８を降下させた位置に対応させてウエハ搬出入口７４が形成される。搬出入口７４には、真空引き可能になされたロードロック室６６との間を選択的に連通させるためのゲートバルブＧが配設される。処理室１６の側壁にはまた、真空ポンプ（図示せず）等を介設した真空排気系に接続される排気口７８が配設される。
載置台１８の支持台２２には、処理室内壁に向けて延びるバッフルプレート８０が配設される。バッフルプレート８０には、処理空間Ｓ内の雰囲気を排出口７８に導く、複数のバッフル孔８２が形成される。
次に、以上の構成を有する装置１４を用いた本発明の実施の形態にかかるプラズマエッチング方法について説明する。なお、以下では、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）プロセスにより形成された、半導体デバイスのフィールド酸化膜の近傍にコンタクトホールを形成するプロセスを例に挙げて説明する。
半導体ウエハ上で２つの素子形成領域間や素子形成領域とフィールド領域とを分離する素子分離領域を形成するためＬＯＣＯＳプロセスが行われる。素子分離領域は、ＭＯＳＬＳＩ等において重要な領域であり、この近傍にコンタクトホール形成のためのエッチングを施す場合には、素子分離領域のシリコン酸化膜がエッチング時に削り取られることを極力抑制しなければならない。
図４は半導体デバイスのコンタクトホールを形成する途中の状態を示す部分拡大断面図である。図示の工程段階において、シリコン基板２全体が層間絶縁膜となるＳｉＯ2絶縁膜６により被覆される。シリコン基板２の表面内には、素子形成領域を形成するためのＬＯＣＯＳフィールド酸化膜４が配設される。フィールド酸化膜４に重なるように、配線層１０が延在する。
配線層１０に対してコンタクトホールを形成する場合、図示の状態から、先ず、絶縁膜６の上にフォトレジスト層８をパターン形成する。次に、フォトレジスト層８をマスクとして絶縁膜６にエッチングを施す。
絶縁膜６とフィールド酸化膜４とは同じシリコン酸化物であることから両膜６、４の間にエッチング選択性をもたせることはできない。従って、もし、絶縁膜６の下にフィールド酸化膜４が直接接触していると、フィールド酸化膜４にダメージを与えることなくエッチングを終了させることは難しい。このような理由から、絶縁膜６を基板２上に形成する前に、異種材料であるシリコン窒化膜１２を全面に形成し、２段階でエッチングを行なう。
即ち、先ず、第１ステップでＳｉＮｘ（シリコン窒化物）に対するＳｉＯ2のエッチング選択比（［ＳｉＯ2のエッチングレート］／［ＳｉＮｘのエッチングレート］）が大きいエッチングガスを用いて絶縁膜６をエッチングする。次に、第２段階でＳｉＯ2に対するＳｉＮｘ（シリコン窒化物）のエッチング選択比（［ＳｉＮｘのエッチングレート］／［ＳｉＯ2のエッチングレート］）が大きいエッチングガスを用いてシリコン窒化膜１２をエッチングする。これにより、フィールド酸化膜４及びＳｉ基板２のダメージをできるだけ少なくして配線層１０に対するコンタクトホールを形成することができる。
より具体的には、先ず、後述の第１及び第２段階のエッチングにおける、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜のエッチングレート、シリコン酸化膜に対するシリコン窒化膜のエッチング選択比、ウエハの中央部分と周辺部分との加工寸法の差で規定されるエッチングの面内均一性、等の設定値に基づいてプラズマエッチング装置１４を設定する。このため、予めこれらの設定値と、エッチング装置１４の調節可能なパラメータとの関係を実験により求め、これらの関係をＣＰＵに入力しておく。これにより、エッチング条件の規定値をＣＰＵに入力することにより、装置１４のパラメータを自動的に調節することができる。
被処理体である半導体ウエハＷは、真空状態に維持された処理室１６内に、ロードロック質７６側からウエハ搬出入口７４を介して搬入する。この時、ウエハＷ上においては、図４に示すように、コンタクトホールの開口寸法にあわせてパターニングされたフォトレジスト層８が、層間絶縁膜６上に配設された状態となっている。図１中、一点鎖線で示すように降下された載置台１８上にウエハＷを載置し、静電チャック２８のクーロン力によりこれを吸着保持する。そして、載置台１８を上昇させて所定のプロセス位置に位置させる。
次に、処理室１６内を真空排気しながら、処理室１６内にシャワーヘッド５０より所定の処理ガスを供給し、所定のプロセス圧に維持する。これと同時に、上下の電極、即ち、シャワーヘッド５０と載置台１８との間に１３．５６ＭＨｚの高周波電界を印加し、処理ガスをプラズマに転化してエッチングを行なう。また、処理室１６の外側に設けた磁石５６を回転することによって処理空間Ｓに回転磁界Ｍを発生させる。回転磁界Ｍを発生すると、ローレンツ力によってプラズマを閉じ込めることができ、従って、プラズマ密度を高めてエッチングレートを高くすることができる。
先ず、第１段階として、ＳｉＯ2絶縁膜６のコンタクトホール部分のみをエッチングする。この時、処理ガスとして、Ｃ4Ｆ8ガスとＣＯガスとの混合ガスをＡｒガス等のキャリアガスと共に用いる。ここで、処理室１６の容量が３５リットル〜４５リットルであるとすると、処理圧力を２０ｍＴｏｒｒ〜６０ｍＴｏｒｒ、Ｃ4Ｆ8ガス、ＣＯガス及びＡｒガスの夫々の流量を１０ｓｃｃｍ〜２０ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍ〜３００ｓｃｃｍ及び０ｓｃｃｍ〜４００ｓｃｃｍとなるようにする。また、載置台１８の上面の温度を−３０℃〜３０℃に設定する。
このようにして、第１段階のエッチングにより絶縁膜６のコンタクトホール部分のエッチングが終了した時点で、Ｃ4Ｆ8ガス及びＣＯガスの供給を停止する。そして、第２段階である、シリコン窒化膜１２のコンタクトホール部分のエッチングに移行する。
第２段階において、処理ガスとして、ＣＨ2Ｆ2ガスとＯ2ガスとの混合ガスをＡｒガス等のキャリアガスと共に用いる。Ｏ2ガスは、エッチングによりコンタクトホールの底に生成される反応生成物によるデポジションを除去するという機能を発揮する。ここで、処理室１６の容量が３５リットル〜４５リットルであるとすると、処理圧力を５０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒ、望ましくは６５ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒとする。また、ＣＨ2Ｆ2ガス、Ｏ2ガス及びＡｒガスの夫々の流量を２０ｓｃｃｍ〜６０ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍ及び５０ｓｃｃｍ〜３００ｓｃｃｍとなるようにする。混合ガスの流量が大きすぎるとウエハのダメージが大きくなり、流量が小さすぎると十分なエッチングレートが得られない。また、載置台１８の上面の温度を−３０℃〜３０℃に設定する。
なお、上述の如く、第２段階においても、処理室１６内を真空排気しながら、処理室１６内にシャワーヘッド５０より処理ガスを供給し、所定のプロセス圧に維持する。これと同時に、上下の電極、即ち、シャワーヘッド５０と載置台１８との間に１３．５６ＭＨｚの高周波電界を印加し、処理ガスをプラズマに転化してエッチングを行なう。また、処理室１６の外側に設けた磁石５６を回転することによって処理空間Ｓに回転磁界Ｍを発生させる。
このようにエッチングガスとしてＣＨ2Ｆ2ガス及びＯ2ガスの混合ガスを用いることにより、シリコン窒化膜に対するシリコン膜及びＳｉ膜に対する選択比を大幅に向上させることができる。例えばエッチングガスとしてＣＨＦ3ガスを用いた従来の方法と比較して、選択比を２、３倍程度、向上させることができる。従って、図４においてシリコン窒化膜１２のコンタクトホール部分のみを精度良くエッチング除去することができ、ＳｉＯ2よりなるフィールド酸化膜４やＳｉ基板２がエッチングにより削られることを極力抑制することが可能となる。
なお、上述の実施の形態では、不活性ガスよりなる添加ガスとしてＡｒガスを加えたが、このガスは加えなくてもよい。或いはＡｒガスに代えて他の不活性ガス、例えばＮ2ガス、Ｎｅガス、Ｈｅガス、Ｘｅガス等を用いてもよい。
また、上述の実施の形態では、同一の処理装置内で、第１段階（シリコン酸化膜６のエッチング）及び第２段階（シリコン窒化膜１２のエッチング）を連続的に行なっている。しかし、例えば第１段階を別の処理装置で行ない、第２段階のみを図１に示す処理装置で行なうようにしてもよい。
次に、ＣＨ2Ｆ2及びＯ2の使用の効果を、実験結果に基づいて説明する。
図２Ａ〜ＣはＣＨＦ3を用いた方法によるエッチング結果を示す断面写真図であり、図３Ａ〜ＣはＣＨ2Ｆ2を用いた方法によるエッチング結果を示す断面写真図である。ここではＳｉＮｘ、ＳｉＯ2、Ｓｉについて夫々直径０．６μｍのホールをエッチング形成した時の結果を示している。図中においてセンターは、ホールの位置がウエハの表面の略中央にある場合を示し、エッジは、ホールの位置が上表面の周辺部分にある場合を示す。また、各写真にエッチングタイムとエッチングレートとを併記してある。
図２Ａ〜Ｃに示すＣＨＦ3を用いた方法のプロセス条件に関し、プロセス圧を４０ｍＴｏｒｒ、ＲＦパワーを５００Ｗとした。処理ガスに関し、ＣＨＦ3／Ａｒ／Ｏ2を夫々２０／１００／２０ｓｃｃｍの流量とした。また、処理室内の上部電極及び側壁の温度を６０℃、下部電極の温度を２０℃とした。
図３Ａ〜Ｃに示すＣＨ2Ｆ2を用いた方法のプロセス条件に関し、プロセス圧を４０ｍＴｏｒｒ、ＲＦパワーを５００Ｗとした。エッチングガスに関し、ＣＨ2Ｆ2／Ａｒ／Ｏ2を夫々２０／１００／２０ｓｃｃｍの流量とした。また、処理室内の上部電極及び側壁の温度を６０℃で、下部電極の温度を２０℃とした。従って、両方法は、エッチングガスがＣＨＦ3であるか、ＣＨ2Ｆ2であるかの点でのみ異なっている。
図２Ａ〜Ｃに示すようにＣＨＦ3を用いた方法において、ＳｉＮｘに対するエッチングレートは、ＳｉＯ2、Ｓｉに対するエッチングレートに比べて高くなった。これらエッチングレートを平均すると、ＳｉＮｘに対しては２５１．７ｎｍ／ｍｉｎ、ＳｉＯ2に対しては１１８．９ｎｍ／ｍｉｎ、Ｓｉに対しては９４．０ｎｍ／ｍｉｎであった。従って、ＳｉＯ2及びＳｉ夫々に対するＳｉＮｘの選択比は、略２．１及び略２．７であった。
これに対して、図３Ａ〜Ｃに示すようにＣＨ2Ｆ2を用いた方法においては、ＳｉＮｘに対するエッチングレートはＣＨＦ3を用いた方法と同様に大きいが、ＳｉＯ2、Ｓｉに対するエッチングレートがかなり低くなった。これらエッチングレートを平均すると、ＳｉＮｘに対しては２５２．９ｎｍ／ｍｉｎ、ＳｉＯ2に対しては６５．３ｎｍ／ｍｉｎ、Ｓｉに対しては３８．３ｎｍ／ｍｉｎであった。従って、ＳｉＯ2及びＳｉ夫々に対するＳｉＮｘの選択比は、略３．９及び略６．６であった。
このように、ＣＨ2Ｆ2を用いた方法においては、ＳｉＯ2及びＳｉ夫々に対するＳｉＮｘの選択比をＣＨＦ3を用いた方法の略２倍に向上させることができた。しかし、面内均一性は、この実験条件において、ＣＨ2Ｆ2を用いた方がＣＨＦ3を用いた場合に比べて幾分低下した。
次に、本発明のエッチング方法におけるＳｉＯ2に対するＳｉＮｘの選択性と面内均一性との関係を、実験結果に基づいて説明する。
図５〜図７は、種々のパラメータと選択性（ＳｉＮｘ／ＳｉＯ2）及び面内均一性との関係を調べた結果を示すグラフである。図５〜図７において、「Ｓｅｌ．」及び「Ｕｎｉ．」は夫々選択性（ＳｉＮｘ／ＳｉＯ2）及び面内均一性を示す。「Ｓｅｌ．」は選択比そのものを表すため、数値が大きいほど特性が良好となり、「Ｕｎｉ．」はウエハの中央部分と周辺部分とのエッチング加工寸法の差を表すため、数値（絶対値）が小さいほど特性が良好となる、
図５〜図７に関する実験において、次の３つのパラメータ、即ち、ＣＨ2Ｆ2ガスとＯ2ガスとの混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）と、処理室１６内の処理圧力と、混合ガス（ＣＨ2Ｆ2ガス＋Ｏ2ガス）とＡｒキャリアガスとの混合比（混合ガス／キャリアガス）と、に注目した。なお、これら実験において、共通条件として、ＲＦパワーを５００Ｗ、処理室内の上部電極及び側壁の温度を６０℃、下部電極の温度を２０℃とした。
図５は混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）と選択比（ＳｉＮｘ／ＳｉＯ2）及び面内均一性との関係を示す。この実験では、処理圧力を１００ｍＴｏｒｒ、Ａｒキャリアガスの流量を０（ゼロ）ｓｃｃｍとした。図５図示の如く、混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）が０．２〜０．６において、選択比が４．５以上、均一性が±７．０％以内という従来の方法に比べて選択比及び均一性のバランスがとれた条件が得られた。この範囲において、選択比は混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）が低くなるほど良好となり、逆に、均一性は混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）が高くなるほど良好となった。また，混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）が０．３〜０．５において、選択比が５．０以上、均一性が±６．０％以内という望ましい値が得られ、更に、混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）が０．３〜０．４において、選択比が５．０以上、均一性が±５．０％以内というより望ましい値が得られた。
図６は処理圧力と選択比（ＳｉＮｘ／ＳｉＯ2）及び面内均一性との関係を示す。この実験では、ＣＨ2Ｆ2ガス、Ｏ2ガス及びＡｒキャリアガスの流量を夫々６０ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍ、及び０（ゼロ）ｓｃｃｍとした。図６図示の如く、処理圧力が５０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒにおいて、選択比が４．３以上、均一性が±７．０％以内という従来の方法に比べて選択比及び均一性のバランスがとれた条件が得られた。この範囲において、選択比及び均一性は共に処理圧力が高くなるほど良好となった。また、処理圧力が６５ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒにおいて均一性が±５．０％以内という望ましい値が得られた。
図７は混合比（混合ガス／キャリアガス）と選択比（ＳｉＮｘ／ＳｉＯ2）及び面内均一性との関係を示す。この実験では、処理圧力を４０ｍＴｏｒｒ、
混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）を１とした。図７図示の如く、混合比（混合ガス／キャリアガス）が１．３以上において、選択比が３．５以上、均一性が±７．０％以内という従来の方法に比べて選択比及び均一性のバランスがとれた条件が得られた。この範囲において、選択比及び均一性は共に混合比（混合ガス／キャリアガス）が高くなるほど良好となった。なお、図５及び図６図示の如く、キャリアガスはない場合にも良好な結果が得られ、これらから、処理ガスにおける混合ガスの割合は容積比で約５５％〜１００％が望ましい範囲であることが判明した。
実験の結果を整理すると、上述の３つのパラメータと選択性（ＳｉＮｘ／ＳｉＯ2）及び面内均一性との概略的な関係は表１及び表２の様なものとなる。
即ち、シリコン窒化物から基本的になる第１層と、シリコン若しくはシリコン酸化物から基本的になる第２層とが配設された表面を有する被処理基板を、プラズマエッチング装置においてプラズマエッチングする方法であって、
前記第２層に対する前記第１層のエッチング選択比の設定値と、前記被処理基板の中央部分と周辺部分との加工寸法の差で規定されるエッチングの面内均一性の設定値と、に基づいて前記エッチング装置を設定する工程と、
前記被処理基板を前記エッチング装置の処理室内に収納する工程と、
前記処理室内を排気しながら、前記処理室内に処理ガスを導入する工程と、前記処理ガスはＣＨ2Ｆ2ガスとＯ2ガスとの混合ガスを容積比で５５％〜１００％具備することと、前記ＣＨ2Ｆ2ガスと前記Ｏ2ガスとの第１混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）は容積比で０．２〜０．６であることと、
前記処理室内を５０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒの第１圧力に維持しながら、前記処理ガスを放電させてプラズマに転化する工程と、
前記プラズマを用いて前記第２層に対して前記第１層を優先的にエッチングする工程と、
ここで、前記面内均一性の設定値に基づいて前記エッチング装置を設定するための均一性用パラメータが前記第１圧力及び前記第１混合比を具備し、前記面内均一性の設定値が厳しいほど、前記第１圧力及び前記第１混合比のいずれか一つを高くすることと、
を具備する。
前記第１圧力の望ましい値は６５ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒである。前記第１混合比の望ましい値は０．３〜０．５で、より望ましい値は０．３〜０．４である。
前記処理ガスはＡｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｎ2からなる群から選択された不活性ガスからなるキャリアガスを更に具備することができる。この場合、前記均一性用パラメータは、前記混合ガスと前記キャリアガスとの第２混合比（混合ガス／キャリアガス）を更に具備することができる。前記面内均一性の設定値が厳しいほど、前記第１圧力、前記第１混合比、及び前記第２混合比のいずれか一つを高くする。
また、前記選択比の設定値に基づいて前記エッチング装置を設定するための選択比用パラメータも、前記第１圧力及び前記第１混合比を具備することができる。この場合、前記選択比の設定値が高いほど、前記第１圧力を高くするか、前記第１混合比を低くする。
前記選択比用パラメータも前記混合ガスと前記キャリアガスとの第２混合比（混合ガス／キャリアガス）を更に具備することができる。前記選択比の設定値が厳しいほど、前記第１圧力及び前記第２混合比のいずれか一つを高くするか、前記第１混合比を低くする。
前記処理ガスを放電させてプラズマに転化する工程において、前記被処理基板の温度を制御するため、前記被処理基板は−３０℃〜３０℃の範囲の温度に設定された載置台上に載置されることが望ましい。
前記第２層はシリコン酸化物から基本的になることが望ましい。例えば、コンタクトホールを形成する場合、前記第２層が、シリコン酸化物から基本的になり且つ前記第１層の上に配設された層間絶縁膜と、シリコン酸化物から基本的になり且つ前記第１層の下に配設されたフィールド酸化膜と、を具備する。この場合、本発明の方法は、前記処理室内に前記処理ガスを導入する工程前に、前記処理室内を排気しながら、前記処理室内にＣ4Ｆ8を含む別の処理ガスを導入し、前記別の処理ガスをプラズマに転化することにより、前記層間絶縁膜のプラズマエッチングを行い、前記第１層に到達するホールを前記層間絶縁膜に形成する工程を更に具備する。
また、前記記プラズマを用いて前記第２層に対して前記第１層を優先的にエッチングする工程において、前記プラズマを閉じ込めるように、前記被処理基板の前記表面に対して略平行となる回転磁界を前記処理室内に形成することが望ましい。
なお、上記実施の形態では、処理空間Ｓに回転磁界を付与してプラズマ密度を向上させた、いわゆるダイポール型の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置を例にとって説明した。しかし、本発明は、プラズマ処理装置の種類には限定されず、どのような形式の装置にも適用できる。例えば上部電極のみに高周波電圧を印加した型式のプラズマエッチング装置、上下電極の双方に高周波電圧を印加した型式のプラズマエッチング装置、或いは、マイクロ波によりプラズマを発生させる型式のプラズマエッチング装置にも適用することができる。また、上記実施の形態では、被処理体として半導体ウエハをエッチングする場合を例にとって説明したが、本発明は、例えばガラス基板やＬＣＤ基板等に成膜する場合にも適用し得る。
Claims (15)
- シリコン窒化物から基本的になる第１層と、シリコン若しくはシリコン酸化物から基本的になる第２層とが配設された表面を有する被処理基板を、プラズマエッチング装置においてプラズマエッチングする方法であって、
前記第２層に対する前記第１層のエッチング選択比の設定値と、前記被処理基板の中央部分と周辺部分との加工寸法の差で規定されるエッチングの面内均一性の設定値と、に基づいて前記エッチング装置を設定する工程と、
前記被処理基板を前記エッチング装置の処理室内に収納する工程と、
前記処理室内を排気しながら、前記処理室内に処理ガスを導入する工程と、前記処理ガスはＣＨ2Ｆ2ガスとＯ2ガスとの混合ガスを容積比で５５％〜１００％具備することと、前記ＣＨ2Ｆ2ガスと前記Ｏ2ガスとの第１混合比（ＣＨ2Ｆ2／Ｏ2）は容積比で０．２〜０．６であることと、
前記処理室内を５０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒの第１圧力に維持しながら、前記処理ガスを放電させてプラズマに転化する工程と、
前記プラズマを用いて前記第２層に対して前記第１層を優先的にエッチングする工程と、
ここで、前記面内均一性の設定値に基づいて前記エッチング装置を設定するための均一性用パラメータが前記第１圧力及び前記第１混合比を具備し、前記面内均一性の設定値が厳しいほど、前記第１圧力及び前記第１混合比のいずれか一つを高くすることと、
を具備する方法。 - 前記第１圧力が６５ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒである請求項１に記載の方法。
- 前記第１混合比が０．３〜０．５である請求項１に記載の方法。
- 前記第１混合比が０．３〜０．４である請求項３に記載の方法。
- 前記処理ガスが不活性ガスからなるキャリアガスを更に具備する請求項１に記載の方法。
- 前記均一性用パラメータが、前記混合ガスと前記キャリアガスとの第２混合比（混合ガス／キャリアガス）を更に具備し、前記面内均一性の設定値が厳しいほど、前記第１圧力、前記第１混合比、及び前記第２混合比のいずれか一つを高くする請求項５に記載の方法。
- 前記キャリアガスがＡｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｎ2からなる群から選択される請求項５に記載の方法。
- 前記選択比の設定値に基づいて前記エッチング装置を設定するための選択比用パラメータが前記第１圧力及び前記第１混合比を具備し、前記選択比の設定値が高いほど、前記第１圧力を高くするか、前記第１混合比を低くする請求項１に記載の方法。
- 前記処理ガスが不活性ガスからなるキャリアガスを更に具備する請求項８に記載の方法。
- 前記選択比用パラメータが前記混合ガスと前記キャリアガスとの第２混合比（混合ガス／キャリアガス）を更に具備し、前記選択比の設定値が厳しいほど、前記第１圧力及び前記第２混合比のいずれか一つを高くするか、前記第１混合比を低くする請求項９に記載の方法。
- 前記キャリアガスがＡｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｎ2からなる群から選択される請求項９に記載の方法。
- 前記処理ガスを放電させてプラズマに転化する工程において、前記被処理基板の温度を制御するため、前記被処理基板が−３０℃〜３０℃の範囲の温度に設定された載置台上に載置される請求項１に記載の方法。
- 前記第２層がシリコン酸化物から基本的になる請求項１に記載の方法。
- 前記第２層が、シリコン酸化物から基本的になり且つ前記第１層の上に配設された層間絶縁膜と、シリコン酸化物から基本的になり且つ前記第１層の下に配設されたフィールド酸化膜と、を具備し、
前記方法が、前記処理室内に前記処理ガスを導入する工程前に、前記処理室内を排気しながら、前記処理室内にＣ4Ｆ8を含む別の処理ガスを導入し、前記別の処理ガスをプラズマに転化することにより、前記層間絶縁膜のプラズマエッチングを行い、前記第１層に到達するホールを前記層間絶縁膜に形成する工程を更に具備する請求項１３に記載の方法。 - 前記プラズマを用いて前記第２層に対して前記第１層を優先的にエッチングする工程において、前記プラズマを閉じ込めるように、前記被処理基板の前記表面に対して略平行となる回転磁界を前記処理室内に形成する請求項１に記載の方法。
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