JP5712653B2 - プラズマエッチング方法 - Google Patents
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Description
本発明は、レジストマスク、シリコンと窒素とを含む中間膜及びシリコン層が上方側から積層された基板に対して処理ガスのプラズマを供給し、前記シリコン膜をエッチングして凹部を形成するプラズマエッチング方法に関する。
近年におけるデバイス構造の３次元化に伴って、集積回路の実装された例えば半導体ウエハなどの基板（以下「ウエハ」と言う）同士を立体的に集積し、各々のウエハ内に埋め込まれた配線金属により互いに隣接するウエハ同士を電気的に接続する構造が検討されている。この場合、各々のウエハには、配線金属を当該ウエハに埋め込むためのホールなどの凹部がプラズマエッチング処理により形成される。このようなウエハは、具体的には前記凹部の形成される例えば単結晶シリコン（Ｓｉ）層と、当該シリコン層の上方に積層されると共に凹部のパターンに対応するようにパターニングされたレジストマスクとを備えている。そして、これらシリコン層とレジストマスクとの間には、凹部に配線金属を埋め込んだ後に余剰な配線金属を除去するために行われる例えばＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｃｉｎｇ）工程において、終点検出用のストッパ膜として用いるために、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜などのシリコンを含む中間膜が介在している。従って、この中間膜に対してエッチングを行ってシリコン層を露出させた後、当該シリコン層のエッチング処理が行われる。
ここで、前記凹部は、例えば１０μｍ程度の大きさの開口径に対して１００μｍもの深さ寸法に形成される場合がある。従って、例えばフッ化硫黄（ＳＦ６）ガスや酸素（Ｏ２）ガスなどを含む処理ガスのプラズマによりシリコン層がエッチングされる間に亘って、当該プラズマに窒化シリコン膜の側壁が曝されることになる。そのため、窒化シリコン膜が側方側（凹部側）からサイドエッチングされて、凹部の周囲においてレジストマスクとシリコン膜との間に空隙が形成されてしまう場合がある。この空隙が形成されると、その後の工程において当該空隙に配線金属が入り込み、リーク電流が大きくなるなど、所望のデバイスの特性が得られなくなる。
特許文献１には、例えばＣ４Ｆ８ガスのプラズマを用いてフォトレジスト膜１０２の側壁に保護膜１０３を形成して、アンダーカットの発生を抑制する技術について記載されている。しかし、このようなＣＦガスを用いた場合には、堆積物（保護膜１０３）の形成効率が悪くスループットの低下を招いてしまうし、処理チャンバー１の内壁面に付着した付着物によって、処理チャンバー１において続いて行われる処理に悪影響を及ぼしてしまうおそれがある。
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、レジストマスク、シリコンと窒素とを含む中間膜及びシリコン層が上方側からこの順番で積層された基板に対して、レジストマスクのパターンを介してプラズマエッチング処理を行ってシリコン層に凹部を形成するにあたり、前記中間膜のサイドエッチングの発生を抑えることのできるプラズマエッチング方法を提供することにある。
本発明のプラズマエッチング方法は、
基板の表面に形成されたレジストマスクの下方に位置する、シリコン及び窒素を含む中間膜を処理ガスによりエッチングして、前記中間膜の下方に位置するシリコン層を露出させる第１の工程と、
次いで塩素ガスを基板に供給し、前記レジストマスク及び中間膜の開口部の側壁に反応生成物を付着させる第２の工程と、
その後、イオウとフッ素との化合物を含む処理ガスを用いて前記シリコン層における前記開口部に対応する部位をエッチングして凹部を形成する第３の工程と、を含むことを特徴とする。
基板の表面に形成されたレジストマスクの下方に位置する、シリコン及び窒素を含む中間膜を処理ガスによりエッチングして、前記中間膜の下方に位置するシリコン層を露出させる第１の工程と、
次いで塩素ガスを基板に供給し、前記レジストマスク及び中間膜の開口部の側壁に反応生成物を付着させる第２の工程と、
その後、イオウとフッ素との化合物を含む処理ガスを用いて前記シリコン層における前記開口部に対応する部位をエッチングして凹部を形成する第３の工程と、を含むことを特徴とする。
前記第２の工程は、3E-6Ｐａ〜7E-4Ｐａ（３×１０−６Ｐａ〜７×１０−４Ｐａ）の圧力雰囲気下で行っても良い。
また、前記基板は１２インチウエハであり、
前記第２の工程は、基板に対向する対向面に多数のガス供給孔が形成されたガスシャワーヘッドから塩素ガスを供給すると共に、塩素ガスの供給流量を50ｓｃｃｍ〜1000ｓｃｃｍに設定して行っても良い。
更に、前記第２の工程は、前記第３の工程において前記シリコン層に凹部を形成した時に、前記イオウとフッ素との化合物を含む処理ガスによって反応生成物が除去されるように膜厚を調整して反応生成物を付着させる工程であっても良い。
また、前記基板は１２インチウエハであり、
前記第２の工程は、基板に対向する対向面に多数のガス供給孔が形成されたガスシャワーヘッドから塩素ガスを供給すると共に、塩素ガスの供給流量を50ｓｃｃｍ〜1000ｓｃｃｍに設定して行っても良い。
更に、前記第２の工程は、前記第３の工程において前記シリコン層に凹部を形成した時に、前記イオウとフッ素との化合物を含む処理ガスによって反応生成物が除去されるように膜厚を調整して反応生成物を付着させる工程であっても良い。
本発明は、レジストマスクの下方に位置するシリコン及び窒素を含む中間膜をエッチングして、当該中間膜の下方に位置するシリコン層を露出させた後、塩素ガスを基板に供給して、中間膜の開口部の側壁に反応生成物を付着させている。そのため、シリコン層に対してイオウとフッ素との化合物を含む処理ガスを供給して前記開口部に対応する部位をエッチングして凹部を形成する時に、前記反応生成物が中間膜の側壁の保護膜として機能するので、当該中間膜のサイドエッチングを抑えることができる。
［ウエハの構成及び本発明の概要］
本発明のプラズマエッチング方法の実施の形態の一例について、図１〜図１１を参照して説明する。先ず、このプラズマエッチング方法が適用される例えば１２インチサイズのウエハＷの構成の一例について説明する。このウエハＷは、図１に示すように、例えば単結晶シリコン（Ｓｉ）層１上に、例えば厚さ寸法ｔが１００μｍのシリコンと窒素（Ｎ）とを含む中間膜例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜２及び樹脂などからなるレジストマスク３が下側からこの順番で積層されて構成されている。このレジストマスク３には、開口径（直径寸法）Ｄ１が例えば１１．２μｍの円形の開口部１１が複数箇所にパターニングされており、後述するように、各々の開口部１１に対応する位置において、下層側の窒化シリコン膜２及びシリコン層１に対して、処理ガスのプラズマにより例えば１００μｍもの深さを持つホールなどの凹部１２が形成される。そして、本発明では、シリコン層１に対して凹部１２を形成する時に、窒化シリコン膜２が側方側（凹部１２側）からサイドエッチングされないように、あるいは窒化シリコン膜２のサイドエッチングが抑えられるように、当該窒化シリコン膜２の側壁に保護膜（付着物１３）を形成している。尚、図１ではウエハＷ上における一つの開口部１１付近の領域を拡大して示している。
本発明のプラズマエッチング方法の実施の形態の一例について、図１〜図１１を参照して説明する。先ず、このプラズマエッチング方法が適用される例えば１２インチサイズのウエハＷの構成の一例について説明する。このウエハＷは、図１に示すように、例えば単結晶シリコン（Ｓｉ）層１上に、例えば厚さ寸法ｔが１００μｍのシリコンと窒素（Ｎ）とを含む中間膜例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜２及び樹脂などからなるレジストマスク３が下側からこの順番で積層されて構成されている。このレジストマスク３には、開口径（直径寸法）Ｄ１が例えば１１．２μｍの円形の開口部１１が複数箇所にパターニングされており、後述するように、各々の開口部１１に対応する位置において、下層側の窒化シリコン膜２及びシリコン層１に対して、処理ガスのプラズマにより例えば１００μｍもの深さを持つホールなどの凹部１２が形成される。そして、本発明では、シリコン層１に対して凹部１２を形成する時に、窒化シリコン膜２が側方側（凹部１２側）からサイドエッチングされないように、あるいは窒化シリコン膜２のサイドエッチングが抑えられるように、当該窒化シリコン膜２の側壁に保護膜（付着物１３）を形成している。尚、図１ではウエハＷ上における一つの開口部１１付近の領域を拡大して示している。
次に、既述の付着物１３を形成する工程を含むプラズマエッチング方法について図２〜図１１を参照して説明する。尚、プラズマエッチング工程を実施する装置は、公知のプラズマ装置を用いることができるため、この装置の一例については後述することとする。プラズマエッチング工程は、以下に詳述するように、窒化シリコン膜２をエッチングする第１の工程（ステップＳ１）、シリコン層１を僅かに（例えば１μｍ程度）エッチングしながら窒化シリコン膜２の側壁に保護膜を形成する第２の工程（ステップＳ２）及びシリコン層１に対してエッチングを行って例えば１００μｍもの深さの凹部１２を形成する第３の工程（ステップＳ３）によって構成されている。尚、前記保護膜を形成する工程においてシリコン層１のエッチングにより形成される領域についても、「凹部１２」の用語を用いる。
［ステップＳ１：窒化シリコン膜のエッチング工程］
先ず、窒化シリコン膜２に対してエッチング処理を行う。具体的には、ウエハＷの置かれる処理雰囲気（後述の処理容器５０内）を真空雰囲気に設定すると共に、ＳＦ６（フッ化硫黄）ガスとＯ２（酸素）ガスとを含む処理ガスのプラズマをウエハＷに供給する。このプラズマによって、図３に示すように、レジストマスク３を介して窒化シリコン膜２がエッチングされて下層側のシリコン層１が露出する。尚、前記プラズマによってレジストマスク３についてもエッチングされているが、レジストマスク３に対する窒化シリコン膜２のエッチング選択比がかなり大きいため、図３では図示を省略している。以降の図４〜図１０についても同様である。
先ず、窒化シリコン膜２に対してエッチング処理を行う。具体的には、ウエハＷの置かれる処理雰囲気（後述の処理容器５０内）を真空雰囲気に設定すると共に、ＳＦ６（フッ化硫黄）ガスとＯ２（酸素）ガスとを含む処理ガスのプラズマをウエハＷに供給する。このプラズマによって、図３に示すように、レジストマスク３を介して窒化シリコン膜２がエッチングされて下層側のシリコン層１が露出する。尚、前記プラズマによってレジストマスク３についてもエッチングされているが、レジストマスク３に対する窒化シリコン膜２のエッチング選択比がかなり大きいため、図３では図示を省略している。以降の図４〜図１０についても同様である。
［ステップＳ２：保護膜の形成工程］
次いで、窒化シリコン膜２の側壁に保護膜を形成する。具体的には、前記処理ガスを排気した後、処理雰囲気の真空度を６．６７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）〜１３．３３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）この例では６．６７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）に設定すると共に、処理ガス（エッチングガス）として塩素（Ｃｌ２）ガスを２００ｓｃｃｍ以上の流量この例では４００ｓｃｃｍで前記処理雰囲気に供給する。そして、この処理ガスにプラズマ発生用の高周波電力を印加すると共に、ウエハＷに対してバイアス用の高周波電力を印加すると、処理ガスは、図４に示すように、プラズマ化（イオン化）されてウエハＷに向かって引き込まれていく。尚、後述の平行平板型プラズマ装置を用いる場合、平行平板電極間にプラズマ発生用の高周波電力が印加され、下部電極にバイアス用の高周波電力が印加されることになる。この塩素イオンがシリコン層１に接触すると、当該シリコン層１は開口部１１に対応するように極めて僅かにエッチングされて凹部１２が形成されていく。
次いで、窒化シリコン膜２の側壁に保護膜を形成する。具体的には、前記処理ガスを排気した後、処理雰囲気の真空度を６．６７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）〜１３．３３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）この例では６．６７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）に設定すると共に、処理ガス（エッチングガス）として塩素（Ｃｌ２）ガスを２００ｓｃｃｍ以上の流量この例では４００ｓｃｃｍで前記処理雰囲気に供給する。そして、この処理ガスにプラズマ発生用の高周波電力を印加すると共に、ウエハＷに対してバイアス用の高周波電力を印加すると、処理ガスは、図４に示すように、プラズマ化（イオン化）されてウエハＷに向かって引き込まれていく。尚、後述の平行平板型プラズマ装置を用いる場合、平行平板電極間にプラズマ発生用の高周波電力が印加され、下部電極にバイアス用の高周波電力が印加されることになる。この塩素イオンがシリコン層１に接触すると、当該シリコン層１は開口部１１に対応するように極めて僅かにエッチングされて凹部１２が形成されていく。
ここで、シリコン層１が塩素ガスのプラズマによりエッチングされると、シリコンと塩素とを含む反応生成物である塩化シリコン（ＳｉＣｌ４）が生成して、レジストマスク３、窒化シリコン膜２及び当該シリコン層１における凹部１２の側壁に付着物１３として付着（堆積）する。この付着物１３は、図５及び図６に示すように、シリコン層１及び窒化シリコン膜２よりもエッチングされにくい。そのため、この付着物１３は、当該付着物１３の付着工程に続いて行われるシリコン層１のエッチング工程において、窒化シリコン膜２の保護膜として機能することになる。尚、図５及び図６において、縦軸は各種の膜（Ｓｉ膜、フォトレジスト膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯ２膜及びＳｉＣｌ４膜）を夫々エッチングした時のエッチング量（膜厚）、横軸は各膜をエッチングしたエッチング時間を示している。また、図６は、図５における縦軸の下側（ゼロ）付近を拡大したグラフである。
この時、付着物１３の付着工程が進行するにつれて、シリコン層１に形成される凹部１２の開口径Ｄ１が徐々に狭まっていくことになる。微視的な説明になるが、シリコン層１が極僅かにエッチングされた状態では、図７に示すように、凹部１２は、例えばレジストマスク３の開口部１１と概略同じ寸法に形成される。そして、このエッチングによって凹部１２の側壁に付着物１３が付着すると、この付着物１３は、ウエハＷ側に引き込まれて来る塩素イオン（プラズマ）に対して障壁となる。そのため、シリコン層１は、図８に示すように、シリコン層１の凹部１２の内壁面に周方向に亘って付着した付着物１３をマスクとして、前記塩素イオンによってエッチングされることになる。尚、図７及び図８は、レジストマスク３の開口部１１付近を拡大して模式的に示しており、開口部１１の深さ寸法については誇張して大きく描画している。
続いて、新たに露出した凹部１２の内壁面に再度付着物１３が付着し、この付着物１３をマスクとしてシリコン層１が更にエッチングされ、こうして付着物１３の付着工程が進行するに従って凹部１２の開口径Ｄ１が徐々に狭まっていく。そのため、この付着物１３の付着工程によって形成された凹部１２の下端の開口径に符号「Ｄ２」を付すと、シリコン層１の上端位置には、既述の図４に示したように、上方側から下方側に向かって開口径がＤ１からＤ２に緩やかに縮径するテーパー面１４が周方向に亘って形成される。
そして、この付着物１３の幅寸法（厚さ寸法）ｕが例えば０．６μｍ程度となるまで、例えば２分間に亘って付着物１３の付着工程を続けると、レジストマスク３からシリコン層１のテーパー面１４に亘って、開口部１１及び凹部１２の内周面に付着物１３が付着、堆積する。この時、塩素ガスのプラズマによりエッチングされたシリコン層１の深さ寸法ｈ１は、例えば１μｍとなる。また、既述の開口径Ｄ２は、例えば１０μｍとなる。前記シリコン層１は塩素イオンによって異方性高くエッチングされるため、当該シリコン層１は側方側からのサイドエッチングが抑えられる。
ここで、付着物１３の幅寸法ｕは次の観点から設定される。既述の図５及び図６に示したように、シリコン及び塩素を含む付着物１３は、窒化シリコン膜２やシリコン層１よりもエッチングされにくいが、僅かにエッチングされる。そのため、窒化シリコン膜２の側壁に付着させた付着物１３について、続いて行われるシリコン層１のエッチング工程の途中において除去（エッチング）されてしまうと、窒化シリコン膜２の保護作用が良好に得られないおそれがある。一方、シリコン層１のエッチング工程が終了した後に窒化シリコン膜２の側壁に付着物１３が残ったままになると、更にその後に行われる工程において凹部１２内に配線金属を埋め込みにくくなったり、あるいは当該配線金属の電気抵抗の増大の要因となってしまうおそれもある。そこで、本発明では、シリコン層１のエッチング工程が終了した時に、この例では凹部１２の深さ寸法ｈ２が既述の１００μｍ程度となった時に、窒化シリコン膜２の側壁の付着物１３がエッチングによって除去されるように、あるいは付着物１３がほとんど残らないように、当該付着物１３の幅寸法ｕを設定する、または付着物１３を除去するプロセスを追加する。
具体的には、図５及び図６に示すように、シリコン層１のエッチング工程の処理ガス（エッチングガス）を用いて、シリコン層１及び付着物１３（ＳｉＣｌ４）をエッチングして、これらシリコン層１及び付着物１３の各々において単位時間あたりのエッチング量（膜厚）を予め測定しておく。そして、シリコン層１に形成する凹部１２の深さ寸法ｈ２（この例では１００μｍ）をエッチングするために要する時間を算出すると、この例では２０分となる。そのため、付着物１３は、シリコン層１のエッチング処理の間、２０分間に亘って残っている（２０分後に除去される）ことが好ましい。図６において、２０分間でエッチングされる付着物１３の膜厚がおよそ０．６μｍ程度であり、従って窒化シリコン膜２の側壁に形成する付着物１３の幅寸法ｕは０．６μｍとなる。
この時、後述の実施例に示すように、付着物１３の幅寸法ｕについて、窒化シリコン膜２の上端側から下端側にかけてばらつくことがある。具体的には、付着物１３の幅寸法ｕは、下端側よりも上端側において厚くなる場合がある。従って、窒化シリコン膜２の側壁に付着させる付着物１３の幅寸法ｕについて、窒化シリコン膜２のサイドエッチングをできるだけ抑えたい場合には、窒化シリコン膜２の上端側から下端側における付着物１３の幅寸法ｕの最小値が既述の０．６μｍあるいは０．６μｍ以上となるように設定する。一方、凹部１２の形成が完了した時に付着物１３ができるだけ残らないようにする場合には、窒化シリコン膜２の上端側から下端側における付着物１３の幅寸法ｕの最大値が既述の０．６μｍあるいは０．６μｍ以下となるように設定する。この時、既述のように、付着物１３の幅寸法ｕを既述のように設定することに代えて、あるいは幅寸法ｕを以上のように設定すると共に付着物１３を除去するプロセスを行っても良い。
［ステップＳ３：シリコン層１のエッチング工程］
次に、シリコン層１のエッチング工程について説明する。始めに、ウエハＷの置かれる処理雰囲気を排気して既述の塩素ガスを除去した後、真空雰囲気に設定された処理雰囲気において、図９に示すように、ＳＦ６ガス、ＳｉＦ４（フッ化シリコン）ガス、Ｏ２ガス及びＨＢｒ（臭化水素）ガスを含む処理ガスのプラズマ（ラジカル）をウエハＷに供給する。このプラズマにより、シリコン層１が下方側に向かってエッチングされると共に、レジストマスク３、窒化シリコン膜２及び凹部１２の側壁に付着した既述の付着物１３についても例えば側方側から僅かにエッチングされていく。この時、付着物１３が側方側からエッチングされるにつれて、既述のテーパー面１４の下端側（内周側）が露出する。そのため、テーパー面１４の下端側についても下方に向かってエッチングされるので、当該テーパー面１４は、シリコン層１のエッチング処理が進むにつれて、いわばテーパー角度が急峻になっていく。尚、シリコン層１がエッチングされていくにあたり、プラズマ中において、ＳＦ６ガス由来のフッ素、またはフッ素とイオウとを含むラジカル（活性種）が特に寄与していると考えられる。
次に、シリコン層１のエッチング工程について説明する。始めに、ウエハＷの置かれる処理雰囲気を排気して既述の塩素ガスを除去した後、真空雰囲気に設定された処理雰囲気において、図９に示すように、ＳＦ６ガス、ＳｉＦ４（フッ化シリコン）ガス、Ｏ２ガス及びＨＢｒ（臭化水素）ガスを含む処理ガスのプラズマ（ラジカル）をウエハＷに供給する。このプラズマにより、シリコン層１が下方側に向かってエッチングされると共に、レジストマスク３、窒化シリコン膜２及び凹部１２の側壁に付着した既述の付着物１３についても例えば側方側から僅かにエッチングされていく。この時、付着物１３が側方側からエッチングされるにつれて、既述のテーパー面１４の下端側（内周側）が露出する。そのため、テーパー面１４の下端側についても下方に向かってエッチングされるので、当該テーパー面１４は、シリコン層１のエッチング処理が進むにつれて、いわばテーパー角度が急峻になっていく。尚、シリコン層１がエッチングされていくにあたり、プラズマ中において、ＳＦ６ガス由来のフッ素、またはフッ素とイオウとを含むラジカル（活性種）が特に寄与していると考えられる。
こうして凹部１２の深さ寸法ｈ２が例えば１００μｍ程度となるまでシリコン層１のエッチング処理を行うと、図１０に示すように、レジストマスク３、窒化シリコン膜２及びシリコン層１の上端部に付着していた付着物１３が除去されるか、あるいはほとんどなくなる。そして、既述のテーパー面１４については、シリコン層１のエッチングが進むにつれて下端側（内周側）から上端側（外周側）に向かって徐々にプラズマに曝されることになるので、テーパー角度が一層急峻になって（垂直に近づいて）いき、例えば凹部１２の上下方向に亘ってテーパー面１４が形成される。この凹部１２の下端における開口径は、予め設計していた寸法Ｄ２例えば１０μｍとなっている。従って、レジストマスク３の開口部１１の開口径Ｄ１は、付着物１３の幅寸法ｕの分（０．６μｍ×２）だけ大きく設計され、この例では１０μｍ＋０．６μｍ×２＝１１．２μｍとなる。
［その後の工程］
シリコン層１をエッチングした後、例えばレジストマスク３をＯ２ガスを含む処理ガスのプラズマによってアッシングし、次いでウエハＷの表面の洗浄を行う。続いて、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法や電解メッキあるいは無電解メッキなどにより、凹部１２内に例えば銅（Ｃｕ）などの配線金属１５を埋め込む。しかる後、図１１に示すように、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｃｉｎｇ）加工により、ウエハＷの表面に形成された余剰な配線金属１５を除去する。この時、窒化シリコン膜２がストッパ膜として作用して、当該窒化シリコン膜２の上端位置においてＣＭＰ加工の終点検出が行われる。
シリコン層１をエッチングした後、例えばレジストマスク３をＯ２ガスを含む処理ガスのプラズマによってアッシングし、次いでウエハＷの表面の洗浄を行う。続いて、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法や電解メッキあるいは無電解メッキなどにより、凹部１２内に例えば銅（Ｃｕ）などの配線金属１５を埋め込む。しかる後、図１１に示すように、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｃｉｎｇ）加工により、ウエハＷの表面に形成された余剰な配線金属１５を除去する。この時、窒化シリコン膜２がストッパ膜として作用して、当該窒化シリコン膜２の上端位置においてＣＭＰ加工の終点検出が行われる。
［エッチング装置］
続いて、以上の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の一例について、図１２を参照して簡単に説明する。この装置は、ウエハＷを載置するための下部電極をなす載置台３１と、この載置台３１に対向するように処理容器５０の上方側に設けられたガスシャワーヘッド３２を備えた下部２周波のエッチング装置として構成されている。図１２中３３ａ及び３３ｂは、載置台３１に各々整合器３４を介して接続されたプラズマ発生用の例えば周波数が４０ＭＨｚの高周波電源及びバイアス用の周波数が２ＭＨｚの高周波電源である。
続いて、以上の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の一例について、図１２を参照して簡単に説明する。この装置は、ウエハＷを載置するための下部電極をなす載置台３１と、この載置台３１に対向するように処理容器５０の上方側に設けられたガスシャワーヘッド３２を備えた下部２周波のエッチング装置として構成されている。図１２中３３ａ及び３３ｂは、載置台３１に各々整合器３４を介して接続されたプラズマ発生用の例えば周波数が４０ＭＨｚの高周波電源及びバイアス用の周波数が２ＭＨｚの高周波電源である。
また、この装置は、載置台３１上の静電チャック３１ａに保持されたウエハＷに対して、ガスシャワーヘッド３２の下面に多数箇所に形成されたガス供給孔３２ａを介して処理ガス供給源３５から処理ガスを供給すると共に、処理容器５０の床面側から真空ポンプ３６を介して当該処理容器５０内の雰囲気を真空排気するように構成されている。図１２において、３７はバルブなどを含む流量調整部、３８はバタフライバルブ、３９は載置台３１に設けられた温調流路である。また、図１２中、４０はウエハＷの搬送口、４１はゲートバルブである。
この装置において既述のプラズマエッチング処理を行う時には、当該装置の外部の搬送アームと、載置台３１の下方側に設けられた図示しない昇降ピンとの協働作用により、搬送口４０を介して載置台３１にウエハＷを載置する。次いで、処理容器５０内を真空排気して、処理容器５０内の雰囲気を処理圧力に調整すると共に、当該処理容器５０内に処理ガスを供給する。そして、プラズマ発生用の高周波電源３３ａ及びバイアス用の高周波電源３３ｂから例えば各々１５００Ｗの電力を載置台３１に供給して、処理ガスをプラズマ化すると共にプラズマをウエハＷ側に引き込む。こうして既述の窒化シリコン膜２やシリコン層１がエッチングされる。
上述の実施の形態によれば、窒化シリコン膜２をエッチングしてシリコン層１を露出させた後、塩素を含む処理ガスのプラズマ（イオン）を用いて当該シリコン層１を僅かにエッチングして、窒化シリコン膜２の側壁に塩素とシリコンとを含む付着物１３を付着させている。この時、付着物１３はシリコン層１よりもエッチングされにくい物質であり、また塩素イオンは異方性エッチングを行うプラズマである。そのため、シリコン層１に例えば１００μｍもの深さの凹部１２を形成する場合であっても、フッ素ラジカルによってエッチングされやすい窒化シリコン膜２についてサイドエッチングを抑えることができる。従って、凹部１２に埋め込まれる配線金属１５の上端位置の幅寸法を設計通りに形成でき、例えば互いに隣り合う配線金属１５、１５同士の短絡を防ぐことができる。そのため、リーク電流の増大などの特性の劣化を抑えることができる。
また、窒化シリコン膜２のサイドエッチングが抑えられることから、凹部１２の形状について、アンダーカット（凹部１２の開口径Ｄ１が上方側から下方側に向かうにつれて広がること）の発生を抑えて、上方側の開口径Ｄ１よりも下方側の開口径Ｄ２が狭いテーパー形状となるようにエッチングできるので、当該凹部１２に配線金属１５を容易に埋め込むことができる。
更に、レジストマスク３の開口部１１の開口径Ｄ１について、凹部１２の側壁に付着させる付着物１３の幅寸法ｕの分（詳しくは幅寸法ｕ×２の分）だけ、凹部１２の下端位置の開口径Ｄ２よりも大きくしているので、当該開口径Ｄ２を設計通りに形成できる。
更にまた、シリコン層１に凹部１２を形成した時に付着物１３がエッチングにより除去されるように、あるいはエッチングによってほとんど付着物１３が残らないように当該付着物１３の幅寸法ｕを設定している。そのため、例えば凹部１２の閉塞や配線金属１５の電気抵抗の増大などといった配線金属１５に対する悪影響を抑えることができる。
更に、レジストマスク３の開口部１１の開口径Ｄ１について、凹部１２の側壁に付着させる付着物１３の幅寸法ｕの分（詳しくは幅寸法ｕ×２の分）だけ、凹部１２の下端位置の開口径Ｄ２よりも大きくしているので、当該開口径Ｄ２を設計通りに形成できる。
更にまた、シリコン層１に凹部１２を形成した時に付着物１３がエッチングにより除去されるように、あるいはエッチングによってほとんど付着物１３が残らないように当該付着物１３の幅寸法ｕを設定している。そのため、例えば凹部１２の閉塞や配線金属１５の電気抵抗の増大などといった配線金属１５に対する悪影響を抑えることができる。
そして、窒化シリコン膜２の側壁に付着物１３を付着させる工程において、処理条件（処理圧力及び処理ガスの流量）を既述のように設定することにより、付着物１３を速やかに形成できる。また、このように処理条件を設定することにより、後述の実施例に示すように、付着物１３の高さ寸法ｋを大きく形成できるので、シリコン層１のエッチング工程において上方側からウエハＷに引き寄せられるプラズマに対して付着物１３に高い耐性を持たせることができる。
ここで、レジストマスク３とシリコン層１との間に積層される中間膜として、既述の例では窒化シリコン膜２を例に挙げて説明したが、この窒化シリコン膜２に代えて、シリコン層１のエッチング処理に用いられるプラズマ中のフッ素ラジカルによりエッチングされる化合物種例えばＳｉＣＮ膜などを用いても良い。また、このシリコンを含む膜（窒化シリコン膜２）に付着物１３を付着させるために用いる塩素を含む処理ガスとしては、既述の塩素ガスと共に希釈ガスとして、例えばAr（アルゴン）ガス、He（ヘリウム）ガス、O2（酸素）ガスなどを用いても良い。更に、既述の例では凹部１２をテーパー形状となるように形成したが、垂直となるように形成しても良い。更に、窒化シリコン膜２の側壁に付着物１３を付着させる工程は、処理圧力を3E-6Ｐａ〜7E-4Ｐａ（３×１０−６Ｐａ〜７×１０−４Ｐａ）に設定して行っても良いし、また塩素ガスの供給流量を５０〜１０００ｓｃｃｍに設定しても良い。
既述のエッチング装置としては、図１２の装置に代えて、下部１周波の装置あるいは上下２周波のプラズマエッチング装置を用いても良い。
既述のエッチング装置としては、図１２の装置に代えて、下部１周波の装置あるいは上下２周波のプラズマエッチング装置を用いても良い。
続いて、実際に図１２の装置を用いて既述の付着物１３を窒化シリコン膜２の側壁に付着させた実験について説明する。
（実験例１）
既述の図３の状態となるように窒化シリコン膜２をエッチングした３００ｍｍ（１２インチ）サイズのウエハＷに対して、塩素ガスを用いて、以下のように処理圧力を種々変えてプラズマエッチングを行った。処理圧力以外の処理条件は、各例において共通の条件であり、塩素ガスの流量については１００ｓｃｃｍに設定した。
（処理圧力）
実施例：６．６７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）、１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）
比較例：２．６７Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）
その結果、図１３に示すように、処理圧力が高くなる（真空度が低くなる）程、付着物１３の高さ寸法ｋが高くなり、６．６７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）以上の処理圧力では付着物１３の上端部がレジストマスク３の表面付近にまで到達していた。従って、既述のようにシリコン層１のエッチング時において付着物１３の良好なエッチング耐性を得るためには、処理圧力は６．６７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）以上であることが好ましいことが分かった。尚、図１３の下側には、上側に示したＳＥＭ（scanning electron microscope）写真を読み取って付着物１３と窒化シリコン膜２との境界を示した図を描画している。
（実験例１）
既述の図３の状態となるように窒化シリコン膜２をエッチングした３００ｍｍ（１２インチ）サイズのウエハＷに対して、塩素ガスを用いて、以下のように処理圧力を種々変えてプラズマエッチングを行った。処理圧力以外の処理条件は、各例において共通の条件であり、塩素ガスの流量については１００ｓｃｃｍに設定した。
（処理圧力）
実施例：６．６７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）、１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）
比較例：２．６７Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）
その結果、図１３に示すように、処理圧力が高くなる（真空度が低くなる）程、付着物１３の高さ寸法ｋが高くなり、６．６７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）以上の処理圧力では付着物１３の上端部がレジストマスク３の表面付近にまで到達していた。従って、既述のようにシリコン層１のエッチング時において付着物１３の良好なエッチング耐性を得るためには、処理圧力は６．６７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）以上であることが好ましいことが分かった。尚、図１３の下側には、上側に示したＳＥＭ（scanning electron microscope）写真を読み取って付着物１３と窒化シリコン膜２との境界を示した図を描画している。
（実験例２）
続いて、付着物１３を生成させる工程において、塩素ガスの流量を以下の表に示すように種々変えて実験を行った。そして、ウエハＷの中央（センター）と端部（エッジ）とにおいて、付着物１３の幅寸法ｕ及び高さ寸法ｋを各々測定した。この実験において、処理圧力を各々６．６７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）に設定すると共に、２分間に亘って各々エッチング処理を行った。尚、付着物１３の幅寸法ｕ及び高さ寸法ｋについては、図１４に示すように、夫々窒化シリコン膜２の上端位置における寸法及び当該付着物１３の上端位置から窒化シリコン膜２の上端位置までの間における寸法である。
（表）
続いて、付着物１３を生成させる工程において、塩素ガスの流量を以下の表に示すように種々変えて実験を行った。そして、ウエハＷの中央（センター）と端部（エッジ）とにおいて、付着物１３の幅寸法ｕ及び高さ寸法ｋを各々測定した。この実験において、処理圧力を各々６．６７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）に設定すると共に、２分間に亘って各々エッチング処理を行った。尚、付着物１３の幅寸法ｕ及び高さ寸法ｋについては、図１４に示すように、夫々窒化シリコン膜２の上端位置における寸法及び当該付着物１３の上端位置から窒化シリコン膜２の上端位置までの間における寸法である。
（表）
その結果、この表及び図１５に示すように、いずれの条件においても良好な付着物１３が得られた。付着物１３の幅寸法ｕについては、処理ガスの流量を増やす程厚くなっていることが分かった。そのため、付着物１３を速やかに得るためには、ガス流量が例えば８００ｓｃｃｍ以上であることが好ましい。尚、実験結果などの説明については省略するが、処理ガスの流量が２００ｓｃｃｍ以上であれば、各例と同様に付着物１３が得られる。
（実験例３）
また、既述の図１２のプラズマエッチング装置を用いて、プラズマ発生用の高周波電源３３ａ及びバイアス用の高周波電源３３ｂからウエハＷに対して各々供給する電力量を種々変えて付着物１３を付着させた。そして、この付着物１３について、ウエハＷの中央部側及び端部側において、幅寸法ｕ及び高さ寸法ｋを夫々測定した。その結果、図１６に示すように、各高周波電源３３ａ、３３ｂから供給する高周波電力を１０００Ｗ以上に設定することにより、良好な（幅寸法ｕが０．６μｍ以上の）付着物１３が生成することが分かった。また、これら高周波電源３３ａ、３３ｂの高周波電力が１０００Ｗ以上では、付着物１３の各寸法はほぼ同程度となっていた。尚、この実験において、各高周波電源３３ａ、３３ｂの一方の電力量を１０００Ｗあるいは１５００Ｗに設定するにあたり、他方の電力値については５０Ｗに設定した。
また、既述の図１２のプラズマエッチング装置を用いて、プラズマ発生用の高周波電源３３ａ及びバイアス用の高周波電源３３ｂからウエハＷに対して各々供給する電力量を種々変えて付着物１３を付着させた。そして、この付着物１３について、ウエハＷの中央部側及び端部側において、幅寸法ｕ及び高さ寸法ｋを夫々測定した。その結果、図１６に示すように、各高周波電源３３ａ、３３ｂから供給する高周波電力を１０００Ｗ以上に設定することにより、良好な（幅寸法ｕが０．６μｍ以上の）付着物１３が生成することが分かった。また、これら高周波電源３３ａ、３３ｂの高周波電力が１０００Ｗ以上では、付着物１３の各寸法はほぼ同程度となっていた。尚、この実験において、各高周波電源３３ａ、３３ｂの一方の電力量を１０００Ｗあるいは１５００Ｗに設定するにあたり、他方の電力値については５０Ｗに設定した。
Ｗ ウエハ
１ シリコン層
２ 窒化シリコン膜
３ レジストマスク
１１ 開口部
１２ 凹部
１３ 付着物
１４ テーパー面
１５ 配線金属
１ シリコン層
２ 窒化シリコン膜
３ レジストマスク
１１ 開口部
１２ 凹部
１３ 付着物
１４ テーパー面
１５ 配線金属
Claims (4)
- 基板の表面に形成されたレジストマスクの下方に位置する、シリコン及び窒素を含む中間膜を処理ガスによりエッチングして、前記中間膜の下方に位置するシリコン層を露出させる第１の工程と、
次いで塩素ガスを基板に供給し、前記レジストマスク及び中間膜の開口部の側壁に反応生成物を付着させる第２の工程と、
その後、イオウとフッ素との化合物を含む処理ガスを用いて前記シリコン層における前記開口部に対応する部位をエッチングして凹部を形成する第３の工程と、を含むことを特徴とするプラズマエッチング方法。 - 前記第２の工程は、３×１０−６Ｐａ〜７×１０−４Ｐａの圧力雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
- 前記基板は１２インチウエハであり、
前記第２の工程は、基板に対向する対向面に多数のガス供給孔が形成されたガスシャワーヘッドから塩素ガスを供給すると共に、塩素ガスの供給流量を５０ｓｃｃｍ〜１０００ｓｃｃｍに設定して行うことを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマエッチング方法。 - 前記第２の工程は、前記第３の工程において前記シリコン層に凹部を形成した時に、前記イオウとフッ素との化合物を含む処理ガスによって反応生成物が除去されるように膜厚を調整して反応生成物を付着させる工程であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載のプラズマエッチング方法。
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