JPH02105413A - プラズマエッチング処理方法 - Google Patents

プラズマエッチング処理方法

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JPH02105413A
JPH02105413A JP63256953A JP25695388A JPH02105413A JP H02105413 A JPH02105413 A JP H02105413A JP 63256953 A JP63256953 A JP 63256953A JP 25695388 A JP25695388 A JP 25695388A JP H02105413 A JPH02105413 A JP H02105413A
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博士 川上
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和典 辻本
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、プラズマエツチング処理方法及び処理装置に
係り、特に放電処理ガスとしてデポジションガスとエツ
チングガスとを交互に周期的に送給して、異なるガス雰
囲気中で交互にプラズマ処理するいわゆるガスチョッピ
ング、もしくはタイムモジュレーテッドエッチングに好
適なプラズマエツチング処理方法及び処理装置に関する
。
〔従来の技術〕
半導体ＬＳＩの微細化、高集積化に伴い、その製造プロ
セスにおけるエツチングガス加工技術もサブμｍレベル
となり極めて高精度の加工技術が要求されている。この
種の微細加工になると、加工口径ｒに対する加工深さｄ
の割合ｄ／ｒで表示されるアスペクト比が大きくなり、
このアスペクト比が大きいほどエツチング速度が小さく
なり、また、パターンサイズにより加工形状にも差が生
じてくる。
本発明者らは、この種の微細加工において、エツチング
速度のアスペクト比依存性を低減するため、マイクロ波
プラズマエツチング装置を用い、エツチングガスとして
ＳＦいデポジションガスとしてＣＣＱ４を用い、これら
のガスを順次数秒毎に交互に切替えて、ＳＦ、のプラズ
マ処理とＣＣＱ４のプラズマ処理とを周期的に行う方法
を提案した。この方法は時間的にガス種を切替えること
から通称ガスチョッピングあるいはタイムモジュレーテ
ッド（略してＴＭ）エツチング法と呼ばれているが、こ
れらのガスを同時に混合してプラズマ処理する方法に比
較してアスペクト比依存性の改善効果は顕著である。な
お、この種の技術に関しては、第３５回応用物理学関係
連合講演会、予稿集２８ｐ−Ｇ−５，１９８８年３月２
８日及び第１８回国体素子コンファレンス、第２２９〜
２３２頁、１９８６年（Ｔｈｅ　１８ｔｈ　（１９８６
Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ
ｏｎ　５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎ
ｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、　Ｔｏｋｙｏ。
１９８６、ρＰ、２２９−２３２）にて論じられている
。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来のＴＭエツチング法は、確かにアスペクト比依
存性がかなり改善されてきた。しかし、加工部のパター
ンサイズによりエツチング速度差が少なくなってきたと
は云え、その間隙が０，５μｍ程度であり、更に０．３
μ重以下という厳しい微細加工に至っては、まだ実用に
足る加工精度が得られていない、つまり、一般にマイク
ロローディング効果と呼ばれている加工寸法が狭いとこ
ろと広いところでのエツチング速度の差が依然として問
題である。この種の狭い間隙と、より広い間隙とから成
るパターンサイズの異なる加工領域を同一面に有する被
加工面を、それぞれの領域のエツチング速度差を可能な
限り少なくして同時にエツチング加工する、つまり、マ
イクロローディング効果を減じて加工する実用性のある
プラズマエッチング処理方法及び処理装置を実現するこ
とが当面の技術課題である。
本発明の目的は、上記課題を解決することにあり、その
第１の目的はマイクロローディング効果を減じて０．３
μｍ以下の微細加工を可能とする改良されたプラズマエ
ツチング処理方法を、そして第２の目的は改良されたプ
ラズマエツチング処理装置をそれぞれ提供することにあ
る。
〔課題を解決するための手段〕
上記第１の目的は、デポジションガスとエツチングガス
とを所定時間間隔で交互に切替えて周期的にガス交換を
しながらプラズマ処理するタイムモジュレーテッドプラ
ズマエッチング処理方法において、エツチングガス周期
に入る前にプラズマ発生のための電力を投入してプラズ
マ放電を開始し、エツチングガス周期のほぼ終点で遮断
し、引続き所定の放電停止期間をおいてデポジションガ
ス周期中に再度電力を投入し、ガス切替えの時間スケジ
ュールに合せてプラズマ発生の電力を周期的に投入する
ことを特徴とするプラズマエツチング処理方法により、
達成される。そして好ましくは上記エツチングガス周期
の少なくとも初期に所定時間、エツチングガス周期を越
えない範囲内で、高周波バイアス電力を被処理試料もし
くは、その周囲にエツチングガス周期と連動させて周期
的に投入することであり、また、上記デポジションガス
周期中におけるプラズマ発生のための電力の遮断停止期
間をｔとしたとき、プラズマ処理の停止された雰囲気中
の残留エツチングガス圧力ＶＥに対する全ガス圧力（Ｖ
２＋Ｖｏ）の比がただしＶｏはデポジションガス圧力 を少なくとも満足するに至る時間ｔとすることである。
上記、プラズマ発生のための電力は、マイクロ波電力が
好ましいが、必ずしもこれに限られず。
平行平板型の電極に高周波電力を投入してもよく、周知
のプラズマ発生源が使用可能であることは云うまでもな
い。
次に上記第２の目的は、被処理試料を保持する手段を内
蔵したプラズマ処理容器と、前記容器を真空排気する排
気手段と、前記容器内にプラズマを発生させる電力投入
手段と、同じく前記容器内に少なくともエツチングガス
とデポジションガスとを交互に時間的に切替えて周期的
に供給し得る少なくとも２系統のガス導入手段とを備え
たタイムモジュレーテッドプラズマ処理装置であって。
前記ガス導入手段にはそれぞれのガス流量に見合って順
次所定時間の周期で交互に切替え得るガス切替制御器を
接続すると共に前記ガス切替制御器のガス切替え周期に
連動させて前記プラズマを発生させる電力投入手段を周
期的にオン−オフ動作させる電力投入制御器とを具備し
て成ることを特徴とするプラズマエツチング処理装置に
より、達成される。そして好ましくは、上記被処理試料
もしくはその周囲に高周波バイアス電力を周期的に投入
する手段を設けると共に、前記周期的高周波電力投入の
オン−オフ制御を上記ガス切替制御器におけるエツチン
グガス周期と連動させて上記電力投入制御器で動作させ
る構成とすることである。
上記高周波電力投入時のオン−オフにおけるオフは、一
般に電力を完全に遮断することであるが。
場合によっては遮断の代りに高周波電源側に設けたイン
ピーダンスマツチング回路で電力の強弱を制御すること
でもよい。
また、上記プラズマを発生させる電力投入手段としては
、他の周知の手段でもよいが、実用上、マイクロ波電力
投入手段とすることが好ましい。
〔作用〕
一般に、エツチングガス導入によるエツチングとデポジ
ションガス導入によるデポジションを周期的に組合せて
プラズマエツチング処理を行うと、マスクパターンによ
り形成された被加工部の狭い間隙と広い間隙とにおける
エツチング速度差は少なくなる。つまり、エツチング速
度及びデポジション速度共に狭い間隙より広い間隙の方
が高くなり、これら両者の速度の高い領域つまり広い間
隙において１両者の相互作用が大きく働き、エツチング
速度が狭い間隙のそれに近づき、全体とじてのエツチン
グ速度差が小さくなる。しがし、これもマスクパターン
間隙が０．３μｍ以下という微細パターンになると単に
上記両ガスを交互に切替えるＴＭエツチングのみでは限
度があり、マイクロローディング効果を低減して被加工
面全体のエツチング速度をむら無く均一化することが困
難であった。そこで１本発明においては、従来のように
プラズマエツチング処理中に連続してプラズマ発生のた
めの電力を投入しておくのでなく、エツチングガス周期
に入る前、っまりデポジションガス周期に入ってから一
定の停止時間経過後、実用上好ましくはその周期の末期
に近い時点で投入し、エツチングガス周期が終了する時
点で遮断するといったようにプラズマ発生の電力投入ガ
スの切替え周期に連動させて周期的に行うようにしたも
のである。これにより、デポジションとエツチングとの
同作用を一層巧みに進行させることができ０．３μｍと
いう微細パターンでの均一なエツチング加工を可能とし
た。本発明では、上記のように、プラズマ発生の電力投
入を一定の停止期間をおいて周期的に行うものであるが
、投入時のタイミングとしては、エツチングガス周期が
らデポジションガス周期に切替り、処理雰囲気中のガス
組成が、完全にデポジションガスで交換された時点が理
想である。しかし、この時点まで停止期間をおくと、全
体のプラズマエツチング処理時間が長くなるので、実用
的には残留エツチングガス圧Ｖｅの処理雰囲気ガス中に
占める割合が５％以下、つまりデｔを遮断停止期間ｔと
すればよい。実際には、上述のととくデポジションガス
周期の末期に近い時点に投入するよう電力投入制御器で
時間管理をさせればよい。また、電力の遮断タイミング
は、上述のごとくエツチングガス周期の終点に同期させ
ればよいが、多少前後にずれてもがまねない。ただし、
ずれる場合は後のデポジションガス周期の初め側にずれ
るよりも前に、つまりエツチングガス周期の末期側にず
れた方が良い。
また、本発明のＴＭエツチングにおいては、さらにエツ
チング周期中に被処理試料もしくはその周囲に高周波バ
イアス′市力を所定時間間隔で、エツチングガス周期に
同期させて投入することが望ましい。この高周波バイア
ス電力の投入は、全体的なエツチング速度の向上に有効
である。つまり。
エツチング周期での初期にはデポジション膜が形成され
ていることになるので、このデポジション膜をイオンに
よって効率良く除去できる。しかし、エツチング周期の
期間中連続してイオンの働きを十分に行わせると選択性
が低下したり、マイクロローディング効果を低減できな
いなど逆効果となるので、高周波バイアス電力の投入期
間はエツチング周期よりは短くすべきである。そして、
この高周波バイアス電力の周期的な投入時間の管理につ
いても上記プラズマ発生の電力投入の管理と同様に電力
投入制御器で管理することができる。
〔実施例〕
実施例１ 以下、本発明の一実施例を第１図のマイクロ（μ）波プ
ラズマ処理装置に基づいて説明する。
すなわち、第１図は本発明装置の要部構成を示した断面
図であり１本装置の主要構成要素のうち、マグネトロン
から成るマイクロ波発生器１、導波管２．マイクロ波透
過性真空容器（放電管）３゜磁場発生用電磁コイル４．
試料台６、試料７、固定電位付与電極８、高周波電力印
加電源９．マイクロ波発生用電源１０、放電用ガス導入
管１１．ガス排気口１２、発光モニター用プラズマ発光
採光窓１３、発光モニター処理装置１４は、従来から用
いられていたものである。ここに放電用ガス導入管１１
に、少なくともデポジションガスとエツチングガスとの
２系統以上のガスライン、この例では１５ａ、ｉ５ｂ、
１５ｃの３系統が設けられており、これらのガスライン
をそれぞれ特定の時間だけ０Ｎ−ＯＦＦさせるためのガ
ス切替制御器１６、および高周波電力印加電源９、マイ
クロ波発生用電源１０、ガス切替制御器１６をそれぞれ
時間的に総合的に制御する一括制御器１７を設けた。な
お、この−括制部器１７は。
ガス切替制御器１６による各ガスラインのＯＮ−〇ＦＦ
制御に連動してプラズマ発生用マイクロ波電源１０及び
高周波電力印加電源９をそれぞれ０Ｎ−ＯＦ　Ｆ制御す
る機能を有するものであることから電力投入制御器と呼
ぶことができる。本実施例の二つ以上のガスライン１５
ａ、１５ｂ、　１５ｃは一つの放電用ガス導入管１１に
接続しているが、それぞれを直接真空室内に並列的に接
続してもよいことはいうまでもない。さらに詳細説明を
すれば、ガスライン１５ａ、　１５ｂ、１５ｃのうち一
つのラインだけＯＮ状態にして、他の二つのラインをＯ
ＦＦ状態にしている時にこれらＯＦＦ状態のラインは図
面は省略したが別途バイパス排気ラインを設けてガス排
気を行うと、次にこれらのラインをＯＮ状態にする時の
応答速度が早く、望ましい短時間制御ができる。また、
高周波電力印加電源９と試料台６の間にはインピーダン
スマツチング回路を電源側に設けてあり、高周波印加電
源９の０Ｎ−ＯＦＦ制御は必ずしも、ｆｉ源の０Ｎ−Ｏ
ＦＦではなく、パワーの強弱制御（例えば定在波比ＳＷ
Ｒのコントロール）であっても良い。固定電位付与電極
８は真空容器内の試料台６の軸の外周に沿ってシールド
するように取付けられ、その上部が上記台６に沿って広
がった導電材料よりなる構造となっているが、この構造
はバイアス印加値をできるだけ高くしたい場合には、固
定電位付与電極面積を大きくしたり、設置場所の変更も
可能である。
以下、この装置の動作機構の説明を含めエツチング処理
方法の一実施例を次の実施例２により説明する。
実施例２ 次に、エツチング処理の一実施例を第１図に従って説明
する。真空容器３はあらかじめガス排気口１２から排気
ポンプ（図面省略）により真空排気されており、同容器
内にガスライン１５ａ及び１５ｂを通してエツチング及
びデポジション用のガスがそれぞれ交互にガス切替制御
器１６の指令を受けて周期的に減圧状態で導入され、こ
のガス切替制御器１６の０Ｎ−ＯＦＦの時間スケジュー
ルに同期して一括制御１７を動作させその指令に基づい
てマイクロ波発生用電源１０を周期的に０Ｎ−ＯＦ　Ｆ
させることによりマイクロ波発生器１で発生させたマイ
クロ波によって励起され１周期的にプラズマが発生する
。図には示さなかったが、導波管２の導波回路にアイソ
レータやパワーメータを備えておけばマイクロ波の制御
及び装置の安定性にとって役立つ。電磁コイル４はプラ
ズマ発生効率を向上させるために外部から磁場をあたえ
るための手段であり、磁場強度を８７５ガウスにすれば
２．４５０１（ｚのマイクロ波との相互作用によりエレ
クトロン　サイクロトロン　レゾナンス（ＥＣＲ）状態
にすることも可能である。またガス圧力が高いときには
磁場がなくても放電するので、必ずしも磁場コイルを必
要とするものではない。このようにして発生したプラズ
マ中の反応性のある活性種が試料７と反応し、エツチン
グ及びデポジションが交互に周期的に進行する。
本実施例では試料６の被処理表面材料を多結晶シリコン
（以下Ｐｏ１ｙＳｉと記す）として説明するが、シリコ
ン基板（以下Ｓｉと記す）であっても全く同じである。
本試料は第２図にその要部断面を示すシリコン基板２０
上にシリコン酸化膜２１、Ｐｏ１ｙ　Ｓ　ｉ　２２があ
り、Ｐｏ１ｙ　Ｓ　ｉ　２２上にパターニングされた狭
い間隙Ｗ＾＝０．３μｍ、広い間隙ＷＢ＝３μｍのレジ
ストマスク２３が形成されている。エツチング用ガスと
してＳＦ、ガスの流量を４５ｃｃ／ｍｉｎ、ガス圧力１
０ｍＴｏｒｒ、デポジション用ガスとしてＣＣＵ４ガス
の流量を３５ｃｃ／ｍｉｎ、ガス圧力は同じ＜　１０＋
５Ｔｏｒｒとし、それぞれガスライン１５ａ、１５ｂか
ら真空容器３内に下記の時間スケジュールで交互に周期
的に送給した。プラズマ発生にはマイクロ波のパワーを
３００Ｗ一定の条件にした。また、このときの磁場強度
は真空容器３の頂部で最高１０００ガウス、これより試
料方向に直線的に減衰させ、最低８７５ガウスに設定し
た。
なお、ここで周期的なガスの切替え、マイクロ波放電及
び高周波バイアス電力（ＲＦ）の印加については、それ
ぞれ第３図に示す時間スケジュールにより行った。すな
わち、エツチングガスとデポジションガスの切替えは、
眞者を３　ｓｅｃ、後者を１０ｓｅｃの周期で交互に切
替えた。マイクロ波放電の周期は、エツチングガス周期
の１　ｓｅｃ前（デポジションガス周期末期の１５ｅｃ
）から、エツチングガス周期（３５ｅｃ）の末期までの
４　ｓｅｃと、その後９　ｓｅｃの放電停止期間ｔがら
成る。この放電周期のうち、デポジションガス周期末期
の１　ｓｅｃは、デポジションの行われる時間域であり
、その後のエツチングガス周期の３　ｓｅｃはエツチン
グの行われる時間域となる。このようにして、第３図の
横軸に示した時間軸かられかるように１周期１３ｓｅｃ
の繰返しで、プラズマエツチングを進行させた。また、
エツチング周期時間内の最初から１．２〜１，８ｓｅｃ
間だけに高周波電源９の電力を３０ＷとしてＯＮするよ
うにＴＭエツチング用−括制部器１７を設定し、上記Ｐ
ｏ１ｙＳｉ試料をエツチングすると、第４図に示すよう
な、垂直でかつ選択性が良好で、なおかつ広い間隙と狭
い間隙とのエツチング深さ、それぞれ２４．２５がほぼ
同等な深さになる結果が得られた。第４図ではＰｏ１ｙ
Ｓｉのエツチング途中で止めた図を示したが、シリコン
酸化膜２１表面まですなわち終点までエツチングしても
同じである。このようにマイクロローディング効果が無
視できるエツチングが可能となった。本実施例における
広い間隙と狭い間隙とのエツチング深さの差は３％以内
であった。ここで、エツチング周期時間内の最初の１　
、２ｓｅｃだけ印加する高周波電力を１　、０ｓｅｃと
すると、エッチ速度が著しく低下した。同じく上記時間
を２　ｓｅｃとするとエッチ速度は大きいが、下地のＳ
　ｉ　Ｏｚのエッチ速度も大きくなり、更に３ｓｅｃ（
エツチング周期全体）とするとますますその選択性が低
下した。したがって、エッチ速度を低下させず垂直で選
択性が高く、かつマイクロローディングのないエツチン
グを行うには上記高周波電力の印加時間が重要となるこ
とは明白である。最適な高周波電力の印加時間がガス流
量、ガス圧力、プラズマを発生させているマイクロ波の
電力に依存することはいうまでもない。
いずれにしても、エツチング周期中に高周波バイアス電
力を印加する場合には、エツチング周期全体に印加する
のは好ましくなく、それより短い時間内とすべきである
。
上記のごとく、高周波バイアス電力を適切に印加するこ
とは、エツチングスピードを速め時間短縮する上で極め
て有効であるが１本発明では必ずしも印加する必要はな
く、使用目的に応じて選択すればよい。つまり、印加す
る場合にはそれなりの条件下で行い、スループット（エ
ツチングスピード）を問題にしなければ印加する必要も
なく、この場合にはエツチング時間は長くなるが、選択
性が低下しないという利点がある。
上記第３図についてさらに詳記すると、エツチング周期
の３　ｓｅｃのうち初めの高周波バイアス（ＲＦ）印加
時間内は、デポジションにより祈出した物質をエツチン
グ除去するために費やされ、残りの時間が試料のＳＬを
実質的にエツチングするために費やされる。
次に、エツチング周期後の放電停止時間（ガス交換時間
に相当）について詳述する。上記第３図の９　ｓｅｃを
６　ｓｅｃ以下にすると、垂直なエツチングができなか
った。すなわち、このように放電停止時間を短くすると
、エツチングガスからデポジションガスへのガス交換が
不十分な状態下でプラズマ処理が行われるためデポジシ
ョンが行われず、側壁保護膜効果が発揮されずアンダー
カット形状となった。当然なことに６　ｓｅｃ以下の放
電停止時間の場合には、マイクロローディング効果が大
きくなり、最早や本発明の目的を達成することができな
かった。この理由は、ガスの交換が十分に行われておら
ず、デポジションガス（ＣＣＵ４）の中に５％を越える
量の残留エツチングガス（Ｓ　Ｆ、）が含まれている状
態であるからである。この５％という値は、予めＣＣＱ
４とＳＦＧの混合ガスでエツチングを行った時に、全ガ
ス流量中にＳＦ６が５％を越える産金まれているとエツ
チングが行われ、５％以下になるとエツチングされなく
なる測定結果があるからである。このＳＦ、の混合比は
、どのような排気系、ガス導入系を有する装置において
も、ＳＦ、ガス圧力／（Ｓ　Ｆ、−１−Ｃ：ＣＱ４）ガ
ス圧力の比が５／１００以下となれば、デポジションが
行われるので、各ガス圧力、流量設定が変わってもその
ガス圧比が５／１００以下になるに要する時間以上の時
間を放電停止時間として設定すればよい。最短時間の設
定のためには、予備的な実験をしておくのが最も簡便で
あるが、発光スペクトル、質量分析計を用いて、Ｆが／
Ｃｆ１ｔ−’Ｍの比を検出して、実際のガス圧力比が測
定できる手段によって、自動的にデポジション周期に移
行させることもできる。
従来のＴＭエツチングでは、エツチング周期と高周波バ
イアス周期とを同期させており、本発明実施例のごとき
エツチング周期後の放電停止時間を設けていなかった。
そのために従来は、デポジション周期の時間を十分に長
くとり、デポジション周期内においては初期にエツチン
グが行われ、後期にデポジションが行われるようになっ
ていた６したがって、従来のＴＭエツチングではデポジ
ション量の再現性が悪く、エツチング周期においてデポ
ジション膜を除去する時間が一定しておらず、マイクロ
ローディング効果を低減し１選択性を向上させるには欠
点が多かった。この欠点をなくすには、少なくともエツ
チング周期後の放電停止時間を設けるのがよく、スルー
プットに問題が生じなければデポジション周期後にも放
電停止時間を設けるのがよい。この放電停止時間は、ガ
スの安定な交換を行えるメリットだけでなく、試料温度
の上昇を防ぐ働きもする。すなわち、本実施例では４　
ｓｅｃ間の放電時間に対して、９　ｓｅｃ間の放電停止
時間があり、放電停止時間／放電時間の比が２．２とな
り、熱輻射の計算から試料温度は約１７２に抑えること
ができる。温度変化の小さいことはデポジションやエツ
チングの安定化に有効となる。
以上の実施例から、エッチ速度を低下させず垂直で選択
性が高く、かつマイクロローディングのないエツチング
を安定に行うには、上記高周波電力の印加時間およびエ
ツチング周期後の放電停止時間の関係が重要となること
は明白である。これらの最適な時間はガス流量、ガス圧
力、プラズマを発生させているマイクロ波の電力に依存
することはいうまでもない。例えば、ＣＣＵ、のガス流
量を４５ｃｃ／ｗｉｎと増加させたり、ガス圧力を１５
ｍＴ　ｏｒｒと高くしたり、マイクロ波電力を２５０Ｗ
と低くすると、同じ１　ｓｅｃのデポジション時間でも
デポジション膜が増加するので、ＲＦバイアス印加時間
は１　、２ｓｅｃ〜１．８ｓｅｃ　（エツチング時間の
４０％〜６０％）であったものが２．１ｓｅｃ〜２．７
ｓｅｃの間がよくなった。この場合のＳＦ６ガスの流量
と圧力及びエツチング時間は上記実施例と同じとした。
またエツチング周期後の放電停止時間が４　ｓｅｃ以下
になると、上記実施例と同じく垂直なエツチングができ
なかったが、約２　ｓｅｃの短縮ができる。このように
デポジション効率をかなり上げても、放電停止時間は最
低４　ｓｅｃは必要であり、ＲＦバイアスはエツチング
時間の７０％〜９０％が最適な条件であった。さらにデ
ポジション効率を高くする条件にすると、エツチングよ
り膜形成度合いのほうが大きくなり、エツチング形状が
おかしくなるだけでなく、スループットが著しく低下す
るので、現実的なエツチング技術にならない。以上の実
施例から、かなり広く条件を変えても、放電停止時間を
０にはできず、ＲＦバイアスもエツチング周期中に１０
０％印加するのはよくないことがわかる。
第５図は１本発明実施例と放電停止時間を設けない従来
のＴＭエツチングとの比較を示したパターン間隙寸法と
エツチング深さの比との関係特性線図である。横軸は、
パターンの狭いスペース（間隙）寸法を示し、縦軸は広
い間隙またはフィールド部でのエツチング深さを１とし
て較正したエツチング深さの比である。この図の縦軸の
比が１であることは、広い間隙と狭い間隙とのエツチン
グ深さがそれぞれ等しいことを意味しており、Ｓｉ面の
エツチングスピードが間隙の幅に関係無く等しいことを
意味している。したがって、横軸の間隙寸法が狭くなっ
ても、限りなくエツチング深さの比が１に近い値を維持
することができれば、マイクロローディング効果のない
優れたエツチング特性を有していることになる。曲線Ｂ
は、従来の例であるが、０．５μｍを越える狭い間隙に
なるとエツチング深さ比は低下しはじめ、０．２μｍの
間隙では約半分の０．５になってしまう。一方、本発明
のＡは、１周期の放電時間４　ｓｅｃのうち、ＳＦ、に
よるエツチング周期３ｓｅｃ、　ＣＣ（１４によるデポ
ジション周期１　ｓｅｃ、エツチング周期直後からの放
電停止時間９　ｓｅｃ、エツチング周期の最初の１．６
ｓｅｃだけＲＦ　電力３０Ｗの印加条件での結果である
が、０．２５μｍの間隙までエツチング深さの比はほぼ
一定の１を維持しており、極めて優れた特性を示してい
る。本発明の実施例において、最もマイクロローディン
グ効果の現われない条件下におけるＴＭエツチングの１
サイクル分の制御フローを第６図に示した。前述のとお
り、エツチング及びデポジションに用いるガス種、それ
ぞれの導入周期、流量、圧力、ＲＦパワー、μ波パワー
などによって、ＲＦ電力の印加時間の適正値は変動する
ので、上記の１．６ｓｅｃが最適な一定の値でないこと
はいうまでもない。
実施例３ 実施例１ではＳＦ、とＣＣＱ４ガスを用いたが、デポジ
ション用のガスとして、ｃ、ＣＱ、Ｆ、、Ｃ，ＣＱＦ、
などＣ，ＣＱ、Ｆを含むガスや、５ｉＨＣＱ３、ＳｉＨ
，ＣＱなどのＳｉ、Ｈ，ＣＩｌを含むガス、ＣＨＣＱ、
、ＣＨ３ＣＯなどのＣ，ＨｌＣＱを含むガス、ＣＢｒＦ
、、Ｃ２Ｂｒ２Ｆ４などのＣ１Ｂｒ、Ｆを含むガスを用
いても、実施例１と同じ効果が得られた。ただし、実施
例１でのＣＣＱ４と同じガス流量とガス圧力においては
、本実施例のガスはデポジション性が弱く、デポジショ
ン周期の時間を若干長くする必要があった。本実施例に
おけるガス系ではＣＱの数が小さいほど、上記時間を長
くする必要があった。上記時間を長くしないためにはガ
ス流量やガス圧力を高くすればよく、処理時間に制限が
あるときには、上記流量や圧力の設定を変更することが
できる。
実施例４ 実施例１では被エツチング材料を８１、Ｐ　ｏｌｙＳｉ
としたが、通常のエツチングでアンダーカットの起こり
やすい材料に対して特に有効である。
例えば、半導体素子材料として用いられているＡ　Ｑ　
、　Ｗ、　Ｍｏ、各種メタルシリサイド材料においては
、通常のトライエツチングで限られた条件以外ではアン
ダーカットが起こりやすい。本実施例ではＡＱ、Ｗ、タ
ングステンシリサイドについて、ＴＭエツチングを行っ
たが、類似する材料に関しても同様な効果が得られるこ
とはいうまでもない。Ｗ、タングステンシリサイドにつ
いては実施例１で用いたガス及びエツチング条件で同様
な効果が得られた。ＡＱに関してはエツチングガスにＣ
Ｑ２、デポジションガスにＣＣＱ４，５ｉＣＱ４など実
施例２で用いたガスとの組合せが可能であった。
実施例５ 実施例１で用いた試料に印加する高周波電力として８０
０に土、３０Ｗを用いたが、１３．５６ＭＩ（ｚ、　１
５０Ｗを用いても同様な結果が得られた。印加する周波
数によって電力値が異なるのは、プラズマ中に存在する
イオンを試料表面に衝突させるための加速電圧がそれぞ
れ異なるためであると考えられる。
したがって、用いる周波数について適した電力を設定す
る必要があることはいうまでもない。これらの電力が高
いぼどデポジション膜の除去速度が大きく、エッチ速度
も大きくなるが、高すぎると前述したマスク材料のエッ
チ速度が大きくなり問題となり、低すぎるとデポジショ
ン膜の除去速度が低下し処理時間が長くなるので、本実
施例で示した値を標準として設定するとよい。
実施例６ 上記までの実施例は試料の温度制御を特に行っていなか
った。従来試料のシリコンウェーハは試料台に乗せられ
るが、試料台を水冷していたとしても、熱接触が十分で
ないためにプラズマ照射条件により温度が一定でなかっ
た。本実施例では試料台を水冷温度以下にすることを可
能とする冷却手段を設けた。例えば、液体窒素と加熱ヒ
ータとの組合せで温度制御する方式、冷凍機と加熱ヒー
タとの組合せ方式を採用した。この場合、試料台以外の
真空容器内壁温度は常温でもよい。本実施例のような被
エツチング試料の温度を低くしてエツチングする方法を
低温エツチングと呼ぶ。
低温エツチングでは各種ガスの吸着効率が高くなるので
、特にデポジションガスの流量や圧力を低くしても良い
ことがわかった。実際に試料温度を−３０℃にしたとき
、実施例２で用いたデポジションガスＣ２Ｃ２３Ｆ、の
流量と圧力の両者とも約１／２にしても同様な効果が得
られることがわかった。逆にＣ２ＣＱ３Ｆ、では、試料
温度が４０℃以上になるとガス流量や圧力を高くしても
デポジション膜形成効率が低く、ＴＭエツチングの目的
を達成できないことがある。試料温度のみを低温にする
ことによりデポジションガスを減らせると、真空容器内
壁の汚れを低減できるので、半導体製造装置として非常
に有利となる。デポジションガスの種類によって試料温
度が効果的になる値はそれぞれ異なることはいうまでも
ない。
以上の実施例で記した方法はかなり広い条件範囲で垂直
エツチングと選択性の向上を実現できるが、マイクロロ
ーディング効果を低減させるには第５図で示したように
、エツチング周期とデポジション周期の時間比及び高周
波電力とその印加時間が限られる。
実施例７ Ｍ０Ｓトランジスタの製造プロセスにおける実際のゲー
ト電極材料などのエツチングでは、エツチング終点に達
した後、オーバエツチングが行われる。上記した実施例
のほとんどはエツチング終点までのことを記したもので
あるが、オーバエツチングでは必ずしも同じＴＭエツチ
ングである必要はない。また実際のゲート電極材料にお
いてしばしば用いられる多層膜電極材料に関しても、上
層と下層とで同じＴＭエツチングでなければならないこ
とはない。すなわち、目的に応じてＴＭエツチング条件
を変えたり、ＴＭエツチングを行わず、通常の連続放電
によるエツチングを組合せることができる。
本実施例ではゲート電極材料をエツチングしたあとのオ
ーバエツチングに関する一実施例について説明する。ゲ
ート電極材料層の下には数１０から数１００人と薄い５
ｉｎ２膜があり、さらに表面全体に段差がある。したが
って、この段差部に残存するゲート電極材料を残さずエ
ツチング除去するには、１００％以上のオーバエツチン
グをしなければならないことが多い。かなりの長時間の
オーバエツチングに対してＳｉＯ，膜を消失させず、す
でに加工したゲート電極がサイドエツチングしないよう
にしなければならない。このためには選択性のよいエツ
チング条件とし、デポジションをできるだけ少なくする
のがよい。例えば、オーバエツチングはＴＭエツチング
とせず、ＳＦＧだけのエツチング条件でＲＦバイアスを
Ｏにするのがよい。
しかし、この場合には、約２００％以上のオーバエツチ
ングでサイドエツチングが起こりはじめた。
２００％以上のオーバエツチングを必要とるときには、
ＴＭエツチング条件をエツチング中に変える方法で対処
できる。例えばエツチング時間を５ｓｅｃとして、他の
条件は実施例１と同じにしたとき、約３００％までサイ
ドエツチングもなく、ＳｉＯ２膜を消失させずに、段差
部のゲート電極材料をエツチングすることができた０本
実施例のように各ステップごとにＴＭエツチング条件を
設定し、実際の素子構造に適したエツチングプロセスを
構築することができる。前記した多層膜のエツチングに
対しても、あらかじめ各層ごとに適したＴＭエツチング
条件を検討しておけば、各層を１ステツプとしてプログ
ラム化して、最適なエツチングが行える。
〔発明の効果〕
本発明によれば、従来不可能に近かった間隙０．３μｍ
以下におけるマイクロローディング効果を回避できるの
で、同一エツチング面にいろいろな寸法が混在する半導
体集積回路素子の微細加工に非常に有効となる。特に、
下地５ｉｎ２膜厚が薄い場合とか、エツチング終点のな
いＳｉ基板のエツチングに有効である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の実施例となるマイクロ波プラズマエツ
チング装置の要部断面図、第２図は被エツチング試料の
断面図、第３図はＴＭエツチングの一実施例となるタイ
ムスケジュールを示した図、第４図は本発明のＴＭエツ
チングによる第２図の試料をエツチングした被エツチン
グ試料の断面図、第５図は本発明の一実施例と従来法と
のマイクロローディング効果の比較を示す図、第６図は
本発明の代表的なＴＭエツチングの１サイクルにおける
制御の一実施例を示したタイムスケジュールである。 符号の説明 １・・・マイクロ波発生器　２・・・導波管３・・・マ
イクロ波透過性真空容器 ４・・・磁場発生用電磁コイル ６・・・試料台　　　　　　７・・・試料８・・・固定
電位付与電極　９・・・高周波印加型源１０・・・マイ
クロ波発生用電源 １１・・・放電用ガス導入管　】２・・・ガス排気口１
３・・・発光モニター用プラズマ発光採光窓１４・・・
発光モニター処理装置 １５ａ、１５ｂ、　１５ｃｍガスライン１６・・・ガス
切替制御器　　１７・・・−括制部器２０・・・シリコ
ン基板　　　２１・・シリコン酸化膜２２・・・多結晶
シリコン　　２３・・・レジストマスク２４・・・広い
間隙でのエツチング深さ２５・・・狭い間隙でのエツチ
ング深さ代理人弁理士　　中　村　純之助

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、デポジションガスとエッチングガスとを所定時間間
    隔で交互に切替えて周期的にガス交換をしながらプラズ
    マ処理するタイムモジュレーテッドプラズマエッチング
    処理方法において、エッチングガス周期に入る前にプラ
    ズマ発生のための電力を投入してプラズマ放電を開始し
    、エッチングガス周期のほぼ終点で遮断し、引続き所定
    の放電停止期間をおいてデポジションガス周期中に再度
    電力を投入して放電を開始し、ガス切替えの時間スケジ
    ュールに合せてプラズマ発生の電力を周期的に投入する
    ことを特徴とするプラズマエッチング処理方法。 ２、請求項１記載のプラズマエッチング処理方法におい
    て、エッチングガス周期の少なくとも初期に所定時間、
    エッチングガス周期を越えない範囲内で、高周波バイア
    ス電力を被処理試料もしくは、その周囲にエッチングガ
    ス周期と連動させて周期的に投入することを特徴とする
    プラズマエッチング処理方法。 ３、上記デポジションガス周期中におけるプラズマ発生
    のための電力の遮断停止期間をｔとしたとき、プラズマ
    処理の停止された雰囲気中の残留エッチングガス圧力Ｖ
    ＿Ｅに対する全ガス圧力（Ｖ＿Ｅ＋Ｖ＿Ｄ）の比が 一般式Ｖ＿Ｅ／（Ｖ＿Ｄ＋Ｖ＿Ｅ）≦５／１００ただし
    Ｖ＿Ｄはデポジションガス圧力 を少なくとも満足するに至る時間ｔとしたことを特徴と
    する請求項１もしくは２記載のプラズマエッチング処理
    方法。 ４、上記プラズマ発生のための電力として、マイクロ波
    電力を用いることを特徴とする請求項１、２もしくは３
    記載のプラズマエッチング処理方法。 ５、被処理試料を保持する手段を内蔵したプラズマ処理
    容器と、前記容器を真空排気する排気手段と、前記容器
    内にプラズマを発生させる電力投入手段と、同じく前記
    容器内に少なくともエッチングガスとデポジションガス
    とを交互に時間的に切替えて周期的に供給し得る少なく
    とも２系統のガス導入手段とを備えたタイムモジュレー
    テッドプラズマ処理装置であって、前記ガス導入手段に
    はそれぞれのガス流量に見合って順次所定時間の周期で
    交互に切替え得るガス切替制御器を接続すると共に前記
    ガス切替制御器のガス切替え周期に連動させて前記プラ
    ズマを発生させる電力投入手段を周期的にオン−オフ動
    作させる電力投入制御器とを具備して成ることを特徴と
    するプラズマエッチング処理装置。 ６、請求項５記載のプラズマエッチング処理装置におい
    て、上記被処理試料もしくはその周期に高周波バイアス
    電力を周期的に投入する手段を設けると共に、前記周期
    的高周波電力投入のオン−オフ制御を上記ガス切替制御
    器におけるエッチングガス周期と連動させて上記電力投
    入制御器で動作させる構成としたことを特徴とするプラ
    ズマエッチング処理装置。 ７、上記プラズマを発生させる電力投入手段をマイクロ
    波電力投入手段としたことを特徴とする請求項５もしく
    は６記載のプラズマエッチング処理装置。
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