JPH0277124A

JPH0277124A - ドライエッチング方法

Info

Publication number: JPH0277124A
Application number: JP26339888A
Authority: JP
Inventors: Kimihiro Matsuse; 公裕松瀬
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1988-06-29
Filing date: 1988-10-19
Publication date: 1990-03-16

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）この発明は、ドライエツチング方法に関する。

（従来の技術）近年、超ＬＳＩ等集積回路の高集積化・高速化・高密度
化に伴い、ゲート電極やコンタクト・ホールやスルー・
ホール等の形成の為に、多結晶Ｓｉに比べ抵抗が１桁以
上低いＷ（タングステン）等の高融点金属の金属薄膜を
選択的に堆積させる技術が重要となってきている。

上記のような金属薄膜を形成する手段としては、膜成長
用ガスを被処理基板の被処理面上に成長させるメタルＣ
ＶＤ装置で行なっていた。

ここで、上記のようなＣＶＤ装置による金属薄膜を形成
する場合、このＣｖＤ処理をす、る前工程装置から被処
理基板例えばシリコン（Ｓｉ）で形成された半導体ウェ
ハをＣＶＤ装置に移送する時に、半導体ウェハ（Ｓｌ）
の表面に自然酸化ＦＪ（ＳｉＯ２）が例えば数十人８度
形成されてしまう。この酸体膜上に金属薄膜を形成した
としても、半導体ウェハ表面と金属の間の電気的接触抵
抗が高くなり、形成した金属の剥離等による品質の低下
を招いていた。このことに対応して品質を向上させるた
めに、成膜容器内で、まず上記自然酸化膜をドライエツ
チングし、その後ＣｖＤ処理を行ないたいという要求が
高まってきている。

ここで、ドライエツチング処理に用いられろ従来の処理
ガスとしては、例えば特開昭６＋−２２４３２６号、特
開昭６１−２８１５３１号、特開昭６２−４３２２号公
報に開示されているようにフッ素系の例えばＮＦ３　が
知られている。又、このＮＦｌ　ガスによるエツチング
処理としては、半導体ウェハを設置した処理室内にキャ
リアガス例えばＡｒとこのＡｒに対して１０％程度のＮ
Ｆ、ガスを含んだ処理ガスを供給し、このＮＦ、ガスを
所定のプラズマ発生電力により励起状態とし、所定の膜
をドライエツチングしていた。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上記公報に記載されたようにエツチング
ガスとしてＮＦ、　　を用いると次のような問題点があ
る。

励起状態のＮＦｌ　には１反応生物質として主に、Ｆラ
ジカル（Ｆ’）とＦ−（イオン）が含まれている。

」；記Ｆラジカルは被処理基板例えば、半導体ウェハを
形成するシリコン（ＳＬ）のエツチングに有効である。

又、Ｆ−は主に、酸化膜例えばウェハに形成された５ｉ
ｎ２のエツチングに有効である。このような励起状態で
エツチングを行なうと、通常、Ｓｉｎ。

に比べてＳｉの方が１０倍程度エツチングが速く行なわ
れる。ここで、エツチング対象となるＳｉｎ、膜はＳｉ
上に形成されている場合がある。このような場合にＮＦ
、　を励起状態としてエツチングを行なうと、Ｓｉｎ、
膜のエツチング終点において、エツチング時間が短かい
とＳ　ｉＯ，膜が残留しエツチングを正確に行なえない
という問題点があった。又、このことに対応してエツチ
ング処理を多少水−バーして行なうと、ＮＦ、のＳｉへ
のエツチング速度は速いので、ＳＬのエツチングがかな
り進む。すると、後工程処理例えばＷ等の金属膜を選択
的に堆積した場合Ｓｉへのダメージから電気的特性が悪
くなる等の問題点があった。

この発明は上記点に対処してなされたもので、酸化膜例
えば５１０２　Ｆのドライエツチングに際し。

５１０２とＳｉとのエツチングにおける選択性を向上し
。

たとえオーバーしてエツチング処理を行なっても、Ｓｉ
のエツチングを最小限に押え、正確なドライエツチング
処理を行なうことを可能とするドライエツチング方法を
提供するものである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）この発明は、少なくともＮＦ、と１１□を含む処理ガス
を用いてドライエツチングすることを特徴とする。

（作用効果）少なくともＮＦ、　とＨ２を含む処理ガスを用いてドラ
イエツチングすることにより、後工程処理に悪影響を及
ぼすことなく正確なドライエツチング処理が行なえる効
果が得られる。

特に、半導体ウェハ（Ｓｉ）に形成されたＳｉｎ、膜を
トライエツチングする場合、Ｓｉに対してＳｉＯ□のエ
ツチングの選択比を向上し、正確なエツチング処理が行
なえる。

（実施例）次に、本発明方法を半導体製造工程で、半導体ウェハに
形成された自然酸化膜をドライエツチングした後、高融
点金属の薄膜形成に適用した一実施例につき図面を参照
して説明する。

この装置は、第１図に示すように、冷却水等で壁面を冷
却可能で気密な円筒状Ａｇ　（アルミニウム）製反応チ
ャンバ■が電気的に接地して設けられている。この反応
チャンバ■上方には、被処理基板例えば半導体ウェハ■
の被処理面が下向きになる如く設置可能な設置板（３）
が設けられている。この設置板０は、後に説明する加熱
光で急加熱可能な材質例えば石英ガラス製である。又、
この？ｉ（２同板■の上方向には、設置板（３）の外周
縁部に接して支持する円筒状の支持体は）が設けられて
いる。この支持体０）は、心電性の材質例えばｋＱ製で
、−上記チャンバ０）とはリング状絶縁部材０を介して
、電気的に絶縁して設けられている。そして、上記支持
体０）は、プラズマ励起周波数例えば１３．５６ＭＨ２
のＲＦ主電源０に電気的に接続されている。即ち、上記
支持体（へ）がプラズマ発生電極となる。

そして、上記設置板（３）近傍には、例えば半導体ウェ
ハ■の外縁を用いて設置板■に半導体ウェハ■を固定す
る如く、例えばエアシリンダ等のＦ７．降機構■を備え
た保持体（８）が設けられている。また、設置板（■の
上方には石英ガラス製の窓■）を通して設置板（３）に
設けられたウェハ■を、例えば３００℃〜１０００℃に
急加熱可能なＩＲシリンダｉｎｆｒａｒｅｄ　ｒａｙｌ
ａｍｐ）　（１０）が設けられている。そして、設置板
■近辺の反応チャンバ（υ−ヒ壁には、排気例えば２ケ
所の排気口（１１）が設けられている。この排気口（１
１）には反応チャンバ（υ内を所望の圧力に減圧及び反
応ガス等を排出可能な真空ポンプ（１２）例えばターボ
分子ポンプ等が接続されてしする。

また、反応チャンバ■の下方には、膵成長用ガスやキャ
リアガスやエツチングガス等を流出する多数の微少な流
出口をもつ円環状のガス導入口（１３）が２系統独立し
て設けられている。これらガス導入口（１３）は流量制
御機構（１４）例えばマス・フロー・コントローラ等を
介してガス供給源に接続されている。また、設置板■と
ガス導入口（１３）の間には、ガスの流れを制御するた
めの例えばステッピングモータ等を使用した直線移動に
よる移動機構（１５）を備えた円板状制御板（１６）が
設けられている。

そして、反応チャンバ■の一側面には自動開閉例えば昇
降機構により開閉可能なゲートバルブ（１７）が設けら
れている。このゲートバルブ（１７）を介して、半導体
ウェハ■を反応チャンバＯ）内に搬入及び搬出するため
、伸縮回転自在にウェハ■を保持搬送するハンドアーム
（１８）と、ウェハ■を例えば２５枚程度所定の間隔を
設けて積載収納したカセット（１９）を載置して昇降可
能な載置台（２０）を内蔵した気密な搬送予備室（２１
）が配設、しである。

また、上記構成の膜形成処理及びドライエツチング処理
を行なう装置は制御部（２２）で動作制御される。

次に、丘述した装置による半導体ウェハ■へのドライエ
ツチング及び成膜方法を第２図に示すフロー図に従って
説明する。

予備室（２１）の図示しない開閉口よりロボットハンド
又は人手により、例えば被処理半導体ウェハ■が２５枚
程度収納されたカセット（１９）を、昇降可能な載置台
（２０）上に載置する（Ａ）、この時、ゲートバルブ（
１７）は閉じた状態で、反応チャンバ（υ内は既に、真
空ポンプ（１２）の働きで所望の低圧状１Ｎとなる様に
減圧操作されている。そして、カセット（１９）をセッ
トした後、搬送予備室（！■）の図示しない開閉口は気
密となる如く自動的に閉じられ。

図示しない真空ポンプで反応チャンバ■と同程度に減圧
される（Ｂ）。次にゲートバルブ（１７）が開かれ（Ｃ
）、所望の低圧状態を保持した状態で載置台（２０）の
高さを調整することにより、半導体ウェハ■を伸縮自在
なハンドアーム（１８）で、カセット（１９）から所望
の１枚を取り出し、反応チャンバ■内に搬入する（Ｄ）
、この時、保持体■は昇降機構■により下降し、ウェハ
■の被処理面を下向きに保持体（８）上に設置する。そ
して、昇降機構■で保持体（８）を上昇し、ウェハ■の
周縁部を設置板■と保持体（８）で挟持し固定設定する
（Ｅ）、この半導体ウェハ■を設置板■への設定が終了
すると、ハンドアーム（１８）を搬送予備室（２１）内
に収納し、ゲートバルブ（１７）を閉じる。（Ｆ）。

次に半導体ウェハ■被処理面への処理を開始する。

まず、半導体ウェハ■の表面に形成された自然酸化膜を
ドラ、イエッチングして除去するクリーニング処理を実
行する（Ｇ）。

この処理は、まず反応チャンバ■内を所望の低圧状態例
えば２００ｍｍＴｏｒｒに保つように真空ポンプ（１２
）で排気制御しておく。そして、ガス導入口（１３）を
開いて、流量制御機Ｗ（１４）で流量を調節しながら処
理ガスを均一に拡散して上記ウェハ■上に供給する。こ
の時、ウェハ■温度が例えば２０℃程度になるように、
支持体（至）を図示しない冷却機構で冷却制御しておく
６又、上記処理ガスは、例えばＮＦ、Ｊ流量例えばＩＯ
３ＣＣＭとＩ＋２流量例えば５０３ＣＣＭとする。即ち
、　ＮＦ、と１１．を１＝５の割合で供給する。そして
、導電性の支持体（至）とチャンバ■壁間に、ＲＦ電源
■からバイアス電圧例えば１４０（−Ｖ）の電力密度例
えば０．５Ｗ／ａＪを印加する。即ち、上記支持体（イ
）に電力が印加され、反応チャンバα）が接地電極のた
め、上記支持体に）との間に放電がおこる。すると半導
体ウェハ■上に供給された処理ガスがプラズマ化され、
励起状態となる。この状態でＮＦ、から主にＦラジカル
（Ｆ”）とＦ−（イオン）が発生する。ここでＦ兼は同
時に供給されたＨ％と反応し、ＨＦとして排気口（１１
）から排気される。

又Ｆ−は、半導体ウェハ■に形成された自然酸化［ＦＪ
　（Ｓｉｎ、）と反応して１例えば６０〜１００Ａ／＋
ｗｉｎ程度でエツチングする。このようなエツチング処
理を所定時間行ない、ウェハ■上に形成された自然酸化
膜を除去する。

ここで、上記条件のエツチングによる、Ｓｉｎ、とＳＬ
についてのエツチングの選択性を下表に示す。

（Ｓｉｎ、か自然酸（ｉｆｆの場合エツチングレートは
２〜３倍である）上記表からもわかるように、たとえ自
然酸化膜のエツチング終点をオーバーしてエツチングし
たとしても、Ｓｉと反応するＦにがＨｌｋによってほぼ
排気される。このため、Ｓｉのエツチングはほとんど行
なわれず、Ｓｉｎ、のエツチングを正確に行なえる。

上記のようなプラズマエツチング処理を終了後。

半導体ウェハ■の被処理面に化学的気相成長法により金
属薄膜を形成する（Ｆｌ）。

この処理は、反応チャンバω内を所望の低圧状態例えば
１００〜２００ｍｍＴｏｒｒに保つ如く、真空ポンプ（
１２）で排気制御する。そして、ＩＲクランプ１０）か
ら加熱光である赤外光を設置板■に周縁が支持されたウ
ェハ■の裏面に照射する。このことにより、この設置板
（３）に設置されている半導体ウェハ■が急加熱される
。

この時、半導体ウェハ■の被処理面の温度をＩＲクラン
プ１０）で例えば４０〜５３０℃程度となる如くウェハ
■から放射される赤外線をパイロメーターを用いて制御
するか、高感度熱電対を用いてウェハ■の温度を直接検
知して制御する。そして、ガス導入口（Ｉ３）を開いて
、流量制御機構（１４）で反応ガスを構成する膜成長用
ガス例えばすＦ６　とキャリアガス例えばＨ２及びＡｒ
を流出し、化学的な気相成長を行なう。この処理に際し
、支持体（イ）のウェハ■当接面は熱伝導率の低いセラ
ミック等で構成すると、ウェハ■の熱分布が一様となり
、処理ムラが防止できる。

上記のように化学的な気相成長を行なうと、半導体ウェ
ハ■の被処理面等に形成されたホール等に金属例えばＷ
（タングステン）の膜を選択的に堆積することができる
。

そして、所望の膜形成が終了すると、反応ガスの流出が
止められ、昇降機構■で保持体（８）がウェハ■を支持
した状態で降下し、ゲートバルブ（１７）が開かれ（Ｉ
）、伸縮回転自在なハンドアーム（１８）により半導体
ウェハ■を反応チャンバ■より搬出する（、■）ととも
にゲートバルブ（１７）を閉じて（Ｋ）処理が完了する
。この処理が完了後、カセット（１９）内に未処理ウェ
ハが無いか確認しくＬ）、未処理ウェハがある場合再び
上記のドライエツチング処理および化学的気相成長処理
を実行し、未処理ウェハがない場合、終了する。

上述したようにこの実施例によれば、被処理基板例えば
半導体ウェハに形成された酸化膜例えば５ｉｎ２をエツ
チングするに際し、エツチングガスとして少なくともＮ
Ｆ、とＨ２を含むガスを用いて行なうことにより、後工
程処理に悪影響を及ぼすことなく正確なエツチング処理
が行なえる。特に、半導体ウェハ（ＳＬ）に形成された
５ｉｎ２ｆｆｔＪをエツチングする場合、ＳＬに対して
Ｓｉｎ、のエツチングの選択比を向上することができる
ので、ＳｉＯ□のエツチング終点をオーバーしても、Ｓ
ｊのエツチングはほとんど行なわれず、正確な処理が実
行できる。

この発明は上記実施例に限定するものではなく、例えば
エツチングガスとしてＮＦ、と１１．を含むものなら何
れでも良く、処理条件例えば各ガスの流ｈ【、電力、圧
力、温度、バイアス電圧も適宜対応可能である。又、　
ＮＦ３　とＨ２のガス流量比は、はぼ１：５とすること
が望ましいが、これに限定しなくとも良い。

又、被処理基板は、半導体ウェハでなくとも液晶テレビ
などに用いられるＬＣＤ基板などでも何れでも良い。

さらに、被エツチング膜は、半導体ウェハに形成された
自然酸化膜（Ｓｉｎ、　）でなくとも、人工的に形成し
た５ｉｎ２膜でも良く、他の酸化膜に応用できることは
言うまでもない。

さらに又、エツチング処理はプラズマエツチングでなく
とも良く、エツチングガスを励起状態とするものなら何
れでも良い。

さらに又、エツチング処理後の成膜処理も何れでも良く
１例えばプラズマＣＶＤ処理で行なっても良いことは言
うまでもない。

（他の実施例）次に、上記実施例で説明したＮＦ３　＋　Ｈｚ　を含む
処理ガスにより、他の暎をエツチングするものに適用し
た一実施例について説明する。

半導体製造工程には、ウェハ膜上に配線されたＡ１１Ｉ
（アルミニウム）膜上のスルーホールに、高融点金属例
えばＷ（タングステン）膵を選択的に穴埋めする工程が
ある。この工程で、　Ａｆｆｉ［を形成する装置とＷ膜
を形成する装置が違う装置なので。

各工程間で、搬送のためＡＱｌｌ’ｉ！は大気中に晒さ
れることになる。すると、この時にＡＱＨ上に自然酸化
膜であるＡ１１ｌ、Ｏ，（アルミナ）暎が形成されてし
まう。

この形成された状態をオージェ電子分光装置により分析
した結果を第３図に示す、縦軸は各原子（０，Ｆ、Ａｉ
ｌ、ＳＬ）の割合を示し、横軸は表面からの深さを示し
ている。また、この分析に際し、ＡＱｚ０３膜の分析対
象状態をかえないために、予めアモルファスシリコン（
Ｓｉ）膜をＡＩｔｚｏｓ　ＩＰｉＩ上にキャップとして
形成し、４６０１Ｍを大気と遮断した状態としている。

この図かられかるように、表面から約３００人　までは
ｒｓｉＪが８０％以上であり、アモルファスシリコン膜
を示し、約３００〜５００人の深さでは「ｏ」が増加し
ており、Ａも０３膜を示し、５００Å以下ではｒｉ」が
８０％以上の一定値となりＡｌ１膜を示している。この
ように、　ＡＱ膜上に自然酸化膜であるＡｌ−０３ＪＪ
ａ’が形成された状態でＷ膜を形成してもＡｇ、Ｏ，膜
の電気抵抗が大きいため品質が低下してしまう。そこで
、ｗＨを形成する前に真空中でＡｆｆ、　Ｏ，膜を取り
除く必要がある。このＡ１２２０．膜のエツチング処理
を上記実施例と同様の装置で行なったものを次に示す。

この処理は、まず、反応チャンバω内を所望の低圧状態
例えば２００ｍＴｏｒｒに保つように真空ポンプ（１２
）で排気制御しておく、そして、ガス導入口（１３）を
開いて、流量制御機Ｗ（１４）で流量を調節しながら処
理ガスを均一に拡散して上記ウェハ膜上に供給する。こ
の時、ウェハ■温度が例えば２０膜程度になるように、
支持体（へ）を図示しない冷却機構で冷却制御しておく
。そして、導電性の支持体＠）とチャンバの壁間に、　
ＲＦ電源■から電力密度例えば０．５ｗ／ｃｄ　を印加
する。すると、上記支持体（イ）に電力が印加され１反
応チャンバ■が接地電極のため、上記支持体（イ）との
間に放電がおこる。このことにより、半導体ウェハ膜上
に供給された処理ガスがプラズマ化され、励起状態とな
り、　ＡＱ、Ｏ。

膜がエツチングされる。

このエツチング状態をオージェ電子分光装置により分析
した結果を第４図、第５図、第６図に示す。縦軸は各原
子（０，Ｆ、ＡＱｌｓｉ）の割合を示し、横軸は表面か
らの深さを示している。また、この分析に際し、エツチ
ング処理後の分析対象状態をかえないために、予め、エ
ツチング処理と連続動作でアモルファスシリコン（ＳＬ
）膜をエツチング処理後の表面にキャップとして形成し
、処理面を大気と遮断した状態としている。第４図は、
と記に示すＮＦ、＋Ｈ２によるプラズマエツチング処理
を２分間行なった時の分析結果を示し、第５図は、プラ
ズマエツチングを５分間、第６図はプラズマエツチング
を１０分間行なった時の分析結果を示す。これらの図か
られかるように、第３図で示したエツチングを行なわな
い場合に比べて、エツチングを実行した時は、夫々酸素
濃度が低下しており、ＮＦ３＋＋（、プラズマエツチン
グで、　Ａｇｚｏａ　膜がエツチングできていることを
示している。また、エツチング時間を長くするにしたが
い酸素濃度が低下しており、プラズマエツチングを１０
分間（第６図）行なった時には、はぼＡＱ、Ｏ，膜が除
去できることを示している。このＮＦ３＋Ｈ，のプラズ
マエツチング時間と「０」の相対比を第７図に示す。

上述したようなＮＦ、＋）Ｊ、ａ　ガスでプラズマエツ
チング処理を行ない、その後連続動作で上記実施例を同
様な半導体ウェハ■の被処理面に化学的気相成長法によ
り金属薄膜例えばＷ膜を形成する。

上述したようにこの実施例によれば、被処理基板例えば
半導体ウェハに形成された酸化膜例えばＡ　Ｑ２０．膜
をエツチングするに際し、エツチングガスとして少なく
ともＮＦ、　　とＨ２を含む、ガスを用いて行なうこと
により、正確に自然酸化膜を除去することができるにこ
で、ＡＱ＝０＝　Ｆのエツチング処理を他の処理ガスで
行なった時のオージェ電子分光装置の分析結果を第８図
、第９図に示す、第８図としては、エツチングガスとし
てＡｒを用い、１０分間プラズマ処理したものを示し、
第９図では、エツチングガスとしてＮＦ３のみを用い、
２分間プラズマ処理したものを示しているにれらかられ
かるように、ＮＦ３＋）Ｉ、ガスを使用したプラズマエ
ツチングの方が、他の処理ガスを檜柑キ≠使用するのと
比軸してエツチング効果が高いことを示している。

また、ＲＦ主電源らの電力密度を低く押えることができ
るので被処理基板であるウェハに与えるダメージを押え
ることができる。

また、　ＮＦ３　に１１□を混ぜると、エツチング速度
を低く押えることができ、極薄い膜例えば自然酸化膜な
どをエツチングする際に、エツチング制御を容易に行な
うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の一実施例を説明するためのエツチ
ング及びＣＶＤ処理を行なう装置構成説明図、第２図は
第１図装置による処理動作を示すフロー図、第３図は第
１図の他の実施例を説明するための自然酸化膜の濃度を
示す図、第４図から第６図は第３図の自然酸化１漠をプ
ラズマエツチングした時の分析濃度を示す図、第７図は
第４図から第６図において、酸素の相対比とエツチング
時間を示した図、第８図、第９図は第４図から第６図の
エツチングガスと違うガスを用いたときの分析結果を示
す図である。１・・・反応チャンバ、　　　２・・・半導体ウェハ、
３・・・設置板、　　　　　　４・・・支持体、６・・
・ＲＦ主電源　　　　　１３・・・ガス導入口。特許出願人　東京エレクトロン株式会社第１図＠　２　Ｍ第３図第５図第７図Ｈ２ＮＦ３　ｐｌａｓｍａ　ｒｆＩＨ第８図

Claims

【特許請求の範囲】

少なくともＮＦ＿３とＨ＿２を含む処理ガスを用いてエ
ッチングすることを特徴とするドライエッチング方法。