JPH04144127A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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〉 この発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に、２種
類以上のガスを混合したエツチングガスを用いるプラズ
マエツチングプロセスにおいて、エツチングパターンに
対する側壁保護性の強さを制御する技術に関するもので
ある。

〈従来の技術〉 従来のプラズマエツチングプロセスにおいて、工、チン
グパターンの側壁における保護性の強い加工特性（異方
性エツチング）を与える段階と、保護性の弱い加工特性
（等方性エツチング）を与える段階とでは、エツチング
ガスの種類をそれぞれの加工特性に適したものに切り換
えている。また、エツチングパターンの側壁における保
護性の強い加工特性（異方性エツチング）を与える段階
と、保護性の弱い加工特性（等方性エツチング）を与え
る段階とでエツチングガスの種類を切り換えない場合に
は、エツチングガスの流量や圧力などの多数のプラズマ
外部パラメーターを変更していた。

〈発明が解決しようとする課題〉 従来のプラズマエツチングプロセスには、次のような問
題点があった。

■エツチングの途中において、保護性の強い加工特性（
異方性エツチング）を与える段階と、保護性の弱い加工
特性（等方性エツチング）を与える段階とでは、エツチ
ングガスのＩＩｍを切す換える必要があるとともに、こ
の切り換えに伴ってプラズマ外部パラメータ（ガスの流
量・圧力、を５周波数など）を設定し直す必要があるた
めに、スルーブツトの低下を招いていた。

■また、側壁保護性の強さを複数段階に分けて変更する
場合には、それに応じて使用するエツチングガスやガス
流量を幾種類にも変える必要があり、プラズマエツチン
グ装置にエツチングガスや流量に最適なマスフロー付き
のガスラインを増設しなければならなかった。

■さらに、プラズマ外部パラメータが経時的に変動する
と、エツチングガスの種類によっては混合ガス（分子状
態）からプラズマ中に解離する単位体積当たりの解離原
子（ラジカルまたはイオン）の生成数のガス種類ごとの
比が急激に変化し、エツチングパターンの側壁に対する
加工特性に突発的な異常が発生するおそれがあった。

この発明は、上記のような問題点を解消するために側基
されたものであって、エツチングガスの種類やガス流量
、エツチング中の圧力やウェハ温度などを変更すること
なしに、エツチングパターンに対する側壁保護性の強さ
を可変することができる半導体装置の製造方法を得るこ
とを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 この発明に係る半導体装置の製造方法は、２種類以上の
ガスを混合したエツチングガス硅いるプラズマエツチン
グプロセスにおいて、解離断面積の最大値を与える電子
エネルギー領域が大きく異なる２種類以上のエツチング
ガスを用いるとともに、エツチング途中の所要の段階で
プラズマ中の電子エネルギー分布を可変することにより
エツチングパターンに対する側壁保護性の強さを制御す
ることを特徴とするものである。

〈作用〉 この発明に係る半導体装置の製造方法（プラズマエツチ
ングプロセス）による作用を、第１図に示す解離断面積
の電子エネルギー分布依存性のグラフに基づいて説明す
る。

このグラフには、エツチングパターンに対して保護性の
弱い加工特性（等方性工、チング）を与えるエツチング
ガスＡと、保護性の強い加工特性（異方性エツチング）
を与えるエツチングガスＢとが示されている。なお、こ
こで、Ａ、　　Ｂは、２＃＠類のエツチングガスを区別
するために付けた元素記号としての符号である。

エツチングガスＡは、比較的低い電子エネルギー領域Δ
Ｂ＋で解離断面積の最大値をもつ。これに対して、エツ
チングガスＢは比較的高い電子工ぶルギー領域ΔＥ２で
解離断面積の最大値をもつ。

あるエネルギーをもった電子がエツチングガスＡ、Ｂと
衝突し付着することにより、例えば、Ａ　ｚ　＋　ｅ　
”　−八’　＋　Ａ Ａｍ　＋ｅ−−２Ａ’　＋ｅ−・・・・・・・・・・・
・・・・・・・■ｆ３ｚ　＋６”　−Ｂ’　＋８ Ｂｚ　＋ｅ−＝２Ｂ’　＋ｅ−・・・・・・・・・・・
・・・・・・・■のような解離が行われる。ここで、Ａ
−、Ｂ−はイオンを意味し、Ａ’、Ｂ’　はラジカルを
意味する。

プラズマにおける単位体積当たりの解離原子（ラジカル
またはイオン）の生成数は、ｎ、−ｎ、・〈■・σ４〉 で定義される。ここで、 ｎ、：　ガス分子の密度 ｎ、：　電子密度 ■：　電子の速度 σ４　：　解離断面積 〈Ｖ普σ、〉：　Ｖ−σ４の平均値 である。

さて、プラズマにおける電子エネルギー分布を調整して
、比較的低い電子エネルギー領域ΔＥで極大債をもつ分
布状態にすると、■の反応の方が■の反応よりも進行し
やすく、解離断面積の最大値を比較的低い電子エネルギ
ー領域ΔＥ、に有しているエツチングガスＡの単位体積
当たりの解離原子（ラジカルまたはイオン）の生成数が
多くなるのに対して、解離断面積の最大値を比較的高い
電子エネルギー領域ΔＥ２に有しているエンチングガス
Ｂの単位体積当たりの解離原子（ラジカルまたはイオン
）の生成数は少なくなる。

上記とは逆に、プラズマにおける電子エネルギー分布を
比較的高い電子エネルギー領域ΔＥ２で極大値をもつ分
布状態に調整すると、■の反応の方が■の反応よりも進
行しやすく、解離断面積の最大値を比較的高い電子エネ
ルギー領域ΔＥ２に存しているエツチングガスＢの単位
体積当たりの解離原子の生成数が多くなるのに対して、
解離断面積の最大値を比較的低い電子エネルギー領域Δ
Ｅ、に有しているエツチングガスＡの単位体積当たりの
解離原子の生成数は少なくなる。

すなわち、プラズマにおける電子エネルギー分布の調整
に基づいて、両エツチングガスＡ、Ｂの解離原子の生成
数の比が制御される。

上記のように、エツチングガスＡはエツチングパターン
に対して側壁保護性の弱い加工特性を与えるものであり
、エツチングガスＢは側壁保護性の強い加工特性を与え
るものである。

比較的低い電子エネルギー領域ΔＥ１で極大値をもつ電
子エネルギー分布の状態に調整したときには、側壁保護
性の弱い加工特性を与えるエツチングガスＡの解離原子
の生成数が多く、側壁保護性の強い加工特性を与えるエ
ツチングガスＢの解離原子の生成数が少ないために、結
局、エツチングパターンに対しては側壁保護性の弱い加
工特性が与えられることになる。

上記とは逆に、比較的高い電子エネルギー領域ΔＥ２で
極大値をもつ電子エネルギー分布の状態に調整したとき
には、側壁保護性の強い加工特性を与えるエツチングガ
スＢの解離原子の生成数が多く、側壁保護性の弱い加工
特性を与えるエツチングガスＡの解離原子の生成数が少
ないために、結局、エツチングパターンに対しては側壁
保護性の強い加工特性が与えられることになる。

このように、プラズマにおける電子エネルギー分布を調
整することにより、エツチングパターンに対して側壁保
護性の強さを可変することができる。そして、電子エネ
ルギー分布の調整は、例えば、マイクロ波ＥＣＲエツチ
ャーにおけるマイクロ波発振器の駆動を流の調整など最
小限のプラズマ外部パラメータの調整をもって行うこと
ができ、側壁保護性の強さを制御するのにエツチングガ
スの種類を工、チング途中で変更する必要はない。

〈実施例〉 以下、この発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第３図は、塩素ガス分子ＣＩ、についての電子衝突断面
積を示す。ここで、Ｑヨは運動量換算の断面積、Ｑ、は
全振動断面積、Ｑ、はイオン断面積、Ｑ、は付着断面積
、ＱｌはＢ５１１準位励起状態での断面積、Ｃ２はＣＩ
　■準位励起状態での断面積、Ｑ、は２１０および２１
Σ準位励起状態での断面積である。

第４図は、第３図の電子衝突断面積のうち付着断面積の
みを取り出して表したグラフである。

第５図は、酸素分子ガスＯｔについての電子衝突断面積
を示し、第６図は、第５図の電子衝突断面積のうち付着
断面積のみを取り出して示す。

ここで、付着断面積とは、あるエネルギーをもった電子
が、Ｃ１ｚまたは０□と衝突して付着することにより、 Ｃ／、＋ｅ−→ｃｇ’　＋ｃ１−　・・・・・・・・・
・・・■０□＋ｅ−−２０’＋ｅ−・・・・・・・・・
・・・■で表される物理現象が起こる確率である。

そして、エツチングガスに塩素と酸素を用い、２つのガ
スの混合ガスが０．０ＩＴｏｒｒの圧力下では、主に上
述の付着によってプラズマが生成することが一般的に知
られている。つまり、■■の反応により、電子付着とと
もにＣ１２分子または０２分子の解離が起こり、塩素ラ
ジカルや塩素イオンあるいは酸素ラジカルが生成される
。したがって、付着断面積を解離断面積と考えることが
できる。

第３図および第４図より、塩素ガスでは、１ｅ■以下の
比較的低い電子エネルギー領域において解離断面積が大
きく、１ｅＶ以下で解離断面積の最大値をもつ。

第５図および第６図より、酸素ガスでは、６ｅ■以上の
比較的高い電子エネルギー領域において解離断面積が大
きく、６ｅＶ以上で解離断面積の最大値をもつ。

プラズマにおける電子エネルギー分布を調整して、１ｅ
Ｖ以下の比較的低い電子エネルギー領域で極大値をもつ
分布状態（ガウス分布）にすると、電子は、酸素ガスに
対してよりも塩素ガスに対して付着しやすくなり、■の
反応の方が■の反応よりも進行しやすく、プラズマでの
単位体積当たりの塩素ガスの解離原子（塩素ラジカルま
たは塩素イオン）の生成数が充分多くなるのに対して、
酸素ガスの解離原子（酸素ラジカルまたは酸素イオン）
の生成数は極端に少なくなる。

すなわち、多結晶シリコン膜のエツチングを促進する塩
素ラジカルや塩素イオンの方が、側壁保護性を強める酸
素ラジカルや酸素イオンよりも多く生成され、その結果
としてエッチレートが高く、側壁保護性の弱い加工特性
となる。

これとは逆に、プラズマにおける電子エネルギー分布を
５ｅＶ以上の比較的高い電子エスルギー領域で極大値を
もつ分布状！ＩＥ、（ガウス分布）に調整すると、電子
は、塩素ガスに対してよりも酸素ガスに対して付着しや
すくなり、■の反応の方が■の反応よりも進行しゃす（
、プラズマでの単位体積当たりの酸素ガスの解離原子（
酸素ラジカルまたは酸素イオン）の生成数が充分多くな
るのに対して、塩素ガスの解離原子（塩素ラジカルまた
は塩素イオン）の生成数は極端に少なくなる。

すなわち、多結晶シリコン膜のエツチングにおいて側壁
保護性を強める酸素ラジカルや酸素イオンの方が、エツ
チングを促進する塩素ラジカルや塩素イオンよりも多く
生成され、その結果としてエッチレートが低く、側壁保
護性の強い加工特性となる。

このように、プラズマにおける電子エネルギー分布の調
整に基づいて、塩素ガス、＃素ガスの解離原子の生成数
の比を制御し、エツチングパターンに対する側壁保護性
の強さを、エツチング途中でガス種類や流量を変更する
ことなしに、容易に制御することができる。

電子サイクロトロン共’！１（ＥＣＲ）を利用するマイ
クロ波ＥＣＲプラズマエツチング装置において、この発
明を通用したところ、第２図に示すような結果を得た。

この第２図は、多結晶シリコン膜およびレジストについ
てのエッチレートのマイクロ波パワーの依存性を示すも
のである。なお、このとき、マイクロ波パワー以外のプ
ラズマ外部パラメーターについては一切変更していない
。

ＥＣＲエツチング装置のマイクロ波パワーは、マイクロ
波発振器のアノード電流の大きさで定義される。そのア
ノード電流を調整すると、プラズマ内の電子エネルギー
分布が変動する。すなわち、アノードを流を増大するほ
ど、極大値がエネルギーの大きい側にシフトするような
電子エネルギー分布となり、アノード電流を減少するほ
ど、極大値がエネルギーの小さい側にシフトするような
電子エネルギー分布となる。なお、これらの定量的相関
データーは、実験によって得られる。

マイクロ波発振器のアノードを流を１５０〜２５０ｍＡ
と小さく設定すると、プラズマにおける電子エネルギー
分布が１ｅＶ以下の比較的低い電子エネルギー領域で極
大値をもつ状態となり、前述のようにエツチングを促進
する塩素のラジカルやイオンが多く生成される結果、多
結晶シリコン膜に対してエッチレートが高く側壁保護性
の弱い加工特性となる。

また、マイクロ波発振器のアノード電流を３００ｍＡと
大きく設定すると、プラズマにおける電子エネルギー分
布が６ｅＶ以上の比較的高い電子エネルギー領域で極大
値をもつ状態となり、前述のように側壁保護性を強める
酸素のラジカルやイオンが多く生成される結果、多結晶
シリコン膜に対してエッチレートが低く　（レジスト膜
よりも低い）側壁保護性の強い加工特性となる。

〈発明の効果〉 以上のようにこの発明によれば、エツチングパターンに
対する側壁保護性の強さを互いに異にし、かつ、解離断
面積の最大値を与える電子エネルギー領域が大きく異な
る２種類以上のガスを混合したものをエツチングガスと
して用いるプラズマエツチングプロセスにおいて、プラ
ズマにおける電子エネルギー分布を可変することにより
、各エツチングガスの解離原子の生成数の比を調整する
ことができ、その結果として、側壁保護性の弱い加工特
性と側壁保護性の強い加工特性といった具合にエツチン
グパターンに対する側壁保護性の強さを任意に制御する
ことができる。

側壁保護性の強さの１ｉｌｌ？！ｉのためのプラズマに
おける電子エネルギー分布の調整は、例えば、マイクロ
波ＥＣＲエツチャーのマイクロ波発振器の駆動１ｉｔ／
ｌｉＬの調整など最小限のプラズマ外部パラメータの調
整で行うことができ、従来例のように側壁保護性の強さ
を制御するのにエツチング途中で工７チングガスの種類
やガス流量・圧力を変更するといった必要性が全くない
ため、スルーブツトを向上することができるとともに、
ガスラインを削減してプラズマエツチング装置のコスト
ダウンを図ることができる。

さらに、電子工ふルギー分布の調整をもって各エツチン
グガスの解離原子の生成数の比を直接的に調整するよう
にしであるから、プラズマ外部パラメータの経時的変動
に起因した解離原子生成数の比の急激な変化という現象
自体が生じにくくなり、そのことによる加工特性の異常
発生も予防することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の作用説明に供する解離断面積の電子
エネルギー依存性のグラフである。第２図ないし第６図
はこの発明の一実施例に係るもので、第２図はＥＣＲ式
マイクロ波プラズマエツチング装置にこの発明を適用し
た結果得られたエッチレートのマイクロ波パワー（アノ
ード電流）依存性のグラフ、第３図は塩素ガス分子につ
いての電子衝突断面積の電子エネルギー依存性のグラフ
、第４図は塩素ガス分子についての解離断面積の電子エ
ネルギー依存性のグラフ、第５図は酸素ガス分子につい
ての電子衝突断面積の電子エネルギー依存性のグラフ、
第６図は酸素ガス分子についての解離断面積の電子エネ
ルギー依存性のグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）２種類以上のガスを混合したエッチングガスを用
   いるプラズマエッチングプロセスにおいて、解離断面積
   の最大値を与える電子エネルギー領域が大きく異なる２
   種類以上のエッチングガスを用いるとともに、エッチン
   グ途中の所要の段階でプラズマ中の電子エネルギー分布
   を可変することによりエッチングパターンに対する側壁
   保護性の強さを制御することを特徴とする半導体装置の
   製造方法。