JPH05198533A

JPH05198533A - ドライエッチング方法

Info

Publication number: JPH05198533A
Application number: JP4027497A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Tatsumi; 哲也辰巳
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-01-20
Filing date: 1992-01-20
Publication date: 1993-08-06

Abstract

(57)【要約】【目的】ガス組成の変更や処理チャンバ内への可動部
材の導入等を行わずに、エッチング途中でラジカル生成
量を制御し、下地選択性と異方性を改善する。【構成】有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置
の処理チャンバ４の内壁面にアモルファス・シリコン
（ａ−Ｓｉ）カバー１３を設け、外周側には複数の永久
磁石１４からなる交互多極磁場リングを配設する。この
リングの内側ではマルチカスプ磁場が形成され、ＥＣＲ
プラズマＰの壁面方向への拡散が抑制される。永久磁石
１４を位置Ｅに置けばＥＣＲプラズマＰとａ−Ｓｉカバ
ー１３との接触面積が減少するのでラジカル消費量が減
り、位置Ｆに置けばラジカル消費量が増大する。ポリサ
イド膜中の多結晶Ｓｉ層のエッチング時等にこの接触面
積を大とすると有効である。永久磁石１４に代えて補助
コイル１７を使用しても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造分野等
において適用されるドライエッチング方法に関し、特に
ＥＣＲプラズマを利用したエッチング・プロセスの途中
におけるラジカル性の低減，側壁保護の強化等の条件変
更を、プラズマの閉じ込め状態を変化させることにより
実現する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩ，ＵＬＳＩ等にみられる
ように半導体装置のデザイン・ルールが高度に微細化さ
れるに伴い、ドライエッチング技術においても高異方
性、高速性、高選択性、低汚染性、低ダメージ性といっ
た諸要求をいずれをも犠牲とすることなく達成する技術
が強く望まれている。なかでも、高異方性と高選択性と
いう相反する条件の両立は、最重要課題のひとつとされ
ている。それは、高異方性を達成するためにはある程度
高い入射イオン・エネルギーが必要となるが、これは対
下地選択性の観点からは不利となるからである。

【０００３】そこで、被エッチング材料層の大部分をエ
ッチング（ジャストエッチング）するかもしくは下地材
料層が露出する直前までの工程では入射イオン・エネル
ギーを相対的に高め、オーバーエッチングもしくは残余
部のエッチングを行う工程では相対的に低下させた条件
でエッチングを行う技術が提案されている。入射イオン
・エネルギーを変化させるポピュラーな方法としては、
プラズマ・エッチング装置の電極に印加されるＲＦバイ
アスのパワーを低下させるか、ＲＦバイアスの周波数を
増大させるか、もしくはこれら両方を同時に実施する等
の方法がある。

【０００４】また、ＥＣＲプラズマ装置を使用するプロ
セスに関しては、磁場配位の制御によりチャンバ内にお
けるプラズマの閉じ込め状態を変化させ、このプラズマ
中における被エッチング基板（ウェハ）の相対位置関係
により入射イオン・エネルギーを制御することも提案さ
れている。たとえば、特開昭６２−３０８９１号公報に
は、ＥＣＲプラズマの形成に必要な磁場を形成するため
の主コイルの他に、プラズマの下流側に該主コイルと対
峙する補助コイルを備えたＥＣＲプラズマ装置を使用
し、これら両コイルの励磁方向をエッチングの途中で反
転させる技術が開示されている。この技術では、まず主
コイルと補助コイルを同一方向に励磁してミラー磁場を
形成し、このミラー磁場の中央近傍、すなわちプラズマ
密度の高い領域にウェハを置き、被エッチング材料層の
大部分をエッチングする。この段階では、高濃度のイオ
ンによりイオン・モードを主体とした機構で高速異方性
エッチングが進行する。次に、主コイルと補助コイルを
逆方向に励磁してカスプ磁場を形成し、カスプ中立面よ
り若干下流側にウェハを置いて被エッチング材料層の残
余部をエッチングする。この段階では、イオンがカスプ
中立面を越えてウェハに入射することがほとんどないた
め、ラジカル・モードを主体とした機構により低ダメー
ジ・高選択エッチングが進行する。

【０００５】以上、入射イオン・エネルギーを低下させ
るための公知技術について述べたが、これらとは別に、
堆積物による側壁保護を併用することにより、高異方性
の達成に必要なイオン入射エネルギーを低減させようと
する考え方も広く知られている。この側壁保護は、気相
中からのガス放電解離生成物、もしくはエッチング反応
生成物等をパターン側壁部に堆積させることにより行わ
れており、このようにして形成された側壁保護膜がラジ
カルの側方攻撃からパターンを保護するわけである。

【０００６】この側壁保護に関し、本発明者はＳ（イオ
ウ）を堆積させる一連の技術をこれまでに多数提案して
いる。たとえば、ＤｉｇｅｓｔｏｆＰａｐｅｒｓ，
１９９１４ｔｈＭｉｃｒｏＰｒｏｃｅｓｓＣｏｎ
ｆｅｒｅｎｃｅ，ｐ．３２，Ａ−３−１に、Ｓ₂Ｃｌ₂
やＳ₂Ｂｒ₂等のハロゲン化イオウを含むエッチング・
ガスを使用してシリコン系材料を−２０℃付近で低温エ
ッチングする技術を報告した。この技術では、放電解離
条件下でＳ／Ｘ比〔分子中のＳ原子数とハロゲン（Ｘ）
原子数の比〕の比較的大きいハロゲン化イオウからプラ
ズマ中に放出される遊離のＳをウェハ上に堆積させる。
このときのウェハは、Ｓを昇華させずに保持し得る温度
に維持されていれば良いので、上記技術は従来の低温エ
ッチングのウェハ冷却温度を室温域に近づけることがで
きる。堆積させたＳは、エッチング終了後にウェハをお
およそ９０℃以上に加熱することにより容易に昇華除去
することができ、何らパーティクル汚染を惹起させる懸
念がない。さらに、このＳの堆積を利用するプロセスの
重要な意義は、地球環境破壊が懸念されるクロロフルオ
ロカーボン（ＣＦＣ）ガスを使用せずにシリコン系材料
層の異方性エッチングを実現できる点にある。

【０００７】このＳ堆積プロセスについても、本願出願
人は高選択性と高異方性とを両立させるために、エッチ
ングの途中でエッチング反応系の見掛け上のＳ／Ｘ比を
変化させ、Ｓの堆積量とラジカル量とのバランスを制御
する技術を種々提案している。たとえば、特願平３−２
０３６０号明細書には、ハロゲン化イオウを主体とする
エッチング・ガスにＨ₂，Ｈ₂Ｓ，あるいはシラン系化
合物を添加する技術を提案している。これらの添加化合
物から生成するＨ^*，Ｓｉ^*は、エッチング反応系内の
過剰なハロゲン・ラジカルを捕捉消費するので、エッチ
ング反応系のラジカル性が弱まり、相対的にＳの堆積が
促進される。

【０００８】また、特願平３−１３２１１６号明細書に
は、処理チャンバの内壁面の少なくとも一部をＳｉ系材
料層で被覆し、このＳｉ系材料層とＥＣＲプラズマとの
接触面積を適当なシャッタを用いて変化させる技術を提
案している。この技術では、シャッタ開度を大とすれば
ＥＣＲプラズマ中のハロゲン・ラジカルの消費量が増大
してＳの堆積が促進され、逆に小とすればハロゲン・ラ
ジカルの消費量が減少してＳの堆積が抑制される。

【０００９】本願出願人は、これらの技術を適用するこ
とにより、下地に対して特に高い選択性が要求されるオ
ーバーエッチング、あるいはポリサイド膜のようにエッ
チング特性の異なる複数の膜が積層された多層膜の選択
異方性エッチングを、極めて良好に行うことに成功して
いる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｓ堆積
プロセスの実用化を推進するためには、さらに別のアプ
ローチも模索した上で、できるだけ多くの選択肢の中か
らプロセスの内容に応じて最適な方法を選択することが
重要であると考えられる。この過程では、先行技術の一
長一短を認識することも必要である。

【００１１】たとえば、エッチング・ガスへＨ₂等を添
加して過剰ハロゲン・ラジカルを消費する技術には、エ
ッチング装置の改造等を伴わずに実施できるという簡便
さがある反面、ガス流量や放電状態の安定化のための所
要時間がスループットを低下させる懸念がある。また、
チャンバ壁に設けられたＳｉ系材料層とＥＣＲプラズマ
との接触面積をシャッタを用いて変化させる技術には、
高いスループットが期待できる反面、チャンバ内に可動
部材を導入することにより装置構成が複雑化したり、シ
ャッタに堆積するＳによりエッチング反応系のＳ／Ｘ比
が微妙して再現性を低下させる等の懸念がある。

【００１２】そこで本発明は、Ｓ堆積プロセスを基本と
しながら、スループットの低下、装置構成の複雑化、再
現性の低下等を回避することが可能なドライエッチング
方法を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の目的を
達成するために提案されるものである。すなわち、本願
の第１の発明にかかるドライエッチング方法は、処理チ
ャンバの内壁面の軸方向の少なくとも一部がシリコン系
材料層により被覆されてなり、かつこのシリコン系材料
層の被覆部位に対峙するごとく該処理チャンバの外周部
に補助磁場形成手段が配設されてなるＥＣＲプラズマ装
置を使用し、前記補助磁場形成手段の操作によりＥＣＲ
プラズマと前記シリコン系材料層との接触面積を変化さ
せながら被エッチング基板上のシリコン系材料層をエッ
チングすることを特徴とする。

【００１４】本願の第２の発明にかかるドライエッチン
グ方法は、前記補助磁場形成手段が、前記処理チャンバ
の周方向に沿って略等間隔に配置されかつ該処理チャン
バの半径方向に沿って交互に逆極性となるように着磁さ
れた複数の永久磁石から構成されてなり、前記接触面積
の変化はこの補助磁場形成手段を前記処理チャンバの軸
方向に沿って移動させることにより達成することを特徴
とする。

【００１５】本願の第３の発明にかかるドライエッチン
グ方法は、前記補助磁場形成手段が、前記処理チャンバ
の周方向に沿って略等間隔に配置されかつ該処理チャン
バの半径方向に沿って交互に逆極性となるように励磁さ
れた複数のコイルから構成されてなり、前記接触面積の
変化はこの補助磁場形成手段に印加する電流を制御する
ことにより達成することを特徴とする。

【００１６】さらに、本願の第４の発明にかかるドライ
エッチング方法は、処理チャンバの内壁面の軸方向の少
なくとも一部がシリコン系材料層により被覆されてな
り、かつこのシリコン系材料層の被覆部位に対峙して該
処理チャンバの外周部を周回するごとく配設され、前記
軸方向に沿って各々同極性となるように励磁された複数
のコイルを備えてなるＥＣＲプラズマ装置を使用し、前
記複数のコイル相互間の離間距離を前記軸方向に沿って
変化させることにより前記シリコン系材料層の近傍にお
けるＥＣＲプラズマの密度を変化させながら被エッチン
グ基板上のシリコン系材料層をエッチングすることを特
徴とする。

【００１７】

【作用】本発明は、エッチング・ガスの組成変更や処理
チャンバ内への可動部材の導入を行わずにＥＣＲプラズ
マ中のハロゲン・ラジカル量を変化させるために、磁場
配位の制御を行うものである。ただし、本発明における
磁場配位の制御は、従来技術のように単に入射イオン・
エネルギーの制御やプラズマ密度の均一性を向上を目的
として行われるのではなく、処理チャンバの内壁部に設
けられたＳｉ系材料層とＥＣＲプラズマの接触状態を変
化させるために行われるのである。

【００１８】本願の第１の発明は、上述の磁場配位の制
御を補助磁場形成手段の操作により行うものである。Ｅ
ＣＲプラズマは、磁場中で円運動を行っている電子がそ
のサイクロトロン角周波数に一致するマイクロ波エネル
ギーを共鳴的に吸収した場合に生成するプラズマであ
る。したがって、ＥＣＲプラズマ装置は、言うまでもな
くプラズマ生成用の磁場形成手段（前述の主コイルに相
当する。）を備えている。上記補助磁場形成手段はこの
磁場形成手段とは別個に設けられるものであり、プラズ
マ生成には直接関与はしないが、プラズマの閉じ込め状
態を制御する。本発明では、処理チャンバの内壁部の軸
方向の一部をシリコン系材料層で被覆しておき、この被
覆部位にほぼ対応する部位に適当な補助磁場形成手段を
設置してこれを操作する。荷電粒子の集合体であるプラ
ズマは、磁束に直交する方向には拡散しにくいという性
質を有している。したがって、上記の補助磁場形成手段
がチャンバ内壁面に一部沿った磁束を形成し得るもので
あれば、その磁束が存在する間はＥＣＲプラズマとチャ
ンバ内壁面を被覆するシリコン系材料層との接触面積が
減少し、磁束が消滅すれば接触面積は増大する。このＥ
ＣＲプラズマ中にハロゲン・ラジカルが含まれていれ
ば、上記の接触面積にほぼ比例してハロゲン・ラジカル
が消費される。本発明を前述のようなＳ堆積プロセスに
適用すれば、エッチング反応系のＳ／Ｘ比を容易に変化
させることができるわけである。

【００１９】本願の第２の発明は、上記の補助磁場形成
手段をより具体的に規定するものであり、複数の永久磁
石を使用する。これらの永久磁石は、前記処理チャンバ
の周方向に沿って略等間隔に配置され、かつ該処理チャ
ンバの半径方向に沿って交互に逆極性となるように着磁
されており、交互多極磁場リングを構成している。かか
る磁石の配置により形成される磁場配位は、マルチカス
プ磁場として知られており、この磁場中では処理チャン
バの内壁面近傍におけるＥＣＲプラズマの拡散が制限を
受ける。したがって、ＥＣＲプラズマとチャンバ内壁面
のシリコン系材料層との接触面積を減少させたい場合に
は、この交互多極磁場リングを該シリコン系材料層によ
る被覆部位をほぼ周回する位置に置けば良い。逆に、接
触面積を増大させたい場合には、交互多極磁場リングを
上記被覆部位とは重ならない位置に移動させれば良い。

【００２０】本願の第３の発明は、第２の発明と同様、
マルチカスプ磁場を利用するものであるが、永久磁石の
代わりにコイルを使用し、磁場形成を電流のＯＮ／ＯＦ
Ｆにより制御可能としたものである。つまり、ＥＣＲプ
ラズマとチャンバ内壁面のシリコン系材料層との接触面
積を減少させたい場合にはコイルに通電して励磁し、増
大させたい場合には通電を停止すれば良いのである。し
たがって、永久磁石を使用する場合のように交互多極磁
場リングを処理チャンバの軸方向に移動させる必要がな
い。

【００２１】なお、ＥＣＲプラズマ装置において、ＥＣ
Ｒプラズマの形成に用いられる磁場形成手段（主コイ
ル）の下流側にマルチカスプ磁場を形成してプラズマを
閉じ込める技術は、既に特開昭６３−２４４６００号公
報等において知られるところである。一般にＥＣＲプラ
ズマ装置内では、処理チャンバの軸方向に沿った強力な
平行磁場が主コイルによって形成されており、半径方向
への荷電粒子の拡散が制限されている。しかも、プラズ
マ発生部へ入力されるマイクロ波のエネルギー分布は一
般には一様でないので、これによってもプラズマ密度に
分布が生じてしまう。したがって、プラズマ発生部にお
けるプラズマ密度の不均一性は、ＥＣＲプラズマがある
程度輸送された後でも緩和されにくく、エッチングの不
均一性をもたらすという問題があった。上記公報に記載
される技術は、この問題を解決し、ＥＣＲプラズマの均
一性を向上させるものである。

【００２２】これに対し今回の発明は、エッチング反応
系のラジカル量の制御を主眼とするものであるが、上記
公報に記載される技術と同様の原理にもとづき、マルチ
カスプ磁場が存在する間はＥＣＲプラズマの均一性を向
上させることができる。

【００２３】本願の第４の発明では、上記の３発明のよ
うに補助磁場形成手段を用いてプラズマの閉じ込め状態
を変化させるのではなく、ＥＣＲプラズマ形成用のコイ
ルそのものを用いて磁場勾配を変化させることにより、
処理チャンバ内壁面のシリコン系材料層と接触するＥＣ
Ｒプラズマの密度を変化させる。ここで、上記コイルは
複数個設けられており、処理チャンバの軸方向に沿って
同極性となるように励磁されている。これらのコイルに
よりプラズマ発生部に形成される磁場は平行磁場である
が、コイル相互間の離間距離が小さければ処理チャンバ
の内壁面近傍の磁場勾配は急峻となり、逆に大きければ
緩やかとなる。磁場勾配が緩やかになれば、荷電粒子の
拡散が促進され、プラズマ密度の均一性を高めることが
できる。換言すれば、処理チャンバの内壁面近傍におけ
るプラズマ密度を高めることができる。これは、前述の
ようにマイクロ波のエネルギー分布に一定の幅があるの
で、磁場勾配が緩やかである方が、このエネルギーの変
動範囲に適合してＥＣＲ条件を満足できる処理チャンバ
内の領域が広くなるからである。

【００２４】したがって、シリコン系材料層によりＥＣ
Ｒプラズマ中のハロゲン・ラジカルの消費量を増大させ
たい場合には、コイル相互間の離間距離を大として内壁
面近傍のプラズマ密度を高めれば良い。逆に、ハロゲン
・ラジカルの消費量を減少させたい場合には、離間距離
を小とすれば良い。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００２６】実施例１本実施例は、本願の第２の発明の発明を多結晶シリコン
・ゲート電極加工に適用し、Ｓ₂Ｆ₂をエッチング・ガ
スとして用いて多結晶シリコン層をエッチングする際の
ジャストエッチング時とオーバーエッチング時とで、処
理チャンバの内壁面に配設されたアモルファス・シリコ
ン・カバーとＥＣＲプラズマとの接触面積を永久磁石に
より変化させた例である。

【００２７】まず、実際のエッチング・プロセスの説明
を行う前に、本発明を実施するにあたり使用した有磁場
マイクロ波プラズマ・エッチング装置の構成例、および
その使用方法について説明する。上記装置の概略的な構
成を図１に示す。この装置は、２．４５ＧＨｚのマイク
ロ波を発生するマグネトロン１、上記マグネトロン１に
図示されない整合器，マイクロ波電力計，アイソレータ
等を介して接続され、上記マイクロ波を導く矩形導波管
２、上記矩形導波管２に石英ガラス板等からなるマイク
ロ波導入窓３を介して接続され、放電により内部にＥＣ
ＲプラズマＰを生成させるための処理チャンバ４、この
処理チャンバ４内に設置されウェハ１０を載置するため
のウェハ載置電極８、上記処理チャンバ４を周回し、Ｅ
ＣＲ条件を満足すべく８．７５×１０^-2Ｔ（８７５Ｇ）
の磁束密度を達成可能なソレノイド・コイル７等を基本
的な構成要素とする。

【００２８】上記処理チャンバ４の上方にはガス供給管
５が開口され、処理に必要なガスが矢印Ａ方向からチャ
ンバ内へ供給されるようになされている。また、処理チ
ャンバ４の底面側には排気孔６が開口され、図示されな
い真空系統によりチャンバ内部が矢印Ｂ方向に高真空排
気されるようになされている。上記ウェハ載置電極８に
は、ＲＦバイアスを印加するためのＲＦ電源１２が、直
流成分を遮断するためのブロッキング・コンデンサ１１
等を介して接続されている。また、ウェハ載置電極８の
内部には、低温エッチングに対応するための冷却配管９
が埋設されている。この冷却配管９に、装置外部に接続
される図示されないチラー等の冷却設備から適当な冷媒
を供給して矢印Ｃ₁，Ｃ₂方向に循環させることによ
り、エッチング中のウェハ温度を所定の温度に維持する
わけである。

【００２９】本発明では、上記の構成に加えて、装置に
特に次のような２点の工夫を施した。その第一は、処理
チャンバ４の内壁面のうち、Ｙ−Ｙ線で示される軸方向
に沿ってソレノイド・コイル７の周回位置よりやや下方
側の一部、すなわちＥＣＲポジションより下流側の一部
を、Ｓｉ系材料層で被覆した点である。このＳｉ系材料
層の具体例として、ここでは帯状のアモルファス・シリ
コン・カバー１３を使用した。ただし、このアモルファ
ス・シリコン・カバー１３は、処理チャンバ４の内壁部
を必ずしも連続的に周回している必要はなく、たとえば
ブロック状の固体を内壁部に貼り付けた構成を有するも
のであっても良い。さらに、他のＳｉ系材料層として、
適当な形状に加工されたシリコン・カーバイド材、単結
晶シリコンからなるダミー・ウェハ、処理チャンバ４の
内壁面にＣＶＤ法等により直接成膜された多結晶シリコ
ン層等を使用することもできる。

【００３０】第二の工夫とは、上記処理チャンバ４の外
周部に、補助磁場形成手段を配設した点である。この補
助磁場形成手段は、処理チャンバ４の周方向に沿って略
等間隔に配置された複数の永久磁石１４から構成されて
いる。各永久磁石１４は、図示されない駆動手段に一体
的に接続され、処理チャンバ４の軸方向（Ｙ−Ｙ線方
向）に沿って位置Ｅと位置Ｆとの間を矢印Ｄ方向に昇降
可能とされている。ここで、位置Ｅとは、図１（ａ）に
示されるように上記アモルファス・シリコン・カバー１
３の配設位置と重なる位置であり、位置Ｆとは、図１
（ｂ）に示されるように重ならない位置である。

【００３１】ここで、上記永久磁石１４の配設状態をよ
りわかり易く示すために、Ｘ−Ｘ線断面図を図２に示
す。図２（ａ）は、永久磁石１４が位置Ｅにある場合、
図２（ｂ）は、位置Ｆにある場合をそれぞれ表してい
る。図２（ａ）に示される例では、８個の永久磁石１４
が処理チャンバ４の周方向に沿って等間隔に配置されて
おり、隣合う永久磁石１４同士は、互いに処理チャンバ
４の半径方向に沿って逆極性とされている。かかる配置
によれば、ある磁石のＮ極から両隣の磁石のＳ極へ向か
う磁力線により星型のマルチカスプ磁場が形成され、Ｅ
ＣＲプラズマＰはこの内側へ閉じ込められる。

【００３２】ここで、位置Ｅにおいてマルチカスプ磁場
が形成された場合には、処理チャンバ４の内壁面方向へ
のプラズマの拡散が抑制されるために、アモルファス・
シリコン・カバー１３とＥＣＲプラズマＰとの接触面積
が減少する。したがって、ＥＣＲプラズマＰ中のハロゲ
ン・ラジカルの消費量は少なくなる。一方、位置Ｆにお
いてマルチカスプ磁場が形成された場合には、位置Ｅに
おける処理チャンバ４の内壁面方向へのプラズマの拡散
は何ら阻害されないため、アモルファス・シリコン・カ
バー１３とＥＣＲプラスマＰとの接触面積が増大する。
したがって、ＥＣＲプラズマＰ中のハロゲン・ラジカル
の消費量が増大する。

【００３３】なお、このマルチカスプ磁場は、ソレノイ
ド・コイル７により形成されるウェハ１０付近の発散磁
界を収束させて、プラズマ密度を均一化することにも寄
与している。

【００３４】以下、上述の有磁場マイクロ波プラズマ・
エッチング装置を使用して実際にゲート電極加工を行っ
た例について、図３を参照しながら説明する。本実施例
でエッチング・サンプルとして使用したウェハ１０は、
図３（ａ）に示されるように、単結晶シリコン基板２１
上にＳｉＯ₂からなるゲート酸化膜２２を介してｎ⁺型
不純物を含有する多結晶シリコン層２３が形成され、さ
らに所定の形状にパターニングされたレジスト・マスク
２４が形成されてなるものである。

【００３５】このウェハ１０を上述の有磁場マイクロ波
プラズマ・エッチング装置のウェハ載置電極８上にセッ
トし、ガス供給管５からＳ₂Ｆ₂を導入し、冷却配管１
２にはエタノール冷媒を循環させた。また、永久磁石１
４は位置Ｅ〔図１（ａ）参照。〕にセットした。この状
態で、一例として下記の条件により上記多結晶シリコン
層２３をジャストエッチングした。

【００３６】Ｓ₂Ｆ₂流量５ＳＣＣＭガス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー３０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ温度 −４０℃ このジャストエッチング工程では、放電解離条件下でＳ
₂Ｆ₂からＥＣＲプラズマＰに生成するＦ^*によりラジ
カル反応が進行する。このときのＥＣＲプラズマＰ中の
Ｓ⁺，ＳＦ⁺等のイオンは、ソレノイド・コイル７が形
成する発散磁場に沿って下降すると共に、ウェハ１０の
近傍では前述の図２（ａ）に示されるように永久磁石１
４の形成するマルチカスプ磁場により半径方向への拡散
を阻止されるので、ウェハ１０にほぼ垂直に入射して異
方性加工をアシストする。しかも、このマルチカスプ磁
場によりアモルファス・シリコン・カバー１３とＥＣＲ
プラズマＰとの接触面積が少なくなっているので、ＥＣ
ＲプラズマＰ中のＦ^*はほとんど消費されない。したが
って、高速異方性加工が可能となる。一方、Ｓ₂Ｆ₂か
ら放出されるＳはパターン側壁部に堆積し、図３（ｂ）
に示されるような側壁保護膜２５を形成した。

【００３７】この結果、異方性形状に優れた多結晶シリ
コン・ゲート電極２３ａが形成された。このジャストエ
ッチングは、ゲート酸化膜２２の表面がほぼ露出した時
点で終了したが、ウェハ１０上には多結晶シリコン層２
３の残渣２３ｂが若干残存していた。

【００３８】そこで、この残渣２３ｂを除去するため、
永久磁石１４を位置Ｆ〔図１（ｂ）参照。〕に移動させ
た他は上記と同じ条件でオーバーエッチングを行った。
このオーバーエッチング工程では、ウェハ１０近傍のマ
ルチカスプ磁場が消滅し、前述の図２（ｂ）に示される
ようにアモルファス・シリコン・カバー１３とＥＣＲプ
ラズマＰとが全面的に接触した。これにより、ＥＣＲプ
ラズマＰ中のＦ^*がフッ化シリコンの形成に消費され、
エッチング反応系の見掛け上のＳ／Ｆ比が増大し、Ｓの
堆積が促進された。この結果、図３（ｃ）に示されるよ
うに、残渣２３ｂが除去された後でも多結晶シリコン・
ゲート電極２３ａの異方性形状が良好に維持された。こ
のとき、下地のゲート酸化膜２２に対する選択比も２０
以上に向上させることができた。

【００３９】従来、かかるゲート電極加工におけるオー
バーエッチング工程では、異方性の低下が大きな問題と
なっていた。それは、オーバーエッチング時にはエッチ
ングすべき材料層が極端に少なくなるために、大過剰と
なったＦ^*が側方マイグレーションを起こし、側壁保護
膜を除去したり、パターンの側壁部を攻撃するからであ
る。また、原子間結合エネルギーの大小関係がＳｉ−Ｆ
結合＞Ｓｉ−Ｏ結合であることからも直観的に理解され
るように、Ｆ^*が過剰となれば下地のゲート酸化膜に対
する選択性も低下し易い。

【００４０】しかし、本発明によれば、磁場配位により
ウェハ近傍のＥＣＲプラズマＰの閉じ込め状態を変化さ
せてＦ^*の消費量を制御することにより、これらの問題
が一挙に解決できるのである。

【００４１】Ｓからなる側壁保護膜２５は、エッチング
終了後にウェハ１０をおおよそ９０℃以上に加熱するこ
とにより、容易に昇華除去することができた。たとえＳ
が何らかの形で微量に残存したとしても、続いてレジス
ト・マスク２４を除去するためのアッシングが行われる
際に燃焼除去される。したがって、Ｓ堆積プロセスは何
らパーティクル汚染を惹起させる虞れがない。最終的に
は、図３（ｄ）に示されるように、良好な異方性形状を
有する多結晶シリコン・ゲート電極２３ａを形成するこ
とができた。

【００４２】実施例２本実施例は、本願の第３の発明をポリサイド・ゲート電
極加工に適用し、Ｓ₂Ｆ₂をエッチング・ガスとして用
いてポリサイド膜をエッチングするにあたり、上層側の
ＷＳｉ_x（タングステン・シリサイド）層のエッチング
時と下層側の多結晶シリコン層のエッチング時とで、ア
モルファス・シリコン・カバーとＥＣＲプラズマとの接
触面積を補助コイルにより変化させた例である。

【００４３】本実施例で使用した有磁場マイクロ波プラ
ズマ・エッチング装置の構成は、実施例１で使用した永
久磁石１４に代えて、補助コイル１７を配設してなるも
のである。この場合のＸ−Ｘ線断面図を図４に示す。図
４（ａ）は、位置Ｅにおいて補助コイル１７が励磁され
た場合、図４（ｂ）は励磁されていない場合をそれぞれ
表している。

【００４４】図４（ａ）に示される例では、８個の補助
コイル１７が処理チャンバ４の周方向に沿って等間隔に
配置されている。各補助コイル１７は、磁心１５とそれ
に巻回される導線１６から構成され、隣合う補助コイル
１７同士は導線１６への通電方向を逆方向とすることに
より、互いに逆極性となるように励磁されている。マル
チカスプ磁場の形成およびこれによるＥＣＲプラズマＰ
の閉じ込め状態は、永久磁石１４を用いた場合とほぼ同
様である。

【００４５】ただし、補助コイル１７を使用する場合、
導線１６への通電を停止すればマルチカスプ磁場は消滅
するので、図４（ｂ）に示されるように、該補助コイル
１７を位置Ｅに置いたままでもアモルファス・シリコン
・カバー１３とＥＣＲプラズマＰの接触面積を変化させ
ることができる。

【００４６】次に、この有磁場マイクロ波プラズマ・エ
ッチング装置を使用して実際にゲート電極加工を行った
例について、図５を参照しながら説明する。本実施例で
エッチング・サンプルとして使用したウェハ１０は、図
５（ａ）に示されるように、単結晶シリコン基板３１上
にＳｉＯ₂からなる薄いゲート酸化膜３２、およびｎ⁺
型不純物を含有する多結晶シリコン層２３とＷＳｉ_x層
２４とからなるポリサイド膜２５が順次積層され、さら
に所定の形状にパターニングされたレジスト・マスク２
６が形成されてなるものである。

【００４７】このウェハ１０を上述の有磁場マイクロ波
プラズマ・エッチング装置のウェハ載置電極８上にセッ
トし、位置Ｅ〔図１（ａ）参照。〕にて補助コイル１７
を励磁した。この状態で、一例として下記の条件により
上記ＷＳｉ_x層３４をエッチングした。Ｓ₂Ｆ₂流量５ＳＣＣＭガス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー２０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ温度０℃ このエッチング工程では、Ｓ₂Ｆ₂から生成するＦ^*に
よるラジカル反応が、Ｓ⁺，ＳＦ⁺等のイオン・エネル
ギーにアシストされる機構でエッチングが進行した。こ
のとき、励磁された補助コイル１７が形成するマルチカ
スプ磁場により、ＥＣＲプラズマＰとアモルファス・シ
リコン・カバー１３の接触面積が少なくなっているの
で、ＥＣＲプラズマＰ中のＦ^*はほとんど消費されず、
エッチング反応生成物の蒸気圧が比較的低いＷＳｉ_x層
３４のエッチングを速やかに行うことができた。一方、
Ｓ₂Ｆ₂から生成するＳがパターン側壁面に堆積し、図
５（ｂ）に示されるような側壁保護膜２７が形成される
結果、異方性形状を有するＷＳｉ_xパターン３４ａが形
成された。

【００４８】なお、上記ＷＳｉ_x層３４のエッチング終
点は、以前に本発明者を含むグループがたとえば月刊セ
ミコンダクターワールド１９９０年７月号８０〜８４ペ
ージに報告したように、発光スペクトルをモニタするこ
とにより判定した。すなわち、４５０〜６５０ｎｍの広
い波長域における全体的な発光強度の減少、もしくは５
０５ｎｍにおける発光ピーク強度の急激な減少をもって
判定した。

【００４９】次に、上記補助コイル１７の励磁を停止し
た他は同じ条件により、多結晶シリコン層３３をエッチ
ングした。このエッチング工程では、ウェハ１０近傍の
マルチカスプ磁場が消滅し、前述の図４（ｂ）に示され
るようにアモルファス・シリコン・カバー１３とＥＣＲ
プラズマＰとが全面的に接触した。これにより、Ｆ^*が
消費されてエッチング反応系の見掛け上のＳ／Ｆ比が増
大し、Ｓの堆積が促進された。この結果、図５（ｃ）に
示されるように異方性形状を有する多結晶シリコン・パ
ターン３３ａが形成され、全体として良好な異方性形状
を有するポリサイド・ゲート電極３５ａが得られた。ゲ
ート酸化膜３２に対する選択比も、２０以上と良好であ
った。

【００５０】ところで、ポリサイド膜のエッチングにお
いては、従来からエッチング特性の異なるＷＳｉ_x層と
多結晶シリコン層の双方に対していかに最適なエッチン
グ条件を設定するかが大きな課題とされてきた。これ
は、ＷＳｉ_x層よりも多結晶シリコン層の方が、エッチ
ング反応により生成するハロゲン化合物の蒸気圧が高い
ことに起因している。したがって、双方を同じ条件でエ
ッチングしたり、あるいはオーバーエッチングを行う
と、下層側の多結晶シリコン層に逆テーパ化やアンダカ
ット等の形状異常が生じ易かった。

【００５１】しかし、本実施例によれば、補助コイル１
７のＯＮ／ＯＦＦ制御という極めて簡単な手法によりエ
ッチング反応系のＳ／Ｆ比を容易に変化させることがで
き、他のエッチング条件の変更を何ら必要としない。

【００５２】Ｓからなる側壁保護膜３７は、エッチング
終了後にウェハ１０をおおよそ９０℃以上に加熱するこ
とにより、容易に昇華除去することができた。続いてレ
ジスト・マスク２４を除去し、最終的には図５（ｄ）に
示されるように、良好な異方性形状を有するポリサイド
・ゲート電極３５ａを形成することができた。

【００５３】実施例３本実施例は、本願の第４の発明を多結晶シリコン・ゲー
ト電極加工に適用し、Ｓ₂Ｆ₂をエッチング・ガスとし
て用いて多結晶シリコン層をエッチングする際のジャス
トエッチング時とオーバーエッチング時とで磁場勾配を
変化させることにより、アモルファス・シリコン・カバ
ーと接触するＥＣＲプラズマの密度を変化させた例であ
る。

【００５４】まず、実際のエッチング・プロセスの説明
に先立ち、本実施例で使用したＲＦバイアス印加型の有
磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置の構成例につ
いて、図６を参照しながら説明する。なお、図６の参照
符号の一部は、図１と共通である。この装置が前述の図
１の装置と異なる点は、補助磁場形成手段が設けられて
おらず、単一のソレノイド・コイル７の代わりにユニッ
ト化されたソレノイド・コイル７ａ，７ｂが配設され、
さらにアモルファス・シリコン・カバー１３がこのソレ
ノイド・コイル７ａ，７ｂに周回される範囲内、すなわ
ちＥＣＲポジションを含む領域に形成されている点であ
る。上記ソレノイド・コイル７ａ，７ｂはそれぞれ図示
されない駆動手段に接続されることにより、処理チャン
バ４の軸方向（Ｙ−Ｙ線方向）に沿って位置Ｈと位置Ｉ
との間を矢印Ｇ方向に移動可能とされている。ここで、
位置Ｈとは、図６（ａ）に示されるようにソレノイド・
コイル７ａ，７ｂが相互に近接する位置であり、位置Ｉ
とは、図６（ｂ）に示されるように相互に離間した位置
である。

【００５５】ソレノイド・コイル７ａ，７ｂは、処理チ
ャンバ４の軸方向（Ｙ−Ｙ線方向）に沿って同極性に励
磁されているので、これらのコイルによりプラズマ発生
部に形成される磁場は平行磁場であるが、コイル相互間
の離間距離により処理チャンバ４の内壁面近傍における
磁場勾配が変化する。すなわち、図６（ａ）に示される
ようにソレノイド・コイル７ａ，７ｂが相互に近接して
いる場合には、等磁場面１８の存在状態からも明らかな
ように内壁面近傍における磁場勾配が高い。したがっ
て、ＥＣＲプラズマＰの密度は処理チャンバ４の中心部
付近で高く、アモルファス・シリコン・カバー１３の近
傍では低い。したがって、ハロゲン・ラジカルの消費量
は少なく、エッチング反応系のＳ／Ｘ比は相対的に低く
なる。

【００５６】逆に、図６（ｂ）に示されるようにソレノ
イド・コイル７ａ，７ｂが相互に離間している場合に
は、内壁面近傍における磁場勾配が低い。したがって、
ＥＣＲプラズマＰの内壁面方向への拡散が促進され、ア
モルファス・シリコン・カバー１３の近傍におけるプラ
ズマ密度が高くなる。したがって、ハロゲン・ラジカル
の消費量が増大し、エッチング反応系のＳ／Ｘ比を相対
的に高めることができる。

【００５７】以下、この有磁場マイクロ波プラズマ・エ
ッチング装置を使用して実際にゲート電極加工を行った
例について説明する。まず、前述の図３（ａ）に示した
ものと同じウェハ１０を上記の装置にセットし、ソレノ
イド・コイル７ａ，７ｂを図６（ａ）に示されるように
位置Ｈにセットした。この状態で、実施例１と同じ条件
により多結晶シリコン層２３をジャストエッチングし
た。

【００５８】この工程におけるエッチング機構は、ほぼ
実施例１で前述したとおりである。ただし、ここではア
モルファス・シリコン・カバー１３の近傍におけるＥＣ
ＲプラズマＰの密度が低くなっているため、Ｆ^*はほと
んど消費されない。したがって、図３（ｂ）に示される
ような異方性形状を有する多結晶シリコン・ゲート電極
２３ａが高速に形成された。

【００５９】続いて、ソレノイド・コイル７ａ，７ｂを
図６（ｂ）に示されるように位置Ｉにセットした他は同
じ条件で、オーバーエッチングを行った。この工程で
は、アモルファス・シリコン・カバー１３の近傍におけ
るＥＣＲプラズマＰの密度が高くなるため、Ｆ^*の消費
量が増え、相対的にＳが堆積し易い条件となった。この
ため、図３（ｃ）に示されるように、残渣２３ｂを完全
に除去した後でも、多結晶シリコン・ゲート電極２３ａ
の異方性形状を良好に維持することができた。

【００６０】実施例４本実施例は、本願の第４の発明をポリサイド・ゲート電
極加工に適用し、Ｓ₂Ｆ₂／ＳＦ₆混合ガスを用いてポ
リサイド膜をエッチングするにあたり、ＷＳｉ_x層のエ
ッチング時と多結晶シリコン層のエッチング時とで磁場
勾配を変化させることにより、アモルファス・シリコン
・カバーと接触するＥＣＲプラズマの密度を変化させた
例である。

【００６１】まず、前述の図５（ａ）に示したものと同
じウェハ１０を上記の装置にセットし、ソレノイド・コ
イル７ａ，７ｂを図６（ａ）に示されるように位置Ｈに
セットした。この状態で、一例として下記の条件により
ＷＳｉ_x層３４をエッチングした。Ｓ₂Ｆ₂流量５ＳＣＣＭＳＦ₆流量５ＳＣＣＭガス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー３０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ温度 −６０℃ この工程におけるエッチングの機構は、ほぼ実施例２で
前述したとおりである。ただし、本実施例ではエッチン
グを高速化することを意図してＦ^*の生成効率に優れる
ＳＦ₆を使用したので、これに伴う異方性の低下を防止
するためにウェハ温度を実施例２よりも下げている。上
記エッチングにより、図５（ｂ）に示されるように、異
方性形状を有するＷＳｉ_xパターン３４ａが形成され
た。

【００６２】続いて、ソレノイド・コイル７ａ，７ｂを
図６（ｂ）に示されるように位置Ｉにセットした他は、
同じ条件で多結晶シリコン層３３をエッチングした。こ
の工程では、内壁部近傍におけるＥＣＲプラズマＰの密
度が上昇することによりアモルファス・シリコン・カバ
ー１３により大量のＦ^*が消費され、Ｓの堆積による側
壁保護膜３７の形成が促進された。この結果、図６
（ｃ）に示されるように、全体として良好な異方性形状
を有するポリサイド・ゲート電極３５ａが形成された。

【００６３】以上、本発明を４つの実施例にもとづいて
説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定される
ものではなく、エッチング・ガスの組成、ウェハの構
成、エッチング装置の種類、エッチング条件等は適宜変
更可能である。

【００６４】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明ではＥＣＲプラズマ装置の処理チャンバの内壁面の一
部に設けられたＳｉ系材料層とＥＣＲプラズマＰとの接
触面積、またはＳｉ系材料層と接触するＥＣＲプラズマ
Ｐの密度を磁場配位により変化させ、これによりＥＣＲ
プラズマＰ中のハロゲン・ラジカル量を制御する。気相
中からの堆積物を側壁保護に利用するエッチング・プロ
セスに適用すれば、ラジカルと堆積物の生成量とのバラ
ンスを容易に制御できる。したがって、ジャスト・エッ
チング時とオーバーエッチング時、あるいはポリサイド
・ゲート電極加工における高融点金属シリサイド層のエ
ッチング時と多結晶シリコン層のエッチング時のよう
に、エッチング・プロセスの途中でラジカル生成量を低
減させる必要がある場合等において、下地選択性を改善
でき、また異方性形状の劣化を防止することができる。
しかも、本発明ではエッチング・プロセスの途中におけ
るガス組成の変更や、処理チャンバ内への可動部材の設
置等を必要としないため、スループットを低下させずに
再現性の高い異方性エッチングを行うことが可能とな
る。

【００６５】本発明は微細なデザイン・ルールにもとづ
いて設計され、高集積度、高性能、高信頼性を要求され
る半導体装置の製造において特に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のドライエッチング方法を実施するため
に使用されるＲＦバイアス印加型有磁場マイクロ波プラ
ズマ・エッチング装置の一構成例、およびその使用状態
を示す概略断面図であり、（ａ）は永久磁石をアモルフ
ァス・シリコン・カバーと重なる位置に配設した状態、
（ｂ）は重ならない位置に配設した状態をそれぞれ表
す。

【図２】図１の有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング
装置のＸ−Ｘ線断面図であり、（ａ）は永久磁石をアモ
ルファス・シリコン・カバーと重なる位置に配設して該
アモルファス・シリコン・カバー近傍にマルチカスプ磁
場を形成した状態、（ｂ）は重ならない位置に配設して
マルチカスプ磁場を消滅させた状態をそれぞれ表す。

【図３】本発明を多結晶シリコン・ゲート電極加工に適
用したプロセス例をその工程順にしたがって示す概略断
面図であり、（ａ）は多結晶シリコン層の上にレジスト
・マスクが形成された状態、（ｂ）は側壁保護膜の形成
を伴いながら多結晶シリコン層がジャストエッチングさ
れた状態、（ｃ）はオーバーエッチングにより多結晶シ
リコン層の残渣が除去された状態、（ｄ）は側壁保護膜
とレジスト・マスクとが除去された状態をそれぞれ表
す。

【図４】本発明のドライエッチング方法を実施するため
に使用されるＲＦバイアス印加型有磁場マイクロ波プラ
ズマ・エッチング装置の他の構成例のＸ─Ｘ断面図であ
り、（ａ）は補助コイルを励磁してアモルファス・シリ
コン・カバー近傍にマルチカスプ磁場を形成した状態、
（ｂ）は励磁を停止してマルチカスプ磁場を消滅させた
状態をそれぞれ表す。

【図５】本発明をポリサイド・ゲート電極加工に適用し
たプロセス例をその工程順にしたがって示す概略断面図
であり、（ａ）はポリサイド膜の上にレジスト・マスク
が形成された状態、（ｂ）は側壁保護膜の形成を伴いな
がらＷＳｉ_x層がエッチングされた状態、（ｃ）は多結
晶シリコン層がエッチングされた状態、（ｄ）は側壁保
護膜とレジスト・マスクとが除去された状態をそれぞれ
表す。

【図６】本発明のドライエッチング方法を実施するため
に使用されるＲＦバイアス印加型有磁場マイクロ波プラ
ズマ・エッチング装置のさらに他の構成例、およびその
使用状態を示す概略断面図であり、（ａ）はソレノイド
・コイルを近接配置してアモルファス・シリコン・カバ
ー近傍の磁束密度を高めた状態、（ｂ）は離間させて磁
束密度を低下させた状態をそれぞれ表す。

【符号の説明】

４・・・処理チャンバ７，７ａ，７ｂ・・・ソレノイド・コイル８・・・ウェハ載置電極１０・・・ウェハ１３・・・アモルファス・シリコン・カバー１４・・・永久磁石１７・・・補助コイル１８・・・等磁場面Ｐ・・・ＥＣＲプラズマ２１，３１・・・単結晶シリコン基板２２，３２・・・ゲート酸化膜２３，３３・・・多結晶シリコン層２３ｂ・・・（多結晶シリコン層の）残渣２４，３６・・・レジスト・マスク２５，３７・・・側壁保護膜２３ａ，３５ａ・・・ゲート電極３４・・・ＷＳｉ_x層３５・・・ポリサイド膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理チャンバの内壁面の軸方向の少なく
とも一部がシリコン系材料層により被覆されてなり、か
つこのシリコン系材料層の被覆部位に対峙するごとく該
処理チャンバの外周部に補助磁場形成手段が配設されて
なるＥＣＲプラズマ装置を使用し、前記補助磁場形成手
段の操作によりＥＣＲプラズマと前記シリコン系材料層
との接触面積を変化させながら被エッチング基板上のシ
リコン系材料層を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。
【請求項２】前記補助磁場形成手段が、前記処理チャ
ンバの周方向に沿って略等間隔に配置されかつ該処理チ
ャンバの半径方向に沿って交互に逆極性となるように着
磁された複数の永久磁石から構成されてなり、前記接触
面積の変化はこの補助磁場形成手段を前記処理チャンバ
の軸方向に沿って移動させることにより達成することを
特徴とする請求項１記載のドライエッチング方法。
【請求項３】前記補助磁場形成手段が、前記処理チャ
ンバの周方向に沿って略等間隔に配置されかつ該処理チ
ャンバの半径方向に沿って交互に逆極性となるように励
磁された複数のコイルから構成されてなり、前記接触面
積の変化はこの補助磁場形成手段に印加する電流を制御
することにより達成することを特徴とする請求項１記載
のドライエッチング方法。
【請求項４】処理チャンバの内壁面の軸方向の少なく
とも一部がシリコン系材料層により被覆されてなり、か
つこのシリコン系材料層の被覆部位に対峙して該処理チ
ャンバの外周部を周回するごとく配設され、前記軸方向
に沿って各々同極性となるように励磁された複数のコイ
ルを備えてなるＥＣＲプラズマ装置を使用し、前記複数
のコイル相互間の離間距離を前記軸方向に沿って変化さ
せることにより前記シリコン系材料層の近傍におけるＥ
ＣＲプラズマの密度を変化させながら被エッチング基板
上のシリコン系材料層を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。