JPH05267249A - ドライエッチング方法及びドライエッチング装置 - Google Patents

ドライエッチング方法及びドライエッチング装置

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JPH05267249A
JPH05267249A JP4061736A JP6173692A JPH05267249A JP H05267249 A JPH05267249 A JP H05267249A JP 4061736 A JP4061736 A JP 4061736A JP 6173692 A JP6173692 A JP 6173692A JP H05267249 A JPH05267249 A JP H05267249A
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Japan
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etching
processing chamber
sample
vacuum processing
dry etching
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Kosei Kumihashi
孝生 組橋
Kazunori Tsujimoto
和典 辻本
Shinichi Taji
新一 田地
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】異方性エッチングとオーバーエッチングを容易
に行なうことのできるドライエッチング方法とそのよう
な方法を行なうに適したドライエッチング装置を提供す
ること。 【構成】真空処理室の実効総排気速度及び処理ガスの流
量の少なくとも一方を、試料のエッチングパターン側壁
に堆積膜が生じる条件からエッチングパターン側壁に堆
積膜が生じない条件に又はその逆の順に変化させるドラ
イエッチング方法。ドライエッチング装置は、真空処理
室内に生成したプラズマの発光強度を測定する手段又は
エッチングされて露出した下地層の面積を測定する手段
を有し、これにより実効総排気速度と処理ガスの流量を
制御するように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ドライエッチング方法
及びドライエッチング装置に係り、特に半導体微細加工
に好適なドライエッチング方法及びドライエッチング装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体集積回路の微細加工において、異
方性加工は重要である。特にDRAM(ダイナミック
ランダム アクセス メモリー)は集積度が高いため
に、それを構成するMOSトランジスタ(絶縁ゲート形
電界効果トランジスタ)のゲートのエッチングや、蓄積
容量部のエッチングに極微細加工が必要である。これら
のエッチングでは、ドライエッチングにより高異方性加
工を実現している。近年DRAMの集積度を上げるため
に、MOSトランジスタの上に蓄積容量部を形成するよ
うになった。この加工のためには、段差上のエッチング
が必要である。高異方性エッチングでは、エッチングス
テップで膜厚分のエッチングを行なうだけでは、段差側
壁にエッチングの残りが生じる。このエッチングの残り
を除去するためには、エッチング膜厚分以上のエッチン
グ、すなわちオーバーエッチングが必要である。
【0003】オーバーエッチングは、等方性エッチング
の方がエッチング時間を短くできる。例えば特開昭61
−61423に記載の方法は、エッチングステップ後に
側壁保護膜を形成した後、等方性エッチングでエッチン
グの残りを除去している。またオーバーエッチングにお
ける下地層の削れを防ぐために、特開昭63−6562
8に記載の方法は、側壁保護膜形成後に高選択エッチン
グを行なっている。MOSトランジスタのゲートや蓄積
容量部は、多結晶Siやポリサイドで形成することが多
い。多結晶Siやポリサイドのエッチングには、レジス
トマスクを用いて、塩素系や臭素系のガスプラズマを用
いる方法が1990年第51回秋季応用物理学会26p
−ZF−1、26p−ZF−4等に記載されている。ま
た、特開平2−105413に記載の方法は、微細化に
対応するために、ガスの切り替えによりエッチングの異
方性を高めている。この方法ではエッチング性のガスと
堆積性のガスを周期的に切り替えることにより、高異方
性を実現している。
【0004】素子の集積度を上げるためには、高異方性
エッチングにより垂直形状を形成することが必要であ
る。しかしエッチング後の加工条件によっては、エッチ
ング時に側壁にテーパー角をつけて台形型に加工する必
要もある。テーパーエッチングの例としては、プロシー
ディングス オブ シンポジウム オン ドライ プロ
セス(1986)第48頁(Proceedings of Symposi
um on Dry Process(1986)p.48)に、堆積性ガス
を添加する方法が報告されている。また特開平1−32
633には、基板温度によりサイドエッチング速度を制
御してテーパーエッチングする方法が報告されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術は、そ
れぞれ次のような問題があった。すなわち、オーバーエ
ッチング時に等方性エッチングに切り替えたり、エッチ
ング性ガスと堆積性ガスを周期的に切り替えたりする技
術は、処理ガスを切り替えなければならないので、ガ
ス切り替えに時間を要し、スループットが落ちる、各
エッチングガスにおけるプロセス条件を最適化しなけれ
ばならない等の問題があった。
【0006】多結晶Siやポリサイドのエッチングで、
レジストマスクを用いて、塩素系や臭素系のガスプラズ
マを用いる方法は、次のような問題があった。マスクや
被エッチング層の反応生成物はプラズマ中で活性化し、
試料に再付着する。この再付着物が側壁保護膜として作
用して、サイドエッチングを防ぎ、そのために高異方性
エッチングを行なうことができた。しかしこの再付着物
の量は従来制御されていなかった。そのため、再付着物
が多すぎて異物が発生して歩留まりが低下するという問
題があった。
【0007】側壁保護膜形成後に高選択エッチングを行
なう方法は、次のような問題があった。再付着物の量は
エッチングステップ中に変化する。例えば、エッチン
グ速度はウエハ内で完全には均一ではない、被エッチ
ング層の厚さは完全に均一でないという理由のために、
エッチングステップ終了直前には被エッチング層の面積
が徐々に減少していく。それに伴い、反応生成物の発生
量が減少していくので、再付着物の量も減少していく。
つまり、エッチングステップ終了直前では、側壁保護膜
の膜厚が減少していく。その結果、被エッチング層と下
地層の界面付近で側壁保護膜が薄くなる。この薄くなっ
た部分が破れて、界面付近に異常なサイドエッチングが
起こるという問題があった。
【0008】堆積性ガスを添加してテーパーエッチング
する方法では、処理室内全体で堆積物が発生するため
に、異物が発生して歩留まりが低下するという問題があ
った。基板温度制御によりテーパーエッチングする方法
では、基板温度を安定に制御するのが難しい、基板
温度を変えるのは時間がかかるので微妙な制御が難しい
という問題があった。
【0009】本発明の第1の目的は、異方性エッチング
とオーバーエッチングを容易に行なうことのできるドラ
イエッチング方法を提供することにある。本発明の第2
の目的は、そのようなドライエッチング方法を行なうに
適したドライエッチング装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記第1の目的は、
(1)真空処理室内に試料を設置し、該真空処理室内に
処理ガスを流し、該試料をエッチングするドライエッチ
ング方法において、上記真空処理室の実効総排気速度及
び上記処理ガスの流量の少なくとも一方を、試料のエッ
チングパターン側壁に堆積膜が生じる条件からエッチン
グパターン側壁に堆積膜が生じない条件に又はその逆の
順に変化させることを特徴とするドライエッチング方
法、(2)上記1記載のドライエッチング方法におい
て、上記実効総排気速度及び上記処理ガスの流量の少な
くとも一方の変化は、周期的に行なうことを特徴とする
ドライエッチング方法、(3)真空処理室内に試料を設
置し、該真空処理室内に処理ガスを流し、該試料をエッ
チングするドライエッチング方法において、上記真空処
理室の実効総排気速度及び上記処理ガスの流量の少なく
とも一方を、試料のエッチングパターン側壁形状がテー
パー形状になる条件から垂直形状若しくはアンダーカッ
ト形状になる条件に又はその逆の順に変化させることを
特徴とするドライエッチング方法、(4)真空処理室内
に試料を設置し、該真空処理室内に処理ガスを流し、該
試料をエッチングするドライエッチング方法において、
上記真空処理室の実効総排気速度及び上記処理ガスの流
量の少なくとも一方を、試料のエッチングパターン側壁
のテーパー形状が変化するように変化させることを特徴
とするドライエッチング方法、(5)真空処理室内に試
料を設置し、該真空処理室内に処理ガスを流し、該試料
をエッチングするドライエッチング方法において、上記
処理ガスの流入粒子数が所定の値以下から該値を越えた
値に又はその逆の順に変化するように、上記真空処理室
の実効総排気速度及び上記処理ガスの流量の少なくとも
一方を変化させることを特徴とするドライエッチング方
法、(6)上記5記載のドライエッチング方法におい
て、上記所定の値は、上記処理ガスの種類、それをプラ
ズマとする条件及び上記試料の被エッチング部の材質の
少なくとも一によって定められた値であることを特徴と
するドライエッチング方法、(7)上記5記載のドライ
エッチング方法において、上記所定の値は、上記試料に
入射する粒子数の3倍であることを特徴とするドライエ
ッチング方法、(8)真空処理室内に試料を設置する工
程、該真空処理室内に処理ガスを流す工程、該試料の被
エッチング層をマスクパターンにエッチングするエッチ
ング工程及びエッチングの残りを取り除くオーバーエッ
チング工程を少なくとも有するドライエッチング方法に
おいて、上記オーバーエッチング工程における上記真空
処理室の実効総排気速度を、上記エッチング工程のそれ
より大きくすることを特徴とするドライエッチング方
法、(9)真空処理室内に試料を設置する工程、該真空
処理室内に処理ガスを流す工程、該試料の被エッチング
層をマスクパターンにエッチングするエッチング工程及
びエッチングの残りを取り除くオーバーエッチング工程
を少なくとも有するドライエッチング方法において、上
記真空処理室の実効総排気速度及び上記処理ガスの流量
の少なくとも一方を、上記エッチング工程では被エッチ
ング層のエッチングパターン側壁に堆積膜が生じる条件
に、上記オーバーエッチング工程では被エッチング層の
エッチングパターン側壁に堆積膜が生じない条件にする
ことを特徴とするドライエッチング方法、(10)真空
処理室内に試料を設置し、該真空処理室内に処理ガスを
流し、該試料をエッチングするドライエッチング方法に
おいて、上記真空処理室内に生成したプラズマの発光を
測定し、その強度に基づいて上記真空処理室の実効総排
気速度及び上記処理ガスの流量の少なくとも一方を制御
することを特徴とするドライエッチング方法、(11)
真空処理室内に試料を設置し、該真空処理室内に処理ガ
スを流し、該試料をエッチングするドライエッチング方
法において、上記試料の被エッチング層がエッチングさ
れて露出した下地層の面積を測定し、該面積に基づいて
上記真空処理室の実効総排気速度及び上記処理ガスの流
量の少なくとも一方を制御することを特徴とするドライ
エッチング方法によって達成される。
【0011】上記第2の目的は、(12)真空処理室
と、該真空処理室内に処理ガスを導入するための導入口
と、該真空処理室内に試料を設置するための試料台とを
有し、該試料をエッチングするためのドライエッチング
装置において、上記真空処理室内に生成したプラズマの
発光強度を測定する手段と、上記真空処理室の実効総排
気速度を制御する第1の制御手段と、上記処理ガスの流
量を制御する第2の制御手段と、該測定する手段からの
信号に基づいて該第1及び第2の制御手段の少なくとも
一方を制御する第3の制御手段とを有することを特徴と
するドライエッチング装置、(13)真空処理室と、該
真空処理室内に処理ガスを導入するための導入口と、該
真空処理室内に試料を設置するための試料台とを有し、
該試料をエッチングするためのドライエッチング装置に
おいて、上記試料の被エッチング層がエッチングされて
露出した下地層の面積を測定する手段と、上記真空処理
室の実効総排気速度を制御する第1の制御手段と、上記
処理ガスの流量を制御する第2の制御手段と、該測定す
る手段からの信号に基づいて該第1及び第2の制御手段
の少なくとも一方を制御する第3の制御手段とを有する
ことを特徴とするドライエッチング装置によって達成さ
れる。
【0012】
【作用】ドライエッチング装置の実効総排気速度を変え
ると、エッチング特性が変化する。実効総排気速度のみ
変化させて、他のエッチング条件を変えなければ、ガス
圧力が変わるので、エッチング特性は変化する。また圧
力が一定になるように処理ガスの流量をも同時に変化さ
せても、エッチング特性は変化する。実効総排気速度と
エッチング特性との関係を考察する。エッチング中の真
空処理室内のガス粒子の流入・流出の様子を図2に示
す。単位時間当りに真空処理室内へ流入する処理ガス粒
子の個数をQ(/s)、真空処理室の実効総排気速度を
S(m3/s)とする。エッチング反応が起こらないと
きには、真空処理室内のガス圧力Pは、 P=kTQ/S …… (1) となる。ここでkはボルツマン定数、Tはガスの絶対温
度である。
【0013】エッチング反応が起きている時には、真空
処理室内の圧力は(1)式の値とは異なる。ガスの組成
も処理ガスだけでなく、エッチング反応生成物も存在す
る。実効総排気速度とエッチング特性の関係を考察する
ために、ここでは、以下の2点を仮定する。処理ガス
はウエハに入射すると全てエッチング反応で消費され
る。反応生成物はただ1種類である。この仮定は、例
えば、流入する処理ガスが塩素原子ガスであり、塩素原
子ガスがウエハに入射すると全てSiエッチングに寄与
し、SiCl4となって真空処理室内に出てくるという
状況に対応する。現実のドライエッチングでは主なエッ
チャントはハロゲン原子であり、反応は供給律速であ
り、反応生成物は安定なハロゲン化物であるから、上記
の仮定は現実のエッチングを反映する。
【0014】上の仮定では、エッチング速度は処理ガス
の入射フラックスで決まる。入射フラックスは圧力で決
まる。処理ガスの分圧をP1とすると、単位面積・単位
時間当り入射する処理ガス粒子の個数Γ1は圧力P1に比
例し、 Γ1=αP1 …… (2) となる。ここでαは、
【0015】
【数3】
【0016】で決まる定数であり、m1は処理ガス粒子
の質量である。ウエハの面積をWとすると、処理ガスは
単位時間当りΓ1W消費される。また排気系により単位
時間当り排出されるガス粒子の個数は、(1)式の関係
よりP1S/kTである。圧力の変動がない時には、流
入する処理ガス粒子の個数Qと、エッチングで消費され
る処理ガス粒子の個数Γ1W、排気系により排出される
処理ガス粒子の個数P1S/kTの個数とは釣り合って
いる。すなわち Q=Γ1W + P1S/kT …… (4) が成り立つ。(4)式に(2)式を代入して、P1につ
いて解くと、 P1=kTQ/(S+αkTW) …… (5) となる。
【0017】反応生成物が単位面積・単位時間当りウエ
ハから出射する個数Γ2は、入射する処理ガスの粒子数
Γ1に比例する。すなわち、 Γ2=xΓ1 …… (6) である。例えば処理ガス粒子が塩素原子であり、反応生
成物がSiCl4の場合は、x=1/4となる。反応生
成物は単位時間当りΓ2Wの個数が生成される。圧力が
変動しない時には、生成される反応生成物の個数と、排
気系により排出される反応生成物の個数は等しい。反応
生成物の真空処理室内の分圧をP2とすると、排気系に
より排出される反応生成物の粒子数は単位時間当りP2
S/kTとなる。すなわち、 Γ2W=P2S/kT …… (7) が成り立つ。(7)式に(2)式と(6)式を代入して
2について解くと、 P2=xkTαWP1/S …… (8) となる。
【0018】真空処理室内の圧力Pと、処理ガスの分圧
1、反応生成物の分圧P2とは、 P=P1+P2 …… (9) の関係がある。(9)式に(5)、(8)式を適用して
1とP2を消去すると、 PS2−kT(Q−αWP)S−x(kT)2αWQ=0 …… (10) となる。この式がエッチング反応が起きている時の実効
総排気速度と圧力との関係式である。この式をSについ
て解くと、
【0019】
【数11】
【0020】となる。この(11)式を用いれば、所定
の圧力に設定するための実効総排気速度を求めることが
できる。その値を(5)式に代入すれば、処理ガスの分
圧を求めることができる。本考察では、ウエハに入射す
る処理ガス粒子は全てエッチング反応を起こすと仮定し
たから、エッチング速度は処理ガス分圧に比例する。
【0021】以上の関係を用いて、実効総排気速度とエ
ッチング特性の関係を具体例を検討する。ここでは、処
理ガスは塩素原子ガスで、反応生成物はSiCl4であ
るとする。処理ガスの温度は室温とする。処理ガス流量
を固定して実効総排気速度のみを変化させた時には、全
圧力Pと実効総排気速度Sとの関係は、図3のようにな
る。ここでガス流量は100sccm、ウエハサイズは
5インチウエハとした。この図で点線で示したのは、エ
ッチング反応が起きない場合、すなわち(1)式が成り
立つ時の圧力と排気速度との関係である。低圧力領域で
は(1)式が成り立つが、圧力が高い領域では、排気速
度は小さくなる。これは反応が起きるとガス粒子数が4
つのClから1つのSiCl4に個数が減少するため、
その分排気速度を小さくしなければ圧力を保持できない
ためである。
【0022】低圧力領域で排気速度を小さくしなくても
圧力を保持できるのは、エッチング反応で消費される処
理ガス粒子に比べて、処理室内に流入する処理ガス粒子
数の方が圧倒的に多くなるためである。そのため、低圧
力領域では処理ガスの分圧が高くなる。処理ガス流量を
一定とした時に排気速度を変えた時の、全圧力と処理ガ
スの分圧との関係を図4に示した。この図で点線は、エ
ッチング反応が起きていない時の処理ガスの圧力、すな
わちP=P1の線である。低圧力領域では全圧力のほと
んど全てが処理ガスの圧力となる。
【0023】これに対し高圧力領域では、処理ガスの分
圧はP=P1の下側に離れていく。これは全圧力に対し
て反応生成物の分圧が高くなること、すなわちガス中の
反応生成物の割合が増加していることを示す。ガス中に
おける処理ガスの割合を図5に示す。低圧力領域ではほ
ぼ100%が処理ガスであるが、圧力が高くなるにつ
れ、すなわち排気速度が小さくなるにつれて、処理ガス
の割合が減少していく。
【0024】以上に示したように、圧力が高くなると、
すなわち排気速度が小さくなると、ガス中の反応生成物
の割合が増加する。反応生成物の割合が増加すると、反
応生成物のプラズマ中での再解離・ウエハへの再付着な
どが起きる。塩素系や臭素系のガスによるエッチングで
できる側壁保護膜は、レジストやSiのエッチング反応
生成物が再付着したものである。従来のエッチングは例
えばガス流量100sccm、圧力5mtorrで5イ
ンチウエハの加工を行なっていた。図5を見ると、この
時にはガスの7割は反応生成物である。
【0025】実効総排気速度を変えることにより、再付
着の程度を制御することができる。再付着の程度を増や
すには、実効総排気速度を小さくして、ガス中の反応生
成物の割合を増やせばよい。反応生成物の再付着を抑え
るためには、実効総排気速度を大きくして、ガス中の反
応生成物の割合を減らせばよい。実効総排気速度を増や
すということは、(11)式の右辺において、(Q−α
WP)の項を大きくするということである。その極限で
ある(Q−αWP)≫0ということは、ウエハに入射す
るガス粒子数に比べて処理ガス粒子の流入数が多いこと
を意味する。この状況は、(1)式が成り立つ極限に相
当する。この時には、ガス中において、ほとんど全ての
粒子は処理ガス粒子となっており、反応生成物の再付着
は起こらない。これに対し、(Q−αWP)≪0の極限
は、ウエハに入射するガス粒子の方が処理ガス粒子の流
入数よりも多いことを意味する。このような極限では、
ガス中の粒子の大部分が反応生成物になり、反応生成物
の再付着量は多い。
【0026】以上に示したように、反応生成物の再付着
の特性はガス中の反応生成物の割合で決まり、その割合
はQとαWPとの大小関係で決まる。反応生成物の再付
着を抑えるためには、ガス中の反応生成物の割合を2割
以下にすればよい。図5に示した具体例ではQ/αWP
>3の関係が成り立てば、ガス中の反応生成物の割合を
2割以下にすることができる。
【0027】上記の具体例ではx=1/4の場合であっ
た。x=1の時には、(11)式は S=kTQ/P …… (12) と、(1)式が成り立つ。(12)式を(5)式に代入
すると、 P1=QP/(Q+αWP) …… (13) となる。ガス中の処理ガスの割合P1/Pは、 P1/P=Q/(Q+αWP) …… (14) となり、Q/αWP=Cとすると、(14)式は、 P1/P=C/(C+1) …… (15) となる。ガス中の反応生成物の割合が2割以下になる、
すなわち処理ガスの割合が8割以上になるのは、(1
5)式よりC>4の時である。つまりQ/αWPが3を
越える又は4を越える時には、反応生成物の再付着は起
こらない。そしてQ/αWPが3以下又は4以下の時に
は、反応生成物の再付着が起きる。
【0028】以上のように、ドライエッチング装置の実
効総排気速度を変化させるだけで、反応生成物の再付着
を制御することができる。しかしガス流量を固定してお
くと圧力が変わるので、エッチング速度等の基本的なエ
ッチング特性も変化してしまう。実効総排気速度の変化
に伴ってガス流量を調整し、圧力を一定にしておいても
反応生成物の再付着を制御することができる。
【0029】図6は圧力を0.5mtorrと一定に保
つように、実効総排気速度と共にガス流量も変化させた
ときの、処理ガスの分圧変化を示したものである。この
図の例も、図5の具体例と同じ系で計算した。図5の例
と同様に、Q/αWP>3の時は、ガス中のほとんどは
処理ガスになる。これに対し、Q/αWP<3の時に
は、処理ガスの分圧は減少する。この時には、反応生成
物の割合が増加して、反応生成物の再付着が起きる。こ
のように、圧力を一定に保つようにガス流量調整を同じ
に行なっても、実効総排気速度を変えることにより反応
生成物の再付着を制御することができる。さらに、実効
総排気速度を変えることにより反応生成物の再付着量を
制御して、側壁形状をサイドエッチングによるアンダー
カット形状又は垂直形状からテーパー形状に制御できる
ようになった。実効総排気速度を周期的に変えることに
より、エッチングと堆積を交互に繰り返すタイムモジュ
レーションエッチングを、ガスを切り替えることなくで
きるようになった。
【0030】エッチングステップ終了直前の被エッチン
グ層面積の減少に伴い実効総排気速度を下げていくこと
により、反応生成物の再付着量を制御して界面付近の側
壁保護膜が薄くならないようにした。その結果、界面付
近の異常サイドエッチングを防ぐことができた。プラズ
マ発光強度、若しくはプラズマ発光の特定波長の強度変
化に連動してドライエッチング装置の実効総排気速度を
変化することをできるようにしたために、エッチングス
テップ終了直前の実効総排気速度を、ガス中の反応生成
物の割合をモニターしながら制御できるようになった。
【0031】エッチングステップ終了直前の下地層露出
部分の面積変化、若しくは被エッチング層の面積変化を
モニターする装置を取り付け、そのモニターを利用しな
がらドライエッチング装置の実効総排気速度を変化する
ことができるようになったために、エッチングステップ
終了直前の実効総排気速度を高精度に制御できるように
なった。
【0032】反応生成物の再付着による側壁保護膜の形
成は、塩素系や臭素系ガスによる多結晶Siやポリサイ
ドのエッチングで重要な役割を果たしている。しかしオ
ーバーエッチング時には側壁保護膜の形成は不必要であ
る。本発明ではオーバーエッチング時に反応生成物の再
付着を起こさないために、オーバーエッチング時に実効
総排気速度を上げた。その結果、オーバーエッチング時
にはエッチング速度が上がり、スループットが向上し
た。またオーバーエッチングをする部分には側壁保護膜
が形成されないので、エッチングが等方的になり、段差
上のエッチ残りを効果的に除去できるようになった。さ
らに、ガスを切り替えることなしに異方性エッチングか
ら等方的エッチングにすることができるため、スループ
ットが向上した。
【0033】
【実施例】
実施例1 本発明のドライエッチング方法の一実施例として、段差
上の多結晶Siのエッチングについて説明する。本実施
例ではレジストマスクを用い、Cl2プラズマにより多
結晶Siをエッチングした。試料構造を図7(a)に示
した。Si基板4には、1μmの段差がある。この上
に、200nm厚のSiO2膜3を下地層として形成し
た後、多結晶Si層2を500nm堆積させた。その上
にレジストマスク1を形成した。このマスクの膜厚は
1.5μmである。Si基板4は、5インチウエハを用
いた。エッチングはCl2ガスプラズマを用いて行なっ
た。エッチングステップの条件は、圧力5mtorr、
ガス流量100sccmで、マイクロ波放電によりプラ
ズマを発生させた。この時のドライエッチング装置の実
効総排気速度は170l/sであった。ウエハ温度を1
0℃にし、2MHzのRFバイアスをSi基板4に印加
した。
【0034】Cl2ガスプラズマによるSiエッチング
をウエハ温度10℃で行なうと、通常はサイドエッチン
グが起こる。しかしレジストマスクを用いると、図7
(b)に示すように、側壁保護膜5が形成されるので、
サイドエッチングが抑えられる。本エッチング条件では
Q=4.18×1019/s、αWP=2.18×1020
/sであり、Q/αWP=0.19なので、ガス中の反
応生成物の割合は約8割と高い。そのため反応生成物の
再付着が起こり、試料の垂直部分には側壁保護膜5が形
成される。側壁以外の部分では入射イオンによりエッチ
ング反応が進むために、再付着物はすぐに除去されて堆
積膜は形成しない。しかしエッチング速度は、再付着が
起こらない条件に比べて小さくなる。本エッチング条件
では、エッチング速度は300nm/minであった。
【0035】多結晶Si膜厚分のエッチングが終了した
時には、図7(c)に示した状態になっている。サイド
エッチングを抑えて高異方性エッチングを行なったため
に、段差側壁にエッチングの残りがある。このエッチン
グの残りを除去するためには、オーバーエッチングステ
ップが必要である。従来のドライエッチング方法では、
オーバーエッチングステップもエッチングステップと同
じ条件でエッチングをするか、ガスを切り替えてエッチ
ングをしていた。これに対し、本実施例ではドライエッ
チング装置の実効総排気速度を大きくしてオーバーエッ
チングを行なった。
【0036】オーバーエッチングの条件は、ガス圧力
0.5mtorr、ガス流量160sccmとし、他の
条件はエッチングステップ時と同じにした。この時の実
効総排気速度は、4000 l/sであった。本エッチ
ング条件ではQ=6.69×1019/s、αWP=2.
18×1019/sであり、Q/αWP=3.1となるの
で、ガス中の反応生成物の割合は2割未満になる。その
ため反応生成物の再付着がなくなるので、エッチング速
度が上がり、等方的にエッチングが進むようになる。エ
ッチング速度は600nm/minと、エッチングステ
ップ時の2倍の速度が得られた(図7(d))。
【0037】この時、ガス圧力が0.5mtorrと低
圧力なので、入射イオンの方向性が高い。そのため、側
壁保護膜5はほとんど削られない。その結果、パターン
のサイドエッチングは起こらない。エッチングの残りの
側壁保護膜5もしばらくは残るが、ある程度オーバーエ
ッチングが進むとエッチ残りの垂直部分が無くなるの
で、取り除かれる。それ以降は等方的にエッチングが進
むために、エッチングの残りを残さずにオーバーエッチ
ングをすることができる(図7(e))。
【0038】以上のエッチング条件のタイムチャートを
図1にまとめた。図1(a)は実効総排気速度の時間に
よる変化を示す図、図1(b)は原料ガスの時間による
変化を示す図、図1(c)はガス圧力の時間による変化
を示す図、図1(d)は反応生成物の割合の時間による
変化を示す図である。このようにオーバーエッチング時
の実効総排気速度を大きくすることにより、オーバーエ
ッチング時のエッチング速度を2倍にし、等方的にエッ
チングすることができるので、オーバーエッチング時間
を従来の半分以下にすることができた。また、微量のエ
ッチングの残りによるショートを防ぐことができた。さ
らに、下地層のSiO2層3が露出した後には、プラズ
マ中におけるレジスト由来の炭素の割合が小さくなるの
で、極めて下地SiO2層3との選択比が高くなり、低
ダメージのエッチングを行なうことができた。
【0039】本実施例では、レジストマスクを用いたC
2プラズマによる多結晶Siエッチングについて説明
した。本発明の効果は、主に反応生成物の再付着により
側壁保護膜を形成し、オーバーエッチングが必要なエッ
チングには全て効果があり、例えば、酸化膜マスクでの
Cl2+O2エッチングやポリサイドのエッチング、臭素
系ガスプラズマによるエッチングや、Al、W等の金属
のエッチングにも同様の効果がある。
【0040】実施例2 本発明の一実施例のドライエッチング装置を図8に示
す。この装置では真空処理室19にエッチングガスを導
入し、マイクロ波発生器17において2.45GHzの
高周波を発生させ、この高周波を導波管18を通し、マ
イクロ波導入窓14を介して真空処理室19に輸送して
ガスプラズマを発生させる。高効率放電のために磁場発
生用のソレノイドコイル15を真空処理室周辺に配置
し、875ガウスの磁場による電子サイクロトロン共鳴
を用いて高密度プラズマを発生させた。真空処理室19
には試料台16があり、この上にウエハ6を設置して、
ガスプラズマによりエッチング処理をする。
【0041】処理ガスはガス配管11を通し、ガス流量
コントローラ10を経て、バッファ室12を通して、メ
ッシュ上の小孔のガス導入口7から真空処理室19に導
入され、排気ポンプ8により真空処理室19の外に排出
される。この際、コンダクタンスバルブ9により、排気
速度を変えることができる。バッファ室12を設けたこ
とと、メッシュ上の小孔によりガス開口面積を広くした
ことにより、ガス導入時のガス流速を1/3以下にし、
かつ均一な流れにすることができた。またガス配管11
から真空処理室19にガスを導入するときに、2か所以
上のガス導入口7を真空処理室の中心軸に対して対称に
配置した。このことにより、ガスプラズマ中のガス分布
の片寄りを抑えることができた。
【0042】試料台16にはRF電源13を備え、40
0kHzから13.56MHzまでのRFバイアスを印
加できるようにした。試料台16に冷却機構や加熱機構
を備えれば、ウエハ温度を制御したエッチングもするこ
とができる。プラズマの発光を受光装置22で受光した
後、分光・光検出器20により分光・光検出を行なっ
た。この分光・光検出器20は、特定波長の分光を検出
し、その光強度を電気信号にして一括制御器21に送
る。またこの分光・光検出器20は、特定波長の分光だ
けでなく、プラズマ発光全体の光強度も測定することが
できる。一括制御器21はコンダクタンスバルブ9の開
閉も制御する。このような構成にしたので、プラズマ発
光の強度変化に合わせて、ドライエッチング装置の実効
総排気速度を制御できるようになった。
【0043】従来のドライエッチングでは、反応生成物
由来の発光強度は図9のように変化した。エッチングス
テップ中は反応生成物由来の発光強度は一定であり、エ
ッチングステップ終了直前に発光強度は徐々に減少す
る。発光強度が徐々に減少するのは、図10のように、
被エッチング層25の面積が徐々に減少し、下地層26
が露出してくるためである。発光強度が減少し始める時
間(図9のt1)は、エッチング速度が最も速いところ
の被エッチング層が消滅し始める時間(図10(a))
である。発光強度が半分程度になった時(図9のt2
には、被エッチング層の面積も半分程度に減少している
(図10(b))。反応生成物由来の発光強度がほぼゼ
ロになるのは(図9のt3)、被エッチング層が完全に
エッチングされた時(図10(c))である。ただし、
まだ側壁部には被エッチング層のエッチングの残りが存
在するので、オーバーエッチングが必要である。
【0044】図10(b)のように被エッチング層25
の面積が減少した時には、反応生成物の生成量も少なく
なる。そのために反応生成物の再付着も減るので、側壁
保護膜も薄くなる。その様子を図11に示した。図11
(a)のようなSi基板4上に下地層26を堆積し、そ
の上に被エッチング層25を堆積し、その上にマスク2
7を形成する。図11(b)に示したのは、エッチング
ステップ終了直前の様子である。パターン側壁には、側
壁保護膜5が形成される。エッチング速度が大きな部分
(図11(b)左側)では、下地層26が露出するまで
反応生成物の生成量は変わらないので、界面まで側壁保
護膜5は十分に形成される。これに対し、エッチング速
度が遅い部分(図11(b)右側)では、図10(b)
のように、被エッチング層25の面積が減少するため、
下地層26との界面付近の側壁保護膜28は薄くなる
(図11(c)右側)。そのためオーバーエッチング時
に側壁保護膜28が破れて、異常サイドエッチング部2
9が界面に生じやすい。
【0045】反応生成物の生成量減少に合わせて実効総
排気速度を小さくすれば、ガス中の反応生成物量の減少
を抑えることができるので、側壁保護膜が薄くなるのを
抑えることができる。本実施例で説明したドライエッチ
ング装置では反応生成物由来の発光強度をモニターし、
その強度により実効総排気速度を制御できるようにした
ので、側壁保護膜が薄くなるのを抑えて異常サイドエッ
チングが生じないようにした。
【0046】この実効総排気速度の制御の一例を図12
(a)(b)に示す。エッチングステップ終了直前に反
応生成物由来の発光強度が1/2程度に減少したのに連
動して、コンダクタンスバルブの開度を徐々に閉めて、
反応生成物由来の発光強度が一定に保つようにした。こ
の間、反応生成物の再付着量は変わらないので、側壁保
護膜が薄くなるのを防ぐことができた。
【0047】被エッチング層が完全にエッチングされる
と、コンダクタンスバルブをほとんど閉じても反応生成
物由来の発光強度は減少し始める。その後にコンダクタ
ンスバルブを開けてオーバーエッチングステップに進ん
でもよい。ただし、実効総排気速度を小さくしているの
で、エッチング速度が遅くなるために、発光強度が減少
するまでにはかなりの時間がかかる。そこで本実施例で
はスループットを上げるために、コンダクタンスバルブ
を9割閉じたところをエッチングステップの終了点とみ
なして、コンダクタンスバルブを開けてオーバーエッチ
ングステップに進んだ。このように、エッチングステッ
プ終了直前の実効総排気速度を、発光強度をモニターし
ながら小さくしていくことにより、側壁保護膜の減少を
抑えて異常サイドエッチングを防ぐことができた。
【0048】エッチング条件によってはコンダクタンス
バルブを8割閉じたところでオーバーエッチングに進ん
でも異常サイドエッチングが生じないときもあるし、9
割閉じたところでオーバーエッチングステップに切り替
えるまでコンダクタンスバルブが9割以上閉じたところ
まで待っても異常サイドエッチングが起きることがあ
る。そこで実効総排気速度の制御をさらに精度良く行な
うために、発光強度のモニターでなく、被エッチング層
の面積又は露出した下地層の面積をモニターして実効総
排気速度を制御するようにした。そのドライエッチング
装置の一実施例を図13に示す。
【0049】本実施例は、図8で示したドライエッチン
グ装置の受光装置22、分光・光検出器20の代わり
に、ビデオカメラ23、画像処理器24を取り付けた。
ビデオカメラ23で、エッチングステップ終了直前の被
エッチング層の面積変化をモニターし、画像処理器24
でその面積を電気信号にして一括制御器21に送る。被
エッチング層や下地層の面積変化に合わせて実効総排気
速度を調節することにより、側壁保護膜の厚さを一定に
して異常サイドエッチングを抑えることができた。
【0050】本実施例に、プラズマ発光強度によるモニ
ター方法を組み合わせれば、実効総排気速度をより高精
度に調節することができる。例えば、エッチングステッ
プ終了直前にはプラズマ発光強度が一定になるように実
効総排気速度を調整し、カメラ系では被エッチング層が
消滅する時をモニターに使えば、オーバーエッチングス
テップに進むタイミングを高精度に決めることができ
る。
【0051】実施例3 実効総排気速度を変えることにより反応生成物が再付着
したりしなかったりする性質を使うと、堆積性ガスとエ
ッチングガスを交互に切り替えてエッチングするタイム
モジュレーションエッチングを一種類のガスで行なうこ
とができる。本実施例では、レジストマスクを用い、C
2プラズマにより多結晶Siをエッチングするとき
に、実効総排気速度を図14のように170 l/sと
4000l/sに周期的に変化させた。実効総排気速度
が170 l/sの時には、圧力5mtorr、ガス流
量100sccmでウエハ温度は10℃にした。この時
には反応生成物の再付着による堆積現象が起こる。実効
総排気速度が4000 l/sの時には、ガス圧力0.
5mtorr、ガス流量160sccmとした。この時
には反応生成物の再付着がなくなるので、エッチング速
度が上がり、等方的にエッチングが進む。以上のように
一種類のガスでも、堆積とエッチングを周期的に繰り返
すタイムモジュレーションエッチングができ、マイクロ
ローディング効果を抑えた高精度のエッチングを行なう
ことができた。
【0052】実施例4 実効総排気速度を変えることにより、ガス中の反応生成
物の割合を変えることができる。そのために堆積速度を
制御できるので、テーパーエッチングのテーパー角を実
効総排気速度により制御することが可能になる。実効総
排気速度と側壁形状の関係の一例を図15に示す。これ
はレジストマスクでCl2プラズマにより5インチウエ
ハ上の多結晶Siをエッチングするときに、圧力5mt
orr、ウエハ温度は10℃でマイクロ波プラズマによ
りエッチングしたときの特性である。
【0053】この条件ではαWP=2.18×1020
sであるから、その3倍のQ=6.54×1020/s、
すなわち1600sccm以上のガス流量を流せるよう
に、実効総排気速度を大きくすると、反応生成物の再付
着が起きないためにサイドエッチングによるアンダーカ
ット形状が生じる。実効総排気速度を小さくしていく
と、反応生成物の再付着の効果により、サイドエッチン
グ量が小さくなり、ガス流量200sccmでサイドエ
ッチングは生じなくなった。さらに実効総排気速度を小
さくすると、反応生成物の再付着による堆積が増え、テ
ーパー角がつき始める。ガス流量10sccmではテー
パー角は70度であった。このように、実効総排気速度
を変えることにより、側壁形状を制御することができ
た。また、同様のエッチングを、ガス流量以外は上記と
同じ条件とし、最初にガス流量200sccmで、次に
10sccmで、さらに再び200sccmで行なうこ
とにより、上部がほぼ垂直で、中央部がテーパー角を持
ち、下部がほぼ垂直な構造を得ることができた。
【0054】以上、本発明の実施例を説明したが、本発
明は、前述のエッチング装置に限らず、例えば、マグネ
トロン型RIE(リアクティブイオンエッチング)装置
やヘリコン共振型RIE装置等の他の装置にも適用して
同様の効果が認められた。また、エッチング材料もアル
ミニウム、タングステン、タングステンシリサイド、
銅、GaAs、Si窒化膜等の他の材料について適用し
ても同様の効果が認められた。
【0055】
【発明の効果】本発明によれば、エッチング中に実効総
排気速度を変化させることにより、側壁形状を制御した
高精度のエッチングができる。またガスを切り替えるこ
となしに堆積性と等方性のエッチング条件に変えること
ができるので、スループットを向上させることができ
た。また、本発明のドライエッチング装置により、上記
のエッチングを容易に行なうことができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の実効総排気速度、原料ガ
ス、ガス圧力、反応生成物の割合の時間による変化を示
す図である。
【図2】本発明の効果を説明するためのガス粒子の流入
・流出を示す図である。
【図3】本発明の効果を説明するための全圧力と実効総
排気速度との関係図である。
【図4】本発明の効果を説明するための全圧力と処理ガ
スの分圧との関係図である。
【図5】本発明の効果を説明するためのガス中における
処理ガスの割合を示す図である。
【図6】本発明の効果を説明するための実効総排気速度
と共にガス流量を変化させた時の処理ガスの分圧を示す
図である。
【図7】本発明のドライエッチング方法の一実施例を示
す半導体装置の製造工程図である。
【図8】本発明のドライエッチング装置の一実施例の断
面図である。
【図9】従来のドライエッチング時の発光強度変化を示
す図である。
【図10】エッチングステップ終了直前の被エッチング
層部の面積変化を示す図である。
【図11】異常サイドエッチングを説明するための半導
体装置の製造工程図である。
【図12】本発明の一実施例における反応生成物由来の
発光強度とコンダクタンスバルブの開度の時間変化を示
す図である。
【図13】本発明の一実施例のドライエッチング装置の
断面図である。
【図14】本発明の一実施例における実効総排気速度の
時間変化を示す図である。
【図15】本発明の効果を説明するための実効総排気速
度と側壁形状の関係図である。
【符号の説明】
1 レジストマスク 2 多結晶Si層 3 SiO2膜 4 Si基板 5、28 側壁保護膜 6 ウエハ 7 ガス導入口 8 排気ポンプ 9 コンダクタンスバルブ 10 ガス流量コントローラ 11 ガス配管 12 バッファ室 13 RF電源 14 マイクロ波導入窓 15 ソレノイドコイル 16 試料台 17 マイクロ波発生器 18 導波管 19 真空処理室 20 分光・光検出器 21 一括制御器 22 受光装置 23 ビデオカメラ 24 画像処理器 25 被エッチング層 26 下地層 27 マスク 29 異常サイドエッチング部

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】真空処理室内に試料を設置し、該真空処理
    室内に処理ガスを流し、該試料をエッチングするドライ
    エッチング方法において、上記真空処理室の実効総排気
    速度及び上記処理ガスの流量の少なくとも一方を、試料
    のエッチングパターン側壁に堆積膜が生じる条件からエ
    ッチングパターン側壁に堆積膜が生じない条件に又はそ
    の逆の順に変化させることを特徴とするドライエッチン
    グ方法。
  2. 【請求項2】請求項1記載のドライエッチング方法にお
    いて、上記実効総排気速度及び上記処理ガスの流量の少
    なくとも一方の変化は、周期的に行なうことを特徴とす
    るドライエッチング方法。
  3. 【請求項3】真空処理室内に試料を設置し、該真空処理
    室内に処理ガスを流し、該試料をエッチングするドライ
    エッチング方法において、上記真空処理室の実効総排気
    速度及び上記処理ガスの流量の少なくとも一方を、試料
    のエッチングパターン側壁形状がテーパー形状になる条
    件から垂直形状若しくはアンダーカット形状になる条件
    に又はその逆の順に変化させることを特徴とするドライ
    エッチング方法。
  4. 【請求項4】真空処理室内に試料を設置し、該真空処理
    室内に処理ガスを流し、該試料をエッチングするドライ
    エッチング方法において、上記真空処理室の実効総排気
    速度及び上記処理ガスの流量の少なくとも一方を、試料
    のエッチングパターン側壁のテーパー形状が変化するよ
    うに変化させることを特徴とするドライエッチング方
    法。
  5. 【請求項5】真空処理室内に試料を設置し、該真空処理
    室内に処理ガスを流し、該試料をエッチングするドライ
    エッチング方法において、上記処理ガスの流入粒子数が
    所定の値以下から該値を越えた値に又はその逆の順に変
    化するように、上記真空処理室の実効総排気速度及び上
    記処理ガスの流量の少なくとも一方を変化させることを
    特徴とするドライエッチング方法。
  6. 【請求項6】請求項5記載のドライエッチング方法にお
    いて、上記所定の値は、上記処理ガスの種類、それをプ
    ラズマとする条件及び上記試料の被エッチング部の材質
    の少なくとも一によって定められた値であることを特徴
    とするドライエッチング方法。
  7. 【請求項7】請求項5記載のドライエッチング方法にお
    いて、上記所定の値は、上記試料に入射する粒子数の3
    倍であることを特徴とするドライエッチング方法。
  8. 【請求項8】真空処理室内に試料を設置する工程、該真
    空処理室内に処理ガスを流す工程、該試料の被エッチン
    グ層をマスクパターンにエッチングするエッチング工程
    及びエッチングの残りを取り除くオーバーエッチング工
    程を少なくとも有するドライエッチング方法において、
    上記オーバーエッチング工程における上記真空処理室の
    実効総排気速度を、上記エッチング工程のそれより大き
    くすることを特徴とするドライエッチング方法。
  9. 【請求項9】真空処理室内に試料を設置する工程、該真
    空処理室内に処理ガスを流す工程、該試料の被エッチン
    グ層をマスクパターンにエッチングするエッチング工程
    及びエッチングの残りを取り除くオーバーエッチング工
    程を少なくとも有するドライエッチング方法において、
    上記真空処理室の実効総排気速度及び上記処理ガスの流
    量の少なくとも一方を、上記エッチング工程では被エッ
    チング層のエッチングパターン側壁に堆積膜が生じる条
    件に、上記オーバーエッチング工程では被エッチング層
    のエッチングパターン側壁に堆積膜が生じない条件にす
    ることを特徴とするドライエッチング方法。
  10. 【請求項10】真空処理室内に試料を設置し、該真空処
    理室内に処理ガスを流し、該試料をエッチングするドラ
    イエッチング方法において、上記真空処理室内に生成し
    たプラズマの発光を測定し、その強度に基づいて上記真
    空処理室の実効総排気速度及び上記処理ガスの流量の少
    なくとも一方を制御することを特徴とするドライエッチ
    ング方法。
  11. 【請求項11】真空処理室内に試料を設置し、該真空処
    理室内に処理ガスを流し、該試料をエッチングするドラ
    イエッチング方法において、上記試料の被エッチング層
    がエッチングされて露出した下地層の面積を測定し、該
    面積に基づいて上記真空処理室の実効総排気速度及び上
    記処理ガスの流量の少なくとも一方を制御することを特
    徴とするドライエッチング方法。
  12. 【請求項12】真空処理室と、該真空処理室内に処理ガ
    スを導入するための導入口と、該真空処理室内に試料を
    設置するための試料台とを有し、該試料をエッチングす
    るためのドライエッチング装置において、上記真空処理
    室内に生成したプラズマの発光強度を測定する手段と、
    上記真空処理室の実効総排気速度を制御する第1の制御
    手段と、上記処理ガスの流量を制御する第2の制御手段
    と、該測定する手段からの信号に基づいて該第1及び第
    2の制御手段の少なくとも一方を制御する第3の制御手
    段とを有することを特徴とするドライエッチング装置。
  13. 【請求項13】真空処理室と、該真空処理室内に処理ガ
    スを導入するための導入口と、該真空処理室内に試料を
    設置するための試料台とを有し、該試料をエッチングす
    るためのドライエッチング装置において、上記試料の被
    エッチング層がエッチングされて露出した下地層の面積
    を測定する手段と、上記真空処理室の実効総排気速度を
    制御する第1の制御手段と、上記処理ガスの流量を制御
    する第2の制御手段と、該測定する手段からの信号に基
    づいて該第1及び第2の制御手段の少なくとも一方を制
    御する第3の制御手段とを有することを特徴とするドラ
    イエッチング装置。
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