JPH056872A

JPH056872A - ドライエツチング方法

Info

Publication number: JPH056872A
Application number: JP3180835A
Authority: JP
Inventors: Atsuhiro Yamano; 敦浩山野; Norihiko Tamaoki; 徳彦玉置; Masabumi Kubota; 正文久保田; Kenji Fukuto; 憲司服藤; Noboru Nomura; 登野村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-08-14
Filing date: 1991-07-22
Publication date: 1993-01-14
Anticipated expiration: 2015-07-17
Also published as: JP3067289B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ドライエッチングに関するもので、高エネル
ギ−イオンによる基板の損傷を抑えると同時に、ガス本
来の化学反応による選択性を確保する。【構成】ＲＦ電源の周波数として１３．５６ＭＨｚよ
り高い周波数を用いたドライエッチング装置とする。【効果】１３．５６ＭＨｚより高い周波数のＲＦ電源
を用いることにより、エッチング効率を落とすことなく
高エネルギ−イオンの発生を抑えることができる。その
結果、基板のダメ−ジが抑えられると同時にチャ−ジア
ップによるゲ−ト酸化膜の破壊が抑制され、更にｐｏｌ
ｙ−Ｓｉ，ＳｉＮ，Ａｌ合金のエッチングの際には高エ
ネルギ−イオンによってエッチングされる下地のＳｉＯ
₂膜のエッチングレ−トを下げることができて、十分大
きな選択比が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、従来から用いられてい
る１３．５６ＭＨｚより高い周波数のＲＦ電源を基板電
極に印加したドライエッチング方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の高密度化には、トラン
ジスタや配線などの寸法幅が大きな役割を担っている。
寸法縮小によって１μｍ以下の微細パタ−ンが実用化さ
れつつあるが、こうした微細パタ−ンの実現に際して
は、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術の
２つの技術の進展に負うところが大きい。

【０００３】ドライエッチング法は、適当なガスに１
３．５６ＭＨｚの高周波（ＲＦ）電源を加えることによ
って生成される反応性プラズマやラジカル中に、被エッ
チング材料を置くとエッチングされるという現象を利用
するもので、微細パタ−ンを形成するためには通常フォ
トレジストパタ−ンをマスク材料として用いる。最近で
は、特に自己バイアス電圧（Ｖ_dc）を利用して、反応性
イオンをプラズマから引出し、異方性エッチングを行う
ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）が主流となっている。
ＲＦ電源の周波数として１３．５６ＭＨｚが用いられて
いるのは、電波法により割り当てられた周波数であるた
めに多少電波が漏れても問題はなく、シ−ルド装置が簡
単で済むためである。

【０００４】図１０は、従来のドライエッチング装置
（ＲＩＥ）を示した模式図である。１は金属製チャンバ
−であり、この中に供給口２を通して反応性ガスが供給
される。また、排出口３を通してガスが排出されるの
で、チャンバ−内は適当な圧力（数１００ｍＴｏｒｒ）
に制御されている。チャンバ−の上部及び下部には、そ
れぞれアノ−ド（陽極）４及びカソ−ド（陰極）５があ
る。カソ−ド上には、レジストパタ−ンを付けた被エッ
チング材料６が置かれる。更にカソ−ドにはブロッキン
グコンデンサ７を介してＲＦ電源８が接続され、ガス中
に電力が供給される。以上のように構成されたドライエ
ッチング装置について、以下動作を説明する。

【０００５】チャンバ−内の反応性ガスにＲＦ電源を印
加すると、図１１（ａ）に示すようにアノ−ドとカソ−
ド間にグロ−放電が生じ、電子とイオンが生成されてプ
ラズマが発生する。その際、グロ−放電が接する電極面
積はカソ−ド上に試料が載っているためアノ−ドの方が
大きくなり、同時にプラズマ中の電子とイオンは、前者
の移動度が後者のそれより圧倒的に大きいためにカソ−
ドに電子が流れ込み、ブロッキングコンデンサが負に帯
電することにより、カソ−ドが負にバイアスされる。こ
のバイアスを自己バイアス電圧Ｖ_dcという。この状態で
のプラズマ中における電位分布を図１１（ｂ）に示す。
プラズマは図１１（ｂ）に示すように、電位が一定であ
るバルク領域と自己バイアスによって電極付近で急激に
電位が変化するシ−ス領域に分けられ、イオンは主にバ
ルク領域で生成される。バルク領域で生成されたイオン
は、バルク・シ−ス境界１０からシ−ス領域に入射し、
シ−ス領域の自己バイアスによる負電圧により加速され
て被エッチング材料を衝撃してエッチング反応を生じ、
方向性の強い、いわゆる異方性エッチングが得られる。

【０００６】カソ−ドに負の自己バイアス電圧が生じ
て、シ−スが生成される様子を詳しく説明する。前述の
ように放電で生じる電子とイオンの移動度は前者が大き
いために、一般に電流電圧特性はリ−ク電流の多い整流
器に似た特性になる。そこでまず始めにＲＦ電源がカソ
−ドに印加されると、ＲＦ電源の正の半周期で移動度の
大きい電子が正電位のカソ−ドに向かって大きく流れ込
むが、一方、次の半周期で負電位になったカソ−ドには
移動度の小さいイオンはわずかしか流れ込まず、電子と
イオンの数は非平衡になる。従って、ブロッキングコン
デンサは負に帯電し、カソ−ドには電子の空間電荷を生
じて電子を跳ね返すようになるまでカソ−ドに負の電圧
が発生し、過剰電子を減少させる。このようにして数周
期後、カソ−ドに入射する電子の数は、カソ−ドに入射
するイオンの数に等しくなり、時間平均で正味の電流は
０になるようにカソ−ドは負にバイアス電位を生じ、定
常状態に達する。この電位を自己バイアスと呼ぶ。この
自己バイアスのために、カソ−ド近傍には、ほとんど電
子がなくイオンのみ存在する領域が生成される。この領
域をシ−ス領域と呼び、ここでは電位が急激に変化す
る。一方、プラズマの中では電子が外へ拡散するために
不足気味になり、わずかに正の電位になる。この電位を
プラズマ電位（Ｖ_p）と呼んでいる。この状態における
カソ−ド電位の時間変化は図１２のようになる。図１２
に示すように、接地電位＋Ｖ_pより正の周期ではカソ−
ドに電子が流れ、それより負の周期ではイオンが流れる
が、イオンしか流れない時間が圧倒的に長く、このカソ
−ドに入射するイオンによってエッチング反応が生じ
る。

【０００７】ところで、後藤らは図１３に示すような新
しいドライエッチング装置を提案している（ＳＳＤＭ，
１９９０，Ｐ１１４７〜１１５０）。この装置の特徴
は、カソ−ドだけでなくアノ−ド側にもＲＦ電源を接続
し、カソ−ド側のＲＦ電源の周波数が１０〜５０ＭＨ
ｚ、アノ−ド側のＲＦ電源の周波数が１５０ＭＨｚ〜２
００ＭＨｚと高い周波数が用いられていることである。
アノ−ド側のＲＦ電源はＥＣＲやＭＥＲＩＥと同じよう
にプラズマ生成用であり、１ｋＷ程度の電力を供給する
ことにより電離度の高いプラズマを生成させる。一方、
カソ−ド側のＲＦ電源はイオン引き出し用であり、アノ
−ド側のＲＦ電源により生成されたプラズマ源よりエッ
チングに必要なイオンをカソ−ド側に引き出す役目をし
ている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】最近、半導体の集積度
が増すにつれてサブミクロン以下の微細加工技術が必要
となりつつある。しかしながら、従来のエッチング方法
では寸法縮小に伴ってトランジスタのゲ−ト酸化膜が薄
くなったため、ドライエッチング中に生じるゲ−ト酸化
膜の絶縁破壊が問題となってきた。これは、ＲＩＥ装置
によるエッチングでは、加速されたイオンによって異方
性エッチングが行われるために、エッチング中において
チャ−ジアップが生じ、ゲ−ト酸化膜に加わる電圧が大
きくなってストレスが生じるためであると考えられ、特
にウェハ−周辺のチップのゲ−ト酸化膜が破壊されやす
い。また、従来のエッチング方法では高エネルギ−イオ
ンがシリコン基板に衝撃を与えて結合を切断し、素子を
劣化させている。更に、例えばゲ−ト電極のドライエッ
チングにおいてＣｌ₂ガスを用いた場合、本来そのラジ
カル成分はＳｉＯ₂膜をエッチングしないはずであるに
もかかわらず、ゲ−トを構成するｐｏｌｙ−Ｓｉと下地
のＳｉＯ₂の選択比は、高エネルギ−イオンの存在によ
り１０程度しか確保できず、ゲ−トポリシリコンのエッ
チングに適さない。本発明は上記問題点に鑑み、イオ
ンのチャ−ジアップによるダメ−ジを少なくしてゲ−ト
酸化膜の絶縁破壊の発生を抑制し、かつ高エネルギ−イ
オンの発生をなくすことにより、ガス本来の化学反応に
よる選択性を確保できるドライエッチング方法を提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
には、高エネルギ−イオンの発生をできるかぎり抑えれ
ばよい。高エネルギ−イオンの発生を抑えるには、ＲＦ
パワ−を下げればよいが、それではプラズマの電離度が
下がってラジカルの発生が減少し、結果としてエッチン
グレ−トが下がって効率が悪くなってしまう。後藤らの
装置は、この問題点を解決するためにＲＦ電源をアノ−
ド側にも印加して、カソ−ド側のＲＦパワ−を下げても
ラジカルの発生が減少しないように、アノ−ド側のＲＦ
電源のパワ−を１ｋＷ程度に上げてプラズマ源を維持し
ている。このように後藤らの装置は、ハイパワ−のアノ
−ド側のＲＦ電源で生成されたプラズマから、ロウパワ
−のカソ−ド側のＲＦ電源で生成されたシ−スの電界で
もってイオンを引き出し、低エネルギ−で基板をエッチ
ングする構造になっている。

【００１０】しかしながら、この後藤らの装置でも以下
に示すような問題点が未解決のまま残っている。一般
に、イオンの基板電極への到達エネルギ−分布は、図１
４（ａ）に示すように、自己バイアスでイオンが加速さ
れて得られるエネルギ−を中心として、鞍構造的に広が
った分布をなす。後藤らの装置では、カソ−ド側のＲＦ
電源のパワ−を下げることにより自己バイアスを低下さ
せ、このイオンエネルギ−分布を図１４（ｂ）に示すよ
うに、全体的に低エネルギ−側にシフトするようになっ
ている。ところが、例えばゲ−ト電極のエッチングの場
合、被エッチング物であるｐｏｌｙ−Ｓｉと下地である
ＳｉＯ₂のエッチングレ−トのイオンエネルギ−依存性
は図１５のようになっている。図１５より、イオンエネ
ルギ−が５０〜６０ｅＶ程度であると選択比が高くかつ
ｐｏｌｙ−Ｓｉのエッチングレ−トも大きいので効率的
にエッチングされるが、イオンエネルギ−がこれより高
いとＳｉＯ₂のエッチングレ−トが大きくなって選択比
が悪くなり、逆にイオンエネルギ−が低いとｐｏｌｙ−
Ｓｉのエッチングレ−トが小さくなって非効率的になり
また異方性も悪くなってしまう。従って、後藤らの装置
で得られる図１４（ｂ）のエネルギ−分布では、イオン
の平均到達エネルギ−は小さくなっているので基板のダ
メ−ジは抑えられるが、エネルギ−分布幅ΔＥはそれほ
ど小さくなっていないので、選択性，異方性，並びにエ
ッチング効率という点ではあまり改善はされていない。
また、後藤らの装置では、電源とマッチングボックスが
それぞれ２個必要なのでマッチングが取りにくいという
欠点もある。

【００１１】ところで、高エネルギ−イオンが生じる他
の原因として、ＲＦ電源の周波数が考えられる。ＲＦ電
源の周波数が、現在用いられている１３．５６ＭＨｚの
ように低い場合には、下記の（作用）の項で述べるよう
に、自己バイアスが大きくなり、また、イオンの基板へ
の到達エネルギ−分布の分布幅も大きくなって高エネル
ギ−イオンが発生してしまう。これに対して、ＲＦ電源
の周波数を高くすると、自己バイアスが小さくなると同
時にイオンエネルギ−の分布幅も狭まって，図１４
（ｃ）に示すようなエネルギ−分布となるので、高エネ
ルギ−イオンの発生を抑制することが可能となって基板
のダメ−ジが少なくなるだけでなく、下記に述べるよう
に，選択性，異方性，並びにエッチング効率が高いドラ
イエッチングが実現される。

【００１２】一般に、異方性を高めるためにエッチング
ガス圧を下げると、自己バイアスは大きくなってしまう
が、ＲＦ電源の周波数を高くすることにより自己バイア
スを下げると、異方性を保ちつつ低損傷なドライエッチ
ングが可能となる。更に、ｐｏｌｙ−ＳｉやＳｉＮある
いはＡｌ合金のハロゲンガスによるドライエッチングで
は、これら被エッチング物をエッチングするのに必要な
イオンエネルギ−に対して、下地のＳｉＯ₂膜をエッチ
ングするのに必要なイオンエネルギ−の方が大きいの
で、ＲＦ電源の周波数を高くすることによって高エネル
ギ−イオンの発生を抑制すると、ＳｉＯ₂のエッチング
レ−トが下がって大きな選択比が得られることが可能と
なる。

【００１３】本発明は、このようにＲＦ電源の周波数を
高くすることによって、自己バイアスを１００ｅＶ以下
に下げると同時にイオンエネルギ−分布幅を平均到達エ
ネルギ−の±５％以下におさめ、ＲＦパワ−を下げてエ
ッチング効率を落とすことなく、高エネルギ−イオンの
発生を抑制して基板へのダメ−ジを少なくするととも
に、エッチングガス圧を下げても自己バイアスが大きく
ならないようにして異方性を高め、更にｐｏｌｙ−Ｓ
ｉ，ＳｉＮ，Ａｌ合金のエッチングの際に、高エネルギ
−イオンによってエッチングされる下地のＳｉＯ₂のエ
ッチングレ−トを下げて、十分大きな選択比が得られる
ドライエッチングを実現するための方法を提供するもの
である。

【００１４】

【作用】上記したように、ＲＦ電源の周波数を高くする
とイオンの基板への到達エネルギ−に関して、２つの効
果を得ることができる。一つは、プラズマの自己バイア
スが下がるためにイオンのエネルギ−分布全体が低エネ
ルギ−側にシフトするので高エネルギ−イオンが発生し
ないという効果であり、もう一つは、イオンエネルギ−
分布の分布幅が狭まって、所望のイオンエネルギ−に対
して低エネルギ−イオンも高エネルギ−イオンも発生し
ないので、エッチングレ−トを制御することが可能とな
り効率的にエッチングができるという効果である。

【００１５】ＲＦ電源の周波数を高くすると、自己バイ
アスが下がる理由を以下に述べる。一般に、ＲＦグロ−
放電により生成されるプラズマは、図１６に示すように
バルク部はレジスタンスとインダクタンスの並列回路で
近似でき、シ−ス部はコンデンサで近似できるので、シ
−スのインピ−ダンスは１／ｊωＣ（ω）となる。ＲＦ
電源の周波数が高くなってωが大きくなると、シ−ス長
が短くなってシ−ス間の容量Ｃ（ω）が大きくなる。従
って、シ−スのインピ−ダンスは小さくなり、シ−ス間
にかかる電圧すなわち自己バイアスは、ＲＦ電源の周波
数が高くなると低下するのである。

【００１６】このように、ＲＦ電源の周波数を高くする
ことによって、プラズマの自己バイアスを下げると、基
板に到達するイオンのエネルギ−分布は全体的に低エネ
ルギ−側にシフトし、高エネルギ−イオンの発生を抑制
することが可能となる。高エネルギ−イオンが発生しな
ければ、ドライエッチングにおいて問題となっている２
つの課題を解決することができる。一つは、基板に与え
るダメ−ジの問題である。高エネルギ−イオンが存在し
なければ、シリコン基板に衝撃を与えて結晶欠陥を生じ
ることが無いので、素子の劣化を防ぐことができる。ま
た、それと同時にチャ−ジアップを抑えることができる
ので、ゲ−ト酸化膜の絶縁破壊を防止することができ
る。もう一つは、被エッチング物と下地の選択比の問題
である。現在、例えばゲ−ト電極のエッチングでは、ゲ
−トを構成するｐｏｌｙ−Ｓｉと下地のＳｉＯ₂膜の選
択比は１０程度しかない。しかしながら、ｐｏｌｙ−Ｓ
ｉのＳｉ−Ｓｉ結合はイオンアシスト無しでもラジカル
のみでエッチングされるので、イオンエネルギ−が小さ
くなってもエッチングレ−トには大きな影響が無い。ま
た異方性を確保する場合においても、イオンエネルギ−
は１００ｅＶ以下でも可能である。それに対して、Ｓｉ
Ｏ₂膜の場合はＳｉ−Ｏの結合エネルギ−が高く、高エ
ネルギ−イオンの存在無しにはエッチングされない。従
って、高エネルギ−イオンがなくなると、ｐｏｌｙ−Ｓ
ｉのエッチングレ−トは漸減するのに対し、ＳｉＯ₂膜
のエッチングレ−トは極端に小さくなるので選択比は大
きくなり、ＳｉＯ₂膜にほとんど影響を及ぼすことなく
ｐｏｌｙ−Ｓｉをエッチングすることが可能となる。

【００１７】次に、ＲＦ電源の周波数に対するイオンエ
ネルギ−の分布幅について考察する。図１７に、モンテ
カルロシミュレ−ションによって、プラズマのバルク領
域で生成されたイオンが、シ−スを横切って基板に到達
したときのイオンエネルギ−分布を示す。横軸はイオン
の到達エネルギ−を、縦軸はイオンの個数を表す。プラ
ズマの条件としては、イオン温度が３００Ｋ，シ−ス長
が１．２ｍｍ，基板への印加電圧が１００Ｖ，自己バイ
アスが１００Ｖで、アルゴンガスを想定した。また、Ｒ
Ｆ電源の印加周波数として、従来から用いられている１
３．５６ＭＨｚを仮定した。図１７に示されるように、
前記ＲＦ電源周波数では、基板上に到達するイオンエネ
ルギ−分布は、鞍構造的に広がっていることがわかる。

【００１８】イオンの基板への到達エネルギ−が分散し
て、その分布が鞍構造的に広がってしまう原因を以下に
説明する。図１８にバルク・シ−ス境界に入射したイオ
ンのエネルギ−が、シ−スを横切る間に時間とともにど
のように変化するのかを示す。（ａ）のグラフはイオン
エネルギ−の時間変化を表わし、（ｂ）のグラフはＲＦ
電源の電圧の変化を表わす。実線はＲＦ電源の位相が２
π／４の瞬間にバルク・シ−ス境界に入射したイオン１
の場合であり、点線は７π／４の瞬間に入射したイオン
２の場合である。イオン１の到達エネルギ−とイオン２
のそれとを比較すると、イオン１の場合は、基板へ到達
する最終フェイズにおけるＲＦ電源の電圧（Ａ）がほと
んど０になっているので、加速を受けることなくほぼ一
定の速度で基板に到達するために到達エネルギ−は大き
くならない。それに対してイオン２の場合は、最終フェ
イズでＲＦ電源の電圧（Ｂ）がほぼ最大値になっている
ので、大きく加速を受けて到達エネルギ−は大きくなっ
ている。

【００１９】最終フェイズで加速を受けるか受けないか
によって、イオンの到達エネルギ−に大きな差が現われ
る原因を説明するために、図１９にイオンの速度とシ−
スの電位差によって、イオンが獲得できるエネルギ−が
どのようになるのかを示す。簡単のために図１９（ａ）
に示すように、シ−ス間の電位差は時間Δｔの間は一定
で、イオン１の速度ｖ₁はイオン２の速度ｖ₂に比べてず
っと大きいものとする（ｖ₁》ｖ₂）。この場合、時間Δ
ｔの間におけるイオン１の移動距離は、イオン２のそれ
よりも長い。イオンの獲得エネルギ−はイオンが移動し
たシ−ス中における距離間の電位差に等しいので、イオ
ン１はイオン２に比べて大きなエネルギ−を獲得でき
る。また図１９（ｂ）に示すように、イオン１，２の速
度が同じで、イオン１のシ−ス間の電位差Ｖ₁がイオン
２のシ−ス間の電位差Ｖ₂よりも大きいとする（Ｖ₁》Ｖ
₂）。簡単のために時間Δｔの間にイオン１，２の速度
は変化しないものとすると、時間Δｔにおけるイオン１
の移動距離はイオン２のそれと同じであるが、その移動
距離間の電位差はイオン１の方が大きいので、イオン１
はイオン２よりも大きなエネルギ−を獲得できる。この
ようにイオンの獲得エネルギ−は、イオンの速度とその
瞬間におけるシ−ス間の電位差によって決まる。すなわ
ち、イオンの速度が大きくかつその瞬間におけるシ−ス
間の電位差が大きいほど、イオンの獲得エネルギ−は大
きくなる。従って、イオンの速度が大きい最終フェイズ
で、シ−ス間の電位差が大きければ大きいほどイオンの
獲得エネルギ−は大きくなり、逆に電位差が小さいと小
さくなるのである。

【００２０】ところで、イオンが最終フェイズで加速を
受けるか受けないかは、イオンがバルク・シ−ス境界に
入射したときのＲＦ電源の位相によって決まる。しかし
ながら、イオンがバルク・シ−ス境界に入射するタイミ
ングは全くランダムであるので、図２０に示すようにイ
オンの基板への到達エネルギ−は入射位相に左右され、
結果としてイオンエネルギ−の分布は、図１７のように
鞍構造的に広がってしまうのである。このようにイオン
エネルギ−の分布が広がってしまうと、高エネルギ−側
のイオンは基板にダメ−ジを与え、また逆に低エネルギ
−側のイオンはエッチングにあまり寄与しないために、
効率的なドライエッチングを実現することはできない。

【００２１】しかしながら、ＲＦ電源の周波数を従来か
ら用いられている１３．５６ＭＨｚよりも高くすると、
このイオンエネルギ−の広がる分布幅を狭くすることが
でき、分布幅が小さくて均一なイオンエネルギ−を得る
ことができる。それは、ＲＦ電源の周波数を高くする
と、イオンがシ−スを通過する間にＲＦ電源によって加
速される回数が多くなり、その結果、イオンの到達エネ
ルギ−は入射位相に左右されることなく平均的な値（自
己バイアス）に集中するためである。その様子を図２１
に示す。図２１（ａ）のようにＲＦ電源の周波数が従来
から用いられている１３．５６ＭＨｚのように低いと、
ＲＦ１周期の間にイオンが加速されて移動する距離は大
きくなり、最終フェイズで加速されるかされないかによ
ってイオンの到達エネルギ−の差は大きくなる。それに
対して、図２１（ｂ）のように周波数が高いと、ＲＦ１
周期の間にイオンが加速されて移動する距離は小さくな
り、結果としてイオンの到達エネルギ−の差は小さくな
り分布幅の小さい均一なイオンエネルギ−が得られる。
このような分布幅の小さいイオンエネルギ−の場合に
は、そのエネルギ−の値を所望の値に制御することによ
り、低損傷でかつ高効率なドライエッチングが可能とな
る。

【００２２】本発明は、上記したようにＲＦ電源の周波
数を従来から用いられている１３．５６ＭＨｚより高く
することによって、低損傷でかつ高効率なドライエッチ
ングを実現させると同時に、異方性が高くかつ選択比の
大きいドライエッチングを実現させるものである。

【００２３】

【実施例】図１は、本発明の高周波ＲＦ電源によるドラ
イエッチング装置の一事例を示す模式図である。ＲＦ電
源の周波数は、電波法で割り当てられた１３．５６ＭＨ
ｚより高い周波数を用いる。そのため、電波が漏れない
ようにシ−ルド装置９によって完全にＲＦ電源を遮蔽す
る。

【００２４】以上のように構成されたドライエッチング
装置によって、本発明の第１の実施例であるゲ−ト電極
のｐｏｌｙ−ＳｉとＳｉＯ₂膜のエッチングレ−ト並び
に選択比が、ＲＦ電源の周波数によってどの様に変化す
るのか検討を行った。実験では、ガス系としてＣｌ₂を
用い、ガス圧は１００ｍＴｏｒｒ、ＲＦパワ−は３００
Ｗであった。ゲ−ト電極のエッチングガスとしてＣｌ₂
を用いたのは、以下に示す理由による。表１は、Ｓｉと
主な原子の結合エネルギ−を示しており、Ｓｉ−Ｓｉの
結合エネルギ−は１．８３ｅＶと低く、Ｓｉ−Ｏの結合
エネルギ−は８．３３ｅＶと高い。従って、これらの中
間にあるＦ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉはいずれもゲ−ト電極のエ
ッチングに使用できる。それは、例えばＣｌの場合、結
合エネルギ−の関係はＳｉ−Ｓｉ＜Ｓｉ−Ｃｌ＜Ｓｉ−
Ｏであり、結合エネルギ−が高い方がより安定であるの
で、ｐｏｌｙ−ＳｉはＣｌにエッチングされやすいのに
対し、ＳｉＯ₂はＣｌにあまりエッチングされにくいた
めである。従って、より高い選択比を確保するには、Ｓ
ｉ−Ｏの結合エネルギ−と比較してできるだけ小さい結
合エネルギ−のガス系を用いればよい。しかしながら、
Ｂｒ₂，Ｉ₂は排ガスを除去しにくく、またチャンバ−や
配管を腐食しやすいという欠点がある。そこで、エッチ
ングガスとしてＣｌ₂を用いた。

【００２５】

【表１】

【００２６】図２は、このような条件のもとで、ＲＦ電
源の周波数を１３．５６ＭＨｚ，４０ＭＨｚ，７０ＭＨ
ｚ，１００ＭＨｚと変化させて、ｐｏｌｙ−ＳｉとＳｉ
Ｏ₂膜のエッチングレ−トを測定した結果であり、横軸
はＲＦ電源の周波数で、縦軸はエッチングレ−ト並びに
選択比である。また図３は、この時の自己バイアスの周
波数依存性を示しており、横軸はＲＦ電源の周波数で、
縦軸は自己バイアスである。図２より、ＲＦ電源の周波
数が高くなると選択比が大きくなっているのがわかる。
これは、図３に示されるように、ＲＦ電源の周波数が高
くなるとプラズマの自己バイアスが低下することに起因
しているものと考えられる。すなわち、ＲＦ電源の周波
数が高くなってプラズマの自己バイアスが下がり、その
結果基板に到達するイオンエネルギ−が低下すると、ｐ
ｏｌｙ−Ｓｉでは前記したように、Ｓｉ−Ｓｉの結合エ
ネルギ−が１．８３ｅＶと低いので低エネルギ−のイオ
ンでもエッチングされるのに対して、ＳｉＯ₂膜ではＳ
ｉ−Ｏの結合エネルギ−が８．３３ｅＶと高いために低
エネルギ−のイオンではエッチングされにくくなるため
である。このように自己バイアスを低くするのはＲＦパ
ワ−を下げても可能であるが、それではプラズマの電離
度が低下しラジカルの発生が減少してエッチングレ−ト
が低下してしまい、効率的なエッチングは不可能であ
る。これに対し、上記したようにＲＦ電源の周波数を高
くする方法では、エッチング効率を落とすことなく自己
バイアスを小さくできる。このようにゲ−ト電極のエッ
チングにおいて、エッチングガスとして塩素系のガスを
用いた場合、従来の１３．５６ＭＨｚの高周波電源では
図２に示されるように選択比が１０程度しか確保できな
いが、１００ＭＨｚの高周波電源を用いると塩素系のエ
ッチングガスであっても選択比は４０以上となり、下地
にほとんど影響を及ぼさないでゲ−ト電極のエッチング
が可能となる。

【００２７】次に、本発明の第２の実施例である、ゲ−
ト酸化膜の絶縁破壊のＲＦ電源の周波数依存性について
説明を行う。実験では４枚のウェハ−を用意し，ＲＦ電
源の周波数を１３．５６ＭＨｚ，４０ＭＨｚ，７０ＭＨ
ｚ，１００ＭＨｚと変化させて、ゲ−ト電極のｐｏｌｙ
−Ｓｉのエッチングを行った。エッチング条件として
は、ガス系としてＣｌ₂を用い、ガス圧は３００ｍＴｏ
ｒｒ、ＲＦパワ−は３００Ｗであった。これら４枚のウ
ェハ−について、ゲ−ト酸化膜が絶縁破壊を起こすチッ
プの割合をＦＤＤＢ（Field Dependent Dielectric Bre
akdown）で評価した。図４にその結果を示す。図４よ
り、ＲＦ電源の周波数を高くすると、絶縁破壊を起こす
チップの割合が減少しているのが確認される。これは、
上述したようにＲＦ電源の周波数が高くなるとプラズマ
の自己バイアスが低下し、高エネルギ−イオンの発生が
抑制されてチャ−ジアップが減少し、ゲ−ト電極に加わ
るストレスが弱くなるためである。

【００２８】また、本発明の第３の実施例である、異方
性を高めつつ高エネルギ−イオンの発生を抑える方法に
ついて説明する。図５は、エッチングガス圧に対する自
己バイアスの変化をＲＦ電源の周波数をパラメ−タにし
て測定したものである。一般に、異方性を高めるにはエ
ッチングガス圧を低くして真空度を高くするとよい。し
かしながら、エッチングガス圧を低くすると、図５に示
すように自己バイアスが上昇して高エネルギ−イオンが
発生してしまう。しかしながら、ＲＦ電源の周波数を高
くすると、図５に示されるように自己バイアスを低下す
ることができ、異方性を確保することが可能となる。

【００２９】以上、本発明の実施例１，２，３より、Ｒ
Ｆ電源の周波数を高くすると、プラズマの自己バイアス
が下がってゲ−ト酸化膜の絶縁破壊が抑制されると同時
に、選択比並びに異方性が高くなることが明かとなっ
た。

【００３０】次に、本発明の第４の実施例であるイオン
エネルギ−分布のＲＦ電源の周波数依存性について説明
を行う。イオンエネルギ−分布は、モンテカルロシミュ
レ−ションを用いて求めた。図６は、シ−ス長Ｌ_shをパ
ラメ−タとしてイオンエネルギ−分布の分布幅ΔＥのエ
ッチングガスの質量Ｍの−１／２乗に対する依存性を表
しており、ＲＦ電源の周波数ｆ_RFとしては１３．５６Ｍ
Ｈｚを仮定した。また、図７はＭをパラメ−タとしてΔ
ＥのＬ_shの逆数に対する依存性を表しており、ｆ_RFとし
ては１３．５６ＭＨｚを仮定した。更に、図８はＭをパ
ラメ−タとしてΔＥのｆ_RFの逆数に対する依存性を表し
ており、Ｌ_shとしては３ｍｍを仮定した。いずれの場合
においても、プラズマの条件としては、イオン温度が３
００Ｋ，自己バイアスが１００Ｖ，ＲＦ電源の電圧が１
００Ｖである。図６，図７，図８より、イオンエネルギ
−分布の分布幅ΔＥはエッチングガスの質量Ｍの−１／
２乗とシ−ス長Ｌ_shの逆数とＲＦ電源の周波数ｆ_RFの逆
数に比例しているのがわかる。すなわち、イオンエネル
ギ−分布の分布幅ΔＥは式１で表される。

【００３１】 ΔＥ＝ｋ／（Ｍ^1/2・Ｌ_sh・ｆ_RF）・・・式１ただし、ｋは比例定数であり、図６，図７，図８よりｋ
の値は約６８３０［ｅＶ・ａｍｕ^1/2・ｍｍ・ＭＨｚ］
である。このように、ΔＥがＭ^-1/2Ｌ_sh ^ー1ｆ_RF ^ー ¹に比例
するのは、質量が重くなったり、シ−ス長が長くなった
り、あるいはＲＦ電源の周波数が高くなったりすると、
シ−ス中を移動するイオンの通過時間が長くなり、その
結果、（作用）の項で述べたようにイオンがＲＦ電源に
よって振られる回数が多くなって、イオンの基板への到
達エネルギ−は入射位相に左右されず、平均的な値（自
己バイアス）に集中して分布幅が狭くなるからである。

【００３２】ドライエッチング装置の設計条件として、
イオンエネルギ−の分布幅が自己バイアスの±５％と仮
定すると、エネルギ−幅の許容条件は１０ｅＶ以下であ
る。従って式１より、ＲＦ電源の周波数ｆ_RFは，式２を
満たさなければならない．ｆ_RF ＞６８３／（Ｍ^1/2・Ｌ_sh）・・・式２例としてシ−ス長が３ｍｍの場合、ＲＦ電源の印加周波
数としては、Ａｒ⁺イオン（Ｍ＝４０）の場合は３６Ｍ
Ｈｚ以上，ＳＦ₆ ⁺イオン（Ｍ＝１２７）の場合は２０Ｍ
Ｈｚ以上が妥当であると思われる。

【００３３】図９は、Ａｒ⁺イオンエネルギ−分布を表
しており、（ａ）はＲＦ電源の周波数が１３．５６ＭＨ
ｚの場合、（ｂ）は４０．０ＭＨｚの場合である。横軸
はイオンエネルギ−を、縦軸はイオンの個数を表す。ま
た、シ−ス長は３ｍｍとした。図９に示されるように、
ＲＦ電源の印加周波数を高くすることによって、イオン
エネルギ−は所望のエネルギ−（自己バイアス）に集中
し分布幅が狭くなって、均一なイオンエネルギ−分布が
得られているのがわかる。

【００３４】以上のようにこの実施例４によれば、１
３．５６ＭＨｚより高い高周波電源を設けることによ
り、低エネルギ−で均一なイオンエネルギ−分布が得ら
れ、低損傷でかつ高効率なドライエッチングを実現する
ことができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
１３．５６ＭＨｚよりも高い高周波ＲＦ電源を用いるこ
とにより、エッチングガス圧を下げて異方性を保ちつつ
プラズマの自己バイアスを低下させ、イオンエネルギ−
分布を全体的に低エネルギ−側にシフトさせると同時
に、エネルギ−分布幅を平均到達エネルギ−の±５％以
下に狭めて均一なイオンエネルギ−分布を発生させ、低
損傷でかつ高効率なドライエッチングを実現させ、更
に、ｐｏｌｙ−ＳｉやＳｉＮあるいはＡｌ合金をエッチ
ングする際に下地のＳｉＯ₂膜のエッチングレ−トを下
げることにより十分大きな選択比が得られることが可能
となり、その実用的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における１３．５６ＭＨｚより
高い周波数のＲＦ電源を備えたドライエッチング装置の
構成図である。

【図２】ポリシリコンと酸化膜のエッチングレ−ト及び
選択比のＲＦ電源周波数依存性を示す図である。

【図３】プラズマの自己バイアスのＲＦ電源周波数依存
性を示す図である。

【図４】ゲ−ト電極の絶縁破壊割合のＲＦ電源周波数依
存性を示す図である。

【図５】自己バイアスのエッチングガス圧に対する依存
性を示す図である。

【図６】モンテカルロシミュレ−ションによるイオンエ
ネルギ−の分布幅のエッチングガスの質量依存性を示す
図である。

【図７】モンテカルロシミュレ−ションによるイオンエ
ネルギ−の分布幅のシ−ス長依存性を示す図である。

【図８】モンテカルロシミュレ−ションによるイオンエ
ネルギ−の分布幅のＲＦ電源周波数依存性を示す図であ
る。

【図９】（ａ）ＲＦ電源の周波数が１３．５６ＭＨｚの
場合のＡｒ⁺イオンのエネルギ−分布を示す図である。（ｂ）４０．０ＭＨｚの場合のＡｒ⁺イオンのエネルギ
−分布を示す図である。

【図１０】従来のドライエッチング装置（ＲＩＥ）の構
成図である。

【図１１】（ａ）はＲＦプラズマの概念図である。（ｂ）はプラズマ中における電位分布を示す図である。

【図１２】カソ−ド電位の時間変化とプラズマ電位の相
関図である。

【図１３】後藤らより提案されている２周波励起ドライ
エッチング装置の構成図である。

【図１４】（ａ）従来のＲＩＥ装置によるイオンエネル
ギ−分布の模式図である。（ｂ）東北大の装置によるイオンエネルギ−分布の模式
図である。（ｃ）ＲＦ電源の周波数を高くした場合のイオンエネル
ギ−分布の模式図である。

【図１５】ｐｏｌｙ−ＳｉとＳｉＯ₂のエッチングレ−
トのイオンエネルギ−依存性を示す図である。

【図１６】ＲＦプラズマの回路モデルを示す図である。

【図１７】ＲＦ電源の周波数が従来の１３．５６ＭＨｚ
の場合のＡｒ⁺イオンがシ−スを横切って基板に到達し
たときのエネルギ−分布を示す図である。

【図１８】バルク・シ−ス境界に入射したイオンのエネ
ルギ−の時間変化を示す図である。

【図１９】イオンの速度とシ−ス間の電位差によってイ
オンの獲得エネルギ−がどのようになるのかを示す模式
図である。

【図２０】Ａｒ⁺イオンの基板への到達エネルギ−と入
射位相の相関図である。

【図２１】ＲＦ電源の周波数を高くすることによってイ
オンの到達エネルギ−の差が小さくなることを示す模式
図である。

【符号の説明】

１金属性チャンバ− ２供給口３排出口４アノ−ド（陽極）５カソ−ド（陰極）６試料７ブロッキングコンデンサ８ＲＦ電源９シ−ルド１０バルク・シ−ス境界１１ブロッキングコンデンサ２１２ＲＦ電源２

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者服藤憲司大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者野村登大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アノ−ドとカソ−ドを具備した金属性チ
ャンバ−内の前記カソ−ド上に半導体基板を載置する工
程と、前記カソ−ドにＲＦ電源を印加して前記アノ−ド
と前記カソ−ド間にプラズマを発生してバルク及びシ−
ス領域を生成し、前記ＲＦ電源の周波数として１３．５
６ＭＨｚより高い周波数を用いて、前記ＲＦ電源のパワ
−を下げることなく前記アノ−ドと前記カソ−ド間で発
生する前記プラズマの自己バイアスを低下させると同時
に、前記半導体基板に入射するイオンエネルギ−の分布
幅を狭める工程と、前記カソ−ドに印加する前記ＲＦ電
源電圧を正弦関数的に変化させるに際し、前記カソ−ド
がプラズマ電位以下になったときに、前記バルク領域で
発生するイオンが前記半導体基板に低エネルギ−で入射
して、効率を落とすことなくエッチングを行う工程を有
するドライエッチング方法。
【請求項２】前記ＲＦ電源の周波数を１００ＭＨｚ以
上にすることにより、前記イオンの基板への最大到達エ
ネルギ−を１００ｅＶ以下にしたことを特徴とする、請
求項１記載のドライエッチング方法。
【請求項３】ｐｏｌｙ−Ｓｉ，ＳｉＮ，Ａｌ合金をエ
ッチングする際に、エッチングガスの真空度を１００ｍ
Ｔｏｒｒ以下にし、ＲＦ電源の周波数として１００ＭＨ
ｚ以上の印加周波数を加えることにより、イオンの基板
への最大到達エネルギ−を１００ｅＶ以下に抑え、か
つ、そのエネルギ−分布幅を平均到達エネルギ−の±５
％以下に狭めたことを特徴とするドライエッチング方
法。
【請求項４】ゲ−ト電極、アルミ配線のエッチングの
際に、エッチングガスとして塩素系ガスを用い、ＲＦ電
源として１００ＭＨｚ以上の印加周波数を加えたことを
特徴とする、請求項３記載のドライエッチング方法。
【請求項５】エッチングガスの質量をＭ［ａｍｕ］，
シ−ス長をＬ_sh［ｍｍ］とすると、ＲＦ電源の印加周波
数ｆ_RF［ＭＨｚ］として、ｆ_RF ＝６８３／（Ｍ^1/2・Ｌ_sh）の関係式を満足する値以上の周波数としたことを特徴と
するドライエッチング方法。
【請求項６】エッチングガスとして、Ａｒガスの場合
は３６ＭＨｚ以上の印加周波数を、ＳＦ₆ガスの場合は
２０ＭＨｚ以上の印加周波数を加えることにより、イオ
ンの基板への到達エネルギ−分布の分布幅を１０ｅＶ以
下に狭めたことを特徴とする、請求項５記載のドライエ
ッチング方法。