JPH08302488A - ドライエッチング装置及びドライエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高アスペクト比の溝の底部においても高い選
択性が得られるエッチング条件を設定することを可能に
する。 【構成】 真空に排気できる反応容器内１に、水素ガス
を添加したフッ化炭素系のガスを導入し、このガスによ
ってプラズマを発生させてシリコンの酸化膜をエッチン
グする。プラズマ中で生成される一フッ化炭素ラジカル
と二フッ化炭素ラジカルとの数密度の比は、イオン化エ
ネルギー調整機構を備えた四重極質量分析計５１からな
る測定手段５によって測定され、二フッ化炭素ラジカル
数密度に対する一フッ化炭素ラジカル数密度の比を最大
にした状態でエッチングを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願の発明は、プラズマエッチン
グ技術に関し、特に酸化シリコンを選択エッチングする
ことが可能なプラズマエッチング技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンタクトホール又は経由ホールの高速
及び高選択性エッチングは、深サブミクロン超大規模集
積回路（ＵＬＳＩ）素子における多層金属薄膜中の厚い
ＳｉＯ2中間層のエッチングのため、盛んに開発が行わ
れてきた。選択エッチングが可能となるメカニズムにつ
いて、下地Ｓｉに対するＳｉＯ₂の選択エッチングを例
にとって説明する。エッチングに使用されるガスはＣＦ
₄等の反応性の高いガスであり、このガスでプラズマが
形成され、プラズマ中で生成されるラジカルやイオンが
ＳｉＯ₂ と反応することによってエッチングが行われ
る。この場合、実際にはＣＦ₄ による重合膜の堆積が、
エッチングに対する競合現象として同時に起こってい
る。

【０００３】ここで、ＳｉＯ₂ 層においては酸素が存在
するので、この酸素がエッチング中に解離し重合膜と化
合して揮発性のＣＯ，ＣＯ₂ ，ＣＯＦ₂ 分子を形成す
る。従って、ＳｉＯ₂ 層のエッチングの場合には上記重
合膜の堆積は生じない。しかし、エッチングがＳｉ層に
達すると、Ｓｉ層には酸素が存在しないので上記のよう
な重合膜堆積の抑制がされず、重合膜が堆積する。この
際、堆積した重合膜中のフッ素濃度を低下させ高カーボ
ン膜が堆積するようにしておけば、フッ素が重合膜中を
拡散してＳｉをエッチングしてしまうことが防止され、
ＳｉＯ₂ ／Ｓｉの高選択性エッチングが達成される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ようなシリコン酸化物の選択エッチングにおいて、高い
選択性を得るための最適条件を設定することは一般に困
難であった。たとえば、プラズマ形成のための高周波等
の投入エネルギーの密度、プラズマを形成するガスの流
量、プラズマ空間の雰囲気圧力などの一般的な条件を単
に設定しただけでは、シリコン酸化物の高選択エッチン
グを達成することは困難であった。特に最近では高アス
ペクト比のコンタクトホール等のパターンを選択エッチ
ングすることが必要になってきており、深い溝の底部に
おいてシリコン等の下地材料を削らずにシリコン酸化物
をエッチングする必要が生じている。

【０００５】本願の発明は、このような課題を考慮して
成されたものであり、シリコン酸化物の選択エッチング
のための最適条件を設定することを可能にし、特に高ア
スペクト比の溝の底部においても高い選択性が得られる
エッチング条件を設定することが可能なドライエッチン
グ装置を提供すること、及び、そのようなドライエッチ
ング装置を使用して選択性の高いシリコン酸化物のエッ
チングを行うドライエッチング方法を提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本願の請求項１に記載のドライエッチング装置は、
真空に排気できる反応容器内に、フッ化炭素系のガスを
導入し、このガスによってプラズマを発生させてシリコ
ンの酸化膜をエッチングするドライエッチング装置にお
いて、プラズマ中で生成される一フッ化炭素ラジカルと
二フッ化炭素ラジカルとの数密度の比を測定する測定手
段を備えたという構成を有する。また同様に上記目的を
達成するため、本願の請求項２に記載のドライエッチン
グ装置は、上記請求項１の構成において、フッ化炭素系
のガスに水素ガスが添加されているという構成を有す
る。また同様に上記目的を達成するため、本願の請求項
３に記載のドライエッチング装置は、上記請求項１又は
２の構成において、測定手段は、イオン化エネルギー調
整機構を備えた四重極質量分析計であるという構成を有
する。また同様に上記目的を達成するため、本願の請求
項４に記載のドライエッチング方法は、上記請求項１、
２又は３のドライエッチング装置を使用したドライエッ
チング方法であって、二フッ化炭素ラジカル数密度に対
する一フッ化炭素ラジカル数密度の比を最大にした状態
でエッチングするという構成を有する。

【０００７】

【作用】上記請求項１から３のドライエッチング装置に
おいては、フッ化炭素系のガスによってプラズマが形成
され、このプラズマによって生成されたラジカルによっ
てシリコン酸化物のエッチングが行われる。この際、プ
ラズマ中で発生する一フッ化炭素ラジカルと二フッ化炭
素ラジカルとの数密度の比が測定される。特に請求項２
のドライエッチング装置では、上記作用に加え、水素ラ
ジカルによってフッ素が捕集され、シリコン酸化物の選
択エッチングを助ける。また、請求項４のドライエッチ
ング方法では、二フッ化炭素ラジカル数密度に対する一
フッ化炭素ラジカル数密度の比を最大にした状態でエッ
チングが行われ、豊富な一フッ化炭素ラジカルによって
ポリマー被膜の堆積が促進され、シリコン酸化物の高い
選択性が確保される。

【０００８】

【実施例】以下、本願発明の実施例を説明する。図１
は、本願発明の実施例のドライエッチング装置の概略を
説明する側面図である。図１に示すドライエッチング装
置は、排気系１１を備えた反応容器１と、反応容器１内
に配置されウエハが載置されるステージ２と、反応容器
１の上に配置された石英ガラス板３と、石英ガラス板３
を通して反応容器１内に導入する高周波電力を供給する
高周波導入系４と、反応容器１内にガスを導入する不図
示のガス導入系とから主に構成されている。

【０００９】反応容器１は、直径３１４ｍｍ長さ１７０
ｍｍのステンレス製である。排気系１１には、３０００
リットル／秒の実効排気速度を持つターボ分子ポンプが
使用され、これによって反応容器１内が排気されるよう
になっている。この排気系１１による到達圧力は、５×
１０^-7Ｔｏｒｒである。図１に示すように、反応容器１
の上側は開口になっており、この開口を塞ぐようにして
石英ガラス板３が配置されている。石英ガラス板３は、
直径２３０ｍｍで厚さ１０ｍｍのものである。

【００１０】ウエハが載置されるステージ２は、不図示
の水冷機構が付設されて水冷されるようになっている。
また、ステージ２には、１００ｋＨｚの不図示のステー
ジ用高周波電源が接続されており、これによって自己バ
イアス電圧を発生させるようになっている。尚、ステー
ジ２と石英ガラス板３との距離は１００ｍｍに設定され
ている。

【００１１】高周波導入系４は、上記石英ガラス板３の
上に配置されたシングルループアンテナ４１と、このシ
ングルループアンテナ４１を接続した整合器４２と、整
合器４２を経由してシングルループアンテナ４１に高周
波を供給する高周波電源４３から構成されている。シン
グルループアンテナ４１の直径は１６０ｍｍである。高
周波電源４３は、周波数１３．５６ＭＨｚで出力１．２
ｋＷの高周波を供給するものである。不図示のガス導入
系は、エッチングガスとしてＣ₄Ｆ₈ガスのみ又はＣ₄Ｆ₈
ガスに３０％の濃度の水素ガスを添加したガスを導入す
ることが可能に構成されている。

【００１２】さて、本実施例の大きな特徴は、プラズマ
中で生成される一フッ化炭素ラジカルと二フッ化炭素ラ
ジカルとの数密度（以下、単に密度と称す）の比を測定
する測定手段５が設けられていることである。この測定
手段５としては、本実施例では、イオン化エネルギー調
整機構を備えた四重極質量分析計５１が使用されてい
る。具体的に説明すると、図１に示すように、反応容器
１の側壁にはラジカルを取り出すための開口１２が設け
られ、横に延びる短い管状のフランジ５２がこの開口１
２の部分に設けられている。フランジ５２の終端には、
オリフィス５３が設けられている。

【００１３】このオリフィス５３は、図１中右上方に示
した一部拡大図に表されているように、反応容器１の外
方に向かって徐々に断面積が小さくなる形状のオリフィ
ス穴５３０を有する。そして、フランジ５２の内側から
オリフィス穴５３０に先端を差し込むようにして細管５
４が設けられている。細管５４とオリフィス穴５３０の
周面との間にはシリコンラバー等のシール材５５が設け
られてシールされている。尚、オリフィス穴５３０の最
も断面積の小さい部分は直径０．５ｍｍであり、細管５
４の内径は１．５ｍｍである。また、反応容器１の側壁
からオリフィス５３までの距離は、６ｃｍである。

【００１４】このオリフィス５３の外方には、一対のメ
ッシュ５６１，５６２と、このメッシュ５６１，５６２
に所定の電位を与える直流電源５７１，５７２とが配置
されている。メッシュ５６１，５７１はステンレス等の
金属で構成された２００μｍの開口よりなるものであ
る。このメッシュ５６１，５７１は、ラジカルの取り出
し方向に沿って垂直に設けられおり、一方のメッシュ５
６１にはイオンをはね返すための正の電位が、他方のメ
ッシュ５６２には電子をはね返すための負の電位が与え
られる。即ち、一方のメッシ５６１ュには、直流電源５
７１によって＋３０の電位が、他方のメッシュ５６２に
は直流電源５７２によって−３０Ｖの電位が与えられる
よう構成されている。このようなメッシュ５６１，５６
２によって電荷を帯びたイオンや電子がはね返され、ラ
ジカルのみが四重極質量分析計５１に入射するようにな
っている。

【００１５】四重極質量分析計（Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ
Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）は、測定空間
の残留ガスを分析するために開発されたもので、対角上
に平行して配置した四本の電極柱の間にイオン化させた
所定の粒子のみを通過させるようにして測定するもので
ある。四本の電極柱の手前には、測定する粒子をイオン
化させるための電子銃等の電子ビーム源が配置されてい
る。ＱＭＳに入射した粒子は、電子ビームによってイオ
ン化した後、四重極によって囲まれた通路内に進入す
る。そして、所定のイオン化粒子のみが四重極の間を通
過できるようになっている。四重極を通過した位置に
は、二次電子倍増管等の検出素子が配置されており、通
過したイオン化粒子は検出素子によって検出されそのイ
オン化粒子の量が測定される。四重極の部分を通過でき
るイオン化粒子は、四重極に与えられる双曲線電界の大
きさに応じた所定のＭ／ｅ（Ｍは質量，ｅは電荷量）を
有するもののみであり、双曲線電界の大きさを制御する
ことによって通過させるイオン化粒子を選択することが
できる。

【００１６】本実施例で採用された四重極質量分析計
は、イオン化エネルギー調整機構を備え、上記粒子をイ
オン化する際の電子のエネルギー（ＥＥ）を調整するこ
とができるようになっている。このようなイオン化エネ
ルギー調整機構は、電子銃に付設された加速電極によっ
て与えられる加速電界の大きさを調整する構成が好適に
採用される。このようなイオン化エネルギ−調整機構に
より、イオン化電子エネルギー（ＥＥ）は５ｅＶまで変
更可能とされている。また、エネルギー変動は計算上±
１ｅＶ以内とされるよう構成されている。

【００１７】上記のような四重極質量分析計５１として
は、日電アネルバ株式会社製四重極質量分析計（型式３
６０）が採用され、上記一対のメッシュ５６１，５６２
の外方に配置されている。尚、このような四重極質量分
析計５１の内部も、ターボ分子ポンプ等の専用のＱＭＳ
排気系５１１によって排気されるようになっている。こ
のＱＭＳ排気系５１１の到達圧力は、４×１０^-8Ｔｏｒ
ｒである。

【００１８】上記構成に係る本実施例のドライエッチン
グ装置は、ステージ２上にウエハを配置した後、排気系
１１によって反応容器１内を排気し、不図示のガス導入
系によってガスを導入する。この状態で、高周波導入系
４を動作させて反応容器１内に高周波を供給すると、導
入されたガスが電離してプラズマが形成され、このプラ
ズマ中で生成されたラジカルによってステージ２上のウ
エハがエッチングされる。そして、上記のエッチングの
際、プラズマ中では一フッ化炭素ラジカルと二フッ化炭
素ラジカルとが生成され、二フッ化炭素ラジカルに対す
る一フッ化炭素ラジカルの密度比（以下、ＣＦ₁ ^*／ＣＦ
₂ ^*と記す）が測定手段５によって測定される。

【００１９】ＣＦ₁ ^*／ＣＦ₂ ^*を測定手段５によって測定
することの意義については、以下のような発明者らの実
験に基づくものである。最近発表された論文では、総ガ
ス流量を最適化することによりＳｉＯ₂ ／Ｓｉのエッチ
ング選択性を最大化できることが報告されている（Jpn.
J. Appl. Phys. Vol.33(1994)pp.2139-2144）。しか
し、この実験において、選択性を最大化させた総ガス流
量の条件下では、ＳｉＯ₂ 層のエッチング中に重合膜が
堆積してしまい、ＳｉＯ₂ のエッチングが停止してしま
ったことが報告されている。

【００２０】発明者は、このエッチング停止の理由につ
いて、プラズマ中のラジカルのバランスが影響している
のではないかと考えたのである。つまり、プラズマ中に
はフッ化炭素ガスから生成されるラジカルが数種類存在
するが、これらのラジカルが高カーボン重合膜堆積に対
して及ぼす影響は一様ではなく、特定のラジカルが高カ
ーボン重合膜堆積に主要な役割を果たすのではないかと
考えたのである。カーボン重合膜堆積に主要な役割を果
たすと想定されるのは、フッ素含有量の低いラジカル即
ち、ＣＦ₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ3 等であると考えられる。そ
こで、上記ような装置を使用して、プラズマ中でＣＦ
₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃ がどのようなバランスで生成されて
いるかを測定する実験を行った。

【００２１】図２は、ＣＦ₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃ の各ラジ
カルのイオンを四重極質量分析計５１よりなる測定手段
５で測定した結果の図である。この図２中、横軸はＣ₄
Ｆ₈ガス中の水素ガス濃度、ＱＭＳの出力電流を示して
いる。尚、この図２の測定条件は、印加した高周波が１
３．５６ＭＨｚ１．２ｋＷ、全圧力１０ｍＴｏｒｒ、総
ガス流量４０ｓｃｃｍである。尚、「ｓｃｃｍ」とは、
「ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｕｂｉｃ ｃｅｎｔｉ−ｍｅｔ
ｅｒ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ」の略であり、０℃一気圧
における毎分の流量（ｃｍ³ ／分）を意味している。図
２に示すように、ＣＦ₁ ラジカルの出力電流はＣＦ₂ ラ
ジカルやＣＦ₃ ラジカルの出力電流に比べ１桁以上大き
い。しかし、各ラジカルはそれぞれイオン化断面積σが
異なるので、この図２の結果をもってプラズマ中のＣＦ
₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃ のバランスであると決定する訳には
いかない。即ち、ＣＦ₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃ の密度を知る
必要がある。

【００２２】ＱＭＳの出力電流Ｉは、イオン化エネルギ
ー（Ｅ）の関数であり、Ｉ（Ｅ）と表せる。また、上記
イオン化断面積σもイオン化エネルギー（Ｅ）の関数で
ありσ（Ｅ）となる。このＩ（Ｅ）およびσ（Ｅ）、そ
して、イオンの密度ｎの間には、以下のような関係があ
ることが知られている。 Ｉ（Ｅ）＝α β σ（Ｅ）ｎ 上式において、αとβは測定機器の構造からくる比例定
数である。このうち、αは、オリフィス５４の排気コン
ダクタンスからくるものであり、Ｍ^1/2 （Ｍ：ラジカル
の質量）に比例している。βは、ＱＭＳの質量依存性の
感度要因と適用された電気技術上の要因とに依るもので
ある。また、イオン化断面積σ（Ｅ）は、ＣＦ₃ につい
てはＷｅｎｔｚｅｌによって報告されたσ_i＝4.93x10
^-18cm²の値が使用された（R.C.Wetzel, F.A.Baiocchi a
nd R.S.Freund: Abstr. 37th Gaseous Electronics Con
f., Boulder Co.,(1984)）。しかしＣＦ₂ とＣＦ₁ のイ
オン化断面積についてはまだ知られていないため、これ
らの値は、既知の値である上記ＣＦ₃ のイオン化断面積
σ_i の値とＣｅ Ｍａらによって報告されたＣＦ₄ のＣ
Ｆ₃ への解離イオン化断面積σ_diの値（σ_di＝８．８４
×１０^-1/2ｃｍ² （２５ｅＶ），Ce Ma, M.R.Bruce and
R.A.Bonham:Phys. Rev. A44(1991)2921）から推定して
求めた。これは、Ｅ1'，Ｅ2'，Ｅ3'をそれぞれＣＦ₁ ，
ＣＦ₂ ，ＣＦ₃のイオン化臨界エネルギーとしたとき、
ＣＦ₂ ラジカル（又はＣＦ₁ ラジカル）からＣＦ₂ ⁺イオ
ン（又はＣＦ₁ ⁺イオン）へのイオン化断面積は、同じ断
面積の大きさを持つイオン化臨界エネルギーＥ3'から臨
界エネルギーＥ2'（又はＥ1'）へのシフトにより得られ
る値に殆ど等しいとの想定に基づくものである。

【００２３】しかして、以下のような式に従って、ＱＭ
Ｓ出力から各ラジカルの密度を算出した。 ［ＣＦ₃］＝5.24x10²³・(Ion(13.0eV)-6.00x10^-11)[cm^-3] ［ＣＦ₂］＝2.34x10²³・(Ion(13.0eV)-6.80x10^-12)[cm^-3] ［ＣＦ₁］＝3.01x10²⁴・(Ion(13.0eV)-1.40x10^-11)[cm^-3] 尚、上記各式において、ＱＭＳ出力Ｉonから、6.00x10
^-11，6.80x10^-12，1.40x10^-11の値をそれぞれ引いてい
るのは、ＱＭＳ内で照射される電子ビームにより発生す
るイオンによる誤差分を取り除くためである。即ち、Ｑ
ＭＳが検出する例えばＣＦ₃ イオンの電流値は、プラズ
マによって生成された目的とするＣＦ₃ ラジカルのイオ
ンによる電流の他、ＱＭＳ内での電子ビームの照射によ
って親分子であるＣ₄Ｆ₈から直接イオン化されたＣＦ₃
イオンによる分も含まれる。従ってＱＭＳ出力をそのま
ま用いると、このようなプラズマ空間に実際には存在し
ないＣＦ₃ まで数に数えることになってしまうからであ
る。このようなＱＭＳ内で発生するＣＦ₃ イオンによる
電流値は、放電をオフにしてプラズマを解消した状態の
ＱＭＳ出力に等しい。そのため、この放電をオフにした
状態でのＱＭＳ出力の値を、放電をオンにしてプラズマ
を形成した状態でのＱＭＳ出力(Ion) から引いているの
である。尚、イオン化エネルギーＥＥは１３．０ｅＶに
調整された。

【００２４】図３、図４、図５、図６及び図７は、上記
計算によって算出した各ラジカルの密度をグラフ化した
ものである。まず、図３は、Ｃ₄Ｆ₈中の水素ガス濃度を
パラメーターとした各ラジカルの密度の変化を示した図
である。図３から分かる通り、ＣＦ₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃
の各ラジカルの総量は、水素濃度が増加するに従って即
ちＣ₄Ｆ₈をより希釈化するに従って減少している。しか
しながら、ＣＦ₁ の減少の度合いは、ＣＦ₂ のそれより
大きいように見える。ＣＦ₁ ラジカルは、容器の内壁へ
の重合膜の堆積に部分的に使用されるようである。ＣＦ
₃ ラジカル密度は小さい値に保たれ、めぼしい変化を示
していない。

【００２５】また、図４は、全圧力をパラメーターとし
た場合のＣＦ₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃ の各ラジカルの密度の
変化を示した図である。図４から分かる通り、ＣＦ₁ ラ
ジカル密度及びＣＦ₂ ラジカル密度ともに、全圧力の増
加即ちガス分子の総量の増加に伴って増加している。こ
の図４で注目されるべきは、ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ のラジカル
密度比が１０ｍＴｏｒｒ付近において最大値を示してい
ることである。また図５は、高周波電力をパラメーター
とした場合のＣＦ₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃の各ラジカルの密
度の変化を示した図である。図５から分かるように、高
周波電力を増大させると、Ｃ₄Ｆ₈のみあるいは３０％の
水素を添加したいずれの場合もＣＦ₂ ラジカルが減少す
るのと対照的に、ＣＦ₁ は険しく上昇する。このＣＦ₁
の上昇は、ＣＦ₂ の解離から生じたものと考えられる。
なお、図４及び図５におけるＣＦ₃ ラジカル密度は低
く、同様に変化していない。

【００２６】また、図６は、細管のアスペクト比をパラ
ーメーターとした場合のＣＦ₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃ の各ラ
ジカルの密度の変化を示す図である。この図６の実験
は、コンタクトホールのような深い溝のエッチングをシ
ミュレーションするためになされたものであり、特にそ
のようなエッチングにおける水素添加の効果を確かめる
ためになされたものである。具体的には、コンタクトホ
ール等のアスペクト比の変更に相当するものとして、１
０ｍｍから３０ｍｍの長さの異なる細管５４を使用し、
これらをロードロックシステムを経由して取り替えて実
験は行われた。

【００２７】Ｃ₄Ｆ₈のみの場合、細管５４の長さ即ちア
スペクト比を増加させると、ＣＦ₂ラジカル密度は殆ど
急落を見せていない。これに対し、ＣＦ₁ ラジカル密度
は急激に低下した。これは、ＣＦ₂ ラジカルの活性は低
くて重合膜の堆積に貢献しないこと、及び、ＣＦ₁ ラジ
カルが重合膜堆積の主要な前駆体であることを意味して
いる。しかしながら、３０％の水素を添加した場合、ア
スペクト比の増加に対するＣＦ₁ ラジカルの減少の度合
いは、Ｃ₄Ｆ₈のみの場合に比べ緩やかである。同時にＣ
Ｆ2 ラジカル密度は変化していない。この結果から、細
管５４の内面（コンタクトホールの内壁面に相当）への
ＣＦ₁ の付着確率は、水素の存在下減少するようであ
る。

【００２８】次に、Ｓｉ表面への重合膜の堆積のメカニ
ズムをさらに詳しく調べるため、シリコン基板をプラズ
マ中に晒す実験を行った。基板には、−２０ｅＶの浮遊
電位又は−３００Ｖの自己バイアス電圧（Ｖ_dc）が与え
られた。この自己バイアス電圧は、いわゆるイオン衝撃
法の効果を確認するためのものである。これは、自己バ
イアス電圧によってプラズマ中の正イオンが基板に衝突
し、この衝突のエネルギーによって膜堆積が促進される
効果のことである。自己バイアス電圧は、前述したステ
ージ用高周波電源が与える高周波電力とプラズマとの相
互作用によって与えれる。一方、導入するガスはＣ₄Ｆ₈
のみ又はＣ₄Ｆ₈＋３０％Ｈ₂ とした。

【００２９】この実験の結果を示したのが、図７であ
る。図７は、上記のように形成されたプラズマに３分間
晒されたシリコン基板の表面をＸ線電子分光法（ＸＰ
Ｓ）により測定した結果を示すものである。図７に示す
ように、Ｃ₄Ｆ₈のみのプラズマでは、Ｃ−Ｃのピークの
隣りにＣＦ₁ 、ＣＦ₂ 及びＣＦ₃ のピークが観察され、
これらのフッ化炭素による重合膜が形成されていること
が分かる。またＣ₄Ｆ₈の場合には、浮遊電位（−２０ｅ
Ｖ）と自己バイアス電圧（−３００Ｖ）との間でピーク
の状態は大きな変化を示していない。一方、Ｃ₄Ｆ₈＋３
０％Ｈ₂ のプラズマによると、Ｃ−Ｃの高いピークが観
察され、高カーボン重合膜が形成されていることが分か
る。特に、自己バイアス電圧を印加した場合だけでなく
浮遊電位に保持しただけの場合でさえ高カーボン重合膜
が形成されることが示されている。これらの結果は、高
カーボン重合膜の形成には、イオン衝撃は特に影響を及
ぼさず、ガス組成が重要な要因であることを示してい
る。

【００３０】次に、上述のような高カーボン重合膜が、
コンタクトホールのような深い溝の底面のシリコン表面
においても堆積するかどうかを確かめるたために行われ
た実験について説明する。表面に堆積した膜の分析は、
図７の実験例と同様にＸＰＳによって行われた。但し、
底部表面は非破壊的に検出することが困難であるので、
ある模擬実験が行われた。

【００３１】この実験では、高アスペクト比の細孔を設
けた板状の部材（以下、細孔プレート）をシリコン基板
の上に配置し、次にこの細孔プレートでマスクされたシ
リコン基板の表面をプラズマに晒してエッチングし、最
後にプレートを取り除いてシリコン基板の表面をＸＰＳ
で測定するようにした。用いられた細孔プレートとして
は、市販のＨＡＭＡＭＡＴＳＵ：Ｊ５０２２−１１が使
用された。図７の実験と同様に、基板上の細孔プレート
には、ステージ用高周波電源によって自己バイアス電圧
Ｖ_dcが与えられた。ただ、ＩＣＰのような高密度プラズ
マ中では、短いデバイ長による高いシース容量のため、
Ｖ_dcを印加するのは困難である。１００ｋＨｚの高周波
が結合された陰極板に高いＶ_dcを印加するため、サンプ
ルエリアを除いて厚い重合膜で被うことにより、陰極の
エリアを減少させ、これによって−３００ＶのＶ_dcを細
孔プレートに印加された。

【００３２】このようにして行った実験の結果を示した
のが、図８である。図８中、横軸は重合体の束縛エネル
ギー、縦軸はＸＰＳの光電流強度である。図８中、下側
の（ａ）がＣ₄Ｆ₈のみのガスの場合、（ｂ）がＣ₄Ｆ₈＋
３０％Ｈ₂ のガスの場合の結果をそれぞれ示す。図８か
ら分かる通り、３０％水素添加の場合、フッ素の混入の
僅かなで高カーボン重合膜がシリコン表面を厚く被っ
た。Ｃ₄Ｆ₈のみの場合、シリコン表面の重合膜からはＣ
Ｆ_x(x=1-3)のピークが観察され、高い濃度でフッ素混入
があったことを示している。

【００３３】図９は、上記図８の実験において細孔プレ
ートをマスクにしてエッチングを試みたシリコン基板の
表面の状態を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した
結果を示す図である。このうち、（ａ）がＣ4Ｆ8のみの
ガスを使用した場合、（ｂ）がＣ₄Ｆ₈＋３０％Ｈ₂ のガ
スを使用した場合の結果をそれぞれ示している。図９
（ａ）（ｂ）にはそれぞれシリコン表面への重合膜の堆
積が示されているが、（ａ）の場合、重合膜を除去する
と、シリコン表面がエッチングされて削られていること
が確認された。一方、（ｂ）の場合、重合膜を除去する
と平坦なシリコン表面が現れ、重合膜中の材料によるエ
ッチングは行われていないことが確認された。（ａ）の
場合のシリコンのエッチングは、シリコン表面に堆積し
た重合膜が多量のフッ素を含んでいるために生じたもの
である。また、Ｃ₄Ｆ₈＋３０％Ｈ₂ の条件における高カ
ーボン薄膜の生成は、水素ラジカルが深いホールを通り
抜けて底部表面にまで達することを示している。

【００３４】最後に、ＳｉＯ₂ ／Ｓｉの選択エッチング
に対する総ガス流量の条件の影響度を調べるための実験
について説明する。図１０は、総ガス流量をパラメータ
ーとしてエッチング条件を調べた結果の図である。図１
０中（ａ）は、総ガス流量をパラメーターとした場合の
ＳｉＯ₂ ，Ｓｉエッチング速度と選択性の変化を、
（ｂ）は同じく総ガス流量をパラメーターとした場合の
ＣＦ₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃ の各ラジカル密度の変化を、
（ｃ）は同じく総ガス流量をパラメーターとした場合の
Ｃ−Ｃ／ＦのＸＰＳ光電流強度比を、それぞれ示してい
る。尚、これらの実験は前述した細孔プレートを使用し
た方法と同様な方法で行われた。

【００３５】まず図１０（ａ）において、総ガス流量が
減少した場合のシリコンのエッチング速度の増加は、高
密度プラズマ中へのＨＦの滞留時間が増加してＨＦの再
解離が促進されたためと理解される。また、ＳｉＯ₂ の
エッチング速度は４０ｓｃｃｍの総ガス流量において最
大値を持っており、これ以上総ガス流量を増加させると
逆にエッチング速度は減少する。これは、あまりにガス
の量が多くなるため、ＳｉＯ₂ 表面上においても厚い重
合膜の堆積が避けられなくなったためと考えられる。ま
た、図１０（ｂ）において、ＣＦ₁ とＣＦ₂ の双方のラ
ジカル密度とも、総ガス流量を増加させると増加したけ
れども、ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ のラジカル密度比は点線で描か
れたように４０ｓｃｃｍ付近で最大値を持った。また、
図１０（ｃ）において、Ｃ−Ｃ／ＦのＸＰＳ光電流強度
比は、大体４０ｓｃｃｍの総ガス流量の条件で最大値を
示している。これは、この流量条件において最もカーボ
ン含有率の高い即ちフッ素含有率の少ない重合膜が得ら
れることを示している。

【００３６】さて、図１０の（ａ）（ｂ）（ｃ）の対比
から特筆すべきことは、（ｂ）においてＣＦ₁ ／ＣＦ₂
のラジカル密度比を得た総ガス流量値（４０ｓｃｃｍ付
近）と殆ど同じ総ガス流量値において（ｃ）のＣ−Ｃ／
ＦのＸＰＳ光電流強度比も最大値を示していることであ
る。さらに、この総ガス流量値付近において（ａ）中の
ＳｉＯ₂ のエッチング速度も最大値を得ている。これら
の事実は、ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ のラジカル密度比が最も高く
なる流量でガスを流すようにしておけば、シリコン表面
に堆積する重合膜の炭素含有率が最も高くなり、ＳｉＯ
₂ のエッチング速度も最も速くできることを意味してい
る。

【００３７】なお、図１０の（ａ）のＳｉＯ₂ ／Ｓｉ選
択性のデータからは、７０ｓｃｃｍ付近で選択性が最大
値を取っているので、この流量条件の方が有利なように
思える。しかし、わずかに流量が増えた８０ｓｃｃｍ付
近においてＳｉＯ₂ のエッチング速度がゼロ（エッチン
グ停止）になってしまっており、この条件は非常に危険
である。これに対し、上述した総ガス流量４０ｓｃｃｍ
程度の条件では、最も高いＳｉＯ₂ のエッチング速度が
得られるとともにＳｉＯ₂ ／Ｓｉ選択性も２０程度と充
分な値が得られる。

【００３８】本願発明が請求項１記載の発明のように
「ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ のラジカル密度比」に着目してシリコ
ン酸化物の選択エッチングを行うのは、以上のような実
験結果の評価に基づくものである。つまり、上述したよ
うに、「ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ のラジカル密度比」を測定し
て、これが最大値を取る条件でエッチングを行うように
することで、シリコン酸化物のエッチング速度を損なう
ことなく充分な選択性が可能になるのである。さらに、
請求項４の発明のように「ＣＦ₁ ／ＣＦ₂ のラジカル密
度比」を最大にした状態でエッチングするようにすれ
ば、前述した通り充分な選択性を保持しつつ高いエッチ
ング速度でＳｉＯ₂ のエッチングを行うことが可能とな
る。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本願の請求項１か
ら３の発明によれば、プラズマ中で生成される一フッ化
炭素ラジカルと二フッ化炭素ラジカルとの密度の比を測
定する測定手段を備えているので、この一フッ化炭素ラ
ジカルと二フッ化炭素ラジカルとの密度の比が最適化さ
れる条件で装置を動作させて最適な選択エッチングを達
成することが出来る。また、請求項２の発明によれば、
上記請求項１から３の効果に加え、添加された水素の効
果によってさらに選択性が向上するという効果が得られ
る。また、請求項４の発明によれば、上記請求項１，２
又は３の効果を得てエッチングを行うことにより、下地
材料に対する選択性が極めて高いエッチングが達成され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の実施例のドライエッチング装置の概
略を説明する側面図である。

【図２】ＣＦ₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃ の各ラジカルのイオン
を四重極質量分析計よりなる測定手段で測定した結果の
図である。

【図３】Ｃ₄Ｆ₈中の水素ガス濃度をパラメーターとした
各ラジカルの密度の変化を示した図である。

【図４】全圧力をパラメーターとした場合のＣＦ₁ ，Ｃ
Ｆ₂ ，ＣＦ₃ の各ラジカルの密度の変化を示した図であ
る。

【図５】高周波電力をパラメーターとした場合のＣＦ
₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃ の各ラジカルの密度の変化を示した
図である。

【図６】細管のアスペクト比をパラーメーターとした場
合のＣＦ₁ ，ＣＦ₂ ，ＣＦ₃ の各ラジカルの密度の変化
を示す図である。

【図７】プラズマに３分間晒されたシリコン基板の表面
をＸ線電子分光法（ＸＰＳ）により測定した結果を示す
ものである。

【図８】細孔プレートをシリコン基板の上に配置して行
った実験の結果を示した図である。

【図９】図８の実験において細孔プレートをマスクにし
てエッチングを試みたシリコン基板の表面の状態を、走
査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した結果を示す図であ
る。

【図１０】ガス流量をパラメーターとしてエッチング条
件を調べた結果の図である。

【符号の説明】

１ 反応容器 １１ 排気系 ２ ステージ ３ 石英ガラス板 ４ 高周波導入系 ５ 測定手段 ５１ 四重極質量分析計

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成７年９月２０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００２

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００２】

【従来の技術】コンタクトホール又は経由ホールの高速
及び高選択性エッチングは、深サブミクロン超大規模集
積回路（ＵＬＳＩ）素子における多層金属薄膜中の厚い
ＳｉＯ _２ 中間層のエッチングのため、盛んに開発が行わ
れてきた。選択エッチングが可能となるメカニズムにつ
いて、下地Ｓｉに対するＳｉＯ_２の選択エッチングを例
にとって説明する。エッチングに使用されるガスはＣＦ
_４等の反応性の高いガスであり、このガスでプラズマが
形成され、プラズマ中で生成されるラジカルやイオンが
ＳｉＯ_２と反応することによってエッチングが行われ
る。この場合、実際にはＣＦ_４による重合膜の堆積が、
エッチングに対する競合現象として同時に起こってい
る。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１４】このオリフィス５３の外方には、一対のメ
ッシュ５６１，５６２と、このメッシュ５６１，５６２
に所定の電位を与える直流電源５７１，５７２とが配置
されている。メッシュ５６１，５７１はステンレス等の
金属で構成された２００μｍの開口よりなるものであ
る。このメッシュ５６１，５７１は、ラジカルの取り出
し方向に沿って垂直に設けられおり、一方のメッシュ５
６１にはイオンをはね返すための正の電位が、他方のメ
ッシュ５６２には電子をはね返すための負の電位が与え
られる。即ち、一方のメッシュ５６１には、直流電源５
７１によって＋３０の電位が、他方のメッシュ５６２に
は直流電源５７２によって−３０Ｖの電位が与えられる
よう構成されている。このようなメッシュ５６１，５６
２によって電荷を帯びたイオンや電子がはね返され、ラ
ジカルのみが四重極質量分析計５１に入射するようにな
っている。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２０】発明者は、このエッチング停止の理由につ
いて、ブラズマ中のラジカルのバランスが影響している
のではないかと考えたのである。つまり、プラズマ中に
はフッ化炭素ガスから生成されるラジカルが数種類存在
するが、これらのラジカルが高カーボン重合膜堆積に対
して及ぼす影響は一様ではなく、特定のラジカルが高カ
ーボン重合膜堆積に主要な役割を果たすのではないかと
考えたのである。カーボン重合膜堆積に主要な役割を果
たすと想定されるのは、フッ素含有量の低いラジカル即
ち、ＣＦ_１，ＣＦ_２，ＣＦ _３ 等であると考えられる。そ
こで、上記ような装置を使用して、プラズマ中でＣＦ
１，ＣＦ２，ＣＦ３がどのようなバランスで生成されて
いるかを測定する実験を行った。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】図２は、ＣＦ_１，ＣＦ_２，ＣＦ_３の各ラジ
カルのイオンを四重極質量分析計５１よりなる測定手段
５で測定した結果の図である。この図２中、横軸はＣ_４
Ｆ_８ガス中の水素ガス濃度、縦軸はＱＭＳの出力電流を
示している。尚、この図２の測定条件は、印加した高周
波が１３．５６ＭＨｚ１．２ｋＷ、全圧力１０ｍＴｏｒ
ｒ、総ガス流量４０ｓｃｃｍである。尚、「ｓｃｃｍ」
とは、「ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｕｂｉｃ ｃｅｎｔｉ−
ｍｅｔｅｒ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ」の略であり、０℃
一気圧における毎分の流量（ｃｍ^３／分）を意味してい
る。図２に示すように、ＣＦ_１ラジカルの出力電流はＣ
Ｆ_２ラジカルやＣＦ_３ラジカルの出力電流に比べ１桁以
上大きい。しかし、各ラジカルはそれぞれイオン化断面
積σが異なるので、この図２の結果をもってプラズマ中
のＣＦ_１，ＣＦ_２，ＣＦ_３のバランスであると決定する
訳にはいかない。即ち、ＣＦ_１，ＣＦ_２，ＣＦ_３の密度
を知る必要がある。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２７】Ｃ_４Ｆ_８のみの場合、細管５４の長さ即ち
アスペクト比を増加させると、ＣＦ_２ラジカル密度は殆
ど急落を見せていない。これに対し、ＣＦ_１ラジカル密
度は急激に低下した。これは、ＣＦ_２ラジカルの活性は
低くて重合膜の堆積に貢献しないこと、及び、ＣＦ_１ラ
ジカルが重合膜堆積の主要な前駆体であることを意味し
ている。しかしながら、３０％の水素を添加した場合、
アスペクト比の増加に対するＣＦ_１ラジカルの減少の度
合いは、Ｃ_４Ｆ_８のみの場合に比べ緩やかである。同時
にＣＦ _２ ラジカル密度は変化していない。この結果か
ら、細管５４の内面（コンタクトホールの内壁面に相
当）へのＣＦ_１の付着確率は、水素の存在下減少するよ
うである。

【手続補正６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空に排気できる反応容器内に、フッ化
   炭素系のガスを導入し、このガスによってプラズマを発
   生させてシリコンの酸化膜をエッチングするドライエッ
   チング装置において、プラズマ中で生成される一フッ化
   炭素ラジカルと二フッ化炭素ラジカルとの数密度の比を
   測定する測定手段を備えたことを特徴とするドライエッ
   チング装置。
2. 【請求項２】 前記フッ化炭素系のガスに水素ガスが添
   加されていることを特徴とする請求項１記載のドライエ
   ッチング装置。
3. 【請求項３】 前記測定手段は、イオン化エネルギー調
   整機構を備えた四重極質量分析計であることを特徴とす
   る請求項１又は２記載のドライエッチング装置。
4. 【請求項４】 請求項１、２又は３記載のドライエッチ
   ング装置を使用したドライエッチング方法であって、二
   フッ化炭素ラジカル数密度に対する一フッ化炭素ラジカ
   ル数密度の比を最大にした状態で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。