JPH09134906A

JPH09134906A - プラズマエッチング方法及び装置

Info

Publication number: JPH09134906A
Application number: JP28353495A
Authority: JP
Inventors: Yukio Iijima; 幸夫飯島; Haruo Okano; 晴雄岡野; Yoshio Ishikawa; 吉夫石川
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1995-10-31
Filing date: 1995-10-31
Publication date: 1997-05-20

Abstract

(57)【要約】【課題】ＣＨ₂Ｆ₂等のハイドロフロロカーボンガス
を含む反応性ガスを用いて、ＳｉＯ₂膜とＳｉＮ膜から
成る積層構造に対してＳｉＯ₂膜のみを選択的にエッチ
ングするプラズマエッチング方法を提供すること。【解決手段】プラズマエッチング方法において、反応
性ガスとしてハイドロフロロカーボンガスを含むガスを
用い、且つ、ハイドロフロロカーボンガスの流量Ｆ
₁（ｃｍ³・ａｔｍ／ｍｉｎ）、ノズル４０の総断面積
Ｓ（ｃｍ²）、反応容器（３０）内におけるハイドロフ
ロロカーボンガスの分圧ｐ₁（Ｔｏｒｒ）、被処理基体
（Ｓ）とノズル４０との間の距離Ｌ（ｃｍ）、及び、反
応性ガスの全圧Ｐ（Ｔｏｒｒ）の間に、Ｆ₁／（Ｐ・ｐ
₁・Ｓ・Ｌ）＜Ｘ（Ｘはハイドロフロロカーボンガスの
種類により定まる定数）なる関係が成り立つようにした
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造プロセ
ス等で用いられるプラズマエッチング技術に関し、特
に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）とシリコン窒化膜
（ＳｉＮ膜）の積層構造に対してＳｉＯ₂膜のみを選択
的にエッチングする技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１はＭＯＳ形の半導体デバイスの製造
プロセスを示し、（ａ）はエッチング前の状態、（ｂ）
はエッチング後の状態を示している。図１において、符
号１０はシリコン基板、符号１２はポリシリコン等から
成るゲート電極である。このゲート電極１２はＬＤＤ
（ＬｉｇｈｔｌｙＤｏｐｅｄＤｒａｉｎ）構造をと
っている。また、符号１４はＳｉＯ₂膜であり、符号１
６は有機材料から成るフォトレジスト膜である。フォト
レジスト膜１６には穴１８が形成されており、この穴１
８を通してＳｉＯ₂膜１４をエッチングすることによ
り、ゲート電極１２，１２間にコンタクトホール２０が
形成されるようになっている。

【０００３】このコンタクトホール２０には、後のプロ
セスでコンタクトメタル（図示せず）が埋め込まれる
が、フォトレジスト膜１６のパターンが所定の位置から
ずれている場合には、ゲート電極１２のドープ部分以外
の部分にコンタクトメタルが電気的に接触してしまうこ
とがある。このため、近年においては、図１に示すよう
に、ＳｉＮ膜２２をＳｉＯ₂膜１４とゲート電極１２と
の間に形成し、エッチングをＳｉＮ膜２２にて停止させ
るという技術をとる傾向にある。

【０００４】このようなＳｉＮ膜２２とＳｉＯ₂膜１４
とから成る積層構造において、ＳｉＯ₂膜１４のみをエ
ッチングする場合、ＳｉＮ膜１４に対して選択性のある
反応性ガスを用いたプラズマエッチングによるのが一般
的である。かかる反応性ガスとして、Ｃ₄Ｆ₈等の一般
式Ｃ_xＦ_y（ｘ≧ｙ／２）なるフロロカーボンガスや、
ＣＨ₂Ｆ₂或いはＣＨ₃Ｆ等の分子中に含まれる水素原
子の数がフッ素原子の数を上回るハイドロフロロカーボ
ンガスの適用可能性が議論されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】これらのガスはＳｉＯ
₂膜とＳｉＮ膜との間の選択性が認められるものの、そ
の一方で、何等かの原因で選択性等のエッチング特性が
大幅に変化することも分かっている。これは、プラズマ
密度の高いＩＣＰ特有の現象である。このため、現実に
は、上記の反応性ガスを単純に既存のプラズマエッチン
グ装置に適用することはできないという問題点があっ
た。

【０００６】そこで、本発明の目的は、Ｃ₄Ｆ₈等のフ
ロロカーボンガスやＣＨ₂Ｆ₂或いはＣＨ₃Ｆ等のハイ
ドロフロロカーボンガスを含む反応性ガスを用いて、Ｓ
ｉＯ₂膜とＳｉＮ膜から成る積層構造に対しＳｉＯ₂膜
のみを選択的にプラズマエッチングするための手段を提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明は、反応容器内に設置されたサ
セプタに被処理基体を配置し、前記反応容器内を所定圧
力に減圧し、前記被処理基体に対向する位置に設けられ
た少なくとも１つのノズルを介して反応性ガスを前記反
応容器内に供給すると共に、前記反応容器内に放電プラ
ズマを形成して、前記被処理基体をエッチングするプラ
ズマエッチング方法において、前記反応性ガスとしてハ
イドロフロロカーボンガスを含むガスを用い、且つ、前
記ハイドロフロロカーボンガスの流量Ｆ₁（ｃｍ³・ａ
ｔｍ／ｍｉｎ）、前記ノズルの総断面積Ｓ（ｃｍ²）、
前記反応容器内における前記ハイドロフロロカーボンガ
スの分圧ｐ₁（Ｔｏｒｒ）、前記被処理基体と前記ノズ
ルとの間の距離Ｌ（ｃｍ）、及び、前記反応性ガスの全
圧Ｐ（Ｔｏｒｒ）の間に、Ｆ₁／（Ｐ・ｐ₁・Ｓ・Ｌ）＜Ｘ（Ｘはハイドロフロロカーボンガスの種類により定まる
定数）なる関係が成り立つようにしたことを特徴として
いる。

【０００８】前記ハイドロフロロカーボンガスは一般的
Ｃ_lＨ_mＦ_n（ｍ≧ｎ）で表されるガスであるのが好適
である。

【０００９】また、前記Ｘの値は、Ｘ＝４×１０⁸／ｍ
（ｍはハイドロフロロカーボンガス中に含まれる水素原
子の数）である。

【００１０】このようにハイドロフロロカーボンガスを
含む反応性ガスを用い、上記関係で当該反応性ガスを流
した場合、被処理基体におけるＳｉＯ₂膜とＳｉＮ膜の
うちＳｉＯ₂膜のみを選択的にエッチングすることが可
能となる。

【００１１】なお、この反応性ガスはＡｒのような不活
性ガスやＣ₄Ｆ₈のようなフロロカーボンガスを含んで
いても、選択的エッチングを好適に行うことができる。

【００１２】また、請求項７に係る発明は、反応容器内
に設置されたサセプタに、ＳｉＯ₂膜及びＳｉＮ膜を含
む被処理基体を配置し、前記反応容器内を所定圧力に減
圧し、前記被処理基体に対向する位置に設けられた少な
くとも１つのノズルを介して反応性ガスを前記反応容器
内に供給すると共に、前記反応容器内に放電プラズマを
形成して、前記被処理基体をエッチングするプラズマエ
ッチング方法において、前記反応性ガスとして、一般的
Ｃ_xＦ_y（ｘ≧ｙ／２）で表されるフロロカーボンガス
を含むガスを用い、且つ、前記フロロカーボンガスの流
量Ｆ₂（ｃｍ³・ａｔｍ／ｍｉｎ）、前記ノズルの総断
面積Ｓ（ｃｍ²）、前記反応容器内における前記フロロ
カーボンガスの分圧ｐ₂（Ｔｏｒｒ）、前記被処理基体
と前記ノズルとの間の距離Ｌ（ｃｍ）、及び、前記反応
性ガスの全圧Ｐ（Ｔｏｒｒ）の間に、Ｆ₂／（Ｐ・ｐ₂・Ｓ・Ｌ）＜Ｙ（Ｙはフロロカーボンガスの種類により定まる定数）な
る関係が成り立つようにしたことを特徴とする。

【００１３】この条件下でも、ＳｉＯ₂膜のみの選択的
エッチングを効果的に行うことができる。なお、フロロ
カーボンガスがＣ₄Ｆ₈ガスである場合、前記Ｙの値は
３×１０⁸である。

【００１４】

【実施例】まず、本発明者らは種々の実験を行い、Ｃ₄
Ｆ₈とＣＨ₂Ｆ₂又はＣＨ₃Ｆとを含む反応性ガスの特
性を検討した。

【００１５】この実験では、図２に概略的に示すような
誘導結合型プラズマエッチング装置を用いた。図２にお
いて、符号３０は反応容器であり、その側壁３２は、ア
ルミナを主成分とするセラミック又は石英等の絶縁体
（誘電材料）により形成された誘導体窓となっている。
この誘導体窓３２の外周には、ソレノイドコイル状のコ
イルアンテナ３４が巻き付けられている。また、反応容
器３０の上部は電極３６となっており、その下方には、
被処理基体Ｓを支持するサセプタ３８が配置されてい
る。上部の電極３６には、サセプタ３８との対向位置
に、反応容器３０の内部に反応性ガスを導入するための
ノズル４０が複数個形成されている。ノズル４０は配管
４２を介して反応性ガス供給源４４に接続され、また、
反応容器３０内は真空系（図示せず）に接続されてい
る。

【００１６】実験で用いたエッチング装置のサセプタ３
８は、直径２００ｍｍの被処理基体としてのウェハＳを
支持し、上部の電極３６との間の距離は７０ｍｍとなっ
ている。また、ノズル４０の個数は２２個であり、それ
ぞれの断面積は０．０１ｃｍ²となっている。ノズル４
０の配置は図３に示す通りであり、最外周部分のノズル
４０が形成する円（点線で示す円）の直径は１００ｍｍ
とされている。

【００１７】このような構成において、ウェハＳのエッ
チングを行う場合、反応容器３０内を所定圧力に減圧す
ると共に、反応性ガスを所定流量でノズル４０から反応
容器３０内に導入する。そして、コイルアンテナ３４に
高周波電力を印加すると、反応容器３０の内部に交番磁
界が生じ、反応容器３０の内部にプラズマが発生する。
これにより、反応性ガスが励起して、イオンないしはラ
ジカルとなる。更に、サセプタ３８と上部電極３６との
間に高周波電力を印加すると、プラズマ中のイオンない
しはラジカルがサセプタ３８上のウェハＳの方向に誘導
され、エッチングが行われるのである。なお、実験は、
図１（ａ）に示す構造のウェハＳに対して行われた。

【００１８】まず、本発明者らは、反応性ガスとしてＣ
₄Ｆ₈、Ａｒ及びＣＨ₂Ｆ₂から成るガスを用い、ＣＨ
₂Ｆ₂の流量を変化させた場合に、ＳｉＯ₂膜に対する
エッチング速度とフォトレジスト膜に対する選択比とが
どのように変化するかをみた。ここで、流量とは配管４
２中の流量をいい、特に断らない限り、流量は配管４２
中の流量をいうものとする。この第１の実験では、Ｃ₄
Ｆ₈及びＡｒについては流量をそれぞれ１０ｓｃｃｍ、
１５０ｓｃｃｍとした。また、反応容器３０内の圧力は
６ｍＴｏｒｒとした。

【００１９】図４は上記第１の実験の結果を示したもの
である。このグラフから、ＣＨ₂Ｆ₂を添加していくに
つれ、ＳｉＯ₂膜に対するエッチング速度には余り変化
はみられないが、フォトレジスト膜に対する選択比が徐
々に上昇していくことが分かる。フォトレジスト膜に対
する選択比の値が大きいほど、ＳｉＯ₂膜のみを選択的
エッチングするという性能が高まっていることとなる。
この実験で最適なエッチング状態が得られたのは、ＣＨ
₂Ｆ₂の流量が６ｓｃｃｍである場合であり、流量が約
９ｓｃｃｍとなるまで良好にエッチングを行うことがで
きた。

【００２０】また、図５のグラフは、ＣＨ₂Ｆ₂の代わ
りにＣＨ₃Ｆを用いた点を除き、第１の実験と同様に行
った第２の実験の結果を示している。この第２の実験で
は、ＣＨ₃Ｆの流量を増やしていくと、ＳｉＯ₂膜に対
するエッチング速度が徐々に減少していくものの、フォ
トレジスト膜に対する選択比は上昇していくという結果
が得られた。この場合、ＣＨ₃Ｆの流量が３ｓｃｃｍの
場合にエッチング状態が最適なものとなり、流量が約５
ｓｃｃｍとなるまでは好適にエッチングを行うことがで
きた。

【００２１】更に、図６は第３の実験の結果を示すグラ
フである。この第３の実験は、ＣＨ₂Ｆ₂に代えてＣＨ
Ｆ₃を用いた点を除き、第１の実験と同様にして行われ
た。図６から、ＣＨＦ₃を添加するにつれ、ＳｉＯ₂膜
に対するエッチング速度が上昇していくが、フォトレジ
スト膜に対する選択比は徐々に低下していくことが分か
る。この実験結果からは、ＣＨ₃Ｆは反応性ガスとして
は有効でないと考えられる。

【００２２】図７は、第１、第２及び第３の各実験にお
いて、ＣＨ₂Ｆ₂、ＣＨ₃Ｆ及びＣＨＦ₃のそれぞれの
流量とフォトレジスト膜に対するエッチング速度との関
係を調べた結果を示すグラフであり、図８は、ＣＨ₂Ｆ
₂、ＣＨ₃Ｆ及びＣＨＦ₃のそれぞれの流量とＳｉＮ膜
に対するエッチング速度との関係を調べた結果を示すグ
ラフである。エッチング速度の値が小さくなるというこ
とは被エッチング材に対する選択性が良好となることを
意味するため、ＣＨ₂Ｆ₂及びＣＨ₃Ｆについては流量
が多いほど良いことが、これらのグラフから分かる。一
方、ＣＨＦ₃については流量が多いほど、エッチング速
度が大きくなるため、選択的エッチングプロセスではＣ
ＨＦ₃の添加量を過度に増やすことは好ましくないと推
定される。

【００２３】また、本発明者らは、発光分析（ＯＥＳ）
法により、反応容器３０内に存在する原子、分子、イオ
ン、ラジカルの発光強度をモニタリングした。図９は、
ＣＨＦ₃とＣＨ₃Ｆのそれぞれに対するＦの相対的な発
光強度を示すグラフであり、図１０は、ＣＨＦ₃とＣＨ
₃Ｆのそれぞれに対するＣ₂、ＣＦ及びＣＦ₂の相対的
な発光強度を示すグラフである。

【００２４】図９において、ＣＨ₃Ｆの流量が増すにつ
れ、Ｆの相対的発光強度が減少している。Ｆは非常に活
性があるため、フォトレジスト膜等のエッチングを促進
する効果がある。従って、ＣＨ₃Ｆの流量の増加に伴っ
てＦが減少するという結果は、図５に示すフォトレジス
ト膜に対する選択比が向上するという結果に合致するも
のである。

【００２５】一方、図１０には、ＣＨ₃Ｆの流量の増加
に伴ってＣ₂、ＣＦ、ＣＦ₂の相対的発光強度も減少し
たことが示されている。従来、Ｃ₂、ＣＦ、ＣＦ₂はＳ
ｉＮ膜のエッチングを抑制するものと考えられていたた
め、この結果は図８に示す結果と矛盾したものとなる。
このため、ハイドロフロロカーボンを添加した場合、Ｓ
ｉＮ膜のエッチングを抑制する要因はＣ₂、ＣＦ、ＣＦ
₂以外のラジカル等にあるものと考えられる。

【００２６】そこで、本発明者らは、ＣＨ₂Ｆ₂の反応
容器３０内での状態をモニタリングするために、発光分
析と質量分析を行った。図１１は発光分析の結果、図１
２は質量分析の結果を示すグラフである。これらのグラ
フ、特に図１２のグラフから、本発明者らは、Ｃ−Ｈ結
合を有するラジカル（ＣＨ₃ ⁺，ＣＨＦ₂ ⁺）がＣＨ₂
Ｆ₂の流量と共に上昇していることを見いだし、そし
て、Ｃ−Ｈ結合を有するラジカルがＳｉＮ膜のエッチン
グを抑制するのに効果があると推認した。

【００２７】図１３は、第１の実験から得られたデータ
を元に作成したグラフであり、ウェハＳの径方向の各位
置でのＳｉＮ膜に対するエッチング速度を、ＣＨ₂Ｆ₂
の流量との関係で示したグラフである。このグラフにお
いて、ＣＨ₂Ｆ₂の流量が９ｓｃｃｍの場合、ウェハＳ
の中心部分でのエッチング速度が周辺部分でのエッチン
グ速度よりも相当に小さいことが分かる。これは、エッ
チングの均一性が損なわれていることを意味するもので
ある。また、図１４は、ウェハＳの径方向の各位置での
ＳｉＮ膜に対するエッチング速度を、ＣＨ₃Ｆの流量と
の関係で示したグラフである。このグラフからも、ＣＨ
₃Ｆの流量に応じてエッチング速度がウェハＳの中心部
分と周辺部分とで変化することが分かる。

【００２８】更に、図１５、図１６、図１７及び図１８
は、反応性ガスとしてＡｒ、Ｃ₄Ｆ₈及びＣＨ₂Ｆ₂の
混合ガスを用いた実験の結果を示すグラフである。図１
５は、Ａｒの流量を変化させた場合のＳｉＯ₂膜のエッ
チング速度と、ＳｉＮ膜の中央部分と周辺部分のエッチ
ング速度の変化を示すグラフである。この実験では、Ｃ
₄Ｆ₈の流量を９ｓｃｃｍ、ＣＨ₂Ｆ₂の流量を６ｓｃ
ｃｍとした。また、反応容器３０内の圧力を６ｍＴｏｒ
ｒとした。このグラフからは、Ａｒが低流量であるほど
良好な結果が得られることが分かる。但し、図示してい
ないが、Ａｒの流量が２６ｓｃｃｍを下回ると、プラズ
マが不安定な状態となった。

【００２９】また、図１６は、ＣＨ₂Ｆ₂の流量を変化
させた場合のＳｉＯ₂膜のエッチング速度と、ＳｉＮ膜
の中央部分と周辺部分のエッチング速度の変化を示すグ
ラフである。この実験では、Ｃ₄Ｆ₈の流量を９ｓｃｃ
ｍ、Ａｒの流量を７５ｓｃｃｍとし、反応容器３０内の
圧力を６ｍＴｏｒｒとした。このグラフからは、ＣＨ₂
Ｆ₂の添加量が大きいほど良い結果が得られることが分
かる。但し、図示していないが、ＣＨ₂Ｆ₂の流量が９
ｓｃｃｍを以上では、エッチングの均一性が損なわれ
た。

【００３０】更に、図１７は、Ｃ₄Ｆ₈の流量を９ｓｃ
ｃｍ、Ａｒの流量を７５ｓｃｃｍ、ＣＨ₂Ｆ₂の流量を
６ｓｃｃｍとし、反応容器３０内の圧力を変化させた場
合の各膜のエッチング速度の変化を示すグラフである。
この場合、高圧力ほど選択性が大となった。但し、８ｍ
Ｔｏｒｒ以上ではＳｉＮ膜のエッチングが停止した。

【００３１】図１８は、Ｃ₄Ｆ₈の流量を９ｓｃｃｍ、
Ａｒの流量を７５ｓｃｃｍ、ＣＨ₂Ｆ₂の流量を６ｓｃ
ｃｍとし、ウェハＳの温度を変化させた場合の各膜のエ
ッチング速度の変化を示すグラフである。このグラフか
ら、高温ほどエッチングの均一性が向上していることが
分かる。なお、１３５℃以上では、フォトレジスト膜の
劣化がみられた。

【００３２】以上の実験結果を本発明者らが鋭意検討し
た結果、次の結論が得られた。

【００３３】まず、ＣＨＦ₃を含む反応性ガスに比して
ＣＨ₂Ｆ₂やＣＨＦ₃を含む反応性ガスの方が、ＳｉＮ
膜に対する選択性が良いということができる。

【００３４】一方、ＣＨ₂Ｆ₂やＣＨＦ₃は、プラズマ
中で容易に励起される性質がある。前述したように、Ｃ
Ｈ₂Ｆ₂やＣＨＦ₃から生じるＣ−Ｈ結合を有するラジ
カルはＳｉＮ膜及びフォトレジスト膜のエッチングを抑
制し選択比を向上させる効果がある。

【００３５】次表は、Ｃ−Ｆ、Ｃ−Ｏ、Ｃ−Ｎ、Ｃ−Ｈ
の２原子分子の結合エネルギを示す。Ｃ−０及びＣ−Ｎ
結合はそれぞれ２重結合と３重結合であるため、結合当
たりのエネルギも示した。

【００３６】

【表１】

【００３７】一重結合当たりの結合エネルギは、Ｃ−
Ｆ、Ｃ−Ｏ、Ｃ−Ｈ、Ｃ−Ｎの順に大きくなる。即ち、
Ｃ−Ｈ結合をＣ−Ｏ結合に置き換える反応は発熱反応で
あるために速やかに進行する。一方、Ｃ−ＨをＣ−Ｎに
置き換える反応は吸熱反応であり、外部からエネルギの
供給が必要である。従って、Ｃ−Ｈ結合を有するラジカ
ルはＳｉＮ膜の表面ではそのまま重合しやすく、ＳｉＯ
₂表面では酸素と反応して揮発しやすいと考えられる。
このため、ＳｉＮ表面に選択的に重合膜が堆積する。

【００３８】一方、Ｃ_lＨ_mＦ_nガスの分解反応が過度
に進んだ場合は、プラズマ中のＨ原子の比率が増大す
る。Ｈ原子にはＳｉＮ膜のエッチング反応を促進する効
果があることが知られており、このような過度の分解反
応を抑制する必要があるわけである。

【００３９】これに対して、Ｃ−Ｆ結合のエネルギはＣ
−Ｏ結合、Ｃ−Ｎ結合のどちらよりも大きい。即ち、Ｃ
ＦやＣＦ₂ラジカルはＳｉＮとＳｉＯ₂のいずれの表面
でも揮発性の化合物を作るためには、エネルギを必要と
する。このため、イオンの運動エネルギの低下する穴の
底では酸化膜の上でも重合膜が形成され、その結果、エ
ッチストップを引き起こすものと考えられる。

【００４０】次に、実際のＳＡＣ（ＳｅｌｆＡｌｉｇ
ｎｅｄＣｏｎｔａｃｔ）構造のコンタクトホールの内
部のＳｉＮ膜のコーナ段差部分のエッチング速度と、Ｃ
ＨＦ₃、ＣＨ₂Ｆ₂、ＣＨＦ₃ガスの添加量の関係を図
１９に示す。なお、このグラフに係る実験では、Ｃ₄Ｆ
₈ガスの流量を１０ｓｃｃｍ、Ａｒガスの流量を１５０
ｓｃｃｍとした。このグラフから、どのガスも添加量の
増大に伴いコーナ部分におけるＳｉＮ膜のエッチング速
度は減少することが分かる。中でもＣに結合したＨ原子
の数が大きいほど、効果が顕著となる。ＳｉＯ₂のエッ
チング速度変化はＳｉＮ膜のエッチング速度に比較して
小さい（図示せず）ため、添加量に応じて選択比は増大
する。

【００４１】これらの添加ガスの効果はいずれも、平坦
部より穴の内部のコーナ部分のＳｉＮのエッチング速度
を抑制する効果が顕著であるといえる。ＳＡＣ構造で
は、イオンが斜めに入射するコーナ部分のエッチング速
度が最も大きい。このため選択比を上げるには側壁にも
十分な堆積膜を形成する必要がある。ＣＨ系のラジカル
を用いると堆積膜の被覆性が改善された。これも穴の内
部のコーナ部分の選択比向上の一因であると結論でき
る。

【００４２】解離が進んで水素原子やフッ素原子が発生
すると、ＳｉＮ膜のエッチングを促進して選択比を低下
させるように作用する。

【００４３】従って、これらのガスを用いて均一性のよ
いエッチング特性を実現するには、被処理基体であるウ
ェハＳの前面に到達するガスの平均滞在時間が一定でガ
スの励起の程度が同程度であることが望ましい、と結論
付けられる。

【００４４】図２に示すようなプラズマエッチング装置
においては、ウェハＳの各点に到達するガスの平均滞在
時間はノズル４０の影響を強く受ける。このことは、図
１３及び図１４からも明らかである。即ち、ノズル４０
の直下に到達するラジカルやイオン等は殆ど他のラジカ
ル等と衝突しないまま（低解離状態）でウェハＳに到達
するのに対し、周辺部分に到達するラジカル等は衝突を
繰り返して高解離状態で到達する。このために、ウェハ
Ｓの中心部分では、ＳｉＮ膜のエッチング速度が急減
し、周辺部分では逆に増大するといった不均一が発生す
る。

【００４５】このような不均一を解決するには、ノズル
４０の配置パターンをウェハＳの全面を実効的に覆うよ
うにするか、或いは、外周部分に位置するノズル４０が
ウェハＳの外周縁よりも外側に配置されるようにするこ
とが考えられるが、ウェハＳに到達する全てのラジカル
等がプラズマ中から拡散により供給されるような状態を
作り出すことが好適である。それには、ノズル４０から
噴出する反応性ガスの速度を抑えると共に、ノズル４０
とウェハＳの間隔やガスの圧力をある一定値以上に大き
くすればよい。この値はガスの種類により異なるもので
ある。

【００４６】いま、ノズルから噴出する反応性ガスにお
けるハイドロフロロカーボンガスの速度ｖ₁（ｃｍ／ｓ
ｅｃ）と総流量Ｆ₁（ｃｍ³・ａｔｍ／ｍｉｎ）、及
び、反応容器３０内の当該ハイドロフロロカーボンガス
の分圧ｐ₁（Ｔｏｒｒ）及びノズルの総断面積Ｓ（ｃｍ
²）の間には、近似的に、ｖ₁＝Ｆ₁・７６０／（Ｓ・ｐ₁・６０）（１）なる関係がある。そして、本発明者らが検討した結果、
この速度ｖ₁と反応性ガスの全圧Ｐ（Ｔｏｒｒ）、ノズ
ル４０とウェハＳ間の距離Ｌの間に、ｖ₁＜Ａ・Ｐ・Ｌ（２）の関係が成り立つとき、エッチングの均一性が改善され
ることが明らかとなった。ここで、Ａはガスの種類によ
り異なる比例常数である。（１）式及び（２）式を整理
すると、Ｆ₁／（ｐ₁・Ｐ・Ｓ・Ｌ）＜Ｘ（３）なる関係が成り立てば、均一性のあるエッチングが可能
となる。ここで、Ｘの値は、ＣＨ₂Ｆ₂については２×
１０⁸、ＣＨ₃Ｆについては１．３×１０⁸である。

【００４７】（３）式の関係は、水素原子の数がフッ素
原子の数を上回るハイドロフロロカーボンガスＣ_lＨ_m
Ｆ_n（ｍ≧ｎ）に対して成り立ち、このハイドロフロロ
カーボンガスに関してＸの値を一般化すると、Ｘ＝４×１０⁸／ｍ（４）（ｍはハイドロフロロカーボンガス中の水素原子の数）
となる。

【００４８】更に、（３）式の関係は、Ｃ₄Ｆ₈のよう
に分子中に含まれる炭素原子とフッ素原子の比率が１／
２を越えるフロロカーボンガスＣ_xＦ_y（ｘ≧ｙ）につ
いても成立する。即ち、フロロカーボンガスの総流量Ｆ
₂（ｃｍ³・ａｔｍ／ｍｉｎ）、ノズル４０の総断面積
Ｓ（ｃｍ²）、反応容器３０内におけるフロロカーボン
ガスの分圧ｐ₂（Ｔｏｒｒ）、ウェハＳとノズル４０と
の間の距離Ｌ（ｃｍ）、及び、反応性ガスの全圧Ｐ（Ｔ
ｏｒｒ）の間に、Ｆ₂／（Ｐ・ｐ₂・Ｓ・Ｌ）＜Ｙ（５）（Ｙはフロロカーボンガスの種類により定まる定数）な
る関係が成り立つ。なお、フロロカーボンガスがＣ₄Ｆ
₈の場合、Ｙの値は３×１０⁸となる。また、Ｃ₅Ｆ₁₀
ガスについても、ほぼ同じ値が得られた。

【００４９】これらの結論が、一般的に成立するか否か
を確認するため、ノズルの断面積Ｓ、ノズルとウェハの
距離Ｌ、反応容器ないの圧力を変化させてフォトレジス
ト膜、ＳｉＮ膜のエッチング速度の均一性と、ＣＨ₂Ｆ
₂ガス、ＣＨ₃Ｆガス、Ｃ₄Ｆ₈ガスの流量の創刊を測
定した。前述した条件では、これらのガスの流量がそれ
ぞれ９ｓｃｃｍ、６ｓｃｃｍ、１０ｓｃｃｍを越えると
顕著な不均一が現れる。一方で、前述のパラメータを増
大させると不均一を引き起こす境界流量は、ＳとＬに対
しては比例して増大することが判明した。また、圧力に
対しては２乗に比例した。これは、Ｐを増大すると同時
に分圧ｐ₁も比例して増大することによるものである。

【００５０】

【発明の効果】以上述べたように、ハイドロフロロカー
ボン又はフロロカーボンの一方或いはその両方を含むガ
スを反応性ガスとして用いる場合、ＳｉＮ膜に対する選
択的エッチングに適切なガス混合比を、反応容器内に反
応性ガスを導入するノズルの形状等の関係から特定でき
るようにした。従って、既存のプラズマエッチングに対
しても容易に上記反応性ガスを適用することが可能とな
った。

【００５１】また、本発明によれば、高アスペクト比下
におけるエッチストップの防止と、対ＳｉＮ高選択比と
を同時に実現することが可能である。従って、ＳＡＣ加
工やＤＣＥ（ＤｅｅｐＣｏｎｔａｃｔＥｔｃｈ）に
最適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＭＯＳ形半導体デバイスの製造プロセスを示す
断面図である。

【図２】本発明の適用が可能なプラズマエッチング装置
の概略図である。

【図３】図２のプラズマエッチング装置におけるノズル
の配置パターンを示す図である。

【図４】ＣＨ₂Ｆ₂の添加量と、ＳｉＯ₂膜及びフォト
レジスト膜のエッチング速度との関係を示すグラフであ
る。

【図５】ＣＨ₃Ｆの添加量と、ＳｉＯ₂膜及びフォトレ
ジスト膜のエッチング速度との関係を示すグラフであ
る。

【図６】ＣＨＦ₃の添加量と、ＳｉＯ₂膜及びフォトレ
ジスト膜のエッチング速度との関係を示すグラフであ
る。

【図７】ＣＨ₂Ｆ₂、ＣＨ₃Ｆ及びＣＨＦ₃のそれぞれ
の流量と、フォトレジスト膜に対するエッチング速度と
の関係を示すグラフである。

【図８】ＣＨ₂Ｆ₂、ＣＨ₃Ｆ及びＣＨＦ₃のそれぞれ
の流量と、ＳｉＮ膜に対するエッチング速度との関係を
示すグラフである。

【図９】プラズマ中に存在するＦの相対的発光強度を示
すグラフである。

【図１０】プラズマ中のＣ₂、ＣＦ及びＣＦ₂の相対的
発光強度を示すグラフである。

【図１１】ＣＨ₂Ｆ₂の反応容器内での状態を示す発光
分析結果のグラフである。

【図１２】ＣＨ₂Ｆ₂の反応容器内での状態を示す質量
分析結果のグラフである。

【図１３】ウェハの径方向の各位置でのＳｉＮ膜に対す
るエッチング速度と、ＣＨ₂Ｆ₂の流量との関係を示す
グラフである。

【図１４】ウェハの径方向の各位置でのＳｉＮ膜に対す
るエッチング速度と、ＣＨ₃Ｆの流量との関係を示すグ
ラフである。

【図１５】Ａｒの流量を変化させた場合のＳｉＯ₂膜の
エッチング速度と、ＳｉＮ膜の中央部分と周辺部分のエ
ッチング速度の変化を示すグラフである。

【図１６】ＣＨ₂Ｆ₂の流量を変化させた場合のＳｉＯ
₂膜のエッチング速度と、ＳｉＮ膜の中央部分と周辺部
分のエッチング速度の変化を示すグラフである。

【図１７】Ｃ₄Ｆ₈の流量を９ｓｃｃｍ、Ａｒの流量を
７５ｓｃｃｍ、ＣＨ₂Ｆ₂の流量を６ｓｃｃｍとし、反
応容器３０内の圧力を変化させた場合の各膜のエッチン
グ速度の変化を示すグラフである。

【図１８】Ｃ₄Ｆ₈の流量を９ｓｃｃｍ、Ａｒの流量を
７５ｓｃｃｍ、ＣＨ₂Ｆ₂の流量を６ｓｃｃｍとし、ウ
ェハＳの温度を変化させた場合の各膜のエッチング速度
の変化を示すグラフである。

【図１９】添加ガス流量とＳｉＮ膜のエッチング速度と
の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１０…シリコン基板、１２…ゲート電極、１４…ＳｉＯ
₂膜、１６…フォトレジスト膜、１８…穴、２０…コン
タクトホール、２２…ＳｉＮ膜、３０…反応容器、３２
…誘電体窓、３４…コイルアンテナ、３６…電極、３８
…サセプタ、４０…ノズル、４２…配管、４４…反応性
ガス供給源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡野晴雄千葉県成田市新泉14−３野毛平工業団地内アプライドマテリアルズジャパン株式会社内 (72)発明者石川吉夫千葉県成田市新泉14−３野毛平工業団地内アプライドマテリアルズジャパン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応容器内に設置されたサセプタに被処
理基体を配置し、前記反応容器内を所定圧力に減圧し、
前記被処理基体に対向する位置に設けられた少なくとも
１つのノズルを介して反応性ガスを前記反応容器内に供
給すると共に、前記反応容器内に放電プラズマを形成し
て、前記被処理基体をエッチングするプラズマエッチン
グ方法において、前記反応性ガスとしてハイドロフロロカーボンガスを含
むガスを用い、且つ、前記ハイドロフロロカーボンガス
の流量Ｆ₁（ｃｍ³・ａｔｍ／ｍｉｎ）、前記ノズルの
総断面積Ｓ（ｃｍ²）、前記反応容器内における前記ハ
イドロフロロカーボンガスの分圧ｐ₁（Ｔｏｒｒ）、前
記被処理基体と前記ノズルとの間の距離Ｌ（ｃｍ）、及
び、前記反応性ガスの全圧Ｐ（Ｔｏｒｒ）の間に、Ｆ₁／（Ｐ・ｐ₁・Ｓ・Ｌ）＜Ｘ（Ｘはハイドロフロロカーボンガスの種類により定まる
定数）なる関係が成り立つようにしたことを特徴とする
プラズマエッチング方法。
【請求項２】前記ハイドロフロロカーボンガスは一般
的Ｃ_lＨ_mＦ_n（ｍ≧ｎ）で表されるガスであることを
特徴とする請求項１記載のプラズマエッチング方法。
【請求項３】前記Ｘの値は、Ｘ＝４×１０⁸／ｍ（ｍはハイドロフロロカーボンガス中に含まれる水素原
子の数）であることを特徴とする請求項１又は２記載の
プラズマエッチング方法。
【請求項４】前記被処理基体はシリコン酸化膜とシリ
コン窒化膜を含み、前記シリコン酸化膜を前記シリコン
窒化膜に対して選択的にエッチングを行うことを特徴と
する請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマエッ
チング方法。
【請求項５】前記反応性ガスは不活性ガスを含むこと
を特徴する請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズ
マエッチング方法。
【請求項６】前記反応性ガスはフロロカーボンガスを
含む請求項１〜５のいずれか１項に記載のプラズマエッ
チング方法。
【請求項７】反応容器内に設置されたサセプタに、シ
リコン酸化膜及びシリコン窒化膜を含む被処理基体を配
置し、前記反応容器内を所定圧力に減圧し、前記被処理
基体に対向する位置に設けられた少なくとも１つのノズ
ルを介して反応性ガスを前記反応容器内に供給すると共
に、前記反応容器内に放電プラズマを形成して、前記被
処理基体をエッチングするプラズマエッチング方法にお
いて、前記反応性ガスとして、一般的Ｃ_xＦ_y（ｘ≧ｙ／２）
で表されるフロロカーボンガスを含むガスを用い、且
つ、前記フロロカーボンガスの流量Ｆ₂（ｃｍ³・ａｔ
ｍ／ｍｉｎ）、前記ノズルの総断面積Ｓ（ｃｍ²）、前
記反応容器内における前記フロロカーボンガスの分圧ｐ
₂（Ｔｏｒｒ）、前記被処理基体と前記ノズルとの間の
距離Ｌ（ｃｍ）、及び、前記反応性ガスの全圧Ｐ（Ｔｏ
ｒｒ）の間に、Ｆ₂／（Ｐ・ｐ₂・Ｓ・Ｌ）＜Ｙ（Ｙはフロロカーボンガスの種類により定まる定数）な
る関係が成り立つようにしたことを特徴とするプラズマ
エッチング方法。
【請求項８】前記フロロカーボンガスがＣ₄Ｆ₈ガス
であり、前記Ｙの値は３×１０⁸であることを特徴とす
る請求項７記載のプラズマエッチング方法
【請求項９】前記放電プラズマは、前記反応容器の誘
電材料から成る側壁を囲むよう設置されたコイルアンテ
ナに高周波電力を印加し誘導結合により発生させること
を特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のプラ
ズマエッチング方法。
【請求項１０】反応容器内に設置されたサセプタに被
処理基体を配置し、前記反応容器内を所定圧力に減圧
し、前記被処理基体に対向する位置に設けられた少なく
とも１つのノズルを介して反応性ガスを前記反応容器内
に供給するすると共に、前記反応容器内に放電プラズマ
を形成して、前記被処理基体をエッチングするよう構成
されたプラズマエッチング装置において、一般式Ｃ_lＨ_mＦ_n（ｍ≧ｎ）で表されるハイドロフロ
ロカーボンガスを含む前記反応性ガスを前記反応容器内
に供給する反応性ガス供給手段を設け、前記ハイドロフロロカーボンガスの流量Ｆ₁（ｃｍ³・
ａｔｍ／ｍｉｎ）、前記ノズルの総断面積Ｓ（ｃ
ｍ²）、前記反応容器内における前記ハイドロフロロカ
ーボンガスの分圧ｐ₁（Ｔｏｒｒ）、前記被処理基体と
前記ノズルとの間の距離Ｌ（ｃｍ）、及び、前記反応性
ガスの全圧Ｐ（Ｔｏｒｒ）の間に、Ｆ₁／（Ｐ・ｐ₁・Ｓ・Ｌ）＜Ｘ（Ｘはハイドロフロロカーボンガスの種類により定まる
定数）なる関係が成り立つよう、前記反応性ガスを前記
反応容器内に供給するようにしたことを特徴とするプラ
ズマエッチング装置。
【請求項１１】前記Ｘの値は、Ｘ＝４×１０⁸／ｍ（ｍはハイドロフロロカーボンガス中に含まれる水素原
子の数）であることを特徴とする請求項１０のプラズマ
エッチング装置。
【請求項１２】前記反応性ガスは不活性ガスを含むこ
とを特徴する請求項１０又は１１記載のプラズマエッチ
ング装置。
【請求項１３】前記反応性ガスはフロロカーボンガス
を含む請求項１０〜１２のいずれか１項に記載のプラズ
マエッチング装置。
【請求項１４】反応容器内に設置されたサセプタに、
シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を含む被処理基体を
配置し、前記反応容器内を所定圧力に減圧し、前記被処
理基体に対向する位置に設けられた少なくとも１つのノ
ズルを介して反応性ガスを前記反応容器内に供給すると
共に、前記反応容器内に放電プラズマを形成して、前記
被処理基体をエッチングするよう構成されたプラズマエ
ッチング装置において、一般的Ｃ_xＦ_y（ｘ≧ｙ／２）で表されるフロロカーボ
ンガスを含む前記反応性ガスを前記反応容器内に供給す
る反応性ガス供給手段を設け、前記フロロカーボンガスの流量Ｆ₂（ｃｍ³・ａｔｍ／
ｍｉｎ）、前記ノズルの総断面積Ｓ（ｃｍ²）、前記反
応容器内における前記フロロカーボンガスの分圧ｐ
₂（Ｔｏｒｒ）、前記被処理基体と前記ノズルとの間の
距離Ｌ（ｃｍ）、及び、前記反応性ガスの全圧Ｐ（Ｔｏ
ｒｒ）の間に、Ｆ₂／（Ｐ・ｐ₂・Ｓ・Ｌ）＜Ｙ（Ｙはフロロカーボンガスの種類により定まる定数）な
る関係が成り立つよう、前記反応性ガスを前記反応容器
内に供給するようにしたことを特徴とするプラズマエッ
チング装置。
【請求項１５】前記フロロカーボンガスがＣ₄Ｆ₈ガ
スであり、前記Ｙの値は３×１０⁸であることを特徴と
する請求項１４記載のプラズマエッチング装置。
【請求項１６】前記反応容器の誘電材料から成る側壁
を囲むよう設置されたコイルアンテナに高周波電力を印
加し誘導結合により前記放電プラズマを発生させるよう
にしたことを特徴とする請求項１１〜１７のいずれか１
項に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項１７】前記ノズルは複数あり、前記ノズル
は、前記サセプタ上に配置された被処理基体の全面を実
行的に覆うように配置されていることを特徴とする請求
項１０〜１６のいずれか１項に記載のプラズマエッチン
グ装置。
【請求項１８】前記ノズルは複数あり、前記ノズルの
一部は、前記サセプタ上に配置された被処理基体の外周
縁よりも外側に配置されていることを特徴とする請求項
１０〜１６のいずれか１項に記載のプラズマエッチング
装置。