JPH0982691A - Plasma etching method and system - Google Patents

Plasma etching method and system

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JPH0982691A
JPH0982691A JP7241926A JP24192695A JPH0982691A JP H0982691 A JPH0982691 A JP H0982691A JP 7241926 A JP7241926 A JP 7241926A JP 24192695 A JP24192695 A JP 24192695A JP H0982691 A JPH0982691 A JP H0982691A
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哲也 辰巳
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make the etched substrates uniform in dimensional conversion difference by a method wherein silicon-containing conductive material layer patterns are controlled in dimensional conversion difference by a retention time of etching gas in an etching chamber. SOLUTION: A computer 19 is equipped with a memory means, and correlational data such as an opening area rate of an etched layer, a tapering angle and a dimensional conversion difference of a resist pattern, and a retention time and an exhaust rate of etching gas are stored in the memory means. A control means provided in the computer 19 is made to control a conductance valve 17 in opening from the correlational data and the inputted values of the opening area rate of an etched substrate 11 and the tapering angle data of a resist pattern so as to set a retention time of etching gas or an exhaust speed optimal. Therefore, when a dimensional conversion difference of a silicon- containing conductive material layer pattern is positive, a retention time of etching gas is set shorter than a case where a dimensional conversion difference of a silicon-containing conductive material layer pattern is negative.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置のゲート
電極や内部配線等をパターニングする際にに用いるプラ
ズマエッチング方法およびプラズマエッチング装置に関
し、さらに詳しくは、加工寸法の寸法変換差が少なく、
加工形状に優れた微細幅のゲート電極や内部配線等をパ
ターニングするプラズマエッチング方法およびプラズマ
エッチング装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma etching method and a plasma etching apparatus used for patterning a gate electrode, an internal wiring, etc. of a semiconductor device.
The present invention relates to a plasma etching method and a plasma etching apparatus for patterning a gate electrode, an internal wiring and the like having a fine width and excellent in a processed shape.

【0002】[0002]

【従来の技術】LSI等の半導体装置のゲート電極・配
線材料としては、従来より多結晶シリコンが汎用されて
きた。近年、半導体装置のデザインルールがハーフミク
ロンからサブクォータミクロンのレベルへと微細化され
つつあり、かつ高集積メモリ装置等、デバイスの高速化
への要求が高まるにつれ、多結晶シリコンより約1桁低
い抵抗値を持つ、高融点金属シリサイドが用いられるよ
うになりつつある。高融点金属シリサイドを用いてゲー
ト電極・配線を形成する場合には、高融点金属シリサイ
ド層単独で用いられる場合もあるが、デバイス特性や信
頼性に影響を与え易いゲート絶縁膜との界面特性を考慮
して、まずゲート絶縁膜上に従来より実績のある不純物
含有多結晶シリコン層を形成し、この上部に高融点金属
シリサイド層を積層する場合が多い。かかる積層構造は
ポリサイドと総称される。高融点金属シリサイドとして
はタングステンシリサイド(WSix )が一般的であ
り、このWSix を有するポリサイドを特にタングステ
ンポリサイド(Wポリサイド)と称する。
2. Description of the Related Art Polycrystalline silicon has been widely used as a gate electrode / wiring material for semiconductor devices such as LSIs. In recent years, the design rule of semiconductor devices has been reduced from half micron to sub-quarter micron level, and as the demand for high-speed devices such as highly integrated memory devices has increased, it is about an order of magnitude lower than that of polycrystalline silicon. Refractory metal silicides, which have a resistance value, are being used. When the gate electrode / wiring is formed by using the refractory metal silicide, the refractory metal silicide layer may be used alone, but the interface characteristics with the gate insulating film, which easily affects the device characteristics and reliability, may be used. Considering this, it is often the case that an impurity-containing polycrystalline silicon layer, which has a proven track record in the past, is first formed on a gate insulating film, and a refractory metal silicide layer is stacked on the polycrystalline silicon layer. Such a laminated structure is collectively called polycide. Tungsten silicide as a refractory metal silicide (WSi x) is common, referred to in particular tungsten polycide polycide having the WSi x (W polycide).

【0003】高融点金属シリサイド層やポリサイド層を
プラズマエッチングしてゲート電極・配線を形成するプ
ロセスにおいては、Cl系ガスやBr系ガス等、F系ガ
ス以外のハロゲン系ガスを採用し、高選択比の異方性加
工を施すことが一般的となりつつある。F系ガスを採用
する場合には、エッチングレートに優れるものの、反応
性の高いF* (Fラジカル)によるサイドエッチングを
防止するために、CF系ポリマ等による側壁保護膜を厚
く形成する必要があり、寸法変換差やパーティクル汚染
の問題が避けられず、また下地ゲート酸化膜とのエッチ
ング選択比が好ましくないためである。とりわけサブク
オータμmのデザインルールのゲート電極・配線加工に
おいては、異方性を保ちつつ超高選択比を達成できるプ
ラズマエッチング方法および装置が必要である。これに
対し、近年ではCl系ガスによる高密度プラズマエッチ
ングが主流となりつつあり、多結晶シリコンの場合に
は、下地のSiO2 に対し30を超える選択比が達成で
きるようになっている。
In the process of plasma etching a refractory metal silicide layer or polycide layer to form a gate electrode / wiring, halogen-based gas other than F-based gas, such as Cl-based gas or Br-based gas, is adopted to achieve high selection. It is becoming more common to perform anisotropic processing of the ratio. When an F-based gas is used, it is necessary to form a thick side wall protective film of CF-based polymer or the like in order to prevent side etching due to highly reactive F * (F radicals), although it has an excellent etching rate. This is because the problems of dimensional conversion difference and particle contamination cannot be avoided, and the etching selectivity to the underlying gate oxide film is unfavorable. In particular, in the gate electrode / wiring processing of the design rule of sub-quarter μm, a plasma etching method and apparatus capable of achieving an ultrahigh selection ratio while maintaining anisotropy are required. On the other hand, in recent years, high-density plasma etching using a Cl-based gas has become mainstream, and in the case of polycrystalline silicon, a selection ratio exceeding 30 with respect to the underlying SiO 2 can be achieved.

【0004】Cl系ガスを用いたWポリサイド層のプラ
ズマエッチングは、通常Cl2 /O2 混合ガスが用いら
れる。この場合には、Cl* ラジカルおよびO* ラジカ
ルによるエッチングの反応生成物として、Wポリサイド
の構成元素であるWおよびSiの塩化物(WClx およ
びSiClx )、もしくはオキシ塩化物(WOClx
よびSiOClx )等が形成される。
For plasma etching of the W polycide layer using a Cl-based gas, a Cl 2 / O 2 mixed gas is usually used. In this case, chlorides (WCl x and SiCl x ) of W and Si, which are constituent elements of W polycide, or oxychlorides (WOCl x and SiOCl) are used as reaction products of etching by Cl * radicals and O * radicals. x ) etc. are formed.

【0005】これらの反応生成物のうち、比較的大きい
蒸気圧を有するWOClx およびSiClx はイオン入
射にアシストされる形で気化除去され、エッチングが進
行する一方、比較的小さい蒸気圧を有するWClx およ
びSiOClx は、エッチング中にイオン入射の少ない
パターン側面に堆積し、側壁保護膜となって異方性加工
に寄与する。Wの代表的な反応生成物であるWOCl4
およびWCl6 の沸点はCRC Handbook o
f Chemistry and Phisics 7
5th.Edition(1994、CRC Pres
s)によれば次の値が報告されている。 WOCl4 227.5℃ WCl6 346.7℃ このように、WCl6 はWOCl4 に比較して沸点が1
00℃以上高いので、被エッチング基板温度が低いか、
あるいは被エッチング基板上の酸素系化学種の量が不足
する場合には非常に厚い側壁保護膜を形成する。この傾
向は、Cl系ガス以外のハロゲン系ガスを用いた場合も
同様である。したがって、フッ素系化学種以外のハロゲ
ン系化学種を発生しうるガスと、酸素系化学種を発生し
うるガスとの混合ガスにより高融点金属を含む配線層を
プラズマエッチングする配線形成方法においては、エッ
チング反応生成物中のオキシハロゲン化物の生成割合を
制御することが重要なエッチングパラメータとなる。
Of these reaction products, WOCl x and SiCl x, which have a relatively high vapor pressure, are vaporized and removed in a form assisted by ion injection, and etching proceeds, while WCl x, which has a relatively low vapor pressure. x and SiOCl x are deposited on the side surface of the pattern where the number of incident ions is small during etching and serve as a side wall protective film to contribute to anisotropic processing. WOCl 4 which is a typical reaction product of W
And the boiling points of WCl 6 are CRC Handbook
f Chemistry and Physics 7
5th. Edition (1994, CRC Pres
According to s), the following values are reported. WOCl 4 227.5 ° C. WCl 6 346.7 ° C. Thus, WCl 6 has a boiling point of 1 as compared with WOCl 4.
Since it is higher than 00 ℃, the temperature of the substrate to be etched is low,
Alternatively, when the amount of oxygen-based chemical species on the substrate to be etched is insufficient, a very thick sidewall protective film is formed. This tendency is the same when a halogen-based gas other than Cl-based gas is used. Therefore, in a wiring forming method of plasma etching a wiring layer containing a refractory metal with a mixed gas of a gas capable of generating a halogen-based chemical species other than a fluorine-based chemical species and a gas capable of generating an oxygen-based chemical species, It is an important etching parameter to control the production ratio of oxyhalide in the etching reaction product.

【0006】ところで、米国半導体工業会(SIA)が
まとめた2010年までの半導体技術ロードマップによ
れば、0.13μm世代のゲート電極加工に許容される
寸法変換差(CD Loss; Critical D
imension Loss)は13nm以下すなわち
10%以下とされている。実際のプロセスでは、レジス
トパターン寸法の変動と、エッチング時の寸法変換差と
の和がこの値を満足させることが必要であるから、個々
のプロセスでは10nm以下の制御性が求められる。寸
法変換差が過大となると、配線抵抗の変動やマイグレー
ション耐性の劣化等、半導体装置の信頼性や均一性が低
下する。これに対し、前述のWClx 等高融点金属ハロ
ゲン化物が堆積して形成される側壁保護膜の厚さは、5
nm〜50nmと無視できないレベルにある。したがっ
てこの側壁保護膜の厚さに起因する寸法変換差が発生
し、高集積度半導体装置の製造プロセスにおける大きな
障害となる。
By the way, according to the semiconductor technology roadmap up to 2010 compiled by the American Semiconductor Industry Association (SIA), the dimensional conversion difference (CD Loss; Critical D) allowed for processing the gate electrode of the 0.13 μm generation
The image loss is 13 nm or less, that is, 10% or less. In the actual process, it is necessary that the sum of the variation of the resist pattern size and the size conversion difference at the time of etching satisfies this value. Therefore, controllability of 10 nm or less is required in each process. If the dimensional conversion difference is too large, the reliability and uniformity of the semiconductor device deteriorate, such as fluctuations in wiring resistance and deterioration in migration resistance. On the other hand, the thickness of the side wall protective film formed by depositing the refractory metal halide such as WCl x is 5
nm to 50 nm, which is a level that cannot be ignored. Therefore, a dimensional conversion difference occurs due to the thickness of the sidewall protective film, which becomes a major obstacle in the manufacturing process of the highly integrated semiconductor device.

【0007】先述したように、Cl系ガスを用いたゲー
ト電極エッチングにおいては、主としてSiClx 、W
Clx あるいはこれらの酸化物からなる反応生成物の堆
積を側壁保護膜として用いているため、原則的にはこれ
らの堆積物の厚さの分だけ、ゲート電極幅は太くなる。
すなわち寸法変換差は正の値をとり、CDゲインとな
る。
As described above, in the gate electrode etching using Cl-based gas, mainly SiCl x , W
Since the deposition of the reaction product of Cl x or these oxides is used as the side wall protection film, the gate electrode width is basically thickened by the thickness of these deposits.
That is, the dimension conversion difference takes a positive value and becomes the CD gain.

【0008】したがって異なる被エッチング基板ごと、
あるいは1枚の被エッチング基板内において、側壁保護
膜の厚さをいかに均等に制御するかが重要な技術課題で
ある。しかし本発明者らの検討によれば、パターン側面
に付着する反応生成物の量は、プラズマエッチング条件
を一定にしても、 (1)被エッチング層がエッチングマスクから露出する
開口面積率すなわち、(1−レジストパターンの被覆面
積率) (2)レジストパターンの側面が被エッチング層となす
角度すなわち、エッチングマスクのテーパ角度 により大きく変動することが明らかとなっている。
Therefore, for each different substrate to be etched,
Alternatively, how to evenly control the thickness of the sidewall protection film in one substrate to be etched is an important technical issue. However, according to the study by the present inventors, the amount of the reaction product attached to the side surface of the pattern is (1) the opening area ratio at which the layer to be etched is exposed from the etching mask, that is, (1) 1-Coverage of resist pattern) (2) It has been clarified that the side surface of the resist pattern greatly varies depending on the angle formed by the layer to be etched, that is, the taper angle of the etching mask.

【0009】まず(1)の問題を図6(a)〜(b)を
参照して説明する。同図は半導体基板1上のゲート絶縁
膜2上に形成された多結晶シリコン層3および高融点金
属シリサイド層4からなる高融点金属ポリサイド層5
を、エッチングマスク6をマスクとしてプラズマエッチ
ングしている状態を示している。このうち図6(a)は
ラインアンドスペースパターン近傍を示し、エッチング
マスク6の被覆面積率が高く、被エッチング層である高
融点金属ポリサイド層5表面がエッチングマスク6から
露出する開口面積率は例えば20%以下である。また図
6(b)は孤立パターン近傍を示し、被エッチング層が
露出する開口面積率は例えば70%以上である。
First, the problem (1) will be described with reference to FIGS. 6 (a) and 6 (b). This figure shows a refractory metal polycide layer 5 composed of a polycrystalline silicon layer 3 and a refractory metal silicide layer 4 formed on a gate insulating film 2 on a semiconductor substrate 1.
Shows the state where plasma etching is performed using the etching mask 6 as a mask. Of these, FIG. 6A shows the vicinity of the line and space pattern, in which the area coverage of the etching mask 6 is high, and the opening area ratio at which the surface of the refractory metal polycide layer 5 which is the layer to be etched is exposed from the etching mask 6 is, for example, It is 20% or less. Further, FIG. 6B shows the vicinity of the isolated pattern, and the opening area ratio at which the layer to be etched is exposed is, for example, 70% or more.

【0010】図6(a)〜(b)においてはともに、黒
矢印は反応生成物8が被エッチング基板上から除去され
る様子を示し、破線矢印は反応生成物8がプラズマ中で
再解離した再解離生成物9が被エッチング基板上に堆積
する様子を示している。符号7は側壁保護膜であり、反
応生成物8や再解離生成物9の1部がイオン入射の少な
いパターン側面に付着して形成されるものである。特に
高密度プラズマエッチング装置においては、プラズマ中
での再解離生成物9の量が多いので、再解離生成物9の
堆積が占める割合が大きい。
6A and 6B, the black arrow indicates the reaction product 8 being removed from the substrate to be etched, and the broken arrow indicates that the reaction product 8 has been re-dissociated in the plasma. It shows that the re-dissociation product 9 is deposited on the substrate to be etched. Reference numeral 7 is a side wall protective film, which is formed by adhering a part of the reaction product 8 and the re-dissociation product 9 on the side surface of the pattern where the ion incidence is small. Particularly in a high-density plasma etching apparatus, since the amount of re-dissociation products 9 in plasma is large, the proportion of deposition of the re-dissociation products 9 is large.

【0011】図6(a)から明らかなように、被エッチ
ング層が露出する開口面積率が小さい場合には、反応生
成物8の発生量は少ないので、再解離生成物9の堆積量
も少く、側壁保護膜7の厚さは薄い。したがって、寸法
変換差により被エッチング層のパターン幅が拡がる傾向
は少なく、場合によっては側壁保護膜7の堆積が不足し
てサイドエッチングやノッチングが入る場合もありう
る。また図6(b)のように被エッチング層の露出面積
率が大きい場合には、反応生成物8の発生量が多く、再
解離生成物9の堆積量が多いので、側壁保護膜7は厚く
形成される。したがって、寸法変換差により被エッチン
グ層のパターン幅が拡がる傾向がある。こでゲート電極
エッチングにおける寸法変換差は、エッチングマスクの
最大幅と、パターニング終了後のゲート電極とゲート絶
縁膜の界面、すなわちゲート電極底面でのゲート電極幅
との寸法差によって定義される量である。
As is apparent from FIG. 6 (a), when the opening area ratio at which the layer to be etched is exposed is small, the amount of reaction product 8 generated is small, and therefore the amount of re-dissociation product 9 deposited is small. The side wall protection film 7 is thin. Therefore, the pattern width of the layer to be etched is less likely to be widened due to the difference in dimension conversion, and in some cases, the side wall protective film 7 may be insufficiently deposited to cause side etching or notching. Further, when the exposed area ratio of the layer to be etched is large as shown in FIG. 6B, the reaction product 8 is generated in a large amount and the re-dissociation product 9 is deposited in a large amount, so that the sidewall protective film 7 is thick. It is formed. Therefore, the pattern width of the layer to be etched tends to be widened due to the dimensional conversion difference. Here, the dimensional conversion difference in gate electrode etching is an amount defined by the maximum width of the etching mask and the dimensional difference between the gate electrode and the gate insulating film interface after patterning, that is, the gate electrode width at the bottom surface of the gate electrode. is there.

【0012】つぎに(2)のエッチングマスクのテーパ
角度の問題を図7(a)〜(b)を参照して説明する。
エッチングマスクのテーパ角度は、エッチングマスクの
内側面が被エッチング層となす角度θと定義する。同図
は図7と同様の被エッチング基板のうちの、1個のレジ
ストパターン7部分のみを示している。図7(a)は特
にエッチングマスク6の側面と被エッチング層である高
融点金属ポリサイド層5表面がなす角度θが90°以上
の逆テーパ形状となっている。この場合にはエッチング
マスク6の側面に付着した側壁保護膜7は、この部分へ
のイオン入射が少ないためスパッタ除去されず、過度に
厚く堆積する傾向がある。したがって、高融点金属ポリ
サイド層5からなるゲート電極には、図7(b)に示す
ように正の寸法変換差が発生する。エッチングマスク6
の側面と被エッチング層である高融点金属ポリサイド層
5表面がなす角度θが90°未満の順テーパ形状の場合
にはこの逆で、図示はしないがエッチングマスク6の側
面に付着した側壁保護膜7は、この部分へのイオン入射
が多いため直ちにスパッタ除去され、極端に薄く堆積す
るかあるいは全く堆積しない傾向がある。したがって、
高融点金属ポリサイド層5からなるゲート電極にはサイ
ドエッチングが入り、負の寸法変換差が発生する。
Next, the problem of the taper angle of the etching mask of (2) will be described with reference to FIGS. 7 (a) and 7 (b).
The taper angle of the etching mask is defined as an angle θ formed by the inner surface of the etching mask and the layer to be etched. This figure shows only one resist pattern 7 portion of the same substrate to be etched as in FIG. In particular, FIG. 7A shows an inverse taper shape in which the angle θ formed by the side surface of the etching mask 6 and the surface of the high melting point metal polycide layer 5 as the layer to be etched is 90 ° or more. In this case, the side wall protective film 7 attached to the side surface of the etching mask 6 tends not to be removed by sputtering because the amount of ions incident on this portion is small, and tends to be deposited excessively thickly. Therefore, a positive dimensional conversion difference occurs in the gate electrode made of the refractory metal polycide layer 5, as shown in FIG. 7B. Etching mask 6
In the case of a forward taper shape in which the angle θ formed between the side surface of the metal polycide layer 5 and the surface of the refractory metal polycide layer 5 to be etched is less than 90 °, the reverse is true. In No. 7, since many ions are incident on this portion, it is immediately removed by sputtering and tends to be deposited extremely thinly or not at all. Therefore,
Side etching enters the gate electrode made of the refractory metal polycide layer 5, and a negative dimensional conversion difference occurs.

【0013】このように、プラズマエッチング条件を一
定に保持しても、被エッチング層の露出面積率やエッチ
ングマスクのテーパ角度により寸法変換差が変動する問
題がある。これは現状のプラズマエッチング装置あるい
はプラズマエッチング方法では避けることができない問
題であり、とりわけ異なる種類の被エッチング基板をシ
リアルに処理する場合にはに不都合であった。
As described above, even if the plasma etching conditions are kept constant, there is a problem that the dimensional conversion difference varies depending on the exposed area ratio of the layer to be etched and the taper angle of the etching mask. This is a problem that cannot be avoided by the current plasma etching apparatus or plasma etching method, and is particularly inconvenient when serially processing different types of substrates to be etched.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した従来
のプラズマエッチング方法およびプラズマエッチング装
置に付随する諸問題点を解決することをその目的とす
る。すなわち本発明の課題は、半導体製造プロセスにお
ける最小デザインルールが適用される微小ゲート電極加
工等において、エッチングマスク被覆率すなわち被エッ
チング層の露出面積率や、エッチングマスクのテーパ角
度によらず、寸法変換差を10%以下の許容値内に止
め、被エッチング基板ごとの寸法変換差のばらつきを抑
制しうるプラズマエッチング方法およびプラズマエッチ
ング装置を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the problems associated with the conventional plasma etching method and plasma etching apparatus described above. That is, an object of the present invention is to perform dimension conversion regardless of the etching mask coverage, that is, the exposed area ratio of the layer to be etched or the taper angle of the etching mask, in the processing of a minute gate electrode to which the minimum design rule in the semiconductor manufacturing process is applied. It is an object of the present invention to provide a plasma etching method and a plasma etching apparatus capable of suppressing the difference within a permissible value of 10% or less and suppressing the variation in the dimensional conversion difference for each substrate to be etched.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明の配線形成方法
は、上述の課題を解決するために提案するものである。
すなわち請求項1の発明は、シリコンを含む導電材料層
上に形成されたエッチングマスクを有する被エッチング
基板を、ハロゲン系ガスを含むエッチングガスによりエ
ッチングチャンバ内においてエッチングするとともに、
このシリコンを含む導電材料とハロゲン系ガスとの反応
生成物、およびこの反応生成物の再解離生成物のうちの
少なくともいずれか一方を被エッチング基板上に堆積し
ながら、シリコンを含む導電材料層をパターニングする
プラズマエッチング方法において、このシリコンを含む
導電材料層パターンの寸法変換差を、エッチングチャン
バ内のエッチングガスの滞留時間により制御することを
特徴とするものである。すなわち、シリコンを含む導電
材料層パターンの寸法変換差が正の場合には、シリコン
を含む導電材料層パターンの寸法変換差が負の場合に比
較して、エッチングガスの滞留時間を短く制御すること
を特徴とする。
The wiring forming method of the present invention is proposed to solve the above problems.
That is, the invention of claim 1 etches a substrate to be etched having an etching mask formed on a conductive material layer containing silicon in an etching chamber with an etching gas containing a halogen-based gas, and
While depositing at least one of a reaction product of the conductive material containing silicon and a halogen-based gas and a re-dissociation product of the reaction product on a substrate to be etched, a conductive material layer containing silicon is formed. In the plasma etching method of patterning, the dimensional conversion difference of the conductive material layer pattern containing silicon is controlled by the residence time of the etching gas in the etching chamber. That is, when the dimension conversion difference of the conductive material layer pattern containing silicon is positive, the residence time of the etching gas should be controlled to be shorter than that when the dimension conversion difference of the conductive material layer pattern containing silicon is negative. Is characterized by.

【0016】請求項3の発明は、シリコンを含む導電材
料層上に形成されたエッチングマスクを有する被エッチ
ング基板を、ハロゲン系ガスを含むエッチングガスによ
りエッチングチャンバ内においてエッチングするととも
に、このシリコンを含む導電材料とハロゲン系ガスとの
反応生成物、およびこの反応生成物の再解離生成物のう
ちの少なくともいずれか一方を被エッチング基板上に堆
積しながら、シリコンを含む導電材料層をパターニング
するプラズマエッチング方法において、シリコンを含む
導電材料層が前記エッチングマスクから露出する面積率
により、エッチングチャンバ内のエッチングガスの滞留
時間を制御することを特徴とするものである。すなわ
ち、シリコンを含む導電材料層がレジストパターンから
露出する面積率が大きい場合には、シリコンを含む導電
材料層が前記エッチングマスクから露出する面積率が小
さい場合に比較して、エッチングチャンバ内のエッチン
グガスの滞留時間を短く制御することを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, a substrate to be etched having an etching mask formed on a conductive material layer containing silicon is etched in an etching chamber with an etching gas containing a halogen-based gas and contains the silicon. Plasma etching for patterning a conductive material layer containing silicon while depositing at least one of a reaction product of a conductive material and a halogen-based gas and a re-dissociation product of the reaction product on a substrate to be etched. In the method, the residence time of the etching gas in the etching chamber is controlled by the area ratio of the conductive material layer containing silicon exposed from the etching mask. That is, when the area ratio of the silicon-containing conductive material layer exposed from the resist pattern is high, the etching in the etching chamber is smaller than when the silicon-containing conductive material layer is exposed from the etching mask. It is characterized in that the residence time of the gas is controlled to be short.

【0017】さらに請求項5の発明は、シリコンを含む
導電材料層上に形成されたエッチングマスクを有する被
エッチング基板を、ハロゲン系ガスを含むエッチングガ
スによりエッチングチャンバ内においてエッチングする
とともに、このシリコンを含む導電材料とハロゲン系ガ
スとの反応生成物、およびこの反応生成物の再解離生成
物のうちの少なくともいずれか一方を被エッチング基板
上に堆積しながら、シリコンを含む導電材料層をパター
ニングするプラズマエッチング方法において、エッチン
グマスクの側面が前記シリコンを含む導電材料層となす
角度により、エッチングチャンバ内の前記エッチングガ
スの滞留時間を制御することを特徴とするものである。
すなわち、エッチングマスクの側面がシリコンを含む導
電材料層となす角度が90°以上(逆テーパ形状)の場
合には、エッチングマスクの側面が前記シリコンを含む
導電材料層となす角度が90°未満(順テーパ形状)の
場合に比較して、エッチングチャンバ内のエッチングガ
スの滞留時間を短く制御することを特徴とする。
Further, according to a fifth aspect of the present invention, a substrate to be etched having an etching mask formed on a conductive material layer containing silicon is etched in an etching chamber with an etching gas containing a halogen-based gas, and the silicon is removed. Plasma for patterning a conductive material layer containing silicon while depositing at least one of a reaction product of a conductive material containing the halogen-based gas and a re-dissociation product of the reaction product on a substrate to be etched. In the etching method, the residence time of the etching gas in the etching chamber is controlled by the angle between the side surface of the etching mask and the conductive material layer containing silicon.
That is, when the side surface of the etching mask forms an angle of 90 ° or more (inverse taper shape) with the conductive material layer containing silicon (the inverse taper shape), the angle formed by the side surface of the etching mask with the conductive material layer containing silicon is less than 90 ° ( The retention time of the etching gas in the etching chamber is controlled to be shorter than that in the case of the forward taper shape.

【0018】つぎに本発明のプラズマエッチング装置す
なわち請求項11の発明は、シリコンを含む導電材料層
上に形成されたエッチングマスクを有する被エッチング
基板を、ハロゲン系ガスを含むエッチングガスによりエ
ッチングチャンバ内においてエッチングするとともに、
このシリコンを含む導電材料とハロゲン系ガスとの反応
生成物、およびこの反応生成物の再解離生成物のすくな
くともいずれか一方を被エッチング基板上に堆積しなが
ら、シリコンを含む導電材料層をパターニングするプラ
ズマエッチング装置において、シリコンを含む導電材料
層が前記エッチングマスクから露出する面積率と寸法変
換差の相関、およびエッチングマスクの側面が前記シリ
コンを含む導電材料層となす角度と寸法変換差の相関、
のうちの少なくともいずれか1種の相関を記憶する記憶
手段、シリコンを含む導電材料層が前記エッチングマス
クから露出する面積率データ、およびエッチングマスク
の側面が前記シリコンを含む導電材料層となす角度デー
タ、のうちの少なくともいずれか1種を入力する入力手
段、シリコンを含む導電材料層が前記エッチングマスク
から露出する面積率データ、およびレジストパターンの
側面がシリコンを含む導電材料層となす角度データ、の
うちの少なくともいずれか1種の入力値に基づき、エッ
チングチャンバ内の前記エッチングガスの滞留時間を制
御する制御手段、とを有することを特徴とするものであ
る。
Next, in the plasma etching apparatus of the present invention, that is, in the invention of claim 11, the substrate to be etched having the etching mask formed on the conductive material layer containing silicon is placed in the etching chamber with the etching gas containing the halogen-based gas. While etching at
The conductive material layer containing silicon is patterned while depositing a reaction product of the conductive material containing silicon and a halogen-based gas, and at least one of re-dissociation products of the reaction product on the substrate to be etched. In the plasma etching apparatus, the correlation between the area ratio of the conductive material layer containing silicon exposed from the etching mask and the dimensional conversion difference, and the angle between the side surface of the etching mask and the conductive material layer containing the silicon and the dimensional conversion difference,
Storage means for storing the correlation of at least one of the above, area ratio data in which a conductive material layer containing silicon is exposed from the etching mask, and angle data formed by side surfaces of the etching mask with the conductive material layer containing silicon. An input unit for inputting at least one of the above, area ratio data in which the conductive material layer containing silicon is exposed from the etching mask, and angle data of the side surface of the resist pattern with the conductive material layer containing silicon. Control means for controlling the residence time of the etching gas in the etching chamber based on at least one of the input values.

【0019】本発明のプラズマエッチング方法およびプ
ラズマエッチング装置の好ましい実施態様においては、
シリコンを含む導電材料は、非単結晶シリコン、高融点
金属シリサイドおよび高融点金属ポリサイドのうちのい
ずれか1種であることが望ましい。かかる材料からなる
ゲート電極材料層をパターニングする場合において、本
発明のプラズマエッチング方法およびプラズマエッチン
グ装置を好ましく適用することができる。なお非単結晶
シリコンとは、非晶質シリコンおよび多結晶シリコンの
両方を意味する。
In a preferred embodiment of the plasma etching method and the plasma etching apparatus of the present invention,
The conductive material containing silicon is preferably any one of non-single crystal silicon, refractory metal silicide, and refractory metal polycide. In patterning a gate electrode material layer made of such a material, the plasma etching method and the plasma etching apparatus of the present invention can be preferably applied. Note that non-single-crystal silicon means both amorphous silicon and polycrystalline silicon.

【0020】また本発明のプラズマエッチング方法およ
びプラズマエッチング装置の好ましい実施態様において
は、エッチングガスの滞留時間は、エッチングチャンバ
内を排気する真空ポンプの排気速度により制御すること
が望ましい。より具体的な実施態様においては、エッチ
ングガスの滞留時間は、エッチングチャンバ内を排気す
る真空ポンプとエッチングチャンバとの間に介在する、
コンダクタンスバルブの開閉度により制御することが望
ましい。
In a preferred embodiment of the plasma etching method and the plasma etching apparatus of the present invention, it is desirable that the residence time of the etching gas be controlled by the exhaust speed of a vacuum pump that exhausts the inside of the etching chamber. In a more specific embodiment, the residence time of the etching gas is interposed between the etching chamber and a vacuum pump that exhausts the inside of the etching chamber,
It is desirable to control the degree of opening and closing of the conductance valve.

【0021】さらに本発明のプラズマエッチング方法お
よびプラズマエッチング装置の好ましい実施態様におい
ては、エッチングチャンバ内におけるプラズマ密度は、
1×1010/cm3 以上1×1014/cm3 未満である
場合に好ましく適用することができる。かかる高密度プ
ラズマ雰囲気においては、1×1010/cm3 未満のプ
ラズマ密度を使用する通常の平行平板型エッチング等に
比較して、反応生成物の再解離が優勢であため、再解離
生成物の被エッチング基板上への堆積が多いためであ
る。なおECRプラズマ、誘導結合プラズマおよびヘリ
コン波プラズマ等の高密度プラズマエッチング装置の主
な稼働真空度域である10-1Pa台においては、1×1
13/cm3 台が実質的なプラズマ密度の上限である。
Further, in a preferred embodiment of the plasma etching method and the plasma etching apparatus of the present invention, the plasma density in the etching chamber is
It can be preferably applied when it is 1 × 10 10 / cm 3 or more and less than 1 × 10 14 / cm 3 . In such a high-density plasma atmosphere, the re-dissociation of the reaction product is predominant as compared with ordinary parallel plate etching using a plasma density of less than 1 × 10 10 / cm 3, so that the re-dissociation product This is because there is a large amount of deposition on the substrate to be etched. In the main operating vacuum range of the high-density plasma etching apparatus for ECR plasma, inductively coupled plasma, helicon wave plasma, etc., in the range of 10 −1 Pa, 1 × 1
The upper limit of substantial plasma density is 0 13 / cm 3 .

【0022】本発明のプラズマエッチング方法の骨子
は、正の寸法変換差が発生しやすい被エッチング基板条
件、すなわち被エッチング層の露出面積が例えば70%
以上であったり、エッチングマスクが逆テーパ形状であ
る場合には、エッチングチャンバ内のエッチングガスの
滞留時間を短く、すなわち排気速度を大きく設定する点
にある。かかる条件設定により、反応生成物あるいは反
応生成物がプラズマ中で解離した再解離生成物の被エッ
チング基板上への堆積量を減らし、すなわち側壁保護膜
の厚さを薄くし、正の寸法変換差を低減することが可能
となる。逆に負の寸法変換差が発生しやすい被エッチン
グ基板条件、すなわち被エッチング層の露出面積が例え
ば20%以下であったり、エッチングマスクが順テーパ
形状である場合には、エッチングチャンバ内のエッチン
グガスの滞留時間を長く、すなわち排気速度を小さく設
定する点にある。かかる条件設定により、反応生成物あ
るいは反応生成物がプラズマ中で解離した再解離生成物
の被エッチング基板上への堆積量を増やし、すなわち側
壁保護膜の厚さを厚くし、負の寸法変換差を低減するこ
とが可能となる。
The essence of the plasma etching method of the present invention is that the condition of the substrate to be etched is such that a positive dimension conversion difference is likely to occur, that is, the exposed area of the layer to be etched is 70%.
If the etching mask has the above-described shape or the etching mask has an inverse tapered shape, the retention time of the etching gas in the etching chamber is set to be short, that is, the exhaust speed is set to be large. By setting such conditions, the amount of the reaction product or the re-dissociation product of the reaction product dissociated in the plasma to be deposited on the substrate to be etched is reduced, that is, the thickness of the side wall protective film is reduced, and the positive dimension conversion difference is reduced. Can be reduced. On the contrary, when the etching target substrate condition in which a negative dimensional conversion difference is likely to occur, that is, when the exposed area of the etching target layer is 20% or less or the etching mask has a forward tapered shape, the etching gas in the etching chamber is The retention time is set to be long, that is, the exhaust speed is set to be small. By setting such conditions, the deposition amount of the reaction product or the re-dissociation product of the reaction product dissociated in plasma on the substrate to be etched is increased, that is, the thickness of the side wall protective film is increased, and the negative dimension conversion difference is increased. Can be reduced.

【0023】実際には、被エッチング層の開口面積率お
よびエッチングマスクのテーパ角度が異なる各種被エッ
チング基板について、寸法変換差とエッチングガスの滞
留時間あるいは排気速度の相関を求めておき、このデー
タに基づき寸法変換差が10%以下となるエッチングガ
スの滞留時間あるいは排気速度を設定すればよい。
In practice, the correlation between the dimensional conversion difference and the residence time or exhaust speed of the etching gas is obtained for various substrates to be etched having different opening area ratios of the layers to be etched and taper angles of the etching mask, and this data is used as the data. Based on this, the residence time of the etching gas or the exhaust speed at which the dimensional conversion difference is 10% or less may be set.

【0024】被エッチング層の開口面積率と、エッチン
グガスの滞留時間あるいは排気速度と、寸法変換差の関
係を図4のグラフに示す。同図の斜線を施した部分は、
寸法変換差が10%以内に収まる領域である。また正の
寸法変換差が生じる領域を+で、負の寸法変換差が発生
する領域を−の記号で示す。斜線を施した領域を超えて
正の寸法変換差が発生する場合にはエッチングガスの滞
留時間を短く設定すればよく、またこの領域を超えて負
の寸法変換差が派生する場合にはエッチングガスの滞留
時間を長く設定すればよいことが判る。
The relationship between the opening area ratio of the layer to be etched, the residence time of the etching gas or the exhaust rate, and the dimensional conversion difference is shown in the graph of FIG. The shaded area in the figure is
This is a region where the dimensional conversion difference is within 10%. An area where a positive dimensional conversion difference occurs is indicated by +, and an area where a negative dimensional conversion difference occurs is indicated by a − symbol. If a positive dimensional conversion difference occurs beyond the shaded area, the residence time of the etching gas may be set shorter, and if a negative dimensional conversion difference occurs beyond this area, the etching gas may be reduced. It can be seen that it is sufficient to set a long residence time.

【0025】エッチングマスクのテーパ角度と、エッチ
ングガスの滞留時間あるいは排気速度と、寸法変換差の
関係を図5のグラフに示す。同図の斜線を施した部分
は、寸法変換差が10%以内に収まる領域である。この
領域を超えて正の寸法変換差が発生する場合にはエッチ
ングガスの滞留時間を短く設定すればよく、またこの領
域を超えて負の寸法変換差が派生する場合にはエッチン
グガスの滞留時間を長く設定すればよいことが判る。な
お図4および図5において、エッチングガスの滞留時間
あるいは排気速度を示す横軸は任意単位としてあるが、
これらはエッチング装置により変動するツーリングファ
クタであるので、個々のエッチング装置につきかかる相
関データを予め求めておくことは必要である。
The graph of FIG. 5 shows the relationship between the taper angle of the etching mask, the residence time of the etching gas or the exhaust speed, and the dimensional conversion difference. The shaded portion in the figure is a region where the dimensional conversion difference is within 10%. If a positive dimensional conversion difference occurs beyond this region, the retention time of the etching gas may be set short, and if a negative dimensional conversion difference occurs beyond this region, the etching gas retention time It turns out that it is sufficient to set a long value. In FIGS. 4 and 5, the abscissa indicating the residence time of the etching gas or the exhaust speed is in arbitrary units.
Since these are tooling factors that vary depending on the etching apparatus, it is necessary to obtain such correlation data in advance for each etching apparatus.

【0026】本発明のプラズマエッチング装置は、かか
る被エッチング層の開口面積率と寸法変換差の相関、お
よびエッチングマスクのテーパ角度と寸法変換差の相関
等を予めマイクロコンピュータ等の記憶手段に入力して
おく。被エッチング基板は各ロット毎に被エッチング層
の開口面積率やレジストパターンのテーパ角度は一定で
あるから、各ロット毎にこれら既知データを入力する。
そしてこれら記憶データおよび各ロット毎の既知データ
に基づき、同じくマイクロコンピュータ等の制御手段に
よりエッチングガスの滞留時間を最適値に制御し、寸法
変換差を10%以内に収めることが可能となるのであ
る。
In the plasma etching apparatus of the present invention, the correlation between the opening area ratio of the layer to be etched and the dimensional conversion difference and the correlation between the taper angle of the etching mask and the dimensional conversion difference are input in advance to a storage means such as a microcomputer. Keep it. Since the opening area ratio of the layer to be etched and the taper angle of the resist pattern of the substrate to be etched are constant for each lot, these known data are input for each lot.
Based on the stored data and the known data for each lot, the residence time of the etching gas can be controlled to an optimum value by the control means such as a microcomputer, and the dimensional conversion difference can be kept within 10%. .

【0027】なお本明細書中におけるエッチングマスク
とは、レジストマスク、多層レジストマスク、SiO2
等の無機系マスクを含むものである。またパターニング
されつつあるシリコンを含む導電材料層も、広義の意味
のエッチングマスクに含めるものとする。
The etching mask in this specification means a resist mask, a multilayer resist mask, SiO 2
Etc. including an inorganic mask. A conductive material layer containing silicon which is being patterned is also included in the etching mask in a broad sense.

【0028】[0028]

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき添付図面
を参照しつつ説明する。なお実施例の説明で参照する図
面中で、前述の説明で参照した図中の構成要素部分と同
様の構成要素部分には同じ参照符号を付すものとする。
最初に、以下の実施例で採用したプラズマエッチング装
置である基板バイアス印加型ECRプラズマエッチング
装置の構成例につき、図2に示す概略断面図を参照して
説明する。被エッチング基板11を載置するとともにR
F電源に接続された基板ステージ12を内部に配設した
エッチングチャンバ15には、マイクロ波導波管13と
マイクロ波導入窓14を経由して、図示しないマグネト
ロンで発生した2.45GHzのマイクロ波を導入す
る。エッチングチャンバ16側面にはソレノイドコイル
16が配設されており、これにより励起される0.08
75Tの磁界とマイクロ波との相互作用によりエッチン
グチャンバ15内に高密度のECRプラズマが生成され
る。本プラズマエッチング装置の排気系は、例えば50
00l/minの大容量真空ポンプ18とコンダクタン
スバルブ17を有する。符号19は記憶手段および制御
手段としてのコンピュータである。記憶手段には、先述
した図4および図5に示す被エッチング層の開口面積率
やレジストパターンのテーパ角度と寸法変換差、エッチ
ングガスの滞留時間、排気速度等の各相関関係データが
入力されている。また制御手段は、この相関関係と被エ
ッチング基板11の開口面積率やレジストパターンのテ
ーパ角度情報の入力値とに基づき、コンダクタンスバル
ブ17の開度を制御し、エッチングガスの滞留時間すな
わち排気速度を最適値に設定することが可能である。な
お同図では、エッチングガス導入ノズルやマスフローコ
ントローラ等の細部は図示を省略する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Specific embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In the drawings referred to in the description of the embodiments, constituent elements similar to those in the drawings referred to in the above description are designated by the same reference numerals.
First, a configuration example of a substrate bias application type ECR plasma etching apparatus which is a plasma etching apparatus adopted in the following embodiments will be described with reference to the schematic sectional view shown in FIG. The substrate 11 to be etched is placed and R
A microwave of 2.45 GHz generated by a magnetron (not shown) is passed through the microwave waveguide 13 and the microwave introduction window 14 to the etching chamber 15 in which the substrate stage 12 connected to the F power source is arranged. Introduce. A solenoid coil 16 is arranged on the side surface of the etching chamber 16 and is excited by this.
A high density ECR plasma is generated in the etching chamber 15 by the interaction between the 75 T magnetic field and the microwave. The exhaust system of the plasma etching apparatus is, for example, 50
It has a large capacity vacuum pump 18 of 001 / min and a conductance valve 17. Reference numeral 19 is a computer as a storage means and a control means. The storage means is input with the correlation data such as the opening area ratio of the layer to be etched, the taper angle of the resist pattern and the dimension conversion difference, the residence time of the etching gas, and the exhaust speed shown in FIGS. 4 and 5 described above. There is. Further, the control means controls the opening degree of the conductance valve 17 based on this correlation and the input value of the opening area ratio of the substrate 11 to be etched and the taper angle information of the resist pattern to control the retention time of the etching gas, that is, the exhaust speed. It can be set to the optimum value. In the figure, details of the etching gas introduction nozzle, the mass flow controller, etc. are omitted.

【0029】実施例1 本実施例は、ゲート電極およびここから延在する配線材
料としてのWポリサイド層上にエッチングマスクが形成
された被エッチング基板をプラズマエッチングしてパタ
ーニングした例であり、これを図1(a)〜(b)を参
照して説明する。被エッチング基板は図1(a)に示す
ように、シリコン等の半導体基板1上のゲート絶縁膜2
上にn+ 多結晶シリコン層3およびWSix からなる高
融点金属シリサイド層4が積層された高融点金属ポリサ
イド層5が形成され、さらにネガ型化学増幅系レジスト
(シプレー社製SAL−601)等のエキシマレーザ対
応のレジスト材料からなるエッチングマスク6が形成さ
れたものである。本被エッチング基板の被エッチング層
の露出開口面積率は90%、エッチングマスク6のテー
パ角度が91°、そしてレジストパターンの最大幅は
0.13μmである。
Example 1 This example is an example in which a substrate to be etched having an etching mask formed on a gate electrode and a W polycide layer as a wiring material extending from the gate electrode was patterned by plasma etching. A description will be given with reference to FIGS. As shown in FIG. 1A, the substrate to be etched is a gate insulating film 2 on a semiconductor substrate 1 made of silicon or the like.
A refractory metal polycide layer 5 having an n + polycrystalline silicon layer 3 and a refractory metal silicide layer 4 made of WSi x laminated thereon is formed, and a negative chemically amplified resist (SAL-601 manufactured by Shipley Co., Ltd.) and the like are further formed. The etching mask 6 made of a resist material corresponding to the excimer laser is formed. The exposed opening area ratio of the etching target layer of the present etching target substrate is 90%, the taper angle of the etching mask 6 is 91 °, and the maximum width of the resist pattern is 0.13 μm.

【0030】この被エッチング基板を通常のプラズマエ
ッチング条件、すなわちコンダクタンスバルブ17の開
度を50%、エッチングガスの滞留時間を0.035s
ecに設定してエッチングすると、反応生成物およびそ
の再解離生成物が過剰に被エッチング基板上に堆積する
結果、高融点金属ポリサイド層パターンは0.1μmも
太り、正の寸法変換差が発生する。
This substrate to be etched is subjected to normal plasma etching conditions, that is, the conductance valve 17 has an opening of 50% and an etching gas residence time of 0.035 s.
When etching is performed with setting to ec, reaction products and their re-dissociation products are excessively deposited on the substrate to be etched. As a result, the refractory metal polycide layer pattern is thickened by 0.1 μm, and a positive dimensional conversion difference occurs. .

【0031】そこで本実施例ではコンダクタンスバルブ
17の開度を95%とし、排気速度を高め、エッチング
ガスの滞留時間を0.03sec以下とし、一例として
下記プラズマエッチング条件により高融点金属ポリサイ
ド層5をプラズマエッチングした。 Cl2 300 sccm O2 20 sccm ガス圧力 0.4 Pa マイクロ波電力 1000 W(2.45MHz) 基板バイアス電力 50 W(800kHz) 基板温度 20 ℃ プラズマエッチング終了後の被エッチング基板の状態を
図1(b)に示す。本エッチング条件の採用により、孤
立ラインパターン部分での寸法変換差は±0.01μ
m、ラインアンドスペースパターン部分でのそれは±
0.005μmといずれも10%以内を達成できた。こ
れは排気速度の増大すなわちエッチングガスの滞留時間
の減少にともない、反応生成物WClx やSiOClx
等、およびこれらの再解離生成物の堆積が半減以下とな
り、側壁保護膜7の厚さが減少したためであり、これに
より寸法変換差の絶対値およびその偏差を抑制すること
が可能となったためである。なお本エッチング条件は、
例えば88°の順テーパ角度のレジストパターンを有
し、被エッチング層の開口面積率がほぼ100%の被エ
ッチング基板、すなわち全面エッチバックに近い状態で
のパターニングにおいても寸法変換差の低減に寄与する
ことができる。
Therefore, in the present embodiment, the opening of the conductance valve 17 is set to 95%, the evacuation rate is increased, and the residence time of the etching gas is set to 0.03 sec or less. As an example, the refractory metal polycide layer 5 is formed under the following plasma etching conditions. Plasma etched. Cl 2 300 sccm O 2 20 sccm Gas pressure 0.4 Pa Microwave power 1000 W (2.45 MHz) Substrate bias power 50 W (800 kHz) Substrate temperature 20 ° C. State of substrate to be etched after plasma etching is shown in FIG. Shown in b). By adopting this etching condition, the size conversion difference in the isolated line pattern part is ± 0.01μ.
m, that in the line and space pattern part is ±
Within 0.005 μm, both could be achieved within 10%. This is because the reaction products WCl x and SiOCl x are increased as the exhaust speed is increased, that is, the residence time of the etching gas is decreased.
Etc. and the deposition of these re-dissociation products is reduced to less than half and the thickness of the side wall protective film 7 is reduced, which makes it possible to suppress the absolute value of the dimension conversion difference and its deviation. is there. The etching conditions are
For example, it contributes to the reduction of the dimension conversion difference even in the patterning in which the substrate has a resist pattern having a forward taper angle of 88 ° and the opening area ratio of the layer to be etched is almost 100%, that is, patterning in a state close to the overall etchback. be able to.

【0032】実施例2 本実施例は前実施例と同じくゲート電極およびここから
延在する配線材料としてのWポリサイド層上にレジスト
パターンが形成された被エッチング基板をプラズマエッ
チングしてパターニングした例であり、これを図2
(a)〜(b)を参照して説明する。被エッチング基板
は図2(a)に示すように、シリコン等の半導体基板1
上のゲート酸化膜2上にn+ 多結晶シリコン層3および
WSix からなる高融点金属シリサイド層4が積層され
た高融点金属ポリサイド層5が形成され、さらにネガ型
化学増幅系レジスト(シプレー社製SAL−601)等
のエキシマレーザ対応のレジストによるエッチングマス
ク6が形成されたものである。本被エッチング基板の被
エッチング層の露出開口面積率は5%、エッチングマス
ク6のテーパ角度が86°の順テーパ、エッチングマス
ク6の最大幅は0.13μmである。
Example 2 This example is an example in which a substrate to be etched having a resist pattern formed on a gate electrode and a W polycide layer as a wiring material extending from the same is patterned by plasma etching. Yes, this is Figure 2
This will be described with reference to (a) and (b). As shown in FIG. 2A, the substrate to be etched is a semiconductor substrate 1 made of silicon or the like.
A refractory metal polycide layer 5 in which an n + polycrystalline silicon layer 3 and a refractory metal silicide layer 4 made of WSi x are laminated is formed on the upper gate oxide film 2, and a negative type chemically amplified resist (Shipley Company) The etching mask 6 is formed of a resist corresponding to an excimer laser such as SAL-601 manufactured by SAL-601. The exposed opening area ratio of the layer to be etched of the substrate to be etched is 5%, the taper angle of the etching mask 6 is 86 °, and the maximum width of the etching mask 6 is 0.13 μm.

【0033】この被エッチング基板はエッチング反応生
成物の発生量が少ないことと、エッチングマスク6側面
への堆積物のスパッタ除去が進みやすい状態であるた
め、側壁保護膜の厚さは極端に少なくなる。このため、
通常のプラズマエッチング条件、すなわちコンダクタン
スバルブ17の開度を50%、エッチングガスの滞留時
間を0.035secに設定してエッチングすると、高
融点金属ポリサイド層パターンには負の寸法変換差やサ
イドエッチング、ノッチングが発生する。
Since the substrate to be etched has a small amount of etching reaction products and is in a state where the sputter removal of the deposit on the side surface of the etching mask 6 is likely to proceed, the thickness of the side wall protective film becomes extremely small. . For this reason,
When etching is performed under normal plasma etching conditions, that is, the conductance valve 17 has an opening of 50% and an etching gas residence time of 0.035 sec, the refractory metal polycide layer pattern has a negative dimension conversion difference or side etching. Notching occurs.

【0034】そこで本実施例ではコンダクタンスバルブ
17の開度を20%とし、排気速度を下げ、エッチング
ガスの滞留時間を0.05sec以上に設定し、一例と
して下記プラズマエッチング条件により高融点金属ポリ
サイド層5をプラズマエッチングした。 Cl2 75 sccm O2 5 sccm ガス圧力 0.4 Pa マイクロ波電力 850 W(2.45MHz) 基板バイアス電力 50 W(800kHz) 基板温度 20 ℃ プラズマエッチング終了後の被エッチング基板の状態を
図2(b)に示す。本エッチング条件の採用により、孤
立ラインパターン部分での寸法変換差は±0.01μ
m、ラインアンドスペースパターン部分でのそれは±
0.005μmといずれも10%以内を達成できた。こ
れは排気速度の低下すなわちエッチングガスの滞留時間
の長間化にともない、反応生成物WClx やSiOCl
x 等、およびこれらの再解離生成物の堆積が増加し、側
壁保護膜7の厚さが増加したためであり、これにより寸
法変換差の絶対値およびその偏差を抑制することが可能
となったためである。
Therefore, in this embodiment, the opening of the conductance valve 17 is set to 20%, the exhaust speed is reduced, and the residence time of the etching gas is set to 0.05 sec or more. As an example, the high melting point metal polycide layer is formed under the following plasma etching conditions. 5 was plasma etched. Cl 2 75 sccm O 2 5 sccm Gas pressure 0.4 Pa Microwave power 850 W (2.45 MHz) Substrate bias power 50 W (800 kHz) Substrate temperature 20 ° C. The state of the substrate to be etched after the plasma etching is shown in FIG. Shown in b). By adopting this etching condition, the size conversion difference in the isolated line pattern part is ± 0.01μ.
m, that in the line and space pattern part is ±
Within 0.005 μm, both could be achieved within 10%. This is because the reaction products WCl x and SiOCl are reduced as the exhaust rate decreases, that is, the residence time of the etching gas increases.
This is because x, etc., and the deposition of these re-dissociation products increased, and the thickness of the sidewall protective film 7 increased, which made it possible to suppress the absolute value of the dimension conversion difference and its deviation. is there.

【0035】以上、本発明を2種の実施例により説明し
たが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものでは
ない。
Although the present invention has been described above with reference to two embodiments, the present invention is not limited to these embodiments.

【0036】例えば、高融点金属を含む配線層としてW
ポリサイド層のパターニングを例示したが、WSix
の高融点金属シリサイド層や多結晶シリコン層、非晶質
シリコン層のパターニングであってもよい。また高融点
金属シリサイドとして、WSix 以外にMo、Ta、T
i等のシリサイド等に広く適用することができる。高融
点金属ポリサイド層の下層としては多結晶シリコンを用
いるのが通常であるが、本出願人が先に出願した特開昭
63−163号公報で開示したように、非晶質シリコン
を用いてもよい。非晶質シリコンのエッチング特性は多
結晶シリコンとほぼ同一である。この非晶質シリコン
も、MOSFETのゲート電極・配線として最終的に機
能する段階では、注入不純物の活性化熱処理工程等によ
り多結晶シリコンに変換されるので、ポリサイド構造と
なる。
For example, as a wiring layer containing a refractory metal, W
Although the patterning of the polycide layer is exemplified, it may be patterning of a refractory metal silicide layer such as WSi x , a polycrystalline silicon layer, or an amorphous silicon layer. As the refractory metal silicide, other than WSi x , Mo, Ta, T
It can be widely applied to silicides such as i. Polycrystalline silicon is usually used as the lower layer of the refractory metal polycide layer, but amorphous silicon is used as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-163 filed by the present applicant. Good. The etching characteristics of amorphous silicon are almost the same as those of polycrystalline silicon. This amorphous silicon also has a polycide structure because it is converted into polycrystalline silicon by a heat treatment process for activation of implanted impurities when it finally functions as a gate electrode / wiring of a MOSFET.

【0037】またフッ素系化学種以外のハロゲン系ガス
として、Cl2 を例示したが他のCl系ガスを用いても
よい。またHBrやBr2 のようなBr系ガスや、HI
のようなI系ガスを用いてもよい。これらハロゲン系ガ
スとともにO2 ガスを併用したが、ハロゲン系ガス単独
でもよくNOx 系ガスやCOx 系ガス、H2 O等との混
合ガスや、適宜He等の希ガスを添加してもよい。
Although Cl 2 is exemplified as the halogen-based gas other than the fluorine-based chemical species, other Cl-based gas may be used. In addition, Br-based gas such as HBr and Br 2 or HI
An I-based gas such as the above may be used. O 2 gas was used together with these halogen-based gases, but halogen-based gas may be used alone, or NO x -based gas, CO x -based gas, a mixed gas with H 2 O or the like, or a rare gas such as He or the like may be appropriately added. Good.

【0038】その他エッチング装置や被エッチング基板
構造等、本発明の技術的思想の範囲内で適宜変更するこ
とが可能である。
Others, such as the etching apparatus and the structure of the substrate to be etched, can be changed as appropriate within the scope of the technical idea of the present invention.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のプラズマエッチング方法およびプラズマエッチング装
置によれば、被エッチング層が露出する開口面積率やエ
ッチングマスクのテーパ角度によらず、寸法変換差を1
0%以内の許容値内に止め、被エッチング基板ごとの寸
法変換差を低減することが可能となる。
As is apparent from the above description, according to the plasma etching method and the plasma etching apparatus of the present invention, the dimensional conversion difference does not depend on the opening area ratio at which the layer to be etched is exposed or the taper angle of the etching mask. 1
It is possible to reduce the dimensional conversion difference for each substrate to be etched by keeping it within the allowable value within 0%.

【0040】また本発明のプラズマエッチング方法およ
びプラズマエッチング装置によれば、最小デザインルー
ルが適用される微小ゲート電極加工において、ゲート電
極幅の寸法変換差を制御し、均一性、信頼性にすぐれた
半導体装置を提供することが可能となる。
Further, according to the plasma etching method and the plasma etching apparatus of the present invention, in the processing of the fine gate electrode to which the minimum design rule is applied, the size conversion difference of the gate electrode width is controlled, and the uniformity and the reliability are excellent. It is possible to provide a semiconductor device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明を適用した実施例1を、その工程順に説
明する概略断面図であり、(a)は下地ゲート絶縁膜上
に多結晶シリコン層と高融点金属シリサイド層からなる
高融点金属ポリサイド層を形成し、さらに逆テーパ形状
のエッチングマスクを形成した状態であり、(b)は高
融点金属ポリサイド層からなる配線のパターニングが終
了した状態である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a first embodiment to which the present invention is applied in the order of steps, in which (a) is a refractory metal composed of a polycrystalline silicon layer and a refractory metal silicide layer on a base gate insulating film. A polycide layer is formed, and an etching mask having an inverse taper shape is further formed, and (b) is a state in which patterning of the wiring made of the refractory metal polycide layer is completed.

【図2】本発明を適用した実施例2を、その工程順に説
明する概略断面図であり、(a)は下地ゲート絶縁膜上
に多結晶シリコン層と高融点金属シリサイド層からなる
高融点金属ポリサイド層を形成し、さらに順テーパ形状
のエッチングマスクを形成した状態であり、(b)は高
融点金属ポリサイド層からなる配線のパターニングが終
了した状態である。
2A and 2B are schematic cross-sectional views illustrating Example 2 to which the present invention is applied in the order of steps, in which FIG. 2A is a refractory metal including a polycrystalline silicon layer and a refractory metal silicide layer on a base gate insulating film. A state in which a polycide layer is formed and an etching mask having a forward taper shape is further formed is shown, and (b) is a state in which patterning of the wiring made of the refractory metal polycide layer is completed.

【図3】本発明を適用したプラズマエッチング装置の構
成例を示す、概略断面図である。
FIG. 3 is a schematic sectional view showing a configuration example of a plasma etching apparatus to which the present invention is applied.

【図4】エッチングガスの滞留時間、エッチングマスク
の開口面積率および寸法変換差の相関を示すグラフであ
る。
FIG. 4 is a graph showing the correlation between the residence time of the etching gas, the opening area ratio of the etching mask, and the dimension conversion difference.

【図5】エッチングガスの滞留時間、エッチングマスク
のテーパ角度および寸法変換差の相関を示すグラフであ
る。
FIG. 5 is a graph showing the correlation between the residence time of the etching gas, the taper angle of the etching mask, and the dimension conversion difference.

【図6】高融点金属ポリサイド層をプラズマエッチング
する場合の反応生成物および再解離生成物の状態を示す
概略断面図であり、(a)はラインアンドスペースパタ
ーンを、(b)孤立ラインパターンを示す。
6A and 6B are schematic cross-sectional views showing states of reaction products and re-dissociation products when plasma-etching a refractory metal polycide layer. FIG. 6A is a line and space pattern, and FIG. 6B is an isolated line pattern. Show.

【図7】逆テーパ形状のエッチングマスクにより高融点
金属ポリサイド層をプラズマエッチングする際の概略断
面図であり、(a)は逆テーパ形状のエッチングマスク
を形成した状態、(b)は正の寸法変換差が発生した状
態である。
7A and 7B are schematic cross-sectional views when plasma-etching a refractory metal polycide layer with an inverse taper-shaped etching mask, FIG. 7A is a state in which an inverse taper-shaped etching mask is formed, and FIG. 7B is a positive dimension. This is a state where a conversion difference has occurred.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体基板 2 ゲート絶縁膜 3 多結晶シリコン層 4 高融点金属シリサイド層 5 高融点金属ポリサイド層 6 エッチングマスク θ テーパ角度 7 側壁保護膜 8 反応生成物 9 再解離生成物 11 被エッチング基板 12 基板ステージ 13 マイクロ波導波管 14 マイクロ波導入窓 15 エッチングチャンバ 16 ソレノイドコイル 17 コンダクタンスバルブ 18 真空ポンプ 1 semiconductor substrate 2 gate insulating film 3 polycrystalline silicon layer 4 refractory metal silicide layer 5 refractory metal polycide layer 6 etching mask θ taper angle 7 sidewall protective film 8 reaction product 9 re-dissociation product 11 etched substrate 12 substrate stage 13 microwave waveguide 14 microwave introduction window 15 etching chamber 16 solenoid coil 17 conductance valve 18 vacuum pump

Claims (15)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 シリコンを含む導電材料層上に形成され
たエッチングマスクを有する被エッチング基板を、 ハロゲン系ガスを含むエッチングガスによりエッチング
チャンバ内においてエッチングするとともに、 前記シリコンを含む導電材料と前記ハロゲン系ガスとの
反応生成物、および前記反応生成物の再解離生成物のう
ちの少なくともいずれか一方を被エッチング基板上に堆
積しながら、 前記シリコンを含む導電材料層をパターニングするプラ
ズマエッチング方法において、 前記シリコンを含む導電材料層パターンの寸法変換差
を、 前記エッチングチャンバ内の前記エッチングガスの滞留
時間により制御することを特徴とするプラズマエッチン
グ方法。
1. A substrate to be etched having an etching mask formed on a conductive material layer containing silicon is etched in an etching chamber with an etching gas containing a halogen-based gas, and the conductive material containing silicon and the halogen are also included. In a plasma etching method for patterning the conductive material layer containing silicon, while depositing at least one of a reaction product with a system gas and a re-dissociation product of the reaction product on a substrate to be etched, A plasma etching method, wherein a dimensional conversion difference of the conductive material layer pattern containing silicon is controlled by a residence time of the etching gas in the etching chamber.
【請求項2】 シリコンを含む導電材料層パターンの寸
法変換差が正の場合には、 前記シリコンを含む導電材料層パターンの寸法変換差が
負の場合に比較して、 エッチングガスの滞留時間を短く制御することを特徴と
する、請求項1記載のプラズマエッチング方法。
2. When the dimensional conversion difference of the conductive material layer pattern containing silicon is positive, the residence time of the etching gas is reduced as compared with the case where the dimensional conversion difference of the conductive material layer pattern containing silicon is negative. The plasma etching method according to claim 1, wherein the plasma etching method is controlled to be short.
【請求項3】 シリコンを含む導電材料層上に形成され
たエッチングマスクを有する被エッチング基板を、 ハロゲン系ガスを含むエッチングガスによりエッチング
チャンバ内においてエッチングするとともに、 前記シリコンを含む導電材料と前記ハロゲン系ガスとの
反応生成物、および前記反応生成物の再解離生成物のう
ちの少なくともいずれか一方を被エッチング基板上に堆
積しながら、 前記シリコンを含む導電材料層をパターニングするプラ
ズマエッチング方法において、 前記シリコンを含む導電材料層が前記エッチングマスク
ンから露出する開口面積率により、 前記エッチングチャンバ内の前記エッチングガスの滞留
時間を制御することを特徴とするプラズマエッチング方
法。
3. A substrate to be etched having an etching mask formed on a conductive material layer containing silicon is etched in an etching chamber with an etching gas containing a halogen-based gas, and the conductive material containing the silicon and the halogen. In a plasma etching method for patterning the conductive material layer containing silicon, while depositing at least one of a reaction product with a system gas and a re-dissociation product of the reaction product on a substrate to be etched, A plasma etching method, wherein a residence time of the etching gas in the etching chamber is controlled by an opening area ratio at which the conductive material layer containing silicon is exposed from the etching mask.
【請求項4】 シリコンを含む導電材料層が前記エッチ
ングマスクから露出する開口面積率が大きい場合には、 前記シリコンを含む導電材料層が前記エッチングマスク
から露出する開口面積率が小さい場合に比較して、 エッチングチャンバ内のエッチングガスの滞留時間を短
く制御することを特徴とする、請求項3記載のプラズマ
エッチング方法。
4. When the opening area ratio of the conductive material layer containing silicon exposed from the etching mask is large, compared with the case where the opening area ratio of the conductive material layer containing silicon exposed from the etching mask is small. 4. The plasma etching method according to claim 3, wherein the residence time of the etching gas in the etching chamber is controlled to be short.
【請求項5】 シリコンを含む導電材料層上に形成され
たエッチングマスクを有する被エッチング基板を、 ハロゲン系ガスを含むエッチングガスによりエッチング
チャンバ内においてエッチングするとともに、 前記シリコンを含む導電材料と前記ハロゲン系ガスとの
反応生成物、および前記反応生成物の再解離生成物のう
ちの少なくともいずれか一方を被エッチング基板上に堆
積しながら、 前記シリコンを含む導電材料層をパターニングするプラ
ズマエッチング方法において、 前記エッチングマスクの側面が前記シリコンを含む導電
材料層となす角度により、 前記エッチングチャンバ内の前記エッチングガスの滞留
時間を制御することを特徴とするプラズマエッチング方
法。
5. A substrate to be etched having an etching mask formed on a conductive material layer containing silicon is etched in an etching chamber with an etching gas containing a halogen-based gas, and the conductive material containing the silicon and the halogen. In a plasma etching method for patterning the conductive material layer containing silicon, while depositing at least one of a reaction product with a system gas and a re-dissociation product of the reaction product on a substrate to be etched, A plasma etching method, wherein a residence time of the etching gas in the etching chamber is controlled by an angle formed between a side surface of the etching mask and the conductive material layer containing silicon.
【請求項6】 エッチングマスクの側面が前記シリコン
を含む導電材料層となす角度が90°以上の場合には、 前記エッチングマスクの側面が前記シリコンを含む導電
材料層となす角度が90°未満の場合に比較して、 エッチングチャンバ内のエッチングガスの滞留時間を短
く制御することを特徴とする、請求項5記載のプラズマ
エッチング方法。
6. When the side surface of the etching mask makes an angle of 90 ° or more with the conductive material layer containing silicon, the side surface of the etching mask makes an angle of less than 90 ° with the conductive material layer containing silicon. The plasma etching method according to claim 5, wherein the residence time of the etching gas in the etching chamber is controlled to be shorter than that in the case.
【請求項7】 シリコンを含む導電材料は、非単結晶シ
リコン、高融点金属シリサイドおよび高融点金属ポリサ
イドのうちのいずれか1種であることを特徴とする、請
求項1、3および5いずれか1項記載のプラズマエッチ
ング方法。
7. The conductive material containing silicon is any one of non-single crystal silicon, refractory metal silicide and refractory metal polycide, according to claim 1, 3, or 5. The plasma etching method according to item 1.
【請求項8】 エッチングガスの滞留時間は、エッチン
グチャンバ内を排気する真空ポンプの排気速度により制
御することを特徴とする、請求項1、3および5いずれ
か1項記載のプラズマエッチング方法。
8. The plasma etching method according to claim 1, wherein the residence time of the etching gas is controlled by the exhaust speed of a vacuum pump that exhausts the inside of the etching chamber.
【請求項9】 エッチングガスの滞留時間は、エッチン
グチャンバ内を排気する真空ポンプと、前記エッチング
チャンバとの間に介在するコンダクタンスバルブの開閉
度により制御することを特徴とする、請求項1、3およ
び5いずれか1項記載のプラズマエッチング方法。
9. The retention time of the etching gas is controlled by a vacuum pump for exhausting the inside of the etching chamber and an opening / closing degree of a conductance valve interposed between the etching chamber and the etching chamber. And the plasma etching method according to any one of 5 above.
【請求項10】 エッチングチャンバ内におけるプラズ
マ密度は、1×1010/cm3 以上1×1014/cm3
未満であることを特徴とする、請求項1、3および5い
ずれか1項記載のプラズマエッチング方法。
10. The plasma density in the etching chamber is 1 × 10 10 / cm 3 or more and 1 × 10 14 / cm 3 or more.
The plasma etching method according to claim 1, wherein the plasma etching method is less than 1.
【請求項11】 シリコンを含む導電材料層上に形成さ
れたエッチングマスクを有する被エッチング基板を、 ハロゲン系ガスを含むエッチングガスによりエッチング
チャンバ内においてエッチングするとともに、 前記シリコンを含む導電材料と前記ハロゲン系ガスとの
反応生成物、および前記反応生成物の再解離生成物のす
くなくともいずれか一方を被エッチング基板上に堆積し
ながら、 前記シリコンを含む導電材料層をパターニングするプラ
ズマエッチング装置において、 前記シリコンを含む導電材料層が前記レジストパターン
から露出する開口面積率と寸法変換差の相関、および前
記レジストパターンの側面が前記シリコンを含む導電材
料層となす角度と寸法変換差の相関、のうちの少なくと
もいずれか1種の相関を記憶する記憶手段、 前記シリコンを含む導電材料層が前記レジストパターン
から露出する開口面積率データ、および前記レジストパ
ターンの側面が前記シリコンを含む導電材料層となす角
度データ、のうちの少なくともいずれか1種を入力する
入力手段、 前記シリコンを含む導電材料層が前記レジストパターン
から露出する面積率データ、および前記レジストパター
ンの側面が前記シリコンを含む導電材料層となす角度デ
ータ、のうちの少なくともいずれか1種の入力値に基づ
き、前記エッチングチャンバ内の前記エッチングガスの
滞留時間を制御する制御手段、 とを有することを特徴とするプラズマエッチング装置。
11. A substrate to be etched having an etching mask formed on a conductive material layer containing silicon is etched in an etching chamber with an etching gas containing a halogen-based gas, and the conductive material containing silicon and the halogen are used. A plasma etching apparatus for patterning a conductive material layer containing silicon while depositing at least one of a reaction product with a system gas and a re-dissociation product of the reaction product on a substrate to be etched, At least one of the correlation between the dimensional conversion difference and the opening area ratio at which the conductive material layer containing is exposed from the resist pattern, and the correlation between the angle formed by the side surface of the resist pattern with the silicon-containing conductive material layer and the dimensional conversion difference. Storage means for storing any one of the correlations Input for inputting at least one of opening area ratio data in which the conductive material layer containing silicon is exposed from the resist pattern, and angle data with which side surfaces of the resist pattern form the conductive material layer containing silicon. Input value of at least one of: area ratio data in which the conductive material layer containing silicon is exposed from the resist pattern, and angle data formed by a side surface of the resist pattern and the conductive material layer containing silicon. And a control means for controlling a residence time of the etching gas in the etching chamber based on the above.
【請求項12】 シリコンを含む導電材料は、非単結晶
シリコン、高融点金属シリサイドおよび高融点金属ポリ
サイドのうちのいずれか1種であることを特徴とする、
請求項11記載のプラズマエッチング装置。
12. The conductive material containing silicon is any one of non-single crystal silicon, refractory metal silicide and refractory metal polycide.
The plasma etching apparatus according to claim 11.
【請求項13】 エッチングガスの滞留時間は、エッチ
ングチャンバ内を排気する真空ポンプの排気速度により
制御することを特徴とする、請求項11記載のプラズマ
エッチング装置。
13. The plasma etching apparatus according to claim 11, wherein the residence time of the etching gas is controlled by the exhaust speed of a vacuum pump that exhausts the inside of the etching chamber.
【請求項14】 エッチングガスの滞留時間は、エッチ
ングチャンバ内を排気する真空ポンプと、前記エッチン
グチャンバとの間に介在するコンダクタンスバルブの開
閉度により制御することを特徴とする、請求項11記載
のプラズマエッチング装置。
14. The method according to claim 11, wherein the residence time of the etching gas is controlled by the degree of opening and closing of a conductance valve interposed between the vacuum pump for exhausting the inside of the etching chamber and the etching chamber. Plasma etching equipment.
【請求項15】 エッチングチャンバ内におけるプラズ
マ密度は、1×1010/cm3 以上1×1014/cm3
未満であることを特徴とする、請求項11記載のプラズ
マエッチング装置。
15. The plasma density in the etching chamber is 1 × 10 10 / cm 3 or more and 1 × 10 14 / cm 3 or more.
The plasma etching apparatus according to claim 11, wherein the plasma etching apparatus is less than.
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