JPH1022264A

JPH1022264A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH1022264A
Application number: JP8169764A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Maruyama; 隆弘丸山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1996-06-28
Publication date: 1998-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】絶縁膜上に導電膜のパターンを形成する際の
ＥＣＲエッチングにおいて、パターン底面のチャージア
ップによりノッチが発生する。【解決手段】パルス発振マイクロ波電源２１を用い、
そのＯＮ時間ｔ₁を約２００μｓｅｃを超えない様に、
ＯＦＦ時間ｔ₂を約１０μｓｅｃを下らない様に設定
し、しかもマイクロ波電力の平均値（（ＯＮ時間ｔ₁中
のマイクロ波電力）×ｔ₁／（ｔ₁＋ｔ₂））が６００Ｗ
を下らない様にして、繰り返し周期（ｔ₁＋ｔ₂）で間欠
的にマイクロ波を発振することによりＥＣＲエッチング
を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置の製
造におけるプラズマエッチング方法に関し、特に電子サ
イクロトロン共鳴を利用したＥＣＲエッチングに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体ウエハ等をプラズマエッチ
ング処理する方法として、ＥＣＲエッチング方法が用い
られている。このＥＣＲエッチング方法は、磁界とマイ
クロ波の相互作用により電子をサイクロトロン運動さ
せ、電子サイクロトロン共鳴の条件下で電子を加速して
反応性ガスに衝突させて高密度プラズマを発生させ、こ
のプラズマ中のイオンを引き出して被処理基板をエッチ
ングする方法である。図６は従来のＥＣＲエッチング方
法に用いられるプラズマエッチング装置を示す概略構成
図である。図において、１は反応室、２は被処理基板と
しての半導体ウエハ（以下、ウエハと称す）、３はウエ
ハ２を載置、保持するステージ、４は反応性ガスを反応
室１に導入するガス導入管、５はマイクロ波電源、６は
導波管、７は石英窓で、マイクロ波電源５で発生したマ
イクロ波を導入管６および石英窓７を介して反応室１内
に導入する。さらに、８は磁場を発生させるコイル、９
は反応室１の排気口である。

【０００３】この様な従来のプラズマエッチング装置を
用いて、ウエハ２の微細パターンをエッチングする様子
を図７を用いて以下に説明する。まず図７において、ウ
エハ２表面に絶縁膜としてのシリコン酸化膜１０、導電
膜としてのポリシリコン膜１１およびレジストパターン
１２が順次形成されており、レジストパターン１２をマ
スクとしてポリシリコン膜１１のエッチングを行う。と
ころで、プラズマに照射されたウエハ２の表面には、ウ
エハ２に垂直な方向にイオンシース電界が発生し、プラ
ズマ中の正イオン（以下、イオンと称す）はこのイオン
シース電界により加速され方向性を有してウエハ２に入
射するため微細パターンの形成が可能となる。しかしプ
ラズマ中の電子は、逆にイオンシース電界により減速さ
れ、方向性を持たずにウエハ２に入射する。

【０００４】図７に示す様にレジストパターン１２表面
にはイオンも電子も共に入射するため電気的に中性が保
たれる。微細凹パターン１３（以下パターン１３と称
す）内において、イオンはウエハ２表面に垂直に入射す
るためパターン１３底面に到達するが、方向性のない電
子はパターン１３側壁にも入射するため、パターン１３
底面には到達し難い。ポリシリコン膜１１のエッチング
において、パターン１３底面に入射したイオンとパター
ン１３側壁に入射した電子とは、導電性であるポリシリ
コン膜１１中で再結合して中和するため、電気的に中性
が保たれる。この様にしてエッチングは進行する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た様なエッチング方法では、図８に示す様に、エッチン
グが進行して、ポリシリコン膜１１の下地のシリコン酸
化膜１０がパターン１３底面に露出すると、シリコン酸
化膜１０が絶縁膜であるためパターン１３底面に入射し
たイオンとパターン１３側壁に入射した電子とは再結合
して中和することがない。このためパターン１３底面は
正にチャージアップし、一方パターン１３側壁は負にチ
ャージアップし、その後にパターン１３内に入射するイ
オンは、正にチャージアップしたパターン１３底面にお
ける反発と、負にチャージアップしたパターン１３側壁
における引力とにより軌道が曲げられ、イオンはポリシ
リコン膜１１とシリコン酸化膜１０との界面に局所的に
入射し、切り欠き形状のいわゆるノッチ１４を生じ、エ
ッチングの異方性が損なわれるという問題点があった。

【０００６】このような問題点を改善するために、従
来、図９に示すプラズマエッチング装置が用いられてい
る。図９に示すプラズマエッチング装置では、ステージ
３にインピーダンス整合器１５を介してＲＦ（高周波）
電源１６が接続されている。このプラズマエッチング装
置を用いたエッチングでは、ＲＦ電源１６によってウエ
ハ２にＲＦバイアス電圧が印加され、イオンを加速して
イオンエネルギーを高めてウエハ２に入射させることが
でき、上述した様なチャージアップによるイオンの軌道
の曲がりが低減できる。このため、ノッチ１４の発生を
防止する効果はあるが、イオンエネルギーが高いため
に、下地のシリコン酸化膜１０までエッチングしてしま
い、エッチングの選択比が下がってしまうという問題点
があった。

【０００７】この発明は、以上の様な問題点を解消する
ためになされたもので、微細凹パターン内の局所的なチ
ャージアップを防止してノッチの発生を防ぎ、異方性と
下地との選択比とが共に良好なＥＣＲエッチング方法を
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
る半導体装置の製造方法は、真空排気した反応室内に反
応性ガスを導入し、磁界とマイクロ波との相互作用によ
る電子サイクロトロン共鳴により、上記反応性ガスのプ
ラズマを形成し、このプラズマにより被処理基板をエッ
チングして、上記被処理基板の絶縁膜上に導電膜のパタ
ーンを形成する半導体装置の製造方法であって、上記マ
イクロ波が、マイクロ波出力時間ｔ₁が約２００μｓｅ
ｃを超えない程度に、マイクロ波停止時間ｔ₂が約１０
μｓｅｃを下らない程度に設定され、繰り返し周期（ｔ
₁＋ｔ₂）で間欠的に発振するパルス状であるものであ
る。

【０００９】この発明の請求項２に係る半導体装置の製
造方法は、マイクロ波における電力の平均値（（マイク
ロ波出力時間ｔ₁中のマイクロ波電力）×ｔ₁／（ｔ₁＋
ｔ₂））が約６００Ｗを下らない程度であるものであ
る。

【００１０】この発明の請求項３に係る半導体装置の製
造方法は、導電膜がポリシリコン膜で構成されたもので
ある。

【００１１】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１は、この発明の実施の形態１による
ＥＣＲエッチング方法に用いられるプラズマエッチング
装置を示す概略構成図である。図において、１７は反応
室、１８は被処理基板としての半導体ウエハ（以下、ウ
エハと称す）、１９は反応室１７内に配置され、ウエハ
１８を載置、保持するステージ、２０は反応室１７の上
部に設けられ、反応性ガスを反応室１７内に導入するガ
ス導入管、２１は反応室１７の外部に設けられたマイク
ロ波発生手段で、間欠的にマイクロ波を発生させるパル
ス発振マイクロ波電源、２２は発生したマイクロ波を反
応室１７に導く導波管、２３は反応室１７に設けられ、
導波管２２から供給されたマイクロ波を反応室１７内に
導入する石英窓である。

【００１２】さらに、２４は石英窓２３外周に設けら
れ、反応室１７内に磁場を印加させるコイルであり、こ
のコイル２４によって、ステージ１９上に載置されたウ
エハ１８の表面に対して垂直方向に、所定の磁束密度の
磁場が印加される。なお、磁場を発生させる手段はコイ
ル２４に限らず、永久磁石であっても良い。また、２５
は反応室１７下方に設けられた排気口で、この排気口２
５に接続された真空ポンプ等の排気手段（図示せず）に
よって、反応室１７内が真空排気されると共に所定の真
空度に維持される。

【００１３】この様なプラズマエッチング装置を用いて
ウエハ１８のエッチング処理を施すには、まず反応室１
７内を真空排気し、続いて、排気を行いながら、ガス導
入管２０からハロゲンガス等の反応性ガスを導入し、反
応室１７内を所定の圧力に維持する。次に、パルス発振
マイクロ波電源２１で、例えば１０ＫＨｚの繰り返し周
波数で間欠的にＯＮ／ＯＦＦしてマイクロ波を発生さ
せ、発生したマイクロ波を導波管２２および石英窓２３
を介して反応室１７内に導くと共に、コイル２４によっ
て反応室１７内に磁場を印加する。この磁場とマイクロ
波との共鳴により、サイクロトロン運動している電子は
エネルギーを吸収し、この電子が反応性ガスと衝突する
ことによって高密度プラズマが発生する。発生したプラ
ズマは、コイル２４により生じた磁力線に沿ってウエハ
１８に向かって輸送され、ウエハ１８がエッチングされ
る。

【００１４】プラズマに照射されたウエハ１８の表面に
は、ウエハ１８に垂直な方向にイオンシース電界が発生
する。パルス発振マイクロ波電源２１は、そのマイクロ
波出力時間としてのＯＮ時間ｔ₁、マイクロ波停止時間
としてのＯＦＦ時間ｔ₂の繰り返し周期（ｔ₁＋ｔ₂）で
間欠的にマイクロ波を発振しており、そのときのウエハ
１８表面のイオンシース電界を図２に示す。ウエハ１８
の基板電位Ｖｓは、プラズマの状態によって定まるフロ
ーティング電位（Ｖｆ）と等しくなり、このフローティ
ング電位（Ｖｆ）とプラズマ電位（Ｖｐ）との電位差に
よりイオンシース電界が形成される。

【００１５】マイクロ波のＯＮ時間ｔ₁中は、プラズマ
電位と基板電位との電位差により、例えば２０Ｖのイオ
ンシース電界が形成され、プラズマ中のイオンは、イオ
ンシース電界により加速され、ウエハ１８表面に直進性
良く入射して、ウエハ１８表面をエッチングする。この
とき、プラズマ中の電子はイオンシース電界により減速
され、方向性を持たずにウエハ１８に入射する。一方、
マイクロ波のＯＦＦ時間ｔ₂中は、プラズマが消滅する
ため、過渡的にプラズマ電位と基板電位との電位差が小
さくなり、イオンシース電界が弱まる。従って、このＯ
ＦＦ時間ｔ₂の過渡応答中に電子はウエハ１８表面に直
進して入射することが可能となる。

【００１６】この様なＥＣＲエッチング方法で図７に示
した微細パターン１３をエッチングすると、シリコン酸
化膜１０上のポリシリコン膜１１のエッチングが進行し
て、シリコン酸化膜１０がパターン１３底面に露出した
際、マイクロ波のＯＦＦ時間ｔ₂中に、電子がパターン
１３底面に直進して入射することにより、イオンの入射
によるパターン１３底面の正電荷が中和される。このた
めパターン１３底面の正のチャージアップが防止され
て、イオンの軌道の曲がりが防止できる。このため下地
シリコン酸化膜１０との選択比を損なうことなくノッチ
１４の発生を低減でき、異方性を向上できる。

【００１７】図３は、シリコン酸化膜１０とポリシリコ
ン膜１１との界面に発生するノッチ１４量のマイクロ波
ＯＮ時間ｔ₁依存性を示すものである。なお、この時の
マイクロ波ＯＦＦ時間ｔ₂は１００μｓｅｃであり、ま
たマイクロ波電力の平均値（（ＯＮ時間ｔ₁中のマイク
ロ波電力）×ｔ₁／（ｔ₁＋ｔ₂））は８００Ｗであっ
た。図３に示す様に、マイクロ波ＯＮ時間ｔ₁が２００
μｓｅｃ以下でノッチ１４量の減少効果がみられ、ｔ₁
の値が２００μｓｅｃより小さくなるにつれてノッチ１
４量が減少し、１００μｓｅｃ以下ではノッチ１４は観
測されない。マイクロ波ＯＮ時間ｔ₁が長い時にノッチ
１４量が大きいのは、マイクロ波ＯＮ後にパターン１３
底面のチャージアップが進行して１００μｓｅｃ程度で
チャージアップが完了するため、ｔ₁をそれ以上長くす
ると連続放電に近づくためである。

【００１８】図４は、図３と同様にシリコン酸化膜１０
とポリシリコン膜１１との界面に発生するノッチ１４量
について、マイクロ波ＯＦＦ時間ｔ₂依存性を示すもの
である。なお、この時のマイクロ波ＯＮ時間ｔ₁は１０
０μｓｅｃであり、またマイクロ波電力の平均値は図３
と同様に８００Ｗであった。図４に示す様に、マイクロ
波ＯＦＦ時間ｔ₂が１０μｓｅｃ以上になるとノッチ１
４量の減少効果がみられ、ｔ₂の値が１０μｓｅｃより
大きくなるにつれてノッチ１４量が減少し、１００μｓ
ｅｃ以上ではノッチ１４は観測されない。マイクロ波Ｏ
ＦＦ時間ｔ₂が短い時にノッチ１４量が充分減少しない
のは、プラズマの消滅が完全でないためパターン１３底
面の正電荷が中和されず、連続放電に近づくためであ
る。

【００１９】これらの事により、パルス発振マイクロ波
電源２１を用い、そのＯＮ時間ｔ₁を約２００μｓｅｃ
を超えない程度に、ＯＦＦ時間ｔ₂を約１０μｓｅｃを
下らない程度に設定して、繰り返し周期（ｔ₁＋ｔ₂）で
間欠的にマイクロ波を発振することによりＥＣＲエッチ
ングを行うと、ノッチ１４量の低減効果があることが判
明した。またこの時、マイクロ波電力の平均値が一定で
あれば、下地シリコン酸化膜１０とのエッチング選択比
はほぼ一定であり、すなわちマイクロ波電力の平均値を
従来の連続放電の場合のマイクロ波電力と同程度に設定
すれば、エッチング選択比も同程度に高く保つことがで
き、ウエハにＲＦバイアス電圧を印加する場合の様なエ
ッチング選択比の低下を招かない。

【００２０】なお、上記実施の形態１で示したエッチン
グ方法は、下地絶縁膜上に導電膜の微細パターンを形成
する際に有効であるが、特に下地絶縁膜との選択比の要
求が厳しいため低いイオンエネルギーでエッチングする
必要があるポリシリコン膜１１の場合、ノッチ１４量の
低減効果が大きく、異方性および選択比の向上に非常に
有効である。

【００２１】実施の形態２．次に、図１で示したプラズ
マエッチング装置を用いたＥＣＲエッチングにおける、
サイドエッチ量Ｌのマイクロ波電力の平均値依存性を図
５に示す。なお、この場合も実施の形態１と同様の、図
７に示した微細パターン１３のエッチングにおけるもの
である。図５に示す様に、マイクロ波電力の平均値が増
大するにつれてサイドエッチ量Ｌは減少し、マイクロ波
電力の平均値を６００Ｗ以上に設定するとサイドエッチ
量Ｌを０．０５μｍ以下に抑えることができる。また、
このサイドエッチ量Ｌは、マイクロ波のＯＮ／ＯＦＦ時
間にほとんど依存しておらず、従ってマイクロ波のピー
ク電力（ＯＮ時間中のマイクロ波電力）には依存しな
い。これは、ポリシリコン膜１１のエッチング速度がマ
イクロ波電力の平均値によってほとんど決定されるた
め、エッチング時に生成されてパターン１３の側壁保護
膜としてサイドエッチの抑止効果のある、例えばＳｉＣ
ｌｘ等の反応生成物における反応室１７内の分圧が、マ
イクロ波電力の平均値に依存するためである。

【００２２】これらの事により、パルス発振マイクロ波
電源２１を用い、そのＯＮ時間ｔ₁を約２００μｓｅｃ
を超えない程度に、ＯＦＦ時間ｔ₂を約１０μｓｅｃを
下らない程度に設定し、しかもマイクロ波電力の平均値
（（ＯＮ時間ｔ₁中のマイクロ波電力）×ｔ₁／（ｔ₁＋
ｔ₂））が６００Ｗを下らない様にマイクロ波電力を設
定して、繰り返し周期（ｔ₁＋ｔ₂）で間欠的にマイクロ
波を発振することによりＥＣＲエッチングを行うと、ノ
ッチ１４量およびサイドエッチ量Ｌが低減され、異方性
が大きく向上することが判明した。また、マイクロ波電
力の平均値を増大させると、下地シリコン酸化膜１０と
のエッチング選択比は若干低下するものであるが、ウエ
ハにＲＦバイアス電圧を印加する場合に比べると格段と
少なく、問題のない程度である。

【００２３】なお、上記実施の形態１および２では、パ
ルス発振マイクロ波電源２１を用い、一定周期にＯＮ／
ＯＦＦして間欠的にパルス状マイクロ波を供給したが、
この様な方法に限るものではなく反応室１７内に供給さ
れるマイクロ波が同様のパルス状であれば良い。

【００２４】

【発明の効果】以上の様にこの発明によると、絶縁膜上
に導電膜のパターンを形成する際のＥＣＲエッチングに
おいて、マイクロ波出力時間ｔ₁を約２００μｓｅｃを
超えない程度に、マイクロ波停止時間ｔ₂を約１０μｓ
ｅｃを下らない程度に設定し、繰り返し周期（ｔ₁＋
ｔ₂）で間欠的に発振するパルス状マイクロ波を用いる
ため、ノッチ量が低減でき、エッチングの異方性および
下地との選択比を共に向上させることが可能となり、微
細パターンを信頼性良く加工できる。

【００２５】また、この発明によると、マイクロ波にお
ける電力の平均値を約６００Ｗを下らない程度にしたた
め、パターンのサイドエッチ量を低減できてエッチング
の異方性をさらに向上でき、異方性および下地との選択
比が共に良好なエッチングが可能になる。

【００２６】また、この発明によると、導電膜がポリシ
リコン膜で構成されたため、エッチングにおける下地と
の選択比を良好にしてノッチ量を確実に低減でき、ポリ
シリコン膜の微細パターンを信頼性良く加工できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１による半導体装置の
製造方法に用いられるプラズマエッチング装置の概略構
成図である。

【図２】この発明の実施の形態１によるエッチングに
おけるイオンシース電界を示す図である。

【図３】この発明の実施の形態１によるエッチングに
おけるノッチ量のマイクロ波ＯＮ時間依存性を示す図で
ある。

【図４】この発明の実施の形態１によるエッチングに
おけるノッチ量のマイクロ波ＯＦＦ時間依存性を示す図
である。

【図５】この発明の実施の形態２によるエッチングに
おけるサイドエッチ量のマイクロ波電力の平均値依存性
を示す図である。

【図６】従来の半導体装置の製造方法に用いられるプ
ラズマエッチング装置の概略構成図である。

【図７】半導体ウエハの微細パターンをエッチングす
る様子を説明する断面図である。

【図８】従来のエッチング方法の問題点を説明する断
面図である。

【図９】従来の別例によるプラズマエッチング装置の
概略構成図である。

【符号の説明】

１０絶縁膜としてのシリコン酸化膜、１１導電膜と
してのポリシリコン膜、１３パターン、１７反応
室、１８被処理基板としての半導体ウエハ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空排気した反応室内に反応性ガスを導
入し、磁界とマイクロ波との相互作用による電子サイク
ロトロン共鳴により、上記反応性ガスのプラズマを形成
し、このプラズマにより被処理基板をエッチングして、
上記被処理基板の絶縁膜上に導電膜のパターンを形成す
る半導体装置の製造方法において、上記マイクロ波が、
マイクロ波出力時間ｔ₁が約２００μｓｅｃを超えない
程度に、マイクロ波停止時間ｔ₂が約１０μｓｅｃを下
らない程度に設定され、繰り返し周期（ｔ₁＋ｔ₂）で間
欠的に発振するパルス状であることを特徴とする半導体
装置の製造方法。
【請求項２】マイクロ波における電力の平均値（（マ
イクロ波出力時間ｔ₁中のマイクロ波電力）×ｔ₁／（ｔ
₁＋ｔ₂））が約６００Ｗを下らない程度であることを特
徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】導電膜がポリシリコン膜で構成されたこ
とを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製
造方法。