JPH1022269A - 低ガス圧プラズマエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高精度な微細パターン形成を酸化珪素等との
エッチング選択性を高く取って行う。 【解決手段】 図３は反応性ガスとして六フッ化硫黄ガ
ス、四フッ化炭素ガス及び酸素ガスからなる混合ガスを
用いたときのエッチング特性を示す図である。酸化珪素
をマスクとして珪素のエッチングを５×１０^-4Ｔｏｒｒ
以下のガス圧で行った。特性３２から分かるように、四
フッ化炭素ガスを混合すると、アンダーカットが減少す
る。また、特性３４から分かるように、酸素ガスを混合
すると、酸化珪素に対する選択比が増大する。したがっ
て、四フッ化炭素ガス及び酸素ガスを混合することによ
り、酸化珪素との高い選択性を確保して単結晶珪素の垂
直なパターンを形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路な
どの電子デバイスの製造において、試料基板上に半導体
材料や金属材料の微細パターンを形成するためのエッチ
ング方法に関し、特にマイクロ波による電子サイクロト
ロン共鳴（ＥＣＲ）により生成されるＥＣＲプラズマ等
を用いて、半導体材料や金属材料及びそれらの合金材料
や複合材料の高精度な微細パターンを形成する低ガス圧
プラズマエッチング方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路などの電子デバイスの高
性能化や高集積化にともない、種々の半導体薄膜材料や
金属薄膜材料の微細パターンを半導体ウエハ上に高精度
に形成できるエッチング方法が望まれている。とくに、
ＦＥＴ（Field Effect Transistor ）におけるゲート金
属パターンの形成では、パターン寸法はＦＥＴのデバイ
ス性能を決定する要素であるために微細パターンを高精
度にエッチングすることは極めて重要である。さらに、
エッチング対象となるゲート金属薄膜材料の下はデバイ
ス特性の基本となる薄膜材料層で構成されている。

【０００３】珪素基板を用いた半導体電子デバイスとし
て用いられているＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semicond
ucter Field Effect Transistor ）では前記薄膜材料と
して薄いゲート酸化膜があり、一方ＧａＡｓ基板を用い
た半導体電子デバイスとして用いられるＭＥＳＦＥＴ
（Metal-Semiconductor Field Effect Transistor ）で
は下地にＧａＡｓなどの半導体薄膜があるため、金属パ
ターンの形成時のオーバーエッチングによるエッチング
量をできる限り少なくすることが望まれる。よって、ゲ
ート金属パターン形成時にはゲート金属薄膜材料と下地
薄膜材料とに十分なエッチングの選択性を付与した上で
高精度なエッチングを行う必要がある。

【０００４】従来、ゲート金属パターンを選択性を高く
とって高精度に形成できるエッチング方法として、例え
ば特開昭６０−１２０５２５号において開示されたＥＣ
Ｒ反応性イオンエッチング法が有効に用いられてきた。
ＥＣＲ反応性イオンエッチング法については、下記の文
献において詳細に記載されている（T. Ono, M. Oda,C.
Takahashi and S.Matsuo, "Reactive ion stream ethin
g utilizing electron cyclotron resonance plasma",
J. Vac. Sci. Technol., B, Vol.4, p.696, 1986 ）。
このエッチング法における反応性プラズマはＥＣＲプラ
ズマであり、マイクロ波を用いた電子サイクロトロン共
鳴（ＥＣＲ）放電を利用して効率的に生成されるため、
１０^-4〜１０^-3Ｔｏｒｒ（１０^-2〜１０^-1Ｐａ）程度と
低いガス圧力にもかかわらず高活性であることを特徴と
する。さらに、発散磁界を用いてプラズマ流としてエッ
チング試料表面まで引き出されるので、イオンエネルギ
ーが１０〜３０ｅＶ程度と低く、材料間のエッチング選
択性が得やすいことを特徴とする。

【０００５】反応性ガスとしては、上記ＥＣＲプラズマ
の特徴を利用して、中性ラジカルの反応性は比較的低い
けれども低エネルギーイオンの作用により容易にゲート
金属材料のエッチング反応が促進される塩素ガスが主に
使用される。特に、ＭＯＳ型ＦＥＴの多結晶珪素薄膜に
ついては、アンダーカットを発生せずに高精度なゲート
パターンを得ることができる。ところで、ゲート金属薄
膜材料については、ＭＯＳＦＥＴの高速化にともなって
種々の薄膜材料が使用される場合が増加しており、ドー
ピング元素（リン、ホウ素など）が異なる多結晶珪素薄
膜、高融点金属（タングステンなど）、高融点金属と珪
素の合金薄膜（シリサイド）、あるいは複合材料（例え
ば多結晶珪素薄膜とシリサイド薄膜の２層膜であるポリ
サイドなど）等が用いられる。

【０００６】上記ＥＣＲ反応性イオンエッチング法にお
いて概説したように、塩素ガスは、アンダーカットを発
生させずに高精度なゲート金属のエッチングを行う上で
有効な反応性ガスであり、その他のエッチング方法、例
えば高周波プラズマを用いたエッチングなどでも広く使
用されている。しかし、塩素ガスは、エッチング特性
（エッチング速度、アンダーカット量など）の材料依存
性や、エッチング特性への反応生成物の影響に注意を必
要とする。

【０００７】塩素ガスを用いたエッチングでは、同じ多
結晶珪素でもリン添加多結晶珪素に対するエッチング速
度の方がホウ素添加多結晶珪素に対するエッチング速度
よりも大きい。また、リン添加多結晶珪素のエッチング
では、ホウ素添加多結晶珪素と比較してアンダーカット
が発生し易い。したがって、リン添加多結晶珪素とホウ
素添加多結晶珪素が混在するような場合（複合材料）に
は、上記２種の多結晶珪素に対して高精度なパターンを
同時に得ることは困難となる。このような複合材料を用
いる半導体集積回路については、下記の文献において詳
細に記載されている（T. Ohno, Y. Kado, M. Harada an
d T. Tsuchiya, "A HIGH-PERFORMANCE ULTRA-THIN QUAR
TER-MICRON CMOS / SIMOX TECHNOLOGY", VLSI Symp. Te
ch. Dig., Kyoto, p.25, 1993、あるいは、M. Ino et a
l. , "0.25 umCMOS / SIMOX GateArray LSI", IEEE ISS
CC Dig.,San Francisco, 1996）。

【０００８】上述したエッチング特性の材料依存性は、
プラズマ中の塩素ラジカルと関係があり、塩素を含む反
応性ガスで構成される塩素系ガスのエッチングでは一般
的な問題と考えられる。なお、多結晶珪素薄膜のエッチ
ング特性と添加元素との関係については、下記の文献に
おいて詳細に記載されている（V. M. Donnelly and D.
L. Flamm, "Anisotropic Etching in Chlorine-Contain
ing Plasmas", Sol. St. Technol., Vol.24, P161, 198
1 ）。

【０００９】一方、六フッ化硫黄ガス等のフッ素系ガス
では、フッ素ラジカルの反応性が強く、ゲート金属薄膜
材料として用いられる各種の薄膜材料が容易にエッチン
グされ、また塩素系ガスの場合のようなドーピング元素
の違いによる過敏な材料依存性はない。さらに、エッチ
ング特性への反応生成物の影響についても、フッ素系の
反応生成物（ＳｉＦ4 、ＷＦ6 など）は、塩素系の反応
生成物（ＳｉＣｌ4 、ＷＣｌ6 など）と比較して蒸気圧
が大きく揮発性が高いことから、真空容器の内壁などに
残留することなく、真空容器外に排気される可能性が大
きい。

【００１０】塩素系ガスを用いたエッチングにおいて発
生する反応生成物の影響は、下記の文献に記述されてい
るが、反応生成物の影響はフッ素系ガスを用いた場合に
はかなり小さいか、あるいは発生しないと予想される
（C. Takahashi and S. Matsuo, "Electron cyclotron
resonance ion stream etching with high uniformitya
nd accuracy for metal-oxide-semiconductor gate fab
rication", J. Vac. Sci. Technol. Vol. B12, P3347,
1994 ）。また、真空容器の内壁などに残留する反応生
成物はエッチング特性の再現性や真空容器の維持管理と
も関係する。したがって、ゲート金属薄膜材料のエッチ
ングにおいて、フッ素系ガスを用いたエッチング方法は
塩素系ガスと比較して各種材料への適用が容易であり、
大きな長所を有する。

【００１１】六フッ化硫黄ガスや四フッ化炭素ガスなど
のフッ素系ガスは高周波プラズマを用いたエッチング方
法において広く用いられている。しかし、高周波プラズ
マを用いたエッチングでは、ガス圧が１０^-1Ｔｏｒｒ
（１０Ｐａ）程度と比較的高いため、過剰なフッ素ラジ
カルが発生してアンダーカットの抑制が困難である。よ
って、微細なＭＯＳ型ＦＥＴのゲート金属薄膜のエッチ
ングのように、高精度なパターンを選択比を高くとって
形成することが要求される場合には、十分なパターン精
度が得られないためにフッ素系ガスは適用できなかっ
た。

【００１２】高周波プラズマを用いるエッチング方法の
中で、特にＲＩＥ（反応性イオンエッチング、または反
応性スパッタエッチング）では、炭素及びフッ素からな
るフッ素系ガス（ＣＦ4 、Ｃ2Ｆ6、Ｃ4Ｆ8など）に酸素
ガスを混合するエッチング方法がある。これにより、パ
ターン側壁部分では、炭素やフロロカーボン（ＣＦｘ）
を吸着または付着させてフッ素ラジカルによるエッチン
グ（アンダーカット）を抑制することができる。一方、
エッチング面では、ＲＩＥにおいて顕著なイオン衝撃
（１００ｅＶ程度）のもとで酸素ラジカルが上記炭素や
フロロカーボン（ＣＦｘ）を除去してエッチングが進行
するため、垂直なエッチング形状を得ることが可能であ
る。

【００１３】しかし、このエッチング方法では、過剰に
酸素ガスを混合すると、フッ素ラジカルが急激に増加し
てアンダーカットが発生するため、酸化珪素に対して１
０以上の高い選択性を得ることは困難であった。したが
って、微細なＭＯＳ型ＦＥＴのゲート金属薄膜のエッチ
ングのように、高精度なパターンを選択比を高くとって
形成することが要求される場合には選択性に問題がある
ため、上記ＲＩＥにおいて反応性ガスとして炭素及びフ
ッ素からなるフッ素系ガスを用いるエッチング方法は適
用に限界があった。なお、炭素およびフッ素からなるフ
ッ素系ガスを用いた異方性エッチングについては、下記
の文献において詳細に記載されている（S. Matsuo, "RE
ACTIVE SPUTTER ETCHING AND REACTIVE ION BEAM ETCHI
NG", Proc. int'l Ion Engineering Congress - ISIAT'
83 & IPAT'83, Kyoto, p.1597, 1983 ）。

【００１４】また、アンダーカットの抑制には、ＥＣＲ
プラズマなどを用いることによりエッチングを行う際の
ガス圧を下げることも効果的であり、２０ｅＶ程度の小
さいイオン衝撃条件でもアンダーカットの抑制が可能と
なる。例えば、ＧａＡｓ基板を用いるＭＥＳＦＥＴにお
けるゲート金属薄膜のエッチング方法が特願平５−２５
２１６３号により開示されている。さらに、下記の文献
において詳細に記載されているエッチング方法がある
（西村 他, "超高速集積回路用ＧａＡｓＭＥＳＦＥＴの
０．１ｕｍＷＳｉＮゲート形成技術", 電子情報通信学
会技術報告, ED93-97, 10-7, 1993 ）。

【００１５】このエッチング方法においては、ＳＦ6 単
体ガスのＥＣＲプラズマを用いて高融点金属を含む合金
材料であるＷＳｉＮのエッチングが行われ、特に、４．
５×１０^-4Ｔｏｒｒ以下の低ガス圧領域でアンダーカッ
トが抑制できることを利用して上記合金材料のゲートパ
ターンを形成している。エッチング形状はマスクパター
ンから外側にせり出した台形状（テーパー形状）である
ために、オーバーエッチング条件を工夫することにより
上記テーパー形状を垂直なエッチング形状に近づけてい
る。しかし、ガス圧の制御だけではアンダーカットを抑
制すると共に、テーパ形状よりも高精度なパターン形成
に有利な垂直なエッチング形状を得ることは困難であっ
た。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、塩素系
ガスを用いた従来のエッチング方法では、エッチング特
性に材料依存性があるという問題点があった。また、六
フッ化硫黄ガスや四フッ化炭素ガスなどのフッ素系ガス
の高周波プラズマを用いた従来のエッチング方法、ある
いはＲＩＥにおいて炭素及びフッ素からなるフッ素系ガ
スを用いた従来のエッチング方法では、高精度なパター
ンを選択比を高くとって形成することが困難であるとい
う問題点があった。また、ガス圧を制御してアンダーカ
ットを抑制する従来のエッチング方法では、高精度なパ
ターン形成に有利な垂直なエッチング形状を得ることが
困難であるという問題点があった。本発明は、上記課題
を解決するためになされたもので、半導体材料や金属材
料およびそれらの合金材料や複合材料の高精度な微細パ
ターン形成を、酸化珪素薄膜あるいは化合物半導体薄膜
とのエッチング選択性を高く取って行うことを可能にす
るエッチング方法を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の低ガス圧プラズ
マエッチング方法は、請求項１に記載のように、反応性
ガスとして、ハロゲン元素の中でフッ素のみを含みかつ
炭素を含まないガス、炭素を含みかつフッ素以外のハロ
ゲン元素を含まないガスおよび酸素ガスからなる混合ガ
スを用いるものである。このように反応性ガスを真空容
器内に例えば１×１０^-3（約１０^-1Ｐａ）以下の低ガス
圧で導入する低ガス圧プラズマエッチング方法におい
て、反応性ガスとして、ハロゲン元素の中でフッ素のみ
を含みかつ炭素を含まないガス、炭素を含みかつフッ素
以外のハロゲン元素を含まないガスおよび酸素ガスから
なる混合ガスを用いることにより、アンダーカットのな
い垂直なエッチング形状と、酸化珪素薄膜あるいは化合
物半導体薄膜との高いエッチング選択性を両立させるこ
とができる。

【００１８】また、請求項２に記載のように、上記プラ
ズマは、マイクロ波パワーと磁界を用いて、電子サイク
ロトロン共鳴によって生成されたものである。このよう
に、低ガス圧で反応性プラズマの生成が可能であり、か
つ反応性プラズマ中のイオンのエネルギーが１０〜３０
ｅＶ程度と低い発散磁界により制御されたＥＣＲプラズ
マ装置によってエッチングを行うものである。また、請
求項３に記載のように、上記ハロゲン元素の中でフッ素
のみを含みかつ炭素を含まないガスとして六フッ化硫黄
ガス、炭素を含みかつフッ素以外のハロゲン元素を含ま
ないガスとして四フッ化炭素ガスを用いるものである。
また、請求項４に記載のように、上記混合ガスに四フッ
化珪素ガスを添加するものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の低ガス圧プラズマ
エッチング方法について図面を参照して説明する。な
お、１Ｐａ＝０．７５×１０^-2Ｔｏｒｒであり、ガス流
量は窒素ガス換算により記載した。図１は本発明の低ガ
ス圧プラズマエッチング方法で用いる、発散磁界により
制御されたＥＣＲプラズマ装置のブロック図である。こ
のＥＣＲプラズマ装置では、２．４５ＧＨｚのマイクロ
波がマイクロ波モード変換器１及び石英窓２を介してプ
ラズマ室８に供給され、反応性ガスがガス配管１０によ
りプラズマ室８に供給される。

【００２０】反応性プラズマとしてのＥＣＲプラズマ
は、上記マイクロ波とＥＣＲプラズマ発生用第１磁気コ
イル３、同じく第２磁気コイル４が形成する８７５Ｇの
磁場を用いた電子サイクロトロン共鳴により、反応性ガ
スが１０^-3Ｔｏｒｒ（約１０^-1Ｐａ）以下の低ガス圧、
例えば５×１０^-4Ｔｏｒｒで励起されて生成される。そ
して、生成されたＥＣＲプラズマは、磁気コイル３、４
がエッチング室９に同時に形成する発散磁場により、プ
ラズマ流として試料台７まで引き出されてエッチング
（パターン形成）に使用される。

【００２１】反応性ガスの構成を除くＥＣＲプラズマ装
置の構成は、特開昭６０−１２０５２５号に開示された
ＥＣＲ反応性イオンエッチング方法と同一である。な
お、プラズマ流の形状補正用磁気コイル５は、エッチン
グ試料６の表面にプラズマ流を垂直に入射させるために
配置されている。

【００２２】本発明では、ガス配管１０より供給される
反応性ガスとして、ハロゲン元素の中でフッ素のみを含
みかつ炭素を含まないガス（ＳＦ6 など）、炭素を含み
かつフッ素以外のハロゲン元素を含まないガス（ＣＦ4
、Ｃ2Ｆ6、Ｃ4Ｆ8、ＣＨ4 など）及び酸素ガス（Ｏ2
）からなる混合ガス、あるいはこの混合ガスにさらに
四フッ化珪素ガスを添加した混合ガスを用いる。

【００２３】ここで、反応性ガスとして六フッ化硫黄ガ
ス（ＳＦ6 ）あるいは四フッ化炭素ガス（ＣＦ4 ）を用
いて、低ガス圧（５×１０^-4Ｔｏｒｒ程度）で単結晶珪
素及び酸化珪素をエッチングした場合のエッチング速度
のマイクロ波パワー依存性を図２に示す。図２は上記２
種類のフッ素系ガスのＥＣＲプラズマが有するエッチン
グ特性の違いを比較するための図である。

【００２４】図２において、特性２１は六フッ化硫黄ガ
スを用いたときの単結晶珪素に対するエッチング速度、
特性２２は六フッ化硫黄ガスを用いたときの酸化珪素に
対するエッチング速度、特性２３は四フッ化炭素ガスを
用いたときの単結晶珪素に対するエッチング速度、特性
２４は四フッ化炭素ガスを用いたときの酸化珪素に対す
るエッチング速度である。ここでは、六フッ化硫黄ガス
の流量を１０ｓｃｃｍ（２．１×１０^-4Ｔｏｒｒ）、四
フッ化炭素ガスの流量を１０ｓｃｃｍ（２．２×１０^-4
Ｔｏｒｒ）としている。

【００２５】六フッ化硫黄ガスによる単結晶珪素のエッ
チング速度は、９０ｎｍ／分程度であり、六フッ化硫黄
ガスは単結晶珪素のエッチングガスとして適した反応性
ガスである。一方、四フッ化炭素ガスによるエッチング
の場合には、単結晶珪素、酸化珪素共にほとんどエッチ
ングされないか、または付着反応が起こりやすい。四フ
ッ化炭素ガスは、高周波プラズマを用いるＲＩＥ（反応
性スパッタエッチング）においては酸化珪素の代表的な
エッチングガスであり、図２の特性２４は、ＲＩＥにお
いて酸化珪素のエッチング速度が大きことと極めて対照
的である。

【００２６】したがって、発散磁界により制御されたＥ
ＣＲプラズマ装置を用いて、１０^-4Ｔｏｒｒ程度の低ガ
ス圧で反応性プラズマを生成してエッチングを行う場
合、四フッ化炭素ガスを反応性ガスとして使用すれば、
酸化珪素のエッチング速度を大きく増大することなく、
単結晶珪素のパターン側壁でのエッチングを抑制する効
果、すなわちアンダーカットを抑制する効果が期待でき
る。これは、パターン側壁部に炭素やフロロカーボン
（ＣＦｘ）を吸着又は付着させて、フッ素ラジカルによ
るエッチングを抑制することによるものである。この四
フッ化炭素ガスによるアンダーカットの抑制効果は、単
結晶珪素のほかに珪素を主成分とするリン添加多結晶珪
素などの金属材料にも適用できる。

【００２７】図３は反応性ガスとして六フッ化硫黄ガ
ス、四フッ化炭素ガスおよび酸素ガスからなる混合ガス
を用いた、本発明の第１の実施の形態を示す低ガス圧プ
ラズマエッチング方法のエッチング特性を示す図であ
る。ここでは、酸化珪素をエッチングマスクとして単結
晶珪素のエッチングを５×１０^-4Ｔｏｒｒ以下の低ガス
圧で行った。なお、マイクロ波パワーは４００Ｗであ
る。

【００２８】図３（ａ）は単結晶珪素のエッチング速度
（特性３１）、エッチング深さが３００ｎｍのとき単結
晶珪素に発生するアンダーカット量（特性３２）を示す
図である。図３（ａ）では、六フッ化硫黄ガスの流量を
７ｓｃｃｍ（分圧：２×１０^-4Ｔｏｒｒ）、酸素ガスの
流量を１ｓｃｃｍ（分圧：１×１０^-5Ｔｏｒｒ）とし
て、四フッ化炭素ガスの混合量を変化させたときの単結
晶珪素のエッチング速度、単結晶珪素に発生するアンダ
ーカット量を示している。

【００２９】特性３２から分かるように、四フッ化炭素
ガスの混合量の増大に伴い、アンダーカット量は減少し
て、六フッ化硫黄ガスとほぼ同程度の流量である６ｓｃ
ｃｍ（分圧：１．２×１０^-4Ｔｏｒｒ、全圧：３．３×
１０^-4Ｔｏｒｒ）の四フッ化炭素ガスを混合すると、ア
ンダーカットが全く見られない垂直なエッチング形状が
得られる。

【００３０】また、図３（ｂ）は酸化珪素に対する単結
晶珪素のエッチング選択性（Ｓｉのエッチング速度／Ｓ
ｉＯ2 のエッチング速度）について四フッ化炭素ガスの
混合量依存性を示す図である。特性３３は、六フッ化硫
黄ガスの流量を７ｓｃｃｍとして（つまり、酸素ガスは
導入しない）、四フッ化炭素ガスの混合量を変化させた
ときの選択比、特性３４は、六フッ化硫黄ガスの流量を
７ｓｃｃｍ、酸素ガスの流量を１ｓｃｃｍとして、四フ
ッ化炭素ガスの混合量を変化させたときの選択比であ
る。

【００３１】特性３４から分かるように四フッ化炭素ガ
スの混合量が６ｓｃｃｍ程度では、酸素ガスを混合する
ことにより酸化珪素に対する選択比を増大させることが
できる。四フッ化炭素ガスの混合量が６ｓｃｃｍのと
き、選択比は１５程度となる。したがって、四フッ化炭
素ガスを６ｓｃｃｍだけ混合し、かつ酸素ガスを混合す
ることにより、１０以上の高い酸化珪素との選択性を確
保して単結晶珪素のアンダーカットのない垂直なパター
ンを形成することが可能となる。

【００３２】図４は塩素系ガスを用いる従来のＥＣＲ反
応性イオンエッチング法を用いてリン添加多結晶珪素薄
膜とホウ素添加多結晶珪素薄膜とをエッチングした場合
のエッチング速度を示す図である。ここでは、塩素ガス
（Ｃｌ2 ）の流量を２０ｓｃｃｍ、酸素ガスの流量を２
ｓｃｃｍとして、四フッ化炭素ガスの流量を変化させ
た。また、マイクロ波パワーは４００Ｗである。

【００３３】図５は反応性ガスとして六フッ化硫黄ガ
ス、四フッ化炭素ガス及び酸素ガスからなる混合ガスを
用いた、本発明の第１の実施の形態を示す低ガス圧プラ
ズマエッチング方法により、リン添加多結晶珪素薄膜と
ホウ素添加多結晶珪素薄膜をエッチングした場合のエッ
チング完了時間を示すプラズマ発光のモニタ図である。
図５（ａ）はリン添加多結晶珪素薄膜の場合のモニタ図
であり、図５（ｂ）はホウ素添加多結晶珪素薄膜の場合
のモニタ図である。

【００３４】ここでは、リン添加多結晶珪素薄膜とホウ
素添加多結晶珪素薄膜の厚さを共に３５０ｎｍとし、六
フッ化硫黄ガスの流量を６ｓｃｃｍ、四フッ化炭素ガス
の流量を８ｓｃｃｍ、酸素ガスの流量を１ｓｃｃｍとし
ている。また、マイクロ波パワーは４００Ｗである。図
５に示すエッチング完了時間はプラズマ発光をモニタす
ることにより決定した。

【００３５】図４から分かるように、塩素系ガスを用い
る場合、リン添加多結晶珪素膜のエッチング速度（特性
４１）は、ホウ素添加多結晶珪素膜のエッチング速度
（特性４２）と比較して２０％程度速い。これに対し
て、図５に示す本発明では、２種類の多結晶珪素薄膜の
エッチング完了時間が等しいことからエッチング速度が
等しく、さらにエッチング形状などその他のエッチング
特性も等しいことが期待できる。

【００３６】図６は反応性ガスとして六フッ化硫黄ガ
ス、四フッ化炭素ガス、酸素ガス及び四フッ化珪素ガス
（ＳｉＦ4 ）からなる混合ガスを用いた、本発明の他の
実施の形態を示す低ガス圧プラズマエッチング方法のエ
ッチング特性を示す図である。本実施の形態では、酸化
珪素薄膜をマスクとしてＷＳｉＮ薄膜のエッチングを行
った。

【００３７】図６（ａ）はＷＳｉＮ薄膜のエッチング速
度（特性６１）と酸化珪素薄膜のエッチング速度（特性
６２）を示す図であり、図６（ｂ）は両者の選択比（Ｗ
ＳｉＮのエッチング速度／酸化珪素のエッチング速度：
特性６３）、エッチング深さが４５０ｎｍのときの酸化
珪素マスクに対するＷＳｉＮ薄膜のアンダーカット量
（特性６４）を示す図である。

【００３８】ここでは、六フッ化硫黄ガスの流量を８ｓ
ｃｃｍ（２．０×１０^-4Ｔｏｒｒ）とし、四フッ化炭素
ガスの流量を４ｓｃｃｍ（１．０×１０^-4Ｔｏｒｒ）と
している。また、酸素ガスの流量については、最小限の
０．５ｓｃｃｍ（０．５×１０^-5Ｔｏｒｒ）としてい
る。これは、フッ素ラジカルの他にプラズマ中で四フッ
化炭素ガスと酸素ガスの反応によって生成される一酸化
炭素ラジカルにより、タングステンがエッチングされて
アンダーカットが発生することが考えられるためであ
る。なお、マイクロ波パワーは３００Ｗである。

【００３９】エッチング速度については、ＷＳｉＮ薄膜
（特性６１）および酸化珪素薄膜（特性６２）共に四フ
ッ化珪素ガスの混合によって低下する。ただし、四フッ
化珪素ガスの添加によるエッチング速度の低下は、酸化
珪素の方により明瞭に現われるため、上記選択比は四フ
ッ化珪素ガスの添加によって向上する。四フッ化珪素ガ
スを４ｓｃｃｍ混合した場合は、混合しない場合と比較
して３０％程度増大させることが可能である。

【００４０】一方、図６（ｂ）から分かるように、エッ
チング形状については、四フッ化珪素ガスの添加量が１
〜４ｓｃｃｍの範囲で、アンダーカットの発生と、六フ
ッ化硫黄ガス単体で発生する顕著なテーパ形状（マスク
から外側にせり出した台形状で、負のアンダーカットと
して表示できる）の発生とが殆ど無く、垂直なエッチン
グ形状となっている。

【００４１】本実施の形態では、上述した一酸化炭素ラ
ジカルによってタングステンのアンダーカットが発生す
るため、酸素ガスの添加量を多くすることができず、図
３（ｂ）で説明した酸素ガスの添加による選択比の向上
効果を得ることができない。そこで、酸素ガスの添加量
を少なくする代わりに、四フッ化珪素ガスを添加するこ
とで、選択比を向上させることができる。

【００４２】なお、以上の実施の形態では、ＥＣＲ反応
性イオンエッチングの場合について説明したが、１０^-3
Ｔｏｒｒ以下の低ガス圧を使用する他のエッチング方
法、例えばヘリコンプラズマなどを用いた上記材料のエ
ッチングにも適用することができる。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、低ガス圧プラズマエッ
チング方法において、反応性ガスとして、ハロゲン元素
の中でフッ素のみを含みかつ炭素を含まないガス、炭素
を含みかつフッ素以外のハロゲン元素を含まないガスお
よび酸素ガスからなる混合ガスを用いることにより、珪
素などの半導体材料の高精度なエッチングを、アンダー
カットを抑制し、かつ酸化珪素薄膜あるいは化合物半導
体薄膜とのエッチング選択性を高くとって行うことが可
能となる。また、ゲート金属薄膜として用いられる種々
の金属材料や合金材料、複合材料のエッチングでも同様
の効果を得ることができ、高融点金属を含む合金材料の
ＷＳｉＮ薄膜（ＭＥＳＦＥＴ）、シリサイド構成や添加
元素が異なる多結晶珪素より構成される複合材料薄膜
（ＭＯＳＦＥＴ）について高精度なゲートパターンの形
成が可能となる。また、ＭＯＳＦＥＴのゲート金属薄膜
であるリン添加多結晶珪素に適用した場合には、反応生
成物の影響が小さいため、再現性にすぐれた高精度なゲ
ートパターンの形成が可能である。

【００４４】また、四フッ化珪素ガスを添加することに
より、酸素ガスの添加量を少なくしなければならないよ
うな場合でも、酸化珪素薄膜あるいは化合物半導体薄膜
とのエッチング選択性を高くとることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の低ガス圧プラズマエッチング方法で
用いる、発散磁界により制御されたＥＣＲプラズマ装置
のブロック図である。

【図２】 反応性ガスとして六フッ化硫黄ガスあるいは
四フッ化炭素ガスを用いて、単結晶珪素及び酸化珪素を
エッチングした場合のエッチング速度を示す図である。

【図３】 本発明の第１の実施の形態を示す低ガス圧プ
ラズマエッチング方法のエッチング特性を示す図であ
る。

【図４】 塩素系ガスを用いる従来のＥＣＲ反応性イオ
ンエッチング法を用いて、リン添加多結晶珪素薄膜とホ
ウ素添加多結晶珪素薄膜とをエッチングした場合のエッ
チング速度を示す図である。

【図５】 本発明の第１の実施の形態を示す低ガス圧プ
ラズマエッチング方法により、リン添加多結晶珪素薄膜
とホウ素添加多結晶珪素薄膜をエッチングした場合のエ
ッチング完了時間を示すプラズマ発光のモニタ図であ
る。

【図６】 本発明の他の実施の形態を示す低ガス圧プラ
ズマエッチング方法のエッチング特性を示す図である。

【符号の説明】

１…マイクロ波モード変換器、２…石英窓、３…ＥＣＲ
プラズマ発生用第１磁気コイル、４…ＥＣＲプラズマ発
生用第２磁気コイル、５…補正用磁気コイル、６…エッ
チング試料、７…試料台、８…プラズマ室、９…エッチ
ング室、１０…ガス配管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松尾 誠太郎 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応性ガスを真空容器内に導入してプラ
   ズマを生成し、パターン加工を行う低ガス圧プラズマエ
   ッチング方法において、 前記反応性ガスとして、ハロゲン元素の中でフッ素のみ
   を含みかつ炭素を含まないガス、炭素を含みかつフッ素
   以外のハロゲン元素を含まないガスおよび酸素ガスから
   なる混合ガスを用いることを特徴とする低ガス圧プラズ
   マエッチング方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の低ガス圧プラズマエッチ
   ング方法において、 前記プラズマは、マイクロ波パワーと磁界を用いて、電
   子サイクロトロン共鳴によって生成されたものであるこ
   とを特徴とする低ガス圧プラズマエッチング方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の低ガス圧プラズマエッチ
   ング方法において、 前記ハロゲン元素の中でフッ素のみを含みかつ炭素を含
   まないガスとして六フッ化硫黄ガス、炭素を含みかつフ
   ッ素以外のハロゲン元素を含まないガスとして四フッ化
   炭素ガスを用いることを特徴とする低ガス圧プラズマエ
   ッチング方法。
4. 【請求項４】 請求項１記載の低ガス圧プラズマエッチ
   ング方法において、 前記混合ガスに四フッ化珪素ガスを添加することを特徴
   とする低ガス圧プラズマエッチング方法。