JPS5982729A - プラズマエツチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は平行平板型電極を有するプラズマエツチング装
置を用い、シリコン酸化膜あるいは窒化膜上に堆積され
た被エツチング材料をエツチングするにおいて、被エツ
チング材料配置側電極と、被エツチング材料を構成して
いる牛導体基板の間に絶縁物を置くことにより、電荷蓄
積によるシリコン酸化膜あるいは窒化膜の耐圧劣化を抑
制する信頼性の高いプラズマエツチング方法に関する。

〔従来技術とその問題点〕

近年、集積回路（ＩＣ）製造プロセスでは、ＩＣの高集
積度化、高速度化に伴い素子の微細加工が強く要求され
ている。このため、アンダーカットの無い垂直なエツチ
ング形状が達成できる反応性イオンエツチング（Ｒｅａ
ｃｔｉｖｅ　ｔｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ　：　ＲＩＢ　）
方法が圧目を浴びている。・ＷＩＪえはパターンを形成
すべき材料が置かれた′電極に尚周波電力を印加するこ
とにより、チャンバー内に尋人した減圧状態の反応性ガ
スをグロー放電すせる。この時この高周波電極には電子
とイオンの易動度の差及び高周波電極と対向電４．（こ
の場合接地電位のチャンバー内壁も営む）の面積比の違
いにより負の自己バイアスが生じる。この負の自己バイ
アスは陰極降下電圧と呼ばれ、接地電位から計ってＶｄ
ｃで示される。エツチング種が吸着した被エツチング材
料表面にＶｄｃにより加速されたプラズマ中の正イオン
が垂直に衝突して、エツチング種と被エツチング材料間
の反応を促進させて、被エツチング材料をガス化すると
とでエツチングを進行する。

例えば、酸化シリコンにコンタクト孔を関ける場合には
ＣＦ４　＋　ＫやＣＨＦ’３　を用いると良く、又シリ
コンウェーハ或いは電極配線材料として、多用されてい
る多結晶シリコン及びアルミニウム（Ａ−／）をエツチ
ングする場合は、ＣＩ！、やＣＺｆｆｉ　等の塩素系ガ
スが用いられる。

電極オ科に真空容器を構成しているステンレスを用いる
と、エツチング中、鉄（Ｆｅ）やＮｉにッケル）が放出
され、そのことにより、素子が重金属汚染して、著しく
劣化する。そのため、石英（Ｓｉｎ、）やアルミナ（１
ｙｌｚ　Ｏｘ　）で電極を、被覆すると重金属汚染は阻
止可能となるが、Ｓｉｎ、やＡ／２０ｓから、酸素が放
出される。この微量の酸素が系内に混入すると、塩素ラ
ジカルが多量に発生し、多結晶シリコンやアルミニウム
、特にリン（Ｐ）や、上累（Ａｓ）を甘んだ多結晶シリ
コンはアンダーカットが著しく生じやすくなる。一方、
ポリエステル等の高分子薄膜は上記した欠点を除去でき
るものであるが、エツチング中、高分子薄膜からの重合
物が被エツチング材料表面上に再付着し、その結果エツ
チング後、材料表面上に残渣が生じゃすくな、ると同時
に、高分子薄膜もエツチングされることから量産装置で
は定期的に高分子＃膜を貼りかえる必要があるため、生
産性が低下し、好ましくない。

このため、重金属汚染が無い電極材料として、スパッタ
されにくい導伝性のカーボン（炭素：Ｃ）板が最適な材
料といえる。

反応性イオンエツチング方法により被エツチング材料を
エツチングする場合、前述した様に■アンダーカットの
無い異方性エツチングを達成する。

■他の材料、例えばレジストや多結晶シリコンでは下地
材料である、Ｓｉｎ、のエツチング速度より高速度のエ
ツチング、いわゆる選択エツチングが要求され且つ、■
素子の汚染が無いことが必要とされる。最近メモリー素
子（例えば、ダイナミックランダムアクセスメモＩＪ　
−（ＤＲＡＭ）が高集積度化し、現在では２５６ＫｇＡ
ＭからＬＭビットＤＲＡＭが研究開発されつつあるが、
このような素子では、最小寸法幅が２μｍ　以下となる
と同時に、ゲート酸化膜やメモリ一部の酸化膜厚は２０
０　′ｊ−以下となり、極めて薄くなる。この様な構造
の多結晶シリコンや高融点金属及びこのシリサイド化合
物を、反応性イオンエツチング方法によりエツチングす
ると、下地酸化膜の耐圧が著しく劣化し、絶縁膜として
機能しなくなる場合があるという大きな問題が新たに生
じてきた。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、電荷蓄積に
よる半導体基板上のシリコン酸化膜等の絶縁膜の絶縁破
壊を阻止する反応性イオンエツチング方法を提供するも
のである。

〔発明の概要〕

本発明によれば、材料配置側成極と被エツチング材料を
構成している半導体基板の間に絶縁物を置くことにより
上記目的を達成している。

〔発明の実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。

第１図は使用したエツチング装置の概略構成を示してい
る。１はステンレス製の真空容器本体であって、この容
器の一部をなすように平行平板電極を構成する上部電極
２と下部電極３が対向配置されている。これらＩＬ４２
．３はそれぞれテフロン・リング４，５により真空容器
本体１とは電気的に絶縁されている。試料６は下部電極
３の上に配置される。７．８はそれぞれ電極２，３を冷
却するための水冷管である。排気管９，１０は例えば油
拡散ポンプとロータリポンプを有する排気系（図示せず
）に連結されている。１１は分散管であって、ガス導入
口１２から導入された反応性ガスはこの分散管１１によ
り容器内に均一性よく供給されるようになっている。１
３はＲ，Ｆ電源であり、その出力は同軸スイッチ１４に
より切換えられ、同軸ケーブル１５、整合器１６を介し
て上記電極２に、または−軸ケーブル１７、整合器１８
を介して下部電極１９に、選択的に印加されるようにな
っている。また各電極２，３はそれぞれスイッチ１９　
、２０により、一方にＲ，Ｆ　成力が印加されるとき他
方が接地される。

真空容器本体ｌは常に接地されている。真空容器本体１
の側部には石英製の監視窓２１が設けられ、その外側に
ガスプラズマの分光を行いエツチングの進行状況を監視
するための分光器、光電管、記碌計等を含むエツチング
・モニタｎが設けられている。乙は圧力計である。

このような装置において、上部電極２、下部電極３にカ
ーボン板を用い、第２図に示すように試料６として半導
体基板である４インチ単結晶シリコンウェハ間を熱酸化
法により膜厚４００Ａの酸化膜を形成し、更にシラン（
８ｉ１（＊　）の熱分解（７５０℃）を用いる減圧気相
成長法（ＬＰＧＶＤ）により多結晶シリコン（４０００
ｇ　）　３２を堆積した後、１０００℃のり／（Ｐ）拡
散したものを、ポジ型レジスト３３　（ＯＦＰＲ−ＳＯ
Ｏ：東京応化ｍ）でマスク形成したものを用・いて、実
験を行った。エツチング条件は、反応性ガスとして、Ｃ
ｔ！を２０ＣＣ／−鴇を５ｃｃ／−の混合ガスを０．０
７　’ｒｏｗの圧力となるように導入し、印加する几１
４力を１３．５６ＭＨｚ　、　　０．２５ｗ／　ｃｄｔ
とした。

又几Ｆ電力は下部電極３に印加するようにした。

第３図は、前記多結晶シリコン３２をフッ硝酸系の溶液
によりエツチングした後レジスト３３を同様に硫酸系の
溶液で除去した試料の熱酸化膜の耐圧を測定したもので
ある。多結晶シリコン３２の電極面積は１０　ｍｍで、
ｌμＮの電流が流れた時を降伏電圧とした。第３図から
明らかな様に降伏電圧は１０Ｍｖ／ＣｎＬと６Ｍｖ／ｃ
ｍに分布している。１０Ｍｙ／ｃｍは熱酸化膜固有の降
伏電圧であり、６Ｍｖ／ｃＦＩＬは、熱酸化膜形成時に
おけるプロセス上の問題、例えばゴミ等によるものであ
る。

この様な耐圧分布を示す試料６を、前記エツチング条件
により反応性イオンエツチング方法で多結晶シリコン３
２をエツチングしその後レジスト３３を硫酸系の溶液で
除去したものの、熱酸化膜３１の耐圧を測定したものが
第４図である。

単結晶シリコンウェーハ父上の熱酸化膜３１の耐圧は著
しく劣化し、絶縁膜として機能しなくなって健ることが
わかる。

この様に従来公知のカーボン板電極３上に試料６を配置
して、エツチングすると、酸化膜３１の耐圧は著しく劣
化することがわかるが、ｍ５図（ａ）に示すようにカー
ボン板電極３上にポリエステル４０等の有機膜を貼布し
た後試料６を配置した状態でエツチングすると、第３図
の溶液エツチングによる酸化膜３１の耐圧分布と全く変
化ない良好な特性が得られた。しかし、試料６以外の電
極３上にも有機膜４０があるため、前述した如く、エツ
チング後試料６表面上に残渣が生じくやすくなるため、
本発明者らは第５図（ｂ）に示したように試料６直下の
みにポリエステルフィルム４０−１をカーボン板３上に
貼布したところ酸化膜３１の耐圧特性は第５図（ａ）の
構造のものと全く同一の結果が得られた。

一般に反応性イオンエツチング装置は、量産性を向上す
るために多数枚処理する方式がとられるが第５図（ａに
示される様に必ずしも全処理能力に対応する試料６が電
極３上に配置されるとは限ぎらず、この場合、試料６の
置かれていない場所では有機膜４０が露出することがあ
り、エツチング特性に影響をあたえる恐れがある。

本発明者らは更に鋭意検討した結果、試料６を従来通り
カーボン板３上に直接配置し、ポリエステル等の有機膜
４０を、前記カーボン板３の裏面に貼り付けて、エツチ
ングしたところ、カーボン板３上に有機膜４０を貼布し
たものと全く同一な極めて良好な結果が得られた。試料
配置側電極がカーボン板等の導体物質と、ポリエステル
フィルム等の絶縁性物質で構成すると、試料の酸化膜が
エツチングにより絶縁破壊されない理由は現在のところ
明確ではないが以下の様に推論される。

陰極降下電圧は、プラズマと試料及び電極間に形成され
るシースでほとんど発生し、酸化膜の膜厚が５００　ｇ
以下の極めて薄い時でも電極の絶縁性物質が１０μｍ以
上であれば、陰極降下１圧Ｖｄｃが５００Ｖとしても電
荷蓄積による酸化膜に印加される直流電圧は嶋々数Ｖで
あり、酸化膜を絶縁破壊する才での電圧とはならない。

即ち、定常状態における陰極時下電圧発生に伴なう′１
荷蓄積では、酸化膜の耐圧は劣化せず、電極材料が導体
物質のみでも良いわけである。しかしながら導体物質の
電極で試料の酸化膜の耐圧が実際に劣化するととρ１ら
多結晶シリコンがエツチングされた直後、定常状態に達
するまでの極めて短い時間（数ｕ秒以内）Ｋ導体物質に
接触している半導体基板はエツチング終了前と同電位で
あるが、多結晶シリコンの絶対値の電位が、半導体基板
より低くなるため、その電位差により酸化膜が絶縁破壊
すると考えられる。一方電極が導体物質と絶縁性物質で
構成されると、半導体基板と多結晶シリコンの各々の電
位はエツチングされた直後でも、同程度の割合いで一定
電位に達するために絶縁破壊が起らないと考えられる。

上記一実施例は試料６配置側電極３に高周波電力を印加
したものであるが、４００ＫＨｚの低周波電力の場合は
上部電極２に高周波電力を印加してもアンダーカットの
無い異方性エツチングが達成できる。この場合１３．５
６ＭＨ２の様な高周波電力と異なり、負の自己バイアス
は発生しないが、プラズマ中の正イオンエネルギーが高
くなり、接地電位の下部電極３に試料６を配置してエツ
チングする゛と、下部電極が導体物質であると酸化膜の
絶縁破壊がおこり、試料６配置電極３を、導体物質と絶
縁物質で構成すると、１３．５６Ｍｌ１（ｚ　の様な高
周波電力と同様、耐圧劣化は全く生じなかった。

又試料の熱酸化膜の代りに、シリコンを直接熱窒化した
膜でも同様な結果が得られ、更には多結晶シリコンの代
りにＡ／やタングステン←）、モリブデン（ＭＯ）等の
烏融点金属及びそれらのシリサイド化合物をエツチング
する場合でも効果は全く同じであった。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、試料を配置し
た電極が導体物質と絶縁物質で構成され、前記絶縁物質
の単位当りの容量か、試料の単結晶シリコンと導゛戒性
被エツチング材料間の絶縁膜の容量の間借以上であれば
エツチングによりＡｉｌ記試料中の絶縁膜の絶縁破壊が
発生しない。極めて高い信頼性のＬＳＩ製造プロセスが
確立される。

【図面の簡単な説明】 ｍ１図は、本発明を説明するための使用装置の概略図、
第２図は被エツチング物の構成図、第３図は被エツチン
グ物の導体層を溶液によりエツチングした時のシリコン
絶縁膜の耐圧分布図、第４図は、試料配置側の電極がカ
ーボン板等の導体物質であるときの、被エツチング物の
シリコン絶縁膜の耐圧分布図、第５図は、本発明の一実
施例を示す説明図である。 ｌ・・・ステンレス製の真空容器、　　２・・・上部電
極、３・・・下部電極、　　　　４，５・・・テフロン
、６・・・被エツチング物、７，８・・・水冷パイプ、
９、’１０・・・排気管、１３・・・高周波電源、１６
　、１８・・・整合回路、 ３０・・・単結晶シリコンウェーハ、 ：ウト・・シリコン絶縁膜、３２・・・導体物質ノー、
３３・・・フォトレジスト、 ４０−１．４０−２．４０−３．４０−４　、　・・・
絶縁性高分子薄膜、４］−１，４１−２，４１−３，４
］−４、・・・導体物質層。 （７３１７）代理人　弁理士　　則近憲佑（ほか１名）
第３図 ρ２’　　ａ　　ｌ　　９　　ｔｎ　　／２降イＫ”Ｔ
ｌｆ、ＪＥ　（”７Ｆ／ｃｍ）第４図 ρ　　　？　　　４　　　ｔ　　　２　　　ψ　　ｌｚ
ブＬ−クダζシシ電旦（Ｍηみ→

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）互いに対向配置された平行平板型電極を有するプ
   ラズマエツチング装置において、シリコン単結晶からな
   る第１層とシリコン絶縁膜からなる第２層の積層物質上
   に形成された導伝性物質層と前記導伝性物質層上にパタ
   ーン形成されたエツチングマスクとからなる被エツチン
   グ物をエツチングするに際し、前記被エツチング物の配
   置下の電極上の材料が少くとも、絶縁物質層で構成され
   てなることを特徴とするプラズマエツチング方法。
2. （２）前記電極上材料は前記被エツチング物配置側が導
   体物質層／絶縁物質層の構成順序であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のプラズマエツチング方法
   。
3. （３）前記電極上の材料は、前記被エツチング物直下の
   み、絶縁物質層／導体物質層の構成順序であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のプラズマエツチン
   グ方法、。
4. （４）前記電極上の材料である導体物質層が炭素である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項記載
   のプラズマエツチング方法。
5. （５）前記電極上の材料である絶縁物質層が、弗素系、
   炭化弗素系、塩素炭化水素系、あるいはシリコン系の絶
   縁性高分子であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項乃至第３項記載のプラズマエツチング方法。
6. （６）　　前記被エツチング物の第２層シリコン絶縁膜
   が熱酸化膜及び熱窒化膜であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のプラズマエツチング方法。
7. （７）前記被エツチング物の導伝性物質層が、多結晶シ
   リコン、非晶質シリコン、及びタングステン、モリブデ
   ン等の高融点金属、更にはそれらシリサイド化合物又は
   多結晶シリコンと前記高融点金属及びそれらシリサイド
   化合物の積層物であることを特徴とする特許請求の＃！
   、囲第１項記載のプラズマエツチング方法。
8. （８）　　前記被エツチング物の第２層シリコン絶縁膜
   の単位面積キャパシタ容量が前記電極の絶縁物質層の単
   位面積キャパシタ容量の加倍以上であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のプラズマエツチング方法
   。