JPS62249421A - プラズマエッチング方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、エツチング技術、特に、半導体集積回路の製
造において微細パターンの形成に用いられるドライ・エ
ツチングに適用して有効な技術に関する。

［従来の技術］ ドライ・エツチング技術については、日本ニスエステイ
株式会社、昭和６０年３月１５日発行、「ソリッド　ス
テート　テクノロジー　日本版」１９８５年３月号、Ｐ
６６〜Ｐ７６に記載されている。

従来、ＳｉおよびＳｔの化合物、Ａ１合金などのドライ
・エツチングには、電気的に中性なラジカルの化学反応
性のみを利用したプラズマエツチング方法と、容量を経
由しな高周波電源に接続されるカソード電極に試料を載
置し、この電極表面にプラズマシースを発生させ、直流
バイアスが印加されるようにして、プラズマ中のイオン
を加速して試料表面に入射させ、イオンの有する運動エ
ネルギをエツチング反応に援用する反応性イオンエツチ
ング法とが多く採用されいる。

そして、これらのドライ・エツチング法に用いられるエ
ツチングガスは、エツチングの対象となる試料がＳｉお
よびその化合物の場合には、ＣＦａ、ＣＢｒＦｉ、ＣＣ
ｊ！Ｆｚ、Ｃｔ　Ｃｔ！Ｆｓ、ＣＣｔｘ　ａなどであり
、これらは炭素化合物である。

従来の技術において、特に、試料のエツチング断面の横
方向のエツチング、すなわちサイドエノチングまたはフ
ンダカット、などを少なくし、異方性エツチングを実現
するためには、上記のような炭素化合物を用いることは
次のよう観点から重要である。

すなわち、Ｓｉおよびその化合物のエツチング時に、エ
ツチング断面の側壁部にＣとＦまたはＣとＣｌとのポリ
マーが付着して横方向へのエツチングが阻止または減少
されるからである。

ところで、従来でも、ＮＦ３やＳＦ４．ｃ１！などの炭
素を含まないガスがＳｔまたは３ｉ化合物のエツチング
に用いられてはいるが、エツチングが等方的でサイドエ
ツチングがあり、さらにエツチング速度が小さいなどの
好ましくない特性を持っている。このような理由から、
ＳＦ、−？）ＮＦ、などのガスを用いる場合には、炭素
化合物と混合して使用し、エツチング断面の側壁部への
ポリマーの付着作用を利用して、サイドエツチングなど
を阻止しているのが実状である。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記のように炭素化合物を用いるエツチ
ングの場合には、炭素化合物の分解などによって形成さ
れるポリマーが、試料のみならず該試料が収容される反
応容器の内部において、プラズマに接するすべての部分
に付着するため、容器の内壁から剥離したポリマーが異
物となって試料に付着し、エツチングによって試料表面
に形成されるパターン欠陥の原因となるという問題があ
る。

さらに、試料表面に付着するポリマーは該試料表面に入
射するラジカルやイオンと試料表面との反応を妨げエツ
チング速度を低下させるという欠点もある。

本発明の目的は、試料に対する異物の付着を低減すると
ともに、エツチング速度およびエツチングの異方性を向
上させることが可能なエツチング技術を提供することに
ある。

本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、
本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろ
う。

［問題点を解決するための手段］ 本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、次の通りである。

すなわち、試料に対してエツチング作用をなすハロゲン
を含むエツチングガスを試料表面に吸着させ、放電プラ
ズマによって形成されるベースガスのイオンを電界によ
って試料にほぼ垂直に衝突する方向に加速し、イオンの
運動エネルギによって試料表面に吸着しているエツチン
グガスの該試料に対するエツチング作用を促進させるよ
うにしたものである。

［作用］ 上記した手段によれば、たとえばエツチングガスとして
ＳＦｈ’ＰＣｌｔなどの炭素原子を含まないハロゲン化
合物を使用し、ベースガスとして比較的質量数の大きな
元素を用いることにより、炭素原子の存在によるポリマ
ーの形成に起因する異物の発生やエツチング速度の低下
が防止されるとともに、試料表面に垂直に入射されるベ
ースガスのイオンの運動エネルギにより、試料表面に吸
着したエツチングガスに含まれるハロゲンの試料平面に
垂直な方向のエツチング作用が優勢に行われ、試料に対
する異物の付着の低減、さらにはエツチング速度および
工′ツチングの異方性の向上を実現することができる。

［実施例１］ 第１図は、本発明の一実施例であるエツチング装置の要
部を示す説明図である。

反応容器１の一端には、導体からなる試料台２が設けら
れ、この試料台２の上には、たとえば半導体ウェハなど
の試料３が載置されている。

試料台２の周辺部近傍には、接地電極４が設けられてお
り、試料台２に容量５を介して接続される高周波電源６
によって、該試料台２と接地電極４との間に高周波電力
が印加されるように構成されている。

また、反応容器１の他端部には、放電管７が設けられ、
この放電管７の外周部には、ソレノイド・コイル８　（
磁力印加手段）が配設され放電管７の内部に所定の磁場
が形成されるとともに、導波管９（マイクロ波導入手段
）を介してマグネトロン１０からマイクロ波が導入され
ることにより、放電管７の内部に放電プラズマ発生部７
ａが形成される構造とされている。

この場合、反応容器１において、試料台２の側方部近傍
および放電プラズマ発生部７ａの近傍には、それぞれエ
ツチングガス供給口１１　（第１のガス供給口）および
ベースガス供給口１２（第２のガス供給口）が個別に設
けられている。

そして、試料台２に載置される試料３には、エツチング
ガス供給口１１を通じて、該試料２に対してエツチング
作用をなすハロゲンを含むエツチングガス１３が供給さ
れるとともに、放電プラズマ発生部７ａにはマイクロ波
と磁場との相互作用によってイオンを形成するベースガ
ス１４が供給されるものである。

さらに、試料台２に載置される試料３を介して放電プラ
ズマ発生部７ａと反対の位置に、排気口１５　（第１の
排気口）が設けられており、反応容器１の内部が所定の
真空度に排気されるとともに、放電プラズマ発生部７ａ
に供給されるベースガス１４から形成されるイオンが圧
力差によって試料３の方向の移動されるように構成され
ている。

また、反応容器１において試料台２と放電プラズマ発生
部７ａとの間には、中間排気口１６および網体１７が設
けられており、試料３の近傍に供給されるエツチングガ
ス１３が放電プラズマ発生部７ａの方向に逆拡散するこ
とが阻止される構造とされている。

以下、本実施例の作用について説明する。

本実施例においては、試料３が、たとえばシリコン、多
結晶シリコン、遷移金属とシリコンとの化合物、遷移金
属のいずれか、またはこれらの物質の多層膜からなる場
合について説明する。

まず、反応容器１の内部は、排気口１５および中間排気
口１６を通じて所定の真空度に排気されるとともに、試
料台２に載置される試料３の近傍には、エツチングガス
供給口１１を通じて、たとえばＳＦ、、ＮＦ、、ＨＦな
ど、ハロゲンとしてフッ素（Ｆ）を含むガスからなるエ
ツチングガス１３が供給され、試料３の表面に吸着され
る。

同時に、放電管７の内部における放電プラズマ発生部７
ａには、ベースガス供給口１２を通じて、たとえばＣｌ
１ｚ　、　Ｂ　ｒｚ　、　　１ｇ　、　Ａｒ、　Ｋｒ、
　Ｘｅなど、シリコンとの化学反応性がフッ素（Ｆ）よ
りも乏しく、かつ質量数の比較的大きなガスからなるベ
ースガス１４が供給され、このベースガス１４はソレノ
イド・コイル８の磁場と導波管９を介して作用されるマ
イクロ波との相互作用によって放電プラズマを形成しイ
オン化される。

そして、放電プラズマ発生部７ａにおいて形成されたベ
ースガス１４のイオンは、圧力差によって排気口１５の
方向、すなわち試料台２の方向に移動され、さらに、該
試料台２に容量５を介して印加される高周波電力の作用
により試料３の表面近傍に形成される自己バイアスの電
界によって加速され、試料３にほぼ垂直に入射する。

その時、試料３の表面に吸着しているＳＦ、などを含む
エツチングガス１３は前記イオンの運動エネルギによっ
て励起され、エツチングガス１３に含まれるＦなどのハ
ロゲンによる試料３に対するエツチング作用が、イオン
の入射方向、すなわち該試料３の平面に垂直な方向に優
勢となるように促進される。

この場合、エツチングガス１３およびベースガス１４な
どに、炭素原子を含む物質が存在しないため、反応容器
１の内壁や試料３の表面において、炭素原子の存在によ
るポリマーの付着などがなく、反応容器１の内壁面から
剥落したポリマーが異物となって試料３に付着したり、
試料の表面がポリマーによって隠蔽されることに起因し
てエツチング速度が低下されることなどが回避される。

また、ベースガス１４に、たとえばＯｚ、ＮｚＯ，Ｎｏ
、Ｎｏｔなどの酸化剤を微量添加することにより、シリ
コンなどからなる試料３の表面に薄い酸化膜が形成され
、エツチング断面の側壁部の侵食を防止してエツチング
の異方性が良好となるとともに、エツチングガス１３を
構成するＳＦ６などとの反応により、Ｓｏ、ＳＯＦ、な
どの揮発性の物質を生成してエツチングガス１３に含ま
れるイオウ（Ｓ）の除去をすみやかに行わせることがで
きる。

ここで、ベースガス１４のイオンを加速する自己バイア
スによる電界の強度、すなわちイオンの運動エネルギは
、マグネトロン１０などとは独立に設けられた高周波電
源６を適宜制御することにより、放電プラズマの形成と
は独立に制御可能であり、イオンに賦与される運動エネ
ルギの値は、エツチングガス１３に含まれるフッ素（Ｆ
）などのハロゲンと試料３を構成するシリコンなどとの
反応を促進すること、および試料３の表面に形成された
薄い酸化膜を除去できる程度でよく、たとえば試料３の
表面における欠陥の増大を促す１５０ｅＶ以上は不要で
、１００ｅＶ以下に制御される。

また、試料台２と放電プラズマ発生部７ａとの間に中間
排気口１６および網体１７が設けられていることにより
、試料台２の近傍に供給されるエツチングガス１３が放
電プラズマ発生部７ａの方向に移動することが阻止され
、たとえば該エツチングガス１３が放電プラズマ発生部
７ａに到達し励起されて発生されるハロゲンのラジカル
などによって、試料３に対して化学的で等方的なエツチ
ングが行われることが回避でき、エツチングの異方性が
損なわれることが防止される。

このように、本実施例においては、以下の効果を得るこ
とができる。

（１）、シリコン、多結晶シリコン、遷移金属とシリコ
ンとの化合物、遷移金属のいずれか、またはこれらの物
質の多層膜からなる試料３に対して、たとえばＳＦ４　
、ＮＦｓ　、ＨＦなどのエツチングガス１３を吸着させ
、放電プラズマによって形成されるＣｊｘ、Ｂｒｔ、Ｉ
ｔ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどの比較的質量数の大きな物質
からなるベースガス１４のイオンを電界によって試料３
にほぼ垂直に入射する方向に加速し、該イオンの運動エ
ネルギによって試料３の表面に吸着しているエツチング
ガス１３のハロゲンによる該試料３に対するエツチング
作用を促進させることによってエツチングが行われるた
め、エツチングガス１３に炭素原子を含む化合物が使用
されず、炭素原子の存在によるポリマーの形成に起因す
る異物の発生やエッチジグ速度の低下が防止されるとと
もに、試料表面に垂直に入射されるベースガス１４のイ
オンの運動エネルギにより、試料３の表面に吸着した工
・シチングガス１３に含まれるハロゲンによる試料３の
平面に垂直な方向へのエツチング作用が優勢に行われ、
試料に対する異物の付着が低減されるとともに、エツチ
ング速度およびエツチングの異方性を向上させることが
できる。

（２１，ヘ−スガＸ１４４：、たとえばＯｘ　、　Ｎｚ
　Ｏ。

Ｎｏ、Ｎｏ１などの酸化剤を微量添加することにより、
シリコンなどからなる試料３の表面に薄い酸化膜が形成
され、エツチング断面の側壁部の侵食を防止してエツチ
ングの異方性が良好となるとともに、エツチングガス１
３を構成するＳＦ、などとの反応により、Ｓｏ、ＳＯＦ
ｇなどの揮発性の物質を生成し、エツチングガス１３に
含まれるイオウ（Ｓ）の除去がすみやかに行われる。

（３）、試料台２と放電プラズマ発生部７ａとの間に中
間排気口１６および網体１７が設けられていることによ
り、試料台２の近傍に供給されるエツチングガス１３が
放電プラズマ発生部７ａの方向に移動することが阻止さ
れ、たとえば該エツチングガス１３が放電プラズマ発生
部７ａに到達し励起されて発生されるハロゲンのラジカ
ルなどによって、試料３に対して化学的で等方的なエツ
チングが行われることが回避でき、エツチングの異方性
が損なわれることが防止される。

（４）、試料３に入射されるイオンの運動エネルギを１
００ｅＶ以下にすることにより、イオンの試料に対する
衝突に起因する欠陥の誘発が回避される。

（５）、前記（１１〜（４）の結果、エツチングによっ
て試料３の表面に形成されるパターンの寸法精度が向上
および欠陥の低減などが可能となり、半導体装置の製造
における歩留りが向上される。

［実施例２］ 次に、本発明の他の実施例として、試料３が、たとえば
アルミニウムおよびアルミニウム合金膜などで構成され
る場合について説明する。

エツチング装置の構成は、前記実施例１の場合と同様で
ある。

この場合、試料３の表面に吸着されるエツチングガス１
８としては、たとえばＣｌ２を使用し、放電プラズマ発
生部７ａによってイオンが形成されるベースガス１４と
しては、たとえばＣｌｔ、。

Ｂｒｚ、Ｉｚ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどを用いるものであ
る。

そして、ベースガス１４に、たとえば０２．ＮＺ　、Ｎ
Ｚ　Ｏ，Ｎｏ、Ｎｏｔなどの酸化剤を添加してエツチン
グ断面側壁部などに薄いＡ１酸化膜を形成させることに
より、Ｃｌｌ！などのエツチングガス１３によるエツチ
ングの異方性を持たせることができ、さらに、エツチン
グガス１３にＢＣｌ、または５ｉＣ６ａを添加すること
により、Ａｌ酸化膜の還元反応が容易にされ、試料３の
表面に垂直な方向におけるエツチングガス１３によるエ
ツチング速度が向上されるものである。

また、Ｃｌｔなどのエツチングガス１３によるＡＡのエ
ツチングでは、エツチング速度のイオンの運動エネルギ
に対する依存度が比較的小さいため、ベースガス１４か
ら形成されるイオンの運動エネルギは、Ａ１合金中に含
有されるＴｉ、Ｓｉ。

Ｃｕなどの合金元素をエツチング除去することを目標に
決定され、たとえば、Ｃｕを合金元素として含有する／
１合金膜の場合には、３００ｅＶ程度に設定される。

このように、本実施例においては以下の効果を得ること
ができる。

（１）、アルミニウムおよびアルミニウム合金膜などか
らなる試料３に対して、たとえばＣｌｔ、などのエツチ
ングガス１３を吸着させ、放電プラズマによって形成さ
れるＣｌ＊、Ｂｒｚ、Ｉｔ、Ａｒ。

Ｋｒ、Ｘｅなどの比較的質量数の大きな物質からなるベ
ースガス１４のイオンを電界によって試料３にほぼ垂直
に入射する方向に加速し、該イオンの運動エネルギによ
って試料３の表面に吸着しているエツチングガス１３の
ハロゲンによる該試料３に対するエツチング作用を促進
させることによってエツチングが行われるため、エツチ
ングガス１３に炭素原子を含む化合物が使用されず、炭
素原子の存在によるポリマーの形成に起因する異物の発
生やエツチング速度の低下が防止されるとともに、試料
表面に垂直に入射されるベースガス１４のイオンの運動
エネルギにより、試料３の表面に吸着したエツチングガ
ス１３に含まれるハロゲンによる試料３の平面に垂直な
方向のエツチング作用が優勢に行われ、試料に対する異
物の付着が低減されるとともに、エツチング速度および
エツチングの異方性を向上させることができる。

（２）、ベースガス１４に、たとえば０□、Ｎ、、Ｎ、
○、Ｎｏ、Ｎｏ２などの酸化剤を添加してエツチング断
面側壁部などに薄いＡＩｔ酸化膜を形成させることによ
り、Ｃｌ２などのエツチングガス１３によるエツチング
の異方性を持たせることができ、さらに、エツチングガ
ス１３にＢＣｌ、またはＳｉＣβ４を添加することによ
り、Ａｊ！酸化膜の還元反応が容易にされ、試料３の表
面に垂直な方向におけるエツチングガス１３によるエツ
チング速度が向上される。

（３）、前記（１）〜（２）の結果、エツチングによっ
て試料３の表面に形成されるパターンの寸法精度が向上
および欠陥の低減などが可能となり、半導体装置の製造
における歩留りが向上される。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。たとえば、ベースガスお
よびエツチングガスとしては、前記実施例に示されたも
のに限らず、炭素原子を含まないものであれば、いかな
るものであってもよい。

また、プラズマ発生部７ａのイオンを有効に試料３まで
移動させるために、反応容器１の外側に磁界形成用電磁
コイルを設定してもよい。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその背景となった利用分野である半導体装置の製造に
おけるドライ・エツチング技術に適用した場合について
説明したが、それに限定されるものではなく、エツチン
グによる微細加工が必要とされる技術に広く適用できる
。

［発明の効果コ 本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである
。

すなわち、試料に対してエツチング作用をなすハロゲン
を含むエツチングガスを該試料表面に吸着させ、放電プ
ラズマによって形成されるベースガスのイオンを電界に
よって前記試料にほぼ垂直に入射する方向に加速し、該
イオンの運動エネルギによって前記試料表面に吸着して
いるエツチングガスの該試料に対するエツチング作用を
促進させるため、たとえばエツチングガスとしてＳＦ４
やＣｌｔなどの炭素原子を含まないハロゲン化合物を使
用し、ベースガスとして比較的質量数の大きな元素を用
いることにより、炭素原子の存在によるポリマーの形成
に起因する異物の発生やエツチング速度の低下が防止さ
れるとともに、試料表面に垂直に入射されるベースガス
のイオンの運動エネルギにより、試料表面に吸着したエ
ツチングガスに含まれるハロゲンの試料平面に垂直な方
向のエツチング作用が優勢に行われ、試料に対する異物
の付着の低減、さらにはエツチング速度およびエツチン
グの異方性の向上を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例であるエツチング装置の要
部を示す説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、試料に対してエッチング作用をなすハロゲンを含む
   エッチングガスを該試料表面に吸着させ、放電プラズマ
   によって形成されるベースガスのイオンを電界によって
   前記試料にほぼ垂直に入射する方向に加速し、該イオン
   の運動エネルギによって前記試料表面に吸着しているエ
   ッチングガスの該試料に対するエッチング作用を促進さ
   せることを特徴とするエッチング方法。 ２、前記ベースガスの放電プラズマの形成が、マイクロ
   波と磁場との相互作用によって行われることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のエッチング方法。 ３、前記ベースガスを加速する前記電界が、前記試料に
   高周波電力を印加する際に前記放電プラズマと該試料と
   の間に発生される自己バイアス電圧によって形成される
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のエッチン
   グ方法。 ４、前記試料がシリコン、多結晶シリコン、遷移金属と
   シリコンとの化合物、遷移金属のいずれか、またはこれ
   らの物質の多層膜からなり、前記エッチングガスとして
   ＳＦ＿６、ＮＦ＿３、ＨＦの少なくとも一つを用い、前
   記ベースガスとしてＣｌ＿２、Ｂｒ＿２、Ｉ＿２、Ａｒ
   、Ｋｒ、Ｘｅの少なくとも一つを用いることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のエッチング方法。 ５、前記ベースガスにＯ＿２、Ｎ＿２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ＿
   ２の少なくとも一つを添加することを特徴とする特許請
   求の範囲第４項記載のエッチング方法。 ６、前記試料がアルミニウムおよびアルミニウム合金膜
   からなり、前記エッチングガスとしてＣｌ＿２を用い、
   前記ベースガスとしてＣｌ＿２、Ｂｒ＿２、Ｉ＿２、Ａ
   ｒ、Ｋｒ、Ｘｅの少なくとも一つを用いることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のエッチング方法。 ７、前記ベースガスにＯ＿２、Ｎ＿２、Ｎ＿２Ｏ、ＮＯ
   、ＮＯ＿２の少なくとも一つを添加し、前記エッチング
   ガスにはＢＣｌ＿３またはＳｉＣｌ＿４を添加すること
   を特徴とする特許請求の範囲第６項記載のエッチング方
   法。 ８、放電プラズマによって形成され、電界によって加速
   される前記ベースガスのイオンの運動エネルギが１００
   ｅＶ以下であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のエッチング方法。 ９、反応容器内の一部に放電プラズマ発生部を形成する
   磁力印加手段およびマイクロ波導入手段を有するととも
   に、試料が載置される試料台に高周波電力を印加する高
   周波電源を備えたエッチング装置であって、前記試料の
   近傍および該試料とは異なる部位に形成される放電プラ
   ズマ発生部に、それぞれエッチングガスおよびベースガ
   スを個別に供給する第１および第２のガス供給口が設け
   られ、前記試料を介して前記放電プラズマ発生部とは反
   対側に、前記反応容器内の排気を行う第１の排気口が設
   けられていることを特徴とするエッチング装置。 １０、前記第１のガス供給口と第２のガス供給口との間
   に、該第１のガス供給口から前記試料近傍に供給される
   エッチングガスの前記放電プラズマ発生部への流入を阻
   止する第２の排気口および網体が設けられていることを
   特徴とする特許請求の範囲第９項記載のエッチング装置
   。 １１、前記試料がシリコン、多結晶シリコン、遷移金属
   とシリコンとの化合物、遷移金属のいずれか、またはこ
   れらの物質の多層膜からなり、前記エッチングガスとし
   てＳＦ＿６、ＮＦ＿３、ＨＦの少なくとも一つを用い、
   前記ベースガスとしてＣｌ＿２、Ｂｒ＿２、Ｉ＿２、Ａ
   ｒ、Ｋｒ、Ｘｅの少なくとも一つを用いることを特徴と
   する特許請求の範囲第９項記載のエッチング装置。 １２、前記ベースガスにＯ＿２、Ｎ＿２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ
   ＿２の少なくとも一つを添加することを特徴とする特許
   請求の範囲第１１項記載のエッチング装置。 １３、前記試料がアルミニウムおよびアルミニウム合金
   膜からなり、前記エッチングガスとしてＣｌ＿２を用い
   、前記ベースガスとしてＣｌ＿２、Ｂｒ＿２、Ｉ＿２、
   Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅの少なくとも一つを用いることを特徴
   とする特許請求の範囲第９項記載のエッチング装置。 １４、前記ベースガスに、Ｏ＿２、Ｎ＿２、Ｎ＿２Ｏ、
   ＮＯ、ＮＯ＿２の少なくとも一つと、ＢＣｌ＿３または
   ＳｉＣｌ＿４とを添加することを特徴とする特許請求の
   範囲第１３項記載のエッチング装置。 １５、放電プラズマによって形成され、電界によって加
   速される前記ベースガスのイオンの運動エネルギが１０
   ０ｅＶ以下であることを特徴とする特許請求の範囲第９
   項記載のエッチング装置。