JP2684868B2

JP2684868B2 - ドライエッチング方法

Info

Publication number: JP2684868B2
Application number: JP3132116A
Authority: JP
Inventors: 哲也辰巳
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1991-05-09
Filing date: 1991-05-09
Publication date: 1997-12-03
Anticipated expiration: 2012-12-03
Also published as: JPH04334022A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造分野等
において適用されるドライエッチング方法に関し、特に
エッチング途中におけるラジカル性の低減と側壁保護の
強化を、堆積性ガスの使用量を増すことなく達成する方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩ，ＵＬＳＩ等にみられる
ように半導体装置のデザイン・ルールが高度に微細化さ
れるに伴い、ドライエッチング技術においても高異方
性、高速性、高選択性、低汚染性、低ダメージ性といっ
た諸要求をいずれをも犠牲とすることなく達成する技術
が強く望まれている。なかでも、高異方性と高選択性と
いう相反する条件の両立は、最重要課題のひとつとされ
ている。それは、高異方性を達成するためにはある程度
高いイオン入射エネルギーが必要となるが、これは対下
地選択性の観点からは不利となるからである。そこで、
イオン入射エネルギーを若干弱める代わりに側壁保護を
併用し、高異方性を達成することが広く行われている。
この側壁保護は、気相中からのガス放電解離生成物、も
しくはエッチング反応生成物等をパターン側壁部に堆積
させることにより行われており、このようにして形成さ
れた側壁保護膜がラジカルの側方攻撃からパターンを保
護している。

【０００３】ところで、エッチング・プロセスの種類に
よっては、プロセス途中で側壁保護物質の堆積量とラジ
カル生成量とのバランスを変更する必要が生ずる場合が
ある。その代表的な例は、（ａ）下地材料層との選択比
を大きくとる必要があるオーバーエッチング、および
（ｂ）エッチング反応生成物の蒸気圧が異なる２種類以
上の材料層が積層されてなる多層膜のエッチングであ
る。

【０００４】上記（ａ）のオーバーエッチング工程にお
ける選択比の増大は、近年のように下地材料層の層厚が
極めて薄くなっている状況下では極めて重要な課題であ
る。たとえば、ゲート電極加工のようなシリコン（Ｓ
ｉ）系材料層のエッチングは、通常Ｆ^*（フッ素ラジカ
ル）が主エッチング種となる反応系中で行われるが、Ｆ
^*が相対的に過剰となるオーバーエッチング時には、薄
いＳｉＯ₂ゲート絶縁膜に対して高選択性を維持するこ
とが困難となる。これは、原子間結合エネルギーの値が
Ｓｉ−Ｏ結合では１１１ｋｃａｌ／ｍｏｌであるのに対
し、Ｓｉ−Ｆ結合では１３２ｋｃａｌ／ｍｏｌと大きい
ことからも理解される。また、コンタクト・ホール加工
のような酸化シリコン（ＳｉＯ₂）系材料層のエッチン
グは、通常ＣＦ₃ ⁺等のイオンが主エッチング種となる
反応系中で行われるが、かかる反応系内ではやはりＦ^*
等のラジカルが生成する。たとえば、浅い接合の形成さ
れたＳｉ基板を下地としてＳｉＯ₂層間絶縁膜のエッチ
ングを行う場合等には、このラジカルによる対下地選択
性の確保はより逼迫した問題となる。それは、Ｓｉ−Ｓ
ｉ結合の原子間結合エネルギーの値が５４ｋｃａｌ／ｍ
ｏｌであり、Ｓｉ−Ｆ結合やＳｉ−Ｃｌ結合（９６ｋｃ
ａｌ／ｍｏｌ）のそれより遙かに小さいからである。つ
まり、Ｓｉ系材料層は、イオン照射が無くてもラジカル
により自発的にエッチングされてしまうのである。いず
れの場合にも、エッチング工程に比べてオーバーエッチ
ング工程ではラジカルの生成量を減少させる必要があ
る。

【０００５】上記（ｂ）の多層膜のエッチングの代表例
は、ポリサイド・ゲート電極加工である。ポリサイド膜
は、多結晶シリコン層と高融点金属シリサイド層とが順
次積層されたものであるが、エッチング反応により生成
するハロゲン化合物の蒸気圧の差に起因して上層側の高
融点金属シリサイド層よりも下層側の多結晶シリコン層
の方が速くエッチングされる。したがって、オーバーエ
ッチング時には、相対的に過剰となったラジカルの側方
マイグレーションにより、下層側の多結晶シリコン層に
逆テーパ化やアンダカット等の形状異常が生じ易い。も
ちろん、下地の薄いゲート絶縁膜に対しても選択性が下
がる。また、ジャスト・エッチングまでの工程において
も同様の不都合が生ずるケースが多いため、高融点金属
シリサイド層のエッチングが終了した段階で、側壁保護
の強化および／またはラジカルの低減を可能とする条件
に切り換えて多結晶シリコン層をエッチングする技術も
提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、エッチン
グ・プロセスの途中で側壁保護物質の堆積量とラジカル
生成量とのバランスを変更する必要が生ずる場合の多く
は、前段の工程に比べて後段の工程におけるラジカル生
成量を減らし、相対的に堆積が生じ易い条件を整えると
いうものである。従来は、かかる条件の変更を一般にエ
ッチング・ガスの組成を変化させることにより行ってき
た。たとえば、フロン１１３（Ｃ₂Ｃｌ₃Ｆ₃）／ＳＦ
₆混合ガスを用いて多結晶シリコン層をエッチングする
ゲート電極加工では、オーバーエッチング時にＳＦ₆に
対するフロン１１３の流量比を高め、十分に大きい対下
地選択性を確保することが行われている。これは、側壁
保護物質である炭素系ポリマーの堆積量を増加させると
同時に、ラジカル性を減少させるためである。しかしな
がら、フロン１１３は放電解離により気相中に堆積性物
質を生成させるため、上述のようにかかる堆積性ガスの
流量を増加させることはエッチング・チャンバ内のパー
ティクルを増加させる原因となる。今後、さらに半導体
装置のデザイン・ルールが微細化されると、パーティク
ル汚染の影響は一段と深刻化する虞れがある。また、ガ
スの組成をプロセスの途中で変更すると、放電条件の安
定化に時間を要し、制御性やスループットを低下させる
原因ともなる。この問題は、主としてフルオロカーボン
系ガスが用いられているＳｉＯ₂系材料層のエッチング
においても、同様に発生する。

【０００７】

【０００８】そこで本発明は、エッチング・プロセスの
途中で堆積性ガスの流量比を高めなくとも相対的に反応
系内のラジカル性を減少させ、側壁保護効果を高めるこ
とが可能なドライエッチング方法を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係るドライエッ
チング方法は、上述したような課題を課題を解決し、上
述したような目的を達成するため、処理チャンバの内壁
部の少なくとも一部がラジカルの生成量をコントロール
するためのシリコン系材料層により被覆されてなり、か
つ上記シリコン系材料層の露出面積を可変となし得るシ
ャッタ部材を備えたＥＣＲプラズマ装置を使用し、上記
シャッタ部材の操作によりＥＣＲプラズマと上記ラジカ
ルの生成量をコントロールするためのシリコン系材料層
との接触面積を変化させながら被エッチング材料層をエ
ッチングするようにしたものである。

【００１０】

【作用】本発明者は、エッチング・ガスの組成を変更す
ることなくオーバーエッチング時のラジカルの影響を低
減させるためには、プラズマ・エッチング装置の選択、
構成、およびその使用方法に工夫を要するとの認識に立
って検討を進めた。本発明はその際の知見にもとづいて
おり、プラズマ・エッチング装置としてはＥＣＲプラズ
マ装置を選択し、処理チャンバの内壁部の少なくとも一
部に過剰なラジカルを消費し得るＳｉ系材料層を設け、
かつその露出面積を可変とするためのシャッタ部材を設
けるという構成上の工夫を行い、さらに前記シャッタ部
材の操作によりＥＣＲプラズマと上記Ｓｉ系材料層の接
触面積を変化させてラジカルの消費量を制御することを
ポイントとする。

【００１１】上記Ｓｉ系材料層は、対下地選択性の低下
の原因となるラジカルを捕捉して蒸気圧の高い反応生成
物を生成し、これをエッチング反応系外へ除去すること
ができる。たとえば、Ｆ^*はＳｉＦ_x、Ｃｌ^*はＳｉＣ
ｌ_x，Ｈ^*はＳｉＨ_x（いずれもｘは１〜４の整数を表
す。）等の形でそれぞれ除去される。本発明では、ＥＣ
Ｒプラズマ中に含まれる化学種のうち、対下地選択性や
異方性を低下させる原因となる過剰ラジカルをエッチン
グ・プロセスの途中で減少させたい。そこで、ラジカル
が大量に生成しても差し支えない段階では、シャッタ部
材を操作することにより処理チャンバ内における上記Ｓ
ｉ系材料層の露出面積をゼロもしくは相対的に小として
おく。これにより、ウェハは高密度のラジカルを含むＥ
ＣＲプラズマＰに曝され、高速にエッチングが進行す
る。一方、過剰ラジカルの影響が顕著となる段階では、
シャッタ部材の操作によりＳｉ系材料層の露出面積を相
対的に大とする。これにより、ラジカルの一部をウェハ
へ到達させる前に消費し、過剰ラジカルの影響を低減さ
せることができる。

【００１２】かかる構成によれば、オーバーエッチング
時やポリサイド膜の下層側の多結晶シリコン層をエッチ
ングする際に、エッチング・ガスの組成を変更せずに容
易にラジカルの影響を低減させることができる。つま
り、これらのエッチングを行う際にはＥＣＲプラズマト
Ｓｉ系材料層との接触面積を大きくすれば良いのであ
る。この間、放電条件は何ら変更する必要がないため、
制御性やスループットが低下するものではない。

【００１３】なお、過剰なラジカルをＳｉ系化合物の形
で除去しようという発想は、本願出願人が先に特願平３
−２０３６０号明細書において提案している。これは、
エッチング・ガス中にシラン系化合物ガスを添加するこ
とにより、エッチング・ガス系のラジカル生成量を最初
から低減させてしまうおうとする方法である。したがっ
て、Ｓ₂Ｆ₂を用いてＳｉ系材料層をエッチングする場
合には極めて有効な技術であるが、オーバーエッチング
時にはやはりシラン系化合物ガスの流量比を増大させる
ことが好ましくなる。これに対し、今回の発明は過剰ラ
ジカルを消費するＳｉ系材料は処理チャンバの内壁部に
配設された固体状物質であり、オーバーエッチング時に
もエッチング・ガス組成の変更を必要としないという点
で、従来技術とは全く異なる特徴を有するものである。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００１５】実施例１本実施例は、本発明をゲート電極加工に適用し、Ｓ₂Ｆ
₂を用いて多結晶シリコン層のエッチングを行うに際
し、ジャスト・エッチング時とオーバーエッチング時と
でＥＣＲプラズマとＳｉ系材料層の接触面積を変化させ
た例である。

【００１６】ここで、実際のエッチング・プロセスの説
明に先立ち、まず本発明を実施するにあたり使用したＲ
Ｆバイアス印加型ＥＣＲプラズマ・エッチング装置の一
構成例、およびその使用上の工夫について図１および図
２を参照しながら説明する。この装置は、２．４５ＧＨ
ｚのマイクロ波を発生するマグネトロン１、上記マグネ
トロン１に図示されない整合器，マイクロ波電力計，ア
イソレータ等を介して接続され、上記マイクロ波を導く
矩形導波管２、上記矩形導波管２に石英ガラス板等から
なるマイクロ波導入窓３を介して接続され、かつウェハ
１０を載置するウェハ載置電極１１を収容し、ＥＣＲ放
電により形成されるＥＣＲプラズマＰを利用して該ウェ
ハ１０に対して所定のエッチングを行うためのエッチン
グ・チャンバ４、上記エッチング・チャンバ４にエッチ
ング・ガスを図中矢印Ｂ方向に供給するためのガス供給
管５、プラズマ輻射熱による温度上昇を抑制するために
冷却水管６から図中矢印Ｃ₁，Ｃ₂方向に導入される冷
却水を上記エッチング・チャンバ４の周囲に循環させる
ウォーター・ジャケット７、上記エッチング・チャンバ
４の底部に開口し、図示されない真空系統に接続される
ことにより上記エッチング・チャンバ４の内部を図中矢
印Ａ方向に高真空排気するための排気孔８、上記エッチ
ング・チャンバ４を周回し、電子をサイクロイド運動さ
せるための磁界を形成するソレノイド・コイル９、上記
ウェハ載置電極１１にＲＦバイアスを印加するために図
示されない整合回路等を介して接続されるＲＦ電源１３
等を基本的な構成要素とする。

【００１７】ここで、本発明で使用されるＥＣＲプラズ
マ・エッチング装置には、従来の一般的な構成に加えて
以下のような工夫が施されている。まず、低温エッチン
グを可能とするために、上記ウェハ載置電極１１には冷
却配管１２が埋設されている。この冷却配管１２には、
装置外部に配設される図示されないチラー等の冷却設備
から冷媒が導入され、図中矢印Ｄ₁，Ｄ₂方向に循環さ
れるようになされている。ただし、ここで言う低温エッ
チングとは必ずしも０℃以下の冷却を要するものではな
く、プラズマ輻射熱による昇温を抑制してウェハ温度を
室温域に保持する場合も含めるものとする。

【００１８】また、上記エッチング・チャンバ４の内壁
部のうちソレノイド・コイル９に包囲される部分にはＳ
ｉ系材料層１４を設けた。このＳｉ系材料層１４は、エ
ッチング・チャンバ４の内壁部を連続的に周回している
必要はなく、たとえばブロック状やウェハ状の固体を内
壁部に貼り付けた構成を有するものであっても良い。こ
の具体的な配設方法としては、エッチング・チャンバ４
の内壁部にＣＶＤ法等によりアモルファス・シリコン層
や多結晶シリコン層を直接に成膜すること、シリコン・
カーバイド材を適当な形状に加工して貼り付けること、
単結晶シリコンからなるダミー・ウェハを貼り付けるこ
と等が考えられる。本実施例および後述の各実施例で
は、単結晶シリコンのダミー・ウェハを使用した。

【００１９】さらに、上記Ｓｉ系材料層１４の内周側に
は、図示されない駆動手段により昇降可能とされた昇降
式シャッタ１５を配設した。ここで、図１（ａ）は昇降
式シャッタ１５によりＳｉ系材料層１４がほぼ完全に遮
蔽された状態を示し、図１（ｂ）は上記昇降式シャッタ
１５を図中矢印Ｅ方向に下降させてＳｉ系材料層１４の
全面が露出された状態を示す。上記昇降式シャッタ１５
の配設状態をより明確に示すために、エッチング・チャ
ンバ４のうちソレノイド・コイル９に包囲される部分を
一部破断して示したものが図２であり、エッチング・チ
ャンバ４の側壁面、昇降式シャッタ１５、ウェハ載置電
極１１は全て同心的に配置されている。Ｓｉ系材料層１
４の露出面積は、円筒形の昇降式シャッタ１５の昇降距
離を制御することにより任意に調節できる。上記昇降式
シャッタ１５は、ラジカルを消費せず、かつエッチング
反応系内に不要な汚染を惹起させない材料を適宜選択し
て構成することができ、たとえばステンレス鋼、あるい
はアルミナ等のセラミクス系材料を使用することができ
る。本実施例および後述の各実施例では、ステンレス鋼
からなる昇降式シャッタ１５を採用した。

【００２０】かかる構成を有するＥＣＲプラズマ・エッ
チング装置の使用方法は、以下のとおりである。まず、
図１（ａ）に示されるようにＳｉ系材料層１４をほぼ昇
降式シャッタ１５によりＥＣＲプラズマＰから遮蔽した
状態では、ウェハ１０は高密度のラジカルを含むＥＣＲ
プラズマＰに曝されるので、高速エッチングが達成され
る。ただし、ＥＣＲ放電は低ガス圧下で行われかつイオ
ンの生成効率に優れることから、方向性の揃ったイオン
の照射も同時に起こる。したがって、高速性と共に高異
方性も達成される。一方、図１（ｂ）に示されるように
昇降式シャッタ１５を下降させてＳｉ系材料層１４を大
きく露出させた状態では、ＥＣＲプラズマＰ中のラジカ
ルの一部がＳｉ系材料層１４と接触するので、ラジカル
の一部はＳｉに捕捉されて蒸気圧の高いＳｉ化合物に変
化し、排気孔７を介して系外に除去される。このように
して、ラジカルの影響を極めて低減させた条件でエッチ
ングが行えるようになる。

【００２１】以下、上述のＥＣＲプラズマ・エッチング
装置を使用して実際にゲート電極加工を行った例につい
て説明する。まず、単結晶シリコン基板上にＳｉＯ₂か
らなるゲート絶縁膜を介してｎ⁺型不純物を含有する多
結晶シリコン層が形成され、さらに所定の形状にパター
ニングされたレジスト・マスクが形成されてなるウェハ
１０を用意した。このウェハ１０をウェハ載置電極１１
上にセットし、外部のチラーから冷却配管１２にエタノ
ール冷媒を循環させることにより該ウェハ１０の温度を
−７０℃に維持した。また、昇降式シャッタ１５はＳｉ
系材料層１４のほぼ全面を被覆する位置にセットした。
この状態で、一例としてＳ₂Ｆ₂流量５ＳＣＣＭ、ガス
圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）、マイクロ波パワー８
５０Ｗ、ＲＦバイアス・パワー３０Ｗ（２ＭＨｚ）の条
件で上記多結晶シリコン層のエッチングをジャスト・エ
ッチング状態まで行った。

【００２２】ここで使用されたＳ₂Ｆ₂は、本願出願人
が先に特願平２−１９８０４５号明細書において提案し
た４種類のフッ化イオウのうちのひとつである。Ｓ₂Ｆ
₂から放電解離により生成するＦ^*は多結晶シリコン層
のエッチングに寄与し、同じく気相中に生成するＳはパ
ターン側壁部に堆積して側壁保護効果を発揮した。さら
に、Ｓ₂Ｆ₂からはＳ⁺，ＳＦ_x ⁺，Ｆ⁺等のイオンも
生成し、これらがウェハ１０にほぼ垂直に入射してラジ
カル反応をアシストした。この結果、良好な異方性形状
を有するゲート電極の大部分が高速に形成された。

【００２３】次に、図１（ｂ）に示されるように昇降式
シャッタ１５を図中矢印Ｅ方向に下降させてＳｉ系材料
層１４の全面を露出させ、他は同様の条件にてオーバー
エッチングを行った。ここでは、Ｓ₂Ｆ₂の供給条件等
を特に変更しておらず、また多結晶シリコン層の被エッ
チング面積が減少しているために、Ｆ^*ラジカルは大過
剰となっている。しかし、ＥＣＲプラズマＰがエッチン
グ・チャンバ４の側壁部においてＳｉ系材料層１４と接
触するため、Ｆ^*はＳｉＦ_xの形でエッチング反応系外
へ除去された。この結果、エッチング系内の見掛け上の
Ｆ／Ｓ比が減少して相対的にＳの堆積が起こり易い条件
が整い、ゲート絶縁膜に対して約２０の選択比を維持し
ながら、多結晶シリコン層のオーバーエッチングを行う
ことができた。なお、パターン側壁部に堆積したＳは、
オーバーエッチング終了後にウェハ１０を約９０℃に加
熱することにより容易に昇華除去され、何らパーティク
ル汚染を惹起させることはなかった。

【００２４】ところで、本実施例ではエッチング・ガス
としてＳ₂Ｆ₂を使用したが、他にＳＦ₂，ＳＦ₄，Ｓ
₂Ｆ₁₀等のフッ化イオウを使用しても良く、さらにＳ₃
Ｃｌ₂，Ｓ₂Ｃｌ₂，ＳＣｌ₂等の塩化イオウ、あるい
はＳ₃Ｂｒ₂，Ｓ₂Ｂｒ₂，ＳＢｒ₂等の臭化イオウを
使用しても良い。また、エッチングの初めの段階からラ
ジカル生成量を低減させるために、エッチング・ガスに
Ｆ^*を捕捉し得るＨ₂，Ｈ₂Ｓ，シラン系ガス等を添加
しても良い。さらにあるいは、スパッタリング効果，希
釈効果，冷却効果等を期待する意味で、Ｈｅ，Ａｒ等の
希ガスを適宜添加しても良い。また、ジャスト・エッチ
ングおよびオーバーエッチングの条件は上述の条件に限
られるものではなく、たとえばオーバーエッチング時に
ＲＦバイアスのパワーを低下させたり、ＲＦ周波数を増
大させることにより、より優れた対下地選択性および低
ダメージ性を達成することも可能である。さらに、昇降
式シャッタ１５の表面に堆積したＳは、予め該昇降式シ
ャッタ１５に加熱機構を付与しておき、これを１回のエ
ッチングが終了するごとに作動させて昇華除去するか、
あるいは枚葉処理の合間にプラズマ・クリーニングを行
うこと等により除去することができる。これは、エッチ
ング反応系内の経時的なＦ／Ｓ比の低下を防止する上で
有効である。

【００２５】実施例２本実施例は、本発明をコンタクト・ホール加工に適用し
た例であり、Ｃ₄Ｆ₈（オクタフルオロシクロブタン，
別名フロンＣ３１８）をエッチング・ガスとして供給し
ながらＳｉＯ₂層間絶縁膜のエッチングおよびオーバー
エッチングを行った例である。本実施例で使用するＥＣ
Ｒプラズマ・エッチング装置は、図１に示されるものと
同様である。ただし、図中に記入されているＥＣＲプラ
ズマＰ中の化学種のうち、Ｓ⁺，ＳＦ_x ⁺は本実施例で
は生成せず、代わりにＣＦ_x ⁺が生成する。本実施例で
エッチング・サンプルとして使用したウェハ１０は、単
結晶シリコン基板上にＳｉＯ₂からなる層間絶縁膜が形
成され、さらにその上に所定の形状にパターニングされ
たレジスト・マスクが形成されてなるものである。この
ウェハ１０をウェハ載置電極１１上にセットし、冷却配
管１２にエタノール冷媒を循環させることにより該ウェ
ハ１０を０℃に保持した。昇降式シャッタ１５は、Ｓｉ
系材料層１４をほぼ被覆する位置にセットした。この状
態で、一例としてＣ₄Ｆ₈流量５０ＳＣＣＭ、ガス圧
１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）、マイクロ波パワー８５
０Ｗ、ＲＦバイアス・パワー５０Ｗ（２ＭＨｚ）を印加
しながら上記ＳｉＯ₂層間絶縁膜のエッチングをジャス
ト・エッチング状態まで行った。

【００２６】ここで使用されたＣ₄Ｆ₈は、本願出願人
が先に特願平３−４０９９６号明細書において提案した
飽和環状フルオロカーボン系ガスのひとつである。Ｃ₄
Ｆ₈は１分子から２個以上のＣＦ_x ⁺を生成して高速エ
ッチングに寄与する他、プラズマ中における炭素骨格の
切断により重合に有利な化学種を生成するので効率良く
炭素系ポリマーを堆積させることができる。この炭素系
ポリマーがパターン側壁部に堆積して側壁保護膜を形成
することにより、ガス系に堆積性カーボン系ガスが添加
されていないにもかかわらず、良好な異方性形状を有す
るコンタクト・ホールがほぼ形成された。また、上記炭
素系ポリマーはレジスト・マスクの表面にも堆積して対
レジスト選択比の向上にも寄与した。

【００２７】次に、図１（ｂ）に示されるように昇降式
シャッタ１５を下降させてＳｉ系材料層１４の全面を露
出させ、他は同様の条件にてオーバーエッチングを行っ
た。ここでは、Ｃ₃Ｆ₈の供給条件を特に変更しておら
ず、またＳｉＯ₂層間絶縁膜の被エッチング面積が減少
しているために、Ｆ^*ラジカルは大過剰となっている。
しかし、ＥＣＲプラズマＰがエッチング・チャンバ４の
側壁部においてＳｉ系材料層１４と接触するため、Ｆ^*
はＳｉＦ_xの形でエッチング反応系外へ除去された。こ
の結果、エッチング系内の見掛け上のＦ／Ｃ比が減少し
て相対的に炭素系ポリマーの堆積が起こり易い条件が整
い、単結晶シリコン基板に対して約２０の選択比を維持
しながら、ＳｉＯ₂層間絶縁膜のオーバーエッチングを
行うことができた。

【００２８】ところで、本実施例ではエッチング・ガス
として環状化合物であるＣ₄Ｆ₈を使用したが、同じ組
成式で表される直鎖状のオクタフルオロブテンを使用し
てもほぼ同様の結果が得られる。さらに、本願出願人が
これまでに一連の出願により提案しているごとく、飽和
環状，不飽和環状，飽和鎖状，不飽和鎖状等の構造を有
する各種の高次フルオロカーボン系化合物を使用しても
良い。

【００２９】実施例３本実施例は、本発明をゲート電極加工に適用し、ＨＢｒ
／ＳＦ₆混合ガスを用いてポリサイド膜をエッチングす
るに際し、上層側のタングステン・シリサイド（ＷＳｉ
_x）層のエッチング時と下層側の多結晶シリコン層のエ
ッチング時とでＥＣＲプラズマＰとＳｉ系材料層の接触
面積を変化させた例である。

【００３０】本実施例では、図２に示されるＥＣＲプラ
ズマ・エッチング装置とは異なり、昇降式シャッタの昇
降ではなく、回転式シャッタの回転角によりＳｉ系材料
層の露出面積を制御できるＥＣＲプラズマ・エッチング
装置を用いた。上記ＥＣＲプラズマ・エッチング装置の
概略的な断面図を示すと図１と同様であるが、エッチン
グ・チャンバ４のうちソレノイド・コイル９に包囲され
る部分を一部破断して示す斜視図は図３のようになる。
すなわち、本実施例で使用される装置は、スリット状の
開口部１６ａを有する回転式シャッタ１６を備えてお
り、またＳｉ系材料層１４ａも上記開口部１６ａの開口
パターンに倣って帯状に形成されている。上記回転式シ
ャッタ１６は、図示されない駆動手段により図中矢印Ｆ
方向に回転可能となされている。

【００３１】ここで、回転式シャッタ１６とＳｉ系材料
層１４ａの位置関係について図４（ａ）および（ｂ）を
参照しながら説明する。これらの図は、図３のＧ−Ｇ線
断面図であり、（ａ）はＳｉ系材料層１４ａが回転式シ
ャッタ１６に遮蔽された状態、（ｂ）はＳｉ系材料層１
４ａのほぼ全面が開口部１６ａを介して露出された状態
を示している。すなわち、図４（ａ）に示される状態で
は、ウェハ１０を高密度のラジカルを含むＥＣＲプラズ
マＰに曝した状態で高速エッチングを行うことができ、
図４（ｂ）に示される状態では過剰ラジカルの影響を低
減させた条件でエッチングを行うことができる。

【００３２】上述のＥＣＲプラズマ・エッチング装置を
使用して実際にポリサイド膜のエッチングを行った。本
実施例でエッチング・サンプルとして使用したウェハ１
０は、単結晶シリコン基板上にＳｉＯ₂からなるゲート
絶縁膜を介してポリサイド膜が形成され、さらにその上
に所定の形状にパターニングされたレジスト・マスクが
形成されてなるものである。ここで、上記ポリサイド膜
の下層側はｎ⁺型不純物を含有する多結晶シリコン層、
上層側はＷＳｉ_x層である。このウェハ１０をウェハ載
置電極１１上にセットし、冷却配管１２にエタノール冷
媒を循環させることにより該ウェハ１０を１５℃に保持
した。また、回転式シャッタ１６は、図４（ａ）に示さ
れるようにＳｉ系材料層１４ａを遮蔽する状態にセット
した。ここで、一例としてＨＢｒ流量３５ＳＣＣＭ，Ｓ
Ｆ₆流量１５ＳＣＣＭ，ガス圧を１．３Ｐａ（１０ｍＴ
ｏｒｒ）、マイクロ波パワー８５０Ｗ、ＲＦバイアス・
パワー１００Ｗの条件で、上層側のＷＳｉ_x層をエッチ
ングした。

【００３３】この過程では、ＳＦ₆から生成するＦ^*お
よびＨＢｒから生成するＢｒ^*によるラジカル反応が、
ＳＦ_x ⁺，Ｂｒ⁺，Ｆ⁺等の入射イオンによりアシスト
される機構でエッチングが進行した。このとき、低温冷
却されたウェハ上のパターン側壁部には、レジスト・マ
スクとＢｒとの反応生成物であるＣＢｒ_x、および蒸気
圧の低いエッチング反応生成物であるＳｉＢｒ_xやＷＢ
ｒ_x等が堆積し、側壁保護膜が形成された。これによ
り、ＷＳｉ_x層は良好な異方性形状にパターニングされ
た。なお、上記ＷＳｉ_x層のエッチング終点は、以前に
本発明者を含むグループがたとえば月刊セミコンダクタ
・ワールド１９９０年７月号８０〜８４ページに報告し
たように、発光スペクトルをモニタすることにより判定
した。すなわち、４５０〜６５０ｎｍの広い波長域にお
ける全体的な発光強度の減少、もしくは５０５ｎｍにお
ける発光ピーク強度の急激な減少をもって判定した。

【００３４】次に、上記回転式シャッタ１６を矢印Ｆ方
向に回転させ、図４（ｂ）に示されるようにＳｉ系材料
層１４ａを開口部１６ａを介してエッチング・チャンバ
４内に露出させた。この状態で、上述と同じ条件にて下
層側の多結晶シリコン層をチングした。ここでは、ＥＣ
ＲプラズマＰのＦ^*，Ｂｒ^*等のラジカルがＳｉ系材料
層１４ａとの反応で消費され、それぞれＳｉＦ_x，Ｓｉ
Ｂｒ_xの形でエッチング反応系外へ除去された。この結
果、相対的にラジカル性が弱められ、各種生成物の堆積
に有利な条件が整い、ゲート絶縁膜に対して約２０の選
択比を維持しながら、多結晶シリコン層のオーバーエッ
チングを行うことができた。また多結晶シリコン層にア
ンダカットや逆テーパ形状のような形状異常が発生する
こともなかった。

【００３５】なお、本実施例ではエッチング・ガス中の
フッ素系ガスとしてＳＦ₆を使用したが、この代わりに
ＮＦ₃，ＣｌＦ₃，Ｆ₂，ＨＦ等を使用しても良い。ポ
リサイド膜の上層側の高融点金属シリサイド層としては
ＷＳｉ_x層を取り上げたが、ＭｏＳｉ_x，ＴｉＳｉ_x，
ＴａＳｉ_x等の他の高融点金属シリサイド層であっても
良い。Ｓｉ系材料層１４ａの形状，数，設置場所等は適
宜変更して構わない。さらに、回転式シャッタ１６の回
転を任意の場所で停止してＳｉ系材料層１４ａの露出面
積を微調整することもできる。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明ではＥＣＲプラズマ装置の処理チャンバの内壁部の一
部に設けられたＳｉ系材料層の露出面積を昇降式，回転
式等のシャッタ部材を用いて変化させることにより該Ｓ
ｉ系材料層とＥＣＲプラズマとの接触面積を変化させる
という巧妙な手法により、ラジカルの生成量と堆積物の
生成量のバランスを容易に変化させることができる。し
たがって、ジャスト・エッチング時とオーバーエッチン
グ時との間、あるいはポリサイド・ゲート電極加工にお
ける高融点金属シリサイド層のエッチング時と多結晶シ
リコン層のエッチング時との間のように、エッチング・
プロセスの途中でラジカル生成量を低減させる必要があ
る場合等において、対下地選択性の向上が可能となり、
また異方性形状の劣化が防止される。しかも、本発明で
はこれらの条件の切り換え時にエッチング・ガスの組成
を変更しないので、安定したマイクロ波放電を継続させ
たまま、スループットを低下させずに再現性の高い異方
性エッチングを行うことが可能となる。本発明は微細な
デザイン・ルールにもとづいて設計され、高集積度およ
び高性能を有する半導体装置の製造において特に有効で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のドライエッチング方法を実施するにあ
たり使用されるＲＦバイアス印加型ＥＣＲプラズマ・エ
ッチング装置の一構成例、および多結晶シリコン・ゲー
ト電極加工における使用例を示す概略断面図であり、
（ａ）はジャスト・エッチングまでの使用状態、（ｂ）
はオーバーエッチング時の使用状態をそれぞれ表す。

【図２】上記図１に示されるＥＣＲプラズマ・エッチン
グ装置の昇降式シャッタおよびその周辺部材を一部破断
して示す概略斜視図である。

【図３】本発明のドライエッチング方法を実施するにあ
たり使用されるＲＦバイアス印加型ＥＣＲプラズマ・エ
ッチング装置の他の構成例において、回転式シャッタお
よびその周辺部材を一部破断して示す概略斜視図であ
る。

【図４】上記図３のＧ−Ｇ線断面図であり、（ａ）は回
転式シャッタによりＳｉ系材料層が遮蔽された状態、
（ｂ）はＳｉ系材料層がエッチング・チャンバ内に露出
された状態をそれぞれ表す。

【符号の説明】４・・・エッチング・チャンバ１０・・・ウェハ１１・・・ウェハ載置電極１４，１４ａ・・・Ｓｉ系材料層１５・・・昇降式シャッタ１６・・・回転式シャッタ１６ａ・・・開口部Ｐ・・・ＥＣＲプラズマ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】処理チャンバの内壁部の少なくとも一部
がラジカルの生成量をコントロールするためのシリコン
系材料層により被覆されてなり、かつ上記シリコン系材
料層の露出面積を可変となし得るシャッタ部材を備えた
ＥＣＲプラズマ装置を使用し、上記シャッタ部材の操作
によりＥＣＲプラズマと上記ラジカルの生成量をコント
ロールするためのシリコン系材料層との接触面積を変化
させながら被エッチング材料層をエッチングすることを
特徴とするドライエッチング方法。