JP4541193B2 - エッチング方法 - Google Patents

Description

本発明は，シリコン酸化膜に対し選択的にシリコン窒化膜をエッチングするエッチング方法と，エッチング装置に関する。

ＩＣやＬＳＩなどの半導体デバイスの製造プロセスにおいて，例えばコンタクトホールなどを形成する際に，シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）をマスクとしたシリコン窒化膜（ＳｉＮ_ｘ膜）のエッチングが行われている。

このエッチングは，通常プラズマエッチング装置において行われている。プラズマエッチング装置では，例えば処理室内において，シリコン窒化膜とシリコン窒化膜が形成された基板を下部電極に載置し，上部電極と下部電極に高周波電力を印加し，処理室内に処理ガスを導入して，プラズマの作用によりシリコン窒化膜をエッチングしている。

従来，上述のシリコン窒化膜のエッチングでは，処理ガスとしてＣＨＦ_３ガス，Ｏ_２ガス及びＡｒガスからなる混合ガスが用いられていた。しかしながら，この混合ガスを用いた場合，シリコン酸化膜に対するシリコン窒化膜の選択比（「シリコン窒化膜のエッチングレート」/「シリコン酸化膜のエッチングレート」）が２．０程度と低かった。

そこで，シリコン酸化膜に対するシリコン窒化膜の選択比を高くするために，処理ガスとして，ＣＨ_２Ｆ_２ガス，Ｏ_２ガス及びＡｒの混合ガスを用いることが提案されている（例えば，特許文献１参照。）。

再公表ＷＯ９８/１６９５０号公報

しかしながら，ＣＨ_２Ｆ_２ガス，Ｏ_２ガス及びＡｒガスの混合ガスを用いた場合，選択比は向上されるが，今度は，シリコン窒化膜の溝の側壁方向にエッチングが進行し側壁が凹形になるボーイング現象や，溝内の側壁に反応生成物が付着し堆積する現象が生じ，適正な形状にシリコン窒化膜がエッチングされない場合があった。適正な形状にシリコン窒化膜がエッチングされないと，例えばより微細で高い寸法精度のコンタクトホールが形成されず，引いては半導体デバイスの高性能化が図れない。

本発明は，かかる点に鑑みてなされたものであり，ウェハなどの被処理体のシリコン酸化膜に対して選択的にシリコン窒化膜をエッチングする際に，シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との高い選択性を確保しつつ，良好な形状にシリコン窒化膜をエッチングすることをその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は，電極を有する処理室内において，処理ガスを用いて，シリコン酸化膜に対して選択的にシリコン窒化膜をエッチングする方法であって，シリコン酸化膜とシリコン窒化膜を有する被処理体を前記電極に載置する工程と，前記処理室内に処理ガスとしてＣＦ_４ガス，Ｈ_２ガス及びＮ_２ガスの混合ガスを導入し，前記電極に０．２０Ｗ／ｃｍ ^２ 以上，０．２０Ｗ／ｃｍ^２以下の高周波電力を印加し，前記処理室内の圧力を０．６７Ｐａ以上，４Ｐａ以下にして，前記シリコン窒化膜をエッチングする工程と，を有し，前記Ｈ _２ ガスに対するＣＦ _４ ガスの比率が容積比で３．１〜４．４％になるように，前記処理室内に処理ガスを導入することを特徴とする。

本発明のエッチング方法によれば，シリコン酸化膜に対するシリコン窒化膜の選択比を高くしつつ，良好な形状にシリコン窒化膜をエッチングできる。

前記エッチング方法において，前記シリコン酸化膜をマスクとし，ケイ化ニッケル膜を下地膜として前記シリコン窒化膜をエッチングしてもよい。また，前記電極に対向配置された他の電極にも高周波電力を印加して，前記シリコン窒化膜をエッチングしてもよい。

本発明によれば，シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との高い選択性を維持しつつ，シリコン窒化膜を適正な形状にエッチングできるので，例えば半導体デバイスの性能を向上できる。

以下，本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は，本発明にかかるエッチング方法が実施される平行平板型のプラズマエッチング装置１の構成の概略を示す縦断面図である。

プラズマエッチング装置１は，例えば略円筒形状の処理容器１０を有している。処理容器１０の内部には，処理室Ｓが形成されている。処理容器１０は，例えばアルミニウム合金により形成され，内壁面がアルミナ膜又はイットリウム酸化膜により被覆されている。処理容器１０は，接地されている。

処理容器１０内の中央の底部には，絶縁板１１を介在して円柱状のサセプタ支持台１２が設けられている。サセプタ支持台１２上には，ウェハＷを載置するサセプタ１３が支持されている。サセプタ１３は，下部電極を構成している。サセプタ１３は，例えば上面中央部が凸状の円板形状に形成され，例えばアルミニウム合金により形成されている。

サセプタ１３の上部には，ウェハＷを保持する静電チャック１４が形成されている。静電チャック１４は，内部に直流電源１５に接続された電極層１６を有しており，直流電源１５から電極層１６に直流電圧を印加し，クーロン力を発生させて，サセプタ１３の上面にウェハＷを吸着できる。なお，本実施の形態におけるサセプタ１３の上面は，３００ｍｍの直径のウェハＷよりも大きく形成されており，例えば直径３６０ｍｍの円形に形成されている。

サセプタ１３の上部の外周部には，環状のフォーカスリング１７が設けられている。フォーカスリング１７は，静電チャック１４上に載置されたウェハＷを囲むように形成されている。フォーカスリング１７は，例えば導電性材料によって形成されている。なお，フォーカスリング１７は，例えばセラミック又は石英などの絶縁性材料によって形成されていてもよい。

サセプタ支持台１２の内部には，リング状の冷媒室１８が形成されている。冷媒室１８は，配管１８ａ，１８ｂを通じて，処理容器１０の外部に設置されたチラーユニット（図示せず）に連通している。冷媒室１８には，配管１８ａ，１８ｂを通じて冷媒又は冷却水が循環供給され，この循環供給によりサセプタ１３上のウェハＷの温度を制御できる。

静電チャック１４の上面には，サセプタ１３及びサセプタ支持台１２内を通るガス供給ライン１９が通じており，ウェハＷと静電チャック１４との間にＨｅガスなどの伝熱ガスを供給できる。

サセプタ１３には，整合器２０を介して第１の高周波電源２１が電気的に接続されている。第１の高周波電源２１は，例えば２〜２０ＭＨｚの範囲，例えば２ＭＨｚの周波数の高周波電力を出力しサセプタ１３に印加できる。これにより，処理ガスのプラズマ中のイオンを引き込むためのバイアス電圧を生成することができる。

サセプタ１３には，後述する上部電極３０側の第２の高周波電源５１からの高周波をグランドに通すためのハイパスフィルタ２２が電気的に接続されている。

サセプタ１３の上方には，サセプタ１３と平行に対向する他の電極としての上部電極３０が設けられている。サセプタ１３と上部電極３０との間には，プラズマ生成空間が形成される。

上部電極３０は，サセプタ１３に載置されたウェハＷ上に処理ガスを噴出するシャワーヘッドを構成している。上部電極３０は，例えばサセプタ１３に対向する電極板３１と，当該電極板３１を支持する電極支持体３２によって構成されている。電極支持体３２は，例えば中空の略円筒状に形成され，その下面に電極板３１が設けられている。電極板３１には，多数のガス噴出孔３１ａが形成されており，電極支持体３２内に導入された処理ガスをガス噴出孔３１ａから噴出できる。なお，本実施の形態における上部電極３０の下面は，例えば直径３７６ｍｍの円形に形成されている。

上部電極３０の電極支持体３２の上面の中央部には，ガス供給管４０が接続されている。ガス供給管４０は，処理容器１０の上面を貫通し，その後分岐して，例えば３つのガス供給源４１ａ，４１ｂ，４１ｃに接続されている。ガス供給管４０と処理容器１０との接触部には，絶縁材４２が介在されている。

本実施の形態においては，ガス供給源４１ａには，ＣＦ_４ガスが封入されており，ガス供給源４１ｂには，Ｈ_２ガスが封入されており。ガス供給源４１ｃには，Ｎ_２ガスが封入されている。各ガス供給源４１ａ，４１ｂ，４１ｃに通じるガス供給管４０の分岐管には，それぞれマスフローコントローラ４３が設けられている。これにより，各ガス供給源４１ａ〜４１ｃからのガスを所定の流量比で混合して処理室Ｓに供給できる。なお，各マスフローコントローラ４３における流量制御は，後述する装置制御部８０により行われている。なお，本実施の形態においては，ガス供給管４０，ガス供給源４１ａ〜４１ｃ，マスフローコントローラ４３により，処理ガス導入装置が構成されている。

上部電極３０には，整合器５０を介して第２の高周波電源５１が電気的に接続されている。第２の高周波電源５１は，例えば４０Ｍ以上，例えば６０ＭＨｚの周波数の高周波電力を出力し上部電極３０に印加できる。これにより，処理ガスのプラズマを生成することができる。

上部電極３０には，サセプタ１３側の第１の高周波電源２１からの高周波をグランドに通すためのローパスフィルタ５２が電気的に接続されている。

処理容器１０の底部には，排気口６０が形成されている。排気口６０は，排気管６１を通じて，真空ポンプなどを備えた圧力調整装置としての排気装置６２に接続されている。排気装置６２により，処理容器１０内の所望の圧力に減圧できる。

処理容器１０の側壁には，ゲートバルブ７０が設けられている。ゲートバルブ７０を開放することによって，処理容器１０内にウェハＷを搬入出できる。

プラズマエッチング装置１には，エッチングを所定の処理条件で行うために各種諸元を制御する装置制御部８０が設けられている。装置制御部８０は，例えば高周波電源２１，５１の出力を調整することによって，サセプタ１３と上部電極３０に印加する高周波電力を制御できる。装置制御部８０は，マスフローコントローラ４３の流量設定を調整することによって，処理室Ｓへの処理ガスの供給量，混合比を制御できる。さらに，装置制御部８０は，排気装置６２の出力を調整することによって，処理室Ｓ内の圧力を制御できる。

次に，プラズマエッチング装置１によって，エッチングされるウェハＷの膜構造の一例について説明する。図２は，かかるウェハＷの膜構造の縦断面図である。

ウェハＷは，図２に示すようにシリコン基板９０上に，金属膜となるＮｉＳｉからなるケイ化ニッケル膜９１，Ｓｉ_３Ｎ_４からなるシリコン窒化膜９２，ＳｉＯ_２からなるシリコン酸化膜９３を下から順に備えている。シリコン酸化膜５は，フォトリソグラフィー技術によりパターン化されている。この膜構造は，例えばトランジスタの製造プロセスにおいて，シリコン酸化膜９３をマスクとしてシリコン窒化膜９２をトレンチ（溝）状にエッチングし，例えば下地膜となるケイ化ニッケル膜９１に通じるコンタクトホールを形成する場合などに用いられる。

次に，プラズマエッチング装置１を用いて，ウェハＷのシリコン窒化膜９２をエッチングするプロセスについて説明する。なお，以下の例では，直径３００ｍｍのウェハＷを処理する場合について説明する。

先ず，ウェハＷが処理容器１０内に収容され，サセプタ１３上に吸着保持される。続いて，排気装置６２により処理室Ｓ内が排気され，処理室Ｓ内の圧力が４．０Ｐａ（３０ｍＴｏｒｒ）以下に減圧される。上部電極３０からは，処理ガスとしてＣＦ_４ガス，Ｈ_２ガス及びＮ_２ガスからなる混合ガスが処理室Ｓ内に導入される。この混合ガスは，Ｈ_２ガスに対するＣＦ_４ガスの容積比が３．１〜４．４％になるように導入される。また，例えばＮ_２ガスとＨ_２ガスを合わせた総容積に対するＮ_２ガスの容積比が１０％未満，つまりＮ_２ガス／（Ｎ_２ガス＋Ｈ_２ガス）＜０．１になるように，Ｎ_２ガスの流量が調整されている。第２の高周波電源５１により，上部電極３０に所定の高周波電力が印加され，第１の高周波電源２１により，サセプタ１３に２００Ｗ以下のバイアス高周波電力が印加される。つまり，直径３６ｍｍの円形のサセプタ１３の上面には，０．２０Ｗ／ｃｍ^２以下の高周波電力が印加される。これにより，処理室Ｓ内の処理ガスから反応性プラズマが生成され，この反応性プラズマの作用により，図３に示すようにウェハＷのシリコン酸化膜９３をマスクとしてシリコン窒化膜９２が選択的にエッチングされる。

以下，上記処理条件でエッチングを行った場合のシリコン酸化膜９３に対するシリコン窒化膜９２の選択比と，シリコン窒化膜９２のエッチング状態について検証する。

図４は，処理条件の異なる実験ａ，ｂにおいて，サセプタ１３に印加する高周波電力を２００Ｗ（０．２０Ｗ/ｃｍ^２）と１５０Ｗ（０．１５Ｗ/ｃｍ^２）に変えてエッチングした場合の，シリコン酸化膜９３に対するシリコン窒化膜９２の選択比Ｅ（「シリコン窒化膜９２のエッチングレート」/「シリコン酸化膜９３のエッチングレート」）を示す実験結果である。また，図５は，各実験ａ，ｂにおける選択比Ｅの推移を示すグラフである。

実験ａは，上部電極３０への高周波電力を２０００Ｗ（１．８０Ｗ/ｃｍ^２）に固定し，処理ガスの流量をＣＦ_４ガス/Ｈ_２ガス/Ｎ_２ガス＝２０/４５０/５０（ｃｍ^３/ｍｉｎ）に固定して行われた。実験ｂは，上部電極３０への高周波電力を２０００Ｗ（１．８０Ｗ/ｃｍ^２）に固定し，処理ガスの流量をＣＦ_４ガス/Ｈ_２ガス/Ｎ_２ガス＝２８/９００/７０（ｃｍ^３/ｍｉｎ）に固定して行われたものである。

２つの実験ａ，ｂの結果から，サセプタ１３への高周波電力を２００Ｗ（０．２０Ｗ/ｃｍ^２）から１５０Ｗ（０．１５Ｗ/ｃｍ^２）に減少させることにより選択比Ｅが上昇する傾向があることが確認できる。また，サセプタ１３の高周波電力が２００Ｗ（０．２０Ｗ/ｃｍ^２）の場合でも，選択比Ｅが２．４以上になっている。したがって，サセプタ１３の高周波電力を２００Ｗ（０．２０Ｗ/ｃｍ^２）以下にすることにより，２．４以上の高い選択比Ｅが得られる。

図６は，処理室Ｓ内の圧力を変えてエッチングを行った場合のシリコン窒化膜９２のエッチング状態を示す写真である。

図６に示すように処理室Ｓ内の圧力を６．６７Ｐａ(５０ｍＴｏｒｒ)の場合には，シリコン窒化膜９２の溝内に反応生成物の堆積物が見られ，さらに溝の下部にボーイングが見られる。処理室Ｓ内の圧力を４．０Ｐａ（３０ｍＴｏｒｒ）にした場合には，シリコン窒化膜９２の溝内の堆積物がほぼ見られず，溝の下部のボーイングもほとんど見られない。さらに処理室Ｓの圧力を２．６７Ｐａ(２０ｍＴｏｒｒ)にした場合には，堆積物もボーイングも見られない。

このように処理室Ｓ内の圧力を４．０Ｐａ以下にすることにより，堆積物とボーイングが減少し，良好なエッチング形状が得られる。また，処理室Ｓの圧力を２．６７Ｐａ以下に減圧すると，さらに良好なエッチング形状が得られる。

以上のように，処理ガスとしてＣＦ_４ガス，Ｈ_２ガス及びＮ_２ガスからなる混合ガスを用いて，シリコン酸化膜９３に対して選択的にシリコン窒化膜９２をエッチングする場合に，サセプタ１３の高周波電力を２００Ｗ（０．２０Ｗ/ｃｍ^２）以下にし，処理室Ｓ内の圧力を４．０Ｐａ以下にすることにより，高い選択比Ｅが得られ，なおかつ良好なエッチング形状が得られる。なお，サセプタ１３の高周波電力は，２０Ｗ（０．０２Ｗ/ｃｍ^２）以上が望ましい。また，処理室Ｓ内の圧力は，０．６７Ｐａ（５ｍＴｏｒｒ）以上が望ましい。

図７は，異なる処理条件の実験ｃ，ｄにおいて，処理ガスのＨ_２ガスに対するＣＦ_４ガスの混合比率を３．１％，４．４％に変えてエッチングを行った場合のシリコン酸化膜９３に対するシリコン窒化膜９２の選択比Ｅを示す実験結果である。図８は，各実験ｃ，ｄにおける選択比Ｅの推移を示すグラフである。

実験ｃは，上部電極３０への高周波電力を２０００Ｗ（１．８０Ｗ/ｃｍ^２）に固定し，サセプタ１３への高周波電力を２００Ｗ（０．２０Ｗ/ｃｍ^２）に固定して行われた。実験ｄは，上部電極３０への高周波電力を２０００Ｗ（１．８０Ｗ/ｃｍ^２）に固定し，サセプタ１３への高周波電力を１５０Ｗ（０．１５Ｗ/ｃｍ^２）に固定して行われた。

２つの実験ｃ，ｄの結果から，Ｈ_２ガスに対するＣＦ_４ガスの混合比率を３．１％，４．４％にした場合に，選択比Ｅが２．４以上になることが確認できる。また，同じ処理条件で，Ｈ_２ガスに対するＣＦ_４ガスの混合比率３．１％から４．４％に増加させることにより選択比Ｅが上昇する傾向があることが確認できる。その一方で，Ｈ_２ガスに対するＣＦ_４ガスの混合比率を上げ過ぎると，シリコン酸化膜９３のエッチングレートが高くなり，選択比Ｅが低下することが発明者によって確認されている。したがって，Ｈ_２ガスに対するＣＦ_４ガスの混合比率を容積比で少なくとも３．１〜４．４％にすることにより，２．４以上の高い選択比Ｅが得られる。

また，上記実施の形態におけるエッチングによれば，従来のようにＯ_２ガスとＡｒガスが用いられず，Ｈ_２ガスとＮ_２ガスが用いられるので，下地膜であるケイ化ニッケル膜９１が処理ガスにより変質したりスパッタされることがないので，下地膜へのダメージも抑制できる。

以上の実施の形態におけるエッチングでは，シリコン窒化膜のシリコン酸化膜に対する選択性が確保されるので，図９に示すように下地膜の一部分がシリコン酸化膜１００で他の部分がケイ化ニッケル膜９１の場合にも，良好な形状のエッチングを行うことができる。この膜構造は，例えばＬＯＣＯＳ(Local Ｏｘidation of Silicon)プロセスにより形成されたフィールド酸化膜の近傍にコンタクトホールを形成する場合などに用いられる。なお，下地膜が総てシリコン酸化膜であっても同様な効果が得られる。

以上，本発明の実施の形態の一例について説明したが，本発明はこの例に限らず種々の態様を採りうるものである。例えば本実施の形態では，シリコン酸化膜９３をマスクとしてシリコン窒化膜９２をエッチングするものであったが，本発明は，シリコン酸化膜に対して選択的にシリコン窒化膜をエッチングするものであれば，他の膜構造であっても適用できる。またケイ化ニッケル膜はＮｉＳｉであったが，Nｉ_３Ｓｉ，Nｉ_５Ｓｉ_２，Nｉ_２Ｓｉ，Nｉ_３Ｓｉ_２，NｉＳｉ_２などの他のＮｉＳｉ系のものであってもよい。さらに，上記実施の形態では，上部電極３０とサセプタ１３の両方に高周波電力を印加していたが，本発明は，サセプタ１３（下部電極）にプラズマ生成用の高周波電力とバイアス電圧を生成するための高周波電力の両方を印加する場合にも適用できる。また，本発明は，上部電極３０の代わりにアンテナに高周波を印加してプラズマを生成するＩＣＰ（誘導結合プラズマ）などによるエッチング方法にも適用できる。また，本発明は，半導体ウェハ以外の，ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）やフォトマスク用のマスクレチクルなどの他の被処理体のエッチングに対して適用できる。

本発明は，被処理体のシリコン酸化膜に対して選択的にシリコン窒化膜をエッチングする際に有用である。

本実施の形態におけるプラズマエッチング装置の構成の概略を示す縦断面図である。 本実施の形態においてエッチングされる膜構造を示すウェハの縦断面図である。 エッチング後のウェハの縦断面図である。 実験ａ，ｂの実験結果を示す表である。 実験ａ，ｂにおける選択比の推移を示すグラフである。 処理室内の圧力を変えた場合のエッチング状態を示す写真である。 実験ｃ，ｄの実験結果を示す表である。 実験ｃ，ｄにおける選択比の推移を示すグラフである。 下地膜の一部がシリコン酸化膜になっている場合のウェハの縦断面図である。

符号の説明

１ プラズマエッチング装置
１３ サセプタ
２１ 第１の高周波電源
３０ 上部電極
８０ 装置制御部
Ｓ 処理室
Ｗ ウェハ

Claims (3)

1. 電極を有する処理室内において，処理ガスを用いて，シリコン酸化膜に対して選択的にシリコン窒化膜をエッチングする方法であって，
   シリコン酸化膜とシリコン窒化膜を有する被処理体を前記電極に載置する工程と，
   前記処理室内に処理ガスとしてＣＦ_４ガス，Ｈ_２ガス及びＮ_２ガスの混合ガスを導入し，前記電極に０．０２Ｗ／ｃｍ^２以上，０．２０Ｗ／ｃｍ^２以下の高周波電力を印加し，前記処理室内の圧力を０．６７Ｐａ以上，４Ｐａ以下にして，前記シリコン窒化膜をエッチングする工程と，を有し，
   前記Ｈ_２ガスに対するＣＦ_４ガスの比率が容積比で３．１〜４．４％になるように，前記処理室内に処理ガスを導入することを特徴とする，エッチング方法。
2. 前記シリコン酸化膜をマスクとし，ケイ化ニッケル膜を下地膜として前記シリコン窒化膜をエッチングすることを特徴とする，請求項１に記載のエッチング方法。
3. 前記電極に対向配置された他の電極に高周波電力を印加して，前記シリコン窒化膜をエッチングすることを特徴とする，請求項１又は２のいずれかに記載のエッチング方法。