JPH01161839A - 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】 Ａ、産業上の利用分野 この発明は、各種の材料のエツチングに有用なプラズマ
化学に関するものである。

Ｂ、従来技術 プラズマ・エッチジグは、集積回路を形成する各種の層
内にパターンを描くためのすぐれた方法として、湿式エ
ツチングに代わって用いられている。一般に、湿式エッ
チ液に比較して、プラズマ・エッチングはエッチ速度が
高く、異方性が大きく（すなわち輪郭の垂直度が高＜）
、異物による汚染が低い。プラズマ・エッチングでは、
１つの気体（または複数の気体の混合物）をイオン化し
て、プラズマを生成させる。装置の条件（たとえば圧力
、電力、電極にかけるバイアス等）及びイオンの性質に
より、露出した材料は”物理的”、”化学的”、または
物理化学的にエツチングされる。物理的エッチ・モード
では、イオンは露出する材料に対して不活性であるが、
露出表面から原子を物理的に放出させるのに十分なエネ
ルギーを有している。化学的モードでは、イオンは露出
表面と化学的に反応して、気体の反応生成物を生成する
。

この反応生成物は、ポンプで除去される。反応性イオン
・エツチング（ＲＩＥ）では、物理的、化学的エツチン
グの両方が行なわれる。すなわち、イオンは表面と化学
的に反応するが、これらのイオンは、露出表面と、イオ
ンの衝突の方向との角度の関数として、反応速度を高め
るのに十分なエネルギーを有する。

これまで、これらのプラズマを生成させるための各種の
混合気体が開示されている。これらの混合気体中、重要
なものに、ハロゲン・ガス、特に塩素及びフッ素を含有
するものがある。これらの気体は、露出表面と容易に反
応して、揮発性反応生成物の生成速度を高める。

米国再発行特許第ＲＥ３０５０５号明細書は、酸化シリ
コン、窒化シリコン、タングステン及びモリブデンをエ
ツチングするための二元混合物ＣＦ４１０゜に関するも
のである。この特許では、酸化シリコンのエツチングの
ために、ＣＨＦ３１０２及びＣ２Ｆ３ＣＱ、３１０□（
０２は混合気体全体の７５％）を使用する方法も開示し
ている。この特許では、０２濃度は２５％までが好まし
く、０□濃度が高くなると、上のフォトレジストのマス
キング層がかなりエツチングされるとしている。

米国特許第３９５１７０９号明細書には、クロムまたは
金のメタラジあエツチングにを用ないくつかの二元プラ
ズマ化学（すなわち有機塩素化合物と酸素の混合物、無
機塩素化合物と酸素の混合物）について開示している。

これらのエッチ組成物中には、塩素ガスと酸素の二元混
合物（酸素は混合物の４０ないし８０％）がある。ＣＦ
Ｃｕ。

は使用可能な有機化合物の１つであることが述べられて
いる。

上記の特許で示されるように、クロロフルオロカーボン
分子（すなわち炭素原子がフッ素原子と塩素原子の両方
に結合した分子）がプラズマ成分として用いられている
。特に、単独で作用するクロロフルオロカーボンが、各
種の材料ヲエッチングするプラズマの生成に使用されて
いる。米国特許第４０２６７４２号明細書（不活性キャ
リア・ガス中のＣＣｌ２Ｆ３がタングステン、モリブデ
ン等の金属をフッ化金属に変換し、次にこれを湿式エツ
チングで除去することにより金属のエツチングに用いら
れる）、米国特許第４３５３７７７号明細書（ＣＦ　ｓ
　ＣＱ　１ＣＦ　２　ＣＱ　２及びＣＦＣｕ３を用いて
多結晶シリコンをエツチングする実験で、ＣＦ　ＣＱｓ
がチェンバ圧力５０ないし１５０ｍＴｏｒｒｓ電力密度
０．２４電力上１．９８Ｗ／ｃＩＩ２の条件で下のガラ
ス層に対して、最高の平均エッチ速度比を有することが
認められた）、米国特許第４４７３４３８号明細書（Ｃ
Ｃｌ２Ｆ２またはＣＦＣｕ３が不活性キャリア・ガスと
ともに、多結晶シリコンと金属ケイ化物との複合材料を
エツチングするのに使用され、ＳＦｓ／ＣＱ２の組合わ
せが好ましい）、米国特許第４４０５４０８号明細書（
ＣＨＣα２Ｆが、チェンバ圧力１６０ないし４００ｍＴ
ｏ　ｒ　ｒ１電力密度０．１ないし０゜４Ｗ／ｃＩ＋２
の条件で、フォトレジストに対して高いエッチ速度比で
多結晶シリコンをエツチングするのに用いられる）、細
用等（Ｈｏｓｏｋａｖａ　ｅｔ　ａｌ、　）、「フルオ
ロ−クロロ−ハイドロカーボン・ガスによる高周波スパ
ッタ・エツチング（ＲＦ　Ｓｐｕｔｔｅｒ−Ｅｔｃｈｉ
ｎｇ　ｂｙ　Ｆｌｕｏｒｏ−Ｃｈｌｏｒｏ−Ｈｙｄｒｏ
ｃａｒｂｏｎＧａｓｅｓ）　Ｊ　、日本応用物理学会誌
（Ｊａｐａｎ　Ｊ、　Ａｐｐｌ。

Ｐｈｙｓ、）、補遺２、Ｐｔ、１．１９７４年、ｐ。

４３５（ＣＦＣｕ３、ＣＣｌ２Ｆ２等のクロロフルオロ
カーボンを、２０ｍＴｏ　ｒ　ｒ、１．３Ｗ／Ｃｌ１１
２の条件で使用し、それぞれ１６７０人／分及び２２０
人／分のエッチ速度を得る。ＣＣｆｉ２Ｆ２中における
モリブデンのエッチ速度は８３６人／分である）を参照
されたい。

さらに、上記の米国再発行特許第ＲＥ３０５０５号及び
第３９５１７０９号明細書に示すように、クロロフルオ
ロカーボンは酸素または他の活性添加剤との各種の二元
混合物の形でも使用される。

バーバ等（Ｂｕｒｂａ　ｅｔ　ａｌ、　）、ｒＶＬｓＩ
メタライゼーシｅンのためのタングステンの選択性乾式
エツチング（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　Ｄｒｙ　Ｅｔｃｈｉ
ｎｇ　ｏｆ　Ｔｕｎｇｓｔｅｎｆｏｒ　ＶＬＳＩ　Ｍｅ
ｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）　Ｊ　、ジャーナル・オブ・
エレクトロケミカル・ソサイエテイ（Ｊｏｕｒｎａｌ　
ｏｆｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｌｃａｌ　５ｏｃｉ
ｅｔｙ）　：ソリッド・ステート・サイエンス・アンド
・テクノロジー（Ｓｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　５ｃｉｅｎ
ｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　１１９８６年
１０月、ｐ、２１１３〜２１１８（タングステンをＣＦ
４１０２／Ｈｅ　１ＣＣＱＦ３１０２／Ｈｅ及びＣＢｒ
Ｆ３１０２／Ｈｅプラズマ中でｘ、）チングする。ＣＣ
ＱＦ３１０□／Ｈｅプラズマ中では、電力密度が０　、
２２　Ｗ／Ｃｍ２、圧力が１６０ｍＴｏｒｒの条件で高
周波（ＲＦ）励起されたプラズマを有する単一ウェバ用
装置では、酸素濃度がＯから１５％まで上昇するにつれ
てエッチ速度が増大するが、その後は約２７５人／分で
一定する。５ｉ０２のエッチ速度は比較的一定である）
を参照されたい。また、米国特許第４３１４８７５号明
細書（通常は不飽和副産物を生成するＣＦ２Ｃｆ１１Ｃ
Ｆ３ＣＱ等ノハロゲン化炭素（すなわち、ハロカーボン
）プラズマ中で、フォトレジスト等の材料のエッチ速度
は、不飽和副産物と結合してこれらを反応系から除去す
る０２、ＮＦ３等の酸化剤を２０％添加することにより
増大する）、米国特許第４３７４６９９号明細書（少な
くとも２５％のＣＯ２またはＮｏをＣＦ３Ｃｎプラズマ
に添加すると、多結晶シリコンに対してフォトレジスト
の除去が増大する）、及び米国特許第３９２３５６８号
明細書（２５％以下の酸素を含有するＣＣＵ２Ｆ２中で
金、白金、パラジウムまたは銀をエツチングすると、フ
ォトレジストの除去は阻止されるが、エッチ速度は増大
する）も参照されたい。

最後に、各種の三元組成物（塩フッ化炭素、ハロゲン及
び酸化剤）が、各種の材料のエツチング用として提案さ
れている。米国特許第４２８７０１３号明細書では、三
塩化ホウ素、酸素及びＣＣＱ２Ｆ２等のハロゲン化炭素
からなるプラズマ中で、アルミニウムをパターン付けし
ている。ハロゲン化炭素は混合物全体の１０ないし３２
％を占める。ハロゲン化炭素はＢＣｕ３中でのアルミニ
ウムのエッチ速度を増大する。米国特許第４５４７２６
１号明細書では、三塩化ホウ素、窒素及びクロロフルオ
ロカーボンからなるプラズマ中でアルミニウムのパター
ン付けを行なう。クロロフルオロカーボンは混合物の８
ないし５０％、好ましくは１２ないし４０％を占める。

クロロフルオロカーボンは、エツチング中の反応チェン
バの側壁を不活性化するのに使用され、これにより汚染
物質を減少させる。米国特許第４３７４８９８号明細書
では、工ないし１５％のＣＦａＢｒまたはＣＣｆｉ２Ｆ
２を含有するＣＦ４＋０２のプラズマ中で、酸化シリコ
ン及び窒化シリコンの層のエツチングを行なう。ＣＦ　
３Ｂ　ｒまたはＣＣＱ２Ｆ２は、窒化シリコンのエッチ
速度を遅らせるよりはるかに酸化シリコンのエッチ速度
を遅らせ、この２層のエツチングの選択性を高める。最
後に、メサ等（Ｍｅｔｈａ　ｅｔ　ａｌ）　、ｒＶ　Ｌ
　Ｓ　ＩデバイスのためのブランケットＣＶＤタングス
テンの相互接続（Ｂｌａｎｋｅｔ　ＣＶＤ　Ｔｕｎｇｓ
ｔｅｎ　Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ　ｆｏｒ　ＶＬＳＩ
Ｄｅｖｉｃｅｓ）’　Ｊ、１９８６年第３回国際Ｉ　Ｅ
ＥＥＶＬＳＩ多層相互接続会議議事録（１９８６Ｐｒｏ
ｃｅｅｄｉｎｇｓ　３ｒｄ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ
ｌＩＥＥＥ　ＶＬＳＩＭｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　Ｉｎｔｅ
ｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）　Ｎ
カリフォルニア州すンタクララ（Ｓａｎｔａ　Ｃ１ａｒ
ａ１Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）　、１９８８年、ｐ、４１
８〜４３５は、ＣＶＤタングステンの異方性エツチング
のため、ＳＦ６／ＣＣＱ４１０２からなる三元プラズマ
・ガスの使用について開示している。この記事の筆者は
、ＳＦ６のみでは異方性エツチングは不良となるが、こ
れはＣＣｆ１４の添加により改善されるとしている。酸
素は、下のＰ型にドーピングしたガラスに対してのエツ
チングの選択性を増大させるために添加される。。

現在、フッ素を主成分とするプラズマが、半導体及びタ
ングステン等の導体のエツチングに使用されている。こ
れらのプラズマは、フォトレジストに対して高いエツチ
ング選択性を与える。しかし、これらのフッ素を主成分
とするプラズマは、プラズマのエネルギーをかなり増大
させないと、エッチ速度を高くすることができない。プ
ラズマのエネルギーを高めることは、工程の実施が高価
になり、フォトレジストに対する選択性が減少する。塩
素を主成分とするプラズマは、従来の電力密度でのエッ
チ速度を高くするが、フォトレジストに対するエツチン
グの選択性を減少させる。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点 この発明の目的は、エッチ速度が高く、シかもフォトレ
ジストに対するエッチ速度の比が高い気体プラズマを提
供することにある。

Ｄ０問題点を解決するための手段 この発明は、材料を高いエッチ速度でエツチングするク
ロロフルオロカーボン／酸化剤の二元プラズマ化学を提
供する。さらに、エッチ速度を最高にする同じ一般条件
で、フォトレジストに対するエッチ速度の選択性も最大
となる。

Ｅ、実施例 ＣＦ４１０□プラズマ中における各種の材料のエツチン
グに特有な反応の性質を考慮しているうちに、この発明
の発明者は、これまでに報告されていない結果を生じる
クロロフルオロカーボン／酸素プラズマを見出した。特
に、混合物全体に対して０２が５０％以上（好ましくは
５０〜９５％）のＣＣＱＦ３１０２中でエツチングを行
なうことにより、タングステン等の材料のエッチ速度が
非常に増大する。さらにこの同じ系ではＣＦ４１０２プ
ラズマに比較して、フォトレジストのエッチ速度が低下
し、フォトレジストに対するエッチ速度比が最大となる
。

下記の第１表は、この発明の特性を実証するために行な
った実験の結果を示す。

実験はすべて重版の複数ウェハ・エツチング装置（すな
わち７ｃｍの間隔をおいた直径５２ｃｍの平行アルミニ
ウム板を有するプラズマサーム社（Ｐｌａｓｍａｔｈｅ
ｒｍ）　Ｐ　Ｋ　２４バツチ・リアクタ）を使用して行
なった。上部電極はアルミニウムのスパッタリングを最
少にするためにフォトレジスト層でコーティングした。

このフォトレジストは、米国特許第３２０１２３９号明
細書に記載されたような、ジアゾナフトキノン感光剤を
含有するフェノール・ホルムアルデヒド樹脂である。チ
ェンバは反応性イオン・エツチング（ＲＩＥ）モードで
エツチングが行なわれるようにコンディシジニングし、
基板電極に電力を印加し、チェンバ内の圧力を５５ｍＴ
ｏｒｒに保持した。装置の電力は３００Ｗとした。ガス
の流量は、１２０８ＣＣＭに維持した。すべての運転で
、リアクタ内の１１のウェハ位置の１つののぞき窓の隣
に置いた１０ｃｍの１板のブランクのウェハのエツチン
グを行なった。すべての運転で、試験ウェハに隣接する
のぞき窓から、発光スペクトルを採取した。タングステ
ンのブランクは、ジェナス（Ｇｅｎｕｓ　）の化学蒸着
（ＣＶＤ）リアクタを使用して、シリコン上に２ミクロ
ンの皮膜を堆積させて作製した。厚み２ミクロンのフォ
トレジストの皮膜を、作製し、エッチ速度の測定と、選
択性の計算のためにエツチングを行なった。基板温度は
、すべての運転で２０ないし２５℃に保持し、エツチン
グ中のウェハの下側に接触させた蛍光プローブを用いて
直接監視した。タングステンのエッチ速度は、重量分析
により求め、ＣｖＤタングステン皮膜密度（２５ｇ／ｃ
ｍ３）及びウェハの面積を用いて長さ７時間の単位に変
換した。フォトレジストのエッチ速度は、光学測定によ
り直接求めた。

第ユ嚢 ＪＥＲ 爬ｇ式匹ｌメ　α」ノ娼　戯　ん貫　囮げＡｌ　　　−
１００−５００，５０ Ａ２−９５　　　　　　　　　　　５　　　７５　　　
−Ａ３　　−　　　９０　　　　　　　　　　１０　　
１２０　　　−Ａ４　　−　　　８０　　　　　−　　
　　２０　　２００　　１．１０Ａ５−　　　７０　　
　　　−　　　　３０　　２８０　　−八６　　−　　
　６０　　　　　　　　　　４０　　４００　　１．５
５八７　　　　　−　　　　　　　５０　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　５０　　　　　５４０
　　　　　　−Ａ８　　−　　　４０　　　　　−　　
　　６０　　７５０　　２．１７Ａ９　　−　　　３０
　　　　　　　　　　７０　　１０２５　　２．３４八
１０　　　−　　　　　２０　　　　　　　　　　　　
　　　　　　８０　　　１２１０　　　　２．２５Δ１
１　−　　　１０　　　　　　　　　　９０　　１０５
０　　１．７０Δ１２−　　　５　　　　　　　　　　
９５　　６５０　　−Ａ１３　−　　　２　　　　　　
　　　　９８　　３８０　　　＜０．０５８１　　１０
０　　　−　　　　　−　　　　　　　　７５　　０．
３５８２　　９０　　　−　　　　　　　　　　　１０
　　２００　　０．６０Ｂ３　　８０　　　−　　　　
　　　　　　　２０　　３７０　　０．８８８５　　６
０　　　−　　　　　　　　　　　４０　　３７５　　
０．５０８６　　４０　　　−　　　　　　　　　　　
６０　　１１０　　０．１０Ｂ７　　２０　　　−　　
　　　　　　　　　８０　　　６０　　　＜０．０５Ｃ
Ｉ−−８０２０４０− Ｃ２−−（資）　　　　４０　　　１１０　　　−Ｃ３
−−４０Ｇｏ　　　１４０　　　−Ｃ４−−２０８０７
５− これらの実験により、酸素との組合せでタングステンを
エツチングする場合、ＣＣＱＦ３が、ＣＦ４またはＣＣ
Ｑ２Ｆ２によっては得られない特性を得ることがわかっ
た。ＣＣｕＦ３１０２のピークのエッチ速度（実験番号
Ａｌ０−１２１０人／分）は、ＣＦ４１０□のピークの
エッチ速度（実験番号Ｂ４−５００人／分）のほぼ２．
５倍、ＣＣＱ、２Ｆ２１０□のピークのエッチ速度（実
験番号Ｃ５−１４０人／分）の８．５倍である。さらに
、ピークのエッチ速度比（ＥＲＲ−Ｐ）　、Ｗ：フォト
レジストは、ＣＣＪＩＦ３１０２　（実験番号Ａ９−２
．３５）ではＣＦ４１０□（実験番号Ｂ３−０．８８）
の２．５倍を超える。ピークのエッチ速度が得られるハ
ロゲン化炭素の濃度は異なり、０２中のＣＣＱＦ３濃度
は２０％、０２中のＣＦ４濃度は８０％であることに留
意された・い。実際に、ハロゲン化炭素濃度が高いと、
ＣＦ４１０２中のタングステンのエッチ速度は、ＣＣＱ
Ｆ３１０２中のエッチ速度（酸素中のハロゲン化炭素が
約６０％を超える場合）を超える。

ＣＣＵ　２　Ｆ　２　／　０２と、ＣＣＱ、Ｆ３１０□
の比較の結果により、単にＣ，ＣＱｌＦ及び０の原子と
イオンが同時に存在しても観察した結果は得られないこ
とがわかる。このことは前述のバーμ（Ｂｕｒｂａ）及
びメサ（ＭｅＬｈａ　）の論文にも述べられているが、
いずれの論文にもこのようなプラズマ中での高いエッチ
速度については報告されていない。むしろ、これらのイ
オン種間の比が重要であると考えられる。特に、クロロ
フルオロカーボン中には塩素より多量のフッ素が存在し
、しかも少なくともある程度の塩素が存在することが重
要と思われる。十分な塩素がない場合（ＣＦ４１０２）
や、塩素が多過ぎる場合（ＣＣＱ２Ｆ２）には、この発
明の結果は得られない。

本発明者の別の同日出願では、ＣＦ４１０２及びＣＨＦ
　ａ　／　０２に添加した場合ＣＦ３ＣＱ１ＣＦ２ＣＱ
２のいずれもがエッチ速度を増大することが見出された
。これらの結果は上記の結果と一致する。すなわち、ハ
ロゲン化炭素／酸素プラズマ中では、フッ素の量が多い
ため、ＣＦ２ＣＱ２によって与えられる大量の塩素を相
殺する。この発明では、ＣＦ３Ｃα１０２プラズマは、
０゜の濃度が体積比で５０％を超えると、エッチ速度が
増大する。

５０〜９５％が好ましく、特に６０〜９０％が好ましい
。おそらく、フッ素の絶対量が増大するにつれて（たと
えば三元の場合）、通常ハロゲン化炭素／酸素プラズマ
で生じるのと同じ反応が、増大した速度で生じるが、フ
ッ素の絶対量が減少するにつれて、酸化剤イオンにより
直接関係する反応が起こる。

この発明は、タングステンに関して実施したが、この発
明のプラズマは、通常ハロゲン化炭素／酸素プラズマ中
でエツチングされる他の非絶縁材料（たとえばシリコン
）や他のタングステンを主成分とする材料（たとえばＷ
Ｓｉ２）のエツチングにも適用できる。このことは、シ
リコンをエツチングしたＣＦ４１０２／ＣＣＱ２Ｆ２プ
ラズマ中に発生した同量の反応性イオン種がＣＦ３ＣＱ
１０２プラズマ中にも存在することを示すスペクトル研
究によって立証される。さらに、この発明は、酸化剤ガ
スとして酸素を使用したものについて説明を行なったが
、他の材料（たとえばＣ０２、Ｎ２０等、酸素を含有す
る材料）も、この発明のクロロフルオロカーボンと混合
して使用することができる。

出願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーシロン 代理人　　弁理士　　山　　本　　仁　　朗（外１名）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　フッ素原子の数が塩素原子の数よりも多いクロロフル
   オロカーボン・ガスと、５０〜９５％の酸素とからなる
   プラズマ中でエッチングすることを特徴とするプラズマ
   ・エッチング方法。