JPH07273089A

JPH07273089A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法

Info

Publication number: JPH07273089A
Application number: JP6040194A
Authority: JP
Inventors: Hisataka Hayashi; 久貴林; Makoto Sekine; 誠関根; Haruo Okano; 晴雄岡野; Keiji Horioka; 啓治堀岡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-03-30
Filing date: 1994-03-30
Publication date: 1995-10-20

Abstract

(57)【要約】【構成】反応容器１内には平行平板電極２及び６が設
けられている。陰極電極２は被処理基板３を設置する機
能を有し、陽極電極６は弗素ラジカルと反応するハロゲ
ン消費物体としての機能を有し、Ｓｉで形成されてい
る。陰極電極２に接続された高周波電源７を用いて１
３．５６ＭＨｚ、８００Ｗの高周波電力を印加し放電を
誘起する。また、陽極電極６には高周波電源８が接続さ
れ、陽極電極６に所望のバイアスを印加することができ
る。陽極電極６の裏面対向位置には永久磁石９及びその
駆動機構１０からなる磁場発生器が設置され、陰極電極
２と陽極電極６との対向空間に磁界を印加するものとな
っている。【効果】シリコン酸化膜をシリコン、アルミニウム、
窒化チタン、チタンシリサイド、タングステン、タング
ステンシリサイド、窒化シリコン、銅、ニオブに対し選
択的にエッチングできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ処理装置及び
プラズマ処理方法に係わり、特にシリコン酸化膜をシリ
コン、アルミニウム、窒化チタン、チタンシリサイド、
タングステン、タングステンシリサイド、窒化シリコ
ン、銅、ニオブ等に対し、選択的にエッチングするドラ
イエッチング装置及びドライエッチング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、半導体装置に用いられる多結
晶シリコンやシリコン酸化膜等のエッチングには反応性
イオンエッチング法（ＲＩＥ）が用いられている。反応
性イオンエッチング法は、被処理基板（例えば、被エッ
チング薄膜が形成された基板）を一対の平行平板電極を
備えた真空容器内の陰極側に設置し、反応性ガスを導入
した後、高周波電力の印加により反応性ガスを放電せし
め、この放電により発生したプラズマを用いて被処理基
板をエッチングする方法である。

【０００３】この反応性イオンエッチング法の他にエッ
チング方法として、プラズマエッチング法、ＥＣＲ型ド
ライエッチング法、イオンビーム法、光励起エッチング
法等があるが、これらのエッチング方法も真空容器内の
被処理基板に、活性化した反応性ガスのイオンを化学的
あるいは物理的に作用させてエッチングを行うものであ
り、この点において反応性イオンエッチング法と同様と
考えてよい。

【０００４】ＲＩＥによれば、プラズマ中の各種の粒子
のうち、イオンが電極表面のイオンシースに発生する直
流電界（自己バイアス）によって加速されるため、大き
なエネルギーを持って被加工膜を衝撃し、イオン促進化
学反応が引き起こされる。このため、エッチングはイオ
ンの入射方向に進み、アンダーカットのない方向性の優
れた加工が可能となる。

【０００５】次に、ＲＩＥによるシリコン酸化膜（Ｓｉ
Ｏ₂ 膜）のエッチングについて説明する。ＳｉＯ₂ 膜の
ＲＩＥでは、通常、反応性ガスとして、例えばＣＦ₄ 、
ＣＨＦ₃、Ｃ₂ Ｆ₆ 等のようにＣとＦを含むガスが用い
られている。例えば、ＣＨＦ₃ を用いてＳｉ基板上に形
成されたＳｉＯ₂ 膜にコンタクトホールを開孔する場
合、放電によって生じたＣＦ₃ ラジカルがＳｉＯ₂ 膜の
表面に吸着することになる。そして、このＣＦ₃ ラジカ
ルと自己バイアスによって加速されたＣＦ₃ イオンとの
衝突により、ＣＦ₃ ラジカルおよびＣＦ₃ イオンはＦと
Ｃに解離する。この結果、ＦがＳｉＯ₂ 膜中のＳｉと反
応してＳｉＦ₄ 、ＣがＳｉＯ₂ 膜中のＯと反応してＣＯ
またはＣＯ₂ となって気化脱離するため、ＳｉＯ₂ 膜は
エッチングされる。一方、ＳｉＯ₂ 膜のエッチングで露
出したＳｉ基板の表面にはＣＦ₃ が吸着するが、一部の
ＣＦ₃ のＦがＨによって引き抜かれるため、Ｓｉ基板の
露出表面にはＣＦx （０≦x ≦３）の重合膜が形成され
ることになる。この重合膜はＳｉ基板の保護膜として機
能するので、Ｓｉのエッチングが抑制される。しかしな
がら、プラズマ中で生成する弗素ラジカルは、前記重合
膜をエッチングし、さらにＳｉのエッチングを進ませる
ため、高選択比のシリコン酸化膜エッチングは難しい。

【０００６】また同様に、アルミニウム、窒化チタン、
チタンシリサイド、タングステン、タングステンシリサ
イド、窒化シリコン、銅、ニオブのＲＩＥの場合も、弗
素ラジカルにてエッチングが進むため、これらの材料に
対するシリコン酸化膜のエッチング選択比を大きくする
ことはできなかった。

【０００７】また、弗素等のハロゲンを含む化合物ガス
等を用いてＣＶＤ（化学気層堆積）法により、ＴＥＯＳ
膜（テトラエトキシシランを用いて形成するシリコン酸
化膜）や高誘電体膜、例えばＳｒＴｉＯ₃ （チタン酸ス
トロンチウム）等のペロブスカイト型酸化物膜を成膜す
る場合、膜中へ弗素が混入してしまい、リーク電流等絶
縁性能の低下の問題が生じていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来のエッチング方法及び装置ではシリコン酸化膜をシリ
コン、アルミニウム、窒化チタン、チタンシリサイド、
タングステン、タングステンシリサイド、窒化シリコ
ン、銅、ニオブに対し高選択比でエッチングすることが
できなかった。また、従来のＣＶＤ装置及び方法により
ＴＥＯＳ膜や高誘電体膜の成膜を行った場合、膜中に弗
素等のハロゲンが混入するという問題があった。

【０００９】本発明は上記実情を鑑みて為されたもので
あり、高選択比のエッチングや高品質膜の成膜等、半導
体装置の製造における信頼性や歩留まりを改善したプラ
ズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することを目
的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の第１は、反応容器と、この反応容器内に設置
される被処理基板を保持する手段と、前記反応容器内に
ハロゲン元素を含有するガスを導入する手段と、前記反
応容器内に設けられたハロゲン消費物体と、このハロゲ
ン消費物体の反応を促進するための反応促進手段と、前
記反応容器内を排気する手段と、前記反応容器内に電界
を印加することによりプラズマを生成する手段とを具備
するプラズマ処理装置を提供する。

【００１１】本発明の第２は、反応容器と、この反応容
器内に設置される被処理基板を保持する手段と、前記反
応容器内に予備解離室を介してハロゲン元素を含有する
ガスを導入する手段と、前記予備解離室内に電界を印加
することによりプラズマを生成する手段と、前記予備解
離室内に設置されたハロゲン消費物体と、このハロゲン
消費物体の反応を促進するための反応促進手段と、前記
反応容器内を排気する手段とを具備するプラズマ処理装
置を提供する。

【００１２】前記ハロゲン消費物体は陽極電極側に設け
られ、前記反応促進手段は前記陽極電極側に高周波ある
いは直流電源を備えていることが望ましい。反応促進手
段は、前記ハロゲン消費物体を−１００℃以下に冷却保
持せしめる冷却機構を備えていることが望ましい。前記
ハロゲン消費物体は、ハロゲン元素と反応し、揮発性の
ハロゲン化物を生成する元素、例えば、単結晶シリコ
ン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、あるいは
タングステンからなることが望ましい。

【００１３】前記反応容器内に磁界を印加する手段を備
えていることが望ましい。本発明の第３は、被処理基板
をハロゲン消費物体が設置される反応容器内に収容する
工程と、前記反応容器内にハロゲン元素を含有するガス
を導入する工程と、前記反応容器内を排気する工程と、
前記反応容器内に磁界を印加する工程と、前記反応容器
内に電界を印加することによりプラズマを生成するとと
もに、前記ハロゲン消費物体と前記ハロゲン元素を含有
するガスとの反応を促進する工程とを有し、前記プラズ
マにより、前記被処理基板の処理を行うプラズマ処理方
法を提供する。

【００１４】本発明の第４は、被処理基板を反応容器内
に収容する工程と、前記反応容器外に設置され、内部に
ハロゲン消費物体が設置される予備解離室内にハロゲン
元素を含有するガスを導入する工程と、前記予備解離室
内に電界を印加することによりプラズマを生成するとと
もに、前記ハロゲン消費物体と前記ハロゲン元素を含有
するガスとの反応を促進する工程と、前記ハロゲン消費
物体と反応せしめた後に、前記反応容器内に前記ハロゲ
ン元素を含有するガスを導入する工程と、前記反応容器
内を排気する工程とを有し、前記ハロゲン元素を含有す
るガスにより、前記被処理基板の処理を行うプラズマ処
理方法を提供する。

【００１５】ハロゲン消費物体とハロゲンガスとの反応
を促進する工程は、前記ハロゲン消費物体に高周波ある
いは直流電力を印加し、前記ハロゲン消費物体表面にプ
ラズマ中のイオンを照射したり、前記ハロゲン消費物体
を−１００℃以下に冷却保持したり、反応容器に磁界、
例えば磁界強度を２００ガウス以上の磁界を印加するに
したりすることが望ましい。

【００１６】前記所定の材料は、シリコン、アルミニウ
ム、窒化チタン、チタンシリサイド、タングステン、タ
ングステンシリサイド、窒化シリコン、銅、ニオブのう
ち一つあるいは複数であることが望ましい。

【００１７】

【作用】シリコン酸化膜のエッチングガスとして弗素
（Ｆ）を含むエッチングガスを用いた場合、プラズマ中
に弗素ラジカルが生成される。この弗素ラジカルは、例
えばＳｉ基板中のＳｉと反応してＳｉＦ₄ となり気化脱
離するためＳｉ基板はエッチングが進み、Ｓｉ基板上の
ＳｉＯ₂ 膜を選択的にエッチングすることが難しかっ
た。プラズマ中に存在する弗素ラジカルを除去すれば、
Ｓｉ基板上のＳｉＯ₂膜を選択的にエッチングすること
は可能となる。

【００１８】以下、反応容器内プラズマ中に存在する弗
素ラジカルを除去するために、平行平板電極のドライエ
ッチング装置において、反応容器内の陰極電極にＳｉ基
板を載せ、陽極電極は本発明のハロゲン消費物体で構成
されているものを考える。

【００１９】ここで、例えば、反応容器内の圧力を５．
３Ｐａ、ＣＦ₄ ガス流量を１００ｓｃｃｍとしたエッチ
ングの条件で、Ｓｉ基板上のＳｉＯ₂ 膜を選択的にエッ
チングできる根拠について説明する。

【００２０】図３は、Ｓｉ（本発明のハロゲン消費物体
の一例）で形成された陽極電極のエッチング速度のバイ
アス依存性を示す特性図である。陽極電極にバイアスを
印加しないと陽極電極上にはプラズマ中で生成したフロ
ロカーボン粒子が吸着重合しフロロカーボン膜が堆積す
る。陽極電極側に設けた高周波電源より陽極電極のバイ
アスを負にかけていくに従い、スパッタ効果が高くなり
堆積膜は薄くなっていく。そして−４０Ｖあたりからフ
ロロカーボン膜の堆積は認められなくなり、逆に陽極電
極のＳｉが急激に削れ出すようになる。これは、陽極電
極のＳｉ表面がフロロカーボン膜で覆われることなく常
に露出しているため、プラズマ中で発生した活性な弗素
ラジカルと陽極電極のＳｉとが反応し、ＳｉＦ₄ となっ
て気相中に脱離するためである。したがって、陽極電極
のバイアスを負にかけていくに従い、ハロゲン消費物体
である陽極電極のＳｉ表面と弗素ラジカルとの反応性を
促進することができる。このため、反応容器内の弗素ラ
ジカルは減少し、Ｓｉ基板上のＳｉＯ₂ 膜を選択的にエ
ッチングすることが可能となった。

【００２１】なお、バイアスを−７０Ｖ程度まで上げて
いくと、Ｓｉのエッチング速度は飽和傾向を示す。これ
は、弗素ラジカルとＳｉとの反応が律速するためであ
る。さらに、バイアスを−７０Ｖ以上に上げていくと、
Ｓｉのエッチング速度が若干上昇を続ける。これは、バ
イアスを上げることによるスパッタ効果の上昇のためで
ある。

【００２２】図７は、Ｓｉで形成された陽極電極上への
フロロカーボン膜堆積速度の温度依存性を示す特性図で
ある。陽極電極上にはプラズマ中で生成したフロロカー
ボン粒子が吸着重合しフロロカーボン膜が堆積する。電
極温度を６０℃から低くしていくと、−５０℃あたりま
でフロロカーボン堆積速度は上昇していく。さらに電極
温度を低くすると、堆積速度は減少し、−１００℃で
は、ほぼ０となり、それ以上冷却すると、陽極電極のＳ
ｉ上に堆積は起こらずＳｉが削れ出すことが判った。こ
れは、陽極電極を−１００℃以下に冷却することによ
り、Ｓｉ表面でのフロロカーボン粒子の重合反応が低下
し、ついにはフロロカーボン膜が堆積しなくなること
で、Ｓｉがプラズマ中の弗素ラジカルと共に反応できる
ようになったためである。したがって、陽極電極を−１
００℃以下に冷却していくに従い、ハロゲン消費物体で
ある陽極電極のＳｉ表面と弗素ラジカルとの反応性を促
進することができる。このため、反応容器内の弗素ラジ
カルは減少し、Ｓｉ基板上のＳｉＯ₂ 膜を選択的にエッ
チングすることが可能となった。

【００２３】上述のように、プラズマ中で発生した活性
な弗素ラジカルを陽極電極を形成しているＳｉと反応さ
せ、弗素ラジカルを失活させることによりＳｉのエッチ
ング速度を抑制でき、ＳｉＯ₂ を選択的にエッチングす
ることが可能となった。

【００２４】また、反応容器に弗素と炭素を含むガスを
導入する前に、予備解離用の放電管内で生成した弗素ラ
ジカルを予備解離用の放電管内のハロゲン消費物体で消
費させることにより、反応容器内の弗素ラジカル濃度を
低く押さえることができる。

【００２５】以上述べたように、本発明によれば弗素ラ
ジカル等、ハロゲンを含む活性種を減少させることがで
き、Ｓｉ等の高選択比エッチングが可能となる。さら
に、ハロゲンを含む活性種を減少させることができるの
で、ＴＥＯＳ膜や高誘電体膜等をＣＶＤ法により成膜す
る場合等においても、ハロゲンの混入を防止することが
可能である。

【００２６】さらに、上記ドライエッチングを用いたド
ライエッチング装置の反応容器内の磁界強度を２００ガ
ウス以上の強磁界にすることにより、プラズマと被処理
基板との間に発生する電位差を低く押さえることがで
き、その結果、被処理基板に入射するイオンのエネルギ
ーを低く押さえることができる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明によるプラズマ処理装置及びプ
ラズマ処理方法の実施例について、図面を参照して詳細
に説明する。実施例１図１は、本発明のプラズマ処理装置の一実施例を示すマ
グネトロン型ＲＩＥ装置の概略構成図である。

【００２８】反応容器１内には平行平板電極２及び６が
設けられている。陰極電極２は被処理基板３を設置する
機能を有し、表面をアルマイト処理したアルミニウムで
形成されており、陽極電極６はハロゲン消費物体として
の機能を有し、例えばＳｉで形成されている。本実施例
では、この陽極電極６の温度調節を特に行っていない。
なお、ハロゲン消費物体は、陽極電極６を兼ねている
が、必ずしもその必要はなく、通常の陽極電極表面に接
着して設けてもよい。この場合は、ハロゲン消費物体が
消費されて交換の必要が生じたとき、別の新たなハロゲ
ン消費物体と交換することが可能である（後述する実施
例においても同じ）。さらに、反応容器１内の電極以外
の任意の箇所に接地することもできる。

【００２９】また、ガス導入口５は、反応容器１に接続
され、ガス導入口５には所望のガスを反応容器１内に導
入するためのバルブ４が設けられている。陰極電極２に
接続された高周波電源７は、１３．５６ＭＨｚ、８００
Ｗの高周波電力を印加し放電を誘起する。また、陰極電
極２に対向する陽極電極６には高周波電源８が接続さ
れ、この高周波電源８を用いて１３．５６ＭＨｚの高周
波電力を印加し、陽極電極６に所望のバイアスを印加す
ることができる。

【００３０】反応容器１外には陽極電極６と平行して永
久磁石９が設けられ、これに接続された駆動機構１０に
より、陰極電極２と陽極電極６との対向空間に磁界を印
加するものとなっている。

【００３１】上記マグネトロン型ＲＩＥ装置を用いて、
本発明のプラズマ処理方法の一実施例について説明す
る。シリコン基板上にシリコン酸化膜及び所定の領域に
開口を設けたレジストパターンが形成された被処理基板
３を、反応容器１内の陰極電極２上に設置した後、反応
容器１内を１３．３ｍＰａになるまで排気する。

【００３２】次に、ＣＦ₄ のバルブ４を開け、ガス導入
口５よりＣＦ₄ を供給し、反応容器１内を５．３Ｐａに
する。ここで、永久磁石９及びその駆動機構１０からな
る磁場発生器により、陰極電極２と陽極電極６との対向
空間に磁界を印加する。

【００３３】陰極電極２に接続された高周波電源７は、
１３．５６ＭＨｚ、８００Ｗの高周波電力を印加し放電
を誘起する。また、陽極電極６に接続された高周波電源
８を用いて１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加し、陽
極電極６に所望のバイアスを印加する。これによりＣＦ
₄ を励起させ異方性エッチングを行う。

【００３４】以上のような方法でエッチングを行った場
合の、被処理基板３におけるシリコン及びシリコン酸化
膜のエッチング速度、また、シリコン酸化膜のシリコン
に対するエッチング速度比及び選択比の関係を図２に示
す。ここでは、圧力５．３Ｐａ、ＣＦ₄ ガス流量を１０
０ｓｃｃｍ一定とし、図１に示した陽極電極６に印加す
るバイアスを変化させた場合の関係を示している。

【００３５】陽極電極６にバイアスを印加せず接地した
場合（０Ｖ）、ＳｉＯ₂ とＳｉとの選択比は１．５に満
たない。このとき、Ｓｉで形成された陽極電極６の表面
にはフロロカーボン膜が堆積していた。

【００３６】これに対して、高周波電源８より陽極電極
６のバイアスを負にかけていくと、−４０Ｖあたりから
被処理基板３のＳｉのエッチング速度が急激に低下し始
め、−７０Ｖで一定値となり、−７０Ｖ以上のバイアス
をかけても、Ｓｉのエッチング速度に変化はなかった。
このとき、ＳｉＯ₂ のエッチング速度に変化はなく一定
値を示していた。また、−７０ＶでのＳｉＯ₂ ／Ｓｉ選
択比は２８にも上昇した。次に、上述したエッチング
の条件でＳｉＯ₂ 膜を選択的にエッチングできる根拠に
ついて説明する。

【００３７】図３は、Ｓｉで形成された陽極電極６のエ
ッチング速度のバイアス依存性を示す特性図である。陽
極電極６にバイアスを印加しないと陽極電極６上にはプ
ラズマ中で生成したフロロカーボン粒子が吸着重合しフ
ロロカーボン膜が堆積する。高周波電源８より陽極電極
６のバイアスを負にかけていくに従い、スパッタ効果が
高くなり堆積膜は薄くなっていく。そして−４０Ｖあた
りからフロロカーボン膜の堆積は認められなくなり、逆
にＳｉが急激に削れだすようになる。これは、陽極電極
６のＳｉ表面がフロロカーボン膜で覆われることなく常
に露出しているため、プラズマ中で発生した活性な弗素
ラジカルとＳｉとが反応し、ＳｉＦ₄ となって気相中に
脱離するためである。したがって、陽極電極６のバイア
スを負にかけていくに従い、ハロゲン消費物体である陽
極電極６の表面の反応性を促進することができる。

【００３８】この後、バイアスを−７０Ｖ程度まで上げ
ていくと、Ｓｉエッチング速度は飽和傾向を示す。これ
は、弗素ラジカルとＳｉとの反応が律速するためであ
る。ここで、−７０Ｖ以上でもＳｉのエッチング速度が
若干上昇を続けるのは、バイアスを上げることによるス
パッタ効果の上昇のためである。

【００３９】上述のように、プラズマ中で発生した活性
な弗素ラジカルを陽極電極６を形成しているＳｉと反応
させ、弗素ラジカルを失活させることによりＳｉのエッ
チング速度を抑制でき、ＳｉＯ₂ を選択的にエッチング
することが可能となった。

【００４０】次に、ハロゲン消費物体である陽極電極６
の材料をＳｉから変えて、そのエッチング速度の違いを
調べた。図４は、燐添加アモルファスシリコン、燐添加
多結晶シリコン、無添加多結晶シリコン、タングステン
を陽極電極６の材料として用いた場合の電極エッチング
速度を示している。

【００４１】４つの材料とも同様に、バイアス−４０Ｖ
あたりから削れ始める。さらに、バイアス−４０Ｖ以上
与えていった際エッチング速度に差が生じてきた。燐添
加アモルファスシリコン、燐添加多結晶シリコン、無添
加多結晶シリコン、タングステンの順番にエッチング速
度が高いことが判った。このとき、ＳｉＯ₂ 膜のＳｉに
対する選択比はこの順番で高かった。即ち、燐添加アモ
ルファスシリコン３７、燐添加多結晶シリコン３２、無
添加多結晶シリコン２８、タングステン２３であった。

【００４２】この原因は、各種材料の弗素ラジカルに対
する反応性の違いを表している。つまり、弗素ラジカル
とＳｉが反応してＳｉＦ₄ を生成するとき、Ｓｉから弗
素ラジカルへと電子の供与が行われる。この電子供与性
が、燐添加アモルファスシリコン、燐添加多結晶シリコ
ン、無添加多結晶シリコン、タングステンの順番で高い
ため、エッチング速度に差が生じる。エッチング速度が
速い方がより多くの弗素ラジカルと反応するので、プラ
ズマ中の弗素ラジカルが減少する。このためＳｉのエッ
チング速度が減少する。

【００４３】実施例２図５は、本発明のプラズマ処理装置の他の実施例を示す
マグネトロン型ＲＩＥ装置の概略構成図である。

【００４４】反応容器１内には平行平板電極２及び６が
設けられている。陰極電極２は被処理基板３を設置する
機能を有し、表面をアルマイト処理したアルミニウムで
形成されており、接地された陽極電極６はハロゲン消費
物体としての機能を有し、例えばＳｉで形成されてい
る。ガス導入口５は、反応容器１に接続され、ガス導入
口５には所望のガスを反応容器１内に導入するためのバ
ルブ４が設けられている。陰極電極２に接続された高周
波電源７は、１３．５６ＭＨｚ、８００Ｗの高周波電力
を印加し放電を誘起する。また、陰極電極２に対向する
陽極電極６は接地されている。反応容器１外には陽極電
極６と平行して永久磁石９が設けられ、これに接続され
た駆動機構１０により、陰極電極２と陽極電極６との対
向空間に磁界を印加するものとなっている。

【００４５】さらに、陽極電極６のプラズマとは接しな
い面側には冷却ジャケット１１が備わっており、この冷
却ジャケット１１に接続された冷却機１２を用いて、−
１８０℃までの冷媒を冷却ジャケット１１内に循環さ
せ、陽極電極６を所望の温度に冷却保持することを可能
にした。

【００４６】上記マグネトロン型ＲＩＥ装置を用いて、
本発明のプラズマ処理方法の他の実施例について説明す
る。シリコン基板上に、シリコン酸化膜及び所定の領域
に開口を設けたレジストパターンが形成された被処理基
板３を、反応容器１内の陰極電極２上に設置した後、反
応容器１内を１３．３ｍＰａになるまで排気する。

【００４７】次に、ＣＦ₄ とＨ₂ それぞれのバルブ４を
開け、ガス導入口５よりＣＦ₄ とＨ₂ を供給し、反応容
器１内を５．３Ｐａにする。ここで、永久磁石９及びそ
の駆動機構１０からなる磁場発生器により、陰極電極２
と陽極電極６との対向空間に磁界を印加する。

【００４８】陰極電極２の温度を２５℃保ちつつ、陰極
電極２に接続された高周波電源７を用いて、１３．５６
ＭＨｚ、８００Ｗの高周波電力を印加し放電を誘起す
る。このとき、陽極電極６は接地されている。また、裏
面には冷却ジャケット１１が備わっており、冷却ジャケ
ット１１に接続された冷却機１２を用いて、−１８０℃
までの冷媒を冷却ジャケット１１内に循環させ、陽極電
極６を所望の温度に冷却保持することが可能である。こ
れによりＣＦ₄ とＨ₂ を励起させ異方性エッチングを行
う。

【００４９】以上のような方法でエッチングを行った場
合の、シリコン及びシリコン酸化膜のエッチング速度、
また、シリコン酸化膜のシリコンに対するエッチング速
度比及び選択比の関係を図６に示す。ここでは、圧力
５．３Ｐａ、ＣＦ₄ ガス流量を１００ｓｃｃｍ一定と
し、図６に示した陽極電極６の温度を変化させた場合の
関係である。

【００５０】陽極電極６の温度を−８０℃より高くした
場合、ＳｉＯ₂ 、Ｓｉともエッチング速度は一定で、Ｓ
ｉＯ₂ とＳｉとの選択比は１．５に満たない。これに対
して、陽極電極６の温度を−８０℃以下、特に−１００
℃以下に冷却すると、Ｓｉのエッチング速度が急激に低
下し始め、−１３０℃で一定値となり、−１３０℃以下
に冷却しても、Ｓｉのエッチング速度に変化はなかっ
た。このとき、ＳｉＯ₂ のエッチング速度に変化はなく
一定値を示していた。また、−１３０℃でのＳｉＯ₂ ／
Ｓｉ選択比は２５にも上昇した。

【００５１】次に、上述したエッチングの条件でＳｉＯ
₂ 膜を選択的にエッチングできる根拠について説明す
る。図７は、Ｓｉで形成された陽極電極６上へのフロロ
カーボン膜堆積速度の温度依存性を示す特性図である。
陽極電極６上にはプラズマ中で生成したフロロカーボン
粒子が吸着重合しフロロカーボン膜が堆積する。電極温
度を６０℃から低くしていくと、−５０℃あたりまでフ
ロロカーボン堆積速度は上昇していく。さらに電極温度
を低くすると、堆積速度は減少し、−１００℃では、ほ
ぼ０となり、それ以上冷却すると、Ｓｉ上に堆積は起こ
らずＳｉが削れ出すことが判った。これは、陽極電極６
を−１００℃以下に冷却することにより、Ｓｉ表面での
フロロカーボン粒子の重合反応が低下し、ついにはフロ
ロカーボン膜が堆積しなくなることで、Ｓｉがプラズマ
中の弗素ラジカルと反応できるようになったためであ
る。

【００５２】上述のように、プラズマ中で発生した活性
な弗素ラジカルを陽極電極６を形成しているＳｉと反応
させ、弗素ラジカルを失活させることによりＳｉのエッ
チング速度を抑制でき、ＳｉＯ₂ を選択的にエッチング
することが可能となった。

【００５３】実施例３図８は、本発明のプラズマ処理装置の他の実施例を示す
マグネトロン型ＲＩＥ装置の概略構成図である。

【００５４】反応容器１内の平行平板電極２及び６が設
けられている。陰極電極２は被処理基板３を設置する機
能を有し、陽極電極６は陰極電極２の対向電極として、
共に例えば表面をアルマイト処理したアルミニウムで形
成されている。ガス導入口５は、予備放電管１５を介し
て反応容器１に接続され、ガス導入口５には所望のガス
を反応容器１内に導入するためのバルブ４が設けられて
いる。陰極電極２に接続された高周波電源７は、１３．
５６ＭＨｚ、８００Ｗの高周波電力を印加し放電を誘起
する。また、陰極電極２に対向する陽極電極６は接地さ
れている。陽極電極６の裏面対向位置には永久磁石９及
びその駆動機構１０からなる磁場発生器が設置され、陰
極電極２と陽極電極６との対向空間に磁界を印加するも
のとなっている。

【００５５】さらに、予備放電管１５を挾んで予備放電
管用電極１６が設けられている。電極１６に接続された
高周波電源１３は、電力を印加し放電を誘起する。予備
放電管内部には、ハロゲン消費物体、例えばＳｉ基板１
４が設置されている。

【００５６】上記マグネトロン型ＲＩＥ装置を用いて、
本発明のプラズマ処理方法の他の実施例について説明す
る。シリコン基板上に、シリコン酸化膜及び所定の領域
に開口を設けたレジストパターンが形成された被処理基
板３を、反応容器１内の陰極電極２上に設置した後、反
応容器１内を１３．３ｍＰａになるまで排気する。

【００５７】次に、ＣＦ₄ のバルブ４を開け、ガス導入
口５よりＣＦ₄ を予備放電管１１に導入する。予備放電
管１１には、高周波電源１３を用いて、予備放電管電極
１２に電力を印加し、予備放電管１１内で放電を起こし
た後、ガスは反応容器１に導入される。なお、印加する
電力としては前述した実施例と同様に、例えば１３．５
６ＭＨｚ、８００Ｗの高周波電力を用いてもよいが、例
えば２．４５ＧＨｚ等のマイクロ波を用いることも可能
である。また、本実施例では、予備放電管１１内及び予
備放電管電極１２の温度制御を特に行っていないが、こ
れらの温度制御（冷却）を同時に行うことも可能であ
る。このとき、予備放電管内部に設置されたＳｉ基板１
４はプラズマによりエッチングされている。このように
して導入されたガスにより反応容器１内を５．３Ｐａに
する。陽極電極６の裏面対向位置には永久磁石９及びそ
の駆動機構１０からなる磁場発生器が設置され、陰極電
極２と陽極電極６との対向空間に磁界を印加する。

【００５８】陰極電極２の温度を２５℃保ちつつ、陰極
電極２に接続された高周波電源７を用いて、１３．５６
ＭＨｚ、８００Ｗの高周波電力を印加し放電を誘起す
る。このとき、陽極電極６は接地されている。これによ
りＣＦ₄ を励起させ異方性エッチングを行う。

【００５９】以上のような方法でエッチングを行った場
合の、Ｓｉ／ＳｉＯ₂ 選択比は２５であった。上述のよ
うに、プラズマ中で発生した活性な弗素ラジカルを予備
放電管１５内でＳｉ基板１４と反応、失活させること
で、反応室内のラジカル濃度を低下させることによりＳ
ｉのエッチング速度を抑制でき、ＳｉＯ₂ を選択的にエ
ッチングすることが可能となった。

【００６０】実施例４図９は、本発明のプラズマ処理装置の他の実施例を示す
マグネトロン型ＲＩＥ装置の概略構成図である。

【００６１】反応容器１内の平行平板電極２及び６が設
けられている。陰極電極２は被処理基板３を設置する機
能を有し、表面をアルマイト処理したアルミニウムで形
成されており、陽極電極６はハロゲン消費物体としての
機能を有し、例えばＳｉで形成されている。ガス導入口
５は、反応容器１に接続され、ガス導入口５には所望の
ガスを反応容器１内に導入するためのバルブ４が設けら
れている。陰極電極２に接続された高周波電源７を用い
て１３．５６ＭＨｚ、８００Ｗの高周波電力を印加し放
電を誘起する。また、陽極電極６には高周波電源８が接
続され、この高周波電源８を用いて１３．５６ＭＨｚの
高周波電力を印加し、陽極電極６に所望のバイアスを印
加することができる。

【００６２】反応容器１の側壁には、陰極電極２と６の
間に２００ガウスの水平磁界を印加できる永久磁石９及
びその駆動機構１０からなる磁場発生器が設置され、陰
極電極２と陽極電極６との対向空間に磁界を印加するも
のとなっている。

【００６３】上記マグネトロン型ＲＩＥ装置を用いて、
本発明のプラズマ処理方法の一実施例について説明す
る。シリコン基板上に、シリコン酸化膜及び所定の領域
に開口を設けたレジストパターンが形成された被処理基
板３を、反応容器１内の陰極電極２上に設置した後、反
応容器１内を１３．３ｍＰａになるまで排気する。

【００６４】次に、ＣＦ₄ のバルブ４を開け、ガス導入
口５よりＣＦ₄ を供給し、反応容器１内を５．３Ｐａに
する。反応容器１の側壁には、陰極電極２と６の間に２
００ガウスの水平磁界を印加できる永久磁石９及びその
駆動機構１０からなる磁場発生器が設置され、陰極電極
２と陽極電極６との対向空間に磁界を印加するものとな
っている。

【００６５】陰極電極２の温度を２５℃保ちつつ、陰極
電極２に接続された高周波電源７を用いて、１３．５６
ＭＨｚ、８００Ｗの高周波電力を印加し放電を誘起す
る。このとき、陽極電極６は接地されている。これによ
りＣＦ₄ を励起させ異方性エッチングを行う。

【００６６】以上のような方法でエッチングを行った場
合、バイアス−７０ＶでのＳｉ／ＳｉＯ₂ 選択比は４０
であり、先の実施例で得られた選択比２８を上回ってい
た。この根拠について説明する。

【００６７】陰極降下電圧（Ｖｄｃ）を測定したとこ
ろ、−２００Ｖであった。先の実施例の場合、−５５０
Ｖであったので、かなり陰極降下電圧が低いことが判っ
た。これは本実施例で用いた磁石は２００ガウスと磁界
が強いためである。陰極降下電圧が低いとイオンエネル
ギーが低下するため、Ｓｉ／ＳｉＯ₂ 高選択比が実現し
た。

【００６８】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のでない。例えば、ハロゲン消費物体として、シリコン
（単結晶、多結晶、アモルファス）以外にリン、ヒ素、
ボロン等の３−５族不純物等を含む単結晶、多結晶、も
しくはアモルファスのシリコンや、あるいは金属、例え
ばタングステン、モリブデン、チタン等の高融点金属等
を用いることが可能である。

【００６９】また、実施例においてはシリコン酸化膜を
Ｓｉ（シリコン基板）に対して選択的にエッチングする
ことが可能であったが、Ｓｉの他に例えば、アルミニウ
ム、窒化チタン、チタンシリサイド、タングステン、タ
ングステンシリサイド、窒化シリコン、銅、ニオブに対
しても、Ｓｉと同様に選択的なエッチングが可能であっ
た。

【００７０】また、エッチングガスとしてはＣＦ₄ の
他、他のフロロカーボンガス、例えばＣＨＦ₃ 、ＣＨ₂
Ｆ₂ 、Ｃ₂ Ｆ₄ 、Ｃ₃ Ｆ₆ 、Ｃ₃ Ｆ₈ 、Ｃ₄ Ｆ₈ 、Ｃ₄
Ｆ₁₀のいずれかのガス或いはこれらのうち少なくとも一
つを含む混合ガス或いはこれにＨ₂ を添加した混合ガス
等を用いることが可能である。

【００７１】さらに、エッチングする酸化膜も熱酸化
膜、気相或いは液相で形成されたＣＶＤ酸化膜等に適用
することが可能である。また、基板もシリコン基板に限
らず、ＳＯＩ基板でもよく、また、基板上に多結晶シリ
コン膜が形成されその上の酸化膜を前記多結晶シリコン
に対して選択的にエッチングするような場合でも適用す
ることができる。

【００７２】さらにまた、反応促進手段として、電極に
電界を印加する手段とハロゲン消費物体を冷却する手段
の両方を用いることができ、ハロゲン除去効果が著し
い。また、ドライエッチング装置としては、実施例のよ
うな平行平板型マグネトロン型ＲＩＥ装置の他、ＥＣＲ
型ドライエッチング装置、ヘリコン波プラズマエッチン
グ装置、イオンビームエッチング装置、或いは光励起エ
ッチング装置等を用い得る。

【００７３】さらに、本発明ではエッチングに関して述
べたが、ＣＶＤ法等に対しても適用できる。この場合、
被処理基板は陽極電極側に設置するとともに、ハロゲン
消費物体を陰極電極側に設置するとよい。例えば、ＣＶ
Ｄにより弗素等のハロゲンを含むＴＥＯＳを用いてシリ
コン酸化膜等を形成する場合、ＴＥＯＳ膜中への弗素等
のハロゲンの混入が問題となる。このとき、本発明のハ
ロゲン消費物体とハロゲン促進化手段とを用いること
で、膜中への弗素等のハロゲンの混入を防止することが
可能である。また、ＣＶＤ法によりＳｒ（ｈｆａ）₂
等、Ｔｉのアルコキシド、及び酸素を用いてチタン酸ス
トロンチウム膜等を形成する場合も、膜中への弗素等の
ハロゲンの混入を防止することができる。

【００７４】さらにまた、反応容器内に磁界を印加する
手段として、上記実施例では、永久磁石を用いたが、電
磁石等を用いることも可能である。また、これらの磁界
印加のための手段を用いずに本発明を実施することも可
能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種
々変形し実施可能である。

【００７５】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、高
選択比のエッチングや高品質膜の成膜等、半導体装置の
製造における信頼性や歩留まりを改善することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるプラズマ処理装置の一実施例を
示す概略構成図。

【図２】バイアスとシリコン酸化膜及びシリコンのエ
ッチング速度との関係を示す特性図。

【図３】Ｓｉ製電極バイアスとシリコンエッチング速
度との関係を示す特性図。

【図４】各種材料に対する、電極バイアスと電極エッ
チング速度との関係を示す特性図。

【図５】本発明によるプラズマ処理装置の他の実施例
を示す概略構成図。

【図６】Ｓｉ電極温度とＳｉＯ₂ 及びＳｉエッチング
速度との関係を示す特性図。

【図７】Ｓｉ電極温度とフロロカーボン堆積速度との
関係を示す特性図。

【図８】本発明によるプラズマ処理装置の他の実施例
を示す概略構成図。

【図９】本発明によるプラズマ処理装置の他の実施例
を示す概略構成図。

【符号の説明】

１・・・反応容器２・・・陰極電極３・・・被処理基板４・・・バルブ５・・・ガス導入口６・・・陽極電極７・・・高周波電源８・・・高周波電源９・・・永久磁石１０・・永久磁石の駆動機構１１・・冷却ジャケット１２・・冷却機１３・・高周波電源１４・・Ｓｉ基板１５・・予備放電管１６・・予備放電用電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者堀岡啓治神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応容器と、この反応容器内に設置され
る被処理基板を保持する手段と、前記反応容器内にハロ
ゲン元素を含有するガスを導入する手段と、前記反応容
器内に設けられたハロゲン消費物体と、このハロゲン消
費物体の反応を促進するための反応促進手段と、前記反
応容器内を排気する手段と、前記反応容器内に電界を印
加することによりプラズマを生成する手段とを具備する
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】反応容器と、この反応容器内に設置され
る被処理基板を保持する手段と、前記反応容器内に予備
解離室を介してハロゲン元素を含有するガスを導入する
手段と、前記予備解離室内に電界を印加することにより
プラズマを生成する手段と、前記予備解離室内に設置さ
れたハロゲン消費物体と、このハロゲン消費物体の反応
を促進するための反応促進手段と、前記反応容器内を排
気する手段とを具備することを特徴とするプラズマ処理
装置。
【請求項３】前記ハロゲン消費物体は陽極電極側に設
けられ、前記反応促進手段は前記陽極電極側に高周波あ
るいは直流電源を備えたことを特徴とする請求項１また
は２記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】前記反応促進手段は、前記ハロゲン消費
物体を−１００℃以下に冷却保持せしめる冷却機構を備
えたことを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ
処理装置。
【請求項５】前記ハロゲン消費物体は、ハロゲン元素
と反応し、揮発性のハロゲン化物を生成する元素を含む
ことを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理
装置。
【請求項６】前記ハロゲン消費物体は、単結晶シリコ
ン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、あるいは
タングステンからなることを特徴とする請求項５記載の
プラズマ処理装置。
【請求項７】前記反応容器内に磁界を印加する手段を
備えたことを特徴とする請求項１または２記載のプラズ
マ処理装置。
【請求項８】被処理基板をハロゲン消費物体が設置さ
れる反応容器内に収容する工程と、前記反応容器内にハ
ロゲン元素を含有するガスを導入する工程と、前記反応
容器内を排気する工程と、前記反応容器内に磁界を印加
する工程と、前記反応容器内に電界を印加することによ
りプラズマを生成するとともに、前記ハロゲン消費物体
と前記ハロゲン元素を含有するガスとの反応を促進する
工程とを有し、前記プラズマにより、前記被処理基板の
処理を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項９】被処理基板を反応容器内に収容する工程
と、前記反応容器外に設置され、内部にハロゲン消費物
体が設置される予備解離室内にハロゲン元素を含有する
ガスを導入する工程と、前記予備解離室内に電界を印加
することによりプラズマを生成するとともに、前記ハロ
ゲン消費物体と前記ハロゲン元素を含有するガスとの反
応を促進する工程と、前記ハロゲン消費物体と反応せし
めた後に、前記反応容器内に前記ハロゲン元素を含有す
るガスを導入する工程と、前記反応容器内を排気する工
程とを有し、前記ハロゲン元素を含有するガスにより、
前記被処理基板の処理を行うことを特徴とするプラズマ
処理方法。
【請求項１０】前記ハロゲン消費物体と前記ハロゲン
ガスとの反応を促進する工程は、高周波あるいは直流電
力によりプラズマを生成し、前記ハロゲン消費物体表面
に前記プラズマ中のイオンを照射することを特徴とする
請求項８または９記載のプラズマ処理方法。
【請求項１１】前記ハロゲン消費物体と前記ハロゲン
元素を含有するガスとの反応を促進する工程は、前記ハ
ロゲン消費物体を−１００℃以下に冷却保持することを
特徴とする請求項８または９記載のプラズマ処理方法。
【請求項１２】前記被処理基板には、シリコン酸化膜
及び所定の材料からなる層が形成されていることを特徴
とする請求項８または９記載のプラズマ処理方法。
【請求項１３】前記所定の材料は、シリコン、アルミ
ニウム、窒化チタン、チタンシリサイド、タングステ
ン、タングステンシリサイド、窒化シリコン、銅、ニオ
ブのうち一つあるいは複数であることを特徴とする請求
項８または９記載のプラズマ処理方法。
【請求項１４】前記反応容器に磁界を印加する工程を
有することを特徴とする請求項８または９記載のプラズ
マ処理方法。
【請求項１５】前記反応容器に磁界を印加するときの
磁界強度は、２００ガウス以上であることを特徴とする
請求項１４記載のプラズマ処理方法。