JPH07283206A - プラズマ装置およびこれを用いたプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ装置およびこれを用いたプラズマ処理方法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高密度プラズマのイオン／ラジカル生成比を
最適に制御可能なプラズマ装置を構成し、高精度エッチ
ングを行う。 【構成】 ベルジャ３１を周回するソレノイド・コイル
３３とこれに電流を供給する直流電源（ＤＣ）４８との
間にスイッチ４７を設け、該スイッチ４７のＯＮ時には
イオンに富むヘリコン波プラズマＰH 、ＯＦＦ時にはル
ープ・アンテナ３２の生成する高周波電界によりラジカ
ルに富む誘導結合プラズマＰI を励起させる。あるい
は、ループ・アンテナ３２に供給する高周波電流を１０
μｓｅｃオーダーの周期を有するパルス電流とし、プラ
ズマ密度を維持しながら電子温度を下げても良い。 【効果】 高密度プラズマにおいて不足しがちな多原子
イオンや多原子ラジカルが適正比率にて生成するので、
イオン・アシスト機構を円滑に働かせ、高速異方性エッ
チングを行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、たとえば半導体デバイ
スの製造に適用されるプラズマ装置およびこれを用いた
プラズマ処理方法に関し、特に誘導結合プラズマやヘリ
コン波プラズマ等のいわゆる高密度プラズマにおけるガ
スの解離状態を制御することが可能な装置、およびこれ
を用いてドライエッチングに代表されるプラズマ処理を
高精度に行う方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＶＬＳＩさらにはＵＬＳＩと半導体デバ
イスの集積度が向上するにつれ、その最小加工寸法の縮
小も急速に進んでおり、たとえば近く量産の開始される
６４ＭＤＲＡＭでは０．３５μｍのデザイン・ルールが
採用される。また、研究レベルでは次世代、次々世代の
半導体デバイスの製造を目指して０．２５〜０．１μｍ
のデザイン・ルールにもとづく微細加工の研究も進めら
れている。
【０００３】高真空チャンバ内でエッチング・ガスを放
電解離させ、生成したプラズマ中のイオンやラジカルを
利用して試料をエッチングするドライエッチングは、か
かる微細加工技術の進展に大きく寄与した技術である。
現状において、プラズマ生成の主流となっている方式
は、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）方式とマグネト
ロンＲＩＥ方式である。
【０００４】しかし、２５６ＭＤＲＡＭで必要とされる
最小加工寸法０．２５μｍ、あるいはこれ以上に微細な
パターンを精度良く形成しようとすると、既存のプラズ
マでは限界があることも明らかとなりつつある。
【０００５】たとえば、上述のＥＣＲ方式およびマグネ
トロンＲＩＥ方式では、共にプラズマ密度を向上させる
ために強磁場を使用しているが、直径８インチもの大口
径ウェハが用いられる近年のプロセスでは、該ウェハの
全面にわたってこの磁場を均一化することが難しい。こ
の結果、ウェハ面内でプラズマ密度が不均一となり、ゲ
ート絶縁膜破壊が生じ易くなっている。また、強磁場下
における電子とイオンの磁場に対する捕獲率が異なるこ
とに起因して基板に蓄積された電荷がイオンの入射方向
に影響を及ぼし、異常エッチング形状を生ずるという問
題も生じている。
【０００６】この問題は、実際にはたとえば図１２に示
されるような、Ａｌ／Ｗ系積層配線膜のエッチングにお
けるＷ膜６５ｅへのサイドエッチの発生といった形で現
れる。この図は、ＳｉＯx 層間絶縁膜６１上でＡｌ／Ｗ
系積層配線膜をフッ素系ガスを用いてエッチングした結
果、Ｔｉ膜６２ａ、ＴｉＮ膜６３ａ（以上、バリヤメタ
ル６４ａ）、Ａｌ−１％Ｓｉ膜６６ａおよびＴｉＯＮ反
射防止膜６７ａについては異方性形状が得られている
が、Ｗ膜６５ｅについてはサイドエッチが生じている状
態を示している。
【０００７】また、かかる微細なデザイン・ルールの下
では、側壁保護に頼らないクリーンなプロセスにもとづ
く本質的な異方性エッチングが望まれるが、そのために
は低ガス圧下で放電を行い、イオンの平均自由行程を延
長させることが必要である。
【０００８】低ガス圧放電はまた、エッチング機構がイ
オン・スパッタリングに近く、もともと側壁保護を余り
必要としないＳｉＯx 系材料膜のエッチングにおいても
重要である。これは、ＤＲＡＭにおけるスタック型キャ
パシタ、ＳＲＡＭにおける多層ポリシリコン配線、ある
いは論理素子における多層配線の採用等に伴い、平坦化
された厚いＳｉＯx 系絶縁膜に高アスペクト比を有する
接続孔を開口するプロセスが出現しているためである。
【０００９】しかし、低ガス圧下では当然のことながら
エッチングに寄与するプラズマ中の化学種の密度が低く
なり、低エッチング速度、低スループットといった問題
を引き起こす。したがって、先端的な半導体デバイスの
製造にあたっては、基板近傍における低磁場化が図れ、
しかも低ガス圧下で高密度なプラズマを生成可能なプラ
ズマ装置が望まれている。このような中で、近年、幾種
類かの新しい高密度プラズマ装置が相次いで提案されて
いる。
【００１０】そのひとつに、特開平３−６８７７３号公
報に開示されるヘリコン波プラズマ装置がある。この装
置のプラズマ生成機構は、円筒状のチャンバに磁場を印
加し、さらにこのチャンバに巻回されるループ・アンテ
ナに高周波を印加して該チャンバ内にヘリコン波を生成
させ、このヘリコン波からランダウ減衰の過程を通じて
電子へエネルギーを輸送することにより該電子を加速
し、この電子をガス分子に衝突させて高いイオン化率を
得るというものである。ヘリコン波プラズマ装置では、
１０-4台の低圧下でおおよそ１０11〜１０13／ｃｍ3 の
イオン密度（イオン電流密度では１６〜２０ｍＡ／ｃｍ
2 ）を達成することができる。因みに、ＥＣＲプラズマ
装置では、達成可能なイオン密度は条件にもよるが、せ
いぜい１０11／ｃｍ3 （イオン電流密度では１０〜１５
ｍＡ／ｃｍ2 ）程度である。
【００１１】また、特開平６−１１２１６６号公報に
は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌ
ｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）を発生させるプラ
ズマ装置が開示されている。これは、プラズマ生成チャ
ンバである石英シリンダの周囲に巻回された非共鳴マル
チターン・アンテナに高周波パワーを供給し、このアン
テナの内側に形成される磁界にしたがって電子を回転さ
せることで、この電子とガス分子とを高い確率で衝突さ
せる装置である。ＩＣＰ装置によれば、おおよそ１０11
〜１０12／ｃｍ3 のイオン密度を達成することができ
る。
【００１２】これらヘリコン波プラズマ装置やＩＣＰ装
置は、プラズマ生成に従来のＥＣＲ方式やマグネトロン
方式で用いられたような強磁場を要さないため、基板近
傍における磁界を大幅に減少させるか、あるいは実質的
にゼロとすることができる。したがって、磁場の影響に
よるプラズマ密度の不均一化、イオンの振動、イオンの
斜め入射等をいずれも大幅に減少させることができ、ゲ
ート絶縁膜破壊や異常エッチング形状を抑制することが
できる。また、高価な磁気コイルや大型のマイクロ波源
を要さず、また使用する高周波の周波数も比較的低いも
ので済むため、装置を小型化、簡素化、低価格化するこ
とができる。このことは、デバイス製造装置の構成が今
後はマルチチャンバ構成へ向かうことを考慮すると、極
めて大きなメリットとなる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＩＣＰ
やヘリコン波プラズマのような低圧で高密度なプラズマ
中では、電子温度が極めて高いためにガス分子の解離が
進み過ぎ、この結果、イオンは過剰に生成するのにラジ
カルの生成量が不足するといった問題が生じている。
【００１４】一般にドライエッチングにおける高いエッ
チング速度は、前述のＡｌ／Ｗ積層配線膜のエッチング
の場合も含め、試料の表面に吸着されたラジカルによる
化学反応を、イオン衝撃の形でもたらされる物理エネル
ギーにより促進する、いわゆるイオン・アシスト機構に
より達成されている場合が多い。したがって、ラジカル
の不足する系では、ラジカルの吸着とイオン照射とが円
滑に繰り返されず、結果的にエッチング速度が低下する
という問題が生ずる。
【００１５】また、イオン・スパッタリングがエッチン
グ機構の主体をなす系においても、ある種のラジカルの
相対的な不足が下地選択性の低下の原因となる場合があ
る。たとえば、ＳｉＯx 系材料層のエッチング・ガスと
して良く知られるｃ−Ｃ4 Ｆ8 （オクタフルオロシクロ
ブタン）を用いる場合、従来のマグネトロン型ＲＩＥ装
置やＥＣＲエッチング装置であれば主エッチング種であ
るＣＦ2 + ，ＣＦ3 +等のイオンと共に、対Ｓｉ選択性
に寄与する炭素系ポリマーの前駆体としてＣＦ2 * が生
成し、これにより高速・高選択エッチングを進行させる
ことができた。しかし、ＩＣＰ装置やヘリコン波プラズ
マ装置内ではエッチング・ガスの解離が進み過ぎ、
Ｃ+ ，Ｆ* 等の単原子活性種が大量に生成する一方で、
上述のような多原子イオンや多原子ラジカルの生成量が
極端に減少してしまう。この結果、十分な炭素系ポリマ
ーの重合反応が起こらず、対Ｓｉ選択比が低下するとい
う問題が生じている。
【００１６】この問題の解決手段として、まずエッチン
グ・ガス系にＣＨ2 Ｆ2 やＣＨＦ3等の堆積性ガスを添
加することが考えられる。これは、堆積性ガスから放出
されるＨ* を利用して過剰なＦ* を捕捉し、エッチング
反応系のＣ／Ｆ比（Ｃ原子数とＦ原子数との比）を上昇
させて、炭素系ポリマーの堆積を促進する方法である。
しかし、実用上十分な選択比を達成するためには堆積性
ガスを大過剰に添加することが必要であり、パーティク
ル・レベルや再現性が大きく損なわれる虞れが大きい。
【００１７】また、別の手段として前述の特開平６−１
１２１６６号公報に記載されるＩＣＰ装置では、不純物
を高濃度に含む導電性シリコン（Ｓｉ）プレートを用い
て高真空容器の上蓋に相当する部分を構成している。こ
れは、プラズマ中に大量に生成するＦ* （フッ素ラジカ
ル）の一部をＳｉプレートの表面で捕捉し、ＳｉＦxの
形で高真空容器外へ排気することにより、対Ｓｉ選択比
を向上させるためである。なお、上記Ｓｉプレートに導
電性が付与されているのは、これをプラズマに対する大
面積のＤＣ接地電極としても利用するためである。
【００１８】しかし、上述のＳｉプレートの導電性は金
属に比べればはるかに低いため、必然的に抵抗が高くな
り、基板バイアスが有効に印加されなくなることが懸念
される。
【００１９】さらに別の手段として、第４０回応用物理
学関係連合講演会（１９９３年春季年会）講演予稿集
ｐ．５２９，演題番号２９ｐ−ＺＥ−８には、パルス変
調ＥＣＲプラズマを用いてガスの解離制御を行う方法が
提案されている。これは、パルス変調したマイクロ波を
用いて電子増殖と損失を時間的に制御することによりプ
ラズマの電子温度を変化させる方法であり、高精度エッ
チングの可能性を示唆したものである。しかし、ＥＣＲ
プラズマ装置は強磁場を生成可能なソレノイド・コイル
やマイクロ波源等の大型で高価な設備を要し、経済性、
クリーンルーム内におけるスペース効率等の観点からは
ヘリコン波プラズマ装置やＩＣＰ装置に一歩譲らざるを
得ない。
【００２０】そこで本発明は、ヘリコン波・プラズマや
ＩＣＰ等の高密度プラズマを生成させる場合にもイオン
／ラジカル生成比を最適に制御することが可能なプラズ
マ装置、およびこれを用いて高速で精度の高いドライエ
ッチング等のプラズマ処理を行うことが可能なプラズマ
処理方法を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】本発明は、上述の目的を
達するために提案されるものである。
【００２２】すなわち、本発明のプラズマ装置は、基板
を収容する高真空容器と、前記高真空容器の器壁の一部
を構成する非導電性部材と、前記非導電性部材の周囲に
巻回される高周波アンテナと、前記高周波アンテナへの
電流の供給／遮断の高速スイッチングを行う高周波電界
制御手段とを備えることにより、前記高真空容器内に高
密度プラズマを生成させるようになされたものである。
【００２３】上記電流の供給／遮断の高速スイッチング
は、高周波電源と高周波アンテナとの間にパルス発生回
路を介在させ、アナログ電流波形をパルスに変換するこ
とにより実現することができる。このときのパルス長お
よびデューティ比は、生成させたい活性種の種類、生成
速度および寿命に応じて最適化するが、インターバルを
１０μｓ程度に設定すると、電流遮断時にプラズマ密度
を連続放電時と同程度に維持したまま、電子温度のみを
低下させることができる。これは、一般に電子温度の緩
和時間がｎｓのオーダーであるのに対し、プラズマの寿
命が数十μｓと長いからである。つまり、かかる設定に
よりプラズマ放電を継続させた状態で電子温度を周期的
に変化させることができ、ガス解離反応、基板表面のシ
ース電圧、基板内の電荷蓄積状態を制御することができ
る。
【００２４】かかる構成を有する装置では、高周波アン
テナから放出される高周波エネルギーを高真空容器に電
磁結合させることにより、該高真空容器内にＩＣＰを励
起させることができる。以下、ＩＣＰを生成させる装置
をＩＣＰ装置と称する。
【００２５】また、前記高周波アンテナのさらに外周側
において前記非導電性部材を周回する磁界生成手段を備
えていれば、上記高真空容器内にヘリコン波プラズマを
励起させることができる。以下、ヘリコン波プラズマを
生成させる装置をヘリコン波プラズマ装置と称する。
【００２６】本発明で構成されるヘリコン波プラズマ装
置は、前記高周波アンテナへの電流の供給／遮断の高速
スイッチングを行う高周波電界制御手段、もしくは前記
磁界生成手段による磁界の生成／消滅を切り替えるため
の磁界制御手段の少なくとも一方を備える。
【００２７】ここで、上記のアンテナ供給電流の高速ス
イッチングは、前述のＩＣＰ装置の場合と同様に実現す
ることができる。
【００２８】一方、磁界の切り換えを最も簡便に行うに
は、前記磁界生成手段をソレノイド・コイルとし、該手
段への電流の供給／遮断を前記制御手段、具体的にはス
イッチによって切り替えれば良い。この切り換えによっ
て電流の供給時間の長さ、および電流印加のデューティ
比を最適に選択すれば、イオン／ラジカル生成比を所望
の値に制御することができる。
【００２９】なお、本発明のヘリコン波プラズマ装置に
は、上記高周波電界制御手段と上記磁界制御手段の双方
が同時に具備されていても良い。この場合、双方の手段
による切り換えのタイミングに応じて、磁界の有無と高
周波電界の有無の組み合わせで４種類の状態が存在する
ことになる。
【００３０】一方、本発明のプラズマ処理方法は、上述
のＩＣＰ装置もしくはヘリコン波プラズマ装置を用い、
前記高真空容器内に収容された基板に対して所定のプラ
ズマ処理を行うものである。
【００３１】まず、ＩＣＰ装置を用いる場合には、前記
高周波アンテナと高周波電界制御手段とにより高周波電
界を間欠的に生成させながら所定のプラズマ処理を行う
ことができる。
【００３２】また、ヘリコン波プラズマ装置を用いる場
合には、上述のような高周波電界制御も可能であるが、
前記磁界生成手段と前記制御手段とにより磁界を間欠的
に生成させながらプラズマ処理を行うこともできる。さ
らに、磁界を間欠生成させながらプラズマ処理を行う工
程と、磁界を連続生成させながらプラズマ処理を行う工
程とを時系列的に組み合わせても良い。この場合、磁界
の間欠生成時の方が連続生成時よりもラジカル生成量が
相対的に多くなるので、両工程の実施順は所望のプラズ
マ処理の内容に応じて決定する。もちろん、両工程を交
互に複数回繰り返しても良い。
【００３３】上記プラズマ処理は、ドライエッチング、
ＣＶＤ、表面改質等の従来公知のあらゆるプラズマ処理
であって良いが、本発明ではイオン／ラジカル生成比の
制御が可能であることから、特にドライエッチングに適
用された場合にその真価を発揮する。
【００３４】たとえば、本発明は基板上のシリコン化合
物膜をフルオロカーボン系ガスを用いてエッチングする
ドライエッチングに適用して好適である。上記フルオロ
カーボン系化合物の種類は特に限定されるものではな
く、従来からＳｉＯx 系材料膜のエッチングに用いられ
ている公知の化合物を用いて良い。ただし、本発明では
ガスの解離制御によりＦ* の生成量が適正レベルに抑え
られ、エッチング反応系のＣ／Ｆ比の低下を防止できる
ため、堆積性のハイドロフルオロカーボン系ガスを併用
する必要は特にない。また、上記シリコン化合物膜は、
典型的にはＳｉＯx 系材料膜、ＳｉＮ系材料膜、ＳｉＯ
Ｎ系材料膜、あるいはこれらの任意の組み合わせによる
複合膜である。上記ＳｉＯx 系材料膜としてはさらに、
ＳＯＧ（スピンオン・グラス）膜のような塗布膜、ある
いはＣＶＤ法により成膜されるＰＳＧ膜，ＢＰＳＧ膜，
ＡｓＳＧ膜といった従来公知のあらゆるＳｉＯx 系絶縁
材料膜を挙げることができる。
【００３５】あるいは本発明を、前記基板上の配線膜を
ハロゲン系ガスを用いてエッチングするドライエッチン
グに適用しても良い。かかる配線膜としては、ポリシリ
コン膜，ポリサイド膜，シリサイド膜，Ａｌ系配線膜，
高融点金属膜等、イオン・アシスト機構により通常効果
的にエッチングされる従来公知のあらゆる配線膜を用い
ることができる。
【００３６】
【作用】本発明のプラズマ装置では、高周波アンテナへ
供給する電流の供給／遮断の高速スイッチングを行うこ
とにより、１回当たりの放電時間を制限し、ガスの解離
状態を制御することができる。放電時間のガスの解離状
態との間には相関関係があり、ガス分子の解離によって
得られる活性種の密度の飽和時間は、活性種の種類によ
って異なる。一般的には、構成原子数が多く、切断すべ
き化学結合を多く有する活性種ほど短時間の放電で生成
し、その後放電時間が延長するにしたがって構成原子数
の少ない、あるいは単原子状態の活性種が多く生成する
ようになる。
【００３７】したがって、電流の供給時間を所望の活性
種が相対的に多く生成し得る長さに設定し、かつ電流の
遮断時間を再結合や高真空装置の壁材との接触による活
性種の消失割合を考慮に入れて設定することにより、過
剰なガス解離を抑え、イオン／ラジカル生成比、あるい
は多原子ラジカル／単原子ラジカル生成比等の種々の化
学種の生成比を制御することができる。
【００３８】したがって、本発明をフルオロカーボン系
ガスを用いＳｉＯx 系材料膜のドライエッチングに適用
した場合には、過剰なＦ* の生成を抑制し、ＣＦ3 + ，
ＣＦ2 + ，ＣＦ+ 等のイオン、および炭素系ポリマーの
前駆体であるＣＦ2 * を適正比率にて生成させることが
でき、対Ｓｉ選択比を大きく維持しながら高速異方性エ
ッチングを行うことが可能となる。
【００３９】また、特にヘリコン波プラズマ装置におい
ては、磁界の生成／消滅を切り替え可能な制御手段を設
けることにより、１台のヘリコン波プラズマ装置がＩＣ
Ｐ装置としても利用可能となり、ヘリコン波プラズマで
不足するラジカルをＩＣＰで補うことができるようにな
る。すなわち、ヘリコン波プラズマ装置は、構成上はＩ
ＣＰ装置に磁界生成手段を加えたものとみることができ
るが、ヘリコン波は磁力線に沿ってプラズマ中を伝搬す
る電磁波の一種であるから、磁界が存在しない時には生
成せず、したがってヘリコン波プラズマも生成しない。
しかし、この装置内にヘリコン波が存在していない時で
も、プラズマ生成チャンバの周囲に巻回されている高周
波アンテナによりＩＣＰは励起されるので、上述のよう
なラジカルの補充が可能となる。
【００４０】本発明のヘリコン波プラズマ装置によれ
ば、磁界の生成時にはイオンの豊富なヘリコン波プラズ
マ、磁界の消滅時にはラジカルの豊富なＩＣＰを生成さ
せることができ、これによりイオン・モードとラジカル
・モードとを所望の割合で成立させることが可能とな
る。磁界生成手段をソレノイド・コイルにより構成すれ
ば、かかる磁界の生成／消滅は簡単な電気的制御により
行えることになり、この電流印加のデューティ比により
イオン／ラジカル生成比を制御することが可能となる。
【００４１】このヘリコン波プラズマ装置をドライエッ
チングに適用すると、従来のヘリコン波プラズマ装置で
は円滑に働かなかったイオン・アシスト機構が良好に働
くようになる。したがって、エッチング速度を向上させ
ることができる。
【００４２】また、イオンを多く要するエッチング、あ
るいはラジカルを多く要するエッチング等、プロセスの
内容に応じてエッチング・ガスの解離状態を制御できる
ことから、最適なイオン／ラジカル生成比の下で形状異
常の発生を防止しながら高精度なドライエッチングを行
うことが可能となる。
【００４３】
【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。
【００４４】実施例１ 本実施例では、高周波電界制御手段を備えたＩＣＰエッ
チング装置の一構成例について説明する。
【００４５】図１に、本エッチング装置の概念的な構成
を示す。この装置のプロセス・チャンバ２の壁面の大部
分と上蓋１はステンレス鋼等の導電性材料にて構成され
ているが、軸方向の一部は石英からなるシリンダ４とさ
れており、この外周側にマルチターン・アンテナ５が巻
回されている。
【００４６】上記プロセス・チャンバ２の内部は、図示
されない排気系統により排気孔３を通じて矢印Ａ方向に
高真空排気されており、底面に開口されるガス供給管１
０より矢印Ｂ方向にドライエッチングに必要なガスの供
給を受けるようになされている。プロセス・チャンバ２
はまた、その壁面から電気的に絶縁された導電性の基板
ステージ９を収容しており、この上に被処理基板として
たとえばウェハＷを保持して所定のドライエッチングを
行うようになされている。上記基板ステージ９には、誘
導結合プラズマＰI 中から入射するイオンのエネルギー
を制御するためにウェハＷに基板バイアスを印加するバ
イアス印加用ＲＦ電源１２が、第２のマッチング・ネッ
トワーク（Ｍ／Ｎ）１１を介して接続されている。ここ
で、バイアス印加用ＲＦ電源１２の周波数は、１３．５
６ＭＨｚとした。
【００４７】本装置の最大の特色は、上記マルチターン
・アンテナ５への電流供給系統にパルス発生回路７が組
み込まれている点である。すなわち、プラズマ励起用Ｒ
Ｆ電源８で生成された高周波アナログ電流は、パルス発
生回路７において所望のパルス長およびデューティ比を
有するパルス電流に変換され、このパルス電流がインピ
ーダンス整合用の第１のマッチング・ネットワーク（Ｍ
／Ｎ）６を介して上記マルチターン・アンテナ５ヘ供給
される。ここでは、上記プラズマ励起用ＲＦ電源８の周
波数を、１３．５６ＭＨｚとした。
【００４８】実施例２ 本実施例では、実施例１で上述したＩＣＰエッチング装
置を用いてＳｉＯx 層間絶縁膜のエッチングを行った。
【００４９】本実施例のエッチング・サンプルとして用
いたウェハの要部断面を、図２に示す。このウェハは、
下層配線としての不純物拡散領域２２が形成された単結
晶Ｓｉ基板２１に、たとえばＣＶＤ法によりＳｉＯx 層
間絶縁膜２３が積層され、さらにこの上にたとえばＫｒ
Ｆエキシマ・レーザ・リソグラフィを経てパターニング
されたレジスト・マスク２４を有するものである。
【００５０】このウェハを実施例１で述べたエッチング
装置の基板ステージ９上にセットし、ＳｉＯx 層間絶縁
膜２３を一例として下記の条件でエッチングした。
【００５１】 ｃ−Ｃ4 Ｆ8 流量 ５０ ＳＣＣＭ ガス圧 ０．１３ Ｐａ ソース・パワー ２０００ Ｗ（１３．５６ ＭＨｚ） ＲＦバイアス・パワー ２５０ Ｗ（１３．５６ ＭＨｚ） 基板ステージ温度 −５０ ℃（アルコール系冷媒） 従来のＩＣＰエッチング装置を用いた場合には、上記の
ようにｃ−Ｃ4 Ｆ8 単独では十分な対Ｓｉ選択比を達成
することができず、上蓋１の部分を高濃度に不純物を含
有するポリシリコンにより構成し、かつこれを加熱する
等、大掛かりなハードウェア上の工夫が必要であった。
これに対し本実施例では、電流供給系統にパルス発生回
路を組み込むのみでｃ−Ｃ4 Ｆ8 の解離を最適に制御す
ることができ、図３に示されるように、良好な断面形状
を有するコンタクト・ホール２３ａを再現性良く形成す
ることができた。このときの対Ｓｉ選択比は５０以上で
あった。
【００５２】実施例３ 本実施例では、高周波電界制御手段を備えたヘリコン波
プラズマ・エッチング装置の一構成例について説明す
る。
【００５３】図４に、本エッチング装置の概念的な構成
を示す。この装置のプラズマ源は、内部にヘリコン波プ
ラズマＰH を生成させるための非導電性材料からなるベ
ルジャ３１、このベルジャ３１を周回する２個のループ
を有し、ＲＦパワーをプラズマへカップリングさせるた
めのループ・アンテナ３２、上記ベルジャ３１を周回す
るごとく設けられ、該ベルジャ３１の軸方向に沿った磁
界を生成させるソレノイド・コイル３３を主な構成要素
とする。
【００５４】上記ベルジャ３１の構成材料は、たとえば
石英である。
【００５５】上記ソレノイド・コイル３３は２重構造と
されており、主としてヘリコン波の伝搬に寄与する内周
側ソレノイド・コイル３３ａと、主としてヘリコン波プ
ラズマＰH の輸送に寄与する外周側ソレノイド・コイル
３３ｂとからなる。
【００５６】上記ループ・アンテナ３２の上下２個のル
ープには互いに逆回り方向の電流が流れる。なお、両ル
ープ間の距離は、所望のヘリコン波の波数に応じて最適
化されている。
【００５７】上記ベルジャ３１はプロセス・チャンバ３
７に接続され、上記ソレノイド・コイル３３が形成する
発散磁界に沿って該プロセス・チャンバ３７の内部へヘ
リコン波プラズマＰH を引き出すようになされている。
プロセス・チャンバ３７の側壁面および底面は、ステン
レス鋼等の導電性材料を用いて構成されている。その内
部は、図示されない排気系統により排気孔３８を通じて
矢印Ｃ方向に高真空排気されており、上蓋３６に開口さ
れるガス供給管３５より矢印Ｄ方向にドライエッチング
に必要なガスの供給を受け、さらにその側壁面において
ゲート・バルブ４３を介し、たとえば図示されないロー
ド・ロック室に接続されている。
【００５８】さらに、プロセス・チャンバ３７の内部に
は、その壁面から電気的に絶縁された導電性の基板ステ
ージ３９が収容され、この上に被処理基板としてたとえ
ばウェハＷを保持して所定のドライエッチングを行うよ
うになされている。上記基板ステージ３９には、プロセ
ス中のウェハＷを所望の温度に維持するために、図示さ
れないチラーから冷媒の供給を受け、これを矢印Ｅ1 ，
Ｅ2 方向に循環させるための冷却配管４０が挿通されて
いる。
【００５９】上記基板ステージ３９には、プラズマ中か
ら入射するイオンのエネルギーを制御するためにウェハ
Ｗに基板バイアスを印加するバイアス印加用ＲＦ電源４
２が、第２のマッチング・ネットワーク（Ｍ／Ｎ）４１
を介して接続されている。ここでは、バイアス印加用Ｒ
Ｆ電源４２の周波数を１３．５６ＭＨｚとした。
【００６０】さらに、上記プロセス・チャンバ３７の外
部には、上記基板ステージ９近傍における発散磁界を収
束させるために、補助磁界生成手段としてマルチカスプ
磁場を生成可能なマグネット３４が配設されている。な
お、このマグネット３４の配設位置は、図示される例に
限られず、たとえば基板ステージ３９の支柱の周囲等の
他の場所であっても良い。さらにあるいは、これをミラ
ー磁場形成用のソレノイド・コイルに置き換えても良
い。
【００６１】本装置の最大の特色は、上記ループ・アン
テナ３２への電流供給系統にパルス発生回路４５が組み
込まれている点である。すなわち、プラズマ励起用ＲＦ
電源４６で生成された高周波アナログ電流は、パルス発
生回路４５において所望のパルス長およびデューティ比
を有するパルス電流に変換され、このパルス電流がイン
ピーダンス整合用の第１のマッチング・ネットワーク
（Ｍ／Ｎ）４４を介して上記ループ・アンテナ３２ヘ供
給される。ここでは、上記プラズマ励起用ＲＦ電源４６
の周波数を、１３．５６ＭＨｚとした。
【００６２】実施例４ 本実施例では、実施例３で述べたエッチング装置を用
い、ＳｉＯx 層間絶縁膜にコンタクト・ホールを開口し
た。
【００６３】本実施例で用いたサンプル・ウェハの構成
は、前出の図２に示したものと同じである。
【００６４】このウェハを前述のエッチング装置の基板
ステージ３９上にセットし、パルス生成回路４５の設定
によりパルス長を５０μｓｅｃ、インターバルを１０μ
ｓｅｃとし、一例として下記の条件で層間絶縁膜２３を
エッチングした。
【００６５】 ｃ−Ｃ4 Ｆ8 流量 ５０ ＳＣＣＭ ガス圧 ０．０６５ Ｐａ ソース・パワー ２０００ Ｗ（１３．５６ ＭＨｚ） ＲＦバイアス・パワー １５０ Ｗ（１３．５６ ＭＨｚ） 基板ステージ温度 −５０ ℃（アルコール系冷媒使用） 従来のヘリコン波プラズマ・エッチング装置を用いた場
合には、上記のようにｃ−Ｃ4 Ｆ8 単独では十分な対Ｓ
ｉ選択比を達成することができず、やむを得ず添加した
堆積性のＣＨ2 Ｆ2 によりパーティクル・レベルや再現
性の低下が生じていた。しかし、本実施例ではｃ−Ｃ4
Ｆ8 の解離を制御してＦ* の過剰な生成を抑え、ＣＦx
+ ，ＣＦ2 * といった活性種を生成させることができ
た。この結果、図３に示されるように、良好な断面形状
を有するコンタクト・ホール２３ａを再現性良く形成す
ることができた。このときの対Ｓｉ選択比は５０以上で
あった。
【００６６】実施例５ 本実施例では、磁界制御手段を備えたヘリコン波プラズ
マ・エッチング装置の一構成例について説明する。
【００６７】図５に、本エッチング装置の概念的な構成
を示す。なお、実施例３で述べた装置（図４を参照。）
との共通部分については説明を省略する。
【００６８】この装置は実施例３の装置とは異なり、ル
ープ・アンテナ３２への電力供給系統にパルス発生回路
４５が介在されておらず、プラズマ励起用ＲＦ電源４６
から常にアナログ電流が供給されるようになされてい
る。
【００６９】一方、ソレノイド・コイル３３には、スイ
ッチ４７を介して直流電源（ＤＣ）４８から電流が供給
される構成となっている。
【００７０】かかる装置において、図５に示されるよう
にスイッチ４７がＯＮとされ、ソレノイド・コイル３３
に直流電源（ＤＣ）４８から電流が供給される場合に
は、ベルジャ３１内にヘリコン波プラズマＰH が生成す
る。一方、図６に示されるようにスイッチ４７がＯＦＦ
の場合には、ベルジャ３１内に磁界が生成しないのでヘ
リコン波プラズマは生成しない。しかし、ループ・アン
テナ３２には引き続き高周波が印加されているため、ベ
ルジャ３１内には誘導結合プラズマＰI が励起される。
つまりこの装置は、スイッチ４７のＯＮ／ＯＦＦに連動
し、励起されるプラズマをヘリコン波プラズマＰH か誘
導結合プラズマＰI のいずれかに迅速に切り替えること
ができる。
【００７１】実施例６ 本実施例では、実施例５で上述したヘリコン波プラズマ
・エッチング装置を用いてＡｌ系配線膜のエッチングを
行った。このプロセスを、図７および図８を参照しなが
ら説明する。
【００７２】本実施例のエッチング・サンプルとして用
いたウェハの要部断面を、図７に示す。このウェハは、
ＳｉＯx 層間絶縁膜５１上にＡｌ系配線膜５７が形成さ
れ、さらにこの上にレジスト・マスク５８が所定のパタ
ーンをもって形成されたものである。ここで、上記Ａｌ
系配線膜５７は、Ｔｉ系のバリヤメタル５４、Ａｌ−１
％Ｓｉ膜５５およびＴｉＯＮ反射防止膜５６が順次積層
されたものであり、さらに上記Ｔｉ系のバリヤメタル５
４は、たとえば下層側から順にＴｉ膜５２とＴｉＮ膜５
３とが積層されたものである。
【００７３】また、上記レジスト・マスク５８は、たと
えば化学増幅系レジスト材料を用いたＫｒＦエキシマ・
レーザ・リソグラフィを経て、たとえば０．２５μｍの
パターン幅に形成されている。
【００７４】このウェハを実施例５の装置の基板ステー
ジ３９上にセットし、スイッチ４７のＯＮ状態およびＯ
ＦＦ状態を各々５秒間（デューティ比５０％）とし、上
記Ａｌ系配線膜５７を一例として下記の条件でエッチン
グした。
【００７５】 ＢＣｌ3 流量 ２０ ＳＣＣＭ Ｃｌ2 流量 ４０ ＳＣＣＭ Ｎ2 流量 １０ ＳＣＣＭ ガス圧 ０．０５ Ｐａ ソース・パワー ２５００ Ｗ（１３．５６ ＭＨｚ） ＲＦバイアス・パワー １００ Ｗ（１３．５６ ＭＨｚ） 基板ステージ温度 ４０ ℃ このエッチングの主要部分をなす過程は、Ａｌ−１％Ｓ
ｉ膜５５のエッチング過程である。Ａｌ−１％Ｓｉ膜５
５のエッチングは本質的にラジカル・モードで進行する
ため、従来のヘリコン波プラズマ・エッチング装置では
ラジカル成分が不足し、十分なエッチング速度が得られ
なかった。これに対し、本実施例ではＰH モードとＰI
モードとが交互に繰り返されるために（ＰH −ＰI 混合
モード）、活性種の直進性を確保してマイクロクローデ
ィング効果を抑えるという低圧放電のメリットを活かし
ながらイオン・アシスト機構を有効に機能させることが
できた。
【００７６】この結果、１μｍ／分という速いエッチン
グ速度にて、図８に示されるような良好な異方性形状を
有するＡｌ系配線パターン５７ａを形成することができ
た。実施例７ 本実施例では、実施例５で述べたヘリコン波プラズマ・
エッチング装置を用いてＡｌ／Ｗ系積層配線膜のエッチ
ングを行うにあたり、Ａｌ−１％Ｓｉ膜をＰH−ＰI 混
合モード、Ｗ膜をＰH モードでそれぞれエッチングし
た。このプロセスを、図９ないし図１１を参照しながら
説明する。
【００７７】本実施例のエッチング・サンプルとして用
いたウェハの要部断面を、図９に示す。このウェハは、
ＳｉＯx 層間絶縁膜６１上にＡｌ／Ｗ系積層配線膜６８
が形成され、さらにこの上にレジスト・マスク６９が所
定のパターンをもって形成されたものである。ここで、
上記Ａｌ／Ｗ系積層配線膜６８は、Ｔｉ系のバリヤメタ
ル６４、Ｗ膜６５、Ａｌ−１％Ｓｉ膜６６およびＴｉＯ
Ｎ反射防止膜６７が順次積層されたものであり、さらに
上記Ｔｉ系のバリヤメタル６４は、たとえば下層側から
順にＴｉ膜６２とＴｉＮ膜６３とが積層されたものであ
る。
【００７８】また、上記レジスト・マスク６９は、たと
えば化学増幅系レジスト材料を用いたＫｒＦエキシマ・
レーザ・リソグラフィを経て、たとえば０．２５μｍの
パターン幅に形成されている。
【００７９】このウェハを前述のドライエッチング装置
の基板ステージ３９上にセットし、まずＰH −ＰI 混合
モードにて、ＴｉＯＮ反射防止膜６７とＡｌ−１％Ｓｉ
膜６６とを一例として下記の条件でエッチングした。な
お、ＰH −ＰI 混合モードを成立させるためのソレノイ
ド・コイル３３への電流供給のタイミングは、実施例６
で上述したとおりである。
【００８０】 ＢＣｌ3 流量 ２０ ＳＣＣＭ Ｃｌ2 流量 ４０ ＳＣＣＭ Ｎ2 流量 １０ ＳＣＣＭ ガス圧 ０．０５ Ｐａ ソース・パワー ２５００ Ｗ（１３．５６ ＭＨｚ） ＲＦバイアス・パワー １００ Ｗ（１３．５６ ＭＨｚ） 基板ステージ温度 ４０ ℃ この過程では、イオン・アシスト機構により高速異方性
エッチングが進行し、図１０に示されるように、ＴｉＯ
Ｎ反射防止膜パターン６７ａとＡｌ−１％Ｓｉ膜パター
ン６６ａが得られた。
【００８１】次に、ヘリコン波プラズマＰH のみを用い
て残るＷ膜６５とバリヤメタル６４とをエッチングする
ために、図６に示されるようにスイッチ４７をＯＮと
し、一例として下記の条件でエッチングを行った。
【００８２】 ＳＦ6 流量 ４０ ＳＣＣＭ Ｏ2 流量 １０ ＳＣＣＭ ガス圧 ０．０５ Ｐａ ソース・パワー ２５００ Ｗ（１３．５６ ＭＨｚ） ＲＦバイアス・パワー １５０ Ｗ（２ ＭＨｚ） 基板ステージ温度 ４０ ℃ かかるＡｌ／Ｗ系積層配線膜の異方性エッチングは、技
術的に難度が高く、従来のエッチングでは前出の図１２
に示したように、Ｗ膜６５にサイドエッチが入るのが通
例であった。しかし、本実施例では、イオンの豊富なヘ
リコン波プラズマＰH を用いてイオン・スパッタリング
主体のモードでエッチングを行うことにより、オーバー
エッチング時にもＷ膜６５にアンダカットを生ずること
なく、図１１に示されるように良好な異方性形状を有す
るＡｌ／Ｗ系積層配線パターン６８ａを得ることができ
た。
【００８３】以上、本発明を７例の実施例にもとづいて
説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定される
ものではない。
【００８４】たとえば、上述の実施例ではヘリコン波プ
ラズマ励起用ＲＦ電源およびバイアス印加用ＲＦ電源の
周波数を共に１３．５６ＭＨｚとしたが、これらはこの
周波数に限られるものでなく、また両ＲＦ電源が別の周
波数を持つものであっても良い。特にヘリコン波プラズ
マの場合、印加周波数によって特定の種類の電子を加速
することができるため、目的とするプロセスの種類に応
じて最適な周波数を選択することができる。
【００８５】また、ソレノイド・コイルへの電流供給の
タイミングやデューティ比も、何ら上述の例に限定され
るものではない。
【００８６】この他、ドライエッチング装置の構成、サ
ンプル・ウェハの構成、ドライエッチング条件の細部が
適宜変更可能であることは、言うまでもない。
【００８７】
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明を適用すれば従来のヘリコン波プラズマでは困難であ
った単原子ラジカルの抑制あるいはイオン／ラジカル生
成比の制御がガスの解離制御を通じて可能となり、より
高精度なプラズマ処理を行うことが可能となる。本発明
をたとえばドライエッチングに適用した場合には、イオ
ン・アシスト機構を有効に機能させながら、良好な高速
異方性加工を行うことができる。しかも、上述の解離制
御は、高周波アンテナへの電流供給系統にパルス発生回
路を組み込むか、あるいは磁界印加系統にスイッチを組
み込むといった比較的容易な手法で実現できるため、経
済性も極めて高い。
【００８８】したがって本発明は、プラズマ処理の高精
度化を通じて半導体装置の高集積化、高信頼化に大きく
貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したＩＣＰエッチング装置の一構
成例を示す概略断面図である。
【図２】本発明をＳｉＯx 層間絶縁膜のドライエッチン
グに適用したプロセスにおいて、エッチング前のウェハ
の状態を示す模式的断面図である。
【図３】図２のＳｉＯx 層間絶縁膜にコンタクト・ホー
ルを開口した状態を示す模式的断面図である。
【図４】本発明を適用した高周波電界制御手段を備えた
ヘリコン波プラズマ・エッチング装置の一構成例を示す
模式的断面図である。
【図５】本発明を適用した磁界制御手段を備えたヘリコ
ン波プラズマ・エッチング装置の一構成例において、ヘ
リコン波プラズマＰH を励起させた状態を示す概略断面
図である。
【図６】図５のヘリコン波プラズマ・エッチング装置に
おいて、誘導結合プラズマＰIを励起させた状態を示す
概略断面図である。
【図７】本発明をＡｌ系配線膜のドライエッチングに適
用したプロセスにおいて、エッチング前のウェハの状態
を示す模式的断面図である。
【図８】図７のＡｌ系配線膜が異方性エッチングされた
状態を示す模式的断面図である。
【図９】本発明をＡｌ／Ｗ系積層配線膜のドライエッチ
ングに適用したプロセスにおいて、エッチング前のウェ
ハの状態を示す模式的断面図である。
【図１０】図９のＴｉＯＮ反射防止膜とＡｌ−１％Ｓｉ
膜をエッチングした状態を示す模式的断面図である。
【図１１】図１０のＷ膜およびバリヤメタルをエッチン
グした状態を示す模式的断面図である。
【図１２】従来のＡｌ／Ｗ系積層配線膜のドライエッチ
ングにおいて、Ｗ膜にサイドエッチが生じた状態を示す
模式的断面図である。
【符号の説明】
２，３７ プロセス・チャンバ ４ シリンダ ５ マルチターン・アンテナ ７，４５ パルス発生回路 ８，４６ プラズマ励起用ＲＦ電源 ９，３９ 基板ステージ １２，４２ バイアス印加用ＲＦ電源 ３１ ベルジャ ３２ ループ・アンテナ ３３ ソレノイド・コイル ４６ プラズマ励起用ＲＦ電源 ４７ スイッチ ４８ 直流電源 Ｗ ウェハ ＰH ヘリコン波プラズマ ＰI 誘導結合プラズマ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板を収容する高真空容器と、 前記高真空容器の器壁の一部を構成する非導電性部材
    と、 前記非導電性部材の周囲に巻回される高周波アンテナ
    と、 前記高周波アンテナへの電流の供給／遮断の高速スイッ
    チングを行う高周波電界制御手段とを備え、 前記高真空容器内に高密度プラズマを生成させるように
    なされたプラズマ装置。
  2. 【請求項２】 前記高密度プラズマが誘導結合プラズマ
    である請求項１記載のプラズマ装置。
  3. 【請求項３】 基板を収容する高真空容器と、 前記高真空容器の器壁の一部を構成する非導電性部材
    と、 前記非導電性部材の周囲に巻回される高周波アンテナ
    と、 前記高周波アンテナのさらに外周側において前記非導電
    性部材を周回する磁界生成手段と、 前記高周波アンテナへの電流の供給／遮断の高速スイッ
    チングを行う高周波電界制御手段、もしくは前記磁界生
    成手段による磁界の生成／消滅を切り替えるための磁界
    制御手段の少なくとも一方を備え、 前記高真空容器内にヘリコン波プラズマを生成させるよ
    うになされたプラズマ装置。
  4. 【請求項４】 前記磁界生成手段がソレノイド・コイル
    であり、前記磁界制御手段が該ソレノイド・コイルへの
    電流供給を制御することにより前記磁界の生成／消滅を
    切り替えるようになされた請求項３記載のヘリコン波プ
    ラズマ装置。
  5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項４のいずれか１項
    に記載のプラズマ装置を用い、前記高真空容器内に収容
    された基板に対して、前記高周波アンテナと高周波電界
    制御手段とにより高周波電界を間欠的に生成させながら
    所定のプラズマ処理を行うプラズマ処理方法。
  6. 【請求項６】 請求項３または請求項４に記載のプラズ
    マ装置を用い、前記高真空容器内に収容された基板に対
    して、前記磁界生成手段と前記磁界制御手段とにより磁
    界を間欠的に生成させながら、所定のプラズマ処理を行
    うプラズマ処理方法。
  7. 【請求項７】 請求項３または請求項４に記載のプラズ
    マ装置を用い、前記高真空容器内に収容された基板に対
    して、前記磁界生成手段と前記磁界制御手段とにより磁
    界を間欠的に生成させた状態と連続的に生成させた状態
    とを時系列的に併用しながら所定のプラズマ処理を行う
    プラズマ処理方法。
  8. 【請求項８】 前記所定のプラズマ処理は、前記基板上
    のシリコン化合物膜をフルオロカーボン系ガスを用いて
    エッチングするドライエッチングである請求項５ないし
    請求項７のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
  9. 【請求項９】 前記所定のプラズマ処理は、前記基板上
    の配線膜をハロゲン系ガスを用いてエッチングするドラ
    イエッチングである請求項５ないし請求項７のいずれか
    １項に記載のプラズマ処理方法。
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