JPH08115903A - 半導体装置の製造方法およびプラズマエッチング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 プラズマエッチング装置を使った枚葉式処理
により、Ｗ層を含む半導体基板を反応性イオンエッチン
グによりエッチングした場合に生じるパーティクルの発
生を抑止する。 【構成】 プラズマエッチング装置の、基板と対向する
側の電極の表面を、Ｗのフッ化物と反応して揮発性生成
物を生じるような材料で覆い、さらに、前記電極から基
板に向かって流れるエッチングガスの流れを、別の方向
に偏向させる構造を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般に半導体装置に関
し、特に半導体装置の製造に使われるプラズマエッチン
グ装置、およびかかるプラズマエッチング装置を使った
半導体装置の製造方法に関する。集積回路の集積密度の
増大に伴い、半導体基板上により微細なパターンを形成
できる微細加工技術が要求されている。一方、このよう
なパターンの微細化は、特に従来のＡｌあるいはＡｌ合
金を使った配線構造において、微細な配線パターンにス
トレスマイグレーションあるいはエレクトロマイグレー
ション等の問題を生じやすい。

【０００２】このため、特に多層配線構造における第１
層レベルの配線層に、従来のＡｌあるいはＡｌ合金にか
わり、ストレスマイグレーションあるいはエレクトロマ
イクレーションに対して優れた耐性を示すタングステン
（Ｗ）を使用することが提案されている。このようなＷ
配線を形成するためには、Ｗをエッチングできるエッチ
ング装置が必要である。半導体装置を安価に製造するた
めには、このようなエッチング装置は高いスループット
と高い歩留りを提供できることが要求される。

【０００３】

【従来の技術】図７は、従来よりＷの反応性イオンエッ
チングに使われているプラズマエッチング装置の構成を
示す。図７を参照するに、プラズマエッチング装置は、
排気口１ａを介して排気される真空処理室１と、前記真
空処理室１中に相互に対向するように形成された一対の
Ａｌ電極２および３を含み、電極２上には基板４を保持
する静電チャック２ａが形成されている。電極２は、プ
ラズマエッチング装置本体５に対してフッ素樹脂等の絶
縁層６により絶縁されており、高周波電源７より高周波
電力を供給されて、対向電極３との間にプラズマを形成
する。また、電極２の表面は、静電チャック２ａが形成
されている領域を除いて石英カバー２ｂにより保護され
ている。

【０００４】これに対し、電極３は、接地されたＡｌ配
管３ａ上に形成され、接地電位に保持される。電極３の
表面は直径が０．８〜１．０ｍｍの大きさの多数の開口
３ｃを形成されたＡｌカバー３ｂを有し、カバー３ｂは
配管３ａを介して供給されたエッチングガスを真空処理
室１に供給するシャワーノズルを形成する。ただし、配
管３ａ中にはエッチングガスを通す通路３ｄが形成され
ている。また、真空処理室１の側壁は石英ライナーで保
護される。典型的な例では、真空処理室１は約３０ｃｍ
の内径を有し、また、電極２は電極３と略等しい径を有
する。ただし、図７では、電極３のうち、石英カバー２
ｂが覆う部分の面積が誇張されている。

【０００５】図７のプラズマエッチング装置でＷのエッ
チングを実行する場合には、排気口１ａを介して真空処
理室１を排気しながら配管３ａ中の通路３ｄを介してＮ
Ｆ₃等のエッチングガスを導入する。その際、真空処理
室１の内圧を約０．２Ｔｏｒｒに保持し、高周波電源７
を駆動して約２００Ｗの電力を供給し、プラズマを形成
する。プラズマを構成するＦ原子が基板４上のＷ層表面
に衝突し反応することにより揮発性反応性生成物が生
じ、かかる反応生成物はさらにエッチングを促進する。
すなわち、図７のプラズマエッチング装置は反応性イオ
ンエッチングを行なう。

【０００６】図８（Ａ）〜（Ｄ）は、かかるＷの反応性
イオンエッチングを使ったＷ層のパターニング工程を示
す。図８（Ａ）を参照するに、基板４表面上にはＴｉＮ
等よりなるバリアメタル層４１を介してパターニングし
たいＷ層４２が形成されており、Ｗ層４２上にはアモル
ファスカーボン等の反射防止膜４３を介してレジストパ
ターン４４が形成されている。ただし、バリアメタル層
４１はＷ層４２中のＷが基板４中に拡散するのを防止す
るために設けられる。また、反射防止膜４３は、レジス
ト層をフォトリソグラフィによりパターニングしてレジ
ストパターン４４を形成する際に、露光に使われる光の
干渉を抑止してパターンの広がりを最小化するためのも
のである。

【０００７】より具体的には、基板４表面上にＳｉＯ₂
膜（図示せず）を層間絶縁膜として形成し、かかる層間
絶縁膜上にＴｉＮ層４１をバリアメタルとして、スパッ
タにより、約５０ｎｍの厚さに形成する。典型的な場
合、スパッタは、Ｔｉをターゲットとして使い、圧力が
４ｍＴｏｒｒのＡｒガスとＮ₂ ガスの混合ガス中におい
て、７ｋＷの直流電力により放電を誘起することにより
行なう。さらに形成されたＴｉＮ層４１を、４００〜５
００゜Ｃの温度でアニールし、バリアメタル層としての
特性を向上させる。さらに、このようにして形成したＴ
ｉＮ層４１上に、Ｗ層４２をＣＶＤ法により、約３５０
ｎｍの厚さに形成する。この場合、ＷＦ₆をソースガス
として使い、Ｈ₂ よりなるキャリアガスとともに、前記
ＴｉＮ層４１を形成された基板４がセットされたＣＶＤ
装置の反応室に供給する。Ｗ層４２の堆積は、典型的に
は８０Ｔｏｒｒの圧力下において、基板温度を４００゜
Ｃ〜５００゜Ｃの範囲、典型的には４７５゜Ｃに保持し
ながら行なう。

【０００８】さらに、形成されたＷ層４２上に、反射防
止層４３を、アモルファスカーボン層を５４ｎｍの堆積
することで形成し、さらに反射防止層４３上に、フォト
レジスト層を１．４μｍの厚さに形成し、これを露光し
た後、アルカリ現像液により現像することで、レジスト
パターン４４を形成する。さらに、露出した反射防止層
４３を、Ｏ₂ プラズマによる反応性イオンエッチングに
より除去し、図８（Ａ）の構造が得られる。

【０００９】次に、図８（Ｂ）の工程において、図８
（Ａ）に示す構造の基板４を、図７のプラズマエッチン
グ装置の真空処理室１中に設置し、レジストパターン４
４をマスクにして前記Ｗ層４３の反応性イオンエッチン
グを実行する。より具体的には、ＮＦ₃ をエッチングガ
スとして使い、図７の装置の処理室１に、約２００ｃｃ
／ｍｉｎの体積流量で供給する。処理室１の内圧を２０
０ｍＴｏｒｒ、電極２と３の間に印加される高周波電力
の電力密度を０．５３Ｗ／ｃｍ² に設定することで、３
１０ｎｍ／ｍｉｎのエッチング速度と１．７の対レジス
ト選択比が得られる。エッチングをさらに継続すること
により、Ｗ層４２は厚さ方向に完全にエッチングされ、
図８（Ｃ）に示すようにバリア層４１が露出した構造が
得られる。さらに、バリア層４１を、塩素系ガスを使っ
たプラズマによる反応性イオンエッチングによりパター
ニングすることにより、図８（Ｄ）に示す構造が得られ
る。先にも説明したように、Ｗを使うことにより、大き
なアスペクト比においてもストレスマイグレーションお
よびエレクトロマイグレーションに対して高い耐性を示
す配線パターンを形成することができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体装置
の製造においては、高い集積密度と同時に大きなスルー
プットと高い歩留りが要求される。製造時のスループッ
トを向上させるため、近年では多数の基板を一括して処
理するバッチ式処理装置にかわって、他の工程と連係し
ながら基板を一枚づつ順次処理するいわゆる枚葉式処理
装置が使用されている。

【００１１】かかる枚葉式装置では、スループットを向
上させるためには一枚の基板の処理に要するタクトタイ
ムを短縮する必要があるが、図７に示す従来のプラズマ
エッチング装置を使った場合には、枚葉処理の進行に伴
い基板処理枚数が増大するにつれ、基板上に付着するパ
ーティクルの数が徐々に増大する問題点があることが発
見された。かかるパーティクルの付着は半導体装置製造
の歩留りを低下させる。

【００１２】図９は、このような、枚葉式処理の進行に
伴う基板上へのパーティクルの付着を示すグラフであ
る。ただし、この実験では、２２ｃｍ径の基板を使い、
９０秒のタクトタイムで基板を次々に処理した。さら
に、処理された基板表面をレーザ光により走査し、得ら
れた散乱光を観測することにより、基板表面上における
パーティクル数を求めた。図９中、縦軸はパーティクル
発生数を、また横軸は枚葉処理における基板処理累積回
数を示す。

【００１３】図９よりわかるように、基板表面上のパー
ティクル数は、処理開始時には１００個以下であるのに
対し、２２枚の基板を処理した時点では３００個を超
え、４００個に近くなっているのがわかる。かかるパー
ティクルの発生は、単に真空処理室１に基板を装填し、
そのままなんの処理もせずに基板を取り出した場合や、
基板を装填した真空処理室１に単にガスのみを、プラズ
マを形成することなく導入した場合には見られない。ま
た、Ｗ層を含まないＳｉ基板、あるいはＳｉＯ₂層のみ
を有するＳｉ基板を反応性イオンエッチングにより処理
した場合にも、このようなパーティクルの発生は観察さ
れない。すなわち、かかるパーティクルは、前記プラズ
マエッチング装置の真空処理室１における、Ｗ層を含む
基板４の、反応性イオンエッチングの結果として発生す
るものであることが結論づけられる。

【００１４】図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、このような基板
上に付着したパーティクルにより発生するパターンの欠
陥を示す図である。図１０（Ａ）を参照するに、一対の
レジストパターン４４の間をブリッジするようにパーテ
ィクル５０が付着すると、パーティクル５０は図１０
（Ｂ），（Ｃ）に示すように、以後のパターニングの際
にマスクとして作用し、本来パターニングされるべきＷ
層４２がパターニングされない等の問題を生じる。これ
に伴い、半導体装置の歩留りも、図１１に示すように、
基板処理累積回数とともに徐々に減少してしまう。ただ
し図１１は、図７の装置を使った反応性イオンエッチン
グにより配線パターンを図８（Ａ）〜（Ｄ）の工程に従
って形成し、歩留りを求めたものである。ただし、歩留
りの値は、最初の基板の歩留りで規格化した相対値を示
す。図１１より、基板の処理枚数が２３枚になると歩留
りは処理開始時の半分近くになっていることがわかる。
また、パーティクルの大部分は１μｍ程度の大きさを有
している。

【００１５】このようなパーティクルの起源としては、
様々な可能性が考えられる。第１に考えられるのは、真
空処理室１の内壁、あるいは対向電極３からスパッタさ
れたＡｌに起因するものである。しかし、この機構で
は、枚葉処理を行なった場合に、処理枚数が増加するに
つれてパーティクル発生数が増加する傾向は説明できな
い。

【００１６】図１２は、このような、パーティクルが器
壁や対向電極からのスパッタにより生じている可能性を
念頭に行なった、基板上に堆積した物質の誘導結合プラ
ズマ質量分析（ＩＣＰ−ＭＳ）による分析結果を示す。
ただし、縦軸は基板表面におけるＡｌ原子密度を、横軸
は基板処理累積回数を示す。この図よりわかるように、
基板上におけるＡｌ原子密度は基板処理累積回数には実
質的に無関係であることが確認された。

【００１７】さらに、このような、基板上へのパーティ
クルの付着は、枚葉処理であっても、一枚の基板の処理
と次の基板の処理との間の間隔を１時間程度まで長く
し、その間にも真空処理室１の排気を継続した場合には
現れない。すなわち、従来のバッチ式処理においては、
同様な機構によるパーティクルの発生は生じていたが、
処理と処理の間隔が非常に長く、その間に真空処理室が
効率的に排気されていたために、このような問題が顕在
化することがなかったと考えられる。

【００１８】このような、Ｗ層を枚葉式処理によりプラ
ズマエッチングする際に生じるパーティクルの生成機構
として、本発明の発明者は以下のような機構を考えた。
Ｗのエッチングでは、先にも説明したようにＮＦ₃ 等
のフッ化物がエッチングガスとして使われるが、これら
のフッ素系エッチングガスを使うと、Ｆのラジカルがが
Ｗの格子中に侵入し、Ｗと反応して揮発性のフッ化タン
グステンＷＦx を反応生成物として形成する。ただし、
式ＷＦx においてｘは１から６の範囲の値をとる（ｘ＜
６）。反応生成物ＷＦx はＷ原子の周囲にＦ原子が配位
した構造を有し、特にｘの値が５以下の低次のフッ化タ
ングステン化合物は不対電子を持っており、他の分子と
容易に反応する。Ｗの反応性イオンエッチングでは、こ
うして形成されたＷＦx がイオン照射によりケミカルス
パッタされてエッチングが進行する。

【００１９】このようなスパッタエッチングの機構を考
えると、反応生成物ＷＦx が真空処理処理室１や対向電
極３に付着して他の原子と化合し、パーティクルの核を
形成する機構が合理性であると考えられる。事実、従来
より、かかるＷＦx が対向電極３上に付着した場合、電
極を構成する材料と反応して大量のパーティクルが発生
することが知られている。そこで、先に説明したパター
ンの不良は、これら対向電極３上のパーティクルがなん
らかの機構で対向電極３から分離し、半導体基板４の表
面まで輸送されることで発生するものと考えられる。上
記機構を仮定すると、特に枚葉処理を行なった場合に現
れる、図９あるいは図１１に示した傾向が合理的に説明
できる。

【００２０】図１３（Ａ）〜（Ｄ）はかかるパーティク
ルの発生機構を説明する図である。ただし、図中、先に
説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付
し、説明を省略する。図１３（Ａ）〜（Ｄ）において、
基板４は電極２上に装着した状態で示してあり、従って
図８（Ａ）〜（Ｄ）あるいは図１０（Ａ）〜（Ｃ）に対
して見かけ上、上下が反転している。

【００２１】図１３（Ａ）を参照するに、Ｗ層４２をフ
ッ化物ガスで反応性イオンエッチングすると反応生成物
ＷＦx が発生し、発生したＷＦx は電極３に到達し、電
極３上の核の回りに凝集する。エッチングを繰り返すこ
とにより、核は図１３（Ｂ）に示すように成長し、粒子
５０が形成される。さらに、なんらかの作用で粒子５０
が電極３の表面から離れると、粒子５０は図１３（Ｃ）
に示すように電極３から電極２へ向かうエッチングガス
の流れに乗って基板４上に到達し、欠陥を生じる。かか
る基板４上のパーティクルの数は、エッチングを継続す
ることにより、図１３（Ｄ）に示すように増加し続け
る。

【００２２】そこで、本発明は上記の問題点を解決し
た、新規で有用な半導体装置の製造方法および製造装置
を提供することを概括的目的とする。本発明のより具体
的な目的は、反応性イオンエッチングによりＷ層を処理
する工程を含む半導体装置の製造方法において、半導体
基板に対向する電極表面へのパーティクルの蓄積を最小
化し、半導体基板表面へのパーティクルの付着を最小化
した半導体装置の製造方法を提供することを目的とす
る。

【００２３】本発明の別の目的は、反応性イオンエッチ
ングによりＷ層を処理する工程を含む半導体装置の製造
方法において、基板に対して対向する電極上に蓄積した
パーティクルの、基板表面への輸送を最小化した半導体
装置の製造方法および製造装置を提供することを目的と
する。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題
を、請求項１に記載したように、処理室と、前記処理室
中に設けられ、前記基板を保持するように構成された第
１の電極板と、前記反応室中に、前記電極板に対向する
ように設けられた第２の電極板とを備えたプラズマエッ
チング装置において、表面にＷ層を被着した基板を反応
性イオンエッチングによりパターニングする工程を含む
半導体装置の製造方法において：前記第１の電極板上
に、表面にＷ層を被着した基板を保持する工程と；前記
処理室中にエッチングガスを導入し、前記第１および第
２の電極板の間においてプラズマを形成し、前記Ｗ層の
反応性イオンエッチングを実行する工程とよりなり、前
記反応性イオンエッチング工程に先立って、前記第２の
電極板の表面を、前記処理室中における反応性イオンエ
ッチングの結果生じるＷのハロゲン化合物と反応して、
揮発性生成物を形成する材料で覆う工程を含み、前記反
応性イオンエッチング工程は、前記処理室中において、
前記エッチングガスの流れを、前記第２の電極板から前
記第１の電極板に向かう第１の方向から、前記第１の電
極板を避ける別の方向に設定する工程を含むことを特徴
とする半導体装置の製造方法により、または請求項２に
記載したように、前記エッチングガスの流れを設定する
工程は、前記エッチングガスを、前記第２の電極板中に
形成された導入口から前記処理室中に導入する工程と、
前記処理室中に導入された前記エッチングガスを、前記
第１の方向に流す工程と、前記第１の方向に流れている
前記エッチングガスの流れを、別の方向に偏向させる工
程とを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置
の製造方法により、または請求項３に記載したように、
前記エッチングガスの流れを設定する工程は、前記エッ
チングガスを、前記処理室中において、前記第２の電極
板を画成する一対の主面のうち、前記第１の電極板に面
する第１の主面とは反対側の第２の主面の側に位置する
導入口から前記処理室に導入し、前記第２の主面に沿っ
て流す工程を特徴とする請求項１記載の半導体装置の製
造方法により、または請求項４に記載したように、前記
反応性イオンエッチング工程は、ＮＦ₃ をエッチングガ
スとして使い、実行することを特徴とする請求項１記載
の半導体装置の製造方法により、または請求項５に記載
したように、前記反応性イオンエッチング工程は、ＮＦ
₃ とＡｒの混合ガスをエッチングガスとして使い、実行
することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造
方法により、または請求項６に記載したように、前記反
応性イオンエッチング工程は、４００°Ｃから５００°
Ｃの範囲の温度で実行されることを特徴とする請求項１
記載の半導体装置の製造方法により、または請求項７に
記載したように、前記反応性イオンエッチング工程に先
立って、前記第２の電極板の表面を、ＳｉＯ₂ ，Ｓｉ
Ｃ，Ｃ，Ｓｉ，ＳｉＮおよび、これらの混合物よりなる
群より選択される材料で覆う工程を含むことを特徴とす
る請求項１記載の半導体装置の製造方法により、または
請求項８に記載したように、処理室と；前記処理室中に
設けられ、基板を保持する第１の電極板と；前記処理室
中に前記第１の電極板に対向するように設けられ、エッ
チングガスを前記処理室に導入する導入口を形成された
第２の電極板と；前記第２の電極板に接続され、前記導
入口と連通したエッチングガスの通路を内部に形成さ
れ、前記通路中のエッチングガスを前記導入口を介して
前記処理室中に導入する配管とよりなるプラズマエッチ
ング装置において、前記第２の電極板の、前記第１の電
極に面する主面上には、前記導入口から導入され、前記
処理室中を前記第２の電極に向かって流れるエッチング
ガスの流路を変更する流路偏向構造を形成したことを特
徴とするプラズマエッチング装置により、または請求項
９に記載したように、前記流路偏向構造は、前記第２の
基板上の前記導入口を塞ぐような位置に、前記第２の基
板主面から離間して形成された板よりなることを特徴と
する請求項８記載のプラズマエッチング装置により、ま
たは請求項１０に記載したように処理室と；前記処理室
中に設けられ、基板を保持する第１の電極板と；前記処
理室中に前記第１の電極板に対向するように設けられた
第２の電極板と；前記第２の電極板に接続され、エッチ
ングガスの通路を内部に形成され、前記処理室にエッチ
ングガスを供給する配管とよりなるプラズマエッチング
装置において、前記配管には、前記第２の電極板に対し
て前記第１の電極板と反対の側に、前記エッチングガス
を前記処理室に導入する導入口が、前記エッチングガス
の通路に連通して形成されていることを特徴とするプラ
ズマエッチング装置により、または請求項１１に記載し
たように、前記第２の電極板の、前記第１の電極板に面
する主面は、前記処理室中における反応性イオンエッチ
ングの結果生じるＷのハロゲン化合物と反応して揮発性
生成物を形成するような材料で覆われていることを特徴
とする請求項８または１０記載のプラズマエッチング装
置により、または請求項１２に記載したように、前記第
２の電極板の、前記第１の電極板に面する主面は、Ｓｉ
Ｏ₂ ，ＳｉＣ，Ｃ，Ｓｉ，ＳｉＮおよび、これらの混合
物よりなる群より選択される材料で覆われていることを
特徴とする請求項８または１０記載のプラズマエッチン
グ装置により解決する。

【００２５】

【作用】以下、本発明の原理を図１（Ａ）〜（Ｄ）を参
照しながら説明する。図１（Ａ）を参照するに、本発明
では対向電極３の表面をＷのハロゲン化合物と反応して
揮発性生成物を生じるような材料、例えばＳｉＯ₂ によ
り覆う。その結果、図１（Ａ）に示すように、Ｗ層４２
のＮＦ₃ による反応性イオンエッチングにより反応生成
物ＷＦx が生じた場合、かかる反応生成物は電極３の表
面を覆っているＳｉＯ₂ と反応して直ちに処理室から除
去される。また、図１（Ａ）に示すように電極３の表面
にすでにパーティクル５０が形成されていてもＷＦx は
かかるパーティクルをリフトオフするため、パーティク
ルは実質的に成長することがなく、基板表面から効率的
に除去される。すなわち、電極３の表面にパーティクル
が蓄積することはない。また、図１（Ｃ），（Ｄ）に示
すように、エッチングを繰り返し行なっても、電極３の
表面にパーティクルが蓄積することはない。

【００２６】請求項４および５、あるいは請求項９およ
び１０はかかる原理にもとづくものであり、対向電極３
上へのパーティクルの蓄積を最小化する。さらに、本発
明では、このように電極３の表面からリフトオフされた
パーティクルがエッチングガスの流れとともに電極２上
に保持されている基板４に到達するのを抑止するため
に、処理室内におけるエッチングガスの流路を従来のも
のに対して変化させてある。

【００２７】一般に、図７に示した構成のプラズマエッ
チング装置では、電極３上のパーティクルが基板４まで
到達するか否かは、パーティクルの重力による沈降速度
と、電極３から電極２へ流れるエッチングガスの流速の
差によって決まる。エッチングガスの流速が、パーティ
クルの沈降速度よりも大きいと、パーティクルの生成を
抑制しても、パーティクルの一部が電極２上の基板４に
到達してしまう可能性がある。

【００２８】パーティクルの重力沈降速度ｖ_g は、 ｖ_g ＝ρ_p Ｃ_c ｄ_p ² ｇ／１８η （１） Ｃ_c ＝１＋（２／Ｐｄ_p ）〔６．３２＋２．０１exp （−０．１０９５Ｐｄ_p ） 〕 （２） で与えられる（R. P. Donovan et. al., J. Electroche
m Soc. vol.140, 1993,pp2917) 。ただし、Ｐは単位を
ｃｍＨｇとした処理室の内圧、ｄ_p はパーティクルの直
径、ρ_p はパーティクルの密度、ｇは重力加速度、ηは
エッチングガスの粘性係数である。

【００２９】これに対し、処理室内におけるガス流速ｖ
_f は、ガス導入配管の径をＤ、ガス流量をＦとすると、 ｖ_f ＝Ｆ／（Ｄ／２）² π （３） で与えられる。そこで、圧力Ｐを０．２Ｔｏｒｒ、粒径
ｄ_p を１μｍ、密度ρ_p を１ｇ／ｃｍ ² 、重力加速度ｇ
を９８０ｃｍ／ｓ² 、粘性係数ηを２０×１０-5ｇ／ｃ
ｍ・ｓとすると、重力沈降速度ｖ_g は２．２７ｃｍ／ｓ
と求められる。これに対し、流量Ｆを２００ＳＣＣＭ、
配管径Ｄを１．２ｃｍとすると、処理室内におけるエッ
チングガスの流速ｖ_f は３．００ｃｍ／ｓとなる。この
結果は、電極３上のパーティクルが基板４表面に到達し
てしまうことを意味している。

【００３０】かかるパーティクルのエッチングガスによ
る輸送を避けるため、本発明ではエッチングガスの処理
室１中における流路を、電極３から直接に電極３および
そのうえの基板４に到達しないように変更する。請求項
１および２、あるいは６および７では、かかる流路の変
更は電極３上の、ガス導入口上に偏向板として作用する
ディスクを設け、ガス導入口から導入されたガスが電極
２に直接に到達するのを回避する。また、請求項１およ
び３、あるいは請求項８ではガス導入口を電極３の背後
に形成し、処理室に導入されたエッチングガスが直接に
基板４に到達するのを回避する。

【００３１】

【実施例】以下本発明を、図２を参照しながら説明す
る。図２は本発明の第１実施例によるプラズマエッチン
グ装置の構成を示す図である。ただし、図２中、先に説
明した図７と共通する部分には同一の参照符号を付し、
説明を省略する。

【００３２】図２を参照するに、図７の装置において使
われていたシャワーノズル３ｃは除かれ、電極３の電極
２に対向する表面上には石英ガラスのカバー３ｆが形成
される。石英ガラスカバー３ｆは、エッチングガスの通
路３ｄに整列した開口部３ｅを有し、エッチングガスは
開口部３ｅを通って処理室１に導入される。カバー３ｆ
は前記電極３の外形に対応する形状および大きさを有
し、前記電極表面を、開口部３ｅを除いて連続的に覆
う。さらに、カバー３ｆ上には、前記開口部３ｅを覆う
ように、石英ガラスのディスク３ｇが、石英ガラスカバ
ー３ｆ表面から離間して設けられる。

【００３３】図３は電極３のうち、石英ガラスディスク
３ｇを含む部分の拡大図を示す。図３よりわかるよう
に、石英ガラスディスク３ｇは石英ガラスカバー３ｆの
開口部３ｅに対応して形成され、石英ガラスロッド３ｇ
₁ 〜３ｇ₃ により支持されて開口部３ｅより処理室１に
導入されるエッチングガスの流れを、電極２に直接に向
かわずに側方へ向かうように偏向させる。

【００３４】動作時には、処理室１が排気口１ａを介し
て排気され、通路３ｄおよび開口部３ｅを介してＮＦ₃
等のハロゲン系エッチングガスが処理室１に導入され
る。図７で説明した場合と同様に、電極２には高周波電
源７より約２００Ｗの高周波電力が供給され、電極２と
３との間にハロゲンイオンよりなるプラズマが形成さ
れ、基板４上のＷ層の反応性イオンエッチングが生じ
る。

【００３５】図２の構成では、電極３の表面が石英ガラ
スカバー３ｆ、すなわちＳｉＯ₂ により覆われているた
め、基板４中のＷ層の反応性イオンエッチングにより生
じるＷＦx 分子は図１（Ａ）〜（Ｄ）に示した機構によ
り、カバー３ｆ表面において直ちにＳｉＯ₂ と反応し、
揮発性生成物として直ちに反応室１から排気される。さ
らに、通路３ｄを通って供給され開口部３ｅから処理室
１に導入されたエッチングガスの流れは、石英ガラスデ
ィスク３ｇにおいて、図２に矢印Ｘで示したように側方
に偏向され、電極２およびその上に保持された基板４に
直接に到達することがない。このため、石英ガラスカバ
ー３ｆ上にパーティクルが存在していても、これらのパ
ーティクルがエッチングガスの流れにより、重力による
沈降に抗して基板４に到達するのを抑止することができ
る。

【００３６】図４は先に説明した図９に対応し、図２の
装置を使って枚葉式処理を行なった場合のＳｉ基板上に
おけるパーティクルの発生を、処理した基板の枚数の関
数として示す。ただし、実験の条件は図９の場合と同じ
に設定した。すなわち、図８（Ａ）〜（Ｄ）の工程によ
り、Ｗ層４２をパターニングした。図４よりわかるよう
に、枚葉処理の進行とともに基板上に発生するパーティ
クルの数が増加する傾向は消滅し、２２回目に処理した
基板でも、パーティクルの発生数は１００以下であるこ
とがわかる。

【００３７】図５は先に説明した図１１に対応し、図２
の装置を使って枚葉式処理を行なった場合の、処理の進
行に伴う半導体装置の歩留りの変化を示す。図１１の場
合と同様に、図５の実験でも、最大の歩留りで規格化し
た相対値を示してある。図５よりわかるように、図２の
装置を使って半導体装置を形成した場合、歩留りは基板
の処理枚数に依存しないことがわかる。

【００３８】図６は、本発明の第２実施例によるプラズ
マエッチング装置の構成を示す。ただし、図６中におい
て先に説明した部分には対応する参照符号を付し、説明
を省略する。図６を参照するに、本実施例では、図２の
装置において電極３に形成されていた開口部３ｆが除か
れ、かわりに配管３ａ上の電極３の背後の位置に開口部
３ｈを形成する。これにともない、電極３の表面は全面
が石英ガラスカバー３ｆで覆われる。

【００３９】図６の構成では、通路３ｄを通って供給さ
れたエッチングガスは開口部３ｈより放出され、電極３
の裏面に沿って、矢印Ｘで示すように、側方に流れる。
その結果、石英ガラスカバー３ｆ上のパーティクルが基
板４に到達するのが抑止される。また、電極３の、電極
２に対向する側の全面が石英ガラスカバー３ｆで覆われ
ているため、カバー３ｆ上にパーティクルが蓄積するこ
とがない。

【００４０】図２および図６の構成において、電極３に
設けられるカバーは石英ガラスに限定されるものではな
く、ＳｉＣ，Ｃ，Ｓｉ，ＳｉＮあるいはこれらの混合物
であってもよい。また、図２あるいは図６のプラズマエ
ッチング装置を使って本発明を実施するに当り、エッチ
ングガスはＮＦ₃ に限定されるものではなく、他のハロ
ゲンガスであってもよい。

【００４１】本発明は、以上に説明した実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の要旨内において様々な変形
・変更が可能である。

【００４２】

【発明の効果】請求項１または１１記載の本発明の特徴
によれば、エッチングガスの流路を、前記基板が保持さ
れている第１の電極板を避けるように設定することによ
り、前記第２の主面上にＷＦx の凝集により形成された
パーティクルが前記基板まで輸送されることがなくな
り、基板表面へのパーティクルの付着を最小化すること
ができる。その結果、信頼性の高いＷ配線パターンを有
する半導体装置を、枚葉処理により、安価に量産するこ
とが可能になる。また、プラズマエッチング装置中にお
いて基板に対向する第２の電極表面を、Ｗのハロゲン化
合物と反応して揮発性の生成物を生じるような材料で覆
うことにより、エッチングの結果Ｗのハロゲン化合物が
生成物として発生しても、かかる生成物は前記第２の電
極表面を覆う材料と反応して揮発性生成物に変化するた
め、前記第２の電極表面へのパーティクルの蓄積は実質
的に生じない。

【００４３】特に請求項２、８または９記載の本発明の
特徴によれば、従来使用されているプラズマエッチング
装置において、第２の電極板から処理室に導入されるエ
ッチングガスの流れを偏向させる構造物を前記第２の電
極板上に設けるだけでよく、特殊な構造のプラズマエッ
チング装置を使用したり、あるいは作製する必要がな
い。

【００４４】請求項３または１０記載の本発明の特徴に
よれば、所望のエッチングガスの流路の偏向を、前記第
２の電極板表面に特別な構造物を設けることなく実現で
きるため、反応性イオンエッチングを実行するに当って
第１の電極と第２の電極との間に安定なプラズマを形成
することができる。請求項４から６記載の本発明の特徴
によれば、エッチングガスをＮＦ₃ を含むガスとするこ
とにより、Ｗのエッチングにより反応性のＷＦｘが形成
され、対向電極上に堆積したパーティクルが直ちにリフ
トオフされる。

【００４５】請求項７または１２記載の本発明の特徴に
よれば、前記第２の電極表面を、ＳｉＯ₂ ，ＳｉＣ，
Ｃ，Ｓｉ，ＳｉＮおよび、これらの混合物よりなる群よ
り選択される材料で覆うことにより、前記第２の電極表
面へのパーティクルの蓄積を実質的に除去できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明による、反応性イオ
ンエッチングの機構を説明する図である。

【図２】本発明の第１実施例によるプラズマエッチング
装置の構成を示す図である。

【図３】図２の装置の要部を説明する図である。

【図４】図２の装置を使った枚葉式処理における、基板
上でのパーティクル発生数を示す図である。

【図５】図２の装置を使った枚葉式処理における、基板
上での相対歩留りを示す図である。

【図６】本発明の第２実施例によるプラズマエッチング
装置の構成を示す図である。

【図７】従来のプラズマエッチング装置の構成を示す図
である。

【図８】（Ａ）〜（Ｄ）は図７のエッチング装置中にお
けるＷ層のパターニングを説明する図である。

【図９】図７のプラズマエッチング装置において枚葉式
処理を行なった場合の基板上におけるパーティクルの発
生を示す図である。

【図１０】（Ａ）〜（Ｃ）はパーティクルによる、半導
体装置の欠陥の形成機構を説明する図である。

【図１１】図７のプラズマエッチング装置において枚葉
式処理を行なった場合の半導体装置の相対歩留りの低下
を示す図である。

【図１２】図７のプラズマエッチング装置において、基
板上に検出されるＡｌ原子密度を測定した結果を示す図
である。

【図１３】（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の発明者が提案す
る、プラズマエッチング装置中におけるＷの反応性イオ
ンエッチングに伴うパーティクル発生の機構を説明する
図である。

【符号の説明】

１ 真空処理室 １ａ 排気口 ２ 上部電極 ２ａ 静電チャック ２ｂ 石英カバー ３ 下部電極 ３ａ 配管 ３ｂ シャワーノズル ３ｃ 開口部 ３ｄ エッチングガス通路 ３ｅ，３ｈ ガス出口 ３ｆ 石英カバー ３ｇ 偏向板 ３ｇ₁ 〜３ｇ₃ 支柱 ４ 基板 ５ プラズマエッチング装置本体 ６ 絶縁部 ７ 高周波電源 ８ 石英ライナー ４１ ＴｉＮバリア層 ４２ Ｗ層 ４３ 反射防止膜 ４４ レジストパターン ５０ パーティクル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松永 大輔 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 処理室と、前記処理室中に設けられ、前
   記基板を保持するように構成された第１の電極板と、前
   記反応室中に、前記電極板に対向するように設けられた
   第２の電極板とを備えたプラズマエッチング装置におい
   て、表面にＷ層を被着した基板を反応性イオンエッチン
   グによりパターニングする工程を含む半導体装置の製造
   方法において：前記第１の電極板上に、表面にＷ層を被
   着した基板を保持する工程と；前記処理室中にエッチン
   グガスを導入し、前記第１および第２の電極板の間にお
   いてプラズマを形成し、前記Ｗ層の反応性イオンエッチ
   ングを実行する工程とよりなり、 前記反応性イオンエッチング工程に先立って、前記第２
   の電極板の表面を、前記処理室中における反応性イオン
   エッチングの結果生じるＷのハロゲン化合物と反応し
   て、揮発性生成物を形成する材料で覆う工程を含み、 前記反応性イオンエッチング工程は、前記処理室中にお
   いて、前記エッチングガスの流れを、前記第２の電極板
   から前記第１の電極板に向かう第１の方向から、前記第
   １の電極板を避ける別の方向に設定する工程を含むこと
   を特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 前記エッチングガスの流れを設定する工
   程は、前記エッチングガスを、前記第２の電極板中に形
   成された導入口から前記処理室中に導入する工程と、前
   記処理室中に導入された前記エッチングガスを、前記第
   １の方向に流す工程と、前記第１の方向に流れている前
   記エッチングガスの流れを、別の方向に偏向させる工程
   とを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の
   製造方法。
3. 【請求項３】 前記エッチングガスの流れを設定する工
   程は、前記エッチングガスを、前記処理室中において、
   前記第２の電極板を画成する一対の主面のうち、前記第
   １の電極板に面する第１の主面とは反対側の第２の主面
   の側に位置する導入口から前記処理室に導入し、前記第
   ２の主面に沿って流す工程を特徴とする請求項１記載の
   半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 前記反応性イオンエッチング工程は、Ｎ
   Ｆ₃ をエッチングガスとして使い、実行することを特徴
   とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】 前記反応性イオンエッチング工程は、Ｎ
   Ｆ₃ とＡｒの混合ガスをエッチングガスとして使い、実
   行することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製
   造方法。
6. 【請求項６】 前記反応性イオンエッチング工程は、４
   ００°Ｃから５００°Ｃの範囲の温度で実行されること
   を特徴とする請求項１又は４又は５記載の半導体装置の
   製造方法。
7. 【請求項７】 前記反応性イオンエッチング工程に先立
   って、前記第２の電極板の表面を、ＳｉＯ₂ ，Ｃ，Ｓ
   ｉ，ＳｉＮおよび、これらの混合物よりなる群より選択
   される材料で覆う工程を含むことを特徴とする請求項１
   記載の半導体装置の製造方法。
8. 【請求項８】 処理室と；前記処理室中に設けられ、基
   板を保持する第１の電極板と；前記処理室中に前記第１
   の電極板に対向するように設けられ、エッチングガスを
   前記処理室に導入する導入口を形成された第２の電極板
   と；前記第２の電極板に接続され、前記導入口と連通し
   たエッチングガスの通路を内部に形成され、前記通路中
   のエッチングガスを前記導入口を介して前記処理室中に
   導入する配管とよりなるプラズマエッチング装置におい
   て、 前記第２の電極板の、前記第１の電極に面する主面上に
   は、前記導入口から導入され、前記処理室中を前記第２
   の電極に向かって流れるエッチングガスの流路を変更す
   る流路偏向構造を形成したことを特徴とするプラズマエ
   ッチング装置。
9. 【請求項９】 前記流路偏向構造は、前記第２の基板上
   の前記導入口を塞ぐような位置に、前記第２の基板主面
   から離間して形成された板よりなることを特徴とする請
   求項８記載のプラズマエッチング装置。
10. 【請求項１０】 処理室と；前記処理室中に設けられ、
    基板を保持する第１の電極板と；前記処理室中に前記第
    １の電極板に対向するように設けられた第２の電極板
    と；前記第２の電極板に接続され、エッチングガスの通
    路を内部に形成され、前記処理室にエッチングガスを供
    給する配管とよりなるプラズマエッチング装置におい
    て、 前記配管には、前記第２の電極板に対して前記第１の電
    極板と反対の側に、前記エッチングガスを前記処理室に
    導入する導入口が、前記エッチングガスの通路に連通し
    て形成されていることを特徴とするプラズマエッチング
    装置。
11. 【請求項１１】 前記第２の電極板の、前記第１の電極
    板に面する主面は、前記処理室中における反応性イオン
    エッチングの結果生じるＷのハロゲン化合物と反応して
    揮発性生成物を形成するような材料で覆われていること
    を特徴とする請求項８または１０記載のプラズマエッチ
    ング装置。
12. 【請求項１２】 前記第２の電極板の、前記第１の電極
    板に面する主面は、ＳｉＯ₂ ，ＳｉＣ，Ｃ，Ｓｉ，Ｓｉ
    Ｎおよび、これらの混合物よりなる群より選択される材
    料で覆われていることを特徴とする請求項８または１０
    記載のプラズマエッチング装置。