JPH08213375A - ドライエッチング方法及びドライエッチング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エッチングによって形成される凸部とマスク
との寸法変換差を低減し、かつ制御できるドライエッチ
ング方法を提供する。 【解決手段】 シリコン基板６上のポリシリコン膜４の
上に、残存部と開口部とからなるパターンを有するレジ
スト膜５が形成されている。シリコン基板６を反応室内
に設置し、反応室内にガスを導入し、ガスをプラズマ化
しドライエッチングを行う。ガスの圧力と流量とを例え
ば５ｍＴｏｒｒ，１００ｓｃｃｍ以上の範囲で制御する
ことにより、エッチング生成物３の凹部９上方空間への
排出割合と凸部８の側壁への付着割合とを制御する。こ
れにより、孤立凸部８ａの下端部とレジスト膜５の残存
部との横方向寸法差である寸法変換差を低減し、孤立凸
部８ａと密集凸部８ｂとの寸法変換差のばらつきも解消
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
におけるドライエッチング方法及びドライエッチング装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体の製造工程において、ドライエッ
チングは、主として被加工物をパターニングする際に使
用される加工方法である。パターニングの代表的な工程
は、残存部と開口部とからなる所定のパターンを有する
レジスト膜を被加工物の上に形成するフォトリソグラフ
ィー工程と、このレジスト膜の開口部下方の被加工物を
除去するドライエッチング工程とからなる。

【０００３】ここで、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極のパタ
ーニング工程を例にとって説明する。図１２（ａ）に示
すように、シリコン基板６上にゲート酸化膜となるシリ
コン酸化膜７と、ゲート電極となるポリシリコン膜４と
を順次堆積した後、その上にレジストを塗布してレジス
ト膜５を形成する。そして、フォトリソグラフィー工程
によってレジスト膜５に残存部と開口部とからなるパタ
ーンを形成する。このレジスト膜５をエッチングマスク
として、ポリシリコン膜４のドライエッチングを行う。
なお、同図（ａ）において、符号１は活性種、２はイオ
ン、３はエッチング生成物を示す。

【０００４】その際、レジスト膜５の開口部下方のポリ
シリコン膜に凹部９が形成され、レジスト膜５の残存部
下方のポリシリコン膜４に凸部８が形成される。また、
図１２（ａ）に示す凸部８には、隣接する凸部との間の
距離が大きい孤立した凸部８ａ（以下、孤立凸部とい
う）と、各凸部間の距離が小さい密集した凸部８ｂ（以
下、密集凸部という）があり、同様に、各凸部８ａ，８
ｂの両側には孤立凹部９ａと密集凹部９ｂとがある。そ
して、レジスト膜５の開口部下方のポリシリコン膜４を
すべて除去することにより、各凸部８ａ，８ｂがゲート
電極となり、これによってゲート電極のパターニングが
終了する。エッチャントとして反応性ガスを用いるドラ
イエッチングは、被加工物の除去によって形成される凸
部８ａ，８ｂの側壁に、被加工物とエッチングガスとの
反応やエッチングガスの分解等によって生じるエッチン
グ生成物を付着させて、横方向へのエッチングの進行を
妨げることにより、専ら下方へのエッチング作用のみを
発揮させるいわゆる異方性エッチングを行うことができ
る。このような異方性エッチングによって、ほぼ垂直な
側壁を有する凸部８ａ，８ｂを形成することができ、凸
部８ａ，８ｂの横方向寸法をレジスト膜５の残存部の横
方向寸法にほぼ一致させることができるので、現在で
は、ドライエッチングは半導体の微細加工において必要
不可欠な技術となっている。

【０００５】ところで、近年、半導体装置の微細化技術
が進むにつれて、フォトリソグラフィー工程及びドライ
エッチング工程を含むパターニング工程において、マス
ターパターンと被加工物のパターンとの間に生じる寸法
変換差（ＣＤゲイン（Critical Dimension Gain ）又は
ＣＤロス（Critical Dimension Loss ））が問題となっ
ている。フォトリソグラフィー工程ではレジスト膜が被
加工物であるので、寸法変換差とは、レチクルのパター
ンとレジスト膜のパターンとの寸法差である。ドライエ
ッチングにおける寸法変換差とは、レジスト膜のパター
ンとドライエッチング後の被加工物のパターンとの寸法
差であり、具体的には、レジスト膜の残存部と被加工物
に形成される凸部の下端部との横方向寸法差である。こ
のような寸法変換差を生ぜしめる主な要因としては、 １）フォトリソグラフィー工程：ポストベーク時でのパ
ターン用のレジスト材料の熱的な伸縮・膨脹や露光時の
焦点のずれ等による解像の違い ２）ドライエッチング工程：エッチング中に凸部の側壁
の付着物が過剰であることによって生じる凸部の下端部
寸法の増大や、凸部の側壁の付着部が過少なためにサイ
ドエッチングが進むことによって生じる凸部の下端部寸
法の減小 などがある。

【０００６】まず、ドライエッチングにおける寸法変換
差について説明する。例えば、従来のＲＩＥ（Reactive
Ion Etching ）によるポリシリコン膜のエッチング
では、特にＨＢｒガスを使用すると寸法変換差が発生し
易いことが知られている。特に、図１２（ａ）に示す凸
部８のうち孤立凸部８ａでは密集凸部８ｂよりも寸法変
換差が大きい。例えば、ゲート長０．５μｍ程度に対応
するポリシリコン膜のパターニングの際、孤立凸部８ａ
では、図１２（ｂ）に示すように、レジスト膜の残存部
の幅Ｗ1 に対する凸部８ａの下端部の幅Ｗ2 の寸法増大
量が０．０５μｍ程度となり、密集凸部８ｂでは、図１
２（ｃ）に示すように、レジスト膜５の残存部の幅Ｗ1
に対する凸部８ｂの下端部の幅Ｗ2 の寸法増大量はほぼ
０．００μｍとなる傾向がある（つまり、０．００５μ
ｍよりも小さい）。一般的に、１つの半導体装置内に
は、トランジスタが密集したメモリセルアレイ等と各ト
ランジスタが孤立した周辺回路等とが混在しているの
で、トランジスタの存在場所によって、ゲート等のマス
クからの寸法変換差がばらつくことになる。その結果、
例えば周辺回路内のＭＯＳＦＥＴのゲート長の精度が悪
化するので、デバイスの電気特性のばらつきや歩留りに
問題が生じていた。

【０００７】このような大きな寸法変換差の発生を防止
すべく、ドライエッチング工程では、ＨＢｒを使用しな
いプロセスも行われている。例えば高真空エッチャー
（電子サイクロトロン共鳴を利用したＥＣＲや、ヘリコ
ン波を利用したプラズマソースなど）が導入され、寸法
変換差を低減することが試みられてきた。

【０００８】一方、フォトリソグラフィー技術において
は、寸法変換差を低減する１つの方法として、露光用光
源の短波長化や光学系の機械的精度の改善がある。現
在、露光用光源の波長と同じ程度の加工精度が得られる
程度にまで、機械的精度が向上している。例えば０．３
５μｍルールのデバイスに対して、現状の標準的な加工
精度は、ｉ線露光によれば約±０．０４μｍ程度であ
る。

【０００９】また、フォトリソグラフィー工程における
寸法変換差も、パターンの種類によってばらつくことが
知られている。一般に、孤立凸部における寸法変換差の
方が、密集凸部における寸法変換差よりも大きい。フォ
トレジスト工程において生じる寸法変換差に対しては、
これまでフォトリソグラフィー工程における寸法変換差
を予め考慮してフォトリソグラフィー用のレチクルパタ
ーンのサイズを縮小しておくことによって、ある程度寸
法変換差を解消するようにしている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ド
ライエッチング工程やフォトリソグラフィー工程におい
ては、以下のような問題があった。

【００１１】ドライエッチング工程においては、高真空
エッチャー等でも、現実には、孤立凸部の寸法変化差が
大きくなり、孤立凸部と密集凸部との間における寸法変
換差のばらつきが生じており、現在の技術ではこのよう
な寸法変換差のばらつきの解消は困難である。今後、さ
らに微細化が進むと、寸法変換差のばらつきは、歩留り
低下をもたらす主原因の一つになると予想されるが、以
上のように、従来のＲＩＥタイプのエッチャーはもとよ
り高真空エッチャーにおいても寸法変換差のばらつきを
抑制することは非常に困難であった。

【００１２】また、トランジスタの所望の特性を得るた
めに、エッチングにより形成される凸部例えばゲート電
極等の断面形状を自由に制御することが今後重要になる
と予想されるが、ドライエッチングにより形成される被
加工物の断面形状の制御は極めて困難であった。

【００１３】一方、フォトリソグラフィー工程において
は、露光光の短波長化も限界に近付き、機械的精度例え
ばレンズの精度や部品の位置決め精度なども限界に近づ
いている。したがって、それほど大幅な加工精度の向上
は困難な現状にある。加えて、上述のごとくレチクルパ
ターンの縮小等によって寸法変換差を低減できたとして
も、フォトリソグラフィー工程においてもウエハ間にお
ける寸法変換差のばらつきが生じる。この寸法変換差の
ばらつきが生じていることは認識されているものの、フ
ォトリソグラフィー技術におけるウエハ間の寸法変換差
のばらつきは、機械的な制約からの部分が大きく、根本
的に解消することは困難である。一方、デバイスのサイ
ズの微細化にともない、従来では問題にならなかった程
度の寸法変換差のばらつきが問題となってきている。

【００１４】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、上述のようなドライエッチング工程
において寸法変換差のばらつきが発生するメカニズムを
解明し、そのメカニズムに着目して、ドライエッチング
工程における寸法変換差のばらつきとエッチングにより
形成される被加工物の断面形状とを制御し得るドライエ
ッチング方法およびドライエッチング装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】

（寸法変換差の発生メカニズムの解明）まず、発明の実
施の過程において解明された寸法変換差の発生のメカニ
ズムについて説明する。

【００１６】一般に、ドライエッチングの過程におい
て、プラズマ化されたガスと被エッチング部の分解物と
の反応等によってエッチング生成物が生じる。そして、
このエッチング生成物が凹部の側部に付着して、側部の
エッチングが進行するのを適度に妨げることで、適正な
異方性エッチングが行われる。しかし、特に、被エッチ
ング部の各凸部が互いに孤立した部分では、凸部の下端
部がエッチングマスクの残存部の幅よりも広くなる現象
が生じやすい。これは、各凸部間の距離つまり凹部の幅
が広いので凹部で発生するエッチング生成物が多くな
り、過度に多くのエッチング生成物が側壁に付着しエッ
チングの妨害作用が強すぎる結果を招くと考えられる。
このような寸法変換差のばらつきが生じるメカニズムに
ついて、本発明の過程において解明された点を上記図１
２（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。

【００１７】図１２（ａ）に示すように、一般的に、凹
部９では活性種１が被エッチング部であるポリシリコン
膜４に付着し、イオン２が入射して、その運動エネルギ
ーにより反応が促進されてエッチングが進行する。とこ
ろが、エッチングによって生成されるエッチング生成物
３の凸部８の側壁への付着量は、孤立凸部８ａと密集凸
部８ｂとでは異なる。つまり、孤立凸部８ａの両側の孤
立凹部９ａの幅は広いので、エッチングされる領域の面
積も広く、孤立凸部８ａの側壁に付着するエッチング生
成物３の量が多くなる。その結果、側壁を保護する堆積
物の膜厚が大きくなり、横方向へのエッチングを妨害す
る作用が大きくなる。したがって、孤立凸部８ａにおい
ては、図１２（ｂ）に示すように、孤立凸部８ａの下端
部の幅Ｗ2 がレジスト膜５の残存部の寸法つまり孤立凸
部８ａの上端部の幅Ｗ1 よりも大きくなる。一方、密集
凸部８ｂ間の密集凹部９ｂの幅は狭いので、エッチング
される領域の面積も小さく、各密集凸部８ｂの側壁に付
着するエッチング生成物の量が少なくなる。その結果、
側壁方向へのエッチング作用を妨害する作用が小さくな
る。したがって、図１２（ｃ）に示すように、密集凸部
８ｂの下端部の幅Ｗ1 が上端部の寸法Ｗ1 よりもほとん
ど増大することがない。このようにして、孤立凸部８ａ
の寸法変換差は、密集凸部８ｂの寸法変換差より大きく
なる。

【００１８】以上のメカニズムによって、１つのチップ
内に配置されるトランジスタ等のデバイスにおいて、寸
法変換差のばらつきが発生してしまうと推測される。

【００１９】（各請求項が講じた手段）上記寸法変化差
のばらつきの発生のメカニズムに着目し、本発明では、
凸部の断面形状を制御することにより、孤立凸部におけ
る寸法変換差を低減し、各凸部間の寸法変換差のばらつ
きを解消すべく、請求項１〜９に記載される手段を講じ
ている。

【００２０】本発明のドライエッチング方法は、請求項
１に記載されるように、残存部と開口部とからなるパタ
ーンを有するエッチングマスクにより被エッチング部が
被覆された半導体ウエハを反応室内に設置し、上記反応
室内にガスを導入する工程と、上記ガスを用いてドライ
エッチングを行い、上記被エッチング部における上記エ
ッチングマスクの残存部下方には凸部を上記エッチング
マスクの開口部下方には凹部をそれぞれ形成する工程と
を備えている。そして、上記反応室におけるガスの圧力
と流量との調整により、上記ドライエッチングにより発
生するエッチング生成物の上記凹部外への排出割合と上
記凸部側壁への付着割合とを制御して、上記凸部の下端
部と上記エッチングマスクの上記残存部との横方向寸法
差である寸法変換差を制御する方法である。

【００２１】請求項１のようにガス圧力とガス流量とを
制御することにより、被エッチング部の寸法変換差を制
御できる。この機構は解明されていないが、下記の作用
によるものと推測される。

【００２２】ガスの圧力を増大させた場合、図１（ａ）
に示す活性種１及びエッチング生成物３の平均自由行程
λ（λはおもにエッチング圧力ｐにより決定される。）
が、反応室の寸法ｄ（あるいはウエハサイズ）に比べて
十分小さくなり（例えば、Ｐ＝１００ｍＴｏｒｒ、ｄ＝
２０ｃｍなど）、ガスの流れは、粘性流と呼ばれる領域
になる。このとき、中性ガスは、エッチング生成物が凸
部の側壁に付着しようとする際の抵抗として作用する。
さらに、ガス圧力とガス流量とが大きくなると、凹部９
に強い乱流が生じエッチング生成物が側壁に付着するの
を妨げる作用が強くなる。以上の２つの作用により、ガ
スの圧力及び流量が増大すると、エッチング生成物の凸
部側壁への付着割合が減小する。

【００２３】また、ガス圧力が高くなると単位体積当た
りのガスの重量が大きくなる（粘性が大きくなる）の
で、エッチング生成物の輸送効率が高くなり、エッチン
グ生成物を上方の空間に排出させる作用が大きくなる。
つまり、凸部の側壁の保護に寄与するエッチング生成物
３粒子は、バルクのガスの流速に引きこまれて排出され
る。加えて、反応室内では、流れがほとんどなく静圧状
態である凹部の底部付近や側壁付近に対してガスが流れ
る上方の空間が負圧になるが、ガス流量が大きくなると
負圧と正圧との圧力差が大きくなるので、エッチング生
成物の排出が促進される。すなわち、ガスの圧力又は流
量が増大すると、以上の作用と強い乱流の発生による作
用とによって、エッチング生成物３の上方空間への排出
割合が大きくなる。

【００２４】また、以上の逆の作用として、ガスの圧力
または流量を低減することにより、エッチング生成物３
の凸部側壁への付着割合が増大する。

【００２５】したがって、ガスの圧力と流量とを制御す
ることによって、以上の各作用のいずれかが主となり各
作用が互いに関連しあって、エッチング生成物の上方空
間への排出割合と側壁への付着割合とを制御することが
可能となる。したがって、凸部の断面形状が容易に制御
されるとともに、孤立凸部の寸法変換差も低減されるこ
とになる。

【００２６】請求項２に記載されるように、請求項１の
ドライエッチング方法において、上記反応室におけるガ
スの圧力が５ｍＴｏｒｒ以上でガスの流量が１００ｓｃ
ｃｍ以上であることが好ましい。

【００２７】この方法により、ガスの粘性が高まり、か
つ凹部の側壁と上方空間との圧力差や乱流の強さが大き
くなるので、ガスによってエッチング生成物を凹部の上
方空間に輸送する効率が高められ、寸法変換差が確実に
低減される。

【００２８】請求項３に記載されるように、請求項１の
ドライエッチング方法において、上記被エッチング部内
の上記凸部のうち少なくとも１つを、下端部の横方向寸
法が０．４μｍ以下で、両側の凹部の横方向寸法がいず
れも１μｍ以上となる孤立凸部とすることができる。

【００２９】この方法により、特に寸法変換差の大きい
孤立凸部の形状が改善されることになる。

【００３０】請求項４に記載されるように、請求項１の
ドライエッチング方法において、上記被エッチング部内
の上記凸部のうち少なくとも１つを、両側の凹部の横方
向寸法がいずれも１μｍ以上となる孤立凸部とし、上記
被エッチング部内の上記凸部のうちの他の複数個を、各
凸部間の凹部の横方向寸法が１μｍ以下である密集凸部
とすることができる。

【００３１】この方法により、以下の作用が得られ、被
エッチング部内における孤立凸部と密集凸部との間の寸
法変化差のばらつきが抑制される。すなわち、ガスの流
速を次第に増大させていくと、上述のように図１（ａ）
に示すエッチング生成物３の排出速度も増大し、エッチ
ング生成物３のエッチング表面での滞在時間が短くな
る。しかし、その滞在時間の短縮効果は、エッチングパ
ターンによって異なってくる。孤立凹部９ａにおいて
は、エッチング生成物３はガスの流れに左右されやす
く、その滞在時間の短縮効果は大きいのに対し、密集凹
部９ｂにおいては、凹部９ｂが狭く入りくんだ形状とな
っているために、エッチング生成物３の滞在時間がガス
の流れに左右されにくい。以上の理由により、エッチン
グ生成物３の側壁保護効果による密集凸部の寸法変換差
はほとんど変化しないのに対し、孤立凸部では、ガスの
流れの増大とともに寸法変換差が減少してゆくことにな
る。したがって、寸法変換差のばらつきが低減される。

【００３２】請求項５に記載されるように、請求項１の
ドライエッチング方法において、上記反応室内のガスの
圧力と反応室の径との積は、０．２Ｋｇ／ｓｅｃ² 以上
であることが好ましい。

【００３３】この方法により、経験的に、ガスによって
エッチング生成物を凹部から上方空間への輸送する力が
確実に得られるので、寸法変化差の制御が容易となる。

【００３４】請求項６に記載されるように、請求項１の
ドライエッチング方法において、上記ガスに、ハロゲン
ガス及びハロゲン化物のガスのうち少なくともいずれか
１つを含ませることが好ましい。

【００３５】請求項７に記載されるように。請求項６の
ドライエッチング方法において、上記ハロゲンガスを、
臭化水素ガス，臭化水素ガスと塩素ガスとの混合ガス，
及び臭化水素ガスと塩化水素ガスとの混合ガスのうちの
いずれか１つとすることが好ましい。

【００３６】これらの方法により、高いドライエッチン
グ効率が発揮されるとともに、寸法変換差が制御される
ことになる。

【００３７】請求項８に記載されるように、請求項１の
ドライエッチング方法において、上記被エッチング部
を、単結晶シリコン，ポリシリコン，Ａｌ，Ｃｕ，Ｗ，
Ｔｉ，Ｃｏ，Ｔａ，Ｍｏ及びＮｉのうち少なくともいず
れか１つを含む材料により構成することができる。

【００３８】この方法により、各種デバイスの電極や配
線の形状精度が向上し、電気的特性が良好となる。

【００３９】本発明のドライエッチング装置は、請求項
９に記載されるように、被エッチング部が残存部と開口
部とからなるパターンを有するエッチングマスクで覆わ
れた半導体ウエハを収納するための反応室と、上記被エ
ッチング部を収納するための反応室と、上記反応室内に
エッチング用ガスを供給するガス供給手段と、上記ガス
をプラズマ化して上記被エッチング部の上記エッチング
マスクの残存部下方に凸部を形成する一方エッチングマ
スクの開口部下方に凹部を形成するようドライエッチン
グを行うプラズマ発生手段と、上記凸部の下端部と上記
エッチングマスクの残存部との横方向寸法差である寸法
変換差を所定の範囲に収めるように、上記反応室内のガ
スの圧力及び流量のうち少なくとも一方を制御する制御
手段とを備えている。

【００４０】この構成により、上述の請求項１と同様の
作用が得られる。

【００４１】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）次に、本発明の第１の実施形態に
ついて説明する。図２は本発明の第１の実施の形態にお
ける中真空領域マグネトロンＲＩＥ装置の構成を概略的
に示す断面図である。図２において、符号と部材名との
関係は以下の通りである。２１は反応室であるチャン
バ、２２は電磁コイル、１０はＬＳＩ用半導体ウエハ等
の試料、１１は高周波電源（例えば１３．５６ＭＨｚ工
業用電源）、１２はカップリングコンデンサ、１３はカ
ソード電極、１４はアノード電極、１５はターボ分子ポ
ンプ、１６はロータリーポンプ、１７はマスフローコン
トローラ、２０はプラズマ発生領域をそれぞれ示す。ア
ノード電極１４は接地されており、ターボ分子ポンプ１
５及びロータリーポンプ１６でチャンバ１内のガスが排
気口から排出される。また、マスフローコントローラ１
７により、チャンバ２１内で流入されるガス流量を調整
するようになされている。

【００４２】また、図３は半導体ウエハの被エッチング
部の断面図であって、シリコン基板６上にゲート酸化膜
７を介して被エッチング部であるポリシリコン膜４が堆
積されており、このポリシリコン膜からゲート電極であ
る凸部８が形成される。そのとき、トランジスタの配置
場所によって、孤立凸部８ａと密集凸部８ｂとが形成さ
れる。

【００４３】ドライエッチングを行う際には、図２に示
すように、チャンバサイズとしてチャンバ半径を約２０
ｃｍとし、ガス圧力を１００ｍＴｏｒｒの粘性領域にお
いて、ガスをチャンバ２１に充填する。その後、高周波
電源１１から出力された電力（２１５Ｗ）はカップリン
グコンデンサ１２を介してカソード電極１３に伝達され
る。この伝達された電力と電磁コイル２２で発生する磁
界により、チャンバ２１内に導入されたＨＢｒガス，Ｃ
ｌ2 ガスからなるエッチングガスが電離し、プラズマ領
域２０が形成される。そして、ＨＢｒガスから解離した
活性種であるＢｒラジカルとＣｌ2 から解離したＣｌラ
ジカルとが、イオンアシストのもとで、ポリシリコンを
エッチングする。エッチングによって生成されたＳｉＢ
ｒx （x＝1 、 2 、 3 、 4)は、エッチング側壁に
付着し、サイドエッチを防止する。

【００４４】本実施例の方法によれば、ＨＢｒガス及び
Ｃｌ2 ガスの合計流量が増大するに伴い、孤立凸部８ａ
と密集凸部８ｂとでは側壁へのエッチング生成物の付着
量の差は減少する。図４（ａ）は、ガス圧力１００ｍＴ
ｏｒｒ下におけるトータルのガス流量に対する寸法変換
差の変化を示す。ガス圧力１００ｍＴｏｒｒのもとで、
トータルのガス流量が１００ｓｃｃｍ以上であれば、寸
法変換差のばらつきは平均で０．０４μｍまで低減でき
る。その結果、従来の５０ｓｃｃｍ程度のガス流量で行
なっていた方法に比べ、寸法変換差ばらつきは半減で
き、デバイスの歩留りを向上できる。また、図４（ｂ）
は、ガス圧力５０ｍＴｏｒｒ下におけるトータルのガス
流量に対する寸法変換差の変化を示す。ガス圧力が５０
ｍＴｏｒｒ下においても、同図に示すように、寸法変換
差のばらつきを低減することができる。

【００４５】さらに、注目すべきは、孤立したパターン
の寸法変換差が、トータルのガス流量と反比例に近い関
係にあることである。つまり、ガス流量をコントロール
することで、孤立凸部の寸法変換差のみ制御することが
できる。仮に、フォトレジスト膜のパターニングの際
に、残存部の寸法が大きくなったときには、ガス流量を
コントロールして、仕上がりの寸法を規格内におさめる
ことが可能となる。

【００４６】また、エッチング中において、ガス流量を
時間的に変動させ側壁への付着量を変化させることによ
り、各凸部８ａ，８ｂの断面形状を自由に制御できる。

【００４７】本実施形態では、図３に示すように、孤立
凸部８ａのみの形状を台形状にしており、この場合、ガ
ス流量をエッチング途中で７５ｓｃｃｍから１５０ｓｃ
ｃｍに増大させている。

【００４８】（第２の実施の形態）次に、第２の実施形
態について説明する。

【００４９】図５は、本発明の第２の実施の形態に係る
中真空ＲＩＥ装置の構成を概略的に示す断面図である。
図５において、符号と部材名との関係は以下の通りであ
る。２１はチャンバ、２２はＬＳＩ用半導体ウエハ、１
１は高周波電源（例えば１３．５６ＭＨｚ工業用電
源）、１２はカップリングコンデンサ、１３はカソード
電極、１４はアノード電極、１５はターボ分子ポンプ、
１６はロータリーポンプ、１７はマスフローコントロー
ラ、２０はプラズマ発生領域をそれぞれ示す。アノード
電極１４は接地されており、ターボ分子ポンプ１５及び
ロータリーポンプ１６でチャンバ２１内のガスが排気口
から排出される。また、マスフローコントローラ１７に
より、チャンバ２１内で流入されるガス流量を調整する
ようになされている。本実施形態に係るＲＩＥ装置で
は、上記第１の実施形態に係る中真空領域マグネトロン
ＲＩＥ装置とは異なり、チャンバ２１の側方に電磁コイ
ルが付設されていない。

【００５０】ドライエッチングを行う際、図５に示すよ
うに、チャンバサイズ（チャンバ半径）が約１８ｃｍ、
ガス圧力領域が１８０ｍＴｏｒｒの粘性領域において、
ガスをチャンバ２１に充填する。その後高周波電源１１
から出力された電力（２００Ｗ）はカップリングコンデ
ンサ１２を介してカソード電極１３に伝達される。この
伝達された電力により、チャンバ２１内に導入されたＨ
Ｂｒガス，ＨＣｌガス、Ｏ2 ガスからなるエッチングガ
スが電離しプラズマ領域２０が形成される。そして、Ｈ
Ｂｒから解離した活性種であるＢｒラジカルとＨＣｌか
ら解離したＣｌラジカルとが、イオンアシストのもと
で、ポリシリコンをエッチングする作用は、基本上記第
１の実施形態における作用とほぼ同様である。

【００５１】図６は、本実施形態におけるトータルのガ
ス流量と寸法変換差との関係を示し、ガス圧力を１８０
ｍＴｏｒｒとしている。本実施形態では、図６に示すよ
うに、ガス圧力１８０ｍＴｏｒｒのもとで、トータルの
ガス流量が１００ｓｃｃｍ以上であれば、寸法変換差の
ばらつきは平均で０．０４μｍまで低減できる。その結
果、従来の４５ｓｃｃｍ程度のガス流量で行なっていた
方法に比べ、寸法変換差のばらつきを大幅に低減でき、
デバイスの歩留りを向上できる。

【００５２】また、第１の実施の形態の場合と同様に、
第２の実施の形態においても、トータルのガス流量と孤
立凸部の寸法変換差とは反比例に近い関係にあるので、
この関係を利用して、ガス流量をコントロールすること
で、孤立凸部の寸法変換差のみ制御することができる。
また、エッチング中にガス流量を時間的に変動させエッ
チング生成物の側壁への付着量を変化させることによ
り、凸部の断面形状を自由に制御することができる。

【００５３】（第１及び第２の実施形態のまとめ及び追
加実験のデータ）次に、上記第１及び第２の実施形態に
おけるデータに追加するデータを得るために行った実験
の結果と、各実施形態のまとめとについて説明する。な
お、ここでの実験は上記第１の実施形態と同様の中真空
領域マグネトロンＲＩＥ装置を使用して行った。

【００５４】図７（ａ）〜図７（ｃ）は、ガス圧力を一
定値１００ｍＴｏｒｒとし、ガス流量を３０，７５，１
５０ｓｃｃｍと変えたときの孤立凸部の断面形状をそれ
ぞれ示すＳＥＭ写真である。また、図８（ａ）〜図８
（ｃ）は、ガス圧力を一定値１００ｍＴｏｒｒとし、ガ
ス流量を３０，７５，１５０ｓｃｃｍにしたときの密集
凸部の断面形状をそれぞれ示すＳＥＭ写真である。図７
（ａ）〜図７（ｃ）に示されるように、ガス流量が５０
ｓｃｃｍのときには孤立凸部の下端部の寸法が上端部の
寸法より増大しており、寸法変換差が大きい。一方、ガ
ス流量が７５ｓｃｃｍのときには寸法変換差はかなり小
さくなっているが、０ではない。そして、ガス流量が１
５０ｓｃｃｍのときには孤立凸部の下端部の寸法は上端
部の寸法とほぼ等しく寸法変換差はほとんど０に近い。
一方、図８（ａ）〜図８（ｃ）に示されるように、ガス
圧力がいずれの条件であっても、密集凸部の下端部の寸
法は上端部の寸法とほとんど等しく、寸法変換差はガス
流量の変化にかかわらずほぼ０である。

【００５５】また、図９（ａ），図９（ｂ）は、ガス流
量を一定値７５ｓｃｃｍとし、ガス圧力を２０，１００
ｍＴｏｒｒに変化させたときの孤立凸部の断面形状を示
すＳＥＭ写真である。図９（ａ），図９（ｂ）に示され
るように、ガス圧力が２０ｍＴｏｒｒのときには、孤立
凸部の下端部の寸法は上端部の寸法よりも増大してお
り、寸法変換差が大きい。一方、ガス圧力が１００ｍＴ
ｏｒｒのときには寸法変換差がかなり小さくなってい
る。

【００５６】図１０は、ガス流量が７５ｓｃｃｍの条件
下とガス流量が１５０ｓｃｃｍの条件下とにおける孤立
凸部の寸法変換差のガス圧力依存性を示す図である。同
図に示されるように、ガス流量が７５ｓｃｃｍの場合に
はこのデータを外挿することによってガス圧力が約１３
０ｍＴｏｒｒ以上のときに寸法変換差を０．０４μｍ以
下に抑制し得る。また、ガス流量が１５０ｓｃｃｍのと
きには、ガス圧力が約９０ｍＴｏｒｒ以上のときに寸法
変換差を０．０４μｍ以下に抑制し得る。

【００５７】図１１は、本発明のドライエッチング方法
と従来のドライエッチング方法とにおけるガス流量とガ
ス圧力との関係を示すマップである。

【００５８】初期のドライエッチング技術では、同図に
示す領域Ｒe Ａの条件つまり比較的低真空（高圧力）で
比較的少ないガス流量下で行われてきた。一方、最近で
は、同図に示す領域Ｒe Ｂの条件つまり高真空（低圧
力）で比較的少ないガス流量下に移行してきている。例
えば高真空エッチャーであるＥＣＲタイプにおいて、排
気速度を変化させ、活性種のエッチング側壁への付着量
を制御する試みが行なわれている（例えば特開平5 ―
259119、 5 ― 267227、 5 ― 267249、 5― 275
376）。しかし、ガスの流れが粘性領域でないためと考
えられるが、孤立凸部における寸法変換差を解消するま
でには至っておらず、寸法変換差のばらつきを低減する
ことは困難であった。

【００５９】それに対し、本発明では、同図に示す領域
Ｒe Ｃの条件つまり比較的低真空（高圧力）で比較的多
いガス流量下で行っている。このような条件下でドライ
エッチングを行うことにより、上述のように、孤立凸部
においても寸法変換差をほぼ解消し得るのである。

【００６０】経験上、本発明の効果を確実に生ぜしめる
ためのガスの圧力Ｐの範囲は、径ｄが３０ｃｍのチャン
バ内では、５ｍＴｏｒｒ以上である。すなわち、圧力Ｐ
とチャンバ径ｄとの積Ｐ・ｄが以下の範囲であることが
好ましい。

【００６１】 Ｐ・ｄ≧５（ｍＴｏｒｒ）×３０（ｃｍ） ＝１．５×１０^-3（Ｔｏｒｒ・ｍ） ＝１．５×１０^-3×１．３３Ｐａ・ｍ ＝１．５×１０^-3×１．３３（Ｋｇ／ｍ）・ｓｅｃ 2 ・ｍ ＝０．２Ｋｇ／ｓｅｃ² また、本発明によりパターニング可能な被エッチング部
の材料は、Ｓｉ，ｐｏｌｙ−Ｓｉ（ドープト及びアンド
ープトを含む），アモルファスＳｉ，ＧａＡｓ，Ｇａ
Ｎ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＡｌＰ，ＡｌＡｓ，
ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ等の半導体材料，Ａｌ，Ｃ
ｕ，Ｃｕ合金，Ａｌ合金，Ｗ，Ｔ，Ｃｏ，Ｔａ，Ｍｏ，
Ｎｂ等の金属材料、ＷＳｉx ，ＴｉＳｉx ，ＣｏＳｉx
等のシリサイドである。

【００６２】また、上記各実施形態におけるデータに示
される寸法変換差のガス流量依存性に着目すると、ガス
流量を制御することで、特に孤立凸部の側壁保護効果を
制御し、孤立凸部の断面形状を自由に制御できる。

【００６３】

【発明の効果】請求項１によれば、半導体ウエハの被エ
ッチング部に凸部と凹部とからなるパターンを形成する
ドライエッチングを行う際、ガスの圧力と流量との調整
によりエッチング生成物の凹部外への排出割合と凸部側
壁への付着割合とを制御して寸法変換差を制御するよう
にしたので、凸部の断面形状の制御の容易化と、孤立凸
部の寸法変換差の低減とを図ることができる。

【００６４】請求項２によれば、請求項１において、反
応室におけるガスの圧力を５ｍＴｏｒｒ以上とし、ガス
の流量を１００ｓｃｃｍ以上としたので、ガスによるエ
ッチング生成物の凹部上方空間への輸送効率を向上させ
ることができ、よって、寸法変換差を確実に低減するこ
とができる。

【００６５】請求項３によれば、請求項１において、被
エッチング部内の凸部のうち少なくとも１つを孤立凸部
としたので、特に寸法変換差の大きい孤立凸部の形状が
改善されることになる。

【００６６】請求項４によれば、請求項１において、被
エッチング部内の凸部のうち少なくとも１つを孤立凸部
とし、他の複数個を密集凸部としたので、被エッチング
部内における孤立凸部と密集凸部との間の寸法変化差の
ばらつきを抑制することができる。

【００６７】請求項５によれば、請求項１において、ガ
スの圧力と反応室の径との積を０．２Ｋｇ／ｓｅｃ² 以
上としたので、経験的事実からエッチング生成物の凹部
上方空間への輸送力を確実に発揮することができる。

【００６８】請求項６又は７によれば、請求項１におい
て、ガスをハロゲンガス及びハロゲン化物ガスのうち少
なくともいずれか１つを含ませるようにしたので、高い
ドライエッチング効率と、寸法変換差の制御の容易化と
を図ることができる。

【００６９】請求項８によれば、請求項１において、被
エッチング部を、単結晶シリコン，ポリシリコン，Ａ
ｌ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｔａ，Ｍｏ及びＮｉのうち
少なくともいずれか１つを含む材料により構成したの
で、各種デバイスの電極や金属配線の形状精度の向上に
よる電気的特性の向上を図ることができる。

【００７０】請求項９によれば、半導体ウエハの被エッ
チング部に凸部と凹部とからなるパターンを形成するた
めのドライエッチング装置において、寸法変換差を所定
の範囲に収めるように、反応室内のガスの圧力及び流量
のうち少なくとも一方を制御する制御手段を設けたの
で、上記請求項１と同様の効果を発揮することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のドライエッチング方法によるエッチン
グを行う際のシリコン基板、孤立凸部，密集凸部の断面
形状をそれぞれ示す断面図である。

【図２】第１の実施形態におけるドライエッチング装置
の構造を概略的に示す断面図である。

【図３】第１の実施形態における被エッチング部の断面
図である。

【図４】第１の実施形態によって得られた寸法変換差の
ガス流量依存性のデータを示す図である。

【図５】第２の実施形態におけるドライエッチング装置
の構造を概略的に示す断面図である。

【図６】第２の実施形態によって得られた寸法変換差の
ガス流量依存性のデータを示す図である。

【図７】追加の実験によるガス圧力１００ｍＴｏｒｒ，
ガス流量３０，７５，１５０ｓｃｃｍの時の孤立凸部の
断面形状をそれぞれ示すＳＥＭ写真図である。

【図８】追加の実験によるガス圧力１００ｍＴｏｒｒ，
ガス流量３０，７５，１５０ｓｃｃｍの時の密集凸部の
断面形状をそれぞれ示すＳＥＭ写真図である。

【図９】追加の実験によるガス圧力２０，１００ｍＴｏ
ｒｒ，ガス流量７５ｓｃｃｍの時の孤立凸部の断面形状
をそれぞれ示すＳＥＭ写真図である。

【図１０】追加の実験によって得られた寸法変換差のガ
ス圧力依存性のデータを示す図である。

【図１１】本発明のドライエッチングと従来のドライエ
ッチングとによるガスの圧力及び流量の領域の相違を示
すマップ図である。

【図１２】従来のドライエッチング方法によるエッチン
グを行う際のシリコン基板、孤立凸部，密集凸部の断面
形状をそれぞれ示す断面図である。

【符号の説明】

１ 活性種 ２ イオン ３ エッチング生成物 ４ ポリシリコン膜 ５ レジスト膜（エッチングマスク） ６ シリコン基板 ７ シリコン酸化膜 ８ 凸部 ８ａ 孤立凸部 ８ｂ 密集凸部 ９ 凹部 ９ａ 孤立凹部 ９ｂ 密集凹部 １０ 試料 １１ 高周波電源 １２ カップリングコンデンサ １３ カソード電極 １４ アノード電極 １５ ターボ分子ポンプ １６ ロータリーポンプ １７ マスフローコントローラ ２０ プラズマ領域 ２１ チャンバ（反応室） ２２ 電磁コイル

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 残存部と開口部とからなるパターンを有
   するエッチングマスクにより被エッチング部が被覆され
   た半導体ウエハを反応室内に設置し、上記反応室内にガ
   スを導入する工程と、 上記ガスを用いてドライエッチングを行い、上記被エッ
   チング部における上記エッチングマスクの残存部下方に
   は凸部を上記エッチングマスクの開口部下方には凹部を
   それぞれ形成する工程とを備え、 上記反応室におけるガスの圧力と流量との調整により、
   上記ドライエッチングにより発生するエッチング生成物
   の上記凹部外への排出割合と上記凸部側壁への付着割合
   とを制御して、上記凸部の下端部と上記エッチングマス
   クの上記残存部との間における横方向寸法差である寸法
   変換差を所定範囲に収めることを特徴とするドライエッ
   チング方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のドライエッチング方法に
   おいて、 上記反応室におけるガスの圧力が５ｍＴｏｒｒ以上でガ
   スの流量が１００ｓｃｃｍ以上であることを特徴とする
   ドライエッチング方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載のドライエッチング方法に
   おいて、 上記被エッチング部内の上記凸部のうち少なくとも１つ
   は、下端部の横方向寸法が０．４μｍ以下で両側の凹部
   の横方向寸法がいずれも１μｍ以上となる孤立凸部であ
   ることを特徴とするドライエッチング方法。
4. 【請求項４】 請求項１記載のドライエッチング方法に
   おいて、 上記被エッチング部内の上記凸部のうち少なくとも１つ
   は、両側の凹部の横方向寸法がいずれも１μｍ以上とな
   る孤立凸部であり、 上記被エッチング部内の上記凸部のうちの他の複数個
   は、各凸部間の凹部の横方向寸法が１μｍ以下である密
   集凸部であることを特徴とするドライエッチング方法。
5. 【請求項５】 請求項１記載のドライエッチング方法に
   おいて、 上記反応室内のガスの圧力と反応室の径との積は、０．
   ２Ｋｇ／ｓｅｃ² 以上であることを特徴とするドライエ
   ッチング装置。
6. 【請求項６】 請求項１記載のドライエッチング方法に
   おいて、 上記ガスは、ハロゲンガス及びハロゲン化物のガスのう
   ち少なくともいずれか１つを含むことを特徴とするドラ
   イエッチング方法。
7. 【請求項７】 請求項６記載のドライエッチング方法に
   おいて、 上記ハロゲンガスは、臭化水素ガス，臭化水素ガスと塩
   素ガスとの混合ガス，及び臭化水素ガスと塩化水素ガス
   との混合ガスのうちのいずれか１つであることを特徴と
   するドライエッチング方法。
8. 【請求項８】 請求項１記載のドライエッチング方法に
   おいて、 上記被エッチング部は、単結晶シリコン，ポリシリコ
   ン，Ａｌ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｔａ，Ｍｏ及びＮｉ
   のうち少なくともいずれか１つを含む材料により構成さ
   れていることを特徴とするドライエッチング方法。
9. 【請求項９】 被エッチング部が残存部と開口部とから
   なるパターンを有するエッチングマスクで覆われた半導
   体ウエハを収納するための反応室と、 上記反応室内にエッチング用ガスを供給するガス供給手
   段と、 上記ガスをプラズマ化して上記被エッチング部の上記エ
   ッチングマスクの残存部下方に凸部を形成する一方エッ
   チングマスクの開口部下方に凹部を形成するようドライ
   エッチングを行うプラズマ発生手段と、 上記凸部の下端部と上記エッチングマスクの残存部との
   横方向寸法差である寸法変換差を所定の範囲に収めるよ
   うに、上記反応室内のガスの圧力及び流量のうち少なく
   とも一方を制御する制御手段とを備えていることを特徴
   とするドライエッチング装置。