JPH0982686A

JPH0982686A - プラズマ処理装置および半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH0982686A
Application number: JP7238753A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Nakajima; 一明中嶋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-09-18
Filing date: 1995-09-18
Publication date: 1997-03-28

Abstract

(57)【要約】【課題】多結晶シリコン膜に対して高融点金属膜を選択
的に異方性エッチングできるプラズマエッチング装置を
提供すること。【解決手段】周辺リング１６として石英製のものを用
い、反応性ガス供給ライン４０に流す反応性ガスとし
て、流量比Ｏ₂ ／（ＳＦ₆ ＋Ｏ₂ ）が５０〜８０％に設
定されたＳＦ₆ ガスとＯ₂ ガスとからなる混合ガスを用
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン膜と高融
点金属膜との積層膜のエッチング方法に特徴があるプラ
ズマ処理装置および半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュ−タ−や通信機器等の重要部分
には、多数のトランジスタや抵抗等を電気回路を達成す
るようにむすびつけ、１チップ上に集積化して形成した
大規模集積回路（ＬＳＩ）が多用されている。このた
め、機器全体の性能は、ＬＳＩ単体の性能と大きく結び
付いている。ＬＳＩ単体の性能向上は、集積度を高める
こと、つまり、素子の微細化により実現できる。

【０００３】しかし、近年の素子の微細化による半導体
集積回路の高集積化に伴い、ゲート電極等の電極やゲー
ト配線等の配線のＲＣ遅延によって、素子の動作速度が
律速されるという問題が顕在化してきた。

【０００４】この種の遅延は電極や配線の低抵抗化によ
り抑制できる。例えば、ＭＯＳトランジスタ等のゲート
電極の場合であれば、金属シリサイド膜と多結晶シリコ
ン膜との２層構造のポリサイドゲートの採用により抑制
できる。

【０００５】ところで、０．２５μｍ世代以降では、ポ
リサイドゲートよりも低抵抗のゲート電極が求められ、
最近、高融点金属膜と多結晶シリコン膜との積層構造の
ポリメタルゲートが注目されている。

【０００６】高融点金属としてタングステン（Ｗ）を用
いれば、タングステンの比抵抗はタングステンシリサイ
ド（ＷＳｉ_x ）に比べ約１桁小さいので、ＲＣ遅延時間
の大幅な短縮が可能である。

【０００７】さらに、０．２５μｍ世代以降において
は、ゲート抵抗の低減技術に加えて、高精度なパターン
形成技術も必須となる。すなわち、ポリメタルゲートを
作成するには、高融点金属膜および多結晶シリコン膜を
異方性エッチングでき、かつ下地の多結晶シリコン膜に
対して高融点金属膜を選択的にエッチングできるエッチ
ング技術が必須となる。

【０００８】しかしながら、従来のエッチング技術で
は、多結晶シリコン膜に対して高融点金属膜を選択的に
エッチングすることは困難である。このため、高融点金
属膜をエッチングする段階で、多結晶シリコン膜を越え
てその下のエッチングする必要がないシリコン基板まで
エッチングされるという問題が生じる。

【０００９】このような問題は微細化により薄膜化が進
んだ多結晶シリコン膜と高融点金属膜との積層膜におい
ては特に顕著になり、したがって、従来のエッチング技
術では２．２５μｍ世代以降の微細なゲートパターンの
形成は非常に困難である。

【００１０】なお、関連する技術として、シリコン酸化
膜上のモリブデン膜またはモリブデンシリサイド膜（Ｍ
ｏＳｉ₂ 膜）を選択的にエッチングするために、四塩化
炭素（ＣＣｌ₄ ）と酸素との混合ガスを用いる技術が知
られている（Ｊ．Ｅlctrochem.Ｓoc．，１３１，２３２
５（１９８４））。しかし、多結晶シリコン膜に対して
高融点金属膜を選択的にエッチングすることについては
触れていない。また、この他にもエッチング方法として
提案されたものはあるが、エッチング装置内の材料構成
まで触れたものはない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のエ
ッチング技術では、多結晶シリコン膜に対して高融点金
属膜を選択的にエッチングすることは困難であるため、
微細化により多結晶シリコン膜と高融点金属膜との積層
膜の薄膜化が進むと、高融点金属膜をエッチングする段
階で、多結晶シリコン膜を越えてその下のエッチングす
る必要がないシリコン基板までエッチングされるという
問題があった。

【００１２】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、微細化が進んでも多結
晶シリコン膜などのシリコン膜に対して高融点金属膜を
容易に選択的にエッチングできるプラズマ処理装置およ
び半導体装置の製造方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るプラズマ処理装置（請求項１）は、シ
リコン膜、高融点金属膜が順次積層してなる積層膜を有
する基板を収容し、プラズマを用いて前記積層膜の異方
性エッチングを行なうところの処理容器と、この処理容
器内に、前記プラズマとなる弗素および塩素の少なくと
も一方を含むハロゲン含有ガスならびに酸素含有ガスを
含むプラズマ源ガスを導入する手段と、前記処理容器内
に設けられ、前記基板を載置する載置台と、前記処理容
器内に前記基板の周辺に設けられ、前記異方性エッチン
グ中における前記ハロゲン含有ガスと前記酸素含有ガス
との混合ガスに対する前記酸素含有ガスの体積％を所定
の範囲に維持する材料から形成された周辺部材とを備え
ていることを特徴とする。

【００１４】また、本発明に係る他のプラズマ処理装置
（請求項２）は、上記プラズマ処理装置（請求項１）に
おいて、前記基板を載置する載置台が、前記所定の範囲
に維持する材料から形成されることを特徴とする。

【００１５】また、本発明に係る他のプラズマ処理装置
（請求項３）は、上記プラズマ処理装置（請求項１）に
おいて、前記所定の範囲が、前記酸素含有ガスをＯ₂ ガ
スに換算した場合に、５０〜８０体積％であることを特
徴とする。

【００１６】また、本発明に係る他のプラズマ処理装置
（請求項４）は、上記プラズマ処理装置（請求項１）に
おいて、前記材料がシリコン、アルミニウムおよび高融
点金属の中から選ばれる一つの材料または二つ以上の材
料の化合物であることを特徴とする。

【００１７】本発明に係る半導体装置の製造方法（請求
項５）は、基板上にシリコン膜、高融点金属膜を順次形
成する工程と、前記基板を処理容器内に導入した後、前
記処理室内で弗素および塩素の少なくとも一方を含むハ
ロゲン含有ガスならびに酸素含有ガスを含むプラズマ源
ガスをプラズマ化して、前記積層膜を異方性エッチング
し、かつこの異方性エッチング中における前記ハロゲン
含有ガスと前記酸素含有ガスとの混合ガスに対する前記
酸素含有ガスの体積％を、前記酸素含有ガスをＯ₂ ガス
に換算した場合に、５０〜８０体積％に維持する工程と
を有することを特徴とする。

【００１８】また、本発明に係る他の半導体装置の製造
方法（請求項６）は、上記半導体装置の製造方法（請求
項５）において、前記基板の周辺には周辺部材を設け、
該周辺部材の材料として、シリコン、アルミニウムおよ
び高融点金属の中から選ばれる一つの材料または二つ以
上の材料の化合物を用いることを特徴とする。

【００１９】さらに、上記プラズマ処理装置および半導
体装置の製造方法において、前記材料は、シリコン、ア
ルミニウムおよび高融点金属の酸化物、窒化物または炭
化物であっても良い。

【００２０】弗素ガスおよび塩素ガスの少なくとも一方
のガスとしては、例えば、ＳＦ₆ ガス、ＣＦ₄ ガス、Ｃ
ｌ₂ ガス、ＣＣｌ₄ ガスや、これらの混合ガスを用いる
と良い。

【００２１】また、酸素ガスは、Ｏ₂ ガスの以外にも、
例えば、一酸化窒素（ＮＯ）ガス、亜酸化窒素（ＮＯ
₂ ）ガス、オゾン（Ｏ₃ ）ガス等の形で供給しても良
い。このとき、上記Ｏ₂ ガス以外のガスの場合、酸素
（Ｏ₂ ）ガスに換算した場合に、前記所定の範囲が５０
〜８０体積％となるようにする。

【００２２】また、前記高融点金属膜としては、タング
ステンやモリブデンあるいはこれら金属の窒化物や炭化
物でも良い。［作用］本発明は、以下のような知見および実験結果の
もとになされたものである。

【００２３】反応性ガス（プラズマ源ガス）としてハロ
ゲンガスと酸素ガスとの混合ガスを用いて多結晶シリコ
ン膜をプラズマエッチング（異方性エッチング）する場
合、多結晶シリコン膜の表面が酸化されるとともに、反
応性ガス中に含まれたハロゲンガスにより生成されたエ
ッチング生成物（ハロゲンガスとして塩素ガスを用いた
場合には例えばＳｉＣｌ_x ）が反応性ガス中に含まれた
酸素と反応して、シリコン酸化物が生成される。

【００２４】このようなシリコン酸化物は、多結晶シリ
コン膜上に堆積して、多結晶シリコン膜のエッチングを
抑制するため、多結晶シリコン膜のエッチング速度は急
激に低下する。

【００２５】一方、同じ反応性性ガスを用いてタングス
テンやモリブデン等からなる膜（高融点金属膜）をエッ
チングした場合、これらの金属ハロゲン酸化物がエッチ
ング生成物として生成されるが、これら金属ハロゲン酸
化物は蒸気圧が高いため、多結晶シリコン膜の場合とは
異なり、高融点金属膜上に堆積することはない。

【００２６】したがって、多結晶シリコン膜上に高融点
金属膜が形成されてなる積層膜の異方性エッチングにお
いて、上記反応性ガスを用いてプラズマエッチングを行
なうことにより、理論的には高融点金属膜を多結晶シリ
コン膜に対して選択的にエッチングすることが可能とな
る。

【００２７】しかしながら、上記知見に基づいて実際に
多結晶シリコン膜と高融点金属膜との積層膜の選択エッ
チングを行なったところ、多結晶シリコン膜のエッチン
グ速度が低下して選択比が取れる条件は、反応性ガスと
してフッ素もしくは塩素ガスまたはこれら二つのガスと
酸素ガスとの混合ガスを用い、かつエッチング中におけ
る上記混合ガスに対する酸素ガスの体積％が所定の範囲
つまり５０〜８０体積％の範囲の場合に限られることが
分かった。

【００２８】したがって、エッチング装置内にハロゲン
ガスや酸素を消費する部材が存在すると、上記体積％が
所定の範囲からずれ易くなるため、多結晶シリコン膜の
選択エッチングは困難になる。特に、酸素を消費する材
料からなる部材が存在する場合に困難になる。

【００２９】そこで、本発明に係るプラズマ処理装置で
は、ハロゲンガスや酸素を消費する部材として、特に消
費の激しい部材である載置台およびその周辺部材（例え
ば周辺リング）を選び、その材料として上記所定の範囲
がエッチング中に維持される材料を用いている。なお、
基板を載置する載置台もその一部が装置内に露出する場
合には、露出部もしくは全体を上記した材料で構成する
ことが好ましい。したがって、本発明に係る半導体製造
装置を用いることにより、多結晶シリコン膜等のシリコ
ン膜に対して高融点金属膜を容易に選択的にエッチング
できるようになる。

【００３０】一方、高融点金属膜のエッチング形状を垂
直形状にするには、反応性ガスの圧力および流量が低い
ほど良い。その理由を平行平板型のエッチング装置を用
いた場合を例にあげて説明すると以下の通りである。

【００３１】圧力が高いほど、被処理基板に入射するイ
オンのエネルギーは低くなり、イオンによる垂直方向の
エッチングは弱くなる。一方、圧力が高いほど、プラズ
マ中で弗素や塩素のラジカルが多量に生成される。この
種のラジカルは等方的なエッチングに寄与する。したが
って、圧力が高いほど、垂直方向のエッチング成分より
も水平方向のエッチング成分が増える結果となり、エッ
チング形状は逆テーパ気味となる。

【００３２】また、流量が多いほど、エッチング装置内
（真空容器内）の生成物の滞在時間が短くなり、反応生
成物に比べて相対的に未反応のラジカル量が増えてしま
い、逆テーパ気味のエッチング形状となってしまう。

【００３３】このように垂直なエッチング形状を得るた
めには、低圧力かつ低流量の条件でエッチングを行なう
ことが望ましいが、このような条件の場合、エッチング
装置内のハロゲンガスおよび酸素ガスの量は少なくなる
ので、エッチング装置内にこれらガスを消費する材料か
らなる部材が存在すると、上記体積％を所定の範囲に維
持するのが困難になる。

【００３４】しかし、本発明に係るプラズマ処理装置で
は、上述したように、ハロゲンガスや酸素の消費の激し
い部材である載置台およびその周辺部材（例えば周辺リ
ング）の材料として、上記体積％が所定の範囲内に維持
される材料を用いているので、高融点金属膜を容易に垂
直形状にエッチングできるようになる。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施の形態（実施態様）を説明する。図１は、本発明の
一実施態様に係るプラズマエッチング装置の概略構成を
示す模式図である。

【００３６】このプラズマエッチング装置は、大きく分
けて、エッチング室１０、導入用予備室２０および排出
用予備室３０から構成されており、エッチング室１０と
導入用予備室２０および排出用予備室３０との間はそれ
ぞれゲートバルブ２１，３１により仕切られている。

【００３７】エッチング室１０を真空に保持したまま導
入用予備室２０に設けられたゲートバルブ２２から被エ
ッチング基板１１が導入され、そして排出用予備室３０
に設けられたゲートバルブ３２から被エッチング基板１
１が排出されることにより、大気雰囲気の悪影響を避
け、被エッチング基板１１を一枚づつ短時間でドライエ
ッチングすることが可能になっている。また、導入用予
備室２０の内部、排出用予備室３０の内部にはそれぞれ
載置台２３，３３が設置されている。

【００３８】エッチング室１０の内部には、被エッチン
グ基板１１を載置する載置台を兼ねた電極１２が設けら
れており、この電極１２は被エッチング基板１１を所望
の温度に制御するための冷却管１３を備えている。ま
た、電極１２は、プラズマ励起のための１３．５６ＭＨ
ｚの高周波電力を印加すべく、ブロッキングキャパシタ
１４および整合装置１５を介して高周波電源１６に接続
されている。また、電極１２の周辺には、周辺部材とし
て、被エッチング基板１１に形成される電界の均一性を
向上させるためのリング状の板（周辺リング）１９が配
置されている。

【００３９】ここで、従来装置の場合には周辺リング１
９は炭素により形成されているが、本実施態様では石英
製（ＳｉＯ₂ ）のものを用いている。一方、エッチング
室１０の上部には、反応性ガス供給ライン４０が設けら
れており、この反応性ガス供給ライン４０からエッチン
グ室１０内に後述する所定の反応性ガスが導入されるよ
うになっている。上記反応性ガスは、バルブ４１および
流量制御器４２により所望の流量値に調整されるととも
に、エッチング室１０の下部に設けられたコントロール
バルブ４３によりエッチング室１１内において一定圧力
に保持されるようになっている。

【００４０】また、エッチング室１０の内壁（上壁）は
接地されており、これにより、内壁と電極１２との間に
高周波電圧を印加でき、上記反応性ガスをプラズマ化で
きるようになっている。エッチング室１０の上方には、
永久磁石１７が設置されており、この永久磁石１７は図
示しない電磁モーターにより回転軸１８のまわりで回転
運動させられる。この永久磁石１７が発生する約２００
ガウスの磁界によって、１０^-3Ｔｏｒｒ台以下の高真空
でも、高イオン密度のプラズマを発生維持することが可
能になっている。このようにして生成された高イオン密
度のプラズマから大量のイオンが被エッチング基板１１
に照射され、エッチングが行なわれる。

【００４１】初めに、多結晶シリコン膜に対する高融点
金属膜の選択比を向上させるための手掛かりとして、シ
リコン、タングステンおよびモリブデンのハロゲン化物
の物性データを下記表に示す。

【００４２】

【表１】

【００４３】タングステンのエッチング生成物を考える
と、弗化化物（ＷＦ₆ ）の蒸気圧が最も高く、塩化物
（ＷＣｌ₅ ，ＷＣｌ₆ ）の蒸気圧はあまり高くない。一
方、ケイ素の場合、弗化物（ＳｉＦ₄ ）、塩化物（Ｓｉ
Ｃｌ₄ ）はともに蒸気圧が非常に高い。

【００４４】よって、純粋に六弗化硫黄（ＳＦ₆ ）やＣ
Ｆ₄ 等フッ素系ガスをエッチングガスに選んだ場合、多
結晶シリコン膜に対するタングステン膜選の選択比を向
上させることは難しい。また、Ｃｌ₂ や四塩化炭素（Ｃ
Ｃｌ₄ ）等の塩素系ガスでも同様に難しいことが予想さ
れる。

【００４５】一方、ハロゲン酸化物に注目すると、タン
グステンのフッ素酸化物（ＷＯＦ₄）や塩素酸化物（Ｗ
ＯＣｌ₂ ）など比較的蒸気圧が高い化合物が存在する。
したがって、ハロゲン酸化物をエッチング生成物として
利用すれば、シリコンに対する選択比が向上することが
予想される。

【００４６】そこで、従来のプラズマエッチング装置
（周辺リング１９が炭素により形成されてるもの）を用
いて、六弗化硫黄（ＳＦ₆ ）ガスとＯ₂ ガスとの混合ガ
スを用い、タングステン膜と多結晶シリコン膜との積層
膜のエッチングを行なった。エッチング条件は、高周波
印加電力０．７Ｗ／ｃｍ₂ 、圧力８ｍＴｏｒｒ、全流量
５０ＳＣＣＭ、電極１２の温度６５℃である。なお、以
下の各実験は特別の断りが無い限り従来のプラズマエッ
チング装置を用いて行なったものである。

【００４７】図２は、上記エッチングにおいて、ＳＦ₆
ガスとＯ₂ ガスとの混合ガスの流量（体積）に対するＯ
₂ ガスの流量（体積）の百分率（体積％）を０〜１００
％までの範囲で変化させてエッチングを行なった場合の
結果を示す図である。図２（ａ）は、タングステン膜の
エッチング速度、多結晶シリコン膜のエッチング速度の
Ｏ₂ ガス体積％依存性を示している。また、図２（ｂ）
は、多結晶シリコン膜に対するタングステン膜の選択比
のＯ₂ ガス体積％依存性を示している。

【００４８】図２（ａ）に示すように、タングステン膜
のエッチング速度はＯ₂ ガスの体積％にあまり依存しな
いが、多結晶シリコン膜のエッチング速度はＯ₂ ガスの
体積％が高くなるにつれて低下し、Ｏ₂ ガスの体積％が
６０％以上になると、多結晶シリコン膜に対するタング
ステン膜の選択比は１程度になる。

【００４９】次に塩素（Ｃｌ₂ ）ガスとＯ₂ ガスとの混
合ガスを用い、タングステン膜と多結晶シリコン膜との
積層膜のエッチングを行なった。このエッチング条件
は、高周波印加電力０．７Ｗ／ｃｍ₂ 、圧力８ｍＴｏｒ
ｒ、全流量５０ＳＣＣＭ、電極１２の温度６５℃であ
る。

【００５０】図３は、上記エッチングにおいて、Ｏ₂ ガ
スの体積％を０〜１００％までの範囲で変化させてエッ
チングを行なった場合の結果を示す図である。図３
（ａ）は、タングステン膜のエッチング速度、多結晶シ
リコン膜のエッチング速度のＯ₂ガス体積％依存性を示
している。また、図３（ｂ）は、多結晶シリコン膜に対
するタングステン膜の選択比のＯ₂ ガス体積％依存性を
示している。

【００５１】図３に示すように、タングステン膜のエッ
チング速度はＯ₂ ガスの体積％が上昇するとともに増加
し、Ｏ₂ ガスの体積％が６０％で最大となる。一方、多
結晶シリコン膜のエッチング速度はＯ₂ ガスの体積％の
上昇に従い急激に低下し、Ｏ₂ ガスの体積％が６０％以
上で堆積が始まっている。

【００５２】そこで、プラズマに曝した多結晶シリコン
膜の表面を光電子分光（ＸＰＳ）法により評価した結
果、酸素の存在を示すＯｌs スペクトルが強く観察さ
れ、Ｓｉ2pスペクトルはケミカルシフトしていることが
分かった。しかし、エッチングガスであるＣｌは検出さ
れなかった。

【００５３】この結果から、多結晶シリコン膜の表面は
シリコン酸化膜（ＳｉＯ_x ）に近い状態にあることが分
かった。これは、Ｏ₂ ガスの体積％が６０％以上の条件
で多結晶シリコン膜をエッチングすると、多結晶シリコ
ン膜から除去されたＳｉＯ_xがエッチング表面に堆積
（付着）し、エッチングの進行が妨げられたからだと考
えられる。

【００５４】絶縁膜の化学的気相成長（ＣＶＤ）の分野
では、ＳｉＣｌ₄ ガスとＯ₂ ガスとの混合ガスを用い
て、ＳｉＯ₂ を成膜する研究が古くから行なわれてお
り、報告によれば、成膜温度９００℃付近でＳｉＯ₂ の
他にＳｉ₂ ＯＣｌ₆ やＳｉ₄ Ｏ₄Ｃｌ₈ が生成される。

【００５５】一方、プラズマを用いたＣＶＤでは、成膜
温度２００℃で良好なＳｉＯ₂ 膜が形成された例があ
り、膜成分を分析した結果から、膜中にはＣｌ等の不純
物は含まれないことが分かっている。

【００５６】今回のように、Ｃｌ₂ ／Ｏ₂ の混合ガス系
においても、下に示す反応式のように多結晶シリコン膜
のエッチング生成物であるＳｉＣｌ₄ と酸素もしくは酸
素ラジカルが反応した可能性は高く、プラズマＣＶＤに
類似した状況であると予測できる。

【００５７】ＳｉＣｌ_x ＋Ｏ₂ （またはＯ^* ）→ＳｉＯ_y ＋Ｃｌ₂ このようにして、Ｏ₂ ガスの体積％が６０％以上になる
と、図３（ｂ）に示すように、多結晶シリコン膜に対す
るタングステン膜の選択比は飛躍的に上昇するようにな
る。

【００５８】さらに、ＳＦ₆ ガスとＣｌ₂ ガスとＯ₂ ガ
スとの混合ガスを用い、タングステン膜と多結晶シリコ
ン膜との積層膜のエッチングを行なった。エッチング条
件は、高周波印加電力０．７Ｗ／ｃｍ₂ 、圧力２０ｍＴ
ｏｒｒ、全ガス流量１００ＳＣＣＭ、電極１２の温度６
５℃である。

【００５９】図４は、上記エッチングにおいて、Ｏ₂ ガ
スの流量を６０ＳＣＣＭに固定し、ＳＦ₆ ガスとＣｌ₂
ガスとの混合ガスの流量に対するＣｌ₂ ガスの流量の百
分率（体積％）を０〜１００％までの範囲で変化させて
エッチングを行なった結果を示す図である。

【００６０】図４に示すように、体積％（ＳＦ₆ 流量／
Ｃｌ₂ 流量）が５０％（２０／２０）付近となるところ
で、多結晶シリコン膜のエッチング速度は急激に低下
し、体積％が５０％以上になると、堆積が始まってい
る。これは、Ｃｌ₂ ガスとＯ₂ ガスとの混合ガスを用い
た場合と同様な現象であり、多結晶シリコン膜に対する
タングステン膜の選択比は飛躍的に向上する。

【００６１】次にＳＦ₆ ガスとＯ₂ ガスとＮ₂ ガスとの
混合ガスを用い、タングステン膜と多結晶シリコン膜と
の積層膜のエッチングを行なった。このエッチング条件
は、高周波印加電力０．７Ｗ／ｃｍ² 、圧力１０ｍＴｏ
ｒｒ、電極１２の温度４０℃である。なお、全ガスのう
ち、ハロゲンガス（この場合はＳＦ₆ ）とＯ₂ ガスとの
混合ガスに対するＯ₂ ガスの体積％はこれまでと同様に
保っている。

【００６２】図５は、上記エッチングにおいて、ＳＦ₆
ガスの流量を１０ＳＣＣＭ、Ｏ₂ ガスの流量を１５ＳＣ
ＣＭに固定し、Ｎ₂ ガスの流量を０〜３０ＳＣＣＭの範
囲で変化させてエッチングを行なった結果を示す図であ
る。

【００６３】図５に示すように、Ｎ₂ ガスの流量の増加
に伴ってタングステン膜および多結晶シリコン膜のエッ
チング速度はともに低下するが、その低下する割合は一
致しており、多結晶シリコン膜に対するタングステン膜
の選択比は変化しない。すなわち、窒素を加えても選択
比は影響を受けない。

【００６４】この他にも、Ａｒ等の希ガスを加えて同様
な結果が得られ、エッチング生成物に影響を与えないガ
スを、上記弗素もしくは塩素またはそれらの混合ガスと
酸素とからなる混合ガスに添加しても、選択性には影響
しないことが分かった。

【００６５】以上の結果から、反応性ガス供給ライン４
０からエッチング室１０内に供給する反応性ガス（プラ
ズマ源ガス）として、弗素もしくは塩素またはそれらの
混合ガスと酸素ガスとの混合ガスからなり、かつ弗素も
しくは塩素またはそれらの混合ガスと酸素ガスとの混合
ガスに対する酸素ガスの体積％が５０〜８０％の範囲の
ガスを導入すれば、多結晶シリコン膜に対して高融点金
属膜を選択的にエッチングできることが明らかになっ
た。

【００６６】なお、このような現象について詳しく調査
を進めた結果、次のことに注意する必要があることが分
かった。まず、第１にエッチングマスクパターンのアス
ペクト比がその選択性に影響するということである。こ
れについて図６を用いて具体的に説明する。

【００６７】図６（ａ）は、多結晶シリコン膜５０上に
エッチングマスクパターン５１を形成した様子を示して
いる。エッチングマスクパターン５１の幅は約０．８μ
ｍであり、高さは約１．０μｍである。また、隣り合う
二つのエッチングマスクパターン５１の間隔は、約０．
４〜１０μｍの範囲で変化させた。

【００６８】エッチングマスクパターン５１に沿って多
結晶シリコン膜５０をエッチングした。エッチング条件
は、高周波印加電力０．７Ｗ／ｃｍ² 、圧力２０ｍＴｏ
ｒｒ、ガス流量ＳＦ₆ ／Ｃｌ₂ ／Ｏ₂ ＝１０／３０／６
０ＳＣＣＭ、電極１２の温度６５℃である。

【００６９】図６（ｂ）は、エッチングマスクパターン
５１の間隔が１０μｍの場合の上記エッチング後の形状
をＳＥＭにて観察した結果を示している。図６（ｂ）に
示すように、エッチングマスクパターン５１の間隔が１
０μｍの場合にはパターン間の多結晶シリコン膜５０の
エッチングが停止しており、図４の実験結果と一致す
る。

【００７０】しかしながら、エッチングマスクパターン
５１の間隔が約１μｍあたりから、パターン間の多結晶
シリコン膜５０はエッチングされるようになることが分
かった。すなわち、多結晶シリコン膜５０のエッチング
速度にはパターン依存性があり、前述した選択比が基板
全面において満たされる訳ではないことが分かった。

【００７１】また、図６（ｂ）に示すように、エッチン
グマスクパターン５１の側壁には、堆積物５２が形成さ
れていることが分かった。このエッチングマスクパター
ン５１の側壁に形成された堆積物５２により、パターン
間ではエッチング面に到達し難くなり、エッチングマス
クパターンのアスペクト比が選択比に大きく影響し、エ
ッチング形状にパターン依存性が生じると考えられる。

【００７２】第２に、エッチングマスクパターンとし
て、有機物のように酸素を消費する材料からなるもの、
例えばフォトレジストパターンを用いた場合には、パタ
ーン間では、以下に示すように、上述した選択性が得ら
れないことが分かった。

【００７３】図７（ａ）は、多結晶シリコン膜６０上に
シリコン酸化膜（酸素を消費し難い材料）からなるエッ
チングマスクパターン６１を形成した様子を示してい
る。図７（ｂ）は、エッチングマスクパターン６１を用
いて、多結晶シリコン膜６０をエッチングした場合のエ
ッチング形状を示している。エッチング条件は、高周波
印加電力０．７Ｗ／ｃｍ² 、圧力２０ｍＴｏｒｒ、ガス
流量ＳＦ₆ ／Ｃｌ₂／Ｏ₂ ＝１０／３０／６０ＳＣＣ
Ｍ、電極１２の温度６５℃である。

【００７４】図７（ｂ）に示すように、エッチングマス
クパターン材料としてシリコン酸化膜を用いた場合、多
結晶シリコン膜６０のエッチング速度にパターン依存性
は見られず、エッチングが均一に進行する。

【００７５】図７（ｃ）は、多結晶シリコン膜６０上に
炭素膜（酸素を消費する材料）からなるエッチングマス
クパターン６２を形成した様子を示している。なお、エ
ッチングマスクパターン６２のアスペクト比はエッチン
グマスクパターン６１のそれと同じである。

【００７６】図７（ｄ）は、エッチングマスクパターン
６１と同じ条件で、エッチングマスクパターン６２を用
いて、多結晶シリコン膜６０をエッチングした場合のエ
ッチング形状を示している。

【００７７】図７（ｄ）に示すように、エッチングマス
クパターン材料として炭素膜を用いた場合には、エッチ
ングマスクパターン６２の領域の多結晶シリコン膜６０
が異常に速くエッチングされることが分かった。

【００７８】図２、図３に示すように、Ｏ₂ ガスの体積
％が減少すると、多結晶シリコン膜のエッチング速度は
急激に上昇することが判る。このため、酸素を消費する
材料をエッチングマスクパターン６２に用いた場合、エ
ッチングマスクパターン６２が存在する領域は、他の領
域に比べて、Ｏ₂ ガスの体積％が減少するので、多結晶
シリコン膜のエッチング速度は速くなり、図７（ｄ）に
示すようなエッチング形状にパターン依存性が生じる。

【００７９】したがって、多結晶シリコン膜に対するタ
ングステン膜の選択比を維持し、かつパターン依存性を
防止するには、エッチングマスクパターンはプラズマ雰
囲気中のＯ₂ ガスの体積％を変えない材料を選ぶ必要が
ある。

【００８０】第３に、エッチング時のガス圧力および流
量を注意する必要がある。０．２５μｍ世代以降のエッ
チング技術には、０．０２μｍ以下の精度でパターンを
形成することが要求される。したがって、マスク寸法と
タングステン膜の寸法変換差はその精度内に抑えなけれ
ばならない。特にタングステン膜のエッチングでは、横
方向の後退、いわゆるサイドエッチングの抑制が重要で
ある。

【００８１】そこで、タングステン膜のサイドエッチン
グ量を調べてみた。エッチング条件は、高周波印加電力
１．０Ｗ／ｃｍ² 、流量ＳＦ₆ ／Ｃｌ₂ ／Ｏ₂ ＝１０／
１０／３０ＳＣＣＭ、電極１２の温度は８０℃である。

【００８２】図８は、上記エッチングにおいて、ガス圧
力１０〜３０ｍＴｏｒｒの範囲で変化させてエッチング
を行なった場合の結果を示す図である。図８に示すよう
に、タングステン膜のサイドエッチング量は、圧力を上
昇させると急激に増加することが判った。

【００８３】さらに、上記エッチングにおいて、エッチ
ング時の全ガス流量を５０〜１００ＳＣＣＭまで変化さ
せ、サイドエッチング量と導入した全ガス流量の関係を
調べた。エッチング条件は、高周波印加電力１．０Ｗ／
ｃｍ² 、ガス圧力１０ｍＴｏｒｒ、ガス流量の比率ＳＦ
₆ ：Ｃｌ₂ ：Ｏ₂ ＝１：１：３、電極１２の温度８０℃
である。

【００８４】図９に、その結果である全ガス流量とサイ
ドエッチング量との関係を示す。図９に示すように、サ
イドエッチング量は全ガス流量が低いほど抑えられ、エ
ッチング後の形状が垂直に近づく。

【００８５】これらの結果より、低ガス圧力、低流量の
エッチング条件ほどタングステン膜を垂直に加工するに
は適していることが分かった。次に低ガス圧力、低ガス
流量における多結晶シリコン膜に対するタングステン膜
の選択比を調べるため、多結晶シリコン膜のエッチング
特性を調べた。

【００８６】まず、図１０（ａ）に示すように、多結晶
シリコン膜７０上にＣＶＤ法により厚さ２００ｎｍのシ
リコン窒化膜７１を形成した後、全面にスピンコート法
により約１μｍの膜厚でフォトレジストを塗布し、露光
・現像処理してフォトレジストパターン７２を形成し
た。なお、パターンの幅は約１μｍとし、パターン間の
間隔は約０．４μｍとした。

【００８７】次に図１０（ｂ）に示すように、フォトレ
ジストパターン７２をエッチングマスクパターンとし
て、ＣＦ₄ ガスをエッチングガスとして用いて、シリコ
ン窒化膜７１をエッチングする。

【００８８】次に図１０（ｃ）に示すように、残存した
フォトレジストパターン７２を硫酸と過酸化水素との混
合液を用いて除去する。次に残ったシリコン窒化膜７１
をエッチングマスクパターンとして、ＳＦ₆ ガスとＣｌ
₂ ガスとＯ₂ ガスとの混合ガスをエッチングガスとして
用いて、多結晶シリコン膜７０をエッチングする。エッ
チング条件は、高周波印加電力１．０Ｗ／ｃｍ² 、ガス
圧力１０ｍＴｏｒｒ、流量ＳＦ₆ ／Ｃｌ₂ ／Ｏ₂ ＝５／
５／１５ＳＣＣＭとし、電極１２の温度８０℃である。

【００８９】エッチング後の形状をＳＥＭ観察した結
果、図１０（ｄ）に示すように、上述したマスクの材料
およびそのアスペクト比という条件を満足しているにも
関わらず、シリコン窒化膜７１の領域において多結晶シ
リコン膜７０のエッチングが異常に速く進行し、選択比
にパターン依存性が見られることが分かった。

【００９０】次にＳＦ₆ ガスとＣｌ₂ ガスとＯ₂ ガスと
の間の流量比は変えずに、その全流量を１００ＳＣＣＭ
に変更し（具体的にはガス流量ＳＦ₆ ／Ｃｌ₂ ／Ｏ₂ ＝
２０／２０／６０ＳＣＣＭ）、多結晶シリコン膜７０の
エッチングを行なった。

【００９１】その結果、全流量１００ＳＣＣＭの場合、
図１０（ｅ）に示すように、図２、図３の選択比につい
ての実験結果から得られる通りのエッチング速度でもっ
て、多結晶シリコン膜７０を均一にエッチングできるこ
とが分かった。

【００９２】このようなことが起きる原因としては、全
流量が小さいと、プラズマ中の未反応のハロゲンおよび
酸素が減少し、堆積物の生成が困難になることと、エッ
チング装置内にエッチングガスの比率（Ｏ₂ 体積％）を
変える要因があることの２点が考えられる。

【００９３】そこで、発明者はエッチング装置内の周辺
リングの材質に着目した。図１に示すように、エッチン
グ装置内には、被処理基板１１の周囲に周辺リング１９
と呼ばれるリング状の板が配置され、被処理基板１１と
ともに電極１２上に載置される。周辺リング１９は、被
処理基板１１に形成される電界の均一性を向上させるた
めに用いられる。これは周辺リング１９の材質、形状お
よび厚さを変えることにより行なわれる。

【００９４】エッチング装置内でプラズマ放電が起きる
と、被処理基板１１と同様に周辺リング１９にも電界が
形成されるので、被処理基板１１と同様に周辺リング１
９もエッチングされる。

【００９５】ここまでの実験では、周辺リング１９が炭
素により形成された従来のエッチング装置を用いてエッ
チングを行なってきた。そこで、周辺リング１９が石英
（ＳｉＯ₂ ）により形成された本実施態様のエッチング
装置を用いて、多結晶シリコン膜７０のエッチングを再
び行なった。

【００９６】エッチングには、前述した多結晶シリコン
膜上７０にシリコン窒化膜７１（膜厚２００ｎｍ）から
なるマスクパターンを形成した試料を用いた。エッチン
グ条件は、高周波印加電力１．０Ｗ／ｃｍ² 、ガス圧力
１０ｍＴｏｒｒ、全流量５０〜１００ＳＣＣＭ、ガス流
量の比率ＳＦ₆ ：Ｃｌ₂ ：Ｏ₂ ＝１：１：３、電極１２
の温度８０℃である。

【００９７】その結果、全ガス流量５０ＳＣＣＭにおい
ても、図１０（ｅ）に示すように多結晶シリコン膜７０
のエッチング形状はシリコン窒化膜（エッチングマスク
パターン）７１に関係なく、均一に進行しており、その
傾向に流量依存性は見られなかった。

【００９８】一連の実験結果から、周辺リング１９の材
質が選択エッチングに影響することが分かった。図１１
は、周辺リングが選択エッチングに与える影響を説明す
るための図である。本ガス条件では、エッチング生成物
（例えばＳｉＣｌ₄ ）がプラズマ８０中で酸素と反応
し、その反応生成物（ＳｉＯ₂ ）がエッチング面である
多結晶シリコン膜８１の表面に堆積する。この反応生成
物の堆積が多結晶シリコン膜厚８１のエッチングを抑え
ており、選択エッチングの鍵を握っている。

【００９９】ところが、低圧力および低ガス流量という
条件下では、エッチング装置内に存在するハロゲンおよ
び酸素の絶対量が少ない。そのため、周辺リング１９が
エッチングされることにより消費される酸素の量が、プ
ラズマ中８０のハロゲン（弗素、塩素）と酸素の比率に
影響を与えてしまう。

【０１００】もともと多結晶シリコン膜８１の表面への
堆積の寄与が少ないエッチングマスクパターン８２領域
ではエッチングが堆積を上回り、その結果としてパター
ン依存性が顕在化する。

【０１０１】したがって、０．２５μｍ世代以降でも、
加工形状に優れ、かつ多結晶シリコン膜８０に対して高
融点金属膜を選択的にエッチングするためには、上述し
た所定のＯ₂ ガス体積％を有する反応性ガスを用いると
ともに、基板周辺の部品である周辺リング１９の材料と
して、Ｏ₂ ガス体積％を上述した所定の範囲に保つ物質
を選ぶ必要がある。

【０１０２】なお、本実施態様では、周辺リング１９の
材料として石英を使用したが、上記条件を満たす材料と
してはその他に、シリコン、アルミニウム、高融点金
属、これらの合金またはそれらの窒化物もしくは酸化物
でも良い。

【０１０３】さらに、炭化シリコンを用いて上述した実
験を同様に行なった結果、選択性に影響を及ぼさないこ
とが判った。炭化シリコン膜には、当然のことながら炭
素原子を含んでおり、エッチング装置内の酸素を消費す
ることが予想される。

【０１０４】そこで、ＣＦ₄ ガスと酸素（Ｏ₂ ）ガスと
の混合ガスをエッチングガスに用いて、炭化シリコン膜
のエッチング特性を調べた。エッチング条件は、高周波
印加電力１．５Ｗ／ｃｍ² 、ガス圧力１０ｍＴｏｒｒ、
全流量５０ＳＣＣＭ、電極１２の温度８０℃である。

【０１０５】図１２に示すように、Ｏ₂ ガスとＣＦ₄ ガ
スとの混合ガスに対するＯ₂ ガスの体積％比を０〜１０
０％の範囲で変化させると、炭化シリコン膜のエッチン
グ速度はＯ₂ ガスの体積％が高くなるほど低下する傾向
にあるこの結果から、炭化シリコン膜は炭素膜の場合とは異な
り酸素を消費せず、炭化シリコン膜のエッチング生成物
としては、一酸化炭素等の酸化物が主ではなく、ＣＦ_x
等の弗化物であると考えられる。このことから、炭化シ
リコン膜は酸素と反応し難く、上述したガス条件（例え
ばＳＦ₆ ガスとＣｌ₂ ガスとＯ₂ ガスとの混合ガス）で
もエッチングされ難いと考えられる。したがって、周辺
リングの材料として、炭化シリコン以外にアルミニウ
ム、高融点金属の炭化物も用いることができる。

【０１０６】なお、上記実施態様では、特に電極や配線
の種類を限定しなかったが、本発明は、ゲート電極等の
低抵抗が求められる電極や、ワード配線等のＲＣ遅延が
顕著な配線に特に有効である。

【０１０７】また、上記実施態様では、基板周辺の部品
として周辺リングを例にあげたが、それに限定されるも
のではなく、要は基板周辺の部品でかつ従来は酸素を消
費する材料で形成されているものであれば、上記実施態
様の場合と同様に酸素を消費しない材料により形成する
ことにより同様な効果が得られる。

【０１０８】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、シ
リコン膜に対して高融点金属膜を容易に選択的にエッチ
ングできるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様に係るプラズマエッチング
装置の概略構成を示す模式図

【図２】弗素ガスとしてＳＦ₆ ガスを用いた場合のエッ
チング速度および選択比のＯ₂ガス体積％依存性を示す
図

【図３】塩素ガスとしてＣｌ₂ ガスを用いた場合のエッ
チング速度および選択比のＯ₂ガス体積％依存性を示す
図

【図４】エッチング速度および選択比のＳＦ₆ ガス／Ｃ
ｌ₂ ガス比率依存性を示す図

【図５】反応性ガスに窒素ガスを添加した場合の影響を
示す図

【図６】エッチングマスクパターンが多結晶シリコン膜
のエッチングに与える影響を説明するための工程断面図

【図７】エッチングマスクパターンの材質が多結晶シリ
コン膜のエッチングに与える影響を説明するための工程
断面図

【図８】ガス圧とサイドエッチング量との関係を示す特
性図

【図９】全流量とサイドエッチング量との関係を示す特
性図

【図１０】低ガス圧力、低ガス流量における多結晶シリ
コン膜に対するタングステン膜の選択比を説明するため
の図

【図１１】周辺リングが選択エッチングに与える影響を
説明するための図

【図１２】塩素ガスとしてＣｌ₂ ガスを用いた場合のサ
イドエッチング量のＯ₂ ガス体積％依存性を示す図

【符号の説明】

１０…エッチング室１１…被エッチング基板１２…電極（載置台）１３…冷却管１４…ブロッキングキャパシタ１５…整合装置１６…高周波電源１７…永久磁１８…回転軸１９…周辺リング２０…導入用予備室２１…ゲートバルブ２２…ゲートバルブ２３…載置台３０…排出用予備室３１…ゲートバルブ３２…ゲートバルブ３３…載置台４０…反応性ガス供給ライン４１…バルブ４２…流量制御器５０…多結晶シリコン膜５１…エッチングマスクパターン５２…堆積物６０…多結晶シリコン膜６１…エッチングマスクパターン６２…エッチングマスクパターン７０…多結晶シリコン膜７１…シリコン窒化膜７２…フォトレジストパターン８０…プラズマ８１…多結晶シリコン膜８２…エッチングマスクパターン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン膜、高融点金属膜が順次積層して
なる積層膜を有する基板を収容し、プラズマを用いて前
記積層膜の異方性エッチングを行なうところの処理容器
と、この処理容器内に、前記プラズマとなる弗素および塩素
の少なくとも一方を含むハロゲン含有ガスならびに酸素
含有ガスを含むプラズマ源ガスを導入する手段と、前記処理容器内に設けられ、前記基板を載置する載置台
と、前記処理容器内に前記基板の周辺に設けられ、前記異方
性エッチング中における前記ハロゲン含有ガスと前記酸
素含有ガスとの混合ガスに対する前記酸素含有ガスの体
積％を所定の範囲に維持する材料から形成された周辺部
材とを具備してなることを特徴とするプラズマ処理装
置。
【請求項２】前記基板を載置する載置台は、前記所定の
範囲に維持する材料から形成されることを特徴とする請
求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】前記所定の範囲は、前記酸素含有ガスをＯ
₂ ガスに換算した場合に、５０〜８０体積％であること
を特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】前記材料は、シリコン、アルミニウムおよ
び高融点金属の中から選ばれる一つの材料または二つ以
上の材料の化合物であることを特徴とする請求項１に記
載のプラズマ処理装置。
【請求項５】基板上にシリコン膜、高融点金属膜を順次
形成する工程と、前記基板を処理容器内に導入した後、前記処理室内で弗
素および塩素の少なくとも一方を含むハロゲン含有ガス
ならびに酸素含有ガスを含むプラズマ源ガスをプラズマ
化して、前記積層膜を異方性エッチングし、かつこの異
方性エッチング中における前記ハロゲン含有ガスと前記
酸素含有ガスとの混合ガスに対する前記酸素含有ガスの
体積％を、前記酸素含有ガスをＯ₂ ガスに換算した場合
に、５０〜８０体積％に維持する工程とを有することを
特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】前記基板の周辺には周辺部材を設け、該周
辺部材の材料として、シリコン、アルミニウムおよび高
融点金属の中から選ばれる一つの材料または二つ以上の
材料の化合物を用いることを特徴とする請求項５に記載
の半導体装置の製造方法。