JPH11260796A

JPH11260796A - エッチング方法

Info

Publication number: JPH11260796A
Application number: JP6497498A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Nishimori; 康博西森; Kouichi Nakaune; 功一中宇禰; Yutaka Omoto; 大本　　豊; Tetsuo Ono; 哲郎小野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-03-16
Filing date: 1998-03-16
Publication date: 1999-09-24

Abstract

(57)【要約】【課題】下地酸化膜上に形成した多結晶シリコンのエッ
チングにおいて、チャージアップダメージの低減を図
る。【解決手段】所定の飽和イオン電流密度のプラズマによ
りエッチングをすることにより、形状を重視したプロセ
ス条件でエッチングを行い、その後、被エッチング物質
のエッチング終点付近で下地酸化膜が露出する前で、前
記所定の飽和イオン電流密度より低い飽和イオン電流密
度のプラズマに切り替えて、残りの被エッチング物質を
エッチングする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はエッチング方法に係
り、特にプラズマを用いた半導体表面処理プロセスにお
いて、ウエハに生じる、プラズマ中のイオンや電子など
の電荷に起因したダメージ（以下、「チャージアップダ
メージ」と呼ぶ。）を低減するものに好適なエッチング
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】チャージアップダメージの低減方法とし
ては、特開平５−１２９０９４号公報に記載のように、
プラズマに印加する磁界を制御してプラズマの偏りをな
くし、ウエハ面内で均一なエッチングを行うことで損傷
を低減する方法が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】チャージアップダメー
ジが発生する機構は大別すると、ウエハ面内の電位の不
均一により生じる巨視的なダメージと、ウエハ上に形成
されている微細なパタン内部の電位の不均一で生じる微
視的なダメージがある。特開平５−１２９０９４号公報
で示されているような、プラズマの密度をウエハ上で均
一にする方法は、巨視的なダメージを低減できても、微
視的なダメージを低減できない。現在半導体素子の加工
寸法は０.５μm以下になりつつあり、このような微細化
にともない半導体素子では微視的なダメージの問題が大
きくなっている。

【０００４】以下に、図３を用いて微視的なダメージの
発生機構を説明する。図３は本発明で対象としている半
導体ウエハである試料の断面構造を示す。プラズマエッ
チングでは、試料に対し垂直方向に加速したイオンを入
射させることで、エッチング反応を促進し、さらに異方
性のある加工を達成している。一方、プラズマ中の電子
は加速されずかつ質量が小さいためランダムな熱運動の
成分が大きく、試料にはランダムな方向で入射する。こ
のため、例えば素子の配線部分に相当する微細ラインと
スペースの繰返しから成るパタン（図３）が存在する
と、電子はパタンのフォトレジスト２０の側壁に衝突し
て、溝底まで達しない。イオンは試料表面に垂直に入射
するので、密パターン底部（多結晶シリコン２１）まで
到達する。このため、微細パタンではフォトレジスト２
０の側壁は負に帯電して、溝底部は正に帯電する。一般
に配線部はトランジスタのゲート酸化膜につながってお
り、多結晶シリコン２１のエッチングが終了しラインと
スペースパタンが他の部分と電気的に切り離されると、
溝底の電位はゲートの酸化膜にかかり、この電位がある
程度大きくなるとゲートの絶縁破壊が生じて、ダメージ
となる。

【０００５】本発明の目的は、上記問題点を解決するも
ので、微視的なダメージを低減することのできるエッチ
ング方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】発明者らの実験により、
前記の微視的なダメージは、ウエハに入射するイオンの
飽和電流密度に依存して、かつこの値を小さくすると微
視的ダメージが減少することを見出した。しかし、イオ
ンの飽和電流密度が小さい条件は、必ずしもエッチング
の速度あるいは形状が良好な条件とは一致しない。この
ためさらに実験を進めたところ、微視的なダメージは、
多結晶シリコンなど被加工物質のエッチングが終了して
下地酸化膜が現れたときに、集中的に発生することが判
明した。

【０００７】これより、エッチングの速度や加工形状を
損わずダメージを低減するには、所定の飽和イオン電流
密度のプラズマによりエッチングを行い、多結晶シリコ
ンのエッチングが終点して下地酸化膜が露出する前に、
前記所定の飽和イオン電流密度より低い飽和イオン電流
密度のプラズマによって残りの多結晶シリコンをエッチ
ングすることにより達成される。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１か
ら図５により説明する。図１はエッチング処理の流れを
示す図である。図２は本発明を適用するプラズマエッチ
ング装置の全体図である。図３はエッチングする試料の
断面構造を示す図であり、図４は本発明で使用した試料
におけるエッチング途中の断面形状を示す図であり、図
５は試料で広いスペースの多結晶シリコンのエッチング
が終了した時点の断面形状を示す図であり、図６は多結
晶シリコンのエッチングが完全に終了した時点の断面形
状を示す図である。

【０００９】図２はプラズマを生成する手段としてマイ
クロ波と磁界を利用したエッチング装置である。図２に
おいて、１はマイクロ波を発生するマグネトロン、２は
マイクロ波を伝播する矩形の導波管、３は円形変換導波
管、４は円筒空洞部、５は磁場を発生するソレノイドコ
イル、６はマイクロ波透過層（例えば石英平板）、７は
真空容器、８は試料であるウェハを配置する試料台、１
０はイオンを加速するための高周波電源、１１は試料台
に配置されるウェハを静電吸着させるための静電吸着電
源である。真空容器７の内部には内面には石英、セラミ
ックなどの耐プラズマ性の材料で形成された円筒状の絶
縁カバー１２を設置してある。また、真空容器７の内部
には試料台８近傍にアース電極１３を配置する。アース
電極１３は、接地電位となっているバッファ室１４に電
気的に接続され、高周波電源１０の電流がプラズマ中を
流れる経路を確保する働きを持つ。

【００１０】上記のように構成された装置において、エ
ッチング処理の際には、真空ポンプおよびターボ分子ポ
ンプ（図示省略）等の真空排気装置によって減圧された
真空容器７の内部に、ガス導入経路１６を介してシャワ
ープレート１７のガス吹き出し口よりプロセスガスを導
入し、プロセスガスにエネルギーを作用させプラズマ化
する。

【００１１】ソレノイドコイル５による磁界調整して電
子のサイクロトロン運動とマイクロ波の周波数を等しく
することで、電子は電子サイクロトロン共鳴（Electron
Cyclotron Resonance、以下「ＥＣＲ」と略す）を起
し、効率よくエネルギーが伝わり、高密度なプラズマ１
５を生成できる。プラズマが生成した後に、静電吸着電
源１１によりウエハを試料台８に吸着する。ウエハが試
料台８に吸着された後に、さらに試料には高周波電源１
１によりバイアス電圧が印加されて、プロセス処理を開
始する。

【００１２】ここで、ウェハの詳細を図３に示す。図３
において、Ｓｉ基板２４上にＬＯＣＯＳ（Local Oxidat
ion Of Sillicon）２２（膜厚４０００Å）とゲート酸
化膜２３（膜厚４５Å）が形成されている。ＬＯＣＯＳ
２２、ゲート酸化膜２３上に多結晶シリコン２１（膜厚
１７００Å）が形成され、多結晶シリコン２１上にフォ
トレジスト２０（膜厚１００００Å）がある。

【００１３】図２の装置で、図１に示すようなステップ
図に従いエッチングをすることで、ダメージを低減でき
る。まず、ゲート酸化膜２３上に形成した多結晶シリコ
ン２１を、所定の飽和イオン電流密度（例えば、２．４
ｍＡ／ｃｍ２）のプラズマによりエッチングを行う（図
３）。所定の時間が来るまでエッチングをする（図
４）。ここで所定の時間とはＬＯＣＯＳ２２およびゲー
ト酸化膜２３上にわたって多結晶シリコン２１が存在し
ている時間である。所定の時間がきたら、前記所定の飽
和イオン電流密度より低い飽和イオン電流密度（例え
ば、１．１ｍＡ／ｃｍ２）のプラズマによって残りの多
結晶シリコン２１をエッチングすることにより、チャー
ジアップダメージを低減することができる（図５）。ダ
メージが低減できる理由は、チャージアップダメージが
集中的に発生する多結晶シリコン２１のエッチング終了
前後に、ゲート酸化膜２３に蓄積される総電荷量を、低
い飽和イオン電流密度に変更することにより小さくでき
るからである。飽和イオン電流密度の切り替えは、実験
よりゲート酸化膜２３上の多結晶シリコン２１のエッチ
ングが終了する時間の約１０％手前で行うと、ダメージ
が低減でき、かつ、エッチング速度と形状を損なうこと
がない。

【００１４】飽和イオン電流密度を下げる具体的な方法
は複数あるが、エッチングガスの圧力を上げる、プラズ
マを発生させるマグネトロン１の電力を下げる、あるい
は、コイル５に流す電流を変えて磁場を変化させ高密度
のプラズマ部分と試料１９との距離を大きくするなどが
実用的である。

【００１５】次に、飽和イオン電流密度の値とチャージ
アップダメージの関係を図７に示す。図７の縦軸は損傷
評価用テストウエハのダメージ発生頻度で、横軸は飽和
イオン電流密度である。飽和イオン電流密度が２ｍＡ／
ｃｍ２以下で、テストウエハのダメージ時発生率が１０
％以下となる。テストウエハはダメージを感度良く検出
するように設計されており、テストウエハでダメージ発
生率が１０％以下ならば、実ウエハの加工ではダメージ
が全く問題にならないレベルとなる。したがって、エッ
チングのステップ切り替え後の飽和イオン電流密度は２
ｍＡ／ｃｍ２以下とするのが望ましい。

【００１６】本実施例では被エッチング物質として多結
晶シリコンを例に挙げたが、アルミニウムなどの金属の
エッチングでも同様な結果が成り立つ。さらに、トラン
ジスタに発生するチャージアップダメージは、ゲート酸
化膜２３の厚さが薄いほど深刻となる。したがって、本
発明を適用するトランジスタはゲート酸化膜が薄いほど
効果が顕著になり、特にゲート酸化膜厚が５ｎｍ以下素
子の加工に適する。なおこの方法はマイクロ波を利用し
た半導体エッチング装置のみならず、ラジオ波帯を用い
たプラズマエッチング装置など他の方式装置にも適用で
きる。

【００１７】

【発明の効果】本発明では、所定の飽和イオン電流密度
のプラズマによりエッチングをすることにより、形状を
重視したプロセス条件でエッチングすることが可能であ
る。その後、前記多結晶シリコンのエッチング終点付近
で下地酸化膜が露出する前で、前記所定の飽和イオン電
流密度より低い飽和イオン電流密度のプラズマによって
残りの多結晶シリコンをエッチングする。これにより、
チャージアップダメージを低減することができるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のエッチング方法であるエッチング処理
の流れを示す図である。

【図２】本発明のエッチング方法を実施するためのプラ
ズマ処理装置の一例を示す構成図である。

【図３】本発明のエッチング方法が実施される試料の断
面形状を示す図である。

【図４】本発明のエッチング方法による処理途中の試料
の断面形状を示す図である。

【図５】本発明のエッチング方法によるジャストエッチ
付近の試料の断面形状を示す図である。

【図６】本発明のエッチング方法によるエッチング終了
時の試料の断面形状を示す図である。

【図７】飽和イオン電流密度とダメージ発生頻度との関
係を示す図である。

【符号の説明】

１・・・マグネトロン、２・・・導波管、３・・・円矩形導波
管、４・・・円筒空洞部、５・・・ソレノイドコイル、６・・・
マイクロ波透過窓、７・・・真空容器、８・・・試料台、１０
・・・高周波電源、１１・・・静電吸着電源、１２・・・絶縁物
カバー、１３・・・アース電極、１４・・・バッファ室、１５
・・・高密度プラズマ、１６・・・ガス導入経路、１７・・・シ
ャワープレート、１９・・・ウェハ、２０・・・フォトレジス
ト、２１・・・多結晶シリコン、２２・・・LOCOS、２３・・・ゲ
ート酸化膜、２４・・・Si基板、２５・・・第一ステップ、２
６・・・時間設定、２７・・・第二ステップ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小野哲郎山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器中で発生させたプラズマを用い
た、ウエハ上の下地酸化膜上に形成した導体層あるいは
半導体層のエッチングにおいて、前記下地酸化膜が露出
する前に前記ウエハに入射する飽和イオン電流密度を下
げた条件に切換えることを特徴とするエッチング方法。
【請求項２】請求項１記載の前記飽和イオン電流密度を
下げた条件は、その値が２ｍＡ／ｃｍ２以下であること
を特徴とするエッチング方法。
【請求項３】請求項１，２において、前記下地酸化膜上
に形成した導体層あるいは半導体層は少なくとも多結晶
シリコン層を含むことを特徴とするエッチング方法。
【請求項４】請求項１，２において、前記下地酸化膜上
に形成した導体層あるいは半導体層は少なくともアルミ
ニウム層を含むことを特徴とするエッチング方法。
【請求項５】請求項１ないし４のエッチング方法におい
て、前記プラズマを形成するガスの圧力を高くして、前
記ウエハに入射する飽和イオン電流密度を下げるエッチ
ング方法。
【請求項６】請求項１ないし４のエッチング方法におい
て、前記プラズマを発生させる電源の出力を下げて、前
記ウエハに入射する飽和イオン電流密度を下げるエッチ
ング方法。
【請求項７】請求項１ないし４のエッチング方法におい
て、前記プラズマ密度が高い領域と前記ウエハとの間の
距離を大きくして、前記ウエハに入射する飽和イオン電
流密度を下げるエッチング方法。
【請求項８】請求項１ないし４のエッチング方法におい
て、前記プラズマを形成するガスの圧力を高くする、前
記プラズマを発生させる電源の出力を下げる、前記プラ
ズマ密度が高い領域と前記ウエハとの間の距離を大きく
する、これら条件を少なくとも２つ同時に用い、前記ウ
エハに入射する飽和イオン電流密度を下げるエッチング
方法。
【請求項９】請求項１ないし８のエッチング方法におい
て、飽和イオン電流密度を下げた条件への切換えは、導
体層あるいは半導体層のエッチングが終了する時間の約
１０％手前で行うことを特徴とするエッチング方法。
【請求項１０】請求項１ないし９のエッチング方法にお
いて、ウエハ上の下地酸化膜厚さは５ｎｍ以下であるこ
とを特徴とするエッチング方法。
【請求項１１】プラズマを用いて下地酸化膜上に形成し
たＰｏｌｙ−Ｓｉをエッチングする方法において、飽和
イオン電流密度（Ion Current Flux：ＩＣＦ）が２ｍＡ
／ｃｍ２以下のプラズマによって残りのＰｏｌｙ−Ｓｉ
をエッチングすることを特徴とするエッチング方法。
【請求項１２】プラズマを用いて下地酸化膜上に形成し
たＰｏｌｙ−Ｓｉをエッチングする方法において、所定
の飽和イオン電流密度のプラズマによりエッチングを行
い、前記Ｐｏｌｙ−Ｓｉが該エッチングの終点付近で下
地酸化膜が露出する前の前記Ｐｏｌｙ−Ｓｉが少し残っ
た状態で、前記所定の飽和イオン電流密度より低い飽和
イオン電流密度のプラズマによって残りのＰｏｌｙ−Ｓ
ｉをエッチングすることを特徴とするエッチング方法。
【請求項１３】請求項１２において、前記所定の飽和イ
オン電流密度より低い飽和イオン電流密度のプラズマ
は、処理圧力を高くしてプラズマを発生するエッチング
方法。
【請求項１４】請求項１２において、前記所定の飽和イ
オン電流密度より低い飽和イオン電流密度のプラズマ
は、マイクロ波の出力を低くしてプラズマを発生するエ
ッチング方法。
【請求項１５】請求項１２において、前記所定の飽和イ
オン電流密度より低い飽和イオン電流密度のプラズマ
は、プラズマを作り出すソースＲＦの出力を低くしてプ
ラズマを発生するエッチング方法。
【請求項１６】請求項１２において、前記所定の飽和イ
オン電流密度より低い飽和イオン電流密度のプラズマ
は、電子サイクロトロン共鳴面とウェハ面との距離をあ
けてプラズマを発生するエッチング方法。
【請求項１７】請求項１２において、前記所定の飽和イ
オン電流密度より低い飽和イオン電流密度のプラズマ
は、プラズマ源とウェハ面との距離をあけてプラズマを
発生するエッチング方法。
【請求項１８】請求項１２において、前記所定の飽和イ
オン電流密度より低い飽和イオン電流密度のプラズマ
は、請求項１３-１７の複数の条件を用いてプラズマを
発生するエッチング方法。