JPH11340213A

JPH11340213A - 試料の表面加工方法

Info

Publication number: JPH11340213A
Application number: JP11065670A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Ono; 哲郎小野; Takafumi Tokunaga; 尚文徳永; Tadashi Umezawa; 唯史梅澤; Motohiko Kikkai; 元彦吉開; Tatsumi Mizutani; 巽水谷; Tokuo Kure; 得男久礼; Masayuki Kojima; 雅之児島; Takashi Sato; 孝佐藤; Yasushi Goto; 康後藤
Original assignee: Hitachi Techno Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-03-12
Filing date: 1999-03-11
Publication date: 1999-12-10

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体素子の微細化の要求に応えるために、加
工寸法が１μｍ以下好ましくは０.５μｍ以下の素子を
加工できる、試料の表面処理方法を提供する。また、エ
ッチング表面に凹凸が生じることなく平坦な面でエッチ
ングを行い、下地の酸化膜を抜くことなく多層膜のエッ
チングを行うことのできる表面加工方法を提供する。【解決手段】基板上に堆積させた高融点の金属あるいは
少なくとも高融点の金属と半導体からなる多層膜の試料
を、真空容器内の試料台に配置し、前記真空容器内にプ
ラズマを発生させさせるとともに、前記試料台に高周波
バイアス電圧を印加し、前記試料台に印加する高周波電
力を周期的にオン、オフしてプラズマ処理する。前記高
周波電圧をオン、オフする一周期に占めるオン期間の割
合は、５％から６０％の範囲とするのが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子の表面処
理方法にかかわり、特にプラズマを用いて半導体表面の
エッチングを行なう表面処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体素子の表面を処理する手段
として、半導体素子をプラズマ中でエッチングする装置
が知られている。ここでは、ＥＣＲ(電子サイクロトロ
ン共鳴)方式と呼ばれる装置を例に、従来技術を説明す
る。この方式では、外部より磁場を印加した真空容器中
でマイクロ波によりプラズマを発生する。磁場により電
子はサイクロトロン運動し、この周波数とマイクロ波の
周波数を共鳴させることで効率良くプラズマを発生でき
る。半導体素子等の試料に入射するイオンを加速するた
めに、試料には高周波電圧が印加される。プラズマとな
るガスには塩素やフッ素などのハロゲンガスが用いられ
る。

【０００３】このような従来の装置において、主に加工
の高精度化をはかる目的で、特開平６−１５１３６０号
公報（対応米国特許５、３５２、３２４号明細書）に記
載された発明が知られている。この発明では、試料に印
加する高周波電圧をオンオフと間欠的に制御することに
より、エッチングしたい物質であるシリコン（Ｓｉ）と
下地酸化膜との選択比を高くでき、かつアスペクト比依
存性を低減できる。また、特開平８−３３９９８９号公
報（対応米国特許５、６１４、０６０号明細書）には、
金属のエッチングにおいて断続的なＲＦバイアスパワー
のショートパルスを重ね合せることにより、エッチ残り
を低減できることが記載されている。

【０００４】また、特開昭６２−１５４７３４号公報に
は、デポジションとエッチングを生起するガスを導入
し、所定電位より高いＤＣバイアスと低いＤＣバイアス
とを交互に印加することにより、傾斜部を加工する方法
が述べられている。

【０００５】また、特開昭６０−５０９２３号公報（対
応米国特許４、５７９、６２３号明細書）には、エッチ
ングガスの導入量を周期的に変化させるとともに高周波
電圧の印加時間を変えて、表面処理特性を向上させる方
法が記載されている。また、特許公報平４−６９４１５
号（対応米国特許４、８０８、２５８号明細書）には、
試料に印加する高周波電圧を変調して、エッチング特性
を向上する方法が述べられている。

【０００６】さらにまた、米国特許４、５８５、５１６
号明細書には、３電極型のエッチング装置において、そ
のうち２つの電極に接続された高周波電源の少なくとも
１つの電源の高周波電圧を変調させることで、エッチン
グ速度のウエハ面内における均一性を向上する方法が述
べられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】近年の半導体素子の高
速化と低消費電力化に伴い、LSI(Large Scale Integlat
ed circuit)の電極や配線部分などの導体部分はますま
す低抵抗化が必要になっている。この解決策の一つに、
従来多結晶シリコンが用いられていたMOS(MetalOxide S
emiconductor)素子のゲート電極をタングステンなどの
金属で形成する方法がある。現在の技術では酸化膜の上
に直接金属膜を形成することが困難なので、酸化膜上に
多結晶シリコン膜を形成してその上に金属膜を形成する
構造が有力視されている。さらに、多結晶シリコン膜と
金属膜の間には相互の拡散を抑えるためにたとえば窒化
チタンなどのバリア膜が必要となる。バリア膜がないと
膜生成後の加熱工程により多結晶シリコンと金属が拡散
により混合してしまい抵抗値が上がってしまう。

【０００８】以上のような多層構造の膜をエッチングす
るには従来にない問題点が発生する。問題点は多結晶シ
リコンと金属のエッチング反応の違いに起因する。たと
えば金属と多結晶シリコンでは温度の最適値が異なるた
めに、試料温度はある中間的な値に設定される。このた
めに、金属あるいはバリア膜が多結晶シリコンの上に不
均一に残り、エッチング表面に凹凸が生じるなどの問題
が生じる。

【０００９】また、近年の半導体素子の高速化及び低消
費電力化に伴い、CMOS (Complementary Metal Oxide Se
miconductor)は、pMOS側のゲート電極である多結晶シリ
コンをｐ型にnMOS側をn型にドープする、デュアルゲー
ト構造となる。

【００１０】この様に、導電性の異なるゲート電極が混
在する膜をエッチングするには従来にない問題点が発生
する。例えば、リソグラフィ工程を増加してｐ型ゲート
とｎ型ゲートを個別にエッチングすると製造コストが上
昇するため、ｐ型ゲートとｎ型ゲートを同時にエッチン
グする必要がある。しかし、ｐ型ゲートとｎ型ゲートを
同時にエッチングすると、ｎ型多結晶シリコンのエッチ
ング速度が大きいためｎ側で下地のゲート酸化膜が早く
露出し、ｎ側の酸化膜が薄く、あるいは抜けが生じる。
またｎ型でサイドエッチが入り易い。

【００１１】さらに、近年の半導体素子では、その微細
化に伴い加工の高精度化がこれまで以上に要求されてい
るが、その課題の一つに微細なパタンを形成するための
マスクの問題がある。マスク材には有機物であるレジス
トが主に用いらている。しかし、レジストは通常その厚
さが１μｍ程度ある。このため、レジスト自体がかなり
アスペクトの高い溝となり、狭い溝の加工をより困難に
している。レジストを薄くすると、下地の加工が終了す
る前にレジストが無くなってしまう問題が生じる。この
対策として、マスク材にハードマスクと呼ばれる酸化膜
などの無機物を用いる方法がある。酸化膜はレジストに
比べて５倍以上の耐性があるため、その厚さを５分の１
以下にできる。これにより、レジストの使用時に比べ被
エッチング材とマスクとの選択比は大きくなり改善され
る。しかしながら、薄いハードマスクを用いた加工で
は、被エッチング材である下地物質とハードマスクとの
選択比をさらに向上させることが新たな課題となる。

【００１２】一方、半導体素子の微細化に伴い、配線や
電極に相当するラインとスペースの加工寸法は１μm以
下、好ましくは０.５μm以下の領域に入っている。この
よう微細パタンの加工では、ラインが次第に太くなり、
パタンが設計寸法に加工できない問題が顕著になる。さ
らに微細な溝内と比較的広い部分でのエッチング速度の
差に加えて、形状の差、いわいる形状マイクロローディ
ングが顕著になり、加工の障害となる。

【００１３】さらに、前記したＭＯＳトランジスタのゲ
ート酸化膜の厚さは、２５６Ｍ以降のメモリ素子では６
ｎｍ以下になる。このような素子では、異方性と下地酸
化膜の選択比が、トレードオフの関係になり、加工をよ
り困難にする。

【００１４】上記従来技術の多くは、素子の最小加工寸
法が１μｍ以上の時代に発明されたもので、これらの技
術では、より微細な素子の加工への対応が困難になって
きている。このような微細素子の加工では、プラズマの
物理量とエッチング特性の関係の解析に基づく、緻密な
プロセス条件の組立が必要であり、現在多くのメーカー
がここに多くの労力を費やしている。構築されたプロセ
スは質的に異なる新素子の加工をも可能にする。

【００１５】本発明の第１の目的は、これらの課題を解
決するもので、金属と多結晶シリコンから成る多層膜の
エッチング加工において、エッチング表面に凹凸が生じ
ることなく平坦な面でエッチングを行い、下地の酸化膜
を抜くことなく多層膜のエッチングを行うことのできる
表面加工方法を提供することにある。

【００１６】本発明の第２の目的は、これらの課題を解
決するもので、導電性の異なるゲート電極が混在する場
合の同時エッチングにおいて、下地のゲート酸化膜を抜
くことなく加工形状差を最小に抑えることができる表面
加工方法を提供することにある。

【００１７】本発明の第３の目的は、半導体などの表面
処理において、被エッチング物質とマスク材との選択比
を高くすることのできる表面処理方法を提供することに
ある。

【００１８】本発明の第４の目的は、半導体素子の微細
化の要求に応えるために、加工寸法が１μｍ以下好まし
くは０.５μｍ以下の素子を加工できる、半導体素子の
表面処理方法および装置を提供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記各目的を達成するた
めに、本発明は、基板上に堆積させた高融点の金属ある
いは少なくとも高融点の金属と半導体からなる多層膜の
試料を、真空容器内の試料台に配置し、前記真空容器内
にプラズマを発生させさせるとともに、前記試料台に高
周波バイアス電圧を印加し、前記試料台に印加する高周
波電力を周期的にオン、オフしてプラズマ処理すること
を特徴とする。

【００２０】本発明の他の特徴は、前記高周波電圧をオ
ン、オフする一周期に占めるオン期間の割合を５％から
６０％の範囲とすることにある。

【００２１】本発明の他の特徴は、半導体基板上に堆積
された少なくとも導電性の異なる多結晶シリコンが混在
する試料を、該試料に印加する高周波電力を周期的にオ
ン、オフしてプラズマ処理することにある。

【００２２】本発明の他の特徴は、被加工物上に主成分
として炭素を含まないマスク材料の層を形成した試料
を、真空容器内の試料台に配置し、前記真空容器内にプ
ラズマを発生させさせるとともに、前記試料台に高周波
バイアス電圧を印加し、前記試料台に印加する高周波電
力を周期的にオン、オフしてプラズマ処理することにあ
る。

【００２３】本発明では、微細パタンの加工において、
試料に印加する高周波電圧を繰返しオンオフ制御して、
かつ電圧の振幅を十分高く設定した。一般的にはエッチ
ング時にウエハに入射するイオンのエネルギーを高くす
ると、側壁への付着よりもエッチングが優勢になるため
に、ラインの太りは改善される。しかし、イオンのエネ
ルギーを高く設定すると酸化膜のエッチング速度が大き
くなり、下地の酸化膜が薄いゲート電極の加工などには
適さなくなる。そこで、高周波電圧にオフ期間を設けて
高エネルギーイオンの数を減らすことで、選択比の低下
を防いだ。

【００２４】これにより、加工寸法が１μｍ以下好まし
くは０.５μｍ以下の微細加工ができる、半導体素子の
表面処理方法および装置を提供することができる。

【００２５】また、本発明によれば、金属と多結晶シリ
コンから成る多層膜のエッチングにおいて、試料に印加
する高周波電圧を周期的にオン−オフすることで、エッ
チング面が平滑になる。これにより下地の下地の酸化膜
を抜くことなく素子の表面加工ができ、金属と多結晶シ
リコンから成る多層膜のゲート抵抗が小さい高速デバイ
スの作成が可能になる。

【００２６】また、本発明によれば、導電性が異なる試
料のプラズマ処理、例えばｐ型とｎ型が混在する膜のエ
ッチング処理において、試料に印加する高周波電圧を周
期的にオン−オフし、オンの場合のイオンエネルギーを
高くすることで、下地のゲート酸化膜を抜くことなく加
工形状差を最小に抑えることができる表面加工方法を提
供することができる。

【００２７】また、本発明によれば、半導体などの表面
処理において、例えば、ＴｉＮ／Ａｌ／ＴｉＮあるいは
Ｗ／ｐｏｌｙＳｉなどの半導体素子の配線あるいはゲ
ート材料等の被エッチング物質と、酸化膜あるいは窒化
膜などのマスク材との選択比を高くすることができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図により
説明する。最初に、図１〜図３により、本発明の実施例
を説明する。図１は、本発明を適用したプラズマエッチ
ング装置の全体構成図である。マグネトロン１０１か
ら、自動整合器１０６と導波管１０２と導入窓１０３を
介して、真空容器１０４内にマイクロ波が導入される。
一方、真空容器１０４には、ガス導入手段１００を介し
てハロゲンなどのエッチングガスが導入され、マイクロ
波の導入に伴いこのガスのプラズマが発生する。導入窓
１０３の材質は、石英、セラミックなどマイクロ波(電
磁波)を透過する物質である。

【００２９】真空容器１０４の回りには、電磁石１０５
が設置されている。電磁石１０５による磁場強度は、マ
イクロ波の周波数と共鳴を起こすように設定されてい
る。たとえば、周波数が２.４５ＧＨｚならば、磁場強
度は８７５Ｇａｕｓｓである。この磁場強度で、プラズ
マ中の電子のサイクロトロン運動が電磁波の周波数と共
鳴するために、効率よくマイクロ波のエネルギーがプラ
ズマに供給され、高密度のプラズマができる。なお、マ
イクロ波の周波数は２.４５ＧＨｚに限定されるもので
はなく、１００Ｈｚ〜１ＧＨｚでも良く、この場合は周
波数に応じて磁場強度も変わる。

【００３０】試料１０７は、試料台１０８の上に設置さ
れる。試料に入射するイオンを加速するために、高周波
電源であるｒｆ（radio frequency)バイアス電源１０９
が、ハイパスフィルター１１１を介して試料台１０８に
接続されている。試料台の表面には、セラミックあるい
はポリマ膜のような絶縁膜１１０が設けられている。ま
た、ローパスフィルター１１３を介して直流電源１１２
を接続し、試料台１０８に電圧を印加することで、試料
を試料台に静電力により保持する。

【００３１】図２に、図１の装置によるエッチング処理
時の、真空容器１０４内のガス供給、マグネトロン１０
１、ｒｆバイアス電源１０９の動作を示す。(a) に示す
ようにガスが供給され、エッチング開始と同時に、ガス
圧は一定に保たれ、(b) に示すように、マイクロ波電力
も連続的に供給される。一方、(c) に示すように、試料
に印加されるｒｆバイアスは、周期的にオンオフされ
る。ｒｆバイアスのオンオフによりイオンの加速の有り
無し期間を設けることで、試料の表面処理の期間におい
て、高エネルギーイオン区間と、低エネルギーイオン区
間が生ずる。そして、(ｄ) に示すように、低エネルギ
ーイオン区間では、エッチングは進行せず、むしろガス
あるいはプラズマ中の残留反応生成物の堆積が生じる。

【００３２】次に、ｒｆバイアスの周波数と、そのオン
オフの繰返し周波数と、エッチング特性の関係を述べ
る。図３はｒｆバイアスの波形を示し、(a)は、本実施
例のエッチング条件に対応するものであり、ｒｆバイア
ス周波数が１００ＫＨｚで、オンオフ周波数(変調周波
数)が１００Ｈｚの場合の波形である。（ｂ）は、日本
の公開特許公報平６−１５１３６０号（対応ＵＳＰ
５、３５２、３２４号明細書）で知られているように、
ｒｆバイアス周波数が１ＫＨｚで、オンオフ周波数（変
調周波数）が１Ｈｚの場合の波形である。

【００３３】以下、本発明の具体的な実施例について、
従来例と比較しながら説明する。

【００３４】〔実施例１〕最初に、ポリシリコンメタル
ゲートのエッチングの例について述べる。

【００３５】図４は、図１の装置を用いて従来方法でエ
ッチング加工した試料の断面形状の時間変化を表す。ま
た、図５は、本実施例のエッチング条件で加工した試料
の断面形状の時間変化を表す。

【００３６】図４(a)及び図５(a)に示すように、初期
状態の試料のには、シリコン基板３０６上に堆積した酸
化膜３０５、多結晶シリコン３０４、窒化タングステン
３０３、タングステン３０２の多層膜で、最上層に所望
のパタンに加工されたマスク３０１が形成されている。
ここで、エッチングに使用したガスは、塩素３０ｃｃと
酸素１５ｃｃ、圧力０．２Ｐａで、マイクロ波の電力５
００Ｗ、試料温度７０℃である。

【００３７】図４に示す従来例は、連続した高周波電圧
（電力１４０Ｗ）を試料に印加しなからエッチングを行
った場合の、試料の断面を示しものである。

【００３８】図５は、本発明の条件すなわち、高周波電
力を１ｋＨｚの周波数でオン−オフを繰り返して印加し
た場合の試料の断面を示しものである。この例では、連
続７００Ｗの電力を、オンの期間が１周期に占める割合
（以後デューティー比と呼ぶ）が２０％になるようにし
て印加した。すなわち、正味の電力は７００Ｗの２０％
で、１４０Ｗになる。

【００３９】高周波電圧を連続的に印加した従来方式の
場合は、図４（ｂ）に示すように、エッチング面に凹凸
３０７が生じ、このためタングステン３０２あるいは窒
化タングステン３０３のエッチングが終わっても、ある
部分ではタングステンあるいは窒化タングステンのエッ
チ残り３０８が生じる（図４ｃ、ｂ）。多結晶シリコン
３０４のエッチ速度は、タングステンあるいは窒化タン
グステンのエッチ速度よりも大きいために、エッチ残り
３０８がマスクとなり、多結晶シリコン３０４のエッチ
ング面の凹凸はさらに大きくなる。そのため、図４(e)
のように、酸化膜３０５に達しても一部に多結晶シリコ
ン３０４のエッチ残り３０９が生じる。このエッチ残り
をとるためにさらにエッチングを行うと、図４(f)のよ
うに酸化膜３０５を貫通した酸化膜抜け３１０が生じて
しまう。このような状態は素子の不良となるので、改善
が必要となる。

【００４０】本発明は、このような問題点を解決するた
めのものである。図５に、本発明の方法すなわち高周波
電力をオンとオフの繰り返しで印加したしたときのエッ
チング断面を示す。図５(aの)構造は図３(a)の構造と同
じである。本発明の方法によれば、図５(b)〜(d)のよう
に、タングステンのエッチング面４０１、多結晶シリコ
ン３０４のエッチング面４０２が平滑である。また、最
終的にも図５(e)のように、エッチ残り無く、かつ酸化
膜３０５のエッチング面４０３も平坦にエッチングする
ことができる。

【００４１】次に、以上のような結果となる原因を説明
する。タングステンのエッチングでは、塩化タングステ
ンの蒸気圧が低いために、塩素ガスだけではエッチ速度
が小さくなる。塩化タングステンに酸素が加わった化合
物（化学式WxClyOz 但しx,y,zは自然数である。）は蒸
気圧が高いために、塩素と酸素の混合ガスを用いるとタ
ングステンのエッチ速度は増加する。プラズマエッチン
グではイオンの入射した表面の温度が局所的に増加して
エッチング反応が促進される。したがって、エッチング
が表面内で均一に進行するためには、タングステン表面
に均一に塩素と酸素が吸着した状態にイオンが入射する
必要がある。窒化タングステンのエッチングもタングス
テンとほぼ同じ機構で、エッチ速度もほぼ同じになる。

【００４２】複数の種類の分子を均一に吸着させるため
には、図２に示すように、イオンによるエッチングに休
止期間を設ければよい。これにより、図6(ａ）に示すよ
うに、休止期間すなわち、試料に印加する高周波電圧の
オフ期間に、タングステン１１の表面に均一に塩素１２
と酸素１３を吸着させる。その後、高周波電圧をオンし
てイオン１０４を加速して表面に入射させる（図６
(ｂ))。すると、タングステン１０１表面から、均一に
反応生成物１０５が蒸発して、エッチングが均一に進む
（図６(ｃ))。

【００４３】一方、連続的に高周波電圧を印加すると、
タングステンあるいは窒化タングステンに加速されたイ
オンが連続的に入射するために、酸素と塩素が吸着した
部分ではエッチング速度が速くなり、吸着が不十分な箇
所ではエッチ速度が遅くなる。従って、面内でエッチ速
度の不均一が生じて、エッチング面に凹凸ができてしま
う。

【００４４】窒化タングステンのエッチングが終わると
下地多結晶シリコンのエッチングが始まるが、このガス
では、多結晶シリコンのエッチ速度がタングステンのエ
ッチ速度より大きいために、タングステンのエッチ残り
がある部分とない部分の凹凸の差はますます増大して、
エッチ残りが生じる。

【００４５】以上の理由に加えて、高周波電圧をオン−
オフすると、加速イオンの入射頻度が減るために、エッ
チング速度が低下して、連続バイアスと同じエッチ速度
を得るためにはイオンのエネルギーを高することが必要
となる。イオンのエネルギーを高くすることもエッチン
グ面を平滑にする効果があるので、たとえ酸素のような
タングステンのエッチングを促進するガスが含まれてい
なくてもある程度の効果が得られる。

【００４６】また、エッチングされる試料の構造は、図
５において多結晶シリコン３０４と窒化タングステン３
０３が無い、すなわち、タングステン３０２等の高融点
金属の単層膜の場合でも、同様の効果がある。

【００４７】次に、本発明による望ましいエッチングの
条件について述べる。まず、塩素に混合する酸素の量
は、５％から７０％が適量である。試料の温度は、高い
ほどタングステンのエッチ速度が大きくなり５０℃以上
が望ましい。試料に印加する電圧のオン−オフのデュー
ティー比は５％から６０％がよい。これ以下では電力を
稼ぐことが難しくなり、したがってエッチ速度が小さく
なる。また、これ以上では連続バイアスと比較した効果
が小さくなる。オン−オフの繰り返し周波数は１００Ｈ
ｚ以上１０ＫＨｚ以下がよい。

【００４８】例えば日本の特開昭６３−１７４３２０号
公報に述べれられているような、従来方式による数Ｈｚ
以下の繰り返し周波数では、エッチング溝の側壁にその
周波数に応じた凹凸が生じてしまう。また、周波数が高
すぎると電気回路の構成が難しくなる。また、試料に印
加する高周波電圧については、イオンエネルギーの目安
となる電圧の振幅値を５００Ｖ以上に設定すると効果が
ある。

【００４９】また、タングステンなどをエッチングする
ガスとしては、この他に、ＳＦ６，ＣＦ４などフッ素原
子を含むガスがある。このガス系でも、高周波電圧をオ
ン，オフ制御することで、タングステンを平滑にエッチ
ングできる。さらに、これらのガスに酸素を添加する
と、酸素がタングステンのエッチングを促進するので効
果がより大きくなる。フッ素原子を含むガスを使用する
と、試料温度が低くてもエッチング速度は比較的大きく
なるが、フッ素による多結晶シリコン部のエッチング溝
の側壁のエッチングが進行するので、試料の温度は２０
℃以下にする必要がある。

【００５０】加工する金属に対してはタングステンを例
に取り説明したが、他には、モリブデン，ニッケル，コ
バルト，チタンなどの高温熱処理に耐えられる高融点金
属が挙げられる。さらに、拡散を防ぐバリア膜として
は、これらの金属の窒化物の組み合わせがある。これら
の材料の加工でも、本発明を適用して高周波電圧をオン
−オフ制御してイオンのエネルギーを高く設定する、さ
らには酸素のような金属のエッチングを促進するガスを
添加することで平滑なエッチング面を得ることができ
る。

【００５１】また、これらの材料を所望のパタンに加工
するために使用するマスクの材質は、通常の有機ホトレ
ジストでもよいがレジストに含まれる炭素が酸化膜のエ
ッチングを促進して選択比が下がるので、酸化シリコン
あるいは窒化シリコンのような無機物の膜の方が、下地
の酸化膜に対する多結晶シリコンのエッチ速度比が大き
くなる。

【００５２】本実施例の試料のように、高融点金属膜と
半導体膜とを積層した試料では、膜種に応じてプラズマ
処理時の試料の温度を変えることは有効である。例え
ば、高融点金属膜は高温で処理し、半導体膜は低温また
は常温で処理する。これにより、被エッチング膜とエッ
チャントとの反応が最適化され、処理速度の向上が図ら
れるとともに、高周波電力のオン，オフ制御と組み合わ
せることにより、さらに高精度の表面加工を処理速度を
上げて処理することができる。

【００５３】〔実施例２〕次に、先に述べた実施例の効
果をより大きくするために、エッチングを複数のステッ
プに分けて行う実施例を述べる。この実施例は、エッチ
ング中のプラズマからの発光強度あるいはエッチング時
間を基準として、膜種類の切り替わる時点でエッチング
条件を変えて、最適なエッチング形状を得る方法であ
る。

【００５４】図５に示す構造の試料を例に取ると、タン
グステン３０２と窒化タングステン３０３のエッチング
が終了した時点で、多結晶シリコン３０４を酸化膜３０
５に対して高選択でエッチングできる条件に切り替え
る。すなわち、多結晶シリコン３０４のエッチングには
タングステンのエッチング時ほどのイオンエネルギーは
必要ないので、試料に印加する高周波電圧を下げる。ま
た、酸素はタングステンのエッチングを促進するが多結
晶シリコンのエッチングを抑制するので、酸素添加量が
少ないステップに切り替えるなどする。ステップを切り
替えるタイミングは、タングステン原子の発光強度をモ
ニタしたり、あらかじめタングステンと窒化タングステ
ンのエッチングが終了する時間を測定しておき、その時
間に基づいて切り替えてもよい。

【００５５】ステップの切り替えは、多結晶シリコン３
０４のエッチングが終了した時点で酸化膜３０５に対し
て選択比が高くなるような条件に切り替えてもよい。こ
のためには、試料に印加する高周波電力を下げる、酸素
添加量を上げる、あるいはＨＢｒガスを添加するなどの
方法がある。ステップの切り替えはシリコンの発光強度
の変化をモニタすればよい。

【００５６】さらに、上記２つの切り替えを同時に用い
ればより高精度なエッチングが可能になる。この場合に
は、タングステンの発光とシリコンの発光の２つの異な
る波長の光を同時にモニタして、それぞれの物質のエッ
チングの終点をモニタしステップを３段で切り替える。

【００５７】また、エッチング面の凹凸を抑えるには、
タングステンと窒化タングステンのエッチ速度に比べて
多結晶シリコンのエッチ速度を十分遅くすることでも達
成できる。すなわち、窒化タングステンのエッチングが
部分的に終了しても、多結晶シリコン膜でエッチングが
止まっていれば、金属面の凹凸が緩和できる。酸素は、
多結晶シリコンのエッチ速度を抑える働きもあるため
に、酸素の比率をより多くすることで、この効果を発揮
できる。この場合も、高周波電圧をオン−オフすること
で、オフ期間に多結晶シリコン表面に均一に酸素が吸着
するので、エッチング面を平滑にできる。この方法で
は、多結晶シリコンのエッチング速度が非常に小さくな
るので、金属層とバリア層のエッチングが終了した時点
で、多結晶シリコンが酸化膜に対して高選択でエッチン
グできる条件に切り替えて、高精度のエッチングが達成
できる。

【００５８】以上のように、本発明によれば、金属と多
結晶シリコンから成る多層膜のエッチングにおいて、試
料に印加する高周波電圧を周期的にオン−オフすること
で、エッチング面が平滑になり、これにより下地の酸化
膜の抜けがない素子の加工ができるという効果がある。
これにより、金属と多結晶シリコンから成る多層膜のゲ
ート抵抗が小さい高速デバイスの作成が可能になる。

【００５９】〔実施例３〕次に、本発明をデュアルゲー
トのエッチングに適用した例について、従来方法と比較
しながら述べる。

【００６０】図７(a)および図８(a)は、図１の装置を用
いて加工した試料の初期断面図である。試料のシリコン
基板３０６上に、酸化膜３０５、ｎ型多結晶シリコン３
０２、ｐ型多結晶シリコン３０３、最上層に所望のパタ
ンに加工されたマスク３０１が形成されている。エッチ
ングに使用したガスは塩素５５ｃｃと酸素４ｃｃ、圧力
０．４Ｐａで、マイクロ波電力は４００Ｗである。

【００６１】図７は、従来方法である高周波電圧（電力
３５Ｗ）を連続的に印加した場合のエッチング形状の時
間変化を表す。ｐ型とｎ型ではエッチング速度の差によ
り、エッチ深さの差３０６が発生する。このために、図
７(c)のように先にｎ型多結晶シリコン３０２の加工が
終了する。ｐ型ではエッチ残りがあるため、更にエッチ
ングを続けると図３(d)の様にｐ型多結晶シリコン３０
３の加工完了時には、ｎ側に酸化膜抜け３１０が発生す
る。またｎ型多結晶シリコンにサイドエッチ３１２が発
生する。この状態では素子不良となるので、改善が必要
となる。

【００６２】一方、図８は、本発明による高周波電力を
１kHzの周波数でオン−オフを繰り返して印加した場合
のエッチング形状の時間変化を表す。連続１７５Ｗの電
力をオンの期間が１周期に占める割合（以後デューティ
ー比と呼ぶ）が２０％になるように印加した。すなわ
ち、正味の電力は１７５Ｗの２０％で３５Ｗになる。図
８(b)〜(c)のようにｎ型とｐ型多結晶シリコン３０２，
３０３のエッチングが同じ速度で進む。図８(c)のよう
に酸化膜が露出し始めると、エッチングガスを臭化水素
１００ｃｃと酸素９ｃｃにし、高周波電圧を連続印加に
切り替えた。臭化水素は多結晶シリコン３０２，３０３
と酸化膜３０５との加工速度比が大きいため、最終的に
図８(d)のように、エッチ残り無くかつ酸化膜のエッチ
ング面４１０も平坦にすることができる。

【００６３】以上のような結果となる原因を説明する。
プラズマエッチングでは正電荷であるイオンの入射した
表面の温度が局所的に増加してエッチング反応が促進さ
れる。ｎ型多結晶シリコンはｐ型よりも多くの電子が含
まれるため、同じイオンエネルギーで多結晶シリコンに
入射してもｎ型とｐ型多結晶シリコン表面付近でイオン
エネルギーの差が生じる。高いイオンエネルギーで入射
させると多結晶シリコンに含まれる電子の影響を少なく
し、エッチング反応の違いを抑えることができるが、下
地酸化膜にてエッチングを止めることが難しくなる。高
いイオンエンルギーを使用するには、図２に示すように
イオンによるエッチングに休止期間を設ければよい。こ
れにより、図６で述べたように、休止期間すなわち、試
料に印加する高周波電圧試料に印加する高周波電圧のオ
フ期間は、ｐ型とｎ型多結晶シリコンの両方の表面１１
に均一に塩素１２と酸素１３を吸着させる。その後、高
周波電圧をオンして高いエネルギーのイオン１４を加速
して表面に入射させると、多結晶シリコンの表面１１か
ら、均一に反応生成物１５が蒸発して、エッチングが均
一に進む。

【００６４】次に、本実施例のエッチングの条件につい
て述べる。まず、塩素に混合する酸素の量は５％から７
０％が適量である。試料に印加する電圧のオン−オフの
デューティー比は５％から６０％がよい。これ以下では
電力を稼ぐことが難しくなり、したがってエッチ速度が
小さくなる。また、これ以上では連続バイアスと比較し
た効果が小さくなる。オン−オフの繰り返し周波数は１
００Ｈｚ以上１０ＫＨｚ以下がよい。

【００６５】これらの材料を所望のパタンに加工するた
めに使用するマスクの材質は、通常の有機ホトレジスト
でもよいが、レジストに含まれる炭素が酸化膜のエッチ
ングを促進して選択比が下がるので、酸化シリコンある
いは窒化シリコンのような無機物の膜の方が、下地の酸
化膜に対する多結晶シリコンのエッチ速度比が大きくな
る。

【００６６】〔実施例４〕図９は、本発明を適用して処
理した他の試料の、エッチング形状の時間変化を表す断
面図である。試料の初期状態は図９(a)に示すように、
シリコン基板３０６上に堆積した酸化膜３０５、ｎ型多
結晶シリコン３０２、ｐ型多結晶シリコン３０３、窒化
タングステン５０１、タングステン５０２の多層膜で最
上層に所望のパタンに加工されたマスク３０１が形成さ
れている。この構造ではゲート電極の抵抗を下げるため
に金属であるタングステンを用い、窒化タングステンは
タングステンと多結晶シリコンとの相互の拡散を抑える
バリア層として働く。

【００６７】タングステンと窒化タングステン膜は、塩
素３８ｃｃと酸素１２ｃｃ、圧力０．２Ｐａ、マイクロ
波電力５００Ｗで高周波電圧（電力１４０Ｗ）を連続印
加してエッチングを行った。図９(b)のように多結晶シ
リコン膜３０２，３０３が露出し始めると、高周波電圧
を１kHzの周波数、デューティー比４０％のオン−オフ
印加に切り替えた。次に図９(c)のように酸化膜３０５
が露出し始めると、エッチングガスを塩素から臭化水素
１００ｃｃと酸素９ｃｃにし、高周波電圧を連続印加に
切り替えた。臭化水素は多結晶シリコンと酸化膜３０５
との加工速度比が大きいため、最終的に図９(d)のよう
に、エッチ残り無くかつ酸化膜のエッチング面５０３も
平坦にすることができる。

【００６８】多結晶シリコンはｐ型とｎ型の他に真性半
導体（ｉ型）とｎ型，ｉ型とｐ型の組み合わせでも同様
に加工できる。また、金属層に関してはモリブデン，ニ
ッケル，コバルト，チタンが、バリア層にはこれらの金
属の窒化膜の組み合わせがあるが同様に加工できる。

【００６９】以上のように、本発明によれば、ｐ型とｎ
型が混在する膜のエッチングにおいて、試料に印加する
高周波電圧を周期的にオン−オフし、オンの場合のイオ
ンエネルギーを高くすることで、加工差なくｐ型とｎ型
ゲートを同時にエッチングできるという効果がある。こ
れにより、デュアルゲート構造のCMOS素子の作成が可能
になる。

【００７０】〔実施例５〕次に、アルミなどの金属のメ
タルエッチングに本発明を適用した結果を述べる。試料
構造は、図１０に示すように、基板Si６０１上に酸化膜
（６０２）３００nm、TiN（６０３）１００nm、Al（６
０４）４００nm、 TiN（６０５）７５nmを堆積させて最
上層にはレジストマスク（６０６）１μmが付いてい
る。ラインとスペースの寸法は０.４μmである。エッチ
ングガスは塩素（８０sccm）とBCl3（２０sccm）の混合
で、圧力を１Paとした。マイクロ波電源１０１の出力を
７００Wとし、電極温度は４０℃とした。高周波電圧電
源１０９の周波数は８００KHzとし、オンオフの繰返し
周波数は２kHzとした。

【００７１】図１０（ａ）は従来の連続バイアス方式で
電力を７０Wの場合、図１０（ｂ）は本発明のオンオフ
バイアス方式でピーク電力３５０Wでデューティー比２
０％の場合のエッチング形状を示す。この試料では形状
マイクロローディングが大きく、連続バイアス時の広い
スペースに面した側壁６０７の垂直性が特に悪くなる
が、オンオフバイアスにすることで抑制される。

【００７２】〔実施例６〕次に、ハードマスクを用い
て、本発明の方法により半導体素子の配線に使われるア
ルミニウムのエッチングを行った結果を図１１、図１２
で述べる。エッチングのガスにはＣｌ２（８０ｓｃｃ
ｍ）＋ＢＣｌ３（２０ｓｃｃｍ）を用い、圧力を１Ｐａ
とした。マイクロ波電源１１の出力を７００Ｗとした。
バイアス電源１０の出力は６０Ｗで、周波数は４００ｋ
Ｈｚと８００ＫＨｚの２つを試験した。オンオフの繰り
返し周波数は２ＫＨｚとした。図１１は、オンオフの１
周期にしめるオンの割合（以後デューティー比と呼ぶ）
に対するＡｌと酸化膜のエッチング速度の関係、図１２
は、Ａｌと酸化膜の選択比の関係を示している。デュー
ティー比１００％は従来例の連続バイアスである。デュ
ーティー比を小さくした場合は、ピーク電力とデューテ
ィー比の積が６０Ｗとなるようピーク電力を調整してい
る。

【００７３】バイアスの周波数が４００ｋＨｚ、８００
ｋＨｚともに、オンオフ制御してかつデューティー比を
小さくすると、図１１に示すように酸化膜のエッチング
速度が低下し、図１２に示すようにＡｌ対酸化膜の選択
比が上昇する。すなわち、マスク材に酸化膜を用いてか
つバイアスをオンオフ制御すると、マスクとＡｌの選択
比を上げることができる。デューティー比は５０％以下
から効果が顕著になる。

【００７４】本発明の他の実施例として、オンオフ制御
してかつ、ガスとしてＣｌ２（８０ｓｃｃｍ）＋ＢＣｌ
３（２０ｓｃｃｍ）にＣＨ４（４％）＋Ａｒを２００ｓ
ｃｃｍ加えて圧力を２Ｐａにしたところ、Ａｌと酸化膜
の選択比はさらに２０から５０％上昇した。ＣＨ４のよ
うに炭素を含むガスは、堆積性がありバイアスオフ期間
に酸化膜上に堆積物が付着し易くなり、より効果が上が
ると考える。図１３に、堆積性ガスを添加した条件で、
ハードマスク試料をエッチングした断面形状を示す。

【００７５】図１３の試料構造は、酸化膜のハードマス
ク７０１（１００ｎｍ）の下にＴｉＮ膜７０２（８０ｎ
ｍ），Ａｌ膜７０３（５００ｎｍ），ＴｉＮ膜７０４
（１００ｎｍ），酸化膜７０５，Ｓｉ基板７０６の順で
構成される多層膜試料である。エッチング条件はガスと
してＣｌ２（８０ｓｃｃｍ）＋ＢＣｌ３（２０ｓｃｃ
ｍ）にＣＨ４（４％）＋Ａｒを２００ｓｃｃｍ加えて圧
力を２Ｐａで、マイクロ波８００Ｗである。

【００７６】バイアス電力は、図１３（ａ）が本発明の
方式すなわちバイアス２５０Ｗでデューティー比２０
％、図１３（ｂ）が従来の連続バイアス方式で５０Ｗで
ある。エッチング時間はプラズマの発光波形で判定し
て、下層のＴｉＮ膜７０４がエッチング終了してから３
０％のオーバエッチングをしている。オンオフバイアス
でエッチングした場合は、図１３（ａ）に示すように、
ハードマスク７０１が１０ｎｍ残った。一方、連続バイ
アスでエッチングした場合は、図１３（ｂ）に示すよう
に、ハードマスクは完全にエッチングされて無くなって
しまいＴｉＮ膜７０２がエッチングされていた。以上の
ように、ハードマスクを用いたメタルエッチングでは、
バイアスをオンオフ制御することでメタルとハードマス
クの選択比を上げることができる。

【００７７】〔実施例７〕次に、本発明を、ハードマス
クを用いた半導体素子のゲート加工に適用した例を、図
１４で述べる。ゲート加工はメタルの加工よりも膜厚が
薄いために、レジストとの選択比はメタルほど大きな課
題ではない。しかし、加工寸法が小さくなり、かつ従来
のタングステンシリサイド（ＷＳｉ）とｐｏｌｙＳｉ
の多層膜に代り、より抵抗の低いＷとｐｏｌｙＳｉの
多層膜になると、Ｗのエッチング速度が小さいためにハ
ードマスクを用いてもやはり、マスクと下地との選択比
が課題となる。

【００７８】図１４に窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）をハードマ
スク８０１（２００ｎｍ）としたＷ膜８０２（１００ｎ
ｍ）／ｐｏｌｙＳｉ膜８０３（１００ｎｍ）／ＳｉＯ
２膜８０４（４ｎｍ）／Ｓｉ基板８０５をエッチングし
た結果を示す。エッチングガスは塩素（３８ｓｃｃｍ）
＋酸素（１２ｓｃｃｍ）で圧力０．２Ｐａである。マイ
クロ波電力５００Ｗである。このガス系では酸素が堆積
性のガスになる。バイアス電力は、図１４（ａ）は、オ
ンオフバイアスでピーク電力が５００Ｗでデューティー
比が３０％、図１４（ｂ）は、連続バイアスで１５０Ｗ
である。

【００７９】発光で判定したエッチング終了後のマスク
の残厚ｔは、図１４（ａ）のオンオフバイアスの場合、
ｔ１＝１２０ｎｍであったのに対して、図１４（ｂ）の
連続バイアスの場合、ｔ２＝８０ｎｍとなり、本発明の
ほうがマスクと下地多層膜との選択比が高いことがわが
った。

【００８０】この構造では、ＷのかわりにＭｏ，Ｃｒな
どの高融点金属が用いられる。また、金属とｐｏｌｙ
Ｓｉの間に、金属の窒化物などのバリア層が設けられる
こともある。

【００８１】〔実施例８〕次に、ガスその他の実施例を
述べる。メタルエッチングにおける堆積ガスとしてはメ
タン，エタン，プロパンなど炭化水素ガスが効果があ
る。またＡｒと希釈せずに用いても効果は変らないが、
Ａｒと希釈することで爆発性が低くなり安全性が増す。
またＣＨ４のＡｒとの希釈率は４％に限らないが、この
ガスは入手が容易な利点がある。さらに、炭素を含む堆
積性ガスにはＣＦ４，ＣＨ２Ｆ２，ＣＨＦ３，Ｃ４Ｆ８
などがある。また、窒素ガスあるいはＮＨ３などの窒素
を含むガスでも同様な効果がある。

【００８２】ゲートエッチングでの堆積性ガスは、酸素
以外にＣＯ，ＣＯ２など酸素を含むガスがある。

【００８３】ハロゲンガスは塩素のほかにＦ２，ＨＢ
ｒ，ＨＩあるいは塩素を含むこれらのハロゲンガスの混
合でも効果は同じである。堆積性ガスの混合率は実験的
に０．５％から５０％が良く、それ以下では効果が無
く、それ以上だとメタルのエッチング速度の低下が大き
い。

【００８４】素子のマスクは、酸化膜と窒化膜の多層膜
あるいはレジストとハードマスクの多層膜でもかまわな
い。またハードマスクとしては、アルミナなど炭素を主
成分として含まない無機物が用いられる。

【００８５】以上、本実施例のように、プラズマを用い
た表面処理方法において、被エッチング物質のマスク材
として酸化膜、窒化膜を用い、プラズマ中のイオンを加
速するためのバイアス電源を繰返しオンオフ制御するこ
とにより、薄いマスクを用いてもさらに選択比を向上さ
せることができる。

【００８６】さらに、エッチングガスに堆積性ガスを混
合することにより、ハロゲンガスはエッチングを進行さ
せ、堆積性ガスはエッチングを阻害する働きがある。バ
イアス電源にオフ期間を設けると、バイアス電源がオフ
すなわち加速イオンが試料表面に入射しない期間では堆
積性ガスの働きのみが顕著になり、特に酸化膜あるいは
窒化膜などエッチング速度が遅い物質のエッチング速度
を低減させ、選択比が高くなる。

【００８７】〔実施例９〕図１５は、本発明を適用する
別の装置構造である。この装置ではｒｆ電力の容量結合
によりプラズマを発生させる。真空容器９０１内には２
枚の電極９０２,９０５が平行に配置してある。電極に
はそれぞれｒｆ電源９０３と高周波電源９０６が接続し
てある。試料９０４は試料台を兼ねる電極９０５の上に
置かれる。ガスは試料と対向した電極９０２に開いた穴
から導入管９０８を通して容器内に入れられる。プラズ
マ９０７は２枚の電極の間で発生する。

【００８８】この装置でも、本発明の方法で試料を加工
することにより、マスクと被加工物質との選択比を上げ
ることができる。また、前述の実施例に挙げられた種々
の試料の処理においても、同様の効果を得ることができ
る。

【００８９】〔実施例１０〕図１６は、本発明を適用す
る別の装置構造である。この装置では、数百ｋＨｚから
数十ＭＨｚのいわゆるラジオ波帯（以後ｒｆと呼ぶ）の
周波数で誘導結合によりプラズマを発生させる。真空容
器９１３はアルミナや石英などの電磁波を透過する物質
でつくられている。その回りに、プラズマ９２０を発生
させるための電磁コイル９１２が巻いてある。コイルに
はｒｆ電源９１４が接続されている。真空容器９１１内
には試料台９１８があり、その上に試料９１７が置か
れ、高周波電源９１９が接続されている。真空容器９１
１には上蓋９１５がついているが、これは一体型でもか
まわない。この装置でも、本発明の方法によりマスクと
被加工物質との選択比を上げることができる。

【００９０】以上のように本発明により、ＴｉＮ／Ａｌ
／ＴｉＮあるいはＷ／ｐｏｌｙＳｉなどの半導体素子
の配線あるいはゲート材料を酸化膜あるいは窒化膜など
のハードマスクに対して高い選択比でエッチングでき
る。また、前述の実施例に挙げられた種々の試料の処理
においても、同様の効果を得ることができる。

【００９１】なお、本実施例ではバイアスのオンオフ制
御において、バイアス電源１０９のオフ期間は、図２
（ｃ）に示すように出力を零にしているが、必ずしも零
である必要はない。すなわち、加速イオンが試料表面に
入射しない期間をオフ期間とするものであって、イオン
が試料表面に入射してエッチング作用を生じさせないよ
うな、オン時に比べて充分に小さい出力のものであれ
ば、バイアス電圧が印加されていてもよい。したがっ
て、オンオフ制御のオフには小さい出力も含まれる。

【００９２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、金
属あるいは金属と多結晶シリコンから成る多層膜のエッ
チング加工において、試料に印加する高周波電圧を周期
的にオン−オフすることで、エッチング面が平滑にな
り、エッチング表面に凹凸が生じることなく平坦な面で
エッチングを行い、下地の酸化膜を抜くことなく多層膜
のエッチングを行うことのできる表面加工方法を提供す
ることができる。

【００９３】また、導電性の異なるゲート電極が混在す
る場合の同時エッチングにおいて、下地のゲート酸化膜
を抜くことなく加工形状差を最小に抑えることができる
表面加工方法を提供することができる。

【００９４】さらに、半導体などの表面処理において、
被エッチング物質とマスク材との選択比を高くすること
のできる表面処理方法を提供することができる。

【００９５】また、半導体素子の微細化の要求に応え
て、加工寸法が１μｍ以下好ましくは０.５μｍ以下の
素子を加工できる、半導体素子の表面処理方法および装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するのに適した、プラズマエッチ
ング装置の要部縦断面図である。

【図２】図１の装置によるエッチング処理時の、真空容
器内のガス供給、マグネトロン、ｒｆバイアス電源の各
動作を示す図である。

【図３】本発明のｒｆバイアスの波形の説明図である。

【図４】従来の方法によりポリシリコンメタルゲートを
エッチング処理した、半導体試料の各処理過程の断面図
である。

【図５】本発明の一実施例による方法でポリシリコンメ
タルゲートをエッチング処理した、半導体試料の各処理
過程の断面図である。

【図６】本発明のオンオフバイアス方式の作用効果を説
明する図である。

【図７】従来の方法によりデュアルゲートをエッチング
処理した、半導体試料の各処理過程の断面図である。

【図８】本発明の一実施例による方法でデュアルゲート
をエッチング処理した、半導体試料の各処理過程の断面
図である。

【図９】本発明を適用して処理した他の試料の、エッチ
ング形状の時間変化を表す断面図である。

【図１０】本発明をメタルエツチングに適用した結果を
示す、試料構造図である。

【図１１】本発明の方法により半導体素子の配線に使わ
れるアルミニウムのエッチングを行った場合の、デュー
ティー比に対するＡｌと酸化膜のエッチング速度の関係
を示す図である。

【図１２】本発明の方法により半導体素子の配線に使わ
れるアルミニウムのエッチングを行った場合の、Ａｌと
酸化膜の選択比の関係を示す図である。

【図１３】ハードマスクを用いた試料をエッチングした
断面形状を示す図である。

【図１４】半導体素子のゲート加工をした断面形状を示
す図である。

【図１５】本発明を適用する別の装置の構造例を示す図
である。

【図１６】本発明を適用する別の装置の構造例を示す図
である。

【符号の説明】

１００…ガス導入手段、１０１…マグネトロン、１０２
…導波管、１０４…真空容器、１０５…電磁石、１０７
…試料、１０８…試料台、１０９…ｒｆバイアス電源、
１１０…絶縁膜、１１１…ハイパスフィルター、１１２
…直流電源、３０１…マスク、３０２…タングステン、
３０３…窒化タングステン、３０４…多結晶シリコン、
３０５…酸化膜、３０６…シリコン基板，、３０７…凹
凸、３０８，３０９…エッチ残り、３１０…酸化膜抜け

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者梅澤唯史東京都青梅市今井町2326番地株式会社日立製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者吉開元彦山口県下松市大字東豊井794番地日立テクノエンジニアリング株式会社笠戸事業所内 (72)発明者水谷巽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 (72)発明者久礼得男東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者児島雅之東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業本部内 (72)発明者佐藤孝山口県下松市大字東豊井794番地日立テクノエンジニアリング株式会社笠戸事業所内 (72)発明者後藤康東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に堆積させた高融点の金属あるいは
少なくとも高融点の金属と半導体からなる多層膜の試料
を、真空容器内の試料台に配置し、前記真空容器内にプ
ラズマを発生させさせるとともに、前記試料台に高周波
バイアス電圧を印加し、前記試料台に印加する高周波電
力を周期的にオン、オフしてプラズマ処理することを特
徴とする表面加工方法。
【請求項２】請求項１記載の表面加工方法において、前
記プラズマは少なくともハロゲン原子を含むガスと金属
の加工速度を促進する作用を持つガスとを含むガスによ
り発生させ、該プラズマにより前記試料を処理すること
を特徴とする表面加工方法。
【請求項３】請求項２記載の表面加工方法において、前
記プラズマは少なくとも塩素原子を含むガスと酸素原子
を含むガスとの混合ガスにより発生させ、該プラズマに
より前記試料を処理することを特徴とする表面加工方
法。
【請求項４】請求項３記載の表面加工方法において、前
記処理される試料の温度を５０℃以上に保つことを特徴
とする表面加工方法。
【請求項５】請求項１記載の表面加工方法において、前
記プラズマは少なくともフッ素原子を含むガスと酸素原
子を含むガスとの混合ガスにより発生させ、該プラズマ
により前記試料をプラズマ処理することを特徴とする表
面加工方法。
【請求項６】請求項５記載の表面加工方法において、前
記処理される試料の温度を２０℃以下に保つことを特徴
とする表面加工方法。
【請求項７】請求項１から６の何れかに記載の表面加工
方法において、前記処理される試料の多層膜は少なくと
もタングステン膜の金属と多結晶シリコン膜の半導体と
を積層して成ることを特徴とする表面加工方法。
【請求項８】請求項７記載の表面加工方法において、前
記タングステン膜と多結晶シリコン膜との間に窒化タン
グステンあるいは窒化チタン膜を有することを特徴とす
る表面加工方法。
【請求項９】請求項１から８の何れかに記載の表面加工
方法において、前記金属膜の上には炭素を主成分として
含まないマスク材が設けられていることを特徴とする表
面加工方法。
【請求項１０】請求項１から９の何れかに記載の表面加
工方法において、前記加工の過程を複数のステップに分
けて、少なくとも最後のステップで試料に印加する高周
波電力の正味の電力を下げることを特徴とする表面加工
方法。
【請求項１１】請求項１から１０の何れかに記載の表面
加工方法において、前記高周波電圧をオン、オフする繰
り返し周波数を１００Hzから１０kHzの範囲とすること
を特徴とする表面加工方法。
【請求項１２】請求項１から１１の何れかに記載の表面
加工方法において、前記高周波電圧をオン、オフする一
周期に占めるオン期間の割合を５％から６０％の範囲と
することを特徴とする表面加工方法。
【請求項１３】基板上に堆積させた少なくとも導電性の
異なる多結晶シリコンが混在する試料を、真空容器内の
試料台に配置し、前記真空容器内にプラズマを発生させ
るとともに、前記試料台に高周波バイアス電圧を印加
し、前記試料台に印加する高周波電力を周期的にオン、
オフしてプラズマ処理することを特徴とする表面加工方
法。
【請求項１４】請求項１３記載の表面加工方法におい
て、前記プラズマは少なくともハロゲン原子を含むガス
により発生させ、該プラズマにより前記試料を処理する
ことを特徴とする表面加工方法。
【請求項１５】請求項１４記載の表面加工方法におい
て、前記プラズマは少なくとも塩素原子を含むガスと酸
素原子を含むガスとの混合ガスにより発生させ、該プラ
ズマにより前記試料を処理することを特徴とする表面加
工方法。
【請求項１６】請求項１３から１５の何れかに記載の表
面加工方法において、前記多結晶シリコン膜の上には、
炭素を主成分として含まないマスク材が設けられている
ことを特徴とする表面加工方法。
【請求項１７】請求項１３から１６の何れかに記載の表
面加工方法において、前記加工の過程を複数のステップ
に分けて、かつそれらのステップの加工を、終了させる
下地物質との加工速度比の小さい前半と、比較的大きい
後半の２つのステップに分け、少なくとも前半のステッ
プのーつで、高周波電圧をオンとオフの期間に分けたこ
とを特徴とする表面加工方法。
【請求項１８】請求項１７において、前記加工を終了さ
せる下地物質との加工速度比の大きい後半のステップ
に、臭化水素ガスを用いることを特徴とする表面加工方
法。
【請求項１９】請求項１３から１８の何れかに記載の表
面加工方法において、前記高周波電圧をオン、オフする
繰り返し周波数を１００Hzから１０kHzの範囲とするこ
とを特徴とする表面加工方法。
【請求項２０】請求項１３から１８の何れかに記載の表
面加工方法において、前記高周波電圧をオン、オフする
一周期に占めるオン期間の割合を、５％から６０％の範
囲とすることを特徴とする表面加工方法。
【請求項２１】被加工物上に主成分として炭素を含まな
いマスク材料の層を形成した試料を、真空容器内の試料
台に配置し、前記真空容器内にプラズマを発生させさせ
るとともに、前記試料台に高周波バイアス電圧を印加
し、前記試料台に印加する高周波電力を周期的にオン、
オフしてプラズマ処理することを特徴とする表面加工方
法。
【請求項２２】請求項２１記載の表面処理方法におい
て、前記被加工物は半導体ウエハ上に堆積された金属、
半導体、絶縁体でそのマスク材が窒化シリコンあるいは
酸化シリコンあるいはこれらの多層膜であることを特徴
とする表面処理方法。
【請求項２３】請求項２１または２２記載の表面処理方
法において、前記プラズマは、ハロゲンガスと堆積性ガ
スの混合からなることを特徴とする表面処理方法。
【請求項２４】請求項２３記載の表面処理方法におい
て、前記ハロゲンガスは、塩素とＢＣｌ_３の混合ガスで
あり、前記堆積性のガスはメタン、エタン、プロパンな
どの炭化水素であることを特徴とする表面処理方法。
【請求項２５】請求項２３記載の表面処理方法におい
て、前記ハロゲンガスは塩素とＢＣｌ_３の混合ガスであ
り、前記堆積性のガスはメタン、エタン、プロパンなど
の炭化水素をアルゴンなどの希ガスで希釈したガスであ
ることを特徴とする表面処理方法。
【請求項２６】請求項２３記載の表面処理方法におい
て、前記ハロゲンに混合する堆積性ガスは、窒素ガスあ
るいは窒素原子を含むガスであることを特徴とする表面
処理方法。
【請求項２７】請求項２３記載の表面処理方法におい
て、前記ハロゲンガスは塩素あるいはＨＢｒあるいはこ
れらの混合ガスであり、堆積性ガスは、酸素ガスあるい
は酸素原子を含むガスであることを特徴とする表面処理
方法。
【請求項２８】請求項２３記載の表面処理方法におい
て、前記ハロゲンガスはフッ素ガスあるいはフッ素原子
を含むガスであることを特徴とする表面処理方法。
【請求項２９】請求項２１ないし２８の何れかに記載の
表面処理方法において、前記試料に印加するバイアス電
源の周波数は２００ＫHzから２０ＭHzの高周波であるこ
とを特徴とする表面処理方法。
【請求項３０】請求項２１ないし２９の何れかに記載の
表面処理方法において、前記試料に印加するバイアス電
源を間欠的にする方法は、バイアスのオン−オフの１周
期に占めるオンの割合が５％から６０％の範囲としたこ
とを特徴とする表面処理方法。
【請求項３１】請求項２１ないし３０の何れかに記載の
表面処理方法において、前記ハロゲンに混合する堆積性
ガスの混合率は、０.５％から５０％の範囲であること
を特徴とする表面処理方法。
【請求項３２】試料が配置された真空容器内にプラズマ
を発生させ、前記試料にバイアス電圧を印加しながら該
プラズマにより試料をエッチングする表面加工方法にお
いて、前記試料台に印加するバイアスを周期的にオンと
オフに制御し、かつ前記エッチングに用いるガスの中に
堆積性のガスを混合したことを特徴とする表面処理方
法。
【請求項３３】請求項３２記載の表面処理方法におい
て、前記エッチング用のガスにメタンまたは酸素の堆積
性ガスを混合したことを特徴とする表面処理方法。