JP3263852B2 - プラズマ装置およびこれを用いたドライエッチング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造分野
等において適用されるプラズマ装置及びこれを用いたド
ライエッチング方法に関し、特にクロロフルオロカーボ
ン（ＣＦＣ）ガスを使用せずにシリコン系材料層の異方
性エッチングを高精度に行うことが可能な装置及び方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩ，ＵＬＳＩ等にみられる
ように半導体装置のデザイン・ルールが高度に微細化さ
れるに伴い、各種プロセスに対する技術的要求も年々厳
しさを増している。単結晶シリコン，多結晶シリコン，
高融点金属シリサイド，ポリサイド等のシリコン系材料
層のドライエッチング技術についても、本来は互いに取
捨選択される関係にある高異方性，高速性，高選択性，
低汚染性，低ダメージ性といった諸要求を、いずれも高
いレベルで満足できる方法が要望されている。

【０００３】単結晶シリコンの代表的なエッチング・プ
ロセスは、微細素子分離やセル容量面積の確保を目的と
して行われるトレンチ加工である。このプロセスでは、
マスク・パターンやエッチング条件の変動等によってト
レンチの断面形状が複雑に変化し易く、この形状異常が
後工程において絶縁材料によるトレンチの埋込みや容量
の制御に悪影響を及ぼす。

【０００４】一方、多結晶シリコン，高融点金属シリサ
イド，ポリサイド等の代表的なエッチング・プロセス
は、ゲート電極加工である。特に、ソース／ドレイン領
域が自己整合的に形成されるＦＥＴや、ＬＤＤ構造を有
するＦＥＴにおいては、ゲート電極の加工精度がチャネ
ル長やサイドウォールの加工精度に直接影響するため、
やはり極めて高い精度が要求される。また、薄いゲート
酸化膜に対する高選択性の確保も重要な課題である。

【０００５】従来、これらシリコン系材料のエッチング
にはＣＦＣ１１３（Ｃ_２ Ｃｌ_３ Ｆ_３ ）等に代表され
るＣＦＣガス（いわゆるフロン・ガス）がエッチング・
ガスとして広く用いられてきた。ＣＦＣガスは、１分子
内にＦとＣｌとを構成元素として有するため、ラジカル
反応とイオン・アシスト反応の両方によるエッチングが
可能であり、かつ気相中から堆積する炭素系ポリマーで
側壁保護を行いながら高異方性を達成することができ
る。

【０００６】しかしながら、ＣＦＣガスは、環境破壊を
生ずるおそれがあるとして、ドライエッチングの分野に
おいてもＣＦＣガスに代わるものが要求されている。ま
た、半導体装置のデザイン・ルールが今後さらに微細化
されると、気相中から堆積する炭素系ポリマーがパーテ
ィクル汚染源となることも考えられ、この意味からも脱
ＣＦＣ対策が望まれている。

【０００７】脱ＣＦＣ対策として提案されている技術
に、低温エッチングがある。これは、被エッチング基板
（ウェハ）の温度を０℃以下に保持することにより、深
さ方向のエッチング速度をイオン・アシスト効果により
実用レベルに維持したまま、パターン側壁部におけるラ
ジカル反応を凍結又は抑制してアンダカット等の形状異
常を防止しようとする技術である。例えば、第３５回応
用物理学関係連合講演会（１９８８年春季年会）講演予
稿集第４９５ページ演題番号２８ａ−Ｇ−２には、ウェ
ハを−１３０℃に冷却し、ＳＦ_６ ガスを用いてシリコ
ン・トレンチ・エッチング及びｎ^＋ 型多結晶シリコン
層のエッチングを行った例が報告されている。

【０００８】しかし、低温エッチングにおいて高異方性
の達成をラジカル反応の凍結若しくは抑制のみに頼ろう
とすると、冷媒として液体窒素を要するレベルの低温が
必要となり、経済性やスループットを大きく低下させる
原因となる。また、チラー，真空ポンプ，真空シール材
等のハードウェア面の性能限界による問題も多く抱える
こととなり、早期実用化は困難である。そこで、より実
用的なアプローチとしては、低温によるラジカル反応抑
制と側壁保護を組み合わせ、より室温に近い温度領域で
エッチングを行うことが考えられる。

【０００９】本願出願人は、この側壁保護をイオウ
（Ｓ）の堆積により行う一連の技術をこれまでに数多く
提案している。Ｓの堆積は、１分子中のＳ原子数とハロ
ゲン（Ｘ）原子数との比、すなわちＳ／Ｘ比が比較的大
きいハロゲン化イオウを主体とするエッチング・ガスを
使用することにより可能となる。

【００１０】例えば、特願平３−２１０５１６号明細書
には、シリコン系材料層をエッチングするためのエッチ
ング・ガスの主成分として、Ｓ_２ Ｆ_２ に代表されるフ
ッ化イオウ、Ｓ_２ Ｃｌ_２ に代表される塩化イオウ、及
びＳ_２ Ｂｒ_２ に代表される臭化イオウを提案した。こ
れらのハロゲン化イオウを利用した場合、Ｆ^＊ ，Ｃｌ
^＊ ，Ｂｒ^＊ 等のハロゲン・ラジカルが主エッチング種
として寄与し、これらによるラジカル反応がＳＦ^＋ ，
ＳＣｌ^＋ ，ＳＢｒ^＋ ，Ｓ^＋ 等のイオンの入射エネル
ギーによりアシストされる機構によりエッチングが進行
する。

【００１１】さらに、このプロセスの特長は、上記ハロ
ゲン化イオウからプラズマ中に解離生成する遊離のＳ
を、ある条件下でウェハ表面に堆積させて側壁保護に利
用することができる点である。しかも、堆積したＳはエ
ッチング終了後にウェハを加熱すれば容易に昇華除去で
きるため、パーティクル汚染を惹起させるおそれがな
い。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ドライエッ
チング技術においては、プロセスの途中で側壁保護物質
の堆積量とラジカル生成量とのバランスを変更する必要
が生ずる場合がある。その代表的な例は、（ａ）下地材
料層との選択比を大きくとる必要があるオーバーエッチ
ング、及び（ｂ）エッチング反応生成物の蒸気圧が異な
る２種類以上の材料層が積層されてなる多層膜のエッチ
ングである。

【００１３】上記（ａ）のオーバーエッチング工程にお
ける選択比の増大は、近年のように下地材料層の層厚が
極めて薄くなっている状況下では極めて重要な課題であ
る。例えば、ゲート電極加工のようなシリコン（Ｓｉ）
系材料層のエッチングは、通常Ｆ^＊ （フッ素ラジカ
ル）が主エッチング種となる反応系中で行われるが、Ｆ
^＊ が相対的に過剰となるオーバーエッチング時には、
薄いＳｉＯ_２ ゲート絶縁膜に対して高選択性を維持す
ることが困難となる。これは、原子間結合エネルギーの
値がＳｉ−Ｏ結合では１１１ｋｃａｌ／ｍｏｌであるの
に対し、Ｓｉ−Ｆ結合では１３２ｋｃａｌ／ｍｏｌと大
きいことからも理解される。

【００１４】一方、上記（ｂ）の多層膜のエッチングの
代表例は、ポリサイド膜の加工である。ポリサイド膜
は、多結晶シリコン層と高融点金属シリサイド層とが順
次積層されたものであるが、エッチング反応により生成
するハロゲン化合物の蒸気圧の差に起因して上層側の高
融点金属シリサイド層よりも下層側の多結晶シリコン層
の方が速くエッチングされる。したがって、オーバーエ
ッチング時には、相対的に過剰となったラジカルの側方
マイグレーションにより、下層側の多結晶シリコン層に
逆テーパ化やアンダカット等の形状異常が生じ易い。も
ちろん、下地の薄いゲート絶縁膜に対しても選択性が下
がる。また、ジャスト・エッチングまでの工程において
も同様の不都合が生ずるケースが多いため、高融点金属
シリサイド層のエッチングが終了した段階で、側壁保護
の強化及び／又はラジカルの低減を可能とする条件に切
り換えて多結晶シリコン層をエッチングする技術も提案
されている。

【００１５】このように、エッチング・プロセスの途中
で側壁保護物質の堆積量とラジカル生成量とのバランス
を変更する必要が生ずる場合の多くは、前段の工程に比
べて後段の工程におけるラジカル生成量を減らし、相対
的に堆積が生じ易い条件を整えるというものである。こ
のことは、前述のようなＳの堆積を利用するプロセスに
ついても、同様に当てはまる。

【００１６】この点に鑑みて、本願出願人はこれまでに
（イ）添加ガスによる制御、（ロ）エッチング・チャン
バ内の構成材料の工夫による制御、等を提案してきた。

【００１７】（イ）の添加ガスによる制御としては、例
えば特願平３−２０３６０号明細書に、ハロゲン化イオ
ウを主体とするエッチング・ガスにＨ_２ ，Ｈ_２ Ｓ，シ
ラン系化合物等を添加する技術を提案している。これ
は、添加ガスから生成するＨ^＊，Ｓｉ^＊ 等によりハロ
ゲン・ラジカルを捕捉し、エッチング反応系の見掛け上
のＳ／Ｘ比を上昇させようとするものである。

【００１８】また、（ロ）のエッチング・チャンバ内の
構成材料の工夫による制御としては、例えば特願平３−
１３２１１６号明細書に、処理チャンバの内壁面の少な
くとも一部にシリコン系材料層を配したＥＣＲプラズマ
装置を使用し、このシリコン系材料層とプラズマとの接
触面積を変化させながらエッチングを行う技術を提案し
ている。この場合、シリコン系材料層とプラズマとの接
触面積を大とすれば、プラズマ中のラジカルはＳｉに捕
捉されるので、エッチング反応系のラジカル性を低下さ
せることができる。

【００１９】かかる工夫によれば、エッチング・ガスの
組成をプロセス途中で変更する必要がないので、放電状
態の安定化が容易であるという利点も得られる。

【００２０】このように、従来からも各種の対策が提案
されているが、今後、Ｓの堆積を利用するプロセスの実
用化を推進する上では、できる限り多くの選択肢の中か
らエッチングの内容に応じて最適なプロセスを模索する
方針で研究を進める必要がある。この意味で、Ｓ／Ｘ比
の制御技術として従来とは異なるアプローチも求められ
ているのである。

【００２１】さらに、ドライエッチング装置についてＳ
／Ｘ比を容易に制御し得るように構成することにより、
１台の装置で異なる種類のプロセスに対応することが可
能となる。

【００２２】本発明は、Ｓの堆積を利用するプロセスに
おいて、エッチング途中でＳ／Ｘ比を制御するために、
ハードウェア面で従来とは異なるアプローチを提供し、
かつこれを効果的に使用する方法を提供することを目的
とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の目的を
達成するために提案されるものであって、処理チャンバ
の内部に生成させたプラズマを利用し、基板に対して所
定の処理を施すプラズマ装置において、処理チャンバの
内壁面の少なくとも一部を被覆するイオウ、硫化シリコ
ン及びポリチアジルから選ばれるいずれかのイオウ系材
料層と、このイオウ系材料層とプラズマとの接触面積を
可変となし得るシャッタ部材とを備えるものである。

【０【００２４】また、本発明は、処理チャンバの内部
に生成させたプラズマを利用し、シリコン系基板層に対
して所定のドライエッチングを施すドライエッチング方
法において、処理チャンバの内壁面の少なくとも一部を
イオウ、硫化シリコン及びポリチアジルから選ばれるい
ずれかのイオウ系材料層で被覆するとともに、イオウ系
材料層とプラズマとの接触面積をシャッタ部材により可
変となし、シャッタ部材の開度を相対的に低めたジャス
トエッチング工程と、シャッタ部材の開度を相対的に高
めたオーバーエッチング工程とをこの順に施すようにし
たものである。

【００２５】

【作用】本発明に係るプラズマ装置は、イオウの堆積を
利用してドライエッチングを行うためのものである。そ
の処理チャンバの内壁面の少なくとも一部にはイオウ、
硫化シリコン及びポリチアジルから選ばれるいずれかの
イオウ系材料層を配し、このイオウ系材料層とプラズマ
との接触面積をシャッタ部材により可変とする。厳密に
は、イオウ系材料層の種類によっては単体のイオウの
他、イオウを構成元素として含む化合物がそのままの形
でスパッタされてくることも考えられるが、以下の記載
では説明を簡略化するために、単体のイオウのみを取り
扱う。イオウ系材料層とプラズマとの接触面積を大とし
た場合にはプラズマ中へのイオウの供給量が増大し、エ
ッチング反応系のＳ／Ｘ比を上昇させることができる。
上記接触面積を小とした場合には、イオウの供給量が減
少し、Ｓ／Ｘ比が低下する。

【００２６】このプラズマ装置は、装置構成上は本願出
願人が先に３−１３２１１６号明細書において提案した
ものと類似しているが、Ｓ／Ｘ比の制御のメカニズムは
全く逆である。すなわち、先願ではＳｉ系材料層がプラ
ズマ中のハロゲン・ラジカルを消費することで“消極
的”にＳ／Ｘ比を上昇させていたのに対し、本発明では
Ｓ系材料層がＳを供給することで“積極的”にＳ／Ｘ比
を上昇させているからである。したがって、高速性を維
持したまま高選択性，高異方性が達成できる。

【００２７】また、プロセスの種類に応じて上記接触面
積を最適化しておけば、１台の装置で異なる種類のプロ
セスに対応することも容易となる。

【００２８】さらに、プロセス途中でＳ／Ｘ比を変更す
るにはシャッタ部材の操作を行えば済み、ウェハ温度や
エッチング・ガスの組成比等の他のパラメータを変更す
る必要がない。したがって、放電状態の安定化に要する
時間を短縮し、またプロセスの再現性を高めることがで
きる。

【００２９】また、本発明に係るドライエッチング方法
は、上述のプラズマ装置にハロゲン系化合物を含むエッ
チング・ガスを供給し、シリコン系材料層のエッチング
を行うものである。ここで、シリコン系材料層の主エッ
チング種として寄与するのは、ハロゲン系化合物から解
離生成するハロゲン・ラジカルである。一方、基板（ウ
ェハ）の表面に堆積して高選択性，高異方性の達成に寄
与するのは、イオウ、硫化シリコン及びポリチアジルか
ら選ばれるいずれかのイオウ系材料層からプラズマとの
接触面積に応じて供給されるイオウ及び／又はイオウ系
材料である。

【００３０】このドライエッチング方法では、ウェハ上
に堆積させるイオウをイオウ系材料層から供給させるた
め、ハロゲン系化合物として必ずしも分子内に放出可能
なイオウ原子を有している化合物を使用する必要がな
い。したがって、例えばＳＦ_６等の安定で汎用性が高
く、安価な化合物を使用することができる。

【００３１】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００３２】以下に示す実施例１及び実施例２では、本
発明に係るＲＦバイアス印加型の有磁場マイクロ波プラ
ズマ・エッチング装置を示し、実施例３乃至実施例５で
は上記装置を使用して実際に各種のシリコン系材料層を
エッチングするドライエッチング方法について述べる。

【００３３】実施例１ 本実施例は、ＲＦバイアス印加型の有磁場マイクロ波プ
ラズマ・エッチング装置の構成例である。

【００３４】このプラズマ・エッチング装置は、図１に
示すように、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマ
グネトロン１、マイクロ波を導く矩形導波管２及び円形
導波管３、マイクロ波を利用してＥＣＲ（電子サイクロ
トロン共鳴）放電により内部にＥＣＲプラズマＰを生成
させるための石英製のベルジャー４、円形導波管３とベ
ルジャー４を周回するように配設され８．７５×１０
^−２Ｔ（８７５Ｇａｕｓｓ）の磁場強度を達成できるソ
レノイド・コイル５、ベルジャー４に接続され、矢印Ａ
方向に高真空排気される試料室６、この試料室６と上記
ベルジャー４へ処理に必要なガスをそれぞれ矢印Ｂ
_１ ，Ｂ_２ 方向から供給するガス導入管７、ウェハ８を
載置するためのウェハ載置電極９、このウェハ載置電極
９に埋設され、チラー等の冷却設備から供給される冷媒
を矢印Ｃ_１ ，Ｃ_２ 方向に循環させてウェハ８を所定の
温度に冷却するための冷却配管１０、上記ウェハ載置電
極９にＲＦバイアスを印加するため、ブロッキング・コ
ンデンサ１１等を介して接続されるＲＦ電源１２等であ
る。

【００３５】ここで、ベルジャー４の内壁面のうちウェ
ハ８の近傍部分には、Ｓ系材料層１３が設けられてい
る。このＳ系材料層１３は、ベルジャー４の内壁面を必
ずしも連続的に周回している必要はなく、例えばブロッ
ク状や板状の固体を内壁面に不連続に配してなるもので
あってもよい。Ｓ系材料層１３の具体例な構成材料とし
ては、イオウ（Ｓ）、硫化シリコン（ＳｉＳ又はＳｉＳ
_２ ）、ポリチアジル〔（ＳＮ）_ｘ 〕等が挙げられる。
また、Ｓ系材料層１３の形成方法としては、適当な方法
にて成膜されたフィルム若しくはブロックから切り出さ
れた板状体を貼着するか、電子ビーム蒸着やＥＣＲスパ
ッタリングにより内壁面上に直接成膜する方法等があ
る。本実施例及び後述の各実施例では、電子ビーム蒸着
により成膜されたＳｉＳ_２ 層を使用した。

【００３６】さらに、Ｓ系材料層１３の内周側には、図
示されない駆動手段により矢印Ｄ方向に昇降可能とされ
た円筒形の昇降式シャッタ１４を配設した。ここで、図
１（ａ）は昇降式シャッタ１４によりＳ系材料層１３が
ほぼ完全にＥＣＲプラズマＰから遮蔽された状態を示し
（シャッタ開度０％）、図１（ｂ）は昇降式シャッタ１
４を下降させてＳ系材料層１３の全面が露出された状態
（シャッタ開度１００％）を示す。

【００３７】図２は、昇降式シャッタ１４の配設状態を
より明確に示すために、ベルジャー４の内部を一部破断
して示す斜視図である。ベルジャー４の側壁面、昇降式
シャッタ１４、ウェハ載置電極９は全て同心的に配置さ
れている。Ｓ系材料層１３とＥＣＲプラズマＰとの接触
面積は、昇降式シャッタ１４の矢印Ｄ方向の昇降距離を
変化させることにより任意に調節できる。

【００３８】昇降式シャッタ１４は、ラジカルを消費せ
ず、かつエッチング反応系内に不要な汚染を惹起させな
い材料を適宜選択して構成することができ、かかる材料
として例えばステンレス鋼、あるいはアルミナ等のセラ
ミクス系材料を使用することができる。本実施例及び後
述の各実施例では、ステンレス鋼からなる昇降式シャッ
タ１４を採用した。

【００３９】実施例２ 本実施例では、実施例１で示した昇降式シャッタ１４に
代えて回転式シャッタを備えた有磁場マイクロ波プラズ
マ・エッチング装置を構成した。

【００４０】本実施例の有磁場マイクロ波プラズマ・エ
ッチング装置の概略断面図を示すと図１と同様となる
が、ベルジャー４の内部を一部破断して示す斜視図は図
３のようになる。すなわち、本実施例の装置は、スリッ
ト状の開口部１５ａを有する円筒形の回転式シャッタ１
５を備えており、またＳ系材料層１３ａも上記開口部１
５ａの開口パターンに倣って帯状に形成されている。上
記回転式シャッタ１５は、図示されない駆動手段により
矢印Ｅ方向に回転可能となされている。

【００４１】ここで、回転式シャッタ１５とＳ系材料層
１３ａの位置関係について図４を参照しながら説明す
る。この図は、図３のＦ−Ｆ線断面図であり、（ａ）は
Ｓ系材料層１３ａが回転式シャッタ１５に遮蔽された状
態（シャッタ開度０％）、（ｂ）はＳ系材料層１３ａの
ほぼ全面が開口部１５ａを介して露出された状態（シャ
ッタ開度１００％）を示している。Ｓ系材料層１３ａと
ＥＣＲプラズマＰとの接触面積は、回転式シャッタ１５
の回転角を変化させることにより任意に調節できる。

【００４２】実施例３ 本実施例は、本発明に係るエッチング方法を素子分離を
目的としたシャロー・トレンチ（ｓｈａｌｌｏｗ ｔｒ
ｅｎｃｈ）加工に適用し、実施例１で上述したＲＦバイ
アス印加型の有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装
置にエッチング・ガスとしてＳＦ_６ を導入しながら単
結晶シリコン基板をエッチングした例である。このプロ
セスを、図５を参照しながら説明する。

【００４３】まず、一例として図５（ａ）に示されるよ
うに、単結晶シリコン基板２１上にパッド酸化膜２２及
び多結晶シリコン層２３が順次積層され、所定の形状に
パターニングされたレジスト・マスク２４が形成された
ウェハ８を用意した。ここで、多結晶シリコン層２３
は、後工程においてトレンチを埋め込むためのＳｉＯ_２
堆積膜をエッチバックする際のストッパ層として設けら
れるものであり、例えばＣＶＤにより層厚０．１μｍに
形成されている。ゲート電極用ではないので、不純物を
ドープしておく必要はない。上記パッド酸化膜２２は、
上記多結晶シリコン層２３のエッチバックの際のストッ
パ層として設けられるものであり、例えば単結晶シリコ
ン基板２１の熱酸化により層厚０．０１μｍに形成され
ている。さらに、レジスト・マスク２４は、例えばネガ
型３成分系の化学増幅系ネガ型フォトレジスト（シプレ
ー社製：商品名ＳＡＬ−６０１）を塗布し、ＫｒＦエキ
シマ・レーザ・リソグラフィ及びアルカリ現像処理を経
て形成されたものであり、開口径０．３５μｍ及び１μ
ｍの開口部２４ａを有している。

【００４４】次に、ウェハ８を実施例１で述べた有磁場
マイクロ波プラズマ・エッチング装置にセットし、図１
（ｂ）に示されるように、昇降式シャッタ１４を下降さ
せてＳ系材料層（ＳｉＳ_２ 層）１３の全面を露出させ
た。また、ウェハ載置電極９に内蔵された冷却配管１０
には、エタノール冷媒を循環させた。この状態で、一例
として下記の条件によりエッチングを行った。

【００４５】 このエッチング過程では、放電解離条件下でＳＦ_６ か
ら大量生成するＦ^＊ によるラジカル反応が、ＳＦ_ｘ ^＋
等のイオンにアシストされる機構で高速にエッチング
が進行する。ＳＦ_６ 自身は、プラズマ中に遊離のＳを
放出しない。一方、Ｓ系材料層１３からは、ＥＣＲプラ
ズマＰに曝されることによりＳが供給される。このＳ
は、低温冷却されたウェハ８の表面に吸着される。ここ
で、イオンの垂直入射面に吸着されたＳは対レジスト選
択性の向上に寄与し、イオンの垂直入射が原理的に生じ
ないパターン側壁部に吸着されたＳはそのまま堆積して
側壁保護膜２５を形成した。これらイオン・アシスト機
構、側壁保護効果等の寄与により、図５（ｂ）に示され
るように、異方性形状に優れるシャロー・トレンチ２１
ａが形成された。

【００４６】最後に、ウェハ８を約１５０℃に加熱した
ところ、側壁保護膜２５は容易に昇華し、図５（ｃ）に
示されるように、完全に除去された。したがって、パー
ティクル汚染が発生することはなかった。

【００４７】あるいは、上記側壁保護膜２５をレジスト
・マスク２４をアッシングする際に同時に燃焼除去して
もよい。

【００４８】ところで、一般にシャロー・トレンチ加工
では、被エッチング面積がウェハ面積の５０％以上にも
及び、ディープ・トレンチ加工の場合の５％以下と比べ
て１桁も大きい面積をエッチングしなければならない。
このように被エッチング面積が増大すると、ローディン
グ効果によりエッチング速度は必然的に低下し、場合に
よってはその低下率が５０％近くにも及んでしまう。そ
こで、実用的なプロセスを実現するためには、エッチン
グ速度を向上させることが不可欠となる。この点、本実
施例のように汎用で安価なＳＦ_６ をエッチング・ガス
として使用し、このＳＦ_６ から生成する大量のＦ^＊ を
利用できる系は好都合である。実際、本実施例における
エッチング速度は約０．７μｍ／分と極めて高いもので
あった。

【００４９】また、このように高速化が可能となれば、
異方性を損なわない範囲でエッチング条件を低バイアス
化することができるため、レジスト・マスク２４に対す
る選択比が向上するという利点も得られる。

【００５０】実施例４ 本実施例は、本発明方法を多結晶シリコン・ゲート電極
加工に適用し、多結晶シリコン層のエッチング工程とオ
ーバーエッチング工程との間で昇降式シャッタ１４を操
作することにより、Ｓ／Ｆ比を２段階に変化させた例で
ある。このプロセスを、図６を参照しながら説明する。

【００５１】まず、一例として図６（ａ）に示されるよ
うに、単結晶シリコン基板３１上に厚さ約０．０１μｍ
のゲート酸化膜３２を介してｎ^＋ 型不純物を含有する
厚さ約０．３μｍの多結晶シリコン層３３が形成され、
さらに所定の形状にパターニングされた厚さ約０．０２
μｍの酸化シリコン・マスク３４が形成されたウェハ８
を用意した。酸化シリコン・マスク３４は、レジスト・
マスクと異なり炭素を供給しないため、過剰なポリマー
形成による汚染を招かないこと、及びゲート酸化膜３２
に対する選択性を向上できること等の利点を有してい
る。

【００５２】次に、ウェハ８を実施例１で述べた有磁場
マイクロ波プラズマ・エッチング装置にセットし、一例
として下記の条件により多結晶シリコン層３３をほぼ層
厚分だけエッチング（ジャスト・エッチング）した。

【００５３】 この過程におけるエッチング機構は実施例３で上述した
とおりであり、図６（ｂ）に示されるように、Ｓの堆積
による側壁保護膜３５の形成を伴いながら、異方性形状
を有するゲート電極３３ａが形成された。

【００５４】次に、上述のエッチング条件のうち一例と
してシャッタ開度のみを１００％に増大させ、オーバー
エッチングを行った。

【００５５】このオーバーエッチング工程では、ウェハ
表面の少なくとも一部に下地のゲート酸化膜３２が露出
しているので、このゲート酸化膜３２がスパッタされる
ことにより放出されるＯ（酸素）が、形成された側壁保
護膜３５をＳＯ_ｘ の形で除去してしまうおそれがあ
る。また、相対的に過剰となったＦ^＊ も、ウェハ表面
でマイグレーションを起こし、側壁保護膜３５を除去す
る懸念がある。これらの要因により側壁保護効果が低下
することは、ゲート電極３３ａにアンダカットや逆テー
パ形状を発生させる原因となる。

【００５６】本実施例ではオーバーエッチング工程にお
いてシャッタ開度を増大させているので、Ｓ系材料層１
３からのＳの供給が促進され、これによりエッチング反
応系のＳ／Ｆ比を上昇させて側壁保護効果を増強するこ
とができる。したがって、オーバーエッチング後でもゲ
ート電極３３ａの良好な異方性形状を維持することがで
きた。

【００５７】最後に、ウェハ８を約１５０℃に加熱した
ところ、側壁保護膜３５は容易に昇華し、図６（ｃ）に
示されるように、完全に除去された。ゲート電極３３ａ
上に残った酸化シリコン・マスク３５は、そのまま層間
絶縁膜の一部として利用すればよい。

【００５８】実施例５ 本実施例は、本発明方法をポリサイド・ゲート電極加工
に適用し、タングステン・シリサイド（ＷＳｉ_ｘ ）層
のエッチング工程、多結晶シリコン層のジャスト・エッ
チング工程、及びオーバーエッチング工程の３工程間で
昇降式シャッタ１４を操作することにより、Ｓ／Ｆ比を
３段階に変化させた例である。このプロセスを、図７を
参照しながら説明する。

【００５９】まず、一例として図７（ａ）に示されるよ
うに、単結晶シリコン基板４１上に厚さ約０．０１μｍ
のゲート酸化膜４２を介して厚さ約０．２μｍのポリサ
イド膜４５が形成され、さらに所定の形状にパターニン
グされたレジスト・マスク４６が形成されたウェハ８を
用意した。

【００６０】ここで、上記ポリサイド膜４５は、ｎ^＋
型不純物を含有する厚さ約０．１μｍの多結晶シリコン
層４３と、厚さ約０．１μｍのＷＳｉ_ｘ 層４４とが順
次積層されてなるものである。また、上記レジスト・マ
スク４６は、例えばノボラック系ポジ型フォトレジスト
（東京応化工業社製：商品名ＴＳＭＲ−Ｖ３）を塗布
し、ｇ線リソグラフィ及びアルカリ現像処理を経て形成
されたものであり、０．５μｍのパターン幅を有するも
のである。

【００６１】次に、上述のウェハ８を実施例１で述べた
有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置にセット
し、一例として下記の条件により、まずＷＳｉ_ｘ 層４
４をエッチングした。

【００６２】 この過程では、ＳＦ_６ から解離生成するＦ^＊ によりＷ
Ｓｉ_ｘ 層４４がＷＦ_ｘ ，ＳｉＦ_ｘ 等の形で除去され
た。一方、Ｓ系材料層１３から供給されるＳがパターン
側壁部に堆積して側壁保護膜４７を形成するので、図７
（ｂ）に示されるように、垂直壁を有するＷＳｉ_ｘ パ
ターン４４ａが形成された。

【００６３】なお、ＷＳｉ_ｘ 層４４のエッチング終点
は、発光スペクトル観測において、ＳｉＦ_ｘ に由来す
る４４０ｎｍのピーク強度が増大し始める点をもって判
定した。

【００６４】次に、上述のエッチング条件のうち一例と
してシャッタ開度のみを８０％に増大させ、多結晶シリ
コン層４３をエッチングした。

【００６５】ここで、シャッタ開度をＷＳｉ_ｘ 層４４
のエッチング時よりも増大させているのは、多結晶シリ
コン層４３のエッチング反応生成物ＳｉＦ_ｘ の蒸気圧
が、ＷＳｉ_ｘ 層４４のエッチング反応生成物ＷＦ_ｘ の
蒸気圧よりも高いからである。つまり、ＷＳｉ_ｘ 層４
４のエッチング時と同じ条件で多結晶シリコン層４３を
エッチングしてしまうと、形成される多結晶シリコン・
パターン４３ａにアンダカットや逆テーパ形状等が発生
し易い。

【００６６】本実施例では多結晶シリコン層４３のエッ
チング時にシャッタ開度を増大させているので、Ｓ系材
料層１３からのＳの供給が促進され、これによりエッチ
ング反応系のＳ／Ｆ比を上昇させて側壁保護効果を増強
することができる。 この結果、図７（ｃ）に示される
ように、良好な異方性形状を有するポリサイド・ゲート
電極４５ａが形成された。

【００６７】さらに、シャッタ開度のみを１００％と
し、オーバーエッチングを行った。これにより、Ｓの供
給による側壁保護効果は一層促進され、ゲート電極４５
ａの異方性形状の劣化を防止することができた。

【００６８】最後に、ウェハ８をアッシング・チャンバ
に移送し、通常のＯ_２ プラズマ・アッシングを行った
ところ、図７（ｄ）に示されるように、レジスト・マス
ク４６と上記側壁保護膜４７とが同時に除去され、何ら
パーティクル汚染が発生することはなかった。

【００６９】以上、本発明を５つの実施例を挙げて説明
したが、本発明はこれらの各実施例に何ら限定されるも
のではない。

【００７０】例えば、図３に示した帯状のＳ系材料層１
３ａや開口部１５ａの配設位置，形状，数等は任意に設
定可能である。

【００７１】実施例３乃至実施例５では昇降式シャッタ
１４を備えた有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装
置を使用したプロセス例について述べたが、回転式シャ
ッタ１５を備えた装置を使用しても、各プロセスは同様
に実施できる。

【００７２】実施例３乃至実施例５では、エッチング・
ガスに含まれるハロゲン系化合物としてＳＦ_６ のみを
使用したが、他のＮＦ_３ ，ＣｌＦ_３ ，Ｆ_２ ，ＨＦ等
の化合物、あるいはこれらの混合物を使用しても構わな
い。さらにあるいは、これらの化合物に冷却効果，スパ
ッタリング効果，希釈効果等を期待する意味でＨｅ，Ａ
ｒ等の希ガスを添加してもよい。

【００７３】オーバーエッチングを行うプロセスでは、
オーバーエッチング時にＲＦバイアスのパワーを低下さ
せたり、ＲＦ周波数を増大させることにより、より優れ
た対下地選択性及び低ダメージ性を達成することも可能
である。

【００７４】ポリサイド膜の上層側を構成する高融点金
属シリサイド層は、上述のＷＳｉ_ｘ層のみならず、Ｍｏ
Ｓｉ_ｘ 層，ＴｉＳｉ_ｘ 層，ＴａＳｉ_ｘ 層等であって
もよいい。

【００７５】さらに、昇降式シャッタ１４若しくは回転
式シャッタ１５の表面に堆積したＳは、予めこれらシャ
ッタ部材に加熱機構を付与しておき、これを１回のエッ
チングが終了するごとに作動させて昇華除去するか、あ
るいは枚葉処理の合間にプラズマ・クリーニングを行う
こと等により除去することができる。これは、エッチン
グ反応系内の過剰なＳ／Ｘ比の上昇を防止する上で有効
である。

【００７６】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明に係るプラズマ装置では、処理チャンバの内壁面に設
けられたイオウ、硫化シリコン及びポリチアジルから選
ばれるいずれかのイオウ系材料層とプラズマとの接触面
積を昇降式、回転式等のシャッタ部材を用いて機械的に
変化させることにより、エッチング反応系のＳ／Ｘ比を
迅速かつ容易に変化させることができる。したがって、
接触面積をプロセスごとに最適化しておくことにより、
装置の融通性が大幅に向上する。また、プロセス途中に
おいてＳ／Ｘ比を変化させることも極めて容易であり、
スループットを低下させずに再現性の高いエッチングを
行うことができる。

【００７７】また、本発明のドライエッチング方法は、
イオウの堆積による側壁保護を利用してシリコン系材料
層の異方性エッチングを行うものであり、まず脱ＣＦＣ
対策として極めて意義の大きいものである。側壁保護を
併用することにより実用的な温度域における低温エッチ
ングが可能となり、また条件を低バイアス化できること
により高選択性も達成される。しかも、堆積したイオウ
は、エッチング終了後にはウェハを加熱すれば容易に除
去することができ、何らパーティクル汚染を惹起させる
ことがない。

【００７８】本発明は微細なデザイン・ルールに基づい
て設計され、高集積度及び高性能を有する半導体装置の
製造において極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したＲＦ印加型の有磁場マイクロ
波プラズマ・エッチング装置の一構成例を示す概略断面
図であり、（ａ）は昇降式シャッタのシャッタ開度が０
％の場合、（ｂ）はシャッタ開度が１００％の場合をそ
れぞれ表す。

【図２】図１に示される有磁場マイクロ波プラズマ・エ
ッチング装置の昇降式シャッタ及びその周辺部材を一部
破断して示す概略斜視図である。

【図３】本発明を適用したＲＦ印加型の有磁場マイクロ
波プラズマ・エッチング装置の他の構成例において、回
転式シャッタ及びその周辺部材を一部破断して示す概略
斜視図である。

【図４】図３のＦ−Ｆ線断面図であり、（ａ）は回転式
シャッタのシャッタ開度が０％の場合、（ｂ）はシャッ
タ開度が１００％の場合をそれぞれ示す。

【図５】本発明のドライエッチング方法をシャロー・ト
レンチ加工に適用したプロセス例をその工程順にしたが
って示す概略断面図であり、（ａ）はレジスト・マスク
が形成された状態、（ｂ）は側壁保護膜が形成されなが
ら単結晶シリコン基板にシャロー・トレンチが形成され
た状態、（ｃ）は側壁保護膜が除去された状態をそれぞ
れ示す。

【図６】本発明のドライエッチング方法を多結晶シリコ
ン・ゲート電極加工に適用したプロセス例をその工程順
にしたがって示す概略断面図であり、（ａ）は酸化シリ
コン・マスクが形成された状態、（ｂ）は側壁保護膜が
形成されながら多結晶シリコン層が異方性エッチングさ
れ、ゲート電極が形成された状態、（ｃ）は側壁保護膜
が除去された状態をそれぞれ示す。

【図７】本発明のドライエッチング方法をポリサイド・
ゲート電極加工に適用したプロセス例をその工程順にし
たがって示す概略断面図であり、（ａ）はレジスト・マ
スクが形成された状態、（ｂ）は側壁保護膜が形成され
ながらＷＳｉ_ｘ 層がエッチングされた状態、（ｃ）は
さらに多結晶シリコン層がエッチングされてゲート電極
が形成された状態、（ｄ）はレジスト・マスク及び側壁
保護膜が除去された状態をそれぞれ示す。

【符号の説明】

４ ベルジャー、 ６ 試料室、 ８ ウェハ、 ９
ウェハ載置電極、 １３，１３ａ Ｓ系材料層、 １４
昇降式シャッタ、 １５ 回転式シャッタ、１５ａ
開口部、 ２１，３１，４１ 単結晶シリコン基板、
２１ａ シャロー・トレンチ、 ２２ パッド酸化膜、
２３，３３，４３ 多結晶シリコン層、 ２４，４６
レジスト・マスク、 ２５，３５，４７ 側壁保護膜
（Ｓ）、 ３２，４２ ゲート酸化膜、 ３３ａ （多
結晶シリコン）ゲート電極、３４ 酸化シリコン・マス
ク、 ４４ ＷＳｉ_ｘ 層、 ４５ ポリサイド膜、４
５ａ （ポリサイド）ゲート電極、 Ｐ ＥＣＲプラズ
マ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 処理チャンバの内部に生成させたプラズ
   マを利用し、基板に対して所定の処理を施すプラズマ装
   置において、 前記処理チャンバの内壁面の少なくとも一部を被覆する
   イオウ、硫化シリコン及びポリアジルから選ばれるいず
   れかのイオウ系材料層と、 前記イオウ系材料層と前記プラズマとの接触面積を可変
   となし得るシャッタ部材とを備えてなることを特徴とす
   るプラズマ装置。
2. 【請求項２】 処理チャンバの内部に生成させたプラズ
   マを利用し、シリコン系基板層に対して所定のドライエ
   ッチングを施すドライエッチング方法において、 前記処理チャンバの内壁面の少なくとも一部をイオウ、
   硫化シリコン及びポリアジルから選ばれるいずれかのイ
   オウ系材料層で被覆するとともに、前記イオウ系材料層
   と前記プラズマとの接触面積をシャッタ部材により可変
   となし、前記シャッタ部材の開度を相対的に低めたジャストエッ
   チング工程と、 前記シャッタ部材の開度を相対的に高めたオーバーエッ
   チング工程とをこの順に施す ことを特徴とするドライエ
   ッチング方法。