JP3998003B2 - プラズマエッチング法 - Google Patents

Description

本発明はプラズマエッチング法に関する。

近年のＵＬＳＩデバイスの開発においては、高速・低消費電力の実現を念頭においた検討が進められている。特に昨今のＵＬＳＩデバイスにおいて、高速・低消費電力の実現のため、絶縁層を低誘電率材料から構成し、銅（Ｃｕ）から成る多層配線を形成することが主流になりつつある。また、積層構造を有する被エッチング物を同一プラズマエッチング装置内で連続して加工する要求が、近年、増加している。そして、エッチングプラズマの変動による影響を受け易い材料である低誘電率材料等の採用、微細化に伴う加工精度に対する要求の厳密化、更には、積層構造を有する被エッチング物の多様化に伴うプラズマエッチング工程の複雑化が、大きな問題となってきている。

例えば、Ｃ₄Ｆ₈をエッチング用ガスとして使用し、ＳｉＯ₂、ＳｉＯＨ、ＳｉＯＣＨをプラズマエッチングしたときのエッチング速度の一例を、図５に示す。尚、図５の横軸はＣ₄Ｆ₈の流量であり、縦軸はエッチング速度である。図５からも明らかなように、ＳｉＯ₂のプラズマエッチングと比較して、ＳｉＯＣＨをプラズマエッチングしたとき、エッチング用ガスの流量変動により、ＳｉＯＣＨのエッチング速度は劇的に変動することが判る。言い換えれば、被エッチング物を構成する材料にも依るが、被エッチング物のプラズマエッチングを良好に行うことのできるプラズマエッチング条件は極めて狭く、所望のプラズマエッチング条件（プラズマ特性）から少しでも逸脱すると、線幅の異常、エッチング異常停止、残渣の発生等の許容し難いトラブルが発生する可能性が大である。

プラズマの安定性は、プラズマエッチング装置のプラズマを取り囲む部分（便宜上、エッチング装置のプラズマ包囲部分と呼ぶ）との反応が安定することで得られる。しかしながら、プラズマエッチング時、被エッチング物を構成する材料に依存して、図６に実線で模式的に図示するように、エッチング装置のプラズマ包囲部分に生成物の堆積が生じる場合があるし（図６の５層構造のプラズマエッチングにおける第２層目及び第４層目を参照）、あるいは又、エッチング装置のプラズマ包囲部分に生成物の堆積が生ぜず、エッチング装置のプラズマ包囲部分に堆積した生成物が除去される場合もある（図６の５層構造のプラズマエッチングにおける第３層目及び第５層目を参照）。

このような積層構造をプラズマエッチングするとき、図６に示すように、今回のプラズマエッチングにおけるエッチング装置のプラズマ包囲部分の生成物堆積初期状態と、次回のプラズマエッチングにおけるエッチング装置のプラズマ包囲部分の生成物堆積初期状態とが、屡々、相違する。その結果、所望のプラズマエッチング条件（プラズマ特性）からの逸脱が発生してしまう場合がある。また、積層構造を有する被エッチング物を同一プラズマエッチング装置内で連続してプラズマエッチングする場合、図６の実線と点線で示すように、各プラズマエッチング工程において、エッチング装置のプラズマ包囲部分の生成物堆積状態が相違する場合もあり、これによっても、或る層のプラズマエッチング工程におけるエッチング装置のプラズマ包囲部分上の堆積物が次の層のプラズマエッチング工程に影響を与え、プラズマエッチング条件の変動要因となってしまう。

平行平板型プラズマエッチング装置における上部電極の堆積物を除去するための手段を備えた平行平板型プラズマエッチング装置が、例えば、特開平８−２８８２６７から周知である。この特許公開公報に開示されたプラズマエッチング装置においては、上部電極に適切なＲＦ電力を与えることで、上部電極におけるポリマーの正味の堆積が無く、且つ、上部電極がエッチングされることを抑制することができるとされている（特開平８−２８８２６７の段落番号［００２２］参照）。そして、上段電極表面をクリーン、且つ、ポリマー堆積の無い状態に常に維持することによって、エッチングチャンバ内に安定、且つ、再現性の良いプラズマが発生し、維持されるとされている（特開平８−２８８２６７の段落番号［００２６］参照）。

特開平８−２８８２６７

しかしながら、特開平８−２８８２６７においては、使用するエッチング用ガスの組成と、上部電極に与えるべき適切なＲＦ電力との関係については、何ら言及されていない。即ち、被エッチング物を変えたとき、使用するエッチング用ガスも変える必要がある。そして、このように使用するエッチング用ガスの変更に応じて、エッチング装置のプラズマ包囲部分への生成物の堆積が無く、且つ、エッチング装置のプラズマ包囲部分がエッチングされることが無いように、エッチング装置のプラズマ包囲部分の電位の制御を如何にして行うかに関しては、何ら言及されていない。

従って、本発明の目的は、プラズマエッチング装置を使用し、エッチング用ガスとしてフルオロカーボン系ガスを用いて絶縁層をプラズマエッチングする方法であって、プラズマエッチング装置のプラズマを取り囲む部分に生成物の堆積が生ぜず、安定したプラズマエッチングの実行を可能とするプラズマエッチング方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の第１の態様に係るプラズマエッチング法は、プラズマエッチング装置を使用し、エッチング用ガスとしてフルオロカーボン系ガスを用いて絶縁層をプラズマエッチングする方法であって、
プラズマエッチング装置のプラズマを取り囲む部分に生成物の堆積が生じないように、フルオロカーボン系ガスを構成する炭素原子の総量をＣ₀、フッ素原子の総量をＦ₀としたとき、Ｆ₀／Ｃ₀の値に応じて、プラズマエッチング装置の前記部分の最表面に生じるシース電位Ｖ_Sを制御することを特徴とする。

本発明の第１の態様に係るプラズマエッチング法においては、エッチング用ガス中には酸素ガスが含まれ、エッチング用ガス中における酸素原子の総量をＯ₀としたとき、Ｃ₀＞Ｏ₀を満たすことが好ましい。尚、酸素ガスのプラズマ中における解離度はフルオロカーボン系ガスのプラズマ中における解離度と等しいとしている。また、このような態様を含む本発明の第１の態様に係るプラズマエッチング法においては、エッチング用ガス中には窒素ガスが含まれ、エッチング用ガス中における窒素原子の総量をＮ₀、プラズマ中における窒素原子の解離度をαとしたとき、Ｃ₀＞α・Ｎ₀を満たすことが好ましい。尚、通常、αの値は２０前後であるが故に、Ｃ₀＞α・Ｎ₀を満たす代わりに、Ｃ₀＞２０・Ｎ₀を満たすとしてもよい。エッチング用ガス中には、更には、例えば、アルゴンガスが含まれていてもよい。

上記の目的を達成するための本発明の第２の態様に係るプラズマエッチング法は、プラズマエッチング装置を使用し、少なくとも絶縁層を１層有するＭ層構造（但し、Ｍ≧２）における各層を、エッチング用ガスとしてフルオロカーボン系ガスを用いてプラズマエッチングする方法であって、
プラズマエッチング装置のプラズマを取り囲む部分に生成物の堆積が生じないように、第ｍ層（但し、ｍ＝１，２・・・Ｍ）のプラズマエッチングにおいて用いるフルオロカーボン系ガスを構成する炭素原子の総量をＣ_m-0、フッ素原子の総量をＦ_m-0としたとき、Ｆ_m-0／Ｃ_m-0の値に応じて、第ｍ層のプラズマエッチングにおいてプラズマエッチング装置の前記部分の最表面に生じるシース電位Ｖ_m-Sを制御することを特徴とする。

本発明の第２の態様に係るプラズマエッチング法においては、少なくとも絶縁層をプラズマエッチングするために用いるエッチング用ガス中には酸素ガスが含まれ、エッチング用ガス中における酸素原子の総量をＯ₀としたとき、Ｃ₀＞Ｏ₀を満たすことが好ましい。尚、酸素ガスのプラズマ中における解離度はフルオロカーボン系ガスのプラズマ中における解離度と等しいとしている。また、このような態様を含む本発明の第２の態様に係るプラズマエッチング法においては、少なくとも絶縁層をプラズマエッチングするために用いるエッチング用ガス中には窒素ガスが含まれ、エッチング用ガス中における窒素原子の総量をＮ₀、プラズマ中における窒素原子の解離度をαとしたとき、Ｃ₀＞α・Ｎ₀を満たすことが好ましい。尚、通常、αの値は２０前後であるが故に、Ｃ₀＞α・Ｎ₀を満たす代わりに、Ｃ₀＞２０・Ｎ₀を満たすとしてもよい。エッチング用ガス中には、更には、例えば、アルゴンガスが含まれていてもよい。

本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係るプラズマエッチング法においては、プラズマエッチング装置の前記部分（プラズマエッチング装置のプラズマを取り囲む部分であり、以下の説明においては、便宜上、エッチング装置のプラズマ包囲部分と呼ぶ場合がある）の最表面に生じるシース電位Ｖ_S，Ｖ_m-Sを制御するが、このシース電位Ｖ_S，Ｖ_m-Sは、イオンの加速電圧であり、更には、エッチング装置のプラズマ包囲部分の表面に接して生じるシースに加わる電界である。シースは、エッチング装置のプラズマ包囲部分の表面に薄くイオンが溜まって電子の過剰な流入を抑制する（自然発生的に生成する）部分であり、プラズマ電位とエッチング装置のプラズマ包囲部分の電位との差が、この電界の大きさになる。

また、本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係るプラズマエッチング法においては、エッチング装置のプラズマ包囲部分に生成物の堆積が生じないようにシース電位Ｖ_S，Ｖ_m-Sを制御するが、ここで、「生成物の堆積が生じない」とは、絶縁層あるいは第ｍ層をプラズマエッチングする際、エッチング装置のプラズマ包囲部分に存在する生成物は定常状態にあり、プラズマエッチングの進行によっても、エッチング装置のプラズマ包囲部分における生成物の厚さに実質的な変化が生じないことを意味する。一般に、エッチング装置のプラズマ包囲部分に存在する定常状態の生成物の厚さは、約２ｎｍ乃至約５ｎｍである。

上述した好ましい形態を含む本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係るプラズマエッチング法（以下、これらを総称して、単に、本発明のプラズマエッチング法と呼ぶ場合がある）においては、プラズマエッチング装置の前記部分（エッチング装置のプラズマ包囲部分）の最表面に生じるシース電位Ｖ_S，Ｖ_m-Sを、プラズマエッチング装置の前記部分（エッチング装置のプラズマ包囲部分）に生成物の堆積が生じないような電位よりも高い値に制御し、且つ、プラズマエッチング装置の前記部分（エッチング装置のプラズマ包囲部分）を構成する材料が実質的にエッチングされる電位よりも低い値に制御することが望ましい。ここで、エッチング装置のプラズマ包囲部分に生成物の堆積が生じないとは、上述したように、エッチング装置のプラズマ包囲部分に存在した定常状態の生成物の厚さが、プラズマエッチングの進行によっても、実質的に変化しないことを意味する。

以上に説明した各種の好ましい形態を含む本発明のプラズマエッチング法において、絶縁層を構成する材料には、ケイ素原子が含まれる構成とすることが好ましく、このような絶縁層を構成する材料として、具体的には、比誘電率ｋ（＝ε／ε₀）が例えば３．５以下である材料（例えば、ＳｉＯＣＨ、ＳｉＯＨ、ＳｉＯＦ、気泡を含有する酸化シリコン系のキセロゲルやナノポーラスシリカ等）や、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ、ＳｉＣＮを例示することができる。

本発明の第２の態様に係るプラズマエッチング法においては、少なくとも絶縁層を１層有するＭ層構造（但し、Ｍ≧２）における各層をプラズマエッチングするが、Ｍ層構造は、全ての層が絶縁層から構成されていてもよいし、絶縁層とマスク材料層の組合せ、絶縁層とレジスト材料層の組合せ、絶縁層とマスク材料層とレジスト材料層の組合せとすることもできる。尚、マスク材料層を構成する材料として、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＣＨ、及び、これらを積層した構造、更には、レジスト等の有機系ポリマーを積層した多層レジスト構造等を例示することができる。

本発明のプラズマエッチング法において、使用に適したプラズマエッチング装置として、平行平板型プラズマエッチング装置、有磁場マイクロ波プラズマエッチング装置、ヘリコン波プラズマエッチング装置、誘導結合プラズマエッチング装置、ＵＨＶ・ＶＨＦプラズマエッチング装置を例示することができる。

本発明のプラズマエッチング法において、エッチング装置のプラズマ包囲部分とは、具体的には、プラズマエッチング装置として平行平板型プラズマエッチング装置を想定した場合、上部電極、プラズマエッチング装置の側壁、下部電極の内、半導体基板（ウエハ）で覆われていない頂面周辺部、下部電極の側面、電極を囲むパーツとしてのフォーカス・リング、プラズマの拡散を抑制するパーツとしてコンファイメント・リングを例示することができる。また、プラズマエッチング装置として誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング装置や有磁場マイクロ波エッチング装置を想定した場合、誘電体から作製されたＲＦ供給窓を例示することができる。エッチング装置のプラズマ包囲部分は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、石英、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）から構成することができる。

エッチング装置のプラズマ包囲部分を構成する材料をシリコン（Ｓｉ）、アルミナ、石英、イットリアとした場合、エッチング装置のプラズマ包囲部分がエッチングされる電位は、概ね以下の表１のとおりである。

［表１］
エッチングされる電位（Ｖ） 実質的にエッチングされる電位（Ｖ）
シリコン ５０ ４５０
アルミナ １００ ５００
石英 １００ ５００
イットリア １５０ ５５０

ところで、先に説明したように、絶縁層あるいは第ｍ層をプラズマエッチングする際、エッチング装置のプラズマ包囲部分に存在する生成物は定常状態にあり、この定常状態の生成物の厚さは約２ｎｍ乃至約５ｎｍである。そして、この定常状態の生成物は、イオンエネルギーを減速する。一般に、イオンのエネルギーは、生成物の厚さ１ｎｍ当たり、２００ボルト程度の減速を受ける。従って、この定常状態の生成物の厚さを２ｎｍと仮定した場合、エッチング装置のプラズマ包囲部分が「実質的にエッチングされる」電位は、表１に示した「エッチングされる電位」に４００ボルトを加えた値となる。表１には、これらの値を「実質的にエッチングされる電位」として表示した。

本発明のプラズマエッチング法において、フルオロカーボン系ガスとして、ＣＦ₄、ＣＨ₂Ｆ₂、Ｃ₄Ｆ₈、Ｃ₅Ｆ₈、Ｃ₄Ｆ₆、Ｃ₂Ｆ₄、Ｃ₃Ｆ₆、ＣＨＦ₃、ＣＨ₃Ｆを例示することができる。尚、プラズマエッチングすべき層を構成する材料に依存して、これらのフルオロカーボン系ガスの内の１種類を用いる場合もあるし、２種類以上を混合して用いる場合もある。

１種類のフルオロカーボン系ガスを用いる場合、Ｆ₀／Ｃ₀の値、あるいは、Ｆ_m-0／Ｃ_m-0の値は、使用するフルオロカーボン系ガスの化学式における（フッ素原子数）／（炭素原子数）となる。一方、２種類以上（「Ｊ」種類とする）のフルオロカーボン系ガスを混合して用いる場合、Ｆ₀／Ｃ₀の値、あるいは、Ｆ_m-0／Ｃ_m-0の値は、使用するそれぞれのフルオロカーボン系ガスの流量割合をＦＬ_j（ここで、ｊ＝１，２・・・Ｊであり、流量割合ＦＬ_jの総合計は１である）、使用するそれぞれのフルオロカーボン系ガスの化学式における炭素原子数をＣ_jとし、使用するそれぞれのフルオロカーボン系ガスの化学式におけるフッ素原子数をＦ_jとしたとき、以下の式（１）のとおりとなる。尚、式（１）中、記号「Σ」は、ｊ＝１からｊ＝Ｊまでの和を意味する。ここで、厳密には、各フルオロカーボン系ガスのプラズマ中における解離度を考慮に入れるべきであるが、式（１）では、「Ｊ」種類のフルオロカーボン系ガスのプラズマ中における解離度を等しいとしている。

Ｆ₀／Ｃ₀、あるいは、Ｆ_m-0／Ｃ_m-0
＝（ΣＦＬ_j・Ｆ_j）／（ΣＦＬ_j・Ｃ_j） （１）

本発明のプラズマエッチング法においては、フルオロカーボン系ガスにおけるＦ₀／Ｃ₀あるいはＦ_m-0／Ｃ_m-0の値に応じて、エッチング装置のプラズマ包囲部分の最表面に生じるシース電位Ｖ_S，Ｖ_m-Sを制御するが、Ｆ₀／Ｃ₀あるいはＦ_m-0／Ｃ_m-0の値を「Ｆｃ」と表現し、エッチング装置のプラズマ包囲部分の最表面に生じるシース電位をＶ_S（Ｖ_m-Sを包含する）としたとき、式（２）を満足することが好ましい。

−１５５Ｆｃ＋６００≦Ｖ_S≦−１５５Ｆｃ＋７００ （２）

本発明にあっては、エッチング装置のプラズマ包囲部分に堆積する生成物として、プラズマから離脱したＣＦ_XやＣＦ_XＨ_Yを挙げることができる。また、エッチング装置のプラズマ包囲部分に係る生成物が堆積したとした場合、係る生成物は、例えば、ＣＯ、ＣＮ、ＣＦ_X、ＨＣＮの形態でエッチング装置のプラズマ包囲部分から離脱し、あるいは、除去される。

本発明にあっては、プラズマエッチング装置には、エッチング装置のプラズマ包囲部分の最表面に生じるシース電位Ｖ_S，Ｖ_m-Sを実測若しくは計算する機構が備えられていることが好ましい。また、エッチング装置のプラズマ包囲部分の内、シース電位を制御することができない部分の占める割合は、エッチング装置のプラズマ包囲部分の５０％以下であることが望ましい。エッチング装置のプラズマ包囲部分の最表面に生じるシース電位Ｖ_Sを実測若しくは計算する機構の具体例として、例えば、高電圧プローブにてプラズマの電位を計測する方法、接地電位を基準としてイオンのエネルギー分布を質量分析計により計測する手法、これらの方法によるシース電位とプラズマ電位制御手法（ＲＦバイアスの印加電圧やプラズマ電位制御電圧）との相関を求めておき、そのデータベースから推測する方法を挙げることができる。

本発明のプラズマエッチング法においては、フルオロカーボン系ガスにおけるＦ₀／Ｃ₀あるいはＦ_m-0／Ｃ_m-0の値に応じて、エッチング装置のプラズマ包囲部分の最表面に生じるシース電位Ｖ_S，Ｖ_m-Sを制御するが故に、エッチング装置のプラズマ包囲部分へ生成物が堆積することを確実に抑制することができる。その結果、たとえ、被エッチング物が変わり、使用するエッチング用ガスを変えたときであっても、エッチング装置のプラズマ包囲部分への生成物の堆積が無いが故に、安定したプラズマエッチングの実行が可能となる。特に、エッチングプラズマの変動による影響を受け易い低誘電率材料を絶縁層として用いる場合においても、安定したプラズマエッチングの実行が可能となる。また、積層構造のプラズマエッチング開始時、エッチング装置のプラズマ包囲部分の状態に変化が生じることがないし、積層構造を連続してプラズマエッチングするとき、或る層のプラズマエッチング工程におけるエッチング装置のプラズマ包囲部分の状態が次の層のプラズマエッチング工程に影響を与えることもなく、プラズマエッチング条件の変動が生じ難い。従って、積層構造を同一プラズマエッチング装置内で、安定して、連続的にプラズマエッチングすることが可能となる。そして、微細化に伴う加工精度に対する要求の厳密化、更には、積層構造の多様化に、容易に対処することが可能となるし、線幅の異常、エッチング異常停止、残渣の発生等の許容し難いトラブルが発生することを確実に回避することができる。

以上のとおり、微細、且つ、変動に敏感な積層膜のプラズマエッチング加工を精度良く行うことが可能となり、信頼性の高い配線技術を実現することが可能となる。また、複数のプラズマエッチング工程を１つのプラズマエッチング装置で連続して実行することが可能となるため、量産工場におけるプラズマエッチング装置の台数の削減、あるいは、製品製造歩留りの向上を図ることができ、低コストのプラズマエッチングプロセスを同時に達成することができる。

以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。

実施例１は、本発明の第１の態様に係るプラズマエッチング法に関する。実施例１においては、図１に模式図を示すような平行平板型プラズマエッチング装置（以下、エッチング装置１０と略称する）を使用する。エッチング装置１０においては、その内部上部に、上部電極２０が配設されており、その内部下部には、上部電極２０と平行して対向した下部電極４０が配設されている。そして、上部電極２０及び下部電極４０に印加される高周波電力によって誘起される電界によりプラズマが生成され、エッチング装置１０の内部に導入されたエッチング用ガスを解離若しくはイオン化して、これら粒子が基板上に輸送され、反応することで、絶縁層等のプラズマエッチングを行う。

上部電極２０は、円板状導電部材２１、環状の誘電体部材２２、誘電体リング部材２３から構成されており、上部部材１１によって保持されている。また、誘電体リング部材２３の内面（プラズマに接する側の面）は、シリコン製のプレート２５によって覆われている。エッチング用ガスは、ガス供給部１２から所定の流量と混合比をもって、誘電体リング部材２３の内部２４に供給され、誘電体リング部材２３及びプレート２５に設けられた貫通孔２６を介して、エッチング装置１０の内部に導入される。

上部電極２０へ入射するイオンのエネルギー（エッチング装置のプラズマ包囲部分の最表面に生じるシース電位Ｖ_S，Ｖ_m-Sに等しい）を制御するための、例えば４００ＫＨｚのバイアス電力を供給する入射イオンエネルギー制御電源３１が、トランスフォーマ３２を介して誘電体リング部材２３に接続されている。更には、プラズマ生成のためのソース電源３３が、マッチング回路・フィルタ系３４を介して誘電体リング部材２３に接続されている。

下部電極４０には、プラズマエッチングすべき層に入射するイオンのエネルギー（以下、便宜上、基板入射イオンエネルギーと呼ぶ）を制御するための、例えば１３．５６ＭＨｚのバイアス電力を供給するバイアス電源５２がマッチング回路・フィルタ系５１を介して接続されている。尚、下部電極４０には静電チャック機構が備えられているが、係る静電チャック機構の図示は省略した。また、下部電極４０には、被エッチング物６０の温度制御を行う温度制御手段も備えられているが、係る温度制御手段の図示も省略した。下部電極４０の外周部には、下部電極リング４１が設けられている。下部電極リング４１は、例えば、シリコンや石英から作製されており、アルミナなどの絶縁材料（図示せず）によって、下部電極４０と絶縁されている。

エッチング装置１０の側壁１３は、重金属を含まず熱伝導性の良い、例えばアルミニウム等の非磁性金属材料から作製され、その表面には耐プラズマ性のアルマイト処理等の表面処理が施されており、アルミナで被覆されている。

エッチング装置１０の側壁１３にも、入射イオンエネルギー制御電源３１が、トランスフォーマ３２を介して接続されている。尚、下部電極リング４１にも、入射イオンエネルギー制御電源３１が、トランスフォーマを介して接続されている構成とすることもできる。

エッチング装置１０の内部は、排気部１５を介して真空ポンプ（図示せず）に接続されている。また、プラズマエッチング装置１０の下部部材１４は接地されている。

このようなプラズマエッチング装置１０を用いて、シリコン半導体基板上に、ＳｉＯ₂から成る絶縁層を形成し、プラズマエッチングのエッチング種として、Ｆ⁺、ＣＦ⁺、ＣＦ₂ ⁺、ＣＦ₃ ⁺をそれぞれ用いたときの、イオンエネルギー（単位：ｅＶ）とＳｉＯ₂のエッチング速度（１つのイオンの衝突によってエッチングされるＳｉ原子の割合）を、図２に示す。ここで、ＳｉＯ₂のエッチング速度が０あるいはその近傍となるときのイオンエネルギーを各エッチング種に与えれば、言い換えれば、エッチング装置のプラズマ包囲部分の最表面に生じるシース電位（イオンの加速電圧）Ｖ_S，Ｖ_m-SをＳｉＯ₂のエッチング速度が０あるいはその近傍となるときのシース電位とすれば、エッチング装置のプラズマ包囲部分に生成物の堆積が生ぜず、しかも、エッチング装置のプラズマ包囲部分を構成する材料が実質的にエッチング（スパッタリング）されることを防止することができる。ここで、Ｆ₀／Ｃ₀の値が小さく、堆積性の強いフルオロカーボン系ガスにあっては、比較的高いイオンエネルギーを与えることで（言い換えれば、エッチング装置のプラズマ包囲部分の最表面に生じるシース電位を高くすることで）、エッチング装置のプラズマ包囲部分における生成物の堆積を抑制することができる。また、ＳｉＯ₂のエッチング速度が０あるいはその近傍となるときのイオンエネルギーは、Ｆ₀／Ｃ₀の値（単位時間に単位面積当たりにプラズマから被エッチング物に持ち込まれるＦとＣの比率に相当する）に応じて変化し、Ｆ₀／Ｃ₀の値が大きくなる程、低いイオンエネルギーで（言い換えれば、エッチング装置のプラズマ包囲部分の最表面に生じるシース電位を低くしても）、エッチング装置のプラズマ包囲部分における生成物の堆積を抑制することができる。

Ｆ₀／Ｃ₀の値を「Ｆｃ」と表現し、エッチング装置のプラズマ包囲部分の最表面に生じるシース電位をＶ_S（Ｖ_m-Sを包含する）としたとき、図２に示した結果［具体的には、（Ｆｃ，Ｖ_S）＝（１，５００），（２，３５０），（３，１５０），（４，５０）］から、以下の式（３）を求めることができた。尚、式（３）及び信頼係数０．９５における信頼限界を含むグラフを、図３に示す。ここで、式（３）よりも上方の領域は、エッチング装置のプラズマ包囲部分が実質的にエッチング（スパッタリング）され得る領域であり、式（３）よりも下方の領域は、エッチング装置のプラズマ包囲部分に生成物が堆積し得る領域である。即ち、エッチング装置のプラズマ包囲部分に存在する定常状態の生成物の厚さが、プラズマエッチングの進行によって増加してしまう領域である。

Ｖ_S＝−１５５Ｆｃ＋６５０ （３）

このように、使用するフルオロカーボン系ガスにおけるＦ₀／Ｃ₀の値に応じて、エッチング装置のプラズマ包囲部分への生成物の堆積を抑制するために必要な最低限のエネルギー（エッチング装置のプラズマ包囲部分の最表面に生じるシース電位）は変化する。ＳｉＯ₂のエッチング速度が０あるいはその近傍となるときのイオンエネルギーよりも高いイオンエネルギーをイオンに与えれば、エッチング装置のプラズマ包囲部分に生成物が堆積せず、プラズマの安定性は確保される。しかしながら、過剰なイオンエネルギーは、エッチング装置のプラズマ包囲部分の実質的なエッチング（スパッタリング）を引き起こし、パーティクルの発生やエッチング装置のプラズマ包囲部分の消耗の加速等、製品製造歩留り、製品製造コストに悪影響を与える。従って、最適なイオンエネルギー（エッチング装置のプラズマ包囲部分の最表面に生じるシース電位）を選択することは極めて重要である。即ち、Ｆｃの値に対して最適なシース電位を設定することが望まれ、エッチング装置のプラズマ包囲部分への生成物の堆積を抑制しつつ、エッチング装置のプラズマ包囲部分の消耗を最小限とするために、式（３）で決まるＶ_S（あるいはＶ_m-S）の値±５０ボルトの範囲内に設定することが好ましい。

以上の知見を元に、ＳｉＯ₂から成る絶縁層のプラズマエッチングを行った。

即ち、図１に示したプラズマエッチング装置１０の内部に、ＳｉＯ₂から成る絶縁層が表面に形成されたシリコン半導体基板を搬入する。尚、絶縁層の上にはリソグラフィ技術に基づきパターニングされたレジスト層が形成されている。また、ＳｉＯ₂から成る絶縁層とシリコン半導体基板との間にはＳｉＮ層が形成されている。

そして、エッチング装置のプラズマ包囲部分に生成物の堆積が生じないように、エッチング用ガスとしてフルオロカーボン系ガスを用いて絶縁層であるＳｉＯ₂層をプラズマエッチングし、コンタクトホールを形成するための開口部を形成する。即ち、フルオロカーボン系ガスを構成する炭素原子の総量をＣ₀、フッ素原子の総量をＦ₀としたとき、Ｆ₀／Ｃ₀の値（Ｆｃ）に応じて、エッチング装置のプラズマ包囲部分の最表面に生じるシース電位Ｖ_Sを制御する。

具体的には、フルオロカーボン系ガスとしてＣ₅Ｆ₈を用い、エッチング用ガスとして以下の表２に示すエッチング用ガスを使用した。また、入射イオンエネルギー制御電源３１の制御に基づき、上部電極２０へ入射するイオンのエネルギー（エッチング装置のプラズマ包囲部分の最表面に生じるシース電位Ｖ_S）を以下の表２に示す値に制御し、更には、バイアス電源５２の制御に基づき、プラズマエッチングすべき層（この例ではＳｉＯ₂層）に入射するイオンのエネルギー（基板入射イオンエネルギー）を以下の表２に示す値に制御した。エッチング装置１０の内部のプラズマ密度の測定結果も、以下の表２に示す。

［表２］
エッチング用ガス ：Ｃ₅Ｆ₈／Ａｒ／Ｏ₂＝１０／６００／１０sccm
Ｆ₀／Ｃ₀（Ｆｃ） ：１．６
圧力 ：２．７Torr
プラズマ密度 ：２×１０¹¹ｃｍ^-3
シース電位Ｖ_S ：４００ボルト
基板入射イオンエネルギー：１５００ボルト

ここで、Ｆ₀／Ｃ₀の値（Ｆｃ）は１．６である。また、エッチング用ガス中には酸素ガスが含まれており、エッチング用ガス中における酸素原子の総量をＯ₀としたとき、Ｃ₀＞Ｏ₀を満たしている。更には、エッチング装置のプラズマ包囲部分の最表面に生じるシース電位Ｖ_Sは、エッチング装置のプラズマ包囲部分に生成物の堆積が生じないような電位（３９０ボルト前後）よりも高い値である４００ボルトに制御され、しかも、エッチング装置のプラズマ包囲部分を構成する材料であるシリコンやアルミナが実質的にエッチングされる電位（それぞれ、４５０ボルト及び５００ボルト）よりも低い値に制御している。

ＳｉＯ₂から成る絶縁層のプラズマエッチング完了後、その下に形成されたＳｉＮ層のプラズマエッチングを、以下の表３に示すプラズマエッチング条件にて行った。

［表３］
エッチング用ガス ：ＣＦ₄／ＣＨ₂Ｆ₂／Ａｒ／Ｏ₂＝５／５／６００／２０sccm
圧力 ：２．７Torr
プラズマ密度 ：１×１０¹¹ｃｍ^-3
シース電位Ｖ_S ：１００ボルト
基板入射イオンエネルギー：５００ボルト

尚、実施例１におけるＳｉＮのプラズマエッチングにおいては、エッチング用ガス中における酸素原子の総量をＯ₀としたとき、Ｃ₀＞Ｏ₀を満たしていない。即ち、エッチング装置のプラズマ包囲部分へ入射する炭素原子の大部分は酸素原子との反応によって、イオンエネルギーに拘わらず（即ち、エッチング装置のプラズマ包囲部分の最表面に生じるシース電位Ｖ_Sの値に拘わらず）、除去される。従って、エッチング装置のプラズマ包囲部分に生成物の堆積は生じない。それ故、エッチング装置のプラズマ包囲部分を構成する材料であるシリコンやアルミナが実質的にエッチングされることを確実に防止するといった観点から、表３に示すように、シース電位Ｖ_Sの値を低く設定した。

表２に示した条件にてＳｉＯ₂から成る絶縁層のプラズマエッチングを実行し、プラズマエッチングの開始時間から所定の時間経過後のエッチング装置のプラズマ包囲部分の生成物堆積厚さを測定した結果、及び、エッチング速度の経時変化を、図４に実線で示す。比較のために、シース電位Ｖ_Sを０ボルトとした以外は、実施例１と全く同様にして、ＳｉＯ₂から成る絶縁層のプラズマエッチングを実行し、プラズマエッチングの開始時間から所定の時間経過後のエッチング装置のプラズマ包囲部分の生成物堆積厚さを測定した結果、及び、エッチング速度の経時変化を、図４に点線で示す。図４からも、実施例１に基づき絶縁層をプラズマエッチングすることで、エッチング装置のプラズマ包囲部分に生成物が堆積せず、絶縁層のエッチング速度も安定していることが判る。言い換えれば、エッチング装置のプラズマ包囲部分に生成物が堆積した場合、エッチング時間に応じてエッチング速度が低下するといった現象が生じ、この低下の度合いは、生成物の堆積状態等の変動によってばらつく。

以上のとおり、実施例１においては、上記のようにプラズマエッチング条件を制御することで、各プラズマエッチング工程でのエッチング装置のプラズマ包囲部分における生成物の堆積、プラズマ包囲部分のエッチングの両方が同時に抑制されるが故に、プラズマの経時変化を最小限に抑制することが可能となり、安定したプロセスを実現することができる。

実施例２は、本発明の第２の態様に係るプラズマエッチング法に関する。実施例２においても、図１に模式図を示すエッチング装置１０を使用した。

実施例２においては、上層（第１層）としてＳｉＯ₂から成る絶縁層、下層（第２層）としてＳｉＯＣＨから成る絶縁層を有するＭ層構造（但し、実施例２にあってはＭ＝２）における各層を、エッチング用ガスとしてフルオロカーボン系ガスを用いてプラズマエッチングする。

そして、エッチング装置のプラズマ包囲部分に生成物の堆積が生じないように、第ｍ層（但し、ｍ＝１，２・・・Ｍ）のプラズマエッチングにおいて用いるフルオロカーボン系ガスを構成する炭素原子の総量をＣ_m-0、フッ素原子の総量をＦ_m-0としたとき、Ｆ_m-0／Ｃ_m-0の値に応じて、第ｍ層のプラズマエッチングにおいてエッチング装置のプラズマ包囲部分の最表面に生じるシース電位Ｖ_m-Sを制御する。

具体的には、ＳｉＯ₂から成る上層絶縁層（第１層の絶縁層）、及び、ＳｉＯＣＨから成る下層絶縁層（第２層の絶縁層）のプラズマエッチング条件を、以下の表４に示すとおりとした。実施例２においては、第１層（上層）のプラズマエッチングにおいて用いるフルオロカーボン系ガスと、第２層（下層）のプラズマエッチングにおいて用いるフルオロカーボン系ガスとを同じとし、同じプラズマエッチング条件とした。即ち、Ｆ_1-0／Ｃ_1-0とＦ_2-0／Ｃ_2-0とは同じ値であるが故に、シース電位Ｖ_1-S及びシース電位Ｖ_2-Sも同じ値とした。

ここで、上層絶縁層及び下層絶縁層のプラズマエッチングを行うことによってビヤホールを形成するための開口部を上層絶縁層及び下層絶縁層に形成する。尚、ＳｉＯＣＨから成る下層絶縁層の下には、エッチングストップ層としてのＳｉＮ層が形成され、ＳｉＮ層はシリコン半導体基板上に形成されている。実施例２にあっては、ＳｉＮ層に対するエッチングは実行しない。また、ＳｉＯ₂から成る上層絶縁層の上にはパターニングされたレジスト層が形成されている。

［表４］
エッチング用ガス ：Ｃ₄Ｆ₈／Ａｒ／Ｏ₂＝４／６００／６sccm
Ｆ₀／Ｃ₀（Ｆｃ） ：２．０
圧力 ：２．７Torr
プラズマ密度 ：２×１０¹¹ｃｍ^-3
シース電位Ｖ_m-S ：３５０ボルト
基板入射イオンエネルギー：１５００ボルト

ここで、Ｆ₀／Ｃ₀の値（Ｆｃ）は２．０である。また、エッチング用ガス中には酸素ガスが含まれており、エッチング用ガス中における酸素原子の総量をＯ₀としたとき、Ｃ₀＞Ｏ₀を満たしている。更には、エッチング装置のプラズマ包囲部分の最表面に生じるシース電位Ｖ_Sは、エッチング装置のプラズマ包囲部分に生成物の堆積が生じないような電位（３４０ボルト前後）よりも高い値である３５０ボルトに制御され、しかも、エッチング装置のプラズマ包囲部分を構成する材料であるシリコンやアルミナが実質的にエッチングされる電位よりも低い値に制御している。

ＳｉＯ₂から成る上層絶縁層、及び、ＳｉＯＣＨから成る下層絶縁層のプラズマエッチング完了後、上層絶縁層の上に形成されていたレジスト層のプラズマエッチングを、以下の表５に示すプラズマエッチング条件にて行った。

［表５］
エッチング用ガス ：Ｏ₂＝１０００sccm
圧力 ：２．７Torr
プラズマ密度 ：１×１０¹⁰ｃｍ^-3
シース電位Ｖ_S ：３０ボルト
基板入射イオンエネルギー：２００ボルト

このレジスト層のプラズマエッチングにおいては、エッチング装置のプラズマ包囲部分に生成物の堆積は生じない。従って、エッチング装置のプラズマ包囲部分を構成する材料であるシリコンやアルミナが実質的にエッチングされることを確実に防止するといった観点から、表５に示すように、シース電位Ｖ_Sの値を低く設定した。

表４に示した条件の２層構造のプラズマエッチング、表５に示した条件のレジスト層のプラズマエッチングを繰り返し実行したが、エッチング装置のプラズマ包囲部分に生成物の堆積は認められず、更には、エッチング速度の経時変化も認められなかった。表４に示したプラズマエッチング条件において、シース電位Ｖ_m-Sを０ボルトとした場合、エッチング装置のプラズマ包囲部分に生成物が堆積し、次いで、表５に示した条件のレジスト層のプラズマエッチングにおいてこの堆積物からの脱離物の影響が生じた。具体的には、レジスト層のプラズマエッチング時、この堆積物からの脱離物に起因したエッチング選択比の低下が観察され、レジスト層上部の肩落ちが発生し、寸法変換差の変動といった問題が生じた。

実施例３は、実施例２の変形である。実施例３においては、上層（第１層）としてＳｉＯ₂から成るマスク材料層、中層（第２層）としてＳｉＯＣＨから成る絶縁層、下層としてＳｉＣＮから成るエッチングストップ層の３層構造（実質的には、実施例３にあってはＭ＝２）に対してプラズマエッチングを行い、ビヤホールを設けるための開口部を形成する。尚、ＳｉＯ₂から成るマスク材料層の上にはパターニングされたレジスト層が形成されている。

具体的には、ＳｉＯ₂から成るマスク材料層（第１層）、及び、ＳｉＯＣＨから成る絶縁層（第２層）のプラズマエッチング条件を、以下の表６に示すとおりとした。実施例３においては、第１層及び第２層のプラズマエッチングにおいて用いるフルオロカーボン系ガスとを同じとし、同じプラズマエッチング条件とした。即ち、Ｆ_1-0／Ｃ_1-0とＦ_2-0／Ｃ_2-0とは同じ値であるが故に、シース電位Ｖ_1-S及びシース電位Ｖ_2-Sも同じ値とした。

［表６］
エッチング用ガス ：Ｃ₅Ｆ₈／Ａｒ／Ｏ₂＝３／６００／６sccm
Ｆ₀／Ｃ₀（Ｆｃ） ：１．６
圧力 ：２．７Torr
プラズマ密度 ：２×１０¹¹ｃｍ^-3
シース電位Ｖ_m-S ：４００ボルト
基板入射イオンエネルギー：１５００ボルト

ここで、Ｆ₀／Ｃ₀の値（Ｆｃ）は１．６である。また、エッチング用ガス中には酸素ガスが含まれており、エッチング用ガス中における酸素原子の総量をＯ₀としたとき、Ｃ₀＞Ｏ₀を満たしている。更には、エッチング装置のプラズマ包囲部分の最表面に生じるシース電位Ｖ_Sは、エッチング装置のプラズマ包囲部分に生成物の堆積が生じないような電位（３９０ボルト前後）よりも高い値である４００ボルトに制御され、しかも、エッチング装置のプラズマ包囲部分を構成する材料であるシリコンやアルミナが実質的にエッチングされる電位よりも低い値に制御している。

ＳｉＯ₂から成るマスク材料層、及び、ＳｉＯＣＨから成る絶縁層のプラズマエッチング完了後、その下に形成されていたＳｉＣＮから成るエッチングストップ層のプラズマエッチングを、以下の表７に示すプラズマエッチング条件にて行った。

［表７］
エッチング用ガス ：ＣＦ₄／ＣＨ₂Ｆ₂／Ａｒ／Ｏ₂＝１０／５／１０００／２０sccm
圧力 ：２．７Torr
プラズマ密度 ：１×１０¹⁰ｃｍ^-3
シース電位Ｖ_S ：３０ボルト
基板入射イオンエネルギー：２００ボルト

このＳｉＣＮから成るエッチングストップ層のプラズマエッチングにおいては、エッチング用ガス中における酸素原子の総量をＯ₀としたとき、Ｃ₀＞Ｏ₀を満たしていない。即ち、エッチング装置のプラズマ包囲部分へ入射する炭素原子の大部分は酸素原子との反応によって、イオンエネルギーに拘わらず（即ち、エッチング装置のプラズマ包囲部分の最表面に生じるシース電位Ｖ_Sの値に拘わらず）、除去される。従って、エッチング装置のプラズマ包囲部分に生成物の堆積は生じない。それ故、エッチング装置のプラズマ包囲部分を構成する材料であるシリコンやアルミナが実質的にエッチングされることを確実に防止するといった観点から、表７に示すように、シース電位Ｖ_Sの値を低く設定した。

表６に示した条件の２層構造のプラズマエッチング、表７に示した条件のエッチングストップ層のプラズマエッチングを繰り返し実行したが、エッチング装置のプラズマ包囲部分に生成物の堆積は認められず、更には、エッチング速度の経時変化も認められなかった。

以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定するものではない。実施例にて説明した積層構造の構成、具体的なプラズマエッチングの条件、プラズマエッチング装置の構造、構成等は例示であり、適宜、変更することができる。

図１は、本発明のプラズマエッチング法の実施に適した平行平板型のプラズマエッチング装置の模式図である。 図２は、ＳｉＯ₂から成る絶縁層を各種のエッチング種にてプラズマエッチングしたときのイオンエネルギーとＳｉＯ₂のエッチング速度の関係を示すグラフである。。 図３は、図２に示したグラフから得られたＦ₀／Ｃ₀の値（Ｆｃ）とエッチング装置のプラズマを取り囲む部分の最表面に生じるシース電位Ｖ_Sとの関係を示すグラフである。 図４は、実施例１及び比較例に基づきＳｉＯ₂から成る絶縁層のプラズマエッチングを実行したときのプラズマエッチング装置のプラズマを取り囲む部分の生成物堆積厚さを測定結果、及び、エッチング速度の経時変化を示すグラフである。 図５は、Ｃ₄Ｆ₈をエッチング用ガスとして使用し、ＳｉＯ₂、ＳｉＯＨ、ＳｉＯＣＨをプラズマエッチングしたときのエッチング速度の一例を示すグラフである。 図６は、５層構造の被エッチング物をプラズマエッチングしたときのプラズマエッチング装置のプラズマを取り囲む部分における生成物の堆積状態を模式的に示す図である。

符号の説明

１０・・・平行平板型プラズマエッチング装置（マエッチング装置）、１１・・・上部部材、１２・・・ガス供給部、１３・・・側壁、１４・・・下部部材、１５・・・排気部、２０・・・上部電極、２１・・・円板状導電部材、２２・・・誘電体部材、２３・・・誘電体リング部材、２４・・・誘電体リング部材の内部、２５・・・プレート、２６・・・貫通孔、３１・・・入射イオンエネルギー制御電源、３２・・・トランスフォーマ、３３・・・ソース電源、３４・・・マッチング回路・フィルタ系、４０・・・下部電極、４１・・・下部電極リング、５１・・・マッチング回路・フィルタ系、５２・・・バイアス電源、６０・・・被エッチング物

Claims (6)

1. プラズマエッチング装置を使用し、エッチング用ガスとしてフルオロカーボン系ガスを用いて絶縁層をプラズマエッチングする方法であって、
   フルオロカーボン系ガスを構成する炭素原子の総量をＣ₀、フッ素原子の総量をＦ₀としたとき、Ｆ₀／Ｃ₀の値に応じて、しかも、プラズマエッチング装置のプラズマを取り囲む部分に生成物の堆積が生じないような電位よりも高い値に、且つ、プラズマエッチング装置の該部分を構成する材料が実質的にエッチングされる電位よりも低い値に、プラズマエッチング装置の該部分の最表面に生じるシース電位を制御することを特徴とするプラズマエッチング法。
2. エッチング用ガス中には酸素ガスが含まれ、
   エッチング用ガス中における酸素原子の総量をＯ₀としたとき、Ｃ₀＞Ｏ₀を満たすことを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング法。
3. 絶縁層を構成する材料には、ケイ素原子が含まれることを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング法。
4. プラズマエッチング装置を使用し、少なくとも絶縁層を１層有するＭ層構造（但し、Ｍ≧２）における各層を、エッチング用ガスとしてフルオロカーボン系ガスを用いてプラズマエッチングする方法であって、
   第ｍ層（但し、ｍ＝１，２・・・Ｍ）のプラズマエッチングにおいて用いるフルオロカーボン系ガスを構成する炭素原子の総量をＣ_m-0、フッ素原子の総量をＦ_m-0としたとき、Ｆ_m-0／Ｃ_m-0の値に応じて、しかも、第ｍ層のプラズマエッチングにおいて、プラズマエッチング装置のプラズマを取り囲む部分に生成物の堆積が生じないような電位よりも高い値に、且つ、プラズマエッチング装置の該部分を構成する材料が実質的にエッチングされる電位よりも低い値に、プラズマエッチング装置の該部分の最表面に生じるシース電位を制御することを特徴とするプラズマエッチング法。
5. 少なくとも絶縁層をプラズマエッチングするために用いるエッチング用ガス中には酸素ガスが含まれ、
   エッチング用ガス中における酸素原子の総量をＯ₀としたとき、Ｃ₀＞Ｏ₀を満たすことを特徴とする請求項４に記載のプラズマエッチング法。
6. 絶縁層を構成する材料には、ケイ素原子が含まれることを特徴とする請求項４に記載のプラズマエッチング法。

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