JPH07273093A

JPH07273093A - プラズマエッチング方法

Info

Publication number: JPH07273093A
Application number: JP6426594A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Tatsumi; 哲也辰巳
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-04-01
Filing date: 1994-04-01
Publication date: 1995-10-20
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: JP3360404B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ＭＩＳ型半導体装置の微細なゲート電極を単
極式静電チャックを用いつつ、Ｂｒ系等のガスによりプ
ラズマエッチングする場合において、下地ゲート絶縁膜
のダメージを防止するとともに、エッチング終了後の希
フッ酸洗浄におけるゲート絶縁膜の増速エッチングを防
止する。【構成】エッチング終了後の被エッチング基板の除電
ステップにＸｅのプラズマ放電を用いる。またオーバー
エッチングへの切り替えのタイミングを下地ゲート絶縁
膜が露出する前に設定する。【効果】Ｘｅのプラズマ発光の主スペクトルライン
は、従来除電ガスとして用いてきたＨｅのそれより長波
長側にあり、フォトンエネルギが小さい。このためＶＵ
Ｖ光照射によるダメージが低減される。またゲート絶縁
膜露出前に低イオンエネルギの条件に切り替えるので、
ゲート絶縁膜のイオンダメージを防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマエッチング方法
に関し、さらに詳しくは下地絶縁膜の照射損傷等の少な
いゲート電極等のプラズマエッチング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体装置のデザインルール
がハーフミクロンからクォータミクロンのレベルへと微
細化されるに伴い、プラズマエッチング等の微細加工技
術に対する要求は一段と厳しさを増している。中でも、
ＭＩＳＦＥＴのゲート電極のパターニングにおいては、
高異方性、高選択比、高エッチングレート、低汚染そし
て下地絶縁膜に対する低ダメージ等の諸要求を高いレベ
ルで満足させ得るプラズマエッチング方法が要求され
る。

【０００３】サイドエッチングのない高異方性エッチン
グと下地絶縁膜との高選択比を両立するエッチングガス
として、Ｂｒ系ガスとＯ₂との混合ガスや、Ｃｌ系ガス
とＯ ₂との混合ガスが有効とされている。これは、Ｂｒ
ラジカル（Ｂｒ^*）やＣｌラジカル（Ｃｌ^*）の化学的
活性が、通常用いられるＣＦ₄等Ｆ系ガスから生成する
Ｆラジカル（Ｆ^*）よりも小さいため、ラジカル反応を
抑制できるためである。Ｏ₂の添加は下地酸化膜との選
択比向上の効果の他、エッチングレートの向上効果があ
る。

【０００４】またエッチングの反応生成物であるＳｉＢ
ｒ_xやＳｉＣｌ_xがイオン入射の少ないゲート電極側面
に付着し側壁保護膜を形成するので、ラジカルのアタッ
クや垂直方向以外からの入射イオンからパターン側面を
保護する効果が期待されるためでもある。これらの側壁
保護膜は、チャンバ内のプラズマ雰囲気中であっても部
分的に酸化されるので、Ｏ₂ガスの混合比を変えること
により側壁保護作用を調整でき、垂直なパターンの形成
はもとより必要に応じて順テーパをパターンに付与した
り、テーパ角度を制御することも可能である。

【０００５】しかしながら、エッチング終了後に被エッ
チング基板を大気中に取り出したり、レジストパターン
をアッシングする段階においては、この側壁保護膜が強
固な酸化物系の側壁変質膜に変換され、被エッチング基
板やエッチングチャンバ内部のパーティクル汚染を招い
たり、次工程、例えばＬＤＤサイドウォール形成用の絶
縁膜成膜時のステップカバリッジの低下等の問題点があ
る。

【０００６】そこで、ゲート電極エッチングの終了後次
工程に移る前に、これら側壁保護膜ないしは側壁変質膜
を除去しておく必要がある。このため、希フッ酸やバッ
ファードフッ酸水溶液によるウェット処理が行われる
が、これらのエッチング液は下地のゲート絶縁膜等も同
時にエッチングする。このゲート絶縁膜のエッチングに
ついては、その膜減り量が予測できればエッチング時間
制御等で対処できる。しかしながら、ゲート電極エッチ
ング終了後のゲート絶縁膜のエッチングレートは、未処
理の通常の熱酸化膜等のエッチングレートに比較して異
常に大きく、その制御が困難であることが近年の研究に
より明らかとなった。この問題に関しては、”Ｅｔｃｈ
ＲａｔｅＡｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｏｆＳｉＯ
₂ ｄｕｒｉｎｇＷｅｔＴｒｅａｔｍｅｎｔａｆ
ｔｅｒＧａｔｅＥｔｃｈｉｎｇ”と題してＪｐｎ．
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｐａｒｔ１，３２（１９９
３）６１１４に本発明者らが報告した。本リポートの
要旨は、エッチング中のプラズマ照射により、ゲート絶
縁膜表面に結晶のディスオーダリング、Ｂｒ原子等によ
る汚染そして表面の粗面化等による、複合化したダメー
ジが露出したゲート絶縁膜に誘起され、これらの要因が
重なってウェット処理中に増速エッチングが行われると
いうものである。

【０００７】この問題を図７および図８を参照してさら
に説明する。まず図７（ａ）に示すようにＳｉ等の半導
体基板１上にＳｉＯ₂等のゲート絶縁膜２と多結晶シリ
コン等よりなるＳｉ系材料層３を順次被着後、レジスト
マスク４を形成する。次にＣｌ系ガスやＢｒ系ガス等に
より高異方性、高エッチングレートのメインエッチング
を施しＳｉ系材料層３のパターニングを行う。次に図７
（ｂ）に示すように下地のゲート絶縁膜２が１部露出
し、かつＳｉ系材料層の残部３ａが１部残留した状態で
高選択比のオーバーエッチングに切り替え、Ｓｉ系材料
層３からなるゲート電極を完成する。この状態が図７
（ｃ）である。レジストマスク４およびＳｉ系材料層３
パターン側面には、レジストの分解生成物やエッチング
の反応生成物からなる側壁保護膜５が形成される。オー
バーエッチングへの切り替えは、図８に示すようにＳｉ
Ｃｌ_x、ＳｉＢｒ_x等反応生成物のプラズマ中での発光
スペクトルをモニタし、その強度が落ち始める時点に設
定する。この時点においては下地のゲート絶縁膜２の１
部に短時間ではあるがメインエッチング時の強いプラズ
マ照射に曝されダメージ層７が入る。実際のエッチング
プロセスにおいては、発光スペクトル強度信号の時間微
分等の波形処理をして検出感度を上げ、メインエッチン
グ時の下地絶縁膜２のプラズマ照射時間を短縮する方法
がとられるが、本質的な解決策とはならない。

【０００８】さらに本発明者の最近の検討によれば、ゲ
ート絶縁膜のダメージはプラズマ発光中の２００ｎｍ以
下の波長を有する真空紫外光（ＶＵＶ）によっても誘起
されることが判明した。とりわけゲート絶縁膜として多
用されるＳｉＯ₂のバンドギャップエネルギ８．８ｅＶ
に相当する１４０．９ｎｍより短波長側の領域では図５
に示すように吸収係数が桁外れに増大する。すなわち、
１４０．９ｎｍより大幅に短波長のＶＵＶ光照射に直接
曝されるとゲート絶縁膜のダメージは大きくなるのであ
る。図５はＨ．Ｒ．Ｐｈｉｌｉｐｅｔ．ａｌ．”Ｈａ
ｎｄｂｏｏｋｏｆＯｐｔｉｃａｌＣｏｎｓｔａｎｔ
ｓｏｆＳｏｌｉｄｓ（ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓ
ｓ，Ｏｒｌａｎｄｏ，１９８５）Ｐａｒｔ２ｐ．７
４９から作成したものである。

【０００９】ところで、近年の半導体プロセスにおける
プラズマエッチングでは、エッチング条件の厳密な管理
が必要となっており、被エッチング基板温度の制御もそ
の例外ではない。特に、ラジカル反応を低減するため基
板温度を０℃程度以下に低温制御する場合には、低温冷
却された基板ステージ上に被エッチング基板を静電チャ
ック等で静電引力的に密着させて、基板ステージと被エ
ッチング基板との熱的な相互作用を高めることが通常行
われる。静電チャックはその電極構成により単極式と双
極式があるが、エッチング処理の均一性の観点からは単
極式静電チャックが多用される。

【００１０】単極式静電チャックにおいては、プラズマ
エッチング終了後に被エッチング基板を基板ステージか
ら離脱しエッチングチャンバ外へ搬送する段階の前に、
被エッチング基板に残留している電荷を何らかの方法で
除去し、離脱を容易にすることが行われる。この処理を
除電ステップと呼称するが、一般的にはＨｅによるプラ
ズマ放電を施し、被エッチング基板の残留電荷を中和し
て除電している。ところが、プラズマ励起されたＨｅの
主な発光スペクトルは、Ｈｅの中性励起種が５８ｎｍ、
５４ｎｍ、Ｈｅ⁺が３０ｎｍ、２６ｎｍとミリカン領域
の極めて短波長のＶＵＶ光を有し、フォトンのエネルギ
レベルが大きい。このため、ゲート電極のプラズマエッ
チングにおいてダメージレスのプロセスを指向しても、
エッチング終了後の除電ステップで新たなゲート絶縁膜
のダメージが誘起される訳である。

【００１１】近年のサブハーフミクロン級のゲート電極
幅のＭＩＳＦＥＴにおいては、ゲート絶縁膜の膜厚その
ものも１０ｎｍ以下が要求され、このような極薄ゲート
絶縁膜にダメージが入り増速エッチングが生じると、半
導体基板が露出し不純物拡散層にもダメージや汚染が入
る懸念がある。とくに、ゲート電極側縁の直下にダメー
ジが入ると、ＬＤＤサイドウォール形成後にもゲート耐
圧の劣化が問題となる。また半導体基板が露出しない迄
も、ゲート絶縁膜が２〜３ｎｍの厚さ迄膜減りすると残
膜の有無の確認手段がなく、工程管理上で問題を残す。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の課題
は、下地絶縁膜上のＳｉ系材料層をパターニングするプ
ラズマエッチング方法において、エッチング工程中のプ
ラズマ照射や、エッチング終了後の除電ステップにおけ
るＶＵＶ光照射に基づく下地絶縁膜のダメージを低減す
るプラズマエッチング方法を提供することである。

【００１３】また本発明の課題は、プラズマエッチング
終了後のウェット処理時の増速エッチングによるゲート
絶縁膜の異常な膜減りや半導体基板のダメージのないプ
ラズマエッチング方法を提供することである。

【００１４】さらにまた本発明の課題は、微細ゲート電
極幅や極薄のゲート絶縁膜を有するＭＩＳ型半導体装置
を制御性よく、かつ耐圧劣化なく製造しうるプラズマエ
ッチング方法を提供することである。本発明の上記以外
の課題は本明細書および添付図面の説明により明らかに
される。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマエッチ
ング方法は、上述の課題を解決するために発案したもの
であり、単極式静電チャックにより被エッチング基板を
基板ステージに静電吸着しつつ、下地絶縁膜上のＳｉ系
材料層をパターニングするプラズマエッチング方法にお
いて、パターニング終了後の被エッチング基板の除電ス
テップとして、除電ガスのプラズマ発光の主スペクトル
ラインのフォトンエネルギが、Ｈｅのプラズマ発光の主
スペクトルラインのフォトンエネルギより小さな除電ガ
スのプラズマ放電により施すものである。

【００１６】また本発明のプラズマエッチング方法は、
単極式静電チャックにより被エッチング基板を基板ステ
ージに静電吸着しつつ、下地絶縁膜上のＳｉ系材料層を
パターニングするプラズマエッチング方法において、パ
ターニング終了後の該被エッチング基板の除電ステップ
として、除電ガスのプラズマ発光の主スペクトルライン
の波長が、Ｈｅのプラズマ発光の主スペクトルラインの
波長より大きな除電ガスのプラズマ放電により施すもの
である。この条件を満たす熱伝導ガスとしては、Ｘｅ、
Ｋｒ、ＡｒおよびＮｅ等の希ガスを例示できる。

【００１７】さらにまた本発明のプラズマエッチング方
法は、上述した除電ガスを用いた上で、ゲート電極を多
段階エッチングする場合において、低イオンエネルギの
オーバーエッチング工程への切り替えを、下地絶縁膜の
露出前に設定することを特徴とするものである。

【００１８】

【作用】本発明のポイントは、除電ガスに常用されてき
たＨｅを用いず、この代替としてＸｅ、Ｋｒ、Ａｒ、Ｎ
ｅ等の希ガスを用いる点にある。これら個々の希ガスの
プラズマ発光のＶＵＶ領域における主スペクトルライン
を強度順に表１に示す。プラズマ発光は原子状態の中性
励起種によるものと、１価イオンによるものとがある
が、発光強度的には中性励起種に着目すればよい。なお
発光スペクトルラインの数値と強度は、Ｄ．Ｒ．Ｌｉｄ
ｅ ”ＣＲＣＨａｎｄｂｏｏｋｏｆＣｈｅｍｉｓ
ｔｒｙａｎｄＰｈｉｓｉｃｓ”７１ｓｔ．Ｅｄｉｔ
ｉｏｎ（ＣＲＣＰｒｅｓｓ，Ｂｏｓｔｏｎ，１９９０
−１９９１）によった。

【００１９】

【表１】

【００２０】また図６はＨｅ、Ａｒ、ＫｒおよびＸｅの
プラズマ発光のスペクトル線の位置と強度を示す図であ
る。同図はＡ．Ｒ．ＳｔｒｉｇａｎｏｖａｎｄＮ．
Ｓ．Ｓｖｅｎｔｉｔｓｋｉｉ ”Ｔａｂｌｅｓｏｆ
ＮｅｕｔｒａｌａｎｄｉｏｎｉｚｒｄＡｔｏｍ
ｓ”（ＩＦＩ／ＰＬＥＮＵＭ，ＮｅｗＹｏｒｋ，１９
６８）ｐ．１９を参照し作成したものである。

【００２１】表１および図６にみられるとおり、Ｘｅ、
Ｋｒ、Ａｒ、Ｎｅの中性励起種の主発光スペクトルライ
ンは、いずれもＨｅの主発光スペクトルラインよりも長
波長側にある。従ってＸｅ、Ｋｒ、Ａｒ、Ｎｅの主発光
スペクトルのフォトンエネルギは、Ｈｅの主発光スペク
トルのフォトンエネルギより小さい。すなわち、ゲート
絶縁膜に吸収されるエネルギは小さく、ゲート絶縁膜に
与えるダメージは少ないことが予想される。中でもＸｅ
を除電ガスとして用いる場合は、ＳｉＯ₂のバンドギャ
ップエネルギ８．８ｅＶに相当する波長１４０．９ｎｍ
に近く、ＳｉＯ ₂への吸収は極めて少なくダメージも軽
微であることが理論的に裏付けされる。

【００２２】これを確認するため、次の実験をおこなっ
た。すなわちＳｉ基板を同一条件で熱酸化したサンプル
に、Ｘｅ、Ｋｒ、ＡｒおよびＨｅのプラズマによるＶＵ
Ｖ光を一定条件で照射し、表面ダメージ層の厚さをＸＰ
Ｓ（Ｘ−ｒａｙｐｈｏｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｓｐ
ｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により分析した。試料にはプラ
ズマが直接接触してプラズマ照射ダメージが入らないよ
うにした。この結果を表２に示す。

【００２３】

【表２】

【００２４】表２から明らかなように、Ｘｅ、Ｋｒ、Ａ
ｒのプラズマによるＶＵＶ光照射による熱酸化膜のダメ
ージは、そのいずれもＨｅのプラズマによるＶＵＶ光照
射によるダメージよりも少なく、本発明の効果が実験的
にも実証される。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき図面を参
照しながら説明する。

【００２６】実施例１本実施例は熱伝導ガスとしてＸｅを用い、ゲート酸化膜
上の多結晶シリコンを１段階でエッチングした例であ
り、始めに本実施例で用いるプラズマエッチング装置の
基板ステージ部分を図３を参照して説明する。

【００２７】図３は基板バイアス印加型ＥＣＲプラズマ
エッチング装置のうち、基板ステージ部分の概略断面図
である。エタノール等の冷媒を循環供給する冷却配管１
３を内蔵する基板ステージ１２上に被エッチング基板１
１を載置し、メカニカルクランパ１４で基板ステージ１
２に圧着する。また基板ステージ１２には単極式の静電
チャック１５を装着してあり、この静電チャック１５に
よって被エッチング基板１１を静電吸着力によりチャッ
キング可能である。静電チャック１５により被エッチン
グ基板を基板ステージに吸着後は、メカニカルクランパ
１４は必要に応じて解除し、移動退避してもよい。さら
に基板ステージにはブロッキングコンデンサを介して基
板バイアス電源１７を導入するとともに、熱伝導ガス導
入孔１６が形成され、基板ステージ１２上面より被エッ
チング基板１１裏面に向けこれもＸｅからなる熱伝導ガ
スを供給する。熱伝導ガスは被エッチング基板１１周縁
部からエッチングチャンバ内に流出して拡散し、ここで
エッチングガスと混合されてＥＣＲプラズマ１８を形成
する。なお図４では被エッチング基板１１と基板ステー
ジ１２との間に間隙が存在するが、これは説明の都合上
であり実際には密着に近い状態で接触している。なお本
実施例で用いる基板バイアス印加型ＥＣＲプラズマエッ
チング装置には、ゲートバルブを介してロードロックチ
ャンバ、アッシングチャンバ等を連結し、連続処理しう
る構成とすればスループットの向上を図ることができ
る。図５においては、基板ステージ１２に内蔵される被
エッチング基板を突き上げるためのプッシュピン等は図
示を省略する。

【００２８】次に図１（ａ）〜（ｄ）を参照して、本実
施例によるプラズマエッチング方法の説明に移る。Ｓｉ
等の半導体基板１上に熱酸化によりＳｉＯ₂からなるゲ
ート絶縁膜を１０ｎｍ、ＣＶＤにより不純物を含有する
多結晶シリコンからなるＳｉ系材料層３を０．４μｍの
厚さに順次堆積する。次にネガ型化学増幅系レジスト
（シプレー社製ＳＡＬ−６０１）とＫｒＦエキシマレー
ザリソグラフィにより一例として０．３５μｍ幅のレジ
ストマスク４を形成する。図１（ａ）に示すここまで形
成したサンプルを被エッチング基板とする。

【００２９】この被エッチング基板を上記した基板バイ
アス印加型ＥＣＲプラズマエッチング装置の基板ステー
ジ１２上にセットして静電チャック１５によりチャキン
グし、一例として下記条件により多結晶シリコンからな
るＳｉ系材料層３をパターニングした。熱伝導ガスとし
てのＸｅの圧力は１０００Ｐａ（〜８Ｔｏｒｒ）に維持
して被エッチング基板の温度制御の応答性を高める。Ｃｌ₂ ７０ｓｃｃｍＨＢｒ２０ｓｃｃｍＯ₂ １０ｓｃｃｍガス圧力１．０Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー４０Ｗ（２ＭＨｚ）基板温度０ ℃ 本エッチング過程では、レジストの分解生成物を含む反
応生成物ＳｉＣｌ_x、ＳｉＢｒ_xが側壁保護膜５を形成
し、また基板温度を０℃に設定しているのでラジカル反
応は抑制され、図１（ｂ）に示すように異方性のよいパ
ターニングが可能である。また少量のＯ₂の添加により
下地ＳｉＯ₂との選択比がとれ、ゲート絶縁膜２のプラ
ズマ照射によるダメージは少ない。

【００３０】プラズマエッチング終了後、次の条件によ
り被エッチング基板の除電を２０秒間施す。Ｘｅ１００ｓｃｃｍガス圧力２．０Ｐａマイクロ波パワー１０００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー０Ｗ本除電ステップでは従来のＨｅにかえて、短波長高エネ
ルギのＶＵＶ光を含まないＸｅのプラズマ放電を用いる
ので、ゲート絶縁膜に新たなダメージを発生することは
無い。また熱伝導ガスとしてＸｅを用いることも同様の
効果をもたらす。

【００３１】次に被エッチング基板をアッシングチャン
バに搬送し、レジストマスク５をアッシング除去すると
側壁保護膜５は酸化されて図１（ｃ）に示すように側壁
変質膜６となり残留する。これを１００：１の希フッ酸
水溶液で除去し、図１（ｄ）に示すように多結晶シリコ
ンからなるＳｉ系材料層３によるゲート電極が完成す
る。希フッ酸水溶液によるウェット処理においては、ゲ
ート絶縁膜が増速エッチングにより異常な膜減りを生じ
ることはない。

【００３２】実施例２本実施例は実施例１と同じ被エッチング基板を２段階エ
ッチングし、エッチング終了後の除電ガスとしてＸｅを
用いた例であり、これを図２（ａ）〜（ｃ）および図３
を参照して説明する。

【００３３】図２（ａ）に示す被エッチング基板は図１
（ａ）と同じであるので重複する説明を省略する。この
被エッチング基板を実施例１で用いた基板バイアス印加
型ＥＣＲプラズマエッチング装置の基板ステージ１２に
セットし、一例として下記条件で高エッチングレートの
メインエッチングを施した。熱伝導ガスとしてのＸｅの
圧力は１０００Ｐａ（〜８Ｔｏｒｒ）に維持して被エッ
チング基板の温度制御の応答性を高めた。Ｃｌ₂ ７０ｓｃｃｍＯ₂ １０ｓｃｃｍガス圧力１．０Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー４０Ｗ（２ＭＨｚ）基板温度０ ℃ 本エッチング過程では、Ｃｌ^*によるラジカル反応がＣ
ｌ⁺、Ｏ⁺のイオン入射にアシストされる形で高速の異
方性エッチングが進行する。多結晶シリコンのパターン
側面にはＳｉＣｌ_xがレジストの分解生成物とともに付
着して側壁保護膜５が形成され、異方性の向上に寄与す
る。本メインエッチングは、Ｓｉ系材料層３の層厚方向
の大部分がエッチングされ、しかも下地のゲート絶縁膜
２が被エッチング基板上のいかなる場所でも露出しない
内に停止し、次のオーバーエッチング条件に切り替え
る。メインエッチング終了時の様子を図２（ｂ）に示
す。

【００３４】オーバーエッチングへのステップ切り替え
のタイミングは、例えばエッチング反応生成物であるＳ
ｉＣｌ_xの発光スペクトル３９１ｎｍをモニタし、メイ
ンエッチング中の発光スペクトル強度が落ち始める手前
に設定する。これは、予め被エッチング基板と同じダミ
ー基板で発光スペクトル強度が落ち始める時間を求めて
おき、その時間の例えば９０％の時間設定を行えばよ
い。発光スペクトル強度の時間変化およびステップ切り
替えのタイミングの様子を図３に示す。

【００３５】続けて、下記条件により残部の多結晶シリ
コンのオーバーエッチングを行う。熱伝導ガスとしての
Ｘｅの圧力は１０００Ｐａ（〜８Ｔｏｒｒ）一定であ
る。ＨＢｒ１２０ｓｃｃｍＯ₂ ４ｓｃｃｍガス圧力１．０Ｐａマイクロ波パワー１０００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー２０Ｗ（２ＭＨｚ）基板温度０ ℃ 本エッチング過程では、多結晶シリコンのパターン側面
にはＳｉＢｒ_xがレジストの分解生成物とともに付着し
て側壁保護膜５が形成され、異方性の向上に寄与する。
また多結晶シリコンはＢｒ^*によるラジカル反応がＢｒ
⁺、Ｏ⁺の極く弱いイオンにアシストされる形でエッチ
ングされる。このため下地ゲート絶縁膜２が露出して
も、ここに高イオンエネルギのプラズマが照射されるこ
とはなく、プラズマ照射ダメージは少ない。また熱伝導
ガスとしてＸｅを使用しているので短波長ＶＵＶ光によ
るダメージも入らない。オーバーエッチング終了後の様
子を図２（ｃ）に示す。

【００３６】次に実施例１と同じ条件の除電ステップに
より、Ｘｅプラズマを用いて被エッチング基板の荷電を
中和する。ここで被エッチング基板１１を基板ステージ
１２から離脱し、アッシングチャンバに搬送してレジス
トマスク４をアッシング除去する。続けて側壁変質膜６
を希フッ酸水溶液で除去して多結晶シリコンからなるＳ
ｉ系材料層３によるゲート電極を完成する。

【００３７】本実施例によれば、除電ガスとしてＸｅを
用いたことに加え、オーバーエッチングへの切り替えの
タイミングを下地ゲート絶縁膜の露出前に設定している
ので、ゲート絶縁膜へのダメージ防止効果はより一層徹
底され、ウェット処理時のゲート絶縁膜の増速エッチン
グは殆ど観察されない。Ｓｉ系材料層３の層厚の大部分
は高速のメインエッチングでパターニングするので、プ
ロセス全体のスループット向上の効果がある。

【００３８】以上、本発明を２例の実施例により説明し
たが本発明はこれら実施例になんら限定されるものでは
ない。

【００３９】例えば除電ガスとしてＸｅを用いたが、そ
の他Ｋｒ、Ａｒ、Ｎｅ等の希ガスを用いてもよい。なお
熱伝導ガスにもＸｅ、Ｋｒ、Ａｒ、Ｎｅ等の希ガスを用
いれば、ダメージ低減の効果を徹底できる。なお熱伝導
ガスの使用は基板冷却のみならず、基板加熱の場合にも
基板ステージと被エッチング基板との熱交換作用の効率
の向上に役立つ。

【００４０】エッチングガスとしてＣｌ₂とＨＢｒを用
いたが、ＣＣｌ₄、ＳｉＣｌ₄、ＢＣｌ₃、ＣＨＣ
ｌ₃、ＨＣｌ等他のＣｌ系ガスやＢｒ₂、ＢＢｒ₃、Ｃ
ＨＢｒ₃等他のＢｒ系ガスを用いてもよい。またエッチ
ングレート向上のため、ＳＦ₆等Ｆ系ガスの使用や添加
も有効である。ＨＩ等のＩ系ガスの使用はゲート絶縁膜
との一層の選択比向上が期待できる。

【００４１】エッチング終了後に側壁変質膜を除去する
ウェット処理に希フッ酸水溶液を用いたが、バッファー
ドフッ酸（ＢＨＦ）やアンモニア過酸化水素水等を用い
てもよい。

【００４２】レジストマスクの除去にはＯ₂やＯ₃によ
るアッシングを行ったが、レジスト剥離液による除去で
あってもよい。

【００４３】Ｓｉ系材料層として多結晶シリコンを例示
したが、Ｗ、Ｍｏ等他の高融点金属等のシリサイド、高
融点金属層ポリサイド等の積層構造であってもよい。こ
の場合には、Ｓｉ系材料層表面にＳｉＯＮ等の反射防止
層を設けることは微細ゲート電極パターニングに有効で
ある。

【００４４】エッチング装置として、基板バイアス印加
型ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いたが、平行平板
型ＲＩＥ装置、マグネトロンＲＩＥ装置であってもよ
い。ヘリコン波プラズマエッチング装置、ＴＣＰエッチ
ング装置、ＩＣＰエッチング装置等の高密度プラズマエ
ッチング装置を用いれば、さらなる低ダメージ、高エッ
チングレート、被エッチング基板内の均一性等が期待で
きる。

【００４５】オーバーエッチング条件への切り替えのプ
ロセスモニタとして発光スペクトルの分光分析を用いた
が、レーザ干渉法や質量分析法等他のモニタ法を適宜使
用してよい。

【００４６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば単極式静電チャックの除電ステップにＸｅを始
めとしてＫｒ、Ａｒ、Ｎｅ等の希ガスのプラズマ放電を
用いるので、従来のＨｅを除電ガスとする場合に比較
し、短波長ＶＵＶ光によるゲート絶縁膜のダメージは低
減される。また、オーバーエッチングへの切り替えのタ
イミングを下地ゲート絶縁膜が露出する前に設定するの
で、ゲート絶縁膜のプラズマ照射によるダメージの低減
効果が得られる。

【００４７】このため、ゲート電極パターニング終了後
の希フッ酸等によるウェット処理時に発生していたゲー
ト絶縁膜の増速エッチングによる異常な膜減りや、半導
体基板そのもののダメージを回避でき、ＭＩＳ型半導体
装置を制御性よく製造可能となる。またゲート耐圧向上
の効果も顕著である。

【００４８】本発明のプラズマエッチング方法は、特に
サブハーフミクロンクラスの微細なゲート電極のパター
ニングに使用して多大の効果があり、ＭＩＳ型半導体装
置の高集積化へ寄与する意義は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した実施例１のプラズマエッチン
グ方法をその工程順に説明する概略断面図であり、
（ａ）半導体基板上にゲート絶縁膜、Ｓｉ系材料層およ
びレジストマスクを順次形成した状態、（ｂ）はＳｉ系
材料層をパターニングした状態、（ｃ）はレジストマス
クをアッシングし側壁変質膜が残留した状態、（ｄ）は
ウェット処理により側壁変質膜を除去してＳｉ系材料層
からなるゲート電極が完成した状態である。

【図２】本発明を適用した実施例２のプラズマエッチン
グ方法をその工程順に説明する概略断面図であり、
（ａ）半導体基板上にゲート絶縁膜、Ｓｉ系材料層およ
びレジストマスクを順次形成した状態、（ｂ）はメイン
エッチングによりＳｉ系材料層の層厚方向の大部分をパ
ターニングした状態、（ｃ）はオーバーエッチングによ
りＳｉ系材料層の層厚方向の残部をパターニングした状
態である。

【図３】本発明を適用した実施例２のプラズマエッチン
グ方法における反応生成物のプラズマ発光強度の時間変
化を示す図である。

【図４】本発明を適用した実施例１および２で用いたプ
ラズマエッチング装置の基板ステージ部分の概略断面図
である。

【図５】ＳｉＯ₂のＶＵＶ光領域での光吸収スペクトル
図である。

【図６】Ｈｅ、Ａｒ、ＫｒおよびＸｅのプラズマ発光の
スペクトル線の位置と強度を示す図である。

【図７】従来のプラズマエッチング方法をその工程順に
説明する概略断面図であり、（ａ）半導体基板上にゲー
ト絶縁膜、Ｓｉ系材料層およびレジストマスクを順次形
成した状態、（ｂ）はメインエッチングが終了した状
態、（ｃ）はオーバーエッチングが終了した状態であ
る。

【図８】従来のプラズマエッチング方法における反応生
成物のプラズマ発光強度の時間変化を示す図である。

【符号の説明】

１半導体基板２ゲート絶縁膜３Ｓｉ系材料層３ａＳｉ系材料層の残部４側壁保護膜５側壁変質膜６側壁保護膜７ダメージ層１１被エッチング基板１２基板ステージ１３冷却配管１４メカニカルクランパ１５静電チャック１６熱伝導ガス導入孔１７基板バイアス電源１８ＥＣＲプラズマ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/336 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｅ 29/78 ３０１Ｇ３０１Ｐ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単極式静電チャックにより被エッチング
基板を基板ステージに静電吸着しつつ、下地絶縁膜上の
Ｓｉ系材料層をパターニングするプラズマエッチング方
法において、パターニング終了後の該被エッチング基板の除電ステッ
プは、除電ガスのプラズマ発光の主スペクトルラインの
フォトンエネルギが、Ｈｅのプラズマ発光の主スペクト
ルラインのフォトンエネルギより小さな除電ガスのプラ
ズマ放電によることを特徴とする、プラズマエッチング
方法。
【請求項２】単極式静電チャックにより被エッチング
基板を基板ステージに静電吸着しつつ、下地絶縁膜上の
Ｓｉ系材料層をパターニングするプラズマエッチング方
法において、パターニング終了後の該被エッチング基板の除電ステッ
プは、除電ガスのプラズマ発光の主スペクトルラインの
波長が、Ｈｅのプラズマ発光の主スペクトルラインの波
長より大きな除電ガスのプラズマ放電によることを特徴
とする、プラズマエッチング方法。
【請求項３】除電ガスは、Ｘｅ、Ｋｒ、ＡｒおよびＮ
ｅからなる群より選ばれる少なくとも１種であることを
特徴とする、請求項１および２記載のプラズマエッチン
グ方法。
【請求項４】低イオンエネルギのオーバーエッチング
工程を含む多段階エッチングによりパターニングするプ
ラズマエッチング方法であって、該オーバーエッチング
工程への切り替えを、下地絶縁膜の露出前に設定するこ
とを特徴とする、請求項１および２記載のプラズマエッ
チング方法。
【請求項５】下地絶縁膜は、ＭＩＳＦＥＴのゲート絶
縁膜であることを特徴とする、請求項１、２および４記
載のプラズマエッチング方法。
【請求項６】Ｓｉ系材料層は、多結晶シリコン、高融
点金属シリサイドおよび高融点金属層ポリサイドからな
る群から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とす
る、請求項１、２および４記載のプラズマエッチング方
法。