JPH1140543A

JPH1140543A - プラズマドライエッチング方法及び装置

Info

Publication number: JPH1140543A
Application number: JP9179899A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Komatsu; 威彦小松; Tetsuhiko Sanpei; 哲彦三瓶
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1997-07-04
Filing date: 1997-07-04
Publication date: 1999-02-12

Abstract

(57)【要約】【課題】シリコン酸化膜のプラズマドライエッチング
を高精度に且つ高効率で行うための手段を提供するこ
と。【解決手段】本発明は、プラズマ中においてシリコン
ウェハＷ上のシリコン酸化膜をドライエッチングする方
法において、エッチングガスとしてトリフルオルメタン
（ＣＨＦ₃）と窒素（Ｎ₂）との混合ガスを用いることを
特徴としている。この場合、プラズマは約２５０ｍＴｏ
ｒｒの圧力下で生成されると、効率よくエッチングを行
うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスや
液晶デバイス等の製造技術に関し、特に、基板上のシリ
コン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）のエッチング技術に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの高集積化、微細
化は急速な進展をみせている。かかる状況下、基板上の
薄膜に対するエッチングも極めて高精度なものが要求さ
れている。

【０００３】高精度エッチング技術としてはプラズマド
ライエッチングが一般的となってきており、従来、Ｓｉ
Ｏ₂膜のエッチングにはＣＨＦ₃／ＣＦ₄系のガス又はＣ₄
Ｆ₈／ＣＯ系のガスが用いられてきた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
のガスも、次世代のサブクォータミクロンデバイスの量
産には問題点を有している。すなわち、ＣＨＦ₃／ＣＦ₄
系ガスにおいては、レジストとの選択比が低く、アスペ
クト比の高いホールのエッチングが困難であるという問
題がある。また、Ｃ₄Ｆ₈／ＣＯ系のガスでは、エッチン
グレートが低く、ウェハ面内での形状のバラツキ、ホー
ルの側面が過剰にテーパ形状となるという問題があっ
た。

【０００５】そこで、本発明は、かかる問題点を解決す
ることのできる新規なプラズマドライエッチング方法及
び装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、プラズマ中において基板上のＳｉＯ₂膜
をドライエッチングする方法において、エッチングガス
としてトリフルオルメタン（ＣＨＦ₃）と窒素（Ｎ₂）と
の混合ガスを用いることを特徴としている。

【０００７】この場合、基板はシリコンウェハであるこ
とが好適である。また、プラズマは約２５０ｍＴｏｒｒ
の圧力下で生成されると、効率よくエッチングを行うこ
とができる。

【０００８】また、本発明は、真空チャンバと、前記真
空チャンバ内で基板を支持するための基板支持体と、前
記真空チャンバ内を所定圧力に減圧する減圧手段と、前
記真空チャンバ内にエッチングガスを供給するガス供給
源と、前記真空チャンバ内でプラズマを生成するプラズ
マ生成手段とを備えるプラズマドライエッチング装置に
おいて、前記ガス供給手段がエッチングガスとしてＣＨ
Ｆ₃とＮ₂との混合ガスを供給することを特徴としてい
る。

【０００９】プラズマ生成手段としては、真空チャンバ
の導電性の側壁と導電性の基板支持体との間に高周波電
力を印加する高周波電源からなるものが好適である。

【００１０】また、本発明のプラズマドライエッチング
装置はマグネトロンユニットを更に備えることが有効で
ある。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明が適用されるプラズ
マドライエッチング装置を示している。図示のエッチン
グ装置は、真空チャンバ１０と、その内部に配置された
ウェハ支持用ペディスタル（基板支持体）１２とを備え
ている。真空チャンバ１０の側壁１４及びペディスタル
１２はステンレス鋼等の導電体から作られており、両者
間は電気的に絶縁されている。また、このチャンバ側壁
１４とペディスタル１２とは整合回路１６を介して高周
波電源１８に接続されている。真空チャンバ１０は真空
ポンプ（図示せず）に接続されており、内部を所望の真
空度に減圧できるようになっている。また、真空チャン
バ１０の上部には、下面に多数のガス噴出孔を有するガ
ス分配プレート２０が配置されている。このガス分配プ
レート２０の内部空間はガス管２２を介してガス供給源
２４に接続されており、エッチングガスを真空チャンバ
１０内に供給できるようになっている。本発明では、エ
ッチングガスとしてＣＨＦ₃とＮ₂の混合ガスが用いられ
る。

【００１２】このような構成において、真空チャンバ１
０内にエッチングガスを供給しつつ、チャンバ１０内を
所定圧に減圧し、高周波電源１８を投入して高周波電力
をペディスタル１２とチャンバ側壁１４との間に印加す
ると、ペディスタル１２の上方の真空チャンバ１０内に
プラズマが生成される。このプラズマを高密度化するた
めに、図示のエッチング装置は、チャンバ側壁１４の外
側にマグネトロンユニット２６が設けられている。マグ
ネトロンユニット２６は、真空チャンバ１０内に磁場を
形成し、この磁場により電子を捕捉して高密度のプラズ
マを生成、維持するものである。この実施形態における
マグネットユニット２６は、図２に概略的に示すよう
に、２対の電磁コイルアセンブリ２８ａ，２８ｂ，３０
ａ，３０ｂからなり、対向配置された電磁コイルアセン
ブリ間で真空チャンバ１０を横切る磁場を形成するもの
である。そして、電磁コイルアセンブリ２８ａ，２８
ｂ，３０ａ，３０ｂへの通電を順次切り換えることで、
磁場を移動させ、プラズマの偏りを防止するよう構成さ
れている。以上の構成のエッチング装置は、具体的に
は、本出願人であるアプライド・マテリアルズ・インコ
ーポレイテッドにより「ＭｘＰ＋」の名のもとで製造、
販売されているものである。

【００１３】このようなエッチング装置において、ＣＨ
Ｆ₃とＮ₂との混合ガスをエッチングガスとして真空チャ
ンバ１０内に供給してプラズマを発生させ、シリコンウ
ェハＷ上に成膜されたＳｉＯ₂膜を、レジストパターン
をマスクとしてエッチングを行うと、プラズマ中でＣＨ
Ｆ₃から生じたラジカルやイオンがＳｉＯ₂と反応し、エ
ッチングが進行していく。ＣＨＦ₃の特性から、有機物
系のレジストとの選択比は高く、また、高いエッチング
レートが得られる。

【００１４】一方、Ｎはエッチング自体には寄与しない
が、これは過剰なＣと反応して揮発性のＣＮになると考
えられる。Ｎ₂をエッチングガスに含めない場合には、
過剰なＣが重合膜としてホールの側壁面や底面に堆積す
るため、エッチングレートの低下、ホール形状の悪化や
テーパ化を招いていたが、Ｎ₂を含めたことでかかる問
題は回避される。Ｎ₂はこのような働きを有していると
考えられるため、ＣＨＦ₃とＮ₂の混合比を調整すること
で、ホールの側壁面の形状を容易にコントロールするこ
とができる。また、Ｎ₂の量を減らすことで、エッチン
グレートを下げ、下地であるシリコンとの選択比を高め
ることもできる。

【００１５】なお、本発明はエッチングガスとしてＣＨ
Ｆ₃とＮ₂との混合ガスをメインガスとしているが、エッ
チング反応に寄与しないＡｒをキャリアガスとして用い
たり、ＣＦ₄やＣＯ等を添加して多様な膜での多様の加
工形状に対応させることも可能である。

【００１６】

【実施例】次に、上記の「ＭｘＰ＋」エッチング装置を
用いて、シリコンウェハ上に成膜された酸化膜（ＳｉＯ
₂膜）としてのＢＰＳＧ（Boron-Phoshorus-Silicate Gl
ass）膜にコンタクトホールを形成すべく、本発明に従
いプラズマドライエッチングした結果について説明す
る。

【００１７】以下の実施例では、ウェハとしては８イン
チ径のシリコンウェハを用いた。また、ＢＰＳＧ膜は、
所定のパターンを有する有機物系のレジストが塗布され
た状態で、エッチングプロセスを行うこととした。

【００１８】エッチング装置の真空チャンバ内は２５０
ｍＴｏｒｒ一定とし、ペディスタルとチャンバ側壁には
１１５０Ｗで１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加し
た。チャンバ側壁とペディスタルの表面温度はそれぞれ
１５℃、４０℃一定とした。更に、マグネトロンユニッ
トにより形成される磁場の強度は３０Ｇであった。

【００１９】以上の条件下において、エッチングガスと
して、ＣＨＦ₃、Ｎ₂及びキャリアガスとしてのＡｒの混
合ガスを用いて、膜厚１．２μｍのＢＰＳＧ膜をエッチ
ングした。この際、ＣＨＦ₃の流量を１２０ｓｃｃｍ、
Ｎ₂の流量を１５ｓｃｃｍ、Ａｒの流量を５０ｓｃｃｍ
とした。また、その比較例しとて、エッチングガスとし
て従来のＣＨＦ₃、ＣＦ₄及びＡｒの混合ガスを用い、そ
れぞれの流量を、６０ｓｃｃｍ、１０ｓｃｃｍ、７５ｓ
ｃｃｍとした。

【００２０】図３の（Ａ）は、本発明に従ってＣＨ
Ｆ₃、Ｎ₂及びＡｒの混合ガスでＢＰＳＧ膜をエッチング
したパターンの断面のＳＥＭ写真であり、図３の（Ｂ）
は比較例ついての同様なＳＥＭ写真である。これらの図
を比較すると、比較例ではホールの側壁面下部がボーイ
ング形状ないしはテーパ形状となっているのに対して、
本発明の方法ではホールの内壁面が垂直に近い形状とな
っていることがわかる。これは、前述したように、比較
例では過剰なＣが生成され、それが重合膜となってホー
ル内壁面に堆積するからであり、一方、本発明の場合
は、過剰なＣがＮと結合してホール内から除去されたた
めと考えられる。

【００２１】また、図４の（Ａ）及び（Ｂ）はＣＨＦ₃
とＮ₂の混合比を変えた場合の形状に与える影響を示す
ＳＥＭ写真である。これらの実施例では、共に、エッチ
ングガスとして、ＣＨＦ₃、Ｎ₂及びＡｒの混合ガスを用
いているが、Ｎ₂の流量を前者は２０ｓｃｃｍ、後者は
１０ｓｃｃｍとした。なお、両実施例ともＣＨＦ₃の流
量は１００ｓｃｃｍ、Ａｒの流量は５０ｓｃｃｍとし
た。

【００２２】図４から明らかなように、ホールの側壁面
の形状に差が生じている。すなわち、Ｎ₂の量が多いほ
ど、ホールの側壁面が垂直方向に延びており、この結果
からも、Ｎが過剰なＣを除去し、重合膜の堆積防止に役
立っていると考えられる。

【００２３】図５の（Ａ）及び（Ｂ）は、Ｎ₂の有無に
よるエッチングの状態の違いを示すＳＥＭ写真である。
図５の（Ａ）は、本発明に従ってエッチングガスとして
ＣＨＦ₃、Ｎ₂及びＡｒの混合ガスを用い、それぞれの流
量を、７０ｓｃｃｍ、３０ｓｃｃｍ、７０ｓｃｃｍとし
てエッチングを行った結果である。図５の（Ｂ）は、前
記エッチングガスからＮ₂を取り除いて行ったエッチン
グの結果である。なお、図５の（Ｂ）は、レジスト除去
前の状態である。図５の（Ａ）ではエッチングはシリコ
ンウェハの表面まで達しているが、（Ｂ）ではエッチン
グがＢＰＳＧ膜の途中で止っている。

【００２４】図５の例ではＢＰＳＧ膜の膜厚は１．２μ
ｍであったが、本願発明者らは更に、ＢＰＳＧ膜の膜厚
を２μｍに増した場合にも最適なエッチングが行われる
か否かを調べた。図６はその結果を示すＳＥＭ写真であ
るが、極めて良好な結果が得られていることがわかる。
また、エッチングレートは８５４０オングストローム／
分という高いものであった。この例では、エッチングガ
スとしてＣＨＦ₃、Ｎ₂及びＡｒの混合ガスを用い、それ
ぞれの流量を、１２０ｓｃｃｍ、１５ｓｃｃｍ、５０ｓ
ｃｃｍとした。

【００２５】なお、図６の例では、アスペクト比が５以
上となっている。同条件下、従来のガスではアスペクト
比４が限界であったが、本発明によればアスペクト比が
５以上のホール形成も可能となる。ここで、この実施例
が２５０ｍＴｏｒｒという比較的真空度の低い環境下で
行われたことに注目すべきである。現在、高アスペクト
比を達成するために、真空度を上げることが主流となっ
ているが、本発明によれば低真空度において高アスペク
ト比のホールを形成することが可能となる。

【００２６】図７の（Ａ）及び（Ｂ）は、圧力の違いに
よるエッチングの影響を示すＳＥＭ写真である。図７の
（Ａ）は、真空チャンバ内の圧力を２５０ｍＴｏｒｒと
した場合のもので、図７の（Ｂ）は圧力が１００ｍＴｏ
ｒｒの場合である。図７の（Ｂ）の例では、エッチング
はシリコンウェハの表面に達しておらず、この結果か
ら、本発明によるエッチングガスでは比較的低い真空度
の場合にエッチングが促進されることがわかる。

【００２７】更に、本願発明者らは、流量７０ｓｃｃｍ
のＣＨＦ₃と流量３０ｓｃｃｍのＮ₂との混合ガスを用い
てＢＰＳＧ膜とシリコンウェハとをエッチングして、選
択比を求めた。この場合、ＢＰＳＧ膜とシリコンウェハ
の選択比は２１であった。また、ＣＨＦ₃の流量は同じ
７０ｓｃｃｍに維持し、Ｎ₂の流量を１０ｓｃｃｍに減
じて同じ実験を行うと、選択比は３５となった。このよ
うにＮ₂が少ない方が選択比が高いが、これはＣＨＦ₃の
影響でＢＰＳＧ膜でのエッチングレートが高くなったた
めである。コンタクトエッチやビアエッチ、セルフアラ
インコンタクト（ＳＡＣ）プロセス等の導入によりエッ
チングにおいては下地との選択比が重要となるため、Ｃ
ＨＦ₃とＮ₂の混合比の調整により所望の選択比が得られ
ることは、極めて有効である。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように、酸化膜のプラズマド
ライエッチングにおいてエッチングガスとしてＣＨＦ₃
とＮ₂の混合ガスを用いることにより、以下の効果が得
られる。

【００２９】ＣＨＦ₃の量を増すことで、高いエッチン
グレートを得られる。

【００３０】ＣＨＦ₃とＮ₂の混合比を調整することで、
エッチング側壁面の形状をテーパ状のものからほぼ垂直
のものまでコントロールできる。また、従来のガスと比
べた場合には、形状差の少ないエッチングを行うことが
できる。

【００３１】ＣＨＦ₃とＮ₂の混合比を調整することで、
下地との選択比を選定することができる。

【００３２】更に、Ｎ₂の添加により、アスペクト比の
高いホールのエッチングを可能にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用され得るプラズマドライエッチン
グ装置を概略的に示す縦断面図である。

【図２】図１のプラズマドライエッチング装置の横断面
図である。

【図３】（Ａ）はＣＨＦ₃とＮ₂の混合ガスによるエッチ
ング結果を示すＳＥＭ写真であり、（Ｂ）は従来のエッ
チングガスによるエッチング結果を示すＳＥＭ写真であ
る。

【図４】（Ａ）はＮ₂の量を多くした場合のエッチング
結果を示すＳＥＭ写真であり、（Ｂ）はＮ₂の量を少な
くした場合のエッチング結果を示すＳＥＭ写真である。

【図５】Ｎ₂の有無によるエッチングの状態の違いを示
すＳＥＭ写真であり、（Ａ）はＮ₂を添加した場合、
（Ｂ）はＮ₂を添加しなかった場合である。

【図６】ＣＨＦ₃とＮ₂の混合ガスによるエッチング結果
を示すＳＥＭ写真である。

【図７】真空チャンバ内の圧力の違いによるエッチング
の影響を示すＳＥＭ写真であり、（Ａ）は圧力を２５０
ｍＴｏｒｒとした場合、（Ｂ）は圧力が１００ｍＴｏｒ
ｒの場合である。

【符号の説明】

１０…真空チャンバ、１２…ペディスタル、１４…側
壁、１６…整合回路、１８…高周波電源、２０…ガス分
配プレート、２２…ガス管、２４…ガス供給源、２６…
マグネトロンユニット。

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【手続補正書】

【提出日】平成９年７月２２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図６】

【図３】

【図４】

【図５】

【図７】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三瓶哲彦千葉県成田市新泉14−３野毛平工業団地内アプライドマテリアルズジャパン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ中において基板上のシリコン酸
化膜をドライエッチングする方法において、エッチング
ガスとしてトリフルオルメタンと窒素との混合ガスを用
いることを特徴とするプラズマドライエッチング方法。
【請求項２】前記基板はシリコンウェハであることを
特徴とする請求項１に記載のプラズマドライエッチング
方法。
【請求項３】前記プラズマは約２５０ｍＴｏｒｒの圧
力下で生成されることを特徴とする請求項１又は２に記
載のプラズマドライエッチング方法。
【請求項４】エッチングガスはアルゴンガスを含んで
いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記
載のプラズマドライエッチング方法。
【請求項５】真空チャンバと、前記真空チャンバ内で基板を支持するための基板支持体
と、前記真空チャンバ内を所定圧力に減圧する減圧手段と、前記真空チャンバ内にエッチングガスを供給するガス供
給源と、前記真空チャンバ内でプラズマを生成するプラズマ生成
手段と、を備え、前記ガス供給手段がエッチングガスと
してトリフルオルメタンと窒素との混合ガスを供給する
ことを特徴とするプラズマドライエッチング装置。
【請求項６】前記真空チャンバ内の所定圧力は約２５
０ｍＴｏｒｒであることを特徴とする請求項５に記載の
プラズマドライエッチング装置。
【請求項７】前記プラズマ生成手段は、前記真空チャ
ンバの導電性の側壁と導電性の前記基板支持体との間に
高周波電力を印加する高周波電源からなることを特徴と
する請求項５又は６に記載のプラズマドライエッチング
装置。
【請求項８】前記エッチングガスがアルゴンガスを含
んでいることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項
に記載のプラズマドライエッチング装置。
【請求項９】マグネトロンユニットを更に備えること
を特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載のプラ
ズマドライエッチング装置。