(57)【要約】【課題】シリコン窒化膜を選択的に素早くエッチングできるとともに、異方性よくエッチングできるようにする。【解決手段】レジスト２０１をマスクとしてポリシリコン膜２０４の上に配置されたシリコン窒化膜２０３をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法において、ポリシリコン膜２０４が露出し始めるまでシリコン窒化膜２０３をエッチングする第一の工程と、ＣＨ３ＦガスとＣＯ２ガスの混合ガスを用いて第一の工程後のシリコン窒化膜２０３をエッチングする第二の工程とを有し、ＣＨ３Ｆガス流量に対するＣＯ２ガス流量の比を１以下とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レジストをマスクとしてポリシリコン膜の上に配置されたシリコン窒化膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法において、
前記ポリシリコン膜が露出し始めるまで前記シリコン窒化膜をエッチングする第一の工程と、
ＣＨ３ＦガスとＣＯ２ガスとの混合ガスを用いて前記第一の工程後の前記シリコン窒化膜をエッチングする第二の工程とを有し、
前記第二の工程は、前記ＣＨ３Ｆガス流量に対する前記ＣＯ２ガス流量の比を１以下とすることを特徴とする、プラズマエッチング方法。
【請求項２】
レジストをマスクとしてシリコン酸化膜の上に配置されたシリコン窒化膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法において、
前記シリコン酸化膜が露出し始めるまで前記シリコン窒化膜をエッチングする第一の工程と、
ＣＨ３ＦガスとＣＯ２ガスとの混合ガスを用いて前記第一の工程後の前記シリコン窒化膜をエッチングする第二の工程とを有し、
前記第二の工程は、前記ＣＨ３Ｆガス流量に対する前記ＣＯ２ガス流量の比を１以下とすることを特徴とする、プラズマエッチング方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のプラズマエッチング方法において、
前記第二の工程は、前記ポリシリコン膜を有する試料に時間変調された高周波電力を供給しながらエッチングすることを特徴とする、プラズマエッチング方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載のプラズマエッチング方法において、
前記ＣＨ３Ｆガスと前記ＣＯ２ガスとの混合ガスは、さらに希ガスを含むことを特徴とする、プラズマエッチング方法。
【請求項５】
請求項３に記載のプラズマエッチング方法において、
前記第一の工程は、前記ＣＨＦ３ガスとＳＦ６ガスとの混合ガスを用いてエッチングすることを特徴とする、プラズマエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマエッチングによる半導体の製造工程のうちシリコン窒化膜を用いたハードマスクエッチングでは、リソグラフィによりパターンが形成されたレジストと被エッチング対象膜であるポリシリコン膜やシリコン酸化膜の間に、ハードマスクであるシリコン窒化膜の層と、フォトリソグラフィ時の解像度を向上させる反射防止膜（以下、ＢＡＲＣ）の層とを設ける。そして、ＢＡＲＣ、シリコン窒化膜の順に一貫でプラズマエッチングし、レジストのパターン形状をハードマスクに転写する。その後、パターンが形成されたハードマスクを用いてポリシリコン膜やシリコン酸化膜のプラズマエッチングがされる。
【０００３】
ここで、レジストおよびＢＡＲＣには有機膜が用いられることが多い。そのためシリコン窒化膜のハードマスクをエッチングする際には、有機系の膜であるレジスト、ＢＡＲＣの消費を抑え、下地であるポリシリコン膜およびシリコン酸化膜の選択比を高く、かつ、これらを垂直に加工する事が求められる。
【０００４】
本技術分野の背景技術として、特開２００１−２１７２３０号公報（特許文献１）がある。この公報にはシリコン窒化膜をシリコン酸化膜、ポリシリコン膜、シリコンに対し選択的に異方性エッチングする方法において、基板温度を１０℃以下とし、フッ素、炭素および、水素を含む化合物気体と一酸化炭素（ＣＯ）との混合ガスを反応ガスとして使用し、反応ガスの総ガス流量に対するＣＯガスの混合比は７０乃至９５体積％とすると記載されている。また、特開平８−５９２１５号公報（特許文献２）には、ヒドロフルオロカーボンガスと酸素含有ガスとのある組み合せが、特定のエッチング条件下において、酸化物、珪化物およびシリコンに対して選択性を示しつつ窒化物をエッチングすると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２１７２３０号公報
【特許文献２】特開平８−５９２１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来技術のようにシリコン酸化膜およびポリシリコン膜に対して選択比を持ったエッチングでは、処理時の基板温度を１０℃以下にするため、シリコン窒化膜の上に配置されたＢＡＲＣがエッチングされる際の処理速度が低下する。また、ＣＯの混合比を７０乃至９５体積％とすることによって有機膜の消費が大きくなり、異方性よくエッチングできない。
【０００７】
本発明の目的は、シリコン窒化膜を選択的に素早くエッチングできるとともに、異方性よくエッチングできるようにするための技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次の通りである。
【０００９】
本発明の一実施の形態のプラズマエッチング方法は、レジストによるマスクをして、選択的にシリコン窒化膜をエッチングする第一の工程を有する。また、ＣＯ２ガスよりもＣＨ３Ｆガスが多く含まれる、前記ＣＯ２ガスと前記ＣＨ３Ｆガスとの混合ガスへ、処理ガスを切り替え、切り替え後の前記処理ガスを用いて残った前記シリコン窒化膜をエッチングする第二の工程を有する。
【００１０】
本発明の一実施の形態のプラズマエッチング方法は、レジストをマスクとしてポリシリコン膜の上に配置されたシリコン窒化膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法において、前記ポリシリコン膜が露出し始めるまで前記シリコン窒化膜をエッチングする第一の工程を有する。さらに、ＣＨ３ＦガスとＣＯ２ガスとの混合ガスを用いて前記第一の工程後の前記シリコン窒化膜をエッチングする第二の工程とを有する。そして、前記第二の工程は、前記ＣＨ３Ｆガス流量に対する前記ＣＯ２ガス流量の比を１以下とすることを特徴とする。
【００１１】
また、他の実施の形態では、レジストをマスクとしてシリコン酸化膜の上に配置されたシリコン窒化膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法において、前記シリコン酸化膜が露出し始めるまで前記シリコン窒化膜をエッチングする第一の工程を有する。さらに、ＣＨ３ＦガスとＣＯ２ガスとの混合ガスを用いて前記第一の工程後の前記シリコン窒化膜をエッチングする第二の工程とを有する。そして、前記第二の工程は、前記ＣＨ３Ｆガス流量に対する前記ＣＯ２ガス流量の比を１以下とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１３】
本発明の一実施の形態によれば、シリコン窒化膜を選択的に素早くエッチングできるとともに、異方性よくエッチングできるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１における、プラズマエッチング方法において、プラズマ処理装置の構成例の概要を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１における、プラズマエッチング方法において、プラズマエッチング処理がされる前のウエハの構成例の概要を示す図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態１におけるプラズマエッチング方法において、プラズマエッチング処理を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態２における、プラズマエッチング方法において、プラズマエッチング処理がされる前のウエハの構成例の概要を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態２におけるプラズマエッチング方法において、プラズマエッチング処理を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１６】
[実施の形態１]
本実施の形態１を、図１〜図３を用いて説明する。
【００１７】
＜全体構成例＞
図１は、本発明の実施の形態１における、プラズマエッチング方法において、プラズマ処理装置の構成例の概要を示す図である。図１においてプラズマ処理装置は例えば、円筒形状の真空容器１０１と、この真空容器１０１内の処理室１０４に設けられるウエハ載置用電極１１１と、このウエハ載置用電極１１１の上方に設けられるシャワープレート１０２と、このシャワープレート１０２に接続されるガス供給装置１０５と、処理室１０４の下方に設けられる真空排気口１０６とを有する。
【００１８】
シャワープレート１０２は円板形状をしており、円板の中心位置近辺に複数の処理ガス導入口が形成されている。そして、ガス供給装置１０５から供給された処理ガスは、これら処理ガス導入口を介して処理室１０４に導入される。
【００１９】
処理室１０４へ導入された処理ガスはプラズマ化され、処理室１０４にて形成されたプラズマを用いてウエハ載置用電極１１１に載置されたウエハ１１２の表面が加工される。
【００２０】
処理室１０４は、真空排気口１０６を介して図示しない真空排気装置に接続されている。真空排気装置は、例えば可変バルブ、ターボ分子ポンプ、ドライポンプによって構成されており、プラズマエッチング処理中の処理室１０４の圧力調整が可能となっている。
【００２１】
真空容器１０１には、プラズマの発光状態を観測するための観測窓１２２が設けられている。そして、プラズマの発光スペクトルを観測するための分光器１２４が、光ファイバ１２３を介して観測窓１２２と接続されている。
【００２２】
シャワープレート１０２の上方には、誘電体窓１０３が設けられており、この誘電体窓１０３の上方には、電磁波を放射する導波管１０７が設けられている。この導波管１０７には、電磁波発生用電源１０９から電磁波（例えば、２．４ＧＨｚのマイクロ波）が発振される。
【００２３】
処理室１０４の外周には、磁場を形成する磁場発生コイル１１０が設けられている。この磁場発生コイル１１０から発振された電力は、形成された磁場と電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）により、処理室１０４に導入された処理ガスをプラズマ化する。
【００２４】
ウエハ載置用電極１１１は、電極表面が図示しない溶射膜で被覆されており、高周波フィルター１１５を介して静電吸着用直流電源１１６が接続されている。さらに、ウエハ載置用電極１１１には、マッチング回路１１３を介して高周波電源１１４が接続される。さらに、ウエハ載置用電極１１１は、冷媒用流路１１７を有し、温調器１１８に接続されるとともに、ヒータ１１９を有し、ヒータ制御器１２０に接続されている。さらに、ウエハ載置用電極１１１には、温度センサ１２１が設けられており、この温度センサ１２１からの信号は、ヒータ制御器１２０へ伝送される。そして、ヒータ制御器１２０は、温調器１１８を制御することで、ウエハ１１２の温度が所望の温度になるようにヒータ１１９から出力される温度を調整する。
【００２５】
ウエハ載置用電極１１１に載置されたウエハ１１２は、静電吸着用直流電源１１６から印加される直流電圧の静電気力でウエハ載置用電極１１１に吸着される。
【００２６】
ウエハ載置用電極１１１に接続された高周波電源１１４から高周波バイアス電力を印加することにより、一般的に自己バイアスと呼ばれる負の電圧がウエハ載置用電極１１１上に発生する。そして、発生した自己バイアスによってイオンが加速され、プラズマからウエハ１１２へイオンを引き込み、ウエハ１１２がプラズマエッチング処理される。なお、高周波電源１１４の出力は、４４０ｋＨｚの正弦波または４００ｋＨｚの正弦波の高周波バイアス電力を周期的に印加させるタイムスケジュレーションバイアス（以下、ＴＭバイアス）である。
【００２７】
＜詳細構成例＞
図２は、本発明の実施の形態１における、プラズマエッチング方法において、プラズマエッチング処理がされる前のウエハの構成例の概要を示す図である。
【００２８】
図２において、ウエハ１１２は、複数の層からなり、トランジスタのゲート電極となるポリシリコン膜２０４と予めリソグラフィによるパターンが形成されたレジスト２０１との間に、ポリシリコン膜２０４の上に配置されたハードマスクであるシリコン窒化膜２０３とこのシリコン窒化膜２０３の上に配置されたＢＡＲＣ２０２と（このＢＡＲＣ２０２は、フォトリソグラフィ時の解像度を向上させるためのものである。）を有する。
【００２９】
＜プラズマエッチング処理＞
図３（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態１におけるプラズマエッチング方法において、プラズマエッチング処理を説明するための図である。
【００３０】
図３（ａ）は、プラズマエッチング処理がされる前のウエハ１１２の構成を示す。
【００３１】
まず、Ｈｂｒ、Ｏ２および、Ｎ２からなる混合ガスを用いて図３（ａ）のＢＡＲＣ２０２がエッチングされ、ウエハ１１２は図３（ｂ）の形状にエッチングされる。
【００３２】
次に、レジスト２０１とＢＡＲＣ２０２とをマスクとして図３（ｂ）のシリコン窒化膜２０３がエッチングされ、ウエハ１１２は、図３（ｃ）の形状にエッチングされる。この場合、エッチングされる速度が高い条件にて、ポリシリコン膜２０４が露出し始めるまでシリコン窒化膜２０３がエッチングされる第一の工程が行われる。
【００３３】
ここで、以下に示す表１は、第一の工程の条件を示す。
【００３４】
【表１】
2014216331.tif 000003
【００３５】
第一の工程は、表１に示すように、ＣＨＦ３とＳＦ６からなる混合ガスを用いて行われる。
【００３６】
また、この第一の工程では、分光器１２４で計測されたプラズマからの発光強度の変化を用いる終点判定法により、ポリシリコン膜２０４の露出が開始したことを検出する。表１の条件の場合、ウエハ１１２を用いて測定されたシリコン窒化膜２０３のエッチング速度は１４０．６ｎｍ／ｍｉｎであり、第一の工程ではシリコン窒化膜２０３を素早くエッチングできる。
【００３７】
ここで、第一の工程のようにポリシリコン膜２０４が露出し始めるまでエッチングした場合、図３（ｃ）に示すように、ポリシリコン膜２０４付近のシリコン窒化膜２０３は垂直ではなくＢＡＲＣ２０２から裾を引いた形状にエッチングされる。
【００３８】
第一の工程後、第二の工程にて、処理ガスをＣＨ３ＦとＣＯ２からなる混合ガスへ切り替え、切り替え後の処理ガスを用いて、この裾を引いた形状部分がエッチングされることで、ポリシリコン膜２０４に対するシリコン窒化膜２０３の形状を垂直にでき、異方性よくシリコン窒化膜２０３をエッチングできるようになる。
【００３９】
ここで、以下に示す表２は、第二の工程の条件を示す。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
第二の工程では、表２に示すようにＣＨ３ＦとＣＯ２からなる混合ガスを用いて、シリコン窒化膜２０３を有する試料に時間変調された高周波電力を供給しながら、シリコン窒化膜２０３がエッチングされ、これにより、ウエハ１１２は図３（ｄ）の形状にエッチングされる。
【００４２】
なお、シリコン窒化膜２０３がエッチングされる際のレジスト２０１およびＢＡＲＣ２０２などの有機膜がエッチングされる量を減らすためには、混合ガスはＯ２ガスよりも、表２に示すようにＣＯ２ガスを用いることが望ましい。有機膜のエッチングは有機膜中の炭素とプラズマにより生成された酸素ラジカルとが結合することにより進行する。Ｏ２ガスを添加したエッチングを行うと、過剰に酸素ラジカルが生成され有機膜のエッチングが進行する。よって、炭素を含んだＯ２ガスであるＣＯ２ガスを用いることにより、酸素ラジカルの発生を抑えるとともに、ガスそのものに炭素が含まれることにより有機膜中の炭素との結合を抑制できるようになる。
【００４３】
さらに、第二の工程では、混合ガスに含まれるＣＯ２の流量からＣＨ３Ｆの流量を除算したガス流量の比を１以下とすることが望ましい。すなわち、混合ガスには、ＣＯ２ガスよりもＣＨ３Ｆガスが多く含まれることが望ましい。混合ガスにＣＨ３ＦガスよりもＣＯ２が多く含まれると、プラズマ中の酸素が増えてしまい、これにより、レジスト２０１やＢＡＲＣ２０２の消費が増えてしまい、マスクの形状が劣化し、垂直形状が得られなくなる。また、ＣＨ３Ｆガスをエッチングガスとして用いる場合、炭素を含んだ反応生成物がシリコン窒化膜２０３の側壁に付着し、側壁保護膜となり横方向のエッチングの進行を抑制している。ＣＯ２流量比を１よりも大きくしていった場合、側壁保護膜中の炭素とＣＯ２ガス中の酸素とが結合し揮発性の高いＣｘＯｙ（ｘ、ｙは１以上の整数）を生成し、側壁保護膜が減少する。その結果、シリコン窒化膜２０３の垂直形状が得られなくなる。
【００４４】
表２の高周波バイアス電流は、ＴＭバイアスである。ＴＭバイアスを用いることでプラズマによる反応生成物の付着とエッチングのバランスを制御し、さらに、レジスト２０１やＢＡＲＣ２０２の消費を減らすことができる。表２の２００Ｗは、４００ｋＨｚの正弦波の電力を示す。また、表２の２００Ｈｚは、この４００ｋＨｚの正弦波のオン／オフを周期的に繰り返させる変調周波数を示す。また、表２の２５％は、この変調周波数が１周期の間にオンとなっている割合（デューティ比）を示す。
【００４５】
表２の条件でウエハ１１２をエッチングした場合のシリコン窒化膜２０３のエッチング速度は１７．５ｎｍ／ｍｉｎであるのに対し、ポリシリコン膜２０４のエッチング速度は１．５ｎｍ／ｍｉｎとなり、約１２の選択比が得られる。この第二の工程を用いたエッチングにより、ポリシリコン膜２０４に対するシリコン窒化膜２０３の形状を垂直にでき、異方性よくシリコン窒化膜２０３をエッチングできるようになる。
【００４６】
＜実施の形態１の効果＞
以上のように、本実施の形態１によれば、ポリシリコン膜２０４が露出し始めるまでシリコン窒化膜２０３をエッチングする第一の工程と、ＣＨ３ＦガスとＣＯ２ガスとの混合ガスを用いて第一の工程後のシリコン窒化膜２０３をエッチングする第二の工程とを有し、第二の工程は、ＣＨ３Ｆガス流量に対するＣＯ２ガス流量の比を１以下とすることで、シリコン窒化膜２０３を選択的に素早くエッチングできるとともに、異方性よくエッチングできるようになる。
【００４７】
[実施の形態２]
本発明の実施の形態２を、図４および図５を用いて説明する。
【００４８】
＜詳細構成例＞
図４は、本発明の実施の形態２における、プラズマエッチング方法において、プラズマエッチング処理がされる前のウエハの構成例の概要を示す図である。
【００４９】
図４において、ウエハ３０６は、複数の層からなり、トランジスタのゲート電極となるポリシリコン膜３０５と予めリソグラフィによるパターンが形成されたレジスト３０１との間に、ポリシリコン膜３０５の上に配置されたシリコン酸化膜３０４と、このシリコン酸化膜３０４の上に配置されたシリコン窒化膜３０３と、このシリコン窒化膜３０３の上に配置されたＢＡＲＣ３０２とを有する。
【００５０】
＜プラズマエッチング処理＞
図５（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態２におけるプラズマエッチング方法において、プラズマエッチング処理を説明するための図である。
【００５１】
まず、Ｈｂｒ、Ｏ２および、Ｎ２からなる混合ガスを用いて図５（ａ）のＢＡＲＣ３０２がエッチングされ、ウエハ３０６は図５（ｂ）の形状にエッチングされる。
【００５２】
次に、レジスト３０１とＢＡＲＣ３０２とをマスクとして図５（ｂ）のシリコン窒化膜３０３がエッチングされ、ウエハ３０６は、図５（ｃ）の形状にエッチングされる。この場合、エッチングされる速度が高い条件にて、シリコン酸化膜３０４が露出し始めるまでシリコン窒化膜３０３がエッチングされる第一の工程が行われる。
【００５３】
その後、第二の工程にて、シリコン窒化膜３０３がエッチングされ、これにより、ウエハ３０６は図５（ｄ）の形状にエッチングされる。この場合、ストッパ層であるシリコン酸化膜３０４がポリシリコン膜３０５の上に配置することにより、ポリシリコン膜３０５が、ほぼエッチングされることなく、シリコン窒化膜３０３をエッチングできる。つまり、ポリシリコン膜３０５に対するシリコン窒化膜３０３の選択比を極めて大きな値として得ることができ、異方性よくシリコン窒化膜３０３をエッチングできるようになる。
【００５４】
＜実施の形態２の効果＞
以上のように、本実施の形態２によれば、ポリシリコン膜３０５の上に配置されたシリコン酸化膜３０４が露出し始めるまでシリコン窒化膜３０３をエッチングすることで、ポリシリコン膜３０５が、ほぼエッチングされることなく、シリコン窒化膜３０３をエッチングできるようになる。
【００５５】
以上、本発明によってなされた発明を実施の形態１および実施の形態２に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態１および実施の形態２に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００５６】
たとえば、ＣＨ３Ｆの解離や解離の分布を調整するためにＡｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガスなどの希ガスを混合ガスに添付することによりシリコン窒化膜２０３，３０３のエッチング速度やウエハ１１２，３０６のエッチング速度分布を調整するようにしてもよい。
【００５７】
また、電子サイクロトロン共鳴を用いたプラズマ生成方法を用いたプラズマ処理装置以外にも、例えば、誘導結合型プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）処理装置や、容量結合型プラズマ（Ｃａ−ｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）処理装置である実施形態もある。
【符号の説明】
【００５８】
１０１  真空容器
１０２  シャワープレート
１０３  誘電体窓
１０４  処理室
１０５  ガス供給装置
１０６  真空排気口
１０７  導波管
１０８  空洞共振器
１０９  電磁波発生用電源
１１０  磁場発生コイル
１１１  ウエハ載置用電極
１１２，３０６  ウエハ
１１３  マッチング回路
１１４  高周波電源
１１５  高周波フィルター
１１６  静電吸着用直流電源
１１７  冷媒用流路
１１８  温調器
１１９  ヒータ
１２０  ヒータ制御器
１２１  温度センサ
１２２  観測窓
１２３  光ファイバ
１２４  分光器
２０１，３０１  レジスト
２０２，３０２  ＢＡＲＣ
２０３，３０３  シリコン窒化膜
２０４，３０５  ポリシリコン膜
３０４  シリコン酸化膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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