(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶シリコン膜が形成された被処理体に対し、ＳＦ６とＣｌ２とＮ２とを含むエッチングガスのプラズマを用い、前記多結晶シリコン膜をエッチングする第１のエッチング工程と、
前記第１のエッチング工程の後で、Ｃｌ２とＨＢｒとＣＦ４とを含むエッチングガスのプラズマを用いて前記多結晶シリコン膜をエッチングする第２のエッチング工程と
を含む、プラズマエッチング方法。
【請求項２】
多結晶シリコン膜が形成された被処理体に対し、ＳＦ６とＣｌ２とＮ２とを含むエッチングガスのプラズマを用い、前記多結晶シリコン膜をエッチングする第１のエッチング工程と、
前記第１のエッチング工程の後で、Ｃｌ２とＨＢｒとＣＦ４とを含むエッチングガスのプラズマを用いて前記多結晶シリコン膜をエッチングする第２のエッチング工程と、
前記第２のエッチング工程の後で、Ｃｌ２とＨＢｒとＣＦ４とＮ２を含むエッチングガスのプラズマを用いて前記多結晶シリコン膜をエッチングする第３のエッチング工程と、
を含む、プラズマエッチング方法。
【請求項３】
貫通開口が形成された絶縁膜と、該絶縁膜を覆う多結晶シリコン膜とを有する被処理体の前記多結晶シリコン膜をエッチバックして前記貫通開口内に選択的に多結晶シリコンを残存させるプラズマエッチング方法であって、
ＳＦ６とＣｌ２とＮ２とを含むエッチングガスのプラズマを用い、前記多結晶シリコン膜をエッチングする第１のエッチング工程と、
前記第１のエッチング工程の後で、Ｃｌ２とＨＢｒとＣＦ４とを含むエッチングガスのプラズマを用いて前記多結晶シリコン膜をエッチングする第２のエッチング工程を含む、プラズマエッチング方法。
【請求項４】
前記第２のエッチング工程の後で、Ｃｌ２とＨＢｒとＣＦ４とＮ２を含むエッチングガスのプラズマを用いて前記多結晶シリコン膜をエッチングする第３のエッチング工程を含む、請求項３に記載のプラズマエッチング方法。
【請求項５】
前記絶縁膜が窒化ケイ素膜である、請求項３または請求項４に記載のプラズマエッチング方法。
【請求項６】
前記第１のエッチング工程において、エッチングガスの総流量に対する前記Ｎ２の流量比率が２５〜４０％である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のプラズマエッチング方法。
【請求項７】
前記多結晶シリコン膜は、リンがドープされた多結晶シリコンにより構成される、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のプラズマエッチング方法。
【請求項８】
コンピュータ上で動作し、実行時に、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載されたプラズマエッチング方法が行なわれるようにプラズマ処理装置を制御する、制御プログラム。
【請求項９】
コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載されたプラズマエッチング方法が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御するものである、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【請求項１０】
被処理体に対しプラズマエッチング処理を行なうための処理室と、
前記処理室内で被処理体を載置する支持体と、
前記処理室内を減圧するための排気手段と、
前記処理室内に処理ガスを供給するためのガス供給手段と、
前記処理室内で請求項１から請求項７のいずれか１項に記載されたプラズマエッチング方法が行なわれるように制御する制御部と、
を備えた、プラズマ処理装置。
【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し、詳細には、プラズマを用いて被処理体をエッチングする工程を含むプラズマエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの半導体装置では、高集積化を図るため多層化が進み、その製造過程で層間接続のためのコンタクトプラグ形成が繰り返し行なわれるようになっている。このコンタクトプラグ形成の一手法として、層間絶縁膜上に、多結晶シリコンなどの導電性材料をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などによってコンタクトホールを埋めるように堆積させた後、エッチバックプロセスによりコンタクトホール内にのみ導電性材料を残存させる方法が知られている。
【０００３】
ところで、結晶粒の集合である多結晶シリコンをエッチングすると、エッチング表面に凹凸が形成されてしまう。このように、エッチングの過程で多結晶シリコン表面に凹凸が形成されると、エッチバック後の下地膜（例えば層間絶縁膜）にその凹凸が転写されてしまい、半導体装置の欠陥原因になるという問題があった。
【０００４】
多結晶シリコンに平滑なエッチバック表面を形成するための技術として、プラズマ中に遊離のイオウを放出し得るガスを含むエッチングガスを使用して、多結晶シリコンの表面にイオウ系材料膜を形成しながらエッチバックを行なうプラズマエッチング方法が提案されている（例えば、特許文献１）。この提案において、プラズマ中に遊離のイオウを放出し得るガスとしては、ハロゲン原子／イオウ原子比が６未満のハロゲン化イオウ化合物（Ｓ２Ｆ２、ＳＦ２、ＳＦ４、Ｓ２Ｆ１０、Ｓ３Ｃｌ３、Ｓ２Ｃｌ２、ＳＣｌ２等）が挙げられている。
【特許文献１】特開平９−２３２２８５号公報（段落００１０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記エッチバックプロセスでは、ポリシリコン表面の凹凸をなくすことが重要であるが、それとともに、スループット向上の観点から実用上十分なエッチングレートを確保することが重要である。しかし、前記特許文献１の方法は、被エッチング膜である多結晶シリコン表面にイオウ系材料層を形成しながらエッチングを進行させるという特殊な方法であるため、十分なエッチングレートが得られるとは考えにくい。また、エッチング過程で形成されたイオウ系材料層は、最終的に加熱処理もしくはアッシング処理によって除去しなければならないため、工程数の増加を伴うという問題があった。
【０００６】
従って、本発明は、多結晶シリコンをプラズマエッチングしてその表面を平滑に形成するとともに、十分なエッチングレートが得られるプラズマエッチング方法を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点は、多結晶シリコン膜が形成された被処理体に対し、ＳＦ６とＣｌ２とＮ２とを含むエッチングガスのプラズマを用い、前記多結晶シリコン膜をエッチングする第１のエッチング工程と、
前記第１のエッチング工程の後で、Ｃｌ２とＨＢｒとＣＦ４とを含むエッチングガスのプラズマを用いて前記多結晶シリコン膜をエッチングする第２のエッチング工程と
を含む、プラズマエッチング方法を提供する。
【０００８】
また、本発明の第２の観点は、多結晶シリコン膜が形成された被処理体に対し、ＳＦ６とＣｌ２とＮ２とを含むエッチングガスのプラズマを用い、前記多結晶シリコン膜をエッチングする第１のエッチング工程と、
前記第１のエッチング工程の後で、Ｃｌ２とＨＢｒとＣＦ４とを含むエッチングガスのプラズマを用いて前記多結晶シリコン膜をエッチングする第２のエッチング工程と、
前記第２のエッチング工程の後で、Ｃｌ２とＨＢｒとＣＦ４とＮ２を含むエッチングガスのプラズマを用いて前記多結晶シリコン膜をエッチングする第３のエッチング工程と、
を含む、プラズマエッチング方法を提供する。
【０００９】
本発明の第３の観点は、貫通開口が形成された絶縁膜と、該絶縁膜を覆う多結晶シリコン膜とを有する被処理体の前記多結晶シリコン膜をエッチバックして前記貫通開口内に選択的に多結晶シリコンを残存させるプラズマエッチング方法であって、ＳＦ６とＣｌ２とＮ２とを含むエッチングガスのプラズマを用い、前記多結晶シリコン膜をエッチングする第１のエッチング工程と、前記第１のエッチング工程の後で、Ｃｌ２とＨＢｒとＣＦ４とを含むエッチングガスのプラズマを用いて前記多結晶シリコン膜をエッチングする第２のエッチング工程を含む、プラズマエッチング方法を提供する。
【００１０】
上記第３の観点において、前記第２のエッチング工程の後で、Ｃｌ２とＨＢｒとＣＦ４とＮ２を含むエッチングガスのプラズマを用いて前記多結晶シリコン膜をエッチングする第３のエッチング工程を含むことが好ましい。
【００１１】
また、上記第１の観点から第３の観点のいずれかにおいて、前記絶縁膜が窒化ケイ素膜であることが好ましい。また、前記第１のエッチング工程において、エッチングガスの総流量に対する前記Ｎ２の流量比率が２５〜４０％であることが好ましい。また、前記多結晶シリコン膜は、リンがドープされた多結晶シリコンにより構成されるものであってもよい。
【００１２】
本発明の第４の観点は、コンピュータ上で動作し、実行時に、上記第１の観点から第３の観点のいずれかのプラズマエッチング方法が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御する、制御プログラムを提供する。
【００１３】
本発明の第５の観点は、コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、上記第１の観点から第３の観点のいずれかのプラズマエッチング方法が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御するものである、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体を提供する。
【００１４】
本発明の第６の観点は、被処理体に対しプラズマエッチング処理を行なうための処理室と、
前記処理室内で被処理体を載置する支持体と、
前記処理室内を減圧するための排気手段と、
前記処理室内に処理ガスを供給するためのガス供給手段と、
前記処理室内で上記第１の観点から第３の観点のいずれかのプラズマエッチング方法が行なわれるように制御する制御部と、
を備えた、プラズマ処理装置を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のプラズマエッチング方法によれば、Ｃｌ２ガスとＳＦ６ガスに、Ｎ２ガスを添加したエッチングガスを用いて多結晶シリコン膜をエッチングすることによって、多結晶シリコンの表面に凹凸が形成されることを防止して表面を平滑化することが可能になる。
また、上記エッチングガスを用いることによって実用上充分なエッチングレートを確保することができるため、工程時間や工数の増加を招くおそれもない。
従って、本発明のプラズマエッチング方法は、例えばエッチバックプロセスによる多結晶シリコンのコンタクトプラグ形成などに好適な方法であり、信頼性の高い半導体装置を製造する上で有利に利用できる方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明を実施するために好適に利用可能なプラズマエッチング装置を示す概略断面図である。
【００１７】
このプラズマエッチング装置１は、電極板が上下平行に対向し、一方にプラズマ形成用電源が接続された容量結合型平行平板エッチング装置として構成されている。
【００１８】
このプラズマエッチング装置１は、例えば表面がセラミック溶射処理されたアルミニウムからなる円筒形状に成形された処理容器としてのチャンバー２を有しており、このチャンバー２は保安接地されている。前記チャンバー２内には例えばシリコンからなり、その上に所定の膜が形成された半導体ウエハ（以下単に「ウエハ」と記す）Ｗを水平に載置し、かつ、下部電極としても機能するサセプタ３が支持部材４に支持された状態で設けられている。この支持部材４はセラミックなどの絶縁板５を介して、図示しない昇降装置の支持台６により支持されており、この昇降機構によってサセプタ３が昇降可能となっている。支持台６の下方中央の大気部分は、ベローズ７で覆われており、チャンバー２内と大気部分とが分離されている。
【００１９】
前記支持部材４の内部には、冷媒室８が設けられており、この冷媒室８には、例えばガルデンなどの冷媒が冷媒導入管８ａを介して導入されて循環し、その冷熱が前記サセプタ３を介して前記ウエハＷに対して伝熱され、これによりウエハＷの処理面が所望の温度に制御される。また、チャンバー２が真空に保持されていても、冷媒室８に循環される冷媒によりウエハＷを有効に冷却可能なように、被処理体であるウエハＷの裏面に、伝熱媒体、例えばＨｅガスなどを供給するためのガス通路９が設けられており、この伝熱媒体を介してサセプタ３の冷熱がウエハＷに有効に伝達され、ウエハＷを精度良く温度制御することができる。
【００２０】
前記サセプタ３は、その上部中央部が凸状の円板状に成形され、その上に、絶縁材の間に電極１２が介在されてなる静電チャック１１が設けられており、電極１２に接続された直流電源１３から直流電圧が印加されることにより、例えばクーロン力によってウエハＷを静電吸着する。前記サセプタ３の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置されたウエハＷを囲むように、エッチングの均一性を向上させるための環状のフォーカスリング１５が配置されている。
【００２１】
前記サセプタ３の上方には、このサセプタ３と平行に対向して上部電極として機能するシャワーヘッド２１が設けられている。このシャワーヘッド２１は、絶縁材２２を介して、チャンバー２の上部に支持されており、サセプタ３との対向面２４には多数の吐出孔２３を有している。なお、ウエハＷ表面とシャワーヘッド２１とは、例えば３０〜９０ｍｍ程度離間され、この距離は前記昇降機構により調節可能である。
【００２２】
前記シャワーヘッド２１の中央にはガス導入口２６が設けられ、さらにこのガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されており、さらにこのガス供給管２７には、バルブ２８を介して、エッチングガスを供給する処理ガス供給系３０が接続されている。処理ガス供給系３０は、図２に示すように、Ｃｌ２ガス供給源３０１、ＳＦ６ガス供給源３０２、Ｎ２ガス供給源３０３、ＨＢｒガス供給源３０４およびＣＦ４ガス供給源３０５を有しており、これらガス源からの配管には、それぞれマスフローコントローラ３０６およびバルブ３０７が設けられている。
【００２３】
そして、エッチングガスとしての、Ｃｌ２ガス／ＳＦ６ガス／Ｎ２ガスや、Ｃｌ２ガス／ＨＢｒガス／ＣＦ４ガスが、処理ガス供給系３０のそれぞれのガス供給源からガス供給配管２７、ガス導入口２６を介してシャワーヘッド２１内の空間に至り、ガス吐出孔２３から吐出される。
【００２４】
前記チャンバー２の側壁底部近傍には排気管３５が接続されており、この排気管３５には排気装置３６が接続されている。排気装置３６はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、これによりチャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、チャンバー２の側壁にはウエハＷの搬入出口３７と、この搬入出口３７を開閉するゲートバルブ３８とが設けられており、このゲートバルブ３８を開にした状態で搬入出口３７を介してウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。
【００２５】
上部電極として機能するシャワーヘッド２１には、高周波電源４０が接続されており、その給電線には整合器４１が介在されている。この高周波電源４０は、例えば６０ＭＨｚの周波数の高周波電力を上部電極であるシャワーヘッド２１に供給し、上部電極であるシャワーヘッド２１と下部電極であるサセプタ３との間にプラズマ形成用の高周波電界を形成する。また、シャワーヘッド２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。
【００２６】
下部電極として機能するサセプタ３には、高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介在されている。この高周波電源５０は、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数の高周波電力を下部電極であるサセプタ３に供給し、プラズマ中のイオンをウエハＷに向けて引き込み、異方性の高いエッチングを実現する。また、このサセプタ３にはハイパスフィルター（ＨＰＦ）１６が接続されている。
【００２７】
また、プラズマエッチング装置１の各構成部は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ６０に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ６０には、工程管理者がプラズマエッチング装置１を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマエッチング装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース６１が接続されている。
【００２８】
また、プロセスコントローラ６０には、プラズマエッチング装置１で実行される各種処理をプロセスコントローラ６０の制御にて実現するための制御プログラムや処理条件データ等が記録されたレシピが格納された記憶部６２が接続されている。
【００２９】
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース６１からの指示等にて任意のレシピを記憶部６２から呼び出してプロセスコントローラ６０に実行させることで、プロセスコントローラ６０の制御下で、プラズマエッチング装置１での所望の処理が行われる。また、前記レシピは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリなどのコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させて利用したりすることも可能である。
【００３０】
次に、このように構成されるプラズマエッチング装置１を用いて多結晶シリコンをエッチバックしてコンタクトプラグを形成する際の手順について説明する。
【００３１】
図３〜図６は、本実施形態に係るプラズマエッチング方法の工程手順を説明する図面である。
Ｓｉ基板１０１上には、下から順に第１の層間絶縁膜としての酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜１０２、第２の層間絶縁膜としての窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）膜１０３が積層形成されており、これらを貫通してＳｉ基板１０１に到達するコンタクトホール１０４が形成されている。そして、コンタクトホール１０４を埋め、窒化ケイ素膜１０３を覆うように多結晶シリコン膜１０５が形成されている。ここでは、多結晶シリコン膜１０５をエッチングにより除去してコンタクトホール１０４内にのみ多結晶シリコンを選択的に残存させるエッチバックプロセスを実施する。
【００３２】
このような多結晶シリコン１０５のエッチバックプロセスでは、エッチング過程で多結晶シリコン膜１０５の表面に凹凸が形成されやすいとう問題があった。多結晶シリコン膜１０５表面に形成された凹凸は、エッチバックにより多結晶シリコン膜１０５が除去された後もそのまま窒化ケイ素膜１０３に転写されてしまい、窒化ケイ素膜１０３の表面形状を凹凸にしてしまうため、半導体デバイスの欠陥原因となる。多結晶シリコン膜１０５の表面に凹凸が形成される機構としては、以下のように推測される。
【００３３】
最終的にコンタクトプラグとしてコンタクトホール１０４内に残存させる多結晶シリコン膜１０５は、例えば、ＳｉＨ４とＰＨ３を原料としてＣＶＤ法により成膜されたものであり、その膜中には高濃度のリンがドープされて導電性が高められている。多結晶シリコンは比較的大きな結晶粒を有しているため、リンなどのドーパントは結晶粒界に偏在しているものと推測される。このようなドーパントの濃度分布により、結晶粒とその粒界との間でエッチングレートの差が生じ、それがエッチング表面の凹凸として顕在化するものと考えられる。
【００３４】
以上のように、多結晶シリコン膜１０５をエッチングする際には、デバイスへの悪影響を回避するために、エッチング表面を平滑に形成することが必要である。また、実用性を考慮すると、エッチング表面の平滑化に加え、十分なエッチングレートを確保することが重要である。つまり、たとえ表面を平滑化できても、スループットの低下や、工数増加を招くプロセスは、現実的なものではない。そこで、本実施形態では、エッチングをメインエッチング工程とオーバーエッチング工程に分け、各工程でエッチングに使用するガス種の組み合わせを選択することによって、十分なエッチングレートを維持しつつ、多結晶シリコン膜１０５のエッチング表面を平滑にエッチングすることが可能になった。
【００３５】
まず、図３に示すようにＣｌ２ガス、ＳＦ６ガスおよびＮ２ガスを励起させたＣｌ２／ＳＦ６／Ｎ２プラズマにより多結晶シリコン膜１０５のメインエッチングを実施する。図１のプラズマエッチング装置１を用いて、多結晶シリコン膜１０５をエッチングする際には、まず、ゲートバルブ３８を開にしてこのような構造を有するウエハＷをチャンバー２内に搬入し、サセプタ３に載置した後、ゲートバルブ３８を閉じる。次に、サセプタ３を上昇させてサセプタ３上のウエハＷ表面とシャワーヘッド２１との距離を例えば３０〜９０ｍｍ程度に調整する。そして、排気装置３６の真空ポンプにより排気管３５を介してチャンバー２内を排気し、チャンバー２内を減圧した後、直流電源１３から直流電圧を静電チャック１１内の導電体１２に印加し、ウエハＷを静電チャック１１上に静電吸着させる。
【００３６】
次いで、処理ガス供給系３０からエッチングガスとしてＣｌ２ガス、ＳＦ６ガスおよびＮ２ガスをチャンバー２内に導入する。そして、高周波電源４０からシャワーヘッド２１に例えば６０ＭＨｚの高周波電力を印加し、これにより、上部電極としてのシャワーヘッド２１と下部電極としてのサセプタ３との間に高周波電界を生じさせ、上記Ｃｌ２ガス、ＳＦ６ガスおよびＮ２ガスをプラズマ化する。
【００３７】
このようにして生成されたエッチングガスのプラズマにより、多結晶シリコン膜１０５のメインエッチングを行う。このとき、高周波電源５０から下部電極であるサセプタ３に所定の周波数例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加してプラズマ中のイオンをサセプタ３側へ引き込むようにする。
【００３８】
このようにしてエッチングを行い、図４に示すように、窒化ケイ素膜１０３上に多結晶シリコン膜１０５を僅かに、例えば２０〜３０ｎｍの膜厚で残存させた状態でメインエッチングを終了する。
【００３９】
メインエッチングでは、エッチャント供給源としてのＣｌ２ガスとＳＦ６ガスに、Ｎ２ガスを添加することによって多結晶シリコン膜１０５表面を平坦化させることが可能になる。ここで、Ｃｌ２ガスは、プラズマ中でＣｌイオンによるイオンエッチングにより高いエッチングレートに寄与するガスである。また、ＳＦ６ガスは、プラズマ中で生成されるＦ原子の密度が他のフッ素系ガスよりも数倍大きいことや、ＳＦ６に含まれるＳ原子がＳｉ表面の酸化を防止してエッチングを促進する働きがあることから、高いエッチングレートが得られるガス種であり、メインエッチング工程の工程時間を短縮化し、エッチバック全体のスループット向上に寄与する。
【００４０】
次に、処理ガス供給系３０からエッチングガスとしてＣｌ２ガス、ＨＢｒガスおよびＣＦ４ガスをチャンバー１内に導入する。そして、高周波電源４０からシャワーヘッド２１に例えば６０ＭＨｚの高周波電力を印加し、これにより、上部電極としてのシャワーヘッド２１と下部電極としてのサセプタ３との間に高周波電界を生じさせ、上記Ｃｌ２ガス、ＨＢｒガスおよびＣＦ４ガスをプラズマ化する。このとき、高周波電源５０から下部電極であるサセプタ３に所定の周波数例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加してプラズマ中のイオンをサセプタ３側へ引き込むようにする。
【００４１】
このようにして生成されたＣｌ２／ＨＢｒ／ＣＦ４プラズマにより、図５に示すようにオーバーエッチングを行う。このオーバーエッチングは、窒化ケイ素膜１０３上に残存した多結晶シリコン膜１０５の残膜（膜厚２０〜３０ｎｍ）が完全に除去され、かつ窒化ケイ素膜１０３が僅かに（例えば１０ｎｍ未満）エッチングされるまで行なわれる。
【００４２】
オーバーエッチング工程では、シリコンとの反応生成物（ＳｉＢｒｘ）を形成しやすいＨＢｒガスと、ポリマーを形成しやすいＣＦ４を使用することにより、メインエッチング工程に比べて低いエッチングレートで多結晶シリコン膜１０５の残膜を除去する。これによって、コンタクトホール１０４内を埋める多結晶シリコンが過剰にエッチングされる事態を防止できる。
【００４３】
以上のようにＣｌ２ガス、ＳＦ６ガスおよびＮ２ガスを使用したメインエッチング工程と、Ｃｌ２ガス、ＨＢｒガスおよびＣＦ４ガスを使用したオーバーエッチング工程とを組み合わせることにより、多結晶シリコン表面の凹凸の形成を抑制しながらエッチバックを行なって、図６に示すようにコンタクトプラグ１０６を形成できる。そして、多結晶シリコン膜１０５の表面形状を平滑にエッチングできる結果、エッチバック後の窒化ケイ素膜１０３の表面に多結晶シリコン膜１０５の凹凸が転写されることはなく、窒化ケイ素膜１０３の表面を平滑に形成することが可能になる。
【００４４】
プラズマエッチング装置１を用いてメインエッチングを実施する際の好適な条件は以下のとおりである。
まず、処理ガスの流量として、例えばＣｌ２の流量は１００〜２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、ＳＦ６の流量は１００〜２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｎ２の流量は５０〜２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とすることが好ましい。この場合に、エッチング表面に対する平坦化の効果を十分に得るためには、Ｎ２ガス流量を、総ガス流量に対して、例えば２５〜４０％となるようにすることが好ましい。総ガス流量に対するＮ２ガス流量の比率が２５％を下回ると、十分な平坦化の効果が得られない。一方、前記比率が４０％を超えてもそれ以上の効果の向上は期待できず、エッチングレートを低下させてしまうおそれがある。
【００４５】
このメインエッチングの際のチャンバー２内の圧力は、例えば４．０〜１２．０Ｐａ（３０〜９０ｍＴｏｒｒ）とすることが好ましい。
【００４６】
また、エッチングの際のサセプタ温度は、例えば４０〜７０℃とすることが好ましい。
【００４７】
プラズマエッチング装置１を用いてオーバーエッチングを実施する際の好適な条件は以下のとおりである。
まず、処理ガスの流量として、例えばＣｌ２の流量は３０〜１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、ＨＢｒの流量は１００〜２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、ＣＦ４の流量は３０〜１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とすることが好ましい。
【００４８】
オーバーエッチングの際のチャンバー２内の圧力やサセプタ温度は、メインエッチングと同様の条件で実施できる。
【００４９】
また、好ましい実施形態では、オーバーエッチングにおいてＮ２ガスを添加することも可能である。オーバーエッチングのガス系であるＣｌ２ガス、ＨＢｒガスおよびＣＦ４にＮ２を添加することによって、窒化ケイ素膜１０３の表面を平滑化する効果がさらに確実になる。この場合には、オーバーエッチングの工程全体にわたってＮ２ガスを導入してもよく、あるいは、オーバーエッチングの工程を複数のステップに分け、その一部のみにＮ２ガスを導入してもよい。オーバーエッチングにＮ２ガスを導入する場合の処理ガスの流量として、例えば、Ｃｌ２の流量は３０〜１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、ＨＢｒの流量は１００〜２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、ＣＦ４の流量は３０〜１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｎ２の流量は５０〜２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とすることが好ましい。
【００５０】
次に、本発明の効果を確認した試験結果について説明する。
図１のプラズマエッチング装置１を使用し、図３と同様の構造を有する積層体に対して下記条件にてプラズマエッチング処理を実施し、多結晶シリコン膜のエッチバックを実施した。プラズマエッチング処理は、メインエッチングとオーバーエッチングを分けて実施した。
なお、積層体における窒化ケイ素膜１０３の初期膜厚は１６７ｎｍ、多結晶シリコン膜１０５の初期膜厚は２４５ｎｍであった。また、ポリシリコン膜１０５は、ＳｉＨ４とＰＨ３を原料としてＣＶＤ法により５３０〜５８０℃程度の温度条件で成膜されたものであり、その膜中には、３×１０１９〜５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２のリンがドープされているものを使用した。
【００５１】
エッチング条件は下記のとおりである。
＜メインエッチング＞
Ｃｌ２／ＳＦ６／Ｎ２＝１５０／１５０／１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
圧力＝６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）
上部電極ＲＦパワー（６０ＭＨｚ）＝６００Ｗ
下部電極ＲＦパワー（１３．５６ＭＨｚ）＝４００Ｗ
背圧（センター部／エッジ部）＝１３３３Ｐａ／１３３３Ｐａ（１０／１０Ｔｏｒｒ；Ｈｅガス）
上部及び下部電極間距離＝１７０ｍｍ
温度（上部電極／チャンバ側壁／下部電極）＝８０℃／６０℃／６０℃
【００５２】
＜オーバーエッチング＞
Ｃｌ２／ＨＢｒ／ＣＦ４＝７０／１５０／６０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
圧力＝６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）
上部電極ＲＦパワー（６０ＭＨｚ）＝３００Ｗ
下部電極ＲＦパワー（１３．５６ＭＨｚ）＝３００Ｗ
背圧（センター部／エッジ部）＝１３３３Ｐａ／１３３３Ｐａ（１０／１０Ｔｏｒｒ；Ｈｅガス）
上部及び下部電極間距離＝１７０ｍｍ
温度（上部電極／チャンバ側壁／下部電極）＝８０℃／６０℃／６０℃
【００５３】
比較のため、メインエッチングにおいてＮ２ガスを添加しない以外は、上記と同様の条件で、同じ構造の積層体に対してエッチングを実施した。
【００５４】
メインエッチングガスにＮ２ガスを添加した場合と添加しなかった場合のそれぞれにおけるメインエッチング後の多結晶シリコン膜１０５の表面およびオーバーエッチング後の窒化ケイ素膜１０３の表面について、電子顕微鏡による観察結果（写真）を図７に示すとともに、表面粗さ（Ｒａ）の測定結果を表１に示した。
【００５５】
【表１】
0004754380.tif 000002
【００５６】
図７および表１から、Ｎ２ガスを添加しなかった場合には、メインエッチング後の多結晶シリコン膜１０５の表面に多数の凹凸が形成され、それがオーバーエッチング後の窒化ケイ素膜１０３の表面にも転写されてしまったことがわかる。これに対して、メインエッチングガスにＮ２ガスを添加した場合には、メインエッチング後の多結晶シリコン膜１０５の表面は明らかに平坦化されており、オーバーエッチング後の窒化ケイ素膜１０３の表面も平滑であった。
【００５７】
また、メインエッチングガスにＮ２ガスを添加した場合のメインエッチング工程のエッチングレートは、５３０ｎｍ／ｍｉｎであり、実用上十分なエッチングレートが確保された。なお、メインエッチングガスにＮ２ガスを添加しなかった場合のメインエッチング工程のエッチングレートは、５６５ｎｍ／ｍｉｎであり、Ｎ２ガスの添加によってエッチングレートに大きな変化は見られなかった。
【００５８】
次に、図８は、Ｎ２ガスの添加量を変化させた以外は、上記と同様の条件でメインエッチング工程を実施した後の多結晶シリコン膜１０５の表面状態を示す電子顕微鏡写真である。ここでは、Ｎ２ガスを添加しなかった場合、Ｎ２ガスを１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）添加した場合（対ガス総流量比率として２５％）およびＮ２ガスを２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）添加した場合（対ガス総流量比率として４０％）で比較を行なった。また、各条件におけるメインエッチング工程後の多結晶シリコン膜１０５の表面粗さ（Ｒａ）の測定結果を表２に示した。
【００５９】
【表２】
0004754380.tif 000003
【００６０】
この図８および表２から、メインエッチングガス中のＮ２の流量比率が２５％の場合に比べ、流量比率を４０％まで増加させると、メインエッチング後の多結晶シリコン１０５の表面をより平坦化できることが示された。
【００６１】
また、メインエッチングガスにＮ２ガスを１００ｍＬ／ｍｉｎ添加した場合のエッチングレートは、５８１ｎｍ／ｍｉｎであり、Ｎ２ガスを２００ｍＬ／ｍｉｎ添加した場合のエッチングレートは、５５４ｎｍ／ｍｉｎであり、いずれも実用上十分なエッチングレートであった。
【００６２】
以上の結果から、メインエッチングガス中のＮ２の流量比率を２５％〜４０％の範囲に設定すれば、多結晶シリコン膜１０５に対して優れた平坦化効果が得られることが確認された。
【００６３】
次に、上記と同様の条件（Ｎ２ガス流量；１００ｍＬ／ｍｉｎ）でメインエッチング工程を実施した後、オーバーエッチング工程を２ステップに分けて実施し、その後半（２ステップ目）にＮ２ガスを導入した。すなわち、オーバーエッチング工程の最初の７秒間は、エッチングガスとしてＣｌ２／ＨＢｒ／ＣＦ４＝７０／１５０／６０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）を使用し、次の１３秒間は、エッチングガスとしてＣｌ２／ＨＢｒ／ＣＦ４／Ｎ２＝７０／１５０／６０／４０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）を使用した。オーバーエッチングにおける他の条件は上記と同様である。
【００６４】
図９は、２ステップで実施したオーバーエッチング後の窒化ケイ素膜１０３の表面状態を示す電子顕微鏡写真である。また、このときの表面粗さ（Ｒａ）を測定したところ、５．７ｎｍであった。これらの結果から、Ｃｌ２およびＳＦ６にＮ２を添加してメインエッチングを行なった後、さらにオーバーエッチング工程でもＣｌ２、ＨＢｒおよびＣＦ４にＮ２を添加することによって、窒化ケイ素膜１０３の表面を確実に平坦化できることが確認された。
【００６５】
以上のように、本発明のプラズマエッチング方法によれば、被エッチング膜である多結晶シリコン表面の凹凸の形成を抑制したエッチングが可能になるので、例えば多結晶シリコンを使用したコンタクトプラグを形成する際のエッチバックプロセスに適用することにより、多結晶シリコン表面から層間絶縁膜表面への凹凸形状の転写に起因するデバイス欠陥を防止することが可能になる。
従って、本発明の処理方法は、例えばエッチバックプロセスによるコンタクト形成が何度も繰り返し実施されるＤＲＡＭなどの半導体装置の製造において好適に利用できるものである。
【００６６】
以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明は上記実施形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では上下電極に高周波電力を印加してエッチングを行う平行平板型のプラズマエッチング装置を用いたが、これに限るものではなく、上部電極のみ、または下部電極のみに高周波電力を印加するタイプの装置であってもよく、永久磁石を用いたマグネトロンＲＩＥプラズマエッチング装置であってもよい。また、容量結合型のプラズマエッチング装置に限らず、誘導結合型等の他の形式のプラズマエッチング装置も用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、例えばＤＲＡＭなどの各種半導体装置を製造する過程において好適に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明のプラズマエッチング方法の実施に好適に利用可能なプラズマエッチング装置の概略構成を示す断面図。
【図２】処理ガス供給系の構成図。
【図３】半導体ウエハの表面付近の断面構造を示す模式図であり、メインエッチングをしている状態を示す。
【図４】半導体ウエハの表面付近の断面構造を示す模式図であり、メインエッチング後の状態を示す。
【図５】半導体ウエハの表面付近の断面構造を示す模式図であり、オーバーエッチングをしている状態を示す。
【図６】半導体ウエハの表面付近の断面構造を示す模式図であり、オーバーエッチング後の状態を示す。
【図７】Ｎ２ガスの添加の有無によるエッチング表面の違いを示す図面である。
【図８】Ｎ２ガス流量を変化させた場合のエッチング表面の状態を示す図面である。
【図９】オーバーエッチング時にＮ２ガスを添加した場合のエッチング表面の状態を示す図面である。
【符号の説明】
【００６９】
１：プラズマエッチング装置
２：チャンバー（処理容器）
３：サセプタ（下部電極）
２１：シャワーヘッド
３０：処理ガス供給系
３６：排気装置
４０：高周波電源
１０１：Ｓｉ基板
１０２：酸化ケイ素膜（ＳｉＯ２）
１０３：窒化ケイ素膜（Ｓｉ３Ｎ４）
１０４：コンタクトホール
１０５：多結晶シリコン膜
１０６：コンタクトプラグ
Ｗ：半導体ウエハ
【図１】
0004754380.tif 000004
【図２】
0004754380.tif 000005
【図３】
0004754380.tif 000006
【図４】
0004754380.tif 000007
【図５】
0004754380.tif 000008
【図６】
0004754380.tif 000009
【図７】
0004754380.tif 000010
【図８】
0004754380.tif 000011
【図９】
0004754380.tif 000012