(57)【要約】【課題】  エッチングレート及び垂直加工性が高いエッチング方法を提供する。【解決手段】  プラズマ生成室１の上流側に設けられた上流側電極８と、上流側電極８に対向して設けられ、プラズマ１５からイオン１２を引き出す下流側電極２であって、イオン１２を中性化するアパーチャー１３を複数有する下流側電極２と、下流側電極２下流に設けられ被加工基板６を保持する処理室４とを備えたエッチング装置を用いてＳｉ材料をエッチングする方法であって、Ｃｌ２とＳＦ６の混合ガスを用いてパルス変調放電によりプラズマ生成室１内にプラズマ１５を生成させる工程と、上流側電極８に直流電圧を印加すると共に下流側電極２に高周波電力を印加してプラズマ１５から引き出した正及び負イオン１２をアパーチャー１３内を通過させて高速中性粒子ビーム５を生成し、高速中性粒子ビーム５により被加工基板６をエッチングする工程とを含む。【選択図】      図１
2005259873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｌ原子もしくはＦ原子を含むプラズマを生成するプラズマ生成室と、
前記プラズマ生成室の上流側に設けられた上流側電極と、
前記上流側電極に直流電圧を印加する直流電源と、
前記上流側電極と対向して前記プラズマ生成室の下流側に設けられ、前記プラズマからイオンを引き出す下流側電極であって、該イオンを中性化して高速中性粒子ビームを生成するアパーチャーが複数形成された下流側電極と、
前記下流側電極に高周波電力を印加する高周波電源と、
前記下流側電極の下流に設けられた処理室であって、被加工基板を保持するステージを有する処理室とを備えたことを特徴とするエッチング装置。
【請求項２】
Ｃｌ２とＳＦ６の混合ガスをパルス変調放電により解離及びイオン化させてプラズマを生成するプラズマ生成室と、
前記プラズマ生成室の上流側に設けられた上流側電極と、
前記上流側電極に直流電圧を印加する直流電源と、
前記上流側電極と対向して前記プラズマ生成室の下流側に設けられ、前記プラズマからイオンを引き出す下流側電極であって、該イオンを中性化して高速中性粒子ビームを生成するアパーチャーが複数形成された下流側電極と、
前記下流側電極に高周波電力を印加する高周波電源と、
前記下流側電極の下流に設けられた処理室であって、被加工基板を保持するステージを有する処理室とを備えたことを特徴とするエッチング装置。
【請求項３】
請求項１に記載のエッチング装置において、
前記下流側電極に直流電圧を印加する下流側電極用直流電源を更に備え、
前記下流側電極に前記高周波電源から高周波電力を印加すると同時に前記下流側電極用直流電源から直流電圧を印加することを特徴とするエッチング装置。
【請求項４】
原料ガスからプラズマを生成するプラズマ生成室と、該プラズマ生成室の上流側に設けられた上流側電極と、該上流側電極に対向して該プラズマ生成室の下流側に設けられ、前記プラズマからイオンを引き出す下流側電極であって、該イオンを中性化するアパーチャーを複数有する下流側電極と、該下流側電極の下流に設けられ被加工基板を内部に保持する処理室とを備えたエッチング装置を用いてシリコン材料をエッチングする方法であって、
Ｃｌ２とＳＦ６の混合ガスを用いてパルス変調放電によりプラズマ生成室内にプラズマを生成させる工程と、
上流側電極に直流電圧を印加すると共に下流側電極に高周波電力を印加することにより、前記プラズマから引き出した正及び負イオンをアパーチャー内を通過させて高速中性粒子ビームを生成し、該高速中性粒子ビームにより被加工基板をエッチングする工程とを含むことを特徴とするエッチング方法。
【請求項５】
原料ガスからプラズマを生成するプラズマ生成室と、該プラズマ生成室の上流側に設けられた上流側電極と、該上流側電極に対向して該プラズマ生成室の下流側に設けられ、前記プラズマからイオンを引き出す下流側電極であって、該イオンを中性化するアパーチャーを複数有する下流側電極と、該下流側電極の下流に設けられ被加工基板を内部に保持する処理室とを備えたエッチング装置を用いてシリコン材料をエッチングする方法であって、
Ｃｌ２とＳＦ６の混合ガスを用いてパルス変調放電によりプラズマ生成室内にプラズマを生成させる工程と、
上流側電極に直流電圧を印加すると共に下流側電極に高周波電力及び直流電圧を印加することにより、前記プラズマから引き出した正及び負イオンをアパーチャー内を通過させて高速中性粒子ビームを生成し、該高速中性粒子ビームにより被加工基板をエッチングする工程とを含むことを特徴とするエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中性粒子ビームを用いたエッチング技術に係り、特に微細ポリシリコンゲート電極の形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体集積回路の微細加工にプラズマエッチングが広く用いられている。すなわち、反応性の高い元素を含むエッチングガスを用いて減圧下で低温プラズマを生成し、プラズマ中のラジカルやイオンによって半導体基板を加工する。プラズマ状態では、ラジカルやイオンといった活性種は非常に高いエネルギー状態であるため、液相や気相中での熱化学的反応では生じない反応が生じ、また減圧下での処理であるため、エッチング生成物は容易に揮発・脱離するために非常に効率的に基板のエッチングを行うことが可能となる。
一般に、ラジカルはプラズマ中を自由に拡散するため、ラジカルによるエッチングは等方的に進行する。一方、イオンは基板表面に生じるイオンシースの電界によって基板表面に対して垂直に入射するため、イオンによるエッチングは異方的に進行する。エッチング材料、エッチング特性及び目的により放電条件を変化させ、ラジカルとイオンの密度比を制御する必要があるが、比較的イオンによる効果が顕著になる条件でエッチングを行うことにより微細パターンの形成が可能となる。
【０００３】
しかしながら、プラズマエッチングには原理的に回避できない問題がある。
一般的に、低温プラズマ中では正電荷を有するイオンと負電荷を有する電子が多数存在し、また電子衝突による原子分子の励起・脱励起により短波長の紫外線が放射される。この紫外線の照射を受けた基板表面では、チャージアップによるゲート絶縁膜の絶縁破壊や、ゲート電極の形状異常が生じてしまう。さらに、高エネルギーのイオンや紫外線の照射により、ゲート絶縁膜中に欠陥が生じたり、ゲート絶縁膜／シリコン界面に固定電荷や界面準位が生じてしまう。さらに、紫外線の照射により基板の極表面の温度が上昇するため、レジスト材料の変質及び変形が生じてしまう。これらの現象により、半導体集積回路の製造歩留まりや信頼性が低下してしまうという問題があった。
【０００４】
これらの問題を解決するため、中性粒子ビームを用いたエッチング装置及びエッチング方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１０９９４２号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来は、プラズマ生成室内に対向配置された上流側電極と下流側電極の両方に直流電圧を印加することにより、中性粒子ビームを生成していた。この場合、生成した中性粒子ビームのエネルギー並びに電流密度が低いという課題があった。よって、エッチングレートが低く、微細パターンを形成する際に垂直加工性がまだ十分ではなかった。例えば、次世代の半導体装置に用いられる５０ｎｍ幅のポリシリコン（以下「Poly-Si」という。）ゲートをパターニングする際、アンダーカット形状になってしまうという課題があった。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、エッチングレート及び垂直加工性が高いエッチング装置及びエッチング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るエッチング装置は、Ｃｌ原子もしくはＦ原子を含むプラズマを生成するプラズマ生成室と、
前記プラズマ生成室の上流側に設けられた上流側電極と、
前記上流側電極に直流電圧を印加する直流電源と、
前記上流側電極と対向して前記プラズマ生成室の下流側に設けられ、前記プラズマからイオンを引き出す下流側電極であって、該イオンを中性化して高速中性粒子ビームを生成するアパーチャーが複数形成された下流側電極と、
前記下流側電極に高周波電力を印加する高周波電源と、
前記下流側電極の下流に設けられた処理室であって、被加工基板を保持するステージを有する処理室とを備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明に係るエッチング装置は、Ｃｌ２とＳＦ６の混合ガスをパルス変調放電により解離及びイオン化させてプラズマを生成するプラズマ生成室と、
前記プラズマ生成室の上流側に設けられた上流側電極と、
前記上流側電極に直流電圧を印加する直流電源と、
前記上流側電極と対向して前記プラズマ生成室の下流側に設けられ、前記プラズマからイオンを引き出す下流側電極であって、該イオンを中性化して高速中性粒子ビームを生成するアパーチャーが複数形成された下流側電極と、
前記下流側電極に高周波電力を印加する高周波電源と、
前記下流側電極の下流に設けられた処理室であって、被加工基板を保持するステージを有する処理室とを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係るエッチング装置において、前記下流側電極に直流電圧を印加する下流側電極用直流電源を更に備え、
前記下流側電極に前記高周波電源から高周波電力を印加すると同時に前記下流側電極用直流電源から直流電圧を印加することが好適である。
【００１１】
本発明に係るエッチング方法は、原料ガスからプラズマを生成するプラズマ生成室と、該プラズマ生成室の上流側に設けられた上流側電極と、該上流側電極に対向して該プラズマ生成室の下流側に設けられ、前記プラズマからイオンを引き出す下流側電極であって、該イオンを中性化するアパーチャーを複数有する下流側電極と、該下流側電極の下流に設けられ被加工基板を内部に保持する処理室とを備えたエッチング装置を用いてシリコン材料をエッチングする方法であって、
Ｃｌ２とＳＦ６の混合ガスを用いてパルス変調放電によりプラズマ生成室内にプラズマを生成させる工程と、
上流側電極に直流電圧を印加すると共に下流側電極に高周波電力を印加することにより、前記プラズマから引き出した正及び負イオンをアパーチャー内を通過させて高速中性粒子ビームを生成し、該高速中性粒子ビームにより被加工基板をエッチングする工程とを含むことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係るエッチング方法は、原料ガスからプラズマを生成するプラズマ生成室と、該プラズマ生成室の上流側に設けられた上流側電極と、該上流側電極に対向して該プラズマ生成室の下流側に設けられ、前記プラズマからイオンを引き出す下流側電極であって、該イオンを中性化するアパーチャーを複数有する下流側電極と、該下流側電極の下流に設けられ被加工基板を内部に保持する処理室とを備えたエッチング装置を用いてシリコン材料をエッチングする方法であって、
Ｃｌ２とＳＦ６の混合ガスを用いてパルス変調放電によりプラズマ生成室内にプラズマを生成させる工程と、
上流側電極に直流電圧を印加すると共に下流側電極に高周波電力及び直流電圧を印加することにより、前記プラズマから引き出した正及び負イオンをアパーチャー内を通過させて高速中性粒子ビームを生成し、該高速中性粒子ビームにより被加工基板をエッチングする工程とを含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は以上説明したように、Ｃｌ２とＳＦ６の混合ガスを用いると共に下流側電極に高周波を印加して高速中性粒子ビームを生成することにより、エッチングレート及び垂直加工性が高いエッチング装置及びエッチング方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図中、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるエッチング装置を説明するための断面図である。
図１に示すエッチング装置は、Ｃｌ原子若しくはＦ原子１６を含むプラズマ１５を生成する誘導結合型（ＩＣＰ）のプラズマ生成室１と、基板６をエッチングする処理室４とを有する。
【００１６】
プラズマ生成室１の外周には、３ターンのコイル型アンテナ７が巻かれている。アンテナ７は、パルス変調放電（後述）が可能なＲＦ電源１１に接続されている。プラズマ生成室１上流側にガス導入口１７が設けられ、該導入口１７から所望の混合比率でＣｌ２とＳＦ６の混合ガス（以下「Ｃｌ２／ＳＦ６混合ガス」という。）が導入される。導入されたＣｌ２／ＳＦ６混合ガスは、上流側電極８において分岐され、シャワー状にプラズマ生成室１内に導かれる。プラズマ生成室１の上下には２つのグラファイト製の電極２，８が対向配置されている。下流側電極２によってプラズマ生成室１と処理室４とが分離されている。上流側電極８はＤＣ電源９に接続され、下流側電極２はＲＦ電源（高周波電源）１０に接続されている。ＲＦ電源１０は、周波数が数１００ｋＨｚ〜数ＭＨｚの高周波電力を出力するものである。上流側電極８と下流側電極２との間に生じる電位差により、プラズマ１５中の正及び負イオン１２をドリフト及び加速可能である。下流側電極２には、プラズマ１５から引き出されたイオン１２を中性化するために、基板６に対して垂直方向に貫通する微細孔（以下「アパーチャー」という。）１３が複数形成されている。イオン１２がアパーチャー１３を通過する際、イオン１２がアパーチャー１３の内壁と浅い角度で接触して電荷交換を行うことにより中性化され、高速中性粒子ビーム５が生成する。
【００１７】
処理室４内にはステージ３が設けられ、このステージ３上に加工対象である基板６が保持される。基板６には、シリコン膜（Poly-Si膜）が形成され、その上にマスクとしてのレジストパターンが形成されている（後述）。下流側電極２のアパーチャー１３を通過することにより生成された高速中性粒子ビームが被加工基板６表面に入射する。
基板６裏面とステージ３表面との間には、１０Ｔｏｒｒ前後の圧力でヘリウムガスが供給され、温度制御されたステージ３と基板６との間で該ヘリウムガスを介して熱交換を行う。
処理室４の底部（下流側）には排気口１８が設けられ、該排気口１８はコンダクタンスバルブ１９を介して排気ポンプ（図示せず）に接続されている。プラズマ生成室１の圧力は０．５〜１Ｐａ程度が好適であり、処理室４の圧力は０．０５〜０．１Ｐａ程度が好適である。
【００１８】
次に、上記エッチング装置の動作について説明する。
ステージ３上に基板６を保持した後、ガス導入口１７からプラズマ生成室１内にＣｌ２／ＳＦ６混合ガスを供給する。そして、ＲＦ電源１１からコイル型アンテナ７に周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波を印加する。該高周波は、ＲＦオン時の電子密度が１×１０１１ｃｍ−３程度以上となる電力とする。これにより、上記混合ガスを解離及びイオン化してプラズマ１５を生成する。この際、ＲＦ電源１１により、ＲＦオン時間とＲＦオフ時間をそれぞれ５０μｓｅｃ前後としたパルス変調放電を行うことが好適である。パルス変調放電によりプラズマ中の電子の数を減少させて、イオンの中性化率を向上させることができる。また、パルス変調放電では、ＲＦオフ時間（パルスオフ時間）にプラズマ１５中の電子のエネルギーが数十μｓｅｃの時定数で減衰し、低エネルギーの電子がプラズマ１５中で解離したハロゲン原子１６に付着して負イオンを効率的に生成する。
【００１９】
次に、ＤＣ電源９から上流側電極８に−１００Ｖ程度の直流電圧を印加すると共に、ＲＦ電源１０から下流側電極２に数１０Ｗ〜数１００Ｗ程度の高周波電力（周波数：６００ｋＨｚ）を印加する。これにより、正及び負のイオン（例えば、Ｃｌ−，Ｆ−，ＳＦ３＋，Ｃｌ２＋）イオン１２がドリフトし、上流側電極８から下流側電極２に向かってイオン１２が加速され、１００〜２００ｅＶ程度の運動エネルギーでプラズマ生成室１から引き出される。引き出されたイオン１２は下流側電極２のアパーチャー１３を通過する際に中性化され、高速中性粒子ビーム１４が基板６表面に入射することにより、中性粒子ビーム１４によるエッチングが行われる。
【００２０】
ここで、下流側電極２に高周波電力（以下「ＲＦバイアス」という。）を印加するのではなく、従来のように直流電圧（以下「ＤＣバイアス」という。）を印加する場合の問題点を述べる。下流側電極２にＤＣバイアスを印加するときは、上流側電極と下流側電極の直流電圧差（以下「上下電極電圧差」という。）によってプラズマ中のイオンがドリフト・加速される。上下電極電圧差（Vtop-Vbot）を負に印加する場合、プラズマからは負イオンが引き出され、該負イオンの中性化が高効率に行われるがエネルギーが低い。上下電極電圧差（Vtop-Vbot）を正に印加する場合、エネルギーが高いが中性化率が低い。図２は、下流側電極を便宜的に接地電位（GND）にして上流側電極に直流電圧（Vtop）を印加した場合の残留イオンのエネルギーを示す図である。この場合、上流側電極に所定の一定電圧を印加して、下流側電極の電位を変化させても同様の結果が得られる。残留イオンのエネルギーが、中性粒子ビームのエネルギーとほとんど等しいことが分かっている。図２に示すように、負のＤＣバイアス（Vtop=-100V）を印加した場合には、中性粒子ビームに残留するCl-のエネルギーがＤＣバイアス（Vtop=-100V）に比べ非常に低いことが分かる。一方、正のＤＣバイアス（Vtop=+100V）を印加した場合には、中性粒子ビームに残留するCl2+のエネルギーは高いが、中性化率が低い。
【００２１】
図３は、ＤＣバイアスを印加する場合において、ＤＣバイアスと中性化率との関係を示す図である。ＤＣバイアスの極性により中性粒子ビームのエネルギーが大きく異なるが、正のＤＣバイアスを印加するよりも負のＤＣバイアスを印加した方が中性化率が高く、低ダメージのエッチングに好適であることが分かる。しかし、上述したように、負のＤＣバイアスを印加した場合には、中性粒子ビームのエネルギーが非常に低くなってしまうのが問題である。
【００２２】
図４は、下流側電極にＲＦバイアスを印加した場合の残留イオンのエネルギーを示す図である。図４に示すように、中性粒子ビームに残留するイオンのうちCl-の分布は約30eV以上まで、Cl2+とF-の分布は80eV以上まで広がっている。よって中性粒子ビームのエネルギーが高いことが分かる。
【００２３】
図５は、下流側電極に印加するＲＦバイアスと、中性粒子ビームの電流密度との関係を示す図である。ＲＦバイアスを印加した場合、中性粒子ビームのエネルギーを高めるのみでなく、中性粒子ビームの電流密度を格段に向上させられるという利点がある。図５に示すように、中性粒子ビームの電流密度はＲＦバイアスの増加に伴って大きく増加している。ＲＦバイアスがゼロのときには、ＤＣバイアスが印加された場合であり、ＲＦバイアス印加によって中性粒子ビームの電流密度を桁違いに増加させる効果があることが分かる。また、正及び負イオンの中性化率は９０％以上を保っていることがわかる。ＤＣバイアス印加時と異なり、ＲＦバイアス印加時では、ガス分子との衝突頻度が増加して元来中性化率の低い正イオンでも中性化が促進するものと考えられる。
【００２４】
図６は、ＤＣバイアス印加時とＲＦバイアス印加時のポリシリコンゲート断面形状を示すＳＥＭ写真である。図６に示すように、ＤＣバイアス印加時では、アンダーカットが観察される。これは、中性粒子ビームのエネルギーが不十分であるためと考えられる。一方、ＲＦバイアス印加時では、垂直なパターン形状が得られることが分かる。
【００２５】
以上説明したように、本実施の形態１では、ハロゲン元素を含むエッチングガスをプラズマ生成室１においてパルス変調放電により解離・イオン化し、上流側電極８に直流電圧を印加すると共に下流側電極２にＲＦバイアス（高周波電力）を印加することにより、高い中性化率を保ったままエネルギーと電流密度が高い高速中性粒子ビームが得られる。これにより、エッチングレート及び垂直加工性が高いエッチング装置及びエッチング方法を提供することが可能である。
【００２６】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２によるエッチング方法を説明するための工程断面図である。
図７（ａ）はエッチング前のサンプルを示している。図７（ａ）に示すように、シリコン基板１０１上にシリコン酸化膜１０２が形成され、その上にポリシリコン膜１０３が形成され、さらにその上に５０ｎｍ幅の単層レジストパターン１０４が形成されている。
【００２７】
実施の形態１によるエッチング装置をおいて、Ｃｌ２／ＳＦ６混合ガスを用いてポリシリコン膜１０３のメインエッチングを行う。図７（ｂ）に示すように、Ｃｌ２の解離種のＣｌ原子１０５とＳＦ６の解離種のＦ原子１０６とが共にＳｉ材料（ポリシリコン膜１０３）のエッチャントとなる。Ｃｌ原子ビームを用いた方がＦ原子ビームを用いるよりも異方性形状が得られやすい。Ｆ原子ビームはＳｉのエッチャントとなるだけでなく、高エネルギーのＣｌ原子によるエッチングで生じる反応生成物を分解除去して、パターン側壁へ過剰な堆積膜を形成するのを防止する効果がある。
【００２８】
具体的には、Ｃｌ２：ＳＦ６＝２５：１５sccm程度の流量比で混合したガスを用いる。コンダクタンスバルブ１９の開閉により排気コンダクタンスを調整し、プラズマ生成室１の圧力を１Ｐａ程度に調整すると共に、処理室４の圧力を０．１Ｐａ程度に調整する。そして、パルス変調した高周波電力をＲＦ電源１１からコイル型アンテナ７に印加してプラズマ１５を生成する。そして、上流側電極８に−１００Ｖの直流電圧を印加し、下流側電極２に周波数が６００ｋＨｚで６０Ｗの高周波電力を印加する。これにより、プラズマ中の正及び負のイオン（例えば、Ｃｌ−，Ｆ−，ＳＦ３＋，Ｃｌ２＋）が加速され下流側電極２に引き込まれ、下流側電極２のアパーチャー１３を通過する際に中性化され、高速中性粒子ビーム５が基板に入射する。すなわち、基板１０１表面に入射した、数ｅＶ〜１００ｅＶ程度の運動エネルギーを有するＣｌ原子ビーム１０５とＦ原子ビーム１０６により、ポリシリコン膜１０３がエッチングされる。但し、本条件では、ゲート酸化膜１０２に対するエッチング選択比が２程度であり低いため、以下に説明するオーバーエッチングを引き続き行う。
【００２９】
オーバーエッチングでは、ＳＦ６ガスの流量を０sccmにし、Ｃｌ２ガスの流量を４０sccmにし、下流側電極２に印加する高周波を０Ｗにする。その他の条件は上記メインエッチングと同じである。本条件でオーバーエッチングを行うと、図７（ｃ）に示すように、下地のゲート酸化膜１０２を保ちながら、Ｃｌ原子１０５によりポリシリコン膜１０３がエッチングされる。オーバーエッチング後、レジストパターン１０４を除去する。その後、公知の不純物注入によりゲート電極の両脇にソース／ドレイン領域を形成することにより、ＭＯＳトランジスタを形成することができる。
【００３０】
以上説明したように、本実施の形態２では、実施の形態１によるエッチング装置を用いて、Ｃｌ２／ＳＦ６混合ガス系で下地の極薄ゲート酸化膜１０２を保ったままで、線幅５０ｎｍのポリシリコンゲート電極（１０３）の微細加工が可能となった。
【００３１】
本発明者らは、ポリシリコン膜のメインエッチングにおけるＣｌ２／ＳＦ６流量比を変化させてエッチング形状を確認した。図８は、本実施の形態２において、エッチングパターン形状のＣｌ２／ＳＦ６流量比依存性を示す断面図である。図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、ＳＦ６の流量比を高くするにつれて、パターン側壁の反応生成堆積物１１０の量が少なくなることが分かった。図８（ａ）に示すように、Ｃｌ２（４０sccm）のみでエッチングする場合、アンダーカット形状は防ぐことができるものの反応生成堆積物１１０が多くエッチングレートも低い。逆に、図８（ｃ）に示すように、ＳＦ６の添加量を多くすると、エッチングレートは高くなるが、アンダーカット形状になってしまう。
【００３２】
実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３によるエッチング装置を説明するための断面図である。
図９に示すように、本実施の形態３によるエッチング装置は、実施の形態１によるエッチング装置に、ＤＣ電源２０を更に設けている。すなわち、プラズマ生成室１内にプラズマ１５を生成した後、イオン１２を中性化して中性粒子ビーム５を生成する際、下流側電極２にＲＦ電源１０から高周波を印加すると共に、ＤＣ電源２０から直流電圧を印加するようにした。上述したように５０ｎｍ幅のポリシリコンゲート電極を形成する場合、例えば、上流側電極８には−１００Ｖ程度の直流電圧を印加し、下流側電極２には６００ＷのＲＦを印加すると共に−１００Ｖ〜＋１００Ｖ程度の直流電圧を印加する。
【００３３】
本実施の形態３では、プラズマ１５中のイオン１２を引き出して中性粒子ビーム５を生成する際、下流側電極２にＲＦと直流電圧とを同時に印加するようにした。一般にプラズマとそれに接触する電極表面との間には電子とイオンの移動度の差に起因するイオンシースが形成され、プラズマから見て電極表面が負の電位となるような電位差が生じる。このため、正イオンは電極に向けて加速されるが負イオンは電極には到達しない。本発明では、パルス変調放電を使用しているため、プラズマ中の電子密度が非常に低い正／負イオンプラズマの状態となっており、イオンシースによる電位差が非常に小さい。このため、負イオンの引出しも可能になり、負イオンから高い中性化率が得られるのが特徴となっている。但し、図２で示したように、負イオンのエネルギーは、印加するＤＣバイアスに比べかなり低い値となる。一方、ＲＦバイアスを印加した場合には、図４で示したように、ＤＣバイアス印加時に比べてＣｌ−イオンのエネルギーが増加しているが、Ｃｌ２＋イオンに比べるとやはりエネルギーが低いことが分かる。一般に、シリコンのドライエッチングでは塩素分子Ｃｌ２よりも塩素原子Ｃｌの方が反応確率が高いことが分かっており、Ｃｌの比率を増加させることによりエッチングレートを高めることが可能となる。本実施の形態２で詳細に説明したように、ＲＦバイアスの印加によりエッチングレート、形状が大幅に向上し、理想的なポリシリコンゲート電極を形成可能になった。
【００３４】
本実施の形態３では、下流側電極に印加するＲＦバイアスに重畳して正のＤＣバイアスを＋１００Ｖ程度印加して負イオンの引き出し効率を上げることによって、Ｃｌ−イオンから中性化される高速Ｃｌ原子ビームのエネルギー及び電流密度を増加させ、更にポリシリコン電極材料のエッチングレートを高めることが可能になった。また、ＤＣバイアスの電位の極性を変えることにより、引き出される中性粒子ビームの種類をある程度選別することができ、これによるプロセス制御、すなわち、エッチングレート、形状及び選択比の制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態１によるエッチング装置を説明するための断面図である。
【図２】下流側電極にＤＣバイアスを印加した場合の残留イオンのエネルギーを示す図である。
【図３】ＤＣバイアスと中性化率との関係を示す図である。
【図４】下流側電極にＲＦバイアスを印加した場合の残留イオンのエネルギーを示す図である。
【図５】下流側電極に印加するＲＦ電力と、中性粒子ビームの電流密度との関係を示す図である。
【図６】ＤＣバイアス印加時とＲＦバイアス印加時のポリシリコンゲート断面形状を示すＳＥＭ写真である。
【図７】本発明の実施の形態２によるエッチング方法を説明するための工程断面図である。
【図８】本発明の実施の形態２において、エッチングパターン形状のＣｌ２／ＳＦ６流量比依存性を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３によるエッチング装置を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１    プラズマ生成室
２    下流側電極
３    ステージ
４    処理室
５    高速中性粒子ビーム
６    基板
７    コイル型アンテナ
８    上流側電極
１０  ＲＦ電源
１１  ＲＦ電源
１２  イオン
１３  アパーチャー（微細孔）
１４  高速中性粒子
１５  プラズマ
１６  ハロゲン原子（Ｃｌ原子、Ｆ原子）
１７  ガス導入口
１８  排気口
１９  コンダクタンスバルブ
２０  ＤＣ電源
１０１  シリコン基板
１０２  ゲート絶縁膜（ゲート酸化膜）
１０３  ポリシリコン膜
１０４  レジストパターン
１０５  高速Ｃｌ原子
１０６  高速Ｆ原子
１１０  反応生成堆積物
【図１】
2005259873.tif 000003
【図２】
2005259873.tif 000004
【図３】
2005259873.tif 000005
【図４】
2005259873.tif 000006
【図５】
2005259873.tif 000007
【図６】
2005259873.tif 000008
【図７】
2005259873.tif 000009
【図８】
2005259873.tif 000010
【図９】
2005259873.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成16年4月23日(2004.4.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスからプラズマを生成するプラズマ生成室と、該プラズマ生成室の上流側に設けられた上流側電極と、該上流側電極に対向して該プラズマ生成室の下流側に設けられ、前記プラズマからイオンを引き出す下流側電極であって、該イオンを中性化するアパーチャーを複数有する下流側電極と、該下流側電極の下流に設けられ被加工基板を内部に保持する処理室とを備えたエッチング装置を用いてシリコン材料をエッチングする方法であって、
Ｃｌ２とＳＦ６の混合ガスを用いてパルス変調放電によりプラズマ生成室内にプラズマを生成させる工程と、
上流側電極に直流電圧を印加すると共に下流側電極に高周波電力を印加することにより、前記プラズマから引き出した正及び負イオンをアパーチャー内を通過させて高速中性粒子ビームを生成し、該高速中性粒子ビームにより被加工基板をエッチングする工程とを含むことを特徴とするエッチング方法。
【請求項２】
原料ガスからプラズマを生成するプラズマ生成室と、該プラズマ生成室の上流側に設けられた上流側電極と、該上流側電極に対向して該プラズマ生成室の下流側に設けられ、前記プラズマからイオンを引き出す下流側電極であって、該イオンを中性化するアパーチャーを複数有する下流側電極と、該下流側電極の下流に設けられ被加工基板を内部に保持する処理室とを備えたエッチング装置を用いてシリコン材料をエッチングする方法であって、
Ｃｌ２とＳＦ６の混合ガスを用いてパルス変調放電によりプラズマ生成室内にプラズマを生成させる工程と、
上流側電極に直流電圧を印加すると共に下流側電極に高周波電力及び直流電圧を印加することにより、前記プラズマから引き出した正及び負イオンをアパーチャー内を通過させて高速中性粒子ビームを生成し、該高速中性粒子ビームにより被加工基板をエッチングする工程とを含むことを特徴とするエッチング方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中性粒子ビームを用いたエッチング技術に係り、特に微細ポリシリコンゲート電極の形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体集積回路の微細加工にプラズマエッチングが広く用いられている。すなわち、反応性の高い元素を含むエッチングガスを用いて減圧下で低温プラズマを生成し、プラズマ中のラジカルやイオンによって半導体基板を加工する。プラズマ状態では、ラジカルやイオンといった活性種は非常に高いエネルギー状態であるため、液相や気相中での熱化学的反応では生じない反応が生じ、また減圧下での処理であるため、エッチング生成物は容易に揮発・脱離するために非常に効率的に基板のエッチングを行うことが可能となる。
一般に、ラジカルはプラズマ中を自由に拡散するため、ラジカルによるエッチングは等方的に進行する。一方、イオンは基板表面に生じるイオンシースの電界によって基板表面に対して垂直に入射するため、イオンによるエッチングは異方的に進行する。エッチング材料、エッチング特性及び目的により放電条件を変化させ、ラジカルとイオンの密度比を制御する必要があるが、比較的イオンによる効果が顕著になる条件でエッチングを行うことにより微細パターンの形成が可能となる。
【０００３】
しかしながら、プラズマエッチングには原理的に回避できない問題がある。
一般的に、低温プラズマ中では正電荷を有するイオンと負電荷を有する電子が多数存在し、また電子衝突による原子分子の励起・脱励起により短波長の紫外線が放射される。この紫外線の照射を受けた基板表面では、チャージアップによるゲート絶縁膜の絶縁破壊や、ゲート電極の形状異常が生じてしまう。さらに、高エネルギーのイオンや紫外線の照射により、ゲート絶縁膜中に欠陥が生じたり、ゲート絶縁膜／シリコン界面に固定電荷や界面準位が生じてしまう。さらに、紫外線の照射により基板の極表面の温度が上昇するため、レジスト材料の変質及び変形が生じてしまう。これらの現象により、半導体集積回路の製造歩留まりや信頼性が低下してしまうという問題があった。
【０００４】
これらの問題を解決するため、中性粒子ビームを用いたエッチング装置及びエッチング方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１０９９４２号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来は、プラズマ生成室内に対向配置された上流側電極と下流側電極の両方に直流電圧を印加することにより、中性粒子ビームを生成していた。この場合、生成した中性粒子ビームのエネルギー並びに電流密度が低いという課題があった。よって、エッチングレートが低く、微細パターンを形成する際に垂直加工性がまだ十分ではなかった。例えば、次世代の半導体装置に用いられる５０ｎｍ幅のポリシリコン（以下「Poly-Si」という。）ゲートをパターニングする際、アンダーカット形状になってしまうという課題があった。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、エッチングレート及び垂直加工性が高いエッチング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るエッチング方法は、原料ガスからプラズマを生成するプラズマ生成室と、該プラズマ生成室の上流側に設けられた上流側電極と、該上流側電極に対向して該プラズマ生成室の下流側に設けられ、前記プラズマからイオンを引き出す下流側電極であって、該イオンを中性化するアパーチャーを複数有する下流側電極と、該下流側電極の下流に設けられ被加工基板を内部に保持する処理室とを備えたエッチング装置を用いてシリコン材料をエッチングする方法であって、
Ｃｌ２とＳＦ６の混合ガスを用いてパルス変調放電によりプラズマ生成室内にプラズマを生成させる工程と、
上流側電極に直流電圧を印加すると共に下流側電極に高周波電力を印加することにより、前記プラズマから引き出した正及び負イオンをアパーチャー内を通過させて高速中性粒子ビームを生成し、該高速中性粒子ビームにより被加工基板をエッチングする工程とを含むことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明に係るエッチング方法は、原料ガスからプラズマを生成するプラズマ生成室と、該プラズマ生成室の上流側に設けられた上流側電極と、該上流側電極に対向して該プラズマ生成室の下流側に設けられ、前記プラズマからイオンを引き出す下流側電極であって、該イオンを中性化するアパーチャーを複数有する下流側電極と、該下流側電極の下流に設けられ被加工基板を内部に保持する処理室とを備えたエッチング装置を用いてシリコン材料をエッチングする方法であって、
Ｃｌ２とＳＦ６の混合ガスを用いてパルス変調放電によりプラズマ生成室内にプラズマを生成させる工程と、
上流側電極に直流電圧を印加すると共に下流側電極に高周波電力及び直流電圧を印加することにより、前記プラズマから引き出した正及び負イオンをアパーチャー内を通過させて高速中性粒子ビームを生成し、該高速中性粒子ビームにより被加工基板をエッチングする工程とを含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は以上説明したように、Ｃｌ２とＳＦ６の混合ガスを用いると共に下流側電極に高周波を印加して高速中性粒子ビームを生成することにより、エッチングレート及び垂直加工性が高いエッチング方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図中、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるエッチング装置を説明するための断面図である。
図１に示すエッチング装置は、Ｃｌ原子若しくはＦ原子１６を含むプラズマ１５を生成する誘導結合型（ＩＣＰ）のプラズマ生成室１と、基板６をエッチングする処理室４とを有する。
【００１３】
プラズマ生成室１の外周には、３ターンのコイル型アンテナ７が巻かれている。アンテナ７は、パルス変調放電（後述）が可能なＲＦ電源１１に接続されている。プラズマ生成室１上流側にガス導入口１７が設けられ、該導入口１７から所望の混合比率でＣｌ２とＳＦ６の混合ガス（以下「Ｃｌ２／ＳＦ６混合ガス」という。）が導入される。導入されたＣｌ２／ＳＦ６混合ガスは、上流側電極８において分岐され、シャワー状にプラズマ生成室１内に導かれる。プラズマ生成室１の上下には２つのグラファイト製の電極２，８が対向配置されている。下流側電極２によってプラズマ生成室１と処理室４とが分離されている。上流側電極８はＤＣ電源９に接続され、下流側電極２はＲＦ電源（高周波電源）１０に接続されている。ＲＦ電源１０は、周波数が数１００ｋＨｚ〜数ＭＨｚの高周波電力を出力するものである。上流側電極８と下流側電極２との間に生じる電位差により、プラズマ１５中の正及び負イオン１２をドリフト及び加速可能である。下流側電極２には、プラズマ１５から引き出されたイオン１２を中性化するために、基板６に対して垂直方向に貫通する微細孔（以下「アパーチャー」という。）１３が複数形成されている。イオン１２がアパーチャー１３を通過する際、イオン１２がアパーチャー１３の内壁と浅い角度で接触して電荷交換を行うことにより中性化され、高速中性粒子ビーム５が生成する。
【００１４】
処理室４内にはステージ３が設けられ、このステージ３上に加工対象である基板６が保持される。基板６には、シリコン膜（Poly-Si膜）が形成され、その上にマスクとしてのレジストパターンが形成されている（後述）。下流側電極２のアパーチャー１３を通過することにより生成された高速中性粒子ビームが被加工基板６表面に入射する。
基板６裏面とステージ３表面との間には、１０Ｔｏｒｒ前後の圧力でヘリウムガスが供給され、温度制御されたステージ３と基板６との間で該ヘリウムガスを介して熱交換を行う。
処理室４の底部（下流側）には排気口１８が設けられ、該排気口１８はコンダクタンスバルブ１９を介して排気ポンプ（図示せず）に接続されている。プラズマ生成室１の圧力は０．５〜１Ｐａ程度が好適であり、処理室４の圧力は０．０５〜０．１Ｐａ程度が好適である。
【００１５】
次に、上記エッチング装置の動作について説明する。
ステージ３上に基板６を保持した後、ガス導入口１７からプラズマ生成室１内にＣｌ２／ＳＦ６混合ガスを供給する。そして、ＲＦ電源１１からコイル型アンテナ７に周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波を印加する。該高周波は、ＲＦオン時の電子密度が１×１０１１ｃｍ−３程度以上となる電力とする。これにより、上記混合ガスを解離及びイオン化してプラズマ１５を生成する。この際、ＲＦ電源１１により、ＲＦオン時間とＲＦオフ時間をそれぞれ５０μｓｅｃ前後としたパルス変調放電を行うことが好適である。パルス変調放電によりプラズマ中の電子の数を減少させて、イオンの中性化率を向上させることができる。また、パルス変調放電では、ＲＦオフ時間（パルスオフ時間）にプラズマ１５中の電子のエネルギーが数十μｓｅｃの時定数で減衰し、低エネルギーの電子がプラズマ１５中で解離したハロゲン原子１６に付着して負イオンを効率的に生成する。
【００１６】
次に、ＤＣ電源９から上流側電極８に−１００Ｖ程度の直流電圧を印加すると共に、ＲＦ電源１０から下流側電極２に数１０Ｗ〜数１００Ｗ程度の高周波電力（周波数：６００ｋＨｚ）を印加する。これにより、正及び負のイオン（例えば、Ｃｌ−，Ｆ−，ＳＦ３＋，Ｃｌ２＋）イオン１２がドリフトし、上流側電極８から下流側電極２に向かってイオン１２が加速され、１００〜２００ｅＶ程度の運動エネルギーでプラズマ生成室１から引き出される。引き出されたイオン１２は下流側電極２のアパーチャー１３を通過する際に中性化され、高速中性粒子ビーム１４が基板６表面に入射することにより、中性粒子ビーム１４によるエッチングが行われる。
【００１７】
ここで、下流側電極２に高周波電力（以下「ＲＦバイアス」という。）を印加するのではなく、従来のように直流電圧（以下「ＤＣバイアス」という。）を印加する場合の問題点を述べる。下流側電極２にＤＣバイアスを印加するときは、上流側電極と下流側電極の直流電圧差（以下「上下電極電圧差」という。）によってプラズマ中のイオンがドリフト・加速される。上下電極電圧差（Vtop-Vbot）を負に印加する場合、プラズマからは負イオンが引き出され、該負イオンの中性化が高効率に行われるがエネルギーが低い。上下電極電圧差（Vtop-Vbot）を正に印加する場合、エネルギーが高いが中性化率が低い。図２は、下流側電極を便宜的に接地電位（GND）にして上流側電極に直流電圧（Vtop）を印加した場合の残留イオンのエネルギーを示す図である。この場合、上流側電極に所定の一定電圧を印加して、下流側電極の電位を変化させても同様の結果が得られる。残留イオンのエネルギーが、中性粒子ビームのエネルギーとほとんど等しいことが分かっている。図２に示すように、負のＤＣバイアス（Vtop=-100V）を印加した場合には、中性粒子ビームに残留するCl-のエネルギーがＤＣバイアス（Vtop=-100V）に比べ非常に低いことが分かる。一方、正のＤＣバイアス（Vtop=+100V）を印加した場合には、中性粒子ビームに残留するCl2+のエネルギーは高いが、中性化率が低い。
【００１８】
図３は、ＤＣバイアスを印加する場合において、ＤＣバイアスと中性化率との関係を示す図である。ＤＣバイアスの極性により中性粒子ビームのエネルギーが大きく異なるが、正のＤＣバイアスを印加するよりも負のＤＣバイアスを印加した方が中性化率が高く、低ダメージのエッチングに好適であることが分かる。しかし、上述したように、負のＤＣバイアスを印加した場合には、中性粒子ビームのエネルギーが非常に低くなってしまうのが問題である。
【００１９】
図４は、下流側電極にＲＦバイアスを印加した場合の残留イオンのエネルギーを示す図である。図４に示すように、中性粒子ビームに残留するイオンのうちCl-の分布は約30eV以上まで、Cl2+とF-の分布は80eV以上まで広がっている。よって中性粒子ビームのエネルギーが高いことが分かる。
【００２０】
図５は、下流側電極に印加するＲＦバイアスと、中性粒子ビームの電流密度との関係を示す図である。ＲＦバイアスを印加した場合、中性粒子ビームのエネルギーを高めるのみでなく、中性粒子ビームの電流密度を格段に向上させられるという利点がある。図５に示すように、中性粒子ビームの電流密度はＲＦバイアスの増加に伴って大きく増加している。ＲＦバイアスがゼロのときには、ＤＣバイアスが印加された場合であり、ＲＦバイアス印加によって中性粒子ビームの電流密度を桁違いに増加させる効果があることが分かる。また、正及び負イオンの中性化率は９０％以上を保っていることがわかる。ＤＣバイアス印加時と異なり、ＲＦバイアス印加時では、ガス分子との衝突頻度が増加して元来中性化率の低い正イオンでも中性化が促進するものと考えられる。
【００２１】
図６は、ＤＣバイアス印加時とＲＦバイアス印加時のポリシリコンゲート断面形状を示すＳＥＭ写真である。図６に示すように、ＤＣバイアス印加時では、アンダーカットが観察される。これは、中性粒子ビームのエネルギーが不十分であるためと考えられる。一方、ＲＦバイアス印加時では、垂直なパターン形状が得られることが分かる。
【００２２】
以上説明したように、本実施の形態１では、ハロゲン元素を含むエッチングガスをプラズマ生成室１においてパルス変調放電により解離・イオン化し、上流側電極８に直流電圧を印加すると共に下流側電極２にＲＦバイアス（高周波電力）を印加することにより、高い中性化率を保ったままエネルギーと電流密度が高い高速中性粒子ビームが得られる。これにより、エッチングレート及び垂直加工性が高いエッチング装置及びエッチング方法を提供することが可能である。
【００２３】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２によるエッチング方法を説明するための工程断面図である。
図７（ａ）はエッチング前のサンプルを示している。図７（ａ）に示すように、シリコン基板１０１上にシリコン酸化膜１０２が形成され、その上にポリシリコン膜１０３が形成され、さらにその上に５０ｎｍ幅の単層レジストパターン１０４が形成されている。
【００２４】
実施の形態１によるエッチング装置をおいて、Ｃｌ２／ＳＦ６混合ガスを用いてポリシリコン膜１０３のメインエッチングを行う。図７（ｂ）に示すように、Ｃｌ２の解離種のＣｌ原子１０５とＳＦ６の解離種のＦ原子１０６とが共にＳｉ材料（ポリシリコン膜１０３）のエッチャントとなる。Ｃｌ原子ビームを用いた方がＦ原子ビームを用いるよりも異方性形状が得られやすい。Ｆ原子ビームはＳｉのエッチャントとなるだけでなく、高エネルギーのＣｌ原子によるエッチングで生じる反応生成物を分解除去して、パターン側壁へ過剰な堆積膜を形成するのを防止する効果がある。
【００２５】
具体的には、Ｃｌ２：ＳＦ６＝２５：１５sccm程度の流量比で混合したガスを用いる。コンダクタンスバルブ１９の開閉により排気コンダクタンスを調整し、プラズマ生成室１の圧力を１Ｐａ程度に調整すると共に、処理室４の圧力を０．１Ｐａ程度に調整する。そして、パルス変調した高周波電力をＲＦ電源１１からコイル型アンテナ７に印加してプラズマ１５を生成する。そして、上流側電極８に−１００Ｖの直流電圧を印加し、下流側電極２に周波数が６００ｋＨｚで６０Ｗの高周波電力を印加する。これにより、プラズマ中の正及び負のイオン（例えば、Ｃｌ−，Ｆ−，ＳＦ３＋，Ｃｌ２＋）が加速され下流側電極２に引き込まれ、下流側電極２のアパーチャー１３を通過する際に中性化され、高速中性粒子ビーム５が基板に入射する。すなわち、基板１０１表面に入射した、数ｅＶ〜１００ｅＶ程度の運動エネルギーを有するＣｌ原子ビーム１０５とＦ原子ビーム１０６により、ポリシリコン膜１０３がエッチングされる。但し、本条件では、ゲート酸化膜１０２に対するエッチング選択比が２程度であり低いため、以下に説明するオーバーエッチングを引き続き行う。
【００２６】
オーバーエッチングでは、ＳＦ６ガスの流量を０sccmにし、Ｃｌ２ガスの流量を４０sccmにし、下流側電極２に印加する高周波を０Ｗにする。その他の条件は上記メインエッチングと同じである。本条件でオーバーエッチングを行うと、図７（ｃ）に示すように、下地のゲート酸化膜１０２を保ちながら、Ｃｌ原子１０５によりポリシリコン膜１０３がエッチングされる。オーバーエッチング後、レジストパターン１０４を除去する。その後、公知の不純物注入によりゲート電極の両脇にソース／ドレイン領域を形成することにより、ＭＯＳトランジスタを形成することができる。
【００２７】
以上説明したように、本実施の形態２では、実施の形態１によるエッチング装置を用いて、Ｃｌ２／ＳＦ６混合ガス系で下地の極薄ゲート酸化膜１０２を保ったままで、線幅５０ｎｍのポリシリコンゲート電極（１０３）の微細加工が可能となった。
【００２８】
本発明者らは、ポリシリコン膜のメインエッチングにおけるＣｌ２／ＳＦ６流量比を変化させてエッチング形状を確認した。図８は、本実施の形態２において、エッチングパターン形状のＣｌ２／ＳＦ６流量比依存性を示す断面図である。図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、ＳＦ６の流量比を高くするにつれて、パターン側壁の反応生成堆積物１１０の量が少なくなることが分かった。図８（ａ）に示すように、Ｃｌ２（４０sccm）のみでエッチングする場合、アンダーカット形状は防ぐことができるものの反応生成堆積物１１０が多くエッチングレートも低い。逆に、図８（ｃ）に示すように、ＳＦ６の添加量を多くすると、エッチングレートは高くなるが、アンダーカット形状になってしまう。
【００２９】
実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３によるエッチング装置を説明するための断面図である。
図９に示すように、本実施の形態３によるエッチング装置は、実施の形態１によるエッチング装置に、ＤＣ電源２０を更に設けている。すなわち、プラズマ生成室１内にプラズマ１５を生成した後、イオン１２を中性化して中性粒子ビーム５を生成する際、下流側電極２にＲＦ電源１０から高周波を印加すると共に、ＤＣ電源２０から直流電圧を印加するようにした。上述したように５０ｎｍ幅のポリシリコンゲート電極を形成する場合、例えば、上流側電極８には−１００Ｖ程度の直流電圧を印加し、下流側電極２には６００ＷのＲＦを印加すると共に−１００Ｖ〜＋１００Ｖ程度の直流電圧を印加する。
【００３０】
本実施の形態３では、プラズマ１５中のイオン１２を引き出して中性粒子ビーム５を生成する際、下流側電極２にＲＦと直流電圧とを同時に印加するようにした。一般にプラズマとそれに接触する電極表面との間には電子とイオンの移動度の差に起因するイオンシースが形成され、プラズマから見て電極表面が負の電位となるような電位差が生じる。このため、正イオンは電極に向けて加速されるが負イオンは電極には到達しない。本発明では、パルス変調放電を使用しているため、プラズマ中の電子密度が非常に低い正／負イオンプラズマの状態となっており、イオンシースによる電位差が非常に小さい。このため、負イオンの引出しも可能になり、負イオンから高い中性化率が得られるのが特徴となっている。但し、図２で示したように、負イオンのエネルギーは、印加するＤＣバイアスに比べかなり低い値となる。一方、ＲＦバイアスを印加した場合には、図４で示したように、ＤＣバイアス印加時に比べてＣｌ−イオンのエネルギーが増加しているが、Ｃｌ２＋イオンに比べるとやはりエネルギーが低いことが分かる。一般に、シリコンのドライエッチングでは塩素分子Ｃｌ２よりも塩素原子Ｃｌの方が反応確率が高いことが分かっており、Ｃｌの比率を増加させることによりエッチングレートを高めることが可能となる。本実施の形態２で詳細に説明したように、ＲＦバイアスの印加によりエッチングレート、形状が大幅に向上し、理想的なポリシリコンゲート電極を形成可能になった。
【００３１】
本実施の形態３では、下流側電極に印加するＲＦバイアスに重畳して正のＤＣバイアスを＋１００Ｖ程度印加して負イオンの引き出し効率を上げることによって、Ｃｌ−イオンから中性化される高速Ｃｌ原子ビームのエネルギー及び電流密度を増加させ、更にポリシリコン電極材料のエッチングレートを高めることが可能になった。また、ＤＣバイアスの電位の極性を変えることにより、引き出される中性粒子ビームの種類をある程度選別することができ、これによるプロセス制御、すなわち、エッチングレート、形状及び選択比の制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態１によるエッチング装置を説明するための断面図である。
【図２】下流側電極にＤＣバイアスを印加した場合の残留イオンのエネルギーを示す図である。
【図３】ＤＣバイアスと中性化率との関係を示す図である。
【図４】下流側電極にＲＦバイアスを印加した場合の残留イオンのエネルギーを示す図である。
【図５】下流側電極に印加するＲＦ電力と、中性粒子ビームの電流密度との関係を示す図である。
【図６】ＤＣバイアス印加時とＲＦバイアス印加時のポリシリコンゲート断面形状を示すＳＥＭ写真である。
【図７】本発明の実施の形態２によるエッチング方法を説明するための工程断面図である。
【図８】本発明の実施の形態２において、エッチングパターン形状のＣｌ２／ＳＦ６流量比依存性を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３によるエッチング装置を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１    プラズマ生成室
２    下流側電極
３    ステージ
４    処理室
５    高速中性粒子ビーム
６    基板
７    コイル型アンテナ
８    上流側電極
１０  ＲＦ電源
１１  ＲＦ電源
１２  イオン
１３  アパーチャー（微細孔）
１４  高速中性粒子
１５  プラズマ
１６  ハロゲン原子（Ｃｌ原子、Ｆ原子）
１７  ガス導入口
１８  排気口
１９  コンダクタンスバルブ
２０  ＤＣ電源
１０１  シリコン基板
１０２  ゲート絶縁膜（ゲート酸化膜）
１０３  ポリシリコン膜
１０４  レジストパターン
１０５  高速Ｃｌ原子
１０６  高速Ｆ原子
１１０  反応生成堆積物