(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内にガスを導入しこのガスをプラズマ源でプラズマ化し、下地シリコン上の酸化シリコンを主成分とする膜のドライエッチングを行う方法において、
前記プラズマ源は低圧高密度プラズマ源であり、
前記ガスがフッ素ガス、フッ化炭素ガス、水素ガス、炭化水素ガス、フッ化炭化水素ガスのうちの２種類以上の混合ガスであり、かつ各ガスの１分子中に含まれる炭素、フッ素、水素の原子数と各ガスの流量比を乗じ、それぞれの原子毎に加えた値をそれぞれ炭素数ＮC、フッ素数ＮF、水素数ＮHとし、容器壁温をＴW（℃）とし、かつＰを、
Ｐ＝（ＮF−ＮH）／ＮC−（ＴW−２０）×４×１０-3
とするとき、Ｐの値が１．３〜１．９の範囲に含まれるように各ガスの流量比を制御することを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】
前記Ｐの値が１．３〜１．９である混合ガスに希ガスを添加することを特徴する請求項１記載のドライエッチング方法。
【請求項３】
前記ガスをプラズマ化する前記低圧高密度プラズマ源としてヘリコン波プラズマ源、ＥＣＲプラズマ源、インダクティブカップルプラズマ源のいずれか１つが使用されることを特徴とする請求項１または２記載のドライエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はドライエッチング方法に関し、特に、半導体素子等の製造過程において酸化シリコンを主成分とする膜のドライエッチングを行う場合の方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の例えばＲＩＥ装置等のドライエッチング装置による酸化シリコンを主成分とする膜（以下「酸化シリコン膜」という）のエッチングにおいては、酸化シリコン膜の下地のシリコン層に対して高い選択比を得るために、ＣＦ4 、Ｃ2 Ｆ6 等のフッ化炭素ガスに水素やＣＨＦ3 、ＣＨ2 Ｆ2 等のフッ化炭化水素ガスを混合する例が多くみられた。
【０００３】
例えば１９８２年にL.M.Ephraph 等がJ. Electrochm. Soc.129巻2282頁に記述したように、ＣＦ4 に水素を混合するに従い、酸化シリコン膜のエッチング速度に比較してシリコンのエッチング速度を急速に低下させることができる。このため、水素をある程度混合した状態で、シリコンに対して非常に高選択比で酸化シリコン膜をエッチングすることが可能となった。さらに水素の流量を増加すると、酸化シリコン膜のエッチング速度が低下し、最終的に酸化シリコン膜上にポリマ膜の堆積が生じ、酸化シリコン膜が全くエッチングできなくなってしまう。このため、シリコンに対する選択比を高くするためには、水素の混合比に最適な条件が存在する。
【０００４】
酸化シリコン膜がエッチングされるか、または酸化シリコン膜上にポリマ膜が堆積するかどうかは、１９７９年にJ.W.Coburn等がJ. Vac. Sci. Technol. 16巻391 頁に示したように、エッチングガス１分子中に含まれるＦ原子とＣ原子の数の比によって決まり、Ｃ／Ｆが大きいほどポリマが堆積しやすくなる。対シリコン選択比を高くするには、ポリマが堆積する直前までＣ／Ｆ比を大きくする必要があり、水素を混合することにより、Ｃ／Ｆを或る程度大きくでき、高選択エッチングが可能であるとした。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
エッチング装置やプロセスが多様化するに従って、従来のように単一のフッ化炭化水素ガスや、これに水素等を混合してプロセスの最適化を行う場合は少なくなってきており、通常は数種類のフッ化炭化水素系のガスを混合することが行われるようになってきた。従来では、実験的にガスの混合比を調整し、対シリコン選択比が大きくなる条件を選んでいた。
【０００６】
このようにして得られた混合ガスを用いた場合には、混合ガスとしての明確なＣ／Ｆの値が不明であるばかりでなく、この値と対シリコン選択比の明確なる関係もはっきりしていなかった。さらには、最近多く使われるようになった、ヘリコン波プラズマやインダクティブカップルプラズマを用いた酸化シリコン膜のエッチングでは、従来の平行平板型反応性イオンエッチング装置でポリマが生成されるＣ／Ｆの値を持つガスを用いてエッチングしても充分な対シリコン選択比が得られないという問題点があった。
【０００７】
本発明の目的は、上記問題を解決することにあり、水素を含め、複数のフッ化炭化水素系ガスの混合ガスを用いた場合にシリコンに対する選択比を判定する基準を明確にし、ヘリコン波プラズマ等を用いた低圧高密度エッチング装置においてもシリコンに対して高い選択比を得ることを企図したドライエッチング方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明（請求項１）に係るドライエッチング方法は、減圧容器の内部にプロセスガスを導入し、このガスをプラズマ源でプラズマ化し、下地シリコン上の酸化シリコンを主成分とする膜のドライエッチングを行う方法であり、上記プラズマ源は低圧高密度プラズマ源であり、上記プロセスガスがフッ素ガス（Ｆ2 ）、フッ化炭素ガス（ＣxＦy）、水素ガス（Ｈ2）、炭化水素ガス（ＣxＨy）、 フッ化炭化水素ガス（ＣxＦyＨz）のうちの２種類以上の混合ガスであり、かつ 各ガスの１分子中に含まれる炭素、フッ素、水素の原子数と各ガスの流量比を乗じ、それぞれの原子毎に加えた値をそれぞれ炭素数ＮC、フッ素数ＮF、水素数ＮHとし、容器壁温をＴW（℃）とし、かつＰを、Ｐ＝（ＮF−ＮH）／ＮC−（ＴW−２０）×４×１０-3と定義するとき、Ｐの値が１．３〜１．９の範囲に含まれるように各ガスの流量比を制御する方法である。
【０００９】
第２の本発明（請求項２）に係るドライエッチング方法は、第１の発明において、Ｐの値が１．３〜１．９である混合ガスにアルゴン等の希ガスを添加するようにした方法である。
【００１０】
第３の本発明（請求項３）に係るドライエッチング方法は、上記の発明において、上記プロセスガスをプラズマ化する低圧高密度プラズマ源としてヘリコン波プラズマ源、ＥＣＲプラズマ源、インダクティブカップルプラズマ源のいずれかを使用するようにした方法である。
【００１１】
【作用】
本発明では、本発明者らによる鋭意研究の結果、Ｐ＝（ＮF −ＮH ）／ＮC −（ＴW −２０）×４×１０-3の式で与えられるＰを用いて、このＰの値が１．３〜１．９の範囲に含まれるように各ガスの流量比を制御すると、プロセスガスの最適な混合割合を容易に設定することができる。このように、複数種類のフッ化炭化水素系ガスの混合ガスを用いた場合にシリコンに対する選択比を判定する基準を明確に与え、ヘリコン波プラズマ等を用いた低圧高密度エッチングにおいてもシリコンに対して高い選択比を得るようにした。
【００１２】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
【００１３】
本実施例ではヘリコン波プラズマ源を備えた低圧高密度プラズマ処理装置の例を示し、この装置で本発明に係るドライエッチング方法が実施される。図１において、１１はプラズマ生成用高周波電源、１２は整合器、１３はヘリコン波励起用アンテナ、１４は外部磁場発生用電磁石、１５はプラズマ拡散用真空容器、１６はカスプ磁場発生用永久磁石、１７は基板ホルダ、１８は基板、１９はプラズマ生成用真空容器、２０は基板バイアス用高周波電源、２１は静電吸着用直流電源、２２はガス供給ラインである。基板ホルダ１７は、プラズマ拡散用真空容器１５の下部に設けられ、処理対象である基板１８が載置される。プラズマ生成用真空容器１９は真空容器１５の上壁に配置され、その開口部が、下方に位置する基板ホルダ１７に対向している。また永久磁石１６は棒状の形状をなし、真空容器１５の周囲に複数本の永久磁石１６がその極性を交互に変えて等間隔で配置される。
【００１４】
上記プラズマ処理装置を動作させるためには、図示しない排気系によりプラズマ生成用真空容器１９とプラズマ拡散用真空容器１５の内部を処理に必要な圧力まで排気する。その後、図示しない流量制御系によって流量制御されたプロセスガスをガス供給ライン２２から真空容器１５内に導入し、内部を所定の圧力に制御する。ただし、ここで導入されるプロセスガスは、フッ素ガス（Ｆ2 ）、フッ化炭素ガス（Ｃx Ｆy ）、水素ガス（Ｈ2 ）、炭化水素ガス（Ｃx Ｈy ）、フッ化炭化水素ガス（Ｃx Ｆy Ｈz ）のうちいずれか１種類のガス（単体ガス）、あるいは２種類以上の混合ガスである。
【００１５】
プラズマ生成用高周波電源１１からの高周波電力は、整合器１２により整合がとられ、ヘリコン波励起用アンテナ１３に印加される。そしてアンテナから発生する電場によって、プラズマ生成用真空容器１９内にプラズマを生成する。生成されたプラズマは外部磁場発生用電磁石１４によって形成された磁場に沿ってプラズマ拡散用真空容器１５内に拡散していく。この時、拡散したプラズマが壁表面で損失するのを防ぐため、カスプ磁場発生用永久磁石１６が設置されている。基板１８は基板ホルダ１７上に載置され、静電吸着用直流電源２１からの直流電圧と自己バイアス電圧との電圧差により、プラズマ生成とほぼ同時に基板ホルダ１７上に吸着される。基板１８には基板バイアス用高周波電源２０により高周波電力が印加され、基板１８へのイオンの入射エネルギを制御する。
【００１６】
実際のエッチングに用いる基板１８の一部の断面概略図を図２に示す。シリコン基板（下地シリコン）１８上に酸化シリコン膜２３が１．０〜１．５μｍの厚みで成膜されており、さらに約１μｍの厚みのレジストマスク２４によりパターニングされている。実験で用いた酸化シリコン膜２３は、シリコンを高温で酸化させた熱酸化膜か、あるいは酸化シリコン膜にホウ素とリンがドープされたいわゆるBPSG膜である。しかし実際上、酸化シリコン膜は上記の膜に限定されるものではない。
【００１７】
ガス供給ライン２２からプラズマ生成用真空容器１９内に複数種類のガスからなるプロセスガスが導入される場合において、各ガスの混合比率は次のように設定される。
【００１８】
各ガスの１分子中に含まれる炭素、フッ素、水素の原子数と各ガスの流量比とを乗じ、それぞれの原子毎に加えた値を炭素数（ＮC とする）、フッ素数（ＮF とする）、水素数（ＮH とする）とし、これらの値ＮC 、ＮF 、ＮH を用いてかつ容器壁温をＴW （℃）とすることにより、次の式、
【００１９】
【数１】
Ｐ＝（ＮF −ＮH ）／ＮC −（ＴW −２０）×４×１０-3
【００２０】
で与えられる値Ｐを定義するとき、このＰの値が１．３〜１．９の範囲に含まれるように各ガスの流量比を設定する。本式において（ＴW −２０）×４×１０-3は温度補正のための項であり、容器壁温ＴW が常温（２０℃）であるときには０になる。
【００２１】
上記Ｐを表す式は本発明者らが考え出したもので、Ｐの値に関する上記範囲は本発明者等が鋭意実験を繰り返し、決定したものである。どのようなフッ化炭化水素系ガスや水素ガスを用いても、Ｐの値が１．３よりも小さければ、酸化シリコン膜のエッチング速度は極端に低下し、酸化シリコン膜上にポリマの堆積が生じた。またＰの値が１．９よりも大きければ、Ｆラジカルの発生が非常に多くなり、下地のシリコンに対して大きな選択比は得られなくなる。Ｐの値が１．３〜１．９の範囲で、実用的な酸化シリコン膜のエッチング速度とシリコンに対する高い選択比を維持できる。
【００２２】
次に具体的なガスについて、Ｐの値の範囲の妥当性を検証する。
【００２３】
［実験例１］ＴW ＝２０℃で、Ｃ4 Ｆ8 の単体ガスを用いた場合：
Ｐの値は、Ｐ＝（ＮF −ＮH ）／ＮC ＝（８×１−０）／４×１＝２によって２となり、本発明で規定している関係には当てはまらない。この場合、プラズマ中のフッ素原子は過剰となり、酸化シリコン膜（BPSG膜）２３のエッチング速度は０．４μｍ/min. 以上得られるが、下地シリコン１８に対する選択比はφ０．５μｍのホール内で約２３程度しか得られない。
【００２４】
［実験例２］ＴW ＝２０℃で、ＣＨ2 Ｆ2 の単体ガスを用いた場合：
Ｐの値は、Ｐ＝（ＮF −ＮH ）／ＮC ＝（２×１−２×１）／１×１＝０によって０となり、本発明で規定している関係には当てはまらない。この場合、プラズマ中のフッ素原子は不足し、酸化シリコン膜（熱酸化膜）２３のエッチング速度は０．２μｍ/min. 以下である。また下地シリコン１８に対する選択比は、水素がシリコン１８と反応し、揮発性化合物であるＳｉＨｘを生成するためにエッチングが進行し、高選択比は得られない。
【００２５】
［実験例３］ＴW ＝２０℃で、Ｃ4 Ｆ8 とＨ2 を１：１の比率で混合させたガスを用いた場合：
Ｐの値は、Ｐ＝（ＮF −ＮH ）／ＮC ＝（８×０．５−２×０．５）／４×０．５＝（４−１）／２＝１．５によって１．５となり、本発明で規定している関係を満たす。この場合、酸化シリコン膜（BPSG膜）２３のエッチング速度は０．３μｍ/min. 以上得られ、下地シリコン１８に対する選択比はφ０．５μｍのホール内で∞（無限大）となる。
【００２６】
［実験例４］ＴW ＝２０℃で、Ｃ4 Ｆ8 とＣＨ2 Ｆ2 を１：１の比率で混合させたガスを用いた場合：
Ｐの値は、Ｐ＝（ＮF −ＮH ）／ＮC ＝｛（８×０．５＋２×０．５）−２×０．５｝／（４×０．５＋１×０．５）＝（５−１）／２．５＝１．６によって１．６となり、本発明で規定している関係を満たす。この場合、酸化シリコン膜（BPSG膜）２３のエッチング速度は０．３６μｍ/min. 以上得られ、下地シリコン１８に対する選択比はφ０．４５μｍのホールで８０以上となった。
【００２７】
［実験例５］ＴW ＝２０℃で、Ｃ2 Ｆ6 とＣＨ2 Ｆ2 を３：７の比率で混合させたガスを用いた場合：
Ｐの値は、上記と同様な計算に基づき１．３８となり、本発明で規定している関係を満たす。この場合、酸化シリコン膜（熱酸化膜）２３のエッチング速度は０．６μｍ/min. 以上得られ、下地シリコン１８に対する選択比はφ０．６μｍのホールでほぼ無限大となった。
【００２８】
［実験例６］ＴW ＝８６℃で、Ｃ2 Ｆ6 とＣＨ2 Ｆ2 を３．７５：６．２５の比率で混合させたガスを用いた場合：
Ｐの値は、上記と同様な計算に基づき１．３８となり、本発明で規定している関係を満たす。この場合、酸化シリコン膜（熱酸化膜）２３のエッチング速度は０．６μｍ/min. 以上得られ、下地シリコン１８に対する選択比はφ０．６μｍのホールでほぼ無限大となった。
【００２９】
［実験例７］ＴW ＝１１７℃で、Ｃ2 Ｆ6 とＣＨ2 Ｆ2 を４．２５：５．７５の比率で混合させたガスを用いた場合：
Ｐの値は、上記と同様な計算に基づき１．４０となり、本発明で規定している関係を満たす。この場合、酸化シリコン膜（熱酸化膜）２３のエッチング速度は０．６μｍ/min. 以上得られ、下地シリコン１８に対する選択比はφ０．６μｍのホールでほぼ無限大となった。
【００３０】
［実験例８］ＴW ＝１４４℃で、Ｃ2 Ｆ6 とＣＨ2 Ｆ2 を４．５：５．５の比率で混合させたガスを用いた場合：
Ｐの値は、上記と同様な計算に基づき１．３６となり、本発明で規定している関係を満たす。この場合、酸化シリコン膜（熱酸化膜）２３のエッチング速度は０．５８μｍ/min. 以上得られ、下地シリコン１８に対する選択比はφ０．６μｍのホールでほぼ無限大となった。
【００３１】
上記の実験例１〜８の結果を表で示すと図４の第１表のごとくなる。上記各実験例に示したように、酸化シリコン膜等をエッチングする場合、Ｐの値が１．３〜１．９の範囲に含まれるように混合ガスのガス流量比を調整することで、下地シリコンに対して高速かつ高選択なエッチングを行うことが可能になる。
【００３２】
次に、Ｐの値が１．３〜１．９の範囲となる混合ガスに対して希ガスを添加した系で、かつ図２に示す基板を、図１に示すヘリコン波プラズマ源搭載のプラズマ処理装置を用いてエッチングした場合の実施例を説明する。
【００３３】
Ｃ4 Ｆ8 とＣＨ2 Ｆ2 を１：１の比率で混合したガス系（Ｐの値は１．６）に希ガスとして例えばアルゴン（Ａｒ）を８０〜１６０sccm添加した場合、微細ホールのエッチング形状は、アルゴンを添加しない場合には図３（ａ）に示す孔２３ａのように屈曲した形状であるのに対して、アルゴンを添加すると図３（ｂ）に示す孔２３ｂのように屈曲した形状が改善される。また酸化シリコン膜２３のエッチング速度と下地シリコン１８に対する選択比はあまり低下しない。この結果を第２表に示す。
【００３４】
以上のように上記Ｐの式を満たすガス系にアルゴン等の希ガスを添加すると、下地シリコンに対して高速、かつ高選択なエッチングを行えることに加えて、孔の形状を改善することができる。
【００３５】
ガスをプラズマ化する手段としては、前述のヘリコン波プラズマ源の他に、ＥＣＲプラズマ源、インダクティブカップルプラズマ源等の低圧高密度プラズマ源を使用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、複数種類のフッ化炭化水素系ガスの混合ガスを用いて酸化シリコン膜等をエッチングする場合において、本発明者らの鋭意研究の結果得られた所定の式で与えられるＰを用いて、Ｐの値が所定の範囲に含まれるように各ガスの流量比を制御するようにしたため、プロセスガスの最適な混合割合を容易に設定することができ、シリコンに対する選択比を判定する基準を明確に与えることができ、ヘリコン波プラズマ等を用いた低圧高密度エッチングにおいて酸化シリコン膜等を下地のシリコンに対して高速かつ高選択にエッチングすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るドライエッチング方法が実施されるプラズマ処理装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】本実施例において実際に用いた基板の一部拡大断面図である。
【図３】アルゴンを添加した場合としない場合のエッチング形状を示す基板の一部拡大断面図である。
【図４】各種プロセスガス混合比で酸化シリコン膜をエッチングした場合のエッチング特性を表で示した図である。
【図５】Ｐの値が１．６であるガス系にアルゴンを添加した場合の酸化シリコン膜のエッチング特性を表で示した図である。
【符号の説明】
１１                  プラズマ生成用高周波電源
１３                  ヘリコン波励起用アンテナ
１４                  外部磁場発生用電磁石
１５                  プラズマ拡散用真空容器
１６                  カスプ磁場発生用永久磁石
１７                  基板ホルダ
１８                  基板
１９                  プラズマ生成用真空容器
２０                  基板バイアス用高周波電源
２１                  静電吸着用直流電源
【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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