JP2962181B2 - ドライエッチング方法及び装置 - Google Patents
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Description
いるに好適なSi(シリコン)系材料のドライエッチン
グ方法及び装置に関し、特にエージングの際に処理室の
内壁に低硬度の密着層を形成してエッチング時にSiの
ハロゲン化酸化物の剥離を防止することによりパーティ
クルの低減を図ったものである。
る手段としては、図3に示すようなECR(電子サイク
ロトロン共鳴)プラズマエッチング装置、図4に示すよ
うなマイクロ波プラズマエッチング装置等が知られてい
る。
室10a及びプラズマ室10bからなっており、処理室
10の内壁には防着板12が設けられている。防着板1
2は、通常、石英で構成される。
14が設けられ、その上面にはウエハ16が載置される
ようになっている。試料台14には、高周波電源18が
接続され、例えば13.56MHzの高周波電力が供給
される。反応室10bは、図示しないガス供給源に接続
されると共に排気装置VACに接続される。
クロ波電源からマイクロ波導入窓20を介して例えば
2.45GHzのマイクロ波MWが供給される。窓20
は、通常、石英で構成される。処理室10の上部を取囲
むようにソレノイドコイル22が設けられている。
ャ32等により処理室30が形成される。処理室30内
には、エッチングガスEGが供給され、処理室30の底
部は、図示しない排気装置VACに接続される。
設けられ、その上面にはウエハ36が載置されるように
なっている。試料台34には、高周波電源38から例え
ば2MHzの高周波電力が供給される。
から導波管42を介して例えば2.45GHzのマイク
ロ波MWが供給される。処理室30を取囲むようにソレ
ノイドコイル44が設けられている。
グ装置を用いてSi、ポリSi、高融点金属シリサイド
(WSi2 ,MoSi2 ,TiSi2 ,TaSi2 )等
のSi系材料をハロゲン(Cl,Br)含有ガス及び酸
素の混合ガス(例えばCl2/O2 ,HBr/O2 ,H
Cl/O2 のような混合ガス)のプラズマでエッチング
すると、反応生成物としてSiのハロゲン化酸化物(S
iOx Xy 、X:Cl又はBr)が生成される。この場
合、O2 は、異方性のパターン形状を得るためと対Si
O2 選択比を向上させるために添加される。また、Si
のハロゲン化酸化物は、パターンの側壁を保護し、異方
性のパターン形状を得るのに役立つ。
は、処理室の内壁にも付着し、次のようなメカニズムで
パーティクルに変化する。すなわち、処理室の内壁は、
エッチング時はマイクロ波によって加熱されるが、ウエ
ハを出し入れするときなどマイクロ波を印加していない
ときは加熱されず、マイクロ波の供給又は遮断によって
温度サイクルを経験する。このため、エッチング時に処
理室の内壁に付着したSiのハロゲン化酸化物は、処理
室の温度が低下したときに処理室内壁とSiのハロゲン
化酸化物との熱膨張係数の差に起因して処理室の内壁か
ら剥れ落ちてパーティクルとなり、ウエハを汚染する。
低下を招く。そこで、従来は、処理室にクリーニング処
理を施した後、Si系材料のエッチングを開始するのが
通例であった。クリーニング処理としては、ウェットク
リーニングとドライ(又はプラズマ)クリーニングとが
知られており、通常は、ウェットクリーニングの後、ド
ライ(又はプラズマ)クリーニングを行なう。このドラ
イ(又はプラズマ)クリーニングは、エージングとも呼
ばれるもので、製品としてのウエハをエッチングするの
と同じ条件でエージング用の専用ウエハ(例えばパター
ンのないベアウエハ)にプラズマエッチングを施すこと
により処理室内を製品ウエハ処理時と同様の雰囲気にし
て製品ウエハ処理の安定化を図るものである。
(イ)〜(ハ)の方法が提案されている。
をCl系又はBr系ガスとO2 との混合ガスのプラズマ
で処理する方法 (ロ)専用ウエハとしてSiウエハ上にフォトレジスト
層を形成したものを用い、このウエハをCl系又はBr
系ガスとO2 との混合ガスのプラズマで処理する方法 (ハ)専用ウエハとしてSiウエハ上にWSi2 等の高
融点金属シリサイド層及びフォトレジスト層を順次に形
成したものを用い、このウエハをCl系又はBr系ガス
とO2 との混合ガスのプラズマで処理する方法 上記した(イ)及び(ロ)の方法によると、反応生成物
であるSiのハロゲン化酸化物が処理室の内壁に付着
し、前述したようなメカニズムによりパーティクルが発
生する不都合がある。
リサイドエッチング時に高融点金属のハロゲン化物ある
いはハロゲン化酸化物の他に、Siのハロゲン化酸化物
が反応生成物として生成され、(イ),(ロ)の場合と
同様にパーティクルが発生する不都合がある。
ティクル測定結果を示すもので、横軸にはウエハ処理枚
数(枚)を、縦軸にはパーティクル数(個/ウエハ)を
それぞれ示す。
iウエハ上に250nmの厚さにWSi2 層を形成する
と共にこのWSi2 層の上に所定のパターンを有するフ
ォトレジスト層を周知のフォトリソグラフィ技術により
形成したものを用い、このウエハをCl2 /O2 ガスプ
ラズマでエージングした。図5のA1 は、このエージン
グの際のパーティクル数の変動を示すものである。
のウエハ(Siウエハ上にWSi層及びレジストパター
ンを順次に形成したもの)をCl2 /O2 ガスプラズマ
でエッチングした。図5のB1 は、このエッチングの際
のパーティクル数の変動を示すものである。
した構成のECRプラズマエッチング装置(例えば、住
友金属工業(株)製のOZ300)を用い、次の表1に
示すような条件でプラズマ処理を行なった。
チングに使われ、20秒はSiのエッチングに使われ
た。
にその表面上で0.06μm2 より大きなパーティクル
の個数を測定した。また、測定には、テンコールインス
ツルメンツ(株)製のSurfscan3000を用い
た。
パーティクル数が低減されるが、処理室冷却後のエッチ
ングではパーティクル数が増加しているのがわかる。
置において処理室内の防着板からの発塵を防止する方法
としては、防着板に付着した膜の上にこの膜と密着性が
よい被覆膜を形成するようにしたものが知られている
(例えば、特開平3−29324号公報参照)。
よると、Si系材料をハロゲン(Cl,Br)含有ガス
と酸素との混合ガスのプラズマでエッチングする場合に
は、反応生成物であるSiのハロゲン化酸化物が処理室
の内壁から剥れ落ちてパーティクルとなるのを防ぐこと
ができない。すなわち、Siのハロゲン化酸化物は、防
着板との密着性が悪いために防着板から剥れてくるので
あり、Siのハロゲン化酸化物膜の上にこの膜と密着性
が良好な被覆膜を形成しても、Siのハロゲン化酸化物
膜の剥離を防ぐことはできない。
ることができる新規なドライエッチング方法及び装置を
提供することにある。
ッチング方法は、処理室内でハロゲン含有ガスを含み且
つ酸素を含まない処理ガスを用いるプラズマ処理により
被エッチング材をエッチングするエージングを行なった
後、該処理室内でハロゲン含有ガス及び酸素を含む処理
ガスを用いるプラズマ処理によりシリコン系材料のエッ
チングを行なうドライエッチング方法であって、前記エ
ージングでは、前記処理室の内壁の構成材料と前記シリ
コン系材料のエッチング時の反応生成物であるシリコン
のハロゲン化酸化物とのいずれよりも低硬度のハロゲン
化物を含む密着層を形成するための密着層形成材を前記
被エッチング材として用いることにより前記処理室の内
壁に前記密着層を形成することを特徴とするものであ
る。
るには、例えばSi等のウエハ上に高融点金属又はその
化合物あるいはAl(アルミニウム)を堆積すると共に
その堆積層上にレジストパターンを形成したものを処理
室にセットし、ハロゲン含有ガスを主体とし且つ酸素を
含まないガスプラズマで処理(エッチング)すればよ
い。この場合、高融点金属としては、W,Mo,Ta,
Nbのいずれかを用いることができる。また、ハロゲン
(Cl,Br)含有ガスとしては、Cl2 ,Br2 ,H
Cl,BCl3 ,HBr,BBr3 のうち1種類以上の
ものを用いることができる。密着層としては、被エッチ
ング材のハロゲン化物(例えば、WCl5,WCl6 )
及びレジスト成分を含むものが得られる。
パターンを省略する代りに、レジスト成分と同様の働き
をする物質をガスから供給してもよい。このためには、
ハロゲン含有ガスに炭素を含むガスを添加するか又はハ
ロゲン及び炭素を含むガスを用いればよい。
処理室内でハロゲン含有ガスを含み且つ酸素を含まない
処理ガスを用いるプラズマ処理により被エッチング材を
エッチングするエージングを行なった後、該処理室内で
ハロゲン含有ガス及び酸素を含む処理ガスを用いるプラ
ズマ処理によりシリコン系材料のエッチングを行なうド
ライエッチング装置であって、前記エージングの際に前
記処理室の内壁の構成材料と前記シリコン系材料のエッ
チング時の反応生成物であるシリコンのハロゲン化酸化
物とのいずれよりも低硬度のハロゲン化物を含む密着層
を前記処理室の内壁に形成するための密着層形成材を前
記被エッチング材として前記処理室の内壁の一部に設け
たことを特徴とするものである。この場合、密着層形成
材としては、高融点金属又はそのシリサイドを用いるこ
とができ、高融点金属としては、W,Mo,Ta,Nb
のいずれかを用いることができる。
ージングの際に処理室の内壁に低硬度の密着層を形成す
るので、Si系材料をエッチングする際にはSiのハロ
ゲン化酸化物が密着層を介して処理室の内壁に付着す
る。密着層は、処理室の内壁の構成材料及びSiのハロ
ゲン化酸化物のいずれよりも硬度が低いので、温度サイ
クルに伴う処理室内壁やハロゲン化酸化物被膜の膨脹・
収縮を吸収するバッファ層として働く。このため、Si
のハロゲン化酸化物は、温度サイクルを経験しても処理
室の内壁から剥れ落ちるのを抑制される。従って、パー
ティクルの低減が可能となる。
よると、処理室の内壁の一部に密着層形成材を設けたの
で、エージングの際には勿論のことエッチングの際にも
処理室の内壁に低硬度の密着層が形成される。従って、
上記したと同様にしてSiのハロゲン化酸化物の剥れ落
ちが抑制され、パーティクルの低減が可能となる。この
発明の装置では、エージング用のウエハに密着層形成材
を設けなくてよい。
ECRプラズマエッチング装置を用いて実施することが
できる。
に関して前述したと同様にSiウエハ上にWSi2 層及
びレジストパターンを順次に形成したものを用い、図3
のECRプラズマエッチング装置でエージングを行なっ
た。エージングは、Cl2 ガスプラズマを用いた(O2
流量をゼロとした)以外は前掲の表1と同じ条件で行な
った。そして、図5に関して前述したと同様にしてパー
ティクル数のウエハ処理枚数依存性を調べた。この結果
を図2A2 に示す。
のウエハをエージングの場合と同様の条件でCl2 ガス
プラズマでエッチングした。そして、図5に関して前述
したと同様にしてパーティクル数のウエハ処理枚数依存
性を調べた。この結果を図2B2 に示す。
る図2の場合の方が処理室冷却後のエッチングにおける
パーティクル数が少ないことがわかる。これは、エージ
ングにおいてWSi2層をCl2 ガスプラズマで処理し
たときに反応生成物としてWの塩化物(WCl5 ,WC
l6 )が生成され、処理室の内壁に付着して密着層を形
成したことによるものである。
た場合の反応生成物としては、Siの塩化物(SiCl
x )も生成されるが、Siの塩化物は、蒸気圧が高く、
処理室外へ排出されてしまうので、パーティクル低減に
は寄与しない。一方、Wの塩化物は、蒸気圧が比較的低
く、常温で固体として存在するので、処理室の内壁に付
着してパーティクル低減効果を有する密着層となること
ができる。
形成したウエハをエージングに使用すれば更にパーティ
クル低減効果が向上するといえる。
プラズマエッチング装置を示すもので、図3と同様の部
分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
理室10内の石英製の防着板12の一部にプラズマに接
触するように一例として環状に密着層形成材24を設け
たことであり、他の構成は図3に関して前述したのと同
様である。密着層形成材24としては、高融点金属材、
例えばW(タングステン)材を用いることができ、高融
点金属のシリサイド材を用いてもよい。
(A)又は(B)のいずれかの方法で行なうことができ
る。 (A)ウエハ16として、Siウエハ上にフォトレジス
ト層を形成したものを用い、ハロゲン(Cl,Br)含
有ガス(例えば塩素)を含み且つ酸素を含まないガスプ
ラズマでウエハ16を処理する。この結果、形成材24
としてのWの反応生成物とフォトレジストの反応生成物
とが処理室10の内壁に付着して密着層を形成するの
で、エージングの後のSi系材料のエッチングではパー
ティクルの発生を抑制することができる。 (B)ウエハ16として、フォトレジスト層を形成しな
いSiウエハを用い、ハロゲン(Cl,Br)含有ガス
(例えば塩素)に所定の添加ガスを加えた混合ガスのプ
ラズマで処理する。所定の添加ガスとしては、炭素を含
み且つFを含まないガスで、一般式Cx Hy 又はCx H
y Xz (X:Cl又はBr)で表わされるもの(例えば
CHCl3 )を用いることができる。この場合も(A)
の場合と同様にWの反応生成物とレジスト成分に類似し
た反応生成物とを含む密着層が処理室10の内壁に形成
され、パーティクル低減効果が得られる。なお、混合ガ
スの代りにCCl4 ,CBr4 などのハロゲン及び炭素
を含み且つFを含まないガスを単独で使用してもよい。
3 ,CH2 F2 など炭素及びFを含むガスとハロゲン含
有ガスとの混合ガスを用いることができるが、ゲート電
極エッチングのように被エッチング材の下地膜(SiO
2 膜)がFラジカルによりエッチングされやすく且つ下
地膜のエッチングにより半導体装置としての不具合が生
ずるような工程では、処理室内壁に付着した密着層から
Fが供給されて下地膜に対する選択比を低下させるので
好ましくない。
イオンエッチング(RIE)装置にあっては、ウェット
クリーニングの直後に一時的にパーティクルが増加して
も、Al合金を塩素系ガス(Cl2 ,BCl3 ,SiC
l4 )とCHF3 との混合ガスでエッチングすることに
よってパーティクルが低減されることを経験している。
これは、パーティクルがエッチング反応室の内壁に付着
したAlの塩化物AlCl3 (融点190.2℃)と
C,Fなどを含む被膜に取り込まれたためと考えられて
いる。この被膜は、本願発明において処理室の内壁にS
iのハロゲン化酸化物を密着させるための密着層として
採用することができる。
ル低減効果を有する密着層として使用できるか否かは、
被膜中に含まれるハロゲン化物の軟らかさの程度(硬
度)によって決まる。物質の融点は、その物質の硬度を
反映したものと考えられるので、被膜中に含まれるハロ
ゲン化物の融点により被膜が密着層として有用か否か判
定することができる。
高すぎると、処理室内壁とSiのハロゲン化酸化物との
間のバッファ層としての働きが不十分になり、低すぎる
と、蒸気圧が高くて処理室の内壁に付着しないか付着し
てもエッチング時に処理室温度の上昇に伴い処理室内壁
から剥離してしまうからである。
するWの塩化物WCl5 ,WCl6の融点は、それぞれ
248℃,275℃である。また、前述のAl合金RI
E装置にて得られるAl塩化物AlCl3 の融点は、1
90.2℃である。従って、融点が190.2℃〜27
5℃の範囲内にあるハロゲン化物はパーティクル低減に
寄与すると考えてよい。
〜275℃の範囲内にあるような材料をエージング時の
被エッチング材に使えばパーティクル低減効果が得られ
る。しかしながら、実際に半導体装置の製造に適用する
場合は、半導体装置の性能に悪影響を与える材料は使用
できないので、材料としては半導体装置の製造に使用さ
れている材料が好ましい。好ましい材料としては、配線
材料として使われているAlやゲート電極材料として使
われている高融点金属及び高融点金属シリサイドがあ
る。
塩化物及び臭化物の融点を示した。
学学会編 参考文献2:MATERIALS PROCESSING THEORY AND PRACTI
CES Volume4 “dry etching for microelectronics”,NORTH-HOLLAN
D PHYSICSPUBLISHING 表2によれば、W,Ta,Nb,Mo及びこれらの金属
のシリサイドとAl,Al合金等がエージング時の被エ
ッチング材として使用できることがわかる。また、これ
らの材料は、処理室の一部に設ける密着層形成材として
も使用できる。さらに、エージング時の被エッチング材
としては、塩化物又は臭化物の融点が190℃〜300
℃の範囲内にある物質も使用可能であろうと推測され
る。
エハに被着する各種の密着層形成材毎に使用可能なエー
ジングガスを例示すると、次の表3の通りである。表3
には、ウエハにレジストパターンを形成した場合(レジ
ストパターン有りの場合)と形成しない場合(レジスト
パターン無しの場合)とで別々に使用可能な添加ガスも
例示した。また、使用ガス毎に予想される密着層の主組
成も示した。
に、Cl2 ,Br2 ,HCl,BCl3 ,HBr,BB
r3 のうち1又は複数のものとの任意の組合せが可能で
ある。ただし、Mo,MoSi2 ,Nb,NbSi2 ,
Al,Al合金については、Clを含むガスのみが密着
層形成に有効に作用し、W,WSi2 ,Ta,TaSi
2 については、Cl含有ガス及びBr含有ガスのいずれ
も密着層形成に有効に作用する。
ものではなく、種々の改変形態で実施可能なものであ
る。例えば、ウエハを用いるエージングでは、密着層形
成材の層に重ねてレジストパターンを形成したウエハを
用いる代りに、密着層形成材の層を形成したウエハとレ
ジスト層を形成したウエハとを併用してもよい。
ング装置に限らず、図4に示したマイクロ波プラズマエ
ッチング装置においても、この発明を実施することがで
きる。この場合、密着層形成材の層を形成したウエハを
用いる代りに、処理室30の内壁の一部に密着層形成材
24’を設けてエージングを行なってもよい。
ング方法によれば、パーティクル発生が抑制されるの
で、歩留りの向上が可能になると共にクリーニングサイ
クルの延長が可能となる効果が得られるものである。
よれば、この発明のドライエッチング方法と同様の作用
効果が得られる他、密着層形成材をウエハに被着する処
理が不要であり、簡単にクリーニングを行なえる効果も
ある。
ッチング装置を示す断面図である。
グを実施したときのウエハ処理枚数とパーティクル数と
の関係を示すグラフである。
断面図である。
示す断面図である。
グを実施したときのウエハ処理枚数とパーティクル数と
の関係を示すグラフである。
12:防着板、14:試料台、16:ウエハ、18:高
周波電源、20:マイクロ波導入窓、22:ソレノイド
コイル、24:密着層形成材。
Claims (4)
- 【請求項1】 処理室内でハロゲン含有ガスを含み且つ
酸素を含まない処理ガスを用いるプラズマ処理により被
エッチング材をエッチングするエージングを行なった
後、該処理室内でハロゲン含有ガス及び酸素を含む処理
ガスを用いるプラズマ処理によりシリコン系材料のエッ
チングを行なうドライエッチング方法であって、 前記エージングでは、前記処理室の内壁の構成材料と前
記シリコン系材料のエッチング時の反応生成物であるシ
リコンのハロゲン化酸化物とのいずれよりも低硬度のハ
ロゲン化物を含む密着層を形成するための密着層形成材
を前記被エッチング材として用いることにより前記処理
室の内壁に前記密着層を形成することを特徴とするドラ
イエッチング方法。 - 【請求項2】 前記密着層形成材は、ハロゲン化物の融
点が190℃〜275℃の範囲内にある配線材料又はゲ
ート電極材料からなるものである請求項1記載のドライ
エッチング方法。 - 【請求項3】 前記エージングでは、前記被エッチング
材又は添加ガスとして炭素及び水素を含むものを用いる
ことにより前記密着層として前記被エッチング材のハロ
ゲン化物と、炭素と、水素とを含む層を形成する請求項
1又は2記載のドライエッチング方法。 - 【請求項4】 処理室内でハロゲン含有ガスを含み且つ
酸素を含まない処理ガスを用いるプラズマ処理により被
エッチング材をエッチングするエージングを行なった
後、該処理室内でハロゲン含有ガス及び酸素を含む処理
ガスを用いるプラズマ処理によりシリコン系材料のエッ
チングを行なうドライエッチング装置であって、 前記エージングの際に前記処理室の内壁の構成材料と前
記シリコン系材料のエッチング時の反応生成物であるシ
リコンのハロゲン化酸化物とのいずれよりも低硬度のハ
ロゲン化物を含む密着層を前記処理室の内壁に形成する
ための密着層形成材を前記被エッチング材として前記処
理室の内壁の一部に設けたことを特徴とするドライエッ
チング装置。
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