JP2894304B2

JP2894304B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2894304B2
Application number: JP8341523A
Authority: JP
Inventors: 孝博上西園
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 1999-05-24
Anticipated expiration: 2016-12-20
Also published as: JPH10189535A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法、特にシリコン基板上の酸化膜または窒化膜をエッ
チングする方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造工程には、プラズマＣ
ＶＤやドライエッチングを行うためのプラズマ装置が不
可欠である。プラズマＣＶＤでは、ＳｉＨ₄やＳｉ（Ｏ
Ｃ₂Ｈ₅）₄等をプラズマ中で励起させ、活性化すること
により成膜反応を促進し、高速にウェハー表面に所望の
材料薄膜を形成する。

【０００３】上記のようにデポジションを生じるプラズ
マ工程では、処理室内に多数のデポジション種が存在
し、処理基板以外にも処理室内壁やその他内部構成部品
の表面に付着，堆積する。処理室内に形成されたデポジ
ション膜は、パーティクルの発生や処理の不安定性の原
因となり、半導体の製品品質及び不良率に大きな影響を
与えることが知られている。

【０００４】まず、この堆積は、プラズマ処理の回数と
共にその堆積膜厚が増し、限界膜厚を超えると、剥がれ
てパーティクルとなる。その対策のため、現状のプラズ
マ装置では、単位ウェハー処理毎に処理室内壁や部品に
堆積した堆積物を除去する処理を行い、剥がれ限界膜厚
を超える以前に除去している。他の対策として、処理室
を高温化する方法がある。処理室側壁温度を上昇するこ
とにより、堆積膜の付着を抑制することが可能である。

【０００５】また、特開平５−２４３１６７号公報に提
案されている方法では、プラズマ処理室の内部に付着し
た反応生成物が昇華性の生成物を形成するような堆積物
をあらかじめ処理室内に堆積させておき、プラズマ処理
終了後、処理室温を上昇させることにより、反応生成物
と堆積層の反応を促進させ、昇華物として除去する方法
が提案されている。

【０００６】また、特開平７−２０１７４２号公報で
は、処理室内の部品にブラスト処理などの粗面化処理を
施し、あるいは多数の気孔を有するポーラスなメッキ処
理を施すことで、実質的な表面積を増やし、堆積膜の密
着性を上げることにより、パーティクルの発生が少な
く、生産性を向上したプロセスを実現している。

【０００７】次に、この処理室に付着する反応生成物
は、ウェハー連続処理の安定性に必要なことも知られて
いる。特開昭６３−１２９６２８号公報に示されるよう
なプラズマＣＶＤ方法では、プラズマ処理前にあらかじ
め処理室内にプリデポジション処理、すなわち反応生成
物を付着させることにより、ウェハー毎の膜厚及び膜質
の変動を抑え、安定したプロセスを達成している。加え
て、プラズマ処理終了後に処理室内をクリーニングする
ことにより反応生成物の過度な堆積を抑え、パーティク
ルの少ない安定したプラズマＣＶＤプロセスを達成して
いる。以上のようにプラズマＣＶＤでは、処理室内部の
デポジション膜の付着状態がプロセスに大きな影響を与
えている。

【０００８】一方、プラズマ装置を用いるドライエッチ
ングの酸化膜エッチングでは、ＣＦ₄，ＣＨＦ³などのフ
ロロカーボンガスを導入し、プラズマ中で励起されたイ
オン及びラジカル反応で酸化膜のエッチングを行ってい
る。酸化膜エッチング工程では、下地材料及びマスク材
料であるフォトレジストとの選択性を得ることが重要で
あり、この選択性を確保するためにフロロカーボンガス
がプラズマ中で励起することで生成されるフッ素と炭素
からなるデポジション膜が、下地材料及びマスク材料上
に形成され、選択エッチングが達成されることが知られ
ている。つまり、エッチングと同時にデポジションを行
っている。この酸化膜エッチング時に生成するデポジシ
ョンもＣＶＤプロセスと同様に処理室の内壁に付着す
る。

【０００９】図４は、従来から広く使われている容量結
合型プラズマエッチング装置を示す構成図である。図４
において、１は処理室，２はガス導入管，３は排気管，
４は圧力制御装置，６は下部電極，７は高周波電源，８
は上部電極，１１は被処理体である。この装置では、プ
ラズマ密度は１０⁹〜１０¹⁰ｃｍ^-3程度と低く、使用圧
力領域も１００ｍＴｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒ程度と比較的高
いため、平行平板電極間にプラズマを封じ込めることが
可能であった。従って、処理室側壁との相互作用は小さ
く、ウェハー連続処理の安定性に影響を及ぼすことはな
かった。

【００１０】しかし、近年用いられつつある高密度プラ
ズマ源を搭載したプラズマエッチング装置では、プラズ
マ密度が１０¹¹〜１０¹²ｃｍ^-3と高く、使用圧力領域が
１ｍＴｏｒｒ〜１０ｍＴｏｒｒと低いため、プラズマ封
じ込めが困難となり、側壁との相互作用が起こってい
る。そのため、処理室側壁の状態の変化に伴い、プラズ
マ状態が変化し、ウェハー連続処理時のプロセス再現性
が得られ難いと言う問題を抱えている。

【００１１】さらに、その高密度さ故にエッチングガス
の解離が進み、酸化膜エッチングで用いられるフロロカ
ーボン系のガスは、多量のフッ素ラジカルを放出する。
フッ素ラジカルは、酸化膜をエッチングすることが可能
であるが、同時にシリコンやマスクのレジストもエッチ
ングし、高い選択比を得ることが難しい。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】半導体製造において、
ウェハーを連続処理する際のウェハー間のプロセスばら
つきを抑えることにより、良好なプロセス再現性を得る
ことが重要である。さらに、特性の良いプロセスの実現
が必要とされている。しかし、低圧領域で使用される高
密度プラズマ源を用いた酸化膜エッチング工程では、処
理室側壁の温度変化及び側壁状態のデポジションの変化
のためにプロセス再現性を低下させるという問題があ
る。また、高密度プラズマが活性なフッ素を多量に発生
させることにより、下地材料及びマスクのレジストとの
選択性が確保しにくいという問題を抱えている。

【００１３】処理室側壁温度及び状態の変化による再現
性の低下を解決するためにプラズマエッチング工程で
も、特開昭６３−１２９６２８号公報に記載のＣＶＤプ
ロセスと同様なプリデポジション処理を行い、処理室側
壁状態及び温度を一定にする必要がある。処理室側壁温
度は、プラズマ処理開始時間及び枚数が進むにつれて上
昇し、安定化する。そのため、処理時間直後と終了時で
は、プラズマ状態が異なり、ばらつきが発生する。

【００１４】そこで、プリデポジションを行うことで、
側壁温度を安定温度まで上昇させ、温度変化に伴うプロ
セスばらつきの低減が可能となる。一方、側壁のデポジ
ションに関して、従来から酸化膜エッチングに用いられ
ているＣＦ₄などでのエッチングガスでは、デポジショ
ンの堆積速度は小さく、１０〜２０ｎｍ／ｍｉｎ程度で
あり、プリデポジション処理により十分な膜厚を形成す
ることは不可能である。

【００１５】また、側壁に形成されたデポジション膜
は、再度プラズマ中に放出されデポジション種を形成す
るために処理室内に形成されたデポジションの膜質は、
レジストや下地材料との選択比に大きな影響を与える。
従来から酸化膜エッチングに用いられているＣＦ₄など
のＣ／Ｆ比が低いガスでは、フッ素濃度が高いデポジシ
ョン膜が形成されるため、高選択比が得られにくい。

【００１６】本発明の目的は、プロセス再現性の不安定
な上、フォトレジスト及び下地材料との選択性が不十分
である高密度プラズマを用いた酸化膜エッチング工程に
おいて、安定的にプロセスを行い、かつ高選択性を実現
する半導体装置の製造方法を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る半導体装置の製造方法は、プリデポジ
ション工程と、エッチング工程とを有し、フロロカーボ
ンガスを用いて、酸化膜をドライエッチングする半導体
装置の製造方法であって、プリデポジション工程は、被
処理体を処理する前に処理室内にエッチングガスよりも
Ｃ／Ｆ比の高いフロロカーボンガスを導入し、処理室内
にフロロカーボンデポジション膜を堆積させ、かつ同時
にダミーの基板にエッチングを行う処理であり、エッチ
ング工程は、プリデポジション処理の終了後に、プリデ
ポジションに使用したガスとは異なるフロロカーボンガ
スを用い、酸化膜エッチングを行う処理である。

【００１８】

【００１９】また前記プリデポジション処理に用いるフ
ロロカーボンガスのうち、ＣｎＦｍで表されるｎ／ｍ比
が３／８以上であるフロロカーボンガスを用いる。

【００２０】また前記プリデポジション処理に用いるフ
ロロカーボンガスのうち、ＣｎＨｘＦｍで表されるｎ／
ｍ比が１／３以上であるフロロカーボンガスを用いる。

【００２１】

【作用】本発明では、フロロカーボンガスを用いてエッ
チングを行う場合において、処理室内を被処理体の処理
前にフッ素と炭素からなるフロロカーボンデポジション
で覆うことにより、プラズマ処理枚数に従って処理室内
壁の状態が変化することなく一定に保ち、処理室内の変
化によるプラズマ組成の変化を抑える。この結果、ウェ
ハーを連続処理する際のウェハー間のプロセスばらつき
を抑えることが可能となる。

【００２２】また、このプリデポジションをプラズマ放
電による側壁温度の上昇が飽和するまで行うことによ
り、さらに安定なプロセスを行うことが可能となる。こ
のプリデポジションには、デポジション性が強いＣ₄Ｆ₈
等のＣ／Ｆ比が高いフロロカーボンガスを用いる。これ
により、１００ｎｍ／ｍｉｎ以上デポジションレートが
達成される。これは、従来のエッチングガスとして用い
られているＣＦ₄ガスよりも１０倍程度のデポジション
レートであるため、短時間でプリデポジション処理を行
うことが可能となる。

【００２３】さらに高Ｃ／Ｆ比のフロロカーボンガスを
用いることにより、デポジション種のＣ／Ｆ比を高める
ことが可能となる。炭素濃度の高いデポジション種は、
吸着確率も高くなるため、処理室内壁でのフロロカーボ
ンデポジションのポリマリゼーションが促進される。さ
らに処理室内壁に付着した炭素濃度の高いデポジション
種は、エッチング処理中にプラズマとの相互作用により
プラズマ中へ再放出され、プラズマのデポジション種組
成に影響を及ぼし炭素濃度の高いデポジション種を生成
する。

【００２４】これにより、エッチング中に処理ウェハー
上に堆積するデポジション膜の炭素濃度が増大すること
になる。酸化膜エッチングプラズマ中で生成されるフロ
ロカーボンデポジション膜の炭素濃度とシリコンに対す
る酸化膜の選択エッチングとの関係について、Ａｋｉｍ
ｏｔｏらが次のような報告（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐ
ｈｙｓ．Ｖｏｌ．３３１９９４ｐｐ２１５１）を行
っている。すなわち、炭素濃度の高いフロロカーボンデ
ポジション膜は、スパッタリング耐性が強く、エッチン
グ中に下地シリコンをエッチャントから保護し、高選択
エッチングが実現されると報告している。すなわち、炭
素濃度の高いフロロカーボンデポジション膜をプリデポ
ジションで形成することにより、プラズマ中のデポジシ
ョン種の炭素濃度を増大することが可能となり、低圧高
密度プラズマを用いた酸化膜エッチングでも、高選択比
が達成される。

【００２５】以上のように、エッチングガスとは異なる
Ｃ／Ｆ比の高いフロロカーボンガスを用いたプリデポジ
ションを行うことにより、ウェハーを連続処理する際の
ウェハー間のプロセス再現性を向上することが可能とな
るとともに、高選択エッチングが可能となる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
より説明する。

【００２７】（実施形態１）図１は、本発明の実施形態
に係る半導体装置の製造方法を実施する装置を示す構成
図である。

【００２８】図１において、処理室１は、処理室１内に
設けられた被処理体１１を載置する試料台としての下部
電極６と、これに対向して設けられた上部電極８と、処
理室１に隣接して設けられたマイクロ波発信器５と導波
管１０を介して処理室１内にマイクロ波を導入するテフ
ロン板９からなる誘電体線路と、下部電極８に接続した
高周波電源７と、処理室１内にガスを導入するガス導入
管２と、処理室１内のガスを排気する排気管３と、圧力
制御装置４とを有している。

【００２９】図２は、本発明の実施形態１に係る半導体
装置の製造方法を示すフロー図である。まずステップＳ
₁において、処理室１内へ被処理ウェハーとは異なるダ
ミーウェハーであるＳｉ基板を導入し、これを下部電極
６に設置する。次にステップＳ₂において、ガス導入管
２を通って、エッチングガスとは異なるガスである八弗
化ブタン（Ｃ₄Ｆ₈）と一酸化炭素（ＣＯ）の混合ガスを
導入する。このときのガス条件は、Ｃ₄Ｆ₈：５ｓｃｃ
ｍ，ＣＯ：７５ｓｃｃｍとした。次に処理室１の圧力を
排気管３と圧力制御装置４により３０ｍＴｏｒｒに制御
した。

【００３０】次にステップＳ₃において、マイクロ波発
信器５を発信させ、下部電極８に接続した高周波電源７
を印加し、処理室１内にプラズマを生成する。このとき
のマイクロ波パワー及び高周波電源パワーは、それぞれ
１３００Ｗ，６００Ｗとした。上記処理を５分間行うこ
とで、処理室１の表面には、フッ素と炭素からなるフロ
ロカーボンポリマーが堆積され、プリデポジションが終
了する。このとき、処理室１の側壁には、１０００ｎｍ
程度のポリマーが堆積する。このポリマーは、Ｃ₄Ｆ₈と
ＣＯを用いているため、ＣＯガスによるフッ素のスカベ
ンジ効果により、プラズマ中のフッ素濃度が低下し（Ｐ
ｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．ｏｆｌ０ｔｈＳｙｍｐｏｓｉ
ｕｍｏｎＰｌａｓｍａＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．１
９９４．ＳａｎＦｒａｎｃｉｓｃｏＰ．３１１）、炭
素濃度リッチなポリマーが生成される。さらに、基板バ
イアスである高周波電源７を印加しているため、ダミー
ウェハー中のＳｉがエッチングされ、プラズマ中のフッ
素と反応し、Ｓｉ−Ｆ結合が形成され排気される。その
ため、プラズマ中のフッ素が除去され、より炭素濃度リ
ッチなデポジション膜が形成される。また、このプリデ
ポジションを行うことにより、プラズマ放電による側壁
温度の上昇が起きる。温度上昇は、放電時間とともに上
昇し、一定時間で安定化する。上記プリデポジションを
行う条件では、４分で、安定温度である１２０℃に達し
た。

【００３１】次にステップＳ₄において、プリデポジシ
ョンに用いたダミーウェハーを処理室１外へ搬出した
後、ステップＳ₅において被処理ウェハーを処理室内に
導入し、ステップＳ₆及びＳ₇においてプラズマ処理を行
う。エッチングガスとして、ＣＦ₄とＣＨＦ₃とＡｒの混
合ガスを用い、それぞれの流量をＣＨＦ₃：２０ｓｃｃ
ｍ，ＣＦ₄：１０ｓｃｃｍ，Ａｒ：５０ｓｃｃｍとし、
圧力を３０ｍＴｏｒｒ，マイクロ波パワーを１３００
Ｗ，高周波電源パワーを６００Ｗとした。このとき、ス
テップＳ₃におけるプリデポジションで処理室１内にデ
ポジションを付着させ、側面温度も安定温度に達してい
るため、プラズマ処理時における処理室表面状態の変化
及び側面温度を抑えることが可能となり、エッチレー
ト，フォトレジスト選択比及び下地選択比のウェハー間
のプロセスばらつきが低減できる。また、プラズマ処理
枚数の増加に伴う処理室１内面の温度上昇は、プリデポ
ジションステップ時間の調整で制御可能となるため、処
理室表面からの再放出物も安定的に供給され、プラズマ
状態が安定化される。次にステップＳ₈においてプラア
マ処理終了後、処理ウェハーを処理室外へ搬送し、ステ
ップＳ₉において処理室の反応生成物を除去する。以
後、１枚毎に同様なフローを繰り返す。

【００３２】（実施形態２）図３は、本発明の実施形態
２を示すフロー図である。実施形態２では、１枚目のプ
リデポジションのステップＳ₃及び１枚目のプラズマ処
理のステップＳ₇は、実施形態１と同様に行うが、次に
ウェハーを処理室外へ搬送した後、処理室内の反応生成
物除去とプリデポジションステップを行わずに２枚目以
降を処理し、そのロットの最後のウェハー処理終了後、
処理室内の反応生成物を除去することを特徴としてい
る。つまり、ロット毎にプリデポジションを行う方法で
ある。

【００３３】尚、前記実施形態において、反応生成物の
除去は、処理室内への過度なデポジションの堆積による
発塵を防ぐために一定枚数毎のデポジション除去を行う
ことで、パーティクルの発塵を防ぐために行っている。
しかし、このステップを多く行うことは、生産性を阻害
することとなる。そこで、処理室内の部品をプラスト処
理等の粗化処理することで、実質的な表面積を増やし、
堆積膜の密着性を上げることが可能となり、クリーニン
グサイクルを延ばし、かつパーティクルの発塵を防ぐこ
とが可能となる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、プ
ラズマを用いて酸化膜エッチングを行う工程において、
プラズマ処理前に被処理体を処理するガスとは異なるフ
ロロカーボンガスを用いて、デポジションを行うステッ
プを設けることで、処理室内壁のデポジション及び温度
状態の処理枚数間のばらつきを低減でき、しかも一定と
することができる。

【００３５】さらに、高次のフロロガスカーボンを用い
ることで、そのガスより高次なフロロカーボン種が処理
室内壁でポリマリゼーションにより形成され、プラズマ
中へ再解離することで、被処理体上での炭素リッチなポ
リマリゼーションを促進でき、高選択エッチングを実現
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法
を実施する装置を示す構成図である。

【図２】本発明の実施形態１に係る半導体装置の製造方
法を示すフロー図である。

【図３】本発明の実施形態２に係る半導体装置の製造方
法を示すフロー図である。

【図４】従来装置を示す断面図である。

【符号の説明】

１処理室２ガス導入管３排気管４圧力制御装置５マイクロ波発信器６下部電極７高周波電源８上部電極９テフロン板１０導波管１１被処理体

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】プリデポジション工程と、エッチング工
程とを有し、フロロカーボンガスを用いて、酸化膜をド
ライエッチングする半導体装置の製造方法であって、プリデポジション工程は、被処理体を処理する前に処理
室内にエッチングガスよりもＣ／Ｆ比の高いフロロカー
ボンガスを導入し、処理室内にフロロカーボンデポジシ
ョン膜を堆積させ、かつ同時にダミーの基板にエッチン
グを行う処理であり、エッチング工程は、プリデポジション処理の終了後に、
プリデポジションに使用したガスとは異なるフロロカー
ボンガスを用い、酸化膜エッチングを行う処理であるこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】前記プリデポジション処理に用いるフロ
ロカーボンガスのうち、ＣｎＦｍで表されるｎ／ｍ比が
３／８以上であるフロロカーボンガスを用いることを特
徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。【箭求項３】前記プリデポジション処理に用いるフロ
ロカーボンガスのうち、ＣｎＨｘＦｍで表されるｎ／ｍ
比が１／３以上であるフロロカーボンガスを用いること
を特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。