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JP3854019B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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JP3854019B2
JP3854019B2 JP27956499A JP27956499A JP3854019B2 JP 3854019 B2 JP3854019 B2 JP 3854019B2 JP 27956499 A JP27956499 A JP 27956499A JP 27956499 A JP27956499 A JP 27956499A JP 3854019 B2 JP3854019 B2 JP 3854019B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の微細加工に用いるドライエッチング装置及びドライエッチング方法に関し、特に酸化ケイ素膜の高精度ドライエッチング加工を実現するドライエッチング装置及びドライエッチング方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置においては、ウエハ上に形成されたトランジスタとメタル配線間およびメタル配線間を電気的に接続するために、トランジスタ構造上および配線間に形成された絶縁膜(SiOを主成分とする薄膜、以後、酸化膜と呼ぶ)に、ドライエッチング方法でコンタクトホールを形成し、コンタクトホール内に電気伝導体を充填する。ドライエッチングでは、エッチングガスを真空容器に導入し、このガスに高周波バイアスもしくはμ波を印加プラズマを発生させ、プラズマ中で生成した活性種およびイオンによって酸化膜を選択的にエッチングし、コンタクトホールを形成する。このエッチングに際して、ホールパターンを転写したレジスト薄膜が酸化膜上に形成されている。このコンタクトホール加工では、レジスト膜、コンタクトホールの下部にある配線層、およびトランジスタを形成しているシリコンに対し選択的に酸化膜をエッチングする必要がある。この他、ウエハ上に形成された電界効果トランジスタのゲート電極を、配線層間と異なった材質の第2の絶縁膜で覆い、ソースおよびドレイン領域と配線層を接続するドライエッチング方法においては、エッチング中、ホール内に前記第2の絶縁膜が現れるため、第2の絶縁膜に対する選択性も必要となる。このコンタクト加工のことをセルフアラインコンタクト(SAC)加工といい、第2の絶縁膜として、窒化ケイ素膜が用いられる。
【0003】
上記コンタクトホールの加工は、エッチング装置内にCF,CHF,C等のフロロカーボンガスおよびArガスを導入し、4Paから10Paのガス圧力条件で高周波プラズマ放電して、ウエハに1.5から2.0kVのVpp電圧が印加される条件でエッチングを行っている。配線層間の酸化膜が厚く、コンタクトホールのアスペクト比(深さ/直径)が高い場合には、ホール開口性を高めるため酸素ガスの添加、SAC加工においては、窒化膜に対する選択性を高めるためCOガスの添加等が行われてきた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のエッチング装置では、ガス圧力,プラズマ発生に必要な高周波パワー等のエッチング条件を決めると、プラズマ密度および電子温度が決まってしまうため、ガス解離によるFとCFおよびイオンの生成量が固定されてしまう。プラズマ中では、CFの他、CF,CF,C等が存在するが、本明細書では、C,CF,CF等をCFラジカルで代表し、CFラジカルをCFで、FラジカルをFで表記する。このためFとCFの生成量を一定にしたまま、イオン生成量を変えたり、イオン生成量一定の条件で、FとCFの入射量を変えることが難しかった。例えば、平行平板型のエッチング装置の場合、プラズマ生成用の高周波バイアスのパワーを高くするとプラズマ密度が高くなるためイオン生成量が増加し、同時に、プラズマによる解離が進むためCFに対するFの生成量も変わってしまう。
【0005】
このような従来のエッチング装置では、次のような問題が生じる。アスペクト比が高いコンタクト加工する場合、レジスト選択比が高い条件では、コンタクトホール底面でフッ素ラジカルFが少なくなるため、CF系のラジカルによりポリマーが形成され、ホールの途中でエッチングが停止してしまう。逆にエッチングが停止しない条件では、酸素ガスの添加やフッ素過剰になり、酸素やフッ素により、レジストマスクがエッチングされるため、レジストに対する選択比が十分に得られなくなってしまう。従来の技術では、プラズマ中のガス解離が固定され、この問題に対応できなかった。
【0006】
この他、ガス圧力が高い条件(4Pa以上)でアスペクト比の高いコンタクトホールをエッチングする場合、ガス分子との衝突により、ウエハに対し傾め方向から入射するイオンがあるため、酸化膜の一部が横方向にエッチングされてしまい垂直加工することが難しくなる。ガス分子との衝突は、ガス圧力を低くすることにより、低減できるが、従来の装置では、ガス圧力を低くするとプラズマ密度と電子温度が変わってしまうため、Fの比率が増えレジストや窒化膜に対する十分な選択比が得られず、低ガス圧力化の障害となっていた。
【0007】
上記酸化膜のエッチングにおいては、半導体装置の微細化に伴い、加工精度,窒化膜に対する選択比(対窒化膜選択比)およびレジストに対する選択比等の向上、および、半導体装置の平坦化や配線の多層化に伴い、深さ/ホール径比率(アスペクト比)の高いコンタクトホールの加工が必要となってきた。
【0008】
本発明が解決しようとする課題は、プラズマ中でのCF2に対するFおよびイオンの生成量を制御し、アスペクト比の高いコンタクトホールや窒化ケイ素膜に対して高い選択比が要求される酸化膜の加工を実現することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
電子温度の異なる2以上のプラズマ領域を形成することによって、プラズマ中でのCFに対するFおよびイオンの生成量を独立に制御することができる。
【0010】
フロロカーボンガスを用いた酸化膜エッチングにおいて、CFに対するFの生成量は、プラズマ温度に依存し、イオンの生成量はプラズマ生成に導入したパワーに比例して決まる。Cの場合、CからFの生成の閾エネルギー6eV程度であるのに対し、CFの生成は12eV程度である。このため、電子温度が低い場合(1−4eV)、Fが生成しやすくF/CF生成比は大きくなる。電子温度が5−20eVでは、CFの生成が促進されるため、F/CF生成比は低電子温度の場合に比べ小さくなる。そこで、2種類の電子温度を用いると、高電子温度領域でFとCFを生成させ、低温度領域でFを生成させることが可能になる。この2つの電子温度領域の大きさを可変させることにより、F/CF比を制御する。これらの電子温度の差は1eV以上、好ましくは5eV以上あると良い。
【0011】
プラズマ中でのCFに対するFおよびイオンの生成量を独立に制御すべきであることは以下の理由による。導入したフロロカーボンガスが、プラズマ中でCFラジカルとFラジカルおよびイオンに解離しウエハに入射する。酸化膜のエッチングは、CFおよびFが付着した面にイオンが入射することにより、エッチングが進行する。これに対し、レジストや窒化ケイ素膜は、主にFとイオンによってエッチングされ、CFは表面でポリマーを形成するため、レジストや窒化ケイ素膜上では耐エッチング膜として作用する。このため、CFに比べイオンやFの入射量が少ない条件でエッチングすると、レジストや窒化ケイ素膜に対して高い選択比を得ることができる。しかしながら、イオン入射量を少なくすると、酸化膜のエッチング速度が遅くなり、Fの入射量が少なくなると、アスペクト比の高いホールではエッチングが停止してしまうという問題が発生する。このように、酸化膜のエッチングプロセスは、おおむねCF,F,イオンの入射によって決まり、特にCF入射量に対するイオンの入射量およびF入射量に依存する。したがって、プラズマ中でのCFに対するFおよびイオンの生成量を独立に制御できると、プロセス条件が広がり、結果としてより微細で深い酸化膜の加工が可能になる。
【0012】
しかしながら、2つの電子温度領域でともに、Fが生成することから、全体にFが過剰な条件でF/CFを制御することになる。Fを選択的に除外するには、水素原子を含むガス(H,CH,CH等)を添加しFをHラジカルと反応させ除外することができる。この他、内壁材との反応でFを消費させることができる。具体的には、エッチング装置内壁面にSi板,SiC板等のFと反応する材料を設置し、F消費を促進するため前記板に高周波バイアスを印加することによりFを除外する。この他、CFが壁に付着して形成されたポリマーとFを反応させてFを除外することができる。ウエハと内壁部の距離を近づけると、プラズマの体積に対する内壁面の面積が大きくなるため、エッチング装置内のプラズマで生成したFが内壁部に入射する割合が高くなる。すなわち、ウエハと内壁部を接近させることによりFは効率的にポリマーと反応し除外される。具体的には、ウエハとエッチング装置のウエハ対向面との距離を短くすることが上げられる。これらの方法と2種類の電子温度をもつプラズマを用いることにより、F/CF比を広い範囲で制御することが可能になる。
【0013】
これに対し、イオンの生成量は、プラズマ中の電子密度によって決まり、電子密度は入力する高周波のパワーにほぼ比例する。F/CFの解離はガス分子と電子衝突によって生成するため、高周波のパワーに依存するが、2つの電子温度領域を可変させることにより、イオン生成量とは、独立にF/CFの生成比率を制御することができる。
【0014】
2種類の電子温度領域を生成する具体的な方法として、図1に示すようにエレクトロンサイクロトロン共鳴(ECR)を用いたエッチング装置の場合、ECR領域で電子温度が高く(高電子温度領域103)、それ以外の部分では、低電子温度領域102を形成する。ECR領域は、外部から印加する磁場の磁場勾配を大きくするとECR領域は狭くなる。したがって、ECR領域の磁場勾配の制御により、F/CF生成比を可変することが可能になる。図2に示すように、磁場勾配が小さい条件では、高電子温度領域が広がるので、F/CF生成比は小さくなり、磁場勾配を大きくすると、高電子温度領域が狭くなるので、F/CF生成比を大きくすることができる。この他、ECR領域は導入する高周波の周波数におおむね反比例する。例えば、周波数を2.45GHzから450MHzにするとECR領域は約5倍に広がる。したがって、導入する高周波の周波数を低くすることによって高電子温度領域を広くし、F/CF生成比を小さくすることができる。
【0015】
ECR領域101を固定した場合、ウエハ6とウエハ対向面103の距離を変えると低電子温度領域102の大きさを変えることができる。図2に示すようにウエハ6とウエハ対向面103の距離を短くすると低電子温度領域102は狭くなるため、F/CF生成比を小さくすることができる。
【0016】
以上のようにECRエッチング装置の場合、磁場勾配、導入する高周波の周波数、ウエハとウエハ対向面の距離を制御することにより、イオンの生成量と独立にF/CFの生成比を制御することができる。
【0017】
本発明は、具体的には次に掲げる方法を提供する。
【0018】
本発明は、第1の電子温度領域と、第2の電子温度領域とを有するプラズマを利用して、膜をエッチングするドライエッチング方法を提供する。
【0019】
本発明は、更に前記第1の電子温度と前記第2の電子温度の差は1eV以上であるドライエッチング方法を提供する。
【0020】
本発明は、更に前記第1の電子温度と前記第2の電子温度の差は5eV以上であるドライエッチング方法を提供する。
【0021】
本発明は、更に前記第1の電子温度が2eV以上4eV以下であって、前記第2の電子温度が5eV以上であるドライエッチング方法を提供する。
【0022】
本発明は、更に前記膜は酸化ケイ素膜であり、前記プラズマを発生させるためのガスはフロロカーボンガスであるドライエッチング方法を提供する。
【0023】
本発明は、更に前記プラズマを発生させるためのガスの圧力は4Pa以下であるドライエッチング方法を提供する。
【0024】
本発明は、処理室内にフロロカーボンガスを含むガスを導入し、前記ガスをプラズマ化させ、前記プラズマ中のフッ素ラジカル、フロロカーボンラジカルおよびイオンの生成量をエッチング中に独立に制御して、前記プラズマを利用して絶縁膜をドライエッチングするドライエッチング方法を提供する。
【0025】
本発明は、更に前記フッ素ラジカルおよび前記フロロカーボンラジカルの量は、前記エッチング中に変化するドライエッチング方法を提供する。
【0026】
本発明は、更に前記プラズマは、前記処理室外部からソレノイドコイルによって形成された磁場を前記処理室に印加することにより形成され、前記磁場の磁場勾配を前記ソレノイドコイルによって制御することにより、Fラジカルとフロロカーボンラジカルの生成比率を制御するドライエッチング方法を。
【0027】
本発明は、更に前記磁場勾配を前記絶縁膜のエッチングの経過とともに大きくするドライエッチング方法を提供する。
【0028】
本発明は、更に前記処理室内のガス圧力は、4Pa以下であるドライエッチング方法を提供する。
【0029】
本発明は、更に前記プラズマは高周波を印加することにより形成され、前記高周波の周波数は300MHz以上900MHz以下であるドライエッチング方法を提供する。
【0030】
本発明は、更に前記プラズマは、入力パワーの異なる高周波を少なくとも2種類印加することにより形成されるドライエッチング方法を提供する。
【0031】
本発明は、処理室と、前記処理室内に設けられ、ドライエッチングされるべき基体を設置するための台と、前記処理室内にガスを導入する手段と、前記ガスをプラズマ化する手段と、前記プラズマ中に第1及び第2の電子温度領域を形成するドライエッチング装置を提供する。
【0032】
本発明は、更に前記プラズマ化する手段は、300MHz以上900MHz以下の高周波を印加する手段であるドライエッチング装置を提供する。
【0033】
本発明は、更に前記処理室の周囲には4つ以上のソレノイドコイルが設置させられているドライエッチング装置を提供する。
【0034】
本発明は、更に前記プラズマ化する手段は、処理室内に設けられたアンテナに高周波を印加する手段であり、前記基体と前記アンテナとの距離は100mm以下であるドライエッチング装置を提供する。
【0035】
【発明の実施の形態】
(実施例1)
本発明に用いるドライエッチング装置を図4に示す。この装置ではエッチング処理室1にエッチングガスを導入し、マイクロ波発生器2において900MHzから2.45GHzの間の高周波を発生させ、この高周波を導波管3を通し、エッチング処理室1に輸送してガスプラズマを発生させる。ECR領域の鉛直方向の磁場勾配がECR領域の磁場強度に対し、広い範囲で制御できるようにエッチング処理室周辺に磁場発生用のソレノイドコイルを4つ設置する。これらのソレノイドコイル4によって、0から875ガウスの間の磁場が処理台のほぼ真上にくるように4つのコイル電流を制御し、エレクトロンサイクロトロン共鳴(ECR)を用いて電子密度が1011個/cm以上の高密度プラズマを発生させる。
【0036】
ECR領域の磁場勾配は、磁場勾配/磁場強度の値が0.1cm−1から0.01cm−1の範囲で制御する。エッチング処理室1には処理台5があり、この上に被処理物6を設置して、ガスプラズマによりエッチング処理する。エッチングガスは、ガス流量制御装置を通してエッチング処理室1に導入され、排気ポンプ7によりエッチング処理室1の外に排気される。被処理物を設置する処理台5には高周波電源12を備え、400KHzから13.56MHz までの高周波バイアスを印加できる。処理台の位置は、処理台の対向面(ガス導入口11)から距離が20mmから150mmの範囲で固定することができる。
【0037】
この装置に、被処理物として8インチシリコンウエハを搬送する。このシリコンウエハ上には厚さ2mmの酸化膜が形成されその上部にはマスクパターンを転写したレジストマスクが形成されている。レジストマスクには、200nm径のホールが形成されている。
【0038】
この装置に、Ar400sccm、Cを10sccm、CHを5sccmガス導入口より処理室に導入しガス圧力を2Paにする。2.45GHz ,1kWの高周波をマイクロ波発生器より発生させ、処理台800KHz,1000Wのバイアスを印加し、酸化膜をエッチングする。処理台の位置をマイクロ波導入窓から100mmとして、ウエハの真上6cmの位置で磁場強度が875ガウス、その位置における磁場勾配が50ガウス/cmとなるようにコイル電流を調整する。その条件で、ECR領域の厚さは10mm程度で、電子温度は10eV程度である。ECR領域以外の電子温度は3eV程度になる。すなわち、約10mmの厚さの高電子領域と約90mmの厚さの低電子領域が形成される。Fの一部は、CHから生成されるHと反応して除外される。このため、CからのFの生成量はCFに対し2倍程度であるが、ウエハに入射するF/CFの比率は、0.6程度になると推定できる。電子密度は3×1011個/cm程度で、イオン電流密度は5mA/cm程度になる。この条件で、酸化膜のエッチング速度は約700nm/min で、レジストに対する選択比は5である。加工形状はほぼ垂直な形状が得られるが、同じ条件でガス圧力を5Paまで高くすると、斜めに入射するイオンのため20nmほど横方向に削れがホール内に見られる。ガス圧力、4Pa以下でほぼ垂直な加工形状になる。
【0039】
磁場勾配を15G/cmにすると、ECR領域の厚さは、20mm程度に広がる。この結果、ウエハに入射するF/CF比は0.3程度に小さくなる。一方、プラズマ密度は磁場勾配を変えてもほとんど変化せず、両者の場合、イオン電流密度は5mA/cm程度になる。このため、酸化膜のエッチング速度は、ほとんど変わらず平面部では700nm/min 程度になる。これに対し、Fの比率が小さくなるためレジスト選択比は30とよくなるが、CFが過剰にあるため、酸化膜は深さ約1mmまでエッチングされ停止する。
【0040】
エッチング中に磁場勾配を、15ガウス/cmから50G/cmに、毎分12G/cmで変化させると、変えるとエッチング速度は700nm/min 程度で、エッチングは停止することなく、3分ほどで終了する。レジストに対する選択比は20程度になり、磁場勾配50G/cmのエッチングに比べレジスト選択比が大きく改善される。
【0041】
このように磁場勾配を制御するとイオン電流を一定に保ったまま、F/CF比を変えることができる。磁場勾配を小さくすることによってレジストに対する選択比は高くなる。しかしながら、磁場勾配をより小さくするということは、エッチング装置内で均一な磁場を形成することを意味し、これを同じ磁場強度で実現するためには、エッチング装置周辺に多くのコイルを設置する必要がある。これに対し、磁場強度を小さくすると、磁場勾配もそれに比例して小さくなるので、容易に磁場勾配を小さくすることができる。ECRを形成する磁場強度は、マイクロ波の周波数によって決まるので、磁場強度および磁場勾配を小さくするには、マイクロ波の低周波数化が有利である。
【0042】
(実施例2)
次に同じ装置を用いてマイクロ波の周波数を900MHzにした場合について説明する。ウエハの真上60mmの位置で磁場強度が320ガウス、その位置における磁場勾配が20ガウス/cmとなるようにコイル電流を調整する。この条件では、ECR領域の厚さは20mm程度で、磁場勾配/磁場強度がほぼ一定の条件では、2.45GHz の場合に比べ、ECR領域は約2倍に広がる。このため、同じ条件でガスを導入した場合、イオン電流密度は5mA/cm程度と2.45GHzとほぼ同じであるが、ウエハに入射するF/CFの比率は、0.7 程度になると推定できる。このため、酸化膜のエッチング速度は約700nm/min で、レジストに対する選択比は15になる。
【0043】
(実施例3)
次に図5の装置を用いた別の実施形態について説明する。この装置ではエッチング処理室1にエッチングガスを導入し、高周波電源503において生成した300MHzから900MHzの間の高周波をアンテナ502からエッチング処理室1に導入してガスプラズマを発生させる。高効率放電のために磁場発生用のソレノイドコイル4をエッチング処理室周辺に3つ配置し、0から320ガウスの間の磁場が処理台のほぼ真上にくるように2つのコイル電流を制御し、エレクトロンサイクロトロン共鳴(ECR)を用いて電子密度が10 11 個/cm以上の高密度プラズマを発生させる。エッチング処理室1には処理台5があり、この上に被処理物6を設置して、ガスプラズマによりエッチング処理する。エッチングガスは、ガス流量制御装置を通してエッチング処理室1に導入され、排気ポンプ7によりエッチング処理室1の外に排気される。被処理物を設置する処理台5には高周波電源12を備え、400KHzから13.56MHz までの高周波バイアスを印加できる。処理台の位置は、マイクロ波導入窓から距離が20mmから150mmの範囲で固定することができる。
【0044】
この装置に、被処理物として8インチシリコンウエハを搬送する。このシリコンウエハ上には厚さ0.1mmの窒化ケイ素膜、その上に厚さ1.5mmの酸化膜が形成されその上部にはマスクパターンを転写したレジストマスクが形成されている。レジストマスクには、150nm径のホールが形成されている。
【0045】
この装置に、Ar200sccm、Cを10sccmをガス導入口より処理室に導入しガス圧力を1Paにする。450MHz,1kWの高周波によりガスプラズマを生成し、処理台に800KHz,800Wのバイアスを印加し、酸化膜をエッチングする。処理台の位置をアンテナ502から60mmとして、ウエハの真上40mmの位置で磁場強度が160ガウス、その位置における磁場勾配が4ガウス/cmとなるようにコイル電流を調整する。この条件で、ECR領域の厚さは50mm程度で、電子温度は8eV程度である。ECR領域以外の電子温度は2eV程度になる。Cの解離により、F/CFの生成比は1.0程度になるが、ウエハ対向面のポリマーとFとの反応によりFのウエハ入射量は少なくなる。このため、ウエハに入射するF/CFの比率は、0.5程度になると推定される。イオン電流密度は5mA/cm程度になる。この条件で、酸化膜のエッチング速度は約700nm/min でレジストに対する選択比は20、下地の窒素化膜に対する選択比は30である。
【0046】
この条件で、酸化膜の膜厚が3mm、コンタクトホール径が150nmのエッチングを行うと深さ約2mmで停止してしまう。従来技術では、このような場合、酸素ガスを添加しエッチング停止を防止する必要があった。酸素ガスを添加する場合、エッチング停止が起きない条件では、レジストの選択比は、5程度に低下する。これに対し、磁場勾配を4ガウス/cmから10ガウス/cmに大きくし、Fの発生量を増やすと、酸化膜の膜厚が3mm、コンタクトホールの径が150nmのエッチングでは、途中で停止することなくほぼ垂直な加工形状が得られる。このとき、レジストに対する選択比は10程度に小さくなるが、酸素添加に比べ大きくなる。
【0047】
このように、同じガス条件でも磁場勾配を変えF/CF比を制御することにより、異なるエッチング条件に対応することが容易になるとともに、酸素ガス等の添加が不要になる。
【0048】
プラズマ形成用の高周波電源の周波数を300MHzから900MHzの範囲内で変えても、磁場勾配を制御することにより、450MHzと同様な結果が得られる。周波数を低くすると、ソレノイドコイルが小さくなり、低磁場勾配の条件が実現しやすいことから、特に、300MHzから600MHzの周波数が望ましい。ガス圧力については、ガス圧力を5Pa程度に高くすると横方向に酸化膜の削れが見え、0.1Pa 以下の低ガス圧力では、CFの入射量が少なくなるため、高い選択比を維持したまま十分なエッチング速度を得ることが難しくなる。したがって、ガス圧力としては特に0.1Pa から4Paが望ましい。
【0049】
先述のアンテナに印加する高周波の周波数が450MHz、磁場勾配が4ガウス/cmと同じエッチング条件で、ウエハとアンテナの距離を60mmから100mmに変え、1.5mm の酸化ケイ素膜、コンタクトホールの径150nmの加工を行う。距離を長くすることにより、低電子温度領域が増加するとともに、ウエハ対向面におけるF消費の影響が小さくなるため、Fの相対的な入射量は増加する。このため、レジストや窒素化膜に対する選択比はそれぞれ10と12と小さくなる。ウエハとアンテナの距離が100mm以上では、選択比の変化は見られなかった。この条件に、CHガスを5sccm程度加えると、レジストの選択比は20、窒素化膜の選択比は25程度になるが、CHは堆積性が強く内壁面に付着するためクリーニングの頻度が増え、スループットが低下する。すなわち、ウエハとアンテナの距離を60mmに短くし、選択比を向上させる方がスループットの点で有利になる。逆にウエハとアンテナの距離を40mmまで短くすると、Fの入射量が減り、選択比は大きくなるが、1.2mm 程度の深さでエッチングが停止する。このように、ウエハとアンテナ距離、磁場勾配の制御によりFの相対的な入射量を制御することにより、ガスを添加することなく所望のエッチング条件は達成できる。
【0050】
次に図6の装置を用いた別の実施形態について説明する。この装置ではエッチング処理室1にエッチングガスを導入し、第一の高周波電源601および第二の高周波電源602において10−100MHzの間の高周波を発生させ、この高周波をリングアンテナ603,604からそれぞれエッチング処理室1に導入してガスプラズマを発生させる。プラズマの電子密度は1011個/cm以上の高密度プラズマになる。エッチング処理室1には処理台5があり、この上に被処理物6を設置して、ガスプラズマによりエッチング処理する。エッチングガスは、ガス流量制御装置を通してエッチング処理室1に導入され、排気ポンプ7によりエッチング処理室1の外に排気される。被処理物を設置する処理台5には高周波電源12を備え、400KHzから13.56MHz までの高周波バイアスを印加できる。
【0051】
この装置に、被処理物として8インチシリコンウエハを搬送する。このシリコンウエハ上には厚さ2mmの酸化膜が形成されその上部にはマスクパターンを転写したレジストマスクが形成されている。レジストマスクには、200nm径のホールが形成されている。
【0052】
この装置に、Ar400sccm、Cを10sccmをガス導入口より処理室に導入しガス圧力を3Paにする。13.56MHz の1500Wの高周波を第一のリングアンテナ603に印加し、13.56MHz の1000Wの高周波を第二のリングアンテナ604に印加し、ガスプラズマを発生させ、処理台に800kHz,1200Wのバイアスを印加し、酸化膜をエッチングする。この条件で、第一のリングアンテナの高さ付近の電子温度は、約10eVでウエハ付近では4eVになる。酸化膜のエッチング速度は約700nm/min でレジストに対する選択比は25程度になるが、コンタクトホールの中途でエッチングの停止が見られる。
【0053】
第二のリングアンテナ604に印加する高周波パワーを500Wにすると、ウエハ付近の電子温度は2eV程度に小さくなる。プラズマ密度は第一のリングアンテナでほぼ決まるため、イオン電流密度は変わらず、酸化膜のエッチング速度は700nm/min であるが、電子温度の低下によりレジストの選択比は10程度に小さくなる。しかしこの条件では、エッチングの停止は生じない。
【0054】
エッチング中に、第二のリングアンテナ604に印加する高周波パワーを1000Wから500Wにエッチング時間の経過とともに変えていくと、エッチングの停止なく、コンタクトホールが形成され、エッチング中の平均のレジストの選択比は20程度になる。
【0055】
【発明の効果】
本発明により、F/CFの生成比が任意に制御できるため、ガス圧力,ガス流量に大きく依存することなく、レジストや窒素化膜に対する選択比が高い、酸化膜エッチングが可能になる。本発明を用いると、アスペクト比の高いコンタクトホールの加工やレジストおよび窒化ケイ素膜に対して高い選択比で酸化膜の加工ができる。1Paから4Paの低ガス圧力条件でも、上記エッチングが可能になるため、アスペクト比の高いコンタクトホールで垂直加工形状が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の2種類の電子温度領域の形成を示す概念図である。
【図2】本発明の磁場勾配の制御による2種類の電子温度領域の形成とF/CF生成比の関係を示す図である。
【図3】本発明のウエハとウエハ対向面の距離の制御による2種類の電子温度領域の形成とF/CF生成比の関係を示す図である。
【図4】本発明で用いるドライエッチング装置の断面図である。
【図5】本発明で用いる別のドライエッチング装置の断面図である。
【図6】本発明で用いる別のドライエッチング装置の断面図である。
【符号の説明】
1…エッチング処理室、2…マイクロ波発生器、3…導波管、4…ソレノイドコイル、5…処理台、6…被処理台、7…排気ポンプ、8…排気バルブ、9…コンダクタンスバルブ、10…ガス流量コントローラ、11,501…ガス導入口、12…処理台用の高周波電源、13…石英チャンバー、101…高電子温度領域、102…低電子温度領域、103…ウエハ対向面、201…磁場勾配とF/CF生成比の関係を示す曲線、301…高電子温度領域、302…エッチング装置のウエハ対向面とウエハ間の距離と、F/CF生成比の関係を示す曲線、502…アンテナ、503…高周波電源、601…第一の高周波電源、602…第二の高周波電源、603…第一のリングアンテナ、604…第二のリングアンテナ。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a dry etching apparatus and a dry etching method used for microfabrication of a semiconductor device, and more particularly to a dry etching apparatus and a dry etching method that realize high-precision dry etching processing of a silicon oxide film.
[0002]
[Prior art]
In a semiconductor device, an insulating film (SiO2) formed on a transistor structure and between wirings is used to electrically connect transistors formed on a wafer to metal wirings and between metal wirings.2A contact hole is formed by a dry etching method, and an electrical conductor is filled in the contact hole. In dry etching, an etching gas is introduced into a vacuum vessel, a high frequency bias or μ wave is applied to the gas to generate plasma, and the oxide film is selectively etched by active species and ions generated in the plasma to form contact holes. Form. At the time of this etching, a resist thin film to which the hole pattern is transferred is formed on the oxide film. In this contact hole processing, it is necessary to etch the oxide film selectively with respect to the resist film, the wiring layer under the contact hole, and the silicon forming the transistor. In addition, in the dry etching method in which the gate electrode of the field effect transistor formed on the wafer is covered with a second insulating film made of a material different from the wiring layer, and the source and drain regions and the wiring layer are connected, Since the second insulating film appears in the hole, the selectivity to the second insulating film is also required. This contact processing is called self-aligned contact (SAC) processing, and a silicon nitride film is used as the second insulating film.
[0003]
The contact hole is processed by CF in the etching apparatus.4, CHF3, C4F8Etching is performed under the condition that high-frequency plasma discharge is performed under a gas pressure condition of 4 Pa to 10 Pa, and a Vpp voltage of 1.5 to 2.0 kV is applied to the wafer. When the oxide film between the wiring layers is thick and the aspect ratio (depth / diameter) of the contact hole is high, oxygen gas is added to improve the hole opening property, and in SAC processing, CO is added to increase the selectivity to the nitride film. Gas has been added.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional etching apparatus, if the etching conditions such as the gas pressure and the high frequency power necessary for plasma generation are determined, the plasma density and the electron temperature are determined.2And the amount of ions generated is fixed. In plasma, CF2In addition, CF, CF3, C2In this specification, C, CF, CF2Etc. CF2Represented by radicals, CF2CF radical2The F radical is represented by F. For this reason, F and CF2F and CF are changed under the condition that the ion generation amount is changed or the ion generation amount is constant, while the generation amount is constant.2It was difficult to change the amount of incident light. For example, in the case of a parallel plate type etching apparatus, if the power of the high frequency bias for plasma generation is increased, the plasma density increases, so that the amount of ions generated increases, and at the same time, dissociation by plasma proceeds, so2The amount of F generated with respect to will also change.
[0005]
Such a conventional etching apparatus has the following problems. When contact processing with a high aspect ratio is performed, under conditions where the resist selectivity is high, fluorine radicals F are reduced on the bottom surface of the contact hole, so that a polymer is formed by CF radicals and etching stops in the middle of the hole. On the other hand, under conditions where the etching does not stop, oxygen gas is added or fluorine is excessive, and the resist mask is etched by oxygen or fluorine, so that a sufficient selectivity with respect to the resist cannot be obtained. In the conventional technique, the gas dissociation in the plasma is fixed, and this problem cannot be dealt with.
[0006]
In addition, when a contact hole with a high aspect ratio is etched under a high gas pressure condition (4 Pa or higher), some ions are incident on the wafer from a tilting direction due to collision with gas molecules. Will be etched in the lateral direction, making vertical machining difficult. Collisions with gas molecules can be reduced by lowering the gas pressure, but with conventional devices, the plasma density and the electron temperature change when the gas pressure is lowered. A sufficient selection ratio could not be obtained, which was an obstacle to lowering the gas pressure.
[0007]
In the etching of the oxide film, with the miniaturization of the semiconductor device, the processing accuracy, the selectivity to the nitride film (to the nitride film selection ratio), the selectivity to the resist, etc., and the planarization of the semiconductor device and the wiring As the number of layers increases, it has become necessary to process contact holes with a high depth / hole diameter ratio (aspect ratio).
[0008]
The problem to be solved by the present invention is to control the generation amount of F and ions with respect to CF2 in plasma, and to process an oxide film that requires a high selection ratio for contact holes and silicon nitride films having a high aspect ratio. Is to realize.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
By forming two or more plasma regions with different electron temperatures, CF in the plasma2The production amount of F and ions with respect to can be controlled independently.
[0010]
In oxide film etching using fluorocarbon gas, CF2The amount of F generated with respect to depends on the plasma temperature, and the amount of ions generated is determined in proportion to the power introduced into the plasma generation. C4F8In the case of C4F8CF has a threshold energy of about 6 eV, while CF2Is about 12 eV. For this reason, when the electron temperature is low (1-4 eV), F is easily generated and F / CF2The production ratio increases. When the electron temperature is 5-20 eV, CF2Generation of F / CF2The production ratio is smaller than in the case of low electron temperature. Therefore, using two types of electron temperatures, F and CF in the high electron temperature region.2And F can be generated in a low temperature region. By varying the size of these two electron temperature regions, F / CF2Control the ratio. The difference between these electron temperatures is 1 eV or more, preferably 5 eV or more.
[0011]
CF in plasma2The reason why the amount of F and ions to be generated should be controlled independently is as follows. The introduced fluorocarbon gas is CF in the plasma.2Dissociates into radicals, F radicals and ions and enters the wafer. The etching of the oxide film is CF2Etching proceeds when ions are incident on the surface to which F and F are attached. In contrast, resist and silicon nitride films are etched mainly by F and ions, and CF2Since a polymer is formed on the surface, it acts as an etching resistant film on a resist or silicon nitride film. For this reason, CF2When etching is performed under a condition where the incident amount of ions and F is smaller than that of the above, a high selectivity can be obtained with respect to the resist and the silicon nitride film. However, if the ion incident amount is reduced, the etching rate of the oxide film is reduced, and if the F incident amount is reduced, the etching is stopped in a hole having a high aspect ratio. Thus, the etching process of the oxide film is generally CF.2, F and ions, especially CF2It depends on the incident amount of ions and the F incident amount with respect to the incident amount. Therefore, CF in plasma2If the amount of F and ions produced can be controlled independently, the process conditions are expanded, and as a result, a finer and deeper oxide film can be processed.
[0012]
However, since F is generated in both electron temperature regions, F / CF under the condition that F is excessive as a whole.2Will be controlled. In order to selectively exclude F, a gas containing hydrogen atoms (H2, CH2F2, CH4Etc.) can be removed by reacting F with H radicals. In addition, F can be consumed by reaction with the inner wall material. Specifically, a material that reacts with F, such as a Si plate or a SiC plate, is installed on the inner wall surface of the etching apparatus, and F is excluded by applying a high frequency bias to the plate in order to promote F consumption. In addition, CF2F can be excluded by reacting F with the polymer formed by adhering to the wall. As the distance between the wafer and the inner wall portion is reduced, the area of the inner wall surface with respect to the volume of the plasma increases, so that the ratio of F generated by the plasma in the etching apparatus to the inner wall portion increases. That is, when the wafer and the inner wall are brought close to each other, F efficiently reacts with the polymer and is excluded. Specifically, it is possible to shorten the distance between the wafer and the wafer facing surface of the etching apparatus. By using these methods and plasma with two types of electron temperatures, F / CF2The ratio can be controlled in a wide range.
[0013]
On the other hand, the amount of ions generated is determined by the electron density in the plasma, and the electron density is approximately proportional to the input high frequency power. F / CF2Since the dissociation of is generated by gas collision with gas molecules, it depends on the power of the high frequency, but by changing the two electron temperature regions, the amount of ions generated is independent of F / CF.2The generation ratio of can be controlled.
[0014]
As a specific method for generating two types of electron temperature regions, in the case of an etching apparatus using electron cyclotron resonance (ECR) as shown in FIG. 1, the electron temperature is high in the ECR region (high electron temperature region 103), In other portions, a low electron temperature region 102 is formed. The ECR region becomes narrower when the magnetic field gradient of the magnetic field applied from the outside is increased. Therefore, by controlling the magnetic field gradient in the ECR region, F / CF2The production ratio can be varied. As shown in FIG. 2, under the condition where the magnetic field gradient is small, the high electron temperature region is widened.2Since the generation ratio becomes smaller and the magnetic field gradient becomes larger, the high electron temperature region becomes narrower.2The production ratio can be increased. In addition, the ECR region is generally inversely proportional to the high frequency to be introduced. For example, when the frequency is changed from 2.45 GHz to 450 MHz, the ECR region is expanded about five times. Therefore, by reducing the frequency of the high frequency to be introduced, the high electron temperature region is widened and F / CF2The production ratio can be reduced.
[0015]
When the ECR region 101 is fixed, the size of the low electron temperature region 102 can be changed by changing the distance between the wafer 6 and the wafer facing surface 103. As shown in FIG. 2, when the distance between the wafer 6 and the wafer facing surface 103 is shortened, the low electron temperature region 102 becomes narrow.2The production ratio can be reduced.
[0016]
As described above, in the case of the ECR etching apparatus, by controlling the magnetic field gradient, the frequency of the high frequency to be introduced, and the distance between the wafer and the wafer facing surface, the F / CF is independent of the amount of ions generated.2The production ratio of can be controlled.
[0017]
Specifically, the present invention provides the following methods.
[0018]
The present invention provides a dry etching method for etching a film using plasma having a first electron temperature region and a second electron temperature region.
[0019]
The present invention further provides a dry etching method in which a difference between the first electron temperature and the second electron temperature is 1 eV or more.
[0020]
The present invention further provides a dry etching method in which a difference between the first electron temperature and the second electron temperature is 5 eV or more.
[0021]
The present invention further provides a dry etching method in which the first electron temperature is 2 eV or more and 4 eV or less, and the second electron temperature is 5 eV or more.
[0022]
The present invention further provides a dry etching method in which the film is a silicon oxide film, and the gas for generating the plasma is a fluorocarbon gas.
[0023]
The present invention further provides a dry etching method in which the pressure of the gas for generating the plasma is 4 Pa or less.
[0024]
The present invention introduces a gas containing a fluorocarbon gas into a processing chamber, converts the gas into plasma, and independently controls the amount of fluorine radicals, fluorocarbon radicals and ions generated in the plasma during etching, A dry etching method for dry etching an insulating film using the same is provided.
[0025]
The present invention further provides a dry etching method in which the amount of the fluorine radical and the fluorocarbon radical varies during the etching.
[0026]
According to the present invention, the plasma is formed by applying a magnetic field formed by a solenoid coil from the outside of the processing chamber to the processing chamber, and controlling the magnetic field gradient of the magnetic field by the solenoid coil, thereby generating F radicals. And a dry etching method that controls the production rate of fluorocarbon radicals.
[0027]
The present invention further provides a dry etching method for increasing the magnetic field gradient with the progress of etching of the insulating film.
[0028]
The present invention further provides a dry etching method in which the gas pressure in the processing chamber is 4 Pa or less.
[0029]
The present invention further provides a dry etching method in which the plasma is formed by applying a high frequency, and the frequency of the high frequency is 300 MHz to 900 MHz.
[0030]
The present invention further provides a dry etching method in which the plasma is formed by applying at least two types of high frequencies having different input powers.
[0031]
The present invention provides a processing chamber, a table for installing a substrate to be dry-etched provided in the processing chamber, means for introducing gas into the processing chamber, means for converting the gas into plasma, Provided is a dry etching apparatus for forming first and second electron temperature regions in plasma.
[0032]
The present invention further provides a dry etching apparatus in which the means for converting to plasma is means for applying a high frequency of 300 MHz to 900 MHz.
[0033]
The present invention further provides a dry etching apparatus in which four or more solenoid coils are installed around the processing chamber.
[0034]
The present invention further provides a dry etching apparatus in which the means for converting to plasma is a means for applying a high frequency to an antenna provided in a processing chamber, and the distance between the substrate and the antenna is 100 mm or less.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Example 1)
A dry etching apparatus used in the present invention is shown in FIG. In this apparatus, an etching gas is introduced into the etching chamber 1, a high frequency between 900 MHz and 2.45 GHz is generated in the microwave generator 2, and this high frequency is transported to the etching chamber 1 through the waveguide 3. Gas plasma is generated. Four solenoid coils for generating a magnetic field are provided around the etching chamber so that the vertical magnetic field gradient in the ECR region can be controlled over a wide range with respect to the magnetic field strength in the ECR region. These solenoid coils 4 control the four coil currents so that a magnetic field between 0 and 875 Gauss is almost directly above the processing table, and the electron density is 10 using electron cyclotron resonance (ECR).11Piece / cm3The above high density plasma is generated.
[0036]
The magnetic field gradient in the ECR region has a magnetic field gradient / magnetic field strength value of 0.1 cm.-1To 0.01 cm-1Control within the range. The etching processing chamber 1 has a processing table 5 on which an object to be processed 6 is placed and etched by gas plasma. The etching gas is introduced into the etching processing chamber 1 through the gas flow rate control device, and is exhausted out of the etching processing chamber 1 by the exhaust pump 7. The processing table 5 on which the object to be processed is provided is provided with a high frequency power source 12 and can apply a high frequency bias from 400 KHz to 13.56 MHz. The position of the processing table can be fixed within a range of 20 mm to 150 mm from the opposing surface (gas introduction port 11) of the processing table.
[0037]
An 8-inch silicon wafer is transferred to this apparatus as an object to be processed. An oxide film having a thickness of 2 mm is formed on the silicon wafer, and a resist mask to which a mask pattern is transferred is formed thereon. A 200 nm diameter hole is formed in the resist mask.
[0038]
Ar400 sccm, C4F810 sccm, CH2F2Is introduced into the processing chamber through the 5 sccm gas inlet and the gas pressure is set to 2 Pa. A high frequency of 2.45 GHz and 1 kW is generated from a microwave generator, a bias of 800 KHz and 1000 W is applied to the processing table, and the oxide film is etched. The position of the processing table is set to 100 mm from the microwave introduction window, and the coil current is adjusted so that the magnetic field strength is 875 gauss at the position 6 cm directly above the wafer and the magnetic field gradient at that position is 50 gauss / cm. Under the conditions, the thickness of the ECR region is about 10 mm and the electron temperature is about 10 eV. The electron temperature outside the ECR region is about 3 eV. That is, a high electron region having a thickness of about 10 mm and a low electron region having a thickness of about 90 mm are formed. Part of F is CH2F2It is excluded by reacting with H produced from. For this reason, C4F8The amount of F produced from CF is CF2F / CF that is incident on the wafer2The ratio can be estimated to be about 0.6. The electron density is 3 × 1011Piece / cm3The ion current density is 5 mA / cm2It will be about. Under this condition, the etching rate of the oxide film is about 700 nm / min and the selection ratio to the resist is 5. Although the machined shape is almost vertical, if the gas pressure is increased to 5 Pa under the same conditions, the cut is seen in the hole about 20 nm laterally due to ions incident obliquely. A nearly vertical machining shape is obtained at a gas pressure of 4 Pa or less.
[0039]
When the magnetic field gradient is 15 G / cm, the thickness of the ECR region increases to about 20 mm. As a result, the F / CF incident on the wafer2The ratio is reduced to about 0.3. On the other hand, the plasma density hardly changes even when the magnetic field gradient is changed. In both cases, the ion current density is 5 mA / cm.2It will be about. For this reason, the etching rate of the oxide film is almost unchanged, and is about 700 nm / min in the plane portion. On the other hand, the resist selection ratio is improved to 30 because the F ratio is small.2Therefore, the oxide film is etched to a depth of about 1 mm and stops.
[0040]
If the magnetic field gradient is changed from 15 Gauss / cm to 50 G / cm at a rate of 12 G / cm during etching, the etching rate is about 700 nm / min, and the etching is completed in about 3 minutes without stopping. To do. The selectivity with respect to the resist is about 20, and the resist selectivity is greatly improved as compared with etching with a magnetic field gradient of 50 G / cm.
[0041]
When the magnetic field gradient is controlled in this way, the F / CF is maintained while keeping the ion current constant.2The ratio can be changed. By reducing the magnetic field gradient, the selectivity to the resist is increased. However, reducing the magnetic field gradient means that a uniform magnetic field is formed in the etching apparatus, and in order to achieve this with the same magnetic field strength, it is necessary to install many coils around the etching apparatus. There is. On the other hand, when the magnetic field strength is reduced, the magnetic field gradient is also reduced in proportion thereto, so that the magnetic field gradient can be easily reduced. Since the magnetic field strength that forms the ECR is determined by the frequency of the microwave, lowering the frequency of the microwave is advantageous to reduce the magnetic field strength and the magnetic field gradient.
[0042]
(Example 2)
Next, a case where the microwave frequency is set to 900 MHz using the same apparatus will be described. The coil current is adjusted so that the magnetic field strength is 320 gauss at a position 60 mm directly above the wafer and the magnetic field gradient at that position is 20 gauss / cm. Under these conditions, the thickness of the ECR region is about 20 mm, and the ECR region expands about twice as much as 2.45 GHz when the magnetic field gradient / magnetic field strength is substantially constant. Therefore, when the gas is introduced under the same conditions, the ion current density is 5 mA / cm.2The F / CF incident on the wafer is approximately the same as that of 2.45 GHz.2The ratio can be estimated to be about 0.7. For this reason, the etching rate of the oxide film is about 700 nm / min and the selection ratio to the resist is 15.
[0043]
(Example 3)
Next, another embodiment using the apparatus of FIG. 5 will be described. In this apparatus, an etching gas is introduced into the etching process chamber 1, and a high frequency between 300 MHz and 900 MHz generated by the high frequency power source 503 is introduced from the antenna 502 into the etching process chamber 1 to generate gas plasma. Three solenoid coils 4 for generating a magnetic field are arranged around the etching process chamber for high-efficiency discharge, and the two coil currents are controlled so that the magnetic field between 0 and 320 gauss is almost directly above the processing table. The electron density is 10 using electron cyclotron resonance (ECR). 11 Piece / cm3The above high density plasma is generated. The etching processing chamber 1 has a processing table 5 on which an object to be processed 6 is placed and etched by gas plasma. The etching gas is introduced into the etching processing chamber 1 through the gas flow rate control device, and is exhausted out of the etching processing chamber 1 by the exhaust pump 7. The processing table 5 on which the object to be processed is provided is provided with a high frequency power source 12 and can apply a high frequency bias from 400 KHz to 13.56 MHz. The position of the processing table can be fixed within a range of 20 mm to 150 mm from the microwave introduction window.
[0044]
An 8-inch silicon wafer is transferred to this apparatus as an object to be processed. A silicon nitride film having a thickness of 0.1 mm is formed on the silicon wafer, an oxide film having a thickness of 1.5 mm is formed thereon, and a resist mask having a mask pattern transferred thereon is formed thereon. A hole having a diameter of 150 nm is formed in the resist mask.
[0045]
Ar200sccm, C4F810 sccm is introduced into the processing chamber through the gas inlet and the gas pressure is set to 1 Pa. Gas plasma is generated at a high frequency of 450 MHz and 1 kW, a bias of 800 KHz and 800 W is applied to the processing table, and the oxide film is etched. The position of the processing stage is set to 60 mm from the antenna 502, and the coil current is adjusted so that the magnetic field strength is 160 gauss at the position 40 mm directly above the wafer and the magnetic field gradient at that position is 4 gauss / cm. Under these conditions, the thickness of the ECR region is about 50 mm, and the electron temperature is about 8 eV. The electron temperature outside the ECR region is about 2 eV. C4F8F / CF due to dissociation of2However, the amount of F incident on the wafer decreases due to the reaction between the polymer on the wafer facing surface and F. For this reason, the F / CF incident on the wafer2The ratio is estimated to be about 0.5. Ion current density is 5 mA / cm2It will be about. Under these conditions, the etching rate of the oxide film is about 700 nm / min, the selection ratio to the resist is 20, and the selection ratio to the underlying nitride film is 30.
[0046]
Under these conditions, if etching is performed with an oxide film thickness of 3 mm and a contact hole diameter of 150 nm, the etching stops at a depth of about 2 mm. In the prior art, in such a case, it was necessary to add an oxygen gas to prevent etching from being stopped. In the case where oxygen gas is added, the resist selectivity is reduced to about 5 under the condition that etching does not stop. On the other hand, when the magnetic field gradient is increased from 4 gauss / cm to 10 gauss / cm and the generation amount of F is increased, the etching is stopped halfway in the etching with the oxide film thickness of 3 mm and the contact hole diameter of 150 nm. A substantially vertical machining shape can be obtained without any problems. At this time, the selection ratio with respect to the resist is reduced to about 10, but is increased as compared with oxygen addition.
[0047]
In this way, changing the magnetic field gradient even under the same gas conditions, F / CF2By controlling the ratio, it becomes easy to cope with different etching conditions, and addition of oxygen gas or the like becomes unnecessary.
[0048]
Even if the frequency of the high-frequency power source for plasma formation is changed within the range of 300 MHz to 900 MHz, the same result as 450 MHz can be obtained by controlling the magnetic field gradient. When the frequency is lowered, the solenoid coil becomes smaller and the condition of the low magnetic field gradient is easily realized. Therefore, a frequency of 300 MHz to 600 MHz is particularly desirable. As for the gas pressure, when the gas pressure is increased to about 5 Pa, the oxide film is scraped in the lateral direction, and at a low gas pressure of 0.1 Pa or less, CF2Therefore, it becomes difficult to obtain a sufficient etching rate while maintaining a high selection ratio. Therefore, the gas pressure is particularly preferably 0.1 Pa to 4 Pa.
[0049]
Under the same etching conditions that the frequency of the high frequency applied to the antenna is 450 MHz and the magnetic field gradient is 4 gauss / cm, the distance between the wafer and the antenna is changed from 60 mm to 100 mm, a 1.5 mm silicon oxide film, and a contact hole diameter of 150 nm. Process. By increasing the distance, the low electron temperature region increases and the influence of F consumption on the wafer facing surface decreases, so the relative incident amount of F increases. For this reason, the selection ratio with respect to a resist and a nitrided film becomes 10 and 12, respectively. When the distance between the wafer and the antenna was 100 mm or more, no change in the selectivity was observed. In this condition, CH2F2When gas is added at about 5 sccm, the resist selectivity is 20 and the nitride film selectivity is about 25.2F2Is highly deposited and adheres to the inner wall surface, so the frequency of cleaning increases and throughput decreases. That is, it is advantageous in terms of throughput to shorten the distance between the wafer and the antenna to 60 mm and improve the selection ratio. Conversely, if the distance between the wafer and the antenna is shortened to 40 mm, the incident amount of F decreases and the selectivity increases, but the etching stops at a depth of about 1.2 mm. Thus, by controlling the relative incident amount of F by controlling the distance between the wafer and the antenna and the magnetic field gradient, desired etching conditions can be achieved without adding a gas.
[0050]
Next, another embodiment using the apparatus of FIG. 6 will be described. In this apparatus, an etching gas is introduced into the etching chamber 1 to generate a high frequency of 10 to 100 MHz in the first high frequency power source 601 and the second high frequency power source 602, and this high frequency is etched from the ring antennas 603 and 604, respectively. Gas plasma is generated by introducing the gas into the processing chamber 1. The electron density of the plasma is 1011Piece / cm3It becomes the above high-density plasma. The etching processing chamber 1 has a processing table 5 on which an object to be processed 6 is placed and etched by gas plasma. The etching gas is introduced into the etching processing chamber 1 through the gas flow rate control device, and is exhausted out of the etching processing chamber 1 by the exhaust pump 7. The processing table 5 on which the object to be processed is provided is provided with a high frequency power source 12 and can apply a high frequency bias from 400 KHz to 13.56 MHz.
[0051]
An 8-inch silicon wafer is transferred to this apparatus as an object to be processed. An oxide film having a thickness of 2 mm is formed on the silicon wafer, and a resist mask to which a mask pattern is transferred is formed thereon. A 200 nm diameter hole is formed in the resist mask.
[0052]
Ar400 sccm, C4F8Is introduced into the processing chamber through the gas inlet and the gas pressure is set to 3 Pa. A high frequency of 1500 W of 13.56 MHz is applied to the first ring antenna 603, a high frequency of 1000 W of 13.56 MHz is applied to the second ring antenna 604, gas plasma is generated, and a bias of 800 kHz and 1200 W is applied to the processing table. Is applied to etch the oxide film. Under this condition, the electron temperature near the height of the first ring antenna is about 10 eV, and 4 eV near the wafer. Although the etching rate of the oxide film is about 700 nm / min and the selectivity to the resist is about 25, the etching is stopped in the middle of the contact hole.
[0053]
When the high frequency power applied to the second ring antenna 604 is 500 W, the electron temperature near the wafer is reduced to about 2 eV. Since the plasma density is almost determined by the first ring antenna, the ion current density is not changed and the etching rate of the oxide film is 700 nm / min. However, the resist selectivity is reduced to about 10 by the decrease of the electron temperature. However, the etching does not stop under this condition.
[0054]
If the high frequency power applied to the second ring antenna 604 is changed from 1000 W to 500 W with the lapse of the etching time during etching, contact holes are formed without stopping the etching, and the average resist selectivity during etching is changed. Will be around 20.
[0055]
【The invention's effect】
According to the present invention, F / CF2Therefore, the oxide film etching can be performed with a high selection ratio with respect to the resist and the nitride film without largely depending on the gas pressure and the gas flow rate. By using the present invention, it is possible to process a contact hole having a high aspect ratio and an oxide film at a high selectivity with respect to a resist and a silicon nitride film. Since the etching can be performed even under a low gas pressure condition of 1 Pa to 4 Pa, a vertical processing shape can be obtained with a contact hole having a high aspect ratio.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing the formation of two types of electron temperature regions of the present invention.
FIG. 2 shows formation of two types of electron temperature regions and F / CF by controlling the magnetic field gradient of the present invention.2It is a figure which shows the relationship of a production | generation ratio.
FIG. 3 shows formation of two types of electron temperature regions and F / CF by controlling the distance between the wafer and the wafer facing surface of the present invention2It is a figure which shows the relationship of a production | generation ratio.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a dry etching apparatus used in the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view of another dry etching apparatus used in the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of another dry etching apparatus used in the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Etching processing chamber, 2 ... Microwave generator, 3 ... Waveguide, 4 ... Solenoid coil, 5 ... Processing stand, 6 ... Processing base, 7 ... Exhaust pump, 8 ... Exhaust valve, 9 ... Conductance valve, DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Gas flow controller, 11,501 ... Gas introduction port, 12 ... High frequency power supply for process tables, 13 ... Quartz chamber, 101 ... High electron temperature area, 102 ... Low electron temperature area, 103 ... Wafer facing surface, 201 ... Magnetic field gradient and F / CF2Curve showing relationship of generation ratio, 301 ... high electron temperature region, 302 ... distance between wafer facing surface of etching apparatus and wafer, F / CF2Curves showing the relationship of the generation ratio, 502 ... antenna, 503 ... high frequency power supply, 601 ... first high frequency power supply, 602 ... second high frequency power supply, 603 ... first ring antenna, 604 ... second ring antenna.

Claims (3)

エッチング処理室に、高周波および磁場を発生させてプラズマを生成してシリコン窒化膜上にシリコン酸化膜が形成されたウエハについてエッチング処理するドライエッチング方法において、
前記ウエハの対向面と前記ウエハとの間隔を20mm以上150mm以下に設定し、
前記エッチング処理室の圧力を0.1Paから4Paの範囲の低ガス圧力に設定し、
前記高周波を300MHz以上600MHz以下に設定し、
磁場勾配を4Gcm−1から50Gcm−1の低勾配に設定し、
磁場勾配/磁場強度の値を0.1cm−1から0.01cm−1の範囲に設定し、
前記処理室内にフロロカーボンガスを含むガスを導入し、
エレクトロンサイクロトロン共鳴を用いて前記処理室内に導入されたガスのプラズマを形成し、
前記ウエハの対向面と前記ウエハとの間に、垂直方向に第1の電子温度領域と第2の電子温度領域を生成し、前記プラズマに印加する磁場の磁場勾配を変化させることにより第1の電子温度領域および第2の電子温度領域の大きさを変化させ、もって前記プラズマ中のフッ素ラジカル、フロロカーボンラジカルおよびイオンの生成量を各々独立に制御し、
当該制御されたプラズマを利用して前記被処理物のシリコン酸化物をドライエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In a dry etching method for etching a wafer in which a silicon oxide film is formed on a silicon nitride film by generating high-frequency and magnetic fields in an etching chamber and generating plasma.
The distance between the wafer facing surface and the wafer is set to 20 mm or more and 150 mm or less,
The pressure in the etching chamber is set to a low gas pressure in the range of 0.1 Pa to 4 Pa;
The high frequency is set to 300 MHz or more and 600 MHz or less,
Set the magnetic field gradient to a low gradient from 4 Gcm −1 to 50 Gcm −1 ;
Setting the value of the magnetic field gradient / magnetic field strength in the range of 0.1 cm −1 to 0.01 cm −1 ;
Introducing a gas containing a fluorocarbon gas into the processing chamber;
Forming a plasma of the gas introduced into the processing chamber using electron cyclotron resonance;
A first electron temperature region and a second electron temperature region are generated in a vertical direction between the opposite surface of the wafer and the wafer, and a magnetic field gradient of a magnetic field applied to the plasma is changed to change the first magnetic temperature region. Varying the size of the electron temperature region and the second electron temperature region, thereby independently controlling the amount of fluorine radicals, fluorocarbon radicals and ions generated in the plasma,
A method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that dry etching of silicon oxide of the object to be processed is performed using the controlled plasma.
前記フッ素ラジカルおよび前記フロロカーボンラジカルの量は、前記エッチング中に変化することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。  2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the amount of the fluorine radical and the fluorocarbon radical changes during the etching. 前記プラズマは、前記処理室外部からソレノイドコイルによって形成された磁場を前記処理室に印加することにより形成され、前記磁場の磁場勾配を前記ソレノイドコイルによって制御することにより、フッ素ラジカルとフロロカーボンラジカルの生成比率を制御することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。  The plasma is formed by applying a magnetic field formed by a solenoid coil from the outside of the processing chamber to the processing chamber, and generating a fluorine radical and a fluorocarbon radical by controlling a magnetic field gradient of the magnetic field by the solenoid coil. 2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the ratio is controlled.
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