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JP6035606B2 - プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置 Download PDF

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Description

本発明は、半導体素子のプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に係り、特にプラズマ処理の高精度化のためにプラズマをパルス変調するプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置に関する。
半導体素子の微細化とともにＦｉｎ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ(以下、Ｆｉｎ−ＦＥＴと称する)と呼ばれる３次元構造のトランジスタが量産化開始されている。これに対応して微細化の鍵であるドライエッチング技術は、更なる微細化、高アスペクトおよび従来の２次元構造のトランジスタに無い複雑な形状の高精度のエッチングが要求され、ブレークスルー技術が必要になっている。
また、エッチング中のアスペクト比などの加工形状は時間とともに変化して、その形状に応じた最適のエッチング条件が存在するが、従来のエッチング方法の多くでは形状の変化に応じて条件を変えていない。
エッチング中に条件を変化させる先行技術として、例えば、特許文献１には、エッチングガスと有機堆積物形成ガスが交互に導入されて形成されるプラズマを用いてシリコン基板をエッチングする過程で、そのエッチングの開始時から所定時間、エッチングガス導入時の基板への印加電力を一定にする第１電力印加工程と、その所定時間が経過した後にエッチングガス導入時の基板への印加電力を時間と共に上昇させる第２電力印加工程とを有するシリコン構造体の製造方法が開示されている。
また、特許文献２には、試料１１のエッチング期間を、例えば、２つに分け、前半（数十秒）はパルス放電を用いた高電子温度のエツチング（モード１）を行ない、後半（数秒〜２０秒）は通常の低ダメージエツチング（モード２）を行なうことが開示されている。
特開２００９−２３９０５４号公報 特開平２−３１２２２７号公報
しかし、例えば、特許文献１はｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ(以下、ＭＥＭＳと称する)と呼ばれる微小な機械加工を目的としているため、寸法精度も数ミクロンのオーダの制御で、１０ｎｍレベルに達しようとしているトランジスタのゲート加工には適用できない。
また、特許文献２に記載されている技術はエッチング速度の向上を目的としているため、時間変化させる精度や放電の安定性すなわち電力を変える範囲などに対する考慮がされていない。つまり、プラズマに投入する電力を変化させるとある値で、プラズマがちらついたりして不安定になり、ある値の前後でエッチング速度などの特性が不連続的に変化する現象が生じる。これは投入電力の変化に伴い、プラズマ密度が変化して電磁波の伝導モードが変化したり、あるいはプラズマ中の電界分布が変化することに起因する。
また、エッチング中に連続的に印加する電力を変化させる技術では、エッチング速度などの特性がある程度、連続的に変化することを前提としており、不連続に変化すると制御が困難になり、所望の加工形状が得られなくなる。
本発明の目的は、１０ｎｍレベルの微細加工に対応するエッチング技術の提供である。さらに、エッチングの安定性を確保して、再現よい微細加工を実現することである。また、本発明は、これらを鑑みて、プラズマ処理時間の経過とともに漸次的にプラズマの解離状態を変化させることにより所望のプラズマ処理を行うことができるプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を提供する。
本発明は、試料がプラズマ処理されるプラズマ処理室と、プラズマ生成用の第一の高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記試料が載置される試料台に第二の高周波電力を供給する第二の高周波電源とを備えるプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、第一のパルスにより前記第一の高周波電力を変調し、第二のパルスにより前記第二の高周波電力を変調し、前記第一のパルスのデューティー比をプラズマ処理時間の経過とともに漸次的に減少させ、前記第二のパルスのデューティー比を前記プラズマ処理時間の経過とともに漸次的に増加させることを特徴とする。
また、本発明は、試料がプラズマ処理されるプラズマ処理室と、プラズマ生成用の第一の高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記第一の高周波電力を変調するための第一のパルスを発生させる第一のパルス発生器と、前記試料が載置される試料台に第二の高周波電力を供給する第二の高周波電源と、前記第二の高周波電力を変調するための第二のパルスを発生させる第二のパルス発生器とを備えるプラズマ処理装置において、前記第一の高周波電源のオンとオフを制御する信号を発生させる第一のオンオフ信号発生器と、前記第二の高周波電源のオンとオフを制御する信号を発生させる第二のオンオフ信号発生器と、前記第一のパルスのオン期間中に前記第一の高周波電源が前記第一のオンオフ信号発生器よりオフ信号を受信した場合、前記第一の高周波電力の供給を停止するように前記第一の高周波電源を制御する制御部とをさらに備えることを特徴とする。
本発明は、プラズマ処理時間の経過とともに漸次的にプラズマの解離状態を変化させることにより所望のプラズマ処理を行うことができる。
本発明のプラズマ処理方法を実施するためのプラズマエッチング装置の一例を示す概略断面図である。 電力制御部を示すブロック図である。 第一の高周波電源を変調するパルス波形を示す図である。 実施例１のプラズマエッチング結果を示す図である。 本発明に係るデューティー比の制御方法を示す図である。 実施例２のプラズマエッチング結果を示す図である。 パルス変調の繰り返し周波数を変化させることによりデューティー比を制御する例を示した図である。
最初に、本発明を実施するためのプラズマエッチング装置の一例を図面を参照しながら説明する。図１は、プラズマ生成手段にマイクロ波と磁場を利用したＥｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ(以下、ＥＣＲと称する)型プラズマエッチング装置の概略図である。
ＥＣＲ型プラズマエッチング装置は、プラズマ処理室であり、内部を真空排気可能なチャンバ１０１と、試料であるウエハ１０２を載置する試料台１０３と、チャンバ１０１の上面に設けられた石英製のマイクロ波透過窓１０４と、その上方に設けられた導波管１０５と、マイクロ波を発振するマグネトロン１０６と、マグネトロン１０６に高周波電力を供給する第一の高周波電源１１３と、チャンバ１０１の周りに設けられたソレノイドコイル１０７と、試料台１０３に接続された静電吸着電源１０８および第二の高周波電源１０９とからなる。
ウエハ１０２は、ウエハ搬入口１１０からチャンバ１０１内に搬入された後、静電吸着電源１０８によって試料台１０３に静電吸着される。次に、プロセスガスがガス導入口１１１からチャンバ１０１内に導入される。チャンバ１０１内は、真空ポンプ(図示省略)により減圧排気され、所定の圧力(例えば、０．１Ｐａ〜５０Ｐａ)に調整される。次に、第一の高周波電源１１３よりマグネトロン１０６に高周波電力を供給してマグネトロン１０６から周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が発振され、導波管１０５を介してチャンバ１０１内に伝播される。ここで、第一の高周波電源１１３は、連続的な高周波電力または時間変調された高周波電力のいずれかをマグネトロン１０６に供給できる。
マイクロ波とソレノイドコイル１０７によって発生された磁場との作用によって処理ガスが励起され、ウエハ１０２上部の空間にプラズマ１１２が形成される。一方、試料台１０３には、第二の高周波電源１０９によってバイアスが印加され、プラズマ１１２中のイオンがウエハ１０２上に垂直に加速され入射する。また、第二の高周波電源１０９は、連続的なバイアス電力または、時間変調されたバイアス電力を試料台１０３に印加することができる。プラズマ１１２からのラジカルとイオンの作用によってウエハ１０２が異方的にエッチングされる。
プラズマ生成用電力あるいはウエハバイアス用電力は、電力制御部１１４によって制御される。図２に電力制御部１１４の構成を示す。プラズマエッチング条件(以下、レシピと称する)は、マイコン２０１に入力される。電力の時間制御に関する部分のレシピは、エッチング時間Ｔｓ、時間変化の刻み幅ΔＴ、マイクロ波のパルス変調周波数Ｆｍとその初期デュティー比Ｄｍｓ、エッチング終了時のデューティー比Ｄｍｅ、バイアスのパルス変調周波数Ｆｂ、その初期デューティー比Ｄｂｓ、エッチング終了時のデューティー比Ｄｂｅの繰り返し周波数とデューティー比からなる。
マイコン２０１は、入力されたレシピからパルス変調されたマイクロ波のデューティー比の時間変化Ｄｍ(ｔ)、およびパルス変調されたバイアスのデューティー比の時間変化Ｄｂ(ｔ)を計算する。時間変化は、多次元式や指数関数など任意の関数で変化させてよいが、通常は一次式、すなわち時間に比例して増減させる制御で十分である。
次に、デューティー比の時間変化は時間変換部２０２でマイクロ波のオンしている時間Ｔｍｏｎ(ｔ)とオフしている時間Ｔｍｏｆｆ(ｔ)、バイアスのオンしている時間Ｔｂｏｎ(ｔ)とバイアスのオフしている時間Ｔｂｏｆｆ(ｔ)の値に変換されて、Ｔｍｏｎ(ｔ)とＴｍｏｆｆ(ｔ)が第一のパルス発生器２０３に送られ、Ｔｂｏｎ(ｔ)とＴｂｏｆｆ(ｔ)が第二のパルス発生器２０４に送られる。
第一のパルス発生器２０３では受けた信号に従って第一の高周波電源１１３の出力をパルス変調する信号を発生し、第二のパルス発生器２０４は受けた信号に従って第二の高周波電源１０９の出力をパルス変調する信号を発生する。また、第一の高周波電源１１３と第二の高周波電源１０９の出力の同期をとるために、マスタークロック２０５が設けてある。マスタークロック２０５の発振周波数はパルス周波数よりも十分大きければいくつでもよいが、本実施例では４００ｋＨｚとしている。
マスタークロック２０５の出力が第一のパルス発生器２０３と第二のパルス発生器２０４に入り、パルス波形を発生させるタイミングをマスタークロック２０５の周波数と同期させることにより、プラズマの変調とバイアスの変調の同期が取れる。さらにマスタークロック２０５の出力は第二の高周波電源１０９の周波数も兼ねており、第二のパルス発生器２０４とマスタークロック２０５の出力を掛け算した波形が第二の高周波電源１０９で増幅されて、ウエハ１０２に印加される。
次に、第一の高周波電源１１３から供給される高周波電力を変調するパルス波形２０６を図３により説明する。尚、図３のパルス波形および以下の動作説明では数値を説明用に簡略化している。図３はエッチング時間Ｔｓを６ｓ、時間変化の刻み幅Ｔｄを１ｓ、マイクロ波の変調周波数Ｆｍを０．５Ｈｚ、初期デューティー比Ｄｍｓを１００％、終了時のデューティー比Ｄｍｅを５０％と設定した場合のパルス波形である。
このレシピによりマイコン２０１は、Ｔｓ／Ｔｄ＝６、すなわち６回に分けてデューティー比を１００％から５０％まで時間に比例して減少させる。すなわち、マイコン２０１は、１ｓ毎にデューティー比を１０％減少させることを算出する。パルス周波数Ｆｍが０．５Ｈｚなので、Ｔｄが１ｓの間に２回パルスが発生する。すなわち、パルス波形は、最初１ｓ間で２回デューティー比１００％で発信し、次の１ｓ間でデューティー比９０％のパルスを２回、次の１ｓ間でデューティー比８０％のパルスを２回、以下繰り返して、最後の１ｓ間でデューティー比５０％のパルスを２回発信して終了する。
このパルスに従ってマグネトロン１０６は、その出力をオンオフして発信する。マグネトロンのオン期間の高周波電力Ｐｍは別にレシピ入力して、例えばＰｍを１０００Ｗと設定すると、平均高周波電力は、６ｓ間で１０００Ｗ から５００Ｗ まで１００Ｗ刻みで減少する。尚、平均高周波電力は、Ｐｍとデューティー比の積により求められる値とする。
以上の動作は第一の高周波電源１１３から供給される高周波電力を変調する場合について説明したが、第二の高周波電源１０９から供給される高周波電力を変調する場合も同様な動作を行う。また、第一の高周波電源１１３から供給される高周波電力と第二の高周波電源１０９から供給される高周波電力は独立に制御できるので、第二の高周波電源１０９から供給される高周波電力はパルス変調しないで連続出力のままでもかまわない。
以上のようにマイクロ波の電力をエッチング時間内で変化させた場合の放電の安定性を測定した結果を表１に示す。表１では目視によるプラズマ発光強度の変化をちらつきの大小で評価している。ガスはＣｌ2ガスとＯ2ガスとＨＢｒガスの混合ガスを用い、圧力は０．５Ｐａである。Ｐｍを１０００Ｗにしてデューティー比を変えてマイクロ波電力を変える場合は全ての領域で放電は安定しているが、従来のようにＰｍを減少させた場合は７００から８００Ｗで放電不安定が発生する。すなわち、従来方法では高精度のエッチングができない。
また、Ｐｍについては連続放電した時に安定に放電する値の範囲に設定すれば、デューティー比とともに変化させてもかまわない。放電不安定が生じるマイクロ波電力はガスの種類と圧力などの放電条件に依存するので、その都度、放電の安定性を測定する必要がある。
ここで、○は放電安定、△は放電のチラツキが小、×は放電のチラツキが大を示す。
また、第一の高周波電源１１３にパルス波形とは別に第一の電源オンオフ信号発生器２０７の出力が入り、第二の高周波電源１０９には、パルス波形とは別に第二の電源オンオフ信号発生器２０８の出力が入る。これは安全のためで、電力制御部114に異常が発生して第一のパルス発生器２０３、第二のパルス発生器２０４から連続してオン信号が出てしまった場合にもそれとは独立して電力を遮断する目的である。
第一のオンオフ信号発生器２０７は、レシピから別系統でエッチング時間の情報が入り、第一の高周波電源１１３のオンオフを制御し、第一の高周波電源１１３は、第一のパルス発生器２０３のパルスがオンでかつ第一のオンオフ信号発生器２０７の信号がオンのときのみに出力する。また、第二のオンオフ信号発生器２０８は、レシピから別系統でエッチング時間の情報が入り、第二の高周波電源１０９のオンオフを制御し、第二の高周波電源１０９は、第二のパルス発生器２０４のパルスがオンでかつ第二のオンオフ信号発生器２０８の信号がオンのときのみに出力する。このような構成によってエッチング異常さらにはプラズマエッチング装置の破損事故を防ぐことができる。
本発明に係るプラズマエッチング方法の具体的な実施例を以下に説明する。本実施例のプラズマエッチング処理は、図１に示すマイクロ波ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いて行った。また、本実施例は、ポリシリコン(Ｐｏｌｙ−Ｓｉ)ゲートをプラズマエッチングにより形成した例である。
エッチング前のポリシリコンゲート構造は図４(ａ)に示すように、上から順次、第一の膜に窒素含有シリコン膜４０１と、第二の膜にポリシリコン膜４０２と、第三の膜に酸化膜４０３と、第四の膜にシリコン基板４０４とが積層された構造となっている。また、第一の膜の窒素含有シリコン膜４０１は、予め所望の寸法の溝パターンにパターニングされたマスクとして用いられる。
先ず表２に示すような第１ステップのエッチング条件により、図４（b）のように窒素含有シリコン膜４０１をマスクとしてポリシリコン膜４０２を酸化膜４０３が露出しない深さまでエッチングする。
次に表３に示すような第２ステップとして、最初の１０秒間は、パルス変調のオン期間のマイクロ波電力とデューティー比をそれぞれ、１０００Ｗ、１００％に設定してマイクロ波平均電力を１０００Ｗとする。次の１０秒間は、パルス変調のオン期間のマイクロ波電力とデューティー比をそれぞれ、１０００Ｗ、９０％に設定してマイクロ波平均電力を９００Ｗとする。さらに次の１０秒間は、パルス変調のオン期間のマイクロ波電力とデューティー比をそれぞれ、１０００Ｗ、８０％に設定してマイクロ波平均電力を８００Ｗとする。
このように順次１０秒毎にパルス変調のオン期間のマイクロ波電力を１０００Ｗに維持したままデューティー比を低下させながら、最後の１０秒間は、パルス変調のオン期間のマイクロ波電力とデューティー比をそれぞれ、１０００Ｗ、５０％に設定してマイクロ波平均電力を５００Ｗとする。このようにデューティー比を調整しながら１０秒ごとにマイクロ波平均電力を１０００Ｗから５００Ｗまで低下させて第１ステップ後におけるポリシリコン膜４０２の残りの膜をエッチングする。
上述した第１ステップと第２ステップのエッチングを行った結果、図４（d）に示すように酸化膜４０３の削れを抑制し、且つスループットへの影響およびエッチング残りも無く処理できた。また、このような効果が得られた理由は以下のように考えた。
上述した第２ステップは、酸化膜４０３と選択比が高くとれる条件とする必要があるため、表４に示すように、１０秒毎にデューティー比を１００％に維持した状態でマイクロ波電力を１０００Ｗから５００Ｗまで段階的に減少させるエッチング条件にてエッチングを行うと図４（c）のようにポリシリコン膜４０２がエッチングされること無く残ってしまう箇所が発生した。ここで、酸化膜４０３との選択比を高くするためにマイクロ波電力を段階的に減少させた理由は、マイクロ波電力の１０００Ｗだけでエッチングを行うと酸化膜４０３の削れを抑制するのが困難であり、マイクロ波電力の５００Ｗだけでエッチングすると削れ抑制効果は大きいがエッチングレートが遅くなり、スループットに影響を与えてしまうためである。つまり、酸化膜４０３の削れ抑制とスループットに影響を与えないことを両立するためである。
また、図４（c）のようにポリシリコン膜４０２を完全に除去できなかった理由は、表１に示すようにマイクロ波電力を減少させていく途中で放電が不安定となり、エッチングが進行しなかったためと考えられる。一方、表３に示すような第２ステップの場合、デューティー比の制御によりマイクロ波平均電力を段階的に減少させているため、第２ステップの期間におけるパルス変調のオン期間のマイクロ波電力は１０００Ｗに維持されている。また、表１に示すように１０００Ｗのマイクロ波電力は放電安定領域のマイクロ波電力値のため、マイクロ波電力を１０００Ｗにすると放電が安定する。
このようなことから、表３に示すような第２ステップの放電は、マイクロ波平均電力を段階的に減少させても安定し続ける。よって、表３に示すような第２ステップによりエッチングすることにより、図４（ｄ）のようなエッチング形状を得ることができる。
以上、本実施例は、マイクロ波電力を時間とともに漸次的に変化させる際、マイクロ波電力をパルス変調させ、パルス変調のオン期間のマイクロ波電力値をプラズマが安定する領域の値に設定してデューティー比を変えることでマイクロ波平均電力を制御するというプラズマ処理方法である。また、本実施例により、プラズマを安定させた状態を維持しながら、かつ漸次的にマイクロ波平均電力を変化させることができるので、安定して高精度なエッチングを行うことができる。
従来技術は、特許文献１に記載されているように主にＭＥＭＳに適用されている。従って、加工の寸法が０．５μｍ程度と現在２０~３０ｎｍのレベルにある半導体素子の寸法に比べると大きい。本発明はもちろんＭＥＭＳにも適用できるが、２０ｎｍ以下の微細なエッチングにも適用できる。本実施例では、アスペクト比が８であり、幅が２０ｎｍであるシリコンの溝に埋め込まれた酸化膜のエッチバック工程への適用例を示す。
近年、Ｆｉｎ−ＦＥＴのような３次元構造のトランジスタが量産化されている。３次元構造素子のエッチングは、従来のプレーナ型のトランジスタとはその製造工程も大きく異なり、従来には無い技術が必要とされている。微細幅および高アスペクトの溝パターンのエッチバックもその一つである。本実施例ではシリコンをエッチングしないで微細幅および高アスペクトの溝内の酸化膜を除去する必要がある。
このようなエッチングでは、エッチング成分と堆積性分の微調整が可能なガス系が適しており、このようなガス系にＣＨＦ3ガスとＨ2ガスＣＯガスの混合ガスまたはＣ2Ｆ6ガスとＨ2ガスとＣＯガスの混合ガスがある。また、これらの混合ガスでのＣＯガスはＣＯ2ガスでもよい。また、これらの混合ガスにＡｒガス、Ｘｅガス、Ｋｒガスなどの希ガスやＮ２ガスを添加してもよい。本実施例では、表５に示すようにＡｒガスとＣＨＦ3ガスとＣＯガスとＨ2ガスの混合ガスを用い、圧力を０．５Ｐａとした。また、表５でのＴｏｅは、オーバーエッチングの時間を表しており、本実施例では、最終デューティー比の状態を維持して３０ｓ間、オーバーエッチングを行うようになっている。
マイクロ波電力は、パルス変調のオン期間のマイクロ波電力を８００Ｗとし、デューティー比を初期１００％から終了時５１％までエッチング時間Ｔｓである３６０ｓの期間、７．２ｓ間隔で変化させる。また、バイアス電力は、パルス変調のオン期間のバイアス電力を２００Ｗとし、デューティー比を初期２０％から終了時４９％までマイクロ波電力と同じ時間間隔で変化させる。この場合のマイクロ波電力とバイアス電力のデューティー比の時間変化を図５に示す。
マイクロ波電力のデューティー比は、７．２ｓ毎に１％ずつ減少し、マイクロ波平均電力は８００Ｗから４０８Ｗまで減少する。一方、バイアス電力のデューティー比は７．２ｓ毎に０．５％ずつ増加し、バイアス電力の平均電力は１６Ｗから９８Ｗに増加する。表５に示すような方法でエッチングした結果、図６(ｂ)に示すような所望のエッチング形状を得ることができた。ここで、図６(a)は、シリコン溝６０１に埋め込まれたエッチング前の酸化膜６０２の断面図である。
一方、初期状態からデューティー比を変えないでエッチングした場合は、図６(ｃ)のようにエッチング時間を延長しても除去できないエッチ残り６０３が発生する。これは、エッチングが進行して溝のアスペクトがだんだん大きくなるとプラズマ中の付着係数が大きなラジカル（例えば、ＣＨｘ、ＣＨＦｘなど）が溝の底まで到達する前に溝の入口付近に堆積するので、エッチング初期と同じ特性を保てなくなる。
従って、本実施例のようにエッチング中に、エッチング形状の変化に応じてプラズマの解離やバイアスのエネルギーを変えて加工精度を上げる方法が有効になる。本実施例では時間とともにマイクロ波平均電力を小さくしてプラズマの解離を抑え、すなわち解離が進行してできる付着係数が大きなラジカルの割合を抑制し、かつ、バイアス電力の平均電力を次第に大きくして溝底までイオンが到達するようにすることで、高アスペクト比のエッチングを実現している。
なお、マイクロ波電力とバイアス電力の増減は、使用するガス系とエッチング形状に依存するので、本発明は本実施例に限られない。さらにバイアス電力に関しては、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置では放電の不安定性よりも形状と選択比の制御の役割が強いので、デューティー比を一定にしてパルス変調のオン期間の電力を変えるような制御も可能である。また、マイクロ波電力、バイアス電力を変えるとともにガス圧力、ガス組成を変化させるとより高精度なエッチングができる。
また、以上の実施例では、エッチング時間を予め設定しているが、プラズマ中の反応生成物の発光強度の変化からエッチングの終点を検出する場合もある。この場合は、エッチング時間Ｔｓを設定せずに時間変化の刻み幅Ｔｄとデューティー比の変化幅を設定して、デューティー比を変化させて発光強度からエッチング終了時間を決めればよい。予想されるエッチング終了時間より短い時間の期間だけデューティー比を変化させて、その後は一定のデューティー比を維持し、この間に発光強度によるエッチングの終点を検出するように設定してもよい。 さらにエッチングガスに電離エネルギーの異なる2種類以上の稀ガスを混合して、その混合比を時間経過とともに変えても良い。
次に、プラズマエッチング時の課題の一つである、チャージングダメージの解決手段について説明する。例えば、図４に示す酸化膜４０３が層間絶縁膜などのエッチストップ層である場合はチャージングダメージは問題にならないが、ゲート電極形成の場合には酸化膜４０３はゲート絶縁膜に相当する。ゲート絶縁膜には過度の電圧がかかると絶縁破壊が生じてチャージングダメージとなる。
放電をパルス変調することに伴いプラズマ密度も急激に変化する。このとき放電がオンからオフに切り替わる時にウエハにバイアス電力が印加されていると、ウエハにかかる電圧はプラズマ密度の急激な低下に伴いスパイク状に上昇する。このスパイク状に増加した電圧がゲート絶縁膜に印加されるのでチャージングダメージが発生する可能性がある。
これを防ぐためには、プラズマのオンオフとバイアスのオンオフを同期させるとともにプラズマがオフの時にはバイアスがオンにならないようすればよい。例えば、図５のように、バイアス電力のデューティー比は常にマイクロ波電力のデューティー比より小さく、プラズマがオフの時にバイアスがオンにならないようにデューティー比を時間的に変化させれば良い。
アスペクト比が高い溝や孔でエッチング速度が低下する現象は、一般に、Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈ−ｌａｇ(以下、ＲＩＥ−ｌａｇと称する)として知られており、異なったアスペクト比が混在するパタンの加工で障害となる現象である。本実施例では、このＲＩＥ−ｌａｇを改善するために本発明を適用した例について説明する。
エッチング時間の経過とともにパルス変調されたプラズマのデューティー比を変化させるとエッチング中にエッチング速度も変化する。この変化とＲＩＥ−ｌａｇが重畳するとエッチング速度の変化は、より複雑になり形状制御が困難になる恐れがある。したがって、デューティー比を変えてもエッチング速度の変化を抑制することが望ましい。これを実現するためには、プラズマ電力のデューティー比の増減とバイアス電力のデューティー比の増減を時間経過とともに反対方向に変化するように制御すればよい。
例えば、図５に示すようにプラズマ電力のデューティー比が時間経過とともに減少する(すなわちエッチング速度が低下する)方向に変化させる場合はバイアス電力を増加する(すなわちエッチング速度が増加する)方向に変化させて、エッチング速度の低下を相殺するようにする。また、プラズマ電力のデューティー比が増加する場合はバイアス電力のデューティー比を低減させる方向に変化させてエッチング速度の変化を相殺する。
次に、時間経過とともにデューティー比を変化させる方法について上述した実施例とことなる実施形態について説明する。実施例４ではＲＩＥ−ｌａｇ抑性のため本発明を適用した例について述べたが、用途によってはＲＩＥ−ｌａｇ対策よりも別の特性に重点を置く場合もある。
例えば、図７に示すようにプラズマのオン期間(Ｔｍｏｎ)を一定にしてオフ期間(Ｔｍｏｆｆ)を時間経過とともに長くしていくと(すなわちパルス変調の周波数を小さくする)、プラズマのオン状態を一定に維持したまま、エッチング速度を低減できる。
通常、マイクロ波電源をオンにしてからプラズマ密度が安定するまでには時間遅れがある。安定するまでの時間をＴｌａｇとすると、プラズマのオン期間Ｔｍｏｎを変えてしまうとオン期間でＴｌａｇの占める割合(Ｔｌａｇ／Ｔｍｏｎ)が変化してしまい、オン期間中のプラズマ状態が変わってしまう。従って、より安定なエッチングが必要な場合は、Ｔｍｏｎを一定にしてＴｍｏｆｆを変化させることによってデューティー比を変化させることにより再現性良く、エッチング速度を変えることができる。
この方法は、エッチングがほぼ終了(メインエッチング)してわずかに残った部分を除去する(オーバーエッチング）に切り替える時に徐々にエッチング速度を低下させてエッチングの連続性を良くすることに適している。また、ステップ状に急峻にプラズマを変化させることにより形状段差などの弊害が生じる場合にも本実施例で形状段差を抑えることができる。さらに、オフ期間を一定にしてオン期間を変化させることによってデューティー比を変える方法は、堆積性が強いガスでオフ期間のラジカルの堆積がオン期間のプラズマ状態よりも支配的になるプラズマによってエッチング速度を変化させる場合に適している。
尚、マイクロ波電力のパルス変調とバイアス電力のパルス変調のいずれにも本実施例は適用できる。
以上の実施例では、デューティー比の設定値などは事前の条件出しにて最適条件を決定してその条件を量産に適用する。一方、干渉などを利用したリアルタイムの膜厚計測器によるエッチング深さ、または、プラズマインピーダンス測定器の測定値とエッチング形状の相関を予め求めている場合などは、エッチング深さ、または、プラズマインピーダンスを計測しながらエッチング深さの計測値またはインピーダンスの計測値の少なくとも一つの計測値が所望の値となるようにデューティー比を制御することによってプラズマの解離状態を制御するようなフィードバック制御を行うと、チャンバ内の状態などのプラズマの環境が経時変化しても、一定の品質のエッチングが実現できる。
以上、上述した通り、本発明は、所望のプラズマ処理結果を得るためにプラズマ生成用の高周波電力のパルス変調またはバイアス電力のパルス変調の少なくとも一つのデューティー比をプラズマ処理時間の経過とともに漸次的に制御することによってプラズマの解離状態をプラズマ処理時間の経過とともに漸次的に制御することである。
また、実施例２では、プラズマ生成用の高周波電力のパルス変調のデューティー比をプラズマ処理時間の経過とともに漸次的に減少させ、バイアス電力のパルス変調のデューティー比をプラズマ処理時間の経過とともに漸次的に増加させる例であったが、実施例２のガス系と異なるガス系の場合は、プラズマ生成用の高周波電力のパルス変調のデューティー比をプラズマ処理時間の経過とともに漸次的に増加させ、バイアス電力のパルス変調のデューティー比をプラズマ処理時間の経過とともに漸次的に減少させることにより、所望のプラズマの解離状態に制御できる。
また、デューティー比の制御は、パルス変調の繰り返し周波数を一定にした状態でオン期間またはオフ期間を変えることによりデューティー比を制御する手段とパルス変調のオン期間またはオフ期間を一定にした状態でパルス変調の繰り返し周波数を変えることによりデューティー比を制御する手段のいずれでも良い。
さらに、本発明は、エッチング深さまたはプラズマ特性に基づいてデューティー比を制御することによってプラズマの解離状態を制御するフィードバック制御である。
本発明により、プラズマの解離状態を変える、すなわちエッチングガスの解離の度合いやプラズマ密度を変えると、エッチングに寄与するラジカルと堆積に寄与するラジカルの割合、およびその付着係数を変えることができる。エッチング中のラジカルは、半導体の微細な溝や孔などの側壁に衝突と吸着を繰り返して底に到達して、底部分のエッチングあるいは堆積に寄与する。付着係数が変わると到達できる深さ、あるいは側壁での吸着の分布が変わる。このラジカルの到達できる深さと側壁で吸着量の分布がエッチング形状を決める。従って、プラズマの解離状態をエッチング形状の時間変化に応じて変えることで、その形状に応じた最適のプラズマ状態を制御できる。
また、本発明の適用方法は、予め試験ウエハのエッチングにより試行錯誤的にエッチング条件を最適化して、最適化した条件を量産に適用する方法とエッチング深さあるいはプラズマの変化をモニタしてその状態に基づいて解離状態を変化させるようにリアルタイムに適用する方法などがある。
以上、各実施例では、マイクロ波を用いたＥＣＲ方式のマイクロ波プラズマエッチング装置での適用例について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、容量結合型、誘導結合型のプラズマ生成手段を用いたプラズマエッチング装置に適用しても良い。
１０１ チャンバ
１０２ ウエハ
１０３ 試料台
１０４ マイクロ波透過窓
１０５ 導波管
１０６ マグネトロン
１０７ ソレノイドコイル
１０８ 静電吸着電源
１０９ 第二の高周波電源
１１０ ウエハ搬入口
１１１ ガス導入口
１１２ プラズマ
１１３ 第一の高周波電源
１１４ 電力制御部
２０１ マイコン
２０２ 時間変換部
２０３ 第一のパルス発生器
２０４ 第二のパルス発生器
２０５ マスタークロック
２０６ パルス波形
２０７ 第一のオンオフ信号発生器
２０８ 第二のオンオフ信号発生器
４０１ 窒素含有シリコン膜
４０２ ポリシリコン膜
４０３ 酸化膜
４０４ シリコン基板
６０１ シリコン溝
６０２ 酸化膜
６０３ エッチ残り

Claims (10)

  1. 試料がプラズマ処理されるプラズマ処理室と、プラズマ生成用の第一の高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記試料が載置される試料台に第二の高周波電力を供給する第二の高周波電源とを備えるプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、
    第一のパルスにより前記第一の高周波電力を変調し、
    第二のパルスにより前記第二の高周波電力を変調し、
    前記第一のパルスのデューティー比をプラズマ処理時間の経過とともに漸次的に減少させ、
    前記第二のパルスのデューティー比を前記プラズマ処理時間の経過とともに漸次的に増加させることを特徴とするプラズマ処理方法。
  2. 試料がプラズマ処理されるプラズマ処理室と、プラズマ生成用の第一の高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記試料が載置される試料台に第二の高周波電力を供給する第二の高周波電源とを備えるプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、
    第一のパルスにより前記第一の高周波電力を変調し、
    第二のパルスにより前記第二の高周波電力を変調し、
    前記第一のパルスのデューティー比をプラズマ処理時間の経過とともに漸次的に増加させ、
    前記第二のパルスのデューティー比を前記プラズマ処理時間の経過とともに漸次的に減少させることを特徴とするプラズマ処理方法。
  3. 請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理方法において、
    前記デューティー比は、前記試料のエッチング形状に基づいて規定されることを特徴とするプラズマ処理方法。
  4. 請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理方法において、
    前記第一のパルスのオン期間における第一の高周波電力をプラズマが安定的に生成されるような電力とすることを特徴とするプラズマ処理方法。
  5. 請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理方法において、
    前記第二のパルスは、前記第一のパルスのオン期間中にオンとなることを特徴とするプラズマ処理方法。
  6. 請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
    前記第一のパルスのオン期間を維持しながらオフ期間を変えることにより前記第一のパルスのデューティー比を減少させることを特徴とするプラズマ処理方法。
  7. 請求項２に記載のプラズマ処理方法において、
    前記第一のパルスのオン期間を維持しながらオフ期間を変えることにより前記第一のパルスのデューティー比を増加させることを特徴とするプラズマ処理方法。
  8. 請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
    前記第一のパルスのオフ期間を維持しながらオン期間を変えることにより前記第一のパルスのデューティー比を減少させることを特徴とするプラズマ処理方法。
  9. 請求項２に記載のプラズマ処理方法において、
    前記第一のパルスのオフ期間を維持しながらオン期間を変えることにより前記第一のパルスのデューティー比を増加させることを特徴とするプラズマ処理方法。
  10. 請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理方法において、
    前記プラズマは、ＣＨＦ 3 ガスとＣＯガスとＨ 2 ガスとの混合ガス、ＣＨＦ 3 ガスとＣＯ 2 ガスとＨ 2 ガスとの混合ガス、Ｃ 2 Ｆ 6 ガスとＣＯガスとＨ 2 ガスとの混合ガス、またはＣ 2 Ｆ 6 ガスとＣＯ 2 ガスとＨ 2 ガスとの混合ガスを用いて生成されることを特徴とするプラズマ処理方法。
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