JP2004031466A

JP2004031466A - プラズマ処理方法

Info

Publication number: JP2004031466A
Application number: JP2002182322A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kadoya; 角屋　誠浩; Kouichi Nakaune; 中宇禰　功一
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2002-06-24
Filing date: 2002-06-24
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】絶縁膜への高アスペクト比のホール加工を行うプラズマ処理方法において、高エッチングレートで高いマスク選択比を実現可能な、プラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】反応性ガスをプラズマ化するとともに試料に高周波電圧を印加して、試料に形成された絶縁膜をエッチングする際に、エッチングガスとして反応性ガスにＡｒ＋ＣＨ_４　ガスを添加したガスを用いる。また、エッチングガスをプラズマ化するＵＨＦ出力を変えてテーパ形状となるホール加工の形状を制御する。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理方法に係り、特にプラズマを用いて半導体素子などの試料をエッチング処理するのに好適なプラズマ処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマを用いてエッチング処理する場合、処理ガスを電離し活性化することで処理の高速化を図り、また被処理材に高周波バイアス電力を供給してプラズマ中のイオンを被処理材に垂直に入射させることで、異方性形状などの高精度エッチング処理を実現している。従来のプラズマ処理方法は、特に高アスペクト比のホール加工を行う際、Ｈ．　Ｈａｙａｓｈｉ：１９９６　ＤＰＳ　ｐ１３５に記載のように、エッチングガスとしてのＡｒ，Ｏ_２，ＣｘＦｙ（例えばＣ_４Ｆ_８，Ｃ_５Ｆ_８，Ｃ_３Ｆ_８，Ｃ_４Ｆ_６等）にＣＯを添加し、エッチング処理を行う方法が知られていた。
【０００３】
なお、この種の技術に関連するものとして、例えば、特開２００１−７７０８４号公報が挙げられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の処理条件では、ＣＯガス流量の増加に伴いプラズマ密度が減少し、高エッチングレートおよび高マスク選択比を維持することが困難になるという問題があった。すなわち、本発明等の実験によれば、図２に示すように、ＣＯ流量を増加させると、ＰＲレートが低下し選択比が増加するが、ＣＯ流量の増加に伴い酸化膜であるＴＥＯＳのレートも低下し、高エッチングレートおよび高マスク選択比を両立させることができなかった。
【０００５】
本発明の目的は、高アスペクト比のエッチングにおいて、高エッチングレートで、高いマスク選択比を実現可能なプラズマ処理方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、絶縁膜をエッチングするための反応性ガスにＣＨ_４（Ａｒ希釈）を添加ガスとして用いることにより達成される。これにより、添加ガス流量増加に対するプラズマ密度の減少が抑制され、かつデポラジカルを効率的に生成できるので、高エッチングレートで高いマスク選択比を得ることが可能となる。
【０００７】
また、本発明は、低電力で解離するデポ性の添加ガスを用い、プラズマ化用の電力の出力を制御してエッチャントである反応性ガスによるラジカルの解離度を調整することを特徴とし、マスクの高選択性を維持してエッチング速度を制御する、また、マスクの高選択性を維持してエッチング形状を制御する。
【０００８】
また、本発明は、デポ膜の付着を一定にし、プラズマ中のイオンの試料への入射エネルギを制御する、またはエッチングガスのラジカル量を制御する、またはプラズマ中のイオンの試料への入射エネルギ及びエッチングガスのラジカル量を制御することを特徴とし、マスクの高選択性を維持してエッチング速度を制御する、また、マスクの高選択性を維持してエッチング形状を制御する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
以下、本発明の一実施例を図１から図７を用いて説明する。図１は、本発明を適用するプラズマ処理装置の一例であるエッチング装置の縦断面図である。真空容器１０１の上部には、導電体でなる平板上のアンテナ電極１０３，電磁波を透過可能な誘電体窓１０４が気密に設けられ、真空容器１０１内部に処理室が形成される。真空容器１０１の外周部には、磁場発生コイル１０５が設けてある。アンテナ電極１０３はエッチングガスを流すため、多孔構造となっており、ガス供給装置１０７が接続されている。また、真空容器１０１の下部には真空排気口
１０６を介して真空排気装置（図示省略）が接続されている。
【００１０】
アンテナ電極１０３上部には同軸線路１０８が設けられ、フィルタ１０９，整合器１１０を介してプラズマ生成用の高周波電源１１１（例えば、周波数４５０ＭＨｚ）が接続されている。またアンテナ電極１０３には、同軸線路１０８，フィルタ１１２，整合器１１３を介してアンテナバイアス電源１１４（例えば、周波数８００ｋＨｚ）が接続されている。ここでフィルタ１０９は、高周波電源
１１１からの高周波電力を通過させ、アンテナバイアス電源１１４からのバイアス電力を効果的にカットする。フィルタ１１２はアンテナバイアス電源１１４からのバイアス電力を通過させ、高周波電源１１１からの高周波電力を効果的にカットする。
【００１１】
真空容器１０１内の下部には、被処理材１１６を配置可能な基板電極１１５が設けられている。基板電極１１５にはフィルタ１１７，整合器１１８を介して基板バイアス電源１１９（例えば、周波数８００ｋＨｚ）が接続されている。また、基板電極１１５にはフィルタ１２０を介して被処理材１１６を静電吸着させるための静電チャック電源１２１が接続されている。ここでフィルタ１１７は、基板バイアス電源１１９からのバイアス電力を通過させ、高周波電源１１１からの高周波電力を効果的にカットする。通常、高周波電力はプラズマ中で吸収されるため基板電極１１５側へ流れることはないが、電源動作の安全のためフィルタ
１１７を設けてある。フィルタ１２０は静電チャック電源１２１からのＤＣ電力を通過させ、高周波電源１１１，アンテナバイアス電源１１４，基板バイアス電源１１９からの電力を効果的にカットする。
【００１２】
アンテナバイアス電源１１４と基板バイアス電源１１９は位相制御器１２２に接続されており、アンテナバイアス電源１１４および基板バイアス電源１１９から出力する高周波の位相を制御可能となっている。この場合アンテナバイアス電源１１４と基板バイアス電源１１９の周波数は同一周波数とした。
【００１３】
位相制御器１２２は、アンテナバイアス電源１１４側のフィルタ１１２と整合器１１３との間および基板バイアス電源１１９側のフィルタ１１７と整合器１１８との間からそれぞれ電圧波形を取り込み、それぞれの電圧波形の位相が１８０°±４５°以内の所望の位相差になるように、アンテナバイアス電源１１４と基板バイアス電源１１９とに位相をずらした小振幅の信号を出力する。この場合のアンテナバイアス電源１１４および基板バイアス電源１１９はアンプ機能を有するのみで良い。
【００１４】
上記のように構成された装置において、処理室内部を真空排気装置（図示省略）により減圧した後、ガス供給装置１０７によりエッチングガスを処理室内に導入し、所望の圧力に調整する。高周波電源１１１より発振された、例えば、周波数４５０ＭＨｚの高周波電力は同軸線路１０８を伝播し、アンテナ電極１０３および誘電体窓１０４を介して処理室内に導入される。処理室内に導入された高周波電力による電界は、磁場発生コイル１０５（例えば、ソレノイドコイル）により処理室内に形成された磁場との相互作用により、処理室内に高密度プラズマを生成する。また、アンテナバイアス電源１１４より高周波電力（例えば、周波数
８００ｋＨｚ）が、同軸線路１０８を介してアンテナ電極１０３に供給される。
また基板電極１１５に載置された被処理材１１６は、基板バイアス電源１１９より高周波電力（例えば、周波数８００ｋＨｚ）が供給され、表面処理（例えばエッチング処理）される。この場合、アンテナバイアス電源と基板バイアス電源との位相差は１８０°とした。
【００１５】
アンテナバイアス電源１１４によってアンテナ電極１０３に高周波電圧を印加することにより、アンテナ電極に所望の材料を用いた場合、該材料とプラズマ中のラジカルとが反応し、生成されるプラズマの組成を制御できる。例えば、酸化膜エッチングの場合、アンテナ電極１０３の材料にＳｉを用いることによって、酸化膜のエッチング特性、特にＳｉＯ_２　／ＰＲ（フォトレジスト）選択比等に影響するプラズマ中のＦラジカル量を減少させることが可能になる。
【００１６】
本構成の装置では、主として４５０ＭＨｚの高周波電源１１１によってプラズマを生成し、アンテナバイアス電源１１４によってプラズマ組成を制御し、基板バイアス電源１１９によってプラズマ中のイオンの被処理材１１６への入射エネルギを制御している。このような装置では、プラズマ生成（イオン量）とプラズマ組成（ラジカル濃度比）を独立に制御できるというメリットがある。
【００１７】
従来ＳｉＯ_２　の薄膜にコンタクトホールを形成する場合、マスクであるフォトレジスト（ＰＲ）に対し選択的にエッチングを行うため、エッチングガスであるＡｒ，Ｏ_２　，ＣｘＦｙ（例えばＣ_４Ｆ_８，Ｃ_５Ｆ_８，Ｃ_３Ｆ_６，Ｃ_４Ｆ_６等）にＣＯを添加しエッチングを行っていた。Ｍ．　Ｉｚａｗａ　ｅｔ．ａｌ．：１９９９　ＤＰＳ　ｐ２９１に記載のように、コンタクトホールのようにアスペクト比が高い穴加工では、付着係数の低いラジカル例えばＣＦ_２　が穴底部まで到達するが、付着係数の高いＣやＣ_２　はマスク上に選択的に堆積する。ＣＯを添加することによりこれらＣや
Ｃ_２　を供給することが可能であり、マスク上に選択的に保護膜を形成し、フォトレジストのエッチレートを低減することが可能である。図２は供給するＣＯ流量と酸化膜（ＴＥＯＳ膜），ＰＲ膜エッチングレートおよびマスク選択比との関係を示す。ここでエッチングガスはＣ_５Ｆ_８を使用した。図２の左縦軸はエッチングレートを、右縦軸は選択比をそれぞれ示し、横軸はＣＯ流量を示す。図２によればＣＯ流量を増加させると、ＰＲレートは低下し、選択比が増加している。しかし、ＣＯ流量の増加に伴いＴＥＯＳレートも低下している。
【００１８】
次に添加ガスとしてＣＨ_４（Ａｒ希釈）を用いた場合のＡｒ＋ＣＨ_４　流量と酸化膜（ＴＥＯＳ膜），ＰＲ膜エッチングレートおよび選択比との関係を図３に示す。図３の左縦軸はエッチングレートを、右縦軸は選択比をそれぞれ示し、横軸はＡｒ＋ＣＨ_４　流量を示す。ここでＣＨ_４　のＡｒに対する希釈率は４％（ＮＲガス）とした。図３によれば、Ａｒ＋ＣＨ_４　流量を増加させると、ＰＲレートが低下し選択比が増加する。ここで全ガス流量は１０００ｍｌ／ｍｉｎであり、Ａｒ＋ＣＨ_４流量を全流量の１０％以上とすることにより、効果的にＰＲレートを低減させることができることがわかる。高エッチングレート及び高選択比を両立させる点からは、２０％程度が好まししい。
【００１９】
図４は、添加ガスとしてＣＯとＡｒ＋ＣＨ_４　を用いた場合の電極のピーク・トゥ・ピーク（Ｖｐｐ）電圧と添加ガス流量との関係を示す。図４の縦軸は電極
Ｖｐｐ電圧を示し、横軸は添加ガス流量を示す。また図中○印は添加ガスとしてＣＯを用いた場合を示し、●印はＡｒ＋ＣＨ_４　を用いた場合を示す。このとき電極に供給する基板バイアス電力は一定とした。この場合、電極Ｖｐｐ電圧は、プラズマのインピーダンスおよびプラズマ密度に反比例する。つまり、ＣＯガスを用いた場合には、ＣＯ流量を増加させると共にプラズマ密度が減少する。このため図２に示したように、ＴＥＯＳエッチングレートが減少する。一方Ａｒ＋ＣＨ_４を用いた場合には、Ａｒ＋ＣＨ_４　流量増加に伴うプラズマ密度への影響が少ないため、ＴＥＯＳエッチングレートもほぼ一定である。
【００２０】
したがって添加ガスとして、ＣＯを用いた場合よりも、Ａｒ＋ＣＨ_４　を用いた場合の方が、高レートで高選択比と両立するエッチング加工が可能である。
【００２１】
また一般に、Ｔ．　Ｓａｋａｉ：１９９３　ＤＰＳ　ｐ１９３記載のように、エッチングガスにＣｘＦｙを使用した高アスペクト比のホール加工において、高選択比を実現するにはＣＦ_２　密度を増加することが望ましい。図５に、エッチングガス
Ａｒ，Ｏ_２　，Ｃ_５Ｆ_８，添加ガスＣＯを用いた場合の、ＣＦ_２　発光強度とＵＨＦ出力との関係を示す。図５の縦軸はＣＦ_２　発光強度でありＣＦ_２　密度と相関する。横軸はＵＨＦ出力を示す。図５によれば、ＵＨＦ出力の増加に伴いＣＦ_２密度が減少する。ＵＨＦ出力を増加させることにより、図２に示したＴＥＯＳレートの減少分を補うことが可能であるが、高選択なエッチングを行う上で必要なＣＦ_２　密度が低下してしまうことが分かる。このため、より低ＵＨＦ出力でＰＲレートを抑制することができるＡｒ＋ＣＨ_４　を添加ガスとして用いた方が有利である。
【００２２】
Ａｒ＋ＣＨ_４　を用いた場合には、ホール内にもデポが付着するため、ホール加工形状は図６に示すようなテーパ形状となる。図６においてマスク６０１は例えば、フォトレジスト膜、被処理材６０２は例えば、ＴＥＯＳ膜とする。この時加工形状のテーパ度を示すａ／ｂ比（底部穴径／マスク境界穴径比）とＵＨＦ出力の関係を図７に示す。図７によればＵＨＦ出力を増加させると、ａ／ｂ比が増加する（ホール形状が垂直化する）ことがわかる。これは高出力ＵＨＦを投入することによりエッチングガスの解離が進み、Ｆラジカルが多く発生するためと考えられる。このように添加ガスとしてＡｒ＋ＣＨ_４　を用いた場合には、ホール形状がテーパ化し、そのテーパの程度をＵＨＦ出力を増減させることにより制御することが可能である。これらの特性はセルフアラインコンタクト（ＳＡＣ）等の加工を行う際のマスク選択比向上に有効である。すなわち、ＣＨ_４　ガスは、結合エネルギがＣＯに比べ小さいので小エネルギで解離でき、低ＵＨＦ出力でもＣＨ_４　ガスを解離することができる。これにより、デポ膜を低ＵＨＦ出力の範囲から形成でき、ＵＨＦ出力の増減でエッチャントだけのラジカルの解離度を調整できるので、エッチング形状の制御が容易になる。
【００２３】
また、ＣＯガスを添加した場合、処理室内に多量のＣ原子が供給されるため、処理室内壁にＣ系のデポ膜が形成され、異物が発生する可能性があった。Ａｒ＋ＣＨ_４　を用いた場合には、ＣＯガスを用いた場合に比べて、レジスト表面にデポ膜が効率よく形成されるため、投入するＣ原子数が少なく、処理室内壁に過剰なＣ系デポが付着しない。そのためＡｒ＋ＣＨ_４　を用いた場合の方が異物低減に対しても有効である。
【００２４】
上記実施例では基板へのイオンの引き込み効率の高い方法である、アンテナバイアス電源１１４（例えば、周波数８００ｋＨｚ）が基板バイアス電源１１９
（例えば、周波数８００ｋＨｚ）が位相制御された場合について述べたが、上下バイアス電源の位相制御を行わず、例えばアンテナバイアス電源１１４の周波数１３．５６ＭＨｚ　の場合でも同様の効果がある。また、上記実施例ではＵＨＦ−ＥＣＲエッチング装置について述べたが、２周波放電，マグネトロン放電，誘導結合型放電（ＩＣＰ，ＴＣＰ），磁気中性線放電（ＮＬＤ），ＲＩＥ等の、他のプラズマ処理装置においても同様の効果がある。
【００２５】
【発明の効果】
高アスペクト比のホール加工プロセスにおいて、添加ガスとしてＡｒ＋ＣＨ_４　を用いることにより、高エッチングレートと高マスク選択比を両立する効果がある。また、ホール加工形状がテーパ形状となるが、ＵＨＦ出力により容易にホール形状を制御できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ処理方法を適用するエッチング装置の一実施例を示す縦断面図である。
【図２】従来のプロセスを図１の装置で実施したときのエッチングレートとＣＯ添加量との関係を示す特性図である。
【図３】本発明のプロセスを図１の装置で実施したときのエッチングレートとＡｒ＋
ＣＨ_４　添加量との関係を示す特性図である。
【図４】図１の装置において、添加ガスとしてＣＯを用いた場合とＡｒ＋ＣＨ_４　を用いた場合の電極Ｖｐｐとその添加ガス流量との関係を示す特性図である。
【図５】図１の装置において、ＣＦ_２　発光強度とＵＨＦ出力との関係を示す特性図である。
【図６】ホール加工形状を示す縦断面図である。
【図７】本発明におけるホールテーパ度合（底部穴径／マスク境界部穴径）とＵＨＦ出力との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１０１…真空容器、１０３…アンテナ電極、１０４…誘電体窓、１０５…磁場発生コイル、１０６…真空排気口、１０７…ガス供給装置、１０８…同軸線路、１０９，１１２，１１７，１２０…フィルタ、１１０，１１３，１１８…整合器、１１１…高周波電源、１１４…アンテナバイアス電源、１１５…基板電極、
１１６…被処理材、１１９…基板バイアス電源、１２１…静電チャック電源、
１２２…位相制御器、６０１…フォトレジスト膜、６０２…ＴＥＯＳ膜、６０３…Ｓｉ基板。

Claims

反応性ガスをプラズマ化するとともに試料に高周波電圧を印加して、前記試料に形成された絶縁膜をエッチング処理するプラズマ処理方法において、前記反応性ガスにＣＨ_４　ガスを添加した混合ガスをエッチングガスとして用いることを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１記載のプラズマ処理方法において、該絶縁膜が酸化膜であり、フォトレジストをマスクとして用いるプラズマ処理方法。
請求項１記載のプラズマ処理方法において、前記ＣＨ_４　ガスにＨｅ，Ａｒ，
Ｎｅ，Ｘｅ等の希ガスで希釈されたガスを用いるプラズマ処理方法。
請求項３記載のプラズマ処理方法において、前記ＣＨ_４　ガスをＡｒで希釈し、前記Ａｒに対するＣＨ_４　ガス濃度を４％または１０％にするプラズマ処理方法。
請求項１記載のプラズマ処理方法において、前記ＣＨ_４　ガスをＡｒで希釈し、該希釈されたＣＨ_４　ガスの流量を全エッチングガス流量の１０％以上にするプラズマ処理方法。
請求項２記載のプラズマ処理方法において、前記酸化膜のエッチングはＨＡＲＣ
（Ｈｉｇｈ　Ａｓｐｅｃｔ　Ｒａｔｉｏ　Ｃｏｎｔａｃｔ）エッチングであるプラズマ処理方法。
請求項２記載のプラズマ処理方法において、前記酸化膜エッチングはセルフアラインコンタクトエッチングであるプラズマ処理方法。
請求項２記載のプラズマ処理方法において、前記試料に対向する電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加し、前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数が低い高周波電力を前記試料に供給し、前記プラズマ生成用の高周波電力出力を増減して、前記酸化膜の穴形状のテーパ度合を制御するプラズマ処理方法。
請求項８記載のプラズマ処理方法において、前記対向する電極に逆位相であって、前記試料への高周波電力と同一周波数の高周波電力を印加するプラズマ処理方法。
反応性ガスをプラズマ化するとともに試料に高周波電圧を印加して、前記試料をエッチング処理するプラズマ処理方法において、低電力で解離するデポ性のガスを添加し、プラズマ化用の電力の出力を制御して前記反応性ガスの解離を制御して、プラズマ中のラジカル量を調整することを特徴とするプラズマ処理方法。
反応性ガスをプラズマ化するとともに試料に高周波電圧を印加して、前記試料をエッチング処理するプラズマ処理方法において、前記反応性ガスにデポ性のガスを添加し、該添加ガスによるデポ膜の付着量を一定にし、前記試料へのプラズマ中のイオンの入射エネルギを制御することを特徴とするプラズマ処理方法。