JP2004342866A

JP2004342866A - プラズマ処理方法

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Publication number: JP2004342866A
Application number: JP2003138223A
Authority: JP
Inventors: Hisateru Yasui; 尚輝安井
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2023-05-16
Also published as: JP4142492B2

Abstract

【課題】高エッチングレートおよび高精度な形状制御を実現可能な高アスペクト比のエッチング処理方法を提供する。
【解決手段】高アスペクト比のホール、トレンチを加工するプラズマ処理方法において、ＨＢｒ（臭化水素）、Ｏ_２（酸素）、ＳＦ_６（六フッ化硫黄）等のエッチングガスによるステップの一定時間処理後に、稀釈ガスとして希ガス（Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｘｅガス）のいずれかもしくはこれらの少なくとも二種以上の混合ガスを導入するステップにより、ラジカルを効率的に生成し、ホールまたはトレンチ底部へラジカルを供給し、かつ稀釈ガスのイオン衝撃により、高エッチングレートで高精度な形状制御を実現可能とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置に係わり、特にプラズマを用いて半導体素子などの表面処理を行う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を行う場合、処理ガスを電離し活性化効率を上げることで処理の高速化を図り、また被処理材に高周波電力を供給し、イオンを垂直に入射させ異方性形状を得る高精度エッチング処理を行っている。従来のプラズマ処理方法は、例えばＳｉ（シリコン）基板に高アスペクト比のホール、トレンチ加工を行う際、エッチングガスＨＢｒ（臭化水素）、Ｏ_２（酸素）、ＳＦ_６（六フッ化硫黄）等を使用しエッチングを行っていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この処理条件では、アスペクト比の増大に伴い、ホールまたはトレンチ底部ではラジカル供給量とイオン衝撃が不足し、高エッチングレートおよび形状維持が困難であり、また、マスク部の直下にサイドエッチが発生し、ホールまたはトレンチ上部のＣＤ（ＣｒｉｔｉｃａｌＤｉｍｅｎｓｉｏｎ）を制御することが困難であった。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１３５４８９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
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および高精度な形状制御を実現可能な処理条件を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマ処理方法では、ＨＢｒ（臭化水素）、Ｏ_２（酸素）、ＳＦ_６（六フッ化硫黄）等のエッチングガスによるステップの一定時間処理後に、前記エッチングガスを稀釈するための希ガス（Ｈｅ（ヘリウム）、Ｎｅ（ネオン）、Ａｒ（アルゴン）、Ｘｅ（キセノン））を導入するステップにより、ラジカルを効率的に生成することで、ホールまたはトレンチ底部へラジカルを供給でき、かつ稀釈ガスのイオン衝撃により、高エッチングレートで高精度な形状制御を実現可能である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施例を図１から図８を用いて説明する。図１は、本発明にかかるプラズマ処理方法を適用するプラズマ処理装置の一実施例であるエッチング装置の縦断面図である。
【０００８】
上部が開放された真空容器１０１の上部に、真空容器１０１内にエッチングガスを導入するためのシャワープレート１０２（例えば石英製）および誘電体窓１０３（例えば石英製）を設置し密封することにより処理室１０４を形成する。シャワープレート１０２は、エッチングガスを流すための多孔構造となっておりガス供給装置１０５に接続されている。また、真空容器１０１には、真空排気口１０６を介し真空排気装置（図示省略）が接続されている。
【０００９】
誘電体窓１０３上部には処理室１０４と略同径に構成された円筒壁１０７が処理室１０４と電気的に接続されて設けられ、円筒壁１０７の上部開口部には中央に円形の開口部を有する天板１０８が円筒壁１０７と電気的に接続されて設けられ、誘電体窓１０３と円筒壁１０７と天板１０８とで囲まれた円筒空洞部１０９が設けられている。円筒空洞部１０９は、円矩形変換導波管１１０および矩形導波管１１１を介して電磁波発生用電源１１２（例えばマグネトロン）と接続されている。
【００１０】
電磁波発生用電源１１２から発振された電磁波（例えば、マイクロ波）は、矩形導波管内１１１を伝播した後、円矩形変換導波管１１０を介して円筒空洞部１０９に導入される。
【００１１】
処理室１０４の外周部には、処理室１０４内に磁場を形成する磁場発生コイル１１３が設けてある。
【００１２】
また、被処理材１１４を載置可能な基板電極１１５は、真空容器１０１下部に設置され、整合器１１６を介して基板バイアス電源１１７（例えば周波数４００ｋＨｚ）に接続されている。基板電極１１５の上面は誘電体膜で覆われており、基板電極１１５にフィルタ１１９を介して接続された静電チャック電源１１８から直流電圧を印加することによって、誘電体膜上に設置された被処理材１１４は、静電吸着されている。ここで、フィルタ１１９は、静電チャック電源１１８からの直流電圧を伝送させ、基板バイアス電源１１７、電磁波発生用電源１１２からの電力を効果的にカットする。
【００１３】
上述のように構成されたプラズマ処理装置では、処理室１０４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１０５によりエッチングガスを処理室１０４内に導入し所望の圧力に調整する。電磁波発生用電源１１２より発振された、例えば、マイクロ波帯の周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波電力は矩形同軸線路１１１を経由し、円矩形変換導波管１１０を介して、円筒空洞部１０９に導入される。円筒空洞部１０９に導入されたマイクロ波電力は、誘電体窓１０３、シャワープレート１０２を伝播して処理室１０４内に導入され、磁場発生用コイル１１３（例えばソレノイドコイル）により形成された磁場との相互作用により、処理室１０４内に高密度プラズマを生成する。特に、磁場発生用コイル１１３によって電子サイクロトロン共鳴を起こす磁場強度（例えば、０．０８７５Ｔ）を処理室１０４内に形成した場合、効率良く高密度プラズマを生成することができる。また基板電極１１５に載置された被処理材１１４は、基板バイアス電源１１７より高周波電力が供給され、表面処理（例えば、エッチング処理）される。
【００１４】
本構成のプラズマ処理装置では、主として２．４５ＧＨｚの電磁波発生用電源１１２によってプラズマを生成し、基板バイアス電源１１７によってイオンの被処理材１１４への入射エネルギーを制御している。このような装置では、プラズマ生成とイオン衝撃を独立に制御できるというメリットがある。
【００１５】
従来、Ｓｉ（シリコン基板）に高アスペクト比のホール、トレンチ加工を行う際、エッチングガスＨＢｒ（臭化水素）、Ｏ_２（酸素）、ＳＦ_６（六フッ化硫黄）等を使用しエッチングを行っていた。特に、ＤＲＡＭなどのメモリ用ＬＳＩではアスペクト比（トレンチまたはホールの縦横寸法の比）と断面形状が重要であり、この場合、アスペクト比は３０以上が望ましく、図２に示すように、マスク材２０１から続く滑らかなる平面の側壁部を備え、側壁の傾斜角がほぼ０度（垂直）で、底部が半円状にくぼんだ形状（ボトムラウンド）を呈しているのが理想的である。ここで、ボトムラウンドが望まれる理由は、後の絶縁膜埋め込み工程での処理が容易になるためと応力集中を抑制するためである。
【００１６】
しかし、上記のような従来のエッチング方法では、アスペクト比の増大によって、ホールまたはトレンチ底部でのラジカル供給量とイオン衝撃が不足し、高エッチングレートおよび形状の維持が困難であり、また、マスク部の直下にサイドエッチが発生することによってホールまたはトレンチ上部のＣＤを制御することが困難であった。この場合の例としては、図３のような処理の途中でホールまたはトレンチ内のエッチングが進行しなくなるエッチングストップ、図４のようなマスク材２０１の裏面にエッチングが廻り込み空洞２０５が形成されるサイドエッチと呼ばれる断面形状を呈していた。
【００１７】
特に、エッチング処理が進行し高アスペクト比となったとき、ホール、トレンチ底部にラジカルの供給量が減少してくる。この場合、プラズマ発生用の電磁波発生用電源１１２の出力電力（ここではマイクロ波の出力電力）を増加させラジカル量を増加させると、エッチングガス中のデポ性ラジカルの量も増加してしまい、図３に示すようなエッチストップが発生していた。また、例えばＨＢｒ（臭化水素）、ＳＦ_６（六フッ化硫黄）等のエッチングガス流量を増加させ、プラズマからのラジカル供給量を増加させると、ホール、トレンチ底部でのラジカル量の増加ばかりでなく、側壁へのラジカル入射頻度も増加するため、図４に示すようなサイドエッチが発生していた。
【００１８】
図５を用いて、本発明にかかるプラズマ処理方法の処理の１例を説明する。図５は、Ｓｉ（シリコン）基板に高アスペクト比のホール、トレンチ加工を行うステップエッチングによるプラズマ処理方法を示している。ステップ１（５０１）にて被処理材と反応して揮発性化合物（例えばＳｉＦ_４，ＳｉＢｒ_４）とガス（例えばＣＯ_２，ＣＯ，Ｏ_２）を生成するエッチングガスとしてＨＢｒ（臭化水素）、Ｏ_２（酸素）、ＳＦ_６（六フッ化硫黄）が供給され、プラズマを発生させ、エッチング処理を実行する。プラズマ発生後、一定時間が経過した後、ステップ２（５０２）にて希ガス（例えばＡｒ（アルゴン））を稀釈ガスとして導入してエッチング処理を継続する。この処理は、所望のアスペクト比のホール、トレンチがエッチング完了した時点で終了する。
【００１９】
図６に、本実施例にもとづき、稀釈ガスとしてＡｒ（アルゴン）ガスを導入したステップ（アルゴンガスステップ）を用いてエッチングしたシリコン基板２０２のホール２０３の断面図を示す。この場合、エッチングガス（ＨＢｒ（臭化水素）、Ｏ_２（酸素）、ＳＦ_６（六フッ化硫黄））によってプラズマを発生させた後、一定時間が経過するとエッチングガスの全流量に対して１００％流量のＡｒ（アルゴン）稀釈ガスを導入した。エッチング処理が一定時間経過した後にエッチングガスに希釈ガスを加えてエッチングを継続することによって、エッチングストップやサイドエッヂを発生せずに、アスペクト比３０を実現している。この結果は、上述の希ガスによるエッチングステップによって、エッチングストップを発生せずに、側壁のテーパ角を概０度とし、サイドエッチを解消し、高アスペクト比のホールを形成可能であることを示している。
【００２０】
図７を用いて、シリコン基板のホール側壁でのテーパ角のＡｒ（アルゴン）ガスステップ依存性を説明する。Ａｒ（アルゴン）ガスステップを導入することで、ホール側壁でのテーパ角が垂直に近づいている。これに対し、アルゴンガスステップを採用しない場合には、ホール側壁にテーパーを生じており、アスペクト比の高いホールを低部に達するまで同じ径で形成することが困難なことを示している。アルゴンガスステップを採用することによって、アスペクト比が増大してもエッチストップすることなく、エッチングが進行し、ホール底面でのＣＤを維持できることを示している。これは、稀釈ガスとして、Ａｒ（アルゴン）ガスを導入することでラジカル密度が増加し、かつ生成されたＡｒ（アルゴン）イオンによってホール底部でのイオン衝撃が増加しエッチストップを抑制している効果による。
【００２１】
図８を用いて、シリコン基板のホール上部におけるＣＤのＡｒ（アルゴン）ガスステップ依存性を説明する。Ａｒ（アルゴン）ガスステップを導入することで、ホール上部のサイドエッチが±０ｎｍに近づいている。これに対し、アルゴンガスステップを採用しない場合には、ホール上部にサイドエッチが生じている。アルゴンガスステップを採用することによって、Ａｒ（アルゴン）ガスによりエッチストップが解消され、ホール底面から発生するエッチング反応生成物が増加し、このエッチング反応生成物がホールの側壁に付着してホールの側壁保護膜が厚くなることにより、サイドエッチが抑制されているからである。
【００２２】
また、上述の実施例では各効果について代表的な被エッチング材、マスク材、プロセス条件、エッチング形状を用いて具体的に示したが、類似の特性を示す材料、プロセスであれば、同様の作用効果が得られるのは言うまでもない。
【００２３】
また上述の実施例では半導体デバイスの前工程を中心に各効果を説明したが、半導体デバイスの後工程（配線接続、スーパーコネクト）、マイクロマシン、ＭＥＭＳ（ディスプレイ分野、光スイッチ分野、通信分野、ストレージ分野、センサー分野、イメージャ分野、小型発電機分野、小型燃料電池分野、マイクロプロ−バー分野、プロセス用ガス制御システム分野、医学バイオ分野の関係含む）等の分野でのエッチング加工技術に適用しても同様の作用効果が得られる。
【００２４】
上記のプラズマ処理方法において、前記エッチングガスを稀釈する希ガスをＨｅ（ヘリウム）、Ｎｅ（ネオン）、Ａｒ（アルゴン）、Ｘｅ（キセノン）ガスいずれかもしくはこれらの少なくとも二種以上の混合ガスとすることができる。
【００２５】
上記のプラズマ処理方法において、稀釈ガスの流量が被稀釈エッチングガス流量の１００％以上であることができる。
【００２６】
上記のプラズマ処理方法において、前記シリコン基板エッチングは、ＳＴＩ（ＳｈａｌｌｏｗＴｒｅｎｃｈＩｓｏｌａｔｉｏｎ）エッチングであることができる。
【００２７】
上記のプラズマ処理方法において、前記シリコン基板エッチングは、高アスペクト比のＤｅｅｐＴｒｅｎｃｈ（またはＨｏｌｅ）エッチングであることができる。
【００２８】
また、上述のこれら実施例では、マイクロ波ＥＣＲタイプの装置について述べたが、他の平行平板型ＲＩＥ装置、マグネトロンＲＩＥ装置、２周波励起プラズマ装置、表面波励起プラズマ装置、ＶＨＦプラズマ、ＵＨＦ−ＥＣＲプラズマ、ＴＣＰ、ＩＣＰ、ＥＣＲ等のタイプの装置についても同様の効果がある。
【００２９】
【発明の効果】
高アスペクト比のホールまたは、トレンチ加工プロセスにおいて、稀釈ガスとして希ガス（Ａｒ（アルゴン））を導入するステップにより、高エッチングレートで高精度な形状制御を実現できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例であるプラズマ処理装置を示す縦断面図。
【図２】ホールまたはトレンチの加工形状を示す縦断面図。
【図３】ホールまたはトレンチの加工形状を示す縦断面図。
【図４】ホールまたはトレンチの加工形状を示す縦断面図。
【図５】本発明の１実施例であるエッチング処理方法を説明するためのフローチャート。
【図６】本発明の１実施例における試料の加工形状を示す縦断面図。
【図７】Ａｒ（アルゴン）ステップの有無によるエッチング形状のテーパ角を示す図。
【図８】Ａｒ（アルゴン）ステップの有無によるホール上部のＣＤを示す図。
【符号の説明】
１０１…真空容器、１０２…シャワープレート、１０３…誘電体窓、１０４…処理室、１０５…ガス供給装置、１０６…真空排気口、１０７…円筒壁、１０８…天板、１０９…円筒空洞部、１１０…円矩形変換導波管、１１１…矩形導波管、１１２…電磁波発生用電源、１１３…磁場発生用コイル、１１４…被処理材、１１５…基板電極、１１６…整合器、１１７…基板バイアス電源、１１８…静電チャック電源、１１９…フィルター、２０１…マスク材、２０２…半導体基板、２０３…ホール／トレンチ、２０４…ボトムラウンド、２０５サイドエッヂ、５０１…ステップ１、５０２…ステップ２

Claims

プラズマを生成し、試料に高周波電圧を印加することによりシリコン基板をエッチングするプラズマ処理装置を用いた試料のプラズマ処理方法において、
被処理材と反応して揮発性化合物またはガスを生成するエッチングガスを、少なくとも１種類の希ガスによって稀釈した混合ガスを用いることを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１記載のプラズマエッチング処理方法において、
前記エッチングガスを用いてある一定時間の処理を行った後、前記混合ガスを用いるステップエッチング処理を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１または請求項２記載のプラズマ処理方法において、
前記シリコン基板にトレンチまたはホールをエッチングすることを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のプラズマ処理方法において、
前記シリコン基板のマスク材が酸化シリコンまたは窒化シリコンあるいはこれらの複合膜であることを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のプラズマ処理方法において、
前記エッチングガスを稀釈する希ガスをＨｅ（ヘリウム）、Ｎｅ（ネオン）、Ａｒ（アルゴン）、Ｘｅ（キセノン）ガスいずれかもしくはこれらの少なくとも二種以上の混合ガスとしたことを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項５記載のプラズマ処理方法において、
稀釈ガスの流量が被稀釈エッチングガス流量の１００％以上であることを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項６記載のプラズマ処理方法において、
前記エッチングガスがＨＢｒ（臭化水素）、Ｏ_２（酸素）、ＳＦ_６（六フッ化硫黄）を含むことを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１または請求項２記載のプラズマ処理方法において、
前記シリコン基板エッチングは、ＳＴＩ（ＳｈａｌｌｏｗＴｒｅｎｃｈＩｓｏｌａｔｉｏｎ）エッチングであることを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１または請求項２記載のプラズマ処理方法において、
前記シリコン基板エッチングは、高アスペクト比のＤｅｅｐＴｒｅｎｃｈ（またはＨｏｌｅ）エッチングであることを特徴とするプラズマ処理方法。