JP2005203512A

JP2005203512A - プラズマ処理方法及び装置

Info

Publication number: JP2005203512A
Application number: JP2004007195A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Sumiya; 誠浩角屋; Shigeru Shirayone; 茂白米; Yutaka Omoto; 大本　　豊; Nushito Takahashi; 主人高橋
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2004-01-14
Filing date: 2004-01-14
Publication date: 2005-07-28

Abstract

【課題】マスク膜厚の薄い高アスペクト比のエッチングにおいて、下地膜（エッチングストッパ膜）の高選択比で高精度な高アスペクト比のエッチングを実現可能な処理条件とするプラズマ処理方法及び装置を提供する。
【解決手段】プラズマを生成し、高周波電圧を印加することによりウエハ上の被処理材をエッチングするプラズマ処理方法において、エッチング中にウエハ温度を、被処理材のパターン内底部までラジカルが入射できる温度にステップ的に変化させる。メインエッチング中は低温で、オーバーエッチング中は高温で、それぞれエッチングする。
【選択図】図５

Description

本発明は、プラズマ処理方法及び装置に係わり、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。

エッチング処理をプラズマ処理装置を用いて行う場合、処理ガスを電離し活性化することで処理の高速化をはかり、また被処理材に高周波バイアス電力を供給しイオンを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、非特許文献１記載のように、エッチングガスとして、Ａｒ，Ｏ_２，Ｃ_ｘＦ_ｙ（例えばＣ_４Ｆ_８，Ｃ_５Ｆ_８，Ｃ_４Ｆ_６等），ＣＯを用いてエッチング処理を行っている。デバイスの微細化に伴い、レジストマスクの露光も短波長側へシフトし、そのためレジスト厚さが薄くなり、エッチング処理を行う際に高マスク選択比を確保することが要求されてきた。特に、ＡｒＦレジストではエッチング時のプラズマ耐性が著しく低下することが知られており、そのため、エッチング処理の低温化が要求されている。しかしエッチングプロセスの低温化は特に高アスペクトのホール等をエッチングする場合、ホール内のラジカルの付着係数が増大し、デポが局在するため、ホール加工の形状異常（ボーイング形状や下地選択比不足）が発生するという問題があった。
特許第２７１３９０３号公報Ｈ．Ｈａｙａｓｈｉ：１９９６ＤＰＳｐ１３５Ｍ．Ｉｚａｗａｅｔ．ａｌ．：１９９９ＤＰＳｐ２９１

本発明の目的は、マスク膜厚の薄い高アスペクト比のエッチングにおいて、下地膜（エッチングストッパ膜）の高選択比で高精度な高アスペクト比のエッチングを実現可能な処理条件とするプラズマ処理方法及び装置を提供することにある。

本発明のプラズマ処理方法では、エッチング中にウエハ温度を変化させ、ホール内のラジカル輸送を制御し、低温でのエッチングプロセスを可能とすることにより、マスク（レジスト）選択比と下地膜（エッチングストップ）との選択比を向上することが可能である。エッチング中にウエハ温度を可変にする技術としては特許文献１記載のように、エッチング残渣を除去可能な温度に維持することは知られているが、本技術では、ホール内に入射するラジカルがホール底まで到達できる温度を維持するようにウエハ温度を調整する。

すなわち、本発明は、プラズマを生成し、高周波電圧を印加することによりウエハ上の被処理材をエッチングするプラズマ処理方法において、エッチング中に前記ウエハ温度を、被処理材のパターン内底部までラジカルが入射できる温度にステップ的に変化させるプラズマ処理方法である。

また、本発明は、上記ウエハ温度を、メインエッチング中は低温で、オーバーエッチング中は高温で、それぞれエッチングするプラズマ処理方法である。

そして、本発明は、上記被処理材は、下地膜と被処理膜の多層構造であるプラズマ処理方法である。

更に、本発明は、上記被処理材は、ＳｉＯ_２又はＳｉＮからなるプラズマ処理方法である。

また、本発明は、上記被処理材は、ＳｉＯＣ又はＳｉＣからなるプラズマ処理方法である。

そして、本発明は、ＡｒＦレジストマスクを用いるプラズマ処理方法である。

更に、本発明は、上記ウエハの裏面圧力を変化させることによって、ウエハ温度を制御するプラズマ処理方法である。

また、本発明は、上記ウエハ裏面冷却ガス種を２種類以上使用し、それぞれの流量を変化させることによりウエハ温度を制御するプラズマ処理方法である。

そして、本発明は、上記ウエハに印加するバイアス出力を変化させることによりウエハ温度を制御するプラズマ処理方法である。

更に、本発明は、プラズマを生成する手段と、高周波電圧を印加する手段とを備え、ウエハ上の被処理材をエッチングするプラズマ処理装置において、前記ウエハ裏面に流す冷却ガスを排気する流路もしくは排気装置を具備するプラズマ処理装置である。

また、本発明は、上記ウエハ裏面に流す冷却ガスを供給する装置を２つ以上有するプラズマ処理装置である。

本発明によれば、エッチング中にウエハ温度をステップ的に変化させ、ホール内のラジカル輸送を制御し、低温でのエッチングプロセスを可能とすることにより、マスク（レジスト）選択比と下地膜（エッチングストップ）との選択比を向上することが可能である。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本発明のプラズマ処理方法及び装置の実施例について、図面を用いて説明する。

実施例を説明する。図１は、典型的なホールエッチングを示す概念図である。フォトレジストマスク１０１をマスクにＢＡＲＣ膜１０２をエッチングし、その後、被処理材（例えばＳｉＯ_２）膜１０３をエッチングし、好ましくはエッチングストップ膜１０４上で選択的にエッチングを停止させる（図１（ｂ）参照）。しかしエッチングストップ膜１０４と被処理材１０３の選択比が不十分であると、図１（ｃ）のように下地抜け等の不良を発生してしまうという問題がある。

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）及びＣＯ等を用いてエッチングを行っている。非特許文献２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。

図２にエッチングストップ膜（例えばＳｉＮ膜）とＴＣＲ温度の依存性を示す。縦軸がＳｉＮエッチングレート、横軸がＴＣＲ温度を示す。ＴＣＲ温度を高くするほど下地ＳｉＮエッチングレートが減少する。ウエハ温度が高温の場合と低温の場合のホール内のデポ分布の概念図を図３（ａ）（ｂ）にそれぞれ示す。ウエハ温度を高温化することにより付着係数が低下しホール内のラジカル輸送が増加するため、ホール底部までＣＦｘラジカルが輸送されるため、下地ストッパー膜のエッチングが抑制される。

図４にマスク選択比とＴＣＲの依存性を示す。ＴＣＲ温度が高く、ウエハ温度が高いほどレジスト選択比が低下する。これは高温にすることにより、レジストの反応が活性化するためにレジストのエッチングレートが増加するためである。従って、レジストマスクの選択比を向上するためには低温でのプロセス構築が必要である。

レジストマスクと下地膜との選択比の両方を確保するために、図５に示すようにウエハ温度をエッチングプロセス中に変化させることが必要である。被処理材をエッチングするメインエッチング中は比較的低温でエッチングを実施し、エッチングストップ膜が露出するオーバーエッチング中は比較的高温でエッチングを行うことにより、マスク及び下地エッチングストップ膜の選択比を向上することが出来る。

図６にウエハを載置する電極でのウエハ温調機構を示す。ウエハ６０１と静電吸着膜６０３との間に冷却ガス６０２を導入し、ウエハと電極間の伝熱効率を向上する。更に電極６０４に冷媒流路６０５を設け、冷却装置６０６により温調された冷媒によりウエハから入力された熱を除去することが可能である。ここで、ウエハ温度を可変とするための方法について以下説明する。

図７はウエハ温度をウエハ裏面圧力を変化させることにより制御した例である。このようにウエハ裏面圧力を変化させることにより、ウエハから電極への伝熱効率を変化させることが可能であり、ウエハ温度を変化させることが可能である。従って、マスク及び下地選択比を向上することが可能であるという効果がある。

図８はウエハ温度をウエハ裏面に流す冷却ガス種流量を変化することにより制御した例である。ガス種により伝熱効率が異なることから、ウエハから電極への伝熱効率を変化させることが可能であり、ウエハ温度を変化させることが可能である。例えば、ウエハ温度を比較的低温に維持したいメインエッチング中には、伝熱効率の高いＨｅガス流量を伝熱効率が低いＡｒガス流量に比べて多く流し（Ａｒガスを流さない場合もあり）、オーバーエッチング中では逆にＡｒガス流量をＨｅガス流量よりも多く流す（Ｈｅガスを流さない場合もあり）。これらのガス流量及び切替時間の設定はエッチングレシピにより制御可能である。従って、マスク及び下地選択比を向上することが可能であるという効果がある。ここでは、冷却ガスとしてＨｅとＡｒの２種類のガスを使用したが、伝熱効率の異なる他の複数種のガスを使用しても同様の効果がある。

図９はウエハ温度をウエハに投入するウエハバイアス出力を変化することにより制御した例である。ウエハバイアス出力を変化することによりウエハに入射するイオンのエネルギーが変化し、ウエハへの入熱が変化するためウエハ温度を変化させることが可能である。従って、マスク及び下地選択比を向上することが可能であるという効果がある。

また上記実施例では、ウエハ温度を変化させる手段として、ウエハ裏面冷却ガス圧力、冷却ガス種、投入するウエハバイアス出力をそれぞれ時間変化させる手段について述べたが、これらの手段を組み合せることで、更にウエハ温度の時間変化の制御性を向上させることが可能である。

図１０は、前記ウエハ温度をより応答性良く制御するため、図６に示す機構の他にガス流路６０２にガス排気装置６０８を接続した例である。該ガス排気装置６０８によりウエハ裏面圧力をより高速に制御することが可能であることから、ウエハ温度をより時間応答良く制御することが可能であり、従って、マスク及び下地選択比をより精度良く制御することが可能であるという効果がある。

ホールエッチングを示す概念図。エッチングストップ膜とＴＣＲ温度の関係を示す特性図。ウエハ温度によるホール内デポ付着分布を示す概念図。マスク選択比とＴＣＲ温度の関係を示す特性図。ウエハ温度の時間変化の説明図。ウエハ冷却機構の概念図。ウエハ裏面圧力を変化させたときのウエハ温度の時間変化の説明図。ウエハ裏面ガス種を変化させたときのウエハ温度の時間変化の説明図。ウエハバイアス出力を変化させたときのウエハ温度の時間変化の説明図。ウエハ冷却機構の概念図。

符号の説明

１０１…フォトレジストマスク、１０２…反射防止膜（ＢＡＲＣ）、１０３…被処理材、１０４…エッチングストップ膜、１０５…シリコン基盤、３０１…デポ膜、３０２…デポ膜、６０１…ウエハ、６０２…ガス流路、６０３…静電吸着膜、６０４…電極、６０５…冷媒流路、６０６…冷却装置、６０７…ガス供給装置、６０８…ガス排気装置

Claims

プラズマを生成し、高周波電圧を印加することによりウエハ上の被処理材をエッチングするプラズマ処理方法において、
エッチング中に前記ウエハ温度を、被処理材のパターン内底部までラジカルが入射できる温度にステップ的に変化させることを特徴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、
上記ウエハ温度を、メインエッチング中は低温で、オーバーエッチング中は高温で、それぞれ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又は２に記載のプラズマ処理方法において、
上記被処理材は、下地膜と被処理膜の多層構造であることを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法において、
上記被処理材は、ＳｉＯ_２又はＳｉＮからなることを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法において、
上記被処理材は、ＳｉＯＣ又はＳｉＣからなる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、
ＡｒＦレジストマスクを用いることを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法において、
上記ウエハの裏面圧力を変化させることによって、ウエハ温度を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法において、
上記ウエハ裏面冷却ガス種を２種類以上使用し、それぞれの流量を変化させることによりウエハ温度を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法において、
上記ウエハに印加するバイアス出力を変化させることによりウエハ温度を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
プラズマを生成する手段と、高周波電圧を印加する手段とを備え、ウエハ上の被処理材をエッチングするプラズマ処理装置において、
前記ウエハ裏面に流す冷却ガスを排気する流路もしくは排気装置を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１０記載のプラズマ処理装置において、
上記ウエハ裏面に流す冷却ガスを供給する装置を２つ以上有することを特徴とするプラズマ処理装置。