JP2005353830A

JP2005353830A - エッチング装置

Info

Publication number: JP2005353830A
Application number: JP2004172723A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Nishimori; 康博西森; Masamichi Sakaguchi; 正道坂口; Kenichi Kuwahara; 謙一桑原; Masunori Ishihara; 益法石原; Yoshiomi Kai; 美臣甲斐
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2004-06-10
Filing date: 2004-06-10
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2024-06-10
Also published as: JP4473051B2

Abstract

【課題】
エッチストップを発生させることなくテーパ加工を行うことのできるエッチング装置を提供する。
【解決手段】
処理室１０と、処理室内に配置した試料台８と、処理室内に処理ガスを供給するガス供給管１１並びに該ガス供給管を介して処理室に供給するガス流量を制御するマスフローコントローラ１２を備えたエッチング処理装置において、前記処理ガスは臭素ガスまたは塩素ガスおよび酸素ガスからなる混合ガスであり、前記マスフローコントローラは、処理ガスの導入開始の時点からウエハバイアス電圧が印加されるまでは、混合ガス中に占める酸素ガスの割合を、ポリシリコン層を順テーパ状にエッチングするに要する割合以下となるように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エッチング装置等に係り、特にエッチストップを発生させることなくテーパ加工を行うことのできるエッチングに関する。

半導体装置の形成プロセスにおいて、ポリシリコンをエッチングしてパターニングすることが行われる。このとき、得られるパターンを下地基板に対して垂直に立ち上がる形状に形成することが求められる場合がある。また、立ち上がり部（側壁）を垂直に対して角度をもたせ、上部を基部（下部）より小さい台形状としたテーパ（「順テーパ」と称する）状に形成することが求められる場合もある。

ポリシリコンのエッチング形状をテーパ状にする技術としては、以下の方法が知られている。

（１）サイドエッチングを利用する方法
（ａ）ＣＦ_４ガスによりケミカルドライエッチングを行う。この方法はＦラジカルによって等方性エッチングを行うことにより、テーパを付与するものである。

（ｂ）ＳＦ_６／ＣＣｌ_４ガスによりエッチングを行う。この方法は、ポリシリコン側壁に薄い側壁保護膜を形成することにより、適度にサイドエッチングを行い、これによりテーパを付与するものである。

しかし、これらの方法では、エッチング変換差が大きく、パターン形成用マスクの幅に対して形成されるパターンの幅寸法が正確に対応しない。このため、これらの方法では、微細加工が達成できない。
（２）レジストから生成するスパッタ生成物の量を増加させてテーパを付与する方法
この方法は、ＥＣＲ(Electron Cyclotron Resonance)を用いたエッチング装置において、ウエハバイアス電位を増大させてレジストに入射するイオンエネルギーを増大させることよりレジストからのスパッタ生成物のポリシリコン側壁への側壁保護膜としての付着量を増大させ、これによりテーパ形状を得るものである。

しかし、この方法では下地膜との選択比が低下する。また、この方法では、イオンエネルギを高くするため、例えば下地がＳｉＯ_２である場合、ポリシリコンとの選択比を大きくとることができず、ポリシリコンのオーバーエッチング時に下地ＳｉＯ_２がエッチングされることになる。

（３）臭素系ガスまたは塩素系ガスに酸素ガスを添加することによりポリシリコン側壁に側壁保護膜を形成する方法
この方法では、上記（１）、（２）の方法における問題点を解決し、ポリシリコンを任意の形状に良好にエッチングすることができる。例えば、サイドエッチングのない順テーパ状のエッチングが可能であり、また、下地材料である例えば下地ＳｉＯ_２との選択比の高いエッチングが可能である。しかし、処理ガスとしての酸素流量増加に伴い、被エッチング膜であるポリシリコンのエッチングが停止する（進行しない）状況（エッチングストップと呼ばれる）が発生することがある（特許文献１参照）。
特開平６−１６８９１６号公報

上述のように、ポリシリコンをテーパ状にエッチングしようとする場合においては、エッチング変換差が大きくなり、あるいは下地との選択比が低下し、あるいはエッチングストップが発生しポリシリコンのエッチングが停止する場合が生じる。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、エッチストップを発生させることなくテーパ加工を行うことのできるエッチング装置を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

処理室と、処理室内に配置した試料台と、処理室内に処理ガスを供給するガス供給管並びに該ガス供給管を介して処理室に供給するガス流量を制御するマスフローコントローラを備えたエッチング処理装置において、前記処理ガスは臭素ガスまたは塩素ガスおよび酸素ガスからなる混合ガスであり、前記マスフローコントローラは、処理ガスの導入開始の時点からウエハバイアス電圧が印加されるまでは、混合ガス中に占める酸素ガスの割合を、ポリシリコン層を順テーパ状にエッチングするに要する割合未満となるように制御する。

本発明は、以上の構成を備えるため、エッチストップを発生させることなくテーパ加工を行うことができる。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態にかかるプラズマエッチング装置を説明する図である。図１において、１はマイクロ波を発生するマグネトロン、２は導波管、３は石英板、４はソレノイドコイル、５は処理室１０内に発生したプラズマである。

マグネトロン１で発生したマイクロ波は、導波管２を経て石英板３を通過して処理室内に入射される。４は処理室の周りに設けたソレノイドコイルであり、ソレノイドコイル４により発生する磁界と石英板３を通過して入射するマイクロ波により電子サイクロトロン共鳴（ECR: Electron Cyclotron Resonance）が発生する。５はプラズマである。プロセスガスは、ＥＣＲにより効率良く高密度にプラズマ化することができる。

６は試料としてのウエハ、７は静電吸着電源、８はウエハを載置する試料台である。静電吸着電源７の直流電圧を試料台８に印加することにより、ウエハ６を試料台８に静電吸着することができる。９は高周波電源であり、試料台８に高周波電力を印加する。これにより、プラズマ中のイオンをウエハに対して垂直方向に加速する加速電位を与えることができる。１０は処理室、１１は処理室に処理ガスを供給するガス供給管、１２はガスの供給量を制御するマスフローコントローラである。１３はマイクロ波を発生するマグネトロン、１２はマスフローコントローラ、１３は高周波電源等をレシピにしたがって制御する制御装置である。なお、ガス供給管１１およびマスフローコントローラ１２は供給するガスの種類毎に設ける。

エッチング後の処理ガスは処理室下部に設けた排気口から、図示しないターボポンプ、ドライポンプ等を介して排気される。なお、以上の例では、プラズマ生成手段としてＥＣＲを例に説明したが、プラズマ生成手段はこの例に限定される訳ではない。

図２は、テーパ加工を施す際のエッチング工程を説明する図であり、図２（ａ）はエッチング処理前の試料の状態を示す図、図２（ｂ）はエッチング処理中の試料の状態を示す図である。これらの図において、１０３は下地層（ＳｉＯ_２）、１０２は下地層１０３上に形成したポリシリコン層、１０１はポリシリコン層１０２上に形成したマスクとしてのフォトレジストである。エッチング処理に際しては、ポリシリコン１０２上に形成したフォトレジスト１０１をマスクにしてポリシリコン１０２をエッチングすることにより、所望のパターンのポリシリコン電極を得ることができる。１０４はエッチングに際して形成された側壁保護膜であり、θは側壁保護膜のテーパ角を示す。

本実施形態では、処理ガスとして、ＨＢｒガスにＯ_２ガスを添加した混合ガスを用いて、プラズマエッチング処理する。なお、ＨＢｒガス（臭素系ガス）に代えて塩素系ガス用いることができる。図２（ｂ）に示すように、エッチングによって生じたポリシリコン１０２の側壁には、ＳｉとＢｒの反応性生物ＳｉＢｒｘおよびＳｉとＯの生成物ＳｉＯｘからなる側壁保護膜１０４が形成される。酸素ガスを種々の条件で供給することにより、垂直あるいはテーパ状のポリシリコンの電極断面を得ることができる。

例えば、酸素流量は、形成すべきテーパの形状、即ち順テーパであるか逆テーパであるか、およびそのテーパ角に応じて、最適な値を選定する。最適な酸素流量は、主として反応を進行させる臭素系あるいは塩素系ガスに対して定めることができる。また、酸素の好ましい流量はエッチング条件により種々変化するが、例えば、酸素流量が混合ガス流量の８％程度で、７６°程度のテーパ角のエッチングをエッチングストップすることなく達成することができる。また、酸素流量が混合ガス流量の１０％程度で、７２°程度のテーパ角のエッチングをエッチングストップすることなく達成することができる。

次に、図１に示すプラズマエッチング装置を用いて順テーパ状のエッチング形状を得るために行ったエッチング処理について、そのエッチング条件を示す。

（１）エッチング条件１
ＨＢｒガス流量：１００ｃｃｍ
Ｏ_２ガス流量：８ｃｃｍ
圧力：０．６Ｐａ
マイクロ波パワー：８００ｗ
ウエハバイアス：５５ｗ
これにより、ポリシリコンのエッチング形状は、約７６°の順テーパ形状が得られた。

（２）エッチング条件２
（エッチング条件１に対して、さらにテーパ角の小さな（θの小さい）テーパ形状を得るためにＯ_２ガス流量を８ｃｃｍから１０ｃｃｍに変更した。）
ＨＢｒガス流量：１００ｃｃｍ
Ｏ_２ガス流量：１０ｃｃｍ
圧力：０．６Ｐａ
マイクロ波パワー：８００ｗ
ウエハバイアス：５５ｗ
この条件ではエッチングストップが発生し、上記テーパ角度の要求を満たすことができなかった。

この現象は、ウエハバイアス出力によりプラズマ中のイオンがポリシリコン表面に衝突される以前に、Ｏ_２ガスによりポリシリコン１１の表面が酸化されるため、その後にウエハバイアスを印加してもポリシリコン表面に形成された酸化膜をエッチングすることができないために発生した現象と考えられる。

（３）エッチング条件３
（下記前処理条件でエッチング処理を実行した後、プラズマ放電を継続した状態で前記エッチング条件２の処理を行った。）
前処理条件
エッチング時間：１秒
ＨＢｒガス流量：１００ｃｃｍ
Ｏ_２ガス流量：３ｃｃｍ
圧力：０．６Ｐａ
マイクロ波パワー：８００ｗ
ウエハバイアス：０
これにより、ポリシリコンのエッチング形状は、エッチングストップが発生することなく、約７２°の順テーパ形状が得られた。

図３は、エッチング条件３の処理を説明する図である。図３において、「ＲＦ」は高周波電源９の出力、「マイクロ波」はマグネトロン１の出力、「ガス」は処理ガス中における酸素成分の割合を示す。また、横軸は時間を表し、Ｔ１は処理ガスの導入開始時点、Ｔ２はマイクロ波によりプラズマが発生する時点、Ｔ３はバイアス電圧の印加時点であり、この時点からエッチング条件２による処理が開始される。図に示すように、条件２による処理が開始される以前、すなわち、処理ガスの導入開始の時点Ｔ１から、処理条件２による順テーパ状エッチング開始時点Ｔ３までは、混合ガス中に占める酸素ガスの割合を、ポリシリコン層を順テーパ状にエッチングするに要する割合（この例の場合は８／１０８）未満の値（この例の場合は３／１０３）となるように制御する。これにより、エッチストップを発生させることなくテーパ加工を行うことができる。

図４は、本実施形態による効果を説明する図である。図４に示すように、エッチング条件３（エッチング条件２の前に前処理を挿入した条件）の場合は酸素ガス流量を１２ｃｃｍまで増加してもエッチングストップが発生することはない。このため、より小さいテーパ角θのテーパ形状を得ることができる。一方、従来のエッチング条件（条件１，２）では、酸素ガス流量が１０ｃｃｍでエッチングストップが発生した。
このように、前処理としての、処理ガスの導入開始時点からウエハバイアス電圧が印加されるまでの混合ガス中に占める酸素ガスの割合を略３％（３／１０３）以下に制限することによりエッチングストップを発生させることなくテーパ加工を行うことができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、ポリシリコンを広範囲のテーパ角（順テーパおよび逆テーパ）でエッチングすることができる。また、ポリシリコンを順テーパ角でエッチングする場合、サイドエッチングのないエッチングが可能である。また、下地材料であるＳｉＯ_２との選択比を高く設定することができる。

本発明の実施形態にかかるプラズマエッチング装置を説明する図である。テーパ加工を施す際のエッチング工程を説明する図である。エッチング条件３の処理を説明する図である。本実施形態による効果を説明する図である。

符号の説明

１マグネトロン
２導波管
３石英版
４ソレノイドコイル
５プラズマ
６ウエハ
７静電吸着電源
８試料台
９高周波電源
１０処理室
１１ガス供給管
１２マスフローコントローラ
１３制御装置
１０１フォトレジスト
１０２ポリシリコン
１０３下地（ＳｉＯ_２膜）
１０４側壁保護膜

Claims

処理室と、処理室内に配置した試料台と、処理室内に処理ガスを供給するガス供給管並びに該ガス供給管を介して処理室に供給するガス流量を制御するマスフローコントローラを備えたエッチング処理装置において、
前記処理ガスは臭素ガスまたは塩素ガスおよび酸素ガスからなる混合ガスであり、前記マスフローコントローラは、処理ガスの導入開始の時点からウエハバイアス電圧が印加されるまでは、混合ガス中に占める酸素ガスの割合を、ポリシリコン層を順テーパ状にエッチングするに要する割合未満となるように制御することを特徴とするエッチング装置。
請求項１記載のエッチング装置において、
処理ガスの導入開始時点からウエハバイアス電圧が印加されるまでの、混合ガス中に占める酸素ガスの割合は略３％以下であることを特徴とするエッチング装置。
下地層としてのＳｉＯ層上にポリシリコン層およびフォトレジスト層を順次積層した試料を処理室内に配置した試料台に載置し、処理室内に生成した処理ガスのプラズマを利用して、フォトレジスト層をマスクとしてポリシリコン層を順テーパ状にエッチングするエッチング方法であって、
処理ガスとして臭素ガスまたは塩素ガスと酸素ガスの混合ガスを用い、エッチング開始に際しては、処理ガスの導入開始の時点からウエハバイアス電圧を印加するまでは、混合ガス中に占める酸素ガスの割合を、ポリシリコン層を順テーパ状にエッチングするに要する割合未満とすることを特徴とするエッチング方法。
請求項１記載のエッチング方法において、
処理ガスの導入開始時点からウエハバイアス電圧が印加されるまでの、混合ガス中に占める酸素ガスの割合は略３％以下であることを特徴とするエッチング方法。