JP2006066536A - プラズマ処理装置及び処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
処理室内の反応生成物量や酸素ラジカルの量の時間変化を設定することにより、微細パターンの加工形状を任意に制御する。
【解決手段】
複数の処理ガスを供給するガス供給手段３，４，５、ガスを排出するガス排気系９および試料台６を備えた処理室１と、処理室内に供給した処理ガスに高周波電力を供給する電磁エネルギ供給手段２を備え、該電磁エネルギ供給手段により前記処理ガスをプラズマ化して、試料台上に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、処理室内に発生したプラズマ発光のスペクトルを検出する分光器１５と、供給する複数の処理ガスの流量を制御する流量制御器４と、流量制御器を制御する制御器１３を備え、該制御器は、プラズマ発光のスペクトルをもとに反応生成物の量を計算する計算部１７と、反応生成物の量の目標値を入力する入力部を備え、反応生成物の量の計算結果が入力された目標値に一致するように処理ガスの流量を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマ処理技術に係り、特に、加工形状を任意に制御することのできるプラズマ処理技術に関する。

半導体デバイスの製造プロセスに用いられるプラズマエッチング装置は、リソグラフィ装置等により、ウエハ上のポリシリコンに所定のパターンでレジストを形成し、形成したレジストをマスクとしてウエハ上のポリシリコンを加工し、ウエハ上にポリシリコンなどからなるＣＭＯＳゲート電極を形成する。最近では、このようなエッチング装置を用いて、ＭＥＭＳやＮＥＭＳ等の新しいデバイス（マイクロマシン）が製作されている。

プラズマエッチングは、プラズマ中のイオン及びラジカル（radical）を用いたＲＩＥ(Reactive Ion Etching)と呼ばれるメカニズムによりウエハを加工する。ＲＩＥでは、ウエハにバイアス電圧を印加することにより荷電粒子であるイオンをウエハに引き込む。このため、イオンはウエハに垂直な方向に加速されることになり、異方性エッチング(anisotropic etching)が進行することになる。

異方性エッチングでは、イオンがエッチング進行面にのみ入射しパターンの側壁には入射しない。このため、ウエハに対して垂直な方向にのみエッチングが進み、垂直なパターン側壁形状を得ることができる。一方、プラズマ中のラジカルは電荷を帯びていないためバイアスの影響を受けることなく、様々な角度でウエハに入射する。このため等方性エッチング（isotropic etching）を引き起こすことになる。等方性エッチングではラジカルがパターン側壁を削るため、側壁形状には、パターン形状の細りとなって表れる。

プラズマエッチング装置におけるＲＩＥでは、プラズマ中にイオンとラジカルの双方が存在するため、前記の異方性エッチングと等方性エッチングが同時に進行する。また、エッチング進行面におけるエッチング作用の結果生じる反応生成物は、パターン側壁に再付着して、パターン側壁をラジカルによる等方性エッチングから保護する側壁保護膜を形成する。

反応生成物による側壁保護膜に関する知見は、例えば非特許文献１に開示されている。ＲＩＥでは、エッチングされたパターンの側壁形状は等方性エッチングと反応生成物による保護作用のバランスにより決定される。例えば、反応生成物による保護作用に比して等方性のエッチングが強い場合には、垂直に削るはずのゲート電極の側壁が抉れて逆テーパ形状となる。これとは逆に等方性のエッチングが弱い場合には、側壁に付着する反応生成物の蓄積により側壁は徐々にせり出して順テーパ形状となる。

従来のゲート電極やＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）などの加工において、パターン側壁の加工形状を調整する場合、固定された処理条件を有する複数の処理ステップを組み合わせてエッチング加工を実施するのが通常であった。このような技術は前記の非特許文献１に開示されている。

また、特開平６−２１６０６９号公報には、ポリシリコンゲート電極のエッチングにおいて、被エッチング材料であるポリシリコン膜のエッチング終了直前に下地の酸化膜が露出したとき、反応生成物の量が減少することにより側壁保護膜が薄くなり、ゲート電極の側壁下部に抉れ（ノッチ）が発生すること、及びこのような不具合を解決するため、エッチングガスの供給量を下げるか、あるいは反応生成物と同等のガスの添加量を増加することが示されている。
X. Detter Journal of Vacuum Science and Technology B, Vol.21, No.5, pp.2174 特開平６−２１６０６９号公報

しかしながら、前記非特許文献１に示されるような従来のエッチング処理では、各エッチングステップの処理条件は固定条件であるため、処理室の壁面状態の経時変化などに伴い加工形状が変動することがある。また、エッチングの進行に伴いウエハから放出される反応生成物の量が変化するため、側壁形状が変動することがある。

また、特許文献１に開示された手法は、発光モニタの計測値をもとに反応生成物の量を一定に保持し、あるいはエッチャント（ラジカル）と反応生成物の比を一定に保持する手法であり、パターン側壁形状を任意の形状に制御することはできない。。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、加工断面形状を任意に制御することのできるプラズマ処理技術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。

複数の処理ガスを供給するガス供給手段、ガスを排出するガス排気系および試料台を備えた処理室と、処理室内に供給した処理ガスに高周波電力を供給する電磁エネルギ供給手段を備え、該電磁エネルギ供給手段により前記処理ガスをプラズマ化して、試料台上に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、処理室内に発生したプラズマ発光のスペクトルを検出する分光器と、供給する複数の処理ガスの流量を制御する流量制御器と、流量制御器を制御する制御器を備え、該制御器は、プラズマ発光のスペクトルをもとに反応生成物の量を計算する計算部と、反応生成物の量の目標値を入力する入力部を備え、反応生成物の量の計算結果が入力された目標値に一致するように処理ガスの流量を制御する。

本発明は、以上の構成を備えるため、反応生成物の量とラジカルの量を最適に制御して、任意の加工断面形状を得ることができる。

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係るプラズマエッチング処理装置を説明する図である。このエッチング装置を用いることにより、半導体ウエハあるいはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System：マイクロマシン）などの試料をプラズマを用いて加工することができる。処理装置は処理室１に供給する処理ガスの量を調整するための流量制御器４及びガス供給管３を備えている。処理条件に応じて決められた流量の処理ガスが流量制御器４によって供給され、ガス供給管を通ってガス供給器５より処理室１に導入される。ガス供給器５は石英シャワープレートと呼ばれる石英でできた多孔板である。処理ガスは石英プレート１２とガス供給器５の間隙を流れてガス供給器５の孔に到達し、そこから処理室内に噴出する。

処理装置は処理ガスをプラズマ化するために必要な電磁エネルギを供給する電磁エネルギ供給手段２、処理ガスを排気して処理室を低圧状態に保つためのガス排気系９、処理室内の圧力を調整するための圧力調整弁８を備えている。また、処理装置はウエハ７を設置するための試料台６、ウエハにプラズマ中のイオンを引き込むための高周波バイアス電力を供給するためにバイアス電源１０、バイアス電力伝送路１１を有する。

また、処理室にはプラズマの発光状態を観測するための観測窓１６、観測窓からの光を導くための光ファイバ１４、プラズマ発光をスペクトル分解するための分光器１５が備えられている。また、分光器１５からプラズマ発光状態信号を受け取り、処理室内にある反応生成物の量を計算する密度計算部１７が備えられる。また、加工形状制御器１３は、密度計算部１７で計算された反応生成物の量を基に処理室に供給されるガス流量や処理室内の圧力を制御する。これにより、試料７表面の微細パターンの加工形状（断面形状）を任意に制御することができる。

図２は、プラズマエッチング処理装置によるウエハの加工状態を説明する図である。プラズマエッチングに際しては、まず、図２（ａ）に示すようにウエハ上の被加工材料２２の一部をマスク２１で被覆し、次いで、図２（ｂ）に示すようにプラズマにより被加工材料をエッチングする。マスク２１の材料としてはシリコン酸化物やシリコン窒化物に代表されるハードマスクあるいは有機系の材料を用いたレジストマスクが一般的に用いられる。被加工材料２２はシリコン化合物であることが多いが、ウエハ上に堆積した金属などであることもある。

プラズマエッチング中には、エッチングされた材料が反応生成物となってプラズマ中に放出される。この反応生成物はガス供給器５により供給されているガスの流れと拡散によりガス排気系９により排気されて行く。しかし、ウエハ７からの反応生成物の放出量と排気効率のバランスで決まるある一定量の反応生成物は処理室１の内部に常に溜まっていることになる。なお、ここでいう反応生成物は、ウエハから放出された成分がプラズマ中で解離したものも含む。例えば塩素系のガスを用いてシリコンをエッチングしているときには、主にＳｉＣｌ_２とＳｉＣｌ_４などが反応生成物としてウエハから放出され、これらはプラズマ中で分解してＳｉ，ＳｉＣｌ，ＳｉＣｌ_３などを生成する。また、エッチングガスにＨＢｒなどを用いたときには、ＳｉＢｒ等の反応生成物で同様の解離種が生成される。また、フロロカーボン系のガスを用いた場合にはＳｉＦ等の反応生成物において同様の解離種が生成される。更にエッチングガスが解離して生成したものを含む。

図３は、プラズマエッチング処理装置によるウエハの加工結果（断面形状）を説明する図である。エッチング処理装置の処理室１に滞留している反応生成物が再びウエハ７に入射すると加工中の微細パターンの側壁３１に付着する。エッチング中にはプラズマ中のラジカルが側壁を一定量削っているため、反応生成物が全く無い場合は図３（ａ）に示すように側壁の加工結果は逆テーパ形状になる。反応生成物の側壁への付着量とラジカルによる側壁の削れ量とが丁度バランスするときに垂直形状が得られ、反応生成物が多い場合は図３（ｂ）に示すような順テーパ形状の加工結果が得られる。

エッチングに用いるガスは、所定の加工形状、下地選択比、マスク選択比などを維持するために複数の種類のガスを混合して用いる。ここで、処理室１に供給されるガスの流量の総和をガス総流量と呼ぶ。なお、流量制御器４によりガスの総流量を変えるとウエハから放出された反応生成物の排気効率が変化するため、処理室内の反応生成物の量を制御することができる。

図４は、供給ガスの総流量と処理室内の反応生成物量の関係を説明する図である。図に示すように、ガスの総流量を増加させると反応生成物の排気効率が良くなり、処理室１内の反応生成物の量が減少する。また、ガス総流量を減少させると反応生成物の排気候率が悪くなって処理室１内の反応生成物の量が増加する。

反応生成物の量を制御するために供給するガスの総流量を変えるときには、プラズマ中のエッチャントのバランスが変わらないように各成分ガスの分圧を維持することが望ましい。そのためには各成分ガスの流量をほぼ同じ比率で変化させるとよい。また、ウエハ７上の反応生成物の分布を調節するために、ガス供給器５にシャワープレートを用いてシャワープレートの孔の配置を最適化すると良い。特に、シャワープレートの孔を中心付近に集中させ、シャワープレートとウエハ７の距離を近づけるとウエハ近傍の反応生成物の排気効率を供給ガスの総流量で調整するのに都合がよい。

図５は、分光器１５により生成した発光スペクトルを示す図である。プラズマ中の反応生成物の量は、図５に示す発光スペクトルにおける特定波長の発光強度を観測することにより測定できる。実際には、反応生成物の発光強度はプラズマの電子温度や電子密度の影響を受けるため反応生成物の量そのものとは異なる。しかし、制御因子を限定すれば反応生成物の発光強度が反応生成物の量であるとして実用上問題ない。例えば、本発明で用いている総流量を変化させた場合などには電子密度や電子温度の変化は小さく、反応生成物の発光強度の変化により反応生成物の量を計測することができる。また、反応生成物の量をより正確に計測するためにはアクチノメトリ法を用いることもできる。アクチノメトリ法では処理ガスにアルゴンなどの不活性ガスを微量添加し、その不活性ガスの発光強度と反応生成物の発光強度の比を反応生成物の量と考える。この方法によれば電子密度の変動の影響をなくすことができる。また、反応生成物は図５に示す発光スペクトルの幾つかの波長の和から計算することもできる。前記のように反応生成物はプラズマ中で解離したり、ウエハから複数の種類の反応生成物が放出されることがあるためである。

次に、図６、７を用いて本発明の他の実施形態を説明する。図６は反応生成物の量の時間変化の設定（デザインカーブ）例を示す図である。プラズマによるエッチングが時間ｔ０で処理を開始すると、加工形状制御器１３は分光器１５を用いて反応生成物のモニタを開始し、反応生成物の発光強度がユーザにより設定されたデザインカーブ５１に一致するようにガスの総流量を制御する。

制御の結果、反応生成物の発光強度５２は、図６の５１に示す設定値に近い時間変化をすることになり、パターン側壁は反応生成物の量に応じて所望の加工形状となる。

このようなデザインカーブの設定作業はクリーンルーム内で装置のコンソール画面に向かって実行するのは適当ではない。このため、ＬＡＮなどを介してオフィスに設置されたコンピュータなどから処理装置にリモートアクセスし、デザインカーブを設定できるようしておくとよい。また、量産ラインにおいては、全ての装置を管理する上位コンピュータなどから処理装置がデザインカーブを受信できるような機構を設けておくことが望ましい。

図７は、図６に示した反応生成物の時間変動パターンを設定した場合に得られるパターン側壁の形状（断面形状）を示す図である。すなわち、図６に示すように、時間ｔ１ないしｔ２間で反応生成物の量を大きく設定すると、図７の加工期間ｔ１ないしｔ２に示すように断面が順テーパ状の加工形状を得ることができる。

次に、図８，９を用いて、本発明の更に他の実施形態を説明する。図８は反応生成物の量の時間変化の他の設定（デザインカーブ）例を示す図である。図８のデザインカーブ５１’に示すように反応生成物の量の時間変化を設定した場合には、図９に示すような曲線状の側壁断面形状を得ることができる。すなわち、図８に示すように、時間ｔ１ないしｔ２間で反応生成物の量を順次大きく設定すると、図７の加工期間ｔ１ないしｔ２に示すように断面が順テーパ形状でかつ曲線状の加工形状を得ることができる。

なお、反応生成物の量を所定量に保持して、完全に垂直な断面形状を得ようとしても、表面反応の影響のため裾の部分が順テーパ形状の曲線になる場合がある。このようなときには、逆の形状の加工形状が得られるように、反応生成物が順次減少するようなデザインカーブを設定することにより、前記裾部の順テーパ形状の曲線を解消して完全に垂直な形状を得ることができる。

反応生成物量を供給ガスの総流量により制御するには、図１における流量制御器４での流量制御の結果が直ちに処理室１内に影響を与えることが必要である。流量制御器４を通過したガスがガス供給管３を通ってガス供給器に達し、さらに処理室１内部に噴出するまでには時間遅れが生じる。このため、流量制御器４は処理室にできるだけ近接して配置し、流量制御の遅延時間を０．５秒以下に設定するのが望ましい。

ところで、反応生成物が微細パターンの側壁に付着する率は、前述のように、反応生成物の量とプラズマ中に存在する酸素ラジカルの量に依存する。処理室内に石英などを使用している場合には、石英からも酸素が供給される。酸素ラジカルは処理室１の壁の表面状態の影響を受けやすいため、多数のウエハの処理を続けたときにその量が変動しやすい。 また、酸素流量を一定に設定しておいても、処理ステップ中に酸素ラジカルの量が大きく変動していることがある。このため、酸素ガスを用いたプラズマエッチングでは前記の分光器により反応生成物の発光強度と同時に酸素ラジカルの発光強度をモニタし、これにより供給ガス中の酸素流量を制御して酸素ラジカルの量を一定に保持することが必要である。なお、酸素を供給しなくとも前記のように石英部品から酸素が供給されるため、酸素ラジカルの量を一定に保持する制御が必要となる。

図１０は、反応生成物の量の時間変化の設定（デザインカーブ）、及び酸素ラジカルの設定例を示す図である。図に示すように、反応生成物の発光強度１０２がユーザにより設定されたデザインカーブ１０１に一致するようにガスの総流量を制御する。また、酸素ラジカルの発光強度１０４がユーザにより設定された値１０３に一致するように酸素供給量を制御する。

ここまでの説明は、酸素ラジカルの量を一定に保持して、反応生成物の量をガスの総流量を制御することにより制御する例を説明した。しかし、ガスの総流量を制御することにより反応生成物の量を一定に保持し、酸素ラジカルの量を制御することにより、加工形状を制御することができる。

なお、処理ガスとしてフロロカーボンガスなどのカーボン系のガスを用いた場合には、カーボンラジカルが前記酸素ラジカルと同様の働きをする。また、処理ガスに窒素系のガスを用いた場合には、窒素ラジカルが前記酸素ラジカルと同様の働きをする。このため、カーボンラジカルあるいは窒素ラジカルを制御することが望ましい。ここで、カーボン系のガスが反応生成物である場合には、酸素ラジカルは反応生成物の付着量を減少させる効果がある。このため、供給量の時間変動を制御する必要があるのは同じであるが、パターンを太らせるためには酸素供給量を減少させることが必要である。

反応生成物が微細パターンの側壁に付着する率は、ウエハの温度にも依存する。通常、試料台６はウエハの温度を調整する機構を備えているため、ウエハ温度も制御対象に加えることができる。

また、処理ガス（エッチングガス）の量がほぼ一定であり反応生成物の量、酸素ラジカルの量及びウエハ温度から、パターン側壁断面のテーパ角を計算することができる場合には、例えば、図６に示す反応生成物の量の時間変化の設定（デザインカーブ）に代えて、直接パターン側壁形状を入力し、この入力された側壁形状に合うように反応生成物または酸素ラジカルの時間変動パターンを調整してもよい。

なお、以上の例では、ゲート電極などに見られるように、エッチングにより凸型の構造形成する例を説明したが、凹型の溝を形成する場合も用いることができる。特にダマシンゲートなどの加工に用いると好適である。

また、以上の例では、反応生成物の量あるいは酸素ラジカルの量の時間変化を制御した。しかし、加工形状を任意の形状にするためにはエッチングに寄与する３つ以上のラジカルの時間変化を制御する必要がある場合がある。このような場合には、これらのラジカルを別々に独立に制御するのは困難であるため、プラズマ発光スペクトルの主成分解析を行い、複数得られる主成分スコアのうち形状に寄与の大きい主成分を一つ或いは二つ抽出し、その時間変化を所望の時間変動パターンにあわせるような制御をするとよい。主成分分析のかわりにＰＬＳ（Partial Least Squares：回帰分析）法などの手法を用いて発光スペクトルと加工形状の相関を調べ、ＰＬＳスコアの時間変動波形を所望のパターンにあわせるように制御してもよい。

以上説明したように、処理室内の反応生成物量や酸素ラジカルの量の時間変化を設定することにより、微細パターンの加工形状を任意に制御することができる。

本発明の実施形態に係るプラズマエッチング処理装置を説明する図である。 プラズマエッチング処理装置によるウエハの加工状態を説明する図である。 プラズマエッチング処理装置によるウエハの加工結果を説明する図である。 供給ガスの総流量と処理室内の反応生成物量の関係を説明する図である。 分光器により生成した発光スペクトルを示す図である。 反応生成物の量の時間変化の設定例を示す図である。 図６に示した反応生成物の時間変動パターンを設定した場合に得られるパターン側壁の形状を示す図である。 反応生成物の量の時間変化の他の設定例を示す図である。 図８に示した反応生成物の時間変動パターンを設定した場合に得られるパターン側壁の形状を示す図である。 反応生成物の量の時間変化の設定、及び酸素ラジカルの設定例を示す図である。

符号の説明

１ 処理室
２ 電磁エネルギ供給手段
３ ガス供給管
４ 流量制御器
５ ガス供給器
６ 試料台
７ ウエハ
８ 圧力調整弁
９ ガス排気系
１０ バイアス電源
１１ バイアス電力伝送路
１２ 石英プレート
１３ 加工形状制御器
１４ 光ファイバ
１５ 分光器
１６ 観測窓
１７ 密度計算部
２１ 加工マスク
２２ 被加工材料
３１ パターンの側壁

Claims (9)

1. 複数の処理ガスを供給するガス供給手段、ガスを排出するガス排気系および試料台を備えた処理室と、
   処理室内に供給した処理ガスに高周波電力を供給する電磁エネルギ供給手段を備え、該電磁エネルギ供給手段により前記処理ガスをプラズマ化して、試料台上に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
   処理室内に発生したプラズマ発光のスペクトルを検出する分光器と、
   供給する複数の処理ガスの流量を制御する流量制御器と、
   流量制御器を制御する制御器を備え、
   該制御器は、プラズマ発光のスペクトルをもとに反応生成物の量を計算する計算部と、反応生成物の量の目標値を入力する入力部を備え、反応生成物の量の計算結果が入力された目標値に一致するように処理ガスの流量を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   反応生成物の量の目標値は被加工物の目的とする加工断面形状とラジカルの量をもとに設定することを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   制御器は、供給する複数の処理ガスの流量比率を一定に保持して、その総流量を調整することを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項３記載のプラズマ処理装置において、
   総流量は、被加工物の目的とする加工断面形状の傾斜角に応じて連続して調整することを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   制御器は、プラズマ発光のスペクトルをもとに酸素ラジカルの量を計算し、この計算結果をもとに酸素流量を調整することを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   流量制御器は、処理室に近接して配置し、流量制御の遅延時間を０．５秒以下に設定したことを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   処理ガスの総流量を一定に制御し、ラジカルの量の時間変化を被加工物の目的とする加工断面形状に応じて設定することを特徴とするプラズマ処理装置。
8. 処理室内に供給した処理ガスに高周波電力を供給し処理ガスをプラズマ化して、試料台上に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法において、
   処理室内に発生したプラズマ発光のスペクトルを検出するステップと、
   検出したプラズマ発光のスペクトルをもとに処理室内に生成した反応生成物の量を計算するステップと、
   反応生成物の量の計算結果が、目的とする加工断面形状をもとに予め設定された目標値に一致するように処理ガスの流量を制御するステップとからなることを特徴とするプラズマ処理方法。
9. 請求項８記載のプラズマ処理方法において、
   反応生成物の量の目標値は被加工物の目的とする加工断面形状の傾斜角とラジカルの量をもとに設定することを特徴とするプラズマ処理方法。

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