JP2007005464A - プラズマエッチング方法、プラズマエッチング装置、制御プログラム、及びコンピュータ記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】 アモルファスカーボンに対するシリコン酸化膜の選択比を従来に比べて向上させることのできるプラズマエッチング方法、プラズマエッチング装置、制御プログラム及びコンピュータ記憶媒体を提供する。
【解決手段】 アモルファスカーボン膜１０３には、開口部１０４が形成されている。このアモルファスカーボン膜１０３をマスクとして、プラズマエッチングにより、シリコン酸化膜１０２にコンタクトホール１０５を形成する。この際、エッチングガスとして、Ｃ₄ Ｆ₆／Ｏ₂ ／Ａｒ／Ｈｅの混合ガスからなるエッチングガスを使用する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、所定のマスクを介してシリコン酸化膜にエッチング工程によってホールを形成するプラズマエッチング方法、プラズマエッチング装置、制御プログラム、及びコンピュータ記憶媒体に関する。

従来から、半導体装置の製造工程においては、シリコン酸化膜に、プラズマエッチングによりコンタクトホール等のホールを形成することが行われている。このような、シリコン酸化膜のプラズマエッチングとしては、例えば、レジストをマスクとした場合にＣ₄ Ｆ₆ ／Ｏ₂ ／Ａｒの混合ガスからなるエッチングガスを使用して、レジストに対する選択比を向上させることが知られている（例えば、特許文献１参照。）

また、シリコン酸化膜のプラズマエッチングにおいて、希釈ガスとしてのアルゴンとヘリウムの混合比を変えることによって、プラズマエッチングの面内均一性を向上させることが知られている（例えば、特許文献２参照。）。

しかしながら、半導体装置の微細化に伴い、必要とされるコンタクトホール等の径は小さくなる傾向にあり、例えば、ホール径を７０ｎｍ以下とすることが求められるようになっている。このため、従来から使用されていたＫｒＦレジストに変えてＡｒＦレジストを使用する必要性が生じている。しかしながら、ＡｒＦレジストのプラズマに対する耐性が弱いため、アモルファスカーボン等のハードマスクを使用して、シリコン酸化膜をプラズマエッチングすることが試みられている。すなわちこの場合、ＡｒＦレジストをマスクとしてプラズマエッチングを行い、アモルファスカーボンを所定パターンとし、この後この所定パターンのアモルファスカーボンをマスクとしてシリコン酸化膜をプラズマエッチングする。

ところが、上記のようにアモルファスカーボンをマスクとして、シリコン酸化膜をプラズマエッチングした場合、アモルファスカーボンに対するシリコン酸化膜の十分な選択比（シリコン酸化膜のエッチングレート／アモルファスカーボンのエッチングレート）が得られないという問題があった。
特開２００２−１００６０７号公報 特開２００２−２５２２１３号公報

上述したとおり、従来においては、微細なパターンを形成するために、ハードマスクとしてアモルファスカーボンマスクを使用してシリコン酸化膜をプラズマエッチングする際に、アモルファスカーボンに対するシリコン酸化膜の十分な選択比（シリコン酸化膜のエッチングレート／アモルファスカーボンのエッチングレート）を得ることが困難であるという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、アモルファスカーボンに対するシリコン酸化膜の選択比を従来に比べて向上させることのできるプラズマエッチング方法、プラズマエッチング装置、制御プログラム及びコンピュータ記憶媒体を提供することを目的とする。

請求項１のプラズマエッチング方法は、アモルファスカーボンマスクを介して、シリコン酸化膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法であって、アルゴンガス又はクリプトンガス又はキセノンガスのうちの少なくとも１種のガスと、フルオロカーボンガスと、酸素ガスと、ヘリウムガスとを含むエッチングガスを使用することを特徴とする。

請求項２のプラズマエッチング方法は、請求項１記載のプラズマエッチング方法であって、前記フルオロカーボンガスが、Ｃ₄ Ｆ₆ 、Ｃ₄ Ｆ₈ 、Ｃ₅ Ｆ₈のいずれかであることを特徴とする。

請求項３のプラズマエッチング方法は、請求項１又は２記載のプラズマエッチング方法あって、前記シリコン酸化膜にホールを形成することを特徴とする。

請求項４のプラズマエッチング方法は、請求項３記載のプラズマエッチング方法であって、前記ホールの径が７０ｎｍ以下であることを特徴とする。

請求項５のプラズマエッチング方法は、請求項１〜４いずれか１項記載のプラズマエッチング方法であって、前記エッチングガスを使用したプラズマエッチングを行った後、前記エッチングガスからヘリウムガスを除いた第２のエッチングガスを使用したプラズマエッチングを行うことを特徴とする。

請求項６のプラズマエッチング方法は、請求項５記載のプラズマエッチング方法であって、前記第２のエッチングガスを使用したプラズマエッチングは、オーバーエッチング工程であることを特徴とする。

請求項７のプラズマエッチング方法は、請求項１〜６いずれか１項記載のプラズマエッチング方法であって、前記エッチングガスに、ヘリウムガスが、アルゴンガス又はクリプトンガス又はキセノンガスのうちの少なくとも一種のガスに対して流量比で５〜５０％含まれることを特徴とする。

請求項８のプラズマエッチング方法は、請求項１〜７いずれか１項記載のプラズマエッチング方法であって、前記アモルファスカーボンマスクは、ＡｒＦエキシマレーザーより短波長光で露光されたレジストをマスクとして形成されることを特徴とする

請求項９のエッチング装置は、被処理体を収容する処理容器と、前記処理容器内にエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、前記エッチングガス供給手段から供給された前記エッチングガスをプラズマ化して前記被処理体をプラズマエッチングするプラズマ生成手段と、前記処理容器内で請求項１から請求項８いずれか１項記載のプラズマエッチング方法が行われるように制御する制御部とを備えたことを特徴とする。

請求項１０の制御プログラムは、コンピュータ上で動作し、実行時に、請求項１から請求項８いずれか１項記載のプラズマエッチング方法が行われるようにプラズマ処理装置を制御することを特徴とする。

請求項１１のコンピュータ記憶媒体は、コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、前記制御プログラムは、実行時に請求項１から請求項８いずれか１項記載のプラズマエッチング方法が行われるようにプラズマ処理装置を制御することを特徴とする。

本発明によれば、アモルファスカーボンに対するシリコン酸化膜の選択比を従来に比べて向上させることのできるプラズマエッチング方法、プラズマエッチング装置、制御プログラム及びコンピュータ記憶媒体を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係るプラズマエッチング装置の構成を示すものであり、図２は、本実施形態に係る半導体ウエハの断面構成を拡大して示すものである。まず、図１を参照してプラズマエッチング装置の構成について説明する。

プラズマエッチング装置は、気密に構成され、電気的に接地電位とされたチャンバー１を有している。このチャンバー１は、小径の上部１ａと大径の下部１ｂとからなる段つき円筒状とされ、例えばアルミニウム等から構成されている。チャンバー１内には、被処理体である半導体ウエハ３０を水平に支持する支持テーブル２が設けられている。支持テーブル２は例えばアルミニウム等で構成されており、絶縁板３を介して導体の支持台４に支持されている。また、支持テーブル２の上方の外周には、例えば単結晶シリコンで形成されたフォーカスリング５が設けられている。支持テーブル２と支持台４は、ボールねじ７を含むボールねじ機構により昇降可能となっており、支持台４の下方の駆動部分は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製のベローズ８で覆われている。また、ベローズ８の外側にはベローズカバー９が設けられている。

支持テーブル２には、マッチングボックス１１を介してＲＦ電源１０が接続されている。ＲＦ電源１０からは所定周波数（例えば１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力が支持テーブル２に供給されるようになっている。一方、支持テーブル２に対向してその上方にはシャワーヘッド１６が互いに平行に設けられており、このシャワーヘッド１６は接地されている。したがって、これらの支持テーブル２とシャワーヘッド１６は、一対の電極として機能するようになっている。

支持テーブル２の上面には、半導体ウエハ３０を静電吸着するための静電チャック６が設けられている。この静電チャック６は絶縁体６ｂの間に電極６ａを介在させて構成されており、電極６ａには直流電源１２が接続されている。そして電極６ａに直流電源１２から電圧が印加されることにより、クーロン力によって半導体ウエハ３０が吸着されるよう構成されている。

支持テーブル２の内部には、図示しない冷媒流路が形成されており、その中に適宜の冷媒を循環させることによって、半導体ウエハ３０を所定の温度に制御可能となっている。また、フォーカスリング５の外側にはバッフル板１３が設けられている。バッフル板１３は支持台４、ベローズ８を通してチャンバー１と導通している。

チャンバー１の天壁部分には、支持テーブル２に対向するようにシャワーヘッド１６が設けられている。シャワーヘッド１６は、その下面に多数のガス吐出孔１８が設けられており、かつその上部にガス導入部１６ａを有している。そして、その内部には空間１７が形成されている。ガス導入部１６ａにはガス供給配管１５ａが接続されており、このガス供給配管１５ａの他端には、エッチング用の処理ガスを供給する処理ガス供給系１５が接続されている。

処理ガス供給系１５から供給される処理ガスは、ガス供給配管１５ａ、ガス導入部１６ａを介してシャワーヘッド１６の空間１７に至り、ガス吐出孔１８から半導体ウエハ３０に向けて吐出される。本実施形態において、処理ガス供給系１５からは、少なくとも、Ｃ₄ Ｆ₆／Ｏ₂ ／Ａｒ／Ｈｅからなるエッチングガス及びＣ₄ Ｆ₆／Ｏ₂ ／Ａｒからなるエッチングガスを選択して供給することが可能となっている。

チャンバー１の下部１ｂの側壁には、排気ポート１９が形成されており、この排気ポート１９には排気系２０が接続されている。そして排気系２０に設けられた真空ポンプを作動させることによりチャンバー１内を所定の真空度まで減圧することができるようになっている。一方、チャンバー１の下部１ｂの側壁上側には、ウエハ３０の搬入出口を開閉するゲートバルブ２４が設けられている。

一方、チャンバー１の上部１ａの周囲には、同心状に、リング磁石２１が配置されており、支持テーブル２とシャワーヘッド１６との間の空間に磁界を及ぼすようになっている。このリング磁石２１は、図示しないモータ等の回転手段により回転可能となっている。

上記構成のプラズマエッチング装置は、制御部６０によって、その動作が統括的に制御される。この制御部６０には、ＣＰＵを備えプラズマエッチング装置の各部を制御するプロセスコントローラ６１と、ユーザインタフェース６２と、記憶部６３とが設けられている。

ユーザインタフェース６２は、工程管理者がプラズマエッチング装置を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボードや、プラズマエッチング装置の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等から構成されている。

記憶部６３には、プラズマエッチング装置で実行される各種処理をプロセスコントローラ６１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記憶されたレシピが格納されている。そして、必要に応じて、ユーザインタフェース６２からの指示等にて任意のレシピを記憶部６３から呼び出してプロセスコントローラ６１に実行させることで、プロセスコントローラ６１の制御下で、プラズマエッチング装置での所望の処理が行われる。また、制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータで読取り可能なコンピュータ記憶媒体（例えば、ハードディスク、ＣＤ、フレキシブルディスク、半導体メモリ等）などに格納された状態のものを利用したり、或いは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。

このように構成されたプラズマエッチング装置で、半導体ウエハ３０に形成されたシリコン酸化膜をプラズマエッチングする手順について説明する。まず、ゲートバルブ２４が開かれ、半導体ウエハ３０が図示しない搬送ロボット等により、図示しないロードロック室を介してチャンバー１内に搬入され、支持テーブル２上に載置される。この後、搬送ロボットをチャンバー１外に退避させ、ゲートバルブ２４を閉じる。そして、支持テーブル２が図示の位置まで上昇され、排気系２０の真空ポンプにより排気ポート１９を介してチャンバー１内が排気される。

チャンバー１内が所定の真空度になった後、チャンバー１内には処理ガス供給系１５から所定の処理ガスが導入され、チャンバー１内が所定の圧力、例えば６Ｐａに保持され、この状態でＲＦ電源１０から支持テーブル２に、周波数が例えば１３．５６ＭＨｚ、パワーが例えば５００〜５０００Ｗの高周波電力が供給される。このとき、直流電源１２から静電チャック６の電極６ａに所定の電圧が印加され、半導体ウエハ３０はクーロン力により吸着される。

この場合に、上述のようにして下部電極である支持テーブル２に高周波電力が印加されることにより、上部電極であるシャワーヘッド１６と下部電極である支持テーブル２との間には電界が形成される。一方、チャンバー１の上部１ａにはリング磁石２１により水平磁界が形成されているから、半導体ウエハ３０が存在する処理空間には電子のドリフトによりマグネトロン放電が生じ、それによって形成された処理ガスのプラズマにより、半導体ウエハ３０上に形成された所定の膜がエッチング処理される。

そして、所定のエッチング処理が終了すると、高周波電力の供給及びエッチングガスの供給が停止され、上記した手順とは逆の手順で、半導体ウエハ３０がチャンバー１内から搬出される。

次に、図２を参照して、本実施形態に係るプラズマエッチング方法について説明する。図２（Ａ）に示すように、被処理体としての半導体ウエハ１００の表面には、下側から順に、ＳｉＮ膜（エッチストップ層）１０１、シリコン酸化膜１０２、アモルファスカーボン膜（マスク）１０３が形成されている。そして、最上部のアモルファスカーボン膜（マスク）１０３には、所定径のコンタクトホールを形成するための開口部１０４が形成されている。なお、ハードマスクとしてのアモルファスカーボン膜１０３に開口部１０４を形成する際には、例えば、ＡｒＦレジストを使用し、ＡｒＦエキシマレーザーより短波長光で露光して形成したレジストマスクを用いて、プラズマエッチング等により形成する。

本実施形態に係るプラズマエッチング方法では、図２（Ａ）に示す状態から、アモルファスカーボン膜１０３をマスクとして、プラズマエッチングにより、シリコン酸化膜１０２にコンタクトホール１０５を形成して図２（Ｂ）に示す状態とする。この際、エッチングガスとして、Ｃ₄ Ｆ₆／Ｏ₂ ／Ａｒ／Ｈｅの混合ガスからなるエッチングガスを使用する。これによって、従来に比べてアモルファスカーボン膜に対するシリコン酸化膜の選択比（シリコン酸化膜のエッチングレート／ アモルファスカーボンのエッチングレート）を高くすることができる。

実施例として、図１に示したプラズマエッチング装置を用い、実際に図２に示す構造の半導体ウエハ（アモルファスカーボン層厚１８０ｎｍ、シリコン酸化膜厚１２００ｎｍ）にコンタクトホール（ホール径７０ｎｍ、ホールピッチ１５０ｎｍ）を形成した。なお、以下に示される処理レシピは、記憶部６３又は記憶媒体に記録され、プラズマエッチング装置の制御部６０においてこの記憶部６３又は記憶媒体から読み出されて、処理レシピ通りのエッチング工程が実行される。

具体的な処理レシピは以下の通りである。
エッチングガス：Ｃ₄ Ｆ₆／Ｏ₂ ／Ａｒ／Ｈｅ＝２５／１８／７００／２００ｓｃｃｍ
圧力：６Ｐａ
高周波パワー：２０００Ｗ
エッチング時間：１２０秒（１０％オーバーエッチ）

この結果、アモルファスカーボン膜に対するシリコン酸化膜の選択比（シリコン酸化膜のエッチングレート／ アモルファスカーボンのエッチングレート）は、約２１、プラズマエッチング後のアモルファスカーボンの残膜量は約１０２ｎｍとなった。

一方、比較例として、以下のレシピで実際に図２に示す構造の半導体ウエハにコンタクトホールを形成した。
エッチングガス：Ｃ₄ Ｆ₆／Ｏ₂ ／Ａｒ＝２５／１８／９００ｓｃｃｍ
圧力：６Ｐａ
高周波パワー：１８００Ｗ
エッチング時間：１５０秒（５０％オーバーエッチ）

この結果、アモルファスカーボン膜に対するシリコン酸化膜の選択比（シリコン酸化膜のエッチングレート／ アモルファスカーボンのエッチングレート）は、約１３、プラズマエッチング後のアモルファスカーボンの残膜量は約３０ｎｍとなった。

以上の通り、上記実施例では、比較例の場合に比べて、アモルファスカーボン膜に対するシリコン酸化膜の選択比（シリコン酸化膜のエッチングレート／ アモルファスカーボンのエッチングレート）を約１．６倍とすることができ、プラズマエッチング終了時のアモルファスカーボンの残膜量も約１０２ｎｍと十分な厚みを確保できた。なお、Ａｒに対するＨｅの添加量は、例えば、５％〜５０％程度とすることが好ましい。

上記の実施例では、エッチングガスにＨｅガスを添加することによって、アモルファスカーボン膜に対するシリコン酸化膜の選択比を高めることができた。しかしながら、形成されたコンタクトホールの断面形状を電子顕微鏡で観察すると、コンタクトホールの側壁形状がテーパー状になる傾向が見られた。すなわち、形成されたコンタクトホールの最上部における径（トップＣＤ）に対して、底部における径（ボトムＣＤ）が小さくなる傾向が見られた。具体的な数値の一例を示せば、半導体ウエハの中央部におけるトップＣＤ＝９５ｎｍ、ボトムＣＤ＝４４ｎｍ、半導体ウエハの周縁部におけるトップＣＤ＝９９ｎｍ、ボトムＣＤ＝３６ｎｍである。

このため、エッチングの途中で、エッチングガスを、Ｃ₄ Ｆ₆／Ｏ₂ ／Ａｒ／Ｈｅの混合ガスから、Ｈｅガスの添加のない第２のエッチングガス、すなわちＣ₄ Ｆ₆／Ｏ₂ ／Ａｒの混合ガスに切り替えて、２ステップのエッチングを行っても良い。この場合、エッチングガスを切り替えるタイミングとしては、例えばオーバーエッチングのみＣ₄ Ｆ₆／Ｏ₂ ／Ａｒの混合ガスを用いる等のタイミングとすることができる。

第２の実施例として、以下の２ステップの処理レシピにより、実際に図２に示す構造の半導体ウエハにコンタクトホールを形成した。
（１ステップ）
エッチングガス：Ｃ₄ Ｆ₆／Ｏ₂ ／Ａｒ／Ｈｅ＝２５／１８／７００／２００ｓｃｃｍ
圧力：６Ｐａ
高周波パワー：２０００Ｗ
エッチング時間：１０８秒（ジャストエッチ）
（２ステップ）
エッチングガス：Ｃ₄ Ｆ₆／Ｏ₂ ／Ａｒ＝２５／１８／９００ｓｃｃｍ
圧力：６Ｐａ
高周波パワー：１８００Ｗ
エッチング時間：５１秒（５０％オーバーエッチ）

この結果、コンタクトホールの側壁形状がテーパー状となる傾向を抑制することができた。具体的な数値は、半導体ウエハの中央部におけるトップＣＤ＝９６ｎｍ、ボトムＣＤ＝７５ｎｍ、半導体ウエハの周縁部におけるトップＣＤ＝９９ｎｍ、ボトムＣＤ＝６３ｎｍとなった。また、プラズマエッチング後のアモルファスカーボンの残膜量は約８５ｎｍであり、十分な残膜量を確保し得る選択比が得られた。

なお、上記のエッチングガスにおいて、フルオロカーボンガスとしては、Ｃ₄ Ｆ₆ の他、例えば、Ｃ₅ Ｆ₈や、Ｃ₄Ｆ₈等も使用することができる。また、Ａｒは、他の希ガス、例えば、Ｘｅ、Ｋｒ等に代えても良い。また、上記の各エッチングガスに、ＣＯ等の他のガスを添加しても良い。

本発明の実施形態に係るエッチング装置の概略構成を示す図。 本発明の実施形態のエッチング方法に係る半導体ウエハの断面構成を示す図。

符号の説明

１００……半導体ウエハ、１０１……ＳｉＮ膜、１０２……シリコン酸化膜、１０３……アモルファスカーボン膜（マスク）、１０４……開口部、１０５……ホール。

Claims (11)

1. アモルファスカーボンマスクを介して、シリコン酸化膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法であって、
   アルゴンガス又はクリプトンガス又はキセノンガスのうちの少なくとも１種のガスと、フルオロカーボンガスと、酸素ガスと、ヘリウムガスとを含むエッチングガスを使用することを特徴とするプラズマエッチング方法。
2. 請求項１記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記フルオロカーボンガスが、Ｃ₄ Ｆ₆ 、Ｃ₄ Ｆ₈ 、Ｃ₅ Ｆ₈のいずれかであることを特徴とするプラズマエッチング方法。
3. 請求項１又は２記載のプラズマエッチング方法あって、
   前記シリコン酸化膜にホールを形成することを特徴とするプラズマエッチング方法。
4. 請求項３記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記ホールの径が７０ｎｍ以下であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
5. 請求項１〜４いずれか１項記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記エッチングガスを使用したプラズマエッチングを行った後、前記エッチングガスからヘリウムガスを除いた第２のエッチングガスを使用したプラズマエッチングを行うことを特徴とするプラズマエッチング方法。
6. 請求項５記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記第２のエッチングガスを使用したプラズマエッチングは、オーバーエッチング工程であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
7. 請求項１〜６いずれか１項記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記エッチングガスに、ヘリウムガスが、アルゴンガス又はクリプトンガス又はキセノンガスのうちの少なくとも一種のガスに対して流量比で５〜５０％含まれることを特徴とするプラズマエッチング方法。
8. 請求項１〜７いずれか１項記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記アモルファスカーボンマスクは、ＡｒＦエキシマレーザーより短波長光で露光されたレジストをマスクとして形成されることを特徴とするプラズマエッチング方法。
9. 被処理体を収容する処理容器と、
   前記処理容器内にエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、
   前記エッチングガス供給手段から供給された前記エッチングガスをプラズマ化して前記被処理体をプラズマエッチングするプラズマ生成手段と、
   前記処理容器内で請求項１から請求項８いずれか１項記載のプラズマエッチング方法が行われるように制御する制御部と
   を備えたことを特徴とするエッチング装置。
10. コンピュータ上で動作し、実行時に、請求項１から請求項８いずれか１項記載のプラズマエッチング方法が行われるようにプラズマ処理装置を制御することを特徴とする制御プログラム。
11. コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
    前記制御プログラムは、実行時に請求項１から請求項８いずれか１項記載のプラズマエッチング方法が行われるようにプラズマ処理装置を制御することを特徴とするコンピュータ記憶媒体。

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