JP2012129429A

JP2012129429A - Plasma processing method

Info

Publication number: JP2012129429A
Application number: JP2010281121A
Authority: JP
Inventors: Michikazu Morimoto; 未知数森本; Mamoru Yakushiji; 守薬師寺; Tomoyuki Watanabe; 智行渡辺; Norihiko Ikeda; 紀彦池田
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-07-05

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a plasma processing method suitable for etching a thin film with high accuracy.SOLUTION: In the plasma processing method of plasma etching the thin film of a sample having a thin film, a thin film having a thickness of A nm is plasma etched at a low etching rate of less than 4×A nm/min. The plasma processing is performed by applying a time modulated intermittent high frequency power to a sample stand on which the sample is mounted. The time when the high frequency power is not applied during one period is 4-100 times longer than the time when the high frequency power is applied during one period.

Description

本発明はプラズマ処理方法に係り、特に半導体素子等の試料を加工するために、プラズマを用い且つ試料にエッチング処理を施すのに好適なプラズマ処理方法に関するものである。 The present invention relates to a plasma processing method, and more particularly to a plasma processing method suitable for using plasma and etching a sample to process a sample such as a semiconductor element.

従来、シリコンウエハ上に作製された半導体素子の表面を処理する方法として、半導体素子をプラズマでエッチングする装置が知られている。ここでは、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）方式と呼ばれる装置を例に、従来技術を説明する。この方式では、外部より磁場を印加した真空容器中でマイクロ波によりプラズマを発生する。磁場により電子はサイクロトロン運動し、この周波数とマイクロ波の周波数を共鳴させることで効率よくプラズマを生成できる。半導体素子に入射するイオンを加速するため、高周波バイアスを概略正弦波にて連続波形で印加している。プラズマとなるガスには塩素やフッ素などのハロゲンガスが広く使われている。 2. Description of the Related Art Conventionally, as a method for treating the surface of a semiconductor element manufactured on a silicon wafer, an apparatus for etching a semiconductor element with plasma is known. Here, the prior art will be described using an apparatus called an ECR (electron cyclotron resonance) system as an example. In this method, plasma is generated by microwaves in a vacuum container to which a magnetic field is applied from the outside. Electrons perform cyclotron motion by a magnetic field, and plasma can be generated efficiently by resonating this frequency with the frequency of microwaves. In order to accelerate ions incident on the semiconductor element, a high-frequency bias is applied in a continuous waveform as an approximate sine wave. A halogen gas such as chlorine or fluorine is widely used as a plasma gas.

プラズマにより発生したラジカルやイオンと被エッチング材が反応することでエッチングが進行する。 Etching progresses by the reaction of radicals and ions generated by plasma with the material to be etched.

エッチングによって発生する反応生成物はウエハへの再付着を引き起こす。反応生成物の再付着はエッチングの阻害によるエッチストップや、パターンへの付着によるエッチング形状のテーパー化を引き起こす。ウエハ上の反応生成物分布が不均一である場合は、部分的にエッチストップやテーパー形状が発生し、エッチング加工形状の不均一化を招く。エッチング装置の場合、真空状態を保つために排気を行いながら処理を行う。このため排気方向に向かってウエハ上の反応生成物が少なくなり、不均一を発生させる要因となる。エッチング装置の構造上、排気による反応生成物の不均一性は避けるのが困難という問題がある。よって、加工の高均一化をはかるためには、反応生成物の不均一の影響を排除できるよう反応生成物やイオンエネルギーを制御し、エッチングを行う必要がある。反応生成物の影響を少なくする手段としては、反応生成物濃度を少なくする方法がある。反応生成物の滞在時間を短くすることで、反応生成物濃度を下げることができる。プラズマ処理室内のガスの滞在時間τはＰを圧力、Ｖを処理室容量、Ｑをガス流量とした場合、τ＝ＰＶ／Ｑの関係があり、装置構成で前記Ｐ，Ｖ，Ｑの限界が規定される。この関係からガスとなった反応生成物の滞在時間は圧力を下げることやガス流量の増加で短くすることができるが、真空ポンプの排気速度には限界があるので、ガス流量を増加するのと、処理圧力を下げることはトレードオフの関係にあり改善が困難である。 Reaction products generated by etching cause redeposition to the wafer. The reattachment of the reaction product causes an etch stop due to the inhibition of etching and a tapering of the etching shape due to the adhesion to the pattern. If the reaction product distribution on the wafer is non-uniform, an etch stop or a taper shape is partially generated, resulting in non-uniform etching processing shape. In the case of an etching apparatus, processing is performed while exhausting in order to maintain a vacuum state. For this reason, reaction products on the wafer are reduced in the exhaust direction, which causes non-uniformity. Due to the structure of the etching apparatus, there is a problem that it is difficult to avoid non-uniformity of reaction products due to exhaust. Therefore, in order to achieve high processing uniformity, it is necessary to perform etching while controlling the reaction product and ion energy so as to eliminate the influence of non-uniformity of the reaction product. As a means for reducing the influence of the reaction product, there is a method of reducing the concentration of the reaction product. The reaction product concentration can be lowered by shortening the residence time of the reaction product. The residence time τ of the gas in the plasma processing chamber has a relationship of τ = PV / Q where P is pressure, V is processing chamber capacity, and Q is gas flow rate. It is prescribed. From this relationship, the residence time of the reaction product that has become a gas can be shortened by lowering the pressure or increasing the gas flow rate. However, since the exhaust speed of the vacuum pump is limited, increasing the gas flow rate Lowering the processing pressure is in a trade-off relationship and is difficult to improve.

また、反応生成物堆積によるエッチング阻害を防ぐ方法としては、イオンエネルギーを高くすることがある。印加電力を高くすることでイオンエネルギーを高くできるが、エッチング速度も速くなるため、反応生成物濃度が上がることになり、反応生成物の不均一性が大きくなる。また、この方法では、エッチングレートと反応生成物密度を独立して制御できなくなるため、エッチングレートを均一且つ高精度に制御できないという問題があった。 As a method of preventing etching inhibition due to reaction product deposition, ion energy may be increased. Although the ion energy can be increased by increasing the applied power, the etching rate is also increased, so that the concentration of the reaction product is increased and the non-uniformity of the reaction product is increased. In addition, this method has a problem in that the etching rate and the reaction product density cannot be controlled independently, so that the etching rate cannot be controlled uniformly and with high accuracy.

イオンエネルギーと反応生成物の制御方法として特許文献１にはプラズマやバイアスの時間変調が開示されている。また、一般的には特許文献２に示されるようにバイアスの時間変調のデューティー比は５％以上８０％以下の範囲で調整される。 As a method for controlling ion energy and reaction products, Patent Document 1 discloses time modulation of plasma and bias. In general, as shown in Patent Document 2, the duty ratio of bias time modulation is adjusted in a range of 5% to 80%.

特開平８−２５０４７９号公報JP-A-8-250479 特開２０００−９１３２１号公報JP 2000-91321 A

半導体素子の微細化及びウエハの大口径化に伴い、薄膜を高均一に且つ精度良く加工する要求が増えている。薄膜エッチングでは、概してエッチング時間が短くなるため、エッチングの終点判定が困難となり、エッチング加工精度が悪くなる問題があった。エッチングの終点判定が困難であることに関してはエッチングレートを低くすることで解決できるが、エッチングレートを低くするためには印加電力を低くし、イオンエネルギーを下げることが必要である。イオンエネルギーを下げると堆積した反応生成物を除去することができなくなり、エッチング反応が阻害される。また反応生成物がウエハ上で不均一な場合には、反応生成物の堆積が多いエリアはエッチングが進行せず、堆積が少ないエリアはエッチングが進行するため、エッチングレートがウエハ面内で不均一になる。イオンエネルギーを高くすることで、堆積した反応生成物によるエッチング阻害の影響を小さくすることができる。これはイオンエネルギーを高くすることでエッチング阻害層を除去し、エッチングを進行させることができるようになるためである。イオンエネルギーを高くするためには、印加する高周波電力を高くする方法が用いられるが、この場合、エッチングレートが速くなり、薄膜エッチングには不適である。反応生成物濃度を下げることで不均一性の影響を緩和することができるが、前述のガス流量と処理圧力のトレードオフの関係から、改善が困難である。 With the miniaturization of semiconductor elements and the increase in diameter of wafers, there is an increasing demand for processing thin films with high uniformity and accuracy. In the thin film etching, since the etching time is generally shortened, it is difficult to determine the end point of etching, and there is a problem that the etching processing accuracy is deteriorated. The difficulty in determining the end point of etching can be solved by lowering the etching rate, but in order to lower the etching rate, it is necessary to lower the applied power and lower the ion energy. When ion energy is lowered, deposited reaction products cannot be removed, and the etching reaction is hindered. If the reaction product is non-uniform on the wafer, etching does not proceed in areas where there is a large amount of reaction product deposition, and etching proceeds in areas where there is little deposition. become. By increasing the ion energy, the influence of etching inhibition by the deposited reaction product can be reduced. This is because the etching inhibition layer can be removed and the etching can be advanced by increasing the ion energy. In order to increase the ion energy, a method of increasing the applied high-frequency power is used. However, in this case, the etching rate becomes high and is not suitable for thin film etching. Although the influence of non-uniformity can be mitigated by reducing the reaction product concentration, it is difficult to improve due to the trade-off relationship between the gas flow rate and the processing pressure described above.

また、印加高周波電力を高くするとイオンエネルギーが高くなり、エッチングレートが高くなる。結果として反応生成物濃度が上がるため、高イオンエネルギーと反応生成物濃度低減はトレードオフの関係にある。また、従来の時間変調を用いた方法では、反応種の制御を行い選択比向上やエッチング加工形状の制御を行うことは可能であるが、ウエハ面内のエッチングレートを高均一で且つ低エッチングレートを実現することが困難であるという問題があった。 Further, when the applied high frequency power is increased, the ion energy is increased and the etching rate is increased. As a result, the reaction product concentration increases, so there is a trade-off between high ion energy and reduction of the reaction product concentration. In addition, in the conventional method using time modulation, it is possible to improve the selection ratio and control the etching processing shape by controlling the reactive species, but the etching rate in the wafer surface is highly uniform and the etching rate is low. There was a problem that it was difficult to realize.

このトレードオフの関係を改善し、高イオンエネルギー且つ低反応生成物濃度の低エッチングレート技術が実現できれば、高均一で高精度な薄膜エッチングが可能となる。 If this trade-off relationship can be improved and a low etching rate technique with high ion energy and low reaction product concentration can be realized, highly uniform and highly accurate thin film etching can be performed.

本発明の目的は低エッチングレートと高均一性を両立するプラズマ処理方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a plasma processing method that achieves both a low etching rate and high uniformity.

本発明は、薄膜を有する試料の前記薄膜をプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、Ａｎｍ厚さの薄膜を４×Ａｎｍ／min未満の低エッチングレートでプラズマエッチングし、該プラズマエッチングは前記試料を載置する試料台に時間変調された間欠の高周波電力を印加してプラズマエッチングし、前記高周波電力の１周期での印加していない時間は、１周期での印加している時間より４倍〜１００倍長いことを特徴とするプラズマ処理方法である。 The present invention provides a plasma processing method of plasma etching a thin film of a sample having a thin film, wherein the thin film having an nm thickness is subjected to plasma etching at a low etching rate of less than 4 × Anm / min, and the plasma etching is performed by mounting the sample. Plasma etching is performed by applying time-modulated intermittent high-frequency power to a sample stage to be performed, and the time during which the high-frequency power is not applied in one cycle is 4 to 100 times that applied in one cycle. The plasma processing method is characterized by being long.

本発明により、低エッチングレートと高均一性を両立するプラズマ処理を行うことができる。 According to the present invention, it is possible to perform plasma processing that achieves both a low etching rate and high uniformity.

本発明で用いたマイクロ波ＥＣＲプラズマエッチング装置の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the microwave ECR plasma etching apparatus used by this invention. 本発明のウエハ載置用電極１１１に印加する高周波電力の電圧波形を示した図である。It is the figure which showed the voltage waveform of the high frequency electric power applied to the electrode 111 for wafer mounting of this invention. 本発明の実施例におけるエッチングレートと平均Ｖppの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the etching rate and the average Vpp in the Example of this invention. 本発明の実施例におけるエッチングレートとエッチングレート均一性の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the etching rate and the etching rate uniformity in the Example of this invention. プラズマエッチング中のウエハ表面状態の説明図である。It is explanatory drawing of the wafer surface state in plasma etching. 本発明の実施例におけるエッチングレートとＶppの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the etching rate and Vpp in the Example of this invention.

以下、本発明を実施するための形態を説明する。以下、本発明の一実施例で使用するマイクロ波ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）エッチング装置を図１により説明する。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），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にはエッチングガスを流すためのガス供給装置１０５が接続される。また、真空容器１０１には排気用開閉バルブ１１７及び排気速度可変バルブ１０８を介し真空排気装置１０６が接続されている。処理室１０４内は排気用開閉バルブ１１７を開とし、真空排気装置１０６を駆動することで減圧され、真空状態となる。処理室１０４内の圧力は排気速度可変バルブ１１８により所望の圧力に調整される。エッチングガスは、ガス供給装置１０５からシャワープレート１０２を介して処理室１０４内に導入され、排気速度可変バルブ１１８を介して真空排気装置１０６によって排気される。また、シャワープレート１０２に対向して真空容器１０１の下部には試料台であるウエハ載置用電極１１１が設けられる。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described. A microwave ECR (Electron Cyclotron Resonance) etching apparatus used in an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. By installing and sealing a shower plate 102 (for example, made of quartz) and a dielectric window 103 (for example, made of quartz) for introducing an etching gas into the vacuum container 101 on the upper part of the vacuum vessel 101 whose upper part is opened. A processing chamber 104 is formed. A gas supply device 105 for flowing an etching gas is connected to the shower plate 102. A vacuum exhaust device 106 is connected to the vacuum vessel 101 through an exhaust opening / closing valve 117 and an exhaust speed variable valve 108. The inside of the processing chamber 104 is decompressed by opening the exhaust opening / closing valve 117 and driving the vacuum exhaust device 106 to be in a vacuum state. The pressure in the processing chamber 104 is adjusted to a desired pressure by the exhaust speed variable valve 118. The etching gas is introduced from the gas supply device 105 into the processing chamber 104 through the shower plate 102 and is exhausted by the vacuum exhaust device 106 through the exhaust speed variable valve 118. Further, a wafer mounting electrode 111 which is a sample stage is provided below the vacuum vessel 101 so as to face the shower plate 102.

プラズマを生成するための電力を処理室１０４に伝送するため、誘電体窓１０３の上方には電磁波を伝送する導波管１０７が設けられる。導波管１０７へ伝送される電磁波は電磁波発生用電源１０９から発振させる。電磁波の周波数は特に限定されないが、本実施例では２.４５ＧＨｚのマイクロ波を使用する。処理室１０４の外周部には、磁場を形成する磁場発生用コイル１１０が設けてあり、電磁波発生用電源１０９より発振された電力は、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し、ウエハ載置用電極１１１上に載置された試料であるウエハ１１２にエッチングを施す。シャワープレート１０２，ウエハ載置用電極１１１，磁場発生用コイル１１０，排気用開閉バルブ１１７，排気速度可変バルブ１１８及びウエハ１１２は処理室１０４の中心軸上に対して同軸に配置されているため、エッチングガスの流れやプラズマにより生成されたラジカル及びイオン、更にエッチングにより生成された反応生成物はウエハ１１２に対し同軸に導入，排気される。この同軸配置はエッチングレート，エッチング形状のウエハ面内均一性を軸対称に近づけ、ウエハ処理均一性を向上させる効果がある。ウエハ載置用電極１１１は電極表面が溶射膜（図示省略）で被覆されており、高周波フィルタ１１５を介して直流電源１１６が接続されている。さらに、ウエハ載置用電極１１１には、マッチング回路１１３を介して高周波電源１１４が接続される。また、高周波電源１１４には、時間変調された間欠の高周波電力をウエハ載置用電極１１１に印加するため、任意波形発生装置（図示せず）が接続されている。このため、高周波電源１１４は、ウエハ載置用電極１１１に印加する高周波電力を時間的に変調して、間欠に供給することも可能となっている。また、時間的に変調された間欠な高周波電力のウエハ載置用電極１１１への印加時間と印加しない時間の比、およびその印加する周期等は、マイクロ波ＥＣＲエッチング装置のエッチング条件（レシピ）に設定され、任意に制御可能となっている。 In order to transmit electric power for generating plasma to the processing chamber 104, a waveguide 107 that transmits electromagnetic waves is provided above the dielectric window 103. The electromagnetic wave transmitted to the waveguide 107 is oscillated from the electromagnetic wave generating power source 109. The frequency of the electromagnetic wave is not particularly limited, but a microwave of 2.45 GHz is used in this embodiment. A magnetic field generating coil 110 that forms a magnetic field is provided on the outer periphery of the processing chamber 104, and the electric power oscillated from the electromagnetic wave generating power source 109 is generated in the processing chamber 104 by interaction with the formed magnetic field. High density plasma is generated, and the wafer 112 which is a sample placed on the wafer placement electrode 111 is etched. Since the shower plate 102, the wafer mounting electrode 111, the magnetic field generating coil 110, the exhaust opening / closing valve 117, the exhaust speed variable valve 118, and the wafer 112 are arranged coaxially with respect to the central axis of the processing chamber 104, Radicals and ions generated by the flow of etching gas and plasma, and reaction products generated by etching are introduced and exhausted coaxially with respect to the wafer 112. This coaxial arrangement has an effect of improving the wafer processing uniformity by bringing the uniformity of the etching rate and the etching shape within the wafer plane close to axial symmetry. The wafer mounting electrode 111 has an electrode surface covered with a sprayed film (not shown), and a DC power supply 116 is connected through a high frequency filter 115. Further, a high frequency power supply 114 is connected to the wafer mounting electrode 111 via a matching circuit 113. In addition, an arbitrary waveform generator (not shown) is connected to the high-frequency power source 114 in order to apply time-modulated intermittent high-frequency power to the wafer mounting electrode 111. For this reason, the high frequency power supply 114 can also modulate intermittently the high frequency power applied to the wafer mounting electrode 111 and supply it intermittently. Further, the ratio of the application time of intermittent high frequency power modulated in time to the wafer mounting electrode 111 to the non-application time, the period of application, and the like depend on the etching conditions (recipe) of the microwave ECR etching apparatus. It is set and can be controlled arbitrarily.

高周波電源１１４によりウエハ１１２に印加される高周波電力の波形を図２に示す。高周波電力波形は高周波電力を印加する期間（オン期間）と印加しない期間（オフ期間）、オフ期間からオン期間への遷移期間１，オン期間からオフ期間への遷移期間２から構成され、それぞれの期間を０〜１秒の範囲で調整できる。高周波電力のオン期間とオフ期間の切り替え時に整合不良などの問題等が発生した場合、前記遷移期間１及び遷移期間２を調整することにより整合不良等の問題を回避できる。遷移期間１及び遷移期間２の設定値としては０.１μｓ以上とすることで整合エラー発生のポテンシャルを低下させることができる。 The waveform of the high frequency power applied to the wafer 112 by the high frequency power supply 114 is shown in FIG. The high-frequency power waveform includes a period during which high-frequency power is applied (on period) and a period during which no high-frequency power is applied (off period), a transition period from an off period to an on period, and a transition period 2 from an on period to an off period. The period can be adjusted in the range of 0 to 1 second. If a problem such as poor alignment occurs when switching the high frequency power between the on period and the off period, the problem such as poor alignment can be avoided by adjusting the transition period 1 and the transition period 2. By setting the set values of the transition period 1 and the transition period 2 to 0.1 μs or more, the potential for occurrence of matching errors can be lowered.

次に上述したマイクロ波ＥＣＲエッチング装置を用いて、薄膜の多結晶シリコン膜が成膜されたウエハ１１２をエッチングした場合の多結晶シリコンのエッチングレートの均一性を向上させるエッチング方法について説明する。本実施例では、上記薄膜の多結晶シリコン膜が成膜されたウエハ１１２としては直径３００mmのシリコンウエハ上に熱酸化膜を成長させた後、２０ｎｍの厚さの多結晶シリコン膜を堆積させたものを用いた。一般にエッチングの終点判定はプラズマからの発光をモニタし、発光の変化から被エッチング膜のエッチングの終了した時間を判定する方法が使用されている。概して、エッチング開始時は、プラズマの着火からの密度安定までに時間を要することや、処理圧力調整にも時間を要することで、プラズマの発光が不安定である。よって、エッチング時間が短い場合には、プラズマ発光が不安定でエッチング終点判定の精度が悪くなることがある。このため、エッチングの終点判定を高精度に行うためには、現状、１５秒以上のエッチング時間が必要である。このため、被エッチング膜が２０ｎｍの膜厚の場合、エッチングレートを８０ｎｍ／min未満にする必要がある。エッチングレートを下げるためにはウエハ１１２に印加される高周波電力を小さくすることで、イオンにかかる加速電圧（Ｖpp）を低くし、イオンエネルギーを低くする必要がある。図３に示すようにウエハ１１２に印加される高周波電力の時間変調された間欠の１周期平均のＶppを低くすることでエッチングレートを低くできる。ここでＶppとは、ウエハ１１２に印加される高周波電圧の最小電圧のピーク値と最大電圧のピーク値の差の電圧であり、ウエハ載置用電極１１１の表面膜の絶縁破壊が発生しないようにするため、３０００Ｖ以下が適当である。また、Ｖppが２０Ｖ以下ではイオンエネルギーが小さすぎてエッチングが進行しない。そのため、Ｖppの制御としては最大値を２０Ｖ以上３０００Ｖ以下とすることが適当である。また、Ｖｐｐの調整方法としては、ウエハ載置用電極１１１へ印加される高周波電力を調整する方法があるが、この場合も、ウエハ載置用電極１１１の表面膜の絶縁破壊を抑えるために、印加電力を４.３Ｗ／cm²以下が適当である。またエッチングが進行するためには印加電力は０.００７Ｗ／cm²以上程度必要であるため、ウエハ載置用電極１１１に印加される高周波電力の制御範囲は０.００７Ｗ／cm²から４.３Ｗ／cm²までとすることが望ましい。 Next, an etching method for improving the uniformity of the etching rate of polycrystalline silicon when the wafer 112 on which a thin polycrystalline silicon film is formed is etched using the above-described microwave ECR etching apparatus will be described. In this example, a thermal oxide film was grown on a silicon wafer having a diameter of 300 mm as the wafer 112 on which the thin polycrystalline silicon film was formed, and then a polycrystalline silicon film having a thickness of 20 nm was deposited. A thing was used. In general, the end point of etching is determined by monitoring light emission from plasma and determining the time when etching of the film to be etched is completed from the change in light emission. In general, at the start of etching, it takes time to stabilize the density from the ignition of plasma, and it also takes time to adjust the processing pressure, so that the emission of plasma is unstable. Therefore, when the etching time is short, the plasma emission is unstable and the accuracy of determining the etching end point may deteriorate. For this reason, in order to accurately determine the end point of etching, an etching time of 15 seconds or longer is currently required. For this reason, when the film to be etched has a thickness of 20 nm, the etching rate needs to be less than 80 nm / min. In order to lower the etching rate, it is necessary to reduce the acceleration voltage (Vpp) applied to ions and lower the ion energy by reducing the high-frequency power applied to the wafer 112. As shown in FIG. 3, the etching rate can be lowered by lowering the time-modulated one-cycle average Vpp of the high-frequency power applied to the wafer 112. Here, Vpp is a voltage which is the difference between the peak value of the minimum voltage and the peak value of the maximum voltage applied to the wafer 112 so that the dielectric breakdown of the surface film of the wafer mounting electrode 111 does not occur. Therefore, 3000 V or less is appropriate. On the other hand, when Vpp is 20 V or less, the ion energy is too small and etching does not proceed. For this reason, it is appropriate to set the maximum value to 20 V or more and 3000 V or less for Vpp control. In addition, as a method for adjusting Vpp, there is a method of adjusting high-frequency power applied to the wafer mounting electrode 111. In this case as well, in order to suppress dielectric breakdown of the surface film of the wafer mounting electrode 111, The applied power is suitably 4.3 W / cm ² or less. Further, since the applied power is required to be about 0.007 W / cm ² or more for the etching to proceed, the control range of the high frequency power applied to the wafer mounting electrode 111 is 0.007 W / cm ² to 4.3 W. / Cm ² is desirable.

上述のことから、まず、ウエハ載置用電極１１１に印加される高周波電力の時間変調された間欠の１周期平均電力をエッチングレートが８０ｎｍ／min未満になるような電力に設定する。次にウエハ載置用電極１１１に印加される時間変調された間欠の高周波電力の印加しない時間を印加する時間の４倍〜１００倍とする。このような時間変調された間欠の高周波電力をウエハ載置用電極に印加して２０ｎｍ厚さの多結晶シリコン膜が成膜されたウエハ１１２をエッチングすることにより、図４に示すように８０ｎｍ／min未満のエッチングレートでウエハ面内均一性を５％以下にすることができ、ウエハ載置用電極１１１に印加される時間変調された間欠の高周波電力の印加しない時間を印加する時間の１９倍〜１００倍とすると、ウエハ面内均一性をさらに向上させることができた。 From the above, first, the intermittent one-cycle average power of time-modulated high frequency power applied to the wafer mounting electrode 111 is set to such power that the etching rate is less than 80 nm / min. Next, the time during which the time-modulated intermittent high-frequency power applied to the wafer mounting electrode 111 is not applied is set to 4 to 100 times the application time. By applying such time-modulated intermittent high-frequency power to the wafer mounting electrode and etching the wafer 112 on which the polycrystalline silicon film having a thickness of 20 nm is formed, as shown in FIG. The wafer in-plane uniformity can be reduced to 5% or less at an etching rate of less than min, and 19 times the time for applying the time-modulated intermittent high-frequency power applied to the wafer mounting electrode 111. When it was set to -100 times, the wafer in-plane uniformity could be further improved.

ウエハ載置用電極１１１に印加される時間変調された間欠の高周波電力の印加しない時間を印加する時間の４倍〜１００倍または、１９倍〜１００倍にすることにより、低エッチングレートと高均一性を両立できる推定メカニズムは以下の通りである。 A low etching rate and a high uniformity can be obtained by setting the time during which the time-modulated intermittent high-frequency power applied to the wafer mounting electrode 111 is not applied to 4 to 100 times or 19 to 100 times the application time. The estimation mechanism that can achieve both properties is as follows.

エッチング中のウエハ表面の状態を単純化したモデルを図５に示す。エッチング中にウエハ表面で、図５（ａ）のようにラジカルや反応生成物の堆積によるエッチング阻害層の形成と図５（ｂ）のようなエッチング阻害層の除去が行われることにより、エッチングが進行する。しかしながら、図５（ｃ）に示すように、エッチング阻害層が非常に厚い場合や、イオンエネルギーが小さくエッチング阻害層を除去できない場合においては、エッチングは進行しない。ウエハ上の反応生成物密度分布は、ウエハ中心上で高く、ウエハ端部に近づくほど低くなる。これは、ウエハ載置用電極１１１下方に排気装置が配置されており、ウエハ載置用電極１１１の端部は中心に比べ排気されやすいためである。よって、ウエハ上に堆積する反応生成物はエッチング阻害層となり、その膜厚はウエハ中心で厚く、ウエハ端に近づくにつれて薄くなる分布を持つ。このエッチング阻害層の分布から、ウエハ中心付近では図５（ｃ）に示すエッチングが進行しない状態、ウエハ端付近では図５（ｂ）のエッチングが進行する状態とウエハ中心とウエハ端部付近でエッチングの進行し易さに差が生じることになる。よって、エッチングレート分布はウエハ端部付近でエッチングレートが高く、ウエハ中心でエッチングレートが低くなる。イオンエネルギーが低い場合はエッチング阻害層の膜厚が厚い場合は、エッチング進行に対するウエハ上のエッチング阻害層の影響が大きい。エッチングレートを下げるためには、概してイオンエネルギーを低くする必要があるため、低エッチングレートの場合は、エッチング阻害層のウエハ面内膜厚差の影響を受けやすく、エッチングレートを低くすることとエッチングレート均一性を良くすることを両立することが困難である。エッチングレートを低くすることとエッチングレート均一性を良くすることを両立するためには、反応生成物密度を少なくし、且つ、エッチング阻害層が除去できるようにイオンエネルギーを十分高くすればよい。反応生成物密度を少なくする方法としては、ウエハ載置用電極１１１に印加する高周波電力を減少させ、エッチングレートを低くすることで単位時間当たりに発生する反応生成物量を少なくする方法がある。しかし、従来方式である連続バイアスで高周波電力を印加する場合、エッチングレートを下げるためには印加高周波電力を低くする必要がある。印加高周波電力が低い場合には、ウエハにかかる電圧（Ｖpp）が低くなり、イオンエネルギーが低くなる。その結果、ウエハ上のエッチング阻害層の膜厚不均一性の影響を受けやすくなり、エッチングレート均一性が悪くなる。また、印加する連続バイアスの高周波電力を減少させる方法は、前述のエッチング阻害層が除去できるようにイオンエネルギーを十分高くするという方法と相反する方法となる。一方、図２に示す時間変調された間欠の高周波電力をウエハ載置用電極１１１に印加した場合、イオンエネルギーをエッチング阻害層除去できる値に制御することで、印加している期間にはエッチングが進行する。即ち、印加している期間は図５（ｂ）の状態と言える。印加していない期間にはエッチング阻害層が形成され、同時に印加している期間に発生した反応生成物は排気され、ウエハ上の反応生成物密度は低くなる。また、連続バイアスの高周波電力を印加する場合は反応生成物濃度はエッチング開始時よりエッチング時間の増加に伴って増加していく。一方、時間変調された間欠の高周波電力を印加する場合は、印加している期間内に発生した反応生成物は印加しない期間内に排気され、残留しないため、反応生成物濃度が低い状態を作り出すことが可能である。印加している期間に対してし印加しない期間を長くしていくことで反応生成物密度を低くすることができる。本発明では、図２に示す時間変調された間欠の高周波電力をウエハ載置用電極１１１に印加しており、この時間変調された間欠の高周波電力の電圧及び印加しない時間を調整することで、高イオンエネルギーと低反応生成物密度を実現できる。このため、高均一性を持った低エッチングレートの高精度制御が可能となる。また、連続バイアスの高周波電力を印加する場合、エッチングレートを下げるためには印加バイアスの振幅を小さくすることで、イオンにかかる加速電圧（Ｖpp）を低くし、イオンエネルギーを低くする必要がある。図２に示す高周波バイアスのオンオフを周期的に変化させ断続的にイオンエネルギーを高くする方法、すなわち時間変調バイアスでは、１周期内のオン時間とオフ時間の制御により実効的なエッチング量を調整できるため、振幅を大きくし、イオンエネルギーを高くした状態でオン時間を短くする方法でエッチングレート低下が実現できる。図５は本実施例でのＶppとエッチングレートの関係を示したものである。オフ時間がオン時間に対して長いほど高Ｖppでも低いエッチレートが実現できていることがわかる。これはオン期間に高Ｖppでエッチングレートが高くなる場合でも、オフ期間を長くすることで、１周期内の平均としては、エッチングレートが低くなるためである。つまり、低エッチングレートと高均一性を両立するためには、ウエハ載置用電極１１１に印加される高周波電力の平均電力を増加させることなく、印加される期間だけの電力を増加させれば良いことになる。 FIG. 5 shows a simplified model of the state of the wafer surface during etching. During the etching, the etching inhibition layer is formed by the deposition of radicals and reaction products as shown in FIG. 5A and the etching inhibition layer is removed as shown in FIG. proceed. However, as shown in FIG. 5C, the etching does not proceed when the etching inhibition layer is very thick or when the ion inhibition is small and the etching inhibition layer cannot be removed. The reaction product density distribution on the wafer is high at the center of the wafer, and becomes lower as it approaches the edge of the wafer. This is because an exhaust device is disposed below the wafer mounting electrode 111 and the end of the wafer mounting electrode 111 is more easily exhausted than the center. Therefore, the reaction product deposited on the wafer becomes an etching inhibition layer, and the thickness of the reaction product is thick at the center of the wafer and becomes thinner as it approaches the edge of the wafer. From the distribution of the etching inhibition layer, the etching shown in FIG. 5C does not proceed near the wafer center, and the etching shown in FIG. 5B proceeds near the wafer edge, and the etching is performed near the wafer center and the wafer edge. There will be a difference in the ease of progression. Therefore, the etching rate distribution has a high etching rate near the edge of the wafer and a low etching rate at the center of the wafer. When the ion energy is low, the etching inhibition layer on the wafer has a great influence on the etching progress when the etching inhibition layer is thick. In order to lower the etching rate, it is generally necessary to lower the ion energy. Therefore, in the case of a low etching rate, it is easily affected by the difference in film thickness of the etching inhibiting layer in the wafer surface. It is difficult to achieve both improved rate uniformity. In order to achieve both a low etching rate and a good etching rate uniformity, the reaction product density should be reduced and the ion energy should be sufficiently high so that the etching inhibition layer can be removed. As a method of reducing the density of reaction products, there is a method of reducing the amount of reaction products generated per unit time by reducing the high frequency power applied to the wafer mounting electrode 111 and lowering the etching rate. However, when high frequency power is applied with a continuous bias that is a conventional method, it is necessary to reduce the applied high frequency power in order to reduce the etching rate. When the applied high frequency power is low, the voltage (Vpp) applied to the wafer is low, and the ion energy is low. As a result, it becomes easy to be influenced by the film thickness non-uniformity of the etching inhibition layer on the wafer, and the etching rate uniformity is deteriorated. Moreover, the method of reducing the high frequency electric power of the continuous bias to be applied is a method contrary to the method of sufficiently increasing the ion energy so that the etching inhibition layer can be removed. On the other hand, when the time-modulated intermittent high-frequency power shown in FIG. 2 is applied to the wafer mounting electrode 111, the ion energy is controlled to a value that can remove the etching inhibition layer, so that the etching can be performed during the application period. proceed. That is, it can be said that the applied period is in the state of FIG. An etching inhibition layer is formed during the period of no application, reaction products generated during the period of application are exhausted, and the density of reaction products on the wafer decreases. When a continuous bias high frequency power is applied, the reaction product concentration increases as the etching time increases from the start of etching. On the other hand, when intermittent time-modulated high-frequency power is applied, the reaction product generated in the applied period is exhausted in the non-applied period and does not remain, thus creating a low reaction product concentration state. It is possible. The reaction product density can be lowered by lengthening the non-application period with respect to the application period. In the present invention, the time-modulated intermittent high-frequency power shown in FIG. 2 is applied to the wafer mounting electrode 111, and by adjusting the voltage of the time-modulated intermittent high-frequency power and the non-application time, High ion energy and low reaction product density can be realized. For this reason, high-precision control at a low etching rate with high uniformity is possible. In addition, when applying a continuous bias high-frequency power, it is necessary to lower the acceleration voltage (Vpp) applied to the ions and lower the ion energy by reducing the amplitude of the applied bias in order to lower the etching rate. In the method of periodically changing the on / off of the high frequency bias shown in FIG. 2 to intermittently increase the ion energy, that is, the time modulation bias, the effective etching amount can be adjusted by controlling the on time and the off time within one cycle. Therefore, the etching rate can be reduced by a method of shortening the on-time while increasing the amplitude and increasing the ion energy. FIG. 5 shows the relationship between Vpp and the etching rate in this embodiment. It can be seen that as the off time is longer than the on time, a lower etch rate can be realized even at higher Vpp. This is because, even when the etching rate is high at high Vpp during the ON period, the etching rate is low as an average within one period by lengthening the OFF period. That is, in order to achieve both a low etching rate and high uniformity, it is only necessary to increase the power during the applied period without increasing the average power of the high frequency power applied to the wafer mounting electrode 111. It will be.

このため、図４に示す通り、エッチングレートが小さくなるにつれて、ウエハ載置用電極１１１に印加される高周波電力の印加しない時間が印加する時間に対して長くする方が高均一性を得られやすい傾向を示している。この傾向は、特にエッチングレートが７０ｎｍ／min以下の時に顕著であり、ウエハ載置用電極１１１に印加される時間変調された間欠の高周波電力の印加しない時間を印加する時間の４倍未満の時は均一性の悪化が顕著になる。 Therefore, as shown in FIG. 4, as the etching rate decreases, it is easier to obtain higher uniformity when the time during which the high frequency power applied to the wafer mounting electrode 111 is not applied is longer than the applied time. It shows a trend. This tendency is particularly noticeable when the etching rate is 70 nm / min or less, and when the time during which the time-modulated intermittent high-frequency power applied to the wafer mounting electrode 111 is not applied is less than 4 times. The deterioration of uniformity becomes remarkable.

上述した通り、ウエハ載置用電極１１１に印加される高周波電力の時間変調された間欠の１周期平均電力をエッチングレートが８０ｎｍ／min未満になるような電力に設定し、ウエハ載置用電極１１１に印加される時間変調された間欠の高周波電力の印加しない時間を印加する時間の４倍〜１００倍とすることにより、２０ｎｍ厚さの多結晶シリコン膜が成膜されたウエハ１１２のエッチングにおいて、８０ｎｍ／min未満のエッチングレートでウエハ面内均一性を５％以下にすることができる。尚、印加していない期間を長くする効果は、印加している期間に対し１００倍以上長くしてもその効果小さい。また、印加している期間は、高周波電力の整合のための制御時間が必要なことから、０.１ms以上とするのが望ましい。 As described above, the time-modulated intermittent one-cycle average power of the high-frequency power applied to the wafer mounting electrode 111 is set to such a power that the etching rate is less than 80 nm / min. In the etching of the wafer 112 on which the polycrystalline silicon film having a thickness of 20 nm is formed by setting the time during which the time-modulated intermittent high-frequency power applied is not applied to 4 to 100 times the application time, The wafer in-plane uniformity can be reduced to 5% or less at an etching rate of less than 80 nm / min. It should be noted that the effect of lengthening the non-application period is small even if it is made 100 times longer than the application period. In addition, since a control time for high-frequency power matching is required during the application period, it is desirable that the period be 0.1 ms or longer.

また、本実施例では、２０ｎｍ厚さの薄膜の多結晶シリコンのエッチング例であったが、０.０５ｎｍから５０ｎｍの厚さの薄膜であれば、本実施例と同様の効果が得られる。特に０.０５ｎｍから３０ｎｍの厚さの薄膜のエッチングにおいて、最も本実施例の効果を得ることが可能である。また、本実施例では、薄膜の厚さが２０ｎｍの場合、高精度にエッチングするための低エッチングレートは８０ｎｍ／min未満としたが、薄膜の厚さをＡｎｍとすると、低エッチングレートは４×Ａｎｍ／min未満であれば良い。また、被エッチング膜も多結晶シリコンに限らず、シリコン酸化膜，シリコン窒化膜においても本実施例と同様の効果を得ることができる。また、本実施例ではＥＣＲプラズマ源の例で説明したが、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）やＣＣＰ（Capasitively Coupled Plasma）等の他のプラズマ生成方式におけるプラズマ処理装置においても本実施例と同様の効果が得られる。 Further, in this embodiment, an example of etching a thin film of polycrystalline silicon having a thickness of 20 nm is used. However, if the thin film has a thickness of 0.05 nm to 50 nm, the same effect as in this embodiment can be obtained. In particular, in the etching of a thin film having a thickness of 0.05 nm to 30 nm, the effect of this embodiment can be obtained most. In this example, when the thickness of the thin film is 20 nm, the low etching rate for highly accurate etching is less than 80 nm / min. However, when the thickness of the thin film is Anm, the low etching rate is 4 ×. It may be less than Anm / min. Further, the film to be etched is not limited to polycrystalline silicon, and the same effect as that of the present embodiment can be obtained even in a silicon oxide film and a silicon nitride film. In this embodiment, the example of the ECR plasma source has been described. However, the same effects as those of the present embodiment can be obtained in plasma processing apparatuses using other plasma generation methods such as ICP (Inductively Coupled Plasma) and CCP (Capasitively Coupled Plasma). can get.

また、本発明は、被エッチング膜の膜厚に限定されず、７０ｎｍ／min以下の低エッチングレートでウエハ面内均一性を±５.０％以下に向上させたい場合にも適用可能である。 Further, the present invention is not limited to the film thickness of the film to be etched, and can be applied to the case where it is desired to improve the wafer in-plane uniformity to ± 5.0% or less at a low etching rate of 70 nm / min or less.

以上、本発明はＡｎｍ厚さの薄膜を有する試料のエッチング方法において、前記試料を４×Ａｎｍ／min未満の低エッチングレートでエッチングし、該エッチングはウエハ載置用電極１１１に時間変調された間欠の高周波電力を印加し、印加していない時間を印加している時間の４倍〜１００倍にすることを特徴とするエッチング方法である。 As described above, the present invention relates to a method for etching a sample having a thin film having an thickness of Anm. The sample is etched at a low etching rate of less than 4 × Anm / min, and the etching is intermittently modulated on the wafer mounting electrode 111. The etching method is characterized in that the high frequency power is applied and the non-application time is set to 4 to 100 times the application time.

また、本発明では、ウエハ載置用電極１１１に高周波電力を印加する期間と印加しない期間を調整することにより、反応生成物の滞在時間を制御し、ウエハ近傍の反応生成物濃度を制御することが可能となる。またウエハ載置用電極１１１に印加する高周波電力を制御することにより、反応生成物によるエッチング阻害層を除去可能なイオンエネルギーに調整し、エッチングに対する反応生成物の影響を少なくすることが可能となる。このウエハ載置用電極１１１に高周波電力を印加する期間と印加しない期間の調整及び高周波電力の調整を行うことで、反応生成物のエッチングに対する影響を少なくすることで、薄膜のエッチングレートの高精度な制御及びウエハ面内における高均一なエッチングを行えるという効果がある。 In the present invention, the residence time of the reaction product is controlled by adjusting the period during which the high frequency power is applied to the wafer mounting electrode 111 and the period during which the high frequency power is not applied, thereby controlling the concentration of the reaction product near the wafer. Is possible. Further, by controlling the high frequency power applied to the wafer mounting electrode 111, it is possible to adjust the ion energy so that the etching inhibition layer by the reaction product can be removed, and to reduce the influence of the reaction product on the etching. . By adjusting the period during which high-frequency power is applied to the wafer mounting electrode 111 and the period during which no high-frequency power is applied and adjusting the high-frequency power, the influence on the etching of the reaction product is reduced, so that the etching rate of the thin film is highly accurate. There is an effect that it is possible to carry out precise control and highly uniform etching within the wafer surface.

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真空排気装置
１０７導波管
１０８排気速度可変バルブ
１０９電磁波発生用電源
１１０磁場発生用コイル
１１１ウエハ載置用電極
１１２ウエハ
１１３マッチング回路
１１４高周波電源
１１５高周波フィルタ
１１６直流電源
１１７排気用開閉バルブ DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Vacuum container 102 Shower plate 103 Dielectric window 104 Processing chamber 105 Gas supply apparatus 106 Vacuum exhaust apparatus 107 Waveguide 108 Variable exhaust speed valve 109 Electromagnetic wave generation power supply 110 Magnetic field generation coil 111 Wafer mounting electrode 112 Wafer 113 Matching Circuit 114 High frequency power supply 115 High frequency filter 116 DC power supply 117 Exhaust on-off valve

Claims

In a plasma processing method for plasma etching the thin film of a sample having a thin film,
Plasma etching is performed on a thin film having an thickness of less than 4 × Anm / min.
The plasma etching is performed by applying time-modulated intermittent high frequency power to a sample stage on which the sample is placed, and plasma etching,
2. The plasma processing method according to claim 1, wherein the time during which the high frequency power is not applied in one cycle is four to 100 times longer than the time during which the high frequency power is applied in one cycle.

In a plasma processing method for plasma etching the thin film of a sample having a thin film,
Plasma etching the thin film with an average power of time-modulated high frequency power on a sample stage on which a sample having an thickness of Anm is placed so as to have a low etching rate of less than 4 × Anm / min,
2. The plasma processing method according to claim 1, wherein the time during which the high frequency power is not applied in one cycle is four to 100 times longer than the time during which the high frequency power is applied in one cycle.

In a plasma processing method of plasma etching the film to be etched of a sample having the film to be etched,
Plasma etching the film to be etched at a low etching rate of 70 nm / min or less,
The plasma etching is performed by applying time-modulated intermittent high frequency power to a sample stage on which the sample is placed, and plasma etching,
2. The plasma processing method according to claim 1, wherein the time during which the high frequency power is not applied in one cycle is four to 100 times longer than the time during which the high frequency power is applied in one cycle.

In the plasma processing method of Claim 1 or Claim 2,
A plasma processing method, wherein the thin film has a thickness of 0.05 nm to 50 nm.