JP2014220360A - プラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板上に堆積したカーボン系ポリマーを酸素プラズマで除去する際に、同時にシリコン基板表面に生成される可能性のあるシリコン酸化層を低基板ダメージで除去し、所望の加工形状を得ることのできるプラズマ処理方法を提供する。【解決手段】溝を有するシリコン基板の溝に埋めこまれたシリコン酸化膜３０２をエッチングするプラズマ処理方法において、シリコン酸化膜３０２をプラズマエッチングする際に堆積した堆積膜を三フッ化窒素ガスと酸素ガスの混合ガスを用いたプラズマにより除去する。【選択図】図３Ｅ

Description

本発明は、プラズマ処理方法に関する。

半導体の微細化に伴い、従来のトランジスタ構造ではゲート長の縮小に伴うソースードレイン間の短チャネル効果が無視できなくなり、ＦＩＮと呼ばれるソース、ドレイン電極をゲート電極側壁に設けるＦＩＮＦＥＴ（FIN Field Effect Transistor）構造が用いられるようになった。

一般的なＦＩＮＦＥＴではＰｏｌｙシリコンゲート電極に交差するＦＩＮ部にイオン打ち込みを行いソース、ドレイン電極を形成し、トランジスタの駆動電流を制御する。この際、ＦＩＮ消耗により所望のＦＩＮ高さが得られない場合、ＦＩＮの面積が減少することからトランジスタの駆動電流の低下の要因となる。またＦＩＮ側壁に酸化、炭化したシリコン変質層が残った場合も同様の問題が発生する可能性がある。

ＦＩＮ構造を形成の際に所望のＦＩＮ高さを得るためにＦＩＮ上に一様に成膜された酸化シリコンをシリコン部材であるＦＩＮと高選択性を保ちつつ、プラズマエッチングする方法がある。この際、高選択性を保つために用いたエッチングガスの生成物であるカーボン系ポリマーが酸化シリコンおよびＦＩＮ表面に堆積しやすい。このポリマーをフッ素含有酸素プラズマ放電で除去することが知られているが、シリコン基板のダメージを発生させやすい。特許文献１には、酸素ガスと六フッ化イオウの混合ガスプラズマエッチングにおいて六フッ化イオウの含有率を調整することで、低基板ダメージで高速有機膜を除去する方法が開示されている。

特開２００６−３２４６０号公報

発明者等は、低基板ダメージに対して特許文献１の技術が有効と考えこの技術について更に検討を行った。その結果、基板がシリコンの場合には、酸素プラズマでシリコン酸化膜層が生成される可能性のあること、シリコン酸化膜層が生成された場合の除去についての対策が不十分であることが判った。

本発明の目的は、シリコン基板上に堆積したカーボン系ポリマーを酸素プラズマで除去する際に、同時にシリコン基板表面に生成される可能性のあるシリコン酸化層を低基板ダメージで除去し、所望の加工形状を得ることのできるプラズマ処理方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成と処理手順を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、一例を挙げるならば、溝を有するシリコン基板の前記溝に埋めこまれたシリコン酸化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、
フルオロカーボンガスとメタンガスと酸素ガスを含む混合ガスを用いて前記シリコン酸化膜を前記溝の内部に至る所望の深さまでプラズマエッチングする第一の工程と、
三フッ化窒素ガスと酸素ガスの混合ガスを用いたプラズマにより前記第一の工程において前記溝の内部に堆積した堆積膜を除去する第二の工程とを有することを特徴とするプラズマ処理方法とする。

本発明により、シリコン基板上に堆積したカーボン系ポリマーを酸素プラズマで除去する際に、同時にシリコン基板表面に生成される可能性のあるシリコン酸化層を低基板ダメージで除去し、所望の加工形状を得ることのできるプラズマ処理方法を提供することができる。

本発明の実施例に係るプラズマ処理方法を実施するためのプラズマ処理装置の概略全体構成断面図である。 図１で示したプラズマ処理装置における電力制御部のブロック図である。 本発明の実施例又は比較例に係るプラズマ処理方法おける処理工程を示す被処理物の概略加工形状断面図であり、ＦＩＮをシリコン酸化膜で埋め込んだ状態（初期構造）を示す。 本発明の実施例又は比較例に係るプラズマ処理方法おける処理工程を示す被処理物の概略加工形状断面図であり、シリコン酸化膜をエッチングした状態（第１ステップ）を示す。 本発明の比較例に係るプラズマ処理方法おける処理工程を示す被処理物の概略加工形状断面図であり、第１ステップで堆積した堆積膜の除去及びシリコン酸化膜表面の平坦化をしようとした状態（第２ステップ）の一例を示す。 本発明の実施例に係るプラズマ処理方法おける処理工程を示す被処理物の概略加工形状断面図であり、第１ステップで堆積した堆積膜の除去とシリコン酸化膜表面の平坦化を行った状態（第２ステップ）の一例を示す。 本発明の実施例に係るプラズマ処理方法おける処理工程を示す被処理物の概略加工形状断面図であり、第１ステップで堆積した堆積膜の除去とシリコン酸化膜表面の平坦化を行った状態（第２ステップ）の他の例を示す。 本発明の実施例に係るプラズマ処理方法におけるパルス変調電力の印加方法を説明するための図であり、プラズマとバイアスをパルス変調した場合の一例を示す。 本発明の実施例に係るプラズマ処理方法における他のパルス変調電力の印加方法を説明するための図であり、プラズマはパルス変調、バイアスは連続電力にパルス状電力を重畳させた場合の一例を示す。

＜実施例＞
以下、本願発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図１は本実施例に係るプラズマ処理方法を実施するために使用したプラズマ処理装置の概略全体構成断面図である。プラズマ処理装置は、真空処理室１０１と、この真空処理室内に設けられウエハ（被処理物）１０２を保持するウエハ裁置面を備えた下部電極１０３と、石英などのマイクロ波透過窓１０４と、その上方に設けられた導波管１０５、マグネトロン１０６とマグネトロン駆動電源１１３、真空処理室１０１の周りに設けられたソレノイドコイル１０７と、下部電極１０３に接続された静電吸着電源１０８、基板バイアス電源１０９から成る。符号１１０ハウエハ搬入口、符号１１１はガス導入口、符号１１２はプラズマ、符号１１４は電力制御部を示す。なお、各図において、同一符号は同一構成要素を示す。

上記のように構成されたプラズマ処理装置において、真空処理室１０１の内部を減圧した後、エッチングガスをガス導入口１１１から真空処理室１０１内に導入し、所望の圧力に調整する。静電吸着電源１０８により直流電圧を数百Ｖかけることでウエハ１０２を下部電極１０３のウエハ設置面に静電吸着させた後、マグネトロン１０６から周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が発振され、導波管１０５を通して真空処理室１０１内に伝播される。ソレノイドコイル１０７によって形成された磁場と発振されたマイクロ波の相互作用により、真空処理室１０１内に高密度プラズマ１１２が生成される。プラズマ１１２を生成した後、基板バイアス電源１０９に高周波電力が供給され、プラズマ中のイオンがウエハへ入射するエネルギーを制御することでウエハ１０２にエッチング処理を行う。マグネトロン１０６から供給される電力は、パルス変調され間欠的にプラズマを発生させることができる。また、基板バイアス電源１０９の出力もパルス変調されて、時間変調された間欠的な電力を下部電極１０３に印加することができる。プラズマ発生用電力あるいは基板バイアス電力は電力制御部１１４によって制御される。

図２に電力制御部１１４の構成をブロック図で示す。エッチング条件（以後レシピと呼ぶ）はマイコン２０１に入力される。電力の時間制御に関する部分のレシピはエッチング時間Ｔｓ、マイクロ波のパルス変力調周波数Ｆｍとそのｄｕｔｙ比Ｄｍ、基板バイアス電力のパルス変力調周波数Ｆｒとそのｄｕｔｙ比Ｄｒから成る。次に時間変換部２０２でマイクロ波のオンしている時間Ｔｍｏｎ（ｔ）とオフしている時間Ｔｍｏｆｆ（ｔ）、基板バイアスのオンしている時間Ｔｒｏｎ（ｔ）、オフンしている時間Ｔｒｏｆｆ（ｔ）に変換されて、波形発生器２０３に送られる。波形発生器２０３では受けた信号に従い、マグネトロン駆動電源１１３、および基板バイアス電源１０９の出力をパルス変調する信号を発生する。また、マグネトロン駆動電源１１３と基板バイアス電源１０９の出力のタイミングを決定するために、マスタークロック２０４が設けてある。マスタークロック２０４の発振周波数はパルス周波数よりも十分大きければいくつでもよいが、この例では４００ｋＨｚに設定している。マスタークロック２０４の出力がプラズマ発生用とバイアス電力発生用の波形発生器２０３に入り、パルス波形を発生させる。さらにマスタークロック２０４の出力は基板バイアス電源１０９の周波数も兼ねており、バイアス用の波形発生器２０３とマスタークロック２０４の出力を掛け算した波形が基板バイアス電源１０９で増幅されて、ウエハ１０２に印加される。

以下にこのプラズマ処理装置を用いて、図３Ａ〜図３Ｅに示すようなＦＩＮと呼ばれるシリコンの溝加工形状にシリコン酸化膜を埋め込んだ構造で酸化膜を所望の深さまでエッチバックする加工例を述べる。加工前の初期構造は図３Ａに示すようにシリコン基板を加工して形成された溝パターンであるＦＩＮ３０１とその溝にシリコン酸化膜３０２が埋め込まれている。形状加工の第１のステップとしてシリコン酸化膜エッチングに対してシリコンと選択比が高い表１に示すＡｒ／Ｃ_４Ｆ_８／Ａｒ＋ＣＨ_４（４％）／Ｏ_２エッチングレシピで処理を行った。

第１ステップの加工後の形状を図３Ｂに示す。所望のエッチング量Ｆｈまでシリコン酸化膜は削れたものの、シリコン酸化膜表面にカーボン系ポリマー３０３が堆積、またシリコン酸化膜表面の凹凸も初期状態よりも大きくなった。このため、この堆積膜の除去と同時にシリコン酸化膜表面の凹凸平坦化のための第２ステップの処理を行った。

以下に第２のステップをプラズマのみパルス変調した結果（表２、表３）、プラズマとバイアスをパルス変調した結果（表４、表５）、プラズマをパルス変調してバイアスは連続電力にパルス状電力を重畳させた（即ち、第一の期間と第二の期間を有する第二のパルスにより変調され、第一の期間の振幅は、第二の期間の振幅より大きい電力を供給）結果（表６、表７）を述べる。図３Ｃ、図３Ｄ、図３Ｅに処理後の形状例を示す。

表２に第２ステップのエッチングレシピでプラズマを周波数１０００Ｈｚ、Ｄｕｔｙ比５０％でパルス変調している。第２ステップはカーボン系ポリマー除去目的としてエッチングガスにＯ_２ガスを、シリコン酸化膜表面平坦化のためにフッ素含有ガスであるＮＦ_３を混合した条件とした。また処理時間は石英などのマイクロ波透過窓１０４に設置した光ファイバー（図示せず）からプラズマ中の反応生成物ＣＯの発光強度をモニタリングし、発光強度が一定の強度まで低下したタイミングをエッチングの終点としてエッチング時間を設定した。

表３に加工結果を示す。

加工形状はエッチング条件に依存し、例えばＯ_２流量を固定しながらＮＦ_３を減少させた場合、図３Ｃに示す比較例のようにＦＩＮ３０１の表面に薄膜酸化膜３０４が形成されると共にシリコン酸化膜３０２の表面の凹凸は解消されない。逆にＮＦ_３を増加させた場合は図３Ｄに示す本実施例のようにＦＩＮ表面の薄膜酸化膜３０４の形成を抑制でき、シリコン酸化膜３０２の表面の凹凸は解消できた。但し、連続プラズマではシリコンの削れが大きくなり所望のエッチング深さＦｈを維持することができない。一方、パルスプラズマとしてＤｕｔｙ比５０％以下ではシリコン酸化膜が削れにくくなり、ＦＩＮ表面の酸化膜が残った状態であった。この要因としてエッチング中の平均プラズマ密度が低下したことが考えられる。しかし、表３のようにＦＩＮ表面の酸化膜残りおよびシリコン酸化膜表面の凹凸が劣化した。即ち、プラズマのみパルス変調する場合には、連続出力とすることにより、ＦＩＮ表面の酸化膜残りを無くすことが可能である。なお、エッチング深さは、本ステップ２でのＦＩＮの削れ量を見込んだ高さのＦＩＮをステップ１で形成しておくことにより、所望の高さを得ることができる。

次に基板バイアス電力もパルス変調出力とし、マイクロ波出力と基板バイアス電力の出力タイミングを同期させた。表４に第２ステップのエッチングレシピ例を、図４Ａに電力印加パターンの模式図を示す。第１ステップのエッチングは実施例１と同じとし、基板バイアス電力のＤｕｔｙ比Ｄｒを変化させて加工形状を確認した。この際、基板バイアスピーク電力とＤｕｔｙの掛け算であるエッチング中の平均基板バイアス電力は表２の条件（２０Ｗ）と同一電力となるように基板バイアス電力も可変とした。表５に評価結果を示す。

低Ｄｕｔｙ比を用いることでシリコン酸化膜の凹凸および、ＦＩＮ表面の酸化膜残りは改善される。この結果から、シリコン酸化膜エッチング進行には基板バイアスのピーク電力増加が効果的であることが確認できた。しかし、エッチング深さは、ＦＩＮの削れ量が大きく許容範囲外であった（図３Ｄ対応）。これはバイアスをパルス化してＤｕｔｙを小さくするとそれに伴いピーク電力が大きくなりすぎると考えられる。即ち、プラズマとバイアスをパルス変調した場合には、連続出力或いは低Ｄｕｔｙ比とすることにより、ＦＩＮ表面の酸化膜残りを無くすことが可能である。なお、エッチング深さは、本ステップ２でのＦＩＮの削れ量を見込んだ高さのＦＩＮをステップ１で形成しておくことにより、所望の高さを得ることができる。

次に基板バイアスを低出力で定常的に印加しつつ、パルス変調により周期的に高出力の基板バイアス電力を印加する実験を行った。表６に第２ステップのエッチングレシピ例と図４Ｂに電力印加パターンの模式図を示す。表５の結果から基板バイアス電力は定常時は１０Ｗ、パルス出力印加時はバイアス電力が４０ＷでＤｕｔｙ比を２５％とした。マイクロ波と基板バイアス電力のパルス変調周波数は同一とし、基板バイアスのパルス電力印加タイミングを変更し、加工形状を確認した。

マイクロ波電力のパルス印加開始のタイミングを起点として基板バイアスの印加タイミングの遅れ時間を変えて評価した評価結果を表７に示す。バイアスを低出力の連続電力とＦＩＮ削れが進まないようなピーク電力に設定したパルス電力を重畳させることで全ての値を許容値内にすることができた（図３Ｅ対応）。さらにパルス状バイアスを印加するタイミングをパルスプラズマが印加するタイミングよりも遅らせることで、さらにＦＩＮ削れを低減できた。図４Ｂのプラズマ密度分布の図が示すようにマイクロ波電力オン時の前後はプラズマ密度が最も低下、つまりイオン密度も低下していることからスパッタによるＦＩＮ削れが低減されたと考える。表７の評価結果でもプラズマ密度が低下する基板バイアス印加タイミングである、遅れ時間０．８ｍｓもしくは０．９ｍｓで所望の加工形状が得られた。即ち、プラズマをパルス変調してバイアスは連続電力にパルス状電力を重畳させた場合には、ＦＩＮ表面の酸化膜残りを無くすこと及びシリコン酸化膜表面の平坦化が可能である。更に、ステップ２でのＦＩＮ高さの削れ量を考慮することなく容易に所望のエッチング深さとすることができる。なお、前記遅れ（後）は、複数パルスを考慮した場合、先行（前）と見ることもできる。例えば、９０％（０．９ｍｓｅｃ：１０００Ｈｚの場合）の遅れは、１０％（０．１ｍｓｅｃ：１０００Ｈｚの場合）の先行と見做すことができる。また、表７には未記載だが、パルス周期の半分の時間だけ先行（前）とすることにより良好な結果が得られた。また、基板バイアスのオンしている時間Ｔｒｏｎを、パルス変調周波数Ｆｍの周期の５％から２５％とすることにより、良好な結果が得られた。

シリコン表面のカーボン系ポリマー膜を高エッチングレートで除去すると共に所望の加工形状を得ることができる
そこで、表６の条件を用い、表７で基板バイアス印加遅れ時間を８０％として図３Ｂに示す構造の半導体基板をプラズマ処理した結果、シリコン基板上に堆積したカーボン系ポリマーを高エッチングレートで除去すると共にパルス変調プラズマを用いた基板バイアスの印加タイミング調整でシリコン基板に酸化層を残さない低基板ダメージの加工形状を得ることができ、また、シリコン表面に形成されたシリコン酸化層を低エッチングレートで除去することから、シリコン基板の削れを抑制するとともに被エッチング膜表面を平坦化できた。

本実施例では、ＦＩＮに成膜したシリコン酸化膜エッチング後のカーボン系ポリマー除去について記載したがそれに限るものではなく、半導体デバイス製造工程において穴や溝を加工し、その加工部のエッチング被膜上に堆積したカーボン系ポリマー除去が必要なプロセスにおいては、本方法が適応可能であり、例えばハードマスク加工工程などにも応用することができる。加工形状の要求精度に応じてプラズマの解離や基板バイアスの調整が有効な方法である。またガス流量、圧力の調整によるプラズマ中の反応種を変化させることでより高精度な加工が可能となる。尚、本実施例では、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を用いるプラズマエッチング装置を使用したが、プラズマの生成方法の如何に関わらず適用可能であり、例えば、誘導結合型エッチング装置、容量結合型エッチング装置等によって実施しても同等の効果を得ることが出来る。

以上本実施例によれば、シリコン基板上に堆積したカーボン系ポリマーを酸素プラズマで除去する際に、同時にシリコン基板表面に生成される可能性のあるシリコン酸化層を低基板ダメージで除去し、所望の加工形状を得ることのできるプラズマ処理方法を提供することができる。

１０１…真空処理室、１０２…ウエハ、１０３…下部電極、１０４…マイクロ波透過窓、１０５…導波管、１０６…マグネトロン、１０７…ソレノイドコイル、１０８…静電吸着電源、１０９…基板バイアス電源、１１０…ウエハ搬入口、１１１…ガス導口、１１２…プラズマ、１１３…マグネトロン駆動電源、１１４…電力制御部、２０１…マイコン、２０２…時間変換部、２０３…波形発生器、２０４…マスタークロック、３０１…ＦＩＮ、３０２…シリコン酸化膜、３０３…カーボン系ポリマー、３０４…薄膜酸化膜。

Claims (7)

1. 溝を有するシリコン基板の前記溝に埋めこまれたシリコン酸化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、
   フルオロカーボンガスとメタンガスと酸素ガスを含む混合ガスを用いて前記シリコン酸化膜を前記溝の内部に至る所望の深さまでプラズマエッチングする第一の工程と、
   三フッ化窒素ガスと酸素ガスの混合ガスを用いたプラズマにより前記第一の工程において前記溝の内部に堆積した堆積膜を除去する第二の工程とを有することを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
   前記第二の工程のプラズマは、第一のパルスにより変調されたプラズマであることを特徴とするプラズマ処理方法。
3. 請求項２に記載のプラズマ処理方法において、
   前記第二の工程は、前記シリコン基板を載置する試料台に高周波電力を供給し、
   前記高周波電力は、第一の期間と第二の期間を有する第二のパルスにより変調され、
   前記第一の期間の振幅は、前記第二の期間の振幅より大きいことを特徴とするプラズマ処理方法。
4. 請求項３に記載のプラズマ処理方法において、
   前記第二の期間の振幅は、０より大きいことを特徴とするプラズマ処理方法。
5. 請求項４に記載のプラズマ処理方法において、
   前記第二のパルスは前記第一のパルスと同期し、
   前記第一の期間は、前記第一のパルスのオン期間より所望の時間だけ前に発生することを特徴とするプラズマ処理方法。
6. 請求項５に記載のプラズマ処理方法において、
   前記所望の時間は、前記第二のパルスの周期の半分とすることを特徴とするプラズマ処理方法。
7. 請求項６に記載のプラズマ処理方法において、
   前記第一の期間は、前記第一のパルスの周期の５％から２５％とすることを特徴とするプラズマ処理方法。

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