JP2019050305A - プラズマエッチング方法、及び、半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】垂直性の高いホールを形成可能なプラズマエッチング方法、及び、半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】実施形態に係るプラズマエッチング方法は、C2F4を含むガスを用いており、プラズマの発生中において、CF2の発光強度がC2の発光強度の3.5倍以上である。【選択図】図1
Description
実施形態は、プラズマエッチング方法、及び、半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置においては、エッチングにより絶縁膜に溝を形成して溝内に配線パターン等を形成する。絶縁膜のアスペクト比が高い場合、エッチングガスとして炭素(C)とフッ素(F)を含有するガスが用いられている。このようなエッチングガスを用いたパターン形成方法では、垂直性の高い溝を形成することが望まれている。
実施形態の目的は、垂直性の高いホールを形成可能なプラズマエッチング方法、及び、半導体装置の製造方法を提供することである。
実施形態に係るプラズマエッチング方法は、C2F4を含むガスを用いており、プラズマの発生中において、CF2の発光強度がC2の発光強度の3.5倍以上である。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
(実施形態)
図1は、本実施形態に係るプラズマエッチングの方法を示すフロー図である。
図2は、本実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。
本実施形態では、一例として、プラズマエッチングにより、マスクを用いて基板上の被加工膜に開口を形成する方法について説明する。被加工膜は、絶縁膜であって、例えば、シリコン酸化物を含む。被加工膜は、例えば、TEOS(tetraethoxysilane)を原料として形成される。被加工膜上には、例えば、エッチングマスクとなるカーボン膜が形成されている。
図1は、本実施形態に係るプラズマエッチングの方法を示すフロー図である。
図2は、本実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。
本実施形態では、一例として、プラズマエッチングにより、マスクを用いて基板上の被加工膜に開口を形成する方法について説明する。被加工膜は、絶縁膜であって、例えば、シリコン酸化物を含む。被加工膜は、例えば、TEOS(tetraethoxysilane)を原料として形成される。被加工膜上には、例えば、エッチングマスクとなるカーボン膜が形成されている。
図1に示すように、加工装置の装置条件を作成する(ステップS110)。加工装置は、プラズマ処理装置である。
ここで、以下において、プラズマ処理装置100の構成例を説明する。
図2に示すように、プラズマ処理装置100には、チャンバ1と、下部電極2と、整合器3と、第1電源部4と、第2電源部5と、保持部6と、解析部20と、演算部30と、が設けられている。基板を含むウェーハWがチャンバ1内の保持部6に保持される。
ここで、以下において、プラズマ処理装置100の構成例を説明する。
図2に示すように、プラズマ処理装置100には、チャンバ1と、下部電極2と、整合器3と、第1電源部4と、第2電源部5と、保持部6と、解析部20と、演算部30と、が設けられている。基板を含むウェーハWがチャンバ1内の保持部6に保持される。
下部電極2は、第1電源部4及び第2電源部5に整合器3を介して接続されている。例えば、第1電源部4は、100MHzの周波数を有する高周波電源であって、第2電源部5は、400KHzの周波数を有する高周波電源である。例えば、第2電源部5より第1電源部4を高い周波数にすることで、下部2周波重畳用のプラズマ処理装置100が構成される。
整合器3は、マッチングボックスであって、整合器3によってインピーダンスが整合される。整合器3の整合によって、第1電源部4及び第2電源部5から重畳された電力が下部電極2に印加される。
下部電極2に電力が印加されることでチャンバ1内にプラズマPが発生する。例えばチャンバ1に接続された配管(図示せず)を介して、エッチングガスが供給される。エッチングガスとして、炭素とフッ素を含有するガス(フルオロカーボン系ガス)が用いられる。フルオロカーボン系ガスは、例えば、テトラフルオロエチレン(C2F4)を含むガスである。エッチングガスとして、アルゴン(Ar)を含んでも良い。
プラズマPの発生によって、プラズマP内の活性化原子(ラジカル)と、被加工膜内の材料との化学反応により揮発性化合物が生成される。この揮発性化合物の発生によってマスクから露出した被加工膜がエッチングされ、被加工膜に開口が形成される。つまり、ウェーハW上の被加工膜にマスクパターンと同じ開口(ホール)が形成される。
解析部20は、例えば、発光分光法によって解析する装置である。解析部20は、例えば、OES(Optical Emission Spectrometry)装置である。解析部20は、プラズマエッチング中(つまり、プラズマの発生中)において、チャンバ1内の生成物(ラジカル)の発光強度を測定する。発光強度は、例えば各生成物の発光波長から算出する。例えば、エッチングガスとしてC2F4を含むガスを用いた場合、チャンバ1内にはCF2ラジカルとC2ラジカルが発生する。解析部20は、CF2ラジカルとC2ラジカルの発光波長からそれぞれの発光強度を測定する。例えば、CF2ラジカルの発光波長は251.8nmであって、C2ラジカルの発光波長は516.5nmである。なお、発光強度の単位は任意単位である。
演算部30は、例えば、CPU(Central Processing Unit)を有するコンピュータである。演算部30は、解析部20で測定した各ラジカルの発光強度に基づいて、チャンバ1内の生成物の発光強度比を算出する。例えば、エッチングガスとしてC2F4を含むガスを用いた場合、チャンバ1内にはCF2ラジカルとC2ラジカルが発生し、演算部30は、生成物の発光強度比(CF2/C2)を算出する。
本実施形態において演算部30は、プラズマ処理装置100の装置条件を記憶する。また、演算部30は、解析部20が測定した発光強度や、算出した発光強度比を記憶する。例えば、プラズマ処理装置100は、装置条件、発光強度及び発光強度比を記憶する記憶部を演算部30とは別に設けても良い。
プラズマ処理装置100には、チャンバ1内の各要素(例えば、下部電極2、整合器3、第1電源部4、第2電源部5、保持部6)の動作を制御する制御部が設けられても良い。この場合、制御部は、解析部20及び演算部30の動作を制御する。
図1のステップS110において、プラズマ処理装置の装置条件は、絶縁膜のエッチングに影響するパラメータの設定に相当する。例えば、プラズマ処理装置の装置条件とは、チャンバ内の圧力を7〜20mTorrに設定することである。例えば、プラズマ処理装置の装置条件とは、100MHzの周波数を有する第1電源部4の電力を800〜1600Wに設定することである。例えば、プラズマ処理装置の装置条件とは、エッチングガスとして、C2F4とArを含むガスを用いることに相当する。
次に、エッチング処理を開始する(ステップS120)。例えば、プラズマ処理装置100において下部電極2に電力が印加される。
次に、プラズマを発生させる(ステップS130)。例えば、プラズマ処理装置100においてチャンバ1内にプラズマPが発生する。
次に、プラズマを発生させる(ステップS130)。例えば、プラズマ処理装置100においてチャンバ1内にプラズマPが発生する。
次に、プラズマエッチング中において、生成物の発光波長から発光強度を測定する(ステップS140)。例えば、OES装置等の解析部20は、プラズマエッチング中において、チャンバ1内の生成物の発光波長から発光強度を測定する。例えば、エッチングガスとしてC2F4を含むガスを用いた場合、チャンバ1内にはCF2ラジカルとC2ラジカルが発生し、解析部20は、CF2ラジカルとC2ラジカルの発光強度を測定する。
次に、生成物の発光強度を保存する(ステップS150)。例えば、演算部30は、解析部20が測定した発光強度を記憶する。
次に、生成物の発光強度比を算出する(ステップS160)。演算部30は、チャンバ1内の生成物の発光強度比を算出する。例えば、エッチングガスとしてC2F4を含むガスを用いた場合、チャンバ1内にはCF2ラジカルとC2ラジカルが発生し、演算部30は、生成物の発光強度比(CF2/C2)を算出する。
次に、生成物の発光強度比と、マスク及び被加工膜における開口径との関係について説明する。
図3は、マスク及び被加工膜における開口径を示す図である。
図4は、発光強度比と開口径との関係を示すグラフである。
図3に示すように、基板40上に被加工膜50が設けられ、被加工膜50上にマスク60が設けられている。例えば、基板40は、シリコン基板である。
図3は、マスク及び被加工膜における開口径を示す図である。
図4は、発光強度比と開口径との関係を示すグラフである。
図3に示すように、基板40上に被加工膜50が設けられ、被加工膜50上にマスク60が設けられている。例えば、基板40は、シリコン基板である。
例えば、被加工膜50はシリコン酸化膜であって、マスク60はカーボンマスクである。マスク60の開口の径は、例えば、100nmである。なお、マスク60のファセット部の変曲点の開口径CD1をTopCD(Top Critical Dimension)とする。被加工膜50に形成されたホール開口径の最大値CD2をBowCD(Bowing Critical Dimension)とする。
図4において、エッチングガスとしてC2F4を含むガスを用いた場合、生成物の発光強度比(CF2/C2)と、開口の径との関係が示されている。縦軸及び横軸は、開口径CD(nm)及び発光強度比Rをそれぞれ示している。線L1は、発光強度比に対するマスク60のTopCDを示している。線L2は、発光強度比に対する被加工膜50のBowCDを示している。なお、本実施形態において、C2ラジカルはマスク開口を閉塞する方向にはたらく。一方で、CF2ラジカルは被加工膜のホール内壁に付着し、内壁保護にはたらく。すなわち、CF2ラジカルはCD2拡大の抑制(Bowing抑制)にはたらく。
図4の線L1から、発光強度比Rが大きくなると、マスク60のTopCDも大きくなることが分かった。一方、図4の線L2から、被加工膜50のBowCDは、概ね一定であることが分かった。これは、処理条件に対してCF2ラジカルの生成量は一定となるがC2ラジカルの生成量が減少するので、発光強度比が大きくなる。すなわち、C2ラジカルの減少によりマスク60のTopCDが広がって被加工膜50のBowCDが概ね一定になると考えられる。
図4の線L1及び線L2の交点Cから、発光強度比Rが3.5未満(たとえば2.7)であるとマスク60がC2ラジカルにより閉塞し、CD1<CD2となることが分かった。CD1<CD2となると、被加工膜のエッチングレートが大きく低下し、垂直性の高いホール形状を保てなくなる虞がある。
また、上述のように図4の線L1及び線L2の交点である交点Cから、発光強度比Rが3.5以上であれば、ホールのBowCDが概ね一定であり垂直性の高いホール形状を被加工膜50に形成できることが分かった。つまり、CF2ガスの発光強度がC2ガスの発光強度の3.5倍以上であれば、垂直性の高いホール形状が被加工膜50に形成される。例えば、発光強度をそれぞれ表すCF2信号及びC2信号において、プラズマエッチング中にCF2信号がC2信号の3.5倍以上であれば、垂直性の高いホール形状が被加工膜50に形成される。
図5は、参考例に係る被加工膜のエッチングの形態を示す図である。
図6は、実施形態に係る被加工膜のエッチングの形態を示す図である。
図5に示すように、エッチングにより被加工膜50に溝を形成する場合、被加工膜50のアスペクト比が高いと、エッチングガスとしてヘキサフルオロ−1,3−ブタジエン(C4F6)を含むガスが用いられている。エッチングガスとしてC4F6ガスを用いると、チャンバ1内には、CF2ラジカルとC2ラジカルが発生する。CF2ラジカルは、被加工膜50のBowCDの広がりを抑制する。一方、マスク60の閉塞に起因するC2の生成量が増加するので、チャンバ1内にO2ガスを加えることで、マスク60上部のC2の堆積量を減らしてマスク60の閉塞を抑制している。
図6は、実施形態に係る被加工膜のエッチングの形態を示す図である。
図5に示すように、エッチングにより被加工膜50に溝を形成する場合、被加工膜50のアスペクト比が高いと、エッチングガスとしてヘキサフルオロ−1,3−ブタジエン(C4F6)を含むガスが用いられている。エッチングガスとしてC4F6ガスを用いると、チャンバ1内には、CF2ラジカルとC2ラジカルが発生する。CF2ラジカルは、被加工膜50のBowCDの広がりを抑制する。一方、マスク60の閉塞に起因するC2の生成量が増加するので、チャンバ1内にO2ガスを加えることで、マスク60上部のC2の堆積量を減らしてマスク60の閉塞を抑制している。
しかしながら、チャンバ1内にO2ガスを加えると、CF2とO2が化学反応を起こしてCOFxが生成する。したがって、溝の内壁面を保護するCF2がこの反応により除去され、CF2の堆積量が減少する虞がある。これにより、被加工膜50のBowCDが広がって、被加工膜50に形成される溝の垂直性が低下する場合がある。
本実施形態に係るプラズマエッチング方法では、エッチングガスとしてC2F4を含むガスを用いており、プラズマの発生中において、CF2ラジカルの発光強度がC2ラジカルの発光強度の3.5倍以上である。このようにCF2及びC2の発光強度比Rが3.5以上であれば、図4に示したように、被加工膜50のBowCDが概ね一定となる。
図6に示すように、本実施形態においてエッチングガスとしてC2F4ガスを用いると、C4F6ガスと比較してC2ラジカルの生成量を少なくすることができる。したがって、マスク60の閉塞を抑制するためのO2ガスを加えなくても良いので、CF2とO2が化学反応を起こしてCOFxが生成しない。したがって、溝の内壁面を保護するCF2が除去され難くなって、CF2ラジカルの堆積量が減少することを抑制する。これにより、被加工膜50のBowCDの広がりを抑制し、被加工膜50に形成される溝の垂直性が向上する。
以上説明した実施形態によれば、垂直性の高いホールを形成可能なプラズマエッチング方法、及び、半導体装置の製造方法を提供することができる。
前述したように、一例として、プラズマエッチングにより、マスク60を用いて基板40上の被加工膜50に開口を形成する方法について説明した。本実施形態に係るプラズマエッチング方法は、例えば、半導体装置の製造方法などに応用できる。例えば、3次元構造の半導体記憶装置ではメモリセルの密度が高くなるにつれて微細化が進み、アスペクト比が高い絶縁膜等にパターン形成する場合がある。このようなパターン形成に適用しても良い。これにより、マスク選択比を高くしてBowCDの広がりを抑制することができる。
本実施形態に係るプラズマエッチング方法では、図1のステップS140〜S160で述べたように、解析部20は、生成物の発光波長から発光強度を測定し、演算部30は、生成物の発光強度比を算出している。そして、図4に示したように、プラズマ処理装置100の所定の装置条件(例えば、チャンバ内の圧力、電源部の電力、及び、エッチングガスの種類)に基づいて、発光強度比Rが3.5以上であれば、マスク60がC2により閉塞せずに、被加工膜50のBowCDが概ね一定となるような垂直性の高い溝を被加工膜50に形成できることになる。本実施形態では、このような装置条件に基づいて算出された発光強度比Rによってプラズマエッチングを実施できる。
また、プラズマ処理装置100の装置条件、及び、演算部30によって算出された発光強度比Rは、図1のステップS160の後にフィードバックされて調整され、その後のプラズマエッチング処理に適用されて実施されても良い。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。
1:チャンバ、2:下部電極、3:整合器、4:第1電源部、5:第2電源部、6:保持部、20:解析部、30:演算部、40:基板、50:被加工膜、60:マスク、100:プラズマ処理装置、C:交点、CD:開口径、CD1:変曲点、CD2:最大値、L1、L2:線、P:プラズマ、R:発光強度比、W:ウェーハ
Claims (7)
- C2F4を含むガスを用いたプラズマエッチング方法であって、
プラズマの発生中において、CF2の発光強度がC2の発光強度の3.5倍以上であるプラズマエッチング方法。 - C2F4を含むガスを用いたプラズマ処理装置によって被加工膜に開口を形成する半導体装置の製造方法であって、
前記プラズマ処理装置の装置条件を設定する工程と、
プラズマを発生させて、マスクと、上面に前記マスクが設けられた前記被加工膜とをエッチングする工程と、
前記プラズマの発生中において、前記プラズマ処理装置内の生成物の発光強度を測定する工程と、
を備え、
前記プラズマ処理装置内において、CF2の発光強度がC2の発光強度の3.5倍以上である半導体装置の製造方法。 - 前記生成物の発光強度は、発光分光法により測定される請求項2記載の半導体装置の製造方法。
- 前記プラズマ処理装置内の生成物の発光強度比を算出する工程をさらに備えた請求項2または3に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記プラズマ処理装置の装置条件、及び、前記生成物の発光強度を記憶する工程と、
前記記憶された装置条件及び発光強度に基づいて、前記被加工膜を再度エッチングする工程と、
をさらに備えた請求項2から4のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。 - 前記プラズマ処理装置の装置条件は、チャンバ内の圧力、高周波電源の電力、及び、エッチングガスの種類の少なくともいずれかである請求項2から5のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記被加工膜はシリコン酸化膜であり、
前記マスクはカーボンマスクである請求項2から6のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
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