JP3599687B2 - プラズマ処理方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の表面加工を行うプラズマ処理方法及び装置に係り、特にシリコン窒化膜のエッチングに好適なプラズマ処理方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の加工には、プラズマを利用した方法が広く用いられている。従来、シリコン窒化膜をエッチングするプラズマとしては、Ｕ．Ｓ． Ｐａｔｅｎｔ５，７５６，４０２号明細書に開示されているように、フッ素元素を含むガスを主成分として、水素元素を含むガスおよび酸素元素を含むガスを混合したガスのプラズマが利用されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体素子の高集積化に伴い、微細化が必要となっている。このため、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）素子のゲートチャネル長に影響するＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ、以下「ＬＤＤ」と略す） ＳＰＡＣＥＲエッチングの寸法精度が重要となっている。また、近年では、半導体素子の高集積化に伴って、ＳＡＣ（Ｓｅｌｆ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ Ｃｏｎｔａｃｔ）技術を適用するために、このＬＤＤ ＳＰＡＣＥＲをシリコン窒化膜で形成する方法が用いられている。従って、ＬＤＤ ＳＰＡＣＥＲエッチングの際には、異方性に寸法精度よく、且つ下地であるシリコン酸化膜と選択性の高いエッチング技術が要求される。
【０００４】
従来技術であるフッ素元素を含むガスを主成分として前記シリコン窒化膜をエッチングした場合の試料の断面を図８に示す。初期状態は図１（ａ）に示すように半導体基板１０１上にシリコン酸化膜でなるゲート酸化膜１０２，多結晶シリコンでなるゲート電極１０４，ゲート電極１０４のマスク１０６，シリコン酸化膜でなるゲート被覆絶縁膜１０３を形成後、その上にシリコン窒化膜１０５が形成されている。フッ素元素を含むガスをエッチングガスとして用いた場合には、シリコン窒化膜のシリコン酸化膜に対する選択比を大きくすることはできるが、図８に示すように等方性が強くなり、シリコン窒化膜１０５にサイドエッチングが発生し、ゲート電極１０４側面のシリコン窒化膜がやせ細り、寸法加工精度が悪くなる。
【０００５】
本発明の目的は、これらの課題を解決し、下地シリコン酸化膜との選択比を大きくするとともにシリコン窒化膜の寸法加工精度を向上させることのできるプラズマ処理方法及び装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の１つの態様においては、フッ素元素を含まない塩素ガスのようなハロゲン化元素でエッチングすることによりシリコン窒化膜の等方的なエッチングを防止し、シリコン酸化膜のエッチング速度を抑制するためにアルミニウムを混合したプラズマで処理する。
【０００７】
即ち、本発明の１態様は、真空容器と、真空容器内にプラズマを発生させる手段と、プラズマにより表面加工される試料を設置する試料台と、試料台に高周波バイアス電圧を印加するための電源を含むプラズマ処理装置を用い、真空容器内でハロゲン元素を含むガスとアルミニウムの混合雰囲気をプラズマ化し、生成されたプラズマを用いて試料の半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜上のシリコン窒化膜をエッチングするプラズマ処理方法を提供する。
【０００８】
本発明の別の態様では、プラズマ処理装置にシリコンを設け、ハロゲン元素を含むガスとアルミニウムとシリコンとの混合雰囲気をプラズマ化するプラズマ処理方法が提供される。
【０００９】
本発明の別の態様では、前記ハロゲン元素を含むガスは、少なくとも塩素または臭素またはヨウ素元素を含むプラズマ処理方法が提供される。
【００１０】
本発明の別の態様では、プラズマを発生させるガスの処理圧力は、０．５Ｐａ 以上１００Ｐａ（パスカル）以下であるプラズマ処理方法が提供される。
【００１１】
本発明の別の態様では、高周波バイアス電圧は連続的もしくは周期的にオン，オフしてプラズマ処理するプラズマ処理方法が提供される。
【００１２】
本発明の別の態様では、アルミニウムは、真空容器内のプラズマに晒される一部分または全面を、アルミニウムを主成分とする材質で形成され、これらの部分からプラズマ中にアルミニウムが供給されるプラズマ処理方法が提供される。
【００１３】
本発明の別の態様では、真空容器は、脱着可能な９９％以上の高純度アルミニウムで形成されたパーツを含み、不純物の少ないアルミニウムを前記プラズマ中に供給するプラズマ処理方法が提供される。
【００１４】
本発明の別の態様では、真空容器に、アルミニウム元素を含むガスを供給できる別の領域からプラズマ中にアルミニウムを供給するプラズマ処理方法が提供される。
【００１５】
本発明の別の態様では、シリコンは、真空容器内のプラズマに晒される一部分が、シリコンを主成分とする材質で形成され、これらの部分からプラズマ中に供給されるプラズマ処理方法が提供される。
【００１６】
本発明の別の態様では、真空容器に、シリコン元素を含むガスを供給できる別の領域からプラズマ中にシリコンを供給するプラズマ処理方法が提供される。
【００１７】
本発明の別の態様では、アルミニウムを主成分とする材質は、真空容器内のアース電位に設定されるプラズマ処理方法が提供される。
【００１８】
本発明の別の態様では、シリコンを主成分とする材質は、真空容器内のアース電位に設定されるプラズマ処理方法が提供される。
【００１９】
本発明の他の態様では、真空容器と、真空容器内にプラズマを発生させる手段と、プラズマにより表面加工される試料を設置する電極を構成する試料台と、試料台に高周波バイアス電圧を印加するための電源とを具備し、試料台近傍に設けられアース電極を形成し、フッ素元素を除くハロゲン元素を含むガスとの混合雰囲気のプラズマを生成するアルミニウム部材とを含み、生成されたプラズマにより試料としての基板上に形成されたシリコン酸化膜上のシリコン窒化膜を選択的にエッチング可能としたプラズマ処理装置を提供する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１ないし図５により説明する。
図２は、本発明を適用するプラズマ処理装置のプラズマ生成部の詳細を例示した図である。本実施例はプラズマを生成する手段としてＵＨＦ波と磁界を利用した例である。ＵＨＦ波電源２０１から同軸ケーブル２０２，アンテナ２０３と
ＵＨＦ波透過窓（例えば石英平板）２０４を介して真空容器２１０にＵＨＦ波が導入される。真空容器２１０の内周は、石英もしくはアルミナの円筒２１１で覆い、真空容器２１０の外周には真空容器２１０内に磁場を形成するソレノイドコイル２０５が設置されており、磁場とＵＨＦ波の相乗作用を利用して、プラズマ２０６を発生させる構造となっている。径２００ｍｍの試料２０７は試料台２０８上に設置され、直流電源２１３により印加された直流電圧により誘電膜２０９を介して試料台２０８に前記試料２０７を静電吸着している。試料台２０８には連続的もしくは周期的にオン，オフできる高周波電源２１２と試料台２０８温度調整のための冷媒温度コントローラ２１５が接続されている。また、真空容器２１０内のプラズマ２０６に晒される一部分または全面に、アルミニウムを主成分とするリングを配置する。この場合は、プラズマに電位を与えるためのアース電極を兼ね、試料台２０８の側面外周に対向して純度の高いアルミニウムのリング２１４が設けられている。
【００２１】
上記のエッチング装置を用いて、真空容器２１０内に塩素ガスを導入し、真空容器２１０内にプラズマ２０６を発生させることにより、プラズマ中の塩素ラジカルおよび塩素イオンとアルミニウムのリング２１４とが反応し、ＡｌｘＣｌｙの反応生成物となって、プラズマ中にアルミニウム成分が供給される。このとき、リング２１４をアースにしているので、プラズマとの間にイオンシースができ、プラズマ中のイオンを引き込む作用があるので、プラズマ中の活性種とのさらなる反応を促すことができる。この塩素成分とアルミニウム成分との混合されたプラズマを用いてシリコン窒化膜をエッチングしたところ、シリコン酸化膜に対するシリコン窒化膜の選択比（すなわち、シリコン窒化膜／シリコン酸化膜）を大きくした状態で、シリコン窒化膜の垂直方向の異方性エッチングが可能であることがわかった。
【００２２】
図１（ａ）〜図１（ｂ）は加工形状を調べた例を示す。図１（ａ）に示す径
２００ｍｍの半導体基板１０１上にゲート酸化膜１０２，ゲート電極１０４，マスク１０６，シリコン酸化膜でなるゲート被覆絶縁膜１０３を形成後、その上にシリコン窒化膜１０５が形成されている試料を、塩素ガス５０〜５００ｍｌ／分，処理圧力０．５〜５０．０Ｐａ，ＵＨＦ波の電力は３００〜８００Ｗ、高周波電源２１２の電力は２０〜１００Ｗで前記塩素ガス流量，前記処理圧力，前記高周波電力を適正化して処理すると、図１（ｂ）に示すようにゲート電極１０４側面のシリコン窒化膜のやせ細りのない（ｔ，ｔ１寸法の差のない、又は差の少ない）異方性の加工ができる。
【００２３】
本実施例のように、塩素ガスを真空容器２１０に導入し、真空容器２１０内にアルミニウム成分を供給することで、シリコン酸化膜に対するシリコン窒化膜の選択比を高くし、シリコン窒化膜をゲート電極側面のシリコン窒化膜のやせ細りなく異方性エッチングが可能となり、シリコン窒化膜の寸法加工精度を向上させることができる。さらに、処理圧力と高周波電力の調整によりシリコン酸化膜に対するシリコン窒化膜の選択比を任意で調整できる。
【００２４】
図３は、真空容器２１０内に塩素ガスプラズマを発生させた状態でリング２１４の有無の状態で、高周波電力を変化させて調べた例を示す。本実施例における塩素ガス流量は１７０ｍｌ／分、処理圧力は３．０Ｐａ 、ＵＨＦ波の電力は５００Ｗである。図３において、リング２１４が無い状態のシリコン窒化膜のエッチング速度を曲線３ａに示し、シリコン酸化膜のエッチング速度を曲線３ｂに示す。リング２１４を設置した状態のシリコン窒化膜のエッチング速度は曲線３ｃ，シリコン酸化膜のエッチング速度を曲線３ｄに示す。この結果によれば真空容器
２１０内にアルミニウム成分が供給されるとシリコン窒化膜のエッチング速度比は殆ど変化しないが、シリコン酸化膜のエッチング速度を低下させる効果がある。
【００２５】
これは、シリコン窒化膜とアルミニウムの反応性生物との反応による反応生成物よりも、シリコン酸化膜とアルミニウムの反応性生物との反応による反応生成物のほうが蒸発しにくいために、シリコン酸化膜上にアルミニウムを含む反応生成物が付着して保護膜の働きをするためと考えられる。
【００２６】
図４（ａ）は、真空容器２１０内に塩素ガスプラズマを発生させた状態でリング２１４の有無の状態で処理圧力を変化させて調べた例を示す。この実施例における塩素ガスは１７０ｍｌ／分、ＵＨＦ波の電力は５００Ｗ、高周波電力は７０Ｗである。図４（ａ）において、リング２１４が無い状態のシリコン窒化膜のエッチング速度を曲線４ａ，シリコン酸化膜のエッチング速度を曲線４ｂに示し、リング２１４を設置した状態のシリコン窒化膜のエッチング速度は曲線４ｃ，シリコン酸化膜のエッチング速度を曲線４ｄに示す。図４（ａ）に示すように、エッチング速度は処理圧力が高くなるにつれてシリコン窒化膜，シリコン酸化膜共にエッチング速度が低下することがわかる。即ち、処理圧力を増減することで反応生成物の堆積量が制御でき、処理圧力を高めることによりシリコン酸化膜上に多くの反応生成物が堆積し、シリコン酸化膜のエッチング速度を低下させることができると考えられる。
【００２７】
図４（ｂ）はシリコン窒化膜とシリコン酸化膜との選択比を示し、リング２１４が無い状態の選択比を曲線４ｅ，リング２１４を設置した状態の選択比を曲線
４ｆに示す。この結果によれば、真空容器２１０内にアルミニウム成分が供給されると、処理圧力０．５Ｐａ 以上でシリコン酸化膜に対するシリコン窒化膜の選択比を容易にコントロールできる。
【００２８】
図５（ａ）〜５（ｂ）は、真空容器２１０内に塩素ガスプラズマを発生させリング２１４が設置された状態で高周波電力を変化させて調べた例を示す。この実施例における塩素ガスは１７０ｍｌ／分、処理圧力は１．０Ｐａ 、ＵＨＦ波の電力は５００Ｗである。図５（ａ）において、シリコン窒化膜のエッチング速度を曲線５ａに示し、シリコン酸化膜のエッチング速度を曲線５ｂに示す。図５（ａ）に示すように、エッチング速度は高周波電力が低くなるにつれてシリコン窒化膜，シリコン酸化膜共にエッチング速度が低下することがわかる。即ち、高周波電力を増減することで塩素イオンの加速電圧が制御でき、高周波電力を低くくすることにより、シリコン酸化膜上への反応生成物の堆積量が増加し、シリコン酸化膜のエッチング速度をより低下させることができると考えられる。
【００２９】
図５（ｂ）は、リング２１４を設置した状態の選択比を示す。この結果によれば真空容器２１０内にアルミニウム成分が供給されると、高周波電力を調整することによりシリコン酸化膜に対するシリコン窒化膜の選択比を容易にコントロールできる。
【００３０】
また、高周波電力を周期的にオン，オフする機構を用い高周波電力のオフ時間を調整することにより、シリコン酸化膜上への反応性生物の堆積量を制御でき、同様な効果が得られると考えられる。
【００３１】
なお、本発明は上述した実施例に特定されるものではない。たとえば、上記実施例では真空容器内にアルミニウムを主成分とするリングを設置した状態について説明したが、他の方法、例えばアルミニウム元素を含むガス（Ａｌ（ＣＨ３）３：トリメチルアルミニウムまたはＡｌ（Ｃ２Ｈ５）３：トリエチルアルミニウムまたはＡｌ（ＣＨ３）２Ｈ：ジメチルアルミニウムハイドライド等のアルミニウム化合物ガス）をエッチングガスである塩素ガスとともに真空容器２１０内に供給する。もしくは、処理室である真空容器２１０とは異なる別の領域でアルミニウム母材をプラズマまたは熱処理によりガス化し、真空容器２１０内に供給しても良い。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施例を図６を参照して説明する。図６は本発明の第２の実施例を実施するためのプラズマ処理装置を示す。本図において図２と同符号は同一部材を示し説明を省略する。本図が図２と異なる点は、アルミニウム製リング２１４の上部にシリコンを主成分とするリング２１６を設けた点である。図６に示すように、リング２１４上にシリコンを主成分とするリング、この場合、シリコンリング２１６を設置した状態において、シリコン酸化膜に対するシリコン窒化膜の選択比を調べた。処理条件は、塩素ガスは１７０ｍｌ／分、処理圧力は３．０Ｐａ 、ＵＨＦ波の電力は５００Ｗ、高周波電力は７０Ｗで、リング２１６が無い状態で選択比は２２．０であるのに対し、リング２１６を設けた場合には選択比を６５．９まで向上させることができた。また、本実施例では真空容器内にシリコンを主成分とするリングを設置した状態について説明したが、他の方法、例えばシリコン元素を含むガス（ＳｉＣｌ４：四塩化ケイ素等のシリコン化合物ガス）を真空容器２１０内に直接に供給する。もしくは、真空容器２１０とは異なる別の領域でシリコンをプラズマまたは熱処理によりガス化し、真空容器
２１０内に供給しても良い。
【００３３】
次に、本発明の第３の実施例を図７により説明する。本実施例が前記第１の実施例と異なる点は、エッチングガスとして塩素ガスの代わりに臭化水素ガスを用いた点である。図７は、真空容器２１０内に臭化水素ガスプラズマを発生させリング２１４の有無における高周波電力と選択比との関係を調べた例を示す。本実施例における臭化水素ガス流量は２００ｍｌ／分、処理圧力は４．０Ｐａ 、ＵＨＦ波の電力は５００Ｗである。図７において、リング２１４が無い状態のシリコン窒化膜とシリコン酸化膜の選択比を曲線７ａに示す。リング２１４を設置した状態のシリコン窒化膜とシリコン酸化膜の選択比を点７ｂに示す。この結果によれば臭化水素ガスプラズマ中においても、真空容器２１０内にアルミニウム成分が供給されるとシリコン窒化膜とシリコン酸化膜の選択比を向上させる効果があることが分かった。また、ヨウ素ガスを用いた場合でも、同様な効果が得られると考えられる。
【００３４】
以上、これら実施例では、リング２１４をアースに接続した場合について述べたが、電気的に浮遊させてプラズマに晒すようにしたものでも同様の効果が得られる。
【００３５】
また、本発明ＥＣＲプラズマ方式の装置のみならず、反応性イオンエッチング，マグネトロンエッチング，誘導結合型プラズマエッチング等の処理装置による処理にも応用可能である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体基板上に形成したシリコン酸化膜上のシリコン窒化膜の加工において、ハロゲン元素を含むガスとアルミニウムの混合雰囲気をプラズマ化することで、下地のシリコン酸化膜に対するシリコン窒化膜の選択比を大きくできるとともに寸法加工精度の良い優れた加工特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるプラズマ処理方法による加工特性を説明する試料の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例を実施するためのプラズマ処理装置を示す構成図である。
【図３】本発明の効果を説明するための一実施例であって、真空容器内にアルミニウム有無での各膜のエッチング速度と高周波電力の関係を示す図である。
【図４】本発明の効果を説明するための一実施例であって、真空容器内にアルミニウム有無でのシリコン酸化膜のエッチング速度と処理圧力の関係を示す図である。
【図５】本発明の一実施例を説明するための例であって、各膜のエッチング速度と処理圧力との関係を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施例を実施するためのプラズマ処理装置を示す構成図である。
【図７】本発明の第３の実施例を説明するものであって、臭化水素ガスプラズマを発生させた状態で真空容器内にアルミニウム有無でのシリコン窒化膜とシリコン酸化膜との選択比の関係を示す図である。
【図８】従来技術のプラズマ処理方法により加工した場合の例である。
【符号の説明】
１０１…半導体基板、１０２…ゲート酸化膜、１０３…ゲート被覆絶縁膜、
１０４…ゲート電極、１０５…シリコン窒化膜、１０６…マスク、２０１…ＵＨＦ波電源、２０２…同軸ケーブル、２０３…アンテナ、２０４…ＵＨＦ波透過窓、２０５…ソレノイドコイル、２０６…プラズマ、２０７…試料、２０８…試料台、２０９…誘電膜、２１０…真空容器、２１１…円筒、２１２…高周波電源、
２１３…直流電源、２１４，２１６…リング、２１５…冷媒温度コントローラ。

Claims (6)

1. 真空容器と、該真空容器内にプラズマを発生させる手段と、該プラズマにより表面加工される試料を設置する試料台と、前記試料台に高周波バイアス電圧を印加するための電源を含むプラズマ処理装置を用い、前記プラズマ処理装置にシリコンを設け、前記真空容器内でハロゲン元素を含むガスとアルミニウムとシリコンとの混合雰囲気をプラズマ化し、該生成されたプラズマを用いて前記試料の半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜上のシリコン窒化膜をエッチングすることを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 請求項１記載のプラズマ処理方法において、前記シリコンは、前記真空容器内のプラズマに晒される一部分が、シリコンを主成分とする材質で形成され、これらの部分からプラズマ中に供給されるプラズマ処理方法。
3. 請求項２記載のプラズマ処理方法において、前記シリコンを主成分とする材質は、真空容器内のアース電位に設定されるプラズマ処理方法。
4. 請求項１記載のプラズマ処理方法において、前記真空容器に、シリコン元素を含むガスを供給できる別の領域からプラズマ中にシリコンを供給するプラズマ処理方法。
5. 請求項１ないし４記載のいずれかのプラズマ処理方法において、前記アルミニウムは、前記真空容器内のプラズマに晒される一部分または全面を、アルミニウムを主成分とする材質で形成され、これらの部分からプラズマ中にアルミニウムが供給されるプラズマ処理方法。
6. 請求項５記載のプラズマ処理方法において、前記アルミニウムを主成分とする材質は、真空容器内のアース電位に設定されるプラズマ処理方法。

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