JP3686563B2

JP3686563B2 - 半導体装置の製造方法およびプラズマ処理装置

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Publication number: JP3686563B2
Application number: JP35933299A
Authority: JP
Inventors: 和英伊野
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2019-12-17
Also published as: JP2001176856A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プラズマ処理を用いた半導体装置の製造方法、およびプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程においては、ウエハ表面に形成された絶縁膜などの薄膜を微細パターンに加工するためのエッチング処理が行われる。このエッチング処理のための技術の１つに、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）法がある。
反応性イオンエッチング装置は、たとえば、処理室内に対向配置された一対の上部電極板および下部電極板を有しており、下部電極板上に半導体ウエハを載置できるようになっている。この半導体ウエハが載置される下部電極板には、高周波電力を印加するための高周波電力源が接続されている。処理室内にエッチングガスが導入された後、半導体ウエハが載置された下部電極板に高周波電力が印加されると、一対の電極板間に電界が形成され、この電界によりエッチングガスのプラズマが発生する。その結果、半導体ウエハが載置されている下部電極板に負の自己バイアス電圧が生じて、プラズマ中のイオンが半導体ウエハに引き寄せられてウエハ表面に衝突し、これにより、ウエハ表面に形成されている薄膜がエッチングされていく。
【０００３】
イオンがウエハ表面（半導体ウエハ自身の表面またはその上に形成されている薄膜の表面を指す。）に衝突すると、ウエハ表面から２次電子が放出される。この放出された２次電子は、半導体ウエハに負の自己バイアス電圧が生じているために、半導体ウエハから離間する方向に加速されてプラズマ中を移動する。そして、プラズマ中を移動する過程において中性原子・分子に衝突し、中性原子や中性分子のイオン化を引き起こす。したがって、プラズマ中における２次電子の移動距離が長いほど、２次電子と中性原子・分子との衝突頻度が高くなるので、プラズマの高密度化を図ることができる。
【０００４】
そこで、反応性イオンエッチング装置の中には、一対の電極板間に電界と直交する方向の磁界を形成するためのマグネットを備えたものがある。このマグネットを備えた反応性イオンエッチング装置（マグネトロンＲＩＥ装置）では、イオンのウエハ表面への衝突によって発生した２次電子が、電界および磁界によるローレンツ力を受け、この電界の方向および磁界の方向を含む面に直交する方向（Ｅ×Ｂ方向）にサイクロイド運動しながら移動（Ｅ×Ｂドリフト）する。これにより、プラズマ中における２次電子の移動距離が長くなって、プラズマの高密度化が達成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このようなマグネトロン方式のＲＩＥ装置では、２次電子がＥ×Ｂ方向に移動するため、Ｅ×Ｂ方向の下流側ほどプラズマ密度が高くなり、プラズマ密度の面内不均一を生じる。プラズマ密度が面内で不均一になると、ウエハ表面に入射するイオンの密度が面内で不均一になり、その結果、ウエハ表面におけるエッチング速度が不均一になって、ウエハ表面に対するエッチング処理にむらを生じる。また、プラズマ密度の面内不均一は、半導体ウエハに生じる自己バイアス電圧の不均一を招き、この自己バイアス電圧の不均一により半導体ウエハに電流が流れ、ゲート酸化膜の破壊などのダメージ（チャージングダメージ）を与えるおそれがある。
【０００６】
このような問題点を解決するために、Ｅ×Ｂ方向の上流側ほど２次電子のＥ×Ｂドリフト量が少なくなるように、一対の電極板間に形成される磁界強度の面内分布を予め調整しておくことにより、プラズマ密度の面内均一化を図る方法が提案されている。また、半導体ウエハが載置される下部電極板に対向した上部電極板にも一定の高周波電力を印加し、この上部電極板付近において、下部電極板付近における２次電子のＥ×Ｂドリフトの方向と逆方向に２次電子をＥ×Ｂドリフトさせることにより、プラズマ密度の面内均一化を図る方法も提案されている。
【０００７】
しかしながら、１個のイオンの衝突によって放出される２次電子の数（２次電子放出係数）は、イオンが衝突する面の材質によって異なるため、半導体ウエハ上の全面にエッチング対象の薄膜が存在している間と、この薄膜がエッチング除去されて半導体層や金属配線などが露出し始めた後とでは２次電子の放出量が変化する。そのため、上記のいずれの方法であっても、半導体ウエハ上のプラズマ密度を、エッチング処理の全期間を通じて面内均一に保つことはできない。
【０００８】
そこで、この発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、プラズマ密度の面内不均一による処理むらを生じたり、半導体基板にチャージングダメージを与えることなく半導体装置を製造するための方法を提供することである。
また、この発明の他の目的は、上記製造方法の実施に適していて、処理の全期間においてプラズマ密度を面内均一に保つことができ、これにより、被処理物に面内均一なプラズマ処理を施すことができ、かつ、被処理物へのチャージングダメージを抑制できるプラズマ処理装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、半導体基板の表面にプラズマによる処理を施して半導体装置を製造する方法であって、第１電極の基板載置面上に被処理物としての半導体基板を載置する基板載置工程と、前記第１電極および前記第１電極の基板載置面に対向して配置された第２電極のそれぞれに高周波電力を供給してプラズマを発生させ、このプラズマによる処理を半導体基板の表面に施す基板処理工程と、この基板処理工程において、前記第２電極に供給される高周波電力の大きさを、被処理物の露出率に基づいて変更する電力調整工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００１０】
なお、前記第１電極および第２電極間に、前記第１電極と前記第２電極とが対向する方向と直交する方向の磁界を形成する磁界形成工程をさらに含むことが好ましい。
たとえば、プラズマ中のイオンを半導体基板などの被処理物の表面に衝突させて行われるプラズマエッチング処理（イオンエッチング処理）では、プラズマ中のイオンと被処理物の表面との衝突の際に２次電子が放出される。この２次電子の放出率（１個のイオンの衝突によって放出される２次電子の個数＝２次電子放出係数）は、被処理物の表面の材質によって異なる。そのため、被処理物の表面上におけるプラズマ密度が均一となるように第１電極および第２電極への電力量を予め調整していても、エッチング処理が進み、エッチング対象物が除去されるなどして被処理物の表面の材質が変化すると、２次電子の放出量が変化する結果、プラズマ密度が面内不均一になるおそれがある。
【００１１】
そこで、請求項１に記載のように、半導体基板にプラズマ処理を施している途中で、被処理物の露出率に基づいて、第２電極に供給される高周波電力の大きさを調整（変更）することにより、プラズマ処理の全期間を通じて、プラズマ中の電子の分布をほぼ均一に保つことができる。これにより、プラズマ処理の全期間を通じて、半導体基板上におけるプラズマ密度をほぼ面内均一に保つことができ、半導体基板の表面に均一なプラズマ処理を施すことができる。
【００１２】
また、半導体基板上におけるプラズマ密度をほぼ面内均一に保つことができるので、半導体基板に生じる自己バイアス電圧をほぼ均一に保つことができ、自己バイアス電圧の不均一による半導体基板へのチャージングダメージを抑制することができる。
なお、請求項２に記載のように、前記電力調整工程は、前記基板処理工程を開始してから所定時間が経過したことに応答して行われてもよい。
【００１３】
また、請求項３に記載のように、前記基板処理工程において半導体基板の表面の状態を監視する表面状態監視工程をさらに含む場合には、前記電力調整工程は、前記表面状態監視工程において被処理物の表面の状態が変化したことに応答して行われてもよい。
【００１４】
請求項４記載の発明は、被処理物を載置することができる載置面を有する第１電極と、この第１電極の載置面に対向して配置された第２電極と、前記第１電極に高周波電力を供給する第１電力供給手段と、前記第２電極に高周波電力を供給する第２電力供給手段と、前記第１電力供給手段および第２電力供給手段から前記第１電極および第２電極にそれぞれ高周波電力が供給され、これにより発生したプラズマによる被処理物の処理が開始された後に、前記第２電力供給手段から前記第２電極に供給される高周波電力の大きさを、被処理物の露出率に基づいて変更する電力調整手段とを含むことを特徴とするプラズマ処理装置である。
【００１５】
なお、前記第１電極および第２電極間に、前記第１電極と前記第２電極とが対向する方向と直交する方向の磁界を形成する磁界形成手段をさらに含むことが好ましい。
この構成によれば、請求項１に関連して述べた効果と同様な効果を奏することができ、処理の全期間においてプラズマ密度を面内均一に保つことができ、これにより、被処理物に面内均一なプラズマ処理を施すことができ、かつ、被処理物へのチャージングダメージを抑制することができる。ゆえに、このプラズマ処理装置を半導体装置の製造に用いた場合、プラズマ処理のむらやチャージングダメージの発生していない高品質な半導体装置を製造することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置の構成を示す図解的な断面図である。この反応性イオンエッチング装置は、マグネトロン方式の反応性イオンエッチング装置であり、たとえば、被処理物としての半導体ウエハＷの表面（半導体ウエハＷ上の露出面。半導体ウエハＷ自身の表面またはその上に形成された薄膜の表面）にエッチング処理を施して、半導体ウエハＷの表面に形成されている絶縁膜などの薄膜を微細パターンに加工するために用いられる。
【００１７】
この反応性イオンエッチング装置は、処理チャンバ１と、この処理チャンバ１内で上下方向に対向して配置された下部電極２および上部電極３と、処理チャンバ１の外周面に沿って配置されたダイポールリングマグネット（ＤＲＭ：Dipole Ring Magnet）４とを有している。
下部電極２は、処理チャンバ１の底面を貫通して設けられた電極本体部２１と、この電極本体部２１の上面に固定されたウエハ載置電極板２２とで構成されている。電極本体部２１には、下部高周波電源５が接続されており、この下部高周波電源５から所定周波数（たとえば、１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力が印可されるようになっている。また、ウエハ載置電極板２２の上面は、被処理物としての半導体ウエハＷを載置するための載置面となっている。
【００１８】
上部電極３は、下部電極２の上方に対向して配置されており、処理チャンバ１の天面を貫通して設けられた電極中央部３１と、この電極中央部３１の周囲に設けられたリング状の電極外周部３２とを含む。電極外周部３２は、絶縁物３２１を介して処理チャンバ１の天面に貫通して設けられている。電極中央部３１の下面には、複数個のガス供給口３３が開口して形成されている。電極中央部３１の内部には、ガス供給口３３と連通したガス供給路３４が形成されており、このガス供給路３４には、図示しないガス供給源から処理ガスとしてのエッチングガスが供給されるようになっている。エッチングガスとしては、たとえば、Ａｒ／Ｃ₄Ｆ₈／ＣＯやＯ₂などを用いることができる。
【００１９】
電極中央部３１は、アース接続されており、常にグランド電位に保たれている。一方、電極外周部３２には、上部高周波電源６が接続されており、この上部高周波電源６から所定周波数（たとえば、１００ＭＨｚ）の高周波電力が印加されるようになっている。また、この実施形態では、上部高周波電源６にコントローラ７が接続されていて、このコントローラ７により、上部高周波電源６から電極外周部３２に印加される高周波電力の大きさが、エッチング処理を開始してからの経過時間に応じて制御されるようになっている。
【００２０】
ダイポールリングマグネット４は、下部電極２と上部電極３との間に、下部電極２（ウエハ載置電極板２２）の上面とほぼ平行な一方向の磁界Ｂを形成するためのものである。このダイポールリングマグネット４は、たとえば、図２に示すように、処理チャンバ１の中心を通る軸線Ｃを中心とする円周上に配置された３２個のマグネットエレメント４１を備えている。これらのマグネットエレメント４１は、一定の法則性をもって着磁されている。すなわち、任意のマグネットエレメントの中心と軸線Ｃとを結ぶ直線が磁界Ｂの方向に対してなす角度をθとすると、そのマグネットエレメントが形成する磁界の方向Ｂｅは、そのマグネットエレメントの中心と軸線Ｃとを結ぶ直線に対して角度θをなすように着磁されており、軸線Ｃに関して対称な位置にあるマグネットエレメントは、互いに同じ方向の磁界を形成するようになっている。
【００２１】
半導体ウエハＷの表面にエッチング処理を施す際には、まず、半導体ウエハＷが、その表面を上方に向けた状態で、下部電極２のウエハ載置電極板２２上に載置される。次いで、図示しない排気機構によって処理チャンバ１内の雰囲気が排気され、処理チャンバ１内がほぼ真空状態にされた後、この処理チャンバ１内にガス供給路３４およびガス供給口３３からエッチングガスが導入される。その後、処理チャンバ１内に処理ガスが充満した状態で、たとえば、下部高周波電源５から下部電極２に約１５００Ｗの高周波電力が印加されるとともに、上部高周波電源６から上部電極３に約２００Ｗの高周波電力が印加される。これにより、処理チャンバ１内にエッチングガスのプラズマが発生する。
【００２２】
こうして発生したプラズマ中の電子は、下部電極２および上部電極３に引き寄せられて、それぞれ下部電極２上の半導体ウエハＷおよび上部電極３に入射することにより、下部電極２上の半導体ウエハＷおよび上部電極３に負の自己バイアス電圧を生じさせる。その結果、半導体ウエハＷとプラズマとの間に電位差が生じ、この電位差による電界（下部自己バイアス電界）Ｅ１が半導体ウエハＷの表面付近に生じる。この下部自己バイアス電界Ｅ１によって、プラズマ中のイオンが半導体ウエハＷに向けて加速され、半導体ウエハＷの表面に衝突することにより、半導体ウエハＷの表面に形成されている薄膜がエッチングされていく。
【００２３】
イオンが半導体ウエハＷの表面に衝突すると、半導体ウエハＷの表面から２次電子が放出される。この放出された２次電子は、下部自己バイアス電界Ｅ１およびダイポールリングマグネット４によって形成されている磁界Ｂによるローレンツ力を受け、この下部自己バイアス電界Ｅ１の方向および磁界Ｂの方向を含む面に直交する方向（Ｅ１×Ｂ方向）にサイクロイド運動しながらドリフトする。これにより、２次電子をプラズマ中で長い距離をドリフトさせることができるから、２次電子と中性原子・分子との衝突頻度を高めることができ、プラズマの高密度化を図ることができる。
【００２４】
一方、上部電極３に負の自己バイアス電圧を生じることにより、上部電極３とプラズマとの間にも電位差が生じ、この電位差による電界（上部自己バイアス電界）Ｅ２が上部電極３の下面付近に生じる。そのため、上部電極３の下面付近においては、プラズマ中の電子が上部自己バイアス電界Ｅ２およびダイポールリングマグネット４によって形成されている磁界Ｂによるローレンツ力を受け、この上部自己バイアス電界Ｅ２の方向および磁界Ｂの方向を含む面に直交する方向（Ｅ２×Ｂ方向）にサイクロイド運動しながらドリフトする。この電子のドリフト方向（Ｅ２×Ｂ方向）は、半導体ウエハＷの表面付近における２次電子のドリフト方向（Ｅ１×Ｂ方向）と逆方向となる。したがって、適当な強さの上部自己バイアス電界Ｅ２が生じるように、上部電極３に印加する高周波電力の大きさを設定しておけば、プラズマ中の電子をほぼ均一に分散させることができ、半導体ウエハＷ上におけるプラズマの密度分布を面内均一にすることができる。
【００２５】
こうして半導体ウエハＷの表面に形成されている薄膜のエッチングが進み、この薄膜により覆われていた酸化膜（層間絶縁膜）や金属配線などの下層が露出し始めると、半導体ウエハＷの表面からの２次電子の放出量が変化する。すると、プラズマ中の電子の分布が不均一になり、半導体ウエハＷ上におけるプラズマ密度が面内不均一になる。
そこで、この実施形態では、エッチング処理を開始してから上記下層が露出し始めるまでに要する時間を実験などで調べて、第１次処理時間としてコントローラ７に記憶させている。そして、エッチング処理の開始から第１次処理時間が経過すると、これ以降もプラズマ中の電子の分布が均一になるように、コントローラ７によって上部高周波電源６が制御されて、上部高周波電源６から上部電極３に印加される高周波電力の大きさが約２００Ｗから約３００Ｗに変更される。これにより、エッチング処理の全期間を通じて、半導体ウエハＷ上のプラズマ密度がほぼ面内均一に保たれる。
【００２６】
以上のようにこの実施形態によれば、エッチング処理の開始から第１次処理時間が経過した時点で、上部高周波電源６から上部電極３に印加される高周波電力の大きさを再調整することにより、エッチング処理の全期間を通じて、プラズマ中の電子の分布がほぼ均一になるようにしている。これにより、エッチング処理の全期間を通じて、半導体ウエハＷ上におけるプラズマ密度をほぼ面内均一に保つことができ、半導体ウエハＷの表面に均一なエッチング処理を、下層とのエッチング選択比を面内で均一に保ちつつ施すことができる。
【００２７】
また、半導体ウエハＷ上におけるプラズマ密度をほぼ面内均一に保つことができるので、半導体ウエハＷに生じる自己バイアス電圧Ｅ１をほぼ均一に保つことができ、自己バイアス電圧Ｅ１の不均一による半導体ウエハＷへのチャージングダメージを抑制することができる。
なお、この実施形態では、エッチング処理の開始から第１処理時間が経過した時点で、上部高周波電源６から上部電極３に印加される高周波電力の大きさを再調整するとしたが、たとえば、半導体ウエハＷの高周波電圧・電流波形を監視しておき、これら波形の高調波成分の振幅・位相差などが変化したことに基づいて終点検出を行い、上部高周波電源６から上部電極３に印加される高周波電力の大きさを再調整するようにしてもよい。すなわち、半導体ウエハＷの表面の薄膜がエッチング除去されて下層が露出するなどして、半導体ウエハＷの表面の状態が変化したことに基づき、上部高周波電源６から上部電極３に印加される高周波電力の大きさを再調整すればよい。
【００２８】
また、半導体ウエハＷの表面の被エッチング膜の露出率（レジストパターンの開口率）が異なると、２次電子放出係数の面積平均値が異なることに着目し、被エッチング膜の露出率に応じて、上部高周波電源６から上部電極３に印加される高周波電力の大きさを調整することが好ましい。たとえば、シリコン酸化膜をエッチングする場合、このシリコン酸化膜に比べてレジストパターンの２次電子放出係数は一般に小さいので、シリコン酸化膜の露出率が大きいほど、上部高周波電源６から上部電極３に印加される高周波電力が大きく設定されることが好ましい。
【００２９】
さらに、この発明は他の形態で実施することもできる。たとえば、上述の実施形態では、反応性イオンエッチング装置を例にとって説明したが、この反応性イオンエッチング装置に限定されず、たとえばプラズマアッシング装置やプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置など、被処理物にプラズマによる処理を施す装置に本発明を広く適用することができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置の構成を示す図解的な断面図である。
【図２】ダイポールリングマグネットの構成を説明するための図解的な平面図である。
【符号の説明】
１処理チャンバ
２下部電極（第１電極）
３上部電極（第２電極）
４ダイポールリングマグネット（磁界形成手段）
５下部高周波電源（第１電力供給手段）
６上部高周波電源（第２電力供給手段）
７コントローラ（電力調整手段）
Ｂ磁界
Ｅ１下部自己バイアス電界
Ｅ２上部自己バイアス電界
Ｗ半導体ウエハ（半導体基板、被処理物）

Claims

半導体基板の表面にプラズマによる処理を施して半導体装置を製造する方法であって、
第１電極の基板載置面上に被処理物としての半導体基板を載置する基板載置工程と、
前記第１電極および前記第１電極の基板載置面に対向して配置された第２電極のそれぞれに高周波電力を供給してプラズマを発生させ、このプラズマによる処理を半導体基板の表面に施す基板処理工程と、
この基板処理工程において、前記第２電極に供給される高周波電力の大きさを、被処理物の露出率に基づいて変更する電力調整工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記電力調整工程は、前記基板処理工程を開始してから所定時間が経過したことに応答して行われることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記基板処理工程において半導体基板の表面の状態を監視する表面状態監視工程をさらに含み、
前記電力調整工程は、前記表面状態監視工程において被処理物の表面の状態が変化したことに応答して行われることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
被処理物を載置することができる載置面を有する第１電極と、
この第１電極の載置面に対向して配置された第２電極と、
前記第１電極に高周波電力を供給する第１電力供給手段と、
前記第２電極に高周波電力を供給する第２電力供給手段と、
前記第１電力供給手段および第２電力供給手段から前記第１電極および第２電極にそれぞれ高周波電力が供給され、これにより発生したプラズマによる被処理物の処理が開始された後に、前記第２電力供給手段から前記第２電極に供給される高周波電力の大きさを、被処理物の露出率に基づいて変更する電力調整手段と
を含むことを特徴とするプラズマ処理装置。