JP4142492B2 - プラズマ処理方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置に係わり、特にプラズマを用いて半導体素子などの表面処理を行うのに好適なプラズマ処理方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
プラズマを用いてエッチング処理を行う場合、処理ガスを電離し活性化効率を上げることで処理の高速化を図り、また被処理材に高周波電力を供給し、イオンを垂直に入射させ異方性形状を得る高精度エッチング処理を行っている。従来のプラズマ処理方法は、例えばSi(シリコン)基板に高アスペクト比のホール、トレンチ加工を行う際、エッチングガスHBr(臭化水素)、O2(酸素)、SF6(六フッ化硫黄)等を使用しエッチングを行っていた(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
この処理条件では、アスペクト比の増大に伴い、ホールまたはトレンチ底部ではラジカル供給量とイオン衝撃が不足し、高エッチングレートおよび形状維持が困難であり、また、マスク部の直下にサイドエッチが発生し、ホールまたはトレンチ上部のCD(Critical Dimension)を制御することが困難であった。
【0004】
【特許文献1】
特開平11−135489号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高アスペクト比のエッチングにおいて、高エッチングレートおよび高精度な形状制御を実現可能な処理条件を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマ処理方法では、HBr(臭化水素)、O2(酸素)、SF6(六フッ化硫黄)等のエッチングガスによるステップの一定時間処理後に、前記エッチングガスを稀釈するための希ガス(He(ヘリウム)、Ne(ネオン)、Ar(アルゴン)、Xe(キセノン))を導入するステップにより、ラジカルを効率的に生成することで、ホールまたはトレンチ底部へラジカルを供給でき、かつ稀釈ガスのイオン衝撃により、高エッチングレートで高精度な形状制御を実現可能である。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第1の実施例を図1から図8を用いて説明する。図1は、本発明にかかるプラズマ処理方法を適用するプラズマ処理装置の一実施例であるエッチング装置の縦断面図である。
【0008】
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)および誘電体窓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は、エッチングガスを流すための多孔構造となっておりガス供給装置105に接続されている。また、真空容器101には、真空排気口106を介し真空排気装置(図示省略)が接続されている。
【0009】
誘電体窓103上部には処理室104と略同径に構成された円筒壁107が処理室104と電気的に接続されて設けられ、円筒壁107の上部開口部には中央に円形の開口部を有する天板108が円筒壁107と電気的に接続されて設けられ、誘電体窓103と円筒壁107と天板108とで囲まれた円筒空洞部109が設けられている。円筒空洞部109は、円矩形変換導波管110および矩形導波管111を介して電磁波発生用電源112(例えばマグネトロン)と接続されている。
【0010】
電磁波発生用電源112から発振された電磁波(例えば、マイクロ波)は、矩形導波管内111を伝播した後、円矩形変換導波管110を介して円筒空洞部109に導入される。
【0011】
処理室104の外周部には、処理室104内に磁場を形成する磁場発生コイル113が設けてある。
【0012】
また、被処理材114を載置可能な基板電極115は、真空容器101下部に設置され、整合器116を介して基板バイアス電源117(例えば周波数400kHz)に接続されている。基板電極115の上面は誘電体膜で覆われており、基板電極115にフィルタ119を介して接続された静電チャック電源118から直流電圧を印加することによって、誘電体膜上に設置された被処理材114は、静電吸着されている。ここで、フィルタ119は、静電チャック電源118からの直流電圧を伝送させ、基板バイアス電源117、電磁波発生用電源112からの電力を効果的にカットする。
【0013】
上述のように構成されたプラズマ処理装置では、処理室104内部を真空排気装置(図示省略)により減圧した後、ガス供給装置105によりエッチングガスを処理室104内に導入し所望の圧力に調整する。電磁波発生用電源112より発振された、例えば、マイクロ波帯の周波数2.45GHzのマイクロ波電力は矩形同軸線路111を経由し、円矩形変換導波管110を介して、円筒空洞部109に導入される。円筒空洞部109に導入されたマイクロ波電力は、誘電体窓103、シャワープレート102を伝播して処理室104内に導入され、磁場発生用コイル113(例えばソレノイドコイル)により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する。特に、磁場発生用コイル113によって電子サイクロトロン共鳴を起こす磁場強度(例えば、0.0875T)を処理室104内に形成した場合、効率良く高密度プラズマを生成することができる。また基板電極115に載置された被処理材114は、基板バイアス電源117より高周波電力が供給され、表面処理(例えば、エッチング処理)される。
【0014】
本構成のプラズマ処理装置では、主として2.45GHzの電磁波発生用電源112によってプラズマを生成し、基板バイアス電源117によってイオンの被処理材114への入射エネルギーを制御している。このような装置では、プラズマ生成とイオン衝撃を独立に制御できるというメリットがある。
【0015】
従来、Si(シリコン基板)に高アスペクト比のホール、トレンチ加工を行う際、エッチングガスHBr(臭化水素)、O2(酸素)、SF6(六フッ化硫黄)等を使用しエッチングを行っていた。特に、DRAMなどのメモリ用LSIではアスペクト比(トレンチまたはホールの縦横寸法の比)と断面形状が重要であり、この場合、アスペクト比は30以上が望ましく、図2に示すように、マスク材201から続く滑らかなる平面の側壁部を備え、側壁の傾斜角がほぼ0度(垂直)で、底部が半円状にくぼんだ形状(ボトムラウンド)を呈しているのが理想的である。ここで、ボトムラウンドが望まれる理由は、後の絶縁膜埋め込み工程での処理が容易になるためと応力集中を抑制するためである。
【0016】
しかし、上記のような従来のエッチング方法では、アスペクト比の増大によって、ホールまたはトレンチ底部でのラジカル供給量とイオン衝撃が不足し、高エッチングレートおよび形状の維持が困難であり、また、マスク部の直下にサイドエッチが発生することによってホールまたはトレンチ上部のCDを制御することが困難であった。この場合の例としては、図3のような処理の途中でホールまたはトレンチ内のエッチングが進行しなくなるエッチングストップ、図4のようなマスク材201の裏面にエッチングが廻り込み空洞205が形成されるサイドエッチと呼ばれる断面形状を呈していた。
【0017】
特に、エッチング処理が進行し高アスペクト比となったとき、ホール、トレンチ底部にラジカルの供給量が減少してくる。この場合、プラズマ発生用の電磁波発生用電源112の出力電力(ここではマイクロ波の出力電力)を増加させラジカル量を増加させると、エッチングガス中のデポ性ラジカルの量も増加してしまい、図3に示すようなエッチストップが発生していた。また、例えばHBr(臭化水素)、SF6(六フッ化硫黄)等のエッチングガス流量を増加させ、プラズマからのラジカル供給量を増加させると、ホール、トレンチ底部でのラジカル量の増加ばかりでなく、側壁へのラジカル入射頻度も増加するため、図4に示すようなサイドエッチが発生していた。
【0018】
図5を用いて、本発明にかかるプラズマ処理方法の処理の1例を説明する。図5は、Si(シリコン)基板に高アスペクト比のホール、トレンチ加工を行うステップエッチングによるプラズマ処理方法を示している。ステップ1(501)にて被処理材と反応して揮発性化合物(例えばSiF4,SiBr4)とガス(例えばCO2,CO,O2)を生成するエッチングガスとしてHBr(臭化水素)、O2(酸素)、SF6(六フッ化硫黄)が供給され、プラズマを発生させ、エッチング処理を実行する。プラズマ発生後、一定時間が経過した後、ステップ2(502)にて希ガス(例えばAr(アルゴン))を稀釈ガスとして導入してエッチング処理を継続する。この処理は、所望のアスペクト比のホール、トレンチがエッチング完了した時点で終了する。
【0019】
図6に、本実施例にもとづき、稀釈ガスとしてAr(アルゴン)ガスを導入したステップ(アルゴンガスステップ)を用いてエッチングしたシリコン基板202のホール203の断面図を示す。この場合、エッチングガス(HBr(臭化水素)、O2(酸素)、SF6(六フッ化硫黄))によってプラズマを発生させた後、一定時間が経過するとエッチングガスの全流量に対して100%流量のAr(アルゴン)稀釈ガスを導入した。エッチング処理が一定時間経過した後にエッチングガスに希釈ガスを加えてエッチングを継続することによって、エッチングストップやサイドエッヂを発生せずに、アスペクト比30を実現している。この結果は、上述の希ガスによるエッチングステップによって、エッチングストップを発生せずに、側壁のテーパ角を概0度とし、サイドエッチを解消し、高アスペクト比のホールを形成可能であることを示している。
【0020】
図7を用いて、シリコン基板のホール側壁でのテーパ角のAr(アルゴン)ガスステップ依存性を説明する。Ar(アルゴン)ガスステップを導入することで、ホール側壁でのテーパ角が垂直に近づいている。これに対し、アルゴンガスステップを採用しない場合には、ホール側壁にテーパーを生じており、アスペクト比の高いホールを低部に達するまで同じ径で形成することが困難なことを示している。アルゴンガスステップを採用することによって、アスペクト比が増大してもエッチストップすることなく、エッチングが進行し、ホール底面でのCDを維持できることを示している。これは、稀釈ガスとして、Ar(アルゴン)ガスを導入することでラジカル密度が増加し、かつ生成されたAr(アルゴン)イオンによってホール底部でのイオン衝撃が増加しエッチストップを抑制している効果による。
【0021】
図8を用いて、シリコン基板のホール上部におけるCDのAr(アルゴン)ガスステップ依存性を説明する。Ar(アルゴン)ガスステップを導入することで、ホール上部のサイドエッチが±0nmに近づいている。これに対し、アルゴンガスステップを採用しない場合には、ホール上部にサイドエッチが生じている。アルゴンガスステップを採用することによって、Ar(アルゴン)ガスによりエッチストップが解消され、ホール底面から発生するエッチング反応生成物が増加し、このエッチング反応生成物がホールの側壁に付着してホールの側壁保護膜が厚くなることにより、サイドエッチが抑制されているからである。
【0022】
また、上述の実施例では各効果について代表的な被エッチング材、マスク材、プロセス条件、エッチング形状を用いて具体的に示したが、類似の特性を示す材料、プロセスであれば、同様の作用効果が得られるのは言うまでもない。
【0023】
また上述の実施例では半導体デバイスの前工程を中心に各効果を説明したが、半導体デバイスの後工程(配線接続、スーパーコネクト)、マイクロマシン、MEMS(ディスプレイ分野、光スイッチ分野、通信分野、ストレージ分野、センサー分野、イメージャ分野、小型発電機分野、小型燃料電池分野、マイクロプロ−バー分野、プロセス用ガス制御システム分野、医学バイオ分野の関係含む)等の分野でのエッチング加工技術に適用しても同様の作用効果が得られる。
【0024】
上記のプラズマ処理方法において、前記エッチングガスを稀釈する希ガスをHe(ヘリウム)、Ne(ネオン)、Ar(アルゴン)、Xe(キセノン)ガスいずれかもしくはこれらの少なくとも二種以上の混合ガスとすることができる。
【0025】
上記のプラズマ処理方法において、稀釈ガスの流量が被稀釈エッチングガス流量の100%以上であることができる。
【0026】
上記のプラズマ処理方法において、前記シリコン基板エッチングは、STI(Shallow Trench Isolation)エッチングであることができる。
【0027】
上記のプラズマ処理方法において、前記シリコン基板エッチングは、高アスペクト比のDeep Trench(またはHole)エッチングであることができる。
【0028】
また、上述のこれら実施例では、マイクロ波ECRタイプの装置について述べたが、他の平行平板型RIE装置、マグネトロンRIE装置、2周波励起プラズマ装置、表面波励起プラズマ装置、VHFプラズマ、UHF−ECRプラズマ、TCP、ICP、ECR等のタイプの装置についても同様の効果がある。
【0029】
【発明の効果】
高アスペクト比のホールまたは、トレンチ加工プロセスにおいて、稀釈ガスとして希ガス(Ar(アルゴン))を導入するステップにより、高エッチングレートで高精度な形状制御を実現できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例であるプラズマ処理装置を示す縦断面図。
【図2】ホールまたはトレンチの加工形状を示す縦断面図。
【図3】ホールまたはトレンチの加工形状を示す縦断面図。
【図4】ホールまたはトレンチの加工形状を示す縦断面図。
【図5】本発明の1実施例であるエッチング処理方法を説明するためのフローチャート。
【図6】本発明の1実施例における試料の加工形状を示す縦断面図。
【図7】Ar(アルゴン)ステップの有無によるエッチング形状のテーパ角を示す図。
【図8】Ar(アルゴン)ステップの有無によるホール上部のCDを示す図。
【符号の説明】
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…真空排気口、 107…円筒壁、 108…天板、 109…円筒空洞部、 110…円矩形変換導波管、111…矩形導波管、 112…電磁波発生用電源、 113…磁場発生用コイル、 114…被処理材、 115…基板電極、 116…整合器、 117…基板バイアス電源、 118…静電チャック電源、 119…フィルター、 201…マスク材、 202…半導体基板、 203…ホール/トレンチ、 204…ボトムラウンド、 205サイドエッヂ、 501…ステップ1、 502…ステップ2
Claims (5)
- プラズマを生成し、試料に高周波電圧を印加することによりシリコン基板をエッチングするプラズマ処理装置を用いた試料のプラズマ処理方法において、
被処理材と反応して揮発性化合物またはガスを生成するHBr(臭化水素)、O 2 (酸素)、SF 6 (六フッ化硫黄)を含むエッチングガスを用いてある一定時間処理を行なった後、前記エッチングガスをHe(ヘリウム)、Ne(ネオン)、Ar(アルゴン)、Xe(キセノン)ガスの少なくとも1種類の希ガスによって稀釈した混合ガスを用いるステップエッチング処理を行なってシリコン基板にトレンチまたはホールをエッチングする
ことを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項1記載のプラズマ処理方法において、
前記シリコン基板のマスク材が酸化シリコンまたは窒化シリコンあるいはこれらの複合膜である
ことを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項1または請求項2記載のプラズマ処理方法において、
稀釈ガスの流量が被稀釈エッチングガス流量の100%以上である
ことを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項1記載のプラズマ処理方法において、
前記シリコン基板エッチングは、STI(Shallow Trench Isolation)エッチングである
ことを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項1記載のプラズマ処理方法において、
前記シリコン基板エッチングは、高アスペクト比のDeep Trench(またはHole)エッチングである
ことを特徴とするプラズマ処理方法。
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