JP4262455B2 - Semiconductor device manufacturing method and manufacturing apparatus - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造技術に関し、特にプラズマを用いた絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(IGFET)の製造技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
LSI(大規模集積回路)の集積度向上に従い、パターンの微細化が進んでいる。微細化したマスクパターンを忠実に導電層や絶縁層に転写するため、反応性イオンエッチング(RIE)、エレクトロンサイクロトロンレゾナンス(ECR)プラズマエッチング等のプラズマを利用した異方性ドライエッチングが多用されている。
【0003】
一方、半導体素子の微細化に伴い、絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の厚さは薄くなっており、10nm以下のものが実用化されつつある。このように、薄いゲート絶縁膜は小さな電気的ストレスでも損傷を受けやすい。
【0004】
たとえば、プラズマプロセスにおいては、基板にイオン、電子等の電荷が入射する。入射する正・負電荷に差が生じると、基板とは電気的に分離されたゲート絶縁膜上の導電層に電荷がチャージアップする。導電層と下の基板との間に電位差が生じると、ゲート絶縁膜を通してトンネル電流が流れ得る。トンネル電流によって、ゲート絶縁膜の誘電特性は変化し、絶縁破壊を生じさせることもある。
【0005】
このように、ゲート絶縁膜上の導電層、またはゲート電極に接続された導電層(これらを以下、ゲート配線と呼ぶ)にチャージアップが生じ得るプラズマプロセスは、ゲート絶縁膜に損傷を与え得る。このようなプロセスとしては、ゲート配線層のパターニング、ゲート配線層に達するコンタクトホールの開口、ゲート配線層に達するコンタクトホール内のスパッタエッチによるクリーニング、ゲート配線層が一部露出した表面上へのプラズマCVD等である。
【0006】
ゲート絶縁膜が損傷を受けると、ゲート絶縁膜破壊またはゲート絶縁膜の誘電特性変化により、半導体装置の歩留りが低下するだけでなく、ゲート絶縁膜の信頼性、延いては半導体装置の信頼性を損なう場合もある。したがって、プラズマプロセスがゲート絶縁膜に与える損傷を十分防止しておくことが望まれる。
【0007】
半導体基板上のプラズマが不均一であると、半導体基板に流入するイオン電流と電子電流に差が生じ、この差に基づくトンネル電流がゲート絶縁膜を流れる可能性が生じる。半導体装置において、ゲート絶縁膜の面積に対するゲート配線の面積(以下、アンテナ比と言う)は、10,000程度に達する。このような高いアンテナ比の導電膜をプラズマ加工すると、僅かなプラズマの不均一により、大量のトンネル電流がゲート絶縁膜を流れる可能性がある。
【0008】
そこで、プラズマ加工に使用するプラズマをできるだけ均一化することが試みられている。より具体的には、プラズマ電位の均一化や、基板バイアス電圧の均一化等が提案されてきた。たとえば、半導体基板上を磁束が横断する構成を用い、基板上の至る所で磁束が表面に平行となるような構成が提案されている。
【0009】
以下、厚い絶縁膜上に形成され、ゲート絶縁膜のような薄い絶縁膜上の電極に接続され、より広い面積を有し、電気的に分離された導電層をアンテナと呼び、薄い(ゲート)絶縁膜上の電極の面積に対する厚い絶縁膜上の導電層の底面積の比をアンテナ比と呼ぶ。
【0010】
プラズマの均一性は、通常高いアンテナ比を有するゲート配線を用い、ゲート絶縁膜の破壊率によって測定されてきた。たとえば、アンテナ比1,000,000を有し、表面に露出した(表面露出型)ゲート配線をプラズマ処理し、ゲート絶縁膜が破壊しなければそのプラズマは均一であると判定されてきた。
【0011】
ところが、このような測定によって十分均一であることが証明されたプラズマを用いても、加工パターンによってはゲート絶縁膜に損傷が生じる場合があることが判ってきた。たとえば、ゲート配線のパターニングにおいては、ゲート配線層の上にホトレジストのマスクパターンが配置される。ホトレジストの開口部における開口幅に対するレジスト厚の比(以下、アスペクト比と言う)は、1よりも大きなものとなってきている。このような高いアスペクト比を有する絶縁パターン下の導電層をプラズマ処理する場合、均一なプラズマを用いてもゲート絶縁膜に損傷が発生し得る。このような高いアスペクト比の絶縁膜パターンを上に有するアンテナ構造を、以下構造付アンテナと呼ぶ。
【0012】
たとえば、アンテナ比1,000,000の表面露出型アンテナ構造によっては均一であることが証明されたECRプラズマに、アンテナ比10,000の構造付アンテナを晒すと、ゲート絶縁膜に損傷が生じ得る。
【0013】
したがって、表面が連続する平坦な導電膜に対しては、均一な性質を示すプラズマを用いても、微細パターンを有する半導体装置の製造工程においては、ゲート絶縁膜の損傷が生じてしまう。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、微細パターンの加工においてもゲート絶縁膜の損傷を防止できる半導体装置の製造方法を提供することである。
【0015】
本発明の他の目的は、微細パターンを有する半導体装置を、ゲート絶縁膜の損傷を防止しつつ、製造することのできる半導体装置の製造装置を提供することである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、絶縁ゲートを有するトランジスタを含む半導体装置の製造におけるプラズマ処理において、プラズマ中の電子エネルギ分布の代表値である電子温度Te(eV)が前記絶縁ゲートの絶縁耐圧B(V)よりも小さくなるように、rfバイアスの周波数、プラズマ発生用マイクロ波の電力、磁場、圧力、ガス種のうち少なくとも1つを制御して、アスペクト比が1より大の開口部を有する絶縁体パターン間に存在する導電体パターン内に電子が入れるようにしたことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【0017】
本発明の他の観点によれば、 a 半導体層、その上に形成され、絶縁耐圧がB(V)であり、厚さが10nm以下であるゲート絶縁膜、その上に形成されたアンテナ構造の導電体層、その上に形成され、アスペクト比が1より大の開口部を有する絶縁体パターンを有する半導体ウエハをプラズマ処理装置内のサセプタに載置する工程と、(b)前記半導体ウエハ全面上において電子温度Te(eV)が絶縁耐圧B(V)よりも小さいプラズマ中で前記半導体ウエハを処理する工程とを含む半導体装置の製造方法が提供される。
【0018】
本発明の他の観点によれば、 a 半導体層、その上に形成され、絶縁耐圧がB(V)であり、厚さが10nm以下であるゲート絶縁膜、その上に形成されたアンテナ比が500以上であるアンテナ構造の導電体層、その上に形成され、アスペクト比が1より大の開口部を有する絶縁体パターンを有する半導体ウエハをプラズマ処理装置内のサセプタに載置する工程と、(b)前記半導体ウエハ全面上において電子温度Te(eV)が絶縁耐圧B(V)よりも小さいプラズマ中で該絶縁層に開口をエッチする工程とを含む半導体装置の製造方法が提供される。
【0019】
本発明の他の観点によれば、 a 半導体層、その上に形成され、絶縁耐圧がB(V)であり、厚さが10nm以下であるゲート絶縁膜、その上に形成されたアンテナ比が500以上であるアンテナ構造の導電体層、その上に形成され、アスペクト比が1より大の開口部を有する絶縁体パターンを有する半導体ウエハをプラズマ処理装置内のサセプタに載置する工程と、(b)前記半導体ウエハ全面上において電子温度Te(eV)が絶縁耐圧B(V)よりも小さいプラズマ中で前記半導体ウエハを処理する工程と、(c)前記工程(b)の後または前に、前記電子温度Teよりも高い電子温度Tehのプラズマ中で前記半導体ウエハを処理する工程とを含む半導体装置の製造方法が提供される。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明者およびその同僚は、マイクロローディング効果によりゲート配線層エッチング中に高いアンテナ比を有する構造付アンテナが出現することを報告した(米国特許出願08/275,426号、好ましい実施例の欄)。ゲート配線層堆積後、その表面上にレジストパターンを形成し、エッチングを行なう際、当初はゲート配線層が基板に電気的に接続されており、アンテナ構造は出現していない。ところが、マイクロローディング効果により、開口幅の広い領域はエッチングが終了しても、開口幅の狭い領域においてはエッチングが終了しない。この段階において、ゲート配線層は開口幅の広い領域で分断された形状になる。この過渡段階でアンテナ比が高い構造付アンテナが出現する。
【0021】
基板にバイアス用rfを印加し、プラズマ中のイオンを基板に引き込む電界を発生させると、プラズマ中のイオンは基板に向かって加速される。しかしながら、プラズマ中の電子は、基板に向かう際に減速を受ける。この電界による力は、基板の表面に対して垂直な方向であり、基板表面と平行な方向には減速を受けない。
【0022】
したがって、プラズマ中のランダムな運動を反映し、種々の運動方向を有する電子は、大部分が基板に対して斜めに入射すると考えられる。このため、絶縁パターンの構造付アンテナの絶縁パターンの上部側壁には、イオンはほとんど衝突しないのに対し、多量の電子が衝突する。この結果、絶縁パターンの側壁上部に負電荷が蓄積する。
【0023】
この負電荷による電場が大きくなると、電子が反発されてパターンの内部に入りにくくなると考えられる。したがって、イオンによる正電荷流入に比較し、電子による負電荷流入が不足して結果として過剰な正電荷による電流がゲート配線層に蓄積され、ゲート絶縁膜をトンネル電流となって通過し、損傷を生じるものと考えられる。
【0024】
図1(A)、(B)、(C)は、本発明者の行なった実験を示す。図1(A)は、プラズマ処理したウエハ上の各チップにおけるゲート絶縁膜破壊の様子を示す平面図である。図1(B)は、プラズマの電子温度測定に用いたプローブの挿入方向を示す概略平面図である。図1(C)は、プローブ測定によって得たプラズマの電子温度を位置の関数として示すグラフである。
【0025】
図2(A)、(B)は、実験に用いたサンプルの構造を示す断面図および平面図である。シリコン基板13の表面には、厚いフィールド酸化膜14aとフィールド酸化膜によって囲まれた領域に形成された厚さ8nmのゲート酸化膜14bが形成されている。
【0026】
これらのフィールド酸化膜およびゲート絶縁膜上に、多結晶シリコン膜15aとアルミニウム層15bの積層からなるゲート配線15が形成され、MOSキャパシタCを構成している。ゲート配線15の上には、厚さ1.6μmのホトレジストによる密な配線パターン16が形成されている。
【0027】
図2(B)に示すように、ホトレジストパターン16は、幅w=0.75μmの配線パターンが間隔d=0.8μmで複数本並列に配置されている。開口部のアスペクト比は2である。これらの配線は、図中下部に示すMOSキャパシタCに連続して接続されている。
【0028】
図3(A)は、このようなサンプルをエッチングした発散磁場ECRプラズマエッチング装置の構成を示す。真空排気可能な反応室1には、ガス導入口2、排気口3が接続されている。ガス導入口2は、所定のエッチングガス源に接続される。排気口3は、排気装置に接続されている。反応室1の上部には、開口が設けられ、プラズマ発生室4に接続されている。プラズマ発生室4と反応室1が気密な容器を構成する。
【0029】
反応室4の上部には、石英等のマイクロ波透過窓6が気密に設けられており、マイクロ波導波管5に接続されている。マイクロ波導波管5は、マイクロ波発生源からプラズマ発生室4へマイクロ波を導入する。
【0030】
プラズマ発生室4の周囲には、主コイル7が配置され、マイクロ波発生室4内に発散磁場を発生することができる。この発散磁場により、ECR条件が形成される。
【0031】
反応室1の下部には、基板9を載置するためのサセプタ8が配置され、サセプタ8はrfバイアス源12に接続されている。rfバイアス源12は、13.56MHzのrf電圧をサセプタ8に供給する。サセプタ8の下部には、外側の外部コイル10および内側の内部コイル11が同心状に配置されている。
【0032】
ガス導入口2からエッチングガスを導入し、排気口3から排気することにより、反応室1、プラズマ発生室4内に所定圧力のエッチングガス雰囲気を形成する。主コイル7によって磁場を発生しつつ、マイクロ波導波管5からプラズマ発生室4にマイクロ波を導入することにより、プラズマ発生室4内にECRプラズマを発生させる。このプラズマは、発散する磁場によって反応室1内でドリフトし、サセプタ8上の基板9に達する。
【0033】
rfバイアス源12から13.56MHzのrf電力をサセプタ8に印加することにより、基板9の電位を制御し、プラズマ中のイオンを基板9に向かって加速するようにバイアス電界を発生させる。このような条件で、基板9上のサンプルにプラズマによるエッチング処理を行なった。
【0034】
なお、エッチング条件は主コイル電流21A、外部コイル電流8A、内部コイル電流8A、エッチングガスCl2 +BCl3 、圧力0.6Pa、マイクロ波電力800W、rfバイアス電力180Wであった。
【0035】
図1(A)は、この条件のエッチングでウエハ9上の各チップ22に形成したサンプルをエッチングした結果を示す。ウエハ9上の各チップ22には、図2(A)、(B)に示すアンテナが接続されたゲート酸化膜厚8nmのMOSキャパシタが形成されている。このアンテナをエッチングした後、MOSキャパシタの耐圧を測定した。
【0036】
白い四角形は耐圧が正常だったチップを表し、ハッチされた四角形は耐圧不良、すなわちエッチング中に破壊が生じたサンプルを示す。なお、右下がりの単一ハッチで示された領域は、アンテナ比106 のサンプルが破壊された領域を示し、クロスハッチされた領域は、アンテナ比105 のサンプルが破壊された領域を示す。
【0037】
なお、アンテナ比104 のサンプルも同時に形成したが、アンテナ比105 のサンプルの破壊された領域とほぼ同一領域で破壊された。図1(A)から、ウエハ上全面でサンプルは破壊されたわけではなく、一定の領域でサンプルが破壊されていることが判る。別の見方をすれば、ウエハ上のある領域においては、ゲート絶縁膜は破壊されていない。すなわち、白い四角形で示した領域においては、ゲート絶縁膜の損傷が防止できるプラズマになっていると考えられる。
【0038】
そこで、補償電極付ラングミュアプローブを用いてプラズマの性質を測定した。図1(B)は、ウエハ9上のプローブの挿入方向を示す。プローブの高さはウエハ表面から約4cmとした。
【0039】
図3(B)は、ラングミュアプローブの構成を概略的に示す。半径0.5mm、長さ5mmの白金線をプローブ31とした。プローブ31には、アルミニウムで形成された補償電極32、33がキャパシタ34、35を介して接続されている。これらの補償電極32、33は、変動するプラズマ電位を補償するための電極である。
【0040】
プローブ31は、使用したrf周波数を遮断するフィルタ36を介して電流計38と可変電圧源37に接続されている。可変電圧源37の他の極および反応室1の外壁は接地されている。
【0041】
プローブ31の位置を、図1(B)に示すようにウエハ9上で動かし、各点で可変電圧源37の電圧Vを掃引して流れる電流Iを電流計38で測定した。得られたV−I特性から、電流値が"0"になる浮動電位付近のΔV/ΔlnIを計算し、周知の方法により電子温度をeV単位で求めた。
【0042】
図1(C)は、得られた電子温度(eV)のウエハ9上の径方向位置に対する関係を示す。サンプルが破壊された領域に対応して、電子温度分布は明確な変化を示している。すなわち、サンプルの破壊が生じた領域においては、電子温度が約10eV以上と高く、破壊が生じなかった領域においては、電子温度が約7eV以下と低い。この結果から、プラズマ中の電子温度が高いと、構造付アンテナを有するゲート絶縁膜に破壊が生じやすいことが判る。
【0043】
なお、サンプルにおけるゲート絶縁膜は厚さ8nmの酸化シリコン膜であり、この酸化シリコン膜の絶縁耐圧は約8Vである。したがって、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧よりも低い、典型的には約1eV以上低い電子温度領域においては、サンプルには損傷が生じていない。
【0044】
逆に、ゲート絶縁膜の耐圧よりも高い、典型的には約2eV以上高い電子温度領域においてはゲート絶縁膜の損傷が生じている。したがって、ゲート絶縁膜の損傷を防止するためには、プラズマの電子温度をゲート絶縁膜の耐圧よりも低くすることが望ましい。
【0045】
なお、ゲート絶縁膜の損傷は、ゲート絶縁膜の膜厚が10nm以下、アンテナ比が500以上、アスペクト比が1以上の場合に生じ易い。特にウエハ径が8インチ以上の場合に損傷が生じ易い。
【0046】
このように、平坦面上の特性が均一なプラズを用いても、微細パターンの加工において生じ得る損傷は、ウエハ全面上でのプラズマの電子温度を低く制御することにより防止できることが判った。この機構は以下のように考えることができるであろう。
【0047】
まず均一なプラズマを用いても、構造付アンテナに損傷が生じる機構として次のようなモデルが考えられる。図4(A)に示すように、基板にバイアスrf電力を供給した時、プラズマに対して基板が相対的に負電位にバイアスされる。プラズマ中の正イオンは、基板とプラズマの間に形成された電場によって基板に向って加速され、基板にほとんど垂直に入射する。プラズマと基板間の電場は、基板に印加するバイアスrf電力によって周期的に変化するが、その向き(符号)は変化しない。従って、正イオンは全周期を通して基板に入射すると考えることができる。
【0048】
図4(B)に示すように、この電場は電子に対しては減速作用を及ぼす。従って、電子は電場によって減速され、プラズマ中のランダムな運動を反映し、大部分が基板に対して斜めに入射すると考えられる。電子が基板に対して斜めに入射すると、基板上の絶縁パターンの側壁に電子が入射することになる。導電性のない領域に入射した電子は、その領域をチャージアップさせる。
【0049】
すなわち、構造付アンテナの絶縁物パターンの上部側壁にはイオンはほとんど衝突せず、電子だけが衝突する。この結果、側壁に負電荷が蓄積される。蓄積された負電荷は、さらに電子を反発する電場を形成する。この電場の強さに応じて電子がパターン内に入れなくなる。絶縁物パターン上部側壁における負電荷の蓄積は、プラズマ中の電子の横方向速度によって支配されるものと考えることができる。
【0050】
この電子の横方向速度は、電子温度に依存する。横方向速度が高い電子の割合が高いと、絶縁物パターン側壁に蓄積される負電荷が大きくなり、全周期を通して入射するイオンの正電荷流入に対して電子電流がバランスを取れなくなる。結果として、過剰正電流がゲート絶縁膜を通過し、損傷を与えると考えられる。
【0051】
電子温度を下げると、電子の平均運動エネルギが低下し、高エネルギ電子の数も少なくなる。電子の運動はランダムである。図4(C)に示すように、電子の速度を基板に垂直な速度成分vy と基板表面に平行な速度成分vx に分解して考えた時、外力が働かない場合vx の分布とvy の分布は等しい。基板に垂直な電場を発生させると、垂直成分vy は、プラズマと基板間の電場によって加速/減速を受けるが、水平成分vx は電場によってほとんど影響されない。電子温度を下げると電子の横方向速度成分vx が低下し、絶縁物パターンの上部側壁に蓄積する負電荷が小さくなると考えられる。電子の垂直方向速度成分vy は、電子温度によらず、電場との相互作用によりほぼ一定値に保たれると考えれば、電子温度が低い程側壁上のチャージアップ量が少なく、基板に流入する電子電流を高くすることができる。このような機構により、電子温度を低下させた時に基板に入射する正電荷の過剰を抑制できるものと考えられる。
【0052】
なお、基板に対する電子の入射は、全周期均一ではない。プラズマと基板間のバイアス電場が強い時は、電子は電場によって反発され基板に近づくことができない。プラズマと基板間のバイアス電場が弱くなり、電子が基板に近づける期間にのみ電子が基板に入射すると考えられる。基板バイアスがrfバイアスである場合、プラズマと基板間に形成される電場は、rfバイアスの周波数に従って変動する。
【0053】
図2(A)に示すECRプラズマエッチング装置において、rfバイアス源12の周波数を13.56MHzから400kHzに変化させた。その結果、ウエハ全面上においてゲート絶縁膜の損傷がなくなった。この現象は以下のように考えることができる。
【0054】
周波数を低下させたことにより、プラズマと基板間に形成される電場が強い期間が長くなる。電場が強い期間においては、イオンによる正電荷が基板に入射する。この結果、1サイクル内で基板に蓄積される正電荷の量が大きくなる。なお、発明者の計算によれば、1サイクル内で基板に蓄積される正電荷の量は、大きくなってもゲート絶縁膜に損傷を与える程の量とはならない。
【0055】
基板に蓄積される正電荷の量が大きくなると電場が弱くなった時に、基板の電位がプラズマ電位に接近する期間が長くなる。また、この期間における電場の絶対値も小さくなり、基板電位はよりプラズマ電位に接近する。結果として、より低エネルギの電子まで基板に入射するようになる。基板に入射する電子のみを考えれば、入射する電子の実効的な電子温度が低下することになる。
【0056】
すなわち、電子温度を低下させることが基板における損傷防止に有効であるが、この電子温度は実効的に基板に入射する電子の電子温度であり、基板に電子が入射しない期間においては電子温度は必ずしも低い必要はない。
【0057】
また、電子温度はプラズマ雰囲気の圧力を上げたり、マイクロ波電力を下げたり、イオン化ポテンシャルの低いガスを添加することによっても低下させることができるであろう。
【0058】
図3(A)のECRプラズマ装置において、内部コイル11のコイル電流を+8Aから−8Aに変更したところ、ウエハ上において全面的に損傷がなくなった。
【0059】
また、rfバイアス電力を0Wにしたところ、やはり全面的に損傷がなくなった。これらの条件でも実効的に基板に入射する電子の電子温度が低下したものと考えられる。
【0060】
なお、浮動電位付近では高運動エネルギの電子のみが電流Iに寄与できる。したがって、この電位領域で求める電子温度は高エネルギ成分を反映したものと言える。絶縁膜パターン上部側壁に負電荷が蓄積していく過程も、主に高運動エネルギ電子によって支配されると考えられる。従って、高運動エネルギの電子成分を対象として電子温度を制御することが好適と考えられる。
【0061】
なお、上記実験においては厚さ8nmのゲート絶縁膜を用いたが、より薄いゲート絶縁膜を用いた場合、アンテナ導体の電位は絶縁膜の耐圧にほぼ近い値まで上昇すると考えられる。アンテナ電位が上昇すると、電子が引き込まれると考えられ、また電子温度を下げることで電子が引き込まれやすくなる。従って、許容電位である耐圧に合わせて電子温度の上限を下げるようにすれば、ダメージが抑制できると推定できる。従って、プラズマの電子温度は絶縁膜の耐圧以下とすることが好ましいであろう。
【0062】
ところで、プラズマへの投入エネルギを変調すると、電子温度も投入エネルギの変調に応じて時間変化すると考えられる。以下、誘導結合プラズマエッチング装置を例にとって説明する。
【0063】
図5は、本発明の実施例による誘導結合プラズマエッチング装置を示す概略断面図である。ステンレス等の外側容器61の上にセラミックス製ベルジャ62が配置され、気密な反応室51を構成している。反応室51には、ガス導入口52と排気口53が接続されている。ガス導入口52にはエッチングガス源EGが接続され、排気口53には排気装置EVACが接続されている。
【0064】
セラミックス製ベルジャ62の回りには、2回巻のコイル60が配置され、マッチング回路59を介してrfソース電源58に接続されている。ソース電源58から13.56MHzのrf電力がコイル60に供給され、反応室51内に誘導的にrf電力が投入される。ガス導入口52からエッチングガスを反応室51内に導入し、排気口53から排気して反応室51内を所定の圧力に維持し、13.56MHzのrf電力を反応室51に投入することにより、反応室51内にプラズマを発生させることができる。このプラズマはサセプタ54上に載置された基板55に達する。
【0065】
サセプタ54は、マッチング回路を内蔵するrfバイアス源56に接続されている。rfバイアス源56から所望の周波数(典型的には66.7kHz)のrf電力を投入することにより、基板55の電位を制御し、プラズマ中のイオンを所望のエネルギに加速して基板55に衝突させることができる。
【0066】
rfバイアス源56からrf出力波形に相似するrf信号が取り出され、パルス発生器57に供給される。パルス発生器57は、入力したrf信号と同じ繰り返し周期で所望の位相に同期した所望のオン期間を有するパルスを発生する。このパルス信号は、ソース電源58に入力され、13.56MHzのrf電力をパルスに応じてON/OFF変調する。すなわち、プラズマ励起電力が基板バイアスと同期してON/OFF変調される。
【0067】
反応室51内では、ON/OFF変調されたプラズマが発生し、このプラズマのON/OFF変調に同期したrfバイアスが基板55に印加される。なお、サセプタ54の周囲には、ヒータ64により温度制御できる内側容器63が配置されている。温度を制御することにより、プラズマ組成を制御できる。また、内側容器63は接地され、サセプタ54に印加されるrfバイアスがプラズマ電位を変動させることを抑制する。
【0068】
図6は、上述のプラズマ発生装置の動作を説明するための波形図である。波形(a)は、プラズマ励起用のソース電力を連続投入した場合の投入電力波形を概略的に示す。
【0069】
波形(b)は、rfバイアスの電圧波形を概略的に示す。特にソース電力との同期をとっていない場合、rfバイアスの波形は図に示すように、種々の位相で表れる。
【0070】
波形(c)は、上述のようにソース電力をON/OFF変調した場合の電力波形を概略的に示す。電力が投入されている間はプラズマに励起エネルギが与えられるが、電力がオフされている期間はプラズマ投入電力が"0"になる。
【0071】
波形(d)は、波形(c)で励起しているプラズマ中の電子温度を概略的に示す。ソース電力が投入されている間、電子は加速され、電子温度は上昇していく。電子温度の上昇中にソース電力がオフされるとする。ソース電力がオフされるとプラズマ中の電子の加速がなくなり、電子はプラズマ中の原子、分子、イオンや反応容器壁に非弾性衝突し、エネルギを失う。このため、電子温度は徐々に低下していく。このように、ソース電力をON/OFF変調すると、電子温度はソース電力のON/OFFに同期して上昇/下降する。
【0072】
波形(e)は、ソース電力がオフからオンに変化する時に最高電位になるようにソース電力変調に同調させたrfバイアスの波形を示す。基板に対する電子の流入が、rfバイアス最高の時に生じるとすれば、この時、電子温度は最低となっている。すなわち、基板に流入する電子の実効的電子温度が最低に選択される。波形(f)は、波形(e)のrfバイアスを印加した時にプラズマから基板に流れる電子電流を示す。
【0073】
なお、波形(b)に示すように、rfバイアスをソース電力のON/OFFと非同期とすれば、基板に電子が流入するタイミングはソース電力の変調と無関係となり、実効的電子温度は波形(d)の平均値となるであろう。あるいは波形(d)の最大値に支配されることもありうる。
【0074】
以上の考察を検証するため、以下に説明する実験を行なった。図7は、実験に用いたサンプルの構造を示す。図7(A)は、サンプルの断面図である。シリコン基板13の表面には、LOCOSにより作成した厚いフィールド酸化膜14aが形成されている。フィールド酸化膜14aによって画定された開口部に厚さ6nmのゲート酸化膜14bが形成されている。ゲート酸化膜14bおよびフィールド酸化膜14aの上に、ゲート配線層15が形成されている。
【0075】
ゲート配線層15は、図2(A)に示すゲート配線層と同様、多結晶シリコン層とアルミニウム層の積層で形成される。ゲート配線層15の上には、レジストマスク16が形成されている。レジストマスク16は厚さ1.2μmであり、図7(B)に示すように、幅w=0.6μm、間隔d=0.6μmを有し、互いに平行なストライプで形成される。開口のアスペクト比は2である。
【0076】
図7(B)に示すように、ゲート配線層15の一部は下部に突出しており、この部分にMOSキャパシタCが形成されている。なお、図7(A)の断面図は概略的なものであり、図7(B)の平面図と厳密には一致していない。
【0077】
図8は、実験に用いたソース電力のON/OFF変調と、同期rfバイアスの位相関係を示す。ソース電力がオンするタイミングを0°とし、rfバイアスの最大電位がソース電力オンの位相より進む角度(進角)を位相角θとした。θは、0°、90°、180°、270°に設定した。なお、ソース電力のON/OFF変調は、オン期間を5μsecとし、オフ期間を10μsecとした。したがって、rfバイアスの最大電位がオン期間の最後に同期する場合、その位相角は240°となる。
【0078】
なお、実験においては比較のため、図6(A)に示す連続放電の場合も測定した。また、rfバイアスをソース電力のON/OFFと同期させない非同期(図6(b)の波形)の場合も実験した。
【0079】
なお、表面露出型アンテナを接続したサンプルを用いた場合には、プラズマ処理装置内における損傷は、アンテナ比1000000でも検出されなかった。プラズマ処理条件は、圧力0.53PaのArガスを用い、ソース電力平均値を100Wとし、rfバイアス電力を22Wとした。この時、ラングミュアプローブ測定で求めたイオン電流密度1mA/cm2 程度であった。
【0080】
図8のソース電力のON/OFF変調実験では、オン期間を5μsecとし、オフ期間を10μsecとした。したがって、繰り返し周波数は66.7kHzとなる。非同期のrfバイアスは60kHzとした。また、オン期間のソース電力は300Wとし、平均100Wを実現した。
【0081】
図9は、実験結果を示すグラフである。横軸は放電の形式を示し、縦軸はキャパシタ破壊率を%で示す。なお、キャパシタ破壊率を測定したサンプルは、アンテナ比105 である。連続放電の場合、キャパシタ破壊率は90%以上であり、100%近い確率を示した。ソース電力をON/OFF変調すると、破壊率は70%程度に低下している。ON/OFF変調により、電子温度の平均値が低下したものと考えられる。
【0082】
同期rfバイアスを0°の位相で印加した場合には、破壊率は5%程度まで低下した。これは、非同期rfバイアスを用いた場合には期待できない著しい改善である。0°から位相を大きくしていくと、破壊率は増大している。
【0083】
オン期間とオフ期間の時間長が異なるため、位相180°はオフ期間に含まれる。オフ期間に含まれる0°、90°、180°の測定結果は、オフ期間中のrfバイアスの進角が進むと、次第にキャパシタ破壊率が高くなることを示している。
【0084】
位相270°はオン期間内であり、他の位相角のデータとは若干条件が異なる。得られたキャパシタ破壊率は位相180°の破壊率に近いものであった。なお、4つの位相角におけるキャパシタ破壊率が総て非同期の場合のキャパシタ破壊率よりも低い理由は現在までのところ判っていない。
【0085】
以上の実験結果から、プラズマ励起パワーを変調する時、投入電力の程度に応じて電子温度が低下すること、ON/OFF変調にrfバイアスを同期させると1周期内でrfバイアスの位相の変化に対応して電子温度が変化することが推察される。電子温度が最も低くなるのは、プラズマ励起パワーがオフからオンに変化する時である。
【0086】
「オン」「オフ」サイクルの繰り返し周波数は、必ずしもrfバイアスの周波数と同じである必要はない。たとえば、rfバイアス周波数の1/2や1/4でもよい。
【0087】
繰り返し周波数は、電子の熱的緩和、プラズマ維持の観点から、5−500kHzの周波数範囲で選ぶことが好ましい。プラズマ励起パワーは、繰り返し周波数の5倍以上の周波数を有することが好ましい。プラズマ励起パワーは、各「オン」期間に3サイクル以上を有することが好ましい。
【0088】
電子が注入される期間は、実際上は"0"ではなく、ある時間幅を有する。したがって、上述の「rfバイアスが最大となるタイミング」は、厳密には電子電流の主たる部分(典型的にはその90%)が注入される期間と考えるべきであろう。この期間内の平均電子温度が最低となるように制御することが好ましい。たとえば、図6に示すように、オン期間とオフ期間が異なるON/OFF変調の場合、最適のrfバイアスの位相は0°よりも僅かに進んだ角度となる。実際上、rfバイアスの位相は−30°〜+60°の範囲とすることが好ましいであろう。
【0089】
また、電子温度は、最低値Teminから振幅の30%上までを実質的な最低値と考えることができる。基板電位は、最高値から振幅の10%下までを実質的な最高値と考えることができる。
【0090】
なお、この実験において、Arガスを用いたのはラングミュアプローブ測定等の便宜のためである。実際の半導体装置の製造プロセスにおいては、その他のガスが用いられる。
【0091】
たとえば、C4 8 ガスを用い、SiO2 膜のエッチングを行なうことができる。図5に示す装置を用い、上述と同様の構造付アンテナを接続したMOSキャパシタを処理した。連続放電でソース電力2.5kw、rfバイアス電力250Wを印加する時、SiO2 膜が500nm/分のエッチング速度でエッチングできた。このプラズマで上述のサンプルを処理すると、106 アンテナで93%の破壊率で示した。
【0092】
ON/OFF時間を5μsec/5μsec、オン期間のソース電力を2.5kw、同期rfバイアスを100kHz、250Wとすると、SiO2 膜は330nm/分のエッチング速度でエッチングできた。この場合、破壊率は88%であった。
【0093】
ON/OFF時間を5μsec/10μsecとし、オン期間のソース電力を2.5kw、同期rfバイアスを66.7kHz、250Wとすると、SiO2膜は210nm/分のエッチング速度でエッチングでき、破壊率は4%であった。
【0094】
オフ時間を長くすることで著しく損傷が低減した。オフ時間を長くすると、電子温度が降下する時間が長くなり、その期間の最後における電子温度はより低下すると考えられる。損傷の著しい低下は、少なくともこの電子温度の低下に依存するものと考えられる。
【0095】
ただし、この例では、厳密にはソース電力の平均値が変化しており、イオン電流密度も変化していると考えられる。したがって、オフ時間効果だけを示すものではないであろう。
【0096】
オフ時間を長くしずきると、rfバイアスの周波数が低くなりすぎて、バイアスを印加しにくくなる。ソース電力を高くして、プラズマ密度が高くなりすぎると、基板電位の上昇がクランプされてしまうことがある。基板電位が上昇した時の基板とプラズマ間のインピーダンスが小さくなり、基板とrfバイアス電源との間のインピーダンスが相対的に大きくなりすぎるためと考えられる。静電チャックを用いて基板を吸着している場合に、この現象が顕著になりやすい。
【0097】
このような場合には、表面的な最適位相が変化してしまい、180°付近が最適になることもある。しかしながら、基板の実際の電位変化を測定し、所望の繰り返し周波数において、正弦波に近い状態が得られるように基板とrfバイアス電源の間のインピーダンスを十分小さくすれば、本来の最適位相で最適の効果を得ることができるであろう。
【0098】
図10は、プラズマ励起エネルギの種々の変調方法を示す。最上段に示した正弦波はrfバイアスの波形であり、その下に示した波形(a)〜波形(e)がプラズマ励起エネルギの変調波形である。
【0099】
波形(a)、(b)は、上述のON/OFF変調の場合の位相0°からの変化を示す。プラズマ励起パワーのオン期間中にrfバイアスの最高値が入る場合には、位相角の許容範囲はおよそ−30°〜 0°である。波形(b)に示すように、rfバイアス電位の最高値がプラズマ励起パワーのオフ期間中に入り込む場合は、位相角の許容範囲はおよそ0°〜60°である。一般的に位相角θは−30°≦θ≦+60°とすることが好ましい。
【0100】
上述の例においては、プラズマ励起パワーはON/OFF変調した。オフ期間に全くプラズマ励起パワーを遮断することは必ずしも必要ではない。プラズマ励起パワーを強弱2段階に切り換えることにより、プラズマ励起パワーが弱い期間に電子温度を低下させることもできる。
【0101】
波形(c)は、この場合の例を示す。プラズマ励起パワーが強弱2段階で変調され、プラズマ励起パワーが弱い状態から強い状態に変化するタイミングでrfバイアスの最高電位が生じている。
【0102】
波形(d)、(e)は、さらに別の変形を示す。波形(d)は、立ち上がり、立ち下がりに時定数を有するプラズマ励起パワーを用いた場合を示している。この場合、立ち上がりの速度に応じて、rfバイアスの位相を制御することが好ましい。たとえば、プラズマ励起パワーが10%以上立ち上がろうとする時に、rfバイアスが最大値を示すように選択する。
【0103】
波形(e)の場合には、プラズマ励起パワーはほぼ正弦波的に変化している。この場合にも、プラズマ励起パワーが弱い状態から次第に強くなる状態に合わせ、rfバイアスが最大値をとるようにすることが好ましい。たとえば、プラズマ励起パワーの電力が最大値の25%以上になる時に、rfバイアス電圧が最大値をとるように選択する。
【0104】
図11は、本発明の他の実施例によるプラズマ処理装置を概略的に示すブロック図である。気密な容器101内にサセプタ102が接地され、その上に基板103が静電吸着される。サセプタ102は温度制御され、基板103とサセプタ102の間にヘリウムガスが導入される。基板はヘリウムガスを介して加熱/冷却され、サセプタと同一の温度に保持される。容器101内には、マスフローコントローラ104、105によって流量を制御されたプロセス用ガスが導入される。このガス系統は、必要に応じて3系統以上に増加することも1系統にすることもできる。容器101は、オートプレッシャコントローラ106を介して真空ポンプに接続され、圧力を制御して排気する。
【0105】
高周波(若しくはマイクロ波)発振器111からの高周波(若しくはマイクロ波)電力は、整合器ないし結合手段112を介して容器101内のガスに導入され、ガスをプラズマ化する。結合手段と投入電力によって次のようなプラズマを生成できる:平行平板電極による容量結合プラズマ、容器101に巻いたコイルを用いた誘導結合プラズマ、容器101上に設置した平板型コイル(TCPコイル)を用いた誘導結合プラズマ、高周波と磁場を併用するヘリコン波プラズマ、マイクロ波と磁場を用いたECRプラズマ、マイクロ波と誘電体線路を用いた表面波励起プラズマ等。
【0106】
一方、サセプタ102には高周波電力が印加される。図の構成においては、2チャンネルの任意波形発生器113の一方からの正弦波信号が高周波増幅器114で電力増幅され、整合器115を介してサセプタ102に印加される。任意波形発生器113のもう一方のチャンネルからは高周波(もしくはマイクロ波)発振器に矩形波が供給される。この矩形波により、発振器111は振幅変調される。
【0107】
容器101には、窓121を介して光ファイバ122が接続され、終点検出器123にプラズマ発光を導入する。終点検出器設定に応じた波長の光の強度変化を検出し、プロセスの進行をモニタする。
【0108】
システムコントローラ131は、基板103の搬送系を含み、装置全体の動作を制御する。マスフローコントローラ104、105には、各ガスの設定値を送り、実際に流れているガス流量の読みを受け取る。オートプレッシャコントローラ106には圧力設定値が供給され、実際の圧力の読みが返される。高周波(若しくはマイクロ波)発振器111にはソース電力設定値、高周波増幅器114にはrfバイアス電力設定値が送られ、それぞれの正味電力の読みが返される。なお、読みはしばしば整合器112、115から返される。
【0109】
任意波形発生器113には、各チャンネルの位相差等を送る。終点検出器123にはパラメータ群、たとえば検出波長、検出条件等を送り、終点信号が返される。システムコントローラ131は、時計を内蔵し、設定時間に従って動作を進行させることができる。システムコントローラ131に一連の処理条件を予め設定することによって、自動的に基板103のプラズマ処理ができる。
【0110】
このように、2チャンネルの任意波形発生器113を用い、その出力波形により高周波発振器111を振幅変調し、高周波増幅器114によって電力増幅を行なう。これらの変調及び増幅は、他の処理パラメータと共にシステムコントローラが自動的に設定、変更できる。これにより、プラズマ処理の途中で任意にプラズマ発生条件やrfバイアス条件を切り換えることができる。
【0111】
任意波形発生器113の代わりに、単一の正弦波発生器を用い、その出力によってソース電力を変調するかどうかをシステムコントローラからの信号で選択するようにしてもよい。この場合、トリガレベルとパルス幅を設定可能とし、位相、ON/OFF時間を可変にすることができる。また、矩形波を発生させ、ソース電力を変調するかどうかを選択可能とし、矩形波の基本波成分だけを増幅し、位相をずらしてrfバイアスとして用いてもよい。
【0112】
図12は、2段階のプロセスを行なう処理を示す。ガス1、ガス2の流量および反応容器内の圧力を設定し、設定条件で安定した後、パルスオフ時間"0"、すなわち連続出力に設定し、ソース電力を投入する。続いて、rfバイアス電力を投入する。予め決めた時間が経過したら(あるいは終点を検出したら)、rfバイアス電力、ソース電力を順次切る。
【0113】
次に第2段階のガス流量、圧力に設定を変更する。設定条件に安定したら、たとえば10μsecのパルスオフ時間を用い、任意波形発生器113からパルス波形と、同期した正弦波を発生させる。パルスオン時間をたとえば5μsecとすると、正弦波は66.7kHzとなる。これら信号に従って、ソース電力、rfバイアス電力を再度投入し、第2段階のプラズマ処理を行なう。予め決めた時間が経過したら、電力を切り、ガスを止め、排気を行なった後プロセスを終了する。
【0114】
なお、動作シーケンスは以上説明したものに限らない。各段階で必ずしも全てのパラメータを変更しなくてもよいし、3段階以上の変化を設定することもできる。パルスのオン時間を途中で変更することもできるし、各値の増減を必要に応じ、最適に変化させることもできる。
【0115】
上述の方法は、たとえばゲート電極のエッチング、ゲート電極上のコンタクトホールのエッチング、ゲート電極に接続する配線のエッチング、この配線上のビアホールのエッチング、コンタクトホールやビアホール内のプラズマクリーニング、またはゲート電極やゲート配線上へのプラズマCVDによる成膜に利用することができる。
【0116】
ゲート電極や配線のパターニングの場合に損傷が生じるのは工程の終点付近である。間隔の狭いパターン間のみに導体が残存し、広いパターン間隔ではエッチングが終了するため、ゲート電極等にアンテナ構造が接続された状態になる。間隔の広いパターン間にも導体が存続している期間には、導電層はいずれかの位置で基板に電気的に接続されていることが多く、電子温度は高くても問題ない場合が多い。そこで、連続放電の方が加工性能等の面から好ましい場合、エッチング終点直前まで連続放電を行い、エッチング終点直前にON/OFF変調と同期バイアスの併用を用いる。あるいは、終点前後だけON/OFF変調と同期バイアスの併用とすることも可能である。
【0117】
コンタクトホールやビアホール形成の場合は、損傷が生じるのはプロセス終点近傍で導体が露出している期間である。したがって、プロセス終点前に連続放電からON/OFF変調と同期バイアス印加に切り換えることができる。この場合、加工性能を向上させられる可能性がある。
【0118】
たとえば、ビアホールエッチングの場合、この例のような順で連続放電から始め、エッチング終点直前にパルス変調プラズマと同期バイアスを用いる動作に移ると、スループットをあまり低下させることなく、チャージングダメージを低減できる。配線エッチングの場合は、終点を十分過ぎた後、再び連続放電に戻ってもよい。
【0119】
このように、プロセス途中で条件を切り換えることを可能とするために、プラズマ装置のシステムコントローラからソース電源に関して連続/変調の切り換えや、パルス幅の設定が行なえ、rfバイアス源に対して周波数の切り換え、各マッチング回路に関してプリセット値の切り換え等の制御を行なえるようにすることが好ましい。
【0120】
プラズマCVDによる成膜においては、成膜初期にエッチングの損傷に類似する現象が認められた。成膜の初期においては、パターン上部により早く膜が形成される。導電体で形成されたパターン上に絶縁膜をCVDで堆積する場合、プロセス初期においては、パターン上部のみが絶縁膜によって覆われ、電子の負電荷が蓄積する。この時、パターン下部にはイオンの流入が過剰となる。このため、堆積初期における段階で、過剰イオン電荷がゲート絶縁膜に損傷を与えることが生じ得る。このようなプラズマCVDにおいては、プロセス初期に基板に流入する電荷のアンバランスを低減することが望まれる。
【0121】
たとえば、プラズマCVDの場合には、成膜初期にパルス変調と同期rfバイアスを用いる。この場合、途中から連続放電にし、スループットをあまり低下させずに、チャージングダメージを低減することができる。rfバイアスの投入の仕方で、平坦化特性を得ることもできる。
【0122】
また、ソース電源を変調可能なrf発振器で構成せず、rf増幅器で構成してもよい。このrf増幅器に連続またはパルス変調した高周波信号を印加し、同様の出力を得ることができる。
【0123】
このように、変調、同期、位相制御の手段としては種々の形態をとることができる。マイクロ波によってプラズマを生成する場合、マイクロ波の発生をON/OFF変調し、この変調にrfバイアスを同期させればよい。光による励起によってプラズマを発生させる場合も同様である。
【0124】
これらの実施例において、プラズマ励起パワーがオフになる期間に電子温度が減衰することが重要である。電子温度の減衰特性は、ガスの種類によって変わると考えられる。したがって、ガスの種類に応じて十分なオフ時間を選ぶことにより、最適な効果が得られるであろう。
【0125】
絶縁膜の開口のアスペクト比がより大きい場合には、アンテナ導体と絶縁膜パターン上部の距離が大きくなるため、より少ない電荷蓄積でも電子が反発されるようになる。したがって、損傷を防止するためにはより低い電子温度に制御することが必要となる。
【0126】
また、ゲート絶縁膜の膜厚が6nm、8nmの場合を示したが、より薄い絶縁膜を有する半導体装置の製造の場合には、アンテナ導体の電位が下がるため、電子を引き込みにくくなる。アンテナ導体の電位は絶縁膜の耐圧にほぼ近い値まで上昇するので、この程度以下の電子温度に制御すれば電子を引き込むことができ、損傷を防止することができると考えられる。
【0127】
以上、主にECRプラズマ装置、誘導結合型プラズマ装置を例にとって説明したが、プラズマの性質を利用するものであれば、同等の原理が他の装置にも適用できる。たとえば、RIE装置、ヘリコン波プラズマ装置等にも適用できる。
【0128】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【0129】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、密で微細なパターンを有するプラズマ加工においてプラズマに起因するゲート絶縁膜の損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明者が行なった実験を説明するための平面図およびグラフである。
【図2】実験に用いたサンプルの断面図および平面図である。
【図3】実験に用いたECRプラズマ装置およびラングミュアプローブを説明するための概略断面図および模式図である。
【図4】プラズマ工程における基板のチャージアップを説明するための概略図である。
【図5】実験に用いた誘導結合プラズマ装置を示すブロック図である。
【図6】実験に用いたプラズマ装置内における電力および電位の波形を示すグラフである。
【図7】実験に用いたサンプルの断面図および平面図である。
【図8】プラズマ装置内における電力および電位の波形を示す概略図である。
【図9】実験結果を示すグラフである。
【図10】プラズマ処理方法の変形例を示すグラフである。
【図11】本発明の他の実施例によるプラズマ処理装置のブロック図である。
【図12】本発明の他の実施例による図11の装置を用いたプラズマ処理工程を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
1 反応室
2 ガス導入口
3 排気口
4 プラズマ発生室
5 マイクロ波導波管
6 マイクロ波透過窓
7 主コイル
8 サセプタ
9 基板
10 外部コイル
11 内部コイル
12 rfバイアス源
31 プローブ
32、33 補償電極
37 可変電圧源
38 電流源
51 反応室
52 ガス導入口
53 排気口
54 サセプタ
55 基板
56 rfバイアス源
57 パルス発生器
58 ソース電源
59 マッチング回路
60 コイル
61 外側容器
62 ベルジャ
63 内側容器
64 ヒータ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a manufacturing technique of a semiconductor device, and more particularly to a manufacturing technique of an insulated gate field effect transistor (IGFET) using plasma.
[0002]
[Prior art]
As the degree of integration of LSI (Large Scale Integrated Circuit) increases, pattern miniaturization is progressing. In order to faithfully transfer a miniaturized mask pattern to a conductive layer or an insulating layer, anisotropic dry etching using plasma such as reactive ion etching (RIE) or electron cyclotron resonance (ECR) plasma etching is frequently used. .
[0003]
On the other hand, with the miniaturization of semiconductor elements, the thickness of the gate insulating film of the insulated gate field effect transistor has been reduced, and those having a thickness of 10 nm or less are being put into practical use. Thus, the thin gate insulating film is easily damaged even by a small electrical stress.
[0004]
For example, in the plasma process, charges such as ions and electrons are incident on the substrate. When a difference occurs between incident positive and negative charges, the charge is charged up in the conductive layer on the gate insulating film that is electrically separated from the substrate. When a potential difference is generated between the conductive layer and the underlying substrate, a tunnel current can flow through the gate insulating film. Due to the tunnel current, the dielectric characteristics of the gate insulating film change and may cause dielectric breakdown.
[0005]
As described above, a plasma process in which charge-up can occur in a conductive layer on a gate insulating film or a conductive layer connected to a gate electrode (hereinafter referred to as a gate wiring) can damage the gate insulating film. Such processes include patterning the gate wiring layer, opening a contact hole reaching the gate wiring layer, cleaning by sputter etching in the contact hole reaching the gate wiring layer, and plasma on the surface where the gate wiring layer is partially exposed. CVD or the like.
[0006]
When the gate insulating film is damaged, not only the yield of the semiconductor device is reduced due to the breakdown of the gate insulating film or the change in the dielectric characteristics of the gate insulating film, but also the reliability of the gate insulating film, and thus the reliability of the semiconductor device is improved. There are cases where it is damaged. Therefore, it is desirable to sufficiently prevent damage to the gate insulating film caused by the plasma process.
[0007]
If the plasma on the semiconductor substrate is non-uniform, there is a difference between the ion current and the electron current flowing into the semiconductor substrate, and a tunnel current based on this difference may flow through the gate insulating film. In a semiconductor device, the area of a gate wiring (hereinafter referred to as an antenna ratio) with respect to the area of a gate insulating film reaches about 10,000. When such a high antenna ratio conductive film is plasma processed, a large amount of tunnel current may flow through the gate insulating film due to slight plasma non-uniformity.
[0008]
Therefore, attempts have been made to make the plasma used for plasma processing as uniform as possible. More specifically, uniform plasma potential and uniform substrate bias voltage have been proposed. For example, a configuration is proposed in which a magnetic flux crosses over a semiconductor substrate, and the magnetic flux is parallel to the surface everywhere on the substrate.
[0009]
Hereinafter, a conductive layer formed on a thick insulating film and connected to an electrode on a thin insulating film such as a gate insulating film and having a larger area and electrically separated is called an antenna, and is thin (gate). The ratio of the bottom area of the conductive layer on the thick insulating film to the area of the electrode on the insulating film is called the antenna ratio.
[0010]
The uniformity of plasma has been measured by the breakdown rate of the gate insulating film using a gate wiring having a high antenna ratio. For example, it has been determined that the plasma is uniform if the gate wiring having an antenna ratio of 1,000,000 and exposed on the surface (surface exposed type) is plasma treated and the gate insulating film is not destroyed.
[0011]
However, it has been found that even when plasma that is proved to be sufficiently uniform by such measurement is used, the gate insulating film may be damaged depending on the processing pattern. For example, in the patterning of the gate wiring, a photoresist mask pattern is disposed on the gate wiring layer. The ratio of the resist thickness to the opening width in the opening of the photoresist (hereinafter referred to as the aspect ratio) has become larger than 1. When plasma processing is performed on a conductive layer under an insulating pattern having such a high aspect ratio, the gate insulating film can be damaged even if uniform plasma is used. Such an antenna structure having a high aspect ratio insulating film pattern on it is hereinafter referred to as a structured antenna.
[0012]
For example, if an antenna with a structure with an antenna ratio of 10,000 is exposed to ECR plasma that has been proven to be uniform depending on the surface-exposed antenna structure with an antenna ratio of 1,000,000, the gate insulating film may be damaged. .
[0013]
Therefore, even when plasma having uniform properties is used for a flat conductive film having a continuous surface, the gate insulating film is damaged in the manufacturing process of the semiconductor device having a fine pattern.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method capable of preventing damage to a gate insulating film even in processing of a fine pattern.
[0015]
Another object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing apparatus capable of manufacturing a semiconductor device having a fine pattern while preventing damage to a gate insulating film.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
  According to one aspect of the present invention, in plasma processing in the manufacture of a semiconductor device including a transistor having an insulated gate, the electron temperature Te (eV), which is a representative value of the electron energy distribution in the plasma, is the dielectric breakdown voltage B of the insulated gate. Rf to be smaller than (V)Biasedfrequency,Microwave for plasma generationControlling at least one of electric power, magnetic field, pressure, and gas type so that electrons can be put into a conductor pattern existing between insulator patterns having openings having an aspect ratio larger than 1. A method for manufacturing a semiconductor device is provided.
[0017]
  According to another aspect of the invention,( a )A semiconductor layer formed thereon, a withstand voltage of B (V), a gate insulating film having a thickness of 10 nm or less, a conductor layer of an antenna structure formed thereon, and an aspect layer formed thereon; In a plasma processing apparatus, a semiconductor wafer having an insulator pattern having an opening with a ratio greater than 1 is provided.Placed on the susceptorAnd the process of(B)On the entire surface of the semiconductor wafer, the electron temperature Te (eV) isSmaller than withstand voltage B (V)And a method of manufacturing a semiconductor device including a step of processing the semiconductor wafer in plasma.
[0018]
  According to another aspect of the invention,( a )A semiconductor layer, a gate insulating film formed thereon, having a withstand voltage of B (V) and a thickness of 10 nm or less, a conductor layer having an antenna structure formed thereon having an antenna ratio of 500 or more, A semiconductor wafer having an insulator pattern formed thereon and having an opening having an aspect ratio greater than 1 is placed in a plasma processing apparatus.Placed on the susceptorAnd the process of(B)On the entire surface of the semiconductor wafer, the electron temperature Te (eV) isSmaller than withstand voltage B (V)And a method of manufacturing a semiconductor device including a step of etching an opening in the insulating layer in plasma.
[0019]
  According to another aspect of the invention,( a )A semiconductor layer, a gate insulating film formed thereon, having a withstand voltage of B (V) and a thickness of 10 nm or less, a conductor layer having an antenna structure formed thereon having an antenna ratio of 500 or more, A semiconductor wafer having an insulator pattern formed thereon and having an opening having an aspect ratio greater than 1 is placed in a plasma processing apparatus.Placed on the susceptorAnd the process of(B)On the entire surface of the semiconductor wafer, the electron temperature Te (eV) isSmaller than withstand voltage B (V)Processing the semiconductor wafer in plasma;(C) after or before step (b),And a step of processing the semiconductor wafer in a plasma having an electron temperature Teh higher than the electron temperature Te.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The inventor and his colleagues have reported the appearance of structured antennas with high antenna ratios during gate wiring layer etching due to the microloading effect (US patent application 08 / 275,426, column of preferred embodiments). . When a resist pattern is formed on the surface of the gate wiring layer after deposition and etching is performed, the gate wiring layer is initially electrically connected to the substrate, and no antenna structure has appeared. However, due to the microloading effect, even if the etching is finished in the wide opening area, the etching is not finished in the narrow opening area. At this stage, the gate wiring layer has a shape divided by a wide opening width region. At this transition stage, a structured antenna having a high antenna ratio appears.
[0021]
When a bias rf is applied to the substrate to generate an electric field that draws ions in the plasma into the substrate, the ions in the plasma are accelerated toward the substrate. However, the electrons in the plasma are decelerated as they go to the substrate. The force generated by the electric field is in a direction perpendicular to the surface of the substrate and is not decelerated in a direction parallel to the substrate surface.
[0022]
Therefore, it is considered that most of electrons having various motion directions reflecting random motion in the plasma are incident on the substrate obliquely. For this reason, ions hardly collide with the upper side wall of the insulating pattern of the antenna with the structure of the insulating pattern, but a large amount of electrons collide. As a result, negative charges are accumulated on the upper side wall of the insulating pattern.
[0023]
When the electric field due to this negative charge is increased, electrons are repelled and are unlikely to enter the pattern. Therefore, in comparison with the positive charge inflow due to ions, the negative charge inflow due to electrons is insufficient, and as a result, current due to excess positive charge is accumulated in the gate wiring layer and passes through the gate insulating film as a tunnel current, causing damage. It is thought to occur.
[0024]
1A, 1B, and 1C show experiments conducted by the present inventors. FIG. 1A is a plan view showing a state of gate insulating film destruction in each chip on a plasma-treated wafer. FIG. 1B is a schematic plan view showing the insertion direction of the probe used for measuring the electron temperature of plasma. FIG. 1C is a graph showing the electron temperature of plasma obtained by probe measurement as a function of position.
[0025]
2A and 2B are a cross-sectional view and a plan view showing the structure of the sample used in the experiment. On the surface of the silicon substrate 13, a thick field oxide film 14a and a gate oxide film 14b having a thickness of 8 nm formed in a region surrounded by the field oxide film are formed.
[0026]
On these field oxide film and gate insulating film, a gate wiring 15 composed of a stacked layer of a polycrystalline silicon film 15a and an aluminum layer 15b is formed to constitute a MOS capacitor C. A dense wiring pattern 16 of 1.6 μm thick photoresist is formed on the gate wiring 15.
[0027]
As shown in FIG. 2B, the photoresist pattern 16 includes a plurality of wiring patterns having a width w = 0.75 μm arranged in parallel at an interval d = 0.8 μm. The aspect ratio of the opening is 2. These wires are continuously connected to the MOS capacitor C shown in the lower part of the figure.
[0028]
FIG. 3A shows a configuration of a divergent magnetic field ECR plasma etching apparatus obtained by etching such a sample. A gas introduction port 2 and an exhaust port 3 are connected to the reaction chamber 1 that can be evacuated. The gas inlet 2 is connected to a predetermined etching gas source. The exhaust port 3 is connected to an exhaust device. An opening is provided in the upper part of the reaction chamber 1 and is connected to the plasma generation chamber 4. The plasma generation chamber 4 and the reaction chamber 1 constitute an airtight container.
[0029]
Above the reaction chamber 4, a microwave transmission window 6 made of quartz or the like is provided in an airtight manner and is connected to the microwave waveguide 5. The microwave waveguide 5 introduces microwaves from the microwave generation source to the plasma generation chamber 4.
[0030]
A main coil 7 is disposed around the plasma generation chamber 4, and a divergent magnetic field can be generated in the microwave generation chamber 4. This divergent magnetic field forms an ECR condition.
[0031]
A susceptor 8 for placing the substrate 9 is disposed below the reaction chamber 1, and the susceptor 8 is connected to an rf bias source 12. The rf bias source 12 supplies an rf voltage of 13.56 MHz to the susceptor 8. An outer external coil 10 and an inner internal coil 11 are disposed concentrically below the susceptor 8.
[0032]
An etching gas atmosphere is introduced into the reaction chamber 1 and the plasma generation chamber 4 by introducing an etching gas from the gas inlet 2 and exhausting from the exhaust port 3. ECR plasma is generated in the plasma generation chamber 4 by introducing a microwave from the microwave waveguide 5 into the plasma generation chamber 4 while generating a magnetic field by the main coil 7. This plasma drifts in the reaction chamber 1 by the diverging magnetic field and reaches the substrate 9 on the susceptor 8.
[0033]
By applying rf power of 13.56 MHz from the rf bias source 12 to the susceptor 8, the potential of the substrate 9 is controlled, and a bias electric field is generated so as to accelerate ions in the plasma toward the substrate 9. Under such conditions, the sample on the substrate 9 was etched by plasma.
[0034]
Etching conditions are: main coil current 21A, external coil current 8A, internal coil current 8A, etching gas Cl2+ BClThreeThe pressure was 0.6 Pa, the microwave power was 800 W, and the rf bias power was 180 W.
[0035]
FIG. 1A shows the result of etching a sample formed on each chip 22 on the wafer 9 by etching under this condition. Each chip 22 on the wafer 9 is provided with a MOS capacitor having a gate oxide film thickness of 8 nm to which the antenna shown in FIGS. 2A and 2B is connected. After etching this antenna, the breakdown voltage of the MOS capacitor was measured.
[0036]
White squares represent chips with normal pressure resistance, and hatched squares represent samples with defective pressure resistance, i.e., a breakage during etching. Note that the area indicated by a single right-sloped hatch has an antenna ratio of 106Indicates the area where the sample was destroyed, and the cross-hatched area represents an antenna ratio of 10FiveShows the area where the sample was destroyed.
[0037]
Antenna ratio 10FourWas also formed at the same time, but the antenna ratio was 10Five The sample was destroyed in almost the same area as the destroyed area. FIG. 1A shows that the sample is not destroyed on the entire surface of the wafer, but the sample is destroyed in a certain region. From another viewpoint, the gate insulating film is not destroyed in a certain region on the wafer. In other words, it is considered that in the region indicated by the white square, the plasma can prevent damage to the gate insulating film.
[0038]
Therefore, plasma properties were measured using a Langmuir probe with a compensation electrode. FIG. 1B shows the insertion direction of the probe on the wafer 9. The height of the probe was about 4 cm from the wafer surface.
[0039]
FIG. 3B schematically shows the configuration of the Langmuir probe. A platinum wire having a radius of 0.5 mm and a length of 5 mm was used as the probe 31. Compensation electrodes 32 and 33 made of aluminum are connected to the probe 31 via capacitors 34 and 35. These compensation electrodes 32 and 33 are electrodes for compensating the fluctuating plasma potential.
[0040]
The probe 31 is connected to an ammeter 38 and a variable voltage source 37 through a filter 36 that cuts off the used rf frequency. The other pole of the variable voltage source 37 and the outer wall of the reaction chamber 1 are grounded.
[0041]
The position of the probe 31 was moved on the wafer 9 as shown in FIG. 1B, and the current I flowing by sweeping the voltage V of the variable voltage source 37 at each point was measured with an ammeter 38. From the obtained V-I characteristics, ΔV / ΔlnI near the floating potential where the current value becomes “0” was calculated, and the electron temperature was determined in units of eV by a well-known method.
[0042]
FIG. 1C shows the relationship between the obtained electron temperature (eV) and the radial position on the wafer 9. Corresponding to the region where the sample was destroyed, the electron temperature distribution shows a clear change. That is, in the region where the sample is broken, the electron temperature is as high as about 10 eV or more, and in the region where no breakage occurs, the electron temperature is as low as about 7 eV. From this result, it can be seen that when the electron temperature in the plasma is high, the gate insulating film having the structured antenna is easily broken.
[0043]
Note that the gate insulating film in the sample is a silicon oxide film having a thickness of 8 nm, and the withstand voltage of the silicon oxide film is about 8V. Therefore, the sample is not damaged in the electron temperature region lower than the withstand voltage of the gate insulating film, typically about 1 eV or more.
[0044]
Conversely, the gate insulating film is damaged in an electron temperature region that is higher than the breakdown voltage of the gate insulating film, typically about 2 eV or more. Therefore, in order to prevent damage to the gate insulating film, it is desirable to make the electron temperature of the plasma lower than the breakdown voltage of the gate insulating film.
[0045]
Note that the gate insulating film is easily damaged when the thickness of the gate insulating film is 10 nm or less, the antenna ratio is 500 or more, and the aspect ratio is 1 or more. In particular, damage is likely to occur when the wafer diameter is 8 inches or more.
[0046]
As described above, it has been found that even if a plasma with uniform characteristics on a flat surface is used, damage that can occur in processing of a fine pattern can be prevented by controlling the plasma electron temperature on the entire wafer surface low. This mechanism can be considered as follows.
[0047]
First, the following model can be considered as a mechanism for causing damage to the structured antenna even when uniform plasma is used. As shown in FIG. 4A, when bias rf power is supplied to the substrate, the substrate is biased to a negative potential relative to the plasma. Positive ions in the plasma are accelerated toward the substrate by an electric field formed between the substrate and the plasma, and enter the substrate almost perpendicularly. The electric field between the plasma and the substrate periodically changes depending on the bias rf power applied to the substrate, but its direction (sign) does not change. Therefore, it can be considered that positive ions are incident on the substrate throughout the entire period.
[0048]
As shown in FIG. 4B, this electric field exerts a deceleration action on electrons. Therefore, the electrons are decelerated by the electric field, reflecting the random motion in the plasma, and most of them are considered to be incident on the substrate obliquely. When electrons are incident on the substrate at an angle, the electrons are incident on the sidewall of the insulating pattern on the substrate. Electrons incident on the non-conductive region charge up that region.
[0049]
That is, ions hardly collide with the upper side wall of the insulator pattern of the structured antenna, and only electrons collide. As a result, negative charges are accumulated on the sidewall. The accumulated negative charge further forms an electric field that repels electrons. Depending on the strength of the electric field, electrons cannot enter the pattern. It can be considered that the accumulation of negative charges on the upper side wall of the insulator pattern is governed by the lateral velocity of electrons in the plasma.
[0050]
The lateral velocity of the electrons depends on the electron temperature. If the proportion of electrons having a high lateral velocity is high, the negative charge accumulated on the side wall of the insulator pattern increases, and the electron current cannot be balanced against the positive charge inflow of ions incident throughout the entire period. As a result, it is considered that excessive positive current passes through the gate insulating film and is damaged.
[0051]
When the electron temperature is lowered, the average kinetic energy of the electrons is lowered and the number of high energy electrons is also reduced. The movement of electrons is random. As shown in FIG. 4 (C), the velocity component v is a velocity component perpendicular to the substrate.yAnd velocity component v parallel to substrate surfacexWhen external force does not work when consideringxDistribution and vyThe distribution of is equal. When an electric field perpendicular to the substrate is generated, the vertical component vyIs accelerated / decelerated by the electric field between the plasma and the substrate, but the horizontal component vxIs hardly affected by the electric field. When the electron temperature is lowered, the lateral velocity component of the electron vxIt is considered that the negative charge accumulated on the upper side wall of the insulator pattern is reduced. Electron vertical velocity component vyIf the electron temperature is considered to be maintained at a substantially constant value by the interaction with the electric field, the lower the electron temperature, the smaller the charge-up amount on the sidewall and the higher the electron current flowing into the substrate. it can. By such a mechanism, it is considered that excess of positive charges incident on the substrate when the electron temperature is lowered can be suppressed.
[0052]
Note that the incidence of electrons on the substrate is not uniform over the entire period. When the bias electric field between the plasma and the substrate is strong, electrons are repelled by the electric field and cannot approach the substrate. The bias electric field between the plasma and the substrate becomes weak, and it is considered that the electrons are incident on the substrate only during a period in which the electrons approach the substrate. When the substrate bias is rf bias, the electric field formed between the plasma and the substrate varies according to the frequency of the rf bias.
[0053]
In the ECR plasma etching apparatus shown in FIG. 2A, the frequency of the rf bias source 12 was changed from 13.56 MHz to 400 kHz. As a result, the gate insulating film was not damaged on the entire wafer surface. This phenomenon can be considered as follows.
[0054]
By reducing the frequency, the period during which the electric field formed between the plasma and the substrate is strong becomes longer. During a period when the electric field is strong, positive charges due to ions are incident on the substrate. As a result, the amount of positive charges accumulated on the substrate within one cycle increases. According to the calculation by the inventor, the amount of positive charge accumulated in the substrate within one cycle is not so large as to damage the gate insulating film even if it increases.
[0055]
When the amount of positive charge accumulated on the substrate increases, the period during which the potential of the substrate approaches the plasma potential becomes longer when the electric field becomes weaker. In addition, the absolute value of the electric field during this period also becomes smaller, and the substrate potential becomes closer to the plasma potential. As a result, even lower energy electrons are incident on the substrate. Considering only the electrons incident on the substrate, the effective electron temperature of the incident electrons decreases.
[0056]
That is, reducing the electron temperature is effective in preventing damage to the substrate, but this electron temperature is the electron temperature of electrons that are effectively incident on the substrate, and the electron temperature is not necessarily in the period when electrons are not incident on the substrate. It doesn't have to be low.
[0057]
The electron temperature could also be lowered by increasing the pressure in the plasma atmosphere, lowering the microwave power, or adding a gas with a low ionization potential.
[0058]
In the ECR plasma apparatus of FIG. 3A, when the coil current of the internal coil 11 was changed from + 8A to −8A, the entire surface of the wafer was not damaged.
[0059]
Further, when the rf bias power was set to 0 W, the damage was completely eliminated. Even under these conditions, it is considered that the electron temperature of electrons incident on the substrate is effectively lowered.
[0060]
Note that only electrons with high kinetic energy can contribute to the current I near the floating potential. Therefore, it can be said that the electron temperature obtained in this potential region reflects a high energy component. It is considered that the process of accumulating negative charges on the upper side wall of the insulating film pattern is mainly governed by high kinetic energy electrons. Therefore, it is considered preferable to control the electron temperature for an electronic component with high kinetic energy.
[0061]
In the above experiment, a gate insulating film having a thickness of 8 nm was used. However, when a thinner gate insulating film is used, it is considered that the potential of the antenna conductor rises to a value almost close to the withstand voltage of the insulating film. When the antenna potential increases, electrons are considered to be drawn, and electrons are easily drawn by lowering the electron temperature. Therefore, it can be estimated that damage can be suppressed if the upper limit of the electron temperature is lowered in accordance with the withstand voltage, which is an allowable potential. Therefore, it is preferable that the electron temperature of the plasma be equal to or lower than the withstand voltage of the insulating film.
[0062]
By the way, when the input energy to the plasma is modulated, the electron temperature is considered to change over time according to the modulation of the input energy. Hereinafter, an inductively coupled plasma etching apparatus will be described as an example.
[0063]
FIG. 5 is a schematic sectional view showing an inductively coupled plasma etching apparatus according to an embodiment of the present invention. A ceramic bell jar 62 is disposed on an outer container 61 such as stainless steel, and constitutes an airtight reaction chamber 51. A gas introduction port 52 and an exhaust port 53 are connected to the reaction chamber 51. An etching gas source EG is connected to the gas introduction port 52, and an exhaust device EVAC is connected to the exhaust port 53.
[0064]
A two-turn coil 60 is arranged around the ceramic bell jar 62 and connected to the rf source power source 58 via the matching circuit 59. The rf power of 13.56 MHz is supplied from the source power source 58 to the coil 60, and the rf power is inductively introduced into the reaction chamber 51. An etching gas is introduced into the reaction chamber 51 from the gas introduction port 52, exhausted from the exhaust port 53 to maintain the reaction chamber 51 at a predetermined pressure, and 13.56 MHz rf power is input to the reaction chamber 51. Plasma can be generated in the reaction chamber 51. This plasma reaches the substrate 55 placed on the susceptor 54.
[0065]
The susceptor 54 is connected to an rf bias source 56 incorporating a matching circuit. By applying rf power of a desired frequency (typically 66.7 kHz) from the rf bias source 56, the potential of the substrate 55 is controlled, and ions in the plasma are accelerated to a desired energy to collide with the substrate 55. Can be made.
[0066]
An rf signal similar to the rf output waveform is extracted from the rf bias source 56 and supplied to the pulse generator 57. The pulse generator 57 generates a pulse having a desired ON period synchronized with a desired phase at the same repetition period as the input rf signal. This pulse signal is input to the source power supply 58 and ON / OFF-modulates the 13.56 MHz rf power according to the pulse. That is, the plasma excitation power is ON / OFF modulated in synchronization with the substrate bias.
[0067]
In the reaction chamber 51, an ON / OFF modulated plasma is generated, and an rf bias synchronized with the ON / OFF modulation of the plasma is applied to the substrate 55. An inner container 63 whose temperature can be controlled by a heater 64 is disposed around the susceptor 54. The plasma composition can be controlled by controlling the temperature. Further, the inner vessel 63 is grounded, and the rf bias applied to the susceptor 54 is prevented from changing the plasma potential.
[0068]
FIG. 6 is a waveform diagram for explaining the operation of the above plasma generator. A waveform (a) schematically shows an input power waveform when the source power for plasma excitation is continuously input.
[0069]
Waveform (b) schematically shows the voltage waveform of the rf bias. Particularly when the source power is not synchronized, the waveform of the rf bias appears in various phases as shown in the figure.
[0070]
A waveform (c) schematically shows a power waveform when the source power is ON / OFF modulated as described above. While the power is turned on, excitation energy is given to the plasma, but during the period when the power is turned off, the plasma input power becomes “0”.
[0071]
The waveform (d) schematically shows the electron temperature in the plasma excited by the waveform (c). While source power is applied, electrons are accelerated and the electron temperature rises. Assume that the source power is turned off while the electron temperature is rising. When the source power is turned off, the electrons in the plasma are no longer accelerated, and the electrons inelastically collide with atoms, molecules, ions and reaction vessel walls in the plasma and lose energy. For this reason, the electron temperature gradually decreases. Thus, when the source power is ON / OFF modulated, the electron temperature rises / falls in synchronization with the ON / OFF of the source power.
[0072]
Waveform (e) shows the waveform of the rf bias tuned to the source power modulation so as to reach the maximum potential when the source power changes from off to on. If the inflow of electrons to the substrate occurs when the rf bias is highest, the electron temperature is lowest at this time. That is, the effective electron temperature of electrons flowing into the substrate is selected to be the lowest. Waveform (f) shows the electron current that flows from the plasma to the substrate when the rf bias of waveform (e) is applied.
[0073]
As shown in the waveform (b), if the rf bias is made asynchronous with the ON / OFF of the source power, the timing at which electrons flow into the substrate is irrelevant to the modulation of the source power, and the effective electron temperature is the waveform (d ) Will be the average value. Alternatively, it may be controlled by the maximum value of the waveform (d).
[0074]
In order to verify the above consideration, an experiment described below was conducted. FIG. 7 shows the structure of the sample used in the experiment. FIG. 7A is a cross-sectional view of a sample. A thick field oxide film 14 a formed by LOCOS is formed on the surface of the silicon substrate 13. A gate oxide film 14b having a thickness of 6 nm is formed in the opening defined by the field oxide film 14a. A gate wiring layer 15 is formed on the gate oxide film 14b and the field oxide film 14a.
[0075]
The gate wiring layer 15 is formed by stacking a polycrystalline silicon layer and an aluminum layer, similarly to the gate wiring layer shown in FIG. A resist mask 16 is formed on the gate wiring layer 15. The resist mask 16 has a thickness of 1.2 μm, and has a width w = 0.6 μm, a distance d = 0.6 μm, and is formed by stripes parallel to each other, as shown in FIG. 7B. The aspect ratio of the opening is 2.
[0076]
As shown in FIG. 7B, a part of the gate wiring layer 15 protrudes downward, and a MOS capacitor C is formed in this part. Note that the cross-sectional view of FIG. 7A is schematic and does not exactly match the plan view of FIG.
[0077]
FIG. 8 shows the phase relationship between the ON / OFF modulation of the source power used in the experiment and the synchronous rf bias. The timing at which the source power is turned on is set to 0 °, and the angle (advance angle) at which the maximum potential of the rf bias advances from the phase at which the source power is turned on is defined as the phase angle θ. θ was set to 0 °, 90 °, 180 °, and 270 °. Note that in the ON / OFF modulation of the source power, the on period was 5 μsec and the off period was 10 μsec. Therefore, when the maximum potential of the rf bias is synchronized at the end of the ON period, the phase angle is 240 °.
[0078]
In addition, in the experiment, the case of continuous discharge shown in FIG. An experiment was also conducted in the case of asynchronous (the waveform of FIG. 6B) in which the rf bias is not synchronized with ON / OFF of the source power.
[0079]
In the case of using a sample to which a surface-exposed antenna was connected, damage in the plasma processing apparatus was not detected even at an antenna ratio of 1000000. As the plasma treatment conditions, Ar gas having a pressure of 0.53 Pa was used, the average value of the source power was 100 W, and the rf bias power was 22 W. At this time, the ion current density obtained by the Langmuir probe measurement is 1 mA / cm.2It was about.
[0080]
In the source power ON / OFF modulation experiment of FIG. 8, the on period was 5 μsec and the off period was 10 μsec. Therefore, the repetition frequency is 66.7 kHz. The asynchronous rf bias was 60 kHz. In addition, the source power during the on period was 300 W, and an average of 100 W was realized.
[0081]
FIG. 9 is a graph showing experimental results. The horizontal axis indicates the type of discharge, and the vertical axis indicates the capacitor breakdown rate in%. In addition, the sample which measured the capacitor destruction rate has an antenna ratio of 10FiveIt is. In the case of continuous discharge, the capacitor breakdown rate was 90% or more, indicating a probability of nearly 100%. When the source power is modulated on / off, the breakdown rate is reduced to about 70%. It is considered that the average value of the electron temperature is lowered by the ON / OFF modulation.
[0082]
When the synchronous rf bias was applied at a phase of 0 °, the breakdown rate decreased to about 5%. This is a significant improvement that cannot be expected when using asynchronous rf bias. As the phase is increased from 0 °, the destruction rate increases.
[0083]
Since the time lengths of the on period and the off period are different, the phase 180 ° is included in the off period. The measurement results of 0 °, 90 °, and 180 ° included in the off period indicate that the capacitor breakdown rate gradually increases as the advance angle of the rf bias during the off period advances.
[0084]
The phase 270 ° is within the ON period, and the conditions are slightly different from the data of other phase angles. The capacitor breakdown rate obtained was close to the phase 180 ° breakdown rate. The reason why the capacitor breakdown rates at the four phase angles are all lower than the capacitor breakdown rates in the case of non-synchronization is not known so far.
[0085]
From the above experimental results, when the plasma excitation power is modulated, the electron temperature decreases according to the degree of input power, and when the rf bias is synchronized with ON / OFF modulation, the phase of the rf bias changes within one cycle. Correspondingly, it is assumed that the electron temperature changes. The electron temperature is lowest when the plasma excitation power changes from off to on.
[0086]
The repetition frequency of the “on” and “off” cycle is not necessarily the same as the frequency of the rf bias. For example, it may be 1/2 or 1/4 of the rf bias frequency.
[0087]
The repetition frequency is preferably selected in the frequency range of 5-500 kHz from the viewpoint of thermal relaxation of electrons and plasma maintenance. The plasma excitation power preferably has a frequency that is at least five times the repetition frequency. The plasma excitation power preferably has 3 cycles or more in each “on” period.
[0088]
The period during which electrons are injected is not actually “0” and has a certain time width. Therefore, the above-mentioned “timing at which the rf bias becomes maximum” should be considered strictly as a period during which the main part (typically 90%) of the electron current is injected. It is preferable to control so that the average electron temperature within this period becomes the lowest. For example, as shown in FIG. 6, in the case of ON / OFF modulation in which the ON period and the OFF period are different, the optimum rf bias phase is an angle slightly advanced from 0 °. In practice, the phase of the rf bias will preferably be in the range of -30 ° to + 60 °.
[0089]
Further, the electron temperature can be considered as a practical minimum value from the minimum value Temin to 30% above the amplitude. The substrate potential can be considered as a substantial maximum value from the maximum value to 10% below the amplitude.
[0090]
In this experiment, Ar gas was used for convenience such as Langmuir probe measurement. In an actual semiconductor device manufacturing process, other gases are used.
[0091]
For example, CFourF8Using gas, SiO2The film can be etched. Using the apparatus shown in FIG. 5, a MOS capacitor to which the same structured antenna as described above was connected was processed. When applying a source power of 2.5 kw and an rf bias power of 250 W in continuous discharge, SiO2The film could be etched at an etching rate of 500 nm / min. When the above sample is treated with this plasma, 106The antenna showed a breakdown rate of 93%.
[0092]
When the ON / OFF time is 5 μsec / 5 μsec, the source power in the ON period is 2.5 kW, the synchronous rf bias is 100 kHz, 250 W, SiO 22The film could be etched at an etch rate of 330 nm / min. In this case, the destruction rate was 88%.
[0093]
When the ON / OFF time is 5 μsec / 10 μsec, the source power during the ON period is 2.5 kW, the synchronous rf bias is 66.7 kHz, 250 W, SiO 22The film could be etched at an etching rate of 210 nm / min, and the destruction rate was 4%.
[0094]
Damage was significantly reduced by increasing the off time. It is considered that when the off-time is lengthened, the time during which the electron temperature falls is lengthened, and the electron temperature at the end of the period is further lowered. The significant reduction in damage is believed to depend at least on this reduction in electron temperature.
[0095]
However, in this example, strictly speaking, it is considered that the average value of the source power changes and the ion current density also changes. Therefore, it will not show only off-time effects.
[0096]
If the off time is too long, the frequency of the rf bias becomes too low and it becomes difficult to apply the bias. If the source power is increased and the plasma density becomes too high, the increase in substrate potential may be clamped. This is presumably because the impedance between the substrate and the plasma when the substrate potential rises becomes small, and the impedance between the substrate and the rf bias power source becomes relatively large. This phenomenon tends to be prominent when the substrate is attracted using an electrostatic chuck.
[0097]
In such a case, the superficial optimum phase changes, and the vicinity of 180 ° may be optimum. However, if the actual potential change of the substrate is measured and the impedance between the substrate and the rf bias power supply is made sufficiently small so that a state close to a sine wave can be obtained at a desired repetition frequency, the optimum optimum phase is optimal. An effect could be obtained.
[0098]
FIG. 10 shows various modulation methods of plasma excitation energy. The sine wave shown at the top is the waveform of the rf bias, and the waveforms (a) to (e) shown below are the modulation waveforms of the plasma excitation energy.
[0099]
Waveforms (a) and (b) show changes from phase 0 ° in the case of the above-described ON / OFF modulation. When the maximum value of the rf bias enters during the on period of the plasma excitation power, the allowable range of the phase angle is about −30 ° to 0 °. As shown in the waveform (b), when the maximum value of the rf bias potential enters during the off period of the plasma excitation power, the allowable range of the phase angle is approximately 0 ° to 60 °. In general, the phase angle θ is preferably −30 ° ≦ θ ≦ + 60 °.
[0100]
In the above example, the plasma excitation power is ON / OFF modulated. It is not always necessary to completely shut off the plasma excitation power during the off period. By switching the plasma excitation power between two levels, the electron temperature can be lowered during periods when the plasma excitation power is weak.
[0101]
Waveform (c) shows an example of this case. The plasma excitation power is modulated in two steps of strength and weakness, and the maximum potential of the rf bias is generated at the timing when the plasma excitation power changes from a weak state to a strong state.
[0102]
Waveforms (d) and (e) show yet another variation. Waveform (d) shows the case where plasma excitation power having a time constant for rising and falling is used. In this case, it is preferable to control the phase of the rf bias according to the rising speed. For example, when the plasma excitation power is about to rise by 10% or more, the rf bias is selected to show the maximum value.
[0103]
In the case of the waveform (e), the plasma excitation power changes almost sinusoidally. Also in this case, it is preferable that the rf bias takes a maximum value in accordance with a state in which the plasma excitation power gradually increases from a weak state. For example, when the plasma excitation power is 25% or more of the maximum value, the rf bias voltage is selected to take the maximum value.
[0104]
FIG. 11 is a block diagram schematically showing a plasma processing apparatus according to another embodiment of the present invention. A susceptor 102 is grounded in an airtight container 101, and a substrate 103 is electrostatically adsorbed thereon. The temperature of the susceptor 102 is controlled, and helium gas is introduced between the substrate 103 and the susceptor 102. The substrate is heated / cooled via helium gas and held at the same temperature as the susceptor. A process gas whose flow rate is controlled by the mass flow controllers 104 and 105 is introduced into the container 101. This gas system can be increased to 3 systems or more as needed, or can be made into one system. The container 101 is connected to a vacuum pump via an auto pressure controller 106, and evacuates by controlling the pressure.
[0105]
The high frequency (or microwave) power from the high frequency (or microwave) oscillator 111 is introduced into the gas in the container 101 via the matching unit or coupling means 112, and the gas is turned into plasma. The following plasma can be generated by the coupling means and input power: capacitively coupled plasma using parallel plate electrodes, inductively coupled plasma using a coil wound around the container 101, and a flat plate coil (TCP coil) installed on the container 101. Inductively coupled plasma used, helicon wave plasma using both high frequency and magnetic field, ECR plasma using microwave and magnetic field, surface wave excited plasma using microwave and dielectric line, etc.
[0106]
On the other hand, high frequency power is applied to the susceptor 102. In the configuration shown in the figure, a sine wave signal from one of the two-channel arbitrary waveform generator 113 is power amplified by a high frequency amplifier 114 and applied to the susceptor 102 via a matching unit 115. A rectangular wave is supplied from the other channel of the arbitrary waveform generator 113 to a high frequency (or microwave) oscillator. Oscillator 111 is amplitude-modulated by this rectangular wave.
[0107]
An optical fiber 122 is connected to the container 101 through a window 121, and plasma emission is introduced into the end point detector 123. A change in the intensity of light having a wavelength corresponding to the end point detector setting is detected, and the progress of the process is monitored.
[0108]
The system controller 131 includes a transport system for the substrate 103 and controls the operation of the entire apparatus. The mass flow controllers 104 and 105 are sent with set values of the respective gases, and receive readings of the actual gas flow rates. The auto pressure controller 106 is supplied with the pressure setpoint and returns the actual pressure reading. The source power set value is sent to the high frequency (or microwave) oscillator 111, and the rf bias power set value is sent to the high frequency amplifier 114, and each net power reading is returned. Note that readings are often returned from matchers 112 and 115.
[0109]
The arbitrary waveform generator 113 is sent with the phase difference of each channel. A parameter group, for example, a detection wavelength, a detection condition, and the like are sent to the end point detector 123, and an end point signal is returned. The system controller 131 has a built-in clock and can proceed with the operation according to the set time. By setting a series of processing conditions in the system controller 131 in advance, the plasma processing of the substrate 103 can be automatically performed.
[0110]
In this way, the two-channel arbitrary waveform generator 113 is used, the high frequency oscillator 111 is amplitude-modulated by the output waveform, and the power is amplified by the high frequency amplifier 114. These modulations and amplifications can be automatically set and changed by the system controller along with other processing parameters. Thereby, the plasma generation conditions and the rf bias conditions can be switched arbitrarily during the plasma processing.
[0111]
Instead of the arbitrary waveform generator 113, a single sine wave generator may be used, and whether to modulate the source power according to the output thereof may be selected by a signal from the system controller. In this case, the trigger level and pulse width can be set, and the phase and ON / OFF time can be made variable. Alternatively, it may be possible to select whether to generate a rectangular wave and modulate the source power, amplify only the fundamental wave component of the rectangular wave, and use the rf bias by shifting the phase.
[0112]
FIG. 12 shows a process for performing a two-stage process. The flow rate of gas 1 and gas 2 and the pressure in the reaction vessel are set, and after stabilizing under the set conditions, the pulse off time is set to “0”, that is, continuous output, and the source power is turned on. Subsequently, the rf bias power is turned on. When a predetermined time elapses (or when an end point is detected), the rf bias power and the source power are sequentially turned off.
[0113]
Next, the setting is changed to the gas flow rate and pressure in the second stage. When the set condition is stabilized, for example, a pulse off time of 10 μsec is used, and the arbitrary waveform generator 113 generates a pulse waveform and a synchronized sine wave. If the pulse-on time is, for example, 5 μsec, the sine wave is 66.7 kHz. In accordance with these signals, the source power and the rf bias power are turned on again to perform the second stage plasma processing. When a predetermined time has elapsed, the power is turned off, the gas is stopped, the exhaust is performed, and then the process is terminated.
[0114]
The operation sequence is not limited to that described above. It is not always necessary to change all the parameters at each stage, and changes in three or more stages can be set. The on-time of the pulse can be changed in the middle, and the increase or decrease of each value can be changed optimally as necessary.
[0115]
The above-described methods include, for example, etching of a gate electrode, etching of a contact hole on the gate electrode, etching of a wiring connected to the gate electrode, etching of a via hole on this wiring, plasma cleaning in the contact hole or via hole, or gate electrode or It can be used for film formation by plasma CVD on the gate wiring.
[0116]
In the patterning of the gate electrode and wiring, damage occurs near the end point of the process. Since the conductor remains only between patterns with a narrow interval and etching is completed with a wide pattern interval, the antenna structure is connected to the gate electrode or the like. During the period in which the conductors exist between the patterns with wide intervals, the conductive layer is often electrically connected to the substrate at any position, and there is often no problem even if the electron temperature is high. Therefore, when continuous discharge is preferable from the viewpoint of processing performance and the like, continuous discharge is performed immediately before the etching end point, and a combination of ON / OFF modulation and synchronous bias is used immediately before the etching end point. Alternatively, it is possible to use both ON / OFF modulation and synchronous bias only before and after the end point.
[0117]
In the case of contact hole or via hole formation, damage occurs during the period in which the conductor is exposed near the process end point. Therefore, it is possible to switch from continuous discharge to ON / OFF modulation and synchronous bias application before the end point of the process. In this case, there is a possibility that the processing performance can be improved.
[0118]
For example, in the case of via-hole etching, charging damage can be reduced without significantly reducing throughput by starting with continuous discharge in this order and moving to an operation using pulse-modulated plasma and synchronous bias immediately before the etching end point. . In the case of wiring etching, after the end point is sufficiently passed, the continuous discharge may be resumed.
[0119]
In this way, in order to be able to switch conditions in the middle of the process, the system controller of the plasma apparatus can switch between continuous / modulation and set the pulse width with respect to the source power supply, and switch the frequency for the rf bias source It is preferable that control such as switching of preset values can be performed for each matching circuit.
[0120]
In film formation by plasma CVD, a phenomenon similar to etching damage was observed at the initial stage of film formation. In the initial stage of film formation, the film is formed earlier in the upper part of the pattern. When an insulating film is deposited on a pattern formed of a conductor by CVD, only the upper part of the pattern is covered with the insulating film in the initial stage of the process, and negative charges of electrons are accumulated. At this time, the inflow of ions becomes excessive under the pattern. For this reason, it may occur that excess ionic charges damage the gate insulating film in the initial stage of deposition. In such plasma CVD, it is desired to reduce the imbalance of charges flowing into the substrate at the initial stage of the process.
[0121]
For example, in the case of plasma CVD, pulse modulation and synchronous rf bias are used at the initial stage of film formation. In this case, it is possible to reduce charging damage without reducing the throughput so much that continuous discharge is performed from the middle. Flattening characteristics can also be obtained by applying an rf bias.
[0122]
Further, the source power source may be configured by an rf amplifier instead of an rf oscillator that can be modulated. By applying a continuous or pulse-modulated high frequency signal to the rf amplifier, a similar output can be obtained.
[0123]
Thus, various forms can be taken as means for modulation, synchronization, and phase control. When plasma is generated by microwaves, the generation of microwaves is modulated on / off, and the rf bias is synchronized with this modulation. The same applies to the case where plasma is generated by light excitation.
[0124]
In these embodiments, it is important that the electron temperature decays during the period when the plasma excitation power is turned off. The attenuation characteristic of the electron temperature is considered to vary depending on the type of gas. Therefore, an optimal effect will be obtained by selecting a sufficient off time according to the type of gas.
[0125]
When the aspect ratio of the opening of the insulating film is larger, the distance between the antenna conductor and the upper part of the insulating film pattern becomes larger, so that electrons are repelled even with less charge accumulation. Therefore, it is necessary to control to a lower electron temperature in order to prevent damage.
[0126]
Moreover, although the case where the film thickness of the gate insulating film is 6 nm and 8 nm is shown, in the case of manufacturing a semiconductor device having a thinner insulating film, the potential of the antenna conductor is lowered, so that it is difficult to draw electrons. Since the potential of the antenna conductor rises to a value almost close to the withstand voltage of the insulating film, it can be considered that electrons can be drawn in by controlling the electron temperature below this level and damage can be prevented.
[0127]
As described above, the ECR plasma apparatus and the inductively coupled plasma apparatus have been mainly described as examples. However, as long as the characteristics of plasma are used, the same principle can be applied to other apparatuses. For example, the present invention can be applied to an RIE apparatus, a helicon wave plasma apparatus, and the like.
[0128]
Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
[0129]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, damage to the gate insulating film due to plasma can be prevented in plasma processing having a dense and fine pattern.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view and a graph for explaining an experiment conducted by the inventor.
FIG. 2 is a cross-sectional view and a plan view of a sample used in the experiment.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view and a schematic view for explaining an ECR plasma apparatus and a Langmuir probe used in the experiment.
FIG. 4 is a schematic view for explaining charge-up of a substrate in a plasma process.
FIG. 5 is a block diagram showing an inductively coupled plasma apparatus used in the experiment.
FIG. 6 is a graph showing waveforms of power and potential in the plasma apparatus used in the experiment.
FIG. 7 is a cross-sectional view and a plan view of a sample used in the experiment.
FIG. 8 is a schematic diagram showing waveforms of electric power and potential in the plasma apparatus.
FIG. 9 is a graph showing experimental results.
FIG. 10 is a graph showing a modified example of the plasma processing method.
FIG. 11 is a block diagram of a plasma processing apparatus according to another embodiment of the present invention.
12 is a graph for explaining a plasma processing process using the apparatus of FIG. 11 according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 reaction chamber
2 Gas inlet
3 Exhaust port
4 Plasma generation chamber
5 Microwave waveguide
6 Microwave transmission window
7 Main coil
8 Susceptor
9 Board
10 External coil
11 Internal coil
12 rf bias source
31 Probe
32, 33 Compensation electrode
37 Variable voltage source
38 Current source
51 reaction chamber
52 Gas inlet
53 Exhaust vent
54 Susceptor
55 substrates
56 rf bias source
57 Pulse generator
58 source power
59 Matching circuit
60 coils
61 Outer container
62 Berja
63 Inner container
64 heaters

Claims (4)

(a)半導体層、その上に形成され、絶縁耐圧がB(V)であり、厚さが10nm以下であるゲート絶縁膜、その上に形成されたアンテナ構造の導電体層、その上に形成され、アスペクト比が1より大の開口部を有する絶縁体パターンを有する半導体ウエハをプラズマ処理装置内のサセプタに載置する工程と、
(b)前記半導体ウエハ全面上において電子温度Te(eV)が絶縁耐圧B(V)よりも小さいプラズマ中で前記半導体ウエハをエッチする工程と
を含む半導体装置の製造方法。
(A) A semiconductor layer, a gate insulating film formed thereon and having a withstand voltage B (V) and a thickness of 10 nm or less, a conductor layer of an antenna structure formed thereon, and formed thereon And placing a semiconductor wafer having an insulator pattern having an opening with an aspect ratio greater than 1 on a susceptor in the plasma processing apparatus;
(B) A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: etching the semiconductor wafer in a plasma having an electron temperature Te (eV) lower than a dielectric breakdown voltage B (V) over the entire surface of the semiconductor wafer.
前記絶縁体パターンがレジストパターンであり、前記工程(b)が前記導電体層をエッチする工程である請求項記載の半導体装置の製造方法。The insulator pattern is a resist pattern, said step (b) is a method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the step of etching the conductive layer. 前記半導体ウエハが、さらに前記導電体層と前記絶縁体パターンとの間に絶縁層を有し、前記工程(b)が該絶縁層に開口をエッチする工程である請求項記載の半導体装置の製造方法。The semiconductor wafer, further comprising an insulating layer between the insulator pattern and the conductor layer, said step (b) of the semiconductor device according to claim 1, wherein the step of etching an opening in the insulating layer Production method. (a)半導体層、その上に形成され、絶縁耐圧がB(V)であり、厚さが10nm以下であるゲート絶縁膜、その上に形成されたアンテナ比が500以上であるアンテナ構造の導電体層、その上に形成され、アスペクト比が1より大の開口部を有する絶縁体パターンを有する半導体ウエハをプラズマ処理装置内のサセプタに載置する工程と、
(b)前記半導体ウエハ全面上において電子温度Te(eV)が絶縁耐圧B(V)よりも小さいプラズマ中で前記半導体ウエハをエッチする工程と、
(c)前記工程(b)の前に、前記電子温度Teよりも高い電子温度Tehのプラズマ中で前記半導体ウエハをエッチする工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
(A) A semiconductor layer, a gate insulating film formed on the semiconductor layer, having a withstand voltage of B (V), having a thickness of 10 nm or less, and an antenna structure having an antenna ratio of 500 or more formed thereon. Placing a semiconductor wafer having a body layer and an insulator pattern formed thereon and having an opening with an aspect ratio greater than 1 on a susceptor in the plasma processing apparatus;
A step of electron temperature Te (eV) is to etch the semiconductor wafer in a small plasma than the dielectric strength B (V) (b) In the semiconductor wafer over the entire surface,
(C) before the step (b), etching the semiconductor wafer in plasma having an electron temperature Teh higher than the electron temperature Te;
A method of manufacturing a semiconductor device including:
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