JP4369449B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置を製造する際のドライエッチング工程に用いられる有磁場プラズマ発生装置、およびこの有磁場プラズマ発生装置を用いた半導体装置の配線等のドライエッチング工程を含む半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a magnetic field plasma generator used in a dry etching process when manufacturing a semiconductor device, and a method of manufacturing a semiconductor device including a dry etching process such as wiring of a semiconductor device using the magnetic field plasma generator. .
従来、半導体装置の製造の際に用いられるプラズマ処理の工程に、有磁場プラズマ発生装置が用いられてきた。この有磁場プラズマ発生装置については、例えば特許文献1や特許文献2に記載されている。
Conventionally, a magnetic field plasma generator has been used in a plasma processing step used in manufacturing a semiconductor device. This magnetic field plasma generator is described in, for example,
特許文献1に記載されているのは、図2に示すようにアースに接地された円盤状電極1と誘電体2および誘電体を介して対向する面に設置された高周波の印加された円盤状電極3よりなるマイクロストリップアンテナ(以下MSAと略する)に、高周波としてマイクロ波を供給した際にMSAから放射される電磁波と、ソレノイドコイルによって形成される磁場との電子サイクロトロン共鳴(ECR)によって、真空処理室内に反応性ガスのプラズマを形成するものである。このプラズマを、試料台上に保持された試料に照射することによって試料を加工する。反応性ガスは、試料に対向する面に設置された誘電体のシャワープレート構造から供給される。また、MSAは真空処理室の内部と外部を分ける誘電体の大気側に設置される構造になっている。
特許文献2に記載されているのは、真空処理室内に設置したMSAにUHF波を供給することによってMSAから放射される電磁波と、ソレノイドコイルによって形成される磁場のECR共鳴によって、プラズマを形成するものである。
近年半導体の微細加工では、異方性エッチングのために0.5Pa以下の低圧力での処理が必須になっている。また、チャージアップによるゲート破壊防止のため、ゲート配線やゲート配線に電気的につながったメタル配線をエッチングする場合、(1)ウエーハ上のイオン電流密度を低減することと(2)イオン電流密度の面内分布を均一にすることの二つが重要になっている。 In recent years, in microfabrication of semiconductors, processing at a low pressure of 0.5 Pa or less is essential for anisotropic etching. In order to prevent gate breakdown due to charge-up, when etching a gate wiring or a metal wiring electrically connected to the gate wiring, (1) reducing the ion current density on the wafer and (2) reducing the ion current density. Two things that make the in-plane distribution uniform are important.
しかし、従来の有磁場プラズマ発生装置では、低圧力の条件で、低イオン電流密度で安定均一な放電をさせることが難しかった。前記の特開平8−337887は、マイクロ波を用いているため、波長が処理室に対して短く、処理室内では複数のモードのプラズマが存在可能である。そのため、低圧低イオン電流の条件では、プラズマが存在可能なモード間で頻繁に転位し、放電が安定しないことがわかった。また、前記の特開平9−321031は、MSAを真空処理室内部に設置しているため、近接場によるMSAの円盤状電極3の端部の強電界によって、アンテナ端部の付近で高密度のプラズマが生成され、低圧領域で均一なプラズマを生成できないことがわかった。
However, in the conventional magnetic field plasma generator, it is difficult to perform stable and uniform discharge at a low ion current density under a low pressure condition. The above-mentioned JP-A-8-337887 uses a microwave, so that the wavelength is shorter than that of the processing chamber, and a plurality of modes of plasma can exist in the processing chamber. For this reason, it was found that, under conditions of low pressure and low ion current, dislocations frequently occur between modes in which plasma can exist, and the discharge is not stable. In addition, since the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 9-321031 has the MSA installed in the vacuum processing chamber, a high electric field at the end of the disc-
また、イオン電流密度の面内分布が不均一になってしまうと、面内のエッチング速度が不均一になってしまい、ひいては歩留まりに影響してしまう。 In addition, if the in-plane distribution of the ion current density becomes non-uniform, the in-plane etching rate becomes non-uniform, which in turn affects the yield.
本発明の目的は、イオン電流密度やエッチング速度の面内分布が均一で、低圧の条件で、かつの低イオン電流密度で安定な均一な放電のできる有磁場プラズマ発生装置及びこの装置を用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to use a magnetic field plasma generator and a device capable of uniform discharge in an in-plane distribution of ion current density and etching rate, under a low pressure condition, and stable and uniform discharge at low ion current density. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device.
上記目的は、(1)分離板を介した真空処理室外部に設置したアンテナ(MSA)に300MHz以上1GHz以下のUHF波を供給することによってMSAから放射される電磁波と、ソレノイドコイルによって形成される磁場のECR共鳴によって、プラズマを形成する方式を用いることで達成される。UHF波を用いているため、波長が処理室内径と同等となり、単一モードのプラズマしか存在できない。そのため、モード間転位によるプラズマの不安定がなくなる。また、真空処理室の内部と真空処理室内よりも圧力が高い大気側の外部を分ける誘電体(分離板)の大気側にMSAを設置した構造にすることで、近接場による円盤状電極MSA端部の、強電界による高密度プラズマの生成が抑制され、低圧でも均一なプラズマが生成できる。なお、本明細書では、UHF帯とは、300MHz以上1GHz以下の周波数領域をいう。 The above object is formed by (1) electromagnetic waves radiated from the MSA by supplying UHF waves of 300 MHz to 1 GHz to the antenna (MSA) installed outside the vacuum processing chamber via the separation plate, and a solenoid coil. This is achieved by using a method of forming a plasma by ECR resonance of a magnetic field. Since UHF waves are used, the wavelength is the same as the inside diameter of the processing chamber, and only single-mode plasma can exist. Therefore, plasma instability due to intermode dislocation is eliminated. Also, the MSA end of the disc-shaped electrode due to the near field is constructed by installing an MSA on the atmosphere side of the dielectric (separation plate) that separates the inside of the vacuum process chamber and the outside of the atmosphere where the pressure is higher than the vacuum process chamber. Generation of high-density plasma due to a strong electric field is suppressed, and uniform plasma can be generated even at low pressure. Note that in this specification, the UHF band refers to a frequency region of 300 MHz to 1 GHz.
また、ガスを供給するシャワープレートと試料台との距離を100mm未満とすることで、密パターンと疎パターンのCDゲインの差が小さくなる効果がある。さらに、シャワープレート径をウエハー径の3/4以下とすることで、さらにCDゲインの差を小さくすることが可能となる。 In addition, by making the distance between the shower plate for supplying the gas and the sample stage less than 100 mm, there is an effect that the difference in CD gain between the dense pattern and the sparse pattern is reduced. Furthermore, the difference in CD gain can be further reduced by setting the shower plate diameter to 3/4 or less of the wafer diameter.
(2)また、UHF帯の周波数を用い、0.1Pa〜0.5Paの低圧の条件で、かつ、0.6mA/cm2〜2mA/cm2の低イオン電流密度でプラズマ処理を行うことで達成される。0.1Pa以上の圧力、かつイオン電流密度0.6mA/cm2以上とすることで、実用的なエッチング速度を維持することができる。一方、チャージアップ低減のため、イオン電流密度は2mA/cm2以下とすることが、また異方性エッチングを達成するため、0.5Pa以下の圧力とすることが必要である。 (2) Moreover, it is achieved by performing plasma treatment using a UHF band frequency under conditions of a low pressure of 0.1 Pa to 0.5 Pa and a low ion current density of 0.6 mA / cm 2 to 2 mA / cm 2. . By setting the pressure to 0.1 Pa or more and the ion current density to 0.6 mA / cm 2 or more, a practical etching rate can be maintained. On the other hand, the ion current density must be 2 mA / cm 2 or less in order to reduce charge-up, and the pressure must be 0.5 Pa or less in order to achieve anisotropic etching.
ここで、0.5Paの条件でMSAに印加する周波数を変化させた場合の放電特性を図5に示す。周波数が1GHz以上では、0.5Pa以下の低圧では、放電不安定の問題があるため、2mA/cm2以下の低密度領域が実現できない。また、周波数300MHz以下の周波数では、電磁波の放射効率が悪いため、近接場電界によるプラズマ発生のない本構造では、プラズマ放電が維持できない。すなわち、0.5Paの低圧で2mA/cm2以下の低イオン電流密度のプラズマを効率的に生成できるのは、300MHz以上1GHz以下の領域に限られることがわかる。 Here, FIG. 5 shows discharge characteristics when the frequency applied to the MSA is changed under the condition of 0.5 Pa. When the frequency is 1 GHz or more, there is a problem of unstable discharge at a low pressure of 0.5 Pa or less, so a low density region of 2 mA / cm 2 or less cannot be realized. In addition, at a frequency of 300 MHz or less, since the radiation efficiency of electromagnetic waves is poor, plasma discharge cannot be maintained in this structure in which plasma is not generated by a near-field electric field. In other words, it can be seen that plasma with a low ion current density of 2 mA / cm 2 or less can be efficiently generated at a low pressure of 0.5 Pa only in the region of 300 MHz to 1 GHz.
(3)さらに、アンテナからみて凸型のECR面になるような磁場分布を形成して、プラズマ処理することによって達成される。特に、ECR面とシャワープレートとの交点がアンテナ径よりも内側になると効果的である。このようにすることで、ECR共鳴が中心部で生じ、中心部のプラズマ密度が増加し、均一な分布を形成できる。 (3) Furthermore, it is achieved by forming a magnetic field distribution that forms a convex ECR plane as viewed from the antenna and performing plasma treatment. In particular, it is effective when the intersection of the ECR surface and the shower plate is inside the antenna diameter. By doing so, ECR resonance occurs in the central portion, the plasma density in the central portion increases, and a uniform distribution can be formed.
具体的には、アンテナの上方に小径コイルを設置する。この小径コイルの内径は、アンテナ径よりも小さくする。 Specifically, a small-diameter coil is installed above the antenna. The inner diameter of the small diameter coil is made smaller than the antenna diameter.
また、プラズマ放電を着火する際には、アンテナから見て凹型のECR面となるようにし、着火後凸型のECR面となるように制御すると良い。プラズマ放電の着火性は、凸型のECR面の場合には悪く、凹型のECR面の場合は良好だからである。特に、ECR面とシャワープレートとの交点がアンテナ径の外側になる場合、着火性が向上する。このようなECR面の凹凸面の制御は、試料台外周部の磁場コイルを制御することで行うことができる。 Further, when the plasma discharge is ignited, it may be controlled so as to be a concave ECR surface as viewed from the antenna and to be a convex ECR surface after ignition. This is because the ignitability of the plasma discharge is bad for the convex ECR surface and good for the concave ECR surface. In particular, when the intersection between the ECR surface and the shower plate is outside the antenna diameter, the ignitability is improved. Such control of the concavo-convex surface of the ECR surface can be performed by controlling the magnetic field coil on the outer periphery of the sample stage.
(4)さらに、特にプラズマ密度が外高分布となっている場合、アンテナ裏面に高さが30mm以上の空洞部を設けることで、達成される。このようにすることで、電界の外周での集中を緩和し、プラズマ密度の外高分布を解消することができる。そして、イオン電流密度の面内分布が均一化され、エッチング速度の面内均一化が図れるようになる。 (4) Furthermore, this is achieved by providing a cavity portion having a height of 30 mm or more on the back surface of the antenna, particularly when the plasma density has an outer height distribution. By doing so, it is possible to alleviate the concentration of the electric field at the outer periphery and to eliminate the outer height distribution of the plasma density. Then, the in-plane distribution of the ion current density is made uniform, and the in-plane uniformity of the etching rate can be achieved.
(5)また、エッチング中のプラズマ密度の変化をモニタリングし、プラズマ密度が増加した場合はアンテナから見て凸型のECRの曲率を増加させ、逆にプラズマ密度が減少した場合は、アンテナから見て凸型のECRの曲率を減少させるように、磁場コイルにフィードバックをかけることによっても達成される。特に、プラズマ密度が増加すると外周高プラズマ分布となり、プラズマ密度が減少すると中心高プラズマ分布となるからである。多層膜をエッチングする際は、被エッチング膜の種類に伴い、プラズマ中に放出される反応生成物が変化し、プラズマ密度が変化するため、特に多層膜をエッチングする際、このようにモニタリングすると効果的である。 (5) The plasma density change during etching is monitored. When the plasma density increases, the curvature of the convex ECR is increased as seen from the antenna, and conversely, when the plasma density decreases, the change is observed from the antenna. This can also be achieved by applying feedback to the magnetic field coil so as to reduce the curvature of the convex ECR. In particular, when the plasma density is increased, the outer peripheral high plasma distribution is obtained, and when the plasma density is decreased, the central high plasma distribution is obtained. When etching a multilayer film, the reaction product released into the plasma changes with the type of film to be etched, and the plasma density changes. Is.
本発明の構成とすることにより、異方性加工の可能な0.5Pa以下の低圧でも1mA/cm2以下の均一かつ低イオン電流密度のプラズマが実現できるため、ゲート破壊のない均一なエッチングが可能である。 By adopting the configuration of the present invention, a uniform and low ion current density plasma of 1 mA / cm 2 or less can be realized even at a low pressure of 0.5 Pa or less capable of anisotropic processing, so that uniform etching without gate breakdown is possible. It is.
(実施例1)
図1は本発明のドライエッチング装置の一例である。
(Example 1)
FIG. 1 shows an example of the dry etching apparatus of the present invention.
この装置では、MSA4から放射される電磁波と、ソレノイドコイル5,6によって形成される磁場との電子サイクロトロン共鳴によって、真空処理室内に反応性ガスのプラズマが形成される。このプラズマを、試料台7上に保持された試料8に照射することによって試料8を加工する。反応性ガスは、試料に対向する面に設置されたシャワープレート9から供給することによって、均一な反応性ガスの供給が可能である。また、真空処理室の内部と外部を分ける誘電体10の大気側にMSA4が設置されることによって、近接場による円盤状電極3の端部での高密度プラズマの生成が抑制される。また、円盤状電極3の腐食による特性の変化や円盤状電極3の腐食反応生成物による試料の汚染も防止できる。本実施例では、誘電体10として厚み35mmの石英円盤を用いた。
In this apparatus, reactive gas plasma is formed in the vacuum processing chamber by electron cyclotron resonance between the electromagnetic wave radiated from the
また、本装置では、円盤状電極3に印加する高周波としてUHF帯の高周波を用いることによって、低圧低密度のプラズマでも安定なプラズマを形成できる。さらに、均一プラズマ形成に最適な軸対象のプラズマが形成できるよう次の二つの工夫がしてある。一点目はMSA4で図3のような軸対称のTM01モードが共振できるよう円盤状電極3に印加するUHF波の周波数、円盤状電極3の径、誘電体円盤2の材料および厚みを設定している。本実施例では、UHF波の周波数を450MHz、円盤状電極3の径を255mm、誘電体2として厚み20mmのアルミナを用いた。二点目は円盤状電極3に軸対象に高周波を給電できるよう、給電部11を円錐形状にし、円錐の頂点からアンテナに給電する構造になっている。また、本装置では、金属汚染対策として石英の内筒12を入れている。このような誘電体性の内筒12を入れる場合、内筒が少しでも偏心して、設置されると、プラズマが軸対象からずれる問題がある。この問題を解決するためには、アース電位に接地された導体円筒13を設け、かつ、図1中にアース折返し高さとして定義される内筒12と導体円筒13の重なり部分の長さを10mm以上にすることで、完全に防止できることがわかった。
Further, in the present apparatus, by using a UHF band high frequency as the high frequency applied to the disc-shaped
本装置を用いて塩素ガスプラズマの放電特性を評価した結果を図4に示す。また、比較のために従来の有磁場マイクロ波プラズマ発生装置の放電特性も図4に示す。図4に示したとおり、従来の有磁場マイクロ波プラズマでは、圧力が低いほど、またイオン電流密度が低いほど、放電が不安定となってしまった。しかし、本発明のように、UHF帯の周波数を、MSAに印加することで、従来の有磁場マイクロ波プラズマ発生装置では実現できなかった低圧低イオン電流の領域でも、安定で均一な放電ができるようになった。 The results of evaluating the discharge characteristics of chlorine gas plasma using this apparatus are shown in FIG. For comparison, the discharge characteristics of a conventional magnetic field microwave plasma generator are also shown in FIG. As shown in FIG. 4, in the conventional magnetic field microwave plasma, the discharge became unstable as the pressure was lower and the ion current density was lower. However, by applying a UHF band frequency to the MSA as in the present invention, a stable and uniform discharge can be achieved even in a low-voltage low-ion current region that could not be realized by a conventional magnetic field microwave plasma generator. It became so.
なお、実施例1のアンテナ構造では、図6に示すように中心の電界強度が強いため、磁場がないか、もしくは、磁場が非常に弱い場合、中心でのプラズマ密度が高くなる。したがって、さらに高均一のプラズマを得るためには、外周のプラズマ密度を増大させるか、もしくは、中心のプラズマ密度を低下させる必要がある。外周のプラズマ密度を増加させるECR磁場の調整方法を実施例2で、中心のプラズマ密度を低下させる方法を実施例3でそれぞれ説明する。 In the antenna structure of Example 1, since the electric field strength at the center is strong as shown in FIG. 6, the plasma density at the center becomes high when there is no magnetic field or when the magnetic field is very weak. Therefore, in order to obtain a more uniform plasma, it is necessary to increase the plasma density on the outer periphery or reduce the plasma density at the center. A method for adjusting the ECR magnetic field for increasing the plasma density at the outer periphery will be described in Example 2, and a method for reducing the plasma density at the center will be described in Example 3.
(実施例2)
本実施例は、上述のように、外周のプラズマ密度を増加させるECR磁場の形成方法について述べる。
(Example 2)
In the present embodiment, as described above, an ECR magnetic field forming method for increasing the plasma density on the outer periphery will be described.
図7は実施例1のアンテナ構造の場合の電界の向きを示している。本構造では外周部で横向き、中心部で縦向きの電界が生じる。このため、図8のように、電子サイクロトロン共鳴の生じるレベル大きさの縦向きの磁場がある場合、電界と磁場が直交する外周で強い共鳴が生じるため、外周のプラズマ密度を増加させることができる。このような、磁場を作るためには、図8のソレノイドコイル6のように、上端面が円盤状導体3より高く、下端面がシャワープレート下端より低く、アンテナからシャワープレートの外周を覆うようなソレノイドコイルを搭載する必要がある。このソレノイドコイル6の電流の大きさを調節し、縦向きの磁場の大きさを、増減させることによって、イオン電流密度の分布を調整できる。
FIG. 7 shows the direction of the electric field in the case of the antenna structure of the first embodiment. In this structure, an electric field is generated horizontally at the outer periphery and vertically at the center. For this reason, as shown in FIG. 8, when there is a longitudinal magnetic field having a level magnitude that causes electron cyclotron resonance, strong resonance occurs in the outer periphery where the electric field and the magnetic field are orthogonal to each other, so that the plasma density in the outer periphery can be increased. . In order to generate such a magnetic field, like the
例えば条件1のように磁場強度が弱く電子サクロトロン共鳴を起こす領域(以下ECR面と略す)が真空処理室外部にある場合は、図9のように中心高のイオン電流密度分布に、また、条件3のように磁場強度が強くECR面が真空処理室内部に完全に入る場合には、外周高分布になる。特に磁場強度が外周で強く、外周のみにECR面がある場合(条件2)、図9のように高均一性のプラズマが実現できる。
For example, when the region where the magnetic field strength is weak and the electron sacrotron resonance (hereinafter abbreviated as ECR plane) is outside the vacuum processing chamber as in
(実施例3)
本実施例では、前述したとおり、中心のプラズマ密度を低下させる方法を説明する。
(Example 3)
In this embodiment, as described above, a method for reducing the central plasma density will be described.
図10のような発散磁場を用いた場合、プラズマが磁場に沿って外周方向に拡散していくため、中心のプラズマ密度を低減できる。このような発散磁場を作るには、内径の小さいソレノイドコイル14をMSA4の上部に設置することによって実現できることがわかった。
When the divergent magnetic field as shown in FIG. 10 is used, the plasma diffuses in the outer peripheral direction along the magnetic field, so that the center plasma density can be reduced. It has been found that such a divergent magnetic field can be realized by installing a
図11にソレノイドコイル14の内径と均一性の関係を示す。ソレノイドコイルの内径がアンテナ径より大きい場合、コイル電流を大きくしてもイオン電流密度のウエーハ面内分布は中高を示す正の値をとる。内径がアンテナ径255mmより小さくなるになるところから、コイル電流に依存して均一性が変化するようになり、電流を増やすにしたがって、中高分布を示す正の均一性から、ウエーハ面内分布が均一であることを示す均一性0%、さらに外高分布を示す負の均一性にまで調整できるようになることがわかる。このことから、均一なプラズマを作るためには内径がアンテナ径より小さいソレノイドコイル14を設置することが適していることがわかった。
FIG. 11 shows the relationship between the inner diameter of the
(実施例4)
本実施例では、ECR面の凸型形状とイオン電流密度の関係について示す。
(Example 4)
In this example, the relationship between the convex shape of the ECR surface and the ion current density is shown.
実施例2および3のソレノイドコイルを用いて、イオン電流密度の面内分布の均一化を図った。二つのソレノイドコイルの電流を調整し、図12に示すようにECR面がフラットな磁場(条件1)、下に凸になるように調整した磁場(条件2)、さらに曲率を大きくし、外周部のECR面が真空処理室の外にでる磁場(条件3)の場合のイオン電流密度の面内分布を図13に示す。ECR面の曲率が大きい条件においても、外周部のECR面が真空処理室の外にでない場合は、外周高の分布しか得られない。ECR面の外周部が真空処理室外部にでる条件でのみ、均一から中高の分布がえられることがわかった。 Using the solenoid coils of Examples 2 and 3, the in-plane distribution of ion current density was made uniform. Adjusting the current of the two solenoid coils, as shown in FIG. 12, the ECR surface is a flat magnetic field (Condition 1), the magnetic field is adjusted to be convex downward (Condition 2), the curvature is increased, and the outer periphery FIG. 13 shows the in-plane distribution of the ion current density when the ECR surface is a magnetic field (condition 3) out of the vacuum processing chamber. Even under conditions where the curvature of the ECR surface is large, if the ECR surface of the outer peripheral portion is not outside the vacuum processing chamber, only the distribution of the outer peripheral height can be obtained. It was found that a uniform to medium-high distribution can be obtained only under the condition that the outer periphery of the ECR surface is outside the vacuum processing chamber.
次に、ECR面を上に凸にして、イオン電流密度の面内分布を測定した。この装置構成においても実施例2の場合と同様ECR面の中心部が真空処理室の外にでる条件でのみイオン電流密度の面内分布が均一になることが確認された。 Next, the in-plane distribution of the ion current density was measured with the ECR surface convex upward. Also in this apparatus configuration, it was confirmed that the in-plane distribution of the ion current density is uniform only under the condition that the center part of the ECR surface comes out of the vacuum processing chamber as in the case of Example 2.
(実施例5)
本実施例では、外高のイオン電流密度分布を低下させて、面内均一性を高める方法を示す。
(Example 5)
In this example, a method of increasing the in-plane uniformity by reducing the outer high ion current density distribution is shown.
実施例2の条件3の上凸型磁場でも、イオン電流密度を均一にできる方法として、次の方法がある。図14のように円盤状電極1にリング上の空洞部15を設けることで、円盤状電極3の外周の電界強度を低減し、外周のイオン電流密度を低下させる方法である。この時の試料8上のイオン電流密度の面内分布を図15に示す。空洞の大きさが30mm以上にすることで、外周のプラズマ密度が低下し、外高分布が緩和されるがわかった。また、この時、プラズマ密度自身も増大することがわかった。
There are the following methods as a method for making the ion current density uniform even in the upward convex magnetic field of the
(実施例6)
本実施例では、プラズマ放電の着火とプラズマ処理のECR面との関係について示す。
(Example 6)
In this embodiment, the relationship between the ignition of plasma discharge and the ECR plane of plasma processing will be described.
実施例3の下凸ECR磁場を用いた場合、プラズマの着火性が悪い問題がある。
この問題を解決するため、ECR面が上に凸になるような磁場分布、即ちアンテナから見て凹型のECR面となるような状態でプラズマを着火させ、その後、イオン電流密度の面内分布が均一になるように磁場分布を調整する方法を検討した。
When the downward convex ECR magnetic field of Example 3 is used, there is a problem that the ignitability of plasma is poor.
In order to solve this problem, the plasma is ignited in such a state that the ECR surface is convex upward, that is, a concave ECR surface as viewed from the antenna, and then the in-plane distribution of ion current density is A method for adjusting the magnetic field distribution to be uniform was studied.
ECR面の上凸の曲率を大きくするためには、図16のソレノイドコイル16のようにアンテナ面より下に、処理室径より大きな内径のソレノイドコイルを設け、これに高電流を流すことによって達成される。このようなコイルを用いて、上に凸のECR磁場を作り、1200WのUHF電力を1秒間投入してプラズマを着火させ、その後、下凸ECR磁場即ちアンテナから見て凸型のECR面となるような磁場分布に切替えて均一なプラズマを生成した。これにより、良好な着火性と安定な均一放電が持続されることが確認された。
In order to increase the upward convex curvature of the ECR surface, a solenoid coil having an inner diameter larger than the processing chamber diameter is provided below the antenna surface as in the
なお、実施例2〜6の磁場制御によるプラズマの均一化およびプラズマ着火性の改善についてはゲート・メタルなどの配線材料のエッチングだけでなく、酸化膜、低誘電率膜などの絶縁膜材料のエッチングにおいても効果がある。 The plasma homogenization and plasma ignitability improvement by magnetic field control in Examples 2 to 6 are not only performed on the wiring material such as gate metal, but also on the insulating film material such as oxide film and low dielectric constant film. Also effective.
(実施例7)
実施例3の装置において測定したイオン電流密度および下凸ECR磁場の曲率とイオン電流密度の面内分布の均一性との関係を図17に示す。下凸ECR磁場の曲率が同じ条件で、UHF電力高くしてイオン電流密度を増やした場合、イオン電流密度面内分布の均一性が中高を表わす正から外周高を表わす負に変化することがわかる。
(Example 7)
FIG. 17 shows the relationship between the ion current density and the curvature of the downward convex ECR magnetic field measured with the apparatus of Example 3 and the uniformity of the in-plane distribution of the ion current density. When the curvature of the downward convex ECR magnetic field is the same and the ion current density is increased by increasing the UHF power, the uniformity of the in-plane distribution of the ion current density changes from positive representing a medium height to negative representing a peripheral height. .
このことから、多層膜構造の試料のエッチングを想定すると、エッチング中に被エッチング材料が変化するため、プラズマ中に放出されるエッチング反応生成物の種類が変わることによって、イオン電流密度が変化し、イオン電流密度の面内均一性が低下することが予想される。したがって、多層構造の試料のエッチング中でも、均一なイオン電流密度の面内分布を維持するためには、イオン電流密度の変化に伴って、下凸ECR磁場の曲率を変える必要がある。 From this, assuming that the sample of the multilayer film structure is etched, the material to be etched changes during the etching, so that the type of the etching reaction product released into the plasma changes, so that the ion current density changes, It is expected that the in-plane uniformity of the ion current density will decrease. Therefore, in order to maintain a uniform in-plane distribution of the ionic current density even during the etching of the multilayer structure sample, it is necessary to change the curvature of the downward convex ECR magnetic field with the change of the ionic current density.
これに対応するため、図18のように、試料に印加するバイアスのパワーとピークtoピーク電圧(バイアス電圧の最小値と最大値の差)の関係からイオン電流密度を計算し、その結果を用いて下凸ECR磁場の曲率の最適値を計算し、ソレノイドコイル電流にフィードバックするシステムを開発した。本システムを用いて、エッチングすることによって多層構造の試料のエッチング中でも、イオン電流密度面内分布を均一に保つことができる。 To cope with this, as shown in FIG. 18, the ion current density is calculated from the relationship between the bias power applied to the sample and the peak-to-peak voltage (difference between the minimum value and the maximum value of the bias voltage), and the result is used. We have developed a system that calculates the optimum value of the curvature of the downward convex ECR magnetic field and feeds it back to the solenoid coil current. By etching using this system, the ion current density in-plane distribution can be kept uniform even during etching of a sample having a multilayer structure.
(実施例8)
本実施例では、多層配線のエッチングを行った例を示す。実施例7の装置を用いて多層構造のメタル配線のエッチングを行なった。被エッチング試料としては、図19に示すように、ゲート配線上にCVDで堆積させた酸化シリコン15上に、窒化チタン(TiN)18、アルミニウム・銅・シリコン混晶(Al−Cu−Si)19、窒化チタン(TiN)20の順で堆積させ、その上にレジストマスク21を形成させた構造のものを用いた。この試料を、Cl2とBCl3、CH44%Ar希釈ガス(以下NRと略す)の混合ガスのプラズマを用いて0.5Paの低圧で、1mA/cm2の低イオン電流密度の得られるUHF電力800Wの条件で、試料には40Wの800KHzのRFバイアスを印加してエッチングした。エッチング後、CF4とO2の混合ガスプラズマでレジストをアッシング除去し、NMD-3でウエット処理した後の形状を図20に示す。
(Example 8)
In this embodiment, an example in which multilayer wiring is etched is shown. Using the apparatus of Example 7, the metal wiring having a multilayer structure was etched. As a sample to be etched, as shown in FIG. 19, titanium nitride (TiN) 18 and aluminum / copper / silicon mixed crystal (Al—Cu—Si) 19 are formed on
図20に示した疎パターンのCDゲインと試料−シャワープレート間の距離の関係を測定した。その結果を図21に示す。なお、CDゲインとは、図20に示した通り、エッチングパターン寸法太り量(細り量)をいう。 The relationship between the CD gain of the sparse pattern shown in FIG. 20 and the distance between the sample and the shower plate was measured. The result is shown in FIG. Note that the CD gain means an etching pattern dimension thickening amount (thinning amount) as shown in FIG.
シャワープレートと試料台の間の距離が100mm以上となる従来装置のエッチング条件では、周辺のパターンに比べ、中心のパターンのCDゲインが大きくなる問題があったが、シャワープレートと試料台の間の距離を100mm未満にすることで、中心パターンのCDゲインが低減され、周辺パターンと中心パターンのCDゲインの差が少くなることがわかる。また、この効果には図1中に示したのシャワープレート径も重要な要因であり、シャワープレート径170mmでは、効果がなく、シャワープレート径がウエーハ径の3/4になるシャワープレート径150mm以下でCDゲイン低減の効果が現れることがわかった。シャワープレート径100mmでは試料−シャワープレート間の距離を60mmにまで短くすることによって、CDゲインの面内差のない加工が行なえることがわかった。 In the etching conditions of the conventional apparatus where the distance between the shower plate and the sample stage is 100 mm or more, there was a problem that the CD gain of the central pattern was larger than the surrounding pattern, but there was a problem between the shower plate and the sample stage. It can be seen that by making the distance less than 100 mm, the CD gain of the center pattern is reduced, and the difference between the CD gain of the peripheral pattern and the center pattern is reduced. In addition, the shower plate diameter shown in FIG. 1 is also an important factor for this effect. When the shower plate diameter is 170 mm, there is no effect, and the shower plate diameter is less than 150 mm, which is 3/4 of the wafer diameter. It turns out that the effect of CD gain reduction appears. It was found that when the shower plate diameter is 100 mm, the distance between the sample and the shower plate can be shortened to 60 mm and processing without in-plane difference in CD gain can be performed.
シャワープレート径100mm、試料―シャワープレート間の距離60mmの条件でエッチングした試料のゲートの破壊を測定した結果を図22に示す。ゲート破壊を受けたICチップを示す黒い部分が全く見られない。すなわち、1mA/cm2以下の低イオン電流密度にすることによって、異方性加工の可能な0.5Pa以下の低圧でもゲート破壊のないエッチングを実現できることがわかった。 FIG. 22 shows the result of measuring the gate breakdown of the etched sample under the conditions of a shower plate diameter of 100 mm and a sample-shower plate distance of 60 mm. There is no black part showing the IC chip that has undergone gate destruction. In other words, it has been found that by using a low ion current density of 1 mA / cm 2 or less, etching without gate breakdown can be realized even at a low pressure of 0.5 Pa or less capable of anisotropic processing.
ここでは、メタルのエッチングについて述べたが、本実施例の試料―シャワープレート間距離の効果や、低圧低イオン電流におけるエッチングの効果は、ゲートのエッチングでも同様である。 Although metal etching has been described here, the effect of the distance between the sample and the shower plate and the effect of etching at a low voltage and low ion current in the present embodiment are the same in the gate etching.
なお、上記の密パターンとは、例えばDRAMではメモリマット部の配線パターンをいい、疎パターンとは、周辺回路部の配線パターンをいう。 Note that the above-described dense pattern refers to a wiring pattern of a memory mat portion in a DRAM, for example, and a sparse pattern refers to a wiring pattern of a peripheral circuit portion.
(実施例9)
図23はCMOSゲート加工工程の流れを示す図である。まず、CVD法によってシリコン酸化膜上にi-Polyを堆積させる。このi-Poly上にフォトレジストを塗布してリソグラフィー技術によってパターニングを行いレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクにしてP+のイオン注入を行なった後、レジストを剥離してアニールを行うことによって、隣り合うi-Poly層 n+Poly-Si層を形成する。このi-Poly/n+Poly-Si層上にCVDによってSi3N4を堆積させる。次にフォトレジストを塗布してリソグラフィー技術によってパターニングを行いレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクにしてSi3N4層をCHF3/O2/Ar混合ガスプラズマによって異方性エッチングする。さらにレジストをアッシング除去してSi3N4マスクを形成する。このサンプルのi-Poly/n+Poly-Si層をSi3N4をマスクとして、実施例2の装置を用いて、異方性エッチングを行った。異方性エッチングは、Cl2、O2、HBrの混合ガスを用いて0.1〜0.2Paの低圧、1mA/cm2の低イオン電流密度の得られるUHF電力800Wで、試料に800KHz・40WのRFバイアスを印加して行った。本装置でエッチングすることによって、i-Polyパターンとn+Poly-Siパターンで形状差のないエッチングが行えた。次に残ったSi3N4/Poly-Siパターンをマスクにリンのドーピング工程を行いCMOSゲートを形成させた。
Example 9
FIG. 23 shows the flow of the CMOS gate processing step. First, i-Poly is deposited on a silicon oxide film by a CVD method. A photoresist is applied on this i-Poly and patterned by a lithography technique to form a resist pattern. After performing P + ion implantation using this resist pattern as a mask, the resist is removed and annealed to form adjacent i-Poly layers n + Poly-Si layers. Si 3 N 4 is deposited by CVD on this i-Poly / n + Poly-Si layer. Next, a photoresist is applied and patterned by a lithography technique to form a resist pattern. Using this resist pattern as a mask, the Si 3 N 4 layer is anisotropically etched by CHF 3 / O 2 / Ar mixed gas plasma. Further, the resist is removed by ashing to form a Si 3 N 4 mask. The i-Poly / n + Poly-Si layer of this sample was anisotropically etched using the apparatus of Example 2 using Si 3 N 4 as a mask. Anisotropic etching uses a mixed gas of Cl 2 , O 2 , and HBr at a low pressure of 0.1 to 0.2 Pa and a low ion current density of 1 mA / cm 2 at a UHF power of 800 W. This was done by applying a bias. Etching with this apparatus was able to perform etching without shape difference between i-Poly pattern and n + Poly-Si pattern. Next, a phosphorous doping process was performed using the remaining Si 3 N 4 / Poly-Si pattern as a mask to form a CMOS gate.
1…円盤状電極、2…誘電体、3…円盤状電極、4…MSA、5、6…ソレノイドコイル、7…試料台、8…試料、9…シャワープレート、10…誘電体、11…円錐状給電部、12…石英内筒、13…導体円筒、14…ソレノイドコイル、15…空洞部、16…ソレノイドコイル、17…酸化シリコン、18…窒化チタン、19…アルミニウム・銅・シリコンの混晶、20…窒化チタン、21…レジストマスク。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記試料室内に上に凸型のECR面を形成してプラズマを着火し、
当該プラズマを用いて前記被加工物をエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A processing chamber, a sample stage provided in the processing chamber for installing a workpiece, an exhaust means for exhausting gas in the processing chamber, a shower plate for introducing gas into the processing chamber, and a UHF band In a method for manufacturing a semiconductor device using an etching apparatus provided with an antenna to which high-frequency power is applied and means for forming a magnetic field in the processing chamber,
A convex ECR surface is formed in the sample chamber to ignite plasma,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the workpiece is etched using the plasma.
前記シャワープレートのシャワープレート径が前記被加工物の径の3/4以下であり、前記ガスが当該3/4以下の径の領域から前記試料室内に導入されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
A diameter of a shower plate of the shower plate is 3/4 or less of a diameter of the workpiece, and the gas is introduced into the sample chamber from a region having a diameter of 3/4 or less. Production method.
前記プラズマの着火後に、イオン電流密度の面内分布が均一になるように磁場分布を調整することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising adjusting a magnetic field distribution so that an in-plane distribution of ion current density is uniform after the plasma is ignited.
前記プラズマの着火後に、下に凸型のECR面が形成されるように磁場分布を調整することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising adjusting a magnetic field distribution so that a convex ECR surface is formed below after the plasma is ignited.
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a distance between the shower plate and the sample stage is less than 100 mm. 6.
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