JP4391127B2 - プラズマ処理方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置に係わり、特にプラズマを用いて半導体素子などの表面処理を行うのに好適なプラズマ処理方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
エッチング処理をプラズマ処理装置を用いて行う場合、処理ガスを電離し活性化することで処理の高速化をはかり、また被処理材に高周波バイアス電力を供給しイオンを垂直に入射させることで、異方性形状などの高精度エッチング処理を実現している。従来のプラズマ処理方法は、特に高アスペクト比のホール加工を行う際、エッチングガスAr,O2,CxFy(例えばC4F8,C5F8,C4F6等),COを用いてエッチング処理を行っている(例えば、非特許文献1参照)。
【0003】
デバイスの微細化に伴い、レジストマスクの露光も短波長側へシフトし、そのためレジスト厚さが薄くなり、エッチング処理を行う際に高マスク選択比を確保することが要求されてきた。しかし今後の更なる微細化ではエッチング処理における高マスク選択比の確保にも限界がある。更なる高アスペクト比のホール加工のために、レジストマスクのパターン転写技術など新たな技術も提案されているが、工程数が増えるなどの問題があった。
【0004】
従来、SiO2の薄膜にコンタクトホールを形成する場合、マスクであるフォトレジスト(PR)に対し選択的にエッチングを行うため、エッチングガスであるAr、O2、CxFy(例えばC4F8、C5F8、C3F6、C4F6等)およびCOを用いてエッチングを行っている。このエッチング処理では、コンタクトホールのようにアスペクト比が高い穴加工では、付着係数の低いラジカル例えばCF2は穴底部まで到達するが、付着係数の高いCやC2はマスク上に選択的に堆積する(例えば、非特許文献2参照)。
【0005】
【非特許文献1】
H.Hayashi et.al.:1996 DPS(DRY PROCESS SYMPOSIUM) p135
【非特許文献2】
M.Izawa et.al.:1999 DPS(DRY PROCESS SYMPOSIUM) p291
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、プラズマ処理装置におけるマスク膜厚の薄い高アスペクト比のエッチングにおいて、高精度な高アスペクト比のエッチングを実現可能な処理条件を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマ処理方法では、プラズマ処理装置を用いて絶縁膜のホールのエッチング処理中にアスペクト比4以上の時点で一度エッチストップを発生させ、その後酸素の添加量をステップ的に減少させたエッチングが進行しない条件のプラズマに一定時間暴露してマスク上にデポ膜を堆積させることにより消耗したマスク上にマスクを自ら形成した後、酸素の添加量をステップ的に増加させてエッチングが進行する条件のプラズマに暴露して再度絶縁膜のエッチングを行うことにより、高アスペクト比のエッチングを実現することが可能である。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図1から図4を用いて説明する。図1は、本発明を適用するプラズマ処理装置の一例であるエッチング装置の縦断面図である。真空容器101の上部開口部には、円筒状の処理容器102に、導電体からなる平板状のアンテナ電極103、電磁波を透過可能な誘電体窓104を気密に設け、内部に処理室を形成している。処理容器102の外周部には、磁場発生用コイル105が設けてある。アンテナ電極103は、エッチングガスを流すため、多孔構造となっており、ガス供給装置107が接続されている。また、真空容器101の下部には、真空排気口106を介して真空排気装置(図示省略)が接続されている。
【0009】
アンテナ電極103上部には、同軸線路108が設けられ、フィルタ109、整合器110を介してプラズマ生成用の高周波電源111(例えば、周波数450MHz)が接続されている。また、アンテナアンテナ電極103には、同軸線路108、フィルタ112、整合器113を介してアンテナバイアス電源114(例えば、周波数800kHz)が接続されている。ここで、フィルター109は、高周波電源111からの高周波電力を通過させ、アンテナバイアス電源114からのバイアス電力を効果的にカットする。フィルタ112は、アンテナバイアス電源114からのバイアス電力を通過させ、高周波電源111からの高周波電力を効果的にカットする。
【0010】
真空容器101内の下部には、被処理材116を配置可能な基板電極115が設けられている。基板電極115には、フィルタ117、整合器118を介して基板バイアス電源119(例えば、周波数800kHz)が接続されている。また、基板電極115には、フィルタ120を介して被処理材116を静電吸着させるための静電チャック電源121が接続されている。ここで、フィルタ117は、基板バイアス電源119からのバイアス電力を通過させ、高周波電源111からの高周波電力を効果的にカットする。通常、高周波電力は、プラズマ中で吸収されるため基板電極115側へ流れることはないが、電源動作の安全のためフィルタ117を設けてある。フィルタ120は、静電チャック電源121からのDC電力を通過させ、高周波電源111、アンテナバイアス電源114、基板バイアス電源119からの電力を効果的にカットする。
【0011】
アンテナバイアス電源114と基板バイアス電源119は、位相制御器122に接続されており、アンテナバイアス電源114および基板バイアス電源119から出力する高周波の位相を制御可能となっている。この場合、アンテナバイアス電源114と基板バイアス電源119の周波数は、同一周波数とした。
【0012】
位相制御器122は、アンテナバイアス電源114側のフィルタ112と整合器113との間および基板バイアス電源119側のフィルタ117と整合器118との間からそれぞれ電圧波形を取り込み、それぞれの電圧波形の位相が180°±45°以内の所望の位相差になるように、アンテナバイアス電源114と基板バイアス電源119とに位相をずらした小振幅の信号を出力する。この場合のアンテナバイアス電源114および基板バイアス電源119は、アンプ機能を有するのみで良い。
【0013】
上記のように構成されたプラズマ処理装置において、処理室内部を真空排気装置(図示省略)により減圧した後、ガス供給装置107によりエッチングガスを処理室内に導入し、所望の圧力に調整する。高周波電源111より発振された、例えば、周波数450MHzの高周波電力は、同軸線路108を伝播し、上部電極103および誘電体窓104を介して処理室内に導入される。処理室内に導入された高周波電力による電界は、磁場発生用コイル105(例えば、ソレノイドコイル)により処理室内に形成された磁場との相互作用により、処理室内に高密度プラズマを生成する。また、アンテナバイアス電源114より高周波電力(例えば、周波数800kHz)が、同軸線路108を介してアンテナ電極103に供給される。また基板電極115に載置された被処理材116は、基板バイアス電源119より高周波電力(例えば、周波数800kHz)が供給され、表面処理(例えばエッチング処理)される。この場合、アンテナバイアス電源と基板バイアス電源との位相差は、180°とした。
【0014】
アンテナバイアス電源114によってアンテナ電極103に高周波電圧を印加することにより、アンテナ電極に所望の材料を用いた場合、該材料とプラズマ中のラジカルとが反応し、生成されるプラズマの組成を制御できる。例えば、酸化膜エッチングの場合、アンテナ電極103の材料にSiを用いることによって、酸化膜のエッチング特性、特にSiO2/PR(フォトレジスト)選択比等に影響するプラズマ中のFラジカル量を減少させることが可能になる。
【0015】
上記構成のプラズマ処理装置では、主として450MHzの高周波電源111によってプラズマを生成し、アンテナバイアス電源114によってプラズマ組成を制御し、基板バイアス電源119によってプラズマ中のイオンの被処理材116への入射エネルギーを制御している。このようなプラズマ処理装置では、プラズマ生成(イオン量)とプラズマ組成(ラジカル濃度比)を独立に制御できるというメリットがある。
【0016】
エッチングガスにCOを添加することにより、これらCやC2を供給することが可能であり、マスク上に選択的に保護膜を形成し、フォトレジストのエッチレートを低減することが可能である。しかし、コンタクトホール底部でエッチストップせずにエッチングを進行させるためには、ある程度のO2添加量が必要であり、マスクも徐々に削れてしまうことから、ArF等のレジストマスクでは高アスペクトのコンタクトホールの加工にはマスク残膜量の点で限界がある。
【0017】
図2を用いて、本発明のエッチング処理方法を説明する。図2は、模式図であり縦方向のスケールと横方向のスケールを異ならせてあり、ホールを示す部分では、縦方向が圧縮されて示されている。導電性配線層205の上に形成された絶縁膜(例えば酸化膜:SiO2)203上に反射防止膜(BARC)202およびレジストマスク201を設けたサンプルを、Ar,O2,CxFyの混合ガスからなるエッチングガスに添加される酸素の量をエッチストップの発生しない酸素量としてエッチング処理を行う(図2(a))。
【0018】
ホール底部に堆積するデポ膜の厚さにより、入射するイオンのイオンエネルギーが小さくイオン射程が短い場合にエッチングが停止する。(図2(b))。この処理によるエッチングが停止する状態を、本明細書では、エッチストップという。
【0019】
次に、Ar,O2,CxFy,COの混合ガスからなるエッチングガスを用いてエッチストップの発生する酸素量で一定期間放電することにより、マスク201上に付着係数の高いCやC2からなるデポ膜が形成される(図2(C))。先に述べたように、エッチストップ時には、アスペクト比4以上のホール204の底部には付着係数の高いCやC2は入射しないので、ホール底部にはデポ膜は成長せず、マスク201上に選択的にデポ膜が形成される。
【0020】
十分にデポ膜が形成された後、Ar,O2,CxFyの混合ガスからなるエッチングガス中の酸素量を再度増加させエッチングを進行させることにより、被エッチング膜を所望の深さまでエッチングすることが可能である(図2(d))。
【0021】
次に、図2の場合とは異なり、エッチストップを発生させない程度にエッチングガス中の酸素量を減少させ、マスク上にデポを堆積させた場合のホール加工形状を図3に示す。エッチング進行中にエッチングガス中の酸素量を減少させるとホール径が減少し、その後酸素量を増加させても、減少したホール径に沿ってエッチングが進行するため、最終的にマスクに対して穴径の小さいホールが形成される。コンタクトホールではホール底部の面積が電気的特性に対し重要であり、穴径の縮小は問題となる。
【0022】
また、最初にアスペクト比4以上までのエッチングを行わずにマスク201上にデポ膜を堆積すると、マスク201上面とホール204の底部に十分なアスペクト比差がないことから、マスク上だけでなく、ホール底部にもデポ膜が形成されてしまい、これ以降のホール加工が困難となる。
【0023】
図4を用いて、酸素ステップを用いた場合と用いない場合の、酸化膜残膜量、レジスト残膜量および酸素添加量の時間変化を説明する。ここで、酸素ステップとは、エッチストップを行わせる処理をいう。図中、時刻T1は酸化膜の削れ量がアスペクト4となる時刻であり、時間(T2−T1)はマスク上へのデポレートと堆積させるデポ膜厚より決定される。
【0024】
破線に示すように、酸素ステップを用いない場合には所望の酸化膜厚さをエッチングするのに必要なレジストマスク量が不足しており正確なホールを生成することができないが、実線に示すように酸素ステップを用い、マスク上にデポ膜を堆積させることにより、所望の酸化膜厚さをエッチングすることが可能である。本発明によれば、アスペクト比15以上のホールを加工することができる。
【0025】
上記実施例では、基板へのイオンの引き込み効率の高い方法である、アンテナバイアス電源114(例えば、周波数800kHz)と基板バイアス電源119(例えば、周波数800kHz)が位相制御された場合について述べたが、上下バイアス電源の位相制御を行わず、例えばアンテナバイアス電源114の周波数13.56MHzの場合でも同様の効果がある。
【0026】
また、上記実施例ではUHF−ECRエッチング装置について述べたが、2周波放電、マグネトロン放電、誘導結合型放電(ICP,TCP)、磁気中性線放電(NLD)、RIE等の、他のプラズマ処理装置においても同様の効果がある。
【0027】
【発明の効果】
本発明によれば、薄膜マスクの高アスペクト比のホール加工プロセスにおいて、アスペクト比4以上まで一度エッチング処理を行い、その後マスク上に選択的にデポ膜を形成させることにより、高精度なエッチング処理が可能であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用する第1の実施例であるエッチング装置を示す縦断面図。
【図2】本発明のエッチング方法を示す概念図。
【図3】本発明を適用しない場合のエッチング方法を示す概念図。
【図4】本発明を適用した場合の酸化膜残膜量とレジスト残膜量の時間変化を示す特性図。
【符号の説明】
101…真空容器、102…処理容器、103…アンテナ電極、104…誘電体窓、105…磁場発生コイル、106…真空排気口、107…ガス供給装置、108…同軸線路、109,112,117,120…フィルタ、110,113,118…整合器、111…高周波電源、114…アンテナバイアス電源、115…基板電極、116…被処理材、119…基板バイアス電源、121…静電チャック電源、122…位相制御器、201…フォトレジスト膜、202…BARC膜、203…酸化膜、204…ホール、205…導電性配線層
Claims (4)
- プラズマを生成し、試料に高周波電圧を印加することによりマスクに形成されたパターンにより絶縁膜をエッチングするプラズマ処理方法において、
アスペクト比4以上まで前記絶縁膜のホールのエッチングを行った後、酸素の添加量をステップ的に減少させたエッチングが進行しない条件のプラズマに一定時間暴露して前記マスク上にデポ膜を堆積させ、その後、再度酸素の添加量をステップ的に増加させてエッチングが進行する条件のプラズマに暴露して前記絶縁膜のエッチングを行う
ことを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項1記載のプラズマ処理方法において、
前記絶縁膜が酸化膜である
ことを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項1または請求項2記載のプラズマ処理方法において、
前記被処理材上に形成されたマスクがフォトレジストである
ことを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項3記載のプラズマ処理方法において、
前記エッチングが進行しない条件のプラズマを生成する処理ガスがAr、O 2 、C x F y 、COの混合ガスである
ことを特徴とするプラズマ処理方法。
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