JP4414518B2

JP4414518B2 - 表面処理装置

Info

Publication number: JP4414518B2
Application number: JP25785799A
Authority: JP
Inventors: 哲郎小野; 勇造大平原; 洋二 ▲高▼橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2019-09-10
Also published as: JP2001085395A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子の表面処理装置にかかわり、特にプラズマを用いて半導体表面のエッチングを行なう装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、半導体素子のエッチングに用いられているプラズマを利用した装置に適用する。ここではECR(電子サイクロトロン共鳴)方式と呼ばれる装置を例に、従来技術を説明する。この方式では、外部より磁場を印加した真空容器中でマイクロ波によりプラズマを発生する。磁場により電子はサイクロトロン運動し、この周波数とマイクロ波の周波数を共鳴させることで効率良くプラズマを発生できる。試料に入射するイオンを加速するために、試料には高周波電圧が印加される。以後、試料に印加する電力をバイアスと呼ぶ。プラズマとなるガスには塩素やフッ素などのハロゲンガスが用いられる。
【０００３】
この装置の主に高精度化をはかる目的で特許公報平４-６９４１５号が知られている。この発明では、放電を起こすマイクロ波電力とバイアスを変調することにより、プラズマ中のイオンやラジカルの比率を制御すると同時に、イオンのエネルギーを制御でき、高精度のエッチングができる。また、同様な技術は米国特許USP４,５８５,５１６でも知られている。ここでは、電極に高周波を印加して放電を発生する装置で、放電とバイアスの少なくとも一つを繰り返しオンオフして、エッチング速度の均一性を改善する方法が述べられている。また、公開特許公報平６-１５１３６０号では、一秒以下の周期でイオンエネルギーを変調して、高選択な低損傷エッチングを実現する方法が述べられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
バイアスの出力をパルス変調すると出力電力値の精度に関して以下の問題が生じる。パルス出力すると、電源の正味の出力電力は電力のピーク値にデューティー比すなわちパルスの１周期に対するオン時間の割合をかけたものになる。例えば、poly Siのエッチングでは通常バイアス電力は連続で１０から１００Ｗの値を使う。また、パルス変調での代表的なデューティー比は２０%程度である。したがってデューティー比２０%でパルス変調する電源で、正味１００Ｗの電力を得ようとすると電源の最高出力は５００Ｗ必要になる。
【０００５】
エッチングでは常にパルス変調するわけではなく、場合によっては連続バイアスを用いたほうが有利となる。バイアス電力の大きさはエッチング特性に大きな影響を与えるので、その絶対値の精度は±１％程度必要となる。しかし、最高出力５００Ｗの電源で、１０Ｗの出力を±１％で制御することが困難で、連続出力１０Ｗで用いる用途には適さなくなってしまう。
【０００６】
本発明の目的は，プラズマを用いた半導体の表面処理において、バイアスをパルス変調したときに問題となる電力値の精度を改善することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
バイアス電源の出力電力を少なくとも大小２段階に切り替えられるようにして、パルス出力時には最高出力が大きいモードで、連続出力時には最高出力が小さいモードで使用するようにした。さらに、このモードの切替は自動で行われるようにした。この構成により、小出力時は最高出力も小さいので電力値精度よく制御できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
以下、実施例を図により説明する。図１は本発明を適用するプラズマエッチング装置の全体構成図である。マイクロ波電源１０１から導波管１０２と導入窓１０３を介して真空容器１０４内にマイクロ波が導入される。導入窓１０３の材質は石英、セラミックなど電磁波を透過する物質である。真空容器１０４の回りには電磁石１０５が設置されており、磁場強度はマイクロ波の周波数と共鳴を起こすように設定されて、たとえば周波数が２.４５GHzならば磁場強度は８７５Gaussである。試料台１０８の上に試料１０７が設置される。試料に入射するイオンを加速するために、バイアス電源１０９が試料台１０８に接続されている。バイアス電源の周波数に特に制限はないが、通常では周波数は２００kHzから２０ＭHzの範囲が実用的でここでは８００kHzを用いている。
【０００９】
バイアス電源１０９にはそれぞれをオンオフ制御するパルス信号発生器１１０が備えてある。また、バイアス電源１０９では最高出力を１００Ｗと５００Ｗの２段に切り替えられる。出力を切替える方法はいくつかあるが、ここでは図２に示すバイアス電源１０９のブロック図のように、電源の増幅部の増幅段の数を変えて増幅率を変えている。すなわち、増幅率が小さいと、増幅部に入力する信号の変動の増幅も小さくなるので、小出力時の精度が保てる。増幅率が大きいと小出力時の精度は保てなくなるが、このモードでは、信号をパルス変調するのでピーク出力は連続バイアスと比較して大きく設定する必要があるために、小出力では使用しないので精度の問題はない。また、図示していないが電力の測定器もそれぞれの出力に対応したフルスケールのものを２種備えている。
【００１０】
次にこの装置で、ウエハ上の微細パタンをエッチングする例を図３で述べる。図３は試料の断面であり、Si基板３０１上に厚さ２.５nmの酸化膜３０２/poly Si膜３０３(厚さ１００nm)/wSi膜３０４(厚さ１００nm)/レジスト３０５(厚さ８００nm)が堆積している。通常多層膜のエッチングでは、エッチング途中で条件を切り替えるステップエッチングを行う。ここではpoly Si／wSi層のメインエッチングとその後にエッチ残り３０６をとるオーバエッチングの２ステップに分けた。エッチングの切替は発光波形で判定している。図３(１)は試料の初期状態、(２)はメインエッチング終了時の断面、(３)はオーバエッチング終了後の断面をそれぞれ表す。メインエッチングにはCl２(７４ sccm)+O２(６ sccm)の圧力を０.４Paを用い、オーバエッチングにはHBr (１００ sccm)+O２(１０ sccm) ０.４Paを用いた。マイクロ波電源１０１の出力を４００Ｗとした。バイアス電源１０９はメインエッチング時のバイアス電力は周波数２kHz、デューティー比２０％でパルス変調して、ピーク出力を３００Ｗとした。その時はバイアス電源１０９は、最高出力５００Ｗのモードである。また、オーバエッチング時のバイアス電力は連続で１０Ｗとし、バイアス電源１０９は最高出力１００Ｗのモードに自動的に切り替えられる。
【００１１】
メインエッチング時の正味のバイアス電力は６０Ｗであるが、パルス変調では連続バイアスの６０Ｗよりもバイアス電圧のピーク値が大きくなるので入射イオンのエネルギーが高くなり、垂直なエッチング形状が得られる。オーバエッチングでは下地の薄い酸化膜を残したままエッチ残り３０６をとる必要があるので、対酸化膜選択比を高くするためにイオンエネルギーを小さくすなわちバイアス電圧を極力小さくする必要がある。このために連続バイアスでかつ電力を１０Ｗにしている。
【００１２】
この構成により、図３(３)に示すような垂直でかつ、下地の酸化膜の削れが無くかつエッチ残りも無い状態が得られる。バイアス電源の最高出力が５００Ｗのモードしかないと、オーバエッチング時の連続１０Ｗが最悪５%程変動してしまい、同じ条件でエッチングしたつもりでも下地の酸化膜が抜けてしまったりあるいはエッチ残りが生じたりして、特性が変動してしまう。
【００１３】
次にバイアス波形の立ち上り時間について述べる。図４にバイアス電圧波形を示す。ここでバイアス電圧がオンされてから振幅が安定時の９０%に達する時間を立ち上がり時間、バイアスがオフされてから振幅が１０%以下に減衰する時間を立ち下がり時間と定義する。立ち上がり時間を変えて試験した結果、立ち上がりがあまり速すぎると、電源のインピーダンス整合が数回に１回程度の割り合いでとれなくなることがわかった。この原因は、バイアスの変化が急峻だと波形にオーバシュートなどが生じ易くなり、整合回路に誤信号が発生してマッチング点がずれてしまうためと推定される。
【００１４】
これを防ぐためには、波形をなまらせて、立ち上がり時間を全オン時間の１０%以上、３０％以下にすればよい。３０%の以上でも整合異常は生じないが、波形がなまりすぎるとエッチング性能が悪くなるので、上限が３０%となる。また、立ち下がり時間も同様で、全オフ時間に占める割合を１０%以上３０％以下に設定すると、整合異常が起こらなくなる。
【００１５】
次に、エッチングに用いるガスについて述べる。この発明はアスペクトの高いラインとスペースの加工に適している。このようなラインとスペースは主にトランジスタのゲート電極あるいはゲートにつながったメタル配線部分に相当する。ゲート電極はpoly Si、poly Siと金属の合金、タングステンなどの高融点金属あるいはこれらの材料の多層膜でできている。これらの材料のエッチングには塩素、HBr、塩素と酸素の混合ガス、HBrと酸素の混合ガス、あるいは塩素とHBrと酸素の混合ガスが適している。またメタル配線のエッチングには塩素、塩素とBCl３の混合ガス、塩素とHClの混合ガス、あるいは塩素とBCl３とHClの混合ガスが適している。また多層構造の素子では層間の絶縁膜の加工などに適用でき、ここではCF４,CHF３,CH２F２,C４F８,C４F５あるいはこれらCO２,CO,希ガスなどを混合したガスが用いられる。
【００１６】
〔実施例２〕
図５は本発明を適用する別の装置構造である。この装置では、数百kHzから数十MHzのいわゆるラジオ波帯（rf）の周波数で誘導結合によりプラズマを発生させる。真空容器５０１はアルミナや石英などの電磁波を透過する物質でつくられている。その回りに、プラズマを発生させるための電磁コイル５０２が巻いてある。コイルにはrf電源５０３が接続されている。真空容器５０１内には試料台５０４がありバイアス電源５０５とパルス信号発生器５０６が接続されている。
【００１７】
この方式の装置でも、バイアス電源５０５を繰り返しオンオフして、かつ、電源出力を２段に切り替える構成にすることで、小出力時の精度とパルス時の高ピーク電力の精度を両立することができる。
【００１８】
〔実施例３〕
図６は本発明を適用する別の装置構造である。この装置では、rf電力の容量結合によりプラズマを発生させる。真空容器６０１内には２枚の電極６０２、６０３が平行に配置してある。電極にはそれぞれrf電源６０４とバイアス電源６０５が接続してある。電極６０３は試料台をかねる。バイアス電源６０５にはパルス信号発生器６０７が接続されている。ガスは試料と対向した電極６０２に開いた穴から導入管６０６を通して容器内に入れられる。
【００１９】
この方式の装置でも、バイアス電源６０５を繰り返しオンオフして、かつ、電源出力を２段に切り替える構成にすることで、小出力時の精度とパルス時の高ピーク電力の精度を両立することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、バイアス電源のパルス化で問題となる小出力時の精度と大出力時の精度を両立でき、広い範囲のプロセス領域で安定した素子の加工が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する装置の全体構成図である。
【図２】図１のバイアス電源のブロック図である。
【図３】試料の断面図である。
【図４】バイアス電圧波形である。
【図５】本発明を適用する別の装置の全体構成図である。
【図６】本発明を適用する別の装置の全体構成図である。
【符号の説明】
１０１−マイクロ波電源、１０２−導波管、１０３−導入窓、１０４,５０１,６０１−真空容器、１０５−磁石、１０６−プラズマ、１０７−試料、１０８,５０４−試料台、１０９,５０５,６０５−バイアス電源、１１０、５０６、６０７−パルス信号発生器、３０１−Si基板、３０２−酸化膜、３０３−poly Si膜、３０４−WSi膜、３０５−レジスト、５０２−ｒｆコイル、５０３−ｒｆ電源、６０２,６０３-電極、６０６-導入管。

Claims

真空容器と、その中にプラズマを発生させる電源と、前記真空容器中に置かれた試料台に高周波を印加するバイアス電源を備えた表面処理装置において、
前記バイアス電源の出力を、出力がパルス状に繰り返しオンオフするパルス変調出力と出力が連続する連続バイアス出力とに切り替えられ、かつ該バイアス電源を最高出力値が少なくとも大小２つのモードに切り替えられるように構成し、
前記バイアス電源を、前記パルス変調出力時は前記最高出力値が大きなモードで、前記連続バイアス出力時は前記最高出力値が小さいモードで使用するようにしたことを特徴とする表面処理装置。
請求項１において、前記パルス変調出力時における、前記バイアス電源のオン時の立ち上がり時間が前記パルス変調出力時の全オン期間に占める割合を１０％以上３０％以下としたことを特徴とする表面処理装置。
請求項２において、前記パルス変調出力時における、前記バイアス電源のオフ時の立ち下がり時間が前記パルス変調出力時の全オフ期間に占める割合を１０％以上３０％以下としたことを特徴とする表面処理装置。
請求項１において、前記バイアス電源は増幅率の異なる複数段の増幅部を備えており、
前記連続バイアス出力時は前記増幅率の小さい増幅部、前記パルス変調出力時は前記増幅率の大きい増幅部に切替えることにより、前記少なくとも大小２つのモードに切り替えられるようにしたことを特徴とする表面処理装置。