JP4550710B2 - プラズマ処理方法および装置 - Google Patents

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Description

本発明は半導体集積回路の加工に用いられるプラズマ処理方法、特にドライエッチング方法に関する。
半導体集積回路は高密度化の要求に応じて微細化が進展し、構造的に垂直方向の空間の利用の要求が高まってきた。特に集積度の高いメモリーデバイスでは微細で深い穴形状が構造要素として必須であり、エッチング装置にはこの穴形状を高速で歩留まり高く加工することが要求されている。
微細で深い穴を加工するに際しては、エッチング性のガスと堆積性のガスを組み合わせ、その流量比を精細にバランスさせて制御し、ボウイング形状あるいはテーパ形状と呼ばれる加工形状不良や加工マスク（フォトレジスト）の後退・変形による寸法精度劣化などを抑制しながらエッチング加工が行われていた。
また、特許文献１には、試料を載置する試料台に印加する高周波バイアス電圧を時間変調する技術が開示されている。
特開平１１−２９７６７９号公報
しかしながら、上記ガス流量比制御による方法では、プラズマ密度の不均一などによってウエハに入射する反応性粒子のフラックスが変動し、加工途上でエッチングが停止してしまうという現象が発生し、多数の不良チップを発生させていた。
上記の導入ガス比率の制御を主とした加工制御は、ウエハ全面に渡って入射粒子の最適な比率を維持することが困難で、特にウエハの最エッジ部では入射粒子の成分比率の変化が顕著であり、その比率が最適値範囲からずれ、エッチストップといわれるエッチング途中でエッチングが停止し底部まで孔が開口しない現象が発生し、最エッジ部の大多数のチップがデバイスとして導通不良欠陥となって製品歩留まりを大きく低下させていた。
さらに、この傾向は最近用いられている３００ｍｍ径の大口径ウエハでは顕著で、大口径ウエハ使用の大きなねらいであるコスト低減に対してそのメリットを十分に発揮できない原因となっていた。また、上記特許文献１に記載された高周波バイアス電圧を時間変調する技術も上記のウエハの最エッジ部でエッチングが停止するという問題点を解決することはできなかった。本発明は、これらの課題を解決することを目的としている。
本発明のプラズマ処理方法は、内部にプラズマが発生される真空処理室と、前記真空処理室内に設けられ、半導体集積回路の加工用である被処理基板が載置される電極と、前記電極上の前記被処理基板の非載置部に設けられるリング状部材と、前記電極にバイアス電圧を印加する高周波電源とを具備するプラズマ処理装置を用いて前記被処理基板をプラズマエッチング処理するプラズマ処理方法において、前記リング状部材にインピーダンス調整回路を介して前記高周波電源からのバイアス電圧を印加し、前記高周波電源によって前記電極と前記リング状部材とに印加されるバイアス電圧を前記インピーダンス調整回路により時間変調することを特徴とする。
また、本発明のプラズマ処理装置は、内部にプラズマが発生される真空処理室と、前記真空処理室内に設けられ、半導体集積回路の加工用である被処理基板が載置される電極と、前記電極上の前記被処理基板の非載置部に設けられるリング状部材と、前記電極にバイアス電圧を印加する高周波電源とを具備し、前記被処理基板をプラズマエッチング処理するプラズマ処理装置において、前記リング状部材にインピーダンス調整回路を介して前記高周波電源からのバイアス電圧を印加し、前記高周波電源によって前記電極と前記リング状部材とに印加されるバイアス電圧を前記インピーダンス調整回路により時間変調することを特徴とする。
本発明によれば半導体集積装置の生産歩留まりを向上できる。
以下、本発明の代表的な実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の実施例１であるＵＨＦ−ＥＣＲ（Ultra High Frequency-Electron Cyclotron-Resonance）を用いたプラズマエッチング装置の概略断面図である。ここで、１０１は真空処理室で、石英窓１０２はＵＨＦ電磁界を真空処理室１０１内に通過させるために設けられ、電極１０３は石英窓１０２に対向して真空処理室１０１内に配置され、半導体集積装置が形成されるウエハ１０４を載置し、バイアス電圧を発生させるための高周波電源１０５が接続されている。アンテナ１０７は石英窓１０２に連結され、真空処理室１０１内にプラズマを発生させるための電磁界を、ＵＨＦ電源１１０から導入する。ソレノイドコイル１０８は真空処理室１０１内に磁場を形成する。ガス分散板１０９はエッチングレシピにしたがってマスフローコントローラ１１１から供給されたガスを真空処理室内１０１に分散させ均一に導入する。
電極１０３のウエハ非載置部には絶縁リング１２３、導体リング１２２を介してシリコン製のフォーカスリング１２１が設置されている。導体リング１２２には真空処理室１０１外からインピーダンス調整回路１２４を介して高周波電源１０５が接続されている。
ウエハ１０４は直径３００ｍｍのウエハで、最上層のシリコン酸化膜層の上に微細ホールパターンのマスクが形成されており、プラズマエッチング装置で所定のシーケンスにしたがって予め調整された微細孔加工用のレシピを用いてエッチングが行われる。
まず、本発明の方法を用いず、フォーカスリングとウエハのバイアス比率をエッチング処理中一定値で行った場合についてエッチング終了後検査を行ったところ、図２の左側に示すように、ウエハ内周部では正常に孔形状が加工されていたのに対し、ウエハ最外周部では図２の右側に示すように、途中でエッチングが停止し、非開口状態であった。このような加工不良の生じているチップ数は全チップの２２％におよび、しかもそのほとんどはウエハ上の最外周に位置するチップであることがわかった。
次に、本発明の方法を用いた場合について述べる。図３は、本発明の実施例２のエッチング方法を示す。
図３において、エッチングはフォーカスリングとウエハのバイアス比率を前記と同じ値で開始し、その後総エッチング時間の約１／３時間経過してから図３に示すようにインピーダンス調整回路１２４を用いてバイアス比率を、初期値を中心に約±２０％ほど周期的に時間変調させた。変調の周期は０．５Ｈｚで時間は総エッチング時間の１／３程度継続して行った。その後は、バイアス比率は初期値に戻して固定して最後まで処理を行った。この方法によって処理したウエハを検査したところ加工不良数は全体の３％に低減できていることがわかった。
本発明の実施例２のエッチング方法により、上記改善効果が得られた原理について、図４を用いて説明する。インピーダンス調整回路を時間変調することによってフォーカスリングとウエハに印加されるバイアス電圧の比率が周期的に変化し、それに応じてそれぞれの上方のプラズマに形成されるシース（プラズマが固体壁と接する時に形成される不均一な電位分布と密度分布を持つ境界層）の幅が変化する。フォーカスリング／ウエハの電圧比が相対的に大きい場合は、シース形状は模式的に図４の左側の状態であり、逆に小さい場合は、図４の右側の状態のようになる。プラズマからシース界面に達したイオンはシース面に垂直に入射しようとするが、ウエハエッジ上方のシース面は、図４に示すように、ウエハ面に対して平行でないためウエハの法線に対してある入射角を有するようになる。
このため、図５の説明図に示すように、ウエハ最エッジ部に入射するイオンはインピーダンス調整回路の変調によってその入射角が時間的に変調されることになる。エッチストップが発生しやすい、全体の１／３程度の深さまでエッチングが進行した時間帯には、ウエハ最エッジ部では入射粒子のアンバランスによって加速度的に側壁に付着する堆積物の量が増加する状況となるが、これに対し変調されて入射角が変化したイオンはこれらの堆積物に効率的にイオンエネルギーを与え、堆積物の孔底への輸送を促進することによってエッチストップを回避できたと考えられる。
したがって、本発明の効果は更にバイアス比率の変調開始時刻、変調幅を更に最適化することにより非開口不良率をさらに低減することが期待できる。
以上、本発明を用いることにより、大口径ウエハに微細で深い穴をエッチング加工する際に、最エッジ部に発生するエッチストップ現象を低減し、不良率を大幅に低減する効果を例示した。また、本発明はその作用原理により種々の孔の仕様（孔径、深さ）に応じて主として変調開始時間、変調継続時間、変調振幅を調整することにより、幅広く応用実施可能である。
本発明の実施例１のプラズマ処理装置の断面図を示す図である。 加工不良形状を示す模式図である。 本発明の実施例２のエッチング方法におけるインピーダンス調整値の時間変調を説明する図である。 本発明の効果発現原理を説明する補助図である。 本発明の効果発現原理を説明する補助図である。
符号の説明
１０１ 真空処理室
１０２ 石英窓
１０３ 電極
１０４ ウエハ
１０５ 高周波電源
１０７ アンテナ
１０８ ソレノイドコイル
１０９ ガス分散板
１１０ UHF電源
１１１ マスフローコントローラ
１２１ フォーカスリング
１２２ 導体リング
１２３ 絶縁リング
１２４ インピーダンス調整回路

Claims (5)

  1. 内部にプラズマが発生される真空処理室と、
    前記真空処理室内に設けられ、半導体集積回路の加工用である被処理基板が載置される電極と、
    前記電極上の前記被処理基板の非載置部に設けられるリング状部材と、
    前記電極にバイアス電圧を印加する高周波電源とを具備するプラズマ処理装置を用いて前記被処理基板をプラズマエッチング処理するプラズマ処理方法において、
    前記リング状部材にインピーダンス調整回路を介して前記高周波電源からのバイアス電圧を印加し、
    前記高周波電源によって前記電極と前記リング状部材とに印加されるバイアス電圧を前記インピーダンス調整回路により時間変調することを特徴とするプラズマ処理方法。
  2. 請求項１記載のプラズマ処理方法において、前記被処理基板に孔形状をエッチング加工することを特徴とするプラズマ処理方法。
  3. 内部にプラズマが発生される真空処理室と、
    前記真空処理室内に設けられ、半導体集積回路の加工用である被処理基板が載置される電極と、
    前記電極上の前記被処理基板の非載置部に設けられるリング状部材と、
    前記電極にバイアス電圧を印加する高周波電源とを具備するプラズマ処理装置を用いて前記被処理基板をプラズマエッチング処理するプラズマ処理方法において、
    前記リング状部材にインピーダンス調整回路を介して前記高周波電源からのバイアス電圧を印加し、
    前記高周波電源によって前記電極と前記リング状部材とに印加されるバイアス電圧の比率を前記インピーダンス調整回路により調整し、及び時間変調することを特徴とするプラズマ処理方法。
  4. 内部にプラズマが発生される真空処理室と、
    前記真空処理室内に設けられ、半導体集積回路の加工用である被処理基板が載置される電極と、
    前記電極上の前記被処理基板の非載置部に設けられるリング状部材と、
    前記電極にバイアス電圧を印加する高周波電源とを具備し、前記被処理基板をプラズマエッチング処理するプラズマ処理装置において、
    前記リング状部材にインピーダンス調整回路を介して前記高周波電源からのバイアス電圧を印加し、
    前記高周波電源によって前記電極と前記リング状部材とに印加されるバイアス電圧を前記インピーダンス調整回路により時間変調することを特徴とするプラズマ処理装置。
  5. 内部にプラズマが発生される真空処理室と、
    前記真空処理室内に設けられ、半導体集積回路の加工用である被処理基板が載置される電極と、
    前記電極上の前記被処理基板の非載置部に設けられるリング状部材と、
    前記電極にバイアス電圧を印加する高周波電源とを具備し、前記被処理基板をプラズマエッチング処理するプラズマ処理装置において、
    前記リング状部材にインピーダンス調整回路を介して前記高周波電源からのバイアス電圧を印加し、
    前記高周波電源によって前記電極と前記リング状部材とに印加されるバイアス電圧の比率を前記インピーダンス調整回路により調整し、及び時間変調することを特徴とするプラズマ処理装置。
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