JP4605940B2

JP4605940B2 - プラズマエッチング装置、プラズマエッチング方法および半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP4605940B2
Application number: JP2001181639A
Authority: JP
Inventors: 正和滝; 広樹大寺; 賢治新谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2021-06-15
Also published as: JP2002373883A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体関連のプラズマエッチング装置、プラズマエッチング方法および該プラズマエッチング装置あるいはプラズマエッチング方法を用いて製造された半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマエッチング装置には、プラズマの生成方法によりいくつかの形式がある。一般的に広く用いられているものとしては、処理室に配置された平行平板型の電極に高周波電源を接続し、平行平板の電極上に載置されたウェハ基板を処理する方式がある。
【０００３】
以下、従来の技術として平行平板型のプラズマエッチング装置を、例えば特開平１０−２１４８２２号公報に記載されている図４に基づいて説明する。ここで、図４は、このようなプラズマエッチング装置の処理室の断面構成図である。
【０００４】
図４に示すように、処理室１０１内に平行平板電極として電極１０２が設けられ、この電極１０２上に被処理体であるウェハ基板１０３が載置される。平行平板電極を形成する電極１０２の対向電極として電極１０４が設けられている。そして、プラズマ励起されるエッチングガスのガス導入口１０５が設置され、被処理体と反応後のガスの排出口１０６が設置されている。なお、電極１０４は反応室壁１０７に接続され接地電位に固定される。
【０００５】
上記エッチングガスをプラズマ励起するための高周波は、高周波電源１０８で発生される。この高周波電源１０８はマッチングボックスである整合器１０９に接続され、さらに、この整合器１０９は絶縁部１１０で反応室壁１０７から絶縁分離された引き出し電極１１１に接続されている。
【０００６】
そして、引き出し電極１１１を通して伝達された高周波が、電極１０２と電極１０４間にプラズマを形成する。この生成されたプラズマがウェハ基板１０３上の被エッチング材料をエッチングする。
【０００７】
この場合、電極１０２に印加される高周波は、平行平板電極間にプラズマを生成・維持するとともに、電極１０２を介したウェハ基板１０３近傍にいわゆる高周波バイアス（自己バイアスともいう）を形成する。この高周波バイアスは電極１０２に負の方向の直流電位を発生する。この負の電位は平行平板電極間に生成されたプラズマ中のイオンを、ウェハ基板１０３に向かう方向に加速する。これによりウェハ基板１０３上の被エッチング材料を基板方向に垂直に異方性エッチングできる。このようなエッチングは反応性イオンエッチングと呼ばれている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体デバイスの高集積化に伴い、パターン寸法の微細化、デバイス材料の薄膜化が進展している。トランジスタゲートにおいてはゲート幅100nm、ゲート絶縁膜厚2nmの時代を迎えようとしている。そのため、トランジスタゲートのエッチングに対しては、微細加工と同時に、ゲート材料とゲート絶縁膜との高いエッチング選択性が要求されている。また、トランジスタゲートは下層部に対応した段差構造になっているため、基板方向のゲート材料膜厚は一定でない。そのため、トランジスタゲートのエッチングを開始し、エッチングが進展していくと、ウエハ面内では次のような２つの状態が出現する。すなわち、ゲート材料のエッチングが終了し、下地のゲート絶縁膜が露出した部分と、まだゲート材料が残っている部分が生じる。このゲート材料が残っている部分はさらにエッチングを行う必要があるが、ゲート絶縁膜があらわれた部分では、これ以上エッチングが進行してゲート絶縁膜である薄い酸化膜が突き抜けないような、高いエッチング選択性が要求される。
【０００９】
一方、前述した平行平板型プラズマエッチング装置の場合、エッチング特性は概ねガス種、ガス流量、ガス圧力等のガス条件と、電極１０２に印可する高周波電力で決定される。この場合高周波電力はゲート材料のエッチングに必要なプラズマを生成・維持して、所定の速度でエッチングするに充分な電力が供給されなければならない。しかし、ゲート絶縁膜である薄い酸化膜に対しては極力エッチングしないことが求められる。そのためエッチング速度が高周波バイアスすなわち高周波電力に大きく依存するゲート絶縁膜である酸化膜に対しては、極力高周波電力を下げてエッチング速度を小さくする必要があった。ところが平行平板型プラズマエッチング装置の場合、前述したように高周波電力の大小はプラズマの生成と、高周波バイアスの形成の両方に関係する。そのため従来の方法ではゲート材料のエッチングと、ゲート絶縁膜に対する高いエッチング選択性の両方を確保して制御することが難しかった。
【００１０】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものである。本発明の目的は、被処理物を高精度にエッチングしながら、該被処理物の下地に対する高いエッチング選択性を実現することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマエッチング装置は、処理室内に配置され被処理体が載置される電極と、高周波給電経路を介して電極に高周波を印加し発生したプラズマにより被処理体をエッチングするための高周波電源とを備え、高周波給電経路内で生じる定在波の最小振幅位置を電極位置に合わせるようにしたことを特徴とする。
【００１２】
本発明のプラズマエッチング装置は、電極での高周波電圧を計測する高周波電圧測定器を備える。この場合、高周波電圧測定器による測定結果に基づいて高周波給電経路の長さを調節し、高周波給電経路内で生じる定在波の最小振幅位置を前記電極位置に合わせる。
【００１３】
また、本発明のプラズマエッチング装置は、他の局面では、電極での高周波電圧を計測する高周波電圧測定器と、高周波給電経路内に位相調整器とを備える。この場合、高周波電圧測定器による測定結果に基づいて位相調整器の位相量を変化させ、高周波給電経路内で生じる定在波の最小振幅位置を前記電極位置に合わせる。
【００１４】
本発明のプラズマエッチング方法は、次の各工程を備える。処理室内に配置された電極上に被処理体を載置する。処理室内にガスを導入し、電極に高周波を印加するための高周波給電経路内で生じる定在波の最小振幅位置を電極位置に合わせた状態で電極に高周波を印加することにより電極上でプラズマを発生させ、該プラズマにより被処理体をエッチングする。１つの局面では、定在波の最小振幅位置を電極位置に合わせた状態は、電極での高周波電圧を計測する高周波電圧測定器による測定結果に基づいて、高周波給電経路の長さを調節して実現され、他の局面では、定在波の最小振幅位置を電極位置に合わせた状態は、電極での高周波電圧を計測する高周波電圧測定器による測定結果に基づいて、高周波給電経路内に備えた位相調整器の位相量を変化させて実現される。
【００１５】
上記被処理体は半導体ウェハ上に絶縁膜を介して形成された導電膜を含む。この場合、上記エッチング工程は、絶縁膜上で導電膜をエッチングする工程を含む。また、該絶縁膜は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有し、ゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜を含み、導電膜は、ゲート電極となるポリシリコン膜を含む。
【００１６】
本発明の半導体装置の製造方法は、上記のいずれかに記載のプラズマエッチング装置、あるいはプラズマエッチング方法を用いて製造する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。
（実施の形態１）
初めに、本発明のプラズマエッチング装置について図１に基づいて説明する。ここで、図１は、プラズマエッチング装置の処理室の断面構成図である。
【００１８】
図１において、処理室１内には平行平板型電極が形成され、処理室１にはエッチングガスを供給するガスライン２とバルブ３が接続されている。エッチングガスは排気口４から、図示しない真空ポンプで真空排気される。平行平板電極はウェハ基板８を載置するステージ５と、ステージ５に相対する対向電極９で構成されている。ここで、ステージ５は処理室１と真空シールするとともに、電気的に絶縁するための絶縁体6と、ウェハ基板８を載置する電極７で構成される。対向電極９はアース電位である処理室１に接続されている。
【００１９】
ステージ５の電極７には高周波整合器１１を介して、上記エッチングガスを放電させてプラズマ化するための高周波を発生する高周波電源１０が接続されている。この高周波電源１０と高周波整合器１１および電極７の接続には高周波ケーブル１２が用いられる。また、電極７位置での高周波電圧は高周波電圧測定器１３で計測される。
【００２０】
次に、このプラズマエッチング装置を用いたエッチング方法について図１に基づいて説明する。
【００２１】
ここでのエッチング対象は、半導体デバイスの一般的なトランジスタゲートである。基本的な膜構成は、ウェハ基板８上にゲート絶縁膜である薄膜の酸化膜（たとえば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有するシリコン酸化膜）が成膜され、その上にポリシリコン膜のゲート材料（たとえば１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の厚みを有する）が形成されている。ポリシリコン膜上には半導体デバイスの構造に対応したエッチングマスクが形成されており、このエッチングマスクにそってエッチングがおこなわれる。このようなトランジスタゲートを処理するエッチングガスとしては、通常ハロゲン系のＣｌ₂や、Ｃｌ₂にＯ₂を添加したガス系、あるいはＨＢｒガスを添加したものが用いられ、図１に示すガスライン２のバルブ３から処理室１へ導入される。
【００２２】
導入されたエッチングガスは排気口４から真空排気される。エッチング条件の一つとなる処理室１内のガス圧力は、供給するガス量と排気量を調節して設定される。ここで高周波電源１０から高周波を電極７に供給すると、電極７と対向電極９で構成された平行平板電極間で放電が開始し、プラズマが生成される。生成されたプラズマはウェハ基板８上のエッチング対象であるポリシリコン膜と反応し、同時にウェハ基板８表面近傍に形成される高周波バイアスによりエッチングが促進され、所定のエッチング時間後に処理が完了する。
【００２３】
ここでエッチングの進展について説明する。エッチングが進行するとやがてポリシリコン膜がエッチングされ、ゲート絶縁膜である酸化膜が露出する。しかしウェハ基板８上で酸化膜が露出する、すなわちポリシリコン膜のエッチングが終了する部分は、エッチング速度の面内分布に対応してウェハ基板８面内で偏在する。また、前述したようにトランジスタゲートは一般的に下地層の構造に対応してポリシリコン層の厚さが一定ではなく、段差構造になっている。この段差部では、ポリシリコン膜厚がウェハ基板８の厚み方向に厚くなっているため、この部分ではポリシリコン膜のエッチングに多くの時間が必要になる。
【００２４】
そのため、エッチングが進展していくとウェハ基板面内ではポリシリコン膜のエッチングが終了してゲート絶縁膜があらわれた部分と、前述したエッチング速度の遅い所や段差部では、ポリシリコンが残っている部分が混在することになる。このポリシリコンが残っている部分はさらにエッチングをおこなう必要があるため、通常ポリシリコンのエッチングに続いてオーバーエッチングと称する処理をおこなう。この場合、既にゲート絶縁膜があらわれた部分でもエッチングがおこなわれるため、ゲート絶縁膜である薄い酸化膜がエッチングされて突き抜けないよう、高いエッチング選択性が要求される。
【００２５】
一般的にゲート材料であるポリシリコンは、プラズマ中のラジカルとイオンの両方によりエッチングが進む。そのためポリシリコンのエッチングは、平行平板電極間にポリシリコンのエッチングに必要なラジカルとイオンから成るプラズマを生成・維持するのに充分な電力を供給しておこなわれる。一方ゲート絶縁膜である酸化膜は、プラズマ中のイオンが主体となってエッチングが進行し、そのエッチング速度はウェハ基板８に入射するイオンのエネルギーに依存する。このイオンのエネルギーは、電極７に印加される高周波バイアスにより発生する負の直流電位で与えられるため、ゲート絶縁膜を極力エッチングしないためには電極７上での高周波バイアスを小さくすることが望ましい。
【００２６】
なお、電極７上に形成される高周波バイアスは、一般的には電極位置での高周波電圧のほぼ１／２（光・プラズマプロセシングP232／明石和夫編集／日刊工業新聞社発行）になる。また、高周波電源１０から高周波整合機１１、電極７、アースとなる対向電極９までの高周波給電経路内にはいくらかの高周波の反射波が生じるため、入射波と干渉して定在波が発生する。この定在波の波長は印加した高周波の給電経路内の波長に等しく、高周波電源10の周波数が13.56MHzの場合数十メートル程度になる。したがって、高周波給電経路内では上記定在波に、13.56MHzの高周波が重畳した状態で高周波電圧が生じることになる。そのため定在波の山や谷の部分すなわち、定在波の振幅の位置によって高周波電圧の大きさが決定される。したがって、印加する高周波電力を一定にした場合、電極７位置での高周波電圧を最小にするには、高周波給電経路内で生じる定在波の最小振幅が、電極７位置にくるようにすればよいことになる。
【００２７】
これを実現する方法として本発明のプラズマエッチング装置では、電極７位置での高周波電圧を高周波電圧測定器１３で計測し、その高周波電圧の振幅が最小になるよう定在波の位置を設定する。定在波の位置を調節するには高周波ケーブル１２の長さを変えて、高周波給電経路の長さを変えることにより実現できる。これにより、高周波給電経路内の定在波の位置が移動し、定在波の最小振幅位置を電極７位置に設定することができる。
【００２８】
以上述べた実施形態により、ゲート材料のポリシリコンのエッチングに必要なプラズマの生成に充分な高周波電力を供給した状態で、絶縁膜である酸化膜を極力エッチングしないよう電極７位置で最小の高周波バイアスを印加することができる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、プラズマエッチング装置のウェハ基板を載置する電極７位置での高周波電圧を最小にする他の方法であり、図２に基づいて説明する。
【００２９】
図２は、平行平板型電極を有するプラズマエッチング装置であって、高周波電源10から平行平板電極を形成しウェハ基板８を載置する電極７に高周波電力を供給する高周波給電経路に位相調整器２４が挿入されている。その他の構成は図１と同様であり説明を省く。
【００３０】
実施の形態２の場合、実施の形態1と同様に電極７位置での高周波電圧は、高周波電圧測定器１３により計測・観測される。この電極７位置での高周波電圧の振幅が最小になるよう、位相調整器２４の位相量を変化させる。これにより、実施の形態１と同様に高周波給電経路内に生じる定在波の位置が移動し、定在波の最小振幅を電極７位置に設定することができる。
【００３１】
以上述べた実施の形態２により、実施の形態１と同様に、ゲート材料のポリシリコンのエッチングに必要なプラズマの生成に充分な電力を供給した状態で、絶縁膜である酸化膜を極力エッチングしないよう、電極７位置で最小の高周波バイアスを印加することができる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３は、プラズマ処理装置の他のプラズマ生成方法であり、図３に基づいて説明する。
【００３２】
図３は、誘導結合型のプラズマ源を有するプラズマエッチング装置であって、実施の形態１と同様に処理室３１内にエッチングガスを供給するガスライン３２とバルブ３３が接続されている。エッチングガスは排気口３４から、図示しない真空ポンプで真空排気される。処理室３１内にはステージ３５が配置されており、ステージ３５は、処理室３１と真空シールするとともに電気的に絶縁するための絶縁体３６と、ウェハ基板３８を載置する電極３７で構成される。
【００３３】
ステージ３５の電極３７には第1の高周波整合器４１を介して、電極３７に高周波バイアスを形成するための第1の高周波電源４０が接続されている。この第1の高周波電源４０と第1の高周波整合器４１及び電極３７の接続には高周波ケーブル４２が用いられる。また、電極３７位置での高周波電圧は高周波電圧測定器４３で計測される。
【００３４】
ステージ３５と相対する位置には石英やアルミナセラミクス等で形成されたベルジャー３９が設置されており、処理室３１とは真空シールされている。ベルジャー３９の周囲には高周波コイル４４が配置され、高周波コイル４４の一端には第２の高周波整合器４６を介して、第２の高周波電源４５が接続されており、他端はアース電位になっている。その他の構成は図１と同様であり説明を省く。
【００３５】
実施の形態３でのプラズマ生成は、処理室３１に導入されたエッチングガスを、高周波コイル４４に第2の高周波電源４５から高周波を印加しておこなう。プラズマは主にベルジャー３９内の、高周波コイル４４の配置された領域で生成され、下流域のステージ３５上に拡散する。ここでステージ３５の電極３７に高周波を印加すると、ウェハ基板３８に高周波バイアスが形成され、所定の反応性イオンエッチングがおこなわれる。この場合、実施の形態1と同様に電極３７位置での高周波電圧を、高周波電圧測定器１３により計測し、電極３７位置での高周波電圧が最小になるよう、高周波ケーブル４２の長さを調整する。これにより、実施の形態１と同様に高周波給電経路内に生じる定在波の位置が移動し、定在波の最小振幅を電極３７上に設定することができる。
【００３６】
以上述べた実施の形態３により、実施の形態１と同様に、ゲート材料のポリシリコンのエッチングに必要なプラズマの生成に充分な電力を供給した状態で、絶縁膜である酸化膜を極力エッチングしないよう、電極７位置で最小の高周波バイアスを設定できる。
【００３７】
なお、実施の形態３ではプラズマの生成方法として誘導結合プラズマについて説明したが、ECRプラズマ（電子サイクロトロン共鳴プラズマ）方式や、マイクロ波表面波プラズマ方式であっても同様の効果が得られる。
【００３８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のプラズマエッチング装置では、ウェハ基板上に下地膜を介して形成された被処理膜等の被処理体を載置する電極に高周波を印加する高周波給電経路内に生じる定在波の最小振幅位置が電極位置になるようにしたので、被処理体のエッチングに必要なプラズマの生成に充分な電力を供給したままで、その下地を極力エッチングしないように電極位置で最小の高周波バイアスを設定することができる。それにより、被処理体のエッチング時に下地膜に対するエッチング選択性を高くすることができ、下地膜の厚みが極めて薄い場合であっても、下地膜上で高精度に被処理体をエッチングすることができる。具体的には、たとえば膜厚数nm程度の極薄ゲート絶縁膜上のトランジスタゲート用材料に対しても高いエッチング選択性を保ちつつ、高精度にエッチングを行える。
【００３９】
高周波給電経路内に生じる定在波の最小振幅位置を電極位置に合わせる手法としては、上記電極位置での高周波電圧を測定して、高周波給電経路の長さを調節する手法や、高周波給電経路内に挿入した位相調整器の位相量を制御する手法等を挙げることができる。いずれの場合にも、ゲート材料であるポリシリコン等の被処理体のエッチングに必要なプラズマの生成に充分な電力を供給したままで、酸化膜等の下地膜を極力エッチングしないよう、電極位置で最小の高周波バイアスを設定できる。
【００４０】
本発明のプラズマエッチング方法では、高周波給電経路内で生じる定在波の最小振幅位置を電極位置に合わせた状態で電極に高周波を印加することにより電極上で発生したプラズマにより被処理体をエッチングするので、被処理体のエッチングに必要なプラズマの生成に充分な電力を供給したままで、その下地を極力エッチングしないように電極位置で最小の高周波バイアスを設定することができる。
【００４１】
上記被処理体の具体例としては半導体ウェハ上に絶縁膜を介して形成された導電膜を挙げることができ、上記絶縁膜上で導電膜をエッチングする場合に本発明は有用である。特に、絶縁膜として１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有し、ゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜を半導体ウェハ上に形成し、この酸化膜上でゲート電極となるポリシリコン膜をエッチングする場合に、本発明は有用である。
【００４２】
本発明の半導体装置の製造方法では、上述のプラズマエッチング装置あるいはプラズマエッチング方法を用いるので、被処理体のエッチング時に下地膜に対するエッチング選択性を確保することができ、被処理体のエッチング残渣および下地膜への損傷を抑制しながら被処理体を高精度にエッチングすることができる。したがって、本発明によれば、信頼性の高い半導体装置が得られる。
【００４３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるプラズマエッチング装置の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２におけるプラズマエッチング装置の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態３におけるプラズマエッチング装置の断面図である。
【図４】従来のプラズマエッチング装置の断面図である。
【符号の説明】
１，３１処理室、２，３２ガスライン、３，３３バルブ、４，３４排気口、５，３５ステージ、６，３６絶縁体、７，３７電極、８，３８ウェハ基板、９対向電極、１０高周波電源、１１高周波整合器、１２，４２高周波ケーブル、１３，４３高周波電圧測定器、２４位相調整器、３９ベルジャー、４０第１の高周波電源、４１第１の高周波整合器、４４高周波コイル、４５第２の高周波電源、４６第２の高周波整合器。

Claims

処理室内に配置され被処理体が載置される電極と、
高周波給電経路を介して前記電極に高周波を印加し、発生したプラズマにより前記被処理体をエッチングするための高周波電源と、
前記電極での高周波電圧を計測する高周波電圧測定器とを備え、
前記高周波電圧測定器による測定結果に基づいて前記高周波給電経路の長さを調節し、前記高周波給電経路内で生じる前記定在波の最小振幅位置を前記電極位置に合わせた、プラズマエッチング装置。
処理室内に配置され被処理体が載置される電極と、
高周波給電経路を介して前記電極に高周波を印加し、発生したプラズマにより前記被処理体をエッチングするための高周波電源と、
前記電極での高周波電圧を計測する高周波電圧測定器と、
前記高周波給電経路内に位相調整器とを備え、
前記高周波電圧測定器による測定結果に基づいて前記位相調整器の位相量を変化させ、前記高周波給電経路内で生じる前記定在波の最小振幅位置を前記電極位置に合わせた、プラズマエッチング装置。
処理室内に配置された電極上に被処理体を載置する工程と、
前記処理室内にガスを導入し、前記電極に高周波を印加するための高周波給電経路内で生じる定在波の最小振幅位置を前記電極位置に合わせた状態で前記電極に高周波を印加することにより前記電極上でプラズマを発生させ、該プラズマにより前記被処理体をエッチングする工程と、
を備えた、プラズマエッチング方法であって、
前記定在波の最小振幅位置を前記電極位置に合わせた状態は、前記電極での高周波電圧を計測する高周波電圧測定器による測定結果に基づいて、前記高周波給電経路の長さを調節して実現されることを特徴とするプラズマエッチング方法。
処理室内に配置された電極上に被処理体を載置する工程と、
前記処理室内にガスを導入し、前記電極に高周波を印加するための高周波給電経路内で生じる定在波の最小振幅位置を前記電極位置に合わせた状態で前記電極に高周波を印加することにより前記電極上でプラズマを発生させ、該プラズマにより前記被処理体をエッチングする工程と、
を備えた、プラズマエッチング方法であって、
前記定在波の最小振幅位置を前記電極位置に合わせた状態は、前記電極での高周波電圧を計測する高周波電圧測定器による測定結果に基づいて、前記高周波給電経路内に備えた位相調整器の位相量を変化させて実現されることを特徴とするプラズマエッチング方法。
前記被処理体は半導体ウェハ上に絶縁膜を介して形成された導電膜を含み、
前記エッチング工程は、前記絶縁膜上で前記導電膜をエッチングする工程を含む、請求項３または４に記載のプラズマエッチング方法。
前記絶縁膜は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有し、ゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜を含み、
前記導電膜は、ゲート電極となるポリシリコン膜を含む、請求項５に記載のプラズマエッチング方法。
請求項１から請求項３のいずれかに記載のプラズマエッチング装置、あるいは請求項４から請求項６のいずれかに記載のプラズマエッチング方法を用いて製造する、半導体装置の製造方法。