JP5774428B2 - Dry etching method and plasma etching apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、半導体素子のドライエッチング装置に関わり、安定して放電を維持できるドライエッチング方法およびプラズマエッチング装置に関する。 The present invention relates to a dry etching apparatus for semiconductor elements, and more particularly to a dry etching method and a plasma etching apparatus that can stably maintain a discharge.
ドライエッチング装置でプラズマをパルス状にパルス変調する技術に関しては、例えば、特許文献1には、プラズマ中のラジカル密度を測定しながら、プラズマをパルス変調してラジカル密度を制御することにより高精度エッチングを達成する方法が述べられている。
With regard to a technique for pulse-modulating plasma in a dry etching apparatus, for example,
また、特許文献2には、プラズマをパルス変調すると同時にウエハに印加する高周波バイアスの位相プラズマのオンオフと同期をとることによりプラズマ中の電子温度を制御して、処理ウエハ上の酸化膜の絶縁破壊を防ぐ方法が述べられている。また、特許文献3にはプラズマを10〜100μsでパルス変調してかつウエハに600KHz以下の高周波バイアスを印加し酸化膜の絶縁破壊を防ぐと同時に高速異方性エッチングを達成する方法が述べられている。 Further, Patent Document 2 discloses that an oxide film on a processing wafer is subjected to dielectric breakdown by controlling the electron temperature in the plasma by synchronizing the on-off of the high frequency bias phase plasma applied to the wafer simultaneously with the pulse modulation of the plasma. A way to prevent this is described. Further, Patent Document 3 describes a method in which plasma is pulse-modulated at 10 to 100 μs and a high frequency bias of 600 KHz or less is applied to the wafer to prevent dielectric breakdown of the oxide film and at the same time achieve high-speed anisotropic etching. Yes.
更に、特許文献4にはプラズマを生成するマイクロ波をパルス変調してその周波数とデューティー比を一定値にすることにより反応性ガスの分解を制御して高精度エッチングを行う方法が述べられている。また、特許文献5にはプラズマを発生するためのマイクロ波を10KHz以上の周波数でパルス変調してラジカルを制御しかつプラズマの不安定性を抑えてイオン温度を低下させる方法が述べられている。 Furthermore, Patent Document 4 describes a method of performing high-precision etching by controlling the decomposition of reactive gas by pulse-modulating microwaves that generate plasma and setting the frequency and duty ratio to constant values. . Further, Patent Document 5 describes a method in which a microwave for generating plasma is pulse-modulated at a frequency of 10 KHz or more to control radicals and suppress ion instability to reduce ion temperature.
現在、半導体素子の量産に用いられているドライエッチング装置の一つにECR(Electron Cyclotron Resonance)型の装置がある。この装置ではプラズマに磁場を印加してマイクロ波の周波数と電子のサイクロトロン周波数とが共振するように磁場強度を設定することで高密度のプラズマが発生できる特徴がある。 Currently, one of dry etching apparatuses used for mass production of semiconductor elements is an ECR (Electron Cyclotron Resonance) type apparatus. This apparatus is characterized in that high-density plasma can be generated by applying a magnetic field to the plasma and setting the magnetic field strength so that the microwave frequency and the electron cyclotron frequency resonate.
近年の半導体素子の微細化に伴い、ゲート酸化膜の厚さは5nm以下となっている。そのため、プラズマエッチング加工の制御性、ゲート酸化膜とシリコン膜との高選択比の実現が必要となっている。 With the recent miniaturization of semiconductor elements, the thickness of the gate oxide film has become 5 nm or less. Therefore, it is necessary to realize controllability of the plasma etching process and a high selection ratio between the gate oxide film and the silicon film.
ECR型のドライエッチング装置ではこれらの加工に対応するために、今まで以上に広いプロセスウインドウが必要とされている。マイクロ波電力に関しては、高マイクロ波電力側(高密度領域)に高選択比領域が存在する。しかし、高マイクロ波電力側では、プラズマ密度の上昇に伴いカットオフ現象が生じて、プラズマ密度のチャンバ内での分布が変化する、モードジャンプが発生する。この現象が生じるとプラズマの発光強度やバイアス電圧のピーク値(Vpp電圧)が急激に変化し、これに伴いエッチング速度のウエハ面内分布も大きく変わるためにモードジャンプ前後の電力は使用できない課題があった。 In order to cope with these processes, an ECR type dry etching apparatus requires a wider process window than ever before. Regarding microwave power, a high selectivity ratio region exists on the high microwave power side (high density region). However, on the high microwave power side, a cut-off phenomenon occurs as the plasma density increases, and a mode jump occurs in which the distribution of the plasma density in the chamber changes. When this phenomenon occurs, the plasma emission intensity and the peak value of the bias voltage (Vpp voltage) change abruptly, and the distribution of the etching rate within the wafer surface changes greatly with this, so the power before and after the mode jump cannot be used. there were.
本発明の目的は、エッチングに有効なプロセス領域の拡大で、特により高密度領域、すなわち高電力側への拡大を実現するドライエッチング方法および装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a dry etching method and apparatus that realizes expansion of a process region effective for etching, in particular, expansion to a higher density region, that is, a high power side.
本発明のドライエッチング方法及びプラズマエッチング装置は、プラズマを発生させるためのマイクロ波をパルス状に変調し、オン時のマイクロ波電力値をカットオフ現象が生じる電力値より高く設定し、デューティー比を変化させることにより、マイクロ波の平均電力を制御する。さらに、パルスのオフ時間を50μs以上になるようにパルスの繰り返し周波数およびデューティー比を制御する。
The dry etching method and the plasma etching apparatus of the present invention modulate a microwave for generating plasma into a pulse shape, set the microwave power value at the time of turning on higher than the power value at which the cutoff phenomenon occurs, and set the duty ratio. By changing, the average power of the microwave is controlled. Further, the pulse repetition frequency and the duty ratio are controlled so that the pulse OFF time is 50 μs or more.
マイクロ波をパルス変調することで、高マイクロ波電力側で発生するモードジャンプを回避でき、エッチングに有効なプロセス領域を拡大できる。 By performing pulse modulation on the microwave, a mode jump generated on the high microwave power side can be avoided, and an effective process area for etching can be expanded.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明のドライエッチング方法を実施するためのエッチング装置の一例を示す概略断面図であり、プラズマ生成手段にマイクロ波と磁場を利用したECR型プラズマエッチング装置である。この装置は、内部を真空排気できるチャンバ101と被処理物であるウエハ102を配置する試料台103とチャンバ101の上面に設けられた石英などのマイクロ波透過窓104と、その上方に設けられた導波管105、マグネトロン106と、チャンバ101の周りに設けられたソレノイドコイル107と、試料台103に接続された静電吸着電源108、高周波電源109とから成る。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an etching apparatus for carrying out the dry etching method of the present invention, which is an ECR type plasma etching apparatus using a microwave and a magnetic field as plasma generating means. This apparatus is provided with a
ウエハ102はウエハ搬入口110からチャンバ101内に搬入された後、静電吸着電源108によって試料台103に静電吸着される。次にプロセスガスがチャンバ101に導入される。チャンバ101内は、真空ポンプ(図示省略)により減圧排気され、所定の圧力(例えば、0.1Pa〜50Pa)に調整される。次に、マグネトロン106から周波数2.45GHzのマイクロ波が発振され、導波管105を通してチャンバ101内に伝播される。マイクロ波とソレノイドコイル107によって発生された磁場との作用によって処理ガスが励起され、ウエハ102上部の空間にプラズマ111が形成される。
The
一方、試料台103には、高周波電源109によってバイアスが印加され、プラズマ111中のイオンがウエハ102上に垂直に加速され入射する。プラズマ111からのラジカルとイオンの作用によってウエハ102が異方的にエッチングされる。また、マグネトロン106にはパルスジェネレータ112が取り付けられており、これによりマイクロ波をパルス変調することができる。本実施例で使用したエッチング装置は直径300mmのウエハ102を処理する装置で、チャンバ101の内径は44.2cmでウエハ102とマイクロ波透過窓104との距離は24.3cm(プラズマが発生する空間の体積37267cm3)の装置を用いた。
On the other hand, a bias is applied to the
次に、図1の装置でウエハ102をエッチングする条件の例を表1に示す。
表1の条件(ただし、Vpp電圧は一定)を用いて、表面全体がシリコンのウエハ102と表面全体が酸化シリコンのウエハ102をエッチング処理し、各々の削れ量の比から選択比を求めた。その結果を図2に示す。図2においてCWは連続放電でDutyはパルス放電のデューティー比を表す。
Using the conditions shown in Table 1 (however, the Vpp voltage is constant), the
図3にマイクロ波電力と、O(酸素)とBr(臭素)の発光強度比の関係を示す。図2から分るように、高マイクロ波電力側では対酸化シリコンの選択比が上昇する傾向にある。これは、図3のように高マイクロ波側ではO(酸素)の発光強度、すなわちOラジカルの密度が上がるため、酸化シリコンの削れを抑制することが原因と考えられる。 FIG. 3 shows the relationship between the microwave power and the emission intensity ratio of O (oxygen) and Br (bromine). As can be seen from FIG. 2, the selectivity for silicon oxide tends to increase on the high microwave power side. As shown in FIG. 3, this is considered to be caused by suppressing the abrasion of silicon oxide because the emission intensity of O (oxygen), that is, the density of O radicals increases on the high microwave side.
しかしながら、マイクロ波電力値を更に上げると、図3に示すように、CW(連続放電)では、マイクロ波電力値900W以上で、発光強度の急激な変化、すなわち、前記のモードジャンプ現象(CW時)301が発生する。このため、連続放電では高マイクロ波領域を使用できない。 However, when the microwave power value is further increased, as shown in FIG. 3, in CW (continuous discharge), when the microwave power value is 900 W or more, the light emission intensity suddenly changes, that is, the mode jump phenomenon (at CW) ) 301 occurs. For this reason, the high microwave region cannot be used in continuous discharge.
そこで、本発明では、マイクロ波をパルス化し、オン時のピーク電力をモードジャンプが発生する電力値より十分高く設定して、デューティー比を制御する。デューティー65%以下では、発光強度比(図3)は急激な変化がなく、すなわちモードジャンプを回避していることがわかる。 Therefore, in the present invention, the duty ratio is controlled by pulsing the microwave and setting the peak power at the time of turning on sufficiently higher than the power value at which the mode jump occurs. It can be seen that when the duty is 65% or less, the emission intensity ratio (FIG. 3) does not change abruptly, that is, mode jump is avoided.
この理由を次のように推定する。CW(連続放電)では、マイクロ波電力値とともに電子密度が上昇し、プラズマ111の振動と電磁波の周波数が共鳴する密度に達する電力値からモードが変化する。一方、パルス化したマイクロ波では、オフ時に自由電子は数μsecの間に殆どが原子、分子に捕縛され、プラズマ111は、その大部分が陰イオンと陽イオンになる。このため、オンオフを繰り返すパルスマイクロ波では、電子密度の上昇が起こらない。
The reason is estimated as follows. In CW (continuous discharge), the electron density increases with the microwave power value, and the mode changes from the power value that reaches the density at which the vibration of the
図4に、表1の条件を用いて、高マイクロ波電力側を評価した選択比結果を示す。CW(連続放電)ではマイクロ波電力値900W以上でモードジャンプの影響から選択比が低下する(不安定になる)のに対し、マイクロ波をパルス化することで、高マイクロ波電力側が使用となり、高選択比を得ることができる。 FIG. 4 shows the selection ratio results obtained by evaluating the high microwave power side using the conditions shown in Table 1. In CW (continuous discharge), the selection ratio decreases (becomes unstable) due to the effect of mode jump when the microwave power value is 900 W or more, but by pulsing the microwave, the high microwave power side is used, A high selectivity can be obtained.
一般に、パルス放電では、電力オフ後50μsで電子密度は1桁以上減衰することが知られている。従って、放電をパルス化して、そのオフ時間が50μs以上になるようにパルスの繰り返し周波数とデューティー比を設定すれば、十分にモードジャンプを回避できる。 In general, in pulse discharge, it is known that the electron density is attenuated by one digit or more after 50 μs after power-off. Accordingly, if the discharge is pulsed and the pulse repetition frequency and the duty ratio are set so that the OFF time is 50 μs or more, the mode jump can be sufficiently avoided.
以上、本発明では、マイクロ波をパルス変調することで、高マイクロ波電力側で発生するモードジャンプを回避でき、エッチングに有効なプロセス領域を拡大できる。 As described above, in the present invention, the mode modulation generated on the high microwave power side can be avoided and the effective process area for etching can be expanded by pulse-modulating the microwave.
次に、このモードジャンプ領域を自動的に回避する方法および装置に付いて述べる。モードジャンプは図3に示すように、およそマイクロ波電力900W 以上の高電力領域で生じるが、ガスの圧力やガスの種類によりプラズマ111の密度は異なるので、モードジャンプが生じる電力もこれらの条件に依存して異なる。
Next, a method and apparatus for automatically avoiding this mode jump area will be described. As shown in FIG. 3, the mode jump occurs in a high power region where the microwave power is about 900 W or more. However, since the density of the
これを回避する方法はまず、あらかじめ使用する条件でモードジャンプが生じる電力値を測定しておき、装置はエッチング条件とその条件でモードジャンプが生じる電力を記憶しておき、その条件を使用するときは、自動的にマイクロ波電力をパルス変調する機能を備えるようにする。この機能がある装置では、誤ってモードジャンプ領域を使用する誤操作を防ぐことができる。 A method for avoiding this is to first measure the power value at which the mode jump occurs under the conditions to be used in advance. Has a function of automatically pulse-modulating the microwave power. An apparatus having this function can prevent an erroneous operation using the mode jump area by mistake.
さらに、あらかじめモードジャンプが生じる電力の測定を自動化する装置について述べる。図5にモードジャンプが生じる電力の測定を自動化する装置の処理の流れ図を示す。通常、エッチングはロット(25枚)単位で処理をするが、ロットを処理する前にダミーウエハ処理501をこれから処理する条件と同じ条件で行う。
Furthermore, an apparatus for automating the measurement of power that causes a mode jump in advance will be described. FIG. 5 shows a process flow diagram of an apparatus that automates the measurement of power at which mode jumps occur. Normally, etching is performed in units of lots (25 sheets), but before the lots are processed, the
その後、ロット処理502、酸素のプラズマ111などによるチャンバ101のクリーニング503と続く。ダミーウエハ処理501は、マイクロ波電力を設定した値、例えば800Wから1200Wまで自動でスキャンしてこの期間のプラズマ111の発光強度をホトダイオード等で測定するステップであるマイクロ波電力自動スキャン測定504を含む。
After that, the lot processing 502, the cleaning 503 of the
次に、エッチング装置制御用パソコン507は、このデータから発光強度が急激に変わる領域を抽出、記憶するモードジャンプ電力識別505を行って、さらにレシピを入力した際にマイクロ波電力がモードジャンプする領域に相当した場合に自動的にパルス変調をする、自動レシピ生成506を行う機能を備える。この機能により、作業者はモードジャンプ領域に煩わされることなく、エッチングを行うことができる。
Next, the
また、マイクロ波電力をスキャンした際に測定する物理量は発光強度に限らず、バイアス電圧のピーク値(Vpp)などモードジャンプに対応して急激に変化する量ならば同じ機能を果たせる。また、本発明で述べたマイクロ波電力の絶対値は主にチャンバ101の大きさすなわち処理対象のウエハ102の直径に応じて大きく変わる。目安としてはチャンバ101の体積で規格化した値を用いるとチャンバ101の体積に依存しない量に変換することができる。例えば、以上の実施例では900Wは0.024W/cm3に相当する。
The physical quantity measured when the microwave power is scanned is not limited to the light emission intensity, and the same function can be achieved as long as the quantity changes rapidly corresponding to the mode jump such as the peak value (Vpp) of the bias voltage. Further, the absolute value of the microwave power described in the present invention largely varies depending on the size of the
101 チャンバ
102 ウエハ
103 試料台
104 マイクロ波透過窓
105 導波管
106 マグネトロン
107 ソレノイドコイル
108 静電吸着電源
109 高周波電源
110 ウエハ搬入口
111 プラズマ
112 パルスジェネレータ
301 モードジャンプ現象(CW時)
501 ダミーウエハ処理
502 ロット処理
503 クリーニング
504 マイクロ波電力自動スキャン測定
505 モードジャンプ電力識別
506 自動レシピ生成
DESCRIPTION OF
501
Claims (6)
連続放電にてプラズマを生成させた場合のモードジャンプ領域の電力によりプラズマを生成する場合に、
前記マイクロ波をオンオフ変調し、
前記オンオフ変調されたマイクロ波のオン期間の電力値を前記モードジャンプ領域の電力値より高い値とし、
前記オンオフ変調されたマイクロ波の電力の時間平均値が前記モードジャンプ領域の電力値となるように前記オンオフ変調のデューティー比を制御することを特徴とするドライエッチング方法。 In a dry etching method that etches a wafer using plasma generated by the interaction of a microwave and a magnetic field ,
When plasma is generated by the power in the mode jump region when plasma is generated by continuous discharge,
Modulating the microwave on and off,
The power value of the on period of the on-off modulated microwave is higher than the power value of the mode jump region,
The on-off modulated dry etching method time average value of the power of the microwave is characterized that you control the duty ratio of the on-off keying as the power value of the mode jump region.
前記デューティー比を65%以下とし、
前記オンオフ変調のオフ時間を50μs以上とすることを特徴とするドライエッチング方法。 The dry etching method according to claim 1,
The duty ratio is 65% or less,
The dry etching method, wherein to Rukoto and the off time of the on-off keying 50μs or more.
前記マイクロ波の電力をスキャンし、
前記スキャンの期間におけるプラズマの発光強度の変化率または前記スキャンの期間における前記ウエハを載置する試料台に印加されるバイアス電圧の変化率に基づいて、連続放電にてプラズマを生成させた場合のモードジャンプ領域を検知し、
前記モードジャンプ領域の電力によりプラズマを生成する場合に、
前記マイクロ波をオンオフ変調し、
前記オンオフ変調されたマイクロ波のオン期間の電力値を前記モードジャンプ領域の電力値より高い値とし、
前記オンオフ変調されたマイクロ波の電力の時間平均値が前記モードジャンプ領域の電力値となるように前記オンオフ変調のデューティー比を制御することを特徴とするドライエッチング方法。 In a dry etching method that etches a wafer using plasma generated by the interaction of a microwave and a magnetic field ,
Scanning the microwave power,
When plasma is generated by continuous discharge based on the rate of change of the emission intensity of plasma during the scan period or the rate of change of the bias voltage applied to the sample stage on which the wafer is placed during the scan period Detect the mode jump area
When generating plasma by the power of the mode jump region,
Modulating the microwave on and off,
The power value of the on period of the on-off modulated microwave is higher than the power value of the mode jump region,
A dry etching method , wherein a duty ratio of the on / off modulation is controlled so that a time average value of the power of the microwave subjected to the on / off modulation becomes a power value of the mode jump region .
さらに制御部を備え、当該制御部は、連続放電にてプラズマを生成させた場合のモードジャンプ領域の電力によりプラズマを生成する場合に前記高周波電力をオンオフ変調させ、前記オンオフ変調された高周波電力のオン時間の電力値を前記モードジャンプ領域の電力値より高い値とするとともに、前記オンオフ変調された高周波電力の時間平均値が前記モードジャンプ領域の電力値となるように前記オンオフ変調のデューティー比を制御することを特徴とするプラズマエッチング装置。 A processing chamber in which the wafer is plasma-etched, a high-frequency power source for supplying microwave high-frequency power to the processing chamber via a waveguide, and a pulse generator for generating a pulse for on-off modulation of the high-frequency power; In a plasma etching apparatus comprising: a magnetic field generating means for generating a magnetic field for generating plasma by interaction with the microwave in the processing chamber; and a sample table placed on the processing chamber and mounting the wafer .
The control unit further includes on / off modulation of the high-frequency power when the plasma is generated by the power of the mode jump region when the plasma is generated by continuous discharge, and the on-off-modulated high-frequency power is generated. The on-off modulation duty ratio is set so that the power value of the on-time is higher than the power value of the mode jump region, and the time average value of the on-off modulated high-frequency power becomes the power value of the mode jump region. A plasma etching apparatus characterized by controlling .
前記デューティー比を65%以下とし、
前記オンオフ変調のオフ時間を50μs以上とすることを特徴とするプラズマエッチング装置。 The plasma etching apparatus according to claim 4, wherein
The duty ratio is 65% or less,
The plasma etching apparatus according to claim more and to Rukoto 50μs OFF time of the on-off keying.
さらに制御部を備え、当該制御部は、前記マイクロ波の高周波電力をスキャンし、前記スキャンの期間におけるプラズマの発光強度の変化率または前記スキャンの期間における前記試料台に印加されるバイアス電圧の変化率に基づいて連続放電にてプラズマを生成させた場合のモードジャンプ領域を検知し、前記モードジャンプ領域の電力によりプラズマを生成する場合に前記高周波電力をオンオフ変調させ、前記オンオフ変調された高周波電力のオン期間の電力値を前記モードジャンプ領域の電力値より高い値とするとともに前記オンオフ変調された高周波電力の時間平均値が前記モードジャンプ領域の電力値となるように前記オンオフ変調のデューティー比を制御することを特徴とするプラズマエッチング装置。 A processing chamber in which the wafer is plasma-etched, a high-frequency power source for supplying microwave high-frequency power to the processing chamber via a waveguide, and a pulse generator for generating a pulse for on-off modulation of the high-frequency power; In a plasma etching apparatus comprising: a magnetic field generating means for generating a magnetic field for generating plasma by interaction with the microwave in the processing chamber; and a sample table placed on the processing chamber and mounting the wafer .
And a control unit that scans the microwave high-frequency power and changes a plasma emission intensity change rate during the scan period or a change in bias voltage applied to the sample stage during the scan period. The mode jump region when plasma is generated by continuous discharge based on the rate is detected, and when generating plasma by the power of the mode jump region, the high frequency power is on-off modulated, and the on / off modulated high frequency power The on-off modulation duty ratio is set so that the power value of the on-period is higher than the power value of the mode jump region and the time average value of the on / off-modulated high-frequency power becomes the power value of the mode jump region. control to the plasma etching apparatus according to claim Rukoto.
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