JP5774933B2

JP5774933B2 - ドライエッチング方法およびプラズマエッチング装置

Info

Publication number: JP5774933B2
Application number: JP2011163831A
Authority: JP
Inventors: 正樹藤井; 未知数森本; 小野　哲郎; 哲郎小野
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2031-07-27
Also published as: JP2013030521A

Description

本発明は、半導体素子のドライエッチング装置に係わり、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。

本発明に関連するドライエッチング装置でプラズマをパルス状にオンオフ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、プラズマをオンオフ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。

また、特許文献２には、プラズマをオンオフ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でオンオフ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。

また、特許文献４には、プラズマを生成するマイクロ波をオンオフ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以上の周波数でオンオフ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。

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（Electro Cyclotron Resonance）型の装置がある。この装置で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。

特開平９−１８５９９９号公報特開平９−９２６４５号公報特開平８−１８１１２５号公報特開平７−９４１３０号公報特開平６−２６７９００号公報

従来技術では、マイクロ波の電力を変えて放電試験を行った際、マイクロ波電力に依存してプラズマの発光が目視あるいはフォトダイオードなどの測定において、ちらついて見える不安定領域が存在した。この領域では、エッチング速度などの特性も再現性がないので、エッチング条件は不安定領域を避けて設定、すなわち、プロセス開発を行う上でプロセスウインドウを狭く設定していた。

なお、本発明で対象としている放電のちらつきは、マイクロ波電力に依存してチャンバ内の電界強度分布が変化して、チャンバ形状に関連してたとえば試料台近傍あるいはマイクロ波透過窓近傍で異常放電が発生して、目視にて点滅が観測できる現象である。

一方、特許文献５で述べられているプラズマの不安定は、同公報３頁に記載されているようにプラズマ中にドリフト波が発生してイオン温度が上昇し基板に入射するイオンの方向性が劣化する現象であり、本発明の課題とは物理的に異なる現象である。

本発明は、マイクロ波電力に依存してチャンバ内の電界強度分布が変化して、チャンバ形状に関連してたとえば試料台近傍あるいはマイクロ波透過窓近傍で異常放電が発生して目視にて点滅が観測できる現象である放電のチラツキを解消することを目的とする。

本発明のプラズマエッチング装置は、内部にプラズマを生成する処理室と、前記プラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記処理室内に設けられウエハを載置する試料台とを備え、前記ウエハを前記プラズマによりエッチングするプラズマ処理装置において、前記プラズマ生成手段は、前記プラズマを生成するための電力を供給する電源を具備し、前記電源の前記電力をオンオフ変調するとともにオン時のピーク電力を連続放電にてプラズマを発生させた場合にプラズマの不安定が生じない値に設定し、前記オンオフ変調のデューティー比を変えることにより前記電力の時間平均値を制御することを特徴とする。

また、本発明のドライエッチング方法は、内部にプラズマを生成する処理室と、前記プラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記処理室内に設けられウエハを載置する試料台とを備え、前記ウエハを前記プラズマによりエッチングするプラズマエッチング装置を用いたドライエッチング方法において、前記プラズマ生成手段は、前記プラズマを生成するための電力を供給する電源を具備しており、前記電源の前記電力をオンオフ変調するとともにオン時のピーク電力を連続放電にてプラズマを発生させた場合にプラズマの不安定が生じない値に設定するステップと、前記オンオフ変調のデューティー比を変えることにより前記電力の時間平均値を制御するステップを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、マイクロ波の電力制御にパルス放電を取り入れることにより、放電のチラツキを解消することができる。瞬時の電力で発生するプラズマは安定領域になるよう設定されており、さらにハロゲンガスのように負イオンになりやすいガスのプラズマでパルス放電をするとオフ時に電子は数十μｓで消滅しその後数ｍｓの間負イオンと正イオンが放電維持に関与するためチャンバ壁とプラズマの界面に生成されるプラズマシースの状態が連続放電とは異なり、ちらつきが解消される。

図１は本発明の実施例１のドライエッチング方法を実施するためのプラズマエッチング装置を示す概略断面図である。図２は本発明の実施例２のウエハ毎にパルス放電のｄｕｔｙ比を変えるフィードバック制御をするプラズマエッチング装置の概略断面図である。図３は、加工対象であるウエハ上の微細パタンの断面図である。図４は、本発明の実施例２のマイクロ波電力（デューティー比）とＣＤの相関関係のデータを示す図である。図５は本発明の実施例３のプラズマエッチング装置を示す概略断面図である。

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。

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プラズマ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マイクロ波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。

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。

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状にオンオフ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３７２６７ｃｍ^３）の装置を用いた。

次に、図１の装置でｐｏｌｙＳｉ３０２をエッチングする条件の例を表１に示す。本条件によりｐｏｌｙＳｉ３０２を下地の酸化膜３０３に対して高選択比でエッチングできる。

表１に示す条件でプラズマを発生させるためのマイクロ波を変えて、プラズマ１１１からの発光をフォトダイオードにて検出してそのチラツキを測定した結果を表２に示す。マイクロ波の電力は連続放電させた場合とピーク電力を１５００Ｗにして繰り返し周波数１ＫＨｚでオンオフ変調しｄｕｔｙ比を変えることで電力制御した場合を比較している。表２で“○”は放電チラツキ無し、“Ｘ”は放電チラツキありを示す。放電がちらつく状態ではエッチングを行うことができない。

連続放電では、９００Ｗから１１００Ｗでチラツキが生じるが、マイクロ波のオンオフ制御により、放電のチラツキを解消することができる。原因は瞬時の電力で発生するプラズマ１１１は安定領域になるよう設定されており、さらに、ハロゲンガスのように負イオンになりやすいガスのプラズマ１１１でパルス放電をすると、オフ時に電子は数十μｓで消滅しその後数ｍｓの間負イオンと正イオンが放電維持に関与するため、チャンバ壁とプラズマ１１１の界面に生成されるプラズマ１１１のシースの状態が連続放電とは異なり、ちらつきが解消されると推定される。

プラズマ１１１が消失するまでの時間は、数１０ｍｓなので、オフ時間を１０ｍｓ以下にすればプラズマ１１１が消失する前にオンが始まり、プラズマが維持される。

プラズマ１１１のちらつく電力領域は、条件に依存する。従って、別条件のエッチングでは、まず連続放電にてマイクロ波電力を変えて、表２と同様に、放電がちらつく領域を確認して、ピーク電力をチラツキが生じる電力よりも十分大きく設定して、かつ、オフ時間が１０ｍｓ以下になる周波数でマイクロ波をオンオフ変調すれば、チラツキを解消できる。

なお、表２に示すマイクロ波の電力はチャンバ１０１の大きさが変わると、その体積に応じて変わり、１５００Ｗは単位体積当たりのマイクロ波電力に換算すると約０．０４Ｗ／ｃｍ^３に相当する。

なお、放電に不安定領域が存在することは、マイクロ波プラズマエッチング装置に限らず、誘導結合型あるいは容量結合型のプラズマエッチング装置でも同様の課題があり、これらの装置でも本発明にて放電不安定を回避できる。

次に、プラズマ１１１のオンオフ変調により可能になるエッチング加工寸法（以後、「ＣＤ」と呼ぶ。）の制御方法に関する実施例を述べる。図２は、図１に示すプラズマエッチング装置にプラズマ１１１の発光強度あるいは発光強度の変化から求まるエッチング処理終了時間などを測定して、このモニタ値をもとに処理中のウエハ１０２あるいは次に処理するウエハ１０２のエッチング条件を変える仕組みが付加されたプラズマエッチング装置の概略図を示す。

図２に示す受光部２０２、ＣＤ演算部２０３、レシピ演算部２０５、データベース２０４，２０６、エッチング制御用ＰＣ２０７は、通信手段を介して通信可能に連結されている。図３は、加工対象であるウエハ１０２上の微細パタンの断面図で、Ｓｉ基板３０４と下地の酸化膜３０３上にあるｐｏｌｙＳｉ３０２を微細パタン状に加工された窒化シリコンなどのマスク３０１と同じパタン状にエッチングする様子を表している。

ドライエッチングでは、通常、図３に示すような加工を１ロット（２５枚）連続処理する。加工された線幅（以後「ＣＤ」と呼ぶ。）は連続処理中、ある許容値内に収まる必要がある。しかし、エッチングの反応生成物などがチャンバ１０１内に付着するなどして時間とともにプラズマ状態が変化してＣＤの変動が許容値内に収まらない場合がある。

この実施例では、プラズマ１１１をオンオフ変調して、そのデューティー比をウエハ毎に変えることでＣＤの変動を許容値内に抑える。通常、ＣＤはウエハ１０２に印加するバイアス電力やプラズマ密度すなわちマイクロ波電力に依存して変化するので、マイクロ波電力を変化させることでＣＤを変えることができる。

次に、具体的な方法を述べる。図３に示すｐｏｌｙＳｉ３０２のエッチングの終点は、プラズマ１１１中の反応生成物の発光、例えば、Ｓｉの４２６ｎｍの光を光ファイバー２０１と受光部２０２で検出される。エッチングの終了時間とＣＤには相関があり、エッチング終了時間とＣＤの関係がデータベース２０４に格納されている。ＣＤ演算部２０３はエッチング終了時間からこのウエハ１０２のＣＤの推定値を算出する。算出されたＣＤとＣＤ目標値の差分を計算して、この差分の値はレシピ演算部２０５に送られる。

レシピ演算部２０５は、図４に示すマイクロ波電力（デューティー比）とＣＤの相関関係のデータが格納されたデータベース２０６を有しており、ＣＤの目標値からの差分をゼロにするのに必要なマイクロ波電力の変量を算出する。例えば、図４のように目標ＣＤが３０ｎｍでｎ枚目のＣＤが３０＋ａ（ｎｍ）であったとすると、ｎ＋１枚目は目標ＣＤにするために、すなわちａ（ｎｍ）細くするために、平均マイクロ波の電力をすなわちデューティー比をｄ（％）だけ増加させる。

データベース２０６から求まったデューティー比は、エッチング制御用ＰＣ２０７に送られて、次のウエハ１０２を処理する際に、この値に設定してエッチング行う。この際、プラズマ１１１を連続放電していると、ＣＤ差分がゼロになるように修正されたマイクロ波電力値が、表２に示すプラズマ１１１の不安定領域に入ってしまうことがあり、エッチングに支障をきたす。実施例１で述べたように、プラズマ１１１をオンオフ変調して、そのデューティー比を変えることによりマイクロ波電力を制御するとプラズマ１１１の不安定の課題を解消できる。

次に、放電不安定を防止するために、本発明と併用するとより安定のマージンが広がる方法を述べる。まず、プラズマ１１１の電位を安定させるために、直流電流が流れるアース面４０１をプラズマ１１１と接する部分に設けることが望ましい。

通常、チャンバ１０１の内壁は、アルマイトやイットリウム酸化物などの安定化処理がされているが、これらの材料は絶縁物なので、直流電流が流れない。プラズマ１１１と接する部分を一部これらの絶縁膜をはがすあるいは導体を挿入するなどして、さらに導体部分をアース電位にすることでプラズマ１１１の電位が安定するので放電がより安定する。直流的アース面４０１の面積は１０ｃｍ^２以上が望ましい。

つぎに、プロセスガスの圧力は０．１−１０Ｐａの間に設定することが望ましい。圧力が低すぎると、電子の平均自由行程が長くなり、電離を生じる前に壁で消失する機会が増えてプラズマ１１１の不安定の原因となる。また、圧力が高すぎると、着火性が悪くなり不安定を生じやすい。

さらに、チャンバ１０１の形状は、局所的に電界が強くなる部分を極力減らすことが望ましい。すなわち、鋭利な凹凸を設けず、角部分４０２は半径５ｍｍ以上の曲線にするとよい。

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
２０１光ファイバー
２０２受光部
２０３ＣＤ演算部
２０４，２０６データベース
２０５レシピ演算部
２０７エッチング制御用ＰＣ
３０１マスク
３０２ｐｏｌｙＳｉ
３０３酸化膜
３０４Ｓｉ基板
４０１アース面
４０２角部分

Claims

ウエハがプラズマエッチングされる処理室と、導波管を介してマイクロ波の高周波電力を前記処理室内に供給する高周波電源と、前記高周波電力をオンオフ変調するためのパルスを生成するパルス生成器と、前記マイクロ波との相互作用によりプラズマを生成するための磁場を前記処理室内に生成する磁場生成手段と、前記処理室内に配置され前記ウエハを載置する試料台とを備えるプラズマエッチング装置において、
前記オンオフ変調された高周波電力のオン時の電力を連続放電にてプラズマを生成させた場合のプラズマ不安定が発生しない領域の電力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プラズマ不安定が発生しない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制御部をさらに備えることを特徴とするプラズマエッチング装置。
請求項１に記載のプラズマエッチング装置において、
前記パルスのオフ時間を前記処理室内のプラズマが消失しない時間とすることを特徴とするプラズマエッチング装置。
請求項１または請求項２に記載のプラズマエッチング装置において、
前記パルスのオフ時間を１０ｍｓ以下の時間とすることを特徴とするプラズマエッチング装置。
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のプラズマエッチング装置において、
前記処理室の内壁の前記プラズマと接する部分は、直流電流が流れるアース面が形成され、
前記処理室の内壁の前記プラズマと接する部分の角部分は、曲面の形状であることを特徴とするプラズマエッチング装置。
マイクロ波と磁場の相互作用により生成されたプラズマを用いてウエハをエッチングするドライエッチング方法において、
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時の電力を連続放電にてプラズマを生成させた場合のプラズマ不安定が発生しない領域の電力値とし、
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プラズマ不安定が発生しない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。
請求項５に記載のドライエッチング方法において、
前記オンオフ変調のオフ時間を１０ｍｓ以下の時間とすることを特徴とするドライエッチング方法。