JP6072613B2 - プラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを用いて試料をエッチングするプラズマ処理方法に関わるものである。

半導体素子の微細化・高集積化に伴い、半導体ウエハ上に形成される各素子は高密度化が進んでいる。現在、半導体素子の微細加工にはプラズマを利用したドライエッチングが使われている。各素子を構成する膜厚の薄膜化に伴い、被エッチング膜上のマスクも薄膜化しており、被エッチング膜のマスクに対する選択比が重要である。被エッチング膜のマスクに対する選択比を上げるため、フルオロカーボンガス、ＳｉＦ₄ガス等のガスを使用するのが一般的である。

フルオロカーボンガス、ＳｉＦ₄ガス等のガスを使用してエッチング加工をする際には真空容器内にＣＦ系またはＳｉ系の反応生成物が真空容器内壁に付着・堆積する。半導体素子を量産する際に、これらの堆積物がエッチングレート等のプロセス特性の変化をもたらし、特に微細化されたスペースまたはホールにおいて、反応生成物が被エッチング膜上のマスク上に堆積し、スペースまたはホールが塞がる。スペースまたはホールが塞がると被エッチング膜のエッチングが進行しなくなり、微細構造に不良を生じさせ、大きな問題となる。

真空容器内壁に堆積したＣＦ系、Ｓｉ系の反応生成物は、フッ素系を含むガスを使用してドライクリーニングすることにより除去可能であるが、完全に除去することができない。真空処理室の内壁に堆積した反応生成物の影響を低減する手段としてプラズマ発光強度をモニタしてＲｕｎ−ｔｏ−Ｒｕｎ制御する手段が知られている。

例えば、特許文献１には、プラズマ処理に際して生成されるプロセス量をモニターするモニター装置１０２と、処理した試料の数に対する前記プロセス量のモニター値の推移を記憶したモニター量変動モデルを備え、該モニター量変動モデルを参照して、次の試料の処理時におけるモニター値を推定するモニター値推定手段１０４と、前記真空処理装置のプロセス量を制御する際の制御量とモニター値との関連を記憶した制御量計算手段１１１を備え、該制御量計算手段は、次の試料を処理する際、前記推定されたモニター値と目標値との偏差をもとに前記制御量を計算してプロセス量を制御することが開示されている。

特開２０１１−８２４４１号公報 特開２０１１−２５８９６７号公報

フルオロカーボンガス、ＳｉＦ₄ガス等のガスを用いたエッチングにおいて真空容器内に生成された反応生成物が内壁に付着、堆積するとエッチング性能が変化する。このエッチング性能の変化により、エッチング中に発生した反応生成物が被エッチング膜上のマスク上に堆積し、スペースが塞がり、被エッチング膜のエッチングが進行しなくなる。

このようなことから、堆積膜によるマスクの開口部の塞がりを防ぐためには、マスク上に堆積する堆積物の膜厚の制御が必要である。しかし、特許文献２に示すような従来技術では、被エッチング膜上のマスクの残膜を測定することは可能であったが、マスク上の堆積物の膜厚を測定するのが困難であった。

このため、本発明は、フルオロカーボンガス、ＳｉＦ₄ガス等の堆積性ガスを用いたプラズマエッチングを行うプラズマ処理方法において、マスク上に堆積した堆積物の膜厚を制御することができるプラズマ処理方法を提供する。

本発明は、堆積性ガスを用いて被エッチング膜をプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、前記被エッチング膜を有する試料の中心部とミドル部と外周部にてマスク上に堆積した堆積膜の膜厚をそれぞれ測定し、前記測定された中心部の堆積膜の膜厚と前記測定されたミドル部の堆積膜の膜厚と前記測定された外周部の堆積膜の膜厚のそれぞれと前記堆積膜の膜厚の目標値との差を求め、前記それぞれ求められた差の中で少なくとも一つの差が許容値より大きい場合、前記それぞれ求められた差の中で少なくとも一つの差が許容値内となるように、かつ、前記試料の面内均一性を改善するようにエッチングパラメータを制御しながら前記被エッチング膜をエッチングすることを特徴とする。

本発明により、フルオロカーボンガス、ＳｉＦ₄ガス等の堆積性ガスを用いたプラズマエッチングを行うプラズマ処理方法において、マスク上に堆積した堆積物の膜厚を制御することができる。

実施例１に係るプラズマエッチング装置の概略断面図である。 本発明のプラズマ処理方法によるエッチング形状を示す図である。 本発明のプラズマ処理方法を示すフローチャートである。 堆積膜の膜厚の測定方法を説明するための図である。 実施例２に係るプラズマエッチング装置の概略断面図である。 堆積膜の吸光度の波長依存性を示す図である。 堆積膜の膜厚の測定方法を説明するための図である。

以下、本発明に係る各実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明を適用するプラズマエッチング装置の一例で、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Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ(以下、ＥＣＲと称する)プラズマエッチング装置の概略図である。プラズマ処理装置１０１は、真空処理室１０２と、真空処理室１０２の内部に設けられた試料台１０３と、真空処理室１０２の上部にある光学窓１０６と、光源１０４と、パージ室１０５と、分光器１０８と、膜厚測定器１０９と、装置コントローラー１１０とを備えている。

そして、真空処理室１０２の内部にガス導入手段(図示せず)から導入されたエッチングガスがマイクロ波電源１１１より出力されたマイクロ波とコイル(図示せず)により効率的にプラズマ化され、試料台１０３の下部にある高周波電源１１３から供給された高周波電力とプラズマ１１２により試料台１０３上に載置された半導体ウエハ等の試料１１４がエッチングされる。

光源１０４から出力されたレーザー光は、Ａｒガスによりパージされたパージ室１０５と光学窓１０６を介して真空処理室１０２に入射光１１５として入射する。入射光１１５は、試料１１４で反射される。試料１１４で反射された反射光１１６は、真空処理室１０２から光ファイバー１０７を介して分光器１０８に検出される。

分光器１０８では、検出したプラズマ発光を分光し、分光された光の強度をデジタル信号に変換する。この光強度に対応して変換されたデジタル信号に基づいて膜厚測定器１０９により試料１１４のマスクの上に堆積した反応生成物の膜厚を測定する。予め、試料１１４のマスクの上に堆積した反応生成物の膜厚の目標値を定めておき、堆積した膜厚がその目標値を外れた場合、信号が装置コントローラー１１０に送られ、堆積した膜厚をコントロールするエッチングパラメータを制御する。

本実施例で使用する試料１１４の断面図を図２(ａ)に示す。Ｓｉ基板２０４に下から順にストッパー膜であるＳｉＮ膜２０３と被エッチング膜であるＳｉＯ₂膜２０２とマスクであるＳｉ膜２０１とが積層されている。尚、マスクパターンのスペース２０５の幅１５ｎｍである。例えば、ガス流量２００ｍｌ／ｍｉｎのＡｒガスとガス流量１０ｍｌ／ｍｉｎのＣ₄F₈ガスとの混合ガスを用い、処理圧力を１．０Ｐａ、マイクロ波電源出力を１０００Ｗ、試料１１４へ供給するする高周波電力を５０Ｗとするエッチング条件にて被エッチング膜であるＳｉＯ₂膜２０２をエッチングすると図２(ｂ)に示すようにスペース２０５が塞がったエッチング形状となる。

半導体の量産時において、プラズマ１１２により生成されたＣＦ系、Ｓｉ系等の反応生成物が真空処理室１０２の内壁に付着し堆積する。この堆積した反応生成物によりプラズマ１１２中のフッ素ラジカルと反応し、エッチングレート等のプロセス性能が変化する。真空処理室１０２への反応生成物の堆積が多いと堆積物が入りにくい溝や孔ではエッチングが進行するが、平坦部であるマスクのＳｉ膜２０１上に堆積膜２０６が堆積する。堆積膜２０６の膜厚が厚くなると図２(ｂ）のようにスペース２０５が塞がりエッチングが進行しない。本実施例のスペース２０５の幅は１５nmであるため、スペースが塞がりやすい。このため、スペース２０５が塞がらないようにマスク上の堆積膜２０６の膜厚を制御しながら、エッチングする必要がある。

次に、マスク上の堆積膜２０６の膜厚を制御しながら被エッチング膜をプラズマエッチングするプラズマ処理方法である本発明について以下、図３を参照しながら説明する。

ステップ３０１において、真空処理室１０２内でフルオロカーボンガス、ＳｉＦ₄ガス等の堆積性ガスを用いて試料１１４のプラズマエッチングが開始される。次にステップ３０２において、プラズマエッチングの開始とともに膜厚測定器１０９がマスクであるＳｉ膜２０１上の堆積膜２０６の膜厚を測定開始する。続いてステップ３０３において、予め設定された堆積膜厚の目標値と膜厚測定器１０９により測定されている堆積膜２０６の膜厚と比較する。ここで、堆積膜２０６の膜厚の目標値を１０ｎｍ±３０％とする。比較の結果、堆積膜２０６の膜厚が目標値の許容値内の場合は、ステップ３０５に進み、堆積膜２０６の膜厚が目標値の許容値から外れると、ステップ３０４に進む。

ステップ３０４では、マスクであるＳi膜２０１上の堆積膜２０６の膜厚を制御するために装置コントローラー１１０がエッチングパラメータを変更する。例えば、堆積膜２０６の膜厚が厚い方向で許容値から外れた場合は、試料１１４に供給する高周波電力を５０Ｗから５５Ｗに増加させる。または、ガス流量、圧力等の他のエッチングパラメータを堆積性が弱くなるようにエッチングパラメータを調整する。逆に堆積膜２０６の膜厚が薄い方向で許容値から外れた場合は、試料１１４に供給する高周波電力を５０Ｗから４５Ｗに減少させる。または、ガス流量、圧力等の他のエッチングパラメータを堆積性が強くなるようにエッチングパラメータを調整する。

次にステップ３０３に戻り、エッチングパラメータを調整した後の堆積膜２０６の膜厚と目標値と比較し、目標値の許容値内であれば、ステップ３０５に進み、目標値の許容値外であれば、再びステップ３０４に戻り、エッチングパラメータを調整する。

ステップ３０５では、エッチングの処理時間または、所望の深さに到達するまでＳi膜２０１上の堆積膜２０６の膜厚を測定し、エッチングの処理時間または、所望の深さに到達した時点でステップ３０６にて、エッチングを終了する。このようなプラズマ処理を試料１１４に施すことにより、図２(ｃ)に示すようにスペース２０５が塞がることなく、所望のエッチング形状を得ることができる。

次に、反応生成物の膜厚測定の手法を述べる。図４に示すように光源１０４から出力された入射光１１５は試料１１４で反射され、反射光１１６となる。この反射光１１６は、堆積膜２０６表面で反射する反射光Ｒ₁２０７と堆積膜２０６を透過しＳｉ膜２０１で反射する反射光Ｒ₂２０８とＳｉ膜２０１を透過し、ＳｉＯ₂膜２０２で反射する反射光Ｒ₃２０９が含まれている。このため、各膜の表面で反射された反射光１１６は干渉波形となる。この干渉波形を膜厚測定器１０９により計測し、堆積膜２０６の膜厚を測定する。

また、堆積膜２０６の膜厚は、数nmから数十nmと薄いため、精度良く堆積膜２０６の膜厚を測定するために、光源１０４は、重水素ランプ、水銀ランプを使用する真空紫外光とする。あるいは、プラズマが発生する紫外線を用いてもよい。また、真空紫外光は、大気中の酸素または窒素に吸収されるため、光源１０４からの入射光１１５は、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ａｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス等の希ガスによりパージされるパージ室を通過させ、光学窓は、合成石英、フッ化リチウム、フッ化カルシウム等の真空紫外光を透過する物質を用いる必要がある。

また、本実施例では、試料１１４の面内の1箇所における堆積膜２０６の膜厚を用いた例であったが、複数箇所の堆積膜２０６の膜厚を用いても良い。例えば、試料１１４の中心部とミドル部と外周部の３箇所の堆積膜２０６の膜厚を用いる場合について説明する。

ステップ３０３において、試料１１４の中心部とミドル部と外周部の少なくとも一箇所の堆積膜２０６の膜厚が目標値の許容値外と判定した場合、ステップ３０４において、堆積膜２０６の膜厚の試料１１４面内均一性を改善するようにエッチングパラメータを調整し、続けて堆積膜２０６の膜厚が目標値の許容値内となるようにエッチングパラメータを調整する。尚、これ以外のステップは、試料１１４の面内の1箇所における堆積膜２０６の膜厚を用いた場合と同様である。

次に真空処理室１０２の内壁に蓄積した反応生成物の影響によるプロセス性能変動を回避する実施例について説明する。本実施例では、真空処理室１０２のプラズマ１１２の発光に基づいて実施例１のステップ３０４におけるエッチングパラメータの調整量を決定するプラズマ処理方法である。

本実施例にかかるプラズマエッチング装置の概略断面図を図５に示す。本実施例に係るプラズマエッチング装置は、実施例１のプラズマエッチング装置にさらに光ファイバー１１７と、分光器１１８と、制御コントローラー１１９とを備えている。尚、制御コントローラー１１９は、実施例１のプラズマエッチング装置の装置コントローラー１１０の代わりに用いられたものである。また、図１と同じ符号の構成は、図１の同符号の構成と同様のものである。

真空処理室１０２内に生成されたプラズマ１１２からのプラズマ光１２０は、光ファイバー１１７を介して分光器１１８で検出される。分光器１１８では、検出したプラズマ光１２０を分光し光強度をデジタル信号に変換して制御コントローラー１１９に送る。制御コントローラー１１９は、プラズマ発光強度を用いてエッチングパラメータの制御量を決定する機能を有する。制御コントローラー１１９は、予め基準となるプラズマトレンドを記憶しておき、分光器１１８により検出されたプラズマトレンドと基準となるプラズマトレンドとの偏差を求め、この偏差に基づいてエッチングパラメータの調整量を求める。

また、本実施例に係るプラズマ処理方法のフローチャートは、ステップ３０４以外は、実施例１で説明したフローチャートと同様であり、本実施例のプラズマ処理方法のステップ３０４は、上述した制御コントローラーの機能を用いて堆積膜２０６の膜厚が目標値の許容値内となるようにエッチングパラメータの制御量を上記のプラズマ発光の偏差に基づいて求め、この求められた制御量だけエッチングパラメータを調整する。

本実施例のようにエッチングパラメータの制御量をプラズマ発光を用いて求めることにより、堆積膜２０６の厚さは、ある程度増加しないと変化が分からないが、プラズマ発光強度はエッチングパラメータを変更すると直ちに変化するため、さらに精度が高く再現性がよい微細加工ができる。

実施例１または実施例２では、堆積膜２０６の膜厚の厚さを光の干渉を用いて測定したが、光の吸収を用いた方法でも良い。以下に光の吸収を用いて堆積膜２０６の膜厚の厚さを測定する例について図６と図７を参照しながら説明する。

炭素元素とフッ素元素を含むガスでエッチングする場合、堆積膜２０６は、Ｓｉを含有するＣＦ系ポリマー膜となり、この膜の光の吸収特性は、図６に示すように波長２００ｎｍ前後に吸収端を持つ。干渉法で膜厚を測定する場合には堆積膜２０６を透過してかつ数ｎｍの薄い膜厚の変化を感知するために極力波長を短く選ぶ。一方、吸収法では膜に吸収される波長の光を選び、図６の場合には２５０ｎｍ以下の波長を用いる。この領域の波長の光は、例えば、１７２ｎｍのＸｅや１４６ｎｍのＫｒのエキシマランプで得られる。または、水銀ランプの１８５ｎｍの光を用いても良い。

次に堆積膜２０６の膜厚の算出方法を図７を参照しながら説明する。例えば、１７２ｎｍのＸｅのエキシマランプから入射した光は、Ｓｉ基板２０４で反射される。ここで、本実施例で用いられる試料１１４は、Ｓｉ基板２０４上に下から順にＳｉＯ₂膜９０２とマスクであるＳｉＮ膜９０３とが積層され、エッチング中に堆積膜２０６がＳｉＮ膜９０３上に堆積している。

光の入射光１１５の入射角と反射光９０１の反射角をθ、ＳｉＯ₂膜９０２の厚さをＬｏの場合の吸光係数をＥｏ、ＳｉＮ膜９０３の厚さをＬｎの場合の吸光係数をＥｎ、堆積膜２０６の厚さをＬｄの場合の吸光係数をＥｄとすると、入射光１１５の強度であるＩｏと反射光９０１の強度であるＩとの比は（１）式で表される。

尚、ｌｏｇは常用対数でありＡは、吸光度である。

Ｌｄを求めるには予めＥｏ、Ｅｎ、Ｅｄをそれぞれ測定しておき、(１)式より算出してもよいが、ＳｉＯ₂膜のエッチング速度等のエッチングの進行状態と試料の断面を透過電子顕微鏡などで観察して求めた堆積膜２０６の厚さＬｄと測定される吸光度Ａの関係の校正曲線を作成して、この校正曲線からＬｄを求めてもよい。

(１)式において、マスクであるＳｉＮ膜９０３との選択比が高く、ＳｉＮ膜９０３の厚さLnがエッチング時間とともに変化しないと仮定した場合、時間とともに変化する値は堆積膜２０６の厚さＬｄだけになる。一方、ＳｉＮ膜９０３との選択比が低く、ＳｉＮ膜９０３の厚さが変わってしまう場合も、予め校正曲線を作ってＬｄを求める方法は差し支えなく使える。また、さらに精度を上げるためには干渉法と併用してこの方法で算出されるＳｉＮ膜９０３の厚さで(１)式を補正しながら堆積膜２０６の時間変化を求めればよい。

以上、実施例１および実施例２で上述した通り、本発明は、堆積性ガスを用いて被エッチング膜をプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、マスク上に堆積した堆積膜の膜厚を測定し、前記測定された堆積膜の膜厚と前記堆積膜の膜厚の目標値との差を求め、前記求められた差が許容値より大きい場合、前記求められた差が許容値内となるようにエッチングパラメータを制御しながら前記被エッチング膜をエッチングすることを特徴とする。

本発明により、フルオロカーボンガス、ＳｉＦ₄ガス等の堆積性ガスを用いたプラズマエッチングを行うプラズマ処理方法において、マスク上に堆積した堆積物の膜厚を制御することができるため、所望のエッチング形状を得ることができる。

また、実施例１および実施例２では、マイクロ波を用いたＥＣＲ方式のマイクロ波プラズマエッチング装置での適用例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、容量結合型、誘導結合型のプラズマ生成手段を用いたプラズマエッチング装置に適用しても良い。

さらに、実施例１では、被エッチング膜としてＳｉＯ₂膜を用いた例で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＳｉＮ膜、ＳｉＣ膜、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＯＮ膜等のフルオロカーボンガス、ＳｉＦ₄ガス等の堆積性ガスを用いてエッチングされる膜でも良い。

１０１・・・・プラズマ処理装置
１０２・・・・真空処理室
１０３・・・・試料台
１０４・・・・光源
１０５・・・・パージ室
１０６・・・・光学窓
１０７・・・・光ファイバー
１０８・・・・分光器
１０９・・・・膜厚測定器
１１０・・・・装置コントローラー
１１１・・・・マイクロ波電源
１１２・・・・プラズマ
１１３・・・・高周波電源
１１４・・・・試料
１１５・・・・入射光
１１６・・・・反射光
１１７・・・・光ファイバー
１１８・・・・分光器
１１９・・・・制御コントローラー
１２０・・・・プラズマ光
２０１・・・・Ｓｉ膜
２０２・・・・ＳｉＯ₂膜
２０３・・・・ＳｉＮ膜
２０４・・・・Ｓｉ基板
２０５・・・・スペース
２０６・・・・堆積膜
２０７・・・・反射光Ｒ₁
２０８・・・・反射光Ｒ₂
２０９・・・・反射光Ｒ₃
９０１・・・・反射光
９０２・・・・ＳｉＯ₂膜
９０３・・・・ＳｉＮ膜

Claims (4)

1. 堆積性ガスを用いて被エッチング膜をプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、
   前記被エッチング膜を有する試料の中心部とミドル部と外周部にてマスク上に堆積した堆積膜の膜厚をそれぞれ測定し、
   前記測定された中心部の堆積膜の膜厚と前記測定されたミドル部の堆積膜の膜厚と前記測定された外周部の堆積膜の膜厚のそれぞれと前記堆積膜の膜厚の目標値との差を求め、
   前記それぞれ求められた差の中で少なくとも一つの差が許容値より大きい場合、前記それぞれ求められた差の中で少なくとも一つの差が許容値内となるように、かつ、前記試料の面内均一性を改善するようにエッチングパラメータを制御しながら前記被エッチング膜をエッチングすることを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
   前記被エッチング膜のエッチング中のプラズマ発光を検出し、
   前記それぞれ求められた差の中で少なくとも一つの差が許容値内となるように、かつ、前記試料の面内均一性を改善するようにエッチングパラメータを制御する際の制御量を前記検出されたプラズマ発光に基づいて求めることを特徴とするプラズマ処理方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理方法において、
   光の吸収法を用いて前記堆積膜の膜厚を測定することを特徴とするプラズマ処理方法。
4. 請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理方法において、
   光の干渉法と光の吸収法を併用して前記堆積膜の膜厚を測定することを特徴とするプラズマ処理方法。