JP6587580B2 - エッチング処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は、エッチング処理方法に関する。
ハロゲン系のガスを用いてシリコン含有膜をエッチングする技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。これに対して、CH(メタン)ガスやCH(ジフルオロメタン)ガス等のハイドロカーボン系(CH系)のガスを使用してシリコン含有膜をエッチングすると、マスク選択比を上げることができる。このため、特にアスペクト比の大きい深いホールをエッチングする際にハイドロカーボン系のガスを用いることは有益である。
特表2010−500758号公報
しかしながら、ハイドロカーボン系のガスは堆積性のガスであるため、使用量が多くなるとマスクの間口に付着して該間口を閉塞させ、エッチングを困難にさせる場合がある。また、マスクの表面が荒れ、シリコン含有膜に形成されるホール等のエッチング形状を劣化させる場合がある。
上記課題に対して、一側面では、本発明は、マスク選択比を確保しつつ、シリコン含有膜のエッチングにおいてマスクの間口の閉塞を回避することを目的とする。
上記課題を解決するために、一の態様によれば、基板の温度が−35℃以下の極低温環境において、第1高周波電源から第1高周波の電力を出力し、第2高周波電源から前記第1高周波よりも低い第2高周波の電力を出力し、炭素、水素、及びフッ素を含有するガスからなるエッチングガスに、炭素原子数が3以上となるハイドロカーボンガスを添加してプラズマを生成し、シリコン酸化膜又は組成の異なるシリコン含有膜を積層した積層膜をエッチングする、エッチング処理方法が提供される。
一の側面によれば、マスク選択比を確保しつつ、シリコン含有膜のエッチングにおいてマスクの間口の閉塞を回避することができる。
一実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面を示す図。 比較例1に係るガスによるシリコン含有積層膜のエッチング結果の一例を示す図。 比較例2に係るガスによるシリコン含有積層膜のエッチング結果の一例を示す図。 第1実施形態に係るエッチング処理方法の一例を示すフローチャート。 第1実施形態に係るエッチング処理の結果の一例を示す図。 第2実施形態に係るエッチング処理方法の一例を示すフローチャート。 第2実施形態に係るエッチング処理の結果の一例を示す図。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
[プラズマ処理装置の全体構成]
まず、プラズマ処理装置1の一例について、図1を参照しながら説明する。本実施形態にかかるプラズマ処理装置1は、容量結合型の平行平板プラズマ処理装置であり、略円筒形の処理容器10を有している。処理容器10の内面には、アルマイト処理(陽極酸化処理)が施されている。処理容器10の内部は、プラズマによりエッチング処理や成膜処理等のプラズマ処理が行われる処理室となっている。
載置台20は、基板の一例であるウェハWを載置する。載置台20は、たとえばアルミニウム(Al)やチタン(Ti)、炭化ケイ素(SiC)等から形成されている。載置台20は下部電極としても機能する。
載置台20の上側には、ウェハWを静電吸着するための静電チャック106が設けられている。静電チャック106は、絶縁体106bの間にチャック電極106aを挟み込んだ構造になっている。チャック電極106aには直流電圧源112が接続されている。直流電圧源112からチャック電極106aに直流電圧が印加されると、クーロン力によってウェハWが静電チャック106に吸着される。
静電チャック106の外周側には、ウェハWの外縁部を囲うように円環状のフォーカスリング108が載置される。フォーカスリング108は、例えば、シリコンから形成され、処理容器10においてプラズマをウェハWの表面に向けて収束し、プラズマ処理の効率を向上させるように機能する。
載置台20の下側は、支持体104になっており、これにより、載置台20は処理容器10の底部に保持される。支持体104の内部には、冷媒流路104aが形成されている。チラー107から出力された例えば冷却水やブライン等の冷却媒体(以下、「冷媒」ともいう。)は、冷媒入口配管104b、冷媒流路104a、冷媒出口配管104cと流れ、循環する。このようにして循環する冷媒により、載置台20は抜熱され、冷却される。
伝熱ガス供給源85は、ヘリウムガス(He)やアルゴンガス(Ar)等の伝熱ガスをガス供給ライン130に通して静電チャック106上のウェハWの裏面に供給する。かかる構成により、静電チャック106は、冷媒流路104aに循環させる冷媒と、ウェハWの裏面に供給する伝熱ガスとによって温度制御される。この結果、ウェハWを所定の温度に制御することができる。
載置台20には、2周波重畳電力を供給する電力供給装置30が接続されている。電力供給装置30は、第1周波数のプラズマ生成用の高周波電力HF(第1高周波電力)を供給する第1高周波電源32を有する。また、電力供給装置30は、第1の周波数よりも低い第2周波数の、バイアス電圧発生用の高周波電力LF(第2高周波電力)を供給する第2高周波電源34を有する。第1高周波電源32は、第1整合器33を介して載置台20に電気的に接続される。第2高周波電源34は、第2整合器35を介して載置台20に電気的に接続される。第1高周波電源32は、例えば、40MHzの高周波電力HFを載置台20に印加する。第2高周波電源34は、例えば、13.56MHzの高周波電力LFを載置台20に印加する。なお、本実施形態では、第1高周波電力は載置台20に印加されるが、ガスシャワーヘッド25に印加されてもよい。
第1整合器33は、第1高周波電源32の内部(または出力)インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させる。第2整合器35は、第2高周波電源34の内部(または出力)インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させる。第1整合器33は、処理容器10内にプラズマが生成されているときに第1高周波電源32の内部インピーダンスと負荷インピーダンスとが見かけ上一致するように機能する。第2整合器35は、処理容器10内にプラズマが生成されているときに第2高周波電源34の内部インピーダンスと負荷インピーダンスとが見かけ上一致するように機能する。
ガスシャワーヘッド25は、その外縁部を被覆するシールドリング40を介して処理容器10の天井部の開口を閉塞するように取り付けられている。ガスシャワーヘッド25には、可変直流電源70が接続され、可変直流電源70から負のDC(直流電圧)が出力される。ガスシャワーヘッド25は、シリコンにより形成されてもよい。ガスシャワーヘッド25は、載置台20(下部電極)に対向する対向電極(上部電極)としても機能する。
ガスシャワーヘッド25には、ガスを導入するガス導入口45が形成されている。ガスシャワーヘッド25の内部にはガス導入口45から分岐したセンター側の拡散室50a及びエッジ側の拡散室50bが設けられている。ガス供給源15から出力されたガスは、ガス導入口45を介して拡散室50a、50bに供給され、拡散室50a、50bにて拡散されて多数のガス供給孔55から載置台20に向けて導入される。
処理容器10の底面には排気口60が形成されており、排気口60に接続された排気装置65によって処理容器10内が排気される。これにより、処理容器10内を所定の真空度に維持することができる。処理容器10の側壁にはゲートバルブGが設けられている。ゲートバルブGは、処理容器10からウェハWの搬入及び搬出を行う際に開閉する。
プラズマ処理装置1には、装置全体の動作を制御する制御部100が設けられている。制御部100は、CPU(Central Processing Unit)105、ROM(Read Only Memory)110及びRAM(Random Access Memory)115を有している。CPU105は、RAM115等の記憶領域に格納されたレシピに従って、エッチング等の所望の処理を実行する。レシピにはプロセス条件に対する装置の制御情報であるプロセス時間、圧力(ガスの排気)、高周波電力や電圧、各種ガス流量、処理容器内温度(上部電極温度、処理容器の側壁温度、ウェハW温度、静電チャック温度等)、チラー107から出力される冷媒の温度などが記載されている。なお、これらのプログラムや処理条件を示すレシピは、ハードディスクや半導体メモリに記憶されてもよい。また、レシピは、CD−ROM、DVD等の可搬性のコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体に収容された状態で所定位置にセットされ、読み出されるようにしてもよい。
プラズマ処理が実行される際には、ゲートバルブGの開閉が制御され、ウェハWが処理容器10に搬入され、載置台20に載置される。直流電圧源112からチャック電極106aに直流電圧が印加されると、ウェハWが静電チャック106に吸着され、保持される。
ガス供給源15から処理容器10内に処理ガスが供給される。第1高周波電源32から載置台20に第1高周波電力が印加され、第2高周波電源34から載置台20に第2高周波電力が印加される。可変直流電源70から負のDC(直流電圧)がガスシャワーヘッド25に印加される。これにより、ウェハWの上方にプラズマが生成され、プラズマの作用によりウェハWにプラズマ処理が施される。
プラズマ処理後、直流電圧源112からチャック電極106aにウェハWの吸着時とは正負が逆の直流電圧が印加され、ウェハWの電荷が除電される。これにより、ウェハWは、静電チャック106から剥がされ、ゲートバルブGから処理容器10の外部に搬出される。以上に説明したプラズマ処理装置1を使用して、ガス供給源15から所定のエッチングガスを供給し、極低温におけるエッチング処理が実行される。
[極低温におけるエッチング:比較例1]
以下では、本実施形態に係るエッチング処理方法を説明する前に、比較例に係るエッチング処理の結果の一例について説明する。図2に示す比較例1は、エッチングガスとしてメタン(CH)ガス及び四フッ化炭素(CF)ガスを含むガスを使用した場合のエッチング結果の一例を示す。
比較例1では、以下のプロセス条件にてシリコン酸化膜(SiO)とシリコン窒化膜(SiN)とを積層させた積層膜12がエッチングされる。積層膜12は、シリコン含有膜の一例である。比較例1のプロセス条件は以下である。積層膜12の上部にはマスクとして機能する有機膜11が形成されている。
・プロセス条件
ウェハ温度 −40℃以下
ガス CF/CH/O
第1高周波電力HF 2500W、連続波
第2高周波電力LF 6000W、連続波
図2(a)〜図2(e)では、CFとCHとの総流量は変えずに、CFとCHとの分圧(流量比)を変えるように制御される。図2(a)ではCFとCHとの分圧は19:4であり、図2(b)ではCFとCHとの分圧は17:6である。図2(c)ではCFとCHとの分圧は16:7であり、図2(d)ではCFとCHとの分圧は15:8である。図2(e)では、CFとCHとの分圧は13:10である。つまり、図2(a)から順に徐々にCFに対するCHの分圧を上げるように制御される。なお、Oガスの流量は一定に制御される。供給するガスにOガスが含まれるのは、CF及びCHガスに含まれるカーボンが増えるとマスクの間口が閉塞するため、これを避けるためである。
図2(a)〜図2(e)のそれぞれは、有機膜11をマスクとして積層膜12をエッチングしたときのホールの縦断面のエッチング形状と、有機膜11を上方から見たときの有機膜11の間口の形状を示す。また、エッチングの深さ(Depth)とマスク選択比とエッチングレート(ER)の数値が示されている。
図2の結果によれば、CFに対するCHの分圧を上げるとエッチングの深さ(Depth)とエッチングレート(ER)とを維持しつつ、有機膜11の残膜が増え、マスク選択比が向上する。一方、有機膜11の表面が荒れ、有機膜11の間口の形状が悪化する。表面荒れが悪化すると、本来のマスクパターンを積層膜12に転写することが困難になる。
[極低温におけるエッチング:比較例2]
比較例2では、以下のプロセス条件にて積層膜12がエッチングされる。比較例2のプロセス条件は以下である。図3に示す比較例2は、エッチングガスとして六フッ化硫黄(SF)ガス及び水素(H)ガスを含むガスを使用した場合のエッチング結果の一例を示す。
・プロセス条件
ウェハ温度 −40℃以下
ガス SF/H(CH系ガスの添加の有無)
第1高周波電力HF 2500W、連続波
第2高周波電力LF 4000W、連続波
図3(a)では、SFガス及びHガスにCH系ガスを添加しない。図3(b)では、SFガス及びHガスにCHFガスを添加する。図3(c)では、SFガス及びHガスにCHガスを添加する。
図3(a)〜図3(c)の結果によれば、図3(b)に示すSF及びHガスにCHFガスを添加した場合及び図3(c)に示すCHガスを添加した場合には、図3(a)に示すSF及びHガスのみを供給した場合よりも、有機膜11の残膜が増え、マスク選択比が向上する。また、有機膜11の表面の荒れが抑制されるが、有機膜11の間口が閉塞する傾向にある。
[極低温におけるエッチング:第1実施形態]
次に、第1実施形態に係るエッチング処理方法の一例について、図4を参照して説明する。図4は、第1実施形態にかかるエッチング処理方法の一例を示すフローチャートである。
図4の処理が開始されると、まず、制御部100は、例えば、チラー107の冷媒(ブライン)の温度を−60℃〜−70℃に設定することで、ウェハWの温度を−35℃以下に制御する(ステップS10)。次に、制御部100は、第1高周波電源32から第1高周波電力HFを出力し、第2高周波電源34から第2高周波電力LFを出力するように制御する(ステップS12)。
次に、制御部100は、炭素、水素及びフッ素を含有するエッチングガスに、炭素原子が3以上となるハイドロカーボンガスを添加して供給するように制御する(ステップS14)。これにより、供給されたガスからプラズマが生成される。次に、制御部100は、プラズマの作用により積層膜12をエッチングさせ(ステップS16)、本処理を終了する。
以上の第1実施形態に係るエッチング処理方法を、次のプロセス条件に基づき実行した結果を図5に示す。ここでは、炭素、水素及びフッ素を含有するエッチングガスとしてCF/CH/Oガスが供給される。また、エッチングガスに添加する炭素原子が3以上となるハイドロカーボンガスとしてC(プロピレン)ガスが添加される。
・プロセス条件
ウェハ温度 −40℃以下
ガス CF/CH/O(Cガスの添加の有無)
第1高周波電力HF 2500W、連続波
第2高周波電力LF 6000W、連続波
図5(a)は、CFとCHとOガスとにCガスを添加しなかった場合のエッチング結果を示し、図5(b)及び図5(c)は、CFとCHとOガスとにCガスを添加した場合のエッチング結果を示す。図5(b)では、CHガスとCガスとの分圧(流量比)は、5:1であり、全体流量に対するCガスの添加割合は3%である。図5(c)では、CHガスとCガスとの分圧は、2:1であり、全体流量に対するCガスの添加割合は7%である。
この結果によれば、図5(b)に示すCガスを3%添加した場合及び図5(c)に示すCガスを7%添加した場合には、図5(a)に示すCガスを添加しない場合と比較して、有機膜11の残膜が増え、マスク選択比が向上している。また、Cガスを添加しない場合のエッチングの深さ(Depth)とエッチングレート(ER)とを維持しつつ、有機膜11の表面の荒れが少なく、有機膜11の間口の形状が良好に維持されている。これにより、良好なエッチング形状のホールが形成されている。
以上に説明したように、第1実施形態にかかるエッチング処理方法は、炭素、水素及びフッ素を含有するエッチングガスに炭素原子が3以上となるハイドロカーボンガスを添加して供給する。これによれば、積層膜12のエッチングにおいて、マスク選択比を上げることができる。また、有機膜11の間口の閉塞を回避し、良好なエッチング形状を得ることができる。
なお、CFとCHとOガスの混合ガスに添加するCガスの流量は、総流量の10%以下であることが好ましい。総流量の10%を超える量のCガスを前記混合ガスに添加すると、マスクである有機膜11の間口が閉塞される傾向に向かうか又は完全に閉塞され、良好なエッチング形状が得られなくなるためである。
[極低温におけるエッチング:第2実施形態]
次に、第2実施形態に係るエッチング処理の一例について、図6を参照して説明する。図6は、第2実施形態にかかるエッチング処理の一例を示すフローチャートである。
図6の処理が開始されると、まず、制御部100は、チラーを−60℃に制御することで、ウェハの温度を−35℃以下に制御する(ステップS20)。次に、制御部100は、第1高周波電源32から第1高周波電力HFを出力し、第2高周波電源34から第2高周波電力LFを出力するように制御する(ステップS22)。
次に、制御部100は、水素、硫黄及びフッ素を含有するエッチングガスに、炭素原子が3以上となるハイドロカーボンガスを添加して供給するように制御する(ステップS24)。これにより、供給されたガスからプラズマが生成される。次に、制御部100は、プラズマの作用により積層膜12のエッチングを制御し(ステップS26)、本処理を終了する。
以上の第2実施形態に係るエッチング処理方法を、次のプロセス条件に基づき実行した結果を図7に示す。ここでは、水素、硫黄及びフッ素を含有するエッチングガスとしてSF及びHガスが供給される。また、エッチングガスに添加する炭素原子が3以上となるハイドロカーボンガスとしてCガスが添加される。
・プロセス条件
ウェハ温度 −40℃以下
ガス SF/H(Cガスの添加の有無)
第1高周波電力HF 2500W、連続波
第2高周波電力LF 6000W、連続波
図7(a)は、SF及びHガスにCガスを添加しなかった場合のエッチング結果を示し、図7(b)は、SF及びHガスにCガスを添加した場合のエッチング結果を示す。図7(b)では、ガスの全体流量に対するCガスの添加割合は7%である。
この結果によれば、図7(b)に示すCガスを7%添加した場合には、図7(a)に示すCガスを添加しない場合と比較して、有機膜11の残膜が増え、マスク選択比が向上している。また、Cガスを添加しない場合のエッチングの深さとエッチングレートとを維持しつつ、有機膜11の表面の荒れが少なく、有機膜11の間口の形状が良好に維持されている。これにより、良好なエッチング形状のホールが形成されている。
以上に説明したように、第2実施形態にかかるエッチング処理方法は、水素、硫黄及びフッ素を含有するエッチングガスに炭素原子が3以上となるハイドロカーボンガスを添加して供給する。これによれば、積層膜12のエッチングにおいて、マスク選択比を上げることができる。また、有機膜11の間口の閉塞を回避し、良好なエッチング形状を得ることができる。
なお、SF/Hガスに添加するC3H6ガスの流量は、総流量の10%以下であることが好ましい。総流量の10%を超える量のCガスを前記混合ガスに添加すると、マスクである有機膜11の間口が閉塞される傾向に向かうか又は完全に閉塞され、良好なエッチング形状が得られなくなるためである。
以上、エッチング処理方法を上記実施形態により説明したが、本発明にかかるエッチング処理方法は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
例えば、水素、硫黄及びフッ素を含有するエッチングガスに添加するガスは、上記で例示したガスに限らず、炭素原子間の二重結合を1つ持つハイドロカーボンガスであればよい。同様に、炭素、水素及びフッ素を含有するエッチングガスに添加するガスは、上記で例示したガスに限らず、炭素原子間の二重結合を1つ持つハイドロカーボンガスであればよい。添加するハイドロカーボンガスの一例としては、C(プロピレン)ガス及びC(ブテン)ガスが挙げられる。
また、エッチング対象膜は、SiOとSiNとの積層膜12に限定されず、SiOのみの単層膜であってもよい。また、SiOとSiNとの積層膜12は、組成の異なるシリコン含有膜を積層した積層膜の一例であり、これに限定されず、例えば、ポリシリコンとSiOとの積層膜であってもよい。
また、本発明に係るエッチング処理方法は、図1の容量結合型プラズマ(CCP:Capacitively Coupled Plasma)装置だけでなく、その他のプラズマ処理装置に適用可能である。その他のプラズマ処理装置としては、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)処理装置、ラジアルラインスロットアンテナを用いたプラズマ処理装置、ヘリコン波励起型プラズマ(HWP:Helicon Wave Plasma)装置、電子サイクロトロン共鳴プラズマ(ECR:Electron Cyclotron Resonance Plasma)装置等であってもよい。
本明細書では、エッチング対象の基板として半導体ウェハWについて説明したが、これに限らず、LCD(Liquid Crystal Display)、FPD(Flat Panel Display)等に用いられる各種基板や、フォトマスク、CD基板、プリント基板等であっても良い。
また、本発明のエッチング処理方法は、例えばアスペクト比が20以上の3D NANDフラッシュメモリ等の三次元積層半導体メモリの製造において、プラズマを用いて組成の異なるシリコン含有膜を積層した積層膜に深穴や深溝を形成するエッチング工程に好適である。このエッチング工程では、例えば16層や32層に積層された前記積層膜のすべての膜を貫通し、下地膜まで連通するための穴や溝を形成するため、特に本発明のエッチング処理方法は有益である。
1 プラズマ処理装置
10 処理容器
11 有機膜
12 積層膜
15 ガス供給源
20 載置台
25 ガスシャワーヘッド
32 第1高周波電源
34 第2高周波電源
65 排気装置
70 可変直流電源
100 制御部
104 支持体
104a 冷媒流路
106 静電チャック
108 フォーカスリング

Claims (5)

  1. 基板の温度が−35℃以下の極低温環境において、第1高周波電源から第1高周波の電力を出力し、第2高周波電源から前記第1高周波よりも低い第2高周波の電力を出力し、
    炭素、水素、及びフッ素を含有するガスからなるエッチングガスに、炭素原子数が3以上となるハイドロカーボンガスを添加してプラズマを生成し、シリコン酸化膜又は組成の異なるシリコン含有膜を積層した積層膜をエッチングし、
    前記エッチングガスに含まれるCH ガスに対して添加される前記ハイドロカーボンガスの流量比が1/5以上であり、前記エッチングガスと前記ハイドロカーボンガスの全体流量に対する前記ハイドロカーボンガスの添加割合が3%以上である、
    エッチング処理方法。
  2. 基板の温度が−35℃以下の極低温環境において、第1高周波電源から第1高周波の電力を出力し、第2高周波電源から前記第1高周波よりも低い第2高周波の電力を出力し、
    水素、硫黄、及びフッ素を含有するガスからなるエッチングガスに、炭素原子数が3以上となるハイドロカーボンガスを添加してプラズマを生成し、シリコン酸化膜又は組成の異なるシリコン含有膜を積層した積層膜をエッチングする、
    エッチング処理方法。
  3. 炭素原子間の二重結合を1つ持つハイドロカーボンガスである、
    請求項1又は2に記載のエッチング処理方法。
  4. 前記ハイドロカーボンガスはプロピレンである、
    請求項1〜3のいずれか一項に記載のエッチング処理方法。
  5. 前記ハイドロカーボンガスの添加量は総流量の10%以下である、
    請求項3又は4に記載のエッチング処理方法。
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