JP7320136B2 - プラズマ処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマ処理方法に関する。
近年、半導体デバイス、例えば、電子機器などに使用されるMOS FET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)デバイスの微細化に伴い、ゲート酸化膜の厚さは、一般的には2nm以下であることが要求される。そのため、エッチング形状の垂直性が厳しく要求され、エッチング加工の制御性の向上が必要となっている。
特に、ゲートラスト方式のHigh-k/メタルゲート形成において、メタル膜(TiN)を裾引きなく、すなわち底面フラットにエッチング加工することは、良質な半導体デバイスを製造するために必要な技術となっている。
TiN膜を垂直に加工する技術として、特許文献1に、四フッ化メタン(CF4)と酸素(O2)を混合したプラズマを用いて、バイアスを印加せずに縦方向へのエッチングを抑制し、横方向へエッチングする方法が開示されている。
また、特許文献2には、プラズマ生成電力と高周波バイアスをパルス変調させることで、エッチング加工精度を向上させる方法が開示されている。
エッチング処理後の側壁近傍の底面上に、「裾引き」と称されるテーパ形状が生じる原因の一つとして、電子シェーディング現象が挙げられる。電子シェーディング現象とは、プラズマを用いたエッチング処理中に、高周波バイアスによりプラズマ中のイオンを引き込むことで、イオンはウェハに垂直に入射するのに対し、電子は高周波バイアスによる引き込みの影響を受けないため等方的に運動し、ゲート側壁のような酸化膜に帯電することで発生する現象である。この現象により、側壁部分にイオンが集中するため、エッチングが進行するにつれて裾引きが残ってしまうこととなる。
特に、近年の半導体デバイスの微細化によりゲート幅が狭くなり、それによりイオンの侵入が困難になり、裾引きが起こりやすくなっている。
このような課題に対し、特許文献1に記載された従来技術によれば、酸素(O2)と四フッ化メタン(CF4)を混合したガスプラズマで、処理圧力を高く、ウェハ制御温度も高く、かつバイアス高周波電力を与えないことで、横方向へエッチングし裾引きの改善を行っている。
しかし、更なる半導体素子の微細化に対応したエッチング加工への厳格な制御性を確保するという観点からは、以下の理由により特許文献1の技術では不十分である。すなわち、かかる従来技術では、ガスプラズマによるドライエッチングを行っているため、プラズマ中のイオンによるイオンボンバードメント効果により、縦方向のエッチング量を0に抑えることができず、加工底面がフラットになりにくく、かつ裾引きが残ってしまうという問題がある。
さらに縦方向へのエッチングを抑制するため、特許文献2において、プラズマ生成電力と高周波バイアスをパルス変調させることで、堆積とエッチングを制御し、エッチング加工精度を向上させる技術が提案されている。
しかし、この技術によれば、プラズマ中の堆積ガスとエッチングガスの分布により、ウェハ面内の堆積とエッチングの分布が変わってしまうため、ウェハ面内で形状の差が発生してしまい、裾引きが改善している箇所と改善していない箇所が生じてしまうという問題がある。
本発明は、縦方向へのエッチングを抑制しつつ、フラットなエッチング加工を実現できるプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、代表的な本発明にかかるプラズマ処理方法の一つは、メタルゲートを構成し両側が絶縁膜に接する窒化チタン(TiN)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、
三塩化ホウ素(BCl3)ガスと窒素(N2)ガスと三フッ化窒素(NF3)ガスの混合ガスを用いて生成されるとともにパルスにより変調された高周波電力によって生成されたプラズマを用いて前記窒化チタン(TiN)膜をエッチングする工程を有し、
前記パルスは、振幅が第一の振幅である第一の期間と振幅が第二の振幅である第二の期間を有し、
前記第二の振幅は、0より大きいとともに前記第一の振幅より小さいことにより達成される。
三塩化ホウ素(BCl3)ガスと窒素(N2)ガスと三フッ化窒素(NF3)ガスの混合ガスを用いて生成されるとともにパルスにより変調された高周波電力によって生成されたプラズマを用いて前記窒化チタン(TiN)膜をエッチングする工程を有し、
前記パルスは、振幅が第一の振幅である第一の期間と振幅が第二の振幅である第二の期間を有し、
前記第二の振幅は、0より大きいとともに前記第一の振幅より小さいことにより達成される。
代表的な本発明にかかるプラズマ処理方法の一つは、メタルゲートを構成し両側が絶縁膜に接する窒化チタン(TiN)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、
三塩化ホウ素(BCl3)ガスと窒素(N2)ガスと六フッ化硫黄(SF6)ガスの混合ガスを用いて生成されるとともにパルスにより変調された高周波電力によって生成されたプラズマを用いて前記窒化チタン(TiN)膜をエッチングする工程を有し、
前記パルスは、振幅が第一の振幅である第一の期間と振幅が第二の振幅である第二の期間を有し、
前記第二の振幅は、0より大きいとともに前記第一の振幅より小さいことにより達成される。
三塩化ホウ素(BCl3)ガスと窒素(N2)ガスと六フッ化硫黄(SF6)ガスの混合ガスを用いて生成されるとともにパルスにより変調された高周波電力によって生成されたプラズマを用いて前記窒化チタン(TiN)膜をエッチングする工程を有し、
前記パルスは、振幅が第一の振幅である第一の期間と振幅が第二の振幅である第二の期間を有し、
前記第二の振幅は、0より大きいとともに前記第一の振幅より小さいことにより達成される。
本発明によれば、縦方向へのエッチングを抑制しつつ、フラットなエッチング加工を実現できるプラズマ処理方法を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
最初に、本発明のプラズマ処理方法を実施するためのプラズマエッチング装置(プラズマ処理装置)の一例について説明する。
最初に、本発明のプラズマ処理方法を実施するためのプラズマエッチング装置(プラズマ処理装置)の一例について説明する。
図1に、プラズマエッチング装置の概略構成を示す。内部が処理室を構成する真空容器101は、例えば、アルミニウムなどの導電材料で製作された円筒状の容器であり、電気的に設置(アース)されている。真空容器101の上部開口は、電磁波が透過可能な材質、例えば石英からなる天板102で封止されている。真空容器101の下部中央部には、処理室内部を所定圧力に減圧排気するターボ分子ポンプ103と、これに接続されたドライポンプ104が配置されている。天板102の上部に配設された導波管105が、整合器106を介してプラズマ生成用の高周波電源(以下、プラズマ電源107という)に接続されている。プラズマ電源107は、制御装置115に接続される。
プラズマ電源107は、2.45GHzのマイクロ波を発振する。発振されたマイクロ波は、整合器106を通過して導波管105を伝搬し、天板102を介して真空容器101内に導入される。真空容器101の外側には、真空容器101内に磁場を形成するためのソレノイドコイル108が配置されている。天板102の下方における真空容器101の上部には、シャワープレート109が設けられ、真空容器101の天板102とシャワープレート109との間に、ガス供給装置110につながる配管が接続される。
ガス供給装置110から、天板102とシャワープレート109との間の空間に処理ガスが供給され、シャワープレート109を介して真空容器101内に形成される処理室内に処理ガスが供給される。真空容器101内には、試料台111が設けられ、図示を省略したウェハ搬入口よりウェハが搬入され、試料台111上に配置・保持される。試料台111には、バイアス整合器113を介してバイアス用高周波電源114が接続されている。バイアス用高周波電源114は、制御装置115に接続される。
上述のように構成されたプラズマエッチング装置において、真空容器101内に供給された処理ガスが、天板102を介して導入されたマイクロ波の電界と、ソレノイドコイル108により形成された磁界との作用(例えば、電子サイクロトロン共鳴:Electron Cyclotron Resonance(ECR))によってプラズマ化され、シャワープレート109と試料台111との間の空間にプラズマが形成される。プラズマが形成される位置は、磁場強度が875Gaussの面付近であり、その面はECR面と呼ばれている。
また、本実施形態のプラズマエッチング装置では、電磁波が透過可能な材質、例えば、石英からなるイオン遮蔽板112が、真空容器101の内部を、真空容器上部領域101-1と真空容器下部領域101-2とに分割している。このため、イオン遮蔽板112の上部である真空容器上部領域101-1にプラズマを生成することができれば、イオン遮蔽板112によりイオンが遮蔽されるので、ラジカルのみで試料を処理することが可能となる。本実施形態では、プラズマにより生成されたイオンを遮蔽しながら窒化チタン(TiN)膜をエッチングすることができる。
プラズマが形成される位置は、ソレノイドコイル108により制御可能である。また、イオン遮蔽板112は、電磁波を透過可能な材質で構成されているため、真空容器下部領域101-2にECR面が形成されるようにソレノイドコイル108を制御することで、通常のプラズマによるドライエッチングも可能である。
真空容器下部領域101-2でプラズマを形成しドライエッチングを行う場合、試料台111にはバイアス整合器113を介してバイアス用高周波電源114から高周波電力が印加される。試料台111に印加される高周波電力は、プラズマの生成とは独立に制御され、プラズマ中のイオンをウェハに入射させるバイアス電圧を生じさせる。
プラズマ電源107およびバイアス用高周波電源114は、制御装置115により出力制御が行われる。
次に、本実施形態で処理する被処理体であるウェハの構造及びプラズマエッチング方法について説明する。
本実施形態のプラズマエッチング方法は、少なくとも三塩化ホウ素(BCl3)と、窒素(N2)と、三フッ化窒素(NF3)とを、混合ガスとして処理室に供給する第1工程と、高周波電源から処理室にマイクロ波パワーを供給する第2工程とを有する。なお、三フッ化窒素(NF3)の代わりに、六フッ化硫黄(SF6)を供給することもできる。
図2は、本実施形態で用いたウェハの膜構造を拡大して示す断面図である。メタル膜であるTiN膜201の周りに層間絶縁膜、例えば、酸化膜202が形成されている。図2の上方から、メタルゲートを構成し両側が絶縁膜に接するTiN膜をフラットにエッチングするには、TiN膜を酸化膜に対して、選択的にエッチングする必要がある。
図3は、比較例および本実施形態のエッチング方法で、エッチング処理した時のウェハの膜構造を示した断面図である。まず、比較例では、プラズマ中のイオンにより側壁方向へエッチングをしているため、僅かながら中央の深さ方向へエッチングが進行し(図3(a))、エッチング面をフラットに加工することが困難である。
これに対し、本実施形態においては、パルス変調された高周波電力により生成されたプラズマによって前記窒化チタン(TiN)膜をエッチングする工程において、プラズマ電源107を制御することにより、イオンの存在しないラジカルを生成し、堆積とエッチングを制御して、ハイ区間とロー区間が等しくなるようマイクロ波パワーを設定する。このため図3(b)に示すようなフラットな形状を得ることができる。
図4の表を用いて、本実施形態のエッチング方法における好適な処理条件を説明する。処理室内に、アルゴン(Ar)を75ml/min、三塩化ホウ素(BCl3)を40ml/min、窒素(N2)を50ml/min、三フッ化窒素(NF3)を13ml/minで供給し、プラズマ電源107からマイクロ波パワーを、第1の電力(高マイクロパワー1)である1100Wと、0Wより大きい第2の電力(低マイクロパワー2)である300Wで矩形波状にパルス変調を行いつつ供給する。その際のパルス変調の繰り返し周波数を100Hz、デューティ比を50%とした。ここで、パルスは、振幅が第一の振幅(1100W)である第一の期間と振幅が第二の振幅(300W)である第二の期間を有し、前記第二の振幅は、0より大きいとともに前記第一の振幅より小さい。
図5は、TiN膜のエッチングレートのマイクロ波パワー依存性の一例を示す図であり、縦軸にエッチングレートをとり、横軸にプラズマ電源107から与えられるマイクロ波パワーをとって示している。なお、本明細書中、エッチングレートが負になるときに堆積が進行し、エッチングレートが正になるときエッチングが進行するものとする。ここでは、三塩化ホウ素(BCl3)と窒素(N2)と三フッ化窒素(NF3)の混合ガスを使用した例を示す。
図5の例では、プラズマ電源107から与えられるマイクロ波パワーを変化させたとき、凡そ800Wを境界値として、TiN膜に対して堆積が行われるパワー領域と、エッチングが行われるパワー領域が切り替わることがわかる。
堆積が行われるパワー領域(第一の期間)では、三塩化ホウ素(BCl3)の解離が促進し、窒素(N2)との反応が進むため、BN系の堆積膜が形成される。一方で、エッチングが行われるパワー領域(第二の期間)では、三塩化ホウ素(BCl3)の解離が抑制され、BN系堆積膜の形成が減少するため、三フッ化窒素(NF3)によるエッチングが進行する。すなわち、マイクロ波パワーを変更することにより三塩化ホウ素(BCl3)の解離を制御することで、堆積とエッチングを任意に切り替えることができる。
また、本発明者の研究によれば、プラズマ電源107からのパルス変調されたマイクロ波パワーの繰り返し周波数により、適切な堆積とエッチングを行えることも判明した。
なお、例えば三塩化ホウ素(BCl3)の流量を50ml/minに増加させるとTiN膜のエッチングレートのマイクロ波パワー依存性が変化する。具体的には、BCl3の流量を50ml/min増加させると、堆積とエッチングが切り替わるマイクロ波パワーが、600Wを境界値として変化することもわかっている。すなわち、マイクロ波パワーと三塩化ホウ素(BCl3)の流量を制御することで、堆積とエッチングを切り換えることができる。したがって、堆積とエッチングを切り換えるマイクロ波パワーの境界値は、例えば500W~900Wであると好ましい。
図6、7は、マイクロ波パワーの繰り返し周波数と、堆積とエッチングの関係を示す図である。本実施形態によれば、例えば裾引きが生じたメタル膜に対して、ラジカルによる堆積とエッチングとを繰り返し行うことで、裾引きが抑制されたフラットな面を形成することができる。
図6(a)に示すタイムチャートは、繰り返し周波数100Hz、デューティ比50%でマイクロ波パワーのパルス変調を行った例を示す。図6(a)の例では、高いマイクロ波パワーと低いマイクロ波パワーの間隔がそれぞれ5m秒である。このため、高いマイクロ波パワーの区間では、図6(b)に模式的に示すように、BN系デポジションラジカル203により特に中央付近への堆積が充分に行われる。また、低いマイクロ波パワーの区間では、図6(c)に模式的に示すように、エッチングラジカルにより縦方向へのエッチングを抑制し、エッチング深さを変えることなく、酸化膜202の壁近傍の隅部に形成された裾引き部分のみエッチングすることができる。これにより、エッチング深さを変えることなく、裾引きの部分のみをエッチングすることができ、それによりTiN膜201をフラットな形状にエッチングすることができる。
これに対し、図7(a)に示すタイムチャートは、繰り返し周波数1000Hz、デューティ比50%マイクロ波パワーのパルス変調を行った例を示す。図7(a)の例では、高いマイクロ波パワーと低いマイクロ波パワーの間隔が、0.5m秒と非常に短時間である。このため、高いマイクロ波パワーの区間において、図7(b)に模式的に示すように、BN系デポジションラジカル203とエッチングラジカル204とが共存し、堆積が抑制されることで、充分な堆積が行われる前に低マイクロ波パワーに切り変わってしまう。このため、低いマイクロ波パワーの区間において、図7(c)に模式的に示すように、エッチングラジカル204によってエッチングが深さ方向に進行し、且つ裾引きを取り除くことができない可能性がある。
そこで、パルスの繰り返し周波数は、堆積が充分に行われるように、500Hz以下に設定すると好ましく、さらに100Hz以下に設定するとより好ましい。
図8は、TiN膜に対し、高いマイクロ波パワーの区間に処理した際のウェハ各部のエッチングレートを示す図であり、ウェハ中心を0としている。ここでは図4に示すガス種に対して、堆積が起こるマイクロ波パワーの1100Wで処理を行った。図8のエッチングレートによれば、ウェハ面内のいずれにおいても負値が略等しいため、堆積の均一性が良好であることがわかった。
一般的に、プラズマによる堆積を行おうとすると、プラズマ中のデポジション系のガスは、通常はプラズマの中心部に集中する。したがってウェハ面内の堆積分布も、ウェハの中心部に堆積が集中し、ウェハの外縁部の堆積が少なくなってしまう。その理由は、プラズマを構成する粒子がイオンと電子であるから、静電的な作用により、イオンと電子の移動が制限されてしまうためである。そのため、一般的にはプラズマの分布を、処理室の圧力やマイクロ波パワーなど様々なパラメータで制御している。
しかし、本実施形態では、イオンがほとんど存在しない中、ラジカルで処理を行っており、電気的に中性であるラジカルは静電的な作用を受けることがないため、プラズマに対して、空間中の移動度が良好となる。そのため、ラジカルが処理室内に均一に分布し、ウェハ面内の堆積の均一性も向上する。
図9は、TiN膜に対し、低いマイクロ波パワーの区間に処理した際のウェハ各部のエッチングレートを示す図であり、同様にウェハ中心を0としている。ここでは図4に示すガス種に対して、エッチングが起こるマイクロ波パワーの300Wで処理を行った。図9のエッチングレートによれば、図8の結果と同様に、ウェハ面内のいずれにおいても正値が略等しいため、ウェハ面内のエッチングの均一性が良好である事がわかった。この理由も、電気的に中性であるラジカルで処理を行っているためである。
このことから、プラズマ電源107の制御下で、ラジカルで処理を行うことで、ウェハ面内において、略等しいレートで堆積とエッチングを行うことが可能である。「略等しいレート」とは、堆積のレートとエッチングのレートの絶対値の差が、エッチングのレートの1/10以下であることを言う。
また、堆積が充分に行われる周波数であれば、エッチングレートの負値と正値の絶対値が略等しくなるマイクロ波パワー設定でなくても、デューティ比を制御することでエッチングレートの負値と正値の絶対値を略等しくすることが可能である。
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、上記以外の様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
101 真空容器
102 天板
103 ターボ分子ポンプ
104 ドライポンプ
105 導波管
106 整合器
107 プラズマ電源
108 ソレノイドコイル
109 シャワープレート
110 ガス供給装置
111 試料台
112 イオン遮蔽板
113 バイアス整合器
114 バイアス用高周波電源
115 制御装置
201 TiN膜
202 酸化膜
203 BN系デポジションラジカル
204 エッチングラジカル
102 天板
103 ターボ分子ポンプ
104 ドライポンプ
105 導波管
106 整合器
107 プラズマ電源
108 ソレノイドコイル
109 シャワープレート
110 ガス供給装置
111 試料台
112 イオン遮蔽板
113 バイアス整合器
114 バイアス用高周波電源
115 制御装置
201 TiN膜
202 酸化膜
203 BN系デポジションラジカル
204 エッチングラジカル
Claims (5)
- メタルゲートを構成し両側が絶縁膜に接する窒化チタン(TiN)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、
三塩化ホウ素(BCl3)ガスと窒素(N2)ガスと三フッ化窒素(NF3)ガスの混合ガスを用いて生成されるとともにパルスにより変調された高周波電力によって生成されたプラズマを用いて前記窒化チタン(TiN)膜をエッチングする工程を有し、
前記パルスは、振幅が第一の振幅である第一の期間と振幅が第二の振幅である第二の期間を有し、
前記第二の振幅は、0より大きいとともに前記第一の振幅より小さいことを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項1に記載のプラズマ処理方法において、
前記プラズマにより生成されたイオンを遮蔽しながら前記窒化チタン(TiN)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。 - 請求項1に記載のプラズマ処理方法において、
前記パルスの繰り返し周波数は、500Hz以下であることを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項1に記載のプラズマ処理方法において、
前記第一の期間、前記窒化チタン(TiN)膜に堆積膜が形成され、
前記第二の期間、前記窒化チタン(TiN)膜がエッチングされることを特徴とするプラズマ処理方法。 - メタルゲートを構成し両側が絶縁膜に接する窒化チタン(TiN)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、
三塩化ホウ素(BCl3)ガスと窒素(N2)ガスと六フッ化硫黄(SF6)ガスの混合ガスを用いて生成されるとともにパルスにより変調された高周波電力によって生成されたプラズマを用いて前記窒化チタン(TiN)膜をエッチングする工程を有し、
前記パルスは、振幅が第一の振幅である第一の期間と振幅が第二の振幅である第二の期間を有し、
前記第二の振幅は、0より大きいとともに前記第一の振幅より小さいことを特徴とするプラズマ処理方法。
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