JP7387377B2 - プラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、プラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置に関する。
半導体デバイスの製造プロセスにおいては、半導体基板等に形成されたシリコン酸化膜等のシリコン含有膜にコンタクトホール、ビアホール、トレンチ（溝）等を形成するために、プラズマエッチングが行われている。このような半導体デバイスの製造プロセスでは、半導体デバイスの電気性能等の確保のために、加工形状の精密制御、特にコンタクトホール等の側壁の垂直加工が重要である。例えば、近年の三次元構造デバイスは、アスペクト比の大きいホールを有する。このようなアスペクト比が大きいホールをプラズマエッチングで形成するにあたって、時間当たりのホールエッチングレートやエッチングマスクとの加工選択比を、低プラズマ印加パワーで高めることが望まれている。
本発明の解決しようとする課題は、低プラズマ印加パワーでホールエッチングレートやエッチングマスクとの加工選択比を高めることを可能にしたプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置を提供することにある。
実施形態のプラズマエッチング方法は、フルオロカーボンガスを含むプラズマによりシリコン含有膜をエッチングする方法において、前記フルオロカーボンガスは、炭素及びフッ素に関してＣｘＦｙ（ｘ及びｙは、ｘ≧７かつｙ≧ｘを満足する数である。）で表される組成を有し、かつ６個の炭素原子で構成されるベンゼン環構造を備える。
以下、実施形態のプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置について、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。説明中の上下等の方向を示す用語は、特に明記が無い場合には後述する基板のプラズマエッチング面（加工面）を上とした場合の相対的な方向を示し、重力加速度方向を基準とした現実の方向とは異なる場合がある。
図１は実施形態によるプラズマエッチング装置を示す断面図である。図１に示すプラズマエッチング装置１は、平行平板型の反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）装置であり、チャンバ２、排気口３、プロセスガス導入口４、下部電極（基板電極）５、上部電極（対向電極）６、第１のプロセスガス導入系７、第２のプロセスガス導入系８、第１の電源系統９、及び第２の電源系統１０を備える。
チャンバ２には、排気口３とプロセスガス導入口４が設けられている。排気口３は、図示しない圧力調整バルブや排気ポンプ等に接続されている。チャンバ２内の気体は、排気口３から排出され、チャンバ２内が高真空に保たれる。また、プロセスガス導入口４からプロセスガスを導入するにあたって、プロセスガス導入口４から流入するガスの流量と排気口３から流出するガスの流量とを釣り合わせることによって、チャンバ２内の圧力を一定の真空圧に保つことが可能とされている。
チャンバ２のプロセスガス導入口４には、第１のプロセスガス導入系７及び第２のプロセスガス導入系８が接続されている。さらに、チャンバ２には、上部電極６の複数のガス吐出口１１に面するガス導入空間１２がプロセスガス導入口４と接続されるように設けられている。第１のプロセスガス導入系７は、常温で液体又は固体のプロセスガス原料を気化してチャンバ２内に導入する機構を有する。第２のプロセスガス導入系８は、常温で気体のプロセスガスをチャンバ２内に導入するものであり、ガス供給源１３とガス流量を制御するマスフローコントローラ１４と開閉バルブ１５と配管１６とを有している。配管１６の一端はガス供給源１３に接続され、他端はプロセスガス導入口４に接続されている。常温で気体のプロセスガスとしては、Ｈｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｎ２、Ｏ２、Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４、ＣＦ４、Ｃ４Ｆ６、ＣＨ２Ｆ２、Ｃ４Ｆ８、ＮＦ３、ＳＦ６等が用いられる。
第１のプロセスガス導入系７は、液体のプロセスガス原料ＧＳを収容する原料タンク１７と、液体流量制御器１８と、液体のプロセスガス原料ＧＳを気化する気化器１９と、これら原料タンク１７、液体流量制御器１８、及び気化器１９を接続する配管２０とを有している。配管２０の一端は原料タンク１７内に開口されており、他端はプロセスガス導入口４に接続されている。原料タンク１７には、不活性ガス供給ライン２１が接続されている。気化器１９にはプロセスガス原料ＧＳの気化成分（プロセスガス）をチャンバ２内に送るキャリアガスを供給するキャリアガス供給ライン２２が接続されている。気化器１９の周囲は、断熱材２３で覆われている。さらに、配管２０内でプロセスガス原料ＧＳの気化成分が液化しないように、気化器１９からプロセスガス導入口４までの配管２０の周囲には、ヒータ２４が設けられている。配管２０、不活性ガス供給ライン２１、及びキャリアガス供給ライン２２には、必要箇所に応じて開閉バルブ２５が設けられている。
第１のプロセスガス導入系７においては、不活性ガス供給ライン２１から不活性ガスを原料タンク１７に供給することによって、プロセスガス原料ＧＳが液体流量制御器１８を介して気化器１９に送られる。液体流量制御器１８で流量が制御された液体のプロセスガス原料ＧＳは、気化器１９で気化される。液体流量制御器１８で液体のプロセスガス原料ＧＳの流量が制御されているため、気化器１９で気化されたプロセスガス原料ＧＳの気化成分は、所定のガス流量としてプロセスガス導入口４を介してチャンバ２内に送られる。液体のプロセスガス原料ＧＳ及びその気化成分については、後に詳述する。
プロセスガス原料ＧＳを気化させる機構としては、図１に示した気化器１９を用いた構成に限られるものではない。図２に示すように、液体又は固体のプロセスガス原料ＧＳを収容する原料タンク１７を直接加熱することによって、液体又は固体のプロセスガス原料ＧＳを気化させるようにしてもよい。すなわち、図２に示す第１のプロセスガス導入系７においては、液体又は固体のプロセスガス原料ＧＳを収容する原料タンク１７の周囲にヒータ２６が設けられており、さらに原料タンク１７及びヒータ２６の周囲が断熱材２７で覆われている。原料タンク１７からプロセスガス導入口４までの配管２０には、気体流量制御器２８が設けられている。配管２０及び気体流量制御器２８の周囲にはヒータ２４が設けられている。
図２に示す第１のプロセスガス導入系７において、液体又は固体のプロセスガス原料ＧＳが収容された原料タンク１７は、ヒータ２６により直接加熱される。ヒータ２６により加熱された液体又は固体のプロセスガス原料ＧＳは気化し、配管２０に送られる。プロセスガス原料ＧＳの気化成分は、気体流量制御器２８で流量が制御され、この状態でプロセスガス導入口４を介してチャンバ２内に送られる。
チャンバ２内には、半導体ウエハＷ等の基板を載置する載置台（保持部）を兼ねた上下動自在な基板電極として下部電極５が設けられている。下部電極５の上部には、図示しない静電チャックが設けられており、半導体ウエハＷを下部電極５に保持することができるように構成されている。下部電極５の上方には、対向電極としてプロセスガス吐出用のシャワーヘッドを兼ねる上部電極６が、ガス導入空間１２と半導体ウエハＷのエッチング処理が行われる処理空間とを区画する位置に配置されている。上部電極６には、プロセスガスをガス導入空間１２から半導体ウエハＷの処理空間へと供給するように、複数のガス通過孔１１が設けられている。チャンバ２はアースされている。
基板電極としての下部電極５には、第１の電源系統９及び第２の電源系統１０が接続されている。第１の電源系統９は整合器３０及び第１の高周波電源３１を有し、第２の電源系統１０は整合器３２及び第２の高周波電源３３を有する。第１の高周波電源３１は、プロセスガスをイオン化して、プラズマを発生させるための第１の高周波電圧（Ｖａ）を出力する電源であり、出力された第１の高周波電圧（Ｖａ）が下部電極５に印加される。第２の高周波電源３３は、プラズマからイオンを半導体ウエハＷに引き込むための、第１の高周波電圧（Ｖａ）より周波数が低い第２の高周波電圧（Ｖｂ）を出力する電源であり、出力された第２の高周波電圧（Ｖｂ）が下部電極５に印加される。電圧Ｖａ及び電圧Ｖｂは共に、一般には高周波と呼ばれるが、それぞれの周波数の違いを説明するため、便宜的に第１の高周波電圧（Ｖａ）をＲＦ高周波電圧、第２の高周波電圧（Ｖｂ）をＲＦ低周波電圧と称する。
第１の高周波電源３１が出力するＲＦ高周波電圧（Ｖａ）は、プラズマの発生力を高めるために２７ＭＨｚ以上であることが好ましく、例えば１００ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、４０ＭＨｚ、２７ＭＨｚ等であることが好ましい。第２の高周波電源３３が出力するＲＦ低周波電圧（Ｖｂ）は、プラズマからのイオンの引き込み性を高めるために３ＭＨｚ以下であることが好ましく、例えば３ＭＨｚ、２ＭＨｚ、４００ｋＨｚ、１００ｋＨｚ等であることが好ましい。また、第２の高周波電源３３から下部電極５に印加されるＲＦ低周波電圧（Ｖｂ）の上下のピーク間電圧は１０００Ｖ以上であることが好ましい。
第１のプロセスガス導入系７からのチャンバ２内へのプロセスガスの導入、及び必要に応じて第２のプロセスガス導入系８からのチャンバ２内へのプロセスガスの導入と同時に、上記した第１の高周波電源３１からＲＦ高周波電圧（Ｖａ）及び第２の高周波電源３３からＲＦ低周波電圧（Ｖｂ）を下部電極５に印加することによって、下部電極５と上部電極６との間にプラズマが発生する。すなわち、第１の高周波電源３１からのＲＦ高周波電圧（Ｖａ）と第２の高周波電源３３からのＲＦ低周波電圧（Ｖｂ）とが重畳して下部電極５に印加されることによって、プロセスガスがイオン化して下部電極５と上部電極６との間にプロセスガスのプラズマが形成されると共に、下部電極５側へのイオンの引き込みが行われる。
次に、上記したプラズマエッチング装置１を用いた半導体ウエハＷのプラズマエッチング方法について説明する。実施形態のプラズマエッチング方法においては、まず下部電極５上にエッチング処理する半導体ウエハＷ等の基板を載置する。エッチング処理する半導体ウエハＷは、シリコン、タングステン、アルミニウム、チタン、モリブデン、及びタンタルからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む半導体膜又は金属膜上に形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ膜）やシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）等のシリコン含有膜を有する。このようなＳｉＯ膜やＳｉＮ膜等のシリコン含有膜を有する半導体ウエハＷにエッチングマスクを形成すると共に、エッチングマスクをパターニングして開口部を形成した後、プラズマエッチング処理することによって、エッチングマスクの開口部に応じてシリコン含有膜にコンタクトホールのようなホール部を形成する。
シリコン含有膜にコンタクトホール等を形成するにあたって、第１のプロセスガス導入系７からチャンバ２内へプロセスガスを導入すると同時に、エッチングマスクが形成された半導体ウエハＷが載置された下部電極５に対して、第１の高周波電源３１からＲＦ高周波電圧（Ｖａ）及び第２の高周波電源３３からＲＦ低周波電圧（Ｖｂ）を印加し、下部電極５と上部電極６との間にプラズマを発生させると共に、プラズマ中のイオンを半導体ウエハＷに引き込むことによって、シリコン含有膜をエッチング処理する。シリコン含有膜のエッチング処理は、少なくともＳｉＯ膜に対して実施される。プラズマエッチング処理するシリコン含有膜は、ＳｉＯ膜の単独膜に限らず、ＳｉＯ膜とＳｉＮ膜との積層膜であってもよい。シリコン含有膜のエッチング処理において、シリコン含有膜と上記した半導体膜や金属膜とのエッチングレートの違いに基づいて、シリコン含有膜を選択的に加工することができる。
上記したシリコン含有膜のプラズマエッチング処理において、第１のプロセスガス導入系７の原料タンク１７に収容されるプロセスガス原料ＧＳとしては、炭素及びフッ素に関してＣｘＦｙ（ｘ及びｙは、ｘ≧７かつｙ≧ｘを満足する数である。）で表される組成を有し、かつ６個の炭素原子で構成されるベンゼン環構造を備えるフルオロカーボンの原料が用いられる。上記した組成とベンゼン環構造を備えるフルオロカーボン（以下、ベンゼン環ベースドフルオロカーボンと呼ぶ。）は、常温で液体であるため、図１及び図２に示したような液体のプロセスガス原料ＧＳを気化させる機構が用いられる。
上記したベンゼン環ベースドフルオロカーボンは、ベンゼン環構造が従来のフルオロカーボンの分子構造に比べて安定で分解されにくいことから、エッチングマスクとの加工選択比を高めることができる。このようなベンゼン環ベースドフルオロカーボンの特性に加えて、ＣｘＦｙ組成の炭素数ｘが７以上でかつフッ素数ｙが炭素数ｘ以上であることから、ベンゼン環を構成する６個の炭素原子の少なくとも１つに結合した、炭素及びフッ素を含む基がプラズマ内でベンゼン環から外れてイオン化しやすい。ベンゼン環から外れた炭素及びフッ素を含む基がイオン化することで、優れたエッチング効果を示す。従って、半導体ウエハＷに形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ）等のシリコン含有膜をエッチングするにあたって、低プラズマ印加パワーでホールエッチングレートを高めることができる。
ベンゼン環ベースドフルオロカーボンは、上記したようなエッチングマスクの加工選択性やホールエッチングレートを得る上で、ベンゼン環を構成する６個の炭素原子の少なくとも１つに、ＣＦ３基、ＣＦ２基、及びＣＦ基から選ばれる少なくとも１つを含む基（以下において、ＣＦｚ含有基と呼ぶ。）が結合した構造を有することが好ましい。ＣＦｚ含有基は、上記したＣＦ３基の単独基に限られるものではなく、ベンゼン環の炭素原子にＣｍＦｎ基（ｍ及びｎはそれぞれ１以上の数である。）が結合し、このようなＣｍＦｎ基がＣＦ３基、ＣＦ２基、及びＣＦ基から選ばれる少なくとも１つを含んでいてもよい。ＣｍＦｎ基は、例えば「－Ｃ（Ｆ）＝ＣＦ２」や「－Ｃ（Ｆ２）－Ｃ（Ｆ）＝ＣＦ２」のような炭素－炭素の二重結合を有する基、「－Ｃ（Ｆ）（ＣＦ３）２」のようなフッ化アルキル基が炭素原子に結合した基、さらに炭素－炭素の単結合、二重結合、三重結合を複数有する炭素鎖にフッ素が結合した基等、その形態は特に限定されるものではない。なお、ＣｍＦｎ基はパーフルオロカーボン基に限らず、一部が水素や酸素に置換された基であってもよい。すなわち、上記したベンゼン環ベースドフルオロカーボンは、ＣｍＦｎで表される組成に加えて、１個以上のＨやＯをさらに含む組成式で表されるものであってもよい。
上記したようなベンゼン環ベースドフルオロカーボンの具体例としては、Ｃ７Ｆ８、Ｃ８Ｆ８、Ｃ８Ｆ１０、Ｃ９Ｆ１０、Ｃ９Ｆ１２、Ｃ１０Ｆ１０、Ｃ１０Ｆ１４、Ｃ１２Ｆ１２、Ｃ１２Ｆ１８等が挙げられる。これらベンゼン環ベースドフルオロカーボンの構造例を図３に示す。図３に示すように、いずれもベンゼン環を構成する６個の炭素原子の少なくとも１つに、ＣＦ３基、ＣＦ２基、及びＣＦ基から選ばれる少なくとも１つを含む基（ＣＦｚ含有基）が結合しており、これらＣＦｚ含有基又はその一部がプラズマ内でベンゼン環から外れてイオン化することによって、ホールエッチングレートを高めることができる。さらに、ＣＦｚ含有基はベンゼン環から外れやすいため、低プラズマ印加パワーでホールエッチングレートを高めることができる。このように、第１のプロセスガス導入系７からチャンバ２内に導入するプロセスガスは、Ｃ７Ｆ８ガス、Ｃ８Ｆ８ガス、Ｃ８Ｆ１０ガス、Ｃ９Ｆ１０ガス、Ｃ９Ｆ１２ガス、Ｃ１０Ｆ１０ガス、Ｃ１０Ｆ１４ガス、Ｃ１２Ｆ１２ガス、及びＣ１２Ｆ１８ガスからなる群より選ばれる少なくとも１つを含むことが好ましい。
図４にベンゼン環ベースドフルオロカーボンの気化成分（フルオロカーボンガス）のホールエッチングレート（Ｈ／Ｒ）に対する、エッチングマスクとの加工選択比（Ｓｅｌ．）の関係の一例を示す。また、図５にベンゼン環ベースドフルオロカーボンの気化成分（フルオロカーボンガス）の第１の高周波電源３１のプラズマ印加パワー（ＨＦパワー）に対する、ホールエッチングレート（Ｈ／Ｒ）の関係の一例を示す。図６に示すように、ホールエッチングレート（Ｈ／Ｒ）は、ホールＨの深さ（Ｄｅｐｔｈ）を処理時間（ｔｉｍｅ）で除した値であり、エッチングマスクとの加工選択比（Ｓｅｌ．）は、処理中のマスクＭの減少厚さ（ΔＭａｓｋ）をホールＨの深さ（Ｄｅｐｔｈ）で除した値である。図６において、Ｓはシリコン含有膜である。
図４及び図５はフルオロカーボンガスの一例として、Ｃ７Ｆ８ガス及びＣ８Ｆ１０ガスの特性を示している。なお、図４及び図５は比較のために、Ｃ４Ｆ６ガス及びＣ６Ｆ６ガスの特性も合わせて示している。図４に示すように、Ｃ７Ｆ８ガス及びＣ８Ｆ１０ガスのホールエッチングレート（Ｈ／Ｒ）に対する、エッチングマスクとの加工選択比（Ｓｅｌ．）は、Ｃ６Ｆ６ガスとおおよそ同等であるものの、Ｃ４Ｆ６ガスに比べて優れている。また、Ｃ７Ｆ８ガス及びＣ８Ｆ１０ガスは、Ｃ４Ｆ６ガス及びＣ６Ｆ６ガスに比べて、低いプラズマ印加パワー（ＨＦパワー）で優れたホールエッチングレート（Ｈ／Ｒ）が得られている。
図４や図５に示すように、ベンゼン環ベースドフルオロカーボンの気化成分からなるフルオロカーボンガスによれば、低プラズマ印加パワーでホールエッチングレートやエッチングマスクとの加工選択比を高めることができる。従って、例えばＳｉＯ膜やＳｉＯ膜とＳｉＮ膜との積層膜にアスペクト比が大きいコンタクトホール等を、低プラズマ印加パワーで形成することが可能になる。
さらに、ベンゼン環ベースドフルオロカーボンの気化成分からなるフルオロカーボンガスは、タングステン（Ｗ）等の金属膜のエッチングレートに対してシリコン含有膜のエッチングレートが大きいことから、シリコン含有膜を選択的に加工することができる。例えば、Ｃ４Ｆ６ガスを用いたときのＷのホールエッチングレートを１としたとき、Ｃ７Ｆ８ガスのＷのホールエッチングレートは０．６３であり、タングステン膜のエッチングレートに対してシリコン含有膜のエッチングレートが大きい。従って、シリコン含有膜を選択的に加工することができる。なお、Ｗのホールエッチングレートは、単位ＳｉＯ２のホールに対するＷ膜のエッチング量で比較したものである。
なお、上述した各実施形態の構成は、それぞれ組合せて適用することができ、また一部置き換えることも可能である。ここでは、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図するものではない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同時に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１…プラズマエッチング装置、２…チャンバ、３…排気口、４…プロセスガス導入口、５…下部電極（基板電極）、６…上部電極（対向電極）、７…第１のプロセスガス導入系、８…第２のプロセスガス導入系、９…第１の電源系統、１０…第２の電源系統、
１７…原料タンク、１８…液体流量制御器、１９…気化器、２０…配管、２４，２６ヒータ、２８…気体流量制御器。
１７…原料タンク、１８…液体流量制御器、１９…気化器、２０…配管、２４，２６ヒータ、２８…気体流量制御器。
Claims (5)
- フルオロカーボンガスを含むプラズマによりシリコン含有膜をエッチングする方法において、
前記フルオロカーボンガスは、炭素及びフッ素に関してＣｘＦｙ（ｘ及びｙは、ｘ≧７かつｙ≧ｘを満足する数である。）で表される組成を有し、かつ６個の炭素原子で構成されるベンゼン環構造を備える、プラズマエッチング方法。 - 前記フルオロカーボンガスは、前記ベンゼン環構造における少なくとも１つの炭素原子にＣＦ３基、ＣＦ２基、及びＣＦ基から選ばれる少なくとも１つを含む基が結合した構造を有する、請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
- 前記フルオロカーボンガスは、Ｃ７Ｆ８ガス、Ｃ８Ｆ８ガス、Ｃ８Ｆ１０ガス、Ｃ９Ｆ１０ガス、Ｃ９Ｆ１２ガス、Ｃ１０Ｆ１０ガス、Ｃ１０Ｆ１４ガス、Ｃ１２Ｆ１２ガス、及びＣ１２Ｆ１８ガスからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む、請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
- 基板のエッチング処理が行われるチャンバと、
前記チャンバ内に配置された電極と、
炭素及びフッ素に関してＣｘＦｙ（ｘ及びｙは、ｘ≧７かつｙ≧ｘを満足する数である。）で表される組成を有し、かつ６個の炭素原子で構成されるベンゼン環構造を備えるフルオロカーボンの液体又は固体原料を気化し、得られたフルオロカーボンガスを流量を制御して前記チャンバ内に導入するプロセスガス導入系と、
前記フルオロカーボンガスを含むプラズマを生じさせる電圧を前記電極に印加する電源と
を具備するプラズマエッチング装置。 - 前記フルオロカーボンは、前記ベンゼン環構造における少なくとも１つの炭素原子にＣＦ３基、ＣＦ２基、及びＣＦ基から選ばれる少なくとも１つを含む基が結合した構造を有する、請求項４に記載のプラズマエッチング装置。
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