TWI836513B - 電漿處理方法 - Google Patents
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Abstract
提供可一面抑制往縱向的蝕刻一面實現平坦的蝕刻加工的電漿處理方法。
一種電漿處理方法，其為將構成金屬閘極且兩側接於絕緣膜的氮化鈦(TiN)膜進行電漿蝕刻者，具有使用一電漿而將前述氮化鈦(TiN)膜進行蝕刻的程序，前述電漿為使用三氯化硼(BCl
3)氣體、氮(N
2)氣體及三氟化氮(NF
3)氣體的混合氣體而生成同時利用透過脈衝進行了調變的高頻電力而生成者，前述脈衝具有振幅為第1振幅的第1期間與振幅為第2振幅的第2期間，前述第2振幅比0大同時比前述第1振幅小。
Description
本發明有關電漿處理方法。
近年來，伴隨使用於半導體裝置如電子設備等的MOS FET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)裝置的微細化，閘極氧化膜的厚度一般而言要求為2nm以下。為此，蝕刻形狀的垂直度嚴格受到要求，變得需要蝕刻加工的控制性的提升。
尤其，在後閘極方式的High-k／金屬閘極形成中將金屬膜(TiN)蝕刻加工為無拖尾亦即蝕刻加工為底面平坦已成為要製造良質的半導體裝置所需的技術。
垂直地加工TiN膜的技術方面，專利文獻1中已揭露使用混合了四氟甲烷(CF
4)與氧(O
2)的電漿而在不施加偏壓之下抑制往縱向的蝕刻而往橫向進行蝕刻的方法。
此外，於專利文獻2，已揭露將電漿生成電力與高頻偏壓予以脈衝調變從而使蝕刻加工精度提升的方法。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2007-287902號公報
[專利文獻2]日本特開2015-95493號公報
[發明所欲解決之問題]
在蝕刻處理後之側壁附近的底面上發生稱為「拖尾」的錐狀的原因之一方面，舉例電子屏蔽現象。電子屏蔽現象為因下述原因而發生的現象：在使用了電漿的蝕刻處理中，透過高頻偏壓引入電漿中的離子，使得相對於離子垂直入射於晶圓，電子則不受高頻偏壓導致的引入的影響而各向等性地運動，帶電於如閘極側壁的氧化膜。由於此現象，離子集中於側壁部分，故隨蝕刻進展會殘留拖尾。
尤其，由於近年來的半導體裝置的微細化，閘極寬變窄，據此離子的侵入變困難，容易發生拖尾。
對於如此的課題，依記載於專利文獻1的先前技術時，以混合了氧(O
2)與四氟甲烷(CF
4)的氣體電漿，使處理壓力為高，亦使晶圓控制溫度為高，且不給予偏壓高頻電力，從而往橫向進行蝕刻而進行拖尾的改善。
然而，從確保在應付進一步的半導體元件的微細化時的對於蝕刻加工的嚴格的控制性如此之觀點而言，由於以下的理由，專利文獻1的技術屬不充分。亦即，在該先前技術，由於進行透過了氣體電漿之乾式蝕刻，使得因電漿中的離子導致的離子轟擊效應，存在無法將縱向的蝕刻量減至0，加工底面難變平坦，且殘留拖尾如此之問題。
為了進一步抑制往縱向的蝕刻，於專利文獻2，已提出將電漿生成電力與高頻偏壓予以脈衝調變從而控制堆積與蝕刻而使蝕刻加工精度提升的技術。
然而，依此技術時，因電漿中的堆積氣體與蝕刻氣體的分布使得晶圓面內的堆積與蝕刻的分布改變，故在晶圓面內產生形狀的差，存在產生已改善拖尾之處與未改善之處如此之問題。
本發明目的在於提供可一面抑制往縱向的蝕刻一面實現平坦的蝕刻加工的電漿處理方法。
[解決問題之技術手段]
為了達成上述目的，代表性的有關本發明的電漿處理方法之一為一種電漿處理方法，其為將構成金屬閘極且兩側接於絕緣膜的氮化鈦(TiN)膜進行電漿蝕刻者，其透過下述者從而達成：
前述電漿處理方法具有使用一電漿而將前述氮化鈦(TiN)膜進行蝕刻的程序，前述電漿為使用三氯化硼(BCl
3)氣體、氮(N
2)氣體及三氟化氮(NF
3)氣體的混合氣體而生成同時利用透過脈衝進行了調變的高頻電力而生成者，
前述脈衝具有振幅為第1振幅的第1期間與振幅為第2振幅的第2期間，
前述第2振幅比0大同時比前述第1振幅小。
代表性的有關本發明的電漿處理方法之一為一種電漿處理方法，其為將構成金屬閘極且兩側接於絕緣膜的氮化鈦(TiN)膜進行電漿蝕刻者，其透過下述者從而達成：
前述電漿處理方法具有使用一電漿而將前述氮化鈦(TiN)膜進行蝕刻的程序，前述電漿為使用三氯化硼(BCl
3)氣體、氮(N
2)氣體及六氟化硫(SF
6)氣體的混合氣體而生成同時利用透過脈衝進行了調變的高頻電力而生成者，
前述脈衝具有振幅為第1振幅的第1期間與振幅為第2振幅的第2期間，
前述第2振幅比0大同時比前述第1振幅小。
[對照先前技術之功效]
依本發明時，可提供可一面抑制往縱向的蝕刻一面實現平坦的蝕刻加工的電漿處理方法。
上述的以外的課題、構成及功效將由以下的實施方式的說明而明朗化。
就本發明的實施方式，參照圖式進行說明。
首先，就用於實施本發明的電漿處理方法的電漿蝕刻裝置(電漿處理裝置)的一例進行說明。
於圖1，示出電漿蝕刻裝置的示意構成。內部構成處理室的真空容器101例如為以鋁等的導電材料而製作的圓筒狀的容器，並被電氣接地(earth)。真空容器101之上部開口被以由電磁波可透射的材質如石英所成的頂板102密封。於真空容器101的下部中央部配置將處理室內部減壓排氣至既定壓力的渦輪分子泵浦103與連接於其之乾式泵浦104。配設於頂板102之上部的導波管105經由整合器106連接於電漿生成用的高頻電源(以下，稱為電漿電源107)。電漿電源107連接於控制裝置115。
電漿電源107產生2.45GHz的微波。產生的微波通過整合器106而在導波管105傳播，經由頂板102導入至真空容器101內。於真空容器101的外側，配置用於在真空容器101內形成磁場的螺線管線圈108。在頂板102的下方的真空容器101之上部，設有噴灑板109，在真空容器101的頂板102與噴灑板109之間，連接著連於氣體供應裝置110的配管。
從氣體供應裝置110，對頂板102與噴灑板109之間的空間供應處理氣體，經由噴灑板109對形成於真空容器101內的處理室內供應處理氣體。於真空容器101內，設有樣品台111，晶圓被從省略了圖示的晶圓搬入口搬入並配置且保持於樣品台111上。於樣品台111，經由偏壓整合器113連接著偏壓用高頻電源114。偏壓用高頻電源114連接於控制裝置115。
於如上述般構成的電漿蝕刻裝置，供應至真空容器101內的處理氣體因經由頂板102而導入的微波的電場與因螺線管線圈108而形成的磁場的作用(例如，電子迴旋諧振：Electron Cyclotron Resonance(ECR))而被電漿化，在噴灑板109與樣品台111之間的空間形成電漿。形成電漿的位置在磁場強度為875高斯的面附近，該面稱為ECR面。
此外，在本實施方式的電漿蝕刻裝置，由電磁波可透射的材質如石英所成的離子遮蔽板112將真空容器101的內部分割為真空容器上部區域101-1與真空容器下部區域101-2。為此，只要可在為離子遮蔽板112之上部的真空容器上部區域101-1生成電漿，即可透過離子遮蔽板112使離子被遮蔽，故可僅以自由基處理樣品。在本實施方式，可一面遮蔽透過電漿而生成的離子一面蝕刻氮化鈦(TiN)膜。
形成電漿的位置可透過螺線管線圈108進行控制。此外，離子遮蔽板112被以可使電磁波透射的材質而構成，故亦可透過將螺線管線圈108控制為在真空容器下部區域101-2形成ECR面從而進行一般的基於電漿的乾式蝕刻。
在真空容器下部區域101-2形成電漿而進行乾式蝕刻的情況下，於樣品台111被經由偏壓整合器113從偏壓用高頻電源114施加高頻電力。施加於樣品台111的高頻電力被與電漿的生成獨立地控制，並予以產生使電漿中的離子入射於晶圓的偏壓電壓。
電漿電源107及偏壓用高頻電源114透過控制裝置115進行輸出控制。
接著，就作為在本實施方式處理的被處理體之晶圓的構造及電漿蝕刻方法進行說明。
本實施方式的電漿蝕刻方法至少具有將三氯化硼(BCl
3)、氮(N
2)及三氟化氮(NF
3)作為混合氣體供應至處理室的第1程序及從高頻電源對處理室供應微波功率的第2程序。另外，亦可代替三氟化氮(NF
3)而供應六氟化硫(SF
6)。
圖2為將在本實施方式使用了的晶圓的膜構造放大而顯示的截面圖。在為金屬膜的TiN膜201的周圍形成層間絕緣膜如氧化膜202。從圖2之上方，要將構成金屬閘極且兩側接於絕緣膜的TiN膜蝕刻為平坦，需要將TiN膜相對於氧化膜選擇性進行蝕刻。
圖3為比較例及本實施方式的蝕刻方法，並為就進行了蝕刻處理時的晶圓的膜構造進行了繪示的截面圖。首先，在比較例，透過電漿中的離子往側壁方向進行蝕刻，故蝕刻稍微往中央的深度方向進展(圖3(a))，難以將蝕刻面加工為平坦。
相對於此，於本實施方式，在利用透過經脈衝調變的高頻電力而生成的電漿將前述氮化鈦(TiN)膜進行蝕刻的程序中，透過控制電漿電源107，從而生成不存在離子的自由基，控制堆積與蝕刻，將微波功率設定為高位準區間與低位準區間成為相等。為此可獲得如示於圖3(b)的平坦的形狀。
利用圖4的表而說明本實施方式的蝕刻方法中的適合的處理條件。對處理室內，將氬(Ar)以75ml／min、三氯化硼(BCl
3)以40ml／min、氮(N
2)以50ml／min、三氟化氮(NF
3)以13ml／min進行供應，從電漿電源107將微波功率一面以為第1電力(高微波功率1)的1100W與為比0W大的第2電力(低微波功率2)的300W進行脈衝調變為矩形波狀一面進行供應。使該情況下的脈衝調變的重複頻率為100Hz、工作比為50％。此處，脈衝具有振幅為第1振幅(1100W)的第1期間與振幅為第2振幅(300W)的第2期間，前述第2振幅比0大同時比前述第1振幅小。
圖5為就TiN膜的蝕刻率的微波功率依存性的一例進行繪示的圖，縱軸取蝕刻率且橫軸取從電漿電源107給予的微波功率而示出。另外，本說明書中，採取蝕刻率成為負時堆積進展，蝕刻率成為正時蝕刻進展。此處，示出使用了三氯化硼(BCl
3)、氮(N
2)及三氟化氮(NF
3)的混合氣體之例。
在圖5之例，使從電漿電源107給予的微波功率變化時，可得知以大概800W為邊界值而切換對於TiN膜進行堆積的功率區域與進行蝕刻的功率區域。
在進行堆積的功率區域(第1期間)，促進三氯化硼(BCl
3)的解離，與氮(N
2)的反應進展，故形成BN系的堆積膜。另一方面，在進行蝕刻的功率區域(第2期間)，三氯化硼(BCl
3)的解離被抑制，BN系堆積膜的形成減少，故透過了三氟化氮(NF
3)之蝕刻進展。亦即，透過變更微波功率從而控制三氯化硼(BCl
3)的解離使得可任意地切換堆積與蝕刻。
此外，依本發明人的研究時，判明了亦可依來自電漿電源107的經脈衝調變的微波功率的重複頻率而進行適切的堆積與蝕刻。
另外，例如使三氯化硼(BCl
3)的流量增加至50ml／min時TiN膜的蝕刻率的微波功率依存性發生變化。具體而言，已知使BCl
3的流量增加為50ml／min時，堆積與蝕刻切換的微波功率以600W為邊界值而變化。亦即，可透過控制微波功率與三氯化硼(BCl
3)的流量，從而切換堆積與蝕刻。因此，切換堆積與蝕刻的微波功率的邊界值例如優選上為500W～900W。
圖6、7為就微波功率的重複頻率及堆積與蝕刻的關係進行繪示的圖。依本實施方式時，例如對於發生了拖尾的金屬膜，重複進行透過了自由基之堆積與蝕刻，從而可形成拖尾被抑制了的平坦的面。
示於圖6(a)的時序圖示出以重複頻率100Hz、工作比50％進行了微波功率的脈衝調變之例。在圖6(a)之例，高微波功率與低微波功率之間隔分別為5m秒。為此，在高微波功率的區間，如示意性地示於圖6(b)，透過BN系沉積自由基203充分地進行尤其往中央附近的堆積。此外，在低微波功率的區間，如示意性地示於圖6(c)，透過蝕刻自由基抑制往縱向的蝕刻，可在不改變蝕刻深度之下僅將形成於氧化膜202的壁附近的角部的拖尾部分進行蝕刻。據此，可在不改變蝕刻深度之下僅將拖尾的部分進行蝕刻，據此可將TiN膜201蝕刻為平坦的形狀。
相對於此，示於圖7(a)的時序圖示出進行了重複頻率1000Hz、工作比50％微波功率的脈衝調變之例。在圖7(a)之例，高微波功率與低微波功率之間隔非常短時間為0.5m秒。為此，於高微波功率的區間，如示意性地示於圖7(b)，BN系沉積自由基203與蝕刻自由基204共存，堆積被抑制，使得在進行充分的堆積前改變為低微波功率。為此，於低微波功率的區間，如示意性地示於圖7(c)，有可能由於蝕刻自由基204使得蝕刻進展於深度方向，且無法消除拖尾。
於是，脈衝的重複頻率方面，為了充分進行堆積，優選上設定為500Hz以下，更優選上設定為100Hz以下。
圖8為就對於TiN膜在高微波功率的區間進行了處理之際的晶圓各部的蝕刻率進行繪示的圖，使晶圓中心為0。此處對於示於圖4的氣體種類，以發生堆積的微波功率的1100W進行了處理。依圖8的蝕刻率時，晶圓面內的任一處皆負值為大致相等，故得知堆積的均勻性為良好。
一般而言，欲進行透過了電漿之堆積時，電漿中的沉積系的氣體一般而言集中於電漿之中心部。因此晶圓面內的堆積分布亦堆積集中於晶圓之中心部，晶圓的外緣部的堆積變少。其理由為由於構成電漿的粒子為離子與電子，使得因靜電的作用致使離子與電子的移動受限制。為此，一般而言將電漿的分布以處理室的壓力、微波功率等各種的參數進行控制。
然而，在本實施方式，幾乎不存在離子下，以自由基進行處理，為電中性的自由基不會受到靜電的作用，故對於電漿，空間中的移動度為良好。為此，自由基均勻分布於處理室內，晶圓面內的堆積的均勻性亦提升。
圖9為就對於TiN膜在低微波功率的區間進行了處理之際的晶圓各部的蝕刻率進行繪示的圖，同樣地使晶圓中心為0。此處對於示於圖4的氣體種類，以發生蝕刻的微波功率的300W進行了處理。依圖9的蝕刻率時，如同圖8的結果，在晶圓面內的任一處正值皆大致相等，故得知晶圓面內的蝕刻的均勻性為良好。此理由亦為以電中性的自由基進行處理。
據此，在電漿電源107的控制下，以自由基進行處理，使得可在晶圓面內以大致相等的速率進行堆積與蝕刻。「大致相等的速率」指堆積的速率與蝕刻的速率的絕對值的差為蝕刻的速率的1／10以下。
此外，只要為充分進行堆積的頻率，則即使非蝕刻率的負值與正值的絕對值大致相等的微波功率設定，透過控制工作比仍可使蝕刻率的負值與正值的絕對值為大致相等。
另外，本發明非限定於上述之實施方式者，包含前述以外的各式各樣的變化例。例如，上述之實施方式為詳細進行了說明以便於理解本發明者，未必限定於具備進行了說明之全部的構成。
101:真空容器
102:頂板
103:渦輪分子泵浦
104:乾式泵浦
105:導波管
106:整合器
107:電漿電源
108:螺線管線圈
109:噴灑板
110:氣體供應裝置
111:樣品台
112:離子遮蔽板
113:偏壓整合器
114:偏壓用高頻電源
115:控制裝置
201:TiN膜
202:氧化膜
203:BN系沉積自由基
204:蝕刻自由基
[圖1]圖1為就為本實施方式的電漿處理裝置進行繪示的示意構成圖。
[圖2]圖2為將在本實施方式使用了的晶圓的膜構造放大而顯示的截面圖。
[圖3]圖3為就依比較例(a)及本實施方式(b)而蝕刻了晶圓時的蝕刻形狀進行繪示的圖。
[圖4]圖4為就在本實施方式採用了的蝕刻條件進行繪示的表。
[圖5]圖5為就TiN膜的堆積/蝕刻率的微波功率依存性進行繪示的圖。
[圖6]圖6(a)為就微波功率的重複頻率進行繪示的時序圖，圖6(b)為示意性就在高微波功率的區間進行的處理進行繪示的圖，圖6(c)為示意性就在低微波功率的區間進行的處理進行繪示的圖。
[圖7]圖7(a)為就微波功率的重複頻率進行繪示的時序圖，圖7(b)為示意性就在高微波功率的區間進行的處理進行繪示的圖，圖7(c)為示意性就在低微波功率的區間進行的處理進行繪示的圖。
[圖8]圖8為就對於TiN膜在高微波功率的區間進行了處理之際的晶圓各部的蝕刻率進行繪示的圖。
[圖9]圖9為就對於TiN膜在低微波功率的區間進行了處理之際的晶圓各部的蝕刻率進行繪示的圖。
101:真空容器
101-1:真空容器上部區域
101-2:真空容器下部區域
102:頂板
103:渦輪分子泵浦
104:乾式泵浦
105:導波管
106:整合器
107:電漿電源
108:螺線管線圈
109:噴灑板
110:氣體供應裝置
111:樣品台
112:離子遮蔽板
113:偏壓整合器
114:偏壓用高頻電源
115:控制裝置
Claims (4)
- 一種電漿處理方法，其為將構成金屬閘極且兩側接於絕緣膜的氮化鈦(TiN)膜進行電漿蝕刻者，前述電漿處理方法具有使用一電漿而一面遮蔽透過前述電漿而生成的離子一面將前述氮化鈦(TiN)膜進行蝕刻的程序，前述電漿為使用三氯化硼(BCl3)氣體、氮(N2)氣體及三氟化氮(NF3)氣體的混合氣體而生成同時利用透過脈衝進行了調變的高頻電力而生成者，前述脈衝具有振幅為第1振幅的第1期間與振幅為第2振幅的第2期間，前述第2振幅比0大同時比前述第1振幅小。
- 一種電漿處理方法，其為將構成金屬閘極且兩側接於絕緣膜的氮化鈦(TiN)膜進行電漿蝕刻者，前述電漿處理方法具有使用一電漿而將前述氮化鈦(TiN)膜進行蝕刻的程序，前述電漿為使用三氯化硼(BCl3)氣體、氮(N2)氣體及三氟化氮(NF3)氣體的混合氣體而生成同時利用透過脈衝進行了調變的高頻電力而生成者，前述脈衝具有振幅為第1振幅的第1期間與振幅為第2振幅的第2期間，前述第2振幅比0大同時比前述第1振幅小，前述第1期間，於前述氮化鈦(TiN)膜形成堆積膜，前述第2期間，前述氮化鈦(TiN)膜被蝕刻。
- 如請求項1或2的電漿處理方法，其中，前述脈衝的重複頻率為500Hz以下。
- 一種電漿處理方法，其為將構成金屬閘極且兩側接於絕緣膜的氮化鈦(TiN)膜進行電漿蝕刻者，前述電漿處理方法具有使用一電漿而將前述氮化鈦(TiN)膜進行蝕刻的程序，前述電漿為使用三氯化硼(BCl3)氣體、氮(N2)氣體及六氟化硫(SF6)氣體的混合氣體而生成同時利用透過脈衝進行了調變的高頻電力而生成者，前述脈衝具有振幅為第1振幅的第1期間與振幅為第2振幅的第2期間，前述第2振幅比0大同時比前述第1振幅小。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2021/026417 WO2023286192A1 (ja) | 2021-07-14 | 2021-07-14 | プラズマ処理方法 |
| WOPCT/JP2021/026417 | 2021-07-14 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW202303755A TW202303755A (zh) | 2023-01-16 |
| TWI836513B true TWI836513B (zh) | 2024-03-21 |
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ID=
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140264483A1 (en) | 2013-03-15 | 2014-09-18 | Naomi Yoshida | Metal gate structures for field effect transistors and method of fabrication |
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140264483A1 (en) | 2013-03-15 | 2014-09-18 | Naomi Yoshida | Metal gate structures for field effect transistors and method of fabrication |
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