WO2021171458A1 - プラズマ処理方法 - Google Patents

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Abstract

ホウ素が含有されたポリシリコン膜をプラズマエッチングするプラズマ処理方法は、ハロゲンガスと、フッ素を含有するガスと、三塩化ホウ素ガスの混合ガスを用いて前記ホウ素が含有されたポリシリコン膜をエッチングする。これにより、ホウ素が含有されたポリシリコン膜をプラズマエッチングする際にエッチングレートの向上を図り、エッチング不良を抑制することができる。

Description

プラズマ処理方法
　本発明は、プラズマ処理方法に関する。
　半導体デバイスの製造工程においては、半導体装置に含まれるコンポーネントの微細化や集積化への対応が求められている。例えば、集積回路やナノ電気機械システムにおいて、構造物のナノスケール化がさらに推進されている。
　通常、半導体デバイスの製造工程において、微細パターンを成形するためにリソグラフィ技術が用いられる。この技術は、レジスト層の上にデバイス構造のパターンを適用し、レジスト層のパターンによって露出した基板を選択的にエッチング除去するものである。その後の処理工程において、エッチング領域内に他の材料を堆積させれば、集積回路を形成できる。
　特に近年、Ｆｌａｓｈ、ＤＲＡＭ等のメモリデバイスの高集積化、高速化に伴い、高アスペクト比のパターン構造を形成できるエッチングが要求される。従来、ポリシリコンのハードマスクを使用して数マイクロメートルの絶縁膜をエッチングしていたが、絶縁膜との選択性に制限があること、および更なる厚膜化が懸念されることなどを理由に、耐エッチング材料として、ボロンドープポリシリコンの適用が検討されている。例えば、ボロンドープポリシリコンをハードマスク材料の一つとして使用することが特許文献１に開示されている。また、従来のポリシリコンやドープされたポリシリコンをエッチングする技術として、塩素と臭素の混合ガスを用いることが特許文献２に開示されている。
米国特許公開第２０１４／００５７４４２号明細書 米国特許公開第２０１３／０２４４３９４号明細書
　しかし、従来のエッチング条件で耐エッチング材料のボロンドープポリシリコンをエッチングすると、エッチングレートの低下に伴い、エッチングストップ（エッチングの停止）やテーパー形状形成などのエッチング不良を招く等の問題があった。また、フッ素ガスでボロンドープポリシリコンをエッチングすると、サイドエッチング（アンダーカット）やボーイング形状形成などのエッチング不良を招く等の問題もあった。
　本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みて、ホウ素が含有されたポリシリコン膜をプラズマエッチングする際にエッチングレートの向上を図り、エッチング不良を抑制することができるプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、代表的な本発明にかかるプラズマ処理方法の一つは、ホウ素が含有されたポリシリコン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、ハロゲンガスと、フッ素を含有するガスと、三塩化ホウ素ガスの混合ガスを用いて、前記ホウ素が含有されたポリシリコン膜をエッチングすることによって達成される。
　さらに代表的な本発明にかかるプラズマ処理方法の一つは、ホウ素が含有されたポリシリコン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、塩素ガスと、三フッ化窒素ガスと、三塩化ホウ素ガスと、酸素ガスを用いて、前記ホウ素が含有されたポリシリコン膜をエッチングすることによって達成される。
　さらに代表的な本発明にかかるプラズマ処理方法の一つは、ホウ素が含有されたポリシリコン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、塩素ガスと、三フッ化窒素ガスと、三塩化ホウ素ガスと、酸素ガスと、臭化水素ガスを用いて、前記ホウ素が含有されたポリシリコン膜をエッチングすることによって達成される。
　本発明によれば、ホウ素が含有されたポリシリコン膜をプラズマエッチングする際にエッチングレートの向上を図り、エッチング不良を抑制することができるプラズマ処理方法を提供する。
　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。
図１は、本実施形態にかかるプラズマエッチング装置の概略断面図である。 図２Ａは、本実施形態にかかるプラズマエッチング処理前の被エッチング材料の断面模式図である。 図２Ｂは、本実施形態にかかるプラズマエッチング処理後の被エッチング材料の断面模式図である。 図３Ａは、形状異常を示す被エッチング材料の加工断面の模式図であり、エッチングストップ等の例を示す図である。 図３Ｂは、形状異常を示す被エッチング材料の加工断面の模式図であり、サイドエッチング等の例を示す図である。 図４Ａは、エッチングガス中のＢＣｌ３ガス流量の割合と、開口寸法との関係を示すグラフである。 図４Ｂは、ＢＣｌ３ガス流量の割合と、対シリコン窒化膜、対シリコン酸化膜選択比の関係を示すグラフである。 図５は、シリコン酸化膜残膜量とＴＭバイアスのデューティー（Ｄｕｔｙ）比（％）の関係を示すグラフである。 図６は、処理圧力を２Ｐａ以下にした場合の被エッチング材料の断面形状を示す図である。
［実施形態］
　図１は、本実施形態で使用するマイクロ波ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ方式のエッチング処理装置を示す概略縦断面図である。
　電源１０１により発振された２．４５ＧＨｚのマイクロ波が導波管１０２を伝播し、誘電体窓１０３を透過して処理室１０４に供給される。エッチング処理用ガスは、複数の貫通孔を有したシャワープレート１０６から処理室１０４に供給される。処理室１０４の外周及び誘電体窓１０３の上方に複数のソレノイドコイル１０５が配置されており、ソレノイドコイル１０５の電流値を制御することで、所望の磁界が生成される。そして、マイクロ波と磁界の相互作用より電子サイクロトロン共振することで、処理室１０４に供給されたエッチング処理用ガスが励起され、高密度プラズマ１０７が生成される。この高密度プラズマ１０７を用いて被エッチング材料をエッチングすることを、プラズマエッチングという。
　被エッチング材料を有するウェーハ１０９は、処理室１０４に収容された試料台１０８の上面に載置されている。試料台１０８は、外周側に配置された石英製のサセプタリング１１０と、その下に配置された絶縁板１１１とを有する。ウェーハ１０９上に成膜されたウェーハ１０９に対し、露光パターンに従って異方性エッチングを施すため、試料台１０８の下部には、整合器１１２と高周波電源１１３を具備しており、プラズマ内から入射するイオンのエネルギーを制御する機構を備えている。また、この高周波電源１１３は、バイアスの連続オン［ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｗａｖｅバイアス（以下、ＣＷバイアスと称する）］のモードと、バイアスのオン／オフをミリ秒オーダーで周期的に繰り返す時間変調［Ｔｉｍｅ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎバイアス（以下、ＴＭバイアスと称する）］のモードとを有する。
　図１に示すエッチング処理装置を用いて、本実施形態にかかるプラズマ処理方法が適用される半導体ウェーハの断面構造を図２Ａに示す。半導体ウェーハは、図中、下から順にシリコン窒化膜２０１、ポリシリコン２０２、ボロンをドープしてなるボロンドープポリシリコン（ホウ素が含有されたポリシリコン膜）２０３、シリコン酸化膜２０４、アモルファスカーボン膜２０５とパターンニングされたフォトレジスト膜２０６から構成される多層構造を有する。さらに、シリコン窒化膜２０１の下層に、１．２μｍ程度のシリコン酸化膜が存在する（図２Ａ中には記載せず）。
　まず、シリコン酸化膜２０４にホールパターンを転写するため、アモルファスカーボン膜２０５とシリコン酸化膜２０４をエッチング処理して、図２Ａの初期形状を得る。その後、ボロンドープポリシリコン２０３とポリシリコン２０２をエッチング処理する。
　本実施形態では、この１．２μｍ程度のシリコン酸化膜をエッチングするためのハードマスクとなるポリシリコン２０２とボロンドープポリシリコン２０３に、回路パターンを転写（エッチング）する。ボロンドープポリシリコン２０３とポリシリコン２０２から成る被エッチング膜は、約８００ｎｍの厚さを有しており、ボロンドープポリシリコン２０３は、２００ｎｍ～６００ｎｍの膜厚さを有している。また、ボロンドープポリシリコン２０３とポリシリコン２０２の厚さの比率は、目的によって適宜変更される。
　従来技術においては、ボロンドープポリシリコン２０３とポリシリコン２０２にホール形状を形成するため、ポリシリコン２０２のエッチングにおいて、ハロゲンガスＣｌ２及びＯ２の混合ガスを用いていた。この従来のポリシリコンのエッチング条件を用いた場合、ボロンドープポリシリコンのエッチングレートは、ポリシリコンに対して５０％以上低下し、図３Ａに示すようなエッチングストップ３０１やテーパー形状３０２という形状不良を招くという問題が発生した。
　一方、エッチングストップ３０１を回避するため、フッ素を含有するガスでボロンドープポリシリコン２０３をエッチングすると、側壁保護膜が薄くなり、図３Ｂに示すようなサイドエッチング３０３やボーイング形状３０４やパターン消失３０５等の形状不良を招くという問題があった。又、被エッチング膜であるボロンドープポリシリコン２０３がホール寸法に対して厚いため、イオンとラジカルが微細形状の下端（ボトム）部分に十分到達せず、ボトム寸法を拡大することが困難であった。尚、フッ素を含有するガスとは、ＮＦ３ガス、ＳＦ６ガスまたは、ＨＦガス等のガスのことである。
　このような問題を解決するため、本実施形態においては、ハロゲンガスのＣｌ２ガスと、フッ素を含有するガスのＮＦ３ガスと、Ｏ２ガスと、ＢＣｌ３ガスの混合ガスを、処理室１０４に供給して使用した。このプラズマ処理方法により処理した半導体ウェーハの断面構造の模式図を、図２Ｂに示す。この混合ガスを用いることで、ボロン系のデポジット（以下、デポと略す）が側壁を保護しながらボロンドープポリシリコンをエッチングすることができる。さらに、ＢＣｌ３ガスを用いる効果について、図４Ａ，４Ｂを参照して説明する。ここで、ハロゲンガスとしては、Ｃｌ２ガス、ＨＢｒガス、ＨＣｌガス、ＨＩガスのいずれか１つ以上を用いることができる。例えば、Ｃｌ２ガスとＨＢｒガスとＮＦ３ガスとＯ２ガスとＢＣｌ３ガスの混合ガスでも上述した問題を解決できる。また、Ｃｌ２ガスとＨＢｒガスとＮＦ３ガスとＯ２ガスとＢＣｌ３ガスの混合ガスの場合、対シリコン酸化膜選択比をさらに向上させることができるため、ホールをエッチングする際、肩落ちを抑制し、ホールのＴｏｐ ＣＤの拡大を抑制できる。
　図４Ａは、エッチングガス中のＢＣｌ３ガス流量の割合と、開口寸法（開口端：Ｔｏｐ　ＣＤ４０１、底端：Ｂｏｔｔｏｍ　ＣＤ４０２）との関係を示すグラフである。ＣＤとは、Ｃｒｉｔｉｃａｌ　Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎを意味する。ここでは、図１に示すエッチング装置を用い、処理室１０４の圧力を０．８Ｐａ、電源１０１のマイクロ波出力を６００Ｗ、試料台１０８のステージ温度を５０℃、処理室１０４に供給するエッチングガスとしてＣｌ２を８０ｍｌ／ｍｉｎ、ＨＢｒを１４０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｏ２を２０ｍｌ／ｍｉｎで供給するエッチング条件とした。なお、エッチング処理時間はすべての条件において一定である。
　ＢＣｌ３ガスの流量がガス全体流量の０％では、サイトエッチングが過剰となりＴｏｐ部分のパターン消失３０５が発生し、Ｔｏｐ　ＣＤが無限大（計測不能）、Ｂｏｔｔｏｍ　ＣＤが１４．３ｎｍだった。これに対し、ＢＣｌ３ガスの流量を６．５％、１６％と増加させるに従い、ボロン系保護膜の効果により、Ｔｏｐ部分のパターン消失３０５が改善し、Ｔｏｐ　ＣＤが、３３ｎｍ、２８ｎｍとそれぞれ減少し、Ｂｏｔｔｏｍ　ＣＤが１８ｎｍ、２２ｎｍにそれぞれ増加した。
　以上の結果は、プラズマ中のＢラジカルとＯラジカルから生成されたＢＯデポとＢＣｌＸデポが、ホールの両壁に保護膜を生成し、サイドエッチング３０３とボーイング形状３０４の発生を抑制したことにより得られる。さらに、ＢＣｌ３ガスの流量が多くなると側壁にＢＯデポとＢＣｌＸデポが付着することで、開口部寸法が縮小するが、ボロン系デポのため側壁でエッチャントが消費されなくなるため、奥までエッチングを進行させることが可能となり、Ｂｏｔｔｏｍ　ＣＤが増加する。以上の結果から、ガス全体流量に対するＢＣｌ３ガスの流量を調整することにより、開口寸法をコントロールできることが分かった。
　図４Ｂは、処理室１０４の圧力を０．８Ｐａ、電源１０１のマイクロ波出力を６００Ｗ、試料台１０８のステージ温度を５０℃とした条件で、エッチングガスとしてＣｌ２を８０ｍｌ／ｍｉｎ、ＨＢｒを１４０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｏ２を２０ｍｌ／ｍｉｎで供給し、その中に添加するＢＣｌ３ガス流量の割合と、対シリコン窒化膜選択比４０４、対シリコン酸化膜選択比４０３の関係を示すグラフである。
　ＢＣｌ３ガスの流量割合が０％から１２％まで増加すると、対シリコン酸化膜選択比４０３と対シリコン窒化膜選択比４０４が増加するが、さらにＢＣｌ３ガスを添加すると、対シリコン酸化膜選択比４０３は減少するのに対し、対シリコン窒化膜選択比４０４は増加する。よって、ＢＣｌ３ガスの添加により、対シリコン窒化膜選択比４０４のみ増加させることができる。
　本実施形態で採用するエッチング条件では、シリコン酸化膜２０４の残膜量を極大化するため、ＢＣｌ３ガスの流量設定はガス全体流量に対して９％～１３％の割合で設定した。なお、異なるエッチング条件(圧力、マイクロ波パワー、ステージ温度等)においても、同様な手法で全ガス流量に対するＢＣｌ３ガスの割合に対して、対シリコン酸化膜選択比４０３や対シリコン窒化膜選択比４０４のトレンドデータを取得し、適宜所望の選択比と形状がえられるよう調整することで、図２Ｂのようなパターン形状を得ることができる。
　さらに、ＴＭ(Ｔｉｍｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ)バイアスの調整により、バイアスオフ時間で反応した生成物を側壁に堆積させることより上部パターンを保護でき、選択比を制御することができる。図５は、シリコン酸化膜残膜量とＴＭバイアスのデューティー（Ｄｕｔｙ）比（％）の関係を示すグラフである。尚、ＴＭバイアスとは、パルス変調された高周波電力を試料台へ供給することにより試料台にバイアスを印可する方法である。また、デューティー比は、一周期のＴＭバイアス時間に対する高周波電力がＯＮされる時間の比率である。実効パワーは、バイアス電力とデューティー比（パルスのオン期間の高周波電力とデューティー比）の積値である。
　実効パワー９０Ｗによる残膜量を示す回帰直線５０１と実効パワー１８０Ｗによる残膜量を示す回帰直線５０２のいずれも、デューティー比の減少に従い、シリコン酸化膜残膜量が増加する。よって、高周波電源１１３のパワー特性等によって制限されない限り、より高パワー、低デューティー比のＴＭバイアス条件を選択するのが好ましい。この時、デューティー比減少によりイオンアシスト反応時間が短くなるため、エッチング形状との両立をさせるために、ガス組成比率、圧力、マイクロ波パワー等の他のパラメータの調整を実施してもよい。例えば、酸化膜残膜目標値が８０ｎｍ以上だった場合は、実効パワー９０Ｗ、デューティー比２５％以下に設定することが望ましい。
　また、処理圧力を２Ｐａ以下にして、エッチングを行った場合の被エッチング材料の断面形状を図６に示す。ホウ素が含有されたポリシリコン膜がプラズマエッチングされる処理室内の圧力を低圧化することで、エッチングガスのイオン密度が増加し、反応生成物の滞在時間低下に伴い、ホール底部に到達するエッチャントとイオン比率が増加するため先細り形状が改善し、バーティカルな形状が得られる。この結果から処理圧力は２Ｐａ以下に設定することが望ましい。
　以上のようにＣｌ２、ＮＦ３、Ｏ２、ＢＣｌ３のガス流量比またはＣｌ２、ＮＦ３、Ｏ２、ＢＣｌ３、ＨＢｒのガス流量比およびその他パラメータを適宜調整することにより、エッチングレートを向上させると共に、エッチングストップ３０１、サイドエッチング３０３、ボーイング形状３０４及びパターン消失３０５を抑制しながら望ましい形状を得ることが可能となる。
　また、上記に記載したガスを、Ｎ２、Ａｒ、Ｈｅ、Ｘｅ、Ｋｒガス等の不活性ガスを用いて希釈しても、本実施形態と同等の効果を得ることが可能である。
　さらに本実施形態では図１に示したマイクロ波ＥＣＲ方式のエッチング処理装置を用いたが、ＣＣＰ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）方式、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）方式等の他のプラズマ源を用いたプラズマエッチング装置においても、圧力やガス流量やガス比、バイアス電力と周波数を調整することで同様な効果を得ることが出来る。
　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。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０１：電界発生用電源、１０２：導波管、１０３：誘電体窓、１０４：処理室、１０５：ソレノイドコイル、１０６：シャワープレート、１０７：高密度プラズマ、１０８：試料台、１０９：ウェーハ、１１０：サセプタリング、１１１：絶縁体、１１２：整合器、１１３：高周波電源、２０１：シリコン窒化膜、２０２：ポリシリコン、２０３：ボロンドープポリシリコン、２０４：シリコン酸化膜、２０５：アモルファスカーボン膜、２０６：フォトレジスト膜、３０１：エッチングストップ、３０２：テーパー形状、
３０３：サイドエッチング、３０４：ボーイング形状、３０５：パターン消失、４０１：Ｔｏｐ　ＣＤ、４０２：Ｂｏｔｔｏｍ　ＣＤ、４０３：対シリコン酸化膜選択比、４０４：対シリコン窒化膜選択比、５０１：実効パワー９０Ｗによる残膜量を示す回帰直線、５０２：実効パワー１８０Ｗによる残膜量を示す回帰直線

Claims (10)

  1. 　ホウ素が含有されたポリシリコン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、
    　ハロゲンガスと、フッ素を含有するガスと、三塩化ホウ素ガスの混合ガスを用いて、前記ホウ素が含有されたポリシリコン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、
    　前記ハロゲンガスは、塩素ガスと、臭化水素ガスと、塩化水素ガスと、ヨウ化水素ガスの中の少なくとも一つのガスであることを特徴とするプラズマ処理方法。
  3. 　請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記混合ガスの流量に対する前記三塩化ホウ素ガスの流量比率を９％～１３％の範囲内の比率とすることを特徴とするプラズマ処理方法。
  4. 　請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記ハロゲンガスは、塩素ガスであり、
    　前記フッ素を含有するガスは、三フッ化窒素ガスであることを特徴とするプラズマ処理方法。
  5. 　請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記ポリシリコン膜が成膜された試料が載置された試料台にパルス変調された高周波電力を供給しながら前記ホウ素が含有されたポリシリコン膜をエッチングし、
    　前記パルスのオン期間の高周波電力と前記デューティー比との積を９０Ｗとした場合、前記パルスのデューティー比を２５％以下とすることを特徴とするプラズマ処理方法。
  6. 　請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記ホウ素が含有されたポリシリコン膜がプラズマエッチングされる処理室の圧力を２Ｐａ以下として、前記ホウ素が含有されたポリシリコン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。
  7. 　請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記ホウ素が含有されたポリシリコン膜をエッチングすることによりハードマスクを形成することを特徴とするプラズマ処理方法。
  8. 　請求項４に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記ホウ素が含有されたポリシリコン膜をエッチングすることによりハードマスクを形成することを特徴とするプラズマ処理方法。
  9. 　ホウ素が含有されたポリシリコン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、
    　塩素ガスと、三フッ化窒素ガスと、三塩化ホウ素ガスと、酸素ガスを用いて、前記ホウ素が含有されたポリシリコン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。
  10. 　ホウ素が含有されたポリシリコン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、
    　塩素ガスと、三フッ化窒素ガスと、三塩化ホウ素ガスと、酸素ガスと、臭化水素ガスを用いて、前記ホウ素が含有されたポリシリコン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。
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