JP3779277B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理に関する方法及びプラズマ処理する装置に関し、特に、気相中の原料ガスをプラズマ化し、活性化した粒子の物理または化学反応により半導体材料の表面を処理する、ドライエッチング工程に用いられるプラズマ処理に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の半導体素子の微細化に伴って、配線層の多層化と、素子構造の立体化が進行している。それに伴い配線や素子間の電気的絶縁を保つために使用される絶縁膜の加工は、益々重要になっていくと考えられる。この絶縁膜であるシリコン酸化膜のエッチングには、従来よりCF4、C2F8などのパーフルオロカーボンガス(PFC)やCH2F2、CHF3等のハイドロフルオロカーボンガス(HFC)が使用されてきた。これは、シリコン酸化膜のSi−O結合を切り離し、揮発性の化合物を生成するためには、炭素を含むガスが必須であるためである。
【0003】
しかしながら、近年、地球規模での環境問題がクローズアップされてきているが、上記のPFC、HFCは、赤外線を吸収しやすく、大気中での寿命も3000年以上と長いため、地球温暖化への影響が非常に大きく、今後それらの使用が制限、もしくは入手が困難になことが予想されてきている。
【0004】
また、PFCやHFCガスプラズマ中では、FやCF1、CF2、CF3等のフロロカーボンラジカルとイオンが存在している。シリコン酸化膜のエッチングは、これらの活性種(ラジカル)がシリコン酸化膜の反応表面に付着し、そこへ入射するイオンのエネルギーによる疑似高温状態下での化学反応により揮発物が生成されるというメカニズムで進行する。したがって、良好なエッチング特性を得るためには、試料に入射する活性種の制御と試料に入射するイオンのエネルギーと密度を制御する必要がある。このプラズマ中のイオンの密度と活性種の制御はこれらのエッチング装置のプラズマ生成機構によって制御を行っていた。
【0005】
また、反応容器内で活性種を生成する方法として、例えば特開平7−74147号には、反応容器内を炭素系材料で構成し、この炭素成分をプラズマ中に供給してエッチングすることが記載されている。
【0006】
なお、特開平4−363021号には、反応容器をセラミックス製として試料への活性種によるエッチング作用の減退を防止すること、及び反応容器の外周にヒーターを設けてセラミックス製の反応容器に対するプラズマによる熱衝撃を軽減することが記載されている。
【0007】
一方、PFC、HFCのガスプラズマを使用した場合、試料処理の進行に伴ってフロロカーボン系またはカーボン系のポリマーが反応室内壁への付着する。この付着物を除去する方法として特開平5−62936号に記載されている通り、反応室の外壁に対して絶縁され、かつ複数に分割された電極を反応室内面に設置し、プラズマ生成用電極の間に順次高周波電圧を印加しプラズマクリーニングする方法が知られている。また、特開平1−231320号、特開平1−231321号、特開平1−231322号には、反応室の外壁に対して絶縁された電極に電圧を印加して、プラズマクリーニングする方法が記載されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来例のようなプラズマクリーニングを施したとしても、クリーニング前には反応室内壁に付着物が存在する。プラズマ中のフッ素は反応室内壁の付着層と反応するため、プラズマ中のフッ素密度が次第に減少し、プラズマ中の炭素の比率が増加する。すなわち、反応室内壁への付着が進行するとラジカル組成が変化するため、エッチング特性が変化するという経時変化が引き起こされ、大きな問題となっていた。
【0009】
一方、エッチング装置は、プラズマ生成機構によって、容量結合型、ECR(電子サイクロトロン共鳴)型、ICP(誘導結合)型、表面波励起型等に分類できる。容量結合型の装置では、下部電極に試料を設置し2系統の電圧印加機構により上部電極と下部電極に異なる周波数及び電圧を印加することで、プラズマ生成制御と試料入射エネルギー制御を試みているが、その構造上これらを独立に制御することは出来ない。この装置における活性種制御は、電極に使用している炭素もしくは、シリコンで行なっていると考えられているが、これに関しては制御パラメータがない。従って、上下の2つの電源による制御で、イオン密度、試料入射するイオンのエネルギー制御、活性種の制御の3つの制御を行わなければならず、良好なエッチング特性が得られる各種パラメータの範囲(プロセスウィンドウと定義する。)が狭く、安定なエッチング条件を得ることが困難であるという問題があった。ここで、上記のエッチング特性を決めるパラメータとしては、例えば、プラズマ発生機構では、電極板間に投入する高周波の電力やμ波電力、ガス流量やガス圧力やガス組成がある。また、入射イオンエネルギー制御では、印加電圧の波形や周波数及び電力等がある。
【0010】
一方、容量結合型以外のプラズマ生成方式では、プラズマ生成制御と試料に入射するイオンのエネルギー制御との独立制御は可能であったが、活性種を制御する機構としてはプラズマ生成制御に依存されており、これもプロセスウィンドウが狭いといった問題があった。具体的には、ECR等高密度プラズマエッチング装置でSAC(Self Align Contact)のシリコン酸化膜加工をおこなった場合、孔底でのエッチング停止とシリコン窒化膜削れが発生するというトレードオフが問題となっている。さらに、高密度プラズマを用いて、選択性が高いエッチングを行うと、孔径が小さくなるほどエッチング速度が低下するマイクロローディング現象や、逆マイクロローディング現象が発生しており、問題となっている。また、これらの装置でTiNとAl等積層膜のメタル加工を行った場合、TiNとAl等の異種材料間の境目に局所異常サイドエッチング形状(ノッチング)ができるといった問題も生じている。
【0011】
また、特開平7−74147号の記載の方法では、適切な活性種の量を制御できず、所望のエッチングをすることは困難である。なお、特開平4−363021号記載の方法では、反応容器内で活性種を生成することはできないといった問題がある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、プラズマが接触する領域内に、エッチングに必要な量の活性種を生成させることによって達成される。
【0013】
以下、具体的に示す。試料上のシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜のエッチングにおいては、例えばフッ素を含むガスを反応室に導入して、0.3Pa−200Paのような低ガス圧力の状態に保持し、μ波やRF波の入力電力によってこのガスを放電させ、プラズマを生成する。そして、プラズマと接触する領域に設置した炭素を含む固体に、直流もしくは高周波電圧を印加して、所望の量の炭素を放出させ、プラズマ中のフッ素ラジカルをCF、CF2、CF3、C2F4などのフロロカーボンラジカルに変換生成し、試料のエッチングを行う。
【0014】
また、反応室に導入するガスとして、フッ素を含み炭素を含まないガスを導入して、反応室内でフッ素含有ガスと固体炭素を反応させると、PFC、HFCを使用せずにシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等を選択的にエッチングできる。即ち、炭素を含まないフッ素ガスによるプラズマを生成し、新たに反応室内に設置した固体状の炭素にフッ素原子イオンを反応させるとCF4、CF2、CF3、C2F4の炭素とフッ素の化合物が生成できる。これらの化合物である活性種分子は、従来PFCガスの解離から直接生成することができ、この生成された活性種分子によって、シリコン酸化膜のエッチングを行うことができた。本発明の特徴は、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜のエッチングにおいて、PFC、HFCガスからエッチングに必要な活性種を直接供給するのでなくプラズマ処理室において固体との反応によって変換生成することである。この方法により、PFC、HFCガスが規制され使用禁止になった場合でも、エッチングに必要な活性種を生成し、従来の選択性を保ちつつエッチングを行うことが可能となった。
【0015】
一方、SAC加工時の選択比向上およびプロセスマージンの向上の課題については、シリコン酸化膜のエッチャントであるCF2へ単一種化することで達成することが出来る。これに対して、活性種制御材料を炭素とし、これをプラズマ境界面に配置することで、プラズマ中のフッ素を1/2に低減し、活性種制御材料にアルミニウムを用いた場合に比べて、CF1、CF2、CF3をそれぞれ5、10、2倍に増加させることができるという現象を発見した。図2にその結果を示す。図2は活性種制御材料にAl、SiO2、Cを使用した場合のCF4プラズマ中のフッ素とCF2を測定した結果である。この結果は、活性種制御材料としてアルミニウムを使用するとフッ素との反応がないためフッ素密度は大きいが、炭素にするとフッ素密度はアルミに比べて半減していることを示している。このことは、活性種制御材料の炭素とプラズマ中のフッ素が反応し、CF2が増加するといった変換反応がおこることが考えられる。この時、CF1、CF2も増加していることが確認された。また、活性種制御材料がSiO2では、プラズマ中のフッ素同様、CF1、CF2、CF3も減少し、CF1、CF2、CF3と活性種制御材のSiO2とが化学反応していることを示している。このように、プラズマ中の活性種と化学反応をおこし、生成物が揮発するような活性種制御材料をプラズマ領域に設置することで、プラズマ中の活性種組成を変化させることが可能となる。また、活性種材料にシリコン、炭化シリコンを使用しても、SiF2等の揮発物を生成する化学反応が起こり、プラズマ中のフッ素を低減することができた。
【0016】
さらに、活性種制御材料に電圧印加機構を設置し、試料処理と平行して電圧を印加することで上記の活性種の単一種化は促進することが確認された。図3は、CF4ガスプラズマ中で、炭素の活性種制御材料に負の直流電圧を印加した時のCF1、CF2、CF3のラジカル密度を測定した結果である。印加電圧が大きくなるに従い、CF3が減少し、CF2が増加することが新たに見出された。この現象は活性種制御材料上でのイオンアシスト反応に起因する。この効果を利用し、プラズマ中のフッ素をCF2変換し、活性種を単一種化したプラズマを使用することで、シリコン酸化膜上では反応生成物が揮発してエッチングが進行するが、シリコン窒化膜上では残留物のためエッチングが停止するという選択性エッチングが可能となり、選択比低下による窒化膜の肩削れの問題を解決することが出来る。また、従来の炭素とフッ素のバランスによるエッチング機構に対して、炭素よりエッチング側面への付着係数の低いCF2を使用するため、マイクロローディング、逆マイクロローディング現象を抑えることが可能であることが確認できた。
【0017】
また、エッチング速度の大きく異なる試料のエッチングを行う場合、活性種制御材料に、被エッチング材料と同じ元素もしくは被エッチング材料と同じ元素を少なくとも一種類含む化合物を使用し、エッチングする材料によって活性種制御材料に印加する電圧を時間的もしくはモニターしながら制御し、活性種制御材料である種のラジカルを消費・放出させることで、異種材料間に発生するといった局所異常形状を抑えることが出来た。
【0018】
さらに、メタルエッチングの異種材料間の局所形状異常の課題は、エッチャントの変動を少なくすることで解決する事ができる。即ち、活性種制御材料を被エッチング材料とし、エッチング時間若しくは、活性種モニター結果により活性種密度の制御を行うことで解決することができた。
【0019】
一方、プラズマが接する面への堆積物を除去することでエッチング特性の経時変化を抑制することが可能となった。即ち、活性種制御材料をプラズマを囲む様に配置し外部から電圧を印加しながら試料を処理することにより、プラズマ接触面に付着する堆積物を自動的に除去することができた。なお、試料処理中に電圧の印加を行うことでスループットを向上する効果も得られた。ここで、C4F81.5mTorr、μ波パワー200Wとし、C4F8プラズマに接する面に設置したアルミ板に任意の電圧を印加した場合の、堆積層の厚さを段差計で測定した結果を図5に示す。堆積物はプラズマ密度に依存するが、適度な電圧をプラズマ境界面に印加することで堆積膜が付着しないためエッチング特性の経時変化を抑えることが可能となる。
【0020】
【発明の実施の形態】
(実施例1)
図1は本発明を搭載したエッチング装置を横から見た構成図で、磁場と電磁波の相互作用を利用したプラズマ発生機構の一方法であるECRプラズマを用いたものである。反応室104は、マイクロ波導入窓103と真空排気装置108とガス導入管109から成り、その内部には試料106を設置するための試料台107を備えている。プラズマ発生機構は、マイクロ波発振器101と導波管102と電磁石105から成る。そして、試料台107には、試料106に入射するイオンを加速するためのRF電源110が接続されている。このRF電源110からは、数百kHzから数十MHzの周波数をもつラジオ波が発振される。そのラジオ波によって加速されたイオンが、試料106に入射することでエッチング反応が促進される。
【0021】
ガスは、ガス導入管109より反応室104に導入され、プラズマ113が生成される。特に、酸化膜エッチングを行なう場合は、フロロカーボンガスプラズマが使用されるが、このプラズマ中には、解離によって生じるフッ素やCF1、CF2、CF3などの活性種が存在している。ここで、プラズマ中でフッ素が過剰な場合、例えば、SAC加工においては、窒化膜、酸化膜ともにエッチングされるために、選択性エッチングを行なうことが困難になる。したがって、SAC加工の選択性エッチングを行なうためには、プラズマ中のフッ素を低減することが必要条件である。本装置は、新たに活性種を制御するような材料を含む活性種制御材料112を有する。活性種制御材料112は、ヒータ116、冷却管117、温度制御回路121により温度制御されている。温度は温度モニタ114でモニタリングされる。なお、温度制御については、実施例5で説明する。また、この装置は、フィードバック回路を設けた発光分光器でプラズマ状態をモニタリングできるようにされている。
【0022】
そして、活性種制御材料112に電圧を印加することで、上記の変換反応をさらに促進することができることが新たに確認された。活性種制御材料112に電圧を印加する手段としては、活性種制御材料112と反応室104との間に絶縁体111を設置し、ブロッキングコンデンサー117及び交流電源119からなる電圧印加回路115を設けた。ここでブロッキングコンデンサーはプラズマからの直流電流をブロックする役割をし、ブロッキングコンデンサーによりVdcが発生し効果的にイオンの加速が行うことが可能となる。電圧印加回路115は、交流電源119、パルス電源、活性種制御材料の材料が導電体ならば、直流電源でもよい。絶縁体111には、400℃程度の温度に耐えうるアルミナ、窒化シリコンを使用するのが好ましい。電圧印加しない場合は、絶縁体111を設置する必要がないことはいうまでもない。
【0023】
また、活性種制御材料112として、石英、窒化シリコンなどの絶縁物を使用する場合には、図18に示すように、活性種制御材料112と絶縁体111との間に導電板401を挿入し、その導電板401に電圧印加回路115を接続したほうが電圧導入効率がよい。
【0024】
図3は、CF4ガスプラズマ中で、炭素の活性種制御材料112に負の直流電圧を印加した時のCF1、CF2、CF3のラジカル密度を測定した結果である。印加電圧が大きくなるに従い、CF3が減少し、CF2が増加することが新たに見出された。これは、活性種制御材料にフロロカーボン系の付着層が形成されている状態に、イオンが入射し、そのエネルギーにより局所的な擬似高温状態が作られ化学反応が促進されるというイオンアシスト反応がおこることに起因する。
【0025】
一般に、高温状態下での化学反応生成物は、結合する原子の数が少ない常温では不安定な分子が生成されやすいことが知られている。例えば、シリコン基板上に吸着された塩素原子は、基板温度が600℃で下地のSiと化学反応によりSiCl2を生成するが、900℃ではSiClを生成することが知られている。したがって、今回の実験で得られるイオンエネルギー下では、CF2が安定に生成されやすいということが推測される。すなわち、フロロカーボンガスプラズマ中で活性種制御材料112として炭素を使用し電圧印加によるイオンアシスト反応を利用すれば、プラズマ中のFやCF3をCF2へと変換することができ、プラズマ中の活性種を制御することが可能であることを示している。
【0026】
また、使用するプラズマの密度によって、活性種制御材料に印加できる高周波電圧の周波数の下限が決まる。エッチングに使用されるプラズマ密度は、1011〜1012個/cm3程度であり、その時の飽和イオン電流密度Ieは、10-2〜10-4A/cm2程度である。一般に、プラズマ中の電極に高周波を印加する場合、おおよそIe/(CV)以上の周波数が必要となる。この関係式は、定性的には電圧印加機構によって降下した電極の電圧変化が、それを打ち消すように流入するイオンの量の変化より早く変化することが必要であるということから導かれる。ここで、Cは単位面積あたりの静電容量でおよそ10-11ファラッド程度、Vは印加される電圧で、およそ102ボルト程度である。したがって、エッチングに使用される上記のプラズマにおいては、印加可能な高周波の周波数は、100kHz以上は必要である。上限値については、イオンが電圧変化に追随できて、イオンアシスト反応の効果がある周波数は、100MHz程度であった。この時、電圧印加回路115として、パルス電源及び直流電源を使用すると、活性種制御材料に入射するイオンエネルギーの単色化ができ、変換反応経路の単一化が可能となるため、イオンアシスト反応による活性種の選択的な生成がより効率良く行える。使用する活性種制御材料の材料が絶縁体だとパルス電圧でしか上記効果は出せないが、導体だと直流電圧を印加する方が、装置的コストのから見ても好ましい。また、この時使用するパルスの周波数は、電圧印加する系の静電容量によって変化するが、一般的な数十nF程度の容量の系だと、100kHz以上は必要であった。
【0027】
本発明は、フロロカーボンガスプラズマだけでなく、カーボン系のガスを使用する場合や、有機系レジストをマスクとして使用する場合においても、活性種制御材料112上の付着物に、イオンアシスト反応を引き起こしエッチングに有効な活性種に変換、除去することが可能である。
【0028】
(実施例2)
PFC、HFCガスを用いずにシリコン酸化膜エッチングを行う実施例を以下に記す。図1で示すようなECR型のマイクロ波放電プラズマの本実施例では、ウエーハに対向する電極は設置されない。したがって、ウエハーに対向する電極をカーボンとすることができないため、原理的にはカーボンを含まないガスによるエッチングは困難である。
【0029】
しかし、活性種制御材料112をSiCとした結果、導入ガスをArとSF6を含み炭素を含まないガスとして、反応室104内に流した。このトータルのガス流量は20−300sccmに設定し、SF6は1−10sccmで変化させた。なお、放電の圧力は0.1−5Paに設定した。この導入ガスをプラズマ化してSiCと反応させてエッチングに必要な活性種を生成させた。
【0030】
ウエーハは、被エッチング膜としてシリコン酸化膜が形成されており、そのエッチングのマスクはホトレジストによって行った。このホトレジストはリソグラフィによりに微細なパターンを形成したものを使用した。また酸化膜に下地層としてシリコンの窒化膜とシリコン膜を用いた。
【0031】
SiC板のエッチング速度が50nm/minから600nm/minとなる条件では、酸化膜のエッチング速度が400nm/minから2000nm/minまで変化し、レジスト膜のエッチング速度は500nm/minから80nm/minまで変化した。すなわちSiC壁面電極のエッチング速度によって、レジストのエッチング速度が調節でき、選択比を大きくできる。シリコン膜のエッチング速度もレジストと同様に変化した。シリコン窒化膜のエッチングを最も選択的にエッチングするためには、SiC壁面電極のエッチング速度を大きくする必要があった。すなわち、SiC250nm/minのエッチレートで、酸化膜のエッチレートが1000nm/min、シリコン窒化膜のエッチレートが70nm/minとなり、対シリコン窒化膜の選択比が14.2となった。
【0032】
この状態で壁面の電極とウエーハ電極の温度の効果を−60℃から250℃まで変化させて、そのエッチングに対する効果を調べた。その結果、ウエーハ電極の温度は、なるべく高く設定する方がシリコン酸化膜をシリコン窒化膜に対して選択的にエッチングできることが分かった。特に好ましい温度は0℃以上であった。SiC温度200℃で対シリコン窒化膜の選択比は5であった。壁面の電極については、温度が低いと物質の堆積が起きやすいが、上部の電極と同様に、電極表面のエッチング速度を決定する因子の一つであった。したがって温度を極力一定に保持する必要がある。加えて、温度は高い場合ほどエッチングの速度が高く、温度を低く設定すると活性種の変換反応の効率が低下する。したがって上記温度範囲で所定のエッチング速度の設定して使用できた。すなわち本実施例から、炭素を含まないガスのプラズマを使用した場合に、プラズマに接触する固体表面に炭素を含有させこの固体のエッチング反応を生成せしめ、その固体の温度を特に0℃以上にすることによって、シリコン酸化膜を高エッチング速度でエッチングできることが明らかにでき、本発明の有効性が確認できた。
【0033】
炭素を含有しないガスの一例として、ここではArとSF6の混合ガスを用いたが、他の不活性ガスNe、Kr、Xeでも良く、フッ素を含むガスでは、SF6は地球温暖化係数が高くまたライフタイムも長く、好もしいものではないが、極めて少量の消費量ですむという利点がある。SF6以外では、F2、HF、XeF2、PF3、BF3、NF3、SiF4、ハロゲン化物の塩化フッ素ClF、ClF3、臭化フッ素BrF、BrF3、BrF5、ヨウ化フッ素IF5で効果がある。
【0034】
SiCのほかには、パイロリティックグラファイト板や有機樹脂膜、SiCN、ダイアモンド板、Al4C3、炭化ホウ素等の炭素含有材料であればよいことが分かった。また、これらの炭化物を他の材料表面に形成した構造でも同様に、エッチングに必要な活性種を形成することができた。
【0035】
(実施例3)
活性種制御材料に被処理材料と同じ材料を使用する場合の実施例について説明する。このような材料を使用することにより、特に試料が異種材料で形成される積層構造物を、同一プラズマ中でエッチングする場合に発生する異常形状を改善するのに効果的である。例えば、図4(a)は、塩素プラズマ中でメタルの配線加工時に用いられるSiO2305上に形成された、レジスト301、TiN304、Al303、TiN304の積層構造を、従来のECRプラズマエッチング装置でエッチング処理を行なった場合でのエッチング形状である。このように従来装置では、TiN304と境界をなすAl部分(ノッチング部分)302が異常に削れてしまう。
【0036】
この時のプラズマ中の塩素濃度の変化を示したものが図4(b)である。このグラフは、ノッチング部分の塩素濃度307が、TiNエッチング時の塩素密度306が大きい状態から急激に減少し、その後にAlエッチング時の安定な塩素濃度308の状態に変化することを示している。このことは、ノッチング部分302でプラズマ中の塩素密度が過剰であるため、異常形状が発生することを示している。
【0037】
そこで、このエッチングを行う場合に活性種制御材料112としてAlを使用すると、TiN304エッチング時に壁面のAlで塩素を消費させた塩素ラジカル密度309(図4(b))の状態にすることが出来るため、エッチング層がAlに変化しても塩素ラジカルの急激な変動を抑えることが出来る。これを図21に示す。すなわち、異種材料間で活性種の消費量が異なる層に移行する場合、過剰の活性種が滞在することが原因と考えられる。したがって、試料のエッチングにおける活性種消費が少ない層をエッチングする場合、活性種制御材料に電圧を印加しエッチャントを活性種制御材料で消費することで、試料に入射する活性種の量を一定化することが可能となり、エッチャントの変動化を減少させることができた。
【0038】
また、活性種制御材料にマスク材料と同じ材料を使用することで、エッチングされたマスク材料から発生するプラズマ中の酸素、炭素の量の変化を小さくすることができるため、時間的にも安定な側壁保護膜を形成でき、アンダーカット部分310(図4(a))がないエッチング形状を得ることができる。
【0039】
本発明は、その他の積層構造にも適用可能であり、具体的には、レジスト−ポリシリコン積層構造、SiO2−Si3N4構造、Al−W−Al構造、TiN−AlCu−TiN−Ti構造、TiN−Cu−TiN構造、SiO2マスク−Pt構造、ポリシリコン−SiO2構造などがあり、その場合には、活性種制御材料として、ポリシリコン、Si3N4、W、Al、Cu、Pt、SiO2を使用すればいいことが確認された。また、活性種制御材料として、被試料材料と同じ材料を含むものを使用すると本発明の効果は確実だが、エッチャントとの反応速度が被処理材料と同様な速度で進行するような別の材料を適用しても効果はある。
【0040】
このとき、異種材料間でのエッチャントの変動率は、エッチング表面と活性種制御材料との面積比程度である。エッチングを行う場合の処理試料の表面はマスク部分と被処理材料部分から成るが、活性種制御材料のプラズマ境界部分の面積を、このうちの小さい部分の面積よりも大きくすることで、活性種の変化率を抑えることが可能であった。
【0041】
(実施例4)
活性種制御材料に電圧を印加する方法及び機構の実施例について説明する。活性種制御材料に高周波を印加する場合、その面積が、プラズマ電位を決定している部分の面積と同程度になると、図6に示すようにプラズマ電位602が印加電圧601に追随して変動する現象が起きる。このプラズマ電位602の追随現象が起きると、プラズマ−活性種制御材料間のシース電圧は603のようになり、その直流成分である自己バイアス電圧604が印加されなくなるため試料106や活性種制御材料112へのイオン入射エネルギーの制御が出来くなるため、これを回避する方法が必要である。この方法の方針としては、プラズマ電位を決定している部分の面積に対して、電圧印加する活性種制御材料の面積を小さくするか、印加する周波数を高くして1周期で流れ込むイオンの量を少なくするか、ブロッキングコンデンサー118の容量を大きくするといった方法が効果的である。本目的のためには、活性種制御材料112を複数の互いに絶縁されたブロックに分割する方法がよい。この方法で、電圧印加時のプラズマから入射するイオン電流の総量が少なくなるため、プラズマ電位の追随現象を回避するのに効果がある。
【0042】
さらに、効果的な例を図8に示す。図8は、活性種制御材料を絶縁体111により互いに絶縁された3つのブロック802、803、804に分割し、リレー回路801を組み込んだ電圧印加回路の動作の略図である。このリレー回路801により電圧印加されているブロック部分とプラズマ電位を決定する(この場合は接地電位)部分との面積比をさらに小さくすることができる。この時、小面積の活性種制御材料を複数ならべる方法も同様な効果が得られる。
【0043】
3分割された活性種制御材料に図7に示すようなタイミングで高周波電圧を印加する場合のリレー回路801の動作を、図8(a)の時刻1、図8(b)の時刻2を用いて説明する。まず、時刻1ではブロックa802が高周波電源119に接続され、他のブロックは接地されている。次に時刻2においては、ブロックb803が高周波電源119に接続され、他のブロックは接地された状態に移行することが示されている。同様に時刻3においてはブロックc804が高周波電源119に接続され、その他は接地された状態に移行する。このように複数ブロックに順次電圧を印加し、電圧印加されている以外のブロックは接地されるという方法でプラズマ電位の変動を効率的に防ぐことができる。なお、ここでは3つに分割したが、2つ以上であれば同様の効果が得られる。
【0044】
しかしながら、図8の方法は付着物を除去するだけの効果を期待する分にはよいが、活性種制御の観点から考えると、面積が小さくなると制御効率は低下することが考えられる。そこで、図9(a)で示されるように、高周波電源119にかえて複位相高周波電源回路901を接続し、3つのブロックに分割したブロックa802、ブロックb803、ブロックc804にそれぞれ位相の異なる高周波を同時に印加(ブロックa802には初期位相0度の正弦波902、ブロックb803には初期位相120度の正弦波903、ブロックc804には初期位相240度の正弦波904)することで、図9(b)に示すようなプラズマ電位602の時間的平坦化を行うことができる。また、同時に複数枚のブロックに電圧を印加できるため、活性種制御効率は図8の方法より向上し、付着物除去の効率の向上にもつながる。また、この方法を実施するためには互いに位相の異なる複数の高周波電源を用いてもよい。このような活性種制御材料への入射イオンのエネルギー制御を行うためには、分割したブロックに異なる周波数を印加しても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【0045】
(実施例5)
活性種制御材料に温度制御機構を設置する場合の実施例について図1を用いて説明する。本発明での活性種制御には、化学反応進行下の温度による安定生成物の違いを利用する方法と活性種制御材料のマクロ的な温度を制御する方法があり、両者とも効果がある。装置稼働中に活性種制御材料112の温度を、プラズマからの加熱によらず一定に保つことで、活性種制御材料112からの酸素、水、水素等の脱離物や化学反応生成効率を常時一定にすることができる。活性種制御材料の温度を一定に保つ手段の実施例には、加熱手段としてはヒータ116、冷却手段としては冷却管117、温度検知手段としては温度モニター114から構成され、温度モニター114の測定結果をもとにヒータ116や冷却管117の温度を調節する温度制御回路121から構成される。この場合、加熱手段には、赤外線ランプ等の手段、冷却手段には液体窒素や水、油を用いてもよい。
【0046】
(実施例6)
プラズマ中の活性種の量や、活性種制御材料112への堆積量を検知し、プラズマ状態や試料処理状態に応じて、活性種制御材料に印加する電圧及び周波数を制御する機構についての実施例について説明する。図中111は絶縁体、114は反応室を示す。まず、活性種制御材料の付着量や、スパッタ量を検知する手段を備えた実施例を図10に示す。スパッタ量検知手段としては、水晶振動子膜厚計プローブ1001の一部に、活性種制御材料を構成する物質1003を蒸着させ、その一部をブロッキングコンデンサー118を介して高周波電源119に接続し、活性種制御材料112と同じ電圧を印加できる構造にする。そして、装置稼働中に付着、もしくは削り取られる量を水晶の振動数の変化によりとらえ、フィードバック回路1002で振動数の変化に応じた量を電圧印加回路115に帰還させることで活性種制御材料112に印加する電圧、及び周波数を制御し適度な削れ量になるように調整することにより、活性種制御材料112の寿命をのばすことができ、刻々と変化していくプラズマの条件にも対応できる。
【0047】
また、プラズマ中の活性種の量の変化を検知する手段として、図1の発光分光120を設置し、この検知結果の増減を基に活性種制御材料への印加電圧を制御する電気回路を設けることにより、プラズマ中の活性種をリアルタイムで常時一定の状態に保つことができる。
【0048】
また、図17に、試料処理時間により印加する高周波の電圧及び周波数の制御機構を示す。時間制御を行うために時間制御用コンピューター1701に加え、制御用プログラムを用意し、そのプログラミングされたタイムシーケンスに基づいて、活性種制御材料112に印加する電圧や、周波数を時間的に変化させる。制御用コンピューター1701からの電圧値、周波数に対応するデジタル信号は、D/Aコンバータ1702によりそれらのアナログ電圧に変換され、電圧印加回路115に入力され、活性種制御材料112に印加する電圧、及び周波数を変化させる。この方法は、反応室に付加する機構が少なく、反応室外部で、任意の時間制御を行うことができる。すなわち、試料処理に伴うエッチング速度や被処理材料の膜厚が既知ならば、それに応じた処理時間に伴う電圧値、周波数値をプログラムにより自由に設定することができ、かつ比較的低コストで実現できるという利点がある。以上のような実施例を実現するためには、外部からの入力電圧等によって活性種制御材料112への印加する電圧値や周波数を変化させることができる機能を電圧印加機構115が備えていることが必要である。
【0049】
(実施例7)
活性種制御材料に印加する直流成分(自己バイアス電圧)の電圧を、−20V以下とすることの実施例を説明する。まず、正の電荷を持つイオンを加速するためには、少なくとも負のバイアス、すなわち、0V以下の電圧を印加する必要がある。この時、イオンアシスト反応による化学反応領域は、入射するイオンのレンジにほぼ比例していると推測される。例えば、1000eV以下のエネルギーE(eV)を持つArイオンのレンジR(Å)は、R=0.08×Eの関係があることが知られている。このとき、反応領域内に、反応に参加する分子が少なくとも一つは存在することが必要である。想定される活性種機構の材料のなかで、原子間距離が小さい石英のSi−O結合が1.62Åであるから、活性種変換を行なう場合には、イオンエネルギーは少なくとも20eVは必要である。したがって、活性種制御材料へ印加する電圧を−20V以下とすることで、活性種制御を効率よく進行させることができる。
【0050】
(実施例8)
活性種制御材料に印加する直流成分(自己バイアス電圧)の電圧を−50V以上とすることの実施例を説明する。図5は、ECRプラズマ装置を用いて、C4F8ガスプラズマ中にAl試料を設置し、800kHzの交流電圧を印加した場合のAl表面の付着物の厚さを段差計により測定した結果である。この結果より、1.5mTorrでμ波電力200Wの条件だと、シース電圧の直流成分である自己バイアス電圧が−45Vで堆積物が付着せず、かつ下地のAlもエッチングされないような表面が得られることがわかる。この測定は、測定に用いたAl試料の表面粗さの誤差を考慮すると印加電圧を−50V以上とすることで活性種制御材料がエッチングされないような条件が存在することが考えられる。また、このような電圧は、付着した活性種固有のスパッタしきい値電圧と、プラズマ中から活性種制御材料に入射する活性種の量とプラズマの密度によって変化するため、上記のスパッタ量検知手段を用いて調整することも考えられる。
【0051】
したがって、印加電圧が0Vから−50Vの間に、カーボン系の付着物だけをスパッタできる電圧が存在し、この電圧で、試料処理中に印加することで、活性種制御の効果と同時に、プラズマ境界面への堆積物を除去することができるため、酸素クリーニングの短縮化、省略でき、トータルスループットの向上へとつながる。この時、試料処理時間と活性種制御材料への電圧印加時間を異なるタイミングで行なうことも考えられる。また、上記の装置でクリーニングガス(酸素、アルゴン等)を導入することで、上記同じ手法でプラズマ境界面のクリーニングも可能である。
【0052】
(実施例9)
磁場を使用したUHF波プラズマエッチング装置でのシリコン酸化膜エッチングを例にして、本発明によるガスの有効な使用方法を図11を利用して説明する。本実施例では、炭素を含有しないガスとしてClF3を使用する。不活性ガスとしてNe、Ar、Kr、Xeを混合した。フッ素を含むガスでは、SF6、NF3は地球温暖化係数が高くまたライフタイムも長く、好もしいものではないが、極めて少量の消費量ですむという利点があるが、ClF3も同様の効果があった。
【0053】
本実施例では、UHF波放射アンテナ71をウエーハに対向する形態となっており、その材質はパイロリティックグラファイト板を使用した。上記パイロリティックグラファイト板は、SiCのほかに有機樹脂膜、SiCN、ダイアモンド板、Al4C3、炭化ホウ素等の炭素含有材料であればよいことが分かった。またこれらの炭化物を表面に形成した構造でも効果があった。UHF波放射アンテナ71に外部にlow−path filter を設置しRF電源を設置すると、対向電極構造となり生成粒子が効率よく試料に入射し、活性種制御の効果を増加することが出来た。
【0054】
トータルのガス流量は50−500sccmに設定し、SF6は1−10sccmで変化させた。放電の圧力は0.5−5Paに設定した。UHF波は、プラズマ放電用UHF波電源74から同軸ケーブル79を伝わって、放射アンテナ71より投入され、プラズマを生成させる。下部のウエーハ電極107にはプラズマ中のイオンを加速するrf電力110を投入した。上部と下部の電極の間隔は10−200mmに設定し、活性種制御材料112であるパイロリティックグラファイト板に、rf電力119を印加できる機構を設けた。なお、図中の符号78はマグネットである。壁面の材料には、炭素を含有する物質として表面処理したSiCを用いた。このSiCに電力を投入すると該プラズマでこのSiCがエッチングされる。
【0055】
ウエーハは、同様に被エッチング膜としてシリコン酸化膜が形成されており、そのエッチングのマスクはホトレジストによって行った。リソグラフィによりこのホトレジストに微細なパターンを形成したものを使用した。また酸化膜に下地層としてシリコン窒化膜とシリコン膜を用いた。
【0056】
上部電極のパイロリティックグラファイト板のエッチング速度が50nm/minから600nm/minとなる条件で酸化膜をエッチングすると、酸化膜のエッチング速度が400nm/minから1400nm/minまで変化し、レジスト膜のエッチング速度は600nm/minから60nm/minまで変化した。すなわちSiC壁面電極のエッチング速度によって、レジストのエッチング速度が調節でき、選択比を大きくできる。シリコン膜のエッチング速度もレジストと同様に変化した。シリコン窒化膜のエッチングを最も選択的にエッチングするためには、SiC壁面電極のエッチング速度を大きくする必要があった。
【0057】
この状態で上下の電極と壁面の電極の温度の効果を各温度を−60℃から250℃まで変化させてそのエッチングに対する効果を調べた。その結果、ウエーハ電極の温度は、なるべく高く設定する方がシリコン酸化膜をシリコン窒化膜に対して選択的にエッチングできることが分かった。特に好ましい温度は0℃以上であった。上部電極の温度は、その電極表面のエッチング速度を決定する因子の一つであった。したがって温度を極力一定に保持する必要がある。加えて、温度は高い場合ほどエッチングの速度が高く、温度を低く設定すると上部電極による活性種の変換反応の効率が低下する。したがって上記温度範囲で所定のエッチング速度の設定して使用できる。壁面の電極については、温度が低いと物質の堆積が起きやすいが、上部の電極と同様に、電極表面のエッチング速度を決定する因子の一つであった。したがって温度を極力一定に保持する必要がある。加えて、温度は高い場合ほどエッチングの速度が高く、温度を低く設定すると上部電極による活性種の変換反応の効率が低下する。したがって上記温度範囲で所定のエッチング速度の設定して使用できた。すなわち本実施例から、炭素を含まないガスとしてClF3を使用した場合に、プラズマに接触する固体表面に炭素を含有させこの固体のエッチング反応を生成せしめ、その固体の温度を−60℃から250℃までに制御することによって、シリコン酸化膜を高エッチング速度でエッチングできることが明らかにでき、本発明の有効性が確認できた。
【0058】
(実施例10)
図14はプラズマ発生装置として表面波励起型プラズマを用いた本発明の実施例である。導波管1402からの電磁波が誘電体1401を介してプラズマエネルギーを与えてプラズマを発生させる。その他の機構と効果は、プラズマ生成機構としてECR型を用いた場合と同様である。
【0059】
(実施例11)
活性種制御材料の材料として炭素を使用し、本発明を適用してSAC加工を行なった場合の実施例を説明する。図16(a)はSAC加工を行う前の試料の構造である。シリコン基板1505上にポリシリコンからなるゲート電極1504が形成されている。SAC加工は窒化膜1503をストッパー層として用いて、酸化膜1502をエッチングし、コンタクトホールを形成する酸化膜加工であり、256M以降のDRAMのコンタクトホール形成時に有望な方法である。なお、1501はレジストである。活性種制御の概念がない、またはその機構が独立制御が可能でなかった従来の方法、例えば,有磁場マイクロ波の高密度プラズマエッチング装置を用いて、C4F85mTorr、マイクロ波電力1100Wの条件でエッチングを行うと、図16(b)に示すように、窒化膜の肩部分が削れ1506が発生しまいポリシリコンゲート1504の絶縁を保てなくなる不良と図16(c)で示すようなコンタクトホールの孔底でエッチング停止1507がおこるといったトレードオフが発生し、良好な選択エッチングのプロセスウィンドウが狭かった。
【0060】
本発明を適用することにより、酸化膜のエッチング反応に重要な堆積膜組成を選択エッチングに適したものにすることができる。すなわち、プラズマ中の酸化膜、窒化膜ともにエッチングしてしまうふっ素を低減し、選択エッチングに適したCF2に変換できるため、窒化膜上では堆積物が残留して肩削れを抑え、酸化膜上ではエッチングが進行するような良好な表面反応を促進することが出来る。したがって、本方法を用いてSAC加工を行なった場合、図16(d)のような良好なエッチング形状を得ることができる。
【0061】
(実施例12)
平行平板型エッチング装置で、化合物内に炭素を含まないガスを導入してシリコン酸化膜をエッチングする実施例について、図20を用いて説明する。本実施例では、ウエーハ106に対向する電極1202はパイロリティックグラファイト板を使用した。炭素を含有しないガスの一例として、放電ガスは、ArとSF6の混合ガスを用いた。この混合ガスは、上記パイロリティックグラファイト板のガス導入孔を通して上部から供給した。トータルのガス流量は100〜500sccmに設定し、SF6は1〜10sccmで変化させた。放電の圧力は1〜5Paに設定した。上部の電極には、rf電力1201を投入し、プラズマを発生させる。下部電極107にはプラズマ中のイオンを加速するrf電力110を投入した。また上部と下部の電極の間隔は5から50mmまで変化させた。
【0062】
ウエーハは、レジスト、シリコン酸化膜、シリコン膜、シリコン窒化膜が形成されたものを用いた。ここでは、ホトレジストをマスクとして、シリコン酸化膜をエッチングした。
【0063】
上部電極のパイロリティックグラファイト板のエッチング速度を100nm/minから1000nm/minまで変化させると、これに伴って酸化膜のエッチング速度が500nm/minから2000nm/minまで変化し、レジスト膜のエッチング速度は800nm/minから90nm/minまで変化した。パイロリティックグラファイト板のエッチング速度によってレジストのエッチング速度が調節でき、選択比を大きく保つことが可能であった。シリコン膜のエッチング速度もレジストと同様に変化した。従って、シリコン酸化膜のエッチングを最も選択的にエッチングするためには、パイロリティックグラファイト板のエッチング速度を100nm/min以上大きくする必要があることが分かった。すなわち本実施例から、炭素を含まないガスによりシリコン酸化膜を高エッチング速度でエッチングでき、本発明の有効性が確認できた。
【0064】
(実施例13)
本実施例では、実施例12のような平行平板型のプラズマ処理装置に、プラズマ処理室の壁面近傍に第3の電極112を設置した装置を用いてエッチングする例を、図12を用いて説明する。第3の電極として、表面処理したSiC112を用い、このSiCに電力119を投入するとそのプラズマでこのSiCがエッチングされる。また、SiC112はヒーター116及び冷却管117によって温度調節されている。それ以外は実施例12と同様である。
【0065】
上部電極1202のパイロリティックグラファイト板のエッチング速度が100nm/minから400nm/minとなる条件で、SiC112に電力119を投入し、このSiC壁面電極のエッチング速度によるウエーハ上のレジスト、シリコン酸化膜、シリコン膜、シリコン窒化膜のエッチング速度の変化を測定した。その結果、SiC電極のエッチング速度が大きくなるにしたがって、酸化膜のエッチング速度が500nm/minから1500nm/minまで変化し、レジスト膜のエッチング速度は300nm/minから60nm/minまで変化した。すなわちSiC壁面電極のエッチング速度によって、レジストのエッチング速度が調節でき、選択比を大きく保つことが可能であった。シリコン膜のエッチング速度もレジストと同様に変化した。シリコン窒化膜のエッチングを最も選択的にエッチングするためには、SiC壁面電極のエッチング速度を大きくする必要があることが分かった。すなわち本実施例から、炭素を含まないガスのプラズマを使用した場合に、プラズマに接触する固体表面に炭素を含有させこの固体のエッチング反応を生成せしめることによって、シリコン酸化膜を高エッチング速度でエッチングできることが明らかにでき、本発明の有効性が確認できた。
【0066】
プラズマ処理室の壁面への電力の印加については、いくつかの有効な手段があった。そのひとつは、壁面をいくつかに分割して、異なるバイアス電力により動作させる方法であった。また、第二にはウエーハのバイアス電力電源をウエーハと壁面に電力の位相等を変えて共有しても、効果があった。
【0067】
上下の電極間隔が30mm以下の極めて狭い状況においても壁面のバイアス印加方法は効果があった。
【0068】
その壁面電極のエッチング速度を高精度に制御するには、壁面のバイアス電力の波形と周波数についても制御する必要があり、イオンエネルギ分布を小さく均一にエッチングできるように設定できる。
【0069】
(実施例14)
磁場を使用した平行平板型エッチング装置でのシリコン酸化膜エッチングについて図19により説明する。本実施例では、ウエーハ106に対向する電極1202はパイロリティックグラファイト板を使用した。放電ガスは、ArとSF6の混合ガスを用いた。この混合ガスは、上記パイロリティックグラファイト板のガス導入孔を通して上部から供給した。トータルのガス流量は20〜500sccmに設定し、SF6は1〜10sccmで変化させた。放電の圧力は0.1〜5Paに設定した。上部と下部の電極の間隔は10〜200mmに設定した。壁面近傍に、表面処理したSiC112を用いた。このSiCに電力を投入すると上記プラズマでこのSiCがエッチングされる。それ以外は実施例12と同様である。
【0070】
上部電極のパイロリティックグラファイト板のエッチング速度が50nm/minから600nm/minとなる条件で、SiCに電力を投入し、このSiC電極のエッチング速度によるウエーハ上のレジスト、シリコン酸化膜、シリコン膜、シリコン窒化膜のエッチング速度の変化を測定した。その結果、SiC壁面電極のエッチング速度が大きくなるにしたがって、酸化膜のエッチング速度が400nm/minから1600nm/minまで変化し、レジスト膜のエッチング速度は500nm/minから60nm/minまで変化した。すなわちSiC壁面電極のエッチング速度によって、レジストのエッチング速度が調節でき、選択比を大きく保つことが可能であった。シリコン膜のエッチング速度もレジストと同様に変化した。シリコン窒化膜のエッチングを最も選択的にエッチングするためには、SiC壁面電極のエッチング速度を大きくする必要があることが分かった。すなわち本実施例から、炭素を含まないガスのプラズマを使用した場合に、プラズマに接触する固体表面に炭素を含有させこの固体のエッチング反応を生成せしめることによって、シリコン酸化膜を高エッチング速度でエッチングできることが明らかにでき、本発明の有効性が確認できた。
【0071】
プラズマ処理室の壁面への電力の印加については、実施例2と同様にいくつかの有効な手段があった。そのひとつは、壁面をいくつかに分割して、異なるバイアス電力により動作させる方法であった。また、第二にはウエーハのバイアス電力電源をウエーハと壁面に電力の位相等を変えて共有しても、効果があった。上下の電極間隔が30mm以下の極めて狭い状況においても壁面のバイアス印加方法は効果があったが、特に電極間隔が30mmを越えた条件で有効であった。
【0072】
(実施例15)
本実施例は、実施例14にさらに温度調節機構48を設け、電極の温度を制御しながらエッチングする方法について、図15を用いて説明する。
【0073】
上下の電極と壁面の電極の温度の効果を各温度を−60℃から250℃まで変化させてそのエッチングに対する効果を調べた。その結果、ウエーハ電極の温度は、なるべく高く設定する方がシリコン酸化膜をシリコン窒化膜に対して選択的にエッチングできることが分かった。特に好ましい温度は0℃以上であった。上部電極の温度は、その電極表面のエッチング速度を決定する因子の一つであった。したがって温度を極力一定に保持する必要がある。加えて、温度は高い場合ほどエッチングの速度が高く、温度を低く設定すると上部電極による活性種の変換反応の効率が低下する。したがって上記温度範囲で所定のエッチング速度の設定して使用できる。壁面の電極については、温度が低いと物質の堆積が起きやすいが、上部の電極と同様に、電極表面のエッチング速度を決定する因子の一つであった。したがって温度を極力一定に保持する必要がある。加えて、温度は高い場合ほどエッチングの速度が高く、温度を低く設定すると上部電極による活性種の変換反応の効率が低下する。したがって上記温度範囲で所定のエッチング速度の設定して使用できた。すなわち本実施例から、炭素を含まないガスのプラズマを使用した場合に、プラズマに接触する固体表面に炭素を含有させこの固体のエッチング反応を生成せしめ、その固体の温度を−60℃から250℃までに制御することによって、シリコン酸化膜を高エッチング速度でエッチングできることが明らかにできることが確認された。
【0074】
(実施例16)
本発明による誘導結合型のrf波放電エッチング装置でのシリコン酸化膜エッチングを図13により説明する。ウエハー106は、バイアス用高周波印加下部電極を兼ねたウエハーテーブル107上に設置され、ウエハーテーブル107はバイアス用高周波電源110に接続されている。本実施例では、実施例12〜15とは異なり、ウエーハに対向する電極は設置されず、絶縁窓51が配置される。壁面近傍に活性種制御材料112としてSiCを使用した。このSiCには、バイアス印加電源119が接続されている。実施例14と同様に、トータルのガス流量を20〜500sccmに設定し、SF6は1〜10sccmで変化させた。放電の圧力は0.3〜5Paに設定した。rf電力はプラズマ放電用高周波電源54からプラズマ処理室の放電部にコイル上に形成したアンテナに通電し、アルミナや石英によってつくった放電窓板58もしくは放電管のなかにプラズマを生成した。
【0075】
それ以外の条件は、実施例14と同様である。その結果、実施例4と同様に、SiC壁面電極のエッチング速度によって、レジストのエッチング速度が調節でき、選択比を大きく保つことが可能であった。シリコン膜のエッチング速度もレジストと同様に変化した。シリコン窒化膜のエッチングを最も選択的にエッチングするためには、SiC壁面電極のエッチング速度を大きくする必要があることが分かった。
【0076】
また、実施例15と同様に、ウエーハ電極の温度は、なるべく高く設定する方がシリコン酸化膜をシリコン窒化膜に対して選択的にエッチングできることが分かった。
【0077】
(実施例17)
本発明による磁場を使用しないUHF波プラズマエッチング装置でのシリコン酸化膜エッチングを図11により説明する。本実施例では、ウエーハに対向する電極71はパイロリティックグラファイト板を使用した。
【0078】
導入ガスをSF6とArの混合ガスとして、トータルのガス流量は50〜500sccmに設定し、SF6は1〜10sccmで変化させた。放電の圧力は0.5〜5Paに設定した。上部と下部の電極の間隔は10〜200mmに設定した。プラズマ処理室の壁面近傍に活性種制御機構として、表面処理したSiC76を用いた。このSiCに電力を投入すると前記プラズマでこのSiCがエッチングされる。
【0079】
ウエーハは、基板上にシリコン窒化膜、シリコン膜、シリコン酸化膜、ホトレジストが形成されたものを使用した。
【0080】
上部電極のパイロリティックグラファイト板のエッチング速度が50nm/minから600nm/minとなる条件で、酸化膜のエッチング速度が400nm/minから1400nm/minまで変化し、レジスト膜のエッチング速度は600nm/minから60nm/minまで変化した。すなわちSiC壁面電極のエッチング速度によって、レジストのエッチング速度が調節でき、選択比を大きくなる。シリコン膜のエッチング速度もレジストと同様に変化した。シリコン窒化膜のエッチングを最も選択的にエッチングするためには、SiC壁面電極のエッチング速度を大きくする必要があった。
【0081】
また、実施例15と同様に、ウエーハ電極の温度は、なるべく高く設定する方がシリコン酸化膜をシリコン窒化膜に対して選択的にエッチングできることが分かった。
【0082】
(実施例18)
磁場を使用したUHF波プラズマエッチング装置でのシリコン酸化膜エッチングを例にして、図11を用いて本発明によるガスの有効な使用方法について説明する。本実施例では、炭素を含有しないガスとしてClF3を使用する。不活性ガスとしてNe、Ar、Kr、Xeを混合した。フッ素を含むガスと同様、ClF3は地球温暖化係数が高くまたライフタイムも長く、好もしいものではないが、極めて少量の消費量ですむという利点がある。その他の条件は、実施例17と同様である。
【0083】
その結果、ClF3を使用した場合でも、実施例17と同様の効果、即ち活性種制御材料の温度を−60℃から250℃まで制御して、シリコン酸化膜を高エッチング速度でエッチングできる効果が得られた。
【0084】
(実施例19)
誘導結合型高周波放電のプラズマエッチング装置でClF3に加えて、微量の炭素を含むガスをエッチングガスとして使用して、シリコン酸化膜のエッチングを行った。
【0085】
本実施例では、誘導結合型であるのでウエーハに対向する電極は設置されないが、壁面近傍の電極112(図13)にSiCを使用した結果、本発明の効果が認められた。しかしシリコン酸化膜のエッチングをシリコン窒化膜に対して選択的に行うことがかなり困難である。本実施例はこれを補う方法である。炭素を含有するガスとしては、Cのほかに、HとFとClのいずれかを含有するガスを使用すればよい。
【0086】
トータルのガス流量は20〜500sccmに設定し、ClF3は0〜10sccmで変化させた。微量の添加ガスには、クロロフォルムを使用した。その導入量はClF3を越えない程度に設定した。放電の圧力は0.3〜5Paに設定した。rf電力はプラズマ処理室の放電部にコイル上に形成したアンテナに通電し、アルミナや石英によってつくった放電窓板もしくは放電管のなかにプラズマを生成した。ウエーハ電極にはプラズマ中のイオンを加速するrf電力を投入した。
【0087】
ウエーハは、基板上にシリコン窒化膜、シリコン膜、シリコン酸化膜、ホトレジストが形成されたものを用いた。
【0088】
SiCのエッチング速度が50nm/minから600nm/minとなる条件とすると、酸化膜のエッチング速度は400nm/minから1600nm/minまで変化し、レジスト膜のエッチング速度は500nm/minから60nm/minまで変化した。またシリコン窒化膜のエッチング速度は40〜200nm/minであり、クロロフォルムを添加することにより、選択比は、20%以上向上し、少量のガス添加の効果が大きいことが明らかであり、本発明の有効性がさらに活かされる例であった。すなわち炭素を含むガスの少量添加によって、レジストのエッチング速度が調節でき、選択比が大きくなる。この炭素を含むガスは、トータルガス流量の1%以下好ましくは0.4〜0.8%程度流すと効果的である。即ち、本実施例では炭素を含むガスを5sccm以下流すと上述の効果がある。シリコン膜のエッチング速度もレジストと同様に変化した。シリコン窒化膜のエッチングを極めて効果的に選択的にエッチングできた。
【0089】
この状態で上下の電極と壁面の電極の温度の効果を各温度を−60℃から250℃まで変化させてそのエッチングに対する効果を調べた。その結果、ウエーハ電極の温度は、炭素含有ガスの添加の場合には炭素含有ガスの添加しない場合に比較すると、シリコン酸化膜をシリコン窒化膜に対して選択的にエッチングできる温度が約10℃程度低くても良いことが分かった。特に好ましい温度は−10℃以上であった。上部電極の温度は、その電極表面のエッチング速度を決定する因子の一つであった。したがって温度を極力一定に保持する必要がある。加えて、温度は高い場合ほどエッチングの速度が高く、温度を低く設定すると上部電極による活性種の変換反応の効率が低下する。したがって上記温度範囲で所定のエッチング速度の設定して使用できる。壁面の電極については、温度が低いと物質の堆積が起きやすいが、上部の電極と同様に、電極表面のエッチング速度を決定する因子の一つであった。したがって温度を極力一定に保持する必要がある。加えて、温度は高い場合ほどエッチングの速度が高く、温度を低く設定すると上部電極による活性種の変換反応の効率が低下する。したがって上記温度範囲で所定のエッチング速度の設定して使用できた。すなわち本実施例から、炭素を含まないガスとしてClF3を使用し、炭素を含有するガスとしては、Cのほかに、HとFとClのいずれかを含有するガスを添加して使用した場合に、プラズマに接触する固体表面に炭素を含有させこの固体のエッチング反応を生成せしめ、その固体の温度を−60℃から240℃までに制御することによって、シリコン酸化膜を高エッチング速度で高選択比でエッチングできることが明らかにでき、本発明の有効性が確認できた。
【0090】
(実施例20)
誘導結合型高周波放電のプラズマエッチング装置でのシリコン酸化膜エッチングを例にして、本発明によるガスの有効な使用方法について説明する。本実施例では、エッチングガスとしてClF3を使用するが、加えて、酸素を含有するガス、例としてはO2を使用する。同時に実施例19のように微量の炭素を含むガスを使用してもよい。不活性ガスとしてNe、Ar、Kr、Xeのいずれかを混合した。フッ素を含むガスでは、OF6、NF3、ClF3も使用できる。本実施例の重要な点は、O2、CO、CO2、NO、NO2、H2O等が使用できることにある。
【0091】
本実施例では、壁面近傍の電極としてパイロリティックグラファイトを使用した結果、本発明の効果が認められた。しかしシリコン酸化膜のエッチングをシリコン窒化膜に対して選択的に行うことがかなり困難である。本実施例はこれを補う方法である。炭素を含有するガスとしては、Cのほかに、HとFとClのいずれかを含有するガスを使用すればよい。
【0092】
トータルのガス流量は20〜500sccmに設定し、ClF3は1〜10sccmで変化させた。微量の添加ガスには、O2を使用した。その導入量はClF3を越えない程度に設定した。放電の圧力は0.3〜5Paに設定した。rf電力はプラズマ処理室の放電部にコイル上に形成したアンテナに通電し、アルミナや石英によってつくった放電窓板もしくは放電管のなかにプラズマを生成した。ウエーハ電極にはプラズマ中のイオンを加速するrf電力を投入した。本実施例では、これまでの例とは異なり、このエッチング反応の結果として、CO、CO2、C3O2、C5O2等の炭素酸化物ガスが形成される。その結果、シリコン酸化膜をシリコン窒化膜に対して選択的にエッチングするには極めて効果的となり、本発明の有効性がさらに高めることができる。
【0093】
ウエーハは、基板上にシリコン窒化膜、シリコン膜、シリコン酸化膜、ホトレジストが形成されたものを用いた。
【0094】
上部電極のグラファイトのエッチング速度が50nm/minから600nm/minとなる条件で、酸化膜のエッチング速度が400nm/minから1600nm/minまで変化し、レジスト膜のエッチング速度は500nm/minから60nm/minまで変化した。またシリコン窒化膜のエッチング速度は30〜150nm/minであり、酸素添加によって選択比は、15%以上向上し、少量のガス添加の効果が大きいことが明らかであり、本発明の有効性がさらに活かされる例であった。すなわち酸素を含むガスの少量添加によって、レジストのエッチング速度が調節でき、選択比を大きくなる。シリコン膜のエッチング速度もレジストと同様に変化した。シリコン窒化膜のエッチングを極めて効果的に選択的にエッチングできた。
【0095】
前述の実施例では、炭素を含有する物質は、パイロリティックなグラファイト、SiCを用いたが、ほかに有機樹脂膜、SiCN、ダイアモンド板、Al4C3、炭化ホウ素等の炭素含有材料であればよい。またこれらの炭化物を表面に形成した構造でも効果があった。
【0096】
また、前述の実施例では炭素を含まないガスとしてArを用いたが、この他不活性ガスNe、Kr、Xeでも良い。
【0097】
また、前述の実施例では、フッ素を含むガスとしてSF6やClF3を用いたが、地球温暖化係数が高くまたライフタイムも長く好もしいものではないが、極めて少量の消費量ですむという利点がある。これら以外では、F2、HF、XeF2、PF3、BF3、NF3、SiF4、ハロゲン化物の塩化フッ素ClF、臭化フッ素BrF、BrF3、BrF5、ヨウ化フッ素IF5であっても良い。
【0098】
【発明の効果】
本発明により以下の効果を得ることが出来た。
【0099】
PFC、HFCガス使用せずに、エッチングに必要な活性種を生成し従来の選択性を保ちつつシリコン酸化膜のエッチングを行うことが可能となる。
【0100】
シリコン酸化膜プロセスにおいては、プラズマ中のフッ素をCF2変換し、活性種を単一種化したプラズマを使用することで、シリコン酸化膜上では反応生成物が揮発してエッチングが進行するが、シリコン窒化膜上では残留物のためエッチングが停止するという選択性エッチングが可能となり、選択比低下による窒化膜の肩削れの問題およびプロセスマージンの拡大化を解決することが出来る。
【0101】
また、メタルエッチング時の異種材料間における活性種の変化を一定に保つことができ、局所形状異常を抑制することが可能となる。
【0102】
プラズマ境界面への付着物が除去できるため、経時変化が抑制でき、高スループットで長期的にも安定で良好なエッチング特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1の、活性種制御材料を搭載したプラズマエッチング装置の断面を示す図である。
【図2】活性種制御材料にAl、SiO2、Cを使用した場合のCF4プラズマ中のフッ素とCF2密度を示す図である。
【図3】CF4ガスプラズマ中で、炭素の活性種制御材料に負の直流電圧を印加した時のCF1、CF2、CF3のラジカル密度の変化を示す図である。
【図4】レジスト−TiN−Al−TiNの積層構造を、従来のECRプラズマエッチング装置でエッチング処理を行なった場合の形状とその時のプラズマ中の塩素濃度の変化を示した図である。
【図5】C4F8プラズマに接する面に設置したアルミ板に電圧を印加した場合の堆積層の厚さを示す図である。
【図6】活性種制御材料の面積がプラズマ電位を決定している部分の面積と同程度の場合のプラズマ電位と印加電圧、プラズマシース電圧、自己バイアス電圧の波形図である。
【図7】活性種制御材料を3つに区切った場合での各ブロックに電圧印加を行うタイミングの例を示す図である。
【図8】活性種制御材料を三つに区切った場合のリレー回路を組み込んだ電圧印加回路の動作の略図である。
【図9】複位相電源回路接続した場合の構成図とプラズマ電位と各印加電圧、各プラズマシース電圧、自己バイアス電圧の波形図である。
【図10】活性種制御材料への付着量またはスパッタ量を検知する手段の実施例を示す図である。
【図11】本発明によるガス組成および活性種制御材料を使った、ECR型UHF波プラズマエッチング装置の概略図である。
【図12】プラズマ発生機構に容量結合型プラズマを適用し、本発明を搭載したエッチング装置の断面図である。
【図13】プラズマ発生機構に誘導結合型プラズマを適用し、本発明を搭載したエッチング装置の断面図である。
【図14】プラズマ発生機構に表面波励起型プラズマを適用し、本発明を搭載したエッチング装置の断面図である。
【図15】プラズマ発生機構に有磁場平行平板プラズマを適用し、本発明を搭載したエッチング装置の断面図である。
【図16】酸化膜エッチングによるSAC加工を行う前の試料構造を表す図と従来方法におけるSAC加工時の肩削れ状態を表す図と従来方法におけるSAC加工時のエッチング停止状態を表す図と本発明を用いた場合でのSAC加工を行なった場合のエッチング形状を表す図である。
【図17】試料処理時間により印加する高周波の電圧及び周波数の制御機構を示す図である。
【図18】活性種制御材料と絶縁体との間に導電板を挿入し、その導電板に電圧印加回路を接続したことを示す図である。
【図19】プラズマ発生機構に有磁場平行平板プラズマを適用し、本発明を搭載したエッチング装置の断面図である。
【図20】プラズマ発生機構に平行平板プラズマを適用し、本発明を搭載したエッチング装置の断面図である。
【図21】本発明を適用して、TiN−Al−TiNのメタル配線加工を行なった場合の加工形状を示す図である。
【符号の説明】
48…温度調節機構、51…上部窓、54…高周波電源、58…コイル状アンテナ、71…上部電極、74…UHF波電源、78…マグネット、79…同軸ケーブル、101…マイクロ波発振器、102…導波管、103…マイクロ波導入窓、104…反応室、105…電磁石、106…試料、107…試料台、108…真空排気装置、109…ガス導入管、110…RF電源、111…絶縁体、112…活性種制御材料、113…プラズマ、114…温度モニター、115…電圧印加回路、116…ヒータ、117…冷却管、118…ブロッキングコンデンサー、119…交流電源、120…フィードバック回路を設けた発光分光器、121…温度制御回路、301…レジスト、302…ノッチ部分、303…アルミニウム、304…窒化チタン、305…SiO2、306…窒化チタンエッチング時の塩素濃度(異常形状発生時)、307…ノッチング部分での塩素密度、308…アルミニウムエッチング時の安定な塩素濃度、309…窒化チタンエッチング時の塩素密度(本発明適用時)、310…アンダーカット部分、401…導電板、601…印加電圧、602…プラズマ電位、603…シース電圧、604…自己バイアス電圧、801…リレー回路、802…ブロックa、803…ブロックb、804…ブロックc、901…複位相高周波電源回路、902…初期位相0度の正弦波、903…初期位相120度の正弦波、904…初期位相240度の正弦波、905…ブロックaへのシース電圧、906…ブロックbへのシース電圧、907…ブロックcへのシース電圧、1001…水晶振動子膜厚計プローブ、1002…フィードバック回路、1003…活性種制御材料を構成する物質、1201…高周波電源、1202…接地対向電極、1401…誘電体、1402…導波管、1501…レジスト、1502…酸化膜、1503…窒化膜、1504…ポリシリコンゲート、1505…シリコン基板、1506…窒化膜肩削れ部分、1507…エッチング停止部分、1701…時間制御用コンピュータ、1702…D/Aコンバータ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma processing method and a plasma processing apparatus, and more particularly to a dry etching process in which a raw material gas in a gas phase is converted into plasma and the surface of a semiconductor material is processed by physical or chemical reaction of activated particles. It relates to plasma processing.
[0002]
[Prior art]
With the recent miniaturization of semiconductor elements, multilayer wiring layers and three-dimensional element structures are progressing. Accordingly, it is considered that the processing of the insulating film used for maintaining the electrical insulation between the wiring and the elements becomes more and more important. In the etching of this silicon oxide film, which is an insulating film, CF Four , C 2 F 8 Perfluorocarbon gas (PFC) and CH 2 F 2 , CHF Three Hydrofluorocarbon gas (HFC) such as has been used. This is because a gas containing carbon is indispensable for breaking the Si—O bond of the silicon oxide film and generating a volatile compound.
[0003]
In recent years, however, environmental problems on a global scale have been highlighted. However, the PFC and HFC described above are easy to absorb infrared rays and have a long life in the atmosphere of over 3000 years. The impact is so great that it is expected that their use will be limited or difficult to obtain in the future.
[0004]
In PFC and HFC gas plasma, F and CF 1 , CF 2 , CF Three Fluorocarbon radicals and ions are present. Etching of silicon oxide film is a mechanism in which these active species (radicals) adhere to the reaction surface of silicon oxide film, and volatiles are generated by chemical reaction under a pseudo high temperature state by the energy of ions incident on the silicon oxide film. Proceed with Therefore, in order to obtain good etching characteristics, it is necessary to control the active species incident on the sample and the energy and density of ions incident on the sample. Control of the density and active species of ions in the plasma is controlled by the plasma generation mechanism of these etching apparatuses.
[0005]
Moreover, as a method for generating active species in a reaction vessel, for example, JP-A-7-74147 describes that the inside of a reaction vessel is composed of a carbon-based material, and this carbon component is supplied into plasma and etched. Has been.
[0006]
In Japanese Patent Laid-Open No. 4-363302, the reaction vessel is made of ceramics to prevent a decrease in etching action due to active species on the sample, and a heater is provided on the outer periphery of the reaction vessel so that plasma is applied to the ceramic reaction vessel. It describes reducing thermal shock.
[0007]
On the other hand, when PFC or HFC gas plasma is used, the fluorocarbon-based or carbon-based polymer adheres to the reaction chamber wall as the sample processing proceeds. As described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-62936 as a method for removing the deposit, an electrode which is insulated from the outer wall of the reaction chamber and divided into a plurality of portions is installed on the inner surface of the reaction chamber, and an electrode for plasma generation There is known a method of performing plasma cleaning by sequentially applying a high-frequency voltage between the two. JP-A-1-231320, JP-A-1-231321, and JP-A-1-231322 describe a plasma cleaning method by applying a voltage to an electrode insulated from the outer wall of a reaction chamber. ing.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, even if plasma cleaning is performed as in the conventional example, deposits are present on the reaction chamber wall before cleaning. Since fluorine in the plasma reacts with the adhesion layer on the inner wall of the reaction chamber, the fluorine density in the plasma gradually decreases and the proportion of carbon in the plasma increases. That is, as the adhesion to the reaction chamber wall progresses, the radical composition changes, which causes a change over time in that the etching characteristics change, which is a serious problem.
[0009]
On the other hand, the etching apparatus can be classified into a capacitive coupling type, an ECR (electron cyclotron resonance) type, an ICP (inductive coupling) type, a surface wave excitation type, and the like according to a plasma generation mechanism. In the capacitively coupled device, a sample is placed on the lower electrode, and plasma generation control and sample incident energy control are attempted by applying different frequencies and voltages to the upper electrode and lower electrode by two voltage application mechanisms. Because of its structure, these cannot be controlled independently. The active species control in this apparatus is considered to be performed by carbon or silicon used for the electrode, but there is no control parameter for this. Therefore, the control by the two upper and lower power sources must perform three controls: ion density, energy control of ions incident on the sample, and control of active species, and a range of various parameters (processes) for obtaining good etching characteristics. There is a problem that it is difficult to obtain stable etching conditions. Here, the parameters that determine the etching characteristics include, for example, high-frequency power, μ-wave power, gas flow rate, gas pressure, and gas composition supplied between the electrode plates in the plasma generation mechanism. In the incident ion energy control, there are a waveform, frequency, power, and the like of an applied voltage.
[0010]
On the other hand, plasma generation methods other than the capacitive coupling type can control the plasma generation control independently of the energy control of ions incident on the sample, but the mechanism for controlling the active species depends on the plasma generation control. This also has the problem that the process window is narrow. Specifically, when SAC (Self Align Contact) silicon oxide film processing is performed with a high-density plasma etching apparatus such as ECR, the trade-off between etching stop at the hole bottom and silicon nitride film scraping becomes a problem. ing. Further, when etching with high selectivity is performed using high-density plasma, a microloading phenomenon in which the etching rate decreases as the hole diameter decreases and a reverse microloading phenomenon occur, which is a problem. Further, when metal processing of a laminated film such as TiN and Al is performed with these apparatuses, there is a problem that a local abnormal side etching shape (notching) can be formed at the boundary between different materials such as TiN and Al.
[0011]
Further, in the method described in JP-A-7-74147, it is difficult to perform desired etching because the appropriate amount of active species cannot be controlled. In the method described in JP-A-4-363211, there is a problem that active species cannot be generated in the reaction vessel.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The above object is achieved by generating an amount of active species necessary for etching in a region where the plasma is in contact.
[0013]
Specific description will be given below. In the etching of the silicon oxide film and silicon nitride film on the sample, for example, a gas containing fluorine is introduced into the reaction chamber and maintained in a low gas pressure state such as 0.3 Pa-200 Pa, and μ wave or RF wave This gas is discharged by the input power of, and plasma is generated. Then, a direct current or a high frequency voltage is applied to a carbon-containing solid placed in a region in contact with plasma to release a desired amount of carbon, and fluorine radicals in the plasma are converted into CF, CF 2 , CF Three , C 2 F Four Etch the sample by converting it to fluorocarbon radicals.
[0014]
Moreover, if a gas containing fluorine and not carbon is introduced as a gas to be introduced into the reaction chamber, and the fluorine-containing gas and solid carbon are reacted in the reaction chamber, a silicon oxide film or silicon is used without using PFC or HFC. A nitride film or the like can be selectively etched. That is, when a plasma of fluorine gas not containing carbon is generated and fluorine atom ions are reacted with solid carbon newly installed in the reaction chamber, CF Four , CF 2 , CF Three , C 2 F Four Of carbon and fluorine. The active species molecules which are these compounds can be directly generated from the dissociation of the PFC gas conventionally, and the silicon oxide film can be etched by the generated active species molecules. The feature of the present invention is that in the etching of the silicon oxide film and the silicon nitride film, the active species necessary for the etching is not directly supplied from the PFC or HFC gas, but is converted and generated by reaction with the solid in the plasma processing chamber. By this method, even when PFC and HFC gas are restricted and prohibited from being used, it is possible to generate active species necessary for etching and perform etching while maintaining the conventional selectivity.
[0015]
On the other hand, with respect to the problem of improving the selection ratio and the process margin during the SAC processing, the CF that is an etchant of the silicon oxide film is used. 2 This can be achieved by single seeding. On the other hand, the active species control material is carbon, and this is arranged on the plasma boundary surface, thereby reducing the fluorine in the plasma to 1/2, compared to the case where aluminum is used as the active species control material, CF 1 , CF 2 , CF Three Has been found to be able to increase by 5, 10 and 2 times respectively. The results are shown in FIG. FIG. 2 shows Al, SiO as active species control materials. 2 , CF when C is used Four Fluorine and CF in plasma 2 It is the result of having measured. This result shows that when aluminum is used as the active species control material, there is no reaction with fluorine, so the fluorine density is large, but when carbon is used, the fluorine density is halved compared to aluminum. This is because carbon in the active species control material reacts with fluorine in the plasma, and CF 2 It is conceivable that a conversion reaction such as an increase occurs. At this time, CF 1 , CF 2 It was also confirmed that it increased. The active species control material is SiO 2 Then, like fluorine in plasma, CF 1 , CF 2 , CF Three Decreased, CF 1 , CF 2 , CF Three And SiO of active species control material 2 Indicates that there is a chemical reaction. In this way, the active species composition in the plasma can be changed by providing an active species control material that causes a chemical reaction with the active species in the plasma and volatilizes the product in the plasma region. Even if silicon or silicon carbide is used as the active species material, SiF 2 The chemical reaction which produces | generates volatile matters, such as this, occurred, and the fluorine in plasma could be reduced.
[0016]
Furthermore, it was confirmed that the single species of the active species was promoted by installing a voltage application mechanism in the active species control material and applying a voltage in parallel with the sample processing. Figure 3 shows CF Four CF when a negative DC voltage is applied to a carbon active species control material in a gas plasma 1 , CF 2 , CF Three It is the result of having measured the radical density of. As the applied voltage increases, CF Three Decreased, CF 2 Is newly found to increase. This phenomenon is caused by an ion assist reaction on the active species control material. Utilizing this effect, the fluorine in the plasma is converted into CF. 2 By using plasma that has been converted into a single species of active species, the reaction product volatilizes on the silicon oxide film and etching proceeds, but the etching stops because of the residue on the silicon nitride film Etching becomes possible, and the problem of the shoulder shaving of the nitride film due to the lowering of the selection ratio can be solved. Also, compared to the conventional etching mechanism based on the balance between carbon and fluorine, CF has a lower coefficient of adhesion to the etching side surface than carbon. 2 It was confirmed that it is possible to suppress the microloading and reverse microloading phenomenon.
[0017]
In addition, when etching samples with significantly different etching rates, the active species control material is the same element as the material to be etched or a compound containing at least one element that is the same as the material to be etched. By controlling the voltage applied to the material over time or monitoring and consuming / releasing the radicals that are the active species control material, local abnormal shapes such as those occurring between different materials could be suppressed.
[0018]
Furthermore, the problem of local shape anomalies between different materials in metal etching can be solved by reducing the variation of the etchant. That is, the problem can be solved by using the active species control material as the material to be etched and controlling the active species density according to the etching time or the active species monitoring result.
[0019]
On the other hand, it is possible to suppress changes in etching characteristics over time by removing deposits on the surface in contact with plasma. That is, deposits attached to the plasma contact surface could be automatically removed by arranging the active species control material so as to surround the plasma and processing the sample while applying a voltage from the outside. In addition, the effect of improving the throughput by applying a voltage during sample processing was also obtained. Where C Four F 8 1.5 mTorr, μ-wave power 200 W, C Four F 8 FIG. 5 shows the results of measuring the thickness of the deposited layer with a step gauge when an arbitrary voltage is applied to an aluminum plate placed on the surface in contact with the plasma. Although the deposit depends on the plasma density, it is possible to suppress the change in etching characteristics over time because the deposited film does not adhere by applying an appropriate voltage to the plasma interface.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Example 1
FIG. 1 is a side view of an etching apparatus equipped with the present invention, which uses ECR plasma, which is a method for generating a plasma using the interaction between a magnetic field and an electromagnetic wave. The
[0021]
The gas is introduced into the
[0022]
It was newly confirmed that the conversion reaction can be further promoted by applying a voltage to the active
[0023]
When an insulator such as quartz or silicon nitride is used as the active
[0024]
Figure 3 shows CF Four CF when a negative DC voltage is applied to the carbon active species control
[0025]
In general, it is known that a chemical reaction product under a high temperature condition is likely to generate an unstable molecule at room temperature where the number of bonded atoms is small. For example, chlorine atoms adsorbed on a silicon substrate are converted into SiCl by chemical reaction with the underlying Si at a substrate temperature of 600 ° C. 2 It is known that SiCl is produced at 900 ° C. Therefore, under the ion energy obtained in this experiment, CF 2 It is assumed that is easily generated stably. That is, if carbon is used as the active
[0026]
Further, the lower limit of the frequency of the high frequency voltage that can be applied to the active species control material is determined by the density of the plasma used. The plasma density used for etching is 10 11 -10 12 Piece / cm Three The saturation ion current density I at that time e 10 -2 -10 -Four A / cm 2 Degree. In general, when applying a high frequency to an electrode in plasma, approximately I e / (CV) or higher frequency is required. This relational expression is derived qualitatively from the fact that the voltage change of the electrode dropped by the voltage application mechanism needs to change faster than the change of the amount of ions flowing in so as to cancel it. Here, C is a capacitance per unit area of about 10 -11 About Farad, V is the applied voltage, about 10 2 It is about a bolt. Therefore, in the above plasma used for etching, the frequency of the high frequency that can be applied must be 100 kHz or more. Regarding the upper limit value, the frequency at which ions can follow the voltage change and have an ion assist reaction effect was about 100 MHz. At this time, if a pulse power source and a DC power source are used as the
[0027]
In the present invention, not only the fluorocarbon gas plasma but also a carbon-based gas or an organic resist as a mask is used to cause an ion-assisted reaction on the deposit on the active
[0028]
(Example 2)
An embodiment in which silicon oxide film etching is performed without using PFC or HFC gas will be described below. In the present embodiment of the ECR type microwave discharge plasma as shown in FIG. 1, no electrode facing the wafer is provided. Therefore, since the electrode facing the wafer cannot be made of carbon, in principle, etching using a gas not containing carbon is difficult.
[0029]
However, as a result of the active
[0030]
In the wafer, a silicon oxide film was formed as a film to be etched, and the etching mask was made of photoresist. This photoresist used was a fine pattern formed by lithography. Further, a silicon nitride film and a silicon film were used as an underlayer for the oxide film.
[0031]
Under the condition that the etching rate of the SiC plate is 50 nm / min to 600 nm / min, the etching rate of the oxide film changes from 400 nm / min to 2000 nm / min, and the etching rate of the resist film changes from 500 nm / min to 80 nm / min. did. That is, the etching rate of the resist can be adjusted by the etching rate of the SiC wall electrode, and the selectivity can be increased. The etching rate of the silicon film also changed in the same manner as the resist. In order to most selectively etch the silicon nitride film, it is necessary to increase the etching rate of the SiC wall electrode. That is, with an etch rate of SiC 250 nm / min, the etch rate of the oxide film was 1000 nm / min, the etch rate of the silicon nitride film was 70 nm / min, and the selectivity of the silicon nitride film was 14.2.
[0032]
In this state, the effect of the temperature of the wall electrode and the wafer electrode was changed from −60 ° C. to 250 ° C., and the effect on the etching was examined. As a result, it was found that the silicon oxide film can be selectively etched with respect to the silicon nitride film by setting the temperature of the wafer electrode as high as possible. A particularly preferred temperature was 0 ° C. or higher. The selectivity of the silicon nitride film with respect to the SiC temperature of 200 ° C. was 5. As for the electrode on the wall surface, deposition of a substance is likely to occur at a low temperature. However, like the upper electrode, it is one of the factors that determine the etching rate of the electrode surface. Therefore, it is necessary to keep the temperature as constant as possible. In addition, the higher the temperature, the higher the etching rate, and the lower the temperature, the lower the efficiency of the active species conversion reaction. Therefore, it was possible to set and use a predetermined etching rate within the above temperature range. That is, from this example, when a plasma of a gas not containing carbon is used, carbon is contained in the surface of the solid in contact with the plasma to generate an etching reaction of the solid, and the temperature of the solid is set to 0 ° C. or more in particular. As a result, it was clarified that the silicon oxide film can be etched at a high etching rate, and the effectiveness of the present invention was confirmed.
[0033]
As an example of a gas containing no carbon, here Ar and SF 6 However, other inert gases Ne, Kr, and Xe may be used. In the case of a gas containing fluorine, SF is used. 6 Is not good because it has a high global warming potential and a long lifetime, but it has the advantage of requiring very little consumption. SF 6 Except for F 2 , HF, XeF 2 , PF Three , BF Three , NF Three , SiF Four , Fluoride chloride ClF, ClF Three , Fluorine bromide BrF, BrF Three , BrF Five , Fluorine iodide IF Five It is effective.
[0034]
Besides SiC, pyrolytic graphite plate, organic resin film, SiCN, diamond plate, Al Four C Three It has been found that any carbon-containing material such as boron carbide may be used. Similarly, the active species necessary for etching could be formed even in the structure in which these carbides were formed on the surface of other materials.
[0035]
Example 3
An example in which the same material as the material to be treated is used as the active species control material will be described. Use of such a material is effective in improving an abnormal shape that occurs when a laminated structure in which a sample is formed of a different material is etched in the same plasma. For example, FIG. 4A shows SiO used for metal wiring processing in chlorine plasma. 2 This is an etching shape when the laminated structure of the resist 301, TiN304, Al303, and TiN304 formed on 305 is etched by a conventional ECR plasma etching apparatus. Thus, in the conventional apparatus, the Al portion (notching portion) 302 that forms a boundary with the
[0036]
FIG. 4B shows the change in the chlorine concentration in the plasma at this time. This graph shows that the
[0037]
Therefore, if Al is used as the active
[0038]
In addition, by using the same material as the mask material for the active species control material, changes in the amount of oxygen and carbon in the plasma generated from the etched mask material can be reduced, so that it is also stable in time. A sidewall protective film can be formed, and an etched shape without the undercut portion 310 (FIG. 4A) can be obtained.
[0039]
The present invention is applicable to other laminated structures, specifically, a resist-polysilicon laminated structure, SiO 2 -Si Three N Four Structure, Al-W-Al structure, TiN-AlCu-TiN-Ti structure, TiN-Cu-TiN structure, SiO 2 Mask-Pt structure, Polysilicon-SiO 2 In such a case, polysilicon, Si, etc. are used as active species control materials. Three N Four , W, Al, Cu, Pt, SiO 2 It was confirmed that it should be used. In addition, if an active species control material containing the same material as the sample material is used, the effect of the present invention is certain, but another material whose reaction rate with the etchant proceeds at the same rate as the material to be processed is used. Even if applied, there is an effect.
[0040]
At this time, the variation rate of the etchant between different materials is about the area ratio between the etching surface and the active species control material. The surface of the sample to be processed when etching is made up of a mask part and a material part to be processed. By making the area of the plasma boundary part of the active species control material larger than the area of the small part, the active species It was possible to suppress the rate of change.
[0041]
(Example 4)
An example of a method and mechanism for applying a voltage to the active species control material will be described. In the case where a high frequency is applied to the active species control material, if the area thereof is approximately the same as the area of the portion where the plasma potential is determined, the
[0042]
An effective example is shown in FIG. FIG. 8 is a schematic diagram of the operation of the voltage application circuit in which the active species control material is divided into three
[0043]
The operation of the
[0044]
However, although the method of FIG. 8 is good enough to expect the effect of only removing the deposits, from the viewpoint of active species control, it is conceivable that the control efficiency decreases as the area decreases. Therefore, as shown in FIG. 9A, instead of the high
[0045]
(Example 5)
An embodiment in which a temperature control mechanism is installed in the active species control material will be described with reference to FIG. The active species control in the present invention includes a method that utilizes the difference in stable products depending on the temperature under the progress of the chemical reaction and a method that controls the macroscopic temperature of the active species control material, both of which are effective. By keeping the temperature of the active
[0046]
(Example 6)
Example of a mechanism for detecting the amount of active species in plasma and the amount deposited on the active
[0047]
Further, as means for detecting a change in the amount of active species in the plasma, the
[0048]
FIG. 17 shows a high-frequency voltage applied according to the sample processing time and a frequency control mechanism. In order to perform time control, a control program is prepared in addition to the
[0049]
(Example 7)
An embodiment in which the voltage of the direct current component (self-bias voltage) applied to the active species control material is set to −20 V or less will be described. First, in order to accelerate ions having a positive charge, it is necessary to apply at least a negative bias, that is, a voltage of 0 V or less. At this time, it is presumed that the chemical reaction region by the ion-assisted reaction is almost proportional to the range of incident ions. For example, it is known that the range R (Å) of Ar ions having energy E (eV) of 1000 eV or less has a relationship of R = 0.08 × E. At this time, it is necessary that at least one molecule participating in the reaction exists in the reaction region. Among the materials of the assumed active species mechanism, since the Si—O bond of quartz having a small interatomic distance is 1.62 Å, ion conversion requires at least 20 eV when performing active species conversion. Therefore, active species control can be advanced efficiently by setting the voltage applied to the active species control material to -20 V or less.
[0050]
(Example 8)
An embodiment in which the voltage of the direct current component (self-bias voltage) applied to the active species control material is set to −50 V or more will be described. FIG. 5 shows the CCR using an ECR plasma apparatus. Four F 8 It is the result of having measured the thickness of the deposit | attachment of Al surface when a Al sample was installed in gas plasma and the alternating voltage of 800 kHz was applied with the level difference meter. From this result, under conditions of 1.5 mTorr and μW power of 200 W, a surface is obtained in which the self-bias voltage, which is the DC component of the sheath voltage, is −45 V, no deposits adhere, and the underlying Al is not etched. I understand that In consideration of the error in the surface roughness of the Al sample used for the measurement, it is considered that there are conditions under which the active species control material is not etched when the applied voltage is set to −50 V or more. Further, such a voltage varies depending on the sputter threshold voltage unique to the attached active species, the amount of active species incident on the active species control material from the plasma, and the plasma density. It is also possible to adjust using.
[0051]
Therefore, when the applied voltage is between 0V and -50V, there is a voltage that can sputter only carbon-based deposits. By applying this voltage during sample processing, the effect of controlling the active species can be achieved simultaneously with the plasma boundary. Since deposits on the surface can be removed, oxygen cleaning can be shortened or omitted, leading to an improvement in total throughput. At this time, it is also conceivable to perform the sample processing time and the voltage application time to the active species control material at different timings. Further, by introducing a cleaning gas (oxygen, argon, etc.) with the above apparatus, the plasma interface can be cleaned by the same method as described above.
[0052]
Example 9
Taking an example of silicon oxide film etching in a UHF wave plasma etching apparatus using a magnetic field, an effective method of using a gas according to the present invention will be described with reference to FIG. In this example, ClF is used as the gas not containing carbon. Three Is used. Ne, Ar, Kr, and Xe were mixed as an inert gas. For gases containing fluorine, SF 6 , NF Three Although it has a high global warming potential and a long lifetime, it is not desirable, but it has the advantage of requiring very little consumption, but ClF Three Had the same effect.
[0053]
In this embodiment, the UHF
[0054]
The total gas flow rate was set to 50-500 sccm, and SF6 was varied from 1-10 sccm. The discharge pressure was set to 0.5-5 Pa. The UHF wave is transmitted from the plasma discharge UHF
[0055]
In the wafer, similarly, a silicon oxide film is formed as a film to be etched, and the etching mask is made of photoresist. A photolithographic resist having a fine pattern formed thereon was used. Further, a silicon nitride film and a silicon film were used as an underlayer for the oxide film.
[0056]
When the oxide film is etched under the condition that the etching rate of the pyrolytic graphite plate of the upper electrode is 50 nm / min to 600 nm / min, the etching rate of the oxide film changes from 400 nm / min to 1400 nm / min, and the etching rate of the resist film Changed from 600 nm / min to 60 nm / min. That is, the etching rate of the resist can be adjusted by the etching rate of the SiC wall electrode, and the selectivity can be increased. The etching rate of the silicon film also changed in the same manner as the resist. In order to most selectively etch the silicon nitride film, it is necessary to increase the etching rate of the SiC wall electrode.
[0057]
In this state, the temperature effect of the upper and lower electrodes and the wall surface electrode was changed from −60 ° C. to 250 ° C., and the effect on the etching was examined. As a result, it was found that the silicon oxide film can be selectively etched with respect to the silicon nitride film by setting the temperature of the wafer electrode as high as possible. A particularly preferred temperature was 0 ° C. or higher. The temperature of the upper electrode was one of the factors determining the etching rate of the electrode surface. Therefore, it is necessary to keep the temperature as constant as possible. In addition, the higher the temperature, the higher the etching rate, and the lower the temperature, the lower the efficiency of the active species conversion reaction by the upper electrode. Therefore, it can be used by setting a predetermined etching rate within the above temperature range. As for the electrode on the wall surface, deposition of a substance is likely to occur at a low temperature. However, like the upper electrode, it is one of the factors that determine the etching rate of the electrode surface. Therefore, it is necessary to keep the temperature as constant as possible. In addition, the higher the temperature, the higher the etching rate, and the lower the temperature, the lower the efficiency of the active species conversion reaction by the upper electrode. Therefore, it was possible to set and use a predetermined etching rate within the above temperature range. That is, from this example, ClF is used as a gas not containing carbon. Three When silicon is used, carbon is contained in the solid surface in contact with the plasma to generate an etching reaction of the solid, and the temperature of the solid is controlled from −60 ° C. to 250 ° C., thereby highly etching the silicon oxide film. It was revealed that etching can be performed at a speed, and the effectiveness of the present invention was confirmed.
[0058]
(Example 10)
FIG. 14 shows an embodiment of the present invention using surface wave excitation type plasma as a plasma generator. Electromagnetic waves from the
[0059]
(Example 11)
An example in which carbon is used as the material of the active species control material and SAC processing is performed by applying the present invention will be described. FIG. 16A shows the structure of the sample before performing SAC processing. A
[0060]
By applying the present invention, the deposited film composition important for the etching reaction of the oxide film can be made suitable for selective etching. In other words, CF that is suitable for selective etching is reduced by reducing fluorine etching of both oxide and nitride films in the plasma. 2 Therefore, deposits remain on the nitride film to suppress shoulder shaving, and a favorable surface reaction that promotes etching on the oxide film can be promoted. Therefore, when SAC processing is performed using this method, a good etching shape as shown in FIG. 16 (d) can be obtained.
[0061]
(Example 12)
An embodiment in which a silicon oxide film is etched by introducing a gas not containing carbon into a compound with a parallel plate etching apparatus will be described with reference to FIG. In this embodiment, a pyrolytic graphite plate is used for the
[0062]
As the wafer, a resist, a silicon oxide film, a silicon film, and a silicon nitride film were used. Here, the silicon oxide film was etched using the photoresist as a mask.
[0063]
When the etching rate of the pyrolytic graphite plate of the upper electrode is changed from 100 nm / min to 1000 nm / min, the etching rate of the oxide film is changed from 500 nm / min to 2000 nm / min, and the etching rate of the resist film is It changed from 800 nm / min to 90 nm / min. The etching rate of the resist can be adjusted by the etching rate of the pyrolytic graphite plate, and the selectivity can be kept large. The etching rate of the silicon film also changed in the same manner as the resist. Accordingly, it has been found that the etching rate of the pyrolytic graphite plate needs to be increased by 100 nm / min or more in order to most selectively etch the silicon oxide film. That is, from this example, the silicon oxide film can be etched at a high etching rate with a gas containing no carbon, and the effectiveness of the present invention was confirmed.
[0064]
(Example 13)
In this embodiment, an example of etching using the apparatus in which the
[0065]
Under the condition that the etching rate of the pyrolytic graphite plate of the
[0066]
There are several effective means for applying power to the wall of the plasma processing chamber. One of them was a method in which the wall surface was divided into several parts and operated with different bias powers. Second, there is an effect even if the wafer bias power supply is shared between the wafer and the wall surface by changing the phase of the power.
[0067]
Even in a very narrow situation where the distance between the upper and lower electrodes is 30 mm or less, the wall surface bias application method was effective.
[0068]
In order to control the etching rate of the wall surface electrode with high accuracy, it is necessary to control the waveform and frequency of the bias power on the wall surface, and the ion energy distribution can be set to be small and uniformly etched.
[0069]
(Example 14)
The silicon oxide film etching with a parallel plate etching apparatus using a magnetic field will be described with reference to FIG. In this embodiment, a pyrolytic graphite plate is used for the
[0070]
Under the condition that the etching rate of the pyrolytic graphite plate of the upper electrode is 50 nm / min to 600 nm / min, power is applied to SiC, and the resist, silicon oxide film, silicon film, silicon on the wafer according to the etching rate of this SiC electrode Changes in the etching rate of the nitride film were measured. As a result, as the etching rate of the SiC wall electrode increased, the etching rate of the oxide film changed from 400 nm / min to 1600 nm / min, and the etching rate of the resist film changed from 500 nm / min to 60 nm / min. That is, the etching rate of the resist can be adjusted by the etching rate of the SiC wall electrode, and the selectivity can be kept large. The etching rate of the silicon film also changed in the same manner as the resist. It has been found that the etching rate of the SiC wall electrode needs to be increased in order to most selectively etch the silicon nitride film. In other words, from this example, when a plasma of a gas that does not contain carbon is used, the silicon oxide film is etched at a high etching rate by containing carbon on the solid surface that comes into contact with the plasma and generating an etching reaction of this solid. It was clarified that it was possible to confirm the effectiveness of the present invention.
[0071]
As in Example 2, there were some effective means for applying power to the wall surface of the plasma processing chamber. One of them was a method in which the wall surface was divided into several parts and operated with different bias powers. Second, there is an effect even if the wafer bias power supply is shared between the wafer and the wall surface by changing the phase of the power. The wall surface bias application method was effective even in a very narrow situation where the distance between the upper and lower electrodes was 30 mm or less, but it was particularly effective under the condition where the electrode distance exceeded 30 mm.
[0072]
(Example 15)
In the present embodiment, a method for etching while controlling the temperature of the electrode by further providing a
[0073]
The effect of the temperature on the upper and lower electrodes and the electrode on the wall surface was changed from -60 ° C. to 250 ° C. to examine the effect on the etching. As a result, it was found that the silicon oxide film can be selectively etched with respect to the silicon nitride film by setting the temperature of the wafer electrode as high as possible. A particularly preferred temperature was 0 ° C. or higher. The temperature of the upper electrode was one of the factors determining the etching rate of the electrode surface. Therefore, it is necessary to keep the temperature as constant as possible. In addition, the higher the temperature, the higher the etching rate, and the lower the temperature, the lower the efficiency of the active species conversion reaction by the upper electrode. Therefore, it can be used by setting a predetermined etching rate within the above temperature range. As for the electrode on the wall surface, deposition of a substance is likely to occur at a low temperature. However, like the upper electrode, it is one of the factors that determine the etching rate of the electrode surface. Therefore, it is necessary to keep the temperature as constant as possible. In addition, the higher the temperature, the higher the etching rate, and the lower the temperature, the lower the efficiency of the active species conversion reaction by the upper electrode. Therefore, it was possible to set and use a predetermined etching rate within the above temperature range. That is, from this example, when a plasma of a gas not containing carbon is used, carbon is contained in the solid surface in contact with the plasma to generate an etching reaction of the solid, and the temperature of the solid is changed from −60 ° C. to 250 ° C. It was confirmed that the silicon oxide film can be etched at a high etching rate by controlling the above.
[0074]
(Example 16)
The silicon oxide film etching in the inductively coupled rf wave discharge etching apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. The
[0075]
The other conditions are the same as in Example 14. As a result, similarly to Example 4, the etching rate of the resist could be adjusted by the etching rate of the SiC wall surface electrode, and the selection ratio could be kept large. The etching rate of the silicon film also changed in the same manner as the resist. It has been found that the etching rate of the SiC wall electrode needs to be increased in order to most selectively etch the silicon nitride film.
[0076]
Further, as in Example 15, it was found that the silicon oxide film can be selectively etched with respect to the silicon nitride film by setting the temperature of the wafer electrode as high as possible.
[0077]
(Example 17)
The silicon oxide film etching in the UHF wave plasma etching apparatus not using a magnetic field according to the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, a pyrolytic graphite plate is used as the
[0078]
The introduced gas is SF 6 As a mixed gas of Ar and Ar, the total gas flow rate is set to 50 to 500 sccm, SF 6 Was varied from 1 to 10 sccm. The discharge pressure was set to 0.5 to 5 Pa. The distance between the upper and lower electrodes was set to 10 to 200 mm. A surface-treated SiC 76 was used as the active species control mechanism in the vicinity of the wall surface of the plasma processing chamber. When power is supplied to this SiC, the SiC is etched by the plasma.
[0079]
The wafer used was a silicon nitride film, silicon film, silicon oxide film and photoresist formed on a substrate.
[0080]
The etching rate of the oxide film changes from 400 nm / min to 1400 nm / min under the condition that the etching rate of the pyrolytic graphite plate of the upper electrode is 50 nm / min to 600 nm / min, and the etching rate of the resist film changes from 600 nm / min. It changed to 60 nm / min. That is, the etching rate of the resist can be adjusted by the etching rate of the SiC wall electrode, and the selectivity is increased. The etching rate of the silicon film also changed in the same manner as the resist. In order to most selectively etch the silicon nitride film, it is necessary to increase the etching rate of the SiC wall electrode.
[0081]
Further, as in Example 15, it was found that the silicon oxide film can be selectively etched with respect to the silicon nitride film by setting the temperature of the wafer electrode as high as possible.
[0082]
(Example 18)
Taking an example of silicon oxide film etching in a UHF wave plasma etching apparatus using a magnetic field, an effective method of using a gas according to the present invention will be described with reference to FIG. In this example, ClF is used as the gas not containing carbon. Three Is used. Ne, Ar, Kr, and Xe were mixed as an inert gas. As with fluorine-containing gas, ClF Three Is not good because it has a high global warming potential and a long lifetime, but it has the advantage of requiring very little consumption. Other conditions are the same as in Example 17.
[0083]
As a result, ClF Three Even in the case where is used, the same effect as in Example 17, that is, the effect that the silicon oxide film can be etched at a high etching rate by controlling the temperature of the active species control material from −60 ° C. to 250 ° C. was obtained.
[0084]
(Example 19)
Inductively coupled high frequency discharge plasma etching equipment with ClF Three In addition, the silicon oxide film was etched using a gas containing a small amount of carbon as an etching gas.
[0085]
In this example, since the inductive coupling type is used, an electrode facing the wafer is not installed, but as a result of using SiC for the electrode 112 (FIG. 13) in the vicinity of the wall surface, the effect of the present invention was recognized. However, it is quite difficult to selectively etch the silicon oxide film with respect to the silicon nitride film. The present embodiment is a method for compensating for this. As the gas containing carbon, in addition to C, a gas containing any of H, F, and Cl may be used.
[0086]
The total gas flow rate is set to 20-500 sccm and ClF Three Was varied from 0 to 10 sccm. Chloroform was used for a small amount of additive gas. The amount introduced is ClF. Three It was set so as not to exceed. The discharge pressure was set to 0.3 to 5 Pa. The rf power was supplied to the antenna formed on the coil in the discharge part of the plasma processing chamber, and plasma was generated in a discharge window plate or discharge tube made of alumina or quartz. The wafer electrode was supplied with rf power for accelerating ions in the plasma.
[0087]
The wafer used was a silicon nitride film, silicon film, silicon oxide film, and photoresist formed on a substrate.
[0088]
Assuming that the SiC etching rate is 50 nm / min to 600 nm / min, the oxide film etching rate changes from 400 nm / min to 1600 nm / min, and the resist film etching rate changes from 500 nm / min to 60 nm / min. did. The etching rate of the silicon nitride film is 40 to 200 nm / min, and it is clear that the addition of chloroform improves the selectivity by 20% or more, and the effect of adding a small amount of gas is large. This is an example where the effectiveness is further utilized. That is, by adding a small amount of gas containing carbon, the etching rate of the resist can be adjusted, and the selectivity is increased. This carbon-containing gas is effective when it is flowed at 1% or less, preferably about 0.4 to 0.8% of the total gas flow rate. That is, in this embodiment, the above-described effect is obtained when a gas containing carbon is flowed at 5 sccm or less. The etching rate of the silicon film also changed in the same manner as the resist. The etching of the silicon nitride film could be selectively performed very effectively.
[0089]
In this state, the temperature effect of the upper and lower electrodes and the wall surface electrode was changed from −60 ° C. to 250 ° C., and the effect on the etching was examined. As a result, the temperature of the wafer electrode is about 10 ° C. at which the silicon oxide film can be selectively etched with respect to the silicon nitride film when the carbon-containing gas is added compared to when the carbon-containing gas is not added. It turned out that it may be low. A particularly preferable temperature was −10 ° C. or higher. The temperature of the upper electrode was one of the factors determining the etching rate of the electrode surface. Therefore, it is necessary to keep the temperature as constant as possible. In addition, the higher the temperature, the higher the etching rate, and the lower the temperature, the lower the efficiency of the active species conversion reaction by the upper electrode. Therefore, it can be used by setting a predetermined etching rate within the above temperature range. As for the electrode on the wall surface, deposition of a substance is likely to occur at a low temperature. However, like the upper electrode, it is one of the factors that determine the etching rate of the electrode surface. Therefore, it is necessary to keep the temperature as constant as possible. In addition, the higher the temperature, the higher the etching rate, and the lower the temperature, the lower the efficiency of the active species conversion reaction by the upper electrode. Therefore, it was possible to set and use a predetermined etching rate within the above temperature range. That is, from this example, ClF is used as a gas not containing carbon. Three As a gas containing carbon, in addition to C, when a gas containing any one of H, F, and Cl is added, carbon is added to the solid surface in contact with the plasma. By generating a solid etching reaction and controlling the temperature of the solid from −60 ° C. to 240 ° C., it can be clarified that the silicon oxide film can be etched at a high etching rate and a high selectivity. Was confirmed.
[0090]
(Example 20)
The effective use of the gas according to the present invention will be described by taking silicon oxide film etching in an inductively coupled high frequency discharge plasma etching apparatus as an example. In this embodiment, ClF is used as an etching gas. Three In addition, a gas containing oxygen, for example O 2 Is used. At the same time, as in Example 19, a gas containing a trace amount of carbon may be used. Any of Ne, Ar, Kr, and Xe was mixed as an inert gas. For gases containing fluorine, OF 6 , NF Three , ClF Three Can also be used. The important point of this embodiment is that O 2 , CO, CO 2 , NO, NO 2 , H 2 O or the like can be used.
[0091]
In this example, as a result of using pyrolytic graphite as an electrode in the vicinity of the wall surface, the effect of the present invention was recognized. However, it is quite difficult to selectively etch the silicon oxide film with respect to the silicon nitride film. The present embodiment is a method for compensating for this. As the gas containing carbon, in addition to C, a gas containing any of H, F, and Cl may be used.
[0092]
The total gas flow rate is set to 20-500 sccm and ClF Three Was varied from 1 to 10 sccm. For trace amounts of additive gas, O 2 It was used. The amount introduced is ClF. Three It was set so as not to exceed. The discharge pressure was set to 0.3 to 5 Pa. The rf power was supplied to the antenna formed on the coil in the discharge part of the plasma processing chamber, and plasma was generated in a discharge window plate or discharge tube made of alumina or quartz. The wafer electrode was supplied with rf power for accelerating ions in the plasma. In this embodiment, unlike the previous examples, as a result of this etching reaction, CO, CO 2 , C Three O 2 , C Five O 2 A carbon oxide gas such as is formed. As a result, it becomes extremely effective to selectively etch the silicon oxide film with respect to the silicon nitride film, and the effectiveness of the present invention can be further enhanced.
[0093]
The wafer used was a silicon nitride film, silicon film, silicon oxide film, and photoresist formed on a substrate.
[0094]
The etching rate of the oxide film changes from 400 nm / min to 1600 nm / min under the condition that the etching rate of graphite of the upper electrode is 50 nm / min to 600 nm / min, and the etching rate of the resist film changes from 500 nm / min to 60 nm / min. Changed. Further, the etching rate of the silicon nitride film is 30 to 150 nm / min, and the selectivity is improved by 15% or more by adding oxygen, and it is clear that the effect of adding a small amount of gas is large, and the effectiveness of the present invention is further improved. It was an example to be utilized. That is, by adding a small amount of a gas containing oxygen, the etching rate of the resist can be adjusted, and the selectivity is increased. The etching rate of the silicon film also changed in the same manner as the resist. The etching of the silicon nitride film could be selectively performed very effectively.
[0095]
In the above-described embodiment, pyrolytic graphite and SiC are used as the carbon-containing material, but in addition, organic resin film, SiCN, diamond plate, Al Four C Three Any carbon-containing material such as boron carbide may be used. In addition, a structure in which these carbides are formed on the surface is also effective.
[0096]
In the above-described embodiments, Ar is used as a gas not containing carbon, but other inert gases Ne, Kr, and Xe may be used.
[0097]
In the above-described embodiment, the gas containing fluorine is SF. 6 And ClF Three However, although it has a high global warming potential and a long lifetime, it has the advantage of requiring very little consumption. Other than these, F 2 , HF, XeF 2 , PF Three , BF Three , NF Three , SiF Four , Fluoride chloride ClF, bromofluoride BrF, BrF Three , BrF Five , Fluorine iodide IF Five It may be.
[0098]
【The invention's effect】
According to the present invention, the following effects can be obtained.
[0099]
Without using PFC or HFC gas, it is possible to generate active species necessary for etching and to etch the silicon oxide film while maintaining the conventional selectivity.
[0100]
In the silicon oxide film process, fluorine in the plasma is converted into CF. 2 By using plasma that has been converted into a single species of active species, the reaction product volatilizes on the silicon oxide film and etching proceeds, but the etching stops because of the residue on the silicon nitride film Etching can be performed, and the problem of shoulder shaving of the nitride film due to the lowering of the selection ratio and the expansion of the process margin can be solved.
[0101]
In addition, the change of active species between different materials during metal etching can be kept constant, and local shape abnormality can be suppressed.
[0102]
Since the deposits on the plasma boundary surface can be removed, the change with time can be suppressed, and stable and good etching characteristics can be obtained with high throughput and long term.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a cross section of a plasma etching apparatus equipped with an active species control material according to Example 1 of the present invention.
[Fig. 2] Al, SiO as active species control material 2 , CF when C is used Four Fluorine and CF in plasma 2 It is a figure which shows a density.
FIG. 3 CF Four CF when a negative DC voltage is applied to a carbon active species control material in a gas plasma 1 , CF 2 , CF Three It is a figure which shows the change of the radical density of.
FIG. 4 is a diagram showing the shape of a resist-TiN-Al-TiN stacked structure when etching is performed with a conventional ECR plasma etching apparatus and the change in chlorine concentration in the plasma at that time.
FIG. 5 C Four F 8 It is a figure which shows the thickness of the deposition layer at the time of applying a voltage to the aluminum plate installed in the surface which contact | connects plasma.
FIG. 6 is a waveform diagram of a plasma potential, an applied voltage, a plasma sheath voltage, and a self-bias voltage when the area of the active species control material is approximately the same as the area of the portion that determines the plasma potential.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of timing for applying a voltage to each block when the active species control material is divided into three.
FIG. 8 is a schematic diagram of the operation of a voltage application circuit incorporating a relay circuit when the active species control material is divided into three.
FIG. 9 is a configuration diagram in the case where a multi-phase power supply circuit is connected, and a waveform diagram of a plasma potential, each applied voltage, each plasma sheath voltage, and a self-bias voltage.
FIG. 10 is a diagram showing an embodiment of a means for detecting the amount of adhesion to the active species control material or the amount of sputtering.
FIG. 11 is a schematic view of an ECR type UHF wave plasma etching apparatus using a gas composition and active species control material according to the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view of an etching apparatus in which a capacitively coupled plasma is applied to a plasma generation mechanism and the present invention is mounted.
FIG. 13 is a cross-sectional view of an etching apparatus in which inductively coupled plasma is applied to a plasma generation mechanism and the present invention is mounted.
FIG. 14 is a sectional view of an etching apparatus in which surface wave excitation type plasma is applied to a plasma generation mechanism and the present invention is mounted.
FIG. 15 is a sectional view of an etching apparatus in which a magnetic field parallel plate plasma is applied to the plasma generation mechanism and the present invention is mounted.
FIG. 16 is a diagram showing a sample structure before performing SAC processing by oxide film etching, a diagram showing a shoulder shaving state during SAC processing in the conventional method, a diagram showing an etching stop state during SAC processing in the conventional method, and the present invention. It is a figure showing the etching shape at the time of performing SAC processing in the case of using.
FIG. 17 is a diagram illustrating a high-frequency voltage applied according to a sample processing time and a frequency control mechanism.
FIG. 18 is a diagram showing that a conductive plate is inserted between an active species control material and an insulator, and a voltage application circuit is connected to the conductive plate.
FIG. 19 is a cross-sectional view of an etching apparatus in which a magnetic field parallel plate plasma is applied to a plasma generation mechanism and the present invention is mounted.
FIG. 20 is a cross-sectional view of an etching apparatus in which parallel plate plasma is applied to the plasma generation mechanism and the present invention is mounted.
FIG. 21 is a diagram showing a processing shape when TiN—Al—TiN metal wiring processing is performed by applying the present invention;
[Explanation of symbols]
48: Temperature control mechanism, 51: Upper window, 54: High frequency power supply, 58: Coiled antenna, 71: Upper electrode, 74: UHF wave power supply, 78 ... Magnet, 79 ... Coaxial cable, 101 ... Microwave oscillator, 102 ... Waveguide, 103 ... Microwave introduction window, 104 ... Reaction chamber, 105 ... Electromagnet, 106 ... Sample, 107 ... Sample stand, 108 ... Vacuum exhaust device, 109 ... Gas introduction tube, 110 ... RF power supply, 111 ...
Claims (15)
前記シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜上に所定のパターンを有するレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜が形成された前記基体を、処理室内の台に設置する工程と、
前記処理室内にフッ素を構成元素とし炭素を構成元素としない化合物ガスを導入する工程と、
前記化合物ガスをプラズマ化する工程と、
前記プラズマ化した化合物ガスを、前記処理室内に準備した炭素と反応させて、エッチングに寄与する化学種を形成する工程と、
前記化学種により、前記シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜をエッチングする工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a silicon oxide film or a silicon nitride film on the substrate;
Forming a resist film having a predetermined pattern on the silicon oxide film or silicon nitride film;
Installing the substrate on which the resist film is formed on a table in a processing chamber;
Introducing a compound gas containing fluorine as a constituent element and not carbon as a constituent element into the processing chamber;
Converting the compound gas into plasma;
Reacting the plasmatized compound gas with carbon prepared in the processing chamber to form chemical species that contribute to etching;
And a step of etching the silicon oxide film or the silicon nitride film with the chemical species.
前記シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜上に所定のパターンを有するレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜が形成された前記基体を、処理室内に設置する工程と、
前記処理室内にフッ素を構成元素とし炭素を構成元素としないガスを導入する工程と、
前記処理室内に設置した固体状の炭素に高周波電力を投入することにより前記ガスをプラズマ化する工程と、
前記プラズマ化したガスと前記炭素とを反応させて、エッチングに寄与する化学種を形成する工程と、
前記プラズマ中のイオンを加速するための電力を前記基体に投入する工程と、
前記化学種により、前記シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜をエッチングする工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a silicon oxide film or a silicon nitride film on the substrate;
Forming a resist film having a predetermined pattern on the silicon oxide film or silicon nitride film;
Installing the substrate on which the resist film is formed in a processing chamber;
Introducing a gas containing fluorine as a constituent element and not carbon as a constituent element into the processing chamber;
Converting the gas into plasma by applying high-frequency power to solid carbon installed in the processing chamber;
Reacting the plasma gas with the carbon to form chemical species that contribute to etching;
Supplying power to accelerate the ions in the plasma to the substrate;
And a step of etching the silicon oxide film or the silicon nitride film with the chemical species.
前記シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜上に所定のパターンを有するレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜が形成された前記基体を、処理室内の台に設置する工程と、
前記処理室内に酸素を含むガスと、フッ素を構成元素とし炭素を構成元素としない化合物ガスを導入する工程と、
前記化合物ガスをプラズマ化する工程と、
前記プラズマ化した化合物ガスを、前記処理室内に準備した炭素と反応させて、エッチングに寄与する化学種を形成する工程と、
前記化学種により、前記シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜をエッチングする工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a silicon oxide film or a silicon nitride film on the substrate;
Forming a resist film having a predetermined pattern on the silicon oxide film or silicon nitride film;
Installing the substrate on which the resist film is formed on a table in a processing chamber;
Introducing a gas containing oxygen into the processing chamber and a compound gas containing fluorine as a constituent element and not carbon as a constituent element;
Converting the compound gas into plasma;
Reacting the plasmatized compound gas with carbon prepared in the processing chamber to form chemical species that contribute to etching;
And a step of etching the silicon oxide film or the silicon nitride film with the chemical species.
前記シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜上に所定のパターンを有するレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜が形成された前記基体を、処理室内の台に設置する工程と、
前記処理室内にフッ素を含むガスと、かつ前記処理室内に導入するガスの全流量の1%以下の流量の炭素含むガスを導入する工程と、
前記ガスをプラズマ化する工程と、
前記プラズマ化したガスを、前記処理室内に準備した炭素と反応させて、エッチングに寄与する化学種を形成する工程と、
前記化学種により、前記シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜をエッチングする工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a silicon oxide film or a silicon nitride film on the substrate;
Forming a resist film having a predetermined pattern on the silicon oxide film or silicon nitride film;
Installing the substrate on which the resist film is formed on a table in a processing chamber;
Introducing a gas containing fluorine into the processing chamber and a gas containing carbon at a flow rate of 1% or less of the total flow rate of the gas introduced into the processing chamber;
Converting the gas into plasma;
Reacting the plasma gas with carbon prepared in the processing chamber to form chemical species that contribute to etching;
And a step of etching the silicon oxide film or the silicon nitride film with the chemical species.
前記処理室内に、不活性ガスと、フッ素を含むガスと、前記フッ素を含むガスより少量の炭素含むガスを導入する工程と、
前記ガスをプラズマ化する工程と、
前記プラズマ化したガスを、前記処理室内に準備した炭素と反応させてエッチングに必要な化学種を形成し、前記シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜をエッチングする工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。Installing a substrate on which a silicon oxide film or a silicon nitride film is formed on a table in a processing chamber;
Introducing an inert gas, a gas containing fluorine, and a gas containing a smaller amount of carbon than the gas containing fluorine into the processing chamber;
Converting the gas into plasma;
A step of reacting the plasma gas with carbon prepared in the processing chamber to form chemical species necessary for etching, and etching the silicon oxide film or silicon nitride film. Manufacturing method.
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