JP2000012529A

JP2000012529A - 表面加工装置

Info

Publication number: JP2000012529A
Application number: JP10179982A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Ono; 哲郎小野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1998-06-26
Publication date: 2000-01-14

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマを用いた半導体のエッチングにおい
て、多結晶シリコンの形状異常と対酸化膜選択比の低下
を同時に抑える。【解決手段】プラズマを用いる表面加工装置で、プラズ
マ中のイオンを加速するための高周波バイアス電源をオ
ン・オフ変調すると同時に，オン期間のイオンの最大エ
ネルギーを1100eV以上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は表面加工装置に係
り、特にプラズマを用いて半導体素子基板等の試料をエ
ッチング処理するのに好適な表面加工装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、プラズマを利用した装置が半導体
素子基板等の試料のエッチングに広く用いられている。
例えば、ECR(電子サイクロトロン共鳴)方式と呼ばれる
プラズマ装置が知られている。この方式では、外部より
磁場を印加した真空容器中でマイクロ波によりプラズマ
を発生させる。磁場によりプラズマ中の電子にはローレ
ンツ力が働くために、電子は磁力線の回りを回転運動す
る（サイクロトロン運動）。この回転の周波数とマイク
ロ波の周波数を同じにすると、共鳴するために、効率良
くプラズマを発生できる。試料に入射するイオンを加速
するために、試料には高周波バイアスが印加される。プ
ラズマとなるガスには塩素やフッ素などのハロゲンガス
が用いられる。

【０００３】この種の装置の高精度化を図るものとし
て、例えば、特開平6-151360号公報が知られている。本
技術は、試料に印加する高周波バイアスをオンーオフし
て間欠的に制御することにより、エッチングしたい物質
であるSiと下地酸化膜との選択比を高くするというもの
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年の半導体素子の微
細化に伴い、MOS(metal oxide semiconductor)トランジ
スタではゲート酸化膜の厚さが薄くなり、256M以降のメ
モリ素子では6nm以下になる。このようにゲート酸化膜
の薄膜化が進むと素子のエッチング工程では，サブトレ
ンチと呼ばれる加工形状異常が問題になる。半導体素子
のゲート部の加工では、ゲート電極となる物質（一般に
は多結晶シリコン）を電極部のみ残してエッチングし
て、かつ下地のゲート酸化膜を残す必要がある。ゲート
酸化膜が一部でもなくなってしまうとリーク電流が流れ
て素子は動作しなくなる。サブトレンチとはゲート電極
に相当するラインパタンにおいて、ライン側壁直下のエ
ッチング速度が大きくなり，したがってラインの近傍の
み下地の酸化膜がエッチングされて抜けてしまう現象で
ある。

【０００５】本発明の目的は、このサブトレンチを低減
することのできる表面加工装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、真空容器
と、真空容器内にプラズマを発生させる手段と、真空容
器内に設けられプラズマにより表面加工される試料を配
置する試料台と、試料に高周波バイアスを印加するため
の高周波電源とから成る表面加工装置において、高周波
バイアスを周期的にオンとオフの期間に分けるととも
に、オン期間における試料に入射するプラズマ中のイオ
ンのエネルギーの最大値が1100eV以上となるように高周
波電源の出力を設定することにより、達成される。

【０００７】

【発明の実施の形態】実施例１以下、本発明の一実施例を図１および図２により説明す
る。図１(a)は本発明を適用するプラズマエッチング装
置の全体構成図である。マイクロ波電源１０１から導波
管１０２と導入窓１０３を介して真空容器１０４内にマ
イクロ波が導入される。導入窓１０３の材質は石英、セ
ラミックなど電磁波を透過する物質である。真空容器１
０４の回りには電磁石１０５が設置されており、磁場強
度はマイクロ波の周波数と電子のサイクロトロン周波数
が同じになるように設定されて、たとえば周波数が2.45
GHzならば磁場強度は875Gaussである。この磁場強度で
高密度のプラズマ１０６が発生する。試料１０７は試料
台１０８の上に設置される。試料に入射するイオンを加
速するために、高周波バイアス電源１０９が試料台１０
８に接続されている。高周波バイアス電源の周波数に特
に制限はないが、通常では周波数は２００kHzから２０
ＭHzの範囲が実用的である。図１(b)は高周波バイアス
電源１０９の電圧波形１１０を示す。試料台１０８には
高周波バイアス電源１０９の出力をオンとオフの期間に
分けて繰返し印加する。オン・オフの一周期に占めるオ
ンの割合をデューティー比と呼ぶ。

【０００８】次に、この装置でラインとスペースからな
る微細パタンをエッチングした結果を図２に示す。エッ
チングのガスには、Cl2(１８５sccm)と酸素(１５sccm)
の混合ガスを用いた。真空容器１４内部の圧力を0.8Pa
とした。マイクロ波電源１０１の出力を４００Wとし
た。高周波バイアス電源１０９の周波数は８００KHzで
ある。エッチングした素子の構造は、シリコン基板２０
１上のゲート酸化膜２０２の厚さが4nm、多結晶シリコ
ン層２０３の厚さ３００nm、タングステンシリサイド(W
Si)２０４の厚さ８０nm、マスク（窒化シリコン製）２
０５の厚さが２００nmで、スペースの幅は０．３５μm
である。図２には、高周波バイアスを連続出力（６０
W）にしてエッチングした場合（図２(a))と、本発明に
従いオン・オフ変調（３００W、デューティー比を２０
％）した場合(図２(b))のエッチング断面形状の比較を
示す。図２では両者のpoly−Siと酸化膜のエッチング速
度がほぼ同じとなるように高周波電力を調整してあり、
連続バイアス６０Wではpoly−Siエッチング速度が３７
１nm/分、酸化膜エッチング速度が２１.４nm/分、選択
比１７.３であり、オン・オフ変調した場合ではpoly−S
iエッチング速度が３３０nm/分、酸化膜エッチング速度
が１８.９nm/分、選択比１７.４である。図２からわか
るように、連続バイアス（Vpp=366V)ではサブトレンチ
２０５が発生する。一方、オン・オフ変調バイアス(Vp
p=1424V)ではサブトレンチは完全に抑えられて、平坦な
底面が得られている。サブトレンチの発生原因は、方向
性の悪いイオンが溝の側壁で反射して溝底面のライン近
傍に入射して、この部分のエッチング速度を局所的に高
くするからと考えられている。従って、Vppを高くする
ことでイオンを高エネルギーに加速して方向性を良くす
れば、側面での反射が少なくなり、サブトレンチは低減
する。しかし、単にVppを大きくすると酸化膜のエッチ
ング速度が大きくなり、選択比が減少する問題がある。
そこで、本発明のように試料に印加する高周波バイアス
をオン・オフ変調すると、選択比を低減せずに、サブト
レンチを抑えることができる。

【０００９】次に、イオンのエネルギーと高周波バイア
スの関係について述べる。プラズマを介して高周波バイ
アスを試料台に印加すると、アース（一般には導体壁が
アースとなる）と電極間に電流を流そうとする作用のた
めに試料台にはイオンを引き込むように直流電位が発生
する（以後Vdcと呼ぶ）。イオンはこのVdcと時間的に変
化する高周波バイアスを重ね合わせた電界により加速さ
れる。イオンの得る最大エネルギーは、イオンが高周波
バイアスの時間的変化に追随するか否かで変わってく
る。一般に、エッチングに使われるプラズマの密度は1
立方cm当たり10の10乗個以上である。この密度にでは、
高周波の周波数が15M Hz以下では高周波バイアスが負に
ふれている期間すなわち正弦波の1/2周期の間に、イオ
ンはプラズマシースを横切り試料に到達するために、Em
axはほぼ電圧振幅の２分の１（Vpp/2)にVdcを加えた値
に等しくなる。実際には電気回路での電圧降下などがあ
り、図2に示すVppが366Vと1424VではEmaxはそれぞれ300
eVと1100eVになる。エッチングの形状に影響を与える本
質的な物理量はVppではなくイオンエネルギーなので、
サブトレンチのない形状を得るためにはイオンのエネル
ギーの最大値を1100eV以上にすればよいことになる。高
周波の周波数が高くなり、電圧の変化にイオンの動きが
ついて行かなくなると、Emaxは次第にVdcに近づく。周
波数が15M Hz以上から数十M Hzの間は過渡期となるがそ
の場合でもVppを2200V以上にすれば、Emaxは十分1100eV
以上となる。

【００１０】また、実験によりデューティー比は５０％
以下でオン・オフ制御したことの効果が表れることがわ
かった。

【００１１】実施例２図３は本発明を適用する別の装置構造で、この装置では
数百kHzから数十M Hzのいわゆるラジオ波帯（以後rfと
呼ぶ）の周波数で誘導結合によりプラズマを発生させ
る。真空容器３０１はアルミナや石英などの電磁波を透
過する物質でつくられている。その回りに、プラズマ３
０３を発生させるための電磁コイル３０２が巻いてあ
る。コイルにはrf電源３０４が接続されている。真空容
器３０１内には試料台３０８がありその上に試料３０７
が置かれ、高周波バイアス電源３０９が接続されてい
る。真空容器３０１には上蓋３０５がついているがこれ
は一体型でもかまわない。

【００１２】この装置でも、高周波バイアス電源３０９
をオン・オフ変調してかつオン期間のEmaxを1100eV以上
にすることで、選択比の低下なく、サブトレンチを抑え
ることができる。

【００１３】図３に示す装置では、電磁コイル３０２は
上蓋３０５の上に設置されていても効果は同じである。

【００１４】実施例３図４は本発明を適用する別の装置構造で、この装置では
rf電力の容量結合によりプラズマを発生させる。真空容
器４０１内には２枚の電極４０２，４０５が平行に配置
してある。電極にはそれぞれrf電源４０３と高周波バイ
アス電源４０６が接続してある。試料４０４は試料台を
かねる電極４０５の上におかれる。ガスは試料と対向し
た電極４０２に開いた穴から導入管４０８を通して容器
内に入れられる。プラズマ４０７は２枚の電極の間で発
生する。

【００１５】この装置でも、高周波バイアス電源４０６
をオン・オフ変調してかつオン期間のEmaxを1100eV以上
にすることで、選択比の低下なくサブトレンチを抑える
ことができる。

【００１６】実施例４本発明の効果をさらに拡大する手段として、エッチング
工程を複数のステップに分ける方法がある。なお、この
場合、本方法は図１に示す装置により行われた。図５は
被加工物質をステップに分けて加工した場合の断面形状
の時間変化を示している。試料の構造はシリコン基板５
０１上に4nmの酸化膜５０２、200nmの多結晶シリコン５
０３、200nmの窒化シリコン膜５０４が堆積しており、
窒化シリコン膜には微細なパタンが加工されている。ラ
インとスペース間隔は350nmである。また通常、多結晶
シリコン５０３の表面には自然酸化膜５０５がついてい
る。ここではこの構造の試料をエッチングするのに３つ
のステップに分けて加工する。図５(a)は初期状態であ
る。ステップ１では、まず自然酸化膜５０５を除去す
る。エッチングのガスはCl2(２００sccm)で圧力を0.8Pa
とした。マイクロ波電源１０１の出力を４００Wとし
た。高周波バイアス電源１０９の周波数は８００kHzで
ある。このステップでは薄い自然酸化膜の除去が目的な
ので時間は５秒で、高周波バイアス電源１０９の出力は
連続で60Wにしている。ステップ１終了後の試料断面を
図５(b)に示す。ステップ２は加工の主要部分を占める
多結晶シリコン５０３のエッチングで、以後メインエッ
チと呼ぶ。このステップの形状制御が最重要であるの
で、本発明を適用して高周波バイアス電源１０９をオン
・オフ制御し、実施例１と同じく電力を300W、デューテ
ィー比を20％にした。Vppは1424Vとなる。また、エッチ
ングのガスは塩素185 sccmと酸素15 sccmの混合ガス
で、圧力を0.8Paとした。その他の条件はステップ１と
同じとした。エッチング時間は３５秒とした。ステップ
２終了後の断面形状を図５(c)にしめす。サブトレンチ
がない、平坦な底面と垂直な側面が得られる。ステップ
２の時間は多結晶シリコン５０３がわずかに残るように
設定してある。最後のステップ３では下地の薄い酸化膜
５０２が露出するために、多結晶シリコンのエッチング
速度を低下させても選択比が高い条件に切り替える。具
体的には、高周波バイアス電源１０９の電力を連続とし
て30Wにした。他の条件はステップ２と同じである。こ
の条件では多結晶シリコンのエッチング速度は100nm/mi
n、選択比は５０となる。メインエッチ終了後の比較的
選択比の高いエッチングをオーバエッチと呼ぶ。エッチ
ング時間は３０秒とした。ステップ３終了後の断面を図
５(d)に示す。選択比のより高いオーバエッチと組合わ
せることで下地の酸化膜を十分残してかつ多結晶シリコ
ン５０３のエッチ残りなく加工することができる。

【００１７】以上のように、被エッチング物質の主要部
分の加工に本発明を適用することで、非常に薄い下地に
損傷を与えることなく、微細パタンの加工が可能とな
る。

【００１８】なお、被エッチング物質がさらにさまざま
な物質の多層構造でも、ステップの数を増してかつメイ
ンエッチに部分に本発明を適用することで、形状異常の
ない加工ができる。

【００１９】実施例５ここではステップの切り替え方法の別実施例を述べる。
メインエッチングからオーバエッチへの切り替えは被エ
ッチング物質の発光波形の強度変化で決めることもでき
る。図６は図５に示す試料をエッチングしているときの
シリコン原子の発光強度の時間変化を示している。発光
強度は多結晶シリコンのエッチングが終了し始めるとプ
ラズマ中のシリコン原子の密度が下がるために発光強度
６０１も低下する。一般に、エッチング速度がウエハ内
である程度のばらつきを持つために発光波形はウエハ面
内の多結晶シリコンのエッチングが徐々に終了するにと
もない発光強度も徐々に低下する。切り替える方法は主
に３通りある。（１）は発光波形の強度が低下し始めた
らすぐに切り替える方法で、図６内の点Aで切り替え
る。（２）は発光強度を２回微分してその曲線が０とな
る点、すなわち変曲点で切り替える方法である。図６で
は発光強度６０１の２次微分曲線６０２も示し，図中点
Bで切り替える。（３）は発光波形の低下が完了したC点
で切り替える。AからＢのどの時点で切り替えるかは被
エッチング物質により選ぶ必要があるが、下地物質が非
常に薄い場合は（１）の方法かあるいは実施例４で述べ
たエッチ終了少し前の時間を予め測定しておきその少し
手前で時間で切り替える方法がよい。下地物質が厚く抜
けるまでに余裕がある場合は（２）（３）の方法が、エ
ッチ残りが発生しにくいので適している。

【００２０】なお、これら実施例において、図７に示す
ように塩素ガスによるエッチング処理ガスに酸素ガスを
添加すると、同じ値のＶｐｐに対する酸化膜エッチング
速度が図１(b)に示されたような時間変調(Time Modulat
ion)バイアス法（ＴＭバイアス）にすることで低下す
る。Ｖｐｐはイオンの加速エネルギーの目安になる。つ
まり、酸素を添加したガスではバイアスにオフ期間を設
けることで同じエネルギーのイオンが入射しても酸化膜
のエッチング速度が低下する。酸素と塩素とシリコンの
反応性生物は選択的に酸化膜上に堆積して、酸化膜のエ
ッチング速度を低下させる。また、ＴＭバイアスにより
選択比が向上する理由は、バイアスオフ期間すなわち高
エネルギーイオンが入射しない期間に反応生成物が酸化
膜上に均一かつ強固に堆積して、バイアスオン期間の酸
化膜のエッチング反応を抑制するからと考えられる。

【００２１】以上のように本実施例により、多結晶シリ
コンのエッチング形状異常と対酸化膜選択比の低下を同
時に回避して、トランジスタのゲートの加工ができる。
なお，本実施例では主にゲートの加工を述べたが、他の
部分あるいは他の材料でも同様に形状異常を抑制でき
る．

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、サブトレンチを低減す
ることができ、多結晶シリコンのエッチング形状異常と
対酸化膜選択比の低下を同時に回避して、トランジスタ
のゲートの加工ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の表面加工装置の一実施例を示す装置構
成の縦断面図である。

【図２】半導体試料の表面加工状態を示す断面図であ
る。

【図３】本発明の表面加工装置の他の実施例を示す装置
構成の縦断面図である。

【図４】本発明の表面加工装置のさらに他の実施例を示
す装置構成の縦断面図である。

【図５】図１の装置における半導体試料の表面加工状態
を示す断面図である。

【図６】図５のエッチング処理時の発光波形を示す図で
ある。

【図７】図１の装置におけるエッチング処理の酸素添加
と酸化膜エッチングとの関係を示す図である。

【符号の説明】

101…マイクロ波電源、102…導波管、103…導入窓、10
4,301,401…真空容器、105…磁石、106,303,407…プラ
ズマ、107,307,404…試料、108,308…試料台、109,309,
406…高周波バイアス電源、110…電圧波形、201,501…
シリコン基板, 202,502…ゲート酸化膜, 203,503…多結
晶シリコン、204…WSi、205,504…マスク、206…サブト
レンチ、302…電磁コイル、304,403…ｒｆ電源、305…
上蓋、402,405…電極、408…ガス道入管、505…自然酸
化膜, 601…発光強度，602…２次微分曲線。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器と、前記真空容器内にプラズマを
発生させる手段と、前記真空容器内に設けられ前記プラ
ズマにより表面加工される試料を配置する試料台と、前
記試料に高周波バイアスを印加するための高周波電源と
から成る表面加工装置において、前記高周波バイアスを
周期的にオンとオフの期間に分けるとともに、オン期間
における前記試料に入射するプラズマ中のイオンのエネ
ルギーの最大値が1100eV以上となるように前記高周波電
源の出力を設定したことを特徴とする表面加工装置。
【請求項２】請求項１記載の表面加工装置において、前
記高周波電源の周波数が15M Hz以下の場合は高周波バイ
アスの電圧振幅を1400V以上とし、15M Hzより大きい場
合は2200V以上とし、前記イオンエネルギーの最大値を1
100eV以上にしたことを特徴とする表面加工装置。
【請求項３】請求項１または２記載の表面加工装置にお
いて、前記高周波バイアスのオンの期間がオンとオフの
１周期に占める割合を５０％以下としたことを特徴とす
る表面加工装置。
【請求項４】請求項１ないし３記載の表面加工装置にお
いて、前記高周波バイアスのオンオフの繰返し周波数は
100Hzから10kHzであることを特徴とする表面加工装置。
【請求項５】請求項１ないし４記載の表面加工装置にお
いて、表面加工開始から終了までを複数のステップに分
けて、かつそれらのステップを加工を終了させる下地物
質との加工速度比が比較的小さい前半と、比較的大きい
後半の２つに分け、少なくとも前半のステップの一つ
で、前記高周波バイアスをオンとオフの期間に分けるこ
とを特徴とする表面加工装置。
【請求項６】請求項５記載の表面加工装置において、前
記前半のステップ郡と後半のステップ郡を、時間で決め
て切り替えることを特徴とする表面加工装置。
【請求項７】請求項５記載の表面加工装置において、前
記前半のステップ郡と後半のステップ郡を、被エッチン
グ物質がプラズマ中で放出する光の強度を検出して切り
替えることを特徴とする表面加工装置。
【請求項８】請求項７記載の表面加工装置において、前
記前半のステップ郡と後半のステップ郡を、被エッチン
グ物質がプラズマ中で放出する光の強度を検出して、そ
の強度が低下し始めた時点で切り替えることを特徴とす
る表面加工装置。