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TW201349340A - 電漿蝕刻方法及電漿蝕刻裝置 - Google Patents

電漿蝕刻方法及電漿蝕刻裝置 Download PDF

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TW201349340A
TW201349340A TW102103616A TW102103616A TW201349340A TW 201349340 A TW201349340 A TW 201349340A TW 102103616 A TW102103616 A TW 102103616A TW 102103616 A TW102103616 A TW 102103616A TW 201349340 A TW201349340 A TW 201349340A
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gas
frequency
etching
processing chamber
electric power
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TW102103616A
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TWI556306B (zh
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北村彰規
安田健太
石田俊介
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東京威力科創股份有限公司
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Abstract

本發明關於一種電漿蝕刻方法，係使用電漿蝕刻裝置，且透過硬遮罩來蝕刻被處理基板的金屬層，該電漿蝕刻方法係連續且複數次交互地重複實施使用O2氣體與CF4氣體及HBr氣體之混合氣體構成的第1蝕刻氣體作為蝕刻氣體之第1工序，與使用O2氣體與CF4氣體之混合氣體構成的第2蝕刻氣體作為蝕刻氣體之第2工序，並且對下部電極施加第1頻率的第1高頻電功率與低於第1頻率之第2頻率的第2高頻電功率，且脈衝狀地施加第1高頻電功率。

Description

電漿蝕刻方法及電漿蝕刻裝置
本發明關於一種電漿蝕刻方法及電漿蝕刻裝置。
自以往，半導體裝置的製造工序中使用電漿蝕刻，其係使蝕刻氣體電漿化並作用在被處理基板(半導體晶圓)，來對形成於被處理基板之鎢(W)等的金屬膜進行蝕刻(例如，參閱專利文獻1。)。又，作為上述般的電漿蝕刻，已知有一種於處理室內配置有呈對向之上部電極與下部電極，而對該等電極間施加高頻電功率來產生電漿之所謂的電容耦合型電漿蝕刻裝置。已知有一種藉由使所施加之高頻電功率為脈衝狀，來防止於絕緣膜形成接觸孔時的充電損傷之方法(例如，參閱專利文獻2。)。
專利文獻1：日本特開2000-173986號公報
專利文獻2：日本特開2009-283893號公報
然而，有藉由上述電漿蝕刻而透過例如氧化矽膜等所構成的硬遮罩，來蝕刻例如鎢(W)等的金屬膜之情況。上述般的電漿蝕刻中，過去係使用O2氣體與CF4氣體的混合氣體所構成之蝕刻氣體。
然而，如上所述地，透過氧化矽膜等所構成的硬遮罩來蝕刻鎢膜之情況，會難以獲得硬遮罩之相對於鎢膜的蝕刻選擇比(鎢膜的蝕刻速度除以硬遮罩的蝕刻速度)，而有蝕刻選擇比成為1左右之問題。又，例如，若圖案有疏密的情況，亦即，具有圖案配置為較密之部分與圖案配置為較疏之部分的情況，會有難以同時將圖案配置為較密之部分的蝕刻形狀(弓形(bowing) 等)，與圖案配置為較疏之部分的蝕刻形狀(錐形等)維持為良好之問題。
本發明有鑑於上述情事，其目的在於提供一種可提高硬遮罩之相對於金屬膜的蝕刻選擇比，且縱使是圖案有疏密的情況，仍可使蝕刻形狀良好之電漿蝕刻方法及電漿蝕刻裝置。
本發明之電漿蝕刻方法的一樣態係使用電漿蝕刻裝置，且透過硬遮罩來蝕刻被處理基板的金屬層，該電漿蝕刻裝置具備有：處理室，係收納該被處理基板；下部電極，係配設於該處理室內，且載置該被處理基板；上部電極，係配設於該處理室內，且與該下部電極呈對向；蝕刻氣體供應機構，係對該處理室內供應特定的蝕刻氣體；及排氣機構，係將該處理室內排氣；其特徵為該電漿蝕刻方法係連續且複數次交互地重複實施以下工序：第1工序，係使用O2氣體與CF4氣體及HBr氣體之混合氣體構成的第1蝕刻氣體來作為該蝕刻氣體；及第2工序，係使用O2氣體與CF4氣體之混合氣體構成的第2蝕刻氣體來作為該蝕刻氣體；並且，對該下部電極施加第1頻率的第1高頻電功率，與低於該第1頻率之第2頻率的第2高頻電功率，且脈衝狀地施加該第1高頻電功率。
本發明之電漿蝕刻裝置的一樣態具備有：處理室，係收納被處理基板；下部電極，係配設於該處理室內，且載置該被處理基板；上部電極，係配設於該處理室內，且與該下部電極呈對向；蝕刻氣體供應機構，係對該處理室內供應特定的蝕刻氣體；排氣機構，係將該處理室內排氣；第1高頻電功率供應機構，係對該下部電極施加第1頻率的第1高頻電功率；以及第2高頻電功率供應機構，係對該下部電極施加低於該第1頻率之第2頻率的第2高頻電功率；其特徵為連續且複數次交互地重複實施以下工序：第1工序，係使用O2氣體與CF4氣體及HBr氣體之混合氣體構成的第1蝕刻氣體來作為該蝕刻氣體；及第2 工序，係使用O2氣體與CF4氣體之混合氣體構成的第2蝕刻氣體來作為該蝕刻氣體；並且，具備有控制部，其係對該下部電極脈衝狀地施加該第1高頻電功率來加以控制；透過硬遮罩來蝕刻該被處理基板的金屬層。
依據本發明，可提供一種可提高硬遮罩之相對於金屬膜的蝕刻選擇比，且縱使是圖案有疏密的情況，仍可使蝕刻形狀良好之電漿蝕刻方法及電漿蝕刻裝置。
111‧‧‧處理室
112‧‧‧載置台
115‧‧‧第1高頻電源
117‧‧‧第2高頻電源
123‧‧‧噴淋頭
W‧‧‧半導體晶圓
圖1係概略顯示本發明實施型態之電漿蝕刻裝置的概略結構之圖式。
圖2係概略顯示本發明實施型態之半導體晶圓的剖面結構之圖式。
圖3係用以說明高頻電功率的施加狀態之圖表。
圖4係用以說明圖案的較密部分處的弓形及較疏部分處的錐角之圖式。
以下，參閱圖式加以說明本發明之實施型態。圖1係概略顯示實施型態之電漿蝕刻裝置的概略剖面結構之圖式。圖1所示之電漿蝕刻裝置110係構成為氣密式，具有能夠收納例如直徑為300mm的晶圓W之圓筒狀處理室111(筒狀容器)，並於處理室111內的下方配置有用以載置半導體晶圓W之圓板形狀的載置台112。處理室111係具有圓管狀的側壁113，與覆蓋側壁113上方的端部之圓板狀的蓋114。
又，處理室111內的載置台112的周圍係配設有具有多個排氣孔之環狀的隔板(baffle plate)134。另一方面，處理室111的底部連接有圖中未顯示之TMP(Turbo Molecular Pump)及DP(Dry Pump)等的排氣機構，可透過隔板134進行排氣來將處理室111內的壓力維持在特定的減壓氛圍。
載置台112係透過第1匹配器116而連接有第1高頻電源115，且透過第2匹配器118而連接有第2高頻電源117。第1高頻電源115會對載置台112施加電漿生成用的較高頻率，例如80MHz以上150MHz以下(本實施型態中為100MHz)的高頻電功率。又，第2高頻電源117會對載置台112施加頻率低於第1高頻電源115之偏壓電功率。本實施型態中，第2高頻電源117之高頻電功率的頻率為13.56MHz。
載置台112的上部係配置有內部具有電極板119之靜電夾具120。靜電夾具120係由圓板狀的陶瓷組件所構成，電極板119連接有直流電源121。對電極板119施加正的直流電壓後，半導體晶圓W之靜電夾具120側的面(內面)便會產生負的電位，而在電極板119及晶圓W的內面之間產生電場，藉由該電場造成的庫倫力，來將半導體晶圓W吸著保持於靜電夾具120。
又，載置台112係載置有圍繞所吸著保持的半導體晶圓W之聚焦環122。聚焦環122係由例如石英等所構成。
處理室111內的上方配置有與載置台112呈對向之噴淋頭123(移動電極)。噴淋頭123具有：具有多個氣體孔124之圓板狀的導電性上部電極板125、可拆卸地垂掛該上部電極板125之冷卻板126、更進一步地垂掛冷卻板126之軸件(shaft)127、以及配置在軸件127的上端之處理氣體接收部128。噴淋頭123係透過蓋114及側壁113而為接地狀態，相對於對處理室111內所施加之電漿生成電功率而具有接地電極的功能。此外，上部電極板125係配設有覆蓋與載置台112的對向面之石英組件125a。
軸件127係具有於上下方向貫穿內部之氣體流道129，冷卻板126係於內部具有暫存室130。氣體流道129係連接處理氣體接收部128與暫存室130，各氣體孔124係連通暫存室130與處理室111內。噴淋頭123中，氣體孔124、處理氣體接收部128、氣體流道129及暫存室130構成了處理氣體導入系統。該處理氣體導入系統會將被供應至處理氣體接收部128之處理氣體(蝕 刻氣體)導入至處理室111內之存在於噴淋頭123與載置台112間的處理空間。
噴淋頭123中，由於上部電極板125的外徑係設定為較處理室111的內徑稍小，因此噴淋頭123不會接觸到側壁113。亦即，噴淋頭123係移動嵌合於處理室111內般地被加以配置。又，軸件127係貫穿蓋114，該軸件127的上部係連接於配置在電漿蝕刻裝置110的上方之舉升機構(圖中未顯示)。舉升機構雖會使軸件127移動於圖中上下方向，但此時，噴淋頭123係在處理室111內沿著該處理室111的中心軸而如活塞般地上下移動。藉此，可調整存在於噴淋頭123與載置台112間之處理空間的距離(gap)。
波紋管131為例如不鏽鋼所構成之可自由伸縮的壓力區隔壁，其一端係連接於蓋114，另一端則連接於噴淋頭123。然後，波紋管131具有自處理室111外部遮蔽處理室111內之遮蔽功能。又，處理室111的外側係環狀地配設有圍繞處理室111周圍之永久磁石所構成的複數柱狀磁石135，而為可於處理室111的內部形成磁場之結構。
電漿蝕刻裝置110中，被供應至處理氣體接收部128之蝕刻氣體係透過處理氣體導入系統而被導入處理空間，被導入的蝕刻氣體會因施加在處理空間之高頻電功率與磁石135造成的磁場作用而被激發成為電漿。電漿中的正離子會因施加在載置台112之偏壓電功率造成的負偏壓電位，而朝向載置台112所載置之半導體晶圓W被吸引，來對半導體晶圓W施予蝕刻處理。
上述結構的電漿蝕刻裝置110係藉由具備有CPU等之控制部150，來統括地控制其動作。該控制部150具有操作部151及記憶部152。
操作部151係由工序管理者為了管理電漿蝕刻裝置110而進行指令的輸入操作之鍵盤，或可視化地顯示電漿蝕刻裝置110的運轉狀況之顯示器等所構成。
記憶部152係儲存有藉由控制部150的控制來實現電漿蝕刻裝置110中所執行的各種處理之控制程式(軟體)，或記憶有處理條件資料等之配方。然後，依需要，依據來自操作部151的指示等而從記憶部152呼叫出任意的配方並使控制部150執行，藉以在控制部150的控制下，於電漿蝕刻裝置110進行所欲處理。又，控制程式或處理條件資料等的配方可利用儲存在可被電腦讀取的電腦記錄媒體(例如硬碟、CD、軟碟、半導體記憶體等)等之狀態者，或是從其他裝置透過例如專用回線來隨時傳送，而在線上利用。
接下來，說明以上述結構的電漿蝕刻裝置110來電漿蝕刻形成於半導體晶圓W的鎢(W)層等之步驟順序。首先，打開設置於處理室111之閘閥(圖中未顯示)，藉由搬送機器人(圖中未顯示)等來將半導體晶圓W經由加載互鎖室(圖中未顯示)搬入至處理室111內，並載置於載置台112上。之後，使搬送機器人退避至處理室111外，並關閉閘閥。然後，藉由排氣機構(圖中未顯示)來將處理室111內排氣。
當處理室111內成為特定真空度後，從處理氣體供應系統將特定的蝕刻氣體導入處理室111內，而將處理室111內保持為特定壓力，例如0.665Pa(5mTorr)以下，在此狀態下，從第1高頻電源115、第2高頻電源117對載置台112供應高頻電功率。此時，從直流電源121對靜電夾具120的電極板119施加特定的直流電壓，而藉由庫倫力等來將半導體晶圓W吸著在靜電夾具6。
此情況下，如上所述地，藉由對下部電極(載置台112)施加高頻電功率，則上部電極(噴淋頭123)與下部電極(載置台112之間便會形成電場。藉此，半導體晶圓W所存在之處理空間便會發生放電，藉由因此而電漿化後的蝕刻氣體來對半導體晶圓W施予特定的電漿蝕刻。
然後，特定的電漿處理後，停止高頻電功率的供應及蝕刻氣體的供應，以相反於上述步驟順序之步驟順序，來將半導體 晶圓W從處理室111內搬出。
圖2係放大且概略顯示本實施型態之半導體晶圓的剖面構造。如圖2(a)所示，半導體晶圓的最上層係形成有經圖案化成特定圖案之作為硬遮罩的矽氧化膜301，該矽氧化膜301的下側形成有作為金屬膜之鎢(W)層302。又，鎢(W)層302的下側形成有其他材料所構成的下層膜(TiN膜)303。此外，圖2中，左側係顯示圖案形成為較密之部分，右側係顯示圖案形成為較疏之部分。
然後，由圖2(a)所示之狀態，以矽氧化膜301作為遮罩，來將鎢(W)層302電漿蝕刻成特定圖案，而成為圖2(b)所示之狀態。此時，矽氧化膜301亦會因電漿蝕刻而被蝕刻，其殘留厚度會減少。
(實施例1)
作為實施例1，使用圖1所示之電漿蝕刻裝置110，Si基板(半導體晶圓)係使用直徑300mm的晶圓，來對形成於半導體晶圓之鎢(W)層，透過形成於其上且經圖案化成特定圖案之硬遮罩(由矽氧化膜所構成)進行電漿蝕刻。電漿蝕刻的條件如下所述，連續地分別重複實施4次第1工序與第2工序。此外，第4次(最後)的第2工序係將蝕刻時間延長為26秒。
(第1工序)
處理室內壓力：0.655Pa(5mTorr)以下
處理氣體：O2/CF4/HBr=35/30/30sccm
第1高頻：頻率100MHz，電功率600W，脈衝週期10kHz，佔空比(duty ratio)50%
第2高頻：頻率13.56MHz，電功率200W
處理時間：3秒
載置台溫度：60℃
(第2工序)
處理室內壓力：0.655Pa(5mTorr)以下
處理氣體：O2/CF4=35/50sccm
第1高頻：頻率100MHz，電功率600W，脈衝週期10kHz，佔空比50%
第2高頻：頻率13.56MHz，電功率200W
處理時間：16秒
載置台溫度：60℃
上述實施例中之第1高頻係以電功率600W，脈衝週期10kHz，佔空比50%來施加。此情況下，會成為以縱軸為高頻電功率，以橫軸為時間之圖3(b)的圖表所示之電功率波形般的電功率施加狀態。然後，此情況之有效電功率如圖3(a)的圖表所示，係與連續地以電功率300W施加高頻電功率之情況為相同。
接下來，作為比較例1，以下述電漿蝕刻條件，與實施例1同樣地使用圖1所示之電漿蝕刻裝置110，Si基板(半導體晶圓)係使用直徑300mm的晶圓，來對形成於半導體晶圓之鎢(W)層，透過形成於其上且經圖案化成特定圖案之硬遮罩(由矽氧化膜所構成)進行電漿蝕刻。
(比較例1)
處理室內壓力：0.655Pa(5mTorr)以下
處理氣體：O2/CF4=20/25sccm
第1高頻：頻率100MHz，電功率300W
第2高頻：頻率13.56MHz，電功率250W
處理時間：70.3秒
載置台溫度：60℃
接下來，作為比較例2，除了使第1高頻(頻率100MHz)的電功率為600W以外，其他係以相同於上述比較例1之蝕刻條件來進行電漿蝕刻。
上述比較例1、2中，有以下傾向，圖案配置為較密之部分處，其蝕刻形狀容易產生弓形，而在圖案配置為較疏之部分處，其蝕刻形狀則容易產生錐形。亦即，如圖4(a)所示，在圖案配置為較密之部分處，鎢層302的側壁部被削除，而顯示鄰接之圖案的間隔擴張之傾向。
此外，圖4中，元件符號A表示硬遮罩之矽氧化膜301底部處相鄰接之圖案的間隔。又，元件符號B表示鎢層302處相鄰接之圖案的間隔(最大值)。再者，元件符號C表示鎢層302底部處相鄰接之圖案的間隔。此情況下，可使用B-A的值作為表示弓形的程度之弓形指數。
又，如圖4(b)所示，在圖案配置為較疏之部分處，鎢層302的側壁部不會成為垂直，而是斜斜地成為錐狀。此情況下，藉由圖4中所示之錐角F，便可評估其形狀，其係顯示該錐角F愈接近90°則為較佳形狀。此外，圖4所示元件符號304表示沉積在鎢層302的側壁部之沉積物。由於圖案配置為較疏之部分處，鎢層302被蝕刻的量變多，因此沉積物304的量亦會變多，其側壁形狀成為錐狀。
此處，以比較例1、2的電漿蝕刻條件進行蝕刻之情況下，例如，藉由增加氧流量，可增加沉積物的量，從而可減少圖案配置為較密之部分處的弓形量。然而，此情況下，由於圖案配置為較疏之部分處的沉積物亦會增加，因此此部分處的錐角會變小，其側壁形狀會從垂直狀態而遠離。
測量上述實施例及比較例1、比較例2中之蝕刻選擇比(鎢層302的蝕刻速度除以矽氧化膜301的蝕刻速度所計算而得者)、圖案較密部分處的弓形指數、及圖案較疏部分處的錐角後，如下所述。
(實施例)
蝕刻選擇比：1.6
弓形指數：-0.1nm
錐角：49°
(比較例1)
蝕刻選擇比：1.0
弓形指數：0.3nm
錐角：34.7°
(比較例2)
蝕刻選擇比：0.8
弓形指數：8.8nm
錐角：38.3°
如上所述，實施例中，相較於比較例1、比較例2，可確認到電漿蝕刻係在蝕刻選擇比、弓形指數、錐角的任一者皆良好之狀態下進行。此外，如實施例般，推測使用脈衝狀高頻電功率情況下蝕刻選擇比會提高乃因為當高頻電功率關閉時，離子主體之遮罩的濺鍍量降低，而另一方面，當高頻電功率關閉時，亦會因壽命長之氟自由基的作用，可將鎢層蝕刻之緣故。此外，脈衝的頻率較佳為例如1kHz~100kHz的頻率範圍。又，佔空比較佳為20~70%左右的範圍。
又，實施例中，係藉由交互地連續重複實施沉積沉積物之第1工序與不沉積沉積物之第2工序，來抑制圖案配置為較密部分處之弓形的產生，並且可抑制圖案配置為較疏部分處之錐角的減少。又，該等第1工序、第2工序的時間若考慮氣體的切換時間，較佳為2秒以上，更佳為3秒以上。又，實施例中，雖係使第1工序與第2工序的比例為3：16，但此比例較佳為第1工序中所沉積之沉積物在第2工序中完全被去除之前再度進行第1工序之時間點，例如，較佳為1：3至1：8左右。
此外，本發明不限於上述實施型態及實施例，當然可做各種變化。例如，實施例中，雖已針對從沉積沉積物之第1工序開始電漿蝕刻之情況加以說明，但亦可由第2工序開始。又，雖係連續地重複執行第1工序與第2工序，但亦可使其重複週期的時間點與脈衝頻率的週期同步。
本發明可利用於半導體裝置的製造領域等。因此，本發明具有產業上可利用性。
W‧‧‧半導體晶圓
110‧‧‧電漿蝕刻裝置
111‧‧‧處理室
112‧‧‧載置台
113‧‧‧側壁
114‧‧‧蓋
115‧‧‧第1高頻電源
116‧‧‧第1匹配器
117‧‧‧第2高頻電源
117‧‧‧第2高頻電源
119‧‧‧電極板
120‧‧‧靜電夾具
121‧‧‧直流電源
122‧‧‧聚焦環
123‧‧‧噴淋頭
124‧‧‧氣體孔
125‧‧‧上部電極板
125a‧‧‧石英組件
126‧‧‧冷卻板
127‧‧‧軸件
128‧‧‧處理氣體接收部
129‧‧‧氣體流道
130‧‧‧暫存室
131‧‧‧波紋管
134‧‧‧隔板
135‧‧‧磁石
150‧‧‧控制部
151‧‧‧操作部
152‧‧‧記憶部

Claims (6)

  1. 一種電漿蝕刻方法，係使用電漿蝕刻裝置，且透過硬遮罩來蝕刻被處理基板的金屬層，該電漿蝕刻裝置具備有：處理室，係收納該被處理基板；下部電極，係配設於該處理室內，且載置該被處理基板；上部電極，係配設於該處理室內，且與該下部電極呈對向；蝕刻氣體供應機構，係對該處理室內供應特定的蝕刻氣體；及排氣機構，係將該處理室內排氣；其特徵為該電漿蝕刻方法係連續且複數次交互地重複實施以下工序：第1工序，係使用O2氣體與CF4氣體及HBr氣體之混合氣體構成的第1蝕刻氣體來作為該蝕刻氣體；及第2工序，係使用O2氣體與CF4氣體之混合氣體構成的第2蝕刻氣體來作為該蝕刻氣體；並且，對該下部電極施加第1頻率的第1高頻電功率，與低於該第1頻率之第2頻率的第2高頻電功率，且脈衝狀地施加該第1高頻電功率。
  2. 如申請專利範圍第1項之電漿蝕刻方法，其中該金屬層係由鎢層所構成，該硬遮罩係由氧化矽層所構成。
  3. 如申請專利範圍第1項之電漿蝕刻方法，其中該第1頻率為80MHz以上150MHz以下。
  4. 如申請專利範圍第2項之電漿蝕刻方法，其中該第1頻率為80MHz以上150MHz以下。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之電漿蝕刻方法，其係以1kHz~100kHz的脈衝頻率脈衝狀地施加該第1高頻電功率。
  6. 一種電漿蝕刻裝置，其具備： 處理室，係收納被處理基板；下部電極，係配設於該處理室內，且載置該被處理基板；上部電極，係配設於該處理室內，且與該下部電極呈對向；蝕刻氣體供應機構，係對該處理室內供應特定的蝕刻氣體；排氣機構，係將該處理室內排氣；第1高頻電功率供應機構，係對該下部電極施加第1頻率的第1高頻電功率；以及第2高頻電功率供應機構，係對該下部電極施加低於該第1頻率之第2頻率的第2高頻電功率；其特徵為連續且複數次交互地重複實施以下工序：第1工序，係使用O2氣體與CF4氣體及HBr氣體之混合氣體構成的第1蝕刻氣體來作為該蝕刻氣體；及第2工序，係使用O2氣體與CF4氣體之混合氣體構成的第2蝕刻氣體來作為該蝕刻氣體；並且，具備有控制部，其係對該下部電極脈衝狀地施加該第1高頻電功率來加以控制；透過硬遮罩來蝕刻該被處理基板的金屬層。
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