JP4360065B2

JP4360065B2 - Plasma processing method

Info

Publication number: JP4360065B2
Application number: JP2002193045A
Authority: JP
Inventors: 武司北; 智洋奥村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-07-02
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2022-07-02
Also published as: JP2004039777A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体や液晶などの電子デバイスやマイクロマシンの製造に利用されるドライエッチング、スパッタリング、プラズマＣＶＤなどのプラズマ処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体などの電子デバイスは、急速に細密化が進んでおり、高精度の加工処理が求められている。このような微細加工技術では、プラズマ処理方法を利用した加工処理が一般的となっており、例えば、ドライエッチング法、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法などが用いられる。
【０００３】
以下、前述するプラズマ処理方法のうち、特にドライエッチング法（以下「Ｄ／Ｅ」と称す）を取り上げ説明する。図２は従来のドライエッチング装置（特にＲＩＥエッチング装置）の概略図である。以下、Ｄ／Ｅの具体的な動作仕様について説明する。
【０００４】
まず、真空容器２１内にガス供給系２２からガスを導入し、同時にガス排気系２３であるポンプなどで真空容器２１内の排気を行う。続けて、真空容器２１内を所定の圧力に制御しながら、真空容器２１内に配置された基板電極２４に高周波電源２５により、高周波電力を供給することによって、真空容器２１内にプラズマを発生させる。このように発生させたプラズマの作用によって、基板電極２４上に配置された基板２６をエッチングすることができる。
【０００５】
ここでＤ／Ｅの基本的な原理を説明する。本例の場合、真空容器２１内にプラズマが発生すると、プラズマ中に存在する分子が解離したり分子同士の衝突したりするなどして、正電荷を有するイオンや電子、更には、電荷的には中性ではあるが高い反応性を保持するラジカルが発生する。一般的にはこれらイオンやラジカルを用いてエッチングが進行しているとされる。
【０００６】
現在、高速／低消費電力化を実現する次世代トランジスタ技術の確立を目指し、薄膜ゲート絶縁膜やゲート材料の検討が行われている。デザインルール１００ｎｍ以下のＳｉ半導体デバイスにおいては、新ゲート材料としてタングステン（Ｗ）を適用したメタルゲート構造が有力であると考えられている。従来、０．２５μｍや０．１８μｍ幅のゲートＷエッチングに関しては、ＳＦ₆やＣＦ₄などのＦ系ガスによる加工が行われていたが、これ以上の微細構造の処理に対しては、技術的に限界があるとされ、０．１３μｍ幅よりＣｌ₂やＨＣｌなどのＣｌ系ガスでの検討が進んでいる。
【０００７】
また、被エッチング物を処理する際に用いられるプラズマ源に関しては、現在、一般的に用いられているＲＩＥやＩＣＰプラズマ源では０．１３μｍルール以降、微細加工や下地絶縁膜に対する選択比確保が困難になってきているため、次世代のプラズマ源であるＶＨＦやＵＨＦ、マイクロ波プラズマ源が検討されている。その中でＶＨＦプラズマ源を用いたＨＣｌ／Ｏ₂系プロセスでは０．１８μｍ幅のゲートエッチングが可能になり、下地絶縁膜に対する選択比も１００以上を達成しているのが現状である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述するＤ／Ｅ技術においても、図２（ａ）のように、下層部３上に成膜され、マスク１によってパターニングされたタングステン（以下、単に「Ｗ」と称す）の被エッチング膜２をエッチングした際、図２（ｂ）のように、ゲート部の形状は入り込み６（これを「ボーイング」という）が発生してしまうという問題が生じることになる。この形状ではゲート部の抵抗が大きくなり、デバイス性能を決定するトランジスタ特性が悪化してしまい、デバイスとしての信頼性が極端に低下することになる。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、Ｗエッチング形状の側壁部の入り込みを抑制するプラズマ処理方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載されたプラズマ処理方法は、真空容器内にガスを供給しつつ排気し、前記真空容器内を所定の圧力に制御しながら、基板を載置する基板電極に高周波電力を印加することでプラズマを発生させ、前記基板を処理するプラズマ処理方法であって、前記基板に成膜されたタングステン膜またはタングステンを主成分とする膜を被エッチング膜とし、Ｆ系ガスを含まない雰囲気において塩化水素ガスと酸素ガス含有する混合ガスに窒素ガスを供給することで前記被エッチング膜の側壁部にタングステンと窒素ラジカルの結合物を生成しながら前記エッチング膜を０．１３μｍ幅以下でエッチングすることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に記載されたプラズマ処理方法は、請求項１におけるプラズマ処理方法において、窒素ガスの流量が混合ガスの全体の２０％以下であることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３に記載されたプラズマ処理方法は、請求項１または２に記載のプラズマ処理方法において、基板の温度が３０℃以下であることを特徴とする。
【００１３】
更に、請求項４に記載されたプラズマ処理方法は、基板がマスクによってパターニングされた状態で処理され、前記マスクの材質はＳｉＮ，ＳｉＯ₂，Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｕのいずれかである請求項１〜３のいずれか１項に記載されることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係るプラズマ処理装置は、図２を参照しながら説明した従来技術の装置構成と同様である。真空容器２１内にガス供給系２２からガスを導入しつつ排気系２３であるポンプなどで排気を行い、真空容器２１内の圧力を一定に保ちながら、高周波電源２５により高周波電力を供給することによって真空容器２１内にプラズマを発生させ、基板電極２４上に載置された基板をエッチングすることができる。
【００１５】
本実施形態の場合、特に基板にタングステン膜やアルミニウム膜などのメタル材料を含有する膜を処理することを想定しているが、その膜の表面に自然酸化膜が存在するため、従来の技術で説明したような一般的なＤ／Ｅの動作仕様に加え、自然酸化膜を除去する工程を追加するとエッチングレート制御性が向上する。
【００１６】
以下に、図１を参照しながら上記内容を詳細に説明する。
【００１７】
図１（ａ）はＤ／Ｅ処理前の被処理物の形状を示す。１はマスクであり、後述する被エッチング膜２の表面にパターニングされている。２はＷの被エッチング膜であり、３は被エッチング膜２の下部に形成された絶縁膜の下層部である。
【００１８】
図１（ａ）に示す状態から、エッチング処理を行うと、パターンのない部分（マスク１が存在しない部分）ではほぼ一様にエッチングされる。しかしながら、パターン近傍に存在するラジカルは等方的に拡散するためにマスク１の直下に進行し被エッチング膜２をエッチングする。
【００１９】
それと同時に、図１（ｂ）のように、添加したＮ₂ガスから生成されるＮラジカル４と被エッチング膜２の側壁部のタングステンが結合し、ＷＮの保護膜５を生成する。この保護膜５によって、タングステン側壁でのラジカル反応が抑制され、入り込みのない垂直な形状にエッチングすることが可能となる。
【００２０】
なお、タングステンをエッチングするガスは、ＨＣｌ／Ｎ₂ガス系が有効である。前述したように、タングステンをエッチングする場合、一般的にＳＦ₆やＣＦ₄などのＦ系ガスを適用することが多いが、パターンの微細化が進行すると技術的な限界を生じることになる。
【００２１】
このような課題に対し、ハロゲン系ガスであるＣｌ₂やＨＣｌ，ＨＢｒを適用すると、Ｓｉとの反応性が低くなり、かつラジカルとイオン量の制御性が向上するため、下地ＳｉＯ₂膜に対する選択比が向上し、微細な形状制御も可能になる。特に、ＨＣｌガスの場合、Ｃｌラジカル量を抑制できるので、他のガスと比較して選択比が高くなる。また、Ｈラジカルの還元作用のため、下地ＳｉＯ₂膜表面の荒れも小さくなる。Ｏ₂ガスは下地ＳｉＯ₂との選択比を確保するために添加する。これらの結果から、ＨＣｌ／Ｏ₂／Ｎ₂ガスを適用すれば、エッチング後の形状が良好なものとなる。
【００２２】
なお、本実施形態では、Ｎ₂ガスを添加する場合で説明したが、Ｎ₂ガスの添加量としてガス総流量に対して２０％以下で実施するとよい。この場合、保護膜を生成する効果は一層高まりエッチング膜の形状がより良好なものとなる。逆に、Ｎ₂流量が２０％を超えると、Ｎ₂ラジカルの生成が不十分になり、側壁保護効果が減少してしまう。
【００２３】
また、エッチング処理において、基板温度を３０℃以下で実施するのがよい。この場合も、保護膜を生成する効果は一層高まりエッチング膜の形状がより良好なものとなる。
【００２４】
また、上記エッチング処理に使われるマスク材質としてＳｉＮ，ＳｉＯ₂，Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｕ膜の他に、レジスト膜，ＡＲＣ（反射防止膜）又はそれらの積層膜で実施してもよい。
【００２５】
更に、ＶＨＦプラズマ源を用いてタングステンを含有する膜をエッチング処理する場合であっても同様な効果が期待できる。
【００２６】
なお、本実施形態は、特に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置の場合を想定して説明したが、２周波ＲＩＥや誘導結合型（ＩＣＰ），ＶＨＦエッチング装置に適用できるのは言うまでもない。
【００２７】
以上のように、タングステンを主成分とする膜をエッチングする際にＮ₂ガスを添加することで、エッチング形状の入り込みが抑制することが可能となる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のプラズマ処理方法によれば、タングステンを主成分とする膜をエッチングする際にＮ₂ガスを添加することで、０．１３μｍ幅以下のエッチング形状の入り込みを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る被エッチング膜の処理方法を説明する図
【図２】従来のプラズマ処理方法を利用した場合のエッチング形状を示す図
【図３】反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）処理装置の概略図
【符号の説明】
１マスク
２被エッチング膜
３下層部（絶縁膜）
４Ｎラジカル
５保護膜（ＷＮ）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma processing method such as dry etching, sputtering, and plasma CVD used for manufacturing electronic devices such as semiconductors and liquid crystals, and micromachines.
[0002]
[Prior art]
In recent years, electronic devices such as semiconductors have been rapidly miniaturized, and high-precision processing is required. In such a fine processing technique, processing using a plasma processing method is generally used, and for example, a dry etching method, a sputtering method, a plasma CVD method, or the like is used.
[0003]
Hereinafter, among the plasma processing methods described above, the dry etching method (hereinafter referred to as “D / E”) will be particularly described. FIG. 2 is a schematic view of a conventional dry etching apparatus (particularly, an RIE etching apparatus). Hereinafter, specific operation specifications of D / E will be described.
[0004]
First, gas is introduced into the vacuum vessel 21 from the gas supply system 22, and at the same time, the vacuum vessel 21 is evacuated with a pump or the like as the gas exhaust system 23. Subsequently, plasma is generated in the vacuum vessel 21 by supplying high-frequency power from the high-frequency power source 25 to the substrate electrode 24 disposed in the vacuum vessel 21 while controlling the inside of the vacuum vessel 21 to a predetermined pressure. . The substrate 26 disposed on the substrate electrode 24 can be etched by the action of the plasma thus generated.
[0005]
Here, the basic principle of D / E will be described. In the case of this example, when plasma is generated in the vacuum vessel 21, molecules existing in the plasma are dissociated or molecules collide with each other, so that positively charged ions and electrons, Produces neutral but highly reactive radicals. In general, it is considered that etching proceeds using these ions and radicals.
[0006]
Currently, thin gate insulating films and gate materials are being studied with the aim of establishing next-generation transistor technology that achieves high speed and low power consumption. In Si semiconductor devices with a design rule of 100 nm or less, a metal gate structure using tungsten (W) as a new gate material is considered to be promising. Conventionally, the gate W etching having a width of 0.25 μm or 0.18 μm has been processed by an F-based gas such as SF ₆ or CF _4. Therefore, studies with Cl-based gases such as Cl ₂ and HCl are proceeding from a width of 0.13 μm.
[0007]
Further, with respect to a plasma source used when processing an object to be etched, it is difficult to secure a selection ratio with respect to microfabrication or a base insulating film after the 0.13 μm rule with a RIE or ICP plasma source that is currently generally used. Therefore, next-generation plasma sources such as VHF, UHF, and microwave plasma sources are being studied. Among them, the HCl / O ₂ system process using a VHF plasma source enables gate etching with a width of 0.18 μm, and the selection ratio with respect to the base insulating film is 100 or more.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, even in the D / E technique described above, as shown in FIG. 2A, a film to be etched of tungsten (hereinafter simply referred to as “W”) formed on the lower layer 3 and patterned by the mask 1 is used. When 2 is etched, as shown in FIG. 2B, there is a problem that the gate portion has an intrusion 6 (this is called “Boeing”). With this shape, the resistance of the gate portion is increased, transistor characteristics that determine device performance are deteriorated, and the reliability of the device is extremely reduced.
[0009]
The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a plasma processing method that suppresses entry of a W-etched sidewall.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the plasma processing method according to claim 1 evacuates while supplying a gas into the vacuum vessel, and places the substrate while controlling the inside of the vacuum vessel to a predetermined pressure. A plasma processing method of generating plasma by applying high-frequency power to a substrate electrode to process the substrate, wherein a tungsten film formed on the substrate or a film containing tungsten as a main component is used as a film to be etched , the etch layer wherein while producing binding of tungsten and nitrogen radicals to the side wall portion of the film to be etched by supplying nitrogen gas to a mixed gas containing hydrogen chloride gas and oxygen gas in the atmosphere containing no F-based gas Etching is performed with a width of 0.13 μm or less .
[0011]
The plasma processing method according to claim 2 is characterized in that, in the plasma processing method according to claim 1, the flow rate of nitrogen gas is 20% or less of the whole mixed gas.
[0012]
The plasma processing method described in claim 3 is the plasma processing method according to claim 1 or 2, wherein the temperature of the substrate is 30 ° C. or lower.
[0013]
The plasma processing method according to claim 4 is processed in a state where the substrate is patterned with a mask, and the material of the mask is any one of SiN, SiO ₂ , Au, Ni, and Cu. 3. It is described in any one of 3.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The plasma processing apparatus according to the present invention has the same configuration as that of the prior art apparatus described with reference to FIG. By introducing gas from the gas supply system 22 into the vacuum vessel 21 and evacuating with a pump or the like which is an exhaust system 23, supplying high frequency power from the high frequency power supply 25 while keeping the pressure in the vacuum vessel 21 constant. Plasma can be generated in the vacuum chamber 21 and the substrate placed on the substrate electrode 24 can be etched.
[0015]
In the case of this embodiment, it is assumed that a film containing a metal material such as a tungsten film or an aluminum film is processed on the substrate. However, since a natural oxide film exists on the surface of the film, the conventional technique is used. In addition to the general D / E operation specifications as described above, the etching rate controllability is improved by adding a process of removing the natural oxide film.
[0016]
Hereinafter, the above contents will be described in detail with reference to FIG.
[0017]
Fig.1 (a) shows the shape of the to-be-processed object before D / E processing. Reference numeral 1 denotes a mask, which is patterned on the surface of a film to be etched 2 described later. Reference numeral 2 denotes an etching target film of W, and reference numeral 3 denotes a lower layer portion of an insulating film formed below the etching target film 2.
[0018]
When the etching process is performed from the state shown in FIG. 1A, the portion without the pattern (the portion where the mask 1 does not exist) is etched almost uniformly. However, since radicals existing in the vicinity of the pattern are diffused isotropically, the radical proceeds directly under the mask 1 and etches the etched film 2.
[0019]
At the same time, as shown in FIG. 1B, the N radical 4 generated from the added N ₂ gas and the tungsten on the side wall of the film to be etched 2 are combined to form a WN protective film 5. The protective film 5 suppresses radical reaction on the tungsten side wall, and enables etching into a vertical shape without entering.
[0020]
As a gas for etching tungsten, an HCl / N ₂ gas system is effective. As described above, when etching tungsten, an F-based gas such as SF ₆ or CF ₄ is generally applied. However, as the pattern becomes finer, a technical limit occurs.
[0021]
For such problems, Cl ₂ or HCl is halogen-based gas, application of HBr, low reactivity with the Si, and to improve the controllability of the radical and ion amount, selection for the underlying SiO ₂ film The ratio is improved and fine shape control is possible. In particular, in the case of HCl gas, since the amount of Cl radicals can be suppressed, the selection ratio becomes higher compared to other gases. In addition, due to the reducing action of H radicals, the surface roughness of the underlying SiO ₂ film is reduced. O ₂ gas is added to ensure a selection ratio with the underlying SiO ₂ . From these results, when HCl / O ₂ / N ₂ gas is applied, the shape after etching becomes good .
[0022]
In the present embodiment, the case where N ₂ gas is added has been described. However, the amount of N ₂ gas added may be 20% or less of the total gas flow rate. In this case, the effect of generating the protective film is further enhanced, and the etching film has a better shape. On the contrary, when the N ₂ flow rate exceeds 20%, the generation of N ₂ radicals becomes insufficient, and the side wall protection effect is reduced.
[0023]
In the etching process, the substrate temperature is preferably 30 ° C. or lower. Also in this case, the effect of generating the protective film is further increased, and the shape of the etching film becomes better.
[0024]
In addition to the SiN, SiO ₂ , Au, Ni, Cu film as a mask material used for the etching process, a resist film, ARC (antireflection film) or a laminated film thereof may be used.
[0025]
Furthermore, similar effects can be expected even when a tungsten-containing film is etched using a VHF plasma source.
[0026]
Although the present embodiment has been described on the assumption of a reactive ion etching (RIE) apparatus, it is needless to say that the present embodiment can be applied to a two-frequency RIE, inductively coupled (ICP), or VHF etching apparatus.
[0027]
As described above, when the N ₂ gas is added when the film containing tungsten as a main component is etched, it is possible to prevent the etching shape from entering.
[0028]
【The invention's effect】
According to the plasma processing method of the present invention, it is possible to suppress the entry of an etching shape having a width of 0.13 μm or less by adding N ₂ gas when etching a film containing tungsten as a main component.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view for explaining a processing method of a film to be etched according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a view showing an etching shape when a conventional plasma processing method is used. ) Schematic diagram of processing equipment [Explanation of symbols]
1 Mask 2 Film to be etched 3 Lower layer (insulating film)
4 N radical 5 Protective film (WN)

Claims

真空容器内にガスを供給しつつ排気し、前記真空容器内を所定の圧力に制御しながら、基板を載置する基板電極に高周波電力を印加することでプラズマを発生させ、前記基板を処理するプラズマ処理方法であって、
前記基板に成膜されたタングステン膜またはタングステンを主成分とする膜を被エッチング膜とし、Ｆ系ガスを含まない雰囲気において塩化水素ガスと酸素ガス含有する混合ガスに窒素ガスを供給することで前記被エッチング膜の側壁部にタングステンと窒素ラジカルの結合物を生成しながら前記エッチング膜を０．１３μｍ幅以下でエッチングすること
を特徴とするプラズマ処理方法。The substrate is processed by generating a plasma by applying high-frequency power to the substrate electrode on which the substrate is placed, while evacuating while supplying the gas into the vacuum vessel, and controlling the inside of the vacuum vessel to a predetermined pressure. A plasma processing method comprising:
Wherein by supplying nitrogen gas to a mixed gas containing hydrogen chloride gas and oxygen gas film mainly containing tungsten film or a tungsten which is deposited on the substrate as a film to be etched in an atmosphere containing no F-based gas A plasma processing method, wherein the etching film is etched with a width of 0.13 μm or less while a combined substance of tungsten and nitrogen radicals is formed on a side wall portion of the film to be etched.

前記窒素ガスの流量が混合ガスの全体の２０％以下であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。 The plasma processing method according to claim 1, wherein the flow rate of the nitrogen gas is 20% or less of the entire mixed gas.

前記基板の温度が３０℃以下であることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理方法。 The plasma processing method according to claim 1, wherein the temperature of the substrate is 30 ° C. or less.

前記基板はマスクによってパターニングされた状態で処理され、前記マスクの材質はＳｉＮ，ＳｉＯ２，Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｕのいずれかであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のプラズマ処理方法。 The said board | substrate is processed in the state patterned by the mask, The material of the said mask is any one of SiN, SiO2, Au, Ni, Cu, The one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. Plasma processing method.