JP6184838B2

JP6184838B2 - 半導体製造方法

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Publication number: JP6184838B2
Application number: JP2013228379A
Authority: JP
Inventors: 林　達也; 林　　達也; 未知数森本; 小野　哲郎; 哲郎小野
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2033-11-01
Also published as: JP2015088695A

Description

本発明は、プラズマを用いた半導体製造方法に関する。

例えばプラズマを用いたドライエッチング装置で、プラズマを周期的にオンオフする技術に関しては特開平１−１４９９６５号公報（特許文献１）に開示されている。ここにはプラズマを周期的にオンオフして、オフ期間のアフタグローでプラズマの組成が異なることを利用して、イオン、ラジカル他を時間的、空間的に任意に制御する方法が述べられている。同特許文献１にはパルス幅を１ｍｓ以下、周期を１０ｓ以下にすることも記載されている。またプラズマ中の荷電粒子（イオン、電子）による損傷を防ぐために、プラズマをウェハから離れたところで発生して、長い距離を拡散させることにより荷電粒子を取り除き、Ｆラジカルのような電荷を持たない粒子によるエッチングを行う方法が特開昭６２−３１１２４号公報（特許文献２）に記載されている。このエッチングはケミカルドライエッチングと呼ばれている。

特開平１−１４９９６５号公報特開昭６２−３１１２４号公報

半導体素子の微細化とともにフィン電界効果トランジスタ（Ｆｉｎ−ＦＥＴ：Field Effect Transistor）と呼ばれる３次元構造のトランジスタの量産が開始されている。これに対応して微細化の鍵であるドライエッチング技術は、更なる微細化、高アスペクトおよび従来の２次元構造のトランジスタに無い複雑な形状の高精度のエッチングが要求され、ブレークスルー技術が必要になっている。

イオンを主体とした、イオンアシストエッチングでは異方性の高い形状加工ができる。一方、中性ラジカルを主体としたケミカルドライエッチングでは等方的かつ選択比が高い加工が可能となる。３次元構造トランジスタの加工にはこの両者が必要となる。しかし、従来技術ではイオンアシストエッチング装置とケミカルドライエッチング装置ではその構造が大きく異なっており、同一装置内でイオンアシストエッチングとケミカルドライエッチングを連続して行うことができなかった。

本発明の目的は、同一チャンバ内でイオンアシストエッチングとケミカルドライエッチングを連続して行うことができる半導体製造方法を提供することである。

本発明では上記目的を達成するために、パルス変調されたプラズマにより試料をプラズマエッチングする半導体製造方法において、
前記パルス変調されたプラズマにより生成され前記試料に入射するイオンを低減させることを特徴とする半導体製造方法とする。

また、プラズマにより試料をプラズマエッチングする半導体製造方法において、
連続プラズマを用い前記試料に供給する高周波電力を１Ｗ以上として前記試料をプラズマエッチングするイオンアシストエッチング工程と、
パルス変調されたプラズマを用い前記試料に供給する高周波電力を０Ｗとして前記試料をプラズマエッチングするケミカルドライエッチング工程とを有し、
前記イオンアシストエッチング工程と前記ケミカルドライエッチング工程は、前記試料がプラズマエッチングされる同一のプラズマ処理室内で連続して行われることを特徴とする半導体製造方法とする。

また、パルス変調された高周波電源により生成され、イオンとラジカルを含むプラズマにより試料をプラズマエッチングする半導体製造方法において、
同一のプラズマ処理室に配置された試料に対し、
前記イオンの入射数と前記ラジカルの入射数の比が相対的に大きな第一のプラズマ処理工程と、
前記イオンの入射数と前記ラジカルの入射数の比が相対的に小さな第二のプラズマ処理工程と、を有することを特徴とする半導体製造方法とする。

本発明によれば、同一チャンバ内でイオンアシストエッチングとケミカルドライエッチングを連続して行うことができる半導体製造方法を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施例に係る半導体製造方法（ドライエッチング）を行うために用いた半導体製造装置の概略全体構成図である。本発明の第１の実施例に係る半導体製造方法（ドライエッチング）におけるパルスのデューティー比とウェハに入射する飽和イオン電流密度の関係を示す。本発明の第２の実施例に係る半導体製造方法（ドライエッチング）におけるウェハ上の磁束密度と飽和イオン電流密度の関係を示す。本発明の第３の実施例に係る半導体製造方法（ドライエッチング）におけるＥＣＲ面の高さと飽和イオン電流密度の関係を示す。本発明の第５の実施例に係る半導体製造方法（ドライエッチング）における処理工程の概略図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係る半導体製造方法（ドライエッチング）を適用するプラズマエッチング装置の一例で、プラズマ生成手段にマイクロ波と磁場を利用した電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance：以下ＥＣＲと称する）プラズマエッチング装置の概略図である。

この装置は、内部を真空排気できるチャンバ（プラズマ処理室）１０１と、試料であるウェハ１０２を配置する試料台１０３と、チャンバ１０１の上面に設けられた石英などのマイクロ波透過窓１０４と、その上方に設けられた導波管１０５と、マグネトロン１０６と、チャンバ１０１の周りに設けられたソレノイドコイル１０７と、試料台１０３に接続された静電吸着電源１０８と、高周波バイアス電源１０９とを備える。

ウェハ１０２は、ウェハ搬入口１１０からチャンバ１０１内に搬入された後、静電吸着電源１０８によって試料台１０３に静電吸着される。次にプロセスガスがガス導入口１１１からチャンバ１０１に導入される。チャンバ１０１内は、真空ポンプ（図示省略）により減圧排気され、所定の圧力（例えば、０．１Ｐａ〜５０Ｐａ）に調整される。

次に、マグネトロン１０６から周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が発振され、導波管１０５と石英などのマイクロ波透過窓１０４を介してチャンバ１０１内に供給される。マイクロ波とソレノイドコイル１０７によって発生された磁場との相互作用によって処理ガスが励起され、ウェハ１０２上部の空間にイオンやラジカルが含まれたプラズマ１１２が形成される。

マグネトロン１０６の出力はパルス変調することが可能で、この時間変調周波数をプラズマパルス周波数ｆｐ、逆数をプラズマパルス周期とする。一方、試料台１０３には、高周波バイアス電源１０９によって高周波バイアス電力が印加され、プラズマ１１２中のイオンがウェハ１０２上に垂直に加速され入射する。プラズマ１１２からのラジカルとイオンの作用によってウェハ１０２が異方的にエッチングされる。

また、高周波バイアス電源１０９には、パルス発生装置１１３が接続されており、パルス発生装置１１３が発生させる連続パルス波によって高周波バイアス電源１０９により試料台１０３に供給される高周波バイアス電力をパルス変調することができる。

このパルス変調の周波数をバイアスパルス周波数ｆｂとし、その逆数をバイアスパルス周期とする。また、パルス発生装置１１３は、バイアスパルス周波数と、１周期におけるオンの期間とオフの期間の比を任意に設定できる機能を有する。尚、１周期に対するオン期間の割合をデューティー（Ｄｕｔｙ）比と呼ぶ。

次に、ウェハへのイオンの入射を低減させるための一例を説明する。図２に第１の高周波電源であるマグネトロン１０６をオンオフ変調して、そのデューティー（Ｄｕｔｙ）比とウェハに入射する飽和イオン電流密度の関係を示す。飽和イオン電流密度の値は時間的に平均した値である。表１はプラズマの条件を示しており、条件１および条件２のデューティー比のαとβはデューティー比を変更したことを意味し、オンオフの周波数は１０００Ｈｚである。

マイクロ波電力が６００Ｗでも１０００Ｗでも飽和イオン電流密度はデューティー比が約３０％から急激に減少して、約２０％で変曲点になると同時にラジカル主体のエッチングが可能な０．５ｍＡ以下になる。

この原因を調べるために、高速の計測器を用いて飽和イオン電流密度の時間変化を測定した。その結果、オン時間が０．３ｍｓ以下ではオン時間内に飽和イオン電流密度が定常値まで達していないことが分かった。すなわち、ウェハ上の飽和イオン電流密度を低減するためには飽和イオン電流密度が定常値に達する前にプラズマをオフすることが非常に有効であることが分かる。具体的にはオン時間を０．２ｍｓ以下にしてかつデューティー比を２０％以下にすると、飽和イオン電流密度は十分低下できる。即ち、デューティー比を変えることによりイオンアシストエッチング（イオンの入射数とラジカルの入射数の比が相対的に大きい）とケミカルエッチング（イオンの入射数とラジカルの入射数の比が相対的に小さい）を切り替えることができる。これにより、半導体製造においてイオンアシストエッチングとケミカルエッチングとの一貫処理が可能となる。

次にイオンアシストエッチングからケミカルドライエッチングを一貫で加工する際の課題の解決策を説明する。ケミカルドライエッチングではプラズマ密度を下げているので、プラズマが着火しにくいという課題が生じる。安定的に着火するにはプラズマ密度が高く着火しやすい着火ステップをケミカルドライエッチングステップ前に挿入すればよいが、するとラジカル主体のエッチングと相反することになってしまう。これを回避するためには、ケミカルドライエッチングのステップにイオン化電圧が低くかつエッチング特性に影響を与えない気体を混合すればよい。たとえばＫｒやＸｅを全体に全流量の１０％以下（但し、０％以上）混合することで、この課題を回避できる。また別の方法として前述した堆積膜除去ステップと着火ステップを兼用する方法がある。このためには保護膜除去ステップとケミカルドライエッチングステップの間をプラズマ発生用の第１の高周波電源の出力を切ることなく連続して移行すればよい。

以上本実施例によれば、同一チャンバ内でイオンアシストエッチングとケミカルドライエッチングを連続して行うことができる半導体製造方法を提供することができる。

ウェハ上の飽和イオン電流密度を低減する第３の実施例に係る半導体製造方法について説明する。なお、実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。

図３はウェハ中心直上の磁束密度と飽和イオン電流密度の関係を示している。また、プラズマの条件は表２の条件３を用い、コイルを変更させて測定を行っている。

図３より、ウェハ面上の磁束密度を減少させるとウェハ上の飽和イオン電流密度が減少していくことが分かる。飽和イオン電流密度とイオン密度には相関があり、これは磁束密度が減ることによりイオンのウェハへの到達が減少したため、結果的に飽和イオン電流密度も減少したと言える。さらに磁束密度が１００Ｇで飽和イオン電流密度の変化量が最も大きく、ラジカルエッチをする際はウェハ上の磁束密度が１００Ｇ以下で使用することが望ましいといえる。

さらに、上記の結果より磁束密度を減らすことによってイオン密度を減少できることより、コイルに流す電流の極性を変化させ測定を行った。行った条件を表２に示す（条件４）。表２のコイルに流す電流の極性を変化させることにより、ウェハ上の飽和イオン電流密度も減少した。これは、コイルに流す電流の極性を変化させることにより、チャンバ内の磁力線が壁方向へ移動し、結果としてイオンが壁方向に導かれ、ウェハ上のイオン密度が減少したため、飽和イオン電流密度が減少したと言える。すなわち、磁束密度を変化させる、或いはコイル電流の極性を変化させることにより、イオンアシストエッチングとケミカルエッチングとを切り替えることができる。これにより、半導体製造においてイオンアシストエッチングとケミカルエッチングとの一貫処理が可能となる。

本発明の第３の実施例に係る半導体製造方法について図４を用いて説明する。なお、実施例１又は２に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。図４で示す実施例ではＥＣＲ面の高さと飽和イオン電流密度の関係を示している。図４より、ＥＣＲ面をウェハ上より離すことによって飽和イオン電流密度が低下することがわかる。これは、ＥＣＲ面をウェハ上から離すことにより、イオンの拡散距離が増加する。拡散距離が増加すると壁面に衝突するイオンと電子の数が増加し、両者は再結合するためＥＣＲ面をウェハ上から離すことによりイオンの密度が減少し、飽和イオン電流密度が減少したと言える。ＥＣＲ高さ１００ｍｍ程度から急激に飽和イオン電流密度が減少する理由は、通常距離の２乗に比例して減少するがＥＣＲ面が石英のマイクロ波透過窓１０４に近くなることにより壁での減衰が相乗効果として効いてくるからである。さらに、天板上よりも上にＥＣＲ面を形成した際、チャンバ内におけるプラズマ密度が弱くなり、イオンの密度が減少するため、結果として飽和イオン電流密度も小さくなるといえる。

以上よりラジカルエッチを行う際はイオンの生成を抑えるため、ＥＣＲ面の高さがウェハ上から１５０ｍｍの高さ以上にすることが望ましいといえる。すなわち、ＥＣＲ面の高さを変化させることにより、イオンアシストエッチングとケミカルエッチングとを切り替えることができる。これにより、半導体製造においてイオンアシストエッチングとケミカルエッチングとの一貫処理が可能となる。

本発明の第４の実施例に係る半導体製造方法について説明する。なお、実施例１乃至３のいずれかに記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。

チャンバ１０１内の圧力とプラズマ密度の関係を求めると、低圧から圧力を上昇させた際に、５Ｐａ以上でプラズマ密度が減少していく。これは圧力を上昇させるにつれてチャンバ内の滞在ガスの量が増加し、イオンと電子の密度が過密となり、イオンと電子が衝突して再結合することで、プラズマの密度が減少したと言える。従って、ケミカルドライエッチングを行う際は５Ｐａ以上の領域でエッチングを行うことが有効である。すなわち、チャンバ内の圧力を変化させることにより、イオンアシストエッチングとケミカルエッチングとを切り替えることができる。これにより、半導体製造においてイオンアシストエッチングとケミカルエッチングとの一貫処理が可能となる。

本発明の第５の実施例に係る半導体製造方法について説明する。なお、実施例１乃至４のいずれかに記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。

これまでの実施例ではケミカルドライエッチングを行うプロセス方法であったが、図５はイオンアシストエッチングからケミカルドライエッチングを一貫で加工する例である。表３はその条件を示す。

図５（ａ）に被処理基板となる薄膜構造を示す。第１の膜に酸化膜（ＳｉＯ_２等）５０１があり、その下に第２の膜としてＳｉ層５０３と第３の膜としてＳｉＧｅ層５０２が交互に積層構造を形成している。ここでＳｉ層５０３およびＳｉＧｅ層５０２はエピタキシャル成長法により作製した結晶Ｓｉおよび結晶ＳｉＧｅである。

次に、図５（ｂ）に示すよう、酸化膜５０１をマスクとし、Ｓｉ層５０３とＳｉＧｅ層５０２のイオンアシストエッチングを行う（ステップ１、２）。この工程ではＳｉ層５０３とＳｉＧｅ層５０２の側壁に堆積膜５０４を形成しイオンアシストエッチングを行っている。この時の試料へのバイアス電力は１００Ｗとしたが、１Ｗ以上であれば適用可能である。

次に同一チャンバ内でケミカルドライエッチングを行うが、ラジカル主体のエッチングはイオンのエネルギーを利用しないために、チャンバ内の残留ガスやウェハの表面状態に大きく影響される。安定した処理を行うためには表３のステップ３に示すように、チャンバ内を一旦真空排気するステップを設けることが有効である。

さらに表３のステップ４のようイオンアシストエッチング時に生じたウェハ上の堆積物を除去するステップを入れることが有効となる。図５（ｃ）はイオンアシストエッチング後のＳｉ層５０３とＳｉＧｅ層５０２の側壁についた堆積膜の除去ステップ４を示しており、側壁の堆積膜の除去に関してはプラズマからの発光の変化を測定して側壁堆積膜の除去終了を確認するとさらに精度よく連続処理できる。図５（ｄ）は側壁の堆積膜を除去した後の断面形状を示している。なお、ステップ４、５の時の試料への高周波バイアス電力は０Ｗとした。

その後、図５（ｅ）は側壁の堆積膜除去後、ケミカルドライエッチングを行い得られた断面形状について示している。

以上のようにイオンアシストエッチング後のケミカルドライエッチングを行うために、堆積膜の除去ステップを入れることにより、イオンアシストエッチングからケミカルドライエッチングを一貫で加工することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０１…チャンバ（プラズマ処理室）、１０２…ウェハ｛試料｝、１０３…試料台、１０４…マイクロ波透過窓、１０５…導波管、１０６…マグネトロン、１０７…ソレノイドコイル、１０８…静電吸着電源、１０９…高周波バイアス電源、１１０…ウェハ搬入口、１１１…ガス導入口、１１２…プラズマ、１１３…パルス発生装置、５０１…酸化膜、５０２…シリコンゲルマニウム層（ＳｉＧｅ）、５０３…シリコン層（Ｓｉ）、５０４…堆積膜（反応生成物）。

Claims

パルス変調された高周波電力によって生成されたプラズマにより試料をプラズマエッチングする半導体製造方法において、
パルス変調用パルスのオン時間を前記プラズマにより生成されたイオンの電流密度が定常時の値に達するのに必要な時間より短くすることを特徴とする半導体製造方法。
請求項１に記載の半導体製造方法において、
前記パルス変調用パルスのオン時間を０．２ｍｓ以下とするとともに前記パルス変調用パルスのデューティー比を２０％以下とすることを特徴とする半導体製造方法。
請求項１に記載の半導体製造方法において、
前記プラズマは、電子サイクロトロン共鳴により生成され、
前記試料がプラズマエッチングされるプラズマ処理室内に磁場を生成し、
前記磁場を生成するコイルに流す電流を前記サイクロトロン共鳴が発生する箇所から前記試料までの距離が１５０ｍｍ以上となるような値とすることを特徴とする半導体製造方法。
請求項１に記載の半導体製造方法において、
前記試料がプラズマエッチングされるプラズマ処理室内の圧力を５Ｐａ以上とすることを特徴とする半導体製造方法。
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の半導体製造方法において、
前記試料が載置される試料台に供給する高周波電力を０Ｗとすることを特徴とする半導体製造方法。
請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の半導体製造方法において、
前記プラズマを生成するためのガスにＫｒガスまたはＸｅガスを混合し、
前記混合されたガスに占める前記Ｋｒガスまたは前記Ｘｅガスの割合を１０％以下とすることを特徴とする半導体製造方法。