JP7498369B2 - プラズマ処理方法 - Google Patents
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Description
次にプラズマを用いた等方性エッチングにより、トレンチ深さ方向に積層された前記複数のタングステン膜それぞれをウエハ面に平行な方向である横方向へ均一に除去するエッチング工程が実行される。
具体的には、異方性エッチングステップに関しては、プラズマを生成して、試料に高周波電力を印加することで、イオンを垂直に試料に入射させて、溝底のタングステンを除去する。等方性のエッチングに関しては、プラズマを生成して、試料に高周波バイアスを印加せずに処理する方法が開示されている。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施をするための形態における説明により明らかにされる。
以下、図1を参照して、本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置について説明する。図1は、本実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。本実施形態では、プラズマ処理装置の一例として、ECR(Electron Cyclotron Resonance)マイクロ波プラズマエッチング装置を示す。
先ず従来のプラズマ処理方法を適用した場合を説明する。図2は、従来のプラズマ処理方法のフローチャート図である。プラズマ処理方法による一連の加工工程は、所定の加工段階のウエハの積層構造(以下、「第一積層構造」という。)に対して適用される第1サイクル201と、第1サイクル201が行われた段階の積層構造(以下、「第二積層構造」という。)に対して適用される第2サイクル205を含む。以下に各サイクルに関して説明する。
図3は、第1サイクル201による加工前と加工後の積層構造を示す模式図である。
図3(a)は、第1サイクル201による加工が行われる前の第一積層構造を示す。ウエハ113は、絶縁膜とタングステン膜が交互に積層された積層膜を有する試料である。ウエハ113は、多結晶シリコン301による基板と基板に直立する芯(チャネル)を有する。また多結晶シリコン301の芯に沿って少なくとも200層のシリコン酸化膜302と少なくとも200層のタングステン膜303が交互に積層し、さらにタングステン膜303はシリコン酸化膜302の層の周りを囲むようにウエハ113の表面も覆っている。ウエハ113には溝構造であるトレンチ305が形成されている。なお、積層構造はトレンチに沿って絶縁膜と金属膜が交互に積層した構造であれば、シリコン酸化膜とタングステン膜に限定されない。
本実施形態において、トレンチ305の深さ(積層構造の最上部と最下部までの長さ)をdt、幅をwtとすると、dtが15.2μm以上かつwtが134.5nm以下をとることもできる。また、dtは11.7μm以上かつwtは160nm以下の値をとることができる。アスペクト比をdt/wtとすると、前者のアスペクト比は113であり、後者のアスペクト比は73である。なお、トレンチ305の深さと幅の関係はこれに限定されない。また、図3に示される積層構造はこれに限定されない。
第1の堆積ステップ202は、CHxFyガスを主成分とするフロロカーボンを含む堆積膜をトレンチ305の内面に形成する。第1の堆積ステップ202は、エッチャントであるフッ素ラジカルの量と堆積膜の量のバランスを調整しトレンチ305のT部からB部まで深さ方向に沿って同じ割合でエッチングが進むように調整する機能を有する。また、以下の説明では、フロロカーボンを含む堆積膜を保護膜ということもある。
図4は、従来の第2サイクル205を第二積層構造に適用したときの状態を示す模式図である。
図4(a)は、第1サイクル201が終了した時点での第二積層構造を示す(図3(b)参照)。
図4(b)は、第2サイクル205の第2の堆積ステップ206が適用された時点での状態を示す。第2の堆積ステップ206によって、シリコン酸化膜302とタングステン膜303の表面にCHxFyガスを主成分とするフロロカーボンの保護膜304が形成される。第2の堆積ステップ206は第1サイクルの第1の堆積ステップ202に対応する。
上述した従来のプラズマ処理方法で積層構造を加工した結果と問題を説明する。図5は、従来のプラズマ処理方法におけるトレンチ305の深さとエッチング量の関係を示す図である。トレンチ305の深さ方向に対してB部、MB部、M部、TM部、T部の5箇所におけるタングステン膜303のエッチング量は、MB部で最大値20.01nm、B部で最小値の11.03nmとなった。トレンチ深さ方向に対するエッチング量の最大値と最小値の差(以下、特に断りのない限り「エッチング量差」という。)501は8.98nmであり、許容値4nmを上回った。ここに、各部のエッチング量は10層の平均値を用いて表示する。また評価の判断基準として、エッチング量差の許容値を4nm以下とした。なお、4nmは、トレンチ幅wtのおよそ3%に該当する。
次に、本実施形態のプラズマ処理方法を説明する。図6は、本実施形態に係るプラズマ処理方法のフローチャート図である。本実施形態のプラズマ処理方法は、第2サイクル605において、第2のエッチングステップ(RF-bias ON)607(以下、単に「第2のエッチングステップ」ともいう。)が設けられている点で、上述した従来のプラズマ処理方法と異なる。そのほかの点では、図2の従来のプラズマ処理方法と同様のステップを有する。すなわち、第1サイクル601の第1の堆積ステップ602、第1のエッチングステップ603、繰り返し判定ステップ604は、図2に示される従来のプラズマ処理方法の第1サイクル201の第1の堆積ステップ202、第1のエッチングステップ203、繰り返し判定ステップ204に対応する。また、第2サイクル605の第2の堆積ステップ606、第3のエッチングステップ(RF-bias OFF)608、繰り返し判定ステップ609は、図2に示される従来のプラズマ処理方法の第2サイクル205の第2の堆積ステップ206、第2のエッチングステップ(RF-bias OFF)207、繰り返し判定ステップ208に対応する。なお、以下の説明において、上述の従来のプラズマ処理方法と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。
第2の堆積ステップ606は、C4F8ガスを用いて行われる。第2の堆積ステップ606は、図2に示される第2サイクル205の第2の堆積ステップ206と同じ条件である。
第2のエッチングステップ(RF-bias ON)607を設けて、ウエハにRF-bias(高周波電力)を適度に印加したことにより、トレンチ305内にイオンが引きこまれ、イオンの流れがMB部のエッチャントをB部に引き込んだと考えられる。その結果、MB部の過剰なエッチング量が抑制される一方でB部のエッチング量が増加し、トレンチ深さ方向に対してのエッチング量差は改善したと考えられる。
先ず、高周波電力の出力依存性について実験した。表2の条件のうち、第2のエッチングステップ(RF-bias ON)607の高周波電力の出力を0Wから40Wまで変更しプラズマ処理を行った。図9は、高周波電力の出力を0Wから40Wまで変化させた場合のエッチング量差を示す図である。ここで、T部からB部でエッチング量の最大値はMB部、最小値はB部に現れるため、図9において、エッチング量の出力依存性を観察する代表的な場所としてMB部とB部を選択した。高周波電力の出力を0W、10W、20W、30W、40Wに変更してエッチング量分布を計測した。その結果高周波電力が0Wの時トレンチ深さ方向に対してのエッチング量差は最大値8.99nmとなった。高周波電力を0Wから20Wに上げるとエッチング量差は減少し、20Wの時に最小値3.89nmとなった。高周波電力を20Wから40Wに上げるとエッチング量差は増加し、40Wでは4.11nmとなった。以上から高周波電力の出力が10Wから30Wの範囲でトレンチ深さ方向に対してのエッチング量差は4nm以下となり、良いエッチング量分布になることが分かった。また、高周波電力の出力が40Wの場合は積層構造表面にダメージが加わったことが確認された。このことから高周波電力については、40W以上の出力を用いることは望ましくないことが分かった。以上から、高周波電力を5s印加した際は高周波電力の出力を10Wから30Wの範囲とすることが望ましい。なお、高周波電力を電力量で規定する場合、望ましい高周波電力を50W秒から150W秒の範囲であるということも可能である。
次に、高周波電力の印加時間依存性について実験した。表2の条件のうち、第2のエッチングステップ(RF-bias ON)607の高周波電力の印加時間を3sから11sに変更しプラズマ処理を行った。図10は、高周波電力の印加時間を3sから11sまで変化させた場合のエッチング量差を示す図である。ここでは、第2サイクル605において、第2のエッチングステップ(RF-bias ON)607と第3のエッチングステップ(RF-bias OFF)608の合計時間を一定にしながら高周波電力の印加時間を3s、5s、7s、9s、11sと変化させ実験を行った。例えば、合計時間を63.5sに設定して、ステップ607の印加時間が3sのときステップ608は60.5s、ステップ607が5sのときステップ608は58.5s、ステップ607が7sのときステップ608は56.5s、ステップ607が9sのときステップ608は54.5s、ステップ607が11sのときステップ608は52.5sとなるようにした。ただし合計時間はこの値に限られるものではない。これは第2の堆積ステップ606の時間に対して、高周波電源がON(ステップ607)とOFF(ステップ608)を合わせたエッチングステップの時間割合が変わると、その影響もエッチング量に生じることから、エッチングステップの合計時間は一定にして高周波電源の印加時間の変化の影響をより良好に把握するためである。
高周波電力の出力依存性と印加時間依存性の実験では、高周波電力の適切な範囲を超えて出力を上げまた印加時間を長くすると、トレンチ深さ方向のエッチング量差が悪化した。この原因について考えると、高周波電力の出力や印加時間が適切な範囲である場合はMB部のエッチャントをB部に引き込む作用が生じている。しかし適切な範囲を超えると、T部からM部の間のエッチャントがMB部に引き込まれる現象も発生する。そうするとMB部のエッチャント量が増加し、B部よりもMB部においてエッチングが進行し易くなり、その結果として、エッチング量差が悪化すると考えられる。
さらなるエッチング量分布改善を行うためにマイクロ波と高周波電力のTM(Time Modulation)化を試みた。マイクロ波と高周波電力のTM化とは、マイクロ波と高周波電力に時間変調された間欠的な高周波電力を用いることである。時間変調された間欠的な高周波電力のON時間(出力する時間)をTON、OFF時間(出力しない時間)をTOFFとした場合、Duty比=TON/(TON+TOFF)と定義する。マイクロ波と高周波電力のTM化の条件は、第2のエッチングステップ(RF-bias ON)607と第3のエッチングステップ(RF-bias OFF)608のマイクロ波を700W、周波数1000Hz、Duty比90%と設定し、第2のエッチングステップ(RF-bias ON)607の高周波電力は周波数1000Hz、Duty比30%で実効パワーが20Wになるように設定した。なお、実効パワーとは、出力とDuty比の積である。その時の第2サイクル605の詳細な条件を表3に示す。
マイクロ波がOFFの時間で、エッチャントを供給するCF4ガスなどがトレンチ305内に分散する。その状態でマイクロ波をONにすると、マイクロ波をTM化しない場合と比較して、エッチャントがトレンチ305内に分散して反応する。その結果、トレンチ深さ方向に対してのエッチング量差が改善したと考えられる。
次にマイクロ波と高周波電力をTM化した状態で、エッチング量分布の実効パワー依存性について実験した。表3の条件のうち、第2のエッチングステップ(RF-bias ON)607の実効パワーが約0Wから約60Wになるように、高周波電力のDuty比を30%としたうえで、高周波電力の出力を0W(実効パワー0W)、33.3W(実効パワー10W)、66.7W(実効パワー20W)、100W(実効パワー30W)、133.3W(実効パワー40W)、166.7W(実効パワー50W)、200W(実効パワー60W)と変化させてプラズマ処理を行った。図12は、高周波電力の実効パワーを0Wから60Wまで変化させた場合のエッチング量差を示す図である。実効パワーが0Wの際のトレンチ深さ方向に対してのエッチング量差は7.81nmと最大値を示した。実効パワーを0Wから20Wに上昇させるとエッチング量差は減少し、20Wの際に2.97nmとなった。20Wから60Wに上昇させるとエッチング量差は増加し、60Wの際に4.02nmとなった。また、60Wまで積層構造表面のダメージが確認されなかった。このように、高周波電力の出力依存性の観点では出力が10Wから30Wの範囲で良好なエッチング量差が得られたが、高周波電力の実効パワー依存性の観点では10Wから50Wの範囲に拡大した。
良好な実効パワー範囲が得られた要因としては、高周波電力の時間変調において述べたように、マイクロ波OFF時のエッチャント供給ガスの分散が考えられる。また積層構造表面にダメージが生じない実効パワーの範囲が広がった要因としては、マイクロ波と高周波電力をOFFにする時間を設けたことで積層構造表面の保護膜304とシリコン酸化膜302の上方からのエッチング量を低減できたことが考えられる。以上から、マイクロ波を出力700W、周波数1000Hz、Duty比90%に設定し、高周波電力を周波数1000Hz、Duty比30%に設定した際に実効パワーを10Wから50Wの範囲に設定することが望ましいと分かった。
例えば高周波電源の出力や印加時間、実効パワーなどの好適な範囲は、トレンチ深さ方向に対しての望ましいエッチング量差に応じて適宜調整し、定めることが可能である。
104…第一の高周波電源、105…シャワープレート、106…誘電体窓
107…処理室、108…ガス供給装置、109…真空排気口、110…導波管
111…磁場発生用コイル、112…コイルケース
113…ウエハ、114…マッチング回路、115…第二の高周波電源
116…高周波フィルタ、117…直流電源
201…第1サイクル、202…第1の堆積ステップ、
203…第1のエッチングステップ
204…繰り返し判定ステップ
205…第2サイクル、206…第2の堆積ステップ、
207…第2のエッチングステップ(RF-bias OFF)
208…繰り返し判定ステップ、
301…多結晶シリコン、302…シリコン酸化膜、303…タングステン膜
304…保護膜、305…トレンチ
501、801、1101…エッチング量差
601…第1サイクル、602…第1の堆積ステップ
603…第1のエッチングステップ
604…繰り返し判定ステップ、
605…第2サイクル、606…第2の堆積ステップ
607…第2のエッチングステップ(RF-bias ON)
608…第3のエッチングステップ(RF-bias OFF)
609…繰り返し判定ステップ
Claims (5)
- 絶縁膜とタングステン膜が交互に積層された積層膜のタングステン膜をプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、
堆積膜を堆積させる第1の堆積ステップと、
前記第1の堆積ステップ後、前記タングステン膜をエッチングする第1のエッチングステップと、
堆積膜を堆積させる第2の堆積ステップと、
前記第2の堆積ステップ後、Cl2ガスとN2ガスとCF4ガスとC4F8ガスの混合ガスを用いて前記タングステン膜をエッチングする第2のエッチングステップと、
前記第2のエッチングステップ後、前記タングステン膜をエッチングする第3のエッチングステップと、を有し、
前記第1の堆積ステップと前記第1のエッチングステップを所定回、繰り返した後、前記第2の堆積ステップを行い、
前記第2の堆積ステップと前記第2のエッチングステップと前記第3のエッチングステップを所定回、繰り返すことを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項1に記載のプラズマ処理方法において、
前記絶縁膜は、シリコン酸化膜であることを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項1に記載のプラズマ処理方法において、
前記第3のエッチングステップは、Cl2ガスとN2ガスとCF4ガスとC4F8ガスの混合ガスを用いて行われることを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項3に記載のプラズマ処理方法において、
前記第2のエッチングステップは、前記積層膜を有する試料が載置される試料台に高周波電力を供給しながら行われ、
前記第3のエッチングステップは、前記試料台に高周波電力を供給せずに行われることを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項4に記載のプラズマ処理方法において、
前記第2の堆積ステップは、C4F8ガスを用いて行われることを特徴とするプラズマ処理方法。
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