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発明の名称 プラズマエッチング方法、プラズマエッチング装置、制御プログラム、及びコンピュータ記憶媒体
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−5464(P2007−5464A)
公開日 平成19年1月11日(2007.1.11)
出願番号 特願2005−182084(P2005−182084)
出願日 平成17年6月22日(2005.6.22)
代理人 【識別番号】100077849
【弁理士】
【氏名又は名称】須山 佐一
発明者 菊池 秋広
要約 課題
アモルファスカーボンに対するシリコン酸化膜の選択比を従来に比べて向上させることのできるプラズマエッチング方法、プラズマエッチング装置、制御プログラム及びコンピュータ記憶媒体を提供する。

解決手段
アモルファスカーボン膜103には、開口部104が形成されている。このアモルファスカーボン膜103をマスクとして、プラズマエッチングにより、シリコン酸化膜102にコンタクトホール105を形成する。この際、エッチングガスとして、C4 6/O2 /Ar/Heの混合ガスからなるエッチングガスを使用する。
特許請求の範囲
【請求項1】
アモルファスカーボンマスクを介して、シリコン酸化膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法であって、
アルゴンガス又はクリプトンガス又はキセノンガスのうちの少なくとも1種のガスと、フルオロカーボンガスと、酸素ガスと、ヘリウムガスとを含むエッチングガスを使用することを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項2】
請求項1記載のプラズマエッチング方法であって、
前記フルオロカーボンガスが、C4 6 、C4 8 、C5 8のいずれかであることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項3】
請求項1又は2記載のプラズマエッチング方法あって、
前記シリコン酸化膜にホールを形成することを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項4】
請求項3記載のプラズマエッチング方法であって、
前記ホールの径が70nm以下であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項5】
請求項1〜4いずれか1項記載のプラズマエッチング方法であって、
前記エッチングガスを使用したプラズマエッチングを行った後、前記エッチングガスからヘリウムガスを除いた第2のエッチングガスを使用したプラズマエッチングを行うことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項6】
請求項5記載のプラズマエッチング方法であって、
前記第2のエッチングガスを使用したプラズマエッチングは、オーバーエッチング工程であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項7】
請求項1〜6いずれか1項記載のプラズマエッチング方法であって、
前記エッチングガスに、ヘリウムガスが、アルゴンガス又はクリプトンガス又はキセノンガスのうちの少なくとも一種のガスに対して流量比で5〜50%含まれることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項8】
請求項1〜7いずれか1項記載のプラズマエッチング方法であって、
前記アモルファスカーボンマスクは、ArFエキシマレーザーより短波長光で露光されたレジストをマスクとして形成されることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項9】
被処理体を収容する処理容器と、
前記処理容器内にエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、
前記エッチングガス供給手段から供給された前記エッチングガスをプラズマ化して前記被処理体をプラズマエッチングするプラズマ生成手段と、
前記処理容器内で請求項1から請求項8いずれか1項記載のプラズマエッチング方法が行われるように制御する制御部と
を備えたことを特徴とするエッチング装置。
【請求項10】
コンピュータ上で動作し、実行時に、請求項1から請求項8いずれか1項記載のプラズマエッチング方法が行われるようにプラズマ処理装置を制御することを特徴とする制御プログラム。
【請求項11】
コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に請求項1から請求項8いずれか1項記載のプラズマエッチング方法が行われるようにプラズマ処理装置を制御することを特徴とするコンピュータ記憶媒体。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、所定のマスクを介してシリコン酸化膜にエッチング工程によってホールを形成するプラズマエッチング方法、プラズマエッチング装置、制御プログラム、及びコンピュータ記憶媒体に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、半導体装置の製造工程においては、シリコン酸化膜に、プラズマエッチングによりコンタクトホール等のホールを形成することが行われている。このような、シリコン酸化膜のプラズマエッチングとしては、例えば、レジストをマスクとした場合にC4 6 /O2 /Arの混合ガスからなるエッチングガスを使用して、レジストに対する選択比を向上させることが知られている(例えば、特許文献1参照。)
【0003】
また、シリコン酸化膜のプラズマエッチングにおいて、希釈ガスとしてのアルゴンとヘリウムの混合比を変えることによって、プラズマエッチングの面内均一性を向上させることが知られている(例えば、特許文献2参照。)。
【0004】
しかしながら、半導体装置の微細化に伴い、必要とされるコンタクトホール等の径は小さくなる傾向にあり、例えば、ホール径を70nm以下とすることが求められるようになっている。このため、従来から使用されていたKrFレジストに変えてArFレジストを使用する必要性が生じている。しかしながら、ArFレジストのプラズマに対する耐性が弱いため、アモルファスカーボン等のハードマスクを使用して、シリコン酸化膜をプラズマエッチングすることが試みられている。すなわちこの場合、ArFレジストをマスクとしてプラズマエッチングを行い、アモルファスカーボンを所定パターンとし、この後この所定パターンのアモルファスカーボンをマスクとしてシリコン酸化膜をプラズマエッチングする。
【0005】
ところが、上記のようにアモルファスカーボンをマスクとして、シリコン酸化膜をプラズマエッチングした場合、アモルファスカーボンに対するシリコン酸化膜の十分な選択比(シリコン酸化膜のエッチングレート/アモルファスカーボンのエッチングレート)が得られないという問題があった。
【特許文献1】特開2002−100607号公報
【特許文献2】特開2002−252213号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上述したとおり、従来においては、微細なパターンを形成するために、ハードマスクとしてアモルファスカーボンマスクを使用してシリコン酸化膜をプラズマエッチングする際に、アモルファスカーボンに対するシリコン酸化膜の十分な選択比(シリコン酸化膜のエッチングレート/アモルファスカーボンのエッチングレート)を得ることが困難であるという問題があった。
【0007】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、アモルファスカーボンに対するシリコン酸化膜の選択比を従来に比べて向上させることのできるプラズマエッチング方法、プラズマエッチング装置、制御プログラム及びコンピュータ記憶媒体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
請求項1のプラズマエッチング方法は、アモルファスカーボンマスクを介して、シリコン酸化膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法であって、アルゴンガス又はクリプトンガス又はキセノンガスのうちの少なくとも1種のガスと、フルオロカーボンガスと、酸素ガスと、ヘリウムガスとを含むエッチングガスを使用することを特徴とする。
【0009】
請求項2のプラズマエッチング方法は、請求項1記載のプラズマエッチング方法であって、前記フルオロカーボンガスが、C4 6 、C4 8 、C5 8のいずれかであることを特徴とする。
【0010】
請求項3のプラズマエッチング方法は、請求項1又は2記載のプラズマエッチング方法あって、前記シリコン酸化膜にホールを形成することを特徴とする。
【0011】
請求項4のプラズマエッチング方法は、請求項3記載のプラズマエッチング方法であって、前記ホールの径が70nm以下であることを特徴とする。
【0012】
請求項5のプラズマエッチング方法は、請求項1〜4いずれか1項記載のプラズマエッチング方法であって、前記エッチングガスを使用したプラズマエッチングを行った後、前記エッチングガスからヘリウムガスを除いた第2のエッチングガスを使用したプラズマエッチングを行うことを特徴とする。
【0013】
請求項6のプラズマエッチング方法は、請求項5記載のプラズマエッチング方法であって、前記第2のエッチングガスを使用したプラズマエッチングは、オーバーエッチング工程であることを特徴とする。
【0014】
請求項7のプラズマエッチング方法は、請求項1〜6いずれか1項記載のプラズマエッチング方法であって、前記エッチングガスに、ヘリウムガスが、アルゴンガス又はクリプトンガス又はキセノンガスのうちの少なくとも一種のガスに対して流量比で5〜50%含まれることを特徴とする。
【0015】
請求項8のプラズマエッチング方法は、請求項1〜7いずれか1項記載のプラズマエッチング方法であって、前記アモルファスカーボンマスクは、ArFエキシマレーザーより短波長光で露光されたレジストをマスクとして形成されることを特徴とする
【0016】
請求項9のエッチング装置は、被処理体を収容する処理容器と、前記処理容器内にエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、前記エッチングガス供給手段から供給された前記エッチングガスをプラズマ化して前記被処理体をプラズマエッチングするプラズマ生成手段と、前記処理容器内で請求項1から請求項8いずれか1項記載のプラズマエッチング方法が行われるように制御する制御部とを備えたことを特徴とする。
【0017】
請求項10の制御プログラムは、コンピュータ上で動作し、実行時に、請求項1から請求項8いずれか1項記載のプラズマエッチング方法が行われるようにプラズマ処理装置を制御することを特徴とする。
【0018】
請求項11のコンピュータ記憶媒体は、コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、前記制御プログラムは、実行時に請求項1から請求項8いずれか1項記載のプラズマエッチング方法が行われるようにプラズマ処理装置を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、アモルファスカーボンに対するシリコン酸化膜の選択比を従来に比べて向上させることのできるプラズマエッチング方法、プラズマエッチング装置、制御プログラム及びコンピュータ記憶媒体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0021】
図1は、本実施形態に係るプラズマエッチング装置の構成を示すものであり、図2は、本実施形態に係る半導体ウエハの断面構成を拡大して示すものである。まず、図1を参照してプラズマエッチング装置の構成について説明する。
【0022】
プラズマエッチング装置は、気密に構成され、電気的に接地電位とされたチャンバー1を有している。このチャンバー1は、小径の上部1aと大径の下部1bとからなる段つき円筒状とされ、例えばアルミニウム等から構成されている。チャンバー1内には、被処理体である半導体ウエハ30を水平に支持する支持テーブル2が設けられている。支持テーブル2は例えばアルミニウム等で構成されており、絶縁板3を介して導体の支持台4に支持されている。また、支持テーブル2の上方の外周には、例えば単結晶シリコンで形成されたフォーカスリング5が設けられている。支持テーブル2と支持台4は、ボールねじ7を含むボールねじ機構により昇降可能となっており、支持台4の下方の駆動部分は、ステンレス鋼(SUS)製のベローズ8で覆われている。また、ベローズ8の外側にはベローズカバー9が設けられている。
【0023】
支持テーブル2には、マッチングボックス11を介してRF電源10が接続されている。RF電源10からは所定周波数(例えば13.56MHz)の高周波電力が支持テーブル2に供給されるようになっている。一方、支持テーブル2に対向してその上方にはシャワーヘッド16が互いに平行に設けられており、このシャワーヘッド16は接地されている。したがって、これらの支持テーブル2とシャワーヘッド16は、一対の電極として機能するようになっている。
【0024】
支持テーブル2の上面には、半導体ウエハ30を静電吸着するための静電チャック6が設けられている。この静電チャック6は絶縁体6bの間に電極6aを介在させて構成されており、電極6aには直流電源12が接続されている。そして電極6aに直流電源12から電圧が印加されることにより、クーロン力によって半導体ウエハ30が吸着されるよう構成されている。
【0025】
支持テーブル2の内部には、図示しない冷媒流路が形成されており、その中に適宜の冷媒を循環させることによって、半導体ウエハ30を所定の温度に制御可能となっている。また、フォーカスリング5の外側にはバッフル板13が設けられている。バッフル板13は支持台4、ベローズ8を通してチャンバー1と導通している。
【0026】
チャンバー1の天壁部分には、支持テーブル2に対向するようにシャワーヘッド16が設けられている。シャワーヘッド16は、その下面に多数のガス吐出孔18が設けられており、かつその上部にガス導入部16aを有している。そして、その内部には空間17が形成されている。ガス導入部16aにはガス供給配管15aが接続されており、このガス供給配管15aの他端には、エッチング用の処理ガスを供給する処理ガス供給系15が接続されている。
【0027】
処理ガス供給系15から供給される処理ガスは、ガス供給配管15a、ガス導入部16aを介してシャワーヘッド16の空間17に至り、ガス吐出孔18から半導体ウエハ30に向けて吐出される。本実施形態において、処理ガス供給系15からは、少なくとも、C4 6/O2 /Ar/Heからなるエッチングガス及びC4 6/O2 /Arからなるエッチングガスを選択して供給することが可能となっている。
【0028】
チャンバー1の下部1bの側壁には、排気ポート19が形成されており、この排気ポート19には排気系20が接続されている。そして排気系20に設けられた真空ポンプを作動させることによりチャンバー1内を所定の真空度まで減圧することができるようになっている。一方、チャンバー1の下部1bの側壁上側には、ウエハ30の搬入出口を開閉するゲートバルブ24が設けられている。
【0029】
一方、チャンバー1の上部1aの周囲には、同心状に、リング磁石21が配置されており、支持テーブル2とシャワーヘッド16との間の空間に磁界を及ぼすようになっている。このリング磁石21は、図示しないモータ等の回転手段により回転可能となっている。
【0030】
上記構成のプラズマエッチング装置は、制御部60によって、その動作が統括的に制御される。この制御部60には、CPUを備えプラズマエッチング装置の各部を制御するプロセスコントローラ61と、ユーザインタフェース62と、記憶部63とが設けられている。
【0031】
ユーザインタフェース62は、工程管理者がプラズマエッチング装置を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボードや、プラズマエッチング装置の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等から構成されている。
【0032】
記憶部63には、プラズマエッチング装置で実行される各種処理をプロセスコントローラ61の制御にて実現するための制御プログラム(ソフトウエア)や処理条件データ等が記憶されたレシピが格納されている。そして、必要に応じて、ユーザインタフェース62からの指示等にて任意のレシピを記憶部63から呼び出してプロセスコントローラ61に実行させることで、プロセスコントローラ61の制御下で、プラズマエッチング装置での所望の処理が行われる。また、制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータで読取り可能なコンピュータ記憶媒体(例えば、ハードディスク、CD、フレキシブルディスク、半導体メモリ等)などに格納された状態のものを利用したり、或いは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
【0033】
このように構成されたプラズマエッチング装置で、半導体ウエハ30に形成されたシリコン酸化膜をプラズマエッチングする手順について説明する。まず、ゲートバルブ24が開かれ、半導体ウエハ30が図示しない搬送ロボット等により、図示しないロードロック室を介してチャンバー1内に搬入され、支持テーブル2上に載置される。この後、搬送ロボットをチャンバー1外に退避させ、ゲートバルブ24を閉じる。そして、支持テーブル2が図示の位置まで上昇され、排気系20の真空ポンプにより排気ポート19を介してチャンバー1内が排気される。
【0034】
チャンバー1内が所定の真空度になった後、チャンバー1内には処理ガス供給系15から所定の処理ガスが導入され、チャンバー1内が所定の圧力、例えば6Paに保持され、この状態でRF電源10から支持テーブル2に、周波数が例えば13.56MHz、パワーが例えば500〜5000Wの高周波電力が供給される。このとき、直流電源12から静電チャック6の電極6aに所定の電圧が印加され、半導体ウエハ30はクーロン力により吸着される。
【0035】
この場合に、上述のようにして下部電極である支持テーブル2に高周波電力が印加されることにより、上部電極であるシャワーヘッド16と下部電極である支持テーブル2との間には電界が形成される。一方、チャンバー1の上部1aにはリング磁石21により水平磁界が形成されているから、半導体ウエハ30が存在する処理空間には電子のドリフトによりマグネトロン放電が生じ、それによって形成された処理ガスのプラズマにより、半導体ウエハ30上に形成された所定の膜がエッチング処理される。
【0036】
そして、所定のエッチング処理が終了すると、高周波電力の供給及びエッチングガスの供給が停止され、上記した手順とは逆の手順で、半導体ウエハ30がチャンバー1内から搬出される。
【0037】
次に、図2を参照して、本実施形態に係るプラズマエッチング方法について説明する。図2(A)に示すように、被処理体としての半導体ウエハ100の表面には、下側から順に、SiN膜(エッチストップ層)101、シリコン酸化膜102、アモルファスカーボン膜(マスク)103が形成されている。そして、最上部のアモルファスカーボン膜(マスク)103には、所定径のコンタクトホールを形成するための開口部104が形成されている。なお、ハードマスクとしてのアモルファスカーボン膜103に開口部104を形成する際には、例えば、ArFレジストを使用し、ArFエキシマレーザーより短波長光で露光して形成したレジストマスクを用いて、プラズマエッチング等により形成する。
【0038】
本実施形態に係るプラズマエッチング方法では、図2(A)に示す状態から、アモルファスカーボン膜103をマスクとして、プラズマエッチングにより、シリコン酸化膜102にコンタクトホール105を形成して図2(B)に示す状態とする。この際、エッチングガスとして、C4 6/O2 /Ar/Heの混合ガスからなるエッチングガスを使用する。これによって、従来に比べてアモルファスカーボン膜に対するシリコン酸化膜の選択比(シリコン酸化膜のエッチングレート/ アモルファスカーボンのエッチングレート)を高くすることができる。
【0039】
実施例として、図1に示したプラズマエッチング装置を用い、実際に図2に示す構造の半導体ウエハ(アモルファスカーボン層厚180nm、シリコン酸化膜厚1200nm)にコンタクトホール(ホール径70nm、ホールピッチ150nm)を形成した。なお、以下に示される処理レシピは、記憶部63又は記憶媒体に記録され、プラズマエッチング装置の制御部60においてこの記憶部63又は記憶媒体から読み出されて、処理レシピ通りのエッチング工程が実行される。
【0040】
具体的な処理レシピは以下の通りである。
エッチングガス:C4 6/O2 /Ar/He=25/18/700/200sccm
圧力:6Pa
高周波パワー:2000W
エッチング時間:120秒(10%オーバーエッチ)
【0041】
この結果、アモルファスカーボン膜に対するシリコン酸化膜の選択比(シリコン酸化膜のエッチングレート/ アモルファスカーボンのエッチングレート)は、約21、プラズマエッチング後のアモルファスカーボンの残膜量は約102nmとなった。
【0042】
一方、比較例として、以下のレシピで実際に図2に示す構造の半導体ウエハにコンタクトホールを形成した。
エッチングガス:C4 6/O2 /Ar=25/18/900sccm
圧力:6Pa
高周波パワー:1800W
エッチング時間:150秒(50%オーバーエッチ)
【0043】
この結果、アモルファスカーボン膜に対するシリコン酸化膜の選択比(シリコン酸化膜のエッチングレート/ アモルファスカーボンのエッチングレート)は、約13、プラズマエッチング後のアモルファスカーボンの残膜量は約30nmとなった。
【0044】
以上の通り、上記実施例では、比較例の場合に比べて、アモルファスカーボン膜に対するシリコン酸化膜の選択比(シリコン酸化膜のエッチングレート/ アモルファスカーボンのエッチングレート)を約1.6倍とすることができ、プラズマエッチング終了時のアモルファスカーボンの残膜量も約102nmと十分な厚みを確保できた。なお、Arに対するHeの添加量は、例えば、5%〜50%程度とすることが好ましい。
【0045】
上記の実施例では、エッチングガスにHeガスを添加することによって、アモルファスカーボン膜に対するシリコン酸化膜の選択比を高めることができた。しかしながら、形成されたコンタクトホールの断面形状を電子顕微鏡で観察すると、コンタクトホールの側壁形状がテーパー状になる傾向が見られた。すなわち、形成されたコンタクトホールの最上部における径(トップCD)に対して、底部における径(ボトムCD)が小さくなる傾向が見られた。具体的な数値の一例を示せば、半導体ウエハの中央部におけるトップCD=95nm、ボトムCD=44nm、半導体ウエハの周縁部におけるトップCD=99nm、ボトムCD=36nmである。
【0046】
このため、エッチングの途中で、エッチングガスを、C4 6/O2 /Ar/Heの混合ガスから、Heガスの添加のない第2のエッチングガス、すなわちC4 6/O2 /Arの混合ガスに切り替えて、2ステップのエッチングを行っても良い。この場合、エッチングガスを切り替えるタイミングとしては、例えばオーバーエッチングのみC4 6/O2 /Arの混合ガスを用いる等のタイミングとすることができる。
【0047】
第2の実施例として、以下の2ステップの処理レシピにより、実際に図2に示す構造の半導体ウエハにコンタクトホールを形成した。
(1ステップ)
エッチングガス:C4 6/O2 /Ar/He=25/18/700/200sccm
圧力:6Pa
高周波パワー:2000W
エッチング時間:108秒(ジャストエッチ)
(2ステップ)
エッチングガス:C4 6/O2 /Ar=25/18/900sccm
圧力:6Pa
高周波パワー:1800W
エッチング時間:51秒(50%オーバーエッチ)
【0048】
この結果、コンタクトホールの側壁形状がテーパー状となる傾向を抑制することができた。具体的な数値は、半導体ウエハの中央部におけるトップCD=96nm、ボトムCD=75nm、半導体ウエハの周縁部におけるトップCD=99nm、ボトムCD=63nmとなった。また、プラズマエッチング後のアモルファスカーボンの残膜量は約85nmであり、十分な残膜量を確保し得る選択比が得られた。
【0049】
なお、上記のエッチングガスにおいて、フルオロカーボンガスとしては、C4 6 の他、例えば、C5 8や、C48等も使用することができる。また、Arは、他の希ガス、例えば、Xe、Kr等に代えても良い。また、上記の各エッチングガスに、CO等の他のガスを添加しても良い。
【図面の簡単な説明】
【0050】
【図1】本発明の実施形態に係るエッチング装置の概略構成を示す図。
【図2】本発明の実施形態のエッチング方法に係る半導体ウエハの断面構成を示す図。
【符号の説明】
【0051】
100……半導体ウエハ、101……SiN膜、102……シリコン酸化膜、103……アモルファスカーボン膜(マスク)、104……開口部、105……ホール。




 

 


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