特許 6670692 プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6670692

(24)【登録日】2020年3月4日

(45)【発行日】2020年3月25日

(54)【発明の名称】プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20200316BHJP

   H05H 1/46 20060101ALI20200316BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/302 101D

   H05H1/46 C

【請求項の数】6

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-128288(P2016-128288)

(22)【出願日】2016年6月29日

(65)【公開番号】特開2017-69542(P2017-69542A)

(43)【公開日】2017年4月6日

【審査請求日】2018年10月10日

(31)【優先権主張番号】特願2015-190623(P2015-190623)

(32)【優先日】2015年9月29日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】100091720

【弁理士】

【氏名又は名称】岩崎 重美

(72)【発明者】

【氏名】椎名 正幸

(72)【発明者】

【氏名】安井 尚輝

(72)【発明者】

【氏名】小野 哲郎

【審査官】 鈴木 聡一郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−３５８１２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／０１６２６６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−１０３４２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１７３７５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−３２９７８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２３８９６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２２４７９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１０７３６３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２３Ｆ １／００−４／０４

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

Ｈ０１Ｌ ２１／３０２

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｈ０１Ｌ ２１／３１

Ｈ０１Ｌ ２１／３６５

Ｈ０１Ｌ ２１／４６１

Ｈ０１Ｌ ２１／４６９

Ｈ０１Ｌ ２１／８６

Ｈ０５Ｈ １／００−１／５４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料がプラズマ処理されるプラズマ処理室と、プラズマを生成するための第一の高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記試料が載置される試料台と、前記試料台に第二の高周波電力を供給する第二の高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、
第一の期間と第二の期間を有する第一のパルス波形により前記第一の高周波電力をパルス変調し、オン期間とオフ期間を有する第二のパルス波形により前記第二の高周波電力をパルス変調する場合、前記第二の期間の高周波電力を前記第一の期間に生成されたプラズマのアフターグローを維持するような電力値とするとともに前記パルス変調された第二の高周波電力を前記第二の期間に前記試料台へ供給する制御器をさらに備え、
前記制御器は、前記オン期間の高周波電圧のピーク間電圧が所定値に達した場合、前記第二の高周波電源の出力をオフにし、
前記パルス変調された第二の高周波電力が供給される期間は、前記第二の期間より短いことを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項2】

請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記制御器は、前記第二の期間の開始に対して前記オン期間の開始を遅延させる遅延回路を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項3】

請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記制御器は、前記オン期間の間、前記オン期間の高周波電圧のピーク間電圧が概ね一定となるように第二の高周波電力を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項4】

オン期間とオフ期間を有する第二のパルス波形によりパルス変調された第二の高周波電力が供給される試料台に載置された試料を第一の期間と第二の期間を有する第一のパルス波形によりパルス変調された第一の高周波電力によって生成されたプラズマを用いて処理するプラズマ処理方法において、
前記第二の期間の高周波電力を前記第一の期間に生成されたプラズマのアフターグローを維持するような電力値とする工程と、
前記パルス変調された第二の高周波電力を前記第二の期間に前記試料台へ供給する工程と、
前記オン期間の高周波電圧のピーク間電圧が所定値に達した場合、前記第二の高周波電力を供給する第二の高周波電源の出力をオフにする工程とを有し、
前記パルス変調された第二の高周波電力が供給される期間は、前記第二の期間より短いことを特徴とするプラズマ処理方法。

【請求項5】

請求項４に記載のプラズマ処理方法において、
前記第二の期間の開始に対して前記オン期間の開始を遅延させることを特徴とするプラズマ処理方法。

【請求項6】

請求項４に記載のプラズマ処理方法において、
前記第一の期間の時間を０．１ｍｓから０．４ｍｓの範囲内の時間とすることを特徴とするプラズマ処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パルス放電を用いたプラズマ処理に好適なプラズマ処理装置および方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

半導体素子の微細化とともにＦｉｎ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ(以下、「Ｆｉｎ−ＦＥＴ」と称する)と呼ばれる３次元構造のトランジスタの量産化が開始されている。このような半導体素子を製造するうえでのドライエッチング技術には、更なる微細化、高アスペクト対応および従来の２次元構造のトランジスタに無い複雑な形状の高精度なエッチングが要求される。

【0003】

例えば、Ｆｉｎ−ＦＥＴのダミーゲートエッチングでは、エッチング中にラインの溝がある深さまで達すると、それまでライン間が被エッチング対象の領域であったものが、Ｆｉｎが露出してＦｉｎとラインとによって囲まれた狭い領域、すなわち、被エッチング対象の面積がより小さいエッチング状況に変わる。このような形状のドライエッチングでは、プラズマ処理装置におけるより一層の広いプロセスウインドウ対応が求められる。

【0004】

高精度なプラズマエッチングを実現する技術の一つとして、パルス放電を用いたプラズマエッチング方法がある。例えば、特許文献１には、プラズマによる反応性ガスの分解によって生成されるラジカルの密度および組成を測定し、プラズマ発生装置の電力を一定の周期にてパルス変調し、パルス変調のデュティー比を、測定結果に基づいて制御することによってラジカルの密度および組成を制御する方法が開示されている。

【0005】

また、特許文献２には、放電電力をあるパルス周波数で高電力サイクルと低電力サイクルを交互に繰り返し、低電力サイクル時にポリマがマスク上に堆積するようにして、エッチングの際のマスク腐食を軽減する方法が開示されている。

【0006】

また、特許文献３には、アンテナにＨｉｇｈパワー電力とＬｏｗパワー電力を交互に供給し、Ｈｉｇhパワー電力時にスパッタによる保護膜形成を行い、Ｌｏｗパワー電力時にエッチング処理を行って、エッチング工程と保護膜形成工程とを交互に繰り返し実施することでシリコン基板に高アスペクト比のビアを形成する方法が開示されている。

【0007】

また、特許文献４には、バイアス電力と放電電力の両方をオン／オフ変調させ、かつ両方が同時にオンしないようにさせ、処理室壁面へのエッチング反応生成物の吸着・堆積をなくして、クリーンで再現性のよいエッチングを行う方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平０９−１８５９９９号公報

【特許文献2】米国特許第６４８９２４５号公報

【特許文献3】特開２０１０−２１４４２号公報

【特許文献4】特開平８−４５９０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上述した特許文献１ないし４に開示されたパルス放電を用いたエッチング処理においては、いずれもプラズマが生成された、すなわち、解離度が高い状態のプラズマがエッチングに用いられている。

【0010】

このため、Ｆｉｎ−ＦＥＴのような３次元構造素子の形成に適用し得るエッチング処理、すなわち、エッチング領域がエッチング途中で変化しエッチング面積が小さくなったり、アスペクト比がさらに高くなったりするエッチング処理への対応としては、垂直形状の制御に影響が大きい堆積性ラジカルの制御が重要になり、堆積性ラジカル量を制御するためのプロセスウインドウがまだ十分とはいえなかった。

【0011】

特に特許文献１に開示された装置のようにＥＣＲ放電を用いた装置は、高密度且つ解離度の大きいプラズマが生成されるので、逆に低解離のプラズマを生成するのは難しく、堆積性ラジカルの付着確率の調整は十分でなかった。

【0012】

本発明の目的は、プラズマの解離度を制御しプロセスウインドウを広げることのできるプラズマ処理装置および方法を提供することにある。

【0013】

本発明の他の目的は、微細化エッチングに対応し、エッチング面に粗密差がある場合においても垂直エッチングが可能なエッチング処理装置およびエッチング方法を提供することにある。

【0014】

本発明のさらに他の目的は、エッチング途中に被エッチング形状がさらに小さく変化する場合にも対応可能なエッチング処理装置およびエッチング方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明は、試料がプラズマ処理されるプラズマ処理室と、プラズマを生成するための第一の高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記試料が載置される試料台と、前記試料台に第二の高周波電力を供給する第二の高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、第一の期間と第二の期間を有する第一のパルス波形により前記第一の高周波電力をパルス変調し、オン期間とオフ期間を有する第二のパルス波形により前記第二の高周波電力をパルス変調する場合、前記第二の期間の高周波電力を前記第一の期間に生成されたプラズマのアフターグローを維持するような電力値とするとともに前記パルス変調された第二の高周波電力を前記第二の期間に前記試料台へ供給する制御器をさらに備え、前記制御器は、前記オン期間の高周波電圧のピーク間電圧が所定値に達した場合、前記第二の高周波電源の出力をオフにし、前記パルス変調された第二の高周波電力が供給される期間は、前記第二の期間より短いことを特徴とする。

【0016】

本発明は、オン期間とオフ期間を有する第二のパルス波形によりパルス変調された第二の高周波電力が供給される試料台に載置された試料を第一の期間と第二の期間を有する第一のパルス波形によりパルス変調された第一の高周波電力によって生成されたプラズマを用いて処理するプラズマ処理方法において、前記第二の期間の高周波電力を前記第一の期間に生成されたプラズマのアフターグローを維持するような電力値とする工程と、前記パルス変調された第二の高周波電力を前記第二の期間に前記試料台へ供給する工程と、前記オン期間の高周波電圧のピーク間電圧が所定値に達した場合、前記第二の高周波電力を供給する第二の高周波電源の出力をオフにする工程とを有し、前記パルス変調された第二の高周波電力が供給される期間は、前記第二の期間より短いことを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

本発明によりプラズマの解離度を制御しプロセスウインドウを広げることのできる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明に係るプラズマエッチング装置の概略を示す縦断面図である。

【図2】本発明に係るプラズマ電力およびバイアス電力の供給を示すタイミングチャートである。

【図3】プラズマ生成時の飽和イオン電流密度と時間の関係を示す図である。

【図4】プラズマ電力をパルス化しオンオフした場合の飽和イオン電流密度を示す図である。

【図5】本発明の一実施例であるプラズマ処理方法（表１）におけるプラズマ電力およびバイアス電力の供給状態を示すタイミングチャートである。

【図6】図５の電力を用いた表１のエッチング条件により処理された試料のエッチング形状を示す縦断面図である。

【図7】本発明の一実施例における比較例である表２のプラズマ電力およびバイアス電力の供給状態を示すタイミングチャートである。

【図8】図７の電力を用いた表２のエッチング条件により処理された試料のエッチング形状を示す縦断面図である。

【図9】本発明の第二の実施例であるプラズマ処理方法（表３）におけるプラズマ電力およびバイアス電力の供給状態を示すタイミングチャートである。

【図10】図９の電力を用いた表３のエッチング条件により処理された試料のエッチング形状を示す縦断面図である。

【図11】本発明の第二の実施例における比較例である表４のプラズマ電力およびバイアス電力の供給状態を示すタイミングチャートである。

【図12】図１１の電力を用いた表４のエッチング条件により処理された試料のエッチング形状を示す縦断面図である。

【図13】本発明に係るバイアス電力の制御方法の一例を示すタイミングチャートである。

【図14】本発明に係るバイアス電力のさらに他の制御方法を示すタイミングチャートである。

【図15】本発明に係るプラズマ電力およびバイアス電力の他の供給方法を示すタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

本発明は、解離度の低いプラズマ処理を可能とするプラズマ処理装置および方法に関するものであり、図１ないし図４により説明する。

【0020】

図１は、本発明のプラズマ処理装置の一例である有磁場マイクロ波プラズマエッチング装置を示す。内部を減圧排気されプラズマ処理室を形成するチャンバ１０１には、その内部に試料であるウエハ１０２を配置するための試料台１０３が設けられている。チャンバ１０１の上部開口にはマイクロ波透過窓１０４を介して導波管１０５およびマイクロ波を発振するマグネトロン１０６が順次設けられている。

【0021】

マグネトロン１０６には高周波電力を供給するためのプラズマ生成用の電源である第一の高周波電源１１３が接続されている。チャンバ１０１および導波管１０５の外周には、チャンバ１０１内に磁場を形成するためのソレノイドコイル１０７が設けられている。チャンバ１０１にはガス導入口１１１が接続され、処理ガス供給装置（図示省略）からエッチング処理用のガスが供給される。チャンバ１０１内に供給された処理ガスは、マグネトロン１０６からのマイクロ波電界とソレノイドコイル１０７による磁界との作用により励起され、チャンバ１０１内にプラズマ１１２が形成される。

【0022】

チャンバ１０１はウエハ１０２を搬入出するウエハ搬送口１１０を有し、ウエハ搬送口１１０を介して図示を省略した搬送装置によりチャンバ１０１内にウエハ１０２が搬入され、ウエハ１０２は試料台１０３上に配置される。試料台１１３には、ウエハを吸着保持するための静電チャックが設けられ、静電吸着電源１０８が接続されるとともに、プラズマ処理中のウエハに対しプラズマ中のイオンを入射させるためのバイアス電源である第二の高周波電源１０９が接続されている。また、前記バイアス電源は、前記試料台に印加された高周波電力のバイアスピーク間電圧を前記電力供給期間の間、一定に制御される。

【0023】

第１の高周波電源１１３および第２の高周波電源１０９は制御器１１４につながり、それぞれの高周波電力の出力を制御される。制御器１１４は、図２に示すようにプラズマ発生用の電力とバイアス用の電力をパルス的に出力制御可能であり、一方の電力の印加タイミングを任意に遅らせるとともにそれぞれの電力を同期させることが可能になっている。また、前記制御器は、前記プラズマ生成用の高周波電力の第二の期間に対し前記バイアス用の高周波電力の電力供給期間の供給開始を遅延制御する遅延回路を有する。

【0024】

また、前記制御器は、前記試料台に供給された高周波電力のバイアスピーク間電圧が予め定められた値に達した場合、前記バイアス電源の出力をオフにする。図２（ａ）は第一の高周波電源１１３からの出力値および出力タイミングを制御するパルス波形を示し、１周期内で高い出力値を維持する期間（以下、「ハイ(Ｈｉｇｈ)期間」と呼ぶ）と小さい出力値を維持する期間（以下、「ロウ(Ｌｏｗ)期間」と呼ぶ）とを交互に繰り返す。

【0025】

図２（ｂ）は第二の高周波電源１０９からの出力値および出力タイミングを制御するパルス波形を示し、プラズマ電力パルスに同期し、１周期内のハイ期間が終了し所定の遅れ時間Δｔ後にバイアス用の電力パルスを発生する。バイアス用の電力パルスは、プラズマ電力パルスのロウ期間のみに発生させるようになっている。

【0026】

図２（ａ）にはプラズマ電力パルス波形（実線）と、それに対応するウエハ上で測定した飽和イオン電流（破線）を示している。ハイ期間のプラズマ電力は、プラズマ着火が可能な電力であり、このときの飽和イオン電流は破線に示すように急激に増加する。図３は飽和イオン電流密度を示し、プラズマ着火とともに０．１ｍｓ程度で飽和状態に近づき、約０．４ｍｓで実質的に飽和状態に達する。このことからハイ期間の時間は０．１から０．４ｍｓの範囲内に設定すれば、プラズマ中のイオン密度が高い、言い換えると、電子密度が高いプラズマを得ることができる。

【0027】

電子はプラズマの解離に作用する。また、ハイ期間にはプラズマに高い高周波電力が供給され、プラズマの解離度を上げるエネルギーが電子に与えられ電子温度が高くなり、解離度の高いプラズマを得ることができる。ハイ期間のパルス出力が停止した後、図４に示すようにプラズマ電力の供給がなくなると飽和イオン電流の低下が始まり、プラズマ生成時の飽和イオン電流密度の値，ガス種，磁場の有無等によって異なるが、プラズマは概ね０．２ｍｓ位で実質的に消滅状態と同様の状態になる。

【0028】

飽和イオン電流がゼロになる、すなわち、プラズマが消滅するまでの間は、アフターグローと称されるプラズマ状態にある。アフターグローの状態では時間の経過とともにプラズマの解離度が低下する。概念的に説明すると、例えば、メタン（ＣＨ４）ガスの場合、図４に示すプラズマ電力のオン期間（ハイ期間）である飽和イオン電流の状態（i）においては、ガスと電子の衝突頻度が高くなりＣＨ＋３Ｈのように解離が進んでいる。

【0029】

プラズマ電力のオフ期間における状態（ii）においてはガスと電子の衝突頻度が減少しＣＨ２＋２Ｈのように解離が低下したものが増えてくる。プラズマ電力のオフ期間における状態（iii）においてはガスと電子の衝突頻度がさら減少しＣＨ３＋Ｈのように解離がさらに低下したものが増えてくる。プラズマ電力のオフ期間における状態（iv）においてはガスと電子の衝突頻度がさらに減少しＣＨ４のように供給時のガス状態のものが増えてくる。

【0030】

なお、ハイ期間終了直後は飽和イオン電流密度が高いが、少し時間が経過すると解離度は下がり飽和イオン電流密度は半分以下になる。本発明では、ハイ期間終了後、プラズマ着火を生じさせない低い電力に制御するプラズマ電力パルスを制御器１１４から第一の高周波電源１１３に出力することにより、図２に示すようにアフターグローを消滅させることなく所定の範囲の飽和イオン電流値を有する解離度が低いプラズマを維持することができる。

【0031】

また、低い電力値のプラズマ電力パルスが出力されるロウ期間の間で、解離度が低いプラズマが維持されているとき、すなわち、所定の飽和イオン電流値以下のときに、第二の高周波電源１０９から試料台１０３にバイアス電力を印加するように、制御器１１４から第二の高周波電源１０９にパルス信号を出力する。

【0032】

これにより、解離度の低いプラズマを用いてウエハ１０２をプラズマ処理することができる。また、遅れ時間Δｔを調整することで、任意の解離度のプラズマ状態になったアフターグローにおけるイオンに対してバイアス電力を作用させることができ、被対象物の処理に適したプラズマを用いることが可能となる。なお、第二の高周波電源１０９から印加するバイアス電力のインピーダンスマッチングは、ロウ期間のプラズマ安定を待って整合器（図示省略）により行われる。

【0033】

以下に、本発明を用いた一実施例を図５および図６により説明する。

【0034】

図１に示した装置を用い表１に示すレシピによってＰｏｌｙ−Ｓｉ膜をエッチング処理する場合について説明する。

【0035】

【表1】

【0036】

エッチング処理は、この場合、処理ガスとしてＣｌ２，Ｏ２，ＨＢｒ，およびＡｒ+ＣＨ４ガスによる混合ガスを用いる。このガス系ではＰｏｌｙ−Ｓｉ膜の側壁のサイドエッチを抑えるためにメタン（ＣＨ４）ガスが混合されている。プラズマ生成用のマイクロ波電力は表１に示す値で図５に示すように、高低２つ値、この場合、７５０Ｗと２００Ｗの値を周波数１ｋＨz、デューティ１５％／８５％で時間変調し交互に切替え供給する。

【0037】

なお、本装置の場合は、プラズマ電力として２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いており、この場合、約４００Ｗ以上の出力でプラズマ着火する。バイアス電力はプラズマ電力のロウ期間のみに供給するように周波数１ＫＨｚでプラズマ電力に同期させ、デューティ８０％で供給される。この場合の遅れ時間Δｔは０．０５ｍｓである。

【0038】

上述の条件でエッチング処理されたウエハのエッチング断面を図６に示す。この場合のウエハはＳｉ基板２０１上に酸化膜２０２を５ｎｍ、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜２０３を５０ｎｍ、窒化膜マスク２０４を１０ｎｍ堆積した構造であり、エッチング後のＰｏｌｙ−Ｓｉ膜のラインアンドスペースの断面図が示されている。本実施例のエッチング処理によれば、エッチングはロウ(Ｌｏｗ)期間に進行する。

【0039】

ロウ期間のプラズマ電力は２００Ｗで、通常の連続放電ではプラズマを生成できず維持することができない領域である。しかし、ハイ期間で生成されたプラズマを次のハイ期間までの短い期間だけ維持することは可能で、このロウ期間は低いプラズマ密度を保てる。

【0040】

プラズマ密度が低いと電子とラジカルの衝突頻度が減少して、この場合、プラズマ中のラジカルはＣＨ３のように比較的付着係数が低いラジカルが主となる。付着係数が低いと最初に衝突した面に付着せず、ライン奥にもラジカルが入りやすくなりＰｏｌｙ−Ｓｉ膜２０３のライン間の広い部分と狭い部分の付着量の差が小さくなる。その結果、図６に示すようにラインに面する空間が広い側の側壁、この場合、ライン外側の側壁の太りを抑えた垂直な形状が得られる。

【0041】

上述の本発明を用いた一実施例の比較例として表２に示すレシピで同様のＰｏｌｙ−Ｓｉ膜をエッチングした場合について説明する。

【0042】

【表2】

【0043】

前述の一実施例のエッチング処理と異なる点は、プラズマ電力およびバイアス電力が時間変調されたものではなく、図７に示すように連続供給されていることである。このためＰｏｌｙ−Ｓｉ膜のエッチングは連続的に進むため、エッチング時間は前述の一実施例より短い時間で終了する。

【0044】

上述の条件でエッチング処理されたウエハのエッチング断面を図８に示す。なお、図６と同符号は同一部材を示し説明を省略する。本比較例の場合、エッチング処理に用いられる、すなわち、バイアス電力が印加されている間のプラズマ電力が大きく、したがってプラズマ密度も大きくなる。このガス系では前述のようにＰｏｌｙ−Ｓｉ膜の側壁のサイドエッチを抑えるためにメタン（ＣＨ４）ガスが混合されている。

【0045】

このため、プラズマ密度が高いとメタンガスと電子との衝突頻度が高くなりＣＨ４→ＣＨ＋３Ｈのように解離が進み、未結合手の数が大きい、すなわち、付着係数の大きいＣＨラジカルが多く存在する。付着係数の大きいラジカルが多いと、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜２０３の側壁に面する空間が広いライン側の側壁でのラジカルの衝突頻度が高くなり、当該側壁、すなわち広い空間に面した側壁が太り、図８のようにテーパ形状となる。

【0046】

このように、本一実施例によれば、ハイ期間で生成したプラズマのアウターグローの状態のプラズマを処理に用いることができるので、低解離度のプラズマを用いたエッチング処理が可能になり、堆積性のラジカルの付着確率を調整することができる。これにより、ライン幅に粗密差がある被エッチング対象物であっても、堆積性のラジカルの付着状態を最適にすることができ、粗密差があるラインの側壁を垂直にエッチング処理することができる。

【0047】

このように通常のプラズマ生成では処理が難しい場合でも、解離度の低いプラズマを処理に用いることが可能となり、処理装置のプロセスウインドウを広げることができる。また、プロセスウインドウが広げられるので形状制御性の良いエッチング処理を行うことができる。

【0048】

さらに、本一実施例によれば、ハイ期間で生成したプラズマのアウターグローの状態において、ハイ期間よりも小さい所定のプラズマ電力をロウ期間に供給するので、プラズマが消滅する不安定期間のアフターグローの状態を所定の状態で安定に維持できる。これにより、ロウ期間にバイアス電力を印加して処理するエッチング処理を安定させることができる。

【0049】

また、プラズマ処理装置として、有磁場マイクロ波プラズマ処理装置を用いた装置とすることにより、ＥＣＲプラズマを生成できるので容量結合方式や誘導結合方式のプラズマ処理装置よりも高真空での処理が可能となる。高真空状態の方がイオンやラジカルの衝突確率が少なくなるので、アフターグローの状態のプラズマを用いるのに有利となる。

【0050】

また、ＥＣＲプラズマは他の方式のプラズマに比べ高密度プラズマが形成できるので、飽和イオン電流密度の高い状態から飽和イオン電流密度が低くなるまでの範囲を広くできる、すなわち、プラズマ処理に使用するロウ期間における電力出力値の設定範囲が広くなり、よりプロセスウインドウを広くできる。

【0051】

次に、本発明を用いた第二の実施例を図９および図１０により説明する。

【0052】

図１に示した装置を用い表３に示すレシピによって３次元構造のＦｉｎ−ＦＥＴをエッチング処理する場合について説明する。Ｆｉｎ−ＦＥＴは、この場合、図１０に示すようにＳｉ基板３０１上に酸化膜３０２を５ｎｍ、酸化膜３０２上のＦｉｎ３０３を跨ぎＰｏｌｙ−Ｓｉ膜３０４を１５０ｎｍ、窒化膜マスク３０５を１０ｎｍ堆積した構造である。図１０（ｂ）は図１０（ａ）をＡから見た図であり、図１０（ｃ）は図１０（ａ）をＢから見た図である。

【0053】

【表3】

【0054】

エッチング処理は、この場合、４つのステップからなり、処理ガスとしてＣｌ２，Ｏ２，ＣＯ２，ＨＢｒおよびＡｒ+ＣＨ４ガスを用い、表３に示すようにステップ毎にこれらのガスの幾つかを組み合わせた混合ガスを用いる。なお、このガス系では必要に応じエッチング時のサイドエッチを抑えるためにメタン（ＣＨ４）ガスが混合される。

【0055】

各ステップにおけるプラズマ生成用のマイクロ波電力は表３に示す値で、図９に供給タイミングを示す。ステップ１は自然酸化膜を除去する。ステップ２はＦｉｎ３０３が露出するまでＰｏｌｙ−Ｓｉ膜３０４をエッチングする。ステップ１および２は図９（ａ）に示すようにプラズマ電力とバイアス電力のオン・オフを同期させてパルス制御される（パルス周波数：１ＫＨｚ、デューティ：５０％／４０％）。

【0056】

ステップ３はＦｉｎ３０３の露出部から下のＰｏｌｙ−Ｓｉ膜３０４をエッチングする。ステップ３では図９（ｂ）に示すようにプラズマ電力のロウ期間に同期させてバイアス電力を印加する。プラズマ電力は高低２つの値、この場合、８００Ｗと２００Ｗの値を周波数１ｋＨz、デューティ１５％／８５％で時間変調し交互に切替え供給する。なお、本装置の場合は、プラズマ電力として２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いており、この場合、約４００Ｗ以上の出力でプラズマ着火する。バイアス電力はプラズマ電力のロウ期間のみに供給するよう周波数１ＫＨｚでプラズマ電力に同期させ、デューティ５０％で供給される。

【0057】

この場合のバイアス電力パルスの遅れ時間Δｔは０．０５ｍｓである。ステップ４は残渣を除去するオーバエッチングである。ステップ４は図９（ｃ）に示すようにプラズマ電力は連続とし、バイアス電力をオン・オフするパルス制御を行う（パルス周期：１ＫＨｚ、デューティ：５０％）。

【0058】

上述の条件でエッチング処理されたウエハのエッチング断面を図１０に示す。本第二の実施例のエッチング処理によれば、ステップ２のエッチング処理によってＦｉｎ３０３が露出し始めると、それまでのＰｏｌｙ−Ｓｉ膜３０４のエッチング面積に対し、Ｆｉｎ３０３露出後のＰｏｌｙ−Ｓｉ膜３０４のエッチング面積はＦｉｎ３０３の面積を除いた部分の面積になり、エッチング領域の周辺環境が大きく変わる。

【0059】

すなわち、ステップ３では図１０（ｃ）に示すようにＰｏｌｙ−Ｓｉ膜３０４とＦｉｎ３０３で囲まれた密部分をエッチングすることになり、アスペクト比もさらに大きくなっていき、エッチング環境がステップ２のエッチング環境と大きく変わる。このため、狭い領域のエッチングに適したエッチング条件に変更する必要がある。

【0060】

Ｆｉｎ３０３が露出すると、エッチングされる領域、言い換えると、エッチング空間がさらに狭くなるため、ラインの粗密差がエッチング形状に大きく影響してくる。また、ステップ３ではＦｉｎ３０３のスパッタエッチングを防ぐためバイアス電力を小さくしている。このため、等方性エッチングの性質が強くなるので側壁保護が重要となるが、堆積性ラジカルの付着係数を小さくし狭い空間および深い空間への供給を可能とするため、ハイ期間でのプラズマ生成後のロウ期間でアフターグローにおける解離度の低いプラズマを維持させ、堆積性ラジカルの付着係数を小さくする。

【0061】

ロウ期間のプラズマ電力は２００Ｗで、通常の連続放電ではプラズマを生成できず維持することができない領域である。しかし、ハイ期間で生成されたプラズマを次のハイ期間までの短い期間だけ維持することは可能で、このロウ期間は低いプラズマ密度を保てる。バイアス電力はロウ期間に供給され、エッチングはロウ期間に進行する。

【0062】

これにより、堆積し易い粗の部分と堆積し難い密の部分との差が小さくなり、粗の部分への過剰な堆積を抑制でき垂直なエッチングが可能となり、３次元構造のＦｉｎ−ＦＥＴを形状制御良くエッチング粗利することができる。

【0063】

上述の本発明を用いた第二の実施例の比較例として表４に示すレシピで同様の３次元構造のＦｉｎ−ＦＥＴをエッチングした場合について説明する。

【0064】

【表4】

【0065】

前述の第二の実施例のエッチング処理と異なる点はステップ３であり、他のステップ１，２，４は第二の実施例と同様であり説明を省略する。

【0066】

ステップ３は、プラズマ電力を高低２値で時間変調するのではなく、図１１に示すようにオン・オフによりプラズマ電力を時間変調している（切替え周期：１ＫＨｚ、デューティ：５０％）。また、バイアス電力もプラズマ電力に同期させ、プラズマ電力がオンのときにバイアス電力をオンするよう時間変調している（切替え周期：１ＫＨｚ、デューティ：５０％）。

【0067】

上述の条件でエッチング処理されたウエハのエッチング断面を図１２に示す。なお、図１０と同符号は同一部材を示し説明を省略する。本比較例の場合、ステップ３におけるエッチング処理に用いられる、すなわち、バイアス電力が印加されている間のプラズマ電力は大きく、このため、プラズマ密度も大きくなる。このガス系では前述のようにＰｏｌｙ−Ｓｉ膜の側壁のサイドエッチを抑えるためにメタン（ＣＨ４）ガスが混合されている。

【0068】

このため、プラズマ密度が高いとメタンガスと電子との衝突頻度が高くなりＣＨ４→ＣＨ＋３Ｈのように解離が進み、未結合手の数が大きい、すなわち、付着係数の大きいＣＨラジカルが多く存在する。付着係数の大きいラジカルが多いと、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜３０４の側壁に面する空間が広い側の側壁でラジカルとの衝突頻度が高くなり、当該側壁が太り、図１２（ａ）のようにテーパ形状となる。

【0069】

このように、本第二の実施例によれば、前述の実施例と同様の効果があるとともに、３次元構造のＦｉｎ−ＦＥＴにおいても、低解離度のプラズマを用いたエッチング処理が可能なので、堆積性のラジカルの付着確率を調整することができ、Ｆｉｎにダメージを与えることなくＦｉｎが露出した後にもＰｏｌｙ−Ｓｉ膜を垂直にエッチング加工することができる。

【0070】

なお、上述のこれら実施例においては、バイアス電力が所定の電力で出力されるように一定の値のバイアス電力パルスを出力するようにしている。図１３にプラズマ電力のパルス、バイアスのピーク間電圧（以下、「Ｖｐｐ」と称する）およびバイアス電力のパルスの関係をタイムチャートで示す。プラズマ電力のロウ期間にはアフターグローが消滅することはないが、飽和イオン電流が時間とともに少しずつ減少する。このロウ期間におけるバイアス電力供給において、定電力電源を使用すると飽和イオン電流の低下に伴いＶｐｐが増加する。

【0071】

ウエハに入射するイオンのエネルギーは概ねＶｐｐに比例するので、Ｖｐｐが大きく変動することがあればエッチング特性が変動してしまう。このため、バイアス電力のデューティ設定以外の対応として、Ｖｐｐに上限値（Ｖｍａｘ）を定めて、ＶｐｐがＶｍａｘに達したら、制御器１１４により第二の高周波電源１０９をオフさせるようにしても良い。これによりＶｐｐに変動が生じた場合においてもエッチング特性の安定化を図ることができる。

【0072】

また、バイアス電力のさらに他の制御方法を図１４により説明する。図１４はプラズマ電力のパルス、バイアスのピーク間電圧（Ｖｐｐ）およびバイアス電力のパルスの関係をタイムチャートである。本図が図１３と異なる点は、Ｖｐｐを一定制御する点である。制御器１１４はこの場合、バイアス電力のパルスのオンの間、飽和イオン電流密度の減少に伴いバイアス電力を低下させ、Ｖｐｐの上昇を防ぎＶｐｐが一定になるように制御する。これによれば、エッチング特性に影響するＶｐｐを一定にできるので、エッチング特性の更なる安定化を図ることができる。

【0073】

上述のこれら実施例は有磁場マイクロ波源によるプラズマエッチング装置を用いた場合について説明したが、本発明は、容量結合型プラズマ源や誘導結合型プラズマ源等の他のプラズマ生成方式によるプラズマ処理装置に適用可能なことはいうまでもない。なお、プラズマの生成の際に処理室内に磁場を形成し、磁場を作用させることは生成効率の高いプラズマを得たり、グロー放電を長く維持するのに有効である。

【0074】

また、本実施例では、プラズマ電力のロウ期間のみにバイアス電力を供給して、すなわち、解離度の低いプラズマ中のイオンをウエハに入射させて試料をエッチング処理するようにしたが、エッチング形状やウエハへのダメージが許容し得る範囲内であれば、図１５に示すようにプラズマ電力のハイ期間にもバイアス電力を供給しても良い。このときハイ期間に供給されるバイアス電力の出力値は処理に応じ、ロウ期間のバイアス電力値に合わせる必要はなく適宜設定できる。このようにすることにより、エッチング処理時間を短縮することができる。

【0075】

また、同様にエッチング形状やウエハへのダメージが許容し得る範囲内であれば、１工程中のエッチング処理において、プラズマ電力のハイ期間のみにバイアス電力を供給する時間と、プラズマ電力のロウ期間のみにバイアス電力を供給する時間とを交互に、例えば、１０ｓｅｃおきに繰り返すエッチング処理としても良い。

【0076】

さらに本発明により、所望の解離度のプラズマによる処理が可能となり、プロセスウインドウを広くすることができる。また、微細化エッチングに対応し、エッチング面に粗密差がある場合においても垂直エッチングが可能となる。また、エッチング途中に被エッチング形状がさらに小さく変化する場合にも対応可能なエッチング処理ができる。

【0077】

上述のように、ロウ期間のバイアス電力供給によるプラズマ処理とハイ期間のバイアス電力供給によるプラズマ処理とを交互に用いることにより、ハイ期間のより安定したプラズマによる処理が加えられるので、処理の安定性（再現性）を向上させることができる。

【符号の説明】

【0078】

１０１ チャンバ
１０２ ウエハ
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 第二の高周波電源
１１０ ウエハ搬送口
１１１ ガス導入口
１１２ プラズマ
１１３ 第一の高周波電源
１１４ 制御器
２０１、３０１ Ｓｉ基板
２０２、３０２ 酸化膜
２０３、３０４ Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜
２０４、３０５ 窒化膜マスク
３０３ Ｆｉｎ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】