(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空に排気された試料処理室に、処理ガスを導入するとともに高周波電力を供給することによりプラズマを発生させ、前記試料処理室内の被加工試料表面を前記プラズマに曝すことによってエッチング処理する処理工程を含むドライエッチング方法であって、
前記処理工程は前記被加工試料表面を覆うマスク材料のエッチング速度に一定の割合の変化が生じる毎に、前記処理工程を中断して、前記試料処理室を酸素を含んだプラズマに曝すことによってクリーニングを行い、前記クリーニング後に中断した前記処理工程を継続することを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】
前記マスク材料の前記エッチング速度は、前記プラズマによる光のうち前記マスク材料を透過する波長をモニタリングすることを特徴とする請求項２記載のドライエッチング方法。
【請求項３】
処理ガスを導入するとともに高周波電力を供給することによりプラズマを発生させることが可能な試料処理室を備え、この試料処理室内の試料台に設置された前記被加工試料表面を前記プラズマに曝すことによってエッチング処理するドライエッチング装置であって、
前記被加工試料表面を覆うマスク材料のエッチング速度をリアルタイムでモニタリングする機能と、
前記エッチング速度に一定の割合の変化が生じる毎に、前記エッチング処理を中断する機能と、
前記被加工試料とは別に前記試料処理室のみを酸素を含んだプラズマに曝すことによってクリーニングする機能とを有することを特徴とするドライエッチング装置。
【請求項４】
試料処理室のみをクリーニングする機能として、同一の性能を有する複数の試料処理室を設け、クリーニング時にクリーニングする試料処理室から別の試料処理室に前記被加工試料を移送しエッチング処理を行うようにした請求項３記載のドライエッチング装置。
【請求項５】
前記マスク材料の前記エッチング速度は、前記プラズマによる光のうち前記マスク材料を透過する波長をモニタリングすることを特徴とする請求項３記載のドライエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高周波放電プラズマを用いたプラズマ方法によるドライエッチング方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路の高集積化の進展にともない、開口径が小さくかつ深さの大きい、すなわち高アスペクト比のビア（接続孔）の絶縁膜などに対応する、高性能・高精度のドライエッチング技術が不可欠となっている。その対策として狭ギャップ平行平板ＲＩＥ装置や誘導結合型プラズマ装置等の高密度プラズマ装置が導入され、サブミクロンレベルの開口径／パターン幅、５〜１０といった高アスペクト比の加工が可能になってきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように進展してきたドライエッチング方法においても、エッチング形状の異常、マイクロローディング効果、エッチングストップといった問題を常に抱えており、微細化の進展とともに深刻な課題となっている。これは、進展する微細化に対して依然、メカニズムがよくわかっていない、プラズマ中の化学反応の制御範囲が狭い、プラズマ環境、すなわちチャンバ壁の状態変化に影響される、といったことに起因している。
【０００４】
以下、図６に示す誘導結合型プラズマドライエッチング装置を例にとって説明する。本装置は、誘導結合方式によるプラズマ生成室１により構成されており、ガス導入口２により反応性ガス、例えば酸化膜エッチングの場合、ＣＨＦ3 （５０％）／Ｃ4 Ｆ8 （５０％）の混合ガスを流した状態でチャンバ上部に取り付けられたコイル５に、マッチング回路６を介して高周波電源７より高周波電力を印加することによりプラズマ８を生成することができる。試料となるウエハ９は試料ホルダすなわち下部電極１０上に置かれ、マッチング回路１１を介して高周波電源１２より高周波電力を供給することでエッチングが進行する。
【０００５】
酸化膜試料ウエハの断面形状は、図７に示すように、Ｓｉ基板１３の上に、被加工試料であるＢＰＳＧ酸化膜１４が堆積されており、さらにその上にマスクとなるレジスト１５が塗布後リソグラフィによってパターンニングされて載っている。コンタクトホールエッチングの場合を例に取り、コンタクト径をＷ（μｍ）、エッチング深さをＨ（μｍ）、レジスト厚みをｈ（μｍ）と定義する。この試料に対する総合的なプロセスフローは図８に示すように、メインの酸化膜のエッチングＳＴＥＰ３に引き続いて、エッチングによって生じた微細孔内の堆積物除去の目的で酸素ガスプラズマ処理ＳＴＥＰ５が行われる。このとき同時に、チャンバ内壁のクリーニングが行われ、レジストもアッシング除去される。
【０００６】
この酸化膜コンタクトホールエッチングにおける、エッチング深さＨのコンタクト径Ｗに対する依存性は、通常マイクロローディング効果あるいはＲＩＥ−ｌａｇとよばれ、通常、図９のような形で整理される非線形な関係にある。そのため、より小さなコンタクト径のエッチング速度の予測や、チャンバ内壁条件の変化に起因したエッチストップ現象との分離が困難であった。
【０００７】
図９の依存性を記述できる現象論的な関係式を導き、内壁条件の変化に起因した要因を分離できるプロセスフローを考えた。すなわち、図１０におけるＳＴＥＰ５の酸素ガスプラズマ処理を、ダミーＳｉ基板を用いて行うＳＴＥＰ６に置き換えた。このとき、レジストのアッシング除去や微細孔内の堆積物の除去は行われないが、試料ウエハ処理前にはチャンバ内壁は一律にクリーニングされた状態になり、レジスト厚みを含めた形状評価およびエッチング時間による内壁条件変化の影響をみることができる。なお、ダミー基板を用いる理由として、クリーニング時には、下部電極を適当な材質の基板で覆っておく必要があり、クリーニング時のプラズマに対して耐性があり、安価なＳｉ基板を繰り返し使う。
【０００８】
図１０のプロセスフローのもと図９と同様に行った実験結果を図１１に示す。ここでは、エッチング深さＨと残留レジスト厚みｈの和の逆数を、コンタクト径Ｗの逆数に対してプロットしてある。このとき、エッチング時間ｔ＝０．５ｍｉｎおよび１．０ｍｉｎでは、良い直線関係が得られ、しかも傾きは同じであることから、定数ａおよびｔの関数ｂ（ｔ）を用いて
１／（Ｈ＋ｈ）＝ａ／Ｗ＋ｂ（ｔ）
なる関係式を用いて記述できる可能性がある。しかしながら、ｔ＝１．５ｍｉｎについては、この関係式よりずれが生じ、特に、コンタクト径の小さなところ（＜０．２μｍ）でエッチング速度が急激に減少し、ＲＩＥ−ｌａｇがより顕著になっている様子が伺える。また、残留レジスト厚みの変化をみると図１２に示すように、初期厚みｈ０＝０．５μｍから、エッチング時間ｔ＝１．０ｍｉｎまでは一定のエッチング速度で減少しているが、ｔ＝１．５ｍｉｎでは急速にレジストエッチング速度が低下している。これらの原因としてはエッチング時間とともにチャンバ内壁の状態が変化し、その結果エッチングプラズマケミストリに影響を及ぼしたものと考えられる。以上の実験結果は最小コンタクト径０．１μｍクラスのもので、さらに微細化が進めばこれらの課題はより深刻なものとなると考えられる。
【０００９】
このようにドライエッチングにおいては、エッチング時間経過とともに生じるチャンバ内壁の変化に起因した、エッチング特性の変化が生じる。特に、微細コンタクトホールのエッチングにおいては、チャンバ内壁への堆積物によってプラズマケミストリに変化が生じ、エッチング特性に非線形な影響をおよぼすため、高精度な制御が困難であった。
【００１０】
したがって、この発明の目的は、上記課題の原因をエッチング時間経過とともに堆積物によって変化するチャンバ壁のプラズマケミストリへの影響と考え、チャンバ壁クリーニングの面から考えたプロセスフローおよびプラズマケミストリ制御の面から考えたプラズマ生成条件の改善手段を試み、併せて、これらの手法を効果的に導入するための、ｉｎ−ｓｉｔｕのモニタリング方法、および装置構成を実現できるドライエッチング方法および装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためにこの発明の請求項１記載のドライエッチング方法は、真空に排気された試料処理室に、処理ガスを導入するとともに高周波電力を供給することによりプラズマを発生させ、試料処理室内の被加工試料表面をプラズマに曝すことによってエッチング処理する処理工程を含むドライエッチング方法であって、処理工程は被加工試料表面を覆うマスク材料のエッチング速度に一定の割合の変化が生じる毎に、処理工程を中断して、試料処理室を酸素を含んだプラズマに曝すことによってクリーニングを行い、クリーニング後に中断した処理工程を継続することを特徴とする。
【００１６】
このように、処理工程は被加工試料表面を覆うマスク材料のエッチング速度に一定の割合の変化が生じる毎に、処理工程を中断して、試料処理室を酸素を含んだプラズマに曝すことによってクリーニングを行い、クリーニング後に中断した処理工程を継続するので、プラズマケミストリに変化が生じたならばエッチング速度に変化が生じるはずで、エッチング速度をモニタリングすることでプラズマケミストリの変化を察知することができる。このため、エッチング深さと被加工試料であるレジストの残留レジスト厚みに所定の関係が得られる。これにより、試料処理室内壁の堆積物を一定レベル以下にし、プラズマケミストリ変化の影響を排除することができるため、エッチング時間経過と共に生じる内壁状態の変化を排除した高精度のエッチングが実現できる。
請求項２記載のドライエッチング方法は、請求項１において、マスク材料のエッチング速度は、プラズマによる光のうちマスク材料を透過する波長をモニタリングする。
【００１７】
請求項３記載のドライエッチング装置は、処理ガスを導入するとともに高周波電力を供給することによりプラズマを発生させることが可能な試料処理室を備え、この試料処理室内の試料台に設置された被加工試料表面をプラズマに曝すことによってエッチング処理するドライエッチング装置であって、被加工試料表面を覆うマスク材料のエッチング速度をリアルタイムでモニタリングする機能と、エッチング速度に一定の割合の変化が生じる毎に、エッチング処理を中断する機能と、被加工試料とは別に試料処理室のみを酸素を含んだプラズマに曝すことによってクリーニングする機能とを有することを特徴とする。
【００１８】
このように、被加工試料表面を覆うマスク材料のエッチング速度をリアルタイムでモニタリングする機能と、エッチング速度に一定の割合の変化が生じる毎に、エッチング処理を中断する機能と、被加工試料とは別に試料処理室のみを酸素を含んだプラズマに曝すことによってクリーニングする機能とを有するので、複数の処理工程間にクリーニングする工程を挿入することができる。これにより、試料処理室内壁の堆積物を一定レベル以下にし、これによるプラズマケミストリ変化の影響を排除することができる。また、クリーニング時に被加工試料がプラズマによって損なわれることがない。このため、エッチング深さと被加工試料であるレジストの残留レジスト厚みに所定の関係が得られ、エッチング時間経過と共に生じる内壁状態の変化を排除した高精度のエッチングが実現できる。
【００１９】
請求項４記載のドライエッチング装置は、請求項３において、試料処理室のみをクリーニングする機能として、同一の性能を有する複数の試料処理室を設け、クリーニング時にクリーニングする試料処理室から別の試料処理室に被加工試料を移送しエッチング処理を行うようにした。このように、試料処理室のみをクリーニングする機能として、同一の性能を有する複数の試料処理室を設け、クリーニング時にクリーニングする試料処理室から別の試料処理室に被加工試料を移送しエッチング処理を行う機能を有するので、クリーニング時においてもエッチング処理が可能となり、スループットの改善を図ることができる。
請求項５記載のドライエッチング装置は、請求項３において、マスク材料のエッチング速度は、プラズマによる光のうちマスク材料を透過する波長をモニタリングする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施の形態を図１〜図３に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態のコンタクトホールエッチングにおけるプロセスフロー、図２はこの発明の実施の形態のコンタクトホールエッチングにおけるエッチング特性図、図３はこの発明の実施の形態のコンタクトホールエッチングにおけるレジストエッチング特性図を示す。
【００２１】
このドライエッチング方法は、真空に排気された試料処理室に、処理ガスを導入するとともに高周波電力を供給することによりプラズマを発生させ、試料処理室内の被加工試料表面をプラズマに曝すことによってエッチング処理する処理工程を含み、図６に示した誘導結合型プラズマドライエッチング装置を用いることができるが、処理工程を一定の処理時間毎に中断して複数の処理工程に分割し、試料処理室を酸素を含んだプラズマに曝すことによってクリーニングする工程を複数の処理工程間に挿入する。
【００２２】
この場合、図１のプロセスフローに示すように、チャンバ壁クリーニングの面からプロセスフローの改善を試み、一定の処理時間毎にエッチング処理を中断し、チャンバ壁クリーニングステップ６を挿入することとしている。すなわち、図１０の実験条件改善に対するプロセスフローとして、エッチング時間ｔ＝１．５ｍｉｎの場合には、エッチングステップ３の処理時間を０．５ｍｉｎ、酸素プラズマクリーニングステップ６を１ｍｉｎとして、これらを３回繰り返す図１のプロセスフローを試みた。また、クリーニングステップ６を挿入する際、被加工試料とダミーウエハを入れ替え、酸素プラズマによってレジストマスクを損なわないようにする。酸化膜試料ウエハの断面形状は図７に示した構成断面図を参照する。結果、図２に示すように、破線および□で示す図１１のデータとは異なり、エッチング深さＨと残留レジスト厚みｈの和の逆数とコンタクト径Ｗの逆数の間にｔ＝０．５，１．０ｍｉｎと同様に記述できるリニアな関係が見られることを見出した。このとき残留レジスト厚みｈも図３に示すようにエッチング時間ｔ＝１．５ｍｉｎに至るまで一定のエッチング速度で減少しており、堆積物によって変化するチャンバ壁ケミストリへの影響を実質的に排除できたことになる。
【００２３】
以上のようにこの実施の形態によれば、処理工程を一定の処理時間毎に中断して複数の処理工程に分割し、試料処理室を酸素を含んだプラズマに曝すことによってクリーニングする工程を複数の処理工程間に挿入するので、試料処理室内壁の堆積物を一定レベル以下にし、これによるプラズマケミストリ変化の影響を排除することができる。このため、エッチング深さと被加工試料であるレジストの残留レジスト厚みに所定の関係が得られ、エッチング時間経過と共に生じる内壁状態の変化を排除した高精度のエッチングが実現できる。
【００２４】
この発明の参考例について説明する。このドライエッチング方法は、真空に排気された試料処理室に、処理ガスを導入するとともに高周波電力を供給することによりプラズマを発生させ、試料処理室内の被加工試料表面をプラズマに曝すことによってエッチング処理する処理工程を含み、処理ガスのガス流量を処理時間経過とともに変化させる。
【００２５】
この場合、エッチング時間とともに堆積物によって変化するチャンバ壁のプラズマケミストリへの影響を、プラズマ生成条件の制御によって相殺することとしている。堆積物によって生じるチャンバ壁のプラズマケミストリへの影響としては、スパッタリング効果によって酸素を放出していた石英内壁が覆われる、あるいは、チャンバ壁へのＣＦX ラジカル損失係数が減少した結果、プラズマ中の堆積性ラジカルが増加したものと考えられ、図１２に見られたレジストエッチング速度の減少と合致する。したがって、このチャンバ壁の経時変化によるラジカル増加分を、プラズマ生成条件を時間的に変化させることによって相殺することが可能で、具体的には、ラジカル量のみを独立に制御でき得るガス流量を変化させるのが効果的である。なお、ガス流量に対するラジカル量の変化は、プラズマ生成方式および滞在時間との兼ね合いで独自に決まるため、構成に応じて増減を含めて決定されるべきである。
【００２６】
以上のようにこの参考例によれば、処理ガスのガス流量を処理時間経過とともに変化させるので、プラズマ生成条件を時間的に変化させ、プラズマケミストリへの影響によるプラズマ中の堆積性ラジカル増加分を相殺することができる。その他の構成効果は、第１の実施の形態と同様である。
【００２７】
この発明の第２の実施の形態について説明する。このドライエッチング方法は、真空に排気された試料処理室に、処理ガスを導入するとともに高周波電力を供給することによりプラズマを発生させ、試料処理室内の被加工試料表面をプラズマに曝すことによってエッチング処理する処理工程を含み、被加工試料表面を覆うマスク材料のエッチング速度をリアルタイムでモニタリングし、エッチング速度に一定の割合の変化が生じる毎に、処理工程を中断して複数の処理工程に分割し、試料処理室を酸素を含んだプラズマに曝すことによってクリーニングする工程を複数の処理工程間に挿入する。
【００２８】
この場合、第１の実施の形態の手法を効果的に導入するための指標を提供できるｉｎ−ｓｉｔｕのモニタリング手法を開示している。図１２の結果によれば、チャンバ壁の変化によってプラズマケミストリに変化が生じたならばレジストエッチング速度に変化が生じるはずで、レジストエッチング速度をｉｎ−ｓｉｔｕでモニタリングしていればプラズマケミストリの変化を察知することができる。具体的には、プラズマ光を光源とし、レジストを透過し得る波長をモニタリングしながら、レジスト表面と下地界面からの光の干渉から膜厚変化を検出する方法を用いることができる。このモニタリング手法は参考例の手法を効果的に導入するための指標としても適用できる。
【００２９】
以上のようにこの実施の形態によれば、エッチング速度をモニタリングすることでプラズマケミストリの変化を察知することができるので、第１の実施の形態に導入することでその作用効果が確実に得られる。
【００３０】
この発明の第３の実施の形態を図４および図５に基づいて説明する。図４はこの発明の第３の実施の形態のドライエッチング装置の構成図、図５はこの発明の第３の実施の形態のドライエッチング装置におけるプロセスフローである。図４において、２０は被加工試料ウエハ、２１はダミーウエハ、２２，２３は処理チャンバ、２４は移載チャンバ、２５，２６はロードロックチャンバである。
【００３１】
このドライエッチング装置は、処理ガスを導入するとともに高周波電力を供給することによりプラズマを発生させることが可能な試料処理室を備え、この試料処理室内の試料台に設置された被加工試料表面をプラズマに曝すことによってエッチング処理するもので、エッチング処理する処理工程を一定の処理時間毎に中断する機能と、被加工試料とは別に試料処理室のみを酸素を含んだプラズマに曝すことによってクリーニングする機能とを有する。
【００３２】
第１の実施の形態では、エッチング処理を中断し、酸素プラズマによるクリーニングするステップを挿入しなければならないが、その際、被加工試料は、レジストマスクを損なわないように、酸素プラズマに曝されることを避けることが必要で、同実施の形態ではクリーニングステップ毎に、ダミーウエハと入れ替えているが、スループットから見た場合には好ましくない。そのため、第３の実施の形態では、図４に示すように同一性能のエッチングチャンバーを複数有する装置構成を提供し、図５に示す様なプロセスフローで、スループットの改善を図っている。すなわち、処理チャンバＡ２２で被加工試料ウエハ２０をエッチングする間、ダミーウエハ２１を配置した処理チャンバＢ２３をクリーニングする。次に被加工試料ウエハ２０とダミーウエハ２１を入れ替えて、処理チャンバＢ２３で被加工試料ウエハ２０をエッチングし、処理チャンバＡ２２をクリーニングする。これらの工程を順次繰り返す。また、第３の実施の形態の他の例として、チャンバ内壁のみを酸素プラズマで処理できる装置構成を提案する。この場合、被加工試料ウエハとダミーウエハを入れ替える必要がなくなる。
【００３３】
以上のようにこの実施の形態によれば、試料処理室のみをクリーニングする機能として、同一の性能を有する複数の試料処理室を設け、クリーニング時にクリーニングする試料処理室から別の試料処理室に被加工試料を移送しエッチング処理を行うようにしたので、クリーニング時においてもエッチング処理が可能となり、スループットの改善を図ることができる。
【００３６】
【発明の効果】
この発明の請求項１記載のドライエッチング方法によれば、処理工程は被加工試料表面を覆うマスク材料のエッチング速度に一定の割合の変化が生じる毎に、処理工程を中断して、試料処理室を酸素を含んだプラズマに曝すことによってクリーニングを行い、クリーニング後に中断した処理工程を継続するので、プラズマケミストリに変化が生じたならばエッチング速度に変化が生じるはずで、エッチング速度をモニタリングすることでプラズマケミストリの変化を察知することができる。このため、エッチング深さと被加工試料であるレジストの残留レジスト厚みに所定の関係が得られる。これにより、試料処理室内壁の堆積物を一定レベル以下にし、プラズマケミストリ変化の影響を排除することができるため、エッチング時間経過と共に生じる内壁状態の変化を排除した高精度のエッチングが実現できる。
請求項２では、請求項１において、マスク材料のエッチング速度は、プラズマによる光のうちマスク材料を透過する波長をモニタリングする。
【００３７】
この発明の請求項３記載のドライエッチング装置によれば、被加工試料表面を覆うマスク材料のエッチング速度をリアルタイムでモニタリングする機能と、エッチング速度に一定の割合の変化が生じる毎に、エッチング処理を中断する機能と、被加工試料とは別に試料処理室のみを酸素を含んだプラズマに曝すことによってクリーニングする機能とを有するので、複数の処理工程間にクリーニングする工程を挿入することができる。これにより、試料処理室内壁の堆積物を一定レベル以下にし、これによるプラズマケミストリ変化の影響を排除することができる。また、クリーニング時に被加工試料がプラズマによって損なわれることがない。このため、エッチング深さと被加工試料であるレジストの残留レジスト厚みに所定の関係が得られ、エッチング時間経過と共に生じる内壁状態の変化を排除した高精度のエッチングが実現できる。
【００３８】
請求項４では、試料処理室のみをクリーニングする機能として、同一の性能を有する複数の試料処理室を設け、クリーニング時にクリーニングする試料処理室から別の試料処理室に被加工試料を移送しエッチング処理を行うようにしたので、クリーニング時においてもエッチング処理が可能となり、スループットの改善を図ることができる。
請求項５では、請求項３において、マスク材料のエッチング速度は、プラズマによる光のうちマスク材料を透過する波長をモニタリングする。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態のコンタクトホールエッチングにおけるプロセスフローである。
【図２】この発明の実施の形態のコンタクトホールエッチングにおけるエッチング特性図である。
【図３】この発明の実施の形態のコンタクトホールエッチングにおけるレジストエッチング特性図である。
【図４】この発明の第４の実施の形態におけるドライエッチング装置の構成図である。
【図５】この発明の第４の実施の形態のドライエッチング装置におけるプロセスフローである。
【図６】従来例のドライエッチング装置の構成図である。
【図７】従来例の被加工試料の構成断面図である。
【図８】従来例のコンタクトホールエッチングにおけるプロセスフローである。
【図９】従来例のコンタクトホールエッチングにおけるエッチング特性図である。
【図１０】従来例のコンタクトホールエッチングにおけるプロセスフローである。
【図１１】従来例のコンタクトホールエッチングにおけるプロセスフローである。
【図１２】従来例のコンタクトホールエッチングにおけるレジストエッチング特性図である。
【符号の説明】
１  プラズマ生成室
２  ガス導入口
３  石英板
４  チャンバ内壁
５  コイル
６  マッチング回路
７  高周波電源
８  プラズマ
９  試料ウエハ
１０  下部電極
１１  マッチング回路
１２  高周波電源
１３  Ｓｉ基板
１４  ＢＰＳＧ酸化膜
１５  フォトレジスト
２０  被加工試料ウエハ
２１  ダミーウエハ
２２，２３  処理チャンバ
２４  移載チャンバ
２５，２６  ロードロックチャンバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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