(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、この真空容器のなかにプラズマを発生させる手段と、前記プラズマにより表面が処理される試料をその上に設置するための試料台と、前記試料に電圧を印加するための電源とを備え、前記電圧は、その振幅が20V以下の期間と300V以上の期間とを有して、これらの期間が交互に繰り返される表面処理装置。
【請求項２】
前記電圧の振幅が100Hzから10kHzの周波数で繰り返される請求項１に記載の表面処理装置。
【請求項３】
前記振幅が300V以上の期間が前記繰り返しの１つの期間にしめる割合が５％以上７０％以下である請求項１または２に記載の表面処理装置。
【請求項４】
前記電圧の振幅を切り替える際の電圧の立ち上がり及び立ち下がり時間の合計が、前記繰り返しの周期の10%以下である請求項１または２に記載の表面処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子の表面処理装置にかかわり、特にプラズマを用いて半導体表面のエッチングを行なう表面処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子のエッチングに現在広く用いられている装置は、プラズマを利用する装置である。本発明はこのようなプラズマを利用した装置に適用する。ここではそのうちの一つであるECR(電子サイクロトロン共鳴)方式と呼ばれる装置を例に取り従来技術を説明する。この方式では、外部より磁場を印加した真空容器中でマイクロ波によりプラズマを発生する。磁場により電子はサイクロトロン運動し、この周波数とマイクロ波の周波数を共鳴させることで効率良くプラズマを発生できる。試料に入射するイオンを加速するために、試料には高周波電圧が印加される。プラズマとなるガスには塩素やフッ素などのハロゲンガスが用いられる。
【０００３】
この装置の主に高精度化をはかる目的で特開平6-151360号公報が知られている。この発明では、試料に印加する高周波電圧をオンーオフと間欠的に制御することにより、エッチングしたい物質であるSiと下地酸化膜との選択比を高くできる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年の半導体素子の微細化に伴い、プロセスに用いるプラズマが素子に与える損傷の問題が顕在化している。具体的には、MOS(metal oxide semiconductor)トランジスタのゲート酸化膜の厚さは256M以降のメモリ素子では約4nmになる。このようなゲート酸化膜の薄膜化に加えて加工のアスペクト比（縦方向と横方向の寸法比）が大きくなると、電子シェーディングと呼ばれる現象で生じる損傷が問題になる。
【０００５】
次に図を用いて、電子シェーディング現象の説明を行う。図２(b)はエッチング装置内のプラズマにさらされている半導体ウエハの断面図である。図２(a)は(b)のレジストパタンを上から見た図である。図中の試料は損傷評価用の素子であるが、実デバイスでは主にトランジスタのゲート部分に相当する。Si基板２０５の上に素子分離酸化膜２０４、ゲート酸化膜２０３が形成その上にpoly Si層２０２とレジスト２０１が櫛状に形成されている。プラズマエッチング中には、電子２０６とイオン２０７が試料に入射する。イオン２０７は試料に印加される高周波電圧で加速されて試料表面に垂直に入射するが、電子２０７は質量が小さいのでランダムな速度成分が大きい上にバイアスで減速されるので、試料には不揃いな方向で入射する。
【０００６】
このために図２(b)に示すように、アスペクト比の高い溝の加工では、イオンは溝底２０８まで到達できるが、電子は主にレジスト２０１の側壁に捕獲される。するとゲート酸化膜２０３にはpoly Si層２０２を介して正の電荷が蓄積され、この量がある値を超えるとゲート酸化膜２０３が絶縁破壊を起こし、素子不良となる。以上のように、イオンと電子の方向性の違いから微細溝内に電子が供給されない現象を電子シェーディングと呼ぶ。
【０００７】
本発明の目的は、この電子シェーディングによる素子の損傷を低減する表面処理装置を提供することにある。
【０００８】
上記目的は、真空容器と、この真空容器のなかにプラズマを発生させる手段と、前記プラズマにより表面が処理される試料をその上に設置するための試料台と、前記試料に電圧を印加するための電源とを備え、前記電圧は、その振幅が20V以下の期間と300V以上の期間とを有して、これらの期間が交互に繰り返される表面処理装置により達成される。さらに、前記電圧の振幅が100Hzから10kHzの周波数で繰り返されることにより達成される。さらにまた、前記振幅が300V以上の期間が前記繰り返しの１つの期間にしめる割合が５％以上７０％以下であることにより達成される。さらにまた、前記電圧の振幅を切り替える際の電圧の立ち上がり及び立ち下がり時間の合計が、前記繰り返しの周期の10%以下であることにより達成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施例１
以下、本発明の一実施例を図１乃至図６により説明する。
【００１０】
図１(a)は本発明を適用するプラズマエッチング装置の全体構成図である。図１(a)において、マイクロ波電源１０１から導波管１０２と導入窓１０３を介して真空容器１０４内にマイクロ波が導入される。導入窓１０３の材質は石英、セラミックなど電磁波を透過する物質である。真空容器１０４の回りには電磁石１０５が設置されており、磁場強度はマイクロ波の周波数と共鳴を起こすように設定されて、たとえば周波数が2.45GHzならば磁場強度は875Gaussである。この磁場強度でプラズマ１０６中の電子のサイクロトロン運動が電磁波の周波数と共鳴するために、効率よく電磁波のエネルギーがプラズマに供給され高密度のプラズマができる。試料１０７は試料台１０８の上に設置される。試料に入射するイオンを加速するために、高周波電圧電源１０９が試料台１８に接続されている。高周波電圧電源の周波数に特に制限はないが、通常では周波数は２００kHzから２０ＭHzの範囲が実用的である。
【００１１】
図１(b)は高周波電圧電源１０９の電圧波形１１０を示す。本発明に従い，電圧の振幅は20V以下の期間、この場合は0Vでoffと表示してあると振幅が300V以上の期間（図中onと表示）に分けて印加してある。
【００１２】
次にこの装置で図２に示す構造の損傷評価素子をエッチングして、ゲート酸化膜２０３の絶縁破壊率を測定した結果を図３に示す。
【００１３】
エッチングのガスにはＣｌ２（７５sccm）と酸素（５sccm）の混合ガスを用いた。真空容器１４内部の圧力を０.４Ｐａ とした。マイクロ波電源１０１の出力を６００Ｗとした。高周波電圧電源１０９の周波数は８００ＫＨｚで、オンオフは行わず連続状にして、その振幅Ｖppをパラメータとした。図１に示す素子の形状はゲート酸化膜２０３の厚さが４ｎｍ、poly Si層２０２の厚さ０.２μｍ 、レジスト２０１の厚さが１μｍで、櫛の長さが１mm、櫛数は１００本、櫛幅と櫛間スペースはそれぞれ０.５μｍ とした。図３では横軸が振幅Ｖppで縦軸がゲート酸化膜の絶縁破壊率である。図３よりわかるようにＶppに対して絶縁破壊率は極大値を持ち、Ｖppが２０Ｖ以下および３００Ｖ以上では、実際のデバイスでは問題とならない程度の絶縁破壊率５％以内になる。しかしＶppが２０Ｖ以下ではイオンの加速が十分ではなくエッチング速度が遅い、あるいはエッチングの方向性が悪いなどの問題点がある。一方、Ｖppが３００Ｖ以上ではイオンのエネルギーが高すぎてpoly Siと酸化膜のエッチング速度の選択比が小さくなる問題点がある。
【００１４】
そこで本発明では図１(b)に示すようにイオン加速電圧をVppが20V以下のオフ期間とVppが300V以上のオン期間の繰り返しにして試料に印加した。繰り返しの周波数を100Hzから10kHzで図２に示す素子構造で絶縁破壊率を５％以内にすることができた。さらに、オン時のVppを450Vにすると絶縁破壊率はほぼ０になった。この方法ではオンの期間が１周期にしめる割合（以後デューティー比と呼ぶ）を変化させることによりpoly Siのエッチング速度と対酸化膜選択比を調整することができるので、前述したエッチング速度と選択比の低下を回避することができる。なお、デューティー比は５％以上７０％以下が適当な範囲でたとえばオン時のVppを350Vにして前述の条件でエッチングを行うと、デューティー比５０％でpoly Siエッチング速度250nm/分で対酸化膜選択比25、デューティー比を１５％ではpoly Siエッチング速度180nm/分で対酸化膜選択比180と良好な値が得られた。
【００１５】
さらにこの方法と組み合わせて、低損傷エッチングを実現するにはマイクロ波の電力を小さくしてプラズマの密度を下げればよいことがわかった。具体的にはマイクロ波電力を400Wにすることで絶縁破壊率をさらに低減することができた。図１に示す示すエッチング装置のプラズマ発生部分（試料台１０８上面から導入窓１０３の下面までの空間）の体積は15000ccなので１cc当たりのマイクロ波rf電力は0.027W/ccとなる。プラズマ発生部分の体積が変わったり、エッチング装置の方式が変わってもプラズマ発生用電源の電力とプラズマ発生部分の体積の割合を0.027W/cc以下にすると本発明の効果がさらに上がる。
【００１６】
公知例では試料に印加する高周波電圧をオンオフ制御する方法は述べられているが、損傷を低減する方法に関しての記載はなく、また図３に示す実験データなしでは同業他者の類推も不可能である。
【００１７】
実施例２
図４は本発明を適用する別の装置構造で、この装置では数百kHzから数十MHzのいわいるラジオ波帯（以後rfと呼ぶ）の周波数で誘導結合によりプラズマを発生させる。真空容器４０３はアルミナや石英などの電磁波を透過する物質でつくられている。その回りに、プラズマ４１０を発生させるための電磁コイル４０２が巻いてある。コイルにはrf電源４０４が接続されている。真空容器４０１内には試料台４０８がありその上に試料４０７が置かれ、高周波電圧電源４０９が接続されている。真空容器４０１には上蓋４０５がついているがこれは一体型でもかまわない。
【００１８】
本発明に従い、高周波電圧電源４０９はVpp20V以下のオフ期間とVppが300V以上のオン期間の繰り返しにして試料台４０８に印加した。この装置でも図２に示す損傷評価素子で測定した電子シェーディングによる絶縁破壊率は５％以下に抑えられて、本発明の有用性がわかった。
【００１９】
図４に示す装置では、電磁コイル４０２は上蓋４０５の上に設置されていても効果は同じである。
【００２０】
実施例３
図５は本発明を適用する別の装置構造で、この装置ではrf電力の容量結合によりプラズマを発生させる。真空容器５０１内には２枚の電極５０２、５０５が平行に配置してある。電極にはそれぞれrf電源５０３と高周波電圧電源５０６が接続してある。試料５０４は試料台をかねる電極５０５の上におかれる。ガスは試料と対向した電極５０２に開いた穴から導入管５０８を通して容器内に入れられる。プラズマ５０７は２枚の電極の間で発生する。
【００２１】
このタイプの装置でも高周波電圧電源５０６をVppが20V以下のオフ期間とVppが300V以上のオン期間の繰り返しにして試料に印加することで、電子シェーディングによる損傷を抑えることができた。
【００２２】
実施例４
次に、試料に印加する高周波電圧の波形についての実施例を述べる。Ｖppを２０Ｖ以下から３００Ｖ以上に変化させると、電源の性能によって立ち上がり立ち下がりに時間がかかり、図６に示すような波形になる。立ち上がり時間ｔ１と立ち下がり時間ｔ２の間では、Ｖppが２０Ｖと３００Ｖの間、すなわち絶縁破壊が生じる電圧になる。この期間が１周期に占める割合がどのくらいならば問題ないかを測定した。その結果、ｔ１とｔ２の合計が周期Ｔに占める割合が１０％以下ならば、本発明で述べる効果があることがわかった。
以上のように、上記実施例により、poly Siのエッチング速度と対酸化膜選択比の低下を回避して、トランジスタのゲート酸化膜の絶縁破壊を防ぐことができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、電子シェーディングによる素子の損傷を低減する表面処理装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明を適用する装置の全体構成図である。
（ｂ）高周波電圧電源の電圧波形図である。
【図２】（ａ）損傷評価のための試料の断面図（電子シェーディング現象の説明図）である。
（ｂ）半導体ウェハの断面図である。
【図３】高周波電圧振幅とゲート酸化膜絶縁破壊率の関係図である。
【図４】本発明を適用する装置の全体構成図である。
【図５】本発明を適用する装置の全体構成図である。
【図６】高周波電圧の波形図である。
【符号の説明】
101…マイクロ波電源、102…導波管、103…導入窓、104,403,501…真空容器、105…磁石、106,410,507…プラズマ、107,407,504…試料、108,408…試料台、109,409,506…高周波電圧電源、110,508…ガス導入管、110…電圧波形、201…レジスト,202…poly Si層,203…ゲ…ト酸化膜、204…素子分離酸化膜、205…基板Si、206…電子、207…イオン、208…溝底、402…電磁コイル、404,503…ｒｆ電源、405…上蓋、502,505…電極、601…高周波電圧波形。
【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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