(57)【要約】  本発明は、ポリシリコン膜のマスク層を形成するプラズマ処理方法において、エッチング形状異常を抑制することができるプラズマ処理方法を提供する。  本発明は、ポリシリコ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、ハロゲンガスとフルオロカーボンガスと酸素ガスと硫化カルボニルガスの混合ガスを用いて前記ポリシリコン膜をプラズマエッチングすることを特徴とする。
2020008703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリシリコ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、ハロゲンガスとフルオロカーボンガスと酸素ガスと硫化カルボニルガスの混合ガスを用いて前記ポリシリコン膜をプラズマエッチングすることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、前記ハロゲンガスは、Ｃｌ２ガスとＨＢｒガスとＮＦ３ガスとＳＦ６ガスの中から選択された少なくとも一つのガスであり、前記フルオロカーボンガスは、ＣＨＦ３ガスとＣＦ４ガスとＣ４Ｆ８ガスとＣ５Ｆ８ガスとＣ４Ｆ６ガスとＣＨ２Ｆ２ガスとＣＨ３Ｆガスの中から選択された少なくとも一つのガスであることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項３】
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、前記混合ガスの流量に対する前記硫化カルボニルガスの流量の比率は、１５〜３５％の範囲内の値であることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項４】
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、前記ポリシリコン膜が成膜された試料が載置される試料台に２０００Ｗ以上の高周波電力を供給しながら、または、１８００Ｖ以上のピーク間高周波電圧を前記試料台に印加しながら前記ポリシリコン膜をプラズマエッチングする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、前記高周波電力は、パルス変調され、前記パルス変調のデューティー比の値は、１０〜４０％の範囲内の値であることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項６】
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、前記ポリシリコン膜がプラズマエッチングされる処理室の圧力を３〜１０Ｐａの範囲内の圧力とすることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項７】
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、前記ポリシリコン膜が成膜された試料が載置される試料台の温度を５０℃以下の温度とすることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項８】
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、前記ハロゲンガスは、Ｃｌ２ガスであり、前記フルオロカーボンガスは、ＣＨＦ３ガスであることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項９】
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、前記ポリシリコン膜は、孔または溝を被エッチング膜に形成するためのマスク材であることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１０】
請求項８に記載のプラズマ処理方法において、前記ポリシリコン膜は、孔または溝を被エッチング膜に形成するためのマスク材であ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、半導体製造に関わるプラズマを用いたドライエッチング方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  DRAM(Dynamic Random Access Memory)または3D-NANDフラッシュメモリは、高集積化に伴い、深い孔形状または深い溝形状が形成されることがあり、この形成にはプラズマを用いたドライエッチングが用いられる。【０００３】  従来、孔または溝形状を形成するためにはフォトレジスト膜がマスク層として用いられてきたが、孔または溝形状が深くなるに従い、フォトレジスト膜では、ドライエッチング中に消失してしまい、所望の形状が得られない。このため、ドライエッチング耐性があるポリシリコン膜をマスク層として深い孔形状または深い溝形状をドライエッチングにより形成する。また、深い孔形状または深い溝形状を形成する際のマスク層は、ドライエッチング中に消失してしまわないように厚膜化され、このマスク層に対しても深い孔形状または深い溝形状をドライエッチングにより形成する。【０００４】  深い溝をシリコン基板に形成するプラズマエッチング方法として特許文献１には、シリコン基板に疎密パターンを含むトレンチアイソレーション構造を形成するプラズマエッチング方法において、ＨＢｒガスを主体とし、Ｏ２ガスと、ＣＯ２ガスやＳＯ２ガス等のＯ２ガスと異なる酸素含有ガスを添加した混合ガスを用いるプラズマエッチング方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−０５０２２９公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  パターンの開口寸法に対するエッチング深さの比を示すアスペクト比(Aspect Ratio：A/R)は、DRAM(Dynamic Random Access Memory)または3D-NANDフラッシュメモリの高集積化に伴い、マスク層についてもアスペクト比が20以上の深い孔形状または深い溝形状の形成が必要となっている。従来技術では、例えば、高アスペクト比のポリシリコン膜のマスク層を特許文献1に開示された方法でエッチングした場合、開口寸法が広がるようにエッチングされてしまう。【０００７】  このため、隣接するパターンが繋がる等のエッチング形状異常が発生する。また、開口寸法が広がらないようにデポ膜などで保護しながらエッチングを行った場合、エッチング途中でエッチングストップが発生して所望の深い孔形状または深い溝形状を形成することができない。【０００８】  そこで本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、ポリシリコン膜のマスク層を形成するプラズマ処理方法において、エッチング形状異常を抑制することができるプラズマ処理方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】本発明は、ポリシリコ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、ハロゲンガスとフルオロカーボンガスと酸素ガスと硫化カルボニルガスの混合ガスを用いて前記ポリシリコン膜をプラズマエッチングすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】  本発明により、ポリシリコン膜のマスク層を形成するプラズマ処理方法において、エッチング形状異常を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施例を実施するために用いたプラズマエッチング装置の縦断面図である。
【図２】DRAM素子部のマスク層エッチング前の模式図である。
【図３】ポリシリコン膜２０５をプラズマエッチング処理した後の模式図である。
【図４】形状異常を示す模式図である。
【図５】ガス全体量に対するCOSガスの流量比とエッチング深さの関係及びガス全体量に対するCOSガスの流量比と開口寸法の関係を示す図である。
【図６】バイアス電力とエッチング深さの関係を示す図である。
【図７】ボーイング寸法の定義を示す図とデューティー比とボーイング寸法の関係を示す図である。
【図８】処理圧力とエッチング深さの関係及び処理圧力とボーイング寸法の関係を示す図である。
【図９】ステージ温度(試料台温度)とエッチング深さの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】  以下、本発明を図1ないし図９により説明する。図1は、平行平板型の有磁場ＶＨＦドライエッチング装置の縦断面図である。このドライエッチング装置における真空容器は、プラズマ処理室としてのエッチングチャンバー１０６と、ＶＨＦ放射アンテナ１１１と真空ポンプ及び圧力制御バルブ（ともに図１には未記載）とを備えている。
【００１３】  エッチング用のガスは、マスフローコントローラ（Ｍass  Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：ＭＦＣ）及びストップバルブ（ともに図１には未記載）を通過後、ガス導入口Ａ１０７とガス導入口Ｂ１０９を通して、シャワープレート１１２の同心円状にそれぞれエッチングチャンバー１０６内に導入される。そして装置下部に設けられた排気口からターボ分子ポンプ及びドライポンプ（いずれも図１には未記載）により排気される。このように導入されたガスは、プラズマ発生手段により照射された電磁波のエネルギーにより解離されてプラズマが生成及び維持される。
【００１４】  プラズマの発生手段は、２００ＭＨｚのＶＨＦ波のソース用電源１０１と、ソース電磁波用整合器１０２、電磁石Ａ１０４、電磁石Ｂ１０５から成る磁場発生手段とを有している。これら２つの電磁石を用いてプラズマ生成分布を均一化させる。発生磁場は、シャワープレート１１２近傍で１０ｍＴ以下である。
【００１５】  試料のウェーハ１１３を設置する試料台のウェーハステージ１１６は、ウェーハ１１３の載置面の外周側及び側壁を覆って配置されたリング形状のフォーカスリング１１４とサセプタ１１５を備え、複数のステージ温度制御手段１２１等を用いてウェーハステージ１１６の複数部分を異なる所定の温度に制御することが可能である。
【００１６】  ウェーハステージ１１６には、プラズマ中からウェーハ１１３にイオンを引き込み、そのイオンエネルギーを制御するための４ＭＨｚのＲＦバイアス電源１１９と、ＲＦバイアス整合器１１７が接続されている。ＲＦバイアス電源１１９は、１２インチ径の被処理物に対し、連続正弦波時相当で少なくとも100Ｗ程度から最大電力６ｋＷ程度で出力できる。また、プラズマを透過するバイアス電流のＶＨＦ放射アンテナ１１１への割合を制御するバイアス経路制御機構１２０を備えており、プラズマの分布をより高精度に制御することが可能である。
【００１７】  次に上述した図１に示すエッチング装置を用いて本発明を適用する半導体ウェーハの断面構造を図２に示す。ウェーハ基板２０１(Ｓｉ)上にシリコン窒化膜２０２(ＳｉＮ)とシリコン酸化膜２０３(ＳｉＯ２)とシリコン窒化膜２０４(ＳｉＮ)とポリシリコン膜２０５(Ｐｏｌｙ−Ｓｉ)とシリコン酸化膜２０６(ＳｉＯ２)が下から順に成膜されている。尚、ポリシリコン膜２０５(Ｐｏｌｙ−Ｓｉ)の厚さは、500〜1500nmの厚さであり、シリコン酸化膜２０６(ＳｉＯ２)の厚さは150〜300nmの厚さである。
【００１８】  次に図２に示す構造の半導体ウェーハのエッチング処理について説明する。
【００１９】  最初に図２に示すようにパターンが露光されたフォトレジスト膜(図示せず)をマスクとして反射防止膜(図示せず)及びシリコン酸化膜２０６にエッチングによりパターンを転写する。次にフォトレジスト膜及び反射防止膜をアッシングにより除去する。
【００２０】  続いて図3に示すようにシリコン酸化膜２０６をマスクとしてポリシリコン膜２０５をエッチングする。最初に比較例としてCl2ガスとO2ガスの混合ガスに加えてフルオロカーボンガスのCHF3ガスを使用した場合について説明する。各ガス種の傾向は、以下のようになる。
【００２１】  先ず、ガス全体流量に対してCl2ガスの流量の割合が高いとClラジカルの供給が過剰となり、図４（a）に示すようにポリシリコン膜２０５にサイドエッチ４０１やボーイング４０２が発生する。また、Cl2ガスの流量の割合が低いと図４（b）に示すようにエッチングが進行せずにエッチストップ４０３となる。次にガス全体流量に対してCHF3ガスの流量の割合が高いと図４（C）に示すようにマスク層であるシリコン酸化膜２０６がエッチングされることにより、マスク層が後退し、エッチングが進むにつれて開口部拡大４０４が発生してしまう。
【００２２】  また、CHF3ガスは、ポリシリコンに対してCF系重合膜として堆積する。この堆積によりポリシリコン側面が保護され、サイドエッチ４０１やボーイング４０２を抑制することができるが、この堆積量が多すぎるとエッチングが進行しなくなり、エッチストップ４０３が発生する。また、CHF3ガスの流量の割合が低いと重合膜の堆積によるポリシリコン側壁の保護が弱くなり、サイドエッチ４０１やボーイング４０２が発生する。
【００２３】  次にガス全体量に対して酸素ガス(O2)の割合が高いとポリシリコン表面が酸化されることにより、サイドエッチ４０１やボーイング４０２を抑制することができるが、酸化量が多すぎるとエッチングが進行しなくなり、エッチストップ４０３が発生する。また、酸素ガス(O2)の割合が低いとポリシリコン表面の酸化が弱くなり、サイドエッチ４０１やボーイング４０２が発生する。
【００２４】  また、上述したようにデバイスの高集積化に伴う20以上の高アスペクト比のマスク層に深い孔形状または深い溝形状を形成するために特許文献１に開示されたエッチング方法を用いた場合、エッチングの進行とともに開口寸法が拡大してしまう問題４０４が発生してしまう。そこで本発明では、ハロゲンガスとフルオロカーボンガスと酸素ガスと硫化カルボニルガスの混合ガスを用いることとした。また、硫化カルボニルガス(COS)の効果は以下の通りである。
【００２５】  COSガスは、プラズマ中でCOとSに解離する。ガス全体流量に対してCOSガスの流量の割合が低いと解離したCOがCHF3により形成されたCF系重合膜をCOFやCOF2として表面から除去することによりエッチングが進行し、エッチストップ４０３が抑制される。また、酸素ガス(O2)による酸化により形成されたポリシリコン表面の酸化膜をCO2として表面から除去することにより、同様にエッチングが進行し、エッチストップ４０３が抑制される。
【００２６】  さらに硫化カルボニルガス(COS)の流量の割合が高いと解離したSがC-F結合よりも結合エネルギーが大きい強固なC-S結合としてCF系重合膜に形成され、サイドエッチ４０１やボーイング４０２が抑制される。また、COSガスは、ハロゲン原子を含んでいないため、マスク層のシリコン酸化膜２０６のエッチングレートが遅く、マスク層の後退による開口部の拡大４０４を抑制しながらエッチングを進行させることが可能となる。
【００２７】  一方、硫化カルボニルガス(COS)の流量の割合が高すぎるとC-S結合を含んだ重合膜の堆積量が多くなることにより、エッチングが進行しなくなり、エッチストップ４０３が発生する。図5は、ガス全体量に対するCOSガスの流量比におけるエッチング深さ５０１及び開口寸法５０２の依存性を示している。ここでエッチング深さはエッチングの進行度合いを示している。尚、エッチング処理時間はすべての条件において一定とする。
【００２８】  図５に示すようにガス全体流量に対するCOSガスの流量割合が0％、すなわちCOSガスの流量が0ml/minの場合、開口寸法が27nm程度であるのに対してエッチング深さは340nm程度であった。次にCOSガスの流量割合が15％の場合、0％と比較して開口寸法が38nm程度になり拡大したが、エッチング深さは600nm程度となりエッチングが進行している。さらにCOSガスの流量割合が25％の場合、開口寸法は27nm程度と0％と同じ開口寸法が得られているのに対してエッチング深さは520nm程度となり、15％の際と比較してもある程度エッチングが進行している。
【００２９】  次にCOSガスの流量割合が35％の場合、開口寸法は27nm程度、エッチング深さは360nm程度となり、25%の場合と比較してエッチングの進行が遅くなっている。このようなことから開口寸法を拡大させずにエッチングを進行させるためにはガス全体量に対するCOSガスの流量割合を15〜35％の範囲内の流量割合とすることが望ましいことがわかる。このため、本実施例では、Cl2ガスの流量を20ml/min、CHF3ガスの流量を75ml/min、O2ガスの流量を65ml/min、COSガスの流量を47ml/minとした。
【００３０】  また、上記のガス流量に加えてバイアス電源とバイアスのオンオフをミリ秒オーダーで周期的に繰り返すTime Modulationバイアス（以下、TMバイアスと称する）を制御することによってさらに高精度にエッチング形状を制御できる。ここでTMバイアスのオン期間の一周期に対する割合をデューティー比とする。また、TMバイアスは、パルス変調された高周波電力を試料台に供給することとする。
【００３１】  図6は、バイアス電力とエッチング深さの関係を示している。ここで各バイアス電力において、バイアス電力とデューティー比との積が一定となるように各バイアス電力におけるデューティー比を設定した。図6に示すようにバイアス電力2000W以下においては、エッチング深さが浅くなっていくことがわかる。この結果からエッチングの進行を短時間で進めるためにはバイアス電源の電力設定は2000W以上とすることが望ましい。また、この時、4MHzの2000Wにおける正弦波のピーク間電圧(Vpp)が1800Vであるため、バイアスの周波数が異なる場合は、このVppが1800V以上となる電源電力、または直接Vppが1800V以上となるように制御することにより調整できる。
【００３２】  TMバイアスは、オン期間のイオンの垂直入射性とオフ期間の反応性の堆積性を効果的に利用することにより所望の加工形状を得ることができる。図7(b)は、デューティー比とボーイング寸法の関係を示している。ここでボーイング寸法とは、図7(a)に示したように間口から50nm下の寸法(a)から間口寸法(b)を差し引いた寸法とした。
【００３３】  図７(ｂ)に示すようにデューティー比が40％以上になるとボーイング寸法が正の値となり、ボーイング４０２が発生していることを示している。これはデューティー比が40％以上ではポリシリコン表面へのCF系重合膜の堆積が少なくなり、サイドエッチ４０１やボーイング４０２が進行してしまう。一方、デューティー比が10%以下になるとイオンの供給量が少なくなり、エッチングの進行が遅くなる。このため、TMバイアスのデューティー比は10〜40％に設定することが望ましい。このようなデューティー比に設定することにより、開口寸法拡大４０４、サイドエッチ４０１及びボーイング４０２抑制が可能となる。
【００３４】  次に処理圧力について説明する。図8は、処理圧力とエッチング深さ８０１の関係及び処理圧力とボーイング寸法８０２の関係を示すグラフである。図８に示すように処理圧力が3Pa以下ではラジカルの量が少なくなるに伴い、エッチングの進行が遅くなる。また、10Pa以上では平均自由工程が短くなることに起因してボーイング寸法が拡大してしまう不具合が発生する。このような結果から処理圧力は3〜10Paの範囲内の圧力に設定することが望ましい。
【００３５】  次に処理中における試料台の温度であるステージ温度について説明する。図９は、処理中のステージ温度(試料台の温度)とエッチング深さの関係を示すグラフである。図９に示すようにステージ温度が50℃以上では、CF系重合膜の堆積速度が遅くなるため、孔または溝形状側面の保護が不十分となり、Clラジカルがサイドエッチ４０１やボーイング４０２の形成に消費されてエッチング深さが浅くなる。一方、ステージ温度が50℃以下では、CF系重合膜が孔または溝形状側面を保護することにより、Clラジカルがサイドエッチ４０１やボーイング４０２の形成に消費されない。このことによって孔または溝形状の底にClラジカルが到達しやすくなり、エッチング深さが深くなる。このような結果からステージ温度は50℃以下が望ましい。
【００３６】  以上のようにCl2ガスとCHF3ガスとO2ガスとCOSガスのそれぞれの流量およびその他パラーメータを適宜調整することにより、開口寸法拡大４０４、サイドエッチ４０１及びボーイング４０２を抑制しながらポリシリコン膜２０５のエッチングを進行させることが可能となる。
【００３７】  次に上述のポリシリコン膜２０５のエッチング後、ポリシリコン膜２０５をマスクとしてシリコン窒化膜２０４(ＳｉＮ)とシリコン酸化膜２０３(ＳｉＯ２)とシリコン窒化膜２０２(ＳｉＮ)を順次、エッチングしてウェーハ基板２０１上に孔または溝を形成する。
【００３８】  以上、本実施例により、ポリシリコン膜のマスク層を形成し、前記形成されたポリシリコン膜のマスク層を用いて被エッチング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、エッチング形状異常を抑制することができる。
【００３９】  また、本実施例では、ハロゲンガスとしてCl2ガスを使用したが、Cl2ガス以外にHBrガス、NF3ガス若しくはSF6ガス又はCl2ガスとHBrガスとNF3ガスとSF6ガスの各々のガスの組み合わせを用いても本実施と同様な効果を得ることが可能である。
【００４０】  また、本実施例ではフルオロカーボンガスとしてCHF3ガスを使用したが、CHF3ガス以外にCF4ガス、C4F8ガス、C5F8ガス、C4F6ガス、CH2F2ガスまたはCH3Fガスを用いても本実施と同様な効果を得ることが可能である。さらに上述したエッチング用ガスをN2ガス、Arガス、Heガス、XeガスまたはKrガス等の不活性ガスにより希釈しても本実施例と同等の効果を得ることが可能である。
【００４１】  また、サイドエッチ４０１とボーイング４０２を抑制するために酸素ガス(O2)による保護ステップと本実施例のドライエッチングステップを交互に実施するサイクルエッチングを行ってもよい。また、サイクルエッチングの有無に関わらず、ドライエッチングステップにおいて硫化カルボニルガス(COS)の流量を上述したガス全体量に対するCOSガスの流量割合を15〜35％の範囲で増減させてもよい。
【００４２】  また、硫化カルボニルガスの流量比はポリシリコン膜２０５のエッチングの進行に従って徐々に減少させるようにしてもよい。この場合、硫化カルボニルガスの流量比を減少させるタイミングは、ステップ毎に減少させても良いし、ステップ内で連続して減少させても良い。
【００４３】  さらに本実施例では図１に示した平行平板構造のＶＨＦエッチング装置を用いた一例を説明したが、ＣＣＰ（Ｃａｐａｓｉｔｉｖｅｌｙ  Cｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）、μ波ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）等の他のプラズマ源を用いたプラズマエッチング装置においても本実施例と同様な効果を得ることができる。
【００４４】  また、本実施例では、シリコン酸化膜２０６をマスク層としたが、シリコン酸化膜２０６の代わりにシリコン酸窒化膜、金属膜またはアモルファスカーボン膜をポリシリコン膜と共にマスク層に用いてもよい。
【００４５】  以上、本発明により、20以上の高アスペクト比の深い孔形状または深い溝形状をポリシリコン膜に形成するドライエッチング方法において、開口寸法を拡大させずに所望の深い孔形状または深い溝形状を形成することができる。
【符号の説明】
【００４６】１０１：ソース用電源１０２：ソース電磁波用整合器１０４：電磁石Ａ１０５：電磁石Ｂ１０６：エッチングチャンバー１０７：ガス導入口Ａ１０９：ガス導入口Ｂ１１１：ＶＨＦ放射アンテナ１１２：シャワープレート１１３：ウェーハ１１４：フォーカスリング１１５：サセプタ１１６：ウェーハステージ１１７：ＲＦバイアス整合器１１９：ＲＦバイアス電源１２０：バイアス経路制御機構１２１：ステージ温度制御手段２０１：ウェーハ基板２０２：シリコン窒化膜２０３：シリコン酸化膜２０４：シリコン窒化膜２０５：ポリシリコン膜２０６：シリコン酸化膜
【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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【国際調査報告】
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2020008703.tif 000013
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