(57)【要約】【課題】エッチング速度の変動が少ないエッチングパラメータが得られるプラズマエッチングの試行方法を提供する。【解決手段】Ｈｉｇｈ−ｋ膜を有する半導体デバイスのエッチング条件出しを行う過程において、真空チャンバー内にプロセスガスを供給して処理台に載置されたウェハ基盤のエッチング形状の変動が少なくなるように、エッチングパラメータを最適化しながら、前記ウェハ基盤をプラズマ処理するプラズマエッチングの際に、前記エッチングパラメータとして複数種類のパラメータを設定し、この中の特定パラメータを選択し、この特定パラメータを変化させながらプラズマ処理を加速試行することを特徴とする。半導体デバイスにおいて、チャンバーコンディションの影響を受け難く、変動の少ない安定したエッチング速度が得られるエッチングパラメータを抽出することができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバー内にプロセスガスを供給して処理台に載置されたウェハ基盤のエッチング速度の変動が少なくなるように、エッチングパラメータを最適化しながら、前記ウェハ基盤をプラズマ処理するプラズマエッチングの試行方法において、
前記エッチングパラメータとして複数種類のパラメータを設定し、この中の特定パラメータを選択し、この特定パラメータを変化させながらプラズマ処理を加速試行することを特徴とするプラズマエッチングの試行方法。
【請求項２】
請求項1に記載のプラズマエッチングの試行方法において、前記特定パラメータとして前記ウェハ基盤のエッチング面積を選択し、このエッチング面積を変化させてプラズマ処理を加速試行することを特徴とするプラズマエッチングの試行方法。
【請求項３】
請求項1に記載のプラズマエッチング試行方法において、前記特定パラメータとして前記チャンバー内の温度を選択し、この温度を変化させてプラズマ処理を加速試行することを特徴とするプラズマエッチングの試行方法。
【請求項４】
請求項1に記載のプラズマエッチング試行方法において、前記特定パラメータとしてチャンバー洗浄を選択し、この洗浄前と洗浄後でプラズマ処理を加速試行することを特徴とするプラズマエッチングの試行方法。
【請求項５】
請求項1に記載のプラズマエッチング試行方法において、前記特定パラメータとして前記チャンバー内の温度と前記プロセスガスの供給量を選択し、前記チャンバー内の温度とプロセスガスの所定供給量を変化させてプラズマ処理を加速試行することを特徴とするプラズマエッチングの試行方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｈｉｇｈ−ｋ膜（高誘電率ゲート絶縁膜）を有する半導体デバイスにおいて、連続プラズマ処理における加工速度（加工量）の変動を抑えるエッチングパラメータを得るための、プラズマエッチング試行方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの加工寸法幅は年々微細化しており、プラズマエッチング処理装置に対する加工精度は厳しくなってきている。一方、プラズマエッチング処理装置によりウエハを処理して得られる加工形状は、チャンバー内のプラズマやラジカルのコンディションにしたがって変動するため、できるだけ一定に保つ必要がある。
【０００３】
特にウエハをエッチングする際に生成される反応生成物やラジカルは、排気系により排出できるが、前記反応生成物は、ウエハの処理を重ねるにしたがって徐々にチャンバー内に堆積し、チャンバー内表面のコンディションを変化させる。
【０００４】
従来、これらの問題に対しては、チャンバー内の堆積物をプラズマによって除去するプラズマクリーニングや、チャンバー内温度を制御することで、チャンバー内のコンディションの変化を抑えていた。プラズマクリーニングの例として、例えば特許文献1に、クリーニングや処理前クリーニングを実施した後に、再びチャンバー内表面にポリマー被膜を堆積させてエッチング処理を安定化させることが示されている。また、チャンバー内温度を制御例として、特許文献２には、チャンバー内のプラズマ処理履歴に従って予め設定した処理時間生成し、チャンバーの内表面を加熱して内表面温度を制御する方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００３−５１８３２８号公報
【特許文献２】特開２００５−２４４０６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように従来から、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を有する半導体デバイスにおいて、エッチング速度（削れ量）を最適なエッチング条件で処理を行うためには、チャンバーコンディションを整えるためのクリーニングや、処理前クリーニングを実施することが重要である。図１は、連続処理における処理フローの一例を示す図である。まず、チャンバー内の堆積物除去やチャンバー内壁の温度を上げることを目的としたクリーニングを実施し、その後、半導体デバイスを加工する前のコンディション合せのためのウエハ無しによる処理前クリーニングを繰り返すことで、安定したエッチング速度でエッチング形状を安定させ、所定のエッチング精度の維持を可能としていた。
【０００７】
しかしながら、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を有する半導体デバイスにおいて、連続処理における安定したエッチング速度を維持するためには、エッチング条件（エッチングパラメータ）の最適な合せ込みが必要とされる。すなわち、エッチング条件によっては、加工する際に発生する堆積物の量や組成が変化するため、チャンバーコンディションに影響を与え、その度にクリーニングや処理前クリーニングの適正化を必要とし、歩留まり悪化の障害となる恐れがある。
【０００８】
本発明は、半導体デバイスのプラズマエッチングの連続処理で、チャンバーコンディションの影響を受け難く、エッチング速度の変動が少ないエッチングパラメータが得られるプラズマエッチングの試行方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記課題を解決する為に、真空チャンバー内にプロセスガスを供給して処理台に載置されたウェハ基盤のエッチング速度の変動が少なくなるように、エッチングパラメータを最適化しながら、前記ウェハ基盤をプラズマ処理するプラズマエッチングの試行方法において、
前記エッチングパラメータとして複数種類のパラメータを設定し、この中の特定パラメータを選択し、この特定パラメータを変化させながらプラズマ処理を加速試行することを特徴とする。
【００１０】
また、上記のプラズマエッチングの試行方法において、前記特定パラメータとして前記ウェハ基盤のエッチング面積を選択し、このエッチング面積を変化させてプラズマ処理を加速試行することを特徴とする。
【００１１】
また、上記のプラズマエッチング試行方法において、前記特定パラメータとして前記チャンバー内の温度を選択し、この温度を変化させてプラズマ処理を加速試行することを特徴とする。
【００１２】
また、上記のプラズマエッチング試行方法において、前記特定パラメータとしてチャンバー洗浄を選択し、この洗浄前と洗浄後でプラズマ処理を加速試行することを特徴とする。
【００１３】
また、上記のプラズマエッチング試行方法において、前記特定パラメータとして前記チャンバー内の温度と前記プロセスガスの供給量を選択し、前記チャンバー内の温度とプロセスガスの所定供給量を変化させてプラズマ処理を加速試行することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、半導体デバイスにおいて、チャンバーコンディションの影響を受け難く、変動の少ない安定したエッチング速度が得られるエッチングパラメータを抽出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一般的なプラズマエッチング処理手順を示すフロー図。
【図２】本発明実施例のプラズマエッチング装置の断面図。
【図３】同じくフッ素系ガスとエッチング面積とエッチング量の関係を示す特性図。
【図４】同じくエッチング処理枚数とチャンバー内温度の関係の特性図。
【図５】同じくガス流量とチャンバー内温度とエッチング量の関係の特性図。
【図６】同じくフッ素系ガスとエッチング処理枚数とエッチング量の関係の特性図。
【図７】同じく処理ガスへの酸素添加量とチャンバー洗浄前後とＣＤバイアスの関係の特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
プラズマ生成部を形成する真空容器にハロゲン系ガスあるいはフッ素系ガスを含む処理ガスを供給し、プラズマを生成し処理を行うエッチング処理方法において、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を有する半導体デバイスによりチャンバー内に堆積する反応生成物量、チャンバー温度、チャンバー洗浄、被エッチング面積などの変化によってエッチング性能の変動が少ないエッチング条件を見極めることで達成することができる。
【００１７】
以下、本発明の実施例を図２ないし図７により説明する。図２は、本発明で適用するＥＣＲプラズマエッチング装置の概略図を示したものである。ソース電源１０１から発振されたソース波（マイクロ波あるいはＲＦ波）は、透過板１０２を通過して真空チャンバー１００の処理室内に到達し、ソレノイドコイル１０３が発生する磁界との相乗作用により、プロセスガスを伴ってＥＣＲ（Electron  Cyclotron  Resonance…電子サイクロトロン共鳴）を引き起こし、高密度なプラズマ１０４が処理室内に発生する。処理室内は透過板１０２とアース電極１０５と処理台１０６の上にはウエハ基盤１０７が戴置され、ウエハ基盤１０７と透過板１０２の間にプラズマ１０４が生成される。
【００１８】
プロセスガスは、選択的にガスボンベ１１３と１１４から切替えバルブ１１７と流量制御バルブ１１８を経て真空チャンバー１００の処理室内に所定量が供給される。すなわち、必要な種類のプロセスガスが、切替えバルブ１１７で切替えられて供給され、必要な流量のプロセスガスが、流量制御バルブ１１８によって調整されて供給される。また、真空チャンバー１００の処理室は、温度調整用電源１１６を介して図示しないヒータ等によって適切な温度に調整され、上記各部は制御部１１５からの指令によって制御される。
【００１９】
高密度プラズマ１０４が処理室に発生した後、ウエハ基盤１０７は、静電吸着電源１０８により直流電圧の印加された処理台１０６に静電吸着される。また、この処理台１０６は処理台１０６を温調するための冷媒温度コントローラー１０９と高周波電源１１０が接続しており、高周波バイアス電圧が処理台１０６に印加され、高密度プラズマ中に局在するイオンに、ウエハ基盤方向側（下向き）へ加速電位を与えることにより一般的な通常のエッチング処理が開始される。
【００２０】
また、プロセス処理中は、真空ポンプおよびターボ分子ポンプ１１１ならびに該ターボ分子ポンプとの間に設けたバリアブル・バルブ１１２から構成される排気構造により処理室内の圧力を調圧可能としている。
【００２１】
以下、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を有する半導体デバイス（ウエハ基盤）に対する、チャンバーコンディションの影響を受け難いエッチングパラメータを求める実施例を説明する。エッチングパラメータは、実際に通常のエッチング処理がなされる装置を用いてプラズマ処理を試行して求めないと意味がないので、図２の装置で試行を行なう。
【００２２】
（実施例1）
Ｈｉｇｈ−ｋ膜を有する半導体デバイスにおいて、チャンバーコンディション変動が発生する要因の一つとして、被エッチング面積の違いが考えられる。一般的に被エッチング面積が小さくなるに従いエッチング速度（削れ量）は上昇する傾向にあり、被エッチング面積が大きくなるに従いエッチング速度は低下する。
【００２３】
そこで、図２でエッチングパラメータとして、被エッチング面積、プロセスガスの種類、プロセスガスの供給量、チャンバー内温度およびチャンバーの洗浄などを、実際に通常のエッチング処理がなされる場合に沿って設定する。そして、この中の特定パラメータとして被エッチング面積とプロセスガスの種類を選択する。
【００２４】
先ず、被エッチング面積２０、５０、８０％に相当する複数のウェハ基盤（ポリシリコン）１０７を処理台１０６に載せてチャンバー１００を閉じた後、制御部１１５の指示でプロセスガスとしてガスボンベ１１３からＳＦ６＋ＣＨＦ３の混合ガスを供給し、１回目のエッチング処理を所定時間試行する。次いで、上記ウェハ基盤１０７を取出して、新たな被エッチング面積２０、５０、８０％に相当する複数のウェハ基盤（ポリシリコン）１０７を処理台１０６に載せてチャンバー１００を閉じた後、制御部１１５の指示でプロセスガスとしてガスボンベ１１４からＳＦ６＋ＣＨＦ３＋ＣＦ４の混合ガスを供給し、２回目のエッチング処理を１回目と同一の所定時間だけ試行する。次いで、１回目と２回目の試行後のウェハ基盤１０７について、ポリシリコン削れ量を測定し、この削れ量の変化によりエッチング速度の変動が確認される。なお、上記では、被エッチング面積２０、５０、８０％に相当する複数のウェハ基盤１０７を同時に処理台１０６に載せるとしているが、別々に載せても良い。
【００２５】
上記２回のプラズマ処理の加速試行の結果を図３に示す。図３では、ＳＦ６＋ＣＨＦ３の混合ガスとＳＦ６＋ＣＨＦ３＋ＣＦ４の混合ガスを用いた場合の被エッチング面積２０、５０、８０％におけるポリシリコン削れ量の依存性を示した図である。例えば、ＳＦ６ガス１７ｍＬ／ｍｉｎ、ＣＨＦ３ガス１７０ｍＬ／ｍｉｎのエッチング条件と、ＳＦ６ガス４ｍＬ／ｍｉｎ、ＣＨＦ３ガス    ｍＬ／ｍｉｎ、ＣＦ４ガス１５０ｍＬ／ｍｉｎの処理条件を比較した。なお、他のエッチングパラメータとして、処理圧力は０．８Ｐａ、ソース電力は５００Ｗ、高周波電力は２５Ｗとした。
【００２６】
傾向をみると、被エッチング面積８０％では、ガス種が変わってもポリシリコン削れ量の変動が少なく（エッチング速度の変動が少ない）、被エッチング面積２０、５０、８０％についてみると、ＳＦ６＋ＣＨＦ３＋ＣＦ４の混合ガスの場合が、他のガス種よりポリシリコンの削れ量すなわち、エッチング速度の変動が小さく、抑制されている。ここから、エッチング速度の変動が少ないエッチングパラメータとして、「被エッチング面積８０％」と、「ＳＦ６＋ＣＨＦ３＋ＣＦ４の混合ガス」のパラメータが得られる。
【００２７】
（実施例２）
続いて、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を有する半導体デバイスにおいて、他のチャンバーコンディション変動が発生する要因の一つとして、チャンバー内温度が考えられる。図４に連続放電におけるチャンバー内温度の示す。連続放電を行うことでチャンバー内温度を一定に保つことは可能だが、放電開始直後はアイドリング時間などの影響によりチャンバー温度が低下する現象が見られる。放電開始直後の温度を高める手段として、プラズマ放電などによりチャンバー内温度を高めることは既に実施されているが、チャンバー温度の影響を受け難いエッチング条件について説明する。
【００２８】
本実施例では、例えば、被エッチング材として、マスク加工として用いられる酸化膜のエッチング処理の加速試行について説明する。実施例１と同様に図２で複数のエッチングパラメータを、実際に通常のエッチング処理がなされる場合に沿って設定する。そして、この中の特定パラメータとしてチャンバー内温度とプロセスガスの供給量を選択する。
【００２９】
本実施例では、真空チャンバー１００の中の酸化膜を次々と新たなものに代えながら、チャンバー内温度の８０、１００、１２０℃と、ガス流量の１００ｍ、２００ｍＬ／ｍｉｎとの各組合せで、複数のエッチング処理を加速的に試行する。チャンバー内温度は、制御部１１５の指示で温度調整用電源１１６を介して制御され、プロセスガスの供給量は、制御部１１５の指示で流量制御バルブ１１８により制御される。そして、上記各組み合わせで加速試行がなされた多数の酸化膜の削れ量を測定し、この削れ量の変化によりエッチング速度の変動が確認される。
【００３０】
図５は、酸化膜のエッチング処理において、処理圧力は０．４Ｐａ、ソース電力は５００Ｗ、高周波電力５０Ｗの処理条件で、ＳＦ６ガス＋ＣＨＦ３ガスのトータル流量を変更した場合の実施例である。ＳＦ６ガス＋ＣＨＦ３の混合ガスのトータルガス流量を変更した場合のチャンバー内温度と、酸化膜エッチング速度の依存性を示した特性図であり、チャンバー内温度８０、１００、１２０℃の場合を示している。図５をみると、酸化膜エッチング速度は、ＳＦ６ガス＋ＣＨＦ３の混合ガスのトータルガス流量を１００ｍＬ／ｍｉｎ（ＳＦ６ガス１０ｍＬ／ｍｉｎ＋ＣＨＦ３ガス９０ｍＬ／ｍｉｎ）から、２倍の２００ｍＬ／ｍｉｎ（ＳＦ６ガス２０ｍＬ／ｍｉｎ＋ＣＨＦ３ガス１８０ｍＬ）にすることで、チャンバー内温度変動による影響が少なく、トータルガス流量を増加させることで膜エッチング速度の変動を抑制することができる。なお、トータルガス流量を２倍以上の領域はチャンバー内の安定した処理圧力制御が困難となるが、トータルガス流量２００ｍＬ／ｍｉｎと同等な酸化膜エッチング速度を得ることは可能と予測される。
【００３１】
上記から、エッチング速度の変動が少ないエッチングパラメータとして、「ＳＦ６ガス＋ＣＨＦ３の混合ガスのトータルガス流量２００ｍＬ／ｍｉｎ」のパラメータが得られる。
【００３２】
（実施例３）
前記実施例１と実施例２の加速試行で得られたエッチング条件（エッチングパラメータ）を用い、チャンバー内温度の変化を伴う４００枚連続処理時のポリシリコンエッチング速度依存性の特性を、図６に示す。本試験を実施するにあたり、チャンバー内の堆積物をリセットするためにチャンバー洗浄を実施した。連続処理中はシリコンウエハを用い製品ウエハと同様なガス種にてコンディショニング作りを実施し、図１に示すエッチング手順にて連続処理を実施した。
【００３３】
ＳＦ６＋ＣＨＦ３の混合ガス条件では、連続処理開始直後のポリシリコンエッチング速度はチャンバー内温度（処理枚数に連動）の影響を受けるが、ポリシリコンエッチング速度の変動は小さいことが判る。ＳＦ６＋ＣＨＦ３＋ＣＦ４の混合ガス条件では、チャンバー内温度の変動（処理枚数に連動）に対しても影響を受け難く、ポリシリコンエッチング速度の変動はかなり小さいことが判る。なお、被エッチング面積の影響を受け難いエッチング処理方法は、フッ素系ガスを含まないエッチング条件との組み合わせにおいても有効である。ここで、エッチング速度の変動が少ないエッチングパラメータとして、「ＳＦ６＋ＣＨＦ３＋ＣＦ４の混合」のパラメータが得られる。
【００３４】
（実施例４）
また、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を有する半導体デバイスにおいて、チャンバー洗浄の有無によりエッチング速度の変動も考えられる。連続処理によりチャンバー内に付着した堆積物を除去するため、チャンバー内を大気開放してその表面に付着した堆積物を除去、もしくは洗浄された部品への交換が行われることにより、チャンバーコンディションが変わるので、エッチング速度の変動が発生する。
【００３５】
本実施例では、各エッチングパラメータのうち特定パラメータとしてチャンバーの洗浄と、プロセスガスへのＯ２ガス添加量を選択する。図２において、真空チャンバー１００内のウェハ基盤を新たなものに代えながら、上記チャンバーの洗浄の条件（洗浄前、洗浄後）とＯ２ガスの各添加量との組合せで、複数のプラズマ処理を加速的に試行する。施行後はウェハ基盤を取り出してエッチング速度としてＣＤ（Critical Dimension）バイアス幅を測定し、この測定量の変化によりエッチング速度の変動が確認される。
【００３６】
例えば、ＣＨＦ３ガス６５ｍＬ／ｍｉｎとＣＦ４ガス６５ｍＬ／ｍｉｎの混合ガスで、処理圧力は２．０Ｐａ、ソース電力は６００Ｗ、高周波電力は４０Ｗの処理条件において、Ｏ２ガス添加量を変更しプラズマ処理を試行した場合の実施結果を、図７を用いて説明する。
【００３７】
図７はＣＨＦ３ガス＋ＣＦ４ガスの混合ガスにＯ２ガス添加量を０、５、１０ｍＬ／ｍｉｎと変更した場合のチャンバー洗浄前後におけるＣＤバイアス依存性を示した図である。図７からＯ２ガス添加量を増加させることで、チャンバー洗浄前後におけるＣＤバイアス変動幅は小さくなり（エッチング速度の変動が少ない）、チャンバー洗浄による影響を受け難いことが理解できる。なお、Ｏ２ガス１０ｍＬ／ｍｉｎ以上の範囲においては、エッチング性能は安定するが、悪化（エッチング速度が小さい）が懸念されるので、実施していない。
【００３８】
上記から、本実施例では、エッチング速度の変動が少ないエッチングパラメータとして、「Ｏ２ガス添加量の増加」のパラメータが得られる。
【００３９】
以上のように、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を有する半導体デバイスのエッチング条件出しを行う過程において、チャンバーコンディションの影響を受け難いエッチング条件を見極めることで、クリーニングや処理前クリーニング条件の変更を伴わず、安定したエッチング速度のエッチングパラメータを得ることができる。
【００４０】
上記各実施例は、ＥＣＲプラズマ方式の装置について説明したが、本発明はこれに限らず、反応式イオンエッチング、マグネトロンエッチング、誘導結合型プラズマエッチング等の処理装置による処理に応用可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１００…真空チャンバー、１０１…ソース電源、１０２…透過板、１０３…ソレノイドコイル、１０４…高密度プラズマ、１０５…アース電極、１０６…処理台、１０７…ウエハ基盤、１０８…静電吸着電源、１０９…冷媒温度コントローラー、１１０…高周波電源、１１１…ターボ分子ポンプ、１１２…バリアブル・バルブ、１１３、１１４…ガスボンベ、１１５…制御部、１１６…温度調整用電源、１１７…切り替えバルブ、１１８…流量制御バルブ。
【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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