(57)【要約】【課題】垂直性の高いホールを形成可能なプラズマエッチング方法、及び、半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】実施形態に係るプラズマエッチング方法は、Ｃ２Ｆ４を含むガスを用いており、プラズマの発生中において、ＣＦ２の発光強度がＣ２の発光強度の３．５倍以上である。【選択図】図１
2019050305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ２Ｆ４を含むガスを用いたプラズマエッチング方法であって、
プラズマの発生中において、ＣＦ２の発光強度がＣ２の発光強度の３．５倍以上であるプラズマエッチング方法。
【請求項２】
Ｃ２Ｆ４を含むガスを用いたプラズマ処理装置によって被加工膜に開口を形成する半導体装置の製造方法であって、
前記プラズマ処理装置の装置条件を設定する工程と、
プラズマを発生させて、マスクと、上面に前記マスクが設けられた前記被加工膜とをエッチングする工程と、
前記プラズマの発生中において、前記プラズマ処理装置内の生成物の発光強度を測定する工程と、
を備え、
前記プラズマ処理装置内において、ＣＦ２の発光強度がＣ２の発光強度の３．５倍以上である半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記生成物の発光強度は、発光分光法により測定される請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記プラズマ処理装置内の生成物の発光強度比を算出する工程をさらに備えた請求項２または３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記プラズマ処理装置の装置条件、及び、前記生成物の発光強度を記憶する工程と、
前記記憶された装置条件及び発光強度に基づいて、前記被加工膜を再度エッチングする工程と、
をさらに備えた請求項２から４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記プラズマ処理装置の装置条件は、チャンバ内の圧力、高周波電源の電力、及び、エッチングガスの種類の少なくともいずれかである請求項２から５のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記被加工膜はシリコン酸化膜であり、
前記マスクはカーボンマスクである請求項２から６のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、プラズマエッチング方法、及び、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置においては、エッチングにより絶縁膜に溝を形成して溝内に配線パターン等を形成する。絶縁膜のアスペクト比が高い場合、エッチングガスとして炭素（Ｃ）とフッ素（Ｆ）を含有するガスが用いられている。このようなエッチングガスを用いたパターン形成方法では、垂直性の高い溝を形成することが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２４３３６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実施形態の目的は、垂直性の高いホールを形成可能なプラズマエッチング方法、及び、半導体装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係るプラズマエッチング方法は、Ｃ２Ｆ４を含むガスを用いており、プラズマの発生中において、ＣＦ２の発光強度がＣ２の発光強度の３．５倍以上である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態に係るプラズマエッチングの方法を示すフロー図である。
【図２】実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。
【図３】マスク及び被加工膜における開口径を示す図である。
【図４】発光強度比と開口径との関係を示すグラフである。
【図５】参考例に係る被加工膜のエッチングの形態を示す図である。
【図６】実施形態に係る被加工膜のエッチングの形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００８】
（実施形態）  
図１は、本実施形態に係るプラズマエッチングの方法を示すフロー図である。
図２は、本実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。
本実施形態では、一例として、プラズマエッチングにより、マスクを用いて基板上の被加工膜に開口を形成する方法について説明する。被加工膜は、絶縁膜であって、例えば、シリコン酸化物を含む。被加工膜は、例えば、ＴＥＯＳ(tetraethoxysilane)を原料として形成される。被加工膜上には、例えば、エッチングマスクとなるカーボン膜が形成されている。
【０００９】
図１に示すように、加工装置の装置条件を作成する（ステップＳ１１０）。加工装置は、プラズマ処理装置である。
ここで、以下において、プラズマ処理装置１００の構成例を説明する。
図２に示すように、プラズマ処理装置１００には、チャンバ１と、下部電極２と、整合器３と、第１電源部４と、第２電源部５と、保持部６と、解析部２０と、演算部３０と、が設けられている。基板を含むウェーハＷがチャンバ１内の保持部６に保持される。
【００１０】
下部電極２は、第１電源部４及び第２電源部５に整合器３を介して接続されている。例えば、第１電源部４は、１００ＭＨｚの周波数を有する高周波電源であって、第２電源部５は、４００ＫＨｚの周波数を有する高周波電源である。例えば、第２電源部５より第１電源部４を高い周波数にすることで、下部２周波重畳用のプラズマ処理装置１００が構成される。
【００１１】
整合器３は、マッチングボックスであって、整合器３によってインピーダンスが整合される。整合器３の整合によって、第１電源部４及び第２電源部５から重畳された電力が下部電極２に印加される。
【００１２】
下部電極２に電力が印加されることでチャンバ１内にプラズマＰが発生する。例えばチャンバ１に接続された配管（図示せず）を介して、エッチングガスが供給される。エッチングガスとして、炭素とフッ素を含有するガス（フルオロカーボン系ガス）が用いられる。フルオロカーボン系ガスは、例えば、テトラフルオロエチレン（Ｃ２Ｆ４）を含むガスである。エッチングガスとして、アルゴン（Ａｒ）を含んでも良い。
【００１３】
プラズマＰの発生によって、プラズマＰ内の活性化原子（ラジカル）と、被加工膜内の材料との化学反応により揮発性化合物が生成される。この揮発性化合物の発生によってマスクから露出した被加工膜がエッチングされ、被加工膜に開口が形成される。つまり、ウェーハＷ上の被加工膜にマスクパターンと同じ開口（ホール）が形成される。
【００１４】
解析部２０は、例えば、発光分光法によって解析する装置である。解析部２０は、例えば、ＯＥＳ（Optical Emission Spectrometry）装置である。解析部２０は、プラズマエッチング中（つまり、プラズマの発生中）において、チャンバ１内の生成物（ラジカル）の発光強度を測定する。発光強度は、例えば各生成物の発光波長から算出する。例えば、エッチングガスとしてＣ２Ｆ４を含むガスを用いた場合、チャンバ１内にはＣＦ２ラジカルとＣ２ラジカルが発生する。解析部２０は、ＣＦ２ラジカルとＣ２ラジカルの発光波長からそれぞれの発光強度を測定する。例えば、ＣＦ２ラジカルの発光波長は２５１．８ｎｍであって、Ｃ２ラジカルの発光波長は５１６．５ｎｍである。なお、発光強度の単位は任意単位である。
【００１５】
演算部３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を有するコンピュータである。演算部３０は、解析部２０で測定した各ラジカルの発光強度に基づいて、チャンバ１内の生成物の発光強度比を算出する。例えば、エッチングガスとしてＣ２Ｆ４を含むガスを用いた場合、チャンバ１内にはＣＦ２ラジカルとＣ２ラジカルが発生し、演算部３０は、生成物の発光強度比（ＣＦ２／Ｃ２）を算出する。
【００１６】
本実施形態において演算部３０は、プラズマ処理装置１００の装置条件を記憶する。また、演算部３０は、解析部２０が測定した発光強度や、算出した発光強度比を記憶する。例えば、プラズマ処理装置１００は、装置条件、発光強度及び発光強度比を記憶する記憶部を演算部３０とは別に設けても良い。
【００１７】
プラズマ処理装置１００には、チャンバ１内の各要素（例えば、下部電極２、整合器３、第１電源部４、第２電源部５、保持部６）の動作を制御する制御部が設けられても良い。この場合、制御部は、解析部２０及び演算部３０の動作を制御する。
【００１８】
図１のステップＳ１１０において、プラズマ処理装置の装置条件は、絶縁膜のエッチングに影響するパラメータの設定に相当する。例えば、プラズマ処理装置の装置条件とは、チャンバ内の圧力を７〜２０ｍＴｏｒｒに設定することである。例えば、プラズマ処理装置の装置条件とは、１００ＭＨｚの周波数を有する第１電源部４の電力を８００〜１６００Ｗに設定することである。例えば、プラズマ処理装置の装置条件とは、エッチングガスとして、Ｃ２Ｆ４とＡｒを含むガスを用いることに相当する。
【００１９】
次に、エッチング処理を開始する（ステップＳ１２０）。例えば、プラズマ処理装置１００において下部電極２に電力が印加される。
次に、プラズマを発生させる（ステップＳ１３０）。例えば、プラズマ処理装置１００においてチャンバ１内にプラズマＰが発生する。
【００２０】
次に、プラズマエッチング中において、生成物の発光波長から発光強度を測定する（ステップＳ１４０）。例えば、ＯＥＳ装置等の解析部２０は、プラズマエッチング中において、チャンバ１内の生成物の発光波長から発光強度を測定する。例えば、エッチングガスとしてＣ２Ｆ４を含むガスを用いた場合、チャンバ１内にはＣＦ２ラジカルとＣ２ラジカルが発生し、解析部２０は、ＣＦ２ラジカルとＣ２ラジカルの発光強度を測定する。
【００２１】
次に、生成物の発光強度を保存する（ステップＳ１５０）。例えば、演算部３０は、解析部２０が測定した発光強度を記憶する。
【００２２】
次に、生成物の発光強度比を算出する（ステップＳ１６０）。演算部３０は、チャンバ１内の生成物の発光強度比を算出する。例えば、エッチングガスとしてＣ２Ｆ４を含むガスを用いた場合、チャンバ１内にはＣＦ２ラジカルとＣ２ラジカルが発生し、演算部３０は、生成物の発光強度比（ＣＦ２／Ｃ２）を算出する。
【００２３】
次に、生成物の発光強度比と、マスク及び被加工膜における開口径との関係について説明する。
図３は、マスク及び被加工膜における開口径を示す図である。
図４は、発光強度比と開口径との関係を示すグラフである。
図３に示すように、基板４０上に被加工膜５０が設けられ、被加工膜５０上にマスク６０が設けられている。例えば、基板４０は、シリコン基板である。
【００２４】
例えば、被加工膜５０はシリコン酸化膜であって、マスク６０はカーボンマスクである。マスク６０の開口の径は、例えば、１００ｎｍである。なお、マスク６０のファセット部の変曲点の開口径ＣＤ１をＴｏｐＣＤ（Top Critical Dimension）とする。被加工膜５０に形成されたホール開口径の最大値ＣＤ２をＢｏｗＣＤ(Bowing Critical Dimension)とする。
【００２５】
図４において、エッチングガスとしてＣ２Ｆ４を含むガスを用いた場合、生成物の発光強度比（ＣＦ２／Ｃ２）と、開口の径との関係が示されている。縦軸及び横軸は、開口径ＣＤ（ｎｍ）及び発光強度比Ｒをそれぞれ示している。線Ｌ１は、発光強度比に対するマスク６０のＴｏｐＣＤを示している。線Ｌ２は、発光強度比に対する被加工膜５０のＢｏｗＣＤを示している。なお、本実施形態において、Ｃ２ラジカルはマスク開口を閉塞する方向にはたらく。一方で、ＣＦ２ラジカルは被加工膜のホール内壁に付着し、内壁保護にはたらく。すなわち、ＣＦ２ラジカルはＣＤ２拡大の抑制（Bowing抑制）にはたらく。
【００２６】
図４の線Ｌ１から、発光強度比Ｒが大きくなると、マスク６０のＴｏｐＣＤも大きくなることが分かった。一方、図４の線Ｌ２から、被加工膜５０のＢｏｗＣＤは、概ね一定であることが分かった。これは、処理条件に対してＣＦ２ラジカルの生成量は一定となるがＣ２ラジカルの生成量が減少するので、発光強度比が大きくなる。すなわち、Ｃ２ラジカルの減少によりマスク６０のＴｏｐＣＤが広がって被加工膜５０のＢｏｗＣＤが概ね一定になると考えられる。
【００２７】
図４の線Ｌ１及び線Ｌ２の交点Ｃから、発光強度比Ｒが３．５未満（たとえば２．７）であるとマスク６０がＣ２ラジカルにより閉塞し、ＣＤ１＜ＣＤ２となることが分かった。ＣＤ１＜ＣＤ２となると、被加工膜のエッチングレートが大きく低下し、垂直性の高いホール形状を保てなくなる虞がある。
【００２８】
また、上述のように図４の線Ｌ１及び線Ｌ２の交点である交点Ｃから、発光強度比Ｒが３．５以上であれば、ホールのＢｏｗＣＤが概ね一定であり垂直性の高いホール形状を被加工膜５０に形成できることが分かった。つまり、ＣＦ２ガスの発光強度がＣ２ガスの発光強度の３．５倍以上であれば、垂直性の高いホール形状が被加工膜５０に形成される。例えば、発光強度をそれぞれ表すＣＦ２信号及びＣ２信号において、プラズマエッチング中にＣＦ２信号がＣ２信号の３．５倍以上であれば、垂直性の高いホール形状が被加工膜５０に形成される。
【００２９】
図５は、参考例に係る被加工膜のエッチングの形態を示す図である。
図６は、実施形態に係る被加工膜のエッチングの形態を示す図である。
図５に示すように、エッチングにより被加工膜５０に溝を形成する場合、被加工膜５０のアスペクト比が高いと、エッチングガスとしてヘキサフルオロ−１，３−ブタジエン（Ｃ４Ｆ６）を含むガスが用いられている。エッチングガスとしてＣ４Ｆ６ガスを用いると、チャンバ１内には、ＣＦ２ラジカルとＣ２ラジカルが発生する。ＣＦ２ラジカルは、被加工膜５０のＢｏｗＣＤの広がりを抑制する。一方、マスク６０の閉塞に起因するＣ２の生成量が増加するので、チャンバ１内にＯ２ガスを加えることで、マスク６０上部のＣ２の堆積量を減らしてマスク６０の閉塞を抑制している。
【００３０】
しかしながら、チャンバ１内にＯ２ガスを加えると、ＣＦ２とＯ２が化学反応を起こしてＣＯＦｘが生成する。したがって、溝の内壁面を保護するＣＦ２がこの反応により除去され、ＣＦ２の堆積量が減少する虞がある。これにより、被加工膜５０のＢｏｗＣＤが広がって、被加工膜５０に形成される溝の垂直性が低下する場合がある。
【００３１】
本実施形態に係るプラズマエッチング方法では、エッチングガスとしてＣ２Ｆ４を含むガスを用いており、プラズマの発生中において、ＣＦ２ラジカルの発光強度がＣ２ラジカルの発光強度の３．５倍以上である。このようにＣＦ２及びＣ２の発光強度比Ｒが３．５以上であれば、図４に示したように、被加工膜５０のＢｏｗＣＤが概ね一定となる。
【００３２】
図６に示すように、本実施形態においてエッチングガスとしてＣ２Ｆ４ガスを用いると、Ｃ４Ｆ６ガスと比較してＣ２ラジカルの生成量を少なくすることができる。したがって、マスク６０の閉塞を抑制するためのＯ２ガスを加えなくても良いので、ＣＦ２とＯ２が化学反応を起こしてＣＯＦｘが生成しない。したがって、溝の内壁面を保護するＣＦ２が除去され難くなって、ＣＦ２ラジカルの堆積量が減少することを抑制する。これにより、被加工膜５０のＢｏｗＣＤの広がりを抑制し、被加工膜５０に形成される溝の垂直性が向上する。
【００３３】
以上説明した実施形態によれば、垂直性の高いホールを形成可能なプラズマエッチング方法、及び、半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００３４】
前述したように、一例として、プラズマエッチングにより、マスク６０を用いて基板４０上の被加工膜５０に開口を形成する方法について説明した。本実施形態に係るプラズマエッチング方法は、例えば、半導体装置の製造方法などに応用できる。例えば、３次元構造の半導体記憶装置ではメモリセルの密度が高くなるにつれて微細化が進み、アスペクト比が高い絶縁膜等にパターン形成する場合がある。このようなパターン形成に適用しても良い。これにより、マスク選択比を高くしてＢｏｗＣＤの広がりを抑制することができる。
【００３５】
本実施形態に係るプラズマエッチング方法では、図１のステップＳ１４０〜Ｓ１６０で述べたように、解析部２０は、生成物の発光波長から発光強度を測定し、演算部３０は、生成物の発光強度比を算出している。そして、図４に示したように、プラズマ処理装置１００の所定の装置条件（例えば、チャンバ内の圧力、電源部の電力、及び、エッチングガスの種類）に基づいて、発光強度比Ｒが３．５以上であれば、マスク６０がＣ２により閉塞せずに、被加工膜５０のＢｏｗＣＤが概ね一定となるような垂直性の高い溝を被加工膜５０に形成できることになる。本実施形態では、このような装置条件に基づいて算出された発光強度比Ｒによってプラズマエッチングを実施できる。
【００３６】
また、プラズマ処理装置１００の装置条件、及び、演算部３０によって算出された発光強度比Ｒは、図１のステップＳ１６０の後にフィードバックされて調整され、その後のプラズマエッチング処理に適用されて実施されても良い。
【００３７】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３８】
１：チャンバ、２：下部電極、３：整合器、４：第１電源部、５：第２電源部、６：保持部、２０：解析部、３０：演算部、４０：基板、５０：被加工膜、６０：マスク、１００：プラズマ処理装置、Ｃ：交点、ＣＤ：開口径、ＣＤ１：変曲点、ＣＤ２：最大値、Ｌ１、Ｌ２：線、Ｐ：プラズマ、Ｒ：発光強度比、Ｗ：ウェーハ
【図１】
2019050305.tif 000003
【図２】
2019050305.tif 000004
【図３】
2019050305.tif 000005
【図４】
2019050305.tif 000006
【図５】
2019050305.tif 000007
【図６】
2019050305.tif 000008