(57)【要約】【課題】本発明は、ポリマー膜を除去する際のシリコン削れを低減できるプラズマ処理方法を提供する。【解決手段】本発明は、フッ素原子を含有する堆積膜をプラズマ処理により除去するプラズマ処理方法において、酸素原子含有ガスとシリコン原子含有ガスの混合ガスを用いたプラズマにより前記フッ素原子を含有する堆積膜を除去することを特徴とする。【選択図】図２
2015216287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フッ素原子を含有する堆積膜をプラズマ処理により除去するプラズマ処理方法において、
酸素原子含有ガスとシリコン原子含有ガスの混合ガスを用いたプラズマにより前記フッ素原子を含有する堆積膜を除去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、
前記酸素原子含有ガスは、Ｏ2ガス、ＣＯ2ガス、ＣＯガス、ＳＯ2ガス、ＮＯ2ガス、またはＮ2Ｏ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、
前記シリコン原子含有ガスは、ＳｉＦ4ガス、ＳｉＣｌ4ガスまたはＳｉＨＣｌ3ガス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、
前記堆積膜は、フルオロカーボンガスを用いたプラズマ処理により生成され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、
前記フルオロカーボンガスは、ＣＨ2Ｆ2ガス、ＣＨ3Ｆガス、Ｃ2Ｆ6ガス、Ｃ3Ｆ8ガス、Ｃ4Ｆ8ガス、またはＣ5Ｆ8ガスであることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項６】
Ｆｉｎ  ＦＥＴ構造を形成するためにシリコンに対してシリコン窒化膜を選択的にプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、
疎部のパターンは、堆積膜を堆積させてエッチングより堆積が優位であるとともに密部のパターンは、エッチングが優位であるエッチング処理にて密部のパターンのシリコン窒化膜を除去し、
前記堆積膜を除去した後、前記疎部のパターンのシリコン窒化膜を除去す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、プラズマエッチングに係るプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの高集積化に伴い、高アスペクト比および疎密差が大きいパターンを有する半導体デバイスに対するプラズマエッチング技術が求められている。半導体デバイスには、一般的には絶縁材としてシリコン窒化膜やシリコン酸化膜などの絶縁膜が用いられており、これらを高精度にエッチングするドライエッチング技術が必要である。
【０００３】
表面上にシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、基板シリコンおよび多結晶シリコン膜等が露出したウエハからシリコン窒化膜のみを選択的に除去するドライエッチング工程においては、一般にはＣxＨyＦz（Ｘ≧１、Ｙ≧０、Ｚ≧０）ガスをエッチング用ガスとして用いる。このガスを用いると、ウエハ表面上やチャンバー内壁には主に炭素原子とフッ素原子を含むポリマー膜（以下、ポリマー膜と称する）が生成される。エッチング途中にこのポリマー膜が形成された場合はその後のエッチングステップへ影響を及ぼすため、このポリマー膜をエッチングの途中で取り除く必要がある。
【０００４】
ポリマー膜除去のためのドライエッチング工程では、一般にプロセスガスとして酸素含有ガスが用いられている。しかしながら酸素含有ガスのみでポリマー膜除去を行うと、反応副生成物としてフッ素が発生しウエハ表面に露出しているシリコンをエッチングしてしまうため、前記フッ素によるシリコンのエッチングを低減する必要がある。
【０００５】
この課題に対し、特許文献１には、層間絶縁膜を、フルオロカーボンガスを含むガスのプラズマにより選択的にエッチングして貫通孔を形成する。次いで、貫通孔が形成された基板に対して、基板にバイアスを印加した状態で酸素ガスのプラズマによるプラズマ処理を行う。さらに、上記酸素プラズマ処理と連続して、貫通孔が形成された基板に対して、上記基板バイアスの印加を停止した状態で、酸素ガスのプラズマによるプラズマ処理を行う方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、基板にバイアス電圧を与えながら、フルオロカーボンガスを含むガスから生成したプラズマを用いて酸化膜をエッチングする。反応室に酸素ガスを導入し、ガス圧力を調整した後、酸素プラズマを生成し、基板にバイアス電圧を与えない状態で反応室からフッ素を除去するフッ素除去処理工程を行う。次に、基板にバイアス電圧を印加しながら、酸素プラズマを用いて基板上に残存するポリマーを除去する酸素プラズマ処理工程を行う方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−４１８５６号公報
【特許文献２】特開平１１−１４５１１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
例えば、図２(ａ)に示すようなＦｉｎ  ＦＥＴ（Ｆｉｎ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下、Ｆｉｎ  ＦＥＴと称する）構造を有するデバイスのプラズマエッチング処理の際に生じたポリマー膜の除去に特許文献１および２に開示された方法を用いた場合、シリコンがエッチングされる。
【０００９】
つまり、従来技術によるポリマー膜の除去を行うと、シリコン削れが発生する。このため、本発明は、ポリマー膜を除去する際のシリコン削れを低減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】
【００１０】
本発明は、フッ素原子を含有する堆積膜をプラズマ処理により除去するプラズマ処理方法において、酸素原子含有ガスとシリコン原子含有ガスの混合ガスを用いたプラズマにより前記フッ素原子を含有する堆積膜を除去することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、Ｆｉｎ  ＦＥＴ構造を形成するためにシリコンに対してシリコン窒化膜を選択的にプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、疎部のパターンは、堆積膜を堆積させてエッチングより堆積が優位であるとともに密部のパターンは、エッチングが優位であるエッチング処理にて密部のパターンのシリコン窒化膜を除去し、前記堆積膜を除去した後、前記疎部のパターンのシリコン窒化膜を除去することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、ポリマー膜を除去する際のシリコン削れを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例で用いたプラズマエッチング装置の概略断面図である。
【図２】本発明を適用した実施例の概念図である。
【図３】従来技術によるポリマー膜除去の概念を示す図である。
【図４】本発明によるポリマー膜除去の概念を示す図である。
【図５】処理室内壁へフッ素を含有するポリマー膜を堆積した後の四フッ化シリコン(ＳｉＦ4)ガス流量に対するポリシリコン膜のエッチングレートを示す図である。
【図６】処理室内壁へフッ素を含有するポリマー膜を堆積した後の四フッ化シリコン(ＳｉＦ4)ガス流量に対するレジスト膜のエッチングレートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係るプラズマ処理方法の一実施例について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は、本発明のプラズマ処理方法を実施するためのプラズマエッチング装置の概略断面図である。このプラズマエッチング装置は、電子サイクロトロン共鳴を利用してエッチングを行うＥｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ(以下、ＥＣＲと称する）型プラズマエッチング装置である。マグネトロン１０１により発振されたマイクロ波は、導波管１０２を介して処理室１０３に入射される。処理室１０３内には、処理室１０３の上部より石英板１０４を通してプラズマを生成するためのガスが供給される。
【００１６】
このガスは、ソレノイドコイル１０５によって生成された磁場とマイクロ波により効率的にプラズマ化される。試料であるウエハ１０６を載置する試料台１０７は、処理室１０３内に配置され、ブロッキングコンデンサ１０８を介して高周波電源１０９が接続されている。高周波電源１０９によって試料台１０７に印加された連続的な高周波電力(ウエハバイアス)、または時間変調された高周波電力(ウエハバイアス)により、プラズマ中のイオンをウエハ１０６に対し垂直に入射させる。また、プラズマエッチングにより発生した反応生成物や残留ガスは、処理室１０３の下部に設けられた排気口（図示せず）から排気される。以下、本発明のプラズマ処理方法のー実施形態について説明する。
【００１７】
最初に本発明のプラズマ処理方法によりプラズマ処理される試料の構造(Ｆｉｎ  ＦＥＴ)について説明する。図２(ａ)に示すように、シリコン基板（図示せず）上に成膜されたシリコン酸化膜２０1上にソース（図示せず）とドレイン（図示せず）を接続するように配置されたチャネル２０２が形成されている。さらにシリコンからなるチャネル２０２を跨ぐようにポリシリコン膜からなるゲート電極２０３が形成されており、シリコン酸化膜２０１、チャネル２０２およびゲート電極２０３は、シリコン窒化膜２０４により被覆されている。次に、本発明のプラズマ処理方法における技術的思想を説明する。
【００１８】
図２（ｄ）に示すような形状にエッチングする際、チャネル２０２側壁のシリコン窒化膜はトレンチの底部に存在するため、ゲート電極２０３上のシリコン窒化膜よりもエッチングレートが低い。このため、チャネル２０２側壁のシリコン窒化膜の除去中にゲート電極２０３上のシリコン窒化膜が消失してゲート電極がエッチングされる場合がある。
【００１９】
そのため、本実施例ではまず、疎部のパターンにポリマー膜を堆積させ、密部のパターンはエッチングが進行するエッチング条件を用いて、チャネル２０２上、チャネル２０２の側壁、およびシリコン酸化膜２０１上のシリコン窒化膜２０４を除去する。その後、ゲート電極２０３上のポリマー膜２０５を本発明に係るプラズマ処理方法を用いて除去する。続いてゲート電極２０３上のシリコン窒化膜を除去する。次に図２(ａ)に示すようなＦｉｎ  ＦＥＴ構造に本発明のプラズマ処理方法を適用した例について説明する。
【００２０】
図２（ａ）に示すような、チャネル２０２上、チャネル２０２の側壁およびシリコン酸化膜２０１上のシリコン窒化膜２０４をエッチングにより除去する際、ゲート電極２０３上のシリコン窒化膜がエッチングされないようにゲート電極２０３上部に選択的にポリマー膜２０５を堆積させながらシリコン窒化膜２０４をエッチングする。
【００２１】
例えば、表１のステップ１に示すように５５ｍｌ／ｍｉｎのフッ化炭化水素（ＣＨ3Ｆ）ガスと７ｍｌ／ｍｉｎの酸素（Ｏ2）ガスと希釈ガスとしての６０ｍｌ／ｍｉｎのアルゴン（Ａｒ）ガスを混合したガスを用い、処理圧力を０．８Ｐａ、マイクロ波電力を９００Ｗ、ウエハバイアスを１５０Ｗとするエッチング条件でシリコン窒化膜を除去することにより、図２（ｂ）に示すような形状を得ることができる。尚、ウエハバイアスは繰り返し周波数を１０００Ｈｚ、デューティー比を２０％で時間変調された高周波電力とする。
【００２２】
次に、図２（ｂ）に示すような、ゲート電極２０３上のポリマー膜２０５をエッチングにより除去するために、例えば、表１のステップ２に示すように５０ｍｌ／ｍｉｎの二酸化炭素（ＣＯ2）ガスと２０ｍｌ／ｍｉｎの四フッ化シリコン（ＳｉＦ4）ガスと希釈ガスとしての１２０ｍｌ／ｍｉｎの窒素（Ｎ2）ガスを混合したガスを用い、処理圧力を０．８Ｐａ、マイクロ波電力を７００Ｗとするエッチング条件を用いる。このエッチング条件でポリマー膜２０５を除去することにより、図２（ｃ）に示すような形状を得ることができる。また、二酸化炭素（ＣＯ2）ガスの流量に対する四フッ化シリコン（ＳｉＦ4）ガスの流量比を本実施例のように２０％以上とすることが望ましい。
【００２３】
また、この表１のステップ２では、四フッ化シリコン(ＳｉＦ4)ガスを用いたが、四フッ化シリコン(ＳｉＦ4)ガスの代替ガスとして四塩化シリコン(ＳｉＣｌ4)ガス、トリクロロシラン(ＳｉＨＣｌ3)ガスを用いても良い。また、この表１のステップ２では、二酸化炭素(ＣＯ2)ガスを用いたが、二酸化炭素(ＣＯ2)ガスの代替ガスとして酸素(Ｏ2)ガス、一酸化炭素(ＣＯ)ガス、二酸化硫黄(ＳＯ2)ガス、二酸化窒素(ＮＯ2)ガス、亜酸化窒素(Ｎ2Ｏ)ガスを用いても良い。
【００２４】
次に、図２（ｃ）に示すような、ゲート電極２０３上のシリコン窒化膜をエッチングにより除去するために、例えば、表１のステップ３に示すように５５ｍｌ／ｍｉｎのフッ化炭化水素（ＣＨ3Ｆ）ガスと３０ｍｌ／ｍｉｎの酸素（Ｏ2）ガスと１０ｍｌ／ｍｉｎの四フッ化シリコン（ＳｉＦ4）ガスと希釈ガスとしての３００ｍｌ／ｍｉｎのアルゴン（Ａｒ）ガスを混合したガスを用い、処理圧力を５．０Ｐａ、マイクロ波電力を９００Ｗ、ウエハバイアスを５０Ｗとするエッチング条件を用いる。このエッチング条件でシリコン窒化膜を除去することにより、図２（ｄ）に示すような形状を得ることができる。
【００２５】
【表１】
2015216287.tif 000003
【００２６】
本発明の特徴の一つは、ゲート電極２０３上のポリマー膜２０５をエッチングにより除去するステップである。従来技術である酸素含有ガスのみによるプラズマ処理ではシリコンからなるチャネル２０２がエッチングされるという問題が発生するが、本実施例のように酸素含有ガスとシリコン含有ガスの混合ガスを用いることにより、シリコンからなるチャネル２０２のエッチングを低減することができる。この効果に対する本発明の作用は以下のように考えられる。
【００２７】
図３は従来技術によりポリマー膜を除去する場合の概念を示す図であり、従来技術である酸素含有ガスのみでポリマー膜を除去する場合、図３に示すように、ポリマー膜３０１に含まれている炭素は酸素と結合することで揮発するが、副生成物としてフッ素が発生する。このフッ素がシリコン窒化膜の除去により表面に露出したシリコンをエッチングする。
【００２８】
一方、本発明の特徴は、酸素含有ガスとシリコン含有ガスの混合ガスを用いることである。酸素含有ガスとシリコン含有ガスの混合ガスを用いることにより、酸素とシリコンが結合してシリコン酸化膜を形成するようになるが、シリコン酸化膜は主として表面反応により生成される。
【００２９】
すなわち、図４（ａ）や図４（ｂ）に示すような表面へのシリコンと酸素の吸着過程を経る。図４（ａ）に示すように、ゲート電極上のシリコン窒化膜４０１上に形成されたポリマー膜４０２上では炭素が存在するため、吸着した酸素は主として炭素と結合して揮発する。一方、図４（ｂ）に示すように、ポリマー膜の存在しないシリコン４０３上では、酸素はシリコンと結合してシリコン酸化膜を生成してこのシリコン酸化膜によりフッ素によるエッチングを阻止する。
【００３０】
以上の本発明の作用と本発明の作用による効果を検証するために、以下のような実験を行った。
【００３１】
先ず、処理室１０３内壁へフッ素を含有するポリマー膜を堆積させ、その後エッチングレート測定用ウエハを処理室１０３へ導入して表１のステップ２の条件にて処理し、ポリシリコン膜とレジスト膜のエッチングレートをそれぞれ測定した。ポリシリコン膜は、シリコンからなるチャネル２０２を、レジスト膜はポリマー膜２０５をそれぞれ模擬している。実験に際しては、処理室内壁のフッ素を含有するポリマー膜の量および処理時間は一定とし、処理室内壁から発生するフッ素の量が同等となるようにした。
【００３２】
図５は、処理室内壁へフッ素を含有するポリマー膜を堆積した後の四フッ化シリコン（ＳｉＦ4）ガス流量に対するポリシリコン膜のエッチングレートを示し、図６は、処理室内壁へフッ素を含有するポリマー膜を堆積した後の四フッ化シリコン（ＳｉＦ4）ガス流量に対するレジスト膜のエッチングレートを示す。また、図５及び６の横軸は四フッ化シリコン（ＳｉＦ4）ガス流量、図５及び６の縦軸はそれぞれの膜のエッチングレートを表す。
【００３３】
ｑン膜のエッチングレートはバイアスを印加しない場合においても５．７ｎｍ／ｍｉｎのエッチングレートとなっている。比較のため、処理室内壁へフッ素を含有するポリマー膜を堆積しない場合のポリシリコン膜及びレジスト膜のエッチングレートを測定した。その結果を表２に示す。四フッ化シリコン（ＳｉＦ4）ガスの有無に関わらず、ポリシリコン膜のエッチングレートはエッチングされない値となっている。
【００３４】
以上、上述した図５及び表２の結果は、ポリシリコン膜のエッチングレートがフッ素を含有しているポリマー膜の堆積有無と相関があることを示している。つまり、上述した図５及び表２の結果は、ポリシリコン膜のエッチングはフッ素を含有しているポリマー膜が処理室内壁へ堆積していることによって発生していることを示していると考えられる。このことにより、本発明の課題としているポリマー膜が含有しているフッ素によるシリコンのエッチングを実証していると考えられる。
【００３５】
【表２】
2015216287.tif 000004
【００３６】
また、図５に示すように、四フッ化シリコン（ＳｉＦ4）ガス添加量を増加するに従って、バイアスを印加するかどうかに関わらず、ポリシリコン膜のエッチングレートは低下する傾向がみられた。これは、ポリシリコン膜表面へのシリコン酸化膜の形成を示すものと考えられる。一方、図６に示すように、レジスト膜のエッチングレートはバイアスの有無に関わらず、四フッ化シリコン（ＳｉＦ4）ガス添加量に依存せず、概ね一定値となった。これは、ポリシリコン膜表面のようにシリコン酸化膜が形成されていないことを示すものと考えられる。このことは以下のように考えられる。
【００３７】
既に上述した通り、レジスト膜表面には炭素が存在するため、レジスト膜表面に吸着した酸素は主として炭素と結合し揮発する。これによりレジスト膜上では酸素とシリコンの結合によるシリコン酸化膜形成が困難となり、四フッ化シリコン（ＳｉＦ4）ガス流量を添加しても十分なレジスト膜のエッチングレートを維持しているものと考えられる。
【００３８】
次に表３に四フッ化シリコン（ＳｉＦ4）ガス流量を４０ｍｌ／ｍｉｎまで増加したときのポリシリコン膜のエッチングレート、レジスト膜のエッチングレートおよびポリシリコン膜のエッチングレートに対するレジスト膜のエッチングレートの選択比を示す。四フッ化シリコン（ＳｉＦ4）ガスを添加しない場合の選択比が４．４であったが、四フッ化シリコン（ＳｉＦ4）ガスを４０ｍｌ／ｍｉｎまで添加すると選択比が２０．４まで向上することが表３より分かる。
【００３９】
【表３】
2015216287.tif 000005
【００４０】
また、以上の結果により、本発明を適用することによってフッ素を含有するポリマー膜を十分に除去するとともにシリコンのエッチングを抑制できることを実証していると考えられる。
【００４１】
以上、本実施例で上述した通り、本発明は、酸素原子含有ガスとシリコン原子含有ガスの混合ガスを用いたプラズマによりフッ素原子を含有する堆積膜を除去することを特徴とする。また、本発明のプラズマ処理方法により、フッ素原子を含むポリマー膜を除去する際のシリコン削れを低減できる。尚、本実施例でのポリマー膜は有機系の堆積膜のことである。
【００４２】
さらに、本発明は、Ｆｉｎ  ＦＥＴ構造を形成するためにシリコンに対してシリコン窒化膜を選択的にプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、疎部のパターンは、堆積膜を堆積させてエッチングより堆積が優位であるとともに密部のパターンは、エッチングが優位であるエッチング処理にて密部のパターンのシリコン窒化膜を除去し、前記堆積膜を除去した後、前記疎部のパターンのシリコン窒化膜を除去することを特徴とする。
【００４３】
また、本実施例では、本発明の適用例として図２に示すようなＦｉｎ  ＦＥＴ構造のプラズマ処理に適用した例であったが、本発明は、被エッチング膜の材料や膜構造に限定されない。例えば、ポリシリコン膜をマスクにフルオロカーボンガスを用いてシリコン酸化膜をエッチングするコンタクトホールやトレンチを形成する工程などに適用しても良い。
【００４４】
これらの工程では、エッチングの過程で炭素原子とフッ素原子を含むポリマー膜が形成されてエッチングが停止するなどの問題が発生し得るため、このポリマー膜をエッチングの途中で除去する必要がある。ここでフルオロカーボンガスは、ジフルオロメタン(ＣＨ2Ｆ2)ガス、フッ化炭化水素(ＣＨ3Ｆ)ガス、六フッ化エタン(Ｃ2Ｆ6)ガス、八フッ化プロパン(Ｃ3Ｆ8)ガス、パーフルオロシクロブタン(Ｃ4Ｆ8)ガス、オクタフルオロシクロペンテン(Ｃ5Ｆ8)ガス等のガスのことである。
【００４５】
この炭素原子とフッ素原子を含むポリマー膜除去のためのプラズマ処理において酸素含有ガスのみでポリマー膜の除去を行うと、反応副生成物としてフッ素が発生して被エッチング膜のエッチングによりウエハ表面に露出したシリコンをエッチングしてしまう。しかし、本発明である、酸素含有ガスとシリコン含有ガスの混合ガスを用いて上記ポリマー膜を除去することにより、被エッチング膜のエッチングにより露出したシリコン削れを低減することが可能となる。
【００４６】
また、本実施例ではマイクロ波ＥＣＲプラズマを一実施例として説明したが、容量結合型プラズマや誘導結合型プラズマ等の他のプラズマ生成方式におけるプラズマ処理装置においても本実施例と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００４７】
１０１…マグネトロン、１０２…導波管、１０３…処理室、１０４…石英板、１０５…ソレノイドコイル、１０６…ウエハ、１０７…試料台、１０８…ブロッキングコンデンサ、１０９…高周波電源、２０１…シリコン酸化膜、２０２…チャネル、２０３…ゲート電極、２０４…シリコン窒化膜、２０５…ポリマー膜、３０１…ポリマー膜、４０１…シリコン窒化膜、４０２…ポリマー膜、４０３…シリコン
【図１】
2015216287.tif 000006
【図２】
2015216287.tif 000007
【図３】
2015216287.tif 000008
【図４】
2015216287.tif 000009
【図５】
2015216287.tif 000010
【図６】
2015216287.tif 000011