(57)【要約】【課題】　半導体装置のゲート電極加工においてウエハの大口径化やパターンの疎密によって生じるエッチング均一性の低下を防止する。【解決手段】　0.1Pa 以下の低ガス圧力条件でゲート電極のエッチングを行う。ポリシリコンの終点時に起こる酸化膜の損傷を防止するため、光干渉式リアルタイム膜厚モニタでポリシリコン残膜を検知し、終点直前に高選択エッチング条件に切り換える。【効果】　直径300mmの大口径ウエハでも高精度で加工できる。【選択図】図１
2004088128.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　反応容器と、前記反応容器内にプラズマを発生させる手段と、エッチングされる薄膜が形成された試料を搭載する電極と、前記反応容器外に設けられ前記電極の上方から石英窓を通して白色光を前記試料に照射する手段と、前記白色光が前記試料にて反射する光を前記反応容器外に設けられ前記電極の上方にて前記石英窓を通して取り込む手段と、前記取り込んだ光を分光する手段と、前記分光された光の位相変化量と前記薄膜の屈折率とからエッチング中に前記薄膜の膜厚を算出する手段とを有することを特徴とするプラズマエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は半導体基板上に設けられた光透過性薄膜をエッチングするプラズマエッチング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
　従来のプラズマエッチング装置には、ウエハ面内のエッチング均一性を高めるためにフォーカスリングを用いている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
　また、光干渉式膜厚モニタでエッチング中のポリシリコンの膜厚測定が可能となっている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２４５２９２号公報（第２頁）
【非特許文献１】第１９回ドライプロセスシンポジウム（Proceedings of Symposiumon Dry Process, November 12-14, Tokyo (1997)）、第２３５頁−２４２頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
　大規模集積回路(LSI)の高密度化・高速化の要請から、MOS(metal-oxide-semiconductor)トランジスタのゲート電極は将来的には線幅0.2μｍ以下まで縮小され、下地のゲート酸化膜は4nm以下まで薄膜化される。同時に、製造コスト削減のためシリコンウエハは200mmから300mm に大口径化される。したがって、ゲート電極のドライエッチングでは以下に述べる問題を解決する必要がある。
【０００６】
　すなわち、MOSトランジスタでは動作特性を揃えるためゲート電極底辺の寸法(CD;
critical dimension)を±0.02μｍ 以下の精度で加工することが必須である。ところが、面内位置やパターン疎密度によって仕上がり寸法に差が生じる。これらは、それぞれ、面内形状差および疎密形状差と呼ばれ、微細加工の障害になっている。
【０００７】
　ウエハ面内でガス濃度やプラズマ密度が不均一な場合、面内形状差が生じる。すなわち、反応生成物の濃度が高くなる中央部では側壁堆積物が増加してパターンが太る傾向にある。また、大口径ウエハでは大きな濃度分布が生じるため、面内形状差はより顕著になる。
【０００８】
　一方、パターン自体の遮蔽効果によって生じる疎密形状差も大きな問題である。すなわち、パターン間隔が狭くなるとイオンやラジカル、反応生成物の入射量が低下する。そのため、エッチング速度は遅くなるが、パターンは太らない。逆に孤立パターンやオープンスペースに面したパターンでは、密パターンよりも反応生成物の入射量が多く側壁に堆積し、パターンが太る傾向にある。
【０００９】
　前記した両形状差ともガス圧力の影響を強く受ける。すなわち、ガス圧力が高くなると、分子どうしの衝突散乱が増えて水平方向への分子移動が抑制され面内のガス濃度分布が大きくなること、及び衝突散乱が頻繁になって反応生成物の再入射量が増えるために疎部への側壁堆積量が非常に大きくなることが分かっている。
【００１０】
　従来のエッチング技術では、プラズマ密度の面内分布を調整することでガス濃度分布の不均一を相殺していた。ただし、この方法では実用に適したエッチング条件の範囲が狭くなり、プロセス不安定性の原因になっていた。このため、ウエハをリング状の障壁(フォーカスリング)で囲み、その中にガスを淀ませることによって反応生成物の濃度を均一にする方法が用いられている。しかし、疎密形状差については有効な対策手段が殆どなく、現時点ではガス圧力を下げることが最も効果的である。
【００１１】
　ガス圧力を0.1Pa 以下まで下げると形状差は低減できるが、半導体装置の量産ではこのような低圧力条件は好まれない。その理由は、エッチング速度が低下してウエハ処理能力が落ちること、ゲート酸化膜に対する選択比が低下すること、電子シェーディングによる形状異常やチャージアップダメージが発生すること等の弊害があるからである。
【００１２】
　これらの問題も個別にはエッチング条件を選ぶことで解決できる。低圧でも、基板に印加するバイアス電圧を高くし、ガス流量を増やすせば、高速でポリシリコンがエッチングできる。しかし、従来のエッチング終点判定技術を用いる限り、終点付近で低圧、かつ高バイアスのエッチングは破綻する。すなわち、プラズマ発光や基板バイアス電圧の変化をモニタする方法は、いずれもフィードバック方式であるため、終点検出時にはゲート酸化膜のエッチングがかなり進行しているからである。この時点でエッチング条件を変更しても酸化膜の損傷は避けられないない。したがって、ゲート酸化膜が露出する直前に選択比の高いエッチング条件に変更することが必須である。
【００１３】
　最近になって、光干渉式膜厚モニタ(第19回ドライプロセスシンポジウムの235頁から
242頁に記載)が考案され、エッチング中のポリシリコンの膜厚測定が可能になった。ただし、エッチング制御への応用例は殆どない。
【００１４】
　本発明の目的は、低ガス圧、かつ高バイアス電圧、高ガス流量エッチングを実現し、面内形状差や疎密形状差を低減することのできる薄膜の微細加工方法を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
　上記の目的を達成するため、本発明においては、ゲート電極加工工程において、0.1Pa以下の低ガス圧力でポリシリコン膜の途中までエッチングをする。このエッチング中にポリシリコンの残膜厚を光干渉式リアルタイム膜厚モニタで監視し、ゲート酸化膜が露出する直前(残り300nm以内)で高選択エッチング条件に切替える。
【発明の効果】
【００１６】
　以上の説明から明らかなように、本発明によれば、MOS トランジスタのゲート加工に光干渉式リアルタイム膜厚モニタを使用することで、0.1Pa 以下の低圧エッチングを実施した場合の弊害を除き、加工精度を大幅に改善することができる。すなわち、ポリシリコンのエッチング終点付近で発生する酸化膜のマイクロトレンチやチャージアップダメージを防ぎ、低圧エッチングの効果として直径300mmのウエハでも面内形状差や疎密形状差を
0.01μm以下に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
　図1に本発明の一実施例を示すエッチング装置の概要を示す。
【００１８】
　マイクロ波を矩形導波菅107から円形導波管108に導入するための変換導波管109 に石英窓110を設け、この窓110に白色光を照射するための光ファイバー102 、およびウエハ表面で反射したプラズマ光を取り込むための光ファイバー103を設置する。101は白色光光源であり、光ファイバー102に白色光を供給する。取り込んだ光は分光器104で分光し、光電増倍管105を用いて電気信号に変換し、波形解析装置106にてエッチング膜厚を算出する。この分光器104 は光フィルターであっても良い。ポリシリコンのように光学的に透明な薄膜では、薄膜上面で反射された光と薄膜下面で反射された光が干渉するため、エッチングによる膜厚減少に対応して反射強度が周期的に変化する。したがって、薄膜の屈折率が既知の場合は位相変化量からエッチング膜厚が計算できる。この薄膜上に別種の透明なエッチングマスクが存在する場合でも、膜厚変化の測定が可能である。
【００１９】
　なお、図1において、116はマイクロ波の供給源であるマグネトロン、115はアイソレータ、114はチューナである。112は反応容器であり、111は石英窓、113は反応容器112 内に磁場を形成するソレノイドである。117はウエハ120を搭載する電極、119は電極117にバイアス電力を供給するｒｆ電源、118は電極117へ供給する電力を調整するマッチングボックスである。
【００２０】
　図2に有機レジストを用いてMOSトランジスタのゲート加工を行った場合の光反射強度変化の一例を示す。これは分光器104で波長320nmの反射光を取り出し、その強度変化をモニタした結果である。これによれば、レジストの屈折率(n=1.5) に対しポリシリコンの屈折率(n=5.2) が約一桁小さいことに対応して、ポリシリコンからの反射光の方が有機レジストからの反射光よりも3.5倍ほど短い周期で変化している。
【００２１】
　加工マスクとして窒化シリコン膜や酸化シリコン膜を用いても、同様の理由からリアルタイムで膜厚が測定できる。以下、この膜厚測定器を光干渉式リアルタイム膜厚モニタと称する。
【００２２】
　目的とする高度なマルチステップ・エッチングを行うためには、低圧エッチングと光干渉式リアルタイム膜厚モニタを組み合わせることが必要である。低圧でエッチングを行えば、面内/疎密のエッチング速度差はなくなる。ウエハ面内でエッチングが均一に進行するので、光干渉式リアルタイム膜厚モニタによりエッチング膜厚が正確に測定できる。このため、タイミングよくエッチング条件を切り換えることが可能になり、低圧エッチングでもゲート酸化膜の損傷が防止できる。すなわち、低圧エッチングと組み合わせることで、光干渉式リアルタイム膜厚モニタの能力を十分引き出すことができる。
【００２３】
　本発明によるエッチングの実施例について説明する。
【００２４】
(実施例1)
　図3にエッチング試料の断面構造を示す。これは、直径300mmのシリコンウエハ301上に3nmの酸化膜302 、200nmのn+ドープドポリシリコン膜303、200nmの窒化シリコン膜304がこの順序で積層されている。窒化シリコン膜304 はレジストマスクによって加工されており、最小線幅は0.13μmである。
【００２５】
　表1に4通りのマルチステップ・エッチング方法を示す。各々はポリシリコン膜303 のエッチング時のガス圧力(0.1Pa, 0.4Pa) と終点検出方法(光干渉式リアルタイム膜厚モニタ、プラズマ発光モニタ) の組合せが異なっている。基板に印加するrf電力とガス流量を調節して処理時間が同じになるようにあらかじめ各々のエッチング条件を定めた。この前提の下で各方法の優劣を比較した。図4に各モニタ信号と膜厚の時間変化を示した。また、表2にウエハ中央部と周辺部における孤立パターンと密パターンのCDシフト量およびマイクロトレンチ(微細な孔)の発生有無を示した。
【００２６】
【表１】
2004088128.tif 000003
【００２７】
【表２】
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【００２８】
　プラズマ発光モニタを使用した場合、発光強度(波長391nm) の時間二次差分が零になったところでオーバーエッチング条件(ステップ3) に切り換えた。プラズマ発光モニタは、ポリシリコン膜303 のエッチングが終了しプラズマ中のシリコン濃度が十分低下した時刻を検知するため、ここで条件を切替えてもゲート酸化膜302 の一部分はすでにプラズマに晒されている(図4a,図4b)。ガス圧力0.1Paのエッチングでは選択比が不足して基板301 にマイクロトレンチが発生した(表2a)。一方、ガス圧力0.4Pa の場合はマイクロトレンチが発生したことに加えて、ウエハ内の最大寸法差 ( =[ウエハ中央部孤立パターン幅] - [ウエハ周辺部密パターン幅])が0.029μmもあり、面内形状差や疎密形状差は目標値を越えている(表2b)。
【００２９】
　次に、光干渉式リアルタイム膜厚モニタ使用時のエッチング結果について述べる。本実施例では波長300nm の光をモニタした。波長が短いほど膜厚分解能が上がる。ただし、ポリシリコンの屈折率が安定な波長域は290-360nm であるため、この範囲の波長を選択することが望ましい。ここでは310nmの光でモニタした。ポリシリコンの屈折率が5.2であるため、ポリシリコン中の波長は60nmである。したがって、残膜厚30nmが十分検知できる精度を有している。ガス圧力0.1Paでエッチングする場合でも、塩素(Cl2)/酸素(O2) 総ガス流量を120ml/minに増やし、rf電力を160Wに高めたことで、実用速度300nm/minが得られた。ポリシリコン残膜厚が30nmまで減少した時点でオーバーエッチング条件 (臭化水素(HBr)/
O2、ガス圧力1Pa、rf電力 20W) に切替えたため(図4c)、酸化膜厚が3nmであるにもかかわらずマイクロトレンチは発生しなかった(表2c) 。ポリシリコン層303が消失する前にrf電力を下げたのでチャージアップダメージも発生しなかった。そのため、ウエハ内の最大寸法差を0.003μmまで抑制することができた(表2c)。
【００３０】
　これに対し、ガス圧力0.4Paでステップ2のエッチングを行った場合の最大寸法差は、
0.015μm と大きかった。マイクロローディングによるエッチング速度差は9％に達し(図
4d) 、光干渉式リアルタイム膜厚モニタによる残膜厚の測定が不正確になりウエハ周辺部でマイクロトレンチが発生した(表2d)。
【００３１】
　以上の検討から、ガス圧力0.1Pa でエッチングし光干渉式リアルタイム膜厚モニタを用いてエッチング条件を切り換える方法が最も優れていることが理解できる。
【００３２】
(実施例2)
　図5にエッチング試料の断面構造を示す。直径300mmのシリコンウエハ501上に3nmの酸化膜502、70nmのn+ドープドポリシリコン膜503、5nmの窒化タングステン膜504、150nm のタングステン膜505、200nmの窒化シリコン膜506 がこの順に積層されている。窒化シリコン膜506はレジストマスクによって加工されており、最小線幅は0.18μmである。
【００３３】
　0.4Paでエッチングした場合、ラジカル反応がまだ活発であるためタングステン膜505のエッチングが均一に進行しないこと、タングステン膜505 のエッチングが高速になる条件ではポリシリコン膜503のエッチングも高速になり酸化膜502との選択比確保が困難になることが問題になった。これらの問題は次のように解決した。
【００３４】
　上層のタングステン膜505を反応ガスCl2(30ml/min)/O2(10ml/min)を用いてガス圧力
0.08Pa、rf電力160W でエッチングした。この場合もポリシリコン/タングステンの選択比はやはり確保できないが、タングステン膜505 のエッチングが均一に進行するという長所がある。光干渉式リアルタイム膜厚モニタではタングステン膜505 の膜厚変化は分からないが、窒化タングステン膜504 のエッチング終点ではウエハの反射率が大きく変化するため、終点検出は十分可能である。そこで、この信号をトリガとしてrf電力を100Wまで下げ、ポリシリコン膜503をエッチングし、残膜厚20nmになった時点で反応ガスをHBr(150ml/min)/O2(3ml/min)に切り換え、さらに圧力を1.2Paまで上げrf電力を30Ｗまで下げてこれまでのエッチング時間に対し50%のオーバーエッチングを行った。ポリシリコン膜503のエッチングが始まったところでrf電力を下げたため、ポリシリコン膜503 のエッチング速度が低下した。ポリシリコン膜503の初期膜厚が70nmと薄い場合でも残膜厚20nm での切替えが可能になった。また、オーバーエッチング時に選択性の高いHBr/O2ガスを用いたことによりマイクロトレンチの発生を防止することができた。CDは0.18±0.006μmであり、高精度加工を実現した。この例に示されるように、低ガス圧力エッチングと組み合わせることで、光干渉式リアルタイム膜厚モニタの能力を十分引き出すことができた。
【００３５】
(実施例3)
　図5の試料において上層のタングステン膜505をCl2(30ml/min)/O2(10ml/min)を用いてガス圧力0.08Pa、rf電力160Wでエッチングした。光干渉式リアルタイム膜厚モニタで観測し、ウエハの反射率が大きく変化した時点で反応ガスをCl2(72ml/min)/O2(8ml/min) に切り換え圧力を0.4Paまで上げrf電力を60Wまで下げ、かつ図6に示すようにrf電力をON-OFF 変調してポリシリコンをエッチングした。ON-OFF の周期1kHz，ON時間のデューティ比は30%とした。さらに、ポリシリコンの残膜厚が20nmになった時点でON-OFF周期1kHz、ON時間のデューティ比15%でrf電力のON-OFF変調を行ないこれまでのエッチング時間に対し100% のオーバーエッチングを加えた。ON-OFF 変調を行うことでポリシリコン/酸化膜の選択比が高くなり、マイクロトレンチの発生を防止することができた。さらに、検討を加え、このON-OFF変調でduty比を20%以下にすればポリシリコン/酸化膜の選択比が100 を越え、マイクロトレンチ防止に効果的であることを明らかにした。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明を適用したのエッチング装置を示す図である。
【図２】光干渉式リアル膜厚モニタで得られた反射光強度の時間変化を示す図である。
【図３】実施例で用いた試料の断面構造を示す図である。
【図４】エッチング時のモニタ信号と膜厚の時間変化を示す図である。
【図５】実施例で用いた試料の断面構造を示す図である。
【図６】rf電力のon-off変調の説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
　101…白色光光源、102,103…光ファイバー、104…分光器もしくは光フィルター、105…光電増倍管、106…波形解析装置、107…矩形導波管、108…円形導波管、109…変換導波管、110,111…石英窓、112…反応容器、113…ソレノイド、114…チューナー、115…アイソレータ、116…マグネトロン、117…電極、118…マッチングボックス、119…rf電源、120…ウエハ、301,501…シリコン基板、302,502…ゲート酸化膜、303,503…ポリシリコン膜、304,506…窒化シリコン膜、504…窒化タングステン膜、505…タングステン膜。
【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】
2004088128.tif 000009
【図６】
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