(57)【要約】【課題】本発明は、密部スペース幅２０ｎｍ以下のパターンにおいて、疎密マイクロローディングの低減を可能とするプラズマ処理方法を提供する。【解決手段】本発明は、シリコン基板上に密部スペース幅２０ｎｍ以下のパターンのマスクを有する試料のシリコンをプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、Ｃｌ2ガスとＮ2ガスの混合ガスを用い、０.１Ｐａ以下の圧力で、デューティー比５％〜５０％の時間変調された間欠的な高周波電力を前記試料に印加しながら、シリコンのエッチングを行うことを特徴とするプラズマ処理方法である。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に密部スペース幅２０ｎｍ以下のパターンのマスクを有する試料のシリコンをプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、
Ｃｌ2ガスとＮ2ガスの混合ガスを用い、０.１Ｐａ以下の圧力で、デューティー比５％〜５０％の時間変調された間欠的な高周波電力を前記試料に印加しながら、シリコンのエッチングを行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】
シリコン基板上に密部スペース幅２０ｎｍ以下のパターンのマスクを有する試料のシリコンをプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、
Ｃｌ2ガスとＯ2ガスの混合ガスを用い、０.１Ｐａ以下の圧力で、デューティー比５％〜５０％の時間変調された間欠的な高周波電力を前記試料に印加しながら、シリコンのエッチングを行う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】
本発明は半導体素子等をプラズマ処理するプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の製造分野においては、素子分離技術としてShallow Trench Isolation（以下ＳＴＩと略称する）技術が多用されており、ＳＴＩ技術では、例えば、異方性エッチングによりシリコン基板にトレンチ（エッチング溝）を形成している。
【０００３】
異方性エッチングの一例として、特許文献１には、エッチング室内に設けられた一対の対向電極のうち、一方にシリコン基板を配置し、対向電極の双方に高周波電力を供給し、エッチング室内にＣｌ2又はＨＢｒを含むガスを供給してシリコン基板をドライエッチングする方法が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、０.１Ｐａ以下の低ガス圧力条件下でのエッチングの一例としてポリシリコンの終点判定検出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２００３−００７６７９号公報
【特許文献２】特開１９９９−２６０７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
シリコン基板上に作製される半導体デバイスの高集積化や高性能化に伴って、デバイスを構成する半導体素子は約０.７倍のスケーリング則で微細化している。そして、現在の半導体製品に適用されている３２ｎｍ，２２ｎｍのデザインルール（設計基準）は次世代の開発製品では２０ｎｍ以下となり、ＳＴＩのスペース幅の縮小がますます進む。
【０００７】
ＳＴＩのプラズマエッチングにおいては、プラズマエッチング処理中に被エッチング材のシリコンの反応生成物（例えば、ＳｉＣｌ，ＳｉＢｒ等）の再付着が発生するが、スペース幅が広い従来のデザインルールにおいては大きく問題となることは無かった。
【０００８】
しかしながら、密部のスペース幅が２０ｎｍ以下のＳＴＩのプラズマエッチングにおいては、図３に示すように、微量の反応生成物がマスク側壁に堆積することでスペース幅が狭まるか、もしくはスペースが塞がるため、エッチングの進行が困難になるという問題が発生した。
【０００９】
上記の反応生成物の堆積量は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衝突散乱が頻繁になって、反応生成物の再入射量が増加するため、マスク側壁の堆積量が非常に大きくなることが分かっている。
【００１０】
従来のドライエッチング技術では、高エッチングレートを考慮しているため、一般的に０.５Ｐａ〜２.０Ｐａの処理室の圧力領域でＳＴＩにおいてシリコンのプラズマ処理を行っている。しかし、密部のスペース幅が２０ｎｍ程度のパターンでは、前述したようにマスク側壁に反応生成物が堆積し、スペース幅が狭まるか、スペースが塞がってしまう。その結果、密部パターンではエッチングが進行せず、密部パターンで最もエッチング量が少なかったトレンチの深さと、疎部パターンの最もエッチング量が多かったトレンチの深さの差である疎密マイクロローディングが大きくなる。
【００１１】
本発明は、上記課題を鑑みて、密部スペース幅２０ｎｍ以下のパターンにおいて、疎密マイクロローディングの低減を可能とす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】
【００１２】
本発明は、シリコン基板上に密部スペース幅２０ｎｍ以下のパターンのマスクを有する試料のシリコンをプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、Ｃｌ2ガスとＮ2ガスの混合ガスを用い、０.１Ｐａ以下の圧力で、デューティー比５％〜５０％の時間変調された間欠的な高周波電力を前記試料に印加しながら、シリコンのエッチングを行うことを特徴とするプラズマ処理方法である。
【００１３】
また、本発明は、シリコン基板上に密部スペース幅２０ｎｍ以下のパターンのマスクを有する試料のシリコンをプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、Ｃｌ2ガスとＯ2ガスの混合ガスを用い、０.１Ｐａ以下の圧力で、デューティー比５％〜５０％の時間変調された間欠的な高周波電力を前記試料に印加しながら、シリコンのエッチングを行うことを特徴とするプラズマ処理方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、密部スペース幅２０ｎｍ以下のパターンにおいて、疎密マイクロローディングを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るプラズマエッチング装置の概断面図である。
【図２】本実施例にかかる半導体素子の構成を説明する断面図である。
【図３】従来技術の条件を用いた場合のプラズマエッチング後の断面図である。
【図４】本発明の条件を用いた場合のプラズマエッチング後の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態について添付図面を参照しながら説明する。図１に本実施例で使用するプラズマエッチング装置を示す。上部が開放された真空容器１０１の上部に、真空容器１０１内に処理ガスを導入するためのシャワープレート１０４（例えば石英製），誘電体窓１０５（例えば石英製）を設置し、密封することにより処理室１０６を形成する。シャワープレート１０４には処理ガスを流すためのガス供給装置１０７が接続される。また、真空容器１０１には真空排気口１０８を介し真空排気装置（図示せず）が接続されている。
【００１７】
プラズマを生成するための電力を処理室１０６に伝送するため、誘電体窓１０５の上方には電磁波を伝送する導波管１０９を設けている。導波管１０９へ伝送される電磁波（プラズマ生成用高周波）は電磁波発生用電源１０３から発振させる。電磁波の周波数は特に限定されないが、本実施例では２.４５ＧＨｚのマイクロ波（プラズマ生成用高周波）を使用する。処理室１０６の外周部には、磁場を形成する磁場発生用コイル１１０が設けてあり、電磁波発生用電源１０３より発振された電力は、形成された磁場との相互作用により、処理室１０６内に高密度プラズマを生成する。
【００１８】
また、シャワープレート１０４に対向して真空容器１０１の下部にはウエハ載置用電極１０２を設けている。ウエハ載置用電極１０２は電極表面が溶射膜（図示せず）で被覆されており、高周波フィルタ１１４を介して直流電源１１５が接続されている。さらに、ウエハ載置用電源１０２には、マッチング回路１１２を介してバイアス用高周波電源である高周波電源１１３が接続される。ウエハ載置用電極１０２には、温度調節器（図示せず）も接続されている。
処理室１０６内に搬送された試料であるウエハ１１１は、直流電源１１５から印加される直流電圧の静電気力でウエハ載置用電極１０２上に吸着，温度調節され、ガス供給装置１０７によって所望の処理ガスを供給した後、真空容器１０１内を所定の圧力とし、処理室１０６内にプラズマを発生させる。ウエハ載置用電極１０２に接続された高周波電源１１３から高周波電力を印加することにより、プラズマからウエハへイオンを引き込み、ウエハ１１１がプラズマ処理される。また、高周波電源１１３は、パルス発振器を備えるため、ウエハ載置用電極に時間変調された間欠的な高周波電力または、連続的な高周波電力を印加することができる。
【００１９】
以下、本プラズマエッチング装置を用いた本発明のプラズマ処理方法について説明する。
【００２０】
搬送手段（図示せず）により、ウエハ１１１を真空容器１０１に搬送し、ウエハ載置用電極１０２に載置する。ウエハ載置用電極１０２に載置されたウエハは、図２に示すように、シリコン基板２０１上に所定の形状にパターンニングされた、フォトレジストマスク（図示せず）または、ハードマスク２０２が成膜されている。また、所定の形状にパターニングされたハードマスク２０２のパターンの密部のスペース幅は、従来の半導体デバイスより極めて狭い１０ｎｍ程度である。
【００２１】
ウエハ１１１をウエハ載置用電極１０２に載置した後、表１に示すように、ＣＦ4ガスとＮ2ガスをガス供給装置１０７より真空容器１０１内に供給し、真空排気装置を介して処理室１０６内の圧力を０.４Ｐａに制御し、電磁波発生用電源から８００Ｗの高周波電力を処理室１０６内に供給してプラズマを発生させ、高周波電源１１３からウエハ載置用電極１０２に８０Ｗの連続的な高周波電力を印加しながら、前記の処理室１０６内に発生させたプラズマにより、ハードマスク２０２のパターンに沿ってシリコン基板２０１をエッチングする。また、上記のエッチング中はウエハ載置用電極１０２の温度を３０℃に温調している。このエッチングステップは、シリコン基板２０１のエッチングのブレイクスルーを行う第１ステップである。
【００２２】
次に、表１に示すように、Ｃｌ2ガスとＮ2ガスをガス供給装置１０７より真空容器１０１内に供給し、真空排気装置を介して処理室１０６内の圧力を０.０８Ｐａに制御し、電磁波発生用電源から４００Ｗの高周波電力を処理室１０６内に供給してプラズマを発生させ、高周波電源１１３からウエハ載置用電極１０２に３００Ｗのデューティー比３０％の時間変調された間欠的な高周波電力を印加しながら、前記の処理室１０６内に発生させたプラズマにより、シリコン基板２０１をエッチングする。また、上記のエッチング中はウエハ載置用電極１０２の温度を３０℃に温調している。このエッチングステップはシリコン基板のメインエッチングを行う第２ステップである。尚、デューティー比とは、時間変調された間欠的な高周波電力のオン時間をＴon、オフ時間をＴoffとした場合、
デューティー比＝Ｔon／（Ｔon＋Ｔoff）
となる。
【００２３】
次に第２ステップのエッチングが終了した後、ウエハ１１１を搬送手段（図示せず）により、真空容器１０１より搬出して、本発明のプラズマ処理を終了する。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
上述の２ステップでウエハ１１１のエッチング処理を行った結果、図４に示すように、ハードマスク２０２の側壁にＳｉＣｌやＳｉＢｒ等の反応生成物２０３が堆積させずにシリコン基板２０１のエッチングを行うことができ、疎密マイクロローディングを低減した所望のエッチング形状を得ることができた。この効果は以下の理由と考えられる。
【００２６】
処理室１０６内の圧力を０.１Ｐａ以下の圧力領域でプラズマエッチングを行うことで、ハードマスク２０２側壁への反応生成物２０３の堆積を抑制することができ、ハードマスク２０２のスペース幅を維持することが可能となった。また、ウエハ載置用電極１０２に時間変調された間欠的な高周波電力を印加したことによって、ウエハ載置用電極１０２に印加された高周波電力の平均値は同じでもオン時間の高周波電力が高くなり、かつ、オフ時間中に反応生成物２０３の排気を促進することにより、狭いスペース幅でもプラズマエッチングが可能となった。
【００２７】
また、本実施例の第２ステップでは、Ｃｌ2ガスとＮ2ガスの混合ガスであったが、Ｃｌ2ガスとＯ2ガスの混合ガスを用いても、本実施例と同様の効果を得ることができる。また、本実施例の第２ステップでは、処理室１０６内の圧力を０.０８Ｐａとしたが、０.０１Ｐａ〜０.１Ｐａでも本実施例と同様の効果を得ることができる。また、本実施例の第２ステップでのデューティー比は、３０％としたが、５％〜５０％でも本実施例と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
また、本実施例ではプラズマエッチング用ガスに反応生成物２０３の飽和蒸気圧が低いＣｌ2ガスを使用し、Ｎ2ガスを含む混合ガスとしたが、プラズマエッチング用ガスとしてはＨＢｒガスまたは、ＨＢｒガスおよびＣｌ2ガスの混合ガスにＮ2またはＯ2を添加した混合ガスを使用した場合（ＨＢｒとＮ2の混合ガス、ＨＢｒとＯ2の混合ガス、Ｃｌ2とＨＢｒとＮ2の混合ガス、Ｃｌ2とＨＢｒとＯ2の混合ガス）においても、本実施例と同様に疎密マイクロローディングを改善できる。
【符号の説明】
【００２９】
１０１  真空容器
１０２  ウエハ載置用電極
１０３  電磁波発生用電源
１０４  シャワープレート
１０５  誘電体窓
１０６  処理室
１０７  ガス供給装置
１０８  真空排気口
１０９  導波管
１１０  磁場発生用コイル
１１１  ウエハ
１１２  マッチング回路
１１３  高周波電源
１１４  高周波フィルタ
１１５  直流電源
２０１  シリコン基板
２０２  ハードマスク
２０３  反応生成物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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