(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ発生用電源を用いて真空容器内にプラズマを発生させる一方で、試料台に接続された高周波電源を用いて前記試料台に高周波電圧を印加し、前記試料台に設置される試料に入射するイオンを加速して前記試料の表面加工を行う表面加工方法において、
前記試料の表面加工開始から終了までを、ステップ１とステップ２の２つのステップに分け、前記ステップ２では前記高周波電源から印加される前記高周波電圧をオンとオフの期間に分けて繰り返し印加すると共に、オンの期間がオンとオフの１周期に占める割合の３０％以下としたことを特徴とする表面加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は表面加工方法に係り、特にプラズマを用いて半導体素子等が形成される試料の表面をエッチングするのに好適な表面加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子のエッチングに広く用いられている装置は、プラズマを利用する装置である。ここではそのうちの一つであるECR(電子サイクロトロン共鳴)方式と呼ばれる装置を例に取り従来技術を説明する。この方式では、外部より磁場を印加した真空容器中でマイクロ波によりプラズマを発生する。磁場によりプラズマ中の電子にはローレンツ力が働くために、電子は磁力線の回りを回転運動する（サイクロトロン運動）。この回転の周波数とマイクロ波の周波数を同じにすると共鳴が生じ、効率良くプラズマを発生できる。試料に入射するイオンを加速するために、試料には高周波電圧が印加される。プラズマとなるガスには塩素やフッ素などのハロゲンガスが用いられる。
【０００３】
このような装置の高精度化を図るために、特開平6-151360号公報に記載の技術が知られている。本技術は、試料に印加する高周波電圧のオン−オフを間欠的に制御することにより、エッチングしたい物質であるSiと下地酸化膜との選択比を高くしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年の半導体素子の微細化に伴い、MOS(metal oxide semiconductor)トランジスタではゲート酸化膜の厚さが薄くなり、256M以降のメモリ素子では6nm以下になる。このようにゲート酸化膜の薄膜化が進むと素子のエッチング工程では、これまで以上の選択比が必要になる。しかし、選択比を高くすると一般には加工速度が遅くなりかつエッチ残りも生じ易くなるという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、プラズマを用いた半導体のエッチングにおいて、多結晶シリコンのエッチ速度の低下とエッチ残りの発生を抑え、かつ高い対酸化膜選択比を保つことのできる表面加工方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、表面加工において、表面加工開始から終了までを複数のステップに分けて、かつそれらのステップを加工を終了させる下地物質との加工速度比が比較的小さい前半と、比較的大きい後半の２つに分け、少なくとも後半のステップの一つで、高周波電圧をオンとオフの期間に分け繰り返し試料に印加することにより、達成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
以下、本発明の実施例を図により説明する。
【０００８】
図１(a)は本発明を適用するプラズマエッチング装置の全体構成図である。マイクロ波電源１０１から導波管１０２と導入窓１０３を介して真空容器１０４内にマイクロ波が導入される。導入窓１０３の材質は石英、セラミックなど電磁波を透過する物質である。真空容器１０４の回りには電磁石１０５が設置されており、磁場強度はマイクロ波の周波数と電子のサイクロトロン周波数が同じになるように設定されて、たとえば周波数が2.45GHzならば磁場強度は875Gaussである。この磁場強度で高密度のプラズマ１０６が発生する。試料１０７は試料台１０８の上に設置される。試料に入射するイオンを加速するために、高周波電源１０９が試料台１０８に接続されている。高周波電源の周波数に特に制限はないが、通常では周波数は２００kHzから２０ＭHzの範囲が実用的である。高周波電源１０９の電圧波形１１０は図１(b)のように、オンとオフの期間を繰り返し制御できるようになっている。
【０００９】
図２には、図１の装置を用いて半導体表面のラインとスペースからなる微細パタンを２つのステップに分けてエッチングした場合の断面形状の時間変化を示す。エッチングした素子の構造は、シリコン基板２０１上のゲート酸化膜２０２の厚さが4nm、多結晶シリコン層２０３の厚さ３００nm、レジスト２０４の厚さが１μmでスペースの幅は0.35μmである。図２(a)は初期状態、(b)はステップ１終了後、(c)はステップ２終了後をそれぞれ示す。ステップ１では、まず多結晶シリコン２０３をエッチングする。ステップ１は加工の主要部分を占め、以後メインエッチと呼ぶ。エッチングのガスはCl2(75 sccm)と酸素(5 sccm)で圧力を0.4Paとした。マイクロ波電源１０１の出力を４００Wとした。高周波電源１０９の周波数は、この場合、８００k Hzである。このステップでは多結晶シリコンを高速かつエッチ残りがないようにエッチングすることが目的なので、高周波電源１０９の出力は連続で80Wにしている。多結晶シリコンのエッチ速度は高周波の電力と共に増加する。また、エッチ残りは多結晶シリコン上の自然酸化膜などエッチングしにくい異物がマスクとなって、その下の部分がエッチ残りとなる。このような異物も高周波の電力を上げると除去される。 従って、加工速度を上げてエッチ残りが出ないようにするためには、ある程度大きい高周波電力が必要となる。しかし高周波電力が大きいと下地酸化膜との選択比が低くなるために、このままエッチングを進めると下地酸化膜がエッチングされて、素子の不良につながる。これを防ぐためには、ある段階で選択比が高い条件に切り替えてやれば良い。ここではステップ２で高周波電圧の振幅は変えずにオンオフ制御した。オンオフの繰り返し周波数は1kHzとした。このように、メインエッチ後の比較的選択比が高いエッチングを以後オーバエッチと呼ぶ。ステップ２で高周波電源をオンオフ制御することにより、図２(c)に示すように、エッチ残りなくかつ下地酸化膜を十分残して加工が可能になる。
【００１０】
ステップ１とステップ２の切り替えは、Si原子の発光強度をモニターし、発光強度が落ちはじめたら、あるいは発光強度曲線の変極点（２次微分が０になる点）で切り替えるとよい。また、下地酸化膜が薄い場合は、あらかじめ多結晶シリコンのエッチングが終了する時間を測定しておき、その少し手前で切り替える方法でも良い。
【００１１】
選択比を高くするためには、単に電力を下げる方法もある。しかし、下地酸化膜２０２が4nmのように薄くなるとより選択比を上げる必要があり、単に電力を下げると多結晶シリコンのエッチ速度が低下してエッチ残りも生じ易くなる。本発明のように高周波電源１０９の出力をオンオフ制御すると、多結晶シリコンのエッチ速度は落とさず選択比を上げることができる。その様子を図３に示す。図３の横軸は多結晶シリコンのエッチ速度で縦軸は多結晶シリコンと酸化膜の選択比である。図中点Aは連続80Wの値で、曲線３０１は連続電力の値を小さくした場合、曲線３０２は電圧振幅一定でオンオフ制御してそのデューティー比（オン−オフの１周期に占めるオン期間の割合）を小さくした場合を示す。高周波をオンオフ制御する方が連続電力と比較して同じ多結晶シリコンエッチ速度でも選択比が高くなる。この原因は以下のように推定できる。酸素あるいは酸素を含む反応生成物が付着すると酸化膜のエッチ速度は低下する。一方、多結晶シリコンのエッチ速度は酸素の付着量がある程度までは低下しない。高周波電源をオンオフ制御するとオフ期間にはイオンは加速されず、酸素あるいは反応生成物の堆積だけが生じる。オン期間にはイオンが加速され表面に入射するが、オフ期間の堆積物に阻害されて酸化膜のエッチ速度が低下して選択比があがる。
【００１２】
図３よりオンオフ制御の効果をより高くするためには、デューティー比を30%以下にすれば良いことが分かる。またオン−オフの繰り返し周波数は100Hzから10kHzの間が適当である。周波数がこれより低くなると、オンオフ制御したことの効果が徐々に低くなる結果となった。また、繰り返し周波数が高いと高周波電源１０９の製作が技術的に難しくなる。
【００１３】
なお、同じエッチ速度を得るために必要な高周波電源１０９の電力の値は、装置の種類や高周波の周波数によって大きく異なるが、どの場合でも酸化膜のエッチ速度はデューティー比に比例する。従って、装置構造などが変わると図３の電力の絶対値は変わるが、デューティー比と選択比の関係は成り立つために、デューティー比３０％以下という数値はどの場合にも当てはまる。
【００１４】
以上の実施例では２つのステップでエッチングする方法を述べたが、被エッチング物質が金属、あるいは金属とシリコンの化合物などの多層構造でも、ステップの数を増してかつ下地部分が露出する直前あるいは直後に、高周波電源をオンオフ制御することで、エッチ残りを抑えると同時に高選択比を保つことができる。また、試料の構造によってはオーバエッチの部分をさらに複数のステップに分けても良い。
【００１５】
〔実施例２〕
図４は本発明を適用する別の装置構造で、この装置では数百kHzから数十M Hzのいわゆるラジオ波帯（以後rfと呼ぶ）の周波数で誘導結合によりプラズマを発生させる。真空容器４０１はアルミナや石英などの電磁波を透過する物質でつくられている。その回りに、プラズマ４０３を発生させるための電磁コイル４０２が巻いてある。コイルにはrf電源４０４が接続されている。真空容器４０１内には試料台４０８がありその上に試料４０７が置かれ、高周波電源４０９が接続されている。真空容器４０１には上蓋４０５がついているがこれは一体型でもかまわない。
【００１６】
この装置でも、この装置でも加工を複数のステップに分けてオーバエッチで高周波電源４０９をオンオフ制御することでエッチ残りを抑えてかつ選択比を高く保つことができる。
図４に示す装置では、電磁コイル４０２は上蓋４０５の上に設置されていても効果は同じである。
【００１７】
〔実施例３〕
図５は本発明を適用する別の装置構造で、この装置ではrf電力の容量結合によりプラズマを発生させる。真空容器５０１内には２枚の電極５０２、５０５が平行に配置してある。電極にはそれぞれrf電源５０３と高周波電源５０６が接続してある。試料５０４は試料台をかねる電極５０５の上におかれる。ガスは試料と対向した電極５０２に開いた穴から導入管５０８を通して容器内に入れられる。プラズマ５０７は２枚の電極の間で発生する。
【００１８】
この装置でも、この装置でも加工を複数のステップに分けてオーバエッチで高周波電源５０６をオンオフ制御することでエッチ残りを抑えてかつ選択比を高く保つことができる。
【００１９】
〔実施例４〕
次に、オーバエッチでさらに高い選択比を実現する方法を述べる。図６は被加工物のマスクをレジストではなく酸化膜にした場合の多結晶シリコンのエッチ速度と選択比の関係を示す。点Aは高周波電力が連続80Wの値で、曲線６０１は連続で電力を小さくした値、曲線６０２は電圧振幅一定でオンオフ制御でデューティー比を小さくした場合の値である。図３と比較してオンオフ制御することにより、選択比がさらに最大５０％程度上がることが分かる。この理由はレジスト中に含まれる炭素原子を排除したことによる。先に述べたように、バイアスをオンオフ制御すると高周波がオフの期間に酸化膜上に反応生成物や酸素原子が堆積して酸化膜のエッチ速度を低下させるが、同時に炭素原子あるいは炭素を含む反応生成物も堆積する。これらの物質は酸化膜のエッチ速度を高める性質があることが知られている。このために、オンオフ制御の効果を低くしてしまう。マスク材に酸化膜のような炭素を含まない物質を用いることにより、バイアスがオフ期間の炭素の付着がなくなり、より高い選択比が得られる。炭素を含まないマスク材としては他に窒化シリコンなどがある。
【００２０】
以上、本実施例によれば、下地の酸化膜が露出するまでを高速で加工することで加工時間を短縮できる。かつ、下地が露出する直前あるいは直後から、試料に加える高周波をオンオフ制御することで、連続電力を印加した場合と比べて、エッチ速度の低下を抑えつつ高い選択比を保つことができる。従って、エッチ残りも抑えられる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、多結晶シリコンのエッチングにおけるエッチ速度の低下あるいはエッチ残りの発生を抑えて、かつ高い対酸化膜選択比を保ち、半導体素子の加工を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表面加工方法を実施するための装置の一実施例を示す全体構成図である。
【図２】図１の装置による半導体試料の処理断面を示す図である。
【図３】多結晶シリコンエッチ速度と選択比との関係を示す図である。
【図４】本発明の表面加工方法を実施するための装置の他の実施例を示す全体構成図である。
【図５】本発明の表面加工方法を実施するための装置のさらに他の実施例を示す全体構成図である。
【図６】多結晶シリコンエッチ速度と選択比との関係を示す図である。
【符号の説明】
101…マイクロ波電源、102…導波管、103…導入窓、104,401,501…真空容器、105…磁石、106,403,507…プラズマ、107,407,504…試料、108,408…試料台、109,409,506…高周波電源、110…電圧波形、201…シリコン基板, 202…酸化膜, 203 …多結晶シリコン、204…レジスト、301,302,601,602…曲線、402…電磁コイル、404,503…ｒｆ電源、405…上蓋、502,505…電極、508…ガス導入管。
【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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