プラズマ処理方法
【課題】３次元トランジスタ構造のＰolyシリコンゲート側壁の窒素含有シリコン膜をシリコン基板削れを抑制しつつ、所望の形状に加工する方法を提供する。
【解決手段】３次元トランジスタ構造上の窒素含有シリコン膜をプラズマエッチングするために、堆積性の高いガスでエッチングする第１ステップと、堆積成分を除去する第２ステップとを有し、前記第１ステップと前記第２ステップを交互に繰り返すことにより、Ｐolyシリコンゲート電極３１の側壁にのみ窒素含有シリコン膜３４を残し、かつ、シリコン基板３３の削れを抑制するようにエッチング加工する。
【解決手段】３次元トランジスタ構造上の窒素含有シリコン膜をプラズマエッチングするために、堆積性の高いガスでエッチングする第１ステップと、堆積成分を除去する第２ステップとを有し、前記第１ステップと前記第２ステップを交互に繰り返すことにより、Ｐolyシリコンゲート電極３１の側壁にのみ窒素含有シリコン膜３４を残し、かつ、シリコン基板３３の削れを抑制するようにエッチング加工する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理方法に係り、３次元トランジスタ構造のＰolyシリコンゲート電極およびシリコン基板上の窒素含有シリコン膜のプラズマエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の微細化に伴い、従来のトランジスタ構造ではゲート長の縮小に伴うソースードレイン間の短チャネル効果が無視できなくなり、Ｆｉｎと呼ばれるソース，ドレイン電極をゲート電極側壁に設ける３次元トランジスタ構造が用いられるようになった。
【０００３】
一般的な３次元トランジスタではＰolyシリコンゲート電極側壁に窒素含有シリコン膜が残った状態で、ゲート電極に交差するＦｉｎ部にイオン打ち込みを行いソース，ドレイン電極を形成する。この際にＦｉｎ部に窒素含有シリコン膜が残った状態の場合、イオン打ち込み方向の制限もしくは均一なイオン打ち込みが困難となる問題が発生する。また、Ｆｉｎ部の窒素含有シリコン膜残渣を低減するために過剰なエッチングをした場合にはゲート電極間のシリコン基板およびシリコンを材料としたＦｉｎ自身が消耗し、所望のトランジスタ性能が得られない問題もある。
【０００４】
このプロセスでは、ゲート電極側壁に窒素含有シリコン膜を形成するために予めゲート電極周辺およびＦｉｎ上に一様に成膜された窒素含有シリコン膜をゲート電極の側壁部のみ、所望の高さおよび厚みとしＦｉｎ周辺の窒素含有シリコン膜を除去するものである。さらに、この処理の際にシリコン基板およびシリコンを材料としたＦｉｎ自身の消耗を抑制する加工方法でもある。従来よりシリコン基板と窒素含有シリコン含有膜の高選択加工については種々の方法が提案されている。例えば、特許文献１には被処理膜加工時に弗素系反応成分と、Ｈ2Ｏ又はＯＨ基含有化合物とを含む処理ガスの含有率をエッチングの進行に応じて変化させてシリコンとシリコン含有膜の高選択性を得ることを特徴とした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２００９−２４６３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記従来技術では、被処理膜が特徴的な構造上に形成されている場合に対しては配慮が不十分である。Ｐolyシリコンゲート電極側壁の窒素含有シリコン膜の高精度加工のためには、ゲート電極周辺部とＦｉｎ部の窒素含有シリコン膜のエッチングレートの調整および窒素含有シリコン膜とシリコン基板の高選択性の制御が必要となる。
【０００７】
この際に、窒素含有シリコン膜の加工時にシリコンの削れ抑制のため、ＣＨ2Ｆ2やＣＨ3Ｆのような弗素に対して炭素の比率が高いガスと酸素を含む混合ガスプラズマを用いられることが多いが、この場合プラズマ中の弗素量低下により、被処理膜である窒素含有シリコン膜表面に炭素を含んだポリマーが堆積し、窒素含有シリコン膜のエッチングが妨げられやすい。ポリマー抑制のために酸素流量を増加させると、窒素含有シリコン膜のエッチングが進行するとともにシリコンの削れ量も増加し、選択性が低下する。これらのことから窒素含有シリコン膜のエッチングが進行しつつ、シリコンの削れ量が抑制できる酸素流量を選択すると窒素含有シリコン膜表面に不均一にポリマーが付着し、側壁荒れ残渣が発生しやすい。酸素の代わりにＮ2，ＮＯ，ＮＯ2のようなガスを用いた場合も同様の現象が発生する。ポリマー除去を目的に特許文献１に記載されているような窒素含有シリコン膜およびシリコンと選択性の高い放電を行うと窒素含有シリコン膜の表面が酸化し、窒素含有シリコン膜と選択性の高い膜に変質することから残渣となる可能性がある。さらに３次元トランジスタのような構造ではＰolyシリコンゲート電極上のような開口部とゲート電極間のようなアスペクト比の高い狭スペース間では炭素を含んだポリマーの堆積状態のパターン間差からエッチングレートが必ずしも同様でないため、構造に依存して前記のようなシリコン削れ、残渣のような現象が顕著に発生しやすい。本体策のために被処理膜エッチングを複数Ｓtepに分けて酸素流量等をＳtep毎に変化させることも一般的であるがパターン間差の調整が困難である。Ｓtep間の放電中断による被処理膜上に過剰な炭素を含んだポリマーの堆積，その他エッチングの阻害となるガスの付着が発生することが要因のひとつである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、３次元トランジスタ構造上の窒素含有シリコン膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法において、前記プラズマエッチング方法は、堆積性の高いガスでエッチングする第１ステップと、堆積成分を除去する第２ステップとを有し、前記第１ステップと前記第２ステップを交互に繰り返すことを特徴とするプラズマエッチング方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、Ｐolyシリコンゲート電極側壁のおよびＦｉｎパターンを窒素含有シリコン膜を残渣なく、所望の形状に形成することができると共に、シリコン基板の削れを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明における処理室の構成を説明する断面図。
【図２】本実施例におけるプロセスフローを説明する図。
【図３】本実施例におけるＮ2流量と窒素含有シリコン膜のエッチングレートの関係を説明する図。
【図４】本実施例における加工例を説明する図。
【図５】本実施例における第１ステップの処理時間とポリマー堆積量および窒素含有シリコン膜の側壁荒れ・残渣発生の相関のモデルを説明する図。
【図６】本実施例における第１ステップの処理時間とポリマー堆積量および窒素含有シリコン膜の側壁荒れ・残渣発生の改善事例のモデルを説明する図。
【図７】第１ステップの処理時間と窒素含有シリコン膜３４の残りの膜厚の相関モデルを説明する図。
【図８】第１ステップの処理時間とＥＳＣ電流の相関モデルを説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本願発明を添付図面を参照しながら説明する。図１は本願発明に使用したプラズマ処理装置の断面である。プラズマ処理装置は、真空処理室１と、この真空処理室内に設けられウエハ３を保持するウエハ裁置面を備えた下部電極２と、この下部電極に対向して設けられプラズマと接する部分が導電性材料からなる上部電極９と、この上下の電極に対する高周波電源部と、磁場形成手段と、処理ガス供給系等を有している。下部電極２のウエハ裁置面の周縁には、フォーカスリング４が設けられている。磁場形成手段はヨーク５と、コイル６で構成されている。処理ガス供給手段はガス供給系１０と、ガス分散板８とを有している。真空処理室１にはこの真空処理室を減圧排気する真空ポンプが接続されている。高周波電源部は、アンテナ７と、第１高周波電源１１と、第１整合器１２と、第２高周波電源１３と、第２整合器１４と、フィルタ回路１５と、第３高周波電源１６と、第３整合器１７と、アンテナ外周リング１８と、アンテナ蓋部２１と、フィルタ回路２２と、フィルタ回路２５とを有している。また、下部電極２にはフィルタ回路２３を介して、静電チャック電源２４が接続されている。下部電極２は可動式であるために保護カバーとして下部電極上カバー２７，下部電極下カバー２８が設置されている。プラズマと接する真空処理室１の側壁部は内外の二重壁構造となっており、側壁部の外壁は金属材料例えばアルミニウムで構成され、側壁部の内壁は耐プラズマ性保護膜で構成されている。ウエハ３はゲートバルブ２９，プロセスバルブ２６を通り下部電極２に設置される。
【００１２】
上記のように構成された装置において、真空処理室１の内部を減圧した後、ガス供給系１０によりエッチングガスを真空処理室内に導入し所望の圧力に調整する。磁場形成手段のコイル６とヨーク５により真空処理室１内の下部電極２と上部電極９間には磁場が形成される。そして、高周波電源部の第１高周波電源１１により発振された、例えば周波数２００ＭＨｚの高周波電力を、アンテナ７及びアンテナ外周リング１８を介して真空処理室１に導入する。処理室内１に導入された高周波電力による電界は、処理室内に形成された磁場との相互作用により、処理室内に高密度プラズマを生成する。特に、電子サイクロトロン共鳴を起こす磁場強度（例えば、プラズマ生成用の高周波電源の周波数が２００ＭＨｚの場合は約７０Ｇ）を処理室内の下部電極２と上部電極９間に形成した場合、効率良く高密度のプラズマを生成することができる。
【００１３】
本構成の装置では、２００ＭＨｚの第１高周波電源１１によって主としてプラズマを生成し、第３高周波電源１６によってプラズマ組成あるいはプラズマ分布を制御し、第２高周波電源１３によってプラズマ中のイオンがウエハへ入射するエネルギーを制御している。
【００１４】
また、静電チャック電源２４により直流電圧が数百Ｖかけられることによりウエハをウエハ設置面に静電吸着させる。図１に示すように搬送によりゲートバルブ２９，プロセスバルブ２６を開きウエハ３を下部電極２のウエハ設置面上に設置し、上述のようにプラズマを生成した後、第３高周波電源１６より上部電極９へ、第２高周波電源１３より下部電極２へ、それぞれ高周波電力が供給されウエハ３にエッチング処理が行われる。上部電極９には石英窓５１が配設され光ファイバ５２と分光器５０が順次介設されている。分光器で得られた情報は、エッチング装置に配設された制御ＰＣの記録媒体に格納される。エッチング処理中に石英窓５１を通して入射するプラズマ光を分光器５０で分析し、ウエハ表面被膜の物質特有の波長領域の光を制御ＰＣで解析することで被膜の残膜厚を算出し、エッチング処理の制御ができる。また、フィルタ回路２３はエッチング処理中にプラズマからウエハを介して流れ込むＥＳＣの電流をモニタリングすることができる。
【００１５】
＜実施例１＞
以下に図２〜図５を用いて説明する。本実施例は、Ｆｉｎと呼ばれるソース，ドレイン電極をゲート電極側壁に設ける３次元トランジスタ構造上の窒素含有シリコン膜の加工例である。加工前の３次元トランジスタ構造は図２（１）に示すようにシリコン基板３３上にＰolyシリコンゲート電極３１とＦｉｎ３２で構成されたパターン上に、図２（１）窒素含有シリコン膜３４が成膜されている。２ステップ以上の処理ステップを有した加工方法で第１のステップとして窒素含有シリコン膜エッチングに対してシリコンと選択比が高い堆積性が高いステップと、第２のステップとしてシリコンと選択比が高く堆積物の除去が可能なステップを繰り返すことにより、図２（３）に示すようにＰolyシリコンゲート電極３１の側壁にのみ窒素含有シリコン膜３４を残し、かつ、シリコン基板３３の削れを抑制するようにエッチング加工するものである。
【００１６】
図２（１）に示すエッチング加工前の状態はＰolyシリコンゲート電極３１の膜厚：１２０ｎｍ、Ｆｉｎ３２の膜厚：４０ｎｍ、Ｐolyシリコンゲート電極間のスペースは６０ｎｍ上に窒素含有シリコン膜３４が１５ｎｍ、一様に成膜されている。成膜が完了した被処理基板であるウエハ３は下部電極２上に載置される。
【００１７】
図２（３）に示す窒素含有シリコン膜３４のエッチングでは、第１ステップとして例えば処理圧力１Ｐａ，第１高周波電源１１の電力６００Ｗ，第３高周波電源１６の電力８００Ｗ，第２高周波電源１３の電力８０Ｗ，ＣＨ3Ｆ（１０ＳＣＣＭ）Ｎ2（２００ＳＣＣＭ）の混合ガスプラズマによって窒素含有シリコン膜３４エッチングを行う。また、第１ステップのエッチング量は窒素含有シリコン膜３４の膜厚の５倍相当のエッチング量とする。本実施例として、ＣＨ3Ｆガスを用いたが、ＣＨ2Ｆ2ガス，ＣＨＦ3ガスを代用しても良い。また、ＣＨ3ＦガスとＮ2ガスの混合ガスに希ガスのＡｒ，Ｘｅを添加しても良い。第２ステップとして例えば処理圧力４Ｐａ，第１高周波電源１１の電力８００Ｗ，第３高周波電源１６の電力０Ｗ，第２高周波電源１３の電力０Ｗ，ＮＨ3（５００ＳＣＣＭ）のプラズマによって窒素含有シリコン膜３４上の堆積物を除去する。また、第２ステップのエッチング量も第１ステップのエッチング量と同等にする。第２ステップに用いるガスとして、ＮＨ3ガス以外にＮ2ガスも用いることが可能である。これらの第１ステップと第２ステップを順次ｎ回繰り返す。この場合、ｎ回の第１ステップのエッチング量の総和は窒素含有シリコン膜３４の膜厚の５倍相当のエッチング量とする。また、ｎ回の第２ステップのエッチング量の総和はｎ回の第１ステップのエッチング量の総和と同等にする。第１ステップでのＣＨ3Ｆガスに対するＮ2ガス流量は図３に示すように３次元トランジスタ構造に依存したパターン間のエッチングレート差を低減できる流量を選択した。これはパターン間のエッチング量を一定にすることで局部的にシリコン基板等へ、オーバーエッチングをかけることを防ぐためである。オーバーエッチングとは、前述のパターン間差や段差部の窒素含有シリコン膜３４のエッチング残りを防止するための追加エッチングのことである。
【００１８】
図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に窒素含有シリコン膜３４が成膜されている３次元トランジスタ構造において、窒素含有シリコン膜３４のエッチング処理が完了するまで第１ステップでエッチングし、その後、第２ステップを実施した場合の事例を示す。図４（ａ）が処理後の形状でＡ−Ａ′断面を（⇒）方向から見た結果が図４（ｂ）、Ｂ−Ｂ′断面を（→）方向から見た結果が図４（ｃ）となる。この場合、Ｐolyシリコンゲート電極３１側面の窒素含有シリコン膜３４は図４（ｂ）に示すとおり側壁荒れが顕著となった。また、図４（ｃ）でもＰolyシリコンゲート電極３１側面の窒素含有シリコン膜３４は縦筋の側壁荒れが顕著になることがわかった。さらにＰolyシリコンゲート電極とＦｉｎが交差する部分は窒素含有シリコン膜の残渣３５が発生した。
【００１９】
上記では窒素含有シリコン膜３４のエッチング処理を第１ステップと第２ステップを各々１回ずつ実施したが、第１ステップと第２ステップを順次、２回繰り返し、第１ステップの２回分のエッチング量が窒素含有シリコン膜３４の膜厚の５倍相当とした。また、第２ステップの２回分のエッチング量は、２回分の第１ステップのエッチング量と同等にした。その結果、第１ステップと第２ステップが各々１回の時に顕著に見られた窒素含有シリコン膜３４の側壁荒れ、および窒素含有シリコン膜の残渣３５の低減が見られた。同様に第１ステップでの１回の処理量を少なくし、第２ステップと交互に処理することを繰り返すことで、窒素含有シリコン膜３４の側壁荒れ、および窒素含有シリコン膜の残渣３５は更に低減する結果となった。この現象を図５および図６のモデル図にて説明する。図５に示すように第１ステップ処理中に窒素含有シリコン膜３４上に堆積し、エッチングを阻害するポリマーの堆積量が増加傾向であると、あるしきい値を超えることで窒素含有シリコン膜３４側壁荒れ、および窒素含有シリコン膜の残渣３５が発生することから、図６に示すようにしきい値を越える前に第１ステップを一旦中止し、第２ステップでポリマーの堆積を初期状態に戻すことで両者を改善できたと判断した。
【００２０】
また、窒素含有シリコン膜の残渣３５低減により、残渣除去のためのオーバーエッチング量を低下することが可能となり、パターン内のシリコン露出部のオーバーエッチング量も同様に低下させることができた。これによりシリコンの削れ量を抑制できることも確認できた。
【００２１】
＜実施例２＞
実施例１では窒素含有シリコン膜３４のエッチング処理を第１ステップと第２ステップを予め設定した時間を複数回ずつ実施したが、真空処理室１でのエッチング処理枚数により真空処理室１内の残留ガスや真空処理室１側壁の堆積物の付着状態が変化するため、同一処理時間を繰り返す制御のみではエッチングプロセスが不安定となりやすい。そのため、前記ウエハ表面被膜である窒素含有シリコン膜３４の物質特有の波長領域の光を制御パソコンで解析する窒素含有シリコン膜３４の残膜厚を算出する手段にて、第１ステップの処理時間を管理することが望ましく、エッチングプロセスをより安定化させることができる。窒素含有シリコン膜３４の残りの膜厚はプラズマ発光を光学的分析手段で逐次計測，分析し算出される。この際、図７に示すような窒素含有シリコン膜３４の残りの膜厚の計算値は予め準備しておいた、プラズマ発光と残りの膜厚の相関モデルと比較され、著しく相関モデルから外れた場合（今回の実施例では相関モデル値に対して＞±１０％と規定）に窒素含有シリコン膜３４が堆積物によりエッチングの進行を阻害されていると判断し、第２ステップに切り換えて一定時間、堆積物の除去を行った。その後、同様に第１ステップのプラズマ発光の分析結果と残りの膜厚の相関モデルの比較から第２ステップへの切り換えタイミングを決定し、これらの第１及び第２ステップを繰り返すことで窒素含有シリコン膜３４のモニタ部の残りの膜厚が無くなるまでエッチングを継続する。これにより、シリコン削れと窒素含有シリコン膜の残渣３５の低減を両立できた。
【００２２】
＜実施例３＞
次に実施例２では第１ステップのプラズマ発光の分析結果と残りの膜厚の相関モデルの比較から第２ステップへの切り換えタイミングを決定する手法を用いたが、実施例３では、ウエハを介して流れ込むＥＳＣの電流にて、第１ステップと第２ステップへの切り換えタイミングを決定する手法を図８を用いて説明する。被処理膜である窒素含有シリコン膜３４表面のエッチングの阻害要因となる堆積物の付着状況に応じてＥＳＣ電流の値は異なる。本実施例ではＥＳＣ電流の変化をモニタし、予め設定したしきい値を超えた場合に第２ステップに切り換えて堆積物の除去を行った。その後、再度、第１ステップと第２ステップを繰り返し、窒素含有シリコン膜３４が所望の状態になるまでエッチング処理を行った。これにより、シリコン削れと窒素含有シリコン膜の残渣３５の低減を両立できた。
【００２３】
本発明は、半導体デバイスの試験サンプルについて最適化を行ったプロセス条件であり、３次元トランジスタ構造上の窒素含有シリコン膜の加工方法については、本発明条件に限られたものではない。
【００２４】
本発明は、３次元トランジスタ構造上の窒素含有シリコン膜の加工方法について記載したが、それに限るものではなく、半導体デバイス製造工程において穴や溝を加工し、その加工部の構造体が窒素含有シリコン膜からなるプロセスにおいては、本発明の方法が適応可能であり、例えばエッチバック工程やハードマスク加工工程などにも応用することができる。
【００２５】
尚、本発明は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を用いるプラズマエッチング装置を使用したが、プラズマの生成方法の如何に関わらず適用可能であり、例えば、ヘリコン波エッチング装置，誘導結合型エッチング装置，容量結合型エッチング装置等によって実施しても同等の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００２６】
１ 真空処理室
２ 下部電極
３ ウエハ
４ フォーカスリング
５ ヨーク
６ コイル
７ アンテナ
８ ガス分散板
９ 上部電極
１０ ガス供給系
１１ 第１高周波電源
１２ 第１整合器
１３ 第２高周波電源
１４ 第２整合器
１５，２２，２３，２５ フィルタ回路
１６ 第３高周波電源
１７ 第３整合器
１８ アンテナ外周リング
２１ アンテナ蓋部
２４ 静電チャック電源
２６ プロセスバルブ
２７ 下部電極上カバー
２８ 下部電極下カバー
２９ ゲートバルブ
３１ Ｐolyシリコンゲート電極
３２ Ｆｉｎ
３３ シリコン基板
３４ 窒素含有シリコン膜
３５ 窒素含有シリコン膜の残渣
５０ 分光器
５１ 石英窓
５２ 光ファイバ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理方法に係り、３次元トランジスタ構造のＰolyシリコンゲート電極およびシリコン基板上の窒素含有シリコン膜のプラズマエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の微細化に伴い、従来のトランジスタ構造ではゲート長の縮小に伴うソースードレイン間の短チャネル効果が無視できなくなり、Ｆｉｎと呼ばれるソース，ドレイン電極をゲート電極側壁に設ける３次元トランジスタ構造が用いられるようになった。
【０００３】
一般的な３次元トランジスタではＰolyシリコンゲート電極側壁に窒素含有シリコン膜が残った状態で、ゲート電極に交差するＦｉｎ部にイオン打ち込みを行いソース，ドレイン電極を形成する。この際にＦｉｎ部に窒素含有シリコン膜が残った状態の場合、イオン打ち込み方向の制限もしくは均一なイオン打ち込みが困難となる問題が発生する。また、Ｆｉｎ部の窒素含有シリコン膜残渣を低減するために過剰なエッチングをした場合にはゲート電極間のシリコン基板およびシリコンを材料としたＦｉｎ自身が消耗し、所望のトランジスタ性能が得られない問題もある。
【０００４】
このプロセスでは、ゲート電極側壁に窒素含有シリコン膜を形成するために予めゲート電極周辺およびＦｉｎ上に一様に成膜された窒素含有シリコン膜をゲート電極の側壁部のみ、所望の高さおよび厚みとしＦｉｎ周辺の窒素含有シリコン膜を除去するものである。さらに、この処理の際にシリコン基板およびシリコンを材料としたＦｉｎ自身の消耗を抑制する加工方法でもある。従来よりシリコン基板と窒素含有シリコン含有膜の高選択加工については種々の方法が提案されている。例えば、特許文献１には被処理膜加工時に弗素系反応成分と、Ｈ2Ｏ又はＯＨ基含有化合物とを含む処理ガスの含有率をエッチングの進行に応じて変化させてシリコンとシリコン含有膜の高選択性を得ることを特徴とした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２００９−２４６３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記従来技術では、被処理膜が特徴的な構造上に形成されている場合に対しては配慮が不十分である。Ｐolyシリコンゲート電極側壁の窒素含有シリコン膜の高精度加工のためには、ゲート電極周辺部とＦｉｎ部の窒素含有シリコン膜のエッチングレートの調整および窒素含有シリコン膜とシリコン基板の高選択性の制御が必要となる。
【０００７】
この際に、窒素含有シリコン膜の加工時にシリコンの削れ抑制のため、ＣＨ2Ｆ2やＣＨ3Ｆのような弗素に対して炭素の比率が高いガスと酸素を含む混合ガスプラズマを用いられることが多いが、この場合プラズマ中の弗素量低下により、被処理膜である窒素含有シリコン膜表面に炭素を含んだポリマーが堆積し、窒素含有シリコン膜のエッチングが妨げられやすい。ポリマー抑制のために酸素流量を増加させると、窒素含有シリコン膜のエッチングが進行するとともにシリコンの削れ量も増加し、選択性が低下する。これらのことから窒素含有シリコン膜のエッチングが進行しつつ、シリコンの削れ量が抑制できる酸素流量を選択すると窒素含有シリコン膜表面に不均一にポリマーが付着し、側壁荒れ残渣が発生しやすい。酸素の代わりにＮ2，ＮＯ，ＮＯ2のようなガスを用いた場合も同様の現象が発生する。ポリマー除去を目的に特許文献１に記載されているような窒素含有シリコン膜およびシリコンと選択性の高い放電を行うと窒素含有シリコン膜の表面が酸化し、窒素含有シリコン膜と選択性の高い膜に変質することから残渣となる可能性がある。さらに３次元トランジスタのような構造ではＰolyシリコンゲート電極上のような開口部とゲート電極間のようなアスペクト比の高い狭スペース間では炭素を含んだポリマーの堆積状態のパターン間差からエッチングレートが必ずしも同様でないため、構造に依存して前記のようなシリコン削れ、残渣のような現象が顕著に発生しやすい。本体策のために被処理膜エッチングを複数Ｓtepに分けて酸素流量等をＳtep毎に変化させることも一般的であるがパターン間差の調整が困難である。Ｓtep間の放電中断による被処理膜上に過剰な炭素を含んだポリマーの堆積，その他エッチングの阻害となるガスの付着が発生することが要因のひとつである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、３次元トランジスタ構造上の窒素含有シリコン膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法において、前記プラズマエッチング方法は、堆積性の高いガスでエッチングする第１ステップと、堆積成分を除去する第２ステップとを有し、前記第１ステップと前記第２ステップを交互に繰り返すことを特徴とするプラズマエッチング方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、Ｐolyシリコンゲート電極側壁のおよびＦｉｎパターンを窒素含有シリコン膜を残渣なく、所望の形状に形成することができると共に、シリコン基板の削れを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明における処理室の構成を説明する断面図。
【図２】本実施例におけるプロセスフローを説明する図。
【図３】本実施例におけるＮ2流量と窒素含有シリコン膜のエッチングレートの関係を説明する図。
【図４】本実施例における加工例を説明する図。
【図５】本実施例における第１ステップの処理時間とポリマー堆積量および窒素含有シリコン膜の側壁荒れ・残渣発生の相関のモデルを説明する図。
【図６】本実施例における第１ステップの処理時間とポリマー堆積量および窒素含有シリコン膜の側壁荒れ・残渣発生の改善事例のモデルを説明する図。
【図７】第１ステップの処理時間と窒素含有シリコン膜３４の残りの膜厚の相関モデルを説明する図。
【図８】第１ステップの処理時間とＥＳＣ電流の相関モデルを説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本願発明を添付図面を参照しながら説明する。図１は本願発明に使用したプラズマ処理装置の断面である。プラズマ処理装置は、真空処理室１と、この真空処理室内に設けられウエハ３を保持するウエハ裁置面を備えた下部電極２と、この下部電極に対向して設けられプラズマと接する部分が導電性材料からなる上部電極９と、この上下の電極に対する高周波電源部と、磁場形成手段と、処理ガス供給系等を有している。下部電極２のウエハ裁置面の周縁には、フォーカスリング４が設けられている。磁場形成手段はヨーク５と、コイル６で構成されている。処理ガス供給手段はガス供給系１０と、ガス分散板８とを有している。真空処理室１にはこの真空処理室を減圧排気する真空ポンプが接続されている。高周波電源部は、アンテナ７と、第１高周波電源１１と、第１整合器１２と、第２高周波電源１３と、第２整合器１４と、フィルタ回路１５と、第３高周波電源１６と、第３整合器１７と、アンテナ外周リング１８と、アンテナ蓋部２１と、フィルタ回路２２と、フィルタ回路２５とを有している。また、下部電極２にはフィルタ回路２３を介して、静電チャック電源２４が接続されている。下部電極２は可動式であるために保護カバーとして下部電極上カバー２７，下部電極下カバー２８が設置されている。プラズマと接する真空処理室１の側壁部は内外の二重壁構造となっており、側壁部の外壁は金属材料例えばアルミニウムで構成され、側壁部の内壁は耐プラズマ性保護膜で構成されている。ウエハ３はゲートバルブ２９，プロセスバルブ２６を通り下部電極２に設置される。
【００１２】
上記のように構成された装置において、真空処理室１の内部を減圧した後、ガス供給系１０によりエッチングガスを真空処理室内に導入し所望の圧力に調整する。磁場形成手段のコイル６とヨーク５により真空処理室１内の下部電極２と上部電極９間には磁場が形成される。そして、高周波電源部の第１高周波電源１１により発振された、例えば周波数２００ＭＨｚの高周波電力を、アンテナ７及びアンテナ外周リング１８を介して真空処理室１に導入する。処理室内１に導入された高周波電力による電界は、処理室内に形成された磁場との相互作用により、処理室内に高密度プラズマを生成する。特に、電子サイクロトロン共鳴を起こす磁場強度（例えば、プラズマ生成用の高周波電源の周波数が２００ＭＨｚの場合は約７０Ｇ）を処理室内の下部電極２と上部電極９間に形成した場合、効率良く高密度のプラズマを生成することができる。
【００１３】
本構成の装置では、２００ＭＨｚの第１高周波電源１１によって主としてプラズマを生成し、第３高周波電源１６によってプラズマ組成あるいはプラズマ分布を制御し、第２高周波電源１３によってプラズマ中のイオンがウエハへ入射するエネルギーを制御している。
【００１４】
また、静電チャック電源２４により直流電圧が数百Ｖかけられることによりウエハをウエハ設置面に静電吸着させる。図１に示すように搬送によりゲートバルブ２９，プロセスバルブ２６を開きウエハ３を下部電極２のウエハ設置面上に設置し、上述のようにプラズマを生成した後、第３高周波電源１６より上部電極９へ、第２高周波電源１３より下部電極２へ、それぞれ高周波電力が供給されウエハ３にエッチング処理が行われる。上部電極９には石英窓５１が配設され光ファイバ５２と分光器５０が順次介設されている。分光器で得られた情報は、エッチング装置に配設された制御ＰＣの記録媒体に格納される。エッチング処理中に石英窓５１を通して入射するプラズマ光を分光器５０で分析し、ウエハ表面被膜の物質特有の波長領域の光を制御ＰＣで解析することで被膜の残膜厚を算出し、エッチング処理の制御ができる。また、フィルタ回路２３はエッチング処理中にプラズマからウエハを介して流れ込むＥＳＣの電流をモニタリングすることができる。
【００１５】
＜実施例１＞
以下に図２〜図５を用いて説明する。本実施例は、Ｆｉｎと呼ばれるソース，ドレイン電極をゲート電極側壁に設ける３次元トランジスタ構造上の窒素含有シリコン膜の加工例である。加工前の３次元トランジスタ構造は図２（１）に示すようにシリコン基板３３上にＰolyシリコンゲート電極３１とＦｉｎ３２で構成されたパターン上に、図２（１）窒素含有シリコン膜３４が成膜されている。２ステップ以上の処理ステップを有した加工方法で第１のステップとして窒素含有シリコン膜エッチングに対してシリコンと選択比が高い堆積性が高いステップと、第２のステップとしてシリコンと選択比が高く堆積物の除去が可能なステップを繰り返すことにより、図２（３）に示すようにＰolyシリコンゲート電極３１の側壁にのみ窒素含有シリコン膜３４を残し、かつ、シリコン基板３３の削れを抑制するようにエッチング加工するものである。
【００１６】
図２（１）に示すエッチング加工前の状態はＰolyシリコンゲート電極３１の膜厚：１２０ｎｍ、Ｆｉｎ３２の膜厚：４０ｎｍ、Ｐolyシリコンゲート電極間のスペースは６０ｎｍ上に窒素含有シリコン膜３４が１５ｎｍ、一様に成膜されている。成膜が完了した被処理基板であるウエハ３は下部電極２上に載置される。
【００１７】
図２（３）に示す窒素含有シリコン膜３４のエッチングでは、第１ステップとして例えば処理圧力１Ｐａ，第１高周波電源１１の電力６００Ｗ，第３高周波電源１６の電力８００Ｗ，第２高周波電源１３の電力８０Ｗ，ＣＨ3Ｆ（１０ＳＣＣＭ）Ｎ2（２００ＳＣＣＭ）の混合ガスプラズマによって窒素含有シリコン膜３４エッチングを行う。また、第１ステップのエッチング量は窒素含有シリコン膜３４の膜厚の５倍相当のエッチング量とする。本実施例として、ＣＨ3Ｆガスを用いたが、ＣＨ2Ｆ2ガス，ＣＨＦ3ガスを代用しても良い。また、ＣＨ3ＦガスとＮ2ガスの混合ガスに希ガスのＡｒ，Ｘｅを添加しても良い。第２ステップとして例えば処理圧力４Ｐａ，第１高周波電源１１の電力８００Ｗ，第３高周波電源１６の電力０Ｗ，第２高周波電源１３の電力０Ｗ，ＮＨ3（５００ＳＣＣＭ）のプラズマによって窒素含有シリコン膜３４上の堆積物を除去する。また、第２ステップのエッチング量も第１ステップのエッチング量と同等にする。第２ステップに用いるガスとして、ＮＨ3ガス以外にＮ2ガスも用いることが可能である。これらの第１ステップと第２ステップを順次ｎ回繰り返す。この場合、ｎ回の第１ステップのエッチング量の総和は窒素含有シリコン膜３４の膜厚の５倍相当のエッチング量とする。また、ｎ回の第２ステップのエッチング量の総和はｎ回の第１ステップのエッチング量の総和と同等にする。第１ステップでのＣＨ3Ｆガスに対するＮ2ガス流量は図３に示すように３次元トランジスタ構造に依存したパターン間のエッチングレート差を低減できる流量を選択した。これはパターン間のエッチング量を一定にすることで局部的にシリコン基板等へ、オーバーエッチングをかけることを防ぐためである。オーバーエッチングとは、前述のパターン間差や段差部の窒素含有シリコン膜３４のエッチング残りを防止するための追加エッチングのことである。
【００１８】
図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に窒素含有シリコン膜３４が成膜されている３次元トランジスタ構造において、窒素含有シリコン膜３４のエッチング処理が完了するまで第１ステップでエッチングし、その後、第２ステップを実施した場合の事例を示す。図４（ａ）が処理後の形状でＡ−Ａ′断面を（⇒）方向から見た結果が図４（ｂ）、Ｂ−Ｂ′断面を（→）方向から見た結果が図４（ｃ）となる。この場合、Ｐolyシリコンゲート電極３１側面の窒素含有シリコン膜３４は図４（ｂ）に示すとおり側壁荒れが顕著となった。また、図４（ｃ）でもＰolyシリコンゲート電極３１側面の窒素含有シリコン膜３４は縦筋の側壁荒れが顕著になることがわかった。さらにＰolyシリコンゲート電極とＦｉｎが交差する部分は窒素含有シリコン膜の残渣３５が発生した。
【００１９】
上記では窒素含有シリコン膜３４のエッチング処理を第１ステップと第２ステップを各々１回ずつ実施したが、第１ステップと第２ステップを順次、２回繰り返し、第１ステップの２回分のエッチング量が窒素含有シリコン膜３４の膜厚の５倍相当とした。また、第２ステップの２回分のエッチング量は、２回分の第１ステップのエッチング量と同等にした。その結果、第１ステップと第２ステップが各々１回の時に顕著に見られた窒素含有シリコン膜３４の側壁荒れ、および窒素含有シリコン膜の残渣３５の低減が見られた。同様に第１ステップでの１回の処理量を少なくし、第２ステップと交互に処理することを繰り返すことで、窒素含有シリコン膜３４の側壁荒れ、および窒素含有シリコン膜の残渣３５は更に低減する結果となった。この現象を図５および図６のモデル図にて説明する。図５に示すように第１ステップ処理中に窒素含有シリコン膜３４上に堆積し、エッチングを阻害するポリマーの堆積量が増加傾向であると、あるしきい値を超えることで窒素含有シリコン膜３４側壁荒れ、および窒素含有シリコン膜の残渣３５が発生することから、図６に示すようにしきい値を越える前に第１ステップを一旦中止し、第２ステップでポリマーの堆積を初期状態に戻すことで両者を改善できたと判断した。
【００２０】
また、窒素含有シリコン膜の残渣３５低減により、残渣除去のためのオーバーエッチング量を低下することが可能となり、パターン内のシリコン露出部のオーバーエッチング量も同様に低下させることができた。これによりシリコンの削れ量を抑制できることも確認できた。
【００２１】
＜実施例２＞
実施例１では窒素含有シリコン膜３４のエッチング処理を第１ステップと第２ステップを予め設定した時間を複数回ずつ実施したが、真空処理室１でのエッチング処理枚数により真空処理室１内の残留ガスや真空処理室１側壁の堆積物の付着状態が変化するため、同一処理時間を繰り返す制御のみではエッチングプロセスが不安定となりやすい。そのため、前記ウエハ表面被膜である窒素含有シリコン膜３４の物質特有の波長領域の光を制御パソコンで解析する窒素含有シリコン膜３４の残膜厚を算出する手段にて、第１ステップの処理時間を管理することが望ましく、エッチングプロセスをより安定化させることができる。窒素含有シリコン膜３４の残りの膜厚はプラズマ発光を光学的分析手段で逐次計測，分析し算出される。この際、図７に示すような窒素含有シリコン膜３４の残りの膜厚の計算値は予め準備しておいた、プラズマ発光と残りの膜厚の相関モデルと比較され、著しく相関モデルから外れた場合（今回の実施例では相関モデル値に対して＞±１０％と規定）に窒素含有シリコン膜３４が堆積物によりエッチングの進行を阻害されていると判断し、第２ステップに切り換えて一定時間、堆積物の除去を行った。その後、同様に第１ステップのプラズマ発光の分析結果と残りの膜厚の相関モデルの比較から第２ステップへの切り換えタイミングを決定し、これらの第１及び第２ステップを繰り返すことで窒素含有シリコン膜３４のモニタ部の残りの膜厚が無くなるまでエッチングを継続する。これにより、シリコン削れと窒素含有シリコン膜の残渣３５の低減を両立できた。
【００２２】
＜実施例３＞
次に実施例２では第１ステップのプラズマ発光の分析結果と残りの膜厚の相関モデルの比較から第２ステップへの切り換えタイミングを決定する手法を用いたが、実施例３では、ウエハを介して流れ込むＥＳＣの電流にて、第１ステップと第２ステップへの切り換えタイミングを決定する手法を図８を用いて説明する。被処理膜である窒素含有シリコン膜３４表面のエッチングの阻害要因となる堆積物の付着状況に応じてＥＳＣ電流の値は異なる。本実施例ではＥＳＣ電流の変化をモニタし、予め設定したしきい値を超えた場合に第２ステップに切り換えて堆積物の除去を行った。その後、再度、第１ステップと第２ステップを繰り返し、窒素含有シリコン膜３４が所望の状態になるまでエッチング処理を行った。これにより、シリコン削れと窒素含有シリコン膜の残渣３５の低減を両立できた。
【００２３】
本発明は、半導体デバイスの試験サンプルについて最適化を行ったプロセス条件であり、３次元トランジスタ構造上の窒素含有シリコン膜の加工方法については、本発明条件に限られたものではない。
【００２４】
本発明は、３次元トランジスタ構造上の窒素含有シリコン膜の加工方法について記載したが、それに限るものではなく、半導体デバイス製造工程において穴や溝を加工し、その加工部の構造体が窒素含有シリコン膜からなるプロセスにおいては、本発明の方法が適応可能であり、例えばエッチバック工程やハードマスク加工工程などにも応用することができる。
【００２５】
尚、本発明は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を用いるプラズマエッチング装置を使用したが、プラズマの生成方法の如何に関わらず適用可能であり、例えば、ヘリコン波エッチング装置，誘導結合型エッチング装置，容量結合型エッチング装置等によって実施しても同等の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００２６】
１ 真空処理室
２ 下部電極
３ ウエハ
４ フォーカスリング
５ ヨーク
６ コイル
７ アンテナ
８ ガス分散板
９ 上部電極
１０ ガス供給系
１１ 第１高周波電源
１２ 第１整合器
１３ 第２高周波電源
１４ 第２整合器
１５，２２，２３，２５ フィルタ回路
１６ 第３高周波電源
１７ 第３整合器
１８ アンテナ外周リング
２１ アンテナ蓋部
２４ 静電チャック電源
２６ プロセスバルブ
２７ 下部電極上カバー
２８ 下部電極下カバー
２９ ゲートバルブ
３１ Ｐolyシリコンゲート電極
３２ Ｆｉｎ
３３ シリコン基板
３４ 窒素含有シリコン膜
３５ 窒素含有シリコン膜の残渣
５０ 分光器
５１ 石英窓
５２ 光ファイバ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元トランジスタ構造上の窒素含有シリコン膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法において、
前記プラズマエッチング方法は、堆積性の高いガスでエッチングする第１ステップと、
堆積成分を除去する第２ステップとを有し、前記第１ステップと前記第２ステップを交互に繰り返すことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマエッチング方法において、
前記第１ステップのガスとして、ＣＨｘＦｙガスとＮ2ガスとＡｒまたはＸｅの混合ガスを用いることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項３】
請求項１記載のプラズマエッチング方法において、
前記第２ステップのガスとして、ＮＨ3ガスもしくは窒素ガスの少なくとも一つガスを用いることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項１】
３次元トランジスタ構造上の窒素含有シリコン膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法において、
前記プラズマエッチング方法は、堆積性の高いガスでエッチングする第１ステップと、
堆積成分を除去する第２ステップとを有し、前記第１ステップと前記第２ステップを交互に繰り返すことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマエッチング方法において、
前記第１ステップのガスとして、ＣＨｘＦｙガスとＮ2ガスとＡｒまたはＸｅの混合ガスを用いることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項３】
請求項１記載のプラズマエッチング方法において、
前記第２ステップのガスとして、ＮＨ3ガスもしくは窒素ガスの少なくとも一つガスを用いることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２１１１３５（Ｐ２０１１−２１１１３５Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８００６３（Ｐ２０１０−８００６３）
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]