等离子体处理方法以及等离子体处理装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种随着等离子体处理时间的经过，使等离子体的离解状态逐渐地变化，从而能够进行期望的等离子体处理的等离子体处理方法以及等离子体处理装置。在本发明中，在使用具备对试样进行等离子体处理的等离子体处理室、供给等离子体生成用的第一高频电力的第一高频电源、以及对载置所述试样的试样台供给第二高频电力的第二高频电源的等离子体处理装置的等离子体处理方法中，通过第一脉冲对所述第一高频电力进行调制，通过随着等离子体处理时间的经过逐渐地控制所述第一脉冲的占空比，将等离子体的离解状态控制为期望的离解状态。
【专利说明】等离子体处理方法以及等离子体处理装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体元件的等离子体处理方法以及等离子体处理装置，特别涉及为 了等离子体处理的高精度化而对等离子体进行脉冲调制的等离子体处理方法以及等离子 体处理装置。
【背景技术】
[0002] 伴随半导体元件的微细化，被称为Fin Field Effect Transistor (以下，称为 Fin-FET )的三维构造的晶体管开始了量产化。与其对应地，在作为微细化的关键的干蚀刻 技术中，要求进一步的微细化、高纵横比以及以往的二维构造的晶体管中没有的复杂形状 的高精度的蚀刻，需要突破技术。
[0003] 另外，蚀刻中的纵横比等加工形状随着时间变化，存在与其形状对应的最佳的蚀 刻条件，但在以往的大部分的蚀刻方法中，未根据形状的变化改变条件。
[0004] 作为在蚀刻中使条件变化的现有技术，例如，在专利文献1中，公开有一种硅构造 体的制造方法，具有：第1电力施加工序，该第1电力施加工序在使用交替导入蚀刻气体和 有机堆积物形成气体而形成的等离子体对硅基板进行蚀刻的过程中，在从该蚀刻的开始时 起规定时间内，使蚀刻气体导入时的向基板的施加电力成为恒定；以及第2电力施加工序， 该第2电力施加工序在经过了该规定时间之后，使蚀刻气体导入时的向基板的施加电力随 着时间上升。
[0005] 另外，在专利文献2中，公开有将试样11的蚀刻期间分成例如2个，在前半(几十 秒)期间中，进行使用了脉冲放电的高电子温度的蚀刻(模式1)，在后半(数秒?20秒)期间 中，进行通常的低损伤蚀刻(模式2 )。
[0006] 【专利文献1】日本特开2009-239054号公报
[0007] 【专利文献2】日本特开平2-312227号公报
【发明内容】
[0008] 但是，例如，专利文献1以被称为micro electro mechanical system(以下，称为 MEMS)的微小的机械加工为目的，所以无法应用于想要在尺寸精度也是几微米的级别的控 制中达到l〇nm等级的晶体管的栅加工。
[0009] 另外，专利文献2记载的技术以蚀刻速度的提高为目的，所以未考虑随时间变化 的精度、放电的稳定性即改变电力的范围等。即，产生如下现象：如果使投入到等离子体的 电力变化，则在某一值下，等离子体摇摆而变得不稳定，在某一值的前后，蚀刻速度等特性 不连续地变化。其起因于伴随投入电力的变化，等离子体密度变化而电磁波的传导模式变 化、或者等离子体中的电场分布变化。
[0010] 另外，在蚀刻中使连续地施加的电力变化的技术中，以蚀刻速度等特性连续地变 化某种程度为前提，如果不连续地变化，则控制变得困难，得不到期望的加工形状。
[0011] 本发明的目的在于提供一种对应于10nm等级的微细加工的蚀刻技术。进而，确保 蚀刻的稳定性来实现再现性良好的微细加工。另外，本发明鉴于这些，提供一种等离子体处 理方法以及等离子体处理装置，随着等离子体处理时间的经过，使等离子体的离解状态逐 渐地变化，从而能够进行期望的等离子体处理。
[0012] 本发明提供一种等离子体处理方法，是使用等离子体处理装置的等离子体处理方 法，所述等离子体处理装置具备：对试样进行等离子体处理的等离子体处理室、供给等离子 体生成用的第一高频电力的第一高频电源以及对载置所述试样的试样台供给第二高频电 力的第二高频电源，所述等离子体处理方法的特征在于：通过第一脉冲对所述第一高频电 力进行调制，通过随着等离子体处理时间的经过逐渐地控制所述第一脉冲的占空比，将等 离子体的离解状态控制为期望的离解状态。
[0013] 另外，本发明提供一种等离子体处理装置，具备：对试样进行等离子体处理的等离 子体处理室、供给等离子体生成用的第一高频电力的第一高频电源、发生用于对所述第一 高频电力进行调制的第一脉冲的第一脉冲发生器、对载置所述试样的试样台供给第二高频 电力的第二高频电源以及发生用于对所述第二高频电力进行调制的第二脉冲的第二脉冲 发生器，所述等离子体处理装置的特征在于还包括：第一 0N/0FF信号发生器，发生控制所 述第一高频电源的0N和OFF的信号；以及第二0N/0FF信号发生器，发生控制所述第二高 频电源的0N和OFF的信号，在所述第一脉冲的0N期间时，在所述第一高频电源从所述第 一 0N/0FF信号发生器接收到OFF信号的情况下，所述第一高频电源停止第一高频电力的供 给。
[0014] 根据本发明，随着等离子体处理时间的经过，使等离子体的离解状态逐渐地变化， 从而能够进行期望的等离子体处理。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是示出用于实施本发明的等离子体处理方法的等离子体蚀刻装置的一个例 子的概略剖面图。
[0016] 图2是示出电力控制部的框图。
[0017] 图3是示出调制第一高频电源的脉冲波形的图。
[0018] 图4是示出实施例1的等离子体蚀刻结果的图。
[0019] 图5是示出本发明的占空比的控制方法的图。
[0020] 图6是示出实施例2的等离子体蚀刻结果的图。
[0021] 图7是示出通过使脉冲调制的反复频率变化来控制占空比的例子的图。
[0022] (符号说明）
[0023] 101 :腔；102 :晶片；103 :试样台；104 :微波透过窗；105 :波导管；106 :磁控管； 107 :螺线线圈；108 :静电吸附电源；109 :第二高频电源；110 :晶片搬入口；111 :气体导入 口；112 :等离子体；113 :第一高频电源；114 :电力控制部；201 :微型计算机；202 :时间变 换部；203 :第一脉冲发生器；204 :第二脉冲发生器；205 :主时钟；206 :脉冲波形；207 :第 一 0N0FF信号发生器；208 :第二0N0FF信号发生器；401 :含氮的硅膜；402 :多晶硅膜；403 : 氧化膜；404 :硅基板；601 :硅槽；602 :氧化膜；603 :蚀刻残余。
【具体实施方式】
[0024] 最初，参照附图，说明用于实施本发明的等离子体蚀刻装置的一个例子。图1是 在等离子体生成单元中利用了微波和磁场的Electron Cyclotron Resonance (以下，称为 ECR)型等离子体蚀刻装置的概略图。
[0025] ECR型等离子体蚀刻装置包括：作为等离子体处理室且能够对内部进行真空排气 的腔101、载置作为试样的晶片102的试样台103、设置于腔101的上表面的石英造的微波 透过窗104、设置于其上方的波导管105、振荡微波的磁控管106、对磁控管106供给高频电 力的第一高频电源113、设置于腔101的周边的螺线线圈107、和与试样台103连接的静电 吸附电源108以及第二高频电源109。
[0026] 晶片102在从晶片搬入口 110被搬入到腔101内之后，通过静电吸附电源108被 静电吸附到试样台103。接下来，工艺气体从气体导入口 111被导入到腔101内。腔101内 通过真空泵(未图示）减压排气，调整为规定的压力（例如，0. IPa?50Pa)。接下来，从第一 高频电源113对磁控管106供给高频电力而从磁控管106振荡频率为2. 45GHz的微波，经 由波导管105传播到腔101内。此处，第一高频电源113能够将连续的高频电力或者被时 间调制了的高频电力中的某一个供给给磁控管106。
[0027] 通过微波与由螺线线圈107发生的磁场的作用，处理气体被激励，在晶片102上部 的空间中形成等离子体112。另一方面，通过第二高频电源109对试样台103施加偏置，等 离子体112中的离子被垂直地加速并入射到晶片102上。另外，第二高频电源109能够对 试样台103施加连续的偏置电力、或者被时间调制了的偏置电力。通过来自等离子体112 的自由基和离子的作用，晶片102被各向异性地蚀刻。
[0028] 由电力控制部114控制等离子体生成用电力或者晶片偏置用电力。图2示出电力 控制部114的结构。等离子体蚀刻条件（以下，称为配方）被输入到微型计算机201。与电 力的时间控制有关的部分的配方由蚀刻时间Ts、时间变化的步幅△ T、微波的脉冲调制频 率Fm和其初始占空比Dms、蚀刻结束时的占空比Dme、偏置的脉冲调制频率Fb、其初始占空 比Dbs、蚀刻结束时的占空比Dbe的反复频率和占空比构成。
[0029] 微型计算机201根据所输入的配方计算脉冲调制了的微波的占空比的时间变化 Dm(t)、以及脉冲调制了的偏置的占空比的时间变化Db(t)。关于时间变化，也可以以多次 式、指数函数等任意的函数变化，但通常以一次式即与时间成比例地增减的控制就足够。
[0030] 接下来，占空比的时间变化通过时间变换部202被变换为微波成为0N时间Tmon (t)和成为OFF时间Tmoff (t)、偏置成为ON时间Tbon (t)和偏置成为OFF时间Tboff (t) 的值，Tmon (t)和Tmoff (t)被送到第一脉冲发生器203，Tbon (t)和Tboff (t)被送到 第二脉冲发生器204。
[0031] 在第一脉冲发生器203中依照所接收到的信号发生对第一高频电源113的输出进 行脉冲调制的信号，第二脉冲发生器204依照所接收到的信号发生对第二高频电源109的 输出进行脉冲调制的信号。另外，为了取得第一高频电源113和第二高频电源109的输出 的同步，设置有主时钟205。主时钟205的振荡频率只要比脉冲频率充分大则可以是任意 值，在本实施例中设为400kHz。
[0032] 主时钟205的输出被输入到第一脉冲发生器203和第二脉冲发生器204,使发生脉 冲波形的定时与主时钟205的频率同步，从而取得等离子体调制和偏置调制的同步。进而， 主时钟205的输出还兼作第二高频电源109的频率，对第二脉冲发生器204和主时钟205 的输出进行乘法而得到的波形通过第二高频电源109被进行放大，施加到晶片102。
[0033] 接下来，根据图3,说明对从第一高频电源113供给的高频电力进行调制的脉冲波 形206。另外，在图3的脉冲波形以及以下的动作说明中，为了说明简化了数值。图3是将蚀 刻时间Ts设定为6s、将时间变化的步幅Td设定为Is、将微波的调制频率Fm设定为0. 5Hz、 将初始占空比Dms设定为100%、将结束时的占空比Dme设定为50%的情况的脉冲波形。
[0034] 通过该配方，微型计算机201分成Ts/Td=6、即6次使占空比从100%与时间成比 例地减少至50%。即，微型计算机201计算针对每Is使占空比减少10%。由于脉冲频率Fm 是0. 5Hz，所以关于Td，在Is的期间发生2次脉冲。即，脉冲波形最初在Is的期间以占空 比100%发送2次，在接下来的Is的期间发送2次占空比90%的脉冲，在接下来的Is的期 间发送2次占空比80%的脉冲，以下反复，在最后的Is的期间发送2次占空比50%的脉冲 而结束。
[0035] 依照该脉冲，磁控管106使其输出0N/0FF而发送。如果将磁控管的0N期间的高 频电力Pm独立地进行配方输入，例如将Pm设定为1000W，则平均高频电力在6s的期间从 1000W以100W步幅减少至500W。另外，平均高频电力成为通过Pm和占空比之积求出的值。
[0036] 以上的动作说明了对从第一高频电源113供给的高频电力进行调制的情况，但在 对从第二高频电源109供给的高频电力进行调制的情况下也进行同样的动作。另外，从第 一高频电源113供给的高频电力和从第二高频电源109供给的高频电力可独立地控制，所 以关于从第二高频电源109供给的高频电力，也可以不进行脉冲调制而原样地连续输出。
[0037] 表1示出对如以上那样使微波的电力在蚀刻时间内变化的情况的放电的稳定性 进行测定而得到的结果。在表1中，根据闪变的大小，评价了目视观察的等离子体发光强度 的变化。在气体中，使用Cl 2气体、02气体、以及HBr气体的混合气体，压力是0. 5Pa。在使 Pm成为1000W变更占空比而变更微波电力的情况下，在所有区域中，放电稳定，但在如以往 那样使Pm减少了的情况下，在700至800W时发生放电不稳定。即，在以往方法中，无法实 现高精度的蚀刻。
[0038] 另外，关于Pm，只要被设定于在连续放电时稳定地放电的值的范围，也可以与占空 比一起变化。产生放电不稳定的微波电力依赖于气体的种类和压力等放电条件，所以需要 每次测定放电的稳定性。
[0039]【表1】
[0040]
【权利要求】
1. 一种等离子体处理方法，是使用等离子体处理装置的等离子体处理方法，所述等离 子体处理装置具备：对试样进行等离子体处理的等离子体处理室、供给等离子体生成用的 第一高频电力的第一高频电源以及对载置所述试样的试样台供给第二高频电力的第二高 频电源，所述等离子体处理方法的特征在于： 通过第一脉冲对所述第一高频电力进行调制， 通过随着等离子体处理时间的经过逐渐地控制所述第一脉冲的占空比，将等离子体的 离解状态控制为期望的离解状态。
2. 根据权利要求1所述的等离子体处理方法，其特征在于：基于所述试样的蚀刻形状 控制所述占空比。
3. 根据权利要求1所述的等离子体处理方法，其特征在于：设所述脉冲的ON期间的第 一高频电力为能够稳定地生成等离子体的电力。
4. 根据权利要求1所述的等离子体处理方法，其特征在于： 通过第二脉冲对所述第二高频电力进行调制， 在所述第二脉冲的ON期间，所述第一脉冲也是ON期间。
5. 根据权利要求1所述的等离子体处理方法，其特征在于： 通过第二脉冲对所述第二高频电力进行调制， 使所述第一脉冲的占空比随着所述等离子体处理时间的经过而逐渐地减少， 使所述第二脉冲的占空比随着所述等离子体处理时间的经过而逐渐地增加。
6. 根据权利要求1所述的等离子体处理方法，其特征在于： 通过第二脉冲对所述第二高频电力进行调制， 使所述第一脉冲的占空比随着所述等离子体处理时间的经过而逐渐地增加， 使所述第二脉冲的占空比随着所述等离子体处理时间的经过而逐渐地减少。
7. 根据权利要求1所述的等离子体处理方法，其特征在于：通过使所述第一脉冲的ON 期间成为恒定而变更OFF期间来控制占空比。
8. 根据权利要求1所述的等离子体处理方法，其特征在于：通过使所述第一脉冲的OFF 期间成为恒定而变更ON期间来控制占空比。
9. 根据权利要求1所述的等离子体处理方法，其特征在于：所述等离子体是使用CHF3 气体、CO气体以及H2气体的混合气体、CHF3气体、C02气体以及H 2气体的混合气体、C2F6气 体、C0气体以及H2气体的混合气体、或者C 2F6气体、C02气体以及H2气体的混合气体中的某 一个而生成的。
10. -种等离子体处理方法，是使用等离子体处理装置的等离子体处理方法，所述等离 子体处理装置具备：对试样进行等离子体处理的等离子体处理室、供给等离子体生成用的 第一高频电力的第一高频电源以及对载置所述试样的试样台供给第二高频电力的第二高 频电源，所述离子体处理方法的特征在于： 通过第一脉冲对所述第一高频电力进行调制， 通过基于所述试样的蚀刻深度或者等离子体的阻抗控制所述第一脉冲的占空比而将 等离子体的离解状态控制为期望的离解状态。
11. 一种等离子体处理装置，具备：对试样进行等离子体处理的等离子体处理室、供给 等离子体生成用的第一高频电力的第一高频电源、发生用于对所述第一高频电力进行调制 的第一脉冲的第一脉冲发生器、对载置所述试样的试样台供给第二高频电力的第二高频电 源以及发生用于对所述第二高频电力进行调制的第二脉冲的第二脉冲发生器，所述等离子 体处理装置的特征在于还包括： 第一 ΟΝ/OFF信号发生器，发生控制所述第一高频电源的ON和OFF的信号；以及 第二0N/0FF信号发生器，发生控制所述第二高频电源的ON和OFF的信号， 在所述第一脉冲的ON期间时，在所述第一高频电源从所述第一 0N/0FF信号发生器接 收到OFF信号的情况下，所述第一高频电源停止第一高频电力的供给。
【文档编号】H01J37/32GK104103486SQ201310330382
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年8月1日 优先权日:2013年4月9日
【发明者】武藤悟, 小野哲郎, 大越康雄, 永德宏文 申请人:株式会社日立高新技术