JPH0982682A

JPH0982682A - プラズマ処理方法

Info

Publication number: JPH0982682A
Application number: JP23228895A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Tsujimoto; 和典辻本; Naoyuki Koto; 直行小藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-09-11
Filing date: 1995-09-11
Publication date: 1997-03-28

Abstract

(57)【要約】【目的】プラズマエッチングにおいて発生するチャー
ジアップダメージや局所異常エッチング（ノッチング）
を抑制する。【構成】プラズマ処理における基板バイアスとして、
プラズマ中の電子を加速するバイアス波形を印加する。【効果】イオンだけでなく電子も微細パターンの底面
まで入射することによって、微細パターン底面の正のチ
ャージアップが解消され、プラズマエッチングにおける
チャージアップダメージやノッチングその他の形状異常
抑制やプラズマＣＶＤにおける溝内の均一な膜形成が行
われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマを用いた表面
処理装置に係わり、特に被処理物（試料）に印加するバ
イアス電圧の印加法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のバイアス印加方法の内の最も代表
的な例であるＲＦバイアスと呼ばれるものを図２に示
す。被エッチング試料１は静電吸着機構に起因するキャ
パシタ２を介して高周波電源３に接続されている。高周
波電源３からは正弦波状の電圧が印加される。このとき
プラズマ４から供給される電子がイオンに比べて数十倍
大きいためキャパシタ２の試料側には負の電荷が蓄積さ
れる。このキャパシタ電荷のため、負にシフトした電圧
が基板上に表れる。この負電圧によってエッチング種で
ある正イオンが加速され基板に垂直入射することによっ
て垂直形状のエッチングが可能になる。また、この他に
アイデアとしては特許1095402号や特開平6-61182などに
おいてパルス波形の電圧をバイアスとして用いる方法も
既に考案されている。

【０００３】しかし、これら公知例の内で、バイアス電
圧波形の制御により微細パターンの底面に電子を加速し
ながら入射させ、かつイオンによりエッチングすること
は行われていない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の正弦波状の基板
バイアス波形の電圧を印加して微細パターンの加工を行
なった場合、微細パターンの底面で電子シェーディング
と呼ばれるチャージアップ現象を生じる。このチャージ
アップ現象はプラズマエッチングにおいて様々な弊害を
もたらしている。その最も重要な問題の一つがゲート用
ポリシリコン加工における局所異常サイドエッチング
（ノッチング）の発生である。このチャージアップ現象
およびノッチング発生機構を図３に示す。

【０００５】従来の正弦波状の基板バイアス波形では、
電子が試料に入射する正のサイクルで電子を加速するた
めの正電圧がほとんど０になっているため、電子はほと
んど加速されず基板に入射する。イオン１０は加速され
て試料に入射するため、微細パターンの底面まで達する
のに対して、電子１１は加速されず試料に等方的に入射
するため微細パターンではマスク１２に遮られて底面ま
で達することができない。このため、微細パターンでは
マスクが負にチャージアップし底面が正にチャージアッ
プする（電子シェーディング現象）。このチャージアッ
プによってエッチング種であるイオン１０が反発され、
パターンの側面へ入射するようになる。この側面に入射
するイオン１０がポリシリコン層１３と下地シリコン酸
化膜層１４との界面に局所異常サイドエッチング１５
（ノッチング）を発生させる。このノッチング１５の発
生は、基板１６と導通がないパターン１７に比べ、基板
と導通のあるパターン１８の加工の場合に顕著であっ
た。

【０００６】さらに、電子シェーディング現象によるチ
ャージアップは、ノッチング等の形状異常の他にゲート
絶縁膜破壊やＶ_tシフトなどをもたらすことによってゲ
ート劣化を引き起こす主要因となっていることが知られ
ている。

【０００７】本発明は、電子シェーディング現象を抑制
し、これに起因する諸問題を解決する方法を提供するも
のである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマエッ
チングにおいて印加するバイアス電圧を、従来のように
プラズマシース内で電子を加速できない正弦波状の電圧
から、電子を加速することが可能なバイアスに替えるこ
とによって、電子シェーディング現象やノッチング発生
を抑制するものである。具体的には、一例として図１に
示すように、バイアス電源を従来の正弦波状の高周波電
源に換え、パルス電源１９を設置し、このパルス電源か
らバイアス電圧として、立ち上がり速度が１０³Ｖ／μ
ｓ以上のパルス電圧を印加する。

【０００９】

【作用】まず、図１のプラズマエッチング装置において
パルス電源１９から、高速のパルス波形電圧を印加した
場合について考える。この場合基板には図４のようなバ
イアス波形が現れる。入力電圧が０の間、基板はプラズ
マ電位より約２０Ｖ低い浮遊電位とよばれる電位状態
にある。この間、基板上の微細パターンの底面には図３
の場合と同様に電子シェーディングによる正のチャージ
アップが発生する。一方、正のパルス電圧が印加されて
いる間には、基板は浮遊電位より高い電位になる。パル
ス電圧印加中の電位がプラズマ電位より高い場合、基板
電位とプラズマ電位との差の電圧（以下では電子加速電
圧と呼ぶ）によって、電子が加速されて微細パターンの
底面まで入射する。これによって、微細パターン底面の
正のチャージアップは中和される。その結果ノッチング
等の電子シェーディングに起因する諸問題が軽減される
と考えられる。

【００１０】図１の装置においてバイアス用パルス電源
１９から、高速のパルス波形電圧を印加し、実際にポリ
シリコンゲートの加工を行なった。その結果パターンの
ノッチングは完全に解消した。

【００１１】

【実施例】

（実施例１）図１はゲート用ポリシリコン加工用マイク
ロ波エッチング装置に本発明の電子加速パルスバイアス
を適用した装置の例である。この装置では、マグネトロ
ン２０で発生したマイクロ波を導波管２１を通して放電
管２２に導入し、導入されたマイクロ波とコイル２３で
作られる磁場の電子サイクロトロン共鳴によって高密度
のプラズマを生成できる構造になっている。エッチング
される試料１としては、６インチサイズのＳｉウェーハ
を熱酸化した上にポリシリコン膜を堆積させ、このポリ
シリコン膜上にレジストマスクを形成させたものを用い
た。

【００１２】レジストパターン形状はライン部幅０．３
μｍスペース部幅０．３μｍで高さ１μｍである。ポリ
シリコン膜厚は０．２μｍである。従ってエッチング後
のスペース幅／高さの比（アスペクト比）は４である。

【００１３】この試料１が静電容量３０ｐＦ／ｃｍ²の
静電吸着用絶縁セラミック７を介して、静電吸着用定電
圧源５およびバイアス用パルス電源１９に接続されてい
る。パルス電源１９の出力端とアースの間には電源の内
部抵抗と同等の抵抗値（４０オーム以上６０オーム以
下）を有する終端用抵抗器２４が取り付けられている。
また、バイアス波形の観測のため、周波数帯域上限値が
１００ＭＨｚ以上のオシロスコープ２５をバイアス用
パルス電源１９の出力端に取り付けた。本実験装置にお
いてパルス幅を１００ nsに固定し、デューティー比、
パルス電圧の大きさを換えてノッチの大きさの変化を調
べた。

【００１４】この時のプラズマの電子密度（プラズマ密
度）は約１×１０¹¹／ｃｍ³、飽和イオン電流は３ｍＡ
／ｃｍ²であった。また、プラズマ電位は＋２０Ｖであ
った。エッチングの結果を図６に示す。ノッチングの大
きさは、パルス電圧の増加とともに減少する。また、ノ
ッチング抑制の効果はパルス電圧の大きさが５０Ｖ以上
で飽和する。したがって、パルス電圧の大きさとしては
最低でも５０Ｖ以上あれば良いことがわかる。一方、従
来のＲＦバイアス（８００ＫＨｚ，５Ｗ）を印加した
場合、大きなノッチングが見られた。

【００１５】図５に示すようにバイアス波形としていろ
いろな波形を試みたが、正のピーク電圧がプラズマ電位
を超える瞬間を有する波形を用いる限りに於いて、パル
ス波形（もしくは矩形波）、ノコギリ波、階段波形、あ
るいはこれらの波形どうしの組合せ、もしくは正弦波と
これらの波形の組合せのいずれでも同様の効果が認めら
れた。

【００１６】本実施例の効果はマイクロ波エッチング装
置に限定されるものではなく、誘導結合式高周波プラズ
マエッチング装置やヘリコンプラズマエッチング装置等
他の放電方式を用いたプラズマエッチング装置において
も同様の効果がある。

【００１７】（実施例２）図７はシリコンデポジション
用マイクロ波プラズマＣＶＤ装置に本発明の電子加速パ
ルスバイアスを適用した装置の例である。この装置で
は、マグネトロン２０で発生したマイクロ波を導波管２
１を通して放電管２２に導入し、導入されたマイクロ波
とコイル２３で作られる磁場の電子サイクロトロン共鳴
によって高密度のプラズマを生成できる構造になってい
る。デポジションする試料１としては、６インチサイズ
のＳｉウェーハを熱酸化したもので、この酸化膜をマス
クを用いたエッチングによりパターンに加工した後、そ
の溝内にシリコン膜を埋込堆積させる。デポジションガ
スにはＳｉＨ₄などを用いた。

【００１８】酸化膜溝内には正イオン化したデポ物質が
入射するが、従来のＲＦによるバイアス法では孔内への
正電荷の蓄積により、孔の深さ方向に膜厚、膜質の均一
な膜が形成されない。しかし、パルスバイアス法により
孔の深さ方向に膜厚、膜質の均一な膜が形成された。

【００１９】

【発明の効果】本発明を用いることによって、ゲートエ
ッチングにおいて発生するチャージアップや局所異常エ
ッチングが抑制される。また、その他のチャージアップ
によるエッチング特性の劣化を防止できる。

【００２０】また、本発明によりプラズマＣＶＤにおい
て溝内に均一な膜形成ができる。

【００２１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のパルスバイアス印加法をマイクロ波プ
ラズマエッチング装置に適用した例を示す図である。

【図２】従来のＲＦバイアス印加に用いるエッチング装
置の構成を示す図である。

【図３】ゲート用ポリシリコン加工における局所異常サ
イドエッチング（ノッチング）の発生機構を示す図であ
る。

【図４】本発明によるパルスバイアス印加の電圧波形の
例を示す図である。

【図５】本発明によるバイアス印加の電圧波形の他の例
を示す図である。

【図６】ゲートエッチングのノッチング防止において、
本発明のパルスバイアス印加の効果を示す図である。

【図７】本発明のパルスバイアス印加をマイクロ波プラ
ズマＣＶＤ装置に適用した例を示す図である。

【符号の説明】

１…試料、２…キャパシタ、３…バイアス用高周波電圧
源、４…プラズマ、５…静電吸着用定電圧源、６…試料
台、７…絶縁セラミック板、８…正電荷、９…負電荷、
１０…正イオン、１１…電子、１２…レジストマスク、
１３…ポリシリコン層、１４…下地シリコン酸化膜層、
１５…ノッチング、１６…基板、１７…パターン１（導
通なし）、１８…パターン２（導通あり）、１９…バイ
アス用パルス電源、２０…マグネトロン、２１…導波
管、２２…放電管、２３…コイル、２４…終端用抵抗
器、２５…オシロスコープ、２６…石英窓、２７…しゃ
へい板。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空処理室に処理ガスを導入し放電によっ
てプラズマを発生させ、該真空処理室内の被処理物載置
ステージにイオンを加速するためのバイアス電圧を印加
し、該ステージ上に載置された被処理物を処理するプラ
ズマ処理方法において、該バイアス電圧の波形が、プラ
ズマ中のイオンを被処理基板に向かって加速する電圧波
形の部分とプラズマ中の電子を被処理基板に向かって加
速する電圧波形の部分を含むことを特徴とするプラズマ
処理方法。
【請求項２】請求項１のバイアス電圧が正電圧と負電圧
のサイクルを有し、正電圧の周期が負電圧の周期より短
く、かつ、該正電圧の最大値が正のプラズマ電位より大
きくなる瞬間を有することを特徴とするプラズマ処理方
法。
【請求項３】請求項１のプラズマ中の電子を被処理基板
に向かって加速する電圧波形の部分において、被処理基
板上に形成された溝、孔状の被処理パターンの溝、孔底
部にプラズマから入射した電子が到達しうることを特徴
とするプラズマ処理方法。
【請求項４】請求項３の被処理パターンの溝、孔の形状
において、開口部（溝、孔底部）の最小幅と深さの比率
（アスペクト比）が少なくとも３以上であることを特徴
とするプラズマ処理方法。
【請求項５】プラズマ中の電子密度が５×１０¹⁰／ｃｍ
³以上、かつ被処理基板への飽和イオン電流が１ｍＡ／
ｃｍ²以上であるような高密度プラズマを用いる処理に
おいて、請求項１のバイアス印加法を用いることを特徴
とするプラズマ処理方法。
【請求項６】プラズマを発生させる放電電源と被処理基
板への荷電粒子加速を行うバイアス電源を独立に制御す
るプラズマ処理装置において、請求項１のバイアス印加
法を用いることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項７】請求項１のバイアス波形の形は正弦波もし
くは正弦波がリップル成分などの外因により意図によら
ず変形したもの以外の任意の波形であり、通常のいわゆ
るパルス波形、矩形波、ノコギリ波、階段波形、あるい
はこれらの波形どうしの組合せ、もしくは正弦波とこれ
らの波形の組合せであることを特徴とするプラズマ処理
方法。
【請求項８】請求項１のプラズマ処理の内容はプラズマ
を用い、かつ請求項１のバイアス印加法を用いて被処理
基板にイオンと電子を照射して該被処理基板を加工する
プラズマエッチングであることを特徴とするプラズマ処
理方法。