JPH11260799A - 薄膜の微細加工方法 - Google Patents
薄膜の微細加工方法Info
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- JPH11260799A JPH11260799A JP6252498A JP6252498A JPH11260799A JP H11260799 A JPH11260799 A JP H11260799A JP 6252498 A JP6252498 A JP 6252498A JP 6252498 A JP6252498 A JP 6252498A JP H11260799 A JPH11260799 A JP H11260799A
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- polysilicon
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Abstract
(57)【要約】
【課題】半導体装置のゲート電極加工においてウエハの
大口径化やパターンの疎密によって生じるエッチング均
一性の低下を防止する。 【解決手段】0.1Pa以下の低ガス圧力条件でゲート電極
のエッチングを行う。ポリシリコンの終点時に起こる酸
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。 【効果】直径300mmの大口径ウエハでも高精度で加工で
きる。
大口径化やパターンの疎密によって生じるエッチング均
一性の低下を防止する。 【解決手段】0.1Pa以下の低ガス圧力条件でゲート電極
のエッチングを行う。ポリシリコンの終点時に起こる酸
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。 【効果】直径300mmの大口径ウエハでも高精度で加工で
きる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体基板上に設け
られた光透過性薄膜の微細加工方法に関する。
られた光透過性薄膜の微細加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】光干渉式膜厚モニタについては第19回ド
ライプロセスシンポジウムの235頁から242頁(Proceedin
gs of Symposium on Dry Process, November 12-14, To
kyo (1997), p.235-242)に記載されている。
ライプロセスシンポジウムの235頁から242頁(Proceedin
gs of Symposium on Dry Process, November 12-14, To
kyo (1997), p.235-242)に記載されている。
【０００３】また、ウエハ面内のエッチング均一性を高
めるためにフォーカスリングを用いる方法については例
えば特願平6-033645に記載されている。
めるためにフォーカスリングを用いる方法については例
えば特願平6-033645に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】大規模集積回路(LSI)
の高密度化・高速化の要請から，MOS(metal-oxide-semi
conductor)トランジスタのゲート電極は将来的には線幅
0.2μｍ以下まで縮小され，下地のゲート酸化膜は4nm以
下まで薄膜化される。同時に、製造コスト削減のためシ
リコンウエハは200mmから300mmに大口径化される。した
がって，ゲート電極のドライエッチングでは以下に述べ
る問題を解決する必要がある。
の高密度化・高速化の要請から，MOS(metal-oxide-semi
conductor)トランジスタのゲート電極は将来的には線幅
0.2μｍ以下まで縮小され，下地のゲート酸化膜は4nm以
下まで薄膜化される。同時に、製造コスト削減のためシ
リコンウエハは200mmから300mmに大口径化される。した
がって，ゲート電極のドライエッチングでは以下に述べ
る問題を解決する必要がある。
【０００５】すなわち、MOSトランジスタでは動作特性
を揃えるためゲート電極底辺の寸法(CD;critical dimen
sion)を±0.02μｍ以下の精度で加工することが必須で
ある。ところが，面内位置やパターン疎密度によって仕
上がり寸法に差が生じる。これらは、それぞれ、面内形
状差および疎密形状差と呼ばれ、微細加工の障害になっ
ている。
を揃えるためゲート電極底辺の寸法(CD;critical dimen
sion)を±0.02μｍ以下の精度で加工することが必須で
ある。ところが，面内位置やパターン疎密度によって仕
上がり寸法に差が生じる。これらは、それぞれ、面内形
状差および疎密形状差と呼ばれ、微細加工の障害になっ
ている。
【０００６】ウエハ面内でガス濃度やプラズマ密度が不
均一な場合、面内形状差が生じる。すなわち、反応生成
物の濃度が高くなる中央部では側壁堆積物が増加してパ
ターンが太る傾向にある。また、大口径ウエハでは大き
な濃度分布が生じるため，面内形状差はより顕著にな
る。
均一な場合、面内形状差が生じる。すなわち、反応生成
物の濃度が高くなる中央部では側壁堆積物が増加してパ
ターンが太る傾向にある。また、大口径ウエハでは大き
な濃度分布が生じるため，面内形状差はより顕著にな
る。
【０００７】一方，パターン自体の遮蔽効果によって生
じる疎密形状差も大きな問題である。すなわち、パター
ン間隔が狭くなるとイオンやラジカル、反応生成物の入
射量が低下する。そのため、エッチング速度は遅くなる
が、パターンは太らない。逆に孤立パターンやオープン
スペースに面したパターンでは、密パターンよりも反応
生成物の入射量が多く側壁に堆積し、パターンが太る傾
向にある。
じる疎密形状差も大きな問題である。すなわち、パター
ン間隔が狭くなるとイオンやラジカル、反応生成物の入
射量が低下する。そのため、エッチング速度は遅くなる
が、パターンは太らない。逆に孤立パターンやオープン
スペースに面したパターンでは、密パターンよりも反応
生成物の入射量が多く側壁に堆積し、パターンが太る傾
向にある。
【０００８】前記した両形状差とも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、分子どう
しの衝突散乱が増えて水平方向への分子移動が抑制され
面内のガス濃度分布が大きくなること、及び衝突散乱が
頻繁になって反応生成物の再入射量が増えるために疎部
への側壁堆積量が非常に大きくなることが分かってい
る。
く受ける。すなわち、ガス圧力が高くなると、分子どう
しの衝突散乱が増えて水平方向への分子移動が抑制され
面内のガス濃度分布が大きくなること、及び衝突散乱が
頻繁になって反応生成物の再入射量が増えるために疎部
への側壁堆積量が非常に大きくなることが分かってい
る。
【０００９】従来のエッチング技術では、プラズマ密度
の面内分布を調整することでガス濃度分布の不均一を相
殺していた。ただし、この方法では実用に適したエッチ
ング条件の範囲が狭くなり、プロセス不安定性の原因に
なっていた。このため、ウエハをリング状の障壁(フォ
ーカスリング)で囲み、その中にガスを淀ませることに
よって反応生成物の濃度を均一にする方法が用いられて
いる。しかし，疎密形状差については有効な対策手段が
殆どなく、現時点ではガス圧力を下げることが最も効果
的である。
の面内分布を調整することでガス濃度分布の不均一を相
殺していた。ただし、この方法では実用に適したエッチ
ング条件の範囲が狭くなり、プロセス不安定性の原因に
なっていた。このため、ウエハをリング状の障壁(フォ
ーカスリング)で囲み、その中にガスを淀ませることに
よって反応生成物の濃度を均一にする方法が用いられて
いる。しかし，疎密形状差については有効な対策手段が
殆どなく、現時点ではガス圧力を下げることが最も効果
的である。
【００１０】ガス圧力を0.1Pa以下まで下げると形状差
は低減できるが、半導体装置の量産ではこのような低圧
力条件は好まれない。その理由は、エッチング速度が低
下してウエハ処理能力が落ちること、ゲート酸化膜に対
する選択比が低下すること、電子シェーディングによる
形状異常やチャージアップダメージが発生すること等の
弊害があるからである。
は低減できるが、半導体装置の量産ではこのような低圧
力条件は好まれない。その理由は、エッチング速度が低
下してウエハ処理能力が落ちること、ゲート酸化膜に対
する選択比が低下すること、電子シェーディングによる
形状異常やチャージアップダメージが発生すること等の
弊害があるからである。
【００１１】これらの問題も個別にはエッチング条件を
選ぶことで解決できる。低圧でも、基板に印加するバイ
アス電圧を高くし、ガス流量を増やすせば、高速でポリ
シリコンがエッチングできる。しかし、従来のエッチン
グ終点判定技術を用いる限り、終点付近で低圧、かつ高
バイアスのエッチングは破綻する。すなわち、プラズマ
発光や基板バイアス電圧の変化をモニタする方法は、い
ずれもフィードバック方式であるため、終点検出時には
ゲート酸化膜のエッチングがかなり進行しているからで
ある。この時点でエッチング条件を変更しても酸化膜の
損傷は避けられないない。したがって、ゲート酸化膜が
露出する直前に選択比の高いエッチング条件に変更する
ことが必須である。
選ぶことで解決できる。低圧でも、基板に印加するバイ
アス電圧を高くし、ガス流量を増やすせば、高速でポリ
シリコンがエッチングできる。しかし、従来のエッチン
グ終点判定技術を用いる限り、終点付近で低圧、かつ高
バイアスのエッチングは破綻する。すなわち、プラズマ
発光や基板バイアス電圧の変化をモニタする方法は、い
ずれもフィードバック方式であるため、終点検出時には
ゲート酸化膜のエッチングがかなり進行しているからで
ある。この時点でエッチング条件を変更しても酸化膜の
損傷は避けられないない。したがって、ゲート酸化膜が
露出する直前に選択比の高いエッチング条件に変更する
ことが必須である。
【００１２】最近になって、光干渉式膜厚モニタ(第19
回ドライプロセスシンポジウムの235頁から242頁に記
載)が考案され、エッチング中のポリシリコンの膜厚測
定が可能になった。ただし、エッチング制御への応用例
は殆どない。
回ドライプロセスシンポジウムの235頁から242頁に記
載)が考案され、エッチング中のポリシリコンの膜厚測
定が可能になった。ただし、エッチング制御への応用例
は殆どない。
【００１３】本発明の目的は、低ガス圧、かつ高バイア
ス電圧、高ガス流量エッチングを実現し、面内形状差や
疎密形状差を低減することのできる薄膜の微細加工方法
を得ることにある。
ス電圧、高ガス流量エッチングを実現し、面内形状差や
疎密形状差を低減することのできる薄膜の微細加工方法
を得ることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明においては、ゲート電極加工工程において、
0.1Pa以下の低ガス圧力でポリシリコン膜の途中までエ
ッチングをする。このエッチング中にポリシリコンの残
膜厚を光干渉式リアルタイム膜厚モニタで監視し、ゲー
ト酸化膜が露出する直前(残り300nm以内)で高選択エッ
チング条件に切替える。
め、本発明においては、ゲート電極加工工程において、
0.1Pa以下の低ガス圧力でポリシリコン膜の途中までエ
ッチングをする。このエッチング中にポリシリコンの残
膜厚を光干渉式リアルタイム膜厚モニタで監視し、ゲー
ト酸化膜が露出する直前(残り300nm以内)で高選択エッ
チング条件に切替える。
【００１５】
【発明の実施の形態】図1に本発明の一実施例を示すエ
ッチング装置の概要を示す。
ッチング装置の概要を示す。
【００１６】マイクロ波を矩形導波菅107から円形導波
管108に導入するための変換導波管109に石英窓110を設
け、この窓110に白色光を照射するための光ファイバー1
02、およびウエハ表面で反射したプラズマ光を取り込む
ための光ファイバー103を設置する。101は白色光光源で
あり、光ファイバー102に白色光を供給する。取り込ん
だ光は分光器104で分光し、光電増倍管105を用いて電気
信号に変換し、波形解析装置106にてエッチング膜厚を
算出する。この分光器104は光フィルターであっても良
い。ポリシリコンのように光学的に透明な薄膜では、薄
膜上面で反射された光と薄膜下面で反射された光が干渉
するため、エッチングによる膜厚減少に対応して反射強
度が周期的に変化する。したがって、薄膜の屈折率が既
知の場合は位相変化量からエッチング膜厚が計算でき
る。この薄膜上に別種の透明なエッチングマスクが存在
する場合でも、膜厚変化の測定が可能である。
管108に導入するための変換導波管109に石英窓110を設
け、この窓110に白色光を照射するための光ファイバー1
02、およびウエハ表面で反射したプラズマ光を取り込む
ための光ファイバー103を設置する。101は白色光光源で
あり、光ファイバー102に白色光を供給する。取り込ん
だ光は分光器104で分光し、光電増倍管105を用いて電気
信号に変換し、波形解析装置106にてエッチング膜厚を
算出する。この分光器104は光フィルターであっても良
い。ポリシリコンのように光学的に透明な薄膜では、薄
膜上面で反射された光と薄膜下面で反射された光が干渉
するため、エッチングによる膜厚減少に対応して反射強
度が周期的に変化する。したがって、薄膜の屈折率が既
知の場合は位相変化量からエッチング膜厚が計算でき
る。この薄膜上に別種の透明なエッチングマスクが存在
する場合でも、膜厚変化の測定が可能である。
【００１７】なお、図1において、116はマイクロ波の供
給源であるマグネトロン、115はアイソレータ、114はチ
ューナである。112は反応容器であり、111は石英窓、11
3は反応容器112内に磁場を形成するソレノイドである。
117はウエハ120を搭載する電極、119は電極117にバイア
ス電力を供給するｒｆ電源、118は電極117へ供給する電
力を調整するマッチングボックスである。
給源であるマグネトロン、115はアイソレータ、114はチ
ューナである。112は反応容器であり、111は石英窓、11
3は反応容器112内に磁場を形成するソレノイドである。
117はウエハ120を搭載する電極、119は電極117にバイア
ス電力を供給するｒｆ電源、118は電極117へ供給する電
力を調整するマッチングボックスである。
【００１８】図2に有機レジストを用いてMOSトランジス
タのゲート加工を行った場合の光反射強度変化の一例を
示す。これは分光器104で波長320nmの反射光を取り出
し、その強度変化をモニタした結果である。これによれ
ば、レジストの屈折率(n=1.5)に対しポリシリコンの屈
折率(n=5.2)が約一桁小さいことに対応して、ポリシリ
コンからの反射光の方が有機レジストからの反射光より
も3.5倍ほど短い周期で変化している。
タのゲート加工を行った場合の光反射強度変化の一例を
示す。これは分光器104で波長320nmの反射光を取り出
し、その強度変化をモニタした結果である。これによれ
ば、レジストの屈折率(n=1.5)に対しポリシリコンの屈
折率(n=5.2)が約一桁小さいことに対応して、ポリシリ
コンからの反射光の方が有機レジストからの反射光より
も3.5倍ほど短い周期で変化している。
【００１９】加工マスクとして窒化シリコン膜や酸化シ
リコン膜を用いても、同様の理由からリアルタイムで膜
厚が測定できる。以下、この膜厚測定器を光干渉式リア
ルタイム膜厚モニタと称する。
リコン膜を用いても、同様の理由からリアルタイムで膜
厚が測定できる。以下、この膜厚測定器を光干渉式リア
ルタイム膜厚モニタと称する。
【００２０】目的とする高度なマルチステップ・エッチ
ングを行うためには、低圧エッチングと光干渉式リアル
タイム膜厚モニタを組み合わせることが必要である。低
圧でエッチングを行えば、面内/疎密のエッチング速度
差はなくなる。ウエハ面内でエッチングが均一に進行す
るので、光干渉式リアルタイム膜厚モニタによりエッチ
ング膜厚が正確に測定できる。このため、タイミングよ
くエッチング条件を切り換えることが可能になり、低圧
エッチングでもゲート酸化膜の損傷が防止できる。すな
わち、低圧エッチングと組み合わせることで、光干渉式
リアルタイム膜厚モニタの能力を十分引き出すことがで
きる。
ングを行うためには、低圧エッチングと光干渉式リアル
タイム膜厚モニタを組み合わせることが必要である。低
圧でエッチングを行えば、面内/疎密のエッチング速度
差はなくなる。ウエハ面内でエッチングが均一に進行す
るので、光干渉式リアルタイム膜厚モニタによりエッチ
ング膜厚が正確に測定できる。このため、タイミングよ
くエッチング条件を切り換えることが可能になり、低圧
エッチングでもゲート酸化膜の損傷が防止できる。すな
わち、低圧エッチングと組み合わせることで、光干渉式
リアルタイム膜厚モニタの能力を十分引き出すことがで
きる。
【００２１】本発明によるエッチングの実施例について
説明する。
説明する。
【００２２】(実施例1)図3にエッチング試料の断面構造
を示す。これは、直径300mmのシリコンウエハ301上に3n
mの酸化膜302、200nmのn+ドープドポリシリコン膜303、
200nmの窒化シリコン膜304がこの順序で積層されてい
る。窒化シリコン膜304はレジストマスクによって加工
されており、最小線幅は0.13μmである。
を示す。これは、直径300mmのシリコンウエハ301上に3n
mの酸化膜302、200nmのn+ドープドポリシリコン膜303、
200nmの窒化シリコン膜304がこの順序で積層されてい
る。窒化シリコン膜304はレジストマスクによって加工
されており、最小線幅は0.13μmである。
【００２３】表1に4通りのマルチステップ・エッチング
方法を示す。各々はポリシリコン膜303のエッチング時
のガス圧力(0.1Pa, 0.4Pa)と終点検出方法(光干渉式リ
アルタイム膜厚モニタ、プラズマ発光モニタ)の組合せ
が異なっている。基板に印加するrf電力とガス流量を調
節して処理時間が同じになるようにあらかじめ各々のエ
ッチング条件を定めた。この前提の下で各方法の優劣を
比較した。図4に各モニタ信号と膜厚の時間変化を示し
た。また、表2にウエハ中央部と周辺部における孤立パ
ターンと密パターンのCDシフト量およびマイクロトレン
チ(微細な孔)の発生有無を示した。
方法を示す。各々はポリシリコン膜303のエッチング時
のガス圧力(0.1Pa, 0.4Pa)と終点検出方法(光干渉式リ
アルタイム膜厚モニタ、プラズマ発光モニタ)の組合せ
が異なっている。基板に印加するrf電力とガス流量を調
節して処理時間が同じになるようにあらかじめ各々のエ
ッチング条件を定めた。この前提の下で各方法の優劣を
比較した。図4に各モニタ信号と膜厚の時間変化を示し
た。また、表2にウエハ中央部と周辺部における孤立パ
ターンと密パターンのCDシフト量およびマイクロトレン
チ(微細な孔)の発生有無を示した。
【００２４】
【表１】
【００２５】
【表２】
【００２６】プラズマ発光モニタを使用した場合、発光
強度(波長391nm)の時間二次差分が零になったところで
オーバーエッチング条件(ステップ3)に切り換えた。プ
ラズマ発光モニタは、ポリシリコン膜303のエッチング
が終了しプラズマ中のシリコン濃度が十分低下した時刻
を検知するため、ここで条件を切替えてもゲート酸化膜
302の一部分はすでにプラズマに晒されている(図4a,図4
b)。ガス圧力0.1Paのエッチングでは選択比が不足して
基板301にマイクロトレンチが発生した(表2a)。一方、
ガス圧力0.4Paの場合はマイクロトレンチが発生したこ
とに加えて、ウエハ内の最大寸法差( =[ウエハ中央部孤
立パターン幅] - [ウエハ周辺部密パターン幅])が0.029
μmもあり，面内形状差や疎密形状差は目標値を越えて
いる(表2b)。
強度(波長391nm)の時間二次差分が零になったところで
オーバーエッチング条件(ステップ3)に切り換えた。プ
ラズマ発光モニタは、ポリシリコン膜303のエッチング
が終了しプラズマ中のシリコン濃度が十分低下した時刻
を検知するため、ここで条件を切替えてもゲート酸化膜
302の一部分はすでにプラズマに晒されている(図4a,図4
b)。ガス圧力0.1Paのエッチングでは選択比が不足して
基板301にマイクロトレンチが発生した(表2a)。一方、
ガス圧力0.4Paの場合はマイクロトレンチが発生したこ
とに加えて、ウエハ内の最大寸法差( =[ウエハ中央部孤
立パターン幅] - [ウエハ周辺部密パターン幅])が0.029
μmもあり，面内形状差や疎密形状差は目標値を越えて
いる(表2b)。
【００２７】次に，光干渉式リアルタイム膜厚モニタ使
用時のエッチング結果について述べる。本実施例では波
長300nmの光をモニタした。波長が短いほど膜厚分解能
が上がる。ただし、ポリシリコンの屈折率が安定な波長
域は290-360nmであるため、この範囲の波長を選択する
ことが望ましい。ここでは310nmの光でモニタした。ポ
リシリコンの屈折率が5.2であるため、ポリシリコン中
の波長は60nmである。したがって、残膜厚30nmが十分検
知できる精度を有している。ガス圧力0.1Paでエッチン
グする場合でも、塩素(Cl2)/酸素(O2)総ガス流量を120m
l/minに増やし、rf電力を160Wに高めたことで、実用速
度300nm/minが得られた。ポリシリコン残膜厚が30nmま
で減少した時点でオーバーエッチング条件(臭化水素(HB
r)/O2、ガス圧力1Pa、rf電力 20W)に切替えたため(図4
c)、酸化膜厚が3nmであるにもかかわらずマイクロトレ
ンチは発生しなかった(表2c)。ポリシリコン層303が消
失する前にrf電力を下げたのでチャージアップダメージ
も発生しなかった。そのため、ウエハ内の最大寸法差を
0.003μmまで抑制することができた(表2c)。
用時のエッチング結果について述べる。本実施例では波
長300nmの光をモニタした。波長が短いほど膜厚分解能
が上がる。ただし、ポリシリコンの屈折率が安定な波長
域は290-360nmであるため、この範囲の波長を選択する
ことが望ましい。ここでは310nmの光でモニタした。ポ
リシリコンの屈折率が5.2であるため、ポリシリコン中
の波長は60nmである。したがって、残膜厚30nmが十分検
知できる精度を有している。ガス圧力0.1Paでエッチン
グする場合でも、塩素(Cl2)/酸素(O2)総ガス流量を120m
l/minに増やし、rf電力を160Wに高めたことで、実用速
度300nm/minが得られた。ポリシリコン残膜厚が30nmま
で減少した時点でオーバーエッチング条件(臭化水素(HB
r)/O2、ガス圧力1Pa、rf電力 20W)に切替えたため(図4
c)、酸化膜厚が3nmであるにもかかわらずマイクロトレ
ンチは発生しなかった(表2c)。ポリシリコン層303が消
失する前にrf電力を下げたのでチャージアップダメージ
も発生しなかった。そのため、ウエハ内の最大寸法差を
0.003μmまで抑制することができた(表2c)。
【００２８】これに対し、ガス圧力0.4Paでステップ2の
エッチングを行った場合の最大寸法差は、0.015μmと大
きかった。マイクロローディングによるエッチング速度
差は9％に達し(図4d)、光干渉式リアルタイム膜厚モニ
タによる残膜厚の測定が不正確になりウエハ周辺部でマ
イクロトレンチが発生した(表2d)。
エッチングを行った場合の最大寸法差は、0.015μmと大
きかった。マイクロローディングによるエッチング速度
差は9％に達し(図4d)、光干渉式リアルタイム膜厚モニ
タによる残膜厚の測定が不正確になりウエハ周辺部でマ
イクロトレンチが発生した(表2d)。
【００２９】以上の検討から、ガス圧力0.1Paでエッチ
ングし光干渉式リアルタイム膜厚モニタを用いてエッチ
ング条件を切り換える方法が最も優れていることが理解
できる。
ングし光干渉式リアルタイム膜厚モニタを用いてエッチ
ング条件を切り換える方法が最も優れていることが理解
できる。
【００３０】(実施例2)図5にエッチング試料の断面構造
を示す。直径300mmのシリコンウエハ501上に3nmの酸化
膜502、70nmのn+ドープドポリシリコン膜503、5nmの窒
化タングステン膜504、150nmのタングステン膜505、200
nmの窒化シリコン膜506がこの順に積層されている。窒
化シリコン膜506はレジストマスクによって加工されて
おり、最小線幅は0.18μmである。
を示す。直径300mmのシリコンウエハ501上に3nmの酸化
膜502、70nmのn+ドープドポリシリコン膜503、5nmの窒
化タングステン膜504、150nmのタングステン膜505、200
nmの窒化シリコン膜506がこの順に積層されている。窒
化シリコン膜506はレジストマスクによって加工されて
おり、最小線幅は0.18μmである。
【００３１】0.4Paでエッチングした場合、ラジカル反
応がまだ活発であるためタングステン膜505のエッチン
グが均一に進行しないこと、タングステン膜505のエッ
チングが高速になる条件ではポリシリコン膜503のエッ
チングも高速になり酸化膜502との選択比確保が困難に
なることが問題になった。これらの問題は次のように解
決した。
応がまだ活発であるためタングステン膜505のエッチン
グが均一に進行しないこと、タングステン膜505のエッ
チングが高速になる条件ではポリシリコン膜503のエッ
チングも高速になり酸化膜502との選択比確保が困難に
なることが問題になった。これらの問題は次のように解
決した。
【００３２】上層のタングステン膜505を反応ガスCl2(3
0ml/min)/O2(10ml/min)を用いてガス圧力0.08Pa、rf電
力160Wでエッチングした。この場合もポリシリコン/タ
ングステンの選択比はやはり確保できないが、タングス
テン膜505のエッチングが均一に進行するという長所が
ある。光干渉式リアルタイム膜厚モニタではタングステ
ン膜505の膜厚変化は分からないが、窒化タングステン
膜504のエッチング終点ではウエハの反射率が大きく変
化するため、終点検出は十分可能である。そこで、この
信号をトリガとしてrf電力を100Wまで下げ、ポリシリコ
ン膜503をエッチングし、残膜厚20nmになった時点で反
応ガスをHBr(150ml/min)/O2(3ml/min)に切り換え、さら
に圧力を1.2Paまで上げrf電力を30Ｗまで下げてこれま
でのエッチング時間に対し50%のオーバーエッチングを
行った。ポリシリコン膜503のエッチングが始まったと
ころでrf電力を下げたため、ポリシリコン膜503のエッ
チング速度が低下した。ポリシリコン膜503の初期膜厚
が70nmと薄い場合でも残膜厚20nmでの切替えが可能にな
った。また、オーバーエッチング時に選択性の高いHBr/
O 2ガスを用いたことによりマイクロトレンチの発生を防
止することができた。CDは0.18±0.006μmであり、高精
度加工を実現した。この例に示されるように、低ガス圧
力エッチングと組み合わせることで、光干渉式リアルタ
イム膜厚モニタの能力を十分引き出すことができた。
0ml/min)/O2(10ml/min)を用いてガス圧力0.08Pa、rf電
力160Wでエッチングした。この場合もポリシリコン/タ
ングステンの選択比はやはり確保できないが、タングス
テン膜505のエッチングが均一に進行するという長所が
ある。光干渉式リアルタイム膜厚モニタではタングステ
ン膜505の膜厚変化は分からないが、窒化タングステン
膜504のエッチング終点ではウエハの反射率が大きく変
化するため、終点検出は十分可能である。そこで、この
信号をトリガとしてrf電力を100Wまで下げ、ポリシリコ
ン膜503をエッチングし、残膜厚20nmになった時点で反
応ガスをHBr(150ml/min)/O2(3ml/min)に切り換え、さら
に圧力を1.2Paまで上げrf電力を30Ｗまで下げてこれま
でのエッチング時間に対し50%のオーバーエッチングを
行った。ポリシリコン膜503のエッチングが始まったと
ころでrf電力を下げたため、ポリシリコン膜503のエッ
チング速度が低下した。ポリシリコン膜503の初期膜厚
が70nmと薄い場合でも残膜厚20nmでの切替えが可能にな
った。また、オーバーエッチング時に選択性の高いHBr/
O 2ガスを用いたことによりマイクロトレンチの発生を防
止することができた。CDは0.18±0.006μmであり、高精
度加工を実現した。この例に示されるように、低ガス圧
力エッチングと組み合わせることで、光干渉式リアルタ
イム膜厚モニタの能力を十分引き出すことができた。
【００３３】(実施例3)図5の試料において上層のタング
ステン膜505をCl2(30ml/min)/O2(10ml/min)を用いてガ
ス圧力0.08Pa、rf電力160Wでエッチングした。光干渉式
リアルタイム膜厚モニタで観測し、ウエハの反射率が大
きく変化した時点で反応ガスをCl2(72ml/min)/O2(8ml/m
in)に切り換え圧力を0.4Paまで上げrf電力を60Wまで下
げ、かつ図6に示すようにrf電力をON-OFF変調してポリ
シリコンをエッチングした。ON-OFFの周期1kHz，ON時間
のデューティ比は30%とした。さらに，ポリシリコンの
残膜厚が20nmになった時点でON-OFF周期1kHz、ON時間の
デューティ比15%でrf電力のON-OFF変調を行ないこれま
でのエッチング時間に対し100%のオーバーエッチングを
加えた。ON-OFF変調を行うことでポリシリコン/酸化膜
の選択比が高くなり、マイクロトレンチの発生を防止す
ることができた。さらに、検討を加え、このON-OFF変調
でduty比を20%以下にすればポリシリコン/酸化膜の選択
比が100を越え、マイクロトレンチ防止に効果的である
ことを明らかにした。
ステン膜505をCl2(30ml/min)/O2(10ml/min)を用いてガ
ス圧力0.08Pa、rf電力160Wでエッチングした。光干渉式
リアルタイム膜厚モニタで観測し、ウエハの反射率が大
きく変化した時点で反応ガスをCl2(72ml/min)/O2(8ml/m
in)に切り換え圧力を0.4Paまで上げrf電力を60Wまで下
げ、かつ図6に示すようにrf電力をON-OFF変調してポリ
シリコンをエッチングした。ON-OFFの周期1kHz，ON時間
のデューティ比は30%とした。さらに，ポリシリコンの
残膜厚が20nmになった時点でON-OFF周期1kHz、ON時間の
デューティ比15%でrf電力のON-OFF変調を行ないこれま
でのエッチング時間に対し100%のオーバーエッチングを
加えた。ON-OFF変調を行うことでポリシリコン/酸化膜
の選択比が高くなり、マイクロトレンチの発生を防止す
ることができた。さらに、検討を加え、このON-OFF変調
でduty比を20%以下にすればポリシリコン/酸化膜の選択
比が100を越え、マイクロトレンチ防止に効果的である
ことを明らかにした。
【００３４】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、MOSトランジスタのゲート加工に光干渉式リ
アルタイム膜厚モニタを使用することで、0.1Pa以下の
低圧エッチングを実施した場合の弊害を除き、加工精度
を大幅に改善することができる。すなわち，ポリシリコ
ンのエッチング終点付近で発生する酸化膜のマイクロト
レンチやチャージアップダメージを防ぎ、低圧エッチン
グの効果として直径300mmのウエハでも面内形状差や疎
密形状差を0.01μm以下に低減することができる。
によれば、MOSトランジスタのゲート加工に光干渉式リ
アルタイム膜厚モニタを使用することで、0.1Pa以下の
低圧エッチングを実施した場合の弊害を除き、加工精度
を大幅に改善することができる。すなわち，ポリシリコ
ンのエッチング終点付近で発生する酸化膜のマイクロト
レンチやチャージアップダメージを防ぎ、低圧エッチン
グの効果として直径300mmのウエハでも面内形状差や疎
密形状差を0.01μm以下に低減することができる。
【図１】本発明を適用したのエッチング装置を示す図で
ある。
ある。
【図２】光干渉式リアル膜厚モニタで得られた反射光強
度の時間変化を示す図である。
度の時間変化を示す図である。
【図３】実施例で用いた試料の断面構造を示す図であ
る。
る。
【図４】エッチング時のモニタ信号と膜厚の時間変化を
示す図である。
示す図である。
【図５】実施例で用いた試料の断面構造を示す図であ
る。
る。
【図６】rf電力のon-off変調の説明図である。
101…白色光光源、102,103…光ファイバー、104…分光
器もしくは光フィルター、105…光電増倍管、106…波形
解析装置、107…矩形導波管、108…円形導波管、109…
変換導波管、110,111…石英窓、112…反応容器、113…
ソレノイド、114…チューナー、115…アイソレータ、11
6…マグネトロン、117…電極、118…マッチングボック
ス，119…rf電源，120…ウエハ，301,501…シリコン基
板，302,502…ゲート酸化膜、303,503…ポリシリコン
膜、304,506…窒化シリコン膜、504…窒化タングステン
膜、505…タングステン膜。
器もしくは光フィルター、105…光電増倍管、106…波形
解析装置、107…矩形導波管、108…円形導波管、109…
変換導波管、110,111…石英窓、112…反応容器、113…
ソレノイド、114…チューナー、115…アイソレータ、11
6…マグネトロン、117…電極、118…マッチングボック
ス，119…rf電源，120…ウエハ，301,501…シリコン基
板，302,502…ゲート酸化膜、303,503…ポリシリコン
膜、304,506…窒化シリコン膜、504…窒化タングステン
膜、505…タングステン膜。
Claims (9)
- 【請求項１】光学的に透明な薄膜を有する試料を圧力0.
1Pa以下のプラズマを用いてエッチングする工程におい
て、 前記試料の透明薄膜が所定膜厚まで減少したことをリア
ルタイム膜厚モニタで検知し、当該検知に応答してエッ
チング条件を変更することを特徴とする薄膜の微細加工
方法。 - 【請求項２】リアルタイム膜厚モニタによる所定膜厚検
知後に、ガス圧力を1Pa以上に高めることを特徴とする
請求項１記載の薄膜の微細加工方法。 - 【請求項３】リアルタイム膜厚モニタによる所定膜厚検
知後に、反応ガスを臭素と酸素の混合ガスに切り換える
ことを特徴とする請求項１記載の薄膜の微細加工方法。 - 【請求項４】リアルタイム膜厚モニタによる所定膜厚検
知後に、基板に印加するrf電力を30Ｗ以下に下げること
を特徴とする請求項１記載の薄膜の微細加工方法。 - 【請求項５】リアルタイム膜厚モニタによる所定膜厚検
知後に、基板に印加するrf電力を、デューティ比20％以
下でON-OFF変調することを特徴とする請求項１記載の薄
膜の微細加工方法。 - 【請求項６】リアルタイム膜厚モニタによる所定膜厚検
知後のエッチング条件変更が、請求項2から5までの要件
を少なくとも一つ以上含み、かつこれらを複数組み合わ
せたことを特徴とする請求項１記載の薄膜の微細加工方
法。 - 【請求項７】リアルタイム膜厚モニタは、試料の白色光
を照射する第１の光ファイバーと、当該試料からの反射
光を取り込む第２の光ファイバーと、当該第２の光ファ
イバーで取り込んだ反射光を分光する分光器と、当該分
光した反射光を電気信号に変換する光電増倍管とを具備
して成る請求項１記載の薄膜の微細加工方法。 - 【請求項８】リアルタイム膜厚モニタは、試料の白色光
を照射する第１の光ファイバーと、当該試料からの反射
光を取り込む第２の光ファイバーと、当該第２の光ファ
イバーで取り込んだ反射光をフィルタリングする光フィ
ルターと、当該フィルタリングした反射光を電気信号に
変換する光電増倍管とを具備して成る請求項１記載の薄
膜の微細加工方法。 - 【請求項９】ポリシリコンのエッチング膜厚測定に用い
る光の波長は、290-360nmであることを特徴とする薄膜
の微細加工方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6252498A JPH11260799A (ja) | 1998-03-13 | 1998-03-13 | 薄膜の微細加工方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6252498A JPH11260799A (ja) | 1998-03-13 | 1998-03-13 | 薄膜の微細加工方法 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003406688A Division JP2004088128A (ja) | 2003-12-05 | 2003-12-05 | プラズマエッチング装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11260799A true JPH11260799A (ja) | 1999-09-24 |
Family
ID=13202671
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6252498A Pending JPH11260799A (ja) | 1998-03-13 | 1998-03-13 | 薄膜の微細加工方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11260799A (ja) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6531349B2 (en) | 2000-02-21 | 2003-03-11 | Nec Corporation | Method of etching polycrystalline silicon film by using two consecutive dry-etching processes |
| CN1309867C (zh) * | 2004-07-19 | 2007-04-11 | 北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司 | 减小微沟道效应的多晶硅刻蚀工艺 |
| US7265058B2 (en) * | 2002-10-09 | 2007-09-04 | Rohm Co., Ltd. | Method of manufacturing semiconductor device |
| US7288466B2 (en) | 2002-05-14 | 2007-10-30 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Processing method, manufacturing method of semiconductor device, and processing apparatus |
| JP2008112139A (ja) * | 2006-10-30 | 2008-05-15 | Applied Materials Inc | 裏面光学センサ及びエッチング分布の多周波数制御を備えたマスクエッチングプラズマリアクタ |
| US7479459B2 (en) | 2004-10-08 | 2009-01-20 | Elpida Memory, Inc. | Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device manufacturing apparatus |
| JP2015153804A (ja) * | 2014-02-12 | 2015-08-24 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | 半導体装置の製造方法 |
| JP2016162990A (ja) * | 2015-03-05 | 2016-09-05 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | プラズマ処理装置 |
| KR20180106816A (ko) | 2017-03-21 | 2018-10-01 | 가부시키가이샤 히다치 하이테크놀로지즈 | 플라스마 처리 장치 및 플라스마 처리 방법 |
| KR20200098472A (ko) | 2019-02-08 | 2020-08-20 | 주식회사 히타치하이테크 | 에칭 처리 장치, 에칭 처리 방법 및 검출기 |
| KR20210116411A (ko) | 2020-03-11 | 2021-09-27 | 주식회사 히타치하이테크 | 플라스마 처리 장치 및 플라스마 처리 방법 |
| KR20220130084A (ko) | 2021-03-15 | 2022-09-26 | 주식회사 히타치하이테크 | 플라스마 처리 장치 및 플라스마 처리 방법 |
| KR20230131167A (ko) | 2022-03-04 | 2023-09-12 | 주식회사 히타치하이테크 | 플라스마 처리 방법 및 플라스마 처리 장치 |
-
1998
- 1998-03-13 JP JP6252498A patent/JPH11260799A/ja active Pending
Cited By (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| KR20180106816A (ko) | 2017-03-21 | 2018-10-01 | 가부시키가이샤 히다치 하이테크놀로지즈 | 플라스마 처리 장치 및 플라스마 처리 방법 |
| US10453695B2 (en) | 2017-03-21 | 2019-10-22 | Hitachi High-Technologies Corporation | Plasma processing apparatus and plasma processing method |
| KR20200098472A (ko) | 2019-02-08 | 2020-08-20 | 주식회사 히타치하이테크 | 에칭 처리 장치, 에칭 처리 방법 및 검출기 |
| US11239097B2 (en) | 2019-02-08 | 2022-02-01 | Hitachi High-Tech Corporation | Etching apparatus and etching method and detecting apparatus of film thickness |
| KR20210116411A (ko) | 2020-03-11 | 2021-09-27 | 주식회사 히타치하이테크 | 플라스마 처리 장치 및 플라스마 처리 방법 |
| US12074076B2 (en) | 2020-03-11 | 2024-08-27 | Hitachi High-Tech Corporation | Plasma processing apparatus and plasma processing method |
| KR20220130084A (ko) | 2021-03-15 | 2022-09-26 | 주식회사 히타치하이테크 | 플라스마 처리 장치 및 플라스마 처리 방법 |
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| KR20230131167A (ko) | 2022-03-04 | 2023-09-12 | 주식회사 히타치하이테크 | 플라스마 처리 방법 및 플라스마 처리 장치 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Effective date: 20050125 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 |