等离子体蚀刻方法
阅读：107发布：2020-05-12
专利汇可以提供等离子体蚀刻方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种能够抑制前端变细，并且在 硅 氮化物形成期望的开口径的孔的 等离子体 蚀刻 方法。该 等离子体蚀刻 方法包括：对等离子体处理装置内供给包括 氧 和 碳 氟化合物的处理气体的第一步骤；和将处理气体等离子体化，隔着第一掩膜(106)对被处理体的硅氮化物层(106a)进行蚀刻的第二步骤，第二步骤是通过将被处理体的 温度 从第一温度T1(80℃)缓慢下降到第二温度T2(40℃)，在使由处理气体生成的有机膜(ad)附着于第一掩膜(106)的开口的内壁的状态下执行的。，下面是等离子体蚀刻方法专利的具体信息内容。
1.一种等离子体蚀刻方法，其特征在于：
所述等离子体蚀刻方法准备具有硅氮化物层和形成于所述硅氮化物层上的第一掩膜的被处理体，将所述被处理体配置于等离子体处理装置内，来进行蚀刻，所述等离子体蚀刻方法包括：
对所述等离子体处理装置内供给包括氧和碳氟化合物的处理气体的第一步骤；和将所述处理气体等离子体化，隔着所述第一掩膜对所述被处理体的所述硅氮化物层进行蚀刻的第二步骤，
所述第二步骤是通过使被处理体的温度从第一温度T1阶梯式地缓慢下降到第二温度T2，在使由所述处理气体生成的有机膜附着于所述第一掩膜的开口的内壁的状态下执行的，
在所述第二步骤中，使从所述第一温度T1下降到所述第二温度T2的时间Time满足以下关系式：
时间Time≥120秒。
2.如权利要求1所述的等离子体蚀刻方法，其特征在于：
所述被处理体在所述硅氮化物层下还具有蚀刻对象层，
所述等离子体蚀刻方法还包括将由所述第二步骤蚀刻后的所述硅氮化物层作为第二掩膜，进一步蚀刻所述蚀刻对象层的第三步骤。
3.如权利要求1或2所述的等离子体蚀刻方法，其特征在于：
所述第一温度T1为80℃±10℃，
所述第二温度T2为40℃±10℃。
等离子体蚀刻方法
技术领域
背景技术
[0003] 以往的等离子体蚀刻方法例如记载在专利文献1中。这种等离子体蚀刻方法是准备具有硅氮化物层和形成于硅氮化物层上的第一掩膜的被处理体，将被处理体配置于等离子体处理装置内来进行蚀刻的方法，其包括第一步骤和第二步骤，第一步骤为将包含氧(O2)和碳氟化合物(CHxFy)(x、y为适当的数字)的处理气体供给到等离子体处理装置内，第二步骤为将处理气体等离子体化，从而经由上述第一掩膜对被处理体的硅氮化物进行蚀刻。
[0004] 现有技术文献
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献1：日本特许3681533号
发明内容
[0007] 发明想要解决的技术问题
[0008] 然而，在蚀刻时的温度高的情况下，通过蚀刻硅氮化物而形成的孔的直径沿着面向深部的方向变小，成为前端变细的形状。另一方面，在蚀刻时的温度低的情况下，孔的直径与设计时的掩膜的开口径相比大幅扩大。因此，无论在温度高的情况下还是在温度低的情况下，都不能在硅氮化物形成前端不会变细且直径不会大幅扩大的孔。
[0009] 本发明是鉴于这种问题而完成的，其目的在于，提供一种能够抑制前端变细，并且在硅氮化物形成期望的开口径的孔的等离子体蚀刻方法。
[0010] 用于解决技术问题的技术方案
[0011] 为了解决上述问题，第一等离子体蚀刻方法，其特征在于，准备包括硅氮化物层和形成于上述硅氮化物层上的第一掩膜的被处理体，将上述被处理体配置于等离子体处理装置内，来进行蚀刻，上述等离子体蚀刻方法包括：对上述等离子体处理装置内供给包括氧和碳氟化合物的处理气体的第一步骤；和将上述处理气体等离子体化，隔着上述第一掩膜对上述被处理体的上述硅氮化物层进行蚀刻的第二步骤，上述第二步骤是通过将被处理体的温度从第一温度T1缓慢下降到第二温度T2，在使由上述处理气体生成的有机膜附着于上述第一掩膜的开口的内壁的状态下执行的。
[0012] 在该情况下，在高温的第一温度T1附近，有机膜附着于第一掩膜的开口的内壁，所以能够抑制第一掩膜的开口径的扩大。此外，随着达到第二温度T2附近，有机膜的附着受到抑制，从而抑制了成为前端变细的孔形状那样的蚀刻。因此，能够抑制前端变细，并且在硅氮化物形成期望的开口径的孔。
[0013] 在第二等离子体蚀刻方法中，其特征在于，被处理体在硅氮化物层下还具有蚀刻对象层，该方法还包括将由上述第二步骤蚀刻后的上述硅氮化物作为第二掩膜，进一步蚀刻上述蚀刻对象层的第三步骤。
[0014] 如上所述，在第二掩膜形成的孔为期望的开口径，并且前端变细受到抑制，所以在将它作为掩膜进行的蚀刻中，等离子体中的离子根据第二掩膜的形状对蚀刻对象层进行蚀刻，因此也能够以期望的开口径并且在前端变细被抑制的状态下对蚀刻对象层进行蚀刻。
[0015] 此外，在第三等离子体蚀刻方法中，其特征在于，上述第一温度T1为80℃±误差10℃，上述第二温度T2为40℃±误差10℃。
[0016] 在该温度范围的情况下，能够良好地达到上述效果。
[0017] 将温度设定为80℃、40℃的理由是因为担心，如果使用比80℃高的温度，则蚀刻的进行显著下降，如果使用比40℃低的温度，则变得难以抑制孔的扩大。
[0018] 设定误差范围的理由是因为，根据硅氮化物层的膜种类、膜厚的不同，合适的温度可能是不同的。
[0019] 此外，在上述第二步骤中，如果将每单位时间(秒)的温度变化率设为δT(℃/秒)，将温度变动幅度设为(T2-T1)℃＝ΔT，则从上述第一温度T1下降到上述第二温度T2的时间–1Time满足ΔT＝δT×时间Time，因此，时间Time(秒)＝(温度变化率δT) (秒/℃)×温度变动幅度ΔT(℃)。如果将δT–1(秒/℃)设为缓变系数，则在δT–1为负时，δT–1的绝对值越大，温度下降得越慢，δT–1的绝对值越小，温度下降得越快。这里，特征在于，时间Time满足以下关系式。
[0020] 时间Time＝缓变系数δT–1(秒/℃)×温度变动幅度ΔT(℃)≥120秒
[0021] 在缓变系数δT–1(秒/℃)的绝对值小的情况下，发挥各温度带下的蚀刻特性的效果变小，在温度变动幅度ΔT的绝对值窄的情况下，由温度引起的特性差异的利用效果变小。因此，优选缓变系数δT–1(秒/℃)和温度变动幅度ΔT的绝对值较大，在时间Time为120秒以上时，在一定的准确性下，能够良好地达到上述效果。
[0022] 发明效果
[0024] 图1是表示等离子体处理装置(等离子体蚀刻装置)的概要的图。
[0025] 图2是表示被处理体的蚀刻时间(Etch Time)与被处理体的温度(ESC Temp.)的关系的时序图。
[0026] 图3是表示在各种条件下的硅氮化物层的蚀刻状态的图。
[0027] 图4是表示将硅氮化物层作为第二掩膜，对其下的蚀刻对象层进行蚀刻时的被处理体的纵向剖面结构的图(图4的(A)表示实施方式，图4的(B)表示比较例)。
[0028] 图5是针对在图3所示的各条件下，附着于在被处理体形成的孔的内表面的有机膜ad进行说明的图。
[0029] 附图标记说明
[0030] 106 第一掩膜
[0031] 106a 硅氮化物层
[0032] 102 蚀刻对象层
具体实施方式
[0033] 以下，针对实施方式所涉及的等离子体蚀刻方法进行说明。对于同一要素使用同一附图标记，并且省略重复说明。
[0034] 图1是表示用于执行实施方式所涉及的等离子体蚀刻方法的等离子体处理装置的概要的图。
[0035] 如图1所示，等离子体处理装置10是电容耦合型等离子体蚀刻装置，其具有处理腔室12。处理腔室12具有大致圆筒形状。处理腔室12例如由铝构成，在其内壁面实施了阳极氧化处理。该处理腔室12进行接地保护。
[0036] 在处理腔室12的底部上设置有大致圆筒状的支承部14。支承部14例如由绝缘材料构成。支承部14在处理腔室12内从处理腔室12的底部沿垂直方向延伸。此外，在处理腔室12内设置有载置台PD。载置台PD由支承部14支承。
[0037] 载置台PD在其上表面保持作为被处理体的晶片W。载置台PD具有下部电极LE和静电吸盘ESC。下部电极LE包括第一极板18a和第二极板18b。第一极板18a和第二极板18b例如由铝之类的金属构成，并且形成大致圆盘形状。第二极板18b被设置在第一极板18a上，并且与第一极板18a电连接。
[0038] 在第二极板18b上设置有静电吸盘ESC。静电吸盘ESC具有在一对绝缘层或绝缘板间配置有作为导电膜的电极的构造。直流电源22经由开关23与静电吸盘ESC的电极电连接。该静电吸盘ESC通过由来自直流电源22的直流电压产生的库仑力等静电力来吸附晶片W。由此，静电吸盘ESC能够保持晶片W。
[0039] 在第二极板18b的周缘部上以包围晶片W的边缘和静电吸盘ESC的方式配置有聚焦环FR。聚焦环FR是为了提高蚀刻的均匀性而设置的。聚焦环FR由根据蚀刻对象的膜的材料而适当选择的材料构成，例如可以由石英构成。
[0040] 在第二极板18b的内部设置有制冷剂流路24。制冷剂流路24构成调温机构。从设置在处理腔室12的外部的冷却装置经由配管26a将制冷剂供给到制冷剂流路24。供给到制冷剂流路24的制冷剂经由配管26b返回到冷却装置。这样，以制冷剂循环的方式向制冷剂流路24进行供给。通过控制该制冷剂的温度，控制静电吸盘ESC支承的晶片W的温度。
[0041] 此外，在等离子体处理装置10设置有气体供给管路28。气体供给管路28将来自传热气体供给机构的传热气体(例如，He气)供给到静电吸盘ESC的上表面与晶片W的背面之间。
[0042] 此外，在等离子体处理装置10设置有作为加热元件的加热器HT。加热器HT例如埋入在第二极板18b内。加热器电源HP与加热器HT连接。通过从加热器电源HP向加热器HT供给电力，调整载置台PD的温度，由此调整载置在该载置台PD上的晶片W的温度。另外，加热器HT也可以内装于静电吸盘ESC。
[0043] 此外，等离子体处理装置10具有上部电极30。上部电极30在载置台PD的上方与该载置台PD相对配置。下部电极LE和上部电极30被设置为相互大致平行。在这些上部电极30与下部电极LE之间提供有用于对晶片W进行等离子体处理的处理空间S。
[0044] 上部电极30通过绝缘性屏蔽部件32被支承于处理腔室12的上部。在一实施方式中，上部电极30可以构成为，自载置台PD的上表面(即，晶片载置面)的垂直方向的距离是可变的。上部电极30可以包括电极板34和电极支承体36。电极板34面向处理空间S，在该电极板34设置有多个喷气孔34a。在一实施方式中，该电极板34由硅构成。
[0045] 电极支承体36以自由装卸地方式支承电极板34，并且例如可以由铝之类的导电性材料构成。该电极支承体36可以具有水冷构造。在电极支承体36的内部设置有气体扩散室36a。与喷气孔34a连通的多个气体流通孔36b从该气体扩散室36a向下方延伸。此外，在电极支承体36形成有将处理气体引导到气体扩散室36a的气体导入口36c，气体供给管38与该气体导入口36c连接。
[0046] 气体源组40经由阀门组42和流量控制器组44与气体供给管38连接。气体源组40具有多个气体源。多个气体源可以包括一个以上的碳氟化合物气体源、氧气(O2)源和稀有气体源。碳氟化合物气体可以是包含C4F6、C4F8和C6F6中的至少一种的气体。在一实施方式中，多个气体源可以包含C4F6气体源和C4F8气体源。此外，稀有气体可以是Ar气体、He气体之类的任意的稀有气体源。
[0047] 阀门组42包括多个阀门，流量控制器组44包括质量流控制器之类的多个流量控制器。气体源组40中的多个气体源分别经由阀门组42中的对应的阀门和流量控制器组44中的对应的流量控制器与气体供给管38连接。
[0048] 此外，在等离子体处理装置10中，沿处理腔室12的内壁以自由装卸的方式设置有沉积物屏蔽件46。在支承部14的外周也设置有沉积物屏蔽件46。沉积物屏蔽件46防止蚀刻副产物(沉积物)附着于处理腔室12，并且可以通过将Y2O3等陶瓷被覆于铝材料来构成沉积物屏蔽件46。
[0049] 在处理腔室12的底部侧和在支承部14与处理腔室12的侧壁之间设置有排气板48。排气板48可以通过例如将Y2O3等陶瓷被覆于铝材料来构成。在该排气板48下方和处理腔室
12设置有排气口12e。排气装置50经由排气管52与排气口12e连接。排气装置50具有涡轮分子泵等真空泵，能够将处理腔室12内的空间减压到期望的真空度。此外，在处理腔室12的侧壁设置有晶片W的搬入搬出口12g，该搬入搬出口12g能够由闸阀54打开关闭。
12设置有排气口12e。排气装置50经由排气管52与排气口12e连接。排气装置50具有涡轮分子泵等真空泵，能够将处理腔室12内的空间减压到期望的真空度。此外，在处理腔室12的侧壁设置有晶片W的搬入搬出口12g，该搬入搬出口12g能够由闸阀54打开关闭。
[0050] 此外，等离子体处理装置10还具有第一高频电源62和第二高频电源64。第一高频电源62是产生等离子体生成用的第一高频电力的电源，其产生频率为27～100MHz(在一个示例中为40MHz)的高频电力。第一高频电源62经由匹配器66与下部电极LE连接。匹配器66是用于使第一高频电源62的输出阻抗与负载侧(下部电极LE侧)的输入阻抗匹配的电路。
[0051] 第二高频电源64是产生用于将离子吸引到晶片W的第二高频电力(即，高频偏置电力)的电源，其产生频率在400kHz～13.56MHz范围内(在一个示例中为3.2MHz)的高频偏置电力。第二高频电源64经由匹配器68与下部电极LE连接。匹配器68是用于使第二高频电源64的输出阻抗与负载侧(下部电极LE侧)的输入阻抗匹配的电路。
[0052] 此外，等离子体处理装置10还具有电源70。电源70与上部电极30连接。电源70向上部电极30施加用于将处理空间S内存在的正离子吸引到电极板34的电压。在一示例中，电源70是产生负的直流电压的直流电源。在另一示例中，电源70也可以是产生频率较低的交流电压的交流电源。从电源70施加到上部电极的电压可以是–150V以下的电压。即，由电源70施加到上部电极30的电压可以是绝对值为150V以上的负电压。当将这种电压从电源70施加到上部电极30时，处理空间S内存在的正离子撞击电极板34。由此，从电极板34放出二次电子和/或硅。
[0053] 此外，在一实施方式中，等离子体处理装置10还可以具有控制部Cnt。该控制部Cnt是包括处理器、存储部、输入装置、显示装置等的计算机，其对等离子体处理装置10的各部分进行控制。具体地，控制部Cnt与阀门组42、流量控制器组44、排气装置50、第一高频电源62、匹配器66、第二高频电源64、匹配器68、电源70、加热器电源HP和冷却装置连接。
[0054] 控制部Cnt按照基于输入的菜单的程序进行动作，输出控制信号。通过来自控制部Cnt的控制信号，能够控制从气体源组供给的气体的选择和流量、排气装置50的排气、来自第一高频电源62和第二高频电源64的电力供给、来自电源70的电力施加、加热器电源HP的电力供给、来自冷却装置的制冷剂流量和制冷剂温度。
[0055] 使用上述等离子体处理装置执行以下蚀刻。
[0056] 首先，准备被处理体。如图4所示，该被处理体是在支承衬底100上具有蚀刻对象层102、硅氮化物层106a和第一掩膜106的晶片。作为蚀刻对象层102，使用SiO2，第一掩膜106使用由树脂构成的光刻胶，但是因为本发明的目的在于提高硅氮化物层的蚀刻精度，所以对于这些材料，能够使用其他材料。作为硅氮化物层106a，能够使用SiNx(x为自然数)、SiCN、SiON等。
[0057] 接下来，在第一步骤中，将包含氧和碳氟化合物的处理气体供给到上述等离子体处理装置内。
[0058] 之后，在第二步骤中，将处理气体等离子体化，从而经由第一掩膜106对被处理体的硅氮化物层106a进行蚀刻。
[0059] 在等离子体化中，从第一高频电源62和第二高频电源64供给高频电力。这里，在第二步骤中，通过使被处理体的温度从第一温度T1缓慢下降到第二温度T2，由此在使由处理气体生成的有机膜ad(参照图5)附着于第一掩膜的开口的内壁的状态下，执行第二步骤。
[0060] 图2是表示被处理体的蚀刻时间(Etch Time)与被处理体的温度(ESC Temp.)的关系的时序图。
[0061] 使温度从等离子体产生时的第一温度T1(＝80℃)阶梯式地下降到第二温度T2(40℃)，之后，作为基线的第二温度T2保持恒定值。
[0062] 此外，在第二步骤中，如果将每单位时间(秒)的温度变化率设为δT(℃/秒)，将温度变动幅度设为(T2-T1)℃＝ΔT，则从第一温度T1下降到第二温度T2的时间Time满足ΔT＝δT×时间Time，因此，时间Time(秒)＝(温度变化率δT)–1(秒/℃)×温度变动幅度ΔT(℃)。如果将δT–1(秒/℃)设为缓变系数，则在δT–1为负时，δT–1的绝对值越大，温度下降得越慢，δT–1的绝对值越小，温度下降得越快。这里，特征在于，时间Time满足以下关系式。
[0063] 时间Time＝缓变系数δT–1(秒/℃)×温度变动幅度ΔT(℃)≥120秒
[0064] 在缓变系数δT–1(秒/℃)的绝对值小的情况下，发挥各温度带下的蚀刻特性的效果变小，在温度变动幅度ΔT的绝对值窄的情况下，由温度引起的特性差异的利用效果变小。因此，优选缓变系数δT–1(秒/℃)和温度变动幅度ΔT的绝对值较大，在时间Time为120秒以上时，在一定的准确性下，能够良好地达到上述效果。
[0065] 另外，出于上述理由，优选缓变系数δT–1(秒/℃)和温度变动幅度ΔT各自的绝对值满足以下范围。
[0066] 3(秒/℃)≤|缓变系数δT–1|(秒/℃)≤15(秒/℃)
[0067] 20(℃)≤|温度变动幅度ΔT(℃)|≤40(℃)
[0068] 时间Time是用于蚀刻硅氮化物层的时间，其由温度阶梯式下降的步骤(Nlt1Step，Nlt1步骤)构成。该方法被称为DDPC(Depth Dependent Process Control，深度依赖工艺控制)。
[0069] 在该情况下，在高温的第一温度T1附近，有机膜ad附着于第一掩膜106的开口的内壁(参照图5的(B)的左图)，所以能够抑制第一掩膜106的开口径的扩大。
[0070] 此外，随着达到第二温度T2附近，有机膜ad的附着受到抑制，从而抑制了成为前端变细的孔形状那样的蚀刻(参照图5的(B)的右图)。因此，能够抑制前端变细，并且在硅氮化物形成期望的开口径的孔。
[0071] 另外，如图4所示，被处理体在硅氮化物层106a下具有蚀刻对象层102，并且包括第三步骤，其将第二步骤蚀刻后的硅氮化物层106a作为第二掩膜，进一步对蚀刻对象层102进行蚀刻。
[0072] 如上所述，在第二掩膜形成的孔为期望的开口径，并且前端变细受到抑制，所以在将它作为掩膜进行的蚀刻中，等离子体中的离子根据第二掩膜的形状对蚀刻对象层102进行蚀刻，因此也能够以期望的开口径并且在前端变细被抑制的状态下对蚀刻对象层进行蚀刻(参照图4的(A))。
[0073] 另一方面，在将被处理体的蚀刻时的温度固定于40℃的情况下，孔的开口径扩大(图4的(B))。
[0074] 在图4中，孔的底部的直径(宽度)w2为21.4nm，在实施方式所涉及的图4的(A)中，蚀刻对象层102的开口端的直径(宽度)w1为28.3nm，在比较例的图4的(B)中，蚀刻对象层102的开口端的直径(宽度)w1为32.0nm。
[0075] 图3是表示在各种条件下的硅氮化物层的蚀刻状态的图，图5是在图3所示的各条件下，针对附着于在被处理体形成的孔的内表面的有机膜ad进行说明的图。另外，图3中的粗箭头按箭头方向表示时间的流逝，黑色的程度表示温度低的状态。
[0076] 如上所述，在本发明中，采用使蚀刻时的温度阶梯式下降的DDPC方法(图3的中央和图5的(B))。在该情况下，侧壁的有机膜ad有效地发挥作用，从而抑制孔径(CD)的扩大(收缩状态)，并且抑制深度方向的前端变细(逐渐变细)，从而能够形成垂直延伸的孔(垂直)。
[0077] 即，在固定温度80℃下执行蚀刻时(图3的左图和图5的(A))，有机膜ad继续附着，离子(ion)偏向，孔成为前端变细的形状。
[0078] 另一方面，在固定温度40℃下执行蚀刻时(图3的左图和图5的(C))，有机膜ad几乎不附着，孔径逐渐变大。
[0079] 另一方面，根据实施例的蚀刻(图3的中央和图5的(B))，有机膜ad在第一温度T1的附近附着，而在第二温度T2的附近不附着，因此如上所述，能够以期望的开口径形成垂直的孔。
[0080] 在该情况下，其特征在于，第一温度T1为80℃±误差10℃，上述第二温度T2为40℃±误差10℃。
[0081] 在该温度范围的情况下，能够良好地达到上述效果。
[0082] 将温度设定为80℃、40℃的理由是因为担心，如果使用比80℃高的温度，则蚀刻的进行显著下降，如果使用比40℃低的温度，则变得难以抑制孔的扩大。
[0083] 设定误差范围的理由是因为，根据硅氮化物层的膜种类、膜厚的不同，合适的温度可能是不同的。
[0084] 另外，作为碳氟化合物气体，可以包含C4F6气体、C4F8气体、CH3F气体、CH2F2气体、CHF3气体、O2气体和Ar气体，但是在上述实施例中，使用了C4F8、CH2F2和O2气体。此外，分别从第一高频电源62和第二高频电源64供给频率为40MHz和3.2MHz的电力。此外，在实施例和比较例中，各层的厚度如下，并且蚀刻时间为150秒。
[0085] 第一掩膜：700nm(多晶硅：poly-Si)
[0086] 硅氮化物层：200nm
[0087] 蚀刻对象层：硅氧化膜
[0088] 以上，对各种实施方式进行了说明，但是不限于上述实施方式，可以构成各种变形样态。例如，第一高频电源62可以经由匹配器66与上部电极30连接。
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