JP2009135478A - 基板上に高アスペクト比の特徴部を形成する方法 - Google Patents

基板上に高アスペクト比の特徴部を形成する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】エッチ処理に高アスペクト比を適用するための異方性特徴部を形成する方法を提供する。本願に記載の本方法は高アスペクト比の特徴部のプロファイルと寸法の制御を円滑に行い、有利である。
【解決手段】一実施形態において、基板上で誘電体層を異方性エッチングする方法は、誘電体層上にパターンマスク層が配置された基板をエッチチャンバ内に配置し、少なくともフッ素・炭素含有ガスとケイ素・フッ素ガスを含むガス混合物をエッチチャンバに供給し、ガス混合物から形成したプラズマの存在下で誘電体層に特徴部をエッチングすることを含む。
【選択図】図3

Description

背景
(発明の分野)
本発明は、概して、高アスペクト比の特徴部を基板上に形成する方法に関する。より具体的には、本発明は、概して、半導体の製造において異方性エッチ処理により高アスペクト比の特徴部を形成する方法に関する。
(関連技術の説明)
半導体デバイスの次世代型超大規模集積化(VLSI)と超々大規模集積化(ULSI)にとって鍵となる技術の1つが、サブハーフミクロン以下の特徴部を信頼度高く製造することである。しかしながら、集積回路技術の限界に押され、VLSI及びULSI技術における相互接続部の小型化は、処理能力に更なる課題を課すこととなった。集積回路は、100万を越えるマイクロ電子電界効果トランジスタ(例えば、相補型金属酸化膜半導体(Complementary metal−oxide semiconductor:CMOS))を含む場合があり、これらのトランジスタは基板上(例えば、半導体ウェハ)に形成され、回路内で協働して様々な機能を果たす。ゲートパターンを信頼性高く形成することが、集積回路の成功と、個々の基板とダイの回路密度や品質の向上にあたっての継続的な取り組みに重要である。
特徴部のサイズが縮小化されるにつれ、高いアスペクト比(アスペクト比は、特徴部の深さと幅との比であると定義される)への要望は、20:1及び更にそれを超えるものへと着実に高くなってきている。このような高いアスペクト比の特徴部を信頼性高く形成可能なエッチ処理の開発が、大きな課題である。
従来、約10:1程度のアスペクト比を有する特徴部は、誘電体層を既定の深さと幅にまで異方的にエッチングすることで作製された。例えば、図1Aは、パターンマスク層106を貫通して形成された開口部108を通して一部が露出している誘電体層104を有している基板102を図示している。エッチング中、エッチング処理中に発生した副生成物又は他の材料114の再堆積物又は蓄積物がエッチング中の特徴部110の最上部及び/又は側壁部上に積もり、図1Bに図示されるように、マスク106の開口部108と誘電体層104に形成中の特徴部110を閉塞してしまうことがある。エッチングされた特徴部110の開口部108の幅が、蓄積された再堆積材料114によって狭くなる及び/又は封止されるため、反応性エッチャントは特徴部110の下面112に到達できず、得られるアスペクト比が制限されてしまう。これに加え、再堆積材料又は副生成物の蓄積物が誘電体層104の上面及び/又は側壁部にランダム及び/又は不規則に付着するため、その結果、再堆積材料114が不規則なプロファイルに成長して反応性エッチャントの流路を変えてしまい、図1Cに図示されるように、誘電体層104に形成される特徴部110のプロファイル118が湾曲又は捻れたものとなることがある。
従って、高アスペクト比で特徴部をエッチングするための改善された方法が当該分野において必要とされている。
エッチ処理を用いて高アスペクト比の特徴部を形成する方法を提供する。本願に記載の本方法は、エッチング中の伝導性側壁部管理スキームを通して高アスペクト比の特徴部のプロファイルと寸法の制御を円滑に行い、有利である。
一実施形態において、基板上で誘電体層を異方性エッチングする方法は、誘電体層上にパターンマスク層が配置された基板をエッチチャンバ内に配置し、少なくともフッ素・炭素含有ガスとケイ素・フッ素ガスを含むガス混合物をエッチチャンバに供給し、ガス混合物から形成したプラズマの存在下で誘電体層に特徴部をエッチングすることを含み得る。
別の実施形態において、基板上で誘電体層を異方性エッチングする方法は、誘電体層上にパターン形成された非晶質炭素層が配置された基板をエッチチャンバ内に配置し、少なくともフッ素・炭素含有ガスとケイ素・フッ素ガスを含むガス混合物をエッチチャンバ内に供給し、非晶質炭素層の開口部を通して、ガス混合物から形成したプラズマの存在下において、約20:1を越えるアスペクト比に特徴部をエッチングすることを含み得る。
更に別の実施形態において、基板上で誘電体層を異方性エッチングする方法は、誘電体層上にパターン形成された非晶質炭素層が配置された基板をエッチチャンバ内に配置し、少なくともフッ素・炭素含有ガスとケイ素・フッ素ガスを含むガス混合物をエッチチャンバ内に供給し、ガス混合物から形成したプラズマにより、誘電体層に約20:1を越えるアスペクト比に特徴部をエッチングし、エッチング中に特徴部の表面上に伝導性高分子層を形成し、特徴部を電界効果トランジスタ用のコンタクト構造として構成することを含み得る。
詳細な説明
本発明は、概して、エッチ処理を用いて高アスペクト比を有する特徴部を形成する方法に関する。一実施形態において、本方法は、ケイ素・フッ素ガスとフッ素と炭素を基本としたガスのエッチング用ガス混合物を用いて誘電体層をプラズマエッチングすることを含む。エッチング用ガス混合物のケイ素・フッ素ガスは、エッチングされた誘電体層の側壁部及び/又は表面上に伝導性高分子層を形成するため、エッチング中、深い特徴部におけるイオン軌道が延びる。延びたイオン軌道は、誘電体層をその底部にまでエッチングするのに役立ち、良好なプロファイル制御と限界寸法を保ったまま、所望の高アスペクト比を備えた特徴部が形成される。
本願に記載のエッチ処理は、いずれのプラズマエッチチャンバ内で実行してもよく、例えばHARTエッチリアクタ、HART TSエッチリアクタ、デカップルド・プラズマ・ソース(Decoupled Plasma Source:DPS)、DPS−II、又はDPSプラス、又はセンチュラ(CENTURA、商標名)エッチシステムのDPS DTエッチリアクタが挙げられ、全てカリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアル社から入手可能である。他の製造業者から入手可能な適切なプラズマエッチチャンバを利用することもできる。
図2は、エッチ処理チャンバ200の一実施形態の概略図である。チャンバ200は、誘電性のドーム型天井部(以下、ドーム220と称する)を支持する導電性チャンバ壁部230を含む。チャンバに応じて天井部のタイプは異なっていてよい(例えば、平坦な天井部)。壁部230は、電気アース234に接続されている。
少なくとも1つの誘導コイルアンテナセグメント212が、高周波(RF)ソース218に整合回路219を介して連結されている。アンテナセグメント212はドーム220の外側に位置決めされており、処理ガスから形成されたプラズマをチャンバ内に維持するために利用される。一実施形態において、誘導コイルアンテナ212に印加されるソースRF電力は約0ワット〜約2500ワット、周波数は約50kHz〜約13.56MHzの範囲内にある。別の実施形態において、誘導コイルアンテナ212に印加されるソースRF電力は約200ワット〜約800ワットの範囲にあり、例えば約400ワットである。
処理チャンバ200は基板支持台座部216(バイアス印加素子)も含み、台座部は、通常、周波数約13.56MHzで約1500ワット以下(例えば、バイアス電力ゼロ)のバイアス電力を発生させるためのRF信号を生成可能な第2(バイアス印加)RFソース222に連結されている。バイアス印加ソース222は、基板支持台座部216に整合回路223を介して連結されている。基板支持台座部216に印加されるバイアス電力はDC又はRFであってもよい。
稼働中、基板214を基板支持台座部216上に載置し、静電チャック又は基板214の機械的な固締といった慣用の技法を用いてその上に保持する。ガス状成分はガスパネル238から処理チャンバ200へと進入ポート226を通して供給され、ガス状混合物250を生成する。混合物250から形成されたプラズマは、RFソース218、222からのRF電力をアンテナ212と基板支持台座部216にそれぞれ印加することで処理チャンバ200内に維持される。エッチチャンバ200内部の圧力は、チャンバ200と真空ポンプ236との間に据えられた絞り弁227を用いて制御する。チャンバ壁部230の表面温度は、チャンバ200の壁部230内に位置された液体含有導管(図示せず)を用いて制御される。
基板214の温度は、支持台座部216の温度を安定させ、導管249を通して熱伝導ガスを供給源248から基板214の背面と台座部表面上の溝部(図示せず)との間に形成された流路に流すことで制御する。熱伝導ガスとしてヘリウムガスを用いて基板支持台座部216と基板214との間の熱伝導を促進してもよい。エッチ処理中、基板214を、基板支持台座部216内に取り付けられた抵抗ヒータ225によって、DC電源224を介して定常状態温度まで加熱する。台座部216と基板214との間に供給されるヘリウムにより、基板214の均一な加熱が促進される。ドーム220と基板支持台座部216の双方の熱制御を行うことで、基板214の温度を約100℃〜約500℃に維持する。
他の形態のエッチチャンバも本発明の実施に使用できることは、当業者なら理解できる。例えば、遠隔プラズマ供給源を備えたチャンバ、マイクロ波プラズマチャンバ、電子サイクロトロン共鳴(electron cyclotron resonance:ECR)プラズマチャンバ等を利用して本発明を実行してもよい。
中央演算処理装置(CPU)244、メモリ242、及びCPU244用のサポート回路246を含む制御装置240は、エッチ処理チャンバ200の各種コンポーネントに連結されており、エッチ処理の制御を円滑に行う。上述したようなチャンバの制御を促進するために、CPU244は様々なチャンバ及びサブプロセッサを制御するための、工業環境で使用可能ないずれの形態の汎用コンピュータプロセッサの1つであってもよい。メモリ242はCPU244に連結されている。メモリ242つまりコンピュータ可読性媒体は1つ以上の容易に入手可能なメモリ、例えばランダムアクセスメモリ(RAM)、読み出し専用メモリ(ROM)、フロッピーディスク、ハードディスク、又はその他のいずれの形式のローカル又はリモートデジタルストレージであってよい。サポート回路246はCPU244に連結され、慣用のやり方でプロセッサをサポートする。これらの回路はキャッシュ、電力供給源、クロック回路、入力/出力回路、サブシステム等を含む。本願に記載されるようなエッチング処理は、通常、ソフトウェアルーチンとしてメモリ242に記憶される。ソフトウェアルーチンは、CPU244により制御されているハードウェアとは離れて設置された第2CPU(図示せず)に記憶させても及び/又は実行させてもよい。
図3は、チャンバ200又は他の適した処理チャンバで実施し得るエッチ処理300の一実施形態のフロー図である。図4A−4Cは、処理300の各種段階に対応する複合基板の一部の概略断面図である。処理300を用いて、電界効果トランジスタ用コンタクト構造等の、構造体用の例えば20:1を越える高アスペクト比の特徴部を形成することができる。或いは、処理300を他のタイプの構造体のエッチングに利用してもよく、有益である。
処理300は、基板214を図2に図示されるエッチチャンバ200等のエッチ処理チャンバに搬送(つまり、配置)するブロック302から開始される。図4Aに図示の実施形態において、基板214は、誘電体層404の上にパターンマスク層406が配置された膜積層体400を有している。パターンマスク層406は開口部408を有しており、この開口部によりその下の誘電体層404のエッチング対象部位が露出している。基板214は、半導体基板、シリコンウェハ、ガラス基板等のいずれであってもよい。
一実施形態において、マスク層406はハードマスク、フォトレジストマスク又はこれらの組み合わせであってよい。マスク層406は、所望のアスペクト比で誘電体層404に特徴部410をエッチングするためのエッチマスクとして使用される。本願に記載の特徴部410は、トレンチ、ビア、開口部等を含み得る。一実施形態において、マスク層406は、ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、炭化ケイ素、非晶質炭素、及びこれらの組み合わせから成る群から選択された材料であってよい。本願に記載の例示的な実施形態において、マスク層406は、非晶質炭素層である。非晶質炭素層の一例は、アプライドマテリアル社から入手可能なアドバンスドパターニングフィルム(APF、登録商標)であってよい。誘電体層404は、誘電性酸化物層であってよい。誘電体層に適した他の材料には、非ドープ・ケイ素ガラス(Undoped silicon glass:USG)、例えば酸化ケイ素又はTEOS、ホウ素・ケイ酸塩ガラス(boron−silicate glass:BSG)、燐・ケイ酸塩ガラス(phosphorus−silicate glass:PSG)、ホウ素・燐・ケイ酸塩ガラス(boron−phosphorus−silicate glass:BPSG)及びこれらの組み合わせが含まれる。本願に記載の例示的な実施形態において、誘電体層404は、非ドープ・ケイ素ガラス(USG)層である。一実施形態において、誘電体層404は、約3000Å〜約15000Å、例えば約4000Å〜約12000Å、例えば約10000Åの厚さを有する。
ブロック304で、フッ素と炭素を基本としたガスとケイ素・フッ素ガスを含むガス混合物を、エッチチャンバ内に置かれた基板214を異方的にエッチングするためにエッチチャンバに供給する。エッチング中、フッ素と炭素を基本としたガスとケイ素・フッ素ガスは、ガス混合物から形成されたプラズマによって反応性エッチャント種として解離される。ケイ素・フッ素ガスからのケイ素イオンは、ガス混合物中のフッ素と炭素を基本としたガスからの炭素イオンの一部と反応し、図4Bに図示されるように、誘電体層404にエッチングされた特徴部410のエッチングされた表面、例えば側壁部上に伝導性ケイ素含有高分子を形成する。エッチング中、誘電体層404のエッチングされた表面、例えば側壁部の保護に慣用的に使用されていた炭素系高分子よりもケイ素イオンのほうがより多くの電子を供給するため、ケイ素含有高分子416の伝導特性が、エッチ反応中に起こる電子移動過程の助けとなる。伝導性ケイ素含有高分子416は、矢印418によって図示されるように、特徴部410のより深い部位へとイオン及び/又は電子を伝導する。伝導性高分子層416は、電荷の蓄積と誘電体層404の特徴部410内への成長も軽減するため、特徴部の閉鎖、狭小化、湾曲又はエッチング処理の更なる妨害が防止される。伝導性ケイ素含有高分子416によりエッチングされた特徴部410内でのイオン軌道が改善され、誘電体層404深くでの高アスペクト比の特徴部410の形成が促進される。
エッチング中、マスク層406は、供給されたガス混合物からのフッ素イオンによって攻撃されることもある。このため、ケイ素・フッ素ガスをフッ素と炭素を基本としたガス混合物に添加すると、ケイ素・フッ素ガスからのケイ素イオンがマスク層406と効率的に反応して、マスク層406の上面上に強靭な保護層414が形成される。マスク層406が非晶質炭素層である実施形態において、ケイ素イオンはマスク層406の炭素元素と反応し、マスク層406の上面に強固な炭化ケイ素層を形成し、マスク層406が高アスペクト比特徴部410の形成過程中に攻撃されないように保護する。
一実施形態において、ガス混合物に供給されたケイ素・フッ素ガスは、SiF、SiCl等から成る群から選択することができる。ガス混合物に供給されるフッ素と炭素を基本としたガスは、CF、CHF、C、C、C、C、CH等から成る群から選択される。任意で不活性ガスをガス混合物に供給して、ガス混合物のエッチチャンバへの運搬を補佐してもよい。不活性ガスの適した例には、N、Ar、He、及びKrガスが含まれる。
ガス混合物をエッチチャンバに供給しながら、幾つかの処理パラメータを調節する。一実施形態において、チャンバ圧は、約10mTorr〜約60mTorr、例えば約20mTorrに調節される。RFソース電力を印加して、第1処理ガスから形成されたプラズマを維持してよい。例えば、約200ワット〜約1000ワットの電力を誘導結合アンテナソースに印加して、プラズマをエッチチャンバ内部で維持してもよい。フッ素と炭素を基本としたガスは、チャンバへと流量約20sccm〜約100sccmで流すことができる。ケイ素・フッ素ガスは、チャンバへと流量約10sccm〜約50sccmで流すことができる。不活性ガスは、チャンバへと流量約200sccm〜約1000sccmで流すことができる。基板温度は約20℃〜約80℃に維持される。
加えて、ガス混合物に供給されるフッ素と炭素を基本としたガスのケイ素・フッ素ガスに対する比を制御してもよい。一実施形態において、フッ素と炭素を基本としたガスのケイ素・フッ素ガスに対するガス比は、約1:0.15〜約1:0.5、例えば約1:0.25に制御される。
ブロック306で、ある特徴部410が所望の深さ、任意の下層及び/又は基板214に到達すると、いずれの適した方法によってエッチング処理の終点が決定される。例えば、終点は、発光をモニタすること、既定の時間の満了、又はエッチング中の層が十分に除去されたと判定する別の指標により決定することができる。
図4Cに図示されるように、所望の高アスペクト比を有する特徴部410は基板214上に形成される。一実施形態において、基板214上に形成された特徴部410は約20:1を越えるアスペクト比を有している。一実施形態において、処理300を利用して、約20:1を超えるアスペクト比の特徴部410が誘電体層404に形成されたコンタクト構造を、図5に図示されるような、基板502上の電界効果トランジスタ504上に配置されたコンタクト構造として形成することができる。特徴部410に金属材料を充填して又は堆積させて、基板上に配線構造を形成してもよい。金属材料の例には、タングステン(W)、窒化タングステン(WN)、銅(Cu)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、アルミニウム(Al)等が含まれる。或いは、処理300を用いて、集積回路の作製に使用する他の構造を形成してもよい。
従って、本出願は、基板をエッチングして20:1を越えるアスペクトを備えた特徴部を形成する改善された方法を提供する。本方法は、ケイ素・フッ素ガスの添加に加えてフッ素と炭素を基本としたガス混合物を用いることでエッチング中に伝導性高分子層を形成し、これにより基板上に形成される高アスペクト比の特徴部の良好なプロファイルと寸法制御を効率的に行い、有利である。
上記記載は本発明の実施形態を対象としているが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく本発明のその他及び更なる実施形態を創作することができ、本発明の範囲は特許請求の範囲に基づいて定められる。
本発明の開示は、添付図面と共に詳細な説明を検討することで容易に理解することが可能である。
高アスペクト比の特徴部を作製するために用いる従来の特徴部形成シーケンスの断面図である。 本発明の少なくとも1つの実施形態による、エッチング処理を実行するために利用し得るプラズマ処理装置の概略図である。 本発明の少なくとも1つの実施形態による、高アスペクト比の特徴部の作製に適した方法の処理フロー図である。 図3の方法による、エッチングにより高アスペクト比の特徴部が形成された複合構造体の連続断面図である。 電界効果トランジスタ用のコンタクト構造における、本発明によって形成された高アスペクト比の特徴部を有する複合構造体の断面図である。
円滑な理解のために、可能な限り、図に共通する同一の要素は同一の参照番号を用いて表した。一実施形態における要素と構成は、特に記載することなく他の実施形態にて効果的に利用可能である。
しかしながら、添付図面は本発明の例示的な実施形態を図示するに過ぎず、本発明はその他の同等に効果的な実施形態も認め得るため、本発明の範囲を制限すると解釈されないことに留意すべきである。

Claims (15)

  1. 基板上で誘電体層を高アスペクト比で異方性エッチングする方法であり、
    誘電体層上にパターンマスク層が配置された基板をエッチチャンバ内に配置し、
    少なくともフッ素・炭素含有ガスとケイ素・フッ素ガスを含むガス混合物をエッチチャンバに供給し、
    ガス混合物から形成したプラズマの存在下で誘電体層に特徴部をエッチングすることを含む方法。
  2. 誘電体層が、非ドープ・ケイ素ガラス(USG)、ホウ素・ケイ酸塩ガラス(BSG)、燐・ケイ酸塩ガラス(PSG)、ホウ素・燐・ケイ酸塩ガラス(BPSG)及びこれらの組み合わせから成る群から選択される請求項1記載の方法。
  3. パターンマスク層が、ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、炭化ケイ素、非晶質炭素及びこれらの組み合わせから成る群から選択される請求項1記載の方法。
  4. ガス混合物を供給することが、誘電体層のエッチングされた表面上に伝導性高分子層を形成することを更に含む請求項1記載の方法。
  5. 伝導性高分子層がケイ素含有高分子である請求項4記載の方法。
  6. 伝導性高分子層が、誘電体層を異方性エッチングするためのプラズマから発生したイオンを誘電体層の底部に向かって伝導することを補佐する請求項4記載の方法。
  7. フッ素・炭素含有ガスと、ケイ素・フッ素ガスが、SiFとSiClである請求項1記載の方法。
  8. フッ素・炭素含有ガスが、CF、CHF、C、C、C、C及びCHから成る群から選択される請求項1記載の方法。
  9. ガス混合物を供給することが、
    フッ素・炭素含有ガスを流量約20sccm〜約100sccmで供給し、
    ケイ素・フッ素ガスを流量約10sccm〜約50sccmで供給し、
    処理圧力を約10mTorr〜約60mTorrに維持し、
    基板温度を約20℃〜約80℃に制御し、
    約200ワット〜約1000ワットのプラズマ電力を印加することを更に含む請求項1記載の方法。
  10. 基板上で誘電体層を高アスペクト比で異方性エッチングする方法であり、
    誘電体層上にパターン形成された非晶質炭素層が配置された基板をエッチチャンバ内に配置し、
    少なくともフッ素・炭素含有ガスとケイ素・フッ素ガスを含むガス混合物をエッチチャンバ内に供給し、
    非晶質炭素層の開口部を通して、ガス混合物から形成したプラズマの存在下において、約20:1を越えるアスペクト比に特徴部をエッチングすることを含む方法。
  11. ガス混合物を供給することが、誘電体層のエッチングされた表面上に伝導性高分子層を形成することを更に含む請求項10記載の方法。
  12. ケイ素・フッ素ガスから得られるケイ素元素を非晶質炭素層と反応させて保護層を形成することを更に含む請求項11記載の方法。
  13. ガス混合物を供給することが、ガス混合物と共に不活性ガスをエッチチャンバに供給することを更に含み、
    不活性ガスがN、Ar、He、及びKrから成る群から選択される請求項11記載の方法。
  14. 基板上で誘電体層を高アスペクト比で異方性エッチングする方法であり、
    誘電体層上にパターン形成された非晶質炭素層が配置された基板をエッチチャンバ内に配置し、
    少なくともフッ素・炭素含有ガスとケイ素・フッ素ガスを含むガス混合物をエッチチャンバ内に供給し、
    ガス混合物から形成したプラズマにより、誘電体層に約20:1を越えるアスペクト比に特徴部をエッチングし、
    エッチング中に特徴部の表面上に伝導性高分子層を形成し、
    特徴部を電界効果トランジスタ用のコンタクト構造として構成することを含む方法。
  15. 誘電体層が、酸化ケイ素、ホウ素・ケイ酸塩ガラス(BSG)、燐・ケイ酸塩ガラス(PSG)、ホウ素・燐・ケイ酸塩ガラス(BPSG)及びこれらの組み合わせから成る群から選択される請求項14記載の方法。
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