JP2009543351A - 相変化合金のエッチング - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】デバイスを形成する方法が提供されている。相変化層が設けられる。相変化層は、臭素含有化合物を含むエッチングガスを供給してエッチングガスからプラズマを形成することによりエッチングされる。相変化層は、電流で加熱できる材料から成り、その後の冷却時に、その材料を冷却する速さに応じてアモルファス材料または結晶材料を形成する。さらに、アモルファス材料は、結晶材料の少なくとも数倍の抵抗を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイスの形成に関し、特に、相変化メモリデバイスを形成するためのエッチングに関する。

相変化メモリの形成では、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）（以降、ＧＳＴと呼ぶ）などを含む合金を用いて、相変化メモリ素子を形成する。

相変化メモリ素子の一例では、各素子は、ＧＳＴで形成される。素子は、電流を素子に通すことによって、加熱された後に冷却されてよい。急速な冷却によって、アモルファス抵抗（ｒ_a）を有するアモルファス構造を提供してよい。より遅い冷却によって、上述の抵抗と異なる結晶抵抗（ｒ_c）を有する比較的結晶質の構造を提供してよい。

上述の課題を解決するために、本発明の目的に従って、デバイスを形成する方法が提供されている。相変化層が設けられる。相変化層は、臭素含有化合物を含むエッチングガスを供給してエッチングガスからプラズマを形成することによりエッチングされる。

本発明の別の実施形態では、相変化層にフィーチャを形成するための装置が提供されている。プラズマ処理チャンバであって、プラズマ処理チャンバ容器を形成するチャンバ壁と、プラズマ処理チャンバ容器内で基板を支持するための基板支持と、プラズマ処理チャンバ容器内の圧力を調整するための圧力調整手段と、プラズマ処理チャンバ容器に電力を供給してプラズマを維持するための少なくとも１つの電極と、プラズマ処理チャンバ容器にガスを供給するためのガス流入口と、プラズマ処理チャンバ容器からガスを排出するためのガス流出口と、を備える、プラズマ処理チャンバが提供されている。ガス供給源が、ガス流入口と流体連通しており、臭素含有化合物ガス供給源と、希ガス供給源と、フッ素含有化合物ガス供給源および塩素含有化合物ガス供給源の少なくとも一方とを含む。制御部が、ガス供給源と少なくとも１つの電極とに制御可能に接続されており、少なくとも１つのプロセッサとコンピュータ読み取り可能な媒体とを備えている。コンピュータ読み取り可能な媒体は、臭素含有化合物を含むエッチングガスを供給するためのコンピュータ読み取り可能なコードと、エッチングガスからプラズマを形成するためのコンピュータ読み取り可能なコードとを備える。

添付の図面を参照しつつ行う本発明の詳細な説明において、本発明の上述の特徴およびその他の特徴を詳述する。

本発明の一実施形態で利用可能な処理を示す概略フローチャート。 本発明の一実施形態に従って処理された積層体を示す略断面図。 本発明の一実施形態に従って処理された積層体を示す略断面図。 本発明の一実施形態に従って処理された積層体を示す略断面図。 本発明の一実施形態に従って処理された積層体を示す略断面図。 本発明の実施に利用できるプラズマ処理チャンバを示す説明図。 本発明の実施形態で用いられる制御部の実施に適したコンピュータシステムを示す図。 本発明の実施形態で用いられる制御部の実施に適したコンピュータシステムを示す図。

以下では、添付図面に例示されたいくつかの好ましい実施形態を参照しつつ、本発明の詳細な説明を行う。以下の説明では、本発明の完全な理解を促すために、数多くの具体的な詳細事項が示されている。しかしながら、当業者にとって明らかなように、本発明は、これらの具体的な詳細事項の一部または全てがなくとも実施することが可能である。また、本発明が不必要に不明瞭となるのを避けるため、周知の処理工程および／または構造については、詳細な説明を省略した。

理解を促すために、本発明の一実施形態で利用可能な処理を示す概略フローチャートを図１に示す。第１の電極が、誘電体層内に設けられる（工程１０４）。図２Ａは、複数の第１の電極２０６を備えた誘電体層２０４の略断面図である。好ましい実施形態では、誘電体層は、酸化ケイ素または窒化ケイ素系の誘電体である。

相変化層２０８が、誘電体層２０４および第１の電極２０６の上に形成される（工程１０８）。相変化層２０８は、電流で加熱できる材料から成り、その後の冷却時に、その材料を冷却する速さに応じてアモルファス材料または結晶材料を形成する。さらに、アモルファス材料は、結晶材料の少なくとも数倍の抵抗を有する。相変化層は、ゲルマニウム−アンチモン−テルル合金（ＧＳＴ）、および、アンチモン−テルル合金、の内の少なくとも１つであることが好ましい。

第２の電極層２１２が、相変化層２０８の上に形成される（工程１１２）。好ましい実施形態では、第２の電極層２１２は、窒化チタン（ＴｉＮ）または窒化タングステン（ＷＮ）である。

マスクが、第２の電極層の上に形成される（工程１１６）。好ましい実施形態では、マスクは、第２の電極層２１２の上にハードマスク層２１４を最初に形成することによって形成される。フォトレジストマスク２１６が、ハードマスク層２１４の上に形成される。ハードマスク層２１４は、フォトレジストマスク２１６を通してエッチングされ、図２Ｂに示すように、第２の電極２１２の上にマスクを形成する。

ハードマスクをエッチングするために、誘電体層２１４および関連する積層が、プラズマ処理チャンバ内で配置されてよい。図３は、プラズマ処理ツール３０１を含むプラズマ処理システム３００を示す概略図である。プラズマ処理ツール３０１は、誘導結合プラズマエッチングツールであり、プラズマ処理チャンバ３０４を有するプラズマリアクタ３０２を備える。変成器結合電力（ＴＣＰ）制御部３５０およびバイアス電力制御部３５５が、それぞれ、プラズマチャンバ３０４内で生成されるプラズマ３２４に影響を与えるＴＣＰ電源３５１およびバイアス電源３５６を制御する。

ＴＣＰ電力制御部３５０は、ＴＣＰ整合回路３５２によって調整された１３．５６ＭＨｚの高周波信号をプラズマチャンバ３０４の近くに位置するＴＣＰコイル３５３に供給するよう構成されたＴＣＰ電源３５１のための設定点を設定する。ＴＣＰコイル３５３をプラズマチャンバ３０４から隔離しつつ、エネルギがＴＣＰコイル３５３からプラズマチャンバ３０４に伝わることを可能にするために、ＲＦ透過性の窓３５４が設けられる。ＲＦ透過性の窓３５４の開口部には、光透過性の窓３６５として、約２．５ｃｍ（１インチ）の直径を有する円形のサファイアが設けられる。

バイアス電力制御部３５５は、バイアス整合回路３５７によって調整されたＲＦ信号を、プラズマチャンバ３０４内に配置されたチャック電極３０８に供給して、処理される基板３０６（半導体ウエハワークピースなど）を受けるよう適合された電極３０８上で直流（ＤＣ）バイアスを生成するよう構成されたバイアス電源３５６のための設定点を設定する。

ガス供給機構すなわちガス供給源３１０は、ガスマニホールド３１７を介して取り付けられた１または複数のガスのための１または複数の供給源を備えており、処理に必要となる適切な化学物質をプラズマチャンバ３０４の内部に供給する。ガス排出機構３１８は、圧力制御バルブ３１９と排出ポンプ３２０とを備えており、プラズマチャンバ３０４内から粒子を除去して、プラズマチャンバ３０４内を特定の圧力に維持する。

温度制御部３８０は、ヒータ電源３８４を制御することによって、チャック電極３０８内に設けられたヒータ３８２の温度を制御する。プラズマ処理システム３００は、さらに、電子制御回路３７０を備える。プラズマ処理システム３００は、さらに、終点検出器３６０を備えてもよい。

図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の実施形態で用いられる制御回路３７０のための制御部の実施に適したコンピュータシステム１３００を示す図である。図４Ａは、コンピュータシステムの物理的形態の一例を示している。もちろん、コンピュータシステムは、集積回路、プリント基板、および、小型携帯デバイスから大型スーパコンピュータまで、多くの物理的形態を有してよい。コンピュータシステム１３００は、モニタ１３０２と、ディスプレイ１３０４と、筐体１３０６と、ディスクドライブ１３０８と、キーボード１３１０と、マウス１３１２とを備える。ディスク１３１４は、コンピュータシステム１３００とデータをやり取りするために用いられるコンピュータ読み取り可能な媒体である。

図４Ｂは、コンピュータシステム１３００のブロック図の一例である。システムバス１３２０には、様々なサブシステムが取り付けられている。１または複数のプロセッサ１３２２（中央処理装置すなわちＣＰＵとも呼ぶ）が、メモリ１３２４などの記憶装置に接続されている。メモリ１３２４は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）および読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）を含む。当技術分野で周知のように、ＲＯＭは、ＣＰＵに対して単方向的にデータや命令を転送するよう機能し、ＲＡＭは、通例、双方向的にデータや命令を転送するために用いられる。これらの種類のメモリは両方とも、後に示す任意の適切なコンピュータ読み取り可能媒体を備えてよい。ＣＰＵ１３２２には、さらに、固定ディスク１３２６が、双方向的に接続されており、さらなるデータ記憶容量を提供している。固定ディスク１３２６は、後に示すコンピュータ読み取り可能媒体のいずれを備えてもよい。固定ディスク１３２６は、プログラムやデータなどを格納するために用いられてよく、通例は、一次記憶装置よりも遅い二次記憶媒体（ハードディスクなど）である。固定ディスク１３２６内に保持された情報は、必要に応じて、メモリ１３２４内の仮想メモリとして標準的な方法で組み込まれてよいことを理解されたい。リムーバブルディスク１３１４は、後に示すコンピュータ読み取り可能な媒体のいずれの形態を取ってもよい。

ＣＰＵ１３２２は、さらに、ディスプレイ１３０４、キーボード１３１０、マウス１３１２、および、スピーカ１３３０など、様々な入力／出力装置に接続されている。一般に、入力／出力装置は、ビデオディスプレイ、トラックボール、マウス、キーボード、マイク、タッチセンサ式ディスプレイ、トランスデューサ式カードリーダ、磁気または紙テープリーダ、タブレット、スタイラス、音声または手書き認識装置、バイオメトリクスリーダ、または、他のコンピュータ、のいずれであってもよい。ＣＰＵ１３２２は、必要に応じて、ネットワークインターフェース１３４０を用いて、他のコンピュータや電気通信ネットワークに接続されてもよい。かかるネットワークインターフェースを用いて、ＣＰＵは、上述の方法の工程を実行する途中で、ネットワークから情報を受信、または、ネットワークに情報を出力してよい。さらに、本発明の方法の実施形態は、ＣＰＵ１３２２単体で実行されてもよいし、インターネットなどのネットワークを介して、処理の一部を分担する遠隔ＣＰＵと協働で実行されてもよい。

さらに、本発明の実施形態は、様々なコンピュータによる動作を実行するためのコンピュータコードを有するコンピュータ読み取り可能な媒体を備えたコンピュータストレージ製品に関する。媒体およびコンピュータコードは、本発明のために、特別に設計および構成されてもよいし、コンピュータソフトウェア分野における当業者にとって周知および利用可能なものであってもよい。コンピュータ読み取り可能な媒体の例としては、ハードディスク、フレキシブルディスク、磁気テープなどの磁気媒体；ＣＤ−ＲＯＭ、ホログラフィック素子などの光学媒体；フロプティカルディスクなどの光磁気媒体；特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラム可能論理回路（ＰＬＤ）、ＲＯＭおよびＲＡＭなど、プログラムコードを格納および実行するよう特別に構成されたハードウェア装置、が挙げられるが、それらに限定されない。コンピュータコードの例としては、コンパイラによって生成されたコードなどのマシンコードや、インタープリタを用いてコンピュータによって実行される高級言語コードを含むファイルが挙げられる。コンピュータ読み取り可能な媒体は、搬送波で具現化されたコンピュータデータ信号によって転送されると共にプロセッサが実行可能な一連の命令を表すコンピュータコードであってもよい。

第２の電極層は、図２Ｃに示すように、エッチングされる（工程１２０）。好ましい実施形態では、第２の電極層２１２にエッチングされるフィーチャ２２０の少なくとも一部は、第２の電極層２１２を完全には貫通しないようにエッチングされる。代わりに、少なくとも一部のフィーチャについては、第２の電極層２１２の薄い残留層２２４が残っている。第２の電極層２１２は、どの位置でも完全にはエッチングされないことがより好ましい。この実施形態では、第２の電極層２１２のエッチング反応が、相変化層２０８を損傷しうる。第２の電極層のためのエッチングプロセスによっては、第２の電極層が相変化層まで貫通するようエッチングされる場合に、相変化層に対して深刻なプロファイルの損傷を引き起こしうる。したがって、これらの実施形態では、第２の電極層２１２のエッチングの際に、第２の電極層２１２に対して、完全に貫通するエッチングを行うことは望ましくない。

第２の電極層に対して、従来のエッチングを利用してよい。好ましい実施形態では、第２の電極のエッチングは、不活性ガスを用いたＣｌ₂およびＣＦ₄のプラズマ反応を利用する。

第２の電極層が、開口される（工程１２４）。好ましい実施形態では、相変化層に損傷を与えないエッチング反応が用いられる。より好ましい実施形態では、第２の電極層を開口すると共に相変化層のエッチングに有用であるエッチング反応が用いられる。エッチング反応は、臭素（Ｂｒ）含有エッチャントガスを用いることが好ましい。エッチング反応は、４０℃未満のウエハ温度を提供することが好ましい。エッチング反応は、３０℃未満の温度を提供することがより好ましい。エッチング反応は、２０℃以下の温度を提供することがさらに好ましい。エッチング反応は、さらに、塩素（Ｃｌ）含有化合物およびフッ素（Ｆ）含有化合物の少なくとも一方を含むことが好ましい。エッチング反応は、希ガスを含むことが好ましい。希ガスは、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）、キセノン（Ｘｅ）、および、ヘリウム（Ｈｅ）の内の少なくとも１つであることがより好ましい。臭素含有エッチャントガスは、ＨＢｒを含むことが好ましい。

典型的なレシピは、２ないし１０ｍＴｏｒｒの圧力を提供する。ＴＣＰコイルを通して、３００ないし１０００ワットの電力が供給される。２００ないし１０００ボルトのバイアスが印加される。１５ないし５０ｓｃｃｍのＨＢｒ、０ないし１５ｓｃｃｍのＣｌ₂、および、５０ないし５００ｓｃｃｍのＡｒを含むエッチングガスが供給される。０ないし３０℃のウエハ温度が提供される。

相変化層は、図２Ｄに示すように、エッチングされる（工程１２８）。相変化層のエッチングには、第２の電極層の開口に用いたのと同じレシピを用いることが好ましい。別の実施形態では、異なるレシピ（従来の開口工程など）が、第２の電極層を開口するために用いられ、第２の電極層を開口するための上述の好ましい臭素を用いたレシピは、相変化層をエッチングするためだけに用いられる。

その場でのフラッシング処理を用いて、側壁の不動態層を除去する（工程１３２）。かかるフラッシング工程の一例は、２ないし２０ｍＴｏｒｒの圧力を提供する。ＴＣＰコイルを通して、３００ないし１０００ワットの電力が印加される。２０ないし５００ｓｃｃｍのＣＦ₄を含むフラッシングガスが供給される。０ないし３０℃のウエハ温度が提供される。ＣＦ₄ガスが、フラッシングガスとして利用されてよく、それはプラズマに変換される。側壁の不動態層は、テルル含有化合物から形成され、それが側壁への損傷を防ぐことで側壁のプロファイルを保護すると考えられている。ＧＳＴに対しては、湿式洗浄工程に利用できる材料が制限されるため、フラッシング工程ではプラズマが用いられる。

典型的なはく離処理を用いて、すべての残留フォトレジストを除去する（工程１３６）。Ｏ₂ガスが、はく離すなわちアッシングガスとして用いられてよい。ハードマスク層を除去する工程など、さらなる他の工程が用いられてもよい。

第２の電極層の開口工程、および、相変化層のエッチング工程について、開口またはエッチングガスは、ＨＢｒの流量よりも多い希ガスの流量と、ＨＢｒの流量よりも少ないＣｌ₂の流量とを有することが好ましい。

理論に縛られることなく、低温（例えば、４０℃以下）のＢｒ含有エッチャントを利用するエッチングが、相変化層（ＧＳＴであることが好ましい）をエッチングして、垂直な側壁を提供できることがわかった。なお、垂直な側壁とは、側壁の底部から最上部までフィーチャの底部に対して８７°ないし９２°の間の角度をなす側壁プロファイルを有する側壁として規定される。側壁は、９０°であることがより好ましい。さらに、かかるエッチングでは、ＧＳＴの腐食が最小限であることがわかった。かかるレシピは、ＧＳＴおよび酸化ケイ素系誘電体に対するエッチングについて、５：１のエッチング選択性を実現することがわかった。

上述の処理は、４５ｎｍのオーダーの空間を提供するためのものである。ＧＳＴが腐食することと、側壁が垂直から３°以上逸脱することとが、エッチングレシピによって引き起こされる場合があり、それによって、結果として形成されるデバイスの性能が大幅に低下する。

以上、いくつかの好ましい実施形態を参照しつつ本発明について説明したが、本発明の範囲内で、様々な代替物、変形物、置換物、および、等価物が存在する。また、本発明の方法および装置を実施する他の態様が数多く存在することにも注意されたい。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨および範囲内に含まれる代替物、変形物、置換物、および、等価物の全てを網羅するものとして解釈される。

Claims (16)

1. デバイスを形成するための方法であって、
   相変化層を設ける工程と、
   前記相変化層をエッチングする工程と、
   を備え、
   前記相変化層をエッチングする工程は、
   臭素含有化合物を含むエッチングガスを供給する工程と、
   前記エッチングガスからプラズマを形成する工程と、
   を備える、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記相変化層をエッチングする工程は、さらに、ウエハ温度を４０℃以下に維持する工程を備える、方法。
3. 請求項１または２に記載の方法であって、前記エッチングガスは、さらに、フッ素含有化合物および塩素含有化合物の少なくとも一方を含む、方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の方法であって、前記エッチングガスは、さらに、希ガスを含む、方法。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の方法であって、前記エッチングガスは、前記臭素含有ガスの流量よりも大きい希ガスの流量を有する、方法。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の方法であって、前記相変化層は、ゲルマニウム−アンチモン−テルル合金、および、アンチモン−テルル合金、の内の１つである、方法。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の方法であって、さらに、前記相変化層の上に電極層を設ける工程を備える方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、さらに、前記相変化層のエッチングと同じエッチング処理で、前記電極層を開口する工程を備える、方法。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の方法であって、前記臭素含有化合物はＨＢｒである、方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、フッ素含有化合物および塩素含有化合物の前記少なくとも一方の流量は、前記ＨＢｒの流量よりも小さい、方法。
11. 請求項１ないし１０のいずれかに記載の方法であって、さらに、前記相変化層をエッチングする工程の間に形成された不動態層をフラッシングする工程を備え、前記フラッシング工程は、前記不動態層を除去する、方法。
12. 請求項３ないし１１のいずれかに記載の方法であって、フッ素含有化合物および塩素含有化合物の前記少なくとも一方の流量は、前記ＨＢｒの流量よりも小さい、方法。
13. 配置された相変化層にフィーチャを形成するための装置であって、
    プラズマ処理チャンバであって、
    プラズマ処理チャンバ容器を形成するチャンバ壁と、
    前記プラズマ処理チャンバ容器内で基板を支持するための基板支持と、
    前記プラズマ処理チャンバ容器内の圧力を調整するための圧力調整手段と、
    前記プラズマ処理チャンバ容器に電力を供給してプラズマを維持するための少なくとも１つの電極と、
    前記プラズマ処理チャンバ容器にガスを供給するためのガス流入口と、
    前記プラズマ処理チャンバ容器からガスを排出するためのガス流出口と、を備える、プラズマ処理チャンバと、
    前記ガス流入口と流体連通するガス供給源であって、
    臭素含有化合物供給源と、
    希ガス供給源と、
    フッ素含有化合物ガス供給源および塩素含有化合物ガス供給源の少なくとも一方と、を備える、ガス供給源と、
    前記ガス供給源と前記少なくとも１つの電極とに制御可能に接続された制御部であって、
    少なくとも１つのプロセッサと、
    コンピュータ読み取り可能な媒体と、を備える、制御部と、
    を備え、
    前記コンピュータ読み取り可能な媒体は、
    臭素含有化合物を含むエッチングガスを供給するためのコンピュータ読み取り可能なコードと、
    前記エッチングガスからプラズマを形成するためのコンピュータ読み取り可能なコードと、を備える、装置。
14. 請求項１３に記載の装置であって、さらに、前記エッチングガスからプラズマを形成する工程の間、ウエハ温度を４０℃以下に維持するためのコンピュータ読み取り可能なコードを備える、装置。
15. 請求項１３または１４に記載の装置であって、前記臭素含有化合物はＨＢｒである、装置。
16. 請求項１３ないし１５のいずれかに記載の方法であって、前記エッチングガスは、さらに、フッ素含有化合物および塩素含有化合物の少なくとも一方を含む、方法。

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