JP2010519767A - 半導体構造をエッチングするための、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマシステム - Google Patents

半導体構造をエッチングするための、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマシステム Download PDF

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Abstract

半導体構造をエッチングするためのパルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマシステムが記載されている。ある実施形態において、サンプルの一部はパルス化プラズマ・エッチング・プロセスを適用することにより除去される。パルス化プラズマ・エッチング・プロセスは複数のデューティサイクルから成り、各デューティサイクルはプラズマのオン状態とオフ状態の組合せを表す。プラズマは反応ガスから生成され、反応ガスはプラズマのオン状態の間でなくオフ状態の間に補充される。別の実施形態では、サンプルの第１部分は連続プラズマ・エッチング・プロセスを適用して除去される。次に連続エッチング・プロセスは終了され、そしてサンプルの第２部分はパルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスを適用することにより除去される。
【選択図】図３

Description

本発明は半導体構造及び半導体装置の分野に関する。
ここ数年間、集積回路（ＩＣ）、例えば計算のための論理回路及び情報記憶のためのメモリ回路の性能及び能力は、半導体構造の形状構成をこれまでより小さい寸法に縮小することによって非常に強化された。しかしながら、ＩＣの製造に用いられる装置及びプロセスに寸法の問題が生じないことはめったにない。半導体プロセス技術と、このようなプロセスの実行に使用される装置の両方が進歩し続けていることにより、半導体産業によるスケーリングの厳しい追求の存続を確かなものにしている。
半導体スタックを意味のある構造にパターン化するために、リソグラフィー／エッチング・プロセスが通常使用される。最新のエッチング・プロセスは、イオン化ガス、すなわちプラズマを備えるシステムを用いて半導体スタックをエッチングする工程を含む。プラズマ・エッチング・プロセスは、微細な形状構成を有する複数の隣接する構造をエッチングするのに特に有用である。しかしながら、形状及び間隔に対する要求が厳しくなるにつれて、プラズマ・エッチング・プロセスの制約が生じてきた。
プラズマ・エッチングの１つの潜在的制約は、単一のサンプル中の、さまざまな半導体構造の間に多様な間隔を有するＩＣを製作することに関する。例えば、エッチング速度は、パターン密度に対する依存を示す、「マイクロ・ローディング」と呼ばれる現象を呈することがある。非常に小さい寸法と特に高アスペクト比を用いて、高密度（すなわち形状間の間隔が小さい）でパターン化された材料のエッチング速度は、低密度（すなわち形状間の間隔が大きい）でパターン化された同一材料のエッチング速度より遅いことがありうる。従って、単一のサンプルの中のさまざまな構造の全てを完全にエッチングするためには「オーバー・エッチング」が必要な場合があり、すなわち、最初に完全にエッチングされる領域は、完全にエッチングされなかった領域がエッチング・プロセスを完了するまでエッチング・プロセスを受け続ける。場合によっては、このオーバー・エッチングは、結果として生じる半導体構造に有害な影響を及ぼすことがある。
図１は、特定の半導体材料のエッチング速度を、マイクロ・ローディングが発生する単一のサンプルのさまざまな半導体構造の密度（すなわち形状間の間隔）の関数として示すグラフである。右下がりの相関線が示すように、エッチング速度は密度の増加と共に減少する。図２Ａに示すように、半導体スタック２００は、基板２０２、半導体層２０４、及びマスク２０６から成る。図２Ｂに示すように、マスク２０６のパターンはプラズマ・エッチング・プロセスで半導体層２０４にエッチングされる。半導体スタック２００のエッチング・プロセス中にマイクロ・ローディングが発生することがあり、そのため図２Ｂに示す半導体層２０４のエッチング速度は、中密度領域２１０及び高密度領域２１２よりも、低密度領域２０８で大きい。図２Ｃに示すように、半導体スタック２００で実行されるエッチング・プロセスは、中密度領域２１０及び高密度領域２１２より低密度領域２０８の方が早く完了する。従って、エッチングが密度の高い領域において完了する間、低密度領域２０８の構造はオーバー・エッチングされる。図２Ｄに示すように、低密度領域の構造にはオーバー・エッチングの間に有害なアンダーカット２１４が起こることがある。アンダーカットは、図２Ｄに示すように、特定領域が受けるオーバー・エッチングの程度に応じて、密度によって変化しうる。
従って、本願明細書では、半導体構造をエッチングする方法が、この方法を実行できるシステムと共に開示される。
先行技術による、構造密度に対するエッチング速度の相関プロットを示す。 先行技術による、半導体スタックに実行されるエッチング・プロセスの間のマイクロ・ローディングの効果を表す断面図を示す。 先行技術による、半導体スタックに実行されるエッチング・プロセスの間のマイクロ・ローディングの効果を表す断面図を示す。 先行技術による、半導体スタックに実行されるエッチング・プロセスの間のマイクロ・ローディングの効果を表す断面図を示す。 先行技術による、半導体スタックに実行されるエッチング・プロセスの間のマイクロ・ローディングの効果を表す断面図を示す。 本発明の実施形態による、構造密度に対するエッチング速度の相関プロットを示す。 本発明の実施形態による、半導体スタックに実行されるパルス化反応ガスを補充するパルス化エッチング・プロセスの間のマイクロ・ローディングの著しい減少の効果を表す断面図を示す。 本発明の実施形態による、半導体スタックに実行されるパルス化反応ガスを補充するパルス化エッチング・プロセスの間のマイクロ・ローディングの著しい減少の効果を表す断面図を示す。 本発明の実施形態による、半導体スタックに実行されるパルス化反応ガスを補充するパルス化エッチング・プロセスの間のマイクロ・ローディングの著しい減少の効果を表す断面図を示す。 本発明の実施形態による、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・プロセスの一連の工程を表すフローチャートである。 本発明の実施形態による、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・プロセスの一連の工程を表す波形である。 本発明の実施形態による、半導体スタックに実行される図５Ａのフローチャートの一工程を表す断面図を示す。 本発明の実施形態による、半導体スタックに実行される図５Ａのフローチャートの一工程を表す断面図を示す。 本発明の実施形態による、半導体スタックに実行される図５Ａのフローチャートの一工程を表す断面図を示す。 本発明の実施形態による、半導体スタックに実行される図５Ａのフローチャートの一工程を表す断面図を示す。 本発明の実施形態による、半導体スタックに実行される図５Ａのフローチャートの一工程を表す断面図を示す。 本発明の実施形態による、半導体スタックに実行される図５Ａのフローチャートの一工程を表す断面図を示す。 本発明の実施形態による、半導体スタックに実行されるパルス化反応ガスを補充する連続／パルス化プラズマ・エッチング・プロセスを表す断面図を示す。 本発明の実施形態による、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・プロセスの一連の工程を表しているフローチャートである。 本発明の実施形態による、半導体スタックに実行される図８のフローチャートの一工程を表す断面図を示す。 本発明の実施形態による、半導体スタックに実行される図８のフローチャートの一工程を表す断面図を示す。 本発明の実施形態による、半導体スタックに実行される図８のフローチャートの一工程を表す断面図を示す。 本発明の実施形態による、半導体スタックに実行される図８のフローチャートの一工程を表す断面図を示す。 本発明の実施形態による、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・プロセスが実施されるシステムを示す。 ＡとＢは、本発明の実施形態による図１０のシステムのチャンバの、それぞれプラズマ・オン状態とプラズマ・オフ状態を示す。 ＡとＢは、本発明の実施形態による図１０のシステムのチャンバの、それぞれプラズマ・オン／ガス注入デバイスオフ状態と、プラズマ・オフ／ガス注入デバイスオン状態を示す。 本発明の実施形態による、図１０のシステムのチャンバのプラズマ・オン／バイアス・オフ状態を示す。 本発明の実施形態による、図１０のシステムのチャンバのプラズマ・オン／バイアス・オン状態を示す。 本発明の実施形態による、図１０のシステムのチャンバのプラズマ・オフ／バイアス・オン状態を示す。 本発明の実施形態による、図１０のシステムのチャンバのプラズマ・オフ／バイアス・オフ状態を示す。
半導体構造をエッチングするための方法及びシステムについて説明する。以下の説明では、本発明についての理解を完全にするために、特定の寸法及び化学レジームのような多数の特定の詳細な説明を行う。本発明がこれらの特定の詳細なしで実践できることは、当業者にとって明らかである。他の例において、周知の処理工程、例えばパターニング工程又はウエット化学洗浄は、本発明を不必要にわかりにくくしないために詳述しない。さらにまた、図示されるさまざまな実施形態は解説用の表現であり、必ずしも一定の比率で描画されているというわけではない。
半導体構造をエッチングするためのパルス化プラズマ法及び対応するシステムが本願明細書に開示される。パルス化プラズマ・プロセスを適用することによってサンプルの一部をエッチングすることができる。パルス化プラズマ・プロセスは複数のデューティサイクルから成り、この場合各デューティサイクルはプラズマのオン状態及びオフ状態の組み合わせを表す。本発明の実施形態に従って、プラズマは反応ガスから生成され、この場合反応ガスはパルス化プラズマ・プロセスのプラズマのオン状態の間でなくオフ状態の間に補充される。他の実施形態では、連続プラズマ・プロセスを適用することによりサンプルの第１部分が除去される。そして連続プラズマ・プロセスは終了され、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・プロセスを適用することによりサンプルの第２部分が除去される。
エッチング・プロセスの間にプラズマを繰り返しパルス化することによって、構造密度へのエッチング速度の依存を緩和することができる。プラズマのオン状態の間に（すなわち、プラズマがイオン化ガスの形であるときに）、つまりプラズマ・エッチング・プロセスの半導体材料の主要なエッチング段階の間に、エッチング副産物は形成される。エッチング・プロセスが密度の高い領域で進行するとき、これらの副産物はサンプルの密度の低い領域におけるより遅い速度でサンプルから離れて移動できる。従って、連続オン状態において、エッチング副産物は、エッチング・プロセスがマイクロ・ローディングに進むのを妨げることができる。しかしながら、オフ状態では、これらの副産物はエッチング・プロセスに抵抗することなくすべての領域から除去される。複数のデューティサイクル（すなわち、オン／オフ状態のサイクル）の適用は、構造密度に関係なく、サンプル全体にわたってほぼ同じエッチング速度で半導体材料をエッチングするために実行されうる。図３は、本発明の実施形態による、パルス化プラズマ・エッチング・プロセスにおける構造密度に対するエッチング速度の相関プロットを示す。相関線の傾斜が殆ど無いことにより示されるように、エッチング速度は密度が増大してもほぼ同じである。エッチング・プロセスがサンプルのすべての部分においてほぼ同じ時間に完了できるので、このようにエッチングされる半導体材料はオーバー・エッチングによる損害を少なくすることができる。
プラズマを生成するために用いられる反応ガス種は、パルス化プラズマ・エッチング・プロセスのデューティサイクルのオン状態の間に消費され、プラズマ変性を引き起こす可能性がある。場合によっては、プラズマ変性はプラズマのエッチング特性を変えるのに実質的に十分である。この効果は制御エッチング・プロセスを実行する試みに有害である場合がある。エッチング・プロセスの間に反応ガスを補充することによって、プラズマ変性を緩和できる。一方では、パルス化プラズマ・エッチング・プロセスのプラズマのオン状態の間に反応ガスを補充することは、プラズマ種に勾配を生じさせ、サンプル全体にむらのあるエッチングを生じる場合がある。実質的に均一なプラズマは、デューティサイクルのオフ状態だけの間に反応ガスを補充することによって、デューティサイクルのオン状態の間に達成される。従って、本発明の実施形態によれば、パルス化反応ガス補充プロセスはパルス化プラズマ・プロセスと並行して実行される。すなわち、反応ガス補充は、パルス化プラズマ・エッチング・プロセスのデューティサイクルのオン状態の間でなくオフ状態の間に実施される。
半導体スタックは、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスによってエッチングされうる。図４Ａ〜Ｃは、本発明の実施形態による、半導体スタックに実行されるパルス化反応ガスを補充するパルス化エッチング・プロセスの間のマイクロ・ローディングの著しい減少の効果を表す断面図を示す。
図４Ａに示すように、半導体スタック４００は、基板４０２、エッチング層４０４、及びマスク４０６から成る。マスク４０６は、低密度領域４０８、中密度領域４１０、及び高密度領域４１２でパターン化される。半導体スタック４００は、更に複雑な材料層及び／又はパターン・タイプを有するスタックから成ることがあるが、説明の便宜上本願明細書のように示す。
基板４０２は、製造プロセスに耐えることができて、半導体層が適切に存在できるあらゆる材料から作製することができる。ある実施形態では、基板４０２はＩＶ族ベースの材料、例えば結晶シリコン、ゲルマニウム、又はシリコン／ゲルマニウムなどから成る。一実施形態では、基板４０２のシリコン原子の原子濃度は９９％より大きい。他の実施形態では、基板４０２は、ＩＩＩ―Ｖ材料、例えば、窒化ガリウム、ガリウム・リン化物、ヒ化ガリウム、インジウム・リン化物、アンチモン化インジウム、インジウム・ヒ化ガリウム、アルミニウム・ヒ化ガリウム、インジウム・ガリウム・リン化物、又はそれらの組み合わせから成るが、それらに限定されない。代替実施形態では、基板４０２は、異なった結晶質の基板上に成長したエピタキシャル層、例えばホウ素ドープ・バルクシリコン単結晶基板上に成長したシリコン・エピタキシャル層から成る。基板４０２はまた、例えばシリコン・オン・インシュレータ基板を形成するために、バルク結晶基板とエピタキシャル層の間に絶縁層を含むとよい。一実施形態では、絶縁層は、二酸化シリコン、窒化シリコン、シリコン酸化窒化物、及び高誘電率誘電層からなる群から選択される材料から成る。別の実施形態では、基板４０２は直接エッチング層４０４と隣接する表面絶縁層を含む。
基板４０２は電荷担体ドーパント不純物原子をさらに含むことができる。例えば、本発明の実施形態に従って、基板４０２はシリコン及び／又はゲルマニウムから成り、そして電荷担体ドーパント不純物原子はホウ素、ヒ素、インジウム、アンチモン、又はリンからなる群から選択される。別の実施形態では、基板４０２はＩＩＩ〜Ｖ材料から成り、そして電荷担体ドーパント不純物原子は、炭素、シリコン、ゲルマニウム、酸素、硫黄、セレニウム、又はテルルからなる群から選択される。
エッチング層４０４は、明確に画定された半導体構造のアレイに適切にパターン化され得るあらゆる材料から作製することができる。本発明の実施形態に従って、エッチング層４０４は、基板４０２に関連して上に説明したような、ＩＶ族ベースの材料又はＩＩＩ〜Ｖ材料から成る。加えて、エッチング層４０４は明確に画定された半導体構造のアレイに適切にパターン化され得るあらゆる形態を有することができる。ある実施形態では、エッチング層４０４の形態はアモルファスである単結晶及び多結晶からなる群から選択される。一実施形態では、エッチング層４０４は基板４０２に関連して上記したような電荷担体ドーパント不純物原子から成る。
エッチング層４０４の構成それ自体は必ずしも半導体材料に限定されない。本発明の代替実施形態に従って、エッチング層４０４は、金属層、例えば限定的ではないが、銅、アルミニウム、タングステン、金属窒化物、金属炭化物、金属シリサイド、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタル、アルミニウム、ルテニウム、パラジウム、プラチナ、コバルト、ニッケル、又は導電性金属酸化物、例えば酸化ルテニウムから成る。本発明のさらに別の実施形態では、エッチング層４０４は絶縁層から成る。一実施形態では、エッチング層４０４は、二酸化シリコン、酸窒化シリコン、及び窒化シリコンからなる群から選択された絶縁材料から成る。別の実施形態では、エッチング層４０４は、酸化ハフニウム、ハフニウム・ケイ酸塩、酸化ランタン、酸化ジルコニウム、珪酸ジルコニウム、酸化タンタル、バリウム・チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、スカンジウム・タンタル酸鉛、及び亜鉛ニオブ酸塩鉛から選択される高誘電率誘電層から成る。
マスク４０６は、リソグラフィー又は直接書き込みプロセスによってパターン化するのに適したあらゆる材料から作製することができる。一実施形態では、マスク４０６はフォトレジスト材料から成る。特定の実施形態では、フォトレジスト材料はリソグラフィー・プロセスで用いられて、ポジ型フォトレジスト及びネガ型フォトレジストからなる群から選択される。マスク４０６はさらに、プラズマ・エッチング・プロセス、例えばエッチング層４０４をパターン化するために用いるプラズマ・エッチング・プロセスを抑止することに適した材料から作製することができる。このように、本発明の別の実施形態によれば、マスク４０６は、例えば二酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコン、及び金属膜からなる群から選択されるハード・マスク層などのハード・マスク層からも構成される。
図４Ｂに示すように、マスク４０６のパターンは、部分的にパターン化されたエッチング層４１４を形成するために、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスでエッチング層４０４にエッチングされる。適当な条件の下で、そして本発明の実施形態によれば、すべての密度領域４０８、４１０、及び４１２のエッチング速度は、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・プロセスが用いられる場合に、図４Ｂに示すように実質的に同程度である。パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・プロセスは複数のデューティサイクルから成り、この場合各デューティサイクルはエッチング・プラズマのオン状態とオフ状態の組合せを表す。反応ガス補充工程は、デューティサイクルのオン状態の間でなくデューティサイクルのオフ状態の間に実施される。デューティサイクルは１つのオン状態及び１つのオフ状態から成り、オン状態及びオフ状態の持続時間は、密度領域４０８、４１０、及び４１２の実質的に同程度のエッチング速度でマスク４０６のパターンをエッチング層４０４に転写するのに適切である。本発明の実施形態に従って、前記オン状態から成る各デューティサイクルの部分はデューティサイクルの５〜９５％の範囲である。特定の実施態様において、前記オン状態から成る各デューティサイクルの部分は デューティサイクルの６５〜７５％ の範囲である。別の実施形態では、複数のデューティサイクルの周波数は１Ｈｚ〜２００ｋＨｚの範囲であり、すなわち各デューティサイクルは５マイクロ秒〜１秒の範囲の期間を有する。特定の実施形態において、複数のデューティサイクルの周波数は５０ｋＨｚであり、そして前記オン状態から成る各デューティサイクルの部分は７０％である。本発明の実施形態に従って、プラズマのオフ状態の間に実施される反応ガス補充の量及び期間は、反応ガスがオフ状態の間に補充される結果、パルス化プラズマ・プロセス終了時のプラズマのガス種の組成がパルス化プラズマ・プロセスの開始時のプラズマのガス種の組成の１％以内となるようなものである。一実施形態において、パルス化プラズマ・プロセス終了時のプラズマの圧力は、パルス化プラズマ・プロセス開始時のプラズマの圧力の１ｍトール以内である。
エッチング層４０４をエッチングするためにパルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・プロセスで使用するプラズマを生成する方法は、デューティサイクルのオン状態の持続時間を満たすのに十分な期間の間にプラズマを当てて維持するのに適切な、あらゆる方法を含むことができる。例えば、本発明の実施形態に従って、プラズマを生成する方法は、電子サイクロトロン発振（ＥＣＳ）プラズマ、ヘリコン波プラズマ、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、及び表面波プラズマからなる群から選択されるプラズマを生成する工程を含む。特定の実施形態では、プラズマを生成する方法は、本出願人（商標）のアドバントエッジＧ３（ＡｄｖａｎｔＥｄｇｅ Ｇ３）エッチャーにおいて、誘導結合プラズマを生成する工程を含む。
パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスのために発生するプラズマは、イオン及び反応ラジカルを生成することによりマスク４０６のパターンに有害な影響を与えることなしにエッチング層４０４の部分を除去するのに適切な、あらゆる反応ガスから構成することができる。例えば、本発明の実施形態によれば、反応ガスはハロゲン化種から成り、そしてシリコン系材料をエッチングするために用いられる。特定の実施態様において、反応ガスは、それぞれ、大体３００：５０：１２の比率の種ＨＢｒ、Ｈｅ、及び７０％／３０％のＨｅ／Ｏ２の混合から成り、そしてパルス化プラズマはアモルファスシリコン、ポリシリコン、又は単結晶シリコンをエッチングするために用いられる。別の実施形態では、反応ガスはフルオロカーボン種から成り、そして誘電層をエッチングするために用いられる。特定の実施形態では、反応ガスは種ＣＦ４から成り、そしてパルス化プラズマは二酸化シリコン又は炭素ドープ・シリコン酸化物をエッチングするために用いられる。反応ガスはエッチング速度を制御するのに適切な圧力を有することができる。ある実施形態では、圧力は１〜１００ｍトールの範囲である。他の実施形態では、圧力は３〜１００ｍトールの範囲である。特定の実施形態では、反応ガスはＨＢｒ、Ｈｅ、及びＯ２から成り、反応ガスの圧力は３０〜５０ｍトールの範囲であり、そしてポリシリコンのエッチング速度は５００〜６０００オングストローム／分の範囲である。
図４Ｃに示すように、上述のパルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・プロセスは、部分的にパターン化されたエッチング層４１４がパターン化されたエッチング層４２４になるまで続けられる。エッチング層４０４のエッチングが完了するまで上述のパルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスを用いて、密度領域４０８、４１０、及び４１２のエッチング・プロセスはほぼ同じ時に完了する。従って、パターン化エッチング層４２４の形成には、ごくわずかな量のオーバー・エッチングしか必要とされない。このように、図４Ｃではアンダーカットが示されていないように、パターン化エッチング層４２４のさまざまな構造の有害なアンダーカットは著しく減る。
パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスのデューティサイクルのオン状態及びオフ状態をエッチング副産物の形成及び除去に対応させることを目標とするとよい。図５Ａのフローチャートと図５Ｂの波形は共に、本発明の実施形態による、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・プロセスにおけるこの種の目標とされた一連の工程を表す。図６Ａ〜Ｄは、半導体スタックに実行される図５Ａのフローチャートの工程を表す断面図を示す。
フローチャート５００の工程５０２及び対応する図６Ａに示すように、半導体スタック６００は、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスの開始時に、基板６０２、エッチング層６０４、及びマスク６０６から成る。マスク６０６は、低密度領域６０８、中密度領域６１０、及び高密度領域６１２でパターン化される。基板６０２、エッチング層６０４、及びマスク６０６は、図４Ａの基板４０２、エッチング層４０４、及びマスク４０６にそれぞれ関連して記載したいかなる材料からも作製することができる。半導体スタック６００は、より複雑な材料層及び／又はパターン・タイプのスタックから成ることがあるが、説明の便宜上本願明細書のように示す。
フローチャート５００の工程５０４及び対応する図６Ｂに示すように、マスク６０６のパターンは、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスのデューティサイクルのオン状態の間にエッチング層６０４に部分的にエッチングされて、部分的にパターン化されたエッチング層６１４Ａを形成する。図６Ｂに示すように、エッチング層６０４のマスクをしていない部分はプラズマ・エッチング種６２０によってアクセス可能であるのに対し、マスク６０６によってカバーされるエッチング層６０４のマスクされた部分は、プラズマ・エッチング種６２０から保護される。エッチング副産物６１６は半導体スタック６００の反応領域６１８内で生成される。
エッチング種６２０は、パルス化プラズマ・エッチング・プロセスで使用されるプラズマから放出されるいかなる荷電種及び中性粒子から成ってもよい。例えば、本発明の実施形態に従って、エッチング種６２０は正に帯電したイオン及びラジカルから成る。一実施形態では、反応ガスはＨＢｒ、Ｈｅ、及びＯ２から成り、そしてエッチング種６２０はＨ＋、Ｂｒ＋、Ｈｅ＋、Ｏ＋、Ｈ、Ｂｒ、及びＯからなる群から選択される。別の実施形態では、反応ガスはフルオロカーボンから成り、そしてエッチング種６２０はＦ＋、ＣＦ＋、ＣＦ２ ＋、ＣＦ３ ＋、Ｆ、ＣＦ、ＣＦ２、及びＣＦ３からなる群から選択される。エッチング副産物６１６は、エッチング層６０４及びエッチング種６２０に由来する原子のいかなる組合せからも成ることができる。特定の実施形態において、エッチング種６２０はハロゲン化陽イオンＸ＋及び／又はハロゲン化ラジカルＸ（Ｘ＝Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ）から成り、エッチング層６０４はシリコン原子から成り、そしてエッチング副産物６２０は中性種ＳｉＸｎからなる群から選択される副産物から成り、この場合ｎは、１、２、３、又は４である。
デューティサイクルのオン状態の持続時間は、部分的にパターン化されたエッチング層６１４Ａのすべての密度領域６０８、６１０、及び６１２についてほぼ同程度のエッチング速度を維持しながら、エッチング効率を最大にするように選択することができる。図６Ｂに示すように、エッチング副産物６１６は形成されて、少なくともしばらく、部分的にパターン化されたエッチング層６１４Ａの部分的にエッチングされた形状構成の間に、すなわち反応領域６１８内に存在する。反応領域６１８は、形成されるエッチング副産物６１６がプラズマ・エッチング種６２０を妨げることができる、半導体スタック６００に隣接する領域である。すなわち、エッチング副産物６１６の量がオンサイクルの期間を通して反応領域６１８内で増加するので、部分的にパターン化されたエッチング層６０４のマスクをされない部分へのプラズマ・エッチング種６２０の接近が妨げられる。プラズマ・エッチング種６２０についてのこの種の妨害は、低構造密度領域より高構造密度領域において強いので、低密度領域のエッチング速度より高密度領域のエッチング速度が遅くなる。従って、本発明の実施形態によれば、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスのデューティサイクルのオン状態は、充分な量のエッチング副産物が低密度領域のエッチング速度より高密度領域のエッチング速度を遅くするために生成される時間以下となるように選択される。一実施形態では、オン状態の持続時間は、部分的にパターン化されたエッチング層６１４Ａのエッチング速度がマスク６０６のパターンの密度に依存するようになる時間とほぼ一致するように選択される。別の実施形態では、オン状態の持続時間は、反応領域６１８内でマイクロ・ローディングを実質的に禁止するのに十分に短い。ある実施形態では、オン状態の持続時間は、図４Ｂに関連して説明したデューティサイクルのオン状態について記載した範囲内にある。本発明の実施形態に従って、反応ガス補充工程は、デューティサイクルのオン状態の間でなくデューティサイクルのオフ状態の間に実施される。
フローチャート５００の工程５０６及び対応する図６Ｃに示すように、プラズマはオフ状態にあり、従ってエッチング種６２０は半導体スタック６００の反応領域６１８に存在しない。図６Ｃに示すように、エッチング副産物６１６は反応領域６１８から除去される。
デューティサイクルのオフ状態の持続時間は、エッチング副産物６１６が反応領域６１８から除去される（すなわち放散されるか、又は排出される）のに充分に長く選択することができる。オン状態の間に、上述のように反応領域６１８内にエッチング副産物６１６が形成される。加えて、プラズマのオン状態からオフ状態への移行の間にプラズマが中和すると、負に帯電したイオンがプラズマから放出されて、エッチング種の新規なセットを生成する。これらの新しいエッチング種はさらに反応領域６１８に存在するエッチング副産物の量に寄与しうる。
デューティサイクルのオフ状態の開始時に、反応領域６１８の外側より反応領域６１８内で副産物６１６の濃度がかなり大きい場合がある。従って、自然の拡散勾配が生じ、エッチング副産物６１６が反応領域６１８の外側に拡散する。このプロセスは付加的な気圧勾配により強化されうる。すなわち、オン状態の間のエッチング副産物６１６の増加とともに、反応領域６１８内の圧力が反応領域６１８の外側の圧力より大きくなり、エッチング副産物６１６の押出を強化する。従って、本発明の実施形態によれば、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスのデューティサイクルのオフ状態の持続時間は、反応領域６１８からのエッチング副産物６１６のセットの除去を実質的に可能にするために十分に長く選択される。別の実施形態では、除去されるエッチング副産物の量は、反応領域６１８内に残るエッチング副産物の総量が、次のデューティサイクルのオン状態の間にエッチング種を実質的に妨げなくなるのに充分である。そのような実施形態において、オフ状態の持続時間は、エッチング副産物６１６の５０％以上が反応領域６１８から除去される時間にほぼ一致するように選択される。別の実施形態では、オフ状態の持続時間は、エッチング副産物６１６の７５％以上が反応領域６１８から除去される時間にほぼ一致するように選択される。代替実施形態では、オフ状態の持続時間は、図４Ｂに関連して説明したデューティサイクルのオフ状態について記載した範囲内にある。ある実施形態では、Ａｒ又はＨｅのような不活性ガスが、副産物除去を強化するためにプラズマのオフ状態の間に注入される。
デューティサイクルのオフ状態の持続時間は、充分な反応ガス補充工程が実施されるように選択されてもよい。従って、反応ガス補充工程は、デューティサイクルのオン状態の間に実施する必要なしにデューティサイクルのオフ状態の間に実施できる。本発明の実施形態に従って、プラズマのオフ状態の間に実施される反応ガス補充の量及び持続時間は、反応ガスがオフ状態の間に補充される結果、パルス化プラズマ・プロセス終了時のプラズマのガス状種の組成がパルス化プラズマ・プロセスの開始時のプラズマのガス状種の組成の１％以内になるようなものである。一実施形態において、パルス化プラズマ・プロセス終了時のプラズマの圧力は、パルス化プラズマ・プロセスの開始時のプラズマの圧力の１ｍトール内となる。
フローチャート５００の工程５０８及び対応する図６Ｄ〜Ｅに示すように、マスク６０６のパターンは、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスの次のデューティサイクル中にエッチング層６０４にエッチングされ続け、より広範囲にエッチングされた部分的にパターン化されたエッチング層６１４Ｂを形成する。所望の量のエッチング層６０４がエッチングされるまで、デューティサイクル（すなわち工程５０８）は繰り返されうる。従って、本発明の実施形態によれば、エッチング層６０４の一部は、複数のデューティサイクルを含むパルス化プラズマ・エッチング・プロセスで除去される。反応ガス補充工程は、デューティサイクルのオン状態の間でなくデューティサイクルのオフ状態の間に実施される。図５Ｂはデューティサイクルの時系列を波形で示す。
フローチャート５００の工程５１０及び対応する図６Ｆに示すように、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスは、所望の量のエッチング層６０４を除去した後に終了する。エッチング層６０４のエッチングの完了まで上述のパルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスを用いて、エッチング・プロセスは密度領域６０８、６１０、及び６１２でほぼ同じ時に完了する。従って、パターン化エッチング層６２４を形成するために必要なオーバー・エッチングは殆ど無い。このように、パターン化エッチング層６２４のさまざまな構造の有害なアンダーカットは、図６Ｆにアンダーカットが見られないように、著しく低減される。いつパルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・プロセスを終了するべきかの決定は、あらゆる適切な要因により行うことができる。例えば、本発明の実施形態に従って、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・プロセスの終了は、デューティサイクルの繰り返しを所定時間に終えることにより決定される。代替実施形態では、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスの終了は、エッチング層６０４のエッチングの完了時におけるエッチング副産物６１２の変化及び基板６０２の上面の対応する露出を検出することにより決定される。別の実施形態では、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスの終了は、干渉法を用いてトレンチの深さを測定することにより決定される。
パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスは、連続プラズマ・エッチング・プロセスと組み合わせることができる。例えば、エッチング・プロセスが、パターンの増加したアスペクト比によってより激しいマイクロ・ローディングを受けることがあるので、半導体スタックの異なる密度領域のエッチング速度の差は、半導体スタックの一部がすでにエッチングされるまで有意でないことがある。従って、特定の深さに達するまで、半導体スタックの第１部分をエッチングするために連続プラズマを適用し、次に半導体スタックの第２部分を除去するためにパルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスを適用することは、より効率的でありうる。本発明の実施形態に従って、半導体スタックは、所望の深さに達するまで連続プラズマ・エッチング・プロセスによってエッチングされる。次に半導体スタックのエッチングは、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスを利用することによって完了する。一実施形態において、パルス化反応ガスを補充する連続／パルス化プラズマ・エッチング・プロセスは、単一ウェーハ処理ツールのウェーハのスループットを増加させるために利用される。このパルス化反応ガスを補充する連続／パルス化プラズマ・エッチング・プロセスは、本発明の実施形態に従って図７Ａ〜Ｃに例示されている。マスク７１２（図７Ａ）によりパターン化されるエッチング層７０４は、連続プラズマ・エッチング・プロセス（図７Ｂ）で部分的にパターン化される。その後でパルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスが用いられ、図７Ｃに示すように、エッチングがエッチング停止層７０６で停止すると、エッチング層７０４のエッチングが完了する。ある実施形態において、プラズマ・エッチング・プロセスが連続からパルス化へ変化する深さは、最高構造密度の領域の間隔幅の０．５〜４倍に選択される。一実施形態では、１のアスペクト比が最高密度構造の中で達成されたとき、深さは最高構造密度の領域の間隔幅、すなわち１にほぼ等しく選択される。
図８は、本発明の実施形態によるフローチャートであり、連続プラズマ・エッチング・プロセスを次のパルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスと組み合わせる一連の工程を表している。図９Ａ〜Ｄは、より複雑な半導体スタックに実行される図８のフローチャートの工程を表す断面図を例示する。
フローチャート８００の工程８０２及び対応する図９Ａに示すように、半導体スタック９００は、連続／パルス化プラズマ・エッチング・プロセスの開始時に、基板９０２、２つのエッチング層９０４及び９０８、２つの誘電層９０６及び９１０、ならびにマスク９１２から成る。基板９０２、エッチング層９０４及び９０８、ならびにマスク９１２は、図４Ａの、それぞれ基板４０２、エッチング層４０４、ならびにマスク４１２に関連して記載したあらゆる材料から作製することができる。半導体スタック９００は、程度の差はあれ複雑な材料層のスタックから成りうるが、説明の便宜上本願明細書のように示す。一実施形態において、半導体スタック９００は、典型的なフラッシュ・メモリ・スタックに見られるように、ポリシリコン／Ｓｉオン／ポリシリコン／ＳｉＯ２から成る。
誘電層９０６及び９１０は、半導体スタックの導電部分を絶縁するのに適切なあらゆる材料から作製することができる。一実施形態において、誘電層９０６及び９１０は、二酸化シリコン、酸窒化シリコン、及び窒化シリコンからなる群から選択される絶縁材料から成る。別の実施形態において、誘電層９０６及び９１０は、酸化ハフニウム、ケイ酸ハフニウム、酸化ランタン、酸化ジルコニウム、ケイ酸ジルコニウム、酸化タンタル、バリウム・チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化鉛スカンジウム・タンタル、及び亜鉛ニオブ酸鉛からなる群から選択される高誘電率誘電層から成る。
フローチャート８００の工程８０４及び対応する図９Ｂに示すように、マスク９１２のパターンは、連続プラズマ・エッチング・プロセスでエッチング層９０４にエッチングされ、パターン化エッチング層９１４を形成する。連続プラズマ・エッチング・プロセスは、半導体スタック９００の第１部分の異なる密度領域のエッチング速度の差が有意でない場合、エッチング層９０４をエッチングするのに充分でありうる。パターン化エッチング層９１４を形成するために連続プラズマ・プロセス用にプラズマを生成する方法は、連続エッチング・プロセスの持続時間を満たすのに十分な期間の間にプラズマを当てて維持するのに適切なあらゆる方法を含むことができる。例えば、本発明の実施形態に従って連続プラズマを生成する方法は、電子サイクロトロン発振（ＥＣＳ）プラズマ、ヘリコン波プラズマ、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、及び表面波プラズマからなる群から選択されるプラズマを生成する工程を含む。特定の実施形態では、連続プラズマを生成する方法は、本出願人（商標）のアドバントエッジＧ３（ＡｄｖａｎｔＥｄｇｅ Ｇ３）エッチャーにおいて誘導結合プラズマを生成する工程を含む。
フローチャート８００の工程８０６及び対応する図９Ｂに示すように、いつ連続プラズマ・プロセスを終了するべきかの決定は、あらゆる適切な要因により行うことができる。例えば、本発明の実施形態に従って、連続プラズマ・エッチング・プロセスの終了は、エッチングされている材料の特徴に基づく所定時間に終了することにより決定される。代替実施形態では、連続プラズマ・エッチング・プロセスの終了は、エッチング層９０４のエッチングの完了時におけるエッチング副産物の変化及び誘電層９０６の上面の対応する露出を検出することによって、すなわちエンドポイントを検出することにより決定される。一実施形態において、連続プラズマ・エッチング・プロセスの終了は、連続エッチング・プロセスの間に生成される化学種のセットのリアルタイム組成により決定される。図９Ｃに示すように、誘電層９０６の露出部は、エッチング層９０４のパターン化の後にパターン化された誘電層９１６を形成するために除去される。本発明の実施形態に従って、誘電層９０６の露出部は、湿式エッチング・プロセス、連続プラズマ・エッチング・プロセス、及びパルス化プラズマ・エッチング・プロセスからなる群から選択されるエッチング・プロセスにより除去される。
フローチャート８００の工程８０８、８１０、及び８１２ならびに対応する図９Ｃ〜Ｄに示すように、マスク９１２のパターンは半導体スタック９００にエッチングされ続ける。この時点で、半導体スタック９００の第１部分がすでにエッチングされたので、エッチング層９０８の異なる密度領域のエッチング速度の差は有意であり、パルス化プラズマ・エッチング・プロセスの適用が必要となる。従って、本発明の実施形態によれば、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスが、エッチング層９０８をパターン化して、パターン化エッチング層９１８を形成するために利用される。所望の量のエッチング層９０８がエッチングされるまで、デューティサイクル（すなわちステップ８１２）が繰り返される。従って、本発明の実施形態によれば、半導体スタック９００の第１部分は連続エッチング・プラズマ・プロセスでパターン化され、そして半導体スタック９００の第２部分は複数のデューティサイクルから成るパルス化プラズマ・エッチング・プロセスでパターン化される。反応ガス補充工程は、各デューティサイクルのオン状態の間でなく各デューティサイクルのオフ状態の間に実施される。
フローチャート８００の工程８１４及び対応する図９Ｄに示すように、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスは、所望の量のエッチング層９０８を除去した後に終了する。エッチング層９０８のエッチングが完了するまで上述のパルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスを用いて、エッチング・プロセスはさまざまな密度領域でほぼ同じ時に完了する。従って、パターン化エッチング層９１８を形成するために必要なオーバー・エッチングは殆ど無い。このように、図９Ｄにアンダーカットが見られないように、パターン化エッチング層９１８のさまざまな構造の有害なアンダーカットは著しく低減される。いつパルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスを終了するべきかの決定は、あらゆる適切な要因により行うことができる。例えば、本発明の実施形態に従って、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスの終了は、所定時間にデューティサイクルの反復を終了することにより決定される。代替実施形態では、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスの終了は、エッチング層９０８のエッチングの完了時におけるエッチング副産物の変化及び誘電層９１０の上面の対応する露出を検出することにより決定される。
連続プラズマ・エッチング・プロセスとパルス化プラズマ・エッチング・プロセスを組み合わせる方法は、上記のように、周期的な連続／パルス化プラズマ・エッチング・プロセスを適用することによってより複雑な材料スタックに適用できる。例えば、本発明の実施形態に従って、半導体スタックの第１部分は第１連続プラズマ・エッチング・プロセスでパターン化され、半導体スタックの第２部分は第１パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスでパターン化され、半導体スタックの第３部分は第２連続プラズマ・エッチング・プロセスでパターン化され、そして半導体スタックの第４部分は第２パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスでパターン化される。特定の実施形態において、半導体スタック９００のエッチング層９０４は、第１連続プラズマ・エッチング・プロセスに続いて第１パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスを行うことによってもパターン化される。次にエッチング層９０８は、第２連続プラズマ・エッチング・プロセスに続いてパルス化反応ガスを補充する第２パルス化プラズマ・エッチング・プロセスを行うことによりパターン化される。
パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスは、エッチングのためにサンプルに近接してエッチング・プラズマを形成するのに適切なあらゆる処理器材において実行できる。図１０は、本発明の実施形態による、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・プロセスが実施されるシステムを示す。
図１０に示すように、パルス化プラズマ・エッチング・プロセスを実行するシステム１０００は、サンプル・ホルダー１００４を備えたチャンバ１００２を含む。排出デバイス１００６、ガス注入デバイス１００８、及びプラズマ・イグニション・デバイス１０１０はチャンバ１００２に連結している。コンピューティング・デバイス１０１２は、プラズマ・イグニション・デバイス１０１０、及びガス注入デバイス１００８に連結している。システム１０００は、チャンバ１００２に連結した検出器１０１６と、サンプル・ホルダー１００４に連結した電圧源１０１４とをさらに含む。コンピューティング・デバイス１０１２は、図１０に示すように、排出デバイス１００６、電圧源１０１４、及び検出器１０１６にも連結できる。
チャンバ１００２及びサンプル・ホルダー１００４は、イオン化ガス、すなわちプラズマを封じ込め、そしてそこから放出されるイオン化ガス又は帯電した種に近接してサンプルを持ってくるのに適切な、あらゆる反応チャンバ及びサンプル位置決めデバイスから作製することができる。排出デバイス１００６は、チャンバ１００２を空にして減圧するのに適切ないかなるデバイスであってもよい。ガス注入デバイス１００８は、チャンバ１００２に反応ガスを注入するのに適切ないかなる装置であってもよい。プラズマ・イグニション・デバイス１０１０は、ガス注入デバイス１００８によって、チャンバ１００２に注入される反応ガスから誘導されるプラズマに点火するのに適切ないかなる装置であってもよい。検出デバイス１０１６は、処理工程のエンドポイントを検出するのに適切ないかなる装置であってもよい。一実施形態において、システム１０００は、本出願人（商標）のアドバントエッジＧ３（ＡｄｖａｎｔＥｄｇｅ Ｇ３）エッチャーに含まれるものと同様であるか、又は同じである、チャンバ１００２、サンプル・ホルダー１００４、排出デバイス１００６、ガス注入デバイス１００８、プラズマ・イグニション・デバイス１０１０、及び検出器１０１６を備える。別の実施形態において、複数のガス注入デバイスはパルス化反応ガス補充プロセスを最適にするためにチャンバ１００２に連結している。
コンピューティング・デバイス１０１２はプロセッサ及びメモリを備える。本発明の実施形態に従って、コンピューティング・デバイス１０１２のメモリは、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・プロセスにおいて、プラズマ・イグニション・デバイス１０１０を制御してプラズマのオン状態とオフ状態の間を切り換えるための命令セットを含む。ある実施形態では、前記命令セットは複数のデューティサイクルを実行できる機械動作可能コードを含み、この場合各デューティサイクルはプラズマの１つのオン状態と１つのオフ状態の組合せを表す。コンピューティング・デバイス１０１２のメモリはまた、ガス注入デバイス１００８を制御して開状態と閉状態の間を切り換えるための命令セットも含む。ガス注入デバイス１００８が開状態にあり、そしてプラズマのオン状態の間でなくプラズマのオフ状態の間に、反応ガスは補充される。特定の実施形態では、プラズマ・イグニション・デバイス１０１０を制御するための命令セットは、各デューティサイクルがデューティサイクルの期間の５〜９５％の範囲のオン状態を有するようにタイミング命令を含む。ある実施形態では、プラズマ・イグニション・デバイス１０１０を制御するための命令セットは、各デューティサイクルがデューティサイクルの期間の６５〜７５％の範囲のオン状態を有するようにタイミング命令を含む。別の実施形態では、プラズマ・イグニション・デバイス１０１０を制御するための命令セットは、複数のデューティサイクルの周波数が１Ｈｚ〜２００ｋＨｚとなるように、すなわち各デューティサイクルが５マイクロ秒〜１秒の期間を有するように、タイミング命令を含む。特定の実施形態では、プラズマ・イグニション・デバイス１０１０を制御するための命令セットは、複数のデューティサイクルの周波数が５０ｋＨｚであり、そして前記オン状態から成る各デューティサイクルの部分が７０％となるようにタイミング命令を含む。
図１１Ａ〜Ｂは、本発明の実施形態による図１０のシステムのチャンバの、それぞれプラズマ・オン状態及びプラズマ・オフ状態を示す。図１１Ａに示すように、システム１０００のチャンバ１００２は、サンプル・ホルダー１００４上のサンプル１１０２に近接するオン状態のプラズマ１１００を含む。反応領域１１０４はサンプル１１０２と直接隣接している。エッチング・プロセスの間、エッチング副産物が形成されて少なくともしばらくは反応領域１１０２の中に留まることができる。従って、本発明の実施形態によれば、プラズマ・イグニション・デバイス１０１０を制御するための命令セットは、オン状態の持続時間が、反応領域１１０４の中でマイクロ・ローディングを実質的に抑止するために十分に短くなるようにタイミング命令を含む。図１１Ｂに示すように、システム１０００のチャンバ１００２はオフ状態のプラズマ（すなわち中性の反応ガス）を含む。本発明の実施形態に従って、プラズマ・イグニション・デバイス１０１０を制御するための命令セットは、パルス化プラズマ・エッチング・プロセスのデューティサイクルのオフ状態の持続時間が、反応領域１１０４からのエッチング副産物のセットの除去を実質的に可能にするのに十分に長くなるように選択されるようなタイミング命令を含む。
プラズマを生成するために用いる反応ガス種は、パルス化プラズマ・エッチング・プロセスのデューティサイクルのオン状態の間に消費されて、プラズマ変性を生じさせる可能性がある。場合によっては、プラズマ変性はプラズマのエッチング特性を変えるのに十分でありうる。この影響は制御されたエッチング・プロセスを実行する試みに有害でありうる。エッチング・プロセスの間に反応ガスを補充することによってプラズマ変性は緩和されうる。一方では、パルス化プラズマ・エッチング・プロセスのプラズマのオン状態の間に反応ガスを補充することは、プラズマ種に勾配を形成し、サンプル全体に不均一なエッチングを生じる場合がある。
図１２Ａ〜Ｂは、本発明の実施形態による図１０のシステムのチャンバの、それぞれプラズマ・オン／ガス注入デバイスオフ状態及びプラズマ・オフ／ガス注入デバイスオン状態を示す。図１２Ａに示すように、ほぼ均一なプラズマは、デューティサイクルのオフ状態の間にだけ反応ガスを補充することによって、デューティサイクルのオン状態の間に達成される。図１２Ｂに示すように、図１２Ａのプラズマの基である反応ガスはプラズマのオフ状態の間に補充される。従って、本発明の実施形態によれば、パルス化反応ガス補充プロセスはパルス化プラズマ・プロセスと並行して実行される。すなわち、反応ガス補充は、パルス化プラズマ・エッチング・プロセスのデューティサイクルのオン状態の間でなくオフ状態の間に実施される。
パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・プロセスのデューティサイクルのオン状態の間に、正電荷がエッチングされているサンプルに与えられうる。場合によっては、サンプルの正電荷は、プラズマから放出された正に帯電したエッチング種を部分的に偏らせるのに十分でありうる。エッチング種のこの種の偏向は、特定のサンプルにエッチングされる形状構成の有害なアンダーカットを生じる場合がある。エッチング・プロセスの間に負電荷でサンプルにバイアスを掛けることによって、正に帯電した粒子の偏向は緩和されうる。一方では、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・プロセスのデューティサイクルがオン状態からオフ状態へ移行する間に、サンプルが負にバイアスされる場合、プラズマ由来の負に帯電した粒子の放出は抑制されうる。デューティサイクルのオフ状態の間にサンプルにゼロバイアスを掛けることによって、従ってプラズマ放電として放出される負に帯電した粒子をはね返さないことにより、プラズマ放電の時間を短縮することができる。加えて、負に帯電した種はエッチング・プロセスに寄与し、従ってそれを強化できる。従って、本発明の実施形態によれば、パルス化サンプル・バイアス・プロセスは、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・プロセスと並行して実行される。すなわち、サンプルは、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスのデューティサイクルのオン状態の間に負にバイアスされて、オフ状態の間にゼロバイアスされる。
図１３Ａ〜Ｄは、本発明の実施形態による図１０のシステム１０００のチャンバ１００２の、それぞれプラズマ・オン／バイアス・オフ状態、プラズマ・オン／バイアス・オン状態、プラズマ・オフ／バイアス・オン状態、及びプラズマ・オフ／バイアス・オフ状態を示す。電圧源１０１４はサンプル・ホルダー１００４に連結し、デューティサイクルのオン状態の間にサンプル・ホルダー１００４、従ってサンプル１１０２にバイアスを掛けるために用いられる。図１３Ａに示すように、電圧源１０１４はオフ状態であり、そしてプラズマ１１００から放出される正に帯電したエッチング種はサンプル１１０２の表面の近くで部分的に偏向する。しかしながら、図１３Ｂに示すように、電圧源１０１４がオン状態（すなわちサンプル・ホルダー１００４に負のバイアスを掛ける）になると、プラズマ１１００から放出される正に帯電したエッチング種はサンプル１１０２の表面の近くの直角軌道（すなわち異方性の軌道）に保持される。本発明の実施形態に従って、電圧源１０１４は、デューティサイクルのオン状態の間に、１００〜２００ワットの範囲の負のバイアスをサンプル・ホルダー１００４に加えるために用いられる。パルス化プラズマ・エッチング・プロセス（連続プラズマ・エッチング・プロセスと比較して）は、エッチング・プロセスの間にサンプル１１０２上に形成される正電荷の範囲を減らすことができる。しかしながら、電圧源１０１４を用いてサンプル・ホルダー１００４にバイアスを掛ける追加段階は、エッチング・プロセスの間に構造のアンダーカットを最適に緩和するために、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスの一部としてさらに利用できる。従って、本発明の別の実施形態によれば、電圧源１０１４を用いてサンプル・ホルダー１００４にバイアスを掛ける追加段階は、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスのデューティサイクルのオン状態の持続時間を延長するために用いられる。
図１３Ｃでは電圧源１０１４はオン状態であり、そしてプラズマ・オン状態からプラズマ・オフ状態へ移行する間に放出される負に帯電した粒子は、サンプル１１０２の表面への接近を阻害されるので、プラズマ・オフ状態の段階を遅くする。しかしながら、図１３Ｄに示すように、電圧源１０１４がオフ状態（すなわちサンプル・ホルダー１００４にゼロバイアスを掛ける）になると、プラズマ・オン状態からプラズマ・オフ状態に移行する間に放出される負に帯電した粒子は、サンプル１１０２の表面への接近を阻害される。本発明の実施形態に従って、電圧源１０１４は、デューティサイクルのオフ状態の間にサンプル・ホルダー１００４にゼロバイアスを加えるためにオフにされる。従って、本発明の実施形態によれば、サンプル・ホルダー１００４は電圧源１０１４で負にバイアスされて、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスのデューティサイクルのオン状態の持続時間を延長すると共に、サンプル・ホルダー１００４は電圧源１０１４でゼロバイアスされて、デューティサイクルのオフ状態の持続時間を短縮する。
このように、半導体構造をエッチングするためのパルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマシステムを開示した。ある実施形態において、サンプルの一部はパルス化プラズマ・エッチング・プロセスを適用することにより除去される。パルス化プラズマ・エッチング・プロセスは複数のデューティサイクルから成り、この場合各デューティサイクルはプラズマのオン状態とオフ状態の組合せを表す。プラズマは反応ガスから発生し、この場合反応ガスは、プラズマのオン状態の間でなくオフ状態の間に補充される。別の実施形態では、サンプルの第１部分は連続プラズマ・エッチング・プロセスを適用することにより除去される。次に連続プラズマ・エッチング・プロセスが終了されて、サンプルの第２部分は、パルス化反応ガスを補充するパルス化プラズマ・エッチング・プロセスを適用することにより除去される。パルス化反応ガス補充プロセスはパルス化プラズマ・プロセスに連結されなくともよい。このように、本発明の別の実施形態に従って、パルス化プラズマ・デューティサイクルのオン状態及びパルス化反応ガス補充のオフ状態は互いから独立している。別の実施形態では、パルス化プラズマ・デューティサイクルのオフ状態及びパルス化反応ガス補充のオン状態は互いから独立している。

Claims (23)

  1. サンプルのエッチング方法であって、
    パルス化プラズマ・プロセスを適用することによって前記サンプルの一部を除去する工程を含み、この場合前記パルス化プラズマ・プロセスは複数のデューティサイクルから成り、各デューティサイクルはプラズマのオン状態とオフ状態の組合せであり、前記プラズマは反応ガスから発生し、そして前記反応ガスは前記プラズマの前記オン状態の間でなく前記プラズマの前記オフ状態の間に補充される、方法。
  2. 前記反応ガスが前記プラズマの前記オフ状態の間に補充される結果、前記パルス化プラズマ・プロセスの終了時の前記プラズマのガス種の組成が、前記パルス化プラズマ・プロセスの開始時の前記プラズマのガス種の組成の１％以内となる、請求項１に記載の方法。
  3. 前記パルス化プラズマ・プロセスの終了時の前記プラズマの圧力が、前記パルス化プラズマ・プロセスの開始時の前記プラズマの圧力の１ｍトール以内である、請求項２に記載の方法。
  4. 前記オン状態の持続時間が、前記サンプルに隣接した反応領域におけるマイクロ・ローディングを実質的に阻止するのに十分に短く、且つ前記オフ状態の持続時間が、前記サンプルに隣接した前記反応領域からのエッチング副産物のセットの除去を実質的に可能にするのに十分に長い、請求項１に記載の方法。
  5. 前記オン状態の間に前記サンプルに負のバイアスを加え、前記オフ状態の間に前記サンプルにゼロバイアスを加える、請求項１に記載の方法。
  6. 前記オン状態から成る各デューティサイクルの部分を５〜９５％の範囲とする、請求項１に記載の方法。
  7. 前記プラズマの前記オフ状態の持続時間を、エッチング副産物の５０％超が前記反応領域から除去されるまでの時間に実質的に一致するように選択する、請求項４に記載の方法。
  8. 不活性ガスを使用して、前記プラズマの前記オフ状態の間に前記エッチング副産物のセットの除去を強化する、請求項４に記載の方法。
  9. サンプルのエッチング方法であって、
    連続プラズマ・プロセスを適用することによって前記サンプルの第１部分を除去する工程と、
    前記連続プラズマ・プロセスを終了する工程と、
    パルス化プラズマ・プロセスを適用することによって前記サンプルの第２部分を除去する工程であって、前記パルス化プラズマ・プロセスが複数のデューティサイクルから成り、各デューティサイクルがプラズマのオン状態とオフ状態の組合せであり、前記プラズマが反応ガスから発生し、そして前記反応ガスが前記プラズマの前記オン状態の間でなく前記プラズマの前記オフ状態の間に補充される工程と
    を含む方法。
  10. 前記反応ガスが前記プラズマの前記オフ状態の間に補充される結果、前記パルス化プラズマ・プロセスの終了時の前記プラズマのガス種の組成が、前記パルス化プラズマ・プロセスの開始時の前記プラズマのガス種の組成の１％以内となる、請求項９に記載の方法。
  11. 前記パルス化プラズマ・プロセスの終了時の前記プラズマの圧力が、前記パルス化プラズマ・プロセスの開始時の前記プラズマの圧力の１ｍトール以内である、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記オン状態の持続時間が、前記サンプルに隣接した反応領域におけるマイクロ・ローディングを実質的に阻止するのに十分に短く、且つ前記オフ状態の持続時間が、前記サンプルに隣接した前記反応領域からのエッチング副産物のセットの除去を実質的に可能にするのに十分に長い、請求項９に記載の方法。
  13. 前記オン状態の間に前記サンプルに負のバイアスを加え、前記オフ状態の間に前記サンプルにゼロバイアスを加える、請求項９に記載の方法。
  14. 前記オン状態から成る各デューティサイクルの部分が５〜９５％の範囲である、請求項９に記載の方法。
  15. 前記連続エッチング・プロセスを終了する工程がエンドポイントを検出する工程を含む、請求項９に記載の方法。
  16. 前記エンドポイントを、前記連続エッチング・プロセスの間に生成される化学種のセットのリアルタイム組成により決定する、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記エンドポイントを、干渉分光法によるリアルタイム膜厚測定よって決定する、請求項１５に記載の方法。
  18. 第２連続プラズマ・プロセスを適用することによって前記サンプルの第３部分を除去する工程と、
    前記第２連続プラズマ・プロセスを終了する工程と、
    第２パルス化プラズマ・プロセスを適用することによって前記サンプルの第４部分を除去する工程であって、前記第２パルス化プラズマ・プロセスが第２の複数のデューティサイクルから成り、各デューティサイクルが第２プラズマの第２オン状態と第２オフ状態の組合せであり、前記第２プラズマが第２反応ガスから発生し、そして前記第２反応ガスが前記第２プラズマの前記オン状態の間でなく前記オフ状態の間に補充される工程と
    をさらに含む、請求項９に記載の方法。
  19. サンプルのエッチングに用いられるシステムであって、
    サンプル・ホルダーを備えたチャンバと、
    前記チャンバに連結する排出デバイスであって、前記チャンバを減圧するための排出デバイスと、
    前記チャンバに連結するガス注入デバイスであって、前記チャンバに反応ガスを注入するためのガス注入デバイスと、
    前記チャンバに連結するプラズマ・イグニション・デバイスであって、前記反応ガスから誘導されるプラズマに点火するためのプラズマ・イグニション・デバイスと、
    前記プラズマ・イグニション・デバイス及び前記ガス注入デバイスに連結するコンピューティング・デバイスであって、プロセッサ及びメモリを備え、この場合前記メモリは、パルス化プラズマ・プロセスにおいて前記プラズマ・イグニション・デバイスを制御することによりプラズマのオン状態とオフ状態の間を切り換えるための命令セットを含み、前記パルス化プラズマ・プロセスは複数のデューティサイクルから成り、各デューティサイクルは前記プラズマの１つのオン状態と１つのオフ状態の組合せであり、前記メモリは前記ガス注入デバイスを制御することにより開状態と閉状態の間を切換えるための命令セットも含み、前記プラズマは前記反応ガスから発生し、前記ガス注入デバイスが前記開状態であるときに前記反応ガスが補充され、そして前記プラズマの前記オン状態の間でなく前記オフ状態の間に前記反応ガスが補充されるコンピューティング・デバイスと
    を備えるシステム。
  20. 前記サンプル・ホルダーに連結する電圧源をさらに備え、前記電圧源が前記サンプルにバイアスを掛ける、請求項１９に記載のシステム。
  21. 前記チャンバに連結する検出デバイスをさらに備え、前記検出デバイスが処理工程のエンドポイントを検出する、請求項１９に記載のシステム。
  22. 前記オン状態の持続時間が、サンプルに隣接する反応領域においてマイクロ・ローディングを実質的に抑止するのに十分に短く、且つ前記オフ状態の持続時間が、前記サンプルに隣接する前記反応領域からのエッチング副産物のセットの除去を実質的に可能にするのに十分に長い、請求項１９に記載のシステム。
  23. 前記オン状態から成る各デューティサイクルの部分が５〜９５％の範囲である、請求項２２に記載のシステム。
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