JP2013225604A - Dry etching method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子のドライエッチング方法に係り、特にシリコン(Si)とシリコンゲルマニウム(SiGe)を選択的にエッチングするドライエッチング方法に関する。 The present invention relates to a dry etching method for a semiconductor device, and more particularly to a dry etching method for selectively etching silicon (Si) and silicon germanium (SiGe).
SiとSiGeの選択ドライエッチングに関しては、CF4を使ってSiを選択的にサイドエッチングしてSiGeはサイドエッチングしない技術や、CF4/O2/N2を用いてSiGeを選択的にサイドエッチングする技術が開示されている(例えば非特許文献1)。 As for selective dry etching of Si and SiGe, a technique in which Si is selectively side-etched using CF 4 and SiGe is not side-etched, or SiGe is selectively side-etched using CF 4 / O 2 / N 2. The technique to do is disclosed (for example, nonpatent literature 1).
また、特許文献1にはClF3、XeF2を用いたSiGeの選択的エッチング方法が記載されている。さらに、特許文献2にはHFを用いてSiGeを選択的にエッチングする技術が述べられている。 Patent Document 1 describes a selective etching method of SiGe using ClF 3 and XeF 2 . Further, Patent Document 2 describes a technique for selectively etching SiGe using HF.
上記先行技術について試験したところ、SiGeを選択的にエッチングして、Siをエッチングしない場合には選択比が十分に高いが、逆にSiGeに対してSiを選択的にエッチングする場合には選択比が不十分であることが判明した。 When the above prior art was tested, the selective ratio was sufficiently high when SiGe was selectively etched and Si was not etched, but conversely, the selective ratio was obtained when Si was selectively etched with respect to SiGe. Was found to be inadequate.
本発明の目的は、Si膜とSiGe膜とが混在する構造の半導体素子の微細加工で、SiGeに対してSiを十分高い選択比でエッチングすることのできるドライエッチング方法を提供することにある。なお、Si膜としては、純Si膜の他、その酸化膜や窒化膜等を含む。 An object of the present invention is to provide a dry etching method capable of etching Si with a sufficiently high selectivity with respect to SiGe by microfabrication of a semiconductor element having a structure in which a Si film and a SiGe film are mixed. The Si film includes a pure Si film, an oxide film, a nitride film, and the like.
上記目的を達成するための一実施形態として、プラズマを用いて被エッチング膜をシリコンゲルマニウム膜に対して選択的にエッチングするドライエッチング方法において、前記被エッチング膜をエッチングするためのエッチングガスにゲルマニウムを含有するガスを添加して前記被エッチング膜をエッチングすることを特徴とするドライエッチング方法とする。 As an embodiment for achieving the above object, in a dry etching method for selectively etching a film to be etched with respect to a silicon germanium film using plasma, germanium is used as an etching gas for etching the film to be etched. A dry etching method is characterized in that the etching target film is etched by adding a contained gas.
また、シリコン膜とシリコンゲルマニウム膜とが形成された被処理基板を準備する工程と、前記シリコン膜のエッチングガスにゲルマニウムを含むガスが添加された反応ガスのプラズマを用いることにより前記被処理基板に形成されたシリコン膜をエッチングする工程と、を有することを特徴とするドライエッチング方法とする。 In addition, a step of preparing a substrate to be processed on which a silicon film and a silicon germanium film are formed, and a plasma of a reactive gas in which a gas containing germanium is added to an etching gas for the silicon film are used for the substrate to be processed. And a step of etching the formed silicon film.
上記構成とすることにより、SiGeに対してSi等の被エッチング膜を十分高い選択比でエッチングすることのできるドライエッチング方法を提供することができる。 With the above configuration, it is possible to provide a dry etching method capable of etching a film to be etched such as Si with a sufficiently high selectivity with respect to SiGe.
発明者等は、SiGeに対してSiを十分高い選択比でエッチングする方法について検討した結果、エッチングガスであるハロゲンガスに加えて、Geを含むガスを添加することが有効であることを見出した。エッチングガスであるハロゲンに加えてGeを含むガスを添加することで、SiGeのエッチング速度が低下し、SiGeに対して選択的にSiをエッチングすることができると考えられる。なお、Geを含むガスとしてはGeF4、GeF2Cl2、GeCl4、GeH4を用いることができる。 As a result of studying a method of etching Si with a sufficiently high selection ratio with respect to SiGe, the inventors have found that it is effective to add a gas containing Ge in addition to a halogen gas which is an etching gas. . By adding a gas containing Ge in addition to halogen, which is an etching gas, it is considered that the etching rate of SiGe is reduced and Si can be selectively etched with respect to SiGe. Note that GeF 4 , GeF 2 Cl 2 , GeCl 4 , and GeH 4 can be used as the gas containing Ge.
以下、本発明の実施例を、図を用いて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1の実施例に係るドライエッチング方法を実施するためのエッチング装置の一例を示す概略断面図であり、プラズマ生成手段にマイクロ波と磁場を利用したマイクロ波プラズマエッチング装置である。この装置は、内部を真空排気できるチャンバ101と被処理物であるウエハ102を配置する試料台103とチャンバ101の上面に設けられた石英などのマイクロ波透過窓104と、その上方に設けられた導波管105、マグネトロン106と、チャンバ101の周りに設けられたソレノイドコイル107と、試料台103に接続された静電吸着電源108、高周波電源109とを備える。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an etching apparatus for performing a dry etching method according to a first embodiment of the present invention, and a microwave plasma etching apparatus using a microwave and a magnetic field as plasma generating means. It is. This apparatus is provided with a
ウエハ102はウエハ搬入口110からチャンバ101内に搬入された後、静電吸着電源108によって試料台103に静電吸着される。次にプロセスガスがチャンバ101に導入される。チャンバ101内は、真空ポンプ(図示省略)により減圧排気され、所定の圧力(例えば、0.1Pa〜50Pa)に調整される。次に、マグネトロン106から周波数2.45GHzのマイクロ波が発振され、導波管105を通してチャンバ101内に伝播される。マイクロ波とソレノイドコイル107によって発生された磁場との作用によって処理ガスが励起され、ウエハ102上部の空間にプラズマ111が形成される。一方、試料台103には、高周波電源109によってバイアスが印加され、プラズマ111中のイオンがウエハ102上に垂直に加速され入射する。プラズマ111からのラジカルとイオンの作用によってウエハ102の表面が異方的にエッチングされる。また、マグネトロン106にはパルスジェネレータ112が取り付けられており、これによりマイクロ波をパルス状にパルス変調することができる。
次に図1の装置でウエハをエッチングする条件の例を表1に示す。
The
Next, Table 1 shows an example of conditions for etching a wafer with the apparatus of FIG.
表1の条件を用いて、図2(a)の断面図に示すように被処理膜としてSi膜203とSiGe膜202とが互いに交互に混在する構造であって、マスク201としてシリコン窒化膜を有するウエハ(基板)204をエッチング処理した。その結果を図2(b)に示す。表1のステップ1は初期状態の試料表面に付いている自然酸化膜などを除去するエッチングでブレークスルーと呼び、このステップは試料状態によっては不要である。ステップ2がSi膜203をSiGe膜202に対して選択的にエッチングする条件で、ウエハバイアス(高周波バイアス電力)が0Wのため異方性のエッチングはせず、等方性エッチングとなり、図2(b)のようにSiGe膜202に対してSi膜203を十分高い選択比でサイドエッチングすることができる。但し、Si膜とSiGe膜とが上方から見てそれぞれ露出している構造では、必ずしも等方性エッチングである必要はない。なおここでCH4ガスはSi膜203、SiGe膜202の表面にともに堆積する、すなわちエッチングを抑制する性質を持ち、フッ素原子が多すぎるとSiGe膜202もサイドエッチングが入るために、エッチング速度を調節する目的で添加している。
Using the conditions in Table 1, as shown in the cross-sectional view of FIG. 2A, the Si
次に本実施例の別条件を表2に示す。 Next, other conditions of this example are shown in Table 2.
この条件ではCH4の代わりにH2とCF4が入っており、この条件でも同様な効果が得られる。
本実施例により、SiGe膜に対してSi膜を選択的にプラズマエッチングできる理由は以下のように考えられる。
Under this condition, H 2 and CF 4 are contained instead of CH 4 , and the same effect can be obtained under this condition.
The reason why the Si film can be selectively plasma-etched with respect to the SiGe film according to this embodiment is considered as follows.
たとえばSiGeのSF6によるエッチング反応は(1)であらわされる。ここでGeF4ガスをSF6ガスに添加すると、化学平衡により、GeF4ガスを減少させる方向に反応が進む。つまり、(1)式の左側への反応が進むことにより、SiGe膜が生成されることになる。このため、GeF4ガスをSF6ガスに添加すると、SiGe膜のエッチング反応は抑制されて、SiGeのエッチング速度が遅くなる。
SiGe+2SF6→GeF4+SiF4+2SF2 −−(1)
一方、SF6ガスによるSiのエッチング反応は(2)式で表されるため、SF6ガスにGeF4ガスを添加してもSiのエッチング反応は影響されない。
Si+SF6→SiF4+SF2 −−(2)
このようなことから、エッチング速度はSi>SiGeとなる。
また、Geを含むガスはGeF4に限らずGeF2Cl2、GeCl4、GeH4でも同様の効果が得られる。
また、本実施例は、シリコン酸化膜(SiO2)または、シリコン窒化膜(Si3N4)もSiGe膜に対して選択的にエッチングできる。これは、以下のように考えられる。
シリコン酸化膜(SiO2)とシリコン窒化膜(Si3N4)のSF6ガスによるエッチング反応は、それぞれ(3)式、(4)式で表される。
SiO2+SF6→SiF4+SF2+O2 −−(3)
Si3N4+3SF6→3SiF4+3SF2+2N2 −−(4)
このため、SF6ガスにGeF4ガスを添加してもシリコン酸化膜(SiO2)のエッチング反応及びシリコン窒化膜(Si3N4)のエッチング反応は影響されない。よって、本実施例は、シリコン酸化膜(SiO2)または、シリコン窒化膜(Si3N4)もSiGe膜に対して選択的にエッチングできる。
For example, the etching reaction of SiGe with SF 6 is expressed by (1). Here, when GeF 4 gas is added to SF 6 gas, the reaction proceeds in the direction of decreasing GeF 4 gas due to chemical equilibrium. That is, as the reaction toward the left side of the equation (1) proceeds, a SiGe film is generated. For this reason, when GeF 4 gas is added to SF 6 gas, the etching reaction of the SiGe film is suppressed, and the etching rate of SiGe becomes slow.
SiGe + 2SF 6 → GeF 4 + SiF 4 + 2SF 2 - (1)
On the other hand, since the etching reaction of Si by SF 6 gas is expressed by the equation (2), even if GeF 4 gas is added to SF 6 gas, the etching reaction of Si is not affected.
Si + SF 6 → SiF 4 + SF 2 −− (2)
For this reason, the etching rate is Si> SiGe.
Alternatively, a gas containing Ge is obtained the same effect even GeF 2 Cl 2, GeCl 4, GeH 4 is not limited to GeF 4.
In this embodiment, the silicon oxide film (SiO 2 ) or the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) can also be selectively etched with respect to the SiGe film. This is considered as follows.
Etching reactions of the silicon oxide film (SiO 2 ) and the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) with SF 6 gas are expressed by the equations (3) and (4), respectively.
SiO 2 + SF 6 → SiF 4 + SF 2 + O 2- (3)
Si 3 N 4 + 3SF 6 → 3SiF 4 + 3SF 2 + 2N 2 −− (4)
For this reason, even if GeF 4 gas is added to SF 6 gas, the etching reaction of the silicon oxide film (SiO 2 ) and the etching reaction of the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) are not affected. Therefore, in this embodiment, the silicon oxide film (SiO 2 ) or the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) can also be selectively etched with respect to the SiGe film.
以上説明したように、本実施例によれば、Si膜とSiGe膜とが混在する構造の半導体素子の微細加工において、SiGeに対してSiを十分高い選択比でエッチングすることのできるドライエッチング方法を提供することができる。 As described above, according to the present embodiment, a dry etching method capable of etching Si with a sufficiently high selectivity with respect to SiGe in microfabrication of a semiconductor element having a structure in which a Si film and a SiGe film are mixed. Can be provided.
本発明の第2の実施例について図3を用いて説明する。なお、実施例1に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。 A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Note that the matters described in the first embodiment but not described in the present embodiment can be applied to the present embodiment as long as there is no particular circumstance.
実施例1において、エッチングガスにGeF4等のGeを含むガスを添加したところエッチングの際に異物が発生する現象が観察された。異物が発生することにより微細加工された配線を断線またはショートしてしまう可能性がある。本実施例ではこの異物の発生を低減可能な高選択のドライエッチング方法について説明する。異物の発生を抑制するためには、GeF4ガスを多量に使用せず、他のガスとのバランスが必要と思われた。図3はGeF4ガス流量が全体のガス流量に占める割合と300mmウエハ上の異物数の関係を示す。GeF4ガスの割合が15%以上から急に異物の発生量が増加することが分かる。これはGeF4ガスを過度に入れたためGe反応生成物密度が増加、Geが固体化し異物となるからであると考えられる。以上からGeを含むガス流量が全体に占める割合は15%以下が望ましく、この割合になるようにArなどで希釈すればよい。 In Example 1, when a gas containing Ge such as GeF 4 was added to the etching gas, a phenomenon that foreign matter was generated during the etching was observed. There is a possibility that the finely processed wiring is disconnected or short-circuited due to the generation of foreign matter. In this embodiment, a highly selective dry etching method capable of reducing the generation of foreign matter will be described. In order to suppress the generation of foreign substances, it seems that a large amount of GeF 4 gas is not used and a balance with other gases is necessary. FIG. 3 shows the relationship between the ratio of the GeF 4 gas flow rate to the total gas flow rate and the number of foreign objects on the 300 mm wafer. It can be seen that the amount of foreign matter suddenly increases from the GeF 4 gas ratio of 15% or more. This is presumably because the Ge reaction product density is increased because GeF 4 gas is excessively added, and Ge is solidified to become a foreign substance. From the above, the ratio of the gas flow rate containing Ge to the whole is desirably 15% or less, and it may be diluted with Ar or the like so as to be this ratio.
以上説明したように、本実施例によれば実施例と同じ効果を得ることができる。また、Geを含むガス流量が全体に占める割合を15%以下とすることにより、エッチングの際、被処理物への異物付着を低減することができる。 As described above, according to the present embodiment, the same effect as the embodiment can be obtained. Further, by setting the ratio of the gas flow rate including Ge to 15% or less, it is possible to reduce adhesion of foreign matters to the object to be processed during etching.
101…チャンバ、102…ウエハ、103…試料台、104…マイクロ波透過窓、105…導波管、106…マグネトロン、107…ソレノイドコイル、108…静電吸着電源、109…高周波電源、110…ウエハ搬入口、111…プラズマ、112…パルスジェネレータ、201…マスク、202…SiGe膜、203…Si膜、204…基板。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記被エッチング膜をエッチングするためのエッチングガスにゲルマニウムを含有するガスを添加して前記被エッチング膜をエッチングすることを特徴とするドライエッチング方法。 In a dry etching method of selectively etching a film to be etched with respect to a silicon germanium film using plasma,
A dry etching method comprising etching a film to be etched by adding a gas containing germanium to an etching gas for etching the film to be etched.
前記被エッチング膜がシリコン膜であることを特徴とするドライエッチング方法。 The dry etching method according to claim 1,
A dry etching method, wherein the film to be etched is a silicon film.
前記ゲルマニウムを含有するガスは、GeF4ガス、GeF2Cl2ガス、GeCl4ガス、GeH4ガスの中の一つのガスであることを特徴とするドライエッチング方法。 The dry etching method according to claim 1 or 2,
The dry etching method according to claim 1, wherein the germanium-containing gas is one of GeF 4 gas, GeF 2 Cl 2 gas, GeCl 4 gas, and GeH 4 gas.
前記エッチングガスは、SF6ガスとArガスとCH4ガスを混合した混合ガスであることを特徴とするドライエッチング方法。 In the dry etching method according to any one of claims 1 to 3,
The dry etching method, wherein the etching gas is a mixed gas of SF 6 gas, Ar gas, and CH 4 gas.
前記エッチングガスは、CF4ガスとH2ガスを混合した混合ガスであることを特徴とするドライエッチング方法。 In the dry etching method according to any one of claims 1 to 3,
The dry etching method, wherein the etching gas is a mixed gas of CF 4 gas and H 2 gas.
前記混合ガスと前記ゲルマニウムを含有するガスの総流量に対する前記ゲルマニウムを含有するガスの流量割合を15%以下とすることを特徴とするドライエッチング方法。 In the dry etching method according to claim 4 or 5,
A dry etching method, wherein a flow rate ratio of the gas containing germanium to a total flow rate of the mixed gas and the gas containing germanium is 15% or less.
前記シリコン膜のエッチングガスにゲルマニウムを含むガスが添加された反応ガスのプラズマを用いることにより前記被処理基板に形成されたシリコン膜をエッチングする工程と、を有することを特徴とするドライエッチング方法。 Preparing a substrate to be processed on which a silicon film and a silicon germanium film are formed;
And a step of etching the silicon film formed on the substrate to be processed by using plasma of a reactive gas in which a gas containing germanium is added to the etching gas for the silicon film.
前記シリコン膜は、純シリコン膜、シリコン酸化膜或いはシリコン窒化膜であることを特徴とするドライエッチング方法。 The dry etching method according to claim 7, wherein
The dry etching method according to claim 1, wherein the silicon film is a pure silicon film, a silicon oxide film, or a silicon nitride film.
前記エッチングする工程におけるエッチングは、等方性エッチングであることを特徴とするドライエッチング方法。 The dry etching method according to claim 7 or 8,
The dry etching method characterized in that the etching in the etching step is isotropic etching.
前記ゲルマニウムを含有するガスの流量は、前記反応ガスの流量に対して15%以下の割合であることを特徴とするドライエッチング方法。 The dry etching method according to any one of claims 7 to 9,
The dry etching method according to claim 1, wherein a flow rate of the gas containing germanium is 15% or less with respect to a flow rate of the reaction gas.
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