JP2016213404A

JP2016213404A - プラズマエッチング方法

Info

Publication number: JP2016213404A
Application number: JP2015098118A
Authority: JP
Inventors: 康博西森; Yasuhiro Nishimori; 峻介金澤; Shunsuke Kanazawa; 裕昭石村; Hiroaki Ishimura
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2015-05-13
Filing date: 2015-05-13
Publication date: 2016-12-15

Abstract

【課題】チタンを含む膜に対する窒素を含有する膜またはシリコンと炭素を含有する膜の高選択比を得ることができるプラズマエッチング方法を提供する。【解決手段】チタンを含有する膜（ＴｉＮ）に対して窒素を含有する膜（ＳｉＮ）またはシリコンと炭素を含有する膜を選択的にプラズマエッチングするプラズマ処理方法において，ＣＨ３Ｆガスと酸素を含有するガスの混合ガスを用いて窒素を含有する膜またはシリコンと炭素を含有する膜をプラズマエッチングする。【選択図】図５

Description

本発明は，プラズマを用いてエッチングを行うプラズマエッチング方法に関する。

シリコン窒化膜は，絶縁膜として優れた特性を有するため，半導体装置の製造において多くの工程で使用される。シリコン窒化膜上に形成されたチタンナイトライド膜をエッチングする，あるいはシリコン窒化膜下に形成されたチタンナイトライド膜をエッチングする従来のドライエッチング方法は，種々のエッチングガスを用いている。

このようなシリコン窒化膜をエッチングする技術としては，例えばＣＨＦ_３ガス等のフルオロカーボンガスエッチングガスとＳＦ_６ガス，あるいはＣＦ_４ガスを混合ガスとしてシリコン窒化膜をエッチングすることが知られている。

また，シリコン酸化膜上に形成されたシリコン窒化膜のシリコン酸化膜に対するエッチング選択比を大きくする技術としては，例えば特許文献１のようにＣＨＦ_３ガス，または，ＣＨ_２Ｆ_２ガス等のフルオロカーボンガスをエッチングガスとしてシリコン窒化膜をエッチングすることが開示されている。

特開平１１−２６０７９８号公報

シリコン窒化膜上に形成されたチタンナイトライド膜をエッチングする，あるいはシリコン窒化膜下に形成されたチタンナイトライド膜をエッチングする場合，ＣＨＦ_３ガスとＳＦ_６ガスの混合ガスを用いると，シリコン窒化膜を容易にエッチングすることができる。しかし，チタンナイトライド膜もエッチングされる。このため，チタンナイトライド膜に対するシリコン窒化膜の選択比は低い。

このような課題に鑑みて，本発明は，チタンナイトライド膜あるいは酸化チタン膜等のチタンを含む膜に対するシリコン窒化膜等の窒素を含有する膜またはシリコンと炭素を含有する膜の高選択比を得ることができるプラズマエッチング方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための一実施形態として，チタンを含有する膜に対して窒素を含有する膜またはシリコンと炭素を含有する膜を選択的にプラズマエッチングするプラズマ処理方法において，
ＣＨ_３Ｆガスと酸素を含有するガスの混合ガスを用いて前記窒素を含有する膜または前記シリコンと炭素を含有する膜をプラズマエッチングすることを特徴とするプラズマエッチング方法とする。

本発明により，チタンを含む膜に対する窒素を含有する膜またはシリコンと炭素を含有する膜の高選択比を得ることができるプラズマエッチング方法を提供することができる。

本発明の実施例に係るプラズマ処理方法を適用するために用いたマイクロ波プラズマエッチング装置の構成の一例を示した図である。従来条件と実施例に係るプラズマ処理方法を含む各処理条件における，チタンナイトライド膜とシリコン窒化膜のエッチングレートを示す図である。シリコン窒化膜とシリコン窒化膜上に形成されたチタンナイトライド膜を従来条件でエッチングした際のエッチングの進行の様子を示した図であり，（ａ）は加工されたチタンナイトライド膜をマスクとしてシリコン窒化膜を加工する直前の状態，（ｂ）はチタンナイトライド膜をマスクとしてシリコン窒化膜が加工されている状態，（ｃ）はシリコン窒化膜が加工された状態を示す。シリコン窒化膜とシリコン窒化膜上に形成されたチタンナイトライド膜を処理の条件３（本実施例）でエッチングした際のエッチングの進行の様子を示した図であり，（ａ）は加工されたチタンナイトライド膜をマスクとしてシリコン窒化膜を加工する直前の状態，（ｂ）はチタンナイトライド膜をマスクとしてシリコン窒化膜が加工されている状態，（ｃ）はシリコン窒化膜が加工された状態，（ｄ）はオーバーエッチングを行った場合の状態を示す。シリコン窒化膜とシリコン窒化膜上に形成されたチタンナイトライド膜を処理の条件４（本実施例）でエッチングした際のエッチングの進行の様子を示した図であり，（ａ）はチタンナイトライド膜が加工された状態，（ｂ）はチタンナイトライド膜をマスクとしてシリコン窒化膜が加工されている状態，（ｃ）はシリコン窒化膜が加工された状態，（ｄ）はオーバーエッチングを行った場合の状態を示す。

以下，図１から図５を参照しながら，従来技術を用いた場合も含め本発明の一実施例を説明する。

図１は，本実施例のプラズマ処理方法を実施する際に使用するマイクロ波プラズマエッチング装置の構成の一例を示す縦断面図である。図１において，プラズマエッチング装置は，真空容器１０１と，真空容器１０１内部にマイクロ波を供給する手段と，真空容器１０１内部を排気する排気手段とを備えている。

真空容器１０１内部には，その内側にプラズマが形成される空間であって内側に配置された処理対象の試料（被処理物）１００がプラズマにより処理される処理室１０３と，処理室１０３内に配置されて試料１００がその上面に載せられて保持される試料台１０７が備えられている。また，真空容器１０１の上方には，マイクロ波を供給するマグネトロン電源１０４とマイクロ波を伝播して処理室１０３内に導く管路である導波管１０５と，導波管１０５と接続され導波管１０５内部を伝播してきたマイクロ波が導入されて内部の空間で共振する共振容器１０６とが配置されている。

さらに，真空容器１０１内に磁場を発生させるソレノイドコイル１０８が配置されている。ソレノイドコイル１０８は，円筒形状の真空容器１０１の上部の外周を囲んで配置され，これに供給された電流により磁場を発生する。本実施例では，ソレノイドコイル１０８は複数の段数で配置されており，上下方向の中心軸の周りに等磁場が軸対象で下向きに末広がりとなる形状の磁界が処理室１０３内側に導入される。

また，真空容器１０１の下方には，排気手段であるターボ分子ポンプ等の真空ポンプ１０２が配置され，処理室１０３下部で試料台１０７の直下に配置された円形の排気用の開口と連通している。

円筒形状の処理室１０３の上方には，軸を合わせた円筒形状を有する共振容器１０６内の共振用の空間である共振室１０６’が配置されている。この共振室１０６’と処理室１０３との間は，共振室１０６’の底面を構成する誘電体製の円板状の窓部材１０９が配置されている。

窓部材１０９の下方には窓部材１０９の下面とすき間を空けて並列に誘電体製の円板状のシャワープレート１１０が配置されており，シャワープレート１１０の下面が処理室１０３の天井面を構成している。

シャワープレート１１０は，試料台１０７の上面と対向して配置されて，その中央部には，上方からウエハ処理用のガスが処理室１０３内に導入される貫通孔が複数配置されている。上記窓部材１０９とシャワープレート１１０との間のすき間は，マイクロ波プラズマエッチング装置が設置されるクリーンルーム等建屋に設置されたガス源（図示せず）から供給されるエッチング用ガスが通流する管路が連通されており，ガス源からのエッチング用のガスは，管路を通り上記すき間に導入された後，貫通孔を通り，下方の試料台１０７方向に流入する。

試料台１０７は，内部に導電体製の電極が配置され，この電極が所定の周波数の高周波電力を試料台１０７に供給する高周波バイアス電源１１１と電気的に接続されている。試料台１０７上面の載置面上にウエハが載せられた状態で，この高周波バイアス電源１１１から供給された高周波電力によりウエハ表面にバイアス電位が形成され，試料台１０７上方の処理室１０３内に形成されるプラズマとの間の電位差によりイオンをウエハ上面に引き込む。

さらに，試料台１０７の上部には試料の載置面を構成するＡｌ_２Ｏ_３やＹ_２Ｏ_３等の誘電体の材料から構成された誘電体膜（図示せず）が配置されているが，その内部にはウエハを誘電体膜表面上に静電気力により吸着する静電吸着電極が配置されており，この静電吸着電極に直流電力を供給する直流電源１１２が電気的に接続されている。

上記の構成を備えたマイクロ波プラズマエッチング装置では，処理室１０３内にガス源からアルゴン等の不活性ガスが導入されるとともに排気手段により排気されることで減圧された状態で，ロボットアーム等の搬送手段（図示せず）により，ゲートバルブ（図示せず）を通り試料１００であるウエハが試料台１０７上に搬送されてこれに受け渡される。

試料１００であるウエハは，試料台１０７の載置面を構成する誘電体膜上に載せられた後，直流電源１１２から誘電体膜内の電極に電力が供給され静電気力が形成されて誘電体膜上に吸着されて保持される。

ガス源から上記シャワープレート１１０の貫通孔を通り，処理室１０３内にエッチング用ガスが導入されるとともに，真空ポンプ１０２による排気とのバランスにより，処理室１０３内部は，所定の圧力に調節される。マグネトロン電源１０４から発振されたマイクロ波は，導波管１０５内を伝播して共振容器１０６に到達し，所定の強度の電界が内部の共振室１０６’で形成される。この電界は，窓部材１０９，シャワープレート１１０を透過して処理室１０３内に供給される。

ソレノイドコイル１０８から供給された磁場と共振容器１０６から供給されたマイクロ波との相互作用により，エッチング用ガスが励起されてプラズマ化され，処理室１０３内の試料台１０７上方の空間にプラズマが形成される。この形成されたプラズマによりウエハにエッチング処理を施す。

次に，従来技術も含め上述したマイクロ波プラズマエッチング装置を用いた本発明の各実施例について以下に説明する。

＜従来条件＞
表１に示すＣＨＦ_３ガスとＳＦ_６ガスからなる混合ガスを用いてエッチングする従来条件（従来例）において，シリコン窒化膜及びチタンナイトライド膜をそれぞれエッチングして，チタンナイトライド膜に対するシリコン窒化膜のエッチング選択比を検討した。検討結果を表１，および図２に示す。

表１の従来例に示す通り，従来条件ではチタンナイトライド膜のエッチングレート，およびシリコン窒化膜のエッチングレートが正の値を示し，チタンナイトライド膜に対するシリコン窒化膜のエッチング選択比は約２．１を示している。

＜条件１＞
一方，条件１（比較例）では，従来条件のＣＨＦ_３ガスとＳＦ_６ガスからなる混合ガスに代えてＣＨ_３Ｆガスを用いた。ＣＨ_３Ｆガスのガス流量は３０ｃｃｍとした。このときのシリコン窒化膜のエッチング速度は負の値を示しており，シリコン窒化膜上に堆積物が形成されていることがわかる（表１，図２）。また，チタンナイトライド膜のエッチングレートが負の値を示しており，チタンナイトライド膜上に堆積物が形成されていることがわかる。

＜条件２＞
次に，条件２（実施例）に示すようにＣＨ_３Ｆガスに更にＣＯ_２ガスを１０ｃｃｍの流量で加えた場合，シリコン窒化膜のエッチングレートは正の値を示しておりシリコン窒化膜のエッチングレートが進行していることがわかる（表１，図２）。一方，チタンナイトライド膜のエッチングレートは負の値を示している。このため，条件２では，チタンナイトライド膜に対するシリコン窒化膜のエッチング選択比は無限大となる。

＜条件３＞
条件３（実施例）では，ＣＨ_３Ｆガスはそのままとし，ＣＯ_２ガス流量を２０ｃｃｍとした。その結果，シリコン窒化膜のエッチングレートがＣＯ_２ガス流量１０ｃｃｍの結果と比較して増加した（表１，図２）。しかし，チタンナイトライド膜のエッチングレートは負の値のままである。このため，条件３においても，チタンナイトライド膜に対するシリコン窒化膜のエッチング選択比は無限大となる。

＜条件４＞
条件４（実施例）では，ＣＨ_３Ｆガスはそのままとし，ＣＯ_２ガス流量を３０ｃｃｍとした。その結果，シリコン窒化膜のエッチングレートが条件２（ＣＯ_２ガス流量：２０ｃｃｍ）の場合と比較して増加した（表１，図２）。一方，チタンナイトライド膜のエッチングレートが負の値のままである。このため，条件４においても，チタンナイトライド膜に対するシリコン窒化膜のエッチング選択比は無限大となる。

このように本実施例は，従来条件よりチタンナイトライド膜に対するシリコン窒化膜のエッチング選択比を大幅に向上させることができた。言い換えると，高微細化された半導体装置の製造に係るチタンナイトライド膜上のシリコン窒化膜エッチングにおいて要求される，チタンナイトライド膜に対するシリコン窒化膜の高選択比を得ることができた。

チタンナイトライド膜に対するシリコン窒化膜のエッチング選択比とは，シリコン窒化膜のエッチング速度をチタンナイトライド膜のエッチング速度で除した値のことである。なお，エッチング速度が負の場合にはエッチングがされていないため，エッチング速度をゼロとして算出し，この比を無現大とした。

次に，図３（ａ）に示すようなシリコン酸化膜（ＳｉＯ）上に形成されたシリコン窒化膜（ＳｉＮ），シリコン窒化膜上に形成されたチタンナイトライド膜（ＴｉＮ）を用いて，従来技術と本発明の効果を検討した。

従来技術のＣＨＦ_３ガス等のフルオロカーボンガスエッチングガスとＳＦ_６ガスを混合ガスとしてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）をエッチングした時の進行の様子を図３に示す。図３（ａ）は，プラズマ発生直後を示し，プラズマにより発生したラジカル，イオンによって，ウエハのエッチングが行われる。

図３（ｂ）は，チタンナイトライド膜（ＴｉＮ）をマスクとしてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を加工している状態を示す。この時，マスクとしてのチタンナイトライド膜（ＴｉＮ）もエッチングされる。チタンナイトライド膜（ＴｉＮ）のエッチング量は，チタンナイトライド膜（ＴｉＮ）に対するシリコン窒化膜（ＳｉＮ）のエッチング選択比が高いほど小さくなる。

図３（ｃ）はシリコン窒化膜（ＳｉＮ）が加工された状態を示す。図３（ｃ）に示すように，シリコン窒化膜（ＳｉＮ）がエッチングにより除去されると，下地膜のシリコン酸化膜（ＳｉＯ）が露出する。表１の従来例の欄に示すように，シリコン酸化膜に対する，シリコン窒化膜の選択比が１．６と低いことから，チタンナイトライド膜と同様にシリコン酸化膜がエッチングされる。

次に，表１に示す条件３，即ち，ＣＨ_３Ｆガス４０ｃｃｍにＣＯ_２ガス２０ｃｃｍを混合したガスを用いてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）をエッチングした時の進行の様子を図４に示す。図４（ａ）は，プラズマ発生直後を示し，プラズマにより発生したラジカル，イオンによって，ウエハのエッチングが行われる。

図４（ｂ）は，チタンナイトライド膜（ＴｉＮ）をマスクとしてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を加工している状態を示す。図４（ｂ）に示すように，シリコン窒化膜（ＳｉＮ）がテーパー形状にエッチングされる。この時，表１の条件３の欄に示すようにチタンナイトライド膜（ＴｉＮ）のエッチングレートは負の値を示していることからチタンナイトライド膜（ＴｉＮ）のマスクはエッチングされない。

図４（ｃ）はシリコン窒化膜（ＳｉＮ）が加工された状態を示す。図４（ｃ）に示すように，シリコン窒化膜（ＳｉＮ）がエッチングにより除去されると，下地膜のシリコン酸化膜（ＳｉＯ）が露出する。

図４（ｄ）はオーバーエッチングを行った場合の状態を示す。下地膜のシリコン酸化膜（ＳｉＯ）が露出すると表１の条件３の欄に示すように，シリコン酸化膜（ＳｉＯ）に対する，シリコン窒化膜（ＳｉＮ）の選択比が高いことから，オーバーエッチングを行っても，チタンナイトライド膜（ＴｉＮ）と同様にシリコン酸化膜（ＳｉＯ）はエッチングされない。この時，シリコン窒化膜（ＳｉＮ）のエッチング形状は，テーパー形状となる。

次に，表１に示す条件４，即ち，ＣＨ_３Ｆガス４０ｃｃｍにＣＯ_２ガス３０ｃｃｍを混合したガスを用いてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）をエッチングした時の進行の様子を図５に示す。図５（ａ）は，プラズマ発生直後を示し，プラズマにより発生したラジカル，イオンによって，ウエハのエッチングが行われる。

図５（ｂ）は，チタンナイトライド膜（ＴｉＮ）をマスクとしてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を加工している状態を示す。図５（ｂ）に示すように，シリコン窒化膜（ＳｉＮ）が垂直形状にエッチングされる。この時，表１の条件４の欄に示すようにチタンナイトライド膜（ＴｉＮ）のエッチングレートは負の値を示していることからチタンナイトライド膜（ＴｉＮ）のマスクはエッチングされない。

図５（ｃ）はシリコン窒化膜（ＳｉＮ）が加工された状態を示す。図５（ｃ）に示すように，シリコン窒化膜（ＳｉＮ）がエッチングにより除去されると，下地膜のシリコン酸化膜（ＳｉＯ）が露出する。

図５（ｄ）はオーバーエッチングを行った場合の状態を示す。下地膜のシリコン酸化膜（ＳｉＯ）が露出すると表１の条件４の欄に示すように，シリコン酸化膜（ＳｉＯ）に対する，シリコン窒化膜（ＳｉＮ）の選択比が高いことから，オーバーエッチングを行っても，チタンナイトライド膜（ＴｉＮ）と同様にシリコン酸化膜（ＳｉＯ）はエッチングされない。この時，シリコン窒化膜（ＳｉＮ）のエッチング形状は，垂直形状となる。

近年の半導体装置の微細化により，本実施例でエッチングの対象としているシリコン窒化膜も薄膜化している。このような薄膜をエッチングする際には，シリコン窒化膜のエッチング速度を遅くすることにより，エッチング量を制御し易くなる。本実施例では，上述した通り，ＣＯ_２ガスの流量比によりシリコン窒化膜のエッチング速度を所望のエッチング速度に制御できるため，上記のようなエッチングに対しても有効である。

また，本実施例ではＣＨ_３Ｆと混合するガスとしてＣＯ_２ガスを用いたが、酸素含有ガスであれば用いることができる。酸素含有ガスとしては，Ｏ_２ガス，ＣＯ_２ガス，ＳＯ_２ガスの中で少なくとも一つのガスを用いることができる。さらに，フルオロカーボンガスと酸素含有ガスからなる混合ガスに不活性ガスを添加しても良い。不活性ガスとしてＨｅガス，Ｎｅガス，Ａｒガス，Ｘｅガス，Ｋｒガスの中で少なくとも一つのガスを用いることができる。

また，本実施例では，被エッチング膜をシリコン窒化膜としたが，窒化シリコン酸化膜（ＳｉＯＮ膜），窒化炭化シリコン酸化膜（ＳｉＯＣＮ膜）を被エッチング膜としても本実施例と同様の効果を得ることができる。また，シリコン炭化膜（ＳｉＣ膜），炭化シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ膜）を被エッチング膜としても本実施例と同様の効果を得ることができる。

また，本実施例では，マイクロ波を用いたＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）方式のマイクロ波プラズマエッチング装置での適用例について説明したが，これに限定されるものではなく，容量結合型，誘導結合型のプラズマ生成手段を用いたプラズマエッチング装置に適用しても良い。

以上，上述した通り，本発明は，チタンを含む膜とシリコン窒化膜をエッチングする方法において，ＣＨ_３Ｆと酸素含有ガスを含む混合ガスでプラズマエッチングすることにより，チタンを含む膜に対するシリコン窒化膜のエッチング選択比を従来技術より，大幅に向上させることができる。

１００…試料（被処理物）,１０１…真空容器,１０２…真空ポンプ,１０３…処理室,１０４…マグネトロン電源,１０５…導波管,１０６…共振容器,１０６’…共振室,１０７…試料台,１０８…ソレノイドコイル,１０９…窓部材,１１０…シャワープレート,１１１…高周波バイアス電源,１１２…直流電源。

Claims

チタンを含有する膜に対して窒素を含有する膜またはシリコンと炭素を含有する膜を選択的にプラズマエッチングするプラズマ処理方法において，
ＣＨ_３Ｆガスと酸素を含有するガスの混合ガスを用いて前記窒素を含有する膜または前記シリコンと炭素を含有する膜をプラズマエッチングすることを特徴とするプラズマエッチング方法。
請求項１に記載のプラズマエッチング方法において，
前記混合ガスは，さらに不活性ガスを含むことを特徴とするプラズマエッチング方法。
請求項１または２に記載のプラズマエッチング方法において，
前記酸素を含有するガスは，Ｏ_２ガス，ＣＯ_２ガス，ＳＯ_２ガスの中の少なくとも一つであることを特徴とするプラズマエッチング方法。
請求項１乃至３の何れか一項に記載のプラズマエッチング方法において，
前記ＣＨ_３Ｆガスと酸素を含有するガスの流量は同じであることを特徴とするプラズマエッチング方法。
請求項１乃至４の何れか一項に記載のプラズマエッチング方法において，
前記チタンを含有する膜は，チタンナイトライド膜であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
請求項１乃至５の何れか一項に記載のプラズマエッチング方法において，
前記窒素を含有する膜は，シリコン窒化膜，窒化シリコン酸化膜，或いは窒化炭化シリコン酸化膜であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
請求項１乃至６の何れか一項に記載のプラズマエッチング方法において，
前記シリコンと炭素を含有する膜は，シリコン炭化膜，或いは炭化シリコン酸化膜であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
請求項１乃至７の何れか一項に記載のプラズマエッチング方法において，
前記チタンを含有する膜は，前記窒素を含有する膜またはシリコンと炭素を含有する膜をエッチングするときのマスクとして用いられることを特徴とするプラズマエッチング方法。
請求項１乃至８の何れか一項に記載のプラズマエッチング方法において，
前記窒素を含有する膜またはシリコンと炭素を含有する膜はシリコン酸化膜の上に形成されており，前記チタンを含有する膜は前記窒素を含有する膜またはシリコンと炭素を含有する膜の上に形成されていることを特徴とするプラズマエッチング方法。