JP2017084965A - 遷移金属膜のエッチング方法及び基板処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】遷移金属膜のエッチングにおいて、デバイスの微細化に対応し、デバイスへのダメージを生じさせることなく、エッチング速度やスループットを従来に比べ向上させる。【解決手段】基板処理装置を用いて遷移金属膜を異方的にエッチングする方法であって、前記基板処理装置は、遷移金属膜を含む被処理体の処理を行う１又は複数の処理容器を有し、前記処理容器内に酸素イオンを含む第１のガスを導入し、酸素イオンを前記遷移金属膜に照射して当該遷移金属膜の遷移金属を酸化させて金属酸化層を形成させる酸化工程と、前記処理容器内に前記金属酸化層を錯化させるための第２のガスを導入し、当該金属酸化層において金属錯体を形成させてエッチングを行う錯化エッチング工程と、を備えることを特徴とする、遷移金属膜のエッチング方法が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、遷移金属膜のエッチング方法及び基板処理装置に関する。
半導体デバイスの製造においては、例えばプラズマ処理装置などの基板処理装置に設けられた減圧処理容器内で、被処理体の被エッチング層にパターンを形成するために当該被エッチング層をエッチングする処理が行われる。近年、被エッチング層として、遷移金属を含む膜（以下、遷移金属膜とも記載する）をエッチングする試みが行われている。このような膜は、例えば、ＭＴＪ（磁気トンネル接合）素子の一部を構成する膜として用いられる。
遷移金属膜のエッチングには、一般的にＡｒイオンミリング法やハロゲンガスを用いたプラズマエッチング法などが用いられている。しかしながら、Ａｒイオンミリング法は、微細加工が困難であり、エッチング生成物が被処理体に再付着し、製造しようとするデバイスに悪影響を与えるといった問題がある。また、ハロゲンガスを用いたプラズマエッチング法では、遷移金属とハロゲン元素との反応を促進させるために、また、エッチング生成物、即ち、ハロゲン化物を気化させて排気するために、高温環境下でエッチングを進行させる必要がある。そのため、高温環境下での熱やプラズマにより、製造しようとするデバイスにダメージが生じるといった問題がある。
そこで、特許文献１には、遷移金属との反応性が高いβ−ジケトンを含むガスを用いてドライエッチングを行う技術が開示されている。また、特許文献２には、被処理体の表面に形成された金属膜をガスクラスタービームによりエッチング加工する技術が開示されている。また、特許文献３には、イオンビームを用いたドライエッチング方法が開示されている。また、特許文献４には、中性粒子ビームを用いた低温でエッチングを行う技術が開示されている。
特開２０１４−２３６０９６号公報 特開２０１２−１５６２５９号公報 特許第４３６４６６９号 特開２０１４−２０９５５２号公報
しかしながら、上記特許文献１の技術では、等方的にエッチングが行われるため、半導体デバイスの製造には向かないといった問題がある。また、上記特許文献２の技術では、原理的にデバイスの微細化への対応が難しく、また、大面積化するためにはウェハ（被処理体）上をスキャンする必要があるため、スループットの低下が懸念される。また、上記特許文献３の技術では、基板（被処理体）に入射するビームが電荷を有しているため、チャージアップによる形状悪化やデバイスへのダメージが生じるといった問題がある。また、上記特許文献４の技術では、ビームを衝突させることなくウェハ（被処理体）に入射させるために、低圧でのプロセスが必要となり、錯化ガスの供給が少量となり、錯体反応速度が低下し、エッチング速度やスループットが低下してしまう恐れがある。
そこで本発明の目的は、遷移金属膜のエッチングにおいて、デバイスの微細化に対応し、デバイスへのダメージを生じさせることなく、エッチング速度やスループットを従来に比べ向上させることが可能な遷移金属膜のエッチング方法及び基板処理装置を提供することにある。
前記の目的を達成するため、本発明によれば、基板処理装置を用いて遷移金属膜を異方的にエッチングする方法であって、前記基板処理装置は、遷移金属膜を含む被処理体の処理を行う１又は複数の処理容器を有し、前記処理容器内に酸素イオンを含む第１のガスを導入し、酸素イオンを前記遷移金属膜に照射して当該遷移金属膜の遷移金属を酸化させて金属酸化層を形成させる酸化工程と、前記処理容器内に前記金属酸化層を錯化させるための第２のガスを導入し、当該金属酸化層において金属錯体を形成させてエッチングを行う錯化エッチング工程と、を備えることを特徴とする、遷移金属膜のエッチング方法が提供される。
前記基板処理装置は、前記処理容器内にプラズマを生成させるプラズマ源を備え、前記酸化工程においては、前記第１のガスのプラズマを生成させることにより酸素イオンを前記遷移金属膜に照射しても良い。
前記第２のガスは、β−ジケトン系ガスであっても良い。
前記錯化エッチング工程は、ガスの圧力が０．１ｋＰａ以上１０１．３ｋＰａ以下、且つ、前記被処理体の温度が１００℃以上３５０℃以下の条件下で行われても良い。
前記酸化工程は、ガスの圧力が１００Ｐａ以下の条件下で行われても良い。
前記酸化工程と前記錯化エッチング工程とを含むサイクルが繰り返し行われても良い。
前記被処理体は、前記遷移金属膜上にマスクを有しており、当該マスクは、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮのいずれかから構成されても良い。
また、別の観点からの本発明によれば、遷移金属膜を異方的にエッチングする基板処理装置であって、前記基板処理装置は、遷移金属膜を含む被処理体の処理を行う１又は複数の処理容器を有し、酸素イオンを前記遷移金属膜に照射して当該遷移金属膜の遷移金属を酸化させて金属酸化層を形成させるために、前記処理容器内に酸素イオンを含む第１のガスを導入する第１のガス供給源と、前記金属酸化層において金属錯体を形成させてエッチングを行うために、前記処理容器内に錯化ガスとしての第２のガスを導入する第２のガス供給源と、を備えることを特徴とする、基板処理装置が提供される。
前記処理容器内にプラズマを生成させるプラズマ源を備え、前記第１のガスのプラズマを生成させることにより酸素イオンを前記遷移金属膜に照射しても良い。
前記第２のガスは、β−ジケトン系ガスであっても良い。
前記基板処理装置は、酸素イオンを前記遷移金属膜に照射して当該遷移金属膜の遷移金属を酸化させて金属酸化層を形成させるための第１のガスを導入する処理容器と、前記金属酸化層において金属錯体を形成させてエッチングを行うための第２のガスを導入する処理容器をそれぞれ個別に有しても良い。
前記金属酸化層において金属錯体を形成させてエッチングを行うための第２のガスを導入する処理容器の容積は、酸素イオンを前記遷移金属膜に照射して当該遷移金属膜の遷移金属を酸化させて金属酸化層を形成させるための第１のガスを導入する処理容器の容積に比べ小さくても良い。
本発明によれば、遷移金属膜のエッチングにおいて、デバイスの微細化に対応し、デバイスへのダメージを生じさせることなく、エッチング速度やスループットを従来に比べ向上させることが可能となる。
本発明の実施の形態に係る遷移金属膜のエッチング方法の流れ図である。 基板処理装置の概略構成を示す縦断面図である。 図１に示す方法の各工程を説明する説明図である。 錯化ガスの一例を示す構造式である。 本発明に係るエッチング方法を複数チャンバ方式にて実施する際のチャンバ構成の一例を示す概略説明図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図１は、本発明の実施の形態に係る遷移金属膜のエッチング方法の流れ図である。図１に示すように、本発明の実施の形態に係る遷移金属膜のエッチング方法ＭＴ１（以下、方法ＭＴ１とも記載する）は、工程ＳＴ１〜ＳＴ８を含んでいる。以下、各工程について説明する。
工程ＳＴ１では、遷移金属膜を有する被処理体を収容した処理容器に、例えばＯ２等の酸化ガスが第１のガスとして導入される。そして、工程ＳＴ２では、プラズマを供給することで、酸化ガスのプラズマが発生し、遷移金属膜が酸化される。この工程ＳＴ２は、異方的に酸化を行うために、１００Ｐａ以下の圧力下で行われることが好ましい。更には、より垂直な加工形状を得るためには、１Ｐａ以下の条件で行うことが好ましい。なお、工程ＳＴ２における被処理体の温度は問わないが、異方性を確保するためには、例えば室温以下の条件が望ましい。
続く工程ＳＴ３では、遷移金属膜の酸化が終了した段階でプラズマの供給が停止される。続いて、工程ＳＴ４において、処理容器内の酸化ガスの排気が行われる。
そして、工程ＳＴ５では、酸化ガスの排気が完了した処理容器内に、第２のガスとして錯化ガスが導入される。工程ＳＴ６では、錯化ガスにより、酸化された遷移金属膜から錯体（金属錯体）が形成され、エッチング（ガスエッチング）が行われる。錯化ガスとしては、金属と反応し蒸気圧の高い金属錯体を形成させることができるβ−ジケトン系のガスが望ましい。具体的には、例えばヘキサフルオロアセチルアセトン（ＨＦＡｃ）、トリフルオロアセチルアセトン（ＴＦＡｃ）、アセチルアセトン（ＡｃＡｃ）等が例示される。また、シクロペンタジエニル系のガスでも良く、例えばシクロペンタジエン等が例示される。図４（ａ）〜（ｆ）は、これら錯化ガスの一例を示す構造式である。
工程ＳＴ６を行う条件としては、ガスのみで反応を進め、十分に錯体を形成させるために、ガスの圧力は０．１ｋＰａ以上１０１．３ｋＰａ以下が好ましく、更には、１．３３ｋＰａ以上１３．３ｋＰａ以下が好ましい。ガスの圧力が０．１ｋＰａ未満の場合、錯化ガスが金属と十分に反応せず、エッチングとして実用的であるだけの金属錯体が形成されない。また、ガスの圧力の上限値は、概ね設備条件によって定まる。
工程ＳＴ６における被処理体の温度は、対象とする遷移金属に応じて定められるが、例えば１００℃以上３５０℃以下が好ましく、更には、２００℃以上３００℃以下が好ましい。１００℃未満の場合、錯化ガスが金属と十分に反応せず、エッチングとして実用的であるだけの金属錯体が形成されない。また、３５０℃超の場合、例えばβ−ジケトン系のガスである錯化ガスが分解してしまう恐れがある。
続く工程ＳＴ７では、エッチングが終了した段階で処理容器内の錯化ガスの排気が行われる。そして、工程ＳＴ４においては、本発明の実施の形態に係る遷移金属膜のエッチング方法ＭＴ１の終了条件が満たされるか否かが判定される。例えば、工程ＳＴ１〜ＳＴ７を含むサイクルが所定回数実施されたか否かが判定される。終了条件が満たされない場合には、再度、工程ＳＴ１〜ＳＴ７の処理が繰り返される。一方、終了条件が満たされる場合には、被処理体を処理容器から搬出することで、方法ＭＴ１が終了する。この終了条件は、エッチング対象である遷移金属膜の膜厚等によって異なり、工程ＳＴ１〜ＳＴ７を含むサイクルが複数回繰り返し行われることで、厚い膜をエッチングすることが可能となる。
なお、方法ＭＴ１において、工程ＳＴ１〜ＳＴ４は酸化工程とされ、工程ＳＴ５〜ＳＴ７錯化エッチング工程とされる。
以下、上述した本実施の形態に係る遷移金属膜のエッチング方法ＭＴ１に用いることが可能な基板処理装置の一例について説明する。図２は、基板処理装置１の概略構成を示す縦断面図である。
基板処理装置１は、図１に示すように処理容器１０を有している。処理容器１０は、天井面が開口した略円筒形状を有し、当該天井面開口部には後述するラジアルラインスロットアンテナ４０が配置されている。また、処理容器１０の側面には被処理体の搬入出口１１が形成され、当該搬入出口１１にはゲートバルブ１２が設けられている。そして、処理容器１０はその内部を密閉可能に構成されている。なお、処理容器１０にはアルミニウム又はステンレス鋼等の金属が用いられ、処理容器１０は接地されている。
処理容器１０の底面には、被処理体として遷移金属膜が成膜されたウェハＷ（以下、単にウェハＷとも記載する）を載置する載置部としての載置台２０が設けられている。載置台２０は円筒形状を有し、また載置台２０には例えばアルミニウムが用いられる。
載置台２０の上面には静電チャック２１が設けられている。静電チャック２１は、絶縁材の間に電極２２が挟み込まれた構成を有している。電極２２は処理容器１０の外部に設けられた直流電源２３に接続されている。この直流電源２３により載置台２０の表面にクーロン力を生じさせて、ウェハＷを載置台２０上に静電吸着することができる。
また載置台２０には、コンデンサ２４を介して、ＲＦバイアス用の高周波電源２５が接続されていてもよい。高周波電源２５は、ウェハＷに引き込むイオンのエネルギーを制御するのに適した一定の周波数、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波を所定のパワーで出力する。
載置台２０の上面には、静電チャック２１上のウェハＷを囲むように環状のフォーカスリング２８が設けられている。フォーカスリング２８には例えばセラミックスあるいは石英などの絶縁性材料が用いられ、フォーカスリング２８はプラズマ処理の均一性を向上させるように作用する。
なお、載置台２０の下方には、ウェハＷを下方から支持し昇降させるための昇降ピン（図示せず）が設けられている。昇降ピンは、載置台２０に形成された貫通孔（図示せず）を挿通し載置台２０の上面から突出可能になっている。
載置台２０の周囲において、当該載置台２０と処理容器１０の側面との間には、環状の排気空間３０が形成されている。排気空間３０の上部には、処理容器１０内を均一に排気するため、複数の排気孔が形成された環状のバッフル板３１が設けられている。排気空間３０の底部であって、処理容器１０の底面には、排気管３２が接続されている。排気管３２の数は任意に設定でき、円周方向に複数形成されていてもよい。排気管３２は、例えば真空ポンプを備えた排気装置３３に接続されている。排気装置３３は、処理容器１０内の雰囲気を所定の真空度まで減圧することができる。
処理容器１０の天井面開口部には、プラズマ生成用のマイクロ波を供給するラジアルラインスロットアンテナ４０（ｒａｄｉａｌ ｌｉｎｅ ｓｌｏｔ ａｎｔｅｎｎａ）が設けられている。ラジアルラインスロットアンテナ４０は、マイクロ波透過板４１、スロット板４２、遅波板４３、シールド蓋体４４を有している。
マイクロ波透過板４１は、例えばＯリング等のシール材（図示せず）を介して、処理容器１０の天井面開口部に密に設けられている。したがって、処理容器１０の内部は気密に保持される。マイクロ波透過板４１には誘電体、例えば石英、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等が用いられ、マイクロ波透過板４１はマイクロ波を透過させる。
スロット板４２は、マイクロ波透過板４１の上面であって、載置台２０と対向するように設けられている。スロット板４２には複数のスロットが形成され、スロット板４２はアンテナとして機能する。スロット板４２には、導電性を有する材料、たとえば銅、アルミニウム、ニッケル等が用いられる。
遅波板４３は、スロット板４２の上面に設けられている。遅波板４３には低損失誘電体材料、例えば石英、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等が用いられ、遅波板４３はマイクロ波の波長を短縮する。
シールド蓋体４４は、遅波板４３の上面において、遅波板４３とスロット板４２覆うように設けられている。シールド蓋体４４の内部には、例えば冷却媒体を流通させる円環状の流路４５が複数設けられている。流路４５を流れる冷却媒体によって、マイクロ波透過板４１、スロット板４２、遅波板４３、シールド蓋体４４が所定の温度に調節される。
シールド蓋体４４の中央部には同軸導波管５０が接続されている。同軸導波管５０は、内部導体５１と外管５２を有している。内部導体５１は、スロット板４２と接続されている。内部導体５１のスロット板４２側は円錐形に形成されて、スロット板４２に対してマイクロ波を効率よく伝播するようになっている。
同軸導波管５０には、マイクロ波を所定の振動モードに変換するモード変換器５３、矩形導波管５４、マイクロ波を発生するマイクロ波発生装置５５が同軸導波管５０側からこの順で接続されている。マイクロ波発生装置５５は、所定周波数、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生させる。
かかる構成により、マイクロ波発生装置５５により発生されたマイクロ波は、矩形導波管５４、モード変換器５３、同軸導波管５０を順次伝播し、ラジアルラインスロットアンテナ４０内に供給され、遅波板４３で圧縮され短波長化され、スロット板４２で円偏波を発生させた後、スロット板４２からマイクロ波透過板４１を透過して処理容器１０内に放射される。このマイクロ波により処理容器１０内では処理ガスをプラズマ化させることができ、このプラズマによりウェハＷのプラズマ処理を行うことが可能な構成となっている。
処理容器１０の天井面、すなわちラジアルラインスロットアンテナ４０の中央部には、第１のガス供給部としての第１のガス供給管６０が設けられている。第１のガス供給管６０はラジアルラインスロットアンテナ４０を貫通し、当該第１のガス供給管６０の一端部はマイクロ波透過板４１の下面において開口している。また、第１のガス供給管６０は同軸導波管５０の内部導体５１の内部を貫通し、さらにモード変換器５３内を挿通して、当該第１のガス供給管６０の他端部は第１のガス供給源６１に接続されている。
第１のガス供給源６１の内部には、例えばＯ２等の酸化ガスが貯留されている。また、第１のガス供給管６０には、第１のガスの流れを制御するバルブや流量調節部等を含む供給機器群６２が設けられている。そして、第１のガス供給源６１から供給された第１のガスは、第１のガス供給管６０から処理容器１０内に供給される。この第１のガスは、処理容器１０内において、載置台２０に載置されたウェハＷに向かって鉛直下方に流れる。
図２に示すように、処理容器１０の側面には、第２のガス供給部としての第２のガス供給管７０が設けられている。第２のガス供給管７０は、処理容器１０の側面の円周上で等間隔に複数、例えば２４本設けられている。第２のガス供給管７０の一端部は処理容器１０の側面において開口し、他端部はバッファ部７１に接続されている。第２のガス供給管７０は、その一端部が他端部より下方に位置するように斜めに配置されている。
バッファ部７１は、処理容器１０の側面内部に環状に設けられ、複数の第２のガス供給管７０に共通に設けられている。バッファ部７１には、供給管７２を介して第２のガス供給源７３が接続されている。第２のガス供給源７３の内部には、β−ジケトン系のガス、例えばヘキサフルオロアセチルアセトン（ＨＦＡｃ）、トリフルオロアセチルアセトン（ＴＦＡｃ）、アセチルアセトン（ＡｃＡｃ）等が貯留されている。第２のガスは、シクロペンタジエニル系のガスでも良く、例えばシクロペンタジエン等が貯留されていても良い。
図２に示すように、第２のガス供給源７３から供給された第２のガスは、供給管７２を通ってバッファ部７１に導入され、バッファ部７１内で周回方向の圧力を均一化してから第２のガス供給管７０を介して処理容器１０内に供給される。
また、本実施の形態に係る基板処理装置１においては、処理容器１０内に質量分析計（ＱＭＳ）８０を備えても良い。この質量分析計８０は、処理容器１０内において存在する錯体又は錯化ガスの量を検出し、また、処理容器１０内に存在する錯体又は錯化ガスの量の変化を検出する。質量分析計８０の検出に基づき、例えば、錯体の量が減少しているときに、方法ＭＴ１の実施を終了させることができる。或いは、錯化ガスの量が増加するときに、方法ＭＴ１の実施を終了させることができる。遷移金属膜のエッチングの終点を迎えると、処理容器１０内に存在する錯体の量が減少し、一方で、錯化ガスがエッチングによって消費されなくなるので、錯化ガスの量は増加する。即ち、質量分析計８０の出力信号を利用することにより、遷移金属膜のエッチングの終点を検出することが可能となる。
次に、図１〜図３を参照して、本発明の実施の形態に係る遷移金属膜のエッチング方法ＭＴ１についてより詳細に説明する。図３は、図１に示した方法ＭＴ１の各工程を説明する説明図である。方法ＭＴ１では、先ず、ウェハＷが処理容器１０内に収容され、載置台２０上に載置される。ここでは、図３（ａ）に示すように、ウェハＷは、下地層ＵＬ及び遷移金属を含む膜ＭＬを有するものとする。
膜ＭＬは、下地層ＵＬ上に設けられている。この膜ＭＬ上には、マスクＭＳＫが設けられている。膜ＭＬを構成する遷移金属は、例えば、Ｔａ（タンタル）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）などであってもよい。また、膜ＭＬを構成する金属は、例えば、ＣｏＦｅＢ（コバルト鉄ボロン）、ＰｔＭｎ（白金マンガン）、ＩｒＭｎ（イリジウムマンガン）、ＦｅＰｔ（鉄白金）、ＦｅＰｄ（鉄パラジウム）、ＴｂＦｅＣｏ（テルビウム鉄コバルト）などといった合金であってもよい。
また、マスクＭＳＫは、例えば、Ｔａ、ＴｉＮ（窒化チタン）、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＴｉＮ、又はＴａＮといった膜で構成され得る。但し、錯化ガスとしてβ−ジケトン系ガスを用いる場合、β−ジケトン系ガスは３ｄ軌道を持つ遷移金属と反応し、それ以外の元素とは反応しにくいといった性質を有するため、マスクＭＳＫとしてはＳｉ系の膜を用いることが望ましい。これにより、マスクＭＳＫに対する膜ＭＬのエッチングの選択比を向上させることが可能となる。
次いで、方法ＭＴ１では、第１のガス供給部としての第１のガス供給管６０から第１のガス（酸化ガス）が処理容器１０内に導入される。併せて、マイクロ波発生装置５５により発生されたマイクロ波により、第１のガスのプラズマが生成される。これにより、図３（ｂ）に示すように、酸素イオン９０がウェハＷの表面に照射され、膜ＭＬのマスクＭＳＫに覆われていない部分における遷移金属が酸化され、表層部分が金属酸化層ＭＬＸに変化する。併せて、酸素イオン９０がマスクＭＳＫの表面に照射されることで、マスクＭＳＫの表層部分がマスク酸化層ＭＳＫＸに変化する。
図３（ｂ）に示す酸化工程では、異方的に酸化を行うために、１００Ｐａ以下の圧力下で行われることが好ましい。更には、より垂直な加工形状を得るためには、１Ｐａ以下の条件で行うことが好ましい。なお、この時のウェハＷの温度は問わないが、異方性を確保するためには、例えば室温以下の条件が望ましい。
次いで、方法ＭＴ１では、第１のガス供給管６０からの第１のガス（酸化ガス）の導入、及び、プラズマの生成が停止され、第１のガスの排気が行われる。以上が方法ＭＴ１の工程ＳＴ１〜ＳＴ４である。
続いて、工程ＳＴ５として、第２のガス供給部としての第２のガス供給管７０から第２のガス（錯化ガス）が処理容器１０内に導入される。これにより、図３（ｃ）に示すように、マスクＭＳＫに覆われていない金属酸化層ＭＬＸが錯化ガスリッチな雰囲気に曝され、錯化ガスに含まれる分子９５が金属酸化層ＭＬＸに吸着する。そして、金属酸化層ＭＬＸに含まれる遷移金属の酸化物と錯化ガスに含まれる分子が反応し、錯体（金属錯体９７）が形成される。なお、マスク酸化層ＭＳＫＸは、錯化ガスと反応しにくいため、マスクＭＳＫ及びマスク酸化層ＭＳＫＸはウェハＷ上にそのまま残存する。
このように形成された錯体は蒸気圧が高く、特に、錯体ガスとしてβ−ジケトン系ガスを用いた場合には蒸気圧が極めて高い有機金属錯体が形成される。従って、形成された金属錯体９７は、ウェハＷ上から蒸発し、工程ＳＴ６として、ガスエッチングが進行する。図３（ｃ）に示す錯化エッチング工程は、処理容器１０内を錯体ガスリッチな雰囲気として反応を進めるため、そのガス圧力は所定値以上であることが望ましい。具体的には、十分に錯体を形成させるために、ガスの圧力は０．１ｋＰａ以上１０１．３ｋＰａ以下が好ましく、更には、１．３３ｋＰａ以上１３．３ｋＰａ以下が好ましい。また、形成された金属錯体９７をウェハＷ上から蒸発させるために、ウェハＷは所定の温度以上とする必要がある。その温度は、対象とする遷移金属に応じて定められるが、例えば１００℃以上３５０℃以下が好ましく、更には、２００℃以上３００℃以下が好ましい。
そして、図３（ｄ）に示すようにガスエッチングが終了すると、それに伴い、工程ＳＴ７として、第２のガス供給管７０からの第２のガス（錯化ガス）の導入が停止され、第２のガスの排気が行われる。以上が方法ＭＴ１の工程ＳＴ５〜ＳＴ７である。
なお、図１を参照して上述したように、これらの工程ＳＴ１〜ＳＴ７を含むサイクルは複数回繰り返し行われる場合がある。これは、図３（ｂ）に示す膜ＭＬの酸化が、当該膜ＭＬの厚み方向において表面からの一部（表層部分）にしか達しないことがあるからである。図３（ｃ）に示す金属酸化層ＭＬＸでの錯体の形成（錯化）は、酸化された金属酸化層ＭＬＸにおいてのみ実現され得ることから、膜ＭＬの表面からの一部のみしか酸化されない場合、ガスエッチングもその範囲内のみで進行する。従って、膜ＭＬにおいてその厚み方向全てでガスエッチングを完了させるためには、上記工程ＳＴ１〜ＳＴ７を含むサイクルを繰り返すことが必要となる。
最終的にガスエッチングが完了したか否かについては、例えば処理容器１０内に設けられた質量分析計（ＱＭＳ）８０の検出に基づき判断される（工程ＳＴ８）。
以上説明した、本実施の形態に係る遷移金属膜のエッチング方法ＭＴ１によれば、酸化工程（工程ＳＴ１〜ＳＴ４）については、１００Ｐａ以下の圧力下で行われることが好ましく、更には、より垂直な加工形状を得るために１Ｐａ以下の条件で行われる。ここで被処理体（ウェハＷ）の温度は問わない。
一方、錯化エッチング工程（工程ＳＴ５〜ＳＴ７）については、十分に錯体を形成させるために、０．１ｋＰａ以上１０１．３ｋＰａ以下の条件で行われることが好ましく、更には、１．３３ｋＰａ以上１３．３ｋＰａ以下の条件で行われる。また、被処理体（ウェハＷ）の温度は１００℃以上３５０℃以下が好ましく、更には、２００℃以上３００℃以下がより好ましい。
即ち、ガスエッチングが高圧・高温の条件下において実施されるため、錯体反応速度が従来に比べ向上し、エッチング速度やスループットの向上が実現される。加えて、エッチングにおいてプラズマを用いず、錯化ガスを用いて形成した金属錯体を蒸発させることでエッチングを行っているため、エッチング生成物の被処理体への再付着や、デバイスへのダメージといった問題が生じることなくエッチングを行うことができる。
以上、本発明の実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上記実施の形態では、本発明に係るエッチング方法（方法ＭＴ１）を適用する基板処理装置１において、プラズマ源としてラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡＴＭ）を用いたマイクロ波プラズマ源を例に挙げて説明したが、本発明に係るエッチング方法を適用するに際し、そのプラズマ源はこれに限定されるものではない。即ち、例えば平行平板型（ＣＣＰ、ＩＣＰ等）のプラズマ処理装置に適用しても良い。また、酸化工程において、イオンビームを照射して異方的に酸化を行っても良い。
また、上記実施の形態では、本発明に係るエッチング方法（方法ＭＴ１）を適用する基板処理装置１として１チャンバ方式の装置を図示し説明したが、本発明の適用される装置構成はこれに限られるものではない。即ち、方法ＭＴ１において、酸化工程（工程ＳＴ１〜ＳＴ４）を行うチャンバ（処理容器）と、錯化エッチング工程（工程ＳＴ５〜７）を行うチャンバ（処理容器）を別チャンバとし、複数のチャンバを用いて方法ＭＴ１を実施しても良い。上述したように、方法ＭＴ１においては、工程ＳＴ１〜ＳＴ７を含むサイクルを繰り返すことで、エッチングが完了する場合がある。そのような場合には、各サイクル毎に酸化工程、錯化エッチング工程を行うチャンバをそれぞれ複数用意し、それら複数のチャンバにおいて被処理体（ウェハＷ）を順に搬送させて工程ＳＴ１〜ＳＴ７を含むサイクルを繰り返しても良い。
図５は、本発明に係るエッチング方法（方法ＭＴ１）を複数チャンバ方式にて実施する際のチャンバ構成の一例を示す概略説明図であり、（ａ）はインライン型、（ｂ）はクラスター型を示している。
図５（ａ）に示すインライン型の複数チャンバ方式の装置では、酸化工程を行うチャンバ（図中「酸化」と記載）と、錯化エッチング工程を行うチャンバ（図中「ガス」と記載）を交互に隣接して配置し、被処理体をこれら複数のチャンバで処理を行いつつ搬送することで最終的なエッチングが完了する。
図５（ｂ）に示すクラスター型の複数チャンバ方式の装置は、酸化工程を行うチャンバ（図中「酸化」と記載）と、錯化エッチング工程を行うチャンバ（図中「ガス」と記載）が互いに隣接するように略円環状に配置される。そして、例えば略円環状に構成された装置全体の中心に位置する搬送ロボット等の手段（図示せず）により、被処理体が各チャンバに搬送され、順に処理を行うことで最終的なエッチングが完了する。このような図５に示す構成において、チャンバ数は任意であり、最終的なエッチングが完了するような好適なチャンバ数を設定すれば良い。
なお、本発明において、１チャンバ方式、複数チャンバ方式のいずれの構成においてもチャンバの容積は特に限定されるものではないが、各種ガス（第１のガス、第２のガス）の導入及び排気を繰り返し行う必要があり、加えて、ガスの使用量を抑えることが望ましいといった観点から、チャンバ容積（処理容器容積）をできるだけ小さくすることが望ましい。特に複数チャンバ方式においては、錯化エッチング工程を行うチャンバは酸化工程を行うチャンバよりも高い圧力になるまでガスを導入する必要があるため、錯化エッチング工程を行うチャンバの容積は、酸化工程を行うチャンバの容積よりも小さいことが望ましい。
本発明は、遷移金属膜のエッチング技術に適用できる。
１…基板処理装置
１０…処理容器
２０…載置台
６０…第１のガス供給管
６１…第１のガス供給源
７０…第２のガス供給管
７３…第２のガス供給源
８０…質量分析計（ＱＭＳ）
９０…酸素イオン
９５…錯化ガスに含まれる分子
９７…金属錯体
Ｗ…ウェハ（被処理体）

Claims (12)

  1. 基板処理装置を用いて遷移金属膜を異方的にエッチングする方法であって、
    前記基板処理装置は、遷移金属膜を含む被処理体の処理を行う１又は複数の処理容器を有し、
    前記処理容器内に酸素イオンを含む第１のガスを導入し、酸素イオンを前記遷移金属膜に照射して当該遷移金属膜の遷移金属を酸化させて金属酸化層を形成させる酸化工程と、
    前記処理容器内に前記金属酸化層を錯化させるための第２のガスを導入し、当該金属酸化層において金属錯体を形成させてエッチングを行う錯化エッチング工程と、を備えることを特徴とする、遷移金属膜のエッチング方法。
  2. 前記基板処理装置は、前記処理容器内にプラズマを生成させるプラズマ源を備え、
    前記酸化工程においては、前記第１のガスのプラズマを生成させることにより酸素イオンを前記遷移金属膜に照射することを特徴とする、請求項１に記載の遷移金属膜のエッチング方法。
  3. 前記第２のガスは、β−ジケトン系ガスであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の遷移金属膜のエッチング方法。
  4. 前記錯化エッチング工程は、ガスの圧力が０．１ｋＰａ以上１０１．３ｋＰａ以下、且つ、前記被処理体の温度が１００℃以上３５０℃以下の条件下で行われることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の遷移金属膜のエッチング方法。
  5. 前記酸化工程は、ガスの圧力が１００Ｐａ以下の条件下で行われることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の遷移金属膜のエッチング方法。
  6. 前記酸化工程と前記錯化エッチング工程とを含むサイクルが繰り返し行われることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の遷移金属膜のエッチング方法。
  7. 前記被処理体は、前記遷移金属膜上にマスクを有しており、当該マスクは、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮのいずれかから構成されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の遷移金属膜のエッチング方法。
  8. 遷移金属膜を異方的にエッチングする基板処理装置であって、
    前記基板処理装置は、遷移金属膜を含む被処理体の処理を行う１又は複数の処理容器を有し、
    酸素イオンを前記遷移金属膜に照射して当該遷移金属膜の遷移金属を酸化させて金属酸化層を形成させるために、前記処理容器内に酸素イオンを含む第１のガスを導入する第１のガス供給源と、
    前記金属酸化層において金属錯体を形成させてエッチングを行うために、前記処理容器内に錯化ガスとしての第２のガスを導入する第２のガス供給源と、を備えることを特徴とする、基板処理装置。
  9. 前記処理容器内にプラズマを生成させるプラズマ源を備え、
    前記第１のガスのプラズマを生成させることにより酸素イオンを前記遷移金属膜に照射することを特徴とする、請求項８に記載の基板処理装置。
  10. 前記第２のガスは、β−ジケトン系ガスであることを特徴とする、請求項８又は９に記載の基板処理装置。
  11. 前記基板処理装置は、
    酸素イオンを前記遷移金属膜に照射して当該遷移金属膜の遷移金属を酸化させて金属酸化層を形成させるための第１のガスを導入する処理容器と、
    前記金属酸化層において金属錯体を形成させてエッチングを行うための第２のガスを導入する処理容器をそれぞれ個別に有することを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の基板処理装置。
  12. 前記金属酸化層において金属錯体を形成させてエッチングを行うための第２のガスを導入する処理容器の容積は、酸素イオンを前記遷移金属膜に照射して当該遷移金属膜の遷移金属を酸化させて金属酸化層を形成させるための第１のガスを導入する処理容器の容積に比べ小さいことを特徴とする、請求項１１に記載の基板処理装置。
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