JP2022524928A - 窒化ケイ素スペーサーの選択的エッチング中の形状制御を改善する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2019年2月1日に出願された米国特許出願第16/265,782号の利益を主張し、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
・i)のステップの後に、
反応チャンバーをポンプで排気して真空にするステップ、
反応チャンバーをN2でパージするステップ、
反応チャンバーをポンプで排気して真空にするステップ、及び
不活性ガスを反応チャンバーに導入して不活性ガスのプラズマを生成するステップ、
を更に含む;
・ii)のステップの後に、
反応チャンバーをポンプで排気して真空にするステップ、
反応チャンバーをN2でパージするステップ、
反応チャンバーをポンプで排気して真空にするステップ、及び
HFCを反応チャンバーに導入してHFCのプラズマを生成するステップ、
を更に含む;
・SiN層をHFCと不活性ガスとの混合ガスのプラズマに曝露させる;
・ゲートスタックの側壁のSiN層の少なくとも大部分が除去されない;
・ゲートスタックの側壁のSiN層の厚さの10%未満が除去される;
・ゲートスタックの側壁のSiN層の厚さの5%未満が除去される;
・ゲートスタックの側壁のSiN層の厚さの1%未満が除去される;
・ゲートスタックの側壁のSiN層の厚さの測定可能な減少がない;
・不活性ガスがN2、Ar、Kr、又はXeから選択される;
・不活性ガスがArである;
・HFCがC2H5Fである;
・HFCがC3H7Fである;
・基板がケイ素含有材料を含む;
・基板がシリコンである;
・構造がゲートスタックである;
・HFCプラズマがSiNと相互作用してCを多く含むポリマーを形成する(C:F>1);
・Cを多く含むポリマーがSiN層の上に堆積されたポリマー層である;
・HFCが構造上のSiN層を選択的にエッチングする;
・HFCが基板上のSiN層を選択的にエッチングする;
・構造に対するSiNの無限の選択性;
・ゲートスタックに対するSiNの無限の選択性;
・p-Si、SiO、SiON、及びSiCNに対するSiNの無限の選択性;
・ALEオーバーエッチングレシピが適用される;
・ALEオーバーエッチングレシピが、約10%のALEオーバーエッチングから約200%のALEオーバーエッチングまでの範囲である;
・ALEオーバーエッチングレシピが、約50%のALEオーバーエッチングから約200%のALEオーバーエッチングまでの範囲である;
・HFCガスを約1sccm~約10slmの範囲の流量で反応チャンバーに導入する;
・HFCガスを約1sccm~約100sccmの範囲の流量で反応チャンバーに導入する;
・不活性ガスを約1sccm~約10slmの範囲の流量で反応チャンバーに導入する;
・不活性ガスを約10sccm~約200sccmの範囲の流量で反応チャンバーに導入する;
・反応チャンバーが約1mTorr~約50Torrの範囲の圧力を有する;
・反応チャンバーが約1mTorr~約10Torrの範囲の圧力を有する;
・反応チャンバーが約300mTorr~約1Torrの範囲の圧力を有する;
・チャンバー内の基板温度が約-110℃~約2000℃の範囲である;
・チャンバー内の基板温度が約-20℃~約1000℃の範囲である;
・チャンバー内の基板温度が約25℃~約700℃の範囲である;
・チャンバー内の基板温度が約25℃~約500℃の範囲である;
・チャンバー内の基板温度が約25℃~約50℃の範囲である;
・反応チャンバーの壁の温度が約25℃~約100℃の範囲である;
・プラズマ処理時間が0.01秒から10000秒まで変化する;
・プラズマ処理時間が1秒から30秒まで変化する;
・N2パージ時間が1秒から10000秒まで変化する;
・N2パージ時間が10秒から60秒まで変化する;
・SiNスペーサーと基板との間の各コーナーにフーチングがほとんど全く形成されない;
・SiN層及び基板の近傍に残っている余分な材料が少ないか全くない;
・垂直方向に真っ直ぐなSiNスペーサー及びエッチフロントにフッ化物の残留物が残っていない;
・サイクルエッチング後の垂直方向に真っ直ぐなSiNスペーサーの表面及びエッチフロントの表面の表面粗さが、サイクルエッチング前と比較して改善されている;
・イオン衝撃プロセスでポリマー層を除去する;
・酸素含有ガスを添加するステップを更に含む;並びに
・酸素含有ガスがO2、O3、CO、CO2、NO、NO2、N2O、SO2、COS、H2O、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される。
・HFCが飽和又は不飽和の、直鎖又は環状のHFCである;
・約99体積%より高い純度を有する;
・約99.9体積%より高い純度を有する;
・微量ガス不純物を1体積%未満含む;
・微量ガス不純物が水を含む;
・微量ガス不純物がCO2を含む;
・微量ガス不純物がN2を含む;及び
・HFCエッチングガスの含水率が20ppmw未満である。
以下の詳細な説明及び特許請求の範囲は、当該技術分野で一般によく知られている複数の略語、記号、及び用語を利用しており、以下を含む:
CH3FサイクルALEプロセスは、最適化されたALE条件下で行った。図2を参照すると、エッチングガスはCH3Fであった。CH3Fを用いた堆積ステップ(ステップ1)は、RF出力75W、圧力300mTorr、Arガス流量100sccm、CH3F流量5sccmで行った。堆積ステップの反応時間は4秒であった。除去ステップ(ステップ2)は、RF出力50W、圧力500mTorr、Arガス流量100sccm、CH3Fなし、反応時間30秒で行った。ステップ1とステップ2の間のポンプ/N2パージ/ポンププロセス及びその逆の時間は90秒であった。図3は、CH3FについてのALEサイクルに対するエッチングされた厚さを示している。ALEサイクルの増加に伴い、SiNのエッチング厚さは深くなり、SiNのp-Si、SiO、及びSiONに対する選択性は高くなり、SiNのSiCNに対する選択性は変化しないままにすることができる。様々なALEサイクルでCH3Fを使用した1サイクルあたりのSiNのエッチング厚さが表1に記載されている。
C2H5FサイクルALEプロセスは、最適化されたALE条件下で行った。図2を参照すると、エッチングガスはC2H5Fであった。C2H5Fを用いた堆積ステップ(ステップ1)は、RF出力75W、圧力300mTorr、Arガス流量100sccm、C2H5F流量5sccmで行った。堆積ステップの反応時間は4秒であった。除去ステップ(ステップ2)は、RF出力50W、圧力500mTorr、Arガス流量100sccm、C2H5Fなし、反応時間35秒で行った。ステップ1とステップ2の間ポンプ/N2パージ/ポンププロセス及びその逆の時間は90秒であった。図4はC2H5FについてのALEサイクルに対するエッチングされた厚さを示している。ALEサイクルの増加に伴い、SiNのエッチング厚さは直線的に増加し、p-Si、SiO、及びSiONへのエッチングは生じなかった。C2H5FサイクルALEプロセスの結果は、p-Si、SiO、SiON、及びSiCNに対するSiNの非常に高い選択性、ほぼ無限の選択性を示している。
C3H7FサイクルALEプロセスは、最適化されたALE条件下で行った。図2を参照すると、エッチングガスはC3H7Fであった。C3H7Fを用いた堆積ステップ(ステップ1)は、RF出力75W、圧力300mTorr、Arガス流量100sccm、C3H7F流量5sccmで行った。堆積ステップの反応時間は4秒であった。除去ステップ(ステップ2)は、RF出力50W、圧力500mTorr、Arガス流量100sccm、C3H7Fなし、反応時間40秒で行った。ステップ1とステップ2の間、及びその逆のポンプ/N2パージ/ポンププロセスの時間は150秒であった。図5はC3H7FについてのALEサイクルに対するエッチングされた厚さを示している。エッチングされた厚さの量は、2.0~2.4nm/サイクルのエッチング速度で、ALEサイクル数と共に直線的に増加した。他の材料に対するSiNの無限のエッチング選択性も、最適化された条件下で得ることができる。様々なALEサイクルでC3H7Fを使用したサイクルあたりのSiNのエッチング厚さが表1に記載されている。
図1aに関し、エッチング前のSiNスペーサーパターン化ウェハーの寸法は以下の通りである:「a」は34nmであり;「b」は34nmであり;「c」は34nmである。基板102はSi基板である。エッチング後に懸念される主な要因は、Si基板への損傷、側壁の堆積、スペーサーと基板との間のコーナーにおけるフーチング、SiN層及び基板又はエッチフロントのフッ化物残留物、SiN層と基板又エッチフロントの表面粗さなどである。表2に、50%エッチング、100%エッチング、100%オーバーエッチング、及び200%オーバーエッチングなどの、様々なサイクルALEモードでCH3F及びC2H5Fを用いたSiNスペーサーのサイクルALE後のエッチフロントの厚さが記載されている。C2H5Fを用いたALE100%エッチング及びALE100%オーバーエッチングが最適化された結果が示されており、スペーサーの底部に形成されるフーチングが少ないか、全くないことが示されていることに着目される。
実施例4で示したC2H5Fを用いたALE100%エッチング及び100%オーバーエッチングを、TEMで更に試験した。
図6aは、C2H5Fを使用したそれぞれ100%のエッチング側壁及び100%のオーバーエッチング側壁を有するALE後のSiNスペーサーのEDSマッピングを示している(側壁の水平スキャン)。100%エッチングでは、オーバーエッチングは生じず、側壁にF残留物が生じない。100%オーバーエッチングでも、側壁にF残留物は生じない。
表4は、連続エッチングとサイクルALEの比較である。結果から、連続エッチングプロセスでは、Siリセスが2.9nmであり;側壁にポリマー層が形成され;フーチングが左コーナーで16.2nm、右コーナーで15.3nmであることが示されている。一方で、サイクルALEプロセスでは、結果から、Siリセスが4.1~4.2nmであり;最小限のポリマー層が側壁に形成され;フーチングが左で6.0nmであり、右で3.9nm形成されたことが示されている。連続エッチングと比較して、サイクルALEプロセスはフーチングを約75%低減させる。このように、サイクルALEプロセスでは、Siリセスと表面粗さが全て改善され、C2H5Fを使用してSiNスペーサーをエッチングする連続エッチングプロセスと比較して、フーチングがほとんど又は全く形成されない。本明細書では、フーチングがほとんど又は全くないことは、「d」≦約6nmによって定義することができる。
表面粗さ-平坦ウェハー上のSiNの薄膜のRMSを、C2H5Fを用いたサイクルALEの前後にAFMによって測定した。C2H5Fを用いたサイクルALEの前はRMS(二乗平均平方根)=2.9nmである。C2H5Fを用いたサイクルALEの後はRMS=1.1nmである。このように、C2H5Fを用いたサイクルALEの後に、より小さいRMSが達成された。これは、C2H5Fを用いたALEの改善された表面平滑化効果を示している。
Claims (20)
- 垂直方向に真っ直ぐなSiNゲートスペーサーを形成するためのサイクルエッチング法であって、
i)反応チャンバー内のケイ素含有基板上のゲートスタックを被覆しているSiN層を、C2H5FとC3H7Fとからなる群から選択されるヒドロフルオロカーボン(HFC)のプラズマに曝露して、前記SiN層の表面を改質する前記SiN層上に堆積されたポリマー層を形成するステップ;
ii)前記SiN層上に堆積された前記ポリマー層を不活性ガスのプラズマに曝露し、前記不活性ガスの前記プラズマが、エッチフロントの前記SiN層上に堆積された前記ポリマー層及び前記SiN層の前記改質表面を除去するステップ;並びに
iii)前記エッチフロントの前記SiN層が選択的に除去されるまでi)及びii)のステップを繰り返し、それにより、前記ゲートスタックの前記側壁に前記SiN層を含む実質的に垂直方向に真っ直ぐなSiNスペーサーを形成するステップ;
を含む方法。 - 前記i)のステップの後に、
前記反応チャンバーをポンプで排気して真空にするステップ;
前記反応チャンバーをN2でパージするステップ;
前記反応チャンバーをポンプで排気して真空にするステップ;及び
前記不活性ガスを前記反応チャンバーに導入して前記不活性ガスの前記プラズマを生成するステップ;
を更に含む、請求項1に記載のサイクルエッチング方法。 - 前記ii)のステップの後に、
前記反応チャンバーをポンプで排気して真空にするステップ;
前記反応チャンバーをN2でパージするステップ;
前記反応チャンバーをポンプで排気して真空にするステップ;及び
C2H5Fガス又はC3H7Fガスを前記反応チャンバーに導入してC2H5F又はC3H7Fのプラズマを生成するステップ、
を更に含む、請求項2に記載のサイクルエッチング方法。 - 前記繰り返しステップにおいて、前記ゲートスタックの前記側壁上の前記SiN層の厚さ(a2)の10%未満が除去される、請求項1~3のいずれか一項に記載のサイクルエッチング方法。
- 前記不活性ガスがArである、請求項1~3のいずれか一項に記載のサイクルエッチング方法。
- C2H5F及びC3H7Fが前記ゲートスタック上の前記SiN層を選択的にエッチングする、請求項1~3のいずれか一項に記載のサイクルエッチング方法。
- 前記垂直方向に真っ直ぐなSiNスペーサーと前記基板との間の各コーナーに形成されたフーチング(d)が6.0nm以下の大きさである、請求項1~3のいずれか一項に記載のサイクルエッチング方法。
- 前記垂直方向に真っ直ぐなSiNスペーサー及び前記エッチフロントにフッ化物残留物が残らない、請求項1~3のいずれか一項に記載のサイクルエッチング方法。
- 前記ステップii)において前記ポリマー層を除去するステップがイオン衝撃プロセスである、請求項1~3のいずれか一項に記載のサイクルエッチング方法。
- i)反応チャンバー内の基板上の構造を被覆しているSiN層をハイドロフルオロカーボン(HFC)のプラズマに曝露して、SiN層表面を改質するSiN層上に堆積されたポリマー層を形成するステップであって、前記HFCが、式CxHyFz(式中、x=2~5、y>zである)を有し、且つ飽和又は不飽和の、直鎖又は環状のHFCであるステップ;
ii)前記SiN層上に堆積された前記ポリマー層を不活性ガスのプラズマに曝露し、エッチフロントの前記SiN層上に堆積された前記ポリマー層と前記SiN層の前記改質された表面とを前記不活性ガスの前記プラズマによって除去するステップ;及び
iii)エッチフロントのSiN層が選択的に除去され、それによって前記構造の側壁上の前記SiN層を含む実質的に垂直方向に真っ直ぐなSiNスペーサーが形成されるまで、i)とii)のステップを繰り返すステップ;
を含む、サイクルエッチング方法。 - 前記i)のステップの後に、
前記反応チャンバーをポンプで排気して真空にするステップ;
前記反応チャンバーをN2でパージするステップ;
前記反応チャンバーをポンプで排気して真空にするステップ;及び
不活性ガスを前記反応チャンバーに導入して前記不活性ガスの前記プラズマを生成するステップ;
を更に含む、請求項10に記載のサイクルエッチング方法。 - 前記ii)のステップの後に、
前記反応チャンバーをポンプで排気して真空にするステップ;
前記反応チャンバーをN2でパージするステップ;
前記反応チャンバーをポンプで排気して真空にするステップ;及び
前記HFCを前記反応チャンバーに導入して前記HFCのプラズマを生成するステップ、
を更に含む、請求項11に記載のサイクルエッチング方法。 - 前記繰り返しステップにおいて、前記構造の前記側壁上の前記SiN層の厚さ(a2)の10%未満が除去される、請求項10~12のいずれか一項に記載のサイクルエッチング方法。
- 前記不活性ガスがN2、Ar、Kr、又はXeから選択される、請求項10~12のいずれか一項に記載のサイクルエッチング方法。
- 前記HFCがC2H5Fである、請求項10~12のいずれか一項に記載のサイクルエッチング方法。
- 前記HFCがC3H7Fである、請求項10~12のいずれか一項に記載のサイクルエッチング方法。
- 前記HFCが前記構造上の前記SiN層を選択的にエッチングする、請求項10~12のいずれか一項に記載のサイクルエッチング方法。
- 前記垂直方向に真っ直ぐなSiNスペーサーと前記基板との間の各コーナーに形成されたフーチング(d)が6.0nm以下の大きさである、請求項10~12のいずれか一項に記載のサイクルエッチング方法。
- 前記垂直方向に真っ直ぐなSiNスペーサー及び前記エッチフロントにフッ化物残留物が残らない、請求項10~12のいずれか一項に記載のサイクルエッチング方法。
- 前記ステップii)において前記ポリマー層を除去するステップがイオン衝撃プロセスである、請求項10~12のいずれか一項に記載のサイクルエッチング方法。
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