JP4764241B2

JP4764241B2 - ドライエッチング方法

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Publication number: JP4764241B2
Application number: JP2006113133A
Authority: JP
Inventors: 剛島田; 幸太郎藤本; 淳須山
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2006-04-17
Filing date: 2006-04-17
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2026-04-17
Also published as: JP2007287902A

Description

本発明は、半導体デバイスが形成される半導体ウェハのドライエッチング方法に係り、特に、半導体基板上に形成した金属膜に任意の深さで垂直な溝または穴を形成するのに好適なドライエッチング方法に関する。

近年の半導体デバイスでは、フラッシュメモリ素子の代わりに、新しい不揮発性メモリ素子が提案されている。この不揮発性メモリ素子は、例えば、相変化記憶素子であり、相変化により電気抵抗差を用いて情報を保存する半導体デバイスである（例えば、特許文献１参照）。

この様な相変化記憶素子の読み取りおよび書き込み動作の際、下部電極と相変化膜の接触面積が大きいと相変化に必要とされている電流量が増加し、これによって相変化記憶素子の書き込みおよび読み出し速度に影響する。そのため、相変化記憶セルの構造については、創意工夫がなされている（例えば、特許文献２参照）。

相変化記憶素子を形成する典型的な相変化記憶セルの構成としては、半導体基板上に形成された上部電極層、相変化膜、下部電極層の積層構造からなる。これら微細な回路を形成するには、しばしばプラズマドライエッチングが選択される。このうち下部電極と相変化膜を埋め込むコンタクトホールは、金属膜にある一定量の穴を開けて形成する。この穴の形状は、相変化膜との接触面積を小さくするため、垂直に形成することが必要である。

下部電極層の金属膜には、ＴｉＮが用いられており、この他にもＴｉＳｉＮ、ＴｉＡｌＮなどが選択される。これらのエッチングに関する従来方法は、エッチングガスとして、塩素（Ｃｌ_２）、四フッ化メタン（ＣＦ_４）、臭化水素（ＨＢｒ）などハロゲンガスを用いることが知られている。
特表平１１−５１０３１７号公報特開２００６−１９６８８号公報

図１２を用いて、相変化記憶素子の構造を説明する。図１２（ａ）に、コンタクトホールを形成する前の断面図を示す。下部電極層となるＴｉＮ膜１の周りにスペーサとなる窒化膜２と、この窒化膜２の周りに層間絶縁となる酸化膜３が形成されている。相変化膜を埋め込むコンタクトホールの形成には、ＴｉＮ膜１に任意の深さの穴を開ける必要がある。図１２（ｂ）に、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）と塩素（Ｃｌ_２）を混合したガスプラズマで、深さ１５０ｎｍをエッチングした断面形状を示す。図の様に、穴の内部は先細りとなってエッチングされている。

この先細り形状となる原因として、２つのことが考えられ、その事について図１３を用いて説明する。図１３（ａ）は、第１の原因である。ドライエッチングでは、一般にウェハを設置するステージにバイアス高周波電力をかけて、加速イオンと電子を交互にウェハへ引き込むことによりエッチングが行われる。溝または穴のエッチングの場合、電子は溝または穴内部に進入しにくくなり、溝または穴底部において正イオンでチャージアップするようになるいわゆる電子シェイディング現象が起こる。この結果、プラズマシース部で加速されたイオンは、チャージアップの影響で、入射イオンの一部分が溝または穴内部で直進せず、わずかに軌道が曲げられる。そのためイオンは、溝または穴の側壁に衝突し、エッチング加工が先細り形状になると考えられる。図１３（ｂ）は、第２の原因である。溝または穴間口のエッジ部に衝突したイオンがそのまま軌道を曲げられて、溝または穴の側壁に衝突し、エッチング加工が先細り形状になると考えられる。従来技術では、ＴｉＮ膜に溝または穴のエッチングで、先細り無く垂直形状に加工する方法については、開示されたものは無い。

ＴｉＮ膜のエッチングには、通常終点判定機構を用いてジャストエッチングを行い、そのまま継続してオーバーエッチングを行って形状を垂直にする手法がある。しかし、ＴｉＮ膜に任意の深さで垂直な溝または穴の形成を行うエッチングでは、この手法を用いることが出来ない。

この課題を解決するために、第１の発明は、エッチング方法において、エッチングは二つのステップに分かれ、第１のステップは、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）と塩素（Ｃｌ_２）を混合したガスプラズマでエッチングし、第２のステップは、四フッ化メタン（ＣＦ_４）を全ガス流量に対して１〜２％、酸素（Ｏ_２）を全ガス流量に対して９８〜９９％の割合で混合したガスプラズマでエッチング処理すること。第２のステップのエッチング処理圧力は１０〜２００Ｐａで行うこと。第２のステップのウェハ温度は１００〜４００℃で行うこと、第２のステップのバイアス高周波電力は０Ｗで行うことである。

第２の発明は、エッチング方法において、エッチングは三つのステップに分かれ、第１のステップは、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）と塩素（Ｃｌ_２）を混合したガスプラズマでエッチングし、第２のステップは、四フッ化メタン（ＣＦ_４）を全ガス流量に対して１〜２％、酸素（Ｏ_２）を全ガス流量に対して９８〜９９％の割合で混合したガスプラズマでエッチングし、第３のステップは、塩素（Ｃｌ_２）のみのガスプラズマでエッチング処理すること。第２のステップのエッチング処理圧力は１０〜２００Ｐａで行うこと。第２のステップのウェハ温度は１００〜４００℃で行うこと。第２のステップのバイアス高周波電力は０Ｗで行うことである。

本発明によれば、ＴｉＮ膜に任意の深さで垂直な溝または穴を形成する工程において、垂直なエッチング形状を得ることができる。

以下、本発明の実施例を、図１〜図１１を用いて説明する。エッチング装置としては、半導体基板上に形成されたウェハを、エッチングするウェハの処理装置において、プラズマ形成用ガスの供給を受け、ガスプラズマを発生し、基板上に形成された金属材料をエッチングするプラズマ処理装置を使用した。なお、プラズマエッチング処理装置としては、マイクロ波プラズマエッチング装置、誘導結合型プラズマエッチング装置、ヘリコン波プラズマエッチング装置、２周波励起平行平板型プラズマエッチング装置等が採用される。

図１は、本発明で用いる誘導結合型プラズマエッチング装置の断面図を示す。処理室内部は、プラズマ生成部を形成する石英もしくはアルミナの非導電性材料で成る放電部１２と、被処理物であるウェハ２２を載置する電極１６が配置された処理部１３とから成る。処理部１３はアースに接地されており、電極１６は絶縁材を介して処理部１３に取り付けられる。放電部１２は、プラズマを生成するため、誘導結合アンテナ１１ａ／１１ｂと、整合器１４と、第１の高周波電源２０等が取り付けられている。本実施例は典型的な例として、放電部１２の外周にコイル状の誘電結合アンテナ１１ａ／１１ｂを配置したエッチング装置を使用した。処理室内部には、ガス供給装置１５から処理ガスが供給される一方で、排気装置１８によって所定の圧力に減圧排気される。ガス供給装置１５より処理室内部に処理ガスを供給し、該処理ガスを誘導結合アンテナ１１ａ／１１ｂにより発生する電界の作用によってプラズマ化する。また、プラズマ１７中に存在するイオンをウェハ２２上に引き込むために、電極１６に第２の高周波電源２１によりバイアス電圧を印加する。発光モニタリング装置２３は、発光するエッチングガスの強度または反応生成物の発光強度の変化をとらえてエッチングの終点を定める。放電部１２の外壁と誘導結合アンテナ１１ａ／１１ｂの間にはファラデーシールド１９が設けられ、電極１６の周囲にはサセプタ２４が、処理部１３の内面には、インナーカバー２５が設けられる。

図２を用いて、プラズマ処理装置を複数台備えた半導体処理装置の装置構成を説明する。半導体処理装置は、エッチング処理室３０と、アッシング処理室３１と、大気ローダ３２と、ロードロック室３３と、アンロードロック室３４と、真空搬送室３５と、真空搬送ロボット３６とを備えて構成される。大気ローダ３２上には、ウェハを設置する第１のカセット３７と第２のカセット３８とダミー基板を設置する第３のカセット３９とが設置されるように構成される。

大気ローダ３２は、ロードロック室３３とアンロードロック室３４と連結しており、ロードロック室３３とアンロードロック室３４は真空搬送室３５と連結した構成となっている。真空搬送室３５には、エッチング処理室３０とアッシング処理室３１とが接続されている。ウェハは大気ローダ３２と真空搬送ロボット３６により搬送されエッチング処理室３０でエッチング処理され、アッシング処理室３１でアッシング処理される。大気ローダ３２上には、ウェハ２２を設置する第１のカセット３７と第２のカセット３８とダミー基板を設置する第３のカセット３９とがあり、ウェハは随時エッチング処理室３０およびアッシング処理室３１に搬送され、エッチング処理およびアッシング処理後は元の位置に戻るシステムになっている。

従来の技術では、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）と塩素（Ｃｌ_２）を混合したガスプラズマを用いて、ＴｉＮ膜１に溝または穴をエッチング加工した場合、前述の図１２（ｂ）の様に、穴の内部は先細りとなってエッチングされる。任意の深さを得るには、このエッチングが必要であるが、垂直形状を得るのが難しい。そこで、本発明では、任意の深さをエッチングした後、側壁部に残っているＴｉＮ膜を除去する手法を見出した。ＴｉＮ膜１の深さを変えることなく側壁部を除去するためには、縦方向にはエッチングせず、横方向へエッチングする等方性エッチングが必要である。この際、側壁のＴｉＮ膜を除去するとともに、窒化膜２および酸化膜３に対しては、選択的にエッチングする必要がある。これらの条件を満たすには、酸素（Ｏ_２）と四フッ化メタン（ＣＦ_４）を混合したガスプラズマで、処理圧力を高く、ウェハ温度を高く、バイアス高周波電力を与えないことで、図３に示す様に側壁部を除去した形状を得ることが成し遂げられる。

図４の図表を用いて、本発明のエッチング方法における処理条件を説明する。すなわち、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）と塩素（Ｃｌ_２）を混合したガスプラズマを用いて、ＴｉＮ膜１に溝または穴をエッチング加工する第１のステップでは、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）１０（ｍｌ／ｍｉｎ）と塩素（Ｃｌ_２）２５０（ｍｌ／ｍｉｎ）の混合ガスを用いて、処理圧力２．４Ｐａ、ソース高周波電力５００Ｗ、バイアス高周波電力２０Ｗ、ファラデーシールド電圧９００Ｖ、コイル電流比０．８、電極温度４０℃、エッチング時間８０秒で行う。次いで、酸素（Ｏ_２）と四フッ化メタン（ＣＦ_４）を混合したガスプラズマを用いて、側壁のＴｉＮ膜を除去するとともに、窒化膜２および酸化膜３に対して選択的にエッチングする第２のステップでは、酸素（Ｏ_２）４９５（ｍｌ／ｍｉｎ）と四フッ化メタン（ＣＦ_４）５（ｍｌ／ｍｉｎ）の混合ガスを用いて、処理圧力１０．０Ｐａ、ソース高周波電力１８００Ｗ、バイアス高周波電力０Ｗ、ファラデーシールド電圧９００Ｖ、コイル電流比０．８、電極温度２００℃、エッチング時間２０秒で行った。

図５の特性図を用いて、第２のステップにおける酸素（Ｏ_２）と四フッ化メタン（ＣＦ_４）の混合比率に対するＴｉＮ膜のエッチングレートとＴｉＮ膜／酸化膜選択比およびＴｉＮ膜／窒化膜との選択比を示す。

四フッ化メタン（ＣＦ_４）の比率を多くすると、ＴｉＮエッチングレートが速くなっているが、窒化膜および酸化膜との選択比が減少している。すなわち、窒化膜および酸化膜との選択比を得るためには、四フッ化メタン（ＣＦ_４）を全ガス流量に対して１〜２％、酸素（Ｏ_２）を全ガス流量に対して９８〜９９％の割合で混合させることが必要である。

図６および図７の特性図を用いて、処理圧力およびウェハ温度に対するＣＤシフト量を説明する。なお、この時のＣＤシフト量は、図８に示す様に、穴間口の寸法ａから穴底部の寸法ｂを引いたものと規定した。

実験結果より、Ｏ_２：ＣＦ_４＝４９５：５の時も、Ｏ_２：ＣＦ_４＝４９０：１０の時も、ともに処理圧力は、１０〜２００Ｐａの範囲内でＣＤシフト量２ｎｍ以下、ウェハ温度は、１００〜４００℃の範囲内でＣＤシフト量２ｎｍ以下が得られた。なお、いずれの条件もバイアス高周波電力は０Ｗで行った。

これらの実験結果に基づいて、得られた処理条件でステップ２を実行することによって、側壁に残っているＴｉＮ膜の除去を行った。図３のエッチング後の断面形状に示す様に、垂直な加工形状を得ることが出来た。なお、本実施例は、直径１００ｎｍの穴に対しエッチングを行ったが、溝に対しても同様な結果が得られる。

前述した実施例１で、金属膜の材質や品質によっては、図９に示す様にエッチング残渣が発生する場合がある。これは、酸素（Ｏ_２）と四フッ化メタン（ＣＦ_４）を混合したガスプラズマのエッチング時に、僅かながら縦方向にもエッチングが進行しており、前記混合ガスではエッチング出来ない酸化チタンなどが析出しているものと考えられる。そこで、この実施例では、処理を追加することによってこの残渣を除去し得ることを見出した。すなわち、残渣を除去するためには、塩素（Ｃｌ_２）のみのガスプラズマで追加エッチングすることにより成し遂げられる。

図１０を用いて、実施例１における第２のステップの後に塩素系ハロゲンガスを用いた第３のステップによって残渣除去を行った断面形状を説明する。図１０（ａ）は、第３のステップを三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）のみのガスプラズマでエッチングした結果である。残渣は残っており、試料表面に付着物が見られる。図１０（ｂ）は、第３のステップを三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）と塩素（Ｃｌ_２）を混合したガスプラズマでエッチングした結果である。残渣は低減しているが、まだ残っている。図１０（ｃ）は、第３のステップを塩素（Ｃｌ_２）のみのガスプラズマでエッチングした結果である。残渣はきれいに除去されている。

以上のように、ＴｉＮ膜上に残渣が発生した場合、塩素（Ｃｌ_２）のみのガスプラズマでエッチングすることにより、残渣の除去が可能となる。図１１を用いてこの時のエッチング条件を説明する。すなわち、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）と塩素（Ｃｌ_２）を混合したガスプラズマを用いて、ＴｉＮ膜１に溝または穴をエッチング加工する第１のステップでは、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）１０（ｍｌ／ｍｉｎ）と塩素（Ｃｌ_２）２５０（ｍｌ／ｍｉｎ）の混合ガスを用いて、処理圧力２．４Ｐａ、ソース高周波電力５００Ｗ、バイアス高周波電力２０Ｗ、ファラデーシールド電圧９００Ｖ、コイル電流比０．８、電極温度４０℃、エッチング時間８０秒で行う。次いで、酸素（Ｏ_２）と四フッ化メタン（ＣＦ_４）を混合したガスプラズマを用いて、側壁のＴｉＮ膜を除去するとともに、窒化膜２および酸化膜３に対して選択的にエッチングする第２のステップでは、酸素（Ｏ_２）４９５（ｍｌ／ｍｉｎ）と四フッ化メタン（ＣＦ_４）５（ｍｌ／ｍｉｎ）の混合ガスを用いて、処理圧力１０．０Ｐａ、ソース高周波電力１８００Ｗ、バイアス高周波電力０Ｗ、ファラデーシールド電圧９００Ｖ、コイル電流比０．８、電極温度２００℃、エッチング時間２０秒で行った。最後に、残渣を取り除く第３のステップでは、塩素（Ｃｌ_２）１００（ｍｌ／ｍｉｎ）の処理ガスを用いて、処理圧力０．５Ｐａ、ソース高周波電力６００Ｗ、バイアス高周波電力０Ｗ、ファラデーシールド電圧９００Ｖ、コイル電流比０．８、電極温度２００℃、エッチング時間３０秒で行う。

実施例１および実施例２は、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）と塩素（Ｃｌ_２）を混合したガスプラズマのエッチング時と、酸素（Ｏ_２）と四フッ化メタン（ＣＦ_４）を混合したガスプラズマのエッチング時とは、電極温度が違うため別々のエッチング処理室を使用した。しかし、ウェハ温度を瞬時に変更することが出来れば、同一のエッチング処理室でも処理可能である。本発明では、同一のエッチング処理室で、ウェハ温度をエッチングのステップ間で、瞬時に変更できることを見出した。通常ウェハ温度をコントロールする場合、ウェハを設置するステージは、静電力によりステージとウェハを吸着保持する静電チャック機能を付加しており、ステージとウェハとの間に冷却ガスを導入して任意の温度へ冷却している。瞬時にウェハ温度を変更するには、この冷却ガスを流さないことで成し遂げられる。図１１のエッチング条件で例えると、ステップ１の電極温度４０℃で冷却ガスを流すとウェハ温度は４５℃となり、ステップ２の電極温度４０℃で冷却ガスを流さないとウェハ温度は１３０℃となり、等方性エッチングに必要なウェハ温度１００〜４００℃を得ることができる。この様に、同一エッチング処理室でもステップ間でウェハ温度が変更できるため、一つしか処理室を有しないエッチング装置でも処理可能となる。

また、ウェハ温度を１００〜４００℃にすることが可能であれば、エッチング室に限らずアッシング室でも処理可能である。図１１のエッチング条件で例えると、ステップ１をエッチング室でエッチングを行い、そのまま真空搬送ロボットでアッシング室へ搬送し、ステップ２をアッシング室で側壁に残っているＴｉＮ膜の除去を行う。このため、エッチング室、アッシング室それぞれ一つしか有しないエッチング装置でも処理可能となる。

本発明にかかるドライエッチング方法が適用されるプラズマ処理装置の構造の例を模式的に示す断面図。本発明にかかるドライエッチング方法が適用されるプラズマ処理装置の構造の例を模式的に示す図。本発明にかかるドライエッチング方法によって得られたウェハの断面形状を説明する図。本発明にかかるドライエッチング方法の実施例１におけるエッチング条件を説明する図表。本発明にかかるドライエッチング方法の実施例１におけるエッチング結果を説明する特性図。本発明にかかるドライエッチング方法の実施例１における処理圧力とＣＤシフト量の関係を説明する特性図。本発明にかかるドライエッチング方法の実施例１におけるウェハ温度とＣＤシフト量の関係を説明する特性図。ＣＤシフト量の定義を説明する図。本発明にかかるドライエッチング方法における残渣の発生を説明する断面図。本発明にかかるドライエッチング方法の実施例２におけるエッチング結果を説明する断面図。本発明にかかるドライエッチング方法の実施例２であるエッチング条件を説明する図表。ドライエッチングによって形成されるウェハの断面形状を説明する断面図。ドライエッチングのよって生じる先細り形状の原因を説明する図。

符号の説明

１：ＴｉＮ膜、２：窒化膜、３：酸化膜、１１ａ／１１ｂ：誘導結合アンテナ、１２：放電部、１３：処理部、１４：整合器、１５：ガス供給装置、１６：電極、１７：プラズマ、１８：排気装置、１９：ファラデーシールド、２０：第１の高周波電源、２１：第２の高周波電源、２２：ウェハ、２３：発光モニタリング装置、２４：サセプタ、２５：インナーカバー、３０：エッチング処理室、３１：アッシング処理室、３２：大気ローダ、３３：ロードロック室、３４：アンロードロック室、３５：真空搬送室、３６：真空搬送ロボット、３７：第１のカセット、３８：第２のカセット、３９：第３のカセット

Claims

ＴｉＮ膜の周囲にスペーサとなる窒化膜とその外側に層間絶縁膜を配置したウェハの前記ＴｉＮ膜からなる金属膜に溝または穴の形成を行うドライエッチング方法において、
三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）と塩素（Ｃｌ_２）を混合したガスを用いて、前記ＴｉＮ膜をプラズマエッチングして任意の深さの溝または穴を形成する第１の工程と、
酸素（Ｏ_２）と四フッ化メタン（ＣＦ_４）を混合したガスを用いて、前記任意の深さまでプラズマエッチングされたＴｉＮ膜の深さを維持したまま、前記第１の工程により側壁部に残っているＴｉＮ膜を除去する第２の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。
請求項１記載のドライエッチング方法において、
前記第２の工程は、バイアス高周波電力を０Ｗにすることを特徴とするドライエッチング方法。
請求項１記載のドライエッチング方法において、
前記第２の工程は、前記バイアス高周波電力を０Ｗにし、プラズマエッチング処理圧力を１０〜２００Ｐａにし、前記四フッ化メタン（ＣＦ_４）のガス流量を前記酸素（Ｏ _２）と前記四フッ化メタン（ＣＦ _４）の混合ガスに対して１〜２％にすることを特徴とするドライエッチング方法。
請求項１記載のドライエッチング方法において、
塩素ガス（Ｃｌ _２）のみを用いて、前記第２の工程後に側壁部に残っていたＴｉＮ膜が除去された溝または穴をプラズマエッチングする第３の工程を有することを特徴とするドライエッチング方法。