JP5492557B2 - 半導体基板を均一にエッチングするためのガス噴射 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体基板を均一にエッチングするためのガス噴射に関する。
改良された限界寸法均一性で半導体基板をエッチングする方法を提供する。この方法は、プラズマエッチングチャンバ内の基板支持体上に半導体基板を支持することと、第１のエッチングガスを半導体基板の上の中央領域に供給することと、少なくとも１種類のシリコン含有ガスを含む第２のガスであって、第２のガス中のシリコン濃度が第１のエッチングガス中のシリコン濃度より高い第２のガスを、半導体基板の上の中央領域を囲む周辺領域に供給することと、第１のエッチングガスおよび第２のガスからプラズマを発生させることと、半導体基板の露出面をプラズマエッチングすることとを含む。
集積回路などの半導体ベースの製品を製造する間に、ウェーハなどの半導体基板上での材料層の堆積または除去のためにエッチング工程および／または堆積工程が使用されうる。従来のエッチング方法は、材料層のプラズマエッチングを達成するために、プラズマ状態に励振された１種類または複数種類のエッチングガスを使用することを含む。エッチングによって形成されるフィーチャには、例えば、開口、ビア、トレンチ、およびゲート構造が含まれる。
多くのプラズマエッチングの応用例は、不動態化層の生成に依拠して所望のフィーチャプロファイルを得る。プロファイル制御の主たるメカニズムは、エッチング反応と堆積反応のバランスを必要とする。一般に、エッチング反応は、入力電力、圧力、およびガス流量などの反応チャンバパラメータにより直接的に制御される。シリコンウェーハのプラズマエッチングでは、エッチング反応生成物が主たる堆積源であり、その結果として堆積メカニズムは間接的に制御される。
限界寸法（ＣＤ）は、所与の技術を用いて半導体デバイス／回路製造中に形成することができる最小の幾何学的フィーチャ（例えば、相互接続線、接点、トレンチなどの幅）の寸法である。限界寸法均一性は、ウェーハの中央でのフィーチャの限界寸法が、ウェーハの縁部付近のフィーチャの限界寸法と同じ場合にもたらされる。限界寸法がほぼ完全な程度まで均一であり、ウェーハの中央付近でエッチングされたフィーチャがウェーハの縁部付近でエッチングされた同等のフィーチャと実質的に均一であることが大変望ましい。というのは、もしそうでなければ、製作される集積回路が望ましい特性からはずれた電子的特性を有することになるからである。ウェーハの直径が増大するごとに、ますます大型化するウェーハ全体にわたって形成される集積回路の均一性を確保するという問題はより困難になる。
種々のエッチングガス化学物質が、エッチングの応用例で使用される。例えば、ＨＢｒ−Ｏ２のエッチングガス化学物質を使用する場合は、不動態化層は主としてＳｉＸＢｒＹＯＺから成る。Ｃｌ２−Ｏ２エッチングガス化学物質の場合は、不動態化層は主としてＳｉＸＣｌＹＯＺから成る。不動態化層の他の成分は、Ｎ、Ｃ、Ｈ、およびＦを含むことができる。さらに、シリコンウェーハおよび／または石英成分などのチャンバの材料をエッチングする結果、揮発性のシリコンエッチング副産物が不動態化層の中に組み込まれる。
シリコンウェーハおよび／またはチャンバの材料などのシリコン源をエッチングすることにより、シリコンが不動態化層の中に組み込まれることがある。このようなシリコン源は、エッチングガス化学物質により直接制御できない二次的生成物である。さらに、揮発性のシリコンエッチング副産物はウェーハ面から真空排気ポートに向かって運ばれるので、シリコンを含む副産物がウェーハ面上に堆積する可能性には限界がある。そのうえ、揮発性のシリコンエッチング副産物は、プラズマ領域の中で、シリコンを含む副産物がウェーハ面上に堆積する可能性がより大きい反応性物質に解離する可能性がある。シリコンを含む副産物がウェーハ面上に堆積すると、ウェーハ全体にわたってシリコン副産物濃度が不均一になり、エッチングされたフィーチャの限界寸法が不均一性になることがある。
提供されるのは、改良された限界寸法均一性で半導体基板をエッチングする方法である。この方法は、プラズマエッチングチャンバ内の基板支持体上に半導体基板を支持することと、第１のエッチングガスを半導体基板の上の中央領域に供給することと、少なくとも１種類のシリコン含有ガスを含む第２のガスであって、第２のガス中のシリコン濃度が第１のエッチングガス中のシリコン濃度より高い第２のガスを、半導体基板の上の中央領域を囲む周辺領域に供給することと、第１のエッチングガスおよび第２のガスからプラズマを発生させることと、半導体基板の露出面をプラズマエッチングすることとを含む。好ましくは、半導体基板の中央付近でエッチングされたフィーチャは、半導体基板の縁部付近でエッチングされた同等のフィーチャと実質的に均一である。
例示的なシリコン含有ガスは、例えば、ＳｉＣｌ４、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨ３Ｃｌ、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ３ＣＨ３、ＳｉＨ（ＣＨ３）３、ＳｉＦ４、ＳｉＢｒ４、テトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）、またはそれらの混合物を含む。少なくとも１種類のシリコン含有ガスを含む第２のガスは、（１）例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、またはそれらの混合物などの不活性キャリアガス、（２）例えば、Ｃｌ２、ＣＸＦＹ、ＨＢｒ、ＣＸＦＹＨＺ、ＳＦ６、ＨＣｌ、または、例えばＳＦ６とＣＨ２Ｆ２の混合物など、それらの混合物などのエッチングガス、および／または（３）例えば、Ｏ２、Ｈ２、またはそれらの混合物などの不動態化ガスをさらに含むことができる。
第１のエッチングガスは、シリコンを含んでも含まなくてもよい。この方法は、（１）周辺領域に供給される第２のガスの量、（２）周辺領域に供給されるシリコンの量、および／または（３）第２のガス中のシリコン濃度と第１のエッチングガス中のシリコン濃度との比、を調節することをさらに含むことができる。
半導体基板の露出面はシリコン層を含むことができ、それは、窒化シリコン、酸化シリコン、または酸窒化シリコンのマスク層などのマスクの下の、単結晶シリコンウェーハの一部であることができる。あるいは、シリコン層は、単結晶シリコンウェーハなどの基板上のエピタキシャル層、歪みシリコン層、またはシリコン−ゲルマニウム層であることができる。シリコン層はシリコンウェーハ上の多結晶シリコンの層を含むことができ、この多結晶シリコン層は、下にあるゲート酸化物と、上にある窒化シリコン、酸化シリコン、または酸窒化シリコンのマスク層などの固いかまたは柔らかいマスク層、あるいはフォトレジストとの間にある。あるいは、この開示されたエッチング方法は、例えば、多結晶シリコンゲート、メタルゲート、高い比誘電率（Ｋ）のＷおよびＷＳｉゲート、およびスペーサのエッチングなど、さらなるエッチング応用例に応用することができる。
例えば、３００ｍｍウェーハに対して、エッチングされたフィーチャは５０ｎｍ未満（例えば、４５ｎｍ、２５ｎｍ、１８ｎｍ、など）でありかつ１．５ｎｍ３σ以下の不均一性を有することが好ましい。
プラズマは、ラムリサーチコーポレーション（Ｌａｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から入手可能で誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）反応器とも呼ばれるトランス結合プラズマ（ＴＣＰ（商標））反応器の中で生成される高密度プラズマであることが好ましい。
ここで開示する方法は、反応器の壁の中の出口に接続された真空ポンプにより所望の真空圧に維持された誘導結合プラズマ反応器の中で実施されることが好ましい。エッチングガスは、ガス供給源から誘電体窓の下側の周囲に延在するプレナムにガスを供給することにより、シャワーヘッドまたは噴射器の装置に供給することができる。高密度プラズマは、ＲＦ源から、反応器上部の誘電体窓の外側にある１つまたは複数の巻数を有する平面または非平面コイルなどの外部ＲＦアンテナにＲＦエネルギーを供給することにより、反応器内で発生させることができる。プラズマ発生源は、反応器の上端の上に真空気密状態で取り外し可能に装着されたモジュール装着装置の一部であることができる。
ウェーハは、反応器の中で、反応器の側壁からモジュール装着装置により取り外し可能に支持された片持ち梁チャック装置などの基板支持体上に支持することができる。このような基板支持体は、基板支持体／支持アーム組立体の全体を、反応器側壁の開口を通してこの組立体を通過させることにより、反応器から取り外すことができるように、片持ち梁のように装着された支持アームの一端にある。基板支持体は静電チャックなどのチャック装置を含むことができ、基板を誘電収束リングで囲むことができる。チャックは、エッチングプロセス中に基板にＲＦバイアスをかけるためのＲＦバイアス電極を含むことができる。ガス供給源により供給されたエッチングガスは、窓と、下にあるガス分配プレートとの間のチャネルを通って流れ、ガス分配プレート内のガスの出口を通ってチャンバの内部に入ることができる。また、反応器はガス分配プレートから延在する加熱されたライナーを含むことができる。
あるいは、エッチングガスは、本願と同一譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２００３／００７０６２０号に開示されているように、誘電体窓の中に装着されたマルチゾーンガス噴射器により供給することができる。同特許の開示を参照によりその全体を本明細書に組み込む。図１Ａおよび図１Ｂは、プロセスガスが基板面に垂直な軸方向に供給される中央領域にプロセスガスを供給するための軸上噴射口１２４と、プロセスガスが基板に垂直でない斜め方向に供給される周辺領域にプロセスガスを供給するための軸外噴射口１２６とを含むマルチゾーンガス噴射器を示す。それぞれの管路の中のガス流量を制御するために、可変流量制限器１３６ａ、７３６ｂなどの流量制御器を、異なる噴射ゾーンをもたらす別々のガス管路のそれぞれの中に設置することができる。機器１３６ａ、１３６ｂは、手動で設定することができるか、または適切な電子制御により自動的に操作することができる。流量制限器１３６ａ、１３６ｂの設定を別々に変えることにより、２つの出口１２４、１２６を通る流量の比を変化させることができる。別の実施形態は、複数の出口および可変流量制限バルブ、および／または固定の制限器およびバルブのネットワークを含み、それらは、それぞれの噴射ゾーンに対する全コンダクタンスを１つまたは複数のプリセットされた動的制御値に調節することを可能にする。
図１Ａでは、中央のガス噴射口１２４は中央内腔１２５の延長として示されている。例えば、内腔１２５の上端は、米国特許第６０５２１７６号の中で開示されるようにランプ、分光計、光ファイバおよびレンズ装置などのモニタ用機器１２９と通じるように配置された窓１２７により封止することができる。同特許の開示を参照によりその全体を本明細書に組み込む。このような装置では、軸上の出口１２４は、軸外の出口１２６より大きな直径を有することが好ましい。図１Ｂでは、軸上の出口１２４は内腔１２５より小さな直径を有する。軸上の出口１２４と軸外の出口１２６の相対的なサイズは、所望のガス流量配分を得るために選択することができる。例えば、軸外の出口１２６の全断面積は、軸上の出口１２４の全断面積より小さくても、等しくても、または大きくてもよい。
種々のガスの流量が、プラズマ反応器のタイプ、電力の設定、反応器内の真空圧、プラズマ源に対する解離速度ほか、などの要因に左右されることは当業者には明らかであろう。
反応器の圧力は、反応器内のプラズマを持続するのに適切なレベルに維持されることが好ましい。一般に、あまりに低い反応器の圧力はプラズマの消滅につながることがあるが、高密度エッチング反応器内では、あまりに高い反応器の圧力はエッチストップ障害につながることがある。高密度プラズマ反応器に対して、反応器は１００ｍＴｏｒｒ未満の圧力であることが好ましい。ＴＣＰ（商標）反応器内で高密度プラズマを発生させるための典型的なプロセスレジーム（ｒｅｇｉｍｅ）は、約４５０Ｗの電力、６０ＶのＲＦバイアス、５〜７０ｍＴの圧力、および５０〜１０００ｓｃｃｍのガス流速を含む。エッチングされている半導体基板でのプラズマ閉込めのため、基板面の真空圧は反応器に対する真空圧の設定より高くなる可能性がある。
エッチングされている半導体基板を支持する基板支持体は、基板上のいずれかのフォトレジストを燃焼させて望ましくない反応ガスラジカルを形成するなどの有害な副反応を防止するのに十分なだけ基板を冷却することが好ましい。高密度プラズマ反応器内では、基板支持体の中で液体を循環させて、基板温度を−１０〜＋８０℃に維持すれば十分である。基板支持体は、基板処理中に基板にＲＦバイアスをかけるための底部電極と、基板をクランプするためのＥＳＣとを含むことができる。例えば、基板は、静電的にクランプされ、ウェーハとＥＳＣの上面との間に所望の圧力でヘリウム（Ｈｅ）を供給することにより温度制御されたシリコンウェーハを含むことができる。ウェーハを所望の温度に維持するために、ウェーハとチャックの間の空間において、このＨｅを２〜３０Ｔｏｒｒの圧力に維持することができる。
反応器の上部の誘電体窓を通して、例えば誘電体窓近くの側壁を通して、チャックを通して、または基板保持器の外半径を通してガスを噴射させることにより、特定のガス化学物質を基板の周辺に供給することができる。特に、縁部ガス噴射に有用なプラズマチャンバの一実施形態を示す図２を参照すると、特定のガス化学物質はプラズマチャンバの側壁を通して噴射器２０により供給され、流線２１に沿って流れることができ、一方、他のガス化学物質はプラズマチャンバの天井を通してシャワーヘッドノズル２３により供給され、流線２４に沿って流れることができる。特定のガス化学物質のより多くを基板の周辺に供給するためのガス噴射器の種々の例を上で記載してきたが、基板の中央におけるよりも基板の周辺においてより多くのシリコン含有ガスを供給することができる任意の適切なガス供給装置が、図３および図４を参照して記載されるエッチングプロセス用に使用することができる。
図３は、プラズマエッチングチャンバ内の半径方向のＳｉＣｌＸの濃度プロファイルを示す図であり、半導体基板上のシリコン層はＣｌ２から形成されるプラズマでエッチングされる。エッチング反応によるＳｉＣｌＸ濃度３１０は、半導体基板３２０および反応器の中央３３０の上で最大になる。半径が大きくなるにつれて、ＳｉＣｌＸの化学種のポンプアウト（ｐｕｍｐｏｕｔ）３４０およびチャンバ壁３５０への堆積反応によるＳｉＣｌＸの化学種の損失により、ＳｉＣｌＸの化学種の濃度は減少する。
図４は、プラズマエッチングチャンバ内の半径方向のＳｉＣｌＸの濃度プロファイルを示す図であり、半導体基板上のシリコン層がＣｌ２から形成されるプラズマでエッチングされ、シリコン含有ガスがプラズマエッチングチャンバの周辺領域に供給される。図３と同様に、エッチング反応によるＳｉＣｌＸ濃度４１０は半導体基板４２０および反応器の中央４３０の上で最大になり、半径が大きくなるにつれて、ＳｉＣｌＸの化学種のポンプアウト４４０およびチャンバ壁４５０への堆積反応によるＳｉＣｌＸの化学種の損失により、ＳｉＣｌＸの化学種の濃度は減少する。しかし、プラズマエッチングチャンバの周辺領域へのシリコン含有ガス供給によるＳｉＣｌＸ濃度４６０は、総合的なＳｉＣｌＸ濃度４７０における半径方向の変化を著しく減少させる。
いかなる理論にも拘束されようとは思わないが、総合的なＳｉＣｌＸ濃度における半径方向の変化が減少すると、半導体基板に対する不動態化化学種のフラックスの均一性が改善され、それによりエッチングプロセスにおける半径方向の限界寸法均一性が改善されると考えられる。より一般的には、シリコンを含む不動態化化学種は、エッチングされたフィーチャの側壁を不動態化する。このシリコンを含む不動態化化学種はプラズマエッチングに起因する（すなわち、半導体基板から生じる）ことができ、かつ／または第２のガス中のシリコン含有ガスであることができる。好ましくは、例えば、プラズマがＣｌ２から形成され、ＳｉＣｌＸがエッチングされたフィーチャの側壁を不動態化する場合などは、エッチングガスは塩素を含む。
種々の実施形態が記載されてきたが、当業者には明らかなように複数の変形および変更を用いることができることを理解されたい。そのような変形および変更は、本明細書に添付された特許請求の範囲の中にあるものと考えられる。
Claims (16)
- 改良された限界寸法均一性で半導体基板をエッチングする方法であって、
誘導結合プラズマエッチングチャンバ内で基板支持体上に半導体基板を支持することと、
前記半導体基板の上の中央領域に少なくとも１種類のシリコン含有ガスを含む第１のエッチングガスを供給することと、
少なくとも１種類のシリコン含有ガスを含む第２のガスであって、前記第２のガス中のシリコン濃度が前記第１のエッチングガス中のシリコン濃度より高い第２のガスを、前記半導体基板の上の前記中央領域を囲む周辺領域に供給することと、
前記第１のエッチングガス中のシリコンの量を前記第２のガス中のシリコンの量に対して相対的に調節することと、
前記チャンバ内への誘導結合高周波エネルギーにより前記第１のエッチングガスおよび前記第２のガスからプラズマを発生させることと、
前記半導体基板の露出面を前記プラズマでプラズマエッチングすることと、
を含み、
前記半導体基板の前記露出面がシリコン層を含み、
少なくとも１つの、シリコンを含む不動態化化学種が、前記半導体基板内にエッチングによって形成されたフィーチャの側壁を不動態化し、
前記第１のエッチングガスが塩素を含み、
前記第２のガスが、（ｉ）ＳｉＣｌ４、（ｉｉ）ＣｘＦｙ又はＣｘＦｙＨｚおよび（ｉｉｉ）不活性ガス、の混合物を含み、
前記シリコンを含む不動態化化学種がＳｉＣｌＸ（ｘ＝１、２、３又は４）を含むことを特徴とする方法。 - 少なくとも１つの開口、ビア、トレンチ、およびゲート構造から成る群から選択されたフィーチャを前記半導体基板の前記露出面内にプラズマエッチングによって形成することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記シリコンを含む不動態化化学種が、前記プラズマエッチングおよび前記第２のガスに起因することを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記シリコンを含む不動態化化学種が、前記第２のガスにより供給されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記不活性ガスが、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、およびそれらの混合物から成る群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記第２のガスがエッチングガスをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記エッチングガスが、Ｃｌ２、ＣＦ２、ＣＦ３、ＨＢｒ、ＣＦ２Ｈ２、ＳＦ６、ＨＣｌ、およびそれらの混合物から成る群から選択されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
- 前記第２のガスが、Ｏ ２ 、Ｎ ２ 、およびそれらの混合物から成る群から選択される不動態化ガスをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記シリコン層が、単結晶シリコンウェーハの露出領域、歪みシリコン層の露出領域またはシリコンゲルマニウム層を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記シリコン層が、窒化シリコン、酸化シリコン、または酸窒化シリコンのマスク層の下にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- プラズマが、前記半導体基板に平行に配置された平面コイルに高周波エネルギーを供給することにより、前記プラズマチャンバ内への誘導結合高周波エネルギーによって発生することを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記シリコン層が、シリコンウェーハ上の多結晶シリコンの層を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記シリコン層が、下にあるゲート酸化物と、上にあるハードもしくはソフトマスク層またはフォトレジストとの間にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記シリコン層が、窒化シリコン、酸化シリコンもしくは酸窒化シリコンのマスク層、またはフォトレジストの下にあることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
- 前記半導体基板の中央付近でエッチングされたフィーチャが、前記半導体基板の縁部付近でエッチングされた同等のフィーチャと実質的に均一であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
- 前記半導体基板が３００ｍｍウェーハであり、前記フィーチャが５０ｎｍ未満でありかつ１．５ｎｍ３σ以下の不均一性を有することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
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