JP5722902B2 - 二フッ化キセノン・エッチングプロセスの改良された選択性 - Google Patents
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Description
本発明は、二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）を用いてシリコンをエッチングするときに、周囲材料に対する改良された選択性を提供するエッチング方法に関する。特に、窒化シリコンに対するエッチングの選択性は、他のガスを加えることによって大きく強化される。
マイクロ構造（例えばマイクロエレクトロメカニカル構造（ＭＥＭＳ））の製造において、気相エッチングプロセスは、所望の構造を構成する残留材料を残すように、材料の犠牲的（すなわち不要な）領域を取り除くために用いられる。
例えば、二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）は、ＭＥＭＳの製造においてシリコンの犠牲的領域を取り除くために共通して使用される。ＸｅＦ２は、シリコンをエッチングするときに高い選択性を示して、そして比較的高いエッチング速度を有する。しかしながら、より複合でかつより高品質のＭＥＭＳデバイスの製造にとって、従来の技術を越えるＸｅＦ２プロセスの選択性を改良することは、望ましいことである。
本発明の第１の態様によれば、１つ以上のマイクロ構造を生産するためにプロセスチャンバ内でシリコン（Ｓｉ）をエッチングする方法であって：
（ａ）二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）を含むエッチング材料蒸気をエッチング材料ソースから生成するステップ；
（ｂ）エッチング材料蒸気をプロセスチャンバへ運搬するステップ；および、
（ｃ）水素を含む第２のガスをプロセスチャンバに導入するステップ；
を含む方法が提供される。
（ａ）二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）を含むエッチング材料蒸気をエッチング材料ソースから生成するステップ；
（ｂ）エッチング材料蒸気をプロセスチャンバへ運搬するステップ；および、
（ｃ）水素を含む第２のガスをプロセスチャンバに導入するステップ；
を含む方法が提供される。
次式によって定義されるように、ＸｅＦ２ガスは初期反応とともにＳｉをエッチングする：
２ＸｅＦ２＋Ｓｉ→２Ｘｅ＋ＳｉＦ４（１）
この反応は周知である、しかしながら、出願人は、第２のガスとして水素を使用することが、達成されてよいエッチングの品質および選択性において非常に重要な増加を結果としてもたらすことを発見した。
２ＸｅＦ２＋Ｓｉ→２Ｘｅ＋ＳｉＦ４（１）
この反応は周知である、しかしながら、出願人は、第２のガスとして水素を使用することが、達成されてよいエッチングの品質および選択性において非常に重要な増加を結果としてもたらすことを発見した。
好ましくは、エッチング材料蒸気をプロセスチャンバへ運搬するステップは、エッチング材料ソースにキャリアガスを供給するステップを含み、キャリアガスは、その後、エッチング材料蒸気をプロセスチャンバへ搬送する。
代わりに、または加えて、エッチング材料蒸気をプロセスチャンバへ運搬するステップは、エッチング材料ソースからエッチング材料蒸気を集めるために１つ以上の膨張チャンバを使用するステップを含む。
好ましくは、方法は、プロセスチャンバから真空ポンピング速度を制御することによって、プロセスチャンバの中のエッチング材料蒸気の量を制御する追加ステップを含む。
あるいは、方法は、エッチング材料蒸気を循環させる追加ステップを含む。
好ましくは、方法は、前記シリコンの選択的エッチングを許容するために前記シリコンの上に置かれるマスクを提供する追加ステップを含む。
本発明の第２の態様によれば、１つ以上のマイクロ構造を生産するためにシリコン（Ｓｉ）をエッチングする気相エッチング装置であって：
エッチングされるシリコンを受け入れるプロセスチャンバ；
二フッ化キセノン蒸気ソース；
二フッ化キセノン蒸気ソースをプロセスチャンバに接続する第１のガスライン；
水素ガスソース；および、
水素ガスソースをプロセスチャンバに接続する第２のガスライン；
を備える装置が提供される。
エッチングされるシリコンを受け入れるプロセスチャンバ；
二フッ化キセノン蒸気ソース；
二フッ化キセノン蒸気ソースをプロセスチャンバに接続する第１のガスライン；
水素ガスソース；および、
水素ガスソースをプロセスチャンバに接続する第２のガスライン；
を備える装置が提供される。
好ましくは、装置は、二フッ化キセノン蒸気ソースからプロセスチャンバまで二フッ化キセノン蒸気を搬送するキャリアガスソースをさらに備える。
代わりに、または加えて、装置は、エッチング材料ソースからエッチング材料蒸気を集めるために１つ以上の膨張チャンバをさらに備える。
さらに代わりに、第２のガスラインは二フッ化キセノン蒸気ソースに接続され、水素ガスソースは二フッ化キセノン蒸気をプロセスチャンバへ搬送するために使用される。
好ましくは、装置は、プロセスチャンバに接続された真空ポンプをさらに備え、プロセスチャンバの中のエッチング材料蒸気および／または水素ガスの量は、真空ポンプのポンピング速度を制御することによって制御される。
代わりに、または加えて、装置は、プロセスチャンバの中のエッチング材料蒸気および／または水素ガスの量を制御するために第１のガスラインおよび／または第２のガスラインに接続された１つ以上のフローコントローラをさらに備える。
あるいは、装置は、エッチング材料蒸気および／または水素ガスを循環させるために構成される。
本発明は、添付図面を参照して例示によってのみここに記載される。
図１は、本発明によるエッチングプロセスのためのガス送給装置の模式図である。
図２は、シリコンウエハの上部のＰＥＣＶＤ窒化シリコン層の（ａ）エッチング前および（ｂ）エッチング後の模式図である。
図３は、本発明によるエッチングプロセスを用いて達成される改良された選択性を示す写真である。
図４は、図３に示されるウエハの左上領域の拡大を示す。
図１に関して、以下に詳述するように、改良された選択性エッチングプロセスが実行されることを可能にするガス送給システム１は、提示される。
このシステムは、キャリアガス（その流量（ｆｌｏｗ ｒａｔｅ）はマスフローコントローラ（ＭＦＣ）５により決定される）を提供するキャリアガスソース３、および、キャリアガス３によってプロセスチャンバ１１へ搬送されるべきエッチャント蒸気を生成するために内部で二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）ソース９が昇華する昇華チャンバ７、を備える。キャリアガス３は、好ましくはヘリウムのような不活性ガスであり、またはその代わりに、窒素または窒素系ガスから成ってよい。昇華チャンバ７は、ＸｅＦ２ソース９（結晶）よりも上に入口１３（キャリアガスのための）を有し、ＸｅＦ２ソース９よりも下に、キャリアガス３によるエッチャント蒸気の取り入れを改善する出口１５（キャリアガスおよびエッチャント蒸気のための）を有する。もちろん、入口１３および出口１５は、逆の意味にて配置されてよい。
出口１５は、供給ライン１７によってプロセスチャンバに接続される。圧力計１９は、プロセスチャンバ１１内の圧力をモニタする。真空ポンプ２１および／またはＭＦＣ５のポンピング速度（ｒａｔｅ）は、プロセスチャンバ１１の内部で設定された動作圧力を維持するために制御することができる。適応圧力コントローラ２３（ＡＰＣ）の使用は、プロセスチャンバ圧力の正確な制御を可能にする。留意すべきは、別の実施形態において、プロセスチャンバの中のガスは循環されてよいことである。その場合に、真空ポンプは、まずプロセスチャンバを排気する（したがって、エッチャント蒸気を吸い込む）か、またはエッチングステップの完了に続いてプロセスチャンバを排気するのに役立つ。
供給ライン１７には（または代わりに、プロセスチャンバに直接）、追加のまたは第２のガスソース２７に接続された追加のガスライン２５も接続される。キャリアガスライン１７と同様に、追加のまたは第２のガスの流量は、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）２９により決定される。したがって、キャリアガス３およびエッチャント蒸気とともにプロセスチャンバ１１内に流入する追加のまたは第２のガス２７の量は、制御されることができる。
パテルらの名による特許文献１は、希ガスまたは、窒素分子のそれよりも下のモルの平均式量を有する非エッチャントガス状添加物の追加によるハロゲンフッ化物によって、エッチング選択性の改良を教示する。任意の非エッチャントガスを使用してよいことが示唆されるにもかかわらず、好適な添加ガスは、ヘリウム、ネオンあるいは、１つ以上のより高い式量（例えば窒素およびアルゴン）を有するヘリウムおよび／またはネオンの混合物である。特に好ましいのは、ヘリウムおよびヘリウムと窒素またはアルゴンとの混合物である。
特許文献１は、好適な添加物を使用して達成されるクレームされた選択性改良を立証するために、実験結果を示す。例えば、Ｎ２、ＡｒおよびＨｅのうちの１つを使用して５倍の選択性改良が達成される。
しかしながら、出願人は本願の場合に、添加ガスとしての水素の使用が１００のオーダーの選択性改良を提供するという驚くべき発見をした。例として、図２は、シリコンウエハ３３の上部のＰＥＣＶＤ窒化シリコン層３１の（ａ）エッチング前および（ｂ）エッチング後の模式図である。窒化層３１は、ＸｅＦ２を用いる下にあるシリコン基板３３をエッチングするためのマスクとしてパターン化されて使用された。
改良されたエッチング選択性を定量化するために、標準製法と改良された選択性製法との間の公平な比較を与えるように同じエッチング速度（ｒａｔｅ）を生成する製法が用いられた。例えば、９Ｔｏｒｒでセットされるチャンバについては、５０ｓｃｃｍで流れるＮ２のキャリアガスは、ＸｅＦ２を２５ｓｃｃｍでエッチングチャンバへ運搬する。改良された製法には、加えて２０ｓｃｃｍのＨ２の流れがある。２分間のエッチングは実行された。その時間で、シリコンのエッチングによるアンダーカットは６μｍと測定された。以下の表は、標準および改良された製法を用いた窒化物マスク３１のエッチング後の厚みの間の比較の概要を提供する。
表の数値から直ちに明らかなように、改良された選択性製法の選択性は、平均して、標準製法のほぼ２７０倍である。達成される改良は、外観検査においても明らかである。図３は、上記の比較からの試験ウエハの写真（図４には左上領域の拡大が示される）である。第２の試験ウエハ４３（改良された選択性製法）上の選択性が、第１の試験ウエハ４１（標準選択性製法）上の選択性を越える大きな改良であることは、明らかである。
特許文献１において、窒素分子のそれよりも下のモルの平均式量を有する非エッチャントガス状添加物の選択は、エッチング時間に対する効果に基づくいくらか任意の選択であり、この値よりも上の選択性におけるいかなる示された減少のためでもない点も留意される。重要なことに、前記ガス状添加物のモルの平均式量と前記選択性の改良との関連は提示されていない。但し、より高い式量の非エッチャントガスが好ましい点も留意される。
本発明の多くの別の実施形態は、予想される（しかし、必ずしも図示されない）。例えば、水素ガスは、キャリアガスとして使用してよい。あるいは、そしてエッチャント蒸気をプロセスチャンバへ運搬するためにキャリアガスを使用するよりはむしろ、必要に応じて、蒸気の貯蔵が集められて、ポンプされるかまたはプロセスチャンバへ運搬される１つ以上の膨張チャンバが、使用されてよい。キャリアガスは、もちろん１つ以上の膨張チャンバと関連して用いられてよい。
記載された実施形態は、キャリアガス、エッチャント蒸気、エッチング副産物および第２の水素をプロセスチャンバから吸い出し、したがってエッチャントおよび水素の流れを引き起こす真空ポンプを使用するとはいえ、エッチャントおよび水素が再循環することができることも予想される。
関係するプロセスを理解しようとして、非常に強化された選択性につながるメカニズムのさらなる調査が行われた。特許文献１において、バッファガスを加えることによって選択性における改良が存在することが分かる。使用するバッファガス間の選択性において改良が存在するようには見えない。本発明によるＨ２の追加は、劇的な改良を提供して、そして添加物とは異なる理由に起因すると考えられる。
包括的な（ｂｌａｎｋｅｔ）窒化シリコンウエハ（起こっているシリコンエッチングでない）は、ＸｅＦ２によってエッチングされない。しかしながら、シリコンをＸｅＦ２でエッチングするときに、周囲の窒化物がエッチングされることが観察されている。これは、エッチングの副産物が窒化シリコンと反応していることを示唆する。添加されたＨ２ガスを導入するこれまで未知のステップは、副産物が窒化シリコンと反応することができるより前に副産物と反応を引き起こすと考えられている。これは、特許文献１に記載されているメカニズムでないその他である。
出願人は、Ｈ２をプロセスチャンバに加えることが酸化物および窒化物に対するシリコンエッチング選択性を改良するという驚くべき発見をした。このＨ２は、酸化物および窒化物をエッチングするエッチング副産物と反応すると理解される。これらのエッチング副産物はまたシリコンもエッチングするので、Ｈ２をプロセスに加える結果として、シリコンのエッチング速度は低下する。この低下は、エッチングされる構造および使用されるプロセスに応じて１０〜５０％の間にある。
（エッチング副産物は不完全なエッチング反応の結果でありえて、そういうものとしてＳｉＦ、ＳｉＦ２、などでもよいことに留意されたい。また、エッチングは放熱性であるので、発生する熱は、ＸｅＦ２を、シリコン、二酸化シリコンおよび窒化シリコンとも反応する産生性Ｆに分解させることもあり得る。）
さらなる修正および改良は、本明細書において記載された本発明の範囲から逸脱することなく加えられてよい。例えば、本発明は、昇華チャンバからプロセスチャンバまでエッチャント蒸気を運搬するためにキャリアガスを用いる実施形態を使用して例示されたとはいえ、キャリアラインが単一の導管を備えることができ、または、上記の通りに、１つ以上の膨張チャンバ等を備えることができると予見される。
Claims (13)
- １つ以上のマイクロ構造を生産するためにプロセスチャンバ内でシリコン（Ｓｉ）をエッチングする方法であって、
（ａ）二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）を含むエッチング材料蒸気をエッチング材料ソースから生成するステップ、
（ｂ）エッチング材料蒸気を前記プロセスチャンバへ運搬するステップ、および、
（ｃ）窒化シリコンに対する選択性を改良するために水素を含む第２のガスを添加ガスとして前記プロセスチャンバに導入するステップ、
を含む、方法。 - 前記エッチング材料蒸気を前記プロセスチャンバへ運搬するステップは、前記エッチング材料ソースにキャリアガスを供給するステップを含み、前記キャリアガスは、その後、前記エッチング材料蒸気を前記プロセスチャンバへ搬送する、請求項１に記載の方法。
- 前記エッチング材料蒸気を前記プロセスチャンバへ運搬するステップは、前記エッチング材料ソースから前記エッチング材料蒸気を集めるために１つ以上の膨張チャンバを使用するステップを含む、請求項１または請求項２に記載の方法。
- 前記プロセスチャンバから真空ポンピング速度を制御することによって、前記プロセスチャンバの中の前記エッチング材料蒸気の量を制御する追加ステップを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記エッチング材料蒸気を循環させる追加ステップを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記シリコンの選択的エッチングを許容するために前記シリコンの上に置かれるマスクを提供する追加ステップを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
- １つ以上のマイクロ構造を生産するためにシリコン（Ｓｉ）をエッチングする気相エッチング装置であって、
エッチングされるシリコンを受け入れるプロセスチャンバ、
二フッ化キセノン蒸気ソース、
前記二フッ化キセノン蒸気ソースを前記プロセスチャンバに接続する第１のガスライン、
水素ガスソース、および、
窒化シリコンに対する選択性を改良するために水素ガスを添加ガスとして前記プロセスチャンバに導入するために、前記水素ガスソースを前記プロセスチャンバに接続する第２のガスライン、
を備える、装置。 - 前記二フッ化キセノン蒸気ソースから前記プロセスチャンバまで二フッ化キセノン蒸気を搬送するキャリアガスソースをさらに備える、請求項７に記載の装置。
- エッチング材料ソースからエッチング材料蒸気を集めるために１つ以上の膨張チャンバをさらに備える、請求項７または８に記載の装置。
- 前記第２のガスラインは前記二フッ化キセノン蒸気ソースに接続され、前記水素ガスソースは二フッ化キセノン蒸気を前記プロセスチャンバへ搬送するために使用される、請求項７〜９のいずれか１項に記載の装置。
- 前記プロセスチャンバに接続された真空ポンプをさらに備え、前記プロセスチャンバの中のエッチング材料蒸気および／または水素ガスの量は、前記真空ポンプのポンピング速度を制御することによって制御される、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の装置。
- 前記プロセスチャンバの中のエッチング材料蒸気および／または水素ガスの量を制御するために前記第１のガスラインおよび／または前記第２のガスラインに接続された１つ以上のフローコントローラをさらに備える、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の装置。
- 前記装置は、前記エッチング材料蒸気および／または水素ガスを循環させるために構成される、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の装置。
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