JP5851349B2 - プラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマエッチング方法に係り、特に積層膜における選択的サイドエッチングが可能なプラズマエッチング方法に関する。

近年、電界効果トランジスタの高速化に伴い、シリコン膜とシリコンゲルマニウム膜との積層膜の選択的サイドエッチングが求められている。この要求に対して、非特許文献１には、ＳＦ₆ガスとＨ₂ガスとＣＦ₄ガスの混合ガスをエッチングガスとして用いることにより、シリコン膜のエッチング速度がシリコンゲルマニウム膜のエッチング速度よりも高くなることが開示されている。

J.Vac.Sci.Technol.A 9 (3), May/Jun 1991

しかしながら、非特許文献１に開示されたプラズマエッチング方法を用いても、シリコン膜とシリコンゲルマニウム膜との積層膜において、シリコン膜だけでなくシリコンゲルマニウム膜まで削れてしまい、シリコン膜のみを除去する選択的サイドエッチングができなかった。

本発明は、この問題点に鑑みてなされたもので、シリコン膜とシリコンゲルマニウム膜との積層膜にシリコンゲルマニウム膜に対するシリコン膜の選択的サイドエッチングを行うことができるプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置を提供する。

本発明は、シリコン膜とシリコンゲルマニウム膜とが積層され前記積層された各々の膜と垂直方向にトレンチが形成された構造の前記シリコンゲルマニウム膜に対して前記シリコン膜を選択的にサイドエッチングするプラズマエッチング方法において、炭素元素と水素元素とフッ素元素を含有する少なくとも一つのガスを用い、前記フッ素元素の分圧を１.０Ｐａ未満とすることを特徴とする。

また、本発明は、シリコン膜とシリコンゲルマニウム膜とが積層され前記積層された各々の膜と垂直方向にトレンチが形成された構造の前記シリコンゲルマニウム膜に対して前記シリコン膜を選択的にサイドエッチングするプラズマエッチング方法において、炭素元素と水素元素とフッ素元素を含有する少なくとも一つのガスを用い、前記ガスに含有された各元素の数の和に対する前記炭素元素の数の割合を０.０８以下とすることを特徴とする。

本発明により、シリコン膜とシリコンゲルマニウム膜との積層膜にシリコンゲルマニウム膜に対するシリコン膜の選択的サイドエッチングを行うことができる。

本発明に係るプラズマエッチング装置の概略断面図である。 シリコン膜とシリコンゲルマニウム膜を積層した積層膜を有するウエハと前記ウエハに対するエッチング例を示す図である。 フッ素元素の分圧に対するシリコン膜（Ｓｉ）２０３のエッチング速度の依存性とフッ素元素の分圧に対するシリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２のエッチング速度の依存性を示した図である。 シリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２のエッチング速度に対するシリコン膜（Ｓｉ）２０３のエッチング速度比の、炭素元素（Ｃ）の割合に対する依存性を示した図である。 シリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２のエッチング速度に対するシリコン膜（Ｓｉ）２０３のエッチング速度比の、チャンバ内の石英パーツが占める面積比に対する依存性を示した図である。

本発明の一実施例を図面を参照しながら以下、説明する。
図１は、本発明のプラズマエッチング方法を実施するためのプラズマエッチング装置を示す概略断面図であり、プラズマ生成手段にマイクロ波と磁場を利用したＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）方式のマイクロ波プラズマエッチング装置である。このプラズマエッチング装置は、内部を真空排気できるチャンバ１０１と被処理基板であるウエハ１０２を載置する試料台１０３とチャンバ１０１の上面に設けられた石英製のマイクロ波透過窓１０４と、その上方に設けられた導波管１０５、マグネトロン１０６と、チャンバ１０１の周りに設けられたソレノイドコイル１０７と、試料台１０３に接続された静電吸着電源１０８、高周波電源１０９とからなる。

ウエハ１０２は、ウエハ搬入口１１０からチャンバ１０１内に搬入された後、静電吸着電源１０８によって試料台１０３に静電吸着される。次に、エッチングガスがチャンバ１０１に導入され、チャンバ１０１内は、真空排気手段（図示せず）により減圧排気され、所定の圧力（例えば、０.１Ｐａ〜５０Ｐａ）に調整される。

次に、マグネトロン１０６から周波数２.４５ＧＨｚのマイクロ波が発振され、導波管１０５を介してチャンバ１０１内に伝搬される。マイクロ波とソレノイドコイル１０７によって生成された磁場との相互作用によってエッチングガスが励起され、ウエハ１０２上部の空間に高密度なプラズマ１１１が形成される。

一方、試料台１０３には、高周波電源１０９によって高周波バイアス電力が供給され、プラズマ１１１中のイオンがウエハ１０２上に加速され垂直に入射する。ウエハ１０２は、プラズマ１１１からのラジカルとイオンの作用によって異方的にエッチングされる。

次に、本発明のプラズマエッチング方法を以下、説明する。
本発明のプラズマエッチングで処理される被処理基板のウエハ１０２は、図２（ａ）に示すように、シリコン膜（Ｓｉ）２０３であるシリコン基板の上方にシリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２とシリコン膜（Ｓｉ）２０３が順次交互に積層され、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）２０１をマスクとしてトレンチパターンがシリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２とシリコン膜（Ｓｉ）２０３が順次交互に積層された積層膜に予め形成されている。

ここで、シリコン膜（Ｓｉ）２０３およびシリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２は、エピタキシャル成長法により成膜された結晶シリコンおよび結晶シリコンゲルマニウムである。

また、シリコンゲルマニウム膜に対するシリコン膜の選択的サイドエッチングについて説明する。シリコンゲルマニウム膜に対するシリコン膜の選択的サイドエッチングとは、図２（ｂ）に示すようにシリコン膜（Ｓｉ）２０３をシリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２より多く水平方向にエッチングを行うことである。ここで、水平方向にエッチングを行うことをサイドエッチングと称する。

また、シリコンゲルマニウム膜に対するシリコン膜の選択的サイドエッチングは、図２（ｂ）に示すようにシリコン膜（Ｓｉ）２０３のサイドエッチングだけ進行し、シリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２にはサイドエッチングがほとんど発生しないことが望ましい。

次に、表１にシリコンゲルマニウム膜に対するシリコン膜の選択的サイドエッチングを行うための本発明のプラズマエッチング方法を示す。

ステップ１は、積層膜表面のみをエッチングするブレークスルーステップであり、ＣＦ₄ガスの流量を２００ml／min、処理圧力を０.５Ｐａ、マイクロ波電力を８００Ｗ、高周波バイアス電力を０Ｗとして行う。このブレークスルーステップの実施により、積層膜表面の自然酸化膜やパーティクルの除去を行うことができ、安定したエッチング加工形状を得ることができる。

次いで、ステップ２は、シリコンゲルマニウム膜に対するシリコン膜の選択的サイドエッチングを行うステップであり、ＳＦ₆ガス、Ｈ₂ガス、ＣＦ₄ガス、Ａｒガスの流量をそれぞれ１０ml／min、２４ml／min、１５ml／min、２８８ml／min、処理圧力を０.５Ｐａ、マイクロ波電力を６００Ｗ、高周波バイアス電力を０Ｗとして行う。

これらステップ１とステップ２からなる本発明のプラズマエッチング方法を実施することにより、図２（ｂ）に示すようにシリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２とシリコン膜（Ｓｉ）２０３が順次交互に積層された積層膜にシリコンゲルマニウム膜に対するシリコン膜の選択的サイドエッチングを行うことができた。

また、Ａｒガスの流量と処理圧力をフッ素（Ｆ）元素の分圧が１.０Ｐａより大きくなるような値とすると、図２（ｃ）に示すようにシリコン膜（Ｓｉ）２０３だけでなく、シリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２までもサイドエッチングされてしまった。ここで、フッ素（Ｆ）元素の分圧は、処理圧力（Ｐａ）とエッチングガスを構成する各元素の数の総和に対するフッ素元素の数の割合との積とする。

例えば、表１におけるステップ２のフッ素元素の分圧は、以下のようにして求められる。先ず、エッチングガスを構成する各元素の相対的な数の総和は、ＳＦ₆ガス、Ｈ₂ガス、ＣＦ₄ガス、Ａｒガスは、それぞれ、７個、２個、５個、１個の元素から構成されているので、（１）式のようにそれぞれのガスの元素個数とそれぞれのガス流量との積の和として求められる。

〔数１〕
７×１０＋２×２４＋５×１５＋１×２８８＝４８１ ・・・（１）
また、フッ素元素は、ＳＦ₆ガスとＣＦ₄ガスにそれぞれ含有されているため、フッ素元素の相対的な数は、（２）式のように求められる。

〔数２〕
６×１０＋４×１５＝１２０ ・・・（２）
従って、エッチングガスを構成する各元素の数の総和に対するフッ素元素の数の割合は、１２０を４８１で除した値である０.２５となる。よって、表１のステップ２におけるフッ素元素の分圧は、上記の０.２５と処理圧力の０.５Ｐａとの積である０.１２５Ｐａとなる。尚、一般的に分圧は、分子の数の比で求められるが、分子の数の比から求めると、ＳＦ₆ガスとＣＦ₄ガスの１分子から放出されるフッ素元素の数が異なるため、本実施例では、元素の数から分圧を求めている。

次に、フッ素元素の分圧に対するシリコン膜（Ｓｉ）２０３のエッチング速度の依存性とフッ素元素の分圧に対するシリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２のエッチング速度の依存性を図３に示す。ここで、シリコン膜（Ｓｉ）２０３のエッチング速度とシリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２のエッチング速度は、図２（ａ）に示すようなシリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２とシリコン膜（Ｓｉ）２０３との積層構造において水平方向にエッチングされる速度のことである。

図３に示すようにフッ素元素の分圧とエッチング速度には相関があり、シリコン膜（Ｓｉ）２０３とシリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２の両方ともフッ素元素の分圧が下がるとともにそれぞれのエッチング速度は低下し、シリコン膜（Ｓｉ）２０３とシリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２がエッチングされなくなるフッ素元素の分圧値がそれぞれ存在して異なる。

このため、フッ素元素の分圧を１.０Ｐａ未満とすれば、この領域では、シリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２のエッチング速度が０であるため、シリコンゲルマニウム膜に対するシリコン膜の選択的サイドエッチングを行うことができる。

因みに非特許文献１に開示されたエッチング条件でのフッ素元素の分圧は、ＳＦ₆ガス、Ｈ₂ガス、ＣＦ₄ガスの流量は、それぞれ、３５.０ml／min、６５.０ml／min、８０.０ml／minであり、処理圧力は、１５０.０mTorr（２０.０Ｐａ）であるため、１３.６Ｐａとなる。一方、本実施例でのフッ素元素の分圧は、上述した通り、０.１２５Ｐａであるため、非特許文献１のフッ素元素の分圧が本実施例より１００倍以上高く、１.０Ｐａ以上である。

また、図３の結果では、フッ素元素の分圧が１.０Ｐａ以上では、シリコン膜（Ｓｉ）２０３とシリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２の両方ともエッチングされる。このため、非特許文献１のエッチング条件では、シリコン膜だけでなくシリコンゲルマニウム膜まで削れてしまい、シリコン膜のみを除去する選択的サイドエッチングができないことを図３より説明できる。

また、本実施例でのフッ素元素の分圧は、０.１２５Ｐａであるため、シリコンゲルマニウム膜に対するシリコン膜の選択的サイドエッチングが可能であることが図３より説明できる。

このように、本実施例と非特許文献１をフッ素元素の分圧を観点に比較することによって、シリコンゲルマニウム膜に対するシリコン膜の選択的サイドエッチングが可能な本実施例の事象とシリコンゲルマニウム膜に対するシリコン膜の選択的サイドエッチングが不可能な非特許文献１の事象の違いを説明できる。

次に、表１の条件におけるシリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２のエッチング速度に対するシリコン膜（Ｓｉ）２０３のエッチング速度比の、炭素元素（Ｃ）の割合に対する依存性を図４に示す。

ここで、炭素元素（Ｃ）の割合とは、エッチングガスを構成する各元素の数の総和に対する炭素元素の数の割合であり、上記のエッチングガスを構成する各元素の数の総和に対するフッ素元素の数の割合と同様な求め方で求められる。また、シリコン膜（Ｓｉ）２０３のエッチング速度とシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）２０２のエッチング速度は、図２（ａ）に示すようなシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）２０２とシリコン膜（Ｓｉ）２０３との積層構造において水平方向にエッチングされる速度のことである。

図４より炭素元素数の割合を０.０８以下にすれば、シリコンゲルマニウム膜に対するシリコン膜の選択的サイドエッチングが可能となることがわかる。

これは、炭素元素（Ｃ）は、水素元素（Ｈ）と反応して堆積性の強いＣＨラジカルを形成し、このＣＨラジカルが特にシリコン膜よりシリコンゲルマニウム膜のエッチング速度を阻害したためと考えられる。または、水素元素の数がシリコン膜よりシリコンゲルマニウム膜のエッチング速度に強い相関があり、この水素元素は炭素元素の量に依存してＣＨラジカルの生成により消費されるため、シリコンゲルマニウム膜に対するシリコン膜のエッチング速度が炭素元素の割合に依存したものと考えられる。

次に、表１のステップ２の条件にＯ₂ガスを添加してシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）２０２のエッチング速度に対するシリコン膜（Ｓｉ）２０３のエッチング速度比の酸素元素（Ｏ）の割合に対する依存性を調べた結果、酸素元素の割合が、０.０３を超えると、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）２０２のエッチング速度に対するシリコン膜（Ｓｉ）２０３のエッチング速度比が急激に低下して、シリコン膜をシリコンゲルマニウム膜より速くエッチングできなくなることがわかった。これは、シリコン膜の方がシリコンゲルマニウム膜より酸化され易いためと考えられる。

ここで、酸素元素（Ｏ）の割合とは、エッチングガスを構成する各元素の数の総和に対する酸素元素の数の割合であり、上記のエッチングガスを構成する各元素の数の総和に対するフッ素元素の数の割合と同様な求め方で求められる。また、シリコン膜（Ｓｉ）２０３のエッチング速度とシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）２０２のエッチング速度は、図２（ａ）に示すようなシリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２とシリコン膜（Ｓｉ）２０３との積層構造において水平方向にエッチングされる速度のことである。

また、酸素元素は、ガスとして供給しなくても、チャンバのプラズマに晒される部分に酸素を含有する部材を使用していると、この酸素を含有する部材がエッチング中に削れてプラズマ中に酸素元素が放出されるため、酸素元素のプラズマへの放出量によっては、シリコン膜のエッチング速度がシリコンゲルマニウム膜のエッチング速度より小さくなる可能性がある。

このため、シリコン膜のエッチング速度をシリコンゲルマニウム膜のエッチング速度より大きくするためには、チャンバ内から放出される酸素元素のエッチングガスを構成する各元素の数の総和に対する割合が０.０３以下となるようにチャンバ内の部材からの酸素元素放出量を制御する必要がある。

通常のプラズマエッチング装置のチャンバ内に使われる部材で酸素元素を放出する可能性が高いのは石英パーツである。

図５に表１の条件におけるシリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２のエッチング速度に対するシリコン膜（Ｓｉ）２０３のエッチング速度比の、チャンバ内の石英パーツが占める面積比に対する依存性を示す。

ここで、チャンバ内の石英パーツが占める面積比とは、チャンバ内のプラズマに晒される箇所の面積に対する石英パーツが占める面積の割合であり、図１に示すプラズマエッチング装置のチャンバ内のプラズマに晒される箇所の面積は、試料台１０３より上の部分の面積とする。また、シリコン膜（Ｓｉ）２０３のエッチング速度とシリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）２０２のエッチング速度は、図２（ａ）に示すようなシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）２０２とシリコン膜（Ｓｉ）２０３との積層構造において水平方向にエッチングされる速度のことである。

図５に示すようにチャンバ内の石英パーツが占める面積比が０.３を超えるとシリコンゲルマニウム膜のエッチング速度がシリコン膜のエッチング速度より大きくなる。このため、シリコン膜のエッチング速度をシリコンゲルマニウム膜のエッチング速度より大きくするためには、チャンバ内の石英パーツが占める面積比を０.３以下にする必要がある。

石英パーツがプラズマによって削られる速度は、エッチング条件によって異なるが、上述したフッ素の分圧にほぼ比例する。このため、チャンバ内の石英パーツが占める面積比をＸ、フッ素の分圧をＥ（Ｐａ）とすると、シリコン膜のエッチング速度をシリコンゲルマニウム膜のエッチング速度より大きくするためには、（３）式を満足するように石英パーツの面積を設定しなければならない。

〔数３〕
Ｘ≦０.０３７５／Ｅ ・・・（３）
また、本実施例のブレークスルーステップでは、ＣＦ₄ガスを用いたが、本発明の効果はこれに限定されない。また、本実施例のシリコンゲルマニウム膜に対するシリコン膜の選択的サイドエッチングを行うステップでは、ＳＦ₆ガスとＨ₂ガスとＣＦ₄ガスとＡｒガスの混合ガスを用いたが、本発明の効果はこれに限定されず、炭素（Ｃ）と水素（Ｈ）とフッ素（Ｆ）を含有する少なくとも一つのガスを用いても良い。さらに本発明は、Ａｒガスの代わりにＨｅガス、Ｎｅガス、Ｘｅガス等の不活性ガスを用いても良い。

また、本実施例では、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）方式のマイクロ波プラズマエッチング装置での適用例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、容量結合型、誘導結合型のプラズマ生成手段を用いたプラズマエッチング装置に適用しても良い。

さらに、本実施例では、複数の実施例を説明したが、本発明は、各実施例の少なくとも二つ以上を組み合せたものでも良い。

以上、上述した通り、本発明は、炭素元素と水素元素とフッ素元素を含有する少なくとも一つのガスを用い、フッ素元素の分圧を１.０Ｐａ未満とすることによって達成される。

また、本発明は、炭素元素と水素元素とフッ素元素を含有する少なくとも一つのガスを用い、前記ガスに含有された各元素の数の和に対する前記炭素元素の数の割合を０.０８以下とすることによって達成される。

さらに、本発明は、炭素元素と水素元素とフッ素元素を含有する少なくとも一つのガスを用い、フッ素元素の分圧を１.０Ｐａ未満とし、前記ガスに含有された各元素の数の和に対する前記炭素元素の数の割合を０.０８以下とすることによって達成される。

１０１ チャンバ
１０２ ウエハ
１０３ 試料台
１０４ マイクロ波透過窓
１０５ 導波管
１０６ マグネトロン
１０７ ソレノイドコイル
１０８ 静電吸着電源
１０９ 高周波電源
１１０ ウエハ搬入口
１１１ プラズマ
２０１ シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）
２０２ シリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ）
２０３ シリコン膜（Ｓｉ）

Claims (6)

1. シリコン膜とシリコンゲルマニウム膜とが積層され前記積層された各々の膜と垂直方向にトレンチが形成された構造の前記シリコンゲルマニウム膜に対して前記シリコン膜を選択的にサイドエッチングするプラズマエッチング方法において、
   炭素元素と水素元素とフッ素元素を含有する少なくとも一つのガスを用い、前記フッ素元素の分圧を１.０Ｐａ未満とすることを特徴とするプラズマエッチング方法。
2. シリコン膜とシリコンゲルマニウム膜とが積層され前記積層された各々の膜と垂直方向にトレンチが形成された構造の前記シリコンゲルマニウム膜に対して前記シリコン膜を選択的にサイドエッチングするプラズマエッチング方法において、
   炭素元素と水素元素とフッ素元素を含有する少なくとも一つのガスを用い、前記ガスに含有された各元素の数の和に対する前記炭素元素の数の割合を０.０８以下とすることを特徴とするプラズマエッチング方法。
3. 請求項１に記載のプラズマエッチング方法において、
   前記ガスに含有された各元素の数の和に対する前記炭素元素の数の割合を０.０８以下とすることを特徴とするプラズマエッチング方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法において、
   前記ガスは、ＳＦ₆ガスとＨ₂ガスとＣＦ₄ガスとＡｒガスとの混合ガスであることを特徴とするプラズマエッチング方法。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法において、
   前記ガスに含有された各元素の数の和に対する酸素元素の数の割合を０.０３以下とすることを特徴とするプラズマエッチング方法。
6. 被処理基板がプラズマエッチングされるチャンバと、前記チャンバ内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、フッ素元素を含有するガスを含むエッチングガスを前記チャンバ内へ供給するエッチングガス供給手段と、前記被処理基板が載置される試料台と、前記試料台に高周波電力を供給する高周波電源と、前記チャンバ内に配置された石英パーツとを備え、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法が行われるプラズマエッチング装置において、
   前記石英パーツの面積は、前記チャンバ内のプラズマに晒される箇所の面積に対する前記石英パーツが占める面積の割合をＸ、前記フッ素元素の分圧をＥ（Ｐａ）とする数１式を満たすように規定されていることを特徴とするプラズマエッチング装置。
   〔数１〕
   Ｘ≦０.０３７５／Ｅ