JP6773110B2 - プラズマエッチング方法 - Google Patents
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Description
フルオロカーボンガスと、上記化学式(I)で表されるハイドロフルオロエーテルとの混合ガスを用いてシリコン酸化膜をプラズマエッチングすれば、非加工対象により構成される肩部の肩落ちを十分に抑制することができる。
処理ガスは、少なくとも一種のフルオロカーボンガスと、特定の構造を有する少なくとも一種のハイドロフルオロエーテルガスとを含み、任意で、その他のガスを含みうる。
フルオロカーボンガスとしては、組成式C2F6、C3F6、C3F8、C4F6、C4F8、及びC5F8で表されうる化合物のガスが挙げられる。プラズマ条件下にて、これらの化合物により活性種が生成され、生成された活性種間の相互作用により、各種反応が生じる。よって、これらの組成式により表されうる化合物であれば、それらの実際の構造にかかわらず、本発明のプラズマエッチング方法の効果を奏しうる。そして、これらのフルオロカーボンガスは1種単独で、或いは2種以上を混合して用いることができる。これらの中でも、組成式C4F6で表される化合物が好ましく、特に、ヘキサフルオロ−1,3−ブタジエンが好ましい。組成式C4F6で表される化合物、中でも、ヘキサフルオロ−1,3−ブタジエンは、シリコン酸化膜に対するエッチング速度が十分高く、かつシリコン窒化膜の肩落ちを抑制する効果が高いからである。
ハイドロフルオロエーテルガスとしては、下記化学式(I)で表されるハイドロフルオロエーテルのガスを用いる。
フルオロカーボンガスに対するハイドロフルオロエーテルガスの混合割合は、エッチングの条件等によって異なるが、フルオロカーボンガス100体積部に対して、1体積部以上であることが好ましく、3体積部以上であることがより好ましく、5体積部以上であることがさらに好ましく、30体積部以上であることがさらにより好ましく、100体積部以下であることが好ましく、90体積部以下であることがより好ましく、80体積部以下であることがさらに好ましい。エッチング時の選択性を向上させるとともに、肩落ちを一層抑制することができるからである。
処理ガスには、任意で、希ガスや酸素ガス等のその他のガスを混合することも可能である。希ガスとしては、ヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン、及びキセノンからなる群から選ばれる少なくとも1種が挙げられる。希ガスや酸素ガスを混合して用いることにより、より十分なエッチング速度と、非加工対象に対するより高いエッチング選択比を同時に得られるプラズマエッチングを実現することができる。
処理ガスに希ガスを混合して用いる場合、希ガスの混合割合は、フルオロカーボンガス100体積部に対して、通常、1体積部以上、好ましくは、10体積部以上、より好ましくは20体積部以上であり、通常、10000体積部以下、好ましくは、7000体積部以下、より好ましくは、5000体積部以下である。
処理ガスに酸素ガスを混合して用いる場合、酸素ガスの混合割合は、フルオロカーボンガス100体積部に対して、通常、2000体積部以下、好ましくは、1000体積部以下、より好ましくは500体積部以下、さらに好ましくは300体積部以下である。
本発明のプラズマエッチング方法の流れは以下の通りである。被処理体としては、シリコン酸化膜及びレジスト膜が形成されたパターン付き被処理体や、同一基板上にシリコン窒化膜、シリコン酸化膜及びレジスト膜が形成された、パターン付き被処理体を用いる場合等も同様である。なお、「パターン付き」とは、被処理体上に形成された膜により、何らかの構造が形成された状態をいい、例えば、図1に示すような被処理体が「パターン付き被処理体」に相当する。図1については実施例にてより詳細に説明する。
まず、被処理体を、プラズマ発生装置を有するドライエッチングチャンバー(以下、処理容器ともいう)内に設置し、処理容器内を脱気して真空にする。さらに、準備工程において、被処理体の温度を−50℃以上とすることが好ましく、−20℃以上とすることがより好ましく、0℃以上とすることがさらに好ましく、+120℃以下とすることが好ましく、+100℃以下とすることがより好ましく、+80℃以下とすることがさらに好ましい。被処理体の温度は、例えば、ヘリウムガスなどの冷却ガス及び冷却装置を用いて制御することができる。そこへ、用いる処理ガスに含有されうる各種ガスを、それぞれ所定の速度及び圧力となるように導入する。処理ガスの導入速度は、処理ガス中における各種ガスの混合割合に比例させて決定すればよい。そして、処理容器内に処理ガスを供給している間、処理容器内の圧力は、通常、1Pa以上13Pa以下の範囲に保持することが好ましい。
次いで、プラズマ発生装置により、処理容器内の処理ガスに高周波の電場を印加してグロー放電を起こさせ、プラズマを発生させる。プラズマ発生装置としては、特に限定されることなく、ヘリコン波方式プラズマ発生装置、高周波誘導方式プラズマ発生装置、平行平板型プラズマ発生装置、マグネトロン方式プラズマ発生装置、又はマイクロ波方式プラズマ発生装置等の一般的なプラズマ発生装置が挙げられる。本発明においては、平行平板型プラズマ発生装置、高周波誘導方式プラズマ発生装置、及びマイクロ波方式プラズマ発生装置が好適に使用されうる。高密度領域のプラズマを容易に発生させることができるからである。
被処理体としては、図1に示す構造のシリコン単結晶ウエハーのチップ片を用いた。図1に示す被処理体1は、シリコン単結晶ウエハー(Si)100上に第1シリコン窒化膜(Si3N4膜)101、シリコン酸化膜(SiO2膜)102、及びパターン化された第2シリコン窒化膜(Si3N4膜)103が順次積層されてなる。被処理体1の最上層を形成する第2のシリコン窒化膜103は、一定幅の溝状のパターンを形成している。そして、本発明の実施例1に従うプラズマエッチング後の被処理体の概略的な断面図を図2に示す。図2にかかる被処理体も、図1に示すプラズマエッチング前の被処理体と同様に、各膜を備える。図1と同様の部分については、同一の符号に「’」を付して示す。また、図2において、矢印A〜Cとして各構造のサイズを示す。矢印A及びA’は、それぞれ、プラズマエッチング前後の第2のシリコン窒化膜103、103’の厚みを示す。矢印Bは、プラズマエッチング前のシリコン酸化膜102の厚みを、矢印B’は、プラズマエッチング後に残存したシリコン酸化膜102’の厚みを示す。矢印Cは、第2のシリコン窒化膜103の最表面における溝の幅(以下、パターンの「入口寸法」とも称する)を示し、矢印C’は、プラズマエッチング後の第2のシリコン窒化膜103’における入口寸法を示す。なお、図2では、プラズマエッチング後の被処理体1’では、プラズマエッチング前の被処理体1と比較すると、溝の幅がCからC’に狭まっているように図示する。しかし、比較例に従うプラズマエッチング方法などによれば、概して、溝の幅C’は元の溝の幅Cよりも広がる。
プラズマエッチング装置としては、平行平板型プラズマ発生装置を備えるプラズマエッチング装置を使用した。平行平板型プラズマ発生装置は、上部電極と、被処理基板を載置する下部電極とを有し、上部電極の下面と下部電極の上面との間隔は35mmであった。平行平板型プラズマ発生装置の上部電極の周波数は60MHzであり、下部電極の周波数は2MHzであった。また、下部電極は、冷却ユニットを備えており、かかる冷却ユニットは下部電極にヘリウムガスを接触させることにより下部電極を冷却するように構成されていた。なお、冷却ユニットはヘリウムガスが処理容器内部には流出しない態様で構成されていた。
<プラズマエッチング条件>
プラズマエッチングは、上部電極の電力を150W、下部電極の電力を500Wとし、チャンバー内圧力を2Paで一定にし、下部電極の冷却は、冷却ユニットを60℃としヘリウムガスの圧力を1000Paに設定した。また、実施例、比較例にてプラズマエッチングの時間は全て60秒間とした。よって、実施例、比較例にて得られた被処理体のエッチング深さの値は、そのまま各プラズマエッチング方法の1分当たりのエッチング速度に相当する。
実施例、比較例において、市販されているエリプソメトリー膜厚計を用いて、計測を行った。
加工対象であるシリコン酸化膜のエッチング深さは、図1及び図2を参照して説明した、プラズマエッチング前後のシリコン酸化膜102、102’の厚みの差分(B−B’)により算出した。また、非加工対象である第2のシリコン窒化膜のエッチング深さは、同様にして(A−A’)により算出した。
<耐肩落ち性>
耐肩落ち性の評価指標となる、入口寸法拡大量は、図1及び図2を参照して説明した(C’−C)により算出した。当然、C’がCよりも小さければ、即ち、プラズマエッチングを経て、溝の幅が狭まっていれば、溝の幅の拡大量は、負の値となる。そして、C’がCよりも大きい場合には、プラズマエッチングにて非加工対象である第2のシリコン窒化膜がエッチングされて肩落ちが生じたことを意味し、その値が大きいほど肩落ちの程度が大きいことを意味する。即ち、入口寸法拡大量の値が小さければ、耐肩落ち性に優れ、逆に、入口寸法拡大量の値が大きければ、耐肩落ち性に劣るということを意味する。
なお、プラズマエッチング後の入口寸法C’は、走査型電子顕微鏡(SEM)観察に基づいて決定した被処理体の最表面についてSEM画像を取得し、得られたSEM画像上で溝の幅を計測して得た。
<エッチング選択比>
シリコン酸化膜(102)のエッチング深さ(B−B’)をシリコン窒化膜(103)のエッチング深さ(A−A’)で除した値をシリコン窒化膜に対するシリコン酸化膜のエッチング選択比とした。
シリコン酸化膜(102)のエッチング深さ(B−B’)を入口寸法拡大量(C’−C)で除した値を入口寸法に対する選択比とした。「入口寸法に対する選択比」は、シリコン窒化膜の入口寸法を保ちつつシリコン酸化膜をエッチングする度合いを示すものであり、かかる値が大きいほどシリコン窒化膜に対するシリコン酸化膜のエッチング選択性と耐肩落ち性との両立が良好であったことを表す。ここで入口寸法拡大幅がゼロ以下の値となる場合は、入口寸法に対する選択比は無限大(∞)と定義した。
<処理ガス>
フルオロカーボンガスとしてヘキサフルオロ−1,3−ブタジエン(C4F6)を10sccm、その他のガスとして酸素ガスを10sccm、ハイドロフルオロエーテルガスとして、ヘプタフルオロイソプロピルメチルエーテル(i−C3F7−O−CH3)を5sccm、希ガスとしてアルゴンガスを200sccmで、プラズマエッチング装置の処理容器内に導入した。得られた被処理体について上述の方法に従って各種測定をした結果を表1に示す。
ハイドロフルオロエーテルガスを1,1,2,2,3,3,3−ヘプタフルオロプロピルメチルエーテル(n−C3F7−O−CH3)に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、プラズマエッチングを行った。得られた被処理体について上述の方法に従って各種測定をした結果を表1に示す。
ハイドロフルオロエーテルガスを2,2,2‐トリフルオロエチルジフルオロメチルエーテル(CF3−CH2−O−CHF2)に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、プラズマエッチングを行った。得られた被処理体について上述の方法に従って各種測定をした結果を表1に示す。
ハイドロフルオロエーテルガスを用いないこと以外は、実施例1と同様にして、プラズマエッチングを行った。得られた被処理体について上述の方法に従って各種測定をした結果を表1に示す。
ハイドロフルオロエーテルガスを(1,1,2,2-テトラフルオロエチル)メチルエーテル(CHF2−CF2−O−CH3)に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、プラズマエッチングを行った。得られた被処理体について上述の方法に従って各種測定をした結果を表1に示す。
ハイドロフルオロエーテルガスをヘキサフルオロプロピレンオキシド(C3F6O)に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、プラズマエッチングを行った。得られた被処理体について上述の方法に従って各種測定をした結果を表1に示す。
ハイドロフルオロエーテルガスをオクタフルオロテトラヒドロフラン(C4F8O)に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、プラズマエッチングを行った。得られた被処理体について上述の方法に従って各種測定をした結果を表1に示す。
ハイドロフルオロエーテルガスをヘプタフルオロシクロペンテン(C5HF7)に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、プラズマエッチングを行った。得られた被処理体について上述の方法に従って各種測定をした結果を表1に示す。
具体的には、実施例1及び実施例2では、260nm以上のシリコン酸化膜(102)のエッチング深さを維持しながら、入口寸法に対する選択比は無限大を実現している。実施例3でも、260nm以上のシリコン酸化膜(102)のエッチング深さを維持しながら、入口寸法に対する選択比が58.6と高い。一方、比較例1ではエッチング深さは実施例1、2と同程度であるが、入口寸法に対する選択比は8.6であり、シリコン窒化膜の肩部がエッチングされてしまう。従ってフルオロカーボンガスを単独で用いるよりも、ハイドロフルオロエーテルガスを混合したほうが、入口寸法に対する選択比を大幅に改善できる。
比較例2では、シリコン酸化膜(102)のエッチング深さ、入口寸法に対する選択比ともに実施例1〜3に比べて著しく劣る。
比較例3,4は水素原子を含まないフルオロエーテルガスを用いているが、シリコン酸化膜(102)のエッチング深さは、各々319nm、306nmであって実施例1〜3よりも深く、エッチング速度が速いものの、いずれも、入口寸法に対する選択比は実施例1〜3に比べて著しく劣る。以上の事から、分子構造に水素を含まないフルオロエーテルは処理ガスとして適切ではない。
比較例5では、同一炭素上に水素原子とフッ素原子が存在しないハイドロフルオロカーボンであるC5HF7を処理ガスとして用いているが、シリコン酸化膜(102)のエッチング深さ、入口寸法に対する選択比ともに、比較例1よりも悪化している。このことから、処理ガスが、エーテル結合を分子中に有するハイドロフルオロエーテルガスを含有する必要があることがわかる。
100,100’ シリコン単結晶ウエハー
101,101’ 第1シリコン窒化膜
102,102’ シリコン酸化膜
103,103’ パターン化された第2シリコン窒化膜
A プラズマエッチング前の第2のシリコン窒化膜103の厚み
A’ プラズマエッチング後の第2のシリコン窒化膜103’の厚み
B プラズマエッチング前のシリコン酸化膜102の厚み
B’ プラズマエッチング後に残存したシリコン酸化膜102’の厚み
C 第2のシリコン窒化膜103に形成されたパターンの入口寸法
C’ プラズマエッチング後の第2のシリコン窒化膜103’における入口寸法
Claims (4)
- 加工対象であるシリコン酸化膜と、非加工対象とを備える被処理体のプラズマエッチング方法であって、少なくとも一種のフルオロカーボンガスと、化学式(I)で表される少なくとも一種のハイドロフルオロエーテルガスとの混合ガスを処理ガスとして用いる、プラズマエッチング方法。
- 前記処理ガス中における、前記ハイドロフルオロエーテルガスの混合割合が、前記フルオロカーボンガス100体積部に対して、1体積部以上100体積部以下である、請求項1に記載のプラズマエッチング方法。
- 前記フルオロカーボンガスが、組成式C2F6、C3F6、C3F8、C4F6、C4F8、又はC5F8で表される化合物のガスである、請求項1又は2に記載のプラズマエッチング方法。
- 前記ハイドロフルオロエーテルガスが、組成式C4H3F7Oで表される化合物のガスである、請求項1〜3の何れかに記載のプラズマエッチング方法。
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