JP6837302B2 - 構造物を気相化学的にドライエッチングするための方法及び装置 - Google Patents
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Description
1.発明の分野
本発明は、構造物を気相化学的にドライエッチングする方法に関する。本発明はまた、構造物を気相化学的にドライエッチングするための装置に関する。
本発明は、半導体製造の分野における一般に遭遇する長年の問題に取り組むものである。この問題は、ケイ素と、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素の両方を含み、構造物のケイ素部分をエッチングすることが望まれる構造物に関与する。構造物の二酸化ケイ素及び/又は窒化ケイ素部分は、マスクとして、又はそれ自体で永続的な構造上の構成要素として、存在することができる。問題は、ケイ素をエッチングするのに用いられるエッチングプロセスが、二酸化ケイ素及び窒化ケイ素をも攻撃することである。ケイ素と二酸化ケイ素及び窒化ケイ素とのエッチング選択性を向上させることが非常に望ましい。なぜならば、この種の選択性の向上は、ケイ素エッチングプロセスに首尾よく耐えるために必要とされる、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素の厚さを低減するからである。このことは同様に、コストを低減し、設計融通性をも提供する。本明細書において、選択性は、エッチングされる標的材料(例えば、ケイ素)の量と、エッチングされる二酸化ケイ素及び/又は窒化ケイ素の量との比として定義される。エッチングプロセスにおける様々なポイントで、様々なガスを導入することにより、エッチング選択性を向上させるための様々な提案がなされてきた。US6290864号公報は、エッチャント及びヘリウムなどの非エッチャントの混合物の使用を提案している。GB2473851号公報は、水素の使用を開示し、US7041224号公報は、水素及び/又は酸素の使用を開示しており、両方の場合において、エッチャントとの混合物の一部として用いられている。WO2011/006895号公報は、酸素及び/又は亜酸化窒素、オゾン又は二酸化窒素などの酸化ガスの、エッチングプロセスにおける様々な段階での使用を提案している。これらの酸化ガスは、効果を生じるために追加の加熱を必要とする可能性がある。
該構造物をエッチングチャンバー内に配置するステップであって、該構造物が第1の材料及び第2の材料を含み、該第1の材料がケイ素、モリブデン、ゲルマニウム、SiGe及びタングステンから選択され、該第2の材料が二酸化ケイ素又は窒化ケイ素であり、該第1の材料の少なくとも1つの表面が気相化学エッチャントにより接触可能であるように暴露している、ステップ;及び
該第1の材料を希ガスフッ化物又はハロゲンフッ化物気相化学エッチャントでエッチングするステップ、を含み、
該方法が、該第1の材料をエッチングするステップが水蒸気の存在下で行われるように、該エッチングチャンバーを水蒸気に暴露するステップをさらに含む、方法が提供される。
該装置が、
該構造物が中に配置されるエッチングチャンバー;
希ガスフッ化物又はハロゲンフッ化物気相化学エッチャントの第1の源;
ある体積の水を含有する第2の源;及び
i)該エッチングチャンバーを該第2の源から供給される水蒸気に暴露させ、ii)水蒸気の存在下で該構造物を該第1の源から供給される該気相化学エッチャントでエッチングさせる、コントローラーを含むガス送達及び除去システム、を含み、
該構造物が第1の材料及び第2の材料を含み、該第1の材料がケイ素、モリブデン、ゲルマニウム、SiGe及びタングステンから選択され、該第2の材料が二酸化ケイ素又は窒化ケイ素であり、該第1の材料の少なくとも1つの表面が該気相化学エッチャントにより接触可能であるように暴露している、構造物及び装置が提供される。
図1は、構造物(示されていない)を気相化学的にエッチングするための装置を示しており、この装置は気相エッチャント源12を含む。この例において、気相エッチャントは二フッ化キセノンであり、化学エッチャント源12は気相二フッ化キセノンを含有し、この気相二フッ化キセノンは源12に同様に存在する固体二フッ化キセノンの昇華物である。他の希ガスフッ化物及びハロゲンフッ化物も検討してよい。中間体チャンバー16(一般に膨張チャンバーと呼ばれる)が所望の圧力の二フッ化キセノンで充填されるように、バルブ14を開閉してよい。エッチングされる構造物(示されていない)は、エッチングチャンバー18内へ入れられる。構造物の投入は、本技術分野において周知の技術及び装置を用いて実施することができる。構造物をエッチングする目的で、気相化学エッチャントのチャンバー18内への導入を制御するように、バルブ20を開閉することができる。装置は、水で部分的に充填されているリザーバー22をさらに含む。バルブ24を開けて、水蒸気がエッチングチャンバー18に入るようにすることができる。リザーバー22内のガス雰囲気が完全に水蒸気からなるようにするため、リザーバー22内に存在する空気はあらかじめ排気される。バルブ26を有する排気ラインは、真空ポンプ28に接続される。このことにより、ガスをエッチングチャンバー18からポンプで抜き出すことができる。装置は、真空ポンプ28によって膨張チャンバー16が排気されるのを可能にするバルブ30を備える補助排気ラインを含む。装置は、本発明に従い、バルブ14、20、24、26及び30を含む、装置の様々な要素の運転を制御するコントローラー10をさらに含む。表現上の簡潔さのため、装置のコントローラー10と様々な制御された要素との間の相互接続は図1に示されていない。コントローラーは、PC、PLC、又は別のマイクロプロセッサ系デバイスなどの、任意の適切な形状であってよい。
実験#1において、エッチングサイクルの合間にパージを全くすることなくエッチングを実行した。それ故にこのプロセスは、二フッ化キセノンの一連のパルスへのウェーハの暴露を本質的に含むものとして説明することができる。これは典型的な先行技術のエッチングプロセスであり、窒化ケイ素選択性が370、二酸化ケイ素選択性が1378という結果となった。
水蒸気でのパージを二フッ化キセノンの各パルスの後に用いた。水蒸気パージの間のエッチングチャンバー内の水蒸気圧は12Torrであった。そしてこれを、エッチングチャンバーを0.3Torr未満にポンプで減圧する前に5秒間維持した。各水蒸気パージの追加は、エッチングチャンバーを水で充填し、水蒸気圧を維持し、ポンプで減圧するプロセスに起因して、さらに約17秒をプロセスに追加した。結果として得られる選択性は、参照実験と比較して劇的な上昇を示している。二酸化ケイ素については、およそ350%の選択性上昇があり、一方で窒化ケイ素については、選択性がおよそ2000%上昇している。参照実験と比較して、ケイ素のアンダーカットエッチング距離がおよそ25%下がったことが注目された。特定の理論又は推測に拘束されることを望むものではないが、二フッ化キセノンが水と反応することにより、ケイ素をエッチングするのに利用することのできる二フッ化キセノンの量が低減される可能性があると考えられる。ケイ素と窒化ケイ素及び二酸化ケイ素との選択性を最大化することが最も重要な要件であり、この要件が全体のケイ素エッチング速度よりも重要である用途が、多く存在する。さらに、チャンバー内の水の蒸気圧を変化させて、必要に応じてケイ素エッチング速度及び選択性を調整する手段を提供することが可能である。例えば、より低い水の蒸気圧を、ケイ素エッチング速度を上昇させる意図で用いてよい。別の可能性は、数回のエッチングパルスが用いられた後にのみ水蒸気パージが行われる、異なるエッチング工順を利用することである。さらなる可能性は、ガス流れが止められエッチングチャンバーが排気される前に、ある時間、特定のエッチングチャンバー圧力で、二フッ化キセノン(又は他のエッチャント)が流れる連続流れエッチングプロセスを用いることである。次に、特定の圧力で特定の時間、水蒸気のパルス又は流れをエッチングチャンバー内へ導入することができる。水蒸気を導入するためにたまに停止しながら連続エッチングを実施するこのプロセスを、エッチングプロセスが完了するまで繰り返すことができる。
多数の他の実験を比較として実施した。実験#3において、17秒の遅延をエッチングステップの前に追加した。その他の点では、この実験は参照実験#1と同一であった。17秒の遅延は、水蒸気パージステップを実施するのに要する全体の時間に相当する。参照実験#1と比較すると、選択性は顕著に変化していなかったが、エッチングされたケイ素の全体の量がおよそ10%増加した。このことは、エッチングサイクルの合間でのウェーハの冷却により説明することができる。なぜなら、より低い温度が、二フッ化キセノンがケイ素をエッチングするエッチング速度を増加させることが知られているからである。実験#3は、エッチングサイクルの合間のタイムラグを単純に導入することは、エッチング選択性向上の原動力ではないことを示している。
Claims (16)
- 構造物を気相化学的にドライエッチングする方法であって、
該構造物をエッチングチャンバー内に配置するステップであって、該構造物が第1の材料及び第2の材料を含み、該第1の材料がケイ素、モリブデン、ゲルマニウム、SiGe及びタングステンから選択され、該第2の材料が二酸化ケイ素又は窒化ケイ素であり、該第1の材料の少なくとも1つの表面が気相化学エッチャントにより接触可能であるように暴露している、ステップ;及び
該第1の材料を希ガスフッ化物又はハロゲンフッ化物気相化学エッチャントでエッチングするステップ、を含み、
該方法が、該第1の材料をエッチングするステップが水蒸気の存在下で行われるように、該エッチングチャンバーを水蒸気に暴露するステップをさらに含み、該気相化学エッチャント及び該水蒸気が、該エッチングチャンバー内へ別々に導入される、方法。 - 該エッチングチャンバーを水蒸気に暴露するステップが、該第1の材料をエッチングするステップより前に、水蒸気を該エッチングチャンバー内へ導入するステップ及びその次に水蒸気を該エッチングチャンバーから除去するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 水蒸気を該エッチングチャンバー内へ導入するステップ、水蒸気を該エッチングチャンバーから除去するステップ、及び該構造物をエッチングするステップが周期的に繰り返される、請求項2に記載の方法。
- 該第1の材料を希ガスフッ化物又はハロゲンフッ化物気相エッチャントでエッチングする最初のステップが、水蒸気を該エッチングチャンバー内へ導入するステップ、水蒸気を該エッチングチャンバーから除去するステップ、及び該構造物をエッチングするステップの周期的繰り返しより前に行われる、請求項3に記載の方法。
- 該エッチングチャンバーを水蒸気に暴露するステップが、水蒸気を該エッチングチャンバー内に導入し、それと同時に気相化学エッチャントが該エッチングチャンバー内へ導入される、ステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 該気相化学エッチャント及び該水蒸気が、該エッチングチャンバー内へ連続的に流される、請求項5に記載の方法。
- 該気相化学エッチャント及び該水蒸気が、一連のパルスで同時に該エッチングチャンバー内へ導入される、請求項5に記載の方法。
- 該気相化学エッチャントがXeF2である、請求項1に記載の方法。
- 該エッチングチャンバーを水蒸気に暴露するステップが、少なくとも5Torrの圧力で水蒸気を該エッチングチャンバー内へ導入するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 少なくとも10Torrの圧力で、該水蒸気が該エッチングチャンバー内へ導入される、請求項9に記載の方法。
- 該第1の材料をエッチングするステップの間、該エッチングチャンバー内の水蒸気の分圧が、該エッチングチャンバー内の気相化学エッチャントの分圧よりも小さい、請求項1に記載の方法。
- 30℃未満の温度で、該水蒸気が該エッチングチャンバー内へ導入される、請求項1に記載の方法。
- 20秒未満で、該水蒸気が該エッチングチャンバー内へ導入される、請求項1に記載の方法。
- 少なくとも2,500、好ましくは少なくとも4,000、より好ましくは少なくとも10,000、及び最も好ましくは少なくとも20,000の、該第1の材料と該第2の材料とのエッチングの選択性で、該構造物が化学的にエッチングされる、請求項1に記載の方法。
- 該第2の材料が窒化ケイ素であり、かつ少なくとも6000の、該第1の材料と該第2の材料とのエッチングの選択性で、該構造物が化学的にエッチングされる、請求項14に記載の方法。
- 請求項1に記載の方法で該構造物を気相化学ドライエッチングするための構造物及び装置であって、
該装置が、
該構造物が中に配置されるエッチングチャンバー;
希ガスフッ化物又はハロゲンフッ化物気相化学エッチャントの第1の源;
ある体積の水を含有する第2の源;及び
i)該エッチングチャンバーを該第2の源から供給される水蒸気に暴露させ、ii)水蒸気の存在下で該構造物を該第1の源から供給される該気相化学エッチャントでエッチングさせる、コントローラーを含むガス送達及び除去システム、を含み、該第1の源は第1のチャンバーを備え、該第2の源は該第1のチャンバーとは独立の第2のチャンバーを備え、該気相化学エッチャントと該水蒸気は独立にポンピングされ、
該構造物が第1の材料及び第2の材料を含み、該第1の材料がケイ素、モリブデン、ゲルマニウム、SiGe及びタングステンから選択され、該第2の材料が二酸化ケイ素又は窒化ケイ素であり、該第1の材料の少なくとも1つの表面が該気相化学エッチャントにより接触可能であるように暴露している、構造物及び装置。
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