JP6861817B2 - 急速熱活性化プロセスと連係した、プラズマを使用する原子層エッチングプロセス - Google Patents

急速熱活性化プロセスと連係した、プラズマを使用する原子層エッチングプロセス Download PDF

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Description

関連出願
本出願は、２０１６年１２月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／４３４０３６号（U.S. Provisional Patent application Serial No. 62/434,036）に基づくものであって、その優先権を主張するものであり、同出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
プラズマ処理は、半導体ウェハおよび他の基板の堆積、エッチング、レジスト除去、および関連処理のために半導体産業において広く使用されている。基板を処理するための高密度プラズマおよび反応種を生成するために、プラズマ処理に関して、プラズマ源（例えばマイクロ波、ＥＣＲ、誘導など）が使用されることが多い。
プラズマを使用して過去に行われたプロセスの１つの種類は、原子層エッチングである。原子層エッチングは、半導体デバイスを製造するために非常に微細な精度で繊細なエッチングを実施するための技術である。原子層エッチングは、基板の表面下の損傷または不所望な改質を回避することを試みながら、薄い層に対して実施される。原子層エッチングを、別の重要な層を被覆する非常に薄い層をエッチングするために実施してもよい。エッチングプロセスの最後に、既にエッチングされた層の残りの少量の部分を、その下にある構造を損傷することなく除去するために、原子層エッチングを使用することもできる。自己表面の制限されたプロセス反応を得るために原子層エッチングを使用し、これによって均一性が、もはやプラズマの均一性によって制御されるのではなく、表面の暴露のみによって制御されるようにし、これによって、エッチング量の均一性をさらに改善することができるようにすることが望ましい。
過去において、原子層エッチング方法は、まず初めに表面に反応種を付着させるステップを含み、それに続いて、反応性表面層を除去するためのプラズマイオン衝撃を含んでいた。そのようなイオン衝撃の制御は、原子層エッチングのための考えられるアプローチの１つの態様にすぎない。伝統的な原子層エッチングは、Ｓｉ、Ｓｉ３Ｎ４、またはＳｉＯ２のようなシリコンを含有するフィルムに対して非常に成功している。しかしながら、イオン衝撃による活性化を使用する上記の伝統的な方法は、他の層、特に炭素を含有する層および他の低誘電率フィルムに対しては成功していない。これらの他の材料は、例えば、イオン衝撃に対する反応性が比較的低く、化学反応に対する反応性が比較的高い。さらに、いくつかの実施形態では、エッチングプロセスを生じさせるために比較的高い温度が必要とされ、この結果、プロセスの制御を殆ど提供しない、非常に長いエッチングサイクルがもたらされる可能性がある。
したがって、炭素含有フィルムと、低誘電率を有するフィルムを含む他の同様のフィルムと、をエッチングするためのエッチング方法が必要とされている。より具体的には、上記の材料に対して原子層エッチングプロセスを実施するための方法およびプロセスが必要とされている。
概して、本開示は、層に対して、特に半導体ウェハ上に含有される層に対して、制御された精密エッチングを実施するためのプロセス（方法）および装置に関する。本開示によれば、本プロセスは、層を反応種に曝すことを含む。反応種を、例えばプラズマ源によって生成することができる。プラズマ源と基板との間に可能なスクリーニンググリッドを用いることにより、殆どの反応性の中性粒子が、イオン衝撃なしに基板表面に到達するようになる。層が反応種に曝されている間に、この層を急速熱サイクルに曝すことによって層の温度が上昇する。急速熱サイクルを、例えば１つまたは複数の脈動ランプによって生成することができる。急速熱サイクルは、反応種が層と反応するために必要とされる活性化温度を上回るように層の温度を漸増的に上昇させることが可能である。温度上昇を、温度上昇期間と組み合わせて注意深く制御することによって、反応種が層と反応する際に、制御された精密エッチングが実施される。
例えば、１つの実施形態では、本開示は、半導体ウェハ上の層をエッチングするためのプロセスに関する。本プロセスは、半導体ウェハを処理チャンバ内に配置するステップを含む。半導体ウェハは、フィルム層を含む。フィルム層は、例えば炭素を含有することができる。例えば、フィルム層は、低誘電率フィルム、フォトレジスト層、ハードマスク層などを含むことができる。エッチャントガスから、プラズマが生成される。プラズマは、反応種を含有する。本開示によれば、フィルム層が反応種に接触させられる。１つの実施形態では、例えばプラズマは、プラズマチャンバ内で生成され、フィルム層に接触する前にフィルタ構造を通してフィルタリングされる。フィルタ構造は、開口部を含み、これらの開口部は、反応種を通過させるが、プラズマ内に含有される荷電種の少なくとも６５％、例えば少なくとも８０％、例えば少なくとも９０％をフィルタ除去する。反応種は、例えば中性粒子を含むことができる。
フィルム層が反応種に接触させられている際に、半導体ウェハは、急速熱サイクルに曝される。急速熱サイクルは、反応種にフィルム層をエッチングさせるために十分な活性化温度を上回るようにフィルム層を加熱する。１つの実施形態では、例えば半導体ウェハを複数回の急速熱サイクルに曝すことによって、フィルム層の温度が漸増的に上昇する。それぞれの急速熱サイクルは、それぞれ同じ長さの時間を有することができるか、またはそれぞれ異なる長さの時間を有することができる。１つの実施形態では、１回または複数回の急速熱サイクルを、フラッシュランプのような１つまたは複数のランプによって生成することができる。半導体ウェハを複数回の急速熱サイクルに曝すことによって、フィルム層を、制御された方法で漸増的にエッチングすることができる。例えば、１つの実施形態では、本プロセスは、原子層エッチングプロセスを含む。
フィルム層が加熱される温度、チャンバ内の反応種の濃度、熱サイクルの期間、および他のパラメータを、特定の用途および所望の結果に基づいて調整することができる。１つの実施形態では、例えばフィルム層を、約８０℃超、例えば約９０℃超、例えば約１００℃超の温度に加熱することができる。例えば、半導体ウェハおよび／またはフィルム層を、プロセス中に約１００℃〜約３００℃の温度に加熱することができる。エッチャントガスは、単一のガスを含むことができるか、または複数のガスの混合物を含むことができる。エッチャントガスは、例えば、分子状酸素、分子状窒素、アルゴン、分子状水素、水、過酸化水素、二酸化炭素、二酸化硫黄、メタン、硫化カルボニル、トリフルオロメタン、テトラフルオロメタン、またはそれらの混合物を含むことができる。プロセス中、エッチング速度を注意深く制御することができる。例えば、エッチング速度を、毎分約１００オングストローム〜毎分約５０００オングストロームとすることができる。
以下、本開示の他の特徴および態様がさらに詳細に議論される。
当業者に向けられた実施形態の詳細な説明は、添付の図面を参照する本明細書に記載されている。
プラズマ反応器と、処理チャンバと、複数の加熱ランプと、を含む、本開示のプロセスを実施するために使用することができる処理システムの１つの実施形態の断面図である。 本開示のプロセス中に起こり得る累積エッチング量の１つの実施形態を示すグラフである。 本開示中に起こり得る温度プロファイルの１つの実施形態を示すグラフである。 層が反応種に曝された際における温度とエッチング速度との間の関係の１つの実施形態を示すグラフである。
以下、複数の実施形態が詳細に参照され、そのうちの１つまたは複数の例が図面に図示されている。各例は、本開示を限定するものとして提供されているわけではなく、実施形態を説明するものとして提供されている。実際、本開示の範囲または精神から逸脱することなく実施形態に対して種々の修正および変形を行うことが可能であることが当業者には明らかであろう。例えば、ある１つの実施形態の一部として図示または説明されている特徴を、別の実施形態と共に使用して、さらに別の実施形態をもたらすことが可能である。したがって、本開示の態様が、そのような修正形態および変形形態を網羅することが意図されている。
本開示は、概して、半導体ウェハのような基板の表面をエッチングするためのプロセスに関する。本開示は、本プロセスを実施するための装置およびシステムにも関する。本開示によれば、基板の表面は、急速熱サイクルに供されている間に、反応種に接触させられる。反応種が表面と反応し、表面をエッチングして表面層を除去する活性化温度を超えるように、急速熱サイクルが、表面の温度を漸増的に上昇させる。
本開示のプロセスは、特定の基板の原子層エッチングのために特に好適である。例えば、本開示のプロセスは、炭素を含有するフィルムをエッチングするために特に好適である。
原子層エッチングは、個々の原子層を除去することによって表面がエッチングされるエッチングプロセスを指す。伝統的に、原子層エッチングは、基板の表面が化学成分と反応する二段階プロセスである。反応後、反応した表面層を除去するために、表面がプラズマイオン衝撃に供される。しかしながら、上記の方法は、炭素を含有するフィルムおよび他の低誘電率材料をエッチングするためにはあまり適していない。そのような材料は、イオン衝撃に対して反応性が比較的低い。これに関して、本開示は、精密エッチング量を制御するために熱パルスによる熱活性化を使用する、代替的な原子層エッチング方法に関する。本開示のプロセスは、炭素含有層を含む種々の材料をエッチングするために好適であるのみならず、厳密な公差に従って慎重に制御されることも可能である。例えば、短い熱パルスを使用することによって、それぞれの熱パルスサイクルにおいて反応およびエッチングを停止させることができるので、エッチング量を非常に微細な分解能で制御することが可能となる。
本開示のプロセスは、種々の利点および利益を提供する。例えば、種々の異なる層のエッチング量を正確に制御することによって、その下に位置する形成されているデバイスに関して改善が得られる。例えば、炭素含有フィルムを、多数の多様な用途において使用することが可能となり、最終的により良好な電気的性能をもたらす非常に薄い層として、半導体デバイスに組み込むことが可能となる。
本開示によれば、ウェハは、処理チャンバ内に配置され、プラズマから生成することができる反応種に供され、その間に、１回または複数回の熱サイクルにも曝される。１つの実施形態では、下流の誘導結合プラズマ（inductively coupled plasma：ＩＣＰ）源を利用することができる。しかしながら、本開示のマスク除去プロセスは、マイクロ波下流ストリップ技術、または平行板／誘導結合プラズマエッチング技術のような、他のプラズマ技術も企図している。誘導プラズマ源は、半導体基板を処理するための高密度プラズマおよび反応種を生成するためのプラズマ処理に使用されることが多い。例えば、誘導プラズマ源は、標準的な１３．５６ＭＨｚ以下の低周波数の電力発生器を使用して高密度プラズマを簡単に生成することができる。
いくつかの実施形態では、基板または半導体ウェハを、直接的にプラズマに曝すことができるが、本開示の１つの実施形態では、プラズマは、下流において生成され、基板に接触する前にフィルタリングされる。これに関して、プラズマを、処理チャンバから離れたところで形成することができる。プラズマが形成された後、所望の粒子または反応種が半導体基板へと導かれる。例えば、１つの実施形態では、反応種を形成する中性粒子に対しては透過性であって、かつプラズマに対しては非透過性であるフィルタ構造またはグリッドを使用することができる。そのようなプロセスは、最大約６０００ワットのような高いＲＦ電力と、場合によっては比較的多いガス流量および比較的高いガス圧力と、を必要とし得る。例えば、ガス流量を、毎分約２００００標準立方センチメートルとすることができ、圧力を、最大約５０００ミリトルとすることができる。
図１を参照すると、本開示に従って使用することができる処理チャンバ１１０の１つの実施形態が示されている。処理チャンバ１１０は、プラズマ反応器１００と連通している。図示の実施形態では、処理チャンバ１１０は、単一の半導体ウェハを保持するように設計されている。しかしながら、別の実施形態では、一度に２つ以上のウェハを収容および処理することができる処理チャンバを使用してもよい。処理チャンバ１１０は、適切な直径を有する半導体ウェハを収容するように設計されている。１つの実施形態では、例えばウェハの直径を、約１００ｍｍ〜約５００ｍｍとすることができる。例えば、半導体ウェハは、２００ｍｍの直径、３００ｍｍの直径または４５０ｍｍの直径を有することができる。処理チャンバ１１０に出入りする流体の流量を、処理されている基板の寸法と、一度に２つ以上の基板が処理されているかどうかと、に応じて変化させることができる。
図１に示されたシステムでは、プラズマ反応器１００は、処理チャンバ１１０とは別個のプラズマチャンバ１２０を含む。処理チャンバ１１０は、基板１１４を保持するように動作することができる基板ホルダ１１２を含む。プラズマチャンバ１２０（すなわちプラズマ生成領域）内で誘導プラズマが生成され、次いで、プラズマチャンバ１２０を処理チャンバ１１０（すなわち下流領域）から分離するグリッド１１６のようなフィルタ構造に設けられた孔部を通して、プラズマチャンバ１２０から基板１１４の表面へと、所望の粒子が導かれる。プラズマチャンバ１２０は、誘電体側壁１２２と天井１２４とを含む。誘電体側壁１２２と天井１２４とが、プラズマチャンバ室内１２５を画定する。誘電体側壁１２２を、石英のような任意の誘電体材料から形成することができる。プラズマチャンバ１２０を取り巻いている誘電体側壁１２２に隣接するように、誘導コイル１３０が配置されている。誘導コイル１３０は、適切な整合ネットワーク１３２を介してＲＦ電力発生器１３４に結合されている。ガス供給部１５０および環状ガス分配チャネル１５１からチャンバ室内に、反応物およびキャリアガスを供給することができる。ＲＦ電力発生器１３４からのＲＦ電力によって誘導コイル１３０が励起されると、実質的に誘導性のプラズマが、プラズマチャンバ１２０内に誘導される。
特定の実施形態では、プラズマ反応器１００は、誘導コイル１３０とプラズマとの容量結合を低減するための任意選択のファラデーシールド１２８を含むことができる。効率を高めるためにプラズマ反応器１００は、任意選択的にチャンバ室内１２５に配置されたガス注入インサート１４０を含むことができる。ガス注入インサート１４０を、チャンバ室内１２５に取り外し可能に挿入することができるか、またはプラズマチャンバ１２０の固定された部分とすることができる。いくつかの実施形態では、ガス注入インサートは、プラズマチャンバの側壁に近接してガス注入チャネルを画定することができる。ガス注入チャネルは、誘導コイルに近接したチャンバ室内と、ガス注入インサートおよび側壁によって画定された活性領域と、にプロセスガスを供給することができる。活性領域は、プラズマチャンバ室内に、電子をアクティブに加熱するための閉じ込め領域を提供する。狭細なガス注入チャネルは、プラズマがチャンバ室内からガスチャネル内に拡散するのを防止する。ガス注入インサートによってプロセスガスは、電子がアクティブに加熱される活性領域を通過するように強制される。
プラズマチャンバ１２０内で生成されたプラズマは、上述のように、グリッド１１６のフィルタ構造を通過して処理チャンバ１１０内に入る。グリッド１１６は、開口部を含み、これらの開口部は、反応種を通過させるが、荷電種をフィルタ除去する。反応種は、例えば中性粒子を含むことができる。半導体ウェハ１１４の上面は、これらの反応種に曝され、この反応種は、フィルム層の温度が反応のための活性化温度よりも高い場合には、反応して半導体基板上のフィルム層の表面を除去する。
概して、グリッド１１６は、生成されたプラズマ内に含有される荷電種の少なくとも約６５％をフィルタ除去する。例えば、フィルタ構造またはグリッド１１６を、プラズマ内に含有される荷電種の少なくとも約７０％、例えば少なくとも約７５％、例えば少なくとも約８０％、例えば少なくとも約８５％、例えば少なくとも約９０％、例えば少なくとも約９５％をフィルタ除去するように構成することができる。１つの特定の実施形態では、荷電種の約９８％超がプラズマからフィルタリングされ、これによって、半導体ウェハの上のフィルム層が、中性粒子のような反応種のみに接触させられるようになる。
半導体ウェハ１１４上のフィルム層が反応種に接触させられている際に、半導体ウェハは、１回または複数回の急速熱サイクルにも曝される。急速熱サイクルは、フィルム層の温度を、フィルム層と反応種とが反応する活性化温度を上回るように漸増的に上昇させる。概して、半導体ウェハを急速熱サイクルに曝すために、任意の適切な加熱装置を使用することができる。図１に示される実施形態では、半導体ウェハ１１４を加熱するために、例えば複数のランプ１６０のような少なくとも１つのランプが使用される。ランプ１６０は、例えばフラッシュランプを含むことができる。ランプを、例えばタングステンハロゲンランプ、アークランプなどのような白熱灯とすることができる。光源１６０を、ランプによって放射されている光エネルギをウェハ１１４上に均一に向けるための反射体または反射体の集合に動作可能に関連させることができる。１つの実施形態では、例えばランプ１６０を、ウェハの表面にわたって均一な放射輝度分布を生成するように設計することができる。
ランプは、任意の適切な構成を有することができる。１つの実施形態では、例えばランプは、半導体ウェハ１１４に対して平行または垂直な軸線を含むことができる。例えば、ランプ１６０は、複数の細長いランプを含んでもよいし、または複数の線形のランプを含むこともできる。
図１に示される実施形態では、ランプ１６０は、半導体ウェハ１１４の下方に配置されている。しかしながら、光源を、チャンバの側方に配置してもよいし、または処理されている薄フィルム層に光が直接的に接触するように、チャンバの上方に配置することもできることを理解すべきである。別の実施形態では、複数のランプを、ウェハの上下に配置すること、ウェハの下方とウェハの側方とに配置すること、ウェハの上方とウェハの側方とに配置することができるか、またはウェハの下方とウェハの上方とウェハの側方とに配置することができる。
急速熱サイクルを生成するために、概して、光源を使用することが好ましい。例えば、ランプまたは光源は、他の加熱装置よりも格段に速い加熱速度および冷却速度を有する。ランプは、瞬間的なエネルギを供給する急速熱処理システムを形成し、典型的に、良好に制御された非常に短い始動期間を必要とする。ランプからのエネルギの流れを、いつでも突然停止させることもできる。ランプには、段階的な電力制御部を設けることができると共に、当該ランプによって放射される光エネルギの量を、ウェハの温度測定値に基づいて自動的に調整するコントローラを接続することができる。
処理中のウェハの温度を、任意の適切な温度測定装置を使用して監視することができる。１つの実施形態では、例えばウェハの温度を、ウェハに接触することなくウェハの温度を測定するパイロメータを使用して検出することができる。
例えば、本開示のシステムは、複数の光ファイバまたは光パイプを含むことができ、これらの光ファイバまたは光パイプ自体は、複数の光検出器と通信する。感知された放射量は、次いで、光検出器に伝達され、これらの光検出器は、ウェハの温度を特定するために利用可能な電圧信号を生成し、このウェハの温度を、部分的にプランクの法則に基づいて計算することができる。
概して、本システムは、１つまたは複数のパイロメータを含有することができる。複数のパイロメータを含有する場合には、それぞれのパイロメータが、それぞれ異なる位置で、ウェハの温度を測定することができる。次いで、複数の異なる位置においてウェハの温度を把握したことを、ウェハに印加される熱の量を制御するために使用することができる。例えば、１つの実施形態では、本システムは、マイクロプロセッサのようなコントローラを含むことができる。コントローラは、複数の異なる位置でサンプリングされる放射量を表す電圧信号を、光検出器から受信することができる。受信した信号に基づいて、複数の異なる位置におけるウェハの温度を計算するように、コントローラを構成することができる。コントローラは、光エネルギ源１６０と通信することもできる。このようにして、コントローラは、ウェハの温度を特定することができると共に、この情報に基づいて、ランプ１６０によって放出される熱エネルギの量を制御することができる。その結果、熱処理チャンバ内の状態に関して即座の調整を実施することが可能となる。代替的に、コントローラは、上述のような閉ループシステムの代わりに、開ループシステム上で動作してもよい。例えば、温度感知装置を使用してコントローラを較正し、次いで、予測される結果に基づいて光源を動作させるように、コントローラを事前にプログラムすることができる。
図１に示されるように、光エネルギ源１６０を、スペクトルフィルタまたは窓１６２によって熱処理チャンバ１１０から隔離することができる。スペクトルフィルタ１６２は、ランプ１６０を半導体ウェハ１１４から隔離して、チャンバの汚染を防止するために使用される。スペクトルフィルタ１６２は、半導体ウェハ１１４を加熱するために、ランプからの熱エネルギを通過させてチャンバ内に入るようにすることを可能にするように設計されている。１つの実施形態では、スペクトルフィルタ１６２は、干渉を防止するために、パイロメータが動作する波長のような特定の波長の光をフィルタ除去することができる。スペクトルフィルタ１６２を、例えば石英または他の類似の材料から形成することができる。
上述のように、半導体ウェハ１１４は、基板ホルダ１１２上に配置されている。１つの実施形態では、基板ホルダ１１２を、処理中にウェハを回転させるように適合することができる。ウェハを回転させることにより、ウェハの表面にわたる温度均一性の向上が促進されると共に、チャンバ内に導入された反応種とウェハとの間の接触の強化が促進される。しかしながら、別の実施形態では、半導体ウェハ１１４を、処理中に静止したままにしてもよい。
図１に示されるシステムはさらに、出口１６４を含む。出口１６４は、ガスがチャンバを通過してチャンバから退出することを可能にするためのものである。１つの実施形態では、例えばウェハの表面と反応しない反応種を、熱処理チャンバ１１０に流入させて、出口１６４を通して退出させることができる。エッチングプロセスが完了した後、１つの実施形態では、処理チャンバ内から全ての反応種を除去するために、チャンバを通して任意の不活性ガスを供給し、出口１６４を通して排出することができる。
本開示による制御されたエッチングプロセスを実施する際には、反応種を生成するために、まず始めにプラズマチャンバ１２０内でエッチャントガスからプラズマが生成される。エッチャントガスは、単一のガスを含んでもよいし、または複数のガスの混合物を含んでもよい。エッチャントガスの組成は、例えば多数の変数に依存し得る。例えば、エッチャントガスの選択は、エッチングされるべき半導体ウェハ１１４上に含有されるフィルム層と、エッチング条件と、ウェハの表面からエッチングされて除去されるべき材料の量と、に依存し得る。エッチャントガスを調合するために使用することができるガスは、例えば、酸素源、水素源、ハロゲン源などを含む。使用することができる特定のガスは、分子状酸素、分子状窒素、アルゴン、分子状水素、水、過酸化水素、二酸化炭素、二酸化硫黄、メタン、硫化カルボニル、トリフルオロメタン、テトラフルオロメタンなど、またはそれらの混合物を含む。
１つの実施形態では、例えばエッチャントガスは、酸素含有ガスを単独で含んでもよいし、または窒素のような不活性ガスと組み合わせて含んでもよい。例えば、１つの特定の実施形態では、エッチャントガスは、分子状酸素と分子状窒素との組み合わせを含むことができる。
代替的な実施形態では、エッチャントガスは、酸素含有ガスと、ハロゲン含有ガスと、還元ガスと、の組み合わせを含むことができる。酸素含有ガスは、例えば、分子状酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、一酸化窒素、またはそれらの組み合わせを含むことができる。ハロゲン含有ガスは、例えばテトラフルオロメタンのようなフッ素を含有することができる。他方で、還元ガスは、水素を含有することができ、分子状水素、アンモニア、またはメタンなどを含んでもよい。分子状窒素のような不活性ガス、またはアルゴンもしくはヘリウムのような希ガスも存在することができる。
ガスの流量を、特定の用途に応じて広範囲に変化させることができる。例えば、それぞれのガスは、約５０ｓｃｃｍ〜約２００００ｓｃｃｍ、例えば約５００ｓｃｃｍ〜約１００００ｓｃｃｍの流量を有することができる。
本開示のエッチングプロセスを、種々異なる電力レベルおよび圧力レベルで実施することも可能である。例えば、ＲＦ電源電力を、約３００ワット〜約６０００ワット、例えば約１０００ワット〜約５５００ワット、例えば約３０００ワット〜約５０００ワットの範囲とすることができる。処理されるべき半導体ウェハの表面積に基づいて、電源電力を上下に調整することができる。他方で、処理チャンバ内の圧力も、種々異なる要因に応じて変化させることができる。例えば、圧力を、約１ｍＴｏｒｒ〜約４０００ｍＴｏｒｒ、例えば約２５０ｍＴｏｒｒ〜約１５００ｍＴｏｒｒ、例えば約４００ｍＴｏｒｒ〜約６００ｍＴｏｒｒの範囲とすることができる。
半導体ウェハ上のフィルム層の処理中におけるエッチング速度を制御するために、上記の種々異なるパラメータの各々を制御することができる。急速熱サイクルによる温度上昇を制御することによって、エッチング速度も注意深く制御される。より具体的には、エッチング速度は、他の種々異なる要因に加えて、処理される薄フィルム、エッチャントガスの組成、ガスの流量、フィルム層の温度、チャンバ内の圧力に依存し得る。概して、エッチング速度を、毎分約１００オングストローム超、例えば毎分約２００オングストローム超、例えば毎分約３００オングストローム超、例えば毎分約４００オングストローム超、例えば毎分約５００オングストローム超、例えば毎分約６００オングストローム超、例えば毎分約７００オングストローム超、例えば毎分約８００オングストローム超、例えば毎分約９００オングストローム超、例えば毎分約１０００オングストローム超、例えば毎分約１２００オングストローム超、例えば毎分約１４００オングストローム超、例えば毎分約１６００オングストローム超、例えば毎分約１８００オングストローム超、例えば毎分約２０００オングストローム超とすることができる。エッチング速度は、概して、毎分約７００００オングストローム未満、例えば毎分約５００００オングストローム未満、例えば毎分約４００００オングストローム未満、例えば毎分約３００００オングストローム未満、例えば毎分約２００００オングストローム未満、例えば毎分約１００００オングストローム未満、例えば毎分約９０００オングストローム未満、例えば毎分約８０００オングストローム未満、例えば毎分約７０００オングストローム未満、例えば毎分約６０００オングストローム未満、例えば毎分約５０００オングストローム未満、例えば毎分約４０００オングストローム未満、例えば毎分約３０００オングストローム未満、例えば毎分約２０００オングストローム未満、例えば毎分約１０００オングストローム未満である。
概して、本開示によれば、任意の適切なフィルム層をエッチングすることができる。フィルム層は、本開示における使用のために適しているが、例えば、プラズマによって生成された反応種（すなわち中性粒子）のような反応種に曝された場合に、概して約３０℃超、例えば約４０℃超、例えば約５０℃超、例えば約６０℃超、例えば約７０℃超、例えば約８０℃超、例えば約９０℃超、例えば約１００℃超の活性化温度を有するフィルム層を含む。このようなフィルム層は、炭素を含有するフィルム層を含む。例えば、１つの実施形態では、本開示に従ってエッチングされるフィルム層は、無定形炭素層を含む。無定形炭素層を、例えばホウ素によってドープすることができる。
別の実施形態では、炭素含有層は、フォトレジスト層を含むことができる。
本開示のプロセスは、低誘電率を有するフィルム層をエッチングするためにも好適である。
図４として、フォトレジスト層のような炭素含有フィルムのためのエッチャントガスに曝された際におけるエッチング速度対温度を示すグラフが、例えば説明する目的で含まれている。例えば、図４は、炭素を含有するフォトレジスト層が、分子状酸素および分子状窒素のプラズマから生成された反応種の存在下でエッチングプロセスに供されるという実施形態を表すことができる。図示のように、酸素反応レチクルの存在下でさえも、フィルム層の温度が概して約８０℃を超えるまでエッチングが生じない。本開示によれば、プロセス中のエッチング速度を制御するようにフィルム層およびウェハの温度を漸増的に上昇させるために、急速熱加熱サイクルが使用される。
図３を参照すると、例えば、本開示のエッチングプロセス中に使用することができる温度制御プロファイルの１つの実施形態が示されている。図３を参照すると、例えばフィルム層の温度は、領域２００において上昇する。領域２００は、ウェハおよびフィルム層のバルク加熱を表す。フィルム層と反応種とが反応する活性化温度は、グラフ上の温度２０２において生じる。本開示によれば、次いで、活性化温度２０２から最高温度２０４まで温度を上昇させるために急速熱サイクルが使用される。急速熱サイクルを使用して、フィルム層の温度を最高温度２０４まで上昇させ、次いで、即座に活性化温度２０２まで低下させることができる。例えば、それぞれの温度サイクルは、光エネルギ源の１つのパルスを含むことができる。エッチングプロセス中の反応による除去量を制御するために、それぞれのパルスを極端に短くすることができる。例えば、ランプのそれぞれの熱パルスサイクルを、約１０秒未満、例えば約７秒未満、例えば約５秒未満、例えば約３秒未満、例えば約１秒未満、例えば約８００ミリ秒未満、例えば約６００ミリ秒未満とすることができ、例えば約４００ミリ秒未満にさえもすることができる。それぞれのパルスは、概して約５０ミリ秒超、例えば約１００ミリ秒超である。制御されたエッチングが完了した後、図３に示されるように、フィルム層の温度は、周囲温度まで低下して戻る。
したがって、図３に示される温度対時間プロファイルは、どのようにしてフィルム層を活性化温度まで加熱し、次いで、温度傾斜の急速かつ急激な上昇をもたらすフラッシュ加熱によって、どのようにして最高温度まで加熱することができるかを示している。最高温度に到達した後、バルクへの熱伝導によってフィルム層を急速に冷却することができる。このようにして、原子層エッチングプロセスを実施することができる。
図２は、それぞれの熱パルスサイクルによる累積エッチング量を示す。短い熱パルスを使用することによって、エッチング量を段階的に増加させることができ、それぞれの熱パルスサイクルの終わりに反応を停止させることができるので、エッチング量を非常に微細な分解能で制御することが可能となる。図２に示されるように、例えば、それぞれの熱サイクルは、増加していくが全体的には非線形であるエッチング速度を生じさせるような曲線量に従って、エッチングされる材料の量を増加させる。
本主題を、その特定の実施例に関して詳細に説明してきたが、当業者であれば、前述の理解に達すると、そのような実施形態に対する代替形態、変形形態、および等価形態を容易に生成することができるということが理解されるであろう。したがって、本開示の範囲は、限定するためではなく例示するためのものであり、本開示は、当業者には容易に明らかであるように、本主題に対するそのような修正、変形、および／または追加を包含することを排除しない。

Claims (19)

  1. 半導体ウェハ上の層をエッチングするための方法であって、
    フィルム層を含む半導体ウェハを処理チャンバ内に配置するステップと、
    エッチャントガスから、反応種を含有するプラズマを生成するステップと、
    前記フィルム層を前記反応種に接触させるステップと、
    前記反応種に接触させている間に、前記半導体ウェハを急速熱サイクルに曝すステップと、
    を含み、
    前記急速熱サイクルは、前記反応種に前記フィルム層をエッチングさせるために十分な活性化温度を上回るように前記フィルム層を加熱し、
    前記フィルム層を複数回の急速熱サイクルに曝し、
    前記急速熱サイクルは、それぞれ異なるサイクル時間を有する、
    方法。
  2. 前記フィルム層は、炭素を含有する、請求項１記載の方法。
  3. 前記フィルム層は、低誘電率を有する誘電体層を含む、請求項１または２記載の方法。
  4. 前記急速熱サイクルを、複数のランプによって生成する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
  5. それぞれの急速熱サイクルは、光エネルギの１つのパルスを含む、請求項４記載の方法。
  6. 前記フィルム層は、フォトレジスト層またはハードマスク層を含む、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
  7. 前記フィルム層を漸増的にエッチングするために、前記半導体ウェハを複数回の急速熱サイクルに曝す、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
  8. 前記エッチングは、原子層エッチングである、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
  9. それぞれの急速熱サイクルは、１ｍｓ〜約１０ｓのサイクル時間を有する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
  10. 前記エッチャントガスは、分子状酸素、分子状窒素、アルゴン、分子状水素、水、過酸化水素、二酸化炭素、二酸化硫黄、メタン、硫化カルボニル、フルオロホルム（トリフルオロメタン）、テトラフルオロメタン、またはそれらの混合物を含む、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
  11. 前記フィルム層は、無定形炭素を含有する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
  12. 前記プラズマを、プラズマチャンバ内で生成し、前記フィルム層に接触する前にフィルタ構造を通して供給する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
  13. 前記急速熱サイクルにおいて、前記半導体ウェハを、約１００℃〜約３００℃の温度に加熱する、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
  14. 前記フィルタ構造は、開口部を含み、
    前記開口部は、前記反応種を通過させるが、前記プラズマ内に含有される荷電種の少なくとも６５％をフィルタ除去し、
    前記反応種は、中性粒子を含む、
    請求項１２記載の方法。
  15. 前記フィルタ構造は、開口部を含み、
    前記開口部は、前記反応種を通過させるが、前記プラズマ内に含有される荷電種の少なくとも８５％をフィルタ除去し、
    前記反応種は、中性粒子を含む、
    請求項１２記載の方法。
  16. 前記活性化温度は、約８０℃よりも高い、請求項１から１５までのいずれか１項記載の方法。
  17. 前記フィルム層を、毎分約１００オングストローム〜毎分約５０００オングストロームのエッチング速度でエッチングする、請求項１から１６までのいずれか１項記載の方法。
  18. 前記急速熱サイクルにおいて、前記半導体ウェハの温度を、非線形に上昇させる、請求項５記載の方法。
  19. 前記反応種を、前記半導体ウェハの上面に対向する前記処理チャンバ内に導入し、
    前記急速熱サイクルを、前記半導体ウェハの下方に配置された複数のランプによって生成する、
    請求項１から１８までのいずれか１項記載の方法。
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