JP6929148B2 - エッチング方法およびエッチング装置 - Google Patents

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Description

本発明は、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜をエッチングするエッチング方法およびエッチング装置に関する。
近時、半導体デバイスの製造過程で微細化エッチングが行われており、例えばＳｉＮ膜のエッチングに対する種々のエッチング技術が検討されている。
ＳｉＮ膜のエッチングにおいては、ＳｉＮ膜がＳｉＯ２膜等の他の膜と共存（隣接）している場合、このような他の膜に対して高い選択性が要求される。このような要求に対して、特許文献１には、基板を６０℃以上に加熱し、基板にＨＦガスを供給することにより、熱酸化膜に対して高選択比でＳｉＮ膜をエッチングする技術が提案されている。また、特許文献２には、ＨＦガスと、Ｆ２ガスと、不活性ガスと、Ｏ２ガスとを、励起した状態でチャンバーに供給して、ＳｉＯ２膜に対して高選択比でＳｉＮ膜をエッチングする技術が提案されている。
特開２００８−１８７１０５号公報 特開２０１５−７３０３５号公報
しかし、上記特許文献１の技術では、圧力を４．００×１０３Ｐａ（３０Ｔｏｒｒ）にして処理を行っており、このような圧力値は、他のプロセスの圧力に比較して著しく高いため、専用の装置を用いる必要がある。また、上記特許文献２の技術では、Ｏ２ガスを用いているため、ＳｉＮ膜表面やその他の膜が酸化して酸化膜を形成し、このような酸化膜を別途処理する必要性が生じる。
したがって、本発明は、専用の装置を用いることなく、かつ表面酸化を生じさせることなく、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を選択的にエッチングすることを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点は、窒化シリコン膜を選択的にエッチングする方法であって、前記窒化シリコン膜を有する被処理基板を処理空間に配置する第１の工程と、前記処理空間にＨＦガスを導入する第２の工程と、前記処理空間に不活性ガスのラジカルを選択的に導入する第３の工程とを有する、方法を提供する。
上記方法において、前記第２の工程および前記第３の工程を、前記被処理基板の処理の間、複数回繰り返してもよい。
前記第２の工程の後、および、前記第３の工程の後、前記処理空間をパージする工程をさらに有することが好ましい。前記処理空間内をパージする工程は、前記処理空間内を真空引きすることにより行うことができる。また、前記処理空間内をパージする工程は、前記処理空間内に不活性ガスを導入することにより行うことができる。さらに、前記処理空間内をパージする工程は、前記処理空間内への不活性ガスの導入と、前記処理空間内の真空引きとにより行うことができる。
前記処理空間は、処理容器をイオントラップ機構を有する仕切板により仕切ることにより、前記仕切板の下部に形成され、前記仕切板の上部にはプラズマ生成空間が形成され、前記処理空間に前記被処理基板が配置され、前記処理空間に前記ＨＦガスを供給して前記第２の工程を実施し、前記プラズマ生成空間に不活性ガスのプラズマを生成し、そのプラズマ中のイオンを前記イオントラップ機構によりトラップしつつ、プラズマ中のラジカルを前記処理空間に導入して、前記第３の工程を実施するようにすることができる。
前記ラジカルを形成する不活性ガスとして、Ａｒガス、Ｈｅガス、Ｋｒガス、Ｎｅガス、Ｘｅガスのいずれかを用いることができる。
前記第２の工程および前記第３の工程は、前記被処理基板の温度を−１５〜３５℃にして行われることが好ましい。また、前記第２の工程は、圧力を１．３３〜２００Ｐａの範囲として行われることが好ましい。さらに、前記第３の工程は、圧力を１．３３〜１３３Ｐａの範囲として行われることが好ましい。
前記第２の工程および前記第３の工程の繰り返しの途中、および／またはこれら工程の後、１回または複数回の加熱処理を行い、エッチング残渣および反応生成物を除去してもよい。
前記被処理基板には、窒化シリコン膜とともに、ＳｉＯ２膜、Ｓｉ膜、ＳｉＧｅ膜、Ｗ膜、ＴｉＮ膜、ＴａＮ膜からなる群から選択される少なくとも１種が共存し、前記共存する膜に対し窒化シリコン膜を選択的にエッチングすることができる。
本発明の第２の観点は、窒化シリコン膜を選択的にエッチングする装置であって、処理容器と、前記処理容器を、上部のプラズマ生成空間および下部の処理空間に仕切る仕切板と、前記仕切り板に設けられた、イオンをトラップしラジカルを通過させるイオントラップ機構と、前記プラズマ生成空間に不活性ガスを供給する第１のガス供給源と、前記プラズマ生成空間に不活性ガスのプラズマを生成するプラズマ生成機構と、前記処理空間に設けられた被処理基板を載置する載置台と、前記処理空間にＨＦガスを供給する第２のガス供給源と、前記処理容器内を真空排気する排気機構と、前記窒化シリコン膜を有する被処理基板を前記処理空間に配置する第１の工程と、前記処理空間に前記ＨＦガスを導入する第２の工程と、前記プラズマ生成空間にプラズマを生成し、そのプラズマ中のイオンを前記イオントラップ機構によりトラップしつつ、プラズマ中のラジカルを前記処理空間に導入する第３工程とを実行させるように制御する制御部とを有する、装置を提供する。
上記装置において、前記仕切板の下に設けられた遮熱板をさらに有し、前記ＨＦガスは前記遮熱板を介して前記処理空間に導入される構成とすることができる。
本発明によれば、窒化シリコン膜を有する被処理基板が配置された処理空間に処理空間にＨとＦを含むガスを導入する工程と、処理空間に不活性ガスのラジカルを選択的に導入する工程とによりに窒化シリコン膜をエッチングするので、表面酸化を抑制しつつ、かつラジカル照射によりエネルギーを与えることにより、高圧条件の専用装置を用いることなくエッチングを進行させることができ、しかも他の膜に対して選択的に窒化シリコン膜をエッチングすることができる。
シミュレーションによりＳｉＮ膜をＨＦによりエッチングする反応過程におけるそれぞれの反応段階のポテンシャルエネルギーを求めた結果を示す図である。 シミュレーションにより、ＳｉＮ膜をＨＦによりエッチングする反応過程とＳｉＯ２膜をＨＦによりエッチングする反応過程における活性化エネルギーΔＥａと生成エネルギーΔＥとを比較して示す図である。 本実施形態のＳｉＮ膜のエッチング方法に用いる処理システムの一例を概略的に示す部分断面平面図である。 図３の処理システムにプロセスモジュールとして搭載されたＳｉＮ膜のエッチング装置の一例を概略的に示す断面図である。 図４のエッチング装置における仕切板の構成を概略的に示す図であり、（Ａ）は仕切り板を処理空間から見た図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるＶ−Ｖ線による断面図である。 図４のエッチング装置における遮熱板の構成を概略的に示す図であり、（Ａ）は遮熱板を処理空間から見た図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるVI−VI線による断面図である。 本発明の一実施形態に係るＳｉＮ膜のエッチング方法の一例を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るＳｉＮ膜のエッチング方法の一例を示すタイミングチャートである。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
＜ＳｉＮ膜エッチングの概要＞
まず、本実施形態におけるＳｉＮ膜の化学的エッチングの概要について説明する。
ＳｉＮ膜のエッチングにおいては、エッチングガスとしてＨＦ等のフッ素系ガスが有効であり、エッチングガスとの反応でＳｉＮＦを生成させることによりエッチングが可能である。しかし、ＨＦガス単ガスの場合は、上記特許文献１のように高圧が必要となる。また、上記特許文献２のようにＳｉＯ２膜に対する選択比を高くするためにＯ２ガスを添加すると表面酸化の懸念がある。
そこで、このような問題が生じずに、ＨＦガスを用いてＳｉＮ膜をエッチングする方法について検討した。
最初に、ＳｉＮ＋ＨＦ反応において律速となる活性錯合体のポテンシャルエネルギーについてのシミュレーション結果について説明する。図１は、ＳｉＮ膜とＨＦガスが独立して存在するときのエネルギーを０ｅＶとし、エッチング反応過程におけるそれぞれの反応段階のポテンシャルエネルギーを求めた結果を示すものである。この図に示すように、ＳｉＮ＋ＨＦの状態からＳｉＮＦ＋ＮＨ３となる生成エネルギーΔＥは−１．０８ｅＶであり、反応の活性化エネルギーΔＥａは＋０．０６ｅＶであることがわかる。
このことから、ＳｉＮ膜にＨＦガスを吸着させた後、活性化エネルギーΔＥａの値である＋０．０６ｅＶ以上のエネルギーを与えることにより、特許文献１のような高圧条件にすることなく、ＳｉＮ膜のエッチング反応が進行すると考えられる。
膜にダメージを与えずに化学的に上記エッチング反応を進行させるためには、高エネルギーでダメージの小さいＡｒラジカルのような不活性ガス（希ガス）のラジカルによりエネルギーを与えることが有効である。
一方、熱酸化膜（ＳｉＯ２）についても同様、エッチング反応過程におけるそれぞれの反応段階のポテンシャルエネルギーから、ＳｉＯ２＋ＨＦにおいて律速となる活性錯合体のポテンシャルエネルギーについてのシミュレーションを行い、ＳｉＮの場合と比較した。その結果を図２に示す。この図に示すように、ＳｉＯ２＋ＨＦにおける反応の活性化エネルギーΔＥａは＋０．８ｅＶとＳｉＮ＋ＨＦの＋０．０６ｅＶと比較して各段に大きい。また、生成エネルギーΔＥも−０．４ｅＶとＳｉＮ＋ＨＦの場合の−１．０８ｅＶよりも大きい。すなわち、ＳｉＯ２膜の場合、ＨＦガスによりエッチングされ難く、ＳｉＮ膜をＳｉＯ２膜に対して高選択比でエッチングすることが可能であることがわかる。また、ＳｉＮ膜と共存する可能性がある他の膜、例えば、Ｓｉ膜、ＳｉＧｅ膜、Ｗ膜、ＴｉＮ膜、ＴａＮ膜等に対しても同様に、ＨＦガスによりエッチングされ難く、ＳｉＮ膜をこれら膜に対して高選択比でエッチングすることができることが判明した。
そこで、本実施形態では、ＳｉＮ膜を有する被処理基板を配置した処理空間にＨＦガスのようなＨとＦを含むガスを導入するステップと、処理空間に不活性ガスのラジカルを選択的に導入するステップを実施して、ＳｉＮ膜をエッチングする。これらのステップを所定回数繰り返すことにより、エッチング深さ（量）を調整することができる。このとき、エッチングガスとしてＯ２ガスが含まれていないのでＳｉＮ膜および他の膜の表面酸化が抑制され、また、不活性ガスのラジカルを照射してエネルギーを与えることにより高圧条件の専用装置を用いることなくエッチングが可能であり、しかも他の膜に対して高選択比でＳｉＮ膜をエッチングすることができる。
以下、本実施形態について詳細に説明する。
＜ＳｉＮ膜エッチングに用いる処理システムの一例＞
最初に、本実施形態のＳｉＮ膜のエッチングに用いる処理システムの一例について説明する。図３は、本実施形態のＳｉＮ膜のエッチング方法に用いる処理システムの一例を概略的に示す部分断面平面図である。
図３に示すように、処理システム１０は、複数のウエハＷを保管しウエハＷの搬入出を行う搬入出部１１と、２枚のウエハＷを同時に搬送する搬送室としてのトランスファモジュール１２と、トランスファモジュール１２から搬入されたウエハＷにＳｉＮ膜エッチング処理や加熱処理を施す複数のプロセスモジュール１３とを備える。各プロセスモジュール１３およびトランスファモジュール１２は内部が真空雰囲気に維持される。
処理システム１０では、搬出入部１１に保管されたウエハＷをトランスファモジュール１２に内蔵された搬送アーム１４によって搬送し、プロセスモジュール１３の内部に配置された２つのステージ１５のそれぞれに１枚ずつウエハＷを載置する。次いで、処理システム１０では、ステージ１５に載置された各ウエハＷへプロセスモジュール１３でＳｉＮ膜エッチング処理や加熱処理を施した後に、処理済みのウエハＷを搬送アーム１４によって搬入出部１１に搬出する。
搬入出部１１は、複数のウエハＷを収容する容器であるＦＯＵＰ１６の載置台としての複数のロードポート１７と、保管されたウエハＷを各ロードポート１７に載置されたＦＯＵＰ１６から受け取り、または、プロセスモジュール１３で所定の処理が施されたウエハＷをＦＯＵＰ１６に引き渡すローダーモジュール１８と、ローダーモジュール１８およびトランスファモジュール１２の間においてウエハＷを受け渡しするために一時的にウエハＷを保持する２つのロードロックモジュール１９と、加熱処理が施されたウエハＷを冷却するクーリングストレージ２０とを有する。
ローダーモジュール１８は内部が大気圧雰囲気の矩形の筐体からなり、その矩形の長辺を構成する一側面に複数のロードポート１７が並設される。さらに、ローダーモジュール１８は、内部においてその矩形の長手方向に移動可能な搬送アーム（図示せず）を有する。該搬送アームは各ロードポート１７に載置されたＦＯＵＰ１６からロードロックモジュール１９にウエハＷを搬入し、または、ロードロックモジュール１９から各ＦＯＵＰ１６にウエハＷを搬出する。
各ロードロックモジュール１９は、大気圧雰囲気の各ロードポート１７に載置されたＦＯＵＰ１６に収容されたウエハＷを、内部が真空雰囲気のプロセスモジュール１３に引き渡すため、ウエハＷを一時的に保持する。各ロードロックモジュール１９は２枚のウエハＷを保持するバッファープレート２１を有する。また、各ロードロックモジュール１９は、ローダーモジュール１８に対して気密性を確保するためのゲートバルブ２２ａと、トランスファモジュール１２に対して気密性を確保するためのゲートバルブ２２ｂとを有する。さらに、ロードロックモジュール１９には図示しないガス導入系及びガス排気系が配管によって接続され、内部が大気圧雰囲気と真空雰囲気とで切り替え可能となっている。
トランスファモジュール１２は未処理のウエハＷを搬入出部１１からプロセスモジュール１３に搬入し、処理済みのウエハＷをプロセスモジュール１３から搬入出部１１に搬出する。トランスファモジュール１２は内部が真空雰囲気の矩形の筐体からなり、２枚のウエハＷを保持して移動する２つの搬送アーム１４と、各搬送アーム１４を回転可能に支持する回転台２３と、回転台２３を搭載した回転載置台２４と、回転載置台２４をトランスファモジュール１２の長手方向に移動可能に案内する案内レール２５とを含む。また、トランスファモジュール１２は、ゲートバルブ２２ａ，２２ｂ、さらに後述する各ゲートバルブ２６を介して、搬入出部１１のロードロックモジュール１９、および、各プロセスモジュール１３へ接続される。トランスファモジュール１２では、搬送アーム１４が、ロードロックモジュール１９から２枚のウエハＷを各プロセスモジュール１３へ搬送し、処理が施された２枚のウエハＷを各プロセスモジュール１３から他のプロセスモジュール１３やロードロックモジュール１９に搬出する。
処理システム１０において、各プロセスモジュール１３はＳｉＮ膜エッチング、加熱処理のいずれかを実行する。すなわち、６個のプロセスモジュール１３のうち、所定個数がＳｉＮ膜エッチングに用いられ、残部がＳｉＮ膜エッチング後の残渣除去のための加熱処理に用いられる。ＳｉＮ膜エッチング用のプロセスモジュール１３および加熱処理用のプロセスモジュール１３の数はそれぞれの処理時間に応じて適宜決定される。
処理システム１０は、制御部２７を有している。制御部２７は、処理システム１０の各構成要素の動作を制御するＣＰＵを有する主制御部と、入力装置（キーボード、マウス等）、出力装置（プリンタ等）、表示装置（ディスプレイ等）、記憶装置（記憶媒体）を有している。制御部２７の主制御部は、例えば、記憶装置に内蔵された記憶媒体、または記憶装置にセットされた記憶媒体に記憶された処理レシピに基づいて、処理システム１０に所定の動作を実行させる。
＜エッチング装置＞
次に、上記処理システム１０に、プロセスモジュール１３として搭載された、本実施形態のＳｉＮ膜のエッチング方法を実施するエッチング装置の一例について説明する。図４は、図３の処理システムにおいて、プロセスモジュール１３のうち、ＳｉＮ膜のエッチング装置の一例を概略的に示す断面図である。
図４に示すように、ＳｉＮ膜のエッチング処理を実施するエッチング装置としてのプロセスモジュール１３は、ウエハＷを収容する密閉構造の処理容器２８を備える。処理容器２８は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、上端が開放され、処理容器２８の上端は天井部となる蓋体２９で閉塞されている。処理容器２８の側壁部２８ａにはウエハＷの搬出入口３０が設けられ、当該搬出入口３０は上述したゲートバルブ２６によって開閉可能とされる。
また、処理容器２８の内部の底部には、上述したように、ウエハＷをそれぞれ１枚ずつ水平状態で載置する２つのステージ１５（一方のみ図示されている）が配置されている。ステージ１５は昇降機構３３により昇降される。ステージ１５は略円柱状を呈し、ウエハＷを直接載置する載置プレート３４と、載置プレート３４を支持するベースブロック３５とを有する。載置プレート３４の内部にはウエハＷを温調する温度調節機構３６が設けられている。温度調節機構３６は、例えば、温度調節用媒体（例えば、水またはガルデン）が循環する管路（図示せず）を有し、当該管路内を流れる温度調節用媒体とウエハＷの熱交換を行うことによってウエハＷの温度調整を行う。昇降機構３３は処理容器２８の外部に配置され、２つのステージ１５を一括して昇降させるアクチュエータ等を有する。また、ステージ１５にはウエハＷを処理容器２８の内部へ搬出入する際に用いる複数の昇降ピン（図示せず）が載置プレート３４の上面に対して突没可能に設けられている。
処理容器２８の内部は仕切板３７（詳細は後述する）によって上方のプラズマ生成空間Ｐと、下方の処理空間Ｓに仕切られる。プラズマ生成空間Ｐはプラズマが生成される空間であり、処理空間ＳはウエハＷに対してエッチングガスが吸着され、ラジカル処理される空間である。処理容器２８の外部には、プラズマ生成用の不活性ガス、例えばＡｒガスをプラズマ生成空間Ｐに供給する不活性ガス供給源６１と、エッチングガス、例えばＨＦガスを処理空間Ｓに供給するエッチングガス供給源６２とが設けられている。エッチングガス供給源６２からは、エッチングガスの他、希釈ガス等として機能するＡｒガスやＮ２ガス等の不活性ガスを供給するようにしてもよい。また、処理容器２８の底部には排気機構３９が接続されている。排気機構３９は真空ポンプを有し、処理空間Ｓの内部の排気を行う。
また、プロセスモジュール１３はＲＦアンテナを用いる誘導結合型のプラズマエッチング装置として構成されている。処理容器２８の天井部となる蓋体２９は、例えば、円形の石英板から形成され、誘電体窓として構成される。蓋体２９の上には、処理容器２８のプラズマ生成空間Ｐに誘導結合プラズマを生成するための環状のＲＦアンテナ４０が形成され、ＲＦアンテナ４０は整合器４１を介して高周波電源４２に接続されている。高周波電源４２は、誘導結合の高周波放電によるプラズマの生成に適した所定の周波数（例えば１３．５６ＭＨｚ以上）の高周波電力を所定の出力値で出力する。整合器４１は、高周波電源４２側のインピーダンスと負荷（ＲＦアンテナ４０やプラズマ）側のインピーダンスの整合をとるためのリアクタンス可変の整合回路（図示せず）を有する。
図５は、図４における仕切板３７の構成を概略的に示す図であり、図５（Ａ）は仕切板を基板処理空間側から見た図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）におけるＶ−Ｖ線による断面図である。
図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、仕切板３７は少なくとも２つの板状部材４３および板状部材４４を有する。板状部材４３および板状部材４４は、処理容器２８の水平断面形状に応じた形状をなしており、本例では図５に示すように略楕円状をなしている。板状部材４３および板状部材４４は、プラズマ生成空間Ｐから処理空間Ｓへ向けて重ね合わせられるように配置される。板状部材４３と板状部材４４との間には、両者を所定の間隔に維持するためのスペーサー４５が配置される。板状部材４３および板状部材４４には重ね合わせ方向へ貫通する複数のスリット４６およびスリット４７が形成される。複数のスリット４６およびスリット４７は、いずれも並列に配置され、スリット４６とスリット４７とは、処理空間Ｓから仕切板３７を見たときに、互いに重ならないように配置される。なお、スリット４６およびスリット４７は格子状に形成されてもよく、この場合も、スリット４６とスリット４７とは処理空間Ｓからみて互いに重ならないように配置される。また、板状部材４３および板状部材４４には、スリット４６およびスリット４７の代わりに、複数の貫通穴が形成されていてもよい。板状部材４３および板状部材４４は、絶縁体、例えば、石英ガラスからなる。
仕切板３７は、プラズマ生成空間Ｐにおいて誘導結合プラズマが生成される際にプラズマ中のイオンのプラズマ生成空間Ｐから処理空間Ｓへの透過を抑制する、いわゆるイオントラップとして機能する。すなわち、上述したように、各スリット４６と各スリット４７と重ならないように配置されることにより、ラビリンス構造が形成され、異方的（直進的）に移動するイオンの移動を阻止する一方、等方的に移動するラジカルに仕切板３７を透過させる。すなわち、プラズマ生成空間Ｐはリモートプラズマ領域として形成され、仕切板３７を介して、Ａｒラジカル（Ａｒ＊）等の不活性ラジカルのみを処理空間Ｓへ選択的に透過させ、処理空間Ｓにイオンが存在する可能性を低下させることができる。これにより、イオンがウエハＷへ衝突することによって生じるダメージを低減することができる。また、仕切板３７はプラズマから放射される真空紫外光を遮断し、真空紫外光によってウエハＷの表層が変質するのを防止することができる。
仕切板３７の下には、ウエハＷに対向するように遮熱板４８が設けられている。遮熱板４８は、プラズマ生成空間Ｐでのプラズマ生成を繰り返すことにより仕切板３７に熱が蓄積されるため、その熱が処理空間Ｓにおけるラジカル分布に影響を与えることを抑制するためのものである。
図６は、図４における遮熱板の構成を概略的に示す図であり、図６（Ａ）は遮熱板４８を処理空間Ｓから見た図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）におけるVI−VI線による断面図である。なお、図６（Ｂ）には理解を容易にするため、仕切板３７も描かれている。
図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すように、遮熱板４８は、板状部材４３および板状部材４４と同様に、処理容器２８の水平断面形状に応じた形状をなしており、本例では図６に示すように略楕円状をなしている。
遮熱板４８には、プラズマ生成空間Ｐから処理空間Ｓへ向けて貫通する複数のスリット４９（ラジカル通路）が形成される。各スリット４９は板状部材４４の各スリット４７に対応するように設けられる。また、各スリット４９の断面形状はプラズマ生成空間Ｐから処理空間Ｓへ向けて拡径する形状となっている。なお、スリット４９の代わりに複数の拡径する貫通穴が形成されていてもよい。
遮熱板４８は、熱伝導率が高い材料である金属、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、各スリット４９の表面も含めて全面が誘電体、例えば、シリコン化合物またはイットリウム化合物で覆われている。また、遮熱板４８は、仕切板３７の板状部材４４よりも大きく形成され、周縁部を構成するフランジ部４８ａは処理容器２８の側壁部２８ａに埋設されている。
遮熱板４８には、スリット４９の間に多数のガス吐出口５２が形成されている。多数のガス吐出口５２はウエハＷに対向するように分布している。ガス吐出口５２は遮熱板４８内に形成されたガス通路５３から遮熱板４８の下面に延びており、ガス通路５３は配管を介してエッチングガス供給源６２に接続される。各ガス吐出口５２から、エッチングガス、例えば、ＨＦガスが処理空間Ｓに向けて均一に吐出され、ウエハＷに吸着される。すなわち、遮熱板４８はエッチングガスを吐出するためのシャワーヘッドとして機能する。
なお、エッチングガスは、処理容器２８の側壁部２８ａから直接処理空間Ｓに導入するようにしてもよい。このようなエッチングガス導入形態は、例えば、遮熱板４８がシリコン等の難加工性である場合に用いられる。フランジ部４８ａには冷却機構５０、例えば、冷媒流路、チラーやペルチェ素子が埋設されている。
なお、プロセスモジュール１３のうち、加熱処理を実施する加熱処理装置については、詳細は図示しないが、図３に示すように、ＳｉＮ膜のエッチング処理を行うエッチング装置と同様、処理容器内に２つのステージ１５が配置されている。ただし、ＳｉＮ膜のエッチング処理を行うエッチング装置とは異なり、プラズマ生成機構を有しておらず、処理容器内に不活性ガスを供給しつつ、ステージ１５内に設けられたヒーターによりステージ１５上に載置されたウエハＷを所定温度に加熱する構成になっており、エッチングしたウエハＷを加熱することにより、ウエハＷ上のエッチング残渣または反応生成物を除去する。
＜ＳｉＮ膜のエッチング方法＞
次に、上記処理システム１０により実施される、本実施形態に係るＳｉＮ膜のエッチング方法の一例について説明する。
図７はＳｉＮ膜のエッチング方法の一例を示すフローチャート、図８はそのタイミングチャートである。
最初に、ローダーモジュール１８の搬送アームによりＦＯＵＰ１６からＳｉＮ膜が形成されたウエハＷを取り出し、ロードロックモジュール１９に搬入し、ロードロックモジュール１９を真空引きした後、ロードロックモジュール１９内のウエハＷをトランスファモジュール１２の搬送アーム１４により、プロセスモジュール１３のうち、ＳｉＮ膜をエッチングするエッチング装置に搬入する（ステップ１）。
エッチング対象であるＳｉＮ膜は、ＳｉＨ４ガス、ＳｉＨ２Ｃｌ２、Ｓｉ２Ｃｌ６等のシラン系ガスと、ＮＨ３ガスやＮ２ガス等の窒素含有ガスを用いて、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、ＡＬＤ等により成膜されたものであり、膜中にＨが含まれている。
次に、処理容器２８内に不活性ガスを導入し、処理容器２８内の圧力を例えば２０００ｍＴｏｒｒ（２６６Ｐａ）にしつつ、温度調節機構３６により温調されたステージ１５上で、ウエハＷを所定時間、例えば３０ｓｅｃ保持し、ウエハ温度を所定温度、好ましくは−１５〜３５℃、例えば１５℃に安定化させる（ステップ２、図８の（１））。このとき、圧力を上昇させるために、処理容器２８内にＮ２ガス等を導入する。Ｎ２ガスの流量は５００〜１５００ｓｃｃｍ程度、例えば７５０ｓｃｃｍとされる。
次に、処理容器２８内を真空引きすることにより、処理容器２８内のパージを行う（ステップ３、図８の（２））。真空引きにより、処理容器２８内のガスのパージを簡易に短時間で行うことができる。このときの時間は、例えば１０ｓｅｃである。なお、このときの処理容器２８内のパージは、真空引きの代わりに、パージガス、例えばＡｒガス等の不活性ガスを処理容器２８内に供給することにより行ってもよいし、真空引きとパージガスの供給を併用してもよい。併用する場合は、真空引きとパージガスの供給を同時に行ってもよいし、これらを順番に行ってもよい。
次に、処理容器２８内の圧力を、好ましくは１０〜１５００ｍＴｏｒｒ（１．３３〜２００Ｐａ）、例えば１０００ｍＴｏｒｒ（１３３Ｐａ）の低圧とし、エッチングガス供給源６２からエッチングガスとして、例えばＨＦガスを処理空間Ｓに導入する（ステップ４、図８の（３））。これにより、ＨＦガスがウエハＷ表面のＳｉＮ膜に吸着される。このときの時間は、５〜６０ｓｅｃが好ましく、例えば６０ｓｅｃである。このとき、エッチングガスであるＨＦガスの流量は、５０〜１０００ｓｃｃｍが好ましく、例えば５００ｓｃｃｍとされる。エッチングガスとともに、ＡｒガスやＮ２ガス等の不活性ガスを希釈ガスとして供給してもよい。また、エッチングガスとしてＨＦを例示しているが、ＳｉＮ膜にＨとＦが吸着すればよいため、ＨＦガスに限らず、ＨとＦを含むガス、例えばＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３ＦのようなＣｘＨｙＦｚ系ガス、ＳｉＨ３Ｆ、ＳｉＨ２Ｆ２、ＳｉＨＦ３のようなＳｉＨｘＦｙ系ガスなどであってもよい。また、ＨとＦを含有するガスとしては、単独のガスに限らず、Ｈを含有するガスとＦを含有するガスの２種類以上のガス、例えばＨ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｏなどと、Ｆ２、ＣｌＦ３、ＣＦ４などの組み合わせであってもよい。エッチングガスは、エッチングガス供給源６２から遮熱板４８のガス通路５３およびガス吐出口５２からウエハＷに対して均一に供給される。なお、上述したように、エッチングガスは処理容器２８の側壁部２８ａから処理空間Ｓ導入するようにしてもよい。
次に、処理容器２８内を真空引きすることにより、処理容器２８内のパージを行い、処理空間Ｓ内からエッチングガスを排出する（ステップ５、図８（４））。このステップは、ステップ２のパージと同様、真空引きにより、処理容器２８内のガスのパージを簡易に短時間で行うことができる。このときの時間は、好ましくは５〜３０ｓｅｃ、例えば５ｓｅｃである。なお、このときの処理容器２８内のパージは、ステップ２と同様であり、真空引きの代わりに、パージガスを処理容器２８内に供給することにより行ってもよいし、真空引きとパージガスの供給を併用してもよく、併用する場合は、真空引きとパージガスの供給を同時に行ってもよいし、これらを順番に行ってもよい。
次に、プラズマ生成空間Ｐで不活性ガス、例えばＡｒガスのプラズマを生成し、Ａｒラジカル（Ａｒ＊）のみを選択的に処理空間Ｓに導入する（ステップ６、図８の（５））。これにより、ＡｒラジカルがウエハＷに照射され、Ａｒラジカル処理が行われる。このとき、不活性ガス供給源６１からプラズマ生成空間Ｐに不活性ガス、例えばＡｒガスを導入し、高周波電源４２から所定の周波数の高周波電力をＲＦアンテナ４０に供給することにより、プラズマ生成空間Ｐに誘導結合プラズマを生成する。このときのＲＦパワーは、好ましくは３５０〜１０００Ｗ、例えば６５０Ｗとする。また、処理容器２８内の圧力は、好ましくは０．０１〜１Ｔｏｒｒ（１．３３〜１３３Ｐａ）、例えば０．１Ｔｏｒｒ（１３．３Ｐａ）とされる。
プラズマ生成空間Ｐで生成された誘導結合プラズマは、仕切板３７を構成する板状部材４３および板状部材４４に、それぞれ重ならないように形成され、ラビリンス構造をなすスリット４６およびスリット４７を通過する間に、異方的（直進的）に移動するイオンの移動が阻止されて失活し、等方的に移動するラジカルのみが処理空間Ｓに供給される。これにより、イオンがウエハＷへ衝突することによって生じるダメージを低減しつつ、高エネルギーで低ダメージの不活性ガスラジカル、例えばＡｒラジカル（Ａｒ＊）のみ選択的に処理空間に導入することができ、不活性ガスラジカルがウエハＷに供給（照射）される。
このような高エネルギーの不活性ガスラジカル、例えばＡｒラジカル（Ａｒ＊）が、ウエハＷに供給されることにより、ウエハＷのＳｉＮ膜表面に吸着されたＨＦガス（ＨとＦを含むガス）とＳｉＮとのエッチング反応の活性化エネルギーΔＥａ以上のエネルギーが与えられ、ＳｉＮ膜のエッチング反応が進行する。このステップの時間は、好ましくは５〜６０ｓｅｃ、例えば３０ｓｅｃである。
このときの不活性ガスとしては、Ａｒガスに限らず、Ｈｅガス、Ｋｒガス、Ｎｅガス、Ｘｅガス等の他の不活性ガスを用いることができる。また、不活性ガス、例えばＡｒガスの流量は、プラズマ生成空間Ｐに対して５０〜１０００ｓｃｃｍ、例えば１２０ｓｃｃｍとされる。また、処理空間Ｓにも不活性ガスを供給することが好ましく、５０〜１０００ｓｃｃｍ、例えば８０ｓｃｃｍの不活性ガスを供給する。
次に、処理容器２８内を真空引きすることにより、処理容器２８内のパージを行い、処理空間Ｓ内から残存するガスを排出する（ステップ７、図８の（６））。このステップは、ステップ２のパージと同様、真空引きにより、処理容器２８内のガスのパージを簡易に短時間で行うことができる。このときの時間は、好ましくは５〜３０ｓｅｃ、例えば５ｓｅｃである。なお、このときの処理容器２８内のパージは、ステップ２と同様であり、真空引きの代わりに、パージガスを処理容器２８内に供給することにより行ってもよいし、真空引きとパージガスの供給を併用してもよく、併用する場合は、真空引きとパージガスの供給を同時に行ってもよいし、これらを順番に行ってもよい。
上記ステップ１〜ステップ７によりＳｉＮ膜のエッチングを終了してもよいが。上記ステップ４〜ステップ７を所定回（複数回）繰り返した後エッチングを終了してもよい。これらを繰り返すことにより、その繰り返し回数に応じてＳｉＮ膜のエッチング深さ（量）を調整することができる。本実施形態では１回のエッチングのエッチング量はおよそ１．２ｎｍであり、したがって、例えば、１０ｎｍエッチングするためには、上記エッチングを８回繰り返す必要がある。
以上のエッチングの途中および／または終了後に、１回または複数回の加熱処理を行うことが好ましい。これにより、エッチング残渣および反応生成物を除去することができる。この加熱処理は、プロセスモジュール１３として搭載された加熱処理装置により行うことができる。この加熱処理は、不活性ガス雰囲気中で、圧力を１〜３Ｔｏｒｒ（１３３〜４００Ｐａ）程度とし、温度を１２０〜３００℃、例えば１９０℃で行うことが好ましい。
エッチング後のウエハＷは、トランスファモジュール１２に内蔵された搬送アーム１４によってロードロックモジュール１９に搬送し、ロードロックモジュール１９を大気雰囲気にした後、ローダーモジュール１８の搬送アームにより、ロードロックモジュール１９内のウエハＷをＦＯＵＰ１６に戻す。
本実施形態によれば、処理空間にＨＦガスのようなＨとＦを含むガスを導入し、ＳｉＮ膜の表面に吸着させ、次いで処理空間に不活性ガスラジカルを選択的に導入し、ウエハに照射することにより、ＳｉＮ膜のＨとＦを含むガスによるエッチング反応の活性化エネルギーより高いエネルギーが与えられ、ＳｉＮ膜をエッチングすることができる。そして、これらの工程を所定回繰り返すことにより、ＳｉＮ膜を所望の深さ（量）でエッチングすることができる。
このようにＯ２ガスを含まないガス系によりエッチングするので、ＳｉＮ膜の表面酸化の問題が生じず、また、不活性ガスのラジカルを照射してエッチング反応の活性化エネルギーより高いエネルギーを与えてエッチングを進行させるので、高圧条件にすることなくエッチングが可能である。また、エッチングガスとしてＨＦガスのようなＨおよびＦを含むガスによりエッチングする場合、ＳｉＮ膜のエッチング反応の活性化エネルギーが、ＳｉＯ２膜等のＳｉＮ膜と共存する他の膜の活性化エネルギーよりも低いため、他の膜に対して高い選択比でＳｉＮ膜をエッチングすることができる。
実際に、ＨＦガスとＡｒラジカル（Ａｒ＊）を用いてウエハ温度１５℃で上記手法により、ＤＣＳ（ＳｉＨ２Ｃｌ２）を用いて成膜したＳｉＮ膜（ＤＣＳ−ＳｉＮ膜）と熱酸化膜とをエッチングした結果、ＤＣＳ−ＳｉＮ膜のエッチング量が３３．９ｎｍであり、熱酸化膜のエッチング量が０．１ｎｍ以下であった。すなわち、ＳｉＮ膜のＳｉＯ２膜に対する選択比は１００以上であることが確認された。
同様に、Ｓｉ膜、ＳｉＧｅ膜、Ｗ膜、ＴｉＮ膜、ＴａＮ膜に対するＳｉＮ膜の選択比は、Ｓｉ膜およびＳｉＧｅ膜では１５〜２０程度、Ｗ膜では５〜２０程度、ＴｉＮ膜およびＴａＮ膜では１００以上であった。
以上から、本実施形態により、ＳｉＮ膜と共存する可能性のあるＳｉＯ２膜、Ｓｉ膜、ＳｉＧｅ膜、Ｗ膜、ＴｉＮ膜、ＴａＮ膜に対して高い選択比でＳｉＮ膜をエッチングできることが確認された。
＜他の適用＞
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
例えば、上記実施の形態では、処理容器を仕切板で仕切り、上部のプラズマ生成空間で生成したプラズマ中の不活性ガスラジカルを、下部の処理空間に導入することでウエハに不活性ラジカルを照射する例を示したが、これに限らず、例えば、処理空間から離れたリモートプラズマ領域で形成されたプラズマ中の不活性ガスラジカルを、導波路を介して処理空間に導入する装置であってもよい。また、上記実施の形態では、プラズマとして誘導結合プラズマを生成したが、プラズマは容量結合プラズマであっても、マイクロ波プラズマであってもよい。
１３ プロセスモジュール（エッチング装置）
１５ ステージ
２８ 処理容器
３７ 仕切板
３９ 排気機構
４０ ＲＦアンテナ
４２ 高周波電源
４６，４７，４９ スリット
６１ 不活性ガス供給源
６２ エッチングガス供給源
Ｐ プラズマ生成空間
Ｓ 処理空間
Ｗ ウエハ（被処理基板）

Claims (16)

  1. 窒化シリコン膜を選択的にエッチングする方法であって、
    前記窒化シリコン膜を有する被処理基板を処理空間に配置する第１の工程と、
    前記処理空間にＨＦガスを導入する第２の工程と、
    前記処理空間に不活性ガスのラジカルを選択的に導入する第３の工程とを有する、方法。
  2. 前記第２の工程および前記第３の工程は、前記被処理基板の処理の間、複数回繰り返される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記第２の工程の後、および、前記第３の工程の後、前記処理空間をパージする工程をさらに有する、請求項１または請求項２に記載の方法。
  4. 前記処理空間内をパージする工程は、前記処理空間内を真空引きすることにより行われる、請求項３に記載の方法。
  5. 前記処理空間内をパージする工程は、前記処理空間内に不活性ガスを導入することにより行われる、請求項３に記載の方法。
  6. 前記処理空間内をパージする工程は、前記処理空間内への不活性ガスの導入と、前記処理空間内の真空引きとにより行われる、請求項３に記載の方法。
  7. 前記処理空間は、処理容器をイオントラップ機構を有する仕切板により仕切ることにより、前記仕切板の下部に形成され、前記仕切板の上部にはプラズマ生成空間が形成され、前記処理空間に前記被処理基板が配置され、前記処理空間に前記ＨＦガスを供給して前記第２の工程を実施し、前記プラズマ生成空間に不活性ガスのプラズマを生成し、そのプラズマ中のイオンを前記イオントラップ機構によりトラップしつつ、プラズマ中のラジカルを前記処理空間に導入して、前記第３の工程を実施する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方法。
  8. 前記ラジカルを形成する不活性ガスとして、Ａｒガス、Ｈｅガス、Ｋｒガス、Ｎｅガス、Ｘｅガスのいずれかを用いる、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の方法。
  9. 前記第２の工程および前記第３の工程は、前記被処理基板の温度を−１５〜３５℃にして行われる、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の方法。
  10. 前記第２の工程は、圧力を１．３３〜２００Ｐａの範囲として行われる、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の方法。
  11. 前記第３の工程は、圧力を１．３３〜１３３Ｐａの範囲として行われる、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の方法。
  12. 前記第２の工程および前記第３の工程の繰り返しの途中、および／またはこれら工程の後、１回または複数回の加熱処理を行い、エッチング残渣および反応生成物を除去する、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
  13. 前記被処理基板には、窒化シリコン膜とともに、ＳｉＯ２膜、Ｓｉ膜、ＳｉＧｅ膜、Ｗ膜、ＴｉＮ膜、ＴａＮ膜からなる群から選択される少なくとも１種が共存し、前記共存する膜に対し窒化シリコン膜を選択的にエッチングする、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の方法。
  14. 窒化シリコン膜を選択的にエッチングする装置であって、
    処理容器と、
    前記処理容器を、上部のプラズマ生成空間および下部の処理空間に仕切る仕切板と、
    前記仕切り板に設けられた、イオンをトラップしラジカルを通過させるイオントラップ機構と、
    前記プラズマ生成空間に不活性ガスを供給する第１のガス供給源と、
    前記プラズマ生成空間に不活性ガスのプラズマを生成するプラズマ生成機構と、
    前記処理空間に設けられた被処理基板を載置する載置台と、
    前記処理空間にＨＦガスを供給する第２のガス供給源と、
    前記処理容器内を真空排気する排気機構と、
    前記窒化シリコン膜を有する被処理基板を前記処理空間に配置する第１の工程と、前記処理空間に前記ＨＦガスを導入する第２の工程と、前記プラズマ生成空間にプラズマを生成し、そのプラズマ中のイオンを前記イオントラップ機構によりトラップしつつ、プラズマ中のラジカルを前記処理空間に導入する第３工程とを実行させるように制御する制御部と
    を有する、装置。
  15. 前記制御部は、前記被処理基板の処理の間、前記第２の工程および前記第３の工程が複数回繰り返されるよう制御する、請求項１４に記載の装置。
  16. 前記仕切板の下に設けられた遮熱板をさらに有し、前記ＨＦガスは前記遮熱板を介して前記処理空間に導入される、請求項１４または請求項１５に記載の装置。
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