JP7174180B2 - シリコン含有膜のエッチング方法、コンピュータ記憶媒体、及びシリコン含有膜のエッチング装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板上のシリコン含有膜のエッチング方法、コンピュータ記録媒体、及びシリコン含有膜のエッチング装置に関する。

半導体デバイスにおいて、シリコンを含有する膜は、広範で様々な用途に適用される。例えばシリコン（Ｓｉ）膜は、ゲート電極やシード層などに用いられている。そして、半導体デバイスの製造工程では、基板上の上述のＳｉ膜をエッチングすることが行われている。

Ｓｉ膜などのシリコン含有膜のエッチングは、従来、種々の方法で行われている。例えば特許文献１には、ＣｌＦ_３等のフッ化ハロゲンガスを用いてＳｉ層をエッチングすることが開示されている。また、特許文献２には、エッチングガスのガス系をＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスとしてＳｉをエッチングする方法が開示されている。

特開平８－１５３７１１号公報 特開２０１６－１４３７８１号公報

ところで、エッチング後のシリコン含有膜の表面粗さが小さいことが求められる場合がある。
しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載されたエッチング方法では、上記表面粗さについては考慮されていない。

また、基板上のシリコン含有膜をエッチングする際に、エッチング前に上記基板に酸化膜などによるパターンが形成され、パターンには、シリコン含有膜のエッチング対象部分が露出するよう孔が形成されている場合がある。この場合に、上記孔の内部においてエッチング後のシリコン含有膜の表面が平坦であることが必要な場合がある。しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載されたエッチング方法では、パターンの孔の内部におけるシリコン含有膜の平坦性については考慮されていない。

したがって、従来のシリコン含有膜のエッチング方法には改善の余地がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、基板上のシリコン含有膜をエッチングする際に、エッチング後のシリコン含有膜の表面粗さを小さくすること、及び／または、エッチング対象部分が露出するよう孔が形成されたパターンを有する基板上のシリコン含有膜をエッチングする際に、孔の内部におけるエッチング後のシリコン含有膜の表面を平坦にすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明者が鋭意検討した結果、シリコン含有膜をエッチングするに際し、少なくともＦ_２ガスを含む第１のフッ素含有ガスと、少なくともＣｌＦ_３ガス、ＩＦ_７ガス、ＩＦ_５ガスまたはＳＦ_６ガスを含む第２のフッ素含有ガスとの両方を用いると、エッチング後のシリコン含有膜の表面粗さを小さくできることが分かった。また、本発明者が鋭意検討した結果、孔の内部のシリコン含有膜をエッチングするに際し、上記第１のフッ素含有ガス及び上記第２のフッ素含有ガスの両方を用いると、孔の内部におけるエッチング後のシリコン含有膜の表面を平坦にできることがわかった。なお、上記第１のフッ素含有ガス及び上記第２のフッ素含有ガスの両方を用いることにより、エッチング後のシリコン含有膜の表面粗さを小さくできること、および、孔の内部におけるエッチング後のシリコン含有膜の表面を平坦にできることは、後述の実施形態において詳細に説明する。

本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、本発明は、基板上のシリコン含有膜をエッチングする方法であって、少なくともＦ_２ガスを含む第１のフッ素含有ガスを供給してプラズマを用いずに前記シリコン含有膜をエッチングする工程と、少なくともＣｌＦ_３ガス、ＩＦ_７ガス、ＩＦ_５ガスまたはＳＦ_６ガスを含む第２のフッ素含有ガスを供給してプラズマを用いずに前記シリコン含有膜をエッチングする工程と、を少なくとも１回ずつ交互に行うことを特徴としている。

本発明によれば、第１のフッ素含有ガス及び第２のフッ素含有ガスの両方を用いてシリコン含有膜をエッチングすることで、エッチング後のシリコン含有膜の表面粗さを小さくすることができる。また、本発明によれば、第１のフッ素含有ガス及び第２のフッ素含有ガスの両方を用いてシリコン含有膜をエッチングすることで、基板上のパターンの孔から露出した部分がエッチング対象である場合において、孔の内部におけるエッチング後のシリコン含有膜の表面を平坦にすることができる。

別な観点による本発明によれば、前記エッチング方法をエッチング装置によって実行させるように、当該エッチング装置を制御する制御部のコンピュータ上で動作するプログラムを格納した読み取り可能なコンピュータ記憶媒体が提供される。

別な観点による本発明は、基板上のシリコン含有膜をエッチングする装置であって、前記基板を収容するチャンバと、少なくともＦ_２ガスを含む第１のフッ素含有ガスと少なくともＣｌＦ_３ガス、ＩＦ_７ガス、ＩＦ_５ガスまたはＳＦ_６ガスを含む第２のフッ素含有ガスとの両方を、前記シリコン含有膜に対して供給する給気部と、を有し、前記第１のフッ素含有ガスを供給してプラズマを用いずに前記シリコン含有膜をエッチングすることと、前記第２のフッ素含有ガスを供給してプラズマを用いずに前記シリコン含有膜をエッチングすることと、を少なくとも１回ずつ交互に行うことを特徴としている。

本発明によれば、基板上のシリコン含有膜をエッチングする際に、エッチング後のシリコン含有膜の表面粗さを小さくすることができる。また、本発明によれば、エッチング対象部分が露出するよう孔が形成されたパターンを有する基板上のシリコン含有膜をエッチングする際に、孔の内部におけるエッチング後のシリコン含有膜の表面を平坦にすることができる。

本実施形態に係るエッチング装置によるエッチング対象であるシリコン含有膜の模式断面図である。 本実施形態に係るエッチング装置の構成の概略を示す縦断面図である。 Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いてポリシリコンのブランケットをエッチングした場合のポリシリコン膜の表面状態を示すＳＥＭ像である。 ＣｌＦ_３ガスを用いてポリシリコンのブランケットをエッチングした場合のポリシリコン膜の表面状態を示すＳＥＭ像である。 Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスとＣｌＦ_３ガスとの両方を用いてポリシリコンのブランケットをエッチングした場合のポリシリコンの表面状態を示すＳＥＭ像である。 エッチングガスとしてＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いた場合のエッチング状態を示す説明図である。 エッチングガスとしてＣｌＦ_３ガスを用いた場合のエッチング状態を示す説明図である。 パターニングされたＳｉ膜をＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いてエッチングした場合におけるＳｉ膜の表面の形状を示す模式断面図である。 パターニングされたＳｉ膜をＣｌＦ_３ガスを用いてエッチングした場合におけるＳｉ膜の表面の形状を示す模式断面図である。 パターニングされたＳｉ膜をＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスとＣｌＦ_３ガスとの両方を用いてエッチングした場合におけるＳｉ膜の表面の形状を示す模式断面図である。 エッチングガスとしてＣｌＦ_３ガスとＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いた場合のパターンの孔の内部におけるＳｉ膜のエッチング状態を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜エッチング装置＞
先ず、本発明の実施形態に係るエッチング装置の構成及び上記エッチング装置のエッチング対象のシリコン含有膜について説明する。図１は、本実施形態に係るエッチング装置によるエッチング対象であるシリコン含有膜の模式断面図である。図２は、本実施形態に係るエッチング装置１の構成の概略を示す縦断面図である。

本実施形態において、図１に示すように、エッチング対象のシリコン含有膜Ｓは、基板としてのウェハＷに形成されたものである。また、ウェハＷは、孔Ｐａが形成された酸化膜などによるパターンＰを有し、孔Ｐａの内部に形成され当該孔Ｐａを介してウェハＷの表面から露出しているシリコン含有膜Ｓがエッチング対象である。なお、本実施形態ではエッチング対象のシリコン含有膜ＳはＳｉ膜（以下、Ｓｉ膜Ｓということがある）である。また、パターンＰを構成する酸化膜は例えばＳｉＯ_２膜である。

図２に示すようにエッチング装置１は、ウェハＷを収容するチャンバ１０と、チャンバ１０内でウェハＷを載置する載置台１１と、載置台１１の上方から載置台１１に向けて処理ガスを供給する給気部１２と、チャンバ１０内の処理ガスを排出する排気部１３と、を有している。なお、エッチング装置１で行われるエッチングは、プラズマを用いないガスエッチングである。

チャンバ１０は、チャンバ本体２０と蓋体２１を有している。チャンバ本体２０の上部は開口し、この開口が蓋体２１で閉止される。そして、チャンバ本体２０の側壁上面と蓋体２１の下面とは、シール材（図示せず）により密閉されて、チャンバ１０内の気密性が確保されている。そして、チャンバ１０内に気密なエッチング処理空間が形成される。なお、チャンバ本体２０の側壁には、ウェハＷを搬入出するための搬入出口（図示せず）が設けられ、この搬入出口はゲートバルブ（図示せず）により開閉自在になっている。

載置台１１は、ウェハＷを載置する上部台３０と、チャンバ本体２０の底面に固定され、上部台３０を支持する下部台３１とを有している。上部台３０の内部には、ウェハＷの温度を調節する温度調節器３２が設けられている。温度調節器３２は、例えば水などの温度調節媒体を循環させることにより載置台１１の温度を調整し、載置台１１上のウェハＷの温度を所定温度に制御する。

給気部１２は、載置台１１に載置されたウェハＷに処理ガスを供給するシャワーヘッド４０を有している。シャワーヘッド４０は、チャンバ１０の蓋体２１の下面において、載置台１１に対向して設けられている。シャワーヘッド４０の下面（シャワープレート）には、処理ガスを供給する供給口４１が複数設けられている。なお、シャワーヘッド４０は、載置台１１に載置されたウェハＷの表面全体に均一に処理ガスを供給するため、少なくともウェハＷの径よりも大きい径を有していることが好ましい。

また、給気部１２は、Ｆ_２ガスを供給するＦ_２ガス供給源５０と、ＮＨ_３ガスを供給するＮＨ_３ガス供給源５１と、ＣｌＦ_３ガスを供給するＣｌＦ_３ガス供給源５２と、Ｎ_２ガスを供給するＮ_２ガス供給源５３とを有している。Ｆ_２ガス供給源５０にはＦ_２ガス供給配管５４が接続され、ＮＨ_３ガス供給源５１にはＮＨ_３ガス供給配管５５が接続され、ＣｌＦ_３ガス供給源５２にはＣｌＦ_３ガス供給配管５６が接続され、Ｎ_２ガス供給源５３にはＮ_２ガス供給配管５７が接続されている。これら供給配管５４～５７は集合配管５８に接続され、集合配管５８は上述したシャワーヘッド４０に接続されている。そして、Ｆ_２ガス、ＮＨ_３ガス、ＣｌＦ_３ガス、Ｎ_２ガスはそれぞれ、供給配管５４～５７及び集合配管５８を経てシャワーヘッド４０からチャンバ１０へ供給されるようになっている。

Ｆ_２ガス供給配管５４、ＮＨ_３ガス供給配管５５、ＣｌＦ_３ガス供給配管５６及びＮ_２ガス供給配管５７には、それぞれ当該供給配管５４～５７の開閉動作、及び処理ガスの流量を調節する流量調節器５９が設けられている。流量調節器５９は、例えば開閉弁およびマスフローコントローラにより構成されている。

この給気部１２から供給される処理ガスには、シリコン含有膜をエッチングする２つの異なるフッ素含有ガスがある。上記２つの異なるフッ素含有ガスのうちの一方は、Ｆ_２ガスとＮＨ_３ガスを含む第１のフッ素含有ガスであり、他方は、ＣｌＦ_３ガスを含む第２のフッ素含有ガスである。なお、Ｆ_２ガスに混合されるガスは、ＮＨ_３ガスに限定されず、塩基性ガスであればよい。また、Ｎ_２ガスは、希釈ガスやパージガスとして用いられる。Ｎ_２ガスの代わりにＡｒガス等の他の不活性ガスを用いてもよく、２種以上の不活性ガスを用いてもよい。

なお、本実施形態の給気部１２では、シャワーヘッド４０からウェハＷに処理ガスを供給するようにしたが、処理ガスの供給方法はこれに限定されない。例えばチャンバ１０の蓋体２１の中央部にガス供給ノズル（図示せず）を設け、当該ガス供給ノズルから処理ガスを供給するようにしてもよい。

排気部１３は、載置台１１の外側方において、チャンバ１０のチャンバ本体２０の底部に設けられた排気管６０を有している。排気管６０には、チャンバ１０内を真空引きして排気する排気機構６１が接続されている。また、排気管６０には、自動圧力制御弁（ＡＰＣ）６２が設けられている。これら排気機構６１と自動圧力制御弁６２により、チャンバ１０内の圧力が制御される。

エッチング装置１には、制御部７０が設けられている。制御部７０は、例えばコンピュータであり、プログラム格納部（図示せず）を有している。プログラム格納部には、エッチング装置１におけるエッチング処理を制御するプログラムが格納されている。なお、前記プログラムは、例えばコンピュータ読み取り可能なハードディスク（ＨＤ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、マグネットオプティカルディスク（ＭＯ）、メモリーカードなどのコンピュータに読み取り可能な記憶媒体に記録されたものであって、その記憶媒体から制御部７０にインストールされたものであってもよい。

＜エッチング方法＞
次に、以上のように構成されたエッチング装置１におけるエッチング方法について説明する。上述したように本実施形態のエッチング装置１では、ウェハＷに形成されているＳｉ膜をエッチングする。

先ず、ゲートバルブを開放した状態で、チャンバ１０内にウェハＷを搬入し、載置台１１に載置する。載置台１１は温度調節器３２で温調されており、載置台１１に載置されたウェハＷの温度が所定温度に制御される。また、ウェハＷが載置台１１に載置されると、ゲートバルブを閉じてチャンバ１０内を密閉状態にし、当該チャンバ１０内にエッチング処理空間を形成する。

その後、一旦真空排気した後、チャンバ１０内の圧力を調節しつつ、エッチングガスとしてＣｌＦ_３ガスをチャンバ１０内へ供給し、ウェハＷに形成されているＳｉ膜をエッチングする。このときＣｌＦ_３ガスの他、希釈ガスとしてＮ_２ガスを供給してもよい。

その後、チャンバ１０内にパージガスとしてＮ_２ガスを供給しつつ真空排気してチャンバ１０内のパージを行う。

その後、チャンバ１０内の圧力を調節しつつ、エッチングガスとしてＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスをチャンバ１０内へ供給し、ウェハＷに形成されているＳｉ膜をさらにエッチングする。このとき、希釈ガスとしてＮ_２ガスを加えてもよい。

その後、チャンバ１０内にパージガスとしてＮ_２ガスを供給しつつ真空排気してチャンバ１０内のパージを行う。

その後、ＣｌＦ_３ガスを用いたエッチングとＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いたエッチングとが交互に所定回数行われるよう、上述の工程を繰り返す。

なお、上述の例では、ＣｌＦ_３ガスを用いたエッチングを最初に行っているが、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いたエッチングを最初に行ってもよい。
また、上述の例では、ＣｌＦ_３ガスを用いたエッチングを行う回数とＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いたエッチングを行う回数は同じであったが、異ならせても良い。例えば、ＣｌＦ_３ガスを用いたエッチングを行う回数とＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いたエッチングとの２種のエッチングを所定回数ずつ交互に行った後、上記２種のエッチングのうち最初に行ったエッチングを最後に再度行ってもよい。

＜本実施形態の効果＞
続いて、本実施形態の効果について説明する。

本発明者は、様々なエッチング条件で検証を行った結果、Ｓｉ膜をエッチングするに際し、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスを含む第１のフッ素含有ガスと、ＣｌＦ_３ガスを含む第２のフッ素含有ガスとの両方をエッチングガスとして用いると、エッチング後のシリコン含有膜の表面粗さを小さくすることができるという知見を得るに至った。以下、上記知見について説明する。

Ｓｉ膜のエッチングガスには従来、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスとＣｌＦ_３ガスとのうちいずれか一方を用いていた。そこで、本発明者は、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いた場合と、ＣｌＦ_３ガスを用いた場合とで、エッチング後のシリコン含有膜の表面粗さの比較／検証を行った。この比較の結果、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いた場合と、ＣｌＦ_３ガスを用いた場合とでは、エッチング後のシリコン含有膜の表面の状態は正反対の傾向を示すことが判明した。

上述の検証の結果を図３及び図４に示す。図３は、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いてポリシリコンのブランケットをエッチングした場合のポリシリコン膜の表面状態を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。図４は、ＣｌＦ_３ガスを用いてポリシリコンのブランケットをエッチングした場合のポリシリコン膜の表面状態を示すＳＥＭ像である。なお、エッチング前のポリシリコン膜の算術平均粗さＳａは２．５ｎｍであり、自乗平均平方根粗さＲＭＳが３．１ｎｍであった。

図３に示すように、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いてエッチングした場合、エッチング後のポリシリコン膜Ｓ_ｐの表面には、アスペクト比が大きい凹凸であって隣接する凹凸間の間隔が狭いものが形成されていた。なお、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いてポリシリコンをエッチングした場合、算術平均粗さＳａが６．７ｎｍであり、自乗平均平方根粗さＲＭＳが８．３ｎｍであった。
それに対し、図４に示すように、ＣｌＦ_３ガスを用いてエッチングした場合、エッチング後のポリシリコン膜Ｓ_ｐの表面には、アスペクト比の小さい凹凸であって隣接する凹凸間の間隔が広いものが形成されていた。なお、ＣｌＦ_３ガスを用いてポリシリコンをエッチングした場合、算術平均粗さＳａが３．４０ｎｍであり、自乗平均平方根粗さＲＭＳが４．３８ｎｍであった。
このように、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いてエッチングした場合と、ＣｌＦ_３ガスを用いてエッチングした場合とでは、エッチング後のポリシリコン膜すなわちシリコン含有膜の表面の状態は正反対の傾向を示していた。

図３及び図４に示した結果は、エッチング対象のシリコン含有膜がポリシリコンのブランケットについてのものであるが、図１に示したようなウェハＷ上のパターンの孔Ｐａ内に形成されたＳｉ膜Ｓをエッチングした場合についても同様な結果が得られた。

この結果を踏まえ、本発明者は、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスとＣｌＦ_３ガスとの両方を用いてエッチングすることに想到した。図５は、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスとＣｌＦ_３ガスとの両方を用いてポリシリコンのブランケットをエッチングした場合のポリシリコンの表面状態を示すＳＥＭ像である。なお、図５の検証結果を得る際、ＣｌＦ_３ガスを用いたエッチングとＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いたエッチングとを交互に２回行った後、ＣｌＦ_３ガスを用いたエッチングを再度行った。

図５に示すように、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスとＣｌＦ_３ガスとの両方を用いた場合、いずれか一方を用いた場合に比べて、エッチング後のポリシリコン膜の表面粗さを小さくすることができる。なお、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスとＣｌＦ_３ガスとの両方を用いてポリシリコンをエッチングした場合、算術平均粗さＳａが２．０ｎｍであり、自乗平均平方根粗さＲＭＳが２．５ｎｍであった。これと同様の結果が、エッチング対象のシリコン含有膜が図１に示したようなウェハＷ上のパターンの孔Ｐａ内に形成されたＳｉ膜Ｓである場合でも得られた。

以上のとおり、図３～図５に示した検証結果などによれば、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスとＣｌＦ_３ガスとの両方を用いると、エッチング後のＳｉ膜の表面粗さを小さくすることができる。

＜表面粗さ改善のメカニズム＞
次に、以上のように、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスとＣｌＦ_３ガスとの両方を用いることでエッチング後のＳｉ膜の表面粗さを小さくすることができることのメカニズムについて説明する。図６は、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いてエッチングした場合のＳｉ膜の状態を示す説明図である。図７は、ＣｌＦ_３ガスを用いてエッチングした場合のＳｉ膜の状態を示す説明図である。図６（ａ）及び図７（ａ）はエッチング前の状態を示し、図６（ｂ）及び図７（ｂ）はエッチング後の状態を示す。

エッチング対象のシリコン含有膜がポリシリコン膜であるとする。ポリシリコン膜としてのＳｉ膜Ｓは、結晶の方位が異なるグレインＧを有し、グレインＧの境界には結晶粒界Ｂが存在する。
反応種の表面への拡散・供給、吸着、そして反応生成物の生成、さらに表面からの脱離・拡散によってエッチングは進むところ、Ｆ_２ガスは、反応性が弱いため、結晶粒界Ｂのならず、グレインＧ全体についてもエッチングが進み、比較的間隔の狭い凹凸が形成されると考えられる。

一方、ＣｌＦ_３ガスの場合、Ｆ_２ガスに比べて、遥かに反応性が強いため、Ｓｉ膜Ｓの全体のエッチングが進み、特に結合の弱い結晶粒界Ｂに集中してエッチングが進む傾向があり、結果的に、間隔の広い凹凸が形成されると考えられる。ＣｌＦ_３ガスのみでエッチングを進めると、この凹凸形成がさらに強調されるものと考えられる。

これらの特徴を生かし、Ｆ_２ガスとＣｌＦ_３ガスとの両方を用いてエッチングすることで、対象であるＳｉ膜を細かくエッチングする手法と大きく速くエッチングする手法を組み合わせて、最終的に、平坦な表面を形成することが可能となると考えられる。

なお、エッチング対象のシリコン含有膜がアモルファスシリコン膜の場合、ポリシリコン膜と同様に、塊的な構造を取っており、塊と塊の間それぞれにはグレインが薄く存在しているため、Ｆ_２ガスとＣｌＦ_３ガスに対して、ポリシリコン膜と同様にエッチングが進むものと考えられる。

＜本実施形態の別の効果＞
次に、本実施形態の他の効果について説明する。

本発明者は、様々なエッチング条件で検証を行った結果、エッチング対象部分が露出するよう孔が形成されたパターンを有する基板上のＳｉ膜をエッチングするに際し、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスを含む第１のフッ素含有ガスと、ＣｌＦ_３ガスを含む第２のフッ素含有ガスとの両方をエッチングガスとして用いると、上記孔の内部におけるエッチング後のＳｉ膜の表面を平坦にすることができるという知見を得るに至った。以下、上記知見について説明する。

前述のように、Ｓｉ膜のエッチングガスには従来、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスとＣｌＦ_３ガスとのうちいずれか一方を用いていた。そこで、本発明者は、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いた場合と、ＣｌＦ_３ガスを用いた場合とで、パターンの孔の内部におけるエッチング後のＳｉ膜の表面の平坦性の比較／検証を行った。この比較の結果、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いた場合と、ＣｌＦ_３ガスを用いた場合とでは、パターンの孔の内部におけるエッチング後のＳｉ膜の表面の形状は正反対となることが判明した。

上述の検証の結果を図８及び図９に示す。図８は、パターニングされたＳｉ膜をＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いてエッチングした場合におけるＳｉ膜の表面の形状を示す模式断面図である。図９は、同Ｓｉ膜をＣｌＦ_３ガスを用いてエッチングした場合におけるＳｉ膜の表面の形状を示す模式断面図である。

図８に示すように、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いてエッチングした場合、パターンＰの孔Ｐａ内におけるエッチング後のＳｉ膜Ｓの表面は上側に突出する凸形状となっていた。
それに対し、図９に示すように、ＣｌＦ_３ガスを用いてエッチングした場合、パターンＰの孔Ｐａ内におけるエッチング後のＳｉ膜の表面は下側に凹む凹形状となっていた。
このように、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いてエッチングした場合と、ＣｌＦ_３ガスを用いてエッチングした場合とでは、パターンＰの孔Ｐａの内部におけるエッチング後のＳｉ膜の表面の形状は正反対となっていた。言い換えれば、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスとＣｌＦ_３ガスとでは、孔Ｐａの中心部分におけるエッチングレートと孔Ｐａ内部の周縁部分におけるエッチングレートとの比が互いに異なっていた。

この結果を踏まえ、本発明者は、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスとＣｌＦ_３ガスとの両方を用いてエッチングすることに想到した。図１０は、パターニングされたＳｉ膜をＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスとＣｌＦ_３ガスとの両方を用いてエッチングした場合におけるＳｉ膜の表面の形状を示す模式断面図である。なお、図１０の検証結果を得る際、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスの供給を最初に行い、また、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスの供給とＣｌＦ_３ガスの供給とを交互に２回行った。

図１０に示すように、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスとＣｌＦ_３ガスとの両方を用いた場合、パターンＰの孔Ｐａ内におけるエッチング後のＳｉ膜Ｓの表面は平坦となる。

以上のとおり、図８～図１０に示した検証結果によれば、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスとＣｌＦ_３ガスとの両方を用いると、ウェハＷに設けられたパターンの孔の内部におけるエッチング後のＳｉ膜の表面を平坦にすることができる。

＜平坦化のメカニズム＞
次に、以上のように、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスとＣｌＦ_３ガスとの両方を用いることでパターンの孔の内部におけるエッチング後のＳｉ膜の表面を平坦にすることができることのメカニズムについて説明する。図１１は、ＣｌＦ_３ガスとＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いてエッチングした場合のパターンの孔の内部におけるＳｉ膜の状態を示す説明図である。

上記メカニズムの前に、ＣｌＦ_３ガスのみを用いた場合に孔内部においてＳｉ膜の表面が凹形状となるメカニズム、及び、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスのみを用いた場合に孔内部においてＳｉ膜の表面が凸形状となるメカニズムについて説明する。

ＣｌＦ_３ガスと、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスとでは、単にその分子量が異なるだけでなく、Ｓｉ膜に対する表面吸着性及びＳｉ膜に対する反応特性が異なる。
また、Ｓｉ膜Ｓのエッチングが進むと、Ｓｉ膜Ｓの表面に到達するエッチングガス分子の密度が、パターンＰの孔Ｐａ内部における周縁部より中央部が高くなる。
ＣｌＦ_３ガスのみを用いる場合を考えると、ＣｌＦ_３ガスの表面吸着性または反応特性から、パターンＰの孔Ｐａ内部において、Ｓｉ膜Ｓの表面等に沿ってウェハＷの表面と平行な方向に広がりにくい。したがって、Ｓｉ膜Ｓに対するエッチングガスがＣｌＦ_３ガスのみである場合、図９に示したように、パターンＰの孔Ｐａ内におけるエッチング後のＳｉ膜の表面は下側に凹む凹形状になる、と考えられる。

一方、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスのみを用いる場合を考えると、両ガスの表面吸着性または反応特性により、パターンＰの孔Ｐａ内部において広がりやすい。したがって、ＣｌＦ_３ガスのみを用いる場合のように、孔Ｐａの中央のＳｉ膜Ｓがエッチングされやすくなることはない。また、エッチングは複数サイクルに分けて行われるところ、ＮＨ_３ガスの存在により先のサイクルで生じた反応生成物はサイクル間の排気の際に孔Ｐａ内の周縁部に多く残存する。そして、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスのみを用いたエッチングは、上記反応生成物により促進される。そのため、孔Ｐａ内部において、中央部より周縁部の方が、エッチングが進む。したがって、Ｓｉ膜Ｓに対するエッチングガスがＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスのみである場合、図８に示したように、パターンＰの孔Ｐａ内におけるエッチング後のＳｉ膜の表面は上側に突出する凸形状になる、と考えられる。

それに対し、ＣｌＦ_３ガスとＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスとの両方を用いる場合、まず例えばＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いたとすると、図１１（ａ）に示すように、この段階では前述の反応生成物Ｈの量は孔Ｐａ内において偏りはないため、孔Ｐａ内部におけるエッチング後のＳｉ膜Ｓの表面は略平坦である。ただし、この段階ではエッチング量は不十分である。その後排気すると、図１１（ｂ）に示すように、反応生成物Ｈが孔Ｐａ内部において周縁部に偏って残存する。その後、ＣｌＦ_３ガスを用いたエッチングを行うと、前述と同様にＣｌＦ_３ガスの表面吸着性または反応特性から、図１１（ｃ）に示すように、パターンＰの孔Ｐａ内におけるエッチング後のＳｉ膜の表面は凹形状となる。その後、排気してから、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスを用いると、反応生成物Ｈにより孔Ｐａ内部の周縁部におけるエッチングが中央部に比べて促進されるため、図１１（ｄ）に示すように、孔Ｐａ内におけるエッチング後のＳｉ膜の表面は凸形状となる。その後、排気してから、ＣｌＦ_３ガスを用いると、膜厚の大きい孔Ｐａの中心がエッチングされやすいため、図１１（ｅ）に示すように、孔Ｐａ内におけるエッチング後のＳｉ膜の表面は凸形状となる。このようなメカニズムが考えられる。

＜他の実施形態＞
以上では、Ｓｉ膜のエッチング方法について説明したが、本発明のエッチング方法は、他のシリコン含有膜にも適用できる。

例えばシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）膜をエッチングする場合、エッチングガスには、ＮＨ_３ガスを含まずＦ_２ガスを含む第１のフッ素含有ガスと、ＣｌＦ_３ガスを含む第２のフッ素含有ガスとの両方が用いられる。

また、以上では、Ｆ_２ガスを含む第１のフッ素含有ガスとは異なる第２のフッ素含有ガスはＣｌＦ_３ガスを含むものであったが、この例に限られず、少なくともＣｌＦ_３ガス、ＩＦ_７ガス、ＩＦ_５ガスまたはＳＦ_６ガスを含むものであればよい。

以上では、Ｆ_２ガスを含む第１のフッ素含有ガスとＣｌＦ_３ガスを含む第２のフッ素含有ガスとを交互に供給していたが、第１のフッ素含有ガスと第２のフッ素含有ガスとを混合して同時に供給してエッチングガスとして用いてもよい。

また、第１のフッ素含有ガスを用いたエッチング、第１のフッ素含有ガスの排気、第２のフッ素含有ガスを用いたエッチングおよび第２のフッ素含有ガスの排気を１ステップとし、このステップを繰り返すものとしたときに、各ステップにおけるエッチング量を徐々に減らすようにしてもよい。これにより、エッチング後のシリコン含有膜の表面粗さをさらに小さくすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１ エッチング装置
１０ チャンバ
１１ 載置台
１２ 給気部
１３ 排気部
２０ チャンバ本体
２１ 蓋体
３０ 上部台
３１ 下部台
３２ 温度調節器
４０ シャワーヘッド
４１ 供給口
５０ Ｆ_２ガス供給源
５１ ＮＨ_３ガス供給源
５２ ＣｌＦ_３ガス供給源
５３ Ｎ_２ガス供給源
５４ Ｆ_２ガス供給配管
５５ ＮＨ_３ガス供給配管
５６ ＣｌＦ_３ガス供給配管
５７ Ｎ_２ガス供給配管
５８ 集合配管
５９ 流量調節器
６０ 排気管
６１ 排気機構
６２ 自動圧力制御弁
７０ 制御部
Ｓ シリコン含有膜
Ｗ ウェハ

Claims (3)

1. 基板上のシリコン含有膜をエッチングする方法であって、
   少なくともＦ_２ガスを含む第１のフッ素含有ガスを供給してプラズマを用いずに前記シリコン含有膜をエッチングする工程と、少なくともＣｌＦ_３ガス、ＩＦ_７ガス、ＩＦ_５ガスまたはＳＦ_６ガスを含む第２のフッ素含有ガスを供給してプラズマを用いずに前記シリコン含有膜をエッチングする工程と、を少なくとも１回ずつ交互に行うことを特徴とする、シリコン含有膜のエッチング方法。
2. 請求項１に記載のエッチング方法をエッチング装置によって実行させるように、当該エッチング装置を制御する制御部のコンピュータ上で動作するプログラムを格納した読み取り可能なコンピュータ記憶媒体。
3. 基板上のシリコン含有膜をエッチングする装置であって、
   前記基板を収容するチャンバと、
   少なくともＦ_２ガスを含む第１のフッ素含有ガスと少なくともＣｌＦ_３ガス、ＩＦ_７ガス、ＩＦ_５ガスまたはＳＦ_６ガスを含む第２のフッ素含有ガスとの両方を、前記シリコン含有膜に対して供給する給気部と、を有し、
   前記第１のフッ素含有ガスを供給してプラズマを用いずに前記シリコン含有膜をエッチングすることと、前記第２のフッ素含有ガスを供給してプラズマを用いずに前記シリコン含有膜をエッチングすることと、を少なくとも１回ずつ交互に行うことを特徴とする、シリコン含有膜のエッチング装置。

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