KR20220119358A - 에칭 방법 및 에칭 장치 - Google Patents
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Abstract
원자층 레벨의 높은 가공 치수 제어성, 패턴 깊이 방향에 있어서의 높은 균일성, 그리고 산화규소와의 높은 선택성을 유지한 채, 질화규소막을 고에칭 레이트로 에칭 가공할 수 있는 에칭 방법 및 에칭 장치를 제공한다. 에칭 방법은, 수소를 갖는 에천트를, 질화규소가 표면에 나와 있는 시료에 공급함에 의해, 수소가 질화규소에 결합한 제1 개질층을 형성하는 제1 공정과, 불소를 갖는 에천트를 상기 시료에 공급함에 의해, 수소와 불소가 질화규소에 결합한 제2 개질층을, 상기 제1 개질층 상에 형성하는 제2 공정과, 상기 제1 개질층과 상기 제2 개질층에 적외선을 조사하는 제3 공정을 갖는다.
Description
본 발명은, 에칭 방법 및 에칭 장치에 관한 것이다.
스마트폰 등의 모바일 기기의 보급이나 클라우드 기술의 진전에 수반해서, 반도체 디바이스의 고집적화가 전 세계에서 추진되고 있고, 부수된 고난도의 반도체의 가공 기술이 강하게 요구되고 있다. 예를 들면 메모리 반도체에 관해서는, NAND 플래시 메모리에 있어서 평면에서의 회로 미세화에 한계가 보이기 시작하고 있어, 이것을 바탕으로 삼차원 다단 적층 기술을 사용한 메모리가 양산 적용되고 있다. 한편, 로직 반도체에 관해서는, 삼차원 구조를 갖는 핀형 FET(Field Effect Transistor)가 주류로 되고 있으며, 또한 그 앞선 기술로서 GAA(Gate All Around)형의 반도체 기술 개발도 한창 행해지고 있다.
이러한 소자 구조의 삼차원화와 미세화가 동시 병행해서 진행되어 감에 따라, 디바이스 제조 프로세스에 있어서는, 고정밀도의 가공 치수 정밀도, 피에칭 재료와 타재료의 고선택비, 고스루풋을 실현하는 고에칭 레이트, 고정밀도의 등방성 에칭 등이 요구되게 되었다. 특히 등방성 에칭에 관해서는, 불화수소산을 사용한 산화규소의 에칭이나, 열인산을 사용한 질화규소의 에칭 등, 약액을 사용한 웨트 에칭 기술이 널리 사용되어 왔다. 한편, 디바이스가 미세화해 감에 수반해서, 약액의 표면 장력에 기인하는 패턴 도괴(倒壞)가 문제로 되고 있고, 그러한 문제가 적은 건식 에칭의 기술이 강하게 요구되고 있다.
질화규소는, 반도체 디바이스에 있어서 스페이서 등에 널리 사용되고 있는 재료이다. 종래의 약액을 사용하지 않는 질화물의 건식 에칭 기술로서는, 플루오로카본 플라스마와 적외선 조사를 사용한 질화티타늄의 ALE(Atomic Layer Etching)의 방법이, 특허문헌 1에 개시되어 있다. 또한, 불화수소(HF라 함)의 진동 여기(勵起)를 사용한 산화규소에 대한 질화규소의 고선택성을 확보할 수 있는 에칭 방법이, 비특허문헌 1 및 2에서 공개되어 있다.
비특허문헌 1 및 2의 기술은, 진동 여기한 HF를 질화규소에 조사하고, 질소와 규소의 결합 파괴의 활성화 에너지를 저하시키는 것에 의해, 질화규소의 에칭을 행하는 것이다. 산화규소에 대해서는, 산소와 수소의 진동 에너지와 불소와 수소의 진동 에너지가 거의 동일하기 때문에 공명이 일어나서, 활성화 에너지의 저하가 일어나지 않게 된다. 또한, 해리의 활성화 에너지도 낮기 때문에 HF의 흡착이 별로 일어나지 않고, 결과적으로 질화규소는 산화규소에 대해 선택적으로 에칭된다. 따라서 질화규소의 트리밍 등에 한하지 않고, 질화규소와 산화규소의 적층막에 있어서의 질화규소의 선택적인 에칭 공정 등에 있어서 매우 중요한 기술이 될 수 있다.
V. Volynets, Y. Barsukov, G. Kim, J -E. Jung, S. K. Nam, K. Han, S. Huang, and M. J. Kushner, "Highly selective Si3N4/SiO2 etching using an NF3/N2/O2/H2 remote plasma. I. Plasma source and critical fluxes", Journal of Vacuum Science & Technology A Volume 38 023007 (2020), (URL: https://doi.org/10.1116/1.5125568)
J -E. Jung, Y. Barsukov, V. Volynets G. Kim, S. K. Nam, K. Han, S. Huang, and M. J. Kushner, "Highly selective Si3N4/SiO2 etching using an NF3/N2/O2/H2 remote plasma. II. Surface reaction mechanism", Journal of Vacuum Science & Technology A Volume 38 023008 (2020), (URL: https://doi.org/10.1116/1.5125569)
비특허문헌 1 및 2에 있어서는, 진동 여기한 HF를 NF3/N2/O2/H2의 혼합 가스 플라스마를 사용해서 질화규소에 공급하고 있다. 그러나, 일반적으로 진동 여기한 HF의 수명은 마이크로초 이하 정도밖에 안돼고, 또한 수소 플라스마가 스캐빈저 효과에 의해 생성된 불화물 이온이나 불화물 라디칼을 소비해 버리기 때문에, 상기 기술에서는 기판의 영역까지 충분한 양의 진동 여기한 HF를 공급하는 것이 곤란하다. 또한 가공성의 관점에서 말하면, 디바이스의 고밀도화나 고적층화에 의해, 홀의 저부 등 세부에 에천트를 충분히 공급할 수 없는 공급 율속의 상태로 되고, 결과적으로 장소에 관계 없이 균일한 에칭을 실현하는 것이 곤란해진다.
본 발명은, 원자층 레벨의 높은 가공 치수 제어성, 패턴 깊이 방향에 있어서의 높은 균일성, 그리고 산화규소와의 높은 선택성을 유지한 채, 질화규소막을 고에칭 레이트로 에칭 가공할 수 있는 에칭 방법 및 에칭 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 대표적인 본 발명에 따른 에칭 방법의 하나는,
수소를 갖는 에천트를, 질화규소가 표면에 나와 있는 시료에 공급함에 의해, 수소가 질화규소에 결합한 제1 개질층을 형성하는 제1 공정과,
불소를 갖는 에천트를 상기 시료에 공급함에 의해, 수소와 불소가 질화규소에 결합한 제2 개질층을, 상기 제1 개질층 상에 형성하는 제2 공정과,
상기 제1 개질층과 상기 제2 개질층에 적외선을 조사하는 제3 공정을 갖는 것에 의해 달성된다.
또한, 대표적인 본 발명에 따른 에칭 방법의 하나는,
불화수소를 갖는 에천트를, 질화규소가 표면에 나와 있는 시료에 공급함에 의해, 수소가 질화규소에 결합한 제1 개질층과, 수소와 불소가 질화규소에 결합한 제2 개질층을 형성하는 제4 공정과,
상기 제1 개질층과 상기 제2 개질층에 적외선을 조사하는 제5 공정을 갖는 것에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 원자층 레벨의 높은 가공 치수 제어성, 패턴 깊이 방향에 있어서의 높은 균일성, 그리고 산화규소와의 높은 선택성을 유지한 채, 질화규소막을 고에칭 레이트로 에칭 가공할 수 있는 에칭 방법 및 에칭 장치를 제공할 수 있다.
상기한 것 이외의 과제, 구성 및 효과는, 이하의 실시형태의 설명에 의해 명확해진다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 에칭 장치의 개략의 구성을 나타내는 단면도.
도 2는, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 에칭 방법의 처리 수순의 일례를 나타내는 개략도.
도 3은, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 에칭 방법에 있어서, 스텝 S102 내지 S104의 유무에 의한 질화규소막 및 산화규소막의 에칭 레이트의 변화를 나타내는 도면.
도 4는, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 에칭 방법에 있어서, 질화규소막의 에칭 레이트의 스텝 S102에 있어서의 H2 플라스마의 조사 시간 의존성을 나타내는 도면.
도 5는, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 에칭 방법에 있어서, 질화규소막의 에칭 레이트의 스텝 S103에 있어서의 SF6 플라스마의 조사 시간 의존성을 나타내는 도면.
도 6은, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 에칭 방법에 있어서, 질화규소막 및 산화규소막의 에칭 레이트의, 스텝 S102에 있어서의 가스종 의존성을 나타내는 도면.
도 7은, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 에칭 방법에 있어서, 질화규소막 및 산화규소막의 에칭 레이트의, 스텝 S103에 있어서의 가스종 의존성을 나타내는 도면.
도 8은, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 에칭 방법을 사용해서, 질화규소막을 포함하는 다층 구조체를 가공했을 때의 처리 수순의 일례를 나타내는 각 공정의 웨이퍼의 단면도.
도 9는, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 에칭 방법의 처리 수순의 일례를 나타내는 개략도.
도 10은, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 에칭 방법에 있어서, 스텝 S107의 유무에 의한 질화규소막 및 산화규소막의 에칭 레이트의 변화를 나타내는 도면.
도 11은, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 에칭 방법을 사용해서, 질화규소막을 포함하는 다층 구조체를 가공했을 때의 처리 수순의 일례를 나타내는 각 공정의 웨이퍼의 단면도.
도 12는, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 에칭 방법을 사용해서, 질화규소막을 포함하는 구조체를 가공했을 때의 처리 수순의 일례를 나타내는 각 공정의 웨이퍼의 단면도.
도 2는, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 에칭 방법의 처리 수순의 일례를 나타내는 개략도.
도 3은, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 에칭 방법에 있어서, 스텝 S102 내지 S104의 유무에 의한 질화규소막 및 산화규소막의 에칭 레이트의 변화를 나타내는 도면.
도 4는, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 에칭 방법에 있어서, 질화규소막의 에칭 레이트의 스텝 S102에 있어서의 H2 플라스마의 조사 시간 의존성을 나타내는 도면.
도 5는, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 에칭 방법에 있어서, 질화규소막의 에칭 레이트의 스텝 S103에 있어서의 SF6 플라스마의 조사 시간 의존성을 나타내는 도면.
도 6은, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 에칭 방법에 있어서, 질화규소막 및 산화규소막의 에칭 레이트의, 스텝 S102에 있어서의 가스종 의존성을 나타내는 도면.
도 7은, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 에칭 방법에 있어서, 질화규소막 및 산화규소막의 에칭 레이트의, 스텝 S103에 있어서의 가스종 의존성을 나타내는 도면.
도 8은, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 에칭 방법을 사용해서, 질화규소막을 포함하는 다층 구조체를 가공했을 때의 처리 수순의 일례를 나타내는 각 공정의 웨이퍼의 단면도.
도 9는, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 에칭 방법의 처리 수순의 일례를 나타내는 개략도.
도 10은, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 에칭 방법에 있어서, 스텝 S107의 유무에 의한 질화규소막 및 산화규소막의 에칭 레이트의 변화를 나타내는 도면.
도 11은, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 에칭 방법을 사용해서, 질화규소막을 포함하는 다층 구조체를 가공했을 때의 처리 수순의 일례를 나타내는 각 공정의 웨이퍼의 단면도.
도 12는, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 에칭 방법을 사용해서, 질화규소막을 포함하는 구조체를 가공했을 때의 처리 수순의 일례를 나타내는 각 공정의 웨이퍼의 단면도.
본 발명자 등은, 각종 가스를 사용해서 질화규소의 에칭을 시도했다. 그 결과, 수소를 함유한 에천트를 질화규소에 공급하는 것에 의해 그 표면에 수소를 함유한 개질층이 형성되고, 불소를 함유한 에천트를 질화규소에 공급하는 것에 의해 수소 및 불소를 함유한 개질층이 최표면에 형성되고, 당해 개질층의 생성량이 자기 포화성을 갖는 것, 및 당해 개질층은 적외선 조사에 의해 제거되는 것을 알아내었다.
본 발명은, 이 새로운 지견에 의거하여 창출된 것이다. 본 발명에 따르면, 질화규소의 표면에의 수소 및 불소를 에천트의 공급에 의한 개질층 형성과, 당해 표면 개질층에의 적외선 조사에 의해 제거를 행하고, 그 형성과 제거를 반복하는 것에 의해 원하는 양만큼 질화규소를 에칭할 수 있다.
또한 본 발명의 에칭 기술에 따르면, 진동 여기한 HF를 질화규소 상에 공급하는 것이 아니라, 수소 및 불소를 함유한 개질층을 사전에 형성하고, 그 위에서 적외선을 조사하는 것에 의해 진동 여기한 HF를 생성시키기 때문에, 충분한 양의 진동 여기한 HF를 효율적으로 질화규소에 공급하는 것이 가능해진다. 여기에서 HF의 진동 여기의 에너지는 약 2.4㎛의 파장역에 상당하기 때문에, 상기 파장역을 함유하는 적외선을 조사하는 것에 의해 진동 여기를 일으키는 것이 가능해진다. 본 발명에 있어서, 수소 및 불소를 함유한 개질층의 바로 아래에, 수소만을 함유한 개질층을 배치하는 것을 하나의 특징으로 하고 있다.
일반적으로, 진동 여기한 HF는, H2＋F→HF＊＋H의 화학식(여기에서 HF＊는 진동 여기한 HF를 표현함)에 따라서 생성되기 때문에, 불소에 대해 과잉의 수소를 공급할 필요가 있다. 이것은 쌍으로 되는 F2＋H→HF＊＋F라는 반응보다 반응 계수가 크기 위함이다. 그래서 수소만을 함유한 개질층을 배치하는 것에 의해, 보다 효율적으로 진동 여기한 HF를 생성하는 것이 가능해진다.
또한 본 발명의 에칭 기술에 따르면, 자기 포화성을 갖는 처리를 행하므로, 웨이퍼 면내 방향 및 패턴 깊이 방향의 에칭량에 있어서의 균일성이 높아진다. 또한 에칭량은, 개질층의 깊이, 및 반복한 사이클 처리의 횟수로 결정되기 때문에, 에칭량을 정밀하게 제어하는 것이 가능해진다.
이하, 본 발명의 실시형태를, 도면을 사용해서 상세히 설명한다. 또한, 실시형태를 설명하기 위한 모든 도면에 있어서, 동일한 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 부여하고, 그 반복 설명은 생략한다. 또한, 이하의 실시형태를 설명하는 도면에 있어서는, 구성을 알기 쉽게 하기 위해, 평면도여도 해칭을 부여하는 경우가 있다.
(제1 실시형태)
제1 실시형태에 대해, 도 1 내지 도 8을 사용해서 설명한다. 본 실시형태는, H2 가스의 플라스마, SF6 가스의 플라스마에서 생성한 반응종, 및 적외선 조사를 사용해서, 질화규소를 에칭하는 것이다.
도 1은, 본 실시형태에 따른 에칭 장치(100)의 구성의 개략을 나타내는 단면도이다. 본 에칭 장치(100)는, 처리실(101)의 내부에 설치된 웨이퍼 스테이지(102)와, 처리실(101) 내에서 웨이퍼 스테이지(102)의 상부에 부착된 적외선 램프(103)와, 웨이퍼 스테이지(102)의 상부에 배설(配設)된 플라스마원(104)과, 플라스마원(104)의 상부에 부착된 가스 도입부(105)와, 가스 도입부(105)에 가스를 공급하는 가스 공급부(106)와, 처리실(101) 내의 가스를 배기하는 가스 배기부(107)와, 도 1에서 도시하지 않은 제어부를 구비하고 있다.
웨이퍼 스테이지(102) 상의 웨이퍼(시료)에 조사하는 적외선은, 후에 서술하는 바와 같이 HF를 진동 여기시켜서 질화규소를 에칭할 필요가 있기 때문에, HF를 진동 여기시키는 데 충분한 광량을 웨이퍼 스테이지에 공급할 수 있는 광원의 배치 및 출력이 필요해진다. 또한, 웨이퍼의 가열은, 암모니아실리케이트, 암모니아, 불화규소 등의 에칭에 의한 부생성물을 제거하는 것에 기여하기 때문에, 가열 기구를 갖고 있는 것이 바람직하다. 적외선 램프(103)를, 웨이퍼 스테이지(102)에 재치(載置)되는 웨이퍼를 가열하는 가열 기구로서 기능시키는 것도 가능하다.
가스 공급부(106)는, 수소를 포함하는 가스, 불소를 포함하는 가스, 및 HF와 같은 수소와 불소의 양쪽을 포함하는 가스를, 선택해서 공급하는 능력을 구비하고 있다. 수소를 함유하는 가스(에천트)의 예로서는, H2, HCl, HF, H2O, NH3, CH4 등을 들 수 있다. 또한, 불소를 함유하는 가스(에천트)의 예로서는, SF6, CF4, CHF3, CH2F2, CH3F, C2F6, C4F8, NF3 등을 들 수 있다. 또한 가스 공급부(106)는, BCl3와 같은 환원성이 있는 가스를 공급하는 능력, 및 아르곤이나 질소와 같은 희석을 가능하게 하는 불활성 가스를 공급하는 능력을 구비하고 있는 것이 바람직하다.
처리실(101)의 내부에는, 가스 도입부(105)로부터 도입된 가스를 분산시키는 가스 분산판(108)을 배치할 수 있고, 또한, 도입된 가스 및 플라스마원(104)에 의해 생긴 이온 및 라디칼의 양과 분포를 제어하는 쉴드 플레이트(109)를, 플라스마원(104)과 웨이퍼 스테이지(102) 사이에 배치하고 있어도 된다. 또한, 웨이퍼에 이온이 공급되지 않도록 처리실(101) 내의 압력을 조정하거나, 플라스마원(104)과 웨이퍼 스테이지(102)의 거리를 조정하는 조정 기구를 마련해도 된다. 웨이퍼 스테이지(102)는, 그 상면에 얹히는 웨이퍼(반도체 기판)를 식히기 위해 웨이퍼 이면에 헬륨 가스를 공급하는 기구, 및 웨이퍼 스테이지(102) 자체를 식히는 칠러 등의 냉각 기구를 구비하고 있는 것이 바람직하다.
다음으로, 질화규소 에칭의 구체예에 대해 기술한다. 도 2에 나타내는 개략도는, 본 실시형태에 따른, 질화규소막의 에칭 방법에 있어서의 처리 수순을 나타내는 것이고, 본 에칭의 각 공정에 있어서의 웨이퍼 단면 구조의 변화를 나타내고 있다. 이 처리 수순은, 에칭 장치(100)의 제어부에 의해 진행 제어된다.
우선, 스텝 S101에서, 웨이퍼 스테이지(102) 상에 질화규소가 표면에 나와 있는 웨이퍼를 재치한다. 스텝 S102(제1 공정)에서는, 가스 공급부(106)로부터 가스 도입부(105)를 통해 수소를 포함하는 에천트를 처리실(101) 내에 공급해서, 웨이퍼의 질화규소에 조사하고, 그 표면의 질화규소에 수소가 결합한 개질층(제1 개질층)(L101)을 형성한다. 스텝 S103(제2 공정)에서는, 가스 도입부(105)를 통해 불소를 포함하는 에천트를 질화규소에 조사하고, 최표면의 질화규소에 수소 및 불소가 결합한 개질층(제2 개질층)(L102)을 형성한다.
스텝 S103에서는, 에천트에 수소가 포함되어 있으면, 스캐빈저 효과에 의해 불소가 소비되어 버려서 질화규소에 충분한 양의 불소를 공급하는 것이 곤란해지기 때문에, 이 에천트에는 수소를 함유하지 않는 것이 바람직하다. 본 실시형태에 있어서는 라디칼을 에천트로서 공급하고 있지만, 에천트의 공급 형태로서는 가스여도 이온이어도 효과는 변하지 않는다. 에천트로서 이온이나 라디칼을 사용할 경우는, 플라스마원(104)에 의해 생성한다.
스텝 S104(제3 공정)에서는, 형성된 개질층(L101) 및 개질층(L102)에 대해 적외선 램프(103)로부터 적외선을 조사한다. 이에 의해, HF의 진동 여기가 촉진되어 질화규소막의 에칭이 생긴다.
도 3에 구체예로서, H2 가스 플라스마에 의해 생기는 라디칼과, SF6 가스 플라스마에 의해 생기는 라디칼, 및 적외선 조사를 사용해서 질화규소 및 산화규소의 단막을 에칭한 결과를 비교하여 나타낸다. 도 3에 있어서, 에칭 레이트의 양의 값이 클수록, 에칭이 진행되어 있다.
도 3의 결과에 따르면, 스텝 S102에 상당하는 H2 가스 플라스마의 조사가 없는 경우, 또는 스텝 S104에 상당하는 적외선 조사가 없는 경우는, 질화규소막의 에칭이 거의 일어나지 않는 것을 알 수 있다. 한편, 스텝 S102, 스텝 S103, 스텝 S104가 모두 모였을 때에 질화규소막의 현저한 에칭이 일어나는 것을 알 수 있다. 또한 어느 경우에도, 산화규소막의 에칭은 생기고 있지 않다. 이상의 결과로부터, 질화규소막을 에칭하기 위해서는, 스텝 S102, S103, 및 S104가 필요함을 알 수 있다.
도 4와 도 5에, 각각 H2 가스 플라스마 및 SF6 가스 플라스마의 조사 시간과, 질화규소막의 에칭 레이트의 관계를 나타낸다. 어느 경우도 조사 시간을 연장시키면 에칭 레이트가 포화한다는, 소위 자기 포화성을 갖고 있는 것을 알 수 있다. 또한 도 4와 도 5를 비교할 때에, 자기 포화성을 나타내는 조사 시간은 SF6 가스 플라스마 쪽이 길다. 이것은 수소 원자 쪽이 불소 원자보다 원자 반경이 작고, 결과적으로 시료의 보다 심부에 도달하고 있기 때문이라 생각할 수 있다.
본 실시형태에 따르면, 스텝 S102, S103을 통해, 시료의 최표면에 수소 및 불소를 함유한 개질층(L102)이 형성되고, 그 바로 아래에 수소만을 함유한 개질층(L101)이 형성되어 있고, 이 개질층의 구조에 스텝 S104에서 적외선을 조사하는 것에 의해 질화규소막의 에칭이 생기는 것을 알 수 있다.
도 6에 스텝 S102에 있어서, 가스종을 바꿨을 때의 질화규소막의 에칭 레이트를 각각 나타낸다. 가스로서 H2가 아니라, HF를 도입해도 질화규소막의 에칭은 생긴다. 이상의 결과로부터, 스텝 S102에 있어서 도입하는 에천트는, 적어도 수소를 포함하고 있으면 됨을 알 수 있다.
도 7에 스텝 S103에 있어서, 가스종을 바꿨을 때의 질화규소막의 에칭 레이트를 각각 나타낸다. 가스로서 SF6가 아니라, CF4를 도입해도 질화규소막의 에칭은 생긴다. 한편, CHF3나 CH2F2를 도입하면 질화규소막의 에칭은 생기지 않는다. 이상의 결과로부터, 스텝 S103에 있어서 도입하는 에천트는 불소를 포함하고 있으면 되지만, 수소도 포함하고 있는 것은 바람직하지 않음을 알 수 있다. 또한, 스텝 S103에 있어서, 불소를 갖는 에천트와 동시에, 질소를 갖는 에천트를 웨이퍼에 공급해도 된다.
이상으로부터 명확하지만, 본 실시형태에 따른 에칭 방법은, 산화규소막에 대해 높은 선택성을 갖는다. 따라서 스텝 S101과 S102 사이에, 자연 산화막 등의 초기 산화막을 제거하기 위한 스텝을 추가하는 것, 및 BCl3 등의 환원성이 있는 에천트를 도입하는 것도 에칭 레이트 증대에 효과적이다. 또한 질화규소막은 질소를 포함하고, 질소는 규소보다 움직이기 쉽기 때문에, N2나 NF3 등의 질소를 포함하는 에천트를 도입하는 것은, 자기 복합성을 기대할 수 있기 때문에, 러프니스의 저감 등에 효과적이라 생각할 수 있다.
다음으로, 실제의 디바이스 구조에 있어서의 질화규소의 에칭에 관해서 서술한다. 질화규소의 에칭, 특히 산화규소막에 대한 고선택의 등방성 에칭은, 더미 워드선의 제거 공정 등에의 적용이 기대된다.
도 8에 디바이스 구조의 모식도를 나타낸다. 질화규소층과 산화규소층이 번갈아 적층되어 있고, 본 발명에서 에천트로서 가스나 라디칼을 사용함으로써, 산화규소를 에칭하는 일 없이 질화규소만을 횡 방향으로 선택적으로 에칭하는 것이 가능해진다. 또한 본 실시형태의 방법에 따르면, 상술한 바와 같이 자기 포화성을 갖는 개질층을 형성하기 때문에, 홀의 상하에서 에칭량을 균일하게 할 수 있다. 또한 에칭 시간이나 에천트 양을 바꾸는 것에 의해, 개질층의 두께 등을 제어함으로써, 에칭량도 정밀하게 제어하는 것이 가능해진다.
(제2 실시형태)
제2 실시형태에 대해, 도 9 내지 도 12를 사용해서 설명한다. 본 실시형태는, HF 가스의 플라스마에서 생성한 반응종, 및 적외선 조사를 사용해서, 질화규소를 에칭하는 예에 관한 것이다. 본 실시형태에 있어서도, 도 1에 나타내는 에칭 장치를 사용해서 실시할 수 있다.
도 9에 나타내는 개략도는, 본 실시형태에 따른, 질화규소막의 에칭 방법에 있어서의 처리 수순을 나타내는 것이고, 본 에칭의 각 공정에 있어서의 웨이퍼 단면 구조의 변화를 나타내고 있다. 이 처리 수순은, 에칭 장치(100)의 제어부에 의해 진행 제어된다.
스텝 S105에서, 웨이퍼 스테이지(102) 상에 질화규소가 표면에 나와 있는 웨이퍼를 재치한다. 스텝 S106에서는, 가스 도입부(105)로부터 HF를 포함하는 에천트를 질화규소에 조사한다. 수소 원자 쪽이 불소 원자보다 원자 반경이 작고, 결과적으로 시료의 보다 심부에 도달하기 때문에, 제1 실시형태와 마찬가지로 최표면에 수소와 불소를 함유한 개질층(L104)(제1 개질층)과, 개질층(L104)의 바로 아래에서 수소를 함유한 개질층(L103)(제2 개질층)이 형성된다.
본 실시형태에 있어서는 라디칼을 에천트로서 공급하고 있지만, 에천트의 공급 형태로서는 가스여도 이온이어도 효과는 변하지 않는다. 에천트로서 이온이나 라디칼을 사용할 경우는, 플라스마원(104)에 의해 생성한다.
스텝 S107에서는, 형성된 개질층(L103) 및 개질층(L104)에 대해 적외선 램프(103)로부터 적외선을 조사해서 HF의 진동 여기를 촉진한다. 이에 의해 질화규소막의 에칭이 생긴다.
도 10에 구체예로서, HF 가스의 플라스마에 의해 생기는 라디칼과, 적외선 조사를 사용해서 질화규소 및 산화규소의 단막을 에칭한 결과를 비교하여 나타낸다. 도 10에 있어서, 에칭 레이트의 양의 값이 클수록, 에칭이 진행되어 있다. 이 때 단막은 2cm제곱 정도이고, 300mm의 실리콘 기판 상에 배치했다.
도 10의 결과로부터, 스텝 S107에 상당하는 적외선 조사가 없는 경우는, 질화규소막의 에칭이 일어나지 않는 것을 알 수 있다. 한편, 스텝 S106과 스텝 S107이 모두 실행되었을 때, 질화규소막의 에칭이 일어나고 있고, 또한 어느 경우에도, 산화규소막의 에칭은 생기고 있지 않은 것을 알 수 있다.
이상의 결과로부터, 질화규소막을 에칭하기 위해서는, 스텝 S106 및 S107이 필요함을 알 수 있다. 또한 HF 가스의 플라스마 조사와 동시에 적외선을 조사해도, 질화규소막은 에칭되기 때문에, 질화규소의 에칭을 행하기 위해, 에천트의 공급과 동시에 적외선을 조사해도 됨을 알 수 있다.
상술한 적외선을 동시에 조사하는 에칭 방법은, 지금까지 서술해 온 사이클 에칭뿐만 아니라, 연속 에칭에서도 적용 가능하다. 한편, 질화규소막 상에 적외선을 투과하지 않는 알루미나 기재의 엄브렐라(umbrella)를 설치하고, 적외선이 시료에만 직접 조사되지 않는 상태로 하면 질화규소막의 에칭은 일어나지 않는다(도 10 참조). 실리콘 기판 자체는 적외선으로 조사되기 때문에 온도가 상승하고, 시료도 가열되고 있다고 생각되기 때문에, 질화규소막의 에칭은 승온이 아닌 적외선 조사에 의해 생기는 것을 알 수 있다. 또한 설치한 알루미나의 엄브렐라에 의해 적외선은 직접 조사되지 않지만, 반사 등의 효과에 의해 미소한 적외선은 조사되고 있다고 생각할 수 있다.
이상의 결과로부터, 적외선 조사는 HF의 진동 여기를 구동하는데 필요하고, 또한 적절한 구동을 위해서는, 일정 이상의 강도의 적외선 조사가 필요한 것을 알 수 있다. 이 때문에, 웨이퍼 스테이지(102)와 적외선 램프(103)의 거리, 또는 적외선 램프(103)의 발광 강도의 조정이 중요하다.
다음으로, 실제의 디바이스 구조에 있어서의 질화규소의 에칭에 관해서 서술한다. 질화규소의 에칭, 특히 에칭량의 정밀한 제어가 가능한 원자층 레벨 에칭은, 디바이스의 측벽부를 평탄화하는 트리밍의 공정에도 적용 가능하다.
도 11에 디바이스의 개략도를 나타낸다. 전(前)공정에 있어서 이종 재료보다 돌출된 구조에서 질화규소가 잔존하는 디바이스 구조에 있어서, 본 실시형태에서 에천트로서 가스나 라디칼을 사용함으로써, 이종 재료를 에칭하는 일 없이 질화규소만을 횡 방향으로 선택적으로 에칭하는 것이 가능해진다. 또한 본 실시형태에 있어서 이온을 사용함으로써, 질화규소의 이방성 에칭도 가능하다.
도 12에, DRAM에 있어서의 질화규소로 이루어지는 소스 및 드레인의 이방성 에칭의 개략도를 나타낸다. 본 실시형태에 있어서 이온을 사용하면, 질화규소의 측벽이 아닌 상부에만 개질층(L103) 및 개질층(L104)이 형성되기 때문에, 질화규소막의 이방성 에칭이 가능해진다.
본 발명에 따르면, 수소를 함유하는 개질층 및 수소와 불소를 함유하는 개질층을 질화규소막에 형성한 후에 적외선을 조사하는 것에 의해, 충분한 양의 진동 여기한 HF를 질화규소막에 공급하는 것이 가능해진다. 그 결과, 질화규소막을, 원자층 레벨의 높은 가공 치수 제어성, 패턴 깊이 방향에 있어서의 높은 균일성, 그리고 산화규소와의 높은 선택성을 유지한 채 고에칭 레이트로 에칭 가공할 수 있는 기술을 제공할 수 있다.
100‥에칭 장치, 101‥처리실, 102‥웨이퍼 스테이지(냉각 장치), 103‥적외선 램프(조사 장치), 104‥플라스마원, 105‥가스 도입부, 106‥가스 공급부, 107‥가스 배기부(배기 장치), 108‥가스 분산판, 109‥쉴드 플레이트(이온을 차폐하기 위한 구멍이 뚫린 차폐판)
Claims (12)
- 수소를 갖는 에천트를, 질화규소가 표면에 나와 있는 시료에 공급함에 의해, 수소가 질화규소에 결합한 제1 개질층을 형성하는 제1 공정과,
불소를 갖는 에천트를 상기 시료에 공급함에 의해, 수소와 불소가 질화규소에 결합한 제2 개질층을, 상기 제1 개질층 상에 형성하는 제2 공정과,
상기 제1 개질층과 상기 제2 개질층에 적외선을 조사하는 제3 공정을 갖는 에칭 방법. - 불화수소를 갖는 에천트를, 질화규소가 표면에 나와 있는 시료에 공급함에 의해, 수소가 질화규소에 결합한 제1 개질층과, 수소와 불소가 질화규소에 결합한 제2 개질층을 형성하고,
상기 제1 개질층과 상기 제2 개질층에 적외선을 조사하는 에칭 방법. - 제2항에 있어서,
상기 불화수소를 갖는 에천트의 공급과 동시에, 상기 시료에 적외선을 조사하는 에칭 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제2 공정에 있어서, 질소를 갖는 에천트를, 상기 불소를 갖는 에천트와 동시에 상기 시료에 공급하는 에칭 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제3 공정에 있어서, 상기 제1 개질층과 상기 제2 개질층을, 상기 적외선의 조사와 동시에 가열하는 에칭 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 공정 전에, 상기 시료 상의 초기 산화막을 제거하는 공정을 갖는 에칭 방법. - 제1항에 기재된 에칭 방법을 실시하는 에칭 장치로서,
상기 시료를 내부에 수용하는 처리실과,
상기 처리실 내에, 수소를 포함하는 가스와 불소를 포함하는 가스를 개별적으로 공급하는 가스 공급부와,
상기 처리실 내의 배기를 행하는 배기 장치와,
상기 시료에 적외선을 조사하는 조사 장치와,
상기 시료를 냉각하는 냉각 장치를 갖는 에칭 장치. - 제7항에 있어서,
상기 가스 공급부는, 상기 처리실 내에 불화수소를 공급하는 에칭 장치. - 제7항에 있어서,
상기 처리실 내에, 상기 가스로부터 이온 또는 라디칼을 생기게 하는 플라스마원을 갖는 에칭 장치. - 제9항에 있어서,
상기 이온을 차폐하기 위한 구멍이 뚫린 차폐판을, 상기 플라스마원과 상기 시료 사이에 배설(配設)한 에칭 장치. - 제9항에 있어서,
상기 처리실 내의 압력, 또는 상기 플라스마원과 상기 시료의 거리를 조정 가능한 조정 기구를 갖는 에칭 처리 장치. - 제2항에 기재된 에칭 방법을 실시하는 에칭 장치로서,
상기 시료를 내부에 수용하는 처리실과,
상기 처리실 내에, 불화수소를 포함하는 가스를 공급하는 가스 공급부와,
상기 처리실 내의 배기를 행하는 배기 장치와,
상기 시료에 적외선을 조사하는 조사 장치와,
상기 시료를 냉각하는 냉각 장치를 갖는 에칭 장치.
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