WO2018128078A1 - ドライエッチング方法及びエッチング装置 - Google Patents

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WO2018128078A1
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etching
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邦裕 山内
増田 隆司
章史 八尾
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セントラル硝子株式会社
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    • H01L23/532Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames including external interconnections consisting of a multilayer structure of conductive and insulating layers inseparably formed on the semiconductor body characterised by the materials

Definitions

  • the present invention relates to a technique for etching a metal film using an etching gas containing ⁇ -diketone.
  • a metal film formed on a substrate may be etched as a wiring material, a metal gate material, an electrode material, or a magnetic material.
  • the metal film is etched so that the variation in etching amount within the wafer surface is suppressed to 1 nm or less, the roughness of the surface of the metal film after etching is controlled, and the metal film is selectively etched. This is being considered.
  • Patent Document 1 discloses that a thin film formed on a substrate with an etching gas containing ⁇ -diketone containing at least one of water and alcohol is etched at a substrate temperature of 300 ° C. or higher, preferably 450 ° C. or higher.
  • An etching method including an etching process for exposing the surface of the substrate is described.
  • Patent Document 2 discloses a complex of ⁇ -diketone and metal in an etching gas containing ⁇ -diketone and containing 1 to 20% by volume of water or hydrogen peroxide in a temperature range of 100 ° C. to 350 ° C.
  • a method of etching a metal film by forming a film is described.
  • Patent Document 2 zinc, cobalt, hafnium, iron, manganese, vanadium, and the like are listed as examples of the metal constituting the metal film. According to Patent Document 2, it is said that by adding water or hydrogen peroxide, the etching rate of the metal film is faster than when oxygen is used.
  • Patent Document 3 discloses a metal film having a cleaning gas containing ⁇ -diketone and NO x (either NO or N 2 O) within a temperature range of 200 to 400 ° C., preferably 250 to 370 ° C. A dry cleaning method is described in which a metal film adhering to a film forming apparatus is removed by reacting with the film forming apparatus.
  • NO x nickel, manganese, iron, cobalt and the like are listed as examples of the metal constituting the metal film. According to Patent Document 3, it is said that the use of NO x broadens the temperature range in which the metal film can be removed by etching as compared with the case of using oxygen.
  • a cleaning gas containing ⁇ -diketone and NO x (either NO or N 2 O) described in Patent Document 3 may be used as an etching gas for a metal film.
  • a metal film is etched by supplying ⁇ -diketone gas to the substrate, the ⁇ -diketone is decomposed by the catalytic effect of the metal, and carbon is mainly used in the substrate after the treatment.
  • a film as a component (hereinafter referred to as a carbon film) may remain, or damage may be caused to the structure of a semiconductor device that is an object to be processed.
  • the present inventors have found that when using the NO x gas as an additive gas, by lowering the temperature of the substrate during etching, but was found to be able to suppress the damage to the formation of the carbon film and the workpiece, at the same time the metal film However, there is a problem in that the etching rate is also reduced.
  • This invention is made
  • the inventors have found that when etching a metal film using ⁇ -diketone, the etching rate is increased by adding not only an oxidizing gas such as NO but also water. It came to.
  • the etching method of the present invention is a dry etching method in which an etching gas is brought into contact with a metal film on a substrate in a temperature range of 100 ° C. or more and 350 ° C. or less, and the etching gas includes ⁇ -diketone and first gas.
  • the metal film contains a metal element capable of forming a complex with the ⁇ -diketone
  • the first additive gas is composed of NO, N 2 O, O 2 and O 3
  • At least one gas selected from the group and the second additive gas is at least one gas selected from the group consisting of H 2 O and H 2 O 2
  • the ⁇ - The amount of diketone is 10 vol% or more and 90 vol% or less with respect to the etching gas
  • the amount of the second additive gas contained in the etching gas is 0.1 vol% or less with respect to the etching gas. And characterized in that 15% by volume or less.
  • a method capable of improving the speed of etching a metal film can be provided.
  • the schematic diagram of the etching device concerning one embodiment of the present invention.
  • the cross-sectional schematic of the filled container which concerns on one Embodiment of this invention.
  • the graph which shows the relationship between the water content in etching gas and an etching rate in an Example and a comparative example.
  • the present invention is a dry etching method for etching a metal film on a substrate using an etching gas, wherein the etching gas includes ⁇ -diketone, a first additive gas, and a second additive gas, and the metal film is ⁇ - A dry etching method comprising a metal element capable of forming a complex with a diketone.
  • the present invention when an etching gas is introduced into an etching apparatus having a processing object including a metal film and the etching gas is brought into contact with the heated metal film of the processing object, the ⁇ -diketone and the metal atom are converted into a metal. To form a complex. Since this metal complex has a high vapor pressure, the metal film can be removed by vaporizing the metal complex.
  • the present invention is characterized in that the etching rate of the metal film is increased by including the first additive gas and the second additive gas in the etching gas.
  • the first additive gas having oxidizing property oxidizes the metal film
  • the second additive gas capable of forming a metal complex by combining with ⁇ -diketone and a metal atom constituting the metal film is added. It is considered that the etching rate is increased.
  • the etching rate is measured based on the difference between the weight of the object to be processed after etching and the weight of the object to be processed (weight change) and the specific gravity of the metal film.
  • a method for determining the amount of decrease (nm / min) was used.
  • the metal film to be subjected to the dry etching method of the present invention is formed of a metal element capable of forming a complex with ⁇ -diketone.
  • a metal element capable of forming a complex with ⁇ -diketone.
  • Specific examples include at least one element selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Zn, Hf, V, and Cu.
  • the metal film may be not only a film made of any one of the above elements but also a metal film composed of a plurality of elements. Examples thereof include metals such as NiSi, CoSi, HfSi, NiCo, FeCo, CoPt, MnZn, NiZn, CuZn, and FeNi, and oxide films thereof.
  • the present invention is effective for a metal film containing Co.
  • a known semiconductor substrate or glass substrate can be used as the base material.
  • the first additive gas is at least one gas selected from the group consisting of NO, N 2 O, O 2 and O 3 .
  • the second additive gas is at least one gas selected from the group consisting of H 2 O and H 2 O 2 .
  • Examples of the ⁇ -diketone used in the present invention include hexafluoroacetylacetone, trifluoroacetylacetone, acetylacetone and the like, and not only one kind but also two or more kinds can be used.
  • hexafluoroacetylacetone and trifluoroacetylacetone are preferred because they can be etched at high speed.
  • the etching rate of the metal film increases as the concentration of ⁇ -diketone contained in the etching gas increases.
  • the content of ⁇ -diketone contained in the etching gas is preferably 10% by volume or more and 90% by volume or less in the etching gas composition, and 30% by volume or more and 60% by volume or less. The following is more preferable.
  • the content of the first additive gas contained in the etching gas is preferably 0.01 volume% or more and 10 volume% or less in the etching gas composition from the viewpoint of obtaining a sufficient etching rate, and 0.05 volume. % To 8% by volume, more preferably 0.1% to 5% by volume.
  • the content of the second additive gas contained in the etching gas is 0.1 volume% or more and 15 volume% or less, preferably 0.5 volume% or more and 10 mass% or less in the etching gas composition, More preferably, the content is 2% by volume or more and 8% by mass or less.
  • the ratio of the second additive gas contained in the etching gas to ⁇ -diketone is preferably 0.5% by volume or more and 50% by volume or less, more preferably 1% by volume or more and 20% by volume or less. .
  • an inert gas such as N 2 , He, Ar, Ne, or Kr can be added to the etching gas.
  • an inert gas is added, the concentration is not limited as long as it is diluted to an appropriate concentration.
  • the etching gas composition it is usually 1% by volume to 90% by volume, preferably 10% by volume. It is used at a content of 80% by volume or less, more preferably 30% by volume or more and 50% by volume or less.
  • an etching apparatus 100 includes, for example, a processing container 110 that places a base material (object 112) on which a metal film containing a metal element capable of forming a complex with ⁇ -diketone is formed.
  • a ⁇ -diketone supply unit 130 connected to the processing vessel 110 for supplying ⁇ -diketone, a first additive gas supply unit 140 for supplying a first additive gas, and a second additive gas supply for supplying a second additive gas Unit 150, an inert gas supply unit 160 that supplies an inert gas, and a heating unit 170 that heats the processing vessel 110.
  • a gas flow rate control unit (not shown) is connected to the ⁇ -diketone supply unit 130, the first additive gas supply unit 140, the second additive gas supply unit 150, and the like, and supplies ⁇ -diketone and the like to the object 112.
  • the valve control signal is output as follows.
  • the processing container 110 includes a placement unit 111 for placing the object 112 to be processed.
  • the processing vessel 110 is not particularly limited as long as it is resistant to the ⁇ -diketone used and can be depressurized to a predetermined pressure.
  • a general processing vessel provided in a semiconductor etching apparatus, etc. Applies.
  • the supply pipe for supplying the etching gas and other pipes are not particularly limited as long as they are resistant to ⁇ -diketone, and general pipes can be used.
  • a ⁇ -diketone supply unit 130 is connected to the processing container 110.
  • the ⁇ -diketone supply unit 130 supplies ⁇ -diketone to the processing vessel 110 via the pipe 121.
  • the supply amount of ⁇ -diketone is adjusted by a valve 135 and a flow rate adjusting means 133 and supplied from a pipe 131 to a pipe 121.
  • an inert gas as a dilution gas is supplied from an inert gas supply unit 160 to a pipe 121 through a pipe 161 with a supply amount adjusted by a valve 165 and a flow rate adjusting unit 163.
  • the first additive gas supply unit 140 adjusts the supply amount with the valve 145 and the flow rate adjusting means 143, and supplies the first additive gas from the pipe 141 to the pipe 121. Further, the second additive gas supply unit 150 adjusts the supply amount with the valve 155 and the flow rate adjusting means 153, and supplies the second additive gas from the pipe 151 to the pipe 121.
  • ⁇ -diketone is diluted to a predetermined concentration by the inert gas supplied from the inert gas supply unit 160, and the first additive gas and the second additive gas supplied from the first additive gas supply unit 140 are diluted. It is preferable that the second additive gas supplied from the gas supply unit 150 is supplied to the processing container 110 in a state of being mixed at a predetermined concentration. However, the ⁇ -diketone need not be diluted with an inert gas.
  • a heating means 170 for heating the processing container 110 is disposed outside the processing container 110. Further, a heater (not shown) may be provided inside the placement unit 111 as the second heating means. In addition, when arrange
  • a gas discharge means for discharging the gas after reaction is disposed on one side of the processing container 110.
  • the gas after the reaction is discharged from the processing vessel 110 through the pipe 171a by the vacuum pump 173 of the gas discharge means.
  • the gas after the reaction is recovered by a liquid nitrogen trap 175 disposed between the pipes 171a and 171b.
  • the pipes 171a and 171b can be provided with a valve 177a and a valve 177b to adjust the pressure.
  • PIs 123 and 125 are pressure gauges, and the control unit can control each flow rate adjusting means and each valve based on the indicated value.
  • the etching method will be specifically described using the etching apparatus 100 as an example.
  • a base material (object 112) on which a metal film containing a metal element capable of forming a complex with ⁇ -diketone is formed is disposed.
  • the inside of the processing vessel 110, the pipe 121, the pipe 131, the pipe 141, the pipe 151, the pipe 161, the liquid nitrogen trap 175, the pipes 171a and 171b is vacuum-replaced to a predetermined pressure by the vacuum pump 173, and then heated by the heating means 170.
  • the processing body 112 is heated.
  • ⁇ -diketone, first additive gas, and second additive gas are added from ⁇ -diketone supplier 130, first additive gas supplier 140, second additive gas supplier 150, and inert gas supplier 160. Gas and dilution gas are supplied to the pipe 121 at a predetermined flow rate.
  • the diluted ⁇ -diketone and additive are mixed with a predetermined composition and supplied to the processing vessel 110. While introducing the mixed etching gas into the processing container 110, the inside of the processing container 110 is controlled to a predetermined pressure.
  • the metal film is etched by reacting the etching film with the metal film for a predetermined time. In the present invention, plasmaless etching is possible, and excitation of an etching gas with plasma or the like is not necessary during etching.
  • the metal film according to the present invention can be etched.
  • the temperature at the time of etching may be a temperature at which the complex can be vaporized, and in particular, the temperature of the metal film to be removed is preferably 100 ° C. or higher and 350 ° C. or lower. A temperature range of 150 ° C. or higher and lower than 250 ° C. is more preferable. Further, the pressure in the processing container during etching is not particularly limited, but is usually in a pressure range of 0.1 kPa or more and 101.3 kPa or less.
  • the object to be processed is preferably heated to 150 ° C. or higher and lower than 250 ° C., and heated to 200 ° C. or higher and lower than 250 ° C. Is more preferable, and it is further preferable that the heating is performed at 220 ° C. or higher and lower than 250 ° C.
  • the pressure in the processing container is preferably 20 Torr or more and 300 Torr or less (2.67 kPa or more and 39.9 kPa or less), and 50 Torr or more and 250 Torr or less (6 It is more preferable that it is not less than .67 kPa and not more than 33.3 kPa, and more preferably not less than 100 Torr and not more than 200 Torr (not less than 13.3 kPa and not more than 26.7 kPa).
  • the etching time is not particularly limited, but is preferably within 60 minutes in consideration of the efficiency of the semiconductor device manufacturing process.
  • the etching time means that an etching gas is introduced into the inside of the processing container in which the substrate is installed inside the etching process, and then the etching gas in the processing container is vacuum pumped to finish the etching process. It means the time until exhausting.
  • Pretreatment of workpiece You may pre-process a to-be-processed object as needed. For example, when the metal film to be removed contains cobalt, variation in the etching rate due to the thickness of the natural oxide film can be improved by reducing the cobalt natural oxide film.
  • a pretreatment can be performed by supplying a reducing gas to the workpiece 112 from a reducing gas supply unit (not shown).
  • the reducing gas is not limited to hydrogen gas, and for example, a gas such as carbon monoxide (CO) or formaldehyde (HCHO) may be used.
  • a gas such as carbon monoxide (CO) or formaldehyde (HCHO) may be used.
  • reducing gas such as hydrogen gas
  • reducing gas is diluted with a diluent gas such as nitrogen gas.
  • the ratio of the amount of ⁇ -diketone and nitric oxide gas to the total amount of gas supplied in the reducing gas supply step is preferably less than 0.01% by volume, preferably 0.001% by volume. % Is more preferable, and 0% by volume is particularly preferable.
  • the treatment temperature in the reducing gas supply step is not particularly limited as long as the natural oxide film can be reduced. However, when the treatment temperature in the reducing gas supply step is low, the reduction reaction hardly proceeds. Further, the processing temperature of the reducing gas supply step may be high, but is preferably the same as the processing temperature of the first mixed gas supply step in operation of the etching apparatus. As described above, in the reducing gas supply step, the object to be processed is preferably heated to 100 ° C. or higher and 350 ° C. or lower, more preferably 150 ° C. or higher and 250 ° C. or lower, and 200 ° C. or higher and 250 ° C. or lower. More preferably, it is heated.
  • the flow rate of the reducing gas depends on the volume of the processing container.
  • the pressure in the processing vessel is not particularly limited, but may be set as appropriate according to the apparatus in the range of 10 to 500 Torr (1.33 to 66.5 kPa), for example.
  • the processing time of the reducing gas supply process may be adjusted as appropriate according to the method for forming the metal film formed on the substrate.
  • a ⁇ -diketone filled container 200 in which a closed container 201 is filled with ⁇ -diketone as shown in FIG. 2 can be used.
  • the container 200 filled with ⁇ -diketone is obtained by filling a sealed container 201 with ⁇ -diketone in a liquid state.
  • ⁇ -diketone is divided into a liquid phase 213 and a gas phase 211.
  • An air outlet 203 capable of filling and removing ⁇ -diketone is attached to the sealed container 201, and ⁇ -diketone in the gas phase 211 can be supplied in a gas state.
  • the ⁇ -diketone content (purity) in the liquid ⁇ -diketone filled in the sealed container 201 is preferably 99% by mass or more, more preferably 99.5% by mass or more, and 99.9% by mass or more. Further preferred.
  • the ⁇ -diketone content (purity) in the liquid ⁇ -diketone can be measured by gas chromatography.
  • the etching method according to the present invention can be used as an etching method for forming a predetermined pattern on a metal film of a conventional semiconductor device.
  • the semiconductor device according to the present invention can be manufactured at low cost by using the metal film etched by the etching method according to the present invention. Examples of such a semiconductor device include a solar cell, a hard disk drive, a dynamic random access memory, a phase change memory, a ferroelectric memory, a magnetoresistive memory, a resistance change memory, and a MEMS.
  • liquid hexafluoroacetylacetone (HFAc) having a purity of 99.9% by mass or more was filled into a sealed container to obtain a container filled with ⁇ -diketone.
  • the etching apparatus used cobalt foil (shape 2 cm ⁇ 2 cm, thickness 0.1 mm) as the object 112 in accordance with the etching apparatus 100 shown in FIG. Further, the aforementioned ⁇ -diketone filled container was used for the ⁇ -diketone supply device.
  • the processing vessel 110 and the piping 121, the piping 131, the piping 141, the piping 151, the piping 161, the liquid nitrogen trap 175, the piping 171a and 171b are evacuated to less than 10 Pa, and then placed inside the heating means 170 and the mounting portion 111.
  • the object to be processed, whose weight was measured, placed on the mounting portion 111 was heated by the heater provided. After confirming that the heating unit 170 and the heater disposed inside the mounting unit 111 have reached 220 ° C., 10 sccm of hydrogen gas is supplied from a hydrogen gas supply unit (not shown) at a pressure of 50 Torr for 5 minutes, and reduction is a pretreatment. A gas supply process was performed.
  • the etching gas is contained in the processing vessel 110.
  • the inside of the processing vessel 110 was controlled to a predetermined pressure while being introduced into the chamber. After a predetermined time has elapsed after the start of introduction, the introduction of the etching gas is stopped, the inside of the processing vessel 110 is evacuated, the object to be treated is taken out, the weight is measured, and the weight of the object to be treated before and after the test is measured.
  • the etching rate was calculated from the thickness reduction amount and the etching time.
  • the temperature of the object to be processed is 220 ° C.
  • the total amount of etching gas to be introduced is 100 sccm
  • the first additive gas is NO
  • the second additive gas is H 2 O
  • the diluent gas is N 2
  • the pressure is 100 Torr and etching time were 2.5 minutes.
  • Table 1 shows the etching rate under each etching condition in Examples and Comparative Examples.
  • FIG. 3 shows the relationship between the water content in the etching gas and the etching rate.
  • the etching rate was 21 nm / min or more compared with the etching rate of Comparative Example 1 that was not added, which was about twice or more. It has risen.
  • the etching rate was particularly high.
  • the temperature of the object to be processed was as low as 220 ° C., the formation of the carbon film was not confirmed.
  • Etching apparatus 110 Processing container 111: Placement part 112: To-be-processed object 121: Piping 130: (beta) -diketone supply part 131: Piping 133: Flow control means 135: Valve 140: 1st addition gas supply part 141: Piping 143: Flow rate adjusting unit 145: Valve 150: Second additive gas supply unit 151: Pipe 153: Flow rate adjusting unit 155: Valve 160: Inert gas supply unit 161: Pipe 163: Flow rate adjusting unit 165: Valve 170: Heating unit 171a , B: piping 173: vacuum pump 175: liquid nitrogen trap 177a, b: valve 200: container filled with ⁇ -diketone 201: sealed container 203: outlet 211: gas phase 213: liquid phase

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Abstract

基板上の金属膜を、エッチングガスを用いてエッチングするドライエッチング方法であって、前記エッチングガスが、β-ジケトンと第一添加ガスと第二添加ガスを含み、前記金属膜が、前記β-ジケトンと錯体を形成可能な金属元素を含み、前記第一添加ガスが、NO、N2O、O2及びO3からなる群から選ばれる少なくとも1種のガスであり、前記第二添加ガスが、H2O及びH22からなる群から選ばれる少なくとも1種のガスであり、前記エッチングガスに含まれる前記β-ジケトンの量が、前記エッチングガスに対して10体積%以上90体積%以下であり、前記エッチングガスに含まれる前記第二添加ガスの量が、前記エッチングガスに対して0.1体積%以上15体積%以下であることを特徴とする。この方法により、金属膜のエッチング速度を向上させることができる。

Description

ドライエッチング方法及びエッチング装置
 本発明は、β-ジケトンを含むエッチングガスを用いて金属膜をエッチングする技術に関する。
 半導体デバイスの製造過程において、配線材料、メタルゲート材料、電極材料、又は磁性材料として、基板上に成膜された金属膜をエッチングすることがある。
 半導体デバイスの微細化に伴い、金属膜をエッチングして微細な構造を形成するために、金属膜のエッチングを高度に制御することが求められるようになってきている。具体的には、ウエハの面内においてエッチング量のばらつきが1nm以下に抑えられるように金属膜をエッチングすること、エッチング後の金属膜表面のラフネスを制御すること、金属膜を選択的にエッチングすること等について検討されている。このような高度なエッチング制御を行うためには、薬液によって金属膜をエッチングするウエットエッチングでは困難であり、ガスによって金属膜をエッチングするドライエッチングが検討されている。
 例えば、特許文献1には、水及びアルコールの少なくともいずれか一方を含んでいるβ-ジケトンを含むエッチングガスにより基板上に形成された薄膜を基板温度300℃以上、好ましくは450℃以上でエッチングして、前記基板の表面を露出させるエッチング工程を具備するエッチング方法が記載されている。また、特許文献2には、β-ジケトンを含み、水又は過酸化水素を1~20体積%含むエッチングガスを用いて、100℃以上350℃以下の温度領域でβ-ジケトンと金属との錯体を形成することによって金属膜をエッチングする方法が記載されている。特許文献2には、金属膜を構成する金属の例として、亜鉛、コバルト、ハフニウム、鉄、マンガン、バナジウム等が挙げられている。特許文献2によれば、水又は過酸化水素を添加することで、酸素を用いる場合よりも金属膜をエッチングする速度が速くなるとされている。
 また、基板上の金属膜を微細にエッチングする方法ではないが、半導体デバイスの製造工程に使用される成膜装置内に付着した金属膜をドライクリーニングする方法として、β-ジケトンを用いる方法が提案されている。
 例えば、特許文献3には、β-ジケトンとNOx(NO、N2Oのいずれか)とを含むクリーニングガスを、200~400℃、好ましくは250~370℃の温度範囲内にある金属膜と反応させることにより、成膜装置に付着した金属膜を除去するドライクリーニング方法が記載されている。特許文献3には、金属膜を構成する金属の例として、ニッケル、マンガン、鉄、コバルト等が挙げられている。特許文献3によれば、NOxを用いることで、酸素を用いる場合よりも金属膜をエッチング除去できる温度範囲が広くなるとされている。
特開2004-91829号公報 特開2014-236096号公報 特開2013-194307号公報
 特許文献3に記載されているβ-ジケトンとNOx(NO、N2Oのいずれか)を含むクリーニングガスを、金属膜のエッチングガスとして使用することが考えられる。しかしながら、本発明者が検討を行った結果、β-ジケトンガスを基板に供給して金属膜をエッチング処理する場合、金属の持つ触媒効果によってβ-ジケトンが分解され、処理後の基板に炭素を主成分とする膜(以下、カーボン膜と記載する)が残留する場合や、被処理体である半導体デバイスの構造にダメージを与える場合があった。本発明者らは、NOxガスを添加ガスとして用いる場合、エッチング時の基板の温度を低くすることで、カーボン膜の形成や被処理体へのダメージを抑制できることを見出したが、同時に金属膜のエッチング速度も低下してしまうという問題点があった。
 本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、金属膜をエッチングする速度を向上させることが可能な方法を提供することを目的とする。
 本発明者らは、β-ジケトンを利用して金属膜をエッチングする際に、NOなどの酸化性のガスだけでなく、水なども添加することにより、エッチング速度が高まることを見出し、本発明に至った。
 本発明のエッチング方法は、基板上の金属膜に、エッチングガスを、100℃以上350℃以下の温度領域で接触させてエッチングするドライエッチング方法であって、前記エッチングガスはβ-ジケトンと第一添加ガスと第二添加ガスを含み、前記金属膜が、前記β-ジケトンと錯体を形成可能な金属元素を含み、前記第一添加ガスが、NO、N2O、O2及びO3からなる群から選ばれる少なくとも1種のガスであり、前記第二添加ガスが、H2O及びH22からなる群から選ばれる少なくとも1種のガスであり、前記エッチングガスに含まれる前記β-ジケトンの量が前記エッチングガスに対して10体積%以上90体積%以下であり、前記エッチングガスに含まれる前記第二添加ガスの量が前記エッチングガスに対して0.1体積%以上15体積%以下であることを特徴とする。
 本発明によれば、金属膜をエッチングする速度を向上させることが可能な方法を提供することができる。
本発明の一実施形態に係るエッチング装置の概略図。 本発明の一実施形態に係る充填済み容器の断面概略図。 実施例・比較例における、エッチングガス中の水含有量とエッチング速度との関係を示すグラフ。
 以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。しかしながら、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。
 (金属膜のエッチング方法)
 本発明は、基板上の金属膜をエッチングガスを用いてエッチングするドライエッチング方法であって、エッチングガスが、β-ジケトンと第一添加ガスと第二添加ガスを含み、金属膜が、β-ジケトンと錯体を形成可能な金属元素を含むことを特徴とするドライエッチング方法である。
 本発明において、金属膜を含む処理対象物を配置したエッチング装置内にエッチングガスを導入し、加熱した状態の処理対象物の金属膜にエッチングガスを接触させると、β―ジケトンと金属原子が金属錯体を生成する。この金属錯体は蒸気圧が高いため、金属錯体が気化することにより金属膜を除去することができる。本発明は、エッチングガス中に第一添加ガスと第二添加ガスを含むことで、金属膜のエッチング速度を高速化することを特徴としている。
 本発明では、酸化性を持つ第一添加ガスが金属膜を酸化し、さらに、β-ジケトンと金属膜を構成する金属原子と結合して金属錯体を形成可能な第二添加ガスを加えることで、エッチング速度が高速化すると考えられる。
 なお、本発明においてエッチング速度の測定には、エッチング後の被処理体の重さと処理前の被処理体の重さとの差(重量変化)と、金属膜の比重から、単位時間当たりの膜厚の減少量(nm/min)を求める方法を用いた。
 本発明のドライエッチング方法の対象となる金属膜は、β-ジケトンと錯体を形成可能な金属元素で成膜される。具体的には、Co、Fe、Ni、Zn、Hf、V及びCuからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素が挙げられる。金属膜は上記の元素の何れか一種類からなる膜のみならず複数の元素で構成された金属膜でもよい。例えば、NiSi、CoSi、HfSi、NiCo、FeCo、CoPt、MnZn、NiZn、CuZn、FeNiなどの金属、及びそれらの酸化物膜が挙げられる。中でも、Coが含まれる金属膜に対して、本発明は有効である。なお、本発明において、基材は、公知の半導体基板やガラス基板等を用いることができる。
 第一添加ガスとしては、NO、N2O、O2及びO3からなる群から選ばれる少なくとも1種のガスである。また、第二添加ガスとしては、H2O及びH22からなる群から選ばれる少なくとも1種のガスである。
 本発明に用いるβ-ジケトンとしては、例えば、ヘキサフルオロアセチルアセトン、トリフルオロアセチルアセトン、アセチルアセトン等が挙げられ、1種類だけでなく2種類以上の複数の種類を用いることができる。特に、高速にエッチング可能な点で、ヘキサフルオロアセチルアセトン、トリフルオロアセチルアセトンが好適である。金属膜のエッチング速度はエッチングガス中に含まれるβ-ジケトンの濃度上昇と共に上昇する。但し、β-ジケトンの蒸気圧が低く、成膜装置内で液化が生じる可能性が懸念される場合には、希釈ガスにより適宜濃度を調整することが好ましい。
 エッチングガス中に含まれるβ-ジケトンの含有率は、十分なエッチング速度を得る観点から、エッチングガス組成中において、10体積%以上90体積%以下とすることが好ましく、30体積%以上60体積%以下であることがより好ましい。
 エッチングガス中に含まれる第一添加ガスの含有率は、十分なエッチング速度を得る観点から、エッチングガス組成中において、0.01体積%以上10体積%以下とすることが好ましく、0.05体積%以上8体積%以下であることがより好ましく、0.1体積%以上5体積%以下であることがさらに好ましい。
 エッチングガス中に含まれる第二添加ガスの含有率は、エッチングガス組成中において、0.1体積%以上15体積%以下であり、0.5体積%以上10質量%以下であることが好ましく、2体積%以上8質量%以下であることがより好ましい。なお、エッチングガス中に含まれる第二添加ガスのβ-ジケトンに対する割合は、0.5体積%以上50体積%以下であることが好ましく、1体積%以上20体積%以下であることがより好ましい。
 さらに、エッチングガス中には、β-ジケトン、第一添加ガス、第二添加ガスに加えて、N2、He、Ar、Ne、Kr等の不活性ガスを添加することも可能である。不活性ガスを添加する場合、適当な濃度に希釈して使用すれば濃度は限定されるものではないが、エッチングガス組成中において、通常、1体積%以上90体積%以下、好ましくは10体積%以上80体積%以下、より好ましくは30体積%以上50体積%以下の含有率で使用される。
 (エッチング装置)
 本発明のドライエッチング方法は、例えば、図1に示すような半導体製造工程に使用される一般的なエッチング装置を使用することにより実現することができる。一実施形態において、本発明に係るエッチング装置100は、例えば、β-ジケトンと錯体を形成可能な金属元素を含む金属膜が形成された基材(被処理体112)を配置する処理容器110と、処理容器110に接続してβ-ジケトンを供給するβ-ジケトン供給部130と、第一添加ガスを供給する第一添加ガス供給部140と、第二添加ガスを供給する第二添加ガス供給部150と、不活性ガスを供給する不活性ガス供給部160と、処理容器110を加熱する加熱手段170と、を備える。ガス流量の制御部(図示せず)はβ-ジケトン供給部130、第一添加ガス供給部140、第二添加ガス供給部150などと接続し、β-ジケトンなどを被処理体112に供給するようにバルブの制御信号を出力する。
 処理容器110は、被処理体112を配置するために、載置部111を具備する。処理容器110は、使用するβ-ジケトンに対する耐性があり、所定の圧力に減圧できるものであれば特に限定されるものではないが、通常、半導体のエッチング装置に備えられた一般的な処理容器などが適用される。また、エッチングガスを供給する供給管やその他の配管などもβ-ジケトンに対する耐性にあるものであれば特に限定されるものではなく一般的なものを使用することができる。
 処理容器110には、β-ジケトン供給部130が接続する。β-ジケトン供給部130は、配管121を介して、β-ジケトンを処理容器110に供給する。図1において、バルブ135と流量調整手段133により、β-ジケトンの供給量が調整され、配管131から配管121に供給される。また、希釈ガスとして不活性ガスが、不活性ガス供給部160より、バルブ165と流量調整手段163により、供給量が調整され、配管161から配管121に供給される。また、第一添加ガス供給部140は、バルブ145と流量調整手段143で供給量を調整して、第一添加ガスを配管141から配管121に供給する。さらに、第二添加ガス供給部150は、バルブ155と流量調整手段153で供給量を調整して、第二添加ガスを配管151から配管121に供給する。
 エッチング装置100において、β-ジケトンは、不活性ガス供給部160から供給される不活性ガスにより所定の濃度に希釈され、第一添加ガス供給部140から供給される第一添加ガス、第二添加ガス供給部150から供給される第二添加ガスと所定の濃度で混合した状態で、処理容器110に供給されることが好ましい。但し、β-ジケトンは不活性ガスにより希釈されなくても良い。
 処理容器110の外部には、処理容器110を加熱する加熱手段170が配設される。また、載置部111の内部には、第2の加熱手段として、ヒーター(図示せず)を備えてもよい。なお、複数の載置部を処理容器110に配置する場合は、載置部毎にヒーターを備えることにより、それぞれの載置部を個別に所定の温度に設定することができる。
 処理容器110の一方には、反応後のガスを排出するためのガス排出手段が配設される。ガス排出手段の真空ポンプ173により、配管171aを介して処理容器110から反応後のガスが排出される。反応後のガスは、配管171aと171bの間に配設された液体窒素トラップ175により回収される。配管171aと171bには、バルブ177aとバルブ177bを配設して、圧力を調整することができる。また、図1中、PI123及び125は、圧力計であり、その指示値を基に制御部が各流量調整手段及び各バルブを制御することができる。
 エッチング装置100を例として、具体的にエッチング方法を説明する。β-ジケトンと錯体を形成可能な金属元素を含む金属膜が形成された基材(被処理体112)を配置する。真空ポンプ173により、処理容器110、配管121、配管131、配管141、配管151、配管161、液体窒素トラップ175、配管171a及び171bの内部を所定の圧力まで真空置換後、加熱手段170により、被処理体112を加熱する。所定の温度に到達したら、β-ジケトン供給部130と第一添加ガス供給部140と第二添加ガス供給部150と不活性ガス供給部160とからβ-ジケトンと第一添加ガスと第二添加ガスと希釈ガスを所定の流量で配管121に供給する。
 希釈されたβ-ジケトンと添加剤は所定の組成で混合され、処理容器110に供給される。混合されたエッチングガスを処理容器110内に導入しながら、処理容器110内部を所定の圧力に制御する。所定の時間エッチングガスと金属膜を反応させることにより、金属膜のエッチングを行う。本発明ではプラズマレスでエッチング可能であり、エッチングの際、プラズマ等でのエッチングガスの励起は不要である。
 エッチング終了後、加熱手段170による加熱を停止し降温するとともに、真空ポンプ173を停止し、真空を開放する。以上により、本発明に係る金属膜のエッチングを行うことができる。
 (エッチング条件)
 次に本発明のエッチング方法において、エッチングの際の温度については、錯体が気化可能な温度であればよく、特に、除去対象の金属膜の温度が、100℃以上350℃以下であることが好ましく、150℃以上250℃未満の温度範囲であることがより好ましい。また、エッチング中の処理容器内の圧力は、特に制限されることはないが、通常、0.1kPa以上101.3kPa以下の圧力範囲である。
 なお、除去対象の金属膜がコバルトを含み、β-ジケトンがヘキサフルオロアセチルアセトンであり、添加ガスが一酸化窒素である場合、300~400℃程度の高温でエッチングすると、ヘキサフルオロアセチルアセトンが分解してカーボン膜が形成される場合や、素子の構造にダメージを与える場合があるため、被処理体が150℃以上250℃未満に加熱されることが好ましく、200℃以上250℃未満に加熱されることがより好ましく、220℃以上250℃未満に加熱されることがさらに好ましい。上記の温度範囲であれば、充分なエッチング速度を得る観点から、処理容器内の圧力は、20Torr以上300Torr以下(2.67kPa以上39.9kPa以下)であることが好ましく、50Torr以上250Torr以下(6.67kPa以上33.3kPa以下)であることがより好ましく、100Torr以上200Torr以下(13.3kPa以上26.7kPa以下)であることがさらに好ましい。
 エッチング時間は特に制限されるものではないが、半導体デバイス製造プロセスの効率を考慮すると、60分以内であることが好ましい。ここに、エッチング時間とは、エッチング処理が行われる内部に基板が設置されている処理容器の内部にエッチングガスを導入し、その後、エッチング処理を終える為に処理容器の内のエッチングガスを真空ポンプ等により排気するまでの時間を指す。
 (被処理体の前処理)
 必要に応じて、被処理体の前処理を行っても良い。例えば、除去対象の金属膜がコバルトを含む場合、コバルト自然酸化膜を還元することで、自然酸化膜の厚さによるエッチング速度のばらつきを改善することができる。
 還元性ガス供給部(図示せず)より、還元性ガスを被処理体112に供給することにより前処理を行うことができる。
 還元性ガス供給工程において、還元性ガスは、水素ガスに限定されず、例えば、一酸化炭素(CO)、ホルムアルデヒド(HCHO)等のガスを用いることもできる。
 還元性ガス供給工程においては、水素ガス等の還元性ガスのみが供給されてもよいが、窒素ガス等の希釈ガスによって還元性ガスが希釈されることが好ましい。
 また、還元性ガス供給工程においては、β-ジケトン及び一酸化窒素ガスは供給されないことが好ましい。具体的には、還元性ガス供給工程において供給されるガスの全量に対するβ-ジケトン及び一酸化窒素ガスの量の割合は、それぞれ、0.01体積%未満であることが好ましく、0.001体積%未満であることがより好ましく、0体積%であることが特に好ましい。
 還元性ガス供給工程の処理温度は、自然酸化膜を還元可能な温度であれば特に限定されないが、還元性ガス供給工程の処理温度が低いと、還元反応がほとんど進行しない。また、還元性ガス供給工程の処理温度は高くてもよいが、エッチング装置の運用上、第1混合ガス供給工程の処理温度と同じであることが好ましい。以上より、還元性ガス供給工程では、被処理体が100℃以上350℃以下に加熱されることが好ましく、150℃以上250℃以下に加熱されることがより好ましく、200℃以上250℃以下に加熱されることがさらに好ましい。
 還元性ガス供給工程において、還元性ガスの流量は、処理容器の容積に依存する。還元性ガス供給工程において、処理容器内の圧力は特に限定されないが、例えば10~500Torr(1.33~66.5kPa)の範囲で装置に合わせて適宜設定すればよい。
 還元性ガス供給工程の処理時間は、基板に形成した金属膜の成膜方法等に応じて適宜調整すればよい。
 (充填済み容器)
 本発明のβ-ジケトン供給部130には、図2に示すような密閉容器201中にβ-ジケトンを充填したβ-ジケトン充填済み容器200を使用できる。β-ジケトン充填済み容器200は、液体状態のβ-ジケトンを密閉容器201に充填して得られ、密閉容器201中ではβ-ジケトンは液相213と気相211に分かれている。密閉容器201には、β-ジケトンの充填と取出が可能な取出口203が取り付けられており、気相211のβ-ジケトンをガス状態で供給することができる。なお、β-ジケトン充填済み容器200からガス状態のβ-ジケトンを供給する場合、β-ジケトン充填済み容器200を加熱し、液相213のβ-ジケトンの揮発熱を補う必要がある。
 また、密閉容器201に充填する液体状態のβ-ジケトン中のβ-ジケトン含有量(純度)は、99質量%以上が好ましく、99.5質量%以上がより好ましく、99.9質量%以上がさらに好ましい。液体状態のβ-ジケトン中のβ-ジケトン含有量(純度)をガスクロマトグラフィーにて測定することができる。
 (半導体デバイス)
 本発明に係るエッチング方法は、従来の半導体デバイスの金属膜に所定のパターンを形成するためのエッチング方法として使用可能である。本発明に係る半導体デバイスは、本発明に係るエッチング方法によりエッチングした金属膜を用いることにより、安価に製造することができる。このような半導体デバイスとして、例えば、太陽電池、ハードディスクドライブ、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ、相変化型メモリ、強誘電体メモリ、磁気抵抗メモリ、抵抗変化型メモリ、MEMS等を挙げることができる。
 以下、実施例によって本発明を詳細に説明するが、本発明は係る実施例に限定されるものではない。金属膜のエッチング試験において、エッチングガス中の水含有量とエッチング速度との関係について検討した。
 まず、純度99.9質量%以上の液体状態のヘキサフルオロアセチルアセトン(HFAc)を、密閉容器に充填し、β-ジケトン充填済み容器を得た。
 エッチング装置は、図1に示したエッチング装置100に準じ、被処理体112としてコバルト箔(形状2cm×2cm、厚さ0.1mm)を用いた。また、前述のβ-ジケトン充填済み容器を、β-ジケトン供給装置に使用した。
 処理容器110及び配管121、配管131、配管141、配管151、配管161、液体窒素トラップ175、配管171a及び171bの内部を10Pa未満まで真空置換後、加熱手段170及び載置部111の内部に配設したヒーターにより載置部111に乗せてある、重さを測定した被処理体を加熱した。加熱手段170及び載置部111の内部に配設したヒーターが220℃に達したことを確認後、図示しない水素ガス供給部より水素ガス10sccmを圧力50Torrで5分間供給し、前処理である還元ガス供給工程を行った。前処理終了後再び10Pa未満まで真空置換した後、β-ジケトンと第一添加ガスと第二添加ガスと不活性ガスを所定の流量で配管121に供給することで、エッチングガスを処理容器110内に導入しながら、処理容器110内部を所定の圧力に制御した。導入開始後、所定時間経過した後、エッチングガスの導入を停止し、処理容器110内部を真空開放後、被処理体を取り出して重さを測定し、試験前後の被処理体の重量変化に基づく厚さの減少量とエッチング時間よりエッチング速度を算出した。
 本実施例のエッチング試験において、被処理体の温度は220℃、導入するエッチングガスの総量は100sccm、第一添加ガスはNO、第二添加ガスはH2O、希釈ガスはN2、圧力は100Torr、エッチング時間は2.5分とした。
 表1に、実施例および比較例における各エッチング条件のエッチング速度について示した。また、図3に、エッチングガス中の水含有量と、エッチング速度との関係を示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 図3より、エッチングガスに第二添加ガスを加えた実施例1~6においては、加えなかった比較例1のエッチング速度に対して、エッチング速度が21nm/min以上であり、2倍程度以上に高まった。特に、水含有量が2~8体積%である実施例3~5において、エッチング速度が特に高くなった。なお、各実施例及び比較例において、被処理体の温度が220℃と低いことから、カーボン膜の生成は確認されなかった。
 100:エッチング装置
 110:処理容器
 111:載置部
 112:被処理体
 121:配管
 130:β-ジケトン供給部
 131:配管
 133:流量調整手段
 135:バルブ
 140:第一添加ガス供給部
 141:配管
 143:流量調整手段
 145:バルブ
 150:第二添加ガス供給部
 151:配管
 153:流量調整手段
 155:バルブ
 160:不活性ガス供給部
 161:配管
 163:流量調整手段
 165:バルブ
 170:加熱手段
 171a、b:配管
 173:真空ポンプ
 175:液体窒素トラップ
 177a、b:バルブ
 200:β-ジケトン充填済み容器
 201:密閉容器
 203:取出口
 211:気相
 213:液相

Claims (14)

  1.  基板上の金属膜に、エッチングガスを、100℃以上350℃以下の温度領域で接触させてエッチングするドライエッチング方法であって、
     前記エッチングガスが、β-ジケトンと第一添加ガスと第二添加ガスを含み、
     前記金属膜が、前記β-ジケトンと錯体を形成可能な金属元素を含み、
     前記第一添加ガスが、NO、N2O、O2及びO3からなる群から選ばれる少なくとも1種のガスであり、
     前記第二添加ガスが、H2O及びH22からなる群から選ばれる少なくとも1種のガスであり、
     前記エッチングガスに含まれる前記β-ジケトンの量が、前記エッチングガスに対して10体積%以上90体積%以下であり、
     前記エッチングガスに含まれる前記第二添加ガスの量が、前記エッチングガスに対して0.1体積%以上15体積%以下であることを特徴とするドライエッチング方法。
  2.  前記エッチングガスを、150℃以上250℃未満の温度領域で、前記金属膜と接触させることを特徴とする請求項1に記載のドライエッチング方法。
  3.  前記エッチングガスに含まれる前記第二添加ガスの量が、前記エッチングガスに対して0.5体積%以上10体積%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のドライエッチング方法。
  4.  前記エッチングガスに含まれる前記第二添加ガスの量が、前記エッチングガスに対して2体積%以上8体積%以下であることを特徴とする請求項3に記載のドライエッチング方法。
  5.  前記エッチングガスに含まれる前記第二添加ガスの量が、前記エッチングガスに含まれる前記β-ジケトンに対して0.5体積%以上50体積%以下であることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載のドライエッチング方法。
  6.  前記エッチングガスに含まれる前記第一添加ガスの量が、前記エッチングガスに対して0.01体積%以上10体積%以下であることを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載のドライエッチング方法。
  7.  前記金属元素が、Co、Fe、Ni、Zn、Hf、V及びCuからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素であることを特徴とする請求項1~6のいずれか1項に記載のドライエッチング方法。
  8.  前記β-ジケトンが、ヘキサフルオロアセチルアセトン、トリフルオロアセチルアセトン及びアセチルアセトンからなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物であることを特徴とする請求項1~7のいずれか1項に記載のドライエッチング方法。
  9.  前記金属膜はコバルトを含み、
     前記エッチングガスはβ-ジケトンとしてヘキサフルオロアセチルアセトンと、第一添加ガスとしてNOと、第二添加ガスとしてH2Oを含み、
     前記エッチングガスに含まれるH2Oガスの量が、前記エッチングガスに対して0.5体積%以上10体積%以下であり、
     前記エッチングガスを、150℃以上250℃未満の温度領域で、前記金属膜と接触させることを特徴とする請求項1に記載のドライエッチング方法。
  10.  さらに、前記エッチングガスが、N2、Ar、He、Ne及びKrからなる群から選ばれる少なくとも1種の不活性ガスを含むことを特徴とする請求項1~9のいずれか1項に記載のドライエッチング方法。
  11.  前記エッチングの前に、基板上の金属膜に、還元性ガスを供給する前処理工程を含む請求項1に記載のドライエッチング方法。
  12.  基板上の金属膜を請求項1~11のいずれか1項に記載のドライエッチング方法でエッチングする工程を含む半導体デバイスの製造方法。
  13.  加熱可能な処理容器内に設けられ、金属膜が表面に形成された被処理体を載置する載置部と、
     β-ジケトンを前記被処理体に供給するβ-ジケトン供給部と、
     NO、N2O、O2及びO3からなる群から選ばれる少なくとも1種のガスである第一添加ガスを前記被処理体に供給する第一添加ガス供給部と、
     H2O及びH22からなる群から選ばれる少なくとも1種のガスである第二添加ガスを前記被処理体に供給する第二添加ガス供給部と、
     前記β-ジケトンと前記第一添加ガスと前記第二添加ガスを、前記β-ジケトン及び前記第二添加ガスの量が、被処理体に供給されるガスの合計に対して、それぞれ10体積%以上90体積%以下及び0.1体積%以上15体積%以下であるように、100℃以上350℃以下の温度領域に加熱した前記被処理体に供給するように制御信号を出力する制御部と、を備えることを特徴とするエッチング装置。
  14.  還元性ガスを前記被処理体に供給する還元性ガス供給部をさらに備え、
     前記制御部は、前記エッチングガスと前記添加ガスを被処理体に供給する前に、前記還元性ガスを前記被処理体に供給するようにバルブの制御信号を出力する請求項13に記載のエッチング装置。
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