WO2021079624A1 - ドライエッチング方法、半導体デバイスの製造方法及びエッチング装置 - Google Patents

ドライエッチング方法、半導体デバイスの製造方法及びエッチング装置 Download PDF

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邦裕 山内
光 北山
章史 八尾
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セントラル硝子株式会社
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    • H01L21/67063—Apparatus for fluid treatment for etching
    • H01L21/67069—Apparatus for fluid treatment for etching for drying etching

Definitions

  • the present disclosure relates to a dry etching method, a semiconductor device manufacturing method, and an etching apparatus.
  • Patent Document 1 discloses that a metal film and a metal oxide film containing at least one of Al, Zr, Hf, Y, La, Ce, and Pr formed on a substrate are etched with respect to a method for producing a MOS transistor or the like.
  • an etching gas containing ⁇ -diketone is used to reduce damage to the substrate.
  • the wafer temperature is set to about 450 ° C.
  • oxygen is added to hexafluoroacetylacetone gas, and HfO is used.
  • a method of etching two films is disclosed.
  • Patent Document 2 describes a method for manufacturing a semiconductor device, in which a high relative permittivity film sample such as a hafnium oxide formed on a Si film is excited into a plasma state with a CH-based etching gas containing C and H to obtain a high ratio. A method of etching a permittivity film is disclosed.
  • Patent Document 3 a ⁇ - diketone, using a gas containing NO or N 2 O, the surface of the substrate, a metal gate material, electrode material, or a metal film deposited on the deposition apparatus for depositing a magnetic material A method of cleaning is disclosed.
  • Patent Document 1 discloses that the etching gas preferably contains at least one of water and alcohol in addition to oxygen, and that etching does not proceed at a low temperature of 400 ° C. or lower. Has been done. That is, from FIG. 9 of Patent Document 1, it can be seen that in the case of a mixed gas of hexafluoroacetylacetone and oxygen, etching does not proceed when the wafer temperature is 400 ° C. or lower. When the etching process is performed at a wafer temperature exceeding 400 ° C., the damage to the semiconductor device is large. Therefore, a method capable of etching hafnium oxide at a low temperature of 400 ° C. or lower, more preferably 300 ° C. or lower is desired. It was.
  • Patent Document 2 discloses that an etching rate of 1.0 nm / min was obtained by using C 2 H 2 as a plasma etching gas, but the plasma etching method is applied to a portion of a semiconductor device that is not an etching target. In addition to the damage caused by plasma, the RF power source for generating plasma makes the device expensive, so a method that does not use plasma has been desired. Further, Patent Document 3 only describes a method for cleaning a metal film, and does not disclose an example in which HfO 2 is etched.
  • the present disclosure provides a dry etching method using a gas composition capable of plasmalessly etching a specific type of metal oxide film or metal film including a hafnium oxide film at a low temperature.
  • the purpose is.
  • an object of the present disclosure is to provide a method for manufacturing a semiconductor device using the above dry etching method.
  • the present inventors specifically compare hafnium even when the temperature is 400 ° C. or lower, or even 300 ° C. or lower, as compared with the case where other additive gases are used. It has been found that etching of a specific metal oxide film such as an oxide or a metal film proceeds, and the present disclosure has been made.
  • ⁇ -diketone and nitrogen dioxide are reacted with a metal to be etched or an oxide of the metal having an MO binding energy of 5 eV or more formed on the surface of the object to be processed. Therefore, it is characterized by etching without a plasma state.
  • the MO binding energy is the difference in potential energy between the state existing as a metal and the state existing as oxygen, and it can be said that the larger the binding energy, the stronger the bond between the metal and oxygen. ..
  • the metal having an MO binding energy of 5 eV or more the bond between the metal and oxygen is strong, the metal oxide is stable, and etching is difficult. Since the metal itself is easily oxidized by nitrogen dioxide, the metal oxide is substantially etched, which is considered to be difficult.
  • the dry etching method of the present disclosure allows etching even at 300 ° C. or lower.
  • examples of the metal having an MO bond energy of 5 eV or more include hafnium, zirconium, titanium, aluminum and the like, and oxides of these metals include hafnium oxide and zirconium oxidation. Things, titanium oxides, aluminum oxides and the like can be mentioned. These metals can be used alone and may be alloys containing two or more kinds. Therefore, the oxides of these metals may also be the oxides of one kind of metal or the oxides of the alloys of these metals.
  • a first dry etching method in which the etching gas A containing the ⁇ -diketone and the nitrogen dioxide is brought into contact with the film to be etched may be adopted, and the etching gas containing the nitrogen dioxide may be adopted.
  • a second dry etching method including a first etching step of bringing B into contact with the film to be etched and a second etching step of bringing the etching gas C containing ⁇ -diketone into contact with the film to be etched is adopted. It may be.
  • a ⁇ -diketone and nitrogen dioxide are reacted with a film to be etched containing a metal having an MO binding energy of 5 eV or more or an oxide of the metal on a substrate to bring about a plasma state. It is characterized by including a step of etching without accompanying. Also in the method for manufacturing the semiconductor device of the present disclosure, the above-mentioned first dry etching method may be adopted, or the second dry etching method may be adopted.
  • the etching apparatus of the present disclosure is provided in a heatable processing container, and an object to be processed having a metal having an MO binding energy of 5 eV or more or an oxide of the metal to be etched formed on the surface thereof is placed. It is characterized by including a mounting unit, a ⁇ -diketone supply unit that supplies ⁇ -diketone to the object to be treated, and a nitrogen dioxide gas supply unit that supplies nitrogen dioxide to the object to be processed.
  • the etching resistance is difficult to include the metal having the above-mentioned MO binding energy of 5 eV or more or the oxide of the above-mentioned metal. It is possible to provide a dry etching method capable of etching a film to be etched without a plasma state. According to the dry etching method of the present disclosure, the same effect as described above can be obtained regardless of whether the above-mentioned first dry etching method is adopted or the above-mentioned second dry etching method is adopted. It is possible to provide a dry etching method having.
  • the metal having the above-mentioned MO bond energy of 5 eV or more on the substrate or the oxide of the above-mentioned metal can be obtained. It is possible to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of etching a film to be etched, which is difficult to be etched, without involving a plasma state. According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present disclosure, the same method as described above is performed regardless of whether the above-mentioned first dry etching method is adopted or the above-mentioned second dry etching method is adopted. It is possible to provide a method for manufacturing an effective semiconductor device.
  • the etching apparatus of the present disclosure by using this etching apparatus, even if the temperature is 400 ° C. or lower, further 300 ° C. or lower, the metal having the above-mentioned MO binding energy of 5 eV or more or the oxidation of the above-mentioned metal. It is possible to etch a difficult-to-etch film containing an object without a plasma state.
  • the same effect as described above can be obtained regardless of whether the above-mentioned first dry etching method is adopted or the above-mentioned second dry etching method is adopted. Obtainable.
  • FIG. 1 is a schematic view schematically showing an etching apparatus according to an embodiment of the present disclosure.
  • the metal having an MO bond energy of 5 eV or more or the oxide of the metal is derived from hafnium oxide, zirconium oxide, titanium oxide, aluminum oxide, hafnium metal, zirconium metal, titanium metal, and aluminum metal. It is desirable that it is at least one selected from the group.
  • the metal to be etched containing the metal having the MO bond energy of 5 eV or more or the oxide of the metal is a hafnium oxide film, a zirconium oxide film, a titanium oxide film, an aluminum oxide film, or a hafnium metal film. It is desirable that the film is at least one selected from the group consisting of a zirconium metal film, a titanium metal film, and an aluminum metal film.
  • the film to be etched may be the film of the single metal or metal oxide described above, or may be a film of an alloy containing two or more of the metals or an oxide film of the alloy.
  • the etching resistance is difficult to include the metal having the above-mentioned MO binding energy of 5 eV or more or the oxide of the above-mentioned metal. It is possible to provide a dry etching method capable of etching a film to be etched without a plasma state.
  • the decomposition temperature of hexafluoroacetylacetone (hereinafter, also referred to as HFAc), which is a kind of ⁇ -diketone, is 375 ° C.
  • HFAc hexafluoroacetylacetone
  • etching temperature can be lowered is that NO 2 constituting the etching gas is adsorbed on the surface of the film to be etched, the bonding force between the metal constituting the metal oxide and oxygen described above weakens, and HFAc. It is presumed that the reactivity with and will be improved and etching will be possible even at low temperatures.
  • examples of the object to be processed include a silicon substrate, a compound semiconductor substrate, a quartz substrate, and a glass substrate.
  • a wiring film or the like may be formed.
  • the object to be treated is placed on a mounting portion, and by heating the mounting portion, the metal to be processed and the metal having an MO binding energy of 5 eV or more formed on the surface of the object to be processed or the above metal.
  • the film to be etched containing the oxide of the above is heated.
  • the temperature of the object to be processed is substantially equal to the temperature of the film to be etched.
  • an etching gas containing ⁇ -diketone and nitrogen dioxide is brought into contact with the heated film to be etched, the ⁇ -diketone, nitrogen dioxide and a metal having an MO binding energy of 5 eV or more or an oxide of the metal react with each other. Then, a complex is formed on the film to be etched. Since this complex has a high vapor pressure, the film to be etched can be etched by vaporizing the complex.
  • hafnium oxide constituting the oxide of a metal having an MO bond energy of 5 eV or more examples include hafnium oxide (HfO x (x is 1 or more and 3 or less), particularly HfO 2 ), silicon hafnium oxide, and aluminum hafnium oxide. Be done.
  • hafnium oxide hafnium examples include Hf 1-x Si x O y and Hf 1-x Si x O y N z
  • examples of aluminum oxide hafnium include Hf 1-x Al x O m and Hf 1-x Al x. O m N n can be mentioned.
  • x, y, z, m, and n indicate 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 2, 0 ⁇ z ⁇ 1.33, 0 ⁇ m ⁇ 1.5, 0 ⁇ n ⁇ 1.
  • zirconium oxide examples include zirconium oxide (ZrO u (u is 1 or more and 3 or less), particularly ZrO 2 ).
  • aluminum oxide examples include aluminum oxide (AlO v (v is 1 or more and 2 or less), particularly Al 2 O 3 ).
  • titanium oxide examples include titanium oxide (TiO w (w is 1 or more and 3 or less), particularly TiO 2 ).
  • the method for forming a metal to be etched containing a metal having an MO binding energy of 5 eV or more or an oxide of the metal on the surface of the object to be treated is not particularly limited, and for example, a chemical vapor deposition (CVD) method or sputtering is used. The law can be mentioned. Further, the thickness of the film to be etched containing a metal having an MO binding energy of 5 eV or more or an oxide of the metal is not particularly limited, but can be, for example, 0.1 nm or more and 1 ⁇ m or less.
  • ⁇ -diketone is not particularly limited, but is, for example, hexafluoroacetylacetone (HFAc, 1,1,1,5,5,5-hexafluoro-2,4-pentanedione), trifluoroacetylacetone (1,1). , 1-trifluoro-2,4-pentandione) and the like.
  • HFAc hexafluoroacetylacetone
  • TFAc 1,1,1,5,5,5-hexafluoro-2,4-pentanedione
  • trifluoroacetylacetone 1,1,1,5,5,5-hexafluoro-2,4-pentanedione
  • 1-trifluoro-2,4-pentandione 1-trifluoro-2,4-pentandione
  • the etching gas A may consist only of ⁇ -diketone and nitrogen dioxide, but is selected from the group consisting of O 2 , NO, N 2 O, CO, CO 2 , H 2 O, H 2 O 2, and alcohol. it may further comprise at least one additive gases, N 2, Ar, He, may further comprise at least one inert gas selected from the group consisting of Ne and Kr. Further, as the alcohol, methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol and the like can be used.
  • the total content of the nitrogen dioxide contained in the etching gas A and the other additive gases can be the same as the above-mentioned nitrogen dioxide content. ..
  • the content of the inert gas contained in the etching gas A is preferably 1% by volume or more and 90% by volume or less, and 10% by volume or more and 80% by volume or less. More preferably, it is more preferably 30% by volume or more and 50% by volume or less.
  • examples of the object to be processed include a silicon substrate, a compound semiconductor substrate, a quartz substrate, and a glass substrate, as in the case of the first dry etching method.
  • a silicon substrate On the surface of the object to be treated, in addition to the above-mentioned metal having an MO bond energy of 5 eV or more or the above-mentioned metal oxide film, a silicon film, a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a metal wiring other than the above-mentioned metal.
  • a film or the like may be formed.
  • the object to be treated contains a metal having an MO binding energy of 5 eV or more or an oxide of the metal formed on the surface of the object to be treated and the object to be processed by being placed on the mounting portion and heating the mounting portion.
  • the film to be etched is heated.
  • the temperature of the object to be processed is substantially equal to the temperature of the film to be etched.
  • nitrogen dioxide is adsorbed on the surface of the film to be etched.
  • the etching gas C containing ⁇ -diketone is brought into contact with the film to be etched, nitrogen dioxide is adsorbed on the surface of the metal having an MO bond energy of 5 eV or more or the metal.
  • the oxide reacts with the ⁇ -diketone to form a complex on the film to be etched, as in the case of the first dry etching method.
  • this complex has a high vapor pressure, it is possible to etch a metal having an MO bond energy of 5 eV or more or a film to be etched containing an oxide of the metal by vaporizing the complex.
  • the above steps may be repeated a plurality of times in order to repeatedly etch the film to be etched. Since it is possible to etch a constant thickness in the etching step of one cycle, it is possible to accurately etch a layer having a desired thickness by specifying the number of cycles.
  • hafnium oxide constituting the oxide of the metal having the MO binding energy of 5 eV or more the same hafnium oxide as in the case of the first dry etching method described above can be used.
  • the method for forming a metal to be etched containing a metal having an MO binding energy of 5 eV or more or an oxide of the metal on the surface of the object to be treated is not particularly limited, and for example, a chemical vapor deposition (CVD) method or sputtering is used. The law can be mentioned.
  • the thickness of the film to be etched containing a metal having an MO binding energy of 5 eV or more or an oxide of the metal is not particularly limited, but can be, for example, 0.1 nm or more and 1 ⁇ m or less.
  • ⁇ -diketone the same as in the case of the first dry etching method described above can be used.
  • the etching gas C may be composed of only ⁇ -diketone
  • the etching gas B may be composed of only nitrogen dioxide, but O 2 , NO, N 2 O, CO, CO 2 , H 2 O, It may further contain at least one additive gas selected from the group consisting of H 2 O 2 and alcohol, and further contain at least one inert gas selected from the group consisting of N 2, Ar, He, Ne and Kr. It may be included.
  • the alcohol methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol and the like can be used as the alcohol.
  • the etching gas B contains an additive gas other than nitrogen dioxide
  • the total volume ratio of the nitrogen dioxide contained in the etching gas A and the other additive gases is the ⁇ -diketone and the dioxide contained in the etching gas A described above. It can be the same as the volume ratio of nitrogen.
  • the etching gas C contains an additive gas other than ⁇ -diketone
  • the total volume ratio of the ⁇ -diketone contained in the etching gas C and the other additive gases is ⁇ contained in the etching gas A described above.
  • -It can be the same as the volume ratio of diketone and nitrogen dioxide.
  • the content of the inert gas contained in the etching gas B and the etching gas C is preferably 1% by volume or more and 90% by volume or less, and 10% by volume. It is more preferably 80% by volume or less, and further preferably 30% by volume or more and 50% by volume or less.
  • the dry etching method of the present disclosure can be realized, for example, by using a general etching apparatus used in a semiconductor manufacturing process. Such an etching apparatus is also one of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a schematic view schematically showing an etching apparatus according to an embodiment of the present disclosure.
  • the etching apparatus 100 shown in FIG. 1 is connected to a processing container 110 for arranging a metal to be processed having an MO bond energy of 5 eV or more or an oxide of the metal formed on the surface thereof, and a processing container 110.
  • the ⁇ -diketone supply unit 140 that supplies the gaseous ⁇ -diketone, the nitrogen dioxide gas supply unit 150 that supplies the gaseous nitrogen dioxide, the inert gas supply unit 160 that supplies the inert gas, and the processing container 110 are heated.
  • the heating means 170 and the heating means 170 are provided.
  • the etching apparatus 100 does not have to include the inert gas supply unit 160.
  • the etching apparatus 100 includes a control unit (not shown).
  • This control unit consists of, for example, a computer, and includes a program, a memory, and a CPU.
  • the program incorporates a group of steps to carry out a series of operations in the first etching method or the second etching method, and according to the program, the temperature of the object to be processed 10 is adjusted, and the valve of each supply unit is opened and closed. , Adjust the flow rate of each gas, adjust the pressure inside the processing container 110, and so on.
  • This program is stored in a computer storage medium such as a compact disk, a hard disk, a magneto-optical disk, a memory card, or the like, and is installed in a control unit.
  • the processing container 110 includes a mounting portion 111 for mounting the object 10 to be processed.
  • the processing container 110 is not particularly limited as long as it is resistant to the ⁇ -diketone used and can be depressurized to a predetermined pressure, but is usually a general processing container provided in a semiconductor etching apparatus or the like. Is applied. Further, 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.
  • the ⁇ -diketone supply unit 140 adjusts the supply amount by the valves V1 and V2 and the flow rate adjusting means MFC1, and supplies the ⁇ -diketone from the pipes 141 and 142 to the pipe 121.
  • the nitrogen dioxide gas supply unit 150 adjusts the supply amount by the valves V3 and V4 and the flow rate adjusting means MFC2, and supplies nitrogen dioxide from the pipes 151 and 152 to the pipe 121.
  • the inert gas supply unit 160 adjusts the supply amount by the valves V5 and V6 and the flow rate adjusting means MFC3, and supplies the inert gas from the pipes 161 and 162 to the pipe 121.
  • a heating means 170 for heating the processing container 110 is arranged outside the processing container 110. Further, a heater (not shown) may be provided inside the mounting portion 111 as a second heating means. When arranging a plurality of mounting portions in the processing container 110, the temperature of the object to be processed on each mounting portion should be individually set to a predetermined temperature by providing a heater for each mounting portion. Can be done.
  • a gas discharging means for discharging the gas after the reaction is provided on one of the processing containers 110.
  • the vacuum pump 173 of the gas discharging means discharges the gas after the reaction from the processing container 110 through the pipe 171.
  • the gas after the reaction is recovered by a liquid nitrogen trap 174 arranged between the pipe 171 and the pipe 172.
  • Valves V7 and V8 can be arranged in the pipes 171 and 172 to adjust the pressure.
  • PI1 and PI2 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 by taking this etching apparatus 100 as an example.
  • the etching gas A containing ⁇ -diketone and nitrogen dioxide is brought into contact with the film to be etched.
  • the object to be processed 10 on which the metal to be etched containing the metal having the MO binding energy of 5 eV or more or the oxide of the metal is formed is placed in the processing container 110.
  • the inside of the processing container 110, the pipe 121, the pipes 141 and 142, the pipes 151 and 152, the pipes 161 and 162, the liquid nitrogen trap 174, and the pipes 171 and 172 is evacuated to a predetermined pressure by the vacuum pump 173.
  • the object 10 to be processed is heated by the heating means 170.
  • the ⁇ -diketone supply unit 140 and the nitrogen dioxide gas supply unit 150 supply the ⁇ -diketone and the nitrogen dioxide gas to the pipe 121 at a predetermined flow rate.
  • the inert gas may be supplied from the inert gas supply unit 160 to the pipe 121 at a predetermined flow rate.
  • the ⁇ -diketone and nitrogen dioxide are mixed in a predetermined composition and supplied to the processing container 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.
  • a metal having an MO binding energy of 5 eV or more or a film to be etched containing an oxide of the metal for a predetermined time By reacting the etching gas with a metal having an MO binding energy of 5 eV or more or a film to be etched containing an oxide of the metal for a predetermined time, a complex is formed and etching is performed.
  • etching can be performed without plasma without a plasma state, and it is not necessary to excite the etching gas with plasma or the like at the time of etching.
  • the flow rate of the etching gas can be appropriately set based on the volume and pressure of the processing container and the like.
  • etching with a plasma state means that, for example, a gas of about 0.1 to 10 Torr is put inside the reaction device, and high-frequency power is applied to the outer coil or the counter electrode to give a low-temperature gas plasma into the reaction device. Is generated, and etching is performed with active chemical species such as ions and radicals formed in the gas.
  • the gas is brought into contact with the gas without being accompanied by a plasma state, and the dry etching is performed without generating the gas plasma described above.
  • the heating by the heating means 170 is stopped to lower the temperature, and the vacuum pump 173 is stopped and replaced with an inert gas to open the vacuum.
  • the first dry etching method using the etching apparatus can etch a metal having an MO binding energy of 5 eV or more or a film to be etched containing an oxide of the metal.
  • the temperature of the film to be etched when the etching gas A is brought into contact with the film to be etched may be a temperature at which the complex can be vaporized, and in particular, the film to be etched to be removed.
  • the temperature is preferably 250 ° C. or higher and 375 ° C. or lower, more preferably 275 ° C. or higher and 375 ° C. or lower, more preferably 275 ° C. or higher and 350 ° C. or lower, and 275 ° C. or higher and 325 ° C. or lower. Is more preferable.
  • the pressure in the processing container in which the object to be processed on which the film to be etched is formed is not particularly limited, but is usually 0.1 kPa or more 101.
  • the pressure range is 3 kPa or less.
  • the pressure in the processing container in the etching step is preferably 20 Torr or more and 300 Torr or less (2.67 kPa or more and 39.9 kPa or less), and 20 Torr or more and 200 Torr or less (2.67 kPa or more 26. It is more preferably 7 kPa or less), and further preferably 20 Torr or more and 100 Torr or less (2.67 kPa or more and 13.3 kPa or less).
  • the processing time of the etching step is not particularly limited, but is preferably 60 minutes or less in consideration of the efficiency of the semiconductor device manufacturing process.
  • the processing time of the etching process means that the etching gas is introduced into the processing container in which the object to be processed is installed, and then the etching gas in the processing container is exhausted by a vacuum pump or the like in order to complete the etching process. Refers to the time until.
  • the object to be processed 10 on which the metal to be etched containing the metal having the MO binding energy of 5 eV or more or the oxide of the metal is formed is placed in the processing container 110.
  • the inside of the processing container 110, the pipe 121, the pipes 141 and 142, the pipes 151 and 152, the pipes 161 and 162, the liquid nitrogen trap 174, and the pipes 171 and 172 is evacuated to a predetermined pressure by the vacuum pump 173.
  • the object 10 to be processed is heated by the heating means 170.
  • nitrogen dioxide gas is first supplied from the nitrogen dioxide gas supply unit 150 to the pipe 121 at a predetermined flow rate.
  • the inert gas may be supplied from the inert gas supply unit 160 to the pipe 121 at a predetermined flow rate.
  • the inside of the processing container 110 is controlled to a predetermined pressure. Nitrogen dioxide is adsorbed on the film to be etched by introducing nitrogen dioxide gas into the processing container 110 for a predetermined time.
  • the ⁇ -diketone gas is supplied from the ⁇ -diketone supply unit 140 to the pipe 121 at a predetermined flow rate.
  • the inert gas may be supplied from the inert gas supply unit 160 to the pipe 121 at a predetermined flow rate. While introducing the ⁇ -diketone gas or the ⁇ -diketone gas and the inert gas into the processing container 110, the pressure inside the processing container 110 is controlled to a predetermined pressure. By introducing the ⁇ -diketone gas into the processing container 110 for a predetermined time, the nitrogen dioxide previously adsorbed reacts with the ⁇ -diketone to form a complex, and the complex further reacts with the film to be etched. , The film to be etched can be etched.
  • one cycle is a first etching step of introducing nitrogen dioxide gas into the processing container 110 and a second etching step of introducing ⁇ -diketone into the processing container 110. Can be repeated for multiple cycles.
  • the thickness of the film to be etched that can be etched in one cycle can be controlled by setting the etching condition of one cycle to a predetermined condition, so that the etching can be performed in one cycle. By setting the thickness of the film to be etched thin, it is possible to precisely control the thickness to be etched.
  • etching can be performed without plasma without a plasma state, and it is not necessary to excite the etching gas with plasma or the like at the time of etching.
  • the flow rate of nitrogen dioxide and ⁇ -diketone can be appropriately set based on the volume and pressure of the processing vessel and the like.
  • the gas can be brought into contact without the plasma state, and the dry etching is performed without generating the gas plasma described above. be able to.
  • the heating by the heating means 170 is stopped to lower the temperature, and the vacuum pump 173 is stopped and replaced with an inert gas to open the vacuum.
  • the heating by the heating means 170 is stopped to lower the temperature, and the vacuum pump 173 is stopped and replaced with an inert gas to open the vacuum.
  • the temperature of the film to be etched when performing the etching step may be a temperature at which the complex can be vaporized, and in particular, the temperature of the film to be etched to be removed is 250 ° C. or higher. It is more preferably 375 ° C. or lower, more preferably 275 ° C. or higher and 375 ° C. or lower, more preferably 275 ° C. or higher and 350 ° C. or lower, and even more preferably 275 ° C. or higher and 325 ° C. or lower. It is desirable that the temperature of the film to be etched in the first etching step and the second etching step is the same.
  • the pressure inside the processing container in the etching step is not particularly limited, but is usually in the pressure range of 0.1 kPa or more and 101.3 kPa or less.
  • the pressure in the processing container in the first etching step and the second etching step is preferably 20 Torr or more and 300 Torr or less (2.67 kPa or more and 39.9 kPa or less), and 20 Torr or more. It is more preferably 200 Torr or less (2.67 kPa or more and 26.7 kPa or less), and further preferably 20 Torr or more and 100 Torr or less (2.67 kPa or more and 13.3 kPa or less). It is desirable that the pressure in the processing container in the second etching step is higher than the pressure in the processing container in the first etching step.
  • the processing time in the first etching step and the second etching step is not particularly limited, but the processing time in one cycle of the first etching step is preferably 60 minutes or less, and one of the second etching steps.
  • the processing time in the cycle is preferably 60 minutes or less.
  • the processing time of the etching process means that the etching gas is introduced into the processing container in which the object to be processed is installed, and then the etching gas in the processing container is exhausted by a vacuum pump or the like in order to complete the etching process. Refers to the time until.
  • the dry etching method of the present disclosure described above can be used as an etching method for forming a predetermined pattern on a hafnium oxide film, a hafnium metal, or the like of a conventional semiconductor device.
  • a semiconductor device can be manufactured at low cost by etching a hafnium oxide film, a hafnium metal, or the like on a substrate using the dry etching method of the present disclosure.
  • Example 1 Using the etching apparatus 100 shown in FIG. 1, etching of the object to be processed 10 having a film to be etched made of a hafnium oxide (HfO 2 ) film (shape 1 cm ⁇ 1 cm, film thickness 5 nm) formed on the surface of a silicon wafer. went.
  • HfO 2 hafnium oxide
  • the insides of the processing container 110, the pipe 121, the pipes 141 and 142, the pipes 151 and 152, the pipes 161 and 162, the liquid nitrogen trap 174, and the pipes 171 and 172 were evacuated to less than 10 Pa.
  • the body 10 to be processed mounted on the mounting portion 111 was heated by the heating means 170 and the heater arranged inside the mounting portion 111.
  • the gas hexafluoroacetylacetone (HFAc) from the ⁇ -diketone supply unit 140 and the NO 2 gas from the nitrogen dioxide gas supply unit 150 are supplied at a predetermined flow rate.
  • the pressure inside the processing container 110 was controlled to 90 Torr while introducing the etching gas into the processing container 110, and the etching step was performed.
  • the introduction of the etching gas was stopped.
  • the inside of the processing container 110 was evacuated to less than 10 Pa , replaced with the N 2 gas supplied from the inert gas supply unit 160, the object to be processed 10 was taken out, the film thickness was measured, and the etching amount was evaluated.
  • Example 1 to 22 including the following Examples 2 to 20, the first dry etching method in which the etching gas A containing ⁇ -diketone and nitrogen dioxide is brought into contact with the film to be etched is adopted, and is a comparative example. Also in Comparative Examples 1 to 17 excluding 4, 7, 10, 12 and 17, an etching gas containing ⁇ -diketone and the gases shown in Tables 1 and 2 is brought into contact with the film to be etched. In Comparative Examples 4, 7, 10, 12 and 17, an etching gas containing only ⁇ -diketone is brought into contact with the film to be etched.
  • Example 1 shows the types of added gas in the above-mentioned etching, the flow rate of HFAc, the flow rate of the added gas, the pressure in the processing container, the temperature at the time of etching, the etching time, and whether or not etching is possible. Whether or not etching was possible was evaluated as ⁇ when the etching rate was 0.1 nm / min or more, and x when the etching rate was less than 0.1 nm / min.
  • the etching rate is a value obtained by dividing the change in film thickness before and after etching by the time required for etching. Differences between Examples 2 to 4 and Example 1 of Comparative Examples 1 to 4 will be described.
  • Example 2 the flow rate of NO 2 , which is an additive gas, was changed.
  • Example 3 the flow rate and etching time of NO 2 as an additive gas and the temperature of the object to be processed 10 were changed.
  • Example 4 the temperature of the object to be processed 10 was changed.
  • Comparative Examples 1 to 3 nitric oxide (NO), oxygen (O 2 ), and nitrous oxide (N 2 O) were used as the additive gases, respectively, and in Comparative Example 4, the treatment was performed without using the additive gas. .. Regarding other points, the same operation as in Example 1 was carried out, and the possibility of etching the hafnium oxide (HfO 2) film was evaluated.
  • Examples 5 to 22, Comparative Examples 5 to 17 Using the etching apparatus 100 shown in FIG. 1, an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film having a shape of 1 cm ⁇ 1 cm and a film thickness of 60 nm, a zirconium oxide (ZrO 2 ) film, and oxidation formed on the surface of a silicon wafer. An object to be etched having a hafnium (HfO 2 ) film and a titanium oxide (TiO 2 ) film to be etched was etched.
  • Al 2 O 3 aluminum oxide
  • ZrO 2 zirconium oxide
  • the type and flow rate of the etching gas, the pressure inside the processing container, and the temperature of the object to be etched at the time of etching as shown in Table 2 (275 ° C, 300 ° C, 350 ° C).
  • the same operation as in Example 1 was carried out, and the etching rate of the film to be etched was measured.
  • the results are shown in Table 2.
  • Table 2 shows that the etching rate is A for 0.1 nm / min or more and less than 1.0 nm / min, B for 1.0 nm / min or more and less than 10.0 nm / min, and 10.0 nm / min or more and less than 50.0 nm / min. Is displayed as C, and less than 0.1 nm is displayed as X.
  • the aluminum oxide film, the zirconium oxide film, and the hafnium oxide film were formed at a rate of 0.1 nm / min or more at a body temperature of 350 ° C. or lower. It was possible to etch the hafnium metal film and the titanium oxide film, and in particular, it was possible to etch even when the temperature of the object to be treated was 300 ° C. Further, since the temperature of the object to be treated was lower than the decomposition temperature of HFAc (375 ° C.), the carbon film was not formed on the surface of the object to be treated in Examples 1 to 4.
  • the aluminum oxide film, the zirconium oxide film, and the hafnium oxide were used even when the temperature of the object to be treated was 350 ° C.
  • the film, the hafnium metal film, and the titanium oxide film could not be etched.
  • Example 23 to 26 In these examples, the first etching step of bringing the etching gas B containing nitrogen dioxide into contact with the film to be etched and the second etching step of bringing the etching gas C containing ⁇ -diketone into contact with the film to be etched are repeated.
  • a film to be etched composed of a hafon oxide (HfO 2 ) film (shape 1 cm ⁇ 1 cm, film thickness 60 nm) formed on the surface of a silicon wafer was etched.
  • HfO 2 hafon oxide
  • the insides of the processing container 110, the pipe 121, the pipes 141 and 142, the pipes 151 and 152, the pipes 161 and 162, the liquid nitrogen trap 174, and the pipes 171 and 172 were evacuated to less than 10 Pa.
  • the body 10 to be treated having the hafnium oxide (HfO 2 ) film mounted on the mounting portion 111 was heated by the heating means 170 and the heater arranged inside the mounting portion 111.
  • NO 2 gas is supplied from the nitrogen dioxide gas supply unit 150 to the pipe 121, and the pressure inside the processing container 110 is controlled to 30 Torr while the processing container 110 is used. NO 2 gas was flowed inside the container.
  • the temperature of the object to be treated was 350 ° C.
  • NO 2 gas was allowed to flow for the time shown in Table 3 to bring it into contact with the film to be etched.
  • the introduction of the etching gas was stopped, and the inside of the processing container 110 was evacuated to less than 10 Pa.
  • HFAc gaseous hexafluoroacetylacetone
  • Processed object 100 Etching device 110 Processing container 111 Mounting part 121 Piping 140 ⁇ -diketone supply part 141, 142 Piping 150 Nitrogen dioxide gas supply part 151, 152 Piping 160 Inactive gas supply part 161, 162 Piping 170 Heating means 171 , 172 Piping 173 Vacuum pump 174 Liquid nitrogen trap MFC1, MFC2, MFC3 Flow control means PI1, PI2 Pressure gauge V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8 Valve

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Abstract

本開示の実施形態に係るドライエッチング方法は、処理体の表面に形成された、Ｍ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は前記金属の酸化物を含む被エッチング膜に、β－ジケトン及び二酸化窒素を反応させて、プラズマ状態を伴わずにエッチングすることを特徴とするドライエッチング方法。

Description

ドライエッチング方法、半導体デバイスの製造方法及びエッチング装置
本開示は、ドライエッチング方法、半導体デバイスの製造方法及びエッチング装置に関する。
半導体デバイスの回路パターンの微細化に対応して、電界効果トランジスタの微小化も進んでいるため、ゲート絶縁膜を、ＳｉＯ２（誘電率ｋ＝３．９）でなく、高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）材料の一種であるＨｆＯ２（誘電率ｋ＝２５）等で形成することが検討されている。
高誘電率材料でゲート絶縁膜を形成するためには、製膜後にエッチングをし、所定の形状にする必要がある。
特許文献１には、ＭＯＳトランジスタなどの製法に関して、基板上に形成されたＡｌ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、及びＰｒの少なくともいずれかを含んでいる金属膜及び金属酸化膜をエッチングする方法において、基板の損傷を低減させるためにβ－ジケトンを含むエッチングガスを用いることが記載されており、実施例には、ウェハの温度を約４５０℃としてヘキサフルオロアセチルアセトンガスに酸素を加えてＨｆＯ２膜をエッチングする方法が開示されている。
特許文献２には、半導体素子の製法に関して、Ｓｉ膜上に形成されたハフニウム酸化物などの高比誘電率膜試料をＣおよびＨを含有するＣＨ系エッチングガスをプラズマ状態に励起して高比誘電率膜をエッチングする方法が開示されている。
特許文献３には、β－ジケトンと、ＮＯまたはＮ２Ｏを含むガスを用いて、基板表面に、メタルゲート材料、電極材料、又は磁性材料を成膜する成膜装置に付着した金属膜をクリーニングする方法が開示されている。
特開２００４－９１８２９号公報 特開２００６－３１０６７６号公報 特開２０１３－１９４３０７号公報
このように半導体デバイスの回路パターンの微細化に対応して、高誘電率材料をゲート絶縁膜として用いる技術が開発されているが、ハフニウム酸化物などの高誘電率材料の多くは難エッチング材料である。
特許文献１に記載の発明では、エッチングガスに酸素の他に水及びアルコールの少なくともいずれかを含んでいることが好ましく、また、ウェハの温度が４００℃以下の低温ではエッチングが進行しないことが開示されている。すなわち、特許文献１の図９からは、ヘキサフルオロアセチルアセトンと酸素の混合ガスの場合は、ウェハの温度が４００℃以下ではエッチングが進行しないことが分かる。ウェハの温度が４００℃を超える温度にてエッチング工程を行う場合、半導体デバイスへのダメージが大きいため、４００℃以下、より好ましくは３００℃以下の低温でハフニウム酸化物をエッチングできる方法が望まれていた。
特許文献２には、Ｃ２Ｈ２をプラズマエッチングガスとして用いて１．０ｎｍ／分のエッチング速度が得られたことが開示されているが、プラズマエッチング方法は、半導体デバイスのエッチング対象でない部分にプラズマがダメージを与える上に、プラズマを発生させるためのＲＦ電源により装置が高額となるため、プラズマを用いない方法が望まれていた。また、特許文献３には、金属膜のクリーニング方法が記載されているだけであり、ＨｆＯ２をエッチングした実施例は開示されていない。
本開示は、上記した課題に鑑み、ハフニウム酸化物膜を含む特定種類の金属酸化物膜又は金属膜をプラズマレスで、かつ低温でエッチングすることが可能なガス組成物によるドライエッチング方法を提供することを目的とする。さらに、本開示は、上記ドライエッチング方法を用いた半導体デバイスの製造方法などを提供することを目的とする。
本発明者らは、β－ジケトンの添加ガスとして二酸化窒素を用いると、他の添加ガスを使用した場合に比べて特異的に、温度が４００℃以下、さらには３００℃以下であってもハフニウム酸化物等の特定の金属酸化物膜や金属膜のエッチングが進行することを見出し、本開示に至った。
本開示のドライエッチング方法は、被処理体の表面に形成された、Ｍ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む被エッチング膜に、β－ジケトン及び二酸化窒素を反応させて、プラズマ状態を伴わずにエッチングすることを特徴とする。
Ｍ－Ｏ結合エネルギーとは、金属として存在する状態と酸素として存在する状態との間でのポテンシャルエネルギーの差であり、上記結合エネルギーが大きいほど、金属と酸素との結合が強固であると言える。
上記Ｍ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属では、金属と酸素との結合が強固で金属酸化物は安定であり、エッチングが難しい材料である。金属自体も、二酸化窒素により酸化され易いため、実質的に金属酸化物をエッチングすることとなり、エッチングが難しいと考えられるが、本開示のドライエッチング方法では、３００℃以下でもエッチングが可能である。
本開示のドライエッチング方法において、上記Ｍ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属としては、例えば、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、アルミニウム等が挙げられ、これらの金属の酸化物としてはハフニウム酸化物、ジルコニウム酸化物、チタン酸化物、アルミニウム酸化物等が挙げられる。これらの金属は単独で用いることができるとともに２種以上を含む合金であってもよい。従って、これらの金属の酸化物も、１種の金属の酸化物であってもよく、これらの金属の合金の酸化物であってもよい。
本開示のドライエッチング方法としては、前記β－ジケトン及び前記二酸化窒素を含むエッチングガスＡを前記被エッチング膜と接触させる第１のドライエッチング方法を採用してもよく、前記二酸化窒素を含むエッチングガスＢを前記被エッチング膜と接触させる第１のエッチング工程と、前記β－ジケトンを含むエッチングガスＣを前記被エッチング膜と接触させる第２のエッチング工程とを備える第２のドライエッチング方法を採用してもよい。
本開示の半導体デバイスの製造方法は、基板上のＭ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む被エッチング膜に、β－ジケトン及び二酸化窒素を反応させて、プラズマ状態を伴わずにエッチングする工程を備えることを特徴とする。
本開示の半導体デバイスの製造方法においても、上記した第１のドライエッチング方法を採用してもよく、第２のドライエッチング方法を採用してもよい。
本開示のエッチング装置は、加熱可能な処理容器内に設けられ、Ｍ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む被エッチング膜が表面に形成された被処理体を載置する載置部と、β－ジケトンを上記被処理体に供給するβ－ジケトン供給部と、二酸化窒素を上記被処理体に供給する二酸化窒素ガス供給部と、を備えることを特徴とする。
本開示のドライエッチング方法によれば、温度が４００℃以下、さらには３００℃以下であっても、上記したＭ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む難エッチング性の被エッチング膜を、プラズマ状態を伴わずにエッチングすることが可能なドライエッチング方法を提供することができる。
本開示のドライエッチング方法によれば、上記の第１のドライエッチング方法を採用した場合であっても、上記の第２のドライエッチング方法を採用した場合であっても、上記した同様の効果を有するドライエッチング方法を提供することができる。
本開示の半導体デバイスの製造方法によれば、温度が４００℃以下、さらには３００℃以下であっても、基板上の上記したＭ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む難エッチング性の被エッチング膜を、プラズマ状態を伴わずにエッチングすることが可能な半導体デバイスの製造方法を提供することができる。
本開示の半導体デバイスの製造方法によれば、上記の第１のドライエッチング方法を採用した場合であっても、上記の第２のドライエッチング方法を採用した場合であっても、上記した同様の効果を有する半導体デバイスの製造方法を提供することができる。
本開示のエッチング装置によれば、このエッチング装置を用いることにより、温度が４００℃以下、さらには３００℃以下であっても、上記したＭ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む難エッチング性の被エッチング膜を、プラズマ状態を伴わずにエッチングすることが可能となる。
本開示のエッチング装置を用いることにより、上記の第１のドライエッチング方法を採用した場合であっても、上記の第２のドライエッチング方法を採用した場合であっても、上記した同様の効果を得ることができる。
図１は、本開示の一実施形態に係るエッチング装置を模式的に示す概略図である。
以下、本開示の実施形態について具体的に説明する。
しかしながら、本開示は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本開示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。
［ドライエッチング方法］
本開示のドライエッチング方法は、被処理体の表面に形成された、Ｍ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む被エッチング膜に、β－ジケトン及び二酸化窒素を反応させて、プラズマ状態を伴わずにエッチングすることを特徴とするドライエッチング方法である。
上記のＭ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物は、ハフニウム酸化物、ジルコニウム酸化物、チタン酸化物、アルミニウム酸化物、ハフニウム金属、ジルコニウム金属、チタン金属、及び、アルミニウム金属からなる群から選択される少なくとも１種であることが望ましい。
さらに、上記のＭ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む被エッチング膜は、ハフニウム酸化物膜、ジルコニウム酸化物膜、チタン酸化物膜、アルミニウム酸化物膜、ハフニウム金属膜、ジルコニウム金属膜、チタン金属膜、及び、アルミニウム金属膜からなる群から選択される少なくとも１種の膜であることが望ましい。
上記の被エッチング膜は、上記した単独の金属又は金属酸化物の膜であってもよく、上記金属を２種以上含む合金又は合金の酸化物の膜であってもよい。
本開示のドライエッチング方法によれば、温度が４００℃以下、さらには３００℃以下であっても、上記したＭ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む難エッチング性の被エッチング膜を、プラズマ状態を伴わずにエッチングすることが可能なドライエッチング方法を提供することができる。
β－ジケトンの一種であるヘキサフルオロアセチルアセトン（以下、ＨＦＡｃともいう）の分解温度は３７５℃であるため、特許文献１に記載されているようなエッチング温度が４００℃を超える温度である場合、ＨＦＡｃの分解が生じ、エッチング対象である被エッチング膜上に炭素成分が堆積し、その後のプロセスにおいて、不都合が発生することが充分に想定される。
一方、本開示のドライエッチング方法では、ＨＦＡｃとＮＯ２をエッチングガスとして用いることにより、エッチング温度を３７５℃以下まで低下させることができるため、ＨＦＡｃの分解による炭素膜の形成を抑制することができる。
エッチング温度を低下させることができる理由としては、被エッチング膜の表面にエッチングガスを構成するＮＯ２が吸着し、上記した金属酸化物を構成する金属と酸素との間の結合力が弱まり、ＨＦＡｃとの反応性が向上し、低温でもエッチングが可能になるのではないかと推定される。
［第１のドライエッチング方法］
まず、本開示のドライエッチング方法として、上記β－ジケトン及び上記二酸化窒素を含むエッチングガスＡを上記被エッチング膜と接触させる第１のドライエッチング方法について説明する。
本開示の第１のドライエッチング方法において、被処理体としては、シリコン基板、化合物半導体基板、石英基板、ガラス基板を挙げることができる。被処理体の表面には、上記したＭ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む膜以外に、シリコン膜、シリコン酸化物膜、シリコン窒化物膜、上記金属以外の金属配線膜などが形成されていてもよい。被処理体は、載置部に載置され、載置部を加熱することで、被処理体、及び、被処理体の表面に形成されたＭ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属若しくは上記金属の酸化物を含む被エッチング膜が加熱される。
被処理体の温度は、実質的に上記被エッチング膜の温度に等しい。加熱した状態の上記被エッチング膜にβ－ジケトンと二酸化窒素を含むエッチングガスを接触させると、β－ジケトンと二酸化窒素とＭ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物とが反応して、上記被エッチング膜上に錯体を生成する。この錯体は蒸気圧が高いため、錯体が気化することにより被エッチング膜をエッチングすることができる。
Ｍ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属の酸化物を構成するハフニウム酸化物としては、酸化ハフニウム（ＨｆＯｘ（ｘは１以上３以下）、特にＨｆＯ２）、酸化ケイ素ハフニウム、酸化アルミニウムハフニウムを挙げられる。酸化ケイ素ハフニウムとしては、Ｈｆ１－ｘＳｉｘＯｙ、Ｈｆ１－ｘＳｉｘＯｙＮｚを挙げられ、酸化アルミニウムハフニウムとしては、Ｈｆ１－ｘＡｌｘＯｍ、Ｈｆ１－ｘＡｌｘＯｍＮｎを挙げられる。ただし、ｘ、ｙ、ｚ、ｍ、ｎは０＜ｘ＜１、０＜ｙ≦２、０＜ｚ≦１．３３、０＜ｍ≦１．５、０＜ｎ≦１を示す。
ジルコニウム酸化物としては、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｕ（ｕは１以上３以下）、特にＺｒＯ２）を挙げられる。アルミニウム酸化物としては、酸化アルミニウム（ＡｌＯｖ（ｖは１以上２以下）、特にＡｌ２Ｏ３）を挙げられる。チタン酸化物としては、酸化チタン（ＴｉＯｗ（ｗは１以上３以下）、特にＴｉＯ２）を挙げられる。
被処理体表面へのＭ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む被エッチング膜の形成方法は特に限定されないが、例えば、化学的気相成長（ＣＶＤ）法や、スパッタリング法を挙げることができる。また、Ｍ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む被エッチング膜の厚さも特に限定されないが、例えば、０．１ｎｍ以上１μｍ以下の厚さとすることができる。
β－ジケトンの種類は、特に限定されないが、例えば、ヘキサフルオロアセチルアセトン（ＨＦＡｃ、１，１，１，５，５，５－ヘキサフルオロ－２，４－ペンタンジオン）、トリフルオロアセチルアセトン（１，１，１－トリフルオロ－２，４－ペンタンジオン）等が挙げられる。β－ジケトンとして、１種の化合物を用いてもよいし、２種以上の化合物を用いてもよい。
エッチングガスＡ中に含まれるβ－ジケトンと二酸化窒素の体積比は、β－ジケトン：二酸化窒素＝１０：０．００１以上１００以下であることが好ましく、β－ジケトン：二酸化窒素＝１０：０．０１以上１０以下であることがより好ましく、β－ジケトン：二酸化窒素＝１０：０．１以上１０以下であることがさらに好ましい。エッチングガス中にβ－ジケトンが少なすぎると、エッチング速度が低下する傾向にあり、多すぎるとエッチングガスが高価になりすぎてしまう。また、エッチングガス中の二酸化窒素が少なすぎても多すぎてもエッチングが進みにくくなってしまう。
上記エッチングガスＡは、β－ジケトンと二酸化窒素のみからなっていてもよいが、Ｏ２、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、アルコールからなる群より選ばれる少なくとも１種の添加ガスをさらに含んでもよいし、Ｎ２、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ及びＫｒからなる群より選ばれる少なくとも１種の不活性ガスをさらに含んでもよい。また、アルコールとしては、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロピルアルコールなどを使用することができる。
エッチングガスＡが二酸化窒素以外の添加ガスを含む場合、エッチングガスＡ中に含まれる二酸化窒素とそれ以外の添加ガスの合計の含有率は、前述の二酸化窒素の含有率と同じとすることができる。
エッチングガスＡが不活性ガスを含む場合、エッチングガスＡ中に含まれる不活性ガスの含有率は、１体積％以上９０体積％以下であることが好ましく、１０体積％以上８０体積％以下であることがより好ましく、３０体積％以上５０体積％以下であることがさらに好ましい。
［第２のドライエッチング方法］
次に、本開示のドライエッチング方法として、二酸化窒素を含むエッチングガスＢを被エッチング膜と接触させる第１のエッチング工程と、β－ジケトンを含むエッチングガスＣを被エッチング膜と接触させる第２のエッチング工程とを備える第２のドライエッチング方法について説明する。
本開示の第２のドライエッチング方法において、被処理体としては、第１のドライエッチング方法の場合と同様、シリコン基板、化合物半導体基板、石英基板、ガラス基板を挙げることができる。被処理体の表面には、上記したＭ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物の膜以外に、シリコン膜、シリコン酸化物膜、シリコン窒化物膜、上記金属以外の金属配線膜などが形成されていてもよい。被処理体は載置部に載置され載置部を加熱することで被処理体及び被処理体の表面に形成されたＭ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む被エッチング膜が加熱される。
被処理体の温度は、実質的に上記被エッチング膜の温度に等しい。加熱した状態の上記被エッチング膜に、第１のエッチング工程として、二酸化窒素を含むエッチングガスＢを接触させると、被エッチング膜の表面に二酸化窒素が吸着する。この後、第２のエッチング工程として、β－ジケトンを含むエッチングガスＣを上記被エッチング膜と接触させると、表面に二酸化窒素が吸着した、Ｍ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物と、β－ジケトンとが反応し、第１のドライエッチング方法の場合と同様に、被エッチング膜上に錯体が生成する。この錯体は蒸気圧が高いため、錯体が気化することによりＭ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む被エッチング膜をエッチングすることができる。
本開示の第２のドライエッチング方法では、被エッチング膜を繰り返しエッチングするために、上記工程を複数回繰り返してもよい。１サイクルのエッチング工程において、一定厚さエッチングすることが可能であるので、サイクル数を特定することにより、精密に所望の厚さの層をエッチングすることができる。
Ｍ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属の酸化物を構成するハフニウム酸化物としては、上記の第１のドライエッチング方法の場合と同様のものを使用することができる。
被処理体表面へのＭ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む被エッチング膜の形成方法は特に限定されないが、例えば、化学的気相成長（ＣＶＤ）法や、スパッタリング法を挙げることができる。また、Ｍ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む被エッチング膜の厚さは、特に限定されないが、例えば、０．１ｎｍ以上１μｍ以下の厚さとすることができる。
β－ジケトンとしては、上記の第１のドライエッチング方法の場合と同様のものを用いることができる。
上記エッチングガスＣは、β－ジケトンのみからなっていてもよく、エッチングガスＢは二酸化窒素のみからなっていてもよいが、Ｏ２、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、アルコールからなる群より選ばれる少なくとも１種の添加ガスをさらに含んでもよいし、Ｎ２、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ及びＫｒからなる群より選ばれる少なくとも１種の不活性ガスをさらに含んでもよい。また、アルコールとしては、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロピルアルコールなどを使用することができる。
エッチングガスＢが二酸化窒素以外の添加ガスを含む場合、エッチングガスＡ中に含まれる二酸化窒素とそれ以外の添加ガスの合計の体積比は、前述のエッチングガスＡ中に含まれるβ－ジケトンと二酸化窒素の体積比と同じとすることができる。
また、エッチングガスＣがβ－ジケトン以外の添加ガスを含む場合、エッチングガスＣ中に含まれるβ－ジケトンとそれ以外の添加ガスの合計の体積比は、前述のエッチングガスＡ中に含まれるβ－ジケトンと二酸化窒素の体積比と同じとすることができる。
エッチングガスＢ及びエッチングガスＣが不活性ガスを含む場合、エッチングガスＢ及びエッチングガスＣに含まれる不活性ガスの含有率は、１体積％以上９０体積％以下であることが好ましく、１０体積％以上８０体積％以下であることがより好ましく、３０体積％以上５０体積％以下であることがさらに好ましい。
［エッチング装置］
本開示のドライエッチング方法は、例えば、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。このようなエッチング装置も、本開示の１つである。
図１は、本開示の一実施形態に係るエッチング装置を模式的に示す概略図である。
図１に示すエッチング装置１００は、Ｍ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物が表面に形成された被処理体１０を配置する処理容器１１０と、処理容器１１０に接続して気体のβ－ジケトンを供給するβ－ジケトン供給部１４０と、気体の二酸化窒素を供給する二酸化窒素ガス供給部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。なお、エッチング装置１００は、不活性ガス供給部１６０を備えていなくてもよい。
さらにエッチング装置１００は、図示しない制御部を備えている。この制御部は、例えばコンピュータからなり、プログラム、メモリ、ＣＰＵを備えている。プログラムは、第１のエッチング方法又は第２のエッチング方法における一連の動作を実施するようにステップ群が組み込まれており、プログラムに従って、被処理体１０の温度の調整、各供給部のバルブの開閉、各ガスの流量の調整、処理容器１１０内の圧力の調整などを行う。このプログラムは、コンピュータ記憶媒体、例えばコンパクトディスク、ハードディスク、光磁気ディスク、メモリーカード等に収納され制御部にインストールされる。
処理容器１１０は、被処理体１０を載置するための載置部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。
β－ジケトン供給部１４０は、バルブＶ１及びＶ２と流量調整手段ＭＦＣ１で供給量を調整して、β－ジケトンを配管１４１及び１４２から配管１２１に供給する。
二酸化窒素ガス供給部１５０は、バルブＶ３及びＶ４と流量調整手段ＭＦＣ２で供給量を調整して、二酸化窒素を配管１５１及び１５２から配管１２１に供給する。
不活性ガス供給部１６０は、バルブＶ５及びＶ６と流量調整手段ＭＦＣ３で供給量を調整して、不活性ガスを配管１６１及び１６２から配管１２１に供給する。
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、それぞれの載置部上の被処理体の温度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１７１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１７１と配管１７２との間に配設された液体窒素トラップ１７４により回収される。配管１７１及び１７２には、バルブＶ７及びＶ８を配設して、圧力を調整することができる。また、図１中、ＰＩ１及びＰＩ２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。
このエッチング装置１００を例として、具体的にエッチング方法を説明する。
［上記エッチング装置を用いた第１のドライエッチング方法］
本開示の第１のドライエッチング方法では、β－ジケトン及び二酸化窒素を含むエッチングガスＡを被エッチング膜と接触させる。
第１のドライエッチング方法では、まず、Ｍ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む被エッチング膜が形成された被処理体１０を処理容器１１０内に配置する。次に、真空ポンプ１７３により、処理容器１１０、配管１２１、配管１４１及び１４２、配管１５１及び１５２、配管１６１及び１６２、液体窒素トラップ１７４、配管１７１及び１７２の内部を所定の圧力まで真空排気後、加熱手段１７０により、被処理体１０を加熱する。
被処理体１０が所定の温度に到達したら、β－ジケトン供給部１４０と二酸化窒素ガス供給部１５０とからβ－ジケトンと二酸化窒素ガスを所定の流量で配管１２１に供給する。なお、不活性ガス供給部１６０から不活性ガスを所定の流量で配管１２１に供給してもよい。
β－ジケトンと二酸化窒素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内を所定の圧力に制御する。所定の時間、エッチングガスとＭ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む被エッチング膜とを反応させることにより、錯体を形成させ、エッチングを行う。このエッチング方法では、プラズマ状態を伴わない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。エッチングガスの流量は、処理容器の容積と圧力などに基づいて適宜設定することができる。
なお、プラズマ状態を伴うエッチングとは、反応装置の内部に、例えば、０．１～１０Ｔｏｒｒ程度のガス等を入れ、外側のコイルあるいは対向電極に高周波電力を与えて反応装置中に低温のガスプラズマを発生させ、その中にできるイオンやラジカルなど活性化学種によりエッチングを行うことをいう。
本開示のドライエッチング方法では、ガスを、プラズマ状態を伴わずに接触させ、上記したガスプラズマを発生させることなく、ドライエッチングを行う。
エッチング工程が終了した後、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、不活性ガスで置換して真空を開放する。以上のように、上記エッチング装置を用いた第１のドライエッチング方法により、Ｍ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む被エッチング膜のエッチングを行うことができる。
（第１のドライエッチング方法におけるエッチング条件）
本開示の第１のドライエッチング方法において、エッチングガスＡを前記被エッチング膜と接触させる際の被エッチング膜の温度は、錯体が気化可能な温度であればよく、特に、除去対象の被エッチング膜の温度が、２５０℃以上３７５℃以下であることが好ましく、２７５℃以上３７５℃以下であることがより好ましく、２７５℃以上３５０℃以下であることがより好ましく、２７５℃以上３２５℃以下であることがより好ましい。
また、被エッチング膜に、前記エッチングガスＡを接触させる際、前記被エッチング膜が形成された被処理体が置かれる処理容器内の圧力は、特に限定されないが、通常、０．１ｋＰａ以上１０１．３ｋＰａ以下の圧力範囲である。
充分なエッチング速度を得る観点から、エッチング工程における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、２０Ｔｏｒｒ以上２００Ｔｏｒｒ以下（２．６７ｋＰａ以上２６．７ｋＰａ以下）であることがより好ましく、２０Ｔｏｒｒ以上１００Ｔｏｒｒ以下（２．６７ｋＰａ以上１３．３ｋＰａ以下）であることがさらに好ましい。
エッチング工程の処理時間は、特に限定されないが、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。ここで、エッチング工程の処理時間とは、被処理体が設置されている処理容器内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ために処理容器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。
［エッチング装置１００を用いた第２のドライエッチング方法］
本開示の第２のドライエッチング方法では、二酸化窒素を含むエッチングガスＢを被エッチング膜と接触させる第１のエッチング工程と、β－ジケトンを含むエッチングガスＣを被エッチング膜と接触させる第２のエッチング工程とを備える。
第２のドライエッチング方法では、まず、Ｍ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む被エッチング膜が形成された被処理体１０を処理容器１１０内に配置する。次に、真空ポンプ１７３により、処理容器１１０、配管１２１、配管１４１及び１４２、配管１５１及び１５２、配管１６１及び１６２、液体窒素トラップ１７４、配管１７１及び１７２の内部を所定の圧力まで真空排気後、加熱手段１７０により、被処理体１０を加熱する。
被処理体１０が所定の温度に到達したら、最初に、二酸化窒素ガス供給部１５０から二酸化窒素ガスを所定の流量で配管１２１に供給する。なお、不活性ガス供給部１６０から不活性ガスを所定の流量で配管１２１に供給してもよい。二酸化窒素ガス又は二酸化窒素ガスと不活性ガスとを処理容器１１０内に導入しながら、処理容器１１０内を所定の圧力に制御する。所定の時間、二酸化窒素ガスを処理容器１１０内に導入することにより、二酸化窒素を被エッチング膜に吸着させる。
二酸化窒素ガスを含むガスを真空排気した後、β－ジケトン供給部１４０からβ－ジケトンガスを所定の流量で配管１２１に供給する。なお、不活性ガス供給部１６０から不活性ガスを所定の流量で配管１２１に供給してもよい。β－ジケトンガス又はβ－ジケトンガスと不活性ガスとを処理容器１１０内に導入しながら、処理容器１１０内を所定の圧力に制御する。所定の時間、β－ジケトンガスを処理容器１１０内に導入することにより、先に吸着した二酸化窒素とβ－ジケトンとが反応して錯体を形成し、さらに、上記錯体が上記被エッチング膜と反応し、上記被エッチング膜をエッチングすることができる。
本開示の第２のドライエッチング方法では、二酸化窒素ガスを処理容器１１０内に導入する第１のエッチング工程とβ－ジケトンを処理容器１１０内に導入する第２のエッチング工程を１サイクルとする工程を複数サイクル繰り返して行うことができる。
本開示の第２のドライエッチング方法では、１サイクルのエッチング条件を所定の条件に設定することにより、１サイクルでエッチングできる被エッチング膜の厚さをコントロールすることができるので、１サイクルでエッチングできる被エッチング膜の厚さを薄く設定することにより、精密にエッチングする厚さをコントロールすることができる。
なお、第２のドライエッチング方法でも、プラズマ状態を伴わない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。二酸化窒素とβ－ジケトンとの流量は、処理容器の容積と圧力などに基づいて適宜設定することができる。
このように、上記エッチング装置を用いた本開示の第２のドライエッチング方法では、ガスを、プラズマ状態を伴わずに接触させることができ、上記したガスプラズマを発生させることなく、ドライエッチングを行うことができる。
エッチング工程が終了した後、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、不活性ガスで置換して真空を開放する。以上により、Ｍ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は上記金属の酸化物を含む被エッチング膜のエッチングを行うことができる。
（第２のドライエッチング方法におけるエッチング条件）
本開示の第２のドライエッチング方法において、エッチング工程を行う際の被エッチング膜の温度は、錯体が気化可能な温度であればよく、特に、除去対象の被エッチング膜の温度が、２５０℃以上３７５℃以下であることがより好ましく、２７５℃以上３７５℃以下であることがより好ましく、２７５℃以上３５０℃以下であることがより好ましく、２７５℃以上３２５℃以下であることがより好ましい。第１のエッチング工程と第２のエッチング工程における被エッチング膜の温度は、同じであることが望ましい。
また、エッチング工程における処理容器内の圧力は、特に限定されないが、通常、０．１ｋＰａ以上１０１．３ｋＰａ以下の圧力範囲である。
充分なエッチング速度を得る観点から、第１のエッチング工程及び第２のエッチング工程における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、２０Ｔｏｒｒ以上２００Ｔｏｒｒ以下（２．６７ｋＰａ以上２６．７ｋＰａ以下）であることがより好ましく、２０Ｔｏｒｒ以上１００Ｔｏｒｒ以下（２．６７ｋＰａ以上１３．３ｋＰａ以下）であることがさらに好ましい。第２のエッチング工程における処理容器内の圧力は、第１のエッチング工程における処理容器内の圧力より高いことが望ましい。
第１のエッチング工程及び第２のエッチング工程における処理時間は、特に限定されないが、第１のエッチング工程の１サイクルにおける処理時間は、６０分以内であることが好ましく、第２のエッチング工程の１サイクルにおける処理時間は、６０分以内であることが好ましい。ここで、エッチング工程の処理時間とは、被処理体が設置されている処理容器内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ために処理容器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。
［半導体デバイスの製造方法］
上述した本開示のドライエッチング方法は、従来の半導体デバイスのハフニウム酸化物膜やハフニウム金属等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。本開示のドライエッチング方法を用いて基板上のハフニウム酸化物膜やハフニウム金属等をエッチングすることにより、半導体デバイスを安価に製造することができる。
以下、本開示をより具体的に開示した実施例を示す。なお、本開示は、これらの実施例のみに限定されるものではない。
（実施例１）
図１に示すエッチング装置１００を用いて、シリコンウエハの表面に形成された酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）膜（形状１ｃｍ×１ｃｍ、膜厚５ｎｍ）からなる被エッチング膜を有する被処理体１０のエッチングを行った。
処理容器１１０、配管１２１、配管１４１及び１４２、配管１５１及び１５２、配管１６１及び１６２、液体窒素トラップ１７４、配管１７１及び１７２の内部を１０Ｐａ未満まで真空引きした。その後、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に載置している被処理体１０を加熱した。被処理体１０の温度が３００℃に達したことを確認後、β－ジケトン供給部１４０から気体のヘキサフルオロアセチルアセトン（ＨＦＡｃ）と、二酸化窒素ガス供給部１５０からＮＯ２ガスと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内部の圧力を９０Ｔｏｒｒに制御し、エッチング工程を行った。被処理体の温度は３００℃とし、エッチングガスの流量は、ＨＦＡｃ＝１０ｓｃｃｍ、ＮＯ２＝１ｓｃｃｍとした。エッチングガスの導入を開始して３０分が経過した後、エッチングガスの導入を停止した。その後、処理容器１１０の内部を１０Ｐａ未満まで真空引きし、不活性ガス供給部１６０から供給するＮ２ガスで置換した後に被処理体１０を取り出し、膜厚を測定し、エッチング量を評価した。
なお、下記の実施例２～２０を含む実施例１～２２では、β－ジケトン及び二酸化窒素を含むエッチングガスＡを被エッチング膜と接触させる第１のドライエッチング方法を採用しており、比較例４、７、１０、１２及び１７を除く比較例１～１７でも、β－ジケトン及び表１及び２に示すガスを含むエッチングガスを被エッチング膜と接触させている。なお、比較例４、７、１０、１２及び１７では、β－ジケトンのみを含むエッチングガスを被エッチング膜と接触させている。
（実施例２～４、比較例１～４）
下記の表１には、上記したエッチングにおける添加ガスの種類、ＨＦＡｃの流量、添加ガスの流量、処理容器内の圧力、エッチング時の温度、エッチング時間及びエッチング可否を示している。
エッチング可否は、エッチング速度が０．１ｎｍ／分以上であれば○、エッチング速度が０．１ｎｍ／分未満の場合を×とした。エッチング速度とは、エッチング前後の膜の厚さの変化を、エッチングに要した時間で除した値をいう。
実施例２～４と比較例１～４の実施例１との相違点を説明する。実施例２では、添加ガスであるＮＯ２の流量を変更した。実施例３では、添加ガスであるＮＯ２の流量とエッチング時間、被処理体１０の温度を変更した。実施例４では、被処理体１０の温度を変更した。比較例１～３では、それぞれ、添加ガスとして一酸化窒素（ＮＯ）、酸素（Ｏ２）、一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）を用い、比較例４では添加ガスを使用せずに処理した。その他の点については、実施例１と同様の操作を実施し、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）膜のエッチングの可否を評価した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
（実施例５～２２、比較例５～１７）
図１に示すエッチング装置１００を用いて、シリコンウエハの表面に形成された、それぞれ形状が１ｃｍ×１ｃｍ、膜厚６０ｎｍの酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）膜、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）膜、及び、酸化チタニウム（ＴｉＯ２）膜からなる被エッチング膜を有する被処理体のエッチングを行った。
被エッチング膜の材料、エッチングガスの種類と流量、処理容器内の圧力、及び、エッチング時の被処理体の温度を表２（２７５℃、３００℃、３５０℃）に示すように変更した他は、実施例１と同様の操作を行い、被エッチング膜のエッチング速度を測定した。結果を表２に示す。
表２には、エッチング速度が０．１ｎｍ／分以上１．０ｎｍ／分未満をＡ、１．０ｎｍ／分以上１０．０ｎｍ／分未満をＢ、１０．０ｎｍ／分以上５０．０ｎｍ／分未満をＣ、０．１ｎｍ未満をＸとして表示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
以上の結果から、エッチングガスとしてＨＦＡｃとＮＯ２を用いた場合には、３５０℃以下の被処理体温度で、０．１ｎｍ／ｍｉｎ以上の速度で酸化アルミニウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ハフニウム膜、ハフニウム金属膜、及び、酸化チタニウム膜のエッチングが可能であり、特に被処理体の温度が３００℃でもエッチングが可能であった。また、被処理体の温度がＨＦＡｃの分解温度（３７５℃）以下でエッチングできたことから、実施例１～４においては、被処理体表面に炭素膜が形成されていなかった。
一方で、添加ガスとしてＮＯ、Ｏ２、Ｎ２Ｏを用いた場合や、添加ガスを使用しなかった場合には、被処理体温度が３５０℃でも、酸化アルミニウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ハフニウム膜、ハフニウム金属膜、及び、酸化チタニウム膜のエッチングができなかった。
（実施例２３～２６）
これらの実施例では、二酸化窒素を含むエッチングガスＢを被エッチング膜と接触させる第１のエッチング工程と、β－ジケトンを含むエッチングガスＣを被エッチング膜と接触させる第２のエッチング工程とを繰り返し行う第２のドライエッチング方法を採用して、シリコンウエハの表面に形成された酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）膜（形状１ｃｍ×１ｃｍ、膜厚６０ｎｍ）からなる被エッチング膜のエッチングを行った。
まず、処理容器１１０、配管１２１、配管１４１及び１４２、配管１５１及び１５２、配管１６１及び１６２、液体窒素トラップ１７４、配管１７１及び１７２の内部を１０Ｐａ未満まで真空引きした。その後、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に載置している酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）膜を有する被処理体１０を加熱した。
被処理体１０の温度が３５０℃に達したことを確認後、二酸化窒素ガス供給部１５０からＮＯ２ガスを配管１２１に供給し、処理容器１１０内部の圧力を３０Ｔｏｒｒに制御しながら、処理容器１１０の内部にＮＯ２ガスを流した。被処理体の温度は３５０℃とし、エッチングガスの流量は、ＮＯ２＝５ｓｃｃｍとし、表３に示した時間、ＮＯ２ガスを流し、被エッチング膜と接触させた。その後、エッチングガスの導入を停止し、処理容器１１０の内部を１０Ｐａ未満まで真空引きした。
次に、β－ジケトン供給部１４０から気体のヘキサフルオロアセチルアセトン（ＨＦＡｃ）を配管１２１に供給し、処理容器１１０内部の圧力を６０Ｔｏｒｒに制御しながら、処理容器１１０の内部にＨＦＡｃガスを流した。被処理体の温度は３５０℃とし、エッチングガスの流量は、ＨＦＡｃ＝１０ｓｃｃｍとし、表３に示した時間、ＨＦＡｃガスを流し、被エッチング膜と接触させた。その後、エッチングガスの導入を停止し、処理容器１１０の内部を１０Ｐａ未満まで真空引きした。
上記したＮＯ２ガスを処理容器１１０内部に流す工程とＨＦＡｃガスを処理容器１１０内部に流す工程とを１サイクルとする工程を表３に示す回数（サイクル数）繰り返した後、処理容器１１０の内部を１０Ｐａ未満まで真空引きし、不活性ガス供給部１６０から供給されるＮ２ガスで処理容器１１０の内部を置換した後に被処理体１０を取り出し、膜厚を測定し、トータルのエッチング厚さを測定するとともに、１サイクル当たりのエッチング厚さを算出した。その結果を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
表３に示す結果から明らかなように、エッチングの条件を一定とすることで、１サイクル当たりにエッチングできる被エッチング膜の厚さがほぼ一定となるので、サイクル数を設定することで、被エッチング膜をほぼ正確に要求される厚さでエッチングできることが判明した。
１０　被処理体
１００　エッチング装置
１１０　処理容器
１１１　載置部
１２１　配管
１４０　β－ジケトン供給部
１４１、１４２　配管
１５０　二酸化窒素ガス供給部
１５１、１５２　配管
１６０　不活性ガス供給部
１６１、１６２　配管
１７０　加熱手段
１７１、１７２　配管
１７３　真空ポンプ
１７４　液体窒素トラップ
ＭＦＣ１、ＭＦＣ２、ＭＦＣ３　流量調整手段
ＰＩ１、ＰＩ２　圧力計
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８　バルブ

Claims (26)

  1. 被処理体の表面に形成された、Ｍ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は前記金属の酸化物を含む被エッチング膜に、β－ジケトン及び二酸化窒素を反応させて、プラズマ状態を伴わずにエッチングすることを特徴とするドライエッチング方法。
  2. 前記Ｍ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は前記金属の酸化物は、ハフニウム酸化物、ジルコニウム酸化物、チタン酸化物、アルミニウム酸化物、ハフニウム金属、ジルコニウム金属、チタン金属、及び、アルミニウム金属からなる群から選択される少なくとも１種である請求項１に記載のドライエッチング方法。
  3. 前記被エッチング膜は、ハフニウム酸化物膜、ジルコニウム酸化物膜、チタン酸化物膜、アルミニウム酸化物膜、ハフニウム金属膜、ジルコニウム金属膜、チタン金属膜、及び、アルミニウム金属膜からなる群から選択される少なくとも１種の膜である請求項１又は２に記載のドライエッチング方法。
  4. 前記β－ジケトンが、ヘキサフルオロアセチルアセトン又はトリフルオロアセチルアセトンである、請求項１～３のいずれか１項に記載のドライエッチング方法。
  5. 前記β－ジケトン及び前記二酸化窒素を含むエッチングガスＡを前記被エッチング膜と接触させる請求項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Ａを前記被エッチング膜と接触させる際の前記被エッチング膜の温度が、２５０℃以上３７５℃以下である、請求項５に記載のドライエッチング方法。
  7. 前記エッチングガスＡにおける前記β－ジケトンと前記二酸化窒素の体積比は、β－ジケトン：二酸化窒素＝１０：０．００１以上１００以下である、請求項５～６のいずれか１項に記載のドライエッチング方法。
  8. 前記エッチングガスＡにおける前記β－ジケトンと前記二酸化窒素の体積比は、β－ジケトン：二酸化窒素＝１０：０．０１以上１０以下である、請求項７に記載のドライエッチング方法。
  9. 前記被エッチング膜に、前記エッチングガスＡを接触させる際、前記被エッチング膜が形成された被処理体が置かれる処理容器内の圧力が、０．１ｋＰａ以上１０１．３ｋＰａ以下の圧力範囲である、請求項５～８のいずれか１項に記載のドライエッチング方法。
  10. 前記被エッチング膜が、酸化ハフニウム（ＨｆＯｘ（ｘは１以上３以下））、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｕ（ｕは１以上３以下））、酸化アルミニウム（ＡｌＯｖ（ｖは１以上２以下））、及び酸化チタン（ＴｉＯｗ（ｗは１以上３以下））からなる群から選択される少なくとも１種からなる膜であり、
    前記β－ジケトンが、ヘキサフルオロアセチルアセトンであり、
    前記β－ジケトン及び前記二酸化窒素を前記被エッチング膜に接触させる際の前記被エッチング膜の温度が、２５０℃以上３７５℃以下であり、
    前記エッチングガスＡにおけるβ－ジケトンと二酸化窒素の体積比は、β－ジケトン：二酸化窒素＝１０：０．００１以上１００以下であり、
    前記被エッチング膜に、前記エッチングガスＡを接触させる際、前記被エッチング膜が形成された被処理体が置かれる処理容器内の圧力が、０．１ｋＰａ以上１０１．３ｋＰａ以下の圧力範囲であり、
    前記被エッチング膜のエッチング速度が０．１ｎｍ／分以上である、請求項５に記載のドライエッチング方法。
  11. 前記エッチングガスＡは、Ｎ２、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ及びＫｒからなる群より選ばれる少なくとも１種の不活性ガスをさらに含む、請求項５～１０のいずれか１項に記載のドライエッチング方法。
  12. 前記エッチングガスＡ中の不活性ガスの含有率は、１体積％以上９０体積％以下である、請求項１１に記載のドライエッチング方法。
  13. 前記エッチングガスＡ中の不活性ガスの含有率は、３０体積％以上５０体積％以下である、請求項１１に記載のドライエッチング方法。
  14. 前記二酸化窒素を含むエッチングガスＢを前記被エッチング膜と接触させる第１のエッチング工程と、
    前記β－ジケトンを含むエッチングガスＣを前記被エッチング膜と接触させる第２のエッチング工程とを備える、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。
  15. 前記第１のエッチング工程と前記第２のエッチング工程とを複数サイクル繰り返し行う請求項１４に記載のドライエッチング方法。
  16. 前記エッチングガスＢを前記被エッチング膜と接触させる際の前記被エッチング膜の温度、及び、前記エッチングガスＣを前記被エッチング膜と接触させる際の前記被エッチング膜の温度が、２５０℃以上３７５℃以下である、請求項１４又は１５に記載のドライエッチング方法。
  17. 前記被エッチング膜に前記エッチングガスＢを接触させる際、及び、前記被エッチング膜に前記エッチングガスＣを接触させる際、前記被エッチング膜が形成された被処理体が置かれる処理容器内の圧力が、０．１ｋＰａ以上１０１．３ｋＰａ以下の圧力範囲である、請求項１４～１６のいずれか１項に記載のドライエッチング方法。
  18. 被エッチング膜が、酸化ハフニウム（ＨｆＯｘ（ｘは１以上３以下））、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｕ（ｕは１以上３以下））、酸化アルミニウム（ＡｌＯＶ（ｖは１以上２以下））、及び酸化チタン（ＴｉＯｗ（ｗは１以上３以下））からなる群から選択される少なくとも１種からなる膜であり、
    前記β－ジケトンが、ヘキサフルオロアセチルアセトンであり、
    前記エッチングガスＢを前記被エッチング膜と接触させる際の前記被エッチング膜の温度、及び、前記エッチングガスＣを前記被エッチング膜と接触させる際の前記被エッチング膜の温度が、２５０℃以上３７５℃以下であり、
    前記被エッチング膜に前記エッチングガスＢを接触させる際、及び、前記被エッチング膜に前記エッチングガスＣを接触させる際、前記被エッチング膜が形成された被処理体が置かれる処理容器内の圧力が、０．１ｋＰａ以上１０１．３ｋＰａ以下の圧力範囲である、請求項１４に記載のドライエッチング方法。
  19. 前記エッチングガスＢ及び前記エッチングガスＣは、Ｎ２、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ及びＫｒからなる群より選ばれる少なくとも１種の不活性ガスをさらに含む、請求項１４～１８のいずれか１項に記載のドライエッチング方法。
  20. 前記エッチングガスＢ及び前記エッチングガスＣ中の不活性ガスの含有率は、１体積％以上９０体積％以下である、請求項１９に記載のドライエッチング方法。
  21. 前記エッチングガスＢ及び前記エッチングガスＣ中の不活性ガスの含有率は、３０体積％以上５０体積％以下である、請求項２０に記載のドライエッチング方法。
  22. 基板上のＭ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は前記金属の酸化物を含む被エッチング膜に、β－ジケトン及び二酸化窒素を反応させて、プラズマ状態を伴わずにエッチングする工程を備えることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
  23. 前記被エッチング膜は、ハフニウム酸化物膜、ジルコニウム酸化物膜、チタン酸化物膜、アルミニウム酸化物膜、ハフニウム金属膜、ジルコニウム金属膜、チタン金属膜、及び、アルミニウム金属膜からなる群から選択される少なくとも１種の膜である請求項２２に記載の半導体デバイスの製造方法。
  24. 加熱可能な処理容器内に設けられ、Ｍ－Ｏ結合エネルギーが５ｅＶ以上の金属又は前記金属の酸化物を含む被エッチング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、
    二酸化窒素を前記被処理体に供給する二酸化窒素ガス供給部と、
    を備えることを特徴とするエッチング装置。
  25. 不活性ガスを前記被処理体に供給する不活性ガス供給部を、さらに備えることを特徴とする請求項２４に記載のエッチング装置。
  26. 前記被エッチング膜は、ハフニウム酸化物膜、ジルコニウム酸化物膜、チタン酸化物膜、アルミニウム酸化物膜、ハフニウム金属膜、ジルコニウム金属膜、チタン金属膜、及び、アルミニウム金属膜からなる群から選択される少なくとも１種の膜である請求項２４又は２５に記載のエッチング装置。

     
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