WO2021181613A1 - プラズマ処理方法 - Google Patents

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WO2021181613A1
WO2021181613A1 PCT/JP2020/010861 JP2020010861W WO2021181613A1 WO 2021181613 A1 WO2021181613 A1 WO 2021181613A1 JP 2020010861 W JP2020010861 W JP 2020010861W WO 2021181613 A1 WO2021181613 A1 WO 2021181613A1
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WO
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gas
sige
plasma
etching
treatment method
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PCT/JP2020/010861
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English (en)
French (fr)
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ユウ チョウ
岩瀬　拓
裕之 梶房
譲 山本
光弘 上村
桑原　謙一
Original Assignee
株式会社日立ハイテク
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
    • H01L21/306—Chemical or electrical treatment, e.g. electrolytic etching
    • H01L21/3065—Plasma etching; Reactive-ion etching

Definitions

  • the present invention relates to a plasma processing method for selectively etching the SiGe layer of a Si / SiGe laminated film in GAA-FET (Gate all around-field effect transistor) processing.
  • GAA-FET Gate All Around-Field-Effect Transistor
  • each silicon (Si) layer 903 is required to be selectively isotropically etched with each silicon germanium (SiGe) layer 902. .
  • the SiGe layer 902 and the Si layer 903 are repeatedly laminated under the mask 901 using silicon dioxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN), etc., and a groove having a predetermined depth is formed in advance. ing.
  • the film thickness of each of the SiGe layer 902 and the Si layer 903 is 20 nm or less, and it is expected that the film thickness will be further reduced to 10 nm or less due to miniaturization.
  • halogen-based gases such as nitrogen trifluoride gas (NF 3 ), carbon tetrafluoride gas (CF 4 ), and chlorine gas (Cl 2) are used.
  • NF 3 nitrogen trifluoride gas
  • CF 4 carbon tetrafluoride gas
  • Cl 2 chlorine gas
  • Patent Document 1 discloses a method of etching with microwave plasma using a fluoride gas. Specifically, in a method of etching a heterostructure containing a SiGe layer and a Si layer formed on the SiGe layer, only fluoride gas is used as a reaction gas, the flow rate is 10 to 800 sccm, and the processing pressure is adjusted. A method of selectively isotropic etching of a SiGe layer at 266 Pa or less, a microwave power of 150 to 400 W, and a processing temperature of 5 to 25 o C is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a method of utilizing pulse-modulated plasma in a method of selectively isotropically etching a SiGe layer having a structure in which Si layers and SiGe layers are alternately and repeatedly laminated. .. Specifically, a method is disclosed in which an NF 3 gas is used as the etching gas and the SiGe layer is selectively isotropically etched with respect to the Si layer under the condition that the duty ratio of pulse modulation is 50% or less.
  • FIG. 10B shows a state in which etching has progressed with respect to the state of FIG. 10A and the pattern has become finer.
  • the thickness of the Si layer 913 before etching is set to b in the pattern edge portion 9031 of the Si layer 903, and the thickness of the Si layer 903 after etching (pattern edge portion 9031 of the Si layer 903).
  • Si loss 904 at the Si / SiGe interface as defined by (ba) / 2 occurs.
  • the Si loss 904 is defined as 1/2 of the reduction amount (ba) of the Si layer 903 film thickness.
  • the film thickness of the Si layer 903 (913) is 20 nm or less, and it is expected that the film thickness will be further reduced to 10 nm or less due to miniaturization.
  • the ratio of the Si loss 904 to the Si layer 903 increases, and the problem that the electrical characteristics of the GAA-FET deteriorates becomes apparent. Therefore, it is necessary to sufficiently reduce the Si loss 904.
  • the present invention obtains the Si loss 904 by a method of selectively etching the SiGe layer 912 (902) in a structure in which the Si layer 913 and the SiGe layer 912 are alternately and repeatedly laminated.
  • a plasma processing method for performing isotropic dry etching to suppress isotropic dry etching to suppress.
  • the silicon germanium film of a sample in which silicon films and silicon germanium films are alternately laminated is selectively isotropically etched with respect to the silicon film.
  • the silicon germanium film was etched by a plasma generated by using a mixed gas of a gas containing a nitrogen element and a fluorine element and a gas containing a carbon element and a fluorine element.
  • Si loss is achieved in a structure in which Si layers and Si Ge layers are alternately and repeatedly laminated.
  • the SiGe layer can be selectively isotropically dry-etched.
  • FIG. It is a schematic cross-sectional view which shows the schematic structure of the plasma etching apparatus which performs the process which concerns on Example 1.
  • FIG. It is a block diagram which shows the schematic structure of the gas supply system of the plasma etching apparatus which executes the process which concerns on Example 1.
  • FIG. It is sectional drawing of the Si / SiGe laminated structure which shows the process flow of Example 1.
  • FIG. It is sectional drawing of the Si / SiGe laminated structure which shows the process flow of Example 1.
  • FIG. It is sectional drawing of the Si / SiGe laminated structure which shows the process flow of Example 1.
  • FIG. It is a flowchart of the SiGe isotropic etching method of Example 1.
  • a Si layer and a sample having a structure in which SiGe layers are alternately and repeatedly laminated are subjected to plasma etching treatment using a mixed gas of NF3 and CF4 to reduce Si loss at the Si / SiGe interface. This is to prevent each SiGe layer from being selectively isotropically etched with respect to each Si layer.
  • the present invention performs plasma etching using a mixed gas of nitrogen (N) and fluorine (F) -containing gas and carbon (C) and F-containing gas in SiGe selective etching for Si for GAA-FET processing. As a result, the Si loss at the Si / SiGe interface is suppressed.
  • the plasma etching apparatus 100 includes a vacuum chamber 101 that creates a vacuum inside.
  • the vacuum chamber 101 includes a substrate mounting table 102 on which the substrate 10 to be processed is mounted. Further, in the vacuum chamber 101, the inside of the vacuum chamber 101 is evacuated via the exhaust pipe 103 that communicates with the vacuum chamber 101, the vacuum valve 104 that is connected to the exhaust pipe 103 to adjust the vacuum exhaust amount inside the vacuum chamber 101, and the vacuum valve 104.
  • a vacuum pump 105 for exhausting is attached.
  • 106 sets of heaters for heating the board mounting table 102 are embedded, and the heater 106 is connected to a power source 107 for heating.
  • a refrigerant flow path 108 for flowing a refrigerant for cooling the substrate mounting table 102 is formed inside the substrate mounting table 102, and the refrigerant flow path 108 is a refrigerant supply unit for circulating the refrigerant inside. It is connected to 109.
  • a perforated plate 110 is formed on the upper part of the substrate mounting table 102 in parallel with the upper surface of the substrate mounting table 102 and many small holes 111 are formed, and a dielectric window 112 is formed on the upper part of the perforated plate 110.
  • a pressure reducing chamber lower region 113 corresponding to a substrate processing chamber is formed below the perforated plate 110, and a pressure reducing chamber upper region 114 corresponding to a plasma generation chamber is formed between the perforated plate 110 and the dielectric window 112.
  • the dielectric window 112 and the vacuum chamber 101 are evacuated, and the vacuum pump 105 evacuates the lower part 113 of the decompression chamber and the upper part 114 of the decompression chamber inside the vacuum chamber 101.
  • 120 is a magnetron that generates microwaves with a frequency of 2.45 GHz
  • 121 is a waveguide that carries microwaves generated by the magnetron 120
  • 123 is a cavity that introduces microwaves that are carried inside the waveguide 121. It is a department.
  • the upper surface of the cavity 123 is covered with the electromagnetic coil 125, and the side surface of the cavity 123 and the side surface of the pressure reducing chamber upper region 114 are surrounded by the electromagnetic coil 124.
  • a gas supply nozzle 130 is connected to the decompression chamber upper region 114, and a processing gas whose flow rate is adjusted is supplied from the gas supply unit 200 whose detailed configuration is shown in FIG. 2 to the decompression chamber upper region 114.
  • the vacuum valve 104, the vacuum pump 105, the power supply 107 for heating, the refrigerant supply unit 109, the magnetron 120, the electromagnetic coil 124, the electromagnetic coil 125 and the gas supply unit 200 are controlled based on a program preset by the control unit 140. NS.
  • the gas supply unit 200 has a configuration as shown in FIG. That is, the flow rate of the first gas supplied from the first gas supply source (not shown) through the pipe 210 is adjusted by the mass flow controller (MFC) 211, and the flow is turned on / off by opening / closing the valve 212.
  • the gas is supplied from the gas supply nozzle 130 to the pressure reducing chamber upper region 114 through the pipes 213, 214, and 201.
  • the flow rate of the second gas supplied from the second gas supply source (not shown) through the pipe 220 is adjusted by the mass flow controller (MFC) 221 and the flow is turned on / off by opening / closing the valve 222. Then, the gas is supplied from the gas supply nozzle 130 to the pressure reducing chamber upper region 114 through the pipes 223, 214, 201.
  • the pipes 214 and 201 are shared with the first gas.
  • the flow rate of the third gas supplied from the third gas supply source (not shown) through the pipe 230 is adjusted by the mass flow controller (MFC) 231 and the flow is turned on / off by opening / closing the valve 232.
  • the gas is supplied from the gas supply nozzle 130 to the pressure reducing chamber upper region 114 through the pipe 233 and further through the first gas and the pipe 201 common to the second gas.
  • the MFC 211, 221 and 231 are connected to the control unit 140, respectively, and the flow rate of the gas flowing through each is controlled. Further, the valves 212, 222, and 232 are also connected to the control unit 140, respectively, and the opening and closing are controlled to control the on / off of the gas flow flowing through each.
  • the vacuum pump 105 is operated with the vacuum valve 104 opened under the control of the control unit 140, and the decompression chamber lower region 113 and the decompression chamber upper region 114 inside the vacuum chamber 101 are evacuated to a vacuum.
  • gas is supplied from the gas supply unit 200 via the gas supply nozzle 130 to set the lower pressure chamber lower region 113 and the lower pressure chamber upper region 114 to desired pressures.
  • control unit 140 controls the electromagnetic coils 124 and 125 to form a magnetic field of a desired strength inside the cavity 123 of the vacuum chamber 101 and the upper region 114 of the decompression chamber.
  • the magnetron 120 is controlled to generate microwaves, and a magnetic field is formed through the waveguide 121.
  • the magnetic field formed inside the cavity 123 and the decompression chamber upper region 114 by the electromagnetic coils 124 and 125 is an ECR (2.45 GHz microwave) supplied to the cavity 123 and the decompression chamber upper region 114.
  • the strength is set so as to satisfy the conditions of Electron Cyclotron Resonance).
  • a high-density plasma generated by the gas supplied from the gas supply nozzle 130 is generated in the pressure reducing chamber upper region 114 in which a magnetic field of a desired strength is formed.
  • Ions in the high-density plasma generated in the upper region 114 of the decompression chamber are limited in the traveling direction by the small holes 111 formed in the perforated plate 110, and cannot reach the substrate 10 to be processed.
  • the excited gas neutral particles containing radicals
  • the traveling direction is not limited, and the substrate 10 to be processed can be reached.
  • the plasma etching apparatus 100 having the configuration as described above is used to perform the etching process as described below.
  • Example 1 Si loss 914 was suppressed by plasma etching using a mixed gas of NF 3 and CF 4. That is, in the first embodiment, the NF 3 gas is supplied as the first gas supplied from the pipe 210 of the gas supply unit 200 shown in FIG. 2, and the CF 4 gas is supplied as the second gas supplied from the pipe 220. do.
  • 3A to 3C are cross-sectional views of a Si / SiGe laminated structure showing a SiGe selective etching method for the Si / SiGe laminated film of Example 1.
  • the process flow in Example 1 for obtaining the cross-sectional shape of the pattern as shown in FIG. 3C is shown in FIG.
  • FIG. 3A shows a structure in which Si layers 303 and SiGe layers 302 are alternately laminated under a mask 301 for etching.
  • the mask 301 materials such as SiO 2 and SiN that can obtain a high etching selectivity with respect to Si and SiGe are used, and the mask 301 is pre-patterned into a desired pattern through a normal exposure and etching process using a resist mask. There is.
  • Each Si layer 303 and SiGe layer 302 are layers composed of crystalline Si and crystalline SiGe formed by laminating on the base layer 300 by the epitaxial growth method, respectively.
  • the total number of layers of the Si layer 303 and the SiGe layer 302 is 2 or more.
  • FIG. 3A shows the case of 6 layers.
  • Example 1 The structure to be etched in Example 1 is not limited to the structure shown in FIG. 3A, and is formed by laminating two or more types of layers containing any one of Si, germanium (Ge), and SiGe alloy. It suffices to have a laminated structure.
  • step S402 as shown in FIG. 3B, a groove having a predetermined depth is formed in the Si / SiGe laminated structure by performing plasma etching treatment using the mask 301.
  • the apparatus for performing the plasma etching process at this time may be the plasma etching apparatus described with reference to FIG. 1, or an etching apparatus using a general parallel plate.
  • step S403 the Si / SiGe laminated structure shown in FIG. 3B is processed in a state where plasma generated by a mixed gas containing NF 3 and CF 4 is generated by using the plasma etching apparatus 100 described in FIG. As a result, the SiGe layer selectively performs isotropic etching on each Si layer.
  • the substrate 10 to be processed on which the pattern of the Si / SiGe laminated structure as described with reference to FIG. 3B is formed is placed on the substrate mounting table 102 of the plasma etching apparatus 100.
  • the control unit 140 controls to open the vacuum valve 104 to operate the vacuum pump 105, and evacuate the decompression chamber lower region 113 and the decompression chamber upper region 114 inside the vacuum chamber 101 to a vacuum.
  • gas is supplied from the gas supply unit 200 via the gas supply nozzle 130 to the decompression chamber.
  • the lower region 113 and the pressure reducing chamber upper region 114 are set to desired pressures.
  • the gas supply unit 200 has the configuration shown in FIG. 2, and the gas supplied from the pipe 210 as the first raw material gas is NF 3 gas.
  • the NF 3 gas supplied from the pipe 210 passes through the valve 212 whose flow rate is controlled by the MFC 211 controlled by the control unit 140 and is controlled to be open by the control unit 140, and passes from the pipe 213 to the pipe 214. It flows.
  • CF 4 gas is supplied from the pipe 220 as the second raw material gas.
  • the CF 4 gas supplied from the pipe 220 passes through the valve 222 whose flow rate is controlled by the MFC 221 controlled by the control unit 140 and is controlled to be open by the control unit 140, and passes from the pipe 223 to the pipe 214. It flows.
  • the NF 3 gas and CF 4 gas that flowed through the pipe 214 are mixed inside the pipe 214 and are supplied from the gas supply nozzle 130 to the pressure reducing chamber upper region 114 through the pipe 201 in a mixed state, and a large number formed on the perforated plate 110. It flows into the lower region 113 of the decompression chamber through the hole, and is exhausted from the exhaust pipe 103 to the outside by the vacuum pump 105.
  • the control unit 140 controls the electromagnetic coils 124 and 125 to form the cavity 123 of the vacuum chamber 101 and the decompression chamber upper region 114.
  • a magnetic field having an intensity that satisfies the ECR condition with respect to the microwave is formed inside the.
  • the magnetron 120 is controlled to generate microwaves, and a magnetic field is formed through the waveguide 121.
  • a microwave is supplied to the region 114.
  • the microwave is supplied to the region where a magnetic field having an intensity satisfying the ECR condition is formed for the microwave. Since a magnetic field having a strength that satisfies the ECR condition with respect to microwaves is formed inside the cavity 123 and the decompression chamber upper region 114, the decompression chamber upper region 114 is supplied from the gas supply nozzle 130. High-density plasma is generated by the gas.
  • the ions in the high-density plasma generated in the upper region 114 of the decompression chamber are limited in the traveling direction by the small holes 111 formed in the perforated plate 110, and cannot reach the substrate 10 to be processed.
  • the excited gas neutral particles containing radicals
  • the traveling direction is not limited, and the substrate 10 to be processed can be reached.
  • a part of the gas (neutral particles) containing the excited gas that flowed from the side of the decompression chamber upper region 114 to the side of the decompression chamber lower region 113 was placed on the substrate mounting table 102 to be processed.
  • the SiGe layer is selectively isotropically etched without being damaged by high-energy particles in the plasma by adhering to the pattern of the Si / SiGe laminated structure formed on the surface of the 10.
  • the substrate mounting table 102 on which the substrate 10 to be processed is mounted circulates in the refrigerant flow path 108 by the heater 106 connected to the heating power supply 107 controlled by the control unit 140 and the refrigerant supply unit 109.
  • the temperature is controlled by the refrigerant to be used for selective isotropic etching of the SiGe layer.
  • the SiGe / Si etching selectivity is evaluated from the Si loss 904 (see FIG. 10B) corresponding to the CF 4 / (NF 3 + CF 4 ) flow rate ratio in the mixed gas supplied from the gas supply unit 200 to the upper region 114 of the decompression chamber. bottom.
  • FIG. 5 shows the CF 4 / (CF 4 + NF 3 ) flow rate ratio dependence of the SiGe / Si etching selectivity.
  • the SiGe / Si etching selectivity is defined as in Equation 1.
  • SiGe / Si etching selectivity (SiGe etching amount: 905) / (Si loss: 904) ⁇ ⁇ ⁇ (Equation 1)
  • the solid line is the SiGe / Si etching selectivity obtained by etching by changing the CF 4 / (NF 3 + CF 4) flow rate ratio in this embodiment.
  • the CF 4 / (NF 3 + CF 4 ) flow rate ratio was set to be greater than 0% and less than 100%.
  • the broken line is the selection ratio predicted from the etching results using the simple substance NF 3 gas and the simple substance CF 4 gas. That is, this broken line is the selection ratio predicted based on the SiGe / Si etching selection ratio when the CF 4 / (NF 3 + CF 4) flow rate ratio is set to 0% or 100%.
  • FIGS. 6A to 6D the results when the CF 4 / (NF 3 + CF 4 ) flow rate ratio is set to 0%, that is, when a single NF 3 gas is used are shown in FIGS. 6A to 6D.
  • 601 is a Si layer
  • 602 is a SiGe layer
  • 603 is a Ge atom
  • 604 is a Si atom bonded to a Ge atom
  • 605 is a Si atom not bonded to a Ge atom.
  • Si loss 609 occurs in the Si layers 601 on both sides of the etched etching region 600-3 of the SiGe layer 602, as shown in FIG. 6D.
  • the reason for this is that plasma etching using elemental NF 3 gas produces fluorine 606, which is an etchant, and NF radical 610, which has little effect on etching, as shown in FIG. 6A.
  • the laminated structure of the Si layer 601 and the SiGe layer 602 is composed of Ge atom 603, Si atom 604 bonded to Ge atom 603, and Si atom 605 not bonded to Ge atom 603.
  • Si-Ge bond energy: 297 kJ / mol
  • Si-Si bond energy: 310 kJ / mol
  • Ge atom 603 and Si atom 604 bonded to Ge generate fluoride. Easy to be etched with. Therefore, as shown in FIGS. 6B and 6C, the SiGe layer 602 is selectively etched with respect to the Si layer 601 to form etching regions 600-1 and 600-2.
  • Si fluoride 607 such as silicon tetrafluoride (SiF 4 ) (boiling point: -86 degrees)
  • Ge fluoride 608 such as germanium tetrafluoride (GeF 4 ) (boiling point: -37 degrees).
  • Si fluoride 607 such as silicon tetrafluoride (SiF 4 )
  • Ge fluoride 608 such as germanium tetrafluoride (GeF 4 ) (boiling point: -37 degrees).
  • Si atom 604 bonded to Ge is first desorbed, and the Ge atom 603 remains on the surface of the SiGe layer 602.
  • FIGS. 6B to 6D when the etching progresses and the etching regions 600-1, 600-2, 600-3 are formed, the Si layer 601 is exposed from the Si / SiGe interface 611.
  • Ge atom 603 remains on the surface. Since the Si atoms of the exposed Si layer 601 are easily etched by bonding with Ge, the Si atoms are reduced at the Si / SiGe interface 611, and the Si loss 609 ((ba) / in FIG. 10B) (Equivalent to 904 defined in 2) occurs.
  • the control unit 140 controls the MFC 211 and the MFC 221 of the gas supply unit 200 to set the CF 4 / (NF 3 + CF 4 ) flow rate ratio in a range of more than 0% and less than 100%.
  • the control unit 140 controls the MFC 211 and the MFC 221 of the gas supply unit 200 to set the CF 4 / (NF 3 + CF 4 ) flow rate ratio in a range of more than 0% and less than 100%.
  • Plasma etching using a mixed gas of NF 3 and CF 4 produces fluorine 706, CF radical 707, NF radical 708, and the like.
  • Fluorine 706 causes selective etching of the SiGe layer 702 with respect to the Si layer 701 from FIGS. 7A to 7D in the same manner as in the comparative examples of FIGS. 6A to 6D.
  • Ge fluoride 710 and Si fluoride 711 are generated from the SiGe layer 702, and these produced Ge fluoride 710 and Si fluoride 711 are desorbed from the SiGe layer 702.
  • the CF radical 707 has an effect of depositing the CF film 709 on the surfaces of the Si layer 701 and the SiGe layer 702, as shown in FIGS. 7B to 7D.
  • the CF film 709 can suppress the phenomenon that Ge atoms 603 remain on the etched surface described with reference to FIGS. 6B to 6D in the comparative example, the Si loss 904 described with reference to FIG. 10B is suppressed. be able to.
  • the CF film 709 becomes thicker and the etching of the SiGe layer 702 is also hindered unless the etching treatment time is properly controlled. Therefore, the SiGe / Si etching selectivity defined in Equation 1 is determined. It will be insufficient.
  • the NF radical 708 has an effect of preventing (suppressing) excessive deposition of the CF film 709 by reacting with the CF film 709 to generate a highly volatile FCN 712.
  • the Si loss at the Si / SiGe interface is suppressed by combining the effects of neutral particles containing each radical generated from the plasma of the mixed gas of NF 3 and CF 4.
  • Example 1 when the CF 4 / (NF 3 + CF 4 ) flow rate ratio is less than 25%, the deposited CF film 709 is thin, and the Si / SiGe interface which is the interface between the Si layer 701 and the SiGe layer 702. becomes Ge-rich, so that the effect of suppressing the Si loss of the Si layer 701 at the Si / SiGe interface is reduced. Further, when the CF 4 / (NF 3 + CF 4 ) flow rate ratio is higher than 95%, the CF film 709 is excessively deposited and the etching rate of the SiGe layer 702 is reduced.
  • CF 4 / (NF 3 + CF 4) flow rate ratio is preferably in the range from 25 to 95%, more CF 4 / (NF 3 + CF 4) flow rate
  • step S403 an example in which a gas obtained by mixing NF 3 gas and CF 4 gas at a constant ratio is supplied from the gas supply nozzle 130 to the pressure reducing chamber upper region 114 has been shown.
  • the control unit 140 switches the flow rate of the gas flowing through the MFC 211 and 221 in the middle of the process, changes the mixing ratio (mixing ratio) of the NF 3 gas and the CF 4 gas, and supplies the gas from the gas supply nozzle 130 to the pressure reducing chamber upper region 114. You may try to do it.
  • the gas that composes the mixed gas is a mixed gas of N and F-containing gas and C and F-containing gas, and may generate fluorine radicals, NF radicals, and CF radicals.
  • a gas having a high N content such as nitrogen gas (N 2 ) and generating N radicals is used, Si and SiGe are nitrided, and there is a problem that the SiGe / Si etching selectivity is lowered.
  • an oxygen (O) element-containing gas Si and SiGe may be oxidized and the SiGe / Si etching selectivity may decrease.
  • the mixed gas for etching is a combination of gases that do not contain N 2 and O element-containing gases. Further, it is desirable that the gas type to be mixed is not a gas that reacts with each other such as NH 3 / HF, but a gas that does not react with each other.
  • the N and F-containing gas is not limited to NF 3 , but may be a mixed gas such as ammonia gas (NH 3 ) / CF 4 and NH 3 / sulfur hexafluoride gas (SF 6).
  • a mixed gas such as ammonia gas (NH 3 ) / CF 4 and NH 3 / sulfur hexafluoride gas (SF 6).
  • the C and F-containing gases are not limited to CF 4 , but trifluoromethane gas (CHF 3 ), difluoromethane gas (CH 2 F 2 ), fluoromethane gas (CHF 3 ), hexafluoroethane gas (C 2 F 6 ), etc. It may be any gas such as octafluoroethane gas (C 4 F 8).
  • the mixed gas of N and F-containing gas and C and F-containing gas may be diluted with a rare gas such as helium (He), argon (Ar), xenon (Xe), and krypton (Kr).
  • a rare gas such as helium (He), argon (Ar), xenon (Xe), and krypton (Kr).
  • control unit 140 controls the valves 212 and 222 to close the valves 212 and 222. As a result, the supply of the first gas supplied through the pipe 210 and the second gas supplied through the pipe 220 to the pressure reducing chamber upper region 114 is stopped.
  • control unit 140 controls the valve 232 to open the valve 232, and the third gas (inert gas such as N 2 or Ar) supplied through the pipe 230 is sent to the pressure reducing chamber upper region 114.
  • the third gas inert gas such as N 2 or Ar
  • Si is used in a structure in which Si layers and SiGe layers are alternately and repeatedly laminated. It has become possible to selectively perform isotropic dry etching of the SiGe layer while suppressing loss.
  • the gas supply amount is not the flow rate ratio but the processing time ratio of each step. Shows how to control.
  • the SiGe selective etching method of the Si / SiGe laminated film of Example 2 is summarized in FIG. 8 as a flowchart.
  • the apparatus for performing the second embodiment is the same as that for the first embodiment.
  • Example 2 The structure of the sample to be etched in Example 2 is the same as the structure shown in FIG. 3A in Example 1. Further, steps S801 to S802 of the second embodiment are the same as steps S401 to S402 described with reference to FIG. 4 in the first embodiment, and thus the description thereof will be omitted.
  • step S803 the control unit 140 alternately switches between opening and closing the valves 212 and 222 of the gas supply unit 200, and either CF 4 single gas or NF 3 single gas.
  • the control unit 140 alternately switches between opening and closing the valves 212 and 222 of the gas supply unit 200, and either CF 4 single gas or NF 3 single gas.
  • CF 4 single gas or NF 3 single gas was supplied from the gas supply nozzle 130 to the upper region 114 of the decompression chamber to generate high-density plasma by CF 4 single gas or NF 3 single gas.
  • Si / SiGe is a gas containing an excited state gas that is not ionized in (neutral particles) and a gas containing an excited state gas that is not ionized in the plasma generated by the NF 3 single gas (neutral particles).
  • the laminated structure was repeatedly irradiated.
  • a CF film is attached to the etching surface, and the Si loss at the Si / SiGe interface during SiGe etching by the next plasma etching step using NF 3 gas (step S803b).
  • the CF film thickness and the SiGe etching amount can be adjusted by the time ratio between the plasma etching step using CF 4 gas (step S803a) and the plasma etching step using NF 3 gas (step S803b).
  • the amount of SiGe etching in one cycle was set to 5 nm or less.
  • the CF film thickness and the SiGe etching amount were adjusted in time in the above, they can also be adjusted by controlling the processing pressures of steps S803a and S803b, the processing temperatures of each, and the plasma generation power of each. good.
  • either NF 3 or CF 4 may be supplied first. That is, the order of S803a and S803b is exchanged, SiGe etching by the plasma etching step using NF 3 gas (step S803b) is performed first, and then the CF film is performed by the plasma etching step using CF 4 gas (step S803a). May be formed on the etched surface.
  • the number of times the cycle is repeated is two or more.
  • a CF film is first formed on the etching surface by a plasma etching step using CF 4 gas (step S803a), and then the CF 4 gas and NF 3 gas described in Example 1 are formed.
  • the plasma etching step (step S403) using the mixed gas with the gas may be alternately performed.
  • the gas species used in step S803 may be N, F-containing gas and C, F-containing gas, and may generate fluorine radicals, NF radicals, and CF radicals. However, as in Example 1, it is desirable to combine gases that do not contain N 2 and O element-containing gases.
  • the N and F-containing gas is not limited to NF 3 , but may be a mixed gas such as NH 3 / CF 4 and NH 3 / SF 6.
  • the C and F-containing gas is not limited to CF 4 , and may be any gas such as CHF 3 , CH 2 F 2 , CHF 3 , C 2 F 6 , and C 4 F 8.
  • the mixed gas of N and F-containing gas and C and F-containing gas may be diluted with a rare gas such as He and Ar.
  • Si is used in a structure in which Si layers and SiGe layers are alternately and repeatedly laminated. It has become possible to selectively perform isotropic dry etching of the SiGe layer while suppressing loss.
  • the ECR method was used in Examples 1 and 2 described above, but capacitively coupled plasma (Capacitively Coupled Plasma, CCP), inductively coupled plasma (ICP), and the like were used.
  • CCP Capacitively Coupled Plasma
  • ICP inductively coupled plasma
  • the plasma generation method of the above may be used.
  • the perforated plate 110 is used as the ion shielding plate as the plasma source, and the pressure reducing chamber upper region 114 is used. It was installed between the lower part of the decompression chamber 113, but if the incident energy of the ions is lower than the threshold of the energy at which the etching of each material used in the Si / SiGe laminated structure is started, it is not always necessary to install the ion shielding plate. There is no.
  • the present invention is applied to a step of forming a fine pattern on a substrate by selective etching in a step of manufacturing a semiconductor device.
  • 100 Plasma etching apparatus, 101 ... Vacuum chamber, 102 ... Substrate mount, 110 ... Perforated plate, 112 ... Dielectric window, 113 ... Decompression chamber lower region, 114 ... Decompression chamber upper region, 120 ... Magnetron, 130 ... Gas supply Nozzle, 140 ... Control unit, 200 ... Gas supply unit, 211,221,231 ... Mass flow controller (MFC), 212,222,232 ... Valve, 300 ... Underlayer, 301,901 ... Mask, 302,602,702 ... 902 ... SiGe layer, 303, 601, 701, 903 ... Si layer

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Abstract

Si層とSiGe層が交互に繰り返し積層された構成を有する試料のSiGe層をSi層に対して選択的に等方性エッチングする方法において、真空チャンバのプラズマ発生領域に窒素とフッ素とを含有するガスと、炭素とフッ素とを含有するガスを混合した混合ガスを導入してプラズマ発生領域で混合ガスによるプラズマを発生させ、この発生させたプラズマから励起された窒素とフッ素とを含有するガスと、炭素とフッ素とを含有するガスとを基板処理領域に流出させ、この流出させた窒素とフッ素とを含有するガスと、炭素とフッ素とを含有するガスとを試料の表面に付着させ、試料の表面に付着させた窒素とフッ素とを含有するガスと、炭素とフッ素とを含有するガスとによりSiGe層をSi層に対して選択的に等方性エッチングするようにした。

Description

プラズマ処理方法
　本発明は、GAA-FET(Gate all around - field effect transistor)加工において、Si/SiGe積層膜のSiGe層の選択性エッチングを行うプラズマ処理方法に関する。
　近年、低消費電力かつ高速に動作するロジック回路としてGAA-FET(Gate All Around - Field-Effect Transistor)が期待されている。GAA-FETはチャネルをナノワイヤとしてゲート電極をその周囲に配置することで、微細化に伴って顕在化するサブスレッショルドリーク電流を抑制する。
　GAA-FET製造では、図９に示すようなSi/SiGe積層構造において、各シリコン（Si）層９０３に対して各シリコンゲルマニウム（SiGe）層９０２を選択的に等方性エッチングすることが求められる。Si/SiGe積層構造は、二酸化ケイ素（SiO2）、窒化シリコン（SiN）などを用いたマスク９０１の下に、SiGe層９０２とSi層９０３が繰り返し積層され、予め所定深さの溝が形成されている。SiGe層９０２とSi層９０３それぞれの膜厚は、２０nm以下であり、微細化により更に１０nm以下に薄くなる見込みである。
　Si層９０３に対してSiGe層９０２を高い選択性でエッチングする方法として、三フッ化窒素ガス（NF3）、四フッ化炭素ガス（CF4）、塩素ガス（Cl2）などのハロゲン系ガスを用いたプラズマエッチング技術が知られている。
　特許文献1には、フッ化物ガスを用いたマイクロ波プラズマでエッチングする方法が開示されている。具体的にはSiGe層と、SiGe層の上に形成されたSi層とを含むヘテロ構造体をエッチングする方法において、反応ガスとしてフッ化物ガスのみを用い、その流量を１０～８００sccm、処理圧力を２６６Pa以下、マイクロ波電力を１５０～４００W、処理温度を５～２５oCとして、SiGe層を選択的に等方性エッチングする方法が開示されている。
　また、特許文献２には、Si層とSiGe層が交互に繰り返し積層された構造のSiGe層を選択的に等方性エッチングする方法において、パルス変調されたプラズマを利用する手法が開示されている。具体的にはエッチングガスとしてNF3ガスを用い、パルス変調のデューティー比を５０%以下とする条件で、Si層に対してSiGe層を選択的に等方性エッチングする方法が開示されている。
特開2007－214390号公報 特開2015－76459号公報
　特許文献１，２に示されている先行技術を図９に示すSi/SiGe積層構造に適用すると、図１０Ａ、図１０Ｂに示すように、Si層９１３に対してSiGe層９１２を選択的に等方性エッチングすることができる。図１０Ｂは、図１０Ａの状態に対してエッチングが進行して、パターンがより微細化された状態を示している。
　しかし、それと同時に、図１０ＢにおいてSi層９０３のパターンエッジ部分９０３１に、エッチング前のSi層９１３の厚さをｂとし、エッチング後のSi層９０３の厚さ（Si層９０３のパターンエッジ部分９０３１）をaとしたときに、（ｂ－a）／２で定義されるようなSi/SiGe界面のSiロス９０４が発生してしまう。
　本発明では、図１０Ｂに示すように、Siロス９０４をSi層９０３膜厚の減少量（ｂ－a）の１/２と定義する。Si層９０３（９１３）の膜厚は、２０nm以下であり、微細化により更に１０nm以下に薄くなる見込みである。この結果、Si層９０３に対するSiロス９０４の割合が増大し、GAA-FETの電気特性が劣化するという問題が顕在化する。したがって、Siロス９０４を十分に低減することが必要である。
　本発明は、このSiロス低減という課題を解決するため、Si層９１３とSiGe層９１２が交互に繰り返し積層された構造においてSiGe層９１２（９０２）を選択的にエッチングする方法により、Siロス９０４を抑制する等方性ドライエッチングを行うプラズマ処理方法を提供する。
　上記課題を解決するために、本発明では、シリコン膜とシリコンゲルマニウム膜が交互に積層された試料の前記シリコンゲルマニウム膜を前記シリコン膜に対して選択的に等方性エッチングするプラズマ処理方法において、窒素元素とフッ素元素を含有するガスと、炭素元素とフッ素元素を含有するガスと、の混合ガスを用いて生成されたプラズマにより前記シリコンゲルマニウム膜をエッチングするようにした。
　本発明によれば、NF3とCF4の混合ガスのプラズマから生成する各ラジカルを含む中性粒子の効果を組み合わせることで、Si層とSiGe層が交互に繰り返し積層された構造において、Siロスを抑制して、SiGe層を選択的に等方性ドライエッチングすることができるようになった。
　また、本発明によれば、GAA-FET加工向けのSiGe選択性エッチングにおいて、Si/SiGe界面のSiロスを抑制することができるようになった。
実施例１に係る処理を実行するプラズマエッチング装置の概略の構成を示す略断面図である。 実施例１に係る処理を実行するプラズマエッチング装置のガス供給系の概略の構成を示すブロック図である。 実施例1のプロセスフローを示すSi/SiGe積層構造の断面図である。 実施例1のプロセスフローを示すSi/SiGe積層構造の断面図である。 実施例1のプロセスフローを示すSi/SiGe積層構造の断面図である。 実施例1のSiGe等方性エッチング方法のフローチャートである。 NF3/CF4混合ガス中にCF4の含有率に対するSi/SiGe界面のSiロスの依存性である。 Si/SiGe界面のSiロスが発生するメカニズムを示す図面である。 Si/SiGe界面のSiロスが発生するメカニズムを示す図面である。 Si/SiGe界面のSiロスが発生するメカニズムを示す図面である。 Si/SiGe界面のSiロスが発生するメカニズムを示す図面である。 Si/SiGe界面のSiロスを抑制するメカニズムを示す図面である。 Si/SiGe界面のSiロスを抑制するメカニズムを示す図面である。 Si/SiGe界面のSiロスを抑制するメカニズムを示す図面である。 Si/SiGe界面のSiロスを抑制するメカニズムを示す図面である。 実施例２のSiGe等方性エッチング方法のフローチャートである。 GAA-FET製造に使われるSi/SiGe積層構造の断面図である。 SiGe等方性エッチングにおけるSi/SiGe界面のSiロスを示すSi/SiGe積層構造の断面図である。 微細化が進んだ場合のSi/SiGe界面のSiロスを示すSi/SiGe積層構造の断面図である。
　本発明は、Si層、及びSiGe層が交互に繰り返し積層された構造を有する試料に対して、NF3とCF4の混合ガスを用いたプラズマエッチング処理を施すことにより、Si/SiGe界面のSiロスを防止し、各SiGe層を各Si層に対して選択的に等方性エッチングできるようにしたものである。
　また、本発明は、GAA-FET加工向けのSiに対するSiGe選択性エッチングにおいて、窒素（N）、フッ素（F）含有ガスと炭素（C）、F含有ガスの混合ガスを用いたプラズマエッチングを行うことにより、Si/SiGe界面のSiロスを抑制するようにしたものである。
　以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は原則として省略する。
　ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。
　本実施例で用いるプラズマエッチング装置１００の構成を図１及び図２を用いて説明する。
　プラズマエッチング装置１００は、内部を真空状態にする真空チャンバ１０１を備えている。この、真空チャンバ１０１は、内部に被処理基板１０を載置する基板載置台１０２を備えている。また、真空チャンバ１０１には、連通する排気管１０３、排気管１０３に接続して真空チャンバ１０１の内部の真空排気量を調整する真空バルブ１０４、真空バルブ１０４を介して真空チャンバ１０１の内部を真空排気する真空ポンプ１０５が取り付けられている。
　基板載置台１０２の内部には、基板載置台１０２を加熱するヒータ１０６組がみ込まれており、ヒータ１０６は加熱用の電源１０７と接続している。また、基板載置台１０２の内部には、基板載置台１０２を冷却する冷媒を流すための冷媒流路１０８が形成されており、冷媒流路１０８は、内部に冷媒を循環させるための冷媒供給部１０９と接続している。
　真空チャンバ１０１の内部には、基板載置台１０２の上部に、基板載置台１０２の上面と平行に配置されて小さな孔１１１が多数形成された多孔板１１０、多孔板１１０の上部に誘電体窓１１２が取り付けられている。多孔板１１０の下部には基板処理室に当たる減圧室下部領域１１３、多孔板１１０と誘電体窓１１２との間にはプラズマ発生室に当たる減圧室上部領域１１４が形成されている。誘電体窓１１２と真空チャンバ１０１との間は真空封止されており、真空ポンプ１０５により、真空チャンバ１０１の内部の減圧室下部領域１１３と減圧室上部領域１１４とが真空排気される。
　１２０は周波数が２.４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマグネトロン、１２１はマグネトロン１２０で発生したマイクロ波を搬送する導波管で、１２３は導波管１２１の内部を搬送されたマイクロ波を導入する空洞部である。空洞部１２３の上面は電磁コイル１２５で覆われ、空洞部１２３の側面と減圧室上部領域１１４側面は、電磁コイル１２４で周囲を囲まれている。
　減圧室上部領域１１４には、ガス供給ノズル１３０が接続されており、図２にその詳細な構成を示すガス供給部２００から減圧室上部領域１１４に流量が調整された処理ガスが供給される。
　真空バルブ１０４、真空ポンプ１０５、加熱用の電源１０７、冷媒供給部１０９、マグネトロン１２０、電磁コイル１２４、電磁コイル１２５及びガス供給部２００は、制御部１４０で予め設定されたプロブラムに基づいて制御される。
　ガス供給部２００は、図２に示すような構成を有している。すなわち、図示していない第１のガス供給源から配管２１０を通って供給された第１のガスは、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）２１１で流量が調整され、バルブ２１２の開閉により流れがオン・オフされて配管２１３，２１４，２０１を通ってガス供給ノズル１３０から減圧室上部領域１１４に供給される。
　同様に、図示していない第２のガス供給源から配管２２０を通って供給された第２のガスは、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）２２１で流量が調整され、バルブ２２２の開閉により流れがオン・オフされて配管２２３，２１４，２０１を通ってガス供給ノズル１３０から減圧室上部領域１１４に供給される。配管２１４と２０１とは、第１のガスと共有している。
　さらに、図示していない第３のガス供給源から配管２３０を通って供給された第３のガスは、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）２３１で流量が調整され、バルブ２３２の開閉により流れがオン・オフされて配管２３３を通り、更に第１のガス及び第２のガスと共通の配管２０１を通ってガス供給ノズル１３０から減圧室上部領域１１４に供給される。
　ここで、ＭＦＣ２１１と２２１および２３１はそれぞれ制御部１４０と接続しており、夫々を流れるガスの流量が制御される。さらに、バルブ２１２，２２２，２３２も夫々制御部１４０と接続しており、開閉が制御されて、夫々を流れるガスの流れのオン・オフが制御される。
　以上のような構成において、制御部１４０で制御して真空バルブ１０４を開いた状態で真空ポンプ１０５を作動させ、真空チャンバ１０１の内部の減圧室下部領域１１３、減圧室上部領域１１４を真空に排気した状態で、ガス供給ノズル１３０を介してガス供給部２００からガスを供給して減圧室下部領域１１３と減圧室上部領域１１４を所望に圧力に設定する。
　この状態で、制御部１４０で電磁コイル１２４と１２５とを制御して真空チャンバ１０１の空洞部１２３と減圧室上部領域１１４との内部に、所望の強度の磁場を形成させる。次に、マグネトロン１２０を制御してマイクロ波を発生させ、導波管１２１を通って磁場が形成されている空洞部１２３と、この空洞部１２３と誘電体窓１１２で仕切られている減圧室上部領域１１４に、マイクロ波を供給する。
　ここで、電磁コイル１２４と１２５とにより空洞部１２３と減圧室上部領域１１４との内部に形成する磁場は、空洞部１２３と減圧室上部領域１１４に供給される２.４５ＧＨｚのマイクロ波がＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）条件を満たすような強度となるように設定されている。所望の強度の磁場が形成されている減圧室上部領域１１４には、ガス供給ノズル１３０から供給されたガスによる高密度のプラズマが発生する。
　減圧室上部領域１１４に発生した高密度のプラズマ中のイオンは、多孔板１１０に形成された小さな孔１１１によって進行方向が限定され、被処理基板１０に到達することができない。
　一方、減圧室上部領域１１４に発生した高密度のプラズマ中でイオン化していない励起された状態のガス(ラジカルを含む中性粒子)は、多孔板１１０に形成された小さな孔１１１の内部を通過しても進行方向が限定されず、被処理基板１０に到達することができる。
　本実施例では、上記に説明したような構成を有するプラズマエッチング装置１００を用いて、以下に説明するようなエッチング処理を行う。
　実施例1では、NF3とCF4の混合ガスを用いたプラズマエッチングで、Siロス９１４を抑制した。すなわち、実施例１においては、図２に示したガス供給部２００の配管２１０から供給する第１のガスとしてNF3ガスを供給し、配管２２０から供給する第２のガスとしてCF4ガスを供給する。
　図３Ａ～図３Ｃは、実施例1のSi/SiGe積層膜のSiGe選択性エッチング手法を示すSi/SiGe積層構造の断面図である。図３Ｃに示すようなパターンの断面形状を得るための実施例1におけるプロセスフローを、図４に示す。
　まず、実施例1でエッチングする薄膜構造を図３Ａに示す(図４のステップＳ４０１に対応)。図３Ａには、エッチング用のマスク３０１の下にSi層３０３とSiGe層３０２が交互に積層された構造を示している。マスク３０１は、Si、SiGeに対して高いエッチング選択比が得られるSiO2、SiNなどの材料が用いられ、レジストマスクを用いて通常の露光、エッチングプロセスを経て、所望のパターンに予めパターニングされている。
　各Si層３０３とSiGe層３０２は、下地層３００の上に、それぞれ、エピタキシャル成長法により積層して形成された結晶Siと結晶SiGeからなる層である。Si層３０３とSiGe層３０２のトータル積層数は２以上である。図３Ａには、６層の場合を示している。
　なお、実施例１でエッチングする構造は、図３Ａに示した構造に限定されるものではなく、Si、ゲルマニウム（Ge）、SiGe合金の何れかを含む２種類以上の層を積層して形成した積層構造を有していればよい。
　次に、ステップＳ４０２では、マスク３０１を用いて、図３Ｂに示すように、Si/SiGe積層構造に所定深さの溝を、プラズマエッチング処理を行って形成する。なお、この時プラズマエッチング処理を行う装置は、図１で説明したプラズマエッチング装置であってもよく、又は、一般的な平行平板を用いたエッチング装置であってもよい。
　次に、ステップＳ４０３では、図１で説明したプラズマエッチング装置１００を用いて、NF3とCF4を含む混合ガスによるプラズマを生成した状態で、図３Ｂに示したSi/SiGe積層構造を処理することにより、各Si層に対してSiGe層が選択的に等方性エッチングを行う。
　ここで、図１で説明したプラズマエッチング装置１００を用いた、Si/SiGe積層構造におけるSiGe層の選択的な等方性エッチング処理を行う方法について説明する。
　まず、プラズマエッチング装置１００の基板載置台１０２上に、表面に図３Ｂで説明したようなSi/SiGe積層構造のパターンが形成された被処理基板１０を載置する。この状態で、制御部１４０で制御して真空バルブ１０４を開いて真空ポンプ１０５を作動させ、真空チャンバ１０１の内部の減圧室下部領域１１３、減圧室上部領域１１４を真空に排気する。
　真空チャンバ１０１の内部の減圧室下部領域１１３、減圧室上部領域１１４が排気されて所定の真空度に達した状態で、ガス供給ノズル１３０を介してガス供給部２００からガスを供給して減圧室下部領域１１３と減圧室上部領域１１４を所望に圧力に設定する。
　ここで、ガス供給部２００は図２に示した構成を有しており、第１の原料ガスとして配管２１０から供給するガスは、NF３ガスである。配管２１０から供給されたNF３ガスは、制御部１４０で制御されたＭＦＣ２１１で流量が制御された状態で制御部１４０で開の状態に制御されているバルブ２１２を通り、配管２１３から配管２１４に流れる。
　一方、第２の原料ガスとして配管２２０からは、CF４ガスが供給される。配管２２０から供給されたCF４ガスは、制御部１４０で制御されたＭＦＣ２２１で流量が制御された状態で制御部１４０により開の状態に制御されているバルブ２２２を通り、配管２２３から配管２１４に流れる。
　配管２１４に流れたNF３ガスとCF４ガスは、配管２１４の内部で混合された状態で配管２０１を通りガス供給ノズル１３０から減圧室上部領域１１４に供給され、多孔板１１０に形成された多数の孔を通って減圧室下部領域１１３に流れ、排気管１０３から真空ポンプ１０５により外部に排気される。
　NF３ガスとCF４ガスとを減圧室上部領域１１４に供給している状態で、制御部１４０で電磁コイル１２４と１２５とを制御して真空チャンバ１０１の空洞部１２３と減圧室上部領域１１４との内部に、マイクロ波に対してＥＣＲ条件を満たすような強度の磁場を形成させる。
　次に、マグネトロン１２０を制御してマイクロ波を発生させ、導波管１２１を通って磁場が形成されている空洞部１２３と、この空洞部１２３と誘電体窓１１２で仕切られている減圧室上部領域１１４にマイクロ波を供給する。このマイクロ波に対してＥＣＲ条件を満たすような強度の磁場が形成されている領域にマイクロ波を供給する。空洞部１２３と減圧室上部領域１１４との内部は、マイクロ波に対してＥＣＲ条件を満たすような強度の磁場が形成されているので、減圧室上部領域１１４には、ガス供給ノズル１３０から供給されたガスによる高密度のプラズマが発生する。
　ここで、減圧室上部領域１１４に発生した高密度のプラズマ中のイオンは、多孔板１１０に形成された小さな孔１１１によって進行方向が限定され、被処理基板１０に到達することができない。
　一方、減圧室上部領域１１４に発生した高密度のプラズマ中でイオン化していない励起された状態のガス(ラジカルを含む中性粒子)は、多孔板１１０に形成された小さな孔１１１の内部を通過しても進行方向が限定されず、被処理基板１０に到達することができる。
　この減圧室上部領域１１４の側から減圧室下部領域１１３の側に流れた励起された状態のガスを含むガス(中性粒子)の一部が、基板載置台１０２に載置された被処理基板１０の表面に形成されたSi/SiGe積層構造のパターンに付着して、プラズマ中の高エネルギー粒子によるダメージを受けることなく、SiGe層の選択的な等方性エッチング処理が行われる。
　ここで、被処理基板１０を載置している基板載置台１０２は、制御部１４０で制御された加熱用の電源１０７に接続されたヒータ１０６、及び冷媒供給部１０９により冷媒流路１０８を循環する冷媒により、SiGe層の選択的な等方性エッチング処理に適した温度に制御されている。
　ガス供給部２００から減圧室上部領域１１４に供給する混合ガス中のCF4/(NF3+CF4)流量比率に対応するSiロス９０４(図１０Ｂ参照)から、SiGe/Siエッチング選択比を評価した。
　図５にSiGe/Siエッチング選択比のCF4/(CF4+NF3)流量比率依存性を示す。SiGe/Siエッチング選択比は式１のように定義する。
SiGe/Siエッチング選択比=(SiGeエッチング量：９０５)/(Siロス：９０４)
・・・（式1）
　図５において、実線は、本実施例において、CF4/(NF3+CF4)流量比率を変えてエッチングして得られたSiGe/Siエッチング選択比である。CF4/(NF3+CF4)流量比率を０%より大きく、かつ、１００%未満にした。
　一方、破線は、単体NF3ガス、単体CF4ガスを用いたエッチング結果から予測した選択比である。つまりこの破線は、CF4/(NF3+CF4)流量比率を０%、または１００%にした時のSiGe/Siエッチング選択比をベースに予測した選択比である。
　図５に示した結果から、本実施例では、予測した選択比よりも高いSiGe/Siエッチング選択比が得られることがわかる。CF4/(NF3+CF4)流量比率が６０%付近である場合、SiGe/Siエッチング選択比が最大となる。
　比較例として、CF4/(NF3+CF4)流量比率を０%にした場合、すなわち単体NF3ガスを用いた場合の結果を、図６Ａ～図６Ｄに示す。図６Ａにおいて、６０１はSi層、６０２はSiGe層、６０３はGe原子、６０４はGe原子と結合したSi原子、６０５はGe原子と結合していないSi原子を示している。
　単体NF3ガスを用いた場合には、図６Ｄに示すように, SiGe層６０２のエッチングしたエッチング領域６００－３の両側のSi層６０１に、Siロス６０９が生じる。この理由は、単体NF3ガスを用いたプラズマエッチングでは、図６Ａに示すように、エッチャントであるフッ素６０６、エッチングに影響が少ないNFラジカル６１０が生成される。Si層６０１とSiGe層６０２の積層構造は、Ge原子６０３、Ge原子６０３と結合しているSi原子６０４、Ge原子６０３と結合していないSi原子６０５で組成される。
　Si-Si(結合エネルギー:３１０ kJ/mol)よりSi-Ge(結合エネルギー:２９７ kJ/mol)の結合エネルギーが小さいため、Ge原子６０３とGeと結合しているSi原子６０４がフッ化物の生成でエッチングされやすい。したがって、図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、Si層６０１に対してSiGe層６０２は選択的にエッチングされて、エッチング領域６００－１，６００－２が形成される。
　また、四フッ化ゲルマニウム（GeF4）(沸点：-３７度)などのGeフッ化物６０８より四フッ化シリコン（SiF4）(沸点：-８６度)などSiフッ化物６０７の沸点が低いため、図６Ｂ に示すように、Geと結合しているSi原子６０４が先に脱離し、SiGe層６０２の表面にGe原子６０３が残留する。この結果、図６Ｂ～図６Ｄ に示すように、エッチングが進行してエッチング領域６００－１，６００－２，６００－３が形成されると、Si/SiGe界面６１１からSi層６０１が露出され、その表面にGe原子６０３が残留してしまう。そこで露出されたSi層６０１のSi原子は、Geと結合することでエッチングされやすくなるため、Si/SiGe界面６１１でSi原子が減少して、Siロス６０９（図１０Ｂの（ｂ－a）／２で定義された９０４に相当）が発生する。
　一方、実施例1として、制御部１４０でガス供給部２００のＭＦＣ２１１とＭＦＣ２２１とを制御して、CF4/(NF3+CF4)流量比率を０%より大きく、かつ、１００%未満の範囲で制御した場合、図７Ａ乃至図７Ｄに示すように、SiGe層７０２のエッチングが進行して、エッチング領域が７００－１から７００－３に拡大しても、図１０Ｂの（ｂ－a）／２で定義されたSiロス９０４に相当するSiロスが抑制される。
　NF3とCF4の混合ガスを用いたプラズマエッチングでは、フッ素７０６、CFラジカル７０７、NFラジカル７０８などが生じる。フッ素７０６は、図６Ａ～図６Ｄの比較例と同じように、図７Ａ～図７Ｄにかけて、Si層７０１に対するSiGe層７０２の選択性エッチングを進行させる。この選択性エッチングにより、SiGe層７０２からGeフッ化物７１０、Siフッ化物７１１が生成し、これら生成したGeフッ化物７１０、Siフッ化物７１１は、SiGe層７０２から脱離する。また、CFラジカル７０７は、図７Ｂ乃至図７Ｄに示すように、Si層７０１及びSiGe層７０２の表面に、CF膜７０９を堆積させる効果がある。
　CF膜７０９は、比較例で図６Ｂ～図６Ｄを用いて説明したエッチング処理した表面にGe原子６０３が残留するという現象を抑制することができるため、図１０Ｂで説明したSiロス９０４を抑制することができる。ただし、単体CF4ガスを用いた場合、エッチング処理時間を適切に制御しないとCF膜７０９が厚くなり、SiGe層７０２のエッチングも阻害されるため、式1に定義するSiGe/Siエッチング選択比が不十分になってしまう。
　ここで、NFラジカル７０８は、CF膜７０９と反応し、揮発性の高いFCN ７１２を生成させることで、CF膜７０９の過剰堆積を防ぐ(抑制する)効果がある。本実施例では、NF3とCF4の混合ガスのプラズマから生成する各ラジカルを含む中性粒子の効果を組み合わせることで、Si/SiGe界面のSiロスを抑制している。
　実施例1において、CF4/(NF3+CF4)流量比率を２５%未満にした場合、堆積したCF膜７０９が薄く、Si層７０１とSiGe層７０２との境界面であるSi/SiGe界面がGeリッチになるため、Si/SiGe界面におけるSi層７０１のSiロスを抑制する効果が少なくなる。また、CF4/(NF3+CF4)流量比率を９５%より高くすると、CF膜７０９の堆積が過剰になり、SiGe層７０２のエッチングレートが減少してしまう。
　従って、高いSiGe/Siエッチング選択比を得るためには、CF4/(NF3+CF4)流量比率が２５～９５%の範囲が望ましく、さらにはCF4/(NF3+CF4)流量比率を４０～９０%にすることがより望ましいことを見出した。これにより、図３Ｃに示すような断面形状を有する選択的エッチングを実現することができる。
　上記に説明した実施例では、ステップＳ４０３において、NF３ガスとCF４ガスとを一定の割合で混合したガスをガス供給ノズル１３０から減圧室上部領域１１４に供給する例を示したが、ステップＳ４０３の途中において制御部１４０でＭＦＣ２１１と２２１とを流れるガスの流量を切り替えて、NF３ガスとCF４ガスとの混合割合(混合比)を変えてガス供給ノズル１３０から減圧室上部領域１１４に供給するようにしてもよい。
　なお、混合ガスを組成するガスは、N、F含有ガスとC、F含有ガスの混合ガスで、フッ素ラジカル、NFラジカル、CFラジカルを生成すればよい。ただし、窒素ガス（N2）などN含量が高く、Nラジカルを発生させるガスを使うと、SiとSiGeが窒化され、SiGe/Siエッチング選択比が低下する問題がある。また、酸素（O）元素含有ガスを使うと、SiとSiGeが酸化され、SiGe/Siエッチング選択比が低下する可能性がある。
　従って、エッチング用混合ガスでは、N2、O元素含有ガスが含有されていないガスの組み合わせが望ましい。また、混合するガス種は、NH3/HFなどお互いに反応するガスでなく、それぞれ反応しないガスが望ましい。
　なお、N、F含有ガスとして、NF3に限らず、アンモニアガス（NH3）/CF4、NH3/六フッ化硫黄ガス（SF6）など混合ガスなどでもよい。
　なお、C、F含有ガスとして、CF4に限らず、トリフルオロメタンガス（CHF3）、ジフルオロメタンガス（CH2F2）、フルオロメタンガス（CHF3）、ヘキサフルオロエタンガス（C2F6）、オクタフルオロブタンガス（C4F8）などガスのいずれかのガスでもよい。
　なお、N、F含有ガスとC、F含有ガスの混合ガスは、ヘリウム（He）、アルゴン（Ar）、キセノン（Ｘｅ）、クリプトン（Ｋｒ）等の希ガスで希釈しても構わない。
　プラズマ処理後は、制御部１４０でバルブ２１２と２２２とを制御してバルブ２１２と２２２とを閉の状態にする。これにより、配管２１０を通って供給される第１のガスと配管２２０を通って供給される第２のガスの減圧室上部領域１１４への供給を停止する。
　一方、制御部１４０でバルブ２３２を制御してバルブ２３２を開の状態にし、配管２３０を通って供給される第３のガス（Ｎ２やＡｒなどの不活性ガス）を減圧室上部領域１１４へ供給して、それまでエッチングガスが使用されていた真空チャンバ１０１の内部を、不活性ガスで置換する。
　本実施例によれば、NF3とCF4の混合ガスのプラズマから生成する各ラジカルを含む中性粒子の効果を組み合わせることで、Si層とSiGe層が交互に繰り返し積層された構造において、Siロスを抑制して、SiGe層を選択的に等方性ドライエッチングすることができるようになった。
　実施例１で説明したＳ４０３の工程に替えて、実施例２では、CF4、NF3それぞれの単体ガスを繰り返して供給することで、流量比ではなくそれぞれのステップの処理時間比でガス供給量を制御する方法を示す。実施例２のSi/SiGe積層膜のSiGe選択性エッチング手法を、フローチャートとして図８にまとめた。　
　実施例２を行う装置は、実施例１と同様である。
　実施例２においてエッチング処理する試料の構造は、実施例1において図３Ａに示した構造と同様である。また、実施例２のステップＳ８０１～Ｓ８０２は、実施例１で図４を用いて説明したステップＳ４０１～Ｓ４０２と同様であるので、説明を省略する。
　実施例２と実施例１の違う点は、ステップＳ８０３において、制御部１４０でガス供給部２００のバルブ２１２と２２２との開と閉とを交互に切り替えて、CF4単体ガスまたはNF3単体ガスをガス供給ノズル１３０から減圧室上部領域１１４に供給し、CF4単体ガスまたはNF3単体ガスによる高密度のプラズマを発生させるようにした点である。
　これにより、本実施例では、多孔板１１０に形成された小さな孔１１１をと通過して減圧室上部領域１１４の側から減圧室下部領域１１３の側に流れたCF4単体ガスで発生したプラズマ中でイオン化していない励起状態のガスを含むガス(中性粒子)と、NF3単体ガスで発生したプラズマ中でイオン化していない励起状態のガスを含むガス(中性粒子)とをSi/SiGe積層構造へ繰り返して照射するようにした。
　CF4ガスを用いたプラズマエッチング工程(ステップＳ８０３ａ)では、CF膜をエッチング表面につけて、次のNF3ガスを用いたプラズマエッチング工程(ステップＳ８０３ｂ)によるSiGeエッチング中のSi/SiGe界面のSiロスを低減させる。CF膜厚とSiGeエッチング量は、CF4ガスを用いたプラズマエッチング工程(ステップＳ８０３ａ)とNF3ガスを用いたプラズマエッチング工程(ステップＳ８０３ｂ)の時間比で調整することができる。また、単体ガスプロセス処理で発生するSi/SiGe界面のSiロスを抑制するため、1サイクルでのSiGeエッチング量は５ nm以下とした。
　なお、CF膜厚とSiGeエッチング量の調整を上記では時間にて行ったが、ステップＳ８０３ａ、ステップＳ８０３ｂそれぞれの処理圧力、それぞれの処理温度、それぞれのプラズマ発生パワーなどを制御することで行ってもよい。
　なお、Ｓ８０３におけるNF3とCF4のサイクル供給順番において、NF3とCF4のいずれを先に供給してもよい。すなわち、Ｓ８０３aとＳ８０３ｂの順番を入れ替えて、NF3ガスを用いたプラズマエッチング工程(ステップＳ８０３ｂ)によるSiGeエッチングを先に行い、そのあとCF4ガスを用いたプラズマエッチング工程(ステップＳ８０３ａ)によりCF膜をエッチング表面に形成するようにしてもよい。ここで、サイクルの繰り返す回数は２回以上である。
　さらに、実施例１と組み合わせて、まず、CF4ガスを用いたプラズマエッチング工程(ステップＳ８０３ａ)によりCF膜をエッチング表面に形成し、次に、実施例１で説明したCF4ガスとNF3ガスとの混合ガスを用いたプラズマエッチング工程（ステップＳ４０３）とを交互に行うようにしてもよい。これによりCF膜がエッチング表面に形成された状態で実施例１の工程を行うので、Si/SiGe界面のSiロスを、実施例１と比べてより抑制することができる。
　なお、ステップＳ８０３に用いるガス種は、N、F含有ガスとC、F含有ガスで、フッ素ラジカル、NFラジカル、CFラジカルを生成すればよい。ただし、実施例1と同じように、N2、O元素含有ガスが含有されていないガスの組み合わせが望ましい。
　なお、N、F含有ガスとして、NF3に限らず、NH3/CF4、NH3/SF6など混合ガスなどでもよい。
　なお、C、F含有ガスとして、CF4に限らず、CHF3、CH2F2、CHF3、C2F6、C4F8などガスのいずれかのガスでもよい。
　なお、N、F含有ガスとC、F含有ガスの混合ガスは、He、Arなど希ガスで希釈しても構わない。
　本実施例によれば、NF3とCF4の混合ガスのプラズマから生成する各ラジカルを含む中性粒子の効果を組み合わせることで、Si層とSiGe層が交互に繰り返し積層された構造において、Siロスを抑制して、SiGe層を選択的に等方性ドライエッチングすることができるようになった。
　なお、プラズマの生成方法において、上記に説明した実施例１及び２においては、ＥＣＲ方式を用いたが、容量結合プラズマ(Capacitively Coupled Plasma、CCP)や、誘導結合プラズマ(Inductively Coupled Plasma、ICP)などのプラズマ生成方式を用いてもよい。
　また、上記に説明した実施例１及び２のプラズマエッチング装置１００において、指向性を有するイオン入射の影響を低減するため、イオン遮蔽板として多孔板１１０をプラズマ源であると減圧室上部領域１１４と減圧室下部領域１１３との間に設置したが、イオンの入射エネルギーがSi/SiGe積層構造に用いた各材料のエッチングが開始されるエネルギーの閾値よりも低ければ、必ずしもイオン遮蔽板を設置する必要はない。
産業上の利用分野
　本発明は、半導体デバイスを製造する工程で、選択的なエッチングにより基板上に微細なパターンを形成する工程に適用される。
　１００…プラズマエッチング装置、１０１…真空チャンバ、１０２…基板載置台、１１０…多孔板、１１２…誘電体窓、１１３…減圧室下部領域、１１４…減圧室上部領域、１２０…マグネトロン、１３０…ガス供給ノズル、１４０…制御部、２００…ガス供給部、２１１，２２１，２３１…マスフローコントローラ（ＭＦＣ）、２１２，２２２，２３２…バルブ、３００…下地層、３０１，９０１…マスク、３０２、６０２，７０２，９０２…SiGe層、３０３、６０１、７０１、９０３…Si層

Claims (10)

  1. 　シリコン膜とシリコンゲルマニウム膜が交互に積層された試料の前記シリコンゲルマニウム膜を前記シリコン膜に対して選択的に等方性エッチングするプラズマ処理方法において、　窒素元素とフッ素元素を含有するガスと、炭素元素とフッ素元素を含有するガスと、の混合ガスを用いて生成されたプラズマにより前記シリコンゲルマニウム膜をエッチングすることを特徴とするプラズマ処理方法。
  2. 　請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
    前記窒素元素とフッ素元素を含有するガスは、三フッ化窒素ガス(ＮＦ３)、アンモニアガス(ＮＨ３)と四フッ化炭素ガス(ＣＦ４)の混合ガスまたはアンモニアガス(ＮＨ３)と六フッ化硫黄ガス(ＳＦ６)の混合ガスであり、
    前記炭素元素とフッ素元素を含有するガスは、四フッ化炭素ガス(ＣＦ４)、トリフルオロメタンガス(ＣＨＦ３)、ジフルオロメタンガス(ＣＨ２Ｆ２)、フルオロメタンガス(ＣＨ３Ｆ)、ヘキサフルオロエタンガス(Ｃ２Ｆ６)またはオクタフルオロシクロブタンガス(Ｃ４Ｆ８)であることを特徴とするプラズマ処理方法。
  3. 　請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
    前記窒素元素とフッ素元素を含有するガスは、三フッ化窒素ガス(ＮＦ３)であり、
    前記炭素元素とフッ素元素を含有するガスは、四フッ化炭素ガス(ＣＦ４)であることを特徴とするプラズマ処理方法。
  4. 　請求項３に記載のプラズマ処理方法において、
    ＧＡＡ－ＦＥＴ(Ｇａｔｅ　ａｌｌ　ａｒｏｕｎｄ　－　ｆｉｅｌｄ　ｅｆｆｅｃｔ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ)が前記試料に形成されることを特徴とするプラズマ処理方法。
  5. 　請求項４に記載のプラズマ処理方法において、
    前記混合ガスの流量に対する前記四フッ化炭素ガス(ＣＦ４)の流量比率は、所定の範囲内の値であることを特徴とするプラズマ処理方法。
  6. 　請求項５に記載のプラズマ処理方法において、
    前記所定の範囲内の値は、ゲルマニウム原子がエッチングされた表面へ残留することを抑制する値であることを特徴とするプラズマ処理方法。
  7. 　請求項５に記載のプラズマ処理方法において、
    前記所定の範囲は、２５～９５％の範囲であることを特徴とするプラズマ処理方法。
  8. 　請求項５に記載のプラズマ処理方法において、
    前記所定の範囲は、４０～９０％の範囲内の値であることを特徴とするプラズマ処理方法。
  9. 　請求項６に記載のプラズマ処理方法において、
    前記所定の範囲は、２５～９５％の範囲であることを特徴とするプラズマ処理方法。
  10. 　請求項６に記載のプラズマ処理方法において、
    前記所定の範囲は、４０～９０％の範囲内の値であることを特徴とするプラズマ処理方法。
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