WO2025057740A1 - エッチング方法およびエッチング装置 - Google Patents

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佑輔 今井
健斗 鈴木
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    • H01J2237/334—Etching

Definitions

  • This disclosure relates to an etching method and an etching apparatus.
  • Patent Document 1 proposes a technique for selectively etching such SiGe and Ge relative to Si using a processing gas containing a fluorine-containing gas and a hydrogen-containing gas.
  • the present disclosure provides an etching method and an etching apparatus that can etch SiGe or Ge with high controllability.
  • An etching method includes providing a substrate having SiGe or Ge on its surface in a chamber, supplying an etching gas for etching the SiGe or Ge to the substrate held at a first temperature at which no etching reaction occurs, so that the etching gas is adsorbed onto the surface of the substrate, and raising the temperature of the substrate to a second temperature at which a reaction occurs between the SiGe or Ge and the etching gas, thereby etching the SiGe or Ge.
  • the present disclosure provides an etching method and an etching apparatus that can etch SiGe or Ge with high controllability.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a specific example of an etching method according to an embodiment.
  • 4 is a cross-sectional view showing an example of a state of a substrate when step ST2 of the etching method of the embodiment is performed;
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic example of a state of a substrate when step ST3 of an etching method according to an embodiment is performed;
  • 1 is a cross-sectional view showing an example of a state of a substrate when step ST4 of an etching method according to an embodiment is performed;
  • 4 is a timing chart showing a typical example of a process sequence of steps ST2 to ST5 in an etching method according to an embodiment.
  • FIG. 11 is a graph showing the results of an evaluation test.
  • 1 is a SEM image showing the results of an evaluation test.
  • 1 is a SEM image showing the results of an evaluation test.
  • 1 is a SEM image showing the results of an evaluation test.
  • 1 is a SEM image showing the results of an evaluation test.
  • 1 is a SEM image showing the results of an evaluation test.
  • FIG. 1 is a flow chart showing a specific example of an etching method according to one embodiment.
  • a substrate having SiGe or Ge on its surface is placed in a chamber for performing an etching process (step ST1).
  • step ST5 the residues resulting from the etching are removed from the chamber.
  • the desired amount of etching is performed on the SiGe or Ge.
  • the ratio of Si and Ge in SiGe is arbitrary, but it is preferable that Si is 90 at % or less.
  • the form of SiGe and Ge is not particularly limited, but an example is one formed as a film, and an example of the film is one formed by a chemical vapor deposition (CVD) method.
  • the substrate is not particularly limited, but an example is a semiconductor wafer (hereinafter simply referred to as a wafer).
  • the substrate is not particularly limited, but examples include substrates that contain Si in the portion that comes into contact with the etching gas during processing in addition to SiGe or Ge. In this case, it is desirable to selectively etch SiGe or Ge relative to Si.
  • Si may be doped with B, P, C, As, etc.
  • step ST2 when a processing gas including an etching gas is supplied to the substrate surface for adsorption, the etching gas is adsorbed until it is saturated on the surface of the SiGe or Ge to be etched.
  • the etching gas 102 is adsorbed on the surface of the SiGe film 101 formed on the semiconductor base 100 in the substrate W until it is saturated.
  • the processing gas may contain an inert gas such as N 2 gas or Ar gas as a dilution gas or carrier gas.
  • the inert gas can also be used as a purge gas.
  • the etching gas is not particularly limited as long as it can etch SiGe or Ge.
  • a fluorine-containing gas can be used.
  • the fluorine-containing gas is suitable for etching SiGe or Ge with a high selectivity to Si.
  • the fluorine-containing gas can be ClF3 gas, F2 gas, SF6 gas, or IF7 gas, and at least one of these can be used.
  • the etching gas can be adsorbed without causing an etching reaction by setting the first temperature lower than the boiling point of the etching product.
  • the etching product is a reaction product of the etching gas with SiGe or Ge, and is a compound containing Ge and F. If the first temperature is too low, the energy used to change the temperature between the first temperature and the second temperature becomes large, and the time required for the temperature change also becomes long. From the viewpoint of adsorbing the etching gas as described above and avoiding excessive cooling of the substrate, the first temperature is preferably -40°C or higher and -20°C or lower.
  • the substrate temperature can be controlled using a temperature control mechanism such as a cooling mechanism or a heating mechanism that is provided on the stage on which the substrate is placed.
  • the substrate temperature can be controlled with high precision by using an electrostatic chuck to hold the substrate using electrostatic force.
  • the pressure when performing step ST2 is appropriately set according to the etching gas used.
  • the etching gas is a fluorine-containing gas, for example, F2 gas
  • a range of 0.01 to 1 Torr (1.33 to 133 Pa) is preferable.
  • the time for step ST2 may be a time that allows the etching gas to be adsorbed to the surface of the SiGe or Ge to be etched until it is saturated, for example, 10 to 300 sec.
  • the etching gas is a fluorine-containing gas, for example, F2 gas
  • a time longer than 30 sec is preferable, as shown in the test results described later.
  • step ST3 the etching gas is exhausted from the chamber, thereby removing excess etching gas 102 adsorbed on the surface of the substrate in step ST2.
  • the amount of etching gas 102 adsorbed on the surface of the SiGe film 101 is controlled to, for example, one atomic layer or one molecular layer.
  • the method for exhausting the etching gas in step ST3, can be performed by purging the chamber with an inert gas.
  • the etching gas may be exhausted by evacuating the chamber.
  • step ST4 the temperature of the substrate is changed from the first temperature to the second temperature while the etching gas is adsorbed on the surface of the SiGe or Ge in step ST3, and the SiGe or Ge is etched. That is, by changing the temperature of the substrate to the second temperature, a reaction occurs between the SiGe or Ge and the adsorbed etching gas. At this time, since the etching gas is adsorbed before the etching reaction occurs, the SiGe or Ge can be etched with high controllability. In addition, since the adsorption amount of the etching gas is controlled in step ST3, the etching amount can be controlled with higher accuracy. In the example shown in FIG.
  • the etching gas 102 adsorbed on the surface of the SiGe film 101 is controlled to one atomic layer or one molecular layer, and when the etching reaction occurs from this state, as shown in FIG. 4, the SiGe film 101 can be etched with high accuracy by an amount corresponding to the adsorption amount of the etching gas.
  • 103 is the etched portion of the SiGe film 101.
  • the etching reaction can be caused by setting the second temperature to a temperature equal to or higher than the boiling point of the etching product described above.
  • the boiling point here includes the sublimation point.
  • the second temperature is a temperature higher than the first temperature described above, and is preferably -20°C or higher.
  • the temperature adjustment mechanism provided on the shower head which is a gas ejection unit provided opposite the mounting table, may be used to change the temperature of the substrate by lifting the substrate with a lift pin provided on the mounting table.
  • it is also possible to change the temperature of the substrate by supplying gas to the substrate, or by using plasma generated by a plasma generation unit.
  • the pressure when performing step ST4 is appropriately set according to the etching gas used.
  • the etching gas is a fluorine-containing gas, for example, F2 gas
  • the pressure is preferably in the range of 0.01 to 3 Torr (1.33 to 400 Pa).
  • the time of step ST4 is set to a time that allows the adsorbed etching gas to react appropriately with SiGe or Ge.
  • the etching gas is a fluorine-containing gas, for example, F2 gas
  • the time is preferably longer than 30 sec.
  • the time of step ST4 is set so that etching of Si is suppressed as much as possible.
  • the method for step ST5 is not limited as long as it can evacuate the chamber from the residues produced by etching. For example, it can be performed by drawing a vacuum inside the chamber.
  • the chamber may also be purged with an inert gas before drawing a vacuum.
  • step ST2 the etching gas is turned ON while the substrate is maintained at a first temperature, and the etching gas is adsorbed.
  • step ST3 the etching gas is turned OFF and the purge gas is turned ON to purge the chamber.
  • step ST4 the temperature of the substrate is raised to a second temperature to allow the etching reaction to proceed.
  • step ST5 the chamber is evacuated to remove any residue within the chamber.
  • Fig. 6 is a cross-sectional view showing an example of the structure of a wafer, which is a substrate to which the etching method of one embodiment is applied.
  • the wafer W in Fig. 6 has a laminated structure 113 in which a SiGe film 111 and a Si film 112 are alternately laminated on the surface of a semiconductor substrate 100 made of, for example, Si.
  • a recess 114 is formed in the laminated structure 113 by plasma etching, and the side surfaces of the alternately laminated SiGe film 111 and Si film 112 are exposed in the recess 114.
  • the SiGe film 111 is side-etched and selectively etched with respect to the Si film 112 as shown in Fig. 7.
  • Fig. 7 shows a state in which the SiGe film 111 is partially etched, but it may be entirely etched as shown in Fig. 8. Even if it is entirely etched, the remaining Si film 112 is supported by support columns 115 made of SiN or the like.
  • the etching gas is adsorbed onto the surface of the substrate, and then the amount of adsorption is controlled, and the temperature of the substrate is raised from a first temperature to a second temperature to cause an etching reaction, thereby enabling the SiGe or Ge present on the surface of the substrate to be etched with high controllability.
  • the amount of etching gas adsorbed on the SiGe or Ge surface is controlled, and then the temperature is changed to allow the etching reaction to proceed, so that the amount of etching per time is a very small amount corresponding to the amount of adsorbed etching gas, allowing etching to be performed with high controllability. Then, by performing steps ST2 to ST5 once or multiple times, etching can be performed with the desired amount of etching. Specifically, roughness control during etching is possible, and it is also possible to control the amount of etching by a small amount. It is also possible to suppress loading in coarse and dense patterns and top/bottom loading.
  • the etching apparatus 1 includes a chamber 10 having a sealed structure.
  • a mounting table 12 on which a substrate W is horizontally mounted is provided inside the chamber 10.
  • the substrate W has SiGe or Ge on its surface, and has, for example, the structure shown in Fig. 6.
  • the etching apparatus 1 also includes a gas supply mechanism 13 that supplies an etching gas to the chamber 10, an exhaust mechanism 14 that exhausts the inside of the chamber 10, and a control unit 15.
  • the chamber 10 is composed of a chamber body 21 and a lid portion 22.
  • the chamber body 21 has a roughly cylindrical side wall portion 21a and a bottom portion 21b, and the top is open, which is closed by the lid portion 22.
  • the side wall portion 21a and the lid portion 22 are sealed by a sealing member (not shown), ensuring airtightness within the chamber 10.
  • the lid portion 22 has a lid member 25 that forms the outer side, and a shower head 26 that is fitted inside the lid member 25 and is provided so as to face the mounting table 12.
  • the shower head 26 has a main body 27 that has a cylindrical side wall 27a and an upper wall 27b, and a shower plate 28 that is provided at the bottom of the main body 27. A space 29 is formed between the main body 27 and the shower plate 28.
  • a gas inlet passage 31 is formed in the lid member 25 and the upper wall 27b of the main body 27, penetrating into the space 29, and this gas inlet passage 31 is connected to a pipe 49 of the gas supply mechanism 13, which will be described later.
  • the shower plate 28 has multiple gas discharge holes 32 formed therein, and gas introduced into the space 29 via the piping 49 and the gas introduction path 31 is discharged from the gas discharge holes 32 into the space within the chamber 10.
  • the side wall portion 21a is provided with a loading/unloading opening 23 for loading and unloading the substrate W, and this loading/unloading opening 23 can be opened and closed by a gate valve 24.
  • the mounting table 12 is generally circular in plan view and is fixed to the bottom 21b of the chamber 10.
  • a temperature control mechanism 35 is provided inside the mounting table 12 to adjust the temperature of the mounting table 12 and control the temperature of the substrate W placed on it.
  • the temperature control mechanism 35 has, for example, a heater and a pipe through which a low-temperature cooling medium circulates, making it possible to control the temperature of the substrate W.
  • the mounting table 12 may be provided with an electrostatic chuck that attracts the substrate W by electrostatic force. By attracting the substrate W, the temperature control mechanism 35 can control the temperature of the substrate W with high precision.
  • the mounting table 12 has built-in lift pins (not shown) that are used when transporting the substrate W.
  • the substrate temperature can be changed from the first temperature to the second temperature by changing the controlled temperature of the temperature adjustment mechanism 35.
  • a temperature adjustment mechanism may be provided in the shower head 26 provided opposite the mounting table 12, and the temperature of the substrate may be changed by lifting the substrate W with a lift pin (not shown) provided on the mounting table 12.
  • the gas supply mechanism 13 supplies a process gas including an etching gas, and in this example, supplies F2 gas, which is a fluorine-containing gas, as the etching gas.
  • F2 gas which is a fluorine-containing gas
  • an inert gas is also supplied as the process gas.
  • N2 gas is supplied as the inert gas.
  • the inert gas is used as a carrier gas, a dilution gas, and a purge gas.
  • the gas supply mechanism 13 has an F2 gas supply source 45 that supplies F2 gas, which is an etching gas, and an N2 gas supply source 46 that supplies N2 gas, which is an inert gas, to which one end of an F2 gas supply pipe 41 and an N2 gas supply pipe 42 are connected, respectively.
  • the other end of the F2 gas supply pipe 41 and the N2 gas supply pipe 42 are connected to a common pipe 49, and the pipe 49 is connected to the above-mentioned gas introduction passage 31.
  • the F2 gas supply pipe 41 and the N2 gas supply pipe 42 are provided with flow rate control units 41a and 42a, respectively, that open and close the flow passages and control the flow rate.
  • the flow rate control sections 41a and 42a are constituted by, for example, an on-off valve and a flow rate control device such as a mass flow controller.
  • F 2 gas as an etching gas and N 2 gas as an inert gas are supplied from gas supply sources 45 , 46 through pipes 41 , 42 , 49 into the shower head 26 and discharged from the gas discharge holes 32 of the shower plate 28 into the chamber 10 .
  • the exhaust mechanism 14 has an exhaust pipe 52 connected to an exhaust port 51 formed in the bottom 21b of the chamber 10, and further has an automatic pressure control valve (APC) 53 for controlling the pressure inside the chamber 10 and a vacuum pump 54 for exhausting the inside of the chamber 10, both of which are provided on the exhaust pipe 52.
  • APC automatic pressure control valve
  • Two capacitance manometers 56a, 56b for high and low pressure are provided on the side wall of the chamber 10 as pressure gauges for measuring the pressure inside the chamber 10, and are inserted into the chamber 10. Based on the detection values of the capacitance manometers 56a, 56b, the opening of the automatic pressure control valve (APC) 53 is adjusted to control the pressure inside the chamber 10.
  • APC automatic pressure control valve
  • the control unit 15 is typically made up of a computer, and has a main control unit with a CPU that controls each component of the etching apparatus 1.
  • the control unit 15 also has an input device (keyboard, mouse, etc.), an output device (printer, etc.), a display device (display, etc.), and a storage device (storage medium) connected to the main control unit.
  • the main control unit of the control unit 15 controls the operation of the etching apparatus 1 based on a processing recipe stored in, for example, a storage medium built into the storage device or a storage medium set in the storage device.
  • the substrate W is carried into the chamber 10 and placed on the mounting table 12.
  • the temperature of the mounting table 12 is controlled by a temperature control mechanism 35, and the temperature of the substrate W is set to a first temperature at which no etching reaction occurs.
  • the first temperature is set by the temperature control mechanism 35 of the mounting table 12 to a temperature lower than the boiling point of the etching product, preferably -40°C to -20°C.
  • the pressure inside the chamber 10 is controlled to a pressure in the range of, for example, 0.01 to 1 Torr (1.33 to 133 Pa).
  • a processing gas containing F2 gas which is a fluorine-containing gas, as an etching gas is supplied into the chamber 10.
  • F2 gas which is a fluorine-containing gas
  • F2 gas is adsorbed on the surface of the substrate W held at the first temperature.
  • N2 gas which is an inert gas
  • the adsorption process of F2 gas is performed until it is saturated on the surface of SiGe or Ge, which is the etching target present on the surface of the substrate W.
  • the time for this process is preferably longer than 30 sec.
  • the supply of F2 gas is stopped, and, for example, N2 gas is supplied into the chamber 10 to purge the chamber 10, thereby discharging the F2 gas adsorbed on the substrate W from the chamber 10 and controlling the amount of adsorption of F2 gas.
  • the temperature of the substrate W is increased from the first temperature to a second temperature to cause a reaction between the SiGe or Ge of the substrate W and the adsorbed etching gas, and to proceed with etching of the SiGe or Ge.
  • the second temperature is set to be equal to or higher than the boiling point of the etching product, and is preferably set to be equal to or higher than -20°C.
  • the pressure within the chamber 10 is controlled to be within the range of, for example, 0.01 to 3 Torr (1.33 to 400 Pa).
  • the substrate temperature can be changed from the first temperature to the second temperature by changing the control temperature of the temperature adjustment mechanism 35, as described above.
  • the temperature of the substrate W may be changed by lifting the substrate W with lift pins, supplying gas to the substrate W, or using plasma, without changing the control temperature of the temperature adjustment mechanism 35.
  • the etching time is preferably longer than 30 sec. As shown in FIG. 6, when the substrate W has a structure in which SiGe or Ge and Si coexist, the etching time is set so as to suppress etching of Si as much as possible.
  • the chamber 10 is evacuated by the exhaust mechanism 14 to remove any residues resulting from etching from the chamber.
  • the above process is performed once or multiple times a predetermined number of times to etch the SiGe or Ge to the desired extent. After etching is completed, the substrate W is removed from the chamber 10.
  • the processing is performed by changing the temperature of the substrate W in one chamber 10. Therefore, when the temperature of the substrate W is changed by the temperature adjustment mechanism 35 and the processing is performed, if the second temperature is too high, it takes a long time to process the substrate W at the first temperature when processing one substrate W by repeating steps ST2 to ST5 or when multiple substrates W are sequentially loaded into the chamber 10 and processed. In other words, after processing the substrate W at the second temperature, it takes a long time to cool each part in the chamber 10 to process the substrate W at the first temperature.
  • the second temperature mentioned above is, for example, below room temperature, and more specifically, it is preferable that it is, for example, below 5°C. Therefore, the second temperature is, for example, -20°C to 5°C.
  • the above room temperature is the temperature of the clean room in which the etching apparatus 1 is placed, for example, 24°C.
  • the first temperature and the second temperature have only a slight difference from the boiling point of the etching product; for example, the first temperature is set to -1°C or less than the boiling point, and the second temperature is set to +1°C or less than the boiling point (so the difference between the first temperature and the second temperature is set to 2°C or less). In this way, by setting the first temperature and the second temperature respectively near the boiling point of the etching product, it is possible to quickly adjust the temperature between the first and second temperatures.
  • the first temperature and the second temperature can be set based on the boiling point of the etching product.
  • this boiling point if the substance of the etching product produced by the reaction is known, the boiling point of that substance can be set at the pressure inside the chamber 10 when the substrate W is heated to the second temperature. Even if the substance of the etching product is unknown, the boiling point can be determined by performing a preliminary test before processing the substrate W in the etching device 1. In the preliminary test, the pressure inside the chamber 10 is set to the pressure when the substrate W is heated to the second temperature during actual processing, and the substrate W that has been sufficiently cooled and supplied with etching gas is heated to cause the etching reaction. The temperature at which this etching reaction is recognized to have occurred can be set to the boiling point.
  • the etching apparatus 1A includes a first module that performs steps ST2 and ST3, and a second module that performs steps ST4 and ST5.
  • the first module has the same configuration as the etching apparatus 1
  • the second module has the same configuration as the etching apparatus 1 except that an etching gas is not supplied.
  • the etching apparatus 1A includes a chamber 10 for processing the substrate W at a first temperature and a chamber 10 for processing the substrate W at a second temperature, separately.
  • the etching apparatus 1A includes a transport path for the substrate W that connects the chamber 10 of the first module and the chamber 10 of the second module to form a vacuum atmosphere, and a transport mechanism that can move along the transport path.
  • the substrate W is repeatedly moved back and forth between the chambers 10 by the transport mechanism, and a cycle consisting of steps ST2 to ST5 is repeated.
  • the apparatus may be configured such that it is not necessary to change the temperature of the substrate W between the first and second temperatures in one chamber 10. Note that, because of the apparatus configuration described above, the etching apparatus 1A can maintain a vacuum atmosphere around the substrate W while the above cycle is repeated, just like the etching apparatus 1.
  • the substrate W is processed by creating a vacuum atmosphere around it.
  • the vacuuming in step ST5 is performed by evacuating the chamber 10 so that a higher vacuum atmosphere is formed around the substrate W compared to steps ST2 to ST4.
  • etching may be performed by raising the substrate W to the second temperature in step ST4 without performing step ST3 in which excess etching gas not adsorbed on the surface of the substrate W is removed from the surface of the substrate W by purging or exhausting.
  • the amount of etching gas supplied to the chamber 10 is determined to be an appropriate amount by performing experiments in advance, for example, so that the adsorption on the SiGe film surface to be etched is saturated and the variation in the amount of adsorption at each part of the surface is suppressed.
  • it is effective to perform step ST3.
  • the example substrate structure shown in FIG. 6 is merely an example, and can be applied to any substrate having SiGe or Ge on the surface.
  • the structure of the etching device is also merely an example, and devices of various configurations can be used.
  • the example shows a case where a semiconductor wafer is used as the substrate, it is not limited to semiconductor wafers, and other substrates such as FPD (flat panel display) substrates, such as LCD (liquid crystal display) substrates, and ceramic substrates may also be used.
  • evaluation test 1 the etching process of the present disclosure was performed on a plurality of wafers each having a SiGe film formed on a flat surface using the etching apparatus 1A, and the amount of etching of the SiGe film was measured.
  • the etching process was performed by changing the combination of the number of times the cycle of steps ST2 to ST5 was performed (hereinafter, referred to as the number of cycles) and the duration of step ST2 (i.e., the supply time of the etching gas) for each wafer.
  • the supply time of the etching gas was 30 sec, and the number of cycles was 1, 2, or 5.
  • the first temperature of the wafer in steps ST2 and ST3 was set to a temperature within the preferred range described in the above embodiment.
  • the chamber 10 was evacuated for 120 sec with the wafer placed on the placement table 12, and a purge gas, which is a mixed gas of N 2 gas and Ar gas, was supplied into the chamber 10 for 60 sec.
  • the total time of steps ST4 and ST5 was 300 sec, and the temperature of the wafer in ST4 and ST5 was set to 190° C.
  • the reason for heating the wafer at such a temperature higher than the temperature exemplified in the embodiment is to ensure that the etching product is removed from the wafer in order to accurately verify the influence of the difference in the supply time of the etching gas between the evaluation tests 1-1 to 1-4 (1-2 to 1-4 will be described later).
  • the etching gas supply time was 90 seconds.
  • the number of cycles was 1, 2, 4, or 8 in evaluation test 1-2, and 1, 2, or 5 in evaluation test 1-3.
  • the etching gas supply time was 120 seconds, and the number of cycles was 1, 2, or 5.
  • Other test conditions for evaluation tests 1-2 to 1-4 were set to the same as those for evaluation test 1-1.
  • FIG. 10 is a graph showing the results of evaluation test 1, showing the change in the amount of etching versus the number of cycles.
  • the vertical axis of the graph shows the normalized value obtained by dividing the measured value of the amount of etching by a predetermined value, and the horizontal axis of the graph shows the number of cycles.
  • the graph plots the measurement results of evaluation tests 1-1 to 1-4, and shows the approximate straight lines calculated from the measurement results for each of evaluation tests 1-1 to 1-4, each of which is shown with a different line type. As is clear from the graph, the amount of etching in evaluation tests 1-1 to 1-4 increases roughly in proportion to the number of cycles.
  • the unnormalized amount of etching when the number of cycles was one was about 1 ⁇ . From these results, it was found that the etching method disclosed herein can etch a very small amount of SiGe film, and the amount of etching can be adjusted by the number of cycles.
  • evaluation test 1-1 in which the etching gas supply time was 30 seconds, the adsorption of the etching gas to the surface of the SiGe film was not saturated, that is, part of the surface of the SiGe film was not covered by the etching gas and was exposed.
  • the etching gas supply time was 90 seconds or more, it is presumed that the adsorption was saturated, that is, the etching gas was adsorbed and covered the entire surface of the SiGe film. If the adsorption is not saturated, there is a risk of the amount of etching varying in each part of the film to be etched. Therefore, it is clear from this evaluation test 1 that the etching gas supply time is preferably longer than 30 seconds, and more preferably 90 seconds or more.
  • ⁇ Evaluation Test 2> a substrate having a laminated portion in which SiGe films and Si films are alternately provided on the surface portion as shown in FIG. 6 was prepared and tested.
  • the SiGe films are formed in three stages separated from each other, and the upper and lower sides of the SiGe film of each stage are in contact with the Si film.
  • the side surfaces of each SiGe film are generally flat and formed generally perpendicular to the surface direction of the substrate.
  • the etching process of the present disclosure and the etching process of the comparative example described later were performed on such a substrate, and SEM images obtained before and after the etching process were compared.
  • the difference in etching between the SiGe films and the rectangularity of the recesses formed by etching the SiGe films of each stage were verified from the SEM images. Furthermore, the lateral etching amount of each SiGe film at different height positions was measured, and the variation was calculated.
  • this recess is formed by the lower surface of the Si film above the SiGe film and the upper surface of the Si film below the SiGe film being perpendicular to the side of the SiGe film. If such a recess is taken as the reference recess, then high rectangularity means that the shape of the recess that is actually formed is close to the shape of the reference recess, which also means that the etching of the side of the SiGe film in the height direction is highly uniform. For this reason, high rectangularity is desirable.
  • evaluation test 2-1 etching of a comparative example was performed. Unlike the etching of the present disclosure, the etching of this comparative example was performed by setting the substrate temperature to a relatively high temperature so that the etching gas reacted with the SiGe film during the supply of the etching gas in step ST2 to generate an etching product. In other words, the substrate was heated to a temperature higher than the range exemplified as the first temperature, and the etching gas was supplied. In evaluation test 2-2, the etching described in FIG. 1 was performed. The processing conditions other than the substrate temperature described above were the same between evaluation tests 2-1 and 2-2.
  • Figures 11 and 12 are SEM images of the substrate after the etching process of evaluation test 2-1, and Figure 12 is an enlarged portion of the image in Figure 11. As these images show, the central portion of the side of each SiGe film in the stacking direction of each film (thickness direction of the substrate) was etched more than the other portions, and the rectangularity described above was not high. Furthermore, the amount of etching of the second-stage SiGe film was less than the amount of etching of the first and third-stage SiGe films.
  • Figures 13 and 14 are SEM images of the substrate after the etching process of evaluation test 2-2, and Figure 14 is an enlarged portion of the image in Figure 13. As shown in these images, the side surfaces of each SiGe film are relatively flat, and therefore the rectangularity described above is good. Furthermore, the etching amounts of the first to third SiGe films were roughly uniform. The standardized value of the average etching amount was 1.04. Regarding the variation in the calculated etching amount, the standardized value of 3 ⁇ (unit: nm) was 0.3, and 3 ⁇ % was 27.5%.
  • evaluation test 2-2 suppressed the variation in the etching amount within the same SiGe film and between SiGe films of different heights. It was also shown that evaluation test 2-2 had a higher rectangularity of the space formed by etching, and that evaluation test 2-2 suppressed the loading (difference in etching rate) between the film formed on the upper side of the substrate (top) and the film formed on the lower side of the substrate (bottom).

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Abstract

本開示のエッチング方法は、表面部分にＳｉＧｅまたはＧｅを有する基板をチャンバー内に設けることと、ＳｉＧｅまたはＧｅをエッチングするためのエッチングガスを、エッチング反応が生じない第１の温度に保持された基板に供給して、基板の表面に吸着させることと、基板の温度をＳｉＧｅまたはＧｅとエッチングガスとの反応が生じる第２の温度にしてＳｉＧｅまたはＧｅをエッチングすることとを有する。

Description

エッチング方法およびエッチング装置
　本開示は、エッチング方法およびエッチング装置に関する。
　近時、シリコン（Ｓｉ）以外の半導体材料としてシリコンゲルマニウム(ＳｉＧｅ)やゲルマニウム（Ｇｅ）が注目されている。特許文献１には、このようなＳｉＧｅやＧｅをフッ素含有ガスと水素含有ガスを含む処理ガスを用いてＳｉに対して選択的にエッチングする技術が提案されている。
特開２０２０－５３４４８号公報
　本開示は、ＳｉＧｅまたはＧｅを高い制御性でエッチングすることができるエッチング方法およびエッチング装置を提供する。
　本開示の一態様に係るエッチング方法は、表面部分にＳｉＧｅまたはＧｅを有する基板をチャンバー内に設けることと、ＳｉＧｅまたはＧｅをエッチングするためのエッチングガスを、エッチング反応が生じない第１の温度に保持された前記基板に供給して、基板の表面に吸着させることと、前記基板の温度を前記ＳｉＧｅまたはＧｅと前記エッチングガスとの反応が生じる第２の温度にして前記ＳｉＧｅまたはＧｅをエッチングすることと、を有する。
　本開示によれば、ＳｉＧｅまたはＧｅを高い制御性でエッチングすることができるエッチング方法およびエッチング装置が提供される。
一実施形態に係るエッチング方法の具体例を示すフローチャートである。 一実施形態のエッチング方法のステップＳＴ２が行われた際における基板の状態の一例を模式的に示す断面図である。 一実施形態のエッチング方法のステップＳＴ３が行われた際における基板の状態の一例を模式的に示す断面図である。 一実施形態のエッチング方法のステップＳＴ４が行われた際における基板の状態の一例を模式的に示す断面図である。 一実施形態に係るエッチング方法におけるステップＳＴ２～ＳＴ５のプロセスシーケンスの典型例を示すタイミングチャートである。 一実施形態のエッチング方法が適用される基板であるウエハの構造例を示す断面図である。 図６の構造のウエハにおいて、ＳｉＧｅ膜を部分的にエッチングした状態を示す断面図である。 図６の構造のウエハにおいて、ＳｉＧｅ膜を全てエッチングした状態を示す断面図である。 一実施形態に係るエッチング方法を実施するためのエッチング装置の一例を示す断面図である。 評価試験の結果を示すグラフ図である。 評価試験の結果を示すＳＥＭ画像である。 評価試験の結果を示すＳＥＭ画像である。 評価試験の結果を示すＳＥＭ画像である。 評価試験の結果を示すＳＥＭ画像である。
　以下、添付図面を参照しながら、実施形態について説明する。
　＜エッチング方法＞
　一実施形態に係るエッチング方法においては、最初に、表面部分にＳｉＧｅまたはＧｅを有する基板を、エッチング処理を行うためのチャンバー内に設ける。次いで、ＳｉＧｅまたはＧｅをエッチングするためのエッチングガスを、エッチング反応が生じない第１の温度に保持された基板に供給して、基板の表面に吸着させる。次いで、基板の温度をＳｉＧｅまたはＧｅとエッチングガスとの反応が生じる第２の温度にしてＳｉＧｅまたはＧｅをエッチングする。エッチングガスを基板の表面に吸着させることと、エッチングすることとは複数回繰り返してもよい。
　一実施形態に係るエッチング方法の具体例について図１を参照して説明する。図１は一実施形態に係るエッチング方法の具体例を示すフローチャートである。
　最初に、表面部分にＳｉＧｅまたはＧｅを有する基板を、エッチング処理を行うためのチャンバー内に設ける（ステップＳＴ１）。
　次に、ＳｉＧｅまたはＧｅをエッチングするためのエッチングガスを、エッチング反応が生じない第１の温度に保持された基板に供給して、基板の表面に吸着させる（ステップＳＴ２）。
　次に、エッチングガスをチャンバーから排出させる（ステップＳＴ３）。
　次に、基板の温度をＳｉＧｅまたはＧｅとエッチングガスとの反応が生じる第２の温度にしてＳｉＧｅまたはＧｅをエッチングする（ステップＳＴ４）。
　次に、エッチングにより生じた残留物をチャンバーから排出させる（ステップＳＴ５）。
　以上のステップＳＴ２～ＳＴ５を１回または複数回の予め定められた回数行うことにより、ＳｉＧｅまたはＧｅに対して所望の量のエッチングが行われる。
　以下、詳細に説明する。
　ＳｉＧｅのＳｉおよびＧｅの割合は任意であるが、Ｓｉが９０ａｔ％以下であることが好ましい。また、ＳｉＧｅ、Ｇｅの形態は特に限定されないが、膜として形成されたものが例示され、膜としては化学蒸着（ＣＶＤ）法で形成されたものが例示される。基板は特に限定されないが、半導体ウエハ（以下単にウエハと記す）が例示される。
　基板は特に限定されないが、例えば、ＳｉＧｅまたはＧｅ以外に、処理中にエッチングガスが接触する部分にＳｉが存在するものを挙げることができる。この場合には、ＳｉＧｅまたはＧｅをＳｉに対して選択的にエッチングすることが望ましい。Ｓｉについても存在形態は特に限定されず、バルクであっても膜であってもよい。ＳｉにはＢ、Ｐ、Ｃ、Ａｓ等がドープされていてもよい。
　ステップＳＴ２において、基板表面にエッチングガスを含む処理ガスを供給して吸着させる際に、エッチング対象のＳｉＧｅまたはＧｅの表面に飽和するまでエッチングガスを吸着させる。例えば、図２に示すように、基板Ｗにおいて半導体基体１００上に形成されたＳｉＧｅ膜１０１の表面に飽和するまでエッチングガス１０２を吸着させる。このとき、基板はエッチング反応が生じない第１の温度に保持されているため、ＳｉＧｅ膜１０１は吸着されたエッチングガス１０２とは反応しない。処理ガスとしては、エッチングガスの他に、Ｎ２ガスやＡｒガスのような不活性ガスを希釈ガスまたはキャリアガスとして含んでいてもよい。不活性ガスはパージガスとして用いることもできる。
　エッチングガスは、ＳｉＧｅまたはＧｅをエッチングすることができれば特に限定されない。例えば、フッ素含有ガスを挙げることができる。フッ素含有ガスは、ＳｉＧｅまたはＧｅをＳｉに対して高選択比でエッチングする場合に好適である。フッ素含有ガスとしては、ＣｌＦ３ガス、Ｆ２ガス、ＳＦ６ガス、ＩＦ７ガスを挙げることができ、これらの少なくとも一種を用いることができる。
　エッチングガスとしてフッ素含有ガスを用いる場合には、第１の温度を、エッチング生成物の沸点より低くすることによりエッチング反応を生じさせずにエッチングガスを吸着させることができる。エッチング生成物は、当該エッチングガスとＳｉＧｅまたはＧｅとの反応生成物であって、Ｇｅ及びＦを含む化合物である。第１の温度が低すぎると、第１の温度と第２の温度との間で温度変更を行うために使用されるエネルギーが大きくなってしまい、また当該温度変更に要する時間も長くなってしまう。以上のようにエッチングガスを吸着させ、且つ過度の基板の冷却を避けるようにする観点から、第１の温度は、好ましくは－４０℃以上、－２０℃以下である。
　基板温度の制御は基板を載置する載置台に設けられた、冷却機構や加熱機構等の温調機構を用いることができる。基板を静電力で吸着する静電チャックを用いて基板を吸着することにより高精度で基板の温度制御を行うことができる。
　ステップＳＴ２を実施する際の圧力は、用いるエッチングガスに応じて適宜設定される。エッチングガスがフッ素含有ガス、例えばＦ２ガスの場合には、０．０１～１Ｔｏｒｒ（１．３３～１３３Ｐａ）の範囲が好適である。また、ステップＳＴ２の時間は、エッチングガスがエッチング対象のＳｉＧｅまたはＧｅの表面に飽和するまで吸着できる時間であればよく、例えば１０～３００ｓｅｃ（秒）である。エッチングガスがフッ素含有ガス、例えばＦ２ガスの場合には、後述の試験結果で示すように３０ｓｅｃよりも長い時間が好ましい。
　ステップＳＴ３では、エッチングガスをチャンバーから排出させることにより、ステップＳＴ２で基板の表面に吸着されたエッチングガス１０２のうち余分なガスが除去される。これにより、ＳｉＧｅまたはＧｅの表面のエッチングガスの吸着量を制御することができる。図２の例の場合には、図３に示すように、ＳｉＧｅ膜１０１の表面のエッチングガス１０２の吸着量を例えば１原子層または１分子層に制御する。ステップＳＴ３のエッチングガス排出の手法は特に限定されないが、チャンバー内を不活性ガスでパージすることにより行うことができる。また、チャンバーを真空引きすることによりエッチングガスを排出してもよい。
　ステップＳＴ４では、ステップＳＴ３によりＳｉＧｅまたはＧｅの表面のエッチングガスが吸着された状態で、基板の温度を第１の温度から第２の温度に変化させ、ＳｉＧｅまたはＧｅをエッチングする。すなわち、基板の温度を第２の温度にすることにより、ＳｉＧｅまたはＧｅと吸着されたエッチングガスとの反応が生じる。このとき、エッチングガスを吸着させてからエッチング反応を生じさせるので、ＳｉＧｅまたはＧｅを高い制御性でエッチングすることができる。また、ステップＳＴ３によりエッチングガスの吸着量が制御されることにより、エッチング量をより高精度に制御することができる。図３に示す例では、ＳｉＧｅ膜１０１の表面に吸着されたエッチングガス１０２が１原子層または１分子層に制御されており、この状態からエッチング反応が生じると、図４に示すように、ＳｉＧｅ膜１０１は、エッチングガスの吸着量に対応した分だけ高精度でエッチングすることができる。図中１０３は、ＳｉＧｅ膜１０１のエッチング部分である。
　エッチングガスとしてフッ素含有ガスを用いる場合には、第２の温度を、上記したエッチング生成物の沸点以上とすることによりエッチング反応を生じさせることができる。なお、ここでいう沸点は、昇華点を含む。第２の温度は、上記した第１の温度よりも高い温度であり、好ましくは－２０℃以上である。
　基板温度を第１の温度から第２の温度に変更する際には、温調機構の制御温度を変更することにより対応することができる。また、載置台の温調機構の制御温度を変更せずに、載置台に対向して設けられたガス吐出部であるシャワーヘッドに設けられた温調機構を用い、載置台に設けられたリフトピンにより基板を持ち上げて基板の温度を変更するようにしてもよい。さらに、基板にガスを供給することにより基板の温度を変更することや、プラズマ生成部により生成したプラズマを用いて基板の温度を変更することも可能である。
　ステップＳＴ４を実施する際の圧力は、用いるエッチングガスに応じて適宜設定される。エッチングガスがフッ素含有ガス、例えばＦ２ガスの場合には、０．０１～３Ｔｏｒｒ（１．３３～４００Ｐａ）の範囲が好適である。また、ステップＳＴ４の時間は、吸着されたエッチングガスがＳｉＧｅまたはＧｅと適切に反応可能な時間に設定される。例えば、エッチングガスがフッ素含有ガス、例えばＦ２ガスの場合には、３０ｓｅｃよりも長い時間が好ましい。基板がＳｉＧｅまたはＧｅとＳｉとが共存する構造を有し、ＳｉＧｅまたはＧｅをＳｉに対して選択的にエッチングする場合には、ステップＳＴ４の時間はＳｉのエッチングが極力抑制されるように設定される。
　ステップＳＴ５は、エッチングにより生じた残留物をチャンバーから排出することができればその手法は限定されない。例えば、チャンバー内を真空引きすることにより行うことができる。チャンバー内を不活性ガスでパージした後に真空引きを行ってもよい。
　このようなステップＳＴ２～ＳＴ５のプロセスシーケンスの典型例は図５のタイミングチャートに示す通りである。図５のプロセスシーケンスでは、ステップＳＴ２で基板を第１の温度に保持した状態でエッチングガスをＯＮにしてエッチングガスの吸着を行う。ステップＳＴ３ではエッチングガスをＯＦＦとしパージガスをＯＮにしてチャンバー内のパージを行う。ステップＳＴ４では基板の温度を第２の温度に上昇させてエッチング反応を進行させる。ステップＳＴ５ではチャンバー内を真空引きしてチャンバー内の残留物を除去する。
　次に、一実施形態のエッチング方法の適用例について説明する。
　図６は、一実施形態のエッチング方法が適用される基板であるウエハの構造例を示す断面図である。図６のウエハＷは、例えばＳｉからなる半導体基体１００の表面に、ＳｉＧｅ膜１１１と、Ｓｉ膜１１２とが交互に積層された積層構造部１１３を有している。積層構造部１１３にはプラズマエッチングにより凹部１１４が形成されており、凹部１１４には交互に積層されたＳｉＧｅ膜１１１とＳｉ膜１１２の側面が露出している。
　図６のウエハＷに対し、Ｆ２ガスのようなフッ素含有ガスを用いて上述のようなステップＳＴ２～ＳＴ５を繰り返し実施することにより、図７に示すように、ＳｉＧｅ膜１１１がサイドエッチングされ、ＳｉＧｅ膜１１１がＳｉ膜１１２に対して選択的にエッチングされる。図７ではＳｉＧｅ膜１１１が部分的にエッチングされている状態を示しているが、図８のように全てエッチングされてもよい。全てエッチングされても、残存するＳｉ膜１１２はＳｉＮ等からなる支持柱１１５により支持される。
　本実施形態では、基板の表面にエッチングガスを吸着させた後に吸着量を制御し、基板の温度を第１の温度から第２の温度にしてエッチング反応を生じさせる処理を行うことにより、基板の表面に存在するＳｉＧｅまたはＧｅを高い制御性でエッチングすることができる。
　すなわち、本実施形態では、ＳｉＧｅまたはＧｅの表面のエッチングガスの吸着量を制御した後に温度を変化させエッチング反応を進行させるので、一回のエッチング量は吸着したエッチングガスに対応した微量となり、高い制御性でエッチングすることができる。そして、ステップＳＴ２～ＳＴ５を１回または複数回行うことにより、所望のエッチング量でエッチングを行うことができる。具体的には、エッチングの際のラフネス制御が可能であり、微量のエッチング量制御も可能である。また、粗密パターンにおけるローディングや、トップ／ボトムのローディングを抑制することも可能である。
　＜エッチング装置＞
　次に、実施形態に係るエッチング方法を実施するためのエッチング装置の一例について説明する。図９は、エッチング装置の一例を示す断面図である。
　図９に示すように、エッチング装置１は、密閉構造のチャンバー１０を備えている。チャンバー１０の内部には、基板Ｗを水平状態で載置する載置台１２が設けられている。基板Ｗは表面にＳｉＧｅまたはＧｅを有するものであり、例えば、図６の構造を有している。また、エッチング装置１は、チャンバー１０にエッチングガスを供給するガス供給機構１３、チャンバー１０内を排気する排気機構１４、および制御部１５を備えている。
　チャンバー１０は、チャンバー本体２１と蓋部２２とによって構成されている。チャンバー本体２１は、略円筒形状の側壁部２１ａと底部２１ｂとを有し、上部は開口となっており、この開口が蓋部２２で閉止される。側壁部２１ａと蓋部２２とは、シール部材（図示せず）により密閉されて、チャンバー１０内の気密性が確保される。
　蓋部２２は、外側を構成する蓋部材２５と、蓋部材２５の内側に嵌め込まれ、載置台１２に臨むように設けられたシャワーヘッド２６とを有している。シャワーヘッド２６は円筒状をなす側壁２７ａと上部壁２７ｂとを有する本体２７と、本体２７の底部に設けられたシャワープレート２８とを有している。本体２７とシャワープレート２８との間には空間２９が形成されている。
　蓋部材２５および本体２７の上部壁２７ｂには空間２９まで貫通してガス導入路３１が形成されており、このガス導入路３１には後述するガス供給機構１３の配管４９が接続されている。
　シャワープレート２８には複数のガス吐出孔３２が形成されており、配管４９およびガス導入路３１を経て空間２９に導入されたガスがガス吐出孔３２からチャンバー１０内の空間に吐出される。
　側壁部２１ａには、基板Ｗを搬入出する搬入出口２３が設けられており、この搬入出口２３はゲートバルブ２４により開閉可能となっている。
　載置台１２は、平面視略円形をなしており、チャンバー１０の底部２１ｂに固定されている。載置台１２の内部には、載置台１２の温度を調節し、その上に載置された基板Ｗの温度を制御する温調機構３５が設けられている。温調機構３５は、例えば、低温の冷却媒体が循環する管路およびヒータを有しており、基板Ｗを温調可能となっている。載置台１２は基板Ｗを静電力で吸着する静電チャックが設けられていてもよい。基板Ｗを吸着することにより温調機構３５により高精度で基板Ｗの温度制御を行うことができる。載置台１２は、基板Ｗを搬送する際に用いるリフトピン（図示せず）が内蔵されている。
　基板温度の第１の温度から第２の温度への変更は、温調機構３５の制御温度を変更することにより行うことができる。また、載置台１２の温調機構３５の制御温度を変更せずに、載置台１２に対向して設けられたシャワーヘッド２６に温調機構を設け、載置台１２に設けられたリフトピン（図示せず）により基板Ｗを持ち上げて基板の温度を変更するようにしてもよい。さらに、基板Ｗにガスを供給することにより基板Ｗの温度を変更することや、適宜のプラズマ生成部を設けて基板にプラズマを作用させることより基板Ｗの温度を変更することも可能である。
　ガス供給機構１３は、エッチングガスを含む処理ガスを供給するものであり、本例ではエッチングガスとしてフッ素含有ガスであるＦ２ガスを供給する。また、処理ガスとしてはエッチングガスの他、不活性ガスを供給する。本例では不活性ガスとしてＮ２ガスを供給する。不活性ガスは、キャリアガス、希釈ガス、パージガスとして用いられる。具体的には、ガス供給機構１３は、エッチングガスであるＦ２ガスを供給するＦ２ガス供給源４５、不活性ガスであるＮ２ガスを供給するＮ２ガス供給源４６を有しており、これらにはそれぞれ、Ｆ２ガス供給配管４１、Ｎ２ガス供給配管４２の一端が接続されている。Ｆ２ガス供給配管４１およびＮ２ガス供給配管４２の他端は、共通の配管４９に接続され、配管４９が上述したガス導入路３１に接続されている。Ｆ２ガス供給配管４１、Ｎ２ガス供給配管４２には、それぞれ、流路の開閉動作および流量制御を行う流量制御部４１ａ、４２ａが設けられている。流量制御部４１ａ、４２ａは例えば開閉弁およびマスフローコントローラのような流量制御器により構成されている。
　したがって、エッチングガスであるＦ２ガス、不活性ガスであるＮ２ガスは、各ガス供給源４５、４６から配管４１、４２、４９を経てシャワーヘッド２６内に供給され、シャワープレート２８のガス吐出孔３２からチャンバー１０内へ吐出される。
　排気機構１４は、チャンバー１０の底部２１ｂに形成された排気口５１に繋がる排気配管５２を有しており、さらに、排気配管５２に設けられた、チャンバー１０内の圧力を制御するための自動圧力制御弁（ＡＰＣ）５３およびチャンバー１０内を排気するための真空ポンプ５４を有している。
　チャンバー１０の側壁には、チャンバー１０内の圧力を計測するための圧力計として高圧用および低圧用の２つのキャパシタンスマノメータ５６ａ，５６ｂが、チャンバー１０内に挿入されるように設けられている。キャパシタンスマノメータ５６ａ，５６ｂの検出値に基づいて、自動圧力制御弁（ＡＰＣ）５３の開度が調整され、チャンバー１０内の圧力が制御される。
　制御部１５は、典型的にはコンピュータからなり、エッチング装置１の各構成部を制御するＣＰＵを有する主制御部を有している。また、制御部１５は、主制御部に接続された、入力装置（キーボード、マウス等）、出力装置（プリンタ等）、表示装置（ディスプレイ等）、記憶装置（記憶媒体）をさらに有している。制御部１５の主制御部は、例えば、記憶装置に内蔵された記憶媒体、または記憶装置にセットされた記憶媒体に記憶された処理レシピに基づいて、エッチング装置１の動作を制御する。
　このようなエッチング装置１においては、基板Ｗをチャンバー１０内に搬入し、載置台１２に載置する。載置台１２は温調機構３５により温調され、基板Ｗの温度はエッチング反応が生じない第１の温度とされる。第１の温度は、載置台１２の温調機構３５により、エッチング生成物の沸点より低い温度、好ましくは－４０℃～－２０℃とされる。チャンバー１０内の圧力は、例えば０．０１～１Ｔｏｒｒ（１．３３～１３３Ｐａ）の範囲の圧力に制御される。
　この状態で、エッチングガスとしてのフッ素含有ガスであるＦ２ガスを含む処理ガスをチャンバー１０内に供給する。これにより、第１の温度に保持された基板Ｗの表面にフッ素含有ガスであるＦ２ガスが吸着される。このとき、処理ガスとしてＦ２ガス以外に不活性ガスであるＮ２ガスを供給してもよい。Ｆ２ガスの吸着処理は、基板Ｗの表面に存在するエッチング対象であるＳｉＧｅまたはＧｅの表面に飽和するまで行われる。この際の時間は、３０ｓｅｃよりも長い時間が好ましい。
　次に、Ｆ２ガスを停止し、例えば、Ｎ２ガスをチャンバー１０内に供給して、チャンバー１０内をパージすることにより、基板Ｗに吸着されたＦ２ガスをチャンバー１０から排出させ、Ｆ２ガスの吸着量を制御する。
　次に、基板Ｗの温度を第１の温度から第２の温度に上昇させて、基板ＷのＳｉＧｅまたはＧｅと吸着されたエッチングガスとの反応を生じさせ、ＳｉＧｅまたはＧｅのエッチングを進行させる。第２の温度は、エッチング生成物の沸点以上とされ、好ましくは－２０℃以上とされる。チャンバー１０内の圧力は、例えば０．０１～３Ｔｏｒｒ（１．３３～４００Ｐａ）の範囲の圧力に制御される。
　このとき、基板温度の第１の温度から第２の温度への変更は、上述したように、温調機構３５の制御温度を変更することにより行うことができる。また、上述のように、温調機構３５の制御温度を変更せずに、基板Ｗをリフトピンで持ち上げたり、基板Ｗにガスを供給したり、プラズマを用いたりして基板Ｗの温度を変更するようにしてもよい。この際のエッチング時間は、３０ｓｅｃよりも長い時間が好ましい。図６に示すように、基板ＷがＳｉＧｅまたはＧｅとＳｉとが共存する構造を有する場合には、Ｓｉのエッチングが極力抑制されるように設定される。
　次に、チャンバー１０内を排気機構１４により真空排気して、エッチングにより生じた残留物をチャンバーから排出する。
　以上の処理を１回または複数回の予め定められた回数行うことにより、ＳｉＧｅまたはＧｅに対して所望の量のエッチングを実施する。エッチングが終了後、基板Ｗをチャンバー１０から搬出する。
　ところでエッチング装置１では、１つのチャンバー１０内で基板Ｗの温度を変更することによって処理を行う。従って、温調機構３５により基板Ｗの温度を変更して処理を行うにあたり、第２の温度が高すぎる場合は、１つの基板ＷをステップＳＴ２～ＳＴ５の繰り返しによって処理したり、複数の基板Ｗを順次チャンバー１０に搬入して処理したりする上で、第１の温度で基板Ｗを処理可能となるまでの時間が長くなってしまう。つまり、第２の温度で基板Ｗを処理後、第１の温度で基板Ｗを処理するためのチャンバー１０内の各部の冷却に長い時間を要してしまう。その冷却時間の長さに起因するスループットの低下を防ぎつつエッチング生成物を気化させる観点から、これまでに述べた第２の温度は例えば常温以下とすることが好ましく、より具体的には例えば５℃以下とすることが好ましい。従って、第２の温度は例えば－２０℃～５℃とする。上記の常温はエッチング装置１が配置されるクリーンルームの温度であり、例えば２４℃である。
　なお、第１の温度、第２の温度について、エッチング生成物の沸点に対する差が僅かにあればよく、例えば第１の温度を当該沸点の－１℃以下、第２の温度を当該沸点の＋１℃以下とする（従って、第１の温度と第２の温度との差を２℃以下にする）。このように、第１の温度および第２の温度をエッチング生成物の沸点近傍にそれぞれ設定することで、第１、第２の温度間で速やかに温度調整できるようにしてもよい。
　このように第１の温度及び第２の温度はエッチング生成物の沸点を基準にして設定することができる。この沸点について、反応によって生じるエッチング生成物の物質が明らかな場合は、第２の温度になるように基板Ｗを昇温させる際におけるチャンバー１０内の圧力での当該物質の沸点とすればよい。エッチング生成物の物質が不明であってもエッチング装置１で基板Ｗの処理前に予備試験を行うことで、当該沸点を決めることができる。予備試験としてはチャンバー１０内の圧力を実際の基板Ｗの処理時に第２の温度に昇温させる際の圧力とし、充分に冷却されると共にエッチングガスが供給された基板Ｗを昇温させてエッチング反応させる。このエッチング反応したと認められる時の温度を沸点とすればよい。
　＜エッチング装置の他の例＞
　ところでエッチング装置の他の例であるエッチング装置１Ａについて以下に述べる。エッチング装置１Ａは、ステップＳＴ２、ＳＴ３を実施する第１モジュールと、ステップＳＴ４、ＳＴ５を実施する第２モジュールと、を備える。第１モジュールはエッチング装置１と同様の構成であり、第２モジュールは、エッチングガスの供給が行われないことを除いてエッチング装置１と同様の構成である。従ってエッチング装置１Ａは、基板Ｗを第１の温度で処理するチャンバー１０と、基板Ｗを第２の温度で処理するチャンバー１０と、を個別に備える。
　そしてエッチング装置１Ａは、第１モジュールのチャンバー１０と第２モジュールのチャンバー１０とを接続して真空雰囲気が形成される基板Ｗの搬送路、及びこの搬送路を移動可能な搬送機構を備える。搬送機構によって基板Ｗがチャンバー１０間を繰り返し往復移動することで、ステップＳＴ２～ＳＴ５からなるサイクルが繰り返し行われる。このように１つのチャンバー１０内において基板Ｗを第１の温度と第２の温度との間で変更する必要が無い装置構成としてもよい。なお、以上に説明した装置構成であるために、エッチング装置１Ａでもエッチング装置１と同じく、上記のサイクルが繰り返される間、基板Ｗの周囲を真空雰囲気に保つことができる。ところで上記のステップＳＴ５の真空引きについて補足しておくと、そのようにステップＳＴ２～ＳＴ５において例えば基板Ｗの周囲は真空雰囲気とされることで処理が行われる。ステップＳＴ５の真空引きは、ステップＳＴ２～ＳＴ４に比べて基板Ｗの周囲に高い真空度の雰囲気が形成されるようにチャンバー１０内が排気されることで行われる。
〈その他〉
　例えばエッチングガスを第１の温度の基板Ｗに吸着させるステップＳＴ２を行った後、パージや排気によって基板Ｗの表面から当該表面に吸着されていない余分なエッチングガスを除去するステップＳＴ３が行われずに、ステップＳＴ４の基板Ｗを第２の温度にすることでのエッチングが行われてもよい。チャンバー１０に供給するエッチングガスの供給量については、例えばエッチング対象のＳｉＧｅ膜表面への吸着が飽和し、且つ表面の各部での吸着量のばらつきが抑えられるように、事前に実験等を行うなどして、適量となるように決めておく。ただし吸着量のばらつきがより確実に抑えられるようにしてＳｉＧｅ膜表面の各部でエッチング量がばらつくことを抑えるために、ステップＳＴ３を行うことが有効である。
　＜他の適用＞
　以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
　例えば、図６に示す基板の構造例はあくまで例示であり、表面部分にＳｉＧｅまたはＧｅを有する基板であれば適用可能である。また、上記エッチング装置の構造についても例示に過ぎず、種々の構成の装置を用いることができる。また、基板として半導体ウエハを用いた場合について示したが、半導体ウエハに限らず、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）用基板に代表されるＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。
［評価試験］
　以下、本開示におけるエッチング方法に関して行われた評価試験について説明する。
＜評価試験１＞
　評価試験１として、平坦な表面にＳｉＧｅ膜が形成された複数のウエハに対して、エッチング装置１Ａを用いて本開示のエッチング処理を行い、当該ＳｉＧｅ膜のエッチング量を測定した。エッチング処理については、ウエハ毎にステップＳＴ２～ＳＴ５のサイクルを実施する回数（以下、サイクル数と記載する）及びステップＳＴ２の実施時間（即ち、エッチングガスの供給時間）の組み合わせを変更して行った。
　評価試験１－１として、エッチングガスの供給時間を３０ｓｅｃ、サイクル数を１回、２回または５回とした。そして、ステップＳＴ２、ＳＴ３におけるウエハの第１温度を上記した実施形態で説明した好ましい範囲内の温度とした。ステップＳＴ３として、ウエハが載置台１２に載置される状態でチャンバー１０内を１２０ｓｅｃ排気し、そのうちの６０ｓｅｃチャンバー１０内へ、Ｎ２ガス及びＡｒガスの混合ガスであるパージガスの供給を行った。ステップＳＴ４、ＳＴ５の合計時間は３００ｓｅｃとし、このＳＴ４、ＳＴ５におけるウエハの温度は、１９０℃となるようにした。なお、そのように実施形態で例示した温度よりも高い温度でウエハを加熱するのは、評価試験１－１～１－４（１－２～１－４については後述）の間でのエッチングガスの供給時間の違いによる影響を正確に検証する目的で、エッチング生成物がウエハから確実に除去されるようにするためである。
　評価試験１－２、１－３では、共にエッチングガスの供給時間を９０ｓｅｃとした。サイクル数について、評価試験１－２では１回、２回、４回または８回であり、評価試験１－３では１回、２回または５回である。評価試験１－４ではエッチングガスの供給時間を１２０ｓｅｃとし、サイクル数を１回、２回または５回とした。評価試験１－２～１－４の上記以外の試験条件は、評価試験１－１と同一に設定した。
　図１０は、評価試験１の結果を示すグラフであり、サイクル数に対するエッチング量の変化を示している。グラフの縦軸にはエッチング量の測定値を所定の値で除すことによって規格化した値を示しており、グラフの横軸はサイクル数を示している。グラフ中には評価試験１－１～１－４の測定結果をプロットして示すと共に、評価試験１－１～１－４の各々について測定結果から算出した近似直線を、互いに異なる線種で表示している。グラフから明らかなように評価試験１－１～１－４のエッチング量は、概ねサイクル数に比例して増加する。また、評価試験１－１～１－４において、サイクル数が１回である場合の規格化されていないエッチング量については、１Å程度であった。このような結果から本開示のエッチング方法によれば、ＳｉＧｅ膜をごく微量にエッチングすることができ、且つエッチング量をサイクル数で調整できることが分かった。
　また、評価試験１－２～１－４間では近似直線に差異がほとんど無い。即ち、サイクル数に対するエッチング量の関係について、概ね一致している。しかし、評価試験１－１の近似直線は、評価試験１－２～１－４の近似直線よりも傾きが小さい。以上のことから、エッチングガスの供給時間が３０ｓｅｃである評価試験１－１では、エッチングガスのＳｉＧｅ膜の表面への吸着が飽和しなかった、即ちＳｉＧｅ膜の表面の一部がエッチングガスに覆われずに、露出した状態となっていたと推定される。一方、エッチングガスの供給時間が９０ｓｅｃ以上である評価試験１－２～１－４では当該吸着が飽和した、即ちエッチングガスがＳｉＧｅ膜の表面全体に吸着して被覆したと推測される。吸着が飽和しないと、エッチング対象となる膜の各部でエッチング量がばらつくおそれが有るため、この評価試験１からはエッチングガスの供給時間としては３０ｓｅｃよりも長いことが好ましく、９０ｓｅｃ以上であることがより好ましいことが分かる。
＜評価試験２＞
　評価試験２では、図６に示すような表面部分にＳｉＧｅ膜とＳｉ膜とが交互に設けられた積層部が形成された基板を用意して試験を行った。この積層部においてＳｉＧｅ膜は互いに離れて３段に形成されており、各段のＳｉＧｅ膜の上側及び下側はＳｉ膜に接している。そして、各ＳｉＧｅ膜の側面は概ね平坦であると共に、基板の面方向に対して概ね垂直に形成されている。このような基板に対し、本開示のエッチング処理と、後述する比較例のエッチング処理とを行い、エッチング処理の前後で取得したＳＥＭ画像を比較した。詳しく述べるとＳＥＭ画像より、ＳｉＧｅ膜間におけるエッチングの違い、各段のＳｉＧｅ膜のエッチングによって形成される凹部の矩形性について検証した。さらに、各ＳｉＧｅ膜における異なる高さ位置の横方向のエッチング量を測定し、ばらつきを算出した。
　なお上記の凹部の矩形性が高いことについて補足して述べると、この凹部について、仮にＳｉＧｅ膜の側面に対して、当該ＳｉＧｅ膜の上側のＳｉ膜の下面、当該ＳｉＧｅ膜の下側のＳｉ膜の上面が各々直交していることで形成されているとする。そのような凹部を基準の凹部とすると、矩形性が高いとは実際に形成される凹部の形状が、基準の凹部の形状に近似することであるので、ＳｉＧｅ膜の側面の高さ方向におけるエッチングの均一性が高いことでもある。それ故に、この矩形性に関して高いことが望まれる。
　評価試験２－１では比較例のエッチングを行った。この比較例のエッチングについては本開示のエッチングとは異なり、ステップＳＴ２のエッチングガスの供給中に当該エッチングガスとＳｉＧｅ膜とが反応してエッチング生成物が生成するように、基板の温度を比較的高い温度に設定した。つまり、基板を第１の温度として例示した範囲よりも高い温度にして、エッチングガスの供給を行った。評価試験２－２では、図１で説明したエッチングを行った。評価試験２－１、２－２間で、上記した基板の温度以外の各処理条件は同じである。
　図１１、図１２は、評価試験２－１のエッチング処理後の基板のＳＥＭ画像であり、図１２は図１１の画像の一部を拡大したものである。これらの画像に示されるように各ＳｉＧｅ膜の側面は、各膜の積層方向（基板の厚さ方向）における中央部分が他の部分よりも大きくエッチングされており、既述した矩形性については高くなかった。そして、２段目のＳｉＧｅ膜のエッチング量が１、３段目のＳｉＧｅ膜のエッチング量より少なかった。
　エッチング量の平均値を規格化した値は、１．０であった。また、算出されたエッチング量のばらつきについて述べると、３σ（単位：ｎｍ）を規格化した値は１．７６であり、３σ％は７５．６％であった。なお、３σ（単位：ｎｍ）＝３×σ（σはエッチング量の標準偏差）である。また、３σ％＝３σ（単位：ｎｍ）／エッチング量の平均値×１００である。従って、３σ（単位：ｎｍ）を規格化した値、及び３σ％の値が小さいほど、エッチング量のばらつきは小さい。
　図１３、図１４は、評価試験２－２のエッチング処理後の基板のＳＥＭ画像であり、図１４は図１３の画像の一部を拡大したものである。これらの画像に示されるように各ＳｉＧｅ膜の側面は比較的平坦であるため、既述した矩形性が良好であった。そして、１段目～３段目のＳｉＧｅ膜で概ねエッチング量が揃っていた。エッチング量の平均値を規格化した値は、１．０４であった。また、算出されたエッチング量のばらつきについて述べると、３σ（単位：ｎｍ）を規格化した値は０．３であり、３σ％は２７．５％であった。
　以上のように評価試験２－１、２－２間で、エッチング量の平均値が略同じとなるようにエッチングが行われるにあたって、評価試験２－２の方が、同じＳｉＧｅ膜の面内、高さが異なるＳｉＧｅ膜間の各々に関して、エッチング量のばらつきが抑えられたことが確認された。そして、エッチングによって形成される空間の矩形性について評価試験２－２の方が高く、また、評価試験２－２の方が基板の上方側に形成された膜（トップ）と下方側に形成された膜（ボトム）との間のローディング（エッチングレートの差）について抑制されることが示された。このような結果となったのは、評価試験２－２では、図２～図４で説明したようにエッチングガスがＳｉＧｅ膜の表面に均一性高く残った状態で反応が進行したことによって、１サイクルにおけるエッチング量が各部で揃ったことによると考えられる。また、そのように図２～図４のように反応が進行すると予想されることから、本開示のエッチング方法によれば、エッチング対象の膜がパターンを形成し、このパターンの粗密性が基板の各部で異なったとしても、ローディングを抑えて各部を均一性高くエッチングできることが推定される。
　１；エッチング装置
　１０；チャンバー
　１２；載置台
　１３；ガス供給機構
　１４；排気機構
　２６；シャワーヘッド
　３５；温調機構
　１００；半導体基体
　１０１，１１１；ＳｉＧｅ膜
　１０２；エッチングガス
　１１２；Ｓｉ膜
　１１４；凹部
　Ｗ；半導体ウエハ（基板）

 

Claims (15)

  1. 　表面部分にＳｉＧｅまたはＧｅを有する基板をチャンバー内に設けることと、
    　ＳｉＧｅまたはＧｅをエッチングするためのエッチングガスを、エッチング反応が生じない第１の温度に保持された前記基板に供給して、基板の表面に吸着させることと、
    　前記基板の温度を前記ＳｉＧｅまたはＧｅと前記エッチングガスとの反応が生じる第２の温度にして前記ＳｉＧｅまたはＧｅをエッチングすることと、
    を有する、エッチング方法。
  2. 　前記エッチングガスを前記基板の表面に吸着させることと、前記エッチングすることと、を複数回繰り返す、請求項１に記載のエッチング方法。
  3. 　前記エッチングガスを前記基板の表面に吸着させることの後に、前記エッチングガスを前記チャンバーから排出させることをさらに有する、請求項１に記載のエッチング方法。
  4. 　前記エッチングガスを前記チャンバーから排出させることは、前記チャンバー内を不活性ガスでパージすることにより行われる、請求項３に記載のエッチング方法。
  5. 　前記エッチングすることの後に、前記エッチングすることにより生じた残留物を前記チャンバーから排出させることをさらに有する、請求項１に記載のエッチング方法。
  6. 　前記残留物を前記チャンバーから排出させることは、前記チャンバー内を真空引きすることにより行う、請求項５に記載のエッチング方法。
  7. 　前記基板は、処理中にエッチングガスが接触する部分にＳｉが存在し、前記ＳｉＧｅまたはＧｅを前記Ｓｉに対して選択的にエッチングする、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のエッチング方法。
  8. 　前記ＳｉＧｅまたはＧｅが、ＳｉＧｅ膜またはＧｅ膜であり、前記ＳｉがＳｉ膜である、請求項７に記載のエッチング方法。
  9. 　前記基板は、表面部分に前記ＳｉＧｅ膜と前記Ｓｉ膜とが交互に積層されてなる積層構造部を有する、請求項８に記載のエッチング方法。
  10. 　前記エッチングガスは、フッ素含有ガスである、請求項７に記載のエッチング方法。
  11. 　前記フッ素含有ガスは、ＣｌＦ３ガス、Ｆ２ガス、ＳＦ６ガス、ＩＦ７ガスの少なくとも一種である、請求項１０に記載のエッチング方法。
  12. 　前記エッチングガスとしてフッ素含有ガスを用いる場合に、前記第１の温度は－２０℃以下であり、前記第２の温度は前記第１の温度よりも高い請求項１０に記載のエッチング方法。
  13. 　前記第２の温度は常温以下である請求項１２に記載のエッチング方法。
  14. 　前記エッチングガスを前記基板の表面に吸着させる際に、前記基板に前記エッチングガスとともに不活性ガスを供給する、請求項１に記載のエッチング方法。
  15. 　表面部分にＳｉＧｅまたはＧｅを有する基板を収容するチャンバーと、
    　前記チャンバー内で基板を載置する載置台と、
    　前記チャンバー内にエッチングガスを供給するガス供給部と、
    　前記チャンバー内を排気する排気部と、
    　前記載置台上の基板の温度を調節する温調機構と、
    　制御部と、
    を具備し、
    　前記制御部は、前記請求項１から請求項１４のいずれか一項のエッチング方法が行われるように、前記ガス供給部と、前記排気部と、前記温調部とを制御する、エッチング装置。

     
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