JP2015076459A - ドライエッチング方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、Ｓｉ層とＳｉＧe層が交互に繰り返し積層された構造を有する試料をプラズマエッチングするドライエッチング方法において、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ドライエッチング方法を提供する。【解決手段】本発明は、Ｓｉ層とＳｉＧｅ層が交互に繰り返し積層された積層膜の各ＳｉＧｅ膜を各前記Ｓｉ層に対して選択的に等方性エッチングするドライエッチング方法において、ＮＦ3ガスを用いてパルス変調されたプラズマにより前記各ＳｉＧe膜をプラズマエッチングすることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、ドライエッチング方法に係り、特に積層膜における選択的サイドエッチングが可能なドライエッチング方法に関する。
近年、電界効果トランジスタの高速化に伴い、シリコン(以下、Ｓｉと表記する)以外の新しい材料を用いた半導体素子の必要性が高まり、新材料の一つにシリコンゲルマニウム(ＳｉＧｅと表記する)がある。また、このＳｉＧｅを用いた半導体素子構造として図３(ａ)に示すような、２２ｎｍ世代以降の半導体素子に適用予定のＳｉ層とＳｉＧe層の積層構造があり、このＳｉ層とＳｉＧe層の積層構造において、各ＳｉＧｅ層を各Ｓｉ層に対して選択的に等方性エッチングが求められている。
Ｓｉ層に対するＳｉＧｅ層の選択的エッチングとして特許文献１には基板のマスクに覆われていない部分のＳｉＧｅ膜を除去するＳｉＧｅ膜のエッチング方法において、反応性ガスとして、水素原子と弗素原子が結合したガスをアルゴンガスおよび酸素ガスと混合した混合ガスを用いて、ＳｉＧｅ膜をドライエッチングする方法が開示されている。このエッチングではケミカルドライエッチングによりＳｉＧｅをエッチングして下地のＳｉで止める加工を行っている。
また、Ｓｉ層に対するＳｉＧｅ層の選択的等方性エッチングとして特許文献２には、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）層と、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）層の上に形成されたＳｉ（シリコン）層と、を含むヘテロ構造体をエッチングするマイクロ波プラズマエッチング方法であって、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、マイクロ波パワーを１５０〜４００Ｗ、処理温度を５〜２５℃として、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）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２００３−７７８８８号公報 特開２００７−２１４３９０号公報
しかし、いずれの先行技術の方法にて図３(ａ）に示すＳｉ層とＳｉＧe層の積層構造において、等方性エッチングを試みた場合、Ｓｉエッチングに対するＳｉＧeエッチングの選択比が不十分である。さらに、このエッチングには以下に述べる２つの課題がある。
１つ目の課題として、各Ｓｉ層と各ＳｉＧｅ層の厚さは、両方の層とも約２０ｎｍ以下であり、このため、この構造のエッチングではＳｉＧｅ層のエッチングの進行に伴って上下のＳｉ層に挟まれ、従来のエッチングより狭い空間をエッチングする必要が生じる。
２つ目の課題として、上述の狭い空間を形成するためには、サイドエッチングにより上記の狭い空間を形成する必要があるが、サイドエッチングのため、イオンの入射が困難であることである。通常の垂直方向のエッチングでは、高周波バイアスを印加しているため、狭くてもエッチング面にイオンが入射させることができ、反応生成物の再付着が生じてもそれをスパッタしてエッチングを進行させることができる。しかし図３(ａ)に示すようなＳｉ層とＳｉＧe層の積層構造におけるサイドエッチングでは、イオンの入射が困難なため、再付着した反応生成物の除去が従来構造以上に障害となる。
本発明は、これらの課題を解決するため、Ｓｉ層とＳｉＧe層が交互に繰り返し積層された構造を有する試料をプラズマエッチングするドライエッチング方法において、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ドライエッチング方法を提供する。
上記課題を解決するために本発明は、Ｓｉ層とＳｉＧｅ層が交互に繰り返し積層された積層膜の各ＳｉＧｅ膜を各前記Ｓｉ層に対して選択的に等方性エッチングするドライエッチング方法において、ＮＦ3ガスを用いてパルス変調されたプラズマにより前記各ＳｉＧe膜をプラズマエッチングすることを特徴とする。
また、本発明は、Ｓｉ層とＳｉＧｅ層が交互に繰り返し積層された積層膜の各ＳｉＧｅ膜を各前記Ｓｉ層に対して選択的に等方性エッチングするドライエッチング方法において、フルオロカーボンガスを用いてパルス変調されたプラズマにより前記各ＳｉＧe膜をプラズマエッチングすることを特徴とする。
さらに、本発明は、Ｓｉ層とＳｉＧｅ層が交互に繰り返し積層された積層膜の各ＳｉＧｅ膜を各前記Ｓｉ層に対して選択的に等方性エッチングするドライエッチング方法において、連続プラズマにより前記積層膜に所定の深さの溝を形成し、前記所定深さの溝形成後、ＮＦ3ガスまたはフルオロカーボンガスを用いてパルス変調されたプラズマにより前記各ＳｉＧe膜をプラズマエッチングすることを特徴とする。
本発明は、Ｓｉ層とＳｉＧe層が交互に繰り返し積層された構造を有する試料をプラズマエッチングするドライエッチング方法において、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。
本発明に係るプラズマエッチング装置の概略断面図である。 パルス変調されたマイクロ波電力を示す図である。 本発明によるプラズマエッチング結果を示す図である。 本発明の効果を説明する図である。 Ｓｉサイドエッチングに対するＳｉＧeサイドエッチングの選択比へのパルス変調のデューティー比の依存性を示す図である。 実施例３に係る本発明によるプラズマエッチング結果を示す図である。
本発明に係る実施形態を図１ないし６を用いて説明する。図１は、本発明を実施するためのプラズマエッチング装置の一例を示す概略断面図であり、プラズマ生成手段にマイクロ波と磁場を利用した電子サイクロトロン共鳴(Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＥＣＲ、以下、ＥＣＲと略称する）方式マイクロ波プラズマエッチング装置である。
このＥＣＲ方式マイクロ波プラズマエッチング装置は、内部を真空排気できるチャンバ１０１と、試料であるウエハ１０２を配置する試料台１０３と、チャンバ１０１の上面に設けられた石英などのマイクロ波透過窓１０４と、その上方に設けられた導波管１０５と、マグネトロン１０６と、チャンバ１０１の周りに設けられたソレノイドコイル１０７と、試料台１０３に接続された静電吸着電源１０８と、高周波電源１０９とを備える。
ウエハ１０２は、ウエハ搬入口１１０からチャンバ１０１内に搬入された後、静電吸着電源１０８によって試料台１０３に静電吸着される。次に、エッチングガスがチャンバ１０１に導入される。チャンバ１０１内は、真空ポンプ(図示省略)により減圧排気され、例えば、０．１Ｐａ〜５０Ｐａの範囲の所定の圧力に調整される。次に、マグネトロン１０６から周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が発振され、導波管１０５を介してチャンバ１０１内に伝播される。
また、上記のマイクロ波は、パルス発生器(図示省略)より生成されたパルスによりパルス変調させることも可能である。例えば、図２に示すようにマグネトロン１０６から発振されたマイクロ波ピーク電力を周期的に変化させてプラズマの電界強度を周期的に変化させる。図２(ａ)のようにマイクロ波ピーク電力が小さい期間、あるいは図２(ｂ)のようにマイクロ波ピーク電力を加えない期間にプラズマ密度が小さくなる。
マイクロ波とソレノイドコイル１０７によって発生された磁場との相互作用によってエッチングガスが励起され、ウエハ１０２上部の空間にプラズマ１１１が形成される。一方、試料台１０３には、高周波電源１０９によって高周波バイアスが印加され、プラズマ111中のイオンがウエハ１０２上に垂直に加速され入射する。ウエハ１０２は、プラズマ１１１からのラジカルとイオンの作用によって異方的にエッチングされる。
上述したＥＣＲ方式マイクロ波プラズマエッチング装置を用いた本発明の各実施形態について以下、説明する。
最初に本発明によりプラズマエッチングするウエハ１０２の薄膜構造を図３(ａ)に示す。ウエハ１０２は、エッチング用のマスクである酸化膜３０１の下にＳｉ層３０３とＳｉＧｅ層３０２が交互に積層された積層構造を有し、予め、所定深さの溝が形成されている。ここでＳｉ層３０３およびＳｉＧｅ層３０２は、それぞれ、エピタキシャル成長法により形成された結晶Ｓｉおよび結晶ＳｉＧｅからなる層である。
表１に示す比較例のエッチング条件に示すように、８０ｍｌ／ｍｉｎの三フッ化窒素(以下、ＮＦ3と表記)ガスと２０ｍｌ／ｍｉｎの窒素(以下、Ｎ2と表記)ガスを使用し、Siにイオンからの衝撃を低減する且つイオンを小さい溝や孔の側壁へ確実到着するために圧力を０．５Ｐａ、マイクロ波電力を４００Ｗ、ウエハ１０２に印加する高周波バイアスを０Ｗとして図３(ａ)に示す積層構造を有するウエハ１０２をエッチングした。
尚、ＮＦ3ガスは、ＳｉＧｅ層をエッチングするためのフッ素を供給し、Ｎ2ガスは、堆積成分を生成する。また、上記のマイクロ波電力は連続出力される電力とした。上述した比較例のエッチング条件にてエッチングした結果、図３(ｂ)に示すようにＳｉ層３０３とＳｉＧｅ層３０２との積層膜において、ＳｉＧｅ層３０２をＳｉ層３０３に対して選択的にサイドエッチングすることができた。尚、ここでのサイドエッチングと等方性エッチングは同じものである。
次に表１に示す本発明によるエッチング条件にて図３(ａ)に示す積層構造を有するウエハ１０２をエッチングした結果、ＳｉＧe層３０２をＳｉ層３０３に対して選択的にサイドエッチングすることができた。さらに、本発明によるエッチング条件でのＳｉＧe層３０２のサイドエッチング速度は、上述した比較例のエッチング条件より約４倍増加した。つまり、本発明のエッチング条件によるＳｉ層に対するＳｉＧe層の選択比が４倍近く向上したことになる。また、本発明のエッチング条件は、比較例のエッチング条件の４００Ｗのマイクロ波電力をパルス変調に変更しただけである。尚、本実施例でのパルス変調の繰り返し周波数およびデューティー比は、それぞれ、１０００Ｈｚ、２０％とした。ここで、デューティー比は、パルスの一周期に対するオン期間の割合のことである。
本発明により、Ｓｉ層に対するＳｉＧｅ層の選択的なサイドエッチングが向上できた理由は以下のように考えられる。
図４は、Ｓｉ層４０１とＳｉＧｅ層４０２が交互に繰り返し積層された積層膜の一部を拡大した断面模式図である。プラズマからのイオン４０３は、積層膜に対して垂直方向に入射するため、Ｓｉ層４０１およびＳｉＧｅ層４０２の側壁にはイオン４０３は入射しない。また、エッチングは、フッ素などの反応性ラジカル４０４がより反応性が高いＳｉＧｅと反応することにより進行する。図４(ａ)に示すようにエッチングの初期は、エッチングのアスペクト比が小さいため、反応生成物４０５は、溝から衝突なく排気される。
エッチングが進行してＳｉＧｅ層４０２の被エッチング面が後退すると、図４(ｂ)に示すように溝の内側の反応生成物４０５の密度が高くなるため、衝突してＳｉＧｅ層４０２に再入射する反応性生成物４０５が増加する。するとＳｉＧｅ層４０２のサイドエッチングが抑制されてＳｉ層４０１との選択比が低下する。
一方、本発明では、周期的にプラズマ強度を弱くする、あるいはプラズマを止めることにより反応性ラジカル４０４の供給が休止する期間が発生する。反応性ラジカルの供給を停止すると反応生成物４０５の生成が停止するため、図４(ｃ)のように狭い溝から反応生成物４０５が十分に排気されて再付着量を低減できる。次にラジカルを供給した時のエッチング速度が抑制されないので、連続してエッチングを行うよりも大きなエッチング速度が得られる。この効果は、従来のイオンが入射する垂直方向のエッチング以上の効果が得られる。加えてＳｉ層とＳｉＧｅ層の積層膜の側壁に付着する堆積物の量と質を連続的に制御できるため、ＳｉとＳｉＧｅの蒸気圧などの物理化学特性の差を利用して、ＳｉをエッチストップさせてＳｉＧｅをエッチングすることができる。尚、堆積性ラジカルは図４では省略している。
つまり、マイクロ波が連続出力の場合では、エッチングが進行するに伴い、ＳｉＧｅエッチング表面はだんだん上下のＳｉ層間の奥へ移動してコンダクタンスが小さくなるため、ＳｉＧｅエッチングの生成物の表面近傍の密度が増加して反応生成物のエッチング表面に再付着量が増すことによりＳｉＧｅのエッチング速度は低減する。一方、パルス放電の場合は、マイクロ波がオフの間にラジカルの発生が停止してエッチングが止まり、その間に反応生成物が溝の外へ排気されるため、連続放電よりＳｉＧｅのエッチング速度が増加することによって選択性が向上したものと考えられる。
また、本発明の効果に対する作用として次のようにも考えられる。選択的なサイドエッチングを行うには、イオンに対するラジカル比を増加させることが特に効果的である。パルス放電のオフ期間では、ラジカルの減衰量よりイオンの減衰量が大きいため、オフ期間では、イオンに対するラジカル比は増加する。このため、オフ期間を有するパルス放電の方が連続放電より選択的なサイドエッチングができたものと考えられる。さらにこのことからオフ期間を制御できるデューティー比の制御によりＳｉに対するＳｉＧeの選択比を制御できることも示唆していると考えられる。
次にＳｉサイドエッチングに対するＳｉＧeサイドエッチングの選択比へのパルス変調のデューティー比の依存性について説明する。図５に示すように、パルス変調のデューティー比の減少に伴って選択比が増加し、特にパルスのデューティー比が５０％以下になると、選択比が大幅に増加した。この選択比に対するデューティー比の特性は以下のように考えられる。
先ずパルス変調のデューティー比を１００％から５０％の範囲で減少させる場合は、オン時間が長くてオフ時間になる前に、ＳｉＧｅ表面にデポが堆積し、短いオフ時間が経過してもデポがある程度残っているため、パルス変調のデューティー比を下げてもＳｉＧｅのエッチング進行に効果が少ない。
一方、パルス変調のデューティー比を５０％から２０％の範囲で減少する場合は、オン時間の低減により反応生成物の再付着がエッチングを妨げる濃度に至る前にオフ時間となる。このため、オフ時間の反応生成物の濃度低減は、ＳｉＧｅのエッチング進行に大きな効果があり、選択比は急激に増加する。しかし、パルス変調のデューティー比を２０％未満に減少させると、オン時間のラジカル生成の減少が上述の反応生成物によるエッチング抑制改善より律速するため、選択比がほぼ飽和すると考えられる。
あるいは、上述したようにイオンに対するラジカル比は概ねパルス放電のオフ時間の増加に伴って増加するため、パルス変調のデューティー比を減少させることによりＳｉに対するＳｉＧｅの選択比が向上したものと考えられ、特にパルス変調のデューティー比が５０％以下でイオンに対するラジカル比の増加による効果が顕著に現れたものと考えられる。
つまり、放電のパルス化によりＳｉに対するＳｉＧｅのサイドエッチングの選択比は、溝のような狭い場所でのラジカルによるエッチング時間と反応生成物の再付着量を制御できるとともにイオンに対するラジカル比を増加させることができるため向上させることができ、パルス変調のデューティー比を減少させることによりさらに選択比を向上できる。特に本発明は、パルス変調のデューティー比を５０％以下とすることにより、Ｓｉに対するＳｉＧｅのサイドエッチングの選択比を大幅に向上できる。
本実施例では、添加ガスとしてＮ2ガスを用いたが、Ｎ2ガスの代わりにＯ2ガス、ＣＯ2ガス、ＣＯガスのいずれかのガスを用いても良い。
次に図３(ａ)に示す積層構造を有するウエハ１０２を２ステップでエッチングする実施形態について説明する。
実施例１に示すエッチング条件でエッチングした場合、ＳｉＧｅのサイドエッチング量がエッチング時間とともに増加する傾向を示し、また、エッチングの初期は、アスペクト比が小さく反応生成物も溝の内側から排気されやすいため、ＳｉＧｅのサイドエッチング量に応じてエッチング条件を変えた方がより高選択比が得られる。
このため、表２に示すようにステップ1では、ＣＦ4ガスを用いてマイクロ波のパルス変調のディーティー比を５０％とし、ステップ２では、ＣＦ4ガスに溝の角部の削れを抑制するためにＯ2ガスを混合してマイクロ波のパルス変調のディーティー比２０％としたエッチング条件にてエッチングした結果、実施例１のエッチング条件よりさらに選択比や溝の角部の削れを改善できた。
また、本実施例のステップは２つに限らずもっとステップ数を増やしたり、あるいはパルス変調のディーティー比を５０％から２０％に処理時間内で連続的に低減するようなエッチング条件にしてもよい。
本実施例ではＣＦ4ガスを用いた例で説明したが、本発明は、これに限定されず、ＣＨＦ3ガス、ＣＨ2Ｆ2ガス、ＣＨ3Ｆガス等のフルオロカーボンガスでも良い。また、本実施例では、添加ガスとしてＯ2ガスを用いたが、Ｏ2ガスの代わりにＮ2ガス、ＣＯ2ガス、ＣＯガスのいずれかのガスを用いても良い。
実施例１および２では、図３(ａ)に示すように予め溝が形成された構造を有するウエハをエッチングした例を説明したが、次に溝形成とＳｉ層に対するＳｉＧe層の選択的サイドエッチングを一貫して行う実施形態について説明する。
図６(ａ)は、本実施例でエッチングするウエハの構造の断面図であり、図６(ａ)に示すウエハの構造は、溝パターンのマスクである酸化膜３０１の下にＳｉ層３０３とＳｉＧe層３０２が交互に積層された構造である。
最初に表３に示すステップ１の条件で、マスクの酸化膜３０１で覆われていないＳｉ層３０３の表面の自然酸化膜を除去し、図６(ｂ)に示すように表３に示すステップ２の条件で所定の深さの溝を形成する。続いて表３に示すステップ３の条件で溝形成時に溝の側壁に堆積したＢｒ等の堆積物を除去し、その後、表３に示すステップ４のパルス放電を用いる条件でＳｉＧe層３０２をＳｉ層３０３に対して選択的にサイドエッチングして図６(ｃ)に示すような所望のエッチング形状を得ることができた。
尚、上記のステップ３は、Ｂｒ等の堆積物除去が目的のステップのため、必ずしも必須のステップというわけではない。また、ステップ３を実施しない場合は、ステップ４として、実施例１のエッチング条件を用いても良い。
以上、表３に示すように連続放電とパルス放電を組み合わせたエッチングにより、図６(ａ)に示すようなＳｉ層３０３とＳｉＧe層３０２が交互に積層された構造に溝形成とＳｉに対するＳｉＧｅの選択的サイドエッチングを一貫して行うことができる。
以上、Ｓｉに対するＳｉＧｅの選択的サイドエッチングとして、実施例１では、ＮＦ3ガス、実施例２ではＣＦ4ガスを用いた例で説明したが、本発明は、これに限定されず、ＣＨＦ3ガス、ＣＨ2Ｆ2ガス、ＣＨ3Ｆガス等のフルオロカーボンガスでも良い。
また、上述した実施例１ないし３ではＥＣＲ方式マイクロ波プラズマエッチング装置を用いた場合について説明したが、容量結合型プラズマエッチング装置や誘導結合型プラズマエッチング装置等の他のプラズマ生成方式におけるプラズマエッチング装置においても本発明と同様の効果が得られる。
１０１…チャンバ
１０２…ウエハ
１０３…試料台
１０４…マイクロ波透過窓
１０５…導波管
１０６…マグネトロン
１０７…ソレノイドコイル
１０８…静電吸着電源
１０９…高周波電源
１１０…ウエハ搬入口
１１１…プラズマ
３０１…酸化膜
３０２…ＳｉＧｅ層
３０３…Ｓｉ層
４０１…Ｓｉ層
４０２…ＳｉＧｅ層
４０３…イオン
４０４…反応性ラジカル
４０５…反応生成物
次に表１に示す本発明によるエッチング条件にて図３(ａ)に示す積層構造を有するウエハ１０２をエッチングした結果、図３(ｃ)に示すようにＳｉＧe層３０２をＳｉ層３０３に対して選択的にサイドエッチングすることができた。さらに、本発明によるエッチング条件でのＳｉＧe層３０２のサイドエッチング速度は、上述した比較例のエッチング条件より約４倍増加した。
つまり、本発明のエッチング条件によるＳｉ層に対するＳｉＧe層の選択比が４倍近く向上したことになる。また、本発明のエッチング条件は、比較例のエッチング条件の４００Ｗのマイクロ波電力をパルス変調に変更しただけである。尚、本実施例でのパルス変調の繰り返し周波数およびデューティー比は、それぞれ、１０００Ｈｚ、２０％とした。ここで、デューティー比は、パルスの一周期に対するオン期間の割合のことである。

Claims (7)

  1. Ｓｉ層とＳｉＧｅ層が交互に繰り返し積層された積層膜の各ＳｉＧｅ膜を各前記Ｓｉ層に対して選択的に等方性エッチングするドライエッチング方法において、
    ＮＦ3ガスを用いてパルス変調されたプラズマにより前記各ＳｉＧe膜をプラズマエッチングすることを特徴とするドライエッチング方法。
  2. 請求項１に記載のドライエッチング方法において、
    前記ＮＦ3ガスをＯ2ガス、Ｎ2ガス、ＣＯ2ガス、ＣＯガスのいずれか一つのガスを混合することを特徴とするドライエッチング方法。
  3. Ｓｉ層とＳｉＧｅ層が交互に繰り返し積層された積層膜の各ＳｉＧｅ膜を各前記Ｓｉ層に対して選択的に等方性エッチングするドライエッチング方法において、
    フルオロカーボンガスを用いてパルス変調されたプラズマにより前記各ＳｉＧe膜をプラズマエッチングすることを特徴とするドライエッチング方法。
  4. 請求項３に記載のドライエッチング方法において、
    前記フルオロカーボンガスは、ＣＦ4ガス、ＣＨＦ3ガス、ＣＨ2Ｆ2ガス、ＣＨ3Ｆガスのいずれか一つのガスであることを特徴とするドライエッチング方法。
  5. 請求項４に記載のドライエッチング方法において、
    前記フルオロカーボンガスをＯ2ガス、Ｎ2ガス、ＣＯ2ガス、ＣＯガスのいずれか一つのガスを混合することを特徴とするドライエッチング方法。
  6. 請求項１ないし５のいずれかの請求項に記載のドライエッチング方法において、
    前記パルス変調のデューティー比を５０％以下とすることを特徴とするドライエッチング方法。
  7. Ｓｉ層とＳｉＧｅ層が交互に繰り返し積層された積層膜の各ＳｉＧｅ膜を各前記Ｓｉ層に対して選択的に等方性エッチングするドライエッチング方法において、
    連続プラズマにより前記積層膜に所定の深さの溝を形成し、
    前記所定深さの溝形成後、ＮＦ3ガスまたはフルオロカーボンガスを用いてパルス変調されたプラズマにより前記各ＳｉＧe膜をプラズマエッチングすることを特徴とするドライエッチング方法。
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