JP6032033B2 - シリコンのドライエッチング方法 - Google Patents

Description

本発明は、七フッ化ヨウ素を用いたシリコンのドライエッチング方法に関する。

シリコン化合物は半導体分野において重要であり不可欠な材料である。例えば、半導体素子のゲート絶縁膜としてのシリコン酸化膜、薄膜トランジスタとしてのアモルファスシリコン膜および窒化シリコン膜など、また、ＭＥＭＳなどの三次元構造素子に使用されるポリシリコン材料、低消費電力のトランジスタなど用途の炭化珪素（ＳｉＣ）などに幅広い分野において使用されている。特に、ＤＲＡＭやフラッシュメモリに含まれるトランジスタなどに代表される半導体素子は年々高集積化が進んでおり、シリコン半導体デバイスが注目されている。

通常、半導体製造工程においてシリコンなどのシリコン化合物は所定の形状に加工されるか最終工程など所定の工程にて除去される。このようなシリコン化合物の加工や除去を行う場合、従来からドライエッチングが広く用いられてきた。なお、シリコン化合物のドライエッチングにおいて、エッチングの微細化及び高精度が要求されており、エッチングする際においてウェハの大型化が進んでいることや形成するパターンが微細化しているため面内均一性やエッチング選択比が重要な要素とされており、また高い生産性を得るためにエッチング速度の向上が求められている。

従来、シリコンのエッチングにはプラズマを用いたドライエッチングが広く用いられてきた。使用するエッチングガスとしては、ＳＦ_６（六フッ化硫黄）やＣ_４Ｆ_８（パーフルオロシクロブタン）などのフッ素系の化合物が一般的であったが、これらのエッチングガスは温暖化係数が数千から数万と非常に大きく地球温暖化の一因として問題視されるようになってきている。また、地球温暖化係数が比較的低く、シリコンとの反応性が高いことからエッチング剤としてフッ素系のハロゲン間化合物をシリコンのエッチングに使用することが有効であることが知られている。

例えば、特許文献１には、ハロゲン間化合物の一つであるフッ化ヨウ素を含むエッチングガスを用いて、シリコン基板を異方性プラズマエッチングする方法が開示されている。しかし、従来のプラズマを用いたエッチング方法では、プラズマによる試料への電気的なダメージが大きく、複雑な形状の半導体素子に形成されたシリコンをエッチングする場合、誘電体などの耐エッチング部分にも損傷を与えてしまうことがあり懸念されつつある。

このような問題点を解決する一つの方法として、プラズマ励起等の操作を必要としない、いわゆるプラズマレスによるシリコン化合物のエッチング方法が検討されている。例えば、特許文献２には、ガス供給管圧力（一次圧）とチャンバー内圧力（二次圧）の差圧を利用してエッチングガスを急激に断熱膨張させて形成した反応性ガスクラスタを試料表面に噴出し、プラズマレスで試料への電気的また紫外光によるダメージを与えることなく試料表面を加工する方法が開示されている。

また、特許文献３には、ＢｒＦ_３、ＣｌＦ_３、ＸｅＦ_２などのフッ素系のハロゲン間化合物を用いてシリコン層をプラズマレスでエッチングする方法が提案されており、これらのハロゲン間化合物に窒素やアルゴンなどの希釈ガスを添加することによって、金属や金属シリコンに対するシリコン層のエッチング選択比を向上させることについて記載されている。

なお、特許文献４には、七フッ化ヨウ素（以下、単にＩＦ_７と呼ぶことがある）の製造方法が開示されており、七フッ化ヨウ素はエッチングガスとして使用可能なことが記載されている。また、特許文献５には、フッ素系のハロゲン間化合物を酸化物、半導体材料のエッチングに使用することが記載されているが、実際に七フッ化ヨウ素をエッチング用に使用して、エッチング条件などを詳細に検討した報告例は見当たらない。
特開２００８−１７７２０９号公報 国際公開２０１０／０２１２６５号 米国特許６２９０８６４号明細書 特開２００９−２３８９６号公報 特開平３−２９３７２６号公報

特許文献２に記載のエッチング方法は、エッチングに供する反応性ガスであるハロゲン間化合物（ＣｌＦ_３など）に、低沸点のガス（アルゴンやネオンなどの希ガス）を添加することによって高い圧力状態にしても混合ガスの液化が起こらないようにしている。つまり、反応性ガスに液化しにくい低沸点のガスを添加することによって、供給するガスを液化させずに高い圧力状態にすることを特徴としている。その結果、高圧状態の供給ガスを減圧状態のチャンバーに供給した際に急激に断熱膨張させることを可能にしており、プラズマを発生させないため試料に電気的また紫外光によるダメージを与えないでエッチングを行うことができる。

しかしながら、特許文献２に記載のエッチング方法では、供給するエッチングガスに沸点の低いガスを添加しているため、断熱膨張させるために供給ガスに高い圧力をかけなければならない。例えば、特許文献２に記載のような方法でエッチングガスとしてＣｌＦ_３を使用する場合、ＣｌＦ_３：６ｖｏｌ％とＡｒ：９４ｖｏｌ％との混合ガスの場合には、０．３ＭＰａＧ以上１．０ＭＰａＧ以下の圧力である。また、ガスを高圧状態にするためにはガス供給管の先端のノズルを特殊な形状に加工する必要があり、ノズルの特注加工はコスト増加に繋がるため好ましくない。

そのため、特許文献２のような従来の断熱膨張による方法では、装置に負荷や装置コストがかかりやすいこと、また、圧力を掛けていたつもりでも、十分な圧力が掛かっていない場合に断熱膨張をさせることができず、エッチングガスが基板に均一に到達せず、エッチング量にバラつきが生じ、面内分布の均一性が得られないという問題点があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、断熱膨張を利用したシリコンのエッチング方法において、エッチングガスの供給圧力が、従来の方法に比べて温和な条件であり装置への負担や装置コストの増加の懸念がなく、かつ、エッチング量の面内分布均一性が良好なシリコンのドライエッチング方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、エッチングに供するガスの成分として七フッ化ヨウ素を特定し、七フッ化ヨウ素の持つ特異な化学的性質の一つである昇華性に着目し、七フッ化ヨウ素を含むエッチングガスを用いると、高圧状態での液化防止のために添加する不活性ガスなどの添加ガスを加える必要なく、装置への負荷の少ない温和な低い圧力条件下で容易に断熱膨張させることが可能なことを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明は、処理室内で処理対象物のシリコン層をエッチングするドライエッチング方法であって、供給源から七フッ化ヨウ素を含むエッチングガスを、供給圧力が６６ｋＰａ〜０．５ＭＰａの圧力範囲で供給し、該圧力範囲に保持されたエッチングガスを前記供給圧力より低い圧力に減圧された処理室に導入し、前記シリコン層をエッチングすることを特徴とするドライエッチング方法である。

上記の構成により、供給圧力より低い圧力に減圧された処理室内でエッチングガスを断熱膨張させてエッチングガスをシリコン層の表面に吸着させることができる。

また、本発明において、エッチングガスが、少なくとも５０体積％以上の七フッ化ヨウ素を含むようにすることが好ましい。さらに、エッチングガスが、実質的に七フッ化ヨウ素以外の成分を含まないようにすることが特に好ましい。

また、本発明において、供給圧力（Ｐｓ）と処理室内の圧力（Ｐｎ）の比率Ｐｓ／Ｐｎが、２０以上、１×１０^９以下であることが好ましく、５０以上、１×１０^７以下がより好ましく、さらには、５０以上、１００００（１．０×１０^４）以下であることが特に好ましい。上記の比率にすることで、装置への負担を考慮しより効果的に断熱膨張させることができる。

また、本発明において、処理対象物の温度が−４０℃〜１５０℃であることが好ましい。

また、本発明において、処理対象物が、少なくともシリコン層と耐エッチング部材とを含み、エッチングガスにより前記シリコン層を選択的にエッチングするようにしてもよい。耐エッチング部材は、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＴｉＮから選ばれる少なくとも１つ以上の材料からなることが好ましい。

本発明によれば、七フッ化ヨウ素を含むエッチングガスを用いるため、従来の方法よりも温和な圧力条件でエッチングガスを断熱膨張させることができる。したがって、ガスの供給圧力を高い圧力条件にする必要がなく装置に対する負荷やノズル改良などの装置コストの増加を懸念せず、温和な圧力条件で、処理対象物のシリコン層を高い面内分布均一性でエッチングできる。

実施例及び比較例で用いたエッチング装置の概略図である。 エッチング量の面内分布を示すグラフ１である。 エッチング量の面内分布を示すグラフ２である。 七フッ化ヨウ素の体積割合とエッチング速度との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例で用いたエッチング試料の断面模式図である。

本発明は、ボンベなどの供給源から七フッ化ヨウ素を含むエッチングガスを所定の供給圧力で供給管を介して供給し、さらに、所定の供給圧力に保持されたエッチングガスをエッチングガスの供給圧力より低い圧力に減圧された処理室に導入し、処理室内でエッチングガスを急激に断熱膨張させ、エッチングガスを処理対象物のシリコン層の表面に吸着させることを特徴としている。なお、本発明のドライエッチング方法は、プラズマ励起を必要としないプラズマレスエッチングである。

処理室内でエッチングガスを断熱膨張させると断熱膨張の作用により、エッチングガス中の七フッ化ヨウ素がエッチングされる処理対象物のシリコン層の表面に吸着し、さらにエッチングガスの成分が凝縮し液化する。これによりエッチングが進行しても基板等の処理対象物の全面にわたりエッチングされる表面上の濃度が均一に保たれ面内でのエッチング速度の差が抑制されエッチング量の面内バラつきを抑制できる。特に、エッチングガス成分として、七フッ化ヨウ素をエッチングガスとして使用することによって、ガスの供給圧力を温和な圧力条件（供給ガス圧が１００ｋＰａ程度）で容易に断熱膨張させることを特徴としている。これは七フッ化ヨウ素がもつ独自の化学的性質である昇華性に起因しているものと考えられる。

以下、本発明の七フッ化ヨウ素を用いたドライエッチング方法について詳細に説明する。

本発明において使用する七フッ化ヨウ素は、工業的規模で製造されており購入して使用することができ、特に制限されるものではない。また、七フッ化ヨウ素は、従来公知の製造方法で入手できる、例えば、本出願人の出願に係る特開２００９−２３８９６号に開示されている製造方法などで製造して入手することができる。

本発明において、添加ガスは必須の要件ではなく七フッ化ヨウ素は単独でも使用できるが、本発明の効果を損じない範疇において、適宜必要に応じて他の添加ガスを加えてもよい。通常、七フッ化ヨウ素はエッチングガス中において、少なくとも５０体積％以上、好ましくは８０体積％以上含まれる。特に、高い面内均一性とエッチング速度を両立するためには、実質的に七フッ化ヨウ素が１００体積％、すなわち、実質的に七フッ化ヨウ素以外の成分を含まないようにするのがより好ましい。

なお、「実質的に七フッ化ヨウ素以外の成分を含まない」とは、エッチングに供する七フッ化ヨウ素以外の成分を別途添加しないことを意味し、一般的な七フッ化ヨウ素の製造工程等で混入する原料に由来する微量成分の五フッ化ヨウ素、フッ素、フッ化水素などは含まれていてもよい。

七フッ化ヨウ素以外にエッチングガス中に添加するガスとしては、エッチングの性能を調整するために、必要に応じて、酸化性ガスや不活性ガスを加えてもよい。通常、添加ガスが加えられる場合、七フッ化ヨウ素の含有率は、１〜１００体積％の範囲になるように適宜調整される。

酸化性ガスとしては、Ｏ_２、Ｏ_３、ＣＯ_２、ＣＯＣｌ_２、ＣＯＦ_２、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２、などの酸素含有ガス、Ｆ_２、ＮＦ_３、Ｃｌ_２、Ｂｒ_２、Ｉ_２、ＹＦｎ（Ｙ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、１≦ｎ≦５）などのハロゲンガスが例示される。これらのうち、Ｏ_２、ＣＯＦ_２、Ｆ_２、ＮＦ_３、Ｃｌ_２が好ましい。なお、酸化性ガスの添加量は、使用するエッチング装置の性能、形状及びエッチング条件に依存して適宜調整される。

既存のシリコンのエッチングガスとして主に使用されてきたＣｌＦ_３と本発明の七フッ化ヨウ素の性質で著しく異なる点として、七フッ化ヨウ素は昇華性を有するため気化しやすいことが挙げられる。七フッ化ヨウ素は昇華性を有しているため、供給管を介して供給する際、液化することがなくエッチングガスを容易に断熱膨張させることができる。また、七フッ化ヨウ素は、既存のシリコンのエッチングガスと比較して、その化学的性質からシリコンをエッチングして加工する際のマスク材料など耐エッチング部材との選択比が非常に優れていることが見出された（詳細は後述にて説明）。

本発明のドライエッチング方法の処理対象物となるものは、半導体素子などの構造体にシリコン層を有するものであれば特に制限されるものではないが、少なくともシリコン層と実質的に七フッ化ヨウ素と反応しない耐エッチング部材を含む半導体素子などの構造体が好適である。また、シリコン単独からなる処理対象物にも適用可能であり、シリコン基板の表面加工にも用いることができ、例えば、シリコン基板へのトレンチやホール形成にも使用することができる。

シリコン層としては、半導体素子形成に使用されるシリコン層が好適であり、例えば、アモルファスシリコン膜、ポリシリコン膜、単結晶シリコン膜などが挙げられる。また、耐エッチング部材は、シリコン層を所定の形状に加工するためのマスクと利用する場合や、処理対象物のシリコン層を除去して、耐エッチング部材自身を三次元構造など所定の形状に形成し、耐エッチング部材を半導体素子の構造体として利用する場合が挙げられる。

耐エッチング部材をマスクとして利用する場合、シリコン層の表面に所定形状にパターニングされたマスクを用いて、エッチングガスを用いてシリコン層を選択的にエッチングする方法を適用することができる。マスクに用いる材料は、実質的に七フッ化ヨウ素と反応しない材料であれば特に制限されないが、例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＴｉＮ、ＴｉＯ_２、フォトレジスト、炭素系材料、また、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｈｆ、Ｚｆ及びそれらの酸化物などの金属材料を挙げることができる。それらの中でも、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＴｉＮなどの材料が特に好ましい（実施例参照）。

また、同様に、耐エッチング部材自身を半導体素子の構造体として利用する場合、耐エッチング部材の材質は、実質的に七フッ化ヨウ素と反応しない材料が用いられ、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＴｉＮから選ばれる少なくとも１つ以上の材料を好適に使用することができる。

以下、少なくともシリコン層と実質的に七フッ化ヨウ素と反応しない耐エッチング部材を含む半導体素子などのシリコン層を選択的にエッチングする際の、七フッ化ヨウ素と耐エッチング部材との反応性について説明する。

実施例に示すように、七フッ化ヨウ素をエッチングガスとして使用した場合、ＳｉＮ、ＴｉＮなどのマスクを使用してシリコンのエッチング行った場合、ＣｌＦ_３やＸｅＦ_２などの既存のガスと異なり、シリコンエッチング速度のマスク選択比が非常に優れていることが見出された。七フッ化ヨウ素及び、反応後に生成される低次のフッ化ヨウ素化合物（例えば、ＩＦ_５）はＣｌＦ_３やＸｅＦ_２と比較して結合エネルギーが高い（下記の表１参照）。反応機構は定かではないが、ＩＦ_７は結合エネルギーが高く化合物として安定的なため、ＣｌＦ_３やＸｅＦ_２と比較してマスク材料との反応性が低いためマスク材料に対しての反応性が低い。また、七フッ化ヨウ素は断熱膨張によりシリコン層表面に吸着して液化するため、エッチング速度が高い。したがって、エッチング選択比が高いと推察される。なお、表１の出典は、J. C. BAILAR JR., COMREHENSIVE INORGANIC CHEMISTRY, II, PERGAMON PRESS Ltd, 1973, p1491-p1496である。

次に、本発明のドライエッチングの反応条件について説明する。

チャンバーなどの処理室内にてエッチングガスを断熱膨張させるために、エッチングガスを所定の供給圧力に保持して供給する。エッチングガスの供給圧力は、通常、６６ｋＰａ以上、０．５ＭＰａであり、更には１０１ｋＰａ以上、３００ｋＰａ以下であることが好ましい。６６ｋＰａより低いと十分にエッチングガスを断熱膨張させることができなくなるため好ましくない、また、０．５ＭＰａより高い圧力の場合、装置に対する負担などの観点からこれ以上の圧力は掛ける必要がない。

また、エッチング処理のプロセス圧力は、エッチングガス中の七フッ化ヨウ素は、通常、１Ｐａ以上、３ｋＰａ以下であり、更には５Ｐａ以上、１．５ｋＰａ以下であることがより高い基板面内均一性を得るためには特に好ましい。

エッチングガスを導入する前のチャンバー内の圧力は真空ポンプ等により減圧しエッチングガスを断熱膨張させる程度の圧力範囲であれば制限はないが、１０^−５Ｐａ以上、〜１０ｋＰａ以下の範囲であり、通常、１Ｐａ以上、１．５ｋＰａ以下で行うとよい。

断熱膨張を効果的に行うには、供給圧力（１次圧）とチャンバー内圧力（２次圧）の差を所定の範囲にすることが特に好ましい。具体的には、エッチングガスを供給圧力（Ｐｓ）と処理室内の圧力（Ｐｎ）の比率Ｐｓ／Ｐｎが、通常、２０以上、１０００００００００（１．０×１０^９）以下で行われ、装置への負担を考慮しより効果的に断熱膨張させるには、５０以上、１０００００００（１．０×１０^７）以下が好ましく、さらには、５０以上、１００００（１．０×１０^４）以下であることが特に好ましい。上述の範囲は従来の断熱膨張によるエッチング方法と比較して一次圧と２次圧の差が極めて小さく、温和な圧力条件でエッチングできることを示している。

エッチングガスを処理対象物のシリコン層に接触させ、シリコン層への吸着過程を経たエッチングを優勢にするためシリコン基板温度は、通常、−４０℃以上、１５０℃以下であり、さらに、−１０℃以上、８０℃以下であることがエッチング速度に関してより高い面内均一性を得る上で特に好ましい（実施例参照）。

エッチング時間は特に制限されるものではないが、半導体素子製造プロセスの効率を考慮すると、６０分以内であることが好ましい。ここに、エッチング時間とは、エッチング処理が行われる内部に基板が設置されているプロセスチャンバーの内部にエッチングガスを導入し、その後、エッチング処理を終える為に該プロセスチャンバーの内のエッチングガスを真空ポンプ等により排気するまでの時間を指す。

本発明のドライエッチング方法は、図１に示されるような半導体製造工程に使用される一般的なエッチング装置に適用することができ、特に使用されるエッチング装置の構成が限定されるものではない。例えば、供給するエッチングガスを断熱膨張させるための特殊な形状のガス噴出部を設ける必要がなく、通常のガス供給管を利用することできる。また、ガス供給管と処理室に配置する半導体素子などの被処理物の位置関係も、断熱膨張させたエッチングガスを被処理物に接触させることができれば特に制限はない。

また、本発明の方法を用いてエッチングを行う処理室としては、使用するフッ素系ガスに対する耐性があり、所定の圧力に減圧できるものであれば限定されるものではないが、通常、半導体のエッチング装置に備えられた一般的なチャンバーなどが適用される。また、七フッ化ヨウ素を所定の圧力に保ち供給する供給管やその他の配管などもフッ素系ガスに対する耐性にあるものであれば特に限定されるものではなく一般的なものを使用することができる。

以下、実施例によって本発明を詳細に説明するが、本発明は係る実施例に限定されるものではない。

図１に本発明の実施例及び比較例に使用したエッチング装置の概略図を示す。まず、エッチング装置の構成について説明する。反応チャンバー１には試料７を支持するためのステージ５が具備されている。試料７は、６インチのシリコン基板上にシリコン酸化膜（２０ｎｍ）が形成され、さらにその上にポリシリコン膜（３０μｍ）が形成されたものを使用した。ステージ５にはステージの温度を調整可能なステージ温度調整器６が具備されている。反応チャンバー１にはガス導入の為のガス配管４１及びガス排気の為のガス配管４２が接続されている。

エッチングガス供給系２１、希釈ガス供給系２３は、それぞれバルブ３１、バルブ３２を介してガス配管４１に接続されている。真空ポンプ８はガス排気の為、バルブ３３を介してガス配管４２に接続されている。反応チャンバー１内部の圧力は反応チャンバー１付設の圧力計（図中省略）の指示値を基に、バルブ３３により制御される。

次にエッチング装置の操作方法について説明する。ステージ５上に試料７を設置し、反応チャンバー１及びガス配管４１、４２を１．５ｋＰａまで真空置換後、ステージ５の温度を所定値に設定する。ステージ５の温度が所定値に達したことを確認後、バルブ３１，３２、３３を開放し、エッチングガス供給系２１の圧力を所定圧力にし、ガス配管４１よりエッチングガスを反応チャンバー１に導入する。この時のエッチングガスの総流量を１００ｓｃｃｍとした。なお、希釈ガスの供給が必要な場合、必要に応じて、希釈ガス供給系２３より所定流量のガスが供給される。

エッチングガスを導入してから所定時間（エッチング時間、２分）経過後、エッチングガスの導入を停止し、反応チャンバー１内部を真空置換後、試料７を取り出して面内分布均一性とエッチング速度の測定を行った。

上記のポリシリコン膜付きシリコン基板（試料７）を用いてエッチング前のポリシリコン膜の膜厚とエッチング後のポリシリコン膜の膜厚をそれぞれ複数個所測定し、各測定箇所におけるエッチング量（エッチング膜とエッチング後の膜厚差）を求めた。各測定箇所のエッチング量の平均とエッチング時間からエッチング速度を算出し、それをもとにエッチング量の面内分布を評価した。

なお、エッチング量の面内分布とは、ポリシリコン膜付きシリコン基板（試料７）について測定されたエッチング量のうち、エッチング量の最大値をＭａｘ、エッチング量の最小値をＭｉｎ、エッチング量の平均値をＡｖｅとしたときに、
計算式（１）：（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）／２Ａｖｅ×１００・・・（１）
で表される値のことであり（単位：％）、その値が大きい程エッチング量のばらつきが大きいことを示している。

表２に実施例及び比較例における各エッチング条件と面内分布評価、エッチング速度の結果について示す。また、エッチング量の面内分布の関係を図２、３に示す。七フッ化ヨウ素の体積割合とエッチング速度との関係を図４に示す。

［実施例１−１］
エッチングガスとして、実質的に七フッ化ヨウ素以外の成分を含まないもの（ＩＦ_７、体積１００％、希釈ガスなし）を使用して試料のエッチング試験を行った。エッチング条件としては、エッチングガスの供給圧力を１００ｋＰａ、チャンバー内のエッチングプロセス圧力を１ｋＰａ、エッチングガスの総流量を１００ｓｃｃｍ、シリコン基板温度を３０℃とした。その結果、エッチング後の試料の面内分布は１〜６％でありエッチング量の面内均一性は良好であった。また、エッチング速度は１２μｍ／ｍｉｎであり良好であった。なお、［実施例１−１］において、供給圧力（Ｐｓ）とチャンバーの処理室内圧力（Ｐｎ）の比率Ｐｓ／Ｐｎは、６６である。

［実施例１−２］
エッチングガスとして、七フッ化ヨウ素を８０体積％（Ａｒガス、２０体積％）とした以外は、実施例１−１と同じ条件でエッチング試験を行った。その結果、実施例１−１と同様に、エッチング後の試料の面内分布は１〜６％でありエッチング量の面内均一性は良好であった。また、エッチング速度は１１μｍ／ｍｉｎであり良好であった。

［実施例１−３］
エッチングガスとして、七フッ化ヨウ素を５０体積％（Ａｒガス、５０体積％）とした以外は、実施例１−１と同じ条件でエッチング試験を行った。その結果、実施例１−１と同様に、エッチング後の試料の面内分布は１〜８％であり、実施例１−１、１−２に若干劣るもののエッチング量の面内均一性はおおむね良好であった。また、エッチング速度は５μｍ／ｍｉｎであり比較的良好であった。

［実施例１−４］
エッチングガスとして、七フッ化ヨウ素を１０体積％（Ｎ_２ガス、９０体積％）とした以外は、実施例１−１と同じ条件でエッチング試験を行った。その結果、実施例１−１と同様に、エッチング後の試料の面内分布は１〜１１％であり、実施例１−１、１−２に若干劣るもののエッチング量の面内均一性はおおむね良好であった。また、エッチング速度は１．２μｍ／ｍｉｎであった。

［実施例１−５］
シリコン基板温度を−３０℃とする以外は、実施例１−１と同じ条件でエッチング試験を行った。その結果、エッチング後の試料の面内分布は１〜８％であり、実施例１−１、１−２に若干劣るもののエッチング量の面内均一性はおおむね良好であったが、エッチング速度は５μｍ／ｍｉｎであり、実施例１−１と比較して低かった。

［実施例１−６］
シリコン基板温度を１１０℃とする以外は、実施例１−１と同じ条件でエッチング試験を行った。その結果、エッチング速度は、１４μｍ／ｍｉｎであり、実施例１−１と同等な値であったが、エッチング後の試料の面内分布は１〜１１％であり、実施例１−１と比較してバラつきがみられた。

［比較例１−１］
エッチングガスを十分に断熱膨張させることができない条件（供給圧力２０ｋＰａ）とした以外は実施例１−１と同じ条件でエッチング試験を行った。その結果、エッチング速度は１２μｍ／ｍｉｎと良好であったが、エッチング後の試料の面内分布は１１〜２５％であり面内のエッチング量のバラつきが大きかった。なお、［比較例１−１］において、供給圧力（Ｐｓ）とチャンバーの処理室内圧力（Ｐｎ）の比率Ｐｓ／Ｐｎは、１３である。

［比較例１−２］
従来からシリコン層のエッチングに使用されてきた既存のＣｌＦ_３（三フッ化塩素）を用いる以外は実施例１−１と同じ条件でエッチング試験を行った。その結果、エッチング速度は５μｍ／ｍｉｎであったが、エッチング後の試料の面内分布は１７〜２８％であり面内のエッチング量のバラつきが大きかった。

表２の［実施例１−１］〜［実施例１−６］の結果より、七フッ化ヨウ素を含むエッチングガスを用いてエッチングを行うと１００ｋＰａ程度の装置に負荷の掛からない温和な圧力条件下で容易にエッチングガスを断熱膨張させてシリコン層のエッチングが可能なことが分かった。また、［実施例１−１］〜［実施例１−４］の結果より、エッチングガス中の七フッ化ヨウ素の体積割合が多いほど良好なエッチング速度とエッチング量の面内均一性を得られることが分かった。

［比較例１−１］の結果より、供給圧力が２０ｋＰａの条件では断熱膨張させることができず良好な面内分布を得られなかった。また、［比較例１−２］のような従来使用されてきたエッチングガス（ＣｌＦ_３）では温和な圧力条件下では面内分布にバラつきが多かった。これは十分に断熱膨張させることができなかったためと考えられる。

本発明のドライエッチング方法をシリコン層の形状加工に使用し、試料のシリコン層をエッチングした実験例を示す。試料として、シリコン基板上にシリコン酸化膜（２０ｎｍ）を形成し、さらにその上にポリシリコン膜（３μｍ）を形成し、そのポリシリコン膜の表面にエッチングマスクとしてマスク材料を５０ｎｍ形成した試料を用いた。試料の断面模式図を図５に示す。図５において、（ａ）は実施例、比較例で用いたエッチング試料の断面模式図を示し、（ｂ）は、エッチング後の断面模式図を示す。なお、マスク材料としては、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＴｉＮを使用した。

図５の試料を用いてエッチング試験を行い、シリコン層のエッチング速度、マスク材料に対するシリコンエッチング速度との選択比（便宜上、選択比という場合がある）を評価した。その結果を表３に示す。なお、比較例として、従来エッチングガスとして主に使用されてきた種々のフッ素系ガスを使用して評価した。

［実施例２−１］
［実施例１−１］にて使用した図１のエッチング装置を用いて、図５のマスクを形成した試料のエッチング試験を行った。エッチングガスとしては、１００体積％の七フッ化ヨウ素を使用した。エッチング条件として、エッチングプロセスの圧力は２００ｋＰａとする以外は、［実施例１−１］と同じ条件でエッチング試験を行った。その結果、エッチングガスとして、七フッ化ヨウ素を使用すると、ＳｉＮ、ＴｉＮ、ＳｉＯ_２に対してシリコン層エッチングの選択比が優れていることが分かった。また、マスク開口部周辺の加工形状を観察したところ、マスク材料の肩落ちがなく、形成した側壁形状も良好であった。

なお、マスク材料としてＳｉＯ_２を使用した場合、ＩＦ_７、ＸｅＦ_２、ＣｌＦ_３、ＢｒＦ_５、ＩＦ_５、Ｆ_２、それぞれを用いた場合、何れのガスにおいても、マスク材料であるＳｉＯ_２はエッチングされていなかった。

［比較例２−１］〜［比較例２−５］
使用するエッチングガスとして、ＸｅＦ_２、ＣｌＦ_３、ＢｒＦ_５、ＩＦ_５、Ｆ_２とし、それぞれのエッチングプロセス圧力（Ｐａ）を順に３０、５０、１５０、９０、２００とする以外は［実施例２−１］と同じ条件でエッチング試験を行った。なお、使用したガスは何れも希釈ガス等による希釈は行わず試験を行った。

その結果、ＸｅＦ_２はＳｉＮ、ＴｉＮの何れに対しても選択比が良好でなかった。ＣｌＦ_３、ＢｒＦ_５はＴｉＮに対して選択比は良好であったが、ＳｉＮに対しては良好でなかった。さらに、ＩＦ_５、Ｆ_２は、ＸｅＦ_２、ＣｌＦ_３、ＢｒＦ_５に比べて良好な結果を示すが、［実施例２−１］で使用したＩＦ_７と比較すると選択比は劣るものであった。

［実施例２−１］と［比較例２−１］〜［比較例２−５］の結果より、本発明の七フッ化ヨウ素は従来使用されてきた既存のフッ素系のエッチングに比べて、ＳｉＮ、ＴｉＮの何れに対しても選択比が良好であり、シリコン層をエッチングする際にエッチングガスとして使用する際のマスクなどの材料選択の自由度が高いことが分かった。

本発明は、半導体製造におけるシリコン層のエッチングによる微細加工に有用である。

Claims (6)

1. 処理室内で処理対象物のシリコン層をプラズマレスでエッチングするドライエッチング方法であって、供給源から七フッ化ヨウ素を含むエッチングガスを、供給圧力が６６ｋＰａ〜０．５ＭＰａの圧力範囲で供給し、該圧力範囲に保持されたエッチングガスを、供給圧力（Ｐｓ）と処理室内の圧力（Ｐｎ）の比率Ｐｓ／Ｐｎが、２０以上、１×１０ ^９ 以下となるように、前記供給圧力より低い圧力に減圧された処理室に導入し、前記シリコン層を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. エッチングガスが、少なくとも５０体積％以上の七フッ化ヨウ素を含む、請求項１に記載のドライエッチング方法。
3. エッチングガスが、実質的に七フッ化ヨウ素以外の成分を含まない、請求項１又は２に記載のドライエッチング方法。
4. 処理対象物の温度が、−４０℃〜１５０℃である、請求項１から３の何れかに記載のドライエッチング方法。
5. 処理対象物が、少なくともシリコン層と耐エッチング部材とを含み、エッチングガスにより前記シリコン層を選択的にエッチングする、請求項１から４の何れかに記載のドライエッチング方法。
6. 耐エッチング部材が、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＴｉＮから選ばれる少なくとも１つ以上の材料からなる、請求項５に記載のドライエッチング方法。
   

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