JP6327295B2 - ドライエッチング方法 - Google Patents

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Description

本発明は、含フッ素不飽和炭化水素を含むドライエッチング剤を用いたドライエッチング方法に関する。
今日、半導体製造においては、微細化が物理的な限界に近づきつつあり、それを補うため、構造物を高さ方向に積層して集積する方法が開発されている。この傾向はNANDフラッシュメモリにおいて特に顕著に見られ、三次元NANDフラッシュメモリの研究開発が活発化している。
例えば、非特許文献1に記載の三次元NANDフラッシュメモリでは、多結晶シリコン(以下、poly−Siまたはp−Siと呼ぶ)層とシリコン酸化物(以下、SiOと呼ぶ)層が基板上に交互に多数積層され、該層に対して垂直方向に電極となる構造物が埋め込まれた構造がとられている。しかしながら、実際にこのような素子を作製する場合、下地である基板と積層膜に含まれる層のいずれもがSiであることから、積層膜のエッチング工程において、基板にダメージが及んでしまい、p−SiとSiOからなる積層膜のみをエッチング加工することが困難であった。
そこで、非特許文献2に示されるように、p−SiとSiOからなる積層膜に代えて、窒化シリコン(以下SiNと呼ぶ)とSiOからなる積層膜を用いたNANDフラッシュメモリも検討されている。その場合の作製方法の一例では、図1(a)のように、基板4の上にSiN層1とSiO層2からなる交互積層膜を予め作製し、図1(b)のように、該層に対して垂直方向に貫通孔5をエッチング加工により作製する。その後、図示していないが、SiN層を除去し、ゲートを形成する工程などを行う。
この積層膜の層に対して垂直方向に貫通孔を形成する工程においては、非特許文献3に示すように、BiCSと呼ばれる大容量メモリを形成する際に、SiとSiOの交互積層膜に対して、SiのエッチングとSiOのエッチングを、それぞれの独立した工程として交互に繰り返して貫通孔を形成する工程が示されている。
しかしながら、層ごとに独立した工程としてエッチングを行っていたのでは、積層数の増加に伴い、工程数も大幅に増加することになる。また、従来のCF系のガスのみでは、SiNに対するエッチング速度が遅く、場合によっては、SiN層にデポジションが発生し、所望するエッチング形状が得られない。そこで、特許文献1に示されるように、CF系のガスと,CHF系のガスとを含む混合ガスにより1回のプラズマエッチングで異なる種類の層を同時にエッチングする方法が用いられることもある。
また、特許文献2には、HFO−1234ze(E)をはじめとする含フッ素不飽和炭化水素からなるエッチング剤は、SiNおよびSiOいずれに対しても高いエッチング速度を有しており、かつ、マスクとの選択性が高く高アスペクト比のエッチングが可能であることが開示されている。
特開2003−86568号公報 特開2012−114402号公報
青地英明、外2名、東芝レビュー、2011年9月、66巻、9号、p16〜19 Jim Handy 'An Alternative Kind of Vertical 3D NAND String', [online] ; The Memory Guy, [2013年11月8日発行], インターネット〈URL:http://thememoryguy.com/an-alternative-kind-of-vertical-3d-nand-string/〉 市川尚志、外2名、東芝レビュー、2011年5月、66巻、5号、p29〜33
前述のように、特許文献1のようにCを始めとするCF系のガスと,水素を含むCHF系のガスとを含む混合ガスにより1回のプラズマエッチングで異なる種類の層を同時にエッチングする方法が示されている。しかしながら、これらの方法では、マスクとのエッチング選択性が十分に取れず、積層膜の膜厚が厚い場合には、エッチング完了までマスクが耐えられないという問題があった。また、そのエッチング過程においても側壁保護膜の形成が不十分であり、ボウイング等のエッチング形状異常が発生するという問題があった。
一方、1,3,3,3−テトラフルオロプロペン、添加ガス、及び不活性ガスからなるエッチング剤は、特許文献2に開示されている通り、CやCを始めとするCF系のガスに比べてマスクのエッチング選択性が高く、かつ、マスクの肩落ちやボウイングといったエッチング形状の異常を抑えることができる。
ところで、特許文献2の実施例からもわかるとおり、1,3,3,3−テトラフルオロプロペン、添加ガス、及び不活性ガスからなるエッチングガスでは、SiNのエッチング速度がSiOのエッチング速度に対して1.2倍程度大きい。この特性は、前述のCF系ガスのみを用いた場合に生じるSiN層でのエッチング速度の低下によるエッチング形状異常を防ぐ点では効果的であるが、アスペクト比20を超えるような極めて大きなアスペクト比を持つ貫通孔を形成するための積層膜の深掘りエッチングに対しては、新たなエッチング形状異常の原因となりうる。というのも、本発明者らが十分なエッチング速度とイオンの直進性を得る為、相対的に大きな電力およびイオンエネルギーを与えて実施したところ、該エッチングガスの分解が過剰に進行したためか、SiN層のエッチングがSiO層のエッチングに比べて過剰に大きくなり、その比は最大で2.0倍以上に達し、異方性エッチングに加えて、SiN層の等方的なエッチングが進行してしまうことがわかった。
SiNを構成するSi−N結合は、SiOを構成するSi−O結合に比べて結合エネルギーが弱いことが知られている。そのため、SiOはバイアス電圧の印加によりイオンエネルギーが高まった状態でなければ、エッチングはほとんど進行しない。一方、SiNは、H原子とF原子を含むエッチングガスを用いてエッチングした場合、バイアス電圧の印加がなくとも比較的容易にエッチングが進行する。そのため、前述の高アスペクト比のエッチングを実施した際にSiNが選択的に水平方向にも等方的にエッチングされてしまったものと考えられる。また、構造上、SiO層上にSiN層が存在する場合があり、そのような場合には、該層に対して垂直方向へのSiOエッチング速度よりも、むしろ該層に対して水平方向のSiNエッチング速度が大きくなる。その結果、図2に示すように、SiN層の水平方向のSiNエッチングが過剰に発生する。
この水平方向のSiNエッチングが過剰に発生するメカニズムは以下のように考察される。通常のエッチングプロセス中には、ホール内にSiNを異方的にも等方的にもエッチングするポテンシャルを持った活性種が常に存在し、そこにバイアス電圧によって加速されたイオンが加わることにより等方的なエッチングに加えて異方的なエッチングが優勢になる。しかし、下層のSiO層が露出した場合には、該層に対して垂直方向にSiNが存在していないため、前述のSiNに対する活性種は、異方的なエッチングに寄与することができず、全て水平方向への等方的なエッチングに寄与することになると考えられる。そのため、SiO層を貫通して下層のSiN層が露出している場合に比べて、SiN層の水平方向への等方的なエッチングが加速的に進行してしまったものと考えられる。
上記のSiN層の水平方向への過剰なエッチングが発生した場合、積層構造に予期せぬ空隙を形成することになり構造の崩壊につながる。そのため、SiNのエッチング速度に対するSiOのエッチング速度比(SiN/SiO比)を低下させ、SiN層の水平方向への過剰なエッチングを抑制する必要があった。具体的には、SiNのエッチング速度に対するSiOのエッチング速度比(SiN/SiO比)を0.90〜1.5の間で任意に制御するドライエッチング方法が望まれていた。
特許文献2には、SiNまたはSiOを選択的にエッチングする方法が開示されているが、SiNとSiOのエッチングレートを任意に制御する具体的な方法は、開示されていない。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、1,3,3,3−テトラフルオロプロペンをエッチングガスとして用いてプラズマエッチングを行う方法において、SiOとSiNの積層膜に対して、SiNのエッチング速度に対するSiOのエッチング速度比(SiN/SiO比)を0.90〜1.5の間で任意に制御でき、かつマスクに対しても高い選択性を有するエッチング方法を提供することを目的としている。
本発明者等は、上記目的を達成すべく種々検討した結果、SiNとSiOが基板上に交互に多数積層された部位に該層に対して垂直な貫通孔を形成する工程において、少なくとも1,3,3,3−テトラフルオロプロペンと炭素数が2〜5である不飽和パーフルオロカーボンとを所定の割合で含むドライエッチング剤を使用し、プラズマエッチングを行うことで、SiNのエッチング速度に対するSiOのエッチング速度比(SiN/SiO比)を0.90以上1.5未満の間で任意の制御でき、かつマスクに対しても高いエッチング選択性を有することを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明は、基板上に形成されたシリコン酸化物層とシリコン窒化物層の積層膜に対して、前記積層膜上に形成された所定の開口パターンを有するマスクを介して、ドライエッチング剤をプラズマ化し、500V以上のバイアス電圧を印加したエッチングを行い、該層に対して垂直方向の貫通孔を形成するドライエッチング方法であって、前記ドライエッチング剤が、少なくとも、Cと、C(x=2〜5の整数、y=2、4、6、8、または10、y≦2x)で表される不飽和パーフルオロカーボンと、酸化性ガスと、を含み、前記ドライエッチング剤に含まれる前記不飽和パーフルオロカーボンの体積が、前記ドライエッチング剤に含まれる前記Cの体積の0.1〜10倍の範囲であることを特徴とするドライエッチング方法を提供するものである。
また、前記不飽和パーフルオロカーボンが、C、C、C、及び、Cからなる群より選ばれる少なくともひとつであり、ドライエッチング剤中の前記不飽和パーフルオロカーボンとCの濃度の合計が5体積%以上であることが好ましい。
また、前記ドライエッチング剤が、Cと、前記不飽和パーフルオロカーボンと、前記酸化性ガスと、前記不活性ガスのみからなってもよい。
また、Cが1,3,3,3−テトラフルオロプロペンであるであることが好ましい。
本発明により、三次元NANDフラッシュメモリの製造過程のようなSiNとSiOが基板上に交互に多数積層された部位に該層に対して垂直な貫通孔を形成する工程において、SiNのエッチング速度に対するSiOのエッチング速度(SiN/SiO比)を0.90以上1.5未満の間で任意に制御でき、かつマスクに対しても高い選択性を有するエッチングを行うことができる。その結果、積層膜に形成された貫通孔内に露出したSiN層の過剰な等方性エッチングを抑制し、アスペクト比20を超えるような貫通孔のエッチングにおいても積層構造の崩壊を防止することができる。
(a)、(b)貫通孔を形成する前と後の素子の積層構造の概略図である。 エッチングを行った際に発生する、予期せぬSiN等方性エッチングの概略図である。 実施例・比較例で使用した反応装置の概略図である。 (a)、(b)実施例2、5、7、比較例1、2、3、4、7のSiN/SiOエッチング速度比とエッチング選択比(SiO/レジスト)を示す図である。
以下、本発明の実施方法について以下に説明する。なお、本発明の範囲は、これらの説明に拘束されることはなく、以下の例示以外についても、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更し、実施することができる。
本発明のドライエッチング方法では、図1(a)のように、基板4の上にSiN層1とSiO層2からなる交互積層膜と、所定の開口パターンを有するマスク3とを予め作製し、図1(b)のように、マスク3を介して、該層に対して垂直方向、即ち基板4に対して垂直方向に貫通孔5をエッチング加工により作製する。ここで、交互積層膜は、実用的には32層、48層又はそれ以上の数の層が積層した積層膜であるため、貫通孔5は、アスペクト比(交互積層膜の厚さaをマスク3の開口部の幅bで割った値)が20以上の非常に細長い孔である。
本発明によるドライエッチング方法では、少なくともCとC(x=2〜5の整数、y=2、4、6、8、または10、y≦2x)で表される不飽和パーフルオロカーボンと酸化性ガスを含み、Cと、前記不飽和パーフルオロカーボンの混合比が、体積比で1:0.1〜10の範囲であるドライエッチング剤を使用し、プラズマエッチングを行うことで、基板上に形成されたSiO層とSiN層の積層膜をエッチングする。使用する基板としては特に限定されないが、シリコンウエハを使用することができる。なお、マスク3を構成する材料としては、アモルファスカーボンを使用することができる。
で表される不飽和パーフルオロカーボンとしては、C、C、C、C、C、C、C、C、C、C、C、C10からなる群より選ばれる化合物とそれらの混合物が挙げられる。C中に含まれるC原子に対するF原子の量が少ないとSiN層のエッチング速度のみならず、SiO層のエッチング速度までもが低下してしまう傾向にあることから、C、C、C、C、C、C10が好ましく、蒸気圧や爆発性といった取り扱いの容易さを考えると、C、C、C、Cが特に好ましい。
で表される不飽和パーフルオロカーボンは、一つ以上の二重結合又は三重結合を持ち、直鎖状であっても環状であってもよい。なお、Cで表される不飽和パーフルオロカーボンには、構造異性体や、立体異性体(トランス体(E体)とシス体(Z体))が存在することがある。本発明においては、いずれかの異性体又は両者の混合物として用いることができる。Cとしてはテトラフルオロエチレンが挙げられる。Cとしてはヘキサフルオロプロンが挙げられる。Cとしてはヘキサフルオロ−1,3−ブタジエン、ヘキサフルオロ‐2‐ブチン、ヘキサフルオロシクロブテンが挙げられる。Cとしてはオクタフルオロ‐2‐ブテン、オクタフルオロ‐1‐ブテン、オクタフルオロイソブテンが挙げられる。Cとしてはオクタフルオロ−1,4−ペンタジエン、オクタフルオロシクロペンテンが挙げられる。C10としては、デカフルオロ−1,4−ペンテンが挙げられる。
なお、Cとしては、2,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HFO−1234yf)、トランス−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HFO−1234ze(E))、シス−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HFO−1234ze(Z))のいずれを用いてもよい。特に、トランス体及び/又はシス体の1,3,3,3−テトラフルオロプロペンを用いることが好ましい。
で表される不飽和パーフルオロカーボンは、不飽和結合を分子中に有するため、プラズマ中で重合して高分子化し、貫通孔の側壁に堆積して保護膜を形成する。そのため、Cのみでは進行してしまうSiNの等方的なエッチングを抑制することができる。
の濃度は、十分なエッチングレートを得るうえで、CとCに、後述する酸化性ガス、不活性ガスなども含めたドライエッチング剤の総流量に対して、1体積%以上であることが好ましく、5体積%以上であることが特に好ましい。また、ドライエッチング剤中のCとCの濃度の合計が総流量の5体積%以上であることが好ましい。一方で、CとCの濃度の合計が総流量の50体積%を超えると、十分な割合の酸化性ガスの濃度が確保できず、高価な含フッ素不飽和炭化水素を多量に含む割には、エッチングレートが上がらず、費用対効果の点で好ましくない。
また、CとCで表される不飽和パーフルオロカーボンの混合比は、体積比で1:0.1〜10が好ましく、1:0.2〜1.0がより好ましく、1:0.4〜0.7が特に好ましい。Cで表される不飽和パーフルオロカーボンが多すぎると、SiN層の垂直方向への異方性エッチング速度も大きく低下し、所望するエッチング形状が得られなくなることがある。
で表される不飽和パーフルオロカーボンは、分子内に二重結合あるいは三重結合を有することで、プラズマ中で重合して高分子化し、レジスト等のマスク上にも保護膜を形成する。これにより、レジストに対しても十分なエッチング選択比を得ることができる。一方、飽和パーフルオロカーボンを用いた場合には、わずかにSiNのエッチング速度に対するSiOのエッチング速度(SiN/SiO比)を制御可能であるが、その程度は十分でなく、また、マスクとのエッチング選択比が得られず、アスペクト比20を超えるような超高アスペクト比エッチング用のエッチングガスとして適当でない。
本発明においては、SiN層とSiO層のエッチング速度を任意に制御できるため、一つの工程でSiN層とSiO層の積層膜をエッチングすることができる。さらに、エッチング速度が同等であるため、積層膜に形成された孔の壁(内面)の凹凸が少なく、かつ上部と下部で孔径の均一な孔を積層膜に形成することができる。
また、ドライエッチング剤には、酸化性ガスを添加する。酸化性ガスとしては、O、O、CO、CO、COCl、COF、NOなどを使用することができる。特に、入手・取り扱いの容易さから、酸素を使用することが好ましい。酸化性ガスの添加量は、ドライエッチング剤全体の1〜50体積%であることが好ましく、2〜30体積%であることがより好ましく、5〜10体積%であることが特に好ましい。
また、ドライエッチング剤には、コストを下げつつ取り扱いの安全性を増すため、不活性ガスを含むことが好ましい。不活性ガスとしては、アルゴンガス、ヘリウムガス、ネオンガス、クリプトンガス、キセノンガスの希ガス類や、窒素ガスを用いることができる。入手の容易さに加えてイオンアシスト効果の期待できる点で、アルゴンガスが特に好ましい。また、ドライエッチング剤が、Cと、Cで表される不飽和パーフルオロカーボンと、酸化性ガスと、不活性ガスと、のみから構成されてもよい。
また、ドライエッチング剤には、さらに公知のガスを添加することができる。添加ガスとして、C(l=1〜5の整数、mとnは正の整数、m+n=2l又は2l+2)で表される飽和フルオロカーボン、炭化水素ガス、含ハロゲンガス、還元性ガスなどを挙げられる。Cで表される飽和フルオロカーボンとして、CHF、CH、CHF、C、CHF、CHF、C、C、C、C、CHF等が挙げられる。炭化水素ガスとして、CH、C、C、C、C、C、C等が挙げられる。含ハロゲンガスとして、F、Cl、Br、I、YF(Y=Cl、Br又はI、n=1〜7の整数)、NF、HF、HCl、HBr、HI等が挙げられる。還元性ガスとしては、H、NH、NO等が挙げられる。また、ドライエッチング剤が、Cと、Cで表される不飽和パーフルオロカーボンと、酸化性ガスと、不活性ガスと、上記添加ガスとのみから構成されてもよい。
発生させるバイアス電圧は、層に対して垂直方向に直進性の高いエッチングを行うため、500V以上であることが求められ、1000V以上であることが好ましい。バイアス電圧が高ければ高いほどサイドエッチを減少させることが可能であるが、一方、バイアス電圧が10000Vを超えると、基板へのダメージが大きくなり、好ましくない。
エッチングガスに含有されるガス成分についてはそれぞれ独立してチャンバー内に導入してもよく、または予め混合ガスとして調整した上で、チャンバー内に導入しても構わない。反応チャンバーに導入するドライエッチング剤の総流量は、反応チャンバーの容積、及び排気部の排気能力により、前記の濃度条件と圧力条件を考慮して適宜選択できる。
エッチングを行う際の圧力は、安定したプラズマを得るため、およびイオンの直進性を高めてサイドエッチを抑制するため、10Pa以下が好ましく、5Pa以下がより好ましく、1Pa以下が特に好ましい。一方で、チャンバー内の圧力が低すぎると、電離イオンが少なくなり十分なプラズマ密度が得られなくなることから、0.05Pa以上であることが好ましい。
また、エッチングを行う際の基板温度は50℃以下が好ましく、特に異方性エッチングを行うためには20℃以下とすることが望ましい。50℃を超える高温では、側壁へのフルオロカーボンラジカルを主成分とする保護膜の生成量が減少し、等方的にエッチングが進行する傾向が強まり、必要とする加工精度が得られない。また、レジスト等のマスク材が著しくエッチングされることがある。
エッチング時間は素子製造プロセスの効率を考慮すると、30分以内であることが好ましい。ここで、エッチング時間とは、チャンバー内にプラズマを発生させ、ドライエッチング剤と試料とを反応させている時間である。
積層膜中の層数や形成する貫通孔の深さは特に限定されないが、積層による集積効果を得る上で、SiN層とSiO層の合計の層数は6層以上、貫通孔の深さは0.5μm以上であることが好ましい。
また、本発明のドライエッチング剤を用いたエッチング方法は、容量結合型プラズマ(CCP)エッチング、反応性イオンエッチング(RIE)、誘導結合型プラズマ(ICP)エッチング、電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマエッチング及びマイクロ波エッチング等の各種エッチング方法に限定されず、行うことができる。
また、SiN層とSiO層からなる積層膜に貫通孔を形成する際に、ドライエッチング剤に含まれるCとCの組成を、エッチング工程中に必ずしも一定の組成比に固定する必要はなく、エッチング工程中に段階的又は周期的に変化させてもよい。Cの量を減らすとSiNを高速でエッチングでき、Cの量を増やすと水平方向へのSiNエッチングを抑制することができるがSiNエッチング速度が低下するため、エッチング工程中にCの量を適宜変化させることより、貫通孔の形成時間の短縮化と水平方向へのSiNエッチングの抑制を両立できる。例えば、貫通孔の形成の後半では、貫通孔上部の側壁を構成するSiN層への水平方向のエッチングの影響が大きいため、ドライエッチング剤に含まれる不飽和パーフルオロカーボンの量を、貫通孔の形成の前半での量よりも増やしてもよい。また、積層膜のSiN層をエッチングする際に、エッチング速度を高めるためにドライエッチング剤に含まれる不飽和パーフルオロカーボンの量を少なくし、SiO層をエッチングする際に、SiN層の水平方向へのエッチングを抑制するために、ドライエッチング剤に含まれる不飽和パーフルオロカーボンの量を多くすることができる。
さらに、貫通孔を形成する際に、ドライエッチング剤にCを加えないドライエッチング剤でエッチングするドライエッチング工程、すなわち、Cと酸化性ガスを含み、Cを実質的に含まないドライエッチング剤を用いてエッチングする工程を含んでもよい。なお、エッチング用のCに不純物として含まれるCの含有量は、通常0.1体積%以下である。そのため、Cと酸化性ガスを含み、Cを実質的に含まないドライエッチング剤中のCの含有量は、通常0.1体積%以下である。
例えば、一つの例としては、貫通孔の形成の前半、すなわち積層膜の半分程度(例えば、積層膜の厚さの1/2〜5/8)までエッチングする際には、Cと酸化性ガスを含み、Cを実質的に含まない第1のドライエッチング剤を用いた第1のドライエッチング工程を行い、貫通孔の形成の後半、すなわち積層膜を半分程度削った後には、Cと酸化性ガスとCを含む第2のドライエッチング剤を用いた第2のドライエッチング工程を行うことが考えられる。
この方法により、水平方向のSiNエッチングが起きにくい、貫通孔を削り始めた段階では、第1のエッチング工程によりSiNの高速エッチングを行うことができ、水平方向のSiNエッチングが問題となる貫通孔を削り終わる段階では、第2のドライエッチング工程によりドライエッチング剤にCを加えて水平方向のSiNエッチングを抑制しつつ積層膜をエッチングすることができる。すなわち、水平方向へのSiNエッチングを防ぎながら、貫通孔を形成するのに必要な時間を短縮することができる。
また、他の例としては、積層膜のSiN層をエッチングする際には、Cを添加せずにエッチングする第1のエッチング工程を適用し、積層膜のSiO層をエッチングする際には本発明のエッチング方法である第2のエッチング工程を適用することが考えられる。
この方法により、SiO層のエッチング時には、SiN層の横方向エッチングを抑制できる第2のエッチング工程を適用し、SiN層のエッチング時には、SiNエッチング速度の速い、Cを添加しないドライエッチング剤でSiNをエッチングする第1のエッチング工程を適用することができる。
なお、この方法では、SiN層とSiO層の積層数に応じて、供給するドライエッチング剤を変更する必要があるが、Cの供給の有無を切り替えればドライエッチング剤を変更することができるため、各層のエッチング方法の切り替えに大きな作業が必要なく、工程はそれほど煩雑ではない。
一方で、非特許文献3では、Si層のエッチングにハロゲンガスを用い、SiO層のエッチングにフルオロカーボン系ガスを用いているため、各層のエッチングの切り替えには、チャンバーの真空引きを行う必要があり、多数の作業が必要であり、工程が煩雑である上に時間がかかった。
本発明のエッチング方法は、SiNのエッチング速度に対するSiOのエッチング速度(SiN/SiO比)を0.90以上1.5未満の間で任意に制御でき、かつマスクに対しても高い選択性を有するエッチングを行うことができる。そのため、本発明のエッチング方法を、三次元NANDフラッシュメモリを製造する過程において、SiNとSiOの交互積層膜に、アスペクト比20を超える貫通孔を形成する工程に使用することができる。
なお、本発明のエッチング方法により、SiN層とSiO層からなる積層膜に貫通孔を形成した後に、貫通孔の側壁などに堆積したCなどから生成した反応性生成物や、マスクを除去するため、酸素ガスを含む処理ガスから生成されたプラズマでアッシングするアッシング工程を行ってもよい。
以下に本発明の実施例を比較例とともに挙げるが、本発明は以下の実施例に制限されるものではない。
[実施例1]
(エッチング工程)
図3は、実施例・比較例で用いた反応装置10の概略図である。チャンバー11内には、試料18を保持する機能を有しステージとしても機能する下部電極14と、上部電極15と、圧力計12が設置されている。また、チャンバー11上部には、ガス導入口16が接続されている。チャンバー11内は圧力を調整可能であると共に、高周波電源(13.56MHz)13によりドライエッチング剤を励起させることができる。これにより、下部電極14上に設置した試料18に対し励起させたドライエッチング剤を接触させ、試料18をエッチングすることができる。ドライエッチング剤を導入した状態で、高周波電源13から高周波電力を印加すると、プラズマ中のイオンと電子の移動速度の差から、上部電極15と下部電極14の間にバイアス電圧と呼ばれる直流電圧が発生させることができるように構成されている。チャンバー11内のガスはガス排出ライン17を経由して排出される。
試料18として、SiN層を有するシリコンウエハA、および、SiO層を有するシリコンウエハBをステージ上に設置した。SiN層やSiO層は、CVD法により作製した。
ここに、エッチング剤として、C(HFO−1234ze(E))、C、OおよびArをそれぞれ、総流量に対して10体積%、1体積%、6体積%、83体積%で混合し、合計100sccmとして、流通させ高周波電力を400Wで印加してエッチング剤をプラズマ化させることにより、エッチングを行った。なお、バイアス電圧は500Vである。
シリコンウエハAのSiN層、シリコンウエハBのSiO層の、エッチング前後の厚さの変化からエッチング速度を求めた。
[実施例2]
エッチング剤として、C(HFO−1234ze(E))、C(ヘキサフルオロプロン)、OおよびArをそれぞれ、総流量に対して10体積%、3体積%、6体積%、81体積%で混合した以外は実施例1と同じ条件でエッチングを行った。
[実施例3]
エッチング剤として、C(HFO−1234ze(E))、C、OおよびArをそれぞれ、総流量に対して10体積%、5体積%、6体積%、79体積%で混合した以外は実施例1と同じ条件でエッチングを行った。
[実施例4]
エッチング剤として、C(HFO−1234ze(E))、c−C(オクタフルオロシクロペンテン)、OおよびArをそれぞれ、総流量に対して10体積%、1体積%、6体積%、83体積%で混合した以外は実施例1と同じ条件でエッチングを行った。
[実施例5]
エッチング剤として、C(HFO−1234ze(E))、c−C、OおよびArをそれぞれ、総流量に対して10体積%、3体積%、9体積%、78体積%で混合した以外は実施例1と同じ条件でエッチングを行った。
[実施例6]
エッチング剤として、C(HFO−1234ze(E))、C(ヘキサフルオロ−1,3−ブタジエン)、OおよびArをそれぞれ、総流量に対して10体積%、1体積%、6体積%、83体積%で混合した以外は実施例1と同じ条件でエッチングを行った。
[実施例7]
エッチング剤として、C(HFO−1234ze(E))、C、OおよびArをそれぞれ、総流量に対して10体積%、3体積%、9体積%、78体積%で混合した以外は実施例1と同じ条件でエッチングを行った。
[実施例8]
エッチング剤として、C(HFO−1234ze(E))、C、OおよびArをそれぞれ、総流量に対して5体積%、10体積%、6体積%、79体積%で混合した以外は実施例1と同じ条件でエッチングを行った。
[比較例1]
エッチング剤として、C(HFO−1234ze(E))、OおよびArをそれぞれ、総流量に対して10体積%、6体積%、84体積%で混合し、不飽和パーフルオロカーボンを加えなかった以外は実施例1と同じ条件でエッチングを行った。
[比較例2]
エッチング剤として、C(HFO−1234ze(E))、c−C(オクタフルオロシクロブタン)、OおよびArをそれぞれ、総流量に対して10体積%、3体積%、9体積%、78体積%で混合した以外は実施例1と同じ条件でエッチングを行った。
[比較例3]
エッチング剤として、C(HFO−1234ze(E))、C(ヘキサフルオロエタン)、OおよびArをそれぞれ、総流量に対して10体積%、3体積%、9体積%、78体積%で混合した以外は実施例1と同じ条件でエッチングを行った。
[比較例4]
エッチング剤として、C(HFO−1234ze(E))、C(オクタフルオロプロパン)、OおよびArをそれぞれ、総流量に対して10体積%、3体積%、9体積%、78体積%で混合した以外は実施例1と同じ条件でエッチングを行った。
[比較例5]
エッチング剤として、C(HFO−1234ze(E))、C、OおよびArをそれぞれ、総流量に対して1体積%、11体積%、6体積%、82体積%で混合した以外は実施例1と同じ条件でエッチングを行った。
[比較例6]
エッチング剤として、C、OおよびArをそれぞれ、総流量に対して10体積%、6体積%、84体積%で混合した以外は実施例1と同じ条件でエッチングを行った。
[比較例7]
エッチング剤として、C(HFO−1234ze(E))、TFPy(3,3,3−トリフルオロプロピン)、OおよびArをそれぞれ、総流量に対して10体積%、3体積%、9体積%、78体積%で混合した以外は実施例1と同じ条件でエッチングを行った。
各実施例・比較例の結果を表1に記載した。表1中のエッチング速度比は、SiNのエッチング速度に対するSiOのエッチング速度比(SiN/SiO比)であり、エッチング速度比はSiOのエッチング速度に対するレジストのエッチング速度の選択比(SiO/レジスト比)である。
Figure 0006327295
少なくともCとCで表される不飽和パーフルオロカーボンを含み、1,3,3,3−テトラフルオロプロペンと、前記不飽和パーフルオロカーボンの混合比が、体積比で1:0.1〜10の範囲であるドライエッチング剤を用いた各実施例では、SiOに対するSiNのエッチング速度比は0.90以上1.5未満であり、レジストとの選択比も未添加の場合に比べて同等以上であった。このドライエッチング方法により、SiN層の過剰なエッチングを抑えつつ、SiOおよびSiNからなる積層膜の異方性エッチングが可能となる。また、実施例6〜8などから明らかな通り、Cと不飽和パーフルオロカーボンの比率を調整することで、SiOに対するSiNのエッチング速度比を制御することができる。
一方で、比較例1においては、Cで表される不飽和パーフルオロカーボンを含まないため、SiNエッチング速度が高すぎ、SiNエッチング速度とSiOエッチング速度の比は1.63であった。また、比較例2、3、および4においては、添加ガスとして二重結合を有しない飽和パーフルオロカーボンを使用している。その結果SiNエッチング速度とSiOエッチング速度の比は1.5以上であるとともに、未添加の場合に比べてレジストとの選択性も悪化している。このような飽和パーフルオロカーボンの場合には、プラズマ中に含まれるCFラジカルの割合が相対的に大きくなり、重合性の高いCFやCといったラジカルの割合が相対的に小さいと考えられる。そのため、SiNやレジスト上への重合膜の付着が少なくなり、SiNおよびレジストに対する保護効果が効果的に現れなかったものと考えられる。そのため、SiNとSiOの積層膜に比較例1〜4を適用すると、SiN層の水平方向へのエッチングが進み、積層膜の構造崩壊を引き起こす可能性がある。また、比較例2〜4は、レジストとのエッチング選択比が悪化したため、アスペクト比20以上の高アスペクト比の貫通孔を形成することが困難となる。
図4(a)、(b)は、添加ガスのない比較例1と、添加ガスの量が3体積%であるがガスの種類が異なる、実施例2、5、7、比較例2、3、4、7のSiN/SiOエッチング速度比とエッチング選択比(SiO/レジスト)を示す図である。図4(a)に示すように、SiN/SiOエッチング速度比は、二重結合を有する不飽和パーフルオロカーボンであるC、C、Cを添加した場合に、無添加の場合よりも低くすることができるが、二重結合を有しない飽和パーフルオロカーボンであるc−C、C、Cを添加した場合や、三重結合を有するが水素を有するTFPyを添加した場合は、無添加の場合とほぼ同等であった。また、図4(b)に示すように、エッチング選択比(SiO/レジスト)は、二重結合を有する不飽和パーフルオロカーボンであるC、Cを添加したときは無添加の場合よりも顕著に向上し、Cを添加した場合も多少の向上が見られたが、二重結合を有しない飽和パーフルオロカーボンであるc−C、C、Cを添加した場合はむしろ無添加の場合より選択比は低下し、三重結合を有するが水素を有するTFPyを添加した場合は、選択比が大きく向上した。
これらの通り、不飽和結合を有しない飽和パーフルオロカーボンは、SiNやレジスト上への保護膜の付着が少なく、保護効果が効果的に現れないが、二重結合や三重結合を有するフルオロカーボンは、プラズマ中で高分子化して保護膜を形成し、SiNやレジストのエッチングを抑制することができた。しかし、水素を含むフルオロカーボン(主エッチングガスのCやTFPyなど)は、SiNエッチング用の活性種をより多く生成するため、SiNエッチング速度を抑制することができなかった。レジスト選択比をさらに向上させることができる上、SiNエッチング速度を抑制できる添加ガスは、不飽和結合を有し、水素を有しない不飽和パーフルオロカーボンであった。
比較例5においては、Cで表される不飽和パーフルオロカーボンがCに対して10を超える比率で添加しており、SiNエッチング速度が低下しすぎ、SiNエッチング速度とSiOエッチング速度の比は0.89となっており、未添加の場合に比べてレジストとの選択性も悪化している。
比較例6においては、Cのみ、すなわち不飽和パーフルオロカーボンのみを用いたため、SiNエッチング速度が遅く、SiNエッチング速度とSiOエッチング速度の比は0.85となっている。そのため、SiN層とSiO層の積層膜に比較例6を適用しても、SiN層にガス由来の堆積物が堆積し、貫通孔を形成できないと考えられる。
比較例7においては、水素原子を含み、三重結合を持つTFPyを添加したが、SiO/レジストのエッチング選択比は大きく向上したが、SiN/SiOxエッチング速度比は比較例1と余り変わらなかった。すなわち、TFPyに由来する保護膜は、主にレジスト上に形成されたが、SiN層にはほとんど形成されていないと考えられる。
本発明は、半導体製造プロセスにおいて、三次元的に集積されたNANDフラッシュメモリ等の素子への配線形成に有効である。
1 SiN層
2 SiO
3 マスク
4 基板
5 貫通孔
10 反応装置
11 チャンバー
12 圧力計
13 高周波電源
14 下部電極
15 上部電極
16 ガス導入口
17 排ガスライン
18 試料

Claims (12)

  1. 基板上に形成されたシリコン酸化物層とシリコン窒化物層の積層膜に対して、前記積層膜上に形成された所定の開口パターンを有するマスクを介して、ドライエッチング剤をプラズマ化し、500V以上のバイアス電圧を印加したエッチングを行い、該層に対して垂直方向の貫通孔を形成するドライエッチング方法であって、
    前記ドライエッチング剤が、少なくとも、Cと、C(x=2〜5の整数、y=2、4、6、8、または10、y≦2x)で表される不飽和パーフルオロカーボンと、酸化性ガスと、を含み、
    前記ドライエッチング剤に含まれる前記不飽和パーフルオロカーボンの体積が、前記ドライエッチング剤に含まれる前記Cの体積の0.1〜10倍の範囲であることを特徴とするドライエッチング方法。
  2. 前記不飽和パーフルオロカーボンが、C、C、C及びCからなる群より選ばれる少なくともひとつであることを特徴とする請求項1に記載のドライエッチング方法。
  3. 前記ドライエッチング剤中の前記不飽和パーフルオロカーボンとCの濃度の合計が、5体積%以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載のドライエッチング方法。
  4. 前記酸化性ガスが、O、O、CO、CO、COCl、COF及びNOからなる群より選ばれる少なくともひとつであることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のドライエッチング方法。
  5. 前記ドライエッチング剤が、さらに不活性ガスを含み、
    前記不活性ガスがHe、Ne、Ar、Kr、Xe及びNからなる群より選ばれる少なくともひとつであることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のドライエッチング方法。
  6. 前記ドライエッチング剤が、Cと、前記不飽和パーフルオロカーボンと、前記酸化性ガスと、前記不活性ガスのみからなることを特徴とする請求項5に記載のドライエッチング方法。
  7. が1,3,3,3−テトラフルオロプロペンであることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載のドライエッチング方法。
  8. 前記マスクがアモルファスカーボンからなることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載のドライエッチング方法。
  9. 前記貫通孔の形成の後半では、前記ドライエッチング剤に含まれる前記不飽和パーフルオロカーボンの量を、前記貫通孔の形成の前半での量に比べて増やすことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載のドライエッチング方法。
  10. 前記シリコン酸化物層をエッチングする際に、前記ドライエッチング剤に含まれる前記不飽和パーフルオロカーボンの量を、前記シリコン窒化物層をエッチングする際の量に比べて増やすことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載のドライエッチング方法。
  11. 基板上に形成されたシリコン酸化物層とシリコン窒化物層の積層膜に対して、前記積層膜上に形成された所定の開口パターンを有するマスクを介して、ドライエッチング剤をプラズマ化し、500V以上のバイアス電圧を印加したエッチングを行い、該層に対して垂直方向の貫通孔を形成するドライエッチング方法であって、
    前記貫通孔の形成の前半に、Cと酸化性ガスとを含み、C(x=2〜5の整数、y=2、4、6、8、または10、y≦2x)で表される不飽和パーフルオロカーボンを実質的に含まない第1のドライエッチング剤を供給する第1のドライエッチング工程を行い、
    前記貫通孔の形成の後半に、Cと、C(x=2〜5の整数、y=2、4、6、8、または10、y≦2x)で表される不飽和パーフルオロカーボンと、酸化性ガスと、を含む第2のドライエッチング剤を供給する第2のドライエッチング工程を行うことを特徴とし、
    前記第2のドライエッチング剤に含まれる前記不飽和パーフルオロカーボンの体積が、前記ドライエッチング剤に含まれる前記Cの体積の0.1〜10倍の範囲であるドライエッチング方法。
  12. 基板上に形成されたシリコン酸化物層とシリコン窒化物層の積層膜に対して、前記積層膜上に形成された所定の開口パターンを有するマスクを介して、ドライエッチング剤をプラズマ化し、500V以上のバイアス電圧を印加したエッチングを行い、該層に対して垂直方向の貫通孔を形成するドライエッチング方法であって、
    前記シリコン窒化物層をエッチングする際に、Cと酸化性ガスとを含み、C(x=2〜5の整数、y=2、4、6、8、または10、y≦2x)で表される不飽和パーフルオロカーボンを実質的に含まない第1のドライエッチング剤を供給する第1のドライエッチング工程を行い、
    前記シリコン酸化物層をエッチングする際に、少なくとも、Cと、C(x=2〜5の整数、y=2、4、6、8、または10、y≦2x)で表される不飽和パーフルオロカーボンと、酸化性ガスと、を含む第2のドライエッチング剤を供給する第2のドライエッチング工程を行い、
    前記第2のドライエッチング剤に含まれる前記不飽和パーフルオロカーボンの体積が、前記ドライエッチング剤に含まれる前記Cの体積の0.1〜10倍の範囲であることを特徴とするドライエッチング方法。
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