JP7812974B2 - Etching Method - Google Patents
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Description
本発明は、エッチング方法に関し、特に、半導体素子である3Dメモリー等の窒化シリコン膜の除去の工程に用いる等方的なドライエッチング方法のプロセス技術に関する。 The present invention relates to an etching method, and in particular to a process technology for an isotropic dry etching method used in the process of removing silicon nitride films from semiconductor elements such as 3D memory.
半導体デバイスでは、低消費電力化や記憶容量増大に対する要求のため、更なる微細化、およびデバイス構造の3次元化が進んでいる。3次元構造のデバイスの製造では、構造が立体的で複雑であるため、ウエハ面に対して垂直方向にエッチングを行う「垂直性(異方性)エッチング」に加え、横方向にもエッチングが可能な「等方性エッチング」が多用されるようになる。等方性のエッチングとしては、薬液を用いたウエット処理を行ってきたが、微細化の進展により、薬液の表面張力によるパタン倒れや微細な隙間のエッチング残りの問題が顕在化している。さらには、大量の薬液処理が必要なことも環境負荷の観点やコストの点で問題である。そのため、等方性エッチングでは、薬液を用いたウエット処理から薬液を用いないドライ処理に置き換える必要が生じている。 Demands for lower power consumption and increased memory capacity are driving further miniaturization and three-dimensional device structures in semiconductor devices. In the manufacture of three-dimensional devices, due to their complex, three-dimensional structures, "isotropic etching," which allows for lateral etching as well as "vertical (anisotropic) etching," is increasingly used in addition to "vertical etching," which involves etching perpendicular to the wafer surface. Isotropic etching has traditionally been performed using wet processing with chemicals. However, with advances in miniaturization, problems such as pattern collapse due to the surface tension of the chemicals and residual etching in minute gaps have become apparent. Furthermore, the need for large amounts of chemical processing poses environmental and cost concerns. Therefore, there is a need to replace wet processing with dry processing for isotropic etching.
半導体デバイス中では、窒化シリコン膜が多く使われることから、そのドライエッチングプロセスも、フッ化水素(HF)ガスを使い、なおかつプラズマを用いない公知例が知られている。例えば、特許文献1には、ウエハ温度60℃以上200℃以下で、フッ化水素ガスを供給して、熱酸化膜に損傷を与えることなく、窒化シリコン膜をエッチングする方法が記載されている。また、特許文献2には、チャンバー内の圧力を1333Pa以上にして、温度10~120℃でフッ化水素ガスを供給し、窒化シリコン膜を酸化シリコン膜に対して選択的にエッチングする方法が記載されている。Silicon nitride films are widely used in semiconductor devices, and there are known examples of dry etching processes that use hydrogen fluoride (HF) gas but do not use plasma. For example, Patent Document 1 describes a method of supplying hydrogen fluoride gas at a wafer temperature of 60°C to 200°C to etch silicon nitride films without damaging thermal oxide films. Patent Document 2 also describes a method of selectively etching silicon nitride films relative to silicon oxide films by supplying hydrogen fluoride gas at a temperature of 10 to 120°C at a chamber pressure of 1333 Pa or higher.
HFガスに別の成分を加えた公知例として、特許文献3には、一酸化窒素(NO)ガスまたは/およびオゾンガスとHFガスを供給し、これにより窒化シリコン膜を選択的にエッチングする方法が記載されている。また、特許文献4には、含フッ素カルボン酸とHFガスを含む混合ガスを100℃未満かつプラズマレスで接触させ、これにより窒化シリコン膜をエッチングする方法が記載されている。As a known example of adding another component to HF gas, Patent Document 3 describes a method of selectively etching a silicon nitride film by supplying HF gas with nitric oxide (NO) gas and/or ozone gas. Patent Document 4 also describes a method of etching a silicon nitride film by contacting a mixed gas containing a fluorine-containing carboxylic acid and HF gas at less than 100°C without plasma.
HFガス以外のフッ素含有ガスでエッチングするものとして、特許文献5には、三フッ化塩素(ClF3)ガスにより、窒化シリコン膜を酸化シリコン膜に対して選択的にエッチングする方法が示されている。また、特許文献6には、フッ化ニトロシル(FNO)、三フッ化窒素オキシド(F3NO)、フッ化ニトロイル(FNO2)及びそれらの組み合わせからなる群から選択されるフッ素含有エッチングガスにより、選択的に窒化シリコン膜をエッチングする方法が示されている。さらに、特許文献7には、臭素又はヨウ素とフッ素との化合物であるハロゲンフッ化物を含有するエッチングガスで、1Pa以上80kPa以下の圧力下でプラズマを用いずに窒化シリコン膜をエッチングすることが示されている。 As an example of etching with a fluorine-containing gas other than HF gas, Patent Document 5 discloses a method of selectively etching a silicon nitride film relative to a silicon oxide film using chlorine trifluoride ( ClF3 ) gas. Patent Document 6 discloses a method of selectively etching a silicon nitride film using a fluorine-containing etching gas selected from the group consisting of nitrosyl fluoride (FNO), nitrogen trifluoride oxide ( F3NO ), nitroyl fluoride ( FNO2 ), and combinations thereof. Patent Document 7 discloses etching a silicon nitride film using an etching gas containing a halogen fluoride, which is a compound of bromine or iodine with fluorine, at a pressure of 1 Pa to 80 kPa without using plasma.
何らかのプラズマによるラジカルを使うものとして、特許文献8には、フッ素含有ガスとアルコールガスとO2ガスと不活性ガスとを外部のプラズマで励起した状態で供給し、これにより窒化シリコン膜をシリコンおよび/または酸化シリコン膜に対して選択的にエッチングする方法が記載されている。また、特許文献9には、HとFを含むガスを導入する工程と、処理空間に不活性ガスのラジカルを選択的に導入する工程とを含む窒化シリコン膜の選択的にエッチング方法が示されている。さらに、特許文献10には、-20℃以下で、プラズマにより生成した酸素を含む前駆体とフッ素を含む前駆体を用いて、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜が積層した構造から窒化シリコン膜を選択的に横方向にエッチングすることが記載されている。 As an example of using radicals generated by some kind of plasma, Patent Document 8 describes a method in which a fluorine-containing gas, an alcohol gas, O2 gas, and an inert gas are supplied in an excited state by external plasma, thereby selectively etching a silicon nitride film relative to a silicon and/or silicon oxide film. Patent Document 9 also describes a method for selectively etching a silicon nitride film, which includes a step of introducing a gas containing H and F and a step of selectively introducing inert gas radicals into a processing space. Furthermore, Patent Document 10 describes a method for selectively etching a silicon nitride film laterally from a stacked structure of silicon nitride and silicon oxide films at temperatures below -20°C using a plasma-generated oxygen-containing precursor and a fluorine-containing precursor.
また、特許文献6、特許文献10には、3Dメモリーである3D-NANDデバイスの窒化シリコン膜と酸化シリコン膜が多層で積層した構造に形成された、高アスペクト比の開口部の側壁から窒化シリコン膜を選択的に横方向にエッチングすることが記載されている。 Furthermore, Patent Documents 6 and 10 describe selective lateral etching of a silicon nitride film from the sidewall of a high aspect ratio opening formed in a multi-layered structure of silicon nitride films and silicon oxide films in a 3D-NAND device, which is a 3D memory.
また、特許文献11には、窒化シリコン膜上にできるケイフッ化アンモニウム[(NH4)2SiF6]、フッ化水素アンモニウム[NH4HF2]等をランプなどにより、加熱して除去することが示されている。 Furthermore, Patent Document 11 discloses that ammonium silicofluoride [(NH 4 ) 2 SiF 6 ], ammonium hydrogen fluoride [NH 4 HF 2 ], and the like formed on a silicon nitride film are removed by heating with a lamp or the like.
例えば、三次元構造の半導体素子である3D-NANDフラッシュメモリの積層膜加工やFin型FETのゲート周りの加工においては、窒化シリコン膜を多結晶シリコン膜や酸化シリコン膜に対して高選択かつ等方的に、原子層レベルの制御性でエッチングする技術が求められる。中でも3D-NAND構造では、酸化シリコン膜(SiO2膜)と窒化シリコン膜(SiN)が交互に多数積層されていて、そこに深い穴形状や溝形状が形成された構造から、窒化シリコン膜を選択的に等方的に横方向に少量エッチングする工程が存在する。 For example, in the processing of stacked films in 3D-NAND flash memory, a three-dimensional semiconductor device, and in the processing of the gate periphery of FinFETs, technology is required to etch silicon nitride films isotropically and selectively with atomic layer control relative to polycrystalline silicon films and silicon oxide films. In particular, in the 3D-NAND structure, silicon oxide films ( SiO2 films) and silicon nitride films (SiN) are alternately stacked in large numbers, and deep holes and grooves are formed in the layers, so a process is required to selectively and isotropically etch a small amount of silicon nitride film laterally.
背景技術で示したように、フッ酸水溶液やバッファードフッ酸水溶液によるウエットエッチングでは、微細な隙間のエッチング残りの問題や、エッチングの制御性が悪いという問題がある。また、ラジカルを用いたドライエッチングでは、活性種である反応性の高いラジカルの供給が律速となるため、深い穴形状や溝形状の場合、その表面に近いトップ部の窒化シリコン膜のエッチング量が大きく、底部に近いボトム部での窒化シリコン膜のエッチング量が小さくなり、エッチング量のトップ-ボトム差が生じる問題があった。また、プラズマを用いないガスエッチングの場合、酸化シリコン膜に対して、高い選択比で窒化シリコン膜を高精度にエッチングすることが難しく、残したい酸化シリコン膜部分の形状が劣化する問題があった。また、深い穴形状や溝形状の場合、反応生成物がトップ部で再付着するなどして、トップ部の窒化シリコン膜のエッチング量が小さく、エッチング量のトップ-ボトム差を生じる問題があった。As noted in the background art, wet etching using aqueous hydrofluoric acid or buffered hydrofluoric acid solutions poses problems such as incomplete etching of minute gaps and poor etching controllability. Furthermore, dry etching using radicals is rate-limiting due to the supply of highly reactive radicals, which act as active species. Therefore, in the case of deep holes or trenches, the amount of silicon nitride film etched at the top near the surface is large and the amount of silicon nitride film etched at the bottom near the bottom is small, resulting in a top-to-bottom difference in etching amount. Furthermore, gas etching without plasma is difficult to achieve with high precision with a high selectivity relative to silicon oxide film, resulting in degradation of the shape of the silicon oxide film portions that should be retained. Furthermore, in the case of deep holes or trenches, reaction products can re-adhere at the top, resulting in a small amount of silicon nitride film etched at the top, resulting in a top-to-bottom difference in etching amount.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、残したい酸化シリコン膜の形状の劣化を起こさないで、酸化シリコン膜に対して窒化シリコン膜を高選択、高精度にエッチングでき、さらに窒化シリコン膜のエッチング量のトップ-ボトム差が小さくなる方法を提供する。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned problems, and provides a method that allows highly selective and precise etching of a silicon nitride film relative to a silicon oxide film without deteriorating the shape of the silicon oxide film that is desired to be left, and further reduces the difference between the top and bottom etching amounts of the silicon nitride film.
本発明の一態様に係るエッチング方法は、処理室内に配置されたウエハ上に予め形成された、窒化シリコン膜が酸化シリコン膜に上下に挟まれて積層された膜層の端部が溝または穴の側壁を構成する膜構造を、前記処理室内に処理用の気体を供給してプラズマを用いない状態でエッチングするドライエッチング方法であって、
(a)所定の温度でフッ化水素ガスを反応させて、窒化シリコン膜上に反応層を形成する工程、
(b)極性溶媒のガスを流して、前記(a)の工程で形成した前記反応層を処理する工程、
(c)フッ化水素ガスを流さない状態で、前記(a)の工程よりも高い温度で加熱を行い、前記(a)の工程で形成し前記(b)の工程で処理した前記反応層を揮発させて除去を行う工程、を有し、
前記(a)の工程、前記(b)の工程および前記(c)の工程を繰り返して複数回行うことで、前記窒化シリコン膜を前記端部から横方向にエッチングする。
An etching method according to one aspect of the present invention is a dry etching method for etching a film structure, which is formed in advance on a wafer placed in a processing chamber, and in which a silicon nitride film is sandwiched between silicon oxide films and whose end portions form side walls of a trench or hole, by supplying a processing gas into the processing chamber without using plasma,
(a) reacting hydrogen fluoride gas at a predetermined temperature to form a reaction layer on the silicon nitride film;
(b) treating the reaction layer formed in the step (a) by flowing a polar solvent gas;
(c) a step of heating at a temperature higher than that in the step (a) in a state where hydrogen fluoride gas is not flowed, thereby volatilizing and removing the reaction layer formed in the step (a) and treated in the step (b),
The steps (a), (b) and (c) are repeated multiple times to etch the silicon nitride film laterally from the end portion.
また、本発明の他の一態様に係るエッチング方法は、処理室内に配置されたウエハ上に予め形成された、窒化シリコン膜が酸化シリコン膜に上下に挟まれて積層された膜層の端部が溝または穴の側壁を構成する膜構造を、前記処理室内に処理用の気体を供給してプラズマを用いない状態でエッチングするドライエッチング方法であって、
(a)所定の温度でフッ化水素ガスを反応させて、窒化シリコン膜上に反応層を形成する工程、
(d)極性溶媒のガスを流しながら、フッ化水素ガスを流さない状態で、前記(a)の工程よりも高い温度で加熱を行い、前記(a)の工程で形成した前記反応層を揮発させて除去を行う工程、を有し、
前記(a)の工程および前記(d)の工程を繰り返して複数回行うことで、前記窒化シリコン膜を前記端部から横方向にエッチングする。
Another aspect of the present invention provides an etching method, which is a dry etching method for etching a film structure, which is formed in advance on a wafer placed in a processing chamber, and in which a silicon nitride film is sandwiched between silicon oxide films and whose end portions form side walls of a trench or hole, by supplying a processing gas into the processing chamber without using plasma,
(a) reacting hydrogen fluoride gas at a predetermined temperature to form a reaction layer on the silicon nitride film;
(d) a step of heating at a temperature higher than that in the step (a) while flowing a polar solvent gas and without flowing hydrogen fluoride gas, thereby volatilizing and removing the reaction layer formed in the step (a),
The steps (a) and (d) are repeated multiple times to etch the silicon nitride film laterally from the end portion.
本発明によれば、残したい酸化シリコン膜の形状の劣化を起こさないで、酸化シリコン膜に対して窒化シリコン膜を高選択、高精度にエッチングでき、さらに窒化シリコン膜のエッチング量のトップ-ボトム差が小さくなる方法を提供することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 The present invention provides a method for etching a silicon nitride film with high selectivity and precision relative to a silicon oxide film without deteriorating the shape of the silicon oxide film that is to be retained, and further reduces the difference in the amount of etching of the silicon nitride film between the top and bottom. Other issues, configurations, and effects will become clear from the description of the embodiments below.
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。なお、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。 The following describes in detail an embodiment of the present invention with reference to the drawings. However, in the following description, identical components may be designated by the same reference numerals and repeated explanations may be omitted. Note that the drawings may be more schematic than the actual embodiment to make the description clearer, but they are merely examples and do not limit the interpretation of the present invention.
本発明は、半導体素子である3Dメモリー等の窒化シリコン膜の除去の工程に用いる等方的なドライエッチング方法のプロセス技術に関する。本発明者は、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)により形成された窒化シリコン膜、および酸化シリコン膜のそれぞれの単層膜、及び後述する積層膜にスリットを校正するサンプルについて、プラズマを用いないフッ化水素ガス(HF)によるドライエッチングの検討を行った。以下の説明では、本発明に係るドライエッチング方法として、処理室内に配置されたウエハ上に予め形成された、窒化シリコン膜が酸化シリコン膜に上下に挟まれて積層された膜層の端部が溝または穴の側壁を構成する膜構造(図10、図11を参照)を、処理室内に処理用の気体(フッ化水素ガス、極性溶媒ガス)を供給してプラズマを用いない状態でエッチングするドライエッチング方法について説明する。The present invention relates to a process technology for an isotropic dry etching method used in the removal of silicon nitride films from semiconductor devices such as 3D memory. The inventors investigated plasma-free dry etching using hydrogen fluoride gas (HF) on samples for calibrating slits in single-layer silicon nitride and silicon oxide films formed by plasma CVD (chemical vapor deposition), as well as in laminated films (described below). The following describes a dry etching method according to the present invention, which etches a pre-formed film structure (see Figures 10 and 11 ) on a wafer placed in a processing chamber, in which silicon nitride films are sandwiched between silicon oxide films on top and bottom, with the edges of the film layers forming the sidewalls of a trench or hole, by supplying processing gases (hydrogen fluoride gas, polar solvent gas) into the processing chamber without using plasma.
[エッチング処理装置の構成例1]
まず、図3を用いて本発明の実施例1に係るエッチング処理装置100の全体構成を含めて概略を説明する。エッチング処理装置100の処理室1はベースチャンバー(チャンバーとも言う)11により構成され、その中には試料としてのウエハ2を載置するためのウエハステージ(ステージ、載置台とも言う)3が設置されている。処理室1の上側の中心部にはシャワープレート23が設置されており、処理ガスはシャワープレート23を介して処理室1へ供給される。
[Configuration example 1 of etching processing apparatus]
First, an outline of an etching processing apparatus 100 according to a first embodiment of the present invention will be described, including its overall configuration, with reference to Figure 3. The processing chamber 1 of the etching processing apparatus 100 is composed of a base chamber (also referred to as a chamber) 11, which contains a wafer stage (also referred to as a stage or a mounting table) 3 for placing a wafer 2 as a sample thereon. A shower plate 23 is installed in the center of the upper side of the processing chamber 1, and processing gas is supplied to the processing chamber 1 through the shower plate 23.
処理ガスはマスフローボックス50内に、ガス種毎に設置されたマスフローコントローラー52によって供給流量が調整される。また、マスフローコントローラー52の下流側にはガス分配器51が設置されており、処理室1を上側から見た場合において、処理室1の中心付近に供給するガスと外周付近に供給するガスの流量や組成をそれぞれ独立に制御して供給できるようにし、処理ガスの分圧の空間分布を詳細に制御できるようにしている。図3では、アルゴン(Ar)、窒素(N2)、ヘリウム(He)、フッ化水素(HF)、及び極性溶媒のガスとしてアルコールであるメタノール(CH3OH)を図に記載してある。なお、これら以外の他の処理ガスも供給することもできる。特に極性溶媒としては、水や、エタノール、イソプロパノールなどを用いることもできる。ただし、水を用いる場合は、0℃以下では凍結するので、ウエハステージ3のステージ温度として、0℃より高い温度を用いることが必要となる。 The supply flow rate of the process gas is adjusted by mass flow controllers 52 installed in the mass flow box 50 for each gas type. A gas distributor 51 is installed downstream of the mass flow controller 52. When viewed from above, the flow rate and composition of the gas supplied to the center of the process chamber 1 and the gas supplied to the periphery can be independently controlled, enabling precise control of the spatial distribution of the process gas partial pressure. FIG. 3 illustrates argon (Ar), nitrogen (N 2 ), helium (He), hydrogen fluoride (HF), and methanol (CH 3 OH), an alcohol, as a polar solvent gas. Other process gases can also be supplied. In particular, polar solvents such as water, ethanol, and isopropanol can be used. However, when using water, because it freezes at temperatures below 0°C, the stage temperature of the wafer stage 3 must be higher than 0°C.
処理室1の下部には、処理室1を減圧するため、真空排気配管16によって、排気手段15が接続されている。排気手段(排気装置)15は、例えば、ターボ分子ポンプやメカニカルブースターポンプやドライポンプで構成されるものとする。また、処理室1の圧力を調整するため、調圧手段(調圧装置)14が排気手段15の上流側に設置されている。 To the bottom of the processing chamber 1, an exhaust means 15 is connected via a vacuum exhaust pipe 16 to reduce the pressure inside the processing chamber 1. The exhaust means (exhaust device) 15 may be composed of, for example, a turbomolecular pump, a mechanical booster pump, or a dry pump. In addition, a pressure adjustment means (pressure adjustment device) 14 is installed upstream of the exhaust means 15 to adjust the pressure inside the processing chamber 1.
ウエハステージ3の上部には、ウエハ2を加熱するためのIRランプユニットが設置されている。IRランプユニットは主にIRランプ60、反射板61、IR光透過窓72により構成することができる。IRランプ60には、サークル型(円形状、円環状)のランプを用いる。なお、IRランプ60から放射される光は可視光から赤外光領域の光を主とする光(ここではIR光と呼ぶ)を放出するものとする。本実施例では、IRランプ60として、3周分のランプ60-1、60-2、60-3が設置されているものとしたが、2周、4周などとしてもよい。IRランプ60の上方には、IR光を下方(ウエハ設置方向)に向けて反射するための反射板61が設置されている。IR透過窓72の材質としては、アルカリ金属イオンなどを含まず、赤外光領域の光を透過し、耐熱性のあるものが望ましく、具体的材料としては、石英が望ましい。An IR lamp unit for heating the wafer 2 is installed above the wafer stage 3. The IR lamp unit can be primarily composed of an IR lamp 60, a reflector 61, and an IR light-transmitting window 72. A circular (circular, annular) lamp is used as the IR lamp 60. Note that the light emitted from the IR lamp 60 is assumed to be primarily light ranging from visible light to infrared light (herein referred to as IR light). In this embodiment, three lamps 60-1, 60-2, and 60-3 are installed as the IR lamps 60, but two or four lamps may also be installed. A reflector 61 is installed above the IR lamp 60 to reflect IR light downward (toward the wafer placement direction). The IR light-transmitting window 72 is preferably made of a material that does not contain alkali metal ions, transmits light in the infrared range, and is heat-resistant. Specifically, quartz is a preferred material.
IRランプ60にはIRランプ用電源73が接続されており、その途中には高周波電力のノイズがIRランプ用電源73に流入しないようにするための高周波カットフィルター74が設置されている。また、IRランプ60-1、60-2、60-3に供給する電力がお互いに独立に制御できるような機能をIRランプ用電源73は有しており、ウエハ2の加熱量の径方向分布を調節できるようになっている(配線は一部図示を省略した)。IRランプユニットの中央には処理ガス導入用のシャワープレート23を設置するための空間が形成されている。 An IR lamp power supply 73 is connected to the IR lamp 60, and a high-frequency cut filter 74 is installed along the way to prevent high-frequency power noise from entering the IR lamp power supply 73. The IR lamp power supply 73 also has a function that allows the power supplied to the IR lamps 60-1, 60-2, and 60-3 to be controlled independently of each other, allowing the radial distribution of the heating amount on the wafer 2 to be adjusted (some of the wiring is not shown). A space is formed in the center of the IR lamp unit to install a shower plate 23 for introducing process gas.
ウエハステージ3には、ウエハステージ3を冷却するための冷媒の流路39が内部に形成されており、チラー38によって冷媒が循環供給されるようになっている。このチラーとしては、本発明では、例えば、-50℃~50℃まで温度制御が可能なものを用いた。また、ウエハステージ3の方式として、ここでは近接冷却の方式のものを用いた。 The wafer stage 3 has a coolant flow path 39 formed inside it to cool the wafer stage 3, and the coolant is circulated and supplied by a chiller 38. In this invention, this chiller is capable of temperature control from -50°C to 50°C, for example. Furthermore, a proximity cooling system was used for the wafer stage 3.
ウエハステージ3の表面には、突起56が設けられており、ウエハ2は、突起56で構成された点で支持される形で搭載される。突起56の高さは、例えば、0.1mm~1.0mm程度が望ましく、支持される点数は、3点以上あることが望ましい。ここでは、具体的には、0.25mmの突起56を6点用いた。このウエハステージ3の材質としては、腐食耐性のある金属や金属化合物で、熱伝導性の高いものを用いることができる。 Protrusions 56 are provided on the surface of the wafer stage 3, and the wafer 2 is mounted so that it is supported at the points formed by the protrusions 56. The height of the protrusions 56 is preferably, for example, approximately 0.1 mm to 1.0 mm, and the number of supporting points is preferably three or more. Specifically, six 0.25 mm protrusions 56 were used here. The wafer stage 3 can be made of a corrosion-resistant metal or metal compound with high thermal conductivity.
ウエハステージ3とウエハ2の間に突起56によるギャップ(隙間、空間)があるために、チャンバー11の全体に、He、Ar、N2のような不活性ガスを流すことにより、そのギャップに不活性ガスが流れ、熱伝導が起きて、ウエハ2が冷える。なお、ウエハ2の冷却方式に関しては、実施例4に示す静電吸着の方式も用いることができる。 Because there is a gap (gap, space) between the wafer stage 3 and the wafer 2 due to the protrusions 56, by flowing an inert gas such as He, Ar, or N2 throughout the chamber 11, the inert gas flows into the gap, causing heat conduction and cooling the wafer 2. Note that the electrostatic adsorption method shown in Example 4 can also be used to cool the wafer 2.
また、ウエハステージ3の内部には、ウエハステージ3の温度を測定するための熱電対70が設置されており、この熱電対70は熱電対温度計71に接続されている。チラー38の設定温度に対して、熱電対70による熱電対温度計71によりウエハステージ3の温度は、±1℃以内の差であった。 In addition, a thermocouple 70 is installed inside the wafer stage 3 to measure the temperature of the wafer stage 3, and this thermocouple 70 is connected to a thermocouple thermometer 71. The temperature of the wafer stage 3 measured by the thermocouple 70 and the thermocouple thermometer 71 was within ±1°C of the set temperature of the chiller 38.
上記で示した近接冷却のウエハステージ3は、構造が単純であるために低コスト化できるという利点がある。ただし、チャンバー11がアイドリング状態である真空状態では、ウエハ2は断熱されてしまうために、不活性ガスを流して冷却が始まるまでに、一定の時間を要する。またチラー38からの冷媒とウエハ2までの間隔が長めであるために、チラー38の設定温度に対して、実際のウエハ温度が高めになりやすいことがわかった。熱電対が付いたウエハにて、冷却時やプロセス時の温度を測定したところ、実際のウエハ温度は、チラー38の設定温度に対して、約5℃高くなることがわかった。 The proximity-cooled wafer stage 3 described above has the advantage of being simple in structure, allowing for low costs. However, when the chamber 11 is idle and in a vacuum state, the wafer 2 is insulated, so it takes a certain amount of time for inert gas to flow and cooling to begin. Furthermore, because the distance between the refrigerant from the chiller 38 and the wafer 2 is relatively long, it was found that the actual wafer temperature tends to be higher than the set temperature of the chiller 38. When the temperature during cooling and processing was measured using a wafer with a thermocouple attached, it was found that the actual wafer temperature was approximately 5°C higher than the set temperature of the chiller 38.
なお、本発明のエッチング処理装置100で用いるウエハステージ3を冷却するための機構としては、冷媒を循環させるもの以外に、熱電変換デバイスであるペルチェ素子等を用いることもできる。 In addition, as a mechanism for cooling the wafer stage 3 used in the etching processing apparatus 100 of the present invention, in addition to one that circulates a refrigerant, a thermoelectric conversion device such as a Peltier element can also be used.
本発明で用いるエッチング処理装置100は、処理室1などフッ化水素(HF)ガスにさらされるウエハステージ3以外のチャンバー11内部を加温することができる。例えば、温度としては、40℃から120℃程度を用いことができる。これにより、チャンバー11内部にフッ化水素(HF)ガスなどが吸着することを防ぐことができ、チャンバー11内部の腐食を極力軽減することが可能となる。The etching processing apparatus 100 used in the present invention can heat the inside of the chamber 11, excluding the wafer stage 3 that is exposed to hydrogen fluoride (HF) gas, such as the processing chamber 1. For example, a temperature of approximately 40°C to 120°C can be used. This prevents hydrogen fluoride (HF) gas from being adsorbed inside the chamber 11, minimizing corrosion inside the chamber 11.
本発明では、50Pa~1000PaのHFガスをステージ温度40℃~-50℃で用いる。ウエハステージ3のステージ温度によっては、HFガスや用いる極性溶媒が窒化シリコン膜上で凝集し、固化やあるいは液化することがあると考えられる。そのため、静電吸着方式を用いた場合には、ウエハ2の裏面にも固化やあるいは液化が起きた時に、裏面冷却ガスのシールバンドがブレイクし、例えばHeのような冷却ガスがリークして、静電チャックエラーとなる可能性がある。これに対して、近接冷却のステージ3は、もともとギャップがあるため、HFや極性溶媒の固化やあるいは液化が起きた時にもウエハステージ3のエラーが出ず、安定して処理が可能であった。In this invention, HF gas at 50 Pa to 1000 Pa is used at a stage temperature of 40°C to -50°C. Depending on the stage temperature of the wafer stage 3, it is thought that the HF gas and the polar solvent used may condense on the silicon nitride film and solidify or liquefy. Therefore, when using an electrostatic chuck, if solidification or liquefaction occurs on the backside of the wafer 2, the seal band for the backside cooling gas may break, causing a cooling gas such as He to leak and resulting in an electrostatic chuck error. In contrast, the proximity-cooled stage 3 has an inherent gap, so even if the HF or polar solvent solidifies or liquefies, no wafer stage 3 errors occur, enabling stable processing.
さらに静電吸着方式では、ウエハ2とステージ3の間が狭いために、HFや用いる極性溶媒の固化あるいは液化が起きた時に、ウエハ2がステージ3に表面張力で貼り付きやすい。そのため、ウエハ2のデチャック時に、ウエハ2をプッシャーピンで持ち上げると、ウエハ2が割れる問題が生じる場合がある。これに対しても、ウエハ2とステージ3との間に、今回0.25mmのギャップを持つ近接冷却の方式にしたことにより、HFの液化でウエハ2がステージに貼り付く問題を軽減できた。 Furthermore, with the electrostatic chuck method, the gap between the wafer 2 and the stage 3 is narrow, so when the HF or polar solvent used solidifies or liquefies, the wafer 2 tends to stick to the stage 3 due to surface tension. As a result, when dechucking the wafer 2, lifting the wafer 2 with the pusher pins can cause the wafer 2 to crack. To address this issue, we adopted a proximity cooling method with a 0.25 mm gap between the wafer 2 and the stage 3, which has mitigated the problem of the wafer 2 sticking to the stage when the HF liquefies.
本発明のように、低温を用いるプロセスの適用においては、冷却源である静電チャック電極内部の大気雰囲気と接する構成部品に結露を生じ、給電部の様な電気回路においてはショートを起こす可能性がある。その点からも電極内部部品が簡素化された近接冷却のステージ3の構造はメリットがある。 When applying processes that use low temperatures, such as the present invention, condensation can form on components that come into contact with the atmosphere inside the electrostatic chuck electrode, which serves as the cooling source, and this can cause short circuits in electrical circuits such as the power supply. In this respect, the structure of the stage 3, which uses proximity cooling and simplifies the internal electrode components, is advantageous.
[エッチングプロセスのフロー1]
次に本発明で提案するプラズマを用いないフッ化水素ガスによるエッチングプロセス(エッチング工程)について、図3、図5-1、図7-1を用いてフローを説明する。このフローは、処理室1内に配置されたウエハ2上に予め形成された、窒化シリコン膜が酸化シリコン膜に上下に挟まれて積層された膜層の端部が溝または穴の側壁を構成する膜構造(図10、図11参照)を、処理室1内に処理用の気体を供給してプラズマを用いない状態でエッチングするドライエッチング方法である。まず、処理室1に設けられた搬送口(図示省略)を介してウエハ2を処理室1に搬送した後に、ウエハ2をウエハステージ3にある突起56の上に静置する。
[Etching process flow 1]
Next, the flow of the proposed plasma-free etching process (etching step) using hydrogen fluoride gas will be described with reference to Figures 3, 5-1, and 7-1. This flow is a dry etching method in which a film structure (see Figures 10 and 11) formed in advance on a wafer 2 placed in a processing chamber 1, in which a silicon nitride film sandwiched between silicon oxide films and whose edges form the sidewalls of a groove or hole, is etched by supplying a processing gas into the processing chamber 1 without using plasma. First, the wafer 2 is transferred into the processing chamber 1 through a transfer port (not shown) provided in the processing chamber 1, and then the wafer 2 is placed on the protrusion 56 on the wafer stage 3.
その後、ウエハ2にウエハ冷却用のArガスをマスフローコントローラー52、ガス分配器51、さらにはシャワープレート23を介して供給することにより、図5-1のS101のウエハ冷却を行う。Arガスが、ウエハ2への熱伝達とHFガスを希釈するための希釈ガスの役割をしているために、ここでは図5-1のS101とS102が同時に行われる。なお、Arガスの流量は、ウエハ冷却の際と希釈ガスとして用いる際には変えることができる。また、エッチング処理が終了するまで、希釈用のArガスを流し続けることも出来るし、流さないことも出来る。また、Arガスの代わりに、不活性ガスとしてN2ガスを用いることもできる。 Thereafter, wafer cooling in step S101 of FIG. 5-1 is performed by supplying Ar gas for wafer cooling to the wafer 2 via the mass flow controller 52, the gas distributor 51, and the shower plate 23. Because Ar gas serves as both a heat transfer gas to the wafer 2 and a dilution gas for diluting the HF gas, steps S101 and S102 of FIG. 5-1 are performed simultaneously. The flow rate of Ar gas can be changed between when cooling the wafer and when used as a dilution gas. The flow of Ar gas for dilution can be continued or stopped until the etching process is completed. Instead of Ar gas, N2 gas can be used as an inert gas.
続いて、図5-1のS103として、HFガスを所定の量、所定の時間、処理室1に供給し、それと同時に加熱を行い反応層の形成を行った。加熱の方式として、ここでは、IR(赤外)ランプ60による加熱を用いた。ステージ3による冷却とIRランプ60による加熱の結果として得られるウエハ温度としては、30℃以上55℃以下が望ましく、35℃以上50℃以下がより望ましい。全圧あるいはHF分圧、加熱温度、ここではIRランプ出力、時間、繰り返し回数などによって、反応層の膜厚を制御することが可能である。また、前述のウエハ温度が、30℃よりも低い場合は、反応層が十分にできないためにエッチングが起きにくい。逆に55℃より高い場合は、反応層が過剰にできるため、それを分解、揮発させるときに、望まない隣接する酸化シリコン膜をエッチングするために選択性が低下する傾向がある。Next, in step S103 of Figure 5-1, HF gas was supplied to the process chamber 1 at a predetermined amount for a predetermined time, and simultaneously, heating was performed to form a reaction layer. Here, heating was performed using IR (infrared) lamps 60. The wafer temperature obtained as a result of cooling by the stage 3 and heating by the IR lamps 60 is preferably 30°C to 55°C, and more preferably 35°C to 50°C. The reaction layer thickness can be controlled by the total pressure or HF partial pressure, heating temperature, IR lamp output, time, number of repetitions, etc. Furthermore, if the wafer temperature is below 30°C, etching is difficult because an insufficient reaction layer is formed. Conversely, if the wafer temperature is above 55°C, an excessive reaction layer is formed, and when it is decomposed and volatilized, it tends to etch the adjacent silicon oxide film, which is undesirable, resulting in reduced selectivity.
本発明では、使用する圧力は、10Paから1000Pa程度が望ましい、また、50Pa以上1000Pa以下が望ましい、特に100Paから1000Paが望ましい。圧力が高い方が、窒化シリコン膜上の反応層が形成されやすくなるとともに、形成に必要な温度が低温化する。圧力を高くした場合でも、IRランプ60の出力を制御することで、酸化シリコン膜には影響を与えないで、窒化シリコン膜上に反応層を形成できる。In the present invention, the pressure used is preferably approximately 10 to 1000 Pa, more preferably 50 to 1000 Pa, and especially 100 to 1000 Pa. The higher the pressure, the easier it is to form a reaction layer on the silicon nitride film, and the lower the temperature required for formation. Even when the pressure is high, by controlling the output of the IR lamp 60, it is possible to form a reaction layer on the silicon nitride film without affecting the silicon oxide film.
所定の時間、反応層の形成を行った後、図5-1には記載していないが、HFガスの供給を停止し、気相中に残留したHFガスを排気する工程がおこわなれる。真空排気する場合は、5Pa以下にすることが望ましい。つまり、ここでは、不活性ガスを流しながらHFガスを排気する工程が、S103と後続するS104との間に入れられる。 After the reaction layer has been formed for a predetermined time, a process (not shown in Figure 5-1) is performed in which the supply of HF gas is stopped and the HF gas remaining in the gas phase is evacuated. When evacuating to a vacuum, it is desirable to set the pressure to 5 Pa or less. In other words, here, the process of evacuating HF gas while flowing an inert gas is inserted between S103 and the subsequent S104.
次に、図5-1のS104として、極性溶媒ガスを流して、反応層を改質するとともに一部を除去する。ここで、極性溶媒ガスとしては、メタノール、エタノール、イソプロパノールなどのアルコールや、水を用いることができる。極性溶媒ガスを流す量としては、0.1~3.0L/minが望ましく、流す時間として、30s~300s程度が望ましい。また、このときの圧力は、10~1000Pa程度とすることが望ましい。なお極性溶媒ガスを流す際には、希釈ガスとして、Arや窒素ガスなどの不活性ガスを同時に流すこともできる。 Next, in S104 of Figure 5-1, a polar solvent gas is flowed to modify the reaction layer and remove a portion of it. Here, the polar solvent gas can be an alcohol such as methanol, ethanol, or isopropanol, or water. The flow rate of the polar solvent gas is preferably 0.1 to 3.0 L/min, and the flow time is preferably approximately 30 to 300 seconds. The pressure at this time is also preferably approximately 10 to 1000 Pa. When flowing the polar solvent gas, an inert gas such as Ar or nitrogen gas can also be flowed simultaneously as a dilution gas.
所定の時間、反応層の形成を行った後、図5-1には記載していないが、極性溶媒ガスの供給を停止し、気相中に残留した極性溶媒ガスを排気する。真空排気する場合は、5Pa以下にすることが望ましい。つまり、ここでは、不活性ガスを流しながら極性溶媒ガスを排気する工程が、S104と後続するS105との間に入れられる。 After the reaction layer has been formed for a predetermined time, the supply of polar solvent gas is stopped and the polar solvent gas remaining in the gas phase is evacuated, although this is not shown in Figure 5-1. If evacuating to a vacuum, it is desirable to set the pressure to 5 Pa or less. In other words, here, a process of evacuating the polar solvent gas while flowing an inert gas is inserted between S104 and the subsequent S105.
次に、HFガスや極性溶媒ガスを流さない状態で加熱を行い、反応層の除去を行う(図5-1のS105)。ここでの加熱温度は、70℃から110℃(70℃以上110℃以下)が望ましく、70℃から100℃がより望ましい。加熱温度が70℃より低い場合は、反応層の除去が不十分であるため、エッチングが進まない。また、加熱温度が110℃より高い温度を用いた場合は、反応層の分解、揮発時に、望まない隣接する酸化シリコン膜のエッチングが起きやすく選択性が低下し、残すべき酸化膜の気形状が悪くなる傾向がある。Next, heating is performed without flowing HF gas or polar solvent gas to remove the reaction layer (S105 in Figure 5-1). The heating temperature here is preferably 70°C to 110°C (70°C or higher and 110°C or lower), and more preferably 70°C to 100°C. If the heating temperature is lower than 70°C, the reaction layer will not be sufficiently removed, and etching will not proceed. Furthermore, if a heating temperature higher than 110°C is used, undesired etching of adjacent silicon oxide films is likely to occur when the reaction layer decomposes and volatilizes, reducing selectivity and tending to deteriorate the vapor shape of the oxide film that should be left.
除去の際に加熱の方式として、ここでは、IRランプ60を用いた。IRランプ60を用いた場合は、加熱を短時間で行うことができるという利点がある。なお、加熱方法はこれに限定されるものではなく、例えば、ウエハステージ3を加熱する方法や、加熱のみを行う装置にウエハ2を別途搬送し加熱処理を行う方法でもよい。また、IRランプ60の照射時には、Arガスや窒素ガスを導入することができる。また、加熱処理は、必要に応じて、複数回行うこともできる。加熱処理のあとは、S101に戻ってウエハ冷却となる。このあと、S101からS105までの工程を1サイクルとして、これをN回繰り返す。必要なエッチング量が得られるまでサイクルを複数回繰り返した後、終了となる。ここで、S103の工程及びS105の工程は、ステージを-50℃以上0℃以下の低温として、それにランプ加熱を行うことで、S103の工程としてステージを30℃以上55℃以下の温度を得て、さらにS105の工程としてステージを70℃以上110℃以下の温度を得ることが出来る。Here, an IR lamp 60 was used as the heating method for removal. Using an IR lamp 60 has the advantage of being able to heat the wafer in a short time. However, the heating method is not limited to this. For example, the wafer stage 3 may be heated, or the wafer 2 may be transported to a separate heating-only device and heated. Ar gas or nitrogen gas may be introduced during irradiation by the IR lamp 60. Heating may also be performed multiple times as needed. After heating, the process returns to S101 to cool the wafer. Steps S101 through S105 constitute one cycle, and this cycle is repeated N times. The cycle is repeated multiple times until the required etching depth is achieved, and then the process ends. Here, steps S103 and S105 are performed by heating the stage to a low temperature of -50°C or higher and 0°C or lower, followed by lamp heating. This allows the stage to reach a temperature of 30°C or higher and 55°C or lower in step S103, and then a temperature of 70°C or higher and 110°C or lower in step S105.
図7-1には、図3に示したエッチング処理装置100を用いた場合の、図5-1に示したフローによるタイムチャートを示した。HFガスを流しながらIRランプ加熱を行う工程と、極性溶媒ガスを流す工程と、HFガスや極性溶媒ガスを流さない状態でIRランプ加熱を行う工程が1サイクルの中にあり、それをN回繰り返すことで、窒化シリコン膜のエッチングが起きる。 Figure 7-1 shows a time chart for the flow shown in Figure 5-1 when using the etching processing apparatus 100 shown in Figure 3. One cycle includes a process of IR lamp heating while flowing HF gas, a process of flowing polar solvent gas, and a process of IR lamp heating without flowing HF gas or polar solvent gas. By repeating this process N times, the silicon nitride film is etched.
[エッチング結果1]
本発明のプラズマを用いないフッ化水素(HF)ガスによるエッチングの結果を示す。ステージ3の設定温度を-30℃にして、プラズマCVDにより形成された窒化シリコン膜(PE-SiN)、及び酸化シリコン膜(PE-SiO2)のそれぞれの単層膜のエッチングレートを測定した。
[Etching result 1]
The results of etching using hydrogen fluoride (HF) gas without using plasma according to the present invention are shown below. The temperature of stage 3 was set to -30°C, and the etching rates of single-layer silicon nitride (PE-SiN) and silicon oxide (PE-SiO2) films formed by plasma CVD were measured.
ここでは、ベースウエハ2として、直径300mmの高抵抗基板(31Ωcm)に、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜のそれぞれ2cm角のクーポンサンプルを真空グリースで貼り付けたものを用いた。 Here, the base wafer 2 was a high-resistivity substrate (31 Ωcm) with a diameter of 300 mm, to which 2 cm square coupon samples of silicon nitride film and silicon oxide film were attached with vacuum grease.
上記ウエハ2を図3に示したエッチング処理装置100に入れた後、図5-1に示したプロセスフローでエッチングを行った。まず、ウエハ冷却のため、Arを流量1.4L/min、900Paにて、60秒間流した。その後、圧力は900Paのまま、HFを0.40L/min、希釈ガスとしてのArを0.20L/minを導入しながら、IRランプ60を出力60%で、同時に60秒間照射した。これによって、窒化シリコン膜上に反応層が形成される。 After placing the wafer 2 in the etching processing device 100 shown in Figure 3, etching was performed using the process flow shown in Figure 5-1. First, to cool the wafer, Ar was flowed at a flow rate of 1.4 L/min and a pressure of 900 Pa for 60 seconds. After that, while maintaining the pressure at 900 Pa, HF was introduced at 0.40 L/min and Ar as a dilution gas at 0.20 L/min, while the IR lamp 60 was simultaneously irradiated at 60% output for 60 seconds. This resulted in the formation of a reaction layer on the silicon nitride film.
その後、排気のバルブ(不図示)を100%開けた状態で、120秒間排気した。この排気の操作によって、フッ素ガス及び反応生成物の一部が排気される。 Then, the exhaust valve (not shown) was opened 100% and the mixture was evacuated for 120 seconds. This exhaust operation evacuated fluorine gas and some of the reaction products.
次に、ステージ3の設定温度はそのままで、極性溶媒ガスとしてメタノールを圧力300Paで、60秒間流した。メタノールガスを流すことにより、反応層が改質するとともに一部除去される。ここでは、メタノールガスの流量を0.40、0.80、1.2L/minとした。また、ここでは、比較として、この極性溶媒ガスがないフローも行った。Next, while the set temperature of stage 3 remained the same, methanol was flowed as a polar solvent gas at a pressure of 300 Pa for 60 seconds. By flowing methanol gas, the reaction layer was modified and partially removed. Here, the flow rates of methanol gas were set to 0.40, 0.80, and 1.2 L/min. For comparison, a flow without this polar solvent gas was also performed.
次に、ステージ3の設定温度はそのままで、Arを0.50L/min流した状態で、排気のバルブを100%開けた状態で、ランプ強度70%で40秒間加熱を行った。この処理により、極性溶媒ガスフローにより改質された反応層が除去される。その後、初めに戻って、Arを圧力900Paで、1.4L/min、60秒間で流した状態で冷却した。この一連のプロセスを図5-1のフローに従って、ここでは10サイクル行った。Next, with the set temperature of stage 3 unchanged, Ar was flowing at 0.50 L/min, and the exhaust valve was fully open, heating was performed for 40 seconds at 70% lamp intensity. This process removes the reaction layer modified by the polar solvent gas flow. After that, the process returned to the beginning and cooled with Ar flowing at 1.4 L/min for 60 seconds at a pressure of 900 Pa. This series of processes was repeated 10 times, following the flow shown in Figure 5-1.
熱電対が付いた高抵抗基板を用いて、HFガスをArに代替して、ランプ照射時のプロセス温度を実際に測定した結果を表1-1に示した。ここでは、到達温度を示している。先のプロセスで用いたIRランプ60を出力60%、60秒間の場合に測定された温度は、50℃であった。また、反応層を除去する加熱プロセスとして、用いたIRランプ出力70%、40秒間で、温度測定を行ったところ、到達温度80℃であることがわかった。 Table 1-1 shows the results of actual measurements of the process temperature during lamp irradiation using a high-resistance substrate equipped with a thermocouple, replacing HF gas with Ar. The temperature measured here is the temperature reached when the IR lamp 60 used in the previous process was irradiated at 60% output for 60 seconds, resulting in a temperature of 50°C. Furthermore, when the IR lamp used in the heating process to remove the reaction layer was irradiated at 70% output for 40 seconds, the temperature measured was found to be 80°C.
メタノールガスフローを行うことにより、窒化シリコン膜の単層膜でのエッチング膜厚は減少し、選択比も低下する結果となった。ただし、メタノールガスフローの流量を増やすと窒化シリコン膜のエッチング膜厚は増加し、1.2L/minの場合にメタノールガスフローなしの場合と同程度のエッチングレートを示した。選択比もわずかに向上した。メタノールガスフローの効果としては、反応層の何らかの除去に寄与していることがわかる。 By using a methanol gas flow, the etching thickness of the silicon nitride monolayer film decreased, and the selectivity also decreased. However, increasing the flow rate of the methanol gas flow increased the etching thickness of the silicon nitride film, and at 1.2 L/min, the etching rate was similar to that without methanol gas flow. The selectivity also improved slightly. The effect of the methanol gas flow is evident in that it contributes to some removal of the reaction layer.
本発明が対象とする膜の構造としては、図10に示すような基板101上に窒化シリコン膜103と酸化シリコン膜102とが交互に多数積層されていて、そこに開口部104として、深い穴形状や溝形状が形成された3D-NANDで必要とされる構造である。ここで用いられる窒化シリコン膜103の膜厚としては、数nmから100nm、酸化シリコン膜102の膜厚としては数nmから100nmである。また、これらの積層数は、数十から数百層が積層されたものである。これらの積層のトータルの厚さ105は、数μmから数十μmである。開口部104の幅104Wは、数十nmから数百nmである。本発明のプロセスにより図11に理想的な断面図を示すように、窒化シリコン膜103を酸化シリコン膜102に対して高選択に横方向にエッチングする。この横方向へのエッチングの寸法106は、数nmから数十nmである。The film structure targeted by this invention is the structure required for 3D-NAND, as shown in Figure 10, in which multiple silicon nitride films 103 and silicon oxide films 102 are alternately stacked on a substrate 101, with deep hole or trench-shaped openings 104 formed therein. The thickness of the silicon nitride film 103 used here is several nanometers to 100 nanometers, and the thickness of the silicon oxide film 102 is several nanometers to 100 nanometers. Furthermore, these layers are stacked in tens to hundreds of layers. The total thickness 105 of these stacks is several micrometers to tens of micrometers. The width 104W of the opening 104 is several tens to hundreds of nanometers. Using the process of this invention, the silicon nitride film 103 is etched laterally with high selectivity relative to the silicon oxide film 102, as shown in the ideal cross-sectional view of Figure 11. The dimension 106 of this lateral etching is several nanometers to tens of nanometers.
ここで、窒化シリコン膜103の横方向へのエッチングに際して、酸化シリコン膜102に対する選択比が10以上、より望ましくは、20以上が望ましい。この選択比が低い場合は、本来エッチングされるべきではない酸化シリコン膜102のエッチングが同時に起きるために、酸化シリコン膜102のエッチング後の端部の形状が図12の111に示すように、矩形ではない丸いものとなり、デバイス性能に悪影響を及ぼす。 When etching the silicon nitride film 103 laterally, it is desirable for the selectivity ratio to the silicon oxide film 102 to be 10 or greater, and more desirably 20 or greater. If this selectivity ratio is low, etching of the silicon oxide film 102, which should not be etched, occurs simultaneously, and the shape of the edge of the silicon oxide film 102 after etching becomes rounded rather than rectangular, as shown by 111 in Figure 12, which adversely affects device performance.
経験的には、選択比として10以上、より望ましくは20以上がある場合には、図11で示すような、矩形により近い形状が得られる。また、選択比が5未満である場合には、図12の111に示したような窒化シリコン膜103の端部の形状が丸みを帯びたものになり、望ましくない。Empirically, when the selectivity is 10 or more, and more preferably 20 or more, a shape closer to a rectangle, as shown in Figure 11, is obtained. Furthermore, when the selectivity is less than 5, the edge shape of the silicon nitride film 103 becomes rounded, as shown by 111 in Figure 12, which is undesirable.
本発明の実施例として、窒化シリコン膜103(膜厚30nm)と酸化シリコン膜102(膜厚30nm)が交互に合計40層成膜されたサンプルに、200nmのスリット状のスペースが形成されたサンプルを用いて、微細パタンでのエッチング特性を評価した。実験条件としては、図1で検討した条件を用いて、10サイクルのエッチングを行った。その結果を表1-2に示した。 As an example of the present invention, a sample was formed with a total of 40 layers of silicon nitride film 103 (30 nm thick) and silicon oxide film 102 (30 nm thick) alternately deposited, and a 200 nm slit-shaped space was formed in the sample to evaluate the etching characteristics in a fine pattern. Ten cycles of etching were performed using the experimental conditions discussed in Figure 1. The results are shown in Table 1-2.
その結果、比較的高い選択比で、残すべき酸化シリコン膜102が矩形に近い形状でエッチングが進む場合でも、図13に示したように、ボトム部では、112に示したように、窒化シリコン膜103のエッチングが効率的に起きるものの、酸化シリコン膜102の部分の膜厚が薄くなる結果が見られた。また、トップ部では、111に示したように酸化シリコン膜102部分の膜厚が薄くなる傾向は見られなかったが、ボトムのエッチング量109に対して、トップのエッチング量106が小さい傾向が見られた。As a result, even when etching proceeds at a relatively high selectivity and the silicon oxide film 102 to be left is shaped like a rectangle, as shown in Figure 13, the silicon nitride film 103 is efficiently etched at the bottom, as shown in 112, but the thickness of the silicon oxide film 102 is reduced. Furthermore, at the top, as shown in 111, there is no tendency for the thickness of the silicon oxide film 102 to be reduced, but the amount of etching at the top 106 tends to be smaller than the amount of etching at the bottom 109.
表1-2には、エッチング量(窒化シリコン膜103のエッチング量から酸化シリコン膜102のエッチング量を引いたもの)、スリットパタンの結果からの選択比(窒化シリコン膜103の初期寸法からのエッチング量を酸化シリコン膜102のエッチング量で割ったもの)、残SiO2厚さ(図12に示したエッチング後の酸化シリコン膜102の先端112の厚さ108を初期の酸化シリコン膜102の厚さ107で割ったもの)を示した。ここで、良いエッチング条件としては、トップとボトムのエッチング量差が小さく、選択比が大きく、さらには残SiO2厚さが1に近い値であるものである。 Table 1-2 shows the etching amount (the etching amount of the silicon nitride film 103 minus the etching amount of the silicon oxide film 102), the selectivity ratio from the slit pattern results (the etching amount from the initial dimensions of the silicon nitride film 103 divided by the etching amount of the silicon oxide film 102), and the remaining SiO2 thickness (the thickness 108 of the tip 112 of the silicon oxide film 102 after etching shown in FIG. 12 divided by the initial thickness 107 of the silicon oxide film 102). Here, good etching conditions are those in which the difference in etching amount between the top and bottom is small, the selectivity ratio is large, and the remaining SiO2 thickness is close to 1.
なお、評価結果をわかりやすくするために、表1-2には、◎、〇、△、×といった記号を併記した。表1-3にその基準を示した。 To make the evaluation results easier to understand, symbols such as ◎, 〇, △, and × are also listed in Table 1-2. The criteria are shown in Table 1-3.
メタノールガスフローを用いない場合は、反応生成物がボトム部では、エッチング量を増加させる働きをして、トップでは逆にエッチング量を低下させる働きをしている。これに対して、メタノールガスフローの工程を適用したものは、ボトムの残SiO2厚さが0.90以上に改善し、トップとボトムのエッチング量差も2.0nm以下と小さくなって、図14に示すような良好なエッチング結果を示すことがわかった。 When no methanol gas flow was used, the reaction products increased the etching amount at the bottom and decreased the etching amount at the top. In contrast, when the methanol gas flow process was applied, the residual SiO2 thickness at the bottom improved to 0.90 or more, and the difference in etching amount between the top and bottom was reduced to 2.0 nm or less, resulting in good etching results as shown in Figure 14.
次に、表1-2の結果を得た実験条件で、メタノールガスフローを0.4L/min、300Paに固定して、時間を60s、120s、180sと変える実験を行った。そのときのスリットサンプルでの実験結果を表1-4に示した。Next, under the experimental conditions that yielded the results in Table 1-2, an experiment was conducted in which the methanol gas flow was fixed at 0.4 L/min and 300 Pa, and the time was changed to 60 s, 120 s, and 180 s. The experimental results for the slit sample at that time are shown in Table 1-4.
[反応層の組成とメタノールガスフローの効果]
本発明の極性溶媒ガスフローの効果を確認するために、反応層を分析する検討を行った。窒化シリコン膜103の単層膜において、実施例1の表1-2で示した条件で、メタノールガスフロー流量0.40L/minあり場合となしの場合で、IR加熱による反応層の除去は行わないで、反応層を積極的に残す実験を行った。
[Effect of reaction layer composition and methanol gas flow]
To confirm the effect of the polar solvent gas flow of the present invention, a study was conducted to analyze the reaction layer. For a single layer of silicon nitride film 103, an experiment was conducted under the conditions shown in Table 1-2 of Example 1, with and without a methanol gas flow rate of 0.40 L/min, in which the reaction layer was not removed by IR heating but was instead intentionally left intact.
図3に示したエッチング処理装置100を用いて、ステージ温度-30℃で、窒化シリコン膜の単層膜を用いて、まずウエハ冷却のため、Arを流量1.4L/min、900Paにて、60秒間流した。その後、圧力は900Paのまま、HFを0.40L/min、希釈ガスとしてのArを0.20L/minを導入しながら、IRランプ60を出力60%で、同時に60秒間照射した。これによって、窒化シリコン膜103上に反応層が形成される。その後、排気のバルブを100%開けた状態で、120秒間排気した。この排気の操作によって、フッ素ガス及び反応生成物の一部が排気される。 Using the etching processing apparatus 100 shown in Figure 3, with a stage temperature of -30°C and a single-layer silicon nitride film, Ar was first flowed at a flow rate of 1.4 L/min at 900 Pa for 60 seconds to cool the wafer. Then, while maintaining the pressure at 900 Pa, HF was introduced at 0.40 L/min and Ar as a dilution gas at 0.20 L/min, while the IR lamp 60 was simultaneously irradiated at 60% output for 60 seconds. This resulted in the formation of a reaction layer on the silicon nitride film 103. The exhaust valve was then left fully open for 120 seconds, allowing the chamber to be evacuated. This exhaust operation evacuates fluorine gas and some of the reaction products.
次に、ステージ3の設定温度はそのままで、極性溶媒ガスとしてメタノールガスの流量を0.40L/minを圧力300Paで、120秒間流した。メタノールガスを流すことにより、反応層が改質するとともに一部除去される。Next, while the set temperature of stage 3 remained the same, methanol gas was passed as a polar solvent gas at a flow rate of 0.40 L/min at a pressure of 300 Pa for 120 seconds. By passing methanol gas, the reaction layer was modified and partially removed.
その後の加熱による反応層の除去は行わず、ウエハ冷却に戻り、この一連のプロセスを8サイクル行った。フローとしては、図5-1で示したフローの加熱による反応層の除去(S105)をなしにして、S101からS104までを8回繰り返した。このプロセスでできた反応層を反応層B(メタノールガスフローあり)とする。 Then, without removing the reaction layer by heating, the wafer was cooled and this series of processes was repeated eight times. Regarding the flow, steps S101 to S104 were repeated eight times, without removing the reaction layer by heating (S105) as shown in Figure 5-1. The reaction layer formed by this process is called reaction layer B (with methanol gas flow).
また、比較のために、極性溶媒ガスとしてメタノールガスのフローと加熱による反応層の除去を無くして、反応層を形成することを行った。フローとしては、図5-1で示したフローのうち、極性溶媒による反応層の改質と除去(S104)及び加熱による反応層の除去(S105)をなしにして、S101からS103までを8回繰り返した。このプロセスでできた反応層を反応層A(メタノールガスフローなし)とする。For comparison, a reaction layer was also formed without the flow of methanol gas as a polar solvent gas and without the removal of the reaction layer by heating. The flow shown in Figure 5-1 was repeated eight times from S101 to S103, omitting the modification and removal of the reaction layer by polar solvent (S104) and the removal of the reaction layer by heating (S105). The reaction layer formed by this process is referred to as reaction layer A (without methanol gas flow).
これらの2つの反応層に対して、走査電子顕微鏡(SEM)による断面及び表面観察、X線光電子分光法(XPS)による組成分析、昇温脱離ガス分析(TDS)による脱離ガス分析を行った。 These two reaction layers were subjected to cross-sectional and surface observation using a scanning electron microscope (SEM), composition analysis using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and desorption gas analysis using thermal desorption spectroscopy (TDS).
反応層A(メタノールガスフローなし)に関して、SEMによる断面と表面の観察を行ったところ、断面の反応層の膜厚は、61nmであり、その下層に未反応の窒化シリコン膜103が存在し、その部分の膜厚は、281nmであった。これに対して、反応層B(メタノールガスフローあり)では、断面の反応層の膜厚は、65nmであり、その下層の未反応の窒化シリコン膜103の部分の膜厚は、285nmであった。反応層の膜厚の数値は、メタノールガスフローありとなしで変わらないが、反応層B(メタノールガスフローあり)の場合は、反応層A(メタノールガスフローなし)に比べて、表面の荒れが大きく、反応層の一部凝集が起きていて、反応層が一部欠落している部分が見られた。以上のことから、メタノールガスフローにより、反応層が一部除去される効果があることわかった。SEM observation of the cross section and surface of reaction layer A (without methanol gas flow) revealed that the cross-sectional reaction layer thickness was 61 nm, with unreacted silicon nitride film 103 present below, measuring 281 nm. In contrast, reaction layer B (with methanol gas flow) showed a cross-sectional reaction layer thickness of 65 nm, with the unreacted silicon nitride film 103 present below that measuring 285 nm. While the reaction layer thickness was the same with and without methanol gas flow, reaction layer B (with methanol gas flow) exhibited greater surface roughness than reaction layer A (without methanol gas flow), with partial aggregation of the reaction layer and missing portions. These findings demonstrate that methanol gas flow is effective in partially removing the reaction layer.
次に、これらの反応層A(メタノールガスフローなし)と反応層B(メタノールガスフローあり)に関して、X線光電子分光法(XPS)により組成分析を行った。組成分析は、そのままの状態での最表面(a)、10秒間Arでスパッタした内部(b)、さらに10秒間Arでスパッタした内部(c)を比較した。Next, compositional analysis was performed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) on reaction layer A (without methanol gas flow) and reaction layer B (with methanol gas flow). The compositional analysis compared the outermost surface (a) in its original state, the interior after 10 seconds of Ar sputtering (b), and the interior after an additional 10 seconds of Ar sputtering (c).
反応層A(メタノールガスフローなし)の最表面(a)は、窒素(N1s)として、401eVのピークのみであり、窒化シリコンの395eVが見られないことがわかった。この401eVのピークはアンモニウム塩に帰属されることがわかった。10秒間Arでスパッタした内部(b)には、窒化シリコンの395eVのピークが現れて、アンモニウ塩の401eVのピークと窒化シリコンの395eVが約1:1であった。さらに10秒間Arでスパッタした内部(c)では、401eVのアンモニウム塩のピークは見られず、395eVの窒化シリコンのピークだけであった。 The outermost surface (a) of reaction layer A (without methanol gas flow) showed only a 401 eV peak for nitrogen (N1s), with no 395 eV peak for silicon nitride. This 401 eV peak was determined to be attributable to ammonium salt. In the interior (b) sputtered with Ar for 10 seconds, a 395 eV peak for silicon nitride appeared, with the ratio of the 401 eV peak for ammonium salt to the 395 eV peak for silicon nitride being approximately 1:1. In the interior (c) sputtered with Ar for a further 10 seconds, the 401 eV peak for ammonium salt was not observed, with only the 395 eV peak for silicon nitride.
シリコン(Si2P)に関しては、反応層A(メタノールガスフローなし)の最表面(a)では、99eVの窒化シリコン、102eVのシリケート、つまりヘキサフルオロシリケートSiF6 2-に帰属されるピークが約1:1で見られた。10秒間Arでスパッタした内部(b)には、やはり99eVの窒化シリコン99eVと、102eVのシリケートがほぼ1:1で見られた。さらに10秒間Arでスパッタした内部(c)では、102eVのシリケートは無くなり、99eVの窒化シリコンのピークだけになった。 With regard to silicon (Si2P), in the outermost surface (a) of reaction layer A (without methanol gas flow), peaks at 99 eV for silicon nitride and 102 eV for silicate, i.e., peaks attributable to hexafluorosilicate SiF62- , were observed in a ratio of approximately 1:1. In the interior (b) sputtered with Ar for 10 seconds, the 99 eV peak for silicon nitride and the 102 eV peak for silicate were also observed in a ratio of approximately 1:1. In the interior (c) sputtered with Ar for a further 10 seconds, the 102 eV peak for silicate disappeared, and only the 99 eV peak for silicon nitride remained.
これに対して、反応層B(メタノールガスフローあり)の最表面(a)は、窒素(N1s)として、401eVのアンモニウム塩のピークと、窒化シリコンの395eVが約2:1で見られており、下層の窒化シリコン膜が見えていることから、反応層Aに比べて、薄くなっていると考えられる。この401eVのピークはアンモニウム塩に帰属されることがわかった。10秒間Arでスパッタした内部(b)には、窒化シリコンの395eVのピークが大きく現れて、アンモニウ塩の401eVのピークと窒化シリコンの395eVが約1:4であった。さらに10秒間Arでスパッタした内部(c)では、401eVのアンモニウム塩のピークは見られず、395eVの窒化シリコンのピークだけであった。In contrast, the outermost surface (a) of reaction layer B (with methanol gas flow) exhibits a 401 eV ammonium salt peak for nitrogen (N1s) and a 395 eV silicon nitride peak in a ratio of approximately 2:1. Since the underlying silicon nitride film is visible, it is believed to be thinner than reaction layer A. This 401 eV peak was attributed to ammonium salt. In the interior (b) sputtered with Ar for 10 seconds, a significant 395 eV silicon nitride peak appears, with the 401 eV ammonium salt peak and the 395 eV silicon nitride peak being approximately 1:4. Furthermore, in the interior (c) sputtered with Ar for 10 seconds, the 401 eV ammonium salt peak was not observed, and only the 395 eV silicon nitride peak was present.
シリコン(Si2P)に関しても、反応層B(メタノールガスフローあり)の最表面(a)では、99eVの窒化シリコン、102eVのシリケート、つまりヘキサフルオロシリケートSiF6 2-に帰属されるピークが約1:1で見られた。10秒間Arでスパッタした内部(b)では、99eVの窒化シリコンと、102eVのシリケートがほぼ1:4で見られ、この結果からも反応層Bが反応層Aよりも薄いことがわかった。さらに10秒間Arでスパッタした内部(c)では、102eVのシリケートは無くなり、99eVの窒化シリコンのピークだけになった。 With regard to silicon (Si2P), in the outermost surface (a) of reaction layer B (with methanol gas flow), peaks at 99 eV silicon nitride and 102 eV silicate, i.e., peaks attributable to hexafluorosilicate SiF62- , were observed in a ratio of approximately 1:1. In the interior (b) sputtered with Ar for 10 seconds, silicon nitride at 99 eV and silicate at 102 eV were observed in a ratio of approximately 1:4, and this result also showed that reaction layer B was thinner than reaction layer A. In the interior (c) sputtered with Ar for a further 10 seconds, the silicate at 102 eV disappeared, and only the 99 eV silicon nitride peak remained.
以上のことから、XPSによる反応層の分析からは、反応層A(メタノールガスフローなし)と反応層B(メタノールガスフローあり)では、そのピークから、組成の顕著な違いは確認できなかったが、メタノールガスフローありの場合に反応層の厚さが明らかに薄くなっていることが確認された。 From the above, analysis of the reaction layer using XPS showed that no significant differences in composition were observed from the peaks of reaction layer A (without methanol gas flow) and reaction layer B (with methanol gas flow), but it was confirmed that the thickness of the reaction layer was clearly thinner when methanol gas flow was present.
ケイフッ化アンモニウム[(NH4)2SiF6]の場合、元素比は、Si=1、F=6、N=2である。ここで、反応層A(メタノールガスフローなし)の最表面(a)のXPSによる元素比は、Si=1、F=1.25、N=0.58、反応層B(メタノールガスフローあり)の最表面(a)のXPSによる元素比は、Si=1、F=1.46、N=0.88であり、いずれもフッ素や窒素が足らないことがわかった。わずかではあるが反応層B(メタノールガスフローあり)の方が、フッ素や窒素が多いことがわかった。 In the case of ammonium silicofluoride [( NH4 ) 2SiF6 ], the elemental ratios are Si = 1, F = 6, and N = 2. Here, the elemental ratios of the outermost surface (a) of reaction layer A (without methanol gas flow) measured by XPS were Si = 1, F = 1.25, and N = 0.58, and the elemental ratios of the outermost surface (a) of reaction layer B (with methanol gas flow) measured by XPS were Si = 1, F = 1.46, and N = 0.88, indicating that both were deficient in fluorine and nitrogen. It was found that reaction layer B (with methanol gas flow) had slightly more fluorine and nitrogen.
反応層として生成する成分である、ケイフッ化アンモニウム[(NH4)2SiF6]に類するものが、分解、揮発する際にできるHFやNH3が、条件によっては、隣接する酸化シリコン膜をエッチングすることが、トップ-ボトム差や、ボトムの酸化膜の細りに関係していると思われる。メタノールガスフローで反応層が一部除去されることが形状を改善した理由だと思われる。 The reaction layer is formed when ammonium fluorosilicate [(NH 4 ) 2 SiF 6 ] and similar compounds decompose and volatilize, producing HF and NH 3 , which, depending on the conditions, etch the adjacent silicon oxide film, which is thought to be related to the top-bottom difference and the narrowing of the bottom oxide film. The partial removal of the reaction layer by the methanol gas flow is thought to be the reason for the improvement in shape.
次に、これらの反応層A(メタノールガスフローなし)と反応層B(メタノールガスフローあり)に関して、昇温脱離ガス分析(TDS)による脱離ガス分析を行った。TDS分析は、反応層が形成された1cm角のサンプルを、5.0×10-7Paの真空度の真空の状態から80℃~500℃の温度範囲で、10℃/分で昇温して、そのときの圧力上昇とそのときに脱離ガスを質量分析計(Q-マス)を用いて分析するものである。 Next, desorbed gas analysis was performed on reaction layer A (without methanol gas flow) and reaction layer B (with methanol gas flow) by thermal desorption spectroscopy (TDS). In TDS analysis, a 1 cm square sample on which a reaction layer was formed was heated from a vacuum state of 5.0 × 10 Pa in the temperature range of 80 to 500 °C at a rate of 10 °C/min, and the pressure increase and desorbed gas were analyzed using a mass spectrometer (Q-mass).
反応層A(メタノールガスフローなし)では、150℃付近から圧力上昇があり、ピークは1つで、最大圧力を示す温度は182℃あった。この時のマスとしては、m/z=19のF+のピーク強度が大きく、その次にその約50分の1の強度で、m/z=16,17のNH2 +,NH3 +が出ていて、さらにその約5分の1の強度でm/z=47のSiF+が出ることがわかった。さらにメタノールに起因するピークなかった。このTDSによる分析結果からも反応層は、ケイフッ化アンモニウムを含むものであることが示唆された。 In reaction layer A (no methanol gas flow), the pressure began to rise around 150°C, with one peak, and the temperature at which the maximum pressure was reached was 182°C. The masses at this time included a strong F + peak at m/z = 19, followed by NH2 + and NH3 + at m/z = 16 and 17 at approximately 1/50th the intensity, and then SiF+ at m/z = 47 at approximately 1/5 the intensity. Furthermore, no peaks attributable to methanol were found. The TDS analysis results also suggested that the reaction layer contained ammonium silicofluoride.
反応層B(メタノールガスフローあり)では、圧力のピークは2つあり、極大になる温度は176℃と208℃であることがわかった。このことから、メタノールガスフローありの場合は、分解、揮発する温度が高い成分が生じていることがわかる。この時のマスとしては、いずれもピークが2つであることを除くと、反応層A(メタノールガスフローなし)の場合と同様の結果で、この時のマスとしては、m/z=19のF+のピーク強度が大きく、その次にその約50分の1の強度で、m/z=16,17のNH2 +,NH3 +が出ていて、さらにその約5分の1の強度でm/z=47のSiF+が出ることがわかった。さらにメタノールに起因するピークなかった。また、メタノールに起因するピークは見られず、メタノールガスフローなしの場合と変わらないように見える。脱ガスのピークが2つになる理由の詳細は不明であるが、メタノールガスフローによって、分解、揮発温度が高い成分が生じる結果となった。先のXPSの結果と合わせて考えると、過剰なHFが抜けるなどして、ケイフッ化アンモニウムに近い組成になると推定される。しかし、メタノールガスフローでシフトした高温側のピークは、構成されるマスに変化がないように見えることから、詳細は今のところ不明である。 In reaction layer B (with methanol gas flow), two pressure peaks were observed, with the temperatures at which they reached their maximums being 176°C and 208°C. This indicates that with methanol gas flow, components with high decomposition and volatilization temperatures are generated. The mass results were similar to those of reaction layer A (without methanol gas flow), except for the fact that there were two peaks. The mass peaks were F + at m/z = 19, with a large intensity, followed by NH2 + and NH3 + at m/z = 16 and 17 at approximately 1/50th the intensity, and then SiF+ at m/z = 47 at approximately 1/5th the intensity. Furthermore, no peaks attributable to methanol were observed, and the results appear to be unchanged from the case without methanol gas flow. While the exact reason for the two degassing peaks is unknown, methanol gas flow resulted in the generation of components with high decomposition and volatilization temperatures. Considering this together with the previous XPS results, it is estimated that the excess HF is removed, resulting in a composition close to ammonium silicofluoride. However, the peak on the high-temperature side shifted by the methanol gas flow does not appear to have changed in its constituent mass, so the details are currently unknown.
なお、圧力の150℃~250℃のピーク面積を比較すると、反応層A(メタノールガスフローなし)の場合は、4.72e-14(Pa・℃)に対して、反応層B(メタノールガスフローあり)の場合4.15e-14(Pa・℃)と15%程度減少していることがわかった。このことからもメタノールガスフローが反応層を一部除去していることがわかった。 Comparing the peak areas between 150°C and 250°C in pressure, it was found that in reaction layer A (without methanol gas flow) it was 4.72e-14 (Pa·°C), while in reaction layer B (with methanol gas flow) it was 4.15e-14 (Pa·°C), a reduction of approximately 15%. This also shows that the methanol gas flow removes part of the reaction layer.
(比較例)
本発明の極性溶媒ガスフローの効果をより詳細に確認するために、実施例1の表1-2で示したメタノールガスフロー流量0.40L/minの条件において、IR加熱による反応の除去を行わない実験を行った。
(Comparative Example)
In order to confirm the effect of the polar solvent gas flow of the present invention in more detail, an experiment was conducted under the condition of a methanol gas flow rate of 0.40 L/min shown in Table 1-2 of Example 1, without removing the reaction product by IR heating.
図3に示したエッチング処理装置100を用いて、ステージ温度-30℃で、まずウエハ冷却のため、Arを流量1.4L/min、900Paにて、60秒間流した。その後、圧力は900Paのまま、HFを0.40L/min、希釈ガスとしてのArを0.20L/minを導入しながら、IRランプ60を出力60%で、同時に60秒間照射した。これによって、窒化シリコン膜103上に反応層が形成される。その後、排気のバルブを100%開けた状態で、120秒間排気した。この排気の操作によって、フッ素ガス及び反応生成物の一部が排気される。 Using the etching processing apparatus 100 shown in Figure 3, with a stage temperature of -30°C, Ar was first flowed at a flow rate of 1.4 L/min at 900 Pa for 60 seconds to cool the wafer. Then, while maintaining the pressure at 900 Pa, HF was introduced at 0.40 L/min and Ar as a dilution gas at 0.20 L/min, while the IR lamp 60 was simultaneously irradiated at 60% output for 60 seconds. This resulted in the formation of a reaction layer on the silicon nitride film 103. The exhaust valve was then left fully open for 120 seconds, allowing the chamber to be evacuated. This exhaust operation evacuates fluorine gas and some of the reaction products.
次に、ステージの設定温度はそのままで、極性溶媒ガスとしてメタノールガスの流量を0.40L/minを圧力300Paで、60秒間流した。メタノールガスを流すことにより、反応層が改質するとともに一部除去される。Next, while the stage temperature was maintained, methanol gas was passed as a polar solvent gas at a flow rate of 0.40 L/min at a pressure of 300 Pa for 60 seconds. By passing methanol gas, the reaction layer was modified and partially removed.
その後の加熱による反応層の除去は行わず、ウエハ冷却に戻り、この一連のプロセスを10サイクル行った。フローとしては、図5-1で示したフローの加熱による反応層の除去(S105)はなしで、S101からS104までを繰り返した。 Then, without removing the reaction layer by heating, the wafer was cooled and this series of processes was repeated 10 times. Regarding the flow, steps S101 to S104 were repeated without removing the reaction layer by heating (S105) as shown in Figure 5-1.
上記のエッチングのプロセスにより、実施例1で用いた、窒化シリコン膜103(膜厚30nm)と酸化シリコン膜102(膜厚30nm)が交互に合計40層成膜されたサンプルに、200nmのスリット状のスペースが形成されたサンプルを用いて、微細パタンでのエッチング特性を評価した。 Using the above etching process, the etching characteristics of fine patterns were evaluated using a sample in which a total of 40 layers of silicon nitride film 103 (thickness 30 nm) and silicon oxide film 102 (thickness 30 nm) were alternately formed, as used in Example 1, and a 200 nm slit-shaped space was formed.
その結果、窒化シリコン部分のエッチングが起き始めていたが、その部分には堆積物が多く存在することがわかった。この堆積物は、実施例1の反応層の組成とメタノールガスフローの効果で示したように、ケイフッ化アンモニウムに類するものであると思われ、走査電子顕微鏡(SEM)観察の際に、電子線を照射すると揮発することがわかった。表1-5にケイフッ化アンモニウムと思われる堆積物の部分を無視した場合の窒化シリコン膜のエッチング量を示したが表1-2で示したIR加熱による反応の除去を行った場合に比べて、小さいことがわかった。以上のことから、極性溶媒ガスの反応層の改質と除去だけでは窒化シリコン膜103を十分にエッチングすることはできず、加熱による反応層の除去の工程が必要であることがわかった。As a result, etching of the silicon nitride portion was beginning to occur, but it was found that a large amount of deposits existed in that area. As shown in the reaction layer composition and the effect of methanol gas flow in Example 1, this deposit is believed to be a compound similar to ammonium silicofluoride, and scanning electron microscope (SEM) observation revealed that it volatilized when irradiated with an electron beam. Table 1-5 shows the amount of etching of the silicon nitride film when the deposits believed to be ammonium silicofluoride were ignored, and it was found to be smaller than the amount obtained when the reaction was removed by IR heating as shown in Table 1-2. From the above, it was found that the silicon nitride film 103 cannot be sufficiently etched by simply modifying and removing the reaction layer with polar solvent gas, and that a process of removing the reaction layer by heating is necessary.
本発明のプラズマを用いないフッ化水素ガスによるエッチングプロセスの別の形態について説明する。ここでは、実施例1で示した図3のエッチング処理装置100を用いて、図5-2、図7-2に示したフローを説明する。 Another embodiment of the present invention's etching process using hydrogen fluoride gas without plasma will be described. Here, the flow shown in Figures 5-2 and 7-2 will be explained using the etching processing apparatus 100 shown in Figure 3 in Example 1.
[エッチングプロセスのフロー2]
まず、処理室1に設けられた搬送口(図示省略)を介してウエハ2を処理室1に搬送した後に、ウエハ2をウエハステージ3にある突起56の上に静置する。この場合には、ステージ温度として40℃を用いた。
[Etching process flow 2]
First, the wafer 2 is transferred into the processing chamber 1 through a transfer port (not shown) provided in the processing chamber 1, and then the wafer 2 is placed on the protrusion 56 on the wafer stage 3. In this case, the stage temperature was set to 40°C.
その後、ウエハ2に熱伝導させるためのArガスをマスフローコントローラー52、ガス分配器51、さらにはシャワープレート23を介して供給することにより、図5-2のS101のステージ温度によるウエハ加熱を行う。ここで、S101を加熱/冷却と記載したのは、ステージ温度にウエハ温度を合わせるということを意味しており、後述のS105のあとは、ウエハ温度がステージ温度より高くなるため、冷却となる。 Then, Ar gas for thermal conduction to the wafer 2 is supplied via the mass flow controller 52, gas distributor 51, and shower plate 23, thereby heating the wafer at the stage temperature in S101 of Figure 5-2. Here, S101 is described as heating/cooling because it means that the wafer temperature is adjusted to the stage temperature. After S105, described below, the wafer temperature becomes higher than the stage temperature, so cooling occurs.
Arガスは、ウエハ2への熱伝導とHFガスを希釈するための希釈ガスの役割をしているために、ここでは、図5-2のS101とS102は、同時に行われる。なお、Arガスの流量は、ウエハ2への熱伝導の際と希釈ガスとして用いる際には変えることができる。また、エッチング処理が終了するまで、希釈用のArガスを流し続けることも出来るし、流さないことも出来る。また、Arガスの代わりに、不活性ガスとしてN2ガスを用いることもできる。 Since Ar gas serves to conduct heat to the wafer 2 and as a dilution gas for diluting the HF gas, steps S101 and S102 in FIG. 5-2 are performed simultaneously. The flow rate of Ar gas can be changed when conducting heat to the wafer 2 and when used as a dilution gas. Furthermore, the dilution Ar gas can be either continued to flow or not until the etching process is completed. Furthermore, N2 gas can be used as an inert gas instead of Ar gas.
続いて、図5-2のS103として、HFガスを所定の量、所定の時間、処理室1に供給し反応層の形成を行った。ここでは、図5-2のフローで示したようなIR(赤外)ランプ60による加熱は用いずに、ステージ3による熱伝達の温度のみ用いる。ここでは、ステージ温度として40℃を用いたが、ステージ温度、つまりウエハ温度は、30℃以上55℃以下が望ましく、35℃以上50℃以下がより望ましい。ステージ温度、全圧あるいはHF分圧、時間、繰り返し回数などによって、反応層の膜厚を制御することが可能である。 Next, in S103 of Figure 5-2, a predetermined amount of HF gas was supplied to the processing chamber 1 for a predetermined time to form a reaction layer. Here, heating by the IR (infrared) lamps 60 as shown in the flow of Figure 5-2 was not used, but only the temperature transferred by the heat of the stage 3 was used. Here, a stage temperature of 40°C was used, but the stage temperature, i.e., the wafer temperature, is preferably between 30°C and 55°C, and more preferably between 35°C and 50°C. The film thickness of the reaction layer can be controlled by the stage temperature, total pressure or HF partial pressure, time, number of repetitions, etc.
本発明では、使用する圧力は、10Paから1000Pa程度が望ましい、特に300Paから1000Paが望ましい。圧力が高い方が、窒化シリコン膜103上の反応層が形成されやすくなるとともに、形成に必要な温度が低温化する。所定の時間、反応層の形成を行った後、図5-2には記載していないが、HFガスの供給を停止し、気相中に残留したHFガスを排気する。真空排気する場合は、5Pa以下にすることが望ましい。つまり、ここでは、不活性ガスを流しながらHFガスを排気する工程が、S103と後続するS104との間に入れられる。 In the present invention, the pressure used is preferably approximately 10 Pa to 1000 Pa, and particularly preferably 300 Pa to 1000 Pa. The higher the pressure, the easier it is to form a reaction layer on the silicon nitride film 103, and the lower the temperature required for formation. After the reaction layer has been formed for a predetermined time, the supply of HF gas is stopped and the HF gas remaining in the gas phase is evacuated, although this is not shown in Figure 5-2. When evacuating to a vacuum, it is desirable to keep the pressure below 5 Pa. In other words, here, a process of evacuating HF gas while flowing an inert gas is inserted between S103 and the subsequent S104.
次に、図5-2のS104として、極性溶媒ガスを流して、反応層を改質するとともに一部を除去する。ここで、極性溶媒ガスとしては、メタノール、エタノール、イソプロパノールなどのアルコールや、水を用いることができる。極性溶媒ガスを流す量としては、0.1~3.0L/minが望ましく、流す時間として、30s~300s程度が望ましい。また、このときの圧力は、10~1000Pa程度とすることが望ましい。なお極性溶媒ガスを流す際には、希釈ガスとして、Arや窒素ガスなどの不活性ガスを同時に流すこともできる。 Next, in S104 of Figure 5-2, a polar solvent gas is flowed to modify the reaction layer and remove a portion of it. Here, the polar solvent gas can be an alcohol such as methanol, ethanol, or isopropanol, or water. The flow rate of the polar solvent gas is preferably 0.1 to 3.0 L/min, and the flow time is preferably approximately 30 to 300 seconds. The pressure at this time is also preferably approximately 10 to 1000 Pa. When flowing the polar solvent gas, an inert gas such as Ar or nitrogen gas can also be flowed simultaneously as a dilution gas.
所定の時間、反応層の形成を行った後、図5-2には記載していないが、極性溶媒ガスの供給を停止し、気相中に残留した極性溶媒ガスを排気する。真空排気する場合は、5Pa以下にすることが望ましい。つまり、ここでは、不活性ガスを流しながら極性溶媒ガスを排気する工程が、S104と後続するS105との間に入れられる。 After the reaction layer has been formed for a predetermined time, the supply of polar solvent gas is stopped and the polar solvent gas remaining in the gas phase is evacuated, although this is not shown in Figure 5-2. When evacuating to a vacuum, it is desirable to set the pressure to 5 Pa or less. In other words, here, a process of evacuating the polar solvent gas while flowing an inert gas is inserted between S104 and the subsequent S105.
次に、HFガスや極性溶媒ガスを流さない状態で加熱を行い、反応層の除去を行う(図5-2のS105)。ここでの加熱温度は、70℃から110℃(70℃以上110℃以下)が望ましく、70℃から100℃がより望ましい。加熱の方式として、ここでは、IRランプ60を用いた。加熱方法はこれに限定されるものではなく、例えば、ウエハステージ3を加熱する方法や、加熱のみを行う装置にウエハ2を別途搬送し加熱処理を行う方法でもよい。また、IRランプ照射時には、Arガスや窒素ガスを導入することができる。また、加熱処理は、必要に応じて、複数回行うこともできる。加熱のあとは、S101に戻り、ステージによるウエハ冷却となる。このあと、S101からS105までの工程を1サイクルとして、これをN回繰り返す。必要なエッチング量が得られるまでサイクルを繰り返した後、終了となる。ここで、S103の工程及びS105の工程は、ステージを-50℃以上0℃以下の低温として、それにランプ加熱を行うことで、S103の工程としてステージを30℃以上55℃以下の温度を得て、さらにS105の工程としてステージを70℃以上110℃以下の温度を得ることが出来る。Next, heating is performed without flowing HF gas or polar solvent gas to remove the reaction layer (S105 in Figure 5-2). The heating temperature here is preferably 70°C to 110°C (70°C or higher and 110°C or lower), more preferably 70°C to 100°C. Here, an IR lamp 60 was used as the heating method. The heating method is not limited to this; for example, heating the wafer stage 3 or transporting the wafer 2 separately to a heating-only device for heating treatment may also be used. Ar gas or nitrogen gas can also be introduced during IR lamp irradiation. Heating treatment can also be performed multiple times as needed. After heating, the process returns to S101, where the wafer is cooled by the stage. Steps S101 to S105 constitute one cycle, and this is repeated N times. The cycle is repeated until the required etching depth is achieved, and then the process ends. Here, in steps S103 and S105, the stage is set to a low temperature of between -50°C and 0°C and then heated with a lamp, thereby achieving a stage temperature of between 30°C and 55°C in step S103, and further achieving a stage temperature of between 70°C and 110°C in step S105.
図7-2には、図5-2に示したフローによるタイムチャートを示した。HFガス及びArを流す工程(反応層を形成する工程)と、極性溶媒ガスを流す工程と、HFガスを流さない状態でIRランプ加熱を行う工程が1サイクルの中にあり、それをN回繰り返すことで、窒化シリコン膜のエッチングが起きる。 Figure 7-2 shows a time chart for the flow shown in Figure 5-2. One cycle includes a process of flowing HF gas and Ar (the process of forming a reaction layer), a process of flowing polar solvent gas, and a process of IR lamp heating without flowing HF gas. By repeating this process N times, the silicon nitride film is etched.
[エッチング結果2]
図3のエッチング処理装置100とエッチングプロセスフロー2(図5-2、図7-2)を用いて、ステージ温度を40℃に設定し、HF/Arを流すステップでは、IR加熱は行わないプロセスを検討した。まず、ウエハ2への熱伝導のため、Arを流量1.4L/min、900Paにて、60秒間流した。その後、圧力900Paで制御しつつ、HFを0.40L/min、希釈ガスとしてのArを0.20L/minを60秒間導入した。これによって、窒化シリコン膜103上に反応層が形成される。
[Etching result 2]
Using the etching processing apparatus 100 of FIG. 3 and etching process flow 2 (FIGS. 5-2 and 7-2), a process was investigated in which the stage temperature was set to 40° C. and IR heating was not performed in the HF/Ar flow step. First, to conduct heat to the wafer 2, Ar was flowed at a flow rate of 1.4 L/min and 900 Pa for 60 seconds. Then, while controlling the pressure at 900 Pa, HF was introduced at 0.40 L/min and Ar as a diluent gas at 0.20 L/min for 60 seconds. As a result, a reaction layer was formed on the silicon nitride film 103.
その後、排気のバルブを100%開けた状態で、120秒間排気した。この排気の操作によって、フッ素ガス及び反応生成物の一部が排気される。次に、ステージ3の設定温度はそのままで、極性溶媒ガスとしてメタノールガスの流量を0.40L/minとして、圧力300Paで、120秒間流した。メタノールガスを流すことにより、反応層が改質するとともに一部除去される。 Then, with the exhaust valve fully open, the reactor was evacuated for 120 seconds. This exhaust operation evacuated fluorine gas and some of the reaction products. Next, while the set temperature of stage 3 remained the same, methanol gas was passed as the polar solvent gas at a flow rate of 0.40 L/min at a pressure of 300 Pa for 120 seconds. By passing methanol gas, the reaction layer was modified and partially removed.
次に、ステージ3の設定温度はそのままで、Arを0.50L/min流した状態で、排気のバルブを100%開けた状態で、ランプ強度70%で40秒間加熱を行った。この処理により、極性溶媒ガスフローにより改質された反応層が除去される。その後、初めに戻って、Arを圧力900Paで、1.4L/min、60秒間で流した状態で冷却した。この一連のプロセスを図5-2のフローに従って、ここでは10サイクル行った。Next, with the set temperature of stage 3 unchanged, Ar was flowing at 0.50 L/min, and the exhaust valve was fully open, heating was performed for 40 seconds at 70% lamp intensity. This process removes the reaction layer modified by the polar solvent gas flow. After that, the process returned to the beginning and cooled with Ar flowing at 1.4 L/min for 60 seconds at a pressure of 900 Pa. This series of processes was repeated 10 times, following the flow shown in Figure 5-2.
実施例1と同様に窒化シリコン膜103(膜厚30nm)と酸化シリコン膜102(膜厚30nm)が交互に合計40層成膜されたサンプルに、200nmのスリット状のスペースが形成されたサンプルを用いて、微細パタンでのエッチング特性を評価した。その結果を表2に示した。As in Example 1, a sample was formed with a total of 40 layers of silicon nitride film 103 (30 nm thick) and silicon oxide film 102 (30 nm thick) alternately deposited, and a sample with 200 nm slit-shaped spaces formed was used to evaluate the etching characteristics in a fine pattern. The results are shown in Table 2.
本発明のプラズマを用いないフッ化水素ガスによるエッチングプロセスの別の形態について説明する。ここでは、実施例1で示した図3のエッチング処理装置100を用いて、図6-2、図8に示したフローを説明する。 Another embodiment of the present invention's etching process using hydrogen fluoride gas without plasma will be described. Here, the flow shown in Figures 6-2 and 8 will be explained using the etching processing apparatus 100 shown in Figure 3 in Example 1.
[エッチングプロセスのフロー3]
まず、処理室1に設けられた搬送口(図示省略)を介してウエハ2を処理室1に搬送した後に、ウエハ2をウエハステージ3にある突起56の上に静置する。この場合には、ステージ温度として30℃を用いた。
[Etching process flow 3]
First, the wafer 2 is transferred into the processing chamber 1 through a transfer port (not shown) provided in the processing chamber 1, and then the wafer 2 is placed on the protrusion 56 on the wafer stage 3. In this case, the stage temperature was set to 30°C.
その後、ウエハ2に熱伝導させるためのArガスをマスフローコントローラー52、ガス分配器51、さらにはシャワープレート23を介して供給することにより、図6-2のS111のステージ3によるウエハ加熱/冷却を行う。ここで加熱/冷却と記載したのは、ステージ温度にウエハ温度を合わせるということを意味しており、後述のS114のあとは、ウエハ温度がステージ温度より高くなるため、冷却となる。 Then, Ar gas for thermal conduction to the wafer 2 is supplied via the mass flow controller 52, gas distributor 51, and shower plate 23, thereby heating/cooling the wafer by stage 3 in S111 of Figure 6-2. The term "heating/cooling" here refers to matching the wafer temperature to the stage temperature; after S114, described below, the wafer temperature becomes higher than the stage temperature, so cooling occurs.
Arガスは、ウエハへの熱伝導とHFガスを希釈するための希釈ガスの役割をしているために、ここでは図6-2のS111とS112は、同時に行われる。なお、Arガスの流量は、ウエハ2への熱伝導の際と希釈ガスとして用いる際には変えることができる。また、エッチング処理が終了するまで、希釈用のArガスを流し続けることも出来るし、流さないことも出来る。また、Arガスの代わりに、不活性ガスとしてN2ガスを用いることもできる。 Since Ar gas serves both as a heat transfer gas to the wafer and as a dilution gas for diluting the HF gas, steps S111 and S112 in FIG. 6-2 are performed simultaneously. The flow rate of Ar gas can be changed when conducting heat to the wafer 2 and when used as a dilution gas. Furthermore, the dilution Ar gas can be either continued to flow or not until the etching process is completed. Furthermore, N2 gas can be used as an inert gas instead of Ar gas.
続いて、図6-2のS113として、HFガスを所定の量、所定の時間、前記処理室1に供給し反応層の形成を行った。ここでは、図6-2のフローで示したようなIR(赤外)ランプ60による加熱は用いずに、ステージ3による熱伝達の温度のみ用いる。ここではステージ温度として30℃を用いたが、ステージ温度、つまりウエハ温度は、30℃以上55℃以下が望ましく、35℃以上50℃以下がより望ましい。ステージ温度、全圧あるいはHF分圧、時間、繰り返し回数などによって、反応層の膜厚を制御することが可能である。 Next, in S113 of Figure 6-2, a predetermined amount of HF gas was supplied to the processing chamber 1 for a predetermined time to form a reaction layer. Here, heating by the IR (infrared) lamps 60 as shown in the flow of Figure 6-2 was not used, but only the temperature transferred by the heat of the stage 3 was used. Here, a stage temperature of 30°C was used, but the stage temperature, i.e., the wafer temperature, is preferably between 30°C and 55°C, and more preferably between 35°C and 50°C. The film thickness of the reaction layer can be controlled by the stage temperature, total pressure or HF partial pressure, time, number of repetitions, etc.
本発明では、使用する圧力は、10Paから1000Pa程度が望ましい、特に300Paから1000Paが望ましい。圧力が高い方が、窒化シリコン膜103上の反応層が形成されやすくなるとともに、形成に必要な温度が低温化する。所定の時間、反応層の形成を行った後、図6-2には記載していないが、HFガスの供給を停止し、気相中に残留したHFガスを排気する。真空排気する場合は、5Pa以下にすることが望ましい。つまり、ここでは、不活性ガスを流しながらHFガスを排気する工程が、S113と後続するS114との間に入れられる。 In the present invention, the pressure used is preferably approximately 10 Pa to 1000 Pa, and particularly preferably 300 Pa to 1000 Pa. The higher the pressure, the easier it is to form a reaction layer on the silicon nitride film 103, and the lower the temperature required for formation. After the reaction layer has been formed for a predetermined time, the supply of HF gas is stopped and the HF gas remaining in the gas phase is evacuated, although this is not shown in Figure 6-2. When evacuating to a vacuum, it is desirable to keep the pressure below 5 Pa. In other words, here, a process of evacuating HF gas while flowing an inert gas is inserted between S113 and the subsequent S114.
次に、図6-2のS114として、極性溶媒ガスの導入しながら加熱することにより、反応層を改質しながら除去を行う。ここで極性溶媒ガスとしては、メタノール、エタノール、イソプロパノールなどのアルコールや、水を用いることができる。極性溶媒ガスを流す量としては、0.1~3.0L/minが望ましい。ここでの加熱温度は、70℃から110℃が望ましく、70℃から100℃がより望ましい。加熱の方式として、ここでは、IRランプ60を用いた。加熱方法はこれに限定されるものではなく、例えばウエハステージ3を加熱する方法や、加熱のみを行う装置にウエハ2を別途搬送し加熱処理を行う方法でもよい。また、極性溶媒ガスの導入しながら加熱することにより、反応層を改質しながら除去を行う工程には、Arガスや窒素ガスなどの不活性ガスを導入することができる。さらに、この工程は、必要に応じて複数回行うこともできる。Next, in step S114 of FIG. 6-2, the reaction layer is removed while being modified by heating while introducing a polar solvent gas. The polar solvent gas can be water or alcohols such as methanol, ethanol, or isopropanol. The flow rate of the polar solvent gas is preferably 0.1 to 3.0 L/min. The heating temperature is preferably 70 to 110°C, more preferably 70 to 100°C. Here, an IR lamp 60 was used as the heating method. The heating method is not limited to this; for example, the wafer stage 3 can be heated, or the wafer 2 can be transported separately to a heating-only device and subjected to heating treatment. Furthermore, inert gases such as Ar gas or nitrogen gas can be introduced in the process of removing the reaction layer while being modified by heating while introducing a polar solvent gas. Furthermore, this process can be performed multiple times as needed.
次に、図6-2には記載していないが、加熱及び極性溶媒ガスの供給を停止し、気相中に残留した極性溶媒ガスを排気する。真空排気する場合は、5Pa以下にすることが望ましい。つまり、ここでは、不活性ガスを流しながら極性溶媒ガスを排気する工程が、S114の後に入れられる。 Next, although not shown in Figure 6-2, the heating and supply of polar solvent gas are stopped, and the polar solvent gas remaining in the gas phase is evacuated. When evacuating to a vacuum, it is desirable to set the pressure to 5 Pa or less. In other words, here, a process of evacuating the polar solvent gas while flowing an inert gas is inserted after S114.
このあと、S111のステージ3によるウエハ加熱/冷却に戻る。S111は、ステージ温度とウエハ温度を合わせる工程であり、S114により、ウエハ2は加熱されているので、次のS111は冷却となる。このあと、S111からS114までの工程を1サイクルとして、これをN回繰り返す。必要なエッチング量が得られるまでサイクルを繰り返した後、終了となる。S113の工程及びS114の工程は、ステージを-50℃以上0℃以下の低温として、それにランプ加熱を行うことで、S113の工程としてステージを30℃以上55℃以下の温度を得て、さらにS114の工程としてステージを70℃以上110℃以下の温度を得ることができる。 After this, the process returns to wafer heating/cooling by stage 3 in S111. S111 is a process for matching the stage temperature with the wafer temperature, and since wafer 2 has been heated in S114, the next step is cooling in S111. After this, the steps from S111 to S114 constitute one cycle, and this is repeated N times. The cycle is repeated until the required etching amount is achieved, and then the process ends. In steps S113 and S114, the stage is cooled to a low temperature of between -50°C and 0°C, and then lamp heating is performed, thereby achieving a stage temperature of between 30°C and 55°C in step S113, and then a stage temperature of between 70°C and 110°C in step S114.
図8には、図6-2に示したフローによるタイムチャートを示した。HFガス及びArを流す工程(反応層を形成する工程)と、極性溶媒ガスを流す工程と、HFガスを流さない状態でIRランプ加熱を行う工程が1サイクルの中にあり、それをN回繰り返すことで、窒化シリコン膜のエッチングが起きる。 Figure 8 shows a time chart for the flow shown in Figure 6-2. One cycle includes a process of flowing HF gas and Ar (the process of forming a reaction layer), a process of flowing polar solvent gas, and a process of IR lamp heating without flowing HF gas. By repeating this process N times, the silicon nitride film is etched.
[エッチング結果3]
実施例1で示した図3のエッチング処理装置100とエッチングプロセスフロー3(図6-2、図8)を用いて、ステージ温度を30℃に設定し、HF/Arを流すステップでは、IR加熱は行わないプロセスを検討した。まず、ウエハ2への熱伝導のため、Arを流量1.4L/min、900Paにて、60秒間流した。その後、圧力900Paで制御しつつ、HFを0.40L/min、希釈ガスとしてのArを0.20L/minを60秒間導入した。これによって、窒化シリコン膜103上に反応層が形成される。
[Etching result 3]
Using the etching processing apparatus 100 of FIG. 3 and etching process flow 3 (FIGS. 6-2 and 8) shown in Example 1, a process was investigated in which the stage temperature was set to 30°C and IR heating was not performed in the HF/Ar flow step. First, to conduct heat to the wafer 2, Ar was flowed at a flow rate of 1.4 L/min and 900 Pa for 60 seconds. Then, while controlling the pressure at 900 Pa, HF was introduced at 0.40 L/min and Ar as a diluent gas at 0.20 L/min for 60 seconds. As a result, a reaction layer was formed on the silicon nitride film 103.
その後、排気のバルブを100%開けた状態で、120秒間排気した。この排気の操作によって、フッ素ガス及び反応生成物の一部が排気される。次に、ステージ3の設定温度はそのままで、メタノールガスを0.40L/min流した状態で、圧力を300Paに制御して、IRランプ出力70%で30s~50s間加熱を行った。これによりメタノールガスの流れる中で、反応層が除去される。その後、初めに戻って、Arを圧力900Paで、1.4L/min、60秒間で流した状態でウエハ2を冷却し、ステージ温度と同じ温度になるようにした。この一連のプロセスを図6-2のフローに従って、ここでは10サイクル行った。 Then, with the exhaust valve fully open, the wafer was evacuated for 120 seconds. This exhaust operation evacuates fluorine gas and some of the reaction products. Next, while the set temperature of stage 3 remained the same, the pressure was controlled to 300 Pa with methanol gas flowing at 0.40 L/min, and heating was performed for 30 to 50 seconds with the IR lamp output at 70%. This removes the reaction layer as the methanol gas flows. After that, returning to the beginning, wafer 2 was cooled with Ar flowing at 1.4 L/min at a pressure of 900 Pa for 60 seconds, until it reached the same temperature as the stage temperature. This series of processes was performed in 10 cycles according to the flow in Figure 6-2.
メタノールガスフローと同時にIRランプ照射する時間を変えた時に、10サイクル後に得られた窒化シリコン膜(PE-SiN)103、酸化シリコン膜(PE-SiO2:図2では、PE-SiO2)102の単層膜のエッチング膜厚と、酸化シリコン膜102に対する窒化シリコン膜103の選択比を図2に示した。 The etching thickness of the single layer silicon nitride film (PE-SiN) 103 and silicon oxide film (PE-SiO 2 in FIG. 2 ) 102 obtained after 10 cycles when the time of IR lamp irradiation simultaneously with the methanol gas flow was changed, and the selectivity ratio of the silicon nitride film 103 to the silicon oxide film 102 are shown in FIG. 2 .
図2に示したように、このプロセスでも窒化シリコン膜103のエッチングが起き、窒化シリコン膜103のエッチング量は、メタノールガスフローと同時にIRランプ照射する時間が40s程度で飽和することがわかった。酸化シリコン膜102のエッチング量はほとんど変化しなかったが、単層膜での選択比は、メタノールガスフローと同時にIRランプ照射する時間が短い方が高い結果となった。As shown in Figure 2, etching of the silicon nitride film 103 also occurred in this process, and it was found that the etching amount of the silicon nitride film 103 saturated when the IR lamp irradiation time was approximately 40 seconds with the methanol gas flow. The etching amount of the silicon oxide film 102 hardly changed, but the selectivity ratio for the single layer film was higher when the IR lamp irradiation time with the methanol gas flow was shorter.
ここで、実施例1と同様に窒化シリコン膜103(膜厚30nm)と酸化シリコン膜102(膜厚30nm)が交互に合計40層成膜されたサンプルに、200nmのスリット状のスペースが形成されたサンプルを用いて、微細パタンでのエッチング特性を評価した。その結果を表3に示した。Here, similar to Example 1, a sample was formed with a total of 40 layers of silicon nitride film 103 (30 nm thick) and silicon oxide film 102 (30 nm thick) alternately deposited, and a sample with 200 nm slit-shaped spaces formed was used to evaluate the etching characteristics in a fine pattern. The results are shown in Table 3.
本実施例のようにメタノールガスフローと同時IR照射を行った場合でも、効果があり、表3の時間が30sと短い場合以外は、ボトムの残SiO2厚さが0.90以上に改善し、トップとボトムのエッチング量差も2.0nm以下と小さくなって、図14に示すような良好なエッチング結果を示すことがわかった。メタノールガスフローを加熱処理と同時に行うことで、ボトム部で反応生成物がエッチング量を増加させる働きをして、トップでは逆にエッチング量を低下させる働きをしていることを抑制することがわかった。 Simultaneous IR irradiation with methanol gas flow, as in this example, was also effective, and except for the short time of 30 seconds in Table 3, the residual SiO2 thickness at the bottom improved to 0.90 or more, and the difference in etching amount between the top and bottom was reduced to 2.0 nm or less, resulting in good etching results as shown in Figure 14. It was found that simultaneous methanol gas flow with heat treatment suppressed the reaction products from increasing the etching amount at the bottom and, conversely, decreasing the etching amount at the top.
本発明のプラズマを用いないフッ化水素ガスによるエッチングプロセスの別の形態について説明する。ここでは、図4のエッチング処理装置100Aを用いて、図5-1、図9-1に示したフローを説明する。 Another embodiment of the present invention's etching process using hydrogen fluoride gas without plasma will be described. Here, the flow shown in Figures 5-1 and 9-1 will be explained using the etching processing apparatus 100A shown in Figure 4.
[エッチング処理装置の構成例2]
次に、図4を用いて本発明の実施例4に係るエッチング処理装置100Aの全体構成を含めて概略を説明する。エッチング処理装置100Aの処理室1はベースチャンバー11により構成され、その中にはウエハ2を載置するためのウエハステージ3が設置されている。処理室1の上方にはプラズマ源が設置されており、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)放電方式を用いている。ICPプラズマ源はプラズマによるチャンバー11の内壁のクリーニングやプラズマによる反応性ガスの生成に用いることができる。ICPプラズマ源を構成する円筒型の石英チャンバー12が処理室1の上方に設置されており、石英チャンバー12の外側にはICPコイル20が設置されている。ICPコイル20にはプラズマ生成のための高周波電源21が整合機22を介して接続されている。高周波電力の周波数は13.56MHzなど、数十MHzの周波数帯を用いるものとする。石英チャンバー12の上部には天板25が設置されている。天板25の下部には、ガス分散板24とシャワープレート23が設置されており、処理ガスはガス分散板24とシャワープレート23を介して石英チャンバー12内に導入される。
[Configuration example 2 of etching processing apparatus]
Next, referring to FIG. 4 , an outline of an etching processing apparatus 100A according to a fourth embodiment of the present invention will be described, including its overall configuration. The processing chamber 1 of the etching processing apparatus 100A is composed of a base chamber 11, which is equipped with a wafer stage 3 for supporting a wafer 2. A plasma source is installed above the processing chamber 1 and employs an ICP (Inductively Coupled Plasma) discharge method. The ICP plasma source can be used to clean the inner walls of the chamber 11 using plasma or to generate reactive gases using plasma. A cylindrical quartz chamber 12 constituting the ICP plasma source is installed above the processing chamber 1, and an ICP coil 20 is installed outside the quartz chamber 12. A high-frequency power source 21 for plasma generation is connected to the ICP coil 20 via a matching device 22. The high-frequency power frequency is assumed to be in the tens of megahertz range, such as 13.56 MHz. A top plate 25 is installed above the quartz chamber 12. A gas dispersion plate 24 and a shower plate 23 are installed below the top plate 25 , and the processing gas is introduced into the quartz chamber 12 via the gas dispersion plate 24 and the shower plate 23 .
処理ガスはガス種毎に設置されたマスフローボックス50内のマスフローコントローラー52によって供給流量が調整される。また、マスフローコントローラー52の下流側にはガス分配器51が設置されており、石英チャンバー12の中心付近に供給するガスと外周付近に供給するガスの流量や組成をそれぞれ独立に制御して供給できるようにし、処理ガスの分圧の空間分布を詳細に制御できるようにしている。なお、図4ではAr、N2、HF、O2及び極性溶媒のガスとしてアルコールであるメタノール(CH3OH)を図に記載してある。なお、これら以外の他の処理ガスも供給することもできる。特に、極性溶媒としては、水や、エタノール、イソプロパノールなどを用いることもできる。ただし、水を用いる場合は、0℃以下では凍結するので、ステージ温度として、0℃より高い温度を用いることが必要となる。 The supply flow rate of the process gas is adjusted by mass flow controllers 52 installed in mass flow boxes 50 for each gas type. A gas distributor 51 is installed downstream of the mass flow controller 52, allowing the flow rate and composition of the gas supplied near the center of the quartz chamber 12 and the gas supplied near the periphery to be independently controlled, thereby enabling detailed control of the spatial distribution of the process gas partial pressure. Note that FIG. 4 illustrates Ar, N 2 , HF, O 2 , and methanol (CH 3 OH), an alcohol, as a polar solvent gas. Other process gases can also be supplied. In particular, water, ethanol, isopropanol, and other polar solvents can be used. However, when using water, because it freezes below 0°C, a stage temperature higher than 0°C is required.
処理室1の下部には、処理室1を減圧するため、真空排気配管16によって、排気手段(排気装置)15に接続されている。排気手段には例えば、ターボ分子ポンプやメカニカルブースターポンプやドライポンプで構成されるものとする。また、処理室1の圧力を調整するため、調圧手段(調圧装置)14が排気手段15の上流側に設置されている。 The lower part of the processing chamber 1 is connected to an exhaust means (exhaust device) 15 via a vacuum exhaust pipe 16 in order to reduce the pressure inside the processing chamber 1. The exhaust means may be composed of, for example, a turbomolecular pump, a mechanical booster pump, or a dry pump. In addition, a pressure adjustment means (pressure adjustment device) 14 is installed upstream of the exhaust means 15 to adjust the pressure inside the processing chamber 1.
ウエハステージ3の上部にはウエハ2を加熱するためのIRランプユニットが設置されている。IRランプユニットは主にIRランプ60、反射板61、IR光透過窓72からなる。IRランプ60にはサークル型(円形状、円環状)のランプを用いる。なお、IRランプ60から放射される光は可視光から赤外光領域の光を主とする光(ここではIR光と呼ぶ)を放出するものとする。本実施例ではIRランプ60として3周分のランプ60-1、60-2、60-3が設置されているものとしたが、2周、4周などとしてもよい。IRランプ60の上方には、IR光を下方(ウエハ設置方向)に向けて反射するための反射板61が設置されている。IR透過窓72の材質としては、アルカリ金属イオン等を含まず、赤外光領域の光を透過し、耐熱性のあるものが望ましく、具体的材料としては、石英が望ましい。An IR lamp unit for heating the wafer 2 is installed above the wafer stage 3. The IR lamp unit mainly consists of an IR lamp 60, a reflector 61, and an IR light-transmitting window 72. A circular (circular, annular) lamp is used for the IR lamp 60. The light emitted from the IR lamp 60 is primarily light ranging from visible light to infrared light (herein referred to as IR light). In this embodiment, three lamps 60-1, 60-2, and 60-3 are installed as the IR lamp 60, but two or four lamps may be installed. A reflector 61 is installed above the IR lamp 60 to reflect IR light downward (toward the wafer placement direction). The IR light-transmitting window 72 is preferably made of a material that does not contain alkali metal ions, transmits light in the infrared range, and is heat-resistant. Quartz is a preferred material.
IRランプ60にはIRランプ用電源73が接続されており、その途中には高周波電力のノイズがIRランプ用電源に流入しないようにするための高周波カットフィルター74が設置されている。また、IRランプ60-1、60-2、60-3に供給する電力がお互いに独立に制御できるような機能がIRランプ用電源73には設置されており、ウエハ2の加熱量の径方向分布を調節できるようになっている(配線は一部図示を省略した)。 An IR lamp power supply 73 is connected to the IR lamp 60, and a high-frequency cut filter 74 is installed along the way to prevent high-frequency power noise from entering the IR lamp power supply. The IR lamp power supply 73 also has a function that allows the power supplied to IR lamps 60-1, 60-2, and 60-3 to be controlled independently of each other, allowing the radial distribution of the heating amount on the wafer 2 to be adjusted (some of the wiring is not shown).
IRランプユニットの中央には流路27が形成されている。この流路27にはプラズマ中で生成されたイオンや電子を遮蔽し、中性のガスや中性のラジカルのみを透過させてウエハ2に照射するための複数の穴の開いたスリット板26が設置されている。スリット板26としては、アルカリ金属イオン等を含まず、耐熱性のあるものが望ましく、具体的材料としては、アルミナや石英を用いることができる。A flow path 27 is formed in the center of the IR lamp unit. This flow path 27 is equipped with a slit plate 26 with multiple holes that blocks ions and electrons generated in the plasma and allows only neutral gases and neutral radicals to pass through and irradiate the wafer 2. The slit plate 26 is preferably heat-resistant and does not contain alkali metal ions, and specific materials that can be used are alumina and quartz.
ウエハステージ3には、ステージ3を冷却するための冷媒の流路39が内部に形成されており、チラー38によって冷媒が循環供給されるようになっている。このチラー38としては、本発明では、-50℃~50℃に温度制御できるものを用いた。また、ウエハ2を静電吸着によって固定するため、板状の電極板30がステージ3に埋め込まれており、それぞれにDC(直流)電源31が接続されている。また、ウエハ2を効率よく冷却するため、ウエハ2の裏面とウエハステージ3との間にHeガスを供給できるようになっている。また、ウエハ2を吸着したまま、加熱、冷却を行っても、ウエハ2の裏面に傷がつかないようにするため、ウエハステージ3の表面(ウエハ2の戴置面)はポリイミド等の樹脂でコーティングされているものとする。また、ウエハステージ3の内部にはステージ3の温度を測定するための熱電対70が設置されており、熱電対70は熱電対温度計71に接続されている。The wafer stage 3 has a coolant flow path 39 formed inside it for cooling the stage 3, and the coolant is circulated and supplied by a chiller 38. In this invention, a chiller 38 capable of temperature control between -50°C and 50°C is used. To fix the wafer 2 by electrostatic adsorption, plate-shaped electrodes 30 are embedded in the stage 3, each connected to a DC (direct current) power supply 31. To efficiently cool the wafer 2, He gas can be supplied between the backside of the wafer 2 and the wafer stage 3. To prevent damage to the backside of the wafer 2 even when heating and cooling are performed while the wafer 2 is still adsorbed, the surface of the wafer stage 3 (the surface on which the wafer 2 is placed) is coated with a resin such as polyimide. A thermocouple 70 is installed inside the wafer stage 3 to measure the temperature of the stage 3, and the thermocouple 70 is connected to a thermocouple thermometer 71.
チラー38の設定温度に対して、熱電対70による熱電対温度計71によりステージ3の温度は、±1℃以内の差であり、また熱電対70で別途、測定したウエハ温度は、±3℃以内の差(ステージ温度に対しては、±2℃以内)であった。 The temperature of stage 3 measured by thermocouple thermometer 71 using thermocouple 70 was within ±1°C of the set temperature of chiller 38, and the wafer temperature measured separately by thermocouple 70 was within ±3°C of the set temperature (within ±2°C of the stage temperature).
なお、本発明のエッチング処理装置100Aで用いるステージ3を冷却するための機構としては、冷媒を循環させるもの以外に、熱電変換デバイスであるペルチェ素子等を用いることもできる。 In addition, as a mechanism for cooling the stage 3 used in the etching processing apparatus 100A of the present invention, in addition to one that circulates a refrigerant, a thermoelectric conversion device such as a Peltier element can also be used.
また、本発明で用いるエッチング処理装置100Aは、処理室1などフッ化水素ガスにさらされるウエハステージ以外のチャンバー内部を加温することができる。例えば、温度としては、40℃から120℃程度を用いことができる。これにより、チャンバー11の内部にフッ化水素ガスが吸着することを防ぐことができ、チャンバー11の内部の腐食を極力軽減することが可能となる。 The etching processing apparatus 100A used in the present invention can also heat the inside of the chamber other than the wafer stage, which is exposed to hydrogen fluoride gas, such as the processing chamber 1. For example, a temperature of approximately 40°C to 120°C can be used. This prevents hydrogen fluoride gas from being adsorbed inside the chamber 11, minimizing corrosion inside the chamber 11.
[エッチングプロセスのフロー4]
次に、本発明で提案するプラズマを用いないフッ化水素ガスによるエッチングプロセスについて説明する。ここでは、実施例1と基本的に同じフローではあるが、図4に示したエッチング処理装置100Aを用いていることから、実施例1のエッチングプロセスのフロー1と一部異なる点がある。図5-1、図9-1、図4(装置図)を用いてフローを説明する。
[Etching process flow 4]
Next, the etching process using hydrogen fluoride gas without using plasma proposed in the present invention will be described. Here, the flow is basically the same as that of Example 1, but since the etching processing apparatus 100A shown in Figure 4 is used, there are some differences from Flow 1 of the etching process of Example 1. The flow will be described using Figures 5-1, 9-1, and 4 (apparatus diagram).
まず、処理室1に設けられた搬送口(図示省略)を介してウエハ2を処理室1に搬送した後に、静電吸着のためのDC電源31によりウエハ2をウエハステージ3に固定するとともに、ウエハ2の裏面にウエハ冷却用のHeガス55を供給することにより、図5-1のS101のウエハ冷却を行う。 First, the wafer 2 is transported into the processing chamber 1 through a transport port (not shown) provided in the processing chamber 1, and then the wafer 2 is fixed to the wafer stage 3 using a DC power supply 31 for electrostatic adsorption, and He gas 55 for wafer cooling is supplied to the back surface of the wafer 2, thereby performing wafer cooling in S101 of Figure 5-1.
このあとについては、実施例1で説明した図5-1のフロー図に従いエッチングを行う。図5-1のフローの説明は、重複することになるので、省略する。 After this, etching is performed according to the flow diagram in Figure 5-1 described in Example 1. The explanation of the flow in Figure 5-1 is omitted here to avoid redundancy.
図9-1には、図4に示したエッチング処理装置100Aを用いた場合の、図5-1に示したフローによるタイムチャートを示した。静電吸着のステージ3であり、ウエハ2の裏面にウエハ冷却用のHeガス55を供給する部分が追加されている。HFガスを流しながらIRランプ加熱を行う工程と、極性溶媒ガスを流す工程と、HFガスや極性溶媒ガスを流さない状態でIRランプ加熱を行う工程が1サイクルの中にあり、それをN回繰り返すことで、窒化シリコン膜のエッチングが起きる。 Figure 9-1 shows a time chart for the flow shown in Figure 5-1 when using the etching processing apparatus 100A shown in Figure 4. It is an electrostatic adsorption stage 3, and a section has been added that supplies He gas 55 for wafer cooling to the backside of the wafer 2. One cycle includes a process of IR lamp heating while flowing HF gas, a process of flowing polar solvent gas, and a process of IR lamp heating without flowing HF gas or polar solvent gas. This process is repeated N times to etch the silicon nitride film.
[エッチング結果4]
図4で示したエッチング処理装置100Aを用いて、図5-1、図9-1のプロセスフローを用いてエッチングを行った。図4のエッチング処理装置100Aでは、エッチング時に±1200Vの電圧をかけて、ウエハ2を静電吸着した。また、ステージ3の熱伝導を良くするために、Heを裏面から圧力1.0kPaとなるように流した。
[Etching result 4]
Etching was performed using the etching processing apparatus 100A shown in Figure 4 and the process flows shown in Figures 5-1 and 9-1. In the etching processing apparatus 100A shown in Figure 4, a voltage of ±1200 V was applied during etching to electrostatically attract the wafer 2. In addition, to improve the thermal conductivity of the stage 3, He was flowed from the rear surface at a pressure of 1.0 kPa.
ステージ温度を-30℃にて、Arを1.4L/minで圧力を900Paにした後、900Paの圧力を維持して、HFを0.40L/min、希釈ガスとしてのArを0.20L/minを導入しながら、IRランプ60を60%の出力で、同時に60秒間照射した。これによって、窒化シリコン膜103上に反応層が形成される。 The stage temperature was set to -30°C, and the pressure was increased to 900 Pa with Ar at 1.4 L/min. After that, the pressure was maintained at 900 Pa, and HF was introduced at 0.40 L/min and Ar as a dilution gas at 0.20 L/min. At the same time, the IR lamp 60 was irradiated at 60% output for 60 seconds. This resulted in the formation of a reaction layer on the silicon nitride film 103.
その後、排気のバルブを100%開けた状態で、60秒間排気した。この排気の操作によって、フッ素ガス及び反応生成物の一部が排気される。次にステージ3の設定温度はそのままで、極性溶媒ガスとしてメタノールを流量0.4L/min、圧力を300Pa、450Pa、600Paにして、60秒間流した。この極性溶媒ガスを流すことにより、反応層が改質するとともに一部除去される。 Then, with the exhaust valve fully open, the reactor was evacuated for 60 seconds. This exhaust operation evacuated fluorine gas and some of the reaction products. Next, while the set temperature of stage 3 remained the same, methanol was flowed as a polar solvent gas for 60 seconds at a flow rate of 0.4 L/min and pressures of 300 Pa, 450 Pa, and 600 Pa. By flowing this polar solvent gas, the reaction layer was modified and partially removed.
次に、ステージ3の設定温度はそのままで、Arを0.50L/min流した状態で、排気のバルブを100%開けた状態で、ランプ強度70%で40秒間加熱を行った。これにより、極性溶媒ガスフローにより改質された反応層が除去される。その後、初めに戻って、Arを圧力900Paで、1.4L/min、60秒間で流した状態で冷却した。この一連のプロセスを図5-1のフローに従って、ここでは10サイクル行った。Next, with the set temperature of stage 3 unchanged, Ar was flowing at 0.50 L/min, and the exhaust valve was fully open, heating was performed for 40 seconds at 70% lamp intensity. This removes the reaction layer modified by the polar solvent gas flow. After that, the process returned to the beginning and cooled with Ar flowing at 1.4 L/min for 60 seconds at a pressure of 900 Pa. This series of processes was repeated 10 times, following the flow shown in Figure 5-1.
実施例1で、表1-2や表1-4で示したのと同様の形式にて評価したスリットサンプルでの実験結果を表4に示した。 The experimental results for the slit samples evaluated in Example 1 in the same manner as shown in Tables 1-2 and 1-4 are shown in Table 4.
メタノールガスフローの圧力を増やした場合も、ボトムの残SiO2厚さが0.90以上であり、トップとボトムのエッチング量差も2.0nm以下と小さく、図14に示すような良好なエッチング結果を示すことがわかった。 Even when the pressure of the methanol gas flow was increased, the residual SiO2 thickness at the bottom was 0.90 or more, and the difference in etching amount between the top and bottom was small, at 2.0 nm or less, demonstrating favorable etching results as shown in FIG. 14.
本実施例で用いた図4のエッチング処理装置100Aでは、ICPプラズマの生成機構を搭載していることから、エッチングプロセス前に、酸素プラズマによるチャンバーのクリーニングをO2=1.0L/min、50Pa、1500Wの条件で300秒行った。これによって、チャンバー内の異物などを減少させることができた。 4 used in this example is equipped with an ICP plasma generation mechanism, and therefore prior to the etching process, the chamber was cleaned with oxygen plasma for 300 seconds under conditions of O2 = 1.0 L/min, 50 Pa, and 1500 W. This enabled the reduction of foreign matter in the chamber.
本発明のプラズマを用いないフッ化水素ガスによるエッチングプロセスの別の形態について説明する。ここでは、図4のエッチング処理装置100Aを用いて、図6-1、図9-2に示したフローを説明する。 Another embodiment of the present invention's etching process using hydrogen fluoride gas without plasma will be described. Here, the flow shown in Figures 6-1 and 9-2 will be explained using the etching processing apparatus 100A shown in Figure 4.
[エッチングプロセスのフロー5]
次に、本発明で提案するプラズマを用いないフッ化水素ガスによるエッチングプロセスについて説明する。先の実施例で示したフローと基本的に類似しているがで、図4に示したエッチング処理装置100Aを用いていることから、実施例1のエッチングプロセスのフロー1と一部異なる点がある。
[Etching process flow 5]
Next, a plasma-free hydrogen fluoride gas etching process proposed in the present invention will be described. The process is basically similar to the flow shown in the previous embodiment, but there are some differences from Flow 1 of the etching process in Example 1 because the etching processing apparatus 100A shown in Figure 4 is used.
まず、処理室1に設けられた搬送口(図示省略)を介してウエハ2を処理室1に搬送した後に、静電吸着のためのDC電源31によりウエハ2をウエハステージ3に固定するとともに、ウエハ2の裏面にウエハ冷却用のHeガス55を供給することにより、図6-1のS101のウエハ冷却を行う。 First, the wafer 2 is transported into the processing chamber 1 through a transport port (not shown) provided in the processing chamber 1, and then the wafer 2 is fixed to the wafer stage 3 using a DC power supply 31 for electrostatic adsorption, and He gas 55 for wafer cooling is supplied to the back surface of the wafer 2, thereby performing wafer cooling in S101 of Figure 6-1.
図4で示したエッチング処理装置100Aを用いて、図6-1、図9-2のプロセスフローを用いてエッチングを行った。図4のエッチング処理装置100Aでは、エッチング時に±1200Vの電圧をかけて、ウエハ2を静電吸着した。ここでは、ステージ温度を-30℃とした。またステージ3の熱伝導を良くするために、Heを裏面から圧力1.0kPaとなるように流した。これにより、S111のステージ冷却を行った。 Etching was performed using the etching processing apparatus 100A shown in Figure 4 and the process flows shown in Figures 6-1 and 9-2. In the etching processing apparatus 100A shown in Figure 4, a voltage of ±1200 V was applied during etching to electrostatically adsorb the wafer 2. Here, the stage temperature was set to -30°C. In addition, to improve the thermal conductivity of the stage 3, He was flowed from the backside at a pressure of 1.0 kPa. This allowed for stage cooling in S111.
次に、S112の工程でArガスを導入した。このArガスは希釈ガスであり、ここでは圧力を上げるのに用いられている。ここでは、静電吸着のステージ3と裏面からのHeによる冷却を用いていることから、この工程を省略することもできる。Next, Ar gas was introduced in step S112. This Ar gas is a dilution gas and is used here to increase the pressure. Since we are using electrostatic adsorption stage 3 and cooling from the backside with He, this step can be omitted.
続いて、図6-1のS113として、HFガスとArガスを所定の量、所定の時間、処理室1に供給し、それと同時に加熱を行い反応層の形成を行った。加熱の方式として、ここでは、IR(赤外)ランプ60による加熱を用いた。ステージ3による冷却とIRランプ60による加熱の結果として得られるウエハ温度としては、30℃以上55℃以下が望ましく、35℃以上50℃以下がより望ましい。全圧あるいはHF分圧、加熱温度、ここではIRランプ出力、時間、繰り返し回数などによって、反応層の膜厚を制御することが可能である。また前述のウエハ温度が、30℃よりも低い場合は、反応層が十分にできないためにエッチングが起きにくい。逆に55℃より高い場合は、反応層が過剰にできるため、それを分解、揮発させるときに、望まない隣接する酸化シリコン膜102をエッチングするために選択性が低下する傾向がある。Next, as shown in step S113 of FIG. 6-1, HF gas and Ar gas were supplied to the process chamber 1 in predetermined amounts for a predetermined time, and simultaneously, heating was performed to form a reaction layer. Here, heating was performed using IR (infrared) lamps 60. The wafer temperature obtained as a result of cooling by the stage 3 and heating by the IR lamps 60 is preferably 30°C to 55°C, more preferably 35°C to 50°C. The reaction layer thickness can be controlled by adjusting the total pressure or HF partial pressure, heating temperature, IR lamp output, time, and number of repetitions. Furthermore, if the wafer temperature is below 30°C, etching is difficult because an insufficient reaction layer is formed. Conversely, if the wafer temperature is above 55°C, an excessive reaction layer is formed, which, when decomposed and volatilized, tends to etch the adjacent silicon oxide film 102, resulting in reduced selectivity.
本発明では、使用する圧力は、10Paから1000Pa程度が望ましい、特に100Paから1000Paが望ましい。圧力が高い方が、窒化シリコン膜103上の反応層が形成されやすくなるとともに、形成に必要な温度が低温化する。圧力を高くした場合でも、IRランプ60の出力を制御することで、酸化シリコン膜102には影響を与えないで、窒化シリコン膜103上に反応層を形成できる。In the present invention, the pressure used is preferably approximately 10 Pa to 1000 Pa, and particularly preferably 100 Pa to 1000 Pa. The higher the pressure, the easier it is to form a reaction layer on the silicon nitride film 103, and the lower the temperature required for formation. Even when the pressure is high, by controlling the output of the IR lamp 60, it is possible to form a reaction layer on the silicon nitride film 103 without affecting the silicon oxide film 102.
反応層の形成を行った後、図6-1には記載していないが、HFガスの供給を停止し、気相中に残留したHFガスを排気する。真空排気する場合は、5Pa以下にすることが望ましい。つまり、ここでは、不活性ガスを流しながらHFガスを排気する工程が、S113と後続するS114との間に入れられる。 After the reaction layer is formed, the supply of HF gas is stopped and any HF gas remaining in the gas phase is evacuated, although this is not shown in Figure 6-1. If evacuating to a vacuum, it is desirable to set the pressure to 5 Pa or less. In other words, here, a process of evacuating HF gas while flowing an inert gas is inserted between S113 and the subsequent S114.
次に、図6-1のS114として、極性溶媒ガスの導入しながら加熱することにより、反応層を改質しながら除去を行う。ここで極性溶媒ガスとしては、メタノール、エタノール、イソプロパノールなどのアルコールや、水を用いることができる。極性溶媒ガスを流す量としては、0.1~3.0L/minが望ましい。ここでの加熱温度は、70℃から110℃が望ましく、70℃から100℃がより望ましい。加熱の方式として、ここでは、IRランプ60を用いた。加熱方法はこれに限定されるものではなく、例えばウエハステージ3を加熱する方法や、加熱のみを行う装置にウエハ2を別途搬送し加熱処理を行う方法でもよい。また、極性溶媒ガスの導入しながら加熱することにより、反応層を改質しながら除去を行う工程には、Arガスや窒素ガスなどの不活性ガスを導入することができる。さらに、この工程は、必要に応じて複数回行うこともできる。Next, in step S114 of FIG. 6-1, the reaction layer is removed while being modified by heating while introducing a polar solvent gas. The polar solvent gas can be water or alcohols such as methanol, ethanol, or isopropanol. The flow rate of the polar solvent gas is preferably 0.1 to 3.0 L/min. The heating temperature is preferably 70 to 110°C, more preferably 70 to 100°C. Here, an IR lamp 60 was used as the heating method. The heating method is not limited to this; for example, the wafer stage 3 can be heated, or the wafer 2 can be transported separately to a heating-only device and subjected to heating treatment. Furthermore, inert gases such as Ar gas or nitrogen gas can be introduced in the process of removing the reaction layer while being modified by heating while introducing a polar solvent gas. Furthermore, this process can be performed multiple times as needed.
次に、図6-1には記載していないが、加熱及び極性溶媒ガスの供給を停止し、気相中に残留した極性溶媒ガスを排気する。真空排気する場合は、5Pa以下にすることが望ましい。つまり、ここでは、不活性ガスを流しながら極性溶媒ガスを排気する工程が、S114の後に入れられる。 Next, although not shown in Figure 6-1, the heating and supply of polar solvent gas are stopped, and the polar solvent gas remaining in the gas phase is evacuated. When evacuating to a vacuum, it is desirable to set the pressure to 5 Pa or less. In other words, here, a process of evacuating the polar solvent gas while flowing an inert gas is inserted after S114.
このあと、S111のステージ3によるウエハ冷却に戻る。このあと、S111からS115までの工程を1サイクルとして、これをN回繰り返す。必要なエッチング量が得られるまでサイクルを繰り返した後、終了となる。 After this, the process returns to cooling the wafer using stage 3 in S111. After this, the steps from S111 to S115 constitute one cycle, and this is repeated N times. The cycle is repeated until the required amount of etching is achieved, and then the process ends.
図9-2には、図6-1に示したフローによるタイムチャートを示した。HFガス及びArを流す工程(反応層を形成する工程)と、極性溶媒ガスを流す工程と、HFガスを流さない状態でIRランプ加熱を行う工程が1サイクルの中にあり、それをN回繰り返すことで、窒化シリコン膜のエッチングが起きる。 Figure 9-2 shows a time chart for the flow shown in Figure 6-1. One cycle includes a process of flowing HF gas and Ar (the process of forming a reaction layer), a process of flowing polar solvent gas, and a process of IR lamp heating without flowing HF gas. By repeating this process N times, the silicon nitride film is etched.
[エッチング結果5]
図4で示したエッチング処理装置100Aを用いて、図6-1、図9-2のプロセスフローを用いてエッチングを行った。図4のエッチング処理装置100Aでは、エッチング時に±1200Vの電圧をかけて、ウエハ2を静電吸着した。またステージ2の熱伝導を良くするために、Heを裏面から圧力1.0kPaとなるように流した。
[Etching result 5]
Etching was performed using the etching processing apparatus 100A shown in Figure 4 and the process flows shown in Figures 6-1 and 9-2. In the etching processing apparatus 100A shown in Figure 4, a voltage of ±1200 V was applied during etching to electrostatically attract the wafer 2. In addition, to improve the thermal conductivity of the stage 2, He was flowed from the rear surface at a pressure of 1.0 kPa.
ステージ温度を-30℃にて、Arを1.4L/minで圧力を900Paにした後、900Paの圧力を維持して、HFを0.40L/min、希釈ガスとしてのArを0.20L/minを導入しながら、IRランプ60を60%の出力で、同時に60秒間照射した。これによって、窒化シリコン膜103上に反応層が形成される。 The stage temperature was set to -30°C, and the pressure was increased to 900 Pa with Ar at 1.4 L/min. After that, the pressure was maintained at 900 Pa, and HF was introduced at 0.40 L/min and Ar as a dilution gas at 0.20 L/min. At the same time, the IR lamp 60 was irradiated at 60% output for 60 seconds. This resulted in the formation of a reaction layer on the silicon nitride film 103.
その後、排気のバルブを100%開けた状態で、120秒間排気した。この排気の操作によって、フッ素ガス及び反応生成物の一部が排気される。 Then, the exhaust valve was opened 100% and the mixture was evacuated for 120 seconds. This exhaust operation allowed the fluorine gas and some of the reaction products to be exhausted.
次に、ステージの設定温度はそのままで、メタノールガスを0.40L/min流した状態で、圧力を300Paに制御して、IRランプ出力70%で30s~50s間加熱を行った。これによりメタノールガスの流れる中で、反応層が除去される。その後、初めに戻って、Arを圧力900Paで、1.4L/min、60秒間で流した状態でウエハを冷却し、ステージ温度と同じ温度になるようにした。この一連のプロセスを図6-1のフローに従って、ここでは10サイクル行った。Next, with the stage temperature set unchanged, the pressure was controlled to 300 Pa with methanol gas flowing at 0.40 L/min, and heating was performed for 30 to 50 seconds at 70% IR lamp output. This removes the reaction layer as the methanol gas flows. After that, returning to the beginning, the wafer was cooled by flowing Ar at 1.4 L/min for 60 seconds at a pressure of 900 Pa until it reached the same temperature as the stage. This series of processes was repeated 10 times, following the flow in Figure 6-1.
ここで、実施例1と同様に窒化シリコン膜103(膜厚30nm)と酸化シリコン膜102(膜厚30nm)が交互に合計40層成膜されたサンプルに、200nmのスリット状のスペースが形成されたサンプルを用いて、微細パタンでのエッチング特性を評価した。その結果を表5に示した。Here, similar to Example 1, a sample was formed with a total of 40 layers of silicon nitride film 103 (30 nm thick) and silicon oxide film 102 (30 nm thick) alternately deposited, and a sample with 200 nm slit-shaped spaces formed was used to evaluate the etching characteristics in a fine pattern. The results are shown in Table 5.
本実施例のようにメタノールガスフローと同時IR照射を行った場合でも、効果があり、表5の時間が30sと短い場合以外は、トップとボトムのエッチング量差も2.5nm以下と小さく、残SiO2厚さがいずれも0.95で、図14に示すような良好なエッチング結果を示すことがわかった。メタノールガスフローを加熱処理と同時に行うことで、ボトム部で反応生成物がエッチング量を増加させる働きをして、トップでは逆にエッチング量を低下させる働きをしていることを抑制することがわかった。 Simultaneous IR irradiation with methanol gas flow, as in this example, was also effective, and except for the short time of 30 seconds in Table 5, the difference in etching amount between the top and bottom was small, at 2.5 nm or less, and the residual SiO2 thickness was 0.95 in all cases, demonstrating favorable etching results as shown in Figure 14. It was found that simultaneous methanol gas flow with heat treatment suppresses the reaction products from increasing the etching amount at the bottom and, conversely, decreasing the etching amount at the top.
以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。 The invention made by the inventor has been specifically described above based on examples, but it goes without saying that the present invention is not limited to the above embodiments and examples and can be modified in various ways.
1:処理室、2:ウエハ、3:ウエハステージ、11:ベースチャンバー、12:石英チャンバー、13:放電領域、14:調圧手段、15:排気手段、16:真空排気配管、20:ICPコイル、21:高周波電源、22:整合機、23:シャワープレート、24:高ガス分散版、25:天板、26:スリット板、27:流路、30:静電吸着用電極、31:静電吸着用DC電源、38:チラー、39:冷媒の流路、50:マスフローボックス、51:ガス分配器、52:マスフローコントローラー、54:バルブ、55:Heガス、56:近接冷却用突起部、60、60-1、60-2、60-3:IRランプ、61:反射板、64:IRランプ用電源、70:熱電対、71:熱電対温度計、72:IR光透過窓、73:IRランプ用電源、74:高周波カットフィルター、100,100A:エッチング処理装置、101:基板、102:窒化シリコン膜、103:酸化シリコン膜、104:開口部、105:積層膜、106:窒化シリコン膜に対する酸化シリコン膜のエッチング量、109:窒化シリコン膜に対する酸化シリコン膜のエッチング量、111:選択比が低い場合のエッチング後の酸化シリコン膜の端部、112:エッチング後の酸化シリコン膜の端部の一例を示す図で、酸化シリコン膜の角が矩形を保ちつつ、酸化シリコン膜の部分の膜厚が薄くなったもの、113:選択比が高く、膜厚も保持された場合のエッチング後の酸化シリコン膜の端部の一例を示す図。 1: Processing chamber, 2: Wafer, 3: Wafer stage, 11: Base chamber, 12: Quartz chamber, 13: Discharge area, 14: Pressure adjustment means, 15: Exhaust means, 16: Vacuum exhaust piping, 20: ICP coil, 21: High frequency power supply, 22: Matching machine, 23: Shower plate, 24: High gas dispersion plate, 25: Top plate, 26: Slit plate, 27: Flow path, 30: Electrostatic adsorption electrode, 31: DC power supply for electrostatic adsorption, 38: Chiller, 39: Refrigerant flow path, 50: Mass flow box, 51: Gas distributor, 52: Mass flow controller, 54: Valve, 55: He gas, 56: Proximity cooling protrusion, 60, 60-1, 60-2, 60-3: IR lamp, 61: Reflector, 64: IR lamp power supply, 70: Thermocouple, 71: Thermocouple thermometer , 72: IR light transmitting window, 73: IR lamp power supply, 74: high frequency cut filter, 100, 100A: etching processing apparatus, 101: substrate, 102: silicon nitride film, 103: silicon oxide film, 104: opening, 105: laminated film, 106: etching amount of silicon oxide film relative to silicon nitride film, 109: etching amount of silicon oxide film relative to silicon nitride film, 111: edge of silicon oxide film after etching when selectivity is low, 112: diagram showing an example of the edge of silicon oxide film after etching, where the corners of the silicon oxide film remain rectangular while the film thickness of the silicon oxide film portion has become thinner, 113: diagram showing an example of the edge of silicon oxide film after etching when selectivity is high and the film thickness is also maintained.
Claims (16)
(a)所定の温度でフッ化水素ガスを反応させて、前記窒化シリコン膜上に反応層を形成する工程、
(b)極性溶媒のガスを流して、前記(a)の工程で形成した前記反応層を処理する工程、
(c)前記フッ化水素ガスを流さない状態で、前記(a)の工程よりも高い温度で加熱を行い、前記(a)の工程で形成し前記(b)の工程で処理した前記反応層を揮発させて除去を行う工程、を有し、
前記(a)の工程、前記(b)の工程および前記(c)の工程を繰り返して複数回行うことで、前記窒化シリコン膜を前記端部から横方向にエッチングすることを特徴とするエッチング方法。 A dry etching method for etching a film structure in advance formed on a wafer placed in a processing chamber, the film structure including a silicon nitride film sandwiched between silicon oxide films from above and below, and an end portion of a film layer constituting a side wall of a groove or hole, by supplying a processing gas into the processing chamber without using plasma, comprising:
(a) reacting hydrogen fluoride gas at a predetermined temperature to form a reaction layer on the silicon nitride film;
(b) treating the reaction layer formed in the step (a) by flowing a polar solvent gas;
(c) a step of heating at a temperature higher than that in the step (a) in a state where the hydrogen fluoride gas is not flowed, thereby volatilizing and removing the reaction layer formed in the step (a) and treated in the step (b),
an etching method, characterized in that the silicon nitride film is etched laterally from the end by repeating the steps (a), (b), and (c) multiple times.
(a)所定の温度でフッ化水素ガスを反応させて、前記窒化シリコン膜上に反応層を形成する工程、
(d)極性溶媒のガスを流しながら、前記フッ化水素ガスを流さない状態で、前記(a)の工程よりも高い温度で加熱を行い、前記(a)の工程で形成した前記反応層を揮発させて除去を行う工程、を有し、
前記(a)の工程および前記(d)の工程を繰り返して複数回行うことで、前記窒化シリコン膜を前記端部から横方向にエッチングすることを特徴とするエッチング方法。 A dry etching method for etching a film structure in advance formed on a wafer placed in a processing chamber, the film structure including a silicon nitride film sandwiched between silicon oxide films from above and below, and an end portion of a film layer constituting a side wall of a groove or hole, by supplying a processing gas into the processing chamber without using plasma, comprising:
(a) reacting hydrogen fluoride gas at a predetermined temperature to form a reaction layer on the silicon nitride film;
(d) a step of heating at a temperature higher than that in the step (a) while flowing a polar solvent gas and without flowing the hydrogen fluoride gas, thereby volatilizing and removing the reaction layer formed in the step (a),
an etching method, characterized in that the steps (a) and (d) are repeated a plurality of times to etch the silicon nitride film laterally from the end portion.
前記(a)の工程の前記温度が30℃以上55℃以下であることを特徴とするエッチング方法。 2. The etching method according to claim 1,
An etching method characterized in that the temperature in the step (a) is 30°C or higher and 55°C or lower.
前記(c)の工程が70℃以上110℃以下であることを特徴とするエッチング方法。 2. The etching method according to claim 1,
The etching method is characterized in that the temperature in the step (c) is 70°C or higher and 110°C or lower.
前記(b)の工程の前記極性溶媒がアルコールであることを特徴とするエッチング方法。 2. The etching method according to claim 1,
An etching method characterized in that the polar solvent in the step (b) is an alcohol.
前記(c)の工程の前記加熱がランプ加熱であることを特徴とするエッチング方法。 2. The etching method according to claim 1,
An etching method, wherein the heating in the step (c) is lamp heating.
前記(a)の工程及び前記(c)の工程は、ステージを-50℃以上0℃以下の低温として、それにランプ加熱を行うことで、前記(a)の工程としてステージを30℃以上55℃以下の温度を得て、さらに前記(c)の工程としてステージを70℃以上110℃以下の温度を得ることを特徴とするエッチング方法。 2. The etching method according to claim 1,
The etching method is characterized in that, in the steps (a) and (c), the stage is set to a low temperature of -50°C or more and 0°C or less, and lamp heating is performed thereon, thereby obtaining a stage temperature of 30°C or more and 55°C or less in the step (a), and further obtaining a stage temperature of 70°C or more and 110°C or less in the step (c).
前記(a)の工程の圧力が50Pa以上1000Pa以下であることを特徴とするエッチング方法。 2. The etching method according to claim 1,
An etching method characterized in that the pressure in the step (a) is 50 Pa or more and 1000 Pa or less.
前記(a)の工程、前記(b)の工程及び前記(c)の工程との間に、不活性ガスを流しながら排気する工程を入れることを特徴とするエッチング方法。 2. The etching method according to claim 1,
An etching method characterized by inserting a step of exhausting the gas while flowing an inert gas between the steps (a), (b) and (c).
前記(a)の工程の前記温度が30℃以上55℃以下であることを特徴とするエッチング方法。 3. The etching method according to claim 2,
An etching method characterized in that the temperature in the step (a) is 30°C or higher and 55°C or lower.
前記(d)の工程が70℃以上110℃以下であることを特徴とするエッチング方法。 3. The etching method according to claim 2,
The etching method is characterized in that the temperature in the step (d) is 70°C or higher and 110°C or lower.
前記(d)の工程の前記極性溶媒がアルコールであることを特徴とするエッチング方法。 3. The etching method according to claim 2,
An etching method characterized in that the polar solvent in step (d) is an alcohol.
前記(d)の工程の前記加熱がランプ加熱であることを特徴とするエッチング方法。 3. The etching method according to claim 2,
An etching method, wherein the heating in the step (d) is lamp heating.
前記(a)の工程及び前記(d)の工程は、ステージを-50℃以上0℃以下の低温として、それにランプ加熱を行うことで、前記(a)の工程としてステージを30℃以上55℃以下の温度を得て、さらに前記(d)の工程としてステージを70℃以上110℃以下の温度を得ることを特徴とするエッチング方法。 3. The etching method according to claim 2,
The etching method is characterized in that, in the steps (a) and (d), the stage is set to a low temperature of -50°C or more and 0°C or less, and then lamp heating is performed to obtain a stage temperature of 30°C or more and 55°C or less in the step (a), and further, in the step (d), the stage is set to a temperature of 70°C or more and 110°C or less.
前記(a)の工程の圧力が50Pa以上1000Pa以下であることを特徴とするエッチング方法。 3. The etching method according to claim 2,
An etching method characterized in that the pressure in the step (a) is 50 Pa or more and 1000 Pa or less.
前記(a)の工程と前記(d)の工程との間に、不活性ガスを流しながら排気する工程を入れることを特徴とするエッチング方法。 3. The etching method according to claim 2,
An etching method characterized by inserting a step of exhausting the gas while flowing an inert gas between the steps (a) and (d).
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