JP2010182730A

JP2010182730A - 窒化珪素膜のドライエッチング方法

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Publication number: JP2010182730A
Application number: JP2009022611A
Authority: JP
Inventors: Eiichi Nishimura; 栄一西村; Yusuke Shimizu; 祐介清水
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2029-02-03
Also published as: JP5210191B2; US8679985B2; US20100197143A1

Abstract

【課題】スループットを向上できる窒化珪素膜のドライエッチング方法を提供すること。
【解決手段】窒化珪素膜１０３をドライエッチングする窒化珪素膜１０３のドライエッチング方法であって、窒化珪素膜１０３が形成された被処理体１００に対して、少なくともフッ化水素ガス（ＨＦガス）とフッ素ガス（Ｆ_２ガス）とを含む処理ガスを用いて、プラズマを生成することなく、窒化珪素膜１０３をドライエッチングする。
【選択図】図２

Description

この発明は、窒化珪素膜のドライエッチング方法に係わり、特に、半導体集積回路装置、フラットパネルディスプレイ、太陽電池基板等の電子機器に用いられる、又はその製造に用いられるプラズマを使用しない窒化珪素膜のドライエッチング方法に関する。

熱酸化膜及び該熱酸化膜上に形成された窒化珪素（ＳｉＮ）膜を有する被処理体として半導体ウエハが知られている。このウエハにおいて、熱酸化膜を除去することなく、窒化珪素膜のみをエッチングして除去することが要求される場合がある。

窒化珪素膜のエッチング方法としては、化合物ガスから生成されたプラズマを用いたプラズマエッチング（例えば、特許文献１参照）や、リン酸、例えば、熱リン酸を用いたウェットエッチング（例えば、特許文献２、特に段落００４２等）が知られている。

しかし、プラズマエッチングは、窒化珪素膜の熱酸化膜に対する選択比を確保することが困難であり、熱酸化膜に損傷を与えやすい、あるいはプラズマを使用するために、プラズマエッチング中に被処理体に対して損傷を与えやすい、という事情がある。

この点、ウェットエッチングは、プラズマを使用しないので被処理体に損傷を与えることなく、窒化珪素膜をエッチングすることができる。また、窒化珪素膜の熱酸化膜に対する選択比をプラズマエッチングに比較して確保し易い、という利点がある。しかしながら、エッチング液の管理が、排液処理管理等も含めて困難になりやすい、という事情がある。

そこで、窒化珪素膜を、ＨＦガスのみを用いてドライエッチングすることにより、熱酸化膜に損傷を与えることなく窒化珪素膜を除去する方法が、特許文献３に記載されている。

特開２００３−２６４１８３号公報特開２００６−１５６７００号公報特開２００８−１８７１０５号公報

しかしながら、特許文献３に記載されるＨＦガスのみを用いた窒化珪素膜のドライエッチングは、窒化珪素膜のエッチングレートが遅く、スループットが悪化しやすい事情がある。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、スループットを向上できる窒化珪素膜のドライエッチング方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、この発明の第１の態様に係る窒化珪素膜のドライエッチング方法は、窒化珪素膜をドライエッチングする窒化珪素膜のドライエッチング方法であって、前記窒化珪素膜が形成された被処理体に対して、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスを用いて、プラズマを生成することなく、前記窒化珪素膜をドライエッチングする。

また、この発明の第２の態様に係る窒化珪素膜のドライエッチング方法は、リンを含まない酸化珪素膜上に形成された窒化珪素膜をドライエッチングする窒化珪素膜のドライエッチング方法であって、チャンバー内に、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスを供給し、プラズマを生成することなく、前記窒化珪素膜のジャストエッチング、又はジャストエッチング付近まで、前記窒化珪素膜をドライエッチングする第１の工程と、前記第１の工程の後、前記チャンバー内の雰囲気を、フッ化水素ガスのみの処理ガスに変え、プラズマを生成することなく、前記窒化珪素膜をオーバーエッチングする第２の工程と、を具備する。

この発明によれば、スループットを向上できる窒化珪素膜のドライエッチング方法を提供できる。

この発明の第１の実施形態に係る窒化珪素膜のドライエッチング方法に使用されるドライエッチング装置の一例を概略的に示す断面図この発明の第１の実施形態に係る窒化珪素膜のドライエッチング方法の一例を示す断面図参考例に係る窒化珪素膜のドライエッチング方法を示す断面図少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスの薄膜のエッチングレートを示す図フッ化水素ガスと混合ガスＸとの流量比“Ｘ／（ＨＦ＋Ｘ）、もしくはＨＦ／Ｘ”と、窒化珪素膜及び酸化珪素膜のエッチングレート、並びに選択比との関係を示す図オーバーエッチング中に発生する下地の荒れを示す図この発明の第２の実施形態に係るドライエッチング方法の第１例を示す断面図この発明の第２の実施形態の第２例に係る窒化珪素膜のドライエッチング方法に使用されるドライエッチングシステムの一例を概略的に示す平面図図８に示す熱処理装置２０３を概略的に示す断面図この発明の第２の実施形態に係るドライエッチング方法の第２例を示す断面図この発明の第２の実施形態に係るドライエッチング方法の第３例を示す断面図フッ化水素ガスと混合ガスＸとの流量比“Ｘ／（ＨＦ＋Ｘ）、もしくはＨＦ／Ｘ”と、窒化珪素膜及び酸化珪素膜のエッチングレート、並びに選択比との関係を示す図窒化珪素膜のエッチングレートのステージ温度依存性を示す図酸化珪素膜のエッチングレートのステージ温度依存性を示す図選択比のステージ温度依存性を示す図ステージ温度と窒化珪素膜のエッチングレートとの関係を示す図圧力と窒化珪素膜のエッチングレートとの関係を示す図ステージ温度と窒化珪素膜のエッチングレートとの関係を示す図ステージ温度と酸化珪素膜のエッチングレートとの関係を示す図ステージ温度と選択比との関係を示す図この発明の第２の実施形態に係るドライエッチング方法の第４例を示す断面図水の沸点とエチルアルコールの濃度との関係を示す図

以下、添付図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。この説明において、参照する図面全てにわたり、同一の部分については同一の参照符号を付す。

（第１の実施形態）
第１の実施形態は、被処理体が半導体ウエハ（以下ウエハ）の場合を例示し、ウエハ上に形成された窒化珪素膜をドライエッチングする例である。

図１は、この発明の第１の実施形態に係る窒化珪素膜のドライエッチング方法に使用されるドライエッチング装置の一例を概略的に示す断面図である。

図１に示すように、ドライエッチング装置１は、密閉構造のチャンバー２を備えている。チャンバー２の内部は、被処理体の一例であるウエハＷを収納する処理空間３になっている。チャンバー２の内部には、ウエハＷを略水平にした状態で載置するステージ４が設けられている。チャンバー２の外部には、チャンバー２の内部に処理ガスを供給するガス供給機構５、及びチャンバー２の内部を排気する排気機構６が設けられている。

本例のチャンバー２は、チャンバー本体２１と蓋体２２とによって構成されている。チャンバー本体２１は、底部２１ａと略円筒形状の側壁部２１ｂとを備えている。側壁部２１ｂの下部は、底部２１ａによって閉塞されており、側壁部２１ｂの上部は開口になっている。この開口に蓋体２２が装着されて閉塞される。側壁部２１ｂと蓋体２２とは、図示せぬシール部材により封止され、チャンバー２の内部の気密性が確保されている。

側壁部２１ｂには、ウエハＷをチャンバー２の内部に搬入出させるための搬入出口２３が設けられている。搬入出口２３にはゲートバルブ２４が設けられ、ゲートバルブ２４は、搬入出口２３を開閉する。

蓋体２２は、蓋体本体２２ａと、処理ガスを吐出させるシャワーヘッド２２ｂとを備えている。本例のシャワーヘッド２２ｂは、蓋体本体２２ａの下部に取付けられており、シャワーヘッド２２ｂの下面が、蓋体２２の内面（下面）となっている。シャワーヘッド２２ｂは、チャンバー２の天井部を構成する。ステージ４は、シャワーヘッド２２ｂの下方に配置され、シャワーヘッド２２ｂは、ステージ４上に載置されたウエハＷに対して上方から、処理ガスを供給するようになっている。シャワーヘッド２２ｂの下面には、処理ガスを吐出させるための複数の吐出口２２ｃが、下面全体に開口されている。

本例のステージ４は、底部２１ａに固定されている。ステージ４の平面形状は、ウエハＷの平面形状と同様に円形、又は略円形である。ステージ４の内部には、ステージ４の温度を調節する温度調節器４１が設けられている。温度調節器４１はステージ４の温度を調節する。ウエハＷの温度は、ステージ４の温度を調節することで制御される。

本例のガス供給機構５は、フッ化水素ガス（ＨＦガス）を供給するフッ化水素ガス供給路５１、及びフッ素ガス（Ｆ_２ガス）、又はフッ素ガスと不活性ガスとの混合ガスを供給するフッ素ガス供給路５２を備えている。フッ化水素ガス供給路５１、及びフッ素ガス供給路５２は、シャワーヘッド２２ｂに接続されており、フッ化水素ガス（ＨＦガス）、及びフッ素ガス（Ｆ_２ガス）、又はフッ素ガスと不活性ガスとの混合ガスは、シャワーヘッド２２ｂの吐出口２２ｃを介して処理空間３に吐出されるようになっている。

フッ化水素ガス供給路５１はフッ化水素ガス供給源５１ａに接続され、フッ素ガス供給路５２はフッ素ガス、又はフッ素ガスと不活性ガスとの混合ガス供給源５２ａに接続されている。フッ化水素ガス供給路５１には、流路の開閉動作およびフッ化水素ガスの供給流量の調節が可能な流量調節弁５１ｂが介設されている。同様に、フッ素ガス供給路５２には、流路の開閉動作およびフッ素ガス、又はフッ素ガスと不活性ガスとの混合ガスの供給流量の調節が可能な流量調節弁５２ｂが介設されている。

排気機構６は、処理空間３の内部を排気するドライポンプ等（図示せず）を備えており、チャンバー２の内部を排気して、処理空間３の圧力を所定の圧力に調節できるようになっている。

ドライエッチング装置１の各構成部は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ７１に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ７１には、工程管理者がドライエッチング装置１を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、ドライエッチング装置１の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインタフェース７２が接続されている。

プロセスコントローラ７１には、ドライエッチング装置１で実行されるドライエッチングにおける処理ガスの供給や、排気機構６によるチャンバー２の内部の排気などをプロセスコントローラ７１の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件データ等が記録されたレシピが格納された記憶部７３が接続されている。

そして、必要に応じて、ユーザーインタフェース７２からの指示等にて任意のレシピを記憶部７３から呼び出してプロセスコントローラ７１に実行させることで、プロセスコントローラ７１の制御下で、ドライエッチング装置１での所望の処理が行われる。

レシピは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリなどのコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば、専用回線を介して随時伝送させて利用したりすることも可能である。

第１の実施形態は、フッ化水素ガス（ＨＦガス）、及びフッ素ガス（Ｆ_２ガス）、又はフッ素ガスと不活性ガスとの混合ガスとを混合した処理ガスを用いて、窒化珪素膜をドライエッチングする。

図２Ａ及び図２Ｂは、この発明の第１の実施形態に係る窒化珪素膜のドライエッチング方法の一例を示す断面図である。

図２Ａに示すように、第１の実施形態においては、試料１００として、シリコンウエハ１０１上に、厚さ約１７ｎｍの熱酸化膜１０２を形成し、熱酸化膜１０２上に厚さ約５８ｎｍの窒化珪素膜１０３を形成したものを使用した。また、本例の窒化珪素膜１０３は、減圧ＣＶＤ法を用いて成膜されたＬＰ−ＳｉＮである。

図２Ａに示す試料１００の窒化珪素膜を、本例では、フッ化水素ガス（ＨＦガス）に、フッ素ガス（Ｆ_２ガス）、又はフッ素ガスと不活性ガスとの混合ガスのうち、フッ素ガスと不活性ガスとの混合ガスを混合した処理ガスを用いて、プラズマを生成することなく、約１４０秒間ドライエッチングした。約１４０秒間のドライエッチングにより、図２Ｂに示すように、窒化珪素膜１０３を、ジャストエッチング、又はジャストエッチング付近までエッチングすることができた。

なお、第１の実施形態においては、不活性ガスとして窒素ガスを用い、フッ素ガスと窒素ガスとの混合比は、フッ素ガス２０％／窒素ガス８０％（体積比）とした。不活性ガスはフッ素ガスを希釈するためのもので、フッ素ガスのみでも良いことはもちろんである。

図３Ａ及び図３Ｂに、参考例に係る窒化珪素膜のドライエッチング方法を示す。

参考例においては、図３Ａに示すように、図２Ａに示した試料１００と同じ試料１００を用い、この試料１００の窒化珪素膜１０３を、フッ化水素ガス（ＨＦガス）のみとした処理ガスを用いて、他のドライエッチング条件は、第１の実施形態のドライエッチング条件と同じとしたまま、プラズマを生成することなく、約１４０秒間ドライエッチングした。参考例においては、約１４０秒間のドライエッチングでは、図３Ｂに示すように、窒化珪素膜１０３は、ハーフエッチング程度にとどまる。

このように、フッ化水素ガス（ＨＦガス）と、フッ素ガス（Ｆ_２ガス）、又はフッ素ガスと不活性ガスとを混合した処理ガスを用いたドライエッチングは、フッ化水素ガスのみを用いたドライエッチングに比較して、窒化珪素膜１０３のエッチングレートが速い。

よって、第１の実施形態に係る窒化珪素膜のドライエッチング方法によれば、スループットを向上できる窒化珪素膜のドライエッチング方法を得ることができる。

図４に、少なくともフッ化水素ガス（ＨＦガス）とフッ素ガス（Ｆ_２ガス）とを含む処理ガスの薄膜のエッチングレートを示す。

図４に示すエッチングレートは、フッ化水素ガスに、フッ素ガスと不活性ガスとを混合した混合ガス（以下適宜混合ガスＸと呼ぶ）を混合した処理ガスを用いた。フッ化水素ガスと混合ガスＸとの流量比“ＨＦ／Ｘ＝１５００ｓｃｃｍ／１５００ｓｃｃｍ”とした。ドライエッチング条件としては、処理空間３の内部の圧力を５０Ｔｏｒｒ、ステージ温度を１５０℃とした。

図４に示すように、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスを用いたドライエッチングは、窒化珪素膜系のエッチングレートが速く、リン含有系の酸化珪素膜（ＢＰＳＧ、ＰＳＧ）を除いて酸化珪素膜系のエッチングレートが遅い、ということが分かった。

なお、図４中、ＬＰ−ＳｉＮは減圧ＣＶＤ法を用いて成膜した窒化珪素膜、Ｐ−ＳｉＮはプラズマＣＶＤ法を用いて成膜した窒化珪素膜、Ｐ−ＳｉＯＮはプラズマＣＶＤ法を用いて成膜した酸窒化珪素膜、Ｔｈ−Ｏｘは単結晶シリコンを熱酸化した熱酸化膜、ＬＰ−ＴＥＯＳは減圧ＣＶＤ法を用いてテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を原料ガスとして成膜した酸化珪素膜、Ｐ−ＴＥＯＳはプラズマＣＶＤ法を用いてテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を原料ガスとして成膜した酸化珪素膜、ＨＤＰは高密度プラズマＣＶＤ法を用いて成膜した酸化珪素膜、ＨＴＯは高温ＣＶＤ法を用いて成膜した酸化珪素膜、ＮＳＧはノンドープシリケートガラス、ＢＰＳＧはボロン−リン含有シリケートガラス、ＰＳＧはリン含有シリケートガラス、ＢＳＧはボロン含有シリケートガラス、Ｗはタングステン、Ｔｉはチタン、ＴｉＮは窒化チタン、Ｐｏｌｙ−Ｓｉは多結晶シリコン、Ａｌ−Ｓｉはアルミニウムシリコンである。

図４に示す結果から、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスを用いたドライエッチングは、窒化珪素膜とリン含有系以外の酸化珪素膜との選択比を大きくとることができ、リン含有系以外の酸化珪素膜をエッチングストッパに利用した窒化珪素膜のドライエッチングが可能である。

よって、第１の実施形態に係る窒化珪素膜のドライエッチング方法は、半導体集積回路装置の製造に使用される半導体ウエハ、フラットパネルディスプレイや太陽電池の製造に使用されるガラス基板のエッチングに好適に利用することができる。

図５に、フッ化水素ガスと混合ガスＸとの流量比“Ｘ（ｓｃｃｍ）／（ＨＦ（ｓｃｃｍ）＋Ｘ（ｓｃｃｍ））、もしくはＨＦ（ｓｃｃｍ）／Ｘ（ｓｃｃｍ）”と、窒化珪素膜、及び酸化珪素膜のエッチングレート、並びに選択比との関係を示す。

図５に示す例のドライエッチング条件は、処理空間３の内部の圧力を５０Ｔｏｒｒ、ステージ温度を１５０℃、エッチング時間を１２０秒とした。窒化珪素膜はＬＰ−ＳｉＮであり、酸化珪素膜はＴｈ−Ｏｘである。

図５に示すように、まず、窒化珪素膜のエッチングレートのみを考慮すると、流量比“Ｘ／（ＨＦ＋Ｘ）＝０．２５以上１以下”の範囲（流量比ＨＦ／Ｘ＝１２００／４００〜０／１６００）が８ｎｍ／ｍｉｎを超えるので、スループットの向上の面から考えて好適である。中でも、流量比“Ｘ／（ＨＦ＋Ｘ）＝０．５以上０．７５以下”の範囲（流量比ＨＦ／Ｘ＝８００／８００〜４００／１２００）が１１ｎｍ／ｍｉｎを超えるので、特に良い。

なお、選択比“ＬＰ−ＳｉＮのエッチングレート／Ｔｈ−Ｏｘのエッチングレート”は、流量比“Ｘ／（ＨＦ＋Ｘ）＝０．５”の時（流量比ＨＦ／Ｘ＝８００／８００）が最も大きい。

図５に示すように、第１の実施形態に係る窒化珪素膜のドライエッチング方法を用いて、リン含有系以外の酸化珪素膜をエッチングストッパに利用して窒化珪素膜のドライエッチングする場合には、流量比“Ｘ／（ＨＦ＋Ｘ）＝０．２５以上１以下”の範囲が好ましく、中でも流量比“Ｘ／（ＨＦ＋Ｘ）＝０．５以上０．７５以下”の範囲が特に好ましい。

（第２の実施形態）
少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスを用いて、下地をシリコン（シリコンウエハ）とし、酸化珪素膜（例えば、熱酸化膜（Ｔｈ−Ｏｘ））をエッチングストッパに利用して窒化珪素膜（例えば、ＬＰ−ＳｉＮ）をドライエッチングする。

さらに、窒化珪素膜を、シリコンウエハ面内全体から完全に取り除くためにオーバーエッチングを行うとする。

ところが、窒化珪素膜をオーバーエッチングすると、下地のシリコンが荒れる現象が見られた。この現象の原因とし、本件発明者等は、以下のように推論する。

窒化珪素膜は完全に珪素と窒素ばかりで構成される訳ではなく、微量の酸素が混入している。微量の酸素は、窒化珪素膜中に局所的なＳｉＯ_２を形成する。局所的なＳｉＯ_２が形成された窒化珪素膜を、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスを用いてエッチングすると、以下の反応式（１）に示すように、水（Ｈ_２Ｏ）が発生する。

２ＳｉＮ＋２ＳｉＯ_２＋８ＨＦ＋４Ｆ_２→４ＳｉＦ_４↑＋Ｎ_２↑＋４Ｈ_２Ｏ …（１）

さらに、フッ素ガスは水と反応し、フッ化水素酸（ＨＦ（ａｑ））と酸素ガス（Ｏ_２）とを生成する。反応式は、以下の（２）式で示される。

２Ｆ_２＋２Ｈ_２Ｏ→４ＨＦ（ａｑ）＋Ｏ_２↑ …（２）

結果として、フッ化水素ガスのみのドライエッチングに比較して、フッ素ガスが添加されているために、フッ化水素酸が発生する。フッ化水素酸は、以下の反応式（３）で熱酸化膜（ＳｉＯ_２）をエッチングする。

ＳｉＯ_２＋４ＨＦ（ａｑ）→ＳｉＦ_４↑＋２Ｈ_２Ｏ …（３）

熱酸化膜はエッチングストッパである。エッチングストッパにエッチングが進むと、下地のシリコンが露呈することとなる。少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスは、図４にも示したように、熱酸化膜のエッチングレートよりもシリコンのエッチングレートの方が速い。

このため、図６Ａに示す窒化珪素膜１０３のジャストエッチング、又はジャストエッチング付近の状態からオーバーエッチングをすると、図６Ｂに示すように、オーバーエッチング中に、エッチングストッパである熱酸化膜１０２がエッチングされ、下地のシリコン１０１が露呈する。露呈したシリコン１０１はエッチングされ、下地のシリコン１０１が荒れる。

そこで、第２の実施形態は、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスを用いたドライエッチングにおいて、下地の荒れを抑制できる窒化珪素膜のエッチング方法を提供しようとするものである。

（第１例）
図７Ａ及び図７Ｂは、この発明の第２の実施形態に係るドライエッチング方法の第１例を示す断面図である。

図７Ａに示すように、第１例は、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスを用いたドライエッチングを、窒化珪素膜１０３のジャストエッチング、又はジャストエッチング付近まで行う。ここまでのドライエッチングの条件の一例は、処理空間３の内部の圧力を５０Ｔｏｒｒ、フッ化水素ガスと混合ガスＸとの流量比ＨＦ／Ｘ＝１５００ｓｃｃｍ／１５００ｓｃｃｍ、ステージ温度１５０℃、エッチング時間１４０秒である。

以後のオーバーエッチングは、図７Ｂに示すように、ＨＦガスのみを用いたドライエッチングとする。オーバーエッチングにおけるドライエッチングの条件の一例は、フッ化水素ガスＨＦ＝１５００ｓｃｃｍ、ステージ温度１５０℃、エッチング時間１８０秒である。

このような第１例によれば、オーバーエッチング中は、フッ素ガスを用いないので、フッ化水素酸（ＨＦ（ａｑ））の生成を抑制できる。

このように、第２の実施形態の第１例に係る窒化珪素膜のドライエッチング方法によれば、オーバーエッチングをフッ化水素ガスのみを用いたドライエッチングとすることで、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスを用いてオーバーエッチングする場合に比較して、下地の荒れを抑制することができる。

（第２例）
上記第１例は、オーバーエッチングをフッ化水素ガスのみを用いたドライエッチングとすることで、下地の荒れを抑制することができる。この結果から、下地が荒れる原因は、フッ素ガス、又はフッ素ガスと不活性ガスとを混合した混合ガスＸ、及び試料（被処理体）上に滞留する水（Ｈ_２Ｏ）にある、と推論できる。

そこで、第２例は、上記推論に基づき、試料（被処理体）上から、フッ素ガス、又は混合ガスＸ、及び水を除去する工夫を、さらに施した。

図８は、この発明の第２の実施形態の第２例に係る窒化珪素膜のドライエッチング方法に使用されるドライエッチングシステムの一例を概略的に示す平面図である。

図８に示すように、ドライエッチングシステム２００は、ウエハＷをシステム２００に対して搬入出させる搬入出部２０１、搬入出部２０１に隣接させて設けられた２つのロードロック室（Ｌ／Ｌ）２０２、各ロードロック室２０２にそれぞれ隣接させて設けられ、ウエハＷに対して熱処理を行う熱処理装２０３、各熱処理装置２０３にそれぞれ隣接させて設けられ、ウエハＷに対してドライエッチングを行うドライエッチング装置１を備えている。ドライエッチング装置１は、例えば、図１に示したドライエッチング装置と同様のものである。熱処理装置２０３、及びドライエッチング装置１は、各ロードロック室２０２側からこの順に一直線上に並べて設けられている。

搬入出部２０１は、例えば、平面形状が円形であるウエハＷを搬送する第１のウエハ搬送機構２１１が内部に設けられた搬送室（Ｌ／Ｍ）２１２を有している。ウエハ搬送機構２１１は、ウエハＷを略水平に保持する２つの搬送アーム２１１ａ、２１１ｂを有している。搬送室２１２の長手方向の側部には、載置台２１３が設けられており、この載置台２１３には、ウエハＷを複数枚並べて収容可能なキャリアＣが例えば３つ備えられている。また、搬送室２１２に隣接して、ウエハＷを回転させて偏心量を光学的に求めて位置合わせを行なうオリエンタ２１４が設置されている。

搬入出部２０１において、ウエハＷは、搬送アーム２１１ａ、２１１ｂによって保持され、ウエハ搬送装置２１１の駆動により略水平面内で直進移動、また昇降させられることにより、所望の位置に搬送させられる。そして、載置台２１３上のキャリアＣ、オリエンタ２１４、ロードロック室２０２に対してそれぞれ搬送アーム２１１ａ、２１１ｂが進退することにより、搬入出させられるようになっている。

各ロードロック室２０２は、搬送室２１２との間にそれぞれゲートバルブ２１６が介在配備された状態で、搬送室２１２にそれぞれ連結されている。各ロードロック室２０２内には、ウエハＷを搬送する第２のウエハ搬送機構２１７が設けられており、このウエハ搬送機構２１７は、ウエハＷを略水平に保持する搬送アーム２１７ａを有している。また、ロードロック室２０２は、所定の真空度まで真空引き可能に構成されている。

ロードロック室２０２において、搬送アーム２１７ａはウエハＷを保持し、ウエハ搬送機構２１７の駆動により略水平面内でウエハＷを回転、直進移動および昇降させて搬送する。そして、各ロードロック室２０２に対してそれぞれ連結された熱処理２０３に対して搬送アーム２１７ａが進退することにより、熱処理装置２０３に対してウエハＷの搬入出が行なわれる。さらに、各熱処理装置２０３を介して各ドライエッチング装置１内に搬送アーム２１７ａが進退することにより、各ドライエッチング装置１に対してウエハＷの搬入出が行なわれる。

熱処理装置２０３は、ウエハＷを収納する密閉構造のチャンバー２２０内に、処理空間２２１を備えている。チャンバー２２０には、ウエハＷを処理空間２２１内に搬入出させるための図示しない搬入出口が設けられており、この搬入出口はゲートバルブ２２２によって開閉される。チャンバー２２０は、ロードロック室２０２との間にそれぞれゲートバルブ２２２が配備された状態で、ロードロック室２０２に連結されている。

図９は熱処理装置２０３を概略的に示す断面図である。

図９に示すように、熱処理装置２０３のチャンバー２２０内には、ウエハＷを略水平にして載置するステージヒーター２２３が設けられている。さらに、処理空間２２１に、不活性ガス、例えば、窒素ガス（Ｎ_２ガス）などの不活性ガスを加熱して供給するガス供給路２２５を備えたガス供給機構２２６、処理空間２２１を排気する排気機構２２８が備えられている。

ガス供給路２２５は、窒素ガス供給源２３０に接続されている。そして、ガス供給路２２５には、流路の開閉動作および窒素ガスの供給流量の調節が可能な流量調整弁２３１が介設されている。

ドライエッチング装置１については、図１に示したドライエッチング装置１と同様であるので、その説明は省略する。また、ドライエッチングシステム２００の各構成部についても、図１に示したドライエッチング装置１と同様に、は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ７１に接続されて制御される構成となっている。

ドライエッチングシステム２００は、ドライエッチングと熱処理とを別々のチャンバーで行う。このようなドライエッチングシステム２を使用して、第２の実施形態に係るドライエッチング方法の第２例は実施される。

図１０Ａ乃至図１０Ｃは、この発明の第２の実施形態に係るドライエッチング方法の第２例を示す断面図である。

図１０Ａに示すように、第２例においては、第１例と同様に、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスを用いたドライエッチングを、窒化珪素膜のジャストエッチング、又はジャストエッチング付近まで行う。このドライエッチングは、ドライエッチング装置１のチャンバー２の内部で行われる。ドライエッチングの条件の一例は、処理空間３の内部の圧力を５０Ｔｏｒｒ、フッ化水素ガスと混合ガスＸとの流量比ＨＦ／Ｘ＝１５００ｓｃｃｍ／１５００ｓｃｃｍ、ステージ温度６０℃乃至８０℃、エッチング時間１４０秒である。

次いで、図１０Ｂに示すように、試料１００を、別のチャンバーに移す。本例では、試料１００を、チャンバー２から熱処理装置２０３のチャンバー２２０に移す。これは、試料１００の周囲から、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスを除去するためである。

また、チャンバー２２０の内部において、試料１００が載置されるステージ（ステージヒーター２２３）の温度を、チャンバー２の内部におけるドライエッチング中のステージ４の温度以上として、試料１００を熱処理する。試料１００上から、水を効率よく除去するためである。熱処理の条件の一例は、チャンバー２２０の内部の圧力を２Ｔｏｒｒとし、チャンバー２２０の内部に不活性ガス、例えば、窒素ガスを流量２０００ｓｃｃｍで供給する。ステージ温度は２００℃、熱処理時間は１２０秒である。

チャンバー２２０の内部における熱処理後、試料１００をチャンバー２に戻す。

以後のオーバーエッチングは、図１０Ｃに示すように、フッ化水素ガスのみを用いたドライエッチングとする。このオーバーエッチングは、ドライエッチング装置１のチャンバー２の内部で行われる。オーバーエッチングにおけるドライエッチングの条件の一例は、処理空間３の内部の圧力を５０Ｔｏｒｒ、フッ化水素ガスの流量ＨＦ＝１６００ｓｃｃｍ、ステージ温度６０乃至８０℃、エッチング時間１８０秒である。

このような第２例によれば、試料１００の周囲から、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスが除去される。また、試料１００をドライエッチング時におけるステージ温度よりも高いステージ温度とするので、試料１００上から水を効率よく除去できる。しかも、オーバーエッチング中は、フッ素ガスを用いないので、フッ化水素酸（ＨＦ（ａｑ））の生成を抑制できる。

このように、第２の実施形態の第２例に係る窒化珪素膜のドライエッチング方法によれば、第１例に比較して、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスを除去する、また、水も除去する、という工夫を施したことで、第１例に比較して、下地の荒れを、さらに抑制することができる。

（第３例）
第２例は、第１例に比較して、下地の荒れを、さらに良く抑制することができた。

しかしながら、試料（被処理体）を、熱処理のために、別のチャンバーに移すために、スループットが悪化し易い、という事情がある。

そこで、第３例においては、下地の荒れを抑制するとともに、スループットの改善をめざした。

図１１Ａ乃至図１１Ｃは、この発明の第２の実施形態に係るドライエッチング方法の第３例を示す断面図である。

図１１Ａに示すように、第３例においては、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスを用いたドライエッチングを、窒化珪素膜のジャストエッチング、又はジャストエッチング付近まで行う。ドライエッチングの条件の一例は、第１例及び第２例と同様に、処理空間３の内部の圧力を５０Ｔｏｒｒ、フッ化水素ガスと混合ガスＸとの流量比ＨＦ／Ｘ＝１５００ｓｃｃｍ／１５００ｓｃｃｍ、ステージ温度を水の沸点以上の１５０℃、エッチング時間１４０秒である。

次いで、図１１Ｂに示すように、チャンバー内の雰囲気を不活性ガスでパージし、チャンバー内の雰囲気を、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含んだ処理ガスから不活性ガスに置換する。チャンバー内の雰囲気を不活性ガスに置換することで、試料１００の周囲から、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含んだ処理ガスが除去される。なお、本第３例においては、パージ中、ステージ温度は、水の沸点以上とし、試料１００上から水が除去されるように工夫した。条件の一例は、処理空間３の内部の圧力を２Ｔｏｒｒとし、処理空間３の内部に不活性ガス、例えば、窒素ガスを流量２０００ｓｃｃｍで供給する。ステージ温度は１５０℃、熱処理時間は１２０秒である。

以後のオーバーエッチングは、図１１Ｃに示すように、フッ化水素ガスのみを用いたドライエッチングとする。オーバーエッチングにおけるドライエッチングの条件の一例は、第１例及び第２例と同様に、処理空間３の内部の圧力を５０Ｔｏｒｒ、フッ化水素ガスの流量ＨＦ＝１６００ｓｃｃｍ、ステージ温度１５０℃、エッチング時間１８０秒である。

このような第３例においても、第２例と同様に、第１例に比較して下地の荒れを、さらに良く抑制することができる。

また、第３例は、一つのチャンバーの内部で処理するため、熱処理時に、別のチャンバーへ試料１００を移す第２例に比較して、スループットを改善することができる。

（第４例）
第３例は、第２例と同様に、第１例に比較して、下地の荒れを、さらに良く抑制することができた。しかも、第３例は、第２例に比較して、試料（被処理体）を別のチャンバーに移さないために、試料（被処理体）の搬送時間を節約でき、スループットを改善することが可能である。第３例は、窒化珪素膜のジャストエッチング、又はジャストエッチング付近まで行われるドライエッチング中、水の滞留を抑制するために、処理温度を水の沸点以上とする。

しかし、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスを用いた窒化珪素膜のドライエッチングにおいては、処理温度、例えば、ステージ温度を下げると、窒化珪素膜のエッチングレートをより速めることが可能である、ということが判明した。

図１２に、フッ化水素ガスと混合ガスＸとの流量比“Ｘ（ｓｃｃｍ）／（ＨＦ（ｓｃｃｍ）＋Ｘ（ｓｃｃｍ））、もしくはＨＦ（ｓｃｃｍ）／Ｘ（ｓｃｃｍ）”と、窒化珪素膜、及び酸化珪素膜のエッチングレート、並びに選択比との関係を示す。

図１２に示す例のドライエッチング条件は、図５に示した例のドライエッチング条件とステージ温度を６０℃とした点が異なるのみである。ステージ温度以外のドライエッチング条件は図５に示した例と同じである。

図１２に示すように、ステージ温度を１５０℃から６０℃に下げると、特に、流量比“Ｘ／（ＨＦ＋Ｘ）”が０を超え０．５以下の範囲において、窒化珪素膜（本例ではＬＰ−ＳｉＮ）のエッチングレートが１３ｎｍ／ｍｉｎを超える。この値は、ステージ温度を１５０℃としたときに得ることができなかった速い値である。

よって、ステージ温度を下げることで、窒化珪素膜をより速くドライエッチングすることができ、スループットの向上に有利である、という利点を得ることができる。

ただし、プロセスによっては、エッチングレートを、例えば、８〜１２ｎｍ／ｍｉｎ程度に抑えたいこともある。ステージ温度を下げるか上げるかは、ユーザーが適宜選択して良い事項である。

（窒化珪素膜のエッチングレートの最適化）
図１３に、窒化珪素膜のエッチングレートのステージ温度依存性を示す。

図１３には、ステージ温度６０℃のとき（以下低温域という）の窒化珪素膜（ＬＰ−ＳｉＮ）のエッチングレート（Ｅ／Ｒ）曲線と、ステージ温度１５０℃のとき（以下高温域という）の窒化珪素膜（ＬＰ−ＳｉＮ）のエッチングレート（Ｅ／Ｒ）曲線とが示されている。これらＥ／Ｒ曲線は、図５、及び図１２に示されていた窒化珪素膜のＥ／Ｒ曲線を抜粋したものである。

図１３に示すように、低温域においては、流量比“Ｘ／（ＨＦ＋Ｘ）”が０を超え０．５以下の範囲においてエッチングレートが高まり、“Ｘ／（ＨＦ＋Ｘ）”が０．５を超え１以下の範囲においてエッチングレートが下がる傾向が見られる。反対に、高温域においては、流量比“Ｘ／（ＨＦ＋Ｘ）”が０を超え０．５以下の範囲においてエッチングレートが下がり、流量比“Ｘ／（ＨＦ＋Ｘ）”が０．５を超え１以下の範囲においてエッチングレートが高まる傾向が見られる。

本明細書では、低温域はステージ温度６０℃±４５℃、高温域はステージ温度１５０℃±４５℃と定義する。±４５℃の根拠は、温度６０℃と温度１５０℃との差の半分の温度にあり、本例では温度１０５℃である。

まとめると、ステージ温度が１５℃以上１０５℃以下のときには、流量比“Ｘ／（ＨＦ＋Ｘ）”を、０を超え０．５以下の範囲とすることで、窒化珪素膜のエッチングレートを高めることができる。

また、ステージ温度が１０５℃を超え１９５℃以下のときには、流量比“Ｘ／（ＨＦ＋Ｘ）”を、０．５を超え１以下の範囲とすることで、窒化珪素膜のエッチングレートを高めることができる。

また、ステージ温度と流量比“Ｘ／（ＨＦ＋Ｘ）”とを上述のように制御すれば、窒化珪素膜のエッチングレートを、８〜２０ｎｍ／ｍｉｎといった広い範囲で制御することも可能となる。

（酸化珪素膜のエッチングレートの最適化）
少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスを用いた窒化珪素膜のドライエッチングにおいて、エッチングストッパとして酸化珪素膜を利用することがある。この場合、酸化珪素膜のエッチングレートは遅いことが好ましい。

図１４に、酸化珪素膜のエッチングレートのステージ温度依存性を示す。

図１４には、ステージ温度が低温域のときの酸化珪素膜（Ｔｈ−Ｏｘ）のＥ／Ｒ曲線と、ステージ温度が高温域のときの酸化珪素膜（Ｔｈ−Ｏｘ）のＥ／Ｒ曲線とが示されている。これらＥ／Ｒ曲線は、図５、及び図１２に示されていた酸化珪素膜のＥ／Ｒ曲線を抜粋したものである。

図１４に示すように、酸化珪素膜のエッチングレートは、流量比“Ｘ／（ＨＦ＋Ｘ）”に関わらずに、低温域のほうが下がる傾向が見られる。

従って、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスを用いた窒化珪素膜のドライエッチングにおいて、エッチングストッパとして酸化珪素膜を利用する場合には、ステージ温度は１５℃以上１０５℃以下とすることが好ましい。

（選択比の最適化）
少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスを用いた窒化珪素膜のドライエッチングにおいて、エッチングストッパとして酸化珪素膜を利用する場合、選択比“（ＬＰ−ＳｉＮのエッチングレート／Ｔｈ−Ｏｘのエッチングレート”は高いことが好ましい。また、エッチングストッパとして酸化珪素膜を利用するので、ステージ温度は、上述したように１５℃以上１０５℃以下とすることが好ましい。

図１５に、選択比のステージ温度依存性を示す。

図１５には、ステージ温度が低温域のときの選択比曲線と、ステージ温度が高温域のときの選択比曲線とが示されている。これら選択比曲線は、図５、及び図１２に示されていた選択比曲線を抜粋したものである。

図１５に示すように、低温域においては、流量比“Ｘ／（ＨＦ＋Ｘ）”が０を超え０．７５以下の範囲において選択比が高まり、“Ｘ／（ＨＦ＋Ｘ）”が０．７５を超え１以下の範囲において選択比が下がる傾向が見られる。

従って、ステージ温度が１５℃以上１０５℃以下のとき、流量比“Ｘ／（ＨＦ＋Ｘ）”を、０を超え０．７５以下の範囲とすることで、高い選択比を得ることができる。

特に、流量比“Ｘ／（ＨＦ＋Ｘ）”を、０を超え０．５以下の範囲とすると、選択比が１３以上といった、より高い選択比を得ることができる。

（ステージ温度の最適化）
少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスを用いた窒化珪素膜のドライエッチングにおいて、エッチングストッパとして酸化珪素膜を利用する場合、ステージ温度は低温域、本明細書においてはステージ温度が１５℃以上１０５℃以下とすることが、より好ましいことは上述した通りである。

次に、ステージ温度が低温域にあるときの最適な温度について考察する。

図１６に、エッチングレートとステージ温度の関係を示す。

図１６に示すように、ステージ温度が６０℃以上８０℃以下のときが、最も窒化珪素膜のエッチングレートが速くなる。

窒化珪素膜のエッチングレートは圧力依存性があり、図１７に示すように、圧力が高い程、速くなる傾向がある。

さらに、図１８に示すように、窒化珪素膜のエッチングレートの圧力依存性は、ステージ温度が６０℃以上８０℃以下の範囲においても維持される。

また、酸化珪素膜のエッチングレートは、図１９に示すように、ステージ温度が６０℃以上８０℃以下の範囲においては、ほぼゼロである。なお、本例では酸化珪素膜はＨＤＰ−Ｏｘである。よって、図２０に示すように、窒化珪素膜と酸化珪素膜との選択比は、ステージ温度が６０℃以上８０℃以下の範囲が最も高くなる。

従って、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含んだ処理ガスを用いたドライエッチングにおいては、ステージ温度が６０℃以上８０℃以下の範囲が好ましい。

しかしながら、ステージ温度が６０℃以上８０℃以下の範囲は、水の沸点以下の温度である。ステージ温度が６０℃以上８０℃以下の範囲においては、本第２の実施形態の第２例、及び第３例を参照して説明したように、下地を荒らすこともある。

そこで、第４例は、下地の荒れを抑制し、かつ、窒化珪素膜のエッチングレートが遅くなる事情を抑制しつつ、スループットの更なる改善をめざした。

図２１Ａ乃至図２１Ｃは、この発明の第２の実施形態に係るドライエッチング方法の第４例を示す断面図である。

図２１Ａに示すように、第４例においても、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含んだ処理ガスを用いたドライエッチングを、窒化珪素膜のジャストエッチング、又はジャストエッチング付近まで行う。

さらに、第４例においては、上記処理ガスとともに、チャンバー内に、水の沸点を下げる物質、即ち、水に対して沸点が低くなる共沸現象を起こす物質を、さらに供給した。このような物質としては、例えば、図２２に示すような、エチルアルコールガスを挙げることができる。図２２に示すように、エチルアルコールを含んだ水の沸点は、１００℃未満に下がる。これを利用して、第１例、及び第２例と同様に、通常の水の沸点（１００℃）未満の処理温度、例えば、８０℃付近でドライエッチングを行っても、試料１００上への水の滞留が抑制される。ドライエッチングの条件の一例は、第１例及び第２例と同様に、処理空間３の内部の圧力を５０Ｔｏｒｒ、フッ化水素ガスと混合ガスＸとの流量比ＨＦ／Ｘ＝１５００ｓｃｃｍ／１５００ｓｃｃｍ、ステージ温度を８０℃、エッチング時間１４０秒である。

次いで、図２１Ｂに示すように、第３例と同様に、チャンバー内の雰囲気を不活性ガス及びエチルアルコールガスでパージし、チャンバー内の雰囲気を、不活性ガス及びエチルアルコールガスの雰囲気に置換する。チャンバー内の雰囲気を不活性ガス及びエチルアルコールガスの雰囲気に置換することで、試料１００上からは、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含んだ処理ガスが除去される。条件の一例は、処理空間３の内部に不活性ガス、例えば、窒素ガスを流量２０００ｓｃｃｍ、エチルアルコールガスを流量１０００ｓｃｃｍで供給する。ステージ温度は８０℃、熱処理時間は１２０秒である。

以後のオーバーエッチングは、図２１Ｃに示すように、フッ化水素ガスのみを用いたドライエッチングとする。オーバーエッチングにおけるドライエッチングの条件の一例は、第１例乃至第３例と同様に、処理空間３の内部の圧力を５０Ｔｏｒｒ、フッ化水素ガスの流量ＨＦ＝１６００ｓｃｃｍ、ステージ温度６０℃乃至８０℃、エッチング時間１８０秒である。

このような第４例によれば、水の沸点を下げる物質を処理ガスに添加することで、水の沸点以下の温度でドライエッチングを行っても、試料１００上から水を効率よく除去することができる。

よって、第３例に比較して、ドライエッチング時におけるステージ温度を、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含んだ処理ガスを用いたドライエッチングにおいて、最適な温度、６０℃以上８０℃未満まで下げることが可能となり、さらに、スループットを改善することができる。

以上、この発明係る窒化珪素膜のドライエッチング方法を、いくつかの実施形態に従って説明したが、この発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。

例えば、第１、第２の実施形態においては、この発明に係る窒化珪素膜のドライエッチング方法を、被処理体として半導体集積回路装置を製造に使用される半導体ウエハに適用した例を説明したが、被処理体は半導体ウエハに限られるものではなく、フラットパネルディスプレイや太陽電池の製造に使用されるガラス基板であっても、この発明は好適に利用することができる。

１００…試料、１０１…シリコンウエハ、１０２…酸化珪素膜、１０３…窒化珪素膜

Claims

窒化珪素膜をドライエッチングする窒化珪素膜のドライエッチング方法であって、
前記窒化珪素膜が形成された被処理体に対して、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスを用いて、プラズマを生成することなく、前記窒化珪素膜をドライエッチングすることを特徴とする窒化珪素膜のドライエッチング方法。
リンを含まない酸化珪素膜上に形成された窒化珪素膜をドライエッチングする窒化珪素膜のドライエッチング方法であって、
チャンバー内に、少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスを供給し、プラズマを生成することなく、前記窒化珪素膜のジャストエッチング、又はジャストエッチング付近まで、前記窒化珪素膜をドライエッチングする第１の工程と、
前記第１の工程の後、前記チャンバー内の雰囲気を、フッ化水素ガスのみの処理ガスに変え、プラズマを生成することなく、前記窒化珪素膜をオーバーエッチングする第２の工程と、
を具備することを特徴とする窒化珪素膜のエッチング方法。
前記第１の工程と前記第２の工程との間に、
前記被処理体が載置されるステージの温度を、前記第１の工程時におけるステージの温度以上として、前記被処理体を熱処理する工程を、さらに具備することを特徴とする請求項２に記載の窒化珪素膜のドライエッチング方法。
前記熱処理を行うチャンバーが、前記第１の工程及び前記第２の工程時におけるドライエッチングを行うチャンバーと異なることを特徴とする請求項３に記載の窒化珪素膜のドライエッチング方法。
前記第１の工程と前記第２の工程との間に、
前記チャンバー内の雰囲気を不活性ガス雰囲気に置換する工程を、さらに具備することを特徴とする請求項２に記載の窒化珪素膜のドライエッチング方法。
前記少なくともフッ化水素ガスとフッ素ガスとを含む処理ガスに、水の沸点を下げる物質を供給することを特徴とする請求項２乃至請求項５いずれか一項に記載の窒化珪素膜のドライエッチング方法。
前記不活性ガス雰囲気に置換する工程では、前記不活性ガスに加え、水の沸点を下げる物質を供給することを特徴とする請求項５に記載の窒化珪素膜のドライエッチング方法。