(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の窒化物層の上に配置された酸化物層を、高い選択比でエッチングする方法であって、
炭素およびフッ素を含有するガスとＮ2、ＮＨ3、およびそれらの組合せからなるグループから選択される窒素含有ガスとから得られるプラズマを供給するステップと、
基板と接触するプラズマ中で基板をエッチングするステップとを含み、
前記エッチングがＳｉＦ4を生成し、前記プラズマがＳｉＦ4種と窒素種との反応で得られるＳｉxＮy種を含み、
前記ＳｉxＮy種が、エッチングが前記酸化物層を通って前記窒化物層まで進むとき生成し、前記窒化物層上に前記窒化物層の前記エッチングと実質的に平衡して付着する方法。
【請求項２】
前記基板がシリコンである請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記酸化物層が、二酸化ケイ素、オルトケイ酸テトラエチル酸化物、およびシラン酸化物からなるグループから選択される請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記窒化物層が窒化ケイ素である請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記炭素およびフッ素を含有するガスがＣＦ4、Ｃ2Ｆ6、およびそれらの組合せからなるグループから選択される請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記窒化物層の厚さが約２００オングストロームより薄い請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記エッチングが、電極を有するエッチング・チャンバ内で行われ、
さらに前記電極を介して高周波エネルギーを前記プラズマ中に容量的に結合するステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記エッチングが、チャンバ壁を有するエッチング・チャンバ内で行われ、
さらに前記壁を介して高周波エネルギーを前記プラズマ中に誘導的に結合することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記窒化物層が化学的気相付着により基板上に形成される請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
窒化物の上に配置された酸化物を選択的にエッチングする方法であって、
窒化物層の上に酸化物層を有する基板を、フルオロカーボンとＮ2、ＮＨ3、およびそれらの組合せからなるグループから選択される窒素含有ガスとから得られるプラズマにさらすステップと、
前記酸化物層と前記窒化物層をエッチングして、ＳｉxＮy種を生成するステップと、
前記ＳｉxＮy種が、エッチングが前記酸化物層を通って前記窒化物層まで進むとき生成し、前記窒化物層上に窒化物層のエッチングと実質的に平衡して付着するステップとを含む方法。
【請求項１１】
前記基板がシリコンである請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記酸化物層が、二酸化ケイ素、オルトケイ酸テトラエチル酸化物、およびシラン酸化物からなるグループから選択される請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記窒化物層が窒化ケイ素である請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記窒化物層の厚さが約２００オングストロームより薄い請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記エッチングが、電極を有するエッチング・チャンバ内で行われ、
さらに前記電極を介して高周波エネルギーを前記プラズマ中に容量的に結合するステップを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記エッチングが、チャンバ壁を有するエッチング・チャンバ内で行われ、
さらに前記壁を介して高周波エネルギーを前記プラズマ中に誘導的に結合するステップを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記窒化物層が化学的気相付着によって基板上に形成される請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
炭素およびフッ素を含有するガスとＮ2、ＮＨ3、およびそれらの組合せからなるグループから選択される窒素含有ガスとから得られるプラズマを供給するステップと、
基板と接触するプラズマ中で基板と窒化物層の上に配置された酸化物層を高い選択比でエッチングするステップと
を有し、
前記エッチングがＳｉＦ4を生成し、前記プラズマがＳｉＦ4種と窒素種との反応で得られるＳｉxＮy種を含み、
前記ＳｉxＮy種が、エッチングが前記酸化物層を通って前記窒化物層まで進むとき生成し、前記窒化物層上に前記窒化物層の前記エッチングと実質的に平衡して付着する半導体装置製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に誘電膜をエッチングする方法に関し、より詳細には、窒化物層の上の酸化物層を高い選択比でエッチングする方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ケイ素など窒化物層の上にある酸化物層またはその一部分のエッチング除去は、半導体製造における重要な挑戦課題である。この課題とは、酸化物層に対して高い選択比でエッチングを行うことである。一般に、エッチング・プラズマ中では酸化物材料と窒化物材料はほぼ同じ速度でエッチングされるので、十分な選択比を有する方法を提供するという課題は、いまだ満たされていない。
【０００３】
この課題に対処する１つの試みでは、フッ素で置換した炭化水素をエッチャントとして使用している。フッ素は炭素と反応して、基板の上に炭素フッ素重合体のパシベーション被覆物を形成する。この重合体は、酸化物層のエッチング中に形成される酸素原子によって解離される。したがって、酸化物層が連続的にエッチングされるとき、窒化物層はパシベーション被覆物が存在するために、はるかに遅い速度でエッチングされる。しかし、パシベーション層もプラズマ中に存在する遊離のフッ素原子の攻撃を受け、その結果窒化物層のエッチングは所望の速度よりも大きい速度で継続する。
【０００４】
米国特許第５４２３９４５号において、窒化物層の上の酸化物層を選択的にエッチングする別の方法が開示されている。開示された方法では、Ｃ4Ｆ8またはＣＨ2Ｆ2などの高重合性ガスをＣＯなどのフッ素捕集剤とともに用いて、窒化物層表面上に炭素に富んだ保護重合体層を形成する。この方法を用いると窒化物層に対する酸化物層の高いエッチング選択比を実現できるが、いくつかの欠点がある。
【０００５】
第一に、上記の方法では、窒化物層上のエッチング速度を遅くするために窒化物層表面上での重合体の蓄積が必要である。この方法は、２００オングストローム以下の非常に薄い窒化物層に対しては理想的なものではない。というのは、その選択性効果が達成されるまでに、エッチングによって窒化物層が消耗されてしまう可能性があるからである。第二に、重合性ガスの使用は望ましくない。というのは、その高い選択比により、半導体プロセスで従来から行われているステップである、後続の窒化物層のエッチングの際に、欠陥が永続化されるからである。
【０００６】
加えて、高重合性ガスはエッチングされる基板およびプロセス・チャンバの両方に多量の残渣を残す傾向がある。この残渣の結果、一般に基板とプロセス・チャンバの両方でプロセス後の洗浄が必要となる。さらに、ＣＨ2Ｆ2を含む多くの重合性ガスは、可燃性か、有毒か、または可燃性かつ有毒である。同様に、捕集剤ガスとして使用されるＣＯは有毒であり、エッチング・チャンバ装置のガス・ラインのステンレス鋼成分からニッケルおよび鉄を浸出させる傾向がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物層の上の酸化物層をエッチングする従来の方法使用の欠点から、酸化物層に対して高い選択比を有し、非重合性ガスを使用し、薄い窒化物層上に配設された酸化物層上で使用するのに適した方法が必要である。従来法の欠点を克服するために、新しい方法が提供される。本発明の一目的は、窒化物層の上の酸化物層を高い選択比でエッチングする方法を提供することである。関連する一目的は、薄い窒化物層上に配設された酸化物層に適した方法を提供することである。本発明の他の目的は、非重合性ガスを使用する方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記その他の目的を実現するために、その目的に鑑みて、本発明は、基板上の窒化物層の上の酸化物層をエッチングする方法を提供する。基板は、炭素およびフッ素を含有するガスと窒素含有ガスとから得られるプラズマを使って、窒化物層の上の酸化物層に対して高い選択比でエッチングされる。酸化物層を通って窒化物層まで基板をエッチングすると、ＳｉxＮy種が生成し、それが窒化物層のエッチングと実質的に平衡して、窒化物層上に付着する。
【０００９】
炭素およびフッ素を含有するガスはＣＦ4、Ｃ2Ｆ6、またはそれらの組合せであることが好ましい。窒素含有ガスは、Ｎ2、ＮＨ3、またはそれらの組合せであることが好ましい。酸化物層の下に配設された窒化物層は、低圧化学的気相付着（ＬＰＣＶＤ）またはプラズマ増速化学的気相付着（ＰＥＣＶＤ）のような化学的気相付着（ＣＶＤ）で形成した窒化物層とすることが好ましい。この窒化物層はプラズマ増速化学的気相付着で形成することがさらに好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に図１を参照して本発明を説明する。一般の慣行に従い、図中の種々のフィーチャは原寸比例していない。むしろ、種々のフィーチャの寸法は、わかりやすいように任意に拡大または縮小してある。図は例示的なものであり、限定的なものではない。これは、本発明の方法を実行するのに使用される装置の説明を容易にするために含めたものである。
【００１１】
図１はエッチング・チャンバ１０の断面図である。ハウジング１２は、たとえばアルミニウムから作製され、エッチング・チャンバ１４を画定する。シリコン・ウェーハなど処理される基板２２は、電極支持体１６上で支持されている。支持体１６は一般にカソードである。ハウジング１２の内壁は一般にアノードである。カソード１６は高周波電源１８に接続されている。プロセス・ガス供給源（図示せず）に接続されたガス・マニフォールド２０が、カソード支持体１６に対向し、かつ狭い間隔で配置される。プロセス・ガスは、ガス・マニフォールド２０の開口部２３を経由してガス・マニフォールド２０から出て、基板２２に向かう。高周波電力が基板支持体１６に印加され、かつプロセス・ガスがマニフォールド２０に供給されると、マニフォールド２０と基板２２との間の空間にプラズマが生成される。真空ポンプ（図示せず）に接続された排気ライン２４により、チャンバ内圧力が維持され、消費済ガスおよび反応生成物が排気される。
【００１２】
一般に、ＣＦ4、Ｃ2Ｆ6、Ｃ3Ｆ8、ＣＨ2Ｆ4など、炭素とフッ素の両方を含有するフルオロカーボン（fluorocarbon）・エッチング・ガスがプラズマにさらされるとき、プラズマ中で種々のフラグメント（fragment）が発生する。こうしたフラグメントには、遊離フッ素原子、ＣＦおよびＣＦ2ラジカル等が含まれる。このフッ素は基板上の酸化ケイ素層をエッチングするのに利用できる。しかし、エッチング・プロセス中に、炭素とフッ素の重合体が生成して基板上に付着し、パシベーション層を形成する。この重合体は酸素原子の攻撃を受け、したがって重合体の形成と同時に、酸化物層からの酸素原子が、酸化物層のエッチングに影響することなく、重合体を解離させる。しかし、酸素を含有しない層すなわち窒化物層に達したときなど、酸素が存在しないときは、パシベーション重合体層を解離させる酸素が存在しない。その時点で、酸化ケイ素層は引き続きエッチングされ、パシベートされた窒化物層はより遅い速度でエッチングされる。
【００１３】
しかし、窒化物層上のパシベーション重合体もフッ素によって解離し、プラズマ中における連続したフッ素イオンの形成が重合体層に衝撃を与え、また他の方法で攻撃する。こうした攻撃により、重合体の解離が起こり、窒化物層がプラズマによってエッチングされてしまうことになる。
【００１４】
ＣＨＦ3およびＨｅＯ2から構成されるエッチング・ガスの使用が試みられており、これも窒化物層表面上にパシベーション重合体を生成する。しかし、この重合体の蓄積はあまり均一でなく、エッチ・ストップ窒化物層上のエッチング速度の、中心から縁部への特徴的に大きな不均一性を生じる。エッチング速度の不均一性は、後続の加工において窒化物層をエッチングする際に重大な問題となる。さらに、窒化物膜がプラズマ増速化学的気相付着によって形成されるときは、窒化物層がエッチングされやすいため、エッチング速度の不均一性が増大する。
【００１５】
炭素およびフッ素を含有するガスと窒素含有ガスとから得られたプラズマによるエッチングは上記の欠点を緩和することが新たに見出された。具体的には、炭素およびフッ素を含有するガスと窒素含有ガスとから得られたプラズマを使用して、窒化物層の上に酸化物層を有する基板をエッチングすると、ＳｉxＮy種が生成することが見出された。エッチングが酸化物層を通って窒化物層まで進むとき、エッチングの副成物であるＳｉＦxと、Ｎ、Ｎ2-、Ｎ-などの窒素ラジカルおよびイオンとの反応によって、このＳｉxＮy種が（ｘは２、３、または４、ｙは１、２、３、または４）生成する。（単一のプロセス中に複数の異なるＳｉxＮy種が生成されることがある。たとえば、Ｓｉ2Ｎy種がＳｉ3Ｎy種と共に生成されることがある。）ＳｉxＮy種、好ましくはＳｉ3Ｎ4は、化学的気相付着、特にプラズマ増速化学的気相付着によって形成される窒化物層のプラズマ前駆体である。前駆体として、ＳｉxＮy種は窒化物層に対する親和性（affinity）を有し、したがってエッチングされた窒化物層の部分に「付着（stick）する」。
【００１６】
エッチング・プラズマ中にＳｉxＮyが存在する場合、エッチングされた窒化物層の一部分が窒化物の付着で置き換えられるという、窒化物エッチングとは反対の過程が生じる。この窒化物の付着プロセスは窒化物層のエッチング・プロセスと実質的に平衡であり、窒化物層に対する酸化物層の高い選択比をもたらす。その結果、以前の方法で経験した不均一性の問題が緩和される。
【００１７】
本実施形態で使用されている「酸化物層」とは、二酸化ケイ素、シラン酸化物、またはオルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）酸化物など、半導体製造で従来から用いられている酸化物層を指す。同様に、「窒化物層」とは、窒化ケイ素など、半導体製造で従来から用いられている窒化物層を指す。本発明は、厚さ約２００オングストローム以下の薄い窒化物層にも適している。
【００１８】
本形態において、使用されるフルオロカーボン・エッチング・ガスは、ＣＦ4、Ｃ2Ｆ6、またはそれらの組合せであることが好ましい。窒素含有ガスは、ＮＨ3、Ｎ2、またはそれらの組合せであることが好ましい。本発明の方法は、二極チャンバや高密度プラズマ・チャンバなど従来から用いられてきたプロセス・チャンバで行うことができる。エッチング・チャンバは、チャンバの電極を介してプラズマ中に容量的に結合可能な高周波エネルギーによって給電される。高周波エネルギーは、チャンバ壁を介してプラズマ中に誘導的に結合することもできる。
【００１９】
以下に具体的な方法を説明する。本発明の全体的性質をより明確に示すためのものである。この例は、本発明についての例示的なものであり、限定的なものではない。
【００２０】
厚さ２００オングストロームの窒化ケイ素層の上に厚さ１０００オングストロームの二酸化ケイ素層を有し、窒化ケイ素層がプラズマ増速化学的気相付着によって形成されたシリコン・ウェハを、高周波エッチング・チャンバ内でエッチングした。エッチング・ガスは１６０ｍＴｏｒｒでＣＦ4とＮ2から構成されていた。電源電力は８００Ｗであった。１３．５６ＭＨｚの高周波エネルギーでバイアスされた−５５０Ｖのバイアス電圧を印加した。窒化物層に対する酸化物層の選択比は３：１であった。
【００２１】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
【００２２】
（１）基板上の窒化物層の上に配置された酸化物層を、高い選択比でエッチングする方法であって、
炭素およびフッ素を含有するガスと窒素含有ガスとから得られるプラズマを供給するステップと、
基板と接触するプラズマ中で基板をエッチングするステップとを含む方法。
（２）前記基板がシリコンである上記（１）に記載の方法。
（３）前記酸化物層が、二酸化ケイ素、オルトケイ酸テトラエチル酸化物、およびシラン酸化物からなるグループから選択される上記（１）に記載の方法。
（４）前記窒化物層が窒化ケイ素である上記（１）に記載の方法。
（５）前記炭素およびフッ素を含有するガスがＣＦ4、Ｃ2Ｆ6、およびそれらの組合せからなるグループから選択される上記（１）に記載の方法。
（６）前記窒素含有ガスがＮ2、ＮＨ3、およびそれらの組合せからなるグループから選択される上記（１）に記載の方法。
（７）前記窒化物層の厚さが約２００オングストロームより薄い上記（１）に記載の方法。
（８）前記エッチングが、電極を有するエッチング・チャンバ内で行われ、
さらに前記電極を介して高周波エネルギーを前記プラズマ中に容量的に結合するステップを含む上記（１）に記載の方法。
（９）前記エッチングが、チャンバ壁を有するエッチング・チャンバ内で行われ、
さらに前記壁を介して高周波エネルギーを前記プラズマ中に誘導的に結合することを含む上記（１）に記載の方法。
（１０）前記窒化物層が化学的気相付着により基板上に形成される上記（１）に記載の方法。
（１１）前記エッチングがＳｉＦ4を生成し、前記プラズマがＳｉＦ4種と窒素種との反応で得られるＳｉxＮy種を含む上記（１）に記載の方法。
（１２）前記ＳｉxＮy種を、前記窒化物層上に前記窒化物層の前記エッチングと実質的に平衡して付着する上記（１１）に記載の方法。
（１３）窒化物の上に配置された酸化物を選択的にエッチングする方法であって、
窒化物層の上に酸化物層を有する基板を、フルオロカーボンおよび窒素のプラズマにさらすステップと、
前記酸化物層と前記窒化物層をエッチングして、ＳｉxＮy種を生成するステップと、
前記ＳｉxＮy種を、前記窒化物層上に窒化物層のエッチングと実質的に平衡して付着するステップとを含む方法。
（１４）前記基板がシリコンである上記（１３）に記載の方法。
（１５）前記酸化物層が、二酸化ケイ素、オルトケイ酸テトラエチル酸化物、およびシラン酸化物からなるグループから選択される上記（１３）に記載の方法。
（１６）前記窒化物層が窒化ケイ素である上記（１３）に記載の方法。
（１７）前記窒化物層の厚さが約２００オングストロームより薄い上記（１３）に記載の方法。
（１８）前記エッチングが、電極を有するエッチング・チャンバ内で行われ、
さらに前記電極を介して高周波エネルギーを前記プラズマ中に容量的に結合するステップを含む上記（１３）に記載の方法。
（１９）前記エッチングが、チャンバ壁を有するエッチング・チャンバ内で行われ、
さらに前記壁を介して高周波エネルギーを前記プラズマ中に誘導的に結合するステップを含む上記（１３）に記載の方法。
（２０）前記窒化物層が化学的気相付着によって基板上に形成される上記（１３）に記載の方法。
（２１）炭素およびフッ素を含有するガスと窒素含有ガスとから得られるプラズマを供給するステップと、
基板と接触するプラズマ中で基板上の窒化物層の上に配置された酸化物層を高い選択比でエッチングするステップと
を有する、半導体装置製造方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のエッチング装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１０  従来のエッチング・チャンバ
１２  ハウジング
１４  エッチング・チャンバ
１６  電極支持体
１８  高周波電源
２０  ガス・マニフォールド
２２  基板
２３  開口部
２４  排気ライン
【図１】
0003649650.tif 000002