(57)【要約】  プロセス化学に基づき、3塩化ホウ素（BCl3）を用いてハフニウム含有材料をエッチングする方法およびシステムについて示した。BCl3および添加剤ガスを含む乾式エッチング処理プロセスにより、二酸化ハフニウム（HfO2）のようなハフニウム含有層を有する基板が処理される。添加剤ガスは、O2のような酸素含有ガス、N2のような窒素含有ガス、CH4のような炭化水素ガス（CxHy）、またはこれらの2以上の組み合わせを含む。
2010503996.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上のハフニウム含有層をエッチングする方法であって、
プラズマ処理システム内に、前記ハフニウム含有層を有する前記基板を配置するステップであって、パターンを定形するマスク層が、前記ハフニウム含有層の上に配置されるステップと、
前記基板の温度を、約30℃以上に昇温するステップと、
前記プラズマ処理システムに、BCl3および添加剤ガスを含むプロセス組成物を導入するステップと、
前記プラズマ処理システムにおいて、前記プロセス組成物からプラズマを形成するステップと、
前記ハフニウム含有層に前記パターンをエッチングするため、前記プラズマに前記基板を暴露するステップと、
を有する方法。
【請求項２】
前記プロセス組成物を導入するステップは、さらに、不活性ガスを導入するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記不活性ガスを導入するステップは、希ガスを導入するステップを有することを特徴とする請求項2に記載の方法。
【請求項４】
前記添加剤ガスを導入するステップは、酸素含有ガス、窒素含有ガス、CxHyで表され、xおよびyは、1以上の整数である炭化水素ガス、またはこれらの2以上の組み合わせを導入するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記添加剤ガスを導入する前記ステップは、O2、NO、NO2、N2O、CO、CO2、またはこれらの2以上の組み合わせを含む酸素含有ガスを導入するステップを有することを特徴とする請求項4に記載の方法。
【請求項６】
前記添加剤ガスを導入する前記ステップは、N2、NH3、またはこれらの2以上の組み合わせを含む窒素含有ガスを導入するステップを有することを特徴とする請求項4に記載の方法。
【請求項７】
前記添加剤ガスを導入する前記ステップは、C2H4、CH4、C2H2、C2H6、C3H4、C3H6、C3H8、C4H6、C4H8、C4H10、C5H8、C5H10、C6H6、C6H10、C6H12、またはこれらの2もしくは3以上の組み合わせを含む炭化水素ガスを導入するステップを有することを特徴とする請求項4に記載の方法。
【請求項８】
前記添加剤ガスを導入する前記ステップは、CH4を導入するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項９】
前記添加剤ガスを導入する前記ステップは、CH4およびN2を導入するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項１０】
前記ハフニウム含有層を有する基板を配置するステップは、ハフニウム酸化物層またはケイ酸ハフニウム層を有する基板を配置するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項１１】
前記ハフニウム含有層を有する基板を配置するステップは、HfO2層を有する基板を配置するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項１２】
前記ハフニウム含有層を有する基板を配置するステップは、HfO2層、ポリ多結晶シリコン層、およびSiO2層を有する基板を配置するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項１３】
前記基板の温度を昇温するステップは、約50℃以上の温度に昇温するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項１４】
前記パターンをエッチングするため、前記プラズマに前記基板を暴露するステップは、前記ハフニウム含有層と前記ポリ多結晶シリコン層の間のエッチング選択性を、約10：1以上にし、前記ハフニウム含有層と前記SiO2層の間のエッチング選択性を、約10：1以上にするステップを有することを特徴とする請求項12に記載の方法。
【請求項１５】
前記パターンをエッチングするため、前記プラズマに前記基板を暴露するステップは、前記ハフニウム含有層と前記ポリ多結晶シリコン層の間のエッチング選択性を、約10：1以上にし、前記ハフニウム含有層と前記SiO2層の間のエッチング選択性を、約30：1以上にするステップを有することを特徴とする請求項12に記載の方法。
【請求項１６】
前記プラズマを形成するステップは、前記プラズマに電力を容量結合するステップ、前記プラズマに電力を誘導結合するステップ、またはこれらの2以上の組み合わせを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項１７】
前記プラズマを形成するステップは、上部に前記基板を保持する基板ホルダに、無線周波数（RF）電力を結合するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項１８】
前記プラズマを形成するステップは、上部に前記基板を保持する基板ホルダとは反対側の電極に、無線周波数（RF）電力を結合するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項１９】
基板上のハフニウム含有層をエッチングするプラズマ処理システムであって、
前記ハフニウム含有層をエッチングするため、プラズマの形成を容易にするよう構成されたプラズマ処理チャンバと、
前記プラズマ処理チャンバに結合され、処理レシピを実行するように構成された制御器と、
を有し、
前記処理レシピは、
前記プラズマ処理チャンバに、BCl3を導入するステップと、
酸素含有ガス、窒素含有ガス、炭化水素ガス、またはこれらの2以上の組み合わせを含む添加剤ガスを、前記プラズマ処理チャンバに導入するステップであって、前記制御器により、所定の流速で、BCl3および添加剤ガスが導入されるステップと、
を有するプラズマ処理システム。
【請求項２０】
前記プロセス組成物を導入するステップは、所定の流速で、前記BCl3および添加剤ガスを導入するステップを有し、これにより、HfO2とポリSiの間で、10以上のエッチング選択性が得られ、HfO2とSiO2の間で、10以上のエッチング選択性が得られることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項２１】
前記基板の温度を昇温する前記ステップは、約75℃以上の温度に昇温するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項２２】
前記基板の温度を昇温する前記ステップは、約100℃以上の温度に昇温するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項２３】
前記基板の温度を昇温する前記ステップは、約200℃の温度に昇温するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乾式プラズマ処理プロセスを用いて、基板上のハフニウム含有層をエッチングする方法およびシステムに関し、特に、BCl3と添加剤ガスとを含む処理ガスを用いて、ハフニウム含有層をエッチングする方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体技術の分野では良く知られているように、装置特性を向上させ、電力消費を抑制するため、半導体装置の寸法抑制は、避けられなくなってきている。そこで、処理プロセス開発および統合の課題は、新たなゲートスタック材料およびシリサイド処理プロセスにとって、重要な因子となっており、SiO2とSi酸窒化物（SiNxOy）から、高誘電率の誘電体材料（「高k」材料とも称する）への、差し迫った置換の必要性、およびサブ0.1ミクロンの相補型金属酸化物半導体（CMOS）技術における、ドープ化ポリSiに代わる、代替ゲート電極材料の使用が必要となっている。誘電率がSiO2（k〜3.9）を超える特徴を有する誘電体材料は、一般に高k材料と呼ばれている。また、高ｋ材料は、誘電体材料とも称され、これは、基板（例えばSiO2、SiNxOy）の表面に成長せずに、基板（例えばHfO2、ZrO2）上に成膜される。高k材料は、金属ケイ酸塩または酸化物（例えば、Ta2O5（k〜26）、TiO2（ｋ〜80）、ZrO2（ｋ〜25）、Al2O3（ｋ〜9）、HfSiO、HfO2（ｋ〜25））を含んでも良い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
半導体装置の製造の間、高ｋ材料は、エッチングされ、除去される必要がある。これは、ソース／ドレイン領域でシリサイド化反応を生じさせ、イオン注入の間、金属不純物がソース／ドレイン領域に注入されるリスクを軽減するためである。しかしながら、これらの材料は、ゲート構造等に及ぼす影響を最小限に抑制したまま、エッチングする必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、基板上のハフニウム含有層をエッチングする方法およびシステムに関する。本方法は、BCl3および添加剤ガスを含むプロセス組成物を使用するステップを有する。添加剤ガスは、酸素含有ガス、窒素含有ガス、炭化水素含有ガス、またはこれらの1もしくは2以上の組み合わせガスを有する。
【０００５】
ある実施例では、基板上のハフニウム含有層をエッチングする方法、およびそのような方法を実行する指令を含むコンピュータ可読媒体が提供される。これらの方法およびコンピュータ可読媒体は、ハフニウム含有層を有する基板を、プラズマ処理システム内に配置するステップであって、前記ハフニウム含有層には、パターンを定形するマスク層が設置されるステップと、基板の温度を約30℃を超える温度に昇温するステップと、BCl3および添加剤ガスを含むプロセス組成物を、前記プラズマ処理システムに導入するステップと、前記プラズマ処理システム内で、処理プロセス組成物からプラズマを形成するステップと、基板を前記プラズマに暴露して、前記ハフニウム含有層にパターンをエッチングするステップと、を有する。添加剤ガスは、酸素含有ガス、窒素含有ガス、炭化水素含有ガス、またはこれらの1もしくは2以上の組み合わせを有しても良い。
【０００６】
別の実施例では、基板上のハフニウム含有層をエッチングするプラズマ処理システムは、前記ハフニウム含有層をエッチングするため、プロセス組成物からのプラズマの形成を容易にするプラズマ処理チャンバと、前記プラズマ処理チャンバに結合され、プロセス組成物を用いて、処理レシピを実施するように構成された制御器と、を有し、前記プロセス組成物は、BCl3および添加剤ガスを含み、該添加剤ガスは、酸素含有ガス、窒素含有ガス、炭化水素ガス、またはこれらの1もしくは2以上の組み合わせを有する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】実施例による膜スタックをパターンエッチング処理する手順を概略的に示した図である。
【図１Ｂ】実施例による膜スタックをパターンエッチング処理する手順を概略的に示した図である。
【図１Ｃ】実施例による膜スタックをパターンエッチング処理する手順を概略的に示した図である。
【図２】実施例によるプラズマ処理システムの単純化された概略図である。
【図３】別の実施例によるプラズマ処理システムの概略図である。
【図４】別の実施例によるプラズマ処理システムの概略図である。
【図５】別の実施例によるプラズマ処理システムの概略図である。
【図６】別の実施例によるプラズマ処理システムの概略図である。
【図７】別の実施例によるプラズマ処理システムの概略図である。
【図８Ａ】ハフニウム含有層をエッチング処理する際の、一例としての処理プロセスデータを示す図である。
【図８Ｂ】ハフニウム含有層をエッチング処理する際の、一例としての処理プロセスデータを示す図である。
【図８Ｃ】ハフニウム含有層をエッチング処理する際の、一例としての処理プロセスデータを示す図である。
【図８Ｄ】ハフニウム含有層をエッチング処理する際の、一例としての処理プロセスデータを示す図である。
【図８Ｅ】ハフニウム含有層をエッチング処理する際の、一例としての処理プロセスデータを示す図である。
【図８Ｆ】ハフニウム含有層をエッチング処理する際の、一例としての処理プロセスデータを示す図である。
【図８Ｇ】ハフニウム含有層をエッチング処理する際の、一例としての処理プロセスデータを示す図である。
【図９】実施例によるプラズマ処理システム内で、基板上のハフニウム含有層をエッチング処理する方法を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下の記載では、非限定的な説明のため、プラズマ処理システムの特定の形状、および各種処理プロセスの説明など、特定の詳細について説明する。ただし、本発明は、これらの特定の詳細から離れた他の実施例において、実施しても良いことを把握する必要がある。
【０００９】
材料処理方法の技術では、パターンエッチング処理は、フォトレジストのような、感光性材料の薄い層を、基板の上部表面に提供するステップを有し、その後、フォトレジストは、パターン化され、エッチング処理中に、このパターンを、下側の基板上の薄膜に転写するマスクが提供される。通常、感光性材料のパターン処理は、例えば、光リソグラフィシステムを用いて、感光性材料のレチクル（および関連光学機器）を介して、感光性材料を放射線源に暴露するステップを有し、その後、現像溶媒を用いて、感光性材料の照射領域が除去され（正のフォトレジストの場合）、あるいは非照射領域が除去される（負のフォトレジストの場合）。また、このマスク層は、複数のサブレイヤを有しても良い。
【００１０】
パターンエッチング処理の際、しばしば、乾式プラズマエッチング処理プロセスが利用され、プラズマは、プロセスガスから形成され、無線周波数（RF）電力のような、電磁エネルギー（EM）をプロセスガスに結合することにより、電子が加熱され、後続のプロセスガスの原子および／または分子のイオン化と分解が生じる。一連の乾式エッチング処理プロセスを使用することにより、例えば前述のような光リソグラフィプロセスを用いて、最初のマスク層に形成されたパターンが、例えば電子装置のような最終生成物に必要な、1または2以上の層を有する膜スタック内で、下側の層に転写される。
【００１１】
例えば、図1A乃至1Cには、基板110上に形成された、複数の層120乃至170を有する膜スタック100が示されている。膜スタック100は、例えば、ポリシリコン層150を有する多結晶質シリコン（ポリシリコン、またはポリSi）ゲートスタックと、金属または金属含有層140と、ゲート誘電体またはその一部としての、高誘電率（高ｋ）誘電体層130とを有する。金属含有層140は、例えば、金属／ポリSiゲート電極の一部であっても良い。金属含有層140は、数百オングストローム（Å）の厚さであっても良く、例えば、約100Åの厚さである。これは、W、WN、WSix、Al、Mo、MoN、Ta、TaN、TaSiN、HfN、HfSi、HfSiN、Ti、TiN、TiSiN、Re、Ru、またはPtを含んでも良い。従来のポリSiゲート電極層に代えて、あるいはこれに統合して、金属ゲート電極を導入することにより、いくつかの利点が生じ、この利点には、ポリシリコンゲート欠乏効果の排除、シート抵抗の低下、信頼性のさらなる向上、およびアドバンス型の高ｋ層に対する熱安定性のさらなる向上が含まれる。例えば、ゲート誘電体は、さらに、高ｋ層と基板の間に、二酸化珪素（SiO2）の薄い層のような界面層120を有しても良い。高ｋ誘電体層130は、例えば、ハフニウム酸化物層（例えばHfO2）またはハフニウムケイ酸塩層（例えばHfSiO）のような、ハフニウム含有層を有する。
【００１２】
膜スタック100は、さらに、フォトレジスト層のようなパターン化マスク層180を有し、この層は、光リソグラフィプロセスを用いて形成されたパターンを有する。また、例えば、膜スタック100は、マスク層180のパターン化に使用される抗反射コーティング（ARC）層170と、二酸化珪素（SiO2）のハードマスクのような、ポリシリコン層150をエッチング処理するための、1または2以上のハードマスク層160とを有する。
【００１３】
図1Bおよび1Cに示すように、下側の膜スタックにパターンを転写するため、被転写パターンの完全性、例えば臨界寸法等を保護するように、一連のエッチングプロセスが選定され、被加工電子装置に利用されるこれらの層に対する損傷が、最小限に抑制される。一つの臨界エッチングプロセスは、例えばポリSi層150、下側SiO2界面層120、または双方に損傷が生じないように、パターンを高ｋ誘電体膜130に転写するステップを有する。
【００１４】
ハフニウム含有高ｋ層をエッチングする従来の処理プロセスは、HBr／Cl2系処理化学種を使用するステップを有する。しかしながら、これらのエッチング化学種は、ポリSi層150および下側のSiO2界面層120をエッチングすることが知られている。例えば、HBr／Cl2系処理化学種を使用した場合、本願発明者らは、HfO2とポリSi層の間では、10倍以上、選択的にエッチングされることを観測している。また、本願発明者らは、HfO2とSiO2の間では、わずか15乃至2.5の範囲で、選択的にエッチングされることを観測している。
【００１５】
ある実施例では、パターンを高k誘電体層130に転写する、パターンエッチング処理プロセスは、BCl3と添加剤ガスとを有するプロセス組成物を導入するステップを有する。添加剤ガスは、パッシベーションガスとして機能することが期待され、これにより添加剤ガスは、エッチング処理の好ましくない表面を不動態化する。従って、パターンエッチング処理プロセスにより、HfO2と、例えばポリSiおよびSiO2のような、エッチングされることを意図していない材料の間の選択エッチング性が向上する。
【００１６】
添加剤ガスは、酸素含有ガス、窒素含有ガス、炭化水素ガス（CxHyで表され、xおよびyは、1以上の整数である）、またはこれらの1もしくは2以上の組み合わせを有する。例えば、酸素含有ガスには、O2、NO、NO2、N2O、CO、CO2、またはこれらの1もしくは2以上の組み合わせが含まれる。また、例えば、窒素含有ガスには、N2、NH3、またはこれらの1もしくは2以上の組み合わせが含まれる。さらに、炭化水素ガスには、C2H4、CH4、C2H2、C2H6、C3H4、C3H6、C3H8、C4H6、C4H8、C4H10、C5H8、C5H10、C6H6、C6H10、C6H12、またはこれらの2もしくは3以上が含まれる。プロセス組成物は、さらに、希ガス（例えば、He、Ne、Ar、Kr、Xe）のような不活性ガスを含んでも良い。
【００１７】
ある実施例では、図2に示すプラズマ処理システム1は、プラズマ処理チャンバ10、プラズマ処理チャンバ10に結合された任意診断システム12、ならびに任意診断システム12およびプラズマ処理チャンバ10に結合された制御器14を有する。前述のように、制御器14は、BCl3および添加剤ガスを含むプロセス組成物を導入することにより形成されたプラズマを用いて、ハフニウム含有層をエッチングするように構成された、少なくとも1つのステップを含む処理レシピを実行するように構成される。また、制御器14は、任意で、診断システム12から、少なくとも1つの終点信号を受信し、少なくとも1つの事後処理するように構成され、処理プロセスの終点が正確に定められる。あるいは、制御器14は、処理プロセスの終点を設定するため、所定の時間を利用する。一実施例では、図2に示すように、プラズマ処理システム1は、金属処理プロセスにプラズマを利用する。プラズマ処理システム1は、エッチングチャンバを有しても良い。
【００１８】
図3には、別の実施例によるプラズマ処理システムを示す。プラズマ処理システム1aは、プラズマ処理チャンバ10、上部に被処理基板25が固定される基板ホルダ20、および真空排気システム30を有する。基板25は、半導体基板、ウェハまたは液晶ディスプレイであっても良い。プラズマ処理チャンバ10は、基板25の表面に近接する処理領域15において、プラズマ発生が容易となるように構成される。ガス注入システム（図示されていない）を介して、イオン化可能なガスまたは混合ガスが導入され、処理圧力が調節される。例えば、制御機構（図示されていない）を用いて、真空排気システム30が絞り調節される。プラズマを用いて、所定の材料プロセスのため、および／または基板25の暴露表面から材料を除去する目的で、特有の材料が形成される。プラズマ処理システム1aは、例えば200mm基板、300mm基板またはそれ以上など、いかなるサイズの基板を処理するように構成されても良い。
【００１９】
基板25は、静電固定システムを介して、基板ホルダ20上に固定される。また、基板ホルダ20は、さらに温度制御システムを有し、各種エッチング処理の間、基板25の温度を制御しても良い。例えば、ハフニウム含有層のような、高ｋ誘電体層をエッチングするエッチング処理プロセスの間、温度制御システムは、加熱システムを有し、この加熱システムは、基板25の温度を、約30℃またはそれ以上に高めるように構成される。あるいは、温度制御システムは、基板25の温度を、約50℃以上に高めるように構成された加熱システムを有しても良い。あるいは、温度制御システムは、基板25の温度を、約75℃以上に高めるように構成された加熱システムを有しても良い。あるいは、温度制御システムは、基板25の温度を、約100℃以上に高めるように構成された加熱システムを有しても良い。あるいはまた、温度制御システムは、基板25の温度を、約200℃以上に高めるように構成された加熱システムを有しても良い。例えば、基板温度は、約50℃から約250℃の範囲であっても良く、約50℃から約100℃の範囲であっても良い。
【００２０】
また、例えば、ポリSi層をエッチングするエッチング処理プロセスの間、温度制御システムは、基板25の温度を約100℃以下に高めるように構成された加熱システムを有しても良い。さらに別の例では、SiO2層をエッチングするエッチング処理プロセスの間、温度制御システムは、基板25の温度を約20℃から30℃に低下または維持するように構成された、冷却システムを有しても良い。
【００２１】
基板ホルダ20は、冷却システム、加熱システム、または両方を有する温度制御システムを有しても良い。例えば、冷却システムまたは加熱システムは、再循環流体流を有し、冷却時には、基板ホルダ20からの熱を受容し、熱を熱交換器システム（図示されていない）に伝達する一方、加熱時には、熱交換器システムからの熱を流体流に伝達する。また、例えば、冷却システムまたは加熱システムは、加熱／冷却素子を有し、これは、例えば、抵抗加熱素子、または基板ホルダ20内に配置された熱電ヒータ／クーラである。
【００２２】
また、基板ホルダ20は、背面ガス供給システムを介した、基板25の背面への熱搬送ガスの供給を容易にし、これにより、基板25と基板ホルダ20の間のガス隙間の熱伝導が改善される。そのようなシステムは、基板の温度を高い温度または低い温度に制御する必要がある際に、利用される。例えば、背面ガス供給システムは、2ゾーンガス分配システムを有し、背面ガス（例えばヘリウム）圧力を、基板25の端面および中心の間で、独立に変化させることができる。
【００２３】
他の実施例では、抵抗加熱素子、または熱電ヒータ／クーラのような加熱／冷却素子は、プラズマ処理チャンバ10のチャンバ壁、またはプラズマ処理システム1a内のいかなる他の部材に収容されても良い。
【００２４】
図3に示す実施例では、基板ホルダ20は、電極を有し、この電極を介して、RF電力が、処理空間15内で処理プラズマに結合される。例えば、基板ホルダ20は、RF発生器40から、任意のインピーダンス整合ネットワーク42を介した基板ホルダ20までのRF電力の伝達を介して、RF電圧で電気的にバイアス化される。RFバイアスは、電子を加熱して、プラズマを形成しこれを維持する役割を有し、またはシース内でのイオンエネルギー分配機能に寄与し、あるいは両方に寄与する。この構成では、システムは、反応性イオンエッチング（RIE）リアクタとして作動し、チャンバは、グラウンド表面として機能する。RFバイアスの通常の周波数は、0.1MHzから100MHzの範囲である。プラズマ処理プロセスのRFシステムは、当業者には良く知られている。
【００２５】
また、インピーダンス整合ネットワーク42は、プラズマ処理チャンバ10において、反射電力を抑制することにより、プラズマへのRF電力の伝達を改善する機能を有する。整合ネットワークトポロジー（例えばL型、π型、T型等）、および自動制御法は、当業者には明らかである。
【００２６】
図3を参照すると、プラズマ処理システム1aは、任意で、直流（DC）電源50を有し、この電源は、基板25の反対側の上部電極52に結合される。上部電極52は、電極板を有する。この電極板は、シリコン含有電極板であっても良い。また、電極板は、ドープ化シリコン電極板を有しても良い。DC電源は、可変DC電源を有しても良い。また、DC電源は、バイポーラDC電源を有しても良い。DC電源50は、さらに、DC電源50の極性、電流、電圧、もしくはオン／オフ状態のモニタリング、調節、または制御のうちの少なくとも一つを実行するように構成されたシステムを有しても良い。一旦プラズマが形成されると、DC電源50は、弾道電子ビームの形成を容易にする。電気的フィルタを用いて、DC電源50からのRF電力をデカップル化しても良い。
【００２７】
例えば、DC電源50により電極52に印加されるDC電圧は、約−2000Vから約1000Vの間である。DC電圧の絶対値は、約100V以上であることが好ましく、DC電圧の絶対値は、約500V以上であることがより好ましい。また、DC電圧は、負の極性を有することが好ましい。また、DC電圧は、上部電極52の表面に生じる自己バイアス電圧よりも大きな絶対値を有することが好ましい。上部電極52の基板ホルダ20と面する表面は、シリコン含有材料で構成されても良い。
【００２８】
真空排気システム30は、5000リットル／秒（およびそれ以上）の排気速度を有するターボ分子真空ポンプ（TMP）と、チャンバ圧力を調節するゲートバルブと、を有する。乾式エッチングに使用される従来のプラズマ処理装置では、1000乃至3000リットル／秒のTMPが使用される。TMPは、通常、50mTorr未満の低圧処理のため使用される。高圧処理（すなわち100mTorr以上）の場合、機械式ブースタポンプ、および乾式粗引ポンプが使用される。また、プラズマ処理チャンバ10に、チャンバ圧力をモニターする装置（図示されていない）を結合しても良い。圧力測定装置は、例えば、MKSインスツルメンツ社（アンドバー、マサチューセッツ州）から市販のタイプ628BのBaratron絶対容量圧力計である。
【００２９】
図3を参照すると、プラズマ処理システム1aは、さらに、制御器90を有し、この制御器は、マイクロプロセッサ、メモリ、およびデジタルI／Oポートを有し、プラズマ処理システム1aに対する通信および入力を活性化するのに十分な制御電圧、ならびにプラズマ処理システム1aからの出力をモニタするのに十分な制御電圧を発生することができる。また、制御器90は、制御され、RF発生器40、インピーダンス整合ネットワーク42、任意のDC電源50、ガス注入システム（図示されていない）、真空排気システム30、背面ガス供給システム（図示されていない）、基板／基板ホルダ温度制御システム（図示されていない）、および／または静電固定システム（図示されていない）と情報交換される。メモリに保管されたプログラムは、処理レシピに従って、プラズマ処理システム1aの前述の部材の活性化に利用され、薄膜をエッチング処理する方法が実施される。制御器90の一例は、DELL  PRECISON  WORKSTATION610（登録商標）であり、これは、テキサス州、オースチンのデル社から入手できる。
【００３０】
制御器90は、プラズマ処理システム1aに対して、ローカルに配置され、あるいはインターネットまたはイントラネットを介して、プラズマ処理システム1aに対して遠隔で配置される。従って、制御器90は、直接接続、イントラネット、またはインターネットの少なくとも一つを介して、プラズマ処理システム1aとデータ交換が可能である。制御器90は、顧客サイト（すなわち装置メーカ等）でイントラネットに結合され、あるいは、ベンダーサイト（すなわち機器製造者）のイントラネットに結合されても良い。また、別のコンピュータ（すなわち制御器、サーバ等）により、制御器90にアクセスし、直接接続、イントラネット、またはインターネットの少なくとも一つを介して、データを交換しても良い。
【００３１】
図4に示す実施例では、プラズマ処理システム1bは、図2または3の実施例と同様であるが、さらに、静止系のまたは機械的もしくは電気的回転式の磁場システム60を有し、これにより、潜在的にプラズマ密度が増加し、および／またはプラズマ処理の均一性が向上する。また、制御器90は、磁場システム60に結合され、回転速度および磁場強度が調節される。回転磁場の構成および実施例は、当業者には明らかである。
【００３２】
図5に示す実施例では、プラズマ処理システム1cは、図2または3の実施例と同様であるが、さらに、RF発生器70を有し、この発生器は、任意のインピーダンス整合ネットワーク72を介して、上部電極52にRF電力を結合するように構成される。上部電極52に対するRF電力用途の通常の周波数は、約0.1MHzから約200MHzの間の範囲である。また、基板ホルダ20（または底部電極）に対する電力用途の通常の周波数は、約0.1MHzから約100MHzの範囲である。例えば、上部電極52に結合されるRF周波数は、基板ホルダ20に結合されるRF周波数よりも比較的高い。また、RF発生器70からの上部電極52に対するRF電力が振幅変調され、またはRF発生器40からの基板ホルダ20に対するRF電力が振幅変調され、または両方のRF電力が振幅変調される。高RF周波数でのRF電力が、振幅変調されることが好ましい。また、制御器90は、RF発生器70およびインピーダンス整合ネットワーク72に結合され、RF電力が上部電極70向けに制御される。上部電極の構成および実施例は、当業者には明らかである。
【００３３】
また図5を参照すると、任意のDC電源50は、上部電極52に直接結合され、あるいはこれは、インピーダンス整合ネットワーク72の出力端から上部電極52に延伸する、RF変換ラインに結合される。電気的フィルタを用いて、DC電源50からRF電力をデカップルしても良い。
【００３４】
図6に示す実施例では、プラズマ処理システム1dは、例えば、図2、3、4の実施例と同様であるが、さらに、誘導コイル80を有し、このコイルには、任意のインピーダンス整合ネットワーク84を介して、RF発生器82を通り、RF電力が結合される。RF電力は、誘電コイル80から、誘電体窓（図示されていない）を介して、プラズマ処理領域15に誘電結合される。誘導コイル80に対するRF電力用途の通常の周波数は、約10MHzから約100MHzの範囲である。同様に、基板ホルダ20（または底部電極）に対する電力用の通常の周波数は、約0.1MHzから約100MHzの範囲である。また、スロット式ファラデーシールド（図示されていない）を用いて、誘導コイル80とプラズマの間の容量結合を抑制しても良い。また、制御器90は、RF発生器82およびインピーダンス整合ネットワーク84に結合され、誘導コイル80用の電力が制御される。別の実施例では、誘導コイル80は、「らせん」コイルまたは「パンケーキ」コイルであり、変圧結合プラズマ（TCP）リアクタにおいて、プラズマ処理領域15と連通している。誘導血高プラズマ（ICP）源または変圧結合プラズマ（TCP）源の構成および実施例は、当業者には良く知られている。
【００３５】
あるいは、プラズマは、電子サイクロトロン共鳴（ECR）法を使用して形成されても良い。さらに別の実施例では、プラズマは、ヘリコン波の放出から形成されても良い。さらに別の実施例では、プラズマは、電波表面波から形成される。前述のエッチングプラズマ源は、当業者には良く知られている。
【００３６】
図7に示す実施例では、プラズマ処理システム1eは、例えば、図3、4、5の実施例と同様であるが、さらに、第2のRF発生器44を有し、この発生器は、別のインピーダンス整合ネットワーク46を介して、RF電力が基板ホルダ20に結合されるように構成される。基板ホルダ20に対するRF電力用の通常の周波数は、第1のRF発生器40、第2のRF発生器44、またはその両方において、約0.1MHzから約200MHzの範囲である。第2のRF発生器44のRF周波数は、第1のRF発生器44のRF周波数よりも比較的大きい。また、RF発生器40からの基板ホルダ20へのRF電力が振幅変調され、あるいはRF発生器44から基板ホルダ20に対するRF電力が振幅変調され、あるいは両方のRF電力が振幅変調される。高RF周波数のRF電力は、振幅変調であることが好ましい。また、制御器90は、第2のRF発生器44、およびインピーダンス整合ネットワーク46に結合され、基板ホルダ20へのRF電力の印加が制御される。基板ホルダ用のRFシステムの構成および実施例は、当業者には良く知られている。
【００３７】
以下の記載では、プラズマ処理装置を用いて、ハフニウム含有層をエッチング処理する方法について説明する。例えば、プラズマ処理装置は、前述の図2乃至図7に示したような各種素子、およびそれらの組み合わせを有しても良い。
【００３８】
ある実施例では、HfO2層のようなハフニウム含有層をエッチング処理する方法は、BCl3および添加剤ガスを含むプロセス組成物を使用するステップを有する。添加剤ガスは、酸素含有ガス、窒素含有ガス、炭化水素ガス（CxHyで表され、xよびｙは、1以上の整数である）、またはこれらの2もしくは3以上を有する。例えば、酸素含有ガスには、O2、NO、NO2、N2O、CO、CO2、またはこれらの1もしくは2以上の組み合わせが含まれる。また、例えば、窒素含有ガスには、N2、NH3、またはこれらの1もしくは2以上の組み合わせが含まれる。さらに、炭化水素ガスには、C2H4、CH4、C2H2、C2H6、C3H4、C3H6、C3H8、C4H6、C4H8、C4H10、C5H8、C5H10、C6H6、C6H10、C6H12、またはこれらの2もしくは3以上が含まれる。プロセス組成物は、さらに、希ガス（例えば、He、Ne、Ar、Kr、Xe）のような不活性ガスを含んでも良い。
【００３９】
例えば、プロセスパラメータ空間は、約5から約1000mTorrのチャンバ圧力、約1から約500sccmの範囲のBCl3ガス流速、約1から約500sccmの範囲のO2ガス流速、約1から約500sccmの範囲のN2ガス流速、約1から約500sccmの範囲の炭化水素処理ガス流速、約10から約500sccmの範囲のArプロセスガス流速、約0から約2000Wの範囲の上部電極（UEL）（例えば、図5の素子52）のRFバイアス、および約10から約1000Wの範囲の底部電極（LEL）（例えば図5の素子20）のRFバイアスを含む。また、上部電極バイアス周波数は、約0.1MHzから約200MHzの範囲であり、例えば60MHzである。また、底部電極バイアス周波数は、約0.1MHzから約100MHzの範囲であり、例えば、2MHzである。
【００４０】
ある例では、図5に示すようなプラズマ処理装置を用いて、HfO2層をエッチング処理する方法が提供される。ただし、示された方法は、この一例を示した範囲に限定されるものではない。表1には、上部電極（UEL）RF電力（W）、底部電極（LEL）RF電力（W)、圧力（p；ミリTorr、mTorr）、基板温度（T、℃）、BCl3流速（標準立方cm／分、sccm）、Ar流速（sccm）、O2流速（sccm）、N2流速（sccm）、CH4流速（sccm）、エッチング時間（秒）を示す。また、表1には、HfO2のエッチング速度（Å／分）、ポリSiエッチング速度（Å／分）、SiO2エッチング速度（Å／分）、ポリSiに対するHfO2のエッチング選択性（HfO2／ポリSi）、およびSiO2に対するHfO2のエッチング選択性（HfO2／SiO2）を示す。
【００４１】
表1には、各プロセスレシピ用の他の処理条件が示されている：UEL温度（例えば、図5の電極52）＝80℃。チャンバ壁温度＝50℃。
【００４２】
【表１】
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表1に示すように、添加剤ガスとしてのO2の使用、添加剤ガスとしてのCH4の使用、および添加剤ガスとしてのCH4とN2の組み合わせ使用により、HfO2とポリSiの間、およびHfO2とSiO2の間に、比較的高いエッチング選択性が得られる。例えば、第3の処理条件（すなわち、UEL電力＝200W；LEL電力＝25W；p＝10mTorr、T＝200℃、BCl3＝177sccm；およびCH4=13sccm）では、28.3A／分の比較的高いHfO2のエッチング速度が得られ、ポリSiおよびSiO2は、エッチングされない（成膜条件）。表1に示すように、BCl3および添加剤ガスの相対流速を調節することにより、HfO2、ポリSi、およびSiO2のエッチング特性が変化する。例えば、表1のプロセスでは、CH4の流速に対するBCl3の比が比較的高い場合（例えばプロセス条件2）、SiO2の過剰なエッチングが生じるが、CH4流速に対するBCl3の比が比較的低い場合（例えばプロセス条件5）、HfO2のエッチングが不十分となる。従って、好適実施例では、BCl3と添加剤ガスの流速は、HfO2とポリSiの間に、10以上のエッチング選択性が得られ、HfO2とSiO2の間に、10以上のエッチング選択性が得られるように調節される。あるいは、BCl3および添加剤ガスの相対流速は、HfO2とポリSiとの間、またはHfO2とSiO2の間に、30以上のエッチング選択性が得られるように調節され、あるいはこれらの両方の間に対して、30以上のエッチング選択性が得られるように調節される。
【００４３】
BCl3および添加剤ガスの相対流速は、表1の例に使用されるものとは異なるプロセスパラメータに変更しても良く、被エッチング構造に基づいて変化させても良いことを理解する必要がある。従って、表1は、所望の選択性を得るために、BCl3と添加剤ガスの正確な相対速度を示すものではないが、そのような表は、当業者が特定のエッチング処理用の所望の流速を求める上で十分な精度で、BCl3と添加剤ガスの流速の影響を示している。例えば、特定のエッチング処理プロセス用の所望の相対流速を定める際に、実験計画（DOE）法が実施され得る。
【００４４】
別の例として、図8A、8Bには、BCl3流速と底部電極（LEL）電力がHfO2、ポリSi、およびSiO2のエッチング速度に及ぼす影響が示されている。本願発明者らは、底部電極（LEL）に結合されたRF電力を用いて、HfO2エッチング速度を調節することができること、すなわちHfO2エッチング速度がLEL電力とともに増加することを観測している。また、本願発明者らは、比較的高いBCl3流速を使用した場合、LELのRF電力を調節することにより、HfO2とポリSiの間に、比較的高いエッチング選択性を提供することができることを観測している。例えば、UEL電力＝200W、p＝10mTorr、BCl3流速＝100sccm、T＝200℃のプロセス条件を使用した場合、LEL電力の約10Wから約50Wへの変化により、ポリSi成膜条件において、最大約22W  LEL電力が変化する（図8A）。あるいは、BCl3流速が100sccmから190sccmに増加し、LEL電力が約10Wから約50Wに変化しても、本願発明者らの観測では、ポリSiの成膜条件において、LEL電力が最大約30W増加する（図8B）。従って、BCl3の流速の上昇により、本願発明者らは、より高いLED電力で操作を行うことが可能となり、これにより、ポリSiの成膜条件を維持したまま、HfO2のエッチング速度を高めることができる。
【００４５】
別の例として、図8C、8Dには、（BCl3への）添加剤ガスが、HfO2、ポリSi、およびSiO2のエッチング速度に及ぼす影響を示す。本願発明者らは、UEL電力＝200W、LEL電力＝25W、p＝10mTorr、BCl3流速＝190sccm、T＝200℃のプロセス条件を使用した場合、BCl3にCH4を添加することにより、ポリSiおよびSiO2の成膜条件を維持したまま、HfO2のエッチング速度を変化させることができることを観測している（図8C）。また、本願発明者らは、UEL電力＝200W、LEL電力＝25W、p＝10mTorr、BCl3流速＝190sccm、およびT＝200℃のプロセス条件を使用した場合、BCl3へO2の添加により、ポリSiおよびSiO2の成膜条件を維持したまま、HfO2のエッチングに影響を及ぼすことができることを観測している（図8D）。さらにまた、UEL電力＝200W、LEL電力＝25W、p＝10mTorr、BCl3流速＝190sccm、T＝200℃のプロセス条件を使用した場合、BCl3へのCOの添加により、ポリSiおよびSiO2の成膜条件を維持したまま、HfO2とSiO2の間のエッチング選択性を高めることができることを観測している（図8E）。
【００４６】
別の例として、図8Fおよび8Gには、HfO2、ポリSi、SiO2のエッチング速度に及ぼす基板温度の影響を示す。本願発明者らは、添加剤ガスを含むいくつかのプロセス条件では、基板温度が約75℃から約200℃に変化することにより、ポリSiおよびSiO2の成膜条件を維持したまま、HfO2のエッチング速度を上昇させることができることを観測している。また、本願発明者らは、添加剤ガスを含まない、いくつかのプロセスでは、基板温度が約75℃から約200℃に変化することにより、ポリSiの成膜条件を維持し、HfO2とSiO2の間に、ほぼ同様のエッチング選択性を維持したまま、HfO2のエッチング速度を上昇させることができることを観測している。例えば、UEL電力＝200W、LEL電力＝50W、p＝10mTorr、BCl3の流速＝177sccm、CH4の流速=13sccmのプロセス条件を使用した場合、基板温度を約75℃から約200℃に変化させることにより、ポリSiおよびSiO2の成膜条件を維持したまま、HfO2のエッチング速度に影響を及ぼすことができる（約20Å／分から約30Å／分）（図8G）。また、例えば、UEL電力＝200W、LEL電力＝50W、p＝10mTorr、BCl3の流速＝190sccmのプロセス条件を使用した場合、基板温度を約75℃から約200℃に変化させることにより、ポリSiの成膜条件を維持し、HfO2とSiO2の間のエッチング選択性を同様に維持したまま、HfO2のエッチング速度を上昇させることができる（約45Å／分から約60Å／分）（図8F）。
【００４７】
図9には、本発明の実施例によるプラズマ処理システムにおいて、基板上のハフニウム含有層をエッチングする方法のフローチャートを示す。手順400は、ハフニウム含有層を有する基板を、プラズマ処理システムに配置するステップ410から開始される。プラズマ処理システムは、例えば、図2乃至7のいずれかに示したようなシステム、およびこれらの組み合わせを有しても良い。
【００４８】
ステップ420では、基板温度が処理温度まで上昇する。基板温度は、約30℃以上の温度まで昇温することができる。あるいは、基板温度は、約50℃以上の温度に昇温しても良い。あるいは、基板温度は、約75℃以上の温度に昇温しても良い。あるいはまた、基板温度は、約100℃以上、または200℃以上の温度まで昇温しても良い。例えば、基板温度は、約50℃から約250℃の範囲であり、あるいは約50℃から約100℃の範囲である。
【００４９】
ステップ430では、BCl3および添加剤ガスを含むプロセス組成物が導入される。添加剤ガスは、酸素含有ガス、窒素含有ガス、炭化水素含有ガス（CxHyで表され、x、yは、1以上の整数である）、またはこれらの2以上の組み合わせを含んでも良い。例えば、酸素含有ガスには、O2、NO、NO2、N2O、CO、CO2、またはこれらの1もしくは2以上の組み合わせが含まれる。また、例えば、窒素含有ガスには、N2、NH3、またはこれらの1もしくは2以上の組み合わせが含まれる。さらに、炭化水素ガスには、C2H4、CH4、C2H2、C2H6、C3H4、C3H6、C3H8、C4H6、C4H8、C4H10、C5H8、C5H10、C6H6、C6H10、C6H12、またはこれらの2もしくは3以上が含まれる。プロセス組成物は、さらに、希ガス（例えば、He、Ne、Ar、Kr、Xe）のような不活性ガスを含んでも良い。
【００５０】
ステップ440では、プラズマ処理システム内で、プロセス組成物からプラズマが形成される。
【００５１】
ステップ450では、ハフニウム含有層を有する基板が、ステップ440で形成されたプラズマに暴露され、ハフニウム含有層がエッチングされる。
【００５２】
本発明のある実施例についてのみ、詳細を示したが、実施例において、本発明の思想および利点から逸脱しないで、多くの変更が可能であることは、当業者には明らかである。従って、全てのそのような変更は、本発明の範囲に属することを意味する。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図８Ｇ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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