(57)【要約】【課題】ｈｉｇｈ−ｋ（高誘電率）誘電材料をエッチングするための方法及びシステム【解決手段】本発明のある実施形態では、エッチ反応剤が、ｈｉｇｈ−ｋ層と反応したときに揮発性エッチ製品を形成するために利用される。代わりに、ｈｉｇｈ−ｋ層はパターン化されたフォトレジストまたはハードマスクに従って異方エッチングすることができ、中性原子のハイパーサーマルビームがｈｉｇｈ−ｋ層とのエッチ反応剤の反応を助けるために使用される。代わりに、中性原子のハイパーサーマルビームまたはプラズマ処理はｈｉｇｈ−ｋ層を修正し、その後、該修正されたｈｉｇｈ−ｋ層と反応するエッチ反応剤を活用して該修正されたｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングするために使用することができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
βジケトンエッチ反応剤を含んでいるプロセスガスに、高誘電率材料を含む層を暴露することにより前記層をエッチングすることを具備する、高誘電率材料を含む層を処理する方法。
【請求項２】
高誘電率材料を含む前記層は、基板内の別の層の上にある請求項１に記載の方法。
【請求項３】
プロセスチャンバ内に前記基板を用意することを、さらに具備する請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記βジケトンは、ａｃａｃＨ、ｔｆａｃＨ、及びｈｆａｃＨのうちの少なくとも１つを含んでいる請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記βジケトンは、ｈｆａｃＨを含む請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記プロセスガスは、さらに不活性ガスを含んでいる請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記不活性ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ及びＮ２のうちの少なくとも１つを含んでいる請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記プロセスガスは、さらに酸素含有ガスを含んでいる請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記酸素含有ガスは、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、及びＨ２Ｏ２のうちの少なくとも１つを含んでいる請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
４００℃未満の温度で前記基板を維持することを、さらに具備する請求項３に記載の方法。
【請求項１１】
２００℃未満の温度で前記基板を維持することを、さらに具備する請求項３に記載の方法。
【請求項１２】
前記高誘電率材料は、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＳｉＯ及びＨｆＯ２のうちの少なくとも１つを備えている請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記高誘電率材料は、ＨｆＯ２を備えている請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
２０００ｓｃｃｍ未満で前記プロセスガスの流量を維持することを、さらに具備する請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記プロセスガスは、さらにキャリヤガスを含んでいる請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記キャリヤガスは、不活性ガスを含んでいる請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記不活性ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、及びＮ２のうちの少なくとも１つを含んでいる請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
１０００ｓｃｃｍ未満で、前記βジケトンを含有するキャリヤガスの流量を維持することを、さらに具備する請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
１０００ｓｃｃｎ未満で、前記βジケトンの流量を維持することを、さらに具備する請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
約１０Ｔｏｒｒ未満で、前記プロセスチャンバ内の圧力を維持することを、さらに具備する請求項３に記載の方法。
【請求項２１】
高誘電率材料を含む層を処理する処理システムであって、
プロセスチャンバと、
前記プロセスチャンバ内に、βジケトンエッチ反応剤を含んでいるプロセスガスを注入するように構成されているガス注入システムと、
前記高誘電率材料を含む前記層のある基板をその上に保持する基板ホルダと、
前記プロセスチャンバと、前記ガス注入システムとに結合され、前記プロセスチャンバと、前記ガス注入システムとを制御するように構成されているコントローラとを具備するシステム。
【請求項２２】
前記βジケトンは、ａｃａｃＨ、ｔｆａｃＨ、及びｈｆａｃＨのうちの少なくとも１つを含んでいる請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記βジケトンは、ｈｆａｃＨである場合がある請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記プロセスガスは、さらに不活性ガスを含んでいる請求項２１に記載のシステム。
【請求項２５】
前記不活性ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ及びＮ２のうちの少なくとも１つを含んでいる請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記プロセスガスは、さらに酸素含有ガスを含んでいる請求項２１に記載のシステム。
【請求項２７】
前記酸素含有ガスは、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、及びＨ２Ｏ２のうちの少なくとも１つを含んでいる請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記基板ホルダは、約４００℃未満で前記基板温度を維持するように構成されている請求項２１に記載のシステム。
【請求項２９】
前記基板ホルダは、約２００℃未満で前記基板温度を維持するように構成されている請求項２１に記載のシステム。
【請求項３０】
前記高誘電率材料は、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＳｉＯ及びＨｆＯ２のうちの少なくとも１つを備えている請求項２１に記載のシステム。
【請求項３１】
高誘電率材料は、ＨｆＯ２を備えている請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
前記プロセスガスの流量は、２０００ｓｃｃｍ未満である請求項２１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記プロセスガスは、さらにキャリヤガスを含んでいる請求項２１に記載にシステム。
【請求項３４】
前記キャリヤガスは、不活性ガスを含んでいる請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
前記不活性ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、及びＮ２のうちの少なくとも１つを含んでいる請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記βジケトン含有キャリヤガスの流量は、１０００ｓｃｃｍ未満である請求項３３に記載のシステム。
【請求項３７】
前記βジケトンの流量は、１０００ｓｃｃｍ未満である請求項２１に記載のシステム。
【請求項３８】
前記プロセスチャンバ内の圧力は、約１０Ｔｏｒｒ未満である請求項２１に記載のシステム。
【請求項３９】
高誘電率材料を含む層を処理する方法であって、
前記高誘電率材料を含む層を、エッチ反応剤と、中性原子のハイパーサーマルビームとに暴露することによって前記層をエッチングすることを具備する方法。
【請求項４０】
高誘電率材料を含む前記層は、基板の別の層の上にある請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
プロセスチャンバ内に前記基板を用意することを、さらに具備する請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記エッチングすることは、
プロセスチャンバ内に前記エッチ反応剤を含んでいるプロセスガスを導入することと、
前記プロセスチャンバ内に中性原子のハイパーサーマルビームを導入することとをさらに備えている請求項３９に記載の方法。
【請求項４３】
前記エッチ反応剤は、βジケトンを含んでいる請求項３９に記載の方法。
【請求項４４】
前記βジケトンは、ａｃａｃＨ、ｔｆａｃＨ、及びｈｆａｃＨのうちの少なくとも１つを含んでいる請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記βジケトンは、ｈｆａｃＨを含んでいる請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記エッチ反応剤は、βジケトンを含んでいる請求項４２に記載の方法。
【請求項４７】
前記βジケトンは、ａｃａｃＨ、ｔｆａｃＨ、及びｈｆａｃＨのうちの少なくとも１つを含んでいる請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記βジケトンは、ｈｆａｃＨを含んでいる請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記プロセスガスは、さらに不活性ガスを含んでいる請求項４２に記載の方法。
【請求項５０】
前記不活性ガスは、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ及びＮ２、あるいはこれらの混合物から選択される請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記プロセスガスは、さらに酸素含有ガスを含んでいる請求項４２に記載の方法。
【請求項５２】
前記酸素含有ガスは、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、及びＨ２Ｏ２のうちの少なくとも１つを含んでいる請求項５１に記載のシステム。
【請求項５３】
前記高誘電率材料は、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＳｉＯ及びＨｆＯ２のうちの少なくとも１つを備えている請求項３９に記載の方法。
【請求項５４】
前記高誘電率材料は、ＨｆＯ２を備えている請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
約４００℃未満で、前記基板温度を維持することを、さらに具備する請求項４０に記載の方法。
【請求項５６】
約２００℃未満で、前記基板温度を維持することを、さらに具備する請求項４０に記載の方法。
【請求項５７】
前記中性原子のハイパーサーマルビームは、Ｈｅ、Ａｒ、Ｏ及びＮのうちの少なくとも１つを備えている請求項３９の方法。
【請求項５８】
前記層は、中性原子の前記ハイパーサーマルビームへの暴露の開始前に前記エッチ反応剤に少なくとも最初に暴露される請求項３９の方法。
【請求項５９】
高誘電率材料を含む層を、中性原子のハイパーサーマルビームに暴露することによって前記層を改質することと、
前記改質された高誘電率層を、エッチ反応剤を前記改質された高誘電率層と反応させることによりエッチングすることとを具備する、高誘電率材料を含む層を処理する方法。
【請求項６０】
高誘電率材料を含む前記層は、基板の別の層の上にある請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
プロセスチャンバ内に前記基板を用意することを、さらに具備する請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
前記エッチングすることは、
プロセスチャンバ内に、前記エッチ反応剤を含んでいるプロセスガスを導入することと、
前記プロセスチャンバ内に、中性原子のハイパーサーマルビームを導入することとをさらに備えている請求項５９の方法。
【請求項６３】
前記エッチ反応剤は、βジケトンを含んでいる請求項５９の方法。
【請求項６４】
前記βジケトンは、ａｃａｃＨ、ｔｆａｃＨ、及びｈｆａｃＨのうちの少なくとも１つを含んでいる請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
前記βジケトンは、ｈｆａｃＨを含んでいる請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
前記プロセスガスは、不活性ガスをさらに含んでいる請求項６２に記載の方法。
【請求項６７】
前記不活性ガスは、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、及びＮ２、あるいはこれらの混合物から選択される請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
前記プロセスガスは、酸素含有ガスをさらに含んでいる請求項６２に記載の方法。
【請求項６９】
前記酸素含有ガスは、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、及びＨ２Ｏ２のうちの少なくとも１つを含んでいる請求項６８に記載のシステム。
【請求項７０】
前記高誘電率材料は、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＳｉＯ及びＨｆＯ２のうちの少なくとも１つを備えている請求項５９に記載の方法。
【請求項７１】
前記高誘電率材料は、ＨｆＯ２を備えている請求項７０に記載の方法。
【請求項７２】
前記基板温度は、約４００℃未満である請求項６０に記載の方法。
【請求項７３】
前記基板温度は、約２００℃未満である請求項６０に記載の方法。
【請求項７４】
中性原子の前記ハイパーサーマルビームは、Ｈｅ、Ａｒ、Ｏ及びＮのうちの少なくとも１つを備えている請求項５９に記載の方法。
【請求項７５】
高誘電率材料を含む層を、中性原子のハイパーサーマルビームに暴露することによって前記層を除去することを具備する、高誘電率材料を含む層を処理する方法。
【請求項７６】
高誘電率材料を含む前記層は、基板の別の層の上にある請求項７５に記載の方法。
【請求項７７】
プロセスチャンバ内に前記基板を用意することを、さらに具備する請求項７５に記載の方法。
【請求項７８】
前記高誘電率材料は、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＳｉＯ及びＨｆＯ２のうちの少なくとも１つを備えている請求項７５に記載の方法。
【請求項７９】
前記高誘電率材料は、ＨｆＯ２を備えている請求項７８に記載の方法。
【請求項８０】
中性原子の前記ハイパーサーマルビームは、Ｈｅ、Ａｒ、Ｏ及びＮのうちの少なくとも１つを備えている請求項７５に記載の方法。
【請求項８１】
プロセスチャンバと、
中性原子のハイパーサーマルビームのためのソースと、
高誘電率材料の層を備えている基板を、中性原子の前記ハイパーサーマルビームに暴露するように構成されている基板ホルダと、
処理システムを制御するコントローラとを具備する処理システム。
【請求項８２】
エッチ反応剤を含んでいるプロセスガスを前記プロセスチャンバ内に注入するように構成されているガス注入システムを、さらに具備する請求項８１に記載のシステム。
【請求項８３】
前記エッチ反応剤は、βジケトンを含んでいる請求項８２に記載のシステム。
【請求項８４】
前記βジケトンは、ａｃａｃＨ、ｔｆａｃＨ及びｈｆａｃＨのうちの少なくとも１つを含んでいる請求項８３に記載のシステム。
【請求項８５】
前記βジケトンは、ｈｆａｃＨを含んでいる請求項８４に記載のシステム。
【請求項８６】
前記プロセスガスは、さらに不活性ガスを含んでいる請求項８２に記載のシステム。
【請求項８７】
前記不活性ガスは、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ及びＮ２、またはこれらの混合物から選択される請求項８６に記載のシステム。
【請求項８８】
前記プロセスガスは、さらに酸素含有ガスを含んでいる請求項８２に記載のシステム。
【請求項８９】
前記酸素含有ガスは、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、及びＨ２Ｏ２のうちの少なくとも１つを含んでいる請求項８８に記載のシステム。
【請求項９０】
前記高誘電率材料は、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＳｉＯ及びＨｆＯ２のうちの少なくとも１つを備えている請求項８１に記載の方法。
【請求項９１】
前記高誘電率材料は、ＨｆＯ２を備えている請求項９０に記載のシステム。
【請求項９２】
中性原子の前記ハイパーサーマルビームは、Ｈｅ、Ａｒ、Ｏ及びＮの少なくとも１つを備えている請求項８１に記載のシステム。
【請求項９３】
高誘電率材料を含む層を、プラズマ内の第１のプロセスガスに暴露することによって前記層を改質することと、
プラズマ不在下で前記改質された高誘電率層を、エッチ反応剤を含んでいる第２のプロセスガスに暴露することによって前記層をエッチングすることとを具備する、高誘電率材料を含む層を処理する方法。
【請求項９４】
高誘電率材料を含む前記層は、基板の別の層の上にある請求項９３に記載の方法。
【請求項９５】
プロセスチャンバ内に前記基板を用意することを、さらに具備する請求項９４に記載の方法。
【請求項９６】
前記改質する工程は、前記高誘電率材料を含む前記層を部分的に除去する請求項９３に記載の方法。
【請求項９７】
前記改質する工程は、前記高誘電率材料を含む前記層を部分的に解離する請求項９３に記載の方法。
【請求項９８】
前記第１のプロセスガスは、反応ガスを含んでいる請求項９３に記載の方法。
【請求項９９】
前記反応ガスは、ＨＢｒ及びＨＣｌの少なくとも１つを含んでいる請求項９６に記載の方法。
【請求項１００】
前記第１プロセスガスは、さらに不活性ガスを含んでいる請求項９８に記載の方法。
【請求項１０１】
前記不活性ガスは、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ及びＮ２、あるいはこれらの混合物から選択される請求項１００に記載の方法。
【請求項１０２】
前記第１のプロセスガスは、不活性ガスを含んでいる請求項９３に記載の方法。
【請求項１０３】
前記不活性ガスは、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ及びＮ２のうちの少なくとも１つを含んでいる請求項１０２に記載の方法。
【請求項１０４】
前記高誘電率材料は、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＳｉＯ及びＨｆＯ２のうちの少なくとも１つを備えている請求項９３に記載の方法。
【請求項１０５】
前記高誘電率材料は、ＨｆＯ２を備えている請求項１０４に記載のシステム。
【請求項１０６】
前記エッチ反応剤は、βジケトンを含んでいる請求項９３に記載の方法。
【請求項１０７】
前記βジケトンは、ａｃａｃＨ、ｔｆａｃＨ、及びｈｆａｃＨのうちの少なくとも１つを含んでいる請求項１０６に記載の方法。
【請求項１０８】
前記βジケトンは、ｈｆａｃＨを含んでいる請求項１０７に記載の方法。
【請求項１０９】
前記第２のプロセスガスは、さらに不活性ガスを含んでいる請求項９３に記載の方法。
【請求項１１０】
前記不活性ガスは、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ及びＮ２のうちの少なくとも１つを含んでいる請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１１】
前記第２のプロセスガスは、酸素含有ガスをさらに含んでいる請求項９３に記載の方法。
【請求項１１２】
前記酸素含有ガスは、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、及びＨ２Ｏ２のうちの少なくとも１つを含んでいる請求項１１１に記載のシステム。
【請求項１１３】
約４００℃未満で、前記基板温度を改質することを、さらに具備する請求項９５に記載の方法。
【請求項１１４】
約２００℃未満で、前記基板温度を改質することを、さらに具備する請求項９５に記載の方法。
【請求項１１５】
前記改質することと、前記エッチングすることとは、同一の前記プロセスチャンバ内で実施される請求項９３に記載の方法。
【請求項１１６】
前記改質することと、前記エッチングすることとは、異なるプロセスチャンバ内で実施される請求項９３に記載の方法。
【請求項１１７】
２０００ｓｃｃｍ未満の前記第２のプロセスガスの流量で、改質することをさらに具備する請求項９３に記載の方法。
【請求項１１８】
１０００ｓｃｃｍ未満のβジケトン含有キャリヤガスの流量で、改質することをさらに具備する請求項１０６に記載の方法。
【請求項１１９】
１０００ｓｃｃｍ未満の前記エッチ反応剤の流量で、改質することをさらに具備する請求項９３に記載の方法。
【請求項１２０】
プラズマ処理チャンバとして動作するための手段と、エッチングチャンバとして動作するための手段とを備えているチャンバと、
前記チャンバがプラズマ処理チャンバとして動作しているときに、前記チャンバ内に第１のプロセスガスを注入するように構成され、前記チャンバがエッチングチャンバとして動作しているときに、前記チャンバ内に第２のプロセスガスを注入するように構成されているガス注入システムと、
前記チャンバがプラズマ処理チャンバとして動作しているときに、前記第１のプロセスガスを使用して前記チャンバ内のプラズマを生成するように構成されるプラズマソースと、
前記チャンバがプラズマ処理チャンバとして動作しているときに、前記プラズマに高誘電率材料の層を備えている基板を暴露し、それにより改質された層を生成するように構成され、前記チャンバがエッチングチャンバとして動作しているときに、エッチ反応剤を含んでいる前記第２のプロセスガスに高誘電率材料の前記改質された層を備えている基板を暴露するように構成されている基板ホルダと、
前記チャンバ、前記ガス注入システム、前記プラズマソース及び前記基板ホルダを制御するように構成されているコントローラとを具備する処理システム。
【請求項１２１】
前記エッチ反応剤は、βジケトンを含んでいる請求項１２０に記載のシステム。
【請求項１２２】
前記βジケトンは、ａｃａｃＨ、ｔｆａｃＨ、及びｈｆａｃＨのうちの少なくとも１つを含んでいる請求項１２１に記載のシステム。
【請求項１２３】
前記βジケトンは、ｈｆａｃＨを含んでいる請求項１２２に記載のシステム。
【請求項１２４】
プラズマ処理チャンバと、
前記プラズマ処理チャンバ内に第１のプロセスガスを注入するように構成されているガス注入システムと、
前記第１のプロセスガスを使用して前記プラズマ処理チャンバ内でプラズマを生じさせるように構成されているプラズマソースと、
高誘電率材料の層を備えている基板を前記プラズマに暴露し、それにより改質された層を生成するように構成されている第１の基板ホルダと、
前記プラズマ処理チャンバ及び前記ガス注入システムに動作可能なように結合されるエッチングチャンバであって、前記ガス注入システムが前記エッチングチャンバ内に第２のプロセスガスを注入するように構成されているエッチングチャンバと、
高誘電率材料の前記改質された層を備えている基板を、エッチ反応剤を含んでいる前記第２のプロセスガスに暴露するように構成されている第２の基板ホルダと、
前記プラズマ処理チャンバ、前記ガス注入システム、及び前記エッチングチャンバを制御するように構成されているコントローラとを具備する処理システム。
【請求項１２５】
前記プラズマ処理チャンバは、移送システムにより前記エッチングチャンバに動作可能なように結合される請求項１２４に記載のシステム。
【請求項１２６】
前記プラズマ処理チャンバは、前記プロセスチャンバ内に配置されている請求項１２４に記載のシステム。
【請求項１２７】
前記プラズマソースは、誘導コイルを備えている請求項１２４に記載のシステム。
【請求項１２８】
前記プラズマソースは、平板電極を備えている請求項１２４に記載のシステム。
【請求項１２９】
前記プラズマソースは、アンテナを備えている請求項１２４に記載のシステム。
【請求項１３０】
前記プラズマソースは、ＥＣＲソースを備えている請求項１２４に記載のシステム。
【請求項１３１】
前記プラズマソースは、ヘリコン波ソースを備えている請求項１２４に記載のシステム。
【請求項１３２】
前記プラズマソースは、表面波ソースを備えている請求項１２４に記載のシステム。
【請求項１３３】
前記第１プロセスガスは、反応ガスを含んでいる請求項１２４に記載のシステム。
【請求項１３４】
前記反応ガスは、ＨＢｒ及びＨＣｌの少なくとも１つを含んでいる請求項１３３のシステム。
【請求項１３５】
前記第１のプロセスガスは、不活性ガスを含んでいる請求項１２４に記載のシステム。
【請求項１３６】
前記不活性ガスは、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｎ２、またはこれらの混合物から選択される請求項１３５に記載のシステム。
【請求項１３７】
前記第２のプロセスガスは、不活性ガスを含んでいる請求項１２４に記載のシステム。
【請求項１３８】
前記不活性ガスは、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｎ２またはこれらの混合物から選択される請求項１３７に記載のシステム。
【請求項１３９】
前記エッチ反応剤は、βジケトンを含んでいる請求項１２４に記載のシステム。
【請求項１４０】
前記βジケトンは、ａｃａｃＨ、ｔｆａｃＨ、及びｈｆａｃＨのうちの少なくとも１つを含んでいる請求項１３９に記載のシステム。
【請求項１４１】
前記第２のプロセスガスは、酸素含有ガスをさらに含んでいる請求項１２４に記載のシステム。
【請求項１４２】
前記酸素含有ガスは、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、及びＨ２Ｏ２のうちの少なくとも１つを含んでいる請求項１４１に記載のシステム。
【請求項１４３】
前記高誘電率材料は、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＳｉＯ及びＨｆＯ２のうちの少なくとも１つを備えている請求項１２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、そのすべての全体的な内容が参照によりここに組み込まれる、すべて２００２年９月２７日に出願され、第６０／４１３，９０７号、第６０／４１３，７７８号、及び第６０／４１３，８９３号と番号が付けられた米国仮特許出願に基づき、それらから利益を引き出す。
【０００２】
本発明は、半導体処理の分野に関し、さらに詳細には集積回路で使用される高誘電率の誘電材料のドライエッチング層のための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
半導体業界では、マイクロ電子デバイスの最小形状は、さらに高速でさらに低電力のマイクロプロセッサ及びデジタル回路に対する需要を満たすためにディープサブミクロン体制に近づきつつある。プロセスの開発及び統合の問題点は、高誘電率の誘電材料（ここでは高誘電率材料または「Ｈｉｇｈ−ｋ」材料とも呼ばれる）によるＳｉＯ２の切迫した置換、及びサブ−０．１μｍの相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術でドーピングされたポリ−Ｓｉを置換するために代替ゲート電極材料を使用することによる、新しいゲートスタック材料及びシリサイド処理の重要な課題である。
【０００４】
ＳｉＯ２（ｋ〜３．９）の誘電率より大きい誘電率を特徴とする誘電材料は一般的にｈｉｇｈ−ｋ（高誘電率）材料と呼ばれている。さらに、ｈｉｇｈ−ｋ材料はＳｉ表面（ＳｉＯ２、ＳｉＮｘＯｙ）上で成長するよりむしろＳｉ基板の上に付着される誘電材料を指す場合がある。半導体用途で使用されるＨｉｇｈ−ｋ材料は、通常、金属ケイ酸塩または金属酸化物（例えば、Ｔａ２Ｏ５（ｋ〜２６）、ＴｉＯ２（ｋ〜８０）、ＺｒＯ２（ｋ〜２５）、Ａｌ２Ｏ３（ｋ〜９）、ＨｆＳｉＯ、ＨｆＯ２（ｋ〜２５））を組み入れる。半導体素子の製造中、ｈｉｇｈ−ｋ層は頻繁にエッチングされ、ソース領域／ドレイン領域のシリサイド化を可能にするため、及び不要な金属性不純物がイオン注入の間にソース領域／ドレイン領域の中に注入されるリスクを削減するために除去される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、半導体基板からｈｉｇｈ−ｋ材料の層を効果的に除去するための方法及びシステムを提供する。該基板は、例えば、液晶ディスプレイパネル上の液晶ディスプレイ、半導体ウェハ、またはマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭ）デバイスを含む。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある実施形態では、ｈｉｇｈ−ｋ層を、該ｈｉｇｈ−ｋ層と熱的に反応し、揮発性エッチ生成物を形成することにより効果的に除去するエッチ反応剤が利用される。該エッチ反応剤は、βジケトンガスを含んでいる。
【０００７】
本発明の別の実施形態では、方法は、ｈｉｇｈ−ｋ層と反応させられると揮発性エッチ生成物を形成するエッチ反応剤と、該ｈｉｇｈ−ｋｅ層からの該エッチ生成物の除去を強化する中性原子のハイパーサーマルビームを活用することによりｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングすることを可能にする。
【０００８】
本発明のさらに別の実施形態では、中性原子のハイパーサーマルビームが、該ｈｉｇｈ−ｋ層の厚さを混乱させる、及び／または削減することによりｈｉｇｈ−ｋ層を修正するために使用される。修正されたｈｉｇｈ−ｋ層は以後、該修正されたｈｉｇｈ−ｋ層と反応させられると揮発性エッチ生成物を形成するエッチ反応剤を活用してエッチングされる。
【０００９】
本発明のさらに別の実施形態では、該ｈｉｇｈ−ｋ層の物理衝撃（ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ）を介して該ｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングするために、中性原子のハイパーサーマルビームが使用される。
【００１０】
本発明の別の実施形態では、方法はｈｉｇｈ−ｋ誘電体層を修正するために、ガス状のエッチ反応剤の存在下で該修正された層をエッチングする非プラズマプロセスが後に続く、プラズマプロセスを活用する。
【００１１】
前述されたプロセスは、例えば、ゲート電極エッチングプロセスの最後に実行される追加の工程として、あるいは空間−エッチングプロセスの最後に加えられる追加工程として実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明のある実施形態では、ｈｉｇｈ−ｋ層は、ｈｉｇｈ−ｋ層と容易に反応し、揮発性エッチ生成物を形成するβジケトンエッチ反応剤を含んでいるプロセスガスに該層を暴露することによりエッチングされる。該エッチ反応剤は、該層の中の金属イオンとキレートし（つまり、該エッチ反応剤は複数の配位子原子を通して金属イオンに付着し）、それにより該暴露されたｈｉｇｈ−ｋ層の完全な（または部分的な）除去を可能にするエッチ生成物を形成することによって該層と反応する。
【００１３】
図１Ａから図１Ｂは、ｈｉｇｈ−ｋ層のためのエッチングプロセスの例示的な断面表現を示す。図１から図３では、類似する参照番号が全体を通して類似した要素を示すために使用されている。図１Ａでは、セグメント１００Ａは基板１０２（例えばＳｉ）上にあるｈｉｇｈ−ｋ層１０４を備える。図１Ａのｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングすると、βジケトンエッチ反応剤を含んでいるプロセスガスに該層を暴露することによりｈｉｇｈ−ｋ層が除去された図１Ｂに図示される構造１００Ｂが生じる。
【００１４】
半導体素子の製造では、ｈｉｇｈ−ｋ層の該エッチング及び除去はパターン化プロセスの間のさまざまな段階で実施できる。例えば、ゲート電極構造がｈｉｇｈ−ｋ層を含む場合、該ｈｉｇｈ−ｋ層の該エッチングは通常のゲートエッチプロセスの最後に付け加える、あるいは標準的なスペーサエッチプロセスに付け加えることができる。
【００１５】
例えば、フォトレジストまたはハードマスクにより形成されるゲート電極を形成するための一連のプラズマ工程は以下を備え得る。つまり、１）該フォトレジストまたはハードマスクを通ってエッチングする「ブレイクスルー」、２）電極特徴を形成する「メインエッチ」、及び３）該Ｓｉ基板の上にある該（ｈｉｇｈ−ｋ）誘電体層をエッチングし、除去する「オーバエッチ」である。
【００１６】
前記プラズマエッチ工程３）は、該ｈｉｇｈ−ｋ層を容易に反応し、揮発性のエッチ生成物を形成するβジケトンエッチ反応剤を含んでいるプロセスガスに該層を暴露することによりｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングするエッチプロセスにより達成できる。このエッチングは、プラズマが存在しない場合でも、生じることがある。
【００１７】
図２Ａから図２Ｂはゲート電極構造の中のｈｉｇｈ−ｋ層のエッチングプロセスの例示的な断面表現を示す。図２Ａから図２Ｂは、これが通常のゲートエッチングプロセスレシピの最後に付け加えられる工程としてどのようにして実現できるのかを描いている。図２Ａは、部分的に完成した集積回路を示している。該セグメント１００ＣはＳｉ基板１０２、ｈｉｇｈ−ｋ層１０４、ゲート電極１０６、及びフォトレジストまたはハードマスク１０８を備える。ゲート電極１０６の例は、ドーピングされたポリ−Ｓｉ、及びＳｉＧｅ層の上にあるドーピングされたポリ−Ｓｉ層を含む。さらに、多くの場合ＳｉＯ２（図示せず）の非常に薄い層が該Ｓｉ基板１０２と該ｈｉｇｈ−ｋ基板１０４の間に存在し、キャリア移動度を最大限にするための優れたチャネルインタフェースを保証する。図２Ａの該ｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングすると、該ｈｉｇｈ−ｋ層をβジケトンエッチ反応剤に暴露することによって図２Ａの該ｈｉｇｈ−ｋ層の該覆いのない部分が除去された、図２Ｂに図示された該構造１００Ｄが生じる。
【００１８】
代わりに、該ｈｉｇｈ−ｋ層の除去は、スペーサエッチプロセスの最後で実行できる。サイドウォールスペーサは、自己整合されたドレイン処理（ｄｒａｉｎ−ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ）ドーパント構造の製造を容易にするだけではなく、ゲートとソース領域／ドレイン領域の間の隔離を達成するためにも一般的に使用される。スペーサ−エッチプロセスを実行する一方でソース領域／ドレイン領域に残るｈｉｇｈ−ｋ層を有し、その結果プラズマ環境がＳｉの代わりに「犠牲」ｈｉｇｈ−ｋ層に暴露されることが望ましいこともある。スペーサ形成後、ｈｉｇｈ−ｋ層のエッチング及び除去が実施される。
【００１９】
図３Ａから図３Ｂは、ゲート電極構造の中のｈｉｇｈ−ｋ層のためのエッチングプロセスの例示的な断面表現を示す。図３Ａから図３Ｂは、これが標準的なスペーサ−エッチプロセスに付け加えられる工程としてどのようにして実現できるのかを描いている。図３Ａのセグメント１００Ｅはさらにサイドウォールスペーサ１１０を備える。例えば、該スペーサがテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）から付着される酸化物である場合がある。図３Ａのｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングすると、ｈｉｇｈ−ｋ層をβジケトンエッチ反応剤に暴露することにより図３Ａのｈｉｇｈ−ｋ層の覆いのない部分が除去された図３Ｂに示される構造１００Ｆが生じる。
【００２０】
図４は、ｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングするためのフローチャートを示す。４００でプロセスは開始される。４０４で、βジケトンエッチ反応剤を含んでいるプロセスガスがプロセスチャンバの中に導入される。４０６で、βジケトンエッチ反応剤のｈｉｇｈ−ｋ層との反応から揮発性エッチ生成物を形成することにより、チャンバ内のｈｉｇｈ−ｋ層がエッチングされる。ｈｉｇｈ−ｋ層は、ｈｉｇｈ−ｋ層の所望されるエッチングを可能にするある期間エッチ反応剤に暴露され、プロセスは４０８で終了する。
【００２１】
ｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングするために利用されるβジケトンエッチ反応剤は、少なくとも１個の水素原子が付着する単一の炭素原子により分離される２つのカルボニル（Ｃ−Ｏ）官能基を含む分子構造を特徴とする。βジケトンも、変異性が同じ化合物のさまざまな構造の間の平衡状態を指すケトエノール互変異性を特徴とする。
【００２２】
図５は、βジケトンのケトエノール変異性を概略して描いている。エノール形５０４は、共役二重結合の存在によりケト形５０２に関して安定化している（共役は、ただ１つの化学結合により分離される２つの二重化学結合から構成される結合配列である）。ケトエノール互変異性の結果、ケトンとエノール両方の化学的特性を有するベータ字ケトンが生じ、βジケトンの場合、ただ１つのケトン基を含む化合物においてより、分子内のＨ−結合の可能性からエノール形成がはるかに有利になる。図５に示されている化学平衡では、エノールの形成でのネット反応は炭素から酸素への水素の原子移動である。特に移動可能なのは、２個のカルボニル基（Ｒ１−ＣＯ−ＣＨ２−ＣＯ−Ｒ２）と結合された１個の炭素原子の隣にある水素原子であり、６原子環（Ｒ１−ＣＯ−ＣＨ＝ＣＯ−Ｒ２）に似ている他の安定した構造（エノール）を形成する可能性がその形を安定化する。
【００２３】
さらに、二重結合の共役性質は、金属原子に結合する能力に影響を及ぼすβ電子の重要な非局在化を暗示する。これらの非局在化された電子は、容易に金属のｄ−電子と反応し、配位化合物を形成する。２個のカルボニル基の存在のため、各βジケトナート配位子は金属原子と２度配位結合し、閉環またはキレート構造を形成する。
【００２４】
図６はＭ（ｈｆａｃ）２エッチ生成物の概略図を示している。該Ｍ（ｈｆａｃ）２エッチ生成物６００は、酸化金属層中の金属カチオンＭとのβジケトンの反応から形成できる。βジケトンの重要な特性は、それらが金属化カチオンと反応し、相対的に高い揮発性を有する安定した錯体を形成できる安定した陰イオンを容易に形成するという点である。例えば、Ｃｕ（ｈｆａｃ）２とＣＵ（ｈｆａｃ）ＶＴＭＳ先駆物質化合物がＣｕ層の気相蒸着（ＣＶＤ）に使用される。
【００２５】
金属酸化物（例えばｈｉｇｈ−ｋ金属酸化物）及び酸化金属層（例えば酸化Ｃｕ層）はβジケトンと反応し、揮発性エッチ生成物を形成できる。例えば、ｈｆａｃＨ（１，１，１，５，５，５−ヘキサフルオロ−アセチルアセトン）（１，１，１，５，５，５−ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏ−ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎｅ）を使用する酸化Ｃｕ層のエッチングでは、エッチング反応は低温（Ｐｖａｐ（Ｃｕ（ｈｆａｃ）２）＝５０℃で０．１Ｔｏｒｒ）で揮発性であるＣｕ（ｈｆａｃ）２及びＨ２Ｏエッチ生成物を形成することができ、該エッチ生成物はエッチ形状構成（ｆｅａｔｕｒｅｓ）の側壁に、またはプロセスチャンバ壁に大幅に再蒸着しない。同じように、ｈｉｇｈ−ｋ金属酸化物のエッチングでは、ｈｉｇｈ−ｋ層の効率的なエッチングを可能にする揮発性エッチ生成物が形成される。
【００２６】
共通β−ジケトンはアセチルアセトン（Ｒ１＝Ｒ２＝ＣＨ３であるａｃａｃＨ）、１，１，１−トリフルオロ−アセチルアセトン（Ｒ１＝ＣＦ３及びＲ２＝ＣＦ３であるｔｆａｃＨ）、及び前述されたｈｆａｃＨ（Ｒ１＝Ｒ２＝ＣＦ３である）を含む。これらの化合物は市販されており、化学合成で幅広く使用されている。
【００２７】
ＨｆａｃＨは前述したβジケトンの最高の蒸気圧（２０℃で８５Ｔｏｒｒ）を有し、これがバブラーシステム及びマスフローコントローラ（ＭＦＣ）を備え得る送達システムを使用するガス状のｈｆａｃＨエッチングガスの処理チャンバへの容易な移送を可能にする。バブラーシステムは、不活性ガス（例えば、Ａｒ、Ｈｅ、及びＮ２）などのキャリヤガスとともに、あるいはキャリヤガスなしで使用できる。キャリヤガスが使用されるとき、それはｈｆａｃＨ液体を通して泡立てられ、ｈｆａｃＨ蒸気で飽和状態に達する。プロセスチャンバ内のｈｆａｃＨ蒸気の部分的な圧力はバブラー内のｈｆａｃＨ液体の温度によって制御される。キャリヤガスを含むエッチ反応剤の例示的なガス流量は１０００ｓｃｃｍ未満である場合がある。代わりに、エッチ反応剤をプロセスチャンバに送達するためには、液体注入システムを使用することができる。固形のエッチ反応剤のケースではキャリヤガスは固体の上を通過し、ガス混合物がプロセスチャンバの中に導入される。
【００２８】
不活性ガスは、前述したプロセスガス化学物質の任意の１つに付加できる。該不活性ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ及びＮ２のうちの少なくとも１つを含んでよい。例えば、不活性ガスのプロセス化学物質に対する付加は、プロセスガスを希釈するため、あるいはプロセスガス分圧（複数の場合がある）を調整するために使用される。
【００２９】
さらに、酸素含有ガス（例えば、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２）を前述したプロセスガス化学物質の任意の１つに付加できる。酸素含有ガスのエッチプロセスでの役割は、ｈｉｇｈ−ｋ材料のエッチ速度に影響を及ぼすことがあるｈｉｇｈ−ｋ層の表面上のあらゆる酸素空格子点を充填すること、あるいはエッチ反応剤を化学的に改質することである。改質は、気相内またはエッチ表面での酸素含有ガスのエッチ反応剤との相互作用を必要とする。
【００３０】
ｈｉｇｈ−ｋ層の所望されるエッチングを可能にするプロセス条件は、直接的な実験及び／または実験計画（ＤＯＥ）により決定されてよい。例えば、調整可能なプロセスパラメータは、時間、温度（つまり基板温度）、プロセス圧力、プロセスガス、及び該プロセスガスの相対ガス流量を備え得る。ドライエッチプロセスのためのプロセスパラメータ空間は、例えば１０Ｔｏｒｒ未満のチャンバ圧力、２０００ｓｃｃｍ未満のプロセスガス流量、（キャリヤガスを含む）１０００ｓｃｃｍ未満のエッチ反応剤ガス流量、及び４００℃未満、あるいは代わりに２００℃未満の基板温度を活用する。
【００３１】
図７はプロセスチャンバ７０５を備える処理システム７００を示している。該プロセスチャンバ７０５は、その上に処理される基板７２０が取り付けられる基板ホルダ７１５と、プロセスガス７３０をプロセスチャンバ７０５に導入するガス注入システム７２５と、真空ポンプシステム７３５を備える。例えば、真空ポンプシステム７３５の流れを絞る（ｔｈｒｏｔｔｌｅ）ためにゲートバルブ（図示せず）が使用される。プロセスガス７３０はガス注入システム７２５を経由して導入され、プロセス圧力が調整される。ガス注入システム７２５は、原位置近くの（ｅｘ−ｓｉｔｕ）ガスソースからプロセスチャンバへのプロセスガス７３０の送達に対する独立した制御を可能にする。ガス注入システム７２５は、シャワーヘッドなどの噴出型ガス供給ソースを利用する。プロセスガス７３０はエッチ反応剤及び他のガスを含み得る。
【００３２】
基板７２０は、それが基板ホルダ７１５の中に収納される基板リフトピン（図示せず）により受け取られ、その中に収納される素子により機械的に平行移動されるロボット基板移送システムを経由してスロットバルブ（図示せず）及びチャンバフィードスルー（図示せず）を通してプロセスチャンバ７０５の中に及びその中から移送される。いったん基板７２０が基板移送システムから受け取られると、それは基板ホルダ７１５の上面まで下げられる。
【００３３】
代替実施形態では、基板７２０は静電クランプ（図示せず）を介して基板ホルダ７１５に取り付けられる。さらに、基板ホルダ７１５は、基板ホルダ７１５から熱を受け取り、熱交換器システム（図示せず）に熱を伝達する、あるいは加熱時に熱交換器システムから熱を伝達する再循環するクーラントの流れを含む温度調節システムも含む。さらに、ガスは基板７２０と基板ホルダ７１５の間のガス−ギャップ熱伝導係数を改善するために基板の裏面に送達されてよい。このようなシステムは、昇温状態または還元温度で基板の温度調節が必要とされるときに活用される。真空ポンプシステム７３５は、毎秒５０００リットル（以上）までのポンプ体積流量を可能とするターボ分子真空ポンプ（ＴＭＰ）、及びチャンバ圧力の流れを絞るためのゲートバルブを含み得る。
【００３４】
コントローラ７４５はマイクロプロセッサ、メモリ及び処理システム７００からの出力を監視するだけではなく、処理システム７００への入力を伝達、活性化するためにも十分な制御電圧を生じさせることができるデジタルＩ／Ｏポートを含む。さらに、コントローラ７４５はプロセスチャンバ７０５、プロセス監視システム７５０、ガス注入システム７２５及び真空ポンプシステム７３５に結合され、それらと情報を交換する。メモリに記憶されているプログラムは、記憶されているプロセスレシピに従って処理システム７００の前述した構成要素を制御するために活用される。コントローラ７４５の一例は、テキサス州、ダラス（Ｄａｌｌａｓ，Ｔｅｘａｓ）のテキサスインスツルメンツ（Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）から調達できるデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、型番号ＴＭＳ３２０である。
【００３５】
プロセス監視システム７５０は、例えば、エッチ反応剤、エッチ副生成物及び処理環境の他のガスなどのガス種を測定するための質量分析計システムを備え得る。一般的には、プロセス監視システム７５０はプロセス分析及び終末点検出などの複数のタスクを実行できる多目的診断ツールである。図７のプロセス監視システム７５０は処理チャンバ７０５に取り付けられている。代替実施形態では、いくつかのプロセス監視システム構成要素は真空ポンプシステム７３５から下流に設置できる。プロセス監視システム７５０はコントローラ７４５とともに使用し、エッチングプロセスのステータスを決定し、プロセス準拠を確実にするためにフィードバックを提供することができる。
【００３６】
ｈｉｇｈ−ｋ層は、ｈｉｇｈ−ｋ層の所望されるエッチングを生じさせる期間エッチ反応剤に暴露される。ｈｉｇｈ−ｋ層が（Ｓｉ層に至るまで）エッチングされると、エッチングプロセスは停止する。ｈｉｇｈ−ｋ層の完全な除去をさらに保証するためにオーバエッチ工程を活用してよい。ｈｉｇｈ−ｋ層の完全な除去を保証するために必要とされるオーバエッチの実際の量はさまざまな程度までオーバエッチされる一連の基板を調べることにより経験的に決定できる。さらに、これらの基板は、下にあるＳｉ（またはＳｉＯ２）層に対するエッチプロセスの影響を評価するためにも使用できる。
【００３７】
代わりに、ｈｉｇｈ−ｋ層の除去は、終末点検出を使用して決定できる。終末点検出の１つの考えられる方法は、ｈｉｇｈ−ｋ層のすべて（あるいは実質的にすべて）がいつ基板から除去されたのかを示す処理領域からスペクトルの一部を監視することである。例えば、このような除去を示すスペクトルの部分は、質量分析法（ＭＳ）を使用して測定できる。エッチ生成物及び／またはエッチ反応剤に対応する質量信号レベルが指定された閾値を交差あるいは到達した（例えば、実質的にゼロに低下した、あるいはある特定のレベルを超えて上昇した）後、エッチプロセスは完了したと見なすことができる。
【００３８】
図８Ａから図８Ｃは、本発明の別の実施形態によるｈｉｇｈ−ｋ層のエッチングの例示的な断面表現を示している。図８Ａでは、セグメント８００Ａが半導体８０２（例えばＳｉ）の上にあるｈｉｇｈ−ｋ層８０４を備えている。図８Ａの該ｈｉｇｈ−ｋ層８０４の除去は、該層と反応し、揮発性エッチ生成物を形成するエッチ反応剤と、該層の衝撃を通して該ｈｉｇｈ−ｋ層から該エッチ生成物の除去を改良する中性原子のハイパーサーマルビームとを備えるプロセスガスに該ｈｉｇｈ−ｋ層を暴露することによって実施される。図８Ｂでは、セグメント８００Ｂは該ｈｉｇｈ−ｋ層８０４の部分的な除去を描いている。図８Ｃでは、セグメント８００Ｃは、該ｈｉｇｈ−ｋ層８０４の基板８０２からの完全な除去を示している。
【００３９】
細かい形状構成がフォトレジストまたはハードマスクにより形成されるパターン化されたエッチプロセスでは、ｈｉｇｈ−ｋ層の除去は表面垂直面に平行である原子衝撃のために実質的には異方性である。プロセスガス及びプロセス条件はパターン化された形状構成及び他の材料が著しくエッチングされたり、損傷を受けないように選択できる。
【００４０】
半導体素子の製造では、ｈｉｇｈ−ｋ層の除去はパターン化プロセスのさまざまな段階で実施できる。例えば、除去は通常のゲートエッチプロセスレシピの最後に追加、または標準的なスペーサ−エッチプロセスに追加することができる。
【００４１】
例えば、ハードマスクにより形成されるゲート電極を形成するためのシーケンスは以下を備え得る。つまり、１）ハードマスクを通してエッチングする「ブレークスルー」、２）電極形状構成を形成する「メインエッチ」、及び３）Ｓｉ基板の上にある（ｈｉｇｈ−ｋ）誘電体層をエッチングし、除去する「オーバエッチ」である。
【００４２】
ｈｉｇｈ−ｋ層を除去する前記プラズマエッチ工程３）は、エッチ反応剤及び中性原子のハイパーサーマルビームを活用するプロセスにより達成できる。
【００４３】
図２Ａを参照し直すと、本発明に従ってｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングすると、図２Ａのｈｉｇｈ−ｋ層の覆いのない部分がｈｉｇｈ−ｋ層をエッチ反応剤及び中性原子のハイパーサーマルビームに暴露することによって除去された、図２Ｂに図示されている構造１００Ｅが生じる。図３Ａを参照し直すと、ｈｉｇｈ−ｋ層の完全な除去により、ｈｉｇｈ−ｋ層の覆いのない部分がエッチ反応剤及び中性原子のハイパーサーマルビームにｈｉｇｈ−ｋ層を暴露することによって除去された、図３Ｂに示される構造１００Ｇが生じる。
【００４４】
図９は、ｈｉｇｈ−ｋ層の異方性エッチングの概略的な断面表現を示している。セグメント９００は、Ｓｉ基板９１０の上にあるｈｉｇｈ−ｋ層９２０と、ゲート電極９３０と、該ゲート電極９３０の上にあるフォトレジストまたはハードマスクパターン９４０とを備える部分的に完成した構造を示している。図９の構造の異方性エッチングは、パターン化された層９４０により形成される構造の垂直幾何学形状を保ちながら、基板に垂直であるｈｉｇｈ−ｋ層９２０の暴露された部分を除去する。
【００４５】
例えば、ハイパーサーマルビームの中の中性原子は図９の矢印９５０で概略表現できる。基板垂直面からの低い発散性を有するハイパーサーマルビームが縦の矢印９５０を使用して描かれている。ビームの中の原子の方向性及び高い運動エネルギーにより、ゲート電極材料９３０の垂直面（側壁）から（矢印９６２で描かれる）原子の弾性前方散乱が生じ、その場合垂直面に垂直な方向でのハイパーサーマル原子の運動エネルギーは垂直面９６０からｈｉｇｈ−ｋ材料をかなり除去するには不十分である。
【００４６】
エッチ反応剤９７０を含んでいるプロセスガスは噴出型ノズルを使用してハイパーサーマル原子ビームソースとは別個にエッチングチャンバの中に導入される。エッチ反応剤９７０はβジケトンを含み得る。ｈｉｇｈ−ｋ層９２０をエッチ反応剤９７０に暴露すると、吸着されたエッチ反応剤の層９８０が形成される。ｈｉｇｈ−ｋ層９２０は、表面からのエッチ生成物９９０の脱離を助け、強化しｈｉｇｈ−ｋ層９２０のエッチングを行う一定の強力な原子衝撃９５０を受ける。
【００４７】
図１０はｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングするためのフローチャートである。図１０では、プロセスは１０００で開始される。１００４で、ハイパーサーマル原子のビームが生成され、１００６で電荷（ｃｈａｒｇｅ）中性原子の該ビームはプロセスチャンバ内のｈｉｇｈ−ｋ層に暴露される。１００８でｈｉｇｈ−ｋ層と反応できるエッチング反応剤がプロセスチャンバに導入される。該エッチ反応剤はβジケトンを含み得る。揮発性のエッチング生成物は１０１０でエッチ反応剤とのｈｉｇｈ−ｋ層の反応から形成され、１０１２でｈｉｇｈ−ｋ層から除去される。ｈｉｇｈ−ｋ層からのエッチング生成物の脱離はハイパーサーマルビームの中の強力な中性原子による表面衝撃により助長される。１０１４でプロセスは終了する。
【００４８】
図１１Ａから図１１Ｄは、本発明の代替実施形態に従ってｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングすることの例示的な断面表現を示している。図１１Ａでは、セグメント１１００Ａは、半導体基板１１０２（例えばＳｉ）の上にあるｈｉｇｈ−ｋ層１１０４を備える。図１１ＡのＨｉｇｈ−ｋ層１１０４の表面改質は、ｈｉｇｈ−ｋ層１１０４を中性原子のハイパーサーマルビームに暴露し、それにより図１１Ｂのセグメント１１００Ｂに示される改質されたｈｉｇｈ−ｋ層１１０６を形成することにより実施される。ビーム暴露の後、改質されたｈｉｇｈ−ｋ層１１０６は、エッチ反応剤を含んでいるプロセスガスに改質された層１１０６を暴露するサーマルエッチプロセスにより実質的に除去できる。エッチ反応剤は、改質されたｈｉｇｈ−ｋ層１１０６と反応すると、揮発性エッチ生成物を形成する。セグメント１１００Ｃ（図１１Ｃ）では、改質された層１１０６がエッチプロセスにより除去された。ｈｉｇｈ−ｋ層１１０４の追加の除去（間引き）が必要とされる場合、ｈｉｇｈ−ｋ層１１０４の所望される厚さ（または完全な除去）が達成されるまで、プロセスを繰り返すことができる。セグメント１１００Ｄ（図１１Ｄ）は、ｈｉｇｈ−ｋ層１１０４の完全な除去を示している。
【００４９】
非常に薄いｈｉｇｈ−ｋ層（例えば、５０Ａあるいはさらに薄い）のケースでは、ビーム暴露は実質的にｈｉｇｈ−ｋ層の全体的な厚さを改質することができ、以後、単一のエッチ工程でｈｉｇｈ−ｋ層の完全な除去を達成できる。より厚いｈｉｇｈ−ｋ層の場合、改質されたｈｉｇｈ−ｋ層１１０６と実質的には未改質の層１１０４の間に移行（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎａｌ）領域が存在する場合がある。
【００５０】
図１２は、本発明の代替実施形態に従ってｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングするためのフローチャートである。図１２は、ｈｉｇｈ−ｋ材料の層を、それを中性原子のハイパーサーマルビームに暴露し、その後該層をエッチングできるエッチ反応剤に改質されたｈｉｇｈ−ｋ層を暴露することにより改質する方法を描いている。図１２では、プロセスは１２００で開始される。基板はプロセスチャンバ内に配置できる。１２０４で、ｈｉｇｈ−ｋ層を改質できる中立原子のハイパーサーマルビームが生成される。１２０６で、ｈｉｇｈ−ｋ材料の層は該ビームへの暴露により改質される。１２０６でのプロセスがｈｉｇｈ−ｋ層を改質するために所望される量の時間実施されたら、暴露は１２０８で停止する。１２１０で、改質されたｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングできるエッチ反応剤がプロセスチャンバの中に導入される。該エッチ反応剤はβジケトンを含んでいる場合がある。１２１２で、揮発性反応生成物が改質されたｈｉｇｈ−ｋ層との該エッチ反応剤の反応から形成され、揮発性反応生成物は１２１４で該層から除去され、ｈｉｇｈ−ｋ剤の除去を生じさせる。このプロセスは、１２１６でｈｉｇｈ−ｋ層の所望されるエッチングを達成するために必要に応じて繰り返すことができる。プロセスは１２１８で終了する。
【００５１】
このようにして、ｈｉｇｈ−ｋ層は、容易に反応し揮発性エッチ生成物を形成するエッチ反応剤を含んでいるプロセスガスに該層を暴露することによってエッチングできる。該エッチ反応剤は、該層の中の金属イオンとキレートし（つまり複数の配位子原子を通して金属イオンに付着し）、それにより暴露された層の完全な（または部分的な）除去を可能にするエッチ生成物を形成することにより該層と反応できるβジケトンなどの化合物を備え得る。この反応はｈｉｇｈ−ｋ層にとって相対的に速いエッチ速度、及び周囲の層にとって相対的に遅いエッチ速度を生じさせることになる。重要なことには、Ｓｉ層及びＳｉＯ２層は、βジケトンなどのエッチ反応剤と反応するときに揮発性エッチ生成物を形成し、それにより所望されるエッチ選択性を提供すると知られていない。不活性ガスが、前述したプロセスガス化学物質のどれか１つに追加できる。該不活性ガスはＡｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ及びＮ２の少なくとも１つを含んでよい。加えて、酸素含有ガス（例えば、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２）が、前述したプロセスガス化学物質のどれか１つに追加できる。
【００５２】
ｈｉｇｈ−ｋ層の中立原子のハイパーサーマルビームに対する暴露の正確な影響は現在は分かっていない。該ビームへの暴露によりｈｉｇｈ−ｋ層の不定形の内容物が増加し、ｈｉｇｈ−ｋ層に原子の残留物質を生じさせる化学結合が破壊される可能性がある。不活性ガスに加えて、ハイパーサーマルビームがＮ及びＯのような原子を含むことがあり、その場合イオンエネルギーは以後のエッチング反応剤が改質されたｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングできるように、ｈｉｇｈ−ｋ層の原子構造を混乱させるのに十分である。
【００５３】
図１３は、本発明の代替実施形態に従ってｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングするためのフローチャートである。図１３は、ｈｉｇｈ−ｋ材料の層を、該層を衝突させる（ｂｏｍｂａｒｄ）（スパッタリング）ことにより該層をエッチングできる中性原子のハイパーサーマルビームにそれを暴露することにより除去する方法を描いている。図１３では、プロセスは１３００で開始される。基板上にあるｈｉｇｈ−ｋ材料を有する層が設けられ、該基板はプロセスチャンバ内に配置される。１３０４で、該層の物理的なスパッタリングを通してｈｉｇｈ−ｋ層を除去できるハイパーサーマル中性原子のビームが生成される。該ビームは１３０６でｈｉｇｈ−ｋ層に暴露される。１３０８でｈｉｇｈ−ｋ層はハイパーサーマルビームの表面衝撃を通して除去される。プロセスは１３１０で終了する。
【００５４】
ｈｉｇｈ−ｋ層は、ｈｉｇｈ−ｋ層の所望されるエッチングを生じさせる期間ハイパーサーマルビームに暴露される。ｈｉｇｈ−ｋ層が（Ｓｉ層に至るまで）エッチングされると、エッチングプロセスは停止し、Ｓｉソース／ドレインは以後のＳｉのエピタキシャル成長のためのプラズマプロセスを使用して凹部にする（ｒｅｃｅｓｓｅｄ）ことができる。
【００５５】
ｈｉｇｈ−ｋ層及び下にあるＳｉ基板のスパッタリング速度が類似していることが望ましい。これは、ｈｉｇｈ−ｋ層及びＳｉ基板に優れた質量一致を与えるハイパーサーマルビーム用のガスを選択することで達成できる（例えば、Ｘｅなどの重質ガス）。代わりに、酸素などのガスは、ＳｉＯ２表面層の形成を通してＳｉのスパッタリング速度を抑制するためにハイパーサーマルビームの中で使用できる。ハイパーサーマルビームの運動エネルギーは、ｈｉｇｈ−ｋ層の効率的な物理スパッタリングを可能にするために選択される。
【００５６】
前記の実施形態でのｈｉｇｈ−ｋ層の所望されるエッチングを可能にするプロセス条件は、直接的な実験及び／または実験計画（ＤＯＥ）によって決定されてよい。例えば、調整可能なプロセスパラメータは、原子とハイパービームの中の原子の運動エネルギーの選択、基板温度、プロセス圧力、エッチ反応剤の選択及び相対ガス流量を備え得る。ハイパーサーマルビームは、希ガスまたは酸素や窒素などの代わりのガスなどの不活性ガスを含み得る。ｈｉｇｈ−ｋ層はエッチ反応剤及び強力な中立原子のビーム、及びｈｉｇｈ−ｋ層の所望されるエッチングを可能にする期間のエッチ反応剤に暴露される。ハイパーサーマルビームの運動エネルギーは、中性原子によるｈｉｇｈ−ｋ膜の物理スパッタリングを最小限に抑えながら、表面からエッチング生成物を除去するように選ぶことができる。
【００５７】
一般的には、ハイパーサーマル原子ビームは、プラズマアッシャー及びスパッタエッチングシステムなどの従来のグロー放電装置により生成される熱運動化された原子（Ｅｋ〜０．０５ｅＶ）に比べて高い運動エネルギー（Ｅｋ≧１ｅＶ）を有する中立原子を含む。ハイパーサーマル原子ビームの運動エネルギーは、数百ｅＶほど高くなることがある。ハイパーサーマルビームの高い方向性を維持するには、エッチングチャンバ内の総圧力が約１ｍＴｏｒｒとなる実質的に衝突の起こらない環境が必要である。
【００５８】
図１４は、プロセスチャンバ１４０５及びハイパーサーマル原子ビームソース１４１０を備える処理システム１４００を示している。該プロセスチャンバ１４０５は、その上に処理される基板１４２０が取り付けられる基板ホルダ１４１５と、プロセスチャンバ１４０５にプロセスガス１４３０を導入するためのガス注入システム１４２５と、真空ポンプシステム１４３５とを備える。例えば、ゲートバルブ（図示せず）は真空ポンピングシステム１４３５の流れを絞るために使用される。プロセスガス１４３０は、ガス注入システム１４２５を介して導入され、プロセス圧力が調整される。ガス注入システム１４２５は、原位置近くのガスソースからプロセスチャンバへのプロセスガス１４３０の送達に対する独立した制御を可能にする。プロセスガス１４３０は、エッチ反応剤及び不活性ガスを含み得る。該エッチ反応剤はβジケトンを含み得る。ハイパーサーマル原子ビームソース１４１０は、ゲートバルブ（図示せず）を使用してプロセスチャンバ１４０５に導入できる高運動エネルギー中性原子の指向性ビーム１４４０を生成する。
【００５９】
基板１４２０は、それが基板ホルダ１４１５の中に収納される基板リフトピン（図示せず）により受け取られ、その中に収納される素子により機械的に平行移動されるロボット基板移送システムを経由してスロットバルブ（図示せず）及びチャンバフィードスルー（図示せず）を通してプロセスチャンバ１４０５の中に及びその中から移送される。いったん基板１４２０が基板移送システムから受け取られると、それは基板ホルダ１４１５の上面まで下げられる。
【００６０】
代替実施形態では、基板１４２０は静電クランプ（図示せず）を介して基板ホルダ１４１５に取り付けられる。さらに、基板ホルダ１４１５は、基板ホルダ１４１５から熱を受け取り、熱交換器システム（図示せず）に熱を伝達する、あるいは加熱時に熱交換器システムから熱を伝達する再循環するクーラントの流れを含む温度調節システムも含む。結果として、基板温度は約４００℃未満で維持できる。代わりに、基板温度は約２００℃未満で維持できる。さらに、ガスは基板１４２０と基板ホルダ１４１５の間のガス−ギャップ熱伝導係数を改善するために基板の裏面に送達されてよい。このようなシステムは、昇温状態または還元温度で基板の温度調節が必要とされるときに活用される。真空ポンプシステム１４３５は、毎秒５０００リットル（以上）までのポンプ体積流量を可能とするターボ分子真空ポンプ（ＴＭＰ）、及びチャンバ圧力の流れを絞るためのゲートバルブを含み得る。
【００６１】
コントローラ１４４５は、マイクロプロセッサと、メモリと、処理システム１４００からの出力を監視するだけではなく、処理システム１４００への入力を伝達、活性化するためにも十分な制御電圧を生成できるデジタルＩ／Ｏポートとを含む。さらに、コントローラ１４４５は、プロセスチャンバ１４０５、ハイパーサーマル原子ビームソース１４１０、プロセス監視システム１４５０、ガス注入システム１４２５、及び真空ポンプシステム１４３５に結合し、それらと情報を交換する。メモリに記憶されるプログラムは、記憶されているプロセスレシピに従って処理システム１１００の前述した構成要素を制御するために活用される。コントローラ１４４５の一例が、テキサス州、ダラス（Ｄａｌｌａｓ、Ｔｅｘａｓ）のテキサスインスツルメンツ社（Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）から調達できるデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、型番号ＴＭＳ３２０である。
【００６２】
プロセス監視システム１４５０は、例えば、処理環境のエッチ反応剤及びエッチ副生成物などのガス種を測定するための質量分析計システムを備え得る。一般的には、プロセス監視システム１４５０はプロセス分析及び終末点検出などの複数のタスクを実行できる多目的診断ツールである。図１４に示されているプロセス監視システム１４５０は処理チャンバ１４０５に取り付けられている。代替実施形態では、いくつかのプロセス監視システム構成要素は真空ポンプシステム１４３５から下流に設置できる。プロセス監視システム１４５０はコントローラ１４４５とともに使用し、エッチングプロセスのステータスを決定し、プロセス準拠を確実にするためにフィードバックを提供することができる。
【００６３】
ハイパーサーマル原子ソースの例がここで説明される。中立ハイパーサーマル原子のビームを生成するために多様な方法及びシステムが開発されてきた。供給ガスのイオン化は、通常、ウェハ処理チャンバに連結された別個のチャンバ内にある光学レーザ励起放電、ｄｃ−またはａｃ−アーク、誘導結合、マイクロ波、または電子衝撃放電を使用して実施できる。プラズマ内で形成されるイオンは選択された高い運動エネルギーに加速されてから、電荷中和され、中性ハイパーサーマル原子のビームを形成する。イオンの電荷中和は種々の異なる方法を使用して実施できる。一例はかすめ入射での金属表面とのイオンの相互作用からの電子移動である。
【００６４】
「ＲＦ接地サブデバイ（ｓｕｂ−Ｄｅｂｙｅ）中和剤グリッド（ＲＦ−ｇｒｏｕｎｄｅｄ  ｓｕｂ−Ｄｅｂｙｅ  ｎｅｕｔｒａｌｉｚｅｒ  ｇｒｉｄ）」と題される米国特許番号第６，３３１，７０１号の中でＣｈｅｎ及びＹｖｏｎｎｅは、大型基板を処理するために、２０ｅＶから４００ｅＶの範囲の運動エネルギー、及び１インチから１０インチ以上のビーム直径の中性Ｏ−原子のハイパーサーマルビームを生成するためのシステムを説明している。ハイパーサーマルビームは、ＲＦ−プラズマからの加速された酸素イオンに、該酸素イオンが前方表面散乱を通して電荷中和される中和剤グリッドを通過させることによって生成される。ハイパーサーマルビームは中性Ｏ−原子の高い流量及び小さな分岐角（〜６−３°）を有する。
【００６５】
光レーザ励起放電は、拡張ノズル内での供給ガス（例えばＯ２）を解離（ｄｉｓａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）するためのエネルギーソースとしてパルスレーザ光を利用できる。拡張は、霧箱（ｅｘｐａｎｓｉｏｎ  ｃｈａｍｂｅｒ）と処理チャンバの間のオリフィスを使用して中性反応種（例えばＯ（酸素）原子）のハイパーサーマルビームを生じさせる。
【００６６】
本発明の別の実施形態では、処理システムはプラズマへの暴露によりｈｉｇｈ−ｋ誘電体層を改質するために不活性ガスを含んでいるプロセスガスを活用する。該不活性ガスは、希ガスＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ及びＸｅのグループ、あるいはプラズマ環境でｈｉｇｈ−ｋ層と化学的に反応しない他のガス（例えばＮ２）から選択できる。プラズマ種は該層との相互作用を通してｈｉｇｈ−ｋ層の厚さを効果的に乱す及び／または削減するほど十分なエネルギーを有する。プラズマ処理に続き、ｈｉｇｈ−ｋ層の改質された部分（及びおそらく未改質の部分も）は、改質されたｈｉｇｈ−ｋ層に暴露されると揮発性エッチ生成物を形成するエッチ反応剤を活用する非プラズマプロセスによってエッチングされる。
【００６７】
本発明の代替実施形態では、処理システムは、プラズマへの暴露によってｈｉｇｈ−ｋ層誘電体層を改質するために反応ガスを含んでいるプロセスガスを活用する。例えば、該プロセスガスはＨＢｒまたはＨＣｌなどの反応ガス、及びＨｅなどの不活性ガスを含み得る。プラズマ種は、該層との相互作用を通してｈｉｇｈ−ｋ層の厚さを効果的に乱す及び／または削減するほど十分なエネルギーを有する。プラズマ処理に続き、ｈｉｇｈ−ｋ層の改質された部分（及びおそらく未改質の部分も）は、改質されたｈｉｇｈ−ｋ層に暴露されると揮発性エッチ生成物を形成するエッチ反応剤を含んでいるプロセスガスを活用する非プラズマエッチプロセスによってエッチングされる。
【００６８】
図１５Ａから図１５Ｄは、ｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングすることの例示的な断面表現を示している。図１５Ａでは、セグメント１５００Ａは半導体基板１５０２（例えばＳｉ）の上にあるｈｉｇｈ−ｋ層１５０４を備える。図１５Ａの該ｈｉｇｈ−ｋ層１５０４の表面改質は、ｈｉｇｈ−ｋ層１５０４をプラズマ内の第１のプロセスガスに暴露し、それにより図１５Ｂでセグメント１５００Ｂとして図示される改質されたｈｉｇｈ−ｋ層１５０６を形成することにより実施される。プラズマ処理に続き、改質されたｈｉｇｈ−ｋ層１５０６は以後、エッチ反応剤を含んでいる第２のプロセスガスに改質された層１５０６を暴露する非プラズマエッチプロセスにより除去できる。該エッチ反応剤は、改質されたｈｉｇｈ−ｋ層１５０６と反応すると揮発性エッチ生成物を形成する。セグメント１５００Ｃ（図１５Ｃ）では、改質された層１５０６がエッチプロセスにより除去された。ｈｉｇｈ−ｋ層１５０４の追加の除去（間引き）が必要とされる場合、ｈｉｇｈ−ｋ層１５０４の所望される厚さ（または完全な除去）が達成されるまで、プロセスを繰り返すことができる。セグメント１５００Ｄ（図１５Ｄ）は、ｈｉｇｈ−ｋ層１５０４の完全な除去を示している。
【００６９】
非常に薄いｈｉｇｈ−ｋ層（例えば５０Ａまたはさらに薄い）のケースでは、単一プラズマ処理がｈｉｇｈ−ｋ層全体を実質的に改質することができ、それ以後単一のエッチ工程でｈｉｇｈ−ｋ層の完全な除去を達成できる。より厚いｈｉｇｈ−ｋ層の場合、改質されたｈｉｇｈ−ｋ層１５０６と実質的には未改質の層１５０４の間に移行領域が存在することがある。
【００７０】
パターン化されたエッチプロセスでは、細かい形状構成がフォトレジストまたはハードマスクにより形成される場合、暴露されるｈｉｇｈ−ｋ層の改質は、表面垂直面に平行であるイオン衝撃のために実質的に異方性である。結果として、改質されたｈｉｇｈ−ｋ層の以後の非プラズマエッチングが実質的には異方性となる場合がある。言い換えると、プラズマ改質プロセス及び以後の非プラズマエッチプロセスから、マスクパターンに従った異方性エッチング及び暴露されたｈｉｇｈ−ｋ層の除去が生じる。プロセスガス及びプロセス条件は、パターン化された形状構成及び他の材料が著しくエッチングされたり、損傷を受けないように選択できる。
【００７１】
半導体素子の製造では、ｈｉｇｈ−ｋ層の除去はパターン化プロセスの間のさまざまな段階で実施できる。例えば、除去は通常のゲートエッチプロセスレシピの最後に付加できるか、標準のスペーサ−エッチプロセスに付加できる。
【００７２】
例えば、ハードマスクにより形成されるゲート電極を形成するためのシーケンスは以下を備え得る。つまり、１）ハードマスクを通してエッチングする「ブレークスルー」、２）電極形状構成を形成する「メインエッチ」、３）Ｓｉ基板の上にある（ｈｉｇｈ−ｋ）誘電体層をエッチングし、除去する「オーバエッチ」である。
【００７３】
前記プラズマエッチ工程３）は、非プラズマエッチプロセスが後に続くプラズマ改質／間引きプロセスによって達成できる。プラズマプロセスでは、プラズマ種がｈｉｇｈ−ｋ層と相互作用し、それを完全に除去することなくｈｉｇｈ−ｋ層を改質する。
【００７４】
現在はｈｉｇｈ−ｋ層に対するプラズマ処理の正確な影響はわかっていない。プラズマ処理により、ｈｉｇｈ−ｋ層の不定形の内容物が増加し、ｈｉｇｈ−ｋ層に原子の残留物質を生じさせる化学結合が破壊される可能性がある。不活性ガスの使用に加えて、開示されているプラズマ処理は反応ガスを活用でき、イオンエネルギーは、以後の非プラズマエッチプロセスが改質されたｈｉｇｈ−ｋ層を除去できるような方法でｈｉｇｈ−ｋ層の原子構造を乱すのに十分である。反応ガスを使用するとき、プロセス条件は、既存のゲート導体形状構成が著しくエッチングされないように選択できる。例えば、プラズマエネルギーはｈｉｇｈ−ｋ層とのプラズマ相互作用の深さを制御するために変えることができる。
【００７５】
図２Ａを参照し直すと、本発明の実施形態に従ってｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングすると、ｈｉｇｈ−ｋ層をプラズマ改質／間引きプロセスに暴露し、続いて改質されたｈｉｇｈ−ｋ層をエッチ反応剤に暴露することにより図２Ａのｈｉｇｈ−ｋ層の覆いのない部分が除去された図２Ｂに示される構造１００Ｄが生じる。図３Ａを参照し直すと、ｈｉｇｈ−ｋ層を完全に除去すると、ｈｉｇｈ−ｋ層をプラズマ改質／間引きプロセスに暴露し、続いて改質されたｈｉｇｈ−ｋ層をエッチ反応剤に暴露することによりｈｉｇｈ−ｋ層の覆いのない部分が除去された図３Ｂに示される構造１００Ｆが生じる。
【００７６】
図１６は、ｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングするためのフローチャートである。１６００で、プロセスは開始される。ｈｉｇｈ−ｋ層は基板上の別の層の上にある場合があり、基板はプロセスチャンバ内に配置できる。１６０４で、不活性ガス及び／または反応ガスを含んでいるプロセスガスが処理チャンバの中に導入され、プラズマが開始される。１６０６で、ｈｉｇｈ−ｋ層がプラズマへの暴露により改質される。１６０６でのプラズマプロセスがｈｉｇｈ−ｋ層を改質するために必要とされる時間の量の間実施されると、プラズマ処理は１６０８で終了する。
【００７７】
１６０８でのプラズマ処理に続き、改質されたｈｉｇｈ−ｋ層は、エッチ反応剤を含んでいるプロセスガスを活用する非プラズマエッチプロセスを使用して、さらにエッチングされる。エッチプロセスは、プラズマプロセスと同じチャンバ内で、あるいは第２のプロセスチャンバ内で実施できる。エッチプロセスの間、エッチ反応剤は１６１０でプロセスチャンバの中に導入される。エッチ反応剤は、１６１２で改質されたｈｉｇｈ−ｋ層と反応すると揮発性エッチ生成物を形成し、該揮発性エッチ生成物は１６１４で熱脱離により除去される。代わりに、該揮発性生成物はプラズマ促進脱離（ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃｅｄ）プロセスにより除去することができる。ｈｉｇｈ−ｋ層の追加除去が１６１６で必要とされる場合、プロセスを繰り返すことができる。ｈｉｇｈ−ｋ層の所望される除去が達成されたら、プロセスは１６１８で終了する。
【００７８】
ＳｉＯ２の上にあるｈｉｇｈ−ｋ誘電体層のエッチングに関する侵攻性の（ａｇｇｒｅｓｓｉｖｅ）プラズマプロセスの低選択性は、Ｓｉ（及びＳｉＯ２）領域の上にあるｈｉｇｈ−ｋ層を取り除こうとするときに問題になる。プラズマ存在下でのｈｉｇｈ−ｋ誘電体層のオーバエッチングは素子の分離領域からのＳｉの過剰な除去につながる場合がある。したがって、ｈｉｇｈ−ｋ誘電体のＳｉゲート電極材料（及び代替のゲート電極材料）との統合は、Ｓｉ（及びＳｉＯ２）に対する高い選択性のある新しいエッチプロセスの使用を必要とする。プラズマへの暴露中に示唆されるｈｉｇｈ−ｋ層の分子構造の破壊により、以後の非プラズマエッチプロセスでのエッチ反応剤のさらに広い選択肢が可能になる。これらのエッチ反応剤は、Ｓｉ（及びＳｉＯ２）に対するｈｉｇｈ−ｋ材料の高いエッチ選択性を有することがある。
【００７９】
本発明の１つの実施形態では、プラズマ改質ｈｉｇｈ−ｋ層が、容易に反応し、揮発性エッチ生成物を形成するエッチ反応剤を含んでいるプロセスガスに該層を暴露することによりエッチングされる。エッチ反応剤は該層の中の金属イオンでキレート化し（つまり、エッチ反応剤は複数の配位子原子を通して金属イオンに付着する）、それにより暴露された層の完全な（または部分的な）除去を可能にするエッチ生成物を形成することによって、該層と反応できるβジケトンなどの化合物を含み得る。この反応は、ｈｉｇｈ−ｋ層の場合相対的に高いエッチ速度を、周囲の層の場合相対的に低速のエッチ速度を生じさせることがある。重要なことに、Ｓｉ層及びＳｉＯ２層が、βジケトンなどのエッチ反応剤と反応するときに揮発性のエッチ生成物を形成し、それにより所望されるエッチ選択性を提供することが知られていない。不活性ガスは前述したプロセスガス化学物質の任意の１つに追加できる。該不活性ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ及びＮ２の少なくとも１つを含んでよい。加えて、酸素含有ガス（例えば、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２）が、前述したプロセスガス化学物質のどれか１つに追加できる。
【００８０】
ｈｉｇｈ−ｋ層の所望されるエッチングを可能にするプロセス条件は、直接的な実験及び／または実験計画（ＤＯＥ）により決定されてよい。例えば、調整可能なプロセスパラメータは基板温度、プロセス圧力、プロセスガスの選択肢、及び該プロセスガスの相対的な流量を備え得る。例えば、ドライサーマルエッチプロセスのためのプロセスパラメータ空間は、１０Ｔｏｒｒ未満のチャンバ圧力、２０００ｓｃｃｍ未満のプロセスガス流量、（キャリヤガスを含む）１０００ｓｃｃｍ未満のエッチ反応剤ガス流量、及び４００℃未満の基板温度を活用できる。
【００８１】
図１７は、本発明の一実施形態に従った処理システムを示している。図１７から図２０では、類似した参照番号が類似した要素を示すために使用される。処理領域４５内でのプラズマの生成を容易にするように構成されるプロッスチャンバ１０を含む、プラズマを持続できる処理システム１が図１７に描かれている。処理システム１は、さらに、その上に処理される基板２５が取り付けられる基板ホルダ２０と、プラズマプロセスチャンバ１０にプロセスガス４２を導入するためのガス注入システム４０と、真空ポンピングシステム５０とを備える。代わりに、ガス注入システム４０は、キャリヤガスなどの追加プロセスガスを導入するための補助ガス計量分配装置４４を備え得る。ガス注入システム４０は、原位置近くのガスソースからプロセスチャンバへのプロセスガスの送達に対する独立した制御を可能にする。
【００８２】
イオン化ガスまたはガスの混合物がガス注入システム４０を介して導入され、プロセス圧力が調整される。例えば、真空ポンピングシステム５０及びガス注入システム４０を制御するためにはコントローラ５５が使用される。プラズマは、所定の材料プロセスに特殊な材料を作成するため、及び材料の基板２５への付着または基板２５の暴露された表面からの材料の除去のどちらかを助長するために活用される。
【００８３】
基板２５は、それが基板ホルダ２０の中に収納される基板リフトピン（図示せず）により受け取られ、その中に収納される素子により機械的に平行移動されるロボット基板移送システムを経由してスロットバルブ（図示せず）及びチャンバフィードスルー（図示せず）を通してチャンバ１０の中に及びその中から移送される。いったん基板２５が基板移送システムから受け取られると、それは基板ホルダ２０の上面まで下げられる。
【００８４】
基板２５は静電クランプ（図示せず）を介して基板ホルダ２０に取り付けられる。さらに、基板ホルダ２０は、基板ホルダ２０から熱を受け取り、熱交換器システム（図示せず）に熱を伝達する、あるいは加熱時に熱交換器システムから熱を伝達する再循環するクーラントの流れを含む温度調節システムも含む。結果として、基板温度は約４００℃未満で維持できる。代わりに、基板温度は約２００℃未満で維持できる。さらに、ガスは基板２５と基板ホルダ２０の間のガス−ギャップ熱伝導係数を改善するために基板の裏面に送達されてよい。このようなシステムは、昇温状態または還元温度で基板の温度調節が必要とされるときに活用される。例えば、基板の温度調節はプラズマから基板２５に送達される熱流束と、基板ホルダ２０への誘導作用により基板２５から除去される熱流束の均衡のため、達成された定常状態の温度を超過した温度で有効であってよい。他の実施形態では、抵抗発熱体などの発熱体、あるいは熱電加熱器／冷却器が含まれる。
【００８５】
図１７に図示される実施形態では、基板ホルダ２０はさらに、それを通って無線周波数（ＲＦ）電力が処理領域４５内のプラズマに結合される電極として働くこともできる。例えば、基板ホルダ２０は、インピーダンス整合ネットワーク３２を通るＲＦ生成器３０から基板ホルダ２０へのＲＦ電力の伝達を介してＲＦ電圧で電気的に付勢できる。ＲＦバイアスは電子を加熱する働きをし、それによりプラズマを形成、維持する。この構成では、システムはＲＩＥリアクタとして動作し、チャンバ及び上部ガス注入電極が接地面として働く。ＲＦバイアスのための典型的な周波数は１ＭＨｚから１００ＭＨｚの範囲となり、１３．５６ＭＨｚである場合がある。
【００８６】
代替実施形態では、ＲＦ電力は、複数の周波数で基板ホルダ電極に印加できる。さらに、インピーダンス整合ネットワーク３２は、反射電力を最小限に抑えることにより処理チャンバ１０内でのプラズマへのＲＦ電力の移送を最大限にするために役立つ。マッチネットワークトポロジ（例えば、Ｌ型、π型、Ｔ型）及び自動制御方法は技術で既知である。
【００８７】
図１７を続けて参照すると、プロセスガス４２はガス注入システム４０を通して処理領域４５に導入される。ガス注入システム４０はシャワーヘッドを含むことがあり、プロセスガス４２は、ガス注入プレナム（図示せず）、一連のバッフルプレート（図示せず）、及びマルチオリフィスシャワーヘッドガス注入プレート（図示せず）を通してガス送達システム（図示せず）から処理領域４５に供給される。
【００８８】
真空ポンプシステム５０は、毎秒５０００リットル（以上）までのポンプ体積流量を可能とするターボ分子真空ポンプ（ＴＭＰ）、及びチャンバ圧力の流れを絞るためのゲートバルブを含み得る。ドライプラズマエッチのために活用される従来のプラズマ処理装置では、毎秒１０００リットルから３０００リットルのＴＭＰが利用される。ＴＭＰは、通常５０ｍＴｏｒｒ未満の低圧処理に有効である。高圧処理（つまり１００ｍＴｏｒｒより大きい）の場合、機械ブースタポンプ及び乾燥粗選ポンプが使用される。
【００８９】
コントローラ５５は、マイクロプロセッサと、メモリと、処理システム１からの出力を監視するだけではなく、処理システム１への入力を伝達、活性化するためにも十分な制御電圧を生成できるデジタルＩ／Ｏポートとを含む。さらに、コントローラ５５は、ＲＦ生成器３０、インピーダンス整合ネットワーク３２、ガス注入システム４０、プロセス監視システム５７及び真空ポンプシステム５０に結合し、それらと情報を交換する。例えば、メモリに記憶されるプログラムは、記憶されているプロセスレシピに従ってプラズマ処理システム１の前述した構成要素を制御するために活用できる。コントローラ５５の一例が、テキサス州、ダラス（Ｄａｌｌａｓ，Ｔｅｘａｓ）のテキサスインスツルメンツ社（Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）から調達できるデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、型番号ＴＭＳ３２０である。
【００９０】
プロセス監視システム５７は、例えば、プラズマ環境内の励起した粒子を測定するための光学発光分光法（ＯＥＳ）システム及び／またはプラズマ密度を測定するためのラングミュアプローブなどのプラズマ診断システムを備え得る。代わりに、プロセス監視システム５７はマイクロ波及び／またはＲＦ診断システムを備え得る。プラズマ診断システムに加えて、プロセス監視システム５７は、例えば、ガス状のエッチ反応剤、エッチ生成物及び処理環境の他のガスを監視するための質量分析計システムなどのガスアナライザを備え得る。図１７に示されるプロセス監視システム５７は処理チャンバ１０に取り付けられる。代替実施形態では、いくつかのプロセス監視システム構成要素は真空ポンプシステムから下流に設置できる。プロセス監視システム５７はコントローラ５５とともに使用し、エッチングプロセスのステータスを決定し、プロセス準拠を確実にするためにフィードバックを提供することができる。
【００９１】
ｈｉｇｈ−ｋ含有層の所望されるプラズマ改質を可能にするプロセス条件は、直接的な実験及び／または実験計画（ＤＯＥ）により決定されてよい。例えば、調整可能なプロセスパラメータは、プラズマ電力、プラズマ周波数、基板温度、プロセス圧力、プロセスガスの選択肢及びプロセスガスの相対ガス流量を備え得る。プラズマ電力及びプラズマ周波数は、プラズマ内のプロセスガスの解離の範囲を制御するために使用できるプロセスパラメータであり、同様に改質プロセスの効率に影響を及ぼす。前述したプロセスＰラメータに加えて、補助ガス計量分配装置４４の使用などのプロセスガスを導入するためのさまざまな方法が追加の制御を可能にする。
【００９２】
図１８は、本発明の代替実施形態に従った処理システムを示している。図１８の処理システム１は、図１７に関して説明されたそれらの構成要素に加えて、プラズマ密度を潜在的に高める、及び／またはプラズマ処理均一性を改善するためにさらに機械的または電気的に回転するＤＣ磁場システム６０を含む。さらに、コントローラ５５は回転の速度及び電界強度を調節するために回転磁場システム６０に結合される。
【００９３】
図１９は、本発明の代替実施形態に従ったプラズマ処理システムを示している。図１９の該処理システム１は、さらに、ＲＦ電力がＲＦ生成器７２からインピーダンス整合ネットワーク７４を通して結合される上部平板電極７０を含む。ＲＦ電力を該上部電極に適用するための通常の周波数は１０ＭＨｚから２００ＭＨｚの範囲であり、好ましくは６０ＭＨｚである。さらに、下部電極に対する電力の適用のための典型的な周波数は０．１ＭＨｚから３０ＭＨｚの範囲となり、好ましくは２ＭＨｚである。さらに、コントローラ５５は、ＲＦ電力の上部電極７０への適用を制御するために、ＲＦ生成器７２及びインピーダンス整合ネットワーク７４に結合される。
【００９４】
図２０は、本発明の代替実施形態に従った処理システムを示している。図１７の処理システムは、ＲＦ電力がインピーダンス整合ネットワーク８４を通してＲＦ生成器８２を介して結合される誘導コイル８０をさらに含むように改良される。ＲＦ電力は誘導コイル８０から誘電体ウィンドウ（図示せず）を通って処理領域４５まで誘導的に結合される。ＲＦ電力の誘導コイル８０への適用のための典型的な周波数は１０ＭＨｚから１００ＭＨｚの範囲となり、好ましくは１３．５６ＭＨｚである。同様に、チャンク電極への電力の適用のための典型的な周波数は０．１ＭＨｚから３０ＭＨｚの範囲となり、好ましくは１３．５６ＭＨｚである。加えて、スロット付きのファラデーシールド（図示せず）は、誘導コイル８０とプラズマの間の静電結合を削減するために利用できる。さらに、コントローラ５５は、誘導コイル８０に対する電力の適用を制御するために、ＲＦ生成器８２及びインピーダンス整合ネットワーク８４に結合される。
【００９５】
代替実施形態では、プラズマは電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を使用して形成される。さらに別の実施形態では、プラズマはヘリコン波の発射から形成される。さらに別の実施形態では、プラズマは伝搬する表面波から形成される。
【００９６】
図２１はプラズマ処理チャンバ及びエッチングチャンバに結合される移送システムを示している。ｈｉｇｈ−ｋ層を改質するプラズマプロセスに続いて、層の非プラズマエッチングは同じプロセスチャンバ内で、あるいは動作できるように処理チャンバに結合されるか、または処理チャンバ内で結合される別のエッチングチャンバ内で実行することができる。図２１では、移送システム２１０２はプラズマ処理チャンバ２１００及びエッチングチャンバ２１０４に動作できるように結合される。該移送システムは、プラズマ処理チャンバ２１００からエッチングチャンバ２１０４に基板を機械的に平行移動するロボット基板移送システムを備え得る。
【００９７】
本発明を実践する上で本発明の多様な変型及び変形が利用されてよいことが理解されるべきである。したがって、添付請求項の範囲内では、本発明は特にここに説明される以外に実践されてよいことが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１Ａ】本発明の一実施形態に従ってｈｉｇｈ−ｋ層のエッチングプロセスの例示的な断面表現を示す図である。
【図１Ｂ】本発明の一実施形態に従ってｈｉｇｈ−ｋ層のエッチングプロセスの例示的な断面表現を示す図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態に従ったゲート電極構造の中のｈｉｇｈ−ｋ層のエッチングプロセスの例示的な断面表現を示す図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態に従ったゲート電極構造の中のｈｉｇｈ−ｋ層のエッチングプロセスの例示的な断面表現を示す図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に従ったゲート電極構造でのｈｉｇｈ−ｋ層のためのエッチングプロセスの例示的な断面表現を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態に従ったゲート電極構造でのｈｉｇｈ−ｋ層のためのエッチングプロセスの例示的な断面表現を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に従ってｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングするためのフローチャートである。
【図５】βジケトンエッチ反応剤のケトエノール互変異性を概略的に示す図である。
【図６】Ｍ（ｈｆａｃ）２エッチ生成物の概略図である。
【図７】本発明の一実施形態に従った処理システムを示す図である。
【図８Ａ】本発明の別の実施形態に従ったｈｉｇｈ−ｋ層のためのエッチングプロセスの例示的な断面表現を示す図である。
【図８Ｂ】本発明の別の実施形態に従ったｈｉｇｈ−ｋ層のためのエッチングプロセスの例示的な断面表現を示す図である。
【図８Ｃ】本発明の別の実施形態に従ったｈｉｇｈ−ｋ層のためのエッチングプロセスの例示的な断面表現を示す図である。
【図９】ｈｉｇｈ−ｋ層のための異方性エッチングプロセスの概略断面表現を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態に従ってｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングするためのフローチャートである。
【図１１Ａ】本発明の代替実施形態に従ったｈｉｇｈ−ｋ層のためのエッチングプロセスの例示的な断面表現を示す図である。
【図１１Ｂ】本発明の代替実施形態に従ったｈｉｇｈ−ｋ層のためのエッチングプロセスの例示的な断面表現を示す図である。
【図１１Ｃ】本発明の代替実施形態に従ったｈｉｇｈ−ｋ層のためのエッチングプロセスの例示的な断面表現を示す図である。
【図１１Ｄ】本発明の代替実施形態に従ったｈｉｇｈ−ｋ層のためのエッチングプロセスの例示的な断面表現を示す図である。
【図１２】本発明の代替実施形態に従ったｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングするためのフローチャートである。
【図１３】本発明の代替実施形態に従ってｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングするためのフローチャートである。
【図１４】本発明の代替実施形態に従った処理システムを示す図である。
【図１５Ａ】本発明の代替実施形態に従ったｈｉｇｈ−ｋ層のためのエッチングプロセスの例示的な断面表現を示す図である。
【図１５Ｂ】本発明の代替実施形態に従ったｈｉｇｈ−ｋ層のためのエッチングプロセスの例示的な断面表現を示す図である。
【図１５Ｃ】本発明の代替実施形態に従ったｈｉｇｈ−ｋ層のためのエッチングプロセスの例示的な断面表現を示す図である。
【図１５Ｄ】本発明の代替実施形態に従ったｈｉｇｈ−ｋ層のためのエッチングプロセスの例示的な断面表現を示す図である。
【図１６】本発明の代替実施形態に従ってｈｉｇｈ−ｋ層をエッチングするためのフローチャートである。
【図１７】本発明の別の実施形態に従った処理システムを示す図である。
【図１８】本発明の代替実施形態に従った処理システムを示す図である。
【図１９】本発明の代替実施形態に従った処理システムを示す図である。
【図２０】本発明の代替実施形態に従った処理システムを示す図である。
【図２１】プラズマ処理チャンバ及びエッチングチャンバに結合される移送システムを示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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