HFガスを用いたSiO2のバッチ式等方性
ガスエッチング装置の開発
橋本篤明 ・佐藤正幸 ・堤賢吾 ・
＊1

＊2

＊2

井上寛揚 ・小野洋平 ・本田和広 ・隣嘉津彦＊2＊2＊1＊1Development of Batch Type Isotropic Gas Etching System Using HF Gas
Atsuaki HASHIMOTO , Tadayuki SATO , Kengo TSUTSUMI ,
＊1

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Hiroaki INOUE , Yohei ONO , Kazuhiro HONDA , Kazuhiko TONARI
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＊1

Institute of Advanced Technology, ULVAC, 1220-1 Suyama, Susono, Shizuoka, 410-1231, Japan＊1＊2

Semiconductor Equipment Division, ULVAC, 1220-14, Suyama, Susono, Shizuoka, 410-1231, JapanWe have developed a new batch-type isotropic gas etching system that does not utilize H radicals.
The isotropic gas etching process is used in semiconductor manufacturing to etch pattern structuresand requires high-aspect ratio etching without causing damage to the underlying layer. Our
previous release, [RISE-300], was a batch-type gas etching tool that utilized H radicals and was easy
to handle due to the absence of highly corrosive gases like HF. However, it was difficult to control
the etching distribution within a batch. In recent years, conventional processes have become
insufficient to meet the performance requirements of device manufacturers. Our new batch-type
isotropic gas etching process, which does not utilize H radicals, outperforms conventional methods
in terms of wafer-to-wafer uniformity and step coverage. Additionally, this new process allows for
precise control of etching distribution within the wafer plane.

1.

はじめにNANDとDRAMの技術は，デバイス構造の 3 次元化やトランジスタ構造の高密度集積化によって発展を続けてきた。3D NANDでは，更なる大容量化のため能を達成するための開発内容を記載する。

2.

 iO2のバッチ式等方性ガスエッチング
Sプロセスに，デバイス構造の積層数を増やしている。3Dデバ

本項では従来のバッチ式等方性ガスエッチングプロ

イスのような高アスペクト比を持つ構造を均一に処理

セスと新方式との違いについて述べ，プロセス性能のする手段として，シリコンの自然酸化膜除去プロセス

基礎評価結果の比較を記載する。などで使用されるHFとNH3の化学反応を利用したガスエッチングプロセス（以下等方性ガスエッチングプ

2.1 水素ラジカルを使用した従来方式のプロセスロセスと表現する）を用いることができる。実際に，従来方式のプロセスでは，エッチャントを生成する

3D NANDのチャネルホール底面に生成する自然酸化ため水素ラジカルを使用する 。詳細説明のために，膜の除去には，同プロセスが用いられている。3Dプロセスの化学反応式を以下に示す。

1）

NANDのデバイス構造が進化するにつれ，カバレッ
ジ性能は勿論，ウェーハ間のエッチング量分布の均一

NF3 + H = HF + NF2 （1）＊＊2）

性やウェーハ面内のエッチング量均一性についても，HF + NH3 = NH4F （2）要求が高まりつつある。本記はこのバッチ式等方性ガ

2NH4F + 4HF + SiO2 = SiF（NH2 + 2H2O （3）64）

スエッチングプロセスにおいて，より高いプロセス性
上記式（1）～（3）において，水素ラジカルは式（1）に（株）アルバック 先進技術研究所（〒410-1231 静岡県裾野市須山1220-1）＊2	（株）アルバック 半導体装置事業部（〒410-1231 静岡県裾野市須山1220-14）
＊1	

26

示されるHF分子の生成工程に寄与する。式（2）において生成したHF分子とNH3分子が反応し，NH4F分子となる。このNH4F分子がエッチャントとしてSiO2と反応し，SiF（NH（NH64）2に変質させる。SiF64）
2は真空チ

Fig.1S chematic of conventional batch typeisotropic gas etching system

Fig.2 S chematic of new batch type isotropic gasetching system

ャンバー内での加熱により蒸発し、ウェーハ表面より反応させ，エッチャントを生成する。従来方式のプロ除去される。ここまでの工程でSiO2のエッチングが完セスと同じく，57枚のウェーハとガス導入口が配置さ了する。このプロセスの装置構成をFig.1に示した。

れる。これらに記載の新方式のプロセスでは，水素ラ上記（1）～（3）の反応を反応室内の気相中・またはウェジカルが直接ウェーハに吹き付けられることは無い。

ーハ表面で起こるようにするため，アプリケータより導入される水素ラジカルを含む混合ガスは，分散機構2.3 水素ラジカルとウェーハ昇温を介して反応室内へ導入され，別系統より導入された

2.1および2.2に示す従来方式と新方式の違いは，水NF3ガスと混合される装置構成となっている。縦型ボー素ラジカルの有無である。従来方式のプロセスでは，ト上に57枚のウェーハが配置され，ウェーハ 1 枚につ活性状態のままウェーハ表面に吹き付けられた水素ラきそれぞれのガス導入口が配置される。この57枚のウジカルは，失活時の熱の受け渡しによって，ウェーハェーハについて，上から順にTop/Middle Top/Center/の昇温を引き起こす。昇温レートは水素ラジカル量にMiddle Bottom/Bottomという 5 つの領域を定義する。

比例し，より水素ラジカルが吹き付けられる領域では，Middle TopおよびMiddle Bottomはアプリケータ正面エッチング中のウェーハ温度が上昇する。領域ごとにに配置された領域となる。これらに記載の従来方式の吹き付けられる水素ラジカル量分布の模式図をFig.3

プロセスでは，水素ラジカルが直接ウェーハに吹き付に示した。アプリケータ正面に配置されているMiddleけられることで生じる問題がある。内容についてはTop及びMiddle Bottom領域では，他領域よりも多く2.3および2.4にて記述する。の水素ラジカルが供給される。これにより他領域に対し相対的に高い温度でエッチングが実施され，プロセ

2.2 水素ラジカルを使用しない新方式のプロセス
新方式のプロセスでは，エッチャントを生成するための手法としてHFガスを使用する。詳細説明のために，プロセスの化学反応式を以下に示す。
HF + NH3 = NH4F （4）2NH4F + 4HF + SiO2 = SiF（NH64）
2 + 2H2O （5）
上記式
（4）
～
（5）は従来方式のプロセスにおける式（2）～（3）と同じであり，従来方式のプロセスと異なる点は，水素ラジカルを使用した式（1）の反応の有無になる。この装置構成をFig.2に示した。HF分子はガスとして直接供給されるため，水素ラジカルを供給する必要が無くなる。別系統から導入されるHFガスと

Fig.3

S chematic diagram of hydrogen radical

distribution in a conventional process

NH3ガスを処理室内の気相中・またはウェーハ表面で27
March/2023 No.85

ス性能に悪影響を与える。一方新方式のプロセスでは2.5 エッチングレートの膜種選択性

水素ラジカルの供給が無いため，水素ラジカルを原因

Fig.7にFig.6と同一条件で処理を行った際のSiN膜おとした温度分布は生じない。Fig.4にエッチング中のよびPoly-Si膜とのエッチング選択性を示す。従来方式

ウェーハ温度の実測値をプロセス方式毎に示す。従来のプロセスに対し，新方式のプロセスでより選択的に方式のプロセスでは、アプリケータ正面とそれ以外のSiO2膜をエッチングしていることがわかる。これは，領域にて温度差が見られ、水素ラジカルの影響が表れ

式（1）に記載のFを含んだ活性副生成分子がSiN膜およていることがわかる。

びPoly-Si膜に対するエッチャントとして働いていることを示している。本プロセスを使用する工程では，2.4 ウェーハ間の温度分布とエッチングレート分布

SiO2のエッチングと同時に微量のSi部をエッチングす本プロセスはエッチャントとなるNH4F分子の，ウることが要求される場合もあり，従来方式のプロセスェーハ上への吸着律速となる温度領域を使用しており，と新方式のプロセスとの組み合わせによって，広いマ温度上昇とともにエッチングレートが低下する。Fig.5

ージンを持ったプロセスが提供可能となる。に本プロセスにおける温度とエッチングレートの関係を示した。Fig.4の結果とFig.5の関係性から，よりウ3.

より良いウェーハ間でのエッチングレートの均一性を アスペクト比構造処理時のステップ高カバレッジ期待することができる。さらにエッチング量のウェー

本プロセスは高いアスペクト比構造の処理を行う用

ハ間分布の比較をFig.6に示す。新方式は、アプリケ途が多いため，エッチング量のステップカバレッジがェーハ間の温度分布が小さい新方式のプロセスでは，ータ正面のエッチング量が増加し、均一性が改善していることがわかる。

Fig.6 C omparison of etching amount distribution
Fig.4

between wafers for conventional and newComparison of wafer temperature change

processes

during process between conventional andnew methods

Fig.528

R elationship between temperature andetching rate

Fig.7

C o m p a r i s o n o f e t c h r a t e s e l e c t i v i t y

between conventional and new processes

プロセス性能として重要となる。本項では，上述の従ることで，ステップカバレッジの性能を評価できる。

来方式のプロセスとHFガスを使った新方式のプロセ

本記ではFig.9のようにあるトレンチ深さでのエッチスのステップカバレッジの性能と，ステップカバレッング量tsとトレンチ領域外のエッチング量tfの比率を，ジ向上のための手法について紹介する。

カバレッジ性能と定義した。Fig.10にFig.6に示した結果と同一条件で処理を行った際のカバレッジ性能の結3.1 従来方式のプロセスと新方式のプロセスのステップカバレッジ性能

果の比較を示す。この結果では，カバレッジ性能に差は見られない。水素ラジカルによるHF分子の生成，カバレッジ性能の評価を実施するため，高アスペクまたはHFガスの直接供給という違いはあるが，エットトレンチ形状のTEGを作製した。TEGの模式図とチングの化学反応は同じであるためだと考えられる。

評価時に使用したエッチング後のTEGを断面方向より観察した際のTEM像をFig.8に示す。断面TEM像が3.2 ステップカバレッジの改善示すように，トレンチ深さ方向に対してSiO2の膜厚が当社では本プロセスのステップカバレッジを改善す増加していることがわかるが，これはエッチング量がる手法を開発した。この手法では，エッチング処理をパターンの深さに対して減少しているからであり，こ行う前にウェーハ温度を所定の温度へと調整したのちのエッチング量の深さ方向に対する減少量を定量化すにエッチングステップを開始することで，ウェーハ上へのエッチャント吸着確率を調整しステップカバレッジを向上させる。評価結果をFig.11に示した。温調ス
テップの追加により，カバレッジが改善していることがわかる。さらにモンテカルロシミュレーションによるステップカバレッジの予想結果と比較したところ，
温調ステップが無い結果は吸着確率が 5 ×10 のシミ-4ュレーション結果とほぼ一致している。このことから

Fig.10
Fig.8

Schematic of coverage evaluation TEG

Fig.11
Fig.9

Step coverage definition

C omparison of coverage performance

between conventional and new processesDifference in step coverage performancewith and without temperature control
step in a new process

29
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カバレッジは，エッチャントの吸着確率に依存していエッチャント分圧が変化することで発生する。当然こることがわかる。一方温調ステップを追加した結果は，の分布の不均一性は，エッチャントを消費するウェー減少曲線の形はやや異なるが，吸着確率がモンテカル

ハ表面積が増加するほど大きくなる。この現象をパタロシミュレーションの 2 ×10 の減少曲線により近いーンローディング現象と言う。Fig.12に本現象につい結果となっており，この時のエッチャントの吸着確率ての概略図を記載する。デバイス作成工程においてはは温調ステップが無いプロセスの1/2以下になってい様々なパターン形状を持つウェーハを処理するため，ると予想される。上記のように，カバレッジ性能は温処理対象毎に本現象の程度が変化する。そのため，本度で変化するため，温度管理が重要になる。第 2 項で現象の程度に合わせて調整が可能な対応手法が必要と記述したように，従来方式のプロセスにおいては，エなる。

-4

ッチング温度のコントロールが水素ラジカルの影響により困難であり，この点を踏まえるとステップカバレッジの性能においても，新方式のプロセスは優位性が4.2 面内分布調整機構
HFガスを使用した新方式のプロセスにおいて面内のエッチャント分圧を連続的に調整する手法を開発しある。

た。概略図をFig.13に示す。この手法は，処理室内で4.

 規ハードウェア開発 : 面内分布調整
新機構

エッチャントの原料ガスを混合する本プロセスの特徴を利用し，原料ガス同士の混合位置を変化させることでウェーハ面内のエッチャント分圧を調整する。具体

本項では，新方式のプロセス向けに新たに開発した的には，新方式のプロセスにおいては，平行に配置さウェーハ面内でのエッチング分布を調整する機構を紹れたHFガス導入口とNH3ガス導入口の距離を連続的介する。本機構は，バッチ式装置で常に課題となるパに変化させることで，ウェーハ面内におけるNH4F分ターンローディング現象への効果的な対策となる。

圧のピーク位置を連続的に調整する。HFガスとNH3ガスの導入間距離と、中心部と外周部のエッチング量

4.1 パターンローディング現象

対し，線形性を持って面内のエッチング量分布が変化

よびFig.2に示すように，エッチングガスを回転ボーしていることがわかる。パターンローディング現象のト上に設置されたウェーハに横から吹き付ける。ボー

影響の大きさに合わせて本機構により面内のエッチャトは回転しているためウェーハ面内は回転対称なエッント分圧を制御することで，異なる表面積を持つさまチング分布となるが，外周部と中心部でエッチング量ざまなパターンウェーハに対して均一にエッチングすの分布が発生してしまう。これはエッチャントが消費ることができる。

されながら排気ポートへ進むことで，ウェーハ面内でFig.1230の比の関係をFig.14に示す。各ガスの導入口の距離にバッチ式等方性ガスエッチング装置では，Fig.1おScheme of pattern loading effect

5.

まとめ

水素ラジカルを使用しない新方式のバッチ式等方性ガスエッチング装置を開発した。この新方式のプロセスを評価し，従来方式と比較したところ，ウェーハ間のエッチング量およびカバレッジの均一性において,新方式のプロセスが従来方式を上回る結果を達成した。
さらに，基板面内のエッチング分布を任意に制御する手法を新たに開発した。
文 献
Fig.13 In-plane etching distribution control system1）W.-S. Kim, W. G. Hwang, I.-K. Kim, K.-Y. Yun, K.
M. Lee and S.-K. Chae, Solid State Phenom., 2005,103–104, 63–66
2）Matsugi, Akira, et al. “Gas-phase reaction
mechanism in chemical dry etching using NF3
and remotely discharged NH3/N2 mixture.” RSC
Advances 10.51（2020）: 30806-30814.

Fig.14 Relationship between gas inlet distanceand in-plane etching distribution

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