JP7144532B2 - 選択的エッチングプロセスの選択性を高める方法 - Google Patents

Description

本開示は、薄膜をエッチングする方法に関する。特に、本開示は、金属ゲート用途の窒化金属膜を選択的にエッチングするためのプロセスに関する。

半導体業界は、単位面積あたりの機能性をより高めるために、ますます小型化するトランジスタ寸法を有するチップを急速に開発している。デバイスの寸法が縮小し続けると、デバイス間の間隙／空間も縮小し、デバイスを互いに物理的に隔離することがますます困難になっている。高品質の誘電体材料を伴って不規則な形状していることが多い、デバイス間の高アスペクト比のトレンチ／空間／間隙を埋めることは、間隙充填、ハードマスク、及びスペーサの用途を含む既存の方法を用いた実装に対するますます大きな課題になりつつある。

集積回路は、基板表面上に複雑にパターン形成された材料層を製造するプロセスによって可能となる。基板上にパターン形成された材料を製造するには、露出した材料を除去するための制御された方法が必要である。多くの場合、ある材料を別の材料より速くエッチングするエッチングプロセスを有することは有用である。このようなエッチングプロセスは、第１の材料に対して選択的であると言われる。材料、回路、及びプロセスの多様性の結果として、広範囲の材料の１つ以上を選択的に除去するエッチングプロセスが開発されてきた。

金属窒化物（例えば、ＴａＮ及びＴｉＮ）は、高ｋ及びｎ金属キャッピング、ｐ－金属、又はエッチング停止層として、金属ゲートに幅広く用いられている。高度な統合スキーム（１０ｎｍ及びそれ以降）では、連続的な金属堆積の前にＴａＮとＴｉＮの両方が表面に露出しているのが一般的である。調整可能な仕事関数を達成するために、金属堆積の前に基板ＴａＮ又はＴｉＮの厚さを制御することが有用でありうる。

ある金属窒化物を別の金属窒化物の上に選択的にエッチングする現在の方法は、高レベルのエッチング選択性を示さない。したがって、本方法を利用しようとするプロセスは、２つの窒化金属膜の間に十分な厚さの差を確立するために、より長いエッチングを実施することができるように、より大量の窒化膜を堆積させなければならない。より厚い層の堆積及びより長いエッチングプロセスは、追加の処理時間及び材料資源を必要とし、それによってスループットを低下させ、製造コストを増加させる。

したがって、当技術分野では、選択性が増加した、窒化金属膜を選択的にエッチングするための新しい方法が必要とされている。

本開示の１つ以上の実施形態は、その上に窒化金属膜を有する基板を提供することを含むエッチング方法を対象とする。窒化金属膜は、第１の金属の原子及び窒素原子を含む。窒化金属膜は、エッチャントと水素ガスの並流にさらされて窒化金属膜をエッチングする。エッチャントは、第２の金属の１つ以上の原子、酸素の１つ以上の原子、及びハロゲンの１つ以上の原子を含む実験式を有する。

本開示の追加の実施形態は、ＴａＮ材料及びＴｉＮ材料を含む基板を提供することを含む、選択的エッチング方法を対象とする。基板は、金属オキシハライド・エッチャントと水素ガスの並流にさらされて、ＴａＮ材料の第１の厚さ及びＴｉＮ材料の第２の厚さを除去する。第１の厚さは第２の厚さより大きい。

本開示のさらなる実施形態は、エッチング選択性を改善する方法を対象とする。該方法は、ＴａＮ材料及びＴｉＮ材料を含む基板を提供することを含む。基板は、金属ハロゲン化物・エッチャントと水素ガスの並流にさらされて、ＴａＮ材料の第１の厚さとＴｉＮ材料の第２の厚さを除去する。第１の厚さは第２の厚さより大きく、第１の厚さの第２の厚さに対する比は、水素ガスを用いずに実施した同様のエッチングプロセスよりも大きい。

本開示の上記の特徴を詳細に理解できるように、その一部が添付の図面に示されている実施形態を参照することにより、上に簡単に要約されている本開示のより詳細な説明が得られる。しかしながら、本開示は他の等しく有効な実施形態も許容可能であるため、付随する図面はこの開示の典型的な実施形態のみを示しており、したがって、本開示の範囲を限定すると見なされるべきではないことに留意されたい。

本開示の１つ以上の実施形態による処理方法の概略図

本開示の幾つかの例示的な実施形態を説明する前に、本開示が、以下の説明に記載される構成又はプロセスステップの詳細に限定されないということが理解されるべきである。本開示は、他の実施形態も可能であり、さまざまな方法で実施又は実行することができる。

本明細書で用いられる場合、「基板」、「基板表面」などは、処理が行われる任意の基板又は基板上に形成された材料表面のことを指す。例えば、その上で処理が行われうる基板表面は、用途に応じて、ケイ素、酸化ケイ素、ストレインドシリコン、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）、炭素ドープされた酸化ケイ素、窒化ケイ素、ドープされたケイ素、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、ガラス、サファイアなどの材料、並びに、例えば金属、金属窒化物、金属合金、及び他の導電性材料などの任意の他の材料を含むが、これらに限定されない。基板には、半導体ウエハが含まれるが、これに限定されない。基板は、基板表面を研磨、エッチング、還元、酸化、ヒドロキシル化（又は他の方法で化学官能性を付与するために目的化学部分を生成又はグラフト）、アニール、及び／又はベイクするために、前処理プロセスにさらされうる。基板自体の表面に直接処理することに加えて、本開示では、開示された任意の膜処理工程は、以下により詳細に開示されるように、基板上に形成された下層にも実施することができ、「基板表面」という用語は、文脈が示すように、このような下層を含むことが意図されている。したがって、例えば、膜／層又は部分的な膜／層が基板表面上に堆積されている場合には、新たに堆積された膜／層の露出面が基板表面となる。所与の基板表面が何を含むかは、どの材料が堆積されるか、並びに用いられる特定の化学物質に応じて決まる。

本開示の幾つかの実施形態は、酸素化処理を使用せずに、金属オキシハライドによって窒化金属膜をエッチングする方法を有利に提供する。幾つかの実施形態は、酸素化処理を使用せずに、ＴｉＮよりもＴａＮを選択的にエッチングする方法を有利に提供する。本開示の幾つかの実施形態は、金属及びハロゲン含有エッチャントを利用する金属窒化物エッチングプロセスの選択性を高める方法を有利に提供する。

図は、本開示の１つ以上の実施形態によるエッチング方法１００の概略図を示している。その上に少なくとも１つの窒化金属膜１２０を有する基板１１０が提供されている。これに関して用いられる場合、「提供される」という用語は、処理のために、基板が適切な位置又は環境に配置されることを意味する。幾つかの実施形態では、示されるように、基板１１０は窒化金属膜１３０をさらに含む。当業者は、幾つかの実施形態では窒化金属膜１３０は必要ではないことを認識するであろう。

窒化金属膜１２０は任意の適切な金属窒化物でありうる。幾つかの実施形態では、窒化金属膜１２０は、第１の金属の原子及び窒素の原子を含む。第１の金属原子の窒素原子に対する比は、任意の適切な比でありうる。第１の金属は任意の適切な金属でありうる。幾つかの実施形態では、第１の金属はチタン又はタンタルである。幾つかの実施形態では、窒化金属膜１２０はＴａＮ又はＴｉＮを含む。

窒化金属膜１３０は、窒化金属膜１２０とは異なる任意の適切な窒化金属膜でありうる。幾つかの実施形態では、窒化金属膜１２０はＴａＮを含み、窒化金属膜１３０はＴｉＮを含む。

基板１１０の提供後、窒化金属膜１２０は、エッチャント１３１と水素ガスとの並流にさらされ、窒化金属膜１２０がエッチングされる。幾つかの実施形態では、エッチャント１３１は、第２の金属の１つ以上の原子、酸素の１つ以上の原子、及びハロゲンの１つ以上の原子を含む実験式を有する。幾つかの実施形態では、エッチャント１３１は、実質的にプラズマを含まない。

第２の金属は任意の適切な金属でありうる。幾つかの実施形態では、第２の金属は、タングステン、ニオブ、又はタンタルである。幾つかの実施形態では、窒化金属膜１２０の第１の金属とエッチャント１３１の第２の金属は同じである。幾つかの実施形態では、窒化金属膜１２０の第１の金属とエッチャント１３１の第２の金属とは異なっている。

幾つかの実施形態では、エッチャント１３１中のハロゲンの１つ以上の原子は、本質的に塩素からなる。これに関して用いられる場合、「本質的に塩素からなる」という用語は、エッチャント１３１に含まれるハロゲンの原子が、原子ベースで、９５％、９８％、９９％、又は９９．５％を超える塩素であることを意味する。

幾つかの実施形態では、エッチャント１３１は金属オキシハライドである。幾つかの実施形態では、エッチャント１３１は本質的にＷＯＣｌ_４からなる。これに関して用いられる場合、「本質的に～からなる」という用語は、記載される核種が、モルベースで、エッチャントの約９５％、９８％、９９％、又は９９．５％以上を構成することを意味する。

幾つかの実施形態では、エッチャント１３１は、アンプル１３２内に含まれる固体試薬である。アンプル１３２は、半導体処理で使用するための任意の適切なアンプルであってよく、ヒータ（図示せず）、入口、及び出口を含みうる。アンプル１３２は、キャリアガス１３３を使用して蒸気吸引するように構成されうる。アンプル１３２の温度は、アンプル１３２から試薬を引き出すことができるように、固体試薬を昇華させるように制御することができる。幾つかの実施形態では、エッチャント１３１はＷＯＣｌ４を含み、アンプル１３２の温度は約５０℃から約９０℃の範囲である。

適切なキャリアガス１３３は、ヘリウム、窒素、アルゴン、水素、クリプトン、又はキセノンのうちの１つ以上を含みうる。幾つかの実施形態では、キャリアガス１３３は、水素ガス（Ｈ２）を含むか、又は本質的に水素ガス（Ｈ２）からなる。これに関して用いられる場合、「本質的に水素ガスからなる」という用語は、キャリアガス１３３が、モルベースで、約９５％、９８％、９９％、又は９９．５％以上の水素ガスであることを意味する。幾つかの実施形態では、アンプル１３２から試薬を引き出すために、水素以外のキャリアガスが用いられる。

アンプルからエッチャントを引き出すために水素以外のキャリアガスが用いられる実施形態では、エッチャントを引き出した後のキャリアガスは、エッチャントガスと呼ばれうる。幾つかの実施形態では、エッチャントガスの流量は制御することができる。幾つかの実施形態では、エッチャントガスの流量は、１０～２，０００ｓｃｃｍの範囲である。幾つかの実施形態では、水素ガスの流量は制御することができる。幾つかの実施形態では、水素ガスの流量は、５０～１０，０００ｓｃｃｍの範囲である。幾つかの実施形態では、エッチャントガスの流量と水素ガスの流量との比は、約４から約６の範囲であるか、又は約５に等しい。

幾つかの実施形態では、エッチャントガスと水素ガスは、処理チャンバに入る前に混合される。幾つかの実施形態では、エッチャントガスと水素ガスは、別々にチャンバに提供される。

幾つかの実施形態では、水素ガスは、エッチャントガスが断続的に流れる間、一定の流れとして処理チャンバに送給される。幾つかの実施形態では、エッチャントガスは、水素ガスが断続的に流れる間、一定の流れとして処理チャンバに送給される。幾つかの実施形態では、エッチャントガスと水素ガスは交互に流れる。

幾つかの実施形態では、基板１１０の温度は、方法１００全体を通して維持される。理論に縛られはしないが、エッチングプロセスをより高い温度で行うことにより、エッチングされた材料のより速い除去をもたらすと考えられている。したがって、幾つかの実施形態では、基板は、約５０℃から約５００℃、又は約１００℃から約５００℃、又は約３００℃から約５００℃、又は約４００℃から約５００℃、又は約４５０℃から約５００℃、又は約４００℃から約４７５℃、又は約４００℃から約４６０℃の範囲の温度で維持される。幾つかの実施形態では、基板は、約４００℃以上、約４５０℃以上、約４６０℃以上の温度で維持される。幾つかの実施形態では、基板は約４６０℃の温度で維持される。

本開示の幾つかの実施形態は、金属ハロゲン化物・エッチャントではなく、金属オキシハライド・エッチャントを利用する方法を有利に提供する。理論に縛られはしないが、金属オキシハライド・エッチャントは高温で分解すると考えられている。したがって、これらのエッチャントの分解温度より低い温度で行われるエッチングプロセスは、金属オキシハライド・エッチャントの金属を最小量で堆積させる。幾つかの実施形態では、実質的に第２の金属は基板上に堆積されない。これに関して用いられる場合、第２の金属が「実質的に～ない」とは、第２の金属膜の平均厚さが、基板がエッチャントと水素ガスの並流にさらされる６０秒ごとに、０．４Å未満、０．３Å未満、０．２Å未満、又は０．１Å未満であることを意味する。

窒化金属膜１２０をエッチャント１３１と水素ガスの並流にさらすことにより、窒化金属膜１２０の厚さＴ１が除去される。示されるように、幾つかの実施形態では、存在する場合には、窒化金属膜１３０をエッチャントと水素ガスの並流にさらすことにより、窒化金属膜１３０の厚さＴ２が除去される。幾つかの実施形態では、窒化金属膜１２０がＴａＮを含み、基板がＴｉＮ膜をさらに含む場合、窒化金属膜１２０をエッチングすることにより、窒化金属膜１３０より大きい厚さの窒化金属膜１２０が除去される。別の言い方をすれば、Ｔ１はＴ２よりも大きい。

本開示の幾つかの実施形態は、ＴａＮの除去がＴｉＮの除去よりも有利である、選択的エッチングプロセスを提供する。幾つかの実施形態では、エッチャント１３１は、窒化金属膜１２０のエッチング速度が窒化金属膜１３０のエッチング速度よりも約３倍、４倍、又は４．５倍大きい。別の言い方をすれば、第１の厚さの第２の厚さに対する比は、約３以上、約４以上、又は約４．５以上である。

本開示の幾つかの実施形態は、エッチャントを水素ガスと並流させることによって、エッチングプロセスの選択性を増強する又は高めるための方法を有利に提供する。

ＴａＮ材料及びＴｉＮ材料を含む基板１１０が提供される。基板は、金属ハロゲン化物・エッチャントと水素ガスの並流にさらされて、ＴａＮ材料の第１の厚さ及びＴｉＮ材料の第２の厚さを除去する。第１の厚さは第２の厚さより大きい。

金属ハロゲン化物・エッチャントは、金属原子及びハロゲン原子を含む任意の適切な核種でありうる。幾つかの実施形態では、金属ハロゲン化物・エッチャントは、ＷＣｌ_５、ＮｂＣｌ_５、又はＷＯＣｌ_５を含むか、又は本質的にそれらからなる。

第１の厚さの第２の厚さに対する比は、水素ガスを用いずに実施した同様のエッチングプロセスよりも水素ガスとの並流の方が大きくなる。これに関して用いられる場合、「同様のエッチングプロセス」とは、他のすべてのプロセスパラメータ（基板温度、エッチャント、アンプル温度、キャリアガス流量、処理チャンバ圧力など）が一定に保たれるプロセスである。

標準的なプロセスは、水素ガスの添加によって改善されていないプロセスである。したがって、標準的なプロセスのキャリアガスは、水素以外のキャリアガスを含む。幾つかの実施形態では、水素以外のキャリアガスは、処理チャンバに提供されるキャリアガスの総流量（ｓｃｃｍ単位）が同じになるように、全体的又は部分的に水素ガスに置き換えられる。

１つ以上の実施形態によれば、基板１１０は、窒化金属膜のエッチング後に処理に供される。この処理は、同じチャンバ内、又は１つ以上の別々の処理チャンバ内で行うことができる。幾つかの実施形態では、基板は、さらなる処理のために、第１のチャンバから別個の第２のチャンバへと移される。基板は、第１のチャンバから別個の処理チャンバへと直接移されてもよく、あるいは、第１のチャンバから１つ以上の移送チャンバへと移され、その後、別個の処理チャンバへと移されてもよい。したがって、処理装置は、移送ステーションと連通している複数のチャンバを備えうる。この種の装置は、「クラスタツール」又は「クラスタ化システム」などと呼ばれることがある。

概して、クラスタツールは、基板の中心検出と方向付け、ガス抜き、アニーリング、堆積、及び／又はエッチングを含むさまざまな機能を実行する複数のチャンバを備えたモジュラーシステムである。１つ以上の実施形態によれば、クラスタツールは、少なくとも第１のチャンバと中央移送チャンバを含む。中央移送チャンバは、複数の処理チャンバと複数のロードロックチャンバとの間で基板を往復搬送することができるロボットを格納することができる。移送チャンバは、通常、減圧条件で維持され、基板をあるチャンバから別のチャンバへ、及び／又はクラスタツールの前端に配置されたロードロックチャンバへと往復させる中間段階を提供する。本発明に適合可能な２つのよく知られているクラスタツールは、Ｃｅｎｔｕｒａ（登録商標）及びＥｎｄｕｒａ（登録商標）であり、いずれも、カリフォルニア州サンタクララ所在のアプライドマテリアルズ社から入手可能である。しかしながら、チャンバの厳密な配置及び組合せは、本明細書に記載されたプロセスの特定の工程を実行する目的で変更することができる。使用することができる他の処理チャンバには、限定はしないが、周期的層堆積（ＣＬＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、エッチング、予洗浄、化学洗浄、ＲＴＰなどの熱処理、プラズマ窒化、ガス抜き、配向、ヒドロキシル化、及び他の基板処理が含まれる。クラスタツールのチャンバ内でプロセスを実行することにより、大気中の不純物による基板の表面汚染を、後続の膜の堆積前に、酸化することなく回避することができる。

１つ以上の実施形態によれば、基板は連続的減圧下又は「ロードロック」状態にあり、あるチャンバから次のチャンバへと移動する際に周囲空気に曝露されない。したがって、移送チャンバは減圧下にあり、減圧下で「ポンプダウン」される。処理チャンバ又は移送チャンバ内には、不活性ガスが存在しうる。幾つかの実施形態では、不活性ガスは、反応物の一部又はすべてを除去するために、パージガスとして使用される。１つ以上の実施形態によれば、パージガスは、反応物が堆積チャンバから移送チャンバ及び／又は追加の処理チャンバに移動するのを防ぐために、堆積チャンバの出口に注入される。したがって、不活性ガスの流れがチャンバの出口にカーテンを形成する。

基板は、単一基板堆積チャンバ内で処理することができ、そこで、単一の基板がロード、処理、及びアンロードされた後、別の基板が処理される。基板は、複数の基板が個々にチャンバの第１の部分にロードされ、チャンバ内を移動し、チャンバの第２の部分からアンロードされるコンベアシステムと同様に、連続的な態様で処理することもできる。チャンバ及び関連するコンベヤシステムの形状は、直線経路又は曲線経路を形成することができる。加えて、処理チャンバはカルーセルであってもよく、そこで、複数の基板が、中心軸の周りを移動し、カルーセル経路全体を通じて堆積、エッチング、アニーリング、洗浄などのプロセスにさらされる。

処理中、基板は加熱又は冷却されうる。このような加熱又は冷却は、限定はしないが、基板支持体の温度を変化させること、及び加熱又は冷却されたガスを基板表面に流すことを含む、任意の適切な手段によって達成することができる。幾つかの実施形態では、基板支持体は、伝導的に基板温度を変化させるように制御することができるヒータ／クーラを含む。１つ以上の実施形態では、基板温度を局所的に変化させるために、用いられるガス（反応性ガス又は不活性ガス）は加熱又は冷却される。幾つかの実施形態では、基板温度を対流によって変化させるために、ヒータ／クーラが、基板表面に隣接してチャンバ内に配置される。

基板はまた、処理中に静止していても回転していてもよい。回転する基板は、連続的に又は個別の工程で回転させることができる。例えば、基板は、プロセス全体を通して回転させることができ、あるいは基板は、異なる反応性ガス又はパージガスへの曝露の合間に少しずつ回転させることができる。処理中に基板を（連続的又は段階的に）回転させると、例えば、ガス流の幾何学的形状の局所的なばらつきの影響を最小限に抑えることにより、より均一な堆積又はエッチングの実現に役立てることができる。

本明細書を通して「一実施形態」、「ある特定の実施形態」、「１つ以上の実施形態」、又は「ある実施形態」への言及は、実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造、材料、又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体のさまざまな箇所での「１つ以上の実施形態では」、「ある特定の実施形態では」、「一実施形態では」、又は「ある実施形態では」などの文言の表出は、必ずしも本発明の同一の実施形態を指すものではない。さらには、特定の特徴、構造、材料、又は特性は、１つ以上の実施形態において、任意の適切な態様で組み合わせることができる。

本明細書では発明は特定の実施形態を参照して説明されているが、これらの実施形態は本発明の原理及び用途の単なる例示であることが理解されるべきである。本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、本発明の方法及び装置にさまざまな修正及び変形がなされうることは、当業者にとって明らかであろう。よって、本発明は、添付の特許請求の範囲及びそれらの等価物の範囲内にある修正及び変形を含むことが意図されている。

Claims (15)

1. エッチング方法であって、
   第１の金属の原子及び窒素原子を含む窒化金属膜をその上に有する基板を提供すること；及び
   前記窒化金属膜をエッチャントと水素ガスの並流にさらして前記窒化金属膜をエッチングすること
   を含み、前記エッチャントが、第２の金属の１つ以上の原子、酸素の１つ以上の原子、及びハロゲンの１つ以上の原子を含む化学式で表される化合物を含む、
   方法。
2. 前記窒化金属膜がＴａＮ又はＴｉＮを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記エッチャントが実質的にプラズマを含まない、請求項１に記載の方法。
4. 前記エッチャント中のハロゲンの１つ以上の原子が本質的に塩素からなる、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の金属と前記第２の金属とが異なっている、請求項１に記載の方法。
6. 前記エッチャントが本質的にＷＯＣｌ_４からなる、請求項１に記載の方法。
7. 実質的に第２の金属が前記基板上に堆積されない、請求項１に記載の方法。
8. 前記窒化金属膜がＴａＮを含み、前記基板がＴｉＮ膜をさらに含み、かつ、前記窒化金属膜をエッチングすることで、前記ＴｉＮ膜より大きい厚さの窒化金属膜を除去する、請求項１に記載の方法。
9. 選択的エッチング方法であって、
   ＴａＮ材料及びＴｉＮ材料を含む基板を提供すること；及び
   前記基板を金属オキシハライド・エッチャントと水素ガスの並流にさらして、前記ＴａＮ材料の第１の厚さ及び前記ＴｉＮ材料の第２の厚さを除去すること
   を含み、前記第１の厚さが前記第２の厚さより大きい、
   方法。
10. 前記金属オキシハライド・エッチャントが、本質的に塩素からなるハロゲン原子を含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記金属オキシハライド・エッチャントが本質的にＷＯＣｌ_４からなり、実質的にタングステンが前記基板上に堆積されない、請求項９に記載の方法。
12. 前記基板が約４００℃から約４６０℃の範囲の温度で維持される、請求項９に記載の方法。
13. 前記第１の厚さの前記第２の厚さに対する比が約４以上である、請求項９に記載の方法。
14. エッチング選択性を改善する方法であって、
    ＴａＮ材料及びＴｉＮ材料を含む基板を提供すること；及び
    前記基板を金属ハロゲン化物・エッチャントと水素ガスの並流にさらして前記ＴａＮ材料の第１の厚さ及び前記ＴｉＮ材料の第２の厚さを除去すること
    を含み、前記第１の厚さが前記第２の厚さより大きく、前記第１の厚さの前記第２の厚さに対する比が、前記水素ガスを用いずに実施した同様のエッチングプロセスよりも大きい、
    方法。
15. 前記金属ハロゲン化物・エッチャントがＷＯＣｌ_４を含み、実質的にタングステンが前記基板上に堆積されない、請求項１４に記載の方法。

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