特許 6203716 不活性ガスから生成される準安定ガスを使用する原子層エッチング

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6203716

(24)【登録日】2017年9月8日

(45)【発行日】2017年9月27日

(54)【発明の名称】不活性ガスから生成される準安定ガスを使用する原子層エッチング

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20170914BHJP

   H05H 1/46 20060101ALI20170914BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/302 101C

   H01L21/302 105B

   H05H1/46 L

【請求項の数】25

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2014-521657(P2014-521657)

(86)(22)【出願日】2012年7月11日

(65)【公表番号】特表2014-522104(P2014-522104A)

(43)【公表日】2014年8月28日

(86)【国際出願番号】US2012046137

(87)【国際公開番号】WO2013012620

(87)【国際公開日】20130124

【審査請求日】2015年7月7日

(31)【優先権主張番号】13/187,437

(32)【優先日】2011年7月20日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】592010081

【氏名又は名称】ラム リサーチ コーポレーション

【氏名又は名称原語表記】ＬＡＭ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】110000028

【氏名又は名称】特許業務法人明成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】シング・ハーミート

【審査官】 鈴木 聡一郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−２７５３７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２５２１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２８９５８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０８８２８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２２３６８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−２６３４２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−０３１８０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１５５１３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１７１１３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４７５６７９４（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１３３１２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−２４９２３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０１３９７４８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３０２

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｈ０１Ｌ ２１／４６１

Ｈ０５Ｈ １／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体処理チャンバ内で基板上の層をエッチングするための方法であって、
前記チャンバは、不活性ガス入口を備えるプラズマ発生領域と、第１のガス入口を備える基板処理領域と、を備え、
前記プラズマ発生領域は前記基板処理領域から分離プレート構造によって分離され、
前記方法は、
前記プラズマ発生領域内の不活性ガスの圧力が前記基板処理領域内のエッチャントガスの圧力よりも大きくなるように前記不活性ガス入口から前記プラズマ発生領域内に不活性ガスを導入しながら、前記第１のガス入口から前記チャンバの前記基板処理領域内に第１のガスを導入するステップであって、前記第１のガスが、前記層をエッチングするのに適したエッチャントガスであるステップと、
前記第１のガスの少なくともいくらかを前記層内に吸着させるのに十分な期間にわたって、前記基板処理領域内に導入された前記第１のガスを前記基板処理領域内に留めるステップと、
前記期間の経過後に、前記不活性ガス入口から前記不活性ガスを更に導入することにより、前記チャンバ内の前記第１のガスの少なくとも８０％を前記不活性ガスで置き換えるステップと、
前記不活性ガスから準安定ガスを発生させるステップと、
前記準安定ガスで前記層をエッチングするステップと、
を備える、方法。

【請求項2】

請求項１に記載の方法であって、
前記準安定ガスは、前記プラズマ発生領域内の前記不活性ガスからプラズマを生成することによって発生される、方法。

【請求項3】

請求項２に記載の方法であって、
前記準安定ガスは、前記プラズマから前記層に移動する間に前記分離プレート構造を横断する、方法。

【請求項4】

半導体処理チャンバ内で基板上の層をエッチングするための方法であって、
前記チャンバは、不活性ガス入口を備えるプラズマ発生領域と、第１のガス入口を備える基板処理領域と、を備え、
前記プラズマ発生領域は前記基板処理領域から分離プレート構造によって分離され、
前記方法は、
前記不活性ガス入口から前記プラズマ発生領域内に不活性ガスを導入しながら、前記第１のガス入口から前記チャンバの前記基板処理領域内に第１のガスを導入するステップであって、前記第１のガスが、前記層をエッチングするのに適したエッチャントガスであるステップと、
前記プラズマ発生領域内の前記不活性ガスの圧力を前記基板処理領域内の前記エッチャントガスの圧力よりも大きく保ちながら、前記第１のガスの少なくともいくらかを前記層内に吸着させるのに十分な期間にわたって前記基板処理領域内に導入された前記第１のガスを前記基板処理領域内に留めるステップと、
前記期間の経過後に、前記不活性ガス入口から前記不活性ガスを更に導入することにより、前記チャンバの前記基板処理領域内の前記第１のガスの少なくとも８０％を前記不活性ガスで置き換えるステップと、
前記不活性ガスから準安定ガスを発生させるために前記チャンバの前記プラズマ発生領域内でプラズマを発生させるステップと、
前記基板処理領域内の圧力を１０ｍＴｏｒｒよりも低く保ちながら、前記準安定ガスで前記層をエッチングするステップと、
を備える、方法。

【請求項5】

半導体処理チャンバ内で基板上の層をエッチングするための方法であって、
前記チャンバは、不活性ガス入口を備えるプラズマ発生領域と、第１のガス入口を備える基板処理領域と、を備え、
前記プラズマ発生領域は前記基板処理領域から分離プレート構造によって分離され、
前記方法は、
前記第１のガス入口から前記基板処理領域内に第１のガスを導入するステップであって、前記第１のガスが、前記層をエッチングするのに適したエッチャントガスであるステップと、
前記第１のガスの少なくともいくらかを前記層内に吸着させるのに十分な期間にわたって、前記基板処理領域内に導入された前記第１のガスを前記基板処理領域内に留めるステップと、
前記期間の経過後に、前記不活性ガス入口から前記プラズマ発生領域へ前記不活性ガスを導入し前記分離プレート構造を介して前記基板処理領域に導入することによって、前記基板処理領域内の前記第１のガスを前記不活性ガスで実質的に置き換え、前記プラズマ発生領域内の前記不活性ガスからプラズマを発生させるステップと、
前記プラズマ発生領域内の前記プラズマから準安定ガスで前記層をエッチングするステップであって、前記エッチングが、前記プラズマから前記層へのプラズマ荷電種の移動を前記分離プレート構造によって実質的に防止しながら行われるステップと、
を備える、方法。

【請求項6】

請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の方法であって、
前記分離プレート構造は、前記プラズマ発生領域内で発生したプラズマ荷電種の少なくとも６０％が前記層へ達するのを防止するように構成された複数の穴を有する、方法。

【請求項7】

請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の方法であって、
前記分離プレート構造は、互いに電気的に絶縁された少なくとも２つのプレートから構成され、前記２つのプレートは、前記エッチング中に異なる電位を有する、方法。

【請求項8】

請求項３から請求項５までのいずれか一項に記載の方法であって、
前記準安定ガスは、前記プラズマから前記層に移動する間にコリメータプレートも横断し、前記コリメータプレートは、前記基板と前記分離プレート構造との間に設けられる、方法。

【請求項9】

請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の方法であって、さらに、
前記準安定ガスを用いた前記エッチング中に、前記分離プレートと前記基板との少なくとも一方を互いに対して移動させるステップを備える、方法。

【請求項10】

請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の方法であって、
前記エッチャントガスは少なくともハロゲンを含有し、前記層はＳｉを含有する、方法。

【請求項11】

請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の方法であって、
前記期間は、０．０５秒〜１８０秒の間である、方法。

【請求項12】

請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の方法であって、
前記準安定ガスを発生させる前記ステップは、前記チャンバ内の前記第１のガスの少なくとも９０％が前記不活性ガスで置き換えられた後に行われる、方法。

【請求項13】

基板上の層をエッチングするための基板処理チャンバを有する基板処理システムであって、
前記システムは、
前記エッチング中に前記基板が上に配置されるチャックと、
前記チャンバをプラズマ発生領域と基板処理領域とに分離する分離プレート構造と、
前記プラズマ発生領域に設けられた不活性ガス入口と、
前記プラズマ発生領域内でプラズマを発生させるためのプラズマ源と、
前記基板処理領域に設けられた第１のガス入口と、
論理回路と、を備え、
前記論理回路は、
前記プラズマ発生領域内の不活性ガスの圧力が前記基板処理領域内のエッチャントガスの圧力よりも大きくなるように前記不活性ガス入口から前記プラズマ発生領域内に不活性ガスを導入しながら、前記第１のガス入口から前記チャンバの前記基板処理領域内に第１のガスを導入するステップであって、前記第１のガスが、前記層をエッチングするのに適したエッチャントガスであるステップと、
前記第１のガスの少なくともいくらかを前記層内に吸着させるのに十分な期間にわたって、前記基板処理領域内に導入された前記第１のガスを前記基板処理領域内に留めるステップと、
前記期間の経過後に、前記不活性ガス入口から前記不活性ガスを更に導入することにより、前記チャンバ内の前記第１のガスの少なくとも８０％を前記不活性ガスで置き換えるステップと、
前記不活性ガスから準安定ガスを発生させるステップと、
前記準安定ガスで前記層をエッチングするステップと
を行うためのものである、基板処理システム。

【請求項14】

請求項１３に記載の基板処理システムであって、
前記準安定ガスは、前記プラズマ源を使用して前記基板処理領域内で前記不活性ガスからプラズマを生成することによって発生される、基板処理システム。

【請求項15】

請求項１４に記載の基板処理システムであって、
前記準安定ガスは、前記プラズマから前記層に移動する間に前記分離プレート構造を横断する、基板処理システム。

【請求項16】

基板上の層をエッチングするための基板処理チャンバを有する基板処理システムであって、
前記基板処理チャンバはプラズマ発生領域と基板処理領域を備え、
前記システムは、
前記チャンバをプラズマ発生領域と基板処理領域とに分離する分離プレート構造と、
前記プラズマ発生領域に設けられた不活性ガス入口と、
前記プラズマ発生領域内でプラズマを発生させるためのプラズマ源と、
前記基板処理領域に設けられた第１のガス入口と、
論理回路と、を備え、
前記論理回路は、
前記不活性ガス入口から前記プラズマ発生領域内に不活性ガスを導入しながら、前記第１のガス入口から前記チャンバの前記基板処理領域内に第１のガスを導入するステップであって、前記第１のガスが、前記層をエッチングするのに適したエッチャントガスであるステップと、
前記プラズマ発生領域内の前記不活性ガスの圧力を前記基板処理領域内の前記エッチャントガスの圧力よりも大きく保ちながら、前記第１のガスの少なくともいくらかを前記層内に吸着させるのに十分な期間にわたって前記基板処理領域内に導入された前記第１のガスを前記基板処理領域内に留めるステップと、
前記期間の経過後に、前記不活性ガス入口から前記不活性ガスを更に導入することにより、前記チャンバ内の前記第１のガスの少なくとも８０％を前記不活性ガスで置き換えるステップと、
前記不活性ガスから準安定ガスを発生させるために前記チャンバの前記プラズマ発生領域内でプラズマを発生させるステップと、
前記基板処理領域内の圧力を１０ｍＴｏｒｒよりも低く保ちながら、前記準安定ガスで前記層をエッチングするステップと、
を行うためのものである、基板処理システム。

【請求項17】

基板上の層をエッチングするための基板処理チャンバを有する基板処理システムであって、前記基板は、前記エッチング中に前記チャンバ内部でチャック上に配置され、
前記システムは、
前記チャンバをプラズマ発生領域と基板処理領域とに分離する分離プレート構造と、
前記プラズマ発生領域に設けられた不活性ガス入口と、
前記プラズマ発生領域内でプラズマを発生させるためのプラズマ源と、
前記基板処理領域に設けられた第１のガス入口と、
論理回路と、を備え、
前記論理回路は、
前記第１のガス入口から前記チャンバの前記基板処理領域内に第１のガスを導入するステップであって、前記第１のガスが、前記層をエッチングするのに適したエッチャントガスであるステップと、
前記第１のガスの少なくともいくらかを前記層内に吸着させるのに十分な期間にわたって、前記基板処理領域内に導入された前記第１のガスを前記チャンバの前記基板処理領域内に留めるステップと、
前記期間の経過後に、前記不活性ガス入口から前記プラズマ発生領域へ不活性ガスを導入し前記分離プレート構造を介して前記基板処理領域に導入することによって、前記基板処理領域内の前記第１のガスを前記不活性ガスで実質的に置き換えるステップと、
前記プラズマ発生領域内で前記不活性ガスからプラズマを発生させるステップと、
前記プラズマ発生領域内の前記プラズマからの準安定ガスを用いて前記層をエッチングするステップと、を行うためのものであり、
前記エッチングは、前記プラズマから前記層へのプラズマ荷電種の移動を前記分離プレート構造によって実質的に防止しながら行われる、基板処理システム。

【請求項18】

請求項１３から請求項１７までのいずれか一項に記載の基板処理システムであって、
前記分離プレート構造は、前記層へのプラズマ荷電種の移動を実質的に防止するように構成された複数の穴を有する、基板処理システム。

【請求項19】

請求項１３から請求項１７までのいずれか一項に記載の基板処理システムであって、
前記分離プレート構造は、互いに電気的に絶縁された少なくとも２つのプレートから構成され、前記２つのプレートは異なる電位を有する、基板処理システム。

【請求項20】

請求項１３から請求項１７までのいずれか一項に記載の基板処理システムであって、さらに、
コリメータプレートを備え、
前記準安定ガスは、前記プラズマから前記層に移動する間に前記コリメータプレートも横断し、前記コリメータプレートは、前記基板と前記分離プレート構造との間に設けられる、基板処理システム。

【請求項21】

請求項２０に記載の基板処理システムであって、さらに、
前記準安定ガスを用いた前記エッチング中に、前記分離プレート構造と前記コリメータプレートと前記基板との少なくとも一方を互いに対して移動させるための作動装置を備える、基板処理システム。

【請求項22】

請求項１３から請求項１７までのいずれか一項に記載の基板処理システムであって、さらに、
前記準安定ガスを用いた前記エッチング中に、前記分離プレートと前記基板の少なくとも一方を互いに対して移動させるための作動装置を備える、基板処理システム。

【請求項23】

請求項１３から請求項１７までのいずれか一項に記載の基板処理システムであって、
前記エッチャントガスは少なくともハロゲンを含有し、前記層はＳｉを含有する、基板処理システム。

【請求項24】

請求項１３から請求項１７までのいずれか一項に記載の基板処理システムであって、
前記期間は、０．０５秒〜１８０秒の間である、基板処理システム。

【請求項25】

請求項１３から請求項１７までのいずれか一項に記載の基板処理システムであって、
前記準安定ガスを発生させる前記ステップは、前記チャンバ内の前記第１のガスの少なくとも９０％が前記不活性ガスで置き換えられた後に行われる、基板処理システム。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

原子層エッチングは、半導体デバイス製造のための非常に高い精度で臨界エッチングを行うために当技術分野で知られている技法である。原子層エッチングでは、エッチングは、過度の表面下損傷または望ましくない変更の回避を図りながら、薄層に対して行われる。原子層エッチングは、例えば、別の臨界層の上の非常に薄い層をエッチングするために行うことができる。また、原子層エッチングは、例えば、残っている薄層のエッチングが下にある層および／または下にある基板の損傷を生じないことを保証しながら層を除去することを試みて、バルクエッチングステップの最後に採用されることもある。

【0002】

詳述すると、プラズマを使用するエッチングは、下にある構造および／または下にある層の前述した表面下損傷または変更を引き起こす可能性があることが知られている。プラズマエッチング中のゲート誘電体の下でのシリコンの損失が、表面下損失の一例であり、すなわち、薄いゲート誘電体（一般にはＳｉＯ₂）が存在しても、ゲートエッチング中にＳｉリセスが生じる。いくつかの状況では、１００ｅＶよりも大きいイオンエネルギーを用いたプラズマエッチングは、表面下で約２０〜４０オングストロームの深さまでの損傷を誘発することが知られている。したがって、約１０オングストロームの典型的なゲート酸化物の厚さでは、ゲートエッチング後に約１０〜２０オングストロームのＳｉリセスが一般に観察される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

本発明は、半導体デバイス製造において原子層エッチングを行うための改良型の装置および方法に関する。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明は、一実施形態では、半導体処理チャンバ内で基板上の層をエッチングするための方法に関する。この方法は、チャンバ内に第１のガスを導入するステップであって、上記ガスが、層をエッチングするのに適したエッチャントガスであるステップを含む。また、この方法は、第１のガスの少なくともいくらかを層内に吸着させるのに十分な期間にわたって、第１のガスをチャンバ内に留めるステップを含む。さらに、この方法は、チャンバ内の第１のガスを不活性ガスで実質的に置き換えるステップを含む。さらに、この方法は、不活性ガスから準安定ガスを発生させるステップと、準安定ガスを用いて層をエッチングするステップとを含む。

【0005】

上記の概要は、本明細書で開示する多くの実施形態の１つのみに関するものであり、本願で特許請求の範囲に記載される本発明の範囲を限定するものとは意図されていない。本発明のこれらおよび他の特徴を、以下の図面に関連付けて、発明を実施するための形態の項で以下にさらに詳細に説明する。

【0006】

本発明は、添付図面の図に、限定ではなく例として図示されている。図面中、同様の参照符号は同様の要素を表す。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の１つまたは複数の実施形態による、原子層エッチングを行うのに適した例示的な基板処理チャンバを示す図である。

【0008】

【図2】本発明の１つまたは複数の実施形態による、分離プレート構造と任意選択のコリメータプレートとの一例を示す図である。

【0009】

【図3】本発明の１つまたは複数の実施形態による、準安定ガスを用いた指向性エッチングの一例を示す図である。

【0010】

【図4】本発明の一実施形態による、原子層エッチングを行うためのステップを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

次に、添付図面に例示される本発明のいくつかの実施形態を参照して、本発明を詳細に論じる。以下の説明では、本発明を完全に理解できるように、いくつかの具体的な詳細を記載する。しかし、これらの具体的な詳細のいくつかまたはすべてを用いずに本発明を実施することもできることは、当業者には明らかであろう。なお、本発明を不要に曖昧にしないように、よく知られているプロセスステップおよび／または構造は、詳細には説明しない。

【0012】

方法および技法を含めた様々な実施形態を、本明細書で以下に述べる。本発明は、本発明による技法の実施形態を実施するためのコンピュータ可読命令が記憶されたコンピュータ可読媒体を含む製造物品も包含することがあることを念頭に置くべきである。コンピュータ可読媒体は、例えば、コンピュータ可読コードを記憶するための、半導体コンピュータ可読媒体、磁気的コンピュータ可読媒体、光磁気的コンピュータ可読媒体、光学的コンピュータ可読媒体、または他の形態のコンピュータ可読媒体を含むことがある。さらに、本発明は、本発明の実施形態を実施するための装置も包含することがある。そのような装置は、本発明の実施形態に関するタスクを実行するための専用および／またはプログラマブル回路を含むことがある。そのような装置の例は、適切にプログラムされるときには、汎用コンピュータおよび／または専用計算デバイスを含み、さらには、コンピュータ／計算デバイスと、本発明の実施形態に関する様々なタスクに適合された専用／プログラマブル回路との組合せを含むこともある。

【0013】

本発明の実施形態は、基板（例えば半導体ウェハやフラットパネル）の層上で原子層エッチングを行うための装置および方法に関する。１つまたは複数の実施形態では、基板層をエッチングするのに適したエッチャントソースガスが、半導体処理チャンバに導入される。例えば、Ｓｉ層をエッチングするために、エッチャントガスは、Ｃｌ₂、ＨＣｌ、ＣＨＦ₃、ＣＨ₂Ｆ₂、ＣＨ₃Ｆ、Ｈ₂、ＢＣｌ₃、ＳｉＣｌ₄、Ｂｒ₂、ＨＢｒ、ＮＦ₃、ＣＦ₄、ＳＦ₆、Ｏ₂、ＳＯ₂、ＣＯＳなどの１つまたは混合物でよい。エッチャントガスは、エッチングすべき層内にエッチャントガス材料の少なくともいくらかを吸着させることができるように、十分な時間にわたってチャンバ内に留められる。その後、エッチャントガスは、不活性ガス（Ａｒ、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅなどの１つまたは混合物など）によって置き換えられる。次いで、基板層上で原子層エッチングを行うために、不活性ガスから準安定ガスが生成される。原子層エッチングが完了するまで、このサイクルを数回繰り返すことができる。

【0014】

１つまたは複数の実施形態では、準安定ガスは、チャンバのプラズマ発生領域内で不活性ガスからプラズマを点火することによって生成される。次いで、準安定ガスは、プラズマ発生領域内で発生されたプラズマから、分離プレートの穴を通って移動して、基板層に接触する。しかし、下にある層の意図していないエッチングおよび／または表面下損傷および／または変更を最小限に抑えるために、エネルギープラズマイオンは、ウェハの表面との接触を妨げられる。原子層エッチング中、基板は、チャンバのウェハ処理領域内でチャック上に配置される。準安定ガスは、基板層表面に接触すると脱励起され、このプロセス中にそれらの電子エネルギーを放出し、吸着済みの基板表面で表面反応を引き起こし、それにより基板表面をエッチングする。準安定ガスの指向性エネルギーは、プラズマのエネルギーイオンのエネルギー（１００〜１０００ｅＶ）よりもはるかに低くなる傾向があるので（例えば、アルゴン準安定ガスに関しては約０．０２５ｅＶ）、不活性ガスの準安定ガスと吸着済みの層との組合せを使用するエッチング時に、損傷が実質的に最小限にされる。

【0015】

１つまたは複数の実施形態では、前述した分離プレートは、互いに電気的に絶縁されたプレートを有する複数プレート構造である。本発明の１つまたは複数の実施形態では、複数プレートアセンブリのプレートの少なくとも１つが、プラズマから発するイオンを跳ね返すようにバイアスされる。複数プレートアセンブリのプレートはそれぞれ、準安定ガスがプラズマ発生領域からウェハ処理領域に横断できるようにするために通し穴を有する。プレートの通し穴は、一実施形態では位置合わせされることがあり、または、望まれる場合にはわずかにずらされることもある。分離プレートの通し穴は、エネルギープラズマ種が分離プレートを横断して基板表面に達するのを実質的に防止するようにサイズ設定される。

【0016】

１つまたは複数の実施形態では、分離プレートと基板との間にコリメータプレートが設けられて、準安定ガスをコリメートし、それにより、実質的に指向性の準安定ガスのみが基板表面に達し、より異方性のエッチング、すなわち基板面に垂直な鉛直方向でのエッチングとなる。コリメータプレートは、通し穴を含むことがあり、望まれる場合には接地またはバイアスされることがある。

【0017】

分離プレートおよび／またはコリメータプレートの穴パターンに起因する表面の不均一なエッチングを防止するために、分離プレートおよび／またはコリメータプレートを基板に対して移動させることができる（または逆に基板を移動させることができる）。分離プレートおよび／またはコリメータプレート、および／またはウェハおよびウェハチャックアセンブリの相対側方移動は、分離プレートまたはコリメータプレートの通し穴パターンが基板表面の特定の領域にのみインプリントされるのを防止する効果を有する。

【0018】

本発明の１つまたは複数の実施形態は、本明細書で述べる原子層エッチングを行うための方法を包含する。本発明の１つまたは複数の実施形態は、本明細書で述べるハードウェアを有する基板処理システムおよび／または基板処理チャンバを包含し、また論理回路を含むこともある（論理回路は、専用論理回路によって、プログラマブル論理回路によって、および／またはコンピュータ可読媒体コードにより制御されるマイクロプロセッサ／マイクロコントローラ／コンピュータによって実装することができる。コンピュータ可読媒体コードは、コンピュータ可読媒体で具現化され、および／またはバスもしくはデジタルネットワーク（ローカルエリアネットワークおよび／またはインターネットを含む）を介するデジタル信号として、実行のためにマイクロプロセッサ／マイクロコントローラ／コンピュータに伝送される）。

【0019】

本発明の実施形態の特徴および利点は、図面および以下の説明を参照して理解することができる。

【0020】

本発明の実施形態は、基板層（例えばＳｉ層）内に吸着されている反応物（例えばハロゲン）との表面反応を活性化するために、１つまたは複数の不活性ガスの準安定ガスを採用する。本明細書では一例としてＳｉ層を採用するが、本発明の実施形態の原子エッチング技法を使用して任意の層をエッチングすることができることを理解すべきである。１つまたは複数の実施形態では、ウェハの表面は、エッチャントガス（例えば、Ｃｌ₂、ＨＣｌ、ＣＨＦ₃、ＣＨ₂Ｆ₂、ＣＨ₃Ｆ、Ｈ₂、ＢＣｌ₃、ＳｉＣｌ₄、Ｂｒ₂、ＨＢｒ、ＮＦ₃、ＣＦ₄、ＳＦ₆、Ｏ₂、ＳＯ₂、ＣＯＳなどの１つまたは混合物）に露出される。１つまたは複数の実施形態では、エッチャントガス分子が基板表面に吸着できるように、短時間（約０．０５秒〜約１８０秒）、基板処理チャンバがエッチャントガスまたはエッチャントガス混合物で満たされることがある。１つまたは複数の実施形態では、基板処理チャンバは、エッチャントガス分子が基板表面に吸着できるように、約０．２５秒〜約５秒間、基板処理チャンバがエッチャントガスまたはエッチャントガス混合物で満たされることがある。

【0021】

図１は、本発明の一実施形態による、基板１０４（例えばウェハ）が上に配置されたチャック１０２を含む例示的な基板処理チャンバを示す。ガス入口１０６もしくは１０８ａ／１０８ｂ、または両方の入口１０６と１０８ａ／１０８ｂを使用して、ガスをチャンバ内に注入することができる。１つまたは複数の実施形態では、不活性ガス、例えばＡｒ、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅなどの１つまたは混合物は、ガス入口１０６を通してプラズマ発生領域１１０内に注入され、エッチャントガスは、エッチャントガスがプラズマ発生領域１１０に入らないことを保証するために、ガス入口１０８ａ／１０８ｂを通して基板処理領域１１２内に導入される。この状況では、プラズマ発生領域１１０内の圧力は、基板処理領域１１２内の圧力に少なくとも等しいか、またはそれよりも高いことが好ましい。プラズマ発生領域１１０は、少なくとも分離プレート構造１３０によって（および任意選択で、本明細書で後述するコリメータプレートによって）基板処理領域１１２から分離される。

【0022】

次のステップで、エッチャントガスは、基板表面上に吸着するのに十分な時間を取った後、チャンバ排気ポンプ１２０ａ／１２０ｂによって排気される。これは、ガス入口１０６を通したプラズマ発生領域１１０内への不活性ガスの導入と共に行うことができる。エッチャントガス排気が、同時に不活性ガス流を流すことなく行われる場合、次のステップが、ガス入口１０６を通してプラズマ発生領域１１０内に不活性ガスを流すことを含むことがある。

【0023】

チャンバからのエッチャントガスを不活性ガスで実質的に置き換えた後、プラズマチャンバ内で、より具体的にはプラズマ発生領域１１０内で、不活性ガスプラズマが発生される。一実施形態では、エッチャントガスの少なくとも８０％が不活性ガスで置き換えられた場合に、エッチャントガスが不活性ガスによって実質的に置き換えられたと言える。一実施形態では、エッチャントガスの少なくとも９０％が不活性ガスで置き換えられた場合に、エッチャントガスが不活性ガスによって実質的に置き換えられたと言える。一実施形態では、エッチャントガスの少なくとも９５％が不活性ガスで置き換えられた場合に、エッチャントガスが不活性ガスによって実質的に置き換えられたと言える。一実施形態では、エッチャントガスの少なくとも９９％が不活性ガスで置き換えられた場合に、エッチャントガスが不活性ガスによって実質的に置き換えられたと言える。

【0024】

プラズマ中で発生された準安定ガス種は、分離プレート構造１３０を通って基板処理領域１１２内に移行する。基板処理領域１１２内の圧力は、例えば、ターボ分子ポンプ、圧力制御弁、分離プレートと不活性ガス流との設計を使用して制御することができる。

【0025】

１つまたは複数の実施形態では、基板処理領域内の圧力を＜１０ｍＴｏｒｒに保つことが望ましく、それにより、ウェハ処理領域に入る準安定ガスのかなりの部分が、ウェハ処理チャンバ内の気相衝突によって消滅されることなく、基板に当たることができる。一実施形態では、分離プレートと基板との距離は、例えば約１ｃｍ〜２５ｃｍの間に保つことができる。

【0026】

準安定ガスを発生させるためのプラズマ源は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、容量結合プラズマ、ホローカソード放電のアレイ、マイクロ波プラズマ、または電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ、または任意の他の適切なプラズマ源技術を含めた様々な技術から選択することができる。

【0027】

図１は、誘導結合プラズマ源１５０も示し、これは、プラズマ発生領域１１０内で発生されたプラズマを用いてＲＦエネルギーを誘導結合するためのアンテナを表す。好ましい実施形態では、低圧で高密度プラズマを発生することができるので、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）またはＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマ源を採用することができる。１つまたは複数の実施形態では、プラズマ発生領域１１０内の圧力は、約０．５ｍＴｏｒｒ〜約１００ｍＴｏｒｒの間である。

【0028】

分離プレート構造１３０は、プラズマ荷電種が基板に達するのを実質的に防止することによって分離プレートの穴を通るプラズマ漏れの量を制限するために、接地面として働くように設計される。一実施形態では、分離プレート構造は、それがなければ基板表面に達するプラズマ荷電種の少なくとも６０％が分離プレート構造によって基板に達するのを防止される場合に、プラズマ荷電種が基板に達するのを実質的に防止すると言える。一実施形態では、分離プレート構造は、それがなければ基板表面に達するプラズマ荷電種の少なくとも８０％が分離プレート構造によって基板に達するのを防止される場合に、プラズマ荷電種が基板に達するのを実質的に防止すると言える。一実施形態では、分離プレート構造は、それがなければ基板表面に達するプラズマ荷電種の少なくとも９５％が分離プレート構造によって基板に達するのを防止される場合に、プラズマ荷電種が基板に達するのを実質的に防止すると言える。一実施形態では、分離プレート構造は、それがなければ基板表面に達するプラズマ荷電種の少なくとも９９％が分離プレート構造によって基板に達するのを防止される場合に、プラズマ荷電種が基板に達するのを実質的に防止すると言える。

【0029】

分離プレート構造１３０のプレートは、金属（例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、もしくは同様に適した材料）、または被膜でコーティングされた金属（例えば、陽極酸化アルミニウム、Ｙ₂Ｏ₃、ＹＦ₃、ＣｅＯ₂、Ｓｉ、ＴｉＮでコーティングされたアルミニウム）から製造することができる。１つまたは複数の実施形態では、分離プレートの厚さは、１ｍｍ〜２５ｍｍの間でよい。分離プレートの穴の直径は、穴を通るプラズマ漏れを最小限に抑える、または実質的に防止するように選択することができ、１つまたは複数の実施形態では２０μｍ〜５ｍｍの間でよい。

【0030】

１つまたは複数の実施形態では、分離プレート構造２０２は、（本発明の一実施形態による図２に示されるように）複数層構造であり、それにより、２つの導電性プレート２０４と２０６が、互いに電気的に絶縁されるように絶縁層２０８によって分離される。上部プレート２０４は、プラズマ発生領域２００内のプラズマと接触し、電気的に接地される。底部プレート２０６は、プラズマから発するイオンを跳ね返すように小さなＤＣ電圧でバイアスさせることができる。大半のイオンが基板２２８の上方の基板処理領域２１０に達しないように、底部プレート２０６での印加バイアス電圧は、プラズマ電位よりも大きくすることができる。１つまたは複数の実施形態では、底部プレート２０６での印加電圧は、約１０Ｖ〜約５０Ｖの間でよい。

【0031】

１つまたは複数の実施形態では、分離プレート構造２０２と基板２２８との間に、例えばメッシュの形態でのコリメータプレート２２６を設けることができ、分離プレート構造２０２を通って移行するプラズマ荷電種を跳ね返して、基板２２８に達しないようにする。コリメータプレート２２６は、プラズマ荷電種を跳ね返すようにバイアスすることができ、または望まれる場合には接地することができる。別の実施形態では、プラズマ荷電種が基板２２８に達するのを防止するために、基板２２８をプラズマ電位に対して正にバイアスすることができる。

【0032】

また、分離プレート構造２０２は、基板２２８に向けて発する中性粒子ビームをコリメートする作用をする。１ｍＴｏｒｒでの中性粒子平均自由行程が約２５ｃｍなので、１つまたは複数の実施形態では、基板２２８の上方で１０ｍＴｏｒｒ未満、好ましくは＜１ｍＴｏｒｒの圧力を保つことによって、分離プレート構造２０２から発するガスと、ウェハ２２８の上方の基板処理領域２１０内にあるガスとの衝突が最小限に抑えられる。これは、準安定ガスが、分離プレート構造２０２から基板２２８への移行中に著しく衝突することなくウェハ２２８の表面に達することを保証する。

【0033】

本発明の実施形態は、反応種（例えばハロゲン）を既に吸着された、および／または反応種で飽和されたウェハ表面上に到達する不活性準安定ガス原子フラックスを採用する。準安定ガス原子は、かなりの電子エネルギーをウェハに搬送して、化学反応を誘発する。例えば、Ａｒ準安定ガス原子（Ａｒ^*。ここで「＊」は準安定状態を表す）は、約１１．７ｅＶのエネルギーを搬送する。このエネルギーは、Ａｒ^*原子が表面と相互作用するときに、ウェハ表面に伝達される。

【0034】

Ａｒ^*原子は、熱ガス速度に近い速度（０．０２５ｅＶ）で進むので、準安定ガス原子は、エッチングプラズマで典型的に使用されるエネルギーイオン（１００〜１０００ｅＶ）に比べて、はるかに小さい運動量および衝撃しか表面に与えない。多くの場合に、Ａｒ^*原子が、ウェハに当たったときに表面損傷を引き起こすことは実質的に不可能であることに留意されたい。

【0035】

高い指向性のエッチングを実現するために、ＡｒおよびＡｒ^*原子のビームは、図２に示されるようにさらなる穿孔プレートを使用してコリメートすることができる。この実施形態では、分離プレート２０４および２０６の穴パターンと実質的に同じ穴パターンを有するコリメータプレート２２６が、分離プレート構造２０２からわずかな距離だけ離して配置される。コリメータプレート２２６は、分離プレートの軸に沿って（すなわち分離プレート面に垂直に）基板２２８に向かって進むＡｒ^*が、プラズマ発生領域内のプラズマからウェハに照準線を有するように位置合わせされる。

【0036】

より一般的には、（分離プレート面に垂直な軸として定義される）この鉛直軸に対して小さな角度（好ましくは±３度未満、より好ましくは±０．５度未満）を有する円錐内でのみ進むＡｒ^*は、コリメータプレート２２６と衝突することなく、コリメータプレート２２６を通過することができる。これらのＡｒ^*原子は、矢印２３０および２３２によって示される。鉛直軸に対してそれよりも大きな角度で進むすべての他のＡｒ^*原子（２４０および２４２）は、コリメータプレートと衝突して脱励起され、それにより、衝突後にはＡｒ基底状態になる。この方式は、垂直に指向されたＡｒ^*フラックスを（Ａｒ原子と共に）ウェハ表面に衝突させて、より鉛直な、より異方性のエッチングを生成する。

【0037】

指向性のＡｒ^*原子フラックスは、前述したように、エッチャントをドーズされた、または吸着されたフィーチャに衝突する。Ａｒ^*原子は、表面に電子エネルギーを与えて化学反応を誘発し、この化学反応は、例えばフィーチャの底面で表面のエッチングを生じ、側壁では生じない。Ａｒ^*誘発エッチング（またはＡｒ^*誘発脱着）によって表面上のエッチャントが完全に使い尽くされると、エッチング反応が止まる。表面に当たるＡｒおよびＡｒ^*のビームからの運動量輸送は非常に小さいので、表面の損傷は実質的に生じない。図３は、鉛直に指向されたＡｒ^*原子のみが、フィーチャ３０４の底面３０２に衝突し、フィーチャ３０４の側壁３０６および３０８には衝突しないことによる、この鉛直エッチングの態様を示す。

【0038】

分離プレート構造２０２および／またはコリメータプレート２２６の穴パターンに起因する表面層の不均一なエッチングを防止するために、分離プレート構造２０２および／またはコリメータプレート２２６を基板２２８に対して移動させることができる（または逆に基板を移動させることができる）。分離プレート構造２０２および／またはコリメータプレート２２６、および／またはウェハおよびウェハチャックアセンブリの相対側方移動は、分離プレート構造２０２またはコリメータプレート２２６の通し穴パターンが基板表面の所与の領域にのみインプリントされるのを防止する効果を有する。

【0039】

一般に、分離プレート構造２０２および／またはコリメータプレート２２６、および／またはウェハおよびウェハチャックアセンブリの相対側方移動は、ウェハ上でのすべての関連位置で均一な時平均Ａｒ^*フラックスを保証するように十分に大きくすべきである。一般に、側方移動振幅は、少なくとも分離プレートの穴の間の距離と同じでよく、１つまたは複数の実施形態では、好ましくは分離プレートの穴の間の距離の２倍でよい。

【0040】

図４は、本発明の一実施形態による、原子層エッチングを行うためのステップを示す。ステップ４０２で、基板表面でのエッチャントガス分子の吸着を促進するために、チャンバ、より特定的にはウェハの上方のチャンバ領域がエッチャントソースガスで充填される。ステップ４０４で、エッチャントガスがチャンバから排気され、不活性ガスで置き換えられる（ステップ４０６）。次いで、不活性ガスが励起されて点火され、プラズマ発生領域内でプラズマを生成して、準安定ガスを発生する（ステップ４０８）。

【0041】

上述したように、不活性ガスの準安定ガスは、基板の吸着済みの表面で表面反応を誘発することによって基板層をエッチングするために採用される。プラズマのエネルギー種が基板表面に接触するのを防止し、それにより、基板表面の損傷または過度のエッチングを最小限に抑えるために、分離プレート構造を採用することができる。望まれる場合には、エッチング方向性をさらに促進して高い異方性のエッチングを行うために、コリメータプレートを採用することもできる。

【0042】

分離プレート構造および／またはコリメータプレートの穴パターンに起因する表面層の不均一なエッチングを防止するために、ステップ４１０で、分離プレートおよび／またはコリメータプレートを基板に対して側方に移動させることができる（または逆に基板を移動させることができる）。この移動は、例えば、適切なアクチュエータ構成（モータおよび任意選択で関連の歯車機構を含むことがある）によって行うことができる。

【0043】

前述したことから理解することができるように、本発明の実施形態は、エッチャント分子を吸着されている基板層との表面反応を活性化するために、不活性ガスの準安定ガスを採用する。基板の吸着済みの表面層上でエッチングを行うために準安定ガスの電子エネルギーを採用することによって、また、原子層エッチング中にプラズマ種が基板表面に衝撃するのを防止することによって、本発明の実施形態は、有利には、非常に繊細な層をエッチングするとき、および／または臨界原子層エッチングを行うときに、エネルギー種によって引き起こされる衝撃損傷を回避する。

【0044】

本発明をいくつかの好ましい実施形態に関して述べてきたが、本発明の範囲内に含まれる変更、並べ替え、および均等形態もある。本明細書で用語「集合」を採用するとき、そのような用語は、その一般的に理解される数学的意味合いを有するものと意図され、０個の要素、１個の要素、または複数個の要素を包含する。本発明は、これらの変更、並べ替え、および均等形態も包含するものと理解すべきである。また、本発明の方法および装置を実施する多くの代替方法があることにも留意すべきである。本明細書で様々な例を提供したが、これらは例示にすぎず、本発明に対する限定ではないものと意図される。
本発明は、以下の適用例としても実現可能である。
［適用例１］
半導体処理チャンバ内で基板上の層をエッチングするための方法であって、
前記チャンバ内に第１のガスを導入するステップであって、前記ガスが、前記層をエッチングするのに適したエッチャントガスであるステップと、
前記第１のガスの少なくともいくらかを前記層内に吸着させるのに十分な期間にわたって、前記第１のガスを前記チャンバ内に留めるステップと、
前記チャンバ内の前記第１のガスを不活性ガスで実質的に置き換えるステップと、
前記不活性ガスから準安定ガスを発生させるステップと、
前記準安定ガスで前記層をエッチングするステップと、
を備える、方法。
［適用例２］
適用例１に記載の方法であって、
前記準安定ガスは、前記不活性ガスからプラズマを生成することによって発生される、方法。
［適用例３］
適用例２に記載の方法であって、
前記準安定ガスは、前記プラズマから前記層に移動する間に分離プレート構造を横断する、方法。
［適用例４］
適用例３に記載の方法であって、
前記分離プレート構造は、前記層へのプラズマ荷電種の移動を実質的に防止するように構成された複数の穴を有する、方法。
［適用例５］
適用例３に記載の方法であって、
前記分離プレート構造は、互いに電気的に絶縁された少なくとも２つのプレートから構成され、前記２つのプレートは、前記エッチング中に異なる電位を有する、方法。
［適用例６］
適用例３に記載の方法であって、
前記準安定ガスは、前記プラズマから前記層に移動する間にコリメータプレートも横断し、前記コリメータプレートは、前記基板と前記分離プレート構造との間に設けられる、方法。
［適用例７］
適用例３に記載の方法であって、さらに、
前記準安定ガスを用いた前記エッチング中に、前記分離プレートと前記基板との少なくとも一方を互いに対して移動させるステップを備える、方法。
［適用例８］
適用例１に記載の方法であって、
前記エッチャントガスは少なくともハロゲンを含有し、前記層はＳｉを含有する、方法。
［適用例９］
適用例１に記載の方法であって、
前記期間は、約０．０５秒〜約１８０秒の間である、方法。
［適用例１０］
適用例１に記載の方法であって、
前記準安定ガスを発生させる前記ステップは、前記チャンバ内の前記第１のガスの少なくとも約８０％が前記不活性ガスで置き換えられた後に行われる、方法。
［適用例１１］
基板上の層をエッチングするための基板処理チャンバを有する基板処理システムであって、
前記エッチング中に前記基板が上に配置されるチャックと、
前記チャンバをプラズマ発生領域と基板処理領域とに分離する分離プレート構造と、
前記プラズマ発生領域内でプラズマを発生させるためのプラズマ源と、
論理回路と、を備え、
前記論理回路は、
前記チャンバ内に第１のガスを導入するステップであって、前記ガスが、前記層をエッチングするのに適したエッチャントガスであるステップと、
前記第１のガスの少なくともいくらかを前記層内に吸着させるのに十分な期間にわたって、前記第１のガスを前記チャンバ内に留めるステップと、
前記チャンバ内の前記第１のガスを不活性ガスで実質的に置き換えるステップと、
前記不活性ガスから準安定ガスを発生させるステップと、
前記準安定ガスで前記層をエッチングするステップと
を行うためのものである、基板処理システム。
［適用例１２］
適用例１１に記載の基板処理システムであって、
前記準安定ガスは、前記プラズマ源を使用して前記基板処理領域内で前記不活性ガスからプラズマを生成することによって発生される、基板処理システム。
［適用例１３］
適用例１２に記載の基板処理システムであって、
前記準安定ガスは、前記プラズマから前記層に移動する間に前記分離プレート構造を横断する、基板処理システム。
［適用例１４］
適用例１３に記載の基板処理システムであって、
前記分離プレート構造は、前記層へのプラズマ荷電種の移動を実質的に防止するように構成された複数の穴を有する、基板処理システム。
［適用例１５］
適用例１３に記載の基板処理システムであって、
前記分離プレート構造は、互いに電気的に絶縁された少なくとも２つのプレートから構成され、前記２つのプレートは異なる電位を有する、基板処理システム。
［適用例１６］
適用例１３に記載の基板処理システムであって、さらに、
コリメータプレートを備え、
前記準安定ガスは、前記プラズマから前記層に移動する間に前記コリメータプレートも横断し、前記コリメータプレートは、前記基板と前記分離プレート構造との間に設けられる、基板処理システム。
［適用例１７］
適用例１３に記載の基板処理システムであって、さらに、
前記準安定ガスを用いた前記エッチング中に、前記分離プレート構造と前記コリメータプレートと前記基板との少なくとも一方を互いに対して移動させるための作動装置を備える、基板処理システム。
［適用例１８］
基板上の層をエッチングするための基板処理チャンバを有する基板処理システムであって、前記基板は、前記エッチング中に前記チャンバ内部でチャック上に配置され、
前記基板処理システムは、
前記チャンバをプラズマ発生領域と基板処理領域とに分離する分離プレート構造と、
前記プラズマ発生領域内でプラズマを発生させるためのプラズマ源と、
論理回路と、を備え、
前記論理回路は、
前記チャンバ内に第１のガスを導入するステップであって、前記ガスが、前記層をエッチングするのに適したエッチャントガスであるステップと、
前記第１のガスの少なくともいくらかを前記層内に吸着させるのに十分な期間にわたって、前記第１のガスを前記チャンバ内に留めるステップと、
前記プラズマ発生領域内の前記第１のガスを不活性ガスで実質的に置き換えるステップと、
前記プラズマ発生領域内で前記不活性ガスからプラズマを発生させるステップと、
前記プラズマからの準安定ガスを用いて前記層をエッチングするステップと、を行うためのものであり、
前記エッチングは、前記プラズマから前記層へのプラズマ荷電種の移動を実質的に防止しながら行われる、基板処理システム。
［適用例１９］
適用例１８に記載の基板処理システムであって、
前記分離プレート構造は、前記層へのプラズマ荷電種の移動を実質的に防止するように構成された複数の穴を有する、基板処理システム。
［適用例２０］
適用例１８に記載の基板処理システムであって、
前記分離プレート構造は、互いに電気的に絶縁された少なくとも２つのプレートから構成され、前記２つのプレートは異なる電位を有する、基板処理システム。
［適用例２１］
適用例１８に記載の基板処理システムであって、さらに、
コリメータプレートを備え、
前記準安定ガスは、前記プラズマから前記層に移動する間に前記コリメータプレートも横断し、前記コリメータプレートは、前記基板と前記分離プレート構造との間に設けられる、基板処理システム。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】