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特表2024-520971エッチング方法

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-05-28

(54)【発明の名称】エッチング方法

(51)【国際特許分類】

H01L 21/3065 20060101AFI20240521BHJP

【ＦＩ】

H01L21/302 105A

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023548871

(86)(22)【出願日】2022-04-28

(85)【翻訳文提出日】2023-08-14

(86)【国際出願番号】 JP2022019384

(87)【国際公開番号】W WO2023209982

(87)【国際公開日】2023-11-02

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】ティトゥイガーグエン

(72)【発明者】

【氏名】石川健治

(72)【発明者】

【氏名】堀勝

(72)【発明者】

【氏名】篠田和典

(72)【発明者】

【氏名】濱村浩孝

【テーマコード（参考）】

5F004

【Ｆターム（参考）】

5F004AA05

5F004BA09

5F004BA14

5F004BA20

5F004BB13

5F004BB18

5F004BB22

5F004BB25

5F004BB27

5F004CA04

5F004CB02

5F004CB09

5F004DA24

5F004DA25

5F004DA26

5F004DB12

5F004EA28

5F004EA30

5F004EA31

(57)【要約】

金属窒化物上の金属炭化物をエッチングする、連続またはサイクルエッチング方法が開示される。エッチング方法は、Ｎ_２およびＨ_２を含有するが、フッ素、塩素、臭素、およびヨウ素を含むハロゲンガスは含有しない、ガス混合物から発生するプラズマを、金属炭化物の表面の少なくとも一部において表面に供給して、金属炭化物の表面を改質するステップと、金属炭化物上の改質表面をイオン照射または加熱によって除去するステップと、を含む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｎ_２およびＨ_２を含有するが、フッ素、塩素、臭素、およびヨウ素を含むハロゲンガスは含有しない、ガス混合物から発生するプラズマを、金属炭化物の表面の少なくとも一部において前記表面に供給して、金属炭化物の前記表面を改質するステップと、金属炭化物上の改質された前記表面をイオン照射によって除去するステップと、を含む、金属窒化物上の金属炭化物をエッチングする連続エッチング方法。

【請求項2】

Ｎ_２およびＨ_２を含有するが、フッ素、塩素、臭素、およびヨウ素を含むハロゲンガスは含有しない、ガス混合物から発生するプラズマを、金属炭化物の表面の少なくとも一部において前記表面に供給することによって、金属炭化物の表面を改質するステップと、前記金属炭化物の前記表面から改質された前記表面をイオン照射によって除去するステップとの、１または複数のサイクルを含む、金属窒化物上の金属炭化物をエッチングするサイクルエッチング方法。

【請求項3】

Ｎ_２およびＨ_２を含有するが、フッ素、塩素、臭素、およびヨウ素を含むハロゲンガスは含有しない、ガス混合物から発生するプラズマを、金属炭化物の表面の少なくとも一部において前記表面に供給することによって、金属炭化物の表面を改質するステップと、前記金属炭化物の前記表面から改質された前記表面を加熱によって除去するステップとの、１または複数のサイクルを含む、金属窒化物上の金属炭化物をエッチングするサイクルエッチング方法。

【請求項4】

金属炭化物が炭化チタンアルミニウムである、請求項１、２、および３に記載のエッチング方法。

【請求項5】

金属窒化物が窒化チタンである、請求項１、２、および３に記載のエッチング方法。

【請求項6】

前記ガス混合物がＯ_２を含有する、請求項１、２、および３に記載のエッチング方法。

【請求項7】

前記ガス混合物中のＯ_２の流量比が１０％未満である、請求項６に記載のエッチング方法。

【請求項8】

前記改質された表面が、ＣＨ、ＣＮ、およびＮＨを含む、請求項１、２、および３に記載のエッチング方法。

【請求項9】

前記プラズマの圧力が１０００Ｐａ未満である、請求項１、２、および３に記載のエッチング方法。

【請求項10】

前記金属炭化物の温度が５０℃または２０℃を超える温度である、請求項１、２、および３に記載のエッチング方法。

【請求項11】

前記加熱がランプからの赤外光を照射することによって実施される、請求項３に記載のエッチング方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エッチング方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの三次元構造の高度な作製には、作製中に損傷していない他の材料は一切除去することなく、１つまたは複数の種類の材料を選択的に除去する必要がある。これは、等方性エッチング技術、およびチタン含有化合物で作られた複数の金属ゲート材料を制御することができる。

【0003】

仕事関数金属ゲートは、フィン型電界効果トランジスタ（ＦｉｎＦＥＴ）における複数層のスタック構造で使用することができる。これらの金属ゲートのうち、三元化合物ＴｉＡｌＣは、ｎ型ＦｉｎＦＥＴの閾値電圧および半導体製造プロセスに関する熱抵抗の良好な制御性を有する。ＦｉｎＦＥＴの作製は、ＴｉＡｌＣを取り囲む範囲で露出するかまたはＴｉＡｌＣ膜の下層に現れる、対象外の材料を、例えばｐ型ＦｉｎＦＥＴの場合はＴｉＮ金属ゲートを一切除去することなく、このＴｉＡｌＣ膜をエッチングすることで達成される。ＴｉＡｌＣの選択性は、金属化合物、絶縁体、およびＴｉＮ、ＴａＮ、ＨｆＯ_２、Ｓｉなどに例示される半導体に対して必要とされる。

【0004】

本発明以前は、Ｈ_２Ｏ_２混合物を使用したウェットエッチングが適用されていた。化学物質を選定することで、ウェットエッチングによってＴｉＡｌＣ膜を除去することができるが、このウェットエッチングは、エッチング速度が低く、また選択性が不十分なため、処理時間が長くなることにより、他の露出した材料を損傷してしまう。

【0005】

関連技術では、アルミニウムを含有することがある炭化チタンの、ウェット過酸化混合物を使用したエッチングが、ＵＳ２０１５／０１３２９５３Ａ１に開示されている。この方法では、２５℃でアンモニア、過酸化物、および水の液体混合物を用いて、ＴｉＮに対するＴｉＣの最大選択性を得ることができ、このときのＴｉＣのエッチング速度は８．６ｎｍ／分である。

【0006】

半導体産業において次世代ＦｉｎＦＥＴを作製するため、制御可能で高選択性の除去方法が求められている。ＴｉＡｌＣ膜のエッチング速度の選択性を増加させるため、ドライエッチングおよびプラズマエッチング技術が実行可能である。関連技術では、三元材料ＴｉＡｌＣのドライエッチングは、大気圧近傍プラズマによって開発されてきた。このことはＰＣＴ／ＪＰ２０２１／０３８９５５に開示されている。この方法は、ＮＨ_４ＯＨ蒸気、Ｈ_２Ｏ蒸気、またはＮＨ_４ＯＨ、Ｈ_２Ｏ_２、およびＨ_２Ｏの蒸気混合物など、Ａｒ／液体蒸気プラズマ中で発生した高密度のラジカルを用いた処理に依存している。イオンおよび荷電粒子は寿命が非常に短く、これまで、基板表面にはイオンが照射されていない。したがって、ＮＨおよびＨ原子の発光が観察される条件において、等方性エッチングを得ることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】ＵＳ２０１５／０１３２９５３Ａ１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

次世代のフィン型のナノシート電界効果トランジスタには、金属薄層のスタックが強く求められる。ＴｉＡｌＣ膜がＴｉＮ膜上にあるスタック構造が求められる。この場合、異方性および等方性両方のエッチングが求められる。異方性エッチングの場合、対象外の膜に対する側壁において横方向エッチングを抑制することが重要な課題である。金属含有膜は、一般に、ハロゲン含有ガス混合物のプラズマを使用することによってエッチングを施される。しかしながら、ハロゲン混合物は横方向エッチングの特徴を生み出す。このため、非ハロゲン混合物のプラズマが必要である。等方性エッチングの場合、下層において生じる損傷を抑制することが重要である。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明者らは、非ハロゲン混合物のプラズマを使用して、金属窒化物を一切除去することなく金属炭化物に異方性および等方性エッチングを施すための、新しいドライエッチング方法を開発してきた。

【0010】

プラズマは、イオン、ラジカルなどの発生源である。イオンまたは荷電粒子は基板表面に達する場合がある。１０００Ｐａ未満の低圧では、イオンまたは荷電粒子は、バイアス電力が印加される特定の事例では表面に衝突する。１００Ｐａ未満の低圧プラズマがより好ましい。

【0011】

ここでは、連続エッチングおよびサイクルエッチング両方の技術が適用される。原子層エッチングの場合、他の膜に対して膜を選択的に除去する自己停止性の方式で、サイクルエッチングを処理することができる。本発明では、イオン照射または加熱が必要であり、異方性または等方性エッチングが得られる。

【0012】

第一に、表面改質は、励起種として上記イオンおよびラジカル、および光子を用いて表面を処理することによって、制御されてもよい。改質層は、窒素、炭素、および水素を含有する金属化合物から成る。

【0013】

本出願は、１０％未満の少量の酸素をＮ_２およびＨ_２ガスの混合物に添加してプラズマエッチングプロセスを処理することによって、金属窒化物上の金属炭化物を選択的に除去する、最良の例を開示する。エッチングメカニズムは、金属炭化物上のＮＨおよびＣＮを含有する揮発性生成物の選択的除去、ならびに金属窒化物上の窒化を介した選択的抑制によって説明することができる。表面に向かうイオン衝撃エネルギーを制御するバイアス電力は、金属窒化物のイオン強化除去が開始される閾値を下回る範囲内で設定しなければならない。

【発明の効果】

【0014】

本明細書に開示する本発明の代表的な構成によって得られる効果は次の通りである。本発明の実施形態によれば、連続またはサイクルエッチング方式で、表面改質層のイオンまたは加熱によって誘導される除去を伴う、表面反応が大きい炭化チタンアルミニウム膜にドライエッチングを施す技術を提供することが可能である。窒化チタンおよび他の材料上の炭化チタンアルミニウムの高選択性エッチングは、高エネルギーのイオン衝撃または加熱下での異なる表面反応によって得ることができる。フッ素、塩素、臭素などのハロゲンを使用することなく、対象でない材料の側壁における横方向エッチングを抑制することができる。非ハロゲン系化学のＮ_２、Ｈ_２、およびＯ_２混合物は、５０℃または２０℃を超える温度で使用することができる。本方法は、金属窒化物上の他の金属炭化物の異方性または等方性の選択的エッチングに適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】容量結合プラズマ（ＣＣＰ）エッチングシステムの設計の一例を示す図である。

【図2】炭化チタンアルミニウム膜の連続エッチング方法における概略手順を示す図である。

【図3】４Ｐａで流量１５０ｓｃｃｍの純Ｎ_２のエッチングプロセス中におけるＴｉＡｌＣ膜厚の変化を示す図である。

【図4】４Ｐａでそれぞれ流量７５ｓｃｃｍおよび７５ｓｃｃｍのＮ_２およびＨ_２の混合物のエッチングプロセス中におけるＴｉＡｌＣ膜厚の変化を示す図である。

【図5】４Ｐａで流量１００ｓｃｃｍの純Ｈ_２のエッチングプロセス中におけるＴｉＡｌＣ膜厚の変化を示す図である。

【図6】圧力４Ｐａ、バイアス電力２００Ｗ、および基板温度２０℃でのＨ_２およびＮ_２ガスの混合物中におけるＨ_２の分率の関数としての、ＴｉＡｌＣおよびＴｉＮのエッチング速度ならびに選択性（ＴｉＡｌＣ／ＴｉＮ）の依存度を示す図である。

【図7】圧力２Ｐａ、バイアス電力２００Ｗ、および基板温度２０℃でのＨ_２およびＮ_２ガスの混合物中におけるＨ_２の分率の関数としての、ＴｉＡｌＣおよびＴｉＮのエッチング速度ならびに選択性（ＴｉＡｌＣ／ＴｉＮ）の依存度を示す図である。

【図8】圧力４Ｐａおよび処理時間１０分の様々な混合物条件でのプラズマエッチングの前および後の、ＴｉＡｌＣ膜およびＴｉＮ膜の断面走査電子顕微鏡画像を示す図の一覧である。

【図9】圧力４ＰａでＮ_２およびＨ_２の様々な混合物によって得られるプラズマの発光スペクトルおよび写真画像を示す図である。

【図10】波長３３６．３ｎｍのＮＨ、３３７．２ｎｍのＮ_２の第２正帯、６５６．３ｎｍおよび４８６．１ｎｍのＨ原子のバルマー線の強度比の依存度を示す図である。

【図11】それぞれの流量５０および５０ｓｃｃｍのＨ_２およびＮ_２の混合物、バイアス電力２００Ｗ、圧力２Ｐａでの処理を５分行った前および後にＴｉＡｌＣ膜の表面上で得られるＸ線光電子スペクトルにおける、コア領域Ａｌ２ｐ、Ｃ１ｓ、Ｔｉ２ｐ、およびＮ１ｓの狭域スキャンを示す図である。

【図12】それぞれの流量５０および５０ｓｃｃｍのＨ_２およびＮ_２の混合物、バイアス電力２００Ｗ、圧力２Ｐａでの処理を５分行った前および後にＴｉＮ膜の表面上で得られるＸ線光電子スペクトルにおける、コア領域Ｔｉ２ｐおよびＮ１ｓの狭域スキャンを示す図である。

【図13】代表的条件のＸＰＳ解析における化学シフトに対する元素比およびピーク組成の概要を示す図である。

【図14】Ｎ_２／Ｈ_２プラズマを使用したＴｉＡｌＣの選択的プラズマエッチングを示す断面図である。

【図15】Ｎ_２およびＨ_２の混合物のプラズマの流量がそれぞれ１００および５０ｓｃｃｍであり、バイアス電力２００Ｗが印加され、圧力が４Ｐａである、基板温度範囲－２０～５０℃に対するＴｉＡｌＣおよびＴｉＮエッチング速度の依存度を示す図である。

【図16】Ｎ_２およびＨ_２の混合物のプラズマの流量がそれぞれ５０および５０ｓｃｃｍであり、励起ＶＨＦ電力３００Ｗが印加され、作動圧力が２Ｐａである、バイアス電力範囲２５～２００Ｗに対するＴｉＡｌＣおよびＴｉＮエッチング速度の依存度を示す図である。

【図17】圧力１ＰａにおけるＡｒのプラズマの流量が５０ｓｃｃｍである、９００～１３００Ｖｐｐの範囲のＶｐｐの√Ｖｐｐに対するＴｉＮスパッタリング速度の依存度を示す図である。

【図18】様々なバイアス電力２５、５０、１００、および２００Ｗ、圧力２Ｐａ、基板温度２０℃での処理において、バイアス電力２００Ｗを使用したサンプルの処理時間が５分、他のものの処理時間が２０分である、それぞれの流量５０および５０ｓｃｃｍのＨ_２およびＮ_２の混合物での処理の前および後に、ＴｉＡｌＣ膜およびＴｉＮ膜の表面上で得られるＸ線光電子スペクトルにおける、コア領域Ｎ１ｓの狭域スキャンを示す図である。

【図19】代表的条件のＸＰＳ解析における化学シフトに対する元素比およびピーク組成の概要を示す図である。

【図20】圧力２Ｐａ、バイアス電力２００Ｗ、および基板温度２０℃でのＯ_２およびＮ_２ガスの混合物中におけるＯ_２の分率の関数としての、ＴｉＡｌＣのエッチング速度の依存度と、参照のため、ＴｉＮのエッチング速度の依存度とを示す図である。

【図21】圧力２Ｐａ、バイアス電力２００Ｗ、および基板温度２０℃での、Ｏ_２を１０％添加したＨ_２およびＮ_２ガスの混合物中におけるＮ_２の分率の関数としての、ＴｉＡｌＣのエッチング速度の依存度と、参照のため、ＴｉＮのエッチング速度の依存度とを示す図である。

【図22】圧力２Ｐａ、バイアス電力２００Ｗ、および基板温度２０℃での、Ｈ_２、Ｏ_２、およびＮ_２ガスの混合物中におけるＮ_２、Ｏ_２、およびＨ_２の分率の関数としての、ＴｉＡｌＣおよびＴｉＮのエッチング速度の等高線を示す図である。

【図23】Ｎ_２／Ｈ_２／Ｏ_２プラズマにおけるＴｉＮのエッチングの抑制を示す断面図である。

【図24】圧力２ＰａでＮ_２、Ｏ_２、およびＨ_２の様々な混合物によって得られるプラズマの発光スペクトルを示す図である。

【図25】圧力２ＰａでＮ_２、Ｏ_２、およびＨ_２の様々な混合物によって得られるプラズマの発光スペクトルを示す図である。

【図26】本発明の一実施形態による等方性エッチングの装置を示す概略断面図である。

【図27】本発明の一実施形態による等方性原子層エッチングにおけるパラメータである、処理ガス流量、高周波電源電力、赤外ランプ電力、後面Ｈｅ流量、およびウェハ表面温度の時間的変動の例をこの順序で上端から示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本発明者らは、非ハロゲンガス混合物を使用して炭化チタンアルミニウム膜をエッチングすることを試みてきた。結果として、以下の知見が得られた。
（１）非ハロゲン系ガス混合物を使用した処理によって、ＴｉＡｌＣ表面の改質に成功した。
（２）揮発性生成物の脱着を、適切な入射エネルギーのイオン衝撃によって、または加熱によって得ることができる。
（３）ＴｉＮエッチングの抑制が、Ｎ_２およびＨ_２混合物のプラズマに少量のＯ_２を添加することによって成功した。これにより、ＴｉＮ膜上のＴｉＡｌＣ膜の高選択的な除去がもたらされる。
（４）イオンの入射エネルギーは、ＴｉＡｌＣ膜およびＴｉＮ膜のイオン強化除去プロセスに対する閾値未満に設定すべきである。ＴｉＡｌＣのエッチング速度を比較的高くすることにより、ＴｉＮ上のＴｉＡｌＣの選択性が改善される。
（５）非選択性の脱着によってＴｉＮ上のＴｉＡｌＣを除去する選択性が低減されるので、基板温度は５０℃または２０℃を超える温度に設定すべきである。

【0017】

＜プロセス例１＞
本発明の最良の例について、図１～図１３を参照して記載する。シリコンウェハ上における窒化チタン膜上の炭化チタンアルミニウム膜の等方性プラズマエッチングプロセスの設計、ならびに金属窒化物（ＴｉＡｌＮ、ＴｉＮ、ＡｌＮ）上の金属炭化物（ＴｉＡｌＣ、ＴｉＣ、ＡｌＣ）を高い選択性で除去する選択的プラズマ化学について、一例を記載する。

【0018】

図１は、容量結合プラズマ（ＣＣＰ）エッチングシステム３００の設計の一例を示す図である。分光エリプソメータ３５０は、下部電極３０１上に配置されたウェハ３４０の表面（サンプル３４１）をその場観察するためのシステムを備える。上部電極３１１は、整合回路３１２を通して超短波（ＶＨＦ）電源３１３（１００ＭＨｚ）と接続される。下部電極３０１は、別の整合回路３０２を通して中波（ＭＦ）電源３０３（２ＭＨｚ）と接続される。ここで、本例は、本発明をＣＣＰエッチングシステムに適用することについて記載するが、本発明は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチングシステムおよび電子サイクロトロン共振（ＥＣＲ）プラズマエッチングシステムを含む、他のエッチングシステムにも適用可能である。

【0019】

図２は、本実施形態による、炭化チタンアルミニウム膜の連続エッチング方法における手順を概略的に示している。ウェハは、容量結合プラズマを発生させるシステムを有するチャンバ内で処理されることになる。ウェハは、チャンバの下部電極３０１上に置かれる（Ｓ０１）。次に、ウェハの温度が冷却液を循環させることによって設定される（Ｓ０２）。次に、Ｎ_２およびＨ_２のガス混合物が、上部電極３１１を通してガス入口からチャンバに導入される（Ｓ０３）。次に、ＶＨＦ電力およびバイアス電力を印加することによって、プラズマを発生させる（Ｓ０４）。別段の注記がない限り、３００Ｗの励起ＶＨＦ電力が使用される。水素含有および窒素含有イオンおよびラジカルが、金属炭化物を改質して、金属－窒素－炭化水素結合を形成することができる。エネルギー制御されたイオン衝撃によって、金属含有および窒素含有層はそのままで、金属含有炭化水素層のみを脱着することができる。表面改質および金属含有揮発性物質除去のサイクルは、金属窒化物に対して金属炭化物のみを選択的にエッチングすることができる。エッチング量が十分である場合、ウェハはチャンバから取り出される（Ｓ０５、Ｓ０６）。

【0020】

図３は、エリプソメトリを使用してその場測定した、４Ｐａで流量１５０ｓｃｃｍの純Ｎ_２のエッチングプロセス中におけるＴｉＡｌＣ膜厚の変化を示す図である。最上膜の改質が同時にモニタリングされる。２００Ｗのバイアス電力が印加され、基板温度は２０℃である。

【0021】

図４は、エリプソメトリを使用してその場測定した、４Ｐａでそれぞれ流量７５ｓｃｃｍおよび７５ｓｃｃｍのＮ_２およびＨ_２の混合物のエッチングプロセス中におけるＴｉＡｌＣ膜厚の変化を示す図である。最上膜の改質が同時にモニタリングされる。２００Ｗのバイアス電力が印加され、基板温度は２０℃である。

【0022】

図５は、エリプソメトリを使用してその場測定した、４Ｐａで流量１００ｓｃｃｍの純Ｈ_２のエッチングプロセス中におけるＴｉＡｌＣ膜厚の変化を示す図である。最上膜の改質が同時にモニタリングされる。２００Ｗのバイアス電力が印加され、基板温度は２０℃である。

【0023】

図４で分かるように、ＴｉＡｌＣのエッチング速度は、純Ｎ_２または純Ｈ_２の事例（図３および図５）と比較して、Ｎ_２およびＨ_２混合物プラズマにおいて明白である。

【0024】

図６は、圧力４Ｐａ、バイアス電力２００Ｗ、および基板温度２０℃でのＨ_２およびＮ_２ガスの混合物中におけるＨ_２の分率の関数としての、ＴｉＡｌＣのエッチング速度の依存度を示す図である。参照のため、ＴｉＮのエッチング速度の依存度も示している。選択性は、ＴｉＡｌＣのエッチング速度とＴｉＮのエッチング速度との比を取ることによって表される。

【0025】

図７は、圧力２Ｐａ、バイアス電力２００Ｗ、および基板温度２０℃でのＨ_２およびＮ_２ガスの混合物中におけるＨ_２の分率の関数としての、エッチング速度の依存度を示す図である。参照のため、ＴｉＮのエッチング速度の依存度も示している。選択性は、ＴｉＡｌＣのエッチング速度とＴｉＮのエッチング速度との比を取ることによって表される。

【0026】

図８は、圧力４Ｐａおよび処理時間１０分の様々な混合物条件でのプラズマエッチングの前および後の、ＴｉＡｌＣ膜およびＴｉＮ膜の断面走査電子顕微鏡画像を示す図の一覧である。

【0027】

図９は、圧力４ＰａでＮ_２およびＨ_２の様々な混合物によって得られるプラズマの発光スペクトルおよび写真画像を示す図である。

【0028】

図１０は、波長３３６．３ｎｍのＮＨ、３３７．２ｎｍのＮ_２の第２正帯、６５６．３ｎｍおよび４８６．１ｎｍのＨ原子のバルマー線の強度比の依存度を示す図である。Ｎ_２と混合されたＨ_２でプラズマが発生したとき、ＮＨの発光が強いのは明白である。流量５０および１００ｓｃｃｍのＨ_２およびＮ_２の混合物で、最も強いＮＨ放射が観察された。

【0029】

図１１は、流量５０および５０ｓｃｃｍのＨ_２およびＮ_２の混合物による、バイアス電力２００Ｗ、圧力２Ｐａでの、５分間の処理の前および後にＴｉＡｌＣ膜の表面上で得られるＸ線光電子スペクトルにおける、コア領域Ａｌ２ｐ、Ｃ１ｓ、Ｔｉ２ｐ、およびＮ１ｓの狭域スキャンを示す図である。

【0030】

図１２は、流量５０および５０ｓｃｃｍのＨ_２およびＮ_２の混合物による、バイアス電力２００Ｗ、圧力２Ｐａでの、５分間の処理の前および後にＴｉＮ膜の表面上で得られるＸ線光電子スペクトルにおける、コア領域Ｔｉ２ｐおよびＮ１ｓの狭域スキャンを示す図である。

【0031】

ＴｉＡｌＣ膜の場合、ＴｉＮおよびＡｌＮの化学シフトは、プラズマエッチングプロセスの後に現れ、これはＴｉＡｌＣ膜の窒化を示す。Ｎ１ｓには３つ以上の成分が存在する。２つの成分はＡｌＮおよびＴｉＮに割当て可能であり得、残りの部分は、水素および炭素の結合による化学シフトとして特定され、これはＮＨおよびＣＮ結合を示す。

【0032】

ＴｉＮ膜の場合、ＴｉＮの化学シフトはプラズマエッチングプロセスの前および後に現れる。ピーク特徴はプラズマエッチングプロセスの後でほぼ変化しない。

【0033】

図１３は、代表的条件のＸＰＳ解析における化学シフトに対する元素比およびピーク組成の概要を示す図である。

【0034】

エッチングメカニズムは次の通りである。ＮＨ結合を炭化物中に形成することができる。この構成では、炭化水素基は金属元素に結合される。ＴｉおよびＡｌは、架橋窒素を介した炭化水素基の配位によって中心に配置される。これらの金属有機錯体は、揮発性生成物を形成することによって脱着することができる。このことは、Ａｌ（Ｃ_ｘＨ_ｙ）_ｚ、Ｔｉ－（Ｎ（Ｃ_ｘＨ_ｙ）_ｚ）、およびＴｉ－（ＣＮ）_ｘなどの揮発性生成物が生成される可能性を示している。ＴｉＡｌＣの選択的プラズマエッチングの断面図が図１４に示される。

【0035】

ここで、本例は、本発明を異方性エッチングに適用することについて記載するが、本発明は、イオン照射の代わりに加熱を使用することによる等方性エッチングにも適用可能である。

【0036】

＜プロセス例２＞
第２の実施形態について、図１５を参照して記載する。

【0037】

シリコンウェハ上における窒化チタン膜上の炭化チタンアルミニウム膜のドライプラズマエッチングの開発について一例を記載する。

【0038】

図１５は、基板温度範囲－２０～５０℃に対するＴｉＡｌＣおよびＴｉＮのエッチング速度の依存度を示す図である。Ｎ_２およびＨ_２の混合物のプラズマの流量は、それぞれ１００および５０ｓｃｃｍである。バイアス電力２００Ｗが印加され、圧力は４Ｐａである。

【0039】

このセットアップでは、基板温度が２０℃を超えて上昇するにしたがって、ＴｉＮ膜上のＴｉＡｌＣ膜のエッチング速度および選択性が増加していく。

【0040】

＜プロセス例３＞
第３の実施形態について、図１６～図１９を参照して記載する。

【0041】

シリコンウェハ上における窒化チタン膜上の炭化チタンアルミニウム膜のドライプラズマエッチングの開発について一例を記載する。

【0042】

図１６は、バイアス電力範囲２５Ｗ～２００Ｗに対するＴｉＡｌＣおよびＴｉＮのエッチング速度の依存度を示す図である。Ｎ_２およびＨ_２の混合物のプラズマの流量は、それぞれ５０および５０ｓｃｃｍである。励起ＶＨＦ電力３００Ｗが印加され、作動圧力は２Ｐａである。バイアス電力は、ピーク間電圧の平方根√Ｖｐｐに変換される。同じバイアス電力では、√Ｖｐｐが大きいほどＴｉＡｌＣエッチング速度はＴｉＮエッチング速度よりも速い。この傾向は、エッチング速度を√Ｖｐｐと線形相関させることによってフィッティングされる。エッチング速度ゼロに対する交差値（閾値）は、ＴｉＡｌＣエッチング速度の方がＴｉＮエッチング速度の場合よりも低いことが分かる。バイアス電力が閾値よりも低い場合、ＴｉＮ膜上のＴｉＡｌＣ膜を高選択的に除去することが可能となり得る。

【0043】

図１７は、９００～１３００Ｖｐｐの範囲のＶｐｐの√Ｖｐｐに対するＴｉＮスパッタリング速度の依存度を示す図である。圧力１ＰａにおけるＡｒのプラズマの流量は５０ｓｃｃｍである。この傾向は、ＴｉＮスパッタリング速度を√Ｖｐｐと線形相関させることによってフィッティングされる。スパッタリング速度ゼロに対する交差値（閾値）は、Ｈ_２およびＮ_２混合物のプラズマにおいて、ＴｉＮエッチング速度に対する√Ｖｐｐが２５でほぼ同じであることが分かる。しかしながら、ＴｉＡｌＣの傾向は物理的なスパッタリングのものに追随していない。換言すれば、物理的なスパッタリング速度は、Ｎ_２およびＨ_２混合物のプラズマおよび低バイアス電力の印加で得られる、本発明の結果をなぞることができていない。これは、Ｎ_２およびＨ_２の化学作用が、ＴｉＮ上のＴｉＡｌＣの選択性エッチングに対して重要な役割を果たすことを意味する。

【0044】

図１８は、様々なバイアス電力２５、５０、１００、および２００Ｗ、圧力２Ｐａ、基板温度２０℃を有し、流量５０および５０ｓｃｃｍのＨ_２およびＮ_２の混合物の前および後に、ＴｉＡｌＣ膜およびＴｉＮ膜の表面上で得られるＸ線光電子スペクトルにおける、コア領域Ｎ１ｓの狭域スキャンである。バイアス電力２００Ｗを使用したサンプルの処理時間は５分、他のものの処理時間は２０分である。

【0045】

ＴｉＮ膜の場合、プラズマエッチング前は、Ｎ１ｓ領域に化学シフトの２つの成分がある。一方はバルクＴｉＮに割り当てられ、他方は、ＴｉＯＮを示すＴｉＮ膜の自然酸化物に割り当てられる。約４０２ｅＶの結合エネルギーでは、特に、２５Ｗおよび５０Ｗの低いバイアス電力の場合に小さい特徴が観察される。これはＮＯ結合と特定される。

【0046】

ＴｉＡｌＣ膜の場合、プラズマエッチング前は、窒素は確実に存在しない。この初期のＴｉＡｌＣ膜がエッチングされ、明白なピークがＮ１ｓのＸＰＳスペクトルに現れる。同様に、ＴｉＮ膜では、ＴｉＮおよびＡｌＮの成分と、自然酸化物ＴｉＯＮおよびＡｌＯＮの成分とがある。５０Ｗを超えるバイアス電力では、バイアス電力に関係なくこれらのピークはほぼ不変である。２５Ｗおよび５０Ｗの低いバイアス電力の場合、約４０２ｅＶの高い結合エネルギーのピーク成分は強度が高くなる。ＴｉＡｌＣ表面で観察された改質によって、Ｎ_２およびＨ_２混合物のプラズマに揮発性生成物が形成される。結合Ａｌ－Ｃ、Ｔｉ（Ａｌ）－Ｎ、Ｎ－Ｈ、およびＣ－Ｎがプラズマ処理後のサンプル中に見られたが、このことは、メチル（Ａｌ－ＣＨ_３）、メチルアミン（Ｔｉ（Ａｌ）－ＮＨ_ｎ－ＣＨ_３－ｎ）を含む、化学的結合を有する揮発性生成物が形成されたことの証明である。これらの結合成分は、揮発性生成物を得るように制御されるべきである。

【0047】

図１９は、代表的条件のＸＰＳ解析における化学シフトに対する元素比およびピーク組成の概要を示す図である。

【0048】

＜プロセス例４＞
第４の実施形態について、図２０～図２３を参照して記載する。

【0049】

シリコンウェハ上における窒化チタン膜上の炭化チタンアルミニウム膜のドライプラズマエッチングの開発について一例を記載する。

【0050】

図２０は、圧力２Ｐａ、バイアス電力２００Ｗ、および基板温度２０℃でのＯ_２およびＮ_２ガスの混合物中におけるＯ_２の分率の関数としての、ＴｉＡｌＣのエッチング速度の依存度を示す図である。参照のため、ＴｉＮのエッチング速度の依存度も示している。

【0051】

図２１は、圧力２Ｐａ、バイアス電力２００Ｗ、および基板温度２０℃での、Ｏ_２を１０％添加したＨ_２およびＮ_２ガスの混合物中におけるＮ_２の分率の関数としての、ＴｉＡｌＣのエッチング速度の依存度を示す図である。参照のため、ＴｉＮのエッチング速度の依存度も示している。

【0052】

図２２は、圧力２Ｐａ、バイアス電力２００Ｗ、および基板温度２０℃での、Ｈ_２、Ｏ_２、およびＮ_２ガスの混合物中におけるＮ_２、Ｏ_２、およびＨ_２の分率の関数としての、ＴｉＡｌＣおよびＴｉＮのエッチング速度の等高線を示す図である。

【0053】

ＴｉＡｌＣ膜の場合、２つの最大値が現れる。一方は、Ｏ_２およびＮ_２混合物のプラズマにおけるものであり、他方はＮ_２およびＨ_２混合物のプラズマにおけるものである。Ｎ_２およびＨ_２混合物の場合、Ｏ_２を１０％未満添加することによって、ＴｉＡｌＣとほぼ同じエッチング速度が得られる。Ｏ_２をさらに添加するとＴｉＡｌＣエッチング速度は大幅に減少するが、それでもエッチング速度は比較的速いままである。

【0054】

ＴｉＮ膜の場合、エッチング速度の最大値は、Ｏ_２、Ｈ_２、およびＮ_２のうち、この混合物では純Ｎ_２に現れる。Ｏ_２を添加した場合、表面酸化はＴｉＮ膜のエッチングオフを大幅に抑制する。

【0055】

ＴｉＮ上のＴｉＡｌＣのエッチングの選択性と、ＴｉＡｌＣ膜の高いエッチング速度を獲得するには、Ｈ_２の分率が２５％～７５％の範囲のＨ_２およびＮ_２の混合物が最良の例であり、Ｏ_２は、１０％未満のＯ_２分率でＨ_２およびＮ_２の混合物に添加すべきである。

【0056】

本発明のエッチング結果によれば、ＴｉＡｌＣ膜およびＴｉＮ膜それぞれの表面改質は、プラズマエッチングの化学によって、つまりガス混合比の制御によって、制御することができる。プラズマは、様々な種類のイオンおよびラジカルを発生させる。主に、ＮＨ成分およびＣＮ成分の表面改質はＴｉＡｌＣ膜の除去を支援することができる。この改質層は、揮発性生成物を形成する可能性があり、炭化水素基と窒素架橋との結合を形成してＴｉおよびＡｌを中心に配位する。両方の膜における少量の酸化は、ＴｉＯＮの形成によってＴｉＮ膜のエッチングを抑制するのを支援することができる。Ｎ_２／Ｈ_２／Ｏ_２プラズマにおけるＴｉＮのエッチングの抑制の断面図が図２３に示される。

【0057】

＜プロセス例５＞
図２４および図２５は、圧力２ＰａでＮ_２、Ｏ_２、およびＨ_２の様々な混合物によって得られるプラズマの発光スペクトルを示す図である。１００％Ｎ_２では、Ｎ_２の第２正帯が３３７、３５７、および３８０ｎｍ付近で、Ｎ_２の第１正帯が６００～８００ｎｍ付近で明らかに観察される。１００％Ｈ_２では、Ｈ原子のバルマー線が６５６．３ｎｍおよび４８６．１ｎｍで明らかに観察される。１００％Ｏ_２では、Ｏ原子放射が７７７および８４４ｎｍで見られる。Ｎ_２およびＨ_２混合物では、ＮＨ放射を観察することができるが、このセットアップでは、Ｎ_２放射の重複がＮＨ帯の観察を妨害する。Ｎ_２およびＯ_２混合物では、ＮＯ放射を紫外光範囲の２４５ｎｍ付近で観察することができる。Ｈ_２およびＯ_２混合物では、強いＯＨ放射が３１０ｎｍ付近で、またＨのバルマー線が明らかに観察される。Ｎ_２、Ｈ_２、および１０％Ｏ_２の混合物では、ＮＯおよびＨ原子からのすべての放射が重複している。このように、発光スペクトル観察を使用して、ガスがどのように混合されているかの条件をモニタリングすることができる。加えて、Ｏ_２を１０％で固定した場合、Ｎ_２およびＨ_２のバランスが変更される。Ｈ原子（６５６ｎｍ）、Ｎ_２（３３７ｎｍ）、ＯＨ（３１０ｎｍ）、およびＮＯ（２４５ｎｍ）のスペクトル強度は、これらのガスがプラズマ中でどのように混合するかを示す。

【0058】

＜プロセス例６＞
一実施形態について図２６～図２７を参照して記載する。この実施形態は、Ｎ_２およびＨ_２の混合物から発生したプラズマが使用され、ＴｉＮ膜上のＴｉＡｌＣ膜が、３００ｍｍウェハ用のプラズマ処理装置内で赤外線加熱を使用することによって、選択的かつ等方的にエッチングされる、一例に対応する。

【0059】

上述したような、炭化チタンアルミニウムを含有する膜のエッチングを実施する、プラズマ処理装置について記載する。図２６は、プラズマ処理装置１００の概略構成を示す断面図である。

【0060】

処理チャンバ１は、ベースチャンバ１１によって構成され、処理されるサンプルとしてのウェハ２が上に配置されるウェハステージ４（以下、ステージ４と呼ぶ）が、処理チャンバ１内に配設される。プラズマ源は、石英チャンバ１２、ＩＣＰコイル３４、および高周波電力源２０を含み、ベースチャンバ１１の上方に配設されたコンテナ６０内に配設される。この例では、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）放電方法がプラズマ源に使用される。プラズマを発生させる高周波電力源２０は、整合ユニット２２を介して、円筒状の石英チャンバ１２外部のＩＣＰコイル３４に接続される。１３．５６ＭＨｚなど、数十ＭＨｚの周波数帯が、高周波電力の周波数として使用される。

【0061】

上部プレート６は石英チャンバ１２の上部部分に配設される。シャワープレート５は上部プレート６内に配設される。ガス拡散プレート１７は上部プレート６の下方に配設される。処理ガスは、ガス拡散プレート１７の外周から処理チャンバ１に導入される。

【0062】

処理ガスの供給流量は、処理ガス中の各種のガスに対して配設されたマスフローコントローラ５０によって調節される。図２６は、Ｎ_２およびＨ_２を処理ガスとして使用する一例を示している。しかしながら、処理ガス中のガスの種類はそれらに限定されない。

【0063】

真空排気管１６は、ポンプ１５に接続されて、処理チャンバ１の下部部分の圧力を低減させる。ポンプ１５は、例えば、ターボ分子ポンプ、メカニカルブースターポンプ、またはドライポンプで構成される。処理チャンバ１または石英チャンバ１２内の放電領域３の圧力を調節するために、圧力調節メカニズム１４がポンプ１５の上流に配設される。圧力調節メカニズム１４、ポンプ１５、および真空排気管１６は、排気メカニズムと総称される。ステージ４は、ステージ４とベースチャンバ１１の底面との間の真空封止を実施するＯリング８１を備える。

【0064】

ウェハ２を加熱する赤外（ＩＲ）ランプユニットは、ステージ４とＩＣＰプラズマ源を構築する石英チャンバ１２との間に配設される。ＩＲランプユニットは主に、ＩＲランプ６２と、ＩＲ光を反射する反射プレート６３と、ＩＲ光透過窓７４とを含む。円形（丸形）のランプがＩＲランプ６２として使用される。ＩＲランプ６２から放射される光（電磁波）は、主に可視光から赤外光領域の光までの光を含む、光（本明細書では、ＩＲ光と呼ぶ）である。この例では、ＩＲランプ６２は、三周分のＩＲランプ６２－１、６２－２、および６２－３を含む。しかしながら、ＩＲランプ６２は、二周または四周分のＩＲランプを含んでもよい。ＩＲ光を下方に（ウェハ２の配置方向に）反射する反射プレート６３は、ＩＲランプ６２の上方に配設される。

【0065】

ＩＲランプ電力源６４はＩＲランプ６２に接続される。高周波カットオフフィルタ２５は、ＩＲランプ電力源６４とＩＲランプ６２との間に配設される。高周波カットオフフィルタ２５は、高周波電力源２０によって生成されるプラズマを発生させる高周波電力のノイズが、ＩＲランプ電力源６４に流入するのを防ぐ。ＩＲランプ電力源６４は、それぞれのＩＲランプ６２－１、６２－２、および６２－３に供給される電力を独立して制御する機能を有するので、ウェハ２の加熱量の径方向分布を調節することができる。

【0066】

この例では、石英チャンバ１２内に供給されるガスが処理チャンバ１に流入するので、ガス流路７５はＩＲランプユニットの中心に形成される。ガス流路７５は、石英チャンバ１２内部で発生したプラズマ中のイオンおよび電子を遮蔽し、中性ガスまたは中性ラジカルのみを送りウェハ２を照射する、スリットプレート（イオン遮蔽プレート）７８を備える。スリットプレート７８は複数の穴を含む。

【0067】

他方で、冷却剤流路３９は、ステージ４を冷却するためにステージ４に形成され、冷却剤は冷却装置３８が供給し循環させる。静電吸着によってウェハ２をステージ４に固定させるために、プレート状の電極プレートである静電吸着のための電極３０がステージ４に埋め込まれる。静電吸着のためのＤＣ電力供給部３１はそれぞれ、静電吸着のための電極３０に接続される。

【0068】

ウェハ２を効率的に冷却するために、Ｈｅガス（冷却ガス）を、ステージ４とステージ４上に配置されたウェハ２の裏面との間に供給することができる。ステージ４の表面（ウェハの配置面）は、ポリイミドなどの樹脂でコーティングされて、静電吸着のための電極３０がウェハ２を静電吸着した状態で加熱および冷却を実施するように操作される場合であっても、ウェハ２の裏面が損傷するのを防ぐ。ステージ４の温度を測定する熱電対７０は、ステージ４の内部に配設され、熱電対温度計７１に接続される。

【0069】

光ファイバ９２－１および９２－２は、ウェハ２の温度を測定する３つの場所、つまり、ステージ４上に配置されたウェハ２の中心部分付近の場所、径方向でウェハ２の中間部分付近の場所、およびウェハ２の外周付近の場所に配設される。光ファイバ９２－１は、外部ＩＲ光源９３からのＩＲ光をウェハ２の裏面へとガイドし、それによってウェハ２の裏面がＩＲ光で照射される。他方で、光ファイバ９２－２は、光ファイバ９２－１によって放射されたＩＲ光のうち、ウェハ２を透過したかまたはウェハ２上で反射したＩＲ光を収集し、透過または反射したＩＲ光を分光器９６へと送る。

【0070】

つまり、外部ＩＲ光源９３によって発生した外部ＩＲ光は、光路をオンオフする光路スイッチ９４に送られる。その後、外部ＩＲ光は、光分配器９５によって複数の（この場合は３つの）光に分岐され、ウェハ２の裏面の様々な位置が、３つの光ファイバ９２－１を介して複数のＩＲ光で照射される。ウェハ２によって吸収または反射されたＩＲ光は、光ファイバ９２－２によって分光器９６に送られ、スペクトル強度の波長依存データが検出器９７によって得られる。検出器９７によって得られたスペクトル強度の波長依存データは、制御ユニット４０の演算ユニット４１に送られて吸収波長が計算され、吸収波長に基づいてウェハ２の温度を決定することができる。光合波器９８は、光ファイバ９２－２の中間部分に配設されるので、ウェハの中心、ウェハの中間、およびウェハの外周の測定点で分光測定される光を切り替えることが可能である。したがって、演算ユニット４１は、ウェハの中心、ウェハの中間、およびウェハの外周それぞれの温度を決定することができる。

【0071】

制御ユニット４０は、プラズマ処理装置１００を構築する各メカニズムを制御する。具体的には、制御ユニット４０は、高周波電力源２０を制御し、ＩＣＰコイル３４への高周波電源のオンオフを制御する。ガス供給ユニット５１は、それぞれのマスフローコントローラ５０－１～５０－４から石英チャンバ１２の内部に供給される、ガスのタイプおよび流量を調節するように制御される。エッチングガスが供給されるとき、制御ユニット４０は、ポンプ１５を作動させ、圧力調節メカニズム１４を制御して、処理チャンバ１内部の圧力を所望の圧力に調節する。

【0072】

静電吸着のためのＤＣ電力供給部３１を作動させてウェハ２をステージ４に静電吸着し、Ｈｅガスをウェハ２とステージ４との間に供給するマスフローコントローラ５０－４を作動させる一方で、制御ユニット４０は、熱電対温度計７１によって測定されるステージ４の温度、ならびに演算ユニット４１によって決定されるウェハ２の温度分布の情報に基づいて、ＩＲランプ電力源６４および冷却装置３８を制御して、ウェハ２の温度が所定の温度範囲内にあるようにする。ウェハ２の温度分布の情報は、検出器９７によって測定される、ウェハ２の中心部分付近、径方向でのウェハ２の中間部分付近、およびウェハ２の外周付近のスペクトル強度の情報に基づいて決定される。

【0073】

図２７は、ＴｉＡｌＣ膜の等方性原子層エッチングがプラズマ処理装置１００によって実施される場合の、１サイクルの時間チャートである。

【0074】

最初に、エッチングされるＴｉＡｌＣ膜が上に形成されたウェハ２が、処理チャンバ１に設けられた搬送ポート（図示なし）を介して処理チャンバ１内に運ばれ、ステージ４上に配置される。制御ユニット４０は、ＤＣ電力供給部３１を作動させて、ウェハ２を静電吸着し、ステージ４に固定させ、ガス供給ユニット５１を制御して、ウェハ冷却のためのＨｅガスをウェハ２の裏面とステージ４との間に、Ｈｅガスに対応するマスフローコントローラ５０－４から供給して、ウェハ２の裏面とステージ４との間のＨｅガスの圧力２３０が所定の圧力２３１に設定され、ウェハ温度２４０が温度２４１に設定されるようにする。この例では、ウェハ温度２４１は２０℃である。

【0075】

続いて、制御ユニット４０は、Ｎ_２Ｈ_２の混合物であり、マスフローコントローラ５０－２および５０－３によって処理チャンバ１内に供給される反応ガスである、ガスの流量を調節し、圧力調節メカニズム１４の開口度を調節して、処理チャンバ１内部の圧力および石英チャンバ１２内部の圧力が目標圧力に設定されるようにする。この状態で、制御ユニット４０は、高周波電力源２０をオンにして放電電力２１１を印加し、それによって石英チャンバ１２内部のプラズマ放電を開始し、石英チャンバ１２内部でプラズマ１０を発生させる。このとき、ウェハ２の温度は２０℃で維持されるので、ＩＲランプ６２に印加される電力２２０はゼロである（電力２２１）。

【0076】

この状態で、Ｎ_２およびＨ_２の混合物の一部がイオン化され、プラズマ１０中で解離される。プラズマ１０が発生した領域内でイオン化されていない中性ガスおよび中性ラジカルは、スリットプレート７８を通過するので、ウェハ２に、ＮＨを含む中性ガスおよび中性ラジカルが照射される。ラジカルは、ウェハ２の表面上で吸着され、ＴｉＡｌＣ膜と反応して、Ａｌ（Ｃ_ｘＨ_ｙ）_ｚ、Ｔｉ－（Ｎ（Ｃ_ｘＨ_ｙ）_ｚ）、およびＴｉ－（ＣＮ）_ｘを含む表面反応層を発生させる。スリットプレート７８の効果により、プラズマ１０中に発生したイオンがウェハ２に入ることはほぼない。したがって、ＴｉＡｌＣ膜の表面反応は主に、ラジカルによって等方的に進行し、表面反応層はＴｉＡｌＣ膜の表面上で生成される。発生する表面反応層の厚さは、ガス混合物を使用するプラズマ処理時間およびプラズマ処理温度に応じて増加する。しかしながら、この場合の温度で１５秒が経過すると、表面反応層の量が飽和する。したがって、気相を使用するプラズマ処理の時間は１５秒に設定される。

【0077】

表面反応を形成するのに必要なプラズマ処理時間が経過した後、制御ユニット４０は、高周波電力源２０（放電電力２１２）をオフにし、プラズマ放電を停止する。処理チャンバ１内に残っているガスは、排気メカニズムによって排気される。ウェハの裏面へのＨｅガスの供給が停止され、バルブ５２が開かれ、ウェハ２の裏面における圧力が処理チャンバ１内の圧力に等しく設定される。ウェハの裏面のＨｅガスが除去され、それによって、ウェハの裏面におけるＨｅガスの圧力２３０が圧力２３２に設定される。上記が第１のステップである。

【0078】

続いて、制御ユニット４０は、ＩＲランプ電力源６４の出力をオンにして、ＩＲランプ６２（電力２２２）をオンにする。ＩＲランプ６２から放射されるＩＲ光は、ＩＲ光透過窓７４を通過し、ウェハ２を加熱する。したがって、ウェハの温度はウェハ温度２４２として示されるように上昇する。ウェハ温度２４０は、第２のステップが終了すると、温度上昇の開始後２５秒で２００℃に達する。この例では、到達すべきウェハ温度は２００℃に設定される。

【0079】

ウェハ温度２４０が２００℃（ウェハ温度２４３）に達すると、制御ユニット４０は、ＩＲランプ電力源６４の出力を電力２２３に低減し、それによってウェハ２の温度を、特定の期間、温度２４３で一定に保つ。圧力は５Ｐａに設定される。Ａｌ（Ｃ_ｘＨ_ｙ）_ｚ、Ｔｉ－（Ｎ（Ｃ_ｘＨ_ｙ）_ｚ）、およびＴｉ－（ＣＮ）_ｘから成る表面反応層は、高温では揮発性なので除去され、それによってＴｉＡｌＣ膜の厚さが低減される。表面反応層全体が除去されるので、エッチングが停止され、ＴｉＡｌＣ層の表面が露出する。

【0080】

第２のステップおよび本ステップ（第３のステップ）では、ウェハ２は、ＩＲランプ６２からの電磁波によって加熱されるので、必然的に加熱されるウェハの表面を効率的に温めることができる。例えば、約１８０℃の温度差がある場合であっても、加熱を迅速に完了することができる。ウェハ２は、ウェハ２がステージ４上に配置された状態で加熱されるものと記載されているが、ウェハ２は、リフトピンなどを使用することによってステージ４から持ち上げられ、ウェハ２がステージ４と熱的に接触していない状態でＩＲ光（電磁波）を照射されてもよい。したがって、ウェハ２からステージ４への伝熱を防ぐことができ、そのため、ウェハ２の温度をより短時間で所望の温度まで上昇させることができる。この場合、ウェハ２の温度は、ＩＲランプ６２から放射され、ウェハ２を通って伝わり、光ファイバ９２－２に達する光を使用して測定されてもよい。ＩＲランプ６２－１、６２－２、および６２－３の電力比は、ウェハ２の面における径方向の温度分布に基づいて制御されてもよい。

【0081】

その後、制御ユニット４０は、ＩＲランプ電力源６４（電力２２４）の出力をオフにし、ウェハ２の加熱を停止する。処理チャンバ１内に残っているガスは、排気メカニズムによって迅速に排気される。このように、第３のステップが終了する。

【0082】

続いて、制御ユニット４０は、Ａｒガス供給のためのマスフローコントローラ５０－１、およびＨｅガス供給のためのマスフローコントローラ５０－４を制御して、Ａｒガスを処理チャンバ１内に供給し、Ｈｅガスをウェハ２の裏面とステージ４との間に供給し、それによって、ウェハ２の裏面とステージ４との間のＨｅガスの圧力２３０が、所定の圧力２３３に設定され、ウェハ２の冷却が開始される（温度２４４）。ウェハ温度は２０℃まで冷却され、冷却に要する時間は３０秒である。したがって、第４のステップが終了する。

【0083】

このように、本実施形態では、第１のステップの表面反応処理および第３のステップの昇華除去処理が等方的に進行するので、ＴｉＡｌＣ膜の厚さが膜の最初の厚さから減少する。第１～第４のステップを含むサイクルは、この例では１０回繰り返され、それによってＴｉＡｌＣ膜全体のエッチングが実施された。また、ＴｉＮ下層の表面が露出した。加熱ステップが低損傷性なので、ＴｉＮ下層で生じた損傷は無視できる程度である。

【符号の説明】

【0084】

１：処理チャンバ、２：ウェハ、３：放電領域、４：ウェハステージ、５：シャワープレート、６：上部プレート、１１：ベースチャンバ、１２：石英チャンバ、１４：圧力調節メカニズム、１５：ポンプ、１６：真空排気管、１７：ガス拡散プレート、２０高周波電力源、２２：整合ユニット、２５：高周波カットオフフィルタ、３０：電極、３１：ＤＣ電力供給部、３４：ＩＣＰコイル、３８：冷却装置、３９：冷却剤流路、４０：制御ユニット、４１：演算ユニット、５０：マスフローコントローラ、５１：ガス供給ユニット、６０：コンテナ、６２：ＩＲランプ、６３：反射プレート、６４：ＩＲランプ電力源、７０：熱電対、７１：熱電対温度計、７４：ＩＲ光透過窓、７５：ガス流路、７８：スリットプレート（イオン遮蔽プレート）、８１：Ｏリング、９２：光ファイバ、９３：外部ＩＲ光源、９４：光路スイッチ、９５：光分配器、９６：分光器、９７：検出器、９８：光合波器、１００：プラズマ処理装置、２００：ガス流、２１０：ＲＦ電力、２２０：ＩＲランプ電力、２３０：Ｈｅ圧力、２４０：ウェハ温度、３００：容量結合プラズマ（ＣＣＰ）エッチングシステム、３０１：下部電極、３０２：整合回路、３０３：ＭＦ電源、３１１：上部電極、３１２：整合回路、３１３：ＶＨＦ電源、３４０：ウェハ、３４１：サンプル、３５０：分光エリプソメータ。

【図1】