JP2001505001A - シリコンの異方性エッチングのための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 交互に互いに連続する無関係に制御されるエッチング工程およびポリマー析出工程を用いてシリコン基板にミクロ構造およびナノ構造を異方性エッチングする方法を提供する。この場合、ポリマー析出工程の過程で堆積するポリマーの量は減少し、従ってミクロ構造およびナノ構造のアンダエッチングは回避される。

Description

【発明の詳細な説明】 シリコンの異方性エッチングのための方法 従来の技術 本発明は、請求項１の上位概念によるシリコンの異方性エッチングのための方 法に関する。 半導体技術で有利に使用されるシリコン基板中に、規定された構造、例えばト レンチ、櫛形構造、舌状構造(Zungen)、湾曲横帯(Biegebalken)などをわずかな 選択性から中程度の選択性で異方性にエッチングすることは公知である。エッチ ングするべき個々の構造は、通常シリコン基板上に施与されたエッチングマスク によりいわゆるマスキング層、例えばフォトレジスト層を介して規定される。異 方性エッチング技術の場合、シリコン中で側面に正確に規定された切欠になるこ とが必要である。この深さ方向への切欠はできる限り正 なくてはならない。この場合、エッチングされるべきではないそれぞれのシリコ ン基板領域を覆っているマスキング層の端部は、マスクからシリコンへの構造転 写の側面の正確さをできる限り高く維持するために、アンダエッチングされては ならない。このことから、エッチングを構造ベース上のみに進行させるが、しか しすでに生じた構造の側壁には進行させないようにす る必要が生じる。ＤＥ４２４１０４５Ｃ１号では、プラズマポリマー析出工程お よびプラズマエッチング工程を交互に実施する方法により、シリコン基板中のプ ロフィールのエッチングを実施することが提案されている。この場合、純粋にフ ッ素化合物に基づく化学反応において、析出工程とエッチング工程とを交互に実 施し、その際自体等方性のエッチング工程中に、先行する析出工程の間に施与さ れた側壁のポリマー膜の前方移動により、新たに露出したシリコン側壁の部分が すでに効果的に不動態化されるので、その結果、自体等方性のエッチング工程が 局所的に高度に異方性となる。前方に移動する側壁膜による局所的な異方性のこ の技術は、側壁をエッチングすることなく、極めて高い速度で比較的幅広いエッ チング工程を可能にし、その結果わずかな粗面性を有するのみである。一般に、 前記のプラズマエッチングを実施する際に、マイクロ波励起でこれを行う（ＰＩ Ｅ＝伝搬イオンエッチング(propagation ion etching)）と、顕著な壁の粗面化 は生じない。しかし、このプロセスは、プラズマの高周波励起（ＩＣＰ＝電磁誘 導プラズマ(inductive coupled plasma)）を用いる、いわゆる誘導結合された装 置上で深刻な問題を生じる。この場合、シリコンのフォトレジストマスクの端部 の下での直接顕著な切欠エッチングとなる。この切欠は、誘導励起の効果であり 、これは基板、例えばシリコンウェハ領域の磁界および電 界と結合しており、かつ異なった構造のＩＣＰ−装置上で、程度の差はあるもの の強く現れる。誘導結合されたプラズマ装置は、その頑丈さおよび幅広い使用性 のために、ますます重要な役割を果たしており、かつ自体前記のプロセスに公的 である。エッチング切欠の形成の際に、フォトレジストマスクとシリコンとの間 の移行領域は、不連続性としてプラズマ源の電界との関連において、側壁のより 深い部分よりも強い衝撃に曝されている。さらにマスク端部において、前方に移 動する側壁膜の機構は、まだ完全に効果的ではない。このことによりここで側壁 のより弱いパッシベーションが存在する。このことはいわゆるアンダエッチング につながり、その結果エッチングされたシリコン構造はもはや必要とされる正確 さおよび臨界的なディメンションを有さない。 本発明の利点 本発明によるシリコンの異方性エッチングのための方法は、エッチング工程と 交互に行われるポリマー析出工程の過程で折出したポリマーの量が、開始時に過 剰であり、かつ次いで次第に減少することにより、従来公知のＩＣＰ−エッチン グプロセスにおけるアンダエッチングの際の問題を回避するものである。従って プロセスの開始時に側壁ポリマーの不足を過剰のポリマーにより排除し、その結 果側壁は十分に不動態化されたまま保持される。不連続箇所での比較的高いイオ ン衝撃もまた、今度は臨界領域のエッチングにつながることがない。従って、ま ず過剰量のポリマーを用いて作業し、かつこの過剰量が次いで引き続きポリマー 工程とエッチング工程との交互の過程で減少することは、本方法の重要な特徴お よび特別の利点である。従来出現していた過度のポリマー析出の欠点は、いわゆ るポジティブな傾向のプロフィールの出現であり、このことはつまりエッチング トレンチの側壁はもはや垂直に生じるのではなく、エッチングの深さが増すとと もに狭くなってゆき先端を形成するということである。例えばこのプロフィール を適切なプロセスパラメータにより一回修正するのみで、再度、移行の不連続箇 所での切欠の問題につながる。このこともまたポリマー析出工程の過程で堆積し たポリマーが次第に減少することにより回避することができる。ポジティブなプ ロフィールを有するいわゆる最初に過剰に豊富なプロセスは、切欠の形成なしで 開始され、その結果次第によりわずかなポリマー析出で垂直なプロフィールを生 じ、かつこれとともにエッチングの主要部分が実施されるプロセスに移行する。 本発明による方法の有利な実施例およびその他の例は、請求項２以降に記載さ れている。 本発明による方法の特に有利な実施態様では、ポリマー析出工程の適合を常に １つのプロセスサイクルからそれぞれ次のサイクルへと行う。有利には、いわゆ る「豊富な」、つまりポジティブなプロフィールにつながるポリマーの多いプロ セスパラメータで開始するが、しかしマスク端部の下の切欠形成は確実に回避さ れる。その後のそれぞれのサイクルで今度はプロセス中のポリマー成分を若干戻 し、その結果、この定常的な種々のプロセスパラメータの適合の際に、プロフィ ール移行中の不連続性および切欠形成の危険が最小化される。パラメータセット の適合は、有利には例えばシリコン中で１００μｍの深さにエッチングするべき 場合、最初の２０μｍのエッチング深さを介して行う。 本発明による方法のさらに有利な実施態様では、堆積したポリマーの量は不連 続工程で減少する。例えば１工程あたり長い析出時間で開始し、垂直のプロフィ ールの際に生じるパラメータセットに到達するまで、前記のパラメータセットで 特定の部材をエッチングし、次いで析出時間を減少させ、新規のパラメータセッ トで特定の区間をエッチングするなどである。 有利には、ポリマー量の減少は、エッチング工程またはポリマー析出工程の時 間の変更により制御する。というのも個々の工程の時間のエッチングの際に、不 活性のプラズマ特性は変更されないからである。エッチング工程またはポリマー 析出工程の時間の変更は、容易に、かつ効果の点から評価できるように修正する ことができる。 もう１つの有利な可能性は、ポリマー量を基板温度の変更により制御するか、 または析出の間の圧力を変更することである。その際、ポジティブなプロフィー ルを発生させるパラメータセットから、明らかにわずかにポジティブなプロフィ ールへ突然移行する場合、同様に切欠形成の危険が発生することに注意しなくて はならない。ポジティブなプロフィールは垂直のプロフィールへ移行する際に、 これが突然発生する場合には、その形においてレジストマスクエッジ（または硬 質物質マスクで作業する場合、ＳｉＯ₂マスクエッジ）のプロフィールに極めて 相似し、かつよりわずかにポジティブなプロフィール形への移行は、再び明らか で、かつ顕著な不連続性を側壁にもたらし、これはＩＣＰ装置の場合、改めて切 欠形成と共に問題を生じうる。従って、この適合を大きすぎる工程で実施せず、 かつ複数の工程で垂直なパラメータセットに移行させることは有利である。特に 、比較的わずかにポジティブな、または垂直のパラメータセットに移行する前に 、まず特定の区間を、ポジティブなパラメータセットでエッチングすることは有 利である。というのもすでに生じた側壁がポリマー堆積として作用し、かつ側壁 膜輸送メカニズムは、このポリマー堆積がすでにより多く広がっているほどより よく機能するからである。実地では例えば合計１００μｍの深さにシリコンをエ ッチングするべき場合には、例えばそれぞれ１０μｍの エッチング幅を有する３つのパラメータ工程で前記の適合を行うことができる。 本方法のもう１つの特に有利な実施態様では、すべてのパラメータを常に適合 させる。ポジティブなプロフィールにつながる豊富な、つまりポリマーの多いプ ロセスパラメータセットで開始するが、しかしマスク端部の下の切欠形成は、確 実に回避される。その後のそれぞれのサイクルで今度は影響パラメータ、例えば ポリマー析出の時間、エッチング工程の時間、基板温度または圧力変更を、この 意味で変化させる。全パラメータセットを常にこのように適合させる場合もまた 、プロフィール移行中の不連続性ひいては切欠形成の危険を最小化する。 実地では、本発明による方法のそれぞれの有利な実施態様において、まずポジ ティブな傾向の、先端が細くなってゆくプロフィールから出発し、かつ次第に垂 直なプロフィールに移行するにも関わらず、総じて垂直なエッチングプロフィー ルが得られる。このことは、垂直にエッチングするプロセスのポジティブなプロ フィール割合が、側壁ポリマーによってのみ保護されるが、しかしもはやマスキ ングによって保護されていないということによるものである。というのはポジテ ィブなテーパーのプロフィールはトレンチ内でマスク端部から突出し、かつ傾斜 した側壁は、すでに垂直の側壁よりも強いイオン衝撃に曝されているからである 。その結果、垂直にエッチングされるプロセスは、全プロフィールの突出部分を 徐々に除去し、かつこのことと共にこの垂直なプロフィール形からの逸脱をその 代わりに修正するからである。この場合の前提は、垂直なエッチングプロセスパ ラメータセットへの移行の後で、不連続的な工程であるか、常に記載された方法 であるかに関わらず、まだ十分に長い時間さらにエッチングして、このプロフィ ール修正を完全に行うことのみである。記載された初期化工程のための１０〜２ ０μｍおよびその後のその値を介して垂直にエッチングするプロセスによりエッ チングされる、約８０μｍの値は、プロセスデザインのための大まかなきっかけ となる。もちろん前記の方法でその他の、１００μｍより大きなエッチング深さ を実現することも可能である。 本発明による方法で例えば幅１μｍにすぎない、隔離されているシリコン通路 を、構造損失を生じることなく、深さ４０μｍにわたってエッチングすることが できる。前記の技術を用いて、アスペクト比、つまり深さ対構造幅の比が１００ ：１〜２００：１を有する構造を製造することも可能である。この場合エッチン グ速度は５μｍ／分以上、マスク選択性は１００：１（フォトレジスト）または ２００：１（ＳｉＯ₂）の値となる。このような構造は、従来いわゆるＬＩＧＡ 技術（ＰＭＭＡ中でのシンクロトン照射）を用いてコス トをかけ、かつ極めて高価に製造できるのみであった。 実施例 相応して準備したシリコン基板、つまり例えばフォトレジストからなるエッチ ングマスクで被覆し、その際エッチングマスクは、異方性エッチングするべきシ リコン基板の範囲を露出させたシリコン基板を、エッチング室、またはその他の 適切な反応容器中で、第一のポリマー折出工程に供し、マスク端部にポリマー堆 積を析出させる。引き続き、すでに施与したポリマー堆積を「消費する」第一の エッチング工程を行い、かつほぼ純粋に異方性エッチングする。本発明による方 法にとって、第一工程がポリマー析出工程であり、従って側壁保護のメカニズム がその後のエッチング工程の間に機能することは重要である。引き続き交互にさ らにポリマー析出工程およびエッチング工程を行う。本発明による方法は、もち ろん類似の、個々のプロセス工程を実施する装置を用いて実施することもできる 。前記の方法で、例えばＳＦ₆とＡｒとからなり、０〜２００Ｎｃｍ³のガス流お よび１０〜１００μバールのプロセス圧力を有する混合物を使用する。プラズマ 発生は、この場合有利には出力３００〜１２００ワット（２．４５Ｇｈｚ）での マイクロ波放射で、またはＩＣＰ源において出力５００〜２００ワットでの高周 波放射により行うが、これは本発明による方法にとっ て特に有利である。同時に、基板電極にイオン促進のために基板バイアス電圧を 励起させる。基板バイアス電圧は有利には、３５ボルト〜７０ボルトであり、か つ高周波供給（１３．５６メガヘルツ）を用いて出力２〜１０ワットで達成する ことができる。 第一のポリマー析出工程およびもちろんサイクルになってその後に続く工程は 、例えばＣＨＦ₃（トリフルオロメタン）およびＡｒからなる混合物を用いて実 施する。しかし有利には、トリフルオロメタンの代わりにその他のフッ素含有ガ ス、例えばオクタフルオロシクロブタン（フレオンＣ３１８）、ヘキサフルオロ プロペン（ＨＦＰ、ヘキスト社）またはそのダイマーまたはテトラフルオロエタ ン（ＴＦＥ）もまた使用することもまた可能である。アルゴンを用いないでプロ セスを実施することもまた可能である。該混合物は、有利には０〜２００Ｎｃｍ^-3 のガス流および１０〜１００μバールのプロセス圧力を有する。本発明による 方法の有利な実施態様では、オクタフルオロシクロブタンまたはヘキサフルオロ プロパンを使用する。というのも前記の化合物は、ＩＣＰ励起のもとで特に良好 な重合特性を有するからである。ポリマー析出工程の間に露出面、つまりエッチ ングベースおよび側面を極めて均一にポリマーで被覆する。前記のポリマー層は 、エッチングマスクのエッジもしくは面で、極めて効果的な一次的なエッチング 保護を形成する。エッチング ベース上で重合工程の間に施与されるポリマー層は、その後に引き続くエッチン グ工程の間に急速に破壊される。というのも該ポリマーはイオンアシストで際め て急速に除去され、かつ反応性のプラズマ種の化学反応はエッチングベースのシ リコンとともに先行させることができる。エッチングするべき構造の側壁は、エ ッチング工程中に先行するポリマー析出工程の間に施与された側壁ポリマーによ り保護される。 それからその後に続く第一のエッチング工程の間に、反応器中でＳＦ₆とＡｒ とからなる混合物中での放電を用いて、化学的に反応性の種および帯電粒子を発 生させる。このようにして発生させたプラスに荷電したカチオンを、基板電極で 励起させた電気的なバイアス電圧によりシリコン基板へ加速し、かつエッチング マスクにより露出されている基板表面に次第に垂直に堆積させ、かつ反応性プラ ズマ種とシリコンとの化学反応を促進する。さらに、これはポリマー膜をエッチ ングトレンチの深さへ輸送し、このことは特に、完全に垂直に堆積せず、かつ側 壁上に発生するイオンの割合に依存する。エッチング工程は、所望のエッチング 深さに達成するまで実施する。これに引き続き再度ポリマー析出工程を行うが、 しかしその際、今度は最初の回よりも少ないポリマーを析出させる。エッチング 工程および重合工程は、堆積したポリマーが常に減少するようにプロセスパラメ ータを適合させるように交互 に繰り返す。前記のプロセスパラメータは以下に記載する物理的な固有範囲を包 含する： １．ＩＣＰ出力の、例えば＞１０００ワットへの上昇、同時にパッシベーション ガス流、例えばＣ₄Ｆ₈、Ｃ₃Ｆ₆、（Ｃ₃Ｆ₆）₂、ＣＨＦ₃の、例えば＞２００ＳＣ ＣＭ（ＳＣＣＭ＝標準ｃｍ³／分＝１バールでｃｍ³／分）への上昇、このことは 増強されたポリマー析出につながる。 ２．析出工程のための時間の増大、このことは同様に増強されたポリマー析出に つながる。 ３．エッチング工程の時間の短縮、このことは側壁のパッシベーションを効果的 に向上する。 ４．ウェハ温度の低下、このこともまたポリマー析出を増加させる。 ５．１０μバールでのポリマー析出のためのＩＣＰ装置のための有利な圧力範囲 での析出工程の実施、 ６．エッチングラジカル濃度を上昇させるが、しかしポリマーを除去するイオン 濃度を低下させるためのエッチング工程の間の圧力の２０〜３０μバールへの上 昇。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．プラズマ中で互いに交互に連続し、無関係に制御されるエッチング工程お よびポリマー析出工程を用いてシリコン基板にミクロ構造およびナノ構造を異方 性エッチングする方法において、堆積するポリマーの量がポリマー析出工程の過 程で減少することを特徴とする、シリコン基板を異方性エッチングする方法。 ２．第一のプロセス工程が、ポリマー析出工程である、請求項１記載の方法。 ３．堆積するポリマーの量が、常に減少する、請求項１または２記載の方法。 ４．堆積するポリマーの量が、不連続的な工程で減少する、請求項１または２ 記載の方法。 ５．ポリマー量の減少が、ポリマー析出時間の変更により制御される、請求項 １から４までのいずれか１項記載の方法。 ６．ポリマー量の減少が、エッチング工程の時間の変更により制御される、請 求項１から４までのいずれか１項記載の方法。 ７．ポリマー量の減少が、基板温度の変更により制御される、請求項１から４ までのいずれか１項記載の方法。 ８．ポリマー量の減少が、圧力の変更により制御される、請求項１から４まで のいずれか１項記載の方法 。 ９．ポリマー量の減少が、ポリマー析出時間および／またはエッチング工程の 時間および／または基板温度の変更および／または圧力の変更により制御される 、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。