【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体プロセス等の微細加工分野で使用されるドライエッチング装置及びそれを用いて傾斜したトレンチを形成するドライエッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の高密度化にはトランジスタや配線などの寸法幅の微細化や、接続孔の形成方法が大きな役割を担っている。これらの加工寸法は１００ｎｍ以下のパターンが実用化されつつあるが、こうした微細パターンの実現にはフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術の発展に負うところが大きい。
【０００３】
ドライエッチング法は、適当なガスに１３．５６ＭＨｚの高周波（ＲＦ）電源を印加することによって生成される反応性プラズマやラジカル中に、被エッチング材を置くとエッチングされるという現象を利用するもので、微細パターンを形成するためには通常フォトレジストパターンをマスク材として用いる。
最近では、自己バイアス電圧（Ｖｄｃ）を利用して、反応性イオンをプラズマから引き出し、異方性ドライエッチングを行なうＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）が主流になっている。ＲＦ電源の周波数として１３．５６ＭＨｚが用いられているのは、電波法により割り当てられている周波数であるため、多少の電波が漏れても問題は無く、シールド装置が簡単に済むためである。
【０００４】
従来のドライエッチング装置について説明する。図６は、従来のドライエッチング装置（平行平板型ＲＩＥ）を示した構成概略図である。
まず、チャンバー１０を所定の真空度まで排気した後ガス供給口１３から反応性ガスを供給する。また、排気口１４を通して反応性ガスが排気されるので、チャンバー１０内は適当な圧力（約０．１〜数１００ｍＴｏｒｒ）に制御される。チャンバー１０の上部と下部には、それぞれアノード（陽極）５７及びカソード（陰極）２５があり、カソード（陰極）２５上には、レジストパターンが形成された被エッチング基材３１が載置されている。カソード（陰極）２５には、インピーダンス整合器（Ｍ．Ｂ）４５、ブロッキングコンデンサ４６を介して、ＲＦ（高周波）電源（高周波発振器）４４が接続され、チャンバー１０内のガス中にＲＦ（高周波）電力が供給される。
【０００５】
チャンバー１０内の反応性ガスにＲＦ電力が印可されるとアノード５７とカソード（陰極）２５間にグロー放電が生じ、電子とイオンが生成されてプラズマが発生する。その際、グロー放電が接する電極面積はカソード（陰極）２５上に被エッチング基材３１が載置されているため、アノード５７の方が大きくなり、同時にプラズマ中の電子とイオンは、電子の移動度がイオンの移動度より圧倒的に大きいため、カソード（陰極）２５に電子が流れ込み、ブロッキングコンデンサ４４が負に帯電することにより、カソード（陰極）２５は負にバイアスされる。このバイアスを自己バイアス電圧Ｖｄｃという。
【０００６】
上記プラズマは、電位が一定であるバルク領域と自己バイアスによって電極付近で急激に電位が変化するシース領域に分けられ、イオンは主にバルク領域で生成される。バルク領域で生成されたイオンは、バルクとシースの境界からシース領域に入射し、シース領域の自己バイアスによる負電圧により加速されて被エッチング基材を衝撃してエッチング反応を生じ、方向性の強い、いわゆる異方性エッチングが得られる。
【０００７】
しかしながら、上記の方式ではプラズマ発生用のＲＦ電源４４とシース領域のバイアス用のＲＦ電源が同じものであるため、バイアスを調整してイオンの衝撃エネルギーを調整しようとすると、プラズマ密度等のプラズマ状態も変化してしまうため、必要とするプラズマ状態が得られないことがある。この問題を克服するドライエッチング装置（ＲＩＥ）として、図７に示すドライエッチング装置（ＲＩＥ）が開発されている。
この方式の特徴は、カソード２５側だけでなくアノード５７側にも、ブロッキングコンデンサ５６とインピーダンス整合器（Ｍ．Ｂ）５５を介してＲＦ電源５４が接続されており、プラズマ状態とイオン衝撃エネルギーを独立して制御できる。この方式が最近では一般的である。
【０００８】
ここまで、アノードとカソードの電極板が平行して配置される平行平板型ＲＩＥ方式のドライエッチング装置を例に上げて説明してきたが、これ以外にも誘導結合型（ＩＣＰ）、超高周波型（ＵＨＦ）、ＥＣＲ型、マイクロ波型、ヘリコン波型、表面波型、等の別方式のドライエッチング装置が開発されている。これらの方式の特徴は、一般に平行平板型と比較して、広い圧力範囲（１〜数十Ｐａ）で、高密度なプラズマ（１０１１〜１０１３ｃｍ−３）が得られることである。これらは、プラズマ発生のためのエネルギー投入方式が異なるだけで、プラズマ状態を制御する電源とイオン衝撃エネルギーを制御する電源が独立して存在するという点においては、上述した図７の平行平板型ＲＩＥ方式と同じである。
【０００９】
次に、図７のドライエッチング装置を用いて等方性及び異方性エッチングを行なう方法について説明する。
通常、被エッチング基材３１上には、フォトリソグラフィもしくは電子線リソグラフィによりパターニング処理されてマスク材３４が形成される（図８（ａ）参照）。半導体集積回路のエッチング工程では、被エッチング基材３１としてはシリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、アルミニウム等があり、マスク材３４としては、フォトレジスト、電子線レジスト、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、アルミニウム等が挙げられる。エッチングガスには、Ｆ（フッ素原子）、Ｃｌ（塩素原子）、Ｂｒ（臭素原子）、Ｉ（ヨウ素原子）等のハロゲン元素をからなるガス、もしくはハロゲン元素を含む化合物が用いられる。また、チャンバー内の真空度は、真空ポンプによって０．１〜数十Ｐａに排気される。
【００１０】
等方性エッチングの場合、カソード側のＲＦ電源４４をＯＦＦにするか、もしくは非常に小さい電力（数Ｗ）にし、アノード側のＲＦ電源５４をＯＮにして、数十〜数千Ｗの電力を投入する。このときエッチングガスは、電離や解離が起こり、電子や電荷を持ったイオン、電荷を持たない中性ラジカルなどが存在する、いわゆるプラズマ状態になる。カソード側のＲＦ電源４４をＯＦＦ（もしくは数Ｗ程度の非常に小さい電力）にしているので、シース領域（バルク領域とカソードの間）のバイアスはほとんどなく、プラズマ中の正イオン７１はほとんど加速されないため、被エッチング基材３１に入射するイオンは様々な角度で入射し、等方性エッチングが起こる（図８（ｂ）参照）。
【００１１】
一方、異方性エッチングの場合は、カソード側のＲＦ電源４４も数十〜数千Ｗの電力を投入するのでシース領域にバイアスが発生し、プラズマ中の正イオン７１が試料方向に垂直に加速され、被エッチング基材３１に垂直に入射するために、異方性エッチングが実現する（図９（ｂ）参照）。
【００１２】
近年、高集積化した半導体においては素子間分離層を形成することがあるが、この場合素子間分離層周辺に生じる寄生サイリスタの導波路を長くしてラッチアップ（ＣＭＯＳ等の半導体デバイスにおいて素子間分離層の電気的分離が不十分のときに生じる不良）を防止する等のために、素子間分離層を斜めに形成することがなされている。
【００１３】
素子間分離層を斜めに形成するためには、まず、傾斜したトレンチを形成し、次いで、そのトレンチをシリコン酸化膜等の絶縁物で充填すれば良いが、傾斜したトレンチを形成する方法として、トレンチ開口部となる部分を挟んで、加熱流動性を示すマスク材を利用する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図１０（ａ）〜（ｈ）にはこの方法の工程概略を示す。
この方法によれば、まず、Ｓｉ基板からなる被エッチング基材３１上に加熱流動性を示すマスク材としてボロンとリンをドープしたＳｉＯ２層３４を形成し、その上に、加熱流動性の低いマスク材として、ボロンやリン等の不純物を含まないＳｉＯ２層３５を形成する。さらに、その上にレジストパターン３６をフォトリソグラフィプロセスにより形成する（図１０（ａ）参照）。
【００１４】
次に、レジストパターン３６をマスクとして、ＲＩＥ型のドライエッチング装置により、加熱流動性を示すＳｉＯ２層３４及び加熱流動性の低いＳｉＯ２層３５をエッチングする（図１０（ｂ）参照）。このときのエッチング条件はＣＦ４／Ｏ２混合ガス、５０ｍＴｏｒｒ、ＲＩＥパワー：１０００Ｗである。
次に、酸素ガスを用いたプラズマアッシング装置により、レジストパターン３６を除去し、開口部３７を有するＳｉＯ２パターン層３４ａ、３４ｂ及びＳｉＯ２パターン層３５ａ、３５ｂを形成する（図１０（ｃ）参照）。
【００１５】
次に、ＳｉＯ２パターン層３５ａにレジストパターン３８をフォトリソグラフィプロセスにより形成し（図１０（ｄ）参照）、上記と同様のドライエッチング装置により、加熱流動性の低いＳｉＯ２パターン層３５ｂを除去する（図１０（ｅ）参照）。
次に、上記と同様のプラズマアッシング装置によりレジストパターン３８を除去し、Ｓｉ基板からなる被エッチング基材３１上の開口部３７を挟んで左側にＳｉＯ２パターン層３４ｂ、右側に２層構成のＳｉＯ２パターン層３４ａ及びＳｉＯ２パターン層３５ａが形成される（図１０（ｆ）参照）。
【００１６】
次に、窒素雰囲気中９００℃、３０分の熱処理を行なうことで、加熱流動性を示す左側のＳｉＯ２パターン層３４ｂの端部が流動し、ＳｉＯ２パターン層３４ｂの端部が傾斜したテーパ形状を有するＳｉＯ２パターン層３４ｃが形成される（図１０（ｇ）参照）。
次に、こうして得られたＳｉＯ２パターン層をマスクとして、ＲＩＥ型のドライエッチング装置によりＳｉ基板３１をエッチングすると、傾斜した溝３９が形成される（図１０（ｈ）参照）。
【００１７】
【特許文献１】
特開平５−２９２８３
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来方法では、フォトリソグラフィプロセスを２回行なうため、露光の重ね合わせ精度に問題がある。通常、１回目のパターンに対し正確に２回目の露光を行なうためには、１回目の露光でパターニングしたアライメントマークを基準にして、２回目の露光を行なうが、露光機自体の位置精度、レジストパターンのパターンだれ、Ｓｉ基板の内部応力の変化に伴なう反りの発生等で、重ね露光では少なからず位置ずれが発生する。
また、加熱流動によってＳｉＯ２パターン層端部を傾斜させるが、その傾斜角の制御は困難である。さらに、この方法では、片方向に斜めエッチングするのは可能であるが、両方向に斜めエッチングをした、いわゆる両側に広がった逆テーパエッチング（エッチング開口の入口部より底部の方が広い逆テーパ形状のもの＝テーパ角が９０°以上）は不可能である。コスト的にも、実際の斜めエッチングを行なうまでに、フォトリソグラフィプロセスが２回、エッチングが２回、アッシングが２回、不純物拡散が１回と多くの工程と多くの半導体製造装置を必要とするためコストが高くなってしまうという問題がある。
【００１９】
本発明は、上記問題点に鑑み考案されたもので、低コスト且つ比較的容易に、所望の方向と角度で斜めエッチングを可能にするエッチング装置とエッチング方法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明において、上記問題を解決するため、まず請求項１においては、少なくともプラズマ発生手段４０及び５０と、チャンバー１０と、傾斜角及び回転制御機構２１、回転ユニット２２、傾斜角制御機構２３及びステージ２４からなる加工基材コントロールユニット２０と、ガス供給口１１と、排気口１２と、真空排気機構６０とを備えていることを特徴とするドライエッチング装置としたものである。
【００２１】
また、請求項２においては、被エッチング基材に傾斜したトレンチを形成するエッチング方法において、前記被エッチング基材を傾斜及び／または回転して異方性エッチングを行うことを特徴とするエッチング方法としたものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき説明する。
図１に、本発明のドライエッチング装置１００の構成概略図を、図２（ａ）に、加工基材コントロールユニット２０の構成概略図を示す。
本発明のドライエッチング装置１００は、図１に示すように、チャンバー１０と、加工基材コントロールユニット２０と、高周波発振器４１、整合器４２及びブロッキングコンデンサ４３を備えたプラズマ発生手段４０と、高周波発振器５１、整合器５２及びプラズマ発生用コイル（アノード電極）５３を備えたプラズマ発生手段５０と、ガス供給口１１と、排気口１２と、真空排気機構６０とを備えており、プラズマ処理中に被エッチング基材を傾斜、回転できる被エッチング基材ントロールユニット２０を備えているのが特徴である。プラズマ発生方法としては、平行平板型、容量結合型（ＣＣＰ）、誘導結合型（ＩＣＰ）、超高周波型（ＵＨＦ）、ＥＣＲ型、マイクロ波型、ヘリコン波型、表面波型等の制限はなく、これら全てのプラズマ発生方式が使用可能である。
【００２３】
加工基材コントロールユニット２０は、図８（ａ）に示すように、傾斜角及び回転制御機構２１と、回転ユニット２２と、傾斜角制御機構２３と、ステージ（カソード電極）２４とで構成されており、プラズマ処理中に被エッチング基材の傾斜、回転ができるようになっている。
【００２４】
本発明のエッチング方法は、上記ドライエッチング装置１００を用いて、異方性ドライエッチングを行う際、被エッチング基材を所望の角度で傾斜、回転することで、被エッチング基材に対するイオンの入射角を制御し、所望の角度の斜めエッチングができるようにしたものである。
また、被エッチング基材の傾斜角度や回転をエッチング中に自由にコントロールできるので、所望のテーパ角を有する両側に広がった逆テーパ形状のエッチングもできる。
【００２５】
具体的には、図３（ａ）〜（ｅ）に示すように、マスク材３３が形成された被エッチング基材３１を傾斜させずに異方性ドライエッチングを行なうとほぼ垂直なトレンチエッチングが出来る（図３（ｂ）参照）が、ここで被エッチング基材３１を３０度傾斜させて異方性ドライエッチングを行なった場合、３０度に傾斜したトレンチが形成される（図３（ｃ）参照）。また、エッチング中に被エッチング基材３１の傾斜及び回転をコントロールすることで、任意の逆テーパ形状のトレンチも形成可能である（図３（ｄ）及び（ｅ）参照）。
【００２６】
本発明のエッチング方法では、被エッチング基材、マスク材、エッチングガスの材料は、異方性ドライエッチングが可能であれば、特に制限はない。
【００２７】
【実施例】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
＜実施例１＞
まず、ＩＣＰ型ドライエッチング装置に加工基材コントロールユニット２０を搭載して本発明のドライエッチング装置１００を作製した。図１を用いて本装置について説明する。チャンバー１０は一般的な真空チャンバーで、プロセスガスの供給口１１と排気口１２があり、チャンバー１０の上部にはＩＣＰプラズマ発生用コイル（アノード電極）５３と、チャンバー１０の下部にはＲＦバイアス用のステージ（カソード電極）２４を内蔵した加工基材コントロールユニット２０が搭載されている。
【００２８】
ＩＣＰプラズマ源となるプラズマ発生手段５０はＰＦＰＰ社製のＲＦ−２０Ｍ（２０ＭＨｚ，２ｋＷ）からなる高周波発振器５１と、整合器５２と、プラズマ発生用コイル（アノード電極）５３とで、ＲＦバイアス用のプラズマ発生手段４０はＥＮＩ社製のＡＧＣ−６Ｂ（１３．５６ＭＨｚ，６０〜６００Ｗ）からなる高周波発振器４１と、整合器４２と、ブロッキングコンデンサ４３とで構成されている。一般的なＩＣＰ型ドライエッチング装置と異なる点は、加工基材コントロールユニット２０が搭載されており、そこにステージ（カソード電極）２４が内蔵されていることである。
さらに、真空排気機構６０と、ガス供給口１１と、排気口１２とを有しており、広い圧力範囲で、各種のプラズマ状態が得られようになっている。
【００２９】
次に、加工基材コントロールユニット２０について図２（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図２（ａ）に示す加工基材コントロールユニット２０は、傾斜角及び回転制御機構２１と、回転ユニット２２と、傾斜角制御機構２３と、ステージ（カソード電極）２４とを有し、ドライエッチングプロセス中に被エッチング基材３１を任意の方向に、任意の角度（０〜６０°）で傾斜させたり、回転することができる。また、ＲＦバイアス用のカソード電極は、基板コントロールユニット２０にステージ（カソード電極）２４として内蔵されている。
図２（ｂ）は、ステージ（カソード電極）２４及び被エッチング基材３１がイオン入射方向に対して直角に保持された状態を、図２（ｃ）は、ステージ（カソード電極）２４及び被エッチング基材３１がイオン入射方向に対して所定角度傾斜した状態をそれぞれ示す。
【００３０】
＜実施例２＞
本発明のドライエッチング装置１００を用いて斜めエッチングを実施した。
まず、Ｓｉ基板からなる被エッチング基材３１上に熱酸化により２００ｎｍ厚のＳｉＯ２膜３２を形成し、その上にＥＢレジスト（ＺＥＰ−５２０（日本ゼオン））を塗布し、５００ｎｍ厚のＥＢレジスト層を形成した。さらに、ＥＢ描画機ＪＢＸ−７０００ＭＶ（ドーズ５０μＣ／ｃｍ２）を用いたＥＢリソグラフィにより線幅２００ｎｍの孤立ラインを有するマスク材３３を形成した（図４（ａ）参照）。
【００３１】
次に、本発明のドライエッチング装置１００を使用して異方性ドライエッチング（垂直エッチング）によりＳｉＯ２膜をエッチングした（図４（ｂ）参照）。このときのエッチング条件は、ＣＦ４：１０ｓｃｃｍ、圧力：１０ｍＴｏｒｒの条件下で、プラズマ発生手段４０にてＲＦバイアス電極パワー：１５０Ｗ、プラズマ発生手段５０にてプラズマ発生電極パワー：５００Ｗをそれぞれ印加したプラズマ状態で、１分間エッチングした。また、エッチング中は加工基材コントロールユニット２０により被エッチング基材３１を水平に保持した状態で実施した。
次に、酸素プラズマアッシング装置によりマスク材３３を除去し、線幅２００ｎｍの孤立ＳｉＯ２ラインパターン３２ａを形成した（図４（ｃ）参照）。
【００３２】
次に、孤立ＳｉＯ２ラインパターン３２ａが形成されたＳｉ基板からなる被エッチング基材３１を本発明のドライエッチング装置１００の加工基材コントロールユニット２０のステージ（カソード電極）２４上に取り付け、傾斜角及び回転制御機構２１により被エッチング基材３１を３０°に傾斜させた状態で異方性ドライエッチングを実施した（図４（ｄ）参照）。
このときのエッチング条件は、Ｃｌ２：６０ｓｃｃｍ、圧力：１５ｍＴｏｒｒの条件下で、プラズマ発生手段４０にてＲＦバイアス電極パワー：１５０Ｗ、プラズマ発生手段５０にてプラズマ発生電極パワー：３００Ｗをそれぞれ印加したプラズマ状態で、５分間の異方性エッチングを行った。
その結果、深さが約１５００ｎｍで、２９．１°に傾斜したトレンチ形状が、走査型電子顕微鏡による断面観察で確認された。
【００３３】
同様に、孤立ＳｉＯ２ラインパターン３２ａが形成されたＳｉ基板からなる加工基材３１の傾斜角を５°、１０°、１５°、２０°、２５°、３０°、３５°として、斜めエッチングを実施した場合の結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】
表１の結果から分かるように、全ての場合で、加工基材の傾斜角とほぼ同等のトレンチ傾斜角が得られた。特に、基板の傾斜角が３０°以下の場合、トレンチ傾斜角＝基板の傾斜角±１°以内と非常に良好な結果が得られた。
【００３６】
＜実施例３＞
本発明のドライエッチング装置１００を用いて逆テーパエッチングを実施した。
まず、孤立ＳｉＯ２ラインパターン３２ａが形成されたＳｉ基板からなる被エッチング基材３１（図５（ａ）参照）を本発明のドライエッチング装置１００の加工基材コントロールユニット２０のステージ（カソード電極）２４上に取り付け、２段階のトレンチエッチングを実施した。
【００３７】
次に、傾斜角及び回転制御機構２１により被エッチング基材３１を２０°に傾斜させた状態で３分間の異方性ドライエッチングを行い、第１段階のトレンチエッチングを実施した（図５（ｂ）参照）。
次に、第１段階とは反対方向に被エッチング基材３１を２０°傾斜させ、３分間の異方性ドライエッチングを行い、第２段階のトレンチエッチングを実施した（図５（ｃ）参照）。このときのエッチング条件は、第１段階、第２段階とも、Ｃｌ２：６０ｓｃｃｍ、圧力：１５ｍＴｏｒｒの条件下で、プラズマ発生手段４０にてＲＦバイアス電極パワー：１５０Ｗ、プラズマ発生手段５０にてプラズマ発生電極パワー：３００Ｗをそれぞれ印加したプラズマ状態で、異方性ドライエッチングを行なった。その結果、深さが約１４６０ｎｍで、トレンチ側壁角が垂直より２１．２°傾斜した逆テーパトレンチ形状が得られた（図４（ｄ）参照）。観察は走査型電子顕微鏡による断面観察で確認された。
同様に、基板の傾斜角を５°、１０°、１５°、２０°、２５°、３０°、３５°として、逆テーパエッチングを実施した場合の結果を表２に示す。
【００３８】
【表２】
【００３９】
表２の結果からも分かるように、全ての場合で、基板の傾斜角とほぼ同等のトレンチ側壁角が得られた。特に、基板の傾斜角が３０°以下の場合、トレンチ側壁角＝基板の傾斜角±１°以内と非常に良好な結果が得られた。
【００４０】
【発明の効果】
本発明のドライエッチング装置とそれを用いたエッチング方法によれば、所望の方向に、所望の角度でＳｉ基板等からなる被エッチング基材に所望の角度に傾斜したトレンチや所望の角度に逆テーパトレンチ形状を精度良く、且つ低コストで作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のドライエッチング装置の一実施例を示す構成概略図である。
【図２】（ａ）は、加工基材コントロールユニットの一実施例を構成概略図である。
（ｂ）は、加工基材コントロールユニットのステージ（カソード電極）がイオン入射方向に対して直角に保持されている状態を示す模式図である。
（ｃ）は、加工基材コントロールユニットのステージ（カソード電極）がイオン入射方向に対して所定角度傾斜している状態を示す模式図である。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は、本発明のドライエッチング装置を用いて斜めエッチング及びテーパエッチングを行なった場合の工程例と被エッチング基材の状態を示す説明図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、本発明のドライエッチング装置を用いた斜めエッチングの工程例と被エッチング基材の状態を示す説明図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、本発明のドライエッチング装置を用いて斜めエッチング及びテーパエッチングを行なった工程例と被エッチング基材の状態を示す説明図である。
【図６】従来のドライエッチング装置（平行平板型ＲＩＥ）の一例を示す構成概略図である。
【図７】従来のドライエッチング装置（平行平板型ＲＩＥ）の他の例を示す構成概略図である。
【図８】（ａ）〜（ｂ）は、等方性エッチングの工程例と被エッチング基材の状態を示す説明図である。
【図９】（ａ）〜（ｂ）は、異方性エッチングの工程例と被エッチング基材の状態を示す説明図である。
【図１０】（ａ）〜（ｈ）は、従来方式による斜めエッチングの工程と被エッチング基材の状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１０……チャンバー
１１、１３……ガス供給口
１２、１４……排気口
２０……加工基材コントロールユニット
２１……傾斜角及び回転制御機構
２２……回転ユニット
２３……傾斜角制御機構
２４……ステージ（カソード電極）
３１……被エッチング基材
３２……ＳｉＯ２膜
３３……マスク材
３４……加熱流動性を示すＳｉＯ２層
３４ａ、３４ｂ……ＳｉＯ２層パターン
３４ｃ……端部を傾斜させたＳｉＯ２層パターン
３５……加熱流動性の低いＳｉＯ２層
３５ａ、３５ｂ……ＳｉＯ２層パターン
３６……レジストパターン
３７……開口部
３８……レジストパターン
３９……傾斜した溝
４０……プラズマ発生手段
４１……高周波発振器
４２……整合器
４３……ブロッキングコンデンサ
５０……プラズマ発生手段
５１……高周波発振器
５２……整合器
５３……プラズマ発生用コイル（アノード電極）
６０……真空排気機構
７１……正イオン[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a dry etching apparatus used in the field of microfabrication such as a semiconductor process and a dry etching method for forming an inclined trench using the same.
[0002]
[Prior art]
In order to increase the density of a semiconductor integrated circuit, miniaturization of the dimension width of a transistor, wiring, and the like, and a method of forming a connection hole play a large role. Patterns with these processing dimensions of 100 nm or less are being put to practical use, but the realization of such fine patterns largely depends on the development of photolithography technology and dry etching technology.
[0003]
The dry etching method utilizes a phenomenon that when a material to be etched is placed in reactive plasma or radicals generated by applying a 13.56 MHz radio frequency (RF) power source to an appropriate gas, the material is etched. In order to form a fine pattern, a photoresist pattern is usually used as a mask material.
Recently, RIE (Reactive Ion Etching) in which reactive ions are extracted from plasma by using a self-bias voltage (V dc ) to perform anisotropic dry etching has become mainstream. The reason why 13.56 MHz is used as the frequency of the RF power source is that it is a frequency assigned by the Radio Law, so that there is no problem even if some radio waves leak, and the shield device can be simplified.
[0004]
A conventional dry etching apparatus will be described. FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing a conventional dry etching apparatus (parallel plate type RIE).
First, the chamber 10 is evacuated to a predetermined degree of vacuum, and then a reactive gas is supplied from the gas supply port 13. Further, since the reactive gas is exhausted through the exhaust port 14, the inside of the chamber 10 is controlled to an appropriate pressure (about 0.1 to several hundred mTorr). An anode (anode) 57 and a cathode (cathode) 25 are provided at the upper and lower portions of the chamber 10, respectively. On the cathode (cathode) 25, the substrate 31 to be etched on which a resist pattern is formed is placed. . An RF (high-frequency) power supply (high-frequency oscillator) 44 is connected to the cathode (cathode) 25 via an impedance matching unit (MB) 45 and a blocking capacitor 46, and the RF (high-frequency) is supplied to the gas in the chamber 10. Power is supplied.
[0005]
When RF power is applied to the reactive gas in the chamber 10, glow discharge occurs between the anode 57 and the cathode (cathode) 25, generating electrons and ions and generating plasma. At this time, since the substrate to be etched 31 is placed on the cathode (cathode) 25, the area of the electrode in contact with the glow discharge is larger at the anode 57, and at the same time, the electrons and ions in the plasma are moved by the electrons. Since the degree is much larger than the mobility of the ions, electrons flow into the cathode (cathode) 25 and the blocking capacitor 44 is negatively charged, so that the cathode (cathode) 25 is negatively biased. This bias is called a self-bias voltage Vdc .
[0006]
The plasma is divided into a bulk region where the potential is constant and a sheath region where the potential changes abruptly near the electrode due to self-bias, and ions are mainly generated in the bulk region. The ions generated in the bulk region enter the sheath region from the boundary between the bulk and the sheath, are accelerated by the negative voltage due to the self-bias of the sheath region, impact the substrate to be etched, and cause an etching reaction, resulting in strong directivity. , So-called anisotropic etching is obtained.
[0007]
However, in the above-described method, the RF power supply 44 for generating plasma and the RF power supply for biasing the sheath region are the same. Therefore, when the bias is adjusted to adjust the ion impact energy, the plasma state such as the plasma density is reduced. Also changes, so that the required plasma state may not be obtained. As a dry etching apparatus (RIE) for overcoming this problem, a dry etching apparatus (RIE) shown in FIG. 7 has been developed.
The feature of this method is that an RF power source 54 is connected not only to the cathode 25 side but also to the anode 57 side via a blocking capacitor 56 and an impedance matching device (MB) 55 to reduce the plasma state and the ion impact energy. Can be controlled independently. This scheme is popular recently.
[0008]
The parallel plate RIE type dry etching apparatus in which the anode and cathode electrode plates are arranged in parallel has been described above as an example. Other than this, an inductive coupling type (ICP) and an ultra high frequency type (ICP) Other types of dry etching apparatuses such as UHF), ECR type, microwave type, helicon wave type, and surface wave type have been developed. The feature of these methods is that high-density plasma (10 11 to 10 13 cm −3 ) can be obtained in a wide pressure range (1 to several tens Pa) as compared with a parallel plate type. They differ from each other only in the energy input method for generating plasma, and in that the power supply for controlling the plasma state and the power supply for controlling the ion bombardment energy are present independently of each other. Same as the method.
[0009]
Next, a method of performing isotropic and anisotropic etching using the dry etching apparatus of FIG. 7 will be described.
Usually, a mask material 34 is formed on the substrate 31 to be etched by patterning by photolithography or electron beam lithography (see FIG. 8A). In the etching process of the semiconductor integrated circuit, the substrate 31 to be etched includes silicon, silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, aluminum, and the like, and the mask material 34 includes photoresist, electron beam resist, silicon, silicon oxide, and nitride. Silicon, silicon carbide, aluminum and the like can be mentioned. As the etching gas, a gas containing a halogen element such as F (fluorine atom), Cl (chlorine atom), Br (bromine atom), I (iodine atom), or a compound containing a halogen element is used. The degree of vacuum in the chamber is evacuated to 0.1 to several tens Pa by a vacuum pump.
[0010]
In the case of isotropic etching, the RF power supply 44 on the cathode side is turned off or very low power (several watts), and the RF power supply 54 on the anode side is turned on, so that power of several tens to several thousands W is obtained. throw into. At this time, the etching gas is ionized or dissociated, and becomes a so-called plasma state in which electrons, charged ions, neutral radicals having no charge, and the like are present. Since the cathode-side RF power supply 44 is turned off (or a very small power of about several W), there is almost no bias in the sheath region (between the bulk region and the cathode), and the positive ions 71 in the plasma are hardly accelerated. Therefore, ions incident on the substrate 31 to be etched are incident at various angles, and isotropic etching occurs (see FIG. 8B).
[0011]
On the other hand, in the case of anisotropic etching, the RF power supply 44 on the cathode side also supplies power of several tens to several thousand W, so that a bias is generated in the sheath region, and the positive ions 71 in the plasma are accelerated vertically in the sample direction. Then, since the light is perpendicularly incident on the substrate 31 to be etched, anisotropic etching is realized (see FIG. 9B).
[0012]
In recent years, an inter-element isolation layer may be formed in a highly integrated semiconductor. In this case, a waveguide of a parasitic thyristor generated around the inter-element isolation layer is lengthened to latch up (inter-element isolation in a semiconductor device such as CMOS). In order to prevent, for example, a defect that occurs when the electrical isolation of the isolation layer is insufficient, an inter-element isolation layer is formed obliquely.
[0013]
In order to form the element isolation layer obliquely, first, an inclined trench is formed, and then the trench may be filled with an insulator such as a silicon oxide film. A method has been proposed in which a mask material exhibiting heat fluidity is used to sandwich a portion to be a trench opening (for example, see Patent Document 1). FIGS. 10A to 10H schematically show the steps of this method.
According to this method, first, an SiO 2 layer 34 doped with boron and phosphorus is formed as a mask material having heat fluidity on a substrate 31 to be etched made of a Si substrate, and the heat fluidity is low. As a mask material, an SiO 2 layer 35 containing no impurity such as boron or phosphorus is formed. Further, a resist pattern 36 is formed thereon by a photolithography process (see FIG. 10A).
[0014]
Next, using the resist pattern 36 as a mask, the SiO 2 layer 34 having heat fluidity and the SiO 2 layer 35 having low heat fluidity are etched by an RIE type dry etching apparatus (see FIG. 10B). The etching conditions at this time are a CF 4 / O 2 mixed gas, 50 mTorr, and RIE power: 1000 W.
Next, the resist pattern 36 is removed by a plasma ashing apparatus using an oxygen gas, and SiO 2 pattern layers 34 a and 34 b having openings 37 and SiO 2 pattern layers 35 a and 35 b are formed (see FIG. 10C). ).
[0015]
Next, a resist pattern 38 is formed on the SiO 2 pattern layer 35a by a photolithography process (see FIG. 10D), and the SiO 2 pattern layer 35b having low heat fluidity is removed by the same dry etching apparatus as described above. (See FIG. 10E).
Next, the resist pattern 38 is removed by the same plasma ashing apparatus as described above, and the SiO 2 pattern layer 34b is located on the left side of the opening 37 on the substrate 31 to be etched made of a Si substrate, and the two-layer SiO 2 layer is located on the right side. 2 pattern layer 34a and the SiO 2 pattern layer 35a is formed (see FIG. 10 (f)).
[0016]
Next, by performing a heat treatment at 900 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere, the end of the left SiO 2 pattern layer 34b exhibiting heat fluidity flows, and the end of the SiO 2 pattern layer 34b has a tapered shape. SiO 2 pattern layer 34c having a are formed (see FIG. 10 (g)).
Next, when the Si substrate 31 is etched by the RIE type dry etching apparatus using the obtained SiO 2 pattern layer as a mask, an inclined groove 39 is formed (see FIG. 10H).
[0017]
[Patent Document 1]
JP-A-5-29283
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional method, since the photolithography process is performed twice, there is a problem in the overlay accuracy of exposure. Usually, in order to accurately perform the second exposure for the first pattern, the second exposure is performed with reference to the alignment mark patterned in the first exposure. Due to the pattern drooping and the occurrence of warpage due to the change in the internal stress of the Si substrate, a considerable amount of misalignment occurs in the overlapping exposure.
Further, the end of the SiO 2 pattern layer is inclined by heating and flowing, but it is difficult to control the inclination angle. Further, in this method, it is possible to perform oblique etching in one direction. (A taper angle of 90 ° or more) is impossible. In terms of cost, photolithography process is performed twice, etching is performed twice, ashing is performed twice, impurity diffusion is performed once, and many steps and many semiconductor manufacturing apparatuses are required before actual oblique etching is performed. Therefore, there is a problem that the cost increases.
[0019]
The present invention has been devised in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an etching apparatus and an etching method capable of performing oblique etching in a desired direction and angle relatively easily at low cost.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, in order to solve the above-mentioned problem, first, in claim 1, at least the plasma generating means 40 and 50, the chamber 10, the tilt angle and rotation control mechanism 21, the rotation unit 22, the tilt angle control mechanism 23, and the stage This is a dry etching apparatus characterized by comprising a processing base material control unit 20 comprising 24, a gas supply port 11, an exhaust port 12, and a vacuum exhaust mechanism 60.
[0021]
According to a second aspect of the present invention, there is provided an etching method for forming an inclined trench in a substrate to be etched, wherein the anisotropic etching is performed by tilting and / or rotating the substrate to be etched. It was done.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic diagram of a dry etching apparatus 100 according to the present invention, and FIG.
As shown in FIG. 1, the dry etching apparatus 100 of the present invention includes a chamber 10, a workpiece control unit 20, a plasma generator 40 including a high-frequency oscillator 41, a matching device 42 and a blocking capacitor 43, A plasma generating means 50 including a matching device 51, a matching device 52, and a plasma generating coil (anode electrode) 53, a gas supply port 11, an exhaust port 12, and a vacuum exhaust mechanism 60 are provided. It is characterized in that it has an etched substrate control unit 20 that can tilt and rotate the etched substrate. There are no restrictions on the plasma generation method, such as parallel plate type, capacitive coupling type (CCP), inductive coupling type (ICP), ultra high frequency type (UHF), ECR type, microwave type, helicon wave type, surface wave type, etc. , All of these plasma generation methods can be used.
[0023]
As shown in FIG. 8A, the processing base material control unit 20 includes an inclination and rotation control mechanism 21, a rotation unit 22, an inclination angle control mechanism 23, and a stage (cathode electrode) 24. In addition, the substrate to be etched can be tilted and rotated during the plasma processing.
[0024]
When performing anisotropic dry etching using the dry etching apparatus 100, the etching method of the present invention tilts and rotates the substrate to be etched at a desired angle, so that the incident angle of ions with respect to the substrate to be etched is increased. And oblique etching at a desired angle can be performed.
In addition, since the inclination angle and rotation of the substrate to be etched can be freely controlled during the etching, it is possible to perform an inverse taper shape having a desired taper angle and spreading on both sides.
[0025]
Specifically, as shown in FIGS. 3A to 3E, when the anisotropic dry etching is performed without tilting the substrate 31 on which the mask material 33 is formed, almost vertical trench etching is performed. Although it is possible (see FIG. 3B), when the base material 31 to be etched is inclined by 30 degrees to perform anisotropic dry etching, a trench inclined at 30 degrees is formed (FIG. 3C). reference). Further, by controlling the inclination and rotation of the substrate 31 to be etched during the etching, an arbitrary reverse tapered trench can be formed (see FIGS. 3D and 3E).
[0026]
In the etching method of the present invention, the materials to be etched, the mask material, and the etching gas are not particularly limited as long as anisotropic dry etching can be performed.
[0027]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<Example 1>
First, the processing base material control unit 20 was mounted on an ICP-type dry etching apparatus to produce a dry etching apparatus 100 of the present invention. This apparatus will be described with reference to FIG. The chamber 10 is a general vacuum chamber having a process gas supply port 11 and an exhaust port 12, an ICP plasma generation coil (anode electrode) 53 at an upper part of the chamber 10, and an RF bias at a lower part of the chamber 10. The processing base material control unit 20 incorporating the stage (cathode electrode) 24 is mounted.
[0028]
The plasma generating means 50 serving as an ICP plasma source is composed of a high-frequency oscillator 51 made of RF-20M (20 MHz, 2 kW) manufactured by PFPP, a matching device 52, and a plasma generating coil (anode electrode) 53. The plasma generating means 40 is composed of a high-frequency oscillator 41 made of AGC-6B (13.56 MHz, 60 to 600 W) manufactured by ENI, a matching device 42, and a blocking capacitor 43. The difference from a general ICP type dry etching apparatus is that a processing base material control unit 20 is mounted and a stage (cathode electrode) 24 is built therein.
Further, it has a vacuum exhaust mechanism 60, a gas supply port 11, and an exhaust port 12, so that various plasma states can be obtained in a wide pressure range.
[0029]
Next, the processing base material control unit 20 will be described with reference to FIGS. The processing base material control unit 20 shown in FIG. 2A includes a tilt angle and rotation control mechanism 21, a rotation unit 22, a tilt angle control mechanism 23, and a stage (cathode electrode) 24, and includes a dry etching process. The substrate 31 to be etched can be tilted or rotated at any angle (0 to 60 °) in any direction. The cathode electrode for RF bias is built in the substrate control unit 20 as a stage (cathode electrode) 24.
FIG. 2B shows a state in which the stage (cathode electrode) 24 and the substrate 31 to be etched are held at right angles to the ion incident direction, and FIG. The state where the base material 31 is inclined at a predetermined angle with respect to the ion incident direction is shown.
[0030]
<Example 2>
Oblique etching was performed using the dry etching apparatus 100 of the present invention.
First, a 200 nm thick SiO 2 film 32 is formed on a substrate 31 to be etched made of a Si substrate by thermal oxidation, and an EB resist (ZEP-520 (Zeon)) is applied thereon. A layer was formed. Further, a mask material 33 having an isolated line having a line width of 200 nm was formed by EB lithography using an EB lithography machine JBX-7000MV (dose: 50 μC / cm 2 ) (see FIG. 4A).
[0031]
Next, the SiO 2 film was etched by anisotropic dry etching (vertical etching) using the dry etching apparatus 100 of the present invention (see FIG. 4B). The etching conditions at this time are: CF 4 : 10 sccm, pressure: 10 mTorr, plasma with RF bias electrode power: 150 W applied by the plasma generation means 40, and plasma generation electrode power: 500 W applied by the plasma generation means 50, respectively. In this state, etching was performed for 1 minute. During the etching, the processing was performed while the substrate 31 to be etched was held horizontally by the processing substrate control unit 20.
Next, the mask material 33 was removed by an oxygen plasma ashing apparatus to form an isolated SiO 2 line pattern 32a having a line width of 200 nm (see FIG. 4C).
[0032]
Next, the substrate 31 to be etched composed of the Si substrate on which the isolated SiO 2 line pattern 32a is formed is mounted on the stage (cathode electrode) 24 of the processing substrate control unit 20 of the dry etching apparatus 100 of the present invention, and the inclination angle is set. Anisotropic dry etching was performed in a state where the substrate 31 to be etched was inclined at 30 ° by the rotation control mechanism 21 (see FIG. 4D).
The etching conditions at this time are Cl 2 : 60 sccm, pressure: 15 mTorr, and plasma with RF bias electrode power: 150 W applied by the plasma generating means 40 and plasma generating electrode power: 300 W applied by the plasma generating means 50, respectively. In this state, anisotropic etching was performed for 5 minutes.
As a result, a trench shape having a depth of about 1500 nm and inclined at 29.1 ° was confirmed by cross-sectional observation with a scanning electron microscope.
[0033]
Similarly, oblique etching is performed by setting the inclination angle of the processing base material 31 made of the Si substrate on which the isolated SiO 2 line pattern 32a is formed to 5 °, 10 °, 15 °, 20 °, 25 °, 30 °, and 35 °. Table 1 shows the results of the implementation.
[0034]
[Table 1]
[0035]
As can be seen from the results in Table 1, in all cases, a trench inclination angle substantially equal to the inclination angle of the processed base material was obtained. In particular, when the inclination angle of the substrate was 30 ° or less, a very good result was obtained in which the trench inclination angle was within ± 1 ° of the substrate inclination angle.
[0036]
<Example 3>
Reverse taper etching was performed using the dry etching apparatus 100 of the present invention.
First, the substrate 31 to be etched (see FIG. 5A) made of a Si substrate on which the isolated SiO 2 line pattern 32a is formed is placed on the stage (cathode electrode) of the processing substrate control unit 20 of the dry etching apparatus 100 of the present invention. 24 and a two-step trench etch was performed.
[0037]
Next, anisotropic dry etching was performed for 3 minutes while the substrate 31 to be etched was tilted at 20 ° by the tilt angle and rotation control mechanism 21 to perform the first stage trench etching (FIG. 5B )reference).
Next, the substrate 31 to be etched was inclined by 20 ° in the direction opposite to the first stage, anisotropic dry etching was performed for 3 minutes, and trench etching of the second stage was performed (see FIG. 5C). . The etching conditions at this time are as follows: in both the first and second stages, under conditions of Cl 2 : 60 sccm, pressure: 15 mTorr, RF bias electrode power: 150 W by the plasma generation unit 40, and plasma generation by the plasma generation unit 50 Anisotropic dry etching was performed in a plasma state in which an electrode power of 300 W was applied. As a result, an inverted tapered trench shape having a depth of about 1460 nm and a trench sidewall angle inclined by 21.2 ° from the vertical was obtained (see FIG. 4D). The observation was confirmed by cross-sectional observation with a scanning electron microscope.
Similarly, Table 2 shows the results when reverse taper etching was performed with the inclination angles of the substrates set to 5 °, 10 °, 15 °, 20 °, 25 °, 30 °, and 35 °.
[0038]
[Table 2]
[0039]
As can be seen from the results in Table 2, in all cases, a trench sidewall angle substantially equal to the tilt angle of the substrate was obtained. In particular, when the inclination angle of the substrate was 30 ° or less, a very good result was obtained in which the trench side wall angle = the inclination angle of the substrate was within ± 1 °.
[0040]
【The invention's effect】
According to the dry etching apparatus of the present invention and the etching method using the same, a trench inclined at a desired angle or a reverse taper at a desired angle is formed in a substrate to be etched made of a Si substrate or the like at a desired angle in a desired direction. The trench shape can be manufactured accurately and at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing one embodiment of a dry etching apparatus of the present invention.
FIG. 2A is a schematic view illustrating a configuration of an embodiment of a processing base material control unit.
(B) is a schematic diagram showing a state where the stage (cathode electrode) of the processing base material control unit is held at right angles to the ion incident direction.
(C) is a schematic diagram showing a state in which the stage (cathode electrode) of the processing base material control unit is inclined at a predetermined angle with respect to the ion incident direction.
3 (a) to 3 (e) are explanatory views showing a process example and a state of a substrate to be etched when oblique etching and taper etching are performed using the dry etching apparatus of the present invention.
FIGS. 4A to 4D are explanatory views showing an example of a process of oblique etching using the dry etching apparatus of the present invention and a state of a substrate to be etched.
FIGS. 5A to 5D are explanatory views showing an example of a process in which oblique etching and taper etching are performed using the dry etching apparatus of the present invention, and a state of a substrate to be etched.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a conventional dry etching apparatus (parallel plate type RIE).
FIG. 7 is a schematic view showing another example of a conventional dry etching apparatus (parallel plate type RIE).
FIGS. 8A and 8B are explanatory views showing an example of a process of isotropic etching and a state of a substrate to be etched.
FIGS. 9A and 9B are explanatory views showing an example of a process of anisotropic etching and a state of a substrate to be etched.
10 (a) to 10 (h) are explanatory views showing a process of oblique etching by a conventional method and a state of a substrate to be etched.
[Explanation of symbols]
10 chambers 11, 13 gas supply ports 12, 14 exhaust port 20 processing base material control unit 21 tilt angle and rotation control mechanism 22 rotation unit 23 tilt angle control mechanism 24 … Stage (cathode electrode)
31 ...... be etched substrate 32 ...... SiO 2 film 33 ...... SiO 2 layer 34a showing the mask material 34 ...... heat fluidity, SiO 2 layer is tilted 34b ...... SiO 2 layer pattern 34c ...... end Pattern 35: SiO 2 layers 35a, 35b having low heating fluidity: SiO 2 layer pattern 36: Resist pattern 37: Opening 38: Resist pattern 39: Inclined groove 40: Plasma generating means 41 … High-frequency oscillator 42… Matching device 43… Blocking capacitor 50… Plasma generating means 51… High-frequency oscillator 52… Matching device 53… Plasma generating coil (anode electrode)
60 Vacuum evacuation mechanism 71 Positive ions
