JP2006156467A

JP2006156467A - プラズマエッチング方法

Info

Publication number: JP2006156467A
Application number: JP2004340752A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Hiroshima; 満廣島; Mitsuhiro Okune; 充弘奥根; Kiyoo Miyake; 清郎三宅; Akizo Watanabe; 彰三渡邉; Hiroyuki Suzuki; 宏之鈴木
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができ、かつ、なめらかな形状の側壁を有するトレンチを形成できるプラズマエッチング方法を提供する。
【解決手段】下部電極１２０上にシリコン基板を載置し、ガス導入口１４０を介してエッチングガスを供給し、排気口１５０から排気し、高周波電源１３０ａ、１３０ｂから上部電極１１０及び下部電極１２０にそれぞれ高周波電力を供給してエッチングガスをＩＣＰ法によりプラズマ化し、活性種を生成させてシリコン基板のエッチングを進行させるプラズマエッチング方法であって、エッチングガスとしてＳＦ₆ガスを主成分とし、これにＯ₂ガス及びＨｅガスを添加した混合ガスを用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマエッチング方法に関し、特にトレンチを良好に形成するプラズマエッチング方法に関する。

近年、エレクトロニクス機器における小型化に伴って、それに付随する半導体デバイスも小型化が要求されてきている。従って、半導体デバイスの素子分離やメモリ・セル容量面積の確保を目的としてシリコン基板に形成されるトレンチ（溝）やビアホール（穴）には、例えば４０以上の高アスペクト比(溝または穴の深さ／溝または穴の径)が要求される。そして、このような高アスペクト比のトレンチをシリコン基板に形成する方法として、エッチングガスをプラズマ化して生じた活性種（イオンやラジカル）によりシリコン基板のエッチングを行うプラズマエッチング方法がある。トレンチとビアホールのプラズマエッチングメカニズムは概ね同じであるので、以下ではトレンチに関して述べる。

ところで、トレンチには高アスペクト比が要求されると共に、図６に示されるような側壁部の傾斜角を約９０度（垂直）にすることが要求される。しかし、高アスペクト比のトレンチを実現しようとする場合、トレンチの形状制御が困難となるので、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができないという問題がある。すなわち、プラズマエッチング方法によるシリコン基板のエッチング工程においては、電気的に中性なラジカルがシリコン基板表面に等方的に入射し、サイドエッチングを生じさせるので、特に高アスペクト比のトレンチにおいてはこれが顕著になり、トレンチ形状が所定の形状とならずに図７に示されるような形状となるのである。

このような問題を解決する先行技術として、例えば特許文献１、２に記載のプラズマエッチング方法がある。

以下、特許文献１、２に記載のプラズマエッチング方法によるシリコン基板のエッチングについて図８Ａ〜図８Ｃに沿って説明する。

まず、図８Ａに示されるように、パターン形成されたマスク３００を用いて、エッチングガスをプラズマ化して生じた活性種によりシリコン基板３１０のエッチングを行う。このとき、イオンは負バイアスにより加速されてシリコン基板３１０表面に垂直に入射し、垂直方向にエッチングを進行させ、ラジカルはシリコン基板３１０表面に等方的に入射し、上端開口部のマスク３００下にサイドエッチングを生じさせる。

次に、図８Ｂに示されるように、エッチングに対する保護膜３２０を、トレンチ内のシリコン基板３１０表面に形成する。

次に、図８Ｃに示されるように、再び活性種によりシリコン基板３１０のエッチングを行う。このとき、トレンチ側壁は保護膜３２０で覆われているため、ラジカルによる側面のエッチングは進行せず、垂直方向のエッチングと新たに現れたトレンチ側壁のエッチングが進行する。

次に、図８Ｄに示されるように、上記図８Ａ〜図８Ｃの工程を繰り返す。
以上のように従来のプラズマエッチング方法によれば、エッチング工程を複数回に分けておこない、エッチングを進行させる前にはトレンチ側壁を保護膜で覆う。よって、エッチングの回数を増やすことで高アスペクト比のトレンチを形成することができ、トレンチ側壁のエッチングの進行を抑えることができるので、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができる。
特開昭６０−５０９２３号公報特開平７−５０３８１５号公報

しかしながら、従来のプラズマエッチング方法では、エッチング工程と保護膜形成の工程とが繰り返しておこなわれるために、トレンチ側壁に凸凹が生じるという問題がある。

そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができ、かつ、なめらかな形状の側壁を有するトレンチを形成できるプラズマエッチング方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のプラズマエッチング方法は、処理室内においてＳｉからなる被処理体をプラズマエッチングする方法であって、フッ素化合物ガス及び希ガスを含むエッチングガスを前記処理室内に導入し、前記エッチングガスをプラズマ化して前記被処理体をエッチングすることを特徴とする。ここで、前記エッチングガスをＩＣＰ法によりプラズマ化してもよい。

これらによって、トレンチ内部のガスが外部に追い出されるようなガス流を発生させ、トレンチ内部の反応生成物及び活性種の滞在時間を短くすることができるので、高アスペクト比のトレンチを形成する場合においても、トレンチにサイドエッチングが生じたり、トレンチが先細りしたりするのを抑制することができる。つまり、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができるプラズマエッチング方法を実現することができる。さらに、１回のエッチング工程によりシリコン基板にトレンチを形成することができるので、トレンチ側壁に凸凹が生じるのを防ぐ。つまり、なめらかな形状の側壁を有するトレンチを形成できるプラズマエッチング方法を実現することができる。

また、前記フッ素化合物ガスは、ＳＦ₆ガスもしくはＮＦ₃ガスであり、前記エッチングガスに２７MHｚ以上の周波数の電力を印加してプラズマ化してもよい。

これによって、トレンチに対するサイドエッチングの進行を抑えることができるので、トレンチにサイドエッチングを生じさせず、所定形状のトレンチを形成できるプラズマエッチング方法を実現することができる。

また、前記希ガスは、Ｈｅガスであり、前記処理室内に導入するＨｅガスの量は、前記エッチングガスの総流量に対して８０％以上であってもよい。

これによって、トレンチに対するサイドエッチングの進行をさらに抑えることができるので、所定形状のトレンチを形成できるプラズマエッチング方法を実現することができる。

ここで、前記処理室の内壁は、絶縁性材料から構成されてもよい。また、前記絶縁性材料は、石英、アルミナ、アルマイト加工されたアルミ母材あるいは酸化イットリウムであってもよい。

これによって、プラズマ密度を高く保ち、エッチングレートを高く維持し、トレンチに対する側壁保護効果が低下するのを防ぐことができるので、トレンチにサイドエッチングを生じさせず、所定形状のトレンチを形成できるプラズマエッチング方法を実現することができる。

本発明に係るプラズマエッチング方法によれば、高アスペクト比のトレンチを形成する場合においても、トレンチにサイドエッチングが生じたり、トレンチが先細りしたりするのを抑制することができ、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができる。また、なめらかな形状の側壁を有するトレンチを形成できる。さらに、トレンチにサイドエッチングを生じさせず、所定形状のトレンチを形成できる。

よって、本発明により、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができ、かつ、なめらかな形状の側壁を有するトレンチを形成できるプラズマエッチング方法を提供することが可能となり、実用的価値は極めて高い。

以下、本発明の実施の形態におけるプラズマエッチング装置について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態のプラズマエッチング装置の構成を示す図である。

プラズマエッチング装置は、例えばＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）型エッチング装置であって、真空のエッチングチャンバー１００と、エッチングチャンバー１００内の上部電極１１０及び下部電極１２０と、高周波電源１３０ａ、１３０ｂと、ガス導入口１４０と、排気口１５０とを備える。

エッチングチャンバー１００は、エッチングがおこなわれる処理室であり、内壁が例えば石英、アルミナ、アルマイト加工されたアルミ母材あるいは酸化イットリウム等の絶縁性材料からなる。

高周波電源１３０ａ、１３０ｂは、例えば１３．５６MHｚの高周波電力を供給する。
ガス導入口１４０は、エッチングチャンバー１００にガスを供給する。

排気口１５０は、エッチングチャンバー１００内のガスを排気する。
次に、トランジスタ等の半導体装置の製造における１工程としての上記プラズマエッチング装置を用いたシリコン基板のトレンチ加工について、以下で順に説明する。

まず、下部電極１２０上にシリコン基板を載置し、エッチングチャンバー１００内を一定の圧力に保ちながら、ガス導入口１４０を介してエッチングガスを供給し、排気口１５０から排気する。ここで、エッチングガスは、フッ素化合物ガス、例えばＳＦ₆ガスを主成分とし、これに添加ガス、例えばＯ₂ガス及び希ガス、例えばＨｅガス等を添加した混合ガスである。また、Ｈｅ量は、少ないとＳＦ₆ガス及びＯ₂ガスのエッチングガス中での占める割合が大きくなってトレンチにサイドエッチングを生じたり、トレンチが先細りしたりし、また、多いとＳＦ₆ガス及びＯ₂ガスのエッチングガス中での占める割合が小さくなってエッチングが進まないので、総流量に対して３０％以上となるように調節する。なお、添加ガスはＣＯやＣＯ₂などの炭素化合物であってもよく、また希ガスは、Ａｒガス、Ｘｅガス、Ｎｅガス、Ｋｒガスであってもよい。

次に、高周波電源１３０ａ、１３０ｂから上部電極１１０及び下部電極１２０にそれぞれ高周波電力を供給して、エッチングガスをプラズマ化させる。Ｆ⁺イオン、Ｆラジカル等のプラズマ中の活性種は、シリコン基板のシリコンと反応して、ＳｉＦ₄、ＳｉＯ₂等の反応生成物を生成し、シリコン基板をエッチングしてトレンチを形成する。このとき、エッチング対象がシリコン基板であることを考慮して、下部電極１２０に印加するＲＦパワーは、低く例えば約５０Ｗに設定する。

以上のように本実施の形態のプラズマエッチング装置によれば、Ｈｅガスを含むエッチングガスを用いてシリコン基板にトレンチを形成する。よって、図２に示されるように、トレンチ内部のガスが外部に追い出されるようなガス流を発生させ、トレンチ内部の反応生成物及び活性種の滞在時間を短くすることができるので、本実施の形態のプラズマエッチング装置は、例えば４０以上の高アスペクト比のトレンチを形成する場合においても、トレンチにサイドエッチングが生じたり、トレンチが先細りしたりするのを抑制することができる。つまり、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができるプラズマエッチング装置を実現することができる。

また、本実施の形態のプラズマエッチング装置によれば、１回のエッチング工程によりシリコン基板にトレンチを形成する。よって、トレンチ側壁に凸凹が生じるのを防ぐことができるので、本実施の形態のプラズマエッチング装置は、なめらかな形状の側壁を有するトレンチを形成できるプラズマエッチング装置を実現することができる。

また、本実施の形態のプラズマエッチング装置によれば、Ｏ₂ガスを含むエッチングガスを用いてシリコン基板をエッチングする。よって、トレンチに対する側壁保護効果を高めることができるので、本実施の形態のプラズマエッチング装置は、トレンチにサイドエッチングを生じさせず、所定形状のトレンチを形成できるプラズマエッチング装置を実現することができる。

また、本実施の形態のプラズマエッチング装置によれば、エッチングチャンバー１００の内壁が絶縁性材料から構成される。よって、図３Ａに示されるように放電により生じた電子のエッチングチャンバー壁６００への衝突によりプラズマ６１０の密度が低くならず、図３Ｂに示されるようにプラズマ６１０の密度を高く保ち、エッチングレートを高く維持し、トレンチに対する側壁保護効果の低下を防止することができるので、本実施の形態のプラズマエッチング装置は、トレンチにサイドエッチングを生じさせず、所定形状のトレンチを形成できるプラズマエッチング装置を実現することができる。

なお、本実施の形態のプラズマエッチング装置において、エッチングガスは、ＳＦ₆ガスを主成分とし、これにＯ₂ガス及び希ガスを添加した混合ガスであるとした。しかし、エッチングガスには、さらに塩素（Ｃｌ₂）ガスが例えば総流量の１０％以下、例えば約１０％添加されていてもよい。これによって、トレンチ側壁保護効果が強すぎた場合に、トレンチの底まで保護する作用が働き、部分的にエッチングが阻害されて生じるトレンチの底の残渣を低減することができる。

また、本実施の形態のプラズマエッチング装置において、エッチングガスは、ＳＦ₆ガスを主成分とするとしたが、ＮＦ₃ガスを主成分としてもよい。

（第２の実施の形態）
上記第１の実施の形態のプラズマエッチング装置において、エッチングガスとしてＳＦ₆ガス、Ｏ₂ガス及び希ガスを含む混合ガスを用い、その混合ガスに例えば１３．５７MHｚの高周波数の電力を印加するとした。しかし、エッチングガスとしてＯ₂ガスを含まない混合ガス、つまりＳＦ₆ガス等のフッ素化合物ガス及び希ガスを含む混合ガスを用い、その混合ガスに２７MHｚ以上の高周波数の電力を印加しても同様の効果が得られる。

そこで、第２の実施の形態のプラズマエッチング装置において、エッチングガスとしてＳＦ₆ガス等のフッ素化合物ガス及び希ガスを含む混合ガスを用い、その混合ガスに２７MHｚ以上の高周波数の電力を印加した。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。

図４は、第２の実施の形態のプラズマエッチング装置の構成を示す図である。
プラズマエッチング装置は、第１の実施の形態のプラズマエッチング装置とは異なる高周波電源を有し、エッチングチャンバー１００と、上部電極１１０及び下部電極１２０と、高周波電源７３０ａ、７３０ｂと、ガス導入口１４０と、排気口１５０とを備える。

高周波電源７３０ａ、７３０ｂは、２７MHｚ以上の高周波電力、例えば消費電力の少ない２７MHｚの高周波電力を供給する。

次に、上記プラズマエッチング装置を用いたシリコン基板のトレンチ加工について、以下で順に説明する。

まず、下部電極１２０上にシリコン基板を載置し、エッチングチャンバー１００内を一定の圧力に保ちながら、ガス導入口１４０を介してエッチングガスを供給し、排気口１５０から排気する。ここで、エッチングガスは、ＳＦ₆ガス等のフッ素化合物ガスを主成分とし、希ガス、例えばＨｅガス等のガスを添加した混合ガスである。また、トレンチに対するサイドエッチングの進行の度合い、つまりアンダーカット（図７の１０００）の大きさは、Ｈｅ量に対して図５に示されるような変化を示す。すなわち、Ｈｅ量が８０％より小さくなるとサイドエッチングの進行度合いが大きくなる。よって、Ｈｅ量は、総流量に対して８０％以上となるように調節する。なお、希ガスは、Ａｒガス、Ｘｅガスであってもよい。

次に、高周波電源７３０ａ、７３０ｂから上部電極１１０及び下部電極１２０にそれぞれ高周波電力を供給して、エッチングガスをプラズマ化させる。Ｆ⁺イオン、Ｆラジカル等のプラズマ中の活性種は、シリコン基板のシリコンと反応して、ＳｉＦ₄等の反応生成物を生成し、シリコン基板をエッチングしてトレンチを形成する。

以上のように本実施の形態のプラズマエッチング装置によれば、第１の実施の形態のプラズマエッチング装置と同様に、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができるプラズマエッチング装置を実現することができる。

また、本実施の形態のプラズマエッチング装置によれば、第１の実施の形態のプラズマエッチング装置と同様に、なめらかな形状の側壁を有するトレンチを形成できるプラズマエッチング装置を実現することができる。

また、本実施の形態のプラズマエッチング装置によれば、エッチングガスに２７MHｚ以上の高周波数の電力を印加してプラズマ化し、シリコン基板をエッチングする。よって、トレンチに対するサイドエッチングの進行を抑えることができるので、本実施の形態のプラズマエッチング装置は、トレンチにサイドエッチングを生じさせず、所定形状のトレンチを形成できるプラズマエッチング装置を実現することができる。

なお、本実施の形態のプラズマエッチング装置において、エッチングガスは、ＳＦ₆ガスを主成分とするとしたが、ＮＦ₃ガスを主成分としてもよい。

また、本実施の形態のプラズマエッチング装置において、エッチングガスとしてＳＦ₆ガス、Ｏ₂ガス及び希ガスを含む混合ガスを用い、その混合ガスに２７MHｚ以上の高周波数の電力を印加しても同様の効果が得られる。

本発明は、プラズマエッチング方法に利用でき、特に半導体装置のトレンチ加工に際しての半導体基板のエッチング等に利用することができる。

本発明の第１の実施の形態のプラズマエッチング装置の構成を示す図である。同実施の形態のプラズマエッチング装置におけるエッチングガスにＨｅガスを用いた効果を説明するための図である。同実施の形態のプラズマエッチング装置におけるエッチングチャンバーの内壁に絶縁性材料を用いた効果を説明するための図である。同実施の形態のプラズマエッチング装置におけるエッチングチャンバーの内壁に絶縁性材料を用いた効果を説明するための図である。本発明の第２の実施の形態のプラズマエッチング装置の構成を示す図である。Ｈｅ量とアンダーカットの大きさとの関係を示す図である。所定の形状のトレンチが形成されたシリコン基板の断面図である。サイドエッチングの生じたトレンチが形成されたシリコン基板の断面図である。従来のプラズマエッチング方法によるシリコン基板のエッチングを説明するための図である。従来のプラズマエッチング方法によるシリコン基板のエッチングを説明するための図である。従来のプラズマエッチング方法によるシリコン基板のエッチングを説明するための図である。従来のプラズマエッチング方法によるシリコン基板のエッチングを説明するための図である。

符号の説明

１００エッチングチャンバー
１１０上部電極
１２０下部電極
１３０ａ、１３０ｂ、７３０ａ、７３０ｂ高周波電源
１４０ガス導入口
１５０排気口
３００マスク
３１０シリコン基板
３２０保護膜
６００エッチングチャンバー壁
６１０プラズマ
１０００アンダーカット

Claims

処理室内においてＳｉからなる被処理体をプラズマエッチングする方法であって、
フッ素化合物ガス及び希ガスを含むエッチングガスを前記処理室内に導入し、前記エッチングガスをプラズマ化して前記被処理体をエッチングする
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
前記フッ素化合物ガスは、ＳＦ₆ガスもしくはＮＦ₃ガスであり、
前記エッチングガスに２７MHｚ以上の周波数の電力を印加してプラズマ化する
ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
前記希ガスは、Ｈｅガスであり、
前記処理室内に導入するＨｅガスの量は、前記エッチングガスの総流量に対して８０％以上である
ことを特徴とする請求項２に記載のプラズマエッチング方法。
前記処理室の内壁は、絶縁性材料から構成される
ことを特徴とする請求項３に記載のプラズマエッチング方法。
前記絶縁性材料は、石英、アルミナ、アルマイト加工されたアルミ母材、酸化イットリウムあるいはシリコンカーバイド、窒化アルミニウムである
ことを特徴とする請求項４に記載のプラズマエッチング方法。
前記エッチングガスをＩＣＰ法によりプラズマ化する
ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
シリコン基板をエッチングする装置であって、
請求項１に記載のプラズマエッチング方法を用いて前記シリコン基板にトレンチを形成する
ことを特徴とするエッチング装置。