JP2007103876A - エッチング方法およびエッチング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速エッチングレートを維持しつつ、トレンチ側壁面にえぐれや面荒れの無いトレンチエッチングを実現するためのエッチング方法を提供する。
【解決手段】 シリコン基板、または、シリコン酸化物誘電体層を含むシリコン基板に対して、ＳＦ６とＯ２からなる混合ガス、または、ＳＦ６、Ｏ２とＳｉＦ４からなる混合ガスに、その混合された総ガス流量の５％〜１６％の範囲で水素を含有するガスを添加した混合ガスプラズマでシリコントレンチを形成して溝または穴を形成するプラズマエッチングを行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体デバイスのエッチング方法およびエッチング装置に関する。更に詳細にはトレンチ（溝または穴）のトレンチ壁部分のえぐれや表面荒れを防止するエッチング方法およびエッチング装置に関する。

近年のシリコン（Ｓｉ）トレンチエッチングは自動車業界で注目を浴びているハイブリッド車対応用の車載用高耐圧ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）デバイスなどの素子分離技術に用いられている。これは、半導体デバイスの素子分離領域に、ドライエッチングで深いトレンチを形成し、そのトレンチへＣＶＤ（Chemical Vaper Deposition）法等で絶縁膜を埋め込み、電気的に素子間を分離する方法である。
また、３次元実装技術としてもＳｉトレンチの応用が盛んであり、上記と同様に深いトレンチを形成するエッチングは共通の技術となっている。

これらのトレンチを形成する際の形状は、数１０μｍ以上の深穴（または溝）形状が要求される為、スループット確保の為には、高速エッチングが必要となってくる。高速エッチングを実現する為のプラズマエッチング方法としては、塩素系ガスよりもＳｉとの反応性が高いフッ素系ガスが優位である。

特許文献１に記載のドライエッチング方法では、例えば、ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４（六弗化硫黄／酸素／４弗化シリコン）の混合ガス（総流量：２４ｍＬ／ｍｉｎ）にＨＢｒ（臭化水素）ガスを８０〜１５０ｍＬ／ｍｉｎ程度添加し、イオンエッチング効果を高めてトレンチ角度を９０度近い形状に制御する方法が提供されている。

特許文献２に記載のドライエッチング方法では、約３μｍ以下の開口径または開口幅および約１５μｍ以下の深さの加工と約３μｍ以上の開口径または開口幅および約２０μｍ以上の深さの加工については、ＳＦ６，Ｏ２，ＳｉＦ４の混合ガスによる混合ガスプラズマを用い、トレンチを形成するプロセスが提案されている。
特開平１１−１３５４８９号公報 特開２００４−８７７３８号公報

しかしながら、上記従来技術のフッ素系ガス主体の高速エッチングでは、側壁保護効果が不十分となり、特に深いトレンチを形成する場合には、深さ方向のエッチング進行中に既にエッチングされた上層部の側壁保護が保たれなくなり、えぐれや表面荒れを生じるという問題がある。
つまり、上記特許文献１の従来技術では、トレンチ形成後の埋め込みを考慮した場合、若干のテ−パ形状が必要となる場合が多く、その場合は、イオン性が高いとトレンチテ−パ部へのイオン衝撃により、壁が損傷を受け、えぐれや表面荒れを生じる可能性があることについて配慮されておらず、イオン性が高いエッチング手法によるエッチングを実施している為、トレンチ内壁面に与えるイオン衝撃により、保護膜が損傷を受けやすく、結果的に側面のえぐれや荒れが生じるという課題が挙げられる。

また、上記特許文献２の従来技術では、アスペクト比率が高い低開口（３μｍ未満）および深穴（２０μｍ以上）に対するエッチング方法については記載されておらず、アスペクト比が高い構造のトレンチに対してのエッチング方法が確立されていない為、深さ方向のエッチングが進行する過程において、エッチングが完了した上層部のトレンチ側壁面での側壁保護が不十分となり、エッチング終了過程において側壁荒れが生じるという課題が挙げられる。

本発明の目的は、高速エッチングレートを維持しつつ、トレンチ側壁面にえぐれや面荒れの無いトレンチエッチングを実現するためのエッチング方法およびエッチング装置を提供する事にある。

上記の目的を達成するため、本発明は、シリコン基板、または、シリコン酸化物誘電体層を含むシリコン基板に対して、ＳＦ６とＯ２からなる混合ガス、または、ＳＦ６、Ｏ２とＳｉＦ４からなる混合ガスに、その混合された総ガス流量の５％〜１６％の範囲で水素を含有するガスを添加した混合ガスプラズマでシリコントレンチを形成して溝または穴を形成するプラズマエッチングを行うことを特徴とする。

本発明によれば、高速エッチングレートを維持したまま、すなわち、スループットを維持したままで、トレンチ形状、特に側面荒れの無い形状を提供する事ができる。また、トレンチ側壁面の保護には微量のＨ（水素）を含むガスを添加することにより達成される為、チャンバー内壁などに付着する反応副生成物の急激な増加は無視する事ができるため、チャンバー内はクリーンな状態を維持することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１のプラズマを形成する手段にマイクロ波と磁界を利用した、マイクロ波プラズマエッチング装置を示している。

この装置ではエッチング処理室１０１にガス導入手段１０４から多孔構造の例えば、石英からなる透過窓１０５を介してエッチングガスが供給される。
また、マイクロ波発生器（図示しない）で発信されたマイクロ波を整合器１０６及び導波管１０７を通しマイクロ波導入窓１０８よりエッチング処理室１０１に輸送して前記エッチングガスをプラズマ化する。

高効率放電のため磁場発生用のソレノイドコイル１０９をエッチング処理室周辺に配置し、０．０８７５テスラの磁場をつくり電子サイクロトロン共鳴を用いて高密度プラズマを発生させる。エッチング処理室１０１には試料台１０３があり、この上に被処理基板１０２を設置して、マイクロ波により生成されたガスプラズマによりエッチングする。被処理物を設置する試料台１０３には高周波電源１１３が接続され、４００ｋＨｚから１３．５６ＭＨｚの高周波バイアスを印加できる構造となっている。試料台１０３表面には、静電吸着電源１１０より直流電圧を印加することにより静電吸着力が発生し、被処理基板１０２が静電チャックにより、試料台１０３に吸着される。

また、試料台１０３の表面には溝が形成され、固定された被処理基板１０２裏面間で形成される流路（図示しない）に、冷却ガス供給口１１２からＨｅ、Ａｒ、Ｏ２等の冷却ガスを供給し、流路内を所定圧力に維持できる構造となっている。被処理基板１０２表面の温度上昇は、流路におけるガス伝熱と接触面からの熱伝導にて、試料台１０３表面へ熱伝達され、一定温度に維持される。被処理基板１０２を０℃以下の低温に冷却するため、試料台１０３内部に埋設された冷媒循環流路には、チラーユニット１１１により指定の低温に温度制御された冷媒が循環される。

被処理基板１０２の周囲には、セラミックスや石英製の絶縁カバー１１４が配置されている。なお、エッチング処理室１０１に導入されたエッチングガスは、エッチング完了後、図示しない排気ポンプ及び排気配管によりエッチング処理室１０１の外に排気される。

次に、本発明のＳｉエッチング方法の具体的な実施例を以下、説明する。
ここでは、前述のプラズマエッチング装置を使用し、ＳＦ６，Ｏ２，ＳｉＦ４の混合ガスプラズマを主体としたプロセスにおける一例を示す。被処理基板１０２の詳細構造とエッチング後の状態を図２に示す。

図２（ａ）に示す通り、被処理基板２０２は、ＳｉＯ２などからなるマスク材２０１でパターニングされたＳｉ基板において、図２（ｂ）に示すようにトレンチ開口部２０３のエッチングが進行する。このエッチングはエッチング処理室１０１に導入されたＳＦ６とＯ２ガスが、それぞれＳｉ、Ｓ、Ｆ、Ｏのイオン及びラジカルに解離し、被処理基板２０２表面との反応とともにＳｉＦやＳｉＯを生成する。この反応過程で発生したＳｉＦ、およびＳｉＦ４ガスの解離で発生したＳｉＦが、トレンチ開口部２０３内のエッチングを牽引する。

一方、トレンチ開口部２０３内のエッチングの進行と同時に、適度なＳｉＯが側壁保護膜として形成され、Ｆラジカルによる等方的エッチングを抑制し、異方性・高速エッチングが可能となっている。また、ＳＦ６とＯ２ガスの混合ガスプラズマで基板のシリコンとの反応によって生成したＳｉＯが、比較的薄くチャンバー内壁に形成される為、付着物の剥離による異物発生が少なく、ウエット周期を長くできる利点もある。
また、上述の説明では混合ガスとしてＳｉＦ４の含有を必須としたが、側壁保護膜として適度なＳｉＯが形成されればＳＦ６とＯ２ガスでも本発明は達成される。

図２（ｂ）に示す通り、トレンチ深さが比較的浅い場合（エッチング時間が短い場合）は、トレンチ側壁への損傷が無く、本プロセスにおいても問題なく、エッチングする事が可能であるが、図２（ｃ）に示す通り、更に深くエッチングを行うと、深さ方向のエッチング進行と同時に側壁保護が不十分となり、結果的に側壁荒れ２０４が発生してしまう。
本プロセスにおいて、このようなＳｉ表面の損傷２０４を低減するには、エッチャントであるフッ素ラジカル量を減少させる事で抑制できるが、その場合、深さ方向に対するエッチングも抑制されてしまう為、エッチレート低下やエッチストップが発生する。

ここで、本発明にかかるプラズマエッチング方法の処理の一例を、図３にて説明する。
図３は、前述のエッチング条件に対し、ＨＢｒ（臭化水素）を添加した場合のトレンチエッチング結果を示す。この場合の例として、ＳＦ６：１５０ｍＬ／ｍｉｎ、Ｏ２：３０ｍＬ／ｍｉｎ、ＳｉＦ４：２００ｍＬ／ｍｉｎの混合ガスにＨＢｒを３０ｍＬ／ｍｉｎ添加することにより、Ｓｉトレンチの側面荒れ２０４が抑制できた。ここで、ＨＢｒの添加流量は総ガス流量の約８％である。

図３（ａ）は、ＨＢｒ添加流量（ｍＬ／ｍｉｎ）に対するＳｉエッチング量（μｍ）であるＳｉトレンチエッチング量依存性を示す図である。ＨＢｒ添加流量の比較的少ない場合（０〜５０ｍＬ／ｍｉｎ）には、ＨＢｒの添加の影響は少なく、Ｓｉエッチング量は、略一定値（１００μｍ程度）を示して、エッチングレートを維持することが可能であるが、ＨＢｒ添加流量が５０ｍＬ／ｍｉｎを超えると、ＨＢｒ添加流量が増えるに従って、Ｓｉエッチング量が低下していき、ＨＢｒ添加流量が６０ｍＬ／ｍｉｎを超えた値になると、エッチング速度は、約２割を越えた値での減少を示し、この状態では、本発明の目的とするエッチングレートを維持しながら、Ｓｉトレンチの側面荒れを抑制するという目的は達成されないものとなる。
このＨＢｒ添加流量に対するＳｉエッチング量（μｍ）であるＳｉトレンチエッチング量依存性は、ＨＢｒ以外のＨＩ，ＨＣｌ，Ｈ２，Ｈ２Ｏ，ＮＨ３などの水素を含有するガスでも、同様の傾向を示し、前記水素を含有するガスを、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ２で希釈して添加されたガス、または、予め、前述のガスにより希釈されたガスであっても同様である。希釈されたガスの場合には、希釈前の水素を含有するガスの量を添加量として考慮する。
上記のエッチングレートを維持しながら、Ｓｉトレンチの側面荒れを抑制することが実行上達成できなくなる６０ｍＬ／ｍｉｎのＨＢｒの添加量は、ＳＦ６：１５０ｍＬ／ｍｉｎ、Ｏ２：３０ｍＬ／ｍｉｎ、ＳｉＦ４：２００ｍＬ／ｍｉｎの混合ガスの３８０ｍＬ／ｍｉｎに対して、約１６％に相当している。

図３（ｂ）は、ＨＢｒ添加流量（ｍＬ／ｍｉｎ）に対するＳｉ側壁の荒れ量（ｎｍ）であるＳｉトレンチ側壁荒れ量依存性を示す図である。
ＨＢｒ添加流量の少ない場合（〜０ｍＬ／ｍｉｎ）には、Ｓｉ側壁には、約１４０ｎｍの荒れ量が発生しているが、ＨＢｒの添加により荒れ量が低減し、ＨＢｒ添加流量が２０ｍＬ／ｍｉｎとなると、荒れ量は約１５ｎｍとなり、ＨＢｒの添加の無い場合と比較して、Ｓｉトレンチ側壁荒れ量の大幅な削減効果を奏する。２０ｍＬ／ｍｉｎのＨＢｒ添加流量は、混合ガスの３８０ｍＬ／ｍｉｎに対して、約５％に相当している。
ＨＢｒ添加流量を、約５％を超えて、更に、増やすと、Ｓｉトレンチ側壁荒れ量は減少して実質的に、Ｓｉトレンチ側壁荒れが発生しない状態が続く。
更に、ＨＢｒの添加量を増やすと、徐々に、Ｓｉトレンチ側壁荒れが増加する。ＨＢｒの添加量が約６０ｍＬ／ｍｉｎ（混合ガスの約１６％）でも、わずかのＳｉトレンチ側壁荒れが発生するが、この程度なら実用上問題ない範囲である。
ＨＢｒの添加量が約６０ｍＬ／ｍｉｎを超えると相当量のＳｉトレンチ側壁荒れが発生し、問題となる。さらに、ＨＢｒの添加量が約８０ｍＬ／ｍｉｎ（混合ガスの約２１％）の状態では、許容値を超えた相当量のＳｉトレンチ側壁荒れが発生し、エッチングレートを維持しながらＳｉトレンチの側面荒れを抑制することはできない。このＳｉトレンチ側壁荒れの増加の原因は、エッチングに寄与するラジカル種（ここではフッ素など）が余剰となり、結果的にＳｉトレンチ側壁面などに反応してしまう現象が起き、その結果、側壁荒れが増えることによるものと考えられる。
ＨＢｒ添加流量に対するＳｉ側壁の荒れ量（ｎｍ）であるＳｉトレンチ側壁荒れ量依存性は、ＨＢｒ以外のＨＩ，ＨＣｌ，Ｈ２，Ｈ２Ｏ，ＮＨ３などの水素を含有するガスでも、同様の傾向を示し、前記水素を含有するガスを、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ２で希釈して添加されたガス、または、予め、前述のガスにより希釈されたガスであっても同様である。希釈されたガスの場合には、希釈前の水素を含有するガスの量を添加量として考慮する。

図３（ｃ）は、ＨＢｒ添加流量に対するマスク選択比である対マスク選択依存性を示す。ここで、マスク選択比とは、被エッチング材（ここではシリコン）とマスクとなる材料（ここではＳｉＯ２）のエッチングレート比を意味している。エッチングに際しては、いかにマスク材を削らずに、被エッチング材をエッチングするかが重要であり、極端な場合、マスク選択比が悪いと、被エッチング材の目標のエッチング量を達成する前にマスクが消滅してしまい、エッチングが成立しないこともあり、エッチング時には、高いマスク選択比を確保することが必要になる。
図３（ｃ）を参照すると、ＨＢｒ添加流量に応じて、マスク選択比が徐々に減少していく。混合ガスに対して、ＨＢｒ添加流量が約５％から約１６％の範囲では、充分に高いマスク選択比を示している。
ＨＢｒ添加流量に対するマスク選択比である対マスク選択依存性は、ＨＢｒ以外の、ＨＩ，ＨＣｌ，Ｈ２，Ｈ２Ｏ，ＮＨ３などの水素を含有するガスでも、前記水素を含有するガスを、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ２で希釈して添加されたガス、または、予め、前述のガスにより希釈されたガスであっても同様である。
上述したように、図３よりＨＢｒの添加比率が５％以下の場合には、Ｓｉ側壁荒れ抑制に効果が得られないことが判った。これは、側壁保護効果のあるデポ性反応性生物の供給が不足している状況にあると考えられる。また、添加量が１６％以上の場合には、側壁保護効果が得られるはずの反応性生物の生成が過剰となり、深さ方向へのエッチングを阻害する現象が見られた。その結果、徐々にＳｉのレート低下が見られると同時に対マスク選択比の低下が伴った。また、深さ方向へのレート低下により、Ｂｒ系のエッチャントも余剰となり、保護されていたはずの側壁への反応が再び始まる為、Ｓｉ側壁荒れが進行した。これらの結果より、ＨＢｒの添加比率は５％〜１６％程度が適正であると言える。

図４は、前述のエッチング形状を示す一例である。アスペクト比が比較的小さい構造（被処理基板２０２に形成されるトレンチ開口部２０３の径に対する深さの比であるアスペクト比が５程度）では、図４（ａ）に示す通り、トレンチ側壁に面荒れの無いエッチング形状を得る事が出来た。また、図４（ｂ）に示す通り、アスペクト比が大きい構造（被処理基板２０２に形成されるトレンチ開口部２０３の径に対する深さの比であるアスペクト比が７程度）においても、エッチングストップなどの弊害が発生せず、トレンチ側壁に面荒れが無いエッチング形状を得る事が出来た。

また、本発明にかかるプラズマエッチング方法では、電極温度の低温化を併用することにより、生成されたデポ成分の付着確率を向上できるため、常温以上の温度領域でのエッチングに比べて、トレンチ側壁への保護膜となる反応副生成物の希薄な条件下でも保護膜が確保され、側面荒れの無いエッチングが可能となったと考えられる。

表１に示すプロセス条件は、図１の有磁場マイクロ波プラズマエッチング装置で使用される代表的なエッチング条件である。ここで示されるプロセス条件は、本発明にて適正化された条件であり、ヘリコン波エッチング装置、誘導結合型エッチング装置、容量結合型エッチング装置、有磁場ＲＩＥ装置など他のエッチング装置とは、個々のプロセスファクターの最適値においては、多少異なるものである。

しかし、トレンチエッチングにおける側壁面の面荒れを抑制する方法については、この装置に限定して使用されるものではなく、他のエッチング装置にも適用することが可能である。エッチングプロセスに携わるものであれば、ここに提示したプロセス条件を元に、前記他の装置を最適条件に調整し、順応させることは容易な事である。

本発明のマイクロ波プラズマエッチング装置を示す図である。 従来法によるＳｉ基板の側壁に発生する面荒れを示す図である。 本発明で得られたＨＢｒ添加による依存性を示す図である。 本発明で得られたエッチング形状を示す図である。

符号の説明

１０１ エッチング処理室
１０２ 被処理基板
１０３ 試料台
１０４ ガス導入手段
１０５ 透過窓
１０６ 整合器
１０７ 導波管
１０８ マイクロ波導入窓
１０９ ソレノイドコイル
１１０ 静電吸着電源
１１１ チラーユニット
１１２ 冷却ガス供給口
１１３ 高周波電源
１１４ 絶縁カバー
２０１ マスク材
２０２ 被処理基板
２０３ トレンチ開口部
２０４ トレンチ側壁の面荒れ層

Claims (10)

1. ＳＦ６とＯ２からなる混合ガス、または、ＳＦ６、Ｏ２とＳｉＦ４からなる混合ガスに、その混合された総ガス流量の５％〜１６％の範囲で水素を含有するガスを添加した混合ガスにより生成したプラズマでシリコン基板、または、シリコン酸化物誘電体層を含むシリコン基板にトレンチ（溝または穴）を形成することを特徴とする形成するエッチング方法。
2. 請求項１に記載のエッチング方法において、
   前記水素を含有するガスは、ＨＢｒ，ＨＩ，ＨＣｌ，Ｈ２，Ｈ２Ｏ，ＮＨ３であることを特徴とするエッチング方法。
3. 請求項１に記載のエッチング方法において、
   前記水素を含有するガスは、ＨＢｒ，ＨＩ，ＨＣｌ，Ｈ２，Ｈ２Ｏ，ＮＨ３であり、これらのガスを、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ２で希釈して添加されたガス、または、予め、前述のガスにより希釈されたガスであることを特徴とするエッチング方法。
4. 請求項１に記載のエッチング方法において、
   前記水素を含有するガスは、炭素やフッ素を含まないことを特徴とするエッチング方法。
5. 請求項１に記載のエッチング方法において、前記シリコン基板、または、シリコン酸化物誘電体層を含むシリコン基板が設置される試料台の温度が０℃以下に制御されていることを特徴とするエッチング方法。
6. ＳＦ６とＯ２からなる混合ガス、または、ＳＦ６、Ｏ２とＳｉＦ４からなる混合ガスに、その混合された総ガス流量の５％〜１６％の範囲で水素を含有するガスを添加した混合ガスを供給するガス供給部及びシリコン基板、または、シリコン酸化物誘電体層を含むシリコン基板を設置する試料台を備え、
   前記混合ガスにより生成したプラズマでシリコン基板、または、シリコン酸化物誘電体層を含むシリコン基板にトレンチ（溝または穴）を形成することを特徴とするエッチング装置。
7. 請求項６に記載のエッチング装置において、
   前記水素を含有するガスは、ＨＢｒ，ＨＩ，ＨＣｌ，Ｈ２，Ｈ２Ｏ，ＮＨ３であることを特徴とするエッチング装置。
8. 請求項６に記載のエッチング装置において、
   前記水素を含有するガスは、ＨＢｒ，ＨＩ，ＨＣｌ，Ｈ２，Ｈ２Ｏ，ＮＨ３であり、これらのガスを、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ２で希釈して添加されたガス、または、予め、前述のガスにより希釈されたガスであることを特徴とするエッチング装置。
9. 請求項６に記載のエッチング装置において、
   前記水素を含有するガスは、炭素やフッ素を含まないことを特徴とするエッチング装置。
10. 請求項６に記載のエッチング装置において、
    前記試料台の温度が０℃以下に制御されていることを特徴とするエッチング装置。

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