JP2008177209A - プラズマエッチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板に異方性プラズマエッチングを施して、深堀エッチングを行う際に、地球温暖化係数が小さいエッチングガスを用いるようにし、かつエッチング処理に際して地球温暖化係数が小さい副次生成物が生成するようにし、しかも高いエッチング速度が得られるようにする。
【解決手段】エッチングガスとして、ＩＦ_３、ＩＦ_５、ＩＦ_７などのフッ化ヨウ素を含むガスを用いる。シリコン基板側の電極にのみ高周波電力を印加する。シリコン基板側の基板に対向する電極又はコイルにも印加してもよい。誘導結合型反応性イオンエッチング装置のチャンバーをなす材料として高誘電率材料を用いることもできる。
【選択図】なし

Description

この発明は、シリコン基板に異方性プラズマエッチングを施し、シリコン基板に深いトレンチ、ホールなどを形成する方法に関する。

シリコン基板に異方性エッチングを施し、深さの深いトレンチ、ホールなどを形成する方法（深堀エッチングと呼ばれることがある。）が、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）や、多層配線に用いられるＳｉ貫通電極の形成に使用される。
この深堀エッチングには、従来よりボッシュプロセスが用いられている。
このボッシュプロセスとは、プラズマ雰囲気中にＳＦ_６とＣ_４Ｆ_８とを交互に数秒〜数十秒の間隔で切り替えて供給して、異方性プラズマエッチングを行うものである。

ＳＦ_６はプラズマ雰囲気中でシリコンを等方的にエッチングし、Ｃ_４Ｆ_８はプラズマ雰囲気中でフロロカーボンポリマーを生成し、このポリマーがエッチングされたトレンチ等の内壁面に付着して内壁面を保護する。この繰り返しにより深堀エッチングが行われる。

ところが、このボッシュプロセスに用いられるＳＦ_６、Ｃ_４Ｆ_８は、ともに地球温暖化係数が大きく、その使用が制限されている。ＳＦ_６の地球温暖化係数（ＧＷＰ１００）は２２２００、Ｃ_４Ｆ_８は１００００であり、ＣＯ_２（ＧＷＰ１００＝１）の数万倍の温室効果となることから、問題となっている。

深堀エッチングにおいてＳＦ_６の大部分は、使用されることなく排気されている。近年のエッチング速度の高速度化によりプラズマパワーは増加する傾向にあるが、ＳＦ_６の利用効率は低いのが現状であり、大きなプラズマ源、さらには複雑なエッチングプロセスを必要とせず、また温室効果の低いエッチング方法およびガスの開発が望まれている。

Ｃ_４Ｆ_８は温室効果が高いことに加え、ガスコストが高いことが課題であり、ボッシュプロセスを用いたエッチング装置メーカーでは、プロセスの最適化またはＯ_２添加等によりＣ_４Ｆ_８の使用量を低減する方策に取り組んでいる。
さらに、Ｃ_４Ｆ_８のプラズマ分解により生成するＣＦ_４は地球温暖化係数（ＧＷＰ１００）が５７００であることに加え、大気寿命が５００００年と温室効果を有するガスの中で、著しく長寿命である。したがって、ＣＦ_４が一度大気に放出されると温室効果は半永久的に継続する。

また、シリコン基板に電極形成のために貫通穴を空けることがありエッチング速度の向上が求められている。
特開平８−１３４６５１号公報 欧州特許出願公開第０２００９５１号明細書

よって、本発明における課題は、シリコン基板に異方性プラズマエッチングを施して、深堀エッチングを行う際に、地球温暖化係数が小さいエッチングガスを用いるようにし、かつエッチング処理に際して地球温暖化係数が小さい副次生成物が生成するようにし、しかも高いエッチング速度が得られるようにすることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、シリコン基板に異方性プラズマエッチングを施す方法であって、フッ化ヨウ素を含むエッチングガスを用い、シリコン基板側の電極に高周波電力を印加することを特徴とするプラズマエッチング方法である。

請求項２にかかる発明は、前記シリコン基板側の電極に対向する電極またはコイルにも高周波電力を印加することを特徴とする請求項１記載のプラズマエッチング方法である。

請求項３にかかる発明は、誘導結合型プラズマエッチング装置を用い、誘導コイルが巻回されるベルジャーを構成する材料に、比誘電率が１０以上の高誘電率材料を用いることを特徴とする請求項２記載のプラズマエッチング方法である。
請求項４にかかる発明は、フッ化ヨウ素が、ＩＦ_３、ＩＦ_５、ＩＦ_７のいずれか１種以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のプラズマエッチング方法である。

請求項５にかかる発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載のプラズマエッチングを行った後、引き続いて還元性ガスまたは酸化性ガスの存在下でプラズマ処理して残留ヨウ素を除去することを特徴とするプラズマエッチング方法である。
請求項６にかかる発明は、請求項５の残留フッ化ヨウ素の除去を行う際にレジストの灰化も同時行われることを特徴とするプラズマエッチング方法である。

本発明によれば、エッチングガスとして用いるフッ化ヨウ素は、地球温暖化係数が小さく、大気中で分解されやすいので、地球環境を悪化させることがない。また、エッチングの際に生成する副次生成物も地球温暖化係数が小さい。
さらに、シリコン基板側の電極のみにプラズマ発生用高周波電力を印加すればよいので、エッチング装置が簡単になり、安価に提供できる。

従来のボッシュプロセスに比べて１種類のエッチングガスで処理ができるため、処理操作が簡単になり、処理コストも安価となる。さらに、誘導結合型プラズマエッチング装置のベルジャーに、比誘電率が１０以上の高誘電率材料を用いることで印加高周波電力を低減でき、エッチング速度が高くなるなどの効果が得られる。

図１は、本発明のエッチング方法に好適に用いられるプラズマエッチング装置の例を示すもので、この例の装置は、誘導結合型反応性イオンエッチング装置である。
図１において、符号１は、チャンバーを示す。このチャンバー１は、石英などからなる中空筒状のものである。

このチャンバー１の底部には、サセプタ２が配されており、このサセプタ２上にシリコン基板３が置かれるようになっている。サセプタ２は、第１の高周波電源４に図示しない整合回路を介して接続されており、周波数１ＭＨｚ〜１０ＧＨｚ、出力５０〜１０００Ｗの高周波電力が印加できるように構成されている。

チャンバー１の上部には、チャンバー１と一体的にベルジャー５が設けられている。このベルジャー５は、中空筒状の形状であって、石英などからなるものの他に比誘電率が１０以上、好ましくは１００以上のチタニア（ＴｉＯ_２）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ_２）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、チタン酸マグネシウム（ＭｇＴｉＯ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などの高誘電率材料からなるものが特に好適である。

これは、ベルジャー５をこのような高誘電率材料で構成することで、エッチング速度を高めることができるからである。
また、ベルジャー５の全体を上述の高誘電率材料で構成するもの以外に、構成材料の一部を高誘電率材料で形成し、全体の比誘電率を１０以上、好ましくは１００以上とすることもできる。

ベルジャー５の外周壁には誘導コイル６が巻回されている。この誘導コイル６は、第２の高周波電源７に接続されており、周波数１ＭＨｚ〜１０ＧＨｚ、出力０〜１０００Ｗの高周波電力が印加できるように構成されている。
また、ベルジャー５の頂部には、エッチングガスをチャンバー１内に導入するための導入口８が形成され、チャンバー１の底部側の側壁にはチャンバー１内のガスを排気するための排気口９が形成されている。

次に、このプラズマエッチング装置を用いてシリコン基板に異方性エッチングを施して深堀エッチングを行う方法について説明する。
サセプタ２上にシリコン基板３を置き、チャンバー１内に導入口８からエッチングガスを内部に導入する。チャンバー１内の圧力を０．０１〜１０トールとし、温度を−２０〜１００℃とする。

第１の高周波電源４からサセプタ２を介してシリコン基板３に周波数１ＭＨｚ〜１０ＧＨｚ、出力５０〜１０００Ｗの高周波電力をバイアス電力として印加する。同時に、第２の高周波電源７から誘導コイル６に周波数１ＭＨｚ〜１０ＧＨｚ、出力０〜１０００Ｗの高周波電力を励起電力として印加する。

エッチングガスとしては、ＩＦ_３、ＩＦ_５、ＩＦ_７のいずれか１種以上のフッ化ヨウ素を含み、必要に応じてこれにアルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスを添加したガスが用いられ、エッチングガス中に占めるフッ化ヨウ素の体積比は、１〜１００％とされる。
このエッチングガスの導入流量は、５〜１０００ｓｃｃｍ程度とされるが、この範囲に限定されることはない。

エッチング時間は、シリコン基板３に形成されるトレンチ、ホール等の深さ、エッチング条件によって左右されるが、エッチング速度が０．４〜５μｍ／分程度であるので、これを加味して適切な処理時間を決めることができる。
以上により、チャンバー１内では、ＩＦ_３ ^＋などのフッ化ヨウ素イオンが生成し、これによってシリコン基板３に異方性エッチングが行われ、深堀エッチングが形成される。

すなわち、エッチングガスとしてフッ化ヨウ素が含まれるガスを用いることで、ヨウ素がトレンチ、ホールなどの側壁保護機能を有するため、フッ化ヨウ素のみで異方性エッチングが行われる。
フッ化ヨウ素によるシリコンのエッチング反応では、反応生成物は、ＳｉＦ_４とＳｉＩ_４となる。ＳｉＦ_４の沸点は−８６℃であり、ＳｉＩ_４の沸点は２８８℃であることから、常温においてフッ素によるシリコンエッチングとヨウ素による側壁保護が同時進行することとなり、異方性プラズマエッチングが行われる。

本発明では、この異方性プラズマエッチング処理に際して、第２の高周波電源７からの誘導コイル６への励起電力の印加を行わなくとも、シリコン基板３に印加されるバイアス電力がある程度大きいと、異方性プラズマエッチングが可能である。
これは、フッ化ヨウ素がプラズマ雰囲気において容易にイオン化する傾向が高いため、シリコン基板３に印加されたバイアス電力により発生したプラズマによってフッ化ヨウ素がイオン化し、このイオンがシリコン基板３に引き込まれるためである。

図２は、サセプタ２へのバイアス電力と誘導コイル６への励起電力を変化させて、シリコンエッチング速度に対する影響を観察した結果を示すグラフである。
このグラフから、バイアス電力が８０Ｗ以上では励起電力が０Ｗでも９００Ｗでもエッチング速度はほぼ同じであることがわかる。
したがって、バイアス電力がある値以上では励起電力を印加しなくてもプラズマ異方性エッチングが行われる。このことから、ベルジャー５および誘導コイル６を備えないプラズマエッチング装置でも異方性プラズマエッチングが可能となり、設備コストが低減できる。

このような異方性プラズマエッチング方法では、エッチングガスとして用いるフッ化ヨウ素が、地球温暖化係数が小さく、大気中で分解されやすいので、地球環境を悪化させることがない。また、エッチング反応によって有害なＣＦ_４が生成しないので、この点からも好ましいものとなる。
さらに、シリコン基板２側の電極のみにバイアス電力を印加すればよいので、エッチング装置が簡単になり、安価に提供できる。

従来のボッシュプロセスのように２種のガスを交互に切り替えて供給する必要がなく、１種類のエッチングガスで処理ができるため、処理操作が簡単になり、処理コストも安価となる。さらに、プラズマエッチング装置のベルジャー５に、比誘電率が１０以上の高誘電率材料を用いることで励起電力を低減でき、エッチング速度が向上する。

図３は、ベルジャー５を高誘電率材料で構成した場合のエッチング速度を石英製のものと比較した実験結果を示すものである。ここでの高誘電率材料には、チタン酸カルシウムを含む比誘電率１００以上であるものを用いた。励起電力が３００Ｗ以上では、高誘電率材料を用いた場合には石英製のものに比べて２倍以上の速度向上が認められる。

また、ボッシュプロセスにおいて、ＳＦ_６またはＣ_４Ｆ_８の代替ガスとしてフッ化ヨウ素を用いることも可能である。
フッ化ヨウ素とＮＦ_３、ＳＦ_６、ＣＯＦ_２、Ｆ_２、ＣｌＦ_３またはフルオロカーボンから選択される少なくとも１種のガスとの混合ガスを使用して、側壁保護とエッチングを繰り返し行う深堀エッチングを行うことにより、従来の方法と異なり、エッチング側壁を保護する工程においてもエッチングが進行するため、エッチング速度が向上する。

上述のフッ化ヨウ素を用いた異方性プラズマエッチングでは、エッチング処理後のプラズマエッチング装置のチャンバー１やベルジャー５の内壁面やエッチングされたトレンチ、ホールの内壁面に、フッ化ヨウ素が残留する。
この残留フッ化ヨウ素は、チャンバー１内に還元性ガスまたは酸化性ガスを導入してプラズマ処理をすることで除去できる。

還元性ガスには、水素またはアンモニアが用いられ、残留フッ化ヨウ素は、ヨウ化水素、フッ化水素などの蒸気圧の高い化合物として系外に排出される。
酸化性ガスには、酸素またはＦ_２、ＣｌＦ_３などのハロゲン化合物が用いられ、除去処理後の排気ガスに含まれる化合物は、温室効果がなく、吸着剤または湿式スクラバーにより容易に処理できる。

この残留フッ化ヨウ素の除去処理の際に、残留フッ化ヨウ素の除去と同時にレジストの灰化（アッシング）が自動的に行われる。
このため、後工程でのレジストアッシング工程を行う必要がない。

本発明では、図１に示した誘導結合型反応性イオンプラズマエッチング装置以外のプラズマエッチング装置を用いることができる。以下、そのような装置を図示して簡単に説明する。

図４は、ＴＣＰ型プラズマエッチング装置の例を示すもので、チャンバー１１の頂部には渦巻き状の誘導コイル１２が設けられており、この誘導コイル１２には、第２の高周波電源１３からの励起電力が印加されるようになっている。チャンバー１１の底部近くには、サセプタ１４が配置され、このサセプタ１４上にはシリコン基板１５が載置されている。サセプタ１４には、第１の高周波電源１６からのバイアス電力が印加されるようになっている。

符号１７は、エッチングガスの導入口であり、符号１８は、チャンバー１１内のガスを排気するための排気口である。
この例の装置でも、励起電力とバイアス電力とを同時に印加してもよいし、バイアス電力のみを印加してもよく、ともに良好な異方性プラズマエッチングが可能である。

図５に示したプラズマエッチング装置は、陰極結合平行平板型反応性イオンエッチング装置の例である。
この装置では、チャンバー２１内に一対の平板形状の電極２２ａ、２２ｂが平行に配されており、一方の電極２２ａには、高周波電源２３からの高周波電力が印加され、かつシリコン基板２４が載置されている。他方の電極２２ｂは接地されている。

符号２５は、エッチングガスの導入口であり、符号２６は、チャンバー２１内のガスを排気するための排気口である。
この例の装置では、高周波電源２３から印加される高周波電力のみで、フッ化ヨウ素イオンのシリコン基板２４への引き込みが行われ、良好な異方性プラズマエッチングが可能である。

図６に示したプラズマエッチング装置は、磁場励起型反応性イオンエッチング装置の例である。
この装置では、チャンバー３１の外周壁に磁場形成用磁気コイル３２、３２が巻回されており、この磁気コイル３２、３２には、図示しない励磁電源からの電力が供給されるようになっている。

チャンバー３１の底部近くには、サセプタ３３が置かれ、このサセプタ３３には高周波電源３４からの高周波電力が印加されるようになっている。サセプタ３３上にはシリコン基板３５が載置されている。
符号３６は、エッチングガスの導入口であり、符号３７は、チャンバー３１内のガスを排気するための排気口である。

この装置では、磁場形成用磁気コイル３２、３２を励磁し、同時にサセプタ３３に高周波電力を印加することで、シリコン基板３５に深堀エッチングを施すことができ、また磁気コイル３２、３２を励磁せずにサセプタ３３に高周波電力を印加するだけでも、同様に深堀エッチングを行うことができる。

図７に示したプラズマエッチング装置は、ヘリコン波プラズマエッチング装置の例である。
この装置では、チャンバー４１の外周壁に磁石４２が置かれ、さらにはソレノイドコイル４３、４３が配置されている。チャンバー４１の上部にはベルジャー４４が設けられ、このベルジャー４４の周壁内にはアンテナ４５が埋め込まれている。このアンテナ４５には、図示しない高周波電源からの高周波電力を印加され、ベルジャー４４内に高周波電磁場を形成することができるようになっている。

また、ベルジャー４４の外周壁には別のソレノイドコイル４６、４６が配置されている。チャンバー４１の底部近くにはサセプタ４７が配され、このサセプタ４７上には、シリコン基板４８が置かれている。
符号４９は、エッチングガスの導入口であり、符号５０は、チャンバー４１内のガスを排気するための排気口である。

この装置では、ベルジャー４４、チャンバー４１内にヘリコン波が発生し、これによってフッ化ヨウ素イオンがシリコン基板４８に引き込まれ、異方性エッチングが行われる。
なお、以上に図示した以外の形式のプラズマエッチング装置、例えばＥＣＲ型プラズマエッチング装置などを使用することもできる。

以下、具体例を示す。
以下の例では、プラズマエッチング装置として、図１に示した誘導結合型反応性イオンプラズマエッチング装置を用い、フッ化ヨウ素としてＩＦ_５を用いた。励起電力およびバイアス電力には１３．５６ＭＨｚの高周波電力を使用した。
ラインアンドスペース（幅２〜５００μｍ）のレジストパターンを形成した４インチシリコンウェーハのエッチングを行い、エッチング断面を光学顕微鏡で観察することで深堀エッチングの可否を判断した。

（実施例１）
ＩＦ_５を５０ｓｃｃｍでチャンバーに流通しチャンバー圧力を２０ｍＴｏｒｒとし、励起電力として９００Ｗを、バイアス電力として１００Ｗを１分間印加した。また、エッチングは室温で行った。
光学顕微鏡によりエッチング断面を観察した結果を図８に示す。
エッチング断面は異方性エッチングであることが確認され、Ｓｉ深堀エッチングが良好に行われている結果となった。

（実施例２）
ＩＦ_５を５０ｓｃｃｍでチャンバーに流通しチャンバー圧力を３５ｍＴｏｒｒとし、励起電力を０Ｗとし、バイアス電力に１５０Ｗを２分間印加した。また、エッチングは室温で行った。
光学顕微鏡によりエッチング断面を観察した結果を図９に示す。
エッチング断面は異方性エッチングであることが確認され、Ｓｉ深堀エッチングが良好に行われている結果となった。

（実施例３）
チタン酸カルシウムを含む材料（比誘電率１００以上である）からなるベルジャーを使用した。ＩＦ_５を５０ｓｃｃｍにてチャンバーに流通しチャンバー圧力を２０ｍＴｏｒｒとし、励起電力として４００ｗ、バイアス電力として２０Ｗを５分間印加した。また、エッチングは室温で行った。
エッチング速度は、０．３μｍ／分となり、石英製のベルジャーを使用した場合の約２倍のエッチング速度となった。

（実施例４）
ＩＦ_５を用いたエッチングプロセスを１週間行ったのちに、水素を用いチャンバークリーニングを行った。クリーニング条件は、水素を５０ｓｃｃｍでチャンバーに流通し、チャンバー圧力を２０ｍＴｏｒｒにて１３．５６ＭＨｚの高周波電力を誘導コイルに５００Ｗを印加した。
クリーニングの効果を確認するために、ドライポンプ後段より、ガス検知器でＨＩを測定したところ、クリーニング開始から２１０秒で検出下限値以下となり、チャンバー内にヨウ素の残留がなくなることを確認した。

（比較例１）
ＳＦ_６によりＳｉエッチングを行った。エッチング条件はＳＦ_６を５０ ｓｃｃｍにてチャンバーに流通しチャンバー圧力を２０ｍＴｏｒｒとし、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を誘導コイルに９００Ｗ、サセプタに２０Ｗを２分間印加した。また、エッチングは室温で行った。
光学顕微鏡によりエッチング断面を観察した結果を図１０に示す。
エッチング断面は等方性エッチングであることが確認され、ＳＦ_６のみでＳｉ深堀エッチングができない結果となった。

（比較例２）
通常使用される石英製ベルジャーを用いＳｉエッチングを行った。エッチング条件はＩＦ_５を５０ｓｃｃｍにてチャンバーに流通しチャンバー圧力を２０ｍＴｏｒｒとし、１３．５６ＭＨｚの高周波電源を誘導コイルに４００Ｗ、サセプタに２０Ｗを５分間印加した。また、エッチングは室温で行った。
エッチング速度は、１．６μｍ／分となった。

本発明のエッチング方法に用いられるプラズマエッチング装置の例を示す概略構成図である。 本発明における励起電力およびバイアス電力がエッチング速度に及ぼす影響を示すグラフである。 本発明におけるベルジャーを構成する材料の違いによるエッチング速度の差を示すグラフである。 本発明のエッチング方法に用いられるプラズマエッチング装置の例を示す概略構成図である。 本発明のエッチング方法に用いられるプラズマエッチング装置の例を示す概略構成図である。 本発明のエッチング方法に用いられるプラズマエッチング装置の例を示す概略構成図である。 本発明のエッチング方法に用いられるプラズマエッチング装置の例を示す概略構成図である。 実施例１の結果を示す顕微鏡写真である。 実施例２の結果を示す顕微鏡写真である。 比較例１の結果を示す顕微鏡写真である。

符号の説明

１・・・チャンバー、２・・・サセプタ、３・・・シリコン基板、４・・・第１の高周波電源、５・・・ベルジャー、６・・・誘導コイル、７・・・第２の高周波電源

Claims (6)

1. シリコン基板に異方性プラズマエッチングを施す方法であって、フッ化ヨウ素を含むエッチングガスを用い、シリコン基板側の電極に高周波電力を印加することを特徴とするプラズマエッチング方法。
2. 前記シリコン基板側の電極に対向する電極またはコイルにも高周波電力を印加することを特徴とする請求項１記載のプラズマエッチング方法。
3. 誘導結合型プラズマエッチング装置を用い、誘導コイルが巻回されるベルジャーを構成する材料に、比誘電率が１０以上の高誘電率材料を用いることを特徴とする請求項２記載のプラズマエッチング方法。
4. フッ化ヨウ素が、ＩＦ_３、ＩＦ_５、ＩＦ_７のいずれか１種以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載のプラズマエッチングを行った後、引き続いて還元性ガスまたは酸化性ガスの存在下でプラズマ処理して残留ヨウ素を除去することを特徴とするプラズマエッチング方法。
6. 請求項５の残留ヨウ素の除去を行う際にレジストの灰化も同時に行われることを特徴とするプラズマエッチング方法。

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