JP2009278033A - ドライエッチング方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ドライエッチングの処理時間が長時間に亘った場合においても、エッチャントとデポとのバランスを一定条件に保ちつつ、均一のトレンチ形状の形成及びブラックシリコン現象の発生防止を図ることを目的とする。
【解決手段】エッチングガスと保護膜形成ガスとを反応処理室内で交互に切り替えて供給口を介して供給しつつ反応処理室内に高周波エネルギーを供給しドライエッチングをなし、当該ガス供給開始時点から所定時間内には反応処理室内の圧力に応じて当該反応処理室の排気口の開度を調整し、所定時間経過後に反応処理室内の排気口の開度を一定に調整する。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体デイバスの製造工程におけるドライエッチング方法に関するものである。
半導体デバイスの製造工程において、シリコン系材料からなる基板に深い穴及び溝(以下、トレンチと称する)並びにビアホールを形成するドライエッチングが従来から知れている。トレンチを形成するために、プラズマ発生源を有する装置を用いて、反応処理室内においてエッチング性ガスである六フッ化硫黄(以下、SF6と称する)と堆積性ガス(すなわち、保護膜生成ガス)である八フッ化シクロブタン(以下、C48と称する)を交互に切り替えて、エッチング及びデポジションを繰り返し行うドライエッチング方法が特許文献1に開示されている。
また、ドライエッチングおいては、エッチング時の反応生成物が非エッチング面に堆積するブラックシリコン現象という問題点があった。特許文献2には、ブラックシリコン現象の発生及びその兆候を監視、且つ、ブラックシリコン現象の発生を防止することができるドライエッチング方法及びドライエッチング装置が特許文献2に開示されている。
特開2004−327606号公報 特開2006−186221号公報
従来から知られていたドライエッチング方法においては、チャンバ内圧力、電極温度、ガス流量、高周波電源電力、バックHe圧力等の条件を変化させることで、エッチングの最適化を行っていた。例えば、SF6及びC48の流入時ごとに、高周波電源の電力を一定にすることで、形状の安定したトレンチ形成を図っていた。
しかしながら、ドライエッチングの処理時間が進むにつれて、チャンバ内の側壁に付着したデポ(すなわち、デポジション時に生成される中性粒子)からもC48が発生し、エッチング時においけるSF6の供給時のエッチャント(すなわち、エッチング時に生成される中性粒子)が不足し、デポジション時におけるデポの量が通常よりも多くなり、トレンチ形状が不均一となる問題点があった。また、かかる状態においては、ブラックシリコン現象の発生につながる問題点もあった。
本発明は、以上の如き事情に鑑みてなされたものであり、ドライエッチングの処理時間が長時間に亘った場合においても、エッチャントとデポとのバランスを一定条件に保ちつつ、均一のトレンチ形状の形成及びブラックシリコン現象の発生防止を図ることができるドライエッチング方法を提供する。
上述した課題を解決するために、供給口及び排気口を備える反応処理室内において被加工基板にドライエッチングを施すドライエッチング方法であって、前記供給口を介して前記反応処理室内にエッチングガスと保護膜形成ガスとを択一的に供給するガス供給工程と、前記ガス供給工程に並行して前記反応処理室内に高周波エネルギーを供給するエネルギー供給工程と、前記ガス供給工程の開始時点から所定時間内においては前記反応処理室内の圧力に応じて排気口の開度を調整し、前記所定時間経過後に前記排気口の開度を一定にする排気口開度調整工程と、を有することを特徴とするドライエッチング方法が提供される。
また、前記ガス供給工程においては、前記エッチングガスの流量を600sccmとし、前記保護膜生成ガスの流量を250sccmと設定しても良い。更に、前記エネルギー供給工程においては、前記エッチングガス供給時に前記高周波エネルギーを1800W時とし、前記保護膜形成ガス供給時に1500W時としても良い。
また、前記エッチングガスが六フッ化硫黄(SF6)であって、前記保護膜生成ガスが八フッ化シクロブタン(C48)であっても良い。
また、前記ガス供給工程は、前記保護膜生成ガスの供給後であって、前記エッチングガスの供給までの間に、前記保護膜生成ガスにより形成された保護膜と反応する反応ガスを供給する工程を含んでいても良い。
エッチングガスと保護膜形成ガスとを反応処理室内で交互に切り替えて供給口を介して供給しつつ反応処理室内に高周波エネルギーを供給しドライエッチングをなし、当該ガス供給開始時点から所定時間内には反応処理室内の圧力に応じて当該反応処理室の排気口の開度を調整し、所定時間経過後に反応処理室内の排気口の開度を一定に調整する故、ドライエッチングの処理時間が長時間に亘った場合においても、エッチャントとデポとのバランスを一定条件に保ちつつ、均一のトレンチ形状の形成及びブラックシリコン現象の発生防止を図ることができる。
以下、本発明の実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
先ず、図1を参照しつつ、本発明の実施例としてのドライエッチング方法に使用されるドライエッチング装置10について詳細に説明する。
図1に示すように、ドライエッチング装置10は、プラズマ生成部11、拡散部12及び基板設置部13からなる反応処理室14を有している。プラズマ生成部11に高周波エネルギーを供給するアンテナ15がプラズマ生成部11の周囲に配置され、アンテナ15には高周波電源16が接続されている。プラズマ生成部11の上部には、供給口17が設けられており、供給口17には供給ライン18を介して質量流量計を含む流量制御装置19a〜19cが接続されている。流量制御装置19a〜19cの各々には供給ガスとなるSF6のガス源20a、C48のガス源20b及びHeのガス源20cが接続されている。
拡散部12には、拡散部12の内部の圧力を測定する圧力計21が設けられている。圧力計21には、後述するバルブの開度を調整するバルブ制御装置22が接続されている。
基板設置部13には排気口23が設けられており、排気口23には排気口23の開度及び圧力調整用のバルブ24が接続されている。また、バルブ24の排気側には排気ライン25介してターボ分子ポンプ26が接続されている。更に、ターボ分子ポンプ26の排気側には排気ライン25を介してドライポンプ27が接続されている。
また、基板設置部13の下方には電極28が設けられており、電極28の上に基板を載置するための基板ホルダ29が設けられている。また、電極28には高周波電源30が接続されている。
次に、上述したエッチング装置10を使用したドライエッチング方法について詳細に説明する。
先ず、エッチング装置10を準備し、基板設置部13の側面に設けられた基板投入口(図示せず)からシリコン基板又はエピ基板と基板を挿入して基板ホルダ29に配置する。なお、基板上には所望のトレンチ形状を形成するための、レジストマスクを形成しても良い。
次に、エッチングガスとして使用されるSF6及びキャリアガスとして使用されるHeをプラズマ生成部11に供給する。このとき、流量制御装置19aによってSF6の流量を600sccmに設定する望ましい。また、圧力計21によって測定される圧力が約4パスカルとなることが望ましく、かかる圧力になるように流量制御装置19a、19cによって反応処理室14内の圧力を制御しても良い。
次に、プラズマ生成部11において、SF6の高密度プラズマを生成すべく、高周波電源16からアンテナ15を介して高周波エネルギーを供給する。このとき、高周波電源の電力値は1800Wに設定することが望ましい。高周波エネルギーが供給されることによって生成されたSF6の高密度プラズマは、電極28に所定の電極が供給されていることによって(例えば、50W)、基板が設置された基板ホルダ29の方向に移動する。基板設置部13に移動したSF6の高密度プラズマは基板に接触して反応こととなる(すなわち、基板をエッチングする)。
基板設置部13内の反応ガス又は未反応ガスは、ターボ分子ポンプ26によってドライポンプ27側に排気されることとなる。このとき、バルブ24は圧力計21の測定圧力に応じて、バルブ制御装置22によってその開度が自在に調整される。すなわち、拡散部12内の圧力値が変化すると、かかる圧力値を一定すべくバルブ24の開度を調整して排気口23の開度を調整することとする。
SF6を3.5秒間供給させた後、流量制御装置19aによってSF6の供給を停止する。SF6の供給停止と同時に、流量制御装置19bによって保護膜生成ガスとしてのC48を供給する。このとき、流量制御装置19bによってC48の流量を250sccmに設定することが望ましい。また、圧力計21によって測定される圧力が約2.5パスカルとなることが望ましく、かかる圧力になるように流量制御装置19a、19cによって反応処理室14内の圧力を制御しても良い。
SF6に換えてC48をプラズマ生成部11供給する場合には、高周波電源の電力値は1500Wに設定することが望ましい。高周波エネルギーが供給されることによって生成されたC48の高密度プラズマは、基板が設置された基板ホルダ29の方向に移動する。基板設置部13に移動したSF6の高密度プラズマは基板に接触して反応こととなる(すなわち、基板上に保護膜を生成する)。
なお、C48をプラズマ生成部11に供給する場合においても、圧力計21よって測定される圧力値が一定になるように、圧力値に応じてバルブ24の開度を調整して排気口23の開度を調整することとする。
48を1.2秒間供給した後、流量制御装置19bによってC48の供給を停止する。C48の供給停止と同時に再びSF6を3.5秒間供給し、SF6の供給後に再びC48を1.2秒間供給する。かかるSF6とC48とを択一的に供給を繰り返すことによって所望のトレンチ形状を形成する。
ここで、ドライエッチングの処理時間が長くなると、反応処理室14内に付着したデポからC48が発生し、反応処理室14内の圧力が高くなる。圧力変化に応じてバルブ24の開度を調整するとSF6の供給時にSF6の供給量が減少しエッチャントの量が不足してしまう。そこで、以下のような処理を行う。
SF6とC48との供給を繰り返してエッチングを進め所定時間経過した後に、圧力計21の圧力値に依存することなくバルブ24を一定の開度に調整し、排気口23の開度を一定にする。すなわち、排気口23の開度は圧力計21の圧力値に依存することなく、常に一定の開度となる。
ここで、排気口23の開度調整を停止するタイミングは、トレンチの深さが30μmを超えた状態とすることが望ましい。従って、上述した所定時間とは、トレンチの深さが30μmを超える時間をあらかじめ算出又は測定して得られた時間とする。
上述しように、ドライエッチングの処理時間が所定時間を越える場合(すなわち、トレンチの深さが30μm以上)に、バルブ24の開度を常に一定にすることで、反応処理室14内に付着したデポから発生するC48の量に伴う圧力変化に依存することなく、常に一定のSF6を供給することができる。従って、トレンチ形状のばらつきを防ぐことが可能となる。
なお、SF6及びC48を供給する工程をガス供給工程と称し、高周波電源30を使用して高周波エネルギーを供給する工程をエネルギー供給工程と称し、バルブ24の開度を調整することで排気口23の開度を圧力変化に依存させて調整又は圧力変化に依存することがなく調整する工程を排気口開度調整工程と称する。
次に、本発明の実施例としてのドライエッチング方法によって形成されたトレンチ形状について、図2(a)、(b)を参照しつつ詳細に説明する。
図2(a)に示されているように、基板41の上面(すなわち、エッチング面)には、所定の厚みのピラー42が形成されている。例えば、ピラー42は図2(a)に示されているように、U字型形状に形成されても良い。また、ピラー42は、レジストマスクに応じてその他の形状に形成されても良い。ピラー42の高さは、ドライエッチングの処理時間に応じて高くなる。すなわち、基板41のエッチング量が増加すると、ピラー42の高さは高くなる。図2(b)に示されているように、ピラー42の側面はエッチングの進んでいる部分及び進んでいない部分とからなる波状に形成されている。以下、かかるピラー42の側面の波状の形状をスキャロップと称する。
次に、ピラー42の幅と圧力計21の圧力値との関係について、図3を参照しつつ詳細に説明する。
図3に示されたグラフの横軸は圧力計21の圧力値であり、縦軸は、ピラー42の幅である。図3には、基板41のエッチングされていない面から最も離れた部分であるピラー42の上部3箇所(Pillar top[1]から[3])及び基板41のエッチングされていない面に最も隣接した部分であるピラー42の底部3箇所(Pillar bottom[1]から[3])の幅の変化を示している。図3に示されているように、圧力値が大きいとピラー42の幅のばらつきが大きくなり、トレンチ形状がばらつくこととなる。一方で、圧力値が小さいとピラー42の幅のばらつきが小さくなり、トレンチ形状のばらつきも小さくなる。すなわち、バルブ24の開度を小さくするとトレンチ形状のばらつきが大きく、開度を大きくするとトレンチ形状のばらつきが小さくなる。従って、バルブ24の開度を大きくし反応処理室14内の圧力を低くすることが望ましい。
次に、SF6の供給時の高周波電源16の設定電力とC48の供給時の高周波電源16の設定電力との比率に対する残渣数、スキャロップ幅及びエッチングレートの関係を図4を参照しつつ詳細に説明する。
図4に示されたグラフの横軸はSF6の供給時の高周波電源16の設定電力とC48の供給時の高周波電源16の設定電力との比率あり、縦軸は残渣数、スキャロップ幅(μm)及びエッチングレート(μm/min)である。
図4に示されているように、エッチング時であるSF6の供給時の高周波電源16の設定電力を保護膜生成時であるC48の供給時の高周波電源16の設定電力よりも高くすることで(すなわち、グラフの横軸が1.0より小さい場合)、エッチングレートを高く、残渣数を少なく、スキャロップ幅を大きくすることができる。一方で、エッチング時であるSF6の供給時の高周波電源16の設定電力を保護膜生成時であるC48の供給時の高周波電源16の設定電力よりも低くすることで(すなわち、グラフの横軸が1.0より大きい場合)、エッチングレートを低く、残渣数を多く、スキャロップ幅を小さくすることができる。すなわち、SF6及びC48の供給量を変化させることなく、高周波電源16の設定電力を調整することで、所望のスキャロップを形成することが可能となる。
なお、横軸が約1.16以上の場合において残渣数が約125を超えてしまう。以下、かかる状態(すなわち、横軸が1.16以上)を残渣大領域と称する。かかる残渣大領域においてドライエッチングを実施することがないように、高周波電源16の設定電力を調整しても良い。
以上のように、本実施例によるドライエッチングの方法によれば、エッチングガスと保護膜形成ガスとを反応処理室内で交互に切り替えて供給しつつ反応処理室内に高周波エネルギーを供給して、当該ガス供給開始時点から所定時間内には反応処理室内の圧力に応じて排気口の開度を調整し、所定時間経過後に反応処理室内の排気口の開度を一定に調整する故、ドライエッチングの処理時間が長時間に亘った場合においても、エッチャントとデポとのバランスを一定条件に保ちつつ、均一のトレンチ形状の形成及びブラックシリコン現象の発生防止を図ることが可能となる。
なお、上述した実施例においては、SF6及びC48を反応ガスとして使用しているが、更に、O2を反応ガスとして使用しても良い。具体的には、C48を供給後からSF6の供給までの間にO2を所定時間供給し、デポの除去を行っても良い。O2供給時の高周波電源の電圧設定を調整することによって、デポの除去効率を調整することができる。すなわち、O2供給時の高周波電源の電圧設定を高くするとデポの除去が容易となりエッチングが進み易くなる。一方で、O2供給時の高周波電源の電圧設定を低くすると、トレンチ形状の下部(すなわち、エッチングされていない基板面に隣接した部分)が細くなり、テーパー形状を形成することが可能となる。
本発明の実施例としてのドライエッチング方法を実施するためドライエッチング装置の概略構成図である。 (a)は本発明の実施例としてのドライエッチング方法によって形成されたトレンチ形状の斜視図であり、(b)は図2(a)の破線部分の拡大図である。 本発明の実施例としてのドライエッチング方法によって形成されたピラー幅と圧力の関係を示すグラフである。 本発明の実施例としてのドライエッチング方法における高周波電源電力比に対する残渣数、スキャロップ及びエッチングレートの変動を示したグラフである。
符号の説明
10 ドライエッチング装置
14 反応処理室
16 高周波電源
17 供給口
21 圧力計
22 バルブ制御装置
23 排気口
24 バルブ
26 ターボ分子ポンプ
27 ドライポンプ

Claims (5)

  1. 供給口及び排気口を備える反応処理室内において被加工基板にドライエッチングを施すドライエッチング方法であって、
    前記供給口を介して前記反応処理室内にエッチングガスと保護膜形成ガスとを択一的に供給するガス供給工程と、
    前記ガス供給工程に並行して前記反応処理室内に高周波エネルギーを供給するエネルギー供給工程と、
    前記ガス供給工程の開始時点から所定時間内においては前記反応処理室内の圧力に応じて排気口の開度を調整し、前記所定時間経過後に前記排気口の開度を一定にする排気口開度調整工程と、を有することを特徴とするドライエッチング方法。
  2. 前記ガス供給工程においては、前記エッチングガスの流量を600sccmとし、前記保護膜生成ガスの流量を250sccmとすることを特徴とする請求項1記載のドライエッチング方法。
  3. 前記エネルギー供給工程においては、前記エッチングガス供給時に前記高周波エネルギーを1800W時とし、前記保護膜形成ガス供給時に1500W時とすることを特徴とする請求項1又は2記載のドライエッチング方法。
  4. 前記エッチングガスが六フッ化硫黄(SF6)であって、前記保護膜生成ガスが八フッ化シクロブタン(C48)であることを特徴とする請求項1乃至3記載のいずれか1に記載のドライエッチング方法。
  5. 前記ガス供給工程は、前記保護膜生成ガスの供給後であって、前記エッチングガスの供給までの間に、前記保護膜生成ガスにより形成された保護膜と反応する反応ガスを供給する工程を含むことを特徴とする請求項1乃至4記載のいずれか1に記載のドライエッチング方法。
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