JP2010098040A - Ｓｉエッチング方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】シリコン基板またはシリコン層のエッチング加工において、側壁ダメージの防止、高選択比および垂直形状加工を両立させることができるＳｉエッチング方法を提供する。
【解決手段】真空可能なチャンバ１０内に配置されたサセプタ１２上にシリコン基板Ｗを載置し、チャンバ１０内でエッチングガスを放電させてプラズマを生成し、サセプタ１２にイオンを引き込むための第１の高周波ＲＦＬを印加する。エッチングガスにはＢｒ２ガスとＣｌ系の高分子ガスとを含む混合ガスを用いる。
【選択図】図１
【解決手段】真空可能なチャンバ１０内に配置されたサセプタ１２上にシリコン基板Ｗを載置し、チャンバ１０内でエッチングガスを放電させてプラズマを生成し、サセプタ１２にイオンを引き込むための第１の高周波ＲＦＬを印加する。エッチングガスにはＢｒ２ガスとＣｌ系の高分子ガスとを含む混合ガスを用いる。
【選択図】図１
Description
本発明は、Ｓi（シリコン）をエッチングする方法に係り、特にプラズマを用いるドライエッチング方法に関する。
これまでの代表的なＳiエッチングは、素子分離用の溝状トレンチあるいはキャパシタ用の穴状トレンチを形成するＳiトレンチのエッチング、およびＭＯＳＦＥＴのゲート電極を形成する多結晶シリコンのエッチングである。
Ｓiトレンチのエッチングでは、トレンチの縦横比（アスペクト比）やトレンチ縦断面形状の制御が重視され、特にトレンチの内壁が樽状にえぐれるボウイングエッチングや、底にいくほど溝が狭まるテーパエッチング、あるいはマスク下のエッチング（サイドエッチング）等の抑制が重要課題になっている。さらに、深いエッチングパターンの寸法精度を上げるうえで、エッチングマスクに対するシリコン基板のエッチング速度の比つまりマスク選択比を十分高くすることも重要である。
多結晶シリコンのエッチングでは、ＭＯＳＦＥＴの特性を左右するゲート電極の高い寸法精度が重視され、またゲート酸化膜（ＳiＯ2）に対して高い選択比も求められている。
このような加工要件に応えるために、エッチングガスにはＨＢrのような水素を含んだハロゲン化合物ガス、あるいはＣｌ2などのハロゲンガスにＣＨＦ3などを添加した混合ガスが用いられ、エッチング装置にはプラズマ中のイオンに方向性を持たせて被エッチング材（シリコン基板）と反応させる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置が多用されている。
特開２００３−２１８０９３
ところで、シリコン基板上に作製される半導体デバイスの高集積化や高性能化に伴って、デバイスを構成する半導体素子は略０．７倍のスケーリング則で微細化している。そして、現在の半導体製品に適用されている６５ｎｍ、４５ｎｍのデザインルール（設計基準）は次世代の開発製品で３２ｎｍ程度となり、次々世代においては２２ｎｍ程度になると予想されている。
デバイス設計基準が次々世代の２２ｎｍ程度になると、ＬＳＩを構成する基本的な半導体素子であるＭＯＳＦＥＴ（またはＭＩＳＦＥＴ）は、そのチャネル領域およびソース・ドレイン領域がこれまでのシリコン基板主面に平面的に作製される二次元構造（平面構造）から立体的に作製される三次元構造（立体構造）に変わる可能性が高い。この立体構造では、チャネル領域が基板主面上に突出して延びるフィンあるいはピラーの側壁に形成され、ソース・ドレイン領域はチャネル領域を挟んでチャネル長手方向の両側に形成される。ここで、フィンやピラーのような立体型の素子本体は、シリコン基板の主面を１００ｎｍ以上の深さにエッチング加工して得られる。
このような立体型素子本体のエッチング加工においては、被エッチング材の側壁が受けるダメージを極力少なくする必要がある。すなわち、従来のＳiトレンチエッチングとは異なり、この場合の被エッチング側壁はＭＯＳＦＥＴのチャネル領域として使われる部位になるため、側壁にイオンが入射して表層部の結晶格子が破壊されると、電子あるいは正孔（電荷キャリア）の易動度が下がり、ＭＯＳＦＥＴの性能が著しく低下する。もちろん、ＭＯＳＦＥＴ性能の安定性・再現性の面から被エッチング材側壁の垂直形状にも一層の精度が要求される。さらに、深いエッチングパターンの寸法精度を上げるうえで、エッチングマスクに対するシリコン基板のエッチング速度の比つまりマスク選択比を十分高くすることも重要である。
本発明は、上述した実状に鑑みてなされたもので、シリコン基板またはシリコン層のエッチング加工において、側壁ダメージの防止、高選択比および垂直形状加工を両立させることができるＳiエッチング方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の第１の観点におけるＳiエッチング方法は、真空可能な処理容器内にシリコン基板またはシリコン層を有する基板を配置し、前記処理容器内でエッチングガスを放電させてプラズマを生成し、前記プラズマの下で前記シリコン基板または前記基板上のシリコン層をエッチングするＳiエッチング方法であって、前記エッチングガスにＢr2ガスとＣl2ガスとを含む混合ガスを用いる。
上記第１の観点におけるＳiエッチング方法においては、シリコン基板またはシリコン層のエッチング加工において、水素イオンを生成せずに、揮発性の比較的低い反応生成物をつくる臭素の作用と、揮発性の比較的高い反応生成物をつくる塩素の作用とをバランスよく組み合わせることで、側壁ダメージの防止、高選択比および垂直形状加工を両立させることができる。
本発明の第２の観点におけるＳiエッチング方法は、真空可能な処理容器内にシリコン基板またはシリコン層を有する基板を配置し、前記処理容器内でエッチングガスを放電させてプラズマを生成し、前記プラズマの下で前記シリコン基板または前記シリコン層をエッチングするＳiエッチング方法であって、前記エッチングガスに、Ｂr2ガスとＣl2ガスよりも質量の大きい塩化物ガスとを含む混合ガスを用いる。
上記第２の観点におけるＳiエッチング方法においては、シリコン基板またはシリコン層のエッチング加工において、水素イオンを生成せずに、揮発性の比較的低い反応生成物をつくる臭素の作用と、揮発性の比較的高い反応生成物をつくる塩素の作用とをバランスよく組み合わせることに加えて、塩化物ガスの分解（解離・電離）によって生成される塩素系フラグメントの高質量化によりエッチング側壁への塩素系イオンの入射を少なくして垂直エッチングをより強化・安定化し、側壁ダメージの防止、高選択比および垂直形状加工を両立させることができる。
本発明のエッチングガスに用いられる塩化物ガスは、好適には、ＢＣl3ガス、ＰＣl3ガス、ＡsＣl3ガスのいずれかである。
また、本発明のエッチングガスは、希ガスを含んでもよく、あるいはＯ2ガスまたはＮ2ガスを含んでもよく、さらにはＣＦ4ガス、ＳＦ6ガスまたはＮＦ6ガスなどのフッ素化合物ガスを含んでもよい。
本発明のＳiエッチング方法を実施するプラズマエッチング装置において、好適には、処理容器内に設けられた第１の電極にシリコン基板が載置され、第１の電極にプラズマからイオンを引き込むための第１の高周波が印加される。
本発明のＳiエッチングで用いるマスクの材料には、シリコンを含有する無機物たとえばＳiＮ（窒化珪素）を好適に使用できる。
本発明のＳiエッチング方法によれば、上記のような構成および作用により、シリコン基板またはシリコン層のエッチング加工において、側壁ダメージの防止、高選択比および垂直形状加工を両立させることができる。
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態のいくつかを説明する。
図１に、本発明のＳiエッチング方法を実施するための好適なプラズマエッチング装置の構成を示す。このプラズマエッチング装置は、ＲＦ下部２周波印加方式の容量結合型（平行平板型）であり、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製の円筒型チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は保安接地されている。
チャンバ１０内には、被処理体（被処理基板）としてシリコンウエハＷを載置する円板状の下部電極またはサセプタ１２が設けられている。このサセプタ１２は、たとえばアルミニウムからなり、絶縁性の筒状保持部１４を介してチャンバ１０の底から垂直上方に延びる筒状支持部１６に支持されている。筒状保持部１４の上面には、サセプタ１２の上面を環状に囲むたとえば石英やシリコンからなるフォーカスリング１８が配置されている。
チャンバ１０の側壁と筒状支持部１６との間には排気路２０が形成され、この排気路２０の入口または途中に環状のバッフル板２２が取り付けられるとともに底部に排気口２４が設けられている。この排気口２４に排気管２６を介して排気装置２８が接続されている。排気装置２８は、真空ポンプを有しており、チャンバ１０内の処理空間を所定の真空度まで減圧することができる。チャンバ１０の側壁には、シリコンウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ３０が取り付けられている。
サセプタ１２には、イオン引き込み用の第１高周波電源３２が第１整合器３４および給電棒３６を介して電気的に接続されている。この高周波電源３２は、プラズマ中のイオンをシリコンウエハＷに引き込むのに適した１３．５６ＭＨｚ以下の周波数を有する第１高周波ＲＦLを下部電極つまりサセプタ１２に印加する。
また、サセプタ１２には、プラズマ生成用の第２高周波電源７０が第２整合器７２および給電棒３６を介して電気的に接続されている。この第２高周波電源７０は、エッチングガスを高周波で放電させるのに適した４０ＭＨｚ以上の周波数を有する第２高周波ＲＦHをサセプタ１２に印加する。
なお、チャンバ１０の天井部には、後述するシャワーヘッド３８が接地電位の上部電極として設けられている。高周波電源３２，７０からの高周波ＲＦL，ＲＦHはサセプタ１２とシャワーヘッド３８との間に容量的に印加される。
サセプタ１２の上面にはシリコンウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック４０が設けられている。この静電チャック４０は導電膜からなる電極４０ａを一対の絶縁膜４０ｂ，４０ｃの間に挟み込んだものであり、電極４０ａには直流電源４２がスイッチ４３を介して電気的に接続されている。直流電源４２からの直流電圧により、クーロン力でシリコンウエハＷをチャック上に吸着保持することができる。
サセプタ１２の内部には、たとえば円周方向に延在する冷媒室４４が設けられている。この冷媒室４４には、チラーユニット４６より配管４８、５０を介して所定温度の冷媒たとえば冷却水が循環供給される。冷媒の温度によって静電チャック４０上のシリコンウエハＷの処理温度を制御できる。さらに、伝熱ガス供給部５２からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給ライン５４を介して静電チャック４０の上面とシリコンウエハＷの裏面との間に供給される。
天井部のシャワーヘッド３８は、多数のガス通気孔５６ａを有する下面の電極板５６と、この電極板５６を着脱可能に支持する電極支持体５８とを有する。電極支持体５８の内部にバッファ室６０が設けられ、このバッファ室６０のガス導入口６０ａには処理ガス供給部６２からのガス供給配管６４が接続されている。
チャンバ１０の周囲には、環状または同心状に延在する磁石６６が配置されている。チャンバ１０内において、シャワーヘッド３８とサセプタ１２との間に形成される第２高周波ＲＦHによるＲＦ電界と磁石６６による磁界との重畳作用により、サセプタ１２の表面近傍に高密度のプラズマが生成される。この実施形態では、本発明のドライエッチング方法を実施するために、チャンバ１０の室内、特にシャワーヘッド３８とサセプタ１２との間のプラズマ生成空間が１mTorr（約０．１３３Ｐａ）程度の低圧であっても、電子密度が１×１０10／ｃｍ3以上の高密度プラズマが得られるようになっている。
制御部６８は、このプラズマエッチング装置内の各部たとえば排気装置２８、第１高周波電源３２、第１整合器３４、静電チャック用のスイッチ４３、チラーユニット４６、伝熱ガス供給部５２、処理ガス供給部６２、第２高周波電源７０および第２整合器７２等の動作を制御するもので、ホストコンピュータ（図示せず）等とも接続されている。
処理ガス供給部６２は、図２に示すように、Ｂr2（臭素）ガスを供給するためのＢr2ガス源７４、Ｃｌ2（塩素）ガスあるいは塩化物ガスを供給するための塩素系ガス源７６、ヘリウム（Ｈe）、アルゴン（Ａr）等の希ガスを供給するための希ガス源７８、所望の添加ガスを供給するための添加ガス源８０を有し、混合ガスの組み合わせを開閉弁７４ａ，７６ａ，７８ａ，８０ａによって制御し、それぞれのガス流量をＭＦＣ（マスフローコントローラ）７４ｂ，７６ｂ，７８ｂ，８０ｂによって個別に制御するようにしている。
処理ガス供給部６２に含まれるＨＢrガス源８２、開閉弁８２ａ、ＭＦＣ８２ｂは後述する実験のために用いられる。塩素系ガス源７６より供給されるＣｌ2（塩素）ガスも実験用であり、本発明のＳiエッチングでは使用されない。
このプラズマエッチング装置において、ドライエッチングを行うには、先ずゲートバルブ３０を開状態にして加工対象のシリコンウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック４０の上に載置する。そして、処理ガス供給部６２よりエッチングガスを所定の流量および混合比（流量比）でチャンバ１０内に導入し、排気装置２８によりチャンバ１０内の圧力を設定値にする。さらに、第１高周波電源３２より所定のパワーで第１の高周波ＲＦLをサセプタ１２に供給すると同時に、第２高周波電源７０からも所定のパワーで第２の高周波ＲＦHをサセプタ１２に供給する。また、直流電源４２より直流電圧を静電チャック４０の電極４０ａに印加して、シリコンウエハＷを静電チャック４０上に固定する。シャワーヘッド３８より吐出されたエッチングガスは両電極１２，３８間で放電してプラズマ化し、このプラズマで生成されるラジカルやイオンがシリコンウエハＷ表面のエッチングマスクを通して被エッチング材と反応し、被エッチング材が所望のパターンにエッチングされる。
このドライエッチングのプロセスにおいて、エッチングガスの放電またはプラズマ生成には第２高周波電源７０よりサセプタ（下部電極）１２に印加される比較的高い周波数（４０ＭＨｚ以上、好ましくは８０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ）の高周波ＲＦHが主に寄与し、プラズマからシリコンウエハＷへのイオンの引き込みには第１高周波電源３２よりサセプタ（下部電極）１２に印加される比較的低い周波数（２ＭＨｚ〜１３．５６ＭＨｚ）の高周波ＲＦLが主に寄与する。
ドライエッチングの最中は、つまり処理空間にプラズマが生成されている間は、そのバルクプラズマとサセプタ（下部電極）１２との間に下部イオンシースが形成され、サセプタ１２ないしシリコンウエハＷには下部イオンシースの電圧降下に略等しい負極性の自己バイアス電圧Ｖdcが発生する。この自己バイアス電圧Ｖdcの絶対値｜Ｖdc｜は、サセプタ１２に印加される第１高周波ＲＦLの電圧の尖頭値Ｖppに比例する。
この実施形態では、上記のプラズマエッチング装置（図１）において、シリコンウエハＷの基板（シリコン基板）またはウエハＷ上のシリコン層を被エッチング材とし、処理ガス供給部６２より、Ｂr2ガスとＣl2ガスとを含む混合ガス、Ｂr2ガスとＢＣl3ガスを含む混合ガス、Ｂr2ガスとＰＣl3ガスとを含む混合ガス、Ｂr2ガスとＡsＣl3ガスとを含む混合ガスのいずれかをエッチングガスとしてチャンバ１０内に導入して、上記のようなドライエッチングつまりＳiエッチングを行う。
これらの混合ガスはいずれも、チャンバ１０内で高周波放電によって解離・電離して、臭素系のイオン、ラジカルおよび塩素系のイオン、ラジカルを生成し、ラジカルは等方的にシリコンと反応し、イオンは自己バイアス電圧Ｖdcに応じたイオンエネルギーでシリコンウエハＷに引き込まれ、主として垂直方向でシリコンと反応する。ここで、臭素系の反応生成物は比較的揮発性が低く、塩素系の反応生成物は比較的揮発性が高いという相対的な関係があり、両者のバランスを制御することで、テーパ形状とボウイング形状との中間をとって垂直形状を得ることができる。また、混合ガス中に水素は含まれないので、プラズマ中に水素イオンは存在せず、したがって被エッチング物の側壁が水素イオンの入射・侵入によってダメージを受けるようなことはない。さらに、臭素系と塩素系の組み合わせは選択性もよく、特にシリコンを含む無機物マスクに対して十分高い選択比が得られる。
本発明において、塩素系ガスとしてＢＣl3ガス、ＰＣl3ガス、ＡsＣl3ガス等の高分子塩化物ガスを用いる場合は、ガス分子の解離・電離によって高質量の塩素系イオンが支配的に多く生成される。それら高質量の塩素系イオンは、イオンシース層で加速されたときに他のイオンやラジカルと衝突しても散乱せず、あるいは散乱しても散乱角度が小さいため、基板に略垂直に入射し、安定な異方性エッチングを可能とする。
以下、図３〜図１１を参照して、本発明を好適に適用できるエッチング加工例として、シリコンウエハＷの主面に縦型トランジスタ（Vertical Transistor）用のピラー型素子本体を形成するための好適な実施形態によるＳiエッチング方法を説明する。
この種のピラー型素子本体を作製するには、シリコンウエハＷ上に形成されたマスク材料（好ましくはシリコンを含む無機物層）を図３Ａに示すように所望の口径（直径）２Ｒを有する円板８４にパターニングして、これをエッチングマスクとし、所望の深さａまでシリコンウエハＷをエッチング加工する。そうすると、図３Ｂに示すようにシリコンウエハＷの主面に所望サイズ、たとえば直径２Ｒ＝２００ｎｍ前後、高さａ＝２００ｎｍ前後の円柱状ピラー型素子本体８６が形成される。
｛実施例｝
｛実施例｝
本発明者は、上記のような容量結合型プラズマエッチング装置（図１）を使用し、エッチングガスにＣｌ2ガスとＨＢrガスとの混合ガスを使用し、Ｃｌ2とＨＢrの混合比を主たるパラメータとして、シリコンウエハＷ上に上記のようなピラー型素子本体８６を作製するエッチング加工の実験を行った。主なエッチング条件は下記のとおりである。
シリコンウエハ口径：３００ｍｍ
エッチングマスク：ＳiＮ（１５０ｎｍ）
エッチングガス：Ｃｌ2ガス／ＨＢrガス＝＃＃sccm／＃＃sccm
圧力：２０mTorr
第１高周波：１３ＭＨｚ、バイアスＲＦパワー＝４００Ｗ
第２高周波：１００ＭＨｚ、ＲＦパワー＝６００Ｗ
上部及び下部電極間距離＝３０ｍｍ
温度：上部電極／チャンバ側壁／下部電極＝８０／６０／６０℃
シリコンウエハ口径：３００ｍｍ
エッチングマスク：ＳiＮ（１５０ｎｍ）
エッチングガス：Ｃｌ2ガス／ＨＢrガス＝＃＃sccm／＃＃sccm
圧力：２０mTorr
第１高周波：１３ＭＨｚ、バイアスＲＦパワー＝４００Ｗ
第２高周波：１００ＭＨｚ、ＲＦパワー＝６００Ｗ
上部及び下部電極間距離＝３０ｍｍ
温度：上部電極／チャンバ側壁／下部電極＝８０／６０／６０℃
図４に、実験例Ａ１，Ａ２，Ａ３で使われたパラメータ値および得られたエッチング特性をＳＥＭ写真付きの一覧表に示す。なお、実験例Ａ１，Ａ２，Ａ３のいずれもパターン疎部で得られたデータである。
実験例１
実験例１
Ｃｌ2ガス／ＨＢrガス＝１００sccm／０sccmに選んだ場合、つまりＣｌ2ガスの単ガスをエッチングガスに用いた場合であり、マスク選択比＝４．０、ボウイングΔＣＤ＝１４nmのエッチング結果が得られた。
図３のＳＥＭ写真において、たとえば実験例１の場合、ピラー上端の直径Ｌ１＝１８７ｎｍ、ピラー中間部の直径Ｌ２＝１７３ｎｍnm、ピラー下端の直径＝２０３ｎｍ、ピラー高さａ＝２２５ｎｍである。
実験例２
実験例２
Ｃｌ2ガス／ＨＢrガス＝５０sccm／５０sccmの混合ガスをエッチングガスに用いた場合であり、マスク選択比＝３．６、ボウイングΔＣＤ＝４nmのエッチング結果が得られた。
実験例３
実験例３
Ｃｌ2ガス／ＨＢrガス＝０sccm／１００sccmに選んだ場合、つまりＨＢrガスの単ガスをエッチングガスに用いた場合であり、マスク選択比＝３．１、顕著なテーパ形状のエッチング結果が得られた。
なお、図３Ｂに示すように、ボウイングΔＣＤは、ピラー８６の上端の直径Ｌ１と中間部の直径Ｌ２との差（Ｌ１−Ｌ２）で与えられる垂直加工形状評価のファクタであり、正の値であればボウイング傾向、負の値であればテーパ傾向であり、絶対値が小さいほどピラーの垂直度が高い。実験例１のようにボウイングΔＣＤが１０nmを超えると、明らかにボウイング形状である。実験例２のようにボウイングΔＣＤが４nm程度であれば、略垂直形状といえる。
上記のように、エッチングガスにＣｌ2ガスの単ガスを用いた場合（実験例１）にはピラー側壁８６ａがボウイング形状になるのに対して、ＨＢrガスの単ガスを用いた場合（実験例３）にはピラー側壁８６ａが逆にテーパ形状になり、Ｃｌ2ガスとＨＢrガスとを１：１の割合で含む混合ガスを用いた場合（実験例２）にはピラー側壁８６ａが略垂直形状になる。
すなわち、塩素および臭素のいずれもハロゲンであり、これらのラジカルやイオンはシリコンとよく反応するが、塩素の方は揮発性の比較的高い反応生成物をつくり、臭素の方は揮発性の比較的低い反応生成物をつくることから、エッチング側壁をボウイング形状にするかテーパ形状にするかの違いが生じる。そして、両者を適度なバランスで組み合わせると、ボウイング形状とテーパ形状との中間をとってエッチング側壁を垂直形状にできるということが上記の実験例１〜３で確認できた。また、マスク選択性についても、Ｃｌ2ガスの単ガスを用いる場合（選択比４．０）よりは幾らか減少するが、Ｃｌ2ガスとＨＢrガスとの混合ガスでも十分高い選択比（３．６）が得られた。したがって、Ｃｌ2ガスとＨＢrガスとを含む混合ガスは、Ｓiエッチングにおいて垂直性および高選択性の２つの要件を一応適えられるエッチングガスといえる。
しかしながら、そのようなＣｌ2／ＨＢr含有の混合ガスを縦型トランジスタ用の立体型素子本体（ピラー８６）のエッチング加工に使用するには問題がある。すなわち、エッチングガスの放電またはプラズマ化においてＨＢrのガス分子が解離・電離すると、Ｈ+イオンが多量に発生し、イオンシースの電界によって加速されたＨ+イオンが他のイオンやラジカルとの衝突によって散乱しながら被エッチング物の側壁に斜めに入射し、内奥まで深く侵入することが問題となる。つまり、Ｈ+イオンがピラー側壁８６ａの内部に深く侵入すると、ＭＯＳＦＥＴのチャネル領域となる部分のシリコン結晶格子がダメージを受け、ＭＯＳＦＥＴの性能が損なわれる。
図５に、ＨＢrガスの質量スペクトル特性を示す。この種の質量スペクトル特性は、試料ガス（ＨＢrガス）が分解（解離・電離）した際に生成される分子、原子の種類とそれぞれの相対的存在量を示すものであり、プラズマエッチング装置で実際に試料ガス（ＨＢrガス）を放電させる代わりに質量分析器を用いて試料ガス（ＨＢrガス）を電子衝突させて得られる分子、原子のイオンの強度比を質量スペクトルまたはフラグメント組成として計測したものである。
ＨＢrが電子と衝突してＢrとＨとに解離・電離することと、図５のマススペクトル特性から、Ｈ+イオンがＢrおよびＨＢrと略同じ割合（約１：１：１）で存在すること、つまりＨ+イオンが大量に発生することがわかる。なお、図５において、質量７９付近、８１付近のフラグメントは異性体であり、Ｔbは沸点である。
図６に、種種のイオンをシリコン基板に入射角０°で垂直に当てた場合のイオンエネルギーと最大侵入深さとの関係をグラフで示す。図示のように、Ｈ+イオンが他のイオン（Ｏ+、Ｆ+、Ｃl+、Ｂr+）に比して格段に深くシリコン基板の内部に侵入しやすいことがわかる。たとえば、入射イオンエネルギーが１００ｅＶの場合、Ｏ+イオン、Ｆ+イオンは約４ｎｍ、Ｃl+イオンは約２．５ｎｍ、Ｂr+イオンは約２ｎｍの深さまでしかそれぞれ侵入しないのに対して、Ｈ+イオンは約２０ｎｍの深さまで侵入する。入射イオンエネルギーを３００ｅＶに高くすると、他のイオン（Ｏ+、Ｆ+、Ｃl+、Ｂr+）の侵入深さは１０ｎｍを超えることがないのに対して、Ｈ+イオンの侵入深さは５０ｎｍ以上であり、やはり突出している。
Ｈ+イオンの侵入によるダメージをキャンセルするための一手法として、被エッチング側壁（ピラー側壁８６ａ）を最大侵入深さまで酸化して酸化膜エッチングにより被ダメージ部分を削り落とすケアも考えられる。しかし、そのために余分な工程を必要とするばかりか、ピラー８６の口径が不所望または過分に細くなってしまうという不都合がある。
本発明は、ＨＢrガスに代えてＢr2ガスを用いる。ここに、Ｂr2ガスはＨを含まないので、電離してもＨ+イオンを生成することはない。したがって、被エッチング側壁（ピラー側壁８６ａ）に対してイオン入射によるダメージを与えなくて済む。また、Ｂr2ガス分子はそれ自体が反応性分子であるうえ、それが解離・電離して生じるＢr+イオンあるいはＢrラジカルもシリコンを良好にエッチングする。つまり、Ｓiエッチングにおいて臭素の持つ作用、特に揮発性の低い反応生成物をつくる作用を十分に発揮することができる。
図７に、Ｂr2ガスの質量スペクトル特性を示す。この質量スペクトル特性からわかるように、Ｂr2とＢrとの存在比は約１：０．３であり、Ｂr2分子は電子と衝突しても解離しにくく、質量のばらつきが出にくい。もちろん、Ｂr2よりＨ+イオンは生成されない。
上記の観点から、本発明は、縦型トランジスタ用の立体型素子本体（ピラー８６）を作製するためのＳiエッチングに使用する好適なエッチングガスとして、Ｃｌ2ガスとＢr2ガスとを含む混合ガスを提案する。
さらに、本発明は、Ｃｌ2ガスの代替ガスも提案する。すなわち、Ｃｌ2ガスはシリコンに対して非常に反応活性的であり、エッチングレートを上げるのに好ましい反面、上記実験例１のようにボウイング形状をもたらしやすい。その原因として、等方的なラジカルエッチングも一因ではあるが、それ以上にＣl+イオンの散乱に基づく斜め入射が大きな要因になっている。本来、Ｃl+イオンはイオンシース層での加速によりシリコンウエハＷに向って垂直に引き込まれる。しかし、Ｈ+イオンほどではなくとも、Ｃl+イオンも他のイオンやラジカルとの衝突によって散乱しやすく、斜め方向に散乱したＣl+イオンが被エッチング側壁（ピラー側壁８６ａ）に斜めに入射して、側壁をえぐるようにエッチングし、これがボウイングの主たる原因となる。
図８に、Ｃｌ2ガスの質量スペクトル特性を示す。この質量スペクトル特性からわかるように、Ｃｌ2分子は電子と衝突すると解離・電離しやすく、Ｃｌ2に対して約１：０．８の比で比較的軽量の（つまり散乱されやすい）Ｃl+イオンが多量に生成される。
上記の理由から、本発明は、Ｃｌ2ガスの代わりに、Ｃｌ2ガスよりも高質量の塩化物ガスを用いる。本発明で用いる好適な塩化物ガスは、ＢＣl3（三塩化ホウ素）ガス、ＰＣl3（三塩化リン）ガス、ＡsＣl3（三塩化ヒ素）ガス等の高分子無機塩化物ガスである。
図９、図１０および図１１に、ＢＣl3ガス、ＰＣl3ガス、ＡsＣl3ガスのそれぞれの質量スペクトラム特性を示す。
ＢＣl3ガスの場合は、図９の質量スペクトラム特性に示すように、ＢＣl2が最も多く存在し、これに対する相対量として、ＢＣl3が約０．２、ＢＣlが約０．１５、Ｃlが約０．３の割合で存在する。つまり、ＢＣl3ガス分子の解離・電離によって生成されるイオンの中で、質量約８２のＢＣl2イオンと質量約１１７のＢＣl3イオンを併せた高分子イオンが支配的に多く存在する。これら高分子イオンのフラグメントは、高質量であるため、他のイオンやラジカルと衝突しても殆ど散乱しないか、散乱しても散乱角度は小さく、垂直性または直進性を良好に保ってシリコンウエハＷに引き込まれる。被エッチング側壁（ピラー側壁８６ａ）へのイオン入射は少ない。
ＰＣl3ガスの場合は、図１０の質量スペクトラム特性に示すように、質量約１０２のＰＣl2が最も多く存在し、質量約１３７のＰＣl3が次に多く存在する。つまり、ＰＣl3ガス分子の解離・電離によってＰＣl3やＰＣl2などの高分子イオンが相対的に多量に生成される。やはり、これら高分子イオンのフラグメントは、高質量であるため、他のイオンやラジカルと衝突しても散乱しにくく、垂直性または直進性を良好に保ってシリコンウエハＷに引き込まれ、側壁へのイオン入射は少なく、異方性エッチングが安定に行われる。
同様に、ＡsＣl3ガスの場合も、図１１の質量スペクトラム特性に示すように、ＡsＣl3ガス分子の解離・電離によって質量約１４６のＡsＣl2と質量約１８１のＡsＣl3とが支配的に多く存在し、これら高質量イオンのフラグメントによって垂直性の高いＳiエッチングを安定に行うことができる。
このように、本発明は、好適な態様として、エッチングガスに含有される塩素系のガスとして、Ｃｌ2ガスの代わりにＣｌ2ガスよりも高質量のＢＣl3ガス、ＰＣl3ガス、ＡsＣl3ガスのいずれかを用いることにより、シリコンウエハＷに引き込まれる塩素系イオンの散乱角度を小さくして、Ｓiエッチングの垂直形状加工性を向上させる。
本発明は、上記実施形態のような縦型トランジスタ用の立体型素子本体をエッチング加工するＳiエッチングに特に好適に適用できるが、従来一般のＳiトレンチエッチングにも適用可能であり、さらには平面型ＭＩＳＦＥＴのゲート電極を形成するためのシリコン層のエッチングにも適用可能である。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものでない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。
たとえば、本発明でエッチンクガスに混合する塩化物ガスとして、ＳiＣl4（四塩化ケイ素）ガス、ＡsＣl5（五塩化ヒ素）等も使用可能である。
また、垂直形状加工の制御性をよくするために、Ｏ2ガスまたはＮ2ガスを添加したり、あるいはフッ素化合物ガスたとえばＣＦ4ガス、ＳＦ6ガスまたはＮＦ6ガスを添加することも可能である。さらに、アルゴンガスあるいはヘリウムガス等の希ガスを混合することも可能である。
本発明のＳiエッチング方法は、マスク材料として、ＳiＮを好適に使用できるが、ＳiＯ2やＳiＯＣ等の他のシリコン系無機物も好適に使用可能であり、レジストも勿論使用可能である。
本発明のＳiエッチング方法で用いるプラズマエッチング装置も上記実施形態のものに限定されず、種々の変形が可能である。たとえば、プラズマ生成用の高周波ＲＦHを上部電極に印加し、下部電極にはイオン引き込み用の高周波ＲＦLだけを印加する上下部２周波印加方式のプラズマエッチング装置も好適に使用できる。また、容量結合型プラズマエッチング装置以外にも、たとえば、マイクロ波のパワーを用いてプラズマを生成するマイクロ波プラズマエッチング装置や、チャンバの上面または周囲にアンテナを配置して誘電磁界の下でプラズマを生成する誘導結合型プラズマエッチング装置等も使用可能である。
１０ チャンバ（処理容器）
１２ サセプタ（下部電極）
２８ 排気装置
３２ 第１高周波電源
３４ 第１整合器
３６ 給電棒
３８ シャワーヘッド（上部電極）
６２ 処理ガス供給部
６８ 制御部
７０ 第２高周波電源
７２ 第２整合器
１２ サセプタ（下部電極）
２８ 排気装置
３２ 第１高周波電源
３４ 第１整合器
３６ 給電棒
３８ シャワーヘッド（上部電極）
６２ 処理ガス供給部
６８ 制御部
７０ 第２高周波電源
７２ 第２整合器
Claims (12)
- 真空可能な処理容器内にシリコン基板またはシリコン層を有する基板を配置し、前記処理容器内でエッチングガスを放電させてプラズマを生成し、前記プラズマの下で前記シリコン基板または前記基板上のシリコン層をエッチングするＳiエッチング方法であって、
前記エッチングガスに、Ｂr2ガスとＣl2ガスとを含む混合ガスを用いるＳiエッチング方法。 - 真空可能な処理容器内にシリコン基板またはシリコン層を有する基板を配置し、前記処理容器内でエッチングガスを放電させてプラズマを生成し、前記プラズマの下で前記シリコン基板または前記シリコン層をエッチングするＳiエッチング方法であって、
前記エッチングガスに、Ｂr2ガスとＣl2ガスよりも質量の大きい塩化物ガスとを含む混合ガスを用いるＳiエッチング方法。 - 前記塩化物ガスは、ＢＣl3ガス、ＰＣl3ガス、ＡsＣl3ガスのいずれかである、請求項２に記載のＳiエッチング方法。
- 前記エッチングガスが希ガスを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＳiエッチング方法。
- 前記エッチングガスがＯ2ガスまたはＮ2ガスを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＳiエッチング方法。
- 前記エッチングガスがフッ素化合物ガスを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＳiエッチング方法。
- 前記フッ素化合物ガスがＣＦ4ガス、ＳＦ6ガスまたはＮＦ6ガスのいずれかである、請求項６に記載のＳiエッチング方法。
- 前記処理容器内に設けられた第１の電極に前記シリコン基板が載置され、前記第１の電極に前記プラズマからイオンを引き込むための第１の高周波が印加される、請求項１〜７のいずれか一項に記載のＳiエッチング方法。
- 前記処理容器内で前記第１の電極と所定の間隔を隔てて平行に向かい合う第２の電極が設けられ、前記エッチングガスを放電させるための第２の高周波が前記第１の電極または前記第２の電極に印加される、請求項８に記載のＳiエッチング方法。
- 前記シリコン基板をエッチングして、前記シリコン基板の主面に円柱状または直方体形状の立体型素子本体を形成する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のＳiエッチング方法。
- 前記基板上のシリコン層をエッチングして、絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電極を形成する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のＳiエッチング方法。
- 前記エッチングに用いられるエッチングマスクがシリコンを含む無機物層を有する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のＳiエッチング方法。
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