JP2674038B2 - Silicon trench etching method - Google Patents

Silicon trench etching method

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、シリコンにトレンチを形成するシリコンの
トレンチエッチング方法に関する。特に本発明は、シリ
コンにトレンチを形成する場合に用いるエッチングガス
について改良した、シリコンのトレンチエッチング方法
に関するものである。本発明は例えば、半導体装置製造
の分野において、シリコン基板に溝や穴等のトレンチを
形成する場合に、好適に利用できる。 〔発明の概要〕 本発明のエッチング方法は、シリコンにトレンチを形
成するシリコンのトレンチエッチング方法において、シ
リコンに対するエッチングガスとして、塩化ケイ素と窒
素と塩素とを含み、かつ、上記塩素の量を、被エッチン
グ材であるシリコンのトレンチエッチング形状に不整が
生じない量に設定する構成にするとともに、この塩素の
量は、エッチングの進行により被エッチング材であるシ
リコンに形成されるトレンチの側壁に堆積するシリコン
窒化物の側壁保護効果が維持される量である、エッチン
グガス全体の体積の10%以上50%未満であるエッチング
ガスを用いることを特徴とするものであって、このガス
によりシリコン基板などの被エッチングシリコン材を反
応性イオンエッチング法などでエッチングすることによ
って、所望の微細な溝や穴等のトレンチを形状制御良
く、かつ速いエッチング速度で得ることができるように
したものである。 〔従来の技術〕 従来より、シリコン基板(以下、適宜Si基板などと記
す)等のシリコン材をエッチングガスを用いてエッチン
グすることが行われており、例えば半導体装置製造の分
野でシリコン基板に深い溝や穴を形成する所謂シリコン
トレンチエッチング技術などとして具体化されている。
このような技術は、ダイナミックRAMのトレンチキャパ
シター形成や、バイポーラ素子の素子間分離形成用とし
ての応用等で、必要不可欠なものとなっている。 ところで、このようなシリコン基板に溝や穴等のトレ
ンチを形成するトレンチ加工においては、キャパシター
の容量確保や、充分な素子間分離を行う必要性等から、
ある程度のエッチング深さを確保する必要がある。上記
したような適用分野では、通常4μm以上の深さが要求
される。しかし、現在実用化されているシリコントレン
チエッチング技術のエッチング速度では、要求される深
さを得るのに長時間を要するという問題がある。特に現
状での単結晶シリコンのエッチング速度は、通常のバッ
チ式RIEを用いる場合、せいぜい500〜800Å/min程度で
あり、4〜5μmのエッチング深さを得るためには1時
間近くを要し、生産性が大変低いという問題点がある。
このため、エッチング速度の大きいシリコンエッチング
技術の開発が切望されている。特に、単結晶シリコンを
エッチングする場合について、その要望が大きい。 本発明者は先に、シリコンに微細な溝や穴を高アスペ
クト比で、つまり開口に対して深さを大きくして、かつ
精密に形成でき、しかも溝や穴の側壁のえぐれや底部の
サブトレンチ等の生じない、形状制御の良好なシリコン
用エッチングガスとして、四塩化ケイ素と窒素とからな
るガスを提案した(昭和61年秋期応用物理学会30a−p
−5).ただ、このエッチングガスも、エッチング速度
という面では、上述と同様、必ずしも充分とは言えな
い。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上述の如く、従来のエッチング技術にあってはシリコ
ンに対するエッチング速度が充分でなく、従って必要な
エッチング深さを得るには長時間を要していたという問
題がある。 本発明は、上述の問題点を解決せんとするもので、本
発明の目的は、高アスペクト比の穴や溝を形状制御良く
形成できるという基本的な要請を満たしつつ、シリコン
のエッチング時(特に例えば単結晶シリコンのトレンチ
エッチング時)のエッチング速度が低いという欠点を解
決して、生産性を上げることができるシリコンのトレン
チエッチング方法を提供することにある。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明のエッチング方法は、 シリコンにトレンチを形成するシリコンのトレンチエ
ッチング方法において、 シリコンに対するエッチングガスとして、 塩化ケイ素と窒素と塩素とを含み、かつ、 上記塩素の量を、被エッチング材であるシリコンのト
レンチエッチング形状に不整が生じない量に設定する構
成にするとともに、 この塩素の量は、エッチングの進行により被エッチン
グ材であるシリコンに形成されるトレンチの側壁に堆積
するシリコン窒化物の側壁保護効果が維持される量であ
る、エッチングガス全体の体積の10%以上50%未満であ
るエッチングガス(以下これを「本発明のエッチングガ
ス」と称することもある)を用いることを特徴とする ものである。 〔作用〕 本発明のエッチングガスを用いてシリコンにトレンチ
エッチングを行う本発明のシリコンのトレンチエッチン
グ方法によると、高アスペクト比の穴や溝を形状制御良
好に形成でき、しかもエッチング速度が速く、生産性を
上げることができる。本発明の作用は必ずしも明らかで
ないが、ガス中に塩素が存在することにより、塩素ラジ
カルClが多く発生し、これがエッチング速度を高める
機能を果たすものと思われる。塩化シリコンと窒素とか
ら成るエッチングガスを用いたシリコン(例えば単結晶
シリコン)のトレンチエッチングでは、例えばプラズマ
中でSix NyとClとを生じ、Six Nyの堆積によって側壁
保護を行いながら、Clによってシリコンをエッチング
するので、ここにより多くのClを供給してやること
で、エッチング速度の向上が達成されるものと思われ
る。 塩素の含有量が、エッチングガスの50体積%以上にな
ると、形状制御性が低下し、側壁にえぐれなどが生じや
すくなる。塩素の好ましい含有量は、他のガス成分の組
成比やエッチング条件、また被エッチングシリコン材な
どのパラメータにより様々に変わるので一概に言えない
が、後記した実施例の条件では、塩素含有率が10〜40体
積%であることが特に好ましく、33体積%前後が実用的
により好ましい。塩化シリコンとしてSiCl4を用いる場
合、塩素はSiCl4と同体積以下で用いることが好まし
い。 〔実施例〕 以下本発明の一実施例を説明する。なお、当然のこと
ではあるが、本発明は以下に述べる実施例にのみ限定さ
れるものではない。 この実施例は本発明のエッチングガスを、半導体集積
回路の製造に際して、単結晶Si基板上に微細な溝を形成
するために用いるエッチングガスとして利用したもので
ある。この例は、半導体装置における溝型キャパシター
あるいは微細な素子間分離の形成のための技術として具
体化できる。 本実施例においては、塩化ケイ素としてSiCl4を用
い、これとN2とからなるガスにCl2ガスを添加してエッ
チングガスとした。即ち、SiCl4/N2系ガスを用いた場
合、形成する溝にアンダーカット等の無い最適な形状の
得られるエッチング条件をまず設定し、この条件下で該
エッチングガスにCl2ガスを添加していって、その時の
エッチング速度の条件を調べた。このエッチング速度の
変化を示すのが、第1図に示すグラフである。なお、Si
Cl4/N2系ガスの最適条件設定においては、例えば、SiCl
4とN2とを流量比で1:1混合となるようにし、これを用い
て、SiO2をマスクとし、RIEによりSi基板1をエッチン
グすると、第2図に模式的に示すように、アスペクト比
の大きい溝2が形状の制御性良く得られるので、この条
件を基にして上記実験を行うことができる。第2図中、
3は堆積物であり、これが側壁を保護して、溝の側壁に
中ぶくれなどが生じないようにする作用を示すものと考
えられる。この体積物3は、フッ酸その他で容易に除去
できる。 第1図は、横軸にエッチングガス(SiCl4/N2/Cl2混合
ガス)中のCl2の体積%をとり、縦軸にエッチング速度
(Å/min)をとって、両者の関係を示したものである。
またグラフの各測定点には、該当する場合に形成された
溝形状の形状制御性の評価を示した、即ち、 で示されるものは溝形状が特に良いもの、◎はこれに次
ぎ溝形状が極めて良好なもの、○は更にこれに次いで溝
形状が良好なものを示す。×は溝の側壁にえぐれが生
じ、溝形状が不良なものを示す。 第1図のグラフから明らかなように、Cl2ガス添加量
に依存して、単結晶シリコンのエッチング速度が上昇し
ているのがわかる。 しかし、Cl2ガス添加量が多くなって、50体積%に至
ると、溝側壁にえぐれが生じ、良好な形状が得られなく
なる。これは、Cl2添加量が増えすぎると、Clが増え
すぎて側壁保護効果が充分でなくなり、良好な異方性形
状の確保が困難になるためと考えられる。よって、各設
定条件において、Cl2添加量の最適化が必要である。本
実施例では、SiCl4/N2系での最適条件で良好な形状の得
られていた条件に、33%のCl2を添加したところ、形状
に影響無く、エッチング速度は90Å/minから1400Å/min
に、50%以上上昇し、Cl2添加による効果が明らかであ
った。もちろん、この流量比が最適というわけではな
く、使用する試料やエッチング装置によってCl2添加量
を適宜決める必要があるのは言うまでもない。 本実施例によれば、従来問題となっていた単結晶シリ
コントレンチエッチング時の低いエッチング速度を向上
させることができ、単結晶シリコンエッチング時のスル
ープットを上げることができた。 本実施例はこのように、従来エッチング速度の問題が
最も重大であった単結晶シリコンのエッチングに本発明
を適用したわけであるが、本発明はこれに限らず、各種
のシリコン材をエッチング材として効果をあげることが
できる。その他、種々の実施態様をとることができるの
は当然である。 〔発明の効果〕 本発明によれば、シリコンに対するエッチング速度が
充分大きく、よって生産性を向上させることができ、し
かも中ぶくれなどがなく垂直な壁で、かつ低部サブトレ
ンチなどもない良好な溝や穴を得ることができる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon trench etching method for forming a trench in silicon. In particular, the present invention relates to a silicon trench etching method which is an improved etching gas used for forming a trench in silicon. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be suitably used, for example, in the field of semiconductor device manufacturing, when forming trenches such as grooves and holes in a silicon substrate. SUMMARY OF THE INVENTION The etching method of the present invention is a silicon trench etching method for forming a trench in silicon, which contains silicon chloride, nitrogen and chlorine as an etching gas for silicon, and the amount of chlorine is The etching amount of the silicon, which is the etching material, is set to an amount that does not cause irregularities in the trench etching shape. It is characterized by using an etching gas that is 10% or more and less than 50% of the total volume of the etching gas, which is an amount that maintains the sidewall protection effect of nitride, and this gas is used to protect the silicon substrate or the like. Etching Silicon material is etched by reactive ion etching etc. Desired trench such fine grooves or holes shape control well, and make them can be obtained at a higher etch rate. [Prior Art] Conventionally, it has been performed to etch a silicon material such as a silicon substrate (hereinafter appropriately referred to as a Si substrate) using an etching gas. For example, in the field of semiconductor device manufacturing, the silicon substrate is deeply etched. It is embodied as a so-called silicon trench etching technique for forming grooves and holes.
Such a technique is indispensable for forming a trench capacitor of a dynamic RAM and an application for forming an element isolation of a bipolar element. By the way, in the trench processing for forming trenches such as grooves and holes in such a silicon substrate, it is necessary to secure the capacitance of the capacitor and to perform sufficient isolation between elements.
It is necessary to secure a certain etching depth. In the application fields described above, a depth of 4 μm or more is usually required. However, with the etching rate of the silicon trench etching technique that is currently in practical use, there is a problem that it takes a long time to obtain the required depth. In particular, the etching rate of single crystal silicon at present is about 500 to 800 Å / min at most when using a normal batch type RIE, and it takes about 1 hour to obtain an etching depth of 4 to 5 μm. There is a problem that productivity is very low.
Therefore, development of a silicon etching technique with a high etching rate has been earnestly desired. In particular, there is great demand for etching single crystal silicon. The present inventor has previously made it possible to form fine grooves and holes in silicon with a high aspect ratio, that is, with a large depth relative to the openings and with high precision, and also to engrave the side walls of the grooves and holes and the sub-parts of the bottom. We proposed a gas consisting of silicon tetrachloride and nitrogen as an etching gas for silicon that does not cause trenches and has good shape control (Autumn of Applied Physics, 1986 30a-p
-5). However, this etching gas is not always sufficient in terms of etching rate as in the above case. [Problems to be Solved by the Invention] As described above, in the conventional etching technique, the etching rate for silicon is not sufficient, so that it takes a long time to obtain a necessary etching depth. There is. The present invention is intended to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to meet the basic requirement that a hole or groove having a high aspect ratio can be formed with good shape control, while etching silicon (particularly An object of the present invention is to provide a silicon trench etching method capable of improving productivity by solving the drawback that the etching rate is low (for example, during trench etching of single crystal silicon). [Means for Solving the Problems] The etching method of the present invention is: a silicon trench etching method for forming a trench in silicon, wherein the etching gas for silicon contains silicon chloride, nitrogen, and chlorine, and The amount of chlorine is set to an amount that does not cause irregularity in the trench etching shape of the silicon to be etched, and the amount of chlorine is determined by the amount of chlorine in the trench formed in the silicon to be etched due to the progress of etching. An etching gas that is 10% or more and less than 50% of the total volume of the etching gas, which is an amount that maintains the sidewall protection effect of silicon nitride deposited on the sidewall (hereinafter, this may be referred to as the "etching gas of the present invention"). There is) is used. [Operation] According to the silicon trench etching method of the present invention, which performs trench etching on silicon using the etching gas of the present invention, it is possible to form holes and grooves having a high aspect ratio with good shape control, and a high etching rate, You can improve your sex. Although the action of the present invention is not always clear, it is considered that the presence of chlorine in the gas causes a large amount of chlorine radicals Cl * to be generated, which serves to enhance the etching rate. In trench etching of silicon (for example, single crystal silicon) using an etching gas composed of silicon chloride and nitrogen, for example, Six Ny and Cl * are generated in plasma, and Cl * is provided while protecting the sidewall by depositing Six Ny . Since silicon is etched by the above method, it is considered that an increase in etching rate can be achieved by supplying more Cl * here. When the chlorine content is 50% by volume or more of the etching gas, the shape controllability is deteriorated, and the side wall is likely to be carved. The preferred content of chlorine cannot be unequivocally stated because it varies depending on the composition ratio of other gas components, etching conditions, and parameters such as the silicon material to be etched.However, under the conditions of the examples described below, the chlorine content is 10%. It is particularly preferable that the content is ˜40% by volume, and about 33% by volume is more practically preferable. When using a SiCl 4 as the silicon chloride, chlorine is preferably used in the following the same volume as SiCl 4. [Example] An example of the present invention will be described below. As a matter of course, the present invention is not limited to the embodiments described below. In this embodiment, the etching gas of the present invention is used as an etching gas used for forming fine grooves on a single crystal Si substrate in manufacturing a semiconductor integrated circuit. This example can be embodied as a technique for forming a groove type capacitor or a fine element isolation in a semiconductor device. In this example, SiCl 4 was used as silicon chloride, and Cl 2 gas was added to a gas composed of this and N 2 to obtain an etching gas. That is, when using a SiCl 4 / N 2 based gas, first set the etching conditions to obtain an optimum shape without undercut in the groove to be formed, Cl 2 gas is added to the etching gas under this condition Then, the conditions of the etching rate at that time were investigated. The change in etching rate is shown in the graph of FIG. Note that Si
When setting optimum conditions for Cl 4 / N 2 system gas, for example, SiCl
When 4 and N 2 are mixed at a flow ratio of 1: 1 and SiO 2 is used as a mask and the Si substrate 1 is etched by RIE, the aspect ratio is as shown in FIG. Since the groove 2 having a large ratio can be obtained with good shape controllability, the above experiment can be performed based on this condition. In FIG.
Denoted at 3 is a deposit, which is considered to have a function of protecting the side wall and preventing blistering or the like from occurring on the side wall of the groove. This volume 3 can be easily removed with hydrofluoric acid or the like. In Fig. 1, the horizontal axis is the volume% of Cl 2 in the etching gas (SiCl 4 / N 2 / Cl 2 mixed gas), and the vertical axis is the etching rate (Å / min). It is shown.
Further, at each measurement point of the graph, the evaluation of the shape controllability of the groove shape formed in the corresponding case is shown, that is, Indicates a particularly good groove shape, ⊚ indicates an extremely good groove shape next, and ∘ indicates a groove shape next to this. X indicates that the scintillation occurred on the side wall of the groove and the groove shape was poor. As is clear from the graph of FIG. 1, it is found that the etching rate of single crystal silicon increases depending on the amount of Cl 2 gas added. However, when the amount of Cl 2 gas added increases to 50% by volume, the side wall of the groove is engraved and a good shape cannot be obtained. This is presumably because if the amount of Cl 2 added is too large, the amount of Cl * increases too much and the side wall protection effect becomes insufficient, making it difficult to secure a good anisotropic shape. Therefore, it is necessary to optimize the amount of Cl 2 added under each set condition. In this example, 33% Cl 2 was added to the condition where a good shape was obtained under the optimum conditions in the SiCl 4 / N 2 system, the shape was not affected, and the etching rate was 90 Å / min to 1400 Å / min
In addition, the effect increased by 50% or more, and the effect of Cl 2 addition was clear. Of course, this flow rate ratio is not optimal, and it goes without saying that it is necessary to appropriately determine the amount of Cl 2 added depending on the sample used and the etching apparatus. According to this example, the low etching rate at the time of single crystal silicon trench etching, which has been a problem in the past, could be improved, and the throughput at the time of single crystal silicon etching could be increased. As described above, the present embodiment applies the present invention to the etching of single crystal silicon in which the problem of the etching rate is the most serious, but the present invention is not limited to this, and various silicon materials are used as etching materials. Can be effective. Of course, various other embodiments can be adopted. EFFECTS OF THE INVENTION According to the present invention, the etching rate for silicon is sufficiently high, and thus the productivity can be improved, and the wall is vertical without blistering, and there is no lower sub-trench. You can get various grooves and holes.

【図面の簡単な説明】 第1図は、本発明を説明するための図であり、塩化ケイ
素及び窒素ガスの添加した塩素の量と、エッチング速度
との関係を示すグラフである。 第2図は、本発明の一実施例において形成された溝形状
の断面を示す略示図である。 1……シリコン(Si基板)、2……溝。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram for explaining the present invention, and is a graph showing the relationship between the amount of chlorine added with silicon chloride and nitrogen gas and the etching rate. FIG. 2 is a schematic view showing a groove-shaped cross section formed in one embodiment of the present invention. 1 ... Silicon (Si substrate), 2 ... Groove.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.シリコンにトレンチを形成するシリコンのトレンチ
エッチング方法において、 シリコンに対するエッチングガスとして、 塩化ケイ素と窒素と塩素とを含み、かつ、 上記塩素の量を、被エッチング材であるシリコンのトレ
ンチエッチング形状に不整が生じない量に設定する構成
にするとともに、 この塩素の量は、エッチングの進行により被エッチング
材であるシリコンに形成されるトレンチの側壁に堆積す
るシリコン窒化物の側壁保護効果が維持される量であ
る、エッチングガス全体の体積の10%以上50%未満であ
るエッチングガスを用いることを特徴とするシリコンの
トレンチエッチング方法。
(57) [Claims] In a silicon trench etching method for forming a trench in silicon, as an etching gas for silicon, silicon chloride, nitrogen and chlorine are contained, and the amount of chlorine is irregular in the trench etching shape of silicon to be etched. The amount of chlorine is set so that it does not occur, and the amount of chlorine is such that the side wall protection effect of silicon nitride deposited on the side walls of the trench formed in the silicon to be etched is maintained as the etching progresses. A method for etching a silicon trench, which comprises using an etching gas that is 10% or more and less than 50% of the total volume of the etching gas.
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