JP3351183B2 - シリコン基板のドライエッチング方法及びトレンチ形成方法 - Google Patents
シリコン基板のドライエッチング方法及びトレンチ形成方法Info
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、シリコン(Si)基板をド
ライエッチングによって深溝形状や深孔形状などに加工
する方法に関し、特に、Bi-CMOS 半導体装置などのSiを
材料とした製品を製造する分野に役立つ。
ライエッチングによって深溝形状や深孔形状などに加工
する方法に関し、特に、Bi-CMOS 半導体装置などのSiを
材料とした製品を製造する分野に役立つ。
【０００２】
【従来の技術】従来、Si半導体装置に素子を絶縁分離す
るために深溝（トレンチ）を形成することが必要であ
る。トレンチエッチングは、深さ方向にのみ選択的にエ
ッチングして、高アスペクト比の深溝形状や深孔形状を
形成する方法である。これらの形状を製造工程で実現す
るためには、エッチングが高異方性であることに加え
て、マスクであるSiO2に対する高選択比、エッチング速
度の均一性が要求される。
るために深溝（トレンチ）を形成することが必要であ
る。トレンチエッチングは、深さ方向にのみ選択的にエ
ッチングして、高アスペクト比の深溝形状や深孔形状を
形成する方法である。これらの形状を製造工程で実現す
るためには、エッチングが高異方性であることに加え
て、マスクであるSiO2に対する高選択比、エッチング速
度の均一性が要求される。
【０００３】上記のトレンチエッチング方法として、特
開平6-163478号公報に記載のドライエッチング方法が知
られている。そのエッチング方法は、エッチングガスと
して、Br系/O2 系/SiF4/SF6 又はNF3 ガスを用いるもの
である。
開平6-163478号公報に記載のドライエッチング方法が知
られている。そのエッチング方法は、エッチングガスと
して、Br系/O2 系/SiF4/SF6 又はNF3 ガスを用いるもの
である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のエッチ
ングガスを用いる方法は、高異方性、SiO2に対する高選
択比は満たされるものの、エッチング速度が遅いという
問題がある。本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的は、Si半導体のドライエッチ
ングにおいて、高異方性、マスクに対する高選択比、エ
ッチング速度の均一性、高エッチング速度を達成するこ
とである。
ングガスを用いる方法は、高異方性、SiO2に対する高選
択比は満たされるものの、エッチング速度が遅いという
問題がある。本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的は、Si半導体のドライエッチ
ングにおいて、高異方性、マスクに対する高選択比、エ
ッチング速度の均一性、高エッチング速度を達成するこ
とである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの発明の構成は、塩素ガスと、Ｈｅ−Ｏ 2 ガスと、６
フッ化硫黄ガスとから成り、Ｈｅ−Ｏ 2 ガスの混合比が
Ｈｅ：Ｏ 2 ＝７：３のときガス流量比Ｈｅ−Ｏ 2 ／Ｃｌ 2
が２以上１０以下であるエッチングガスでシリコン基板
をドライエッチングすることによりトレンチを形成する
方法である。
めの発明の構成は、塩素ガスと、Ｈｅ−Ｏ 2 ガスと、６
フッ化硫黄ガスとから成り、Ｈｅ−Ｏ 2 ガスの混合比が
Ｈｅ：Ｏ 2 ＝７：３のときガス流量比Ｈｅ−Ｏ 2 ／Ｃｌ 2
が２以上１０以下であるエッチングガスでシリコン基板
をドライエッチングすることによりトレンチを形成する
方法である。
【０００６】又、他の特徴は、Ｃｌ 2 ガスと、Ｈｅ−Ｏ 2
ガスと、フッ素を含有するガスと、臭素を含むガスとか
ら成り、ガス流量比Ｈｅ−Ｏ 2 ／Ｃｌ 2 が２以上１０以下
であるエッチングガスでシリコン基板をドライエッチン
グすることである。又、フッ素を含有するガスにはＳＦ
6又はＮＦ3を用いることができる。さらに、臭素を含む
ガスにはＨＢｒを用いることができる。
ガスと、フッ素を含有するガスと、臭素を含むガスとか
ら成り、ガス流量比Ｈｅ−Ｏ 2 ／Ｃｌ 2 が２以上１０以下
であるエッチングガスでシリコン基板をドライエッチン
グすることである。又、フッ素を含有するガスにはＳＦ
6又はＮＦ3を用いることができる。さらに、臭素を含む
ガスにはＨＢｒを用いることができる。
【０００７】
【作用及び発明の効果】塩素又は塩素を含むガスは高速
エッチングに寄与し、酸素を含有したガスはマスクに対
する選択比の向上に寄与している。又、フッ素を含有し
たガス又は臭素を含有したガスは、形状制御、即ち、ほ
ぼ垂直な深溝や深孔形成に寄与する。
エッチングに寄与し、酸素を含有したガスはマスクに対
する選択比の向上に寄与している。又、フッ素を含有し
たガス又は臭素を含有したガスは、形状制御、即ち、ほ
ぼ垂直な深溝や深孔形成に寄与する。
【０００８】上記のエッチングガスによると、Siに対す
るエッチングレートは１μｍ／分であり、マスク材のSi
O2に対する選択比はほぼ無限大である。又、深溝の側壁
の角度は、僅かに傾斜したほぼ９０度とすることがで
き、再現性良くかつ良好な形状に形成することができ
た。又、塩素ガスに対するHe-O2 ガスの流量比He-O2 ／
Cl2 は２以上10以下にすることで、Siに対するエッチン
グレートは１μｍ／分以上、トレンチの側壁を順テーパ
でほぼ９０度とし、SiO2膜減り量を０．２μｍ以下にす
ることができた。
るエッチングレートは１μｍ／分であり、マスク材のSi
O2に対する選択比はほぼ無限大である。又、深溝の側壁
の角度は、僅かに傾斜したほぼ９０度とすることがで
き、再現性良くかつ良好な形状に形成することができ
た。又、塩素ガスに対するHe-O2 ガスの流量比He-O2 ／
Cl2 は２以上10以下にすることで、Siに対するエッチン
グレートは１μｍ／分以上、トレンチの側壁を順テーパ
でほぼ９０度とし、SiO2膜減り量を０．２μｍ以下にす
ることができた。
【０００９】
【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。ドライエッチング装置として、図１の模式断面
図に示すようなRIE(Reactive IonEtching: 反応性イオ
ン・エッチング）装置を用いた。RIE 装置の代わりにEC
R(Electron Cyclotron Resonance）装置でも良い。図１
において、エッチング槽３０１に上部電極３０４と下部
電極３０５があり、この下部電極３０５に対象とするSi
基板３０８を配置し、ガス導入口３０２より下記に述べ
るエッチングガスが導入され、排気口３０３から排出さ
れる。この電極間に高周波電源３０６より１３．５６Ｍ
Ｈｚの電力が供給され、電極間でガスプラズマが生じて
Si基板３０８のエッチングが行われる。なお、このRIE
装置はエッチング槽の周りにマグネットコイル３０７が
配置してあり、マグネトロン方式である。
明する。ドライエッチング装置として、図１の模式断面
図に示すようなRIE(Reactive IonEtching: 反応性イオ
ン・エッチング）装置を用いた。RIE 装置の代わりにEC
R(Electron Cyclotron Resonance）装置でも良い。図１
において、エッチング槽３０１に上部電極３０４と下部
電極３０５があり、この下部電極３０５に対象とするSi
基板３０８を配置し、ガス導入口３０２より下記に述べ
るエッチングガスが導入され、排気口３０３から排出さ
れる。この電極間に高周波電源３０６より１３．５６Ｍ
Ｈｚの電力が供給され、電極間でガスプラズマが生じて
Si基板３０８のエッチングが行われる。なお、このRIE
装置はエッチング槽の周りにマグネットコイル３０７が
配置してあり、マグネトロン方式である。
【００１０】第１実施例 上記RIE 装置において、実施例として用いたエッチング
ガスは、Cl2 ガス、SF6 ガス、Heガスを含むO2ガス( 以
下、「He-O2 ガス」という) である。尚、比較例とし
は、HBr/SiF4/He-O2/SF6のエッチングガスを用いた。い
ずれも、He-O2 ガスの混合比はHe:O2=7:3 である。
ガスは、Cl2 ガス、SF6 ガス、Heガスを含むO2ガス( 以
下、「He-O2 ガス」という) である。尚、比較例とし
は、HBr/SiF4/He-O2/SF6のエッチングガスを用いた。い
ずれも、He-O2 ガスの混合比はHe:O2=7:3 である。
【００１１】ガス流量、電力、真空度等のエッチッグ条
件を図３に示す条件にして、Siをエッチングした。尚、
マスクはSiO2である。その時、対SiO2膜選択比、エッチ
ッグ速度、側壁角度、SiO2膜減り量を測定した。その結
果を、比較例と共に、図２に示す。図２に示す測定結果
から理解されるように、第１実施例のエッチングガスを
用いた場合には、側壁角度、SiO2膜減り量に関しては、
比較例のエッチングガスと同様な結果であるが、エッチ
ング速度に関しては、約１．１μｍ／分と比較例のエッ
チング速度の約２倍である。又、選択比もほぼ無限大と
することができた。
件を図３に示す条件にして、Siをエッチングした。尚、
マスクはSiO2である。その時、対SiO2膜選択比、エッチ
ッグ速度、側壁角度、SiO2膜減り量を測定した。その結
果を、比較例と共に、図２に示す。図２に示す測定結果
から理解されるように、第１実施例のエッチングガスを
用いた場合には、側壁角度、SiO2膜減り量に関しては、
比較例のエッチングガスと同様な結果であるが、エッチ
ング速度に関しては、約１．１μｍ／分と比較例のエッ
チング速度の約２倍である。又、選択比もほぼ無限大と
することができた。
【００１２】エッチングガスにCl2 ガスを加えると、ト
レンチが逆テーパ形状になり易い。トレンチが逆テーパ
形状になると、トレンチに多結晶Siを完全に埋め込むこ
とができない。このため、トレンチの側壁の角度を精度
良く制御することが必要となる。トレンチが逆テーパ形
状となるのは、Cl2 ガスのエッチング反応が速すぎて、
側壁保護膜の形成が間に合わないためと思われる。その
ために、He-O2 ガスを加えて、側壁保護膜の生成が容易
になるようにした。これにより、トレンチが逆テーパに
なることが防止された。
レンチが逆テーパ形状になり易い。トレンチが逆テーパ
形状になると、トレンチに多結晶Siを完全に埋め込むこ
とができない。このため、トレンチの側壁の角度を精度
良く制御することが必要となる。トレンチが逆テーパ形
状となるのは、Cl2 ガスのエッチング反応が速すぎて、
側壁保護膜の形成が間に合わないためと思われる。その
ために、He-O2 ガスを加えて、側壁保護膜の生成が容易
になるようにした。これにより、トレンチが逆テーパに
なることが防止された。
【００１３】Cl2 ガス流量に対するHe-O2 ガス流量の比
（以下、流量比He-O2 ／Cl2 を、単に、「流量比Ｒ」と
いう）を変化させて、対SiO2膜選択比、側壁角度、SiO2
膜減り量、側壁保護膜の形成状態、エッチング速度を測
定した。その結果を図４、図５、図６、図１３に示す。
図４に示す結果より、流量比Ｒが２以上で、対SiO2膜選
択比がほぼ無限大となることが理解される。又、図１３
に示す結果より、流量比Ｒが大きくなるとエッチング速
度が低下するが、流量比Ｒが４でも比較例のほぼ２倍の
エッチング速度、即ち、１μｍ／分が得られているのが
理解される。また、図１３の結果を外挿すると、エッチ
ング速度は流量比Ｒが10以下で比較例よりも向上すると
予想される。側壁角度に関しては、図５から分かるよう
に、流量比Ｒが２以上で逆テーパが防止されているのが
理解される。SiO2膜減り量は、図５から分かるように、
流量比Ｒが２以上でほぼ比較例程度となっている。よっ
て、流量比が２以上となると、He-O2 によりSiO2膜の生
成反応が増加し、SiO2膜のエッチングが防止されること
が分かる。
（以下、流量比He-O2 ／Cl2 を、単に、「流量比Ｒ」と
いう）を変化させて、対SiO2膜選択比、側壁角度、SiO2
膜減り量、側壁保護膜の形成状態、エッチング速度を測
定した。その結果を図４、図５、図６、図１３に示す。
図４に示す結果より、流量比Ｒが２以上で、対SiO2膜選
択比がほぼ無限大となることが理解される。又、図１３
に示す結果より、流量比Ｒが大きくなるとエッチング速
度が低下するが、流量比Ｒが４でも比較例のほぼ２倍の
エッチング速度、即ち、１μｍ／分が得られているのが
理解される。また、図１３の結果を外挿すると、エッチ
ング速度は流量比Ｒが10以下で比較例よりも向上すると
予想される。側壁角度に関しては、図５から分かるよう
に、流量比Ｒが２以上で逆テーパが防止されているのが
理解される。SiO2膜減り量は、図５から分かるように、
流量比Ｒが２以上でほぼ比較例程度となっている。よっ
て、流量比が２以上となると、He-O2 によりSiO2膜の生
成反応が増加し、SiO2膜のエッチングが防止されること
が分かる。
【００１４】さらに、図６に示す結果より、側壁保護膜
の形成は、流量比Ｒが２以上で良好になることが理解さ
れる。流量比Ｒが２より小さいと、図７に示すように、
側壁保護膜はトレンチの上部分に形成され、マスクに近
い上部分のトレンチが逆テーパになることが理解され
る。一方、流量比Ｒが２以上となると、図７に示すよう
に、ほぼトレンチの側壁全体に渡って側壁保護膜が形成
され、トレンチが逆テーパになることが防止されて、基
板面に垂直な方向にのみエッチングが進行していくこと
が理解される。以上のことから、流量比Ｒは２以上10以
下が望ましいことが理解される。更に好ましくは、流量
比は２以上４以下が望ましい。
の形成は、流量比Ｒが２以上で良好になることが理解さ
れる。流量比Ｒが２より小さいと、図７に示すように、
側壁保護膜はトレンチの上部分に形成され、マスクに近
い上部分のトレンチが逆テーパになることが理解され
る。一方、流量比Ｒが２以上となると、図７に示すよう
に、ほぼトレンチの側壁全体に渡って側壁保護膜が形成
され、トレンチが逆テーパになることが防止されて、基
板面に垂直な方向にのみエッチングが進行していくこと
が理解される。以上のことから、流量比Ｒは２以上10以
下が望ましいことが理解される。更に好ましくは、流量
比は２以上４以下が望ましい。
【００１５】次に、SF6 ガスの効果を調べた。SF6 ガス
の流量を変化させて、エッチング速度、エッチング均一
性、トレンチ側壁角度、SiO2膜減り量を測定した。尚、
Cl2ガス流量、He-O2 ガス流量、磁束密度を、それぞ
れ、変化させて、同様に、上記の特性を測定した。その
結果を図８に示す。その結果から分かるように、SF6 ガ
スの流量を増加すると、エッチング速度が増加するが、
トレンチが逆テーパとなる傾向が増加する。これは、フ
ッ素が等方性エッチングの傾向が高いためである。又、
過剰のフッ素はSiO2膜減り量を増加させていることが理
解される。
の流量を変化させて、エッチング速度、エッチング均一
性、トレンチ側壁角度、SiO2膜減り量を測定した。尚、
Cl2ガス流量、He-O2 ガス流量、磁束密度を、それぞ
れ、変化させて、同様に、上記の特性を測定した。その
結果を図８に示す。その結果から分かるように、SF6 ガ
スの流量を増加すると、エッチング速度が増加するが、
トレンチが逆テーパとなる傾向が増加する。これは、フ
ッ素が等方性エッチングの傾向が高いためである。又、
過剰のフッ素はSiO2膜減り量を増加させていることが理
解される。
【００１６】実施例１のガスでは、SF6 ガスの解離を促
進させるため、 F* （ラジカル）,Fイオンが増加し、Si
との反応が増し、エッチング速度が高速化できると考え
られる。
進させるため、 F* （ラジカル）,Fイオンが増加し、Si
との反応が増し、エッチング速度が高速化できると考え
られる。
【００１７】実施例２ 本実施例では、用いたエッチングガスは、Cl2 ガス、SF
6 ガス、He-O2 ガス、HBr ガスである。He-O2 ガスの混
合比は、第１実施例と同様に、He:O2=7:3 である。図３
に示す条件でエッチングした。エッチング速度、側壁角
度、SiO2膜減り量、対SiO2膜選択比を測定した。その結
果を図２に示す。実施例１と同様な結果が得られている
のが理解される。又、側壁保護膜の形成状態を測定し
た。その結果を図９に示す。
6 ガス、He-O2 ガス、HBr ガスである。He-O2 ガスの混
合比は、第１実施例と同様に、He:O2=7:3 である。図３
に示す条件でエッチングした。エッチング速度、側壁角
度、SiO2膜減り量、対SiO2膜選択比を測定した。その結
果を図２に示す。実施例１と同様な結果が得られている
のが理解される。又、側壁保護膜の形成状態を測定し
た。その結果を図９に示す。
【００１８】図９から、側壁保護膜は、HBr ガスが存在
する方が、トレンチのより深いところまで形成され、そ
の結果、図１０に示すように、より垂直なトレンチ、即
ち、逆テーパにならないトレンチが得られるのが理解さ
れる。図１１から理解されるように、蒸気圧、沸点か
ら、SiF4、SiCl4 、SiBrの順で、揮発し易い。このこと
から、HBr は、SixBryOz等の側壁保護膜の形成に寄与し
ていると考えられる。
する方が、トレンチのより深いところまで形成され、そ
の結果、図１０に示すように、より垂直なトレンチ、即
ち、逆テーパにならないトレンチが得られるのが理解さ
れる。図１１から理解されるように、蒸気圧、沸点か
ら、SiF4、SiCl4 、SiBrの順で、揮発し易い。このこと
から、HBr は、SixBryOz等の側壁保護膜の形成に寄与し
ていると考えられる。
【００１９】又、５インチのウエハで外周１０mmより内
側のエッチング速度の均一性を測定した。その結果を図
１２に示す。その結果から、エッチング速度の均一性は
２％以内であり、ウエハにおける微細加工に利用可能で
あることが理解される。
側のエッチング速度の均一性を測定した。その結果を図
１２に示す。その結果から、エッチング速度の均一性は
２％以内であり、ウエハにおける微細加工に利用可能で
あることが理解される。
【図１】本発明の実施例に用いたマグネトロンRIE(Reac
tive Ion Etching: 反応性イオン・エッチング）装置の
模式的構造断面図。
tive Ion Etching: 反応性イオン・エッチング）装置の
模式的構造断面図。
【図２】第１実施例、第２実施例、比較例のエッチング
ガスを用いた場合の対SiO2膜選択比、エッチング速度、
側壁角度、SiO2膜減り量を測定した結果を示す特性図。
ガスを用いた場合の対SiO2膜選択比、エッチング速度、
側壁角度、SiO2膜減り量を測定した結果を示す特性図。
【図３】エッチッグ条件を示した説明図。
【図４】流量比He-O2/Cl2 と対SiO2膜選択比との関係を
測定した特性図。
測定した特性図。
【図５】流量比He-O2/Cl2 とエッチング速度、側壁角
度、SiO2膜減り量との関係を測定した特性図。
度、SiO2膜減り量との関係を測定した特性図。
【図６】流量比He-O2/Cl2 と側壁保護膜の形成状態との
関係を測定した特性図。
関係を測定した特性図。
【図７】流量比He-O2/Cl2 と側壁保護膜の形成状態との
関係を説明した説明図。
関係を説明した説明図。
【図８】各ガス流量、磁束密度とエッチング速度、エッ
チング均一性、側壁角度、SiO2膜減り量との関係を測定
した特性図。
チング均一性、側壁角度、SiO2膜減り量との関係を測定
した特性図。
【図９】HBr ガスと側壁保護膜の形成状態との関係を測
定した特性図。
定した特性図。
【図１０】HBr ガスと側壁保護膜の形成状態との関係を
説明した説明図。
説明した説明図。
【図１１】SF6 、Cl2 、HBr の特性を示した説明図。
【図１２】エッチング速度均一性を測定した特性図。
【図１３】流量比He-O2/Cl2 とエッチング速度との関係
を測定した特性図である。
を測定した特性図である。
３０１…エッチング槽 ３０４…上部電極 ３０５…下部電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石原 康生 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本 電装株式会社内 (72)発明者 岡部 好文 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本 電装株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−129730（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−94465（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−240027（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−316440（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−163478（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−66938（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/3065
Claims (4)
- 【請求項１】 シリコン基板をドライエッチングするこ
とによりトレンチを形成する方法において、 塩素ガスと、Ｈｅ−Ｏ 2 ガスと、 ６フッ化硫黄ガスとから成り、 Ｈｅ−Ｏ 2 ガスの混合比がＨｅ：Ｏ 2 ＝７：３のときガス
流量比Ｈｅ−Ｏ 2 ／Ｃｌ 2 が２以上１０以下である エッチ
ングガスでエッチングすることを特徴とするシリコン基
板のトレンチ形成方法。 - 【請求項２】 シリコン基板をドライエッチングする方
法において、Ｃｌ 2 ガスと、Ｈｅ−Ｏ 2 ガスと、 フッ素を含有するガスと、 臭素を含むガスと、 から成り、ガス流量比Ｈｅ−Ｏ 2 ／Ｃｌ 2 が２以上１０以
下であるエッチングガスでエッチングすることを特徴と
するドライエッチング方法。 - 【請求項３】 請求項２に記載のドライエッチング方法
において、 前記フッ素を含有するガスはＳＦ6又はＮＦ3であること
を特徴とする。 - 【請求項４】 請求項２又は３に記載のドライエッチン
グ方法において、 前記臭素を含むガスはＨＢｒであることを特徴とする。
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