JP3586678B2 - エッチング方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ドライプロセスにおいてもシリコン窒化膜(エッチングマスク)のパターンの間口を広くすることができるエッチング方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
シリコン基板上に形成された素子を電気的に分離する技術に、STI(Shallow Trench Isolation)がある。STIは、一般的に、Si3N4/SiO2膜をマスクとしてSiにトレンチを形成し、その中にSiO2を埋込み、最後にCMP(Chemical and Mechanical Polishing)によって平坦化することによって形成される。
【0003】
STIでは、トレンチの形成において反応性イオンエッチング(Reaction Ion Etching;RIE)等のドライエッチングが用いられているが、半導体装置の微細化に伴い、結晶欠陥(ラディエーションダメージなど)や形状不良(RIEダメージ、ライナSiO2膜の不均一性、埋込みSiO2のボイドやシームなど)に起因する電気的リークの問題が生じる。このような不具合を防止するために、最近では、熱リン酸等のウェットプロセス(ウェットエッチング)によるプルバックによって、改善しようとしている。ここで、プルバックとは、後の工程において障害となるSi3N4等のエッチングマスクの一部(STIについてはSiO2埋込みの際の障害となるトレンチ近傍の部分)を除去する(後退させる)ことをいう。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、熱リン酸等によるウェットプロセスには以下のような問題点がある。第1にウェットプロセスでは規模の大きな設備が必要なため、加工対象物に制約があり、大口径なウェハの処理に不向きであるといった問題がある。第2に溶液の制御が困難なため、Si含有率が変動しやすくなる結果、選択比が変動し易くなるといった問題がある。第3にSi3N4/Siの選択比が低いため、Siのダメージを防止するための余分な酸化工程、酸化膜除去工程が必要になるといった問題がある。
【0005】
本発明の第1の目的は、ドライプロセスにおいてもエッチングマスクのパターンの間口を広くすることができるエッチング方法を提供することである。
【0006】
本発明の第2の目的は、特殊な装置を用いる必要のないエッチング方法を提供することである。
【0007】
本発明の第3の目的は、安定したプロセスが可能なエッチング方法を提供することである。
【0008】
本発明の第4の目的は、エッチングマスクのパターンの間口をコントロールすることができるエッチング方法を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
ドライプロセス(ドライエッチング)でプルバックを行えば、▲1▼装置は簡易なアッシャー規模でよく、▲2▼選択比の安定化が可能であり、▲3▼選択比の制御がガス系の工夫で可能であることから、以下のような発明をするに至った。
【0010】
本発明の第1の視点においては、少なくとも表面にシリコン及びシリコン窒化膜が露出する半導体基板のエッチング方法において、O2ガスを反応ガスとしてプラズマ放電により励起された活性種を前記半導体基板に吹き付けることにより前記シリコン及び前記シリコン窒化膜を露出面から所定膜厚に酸化する酸化工程と、前記酸化工程により酸化された前記半導体基板を少なくともO2ガス及びCH2F2ガスを含む反応ガスを用いてプラズマエッチングするエッチング工程と、を含むことを特徴とする。
【0011】
本発明の前記エッチング方法においては、流量が全ガス流量の85%以上かつ95%以下のO2ガス及び流量が全ガス流量の5%以上かつ15%以下のCH2F2ガスを含む反応ガスを用いてプラズマエッチングするエッチング工程を含むことが好ましい。
【0012】
また、前記エッチング方法において、前記エッチング工程におけるO2ガスの流量は、全ガス流量の86%以上かつ94%以下であり、前記エッチング工程におけるCH2F2ガスの流量は、全ガス流量の4%以上かつ14%以下であることが好ましい。Si3N4/Siの選択比を5以上とすることができるからである。
【0013】
本発明の前記エッチング方法においては、流量が全ガス流量の80%以上かつ95%以下のO2ガス、流量が全ガス流量の5%以下のCF4ガス若しくはCHF3ガス及び流量が全ガス流量の5%以上かつ15%以下のCH2F2ガスを含む反応ガスを用いてプラズマエッチングするエッチング工程を含むことが好ましい。
【0014】
また、前記第2及び第3の視点に係るエッチング方法において、前記エッチング工程を行なう前に、O2ガスを反応ガスとしてプラズマ放電により励起された活性種を前記半導体基板に吹き付けることにより前記シリコン及び前記シリコン窒化膜を露出面から所定膜厚に酸化する酸化工程を行なうことが好ましい。シリコン窒化膜のエッチングの反応速度を抑え、エッチング速度を安定化させ、エッチング量の均一性、制御性を確保できるからである。
【0015】
また、前記エッチング方法において、前記エッチング工程と前記酸化工程それぞれの処理温度が同じ場合に、前記エッチング工程の処理時間は、前記酸化工程の処理時間の2倍以上かつ3倍以下であることが好ましい。良好な表面形状を保持しながらエッチングマスクとなるシリコン窒化膜をプルバックすることができるからである。
【0016】
また、前記エッチング方法において、前記酸化工程は、前記半導体基板を200℃以上かつ350℃以下に加熱して行ない、前記エッチング工程は、前記半導体基板を30℃以上かつ50℃以下にして行なうことが好ましい。酸化工程の処理時間を短縮することができるからである。
【0017】
また、前記エッチング方法において、前記酸化工程は、前記半導体基板を200℃以上かつ350℃以下に加熱されたサセプタ上に載置して行ない、前記エッチング工程は、前記半導体基板を前記サセプタの表面から所定の高さまで上昇させて行なうことが好ましい。
【0018】
また、前記エッチング方法において、前記酸化工程は、前記半導体基板を200℃以上かつ350℃以下に加熱された第1ののサセプタ上に載置して行ない、前記エッチング工程は、前記第1のサセプタ上に載置された前記半導体基板を30〜50℃に設定された第2のサセプタ上に移載して行なうことが好ましい。
【0019】
また、前記エッチング方法において、前記酸化工程は、前記半導体基板を保持する保持台に取り付けられたランプで照射することにより前記半導体基板の温度を200℃以上かつ350℃以下に加熱して行ない、前記酸化工程は、前記ランプでの照射をやめることにより前記半導体基板の温度を30〜50℃にして行なうことが好ましい。
【0020】
また、前記エッチング方法において、前記酸化工程及び前記エッチング工程を交互に複数回繰り返すことが好ましい。シリコン窒化膜のプルバック量(後退量)を制御することができるからである。
【0021】
また、前記エッチング方法において、前記酸化工程及び前記エッチング工程は、同一チャンバ内かつ同一ステージ上で連続的に行なうことが好ましい。所要時間を短縮することができるからである。
【0022】
また、前記エッチング方法において、前記エッチング工程における反応ガスの全圧は10Pa(約0.1Torr)以上かつ110Pa(約0.8Torr)以下であることが好ましい。面内均一性を良好に保ちながらSi3N4/Siの選択比を4以上とすることができるからである。
【0023】
また、前記エッチング方法において、前記半導体基板には、前記シリコン窒化膜をエッチングマスクとして前記シリコンにトレンチを形成した半導体基板を用いることが好ましい。エッチングマスクであるシリコン窒化膜のパターンの間口を広くすることができる結果、トレンチへのSiO2埋め込み性に優れるため、ボイド等の発生を抑えることができるからである。
【0024】
また、前記エッチング方法において、前記半導体基板には、前記シリコンをゲート電極層とし、前記シリコン窒化膜を前記ゲート電極層上に形成されたエッチングマスクとする半導体基板を用いることが好ましい。エッチングマスクがパターニングされた後に、ゲート電極の寸法を細くすることができるからである。
【0025】
【発明の実施の形態】
少なくとも表面にシリコン(図2の2)及びシリコン窒化膜(図2の4)が露出する半導体基板(図2の1)のエッチング方法において、O2ガスを反応ガスとしてプラズマ放電により励起された活性種を前記半導体基板に吹き付けることにより前記シリコン及び前記シリコン窒化膜を露出面から所定膜厚に酸化する酸化工程と(図2(B)参照)、前記酸化工程により酸化された前記半導体基板を少なくともO2ガス及びCH2F2ガスを含む反応ガスを用いてプラズマエッチングするエッチング工程と(図2(C)参照)、を含むことにより、酸化工程でシリコン窒化膜表面にSiON膜ができ、エッチング工程の処理時間の経過にともなうシリコン窒化膜のエッチング速度の急速な上昇が抑えられ、基板表面の均一性を保ちながらシリコン窒化膜(エッチングマスク)のパターンの間口を広くすることができる。
【0026】
【実施例】
本発明の実施例1について図面を用いて説明する。図1は、本発明の実施例1に係るエッチング方法に用いる酸化工程前の半導体基板の構成を模式的に示した工程部分断面図である。図2は、本発明の実施例1に係るエッチング方法の工程を模式的に示した工程部分断面図である。図3は、本発明の実施例1に係るエッチング方法におけるプルバック工程後の半導体基板の構成を模式的に示した工程部分断面図である。図4は、本発明の実施例1に係るエッチング方法に用いるアッシング装置の構成を示した模式図である。
【0027】
実施例1で処理を行なう半導体基板(ウェハ)は、図1(F)のようにシリコン窒化膜4及びシリコン酸化膜3が形成されたシリコン基板2にトレンチ6を形成したものを用いる。この半導体基板1は、以下のようなプロセスにより加工形成される。
【0028】
まず、シリコン基板2を熱酸化し、表面に膜厚5〜15nmのシリコン酸化膜3を形成する(図1(B)参照)。次に、シリコン酸化膜3上にLPCVD法により膜厚100〜150nmのシリコン窒化膜4(LP−Si3N4膜)を成膜する(図1(C)参照)。次に、シリコン窒化膜4上にリソグラフィー技術を用いてレジストパターン5を形成する(図1(D)参照)。次に、レジストパターン5をエッチングマスクとしてドライエッチング(異方性エッチング)によりシリコン酸化膜3が露出するまでシリコン窒化膜4及びシリコン酸化膜3の一部を除去し、その後、プラズマ剥離を用いてレジストパターン5を剥離し、SPM(H2SO4−H2O2系)、APM(NH4OH−H2O2−H2O系)等の洗浄薬液を用いてパーティクルや有機物を除去する(図1(E)参照)。次に、シリコン窒化膜4をエッチングマスクとして、RIE(等方性エッチング)により所定の深さまでシリコン酸化膜3及びシリコン基板2をトレンチエッチングする(図1(F)参照)。最後に、トレンチ6が形成された半導体基板を自然酸化膜の除去(デポ剥離)や汚染物を除去するためにFPM(F2−H2O2−H2O系)、APM(NH4OH−H2O2−H2O系)、SPM(H2SO4−H2O2系)などの洗浄薬液を用いて洗浄、リンスを行う。
【0029】
次に、実施例1に係るエッチング方法で用いる装置について説明する。実施例1では、図4のようなアッシング装置(アッシャ)を用いる。このアッシング装置10は、ガス供給源(図示せず)と流路として接続するプラズマ生成室12の周囲にICP(Inductive coupled Plasma)コイル11を有するICPソースを備えたRFダウンフローアッシャであり、プラズマ生成室12下のチャンバ15内の反応ガス出口にイオントラップ用のグリッド13を備えており、イオンバイアスがウェハ上にかかりにくなるバイアストラップ(図示せず)を有する。グリッド13は、金属または金属酸化物を網状にしたものが一般的に用いられ、2重にしたりすると効果が高い。チャンバ15内のグリッド13下方には、半導体基板1が搭載されるとともに高周波誘導、ヒータ等の加熱手段によって加熱されるサセプタ14を有する。チャンバ15内のガスは真空排気される。
【0030】
次に、実施例1のエッチング方法について説明する。ここでのエッチングは、STI形成工程におけるトレンチエッチングからトレンチ埋込みの間に行なわれるものである。図1(F)に示したトレンチ6が形成された半導体基板1を図4に示したアッシング装置10のサセプタ14にセットして、以下の酸化工程及びプルバック工程を行なう。
【0031】
まず、酸化工程を行なう。酸化工程では、O2ガスのみを反応ガスとしてプラズマ放電によって励起された活性種O*を半導体基板1に吹き付ける。これにより、シリコン窒化膜4の露出面(側壁面を含む)だったところから深さ3〜30Å(0.3〜3nm)程度までには等方的に酸素成分が注入(酸化)されたSiON膜4a(組成比は非化学量論的組成、SiNにOが任意量添加された状態、以下同じ)ができ、シリコン基板2(トレンチ6の内壁)の露出面だったところから深さ10〜30Å(1〜3nm)程度まで等方的に酸化されたシリコン酸化膜7ができる(図2(B)参照)。なお、実施例1における酸化工程の処理条件は表1に示す通りである。
【0032】
【表1】
【0033】
次に、プルバック工程(エッチング工程)を行なう。プルバック工程では、酸化工程で用いた同一チャンバ内で半導体基板の位置を変えることなく引き続きO2−CH2F2系でのO2リッチ(O2ガスの流量が全ガス流量の85〜95%以上)な条件で、プラズマエッチング(等方性エッチング)する。
【0034】
これにより、後のSiO2埋込み工程において障害となるシリコン窒化膜4(エッチングマスク)の一部(特にトレンチ6近傍の側壁部分を含む)を選択的に除去(後退)させることができる。つまり、実質的にシリコン窒化膜4のみが等方的に後退したような形状(間口が広がったような形状)が得られる(図2(C)参照)。また、前記酸化工程を行なった後にプルバック工程を行なうと、前記酸化工程を行なわないでプルバック工程を行なう場合に比べ、エッチング速度を安定化させ、エッチングの選択比、エッチング量の均一性、制御性を向上させることができる。
【0035】
ここで、Si3N4エッチング速度>Siエッチング速度>SiO2エッチング速度であるため、Si3N4/SiO2の選択比は5以上得られる。
【0036】
なお、実施例1におけるプルバック工程の処理条件は表2に示す通りである。ここで、表2における選択比AはSi3N4/Siの選択比、選択比BはSi3N4/SiO2の選択比である。
【0037】
【表2】
【0038】
ここで、プルバック工程によるプルバック量(シリコン窒化膜4の水平方向の後退量;図2(C)の幅X参照)について説明すると、SiON膜4aが膜厚10Åである場合に、表2の処理条件でプルバック工程を行なうと、プルバック量=40(Å/min)×2(min)−10Å=70Å程度となる。なお、SiON/SiO2の選択比は、SiONの組成が非化学量論的なため一定にならないが、ほぼ1と近似できる。
【0039】
プルバック工程の後、半導体基板を洗浄し(図3(A)参照)、トレンチの内壁を酸化させ(図3(B)参照)、CVDによりSiO29をトレンチに埋め込み(図3(C)参照)、シリコン窒化膜4をCMPストッパとしてシリコン基板2が露出するまでCMPにより半導体基板の表面が平坦化され、STI構造が得られる(図3(D)参照)。これにより、トレンチへの埋め込みが良好となり、ボイド等の発生を抑えることができる。
【0040】
次に、実施例1の効果を反応メカニズムにより説明する。
【0041】
実施例1において、酸化工程の処理時間が不足したり、プルバック工程における処理時間が過剰である場合、シリコン窒化膜が急速にエッチングされ、図5に示すような問題が起こる。すなわち、急速なエッチングの程度が軽いときはシリコン窒化膜の表面が凹凸形状になり、ひどい場合には、シリコン窒化膜が無くなってしまうほどである。その理由は、以下の通りである。
【0042】
酸化工程においてO2ガス単独でシリコン窒化膜4の表面に酸素成分を注入するのは、それを行わないで直接シリコン窒化膜4をO2−CH2F2系反応ガスでプラズマエッチングを行なうと、エッチング速度が時間の経過にともない急速に上昇してしまい、制御不可能になってしまうからである。すなわち、酸素成分をシリコン窒化膜4の表面に注入することで、シリコン窒化膜のエッチングの反応速度を抑え、エッチング速度を安定化させ、エッチング量の均一性、制御性を確保している。
【0043】
シリコン窒化膜のエッチング速度が上がるメカニズムは、プラズマ励起反応によりO2ガスから活性種O*、CH2F2ガスから活性種F*がそれぞれ発生するとして、以下の化学式1に示すような反応式が考えられる。なお、化学式1においては、シリコン窒化膜については「SiN」、フッ化珪素については「SiF」と表す。
【0044】
【化1】
【0045】
化学式1を参照すると、反応式▲1▼のSiFからはO*などの他活性種との結合などによって再解離が起きてF * (SiF由来の活性種F*)が出され、▲1▼→▲3▼に進むにつれ供給されるF*にF * が加わることで活性種F*の総量が増加してゆく。つまり、各反応段階において反応種Fが連鎖反応的に発生するため、全体の反応が促進されることになり、エッチング速度は上昇していく。なお、O*は、過剰に供給されている。
【0046】
一方、実施例1のように酸化工程をプルバック工程の前に予め行っておくと、シリコン窒化膜4の表面から所定の深さまでSiON化するので、下記の化学式2のような反応が起こる。
【0047】
【化2】
【0048】
化学式2を参照すると、反応式▲1▼のSiOFからはF*が出難いため、反応式▲2▼ではF*がほとんど増加せず、エッチング速度は反応式▲1▼と▲2▼であまり変わらず安定する。すなわち、F*が反応過程において連鎖的に発生し難いため、反応過程中のF*の量は、ソースガスの流量制御により制御可能であり、従って、反応速度を安定化させることができる。
【0049】
したがって、酸化工程とプルバック工程の処理時間の組合せが重要になる。プルバック工程の処理時間が酸化工程の処理時間より長くなりすぎると、図5のような形状異常が生じる。逆に、プルバック工程の処理時間と酸化工程の処理時間を同程度にするとプルバックしない。よって、酸化工程とプルバック工程の時間は▲1▼と▲2▼の処理条件がGAS種類以外の条件がほぼ同一のときは、プルバック工程の処理時間は酸化工程の処理時間の2〜3倍が好ましいといえる。そうすれば、形状異常なく良好なプルバック形状が得られる。
【0050】
以上のように、実施例1によれば、ウェットプロセスのときのようなSiのダメージを防止するための余分な酸化工程、酸化膜除去工程が不要になり、工程数が少なくプルバックすることが可能である。
【0051】
次に、実施例2について図面を用いて説明する。図6は、本発明の実施例2に係るエッチング方法に用いるアッシング装置の構成を示した模式図である。
【0052】
実施例2で用いる半導体基板(酸化工程直前のもの)は、図1(F)の半導体基板1と同様である。また、実施例2で用いるアッシング装置20の構成は、図4のアッシング装置におけるサセプタの代わりに加熱手段によって加熱されていない保持台24を用い、保持台24に搭載された半導体基板1をその保持台側(裏面側)から30〜250℃程度に加熱するランプ26を備え、その他のコイル21、プラズマ生成室22、グリッド23、チャンバ25については図4のものと同様である(図6参照)。このアッシング装置20によれば、酸化工程の際にランプ26をONにして半導体基板1を250℃程度に加熱できるとともに、プルバック工程の際にランプ26をOFFにして半導体基板1を30℃程度にすることができる。
【0053】
次に、実施例2の工程について説明すると、半導体基板1をアッシング装置20にセットし、酸化工程を行ない、その後プルバック工程を行なう。酸化工程では、表1におけるサセプタ設定温度及び処理時間以外の他の処理条件を適用し、アッシング装置のランプ26をONにして処理温度を250℃程度にして行う。プルバック工程では、表2におけるサセプタ設定温度以外の他の処理条件を適用し、アッシング装置のランプ26をOFFにして処理温度を30℃程度にして行う。なお、実施例2のエッチング方法による工程部分断面図は、図2と同様である。実施例2によれば、酸化工程の処理時間が10〜15sec程度で済む。
【0054】
なお、実施例2における酸化工程の処理温度は250℃程度としているが、200〜350℃程度であればよい。200℃より低いと酸化工程の所要時間の短縮があまり見込まれず、350℃より高いと所要時間が短すぎ制御するのが難しくなったり、冷却に時間がかかりすぎたりするデメリットが考えられる。
【0055】
次に、実施例3について図面を用いて説明する。図7は、本発明の実施例3に係るエッチング方法に用いるアッシング装置の構成を示した模式図である。
【0056】
実施例3で用いる半導体基板(酸化工程直前のもの)は、図1(F)の半導体基板1と同様である。また、実施例3で用いるアッシング装置30の構成は、図4のアッシング装置におけるサセプタの代わりに、加熱手段によって一定温度250℃程度に加熱するサセプタ34と、プルバック工程を行なうときに半導体基板を保持台表面から離れるように上昇させる昇降機構36と、を備え、その他のコイル31、プラズマ生成室32、グリッド33、チャンバ35については図4のものと同様である(図7参照)。このアッシング装置30によれば、プルバック工程をする際に昇降機構35で半導体基板1をサセプタ34から離れるように持ち上げれば、50℃くらいで処理することが可能である。
【0057】
次に、実施例3の工程について説明すると、半導体基板1をアッシング装置30にセットし、酸化工程を行ない、その後プルバック工程を行なう。酸化工程では、表1におけるサセプタ設定温度及び処理時間以外の他の処理条件を適用し、半導体基板を保持台表面に載置した状態で、サセプタ設定温度を250℃程度にして行う。プルバック工程では、表2におけるサセプタ設定温度以外の他の処理条件を適用し、半導体基板をサセプタ表面から所定の高さまで上昇させ、半導体基板を50℃くらいまで冷却した状態で行う。なお、実施例3のエッチング方法による工程部分断面図は、図2と同様である。実施例3によれば、酸化工程の処理時間が10〜15secくらいで済む。
【0058】
次に、実施例4について図面を用いて説明する。図8は、本発明の実施例4に係るエッチング方法に用いるアッシング装置の構成を示した模式図である。
【0059】
実施例4で用いる半導体基板(酸化工程直前のもの)は、図1(F)の半導体基板1と同様である。また、実施例4で用いるアッシング装置40の構成は、1つのチャンバ45内に設定温度30℃程度のサセプタ44と250℃程度のサセプタ46を有し、半導体基板をサセプタ44からサセプタ46に移載する移載手段(図示せず)を有し、その他のコイル41a、41b、プラズマ生成室42a、42b、グリッド43a、43bについては図4のものと同様である(図8参照)。
【0060】
次に、実施例4の工程について説明すると、半導体基板1をアッシング装置40にセットし、酸化工程を行ない、その後プルバック工程を行なう。酸化工程では、半導体基板1をサセプタ44に載置した状態で、表1におけるサセプタ設定温度及び以外の他の処理条件を適用して行う。プルバック工程では、半導体基板1をサセプタ44からサセプタ46に移載して、表2のプルバック工程そのままの処理条件で行う。なお、実施例4のエッチング方法による工程部分断面図は、図2と同様である。実施例4によれば、酸化工程の処理時間は、10〜15secくらいで済む。
【0061】
次に、実施例5について説明する。実施例5のエッチング方法では、実施例1における酸化工程及びプルバック工程の繰り返し回数を調整する。各工程の処理条件は表1及び表2を参照されたい。なお、半導体基板は、図1(F)の半導体基板1と同様である。また、実施例7で用いるアッシング装置は、図4のアッシング装置10と同様である。
【0062】
実施例5によれば、プルバック量(シリコン窒化膜のパターンの間口の大きさ)を広げる調整が可能である。例えば、酸化工程及びプルバック工程を3回繰り返すと、酸化工程及びプルバック工程の1回あたりのプルバック量が70Å(7nm)である場合、70Å×3回で210Å(21nm)程度プルバックすることができる。なお、酸化工程及びプルバック工程の繰り返しは、エッチング装置の処理シーケンスにより繰り返すことが可能であり、ステップ毎に異なるエッチング装置若しくはチャンバ(反応室)を使用する必要はない。
【0063】
次に、実施例6について説明する。実施例6のエッチング方法では、実施例1における酸化工程及びプルバック工程の各処理時間を相対的に短縮する。なお、半導体基板は、図1(F)の半導体基板1と同様である。また、実施例6で用いるアッシング装置は、図4のアッシング装置10と同様である。実施例6によれば、プルバック量の制限が可能である。
【0064】
次に、実施例7について説明する。実施例7のエッチング方法では、プルバック工程のO2ガスの流量の一部(5%以下)をCF4ガス若しくはCHF3ガスに置き換えたガス条件で処理する。半導体基板は、図1(F)の半導体基板1と同様である。また、実施例7で用いるアッシング装置は、図4のアッシング装置10と同様である。
【0065】
実施例7の工程について説明すると、まず、酸化工程は実施例1の酸化工程と同じ処理条件(表1参照)で行なう。次に、実施例1のプルバック工程の処理条件におけるO2ガスの流量の一部(5%以下)をCF4ガス若しくはCHF3ガスに置き換えたガス条件で処理する。プルバック工程の条件は以下の通りである。
【0066】
【表3】
【0067】
実施例7によれば、このようにソースガスにおけるF成分の量を増加させることにより、CF4若しくはCHF3を加えないときよりも選択比は多少低下するものの、シリコン窒化膜のエッチング速度をシリコン基板のエッチング速度より大きい状態を保持しつつ、シリコン窒化膜のエッチング速度を大きくすることができ、実施例1のときよりも処理能力を向上させ、処理時間を短くすることができる。
【0068】
次に、実施例8について説明する。実施例8のエッチング方法では、実施例7の酸化工程を行なわず、プルバック工程のみを行なう。実施例8によれば、処理開始からシリコン窒化膜のエッチング速度が高く、また、急激なエッチング速度の変動(速度上昇)がなくなる。
【0069】
次に、実施例9について図面を用いて説明する。図9及び図10は、本発明の実施例9のエッチング方法の工程を模式的に示した工程部分断面図である。
【0070】
実施例9で処理を行なう半導体基板90(ウェハ)は、図10(F)のようにゲート絶縁膜92、ゲート電極層93及びエッチングマスク94が形成されたシリコン基板91を用いる。エッチングマスク94は、シリコン窒化膜であるが、ゲート電極形成のような場合、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜との積層の場合もある。また、ゲート電極層93は、ドープトポリシリコンであるが、WSi、W、TiSi、Ge、ジルコニウム等、またはそれとポリシリコンの積層構造でも構わない。この半導体基板90は、以下のようなプロセスにより加工形成される。
【0071】
まず、シリコン基板91を熱酸化し、表面にゲート絶縁膜92を形成する(図9(B)参照)。次に、ゲート絶縁膜92上にゲート電極層93を成膜する(図9(C)参照)。次に、ゲート配線層93上にエッチングマスク94を成膜する(図9(D)参照)。次に、エッチングマスク94上にリソグラフィー技術を用いてレジストパターン95を形成する(図10(E)参照)。次に、レジストパターン95をエッチングマスクとしてドライエッチング(異方性エッチング)によりゲート配線層93が露出するまでエッチングマスク94の一部を除去し、その後、剥離液を用いてレジストパターン95を剥離し、SPM(H2SO4−H2O2系)等の洗浄薬液を用いてパーティクルや有機物を除去することによりできる(図10(F)参照)。
【0072】
次に、実施例9のエッチング方法について説明する。実施例9では、図10(F)の半導体基板90を図4のアッシング装置10にセットし、表2に示した処理条件でプルバック工程を行う。すると、エッチングマスク94の間口が後退した半導体基板90ができる(図10(G)参照)。
【0073】
実施例9によれば、ゲート電極層93がポリシリコン等のシリコン系の場合にエッチング速度が低く、また、ゲート電極層93がW等のメタルの場合にエッチング速度が極めて低いことから、このような半導体基板90のプルバック(スリミング)にも適用できる。
【0074】
また、エッチングマスク94がパターニングされた後に、寸法を細くしたいという要請が、多々ある。その場合に、面内の均一性を保ちながら、パターンによらずにプルバックができ、なおかつゲート電極層93を削らずにすむ。
【0075】
次に、実施例9のエッチング方法によるエッチング速度、面内均一性、反応ガスの流量割合及び圧力の関係について説明する。図11は、シリコン窒化膜及びポリシリコンに係るエッチング速度及び面内均一性についてのCH2F2ガス流量割合依存性を示したグラフである。図12は、シリコン窒化膜及びポリシリコンに係るエッチング速度及び面内均一性についての圧力依存性を示したグラフである。
【0076】
サンプルは、図10(F)のエッチングマスク94をシリコン窒化膜とし、ゲート電極層93をポリシリコンとした半導体基板90である。図11についての反応ガス全体の圧力は0.9Torr(120Pa)である。面内均一性は、所定の面内における式(最大エッチング速度−最低エッチング速度)/(2×平均エッチング速度)によって計算される。図12についてのO2ガスの流量は900sccm、CH2F2ガスの流量は75sccmである。
【0077】
図11を参照すると、本実施例では、シリコン窒化膜のエッチング速度とポリシリコンのエッチング速度の比(選択比)が高いほどよいとしており、O2ガスとCH2F2ガスそれぞれの流量割合は、選択比4以上を確保できるO2=85〜95%、CH2F2=5〜15%の範囲が好適であり、より好ましくはO2=92%、CH2F2=8%付近である。O2ガスの流量割合が85%より小さくなると、エッチング速度が大きすぎ、エッチングされたシリコン窒化膜表面の均一性が著しく悪化する。一方、O2ガスの流量割合が95%より大きくなると、F成分の不足によってシリコン窒化膜のエッチング速度が小さくなり、シリコン酸化膜に対する選択比が低くなる。
【0078】
ここで、図11の処理条件ではシリコン酸化膜の面内均一性があまりよくない。これについては圧力を低圧にすることで、面内均一性が良好にできるとともに、選択比を高い状態に保つことができる。図12を参照すると、シリコン窒化膜及びポリシリコンそれぞれの面内均一性は約0.8Torr(110Pa)付近から低圧側にゆくにしたがい向上する(凹凸が小さくなる)。なお、エッチング速度は、約0.8Torr(110Pa)付近から低圧側にゆくにしたがい、シリコン窒化膜については減少し、ポリシリコンについては増大しているが、選択比4以上を確保できる約0.1Torr(10Pa)あたりまでは好適であるといえる。
【0079】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果を奏する。
【0080】
第1に、ドライプロセスにおいてもシリコン窒化膜(エッチングマスク)のパターンの間口を広くすることができる結果、トレンチへのSiO2埋め込み性に優れるため、ボイド等の発生を抑えることができる。
【0081】
第2に、ウェットプロセスのときのようなSiのダメージを防止するための余分な酸化工程、酸化膜除去工程が不要になり、工程数が少なくプルバックすることが可能である。
【0082】
第3に、同一チャンバー、同一ステージで連続処理することができるため、特殊な装置を用いる必要がなく、また、装置を大型にする必要がない。
【0083】
第4に、選択比の変動が小さくなり、より安定したプロセスが可能である。
【0084】
第5に、エッチングマスクのパターンの間口をコントロールできるため、出来上がりの配線幅(ゲート配線寸法など)をコントロールすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1に係るエッチング方法に用いる酸化工程前の半導体基板の構成を模式的に示した工程部分断面図である。
【図2】本発明の実施例1に係るエッチング方法の工程を模式的に示した工程部分断面図である。
【図3】本発明の実施例1に係るエッチング方法におけるプルバック工程後の半導体基板の構成を模式的に示した工程部分断面図である。
【図4】本発明の実施例1に係るエッチング方法に用いるアッシング装置の構成を示した模式図である。
【図5】比較例に係るエッチング方法を行なったときの半導体基板の構成を模式的に示した部分断面図である。
【図6】本発明の実施例2に係るエッチング方法に用いるアッシング装置の構成を示した模式図である。
【図7】本発明の実施例3に係るエッチング方法に用いるアッシング装置の構成を示した模式図である。
【図8】本発明の実施例4に係るエッチング方法に用いるアッシング装置の構成を示した模式図である。
【図9】本発明の実施例9のエッチング方法の工程を模式的に示した工程部分断面図である(前半)。
【図10】本発明の実施例9のエッチング方法の工程を模式的に示した工程部分断面図である(後半)。
【図11】シリコン窒化膜及びポリシリコンに係るエッチング速度及び面内均一性についてのCH2F2流量割合依存性を示したグラフである。
【図12】シリコン窒化膜及びポリシリコンに係るエッチング速度及び面内均一性についての圧力依存性を示したグラフである。
【符号の説明】
1、90 半導体基板
2、91 シリコン基板
3 シリコン酸化膜
4 シリコン窒化膜
4a SiON膜
5 レジストパターン
6 トレンチ
7、8 シリコン酸化膜
9 SiO2
10、20、30、40 アッシング装置
11、21、31、41a、41b ICPコイル
12、22、32、42a、42b プラズマ生成室
13、23、33、43a、43b グリッド
14、34、44、46 サセプタ
15、25、35、45 チャンバ
24 保持台
26 ランプ
36 昇降機構
92 ゲート絶縁膜
93 ゲート電極層
94 エッチングマスク
95 レジストパターン
Claims (10)
- 少なくとも表面にシリコン及びシリコン窒化膜が露出する半導体基板のエッチング方法において、
O2ガスを反応ガスとしてプラズマ放電により励起された活性種を前記半導体基板に吹き付けることにより前記シリコン及び前記シリコン窒化膜を露出面から所定膜厚に酸化する酸化工程と、
前記酸化工程により酸化された前記半導体基板を少なくともO2ガス及びCH2F2ガスを含む反応ガスを用いてプラズマエッチングするエッチング工程と、
を含むことを特徴とするエッチング方法。 - 前記エッチング工程において流量が全ガス流量の85%以上かつ95%以下のO2ガス及び流量が全ガス流量の5%以上かつ15%以下のCH2F2ガスを含む反応ガスを用いてプラズマエッチングすることを特徴とする請求項1記載のエッチング方法。
- 前記エッチング工程において流量が全ガス流量の80%以上かつ95%以下のO2ガス、流量が全ガス流量の5%以下のCF4ガス若しくはCHF3ガス及び流量が全ガス流量の5%以上かつ15%以下のCH2F2ガスを含む反応ガスを用いてプラズマエッチングすることを特徴とする請求項1記載のエッチング方法。
- 前記エッチング工程と前記酸化工程それぞれの処理温度が同じ場合に、前記エッチング工程の処理時間は、前記酸化工程の処理時間の2倍以上かつ3倍以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一に記載のエッチング方法。
- 前記酸化工程は、前記半導体基板を200℃以上かつ350℃以下に加熱して行ない、
前記エッチング工程は、前記半導体基板を30℃以上かつ50℃以下にして行なうことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一に記載のエッチング方法。 - 前記酸化工程及び前記エッチング工程を交互に複数回繰り返すことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一に記載のエッチング方法。
- 前記酸化工程及び前記エッチング工程は、同一チャンバ内かつ同一ステージ上で連続的に行なうことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一に記載のエッチング方法。
- 前記エッチング工程における反応ガスの全圧は10Pa以上かつ110Pa以下であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一に記載のエッチング方法。
- 前記半導体基板には、前記シリコン窒化膜をエッチングマスクとして前記シリコンにトレンチを形成した半導体基板を用いることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一に記載のエッチング方法。
- 前記半導体基板には、前記シリコンをゲート電極層とし、前記シリコン窒化膜を前記ゲート電極層上に形成されたエッチングマスクとする半導体基板を用いることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一に記載のエッチング方法。
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