JP4098225B2 - プラズマエッチング方法 - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマエッチング方法に関し、特にトレンチを良好に形成するプラズマエッチング方法に関する。
近年、エレクトロニクス機器における小型化に伴って、それに付随する半導体装置も小型化が要求されてきている。従って、半導体装置の素子分離やメモリ・セル容量面積の確保を目的としてシリコン基板に形成されるトレンチ（溝や穴）には、例えば４０以上の高アスペクト比(溝または穴の深さ／溝または穴の径)が要求される。そして、このような高アスペクト比のトレンチをシリコン基板に形成する方法として、エッチングガスをプラズマ化して生じた活性種（イオンやラジカル）によりシリコン基板のエッチングを行うプラズマエッチング方法がある。
ところで、トレンチには高アスペクト比が要求されると共に、図４に示されるような側壁部の傾斜角を略０度（垂直）にすることが要求される。しかし、高アスペクト比のトレンチを実現しようとする場合、トレンチの形状制御が困難となるので、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができないという問題がある。すなわち、プラズマエッチング方法によるシリコン基板のエッチング工程においては、電気的に中性なラジカルがシリコン基板表面に等方的に入射し、サイドエッチングを生じさせるので、特に高アスペクト比のトレンチにおいてはこれが顕著になり、トレンチ形状が所定の形状とならず図５に示されるような形状となるのである。
このような問題を解決する先行技術として、例えば特許文献１、２に記載のプラズマエッチング方法がある。
以下、特許文献１、２に記載のプラズマエッチング方法によるシリコン基板のエッチングについて図６に沿って説明する。
まず、図６（ａ）に示されるように、パターン形成されたマスク６００を用いて、エッチングガスをプラズマ化して生じた活性種によりシリコン基板６１０のエッチングを行う。このとき、イオンは負バイアスにより加速されてシリコン基板６１０表面に垂直に入射し、垂直方向にエッチングを進行させ、ラジカルはシリコン基板６１０表面に等方的に入射し、上端開口部のマスク６００下にサイドエッチングを生じさせる。
以下、特許文献１、２に記載のプラズマエッチング方法によるシリコン基板のエッチングについて図６に沿って説明する。
まず、図６（ａ）に示されるように、パターン形成されたマスク６００を用いて、エッチングガスをプラズマ化して生じた活性種によりシリコン基板６１０のエッチングを行う。このとき、イオンは負バイアスにより加速されてシリコン基板６１０表面に垂直に入射し、垂直方向にエッチングを進行させ、ラジカルはシリコン基板６１０表面に等方的に入射し、上端開口部のマスク６００下にサイドエッチングを生じさせる。
次に、図６（ｂ）に示されるように、エッチングに対する保護膜６２０を、トレンチ内のシリコン基板６１０表面に形成する。
次に、図６（ｃ）に示されるように、再び活性種によりシリコン基板６１０のエッチングを行う。このとき、トレンチ側壁は保護膜６２０で覆われているため、ラジカルによる側面のエッチングは進行せず、垂直方向のエッチングと新たに現れたトレンチ側壁のエッチングが進行する。
次に、図６（ｃ）に示されるように、再び活性種によりシリコン基板６１０のエッチングを行う。このとき、トレンチ側壁は保護膜６２０で覆われているため、ラジカルによる側面のエッチングは進行せず、垂直方向のエッチングと新たに現れたトレンチ側壁のエッチングが進行する。
次に、図６（ｄ）に示されるように、上記１〜３の工程を繰り返す。
以上のように従来のプラズマエッチング方法によれば、エッチング工程を複数回に分けておこない、エッチングを進行させる前にはトレンチ側壁を保護膜で覆うため、エッチングの回数を増やすことで高アスペクト比のトレンチを形成することができ、トレンチ側壁のエッチングの進行を抑えることができるので、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができる。
特開昭６０−５０９２３号公報
特開平７−５０３８１５号公報
以上のように従来のプラズマエッチング方法によれば、エッチング工程を複数回に分けておこない、エッチングを進行させる前にはトレンチ側壁を保護膜で覆うため、エッチングの回数を増やすことで高アスペクト比のトレンチを形成することができ、トレンチ側壁のエッチングの進行を抑えることができるので、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができる。
しかしながら、従来のプラズマエッチング方法では、エッチング工程と保護膜形成の工程とが繰り返しておこなわれるために、トレンチ側壁に凸凹が生じるという問題がある。
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができ、かつ、なめらかな形状の側壁を有するトレンチを形成できるプラズマエッチング方法を提供することを目的とする。
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができ、かつ、なめらかな形状の側壁を有するトレンチを形成できるプラズマエッチング方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明のプラズマエッチング方法は、処理室内においてＳｉからなる被処理体をプラズマエッチングする方法であって、ＳＦ6、Ｏ2 、Ｃｌ 2 及び希ガスとしてのＨｅからなるエッチングガスを前記処理室内に導入し、前記エッチングガスをプラズマ化して前記被処理体をエッチングしてトレンチを形成し、前記処理室内に導入するＨｅの量は、前記エッチングガスの総流量に対して３０〜９０％を維持するよう制御し、前記処理室内に導入するＣｌ2の量は、前記エッチングガスの総流量に対して１０％未満であることを特徴とする。ここで、前記エッチングガスをＩＣＰ法によりプラズマ化してもよい。
これらによって、トレンチ内部のガスが外部に追い出されるようなガス流を発生させ、トレンチ内部の反応生成物及び活性種の滞在時間を短くすることができるので、高アスペクト比のトレンチを形成する場合においても、トレンチにサイドエッチングが生じたり、トレンチが先細りしたりするのを抑制することができる。つまり、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができるプラズマエッチング方法を実現することができる。さらに、１回のエッチング工程によりシリコン基板にトレンチを形成することができるので、トレンチ側壁に凸凹が生じるのを防ぐ。つまり、なめらかな形状の側壁を有するトレンチを形成できるプラズマエッチング方法を実現することができる。
また、エッチングガスはＣｌ 2 を含むので、トレンチ側壁保護効果が強すぎた場合に、トレンチの底まで保護する作用が働き、部分的にエッチングが阻害されて生じるトレンチの底の残渣を低減することができるプラズマエッチング方法を実現することができる。
また、エッチングガスはＣｌ 2 を含むので、トレンチ側壁保護効果が強すぎた場合に、トレンチの底まで保護する作用が働き、部分的にエッチングが阻害されて生じるトレンチの底の残渣を低減することができるプラズマエッチング方法を実現することができる。
ここで、前記処理室の内壁は、絶縁性材料からなってもよい。また、前記絶縁性材料は、石英、アルミナ、アルマイト加工されたアルミ母材あるいは酸化イットリウムであってもよい。
これによって、プラズマ密度を高く保ち、エッチングレートを高く維持し、トレンチに対する側壁保護効果が低下するのを防ぐことができるので、トレンチにサイドエッチングを生じさせず、所定形状のトレンチを形成できるプラズマエッチング方法を実現することができる。
これによって、プラズマ密度を高く保ち、エッチングレートを高く維持し、トレンチに対する側壁保護効果が低下するのを防ぐことができるので、トレンチにサイドエッチングを生じさせず、所定形状のトレンチを形成できるプラズマエッチング方法を実現することができる。
本発明に係るプラズマエッチング方法によれば、高アスペクト比のトレンチを形成する場合においても、トレンチにサイドエッチングが生じたり、トレンチが先細りしたりするのを抑制することができ、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができる。また、なめらかな形状の側壁を有するトレンチを形成できる。また、トレンチにサイドエッチングを生じさせず、所定形状のトレンチを形成できる。
よって、本発明により、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができ、かつ、なめらかな形状の側壁を有するトレンチを形成できるプラズマエッチング方法を提供することが可能となり、実用的価値は極めて高い。
以下、本発明の実施の形態におけるプラズマエッチング装置について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施の形態のプラズマエッチング装置の構成を示す図である。
プラズマエッチング装置は、例えばＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）型エッチング装置であって、真空のエッチングチャンバー１００と、エッチングチャンバー１００内の上部電極１１０及び下部電極１２０と、高周波電源１３０ａ、１３０ｂと、ガス導入口１４０と、排気口１５０とを備える。
図１は、本実施の形態のプラズマエッチング装置の構成を示す図である。
プラズマエッチング装置は、例えばＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）型エッチング装置であって、真空のエッチングチャンバー１００と、エッチングチャンバー１００内の上部電極１１０及び下部電極１２０と、高周波電源１３０ａ、１３０ｂと、ガス導入口１４０と、排気口１５０とを備える。
エッチングチャンバー１００は、エッチングがおこなわれる処理室であり、内壁が例えば石英、アルミナ、アルマイト加工されたアルミ母材あるいは酸化イットリウム等の絶縁性材料からなる。
高周波電源１３０ａ、１３０ｂは、例えば１３．５７MHｚの高周波電力を供給する。
ガス導入口１４０は、エッチングチャンバー１００にガスを供給する。
高周波電源１３０ａ、１３０ｂは、例えば１３．５７MHｚの高周波電力を供給する。
ガス導入口１４０は、エッチングチャンバー１００にガスを供給する。
排気口１５０は、エッチングチャンバー１００内のガスを排気する。
次に、トランジスタ等の半導体装置の製造における１工程としての上記プラズマエッチング装置を用いたシリコン基板のトレンチ加工について、以下で順に説明する。
まず、下部電極１２０上にシリコン基板を載置し、エッチングチャンバー１００内を一定の圧力に保ちながら、ガス導入口１４０を介してエッチングガスを供給し、排気口１５０から排気する。ここで、エッチングガスは、ＳＦ6ガスを主成分とし、これにＯ2及び希ガス、例えばＨｅ等のガスを添加した混合ガスである。また、Ｈｅ量は、少ないとＳＦ6ガス及びＯ2のエッチングガス中での占める割合が大きくなってトレンチにサイドエッチングを生じたり、トレンチが先細りしたりし、また、多いとＳＦ6ガス及びＯ2のエッチングガス中での占める割合が小さくなってエッチングが進まないので、総流量に対して３０〜９０％となるように調節する。なお、希ガスは、Ａｒ、Ｘｅであってもよい。
次に、トランジスタ等の半導体装置の製造における１工程としての上記プラズマエッチング装置を用いたシリコン基板のトレンチ加工について、以下で順に説明する。
まず、下部電極１２０上にシリコン基板を載置し、エッチングチャンバー１００内を一定の圧力に保ちながら、ガス導入口１４０を介してエッチングガスを供給し、排気口１５０から排気する。ここで、エッチングガスは、ＳＦ6ガスを主成分とし、これにＯ2及び希ガス、例えばＨｅ等のガスを添加した混合ガスである。また、Ｈｅ量は、少ないとＳＦ6ガス及びＯ2のエッチングガス中での占める割合が大きくなってトレンチにサイドエッチングを生じたり、トレンチが先細りしたりし、また、多いとＳＦ6ガス及びＯ2のエッチングガス中での占める割合が小さくなってエッチングが進まないので、総流量に対して３０〜９０％となるように調節する。なお、希ガスは、Ａｒ、Ｘｅであってもよい。
次に、高周波電源１３０ａ、１３０ｂから上部電極１１０及び下部電極１２０にそれぞれ高周波電力を供給して、エッチングガスをプラズマ化させる。Ｆ+イオン、Ｆラジカル等のプラズマ中の活性種は、シリコン基板のシリコンと反応して、ＳｉＯ2、Ｓｉ2Ｆ6等の反応生成物を生成し、シリコン基板をエッチングしてトレンチを形成する。このとき、エッチング対象がシリコン基板であることを考慮して、下部電極１２０に印加するＲＦパワーは、低く例えば約５０Ｗに設定する。
以上のように本実施の形態のプラズマエッチング装置によれば、Ｈｅを含むエッチングガスを用いてシリコン基板にトレンチを形成する。よって、図２に示されるように、トレンチ内部のガスが外部に追い出されるようなガス流を発生させ、トレンチ内部の反応生成物及び活性種の滞在時間を短くすることができるので、本実施の形態のプラズマエッチング装置は、例えば４０以上の高アスペクト比のトレンチを形成する場合においても、トレンチにサイドエッチングが生じたり、トレンチが先細りしたりするのを抑制することができる。つまり、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができるプラズマエッチング装置を実現することができる。
また、本実施の形態のプラズマエッチング装置によれば、１回のエッチング工程によりシリコン基板にトレンチを形成する。よって、トレンチ側壁に凸凹が生じるのを防ぐことができるので、本実施の形態のプラズマエッチング装置は、なめらかな形状の側壁を有するトレンチを形成できるプラズマエッチング装置を実現することができる。
また、本実施の形態のプラズマエッチング装置によれば、Ｏ2を含むエッチングガスを用いてシリコン基板をエッチングする。よって、トレンチに対する側壁保護効果を高めることができるので、本実施の形態のプラズマエッチング装置は、トレンチにサイドエッチングを生じさせず、所定形状のトレンチを形成できるプラズマエッチング装置を実現することができる。
また、本実施の形態のプラズマエッチング装置によれば、Ｏ2を含むエッチングガスを用いてシリコン基板をエッチングする。よって、トレンチに対する側壁保護効果を高めることができるので、本実施の形態のプラズマエッチング装置は、トレンチにサイドエッチングを生じさせず、所定形状のトレンチを形成できるプラズマエッチング装置を実現することができる。
また、本実施の形態のプラズマエッチング装置によれば、エッチングチャンバー１００の内壁が絶縁性材料からなる。よって、図３（ａ）に示されるように放電により生じた電子のエッチングチャンバー壁３００への衝突によりプラズマ３１０の密度が低くならず、図３（ｂ）に示されるようにプラズマ３１０の密度を高く保ち、エッチングレートを高く維持し、トレンチに対する側壁保護効果の低下を防止することができるので、本実施の形態のプラズマエッチング装置は、トレンチにサイドエッチングを生じさせず、所定形状のトレンチを形成できるプラズマエッチング装置を実現することができる。
なお、本実施の形態のプラズマエッチング装置において、エッチングガスは、ＳＦ6ガスを主成分とし、これにＯ2及び希ガスを添加した混合ガスであるとした。しかし、エッチングガスには、さらに塩素（Ｃｌ2）ガスが例えば総流量の１０％以下、例えば約１０％添加されていてもよい。これによって、トレンチ側壁保護効果が強すぎた場合に、トレンチの底まで保護する作用が働き、部分的にエッチングが阻害されて生じるトレンチの底の残渣を低減することができる。
本発明は、プラズマエッチング方法に利用でき、特に半導体装置のトレンチ加工に際しての半導体基板のエッチング等に利用することができる。
１００ エッチングチャンバー
１１０ 上部電極
１２０ 下部電極
１３０ａ、１３０ｂ 高周波電源
１４０ ガス導入口
１５０ 排気口
３００ エッチングチャンバー壁
３１０ プラズマ
６００ マスク
６１０ シリコン基板
６２０ 保護膜
１１０ 上部電極
１２０ 下部電極
１３０ａ、１３０ｂ 高周波電源
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３００ エッチングチャンバー壁
３１０ プラズマ
６００ マスク
６１０ シリコン基板
６２０ 保護膜
Claims (1)
- 処理室内においてＳｉからなる被処理体をプラズマエッチングする方法であって、
ＳＦ6、Ｏ2 、Ｃｌ 2 及び希ガスとしてのＨｅからなるエッチングガスを前記処理室内に導入し、前記エッチングガスをプラズマ化して前記被処理体をエッチングしてトレンチを形成し、
前記処理室内に導入するＨｅの量は、前記エッチングガスの総流量に対して３０〜９０％を維持するよう制御し、
前記処理室内に導入するＣｌ2の量は、前記エッチングガスの総流量に対して１０％未満である
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
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