JP4555404B2 - シリコン用の異方性のフッ素ベースのプラズマエッチング法 - Google Patents

Description

先行技術
本発明は、請求項１の上位概念に従った、シリコン基板中の側面で規定された構造の異方性プラズマエッチング法から出発する。
シリコン基板中の構造、例えば凹部をプラズマエッチング法を用いて形成させることは公知である。さらに、例えば精密機械における適用にとって、フッ素化合物は異方性プラズマエッチングのために使用されるのは公知である。プラズマ中に生じるフッ素ラジカルは確かにシリコンに対して等方性に作用する、つまり側面（横方向）のエッチング速度が垂直方向のエッチング速度とほぼ等しく、このことは相応して大きなマスクアンダーカット及び角の丸いプロファイル形を生じさせる。フッ素化合物を使用したエッチング法を用いて、垂直な側壁を達成するために、付加的な予防措置を行い、側壁をエッチングの攻撃の前に選択的に保護し、エッチングを構造の底部、つまり凹部の底に限定しなければならない。凹部の側壁とエッチング底部との間の差別化は、エネルギーを有するイオンの著しく指向性の垂直方向への入射により実現され、このイオンは化学的に活性の中性ラジカルの他に同時にプラズマ中に産生される。このイオンは基板表面上に当たり、その際、エッチング底部は著しく、凹部の側壁はそれに対して比較的弱くイオンにより衝撃される。側壁のための保護メカニズムとしてポリマー形成するガス、例えばＣＨＦ₃を使用することは公知であり、このガスはフッ素供給するエッチングガスと直接混合される。プラズマ中に存在するポリマー形成するモノマーから、側壁上にポリマー層が析出され、他方で、プラズマ中に産生されるフルオロラジカルは、同時にイオン入射によりポリマー層のないエッチング底部上でシリコン基板をエッチングする。プラズマ中で又はエッチングすべき基板へ向かう途中で、ポリマー形成する不飽和モノマーとフルオロラジカルとの間での集中的な再結合が生じることは不利であることは明らかである。この欠点を克服するために、プラズマエッチングをもっぱらフッ素を提供するガスを使用するエッチング工程と、もっぱら堆積ガス、例えばポリマー形成するガスを用いる堆積工程とに分けることにより、ポリマー形成する不飽和モノマーとシリコンをエッチングする能力のあるフルオロラジカルとの間の障害となる再結合を阻止することは公知である。この２つの使用されるガス種は、その使用を時間的に分離するために出会うことが無く、その結果重大な再結合は行われない。
プラズマ中にエッチングするフルオロラジカルの他に酸素ラジカルもしくは窒素ラジカルを使用し、これらのラジカルが側壁のシリコンを表面的に酸化ケイ素もしくは窒化ケイ素に変換させることにより、側壁をパッシベーションすることも公知である。誘電性表面はフルオロラジカルにより特にイオンアシストありで著しくエッチングされ、イオンアシストなしではあまりエッチングされないため、このエッチングはエッチング底部で主に進行し、側壁は比較的保護されたままである。この方法の主要な欠点は、表面的に生じる酸化ケイ素層もしくは窒化ケイ素層が原子的な厚さにすぎず、つまり１ｎｍ以下の範囲内にあることにある。表面的に生じる酸化ケイ素層又は窒化ケイ素層は従ってもはや緻密ではなく、不完全な保護を提供しているにすぎない。このことはプロセス制御を困難にするか又はプロセスの結果が二次的効果により著しく影響されることになる。形成すべき構造のプロファイル形は、側壁への攻撃及びそれによるマスク縁部のアンダーカットが常に存在するため、完全に垂直とはならない。このパッシベーションの有効性を向上させるために、極低温法を使用し、この場合、シリコン基板を−１００℃を下回るまでの温度に深冷することにより酸素パッシベーション又は窒素パッシベーションに加えて側壁反応を凍結させる。この方法は米国特許第４９４３３４４号明細書に記載されている。高い装置的費用及びそれに関連するコスト並びにこの成分の比較的僅かな信頼性が欠点である。
発明の利点
本発明は、プラズマエッチングの前及び／又はその間に側面で規定された構造の側壁に、少なくとも１種のケイ素化合物からなる保護層を析出させる、側面で規定された構造の異方性プラズマエッチング法に関する。特に有利な実施態様において、本発明は側面で規定された構造の側壁上に、特にビーム、トレンチ、コーム又はタングの側壁上に酸化ケイ素層及び／又は窒化ケイ素層を析出させることが想定されている。この構造は有利にエッチングマスクにより定義されている。本発明による方法は、有利に厚い酸化ケイ素層又は窒化ケイ素層、つまり数ｎｍ〜１０数ｎｍの厚さの酸化ケイ素層又は窒化ケイ素層を構造の側壁上に生じさせる。この保護層はすでに室温でプラズマ中に生成されるラジカル、特に有利に使用されるフッ素ラジカルのエッチング攻撃に耐え、従って信頼性がありかつ障害を与えないエッチング工程が可能である。有利には、この方法はより低い基板温度でも実施可能であり、この場合基板の各温度では、垂直なエッチングプロファイルを達成する一定のパラメータ領域のガス組成を使用することができる。
本発明は有利に、プラズマ中にフッ素ラジカルを遊離するエッチングガスが、場合によりアルゴンと一緒の混合物として、六フッ化硫黄又は三フッ化窒素であることが想定されている。フッ素ラジカルを供給するエッチングガスに、保護層を生成する成分のオキシド形成剤及び／又はニトリド形成剤並びに副次的反応体を供給する。酸化物形成剤及び窒化物形成剤として、酸素Ｏ₂、酸化二窒素Ｎ₂Ｏ、他の窒素酸化物ＮＯ、ＮＯ_x、二酸化炭素ＣＯ₂、又は窒素Ｎ₂が添加される。有利に、本発明はエッチングガスとしてＮＦ₃を使用する場合にその他の窒素形成剤を使用しない、それというのもエッチングガスＮＦ₃の分解の際に遊離する窒素が硝化（Nitrifizierung）のために利用されるためである。副次的反応体として、つまり保護層のケイ素成分を供給する化合物としては、有利に四フッ化ケイ素ＳｉＦ₄が使用される。副次的反応体、つまり有利にＳｉＦ₄から、及び酸化物形成剤又は窒化物形成剤に由来する反応相手の酸素又は窒素から、本発明の場合に、構造の側壁上に反応生成物ＳｉＯ₂、Ｓｉ_xＮ_y又はＳｉ_xＯ_yＮ_zからの混合物が析出する。副次的反応体ＳｉＦ₄はＳＦ₆分解から由来するフッ素ラジカルとは反応せず、もっぱら酸素又は窒素と反応し、その際、付加的にフッ素ラジカルが遊離する（ＳｉＦ₄＋Ｏ₂⇔ＳｉＯ₂＋４Ｆ^*；ＳｉＦ₄＋ｘＯ⇔ＳｉＯ_xＦ_4-x＋ｘＦ^*）。
もちろん、本発明によるプラズマエッチングは、相互に別々のエッチング工程及び析出工程に分けることも可能であり、この場合、エッチング工程の間に単にエッチングし、析出工程の間に前記したようにケイ素化合物の析出を実施する。特に有利な方法において、エッチング工程と析出工程とを交互に実施する。
本発明による有利な酸化物形成剤又は窒化物形成剤の副次的反応体、例えば有利にＳｉＦ₄に対する親和性はあまり十分ではないため、気相中で特に本発明により有利な低いプロセス圧力下で及び本発明により想定される方法条件下で、特にプラズマ中の過剰量の遊離フッ素ラジカルのもとで、酸化物形成剤又は窒化物形成剤と副次的反応体との間の反応は僅かに行われるだけである。それにより、有利に、例えば酸化物形成剤とＳｉＦ₄とのＳｉＯ₂への反応がすでに気相中で行われるのを妨げらる。このような反応が行われた場合、生成される固体は基板表面上に析出し、そこでエッチング底部の粗面化又は突起形成を伴うマイクロマスクを生じさせることがある。本発明により想定される低いプロセス圧力は、著しい自由行程長さにより気相中での反応の確率を減少させ、並びに狭いトレンチ中でのケイ素エッチングの場合のマイクロローディング効果を減少させる。
本発明は有利に、側面で規定された構造の側壁に、保護層として作用する耐エッチング性のケイ素化合物を析出させる。本発明による方法の進行において、連続的に活性化されたフッ化ケイ素化合物及び酸素ラジカル又は窒素ラジカル並びに高い割合のフッ素ラジカルがシリコン表面上に衝突する。この場合、有利に本発明により想定される集中的にはイオンの影響が及ぼされない箇所で、つまり側壁上に厚い誘電層が形成される。イオンにより衝撃された表面、つまり構造の底部、特に凹部の底部又はエッチング底部上ではフッ素ラジカルの影響及びエッチング反応が優位を占め、その結果その箇所でシリコン基板は削り取られる。従って、本発明は、特別な付加的手段なしで反応性フッ素ラジカルと相容性の、側面で規定された構造の側壁のためのパッシベーション系を提供する。
本発明は、特に有利な実施態様において、高密度プラズマ源を用いた方法、例えばＰＩＥ（伝播イオンエッチング）、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）により行われることが想定され、それにより低いエネルギーを有する高い流量のエッチング種及びパッシベーション種並びにイオンを使用することが可能である。それにより高いエッチング速度及び高いマスク選択性が達成され、このことは最終的に高いシリコン除去と同時に低いマスク材料除去を引き起こす。
本発明は、いわゆるＳｉＯ₂消耗性ガス、例えばＣＨＦ₃、Ｃ₄Ｆ₈、ＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆又はＣ₃Ｆ₆をガス混合物に添加することにより、有利にできる限りエッチング底部上に析出するケイ素化合物、有利にＳｉＯ₂の浸食を促進するように想定されている。このＳｉＯ₂消耗性ガスはその炭素含有量に基づき、同時にイオン作用下でＳｉＯ₂を特に良好にエッチングする。このように、整然としたエッチング底部及び高いエッチング速度が達成される。さらに、エッチング底部上での突起形成が回避される。このスカベンジャーガス（スカベンジャー＝オキシド消耗性）は、連続的にプラズマに一定の混合物として添加することができるか、又は時々又は短時間にわたり周期的に導入することができ、このフラッシュの間にエッチングガスの酸化物汚染を解消する。
本発明は、特に有利に、プラズマエッチングが同時のイオン入射下で実施され、その際、使用されるイオンエネルギーは１〜１００ｅＶ、特に３０〜５０ｅＶである。
有利に、プラズマエッチングのために使用される媒体は、１〜５０μｂａｒのプロセス圧力で１０〜２００ｓｃｃｍのガス流量を示す。
本発明は、他の有利な実施態様において、プラズマ発生をマイクロ波入射もしくは高周波入射により５００〜２０００Ｗの出力で実施される。
本発明は、特に、イオン密度、イオンエネルギー及び荷電された又は荷電されていない粒子の関係が相互に独立して調整されることを想定している。
特に有利な実施態様において、本発明はＳＦ₆のガス流を２０〜２００ｓｃｃｍに調節することを想定している。
本発明は、さらに、ＳｉＦ₄のガス流を１０〜５０ｓｃｃｍに調節することを想定している。
本発明はもう一つの実施態様において、酸素のガス流を１０〜１００ｓｃｃｍに、ＳｉＯ₂消耗性ガス、特にＣ₄Ｆ₈のガス量を連続的ガス量の場合２〜１０ｓｃｃｍに調節することを想定している。パルス供給されたスカベンジャーガス流量の場合、この流量はより高く選択され、例えば３０〜６０秒毎に５秒間にわたりＣ₄Ｆ₈を３０〜６０ｓｃｃｍである。スカベンジャー流量のパルスは、この工程中に短い清浄化工程を挿入し、この清浄化工程は相応して高い流量で短時間に強力な清浄化効果をプロファイル形に悪い影響を与えずに発揮する。このスカベンジャーは短時間に適用されるだけであるため、エッチングプロファイルに不利な影響を与えることはないが、それにもかかわらずエッチング底部では良好に不純物が除去される。エッチング底部上では強力なイオン入射により不純物は、スカベンジャーが側壁（保護）酸化物の浸食を行うよりも急速に取り去られる。
本発明は、もう一つの実施態様において、イオン加速のために基板電極に５〜５０Ｗの高周波出力をを準備し、これは２０〜１５０Ｖの加速電圧に相当する。
図面
本発明を次に実施例において添付した図面について詳細に説明する。
図１は側面の構造を有するシリコン基板の断面図である。
図２はエッチングプロセスの原則の略図である。
図１は本発明によるプラズマエッチング法を用いて製造したシリコン基板中の構造を示す。
この図は、側壁３により規定された凹部２を有する基板を示す。さらにエッチング底部４並びにより狭い凹部４′が示されている。
シリコン基板１中に側面で規定される凹部２，２′の異方性プラズマエッチング法は、エッチングガスＳＦ₆を用いて、７５ｓｃｃｍのガス流量（ＳＦ₆）で実施した。酸化物形成剤としてＯ₂を３８ｓｃｃｍのガス流量で、副次的反応体としてＳｉＦ₄を３８ｓｃｃｍのガス流量で使用した。保護層、つまりケイ素化合物ＳｉＯ₂の析出はプラズマエッチングと同時に自発的に起こった。基板１の温度は１０℃であった。プロセス圧力は２０μｂａｒであり及び使用したＰＩＥ源は６５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）のマイクロ波出力を供給した。硫黄アシスト電圧を生じさせるため、基板電極に５Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）の高周波出力を供給し、その際、イオン加速電圧（ＤＣバイアス）は４０Ｖであった。
図１は、前記した反応条件を用いて、有利な方法で基板中に凹部２，２′の垂直な側壁３が製造されたことを示す。特に有利な方法では、広い凹部２と狭い凹部２′との間に現れるエッチング速度差が僅かである。
図２において、エッチングプロセスの原理が示されている。同じ部分は図１と同様の符号が付けられている。エッチングプロセスにより側方の凹部２′が設けられた基板１が示されている。側壁パッシベーションのためにプラズマ中へ、プラズマ中に形成されるフッ素ラジカル及び正の荷電のイオンの他に、四フッ化ケイ素及び酸素が導入され、これらがフッ素に耐性の側壁パッシベーションを保証する。エッチング底部４では、イオンアシストによりケイ素とフッ素ラジカルとの揮発性四フッ化ケイ素への反応が行われ、この揮発性四フッ化ケイ素はエッチング底部を離れ、所望のエッチング反応が行われる。このエッチングは、エッチング底部４上で自発的に行われ、つまりそれ自体イオンアシストを必要としない。しかしながら、著しいイオン入射により、エッチング底部ではエッチングを阻止する二酸化ケイ素又はオキシフッ化ケイ素の形成が抑制される。
比較的僅かなイオン衝撃にさらされる側壁３では、それに対して四フッ化ケイ素と酸素とのエッチング耐性の酸化ケイ素又はオキシフッ化ケイ素への反応が行われ、これは側壁３上の皮膜として析出する。この場合、一部はエッチング底部上で形成されてトレンチを離れる四フッ化ケイ素が、側壁３上で皮膜形成する逆反応において消費され、これは図２において点線で示されている。側壁皮膜の構築のために必要な四フッ化ケイ素の大部分は、プラズマ化学物質から供給される、つまり四フッ化ケイ素はパッシベーションガスとして酸素と共にプラズマ中へ導入され、これは図２において実線により示されている。図２からわかるように、この皮膜形成反応の場合、ＳｉＦ₄からさらにフッ素が遊離し、これがさらにエッチング底部でのエッチング反応をアシストする。従って、マイクロローディング又はＲＩＥ−ｌａｇ、つまり広いトレンチと比較して狭いトレンチ内でのエッチング速度の減少は、この化学の場合、比較的目立たず、それというのもトレンチ中で壁部皮膜形成反応により付加的にフッ素が形成されるためである。
もう一つの実施例において、ＩＣＰ励起条件下で（ＩＣＰ：誘導結合プラズマ）高周波励起を用いて次の有利なパラメータが見出された。流量は一定流量としてＳＦ₆ ４０ｓｃｃｍ、Ｏ₂ ６０ｓｃｃｍ、ＳｉＦ₄ ２１ｓｃｃｍ及びＣ₄Ｆ₈ ５ｓｃｃｍであった。この圧力は１５ミリトル＝２０μｂａｒであり、ＩＣＰ−高周波出力は１３．５６ＭＨｚで８００Ｗ、並びに基板出力（バイアス出力）は１３．５６ＭＨｚで１０〜１５Ｗであった。バイアス電圧は４０〜１００Ｖに調節される。パルス供給されたＣ₄Ｆ₈流量の場合、次の流量に調節される：ＳＦ₆ ４０ｓｃｃｍ、Ｏ₂ ６０ｓｃｃｍ、ＳｉＦ₄ ２１ｓｃｃｍ、Ｃ₄Ｆ₈ ３０〜６０、有利に４５ｓｃｃｍ。この場合、Ｃ₄Ｆ₈は３０〜６０秒ごとに、有利に４５秒ごとに１回５秒間の時間にわたり供給される。ＩＣＰ−高周波出力はこの場合８００Ｗであり、基板出力は１２Ｗであった。

Claims (14)

1. プラズマエッチングの前に又はプラズマエッチングの間に又はプラズマエッチングの前及びプラズマエッチングの間に、析出工程において側面で規定された構造の側壁上に少なくとも１種のケイ素化合物からなる保護層を析出させる、シリコン基板中で側面で規定された異方性プラズマエッチング法において、エッチングガスとしてＳＦ₆又はＮＦ₃を使用し、前記エッチングガスにケイ素化合物としてＳｉＦ₄を、反応体としてＯ₂、Ｎ₂Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_x又はＣＯ₂を、ＳｉＯ₂消耗性ガスとしてＣＨＦ₃、ＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆、Ｃ₃Ｆ₆又はＣ₄Ｆ₈を添加し、前記ＳｉＯ₂消耗性ガスを一時的にかつ周期的に供給し、このような清浄化工程の間にエッチング底部を集中的に清浄化し、前記保護層が二酸化ケイ素であることを特徴とする、シリコン基板中で側面で規定された異方性プラズマエッチング法。
2. 反応体としてＯ₂を添加する、請求項１記載の方法。
3. 反応体としてさらにＮ₂を添加する、請求項１又は２項記載の方法。
4. 異方性プラズマエッチングを、相互に別々のエッチング工程と前記析出工程で実施し、その際、前記エッチング工程と前記析出工程とを交互に実施する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 異方性プラズマエッチングをイオン入射と同時に、１〜１００ｅＶのイオンエネルギーで実施する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 異方性プラズマエッチングのために使用した媒体が１０〜２００ｓｃｃｍのガス流量及び１〜５０μｂａｒ（０．１〜５Ｐａ）のプロセス圧力を有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. シリコン基板を異方性プラズマエッチングの間に冷却する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. プラズマ発生をマイクロ波入射もしくは高周波入射（ＨＦ）により５００〜２０００ワットの出力で行う、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. イオン密度、イオンエネルギー及び荷電された粒子（＝イオン）対荷電されていない粒子（＝中性種）の関係を相互に独立して調整する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 六フッ化硫黄ＳＦ₆のガス流量が２０〜２００ｓｃｃｍである、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 四フッ化ケイ素ＳｉＦ₄のガス流量が１０〜５０ｓｃｃｍである、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 酸素Ｏ₂のガス流量が１０〜１００ｓｃｃｍである、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. Ｃ₄Ｆ₈のガス流量が２〜１０ｓｃｃｍである、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
14. Ｃ₄Ｆ₈を周期的に３０〜６０秒ごとに１回で、それぞれ５秒の時間にわたり、３０〜６０ｓｃｃｍの流量で導入する、請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法。

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