JP4854874B2

JP4854874B2 - Dry etching method

Info

Publication number: JP4854874B2
Application number: JP2001189579A
Authority: JP
Inventors: 悦夫飯嶋
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2001-06-22
Filing date: 2001-06-22
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2021-06-22
Also published as: JP2003007679A; CN100403494C; CN1855385A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造におけるドライエッチング方法に係り、特に、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）において単結晶シリコンをエッチングし、所望形状の溝（トレンチ）を形成するドライエッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の製造分野においては、素子分離技術として、所謂シャロートレンチアイソレーション（shallow trench isolation（ＳＴＩ））が多用されている。
【０００３】
このようなＳＴＩにおいては、単結晶シリコンに、異方性エッチングにより溝（トレンチ）を形成するトレンチエッチング工程を必要とするが、かかるトレンチエッチング工程は、従来、Ｃｌ₂とＯ₂の混合ガスをエッチングガスとして使用したプラズマエッチング等によって行われている。
【０００４】
また、例えば、かかるトレンチエッチング工程を、ＨＢｒとＣｌ₂と酸素の混合ガス等からなるエッチングガスを用いたプラズマエッチングにより行うことも公知である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したＳＴＩにおいては、単結晶シリコンに形成した溝に、例えばＳｉＯ₂等の誘電材料を埋め込む必要がある。このため、かかる誘電材料の埋め込みを確実かつ容易にするため、溝の側壁を、溝底部から上側開口部に向けて徐々に広がるような所定角度のテーパ状に形成することが多い。
【０００６】
しかしながら、溝の側壁形状は、例えば、一枚のウエハ内においても、中央部と周縁分等の位置の違いや、溝の幅の違い等によって、変化する傾向があり、全ての溝の側壁形状を所望の形状とすることは困難であるという問題があった。
【０００７】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、溝の幅が相違する場合等においても、溝の側壁形状を所望の形状とすることができ、良好なエッチングを行うことのできるドライエッチング方法を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、シリコン単結晶に対して、窒化シリコンを含むマスク層を介して少なくとも第１の溝幅の第１の溝と前記第１の溝幅より広い第２の溝幅の第２の溝とを含む複数の溝を形成するドライエッチング方法であって、エッチング室内に設けられた一対の対向電極のうちの一方に基板を配置し、前記対向電極の双方に高周波電力を供給してプラズマによりエッチングを行う装置を用い、前記エッチング室内に少なくともＣｌを含むガスと、Ｂｒを含むガスの混合ガスであるエッチングガスを導入し、前記基板が配置された側の前記対向電極に印加する高周波電力を０．１５７〜１．５７Ｗ／ｃｍ ² の範囲で調整することにより、前記第１の溝の側壁のテーパ角と前記第２の溝の側壁のテーパ角の差をなくすように制御することを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１記載のドライエッチング方法において、前記Ｃｌを含むガスは、Ｃｌ₂であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載のドライエッチング方法において、前記Ｂｒを含むガスは、ＨＢｒであることを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１〜３いずれか１項記載のドライエッチング方法において、前記エッチングガスが酸素を含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項１〜４いずれか１項記載のドライエッチング方法において、前記エッチングガスの総流量を調整して、前記第１の溝の側壁のテーパ角と前記第２の溝の側壁のテーパ角の差をなくすように制御することを特徴とする。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項１〜５いずれか１項記載のドライエッチング方法において、前記エッチングガスのうちのＣｌ₂の量を調整して、前記第１の溝の側壁のテーパ角と前記第２の溝の側壁のテーパ角の差をなくすように制御することを特徴とする。
【００１６】
請求項７の発明は、請求項１〜６いずれか１項記載のドライエッチング方法において、前記第１の溝幅が０．２４μｍであり、前記第２の溝幅が１．００μｍであることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施の形態について説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態を説明するため、半導体ウエハ（シリコン基板）の縦断面の一部を拡大して模式的に示すものである。
【００１９】
同図（ａ）に示すとおり、半導体ウエハ（シリコン基板）１０１上には、厚さが例えば９ｎｍ程度の二酸化シリコン層１０２と、厚さが例えば１６０ｎｍ程度の窒化シリコン層１０３が形成されており、これらは、溝を形成するための開口部を有するように、所定形状にパターニングされ、所謂ハードマスクを構成している。
【００２０】
そして、本実施形態においては、上記の窒化シリコン層１０３等からなるハードマスクを介して、単結晶シリコンからなる半導体ウエハ１０１を、エッチングガスとして少なくともＣｌ₂とＨＢｒとを含むガスを用いたプラズマエッチングによりエッチングし、同図（ｂ）に示すとおり、半導体ウエハ１０１に、溝（トレンチ）１０４ａ，１０４ｂを形成する。
【００２１】
上記の溝１０４ａ，１０４ｂは、夫々所定の幅になるよう形成されるが、図中左側に示す溝１０４ａは、幅が例えば０．２４μｍとされ、図中右側に示す溝１０４ｂは、幅が例えば１．００μｍとされ、その幅が異なっている。また、これらの溝１０４ａ，１０４ｂの側壁１０５ａ，１０５ｂは、夫々略同じテーバ角を有するように形成され、深さも略同じように形成される。
【００２２】
図２は、本発明の実施形態に使用するプラズマ処理装置の構成の一例を模式的に示すものである。同図に示すように、プラズマ処理装置１は、電極板が上下平行に対向し、双方に高周波電源が接続された容量結合型平行平板エッチング装置として構成されている。
【００２３】
このエッチング処理装置１は、例えば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形状に成形されたチャンバー２を有しており、このチャンバー２は接地されている。チャンバー２内の底部にはセラミックなどの絶縁板３を介して、ウエハＷを載置するための略円柱状のサセプタ支持台４が設けられており、さらにこのサセプタ支持台４の上には、下部電極を構成するサセプタ５が設けられている。このサセプタ５にはハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。
【００２４】
サセプタ支持台４の内部には、温度調節媒体室７が設けられており、導入管８を介して温度調節媒体室７に温度調節媒体が導入、循環され、サセプタ５を所望の温度に制御できるようになっている。
【００２５】
サセプタ５は、その上中央部が凸状の円板状に成形され、その上にウエハＷと略同形の静電チャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶縁材の間に電極１２が介在された構成となっており、電極１２に接続された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加されることにより、クーロン力によってウエハＷを静電吸着する。
【００２６】
そして、絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、さらには静電チャック１１には、被処理体であるウエハＷの裏面に、伝熱媒体、例えばＨｅガスなどを供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５とウエハＷとの間の熱伝達がなされ、ウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。
【００２７】
サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置されたウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５はセラミックス或いは石英などの絶縁性材料からなり、エッチングの均一性を向上させるようになっている。
【００２８】
また、サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２２を介して、チャンバー２の上部に支持されており、サセプタ５との対向面を構成し、多数の吐出孔２３を有する例えば石英からなる電極板２４と、この電極２４を支持する導電性材料例えば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる電極支持体２５とによって構成されている。なお、サセプタ５と上部電極２１との間隔は、調節可能とされている。
【００２９】
上部電極２１における電極支持体２５の中央にはガス導入口２６が設けられ、さらにこのガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されており、さらにこのガス供給管２７には、バルブ２８、並びにマスフローコントローラ２９を介して、処理ガス供給器３０が接続され、この処理ガス供給器３０から、プラズマエッチングのためのエッチングガスが供給されるようになっている。なお、図２には、上記の処理ガス供給器３０等からなる処理ガス供給系を１つのみ図示しているが、これらの処理ガス供給系は複数設けられており、例えば、ＨＢｒ、Ｃｌ₂、Ｏ₂等のガスを夫々独立に流量制御して、チャンバー２内に供給できるよう構成されている。
【００３０】
一方、チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、これによりチャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開にした状態でウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。
【００３１】
上部電極２１には、第１の高周波電源４０が接続されており、その給電線には整合器４１が介挿されている。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、５０〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このように高い周波数を印加することによりチャンバー２内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成することができ、従来より低圧条件下のプラズマ処理が可能となる。この第１の高周波電源４０の周波数は、５０〜８０ＭＨｚが好ましく、典型的には図示した６０ＭＨｚまたはその近傍の条件が採用される。
【００３２】
下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介挿されている。この第２の高周波電源５０は数百〜十数ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このような範囲の周波数を印加することにより、被処理体であるウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。第２の高周波電源５０の周波数は、典型的には図示した１３．５６ＭＨｚまたは８００ＫＨｚ等の条件が採用される。
【００３３】
次に、上記構成のプラズマ処理装置１によって、シリコン単結晶からなるウエハＷをエッチングし、溝（トレンチ）を形成する工程について説明する。
【００３４】
まず、前述したように、二酸化シリコン層１０２、窒化シリコン層１０３からなるマスク層が形成されたウエハＷを、ゲートバルブ３２を開放して、図示しないロードロック室からチャンバー２内へ搬入し、静電チャック１１上に載置する。そして、高圧直流電源１３から直流電圧を印加することによって、ウエハＷを静電チャック１１上に静電吸着する。
【００３５】
次いで、ゲートバルブ３２を閉じ、排気機構３５によって、チャンバー２内を所定の真空度まで真空引した後、バルブ２８を開放し、処理ガス供給器３０からメインエッチング用のエッチングガス、例えば、ＨＢｒとＣｌ₂、又はＨＢｒとＣｌ₂とＯ₂を、マスフローコントローラ２９によってその流量を調整しつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６、上部電極２１の中空部、電極板２４の吐出孔２３を通じて、図２の矢印に示すように、ウエハＷに対して均一に吐出させる。
【００３６】
これとともに、チャンバー２内の圧力が、所定の圧力、例えば、１３．３Ｐａ程度の圧力に維持され、第１の高周波電源４０及び第２の高周波電源５０から、上部電極２１及び下部電極としてのサセプタ５に高周波電圧を印加し、エッチングガスをプラズマ化して、ウエハＷのエッチングを行う。
【００３７】
図３，４のグラフは、縦軸をテーパ角、横軸を下部電力（下部電極への供給電力）として、上記エッチング処理装置１を用いた８インチ径のウエハＷのエッチングにおいて、第２の高周波電源５０から下部電極としてのサセプタ５に供給する電力と、溝の側壁のテーパ角の関係を示すもので、図３は、溝幅が０．２４μｍの場合、図４は溝幅が１．００μｍの場合を示している。
【００３８】
また、図３，４において、実線Ａ，ＣはウエハＷの中央部分、点線Ｂ，ＤはウエハＷの周辺部分の溝におけるテーパ角を示している。
【００３９】
なお、エッチング条件は、

である。
【００４０】
図３のグラフに示されるとおり、溝幅が０．２４μｍの狭い溝１０４ａの場合、下部電力の上昇に伴って、テーパ角が直線的にに増大する傾向を示す。一方、図４のグラフに示されるとおり、溝幅が１．００μｍの広い溝１０４ｂの場合、下部電力を変化させても、テーパ角は、ほとんど変化しない。
【００４１】
このため、図３，４に示す例では、下部電力を１００Ｗ（０．３１４Ｗ／ｃｍ²）とするこより、溝幅が狭い溝１０４ａと、溝幅が広い溝１０４ｂの双方のテーパ角を略同一に制御することができる。
【００４２】
なお、図５，６のグラフは、縦軸をテーパ角、横軸を上部電力（上部電極への供給電力）として、上記エッチング処理装置１を用いた８インチ径のウエハＷのエッチングにおいて、第１の高周波電源４０から上部電極２１に供給する電力と、溝の側壁のテーパ角の関係を示すもので、図５は、溝幅が０．２４μｍの場合、図６は溝幅が１．００μｍの場合を示している。
【００４３】
また、図５，６において、実線Ｅ，ＧはウエハＷの中央部分、点線Ｆ，ＨはウエハＷの周辺部分の溝におけるテーパ角を示している。
【００４４】
これらの図５，６のグラフに示されるとおり、上部電力を変更しても、テーパ角の顕著な変化は見られず、従って、テーパ角を制御する場合、上述したとおり、下部電力を調整することによって、その制御を行うことが有効であることが分かる。
【００４５】
なお、下部電力をあまり多くすると、エッチング速度が上昇するとともに、マスク層である窒化シリコン等との選択比が低下するので、最大で５００Ｗ程度とすることが好ましい。また、上述した１００Ｗを大きく下回り、５０Ｗ未満となると、エッチング速度が低下してしまうので、下部電力は、８インチ径のウエハに対して、５０〜５００Ｗ程度、したがって、単位面積当たりの電力としては、０．１５７〜１．５７Ｗ／ｃｍ²の範囲とすることが好ましい。
【００４６】
図７のグラフは、縦軸をエッチング深さ（従って実質的にエッチング速度）、横軸をエッチングガス中のＣｌ₂の比（Ｃｌ₂流量／総流量）として、上記エッチング処理装置１を用いた８インチ径のウエハＷのエッチングにおいて、エッチング深さとＣｌ₂の比の関係を示すもので、実線Ｉが、溝幅が０．２４μｍの場合、点線Ｊが、溝幅が１．００μｍの場合を示している。
【００４７】
また、図８のグラフは、縦軸をテーパ角、横軸をエッチングガス中のＣｌ₂の比（Ｃｌ₂流量／総流量）として、上記エッチング処理装置１を用いた８インチ径のウエハＷのエッチングにおいて、テーパ角とＣｌ₂の比の関係を示すもので、実線Ｋが、溝幅が０．２４μｍの場合、点線Ｌが、溝幅が１．００μｍの場合を示している。
【００４８】
なお、エッチング条件は、

である。
【００４９】
これらの図７，８のグラフに示されるとおり、エッチングガス中のＣｌ₂の比を変更することによって、エッチング速度が変化し、また、テーパ角度も変化する。さらに、図８のグラフに示されるとおり、テーパ角度の変化は、溝幅が０．２４μｍの場合（実線Ｋ）と、溝幅が１．００μｍの場合（点線Ｌ）とでは、一様ではない。
【００５０】
したがって、例えば、必要とするエッチング速度とテーパ角が得られるように、エッチングガス中のＣｌ₂の比を変更した場合、溝幅が狭い溝と、溝幅が広い溝とでは、異なったテーパ角となる可能性が高くなる。このような場合、前述したとおり、下部電圧を調整することによって、かかるテーパ角の差をなくすように制御することができる。
【００５１】
図９のグラフは、縦軸をエッチング深さ（従って実質的にエッチング速度）、横軸をエッチングガスの総流量として、上記エッチング処理装置１を用いた８インチ径のウエハＷのエッチングにおいて、エッチング深さとエッチングガスの総流量との関係を示すもので、実線Ｍが、溝幅が０．２４μｍの場合、点線Ｎが、溝幅が１．００μｍの場合を示している。
【００５２】
また、図１０のグラフは、縦軸をテーパ角、横軸をエッチングガスの総流量として、上記エッチング処理装置１を用いた８インチ径のウエハＷのエッチングにおいて、テーパ角とエッチングガスの総流量との関係を示すもので、実線Ｏが、溝幅が０．２４μｍの場合、点線Ｐが、溝幅が１．００μｍの場合を示している。
なお、エッチング条件は、

である。
【００５３】
これらの図９，１０のグラフに示されるとおり、エッチングガスの総流量を変更することによって、エッチング速度が変化し、また、テーパ角度も変化する。
さらに、図１０のグラフに示されるとおり、テーパ角度の変化は、溝幅が０．２４μｍの場合（実線Ｋ）と、溝幅が１．００μｍの場合（点線Ｌ）とでは、一様ではない。
【００５４】
したがって、例えば、必要とするエッチング速度とテーパ角が得られるように、エッチングガスの総流量を変更した場合、溝幅が狭い溝と、溝幅が広い溝とでは、異なったテーパ角となる可能性が高くなる。このような場合、前述したとおり、下部電圧を調整することによって、かかるテーパ角の差をなくすように制御することができる。
【００５５】
以上のとおり、本発明のドライエッチング方法では、エッチングガスの総流量、エッチングガス中のＣｌ₂の量（比）等とともに、下部電力を調整することによって、溝幅の異なる溝が混在するような場合においても、これらの溝の側壁形状を、所望のテーパ角を有するように、所定形状とすることができる。
【００５６】
したがって、その後の誘電体の埋め込みを良好に行うことができ、ＳＴＩによる素子分離を良好に行うことが可能となる。
【００５７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のドライエッチング方法によれば、溝の幅が相違する場合等においても、溝の側壁形状を所望の形状とすることができ、良好なエッチングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を説明するためのウエハ断面の構成を模式的に示す図。
【図２】本発明の一実施形態に使用する装置の構成の例を示す図。
【図３】下部電力と溝幅が０．２４μｍの溝のテーパ角度の関係を示すグラフ。
【図４】下部電力と溝幅が１．００μｍの溝のテーパ角度の関係を示すグラフ。
【図５】上部電力と溝幅が０．２４μｍの溝のテーパ角度の関係を示すグラフ。
【図６】上部電力と溝幅が１．００μｍの溝のテーパ角度の関係を示すグラフ。
【図７】エッチング深さとＣｌ₂の比の関係を示すグラフ。
【図８】テーパ角とＣｌ₂の比の関係を示すグラフ。
【図９】エッチング深さとエッチングガスの総流量との関係を示すグラフ。
【図１０】テーパ角とエッチングガスの総流量との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１０１……基板（単結晶シリコン）、１０２……二酸化シリコン層、１０３……窒化シリコン層、１０４ａ，１０４ｂ……溝（トレンチ）、１０５ａ，１０５ｂ……側壁。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a dry etching method in manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a dry etching method for etching a single crystal silicon in shallow trench isolation (STI) to form a groove (trench) having a desired shape.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in the field of manufacturing semiconductor devices, so-called shallow trench isolation (STI) is frequently used as an element isolation technique.
[0003]
Such STI requires a trench etching process for forming a groove (trench) in single crystal silicon by anisotropic etching. This trench etching process conventionally uses a mixed gas of Cl ₂ and O _2. This is performed by plasma etching or the like used as an etching gas.
[0004]
In addition, for example, it is also known to perform such a trench etching process by plasma etching using an etching gas made of a mixed gas of HBr, Cl ₂ and oxygen.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described STI, it is necessary to embed a dielectric material such as SiO ₂ in a groove formed in single crystal silicon. For this reason, in order to reliably and easily embed such a dielectric material, the side wall of the groove is often formed in a tapered shape having a predetermined angle so as to gradually spread from the groove bottom toward the upper opening.
[0006]
However, the groove sidewall shape tends to change, for example, even within a single wafer due to differences in the position of the central portion and the periphery, the difference in groove width, and the like. There is a problem that it is difficult to make the desired shape.
[0007]
The present invention has been made in response to such a conventional situation, and even when the width of the groove is different, the side wall shape of the groove can be set to a desired shape, and good etching can be performed. An object of the present invention is to provide a dry etching method.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, a first groove having at least a first groove width and a second groove width wider than the first groove width are provided for a silicon single crystal through a mask layer containing silicon nitride . A dry etching method for forming a plurality of grooves including two grooves, wherein a substrate is disposed on one of a pair of counter electrodes provided in an etching chamber, and high-frequency power is supplied to both of the counter electrodes. Then , an etching gas that is a mixed gas of at least Cl and a gas containing Br is introduced into the etching chamber and applied to the counter electrode on the side where the substrate is disposed. By adjusting the high frequency power in the range of 0.157 to 1.57 W / cm ² , the difference between the taper angle of the side wall of the first groove and the taper angle of the side wall of the second groove is controlled. Special To.
[0010]
The invention of claim 2 is the dry etching method of claim 1, wherein gas containing Cl is characterized by a Cl _2.
[0011]
According to a third aspect of the present invention, in the dry etching method according to the first or second aspect, the gas containing Br is HBr.
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, in the dry etching method according to any one of the first to third aspects, the etching gas contains oxygen.
[0013]
According to a fifth aspect of the present invention, in the dry etching method according to any one of the first to fourth aspects, the total flow rate of the etching gas is adjusted to adjust the taper angle of the side wall of the first groove and the second groove. Control is performed so as to eliminate the difference in the taper angle of the side wall.
[0014]
The invention of claim 6 is the dry etching method according to any one of claims 1 to 5 , wherein the amount of Cl _{2 in} the etching gas is adjusted, and the taper angle of the side wall of the first groove Control is performed so as to eliminate the difference in the taper angle of the side wall of the second groove.
[0016]
The invention according to claim 7 is the dry etching method according to any one of claims 1 to 6 , wherein the first groove width is 0.24 μm and the second groove width is 1.00 μm. Features.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The details of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0018]
FIG. 1 schematically shows an enlarged part of a longitudinal section of a semiconductor wafer (silicon substrate) for explaining an embodiment of the present invention.
[0019]
As shown in FIG. 2A, a silicon dioxide layer 102 having a thickness of, for example, about 9 nm and a silicon nitride layer 103 having a thickness of, for example, about 160 nm are formed on a semiconductor wafer (silicon substrate) 101. These are patterned into a predetermined shape so as to have an opening for forming a groove, and constitute a so-called hard mask.
[0020]
In this embodiment, plasma etching using a gas containing at least Cl ₂ and HBr as an etching gas is performed on the semiconductor wafer 101 made of single crystal silicon through the hard mask made of the silicon nitride layer 103 or the like. Etching is performed to form grooves (trench) 104a and 104b in the semiconductor wafer 101 as shown in FIG.
[0021]
The grooves 104a and 104b are each formed to have a predetermined width. The groove 104a shown on the left side in the figure has a width of, for example, 0.24 μm, and the groove 104b shown on the right side in the figure has a width of, for example, The width is 1.00 μm. Further, the side walls 105a and 105b of the grooves 104a and 104b are formed so as to have substantially the same Taber angle, and the depths thereof are also formed substantially the same.
[0022]
FIG. 2 schematically shows an example of the configuration of the plasma processing apparatus used in the embodiment of the present invention. As shown in the figure, the plasma processing apparatus 1 is configured as a capacitively coupled parallel plate etching apparatus in which electrode plates face each other in parallel in the vertical direction and a high frequency power source is connected to both.
[0023]
This etching processing apparatus 1 has a chamber 2 formed into a cylindrical shape made of aluminum whose surface is anodized (anodized), for example, and this chamber 2 is grounded. A substantially cylindrical susceptor support 4 for mounting the wafer W is provided on the bottom of the chamber 2 via an insulating plate 3 such as ceramic. Further, on the susceptor support 4, A susceptor 5 constituting the lower electrode is provided. A high pass filter (HPF) 6 is connected to the susceptor 5.
[0024]
A temperature control medium chamber 7 is provided inside the susceptor support 4, and the temperature control medium is introduced into the temperature control medium chamber 7 through the introduction pipe 8 and circulated so that the susceptor 5 can be controlled to a desired temperature. It is like that.
[0025]
The upper center portion of the susceptor 5 is formed into a convex disk shape, and an electrostatic chuck 11 having substantially the same shape as the wafer W is provided thereon. The electrostatic chuck 11 has a configuration in which an electrode 12 is interposed between insulating materials. When a DC voltage of, for example, 1.5 kV is applied from a DC power source 13 connected to the electrode 12, the electrostatic chuck 11 has a Coulomb force. The wafer W is electrostatically adsorbed.
[0026]
The insulating plate 3, the susceptor support 4, the susceptor 5, and further the electrostatic chuck 11 have a gas passage 14 for supplying a heat transfer medium, such as He gas, to the back surface of the wafer W that is the object to be processed. The heat transfer between the susceptor 5 and the wafer W is performed via the heat transfer medium, so that the wafer W is maintained at a predetermined temperature.
[0027]
An annular focus ring 15 is disposed at the upper peripheral edge of the susceptor 5 so as to surround the wafer W placed on the electrostatic chuck 11. The focus ring 15 is made of an insulating material such as ceramics or quartz, and improves the uniformity of etching.
[0028]
An upper electrode 21 is provided above the susceptor 5 so as to face the susceptor 5 in parallel. The upper electrode 21 is supported on the upper portion of the chamber 2 via an insulating material 22, constitutes a surface facing the susceptor 5, and has an electrode plate 24 made of, for example, quartz having a number of discharge holes 23, The electrode 24 is composed of a conductive material that supports the electrode 24, for example, an electrode support 25 made of aluminum having an anodized aluminum surface. The interval between the susceptor 5 and the upper electrode 21 can be adjusted.
[0029]
A gas introduction port 26 is provided at the center of the electrode support 25 in the upper electrode 21, and a gas supply pipe 27 is connected to the gas introduction port 26, and a valve 28 is connected to the gas supply pipe 27. In addition, a processing gas supply unit 30 is connected via the mass flow controller 29, and an etching gas for plasma etching is supplied from the processing gas supply unit 30. FIG. 2 shows only one processing gas supply system including the processing gas supply device 30 and the like. However, a plurality of these processing gas supply systems are provided, for example, HBr, Cl _2. , O _{2 and the} like can be supplied into the chamber 2 by independently controlling the flow rate of each gas.
[0030]
On the other hand, an exhaust pipe 31 is connected to the bottom of the chamber 2, and an exhaust device 35 is connected to the exhaust pipe 31. The exhaust device 35 includes a vacuum pump such as a turbo molecular pump, and is configured so that the inside of the chamber 2 can be evacuated to a predetermined reduced pressure atmosphere, for example, a predetermined pressure of 1 Pa or less. Further, a gate valve 32 is provided on the side wall of the chamber 2, and the wafer W is transported between adjacent load lock chambers (not shown) with the gate valve 32 opened. ing.
[0031]
A first high frequency power supply 40 is connected to the upper electrode 21, and a matching device 41 is inserted in the feeder line. Further, a low pass filter (LPF) 42 is connected to the upper electrode 21. The first high-frequency power source 40 has a frequency in the range of 50 to 150 MHz. By applying such a high frequency, a high-density plasma can be formed in a preferable dissociated state in the chamber 2. It is possible to perform plasma processing under a lower pressure condition than before. The frequency of the first high-frequency power supply 40 is preferably 50 to 80 MHz, and typically the illustrated condition of 60 MHz or the vicinity thereof is adopted.
[0032]
A second high-frequency power source 50 is connected to the susceptor 5 serving as a lower electrode, and a matching unit 51 is interposed in the power supply line. The second high-frequency power supply 50 has a frequency in the range of several hundred to several tens of MHz, and damages the wafer W that is the object to be processed by applying a frequency in such a range. And an appropriate ionic effect can be provided. As the frequency of the second high frequency power supply 50, typically, the conditions such as 13.56 MHz or 800 KHz shown in the figure are adopted.
[0033]
Next, a process of forming a groove (trench) by etching the wafer W made of silicon single crystal by the plasma processing apparatus 1 having the above configuration will be described.
[0034]
First, as described above, the wafer W on which the mask layer composed of the silicon dioxide layer 102 and the silicon nitride layer 103 is formed is loaded into the chamber 2 from the load lock chamber (not shown) with the gate valve 32 opened. Place on the electric chuck 11. The wafer W is electrostatically adsorbed on the electrostatic chuck 11 by applying a DC voltage from the high-voltage DC power supply 13.
[0035]
Next, after the gate valve 32 is closed and the inside of the chamber 2 is evacuated to a predetermined degree of vacuum by the exhaust mechanism 35, the valve 28 is opened, and an etching gas for main etching, such as HBr, is supplied from the processing gas supply 30. The flow rate of Cl ₂ or HBr, Cl _2, and O ₂ is adjusted by the mass flow controller 29, while passing through the processing gas supply pipe 27, the gas inlet 26, the hollow portion of the upper electrode 21, and the discharge holes 23 of the electrode plate 24. As shown by the arrows in FIG. 2, the wafer W is uniformly discharged.
[0036]
At the same time, the pressure in the chamber 2 is maintained at a predetermined pressure, for example, about 13.3 Pa. From the first high frequency power supply 40 and the second high frequency power supply 50, the susceptor as the upper electrode 21 and the lower electrode is provided. A high frequency voltage is applied to 5 to turn the etching gas into plasma, and the wafer W is etched.
[0037]
3 and 4, the vertical axis represents the taper angle, and the horizontal axis represents the lower power (power supplied to the lower electrode). In the etching of the 8-inch diameter wafer W using the etching processing apparatus 1, FIG. 3 shows the relationship between the power supplied from the high frequency power source 50 to the susceptor 5 as the lower electrode and the taper angle of the side wall of the groove. FIG. 3 shows a case where the groove width is 0.24 μm, and FIG. The case of 00 μm is shown.
[0038]
3 and 4, solid lines A and C indicate the central portion of the wafer W, and dotted lines B and D indicate the taper angle in the groove in the peripheral portion of the wafer W.
[0039]
Etching conditions are as follows:

It is.
[0040]
As shown in the graph of FIG. 3, in the case of the narrow groove 104a having a groove width of 0.24 μm, the taper angle tends to increase linearly as the lower power increases. On the other hand, as shown in the graph of FIG. 4, in the case of the wide groove 104b having a groove width of 1.00 μm, the taper angle hardly changes even when the lower power is changed.
[0041]
For this reason, in the example shown in FIGS. 3 and 4, by setting the lower power to 100 W (0.314 W / cm ² ), the taper angles of both the narrow groove 104a and the wide groove 104b are approximately the same. Can be controlled.
[0042]
5 and 6, the vertical axis represents the taper angle and the horizontal axis represents the upper power (power supplied to the upper electrode). In the etching of the 8-inch wafer W using the etching processing apparatus 1, FIG. 5 shows the relationship between the power supplied to the upper electrode 21 from the high-frequency power source 1 and the taper angle of the side wall of the groove. FIG. 5 shows the case where the groove width is 0.24 μm, and FIG. 6 shows the groove width is 1.00 μm. Shows the case.
[0043]
5 and 6, solid lines E and G indicate the central portion of the wafer W, and dotted lines F and H indicate the taper angles in the grooves in the peripheral portion of the wafer W.
[0044]
As shown in the graphs of FIGS. 5 and 6, even when the upper power is changed, the taper angle is not significantly changed. Therefore, when the taper angle is controlled, the lower power is adjusted as described above. It can be seen that it is effective to perform the control.
[0045]
If the lower power is excessively increased, the etching rate is increased and the selectivity with respect to silicon nitride or the like serving as a mask layer is decreased. In addition, since the etching rate decreases when the power is significantly lower than the above-described 100 W and less than 50 W, the lower power is about 50 to 500 W with respect to an 8-inch diameter wafer. Therefore, the power per unit area is as follows. , 0.157 to 1.57 W / cm ² is preferable.
[0046]
In the graph of FIG. 7, the etching processing apparatus 1 was used with the vertical axis representing the etching depth (and hence the etching rate) and the horizontal axis representing the ratio of Cl _{2 in} the etching gas (Cl ₂ flow rate / total flow rate). In the etching of an 8-inch wafer W, the relationship between the etching depth and the Cl ₂ ratio is shown. When the solid line I has a groove width of 0.24 μm, the dotted line J has a groove width of 1.00 μm. Show.
[0047]
In the graph of FIG. 8, the vertical axis represents the taper angle, and the horizontal axis represents the ratio of Cl _{2 in} the etching gas (Cl ₂ flow rate / total flow rate). In the etching, the relationship between the taper angle and the Cl ₂ ratio is shown. The solid line K indicates the case where the groove width is 0.24 μm, and the dotted line L indicates the case where the groove width is 1.00 μm.
[0048]
Etching conditions are as follows:

It is.
[0049]
As shown in the graphs of FIGS. 7 and 8, by changing the ratio of Cl _{2 in} the etching gas, the etching rate changes and the taper angle also changes. Further, as shown in the graph of FIG. 8, the change in taper angle is not uniform when the groove width is 0.24 μm (solid line K) and when the groove width is 1.00 μm (dotted line L). .
[0050]
Therefore, for example, when the ratio of Cl ₂ in the etching gas is changed so that the required etching rate and taper angle can be obtained, different taper angles are used for grooves having a narrow groove width and grooves having a large groove width. Is likely to be. In such a case, as described above, the taper angle difference can be controlled by adjusting the lower voltage.
[0051]
In the graph of FIG. 9, the vertical axis represents the etching depth (and hence the etching rate), and the horizontal axis represents the total flow rate of the etching gas. The relationship between the depth and the total flow rate of the etching gas is shown. A solid line M indicates a case where the groove width is 0.24 μm, and a dotted line N indicates a case where the groove width is 1.00 μm.
[0052]
Further, the graph of FIG. 10 shows the taper angle and the total flow rate of the etching gas in the etching of the 8-inch wafer W using the etching processing apparatus 1 with the vertical axis indicating the taper angle and the horizontal axis indicating the total flow rate of the etching gas. The solid line O indicates the case where the groove width is 0.24 μm, and the dotted line P indicates the case where the groove width is 1.00 μm.
Etching conditions are as follows:

It is.
[0053]
As shown in the graphs of FIGS. 9 and 10, by changing the total flow rate of the etching gas, the etching rate changes and the taper angle also changes.
Furthermore, as shown in the graph of FIG. 10, the change in taper angle is not uniform when the groove width is 0.24 μm (solid line K) and when the groove width is 1.00 μm (dotted line L). .
[0054]
Therefore, for example, when the total etching gas flow rate is changed so that the required etching rate and taper angle can be obtained, the taper angle can be different between a groove having a narrow groove width and a groove having a wide groove width. Increases nature. In such a case, as described above, the taper angle difference can be controlled by adjusting the lower voltage.
[0055]
As described above, in the dry etching method of the present invention, grooves having different groove widths are mixed by adjusting the lower power together with the total flow rate of the etching gas, the amount (ratio) of Cl _{2 in} the etching gas, and the like. Even in such a case, the shape of the side walls of these grooves can be a predetermined shape so as to have a desired taper angle.
[0056]
Therefore, subsequent dielectric embedding can be performed satisfactorily, and element isolation by STI can be performed satisfactorily.
[0057]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the dry etching method of the present invention, even when the groove widths are different, the side wall shape of the groove can be made a desired shape, and good etching can be performed. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a wafer cross section for explaining an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of an apparatus used in an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a relationship between a lower power and a taper angle of a groove having a groove width of 0.24 μm.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the lower power and the taper angle of a groove having a groove width of 1.00 μm.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the upper power and the taper angle of a groove having a groove width of 0.24 μm.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the upper power and the taper angle of a groove having a groove width of 1.00 μm.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the etching depth and the ratio of Cl ₂ .
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the taper angle and the Cl ₂ ratio.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the etching depth and the total flow rate of the etching gas.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the taper angle and the total flow rate of the etching gas.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Substrate (single crystal silicon), 102 ... Silicon dioxide layer, 103 ... Silicon nitride layer, 104a, 104b ... Groove (trench), 105a, 105b ... Side wall.

Claims

A plurality of silicon single crystals including a first groove having at least a first groove width and a second groove having a second groove width wider than the first groove width through a mask layer containing silicon nitride. A dry etching method for forming a groove of
A gas containing at least Cl in the etching chamber is used by using a device in which a substrate is disposed on one of a pair of counter electrodes provided in the etching chamber and high-frequency power is supplied to both of the counter electrodes to perform etching using plasma. And an etching gas which is a mixed gas of Br containing gas, and the high frequency power applied to the counter electrode on the side where the substrate is disposed is adjusted in a range of 0.157 to 1.57 W / cm ^2. Thus, the dry etching method is characterized in that the difference between the taper angle of the side wall of the first groove and the taper angle of the side wall of the second groove is eliminated.

The dry etching method according to claim 1 ,
The dry etching method, wherein the gas containing Cl is Cl ₂ .

The dry etching method according to claim 1 or 2,
The dry etching method, wherein the gas containing Br is HBr.

The dry etching method according to any one of claims 1 to 3 ,
A dry etching method, wherein the etching gas contains oxygen.

In the dry etching method according to any one of claims 1 to 4 ,
A dry etching method characterized by controlling the total flow rate of the etching gas so as to eliminate the difference between the taper angle of the side wall of the first groove and the taper angle of the side wall of the second groove.

In the dry etching method according to any one of claims 1 to 5 ,
The dry gas is controlled by adjusting the amount of Cl _{2 in} the etching gas so as to eliminate the difference between the taper angle of the side wall of the first groove and the taper angle of the side wall of the second groove. Etching method.

In the dry etching method according to any one of claims 1 to 6 ,
The dry etching method, wherein the first groove width is 0.24 μm and the second groove width is 1.00 μm.