JP5842138B2

JP5842138B2 - ＳｉＣ基板のエッチング方法

Info

Publication number: JP5842138B2
Application number: JP2012184821A
Authority: JP
Inventors: 奥根　充弘; 充弘奥根; 尚吾置田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2032-08-24
Also published as: JP2014044975A

Description

本発明は、エッチングガスとして六フッ化硫黄（ＳＦ_６）を使用した炭化珪素（ＳｉＣ）基板のドライエッチング方法に関する。

反応ガスとして六フッ化硫黄（ＳＦ_６）を含むエッチングガスを使用した反応性イオンエッチング（ＲＩＥ； Reactive Ion Etching）により、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）のマスクが形成された炭化珪素（ＳｉＣ）基板にトレンチを形成する技術が従来より種々知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００７−３２４５０３号公報

しかしながら、ＳｉＣ基板上にＳｉＯ_２のマスク、という構成においては、基板を構成する材料であるＳｉＣが加工し難い材料であることもあり、エッチングにより得られる選択比（基板のエッチングレート／マスクのエッチングレート）は低くなり、それに伴い基板形状の加工精度も低くなるといった課題がある。

従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、ＳｉＣ基板に対するドライエッチングにおいて、選択比を向上させつつ、基板形状の加工精度を向上させることにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第１態様によれば、ＳｉＯ_２によるマスクパターンが形成されたＳｉＣ基板に対して、少なくともＳＦ_６ガス、Ｏ_２ガス、ＳｉＦ_４ガスを含むエッチングガスを使用して生成されるプラズマにより、プラズマエッチング処理を行うＳｉＣ基板のエッチング方法であって、
ＳＦ_６ガス、Ｏ_２ガス、ＳｉＦ_４ガスの総量に対するＳｉＦ_４ガスの添加割合が１８．９％以上、４０％以下である、ＳｉＣ基板のエッチング方法を提供する。

本発明の第２態様によれば、ＳＦ_６ガス、Ｏ_２ガス、ＳｉＦ_４ガスの総量に対するＳｉＦ_４ガスの添加割合が２５％以上４０％以下である、第１態様に記載のＳｉＣ基板のエッチング方法を提供する。

本発明では、ＳｉＣ基板に対するドライエッチングにおいて、少なくともＳＦ_６ガス、酸素（Ｏ_２）ガス、四フッ化珪素（ＳｉＦ_４）ガスを含むエッチングガスを用いるとともに、ＳＦ_６ガス、Ｏ_２ガス、ＳｉＦ_４ガスの総量に対するＳｉＦ_４ガスの添加割合を１８．９％以上、４０％以下とすることにより、選択比を向上させつつ、基板形状の加工精度を向上させることができる。

ドライエッチング装置の模式図ＳｉＣ基板の模式的な断面図比較例のドライエッチング方法によるＳｉＣ基板の加工形状を示す断面図実験例におけるＳｉＦ_４の割合と選択比の関係を示す分布図実験例におけるＳｉＦ_４の割合とCD shiftの関係を示す図実験例における選択比とCD shiftの関係を示す図実施例のドライエッチング方法によるＳｉＣ基板の加工形状を示す断面図

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明のドライエッチング方法を実行可能な誘導結合プラズマ（ＩＣＰ；Inductively Coupled Plasma）型のドライエッチング装置１の一例を示す。

ドライエッチング装置１は、基板２（図２を併せて参照）を搬入出するための図示しない出入口を備えるチャンバ（真空チャンバ）３を備える。チャンバ３のガス導入口３ａにはエッチングガス源４が接続され、排気口３ｂにはチャンバ３内を真空排気するための真空ポンプを含む減圧機構５が接続されている。チャンバ３の頂部は誘電体壁６で閉鎖され、その上方には上部電極としてのアンテナ（プラズマ源）７が配置されている。アンテナ７は第１の高周波電源８Ａに電気的に接続されている。一方、チャンバ３内の下部側には、基板２が載置されて保持されるステージ１１が配置されている。ステージ１１は金属ブロック１２上に配置され、金属ブロック１２はベース部１３内に収容されている。金属ブロック１２は第２の高周波電源部８Ｂに電気的に接続されて下部電極として機能する。

ステージ１１の冷却装置１４は、金属ブロック１２内に形成された冷媒流路１２ａと、温調された冷媒を冷媒流路１２ａ中で循環させる冷媒循環装置１５とを備える。ステージ１１には、基板２を静電吸着するための静電吸着用電極１６が備えられている。この静電吸着用電極１６には、駆動電源１７が電気的に接続されている。ステージ１１において、基板２が載置される位置には、図示しない伝熱ガスの供給孔が設けられている。これらの供給孔は伝熱ガス源１８に接続されている。

コントローラ１９は、第１及び第２の高周波電源８Ａ、８Ｂ、エッチングガス源４、伝熱ガス源１８、減圧機構５、冷却装置１４、及び駆動電源１７を含むドライエッチング装置１を構成する要素の動作を制御する。

図２を参照すると、基板２は炭化珪素（ＳｉＣ）からなる（以下、ＳｉＣ基板という）。ＳｉＣ基板２の表面にはトレンチ２ａ（図７参照）を形成するための開口を備えた二酸化珪素（ＳｉＯ_２）膜からなるマスク２１を設けている。

このドライエッチング装置１を使用したドライエッチング方法の概要は以下の通りである。

まず、ＳｉＣ基板２をチャンバ３内に搬入してステージ１１の上面に載置する。次に、静電吸着用電極１６に対して駆動電源１７から直流電圧を印加し、ＳｉＣ基板２をステージ１１に静電吸着させる。続いて、ステージ１１の上面に載置されたＳｉＣ基板２の下面に伝熱ガスとしてヘリウム（Ｈｅ）を伝熱ガス源１８から供給して充填する。その後、エッチングガス源４からチャンバ３内にエッチングガスが供給され、減圧機構５により減圧されたチャンバ３内を所定圧力に維持する。続いて、高周波電源８Ａから上部電極としてのアンテナ７に高周波電圧を印加してチャンバ３内にプラズマを発生させると共に、高周波電源８Ｂにより下部電極としての金属ブロック１２に高周波電力（バイアス電力）を印加して、ステージ１１上のＳｉＣ基板２にバイアスが印加される。チャンバ３内に発生するプラズマにより基板２がエッチングされる。

エッチング中は、冷媒循環装置１５によって冷媒流路１２ａ中で冷媒を循環させて金属ブロック１２を冷却する。ＳｉＣ基板２で発生する熱は、伝熱ガス（前述のように本実施の形態ではヘリウム）を介した熱伝導によりステージ１１に伝わり、さらに金属ブロック１２に伝わる。その結果、金属ブロック１２を冷却することで、ステージ１１上に保持されたＳｉＣ基板２は、ステージ１１を介して冷却される。

次に、本実施の形態のエッチング方法について説明する前に、本発明の比較例におけるＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとを混合したエッチングガスによるドライエッチングについて説明する。図３は、ＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとを含むエッチングガスを用いたドライエッチングによるＳｉＣ基板２２の加工形状を示す断面図である。図３に示されるように、比較例のドライエッチング方法によれば、ＳｉＣ基板２２が深さ方向（厚み方向）にエッチングされることによりＳｉＣ基板２２の表面側にトレンチ２２ａが形成されるとともに、それと同時にＳｉＣ基板２２の表面側に設けられたマスク４１も深さ方向に大きくエッチングされる。エッチング前のマスク４１の厚みＨ１は、エッチング後に厚みＨ２まで減少している。このように比較例のドライエッチング方法によれば、マスク４１の深さ方向のエッチングが大きく進行するため選択比は低くなっている。

また、マスク４１の深さ方向のエッチング量が大きいことによりマスク４１の厚みが薄くなると、トレンチ２２ａの入口部分の近傍におけるエッチング作用が活発になるため、マスク４１は幅方向（ＳｉＣ基板２２の表面沿いの方向）にも削られやすくなる。図３に示す比較例では、エッチング前のマスク４１の開口の幅Ｄ１がエッチング後には幅Ｄ２となっており、大きく広がっていることが分かる。このようにマスク４１が深さ方向だけでなく幅方向にも大きく削られることにより、マスク４１間の下方に形成されたトレンチ２２ａも幅方向に広がりやすい。図３に示すトレンチ２２ａは、トレンチ２２ａの底部の寸法と入口部分の寸法が略同じである所望のストレート形状ではなく、底部の寸法よりも入口部分の寸法の方が大幅に大きいラッパ形状となっている。このように比較例のドライエッチング方法によれば、所望のＳｉＣ基板２２の加工形状（トレンチ２２ａ）を得ることが困難である。

本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、上述した選択比の低下を招くマスク４１のエッチングが、ＳｉＣ基板２２のエッチングにより生じるＣＯによって促進されているという知見を見出した。これに関してドライエッチング中における反応式を以下の化１、２に示す。

化１はＳｉＣ基板２２にて生じるエッチングの反応式を示し、化２はマスク４１（ＳｉＯ_２）にて生じるエッチングの反応式を示す。上記化１、２より、比較例のエッチング方法によれば、ＳｉＣ基板２２のエッチングが進行する一方で、ＳｉＣ基板２２のエッチング時に生じたＣＯによってマスク４１のエッチングが促進されており、これにより選択比が低くなっているということが分かる。

上記知見に基づき本発明者らは、ＳＦ_６ガスおよびＯ_２ガスを含むエッチングガスを用いたドライエッチングにおいて、ＣＯによる影響を抑制することを目的として、エッチングガスにＳｉＦ_４ガスを添加したものを使用するとともに、ＳｉＦ_４ガスの添加割合を種々変化させた条件にてＳｉＣ基板のドライエッチングを実行する実験を行った。以下、この実験について説明する。

以下の表１に示すように、実験例Ｎｏ．１−１２で示す種々のエッチング条件でＳｉＣ基板のドライエッチングを実行した。

実験No．１〜６が比較例に相当し、実験No．７〜１２が本発明の実施例に相当する。実験No．１〜１２の具体的なエッチング条件は以下の通りである。

ＳＦ_６ガス、Ｏ_２ガス、ＳｉＦ_４ガスの総量に対するＳｉＦ_４ガスの添加割合（以降、ＳｉＦ_４の割合とする）は、実験No．１，２が０．０％、実験No．３が４．８％、実験No．４が９．１％、実験No．５が１２．５％、実験No．６が１４．３％、実験No．７が１８．９％、実験No．８が２５．０％、実験No．９，１０が３３．３％、実験No．１１が３６．２％、実験No．１２が４０．０％である。

エッチングガスの組成は以下の通りである。実験No．１，２はＳＦ_６ガス、Ｏ_２ガス、及びＡｒガスの混合ガスである。実験No．３〜１２はＳＦ_６ガス、Ｏ_２ガス、ＳｉＦ_４ガス、及びＡｒガスの混合ガスである。

チャンバ３内の圧力（絶対圧力表記）は実験No．１〜１２で４Ｐａである。

アンテナ７に供給するパワーは実験No．１〜１２で１２００Ｗである。

下部電極としての金属ブロック１２に供給するバイアスのパワーは実験No．１〜１２で３５０Ｗである。

実験No．１〜１２について、ＳｉＣ（基板）のエッチングレート、ＳｉＯ_２（のマスク）のエッチングレート、選択比、及び寸法シフト（CD shift；Critical Dimension shift）を測定した。

選択比は、ＳｉＯ_２のマスクのエッチングレートに対するＳｉＣ基板のエッチングレートの比である。選択比が大きいことは、精度の良好なエッチングが可能であることを示す。

図３を参照すると、実線はエッチング加工後のＳｉＣ基板２２の外形を示し、点線はエッチング加工前のＳｉＣ基板２２の外形を示す。図３において、CD shiftはエッチング加工により広がったマスク４１の開口の幅方向の寸法差分である。すなわち、CD shiftはＤ２（エッチング後のマスク４１の開口の幅）−Ｄ１（エッチング前のマスク４１の開口の幅）で表される。CD shiftが小さいことは、エッチング加工による基板形状の加工精度が良好であることを示す。

図４〜６に、主な項目についてデータを成立した分布図を示す。

図４および図５は、ＳｉＦ_４の割合に対する、選択比とCD shiftを示す。図４より、高い選択比、すなわち実験No．１，２（比較例）における選択比の約２倍以上の選択比（例えば１０以上）は、ＳｉＦ_４の割合が１８．９％（２０％）以上で実現することができる。次に、図５より、例えば１００以下のCD shift、つまり良好な基板形状の加工精度は、ＳｉＦ_４の割合が１８．９％（２０％）以上で実現することができる。さらにＳｉＦ_４の割合が２５％以上であれば選択比がより大きくなるとともに、CD shiftはより小さくなる傾向がある。一方で、ＳｉＦ_４の割合が４０％を超えると、ＳｉＣ基板のエッチングに寄与するＳＦ_６ガス及びＯ_２ガスの作用が弱くなって、ＳｉＣ基板のエッチングレートが低下し、実用的ではない。以上より、選択比を向上させつつ、CD shiftを小さくして基板形状の加工精度を向上させるには、ＳｉＦ_４の割合は１８．９％（２０％）以上、４０％以下が好ましく、より好ましくは２５％以上、４０％以下である。

図６は、上述した選択比とCD shiftとの関係を示す。図６からも分かるように、ＳｉＦ_４の割合を調整して選択比を向上させることによってCD shiftも小さくなっている。

図７は、本発明の実施例における、エッチング後のＳｉＣ基板２の加工形状の概略断面図を示す。図７に示す本実施例（実験No．８）と、図３に示す比較例（実験No．１）とを比較すると、両例ともに同じ厚みＨ１のマスクを用いているにもかかわらず、略同じ深さのトレンチ２ａ、２２ａをエッチングによって形成したときに、図７に示す本実施例におけるマスク２１の厚みＨ３の方が、図３に示す比較例におけるマスク４１の厚みＨ２よりも大きくなっている。すなわち選択比が大きくなっている。さらに、比較例においては図３に示すように、マスク４１が深さ方向だけでなく幅方向にも大きく削られCD shiftが大きくなっているのに対し、本実施例においては図７に示すように、マスク２１は幅方向にあまり削られておらず、CD shiftは小さくなっている（エッチング後のマスク２１の開口の幅はＤ３（＜Ｄ２））。

ここで、ＳｉＦ_４ガスを添加することによる選択比向上の原理について説明する。

上述したように、本発明者らは比較例のドライエッチング方法における選択比低下の一因として、ＳｉＣ基板のエッチングにより生じたＣＯによってＳｉＯ_２のマスクのエッチングが促進されることを見出している。そこで、本発明者らは、マスクのエッチングに寄与するＣＯの反応性を抑制するために、ＳＦ_６ガスおよびＯ_２ガスを含むエッチングガス中にＳｉＦ_４ガスを添加することにより、チャンバ内におけるＳｉＦ_４の分圧を増加させることで、ＣＯの分圧を相対的に低下させている。ＣＯの分圧の低下により、マスク２１に対するＣＯのエッチング作用が弱くなるため、マスク２１のエッチングレートを低下させることができ、結果的に選択比を向上させることができる。

さらに、エッチングガス中にＳｉＦ_４ガスを添加した場合には以下に示す反応が促進される（化３）。

化３に示すように、エッチングガス中にＳｉＦ_４ガスを添加することで新たにＳｉＯ_２が生成される。このようにマスク２１と同じ成分であるＳｉＯ_２量の増加により、マスク２１のエッチングを抑制することができる。このようにして同様に選択比を向上させることができる。

本実施の形態にかかるＳｉＣ基板２のドライエッチング方法によれば、エッチングガス中にＳｉＦ_４を添加することで、マスク２１のエッチングに寄与するＣＯの分圧を低下させる作用、およびマスク２１と同じ成分であるＳｉＯ_２量を増加させる作用を併せ持ち、選択比を相乗的に向上させている。

特に、ＳＦ_６ガスおよびＯ_２ガスを含むエッチングガス中にＳｉＦ_４ガスを添加する際に、ＳＦ_６ガス、Ｏ_２ガス、ＳｉＦ_４ガスの総量に対するＳｉＦ_４ガスの添加割合を１８．９％（２０％）〜４０％、好ましくは２５％〜４０％とすることで、選択比を向上させつつ、基板の加工形状精度を向上させることができる。

また、図７に示すように、本実施の形態にかかるＳｉＣ基板２のドライエッチング方法では、エッチング時におけるマスク２１の厚みの変化量も小さいので、厚みの薄いマスク２１を用いたエッチングを実施することができる。これにより、マスク２１を生成するための成膜にかかる時間を短縮し、生産性を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。

なお、上記様々な実施の形態のうちの任意の実施の形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明は、ＳｉＯ_２によるマスクパターンが形成されたＳｉＣ基板に対するドライエッチング方法に適用することができる。

１ドライエッチング装置
２ＳｉＣ基板
２ａトレンチ
３チャンバ
３ａガス導入口
３ｂ排気口
４エッチングガス源
５減圧機構
６誘電体壁
７アンテナ
８Ａ，８Ｂ高周波電源
１１ステージ
１２金属ブロック

Claims

ＳｉＯ_２によるマスクパターンが形成されたＳｉＣ基板に対して、少なくともＳＦ_６ガス、Ｏ_２ガス、ＳｉＦ_４ガスを含むエッチングガスを使用して生成されるプラズマにより、プラズマエッチング処理を行う、ＳｉＣ基板のエッチング方法であって、
ＳＦ_６ガス、Ｏ_２ガス、ＳｉＦ_４ガスの総量に対するＳｉＦ_４ガスの添加割合が１８．９％以上、４０％以下である、ＳｉＣ基板のエッチング方法。
ＳＦ_６ガス、Ｏ_２ガス、ＳｉＦ_４ガスの総量に対するＳｉＦ_４ガスの添加割合が２５％以上４０％以下である、請求項１に記載のＳｉＣ基板のエッチング方法。