JP6579786B2 - プラズマエッチング方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマエッチング方法に関し、特に、硬度の高い炭化シリコン基板などの基板のエッチング加工制御に有効な技術に関する。

半導体の分野では、シリコン基板（Ｓｉ基板）が基板材料として広く用いられているが、近年、このシリコン基板よりも物性の優れた炭化シリコン基板（ＳｉＣ基板）が着目されている。

しかし、炭化シリコン基板は、基板の物理的な硬度が高く、化学的にも安定な難エッチング材料のため、エッチング加工制御が難しく、所望なエッチング形状を得ることは容易ではない。

そこで、炭化シリコン基板をエッチングする方法として、特許文献１には、１００００ｎｍを越える深いトレンチエッチングを実用性の高いプロセスにすると共に、トレンチ底部に電界集中を引き起こして耐圧特性に影響を及ぼす程度の鋭角を有する凹凸形状を形成することなく、平坦に整形することができるプラズマエッチング方法が開示されている。

このプラズマエッチングは、所定形状のマスクパターンを備えたシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）を炭化シリコン基板の表面に形成するマスク形成工程と、炭化シリコン基板を７０〜１００℃に加熱し、前記シリコン酸化膜をマスクとして、ＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＡｒガスの混合ガスにより前記炭化シリコン基板をプラズマエッチングする第１のエッチング工程と、炭化シリコン基板を７０〜１００℃に加熱し、前記シリコン酸化膜をマスクとして、Ｏ₂ガスとＡｒガスの混合ガスにより前記炭化シリコン基板をプラズマエッチングする第２のエッチング工程とを順次実施する。

また、特許文献２には、トレンチ側面の平坦性を向上させつつ、トレンチ底部におけるサブトレンチの形成を抑制できるプラズマエッチング方法が開示されている。このプラズマエッチング方法は、炭化シリコン基板の表面にアモルファス構造または多結晶構造を有する材料からなるエッチングマスクを形成する工程と、前記エッチングマスクが形成された前記炭化シリコン基板の表面に、ＨＢｒガスを含むエッチングガスを供給する。

さらに、特許文献３には、炭化シリコン基板を２００℃以上に加熱し、ＳｉＦ₄ガスまたはＳｉＣｌ₄ガスを含むシリコン系ガス、並びにＯ₂ガスまたはＮ₂ガスを含む混合ガスを処理室内に供給してプラズマ化し、酸化シリコン膜または窒化シリコン膜を保護膜として前記炭化シリコン基板に形成しつつ、ボウイング形状やサブトレンチの形成を抑制するプラズマエッチング方法が開示されている。

特許文献４には、シリコン酸化膜によるマスクパターンが形成された炭化シリコン基板に対して、ＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＳｉＦ₄ガスの混合ガスにより前記炭化シリコン基板をプラズマエッチングする方法が開示されている。この技術では、ＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＳｉＦ₄ガスの総流量に対するＳｉＦ₄ガスの添加割合が１８．９％以上４０％以下にすることで、前記シリコン酸化膜との選択比を向上させつつ、前記炭化シリコン基板の形状加工精度を向上させる。

特開２００８−２９４２１０号公報 特開２０１０−３９８８号公報 特開２０１３−２３９７５７号公報 特開２０１４−４４９７５号公報

しかしながら、特許文献１においては、第１のエッチング工程と第２のエッチング工程との２段階でエッチングしており、第１のエッチング工程だけではトレンチ底部にサブトレンチが形成される。

そのため、第２のエッチング工程でトレンチ底部を平坦にしているが、いかなる状態でもトレンチ底部が平坦にされるものではなく、またＳＦ₆ガスとＯ₂ガスを含む混合ガス中のＯ₂ガスの割合によっては、トレンチ底部のサブトレンチが大きくなったり、トレンチ側壁が大きくエッチングされ、ボウイング形状になってしまう恐れがある。

また、特許文献２および特許文献３においては、ＨＢｒガスを含むエッチングガスを供給することにより、トレンチ底部におけるサブトレンチの形成を抑制している。あるいは炭化シリコン基板を２００℃以上に加熱し、ＳｉＦ₄ガスまたはＳｉＣｌ₄ガスを含むシリコン系ガス、並びにＯ₂ガスまたはＮ₂ガスを含むエッチングガスを供給することにより、ボウイング形状やサブトレンチの形成を抑制している。

しかし、ＨＢｒガスによって発生する反応生成物は、トレンチ側壁に付着し易く再現が得られなかったり、炭化シリコン基板を２００℃以上にすると、場合によっては側壁にサイドエッチが進行してボウイング形状となり形状制御が難しいという問題がある。

特許文献４においては、ＳｉＦ₄ガスの添加によってマスクとの選択比を向上しつつトレンチ形状を形成しているが、ＳｉＦ₄ガスの割合によっては、炭化シリコン基板のエッチングレートが低下し、所望の深さまでエッチングできない恐れがある。

本発明の目的は、炭化シリコン基板にトレンチを形成するプラズマエッチング方法において、トレンチ底面に発生するサブトレンチやトレンチ側壁に発生するサイドエッチを抑制し、マスク材との高選択比および高エッチングレートを得ることができる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

すなわち、代表的なプラズマエッチング方法は、ＳＦ₆ガス、Ｏ₂ガス、およびＡｒガスの混合ガスをエッチング処理室に導入してプラズマを生成し、被処理基板をエッチングする第１のエッチング工程と、前記混合ガスを用いてプラズマを生成し、前記被処理基板に連続的な高周波電力を印加して前記被処理基板をエッチングする第２のエッチング工程と、を有する。

また、第１のエッチング工程は、前記被処理基板にパルス変調された高周波電力を印加する。特に、被処理基板の基板材料は、炭化シリコンである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

硬度の高い被処理基板を高精度にエッチング加工制御することができる。

実施の形態１によるプラズマエッチング装置における構成の一例を示す説明図である。 図１のプラズマエッチング装置によってエッチングされる被処理基板の構造の一例を示す説明図である。 パターニングされた図２の被処理基板の断面図である。 Ｏ₂ガスおよびＳＦ₆ガスの流量に対するプラズマエッチングによるトレンチ形状の一例を示す説明図である。 デューティー比に対するトレンチ形状の依存性の一例を示す説明図である。 第１のエッチング工程にて炭化シリコン基板がエッチングされるエッチング量と炭化シリコン基板を２０００ｎｍまでエッチングする処理時間との関係の一例を示した説明図である。 第１のエッチング工程のエッチング量に対する第２のエッチング工程を実施した際のエッチング形状の一例を示す説明図である。 実施の形態１による第１のエッチング工程および第２のエッチング工程におけるエッチング条件の一例を示す説明図である。 ＳｉＦ₄ガスの総流量に対する割合と炭化シリコン膜／シリコン酸化膜の選択比との関係を示す説明図である。 ＳｉＦ₄ガスの総流量割合に対するエッチング形状の一例を示す説明図である。 実施の形態２による第１のエッチング工程および第２のエッチング工程におけるエッチング条件の一例を示す説明図である。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

〈概要〉
本実施の形態による代表的なプラズマエッチング方法は、ＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＡｒガスの混合ガスを用いてプラズマを生成し、処理室内に設置する試料台の温度を４０〜１５０℃に制御する。また、時間的に変調した間欠的な周波数１ｋＨｚ〜２ＭＨｚで、デューティー比が２０〜５０％である高周波のバイアスを印加して、エッチング量が１５０〜２５０ｎｍとする第１のエッチング工程と、ＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＡｒガスなどの混合ガスを用いてプラズマを生成し、連続した高周波のバイアスを炭化シリコン基板に印加し、所望のエッチング量とする第２のエッチング工程とを順次実施する。

以下、実施の形態を詳細に説明する。

(実施の形態１)
〈プラズマエッチング装置の構成例〉
図１は、本実施の形態１によるプラズマエッチング装置における構成の一例を示す説明図である。本実施の形態では、プラズマを形成する技術として、マイクロ波と磁界を利用したマイクロ波エッチング装置を示している。

プラズマエッチング装置は、図１に示すように、アルミニウムまたはステンレス鋼などから構成される円筒状のエッチング処理室１０１を有し、被処理基板１１０を載置する試料台１０９が内設されている。

エッチング処理室１０１には、ガス導入部１０６から多孔構造、例えば石英からなる透過窓１０７を介して、ＳＦ₆（六フッ化硫黄、以下ＳＦ₆と記載）ガス、Ｏ₂（酸素、以下Ｏ₂と記載）ガス、Ａｒ（アルゴン、以下Ａｒと記載）、ＳｉＦ₄（四フッ化シリコン、以下ＳｉＦ₄と記載）ガスなどの混合ガスであるエッチングガスが供給される。

また、マイクロ波発生器１０２で発振されたマイクロ波は、整合器１０３および導波管１０４を介して伝送され、マイクロ波導入窓１０５によりエッチング処理室１０１にマイクロ波を伝播させて、エッチング処理室１０１に供給されたエッチングガスをプラズマ化する。

磁場発生用のソレノイドコイル１０８は、エッチング処理室１０１の周辺に配設されており、これにより発生する磁界と入射されるマイクロ波との相互作用により、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）が発生し、高密度プラズマを形成できる構造となっている。

エッチング処理室１０１には、試料台１０９があり、該試料台１０９の上に被処理基板１１０を載置して、マイクロ波とソレノイドコイル１０８により発生した磁場により生成されたガスプラズマにより被処理基板１１０をプラズマエッチングする。

被処理基板１１０を載置する試料台１０９には、高周波電源１１１が接続されている。この、高周波電源１１１は、４００ｋＨｚ程度から１３．５６ＭＨｚ程度の高周波バイアス電力を試料台１０９に供給する。

また、高周波電源１１１は、図示しないパルス発生器を備えており、時間変調された間欠的な高周波電力であるＴＭ（Ｔｉｍｅ Ｍｏｄｅｒａｔｉｏｎ）バイアス、あるいは連続的な高周波電力であるＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）バイアスを選択的に試料台１０９に供給する。

試料台１０９表面には、静電吸着電源１１２より直流電圧を印加することにより静電吸着力が発生し、その静電吸着力により、被処理基板１１０が試料台１０９表面に吸着される。

また、試料台１０９の表面には、溝が形成されており、試料台１０９表面に吸着された被処理基板１１０裏面との間で形成される図示しない流路に、冷却ガス供給口１１３からＨｅ（ヘリウム、以下Ｈｅと記載）ガス、Ａｒガス、Ｏ₂ガスなどの冷却ガスを供給し、流路内を所定圧力に維持できる構造となっている。

被処理基板１１０の表面の温度上昇は、流路におけるガス伝熱と接触面からの熱伝導にて、試料台１０９表面へ熱伝達され、一定温度に維持される。

被処理基板１１０を所定の温度に維持するため、試料台１０９に埋設された図示しない冷媒循環路には、チラーユニット１１４により所定の温度に制御された冷媒が循環される。

被処理基板１１０の周囲には、セラミックスや石英製の図示しない絶縁カバーが配置されている。なお、エッチング処理室１０１に導入されたエッチングガスは、プラズマエッチング処理中、排気ポンプ１１５および図示しない排気配管により、エッチング処理室１０１の外に排気される。

続いて、上記した図１のプラズマエッチング装置を用いたエッチング方法について説明する。

〈被処理基板の構造例〉
まず、エッチングされる被処理基板１１０の構造について、図２を用いて説明する。

図２は、図１のプラズマエッチング装置によってエッチングされる被処理基板１１０の構造の一例を示す説明図である。

被処理基板１１０は、図２に示すように、炭化シリコン基板２０３の上にシリコン酸化膜２０２と、リソグラフィー技術などによって予めパターンニングされたホトレジスト膜２０１とが形成されている。

〈ハードマスクの形成例〉
次に、ハードマスクの形成方法について説明する。ホトレジスト膜２０１をマスクに炭化シリコン基板２０３をエッチングすると、マスクとの選択比不足により所望の深さまでエッチングすることができない。よって、シリコン酸化膜２０２などのハードマスクを用いて炭化シリコン基板２０３をエッチングするのが一般的である。

ホトレジスト膜２０１のパターン形成後、プラズマエッチング装置にてホトレジスト膜２０１をマスクにして、シリコン酸化膜２０２をドライエッチングする。エッチング処理室１０１にＣＦ₄（四フッ化メタン、以下ＣＦ₄と記載）ガスとＣＨＦ₃（三フッ化メタン、以下ＣＨＦ₃と記載）ガスを導入し、所定の圧力でマイクロ波パワーと高周波電力を印加してエッチングする。

パターニングされたマスクの間口寸法は、本実施の形態では１０００ｎｍである。シリコン酸化膜２０２のドライエッチング後に、アッシング処理室において、プラズマ化されたＯ₂ガスよって、残ったホトレジスト膜２０１を除去し、図３に示すように、炭化シリコン基板２０３の上にパターニングされたシリコン酸化膜２０２が形成される。図３は、パターニングされた図２の被処理基板１１０の断面図である。

〈エッチング例〉
続いて、炭化シリコン基板２０３に対して、２０００ｎｍを越える深いトレンチ形状を形成するエッチング方法について説明する。このエッチング処理において、炭化シリコン基板２０３のプラズマエッチングは、２段階にエッチング条件を変化させて行うことを特徴とする。

まず、シリコン酸化膜２０２によりパターニングされた炭化シリコン基板２０３をエッチング処理室１０１内に搬入し、試料台１０９上に載置する。その後、エッチング処理室１０１内に供給するＳＦ₆ガス、Ｏ₂ガス、Ａｒガスの供給流量などを制御して第１のエッチング工程および第２のエッチング工程を順次実施する。

第１のエッチング工程は、トレンチ底面にサブトレンチがなく、トレンチ側壁が底面に対して垂直な、エッチング量１５０〜２５０ｎｍとするエッチング工程である。第２のエッチング工程は、保護膜を形成しつつトレンチ底面にサブトレンチがなく、トレンチ側壁が底面に対して垂直な、エッチング量２０００ｎｍ以上とするエッチング工程である。

上記した第１のエッチング工程では、炭化シリコン基板２０３を４０℃〜１５０℃程度の温度に制御し、ガス導入部１０６からＳＦ₆ガス、Ｏ₂ガス、Ａｒガスをエッチング処理室１０１内にそれぞれ供給する。そして、排気ポンプ１１５によってエッチング処理室１０１内を所定の圧力とし、高周波電源１１１によって試料台１０９に高周波バイアス電力を供給する。

なお、Ｏ₂ガスの流量は、ＳＦ₆ガス、Ｏ₂ガス、Ａｒガスの総流量に対する割合が１０％以下であり、ＳＦ₆ガスの流量は、ＳＦ₆ガス、Ｏ₂ガス、Ａｒガスの総流量に対する割合が５％以下にすることが好ましい。

図４は、Ｏ₂ガスおよびＳＦ₆ガスの流量に対するプラズマエッチングによるトレンチ形状の一例を示す説明図である。

例えばＯ₂ガスの供給流量が多い場合には、図４（ａ）に示すように、テーパ形状になる。また、ＳＦ₆ガスの供給流量が多い場合には、図４（ｂ）に示すように、ボウイング形状になるからである。

また、炭化シリコン基板２０３は、シリコン基板に比べて、原子間距離が短く、結合エネルギが高いため、エッチングするには大きなエネルギを加えなければならず、シリコン基板のエッチング時より高い高周波バイアス電力が必要になる。しかし、高い高周波バイアス電力にてエッチングを行うと、図４（ｃ）に示すように、トレンチ底面にサブトレンチが発生する。

これらのエッチング形状が好ましくない理由としては、次の工程でトレンチ内部に絶縁膜や電極を埋め込む際、巣が発生して側壁の膜厚が不均一になり、電界集中や応力が生じて素子の信頼性が低下したりなど、いずれも製品不良を招くからである。

そこで、炭化シリコン基板２０３に高周波バイアス電力を時間的に変調した間欠的な高周波電力、すなわちパルス変調された高周波電力であるＴＭバイアスを印加する。これによって、高垂直性で入射するイオンを発生させ、ＴＭバイアスのデューティー比および印加する周期により、反応生成物の付着時間を制御し、炭化シリコン基板２０３の底面に発生するサブトレンチを抑制することができる。なお、デューティー比とは、高周波バイアス電力の印加と停止のトータル時間を１００％とし、トータル時間に対する印加時間の比率である。

図５は、デューティー比に対するトレンチ形状の依存性の一例を示す説明図である。図５(ａ)は、デューティー比２０％の場合を示しており、図５(ｂ)は、デューティー比５０％を示している。図５(ｃ)は、デューティー比１００％、つまり連続的な高周波電力ＣＷバイアスの場合を示している。

この時の電力パワーは、全て１５０Ｗである。また、図５(ｄ)に印加方法の比較例として、ＣＷバイアスで電力パワー３０Ｗのトレンチ形状を示す。これは、図５(ａ)のＴＭバイアスの電力パワー１５０Ｗ、デューティー比２０％の平均バイアス電力パワーに相当する。

図５(ａ)と図５(ｂ)の結果より、デューティー比が２０〜５０％では、トレンチ底面にサブトレンチがなく、トレンチ側壁が底面に対して垂直なエッチング形状が得られた。また、図５(ｃ)と図５(ｄ)の結果より、ＣＷバイアスでは、電力パワー値に関わらず、トレンチ底面にサブトレンチが発生した。

ＴＭバイアスのデューティー比２０〜５０％において、トレンチ底面に発生するサブトレンチを抑制できた理由については、現時点では定かではないが、以下の様なメカニズムが推測される。

サブトレンチの発生は、一般的に、パターン側壁でのイオンの反射により、トレンチ底面の側壁近傍にイオンが集中して入射するため、図４の(ｃ)に示すように、パターン側壁のエッチング量がトレンチ底面の中央部より多くなる。

そこで、時間的に変調した間欠的なＴＭバイアス場合、バイアス印加が間欠的になるため、バイアス印加時は、前記記載と同じエッチングが進行するが、バイアス停止時は、イオンの入射がなくなるため、側壁近傍のイオンの集中も低減する。さらに、このバイアス停止期間中、エッチングで発生した反応生成物がトレンチ底面に付着して、トレンチ底面の保護として働くため、バイアス印加時にイオンが集中しても、偏ったエッチングを防止することができる。デューティー比を小さくすればするほど、トレンチ底面への反応生成物の付着時間が確保されるため、サブトレンチが減少することは言うまでのない。

しかしながら、高周波バイアスの電力パワーが一定で、デューティー比を小さくすると、高周波バイアス電力の印加時間が少なくなるため、炭化シリコン基板２０３のエッチングレートが遅くなり、実際の半導体デバイスの生産に適用することが困難であった。

そこで、試料台１０９に印加する高周波バイアス電力を２段階以上にて制御する方法が有効であることを見出した。すなわち、第１のエッチング工程では、サブトレンチを抑制するため、時間的に変調した間欠的なＴＭバイアスを印加し、炭化シリコン基板２０３を１５０〜２５０ｎｍまでエッチングを行う。

第２のエッチング工程では、速いエッチングレートを得るため、連続的なＣＷバイアスを印加し、炭化シリコン基板２０３を２０００ｎｍ以上のエッチングを行う。これにより、生産性に適用した炭化シリコン基板２０３のエッチングが可能となる。

図６は、第１のエッチング工程にて炭化シリコン基板２０３がエッチングされるエッチング量と炭化シリコン基板２０３を２０００ｎｍまでエッチングする処理時間との関係の一例を示した説明図である。

この図６では、２段階によって炭化シリコン基板２０３のエッチングを行っている。この図より、第１のエッチング工程でのエッチング量が多いほど、２０００ｎｍまでの処理時間が長くなり、エッチング量が２５０ｎｍを超えると、炭化シリコン基板２０３のエッチングレートが３００ｎｍ／ｍｉｎ以下となる。そのため、第１のエッチング工程でのエッチング量が多すぎると、デバイスの生産性に支障をきたすことになる。

図７は、第１のエッチング工程のエッチング量に対する第２のエッチング工程を実施した際のエッチング形状の一例を示す説明図である。図７(ａ)は、エッチング量５０ｎｍの場合を示しており、図７(ｂ)は、エッチング量１５０ｎｍの場合を示している。図７(ｃ)は、エッチング量２５０ｎｍの場合である。

〈エッチング条件〉
また、図８は本実施の形態１による第１のエッチング工程および第２のエッチング工程におけるエッチング条件の一例を示す説明図である。

エッチング量が１５０〜２５０ｎｍでは、トレンチ底面にサブトレンチがなく、トレンチ側壁が底面に対して垂直なエッチング形状が得られる結果となった。従って、エッチングの初期段階でサブトレンチがなく垂直なエッチング形状を形成すれば、その後、連続的なＣＷバイアスを印加しても、サブトレンチやボウイングを抑制することが可能となる。

例えば、図８に示すように、第１のエッチング工程では、ＳＦ₆ガス１４ｍｌ／ｍｉｎと、Ｏ₂ガス２０ｍｌ／ｍｉｎと、Ａｒガス２５０ｍｌ／ｍｉｎの混合ガスを用いる、また、高周波バイアス電力の印加方法はＴＭとし、高周波バイアス電力パワー１５０Ｗ、デューティー比２０％、周波数２０００Ｈｚとするエッチング条件で、炭化シリコン基板２０３を１５０ｎｍまでエッチングを行う。この時のエッチング時間は、予め炭化シリコン基板２０３のエッチングレートを調べて算出する。

引き続き、第２のエッチング工程では、図８に示すように、ＳＦ₆ガス１４ｍｌ／ｍｉｎと、Ｏ₂ガス２０ｍｌ／ｍｉｎと、Ａｒガス２５０ｍｌ／ｍｉｎの混合ガスを用いる。高周波バイアス電力の印加方法はＣＷとし、高周波バイアス電力パワー３００Ｗとするエッチング条件で、炭化シリコン基板２０３を２０００ｎｍまでエッチングを行う。この時のエッチング時間は、予め炭化シリコン基板２０３のエッチングレートを調べて算出する。

このようなプラズマエッチングにより、図７（ｂ）に示すように、トレンチ底面にサブトレンチがなく、トレンチ側壁が底面に対して垂直な、エッチング量２０００ｎｍのトレンチ形状を得ることができる。

以上により、トレンチ側壁に発生するサイドエッチを抑制することができる。また、マスク材との高選択比および高エッチングレートを得ることが可能となる。それにより、高精度のエッチング加工制御を行うことができる。

（実施の形態２）
本実施の形態２においては、前記実施の形態１の図１に示したプラズマエッチング装置を用いた他のエッチング方法について説明する。

〈被処理基板の構造例〉
最初に、被処理基板１１０の構造について説明する。被処理基板１１０は、前記実施の形態１の図２と同様であり、炭化シリコン基板２０３の上にシリコン酸化膜２０２と、リソグラフィー技術などによって予めパターンニングされたホトレジスト膜２０１とが形成されている。

続いて、ハードマスクの形成方法について説明する。

これは、前記実施の形態１と同様であり、ホトレジスト膜２０１のパターン形成後、図１のプラズマエッチング装置によりホトレジスト膜２０１をマスクにしてシリコン酸化膜２０２をドライエッチングする。エッチング処理室１０１にＣＦ₄ガスとＣＨＦ₃ガスを導入し、所定の圧力でマイクロ波パワーと高周波電力を印加してエッチングする。

パターニングされたマスクの間口寸法は、例えば１０００ｎｍである。シリコン酸化膜２０２のドライエッチング後に、アッシング処理室において、プラズマ化されたＯ₂ガスより、残ったホトレジスト膜２０１を除去し、図３に示すように、炭化シリコン基板２０３の上にパターニングされたシリコン酸化膜２０２が形成される。

〈エッチング例〉
続いて、炭化シリコン基板２０３に対して、２０００ｎｍを越える深いトレンチ形状を形成するエッチング方法について説明する。ここでも、前記実施の形態１と同様に、炭化シリコン基板２０３のプラズマエッチングは２段階にエッチング条件を変化させて行うことが特徴である。

まず、シリコン酸化膜２０２でパターニングされた炭化シリコン基板２０３をエッチング処理室１０１内に搬入し、試料台１０９上に載置する。その後、エッチング処理室１０１内に供給するＳＦ₆ガス、Ｏ₂ガス、Ａｒガスの供給流量などを制御して、第１および第２のエッチング工程を実施する。

第１のエッチング工程は、トレンチ底面にサブトレンチがなく、トレンチ側壁が底面に対して垂直な、エッチング量１５０〜２５０ｎｍとする工程であり、第２のエッチング工程は、保護膜を形成しつつトレンチ底面にサブトレンチがなく、トレンチ側壁が底面に対して垂直な、エッチング量２０００ｎｍ以上とするエッチング工程である。

第１のエッチング工程では、炭化シリコン基板２０３を４０℃〜１５０℃の温度に制御して、ガス導入部１０６からＳＦ₆ガス、Ｏ₂ガス、Ａｒガスをエッチング処理室１０１内にそれぞれ供給する。

また、排気ポンプ１１５によってエッチング処理室１０１内を所定の圧力とし、高周波電源１１１によって試料台１０９に時間的に変調した間欠的な高周波バイアス電力であるＴＭバイアスをデューティー比２０〜５０％にて供給する。

なお、Ｏ₂ガスの流量は、ＳＦ₆ガス、Ｏ₂ガス、Ａｒガスの総流量に対する割合が１０％以下であり、ＳＦ₆ガスの流量は、ＳＦ₆ガス、Ｏ₂ガス、Ａｒガスの総流量に対する割合が５％以下にすることが好ましい。これにより、トレンチ底面にサブトレンチがなく、トレンチ側壁が底面に対して垂直なエッチング形状が可能となる。

第２のエッチング工程では、炭化シリコン基板２０３を４０℃〜１５０℃の温度に制御し、ガス導入部１０６からＳＦ₆ガス、Ｏ₂ガス、Ａｒガスをエッチング処理室１０１内にそれぞれ供給し、排気ポンプ１１５によってエッチング処理室１０１内を所定の圧力とし、高周波電源１１１によって試料台１０９に連続的な高周波バイアス電力であるＣＷバイアスを供給する。

なお、炭化シリコン基板２０３に対して、生産性を向上のため、３００Ｗより高い高周波バイアス電力を印加すると、炭化シリコン膜のエッチングレートは向上するものの、シリコン酸化膜２０２の残膜量が低下し、マスク開口部２０４が広がってしまう。マスク開口部２０４が広がると、炭化シリコン基板２０３が削れてしまい、デバイスの製品不良を招く可能性がある。

そこで、本実施の形態２では、第２のエッチング工程において、ＳｉＦ₄ガスを添加する。これによって、マスク開口部２０４の寸法を維持しつつ、トレンチ底面にサブトレンチがなく、トレンチ側壁が底面に対して垂直なエッチング形状を形成し、更に炭化シリコン膜のエッチングレートを向上されることが可能である。

つまり、第２のエッチング工程のガス流量について、Ｏ₂ガスの流量は、ＳＦ₆ガス、Ｏ₂ガス、Ａｒガス、ＳｉＦ₄ガスの総流量に対する割合が１０％以下であり、ＳＦ₆ガスの流量は、ＳＦ₆ガス、Ｏ₂ガス、Ａｒガス、ＳｉＦ₄ガスの総流量に対する割合が５％以下である。ＳｉＦ₄ガスの流量は、ＳＦ₆ガス、Ｏ₂ガス、Ａｒガス、ＳｉＦ₄ガスの総流量に対する割合を２〜６％の範囲で添加することが好ましい。

図９は、ＳｉＦ₄ガスの総流量に対する割合と炭化シリコン膜／シリコン酸化膜の選択比との関係を示す説明図である。

ＳｉＦ₄ガスの総流量に対する割合が多いほど、炭化シリコン膜／シリコン酸化膜の選択比は増加する。但し、６％を超えると炭化シリコン膜のエッチングレートが低下し、それに伴って炭化シリコン膜／シリコン酸化膜の選択比が低下する。これは、ＳｉＦ₄ガスに含まれるシリコンの炭化シリコン膜への付着が、炭化シリコン膜のエッチングより上回るからである。

図１０は、ＳｉＦ₄ガスの総流量割合に対するエッチング形状の一例を示す説明図である。図１０(ａ)は、ＳｉＦ₄ガスの総流量割合０％の場合を示している。図１０（ｂ）は、ＳｉＦ₄ガスの総流量割合２％の場合を示している。図１０(ｃ)は、ＳｉＦ₄ガスの総流量割合６％を示しており、図１０(ｄ)は、ＳｉＦ₄ガスの総流量割合８％の場合を示している。

ＳｉＦ₄ガスの総流量割合が２〜６％では、マスク開口寸法を維持しつつ、トレンチ底面にサブトレンチがなく、トレンチ側壁が底面に対して垂直なエッチング形状が得られる結果となった。

通常、炭化シリコン膜／シリコン酸化膜の選択比が低いと、炭化シリコン基板２０３のエッチング時マスク材であるシリコン酸化膜２０２が薄くなり、マスク開口部２０４近傍におけるエッチング作用が活発となる。その結果、シリコン酸化膜２０２の横方向にもエッチングされ易くなる。そのため、図１０(ａ)のように、マスク開口部２０４が広がってしまう。

そこで、前述したようにＳｉＦ₄ガスを添加することによって、ＳｉＦ₄ガス中のＳｉとＯ₂ガス中のＯが反応して、新たなＳｉＯ₂膜が生成される。このようにマスク材と同じであるシリコン酸化膜の増加によりシリコン酸化膜２０２のエッチングを抑制することができる。

但し、ＳｉＦ₄ガスの添加量が多すぎると、炭化シリコン基板２０３のエッチングより反応生成物の付着の方が上回るため、図１０(ｄ)のように、テーパ形状が形成されてしまう。

従って、高周波バイアス電力３００Ｗ以上を印加しても、ＳｉＦ₄ガスの総流量割合が２〜６％であれば、マスク開口寸法を広げることなく、生産性の高い炭化シリコン基板２０３のエッチングが可能となる。

〈エッチング例〉
図１１は、本実施の形態２による第１のエッチング工程および第２のエッチング工程におけるエッチング条件の一例を示す説明図である。

例えば、図１１に示すように、第１のエッチング工程においては、第１の混合ガスとなるＳＦ₆ガス１４ｍｌ／ｍｉｎと、Ｏ₂ガス２０ｍｌ／ｍｉｎと、Ａｒガス２５０ｍｌ／ｍｉｎの混合ガスを用いる。

そして、高周波バイアス電力の印加方法をＴＭとし、高周波バイアス電力パワー１５０Ｗ、デューティー比２０％、周波数２０００Ｈｚとするエッチング条件で、炭化シリコン基板２０３を１５０ｎｍまでエッチングを行う。この時のエッチング時間は、予め炭化シリコン基板２０３のエッチングレートを調べて算出する。

引き続き、第２のエッチング工程では、第２の混合ガスとなるＳＦ₆ガス１４ｍｌ／ｍｉｎ、Ｏ₂ガス２０ｍｌ／ｍｉｎ、Ａｒガス２５０ｍｌ／ｍｉｎ、およびＳｉＦ₄ガス１０ｍｌ／ｍｉｎの混合ガスを用いる。また、高周波バイアス電力の印加方法はＣＷとし、高周波バイアス電力パワー４００Ｗとするエッチング条件で、炭化シリコン基板２０３を２０００ｎｍまでエッチングを行う。この時のエッチング時間は、予め炭化シリコン基板２０３のエッチングレートを調べて算出する。

このようなプラズマエッチングにより、図１０(ｃ)に示すように、トレンチ底面にサブトレンチがなく、トレンチ側壁が底面に対して垂直な、エッチング量２０００ｎｍのトレンチ形状を得ることができる。

なお、本実施の形態では、マイクロ波を用いたＥＣＲ方式のマイクロ波プラズマエッチング装置を用いたが、プラズマエッチング装置は、これに限定されるものではなく、ヘリコン波プラズマエッチング装置、誘導結合型プラズマエッチング装置、容量結合型プラズマエッチング装置などにも適用することができる。

また、上記した実施の形態は、一例を示したものであり、例えば、試料台構造、電源周波数、プラズマ密度、エッチングガス等の装置構成やプロセス条件によって、エッチング形状は変化するため、使用するエッチング装置、エッチングガスに応じて、最適値を選択することが望ましい。

以上においても、高精度のエッチング加工制御を行うことができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。

１０１ エッチング処理室
１０２ マイクロ波発生器
１０３ 整合器
１０４ 導波管
１０５ マイクロ波導入窓
１０６ ガス導入部
１０７ 透過窓
１０８ ソレノイドコイル
１０９ 試料台
１１０ 被処理基板
１１１ 高周波電源
１１２ 静電吸着電源
１１３ 冷却ガス供給口
１１４ チラーユニット
１１５ 排気ポンプ
２０１ ホトレジスト膜
２０２ シリコン酸化膜
２０３ 炭化シリコン基板
２０４ マスク開口部

Claims (3)

1. プラズマを用いて被処理基板をエッチングするプラズマエッチング方法において、
   ＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとＡｒガスの混合ガスを用い、前記被処理基板が載置された試料台にパルス変調された高周波電力を供給しながら前記被処理基板をエッチングする第一の工程と、
   前記第一の工程後、前記混合ガスを用い、前記試料台に連続的な高周波電力を供給しながら前記被処理基板をエッチングする第二の工程とを有し、
   前記第一の工程のエッチング量は、１５０ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲内の深さとなるエッチング量であり、
   前記混合ガスに対するＯ _２ ガスの流量比は、１０％以下であり、
   前記混合ガスに対するＳＦ _６ ガスの流量比は、５％以下であり、
   前記パルス変調のデューティー比は、２０％〜５０％の範囲内の値であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
2. 請求項１に記載のプラズマエッチング方法において、
   前記第二の工程のエッチング量は、２０００ｎｍ以上の深さとなるエッチング量であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のプラズマエッチング方法において、
   前記被処理基板の材料は、炭化シリコンであることを特徴とするプラズマエッチング方法。

Images