KR101083558B1 - 플라즈마 에칭 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 트렌치 형상에 대한 요구와 애스펙트비에 대한 요구를 동시에 만족할 수 있고, 또한, 매끄러운 형상의 측벽을 갖는 트렌치를 형성할 수 있는 플라즈마 에칭 방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로서, 하부 전극(120) 상에 실리콘 기판을 올려 놓고, 가스 도입구(140)를 통해서 에칭 가스를 공급하고, 배기구(150)로부터 배기하며, 고주파 전원(130a, 130b)으로부터 상부 전극(110) 및 하부 전극(120)에 각각 고주파 전력을 공급하여 에칭 가스를 ICP법에 의해 플라즈마화하고, 활성종을 생성시켜 실리콘 기판의 에칭을 진행시키며, 에칭 가스로서 SF6 가스를 주성분으로 하고, 이것에 O2 가스 및 He 가스를 첨가한 혼합 가스를 사용한다.

Description

플라즈마 에칭 방법{PLASMA ETCHING METHOD}
본 발명은, 플라즈마 에칭 방법에 관한 것으로, 특히 트렌치를 양호하게 형성하는 플라즈마 에칭 방법에 관한 것이다.
최근, 전자기기에 있어서의 소형화에 따라, 그것에 부수하는 반도체 디바이스도 소형화가 요구되어 오고 있다. 따라서, 반도체 디바이스의 소자 분리나 메모리·셀 용량 면적의 확보를 목적으로 하여 실리콘 기판에 형성되는 트렌치(홈)나 비아홀(구멍)에는, 예를 들면 40 이상의 고 애스펙트비(홈 또는 구멍의 깊이/홈 또는 구멍의 직경)가 요구된다. 그리고, 이러한 고 애스펙트비의 트렌치나 비아홀을 실리콘 기판에 형성하는 방법으로서, 에칭 가스를 플라즈마화하여 생긴 활성종(이온이나 라디칼)에 의해 실리콘 기판의 에칭을 행하는 플라즈마 에칭 방법이 있다. 트렌치와 비아홀의 플라즈마 에칭 메커니즘은 대개 동일하므로, 이하에서는 트렌치에 관해 서술한다.
그런데, 트렌치에는 고 애스펙트비가 요구되는 동시에, 도 10에 도시되는 바와 같은 측벽부의 경사각을 약 90도(수직)로 하는 것이 요구된다. 그러나, 고 애스펙트비의 트렌치를 실현하고자 하는 경우, 트렌치의 형상 제어가 곤란해지기 때문에, 트렌치 형상에 대한 요구와 애스펙트비에 대한 요구를 동시에 만족할 수 없 다는 문제가 있다. 즉, 플라즈마 에칭 방법에 의한 실리콘 기판의 에칭 공정에 있어서는, 전기적으로 중성인 라디칼이 실리콘 기판 표면에 등방적으로 입사하여, 사이드 에칭을 발생시키기 때문에, 특히 고 애스펙트비의 트렌치에 있어서는 이것이 현저해져서, 트렌치 형상이 소정의 형상으로 되지 않고 도 11에 도시되는 바와 같은 형상으로 되는 것이다.
이러한 문제를 해결하는 선행 기술로서, 예를 들면 특허문헌 1, 2에 기재된 플라즈마 에칭 방법이 있다.
이하, 특허문헌 1, 2에 기재된 플라즈마 에칭 방법에 의한 실리콘 기판의 에칭에 대해 도 12A∼도 12D에 따라 설명한다.
우선, 도 12A에 도시되는 바와 같이, 패턴 형성된 마스크(300)를 사용해, 에칭 가스를 플라즈마화하여 생긴 활성종에 의해 실리콘 기판(310)의 에칭을 행한다. 이 때, 이온은 음의 바이어스에 의해 가속되어 실리콘 기판(310) 표면에 수직으로 입사하여, 수직 방향으로 에칭을 진행시키고, 라디칼은 실리콘 기판(310) 표면에 등방적으로 입사하여, 상단 개구부의 마스크(300) 아래에 사이드 에칭을 발생시킨다.
다음에, 도 12B에 도시되는 바와 같이, 에칭에 대한 보호막(320)을, 트렌치 내의 실리콘 기판(310) 표면에 형성한다.
다음에, 도 12C에 도시되는 바와 같이, 다시 활성종에 의해 실리콘 기판(310)의 에칭을 행한다. 이 때, 트렌치 측벽은 보호막(320)으로 덮여져 있기 때문에, 라디칼에 의한 측면의 에칭은 진행되지 않고, 수직 방향의 에칭과 새롭게 나타 난 트렌치 측벽의 에칭이 진행된다.
다음에, 도 12D에 도시되는 바와 같이, 상기 도 12A∼도 12C의 공정을 반복한다.
이상과 같이 종래의 플라즈마 에칭 방법에 의하면, 에칭 공정을 복수회로 나누어 행하고, 에칭을 진행시키기 전에는 트렌치 측벽을 보호막으로 덮는다. 따라서, 에칭의 회수를 늘림으로써 고 애스펙트비의 트렌치를 형성할 수 있고, 트렌치 측벽의 에칭의 진행을 억제할 수 있기 때문에, 트렌치 형상에 대한 요구와 애스펙트비에 대한 요구를 동시에 만족할 수 있다.
특허문헌 1 : 일본국 특개소 60-50923호 공보
특허문헌 2 : 일본국 특개평 7-503815호 공보
그러나, 종래의 플라즈마 에칭 방법에서는, 에칭 공정과 보호막 형성의 공정이 반복하여 행해지기 때문에, 트렌치 측벽에 요철이 생긴다는 문제가 있다.
그래서, 본 발명은, 이러한 문제점을 감안하여, 트렌치 형상에 대한 요구와 애스펙트비에 대한 요구를 동시에 만족할 수 있고, 또한, 매끄러운 형상의 측벽을 갖는 트렌치를 형성할 수 있는 플라즈마 에칭 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 플라즈마 에칭 방법은, 처리실 내에서 Si로 이루어지는 피처리체를 플라즈마 에칭하는 방법으로서, 불소 화합물 가스 및 희가스를 포함하는 에칭 가스를 상기 처리실 내에 도입하고, 상기 에칭 가스를 플라즈마화하여 상기 피처리체를 에칭하는 것을 특징으로 한다. 여기에서, 상기 에칭 가스는, O2 가스를 더 포함하고, 상기 불소 화합물 가스는 SF6 가스여도 되고, 상기 희가스는, He 가스여도 되며, 상기 처리실 내에 도입하는 He 가스의 양은, 상기 에칭 가스의 총 유량에 대해 30% 이상이어도 되고, 상기 에칭 가스를 ICP법에 의해 플라즈마화해도 된다.
이것에 의해, 트렌치 내부의 가스가 외부로 추방되는 가스류를 발생시켜, 트렌치 내부의 반응 생성물 및 활성종의 체재 시간을 짧게 할 수 있기 때문에, 고 애스펙트비의 트렌치를 형성하는 경우에 있어서도, 트렌치에 사이드 에칭이 발생하거나, 트렌치의 끝이 가늘어지거나 하는 것을 억제할 수 있다. 요컨대, 트렌치 형상에 대한 요구와 애스펙트비에 대한 요구를 동시에 만족할 수 있는 플라즈마 에칭 방법을 실현할 수 있다. 또한, 1회의 에칭 공정에 의해 실리콘 기판에 트렌치를 형성할 수 있기 때문에, 트렌치 측벽에 요철이 생기는 것을 방지한다. 요컨대, 매끄러운 형상의 측벽을 갖는 트렌치를 형성할 수 있는 플라즈마 에칭 방법을 실현할 수 있다.
여기에서, 상기 처리실의 내벽은, 절연성 재료로 구성되어도 된다. 또, 상기 절연성 재료는, 석영, 알루미나, 알루마이트 가공된 알루미늄 모재(母材) 혹은 산화 이트륨이어도 된다.
이것에 의해, 플라즈마 밀도를 높게 유지하고, 에칭 레이트를 높게 유지하여, 트렌치에 대한 측벽 보호 효과가 저하하는 것을 방지할 수 있기 때문에, 트렌치에 사이드 에칭을 발생시키지 않고, 소정 형상의 트렌치를 형성할 수 있는 플라즈마 에칭 방법을 실현할 수 있다.
또, 상기 에칭 가스는, Cl2 가스를 더 포함해도 된다. 또, 상기 처리실 내에 도입하는 Cl2 가스의 양은, 상기 에칭 가스의 총 유량에 대해 10% 이하여도 된다.
이것에 의해, 에칭 가스는 Cl2를 포함하기 때문에, 트렌치 측벽 보호 효과가 너무 강했던 경우에, 트렌치의 바닥까지 보호하는 작용이 발생하여, 부분적으로 에칭이 저해되어 생기는 트렌치 바닥의 잔사(殘渣)를 저감할 수 있는 플라즈마 에칭 방법을 실현할 수 있다.
또, 상기 불소 화합물 가스는, SF6 가스 또는 NF3 가스이고, 상기 에칭 가스에 27㎒ 이상의 주파수의 전력을 인가하여 플라즈마화해도 된다.
이것에 의해, 트렌치에 대한 사이드 에칭의 진행을 억제할 수 있기 때문에, 트렌치에 사이드 에칭을 발생시키지 않고, 소정 형상의 트렌치를 형성할 수 있는 플라즈마 에칭 방법을 실현할 수 있다.
또, 상기 희가스는 He 가스이고, 상기 처리실 내에 도입하는 He 가스의 양은, 상기 에칭 가스의 총 유량에 대해 80% 이상이어도 된다.
이것에 의해, 트렌치에 대한 사이드 에칭의 진행을 더욱 억제할 수 있기 때문에, 소정 형상의 트렌치를 형성할 수 있는 플라즈마 에칭 방법을 실현할 수 있다.
또, 상기 에칭 가스는, 폴리머 생성 가스를 더 포함하고, 상기 불소 화합물은 SF6 가스이어도 되며, 상기 폴리머 생성 가스는 C4F8 가스, CHF3 가스, C5F8 가스 및 C4F6 가스 중 어느 하나여도 된다. 또, 상기 불소 화합물 가스는 SF6 가스이고, 상기 에칭 가스에 500KHz의 주파수의 전력을 인가하여 플라즈마화해도 된다.
이것에 의해, SOI 기판 등을 에칭할 때에, 절연성의 스토퍼층이 노출된 후에도 트렌치 측벽을 계속 보호할 수 있기 때문에, 트렌치에 사이드 에칭을 발생시키지 않고, 소정 형상의 트렌치를 SOI 기판 등에 형성할 수 있는 플라즈마 에칭 방법을 실현할 수 있다.
또, O2 가스를 포함하고, 불소 화합물 가스로서 SF6 가스를 사용한 에칭 가스를 이용하여 상기 피처리체를 에칭한 후에, 폴리머 생성 가스를 포함하고, 불소 화합물 가스로서 SF6 가스를 사용한 에칭 가스를 이용하여 상기 피처리체를 더 에칭해도 된다.
이것에 의해, 에칭에 의해 절연성의 스토퍼층이 노출될 때까지는, O2 가스를 사용한 에칭을 행하여 높은 에칭 속도를 실현하고, 에칭에 의해 스토퍼층이 노출된 후에는, 폴리머 생성 가스를 사용한 에칭을 행하여 사이드 에칭의 진행이 적은 에칭을 실현할 수 있다.
또, 상기 불소 화합물 가스는 CF4 가스여도 된다. 또, 상기 희가스는 Ar 가스여도 되고, 상기 처리실 내에 도입하는 Ar 가스의 양은, 상기 에칭 가스의 총 유량에 대해 50∼90%여도 된다.
이것에 의해, 반응성을 약하게 하고, 에칭 속도를 느리게 할 수 있으므로, 높은 치수 정밀도로 깊이가 얕은 고 애스펙트비의 트렌치를 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 에칭 방법에 의하면, 고 애스펙트비의 트렌치를 형성하는 경우에 있어서도, 트렌치에 사이드 에칭이 발생하거나, 트렌치의 끝이 가늘어지거나 하는 것을 억제할 수 있어, 트렌치 형상에 대한 요구와 애스펙트비에 대한 요구를 동시에 만족할 수 있다. 또, 매끄러운 형상의 측벽을 갖는 트렌치를 형성할 수 있다. 또한, 트렌치에 사이드 에칭을 발생시키지 않고, 소정 형상의 트렌치를 형성할 수 있다. 또, 높은 치수 정밀도로 깊이가 얕은 고 애스펙트비의 트렌치를 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의해, 트렌치 형상에 대한 요구와 애스펙트비에 대한 요구를 동시에 만족할 수 있고, 또한, 매끄러운 형상의 측벽을 갖는 트렌치를 형성할 수 있는 플라즈마 에칭 방법을 제공하는 것이 가능해져, 실용적 가치는 대단히 높다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 상기 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 있어서의 에칭 가스에 He 가스를 사용한 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 3A는 상기 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 있어서의 에칭 챔버의 내벽 에 절연성 재료를 사용한 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 3B는 상기 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 있어서의 에칭 챔버의 내벽에 절연성 재료를 사용한 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 5는 He량과 언더커트의 크기의 관계를 도시하는 도면이다.
도 6은 노치가 생긴 트렌치가 형성된 SOI 기판의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 9는 상기 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 있어서 실리콘 기판에 트렌치가 형성되는 모양을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 소정의 형상의 트렌치가 형성된 실리콘 기판의 단면도이다.
도 11은 사이드 에칭이 발생한 트렌치가 형성된 실리콘 기판의 단면도이다.
도 12A는 종래의 플라즈마 에칭 방법에 의한 실리콘 기판의 에칭을 설명하기 위한 도면이다.
도 12B는 종래의 플라즈마 에칭 방법에 의한 실리콘 기판의 에칭을 설명하기 위한 도면이다.
도 12C는 종래의 플라즈마 에칭 방법에 의한 실리콘 기판의 에칭을 설명하기 위한 도면이다.
도 12D는 종래의 플라즈마 에칭 방법에 의한 실리콘 기판의 에칭을 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 1100…에칭 챔버
110…상부 전극 120…하부 전극
130a, 130b, 730a, 730b, 1030a, 1030b, 1110a, 1110b…고주파 전원
140, 1120…가스 도입구 150, 1130…배기구
300…마스크 310, 910, 1150a…실리콘 기판
320…보호막 600…에칭 챔버 벽
610…플라즈마 900…노치
920…스토퍼층 1000…언더커트
1140…유전 코일 1150…전극
1150a…실리콘 기판 1160…유전판
1170…히터 1180…챔버 히터
이하, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 플라즈마 에칭 장치에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다.
(제1 실시 형태)
도 1은, 제1 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
플라즈마 에칭 장치는, 예를 들면 ICP(Inductively Coupled Plasma)형 에칭 장치로서, 진공의 에칭 챔버(100)와, 에칭 챔버(100) 내의 상부 전극(110) 및 하부 전극(120)과, 고주파 전원(130a, 130b)과, 가스 도입구(140)와, 배기구(150)를 구비한다.
에칭 챔버(100)는, 에칭이 행해지는 처리실로, 내벽이 예를 들면 석영, 알루미나, 알루마이트 가공된 알루미늄 모재 혹은 산화 이트륨 등의 절연성 재료로 이루어진다.
고주파 전원(130a, 130b)은, 예를 들면 13.56㎒의 고주파 전력을 공급한다.
가스 도입구(140)는, 에칭 챔버(100)에 가스를 공급한다.
배기구(150)는, 에칭 챔버(100) 내의 가스를 배기한다.
다음에, 트랜지스터 등의 반도체 장치의 제조에 있어서의 1공정으로서의 상기 플라즈마 에칭 장치를 사용한 실리콘 기판의 트렌치 가공에 대해, 이하에서 순서대로 설명한다.
우선, 하부 전극(120) 상에 실리콘 기판을 올려 놓고, 에칭 챔버(100) 내를 일정한 압력으로 유지하면서, 가스 도입구(140)를 통해서 에칭 가스를 공급하고, 배기구(150)로부터 배기한다. 여기에서, 에칭 가스는, 불소 화합물 가스, 예를 들면 SF6 가스를 주성분으로 하고, 이것에 첨가 가스, 예를 들면 O2 가스 및 희가스, 예를 들면 He 가스 등을 첨가한 혼합 가스이다. 또, He량은, 적으면 SF6 가스 및 O2 가스의 에칭 가스 중에서의 차지하는 비율이 커져 트렌치에 사이드 에칭을 발생 하거나, 트렌치의 끝이 가늘어지거나 하고, 또, 많으면 SF6 가스 및 O2 가스의 에칭 가스 중에서의 차지하는 비율이 작아져 에칭이 진행되지 않기 때문에, 총 유량에 대해 30% 이상이 되도록 조절한다. 또한, 첨가 가스는 CO나 CO2 등의 탄소 화합물이어도 되고, 또 희가스는, Ar 가스, Xe 가스, Ne 가스, Kr 가스여도 된다.
다음에, 고주파 전원(130a, 130b)으로부터 상부 전극(110) 및 하부 전극(120)에 각각 고주파 전력을 공급하여, 에칭 가스를 플라즈마화시킨다. F+ 이온, F 라디칼 등의 플라즈마 중의 활성종은, 실리콘 기판의 실리콘과 반응하여, SiF4, SiO2 등의 반응 생성물을 생성하고, 실리콘 기판을 에칭하여 트렌치를 형성한다. 이 때, 에칭 대상이 실리콘 기판인 것을 고려하여, 하부 전극(120)에 인가하는 RF 파워는, 낮게 예를 들면 약 50W로 설정한다.
이상과 같이 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 의하면, He 가스를 포함하는 에칭 가스를 사용해 실리콘 기판에 트렌치를 형성한다. 따라서, 도 2에 도시되는 바와 같이, 트렌치 내부의 가스가 외부로 추방되는 가스 류(流)를 발생시켜, 트렌치 내부의 반응 생성물 및 활성종의 체재 시간을 짧게 할 수 있으므로, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치는, 예를 들면 40 이상의 고 애스펙트비의 트렌치를 형성하는 경우에 있어서도, 트렌치에 사이드 에칭이 발생하거나, 트렌치의 끝이 가늘어지거나 하는 것을 억제할 수 있다. 요컨대, 트렌치 형상에 대한 요구와 애스펙트비에 대한 요구를 동시에 만족할 수 있는 플라즈마 에칭 장치를 실현할 수 있 다.
또, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 의하면, 1회의 에칭 공정에 의해 실리콘 기판에 트렌치를 형성한다. 따라서, 트렌치 측벽에 요철이 생기는 것을 방지할 수 있으므로, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치는, 매끄러운 형상의 측벽을 갖는 트렌치를 형성할 수 있는 플라즈마 에칭 장치를 실현할 수 있다.
또, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 의하면, O2 가스를 포함하는 에칭 가스를 사용해 실리콘 기판을 에칭한다. 따라서, 트렌치에 대한 측벽 보호 효과를 높일 수 있으므로, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치는, 트렌치에 사이드 에칭을 발생시키지 않고, 소정 형상의 트렌치를 형성할 수 있는 플라즈마 에칭 장치를 실현할 수 있다.
또, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 의하면, 에칭 챔버(100)의 내벽이 절연성 재료로 구성된다. 따라서, 도 3A에 도시되는 바와 같이 방전에 의해 생긴 전자의 에칭 챔버 벽(600)으로의 충돌에 의해 플라즈마(610)의 밀도가 낮아지지 않고, 도 3B에 도시되는 바와 같이 플라즈마(610)의 밀도를 높게 유지하여, 에칭 레이트를 높게 유지하고, 트렌치에 대한 측벽 보호 효과의 저하를 방지할 수 있으므로, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치는, 트렌치에 사이드 에칭을 발생시키지 않고, 소정 형상의 트렌치를 형성할 수 있는 플라즈마 에칭 장치를 실현할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 에칭 가스는, SF6 가스를 주성분으로 하고, 이것에 O2 가스 및 희가스를 첨가한 혼합 가스인 것으로 하였 다. 그러나, 에칭 가스에는, 또한 염소(Cl2) 가스가 예를 들면 총 유량의 10% 이하, 예를 들면 약 10% 첨가되어 있어도 된다. 이것에 의해, 트렌치 측벽 보호 효과가 너무 강했던 경우에, 트렌치의 바닥까지 보호하는 작용이 발생하여, 부분적으로 에칭이 저해되어 생기는 트렌치 바닥의 잔사를 저감할 수 있다.
또, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 에칭 가스는, SF6 가스를 주성분으로 하는 것으로 하였지만, NF3 가스를 주성분으로 해도 된다.
(제2 실시 형태)
상기 제1 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 에칭 가스로서 SF6 가스, O2 가스 및 희가스를 포함하는 혼합 가스를 사용해, 그 혼합 가스에 예를 들면 13.56㎒의 고주파수의 전력을 인가하는 것으로 하였다. 그러나, 에칭 가스로서 O2 가스를 포함하지 않은 혼합 가스, 요컨대 SF6 가스 등의 불소 화합물 가스 및 희가스를 포함하는 혼합 가스를 사용해, 그 혼합 가스에 27㎒ 이상의 고주파수의 전력을 인가해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
그래서, 제2 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 에칭 가스로서 SF6 가스 등의 불소 화합물 가스 및 희가스를 포함하는 혼합 가스를 사용해, 그 혼합 가스에 27㎒ 이상의 고주파수의 전력을 인가하였다. 이하, 제1 실시 형태와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 4는, 제2 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
플라즈마 에칭 장치는, 제1 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치와는 다른 고주파 전원을 갖고, 에칭 챔버(100)와, 상부 전극(110) 및 하부 전극(120)과, 고주파 전원(730a, 730b)과, 가스 도입구(140)와, 배기구(150)를 구비한다.
고주파 전원(730a, 730b)은, 27㎒ 이상의 고주파 전력, 예를 들면 소비 전력이 적은 27㎒의 고주파 전력을 공급한다.
다음에, 상기 플라즈마 에칭 장치를 사용한 실리콘 기판의 트렌치 가공에 대해, 이하에서 순서대로 설명한다.
우선, 하부 전극(120) 상에 실리콘 기판을 올려 놓고, 에칭 챔버(100) 내를 일정한 압력으로 유지하면서, 가스 도입구(140)를 통해서 에칭 가스를 공급하고, 배기구(150)로부터 배기한다. 여기에서, 에칭 가스는, SF6 가스 등의 불소 화합물 가스를 주성분으로 하고, 희가스, 예를 들면 He 가스 등의 가스를 첨가한 혼합 가스이다. 또, 트렌치에 대한 사이드 에칭의 진행의 정도, 요컨대 언더커트(도 11의 1000)의 크기는, He량에 대해 도 5에 도시되는 바와 같은 변화를 나타낸다. 즉, He량이 80%보다 작아지면 사이드 에칭의 진행 정도가 커진다. 따라서, He량은, 총 유량에 대해 80% 이상이 되도록 조절한다. 또한, 희가스는, Ar 가스, Xe 가스여도 된다.
다음에, 고주파 전원(730a, 730b)으로부터 상부 전극(110) 및 하부 전극(120)에 각각 고주파 전력을 공급하여, 에칭 가스를 플라즈마화시킨다. F+ 이온, F 라디칼 등의 플라즈마 중의 활성종은, 실리콘 기판의 실리콘과 반응하여, SiF4 등의 반응 생성물을 생성하고, 실리콘 기판을 에칭하여 트렌치를 형성한다.
이상과 같이 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 의하면, 제1 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치와 동일하게, 트렌치 형상에 대한 요구와 애스펙트비에 대한 요구를 동시에 만족할 수 있는 플라즈마 에칭 장치를 실현할 수 있다.
또, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 의하면, 제1 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치와 동일하게, 매끄러운 형상의 측벽을 갖는 트렌치를 형성할 수 있는 플라즈마 에칭 장치를 실현할 수 있다.
또, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 의하면, 에칭 가스에 27㎒ 이상의 고주파수의 전력을 인가하여 플라즈마화하여, 실리콘 기판을 에칭한다. 따라서, 트렌치에 대한 사이드 에칭의 진행을 억제할 수 있으므로, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치는, 트렌치에 사이드 에칭을 발생시키지 않고, 소정 형상의 트렌치를 형성할 수 있는 플라즈마 에칭 장치를 실현할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 에칭 가스는, SF6 가스를 주성분으로 하는 것으로 하였지만, NF3 가스를 주성분으로 해도 된다.
또, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 에칭 가스로서 SF6 가스, O2 가스 및 희가스를 포함하는 혼합 가스를 사용해, 그 혼합 가스에 27㎒ 이상의 고주파수의 전력을 인가해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
(제3 실시 형태)
상기 제1 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 에칭 가스로서 SF6 가스, O2 가스 및 희가스를 포함하는 혼합 가스를 사용하는 것으로 하였다. 그러나, 에칭 가스로서 SF6 가스 등의 불소 화합물 가스, 폴리머 생성 가스 및 희가스를 포함하는 혼합 가스를 사용해도 동일한 효과를 얻을 수 있고, 또한 SOI(Silicon On Insulator) 기판 등의 아래쪽에 절연성의 스토퍼층이 있는 실리콘 기판을 에칭하는 경우에 있어서의 사이드 에칭의 진행을 억제할 수 있다.
즉, 제1 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에서는, O2와 실리콘이 반응하여 생성되는 반응 생성물에 의해 트렌치 측벽을 보호하고 있다. 따라서, SOI 기판 등에 있어서 에칭에 의해 스토퍼층이 노출되면 반응 생성물의 생성이 멈춰 트렌치 측벽을 보호할 수 없게 되어, 도 6에 도시되는 바와 같은 노치(900)가 스토퍼층(920) 근방의 실리콘 기판(910)에 형성된다. 그러나, 에칭 가스로서 폴리머 생성 가스를 사용하면, 폴리머 생성 가스에 의해 생성된 폴리머에 의해 노치 측벽이 보호된다. 따라서, 스토퍼층이 노출되어도 폴리머의 생성은 멈추지 않고, 트렌치 측벽을 계속 보호할 수 있는 것이다.
그래서, 제3 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 에칭 가스로서 SF6 가스 등의 불소 화합물 가스, 폴리머 생성 가스 및 희가스를 포함하는 혼합 가스를 사용하였다. 이하, 제1 실시 형태와 다른 점을 중심으로 설명한다. 또한, 폴리머 생성 가스로서는, 예를 들면 C4F8 가스, CHF3 가스, C5F8 가스 및 C4F6 가스 등이 있 다.
도 7은, 제3 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
플라즈마 에칭 장치는, 제1 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치와 동일한 구성을 갖고, 에칭 챔버(100)와, 상부 전극(110) 및 하부 전극(120)과, 고주파 전원(1030a, 1030b)과, 가스 도입구(140)와, 배기구(150)를 구비한다.
다음에, 상기 플라즈마 에칭 장치를 사용한 SOI 기판의 트렌치 가공에 대해, 이하에서 순서대로 설명한다.
우선, 하부 전극(120) 상에 SOI 기판을 올려 놓고, 에칭 챔버(100) 내를 일정한 압력으로 유지하면서, 가스 도입구(140)를 통해서 에칭 가스를 공급하고, 배기구(150)로부터 배기한다. 여기에서, 에칭 가스는, SF6 가스 등의 불소 화합물 가스를 주성분으로 하고, 이것에 폴리머 생성 가스 및 희가스, 예를 들면 He 가스 등을 첨가한 혼합 가스이다. 또, He량은, 적으면 SF6 가스의 에칭 가스 중에서의 차지하는 비율이 커져 트렌치에 사이드 에칭을 발생하거나, 트렌치의 끝이 가늘어지거나 하고, 또, 많으면 SF6 가스의 에칭 가스 중에서의 차지하는 비율이 작아져 에칭이 진행되지 않으므로, 총 유량에 대해 30% 이상이 되도록 조절한다. 또한, 희가스는, Ar 가스, Xe 가스여도 된다.
다음에, 고주파 전원(1030a, 1030b)으로부터 상부 전극(110) 및 하부 전극(120)에 각각 저주파 전력을 공급하여, 에칭 가스를 플라즈마화시킨다. F+ 이온, F 라디칼 등의 플라즈마 중의 활성종은, SOI 기판의 실리콘과 반응하여, Si2F6 등의 반응 생성물을 생성하고, SOI 기판의 실리콘 기판을 스토퍼층이 노출될 때까지 에칭하여 트렌치를 형성한다.
이상과 같이 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 의하면, 제1 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치와 동일하게, 트렌치 형상에 대한 요구와 애스펙트비에 대한 요구를 동시에 만족할 수 있는 플라즈마 에칭 장치를 실현할 수 있다.
또, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 의하면, 제1 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치와 동일하게, 매끄러운 형상의 측벽을 갖는 트렌치를 형성할 수 있는 플라즈마 에칭 장치를 실현할 수 있다.
또, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 의하면, 폴리머 생성 가스를 포함하는 에칭 가스를 사용해 SOI 기판에 트렌치를 형성한다. 따라서, 스토퍼층이 노출된 후에도 트렌치 측벽을 계속 보호할 수 있기 때문에, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치는, 트렌치에 사이드 에칭을 발생시키지 않고, 소정 형상의 트렌치를 SOI 기판 등에 형성할 수 있는 플라즈마 에칭 장치를 실현할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 에칭 가스로서 SF6 가스, 폴리머 생성 가스 및 희가스를 포함하는 혼합 가스를 사용해, SOI 기판 등의 아래쪽에 스토퍼층이 있는 실리콘 기판을 에칭하는 경우에 있어서의 사이드 에칭의 진행을 억제하도록 하였다. 그러나, 에칭 가스로서 폴리머 생성 가스를 포함하지 않은 혼합 가스, 요컨대 불소 화합물 가스, 예를 들면 SF6 가스 및 희가스를 포함하 는 혼합 가스를 사용해도, 플라즈마 에칭 장치가 예를 들면 500KHz의 저주파 전력을 공급하는 저주파 전원을 구비하고, 에칭 가스에 500KHz의 저주파수의 전력을 인가하면 동일한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 제1 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에서는, 13.56㎒의 고주파의 전력을 사용하고 있기 때문에 양이온은 실리콘 기판에 저속으로 입사한다. 따라서, SOI 기판 등에 있어서 에칭에 의해 스토퍼층이 노출되면, 이미 입사된 양이온에 의해 대전된 스토퍼층에 의해 그 후 입사되는 양이온의 궤도가 구부러진다. 그러나, 500KHz의 저주파의 전력을 사용하면 양이온은 실리콘 기판에 고속으로 입사한다. 따라서, SOI 기판 등에 있어서 에칭에 의해 스토퍼층이 노출되어도 양이온의 궤도는 크게 구부러지지 않고, 트렌치 측벽을 계속 보호할 수 있는 것이다.
따라서, 에칭 가스에 500KHz의 저주파의 전력을 인가하여 플라즈마화함으로써, 소정 형상의 트렌치를 SOI 기판 등에 형성할 수 있는 플라즈마 에칭 장치를 실현해도 된다.
또, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 상기 폴리머 생성 가스를 사용한 에칭 혹은 저주파의 전력을 사용한 에칭에 의해 소정 형상의 트렌치를 SOI 기판 등에 형성할 수 있는 플라즈마 에칭 장치를 실현하는 것으로 하였다. 그러나, 예를 들면 50∼90% 이상 트렌치 가공될 때까지, SF6 가스, O2 가스 및 희가스를 포함하는 혼합 가스를 에칭 가스로서 사용해 제1 실시 형태와 같이 에칭을 행하고, 그 후, 나머지의 트렌치 가공을 위해서, 상기 폴리머 생성 가스를 사용한 에칭 혹 은 저주파의 전력을 사용한 본 실시 형태의 에칭을 행해도 된다.
이것에 의해, 에칭에 의해 스토퍼층이 노출될 때까지는, O2 가스를 사용한 에칭을 행하여 높은 에칭 속도를 실현하고, 에칭에 의해 스토퍼층이 노출된 후에는, 폴리머 생성 가스를 사용한 에칭을 행하여 사이드 에칭의 진행이 적은 에칭을 실현할 수 있다.
또, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 에칭 가스는, SF6 가스를 주성분으로 하는 것으로 하였지만, NF3 가스를 주성분으로 해도 된다.
(제4 실시 형태)
상기 제1 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 에칭 처리 개시 직후에 플라즈마가 안정될 때까지 트렌치 가공이 종료하면 트렌치의 깊이에 편차가 생긴다. 따라서, 깊이가 얕은, 예를 들면 200㎚ 이하의 트렌치를 형성하는 경우에는, 에칭 속도를 느리게 하여 플라즈마가 안정될 때까지 트렌치 가공이 종료하지 않도록 할 필요가 있다. 그러나, 제1 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에서는, 에칭 속도를 50㎚/min보다 느리게 할 수 없고, 깊이가 얕은 트렌치를 형성하는 경우에는, 플라즈마가 안정될 때까지 트렌치 가공이 종료해 버리기 때문에, 높은 치수 정밀도로 깊이가 얕은 트렌치를 형성할 수 없다. 이 때, 에칭 속도를 느리게 하는 방법으로서 하부 전극에 인가하는 RF 파워를 낮게 하는 방법을 생각할 수 있지만, RF 파워가 낮아지면 플라즈마 밀도가 낮아지기 때문에, 원하는 라디칼·이온을 얻는 것이 곤란해지고, 또, 방전이 불안정해지므로, 이 방법에서는 새로운 문제가 생긴 다.
그래서, 제4 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 에칭 가스로서 불소 화합물 가스, 예를 들면 CF4 가스 및 희가스를 포함하는 혼합 가스를 사용하였다. 이하, 제1 실시 형태와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 8은, 제1 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
플라즈마 에칭 장치는, 예를 들면 ICP형 에칭 장치로서, 진공의 에칭 챔버(1100)와, 고주파 전원(1110a, 1110b)과, 가스 도입구(1120)와, 배기구(1130)와, 스파이럴·안테나 형상의 유전 코일(1140)과, 실리콘 기판(1150a)이 올려 놓여지는 전극(1150)과, 석영판 등의 유전판(1160)과, 히터(1170)와, 챔버 히터(1180)를 구비한다.
에칭 챔버(1100)는, 에칭이 행해지는 처리실이다.
고주파 전원(1110a, 1110b)은, 예를 들면 13.56㎒의 고주파 전압을 유전 코일(1140) 및 전극(1150)에 인가한다.
가스 도입구(1120)는, 에칭 챔버(1100)에 가스를 공급한다.
배기구(1130)는, 에칭 챔버(1100) 내의 가스를 배기한다.
다음에, 상기 플라즈마 에칭 장치를 사용한 실리콘 기판의 트렌치 가공에 대해, 이하에서 순서대로 설명한다.
우선, 전극(1150) 상에 실리콘 기판(1150a)을 올려 놓고, 에칭 챔버(1100) 내를 일정한 압력으로 유지하면서, 가스 도입구(1120)를 통해서 에칭 가스를 공급 하고, 배기구(1130)로부터 배기한다. 여기에서, 에칭 가스는, CF4 가스 등의 불소 화합물 가스를 주성분으로 하고, 이것에 희가스, 예를 들면 Ar 가스 등을 첨가한 혼합 가스이다. 또, Ar량은, 적으면 CF4 가스의 에칭 가스 중에서의 차지하는 비율이 커져 트렌치에 사이드 에칭을 발생하거나, 트렌치의 끝이 가늘어지거나 하고, 또, 많으면 CF4 가스의 에칭 가스 중에서의 차지하는 비율이 작아져 에칭이 진행되지 않기 때문에, 총 유량에 대해 50∼90%가 되도록 조절한다. 또한, 희가스는, He 가스, Xe 가스여도 된다.
다음에, 고주파 전원(1110a, 1110b)으로부터 유전 코일(1140) 및 전극(1150)에 각각 고주파 전력을 공급하여, 에칭 가스를 플라즈마화시킨다. F+ 이온, F 라디칼 등의 플라즈마 중의 활성종은, 도 9에 도시되는 바와 같이, 실리콘 기판의 실리콘과 반응하여, SiFx, Si2F6 등의 반응 생성물을 생성하고, 실리콘 기판을 에칭하여 트렌치를 형성한다.
이상과 같이 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 의하면, Ar 가스를 포함하는 에칭 가스를 사용해 실리콘 기판에 트렌치를 형성한다. 따라서, 트렌치 내부의 가스가 외부로 추방되는 가스류를 발생시켜, 트렌치 내부의 반응 생성물 및 활성종의 체재 시간을 짧게 할 수 있으므로, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치는, 예를 들면 40 이상의 고 애스펙트비의 트렌치를 형성하는 경우에 있어서도, 트렌치에 사이드 에칭이 발생하거나, 트렌치의 끝이 가늘어지거나 하는 것을 억제할 수 있다. 요컨대, 트렌치 형상에 대한 요구와 애스펙트비에 대한 요구를 동시에 만족할 수 있는 플라즈마 에칭 장치를 실현할 수 있다.
또, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 의하면, 1회의 에칭 공정에 의해 실리콘 기판에 트렌치를 형성한다. 따라서, 트렌치 측벽에 요철이 생기는 것을 방지할 수 있으므로, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치는, 매끄러운 형상의 측벽을 갖는 트렌치를 형성할 수 있는 플라즈마 에칭 장치를 실현할 수 있다.
또, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치에 의하면, SF6 가스에 비해 라디칼을 해리시킬 정도의 작은 CF4 가스를 주성분으로 하고, 이것에 Ar 가스를 첨가한 혼합 가스를 에칭 가스에 사용해 실리콘 기판에 트렌치를 형성한다. 따라서, 반응성을 약하게 하여, 에칭 속도를 50㎚/min보다 느리게, 예를 들면 12㎚/min으로 할 수 있으므로, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치는, 높은 치수 정밀도로 예를 들면 200㎚ 이하의 깊이가 얕은 고 애스펙트비의 트렌치를 형성할 수 있는 플라즈마 에칭 장치를 실현할 수 있다. 즉, 2000㎚/min의 에칭 속도로 100㎚의 깊이의 트렌치를 형성하는 경우, 에칭은 약 3sec에서 종료하기 때문에, 플라즈마가 안정될 때까지의 시간의 샘플 사이에서의 편차가 약 1sec인 것을 고려하면, 에칭 깊이의 편차는 약 30%가 되어, 깊이 편차로서 허용되는 약 5%를 넘지만, 20㎚/min의 에칭 속도로 100㎚의 깊이의 트렌치를 형성하는 경우, 동일한 계산으로 에칭 깊이의 편차는 약 0.3%가 되어, 약 5%를 넘지 않기 때문에, 본 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치는, 깊이 방향적으로 상당히 고정밀도인 제어를 가능하게 하는 것이다.
본 발명은, 플라즈마 에칭 방법에 이용할 수 있고, 특히 반도체 장치의 트렌치 가공에 있어서의 반도체 기판의 에칭 등에 이용할 수 있다.

Claims (19)

  1. 처리실 내에 있어서 Si로 이루어지는 피처리체를 플라즈마 에칭하는 방법으로서,
    불소 화합물 가스로서의 SF6 가스 또는 NF3 가스 및 He 가스를 포함하고, O2 가스를 포함하지 않는 에칭 가스를 상기 처리실 내에 도입하고, 상기 에칭 가스에 27㎒ 이상의 주파수의 전력을 인가하여 상기 에칭 가스를 플라즈마화해서, 상기 피처리체를 에칭하고,
    상기 처리실 내에 도입하는 He 가스의 양은, 상기 에칭 가스의 총 유량에 대해 80% 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 처리실의 내벽은, 절연성 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 절연성 재료는, 석영, 알루미나, 알루마이트(alumite) 가공된 알루미늄 모재, 산화 이트륨 혹은 실리콘 카바이드, 질화 알루미늄인 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 에칭 가스는, Cl2 가스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 처리실 내에 도입하는 Cl2 가스의 양은, 상기 에칭 가스의 총 유량에 대해 10% 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 에칭 가스는, 폴리머 생성 가스를 더 포함하고,
    상기 불소 화합물은, SF6 가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 폴리머 생성 가스는, C4F8 가스, CHF3 가스, C5F8 가스 및 C4F6 가스 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 방법.
  13. 삭제
  14. 처리실 내에서 SOI 기판을 플라즈마 에칭하는 방법으로서,
    SF6 가스, He 가스 및 O2 가스를 포함하고, 폴리머 생성 가스를 포함하지 않는 제1 에칭 가스를 상기 처리실 내에 도입하여, 상기 제1 에칭 가스를 플라즈마화하고, 상기 SOI 기판의 실리콘을 상기 SOI 기판의 스토퍼층이 노출할 때까지 에칭하여 트렌치를 형성하는 제1 에칭과,
    상기 제1 에칭에 이어서, SF6 가스, He 가스 및 폴리머 생성 가스를 포함하고, O2 가스를 포함하지 않는 제2 에칭 가스를 상기 처리실 내에 도입하고, 상기 제2 에칭 가스에 27MHz 이상의 주파수의 전력을 인가하여 상기 제2 에칭 가스를 플라즈마화해서, 상기 트렌치 내의 상기 SOI 기판의 실리콘을 에칭하는 제2 에칭을 포함하고,
    상기 제2 에칭에 있어서, 상기 처리실 내에 도입하는 He 가스의 양은, 상기 제2 에칭 가스의 총 유량에 대해 80% 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 청구항 1에 있어서, 상기 에칭 가스를 ICP법에 의해 플라즈마화하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 방법.
  19. 실리콘 기판을 에칭하는 장치로서,
    청구항 1 또는 14에 기재된 플라즈마 에칭 방법을 사용해 상기 실리콘 기판에 트렌치를 형성하는 것을 특징으로 하는 에칭 장치.
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