(57)【要約】      （修正有）【課題】シリコン基板のエッチング加工、特に立体型構造体を作製するためのエッチング加工において、マスク選択比の向上を可能とし、さらには高選択性と垂直加工形状との両立を可能とするドライエッチング方法を提供する。【解決手段】真空可能なチャンバ１０内に配置されたサセプタ１２上にシリコン基板Ｗを載置し、チャンバ１０内でエッチングガスを放電させてプラズマを生成し、サセプタ１２にイオンを引き込むための第１の高周波ＲＦLを印加する。そして、自己バイアス電圧の絶対値を２８０Ｖ以下に選び、圧力（mTorr）をｘ、サセプタ１２におけるバイアスＲＦパワー密度（ワット／ｃｍ２）をｙとすると、ｙ＜８ｘ＋１２０の関係が満たされるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空可能な処理容器内に配置された第１の電極上にシリコン基板を載置し、前記処理容器内でエッチングガスを放電させてプラズマを生成し、前記第１の電極に前記プラズマからイオンを引き込むための第１の高周波を印加し、前記プラズマの下でシリコンを含む無機物質のマスクを用いて前記シリコン基板をエッチングするドライエッチング方法であって、
前記第１の電極に生成される自己バイアス電圧の絶対値が２８０Ｖ以下であり、
前記処理容器内の圧力（mTorr）をｘ、前記第１の電極における単位面積当たりの前記第１の高周波のパワー密度（ワット／ｃｍ2）をｙとすると、下記の式（１）の関係が満たされることを特徴とするドライエッチング方法。
ｙ≦０．０１１４ｘ＋０．１７１        ・・・（１）
【請求項２】
前記第１の電極に生成される自己バイアス電圧の絶対値が８０Ｖ〜２８０Ｖである請求項１に記載のドライエッチング方法。
【請求項３】
前記処理容器内の圧力が３mTorr〜１００mTorrである請求項１または請求項２に記載のドライエッチング方法。
【請求項４】
前記エッチングガスのエッチャントガスがハロゲンガスである請求項１〜３のいずれか一項に記載のドライエッチング方法。                                                      
【請求項５】
前記ハロゲンガスが塩素ガスである請求項４に記載のドライエッチング方法。
【請求項６】
前記第１の電極の温度が８５℃以上である請求項１〜５のいずれか一項に記載のドライエッチング方法。
【請求項７】
真空可能な処理容器内に配置された第１の電極上にシリコン基板を載置し、前記処理容器内でエッチングガスを放電させてプラズマを生成し、前記第１の電極に前記プラズマからイオンを引き込むための第１の高周波を印加し、前記プラズマの下でシリコンを含む無機物質のマスクを用いて前記シリコン基板をエッチングするドライエッチング方法であって、
前記第１の電極の温度を８５℃以上に設定し、
前記エッチングガスにハロゲンガスと酸素ガスを含む混合ガスを用いる、
ことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項８】
前記第１の電極に生成される自己バイアス電圧の絶対値が２８０Ｖ以上である請求項７に記載のドライエッチング方法。
【請求項９】
前記第１の電極の温度を高くするにつれて前記ハロゲンガスに対する前記酸素ガスの混合比を大きくする請求項８に記載のドライエッチング方法。
【請求項１０】
前記第１の電極の温度が８５℃〜１００℃であり、前記酸素ガスの混合比が５％〜１０％である請求項７〜９のいずれか一項に記載のドライエッチング方法。
【請求項１１】
前記第１の電極の温度が１００℃〜１５０℃であり、前記酸素ガスの混合比が１０％〜１５％である７〜９のいずれか一項に記載のドライエッチング方法。
【請求項１２】
前記ハロゲンガスが塩素ガスである請求項７〜１１のいずれか一項に記載のドライエッチング方法。
【請求項１３】
前記プラズマの電子密度が１×１０10／ｃｍ3以上である請求項１〜１２のいずれか一項に記載のドライエッチング方法。
【請求項１４】
前記処理容器内で前記第１の電極と所定の間隔を隔てて平行に向かい合う第２の電極が設けられ、前記エッチングガスを放電させるための第２の高周波が前記第１の電極または前記第２の電極に印加される請求項１〜１３のいずれか一項に記載のドライエッチング方法。
【請求項１５】
前記第１の高周波の周波数が２ＭＨｚ〜１３．５６ＭＨｚであり、前記第２の高周波の周波数が４０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚである請求項１４に記載のドライエッチング方法。
【請求項１６】
前記エッチングによって前記シリコン基板の主面に円柱状または直方体形状の立体型素子本体を形成する請求項１〜１５のいずれか一項に記載のドライエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを用いてシリコン基板をエッチング加工するドライエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造では、シリコン基板上に所定の薄膜を形成する工程とその薄膜をリソグラフィを経てドライ（プラズマ）エッチングによりパターニング加工する工程とが数多く繰り返されるが、製造工程の初期段階でシリコン基板そのもののドライエッチングもよく行われている。
【０００３】
これまでの代表的なシリコン基板のドライエッチングは、素子分離用の溝状トレンチあるいはキャパシタ用の穴状トレンチを形成するＳiトレンチのエッチングである。Ｓiトレンチのエッチングでは、トレンチの縦横比（アスペクト比）やトレンチ縦断面形状の制御が重視され、特にトレンチの内壁が樽状にえぐれるボウイングエッチングや、底にいくほど溝が狭まるテーパエッチング、あるいはマスク下のエッチング（サイドエッチング）等の抑制が重要課題になっている。さらに、深いエッチングパターンの寸法精度を上げるうえで、エッチングマスクに対するシリコン基板のエッチング速度の比つまりマスク選択比を十分高くすることも重要である。
【０００４】
このような技術的課題を解決するために、エッチングガスには臭化水素（ＨＢr）のような水素を含んだハロゲン化合物ガス、あるいはＣｌ2などのハロゲンガスにＣＨＦ3などのハイドロフルオロカーボンガスを添加した混合ガスが用いられている。また、エッチングマスクの材質には、レジストあるいはシリコン酸化膜（ＳiＯ2）が用いられている。エッチング装置にはプラズマ中のイオンに方向性を持たせて被エッチング材（シリコン基板）と反応させる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置が多用されている。
【特許文献１】特開２００３−２１８０９３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、シリコン基板上に作製される半導体デバイスの高集積化や高性能化に伴って、デバイスを構成する半導体素子は略０．７倍のスケーリング則で微細化している。そして、現在の半導体製品に適用されている６５ｎｍ、４５ｎｍのデザインルール（設計基準）は次世代の開発製品で３２ｎｍ程度となり、次々世代においては２２ｎｍ程度になると予想されている。
【０００６】
デバイス設計基準が次々世代の２２ｎｍ程度になると、ＬＳＩを構成する基本的な半導体素子である絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）は、そのチャネル領域およびソース・ドレイン領域がこれまでのシリコン基板主面に平面的に作製される二次元構造（平面構造）から立体的に作製される三次元構造（立体構造）に変わる可能性が高い。この立体構造では、チャネル領域が基板主面上に突出して延びるフィンあるいはピラーの側壁に形成され、ソース・ドレイン領域はチャネル領域を挟んでチャネル長手方向の両側に形成される。ここで、フィンやピラーのような立体型の素子本体は、シリコン基板の主面を１００ｎｍ以上の深さにエッチング加工して得られる。
【０００７】
このような立体型素子本体のエッチング加工においては、従来のＳiトレンチエッチングとは異なり、被エッチング側壁がＭＩＳＦＥＴのチャネル領域として使われる部位になるため、イオンの侵入で結晶格子が破壊されると、ＭＩＳＦＥＴの性能が著しく低下する。このことから、イオンの垂直性が高いプロセスであることが望まれ、エッチングガスにはＳiＯ2やＳiＮとの選択比が得やすい炭素を含まないハロゲン系の単ガス、特にＣｌ2ガスが好適に用いられる。
【０００８】
ところが、エッチングガスにハロゲン系の単ガスを使用し、エッチングマスクにシリコンを含む無機膜を使用するシリコン基板のエッチングにおいて、イオン照射によるスパッタエッチングが主たるエッチング機構の場合、マスク選択性を向上させることは難しく、更に高選択性と垂直加工形状とを両立させることは尚一層難しい。
【０００９】
しかるに、立体型素子本体のエッチング加工はトレンチエッチングよりも高いマスク選択比および垂直加工形状を必要とするので、問題となっている。
【００１０】
本発明は、上述した実状に鑑みてなされたもので、シリコン基板のエッチング加工、特に立体型構造体を作製するためのエッチング加工において、マスク選択比の向上を可能とし、さらには高選択性と垂直加工形状との両立を可能とするドライエッチング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の観点におけるドライエッチング方法は、真空可能な処理容器内に配置された第１の電極上にシリコン基板を載置し、前記処理容器内でエッチングガスを放電させてプラズマを生成し、前記第１の電極に前記プラズマからイオンを引き込むための第１の高周波を印加し、前記プラズマの下でシリコンを含む無機物質のマスクを用いて前記シリコン基板をエッチングするドライエッチング方法であって、前記第１の電極に生成される自己バイアス電圧の絶対値が２８０Ｖ以下であり、前記処理容器内の圧力（mTorr）をｘ、前記第１の電極における単位面積当たりの前記第１の高周波のパワー密度（ワット／ｃｍ2）をｙとすると、下記の式（１）の関係が満たされるようにする。
ｙ≦０．０１１４ｘ＋０．１７１        ・・・（１）
【００１２】
本発明者は、シリコン基板のドライエッチング、特にシリコン基板の主面に立体型素子本体のような立体型構造体を形成するドライエッチングにおいて、(i)被エッチング体の側壁にイオン衝撃またはイオン入射のダメージを与えないこと、(ii) 側壁の垂直形状加工性がすぐれていること、(iii)マスク選択性が十分高いこと３つの要件を満たすためのプロセス条件について、幾多の実験を重ねて鋭意検討した結果、自己バイアス電圧の絶対値が２８０Ｖ以下であり、かつ処理容器内の圧力とバイアスＲＦパワー密度との間に上記の式（１）で規定される相関関係が満たされることによって、上記(i)(ii)(iii）の加工要件を上手く適えられることを突き止めた。
【００１３】
上記第１の観点によるドライエッチング方法においては、処理容器内の圧力に特に制限はないが、３mTorr〜１００mTorrの範囲内で選定するのが好ましい。また、自己バイアス電圧の絶対値は、２８０Ｖ以下の比較的低い領域（特に１５０Ｖ以下）が望ましいが、低すぎるとイオン照射によるエッチング機構が働かなくなるので、８０Ｖ以上とするのが好ましい。
【００１４】
また、エッチングガスのエッチャントガスとしてはハロゲンガスが好ましく、特に塩素ガスが最も好ましい。ハロゲンガスと不活性ガスとの混合ガスも使用できるが、Ｃｌ2の単ガスが最も好ましい。
【００１５】
第１の電極の温度（つまりシリコン基板の温度）は比較的高い方が望ましく、８５℃以上が好ましい。
【００１６】
本発明の第２の観点におけるドライエッチング方法は、真空可能な処理容器内に配置された第１の電極上にシリコン基板を載置し、前記処理容器内でエッチングガスを放電させてプラズマを生成し、前記第１の電極に前記プラズマからイオンを引き込むための第１の高周波を印加し、前記プラズマの下でシリコンを含む無機物質のマスクを用いて前記シリコン基板をエッチングするドライエッチング方法であって、前記第１の電極の温度を８５℃以上に設定し、前記エッチングガスにハロゲンガスと酸素ガスとを含む混合ガスを用いる。
【００１７】
本発明者は、シリコン基板のドライエッチング、特にシリコン基板の主面に立体型素子本体のような立体型構造体を形成するドライエッチングにおいて、(i)被エッチング体の側壁にイオン衝撃またはイオン入射のダメージを与えないこと、(ii) 側壁の垂直形状加工性がすぐれていること、(iii)マスク選択性が十分高いこと３つの要件を満たすためのプロセス条件について、幾多の実験を重ねて鋭意検討した結果、第１の電極の温度を８５℃以上に設定し、かつエッチングガスにハロゲンガス（好適にはＣｌ2ガス）と酸素ガスを含む混合ガスを用いることによって、上記(i)(ii)(iii）の加工要件を上手く適えられることを突き止めた。
【００１８】
上記第２の観点によるドライエッチング方法においては、反応生成物のＳiＯ2が被エッチング面に堆積する作用とのバランスで、イオンエネルギーを高めにするのがよく、好ましくは自己バイアス電圧の絶対値を２８０Ｖ以上としてよい。
【００１９】
また、第１の電極の温度を高くするにつれてハロゲンガスに対する酸素ガスの混合比を大きくするのが好ましい。好適な一態様においては、第１の電極の温度が８５℃〜１００℃、酸素ガスの混合比が５％〜１０％に選ばれる。別の好適な一態様においては、第１の電極の温度が１００℃〜１５０℃、酸素ガスの混合比が１０％〜１５％に選ばれる。
【００２０】
本発明では、ハロゲンガス（特にＣｌ2ガス）の高密度プラズマが好ましく、電子密度は１×１０10／ｃｍ3以上が好ましい。
【００２１】
高密度プラズマを生成するうえでは、イオン引き込みに適した高周波とプラズマ生成に適した高周波を併用するのが望ましい。好適な一態様として、処理容器内で第１の電極と所定の間隔を隔てて平行に向かい合う第２の電極が設けられ、エッチングガスを放電させるための第２の高周波が第１の電極または第２の電極に印加されてよい。この場合、好ましくは、第１の高周波の周波数は２ＭＨｚ〜１３．５６ＭＨｚであり、第２の高周波の周波数は４０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のドライエッチング方法によれば、上記のような構成および作用により、シリコン基板のエッチング加工、特に立体型構造体を作製するためのエッチング加工において、マスク選択比の向上を可能とし、さらには高選択性と垂直加工形状との両立を可能とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。
【００２４】
図１に、本発明のドライエッチング方法を実施するための好適なプラズマエッチング装置の構成を示す。このプラズマエッチング装置は、ＲＦ下部２周波印加方式の容量結合型（平行平板型）であり、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製の円筒型チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は保安接地されている。
【００２５】
チャンバ１０内には、被処理体（被処理基板）としてシリコンウエハＷを載置する円板状の下部電極またはサセプタ１２が設けられている。このサセプタ１２は、たとえばアルミニウムからなり、絶縁性の筒状保持部１４を介してチャンバ１０の底から垂直上方に延びる筒状支持部１６に支持されている。筒状保持部１４の上面には、サセプタ１２の上面を環状に囲むたとえば石英やシリコンからなるフォーカスリング１８が配置されている。
【００２６】
チャンバ１０の側壁と筒状支持部１６との間には排気路２０が形成され、この排気路２０の入口または途中に環状のバッフル板２２が取り付けられるとともに底部に排気口２４が設けられている。この排気口２４に排気管２６を介して排気装置２８が接続されている。排気装置２８は、真空ポンプを有しており、チャンバ１０内の処理空間を所定の真空度まで減圧することができる。チャンバ１０の側壁には、シリコンウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ３０が取り付けられている。
【００２７】
サセプタ１２には、イオン引き込み用の第１高周波電源３２が第１整合器３４および給電棒３６を介して電気的に接続されている。この高周波電源３２は、プラズマ中のイオンをシリコンウエハＷに引き込むのに適した１３．５６ＭＨｚ以下の周波数を有する第１高周波ＲＦLを下部電極つまりサセプタ１２に印加する。
【００２８】
また、サセプタ１２には、プラズマ生成用の第２高周波電源７０が第２整合器７２および給電棒３６を介して電気的に接続されている。この第２高周波電源７０は、エッチングガスを高周波で放電させるのに適した４０ＭＨｚ以上の周波数を有する第２高周波ＲＦHをサセプタ１２に印加する。
【００２９】
なお、チャンバ１０の天井部には、後述するシャワーヘッド３８が接地電位の上部電極として設けられている。高周波電源３２，７０からの高周波ＲＦL，ＲＦHはサセプタ１２とシャワーヘッド３８との間に容量的に印加される。
【００３０】
サセプタ１２の上面にはシリコンウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック４０が設けられている。この静電チャック４０は導電膜からなる電極４０ａを一対の絶縁膜４０ｂ，４０ｃの間に挟み込んだものであり、電極４０ａには直流電源４２がスイッチ４３を介して電気的に接続されている。直流電源４２からの直流電圧により、クーロン力でシリコンウエハＷをチャック上に吸着保持することができる。
【００３１】
サセプタ１２の内部には、たとえば円周方向に延在する冷媒室４４が設けられている。この冷媒室４４には、チラーユニット４６より配管４８、５０を介して所定温度の冷媒たとえば冷却水が循環供給される。冷媒の温度によって静電チャック４０上のシリコンウエハＷの処理温度を制御できる。さらに、伝熱ガス供給部５２からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給ライン５４を介して静電チャック４０の上面とシリコンウエハＷの裏面との間に供給される。
【００３２】
天井部のシャワーヘッド３８は、多数のガス通気孔５６ａを有する下面の電極板５６と、この電極板５６を着脱可能に支持する電極支持体５８とを有する。電極支持体５８の内部にバッファ室６０が設けられ、このバッファ室６０のガス導入口６０ａには処理ガス供給部６２からのガス供給配管６４が接続されている。
チャンバ１０の周囲には、環状または同心状に延在する磁石６６が配置されている。チャンバ１０内において、シャワーヘッド３８とサセプタ１２との間に形成される第２高周波ＲＦHによるＲＦ電界と磁石６６による磁界との重畳作用により、サセプタ１２の表面近傍に高密度のプラズマが生成される。この実施形態では、本発明のドライエッチング方法を実施するために、チャンバ１０の室内、特にシャワーヘッド３８とサセプタ１２との間のプラズマ生成空間が１mTorr（約０．１３３Ｐａ）程度の低圧であっても、電子密度が１×１０10／ｃｍ3以上の高密度プラズマが得られるようになっている。
【００３３】
制御部６８は、このプラズマエッチング装置内の各部たとえば排気装置２８、第１高周波電源３２、第１整合器３４、静電チャック用のスイッチ４３、チラーユニット４６、伝熱ガス供給部５２、処理ガス供給部６２、第２高周波電源７０および第２整合器７２等の動作を制御するもので、ホストコンピュータ（図示せず）等とも接続されている。
【００３４】
このプラズマエッチング装置において、ドライエッチングを行うには、先ずゲートバルブ３０を開状態にして加工対象のシリコンウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック４０の上に載置する。そして、処理ガス供給部６２よりエッチングガスを所定の流量および流量比でチャンバ１０内に導入し、排気装置２８によりチャンバ１０内の圧力を設定値にする。さらに、第１高周波電源３２より所定のパワーで第１の高周波ＲＦLをサセプタ１２に供給すると同時に、第２高周波電源７０からも所定のパワーで第２の高周波ＲＦHをサセプタ１２に供給する。また、直流電源４２より直流電圧を静電チャック４０の電極４０ａに印加して、シリコンウエハＷを静電チャック４０上に固定する。シャワーヘッド３８より吐出されたエッチングガスは両電極１２，３８間で放電してプラズマ化し、このプラズマで生成されるラジカルやイオンがシリコンウエハＷ表面のエッチングマスクを通して被エッチング材（シリコン基板）と反応し、被エッチング材が所望のパターンにエッチングされる。
【００３５】
このドライエッチングのプロセスにおいて、エッチングガスの放電またはプラズマ生成には第２高周波電源７０よりサセプタ（下部電極）１２に印加される比較的高い周波数（４０ＭＨｚ以上、好ましくは８０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ）の高周波ＲＦHが主に寄与し、プラズマからシリコンウエハＷへのイオンの引き込みには第１高周波電源３２よりサセプタ（下部電極）１２に印加される比較的低い周波数（２ＭＨｚ〜１３．５６ＭＨｚ）の高周波ＲＦLが主に寄与する。
【００３６】
ドライエッチングの最中は、つまり処理空間にプラズマが生成されている間は、そのバルクプラズマとサセプタ（下部電極）１２との間に下部イオンシースが形成され、サセプタ１２ないしシリコンウエハＷには下部イオンシースの電圧降下に略等しい負極性の自己バイアス電圧Ｖdcが発生する。この自己バイアス電圧Ｖdcの絶対値｜Ｖdc｜は、サセプタ１２に印加される第１高周波ＲＦLの電圧の尖頭値Ｖppに比例する。
【００３７】
次に、図２〜図９を参照して、本発明を好適に適用できるエッチング加工例として、シリコンウエハＷの主面に縦型トランジスタ（Vertical Transistor）用のピラー型素子本体を形成するための好適な実施形態によるドライエッチング方法を説明する。
【００３８】
この種のピラー型素子本体を作製するには、図２の（ａ）に示すように、はじめにシリコンウエハＷの主面に熱酸化または化学的気相成長（ＣＶＤ）による薄いシリコン酸化膜（ＳiＯ2）１００を形成し、その上にＣＶＤによりシリコン窒化膜（ＳiN）１０２を形成し、その上にリソグラフィによりレジスト１０４をたとえば円形状にパターン形成する。
【００３９】
そして、図２の（ｂ）に示すように、パターン形成されたレジスト１０４をエッチングマスクに用いてシリコン窒化膜（ＳiＮ）１０２およびシリコン酸化膜１００を順次上からエッチングしてパターニングする。
【００４０】
しかる後、図２の（ｃ）に示すように、レジスト１０４をアッシングで除去し、パターニングされているシリコン窒化膜１０２ａ（上層）／シリコン酸化膜１００ａ（下層）からなる積層無機マスク１０６を露出させる。
【００４１】
そして、図２の（ｄ）に示すように、無機マスク１０６をエッチングマスクに用いてシリコンウエハＷを所望の深さまでエッチング加工し、円柱状のピラー型素子本体１０８を形成する。
【００４２】
なお、無機マスク１０６の下層を構成するシリコン酸化膜（ＳiＯ2）１００は、主マスク材料（上層）であるシリコン窒化膜（ＳiＮ）１０２にかかる応力を緩和するためのものである。
【００４３】
このようなピラー型素子本体１０８を作製するためのシリコンドライエッチングでは、(i)ピラー１０８の側壁にイオン衝撃またはイオン入射のダメージを与えないこと、(ii) ピラー１０８側壁の垂直性がすぐれていること（理想的にはテーパ角θ＝９０°）、(iii)マスク選択性が十分高いこと（実用的には４．０以上）、が重要な加工要件である。
【００４４】
この実施形態では、上記したプラズマエッチング装置（図１）を用いてシリコンウエハＷに種種の条件下でドライエッチングを施して上記のようなピラー型素子本体１０８を作製するエッチング加工の実験を行った。この実験では、チャンバ１０内の圧力と、イオン引き込み用の第１高周波ＲＦLのパワー（バイアスＲＦパワー）と、自己バイアス電圧Ｖdcの３つをパラメータとした。主なエッチング条件は下記のとおりである。
シリコンウエハ口径＝３００ｍｍ
エッチングマスク：上層ＳiＮ（１５０ｎｍ）
エッチングガス：Ｃｌ2ガス＝１００ｓｃｃｍ
ガス圧力：３ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒ
第１高周波：１３ＭＨｚ、バイアスＲＦパワー＝１００〜８００Ｗ
第２高周波：１００ＭＨｚ、ＲＦパワー＝５００Ｗ
自己バイアス電圧：−４８０Ｖ〜−１３０Ｖ
上部及び下部電極間距離＝３０ｍｍ
下部電極面積＝７０３．１ｃｍ2（口径３００ｍｍ）
温度：上部電極／チャンバ側壁／下部電極＝８０／７０／８５℃
エッチング時間＝３０秒〜７９秒
【００４５】
（実施例）
図３に、実施例Ａ１〜Ａ６で使われたパラメータ値および得られたエッチング特性を一覧表で示す。
【００４６】
実施例Ａ１
ガス圧力を２０mTorr、バイアスＲＦパワーを１００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖdcを−１１０Ｖに選んだ場合であり、マスク選択比６．６、テーパ角θ＝８４．６°のエッチング結果が得られた。
【００４７】
実施例Ａ２
ガス圧力を１００mTorr、バイアスＲＦパワーを４００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖdcを−１３０Ｖに選んだ場合であり、マスク選択比６．１、テーパ角θ＝８３．４°のエッチング結果が得られた。
【００４８】
実施例Ａ３
ガス圧力を１００mTorr、バイアスＲＦパワーを８００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖdcを−２５０Ｖに選んだ場合であり、マスク選択比５．１、テーパ角θ＝８８．２°のエッチング結果が得られた。
【００４９】
実施例Ａ４
ガス圧力を５０mTorr、バイアスＲＦパワーを４００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖdcを−２２０Ｖに選んだ場合であり、マスク選択比４．７、テーパ角θ＝８６．４°のエッチング結果が得られた。
【００５０】
実施例Ａ５
ガス圧力を２０mTorr、バイアスＲＦパワーを２００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖdcを−２４０Ｖに選んだ場合であり、マスク選択比４．５、テーパ角θ＝８５．７°のエッチング結果が得られた。
【００５１】
実施例Ａ６
ガス圧力を３mTorr、バイアスＲＦパワーを１００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖdcを−１７０Ｖに選んだ場合であり、マスク選択比４．３、テーパ角θ＝８５．３°  のエッチング結果が得られた。
【００５２】
（比較例）
図４に、比較例ａ１〜ａ５で選択されたパラメータ値および得られたエッチング特性を一覧表で示す。
【００５３】
比較例ａ１
ガス圧力を２０mTorr、バイアスＲＦパワーを４００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖdcを−３５０Ｖに選んだ場合であり、マスク選択比３．６、テーパ角θ＝８８．２°のエッチング結果が得られた。
【００５４】
比較例ａ２
ガス圧力を５０mTorr、バイアスＲＦパワーを８００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖdcを−４３０Ｖに選んだ場合であり、マスク選択比３．６、テーパ角θ＝８９．８°のエッチング結果が得られた。
【００５５】
比較例ａ３
ガス圧力を３mTorr、バイアスＲＦパワーを２００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖdcを−３００Ｖに選んだ場合であり、マスク選択比３．２、テーパ角θ＝８６．８°    のエッチング結果が得られた。
【００５６】
比較例ａ４
ガス圧力を２０mTorr、バイアスＲＦパワーを６００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖdcを−４８０Ｖに選んだ場合であり、マスク選択比２．８、テーパ角θ＝８９．０°のエッチング結果が得られた。
【００５７】
比較例ａ５
ガス圧力を３mTorr、バイアスＲＦパワーを４００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖdcを−４５０Ｖに選んだ場合であり、マスク選択比２．５、テーパ角θ＝８８．７°    のエッチング結果が得られた。
【００５８】
上記のように、実施例Ａ１〜Ａ６ではマスク選択比が実用的に許容可能な４．０以上であり、比較例ａ１〜ａ５では許容できない４．０未満であった。
【００５９】
また、上記実験のエッチング加工では、エッチングガスに単ガスのＣｌ2を使用し、エッチングマスクには水素や炭素等を含まないＳiＮ／ＳiＯ2の無機マスク１０６を用いているので、イオン照射による垂直エッチングが支配的に行われ、異方性は優れており、実施例Ａ１〜Ａ６および比較例ａ１〜ａ５のいずれも垂直加工形状は許容範囲内（テーパ角θ＝８５°以上）にある。また、側壁の垂直性が良いので、側壁へのイオン衝撃ないしイオン入射は少なく、側壁ダメージは小さい。
【００６０】
図５に、実施例Ａ１〜Ａ６および比較例ａ１〜ａ５でそれぞれ得られたピラーエッチング形状の断面ＳＥＭ写真をマッピング型式で示す。図中、横軸をバイアスＲＦパワーにとり、縦軸を圧力にとっている。
【００６１】
図６に、実施例Ａ１〜Ａ６および比較例ａ１〜ａ５で選択された２つのパラメータ値（圧力，バイアスＲＦパワー）の分布特性をマッピング形式で示す。図示のように、圧力（mTorr）をｘ、バイアスＲＦパワー（ワット）をｙPとすると、ｙP＝８ｘ＋１２０で表される直線の下の領域に実施例Ａ１〜Ａ６の全部が分布し、同直線の上の領域に比較例ａ１〜ａ５の全部が分布している。なお、図６の直線ｙP＝８ｘ＋１２０は図５の直線Ｋに略対応している。
【００６２】
したがって、この実施形態では、圧力ｘとバイアスＲＦパワーｙPとの間に下記の式（１）の関係が満たされればよいことがわかる。
ｙP＜８ｘ＋１２０        ・・・（１）
【００６３】
バイアスＲＦパワーｙPは、サセプタ（下部電極）１２における単位面積当たりのパワーつまりバイアスＲＦパワー密度ｙM（ワット／ｃｍ2）に換算することができる。
【００６４】
この実施形態では、サセプタ１２の口径をウエハ口径（３００ｍｍ）に等しいとみなすと、下部電極面積は７０３．１ｃｍ2であるから、ｙpとｙMとの間には下記の式（２）で表される比例関係がある。
ｙp＝７０３．１×ｙM        ・・・（２）
【００６５】
この関係式（２）から、上記の式（１）を次の式（３）に置き換えることができる。
ｙM＜０．０１１４ｘ＋０．１７１      ・・・（３）
【００６６】
図７には、実施例Ａ１〜Ａ６および比較例ａ１〜ａ５で選択された２つのパラメータ値（圧力，自己バイアス電圧−Ｖdc）の分布特性をマッピング型式で示す。図示のように、自己バイアス電圧の絶対値を｜Ｖdc｜とすると、｜Ｖdc｜≒２８０Ｖがしきい値となっており、実施例Ａ１〜Ａ６の全部がしきい値Ｖthよりも低い領域に分布するのに対して、比較例ａ１〜ａ５の全部がしきい値Ｖthよりも高い領域に分布しており、この特性は圧力には依存しない。
【００６７】
したがって、この実施形態においては、自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖdc｜が圧力には関係なく２８０Ｖ以下であればよく、特に選択比６．０以上の実施例Ａ１，Ａ２のように１５０Ｖ以下であれば尚よいことがわかる。もっとも、｜Ｖdc｜が８０Ｖ未満であると、イオンエネルギーが低くなりすぎて、垂直加工性が悪くなる。したがって、下記の式（４）が｜Ｖdc｜の最適条件といえる。
８０Ｖ≦｜Ｖdc｜≦２８０Ｖ      ・・・（４）      
【００６８】
以上のように、この実施形態によれば、エッチングガスにＣｌ2ガス（単ガス）を使用し、エッチングマスクにシリコン窒化膜（ＳiＮ）を使用するシリコン立体型素子本体のエッチング加工において、圧力ｘ、バイアスＲＦパワー密度ｙMおよび自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖdc｜が上記の式（３）、（４）を満たすように条件設定することで、上記(i) (ii) (iii)の３つの加工要件に対応することができる。
（第２の実施形態）
【００６９】
本発明者は、上記プラズマエッチング装置（図１）を用いて上記のようなピラー型素子本体１０８を作製するエッチング加工において、サセプタ温度（つまりウエハ温度）をパラメータとし、エッチングガス（Ｃｌ2ガス）に酸素ガス（Ｏ2ガス）を条件的に添加または混合する実験を行った。主なエッチング条件は下記のとおりである。
シリコンウエハ口径＝３００ｍｍ
エッチングマスク：上層ＳiＮ（１５０ｎｍ）
エッチングガス：Ｃｌ2の単ガスまたはＣｌ2とＯ2との混合ガス
ガス流量：Ｃｌ2ガス＝１００sccm，Ｏ2ガス＝０sccm，５sccm，１０sccm
ガス圧力：２０mTorr
第１高周波：１３ＭＨｚ、バイアスＲＦパワー＝４００Ｗ
第２高周波：１００ＭＨｚ、ＲＦパワー＝５００Ｗ
自己バイアス電圧：−３５０Ｖ
上部及び下部電極間距離＝３０ｍｍ
下部電極面積＝７０３．１ｃｍ2（口径３００ｍｍ）
温度：上部電極／チャンバ側壁／下部電極＝８０／７０／１５℃，４０℃，８５℃
エッチング時間＝３０秒〜７９秒
【００７０】
（比較例／実施例）
図８に、比較例ｂ１〜ｂ３および実施例Ｂ１，Ｂ２で使われたパラメータ値および得られたエッチング特性およびＳＥＭ写真を一覧表で示す。
【００７１】
比較例ｂ１
Ｃｌ2／Ｏ2混合（流量）比を１００／０、サセプタ温度（ウエハ温度）を１５℃に選んだ場合であり、マスク選択比４．３、テーパ角θ＝７９．５°のエッチング結果が得られた。
【００７２】
比較例ｂ２
Ｃｌ2／Ｏ2混合（流量）比を１００／０、サセプタ温度を４０℃に選んだ場合であり、マスク選択比４．０、テーパ角θ＝８５．９°のエッチング結果が得られた。
【００７３】
比較例ｂ３
Ｃｌ2／Ｏ2混合（流量）比を１００／０、サセプタ温度を８５℃に選んだ場合であり、マスク選択比３．８、テーパ角θ＝８８．７°のエッチング結果が得られた。
【００７４】
実施例Ｂ１
Ｃｌ2／Ｏ2混合（流量）比を１００／５、サセプタ温度を８５℃に選んだ場合であり、マスク選択比４．５、テーパ角θ＝８７．５°のエッチング結果が得られた。
【００７５】
実施例Ｂ２
Ｃｌ2／Ｏ2混合（流量）比を１００／１０、サセプタ温度を８５℃に選んだ場合であり、マスク選択比４．７、テーパ角θ＝８０．１°のエッチング結果が得られた。
【００７６】
上記のように、比較例ｂ１，ｂ２，ｂ３のように、エッチングガスに単ガスのＣｌ2を用いる場合は、サセプタ温度（ウエハ温度）を１５℃→４０℃→８５℃と高くするにつれて、ピラー側壁形状がテーパ形状から垂直形状ないしボウイング形状へと変化する一方で、マスク選択比が４．３→４．０→３．８と次第に低下することがわかった。そして、実施例Ｂ１，Ｂ２のように、高温領域（８５℃）でＯ2ガスを適量添加することによって、垂直加工形状とマスク選択比とを同時に向上できることがわかった。
【００７７】
このように高温領域（８５℃）でＯ2ガスを添加した場合は、シリコンの酸化反応により生成される不揮発性のＳiＯ2が側壁に堆積して保護膜となり、ボウイングを抑制する。一方で、反応生成物のＳiＯ2はマスク表面およびエッチング底面にも堆積するが、イオン照射によってスパッタされやすい。その中で、マスク表面（ＳiＮ）よりもエッチング底面（シリコンウエハ）におけるスパッタが相対的に強いために、マスク選択比が向上するものと考えられる。
【００７８】
もっとも、Ｏ2ガスの添加量を多くすると、たとえばサセプタ温度８５℃でＣｌ2／Ｏ2混合（流量）比を１００／２０にすると、図９に示す比較例ｂ４のように、マスク選択比は５．３と更に向上する反面、側壁保護効果が大きくなりすぎてピラー側壁形状がテーパ形状に後戻りしてしまう。
【００７９】
したがって、サセプタ温度が８５℃のときは、Ｃｌ2ガスに対するＯ2ガスの混合比を実施例Ｂ１，Ｂ２のように５％〜１０％に選ぶ必要がある。ただし、上記の実験から、サセプタ温度を高くするほど、塩素イオンによる側壁エッチングが増速するので、これをキャンセルするためにＯ2ガスの混合比を大きくしてよく、たとえばサセプタ温度を１００℃よりも高温にするときはＯ2ガス混合比を１０％〜１５％に選定してよい。
【００８０】
図１のプラズマエッチング装置においては、チラーユニット４６において冷媒の温度を調節することにより、サセプタ１２の温度を任意に設定ないし制御することができる。しかし、サセプタ１２の温度にも上限はある。たとえば、サセプタ温度が１５０℃を超えると、図２に示したピラー素子本体の連続的な作製工程においてレジストマスク１０４が熱変形するおそれがある。したがって、実用的には１５０℃をサセプタ温度の上限としてよい。
【００８１】
なお、第２の実施形態の実施例Ｂ１，Ｂ２における自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖdc｜は３５０Ｖであり、第１の実施形態における式（４）の条件（範囲）から外れている。これは、Ｃｌ2ガスにＯ2ガスを添加する場合は、上記のように反応生成物のＳiＯ2が被エッチング面に堆積する作用とのバランスで、イオンエネルギー（つまり｜Ｖdc｜）を高めにした方がよいことを意味している。
【００８２】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものでない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。
【００８３】
たとえば、本発明で用いるエッチングガスとしては、上記実施形態のように塩素（Ｃｌ2）ガスが最も好ましいが、他のハロゲンガス、すなわちフッ素（Ｆ2）ガス、臭素（Ｂｒ2）ガス、沃素（Ｉ2）ガスも使用可能である。また、ハロゲンガスとヘリウム、アルゴン等の奇ガスまたは不活性ガスとの混合ガスであってもよい。また、添加するガスはＯ2ガスが好ましいが、同様の効果が得られるＮ2ガスであってもよい。
【００８４】
本発明のドライエッチング方法で用いるプラズマエッチング装置も上記実施形態のものに限定されず、種々の変形が可能である。たとえば、プラズマ生成用の高周波を上部電極に印加し、下部電極にはイオン引き込み用の高周波だけを印加する上下部２周波印加方式のプラズマエッチング装置も好適に使用できる。また、容量結合型プラズマエッチング装置以外にも、たとえば、チャンバの上面または周囲にアンテナを配置して誘電磁界の下でプラズマを生成する誘導結合型プラズマエッチング装置や、マイクロ波のパワーを用いてプラズマを生成するマイクロ波プラズマエッチング装置等も使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明のドライエッチング方法を実施するための好適なプラズマエッチング装置の構成を示す縦断面図である。
【図２】一実施形態のドライエッチング方法により円柱状ピラー型素子本体を作製するエッチング加工の工程を示す縦断面図である。
【図３】実施形態のドライエッチングにおいて実施例（Ａ１〜Ａ６）で使われたパラメータ値および得られたエッチング特性を一覧表で示す図である。
【図４】実施形態のドライエッチングにおいて、比較例（ａ１〜ａ５）で使われたパラメータ値および得られたエッチング特性を一覧表で示す図である。
【図５】実施例（Ａ１〜Ａ６）および比較例（ａ１〜ａ５）でそれぞれ得られたピラーエッチング形状の断面ＳＥＭ写真をマッピング型式で示す図である。
【図６】実施例（Ａ１〜Ａ６）および比較例（ａ１〜ａ５）で選択した２つのパラメータ値（圧力，バイアスＲＦパワー）の分布特性をマッピング形式で示す図である。
【図７】実施例および比較例で選択された２つのパラメータ値（圧力，自己バイアス電圧）の分布特性をマッピング形式で示す図である。
【図８】第２の実施形態のドライエッチングにおいて比較例（ｂ１〜ｂ３）および実施例（Ｂ１〜Ｂ２）で使われたパラメータ値および得られたエッチング特性を一覧表で示す図である。
【図９】第２の実施形態のドライエッチングにおいて比較例（ｂ４）で得られたエッチング特性（ＳＥＭ写真）を示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
１０   チャンバ（処理容器）
１２   サセプタ（下部電極）
２８   排気装置
３２   第１高周波電源
３４   第１整合器
３６   給電棒
３８   シャワーヘッド（上部電極）
６２   処理ガス供給部
６８   制御部
７０   第２高周波電源
７２   第２整合器
１００    シリコン酸化膜（ＳiO2）
１０２    シリコン窒化膜（ＳiN）
１０６    無機マスク
１０８    ピラー型素子本体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010073815.tif 000008
【図７】
2010073815.tif 000009
【図８】
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【図９】
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