(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを用いてシリコン基板またはＳＯＩ基板にシリコントレンチを形成するプラズマエッチング方法において、
ＳＦ６ガスとＳｉＦ４ガスと酸素ガスの混合ガスを用い、前記シリコン基板または前記ＳＯＩ基板が載置された試料台に間欠的に時間変調された高周波電力を供給しながら前記シリコントレンチを形成し、
前記形成されるシリコントレンチの深さが深くなるに従って前記時間変調のデューティー比を増加させることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波プラズマエッチングにおけるシリコントレンチを形成するプラズマエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、特開２００７−１０３８７６号公報（特許文献１）には、シリコン基板に対してＳＦ６、Ｏ２、ＳｉＦ４からなる混合ガスに、Ｈを含有するガスを添加した混合ガスプラズマでシリコントレンチを形成することにより、トレンチ側壁面にえぐれや面荒れのないトレンチエッチングを実現できることが記載されている。
【０００３】
また、特開２００７−１２９２６０号公報（特許文献２）には、シリコンの異方性エッチングにおいて、分かれたそれぞれ交互に連続するエッチングおよび重合工程を実施することにより、非常に高いエッチング速度でシリコン基板の深堀りエッチングができることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１０３８７６号公報
【特許文献２】特開２００７−１２９２６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された従来技術において、例えばマイクロ波プラズマエッチング装置により、アスペクト比５程度のシリコントレンチエッチングを高速で実現できる点についての開示がある。しかしながら、上記従来技術では、エッチング速度を更に向上するために圧力を増加しても逆にエッチレートが低下する場合があり、また、より高いマイクロ波パワーを印加しても放電状態の遷移領域が存在することに起因して放電不安定となり使用できない場合があるという問題点について配慮されていなかった。
【０００６】
一方、特許文献２に記載された従来技術では、エッチングおよび重合工程を繰り返し実施することにより、非常に高いエッチング速度でシリコン基板の深堀りエッチングができる点について開示されている。しかしながら、上記従来技術では、例えば重合工程によって処理室内に重合膜が堆積し続けることに起因して異物の発生やエッチング特性の再現性の低下が起きることや、前記問題点を解決するためには枚葉クリーニングを行う必要があり、スループットの低下という問題点について配慮されていなかった。
【０００７】
本発明の目的は、マイクロ波プラズマエッチングによるシリコントレンチまたは穴の高速エッチングを実現することによる生産性の高いプラズマエッチング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のプラズマエッチング方法は、内部を減圧可能な処理室と、該処理室内に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記処理室内にマイクロ波を供給してプラズマを生成するマイクロ波供給手段と、前記マイクロ波の偏波面を回転させて前記処理室に供給するマイクロ波回転発生器と、前記マイクロ波回転発生器を介して前記マイクロ波を前記処理室へ導入するマイクロ波導入部と、前記処理室内に設けられ試料を載置する試料載置電極と、前記試料載置電極に高周波電力を印加する高周波電源と、前記ガス供給手段により供給されたガスを排気する排気手段とを備えるプラズマ処理装置を用いて、シリコン基板またはＳＯＩ基板にシリコントレンチを形成するプラズマエッチング方法であって、フッ素を含むガスと酸素ガスを用い、処理圧力を６０Ｐａ以下、前記マイクロ波の電力を１０００〜５０００Ｗにして前記マイクロ波の偏波面を回転させてエッチング処理を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、シリコントレンチ形状を悪化させることなく、エッチング時間を短縮しスループットを向上することのできるプラズマエッチング方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は本発明のマイクロ波プラズマエッチング装置を示す図である。
【図２】図２は被処理基板のトレンチ形状を示す図である。
【図３】図３は被処理基板のトレンチ形状を示す図である。
【図４】図４は被処理基板のトレンチ形状を示す図である。
【図５】図５は被処理基板のトレンチ形状を示す図である。
【図６】図６は被処理基板のトレンチ形状を示す図である。
【図７】図７はシリコン深溝トレンチのエッチングを行なった時の、シリコンエッチング速度の処理圧力依存性を示す図である。
【図８】図８はシリコンエッチング速度の面内均一性の処理圧力依存性を示す図である。
【図９】図９はシリコントレンチのテーパ角の処理圧力依存性を示す図である。
【図１０】図１０は放電安定性のマイクロ波出力依存性を示す図である。
【図１１】図１１はシリコンエッチングを行った時の、シリコンエッチング速度の処理圧力依存性を示す図である。
【図１２】図１２は深いシリコントレンチのエッチングを行った時の、シリコントレンチのテーパ角のマイクロ波出力依存性を示す図である。
【図１３】図１３は本発明で得られたマイクロ波出力依存性およびデューティー比依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の実施例１において使用するプラズマを形成する手段にマイクロ波と磁界を利用した、マイクロ波プラズマエッチング装置を示している。
【００１３】
この装置では、エッチング処理室１０１にガス導入手段１０７から多孔構造の例えば、石英からなる透過窓１０８を介して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を整合器１０３及び導波管１０４を通し、導波管１０４の途中に設けたマイクロ波回転発生器１０５を通過させ、マイクロ波導入窓１０６よりエッチング処理室１０１にマイクロ波を輸送して前記エッチングガスをプラズマ化する。
【００１４】
高効率放電のための磁場発生用のソレノイドコイル１０９をエッチング処理室１０１の周辺に配置し、０．０８７５テスラの磁場をつくり電子サイクロトロン共鳴を用いて高密度プラズマを発生させる。エッチング処理室１０１には試料台１１０があり、この上に被処理基板１１１を設置して、マイクロ波により生成されたガスプラズマによりエッチングする。被処理基板１１１を設置する試料台１１０には高周波電源１１２が接続され、４００ｋＨｚから１３．５６ＭＨｚの高周波バイアスを印加できる構造となっている。
【００１５】
また、高周波電源１１２は、パルス発生器(図示せず)を備えており、時間変調された間欠的な高周波電力、あるいは、連続的な高周波電力を選択的に試料台１１０に印加することができる。試料台１１０表面には、静電吸着電源１１３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、被処理基板１１１が静電チャックにより、試料台１１０に吸着される。
【００１６】
また、試料台１１０の表面には溝が形成され、固定された被処理基板１１１裏面との間で形成される流路（図示しない）に、冷却ガス供給口１１４からＨｅ、Ａｒ、Ｏ２等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１１１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１１０表面へ熱伝達され、一定温度に維持される。被処理基板１１１を０℃以下の低温に冷却するため、試料台１１０内部に埋設された冷媒循環流路には、チラーユニット１１５により指定の低温に温度制御された冷媒が循環される。
【００１７】
被処理基板１１１の周囲には、セラミックスや石英製の絶縁カバー（図示しない）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、エッチング処理中、排気ポンプ１１６及び排気配管（図示しない）によりエッチング処理室１０１の外に排気される。
【００１８】
次に、本実施例１における溝からなる深いシリコントレンチエッチング方法の具体的な例を説明する。ここでは、前述のプラズマエッチング装置を使用し、ＳＦ６，Ｏ２，ＳｉＦ４の混合ガスプラズマを主体としたプロセスにおける一例を示す。
【００１９】
また、被処理基板２０２の詳細構造とエッチング後の状態を図２〜図３に示す。図２に示す通り、被処理基板２０２はＳｉＯ２などからなるマスク材２０１でパターニングされたシリコン基板となっている。この被処理基板２０２を、搬送手段（図示せず）を用いて試料台１１０に載置した後、ＳＦ６，Ｏ２，ＳｉＦ４をそれぞれ、６００、８０、４００ｍｌ／ｍｉｎの流量に調整してエッチング処理室１０１に供給し、処理圧力を調整バルブ（図示せず）にて５Ｐａに調整する。
【００２０】
その後、マイクロ波出力３０００Ｗを印加することによりプラズマを発生させ、試料台１１０にバイアス出力２２５Ｗを印加することにより、図３に示すようにトレンチ開口部２０３よりエッチングが進行し、深溝トレンチが形成される。表１に代表的な処理条件を示す。
【表１】
0005918886.tif 000002
【００２１】
上記のエッチング過程において、エッチング処理室１０１に導入されたＳＦ６とＯ２、ＳｉＦ４ガスが、それぞれＳｉ、Ｓ、Ｆ、Ｏのイオン及びラジカルに解離し、被処理基板２０２の表面との反応とともにＳｉＦやＳｉＯを生成する。
【００２２】
一方、トレンチ開口部２０３内のエッチングの進行と同時に、適度なＳｉＯが側壁保護膜として形成され、Ｆラジカルによる等方的エッチングを抑制し、異方性・高速エッチングが可能となっている。また、上述の説明では混合ガスとしてＳｉＦ４の含有を必須としたが、側壁保護膜として適度なＳｉＯが形成されればＳＦ６とＯ２ガスでも本発明は達成される。
【００２３】
次に、本発明に用いたマイクロ波回転発生器１０５の効果について説明する。
【００２４】
図７は、シリコン深溝トレンチのエッチングを行なった時の、シリコンエッチング速度の処理圧力依存性を示す図である。同じく、図８は、シリコンエッチング速度の面内均一性の処理圧力依存性を示す図、図９は、トレンチのテーパ角の処理圧力依存性を示す図である。ここでテーパ角は、図３に示すように、シリコントレンチの最底部から引いた水平線とシリコントレンチの側壁面との成す角で表している。
【００２５】
比較的マイクロ波出力が小さい場合、図７において、マイクロ波出力が６００Ｗの時のように、処理圧力が２．５Ｐａまではシリコンエッチング速度は圧力とともに増加するが、５Ｐａより大きい圧力では、エッチング速度は低下し、図９のように、シリコントレンチのテーパ角が減少する。この時、エッチング形状としては、面荒れやささくれといった異常な形状を呈している。
【００２６】
このように、比較的小さいマイクロ波出力において圧力を増加してもエッチング速度が低下することは、圧力が高くなると電子の衝突確率が増えることにより電子がマイクロ波により加速を受ける期間も減ってしまい、その結果、エッチングを進行させるのに必要なイオンの密度すなわちプラズマ密度が低下していくためと考えられる。
【００２７】
従って、更に高い圧力においてシリコンエッチング速度を増やそうとする場合には、プラズマ密度を増加させなければならない。このため、より高いマイクロ波出力を印加する必要がある。しかし、この時、問題になるのが放電安定性であった。
【００２８】
図１０に、放電安定性のマイクロ波出力依存性の図を示す。図１０に示す通り、マイクロ波回転発生器１０５を備えていない従来装置においては、マイクロ波出力が概ね１０００Ｗ以上になると放電不安定が発生した。
【００２９】
この放電不安定が発生する原因の一つとして、電子サイクロトロン共鳴で得られるプラズマ密度がプラズマの遮断周波数になるような数となる前後のマイクロ波出力において放電状態が変わるため、丁度遮断周波数となる数に近いプラズマ密度が得られるマイクロ波出力において放電状態の遷移、すなわち異常放電が発生することが挙げられる。
【００３０】
これに対して、図１の通り、マイクロ波回転発生器１０５を装備すると、図１０のように放電不安定は殆ど見られなくなる。マイクロ波回転発生器１０５により放電が安定する理由の一つとして、マイクロ波が回転すると定在波の谷が、異常放電の原因となるプラズマ密度の局所的に高い領域を通過することにより、プラズマ密度が平均化されることによるものと考えられる。
【００３１】
このようにして、比較的大きいマイクロ波出力を印加できるようになると、図７において、マイクロ波出力が３０００Ｗの時のように、処理圧力を５Ｐａから１０Ｐａに増加しても、シリコンエッチング速度は５Ｐａの時の１．４倍へと増加し続けた。但し、図８、９のように、７．５Ｐa以上の圧力では均一性は悪化した。また、テーパ角は減少している。
【００３２】
この場合においても、圧力を増加してもエッチング速度の低下は発生していないため、より高圧領域での最適化の余地はあると考えられる。
【００３３】
図１１は、試料に占めるパターン開口率が比較的小さく、パターンサイズも１００μm角以上である試料のシリコンエッチングを行った時の、シリコンエッチング速度の処理圧力依存性を示す図である。図１１に示す通り、マイクロ波出力が１０００Ｗの時は、処理圧力を増加することによりシリコンエッチング速度は増加するが、３０Ｐａを超えるとシリコンエッチング速度は逆に低下していく。
【００３４】
これは、実施例１で説明した通り、圧力が高くなるとプラズマ密度が低下していくためと考えられる。
【００３５】
従って、更に高い圧力においてシリコンエッチング速度を増やそうとする場合には、プラズマ密度を増加させなければならない。このため、より高いマイクロ波出力を印加する必要がある。
【００３６】
これをもとに、マイクロ波出力を３０００Ｗに増加してシリコンエッチングを行うと、図１１に示す通り、シリコンエッチング速度は６０Paまで増加し続け。このため、本実施例の処理圧力範囲は、６０Ｐａ以下である。
【００３７】
更に高いマイクロ波出力を印加することにより、高いエッチング速度と所望の形状、面内均一性の確保ができると考えられるが、１０００Ｗから５０００Ｗのマイクロ波出力範囲で使用するのが望ましい。
【００３８】
このように、マイクロ波回転発生器１０５を装備することにより、高いマイクロ波出力を印加することが可能となるため、従来よりも高いエッチング速度を得ることができた。
【実施例２】
【００３９】
次に、本発明の実施例２について説明する。ここでは、実施例１で説明したプラズマエッチング装置と同じ装置を使用し、ＳＦ６，Ｏ２，ＳｉＦ４の混合ガスプラズマを主体としたプロセスにおける一例を、図１２にて説明する。
【００４０】
図１２は、深いシリコントレンチのエッチングを行った時の、シリコントレンチのテーパ角のマイクロ波出力依存性を示す図である。マイクロ波出力を１９００Ｗから３０００Ｗに増加すると、テーパ角は９０．４°から８９．５°に減少した。これは、マイクロ波出力の増加に伴い、デポ性の増加、即ち、側壁保護膜の形成が多くなったことを示す。従って、これを利用して選択比の向上、ボーイング防止に必要な側壁保護膜の形成が容易になるものと考えられる。
【００４１】
図４に示すように、より深く（概ねアスペクト比５以上）エッチングを行うと、深さ方向のエッチングの進行とともに側壁保護が不十分となり、ボーイング形状が発生するとともに、シリコントレンチ底部ではトレンチ幅が狭くなる先細り形状となるという問題点が発生することがある。本実施例において、このようなボーイングや先細り形状を低減するために、一例として、試料に印加するバイアス電力の時間変調のデューティー比(繰り返し周波数の１周期に対するオンの時間)を変更する方法を、図１３を参照して説明する。
【００４２】
図１３に、試料に印加するバイアス電力の時間変調のデューティー比を変えた時のシリコントレンチのテーパ角の図を示す。デューティー比が２０％と比較的小さい場合は電力がオフの期間におけるデポ量が多いため、シリコントレンチのテーパ角は小さくなる。一方、デューティー比が４０％と比較的大きい場合は電力がオフの期間におけるデポ量が少なくなるため、シリコントレンチのテーパ角は大きくなる。
【００４３】
これらを組合せてシリコントレンチを形成する場合の方法を、図５〜図６を参照して説明する。まず最初に、デューティー比が２０％で処理したものが図５となる。次に、連続してデューティー比が４０％で処理を行ったものが図６となる。このように、ボーイングを抑制するためにシリコントレンチのテーパ角が大きくなる条件と、先細りが少なくなる条件を組み合わせることにより、より垂直なシリコントレンチ形状を得ることができる。
【００４４】
更に、シリコントレンチを形成する期間を複数に分割して、それぞれのステップのデューティー比を変えることにより、深さ方向の全域にわたって溝幅を変えることができ、より垂直なもしくは、一様なテーパ角のシリコントレンチ形状を得ることができる。
【００４５】
表１に示すプロセス条件は、図１の有磁場マイクロ波プラズマエッチング装置で使用される代表的なエッチング条件である。ここで示されるプロセス条件は、本発明において適正化された条件であり、ヘリコン波エッチング装置、誘導結合型エッチング装置、容量結合型エッチング装置、有磁場ＲＩＥ装置など他のエッチング装置とは、個々のプロセスパラメータの最適値においては、多少異なるものである。また、本実施例では、深いシリコントレンチを形成する方法について、説明したが、本実施例はシリコントレンチ形成に限定されず、穴の形成についても適用できる。
【００４６】
しかし、トレンチエッチングにおけるエッチング形状の制御方法については、この装置に限定して使用されるものではなく、他のエッチング装置にも適用することが可能である。エッチングプロセスに携わるものであれば、ここに提示したプロセス条件を基に、前記他の装置を最適条件に調整し、順応させることができる。
【符号の説明】
【００４７】
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  マイクロ波回転発生器
１０６  マイクロ波導入窓
１０７  ガス導入手段
１０８  透過窓
１０９  ソレノイドコイル
１１０  試料台
１１１  被処理基板
１１２  高周波電源
１１３  静電吸着電源
１１４  冷却ガス供給口
１１５  チラーユニット
１１６  排気ポンプ
２０１  マスク材
２０２  被処理基板
２０３  トレンチ開口部
【図１】
0005918886.tif 000003
【図２】
0005918886.tif 000004
【図３】
0005918886.tif 000005
【図４】
0005918886.tif 000006
【図５】
0005918886.tif 000007
【図６】
0005918886.tif 000008
【図７】
0005918886.tif 000009
【図８】
0005918886.tif 000010
【図９】
0005918886.tif 000011
【図１０】
0005918886.tif 000012
【図１１】
0005918886.tif 000013
【図１２】
0005918886.tif 000014
【図１３】
0005918886.tif 000015