(57)【要約】本発明は高密度フッ化ガスプラズマを用いて極低温でシリコン基板を異方的にエッチングするための方法からなり、プラズマはフッ素を含むエッチングガス、酸素を含む不活性化ガス、塩素からなる反応ガスからなるガス混合物から形成され、エッチングガスのフローレートに対する不活性化ガスのフローレート及び反応ガスのフローレートそれぞれの比率は体積で０.１５未満である。フッ素を含むエッチングガスは好ましくは六フッ化硫黄ＳＦ６であり、酸素を含む不活性化ガスは好ましくは酸素Ｏ２、オゾンＯ３及び二酸素硫黄ＳＯ２から選択され、塩素を含む反応ガスは好ましくは四塩素化珪素ＳｉＣｌ４である。
2009525604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高密度フッ化ガスプラズマを用いて極低温でシリコン基板を異方的にエッチングするための方法であって、該プラズマが、フッ素を含むエッチングガス、酸素を含む不活性化ガス、及び塩素からなる反応ガスからなるガス混合物から形成され、該エッチングガスのフローレートに対する該不活性化ガスのフローレート及び該反応ガスのフローレートそれぞれの体積比率が０.１５未満である方法。
【請求項２】
請求項１の方法において、該エッチングガスのフローレートに対する該不活性化ガスのフローレート及び該反応ガスのフローレートそれぞれの体積比率が０.０１から０.１０である方法。
【請求項３】
請求項２の方法において、該エッチングガスのフローレートに対する該不活性化ガスのフローレートの体積比率が０.０２から０.０８である方法。
【請求項４】
請求項２の方法において、該エッチングガスのフローレートに対する該反応ガスのフローレートの体積比率が０.０１から０.０８である方法。
【請求項５】
請求項１の方法において、該エッチングガス導入のフローレートが０.２０リットル／分から０.４０リットル／分である方法。
【請求項６】
請求項１の方法において、該不活性化ガス及び該反応ガス導入のフローレートが０.００１リットル／分から０.０３０リットル／分である方法。
【請求項７】
請求項６の方法において、該不活性化ガス導入のフローレートが０.０１０リットル／分から０.０３０リットル／分である方法。
【請求項８】
請求項６の方法において、該反応ガス導入のフローレートが０.００５リットル／分から０.０１５リットル／分である方法。
【請求項９】
請求項１の方法において、該基板の表面温度が−７０℃よりも低い方法。
【請求項１０】
請求項９の方法において、該基板の表面温度が−８０℃から−１１０℃である方法。
【請求項１１】
請求項１の方法において、該フッ素を含むエッチングガスが六フッ化硫黄である方法。
【請求項１２】
請求項１の方法において、該酸素を含む不活性化ガスが酸素、オゾン及び二酸素硫黄から選択される方法。
【請求項１３】
請求項１の方法において、該塩素を含む反応ガスが四塩素化珪素である方法。
【請求項１４】
高密度フッ化ガスプラズマを用いて極低温でシリコン基板（７）を異方的にエッチングするための請求項１の方法を実施するための装置であって、
・真空処理チャンバ（１）、
・誘導性結合によってプラズマを生成するためのプラズマ源（１３）、
・基板ホルダであって、それが保持する該基板を冷却するための手段（１１、１２）が設けられた基板ホルダ（６）、
・該基板の温度をモニタ及び管理する手段、及び
・フッ素を含むエッチングガス、酸素を含む不活性化ガス及び塩素からなる反応ガスをそれぞれ導入するための少なくとも３個の流量可変のガス導入ライン（１６）
からなる装置。
【請求項１５】
請求項１４の装置において、該反応ガスがプラズマ源のチューブ（３）の導出口から処理チャンバ（１）の方向に導入される装置。
【請求項１６】
請求項１４の装置において、該反応ガスが処理チャンバに導入される装置。
【請求項１７】
請求項１５の装置であって、複数の開口部で貫かれた円環面（２３）からなる反応ガス注入手段（２１）を含む装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高密度フッ素ガスプラズマを用いて極低温で異方的にエッチングして半導体基板、特に、半導体部品並びにマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）及びマイクロ光電気機械システム（ＭＯＥＭＳ）として知られるマイクロシステムの生産のためのシリコン基板の表面上にマイクロリリーフを生成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
これらのマイクロシステムは、高い感度かつ高いアタックレートでの深くかつ異方性の高いエッチングを必要とする。非有毒、非腐食性及び単純な化学的性質に基づく技術が好ましい。
【０００３】
従来はフッ素ベースのエッチングガスプラズマを使用してフッ素の最大限のイオン及び原子を生成し、高いシリコンアタック速度を可能としている。フッ素イオン及び原子は、自然にかつ発熱を伴ってシリコンと反応して等方性アタックをもたらすことが知られている。目的は、より高い正確性のために、壁が可能な限り垂直なパターンを得ることである。それゆえ、フッ化ガスによる異方性エッチングは、側方を保護しつつもパターンの底部におけるアタックを強めるために、不活性化層を蒸着することによってエッチングされたパターンの側面を保護することが必要となる。塩素、臭素又はヨウ素等のフッ素以外のハロゲンに基づくガスによってシリコンの異方性エッチングが可能となるが、アタックレートが非常に遅くなるという犠牲を払うものであり、そのため実際にはめったに使用されない。従って、問題は、エッチング作用の期間を増すことなくエッチングをより異方的なものとすることである。様々な代替的解決手段が提案されてきた。
【０００４】
基板のエッチングと不活性化層の蒸着の段階を交互に行う「パルス方式」という第１の方法が提案され、特に米国特許番号第５５０１８９３号に記載されている。第１のステップでは、エッチングガス、例えば、ＳＦ６とアルゴンの混合物が基板に当てられ、不活性化ガス、例えばＣ４Ｆ８又はＣＨＦ３とアルゴンの混合物によってエッチングされたパターンの壁面にポリマーの層を蒸着する第２のステップが続く。
【０００５】
しかし、この技術には、「汚れる」ことや反応炉の壁面の状態に対して非常に敏感であることといった多くの欠点がある。一方、溝の底部にある膜を除去するのに要する時間は、シリコンをアタックするのに使用されない時間を含み、それによって基板をエッチングするステップの所要時間全体が増加することになる。同様に、エッチング用マスクもアタックしてしまうエネルギーを持ったイオンの出射によって選択性が低下してしまう。一方、Ｃ４Ｆ８等のフッ化ガスの使用は費用がかかる。そして最後に、エッチング段階と蒸着段階を交互にすることによってエッチングされた側面に起伏を形成してしまう。
【０００６】
提案されてきた他の方法は、エッチング処理によって露出された基板表面全体にポリマー層を蒸着するように、エッチングガスにポリマーの形成を促進するためのガスを加える工程からなる「連続方式」として知られるものである。不活性化ガスは通常はフッ化炭素ガスであり、ＣｘＦｙ又はＣＯｘＦｙの層が基板の表面に蒸着される。プラズマによる垂直衝撃によるキャビティ底部の保護ポリマー膜の除去の後に、キャビティ底部が選択的にアタックされる。それゆえ、不活性化によってイオン化されたエッチングガスプラズマがキャビティの横壁をアタックするのを防止する。従って、フッ化ガスプラズマのようなエッチングガスプラズマによるシリコンのアタックの等方的性質にもかかわらず、シリコンは準異方的にエッチングされる。
【０００７】
この技術は、フッ素を含むが珪素を含まないガス（ＦＣ）、珪素及び好ましくはフッ素も含むガス（ＳＣ）、及び酸素（Ｏ２）からなる反応性ガスを、選択性を決める特定の割合で組み合わせたものを使用するシリコンの深いエッチングのための方法を開示する文献ＷＯ９９／６７８１７によって具体的に記載されている。少量の他のハロゲンガスが加えられてもよい。ガスＳＣが珪素及びフッ素を含む場合、次の体積比：ＦＣ／ＳＣ＝２５〜０．１、Ｏ２／ＦＣ＝１０〜０．１が適用される。このガス混合物は、例えば、ＳＦ６（ＦＣ）＋ＳｉＦ４（ＳＣ）＋Ｏ２の混合物である。反応は発熱性であるため、基板は７０℃から１４０℃の温度を保つように冷却されなければならない。
【０００８】
他の方法が、炭素又は硫黄を含むフッ化ガス、珪素及び酸素を含むフッ化ガスの混合物、例えば、ＳＦ６／ＳｉＦ４／Ｏ２混合物を用いる方法を提案する文献ＵＳ２００４／００９７０９０に開示されている。炭素又は硫黄を含むフッ化ガスの濃度に対する酸素の濃度の比は０．２と０．８の間である。珪素を含むフッ化ガスの濃度は全混合物の少なくとも１０％となる。少なくとも２０μｍをエッチングするのに、混合物からなるガスのフローレートは次の比率：炭素又は硫黄を含むフッ化ガス／酸素／珪素を含むフッ化ガス＝０．８〜２．４／０．１６〜０．９６／１である。エッチング作用中、サンプルホルダの温度は−３０℃から＋２０℃である。
【０００９】
しかし、各ガスの効果を制御するには、例えば、各ガスの分圧、プラズマ源の電力及び／又は基板のバイアスのような処理パラメータの正確な制御が必要である。さらに、この方法は処理チャンバの壁面の状態に非常に敏感である。ポリマーを形成するガスの存在に起因する汚染のためにエッチング動作の後にクリーニング動作が必要となるが、それは処理を遅らせることになる。
【００１０】
異なる手法がM. Puech及びP. Maquinらによる論文「Low temperature etching of Si and PR in high density plasma」（Appl. Surf. Sc. 100/101 (1996) 579-582）に記載されている。この「極低温法」といわれる深い（＞５０μｍ）エッチング法は、少量の酸素をＳＦ６のようなフッ化エッチングガスに加えることと、基板表面の温度を約−１００℃まで低下させることを組み合わせるものである。珪素−酸素ＳｉＯ及び／又は珪素−フッ素ＳｉＦタイプの不活性化層又はエッチングパターンの鉛直壁を保護するＳｉＯｘＦの薄い層の形成に寄与することによって異方性エッチングを得るために、基板の表面を低温に保つことは不可欠なことである。シリコンは−１００℃の温度及び酸素の存在化でＳＦ６によって常に等方的にアタックされる。従って、非常に低い基板温度であれば、少量の酸化ガスフローであっても異方性プロファイルを得ることが可能である。酸素の比率が高すぎると「ブラックシリコン」の形成が観察される。ブラックシリコンは、表面の過度の不活性化によるパターン底部の劣化であり、通常の滑らかなパターン底部が得られずに、微粒子、樹状突起及び多孔質を構成する。ブラックシリコンの形成はシリコンの鉛直エッチングをランダムに阻むので、回避されなくてはならない。
【００１１】
著者は、付加される酸素の比率を上げても＋１０℃の温度では異方性アタックは実現できないことを確認した。実際に、同じ異方性品質を保つために、室温エッチング法は、より高い体積測定ガス比率の条件に従わなくてはならず、特に酸化ガスの強いフローを必要としてしまう。酸化ガスプラズマは、樹脂マスクをエッチングするためのその公知の容量のために選択性の喪失を含む。そして、許容できる選択性を保つために、室温異方性エッチングの連続法の適用については、無機質材料に基づく「ハードマスク」タイプのマスクに限定されなくてはならない（ＷＯ９９／６７８１７）。
【００１２】
この極低温での異方性エッチングの方法の欠点は、処理パラメータ、特に温度、ガスの分圧及び基板バイアス電圧、を調整する範囲が非常に狭いことである。例えば、その方法は、基板の表面温度が０.５℃以内で制御されることを要し、これを実現するのは難しい。温度が低すぎる場合、ブラックシリコン状態への転換が観察されることがある。ガス混合物に導入される酸素の量又は衝撃エネルギーのような他のプロセスパラメータによっても、それらが程よく最適化されていなければブラックシリコンが生成し得る。酸素ガスの分圧が初期フローレートの±２％で変動すると、エッチング法は不活性化不足（アンダーパッシベーション）又は不活性化過剰（オーバーパッシベーション）（ブラックシリコン）へと転換し得る。
【００１３】
パラメータが最適化されていない場合、もはや処理は完全には異方性でなくなる。シリコンは特定の箇所で、特に、最も長くプラズマによるイオン衝撃に曝されることから特に影響を受ける上部のプロファイルの部分で脱不活性化されることになる。完全に鉛直な軌道を持たないイオンはＳｉＯｘＦｙ結合を遷移又は分解し、「ホール」が現れ、欠陥を生成する。これらの欠陥はパターンのサイズに依存して大きかったり小さかったりする。
【００１４】
最後に、基板温度の調整におけるわずかな狂いが上記のうちの１以上をもたらすことになり、その作用は完全には異方性でないプロファイルを生成してしまうことである。基板ホルダの温度は±１℃以内で均一であり、この不均一性を改善する更なる機構的な設計の改善は見込めない。さらに、たとえ基板ホルダの温度が完全に調整されたとしても、基板によって異なる想定される表面状態（基板の前面は酸素の厚い又は薄い層を含むかもしれないし含まないかもしれない）及びサンプルの場所によって、基板の表面温度は１℃に達し得る変動に曝される。
【００１５】
本発明の課題は、公知の方法の欠点を有しない、極低温でシリコンを異方的にエッチングするための方法を提案することである。
特に、提案される方法は、異方的な性質及びエッチング量を確保しつつ処理パラメータ、特に、基板の表面温度におけるより広い範囲の変化を許容する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は高密度フッ化ガスプラズマを用いて極低温でシリコンを異方的にエッチングするための方法を開示する。ここで、プラズマは（ａ）フッ素を含むエッチングガス、（ｂ）酸素を含む不活性化ガス、（ｃ）塩素からなる反応ガスからなるガス混合物から形成され、本方法では、エッチングガスのフローレートに対する不活性化ガスのフローレート及び反応ガスのフローレートそれぞれの比率は体積で０.１５未満である。
【００１７】
本発明の第１の側面によると、エッチングガスのフローレートに対する不活性化ガスのフローレート及び反応ガスのフローレートそれぞれの比率は体積で０.０１から０.１０である。
エッチングガスのフローレートに対する不活性化ガスのフローレートの比率は、好ましくは体積で０.０２から０.０８である。
エッチングガスのフローレートに対する反応ガスのフローレートの比率は、好ましくは体積で０.０１から０.０８である。
【００１８】
本発明の第２の側面によると、エッチングガスの導入のフローレートは、好ましくは０.２０リットル／分から０.４０リットル／分、即ち、２００ｓｃｃｍから４００ｓｃｃｍ（ｓｃｃｍ：分当りの標準立法センチメートル）である。
不活性化ガス及び反応ガス導入のフローレートは、好ましくは０.００１リットル／分から０.０３０リットル／分、即ち、１ｓｃｃｍから３０ｓｃｃｍである。
不活性化ガス導入のフローレートは、好ましくは０.０１０リットル／分から０.０３０リットル／分、即ち、１０ｓｃｃｍから３０ｓｃｃｍである。
反応ガス導入のフローレートは、好ましくは０.００５リットル／分から０.０１５リットル／分、即ち、５ｓｃｃｍから１５ｓｃｃｍである。
【００１９】
本発明の第３の側面によると、基板の表面温度は−７０℃よりも低い。基板の表面温度は、好ましくは−８０℃から−１１０℃である。
【００２０】
本発明の第４の側面によると、フッ素を含むエッチングガスは六フッ化硫黄ＳＦ６である。
反応ガスも不活性化ガスであってもよい。塩素を含む反応ガスは、好ましくは四塩素化珪素ＳｉＣｌ４である。
酸素を含む不活性化ガスは、好ましくは酸素Ｏ２、オゾンＯ３及び二酸素硫黄ＳＯ２から選択される。ガスは、オゾンＯ３及び二酸化硫黄ＳＯ２のような、酸素Ｏ２よりも強い酸化特性を持つガスが使用されると有利である。
【００２１】
本発明はまた、高密度フッ化ガスプラズマを用いて非常に低い温度でシリコンを異方的にエッチングするための上記方法を実施するための装置を開示する。その装置は、
・真空処理チャンバ、
・誘導性結合によってプラズマを生成するためのプラズマ源、
・基板ホルダであって、それが保持する基板を冷却するための手段が設けられた基板ホルダ、
・基板の温度をモニタ及び管理する手段、及び
・フッ素を含むエッチングガス、酸素を含む不活性化ガス及び塩素からなる反応ガスをそれぞれ導入するための少なくとも３個の流量可変のガス導入ライン
を備える。
【００２２】
本発明の一実施例によると、反応ガスはプラズマ源のチューブの導出口から処理チャンバの方向に導入される。反応ガスは好ましくは処理チャンバに導入される。
この場合、装置は複数の開口部で貫かれた円環面からなる反応ガス注入手段を含む。
【００２３】
本発明は、処理パラメータにおける変動に対して影響を受けにくくするために、エッチングステップを通じてエッチングされた側面を保護する不活性化層の完全性を強化し、又は確かなものとすることを目的とする。この層は非常に弱く、特に従来技術の方法ではエッチング中に生成される回復不能な欠陥が生じてしまう。本発明の方法によって生成された不活性化層は  温度が−７０℃以上の時に容易に昇華（浄化）するという特徴を持つ。従来技術の方法のＣ、ＣｘＦｙ又はＰＴＦＥタイプの汚染物の存在を回避することによって、不活性層によって本方法が非常にクリーンなエッチング方法となるという有利な効果がもたらされる。チャンバの壁面はクリーンなままであり、それゆえ基板表面は常にクリーンである。このことは工業的観点から重要な利点である。なぜなら、チャンバを機械的に又はプラズマを用いる手段によりクリーニングするステップはもはや不要となるからである。このことによってチャンバの入手性を高めることができ、もはやクリーニング処理のための専用加熱システムを設ける必要がなくなる。
【００２４】
本方法から他の有利な効果が生まれる。処理パラメータの調整が簡素化され、それゆえ基板の表面温度の範囲を広げることが可能となる。動作時間の全てがエッチングに充てられ、これは処理のエッチングレートが内在的に高いことを意味する。同じタイプのパターンをエッチングするのに、「パルス法」として知られる従来技術で得られるエッチングレート１.４５μ／分に対して、本発明の方法ではエッチングレート２.９２μ／分を達成できることが確認された。
【００２５】
非常に高い形成ファクタのパターンは、マイクロニックエッチング法よりも長い期間にわたって、かつ数百マイクロに達する深さにわたって異方性の制御をする必要がある。本発明の極低温のエッチング法はエッチングマスクの樹脂（より長くプラズマに曝される）の劣化を回避する。
【００２６】
本発明の他の特徴及び有利な効果が、以下の例示的かつ限定的でない例によって与えられる発明の実施例の記載を通じて、及び添付の図面から明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１に示す装置は、チャンバ壁面における電子損失を軽減するための複数極構成の永久磁石２に囲まれたチャンバ１からなるプラズマエッチング機械である。チャンバ１はプラズマ源と通じていて、そのプラズマ源の（そこでプラズマが形成される）誘電体材料チューブ３が、５００Ｗから２０００Ｗの高周波（ＲＦ）（１３.５６ＭＨｚ）電力Ｐを供給するＲＦ発生器５によってＲＦ交流電流が供給される結合電極４に囲まれている。
【００２８】
チャンバ１は基板ホルダ６を含む。エッチングされる基板７（厚さ約１００ｍｍ）が基板ホルダ６に機械的又は静電気学的手段によって固定される（ここでは例としてリング８によって機械的に固定されている）。基板７は基板ホルダ６からヘリウムの膜９によって分離されている。２０Ｖ〜６０Ｖ、好ましくは５０Ｖのオーダーのバイアス電圧ＵがＲＦ（１３.５６ＭＨｚ）又は低周波（５０〜５００ｋＨｚ）発生器１０によって基板７に印加される。基板７は、液体窒素（Ｎ２）のような冷却液１１を還流させることによって、基板ホルダ６に形成された通路１２においてその背面から冷却される。このようなシステムによって−１４０℃から＋２０℃の温度範囲において基板の温度制御が可能となる。基板７は好ましくは−１００℃から−８０℃の温度Ｔに保たれる。
【００２９】
結合電極４はチューブ３のガスを励起させて、その後反応チャンバ１の内部、基板ホルダ６の方向に向かって移動するプラズマ１３を生成する。
【００３０】
チャンバ１はチャンバ内の圧力を調整するためのシステム１５を介してターボモレキュラーポンプ１４からなる補助ポンピングセットに接続されている。処理チャンバ１内の動作圧力はシステム１５によって２Ｐａから１０Ｐａの値に安定化、一定化される。導入口及びフローレート制御システム１６は、例えばＳＦ６、Ｏ２及びＳｉＣｌ４等の種々のガスを流入させる。処理が傾斜タイプのセットポイントに従って進むにつれて、不活性化ガス（ここではＯ２）がチャンバ１に導入される。ここでは２４０ｓｃｃｍに等しいＳＦ６のフローに対してＯ２のフローは１ｓｃｃｍから３０ｓｃｃｍとなる。導入されるＳｉＣｌ４の量はエッチングされるパターンの位置に関連して調整される。
【００３１】
ガス注入システム１６は処理チャンバ１に、好ましくはプラズマ生成ゾーンの上流側にガス導入口１７を備え、ガス導入口１７はパイプ１８、分離バルブ１９並びにガスフローレート制御バルブ２０ａ、２０ｂ及び２０ｃによって、エッチングガス供給部２０ｄ、不活性化ガス供給部２０ｅ及び反応ガス供給部２０ｆに接続される。エッチングガス供給部２０ｄ及びソレノイドバルブのようなエッチングガスフローレート制御手段２０ａは、分離バルブ１９が開かれているときにチューブ３の端部を介したプラズマ源への不活性化ガスの導入を制御する。反応ガス供給部２０ｆ及びソレノイドバルブのような反応ガスフローレート制御手段２０ｃは、分離バルブ１９が開かれているときにチューブ３の端部を介したプラズマ源４への不活性化ガスの導入を制御する。
【００３２】
代替的に、図２に示すように、反応ガスが処理チャンバ１内のプラズマ源後段の「放電後」ゾーンに直接導入されば、より好適なものとなる。この方式では、反応ガスが基板７に可能な限り近くで分離され、これによって、分解されたガスが基板７の表面に到達する前に再結合するのを防止し、従って基板７の汚染を回避することができる。専用反応ガス注入手段２１がチャンバに設けられる。これらの手段はチャンバ１の壁の開口部２２を含む。反応ガス注入手段２１は、好ましくは内周部に配置された複数の開口部を有する円環面２３を備える。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の方法を実施する装置を示す図である。
【図２】図１に示した装置の変形例を示す図である。
【図１】
2009525604.tif 000003
【図２】
2009525604.tif 000004
【国際調査報告】
2009525604.tif 000005
2009525604.tif 000006
2009525604.tif 000007
2009525604.tif 000008
2009525604.tif 000009
2009525604.tif 000010