(57)【要約】  本発明は、エッチングステップとパッシベーションステップとを交互に続けて複数回行う深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いて基板（１０１）を異方的に構造化するためのエッチング方法に関する。本発明によると、２５％よりも多く最大４０％の割合のフッ素と、１％から５０％の割合の窒素と、３０％から最大６０％の割合の希ガスとを備えるフッ素ガス混合物がエッチングに使用される。また、本発明は、そのようなフッ素ガス混合物の使用と、本発明のフッ素ガス混合物を用いて基板を（１０１、３０２）を構造化するための装置（３００）にも関する。
2019532512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エッチング方法であって、
エッチングステップとパッシベーションステップとを交互に続けて複数回行う深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いて基板（１０１、３０２）を異方的に構造化することを備え、
２５％よりも多く最大４０％の割合のフッ素と、１％から５０％の割合の窒素と、３０％から最大６０％の割合の希ガスとを備えるフッ素ガス混合物がエッチングに使用される、方法。
【請求項２】
前記フッ素ガス混合物が、３５％から最大４０％の割合のフッ素と、１％から５０％の割合の窒素と、３０％から最大５９％の割合の希ガスとを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記フッ素ガス混合物が、アルゴン、ネオン、クリプトン、ヘリウム、ラドン、及びキセノンから成る群のうちの希ガスを備える、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記フッ素ガス混合物が希ガス成分としてアルゴンを備える、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
前記パッシベーションステップが、プロセスガスとしてＳＦ４又はＣ４Ｆ６を用いて前記基板（１０１、３０２）上にパッシベーション層を適用することを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
高周波数直接プラズマ中に反応イオンを発生させることを含む請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
３ＭＨｚから３０ＭＨｚの周波数範囲内、好ましくは１３ＭＨｚから１５ＭＨｚの範囲内、特に好ましくは１３．５ＭＨｚから１３．６ＭＨｚの範囲内の短波周波数帯の励起周波数で誘導結合又は容量結合された高周波数直接プラズマ中に反応性イオンを発生させることを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
０．３ＧＨｚから３ＧＨｚの周波数範囲内、好ましくは０．８ＧＨｚから２．６ＧＨｚの周波数範囲内、特に好ましくは２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波周波数帯の励起周波数で高周波数プラズマ中に反応性イオンを発生させることを含む請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
反応性イオンとラジカルとを発生させることを含み、第一期間中においてはラジカルよりも多くの反応性イオンを発生させ、後続の第二期間中においては反応性イオンよりも多くのラジカルを発生させる、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
エッチングステップとパッシベーションステップとを交互に続けて複数回行う深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いて基板（１０１、３０２）を異方的に構造化するためのフッ素ガス混合物の使用であって、前記フッ素ガス混合物が、２５％よりも多く最大４０％の割合のフッ素と、１％から５０％の割合の窒素と、３０％から最大６０％の割合の希ガスとを備え、該希ガスがアルゴン、ネオン、クリプトン、ヘリウム、ラドン、及びキセノンから成る群のうちの希ガスである、使用。
【請求項１１】
前記フッ素ガス混合物が、３５％から最大４０％の割合のフッ素と、１％から５０％の割合の窒素と、３０％から最大５９％の割合の希ガスとを備える、請求項１０に記載の使用。
【請求項１２】
エッチングステップとパッシベーションステップとを交互に続けて複数回行う深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いて基板（３０２）を異方的に構造化するための反応器（３０１）と、
前記反応器（３０１）中にエッチングガス（３０４）を供給するためのガス流入口（３０５）とを備え、２５％よりも多く最大４０％の割合のフッ素と、１％から５０％の割合の窒素と、３０％から最大６０％の割合の希ガスとを備えるフッ素ガス混合物が前記エッチングガス（３０４）として使用される、装置（３００）。
【請求項１３】
前記フッ素ガス混合物が、３５％から最大４０％の割合のフッ素と、１％から５０％の割合の窒素と、３０％から最大５９％の割合の希ガスとを備える、請求項１２に記載の装置（３００）。
【請求項１４】
前記フッ素ガス混合物（３０４）が、アルゴン、ネオン、クリプトン、ヘリウム、ラドン、及びキセノンから成る群のうちの少なくとも一種の希ガスを備える、請求項１２又は１３に記載の装置（３００）。
【請求項１５】
前記フッ素ガス混合物（３０４）が希ガス成分としてアルゴンのみを備える、請求項１２又は１３に記載の装置（３００）。
【請求項１６】
高周波数直接プラズマ中に反応性イオンを発生させるように構成されたプラズマ源（３０３）を備える請求項１２から１５のいずれか一項に記載の装置（３００）。
【請求項１７】
前記プラズマ源（３０３）が、３ＭＨｚから３０ＭＨｚの周波数範囲内、好ましくは１３ＭＨｚから１５ＭＨｚの範囲内、特に好ましくは１３．５ＭＨｚから１３．６ＭＨｚの範囲内の短波周波数帯の励起周波数で誘導結合又は容量結合された高周波数直接プラズマ中に反応性イオンを発生させるように構成されている、請求項１６に記載の装置（３００）。
【請求項１８】
０．３ＧＨｚから３ＧＨｚの周波数範囲内、好ましくは０．８ＧＨｚから２．６ＧＨｚの周波数範囲内、特に好ましくは２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波周波数帯の励起周波数で高周波数プラズマ中に反応性イオンを発生させるように構成されたプラズマ源（３０３）を備える請求項１２から１６のいずれか一項に記載の装置（３００）。
【請求項１９】
前記プラズマ源（３０３）が、マトリクス状に規則的に分布して平坦に配置された複数の個別に制御可能なマイクロ波源を備える、請求項１６から１８のいずれか一項に記載の装置（３００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の特徴を有するフッ素ガス混合物を用いた深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ，ｄｅｅｐ  ｒｅａｃｔｉｖｅ‐ｉｏｎ  ｅｔｃｈｉｎｇ）用の方法、請求項１０の特徴を有する深掘り反応性イオンエッチング用のそのようなフッ素ガス混合物の使用、そして、請求項１２の特徴を有する本発明のフッ素ガス混合物を用いた深掘り反応性イオンエッチング用の反応器を有する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子やＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，微小電気機械構造）システムを製造するためには、基板を構造化する。このために、多様なエッチングプロセスが使用され得る。湿式化学エッチング法や乾式エッチング法が知られているが、後者は化学的プロセスと物理的プロセスに分けられる。
【０００３】
化学的乾式エッチング（ＣＤＥ，ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｄｒｙ  ｅｔｃｈｉｎｇ）プロセスは、中性粒子／分子（通常はラジカル）と基板表面との間の化学反応を含み、これが基板の構造化をもたらす。ラジカルはプラズマ中で生成され、これが、化学的乾式エッチングが一般的にプラズマエッチング法と称される理由である。化学的乾式エッチングプロセスは、一般的に、極めて等方的なエッチング挙動を示す。
【０００４】
他方、物理的乾式エッチング法は、むしろ異方性のエッチングパターンを示す。この場合、基板表面は、イオン、電子又は光子との衝突によってエッチングされる。基板の構造化に含まれるプロセスは、スパッタリングに含まれるものと同様である。しかしながら、物理的乾式エッチング法は、一般的に、比較的遅いエッチング速度、更には低い物質選択性を有する。マスクが付随するエッチングが、丸みを帯びた縁をもたらす。また、イオンが物質深くに侵入するためには、エッチングに高エネルギーが必要とされる。従って、エッチングが表面で行われるだけではなくて、より深部の層も損傷する。他の欠点は、エッチングされた粒子が基板やマスク、又はマスクの縁に寄生的に堆積（再堆積）することである。
【０００５】
化学的乾式エッチングと物理的乾式エッチングの利点を組み合わせた二つの乾式エッチング方法の混合形式が、物理化学乾式エッチング法であり、一般的にはプラズマアシストエッチングと称される。一般的には、遊離体が、プラズマによって活性化又はラジカル化されて、次いで、イオン加速によって基板上に誘導される。物理化学乾式エッチング法の周知の代表例が、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）と深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）である。深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）はボッシュプロセスとしても知られている。
【０００６】
上記全てのエッチング法では、専用のガスやガス混合物がエッチングガスとして使用される。各エッチングガスは、各エッチング法専用である。特に、ガス混合物の場合、各ガス成分の僅か１％のずれで、選択されたエッチング法が最早実行可能ではなくなり得る。
【０００７】
例えば、六フッ化硫黄ＳＦ６は、非常に良好で再現可能なプロセス制御を可能にするので、ＳＦ６が深掘り反応性イオンエッチング用のエッチングガスとして用いられる。また、六フッ化硫黄ＳＦ６は取り扱いが簡単で比較的無毒である。
【０００８】
しかしながら、六フッ化硫黄ＳＦ６は、環境にとって極めて有害なガスであり、そのＧＷＰ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｗａｒｍｉｎｇ  Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ，地球温暖化係数）の値は＞２２８００であり、地球温暖化に大きく寄与する（「気候キラー」）。更に、連続操業において、エッチング設備は、多量の部分的に反応した硫黄化合物を反応器の真空ポンプラインに溜め込む。これは２４時間操業においては望ましくなく、比較的高いメンテナンス費用に繋がる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、基板の異方性構造化用の深掘り反応性イオンエッチングを、その方法の特徴的なエッチング特性を維持しながら、より環境に優しくすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によると、この課題は、請求項１の特徴を有するエッチング方法によって解決される。
【００１１】
本発明のエッチング方法は、エッチングステップとパッシベーションステップとを交互に続けて複数回行う深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いて基板を異方的に構造化することを備える。本発明によると、２５％よりも多く最大４０％の割合のフッ素（２５％＜Ｆ２≦４０％）と、１％から５０％の割合の窒素（１％≦Ｎ２≦５０％）と、３０％から最大６０％の割合の希ガス（３０％≦希ガス≦６０％）とを有するフッ素ガス混合物がエッチングに使用される。本発明のフッ素ガス混合物のこの特別な組成は、従来用いられていたＳＦ６を置き換えるのに非常に適している。本発明は、従来の知識によれば、Ｆ２フッ素ガス混合物は強力な等方性エッチング挙動を示し、つまり、フッ素含有分子（例えば、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ４Ｆ８等）とは対照的に、Ｆ２フッ素ガス混合物はナノメートル範囲で微細な構造、例えば半導体素子を実現するのには適しておらず、側壁に対して高い選択性（＝生成される構造の極めて滑らかな側面）を有する純粋な反応性イオンエッチングがその目的で使用されているという事実に基づく。従って、Ｆ２フッ素ガス混合物はＣＶＤシステムをクリーニングするためだけに用いられており、ＣＶＤシステムにＦ２フッ素ガス混合物が流し込まれ、等方性エッチング挙動が望まれる。フォトレジストマスクを用いて半導体素子やＭＥＭＳ素子を微細構造化するのに用いられるほぼ全ての従来のプラズマシステムは、マスクに対する対応する選択性と、望ましくない「アンダーカット」（＝エッチングされる層のアンダーエッチング）を防止するために、連続的な側壁パッシベーションとを常に必要とする。しかしながら、これは、通常、ＣＨＦ３等のポリマー化ガスを用いてのみ可能である。この点に関して、Ｆ２ガス混合物は、その高いラジカル密度で、追加のポリマー化ガス無しでは、等方的なエッチングのみを行い、つまり、アンダーカットを生じさせて、異方性エッチング用には検討できないものであるので、Ｆ２ガス混合物はこの目的に使用不可能であるか、極めて限定的にのみ使用可能である。しかしながら、本発明に係るガス組成によると、従来の仮定に反して、基板を異方的に構造化するのにＦ２フッ素ガス混合物を使用することができる。
【００１２】
最初に述べたように、ＤＲＩＥエッチング法では、僅か１％の範囲でのガス組成のずれで、エッチング速度、つまりは方法の実現可能性の顕著な変化に繋がり得る。実験を行ったところ、驚くべきことに、３５％から最大４０％の割合のフッ素と、１％から５０％の割合の窒素と、３０％から最大５９％の割合の希ガスとを有するフッ素ガス混合物が、この組成の理論的な予測よりもエッチング速度及びプロセス制御に関して顕著に優れた結果をもたらすことが分かった。
【００１３】
フッ素ガス混合物は、アルゴン、ネオン、クリプトン、ヘリウム、ラドン、及びキセノンから成る群のうちの希ガスを含むことが想定される。
【００１４】
一実施形態によると、フッ素ガス混合物は希ガス成分としてアルゴンのみを備え得る。アルゴンをＦ２及びＮ２と組み合わせて用いると、本発明の方法を用いたエッチングにおいて特に良好な結果がもたらされることが示されている。
【００１５】
他の実施形態によると、パッシベーションステップは、Ｃ４Ｆ６をプロセスガスとして用いることによって、基板上にパッシベーション層を適用することを含む。現状では、Ｃ４Ｆ８ポリマー化ガスが既存のＤＲＩＥプロセスにおけるパッシベーションに使用されている。しかしながら、このＣ４Ｆ８ポリマー化ガスは環境にとって極めて有害であり、そのＧＷＰ（地球温暖化係数）は８７００である。他方、Ｃ４Ｆ６ポリマー化ガスははるかに環境に優しく、このプロセスガスのＧＷＰは１である。従って、本発明でＣ４Ｆ８をＣ４Ｆ６に置き換えることは、本発明の課題、つまり、既存のＤＲＩＥプロセスをはるかに環境に優しくすることという課題を解決するのに更に寄与する。
【００１６】
本発明の実施形態によると、特に、本方法は、高周波数直接（ダイレクト）プラズマ中に反応性イオンを発生させることを含む。所謂遠隔（リモート）プラズマとは対照的に、直接プラズマにおいては、そのプラズマはエッチング室中に直接発生する。高周波数直接プラズマは、３ＭＨｚから３００ＧＨｚの励起周波数で発生するプラズマとして理解される。
【００１７】
ここで、本方法が、３ＭＨｚから３０ＭＨｚの周波数範囲内の短波周波数帯の励起周波数で誘導結合又は容量結合された高周波数直接プラズマ中に反応性イオンを発生させることを含むことが想定される。好ましい高周波数範囲は、１０ＭＨｚから１５ＭＨｚに及ぶ。例えば、選択される周波数は１３．５６ＭＨｚである。
【００１８】
本発明の更なる実施形態によると、本方法は、０．３ＧＨｚから３ＧＨｚの周波数範囲内のマイクロ波周波数帯の励起周波数で高周波数プラズマ中に反応性イオンを発生させることを含む。好ましい高周波数範囲は２ＧＨｚから３Ｇｈｚに及ぶ。例えば、選択される周波数は２．４５ＧＨｚである。ＳＦ６をエッチングガスとして用いる既存のＤＲＩＥプロセスでは、マイクロ波励起は使用されない。何故ならば、例えば２．５ＧＨｚでのマイクロ波励起はＳＦ６等の重いガスには適しておらず、ＳＦ６をＦラジカルに分解するのに必要な高周波数パワーは極めて複雑で不十分な方法でしか結合されないものとなり得るからである。Ｆ２フッ素ガス混合物をエッチングガスとして使用する本発明と組み合わせると、マイクロ波励起の使用が相乗効果的に極めて興味深いものとなる。フッ素ガス混合物は、上記と比較して三分の一のパワー密度で既にフッ素ラジカルに分解するので、マイクロ波励起でも高いフッ素ラジカル密度を可能にする。従って、マイクロ波プラズマは、比較的低いエネルギー入力で非常に高いラジカル密度を生じさせて、特にフッ素ガス混合物を用いる際に顕著に高いＦラジカル密度をもたらす。
【００１９】
マイクロ波励起を用いてシリコン基板（直径２００〜３００ｍｍ）にわたって十分良好なエッチング均一性を得るために、更なる実施形態では、規則的で平坦に配置された複数の個別制御されるマイクロ波結合源を用い、最大周波数パワー制御によってアブレーション速度のマスク均一性又はシリコン均一性を最適化することができる。
【００２０】
更なる実施形態によると、本発明の方法は、反応性フッ素イオンとフッ素ラジカルとを発生させることを含み、第一期間中ではフッ素ラジカルよりも多くの反応性フッ素イオンを発生させ、後続の第二期間中では反応性フッ素イオンよりも多くのフッ素ラジカルを発生させる。反応性フッ素イオンはパッシベーション層又はポリマー化層を突き破るために必要とされる。他方、ラジカルは、構造化される基板を高い選択性でエッチングする。従って、本発明によると、まずは、反応性フッ素イオンをエッチングステップの初めに発生させ（例えば０．５秒）、次いで、以前のパッシベーションステップで適用されたパッシベーション層を突き破るために基板上に向ける。次いで、フッ素ラジカルを発生させ、露出された基板上に誘導して、基板をエッチング又は構造化する。例えば、特定の時間ウィンドウでのラジカルと反応性イオンとの発生は、プラズマ源に接続された制御器を用いて実現可能であり、その制御器は、プラズマ源が異なる時点においてプラズマ内のフッ素ラジカルとフッ素イオンの割合の異なる分布を生じさせるようにプラズマ源を制御するように構成される。
【００２１】
本発明の更なる態様は、エッチングステップとパッシベーションステップとを交互に続けて複数回行う深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いて基板を異方的に構造化するためのフッ素ガス混合物の使用であり、そのフッ素ガス混合物は、２５％よりも多く最大４０％の割合のフッ素（２５％＜Ｆ２≦４０％）と、１％から５０％の割合の窒素（１％≦Ｎ２≦５０％）と、３０％から最大６０％の割合の希ガス（３０％≦希ガス≦６０％）とを有する。
【００２２】
本発明の更なる態様は、エッチングステップとパッシベーションステップとを交互に続けて複数回行う深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いて基板を異方的に構造化するための反応器と、反応器中にエッチングガスを供給するためのガス流入口とを備える装置に関し、そのエッチングガスとしては、２５％よりも多く最大４０％の割合のフッ素（２５％＜Ｆ２≦４０％）と、１％から５０％の割合の窒素（１％≦Ｎ２≦５０％）と、３０％から最大６０％の割合の希ガス（３０％≦希ガス≦６０％）とを有するフッ素ガス混合物が使用される。
【００２３】
本発明の実施形態を以下で説明し、また図面に例示する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の方法を用いて構造化された基板の概略的な断面図を示す。
【図２】従来技術に係るプロセスガスとしてＳＦ６を用いる深掘り反応性イオンエッチング用の従来のプラズマシステムを示す。
【図３】プロセスガスとして本発明のフッ素ガス混合物を用いる深掘り反応性イオンエッチング用の本発明のプラズマシステムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、本発明のＤＲＩＥプロセスを用いて構造化された基板１０１のエッチングパターンを概略的に示す。ＤＲＩＥプロセスは一般的にボッシュプロセスとも称される。
【００２６】
ボッシュプロセスの特異性は、等方性Ｓｉエッチングと等方性ポリマー化との間で規則的に変わり、Ｓｉエッチングステップ毎に、主に各Ｓｉエッチングステップの開始時において比較的小さな異方性を要することである。各エッチングステップは等方的なものとなり得るが、基板１０１にエッチングされる構造１０４は、交互のエッチングステップとポリマー化ステップに起因して高い異方性を示す。
【００２７】
図１に例示的に示されるシリコン基板１０１は、パッシベーション層（例えば、酸化物）１０２も有する。上述の繰り返しのパッシベーションステップも、基板１０１上に更なるパッシベーション層又はポリマー層１０３をもたらす。また、このポリマー層１０３も、キャビティ１０４内で底部パッシベーション及び側壁パッシベーションをもたらす。
【００２８】
ボッシュプロセスは、シリコン基板１０１内に深い溝、キャビティ、又はＴＳＶ（シリコン貫通ビア，ｔｈｒｏｕｇｈ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｖｉａ）１０４を生成するために反応性イオンエッチングとポリマー堆積とを組み合わせて交互に繰り返す。現状では、従来技術に係るボッシュプロセスでは、Ｃ４Ｆ８ガスがポリマー堆積に用いられ、ＳＦ６エッチングガスが実際のＳｉエッチングに用いられる。
【００２９】
従来のボッシュプロセスは本質的に以下の三つのプロセスステップから成る：
（ａ）Ｆラジカル（ＳＦ６から形成される）を用いた等方性化学的エッチング；
（ｂ）Ｃ４Ｆ８ガスを用いた、等方性でバイアスＲＦ無しでの表面のパッシベーション；
（ｃ）加速イオンを用いた底部パッシベーションの除去（物理的エッチング）。
【００３０】
従来技術で用いられるエッチング室は全て、所謂誘導結合プラズマ励起を１３．５６ＭＨｚの周波数で用いるものであり、これと同時に適用される１３．５６ＭＨｚ又は４００ｋＨｚの周波数での追加のプラズマ源と対にして、カソードを介して所謂ＤＣバイアス又は加速電圧を発生させる。
【００３１】
反応器の頂部において誘導結合されたプラズマが、比較的高密度で方向性の無いフッ素イオン及びフッ素ラジカルを生じさせて、生じた高いラジカル密度に主に起因して、等方的にシリコンを９０％エッチングする。重ね合わされた第二のプラズマ源が、ウェーハ表面に向けて垂直にＳＦｘイオンを加速させて、誘導源とは独立して制御されて、異方性のエッチング部を生じさせる。
【００３２】
異方性エッチング部は、生成される溝１０４の底部に予め堆積していたテフロン（登録商標）状のポリマー薄層１０２を突き破るためだけに必要とされる（ポリマーが溝１０４の側壁に保持されて、アンダーカットを防止することによって、フッ素ラジカルによる次の等方性Ｓｉエッチングを可能にする）。
【００３３】
ポリマー化は、バイアスＲＦ無しで誘導結合された１３．５６ＭＨｚのパワーを適用することのみによって、Ｃ４Ｆ８プラズマを点火して、ＰＴＦＥ状の薄層を「堆積」させることによって得られる。
【００３４】
従来のボッシュプロセスで用いられるＳＦ６エッチングガスは、環境にとって極めて有害なガスであり、そのＧＷＰ（地球温暖化係数）の値は＞２２８００であり、地球温暖化に大きく寄与する（「気候キラー」）。更に、エッチング設備の連続操業中に、多量の部分的に反応した硫黄化合物が反応器の真空ポンプラインに蓄積する。これは２４時間操業においては望ましくなく、比較的高いメンテナンス費用につながる。
【００３５】
従って、本発明は、特に、基板（例えば、バルクシリコン）１０１にリソグラフィで画定される深掘り構造１０４を、２０：１を超えるアスペクト比（アスペクト比＝深さ・対・トレンチ幅）で生じさせることを可能にするように、ボッシュプロセスで従来用いられていたＳＦ６エッチングガスをフッ素ガス混合物に置き換えることを提案する。
【００３６】
本発明によると、フッ素ガス混合物は、２５％よりも多くて最大４０％の割合のフッ素（２５％＜Ｆ２≦４０％）と、１％から５０％の割合の窒素（１％≦Ｎ２≦５０％）と、３０％から最大６０％の希ガス（３０％≦希ガス≦６０％）とを含む。好ましくは希ガスとしてアルゴンが用いられる。
【００３７】
３５％から最大４０％のフッ素と、１％から最大５０％の窒素と、３０％から最大５９％の希ガスとを含むフッ素ガス混合物を用いると、特に良好な結果を得ることができる。
【００３８】
また、フッ素ガス混合物は、必要とされる選択性と異方性エッチングの割合を最適化するために、特許請求されている上下限内の濃度のＦ２／希ガス（Ｈｅ、Ａｒ、ネオン、クリプトン、キセノン）／Ｎ２から成るものともなり得る。
【００３９】
現状では、フッ素ガス混合物は、非常に高い等方性を有するものとして知られており、つまり、フッ素ガス混合物は大部分は方向性無くエッチングを行う。従って、フッ素ガス混合物は、例えば、ＣＶＤ室のクリーニング用のクリーニングガスにとても適している。フッ素ガス混合物はＣＶＤ室に流れ込み、室の大部分にわたって分布して等方性エッチングを行い、室壁から残留物を除去する。つまり、この高い等方性はクリーニングにとって望ましいものである。しかしながら、一般の専門知識によれば、フッ素ガス混合物は、その高い等方性のために、基板の指向性構造化には適していないものである。
【００４０】
Ｆ２ガス混合物が例えばＣＶＤ反応器壁上のガラス層やアモルファスシリコン層の全面除去に用いられるＣＶＤクリーニングプラズマとは対照的に、本発明は、従来専ら用いられてきたＳＦ６ガスを環境上の理由で置き換えるのと同時に、エッチング室及び真空部品の寿命を、それらに干渉する硫黄堆積が生じ得ないようにすることで延ばすことができるという上記目的でＦ２ガス混合物を構造化及び基板（例えば、シリコンウェーハ）用に初めて使用することを説明する。
【００４１】
フォトマスクで構造化されたシリコンのＤＲＩＥエッチングにおいてＳＦ６を環境に優しいＦ２ガス混合物で置き換えるには、フッ素ガス混合物がチャンバ室に流れ込むように方向性無く室内に誘導されるというＣＶＤクリーニングプロセスと比べて異なる技術的方法も必要とされる。この点は別にして、ＣＶＤクリーニングプロセスで用いられるフッ素ガス混合物の各ガス成分の組成（パーセンテージ分布）は、本発明に係るフッ素ガス混合物の組成とは異なる。フッ素ガス混合物の場合、一種類の混合成分の僅か１％のずれで、所望の方法が最早機能しなくなり得ることに留意されたい。
【００４２】
ＤＲＩＥエッチングでは、実際のＳｉエッチングを行うことができるようにするためには、テフロン（登録商標）状のポリマー層に対して必要とされる選択性と、その層を突き破る際の最小の異方性とを示すようにしなければならないので、Ｆ２ガス混合物にＮ２と希ガス（例えば、比較的重い原子としてアルゴン）を加えることが、予めポリマー化された溝底部に繰り返し開口を設けるのに必要とされるスパッタエネルギーを得ることができるようにするための新たな解決策となる。
【００４３】
１００％のＦ２の代わりにＦ２ガス混合物を使用することは、１００％のＦ２が自然発火性であり高反応性であるために、安全上の理由にとって有利である。また、１００％のＦ２では、Ｓｉガラスや窒化シリコン、フォトレジスト等の従来のマスキング層に対して必要なシリコンの選択性が得られず、これが、フッ素ガス混合物が反応性イオンエッチングにおいて用いられてこなかった他の理由である。
【００４４】
本発明の方法は、従来の誘導結合プラズマ（例えば、１３．５６ＭＨｚでのプラズマ）において、又はマイクロ波プラズマ（例えば、２．４５ＧＨｚでのプラズマ）を用いて実現可能である。
【００４５】
本発明のフッ素ガス混合物をマイクロ波プラズマと組み合わせて用いることには多くの利点がある。
【００４６】
例えば、マイクロ波プラズマは、比較的低い使用エネルギーで非常に高いラジカル密度を生じさせて、特にフッ素ガス混合物が用いられる際には、低周波数で励起されるプラズマと比較して顕著に高いフッ素ラジカル密度をもたらす。
【００４７】
Ｆ２ラジカルの形成にマイクロ波を用いる場合には追加の整合ユニット（電気機械的な高周波数調整ユニット）が必要とされないので、本発明の装置の利点として、誘導結合プラズマ（例えば、１３．５６ＭＨｚ）で現状は用いられているプロセス室よりも信頼性高く構築可能である点が挙げられる。
【００４８】
Ｃ４Ｆ８ポリマー化ガスは引き続き使用可能である。しかしながら、パッシベーション用のＣ４Ｆ８と、従来技術のエッチング用のＳＦ６エッチングガスとは、環境にとって極めて有害である。従って、本発明によると、Ｃ４Ｆ８とＳＦ６に対して可能な代替物としてＣ４Ｆ６やＳＦ４とを使用することが考えられる。Ｃ４Ｆ８（Ｃ４Ｆ８のＧＷＰ＝８７００）と比較して、Ｃ４Ｆ６は僅か１のＧＷＰを有する（Ｃ４Ｆ６のＧＷＰ＝１）。
【００４９】
隣同士に複数配置されたセラミック導波路のセラミック表面に結合される最新設計のマイクロ波源のみが、均一なＳｉ除去を得るためにウェーハ表面全体にわたって必要とされる平坦で均一に分布したラジカル密度を生じさせる。
【００５０】
マトリクス状に規則的に分布して配置された複数の個別に制御可能なマイクロ波源を組み合わせるというより複雑な方法で、２００ｍｍから３００ｍｍの直径範囲内のシリコン基板の達成可能な均一性の更なる最適化が可能となる。結合素子毎の個別に制御可能なマイクロ波パワーの適用は、可能な限り均一なエッチングアブレーションを得るために、エッチング室にわたって分布するイオンエネルギーと、エッチング室にわたって分布するラジカル密度とを反応器の全面にわたって非常に正確に適用することを可能にする。
【００５１】
１３．５６ＭＨｚ又は４００ｋＨｚの第二ＲＦ発生器は、それぞれカソード又はウェーハ表面に向かってポリマー開口部において調整可能で精密に制御可能なイオン加速（スパッタエッチングステップ）を生じさせることができるようにするためだけに必要とされる。本発明のフッ素ガス混合物は、極めて簡単に分解可能なものであって、ＳＦ６に匹敵するフッ素ラジカル密度、つまりは高いＳｉエッチング速度を生じさせるのに比較的低いＲＦパワーしか必要としない。
【００５２】
本発明の方法では、有利には、フッ素イオンがパッシベーション層又はポリマー化層１０３を突き破るのに利用可能であり、フッ素ラジカルが基板１０１を構造化するために望まれる（パッシベーション層又はポリマー仮層１０３を突き破った後に）。
【００５３】
従って、本発明の実施形態によると、本発明の方法は、反応性フッ素イオンとフッ素ラジカルとを発生させることを含み、第一期間中にフッ素ラジカルよりも多くの反応性フッ素イオンを発生させ、後続の第二期間中に反応性フッ素イオンよりも多くのフッ素ラジカルを発生させる。
【００５４】
反応性フッ素イオンは、パッシベーション層又はポリマー化層１０３を突き破るのに必要とされる。他方、フッ素ラジカルは、構造化される基板を高選択性でエッチングする。従って、本発明によると、まず、反応性フッ素イオンをエッチングステップの初め（例えば、０．５秒にわたって）に発生させ、次いで、基板１０１上に向けて、以前のパッシベーションステップにおいて適用されたパッシベーション層又はポリマー化層１０３を突き破る。次いで、フッ素ラジカルを発生させ、露出された基板１０１上に誘導して、基板１０１をエッチング又は構造化する。
【００５５】
例えば、特定の時間ウィンドウ内におけるラジカルと反応性イオンの発生は、プラズマ源に接続された制御器を用いて実現可能であり、その制御器は、プラズマ源が異なる時点においてプラズマ内のフッ素ラジカルとフッ素イオンの割合の異なる分布を生じさせるようにプラズマ源を制御するように構成される。
【００５６】
例えば、制御器は、時間に応じてプラズマを発生させるための励起周波数を増大させるように構成され得る。マイクロ波周波数範囲未満の高周波数、つまり、略３０ＭＨｚから３００ＭＨｚの周波数では、ラジカルと反応性イオンとの両方がプラズマ中に形成される。マイクロ波周波数範囲内の周波数、つまり、略０．３ＧＨｚから３ＧＨｚの周波数では、イオンは最早伴わないものとなり得て、ほぼラジカルのみがプラズマ中に形成される。
【００５７】
従って、制御器は、第一期間中において第一励起周波数でプラズマを発生させ、第二期間中において第二励起周波数でプラズマを発生させ、第一励起周波数は第二励起周波数よりも低く、第一励起周波数は好ましくはマイクロ波周波数範囲未満、つまりは、略３０ＭＨｚから３００ＭＨｚであり、第二励起周波数は、０．３ＧＨｚから３ＧＨｚのマイクロ波周波数範囲内にある。
【００５８】
図２は、従来技術に係る深掘り反応性イオンエッチング用の従来のプラズマシステム２００を示す。プラズマシステム２００は、構造化される基板２０２を含むプロセス室２０１を備える。また、プラズマシステム２００は、プラズマ源２０３を備えた室を備え、その中に、ガス流入口２０５を介してＳＦ６がプロセスガス２０４として導入可能である。プロセスガス２０４（ここでは、ＳＦ６）は、上流の質量流量制御器２０６を介してプラズマ源２０３に誘導される。
【００５９】
高い安全性の要求を満たすことができるように本発明のフッ素ガス混合物を使用するためには、図２に示されるような従来用いられているプラズマシステムを修正しなければならず、又は、新たな反応器を設計しなければならず、Ｆ２ガス混合物は有毒で高腐食性であるため、本発明に係るフッ素ガス混合物を安全上の懸念無く使用できるようにする。
【００６０】
従って、図３に示されるように、質量流量制御器３０６（ＭＦＣ，ｍａｓｓ  ｆｌｏｗ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，マスフローコントローラ）用の吸引装置３０７を有するプラズマシステム３００が提案され、その質量流量制御器３０６が、本発明のフッ素ガス混合物３０４をプロセス室又は真空室３０１内に運ぶ。
【００６１】
図３は、深掘り反応性イオンエッチング用の本発明のプラズマシステム３００を示す。プラズマシステム３００は、構造化される基板３０２を含むプラズマ室３０１を備える。更に、プラズマシステム３００は、プラズマ源３０３を有する室を備える。従来技術（図２）と比較して、プロセスガス３０４として使用される本発明のフッ素ガス混合物は、ガス流入口３０５を介して本発明のプラズマ室３００内に誘導される。フッ素ガス混合物は、上流の質量流量制御器３０６を介してプラズマ源３０３に誘導され、その質量流量制御器３０６には、上述の吸引装置３０７が追加的に設けられる。
【００６２】
両プラズマシステム２００、３００は、構造化される基板２０２、３０２が電極２０８、３０８上に配置され、その基板にイオン又はガス流２０９、３０９が向けられる（高異方性）という点において共通している。また、両プラズマシステム２００、３００は真空ポンプ用の接続部２１０、３１０を有する。
【符号の説明】
【００６３】
３００  プラズマシステム
３０１  プラズマ室
３０２  基板
３０３  プラズマ源
３０４  プロセスガス
３０５  ガス流入口
３０６  質量流量制御器
３０７  吸引装置
３０８  電極
３０９  イオン又はガス流
３１０  接続部
【図１】
2019532512.tif 000003
【図２】
2019532512.tif 000004
【図３】
2019532512.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】令和1年6月13日(2019.6.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
両プラズマシステム２００、３００は、構造化される基板２０２、３０２が電極２０８、３０８上に配置され、その基板にイオン又はガス流２０９、３０９が向けられる（高異方性）という点において共通している。また、両プラズマシステム２００、３００は真空ポンプ用の接続部２１０、３１０を有する。
以下、本発明の追加の実施形態及び態様について説明するが、これらは個別に使用可能であり、又は本願に記載のいずれかの特徴、機能、詳細と組み合わせて使用可能である。
第一態様によると、エッチング方法は、エッチングステップとパッシベーションステップとを交互に続けて複数回行う深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いて基板１０１、３０２を異方的に構造化することを備え、２５％よりも多く最大４０％の割合のフッ素と、１％から５０％の割合の窒素と、３０％から最大６０％の割合の希ガスとを備えるフッ素ガス混合物がエッチングに使用される、
第一態様を参照する第二態様によると、フッ素ガス混合物は、３５％から最大４０％の割合のフッ素と、１％から５０％の割合の窒素と、３０％から最大５９％の割合の希ガスとを備える。
第一態様又は第二態様を参照する第三態様によると、フッ素ガス混合物は、アルゴン、ネオン、クリプトン、ヘリウム、ラドン、及びキセノンから成る群のうちの希ガスを備える。
第一態様又は第二態様を参照する第四態様によると、フッ素ガス混合物が希ガス成分としてアルゴンを備える。
第一態様から第四態様を参照する第五態様によると、パッシベーションステップは、プロセスガスとしてＳＦ４又はＣ４Ｆ６を用いて基板１０１、３０２上にパッシベーション層を適用することを含む。
第一態様から第五態様を参照する第六態様によると、本方法は、高周波数直接プラズマ中に反応イオンを発生させることを含む。
第六態様を参照する第七態様によると、本方法は、３ＭＨｚから３０ＭＨｚの周波数範囲内、好ましくは１３ＭＨｚから１５ＭＨｚの範囲内、特に好ましくは１３．５ＭＨｚから１３．６ＭＨｚの範囲内の短波周波数帯の励起周波数で誘導結合又は容量結合された高周波数直接プラズマ中に反応性イオンを発生させることを含む。
第一態様から第六態様を参照する第八態様によると、本方法は、０．３ＧＨｚから３ＧＨｚの周波数範囲内、好ましくは０．８ＧＨｚから２．６ＧＨｚの周波数範囲内、特に好ましくは２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波周波数帯の励起周波数で高周波数プラズマ中に反応性イオンを発生させることを含む。
第一態様から第八態様を参照する第九態様によると、本方法は、反応性イオンとラジカルとを発生させることを含み、第一期間中においてはラジカルよりも多くの反応性イオンを発生させ、後続の第二期間中においては反応性イオンよりも多くのラジカルを発生させる。
第十態様は、エッチングステップとパッシベーションステップとを交互に続けて複数回行う深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いて基板１０１、３０２を異方的に構造化するためのフッ素ガス混合物の使用に関し、そのフッ素ガス混合物は、２５％よりも多く最大４０％の割合のフッ素と、１％から５０％の割合の窒素と、３０％から最大６０％の割合の希ガスとを備え、その希ガスはアルゴン、ネオン、クリプトン、ヘリウム、ラドン、及びキセノンから成る群のうちの希ガスである。
第十態様を参照する第十一態様では、フッ素ガス混合物は、３５％から最大４０％の割合のフッ素と、１％から５０％の割合の窒素と、３０％から最大５９％の割合の希ガスとを備える。
第十二態様に係る装置３００は、エッチングステップとパッシベーションステップとを交互に続けて複数回行う深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いて基板３０２を異方的に構造化するための反応器３０１と、反応器３０１中にエッチングガス３０４を供給するためのガス流入口３０５とを備え、そのエッチングガス３０４としては、２５％よりも多く最大４０％の割合のフッ素と、１％から５０％の割合の窒素と、３０％から最大６０％の割合の希ガスとを備えるフッ素ガス混合物が使用される。
第十二態様を参照する第十三態様によると、フッ素ガス混合物は、３５％から最大４０％の割合のフッ素と、１％から５０％の割合の窒素と、３０％から最大５９％の割合の希ガスとを備える。
第十二態様又は第十三態様を参照する第十四態様によると、フッ素ガス混合物３０４は、アルゴン、ネオン、クリプトン、ヘリウム、ラドン、及びキセノンから成る群のうちの少なくとも一種の希ガスを備える。
第十二態様又は第十三態様を参照する第十五態様によると、フッ素ガス混合物３０４は希ガス成分としてアルゴンのみを備える。
第十二態様から第十五態様を参照する第十六態様によると、本装置３００は、高周波数直接プラズマ中に反応性イオンを発生させるように構成されたプラズマ源３０３を備える。
第十六態様を参照する第十七態様によると、プラズマ源３０３は、３ＭＨｚから３０ＭＨｚの周波数範囲内、好ましくは１３ＭＨｚから１５ＭＨｚの範囲内、特に好ましくは１３．５ＭＨｚから１３．６ＭＨｚの範囲内の短波周波数帯の励起周波数で誘導結合又は容量結合された高周波数直接プラズマ中に反応性イオンを発生させるように構成されている。
第十二態様から第十六態様を参照する第十八態様によると、本装置３００は、０．３ＧＨｚから３ＧＨｚの周波数範囲内、好ましくは０．８ＧＨｚから２．６ＧＨｚの周波数範囲内、特に好ましくは２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波周波数帯の励起周波数で高周波数プラズマ中に反応性イオンを発生させるように構成されたプラズマ源３０３を備える。
第十六態様から第十八態様を参照する第十九態様によると、プラズマ源３０３は、マトリクス状に規則的に分布して平坦に配置された複数の個別に制御可能なマイクロ波源を備える。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エッチング方法であって、
エッチングステップとパッシベーションステップとを交互に続けて複数回行う深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いて基板（１０１、３０２）を異方的に構造化することを備え、
２５％よりも多く最大４０％の割合のフッ素と、１％から５０％の割合の窒素と、３０％から最大６０％の割合の希ガスとを備えるフッ素ガス混合物がエッチングに使用される、方法。
【請求項２】
前記フッ素ガス混合物が、３５％から最大４０％の割合のフッ素と、１％から５０％の割合の窒素と、３０％から最大５９％の割合の希ガスとを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記フッ素ガス混合物が、アルゴン、ネオン、クリプトン、ヘリウム、ラドン、及びキセノンから成る群のうちの希ガスを備える、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記フッ素ガス混合物が希ガス成分としてアルゴンを備える、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
前記パッシベーションステップが、プロセスガスとしてＳＦ４又はＣ４Ｆ６を用いて前記基板（１０１、３０２）上にパッシベーション層を適用することを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
高周波数直接プラズマ中に反応イオンを発生させることを含む請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
３ＭＨｚから３０ＭＨｚの周波数範囲内、好ましくは１３ＭＨｚから１５ＭＨｚの範囲内、特に好ましくは１３．５ＭＨｚから１３．６ＭＨｚの範囲内の短波周波数帯の励起周波数で誘導結合又は容量結合された高周波数直接プラズマ中に反応性イオンを発生させることを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
０．３ＧＨｚから３ＧＨｚの周波数範囲内、好ましくは０．８ＧＨｚから２．６ＧＨｚの周波数範囲内、特に好ましくは２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波周波数帯の励起周波数で高周波数プラズマ中に反応性イオンを発生させることを含む請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
反応性イオンとラジカルとを発生させることを含み、第一期間中においてはラジカルよりも多くの反応性イオンを発生させ、後続の第二期間中においては反応性イオンよりも多くのラジカルを発生させる、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記基板（１０１、３０２）が半導体基板とシリコン基板とのうちの少なくとも一方である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
エッチングステップとパッシベーションステップとを交互に続けて複数回行う深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いて基板（１０１、３０２）を異方的に構造化するためのフッ素ガス混合物の使用であって、前記フッ素ガス混合物が、２５％よりも多く最大４０％の割合のフッ素と、１％から５０％の割合の窒素と、３０％から最大６０％の割合の希ガスとを備え、該希ガスがアルゴン、ネオン、クリプトン、ヘリウム、ラドン、及びキセノンから成る群のうちの希ガスである、使用。
【請求項１２】
前記フッ素ガス混合物が、３５％から最大４０％の割合のフッ素と、１％から５０％の割合の窒素と、３０％から最大５９％の割合の希ガスとを備える、請求項１１に記載の使用。
【請求項１３】
エッチングステップとパッシベーションステップとを交互に続けて複数回行う深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いて基板（３０２）を異方的に構造化するための反応器（３０１）と、
前記反応器（３０１）中にエッチングガス（３０４）を供給するためのガス流入口（３０５）とを備え、２５％よりも多く最大４０％の割合のフッ素と、１％から５０％の割合の窒素と、３０％から最大６０％の割合の希ガスとを備えるフッ素ガス混合物が前記エッチングガス（３０４）として使用される、装置（３００）。
【請求項１４】
前記フッ素ガス混合物が、３５％から最大４０％の割合のフッ素と、１％から５０％の割合の窒素と、３０％から最大５９％の割合の希ガスとを備える、請求項１３に記載の装置（３００）。
【請求項１５】
前記フッ素ガス混合物（３０４）が、アルゴン、ネオン、クリプトン、ヘリウム、ラドン、及びキセノンから成る群のうちの少なくとも一種の希ガスを備える、請求項１３に記載の装置（３００）。
【請求項１６】
前記フッ素ガス混合物（３０４）が希ガス成分としてアルゴンのみを備える、請求項１３に記載の装置（３００）。
【請求項１７】
高周波数直接プラズマ中に反応性イオンを発生させるように構成されたプラズマ源（３０３）を備える請求項１３から１６のいずれか一項に記載の装置（３００）。
【請求項１８】
前記プラズマ源（３０３）が、３ＭＨｚから３０ＭＨｚの周波数範囲内、好ましくは１３ＭＨｚから１５ＭＨｚの範囲内、特に好ましくは１３．５ＭＨｚから１３．６ＭＨｚの範囲内の短波周波数帯の励起周波数で誘導結合又は容量結合された高周波数直接プラズマ中に反応性イオンを発生させるように構成されている、請求項１７に記載の装置（３００）。
【請求項１９】
０．３ＧＨｚから３ＧＨｚの周波数範囲内、好ましくは０．８ＧＨｚから２．６ＧＨｚの周波数範囲内、特に好ましくは２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波周波数帯の励起周波数で高周波数プラズマ中に反応性イオンを発生させるように構成されたプラズマ源（３０３）を備える請求項１３から１７のいずれか一項に記載の装置（３００）。
【請求項２０】
前記プラズマ源（３０３）が、マトリクス状に規則的に分布して平坦に配置された複数の個別に制御可能なマイクロ波源を備える、請求項１７から１９のいずれか一項に記載の装置（３００）。
【国際調査報告】
2019532512.tif 000006
2019532512.tif 000007
2019532512.tif 000008
2019532512.tif 000009
2019532512.tif 000010
2019532512.tif 000011