(57)【要約】【課題】形状のばらつきが少ない半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】実施形態に係る半導体装置の製造方法は、シリコンを含む部材をドライエッチングする工程を備える。前記ドライエッチングは、圧力を増加させてもエッチングレートがそれ以上増加しなくなる飽和圧力に０．８５を乗じた圧力以上の第１の圧力範囲、又は、圧力を前記飽和圧力としたときのエッチングレートの半分のエッチングレートを実現する圧力以下の第２圧力範囲において実施する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンを含む部材をドライエッチングする工程を備え、
前記ドライエッチングは、圧力を増加させてもエッチングレートがそれ以上増加しなくなる飽和圧力に０．８５を乗じた圧力以上の第１の圧力範囲、又は、圧力を前記飽和圧力としたときのエッチングレートの半分のエッチングレートを実現する圧力以下の第２圧力範囲において実施する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１の圧力範囲は、前記飽和圧力に１．１５を乗じた圧力以下とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記ドライエッチングのエッチングガスとして、酸素及び四フッ化炭素のうち少なくとも一方を用いる請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記ドライエッチングは、化学的ドライエッチング又は反応性イオンエッチングである請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
シリコンウェーハの上面にトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの内面上にシリコン酸化膜を形成する工程と、
シリコンを堆積させることにより、前記トレンチ内に前記部材を埋め込む工程と、
をさらに備えた請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置には、シリコンを主成分とするシリコン部材が多く使用されている。シリコン部材はドライエッチングによって加工されることが多い。しかし、ドライエッチングにおいては、ウェーハの面内でエッチングレートがばらつくことがあり、エッチングレートがばらつくと、加工後のシリコン部材の形状がばらついてしまう。この結果、半導体装置の特性がばらついたり、生産性が低下したりする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００３−５２３６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実施形態の目的は、形状のばらつきが少ない半導体装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る半導体装置の製造方法は、シリコンを含む部材をドライエッチングする工程を備える。前記ドライエッチングは、圧力を増加させてもエッチングレートがそれ以上増加しなくなる飽和圧力に０．８５を乗じた圧力以上の第１の圧力範囲、又は、圧力を前記飽和圧力としたときのエッチングレートの半分のエッチングレートを実現する圧力以下の第２圧力範囲において実施する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態におけるシリコン部材の加工方法を例示するフローチャート図である。
【図２】実施形態において使用するドライエッチング装置を例示する図である。
【図３】（ａ）は、横軸に圧力をとり、縦軸にエッチングレートをとって、ドライエッチングにおける圧力とエッチングレートとの関係を例示するグラフ図であり、（ｂ）は、横軸に圧力をとり、縦軸にエッチング加工後の寸法のばらつきをとって、ドライエッチングにおける圧力とばらつきとの関係を例示するグラフ図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、横軸に圧力をとり、縦軸にエッチングレートをとって、変形例における飽和圧力の決定方法を例示するグラフ図である。
【図５】横軸に圧力をとり、縦軸にエッチングレートをとって、実施例の予備実験における圧力とエッチングレートとの関係を示すグラフ図である。
【図６】（ａ）は実施例の本加工前の評価用ウェーハを示す断面図であり、（ｂ）は本加工後の評価用ウェーハを示す断面図である。
【図７】実施例の評価用ウェーハにおいてエッチング深さを測定した位置を示す平面図である。
【図８】横軸に圧力をとり、エッチング加工後の寸法のばらつきをとって、実施例の本加工における圧力とばらつきとの関係を例示するグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
（実施形態）
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態におけるシリコン部材の加工方法を例示するフローチャート図である。
図２は、本実施形態において使用するドライエッチング装置を例示する図である。
図３（ａ）は、横軸に圧力をとり、縦軸にエッチングレートをとって、ドライエッチングにおける圧力とエッチングレートとの関係を例示するグラフ図であり、（ｂ）は、横軸に圧力をとり、縦軸にエッチング加工後の寸法のばらつきをとって、ドライエッチングにおける圧力とばらつきとの関係を例示するグラフ図である。
なお、図３（ａ）と図３（ｂ）との間で、圧力のスケールは共通である。
【０００８】
本実施形態は、ドライエッチングによってシリコン部材を加工することにより、半導体装置を製造する方法である。本発明者等の検討によれば、シリコン部材に対するドライエッチングにおいて、エッチング加工のばらつきが相対的に小さくなる２つの圧力範囲が存在する。そこで、本実施形態においては、先ず、図１のステップＳ１に示すように、予備実験を行う。そして、ステップＳ２に示すように、予備実験の結果に基づいて、好適な圧力範囲を決定する。その後、ステップＳ３に示すように、この好適な圧力範囲を利用して、シリコン部材を本加工する。
【０００９】
先ず、本実施形態において加工の対象とするシリコン部材、及び、本実施形態において使用するドライエッチング装置について説明する。
図２に示すように、本実施形態においては、ドライエッチング装置２を用いて、シリコン部材１に対してドライエッチングを施す。シリコン部材１は、シリコンを含む部材である。シリコン部材１は、例えば、単結晶のシリコンウェーハであってもよく、シリコンウェーハ上に形成されたポリシリコン膜であってもよく、シリコンウェーハ上に形成されたアモルファスシリコン膜であってもよい。また、シリコン部材１は、ドナー又はアクセプタ等の不純物を含有していてもよく、含有していなくてもよい。
【００１０】
ドライエッチング装置２は、例えば、ＣＤＥ（chemical dry etching：化学的ドライエッチング）装置、又は、ＲＩＥ（reactive ion etching：反応性イオンエッチング）装置である。ドライエッチング装置２は、エッチングガスとして、例えば、酸素（Ｏ２）及び四フッ化炭素（ＣＦ４）の混合ガスを使用する。
【００１１】
先ず、図１のステップＳ１に示すように、予備実験を行う。
具体的には、予備実験用のシリコン部材１に対して、ドライエッチング装置２を用いて、チャンバー内の圧力が相互に異なり、圧力以外のパラメータを一定とした複数の条件で、ＣＤＥ又はＲＩＥ等のドライエッチングを施し、各条件について、エッチングレートを評価する。
【００１２】
これにより、一般的には、図３（ａ）に示すような結果が得られる。すなわち、十分に低い圧力範囲では、圧力とエッチングレートとの間には正の相関関係が認められ、圧力を増加させるほど、エッチングレートが増加する。しかし、それよりも高い圧力範囲では、圧力とエッチングレートとの間に正の相関関係が認められず、圧力を増加させてもエッチングレートは増加しない。従って、これらの２つの圧力範囲の境界には、圧力を増加させてもエッチングレートがそれ以上増加しなくなる飽和圧力ＰＡが存在する。
【００１３】
次に、図１のステップＳ２に示すように、好適な圧力範囲を算出する。
本発明者等の検討の結果、図３（ｂ）に示すように、ドライエッチングの圧力を、飽和圧力ＰＡの周辺及びそれ以上の圧力範囲内の値とすると、ウェーハ面内におけるエッチング加工のばらつきが相対的に小さくなる。従って、この圧力範囲においてドライエッチングを施すことが好ましい。具体的には、飽和圧力ＰＡの−１５％の圧力以上の圧力範囲、すなわち、飽和圧力ＰＡに０．８５を乗じた圧力以上の圧力範囲ａ１内の圧力でドライエッチングを施すことが好ましい。但し、圧力を過剰に高くしても、エッチングレートを向上させる効果、及び、ばらつきを低減する効果は飽和するため、圧力は飽和圧力ＰＡの＋１５％以下とすることがより好ましい。すなわち、飽和圧力ＰＡに対して±１５％以内の圧力範囲ａ２内の圧力でドライエッチングを施すことが、より好ましい。
【００１４】
飽和圧力ＰＡの周辺及びそれ以上の圧力範囲ａ１においてウェーハ面内におけるエッチング加工のばらつきが小さくなる理由は必ずしも明らかではないが、圧力が十分に高いことにより、ウェーハ面内の全領域において、エッチングガス分子の反応面への吸着及び解離等が飽和に達するため、各部のエッチングレートが、エッチングガスの供給律速ではなく、反応律速によって決定されるためと推測される。
【００１５】
また、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、圧力を飽和圧力ＰＡとしたときのエッチングレートをＲＡとし、その半分のエッチングレート（ＲＡ／２）を実現するような圧力を圧力ＰＢとしたときに、ドライエッチングの圧力を圧力ＰＢ以下の圧力範囲ｂとしても、ウェーハ面内におけるエッチング加工のばらつきが相対的に小さくなる。従って、圧力範囲ｂ内の圧力でドライエッチングを施してもよい。
【００１６】
圧力範囲ｂにおいてウェーハ面内におけるエッチング加工のばらつきが小さくなる理由も必ずしも明らかではないが、圧力が低いために、エッチングガスの流れにおいて粘性流よりも分子流が支配的になり、ガス分子の方向性がウェーハ面内においてほぼ一定となるためと推測される。一方、圧力範囲ａ１と圧力範囲ｂの間の範囲においては、各部のエッチングレートがエッチングガスの供給律速で決定され、且つ、エッチングガスの流れにおいて粘性流が支配的になるため、ばらつきが生じやすいものと推定される。
【００１７】
次に、図１のステップＳ３に示すように、本加工を実施する。
図２に示すドライエッチング装置２を用いて、シリコン部材１に対してドライエッチングを施し、シリコン部材１を加工する。加工の態様は特に限定されないが、例えば、シリコン部材１として、シリコンウェーハの上面に複数本のトレンチを形成し、これらのトレンチの内面上にシリコン酸化膜を形成し、シリコンを堆積させることにより、トレンチ内にポリシリコン膜を埋め込んだ構造体を用意する。そして、ＣＤＥ又はＲＩＥ等のドライエッチングにより、トレンチ内に埋め込んだポリシリコン膜をエッチバックする。
【００１８】
このとき、ドライエッチングの圧力を、上述の圧力範囲ａ１内、より好ましくは圧力範囲ａ２内、又は、圧力範囲ｂ内の値に設定して、シリコン部材１に対してドライエッチングを施す。これにより、エッチングレートのばらつきを低減し、加工後の形状をウェーハ面内で均一にすることができる。
【００１９】
本実施形態によれば、シリコン部材に対してドライエッチングを施す際に、エッチング雰囲気の圧力を、所定の圧力範囲ａ１、ａ２又はｂ内の値とすることにより、形状のばらつきが少ない半導体装置を製造することができる。
【００２０】
次に、飽和圧力ＰＡの決定方法の変形例について説明する。
図４（ａ）及び（ｂ）は、横軸に圧力をとり、縦軸にエッチングレートをとって、本変形例における飽和圧力の決定方法を例示するグラフ図である。
【００２１】
前述の図３（ａ）に示す例においては、圧力とエッチングレートが正の相関関係を示す圧力範囲と、圧力が変化してもエッチングレートが変化しない圧力範囲との境界が明確であり、飽和圧力ＰＡの決定が容易であった。しかし、実際には、常にこのような結果が得られるとは限らない。そこで、いくつかのパターンについて、飽和圧力ＰＡの決定方法を説明する。
【００２２】
図４（ａ）に示すように、ドライエッチング装置２において設定可能な圧力範囲の全範囲において、圧力とエッチングレートが正の相関関係を示し、飽和圧力ＰＡを決定できない場合が考えられる。
【００２３】
しかしながら、このような場合においても、通常は、低い圧力範囲においては圧力を増加させたときのエッチングレートの増加が急峻であり、高い圧力範囲においては圧力を増加させたときのエッチングレートの増加が緩やかである。このため、測定されたエッチングレートの最高値ＲＭＡＸに所定の係数を乗じた値をエッチングレートＲＡとし、このエッチングレートＲＡを実現する圧力を飽和圧力ＰＡとすることができる。係数の値は、図４（ａ）に示す曲線の形状に応じて適切な値を選択すればよく、例えば、０．９５とすることができる。すなわち、ＲＡ＝０．９５×ＲＭＡＸ  とすることができる。
【００２４】
また、図４（ｂ）に示すように、低い圧力範囲においては、圧力とエッチングレートが正の相関関係を示し、高い圧力範囲においては、圧力とエッチングレートが負の相関関係を示す場合も考えられる。この場合は、エッチングレートが最大値をとる圧力、すなわち、圧力とエッチングレートが正の相関関係を示す圧力範囲と負の相関関係を示す圧力範囲との境界値を飽和圧力ＰＡとすればよい。
【００２５】
（実施例）
次に、本実施形態の実施例について説明する。
図５は、横軸に圧力をとり、縦軸にエッチングレートをとって、本実施例の予備実験における圧力とエッチングレートとの関係を示すグラフ図である。
図６（ａ）は本実施例の本加工前の評価用ウェーハを示す断面図であり、（ｂ）は本加工後の評価用ウェーハを示す断面図である。
図７は、本実施例の評価用ウェーハにおいてエッチング深さを測定した位置を示す平面図である。
図８は、横軸に圧力をとり、エッチング加工後の寸法のばらつきをとって、本実施例の本加工における圧力とばらつきとの関係を例示するグラフ図である。
【００２６】
先ず、図１のステップＳ１に示すように、予備実験を行った。
具体的には、６枚のシリコンウェーハを用意し、このシリコンウェーハ上に、ＣＶＤ（chemical vapor deposition：化学気相成長）法により、厚さが８００ｎｍの不純物含有シリコン膜を形成した。次に、フォトレジストを用いたリソグラフィ工程により、所望のマークパターンを形成した。このようにして、６枚の評価用ウェーハを作製した。
【００２７】
次に、圧力が相互に異なる６水準の条件を設定し、各条件で評価用ウェーハ１０のシリコン膜に対してＣＤＥを施した。このとき、エッチングガスは、酸素（Ｏ２）及び四フッ化炭素（ＣＦ４）の混合ガスとし、酸素の流量を１００ｓｃｃｍとし、四フッ化炭素の流量も１００ｓｃｃｍとした。また、出力は６００Ｗとし、エッチング時間は、不純物含有シリコン膜のエッチング量が４００ｎｍとなるような時間とした。そして、エッチングの前後でシリコン膜の膜厚を測定し、エッチングレートを算出した。
【００２８】
この結果、図５に示すように、圧力が２０〜６０Ｐａの範囲では、圧力とエッチングレートとの間に正の相関関係が認められた。一方、圧力を８０Ｐａとしたときのエッチングレートは、圧力を６０Ｐａとしたときのエッチングレートよりも低くなった。このため、図４（ｂ）に示す変形例に従って、飽和圧力ＰＡを６０Ｐａとした。
【００２９】
次に、図１のステップＳ２に示すように、予備実験の結果に基づいて、好適な圧力範囲を決定した。
図５より、圧力が６０ＰａであるときのエッチングレートＲＡは約５３０ｎｍ／分であり、エッチングレート（ＲＡ／２）、すなわち２６５ｎｍ／分のエッチングレートを実現する圧力ＰＢは３０Ｐａであったため、上述の圧力範囲ａ１は５１Ｐａ以上とし、圧力範囲ｂは３０Ｐａ以下とした。
【００３０】
次に、図１のステップＳ３に示すように、本加工を行った。
先ず、図６（ａ）に示すように、４枚のシリコンウェーハ１１を用意し、各シリコンウェーハ１１の上面に複数本のトレンチ１２を形成し、シリコンウェーハ１１の上面上及びトレンチ１２の内面上にシリコン酸化膜１３を形成した。次に、ＣＶＤ法により、全面にシリコンを堆積させて、厚さが８００ｎｍのポリシリコン膜１４を形成した。ポリシリコン膜１４はトレンチ１２内にも埋め込まれた。このようにして、４枚の評価用ウェーハ１０を作製した。
【００３１】
次に、図６（ｂ）に示すように、ＣＤＥを施し、ポリシリコン膜１４をエッチバックした。このとき、エッチングガスは、酸素（Ｏ２）及び四フッ化炭素（ＣＦ４）の混合ガスとし、酸素の流量を１００ｓｃｃｍとし、四フッ化炭素の流量も１００ｓｃｃｍとした。また、出力は６００Ｗとし、エッチング時間は、不純物含有シリコン膜のエッチング量が１．２μｍとなるような時間とした。そして、圧力は、４枚の評価用ウェーハ１０間で相互に異ならせ、それぞれ、２０Ｐａ、４０Ｐａ、６０Ｐａ、８０Ｐａとした。なお、２０Ｐａの圧力値は上述の好適範囲ｂ内にあり、４０Ｐａの圧力値は上述の好適範囲ｂ内にも好適範囲ａ１内にも含まれず、６０Ｐａ及び８０Ｐａの圧力値は上述の好適範囲ａ１内にある。
【００３２】
そして、図７に示すように、各評価用ウェーハ１０の３ヶ所の位置「ｔｏｐ」、「ｃｅｎｔｅｒ」、「ｎｏｔｃｈ」のそれぞれから、各９本のトレンチ１２を含む観察用サンプルを採取した。上記「ｃｅｎｔｅｒ」は評価用ウェーハ１０の中央部であり、「ｎｏｔｃｈ」はノッチが形成されている側の端部であり、「ｔｏｐ」は「ｎｏｔｃｈ」の反対側の端部である。
【００３３】
次に、これらの観察用サンプルについて、断面ＳＥＭ（scanning electron microscope：走査型電子顕微鏡）観察を行い、図６(ｂ）に示すように、各トレンチ１２の両側部において、エッチング深さｄを計測した。そして、評価用ウェーハ１０毎に、エッチング深さｄの平均値、最大値及び最小値を算出した。次に、エッチング深さｄの平均値、最大値及び最小値を用いて、評価用ウェーハ１０毎に、下記数式（１）に従って「ばらつき」を算出した。
【００３４】
（ばらつき）＝（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）×１００（％）・・・（１）
【００３５】
図８に示すように、圧力を２０Ｐａ、６０Ｐａ、８０Ｐａとしたときは、ばらつきが相対的に小さかった。これに対して、圧力を４０Ｐａとしたときは、ばらつきが相対的に大きかった。これにより、圧力を上述の好適範囲ａ１内又は好適範囲ｂ内の値とすれば、ウェーハ面内におけるドライエッチングの均一性が向上することが確認された。
【００３６】
以上説明した実施形態によれば、形状のばらつきが少ない半導体装置の製造方法を実現することができる。
【００３７】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３８】
１：シリコン部材、２：ドライエッチング装置、１０：評価用ウェーハ、１１：シリコンウェーハ、１２：トレンチ、１３：シリコン酸化膜、１４：ポリシリコン膜、ａ１、ａ２、ｂ：圧力範囲、ＰＡ：飽和圧力
【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】
2015056441.tif 000008
【図７】
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【図８】
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