(57)【要約】【課題】トレンチテーパ角度をもったシャロートレンチ形状を形成する場合、サブトレンチを抑制しようとした場合にトレンチテーパ角度との特性がトレードオフとなり、所望のエッチング特性を得ることが困難であった。【解決手段】シリコン基板に疎密パターンを含むトレンチアイソレーション構造を形成するプラズマエッチング方法において、ＨＢｒガスを主体とし、Ｏ２ガスと、ＣＯ２ガスやＳＯ２ガス等のＯ２ガスと異なる酸素含有ガスを添加した混合ガスを用いる。この混合ガスによるプラズマエッチングを行うことで、所望の十分なテーパ角度を有すると共に、トレンチ底部にサブトレンチや鋭角部が無い形状を得ることができ、量産安定性に優れたエッチング特性を有するプラズマエッチング方法を提供することができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマエッチング方法であって、
トレンチパターンが形成されたマスクを用いて半導体基板をプラズマエッチングすることにより前記半導体基板にトレンチを形成する際に、
ＨＢｒガスと、Ｏ２ガスまたはＣｌ２ガスと、Ｏ２ガスと異なる酸素含有ガスとの混合ガスを用いて前記半導体基板をエッチングする、
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマエッチング方法であって、
前記酸素含有ガスは、ＣＯ２ガス、ＳＯ２ガス、ＮＯ２ガスのいずれか一つのガスであることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項３】
請求項２に記載のプラズマエッチング方法であって、
前記酸素含有ガスの流量は、前記Ｏ２ガスまたはＣｌ２ガスの流量より多い、
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項４】
請求項３に記載のプラズマエッチング方法であって、
前記Ｏ２ガスまたはＣｌ２ガスの流量と、前記酸素含有ガスの流量の和に対する前記酸素含有ガスの流量の比率は、６０％から７５％の範囲の比率である、
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項５】
請求項３に記載のプラズマエッチング方法であって、
前記混合ガスの流量に対する、前記Ｏ２ガスまたはＣｌ２ガスと前記酸素含有ガスの合計流量の比率は、５％未満である、
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項６】
請求項４に記載のプラズマエッチング方法であって、
前記酸素含有ガスは、ＣＯ２ガスである、
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項７】
請求項５に記載のプラズマエッチング方法であって、
前記酸素含有ガスは、ＣＯ２ガスである、
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法であって、
前記酸素含有ガスは、ＡｒガスまたはＨｅガスで希釈されている、
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項９】
請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法であって、
前記混合ガスは、更に不活性ガスを含み、
前記不活性ガスは、Ｈｅガス、Ａｒガス、Ｘｅガス、Ｋｒガス、Ｎ２ガスのいずれかの一つのガスである、
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法であって、
前記マスクは無機マスクであり、前記半導体基板はシリコン基板である、
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】
本発明は半導体デバイス等のエッチング方法、特に、トレンチエッチングのエッチング形状制御と底部サブトレンチングを抑制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、特許文献１がある。この特許文献１には、例えば、絶縁膜をマスクとした半導体基板をＨＢｒ、およびＣＨＦ３からなるガスを用いてエッチングし、マスク側壁に半導体基板との反応生成物を徐々に付着させることにより、トレンチ上端部に十分な丸みを持つトレンチを形成すると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６３９２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のパワー系半導体デバイス等に用いられるトランジスタの素子分離は、ＬＯＣＯＳ(Local oxidation of silicon)構造を有することが一般的であった。しかし、近年ではパワー系半導体デバイス等も微細化が検討されつつあり、その場合、従来は用いていなかったＳＴＩ(Shallow Trench Isolation)構造を有する素子分離技術の適用が必須技術となる。このような背景の中でＳＴＩを形成するトレンチ形状は一般的なデバイス構造以上にテーパ角を持った形状で、且つ、サブトレンチ等が無いトレンチ形状であることが望まれている。しかしながら、シリコンのシャロートレンチエッチング技術において、特にトレンチテーパ角度をもったシャロートレンチ形状を求める場合、底部のサブトレンチが発生しやすいこと、また、サブトレンチを抑制しようとした場合にはトレンチテーパ角度との特性がトレードオフとなり、所望のエッチング特性を得ることが困難であったという点が課題である。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決し、マイクロ波プラズマエッチング装置を用いたトレンチ加工において、十分なトレンチテーパ角度を有し、トレンチ底部にサブトレンチや鋭角部が無いトレンチ形状を形成するプラズマ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】
【０００６】
上記の目的を達成するため、本発明においては、プラズマエッチング方法であって、トレンチパターンが形成されたマスクを用いて半導体基板をプラズマエッチングすることにより半導体基板にトレンチを形成する際に、ＨＢｒガスと、Ｏ２ガスまたはＣｌ２ガスと、Ｏ２ガスと異なる酸素含有ガスとの混合ガスを用いて半導体基板をエッチングするプラズマエッチング方法を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、十分なトレンチテーパ角度を有すると同時に、トレンチ底部にサブトレンチや鋭角部が無いトレンチ形状を形成することが出来、量産安定性に優れたエッチング特性を有した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】
【０００８】
【図１】実施例１に係るマイクロ波プラズマエッチング装置の一構成例を示す図である。
【図２Ａ】実施例１に係る被処理基板のトレンチマスク構造の一例を示す図である。
【図２Ｂ】比較例の被処理基板のエッチング後の状態を示す図である。
【図２Ｃ】比較例の被処理基板のエッチング後の状態を示す図である。
【図２Ｄ】実施例１に係る被処理基板のエッチング後の形状を示す図である。
【図３Ａ】第１の実施例に係る、トレンチテーパ角度とサブトレンチ発生の関係について示した図である。
【図３Ｂ】第１の実施例に係る、トレンチテーパ角度の添加ガス流量依存性を説明するための図である。
【図４】第１の実施例に係る、トレンチテーパ角度の総和ガス流量依存性を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の各種の実施例を図面に従い説明する。
【実施例１】
【００１０】
実施例１は、マイクロ波プラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法であって、トレンチパターンが形成されたマスクを用いて半導体基板にトレンチを形成する際に、ＨＢｒガスと、Ｏ２ガスと、Ｏ２ガスと異なる酸素含有ガスとの混合ガスを用いて半導体基板をエッチングするプラズマエッチング方法の実施例である。
【００１１】
図１は、実施例１に係る、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の一構成例を示している。
【００１２】
この装置では、エッチング処理室１０１にガス導入部１０５から多孔構造の例えば、石英からなるガス導入窓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、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、ガス導入窓１０８から供給されたエッチングガスをプラズマ化してガスプラズマとする。本実施例において、このエッチングガスとして用いる混合ガスについては、後で詳述する。
【００１３】
高効率放電のための磁場発生用のソレノイドコイル１０７を、エッチング処理室１０１の周辺に配置し、例えば、０．０８７５テスラの磁場を作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、例えば、４００ＫＨｚの高周波電源１１２が接続され、試料台１１０に任意の設定で印加できる構造となっている。
【００１４】
また、高周波電源１１２は、図示を省略したパルス発生器を備えており、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。
【００１５】
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図示を省略した流路に、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、被処理基板の表面は一定温度に維持される。また、被処理基板１１１の温度上昇を抑制し安定制御するため、試料台１１０の内部に埋設された冷媒循環流路には、チラーユニット１１５により指定の温度に制御された冷媒が循環される。
【００１６】
被処理基板１１１の周囲には、セラミックスや石英製の図示を省略した絶縁カバーが配置されている。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、排気経路１０９を介して、図示を省略した排気ポンプ、及び排気配管によりエッチング処理室１０１の外に排気される。
【００１７】
次に、実施例１におけるシリコン基板上に、例えば酸化膜、窒化膜等の無機系マスク材でパターニングされたパターンによるプラズマエッチング方法で用いるエッチングガスである混合ガスの具体的な実施例を説明する。ここでは、図１のマイクロ波プラズマエッチング装置を使用し、ＨＢｒ，Ｏ２，ＣＯ２の混合ガスプラズマを主体としたプロセスによる一例を示す。
【００１８】
図２Ａ〜図２Ｄに、図１の被処理基板１１１の詳細構造と、エッチング後の状態を模式的に示す。図２Ｄは、実施例１に係る混合ガスを用いた被処理基板のエッチング後の形状を示す図であり、図２Ｂ、図２Ｃは比較例の被処理基板のエッチング後の形状を示す図である。なお、各図において、左側に密パターン部を、右側に疎パターン部を示す。ここで、密パターンはとは、マスク材２０１で覆われたパターンであるラインの幅と、ライン間のスペースの幅が１：１未満、疎パターンとはラインの幅とスペースの幅が１：１以上のものを意味する。
【００１９】
図２Ａに示す通り、被処理基板１１１は、ＳｉＮ膜などからなる無機マスク材２０１でマスク開口部２０３がパターニングされたシリコン基板２０２となっている。この被処理基板１１１を、図示を省略した搬送手段を用いて試料台１１０に載置した後、ＨＢｒ、Ｏ２をそれぞれ、１５０、５ｍｌ／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、図示を省略した調整バルブにて０．８Ｐａに調整する。
【００２０】
その後、マイクロ波出力１０００Ｗ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２００Ｗでパルス変調された間欠的な高周波電力を印加することにより、図２Ｂに示すようにマスク開口部２０３よりシリコンエッチングが進行する。
【００２１】
ここで、ＨＢｒ、Ｏ２をそれぞれ、１５０、５ｍｌ／ｍｉｎの流量に調整したエッチングガスを用いた場合、図２Ｂに示すように、疎パターンではテーパ角度は８０度以下の結果が得られたが、スペースの幅が０．５ｕｍ以下の密パターンではテーパ角度８０度を僅かに超える結果となった。また、図２Ｂに示すように、密パターンではサブトレンチの無い形状が得られたが、逆に疎パターンではサブトレンチの発生が見られた。
【００２２】
更に、テーパ角度とサブトレンチ抑制の疎密パターン差改善を目的に、上記のエッチングガスにデポ性を持った添加ガスであるＡｒ＋ＣＨ４の添加による形状評価を実施した。すなわち、ＨＢｒ、Ｏ２をそれぞれ、２００、５ｍｌ／ｍｉｎに対して、前述の添加ガスを５０ｍｌ／ｍｉｎ添加してエッチングした結果、図２Ｃに示す通り、テーパ角度は密パターンで７６度、疎パターンは７４度で８０度以下のテーパ形状を得ることができた。しかし、サブトレンチは疎密パターン共に増大した。
【００２３】
次に、図３Ａ、図３Ｂを用いて、本実施例に係る混合ガスを用いたプラズマエッチング方法の処理の一例を説明する。図３Ａはトレンチテーパ角度に対する添加ガス流量の依存性を示す図である。同図に明らかなように、トレンチテーパ角度が鉛直（９０度）に近ければ、サブトレンチは見られないが、トレンチテーパ角度が８５度以下になるとサブトレンチが発生しやすくなることを示している。もちろん、この現象はエッチングレシピや、疎密パターンなどの被エッチング材となるウエハ上に形成されたパターン依存性もあるが、ここでの詳細説明は割愛する。
【００２４】
このようなトレンチテーパ角度が８５度以下という極度のトレンチテーパ角度を持った形状に対しては、その角度制御性と底部サブトレンチの発生有無がトレードオフの関係となり、これらの性能を両立させることが困難である。しかしながら、種々の検討の結果、これを両立する手段として、エッチング中に供給される反応生成物のバランスを整えること、すなわち、過度な生成物の供給の抑制と安定的な生成物の供給が可能な最適な添加ガス、並びに、それらの添加ガスが複数の場合にはその混合比率等を調整することが有効であることが明らかとなった。
【００２５】
図３Ｂを用いて、サブトレンチの発生を抑え、かつテーパ角度制御が実現可能な手段として、ＨＢｒガスを主体として、第一の混合ガスであるＯ２ガスに加えて、第二の混合ガスとしてＣＯ２ガスを添加した場合について、ガス比率と得られる加工形状との関係を説明する。図３Ｂに明らかなように、Ｏ２ガスとＣＯ２ガスの添加比率に対するサブトレンチの発生依存性を評価した結果、Ｏ２：１００％では底部へのデポジションが強固となり、エッチストップが発生した。これはＳｉＯ２のエッチング抑制が起こるためにシリコンがエッチングされにくいことから発生した現象と判断できる。
【００２６】
逆に、Ｏ２と同一流量でＣＯ２：１００％に置き換えた場合には、エッチストップは見られなかったが、サブトレンチが発生した。これはＯ２単独条件においても、ＨＢｒ流量やウエハに印加するバイアスパワー等のレシピにも見られる現象であることから、これらのガスを混合して使用する場合の最適領域を見出すことが必要であることが明らかである。なお、Ｏ２単独や、ＣＯ２単独の添加では、形状制御性とサブトレンチ抑制に対してトレードオフの関係を解決することが出来なかった。
【００２７】
図３Ｂに見るように、Ｏ２：ＣＯ２比を５５％：４５％とした場合、サブトレンチはやや無くなり、改善傾向であったが、完全に抑制するには至らなかった。更に、Ｏ２：ＣＯ２比を２５％：７５％とした場合、図２Ｄに示す通り、サブトレンチは見られず、テーパ角度も所望の結果が得られた。また、Ｏ２：ＣＯ２比が４０％：６０％とした場合も同様に良好な結果が得られた。このことからＯ２ガスとＣＯ２ガスの添加比率は、ＣＯ２ガスがＯ２ガスの流量より多いこと、更には、Ｏ２ガスに対するＣＯ２ガスの混合比率が６０％以上、７５％以下の範囲が好ましいことが明らかとなった。
【００２８】
次に、図４を用いて、本実施例において、前述の第一の混合ガスであるＯ２ガスと第二の混合ガスであるＣＯ２ガスの総流量について、主体とするＨＢｒガスとの総和流量依存性について検討した結果を説明する。
【００２９】
ＨＢｒガスの流量は３００、４００、４８０ｍｌ／ｍｉｎで比較した。その結果、図４に示す通り、ＨＢｒ：４００ｍｌ／ｍｉｎの場合には、混合ガスの総流量比は２％、ＨＢｒ：４８０ｍｌ／ｍｉｎの場合には、混合ガスの総流量比は４％において、サブトレンチが無く、所望のテーパ角度を得ることができた。また、５％以上の流量比ではエッチストップが見られた。このことから、ＨＢｒガスに対するＯ２ガスやＣＯ２ガスなどの第一および第二の混合ガスとして用いるガスの流量比率は、総ガス流量の５％未満の範囲が好ましいことが明らかとなった。
【実施例２】
【００３０】
上述した実施例１では、第一、第二の混合ガスとしてＯ２ガスやＣＯ２ガスを添加することで説明したが、添加する絶対流量が少ない場合は、その制御性や添加流量マージンが小さくなる可能性がありうる。そのため、実施例２としては、例えばＨＢｒのような主体とするエッチングガスと、第一、第二の添加ガスとして、あらかじめＡｒやＨｅで希釈された酸素含有ガス、例えば、Ａｒ＋Ｏ２ガスや、Ｈｅ＋Ｏ２ガスを用いることで、実施例１と同様の効果が得られと共に、ガス流量制御性やマージンが大きくなるという効果が得られた。
【実施例３】
【００３１】
更に、実施例２と同様に、実施例３としては第一、第二の添加ガスに加えて、第三のガスとして例えば、Ａｒ、Ｈｅ、Ｘｅ、Ｋｒ、Ｎ２等の不活性ガスを混合することにより、添加ガス流量比を変えることができ、実施例１と同様の効果が得られた。ただし、この場合の混合比、総流量はそれぞれの最適化が必要である。
【００３２】
以上、本発明の実施例として実施例１〜３を説明したが、上述した実施例１〜３において、添加ガス混合比率のみならず、複数のパラメータを独立して可変させることで所望のエッチング性能を維持する手段を適用することでも同様の効果を達成することができる。例えば、実施例１と同様に、ある一定時間でパラメータを変化させて複数のエッチングステップによる切り替えステップで構成されるエッチングステップにおいて、処理圧力や間欠制御を含むＲＦバイアスパワーを各ステップ内で上昇もしくは、下降制御することにより同様の効果を得ることができる。
【００３３】
また、上述の通り、複数のパラメータを独立制御することにより、加工形状制御やサブトレンチ抑制とは個別に無機系マスク材との選択性も高く得られるため、量産安定性に優れたエッチング特性を有したプラズマエッチングが達成できる。また、複数のエッチングステップを組み合わせることにより、底部サブトレンチや鋭角部が無い形状を最適化することもできるという利点もある。
【００３４】
ここで説明したエッチング方法は、図１に示した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方法である。また、ここで示されるプロセス条件は、本実施例の構成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。
【００３５】
しかし、シャロー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および底部形状の制御については、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。また、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、上述の他の装置を最適条件に調整し、順応させることができる。また、ここで説明した実施例では、ＨＢｒ、Ｏ２、ＣＯ２の混合ガスによるシリコンエッチングを事例としたが、混合ガス中のＯ２ガスに代えＣｌ２ガスを用いたり、Ｏ２ガスと異なる酸素含有ガスとしてのＣＯ２ガスに代え、ＳＯ２ガスやＮＯ２ガスを用いた場合においても同様のエッチング方法で同様の効果を達成する事が可能である。更に、本発明はシリコントレンチゲートや、ポリシリコン系のゲート膜構造等のエッチングにおいても順応させることが出来るものである。
【００３６】
以上説明した通り、本発明の各種の実施例によれば、サブトレンチが無く、所望のトレンチテーパ角度を形成することが可能で、かつ無機系マスク材との選択性も高く得られるため、量産安定性に優れた安定したエッチング特性を有したエッチング方法を提供することができる。
【符号の説明】
【００３７】
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  ガス導入部
１０６  マイクロ波導入窓
１０７  ソレノイドコイル
１０８  ガス導入窓
１０９  排気経路
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
２０１  マスク材
２０２  被処理基板
２０３  マスク開口部
２０４  エッチング加工形状。
【図１】
2015050229.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2015050229.tif 000005
【図２Ｃ】
2015050229.tif 000006
【図２Ｄ】
2015050229.tif 000007
【図３Ａ】
2015050229.tif 000008
【図３Ｂ】
2015050229.tif 000009
【図４】
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