(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ中で互いに交互に連続し、無関係に制御されるエッチング工程およびポリマー析出工程を用いてシリコン基板にミクロ構造およびナノ構造を異方性エッチングする方法において、第一のプロセス工程がポリマー析出工程であり、該第一のプロセス工程において、エッチングされる構造におけるエッチングベース及び側面領域が均一にポリマーで被覆され、前記ポリマー析出工程及び前記エッチング工程の少なくとも１つにおいてプロセスパラメータを調節することにより、前記ポリマー析出工程の各々においてエッチングされる構造に堆積しているポリマーの量が、全エッチングプロセスの過程でポリマー析出工程の数が増加するにつれて減少するようにポリマーを析出させることを特徴とする、シリコン基板を異方性エッチングする方法。
【請求項２】
前記堆積しているポリマーの量が、常に減少する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記堆積しているポリマーの量が、不連続的な工程で減少する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記ポリマー量の減少が、ポリマー析出時間の短縮により制御される、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記ポリマー量の減少が、前記エッチング工程の時間の延長により制御される、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記ポリマー量の減少が、基板温度の上昇により制御される、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記ポリマー量の減少が、前記エッチング工程における圧力の低下により制御される、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記ポリマー量の減少が、ポリマー析出時間および／または前記エッチング工程の時間および／または基板温度の変更および／または圧力の変更により制御される、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
従来の技術
本発明は、請求項１の上位概念によるシリコンの異方性エッチングのための方法に関する。
半導体技術で有利に使用されるシリコン基板中に、規定された構造、例えばトレンチ、櫛形構造、舌状構造（Zungen）、湾曲横帯（Biegebalken）などをわずかな選択性から中程度の選択性で異方性にエッチングすることは公知である。エッチングするべき個々の構造は、通常シリコン基板上に施与されたエッチングマスクによりいわゆるマスキング層、例えばフォトレジスト層を介して規定される。異方性エッチング技術の場合、シリコン中で側面に正確に規定された切欠になることが必要である。この深さ方向への切欠はできる限り正確に垂直な側方遮断
0004674368.tif 000002
を有していなくてはならない。この場合、エッチングされるべきではないそれぞれのシリコン基板領域を覆っているマスキング層の端部は、マスクからシリコンへの構造転写の側面の正確さをできる限り高く維持するために、アンダエッチングされてはならない。このことから、エッチングを構造ベース上のみに進行させるが、しかしすでに生じた構造の側壁には進行させないようにする必要が生じる。ＤＥ４２４１０４５Ｃ1号では、プラズマポリマー析出工程およびプラズマエッチング工程を交互に実施する方法により、シリコン基板中のプロフィールのエッチングを実施することが提案されている。この場合、純粋にフッ素化合物に基づく化学反応において、析出工程とエッチング工程とを交互に実施し、その際自体等方性のエッチング工程中に、先行する析出工程の間に施与された側壁のポリマー膜の前方移動により、新たに露出したシリコン側壁の部分がすでに効果的に不動態化されるので、その結果、自体等方性のエッチング工程が局所的に高度に異方性となる。前方に移動する側壁膜による局所的な異方性のこの技術は、側壁をエッチングすることなく、極めて高い速度で比較的幅広いエッチング工程を可能にし、その結果わずかな粗面性を有するのみである。一般に、前記のプラズマエッチングを実施する際に、マイクロ波励起でこれを行う（ＰＩＥ＝伝搬イオンエッチング（propagation ion etching））と、顕著な壁の粗面化は生じない。しかし、このプロセスは、プラズマの高周波励起（ＩＣＰ＝電磁誘導プラズマ（inductive coupled plasma））を用いる、いわゆる誘導結合された装置上で深刻な問題を生じる。この場合、シリコンのフォトレジストマスクの端部の下での直接顕著な切欠エッチングとなる。この切欠は、誘導励起の効果であり、これは基板、例えばシリコンウェハ領域の磁界および電界と結合しており、かつ異なった構造のＩＣＰ−装置上で、程度の差はあるものの強く現れる。誘導結合されたプラズマ装置は、その頑丈さおよび幅広い使用性のために、ますます重要な役割を果たしており、かつ自体前記のプロセスに公的である。エッチング切欠の形成の際に、フォトレジストマスクとシリコンとの間の移行領域は、不連続性としてプラズマ源の電界との関連において、側壁のより深い部分よりも強い衝撃に曝されている。さらにマスク端部において、前方に移動する側壁膜の機構は、まだ完全に効果的ではない。このことによりここで側壁のより弱いパッシベーションが存在する。このことはいわゆるアンダエッチングにつながり、その結果エッチングされたシリコン構造はもはや必要とされる正確さおよび臨界的なディメンションを有さない。
本発明の利点
本発明によるシリコンの異方性エッチングのための方法は、エッチング工程と交互に行われるポリマー析出工程の過程で析出したポリマーの量が、開始時に過剰であり、かつ次いで次第に減少することにより、従来公知のＩＣＰ−エッチングプロセスにおけるアンダエッチングの際の問題を回避するものである。従ってプロセスの開始時に側壁ポリマーの不足を過剰のポリマーにより排除し、その結果側壁は十分に不動態化されたまま保持される。不連続箇所での比較的高いイオン衝撃もまた、今度は臨界領域のエッチングにつながることがない。従って、まず過剰量のポリマーを用いて作業し、かつこの過剰量が次いで引き続きポリマー工程とエッチング工程との交互の過程で減少することは、本方法の重要な特徴および特別の利点である。従来出現していた過度のポリマー析出の欠点は、いわゆるポジティブな傾向のプロフィールの出現であり、このことはつまりエッチングトレンチの側壁はもはや垂直に生じるのではなく、エッチングの深さが増すとともに狭くなってゆき先端を形成するということである。例えばこのプロフィールを適切なプロセスパラメータにより一回修正するのみで、再度、移行の不連続箇所での切欠の問題につながる。このこともまたポリマー析出工程の過程で堆積したポリマーが次第に減少することにより回避することができる。ポジティブなプロフィールを有するいわゆる最初に過剰に豊富なプロセスは、切欠の形成なしで開始され、その結果次第によりわずかなポリマー析出で垂直なプロフィールを生じ、かつこれとともにエッチングの主要部分が実施されるプロセスに移行する。
本発明による方法の有利な実施例およびその他の例は、請求項２以降に記載されている。
本発明による方法の特に有利な実施態様では、ポリマー析出工程の適合を常に１つのプロセスサイクルからそれぞれ次のサイクルへと行う。有利には、いわゆる「豊富な」、つまりポジティブなプロフィールにつながるポリマーの多いプロセスパラメータで開始するが、しかしマスク端部の下の切欠形成は確実に回避される。その後のそれぞれのサイクルで今度はプロセス中のポリマー成分を若干戻し、その結果、この定常的な種々のプロセスパラメータの適合の際に、プロフィール移行中の不連続性および切欠形成の危険が最小化される。パラメータセットの適合は、有利には例えばシリコン中で１００μｍの深さにエッチングするべき場合、最初の２０μｍのエッチング深さを介して行う。
本発明による方法のさらに有利な実施態様では、堆積したポリマーの量は不連続工程で減少する。例えば１工程あたり長い析出時間で開始し、垂直のプロフィールの際に生じるパラメータセットに到達するまで、前記のパラメータセットで特定の部材をエッチングし、次いで析出時間を減少させ、新規のパラメータセットで特定の区間をエッチングするなどである。
有利には、ポリマー量の減少は、エッチング工程またはポリマー析出工程の時間の変更により制御する。というのも個々の工程の時間のエッチングの際に、不活性のプラズマ特性は変更されないからである。エッチング工程またはポリマー析出工程の時間の変更は、容易に、かつ効果の点から評価できるように修正することができる。
もう１つの有利な可能性は、ポリマー量を基板温度の変更により制御するか、または析出の間の圧力を変更することである。その際、ポジティブなプロフィールを発生させるパラメータセットから、明らかにわずかにポジティブなプロフィールへ突然移行する場合、同様に切欠形成の危険が発生することに注意しなくてはならない。ポジティブなプロフィールは垂直のプロフィールへ移行する際に、これが突然発生する場合には、その形においてレジストマスクエッジ（または硬質物質マスクで作業する場合、ＳｉＯ2マスクエッジ）のプロフィールに極めて相似し、かつよりわずかにポジティブなプロフィール形への移行は、再び明らかで、かつ顕著な不連続性を側壁にもたらし、これはＩＣＰ装置の場合、改めて切欠形成と共に問題を生じうる。従って、この適合を大きすぎる工程で実施せず、かつ複数の工程で垂直なパラメータセットに移行させることは有利である。特に、比較的わずかにポジティブな、または垂直のパラメータセットに移行する前に、まず特定の区間を、ポジティブなパラメータセットでエッチングすることは有利である。というのもすでに生じた側壁がポリマー堆積として作用し、かつ側壁膜輸送メカニズムは、このポリマー堆積がすでにより多く広がっているほどよりよく機能するからである。実地では例えば合計１００μｍの深さにシリコンをエッチングするべき場合には、例えばそれぞれ１０μｍのエッチング幅を有する３つのパラメータ工程で前記の適合を行うことができる。
本方法のもう１つの特に有利な実施態様では、すべてのパラメータを常に適合させる。ポジティブなプロフィールにつながる豊富な、つまりポリマーの多いプロセスパラメータセットで開始するが、しかしマスク端部の下の切欠形成は、確実に回避される。その後のそれぞれのサイクルで今度は影響パラメータ、例えばポリマー析出の時間、エッチング工程の時間、基板温度または圧力変更を、この意味で変化させる。全パラメータセットを常にこのように適合させる場合もまた、プロフィール移行中の不連続性ひいては切欠形成の危険を最小化する。
実地では、本発明による方法のそれぞれの有利な実施態様において、まずポジティブな傾向の、先端が細くなってゆくプロフィールから出発し、かつ次第に垂直なプロフィールに移行するにも関わらず、総じて垂直なエッチングプロフィールが得られる。このことは、垂直にエッチングするプロセスのポジティブなプロフィール割合が、側壁ポリマーによってのみ保護されるが、しかしもはやマスキングによって保護されていないということによるものである。というのはポジティブなテーパーのプロフィールはトレンチ内でマスク端部から突出し、かつ傾斜した側壁は、すでに垂直の側壁よりも強いイオン衝撃に曝されているからである。その結果、垂直にエッチングされるプロセスは、全プロフィールの突出部分を徐々に除去し、かつこのことと共にこの垂直なプロフィール形からの逸脱をその代わりに修正するからである。この場合の前提は、垂直なエッチングプロセスパラメータセットへの移行の後で、不連続的な工程であるか、常に記載された方法であるかに関わらず、まだ十分に長い時間さらにエッチングして、このプロフィール修正を完全に行うことのみである。記載された初期化工程のための１０〜２０μｍおよびその後のその値を介して垂直にエッチングするプロセスによりエッチングされる、約８０μｍの値は、プロセスデザインのための大まかなきっかけとなる。もちろん前記の方法でその他の、１００μｍより大きなエッチング深さを実現することも可能である。
本発明による方法で例えば幅１μｍにすぎない、隔離されているシリコン通路を、構造損失を生じることなく、深さ４０μｍにわたってエッチングすることができる。前記の技術を用いて、アスペクト比、つまり深さ対構造幅の比が１００：１〜２００：１を有する構造を製造することも可能である。この場合エッチング速度は５μｍ／分以上、マスク選択性は１００：１（フォトレジスト）または２００：１（ＳｉＯ2）の値となる。このような構造は、従来いわゆるＬＩＧＡ技術（ＰＭＭＡ中でのシンクロトン照射）を用いてコストをかけ、かつ極めて高価に製造できるのみであった。
実施例
相応して準備したシリコン基板、つまり例えばフォトレジストからなるエッチングマスクで被覆し、その際エッチングマスクは、異方性エッチングするべきシリコン基板の範囲を露出させたシリコン基板を、エッチング室、またはその他の適切な反応容器中で、第一のポリマー析出工程に供し、マスク端部にポリマー堆積を析出させる。引き続き、すでに施与したポリマー堆積を「消費する」第一のエッチング工程を行い、かつほぼ純粋に異方性エッチングする。本発明による方法にとって、第一工程がポリマー析出工程であり、従って側壁保護のメカニズムがその後のエッチング工程の間に機能することは重要である。引き続き交互にさらにポリマー析出工程およびエッチング工程を行う。本発明による方法は、もちろん類似の、個々のプロセス工程を実施する装置を用いて実施することもできる。前記の方法で、例えばＳＦ6とＡｒとからなり、０〜２００Ｎｃｍ3のガス流および１０〜１００μバールのプロセス圧力を有する混合物を使用する。プラズマ発生は、この場合有利には出力３００〜１２００ワット（２．４５Ｇｈｚ）でのマイクロ波放射で、またはＩＣＰ源において出力５００〜２００ワットでの高周波放射により行うが、これは本発明による方法にとって特に有利である。同時に、基板電極にイオン促進のために基板バイアス電圧を励起させる。基板バイアス電圧は有利には、３５ボルト〜７０ボルトであり、かつ高周波供給（１３．５６メガヘルツ）を用いて出力２〜１０ワットで達成することができる。
第一のポリマー析出工程およびもちろんサイクルになってその後に続く工程は、例えばＣＨＦ3（トリフルオロメタン）およびＡｒからなる混合物を用いて実施する。しかし有利には、トリフルオロメタンの代わりにその他のフッ素含有ガス、例えばオクタフルオロシクロブタン（フレオンＣ３１８）、ヘキサフルオロプロペン（ＨＦＰ、ヘキスト社）またはそのダイマーまたはテトラフルオロエタン（ＴＦＥ）もまた使用することもまた可能である。アルゴンを用いないでプロセスを実施することもまた可能である。該混合物は、有利には０〜２００Ｎｃｍ3のガス流および１０〜１００μバールのプロセス圧力を有する。本発明による方法の有利な実施態様では、オクタフルオロシクロブタンまたはヘキサフルオロプロパンを使用する。というのも前記の化合物は、ＩＣＰ励起のもとで特に良好な重合特性を有するからである。ポリマー析出工程の間に露出面、つまりエッチングベースおよび側面を極めて均一にポリマーで被覆する。前記のポリマー層は、エッチングマスクのエッジもしくは面で、極めて効果的な一次的なエッチング保護を形成する。エッチングベース上で重合工程の間に施与されるポリマー層は、その後に引き続くエッチング工程の間に急速に破壊される。というのも該ポリマーはイオンアシストで際めて急速に除去され、かつ反応性のプラズマ種の化学反応はエッチングベースのシリコンとともに先行させることができる。エッチングするべき構造の側壁は、エッチング工程中に先行するポリマー析出工程の間に施与された側壁ポリマーにより保護される。
それからその後に続く第一のエッチング工程の間に、反応器中でＳＦ6とＡｒとからなる混合物中での放電を用いて、化学的に反応性の種および帯電粒子を発生させる。このようにして発生させたプラスに荷電したカチオンを、基板電極で励起させた電気的なバイアス電圧によりシリコン基板へ加速し、かつエッチングマスクにより露出されている基板表面に次第に垂直に堆積させ、かつ反応性プラズマ種とシリコンとの化学反応を促進する。さらに、これはポリマー膜をエッチングトレンチの深さへ輸送し、このことは特に、完全に垂直に堆積せず、かつ側壁上に発生するイオンの割合に依存する。エッチング工程は、所望のエッチング深さに達成するまで実施する。これに引き続き再度ポリマー析出工程を行うが、しかしその際、今度は最初の回よりも少ないポリマーを析出させる。エッチング工程および重合工程は、堆積したポリマーが常に減少するようにプロセスパラメータを適合させるように交互に繰り返す。前記のプロセスパラメータは以下に記載する物理的な固有範囲を包含する：
１．ＩＣＰ出力の、例えば＞１０００ワットへの上昇、同時にパッシベーションガス流、例えばＣ4Ｆ8、Ｃ3Ｆ6、（Ｃ3Ｆ6）2、ＣＨＦ3の、例えば＞２００ＳＣＣＭ（ＳＣＣＭ＝標準ｃｍ3／分＝１バールでｃｍ3／分）への上昇、このことは増強されたポリマー析出につながる。
２．析出工程のための時間の増大、このことは同様に増強されたポリマー析出につながる。
３．エッチング工程の時間の短縮、このことは側壁のパッシベーションを効果的に向上する。
４．ウェハ温度の低下、このこともまたポリマー析出を増加させる。
５．１０μバールでのポリマー析出のためのＩＣＰ装置のための有利な圧力範囲での析出工程の実施、
６．エッチングラジカル濃度を上昇させるが、しかしポリマーを除去するイオン濃度を低下させるためのエッチング工程の間の圧力の２０〜３０μバールへの上昇。