(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳＯＩ基板における下層酸化膜層上のシリコン層をエッチングして溝を形成するエッチング方法であって、
フッ素含有ガスと酸素含有ガスの混合ガスを用いて混合ガスプラズマを生成し、前記ＳＯＩ基板に高周波電力のバイアスを連続的に印加する第一のエッチング工程と、
前記第一のエッチング工程の後に、前記ＳＯＩ基板に、単位時間当たりに印加されるバイアス電力を前記第一のエッチング工程におけるバイアス電力に固定した上で、バイアスの印加と停止のデューティ比が２０％〜５０％であり、かつ印加するバイアスの周波数帯域が１ｋＨｚ〜２ＭＨｚとなるよう、バイアスの印加と停止を時間的に変調した間欠的な高周波のバイアスであって、前記第一のエッチング工程において連続的にバイアスを印加する場合と比較して、バイアス印加時の電圧を高めたバイアスを印加する第二のエッチング工程により、前記ＳＯＩ基板における下層酸化膜層上のシリコン層をエッチング加工することを特徴とするエッチング方法。
【請求項２】
請求項１記載のエッチング方法において、前記フッ素含有ガスがＳＦ６、Ｓ２Ｆ１０、ＮＦ３、ＣＦ４のいずれかもしくはこれらの２種以上の混合ガスであり、前記酸素含有ガスがＯ２、ＣＯのいずれかもしくはこれらの混合ガスであることを特徴とするエッチング方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のエッチング方法において、処理容器内に設置されたＳＯＩ基板を載置する電極の温度を−３０〜−６０℃の温度とすることを特徴とするエッチング方法。
【請求項４】
請求項１記載のエッチング方法において、前記ＳＯＩ基板における下層酸化膜層上のシリコン層の深さ８０％までを、前記ＳＯＩ基板に高周波電力のバイアスを連続的に印加する第一のエッチング工程で加工し、前記ＳＯＩ基板に高周波電力を時間的に変調した間欠的なバイアスを印加する第二のエッチング工程により、前記シリコン層の残り２０％を加工することを特徴とするエッチング方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載のエッチング方法において、前記ＳＯＩ基板に高周波電力のバイアスを連続的に印加するエッチング工程および前記ＳＯＩ基板に高周波電力を時間的に変調した間欠的なバイアスを印加するエッチング工程における前記フッ素含有ガスがＳＦ６ガスであり前記酸素含有ガスがＯ２ガスであり、前記ＳＦ６ガスと前記Ｏ２ガスの流量比が４：１〜１０：１であることを特徴とするエッチング方法。
【請求項６】
処理容器と、処理容器内に設けたＳＯＩ基板を載置する電極と、プラズマ生成用マイクロ波電源と、処理容器の外周壁に設けた磁場発生用のソレノイドコイルと、処理容器内にフッ素含有ガスと酸素含有ガスの混合ガスを供給する処理ガス供給手段と、電極に載置されたＳＯＩ基板を冷却する冷却手段と、電極に高周波バイアスを供給する高周波電源とを備えた、ＳＯＩ基板における下層酸化膜層上のシリコン層をエッチングして溝を形成するエッチング装置において、
前記処理ガス供給手段からフッ素含有ガスと酸素含有ガスの混合ガスを供給し、前記高周波電源が電極に供給する高周波バイアスを連続的に印加するとともに、該高周波バイアスの印加と停止を時間的に変調し、単位時間当たりに印加されるバイアス電力を前記連続的に印加する際のバイアス電力に固定した上で、前記バイアスの印加と停止のデューティ比を２０％〜５０％、印加するバイアスの周波数帯域を１ｋＨｚ〜２ＭＨｚとし、前記バイアス電力と等しいバイアス電力で連続的にバイアスを印加する場合と比較して、バイアス印加時の電圧を高める制御部を具備したことを特徴とするエッチング装置。
【請求項７】
請求項６記載のエッチング装置において、前記冷却手段がＳＯＩ基板を載置する電極の温度を−３０〜−６０℃の温度に制御する手段であることを特徴とするエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板のエッチング方法およびエッチング装置に係り、特に高アスペクト比の溝および／または穴を形成する加工をドライエッチングによって行うエッチング方法およびエッチング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、シリコン基板における素子間分離やコンタクトホールまたはキャパシタ等を形成するために、Ｏ２とＣｌ２或いはＨＢｒ等の混合ガスを用いて、ＣＺシリコン基板にディープトレンチを形成するドライエッチング方法が用いられてきた。この混合ガスは強い堆積性（デポ性）を有するため、この混合ガスを用いる従来のドライエッチング方法は、側壁保護膜の生成がＳｉエッチングよりも進行しやすく、結果的にＳｉエッチング速度が低下することや、高い腐食性により反応炉内内壁を腐食し、金属汚染などの問題を発生していた。
【０００３】
この問題を解決するために、ＳＦ６ガスなどのフッ素含有ガスとＯ２ガスなどの酸素含有ガスの混合ガスを用いた混合ガスプラズマによるドライエッチング方法が提案されている。ＳＦ６とＯ２ガスは、それぞれＳ、Ｆ、Ｏのイオンおよびラジカルに解離し、Ｓｉ基板表面と反応してＳｉＦやＳｉＯが生成する。このＳｉＦが生成される過程で、Ｓｉエッチングが促進されるが、一方でＳｉエッチングの進行と同時に、適度なＳｉＯが側壁保護膜として形成され、Ｆラジカルによる等方的エッチングを抑制し、異方性かつ高速エッチングが可能となっている。また、このドライエッチング方法は、ＳＦ６ガスとＯ２ガスの混合ガスプラズマで基板のシリコンとの反応によって生成したＳｉＯが、比較的薄くチャンバー内壁に形成されるので、付着物の剥離による異物発生が少なく、ウエット周期を長くできる利点もある。
【０００４】
さらに、ＳＦ６ガスで形成された副生成物とＯ２ガスによってチャンバー内壁に薄く生成されたＳｉＯは、チャンバー部材から発生する金属汚染物質のＳｉ基板への飛散を抑制し、基板に形成する半導体デバイスの特性不良を低減する効果がある。
【０００５】
従来のＳＦ６ガスとＯ２ガスを用いた技術では、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板でエッチング処理を実施する際に、図２に示す下層酸化膜層２２において異方性のエッチングが劣化し、局所的に図２に示すサイドエッチング２３が形成される問題が発生する。２４はマスクである。エッチングのプロセスには、解離したラジカルによる化学反応と基板ＲＦ印加によるスパッタリング等の物理反応が混在するが、この下層酸化膜層２２部で発生する局所サイドエッチング２３は、ラジカルによる化学反応により等方的なＳｉのエッチングが顕著に進行するものと思われる。シリコン２１のエッチング途中では、Ｆイオンとの反応によってＳｉ−Ｆが発生し、そのＳｉ−ＦとＯイオンとの反応で形成されたＳｉＯ２がトレンチ側壁に保護膜として形成される。しかし、エッチングの進行が低いＳＯＩ基板の下層酸化膜２２に到達した途端、Ｓｉ−Ｆの発生は減少し、それに従いＳｉＯ２の保護膜は薄くなる。一方、供給されるＦイオン、それによって派生するＦラジカルは、シリコン２１での反応が減少することで過剰となり、ＳｉＯ２の保護膜の薄いＳＯＩ基板の下層酸化膜２２の面に沿ってサイドエッチング２３が進行する。
【０００６】
トレンチを形成する目的によっても異なるが、トレンチの溝の内部には導体あるいは絶縁物質が埋め込まれる。例えば、トレンチを素子分離の目的に利用する場合には、シリコン酸化膜等の絶縁膜がトレンチ内部に埋め込まれる。しかし、このサイドエッチング２３の存在によって、埋め込みが不完全となり酸化膜中にボイドと呼ばれる空孔が形成される。その結果、リーク電流の増大や絶縁耐圧低下により、歩留まりを低下させる問題が発生していた。したがって、このサイドエッチング２３の発生を抑制することは、デバイス特性の確保する上で重要な技術となっている。
【０００７】
また、ＳＦ６ガスとＯ２ガスを用いた技術では、高速エッチングが得られるものの、一方で、特にＳｉウェハ２６表面の最外周部に、図３に示すブラックシリコン２５と呼ばれる針状残渣が発生する。このブラックシリコン２５は次の洗浄工程で破損し、その塵埃が半導体基板表面に付着したり、洗浄槽を汚染して、半導体デバイスの歩留りや生産性を低下させる問題が発生していた。
【０００８】
この対策として、従来から用いて来たガス流量比に対し、ＳＦ６ガス／Ｏ２ガスの流量比を増大することにより、このブラックシリコン２５は解消できるが、側壁保護膜が減少しマスク２４直下に図４に示すサイドエッチング２７が発生してしまう。
【０００９】
また、表面処理中の被処理物の電位の最大値をプラズマの電位より高くしてノッチングの発生を阻止するために、バイアス電源として従来の正弦波状の高周波電源に代えてデューティ比が５％以下のパルス電源を設置し、このパルス電源から立ち上がり速度が１０３Ｖ／μｓ以上のパルス電圧を印加することによって電子を基板に加速する電界を発生させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この技術では、フッ素含有ガスと酸素含有ガスを用いて高いアスペクト比の溝をエッチングする場合の上記問題については解決方法が示されていない。
【特許文献１】特開平８−２４１８８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、フッ素含有ガスおよび酸素含有ガスを用いてＳＯＩ基板に溝（トレンチ）を形成する際に、ハードマスク２４の直下に発生するサイドエッチング２７や下層酸化膜層２２上に発生するサイドエッチング２３を抑制するとともに、ＳＯＩ基板の外周部に発生するブラックシリコン２６の発生を防止し、加工形状不良に伴う特性不良や、ブラックシリコン２６の塵埃付着による歩留りや生産性の低下を抑制するドライエッチング方法およびエッチング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本課題は、Ｓｉトレンチ内のイオン減衰を抑制し、垂直性の高い加速イオンをＳＯＩ基板の下層酸化膜層２２近傍に供給し、底面のトレンチ側面に形成されるＳｉＯ２の付着時間を付与することにより解決することができる。しかし、従来のバイアス印加方法にて、単にＲＦ出力を増大させるだけでは、この高垂直性イオンは得られず、またＳｉＯ２の付着時間を付与することはできなかった。
【００１２】
本発明では、ＳＯＩ基板に高周波電力を時間的に変調した間欠的な高周波のバイアスであるＴＭ（Ｔｉｍｅ  Ｍｏｄｅｒａｔｉｏｎ）バイアスを印加することで、高垂直性で入射するイオンを発生させ、ＴＭバイアスのデューティ比および印加する周期によりＳｉＯ２の付着時間を制御し、ＳＯＩ基板の下層酸化膜層２２近傍に発生するサイドエッチング２３を抑制することが可能である。
【００１３】
また、ＴＭバイアスの印加条件によっては、マスク直下に若干のサイドエッチング２７が発生するが、入射するイオンのエネルギーを低減可能なＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｗａｖｅ）バイアスを併用してエッチング加工することにより、サイドエッチング２７を抑制し、高い異方性のエッチング加工を実施することができる。
【００１４】
さらに、本技術では高周波のバイアスを間欠的に印加するため、イオン入射のないタイミングでは酸化膜マスクの削れ速度が抑制され、マスクの選択比を向上することが可能となる。このため、より深いトレンチ加工を薄いマスクで実施することができる。
【００１５】
ブラックシリコン２５の発生は、ＳＦ６ガスに対するＯ２ガス比を極端に低下させて、ＳｉＯの反応生成物を低減させることで抑制できるが、フッ素ラジカルが過剰となるため、マスク直下にサイドエッチング２７が発生する。この課題に対しては、電極温度を従来よりも更に低温にすることで解消できる。従来の電極温度では、トレンチ側壁に入射する側壁保護成分の付着確率が低いため、側壁に形成される保護膜は薄く、サイドエッチングが発生する。しかし、より低温にすることで、この成分の付着確率が増大し、側壁保護膜を厚くすることによってサイドエッチングを抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、トレンチのマスク直下およびＳＯＩ下層酸化膜層に発生するサイドエッチングを抑制するとともに、ブラックシリコンの発生を防止できるので、加工形状不良に伴う特性不良や、ブラックシリコンによる汚染に起因する歩留りの低下を効果的に抑制し、安定した生産性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明のエッチング方法を適用するプラズマエッチング装置について、図１を参照して詳細を説明する。この実施例は、プラズマを形成する手段として、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を示したものである。
【００１８】
プラズマエッチング装置は、アルミニウムまたはステンレス鋼等から構成される円筒状の処理容器１を有し、被処理基板（ＳＯＩ基板）２を載置する試料台３が内設されている。
【００１９】
ＳＦ６、Ｓ２Ｆ１０、ＮＦ３、ＣＦ４等のフロンガス（フッ素含有ガス）、Ａｒ、Ｎ２等の不活性ガス、Ｏ２、ＣＯ等の酸化含有ガスは、図示しないガス流量調整手段（ＭＦＣ）やエアーバルブにより、供給流量や供給タイミングが制御され、ガス導入口４から多孔構造の透過窓５を介して均一に被処理基板２表面に供給される。
【００２０】
処理容器１の下方には、図示しないターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）等からなる真空排気手段が配設され、オートプレッシャーコントローラー（ＡＰＣ）等の調圧手段（図省略）により、処理容器１内が所定圧力に保持される。処理後の反応ガスは、真空排気手段を介して、処理容器１外へ排出される。
【００２１】
マグネトロン６で発生したマイクロ波は、導波管７を通して電磁波を透過可能な石英、サファイヤ、窒化アルミニウム、窒化ボロンで構成される誘電体窓８を介して、処理容器１へ導入される。
【００２２】
処理容器１の外周壁には、磁場発生用のソレノイドコイル９が配設され、これにより発生する磁界と、入射されるマイクロ波との相互作用により電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）が発生し、高密度プラズマを形成できる構造となっている。
【００２３】
導電性試料台３表面には、静電チャック１０が配設され、静電吸着電源１７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２が静電チャック１０表面に固定される。被処理基板２の周囲には、セラミックスや石英製の絶縁カバー１８が配置されている。これら装置の中央に配設される被処理基板２を置載させる構造体を総称して、電極と呼ぶ。
【００２４】
静電チャック１０表面には溝が形成され、固定された被処理基板２の裏面と静電チャック１０間で形成される流路１２に、冷却ガス供給口１５よりＨｅ、Ａｒ、Ｏ２等の冷却ガスを供給し、流路１２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２表面の温度上昇は、流路１２内のガスによるガス伝熱と接触面の熱伝導により静電チャック１０に熱伝達され、一定温度に維持される。被処理基板２を、−６０℃の極低温に冷却するため、静電チャック１０に埋設された冷媒循環流路１３に、チラーユニット１４で温度制御された冷媒が循環されて、トレンチ側面に形成される保護膜を補強し、トレンチのハードマスク直下に形成されるサイドエッチングの発生を効率的に抑制できるようになっている。
【００２５】
導電性試料台３には、高周波電力導入ポート１６が接続され、４００ｋＨｚの正弦波電圧またはＴＭの高周波バイアス電力を印加できる構成となっている。印加される高周波バイアスは、図示しないエッチング装置の制御部より、高周波電力の印加タイミングや印加パワーが制御される。なお、高周波バイアスの電源には、可変周波数電源を用いており、４００〜１２００ｋＨｚの任意の周波数を印加できるようになっている。
【００２６】
ＴＭの高周波バイアス電力を印加するため、高周波電源１１には図示しない任意波形発生装置が接続され、印加される高周波電力を時間的に変調して、静電チャック１０に間欠的に供給可能となっている。高周波電力を時間的に変調視した間欠的な高周波バイアスのデューティ比、およびその印加する周期等は、図示しないプラズマエッチング装置の制御部に記録されたレシピ条件に従い、任意に制御可能となっている。
【００２７】
反応容器１内には、メンテナンス向上と金属汚染防止対策のために、取り外しが容易な石英製の円筒２０およびアルミニウム材にアルマイト等の表面処理を施したカバー１９が、電極の周囲に設置されている。
【００２８】
すなわち、本発明にかかるエッチング装置は、処理容器１１と、処理容器内に設けたＳＯＩ基板を載置する電極（試料台）３と、プラズマ生成用マイクロ波電源（マグネトロン）６と、処理容器１１の外周壁に設けた磁場発生用ソレノイドコイル９と、処理容器１１内に、フッ素含有ガスと酸素含有ガスの混合ガスを供給する処理ガス供給手段４と、電極に載置されたＳＯＩ基板を冷却する冷却手段（冷却ガス供給手段１２、１５および冷媒循環路１３およびチラーユニット１４）と、電極に高周波バイアスを供給する高周波電源１１とを備えた、ＳＯＩ基板に溝および／または穴を形成するエッチング装置において、前記処理ガス供給手段からフッ素含有ガス酸素含有ガスの混合ガスを供給し、前記高周波電源が電極に供給する高周波バイアスを時間的に変調した間欠的な高周波の周波数帯が１ｋＨｚ〜２ＭＨｚであるバイアスを供給するようにし、前記冷却手段がＳＯＩ基板を載置する電極の温度を−３０〜−６０℃の温度に制御するようにした。
【００２９】
さらに、本発明のエッチング装置は、上記エッチング装置において、前記高周波電源が、連続的な高周波電力のバイアスを供給する態様と、時間的に変調した間欠的な高周波電力のバイアスを印加する態様を取ることが可能に構成され、連続的な高周波電力のバイアスを供給した後、時間的に返照した完結的な高周波電力のバイアスを出力する手段とした。
【００３０】
また、本発明のエッチング装置は、上記エッチング装置において、前記処理ガス供給手段から供給されるフッ素含有ガスがＳＦ６、Ｓ２Ｆ１０、ＮＦ３、ＣＦ４のいずれかもしくはこれらの２種以上の混合ガスであり、前記酸素含有ガスがＯ２、ＣＯのいずれかもしくはこれらの混合ガスである。
【００３１】
本装置を用いて、ＳＯＩ基板のディープトレンチのエッチング加工を行った。第１の実施例は、ＴＭバイアスの条件にてエッチング加工する場合を示したものであり、図１〜図７を用いて詳細を説明する。なお、本実施例では、表１に示すＴＭ電力：１００Ｗ設定で、ＴＭ周波数：１ｋＨｚ、デューティ比：３０％とし、単位時間に印加される高周波電力は、ＣＷバイアスも共に３０Ｗを中心条件に設定した。
【表１】
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【００３２】
図１に示す被処理基板２は、図５に示すＳＯＩ基板である。ホトリソグラフィやエッチング処理工程を経て、被処理基板２表面にはシリコン酸化膜のハードマスクパターン２４が形成されている。ハードマスクパターン２４は厚さ２．０μｍのＰ−ＴＥＯＳ膜からなり、幅約１．０μｍの溝パターンが形成されている。マスクパターン２４の下方Ｄ：約１５μｍの位置には、厚み数μｍのシリコン酸化膜層２２が存在する。このシリコン酸化膜層２２は、被処理基板２内の中央部と外周部で、位置する深さＤにバラツキがあり、被処理基板２間においてもバラツキを持っているため、このバラツキを考慮したエッチング処理が要求される。
【００３３】
被処理基板２は、図示しない搬送機構により処理容器１内に搬送され、静電チャック１０上に設置される。ＭＦＣで１００〜５００ＣＣＭに流量制御されたＡｒガスを処理容器１内に供給し、容器内をＡＰＣにより０．５〜２０Ｐａに圧力調整する。４００Ｗのマイクロ波を、導波管を介して処理容器内１に供給してプラズマを形成する。
【００３４】
静電吸着電源より−４００Ｖの直流電圧を印加し、プラズマを介して電荷を移動させることにより静電吸着力が発生し、被処理基板２が静電チャック上に固定される。
【００３５】
流路１２に冷却ガス供給口１５を介してＨｅを供給し、流路１２内の圧力を１０〜２０ｋＰａに調整する。
【００３６】
静電チャック１０との接触面からの熱伝達と、流路１２からのガス伝熱により被処理基板２を所定時間放置して−４５℃に冷却する。
【００３７】
モノポールの静電チャック１０を用いることにより、ダイポールに比べ強力な吸着力を得ることが可能であり、流路１２の内圧を高くできるため、冷却効率を向上することができる。他方、ダイポールの静電チャックも適用することが可能であるが、モノポールの静電チャックと同等の吸着力を得るためには高圧の印加電圧が必要であり、静電チャックの誘電体の絶縁破壊など部品の寿命の問題が発生する。また、ダイポールの静電チャックは、陰極側と陽極側で被処理基板２の吸着力が異なることから、被処理基板２面内での温度バラツキを生じ、エッチング加工形状のバラツキを抑えることが難しい。
【００３８】
ダイポールの静電チャックでは、陽極側および陽極側の吸着電極を小面積化し、温度を平均化することにより使用可能となるが、構造が複雑となり、部品のコストが高くなるという問題がある。
【００３９】
被処理基板２を所定温度に冷却した後、マイクロ波の印加を停止し、プラズマを停止する。Ａｒガスの供給を停止した後、一旦、処理容器１内を真空引し、ＳＦ６：６０ＣＣＭとＯ２：１５ＣＣＭのガスを供給して、処理容器１内をエッチングガスに置換する。反応炉１内は、図示しないＡＰＣにより２．５Ｐａに圧力調整される。
【００４０】
マイクロ波電力：８００Ｗを印加し、処理容器１内に供給しプラズマを生成する。プラズマの着火と安定したことを光学的手段によって確認した後、高周波電力導入ポート１６から図示しない任意波形発生装置で変調した４００ＫＨｚのバイアスを印加する。図６は、従来の８００ＫＨｚのＣＷバイアスの波形２８と本実施例で使用した４００ＫＨｚのＴＭバイアスの波形２９の例を示したものである。ＴＭバイアスでは、単位時間当たりに印加されるバイアス電力を固定し、被処理基板２に印加するバイアスの印加と停止を時間的に変調することが可能となっている。そのため、ＴＷバイアス印加時には、ＣＷバイアスに比べて、高電圧のバイアスが印加され、単位時間当たりの印加電力は同じであっても、高いＶｐｐにより高垂直性イオンの生成が可能となっている。
【００４１】
プラズマエッチング装置の高周波電源１１は、単位面積あたり最大２．８Ｗ／ｃｍ２まで高周波電力の印加が可能であるが、高垂直性のイオンが最も効率よく得られる単位面積当りの電力領域は、０．１〜０．３Ｗ／ｃｍ２で、この領域以上では、効率の良い高垂直性イオンが得られにくい。
【００４２】
この高周波の印加と停止の総合時間を１００％とし、総合時間に対する印加時間の比率をデューティ比と称して、この比率によって高周波バイアスの印加状態が制御される。また、前記総合時間も任意に制御することが可能であり、印加するＴＭバイアスの周期を２００Ｈｚ〜１０ＭＨｚの範囲で制御可能となっている。ＴＭバイアスの周期により高周波バイアスのＯＦＦ時間を制御し、副生成物の反応時間、側壁への付着時間を調整可能となっている。
【００４３】
また、ＣＷバイアスとＴＭバイアスで印加する高周波電力の周波数を変えることにより、イオンの垂直性および入射されるイオンのエネルギーを可変とすることが可能となっている。ＴＭバイアスでは、印加する高周波電力を低周波化することにより、垂直性を向上させることができる。逆にＣＷバイアスでは、高周波化することにより、イオン衝撃を低減し、ＳｉＯ２マスク２４やマスク直下部のサイドエッチング２７を低減することができる。双方の効果の度合いは、例えば、電極構造、プラズマ密度、エッチングガス等の装置構成やプロセス条件によっても変わるため、使用するプラズマエッチング装置、エッチングガスに応じて、４００〜１２００ｋＨｚの中から、互いの最適値を求めることが好ましい。
【００４４】
被処理基板２を所定時間、エッチング処理した後、マイクロ波電力の印加を停止し、プラズマの生成を停止する。エッチングガスの供給を停止した後、処理容器１内を真空引し、容器内の反応生成物を排出する。なお、被処理基板２の処理時間は、図示しないエッチング装置の制御部に記録されたレシピ条件に従い制御される。
【００４５】
図７は、デューティ比に対するトレンチ形状の依存性を示したものであり、デューティ比：２０％：（ａ）、５０％（ｂ）および従来のＣＷバイアス（ｃ）で比較したものである。なお、図７を基に、下層酸化膜層２２に発生するサイドエッチング量２３を数値化したものが図８である。サイドエッチング量２３は、図２に示すトレンチ側壁部と下層酸化膜層２２部に沿って発生するサイドエッチングの横方向の距離で定義している。
【００４６】
図８に示すように、下層酸化膜層２２のサイドエッチング量２３は、ＴＭバイアスのデューティ比の増加に伴い大きくなり、デューティ比が２０％〜５０％の増加でサイドエッチング量２３は、３倍にも達する。さらに、デューティ比が１００％となるＣＷバイアス（ｃ）では、ＴＭバイアスのデューティ比：５０％（ｂ）に対し、更に１．４倍に増大する。微細化によりトレンチが近接したパターンの場合には、隣接したトレンチ間でこのサイドエッチング２３が接続される恐れがある。
【００４７】
サイドエッチング量が１μｍ以上となるデューティ比５０％以上では、その後の埋め込みが困難となり、リーク電流等のデバイス特性の問題を発生する。また、デューティ比１０％以下では、任意波形発生装置の制御性が不安定となり、エッチング形状にバラツキを生じ、デューティ比０％では異方性エッチングが不可能となる。サイドエッチング量２３を抑制し、安定したエッチング加工を行うには、デューティ比１０〜５０％での制御が必要であり、好ましくは２０〜４０％のデューティ比が望ましい。なお、サイドエッチング量２３に及ぼす効果の度合いは、例えば、電極構造、電源周波数、プラズマ密度、エッチングガス等の装置構成やプロセス条件によっても変わるため、使用するプラズマエッチング装置、エッチングガスに応じて、最適値を選択することが好ましい。
【００４８】
本実施例では、デューティ比の低減に伴い、サイドエッチング量２３は減少するが、それとは逆に下層酸化膜層２２のエッチング量Ａは増加する。それに対してＣＷバイアスでは、サイドエッチング量２３は増大するが、下層酸化膜層２２のエッチングを僅少に抑えることができる。これらの結果より、下層酸化膜層２２近傍までを、第１ステップのＣＷバイアスのエッチング条件で加工し、その後の加工を、第２ステップのＴＭバイアスのエッチング条件で加工することにより、サイドエッチング２３と下層酸化膜層２２のエッチングを抑制した、理想的ディープトレンチ加工形状を得ることが可能となる。
【００４９】
ＴＭバイアス印加の低デューティ比において、サイドエッチング２３が低減する理由については、今のところ定かではないが、以下の様なメカニズムが推測される。図６に示すように、ＴＭバイアス２９ではＣＷバイアス２８に比べて、高Ｖｐｐによる高垂直性のＦイオンを発生させることができる。図７に示す下層酸化膜２２のエッチング量Ａも多いことからも、高垂直性のＦイオンの発生が裏付けされる。シリコン２１のエッチング途中では、Ｆイオンとの反応で生成されたＳｉＦ４が多量に発生するため、トレンチ側壁にもＯイオンとの反応で発生したＳｉＯ２の保護膜が充分な膜厚で形成される。しかし、エッチングレートの低いＳＯＩ下層酸化膜層２２に到達した途端、ＳｉＦ４の供給は減少し、それに従い、ＳＯＩ下層酸化膜層２２近傍のトレンチ側面に形成されるＳｉＯ２の保護膜は僅少となる。ＳＯＩ下層酸化膜層２２の底部に供給されるＦイオン、それによって派生するＦラジカルは、前記僅少の保護膜部分から侵食し、Ｆラジカルによる等方的エッチングによって、サイドエッチングが形成されるものと考えられる。
【００５０】
それに対してＴＭバイアスでは、シリコン２１の反応生成物であるＳｉＦ４の供給が減少した場合でも、バイアス印加が間欠的なため、ＳｉＯ２への反応時間、トレンチ側壁への付着時間を確保することができる。そのため、保護としてのＳｉＯ２膜厚が維持され、Ｆラジカルによる侵食を防止することができる。デューティ比を小さくすればするほど、前記ＳｉＯ２への反応時間、トレンチ側壁への付着時間を確保できるため、サイドエッチングが減少することは言うまでもない。
【００５１】
一方、マスク２４直下のサイドエッチング２７は、ＴＭバイアスではイオンエネルギーが大きいため、マスク下２３近傍へのＦイオンのバウンドによって発生したものと考えられる。  なお、ＳｉＯ２マスク２４直下のサイドエッチング２７は、図５に示す深さＤが約３０μｍ以上の被処理基板２で顕在化し、２０μｍ以下の比較的処理時間の短いトレンチ加工では、ＴＭバイアスのデューティ比が３０％においても僅かであり、ボイドの問題は発生しない程度である。
【００５２】
そこで、第２の実施例として、図５に示す深さＤが３０μｍ以上の深い位置にＳＯＩ基板の下層酸化膜層２２が存在する被処理基板２における幅１μｍの溝を形成する処理方法について説明する。被処理基板２からマイクロ波によるプラズマ着火の過程は、前記第１の実施例と同様であるため、ここでは割愛する。
【００５３】
第２の実施例では、表２に示すプロセス条件を中心条件に設定した。
【表２】
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マイクロ波によるプラズマ着火の後、ＣＷバイアスにより第１のエッチング工程を実施する。すなわち第１のエッチング工程は、ＳＦ６ガス流量：１２０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｏ２ガス流量：３０ｍｌ／ｍｉｎ、マイクロ波出力：６００Ｗ、処理圧力：１．５Ｐａ、バイアスＲＦ印加方法：ＣＷ、ＲＦ出力：３０Ｗ、基板温度：−４５℃、コイル電流（上／中／下）：１４／１４／３Ａである。ＣＷバイアスを使用することにより、イオン入射エネルギーを低減し、サイドエッチング２７の発生を抑制しながらトレンチのエッチング加工が行われる。ＣＷバイアスによる第１のエッチング工程は、本実施例では深さＤの約８０％の深さまで処理を行なったが、ＳＯＩ基板の下層酸化膜層２２に到達する直前で停止することが、サイドエッチング２７を僅少とする上で望ましい。ただし、深さＤは、被処理基板２の面内、および被処理基板２間でもバラツキを持っているため、これらのバラツキを考慮した処理深さとすることが必要である。
【００５４】
次に、ＴＭバイアスにより第２のエッチング工程を実施する。第２のエッチング工程は、ＳＦ６ガス流量：１２０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｏ２ガス流量：３０ｍｌ／ｍｉｎ、マイクロ波出力：６００Ｗ、処理圧力：１．５Ｐａ、バイアスＲＦ印加方法：ＴＭ、ＲＦ出力：１００Ｗ、ＲＦデューティ比：３０％、ＲＦ周波数：１．０ＫＨｚ、基板温度：−４５℃、コイル電流（上／中／下）：１４／１４／３Ａである。ＴＭバイアスを使用することにより、ＳＯＩ基板の下層酸化膜層２２近傍のトレンチ側面の保護膜を強化し、下層酸化膜層のサイドエッチング量２３を抑制することができる。
【００５５】
以上、ＣＷバイアスによる第１のエッチング工程とＴＭバイアスによる第２のエッチング工程を組み合わせたエッチング処理を行なうことにより、ＳｉＯ２マスク２４直下、および下層酸化膜層２２のサイドエッチング量２３を抑制でき、ＴＭバイアス処理時間を短くできるため、ＳＯＩ下層酸化膜層２３のエッチング量を僅少にすることができる。
【００５６】
この実施例によって得られたトレンチ形状の結果を図９に示す。図９に示すように、ＳｉＯ２マスク２４直下および下層酸化膜層２２部のサイドエッチングの小さいトレンチ形状を得ることが可能である。本実施例では、深さＤの約８０％の深さをＣＷバイアス、残り２０％をＴＭバイアスで処理したため、若干のＳＯＩ下層酸化膜層２３のエッチングが見られるが、各エッチング工程の処理深さの配分を最適化することにより、ＳＯＩ基板の下層酸化膜層２３のエッチングを抑制することも可能である。
【００５７】
この２ステップによるエッチング処理は、図１０に示す様な初期ＳｉＯ２マスク３０が順テーパ形状の場合でも有効である。ＳｉＯ２マスク３０が順テーパの場合、図１１に示すＳｉＯ２マスク３０膜厚の薄い部分にマスクの抜けが発生し、ＳｉＯ２マスク３０表面へのエッチングの進行とともに両側へ後退する。そのため、マスク抜けの発生したＳｉＯ２マスク３０の直下には、サイドエッチング２７が発生する。
【００５８】
この場合、前記第１のエッチング工程でイオン入射エネルギーの小さいＣＷバイアス処理をすることで、マスク抜けを抑制することができ、第２のエッチング工程として、ＴＭバイアスを用いたエッチング処理をすることで下層酸化膜層２２のサイドエッチング２３の抑制も可能で、図９に示すトレンチ形状と同様の、マスク直下および下層酸化膜層のサイドエッチングが抑制された形状が得られる。
【００５９】
本エッチング処理では、エッチング工程の切り替えによるトレンチ側壁への段差や被処理基板２表面に発生する針状残渣、エッチストップ等の異常は確認されない。ＣＷバイアスからＴＭバイアスへのエッチング工程の切り替えの際には、放電を維持しながら行っているが、放電を一旦中断し、プロセス条件を整えた後に次のエッチング工程を開始することも可能であり、より安定したエッチング処理が可能となる。
【００６０】
また、本実施例においては、ＳｉエッチングレートがＣＷバイアス、ＴＭバイアスのバイアスのモード変更に依存しないことから、スループットに対する影響も無い。なお、本実施例では、バイアス変更のみでエッチング処理を実施しているが、各エッチング工程で、他のパラメータを変更することにより、より最適なトレンチ形状を得ることが可能である。
【００６１】
前記第１の実施例、および第２の実施例にかかわらず、従来の流量比（ＳＦ６ガス：Ｏ２ガス＝３：２）では、図３に示す針状残渣（シリコンブラック）２５が、被処理基板２最外周部のマスクが形成されない個所や、被処理基板２内の局所的にＳｉＯ２マスク２４の無いシリコン２１露出面に発生する。これはＯ２ガスに対するＳＦ６ガス流量比が少ない場合に発生し易く、過剰に生成されたＳｉＯ系反応副生成物がその被処理基板２表面に付着し、マスクとしての働きによってエッチングが停止することが原因で発生する。
【００６２】
このブラックシリコン２５はフッ酸洗浄等の工程で針状部分が破損し、その破片が洗浄液内を浮遊する結果、次の被処理基板２へと付着し、デバイスの歩留まり低下や洗浄液の交換等による生産性の低下の問題が発生する。
【００６３】
しかし、このブラックシリコンを抑制するためにＯ２ガスに対するＳＦ６ガス流量比を高くすると、図４に示すマスク２４直下にサイドエッチング２７が発生する。図１２は、サイドエッチング２７のエッチング量に対するＯ２ガス流量を１とした場合のＳＦ６ガス流量比との関係を示したものである。サイドエッチング量の定義は、前記図２と同様の定義とした。ＳＦ６流量の増加に伴い、Ｆ系のラジカルやイオンが過剰になり、トレンチ側壁部に付着する保護膜が抑制される。そのため、保護膜の薄い部分からはＦ系のラジカルが侵入し、等方的なエッチングの進行によりサイドエッチング量が増加する。このマスク直下のサイドエッチング２７は、図２と同様にトレンチ内を絶縁体で埋め込んだ場合には、ボイドを発生させる原因となり、デバイスの歩留まり低下に繋がる。
【００６４】
しかし、マスク開口率２〜１０％のサンプルを用いて評価を行った結果、Ｏ２ガス１に対するＳＦ６ガス流量比が３以下ではブラックシリコンが発生するが、Ｏ２ガス１に対するＳＦ６ガス流量比を４〜１０に制御すれば、流量パラメータ以外のＴＭバイアス印加条件、基板温度条件の最適化による側壁保護膜の強化で、ブラックシリコンの発生を防止しながら、マスク直下のサイドエッチング２７を抑制することが可能となる。
【００６５】
なお、トレンチ加工では、数十ミクロンから数百ミクロン範囲の深さ加工が要求されるが、加工するトレンチが深いほど、ラジカルおよびイオンの到達深度が低下し、Ｓｉエッチングの速度は減少する。そのため、加工するトレンチが深いほど、生産性を維持する上で、積極的なエッチング速度の高速化が求められる。図１３は、ＳＦ６流量比に対するトレンチ加工時のＳｉのエッチング速度を示したものであるが、ＳＦ６流量比を大きくするほど、Ｓｉのエッチング速度を高速化できる。ＳＦ６ガス流量比の増加により、サイドエッチングが発生するという課題はあるものの、ＴＭバイアス印加条件、基板温度条件の最適化による側壁保護膜の強化で、マスク直下のサイドエッチング２７を抑制することは可能である。
【００６６】
図１４に、サイドエッチング量に対する電極温度依存性を示す。サイドエッチング量の定義は、図２の定義と同様である。トレンチマスク直下に発生するサイドエッチング量は、電極温度の低温化と共に低減し、−５０℃付近では、若干のサイドエッチングが発生するものの、埋め込み処理をした後においても、ボイドの発生は確認されなかった。
【００６７】
エッチング加工の過程では、トレンチ側壁で保護膜となる反応副生成物の付着と脱離が繰返されている。電極温度の低温化により付着確率を向上することで、保護膜となる反応副生成物の希薄な条件下でも保護膜が確保され、異方性のエッチングが可能となる。したがって、電極温度を更に低温化すれば、この側壁保護膜の付着確率はそれに伴って向上し、ＳＦ６ガス流量比が１０以上の条件下でもサイドエッチング２７を抑制しながら、Ｓｉのエッチング速度の高速化が可能となる。現状の装置構成では、電極温度−５０℃以下の制御はできないが、将来的に−５０℃以下の制御が可能となった場合には、図１４が示す様に−６０℃の電極温度でサイドエッチング量０．１以下とすることが可能なことが容易に推測できる。図５に示す深さＤが２０μｍ以下の被処理基板２においては、−２０℃程度の電極温度で、問題のないサイドエッチング２７に抑制することができるが、数百ミクロン以上のトレンチ加工では−６０℃又はそれ以下の電極温度に制御し、更なる保護膜の強化が必要となる。
【００６８】
また、デューティ比、およびＴＭバイアスの周期にて、高周波バイアスのＯＦＦ時間を制御することにより、副生成物の反応時間、側壁への付着時間を調整することが可能であり、前記保護膜の効果が相乗される。ＴＭバイアスの周期を２００Ｈｚへ小さくするほど、高周波バイアスのＯＦＦ時間を長くなるため、保護膜の効果は増強されるが、異方性が低下する。周期を１０ＭＨｚへ大きくすれば、異方性が確保されるが、保護膜の効果が減少する。異方性を確保しながら保護膜の効果を維持するには、ＴＭバイアスの周期５００Ｈｚ〜３ＭＨｚでの制御が必要であり、好ましくは１ｋＨｚ〜２ＭＨｚが望ましい。
【００６９】
図１５は、デューティ比に対するＳｉ／ＳｉＯ選択比の依存性を示したもので、デューティ比を低減することにより選択比を向上することができる。この効果は、高周波印加がＯＦＦとなる間は、マスクのエッチングレートが抑制されることと、ＴＭバイアスで発生した垂直性イオンが、トレンチ底面に十分入射され、エッチングレートが維持されることによる。ＴＭバイアスは間欠印加の為、例えば、デューティ比：２０％設定時は、ＣＷに対して８０％の時間帯でバイアス印加が停止する。そのため、不必要なマスクの削れ量を低減することができる。本実施例の結果では、デューティ比：２０％でＳｉ／ＳｉＯ選択比は２０程度だが、ガス総流量、ＴＭバイアス電力、ＴＭバイアスの印加周期等の最適化により、選択比４０程度まで向上させることが可能である。
【００７０】
なお、本実施例では、マイクロ波と磁場を用いたマイクロ波プラズマエッチング装置を例に説明したが、プラズマ生成方法を問わず、例えば、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装置などにも本技術を適用可能であり、同等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に使用したマイクロ波エッチング装置の処理容器の構成の概要を説明する断面図。
【図２】従来法によるＳＯＩ基板の下層酸化膜層に発生するサイドエッチングを説明する断面図。
【図３】シリコン基板外周部のマスクパターンが無いシリコン部に発生するブラックシリコンの形状を説明する図。
【図４】マスク直下に発生するサイドエッチングの発生を説明する断面図。
【図５】本発明で使用したＳＯＩ基板の構造を説明する図。
【図６】本発明で使用したＣＷバイアスとＴＭバイアスの波形の比較を示す図。
【図７】トレンチ形状に対するＴＭバイアスデューティ比依存性を説明する図。
【図８】ＳＯＩ基板の下層酸化膜層に発生するサイドエッチング量に対するＴＭバイアスのデューティ比依存性を説明する図。
【図９】本発明によるＴＭバイアスを用いて形成したトレンチ形状を示す断面図。
【図１０】初期マスク形状が、順テーパの場合のエッチング進行を説明する断面図。
【図１１】初期マスク形状が、順テーパの場合のサイドエッチング発生メカニズムを説明する図。
【図１２】マスク直下に発生するサイドエッチング量に対する酸素を１とした際の六フッ化硫黄の流量比依存性を説明する図。
【図１３】本実施例に対応するシリコンエッチング速度に対する酸素を１とした際の六フッ化硫黄の流量比依存性を説明する図。
【図１４】本実施例に対応するマスク直下に発生するサイドエッチング量の電極温度依存性を説明する図。
【図１５】本実施例に対応するシリコントレンチ深さとマスク削れ量との選択比に対するＴＭバイアスのデューティ比依存性を説明する図。
【符号の説明】
【００７２】
１…反応容器
２…被処理体
３…試料台
４…プロセスガス導入口
５…シャワープレート（多孔構造石英板）
６…マグネトロン
７…導波管
８…石英板
９…ソレノイドコイル
１０…静電チャック
１１…高周波電源
１２…冷却ガス流路
１３…冷媒循環流路
１４…チラーユニット
１５…冷却ガス供給口
１６…高周波導入ポート
１７…静電吸着電源
１８…絶縁カバー
１９…金属汚染低減パーツ
２０…石英円筒
２１…シリコン
２２…ＳＯＩ下層酸化膜層
２３…下層酸化膜層のサイドエッチング量
２４…ＳｉＯ２マスク
２５…ブラックシリコン（針状残渣）
２６…被処理基板外周部のシリコン部
２７…マスク直下部のサイドエッチング
２８…ＣＷバイアス波形
２９…ＴＭバイアス波形
３０…順テーパＳｉＯ２マスク
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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