(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板をエッチングするための異方性エッチング方法であって、
エッチングガスとパッシベートガスとを含んでいる混合ガスを、エッチングすべきシリコン基板を備えるチャンバ中に導入する導入ステップと、
第１の時間期間中、前記基板の表面から材料を除去し、それにより露出した表面を得るように、励起電力および基板バイアスを制御することにより、前記混合ガスの存在下で前記基板をエッチングするエッチングステップと、
第２の時間期間中、前記露出した表面をポリマー層で被覆するように、励起電力および基板バイアスを制御することにより、前記混合ガスの存在下で前記基板をパッシベートするパッシベートステップであって、前記エッチングステップ中およびパッシベートステップ中、前記混合ガスが同じであるパッシベートステップと、
前記エッチングステップを繰り返すステップとを含み、
エッチングステップ中の前記励起電力が、前記パッシベートステップ中の励起電力より低く、前記エッチングステップ中の前記基板バイアスが、前記パッシベートステップ中の前記基板バイアスより高い、エッチング方法。
【請求項２】
さらに、前記パッシベートステップを繰り返すステップを含む、請求項１に記載のエッチング方法。
【請求項３】
前記エッチングステップが、前記チャンバ中に配置された誘導カプラに１００から８００Ｗの範囲のＲＦ電力を印加するステップと、前記基板に電圧を印加して、５０から３００ｅＶの範囲の基板バイアスを生じさせるステップとを含み、前記パッシベートステップが、前記チャンバ中に配置された誘導カプラに１０００から３０００Ｗの範囲のＲＦ電力を印加するステップと、前記基板に電圧を印加して、０から２５ｅＶの範囲の基板バイアスを生じさせるステップとを含む、請求項１に記載のエッチング方法。
【請求項４】
前記エッチングステップを、１０〜１００秒行う、請求項３に記載のエッチング方法。
【請求項５】
前記パッシベートステップを、０．５〜３秒行う、請求項３に記載のエッチング方法。
【請求項６】
前記導入ステップが、チャンバ中にＳＦ６、Ｃ４Ｆ８、およびＣＨＦ３を導入するステップを含む、請求項１に記載のエッチング方法。
【請求項７】
前記チャンバ中のガス圧力が、０．１から１０Ｐａの範囲にある、請求項１に記載のエッチング方法。
【請求項８】
さらに、前記チャンバ中の圧力を変化させるステップを含む、請求項１に記載のエッチング方法。
【請求項９】
前記導入ステップ中、前記混合ガスが、前記エッチングステップ中および前記パッシベートステップ中に一定の流量で導入される、請求項１に記載のエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エッチング速度および選択性が増加される、好ましくはエッチングマスクで規定された基板の異方性プラズマエッチング方法に関する。この方法は、超小型電気機械システム（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ、ＭＥＭＳ）ならびに超小型電子装置の製造のために適切に実施することができる。
【０００２】
【従来の技術】
特に単結晶シリコンに対する異方性プラズマエッチングは、基板の結晶方位あるいはドーピングのレベルの影響を受けずに加工することが可能である。また、この方法は、ドープされた、あるいはドープされていないポリシリコンに適用される。好ましい応用分野は、構造が高いアスペクト比をもつ、すなわち高い構造上の高さ対幅の比をもつ、ＭＥＭＳの技術である。その他の例には、アクチュエータ、表面波フィルタ、遅延線等を製造するために、狭い溝と垂直な壁がエッチングされる表面波技術がある。その他の超小型電子技術の応用には、記憶セル、絶縁物、コレクタの接点等がある。
【０００３】
通常、異方性シリコンエッチングに用いられる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法は、比較的高いエネルギーのイオン（１００ｅＶ以上）およびフッ素、塩素、あるいは臭素などの反応性ハロゲンを使用し、それらは、直接プラズマで用いられるか、あるいはＣＦ４、ＣＦ３Ｂｒ、Ｃ２Ｆ６、ＣＣｌ４、ＣＨＣｌ３などの対応する化合物から放出される。その結果得られるエッチング場所、すなわちエッチングされる領域のイオン衝撃が、消耗されるべきシリコンとラジカルとの反応を開始させる。側壁のエッチングは、イオンの指向性により最小限となる。
【０００４】
問題は、シリコン除去速度（すなわちエッチング速度）を増すために、プラズマ放電と結び付けられる電力を増加することにより、プラズマ密度を高めようとした場合に起こる。これはプラズマ放電用の電源の電力を増すか、あるいは基板に印加されるバイアス電圧の値を増すことにより、達成することができる。しかしながら電力を増すと、生成されるイオンはより高温になり、またイオンの動く方向はよりランダムになる。その結果、より多くのイオンおよびラジカルが、トレンチの壁によって消耗され、これはエッチング異方性の避けることのできない損失を伴うことになる。この問題を克服するためには、エッチング速度を下げねばならず、その結果処理量は低下する。
【０００５】
遭遇するその他の問題は、マスクの劣化である。エッチング速度が低下すると、エッチング時間、したがってマスクの露出時間が増加し、より急速なマスクの劣化、すなわち選択性の低下につながる。
【０００６】
米国特許第５，５０１，８９３号には、エッチングと重合の交互するステップを含むエッチング方法が開示されている。この重合ステップの目的は、その前のエッチングステップで露出した表面にポリマー層を与え、一時的なエッチングストップを形成する。したがって、側壁はエッチングステップ中にエッチングから保護される。しかしながら、それぞれエッチングおよび重合ステップ中で異なるガス混合物が反復されるように、エッチングおよび重合のステップ中で導入されるガス混合物は、異なっている。エッチングステップでは、ガス混合物はＳＦ２およびＡｒを含み、重合ステップでは、ガス混合物はＣＨＦ３およびＡｒを含む。
【０００７】
異なるガスを反復させることに伴う問題は、エッチング／堆積サイクルの時間比が、ガス混合物の速度に依存し、逐次変化して一様性に影響を及ぼす。また、種がエッチングされたトレンチの底に達する時間は、トレンチが異なるサイズの開口部をもつと著しく変化する。また、この方法は、一般により複雑な装置を必要とし、サイクルの中に２つの異なるガス混合物を導入するように制御する。
【０００８】
ポリマーを生成する不飽和モノマーと、フッ素、臭素、あるいはヨウ素のラジカルとを共存させて、プラズマをできるだけ冷却させることが望ましい。イオン化にとって十分なエネルギーレベルは、個々のガスに対して異なる。場合によっては、ポリマー生成ガス（Ｃ４Ｆ８、ＣＨＦ３）に対する活性化エネルギーは、ラジカル生成ガス（ＳＦ６）に対するものより２倍大きい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、エッチングおよびパッシベートの両者に対する最適条件に到達するために、反応性ガスの活性化エネルギーの違いを用いることにより、また高アスペクト比および高選択性のエッチング方法を生じさせるために、速い速度でこれらの条件を交互させることにより、エッチングすべきシリコン表面の処理を高める方法を確立することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、下記ステップを含む、基板（一般にはシリコン）の異方性プラズマエッチング方法を提供することにより達成され、そのステップは、
ａ）電磁石電源に接続された電極上に、選択的にエッチングすべき表面を有する基板を置くステップと、
ｂ）エッチングガス（ＳＦ６）およびパッシベートガス（ＣＨＦ３、Ｃ４Ｆ８等）からなる混合ガスを、処理チャンバ中に導入するステップと、
ｃ）混合ガスを、エッチング用のイオンおよびラジカルを含むプラズマを生成するのに十分な、より低い電力（１００〜８００Ｗ）の電磁放射で励起させるステップと、
ｄ）ステップｃ）と同時に、電磁石電源を介して基板に高いバイアス電圧（５０〜５００ｅＶ）を印加し、きわめて高い異方性エッチングを生じるステップと、
ｅ）プラズマ中に不飽和モノマーを生成させ、保護用ポリマーコーティングを形成するために、高電力（１０００〜３０００Ｗ）の電磁放射で混合ガスを励起するステップと、
ｆ）ステップｅ）と同時に、基板に低いバイアス電圧（０〜２５ｅＶ）を印加し、エッチングすべき表面の露出した側壁上に絶縁保護ポリマーコーティングを形成するステップと、
ステップｃ）およびｄ）と、ステップｅ）およびｆ）とを交互させ、現在他の方法を用いて行われているものよりも、高いエッチング速度および選択性で異方性エッチングを行うステップとを含む。
【００１１】
本発明で用いた方法は、冷却媒体としてヘリウムガスを用いることなく、基板をエッチングすることを可能にする。これは、より低い電力が、エッチングガスの励起に用いられ、工程中に発生する熱をより少なくすることになるためである。
【００１２】
さらに本発明の利点は、工程中に、混合ガスの一定の流れが処理チャンバ中に注入され、その結果、より安定かつ再現性のある工程になることである。
【００１３】
以下、本発明について添付の図面と関連して詳細に説明する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下は、図１および図２ａから図２ｃに関連する本発明の詳細な説明である。図１を参照すると、装置は、エッチングチャンバ１０を含む。基板１４を保持する基板ホルダ１２、およびチャンバ１０の上部近くに設けられた誘導カプラ１６が、チャンバ１０の中に設けられる。基板ホルダ１２は、基板１４のバイアス用発振器１８と電気的に接続された電極であり、発振器は、電源１９および整合回路網２１を含む。処理ガスをチャンバに導入するため、注入口の管路２０が、チャンバの上部に位置している。処理ガスは、ガス容器２２、２４、および２６の中に貯蔵される。チャンバ１０への処理ガスの流量は、制御バルブ２８により制御される。プラズマ誘導は、ＲＦ電源３０および結合される整合回路網３２により電力を供給された誘導カプラ１６により生じる。チャンバ１０中の圧力は、機械式ポンプ３４、ターボ分子ポンプ３６、およびスロットルバルブ３８により、従来の方法で制御される。もちろん本発明は、この特定の装置に限定されるものではない。
【００１５】
次に図２ａ〜図２ｃと関連して、基板のエッチング方法を説明する。シリコン基板４０、および異方性のエッチングを施そうとしているシリコン基板４０の領域を露出するエッチングマスク４２を含む基板１４を、基板ホルダ／電極１２上に置き、第１エッチングステップにかける。このステップにおいては、好ましくは１００から４００ｓｃｃｍの範囲の一定流量、および０．１から１０Ｐａの範囲の圧力をもち、エッチングガスとパッシベートガス（例えばＳＦ６、Ｃ４Ｆ８、およびＣＨＦ３）とを含んでいる混合ガスを、チャンバ１０に導入する。プラズマは、好ましくは１００から８００Ｗの範囲の比較的低いＲＦ電力を、電源３０から印加することにより誘導される。同時に、５０から５００ｅＶ、好ましくは８０から３００ｅＶの範囲の比較的高い値の電場を生じさせるために、バイアス電圧が、基板の発振器１８により与えられる。プラズマ誘導のために印加した低いＲＦ電力が、非常に高いレートを有する指向性エッチングを与える。特にプラズマは、イオンの指向性の制御が可能なように印加された低いエネルギーにより、「低温」である。また、基板１４の高電位は、エッチングされる表面に向かってイオンを強く加速する。両方の要因が、イオンの優れた指向性を生じ、結果として高い異方性エッチングを生じる。図２ａに、シリコン基板４０のエッチングされた部分４４を示す。
【００１６】
一定時間、例えば１０〜１００秒後、プラズマの高エネルギー励起状態を作り出すために、電源３０を比較的高い電力、好ましくは１０００から３０００Ｗの範囲に切り替え、また基板の発振器により発生したバイアス電位を、比較的低い、あるいはほぼゼロの値（すなわち０〜２５ｅＶ）に下げる。プラズマの高エネルギー励起は、ポリマー層４６の形成に帰着する条件を作り出す。さらに、種の等方性運動は、図２ｂに示すように、トレンチの底のポリマー層４６の厚さを側壁上の厚さと同じにする。この間、基板１４上の低いバイアスにより、いかなるエッチングも妨げられる。一定時間、例えば０．５〜３秒後、図２ｂに示すように、所定の厚さの保護ポリマー層４６が、トレンチの壁上に形成される。この保護ポリマー層４６は、上記で論じられた方法で行うこれに続くエッチングステップ中、その前のエッチングステップで形成されたトレンチの壁が浸食されるのを妨げる。
【００１７】
特に、次のエッチングステップ中、その前にエッチングされた側壁は、ポリマー層４６により保護されたままであり、一方トレンチの底のポリマー層は、図２ｃの参照符号４８で識別されるように、高いバイアス電位により加速される異方性のイオン衝撃により急速に剥ぎ取られ、トレンチの基部でシリコンがさらにエッチングされることを可能にする。エッチングおよびパッシベートステップは、トレンチが所望の深さに達するまで交互に繰り返される。
【００１８】
上記で論じた従来の方法と比べた場合、この方法にはいくつかの利点がある。具体的には、本発明により一定のガス混合物を連続的に導入する結果、種はより均一に分布することになる。これは基板の全体にわたって、より優れた一様性を与える。これとは対照的に、ガスが反復される従来の場合、エッチング／堆積サイクルの時間比が、ガスの速度に依存し、逐次変化して一様性に影響を及ぼす。
【００１９】
さらに、反復されるガス法を用いる場合、種がエッチングされたトレンチの底に到着する時間は、異なるサイズの開口部をもつトレンチに対しては著しく異なる。これは、異なるアスペクト比をもつトレンチに対し、達成される深さのばらつきを増加させる（Ａｓｐｅｃｔ  Ｒａｔｉｏ  Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｅｔｃｈ（アスペクト比依存性エッチング））。ガス混合物が一定な本方法の場合には、ガス組成は、異なるサイズの開口部をもつトレンチに対して均一であることになる。これはまた、一様性を改善する（マイクロローディング効果）。
【００２０】
さらに、本発明の方法は、エッチングの間に用いられる低い電力と、堆積の間に用いられる低いバイアス電圧の組合せにより、マスク材料に対してきわめて高い選択性を提供する。
【００２１】
本発明の精神から逸脱することなく多くの変更を行うことができるので、前記の説明に含まれ、また添付の図面に示された全ての事柄は、例示であって限定するものではないと解されることを意図している。例えば、本発明は、上記で論じたエッチングガスおよびパッシベートガスのリストには限定されない。その他のシリコンエッチングガスには、ＣＦ４、ＮＦ３、ＮＦ３ＨＦ、ＨＢｒ、ＣＣｌ４、ＣＦ２Ｃｌ２、ＣＦＣｌ３、Ｂｒ２、Ｃｌ２、Ｉ２、ＨＣｌ、ＣｌＦ３、およびＢＣｌ３がある。また、その他のパッシベートガスには、ＣＨ４、ＣＨ２Ｆ２、Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、Ｃ３Ｈ８、ＣＨ３Ｂｒ、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２Ｆ４、およびＣ３Ｆ６がある。
【００２２】
これに加えて、エッチングおよびパッシベートの作用を、チャンバ内の圧力を交互させることによって達成してもよい。特に、パッシベートの間のポリマーの形成は、圧力により生じる。圧力が高いほどポリマーの形成は激しく、したがってパッシベートの程度は大きい。対照的に、圧力が低いほどポリマーの形成は弱く、したがってパッシベートの程度は小さい。同様に、エッチングの間の圧力の増加は、エッチングレートを増大し、一方圧力の減少は、エッチング速度を低下させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いるエッチング装置を示す概略図である。
【図２ａ】本発明の方法ステップを示す図である。
【図２ｂ】本発明の方法ステップを示す図である。
【図２ｃ】本発明の方法ステップを示す図である。
【符号の説明】
１０  チャンバ
１２  基板ホルダ
１４  シリコン基板
１６  誘導カプラ
１８  発振器
２０  管路
２２、２４、２６  ガス容器
２８  制御バルブ
３０  ＲＦ電源
４２  マスク
４４  エッチングされた部分
４６  保護ポリマー層
【図１】
0004601113.tif 000002
【図２ａ】
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【図２ｂ】
0004601113.tif 000004
【図２ｃ】
0004601113.tif 000005