(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面にエッチングに先行して開口のあるマスクを析出させ，半導体基板を真空室内に設置し，（ａ）半導体基板のエッチングステップと（ｂ）半導体基板上への不働態層の析出ステップとを交互に反復しながら溝のベースのエッチングを続けることにより半導体基板上に溝をエッチングする方法において，前記（ｂ）半導体基板上への不働態層の析出ステップ時に，
真空室内にプラズマを誘発し且つ少なくともサイクルの一部分においてイオンを所定平均イオンエネルギーで基板へ向けて加速し，
炭化水素析出ガス及びＨ２を導入して炭化水素フィルムを析出させると同時に前記溝のベースのエッチングを行いながら炭化水素析出ガスにより前記溝の側壁に不働態フィルムを析出させ，
Ｈ２中の炭化水素析出ガスの混合割合を第１割合値と第２割合値との間に維持しながら炭化水素析出ガスにより前記溝の側壁に不働態フィルムを析出させ，
前記第１割合値を，基板のエッチング速度が最大となる混合割合値とし，
前記第２割合値を，第１割合値より低く且つエッチング速度が定常状態から上昇し始める低割合値と，第１割合値より高く且つエッチング速度がゼロに落ちる高割合値との何れか一方の混合割合値とし，
エッチング及び析出ガス流を連続的に又は急激に変化させ，次のパラメータ群，即ちガス流速，真空室内圧力，プラズマ出力，基盤バイアス，エッチング速度，析出速度，サイクル時間，及びエッチング／析出比率の中の一つ或いはそれ以上を時間と共に周期的に変化させ，前記パラメータの振幅を単一サイクル内において変化させてなる半導体基板上の溝エッチング方法。
【請求項２】
半導体基板の表面にエッチングに先行して開口のあるマスクを析出させ，半導体基板を真空室内に設置し，（ａ）半導体基板のエッチングステップと（ｂ）半導体基板上への不働態層の析出ステップとを交互に反復しながら溝のベースのエッチングを続けることにより半導体基板上に溝をエッチングする方法において，前記（ｂ）半導体基板上への不働態層の析出ステップ時に，
真空室内にプラズマを誘発し且つ少なくともサイクルの一部分においてイオンを所定平均イオンエネルギーで基板へ向けて加速し，
炭化水素析出ガス及びＨ２を導入して炭化水素フィルムを析出させると同時に前記溝のベースのエッチングを行いながら炭化水素析出ガスにより前記溝の側壁に不働態フィルムを析出させ，
Ｈ２中の炭化水素析出ガスの混合割合を第１割合値と第２割合値との間に維持しながら炭化水素析出ガスにより前記溝の側壁に不働態フィルムを析出させ，
前記第１割合値を，基板のエッチング速度が最大となる混合割合値とし，
前記第２割合値を，第１割合値より低く且つエッチング速度が定常状態から上昇し始める低割合値と，第１割合値より高く且つエッチング速度がゼロに落ちる高割合値との何れか一方の混合割合値とし，
エッチング及び析出ガス流を連続的に又は急激に変化させ，次のパラメータ群，即ちガス流速，真空室内圧力，プラズマ出力，基盤バイアス，エッチング速度，析出速度，サイクル時間，及びエッチング／析出比率の中の一つ或いはそれ以上を時間と共に周期的に変化させ，前記パラメータの振幅をサイクルとサイクルとの間において変化させてなる半導体基板上の溝エッチング方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の方法において，前記平均イオンエネルギーを１００ｅＶより大きくし，前記第２混合値を前記低割合値としてなる半導体基板上の溝エッチング方法。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の方法において，前記平均イオンエネルギーを３０ｅＶより小さくし，前記第２混合値を前記高割合値としてなる半導体基板上の溝エッチング方法。
【請求項５】
請求項１から４までの何れか１つに記載の方法において，前記炭化水素析出ガスを，ＣＨ４，Ｃ２Ｈ４，Ｃ３Ｈ６，Ｃ４Ｈ８及びＣ２Ｈ２の中の何れか１つ或いはそれらの組合せとしてなる半導体基板上の溝エッチング方法。
【請求項６】
請求項１から５の何れか１つに記載の方法において，前記パラメータの変化を傾斜させてなる半導体基板上の溝エッチング方法。
【請求項７】
請求項１から６の何れか１つに記載の方法において，少なくとも第１サイクルの間に前記エッチング速度を減少させてなる半導体基板上の溝エッチング方法。
【請求項８】
請求項１又は２に記載の方法において，前記不働態プロセスにより，前記マスク自体を析出させてなる半導体基板上の溝エッチング方法。
【請求項９】
請求項６から８の何れか１つに記載の方法において，前記エッチングステップ及び析出ステップを７．５秒未満の周期としてなる半導体基板上の溝エッチング方法。
【請求項１０】
請求項１から９の何れか１つに記載の方法において，前記エッチングステップと析出ステップとを重複させてなる半導体基板上の溝エッチング方法。
【請求項１１】
請求項１から１０の何れか１つに記載の方法において，前記不働態フィルムの析出ステップ中に，真空室内圧力を減少させてなる半導体基板上の溝エッチング方法。
【請求項１２】
請求項１から１１の何れか１つに記載の方法において，前記基盤を−１００℃と１００℃との間の温度で維持してなる半導体基板上の溝エッチング方法。
【請求項１３】
請求項１から１２の何れか１つに記載の方法において，エッチングステップと析出ステップとの間に真空室の吸い出しを含み，先行ステップで使用したガス（Ａ）の部分圧力をＰｐａで表し，後続ステップで使用するガス（Ｂ）の部分圧力をＰｐｂで表し，そしてガス（Ａ）を伴ったプロセスのプロセス速度が本質的定常状態から落ち込むときの下記左辺の割合をｘでそれぞれ表す場合，以下の式：
0004237281.tif 000003
が成立するまで吸い出しを続行してなる半導体基板上の溝エッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術】
本発明は，半導体基盤の表面処理方法についてであり，他の方法を除外するものではないが，特に，エッチングした特徴部上に側壁不働態層を析出する方法，及び，不働態の方法を含んでその様な特徴部をエッチングする方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エッチングと析出とを組み合わせる方法により，シリコン内に異方状に細長溝や窪みをエッチングする方法は周知である。その意図としては，不働態層を施すことにより形成された細長溝或いは窪みの側壁を保護する一方で，異方性エッチングを生成することにある。
その様な例は，例えば，引例 US-A-4579623, EP-A-0497023, EP-A-0200951,WO-A-94114187，及び，US-A-4985114 に見られる。これらすべての引例は，析出ガスとエッチングガスとの混合を使用するか，或いは，エッチングステップと析出ステップとを交互に使用するかの何れかについて記載している。ガスを混合するのは非効果的であるというのが一般的な見解である。というのは，２つの処理方法はお互いに打ち消し合う傾向にあるからであり，実際，完全に交互のステップを利用する方向へと傾いた偏見が持たれている。
【０００３】
他の手法は，引例 EP-A-0383570, US-A-4943344, 及び US-A-4992136 に記載されている。これらすべての引例は，基盤を低温に保つことを追求するものであり，そして最初に，多少一般的ではないが，側壁から不要な析出物を取り除くためにエッチングをしている間，高エネルギーイオンのバーストを利用する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
半導体製造業界において継続している傾向としては，増加し続けるアスペクト比の特徴部に対し，特徴部の幅が小さくなればなるほど，側壁形状及び側壁の表面粗さの重要性が増加する。現行案では，作動状態のプロセスに依存し，形成物に対して粗い側壁及び／或いはベースが生成されるのと同様に乏しいＣＤ（臨界寸法）制御で，内曲した側壁プロファイルを有する独特なノッチのついた側壁が生成される傾向にある。これら種々の問題の現れ方は，適用例，及びそれぞれのプロセス条件，シリコン露出エリア（マスクされていない基盤エリア），エッチング深さ，アスペクト比，側壁プロファイル，及び，基盤トポグラフィーに依存する。
【０００５】
本発明の方法は，少なくとも幾つかの実施例においては，これら種々の問題を取り扱い，それらの問題を減少させている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体基板上の溝エッチング方法は，半導体基盤の表面にエッチングに先行して開口のあるマスクを析出させ，半導体基板を真空室内に設置し，（ａ）半導体基板のエッチングステップと（ｂ）半導体基板上への不働態層の析出ステップとを交互に反復しながら溝のベースのエッチングを続けることにより半導体基板上に溝をエッチングする方法において，前記（ｂ）半導体基板上への不働態層の析出ステップ時に，
真空室内にプラズマを誘発し且つ少なくともサイクルの一部分においてイオンを所定平均イオンエネルギーで基板へ向けて加速し，
炭化水素析出ガス及びＨ２を導入して炭化水素フィルムを析出させると同時に前記溝のベースのエッチングを行いながら炭化水素析出ガスにより前記溝の側壁に不働態フィルムを析出させ，
Ｈ２中の炭化水素析出ガスの混合割合を第１割合値と第２割合値との間に維持しながら炭化水素析出ガスにより前記溝の側壁に不働態フィルムを析出させ，
前記第１割合値を，基板のエッチング速度が最大となる混合割合値とし，
前記第２割合値を，第１割合値より低く且つエッチング速度が定常状態から上昇し始める低割合値と，第１割合値より高く且つエッチング速度がゼロに落ちる高割合値との何れか一方の混合割合値とし，
エッチング及び析出ガス流を連続的に又は急激に変化させ，次のパラメータ群，即ちガス流速，真空室内圧力，プラズマ出力，基盤バイアス，エッチング速度，析出速度，サイクル時間，及びエッチング／析出比率の中の一つ或いはそれ以上を時間と共に周期的に変化させ，前記パラメータの振幅を単一サイクル内において及び／又はサイクルとサイクルとの間において変化させてなるものである。
【０００７】
このことは，ＣＦｘの形態の層を析出する前提案とは相反するものである。
【０００８】
一つの好適な構成では，平均イオンエネルギーを３０ｅＶより小さくし，第２混合値を前記高割合値とする。
【０００９】
もう一つの構成では，平均イオンエネルギーを１００ｅＶより大きく，例えば数百ｅＶほどとし，そしてその場合，第２混合値を前記低割合値とする。
【００１１】
公知技術は，全体的に分離したエッチングステップと析出ステップの有意義さを教えている。このことに対して，前記の幾つかの限界に取り組んでいる選択が提示される。エッチングステップと析出ステップは重複しても良いし，そして，エッチングガスと析出ガスは混合しても良い。
前記方法は，エッチングと析出との間，及び／或いは，析出とエッチングとの間に真空室の吸い出しを含む方法であって，その場合，前記吸い出しは，次式
【００１２】
【数２】
が
0004237281.tif 000002
【００１３】
満足されるまで続行される。上式において，Ppa は前回のステップにおいて使用されたガス（Ａ）の部分圧力を，Ppb は次回のステップにおいて使用されるガス（Ｂ）の部分圧力を，そしてｘはガス（Ａ）を伴った処理のプロセス速度が本質的定常状態から落ち込むところの割合をそれぞれ表すものである。  正確なプロセス条件と公知技術で出くわす問題次第で，ガスは連続的に或いは急激に変化しうるし，そして，実際，次のパラメータ：ガス流速，真空室内圧力，プラズマ出力，基盤バイアス，そしてエッチング／析出比率，の中の一つ或いはそれ以上は，例えば，シヌソイド状，矩形状，鋸歯型波形状或いはそれらの組合せの中で時間と共に周期的に変化しうる。たとえば，析出とエッチングのガスは，それらのガス流速がシヌソイド状かつ位相外となるように供給されうる。これらのいづれのパラメータの大きさもサイクル内及びサイクルとサイクルとの間において変化しうる。多くの適用例に対して，典型的なプロセス条件を使って種々の手法の有益性を得ることができる。ＣＤ（臨界寸法）損失に関する特別な場合，初期の”ノッチ”の減少は必須である。シリコン露出エリアが比較的低く（≦２０％）そして対応するエッチング速度が高い場合，好適とされる一つの解は，少なくとも第１サイクルの間は，そして，適切な環境の下では，例えば，第２サイクルから第４サイクルまでの最初の数サイクルの間は，析出速度を増大し及び／或いはエッチングを減少することである。
【００１４】
本方法の他の長所は，エッチング及び／或いは析出ステップは，表面粗さを減少するために，７．５秒未満の周期或いは５秒未満の周期さえをも有し；エッチングガスは CFxであって，自然発生的なエッチングを減少するために一つ或いはそれ以上のより高い原子質量ハロゲン化物を含み；そして，増加した自己バイアスが伴う特に浅く高いアスペクト比エッチングのための析出を行っている間は，真空室内圧力は減少し及び／或いは流速は増加する，というところにある。
【００１５】
戻し冷却が問題となる場合には，前記基盤を真空室内の支持台上に自由な状態で置く。択一的には，基盤を固定し，その温度を，たとえば，−１００゜Ｃから１００゜Ｃの間となるように制御する。真空室内の温度は，真空室或いはその装備品への凝固を減少するために，ウェハーと同じ温度範囲となるよう真空室に有利に制御する。
【００１６】
基盤はGaAsであって，この場合，エッチングガスは，特に好ましくは，H 或いは不活性ガスを伴うか，或いは，伴なわない Cl2，BCl3，SiCl4，SiCl2H2，CHxCly，CxCly，CHxの中の一つ或いは組合せである。Cl2が特に好適である。析出ガスは，Ｈを伴うか或いは伴なわないCHx，CHxCly，CxClyの中の一つ或いは組合せであるか，或いは，不活性ガスである。CH4或いは CH2Cl2 が特に好適である。
【００１７】
本発明は上記に定義した通りであるが，それは上記或いは下記に開示しているいかなる進歩性のある特徴の組合せも含み得るものであると解釈すべきである。
【００１８】
【実施例】
本発明は，種々の方法によって実施しうるものであって，ここでは，ある特定の実施例を添付図を参照にしながら示す。
【００１９】
図１は，反応イオンエッチング及び化学的蒸着の両方の使用に適している公知技術における反応室１０の概略図である。典型的には，真空室１１は，半導体ウェハー１３を受ける支持電極１２とそれとはスペースを置いた電極１４とを連携させる。前記ウェハー１３は，クランプ１５によって前記支持１２に対して押しつけ，一般に，後方冷却手段（図示されていない）により冷却する。
【００２０】
真空室１１は，コイル１５ａによって囲まれ，真空室１１内における電極１２と電極１４との間にプラズマを誘発するように使用されるＲＦ源１６によって供給される。択一的には，マイクロ波出力の供給はプラズマ生成に使用する。いずれの場合においても，プラズマバイアスを生成する必要があるが，それはＲＦ或いはＤＣのいずれかであり，そして，それをウェハー１３へと下降して行くプラズマからのイオンの通路に影響を与えるように支持電極１２に接続する。そのような調整可能バイアス手段の一例を１７に示す。真空室には，析出ガス或いはエッチングガスが取り込まれるためのガス吸入口１８，及び，ガス状の生成物及び過剰な生成ガスを除去するための排気口１９を設けている。ＲＩＥ或いはＣＶＤのモードのいずれかにあるそのような真空室の操作に関しては当該分野の技術においては良く理解されていることである。
【００２１】
半導体ウェハー或いは半導体基盤の表面上に，細長溝，エッチング，バイアス或いは他の形成物をエッチングする場合，通例の実施では，前記基盤の部分を露出している開口部を有する光抵抗マスクを析出する。エッチングガスを真空室内に取り込み，そして，可能な限り形成物の側壁にエッチングがないようにするために，エッチング過程が下方向に異方性であることを保証する試みとしていくつものステップが取られている。種々の理由により，真の異方性エッチングを達成することは実際には困難であり，そして，前記側壁上に不働態材料を析出し，その結果，前記材料が犠牲的にエッチングされるようにするために種々の試みが行われている。現在までに，最も成功しているそのようなシステムは，たぶん，引例ＷＯ−Ａ−９４１１４１８７に記載されているものであり，そのシステムを図２に概略的に示す。前記引例に記載のプロセスでは，連続及び分割的なエッチング及び析出ステップを使用し，そのようにして，最初のエッチングステップの後，側壁を符号２０に示すようにアンダーカットし，このアンダーカットを析出した不働態層２１によって保護する。図２から分かるように，この構成は粗い側壁を生成し，そして，エッチングしたステップが増加するか，或いは，実際にアスペクト比が増加する場合，プロファイル内に湾曲或いは凹入したノッチがあるかもしれない。公知技術の引例には，ＣＦｘ不働態層の析出についての記載がある。
【００２２】
出願人は，より滑らかな壁状の形成物，及び，特により質が高く深い及び／或いは高アスペクト比を有する形成物の生成が可能となるように，上記プロセスに対する改良のシリーズを提案する。便宜のため，分節して記載する。
【００２３】
１．不働態
既に上記で述べたように，前回提案は，ＣＦｘの形の不働態層を析出するものである。出願人は，炭素層或いは炭化水素層を用いて側壁を不働態しており，そしてそれらの層は，相当に高い付着エネルギーを与えるものであるが，それは黒鉛相が少なくとも部分的に除去されるように高い自己バイアスの下で析出される場合には特に顕著となる。
【００２４】
もしこれらのフィルム或いは層を要望通りに，例えば，２０eV 以上，好適には１００eVを越える高い自己バイアスで析出する場合は，高いアスペクト比の形成物の際にはもう一つの重要な利点を有することとなる。というのは，高い自己バイアスは，凹入側壁エッチングを防止するために，エッチングされる形成物のベースに対する下方向への析出材料の運搬を増加することを保証するからである。
【００２５】
この運搬の影響は，滞留時間を減少させるために，徐々に炉室内圧力を減少させるか及び／或いはガス流速を増加させることにより改良できる。ある構成等では，明瞭に先細りした形成物或いはＶ型の形成物の生成が達成されるように析出作業を行うことが望ましい。浅く（＜２０μｍ）高いアスペクト比の細長溝に関する特別な例では，特徴部の開口部寸法（或いは，重要な寸法）を０．５μｍの範囲内とすることができる。この不働態によって形成された炭化水素（Ｈ−Ｃ）膜は，公知技術である過フッ化炭化水素膜よりも重要な長所を有する。
例えば，前記Ｈ−Ｃフィルムは，エッチング処理をドライ・アッシング（酸素プラズマ）処理により完了した後，早急に取り除くことができる。これは，ウェット処理が高いアスペクト比を有する細長溝によって分離されている共振構造の固着現象に帰着するところのＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカルシステム）の形成においては特に重要となる。例えば，光学や生物医学の分野での装置に関する他の適用例においては，側壁層を完全に取り除くことは必須である。
前記Ｈ−Ｃフィルムは，幅広い範囲のＨ−Ｃ先駆物質（例えば，高分子重量芳香族化合物Ｈ−Ｃを含む CH4, C2H4, C3H6, C4H8, C2H2等）から選択し，析出されうる。これらは，希ガス及び／或いはＨ２と混合できる。酸素源ガスも加える（例えば，CO, CO2, O2等）ことができ，そして析出の間はフィルムの位相バランスを制御できる。酸素は，より固い相（sp3）を残したまま，黒鉛相（sp2）を取り除く傾向にある。そのようなわけで，存在する酸素の割合は，最終的に析出されるフィルム或いは層の特性に影響する。
【００２６】
上記で述べているように，Ｈ２はＨ−Ｃ先駆物質と混合できる。Ｈ２は優先的にシリコンをエッチングし，そして割合を正確に選択した場合，不働態相にある間にホールのベースのエッチングを続行しつつ，側壁不働態が達成できる。
【００２７】
このための好ましい手続きは，選択したＨ−Ｃ先駆物質（例えば，CH4）をＨ２と混合し，提案したエッチング手続きに使用する装置内の混合物質を使ってマスク模様のシリコン表面を処理することである。シリコンエッチング速度を，Ｈ２内のCH4濃度の関数としてプロットし，そして，そのようなプロットの例を図４に示す。エッチング速度は，CH4の割合の増加と供に，初期の定常状態から，ゼロへと減少して行く以前にピークへと増加することを注記しておく。
グラフが，以下のメカニズムを起こしていることを示していることに疑いの余地はない。初期の定常状態部分においては，SiHx 反応生成物を形成するためのＨ２の活動が本質的にエッチングを支配している。Ｈ２内の CH4 の約１０％においては，基 盤のCH4エッチングは（Si(CHx)y 生成物を形成することにより）重要となり，そしてエッチング速度は増大する。エッチングに起因して，グラフのこの部分上にはネット析出はないが，炭化水素層の析出がこの間を通して行われている。最終的には，ネット析出が生じるCH4の約３８％までは前記析出がエッチング処理を支配し始める。
【００２８】
これら変化特性を異なる２通りの方法で使用できうることが分かった。もし，高い自己バイアスであるか，或いは，高い平均エネルギーがある場合（例えば，例えば１００eV を越える），施した層或いはコーティングは相当に固い。それというのは，コーティングはシリコン基盤よりもエッチングに対してより強い抵抗力があるため，減少した黒鉛相や過程はエッチング速度グラフの上昇部分において操作されうるからである。そのようなわけで，析出相を通して，シリコンをエッチングすることが可能となる。マスクするか或いは抵抗するために１００：１を越える選択度を即座に得ることができる。マスク２２のイオン衝撃に起因して重大な黒鉛相の除去がある一方で，イオンの高い方向性は，側壁コーティングが比較的影響を受けないことを意味することを注記しておく。
【００２９】
前記プロセスは，低平均イオンエネルギーの状態下において，Ｈ−Ｃ先駆物質のみか或いはＨ２希釈物のいずれかを伴って，操作できる。後者の場合，前記プロセスを，エッチンググラフの下降部分において操作するのが好適である。その部分とは，CH4にとって１８％より大きく，かつ，ネット析出が生じる約３８％未満の部分の割合である。典型的には，その範囲は，CH4にとって１８％から３０％の間に相当する。
ポリマー析出の間の平均イオンエネルギーの低い値は，高いマスク選択度を許容しうるには有意義であると信じられる。これらの低いｒｆバイアス条件下では，選択度が，広い不働態析出に対して無限に増大する。よって，もし高い選択度が要求される場合は，低い平均イオンエネルギーの手法が有利となりうる。図５は，上記２実施例を含む条件範囲の下でCH4とＨ２使用するＨ−Ｃフィルムのためのステップカバレッジ（表面析出に対するステップ高さの５０％で測定された側壁析出）を示す。図５は，高イオンエネルギーはステップカバレッジを増大するが，低バイアス条件であったとしても，横方向エッチングに対して十分な不働態があることを示している。更に，後者の場合，より高い析出速度は，更にマスク選択度を増加する役目を果たす。低イオンエネルギーにおける析出速度は，１００eVを越えるケースの２要因の内の１つである。
【００３０】
以上のようなわけで，これらの手法を使用することによって，利用者は，彼の提案する構造に最も最適となるエッチング速度と選択度の組合せを選択できるということが分かる。更に，エッチング速度を増加するために及び／或いはノッチを減少するためにマスク選択度を向上する。図６は，前記プロセスの種々のパラメータがどのように同期するかを示している。図６（ｄ）は，連続かつ不変のコイル出力を示し，一方，図６（ｅ）は，前記エッチング或いは析出ステップを向上するように，コイル出力を切り替え，そして，エッチングの際の出力は，要求されるプロセス動作に依存する析出に対して選択された出力とは異なることを示している。図６（ｅ）は，例を使って，析出している間のより高いコイル出力を示している。
【００３１】
図６（ｆ）〜（ｉ）は，バイアス出力内での似たような変化を示している。図６（ｆ）は，析出フィルムの除去を簡易にするため，エッチングの間は，高バイアス出力を有しており，一方，図６（ｇ）は，平均イオンエネルギーを低く抑えながら，この除去プロセスを助長するために初期のより高い出力パルスを使用することを示している。図６（ｈ）は，エッチング（例えば，深い細長溝を伴った）の間に，より高いイオンエネルギーが要求される時のための，図６（ｆ）と図６（ｇ）の組合せである。図６（ｉ）は，析出の間は，バイアスがｏｆｆ状態であることを示している。
【００３２】
いずれかのプロセスでは，少なくとも，ガスの許容分離区間は，ガスＢ（Ｐｐｂ）の部分圧力内で許容されうるガスＡ（Ｐｐａ）の残留部分圧力によって決定される。Ｐｐｂ内におけるＰｐａのこの最小値は，特性プロセス速度（エッチング或いは析出）から Ppa/(Ppa + Ppb) の関数として設定する。
図８において，ガスＡは２０％ CH4＋Ｈ２であり，ガスＢはSF6である。Ppa /(Ppa + Ppb)< 5％ においては，プロセスは，実質的に定常状態であることが分かる。典型的な実際条件としては，１．５秒未満の吸い出し時間で十分であり，そして，プラズマを，プロセスステップが２〜３秒のオーダーでは，合計サイクル時間の６５％に渡って維持し，及び，プロセスステップが５秒を越える場合には，合計サイクル時間の８０％に渡って維持する。適切な同期構成は図７に示す。析出ステップとエッチングステップのガスの混和の回避を望むため，エッチングは吸い出しに先行する。公知技術案（例えば，U.S.A. 4985114）は，プラズマがオン状態とされる前に，長い間に渡って，析出ガス流動をオフ状態にするか或いは減少するように提案している。これは，プラズマ出力が，エッチング速度を重大な減少へと導きうる，合計サイクル時間のちょっとした部分においてのみオン状態になることを意味する。出願人は，真空室を，少なくとも，いずれかのガス交換の間において吸い出すべきであるが，圧力とガス流動の安定が維持されるように注意しなければならないと提案している。好ましくは，高い応答速度質量流動制御（上昇時間＜１００ms）及び自動圧力制御（角度変化そして安定＜３００ms）を使用する。
【００３３】
出願人は，析出ガスによってエッチングが弱められることのないようにするために，必要な吸い出し時間を設定（図８）した。しかしながら，吸い出しは，稼働中の正確なプロセス次第で，エッチングステップ，或いはエッチング及び析出ステップの両方に先行する。そしてまた，吸い出しは，（USA4985114 に記載されている）微小荷重を減少し，そして下記の通り，高いアスペクト比エッチングに対しても有意義である。
【００３４】
変化しうるパラメータの多くは，図９（ii）に一般的に図示してあるように，傾斜している。前記傾斜は，それらパラメータが，サイクル間において急激に変化するのではなく，振幅或いは周期におけるサイクル毎に，徐々に増加或いは減少することを意味している。吸い出しの場合，傾斜は，下記で議論するように側壁ノッチを減少するか或いは除去しうるプロセスの開始時に混和を許容するように使用できる。
【００３５】
典型的なプロセスパラメータは以下の通りである。
【００３６】
１．析出ステップ
CH4ステップ時間：２〜１５秒；好ましくは４〜６秒
H2ステップ時間：２〜１５秒；好ましくは４〜６秒
コイルｒｆ出力：  ６００〜１ｋＷ；好ましくは８００Ｗ
バイアスｒｆ出力：  高平均イオンエネルギーケース：５００Ｗ〜３００Ｗ〜１００Ｗが好適とされる
低平均イオンエネルギーケース：  ０Ｗ〜３０Ｗ；
好ましくは１０Ｗ
圧力：２mTorr 〜 ５０mTorr；  好ましくは２０mTorr
２．エッチングステップ
SF6ステップ時間：２〜１５秒；好ましくは４〜６秒
コイルｒｆ出力：  ６００〜１ｋＷ；好ましくは８００Ｗ
バイアスｒｆ出力：  高平均イオンエネルギーケース：５０Ｗ〜３００Ｗ；
好ましくは１５０Ｗ
低平均イオンエネルギーケース：０Ｗ〜３０Ｗ；
好ましくは１５Ｗ
圧力：２mTorr 〜 ５０mTorr；  好ましくは３０mTorr
２．エッチング／析出関係
出願人は，公知技術の手法は本質的に単純過ぎると結論づけている。というのは，それはある特定なプロセスの間，条件を変化させることも，或いは異なった要求や異なったタイプの形成をも受け入れないためである。更に，公知技術は，深いエッチングの難問を取り扱っていない。
【００３７】
その様なわけで，引例 WO-A-94114187 が教えていることとは反対に，出願人は，図２に示してあるような壁の表面粗さを大きく減少できるように，エッチングステップを不働態ステップ或いは析出ステップに重ね合わせることは，しばしば有意義となると信じている。出願人はまた，以前から利用されている剛な連続矩形波ステップは，驚くことに理想からはほど遠いものであると結論づけた。多くの場合，エッチング速度の減少が許容されているときは，ステージ間，特に重複が起きるているステージ間では滑らかな遷移を利用することが望ましい。以上のようなわけで，好適な一構成としては，位相外となる，好ましくは９０°近く位相外となる２つの”波形”を，エッチングガス及び析出ガスのガス流速のために，シヌソイド状に時間と供に変化させることである。側壁粗さは，本質的には増大させた横方向エッチング構成部の現れであるため，前記側壁粗さは，エッチングの前記構成部に制限を加えることにより減少できる。要望する効果は，次の多くの方法：不働態ステップとエッチングステップ（重複）とを部分的に混合すること；エッチング（ゆえに，対応する不働態）期間を最小化すること；ウェハー温度を減少することによりエッチング生成物揮発度を減少すること；及び，例えば，付加したＯ，Ｎ，Ｃ，ＣＦｘ，ＣＨｘを有するＳＦ６のようなエッチングガスへ不働態要素を加えること，或いは，ＣＦｘ等により交換されたＳＦ６のような低反応種類の作用ガスの一つを使ってエッチングガスを交換すること等の内の一方法によって得ることができる。
【００３８】
出願人は，エッチングや析出のレベル変化が，プロセス内の異なったステージにおいて要望されることも認めた。出願人は，第１サイクル或いは最初の数サイクルの間は，析出区間或いは析出速度を増加するか，或いは，他の適切な手段を取ることによって，向上した析出を有すべきであることを提案している。等しく或いは択一的に，エッチング速度或いは時間は減少しうる。
【００３９】
既に以前にも簡単に述べたように，形成物或いは細長溝が深くなればなるほど，及び／或いは，アスペクト比が増大すればするほど，材料を析出することは次第に困難となってくる。ガス流速，真空室内圧力，プラズマ出力，バイアス出力，サイクル時間，基盤エッチング／析出比率の中で，一つ或いはそれ以上を制御することにより，ふさわしい側壁不働態を伴った良好な異方性エッチングが達成できるように，適切な方法でもって，システムを調整できる。
これら及びこれらに関連する手法は，エッチングプロファイルに存在する多くの問題を克服するために利用できる。
ａ．側壁ノッチ
側壁”ノッチ”問題は，露出したシリコンエリア（３０％未満の低露出エリアにおいてより酷い）に対して特に敏感であり，また，高シリコン平均エッチング速度においても同様に酷い。出願人は，その様なノッチは，初期のエッチング／析出サイクルの間に，エッチング種類の比較的高い濃度によって引き起こされると信じている。そのようなわけで，出願人によって適用された解は，第１サイクルの間に，不働態を向上させるか或いはエッチング種類を消滅させるかのいづれかである。後者は，プロセス調整（一つ或いはそれ以上のパラメータを傾斜させる）によるか，或いは，Ｆ腐食液に作用するＳｉ，Ｔｉ，Ｗ等のエッチング種類を（化学反応により）消費する真空室の中にある材料を放置するかのいづれかの方法で達成できる。その様な化学的負荷は，当該消滅が最初の数エッチングステップにおいてのみに必要とされるだけのため，平均エッチング速度を減少させてしまうという欠点を有する。そのようなわけで，プロセス調整の解が有利であると判断される。
【００４０】
エッチング速度，プロファイル制御，選択性等の他のいづれの側面をも弱めたり或いは劣化させることなく，側壁ノッチを減少／除去することが望ましい。出願人の調査によれば，”エッチング開始時点において，エッチング種類の濃度を減少させる”手法は，それぞれの（複数の）パラメータを図６に示されているように普通の前もって最適化したエッチング条件へと増加した後に引き続いて行われる下記のプロセス：
ａ．フッ素掃気ガスの導入或いは
ｂ．低コイル出力或いは
ｃ．低エッチサイクル時間（ステップ期間）或いは
ｄ．低エッチガス流動或いは
ｅ．不働態サイクルの間の，上記ａ〜ｄに対応するパラメータの増加
ｆ．上記のコンビネーション。
【００４１】
を開始することによって，最良に制御できることを示している。前記増加は，急激（それは，ａ〜ｆのパラメータの中の，例えば，ステップ変化を使用して）であるか或いは傾斜しているかのいずれかである。これら２手法の結果を公知技術の教えと比較しつつ以下に述べる。
【００４２】
シリコン細長溝エッチングを行っている間の（公知技術を直接適用することにより生じてくる）問題の本質は，概略的に図３に示し，そして，図１０及び図１１にＳＥＭ’ｓ（走査型電子顕微鏡写真）を示す。これらの図は，１．７μｍの初期細長溝開口に対して，ノッチ幅は０．３７μｍまでである一方，ＣＤ損失は１．２μｍ（７０％）である。そのようなＣＤ損失の値は，実用へはほとんど不適である。
【００４３】
しかしながら，ノッチした側壁は，初期サイクルのエッチングプロセスの間にプロセスパラメータを変化しうる出願人の方法（例えば，ａ〜ｆ）を使用することにより修正されうる。もし，急激なステップをプロセスパラメータを変化するために使用するなら，急激な遷移が側壁プロファイルに生成される。図１２及び図１３のＳＥＭ’ｓは，この事を，異なるプロセスパラメータに対して，図示するものである。図１２において，プロセスパラメータにおける遷移は，（８．５μｍエッチング深さ後の）パラメータの変化点における，側壁プロファイルでの急激な遷移であるとして注目される。（側壁ノッチが除去されていることを注記のこと）図１３は，もう一つのプロセスパラメータの急激／ステップ変化を図示している。ここでは，側壁不働態は，最初の２μｍに対して，明瞭なプロファイル（そして，ノッチ無しである）に帰着するには十分に良質である。減少された不働態の条件が適用された場合，それは，側壁角度における遷移及びノッチの再出現によって特性づけらる。
【００４４】
”傾斜づけ”パラメータ手法を使用することにより，いかなる急激な遷移をも生じさせることなく；図１４のＳＥＭを参照，滑らかな側壁プロファイルを生成するのと同様に，ノッチを除去できる。このことは，傾斜無しのプロセスに匹敵するエッチング速度を維持する一方で，滑らかで明瞭なプロファイルかつＣＤ損失無しを有する深さ２２μｍの細長溝エッチングを示している。この場合に使用するプロセス条件は図１９ａに示してある。
ｂ．深く高いアスペクト比エッチングを行っている間のプロファイル制御
公知技術の教えは，高アスペクト比（＞１０：１）エッチングが要求されるものに限定されている。ここでは，比較的深いエッチング（＞２００μｍ）に対する限定と解について議論をするが，その議論は，浅くて高いアスペクト比エッチングに対しても，そしてまた，ＣＤの値がたとえ０．５μｍ未満となるような大変低い値にさえも，等しく適用できうる。
【００４５】
高アスペクト比エッチングを識別しうる基本メカニズムの一つには，エッチング生成物と同様にエッチング（及び不働態）反応先駆物質の拡散がある。不働態ステップに対するこの種の移送現象が調査された。この結果は，深い細長溝のベースに対しての側壁不働態の移送が低圧力の下で改善しうることを明確に示している。プラテン出力の増加もまたこれを改善するものである；図１５を参照。
【００４６】
グラフは，圧力が減少し，及び，ｒｆバイアス出力が増加する時の，細長溝のベースに対する改善した不働態を示している。このデータは，最初に２００μｍ深さの細長溝をエッチングし，それから，不働態ステップだけを使用し，そして走査型電子顕微鏡を使用することにより，深さと共に側壁不働態の変化を測定することによって得られたものである。このことは，エッチング深さと共の不働態の変化を確認し，そして，更に，最適なプロセス条件はエッチ深さと共に変化するということの示唆も支持している。
公知技術を，その様な高アスペクト比のプロセスに対して適用する際の限界を，図１６のＳＥＭによって示す。注目すべきことには，エッチング比の固定したパラメータプロセスに対する比較的高い不働態は，初期の側壁ノッチに確実に帰着してしまうが，１０μｍＣＤや深さ２３０μｍの細長溝のエッチングに対してこれを示すには，ＳＥＭ拡大は十分に高くはない。図１５に示されている傾向から，要望する高バイアスｒｆ出力と低圧力の条件の下で操作することにより，プロファイルを幾分改善することができる。しかしながら，固定パラメータプロセスとして，高バイアス出力と低圧力の条件は，イオンエネルギーが増大すると共に，マスク選択度（１００：１以上から１０：１未満へと）を重大に劣化させる。急激パラメータを使用する場合，変化は，図１７のＳＥＭに示してあるように，急激な側壁変化に帰着する。次のパラメータを傾斜化することによって，つまり，プラテン出力を増加，圧力を減少，そして，サイクル時間とガス流動とを増加することによって，７５：１を越える適切で高い選択度を維持しつつ；図１８を参照，好ましい結果を生み出すことができる。ここに，ＳＥＭは深さ２９５μｍ，１２μｍＣＤの細長溝エッチング（２５：１のアスペクト比）を示す。この場合のプロセス条件は，図１９ｂに示す。
【００４７】
図２０は，側壁ノッチを減少するために，初期サイクルにおいて使用する析出ガスとエッチングガスとの同期を示す。典型的な動作条件を図１９ａに与え，そして，それに関わるＳＥＭを図１４に示す。図２１は，側壁ノッチ減少の手法の方法による掃気ガスの使用に関する同期を示す。破線は，減少傾向で傾斜化する掃気ガス流速の選択を示す。
図９ｉは，深く高アスペクト比の異方性エッチングを得るための同期を示しているが，示している傾斜化の手法は側壁ノッチの減少にも使用できるが。図１８に示す結果を得るために，図１９ｂの条件を使用できる。
【００４８】
図９ｉに戻った場合：
１．当該図は，平均圧力の傾斜を示す。サイクルが析出からエッチングに変化するとき，圧力が低圧力から高圧力へと変化することを注記しておく。圧力の下向き傾斜は，エッチングと不働態の両方サイクルに対しての圧力減少に帰着する。
【００４９】
２．当該図は，ｒｆバイアス出力傾斜を示す。バイアスは，サイクルが析出からエッチングに変化するとき，低バイアスすから高バイアスへと変化することを注記しておく。これは，上記の圧力変化に同期している。バイアスの上向き傾斜は，この場合，析出にのみ当てはまる。
【００５０】
３．当該図は，ｒｆバイアス出力傾斜のもう一つの例を示す。ここでもまた，バイアスは，圧力変化に同期して，サイクルが析出からエッチングに変化するとき，低バイアスすから高バイアスへと変化する。バイアスの上向き傾斜は，この場合，析出ステップとエッチングステップの両方に当てはまる。
【００５１】
図９ｉｉは，一般的なパラメータの傾斜を描写している。これらの例は，傾斜しているサイクル時間とステップ時間とをそれぞれ描写するものである。  ４．当該図は，サイクル時間傾斜を示す。前記傾斜では，パラメータ（ガス流速，圧力，ｒｆ出力等）の大きさが傾斜づけられていない。ある適用例では，こは，上記の場合における”大きさ”の傾斜づけに対する選択として供与しうる。  ５．当該図は，サイクル時間傾斜を示す。前記傾斜では，パラメータ（ガス流速，圧力，ｒｆ出力等）の大きさが傾斜づけられている。パラメータの傾斜は，大きさに関して増加或いは減少し，減少する場合，それはゼロ或いは非ゼロの値へ向かうことを注記しておく。
【００５２】
３．エッチングガス
適切ないづれのエッチングガスも使用できうるが，出願人は，ある特定なガス或いは混合が有益であることを見つけだした。
【００５３】
そのようなわけで，プロセス速度に影響を及ぼすため，エッチング段階においてはいかなる不働態ガスを有することも好ましくないことが引例 WO-A-94114187の中に示唆されている。しかしながら，出願人は，この手続きは，形成された側壁細長溝の質を大幅に改善することができると結論づけ，Ｏ，Ｎ，Ｃ，炭化水素，水素−含ハロゲン炭素，及び／或いは，含ハロゲン炭素のような不働態ガスをエッチングしたガスに対して加えることを提案している。同様に，そして同目的のために，エッチングしたガスの化学反応度を減少することが要望され，出願人は，例えば，Ｃｌ，Ｂｒ或いはＩ等のような，より高い原子質量のハロゲン化物と共にＣＦｘを使用することを提案している。しかしながら，XeF2や他のエッチガスを使用するかもしれない。
側壁粗さの度合いは，択一的には，サイクル時間を限定することによってもまた減少できる。例えば，エッチングや析出の周期を，７．５秒未満に，好ましくは，５秒未満に限定することが望ましいということが発見されている。
【００５４】
４．ガリウム砒素と他の材料
前回の提案は，すべて，シリコン内の細長溝の形成についてである。出願人は，適切な不働態を使用することにより，ガリウム砒素や，実際には，他のエッチング可能な材料の異方性エッチングが達成できることを認めている。例えば，ガリウム砒素へのエッチングは，不働態ガス或いはエッチング促進ガスが伴っているか，或いは，伴っていないＣｌ２を使ってなしうると提案できる。しかし，この手法は，上記に提案した炭素或いは炭化水素不働態を使ってより成功しうると一般には理解されている。もし，従来通りのＣＦｘ化学を利用するなら，エッチング禁止化合物が生成され，そして，それは表面粗さを増大するか或いはエッチングを限定する。ガリウム砒素に対して，低圧力かつ高プラズマ密度反応室を使用するような場合は，低温度が好ましいだろう。適切なエッチング化学物質はすでにこの明細書の前段に記載しているとおりである。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体を処理するための反応室の概略図である。
【図２】公知技術の方法により形成された細長溝の概略図である。
【図３】図２に示されている細長溝の開口部の拡大図である。
【図４】  Ｈ２内でのＣＨ４の割合に対するシリコンのエッチング速度を示すプロットである。
【図５】異なる平均イオンエネルギーに対して，Ｈ２内でのＣＨ４の割合に対するステップカバレッジを示すプロットである。
【図６】ガスと図１の装置のコントロールパラメータとの間で起こりうる種々の同期を示す図式である。
【図７】図６に対応する図式であるが，択一的な動作シナリオを示するものである。
【図８】部分圧力比に対するシリコンのエッチング速度を示すプロットである。
【図９】（ｉ）は，深い異方性プロファイル制御のためのパラメータ傾斜の概略的描写を示す。（ｉｉ）は，（ｉ）のより一般的な傾斜を示している。
【図１０】公知技術に従って形成された細長溝の走査型電子顕微鏡写真である。
【図１１】図１０の開口部の拡大図である。
【図１２と図１３】プロセスパラメータに急激な遷移が生じている出願人のプロセスにより形成された細長溝に対応する走査型電子顕微鏡写真である。
【図１４】傾斜したパラメータが使用されている以外は，図１２に対応している。
【図１５】種々の反応室内圧力におけるＲＦプラテン出力に対する析出比を示すプロットである。
【図１６】公知技術による高アスペクト比の細長溝の走査型電子顕微鏡写真を示す。
【図１７】急激な遷移を持つ出願人プロセスを使用した場合のそれに対応する走査型電子顕微鏡写真を示す。
【図１８】傾斜した遷移を使用している間に，出願人のプロセスにより形成された高アスペクト比細長溝の走査型電子顕微鏡写真である。
【図１９】（ａ）は，図１４の走査型電子顕微鏡写真により示されている細長溝を形成するために設定されたプロセス条件を示している。（ｂ）は，図１８の走査型電子顕微鏡写真により示される細長溝を形成するために設定されたプロセス条件を示している。
【図２０】出願人のプロセスの初期サイクルの間における析出ガス及びエッチングガスの同期を示す図式である。
【図２１】掃気ガスを使用することによる図２０に対する択一的な手法を示す図式である。
【符号の説明】
１８…ガス導入口
１９…ガス排出口
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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