(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１０μｍのエッチング深度を有する超深トレンチを形成するために誘導結合プラズマエッチングリアクタ内でマスキング層を通してシリコン層をエッチングする方法であって、
前記シリコン層を含む半導体基板を前記誘導結合プラズマエッチングリアクタ内に導入するステップと、
実質的にヘリウムガス、Ｏ2ガス、及びアルゴンガスで構成されるエッチングガス化学剤を前記誘導結合プラズマエッチングリアクタに流入させるステップと、
前記エッチングガス化学剤を使用してプラズマを発生させるステップと、
前記プラズマの発生の後に、前記誘導結合プラズマエッチングリアクタにＳＦ6ガスを供給するステップであって、前記ＳＦ6ガスに対する前記ヘリウムガスの流量比が３５０％ないし５５０％であり、前記ＳＦ6ガスに対するＯ2の流量比が６０％ないし９０％であり、前記ＳＦ6ガスに対する前記アルゴンガスの流量比が３５０％ないし５５０％であるステップと、
少なくとも部分的に前記シリコン層に前記超深トレンチをエッチングするステップと、を備える方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法であって、
自然酸化膜層が前記シリコン層上に形成され、
塩素含有ガス化学剤が前記誘導結合プラズマエッチングリアクタ内に流入され、
前記塩素含有ガス化学剤は、前記シリコン層の前記エッチングのための前記エッチングガス化学剤の流入に先立って、前記自然酸化膜層を貫通してエッチングするために使用される、エッチング方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の方法であって、
前記ＳＦ6ガスに対する前記アルゴンガスの流量比が３５０％ないし５５０％である、エッチング方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の方法であって、
前記超深開口部の前記エッチングが３０μｍないし６０μｍのエッチング深度まで継続される、エッチング方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の方法であって、
前記プラズマの前記発生が５秒ないし１０秒の期間にわたって持続する、エッチング方法。
【請求項６】
超深開口部を形成するために誘導結合プラズマエッチングリアクタ内でマスキング層を通してシリコン層をエッチングする方法であって、
前記シリコン層を含む半導体基板を前記誘導結合プラズマエッチングリアクタ内に導入するステップと、
ヘリウムガス、酸素ガス、及び不活性衝撃強化ガスを含み、フッ素含有ガスを含まないエッチングガス化学剤を前記誘導結合プラズマエッチングリアクタ内に流入させるステップであって、前記不活性衝撃強化ガスは、アルゴンとキセノンからなるグループから選択される、ステップと、
前記エッチングガス化学剤を使用してプラズマを発生させるステップと、
前記プラズマの発生の後に、前記誘導結合プラズマエッチングリアクタ内にフッ素含有添加ガスを供給するステップと、
少なくとも部分的に前記シリコン層に前記超深開口部をエッチングするステップと、を備える方法。
【請求項７】
超深開口部を形成するためにプラズマエッチングリアクタ内でマスキング層を通してシリコン層をエッチングする方法であって、
前記シリコン層を含む半導体基板を前記プラズマエッチングリアクタ内に導入するステップと、
ヘリウムガス、酸素ガス、及び不活性衝撃強化ガスを含み、フッ素含有ガスを含まないエッチングガス化学剤を前記プラズマエッチングリアクタ内に流入させるステップであって、前記不活性衝撃強化ガスは、アルゴンとキセノンからなるグループから選択される、ステップと、
前記エッチングガス化学剤を使用してプラズマを発生させるステップと、
前記プラズマの発生の後に、前記プラズマエッチングリアクタ内にフッ素含有添加ガスを供給するステップであって、前記プラズマの発生中の所定の期間、前記フッ素含有添加ガスが、意図的にプラズマから除外される、ステップと、
少なくとも部分的に前記シリコン層に前記超深開口部をエッチングするステップと、を備える方法。
【請求項８】
請求項６または７記載の方法であって、
自然酸化膜層が前記シリコン層上に形成され、
塩素含有ガス化学剤が前記プラズマエッチングリアクタ内に流入され、
前記塩素含有ガス化学剤は、前記シリコン層の前記エッチングのための前記エッチングガス化学剤の流入に先立って、前記自然酸化膜層を貫通してエッチングするために使用される、エッチング方法。
【請求項９】
請求項６ないし８のいずれかに記載の方法であって、
前記半導体基板がシリコンウェーハである、エッチング方法。
【請求項１０】
請求項６ないし９のいずれかに記載の方法であって、
前記超深開口部がトレンチである、エッチング方法。
【請求項１１】
請求項６ないし１０のいずれかに記載の方法であって、
前記フッ素含有添加ガスがＳＦ6である、エッチング方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の方法であって、
前記ＳＦ6ガスに対する前記不活性衝撃強化ガスの流量比が３５０％ないし５５０％である、エッチング方法。
【請求項１３】
請求項１１または１２記載の方法であって、
前記ＳＦ6ガスに対する前記ヘリウムガスの流量比が３５０％ないし５５０％である、エッチング方法。
【請求項１４】
請求項６ないし１０のいずれかに記載の方法であって、
前記フッ素含有添加ガスがＣ4Ｆ8、ＣＦ4、ＮＦ3、及びＣＨＦ3のいずれかである、エッチング方法。
【請求項１５】
請求項６ないし１４のいずれかに記載の方法であって、
前記超深開口部の前記エッチングが３０μｍないし６０μｍのエッチング深度まで継続される、エッチング方法。
【請求項１６】
請求項６ないし１５のいずれかに記載の方法であって、
前記超深開口部のエッチングは、３０：１より大きいアスペクト比を有する、エッチング方法。
【請求項１７】
請求項６ないし１６のいずれかに記載の方法であって、
前記プラズマエッチングリアクタの下部電極温度が１５℃ないし６０℃である、エッチング方法。
【請求項１８】
請求項６ないし１７のいずれかに記載の方法であって、
前記プラズマエッチングリアクタの処理室圧力が４０ｍＴｏｒｒないし１００ｍＴｏｒｒである、エッチング方法。
【請求項１９】
請求項６ないし１７のいずれかに記載の方法であって、
前記プラズマエッチングリアクタの処理室圧力が５０ｍＴｏｒｒないし６０ｍＴｏｒｒである、エッチング方法。
【請求項２０】
請求項６ないし１９のいずれかに記載の方法であって、
前記プラズマの前記発生が５秒ないし１０秒の期間にわたって持続する、エッチング方法。
【請求項２１】
請求項６ないし２０のいずれかに記載の方法であって、
前記プラズマエッチングリアクタの最大電力が３００Ｗないし２０００Ｗである、エッチング方法。
【請求項２２】
請求項６ないし２０のいずれかに記載の方法であって、
前記プラズマエッチングリアクタの最大電力が４００Ｗないし１０００Ｗである、エッチング方法。
【請求項２３】
請求項６ないし１６のいずれかに記載の方法であって、
前記プラズマエッチングリアクタの下部電極温度が１５℃ないし３０℃である、エッチング方法。
【請求項２４】
請求項６ないし２２のいずれかに記載の方法であって、
前記プラズマの前記発生は、構造の損傷を避けるために、５秒ないし１０秒の期間、持続される、エッチング方法。
【請求項２５】
請求項６ないし１４のいずれかに記載の方法であって、
前記超深開口部の前記エッチングが１０μｍないし１５μｍのエッチング深度まで継続する、エッチング方法。
【請求項２６】
請求項６ないし１４のいずれかに記載の方法であって、
前記超深開口部のエッチングは、１０μｍより深いエッチ深さに達するか、１０：１より大きいアスペクト比を有するまで継続される、エッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は半導体集積回路（ＩＣ）の製造に関する。特に、本発明はアスペクト比が高い深開口部を形成すべくプラズマ処理室内でシリコン層をエッチングするための改良された方法に関する。
【０００２】
半導体ＩＣの製造において、コンポーネントトランジスタ等のデバイスは、通常はシリコンで作成される半導体ウェーハ又は基板上に形成することができる。深開口部は、アスペクト比が３５：１よりも高い可能性があり、例えば、蓄電のために、独立したコンデンサを形成する目的でシリコンにエッチングされ、或いはＭＥＭデバイス応用装置にエッチングされる。約３μｍないし約１０μｍのエッチング深度を有する開口部は深開口部と呼ばれ、約１０μｍより大きなエッチング深度を有する開口部は超深開口部と呼ばれる。こうした数値範囲は本発明を説明する上での指針として提示されるものであり、本発明に任意の制限を定めることを意図するものではない。例えば、超深開口部をエッチングする方法は、これよりも浅い開口部をエッチングする場合でも同等に効果的であると考えられる。
【０００３】
この説明を容易にするために、図１では、従来技術のエッチングガス化学剤を利用して深開口部をエッチングする、従来技術の方法に関与するステップを示している。この従来技術の方法は１０２で開始され、この時、基板はプラズマ処理室に供給され、１０４において、例えばＣＦ4とすることが可能なフッ素化学剤を使用して初期ブレークスルーエッチングが開始される。この初期エッチング段階の後、メインエッチングステップの準備が行われ、これは１０６において、ＳＦ6／Ｏ2／Ｈｅエッチングガス化学剤を供給することで開始され、１０８において、このガス化学剤を使用してプラズマを発生させる。その後、１１０において、例えば、約５．５μｍの深度を有するトレンチ等のシリコン層の深開口部をエッチングするためにプラズマを使用してメインエッチングが開始される。深トレンチのエッチングが達成された後、１１２に示すように、この処理は完了する。
【０００４】
図２は、上にマスキング層を有するシリコン層に設けられ約５．５μｍのエッチング深度を有する深開口部の例を示す断面図である。この深開口部は、図１で提示した従来技術のエッチング方法を使用してエッチングされたものである。上にマスキング層２０４を配置されたシリコン層２０２は、深トレンチ２０６を形成するためにエッチングされている。マスキング層２０４は従来のフォトレジスト材料の層とすることが可能であり、フォトレジスト材料は、例えば、紫外線に晒すことにより、エッチング用のパターン形成が可能なものとすることができる。約１．５μｍ／分のエッチング速度が達成される。図１で説明したエッチング方法を使用してエッチングされた深トレンチ２０６は、
例えば、側壁の弓状特徴部２０８及びノッチ状特徴部２１０などの多数の構造的欠陥を有する。これらは、ハードマスクのアンダーカットによって生じたものである。
【０００５】
図２に直接例示されてはいないが、深トレンチのエッチングにおいて発生する可能性のあるその他の問題としては、非垂直エッチング断面、低いエッチング速度、不適切なエッチング深度、ＲＩＥラグ、低いＴＥＯＳ／Ｓｉ選択性、ＣＤ（critical dimension）バイアス、及びシリコンの不均一性が含まれる。こうした問題のいくつかは、大きなエッチング深度及び高いアスペクト比を有する開口部をエッチングすることを試みるまでは現れないず、あるいは問題を引き起こすほどに深刻なものにならないかもしれない。当業者は、現在の技術において一般に使用されているものよりも深く狭い開口部の使用を求める業界の急速な進歩と共に、前記の問題点が発生することを理解するべきである。
【０００６】
上述したことから、先に説明した多数の問題点の一部又は全部を回避すると同時に、シリコン層において深く狭い開口部をエッチングするような改良された手法が望まれる。
【０００７】
【発明の概要】
前記およびその他の目的を達成するために、そして、本発明の目的にしたがって、プラズマエッチングリアクタ内でシリコン層に深開口部をエッチングする方法が開示される。この方法は、シリコン層を含む半導体基板をプラズマエッチングリアクタに供給し、メインエッチングのために、酸素反応ガスを含むガス化学剤及びヘリウムガスをプラズマエッチングリアクタに流入させるステップを含む。この方法は更に、エッチングガス化学剤を使用してプラズマを発生させ、次に、プラズマを発生させた後のプラズマエッチングリアクタに、例えばＳＦ6等を含むフッ素含有添加ガスを供給することを含む。この方法では、引き続き、このプラズマを使用して、少なくとも部分的にシリコン層に対して、開口部をエッチングする。好適な実施形態において、シリコン層の上に配置される可能性がある自然酸化膜層を貫通してエッチングするために、メインエッチングガス化学剤の流入の前に塩素含有化学剤が供給される。
【０００８】
本発明の別の実施形態においては、プラズマエッチングリアクタ内でシリコン層に超深開口部をエッチングする方法が開示される。この方法は、シリコン層を含む半導体基板をプラズマエッチングリアクタに供給し、メインエッチングのために、酸素反応ガス、ヘリウムガス及び不活性衝撃強化ガスを含むガス化学剤をプラズマエッチングリアクタに流入させるステップを含む。この方法は更に、エッチングガス化学剤を使用してプラズマを発生させ、次に、プラズマを発生させた後のプラズマエッチングリアクタに、例えばＳＦ6を含むことが可能なフッ素含有添加ガスを供給することを含む。この方法では、引き続き、このプラズマを使用して、少なくとも部分的にシリコン層に、開口部をエッチングする。好適な実施形態においては、シリコン層の上に配置される可能性がある自然酸化膜層を貫通してエッチングするために、不活性衝撃強化ガスとしてアルゴンが選択され、メインエッチングガス化学剤の流入の前に塩素含有化学剤が供給される。
【０００９】
本発明のその他の態様及び利点は、以下の詳細な説明によって、そして本発明の原理を例示する添付図面を参照することで、明らかとなろう。
【００１０】
【好適な実施形態の詳細な説明】
以下、添付図面に例示されたいくつかの好適な実施形態を参照して本発明を詳細に説明する。本発明の一態様による本発明のエッチング処理は、正確に制御された側壁角度を有する、深く、アスペクト比が高い開口部を作成する複雑な応用である。本発明の処理を使用して達成されるエッチング深度は、約３０μｍ以上に達することが可能であり、アスペクト比は約１０：１よりも大きく、約３５：１の高さになる場合もある。側壁角度は一般に、約８７度よりも大きい。
【００１１】
本発明を応用することによって得られる望ましい結果は、ほぼ垂直な断面、高いエッチング速度／深度、最低限のＲＩＥラグ及びＣＤバイアス、高いＴＥＯＳ／Ｓｉ選択性及びシリコン均一性等の、あらゆる望ましい特性を有するシリコン層の深開口部を達成することである。以下の説明においては、本発明の完全な理解を提供するために多数の特定の詳細について述べる。しかしながら、当業者にとって、こうした特定の詳細の一部又は全部がなくとも、本発明を実施できることは明らかである。別の事例においては、本発明を不必要に曖昧にしないために、広く知られた処理ステップについては詳細に説明していない。
【００１２】
本発明の一態様において、プラズマエッチングリアクタ内でシリコン層に深開口部をエッチングする方法が開示される。この方法は、シリコン層を含む半導体基板をプラズマエッチングリアクタに供給し、メインエッチングのために、酸素反応ガス及びヘリウムガスを含むガス化学剤をプラズマエッチングリアクタに流入させるステップを含む。この方法は更に、エッチングガス化学剤を使用してプラズマを発生させ、次に、プラズマを発生させた後のプラズマエッチングリアクタに、例えばＳＦ6等を含むフッ素含有添加ガスを供給することを含む。つづいて、この方法では、このプラズマを使用して、少なくとも部分的にシリコン層に対して、開口部をエッチングする。好適な実施形態において、シリコン層の上に存在する可能性がある自然酸化膜層を貫通してエッチングするために、メインエッチングガス化学剤の流入の前に塩素含有化学剤が供給される。
【００１３】
本発明の別の実施形態においては、プラズマエッチングリアクタ内でシリコン層に超深開口部をエッチングする方法が開示される。この方法は、シリコン層を含む半導体基板をプラズマエッチングリアクタに供給し、メインエッチングのために、酸素反応ガス及び不活性衝撃強化ガスを含むガス化学剤をプラズマエッチングリアクタに流入させるステップを含む。この方法は更に、エッチングガス化学剤を使用してプラズマを発生させ、次に、プラズマを発生させた後のプラズマエッチングリアクタに、例えばＳＦ6等を含むフッ素含有添加ガスを供給することを含む。つづいて、この方法では、このプラズマを使用して、少なくとも部分的にシリコン層を通じて、開口部をエッチングする。好適な実施形態においては、シリコン層の上に存在する可能性がある自然酸化膜層を貫通してエッチングするために、不活性衝撃強化ガスとしてアルゴンが選択され、メインエッチングガス化学剤の流入の前に塩素含有化学剤が供給される。
【００１４】
好適な実施形態において、本発明は誘導結合プラズマリアクタにおいて利用される。誘導結合プラズマリアクタとしては、例えば、カリフォルニア州フレモントのラムリサーチコーポレーションから入手可能な９４００ＰＴＸ（商標）プラズマリアクタ等のＴＣＰ（商標）ブランドのプラズマリアクタがある。図３では、本発明を実施するのに好適なプラズマ処理リアクタを表す誘導結合プラズマリアクタの簡略図を示している。図３では、ウェーハリアクタ３０２はプラズマ処理室３０４を含む。処理室３０４の最上面には、石英窓３０６が配置され、これは高周波エネルギが処理室に入ることを可能にする透明な媒体の役割を果たす。プラズマ処理室３０４の上に位置するコイル３０８は、この高周波エネルギを放出し、その高周波エネルギは、発電器３１０によって供給される。発電器３１０は、約３００Ｗないし約２０００Ｗの範囲の電力、好ましくは約４００Ｗないし約１２００Ｗの範囲の電力、更に好ましくは一実施形態において約１０００Ｗとすることが可能な電力を発生させる。
【００１５】
処理室３０４内では、エッチングガス化学剤が、ガス送出口３１２を通じて、石英窓３０６とウェーハ３１６との間の高周波誘導プラズマ領域３１４に放出される。このエッチングガス化学剤は、処理室自体の壁に組み込まれた他のポートから放出することもできる。ウェーハ３１６は処理室３０４に搬入され、発電器３２０によって作動する底部電極として機能する静電チャック３１８上に配置される。発電器３２０は、約２０Ｗないし約１００Ｗの範囲、好ましくは約２０Ｗないし約３０Ｗの範囲、更に好ましくは一実施形態において約２５Ｗの電力を発生させる。ヘリウム冷却ガスを、静電チャック３１８とウェーハ３１６との間に、加圧して（約４ないし１４Ｔｏｒｒ、好ましくは約６ないし１０Ｔｏｒｒ、更に好ましくは一実施形態において、例えば約８Ｔｏｒｒ）導入する態様とすることができる。このヘリウム冷却ガスは、均一で反復可能なエッチング結果を確保するために、処理中のウェーハ温度を正確に制御する熱伝達媒体の役割を果たす。静電チャック３１８の温度は、約０℃ないし約７０℃、好ましくは約１５℃ないし約６０℃、更に好ましくは一実施形態において約２０℃に維持することが可能であり、処理室の温度は、約２０℃ないし７０℃、好ましくは約４０℃ないし約７０℃、更に好ましくは一実施形態において約５０℃に維持することができる。プラズマエッチング中、プラズマ処理室３０４内の圧力は低く維持され、例えば、約４０ｍＴｏｒｒないし約１１０ｍＴｏｒｒ、好ましくは約５０ｍＴｏｒｒないし約１００ｍＴｏｒｒ、更に好ましくは一実施形態において約６０ｍＴｏｒｒとなる。
【００１６】
図４は、本発明の一態様による、深開口部をエッチングするための第一の発明方法に含まれるステップを示している。本発明方法は、４０２で開始され、この時、基板はプラズマ処理室内の下部電極上に配置される。下部電極は、静電チャックであってもよい。下部電極温度は約３０℃に維持される。これは従来技術の方法における約５０℃の下部電極温度よりも大幅に低い。下部電極温度を低くすることで、ＣＤバイアスが最小化されると考えられ、その結果、エッチングされた開口部の深さ方向全体についての断面エリアの均一性が高まる。この例では、約０．０３未満のＣＤバイアスが達成される。
【００１７】
４０４において、塩素含有化学剤が初期ブレークスルーエッチングのために供給される。この塩素含有化学剤は、こうした初期ブレークスルーエッチングの目的を達成する上で、従来技術で使用されるフッ素含有化学剤よりも効果的であることが分かっている。塩素含有化学剤は、通常シリコンが空気中の酸素と反応する時にシリコン層上に形成される自然酸化膜層を貫通して、エッチングする。塩素含有化学剤を使用することで、更に、図２に示すようなエッチング結果における弓状特徴部２０８を排除することができると考えられる。４０６において、酸素及びヘリウムを含むガス化学剤が供給され、その後、４０８において、このガス化学剤を使用してプラズマが発生される。ＳＦ6等のフッ素含有ガスは、このエッチング化学剤において有用な要素であるが、この反応ガス要素は、プラズマの発生中は、垂直フラッシュ効果を回避するために、意図的に除外される。垂直フラッシュ効果は、ハードマスクとシリコンの境界におけるアンダカットを発生させ、その結果、開口部の側壁に沿ってノッチ状構造を発生させる恐れがある。ＳＦ6が存在しない状態でのプラズマ発生動作は、一定の期間、例えば７秒間にわたって持続させることができる。プラズマ発生後、４１０において、ＳＦ6がプラズマ処理室に追加され、その後、メインエッチングが開始される。この処理は、４１４において、深開口部のエッチングが完了した時に終了する。ＳＦ6の代わりにすることが可能なその他のガスには、Ｃ4Ｆ3、ＣＦ4、ＮＦ3、及びＣＨＦ3が含まれる。
【００１８】
図５ａは、本発明の一実施形態にしたがって本発明のエッチング方法を使用してエッチングしたシリコン層５０４の深開口部５０２の断面図を示している。こうした結果は、この新しい方法が、約３．５μｍ／分の増加したエッチング速度を達成することが可能であり、従来技術の方法を使用した際の問題を発生させることなく、約１０μｍないし約１５μｍの深さのエッチング深度を有する開口部をエッチングするのに効果的であることを示している。例えば、深開口部５０２は、約５０５μｍのエッチング深度を有し、直線垂直断面を有しており、問題のある特性を有していない。その問題のある特性というのは、図２に示したような従来技術の方法を使用してエッチングした深開口部に生じる、ハードマスクのアンダカットの結果である弓状特徴部及びノッチ状特徴部等の特性である。
【００１９】
図５ｂは、図５ａとほぼ同じ発明エッチング方法及びパラメータを使用して、シリコン層で超深開口部をエッチングすることを試みて得られた結果の断面図である。ただし、微少寸法制御を更に改善することを試みて、下部電極温度を更に２０℃に下げられている。この図では、約１３μｍのエッチング深度を有するシリコン層５１４の深開口部５１２を示されている。達成された平均エッチング速度は、約１．６μｍ／分であった。この事例で計算された平均エッチング速度が実際のエッチング速度を完全に反映しているかどうかは疑わしい。なぜならば、このエッチングは目標とされたエッチング深度である３０μｍに到達できなかったためであり、実際には、指定エッチング時間である５００秒が終了する前に、約１５μｍのエッチング深度でエッチングの停止が発生した。深開口部５１２はほぼ垂直な断面を有しているが、最上面近くでは、ハードマスクのアンダカットの再発により、開口部の側壁が後退している。これにより、後退が発生したレベルからエッチング開口部の最上端部までに傾斜断面５１６が生じている。そのため、アスペクト比の高い深開口部をエッチングすることができる別の改善された方法が必要とされる。必要とされるエッチング方法は、１５μｍよりも大きな深度を有し、ほぼ垂直な断面、高いエッチング速度／深度、低い微少寸法バイアス、高いＴＥＯＳ／Ｓｉ選択性、最低限のＲＩＥラグ、及び高いシリコン均一性等の望ましい特性を有する開口部をエッチングすることが可能なエッチング方法である。
【００２０】
図６は、本発明の別の態様による第二のエッチングガス化学剤を使用して深開口部をエッチングする第二の発明方法に含まれるステップを示しており、これは６０２で開始される。６０４において、初期ブレークスルーエッチングのために塩素化学剤が供給される。６０６において、酸素反応物質、ヘリウム、及び不活性衝撃強化ガス（アルゴン等）を有するガス化学剤が供給される。このガス化学剤の流入後、６０８において、このガス化学剤を使用してプラズマが発生される。前の発明方法と同じく、フッ素含有反応ガス要素は、このエッチング化学剤において有用な要素であるが、この反応ガス要素はプラズマの発生中は、垂直フラッシュ効果を回避するために、意図的に除外される。垂直フラッシュ効果は、ハードマスクとシリコンの境界でのアンダカットを発生させ、その結果、開口部の側壁に沿ってノッチ状構造を発生させる恐れがある。ＳＦ6等のフッ素含有化学剤が存在しない状態でのプラズマ発生動作は、一定の時間、例えば７秒間にわたって持続させることができる。プラズマ発生後、６１０において、ＳＦ6がプラズマ処理室に追加され、その後、６１２でメインエッチングが開始される。この処理は、６１４において、深開口部のエッチングが完了した時に終了する。
【００２１】
図７は、本発明の一実施形態による第二の発明方法を使用してエッチングしたシリコン層の開口部の断面図を示している。商業的に許容できるエッチング結果を達成するために、一実施形態において、最大電力を増加させ、処理室の圧力を低下させてエッチング処理を強化し、これによりエッチング停止の可能性を最小限にする。アルゴンの追加も、イオン衝突の強化に貢献する。この図では、約３０：１よりも大きな高アスペクト比を有する、約３０μｍの超深開口部７０２が、シリコン層７０４にエッチングされている。この事例では、３．６μｍ／分のエッチング速度が達成された。更に、この図で確認できるように、側壁断面は、優れたＣＤ制御によりほぼ垂直である。これは、同等の深度及びアスペクト比の開口部をエッチングする場合に、非常に達成が困難なことである。
【００２２】
超深開口部をエッチングする本発明方法の重要な特徴は、アルゴンやキセノン等の不活性衝撃強化ガスを含めることである。こうした不活性衝撃強化ガスの追加は、ハードマスクのアンダカットを排除する役割を果たす可能性があり、これにより、側壁断面の制御に役立つ可能性があると考えられる。アルゴン等の重い不活性ガスを、全体のガス流量に追加することは、ＲＩＥラグの問題の改善にも貢献すると考えられる。ＲＩＥラグは、エッチング中の異なる開口部間でのエッチング速度の差異である。通常、ＲＩＥラグは、異なる特徴サイズを有する開口部で発生するが、場合によっては、同じサイズの特徴部において発生する。後者の状況は、エッチングを継続するのに十分な反応イオンが開口部に存在していない時に発生すると考えられる。不活性衝撃強化ガスを全体のガス流量に追加すると、エッチング処理におけるイオン衝突が強化されて、この問題が緩和され、その結果、重合体形成及び断面への影響を発生させずに、エッチング停止条件を減少させることができる。
【００２３】
アルゴン等の重いガスは酸化膜エッチングにおいて使用されるが、シリコンエッチングでは使用されない場合が多い。イオン衝突を強化するためのアルゴン等の重不活性ガスの追加は自明のものではない。なぜなら、高いエッチング深度及びアスペクト比の開口部のエッチングにおいて、イオン衝突を強化することが自明のアプローチではないことが明白なためである。特に、シリコン層の上に配置されるマスキング層の厚さは特徴サイズの低下により減少し、また、エッチング完了前にマスキング層を摩滅させる強い衝突は、処理にとって望ましい効果をもたらさないことを考慮すれば、イオン衝突の強化は自明のアプローチではない。
【００２４】
強化されたイオン衝突の影響にもかかわらず、こうした改善されたエッチング方法の別の利点は、エッチングの目的でシリコン層をマスクするために使用されるＴＥＯＳ等のマスキング材料に対する驚くべき選択性である。特徴部のサイズの減少と共に、シリコン層上に配置可能なマスキング層の厚さが減少することを考慮すると、ＴＥＯＳに対するシリコンの選択性は、エッチング処理において非常に重要な要素となる。シリコン層での深く狭い開口部のエッチングが完了する前にＴＥＯＳ層が完全に摩滅しないことは絶対に必要な事柄であり、実際、適切な幾何学形状の開口部を達成するにはマスキング材料に対する高い選択性が求められる。衝突剤（Ａｒ等）を追加しても、改善されたエッチングガス化学剤は、約６０：１よりも大きなシリコン：ＴＥＯＳ選択性比率を提供することが分かっており、これは従来技術のエッチングガス化学剤（Ａｒ等の不活性衝撃強化ガスを利用しないもの）によって提供される約２５：１以下の選択性比率よりも大幅に高い。
【００２５】
高いエッチング速度、優れたエッチング断面制御、及びマスキング層に対する高い選択性を有することに加え、この改善されたエッチング方法に内在する別の利点として、次のものがある。すなわち、本発明方法それぞれには重合化ステップのない一度のみのメインエッチングステップを含んでいるため、事前に定められた深度まで行うエッチングを含む業界で一般に使用される深開口部のエッチング方法に比べ、より直接的で汚染の少ない処理となる点である。業界で一般に使用される方法では、エッチングの後、不動態化のための重合化工程が行われ、その後、望ましいエッチング深度に達するまで、こうした交互のシーケンスが繰り返される。対照的に、この改善されたエッチング方法では、有利なことに、一度のメインエッチングによって、望ましいエッチング深度を有する開口部のエッチングが可能となる。
【００２６】
【実施例】
下の表では、典型的なシリコンウェーハをエッチングするのに最適なパラメータを示している。四種類の別個の処理Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤに関して、好適なおよその範囲と、更に好適なおよその範囲と、代表値とを提示している。処理Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤによって得られた結果は、それぞれ図２、図５ａ、図５ｂ、及び図７に表示されている。処理Ａは従来技術の処理である。
【００２７】
ここの表示されているおよその値の処理パラメータは、一般に、前記のＴＣＰ（商標）ブランド９４００ＰＴＸ（商標）プラズマリアクタにおける６インチ（１５．２４ｃｍ）ウェーハのエッチングに適したものである。異なる寸法又はパターン密度を有する基板をエッチングするために、或いは特定のプラズマリアクタの要件に合わせるために、このパラメータを適切に定数倍できること及び又は修正できることは容易に明らかであり、当業者の技能の範囲内にある。
【００２８】
表１では、処理室圧力（ｍＴｏｒｒ）と、最大電力及びバイアス電力（Ｗ）と、処理室温度及び下部電極温度と（摂氏温度）、静電チャックでのヘリウム圧力（Ｔｏｒｒ）と等のプラズマリアクタにおいて使用するのに最適なパラメータの概算範囲、及び図２、図５ａ、図５ｂ、及び図７に表示されるエッチング結果を得るために使用される代表パラメータを提示している。表２では、本発明方法で使用されるエッチングガス化学剤の例における基本構成要素のいくつか、例えば、Ｃｌ2、ＳＦ6、Ｏ2、Ｈｅ、及びＡｒの流量（ｓｃｃｍ）の好適なおよその範囲及び更に好適なおよその範囲と、図に表示されるエッチング結果を得るために使用される特定のガス化学剤に関する数値の例とを提示している。表３では、本発明方法で使用されるエッチング化学剤の例における基本構成要素のいくつか、例えばＣｌ2、Ｏ2、Ｈｅ、及びＡｒの流量の好適なおよその範囲、更に好適なおよその範囲、及び代表パラメータを、ＳＦ6流量に対するパーセンテージの形式で提示している。
【００２９】
ガス構成要素のいくつかは特定のガス化学剤に存在する場合と存在しない場合とがあると理解される。例えば、Ｃｌ2は、従来技術の処理において初期ブレークスルーエッチング用に使用されるＣＦ4とほぼ置き換わる形で使用される。このため、処理Ａにおいて使用されるブレークスルーエッチングガス化学剤の主要な構成要素ではない。更に、表２に列挙されたガス化学剤構成要素はすべてを包括するものではなく、特定の目的を達成するために、或いは使用される特定のタイプのエッチング設備の具体的な必要性を満たすために、ガス化学剤に他のタイプのガスを含めることもできる。しかしながら、超深開口部をエッチングするメインエッチングにおいて使用するのに最も好適なガス化学剤には、表２に提示されるもの、つまりＳＦ6、Ｏ2、Ｈｅ、及びＡｒ以外には、任意の有意な量の添加ガスは含まれない。
【００３０】
【表１】
0004852196.tif 000002
【００３１】
【表２】
0004852196.tif 000003
【００３２】
【表３】
0004852196.tif 000004
【００３３】
以上、本発明をいくつかの好適な実施形態に基づき説明してきたが、本発明の範囲に含まれる変更、置換、及び等価物が存在する。更に、本発明の方法及び装置を実施する数多くの代替方法が存在することにも留意されたい。例えば、この方法は、純粋なシリコンウェーハと同様にポリシリコン層において深開口部をエッチングするために利用することができる。更に、本発明方法を使用してエッチングされる開口部のエッチング深度は、好適な実施形態において提示された例によって全く制限されない。本発明の方法を利用し、エッチングパラメータのいくつかに適切な調整を施すことで、大きなエッチング深度を有し垂直断面等の望ましいその他の特性を有する開口部が得られると考えられる。したがって、前記特許請求の範囲は、本発明の趣旨及び範囲に入るこうしたすべての変更、変形、及び等価物を含むものとして解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来技術のエッチングガス化学剤を利用して深開口部をエッチングする従来技術の方法に含まれるステップを示す図。
【図２】  従来技術のエッチング方法を使用してエッチングされたシリコン層の深開口部の断面図。
【図３】  本発明の一態様による、改善されたガス化学剤と共に適切に利用可能なプラズマリアクタの簡略図。
【図４】  本発明の一態様による、深開口部をエッチングする第一の発明方法に含まれるステップを示す図。
【図５ａ】  本発明の一実施形態にしたがって本発明のエッチング方法を使用してエッチングされたシリコン層の深開口部の断面図。
【図５ｂ】  図５ａと同じ本発明のエッチング方法を使用してシリコン層に超深開口部をエッチングすることを試みて得られた結果の断面図。
【図６】  本発明の別の態様にしたがって第二のエッチングガス化学剤を使用して超深開口部をエッチングする第二の発明方法に含まれるステップを示す図。
【図７】  本発明の一実施形態による第二の発明方法を使用してエッチングされたシリコン層の超深開口部を示す断面図。
【符号の説明】
２０２、５０４、５１４、７０４  …  シリコン層
２０４  …  マスキング層
２０６  …  深トレンチ
２０８  …  弓状特徴部
２１０  …  ノッチ状特徴部
３０２  …  ウェーハリアクタ
３０４  …  プラズマ処理室
３０６  …  石英窓
３０８  …  コイル
３１０、３２０  …  発電器
３１２  …  ガス送出口
３１４  …  高周波誘導プラズマ領域
３１６  …  ウェーハ
３１８  …  静電チャック
５０２、５１２  …  深開口部
５１６  …  傾斜断面
７０２  …  超深開口部
【図１】
0004852196.tif 000005
【図２】
0004852196.tif 000006
【図３】
0004852196.tif 000007
【図４】
0004852196.tif 000008
【図５ａ】
0004852196.tif 000009
【図５ｂ】
0004852196.tif 000010
【図６】
0004852196.tif 000011
【図７】
0004852196.tif 000012