(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン単結晶に対して、窒化シリコンを含むマスク層を介して少なくとも第１の溝幅の第１の溝と前記第１の溝幅より広い第２の溝幅の第２の溝とを含む複数の溝を形成するドライエッチング方法であって、
エッチング室内に設けられた一対の対向電極のうちの一方に基板を配置し、前記対向電極の双方に高周波電力を供給してプラズマによりエッチングを行う装置を用い、前記エッチング室内に少なくともＣｌを含むガスと、Ｂｒを含むガスの混合ガスであるエッチングガスを導入し、前記基板が配置された側の前記対向電極に印加する高周波電力を０．１５７〜１．５７Ｗ／ｃｍ2 の範囲で調整することにより、前記第１の溝の側壁のテーパ角と前記第２の溝の側壁のテーパ角の差をなくすように制御することを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】
請求項１記載のドライエッチング方法において、
前記Ｃｌを含むガスは、Ｃｌ2 であることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載のドライエッチング方法において、
前記Ｂｒを含むガスは、ＨＢｒであることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか１項記載のドライエッチング方法において、
前記エッチングガスが酸素を含むことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項記載のドライエッチング方法において、
前記エッチングガスの総流量を調整して、前記第１の溝の側壁のテーパ角と前記第２の溝の側壁のテーパ角の差をなくすように制御することを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項記載のドライエッチング方法において、
前記エッチングガスのうちのＣｌ2 の量を調整して、前記第１の溝の側壁のテーパ角と前記第２の溝の側壁のテーパ角の差をなくすように制御することを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項７】
請求項１〜６いずれか１項記載のドライエッチング方法において、
前記第１の溝幅が０．２４μｍであり、前記第２の溝幅が１．００μｍであることを特徴とするドライエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造におけるドライエッチング方法に係り、特に、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）において単結晶シリコンをエッチングし、所望形状の溝（トレンチ）を形成するドライエッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の製造分野においては、素子分離技術として、所謂シャロートレンチアイソレーション（shallow trench isolation（ＳＴＩ））が多用されている。
【０００３】
このようなＳＴＩにおいては、単結晶シリコンに、異方性エッチングにより溝（トレンチ）を形成するトレンチエッチング工程を必要とするが、かかるトレンチエッチング工程は、従来、Ｃｌ2 とＯ2 の混合ガスをエッチングガスとして使用したプラズマエッチング等によって行われている。
【０００４】
また、例えば、かかるトレンチエッチング工程を、ＨＢｒとＣｌ2 と酸素の混合ガス等からなるエッチングガスを用いたプラズマエッチングにより行うことも公知である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したＳＴＩにおいては、単結晶シリコンに形成した溝に、例えばＳｉＯ2 等の誘電材料を埋め込む必要がある。このため、かかる誘電材料の埋め込みを確実かつ容易にするため、溝の側壁を、溝底部から上側開口部に向けて徐々に広がるような所定角度のテーパ状に形成することが多い。
【０００６】
しかしながら、溝の側壁形状は、例えば、一枚のウエハ内においても、中央部と周縁分等の位置の違いや、溝の幅の違い等によって、変化する傾向があり、全ての溝の側壁形状を所望の形状とすることは困難であるという問題があった。
【０００７】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、溝の幅が相違する場合等においても、溝の側壁形状を所望の形状とすることができ、良好なエッチングを行うことのできるドライエッチング方法を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、シリコン単結晶に対して、窒化シリコンを含むマスク層を介して少なくとも第１の溝幅の第１の溝と前記第１の溝幅より広い第２の溝幅の第２の溝とを含む複数の溝を形成するドライエッチング方法であって、エッチング室内に設けられた一対の対向電極のうちの一方に基板を配置し、前記対向電極の双方に高周波電力を供給してプラズマによりエッチングを行う装置を用い、前記エッチング室内に少なくともＣｌを含むガスと、Ｂｒを含むガスの混合ガスであるエッチングガスを導入し、前記基板が配置された側の前記対向電極に印加する高周波電力を０．１５７〜１．５７Ｗ／ｃｍ2 の範囲で調整することにより、前記第１の溝の側壁のテーパ角と前記第２の溝の側壁のテーパ角の差をなくすように制御することを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１記載のドライエッチング方法において、前記Ｃｌを含むガスは、Ｃｌ2 であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載のドライエッチング方法において、前記Ｂｒを含むガスは、ＨＢｒであることを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１〜３いずれか１項記載のドライエッチング方法において、前記エッチングガスが酸素を含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項１〜４いずれか１項記載のドライエッチング方法において、前記エッチングガスの総流量を調整して、前記第１の溝の側壁のテーパ角と前記第２の溝の側壁のテーパ角の差をなくすように制御することを特徴とする。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項１〜５いずれか１項記載のドライエッチング方法において、前記エッチングガスのうちのＣｌ2 の量を調整して、前記第１の溝の側壁のテーパ角と前記第２の溝の側壁のテーパ角の差をなくすように制御することを特徴とする。
【００１６】
請求項７の発明は、請求項１〜６いずれか１項記載のドライエッチング方法において、前記第１の溝幅が０．２４μｍであり、前記第２の溝幅が１．００μｍであることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施の形態について説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態を説明するため、半導体ウエハ（シリコン基板）の縦断面の一部を拡大して模式的に示すものである。
【００１９】
同図（ａ）に示すとおり、半導体ウエハ（シリコン基板）１０１上には、厚さが例えば９ｎｍ程度の二酸化シリコン層１０２と、厚さが例えば１６０ｎｍ程度の窒化シリコン層１０３が形成されており、これらは、溝を形成するための開口部を有するように、所定形状にパターニングされ、所謂ハードマスクを構成している。
【００２０】
そして、本実施形態においては、上記の窒化シリコン層１０３等からなるハードマスクを介して、単結晶シリコンからなる半導体ウエハ１０１を、エッチングガスとして少なくともＣｌ2 とＨＢｒとを含むガスを用いたプラズマエッチングによりエッチングし、同図（ｂ）に示すとおり、半導体ウエハ１０１に、溝（トレンチ）１０４ａ，１０４ｂを形成する。
【００２１】
上記の溝１０４ａ，１０４ｂは、夫々所定の幅になるよう形成されるが、図中左側に示す溝１０４ａは、幅が例えば０．２４μｍとされ、図中右側に示す溝１０４ｂは、幅が例えば１．００μｍとされ、その幅が異なっている。また、これらの溝１０４ａ，１０４ｂの側壁１０５ａ，１０５ｂは、夫々略同じテーバ角を有するように形成され、深さも略同じように形成される。
【００２２】
図２は、本発明の実施形態に使用するプラズマ処理装置の構成の一例を模式的に示すものである。同図に示すように、プラズマ処理装置１は、電極板が上下平行に対向し、双方に高周波電源が接続された容量結合型平行平板エッチング装置として構成されている。
【００２３】
このエッチング処理装置１は、例えば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形状に成形されたチャンバー２を有しており、このチャンバー２は接地されている。チャンバー２内の底部にはセラミックなどの絶縁板３を介して、ウエハＷを載置するための略円柱状のサセプタ支持台４が設けられており、さらにこのサセプタ支持台４の上には、下部電極を構成するサセプタ５が設けられている。このサセプタ５にはハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。
【００２４】
サセプタ支持台４の内部には、温度調節媒体室７が設けられており、導入管８を介して温度調節媒体室７に温度調節媒体が導入、循環され、サセプタ５を所望の温度に制御できるようになっている。
【００２５】
サセプタ５は、その上中央部が凸状の円板状に成形され、その上にウエハＷと略同形の静電チャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶縁材の間に電極１２が介在された構成となっており、電極１２に接続された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加されることにより、クーロン力によってウエハＷを静電吸着する。
【００２６】
そして、絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、さらには静電チャック１１には、被処理体であるウエハＷの裏面に、伝熱媒体、例えばＨｅガスなどを供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５とウエハＷとの間の熱伝達がなされ、ウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。
【００２７】
サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置されたウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５はセラミックス或いは石英などの絶縁性材料からなり、エッチングの均一性を向上させるようになっている。
【００２８】
また、サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２２を介して、チャンバー２の上部に支持されており、サセプタ５との対向面を構成し、多数の吐出孔２３を有する例えば石英からなる電極板２４と、この電極２４を支持する導電性材料例えば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる電極支持体２５とによって構成されている。なお、サセプタ５と上部電極２１との間隔は、調節可能とされている。
【００２９】
上部電極２１における電極支持体２５の中央にはガス導入口２６が設けられ、さらにこのガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されており、さらにこのガス供給管２７には、バルブ２８、並びにマスフローコントローラ２９を介して、処理ガス供給器３０が接続され、この処理ガス供給器３０から、プラズマエッチングのためのエッチングガスが供給されるようになっている。なお、図２には、上記の処理ガス供給器３０等からなる処理ガス供給系を１つのみ図示しているが、これらの処理ガス供給系は複数設けられており、例えば、ＨＢｒ、Ｃｌ2 、Ｏ2 等のガスを夫々独立に流量制御して、チャンバー２内に供給できるよう構成されている。
【００３０】
一方、チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、これによりチャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開にした状態でウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。
【００３１】
上部電極２１には、第１の高周波電源４０が接続されており、その給電線には整合器４１が介挿されている。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、５０〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このように高い周波数を印加することによりチャンバー２内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成することができ、従来より低圧条件下のプラズマ処理が可能となる。この第１の高周波電源４０の周波数は、５０〜８０ＭＨｚが好ましく、典型的には図示した６０ＭＨｚまたはその近傍の条件が採用される。
【００３２】
下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介挿されている。この第２の高周波電源５０は数百〜十数ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このような範囲の周波数を印加することにより、被処理体であるウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。第２の高周波電源５０の周波数は、典型的には図示した１３．５６ＭＨｚまたは８００ＫＨｚ等の条件が採用される。
【００３３】
次に、上記構成のプラズマ処理装置１によって、シリコン単結晶からなるウエハＷをエッチングし、溝（トレンチ）を形成する工程について説明する。
【００３４】
まず、前述したように、二酸化シリコン層１０２、窒化シリコン層１０３からなるマスク層が形成されたウエハＷを、ゲートバルブ３２を開放して、図示しないロードロック室からチャンバー２内へ搬入し、静電チャック１１上に載置する。そして、高圧直流電源１３から直流電圧を印加することによって、ウエハＷを静電チャック１１上に静電吸着する。
【００３５】
次いで、ゲートバルブ３２を閉じ、排気機構３５によって、チャンバー２内を所定の真空度まで真空引した後、バルブ２８を開放し、処理ガス供給器３０からメインエッチング用のエッチングガス、例えば、ＨＢｒとＣｌ2 、又はＨＢｒとＣｌ2 とＯ2 を、マスフローコントローラ２９によってその流量を調整しつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６、上部電極２１の中空部、電極板２４の吐出孔２３を通じて、図２の矢印に示すように、ウエハＷに対して均一に吐出させる。
【００３６】
これとともに、チャンバー２内の圧力が、所定の圧力、例えば、１３．３Ｐａ程度の圧力に維持され、第１の高周波電源４０及び第２の高周波電源５０から、上部電極２１及び下部電極としてのサセプタ５に高周波電圧を印加し、エッチングガスをプラズマ化して、ウエハＷのエッチングを行う。
【００３７】
図３，４のグラフは、縦軸をテーパ角、横軸を下部電力（下部電極への供給電力）として、上記エッチング処理装置１を用いた８インチ径のウエハＷのエッチングにおいて、第２の高周波電源５０から下部電極としてのサセプタ５に供給する電力と、溝の側壁のテーパ角の関係を示すもので、図３は、溝幅が０．２４μｍの場合、図４は溝幅が１．００μｍの場合を示している。
【００３８】
また、図３，４において、実線Ａ，ＣはウエハＷの中央部分、点線Ｂ，ＤはウエハＷの周辺部分の溝におけるテーパ角を示している。
【００３９】
なお、エッチング条件は、
0004854874.tif 000002
である。
【００４０】
図３のグラフに示されるとおり、溝幅が０．２４μｍの狭い溝１０４ａの場合、下部電力の上昇に伴って、テーパ角が直線的にに増大する傾向を示す。一方、図４のグラフに示されるとおり、溝幅が１．００μｍの広い溝１０４ｂの場合、下部電力を変化させても、テーパ角は、ほとんど変化しない。
【００４１】
このため、図３，４に示す例では、下部電力を１００Ｗ（０．３１４Ｗ／ｃｍ2 ）とするこより、溝幅が狭い溝１０４ａと、溝幅が広い溝１０４ｂの双方のテーパ角を略同一に制御することができる。
【００４２】
なお、図５，６のグラフは、縦軸をテーパ角、横軸を上部電力（上部電極への供給電力）として、上記エッチング処理装置１を用いた８インチ径のウエハＷのエッチングにおいて、第１の高周波電源４０から上部電極２１に供給する電力と、溝の側壁のテーパ角の関係を示すもので、図５は、溝幅が０．２４μｍの場合、図６は溝幅が１．００μｍの場合を示している。
【００４３】
また、図５，６において、実線Ｅ，ＧはウエハＷの中央部分、点線Ｆ，ＨはウエハＷの周辺部分の溝におけるテーパ角を示している。
【００４４】
これらの図５，６のグラフに示されるとおり、上部電力を変更しても、テーパ角の顕著な変化は見られず、従って、テーパ角を制御する場合、上述したとおり、下部電力を調整することによって、その制御を行うことが有効であることが分かる。
【００４５】
なお、下部電力をあまり多くすると、エッチング速度が上昇するとともに、マスク層である窒化シリコン等との選択比が低下するので、最大で５００Ｗ程度とすることが好ましい。また、上述した１００Ｗを大きく下回り、５０Ｗ未満となると、エッチング速度が低下してしまうので、下部電力は、８インチ径のウエハに対して、５０〜５００Ｗ程度、したがって、単位面積当たりの電力としては、０．１５７〜１．５７Ｗ／ｃｍ2 の範囲とすることが好ましい。
【００４６】
図７のグラフは、縦軸をエッチング深さ（従って実質的にエッチング速度）、横軸をエッチングガス中のＣｌ2 の比（Ｃｌ2 流量／総流量）として、上記エッチング処理装置１を用いた８インチ径のウエハＷのエッチングにおいて、エッチング深さとＣｌ2 の比の関係を示すもので、実線Ｉが、溝幅が０．２４μｍの場合、点線Ｊが、溝幅が１．００μｍの場合を示している。
【００４７】
また、図８のグラフは、縦軸をテーパ角、横軸をエッチングガス中のＣｌ2 の比（Ｃｌ2 流量／総流量）として、上記エッチング処理装置１を用いた８インチ径のウエハＷのエッチングにおいて、テーパ角とＣｌ2 の比の関係を示すもので、実線Ｋが、溝幅が０．２４μｍの場合、点線Ｌが、溝幅が１．００μｍの場合を示している。
【００４８】
なお、エッチング条件は、
0004854874.tif 000003
である。
【００４９】
これらの図７，８のグラフに示されるとおり、エッチングガス中のＣｌ2 の比を変更することによって、エッチング速度が変化し、また、テーパ角度も変化する。さらに、図８のグラフに示されるとおり、テーパ角度の変化は、溝幅が０．２４μｍの場合（実線Ｋ）と、溝幅が１．００μｍの場合（点線Ｌ）とでは、一様ではない。
【００５０】
したがって、例えば、必要とするエッチング速度とテーパ角が得られるように、エッチングガス中のＣｌ2 の比を変更した場合、溝幅が狭い溝と、溝幅が広い溝とでは、異なったテーパ角となる可能性が高くなる。このような場合、前述したとおり、下部電圧を調整することによって、かかるテーパ角の差をなくすように制御することができる。
【００５１】
図９のグラフは、縦軸をエッチング深さ（従って実質的にエッチング速度）、横軸をエッチングガスの総流量として、上記エッチング処理装置１を用いた８インチ径のウエハＷのエッチングにおいて、エッチング深さとエッチングガスの総流量との関係を示すもので、実線Ｍが、溝幅が０．２４μｍの場合、点線Ｎが、溝幅が１．００μｍの場合を示している。
【００５２】
また、図１０のグラフは、縦軸をテーパ角、横軸をエッチングガスの総流量として、上記エッチング処理装置１を用いた８インチ径のウエハＷのエッチングにおいて、テーパ角とエッチングガスの総流量との関係を示すもので、実線Ｏが、溝幅が０．２４μｍの場合、点線Ｐが、溝幅が１．００μｍの場合を示している。
なお、エッチング条件は、
0004854874.tif 000004
である。
【００５３】
これらの図９，１０のグラフに示されるとおり、エッチングガスの総流量を変更することによって、エッチング速度が変化し、また、テーパ角度も変化する。
さらに、図１０のグラフに示されるとおり、テーパ角度の変化は、溝幅が０．２４μｍの場合（実線Ｋ）と、溝幅が１．００μｍの場合（点線Ｌ）とでは、一様ではない。
【００５４】
したがって、例えば、必要とするエッチング速度とテーパ角が得られるように、エッチングガスの総流量を変更した場合、溝幅が狭い溝と、溝幅が広い溝とでは、異なったテーパ角となる可能性が高くなる。このような場合、前述したとおり、下部電圧を調整することによって、かかるテーパ角の差をなくすように制御することができる。
【００５５】
以上のとおり、本発明のドライエッチング方法では、エッチングガスの総流量、エッチングガス中のＣｌ2 の量（比）等とともに、下部電力を調整することによって、溝幅の異なる溝が混在するような場合においても、これらの溝の側壁形状を、所望のテーパ角を有するように、所定形状とすることができる。
【００５６】
したがって、その後の誘電体の埋め込みを良好に行うことができ、ＳＴＩによる素子分離を良好に行うことが可能となる。
【００５７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のドライエッチング方法によれば、溝の幅が相違する場合等においても、溝の側壁形状を所望の形状とすることができ、良好なエッチングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を説明するためのウエハ断面の構成を模式的に示す図。
【図２】本発明の一実施形態に使用する装置の構成の例を示す図。
【図３】下部電力と溝幅が０．２４μｍの溝のテーパ角度の関係を示すグラフ。
【図４】下部電力と溝幅が１．００μｍの溝のテーパ角度の関係を示すグラフ。
【図５】上部電力と溝幅が０．２４μｍの溝のテーパ角度の関係を示すグラフ。
【図６】上部電力と溝幅が１．００μｍの溝のテーパ角度の関係を示すグラフ。
【図７】エッチング深さとＣｌ2 の比の関係を示すグラフ。
【図８】テーパ角とＣｌ2 の比の関係を示すグラフ。
【図９】エッチング深さとエッチングガスの総流量との関係を示すグラフ。
【図１０】テーパ角とエッチングガスの総流量との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１０１……基板（単結晶シリコン）、１０２……二酸化シリコン層、１０３……窒化シリコン層、１０４ａ，１０４ｂ……溝（トレンチ）、１０５ａ，１０５ｂ……側壁。
【図１】
0004854874.tif 000005
【図２】
0004854874.tif 000006
【図３】
0004854874.tif 000007
【図４】
0004854874.tif 000008
【図５】
0004854874.tif 000009
【図６】
0004854874.tif 000010
【図７】
0004854874.tif 000011
【図８】
0004854874.tif 000012
【図９】
0004854874.tif 000013
【図１０】
0004854874.tif 000014