JP2004087738A - Ｓｉエッチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓｉのエッチングにおいて、マスク選択比および異方性形状を同時に向上させ、高速エッチングも可能とすること。
【解決手段】処理容器１内のサセプタ２にＳｉウエハＷを載置してプラズマエッチングを行なうに際して、処理ガス供給系２３よりフッ化硫黄またはフッ化炭素たとえばＳＦ_６／Ｏ_２ガス系にフッ化ケイ素たとえばＳｉＦ_４を添加した混合ガスをエッチングガスとして処理容器１に導入する。シャワーヘッド２０より吐出されるエッチングガスは放電してプラズマ化され、このプラズマで生成されるラジカルやイオンによってウエハＷがエッチングされる。
【選択図】　　図１

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｓｉ（シリコン）をエッチングする方法に係わり、特にプラズマを用いるドライエッチング方法に関する。
【従来の技術】
代表的なＳｉエッチングは、素子分離用の溝状トレンチあるいはキャパシタ用の筒状トレンチを形成するトレンチエッチングである。とりわけ、ＤＴＩ（ＤｅｅｐＴｒｅｎｃｈ　Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）用のトレンチエッチングやメモリセル・キャパシタ用のトレンチエッチングは、Ｓｉ基板の主面に間口（開口径）０．８〜１．２μｍ程度、深さ５〜８μｍ程度の溝や穴を形成するもので、高アスペクト比エッチングの代表例とされている。さらに、最近の三次元実装デバイスやＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）では、Ｓｉ基板に１００μｍ以上の深さで配線用の貫通孔やメカニカル構造用の溝等を形成するエッチング加工も要求されている。従来より、Ｓｉエッチング用の反応ガスとしてＳＦ_６／Ｏ_２混合ガスが多く用いられている。ＳＦ_６ガスは、プラズマ中で生成されるＦ原子の密度が他のフッ素系ガスよりも数倍大きいことや、ＳＦ_６に含まれるＳ原子がＳｉ表面の酸化を防止してＳｉエッチングを促進する働きがあること等から、Ｓｉの高速エッチングに最適なエッチャントガスとされている。また、Ｏ_２ガスは、Ｓｉ基板中のＳｉと反応して側壁に酸化膜（ＳｉＯ_ｘ）を形成し、垂直（異方性）エッチングを促進する働きがある。
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｓｉエッチングにおいて、ＳＦ_６／Ｏ_２ガス系は、側壁保護効果が十分ではなく、エッチング穴または溝の側壁にえぐれまたはアンダーカットが生じやすく、垂直（異方性）形状のエッチングを達成するのは難しい。また、マスク選択比も十分ではなく、エッチング深度に限界がある。このようなＳＦ_６／Ｏ_２ガス系の短所を補うべく、ＳＦ_６／Ｏ_２ガス系によるエッチングとＣＦ系ガスによるデポジションとを交互に行なうプロセスが提案されている。しかし、この方法は、デポジション中はエッチングが進行しないため、処理効率ないしスループットが低いという問題がある。
本発明は、かかる従来技術の問題点を解決するものであり、マスク選択比および異方性形状を同時に向上させ、高速エッチングも可能とするＳｉエッチング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、Ｓｉ基板またはＳｉ層をマスクを介してプラズマエッチングするに際して、フッ化硫黄またはフッ化炭素／Ｏ_２ガス系にフッ化ケイ素を添加した混合ガスをエッチングガスに用いる。フッ化ケイ素の添加（好ましくは混合ガス総量の１０％以上の添加）により、プラズマ中で解離または生成された気相状態のＳｉがＯ_２分子や酸素ラジカルと反応して、マスク上に酸化膜（ＳｉＯ_ｘ）を堆積するとともに、側壁に形成される保護膜（ＳｉＯ_ｘ）を増強する。マスク上に堆積する酸化膜は、マスクのエッチングを抑制して、マスク選択比を高める。一方、側壁保護膜の増強は、アンダーカットまたはサイドエッチングを十全に阻止して、垂直エッチングを促進する。また、フッ化ケイ素は解離してエッチャントのＦ原子を供給するため、深さ方向のエッチングを進行させる。したがって、高速エッチングも可能である。
本発明におけるフッ化硫黄はＳ／Ｆ比（フッ素原子数に対する硫黄原子数の比）の低いＳＦ_６が望ましいが、Ｓ_２Ｆ_１０でもよい。フッ化炭素は、Ｃ／Ｆ比（フッ素原子数に対する炭素原子数の比）の低いＣＦ_４が望ましいが、Ｃ_３Ｆ_８でもよい。フッ化ケイ素は、ＳｉＦ_４が好ましいが、Ｓｉ_２Ｆ_６でもよい。
本発明のＳｉエッチング方法に用いるマスクの材質は、Ｓｉ以外であれば任意の材質でよいが、通常はシリコン酸化膜やフォトレジストが選ばれてよい。
本発明のＳｉエッチング方法では、エッチング形状の仕様パターンまたはサイズに応じてエッチングガスの流量または流量比を最適化することが望ましい。
また、本発明のＳｉエッチング方法では、エッチングガスをプラズマ化して生成したイオンやラジカルをエッチングに用いる。本発明を実施するためのプラズマエッチング装置は、高速エッチングや異方性形状の面から、平行平板型が好ましく、さらには有磁場ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）タイプの装置が好ましい。有磁場ＲＩＥでは、Ｓｉ基板またはＳｉ層を含む被処理体が載置される電極側に高周波電力を印加してよい。また、電極間の電界と直交する方向（つまり電極表面と平行な方向）に形成される磁場は、磁束密度が高いほどプラズマの高密度化に有利であり、好ましくは１７０ガウス以上としてよい。
高周波電力の周波数は、高周波数側ほどエッチングレートやマスク選択比を高めるのに有利であり、好ましくは４０ＭＨｚ以上としてよい。本発明のＳｉエッチング方法において、高周波電力のパワーはエッチング速度、マスク選択比、異方性、テーパ角等のエッチング特性を左右する重要なエッチング条件であり、仕様パターンやガス混合比、圧力等に応じて最適な高周波パワーを設定してよい。本発明のＳｉエッチング方法では、処理容器内の圧力もエッチング特性を左右する重要なエッチング条件であり、仕様パターンやガス混合比、高周波電力等に応じて最適な圧力を設定してよい。
また、被処理体が載置される電極の温度もエッチング特性、特に垂直加工性に影響する。本発明のＳｉエッチング方法では、アンダーカットを効率よく防止ないし低減するには低温領域が好ましく、−３０゜Ｃ〜２０゜Ｃの範囲内に設定してよい。
具体的に、Ｓｉ基板またはＳｉ層に約３μｍ以下の開口径または開口幅および約１５μｍ以下の深さで穴または溝を形成するエッチング加工においては、フッ化硫黄またはフッ化炭素、Ｏ_２およびフッ化ケイ素の流量比は１／０．６〜０．６７／０．３３〜２．３３の範囲が好ましく、高周波電力のパワー密度は１．５〜６．４Ｗ／ｃｍ^２の範囲が好ましく、圧力は５０〜２５０ｍＴｏｒｒの範囲が好ましい。
また、Ｓｉ基板またはＳｉ層に約３μｍ以上の開口径または開口幅および約２０μｍ以上の深さで穴または溝を形成するエッチング加工においては、フッ化硫黄またはフッ化炭素、Ｏ_２およびフッ化ケイ素の流量比は０．８〜２．４／０．１６〜０．９６／１の範囲が好ましく、高周波電力のパワー密度は６．８〜１２．５Ｗ／ｃｍ^２の範囲が好ましく、圧力は２５０〜４５０ｍの範囲が好ましい。
【発明の実施の形態】
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
図１に、本発明のＳｉエッチング方法の実施に好適なエッチング装置の構成を示す。このエッチング装置は、マグネトロンＲＩＥ型のプラズマエッチング装置として構成されており、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製のチャンバ（処理容器）１を有している。
チャンバ１内には、被処理体としてたとえば単結晶Ｓｉ基板Ｗを載置するためのテーブルまたはサセプタ２が設けられている。このサセプタ２は、たとえばアルミニウムからなり、絶縁部材３を介して導体の支持部４に支持されている。サセプタ２の上面の周囲には、たとえば石英からなるフォーカスリング５が配置されている。サセプタ２と支持部４は、ボールネジ７を含む昇降機構により昇降可能となっており、支持部４の下方に設けられる昇降駆動部（図示せず）はステンレス鋼製のベローズ８で覆われている。ベローズ８の外側にはベローズカバー９が設けられている。フォーカスリング５の下面はバッフル板１０に接続されており、フォーカスリング５は、このバッフル板１０、支持部４およびベローズ８を介してチャンバ１と導通している。チャンバ１は接地されている。
チャンバ１の大径に形成された下部１ｂの側壁には排気口１１が形成され、この排気口１１に排気管を介して排気系１２が接続されている。排気系１２の真空ポンプを作動させることにより、チャンバ１内の処理空間を所定の真空度まで減圧できるようになっている。チャンバ１の下部１ｂの側壁には、ＳｉウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ１３も取り付けられている。
サセプタ２には、整合器１４を介してプラズマ生成およびＲＩＥ用の第１の高周波電源１５が電気的に接続されている。この第１の高周波電源１５は、所定の高周波数たとえば４０ＭＨｚの高周波電力を下部電極つまりサセプタ２に印加する。なお、チャンバ１の天井部には、後述するシャワーヘッド２０が接地電位の上部電極として設けられている。したがって、高周波電源１５からの高周波電力はサセプタ２とシャワーヘッド２０との間に容量的に印加される。
サセプタ２には、主高周波電源１５と並列に、第２の高周波電源２６も別個の整合器２５を介して電気的に接続されている。この第２の高周波電源２６は、第１の高周波電源１５側の高周波数よりもずっと低い高周波数たとえば３．６ＭＨｚの高周波電力をサセプタ２に重畳的に印加する。この第２の高周波電源２６からの高周波電力は、微細で深い穴または溝をエッチング加工する場合に使用されてよい。
サセプタ２の上面にはＳｉウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック６が設けられている。この静電チャック６は導電膜からなる電極６ａを一対の絶縁シート６ｂの間に挟み込んだものであり、電極６ａには直流電源１６が電気的に接続されている。直流電源１６からの直流電圧により、クーロン力でＳｉウエハＷを吸着保持することができる。
サセプタ２の内部には、たとえば円周方向に延在する冷媒室１７が設けられている。この冷媒室１７には、外付けのチラーユニット（図示せず）より配管１７ａ，１７ｂを介して所定温度の冷媒たとえば冷却水が循環供給される。冷媒の温度によってサセプタ２上のＳｉウエハＷの処理温度を制御できる。エッチング形状の垂直（異方性）を高めるためには、サセプタ２の温度が低いほど好ましく、たとえば−３０゜Ｃ程度の冷媒を用いてよい。
さらに、ガス導入機構１８からの冷却ガスたとえばＨｅガスが、ガス供給ライン１９を介して静電チャック６の上面とＳｉウエハＷの裏面との間に供給される。ガス導入機構１８は、エッチング加工のウエハ面内均一性を高めるため、ウエハ中心部とウエハ周縁部とでガス圧つまり背圧を独立的に制御できるようになっている。
天井部のシャワーヘッド２０は、サセプタ２の上面と平行に対向する下面に多数のガス吐出口２２を設けている。ガス吐出面の内側にバッファ室２１が設けられ、このバッファ室２１のガス導入口２０ａには処理ガス供給系２３からのガス供給配管２３ａが接続されている。
チャンバ１の小径に形成された上部１ａの周囲には、環状または同心状に延在するダイボールリング磁石２４が配置されている。このダイボールリング磁石２４は、図２の横断面図に示すように、リング状の磁性体からなるケーシング３２内に複数個たとえば１６個の異方性セグメント柱状磁石３１を周回方向に一定間隔で配列してなる。図２において、各異方性セグメント柱状磁石３１の中に示す矢印は磁化の方向を示しており、図示のように各異方性セグメント柱状磁石３１の磁化の方向を周回方向に沿って少しずつずらすことで、全体として一方向に向う一様な水平磁界Ｂを形成することができる。
したがって、サセプタ２とシャワーヘッド２０との間の空間には、図３に模式的に示すように、第１の高周波電源１５により鉛直方向のＲＦ電界ＥＬが形成されるとともに、ダイボールリング磁石２４により水平磁界Ｂが形成される。これらの直交電磁界を用いるマグネトロン放電により、サセプタ２の表面近傍に高密度のプラズマを生成することができる。
このプラズマエッチング装置において、Ｓｉエッチングを行なうには、先ずゲートバルブ１３を開にして加工対象のＳｉウエハＷをチャンバ１内に搬入して、サセプタ２の上に載置する。次いで、ＳｉウエハＷが載置されたサセプタ２を図示の高さ位置まで上昇させ、排気系１２の真空ポンプにより排気口１１を介してチャンバ１内を排気する。そして、処理ガス供給系２３よりエッチングガスを所定の流量でチャンバ１内に導入し、チャンバ１内の圧力を設定値にする。さらに、第１の高周波電源１５より所定のパワーで高周波電力をサセプタ２に印加する。また、直流電源１６より直流電圧を静電チャック６の電極６ａに印加して、ＳｉウエハＷをサセプタ２に固定する。シャワーヘッド２０より吐出されたエッチングガスはマグネトロン放電でプラズマ化し、このプラズマで生成されるラジカルやイオンによってＳｉウエハＷがエッチングされる。
この実施形態のＳｉエッチングでは、フッ化硫黄またはフッ化炭素たとえばＳＦ_６とＯ_２とフッ化ケイ素たとえばＳｉＦ_４の混合ガスをエッチングガスに用いる。このため、処理ガス供給系２３は、図４に示すように、ＳＦ_６ガス源４０，Ｏ_２ガス源４１およびＳｉＦ_４ガス源４２を有し、それぞれの流量を流量制御弁４０ａ，４１ａ，４２ａによって個別に制御できるようにしている。
次に、本発明のＳｉエッチング方法の具体的な実施例を説明する。
実施例１
図１のプラズマエッチング装置を使用し、ＳｉエッチングにおいてＳＦ_６／Ｏ_２ガス系にＳｉＦ_４を加えることによってマスクのエッチングレートを抑制する効果を実験で確認した。他のエッチング条件は下記のとおりであり、図５および図６に実験結果のデータを示す。
Ｓｉウエハ口径＝８インチ
マスク材料＝ＳｉＯ_２膜（ＣＶＤ酸化膜）
ＳＦ_６／Ｏ_２／ＳｉＦ_４＝１５０／９０／０〜３５０ｓｃｃｍ
圧力＝１７０ｍＴｏｒｒ
ＲＦ周波数＝４０ＭＨｚ，ＲＦパワー１４００Ｗ（４．４８Ｗ／ｃｍ^２）
背圧（センター部／エッジ部）＝１５／４０Ｔｏｒｒ（Ｈｅガス）
上部及び下部電極間距離＝３７ｍｍ
温度（下部電極／上部電極／チャンバ側壁）＝−１５／４０／４０゜Ｃ
エッチング時間＝６０秒
図５および図６に示すように、ＳＦ_６／Ｏ_２ガス系にＳｉＦ_４を添加することによって、しかも添加量を多くするほど（少なくとも０〜３５０ｓｃｃｍの範囲では）、マスク（ＳｉＯ_２膜）のエッチング速度がほぼ線形的に低下するとともに、マスク・エッチング速度のウエハ面内均一性も向上することが確認された。これは、プラズマ中でＳｉＦ_４から解離したＳｉがＯ_２分子や酸素ラジカルと反応することによって、マスク（ＳｉＯ_２膜）の表面にエッチングを阻止する酸化膜（ＳｉＯ_ｘ）が形成され、ＳｉＦ_４の添加量が多いほど酸化膜（ＳｉＯ_ｘ）の堆積量が増してマスク保護効果が増大するためと推測される。なお、後述するように、ＳＦ_６／Ｏ_２ガス系にＳｉＦ_４を添加しても、Ｓｉのエッチング速度はそれほど影響を受けず、少し低下するだけである。したがって、（少なくとも０〜３５０ｓｃｃｍの範囲では）ＳｉＦ_４の添加量が多いほど、それに比例してマスク選択比を上げることができる。
実施例２（Ａ １ 〜Ａ ６ ）
Ｓｉ基板に開口径（φ）５μｍおよび深さ約３０μｍの穴を形成するトレンチエッチングにおいて、図１のプラズマエッチング装置を使用し、エッチングガス（ＳＦ_６／Ｏ_２／ＳｉＦ_４）の混合比、特にＳＦ_６およびＯ_２ガスの流量をパラメータにしてエッチング特性を評価した。他のエッチング条件は下記のとおりである。
Ｓｉウエハ口径＝６インチ
マスク材料＝ＳｉＯ_２膜（ＣＶＤ酸化膜）、マスク厚＝２μｍ
開口率＝５％
ＳＦ_６／Ｏ_２／ＳｉＦ_４＝２００〜６００／４０〜２４０／２５０ｓｃｃｍ
圧力＝２５０ｍＴｏｒｒ
ＲＦ周波数＝４０ＭＨｚ，ＲＦパワー１２００Ｗ（６．８Ｗ／ｃｍ^２）
背圧（センター部／エッジ部）＝７／４０Ｔｏｒｒ（Ｈｅガス）
上部及び下部電極間距離＝３７ｍｍ
温度（下部電極／上部電極／チャンバ側壁）＝−１０／４０／４０゜Ｃ
エッチング時間＝１２０秒
比較例（ａ １ ）
Ｓｉ基板に開口径（φ）５μｍおよび深さ約３０μｍ以上の穴を形成するトレンチエッチングにおいて、図１のプラズマエッチング装置を使用し、ＳＦ_６／Ｏ_２混合ガスをエッチングガスに用いた場合のエッチング特性を評価した。エッチング条件は、ＳＦ_６／Ｏ_２＝４００／７５ｓｃｃｍのエッチングガスを用いる以外は、実施例２（Ａ１〜Ａ６）と同じである。
図７に、比較例ａ１および実施例Ａ１〜Ａ６で得られたエッチング特性、すなわちＳｉのエッチング速度（Ｓｉ　Ｅ／Ｒ）、マスクのエッチング速度（ＳｉＯ_２　Ｅ／Ｒ）、選択比（Ｓｉ　Ｅ／Ｒ／ＳｉＯ_２　Ｅ／Ｒ）、アンダーカット、テーパ角の測定データを示す。図８に比較例ａ１で得られたパターンの断面図および部分拡大断面図（ＳＥＭ写真）を示し、図９に実施例Ａ１〜Ａ６で得られたパターンの断面図（ＳＥＭ写真）をマッピング形式で示し、図１０に実施例Ａ３，Ａ２におけるパターンの断面の部分拡大断面図（ＳＥＭ写真）を示す。測定ポイントの「エッジ」は、ウエハのノッチ端から中心点に向って１０ｍｍの位置である。なお、アンダーカットおよびテーパ角は図１１の概念図のように定義される。
図７および図８から、比較例ａ１では、被エッチング材（Ｓｉ）のエッチング速度が大きいだけでなく、マスク（ＳｉＯ_２）のエッチング速度も大きいため、選択比が３０程度に止まることが確認された。また、マスク付近の側壁にえぐれ（アンダーカット）が発生することも確認された。
図７、図９および図１０から、実施例Ａ１〜Ａ６では、比較例ａ１に比して、Ｓｉのエッチング速度が幾らか低下するものの、それ以上にマスク（ＳｉＯ_２）のエッチング速度が低下して選択比が改善され、アンダーカットも改善されることが分かる。特に、実施例Ａ３（ＳＦ_６／Ｏ_２／ＳｉＦ_４＝２００／１６０／２５０ｓｃｃｍ、ＳｉＦ_４の割合＝４１％）がマスク選択比および異方性形状の点で最も優れている。なお、実施例Ａ１および実施例Ａ４のように、ＳＦ_６に対するＯ_２の混合比が低すぎると、具体的には０．２以下では、選択比およびアンダーカットのいずれも改善効果が低下する。これは、Ｏ_２分子や酸素ラジカルが不足して、マスク保護膜や側壁保護膜が十分に形成されないためと考えられる。なお、実施例Ａ１〜Ａ６において、エッチングガス（ＳＦ_６／Ｏ_２／ＳｉＦ_４）の流量２００〜６００／４０〜２４０／２５０ｓｃｃｍを流量比に換算すると、０．８〜２．４／０．１６〜０．９６／１である。
上記のように、５μｍφのトレンチエッチングでは、ＳＦ_６／Ｏ_２／ＳｉＦ_４の流量を２００〜６００／４０〜２４０／２５０ｓｃｃｍ（最も好ましくは約２００／１６０／２５０ｓｃｃｍ）に設定することで、つまりＳＦ_６／Ｏ_２／ＳｉＦ_４の流量比を０．８〜２．４／０．１６〜０．９６／１（最も好ましくは約０．８／０．６４／１）に設定することで、高速のエッチングレートを確保しつつマスク選択比および垂直形状を同時に改善できることが分かった。
実施例３（Ｂ １ 〜Ｂ ６ ）
Ｓｉ基板に開口径（φ）２０μｍおよび深さ約４０μｍの穴を形成するトレンチエッチングにおいて、図１のプラズマエッチング装置を使用し、ＳＦ_６／Ｏ_２／ＳｉＦ_４の流量比、特にＳＦ_６ガスおよびＯ_２ガスの流量をパラメータにしてエッチング特性を評価した。他のエッチング条件は、上記実施例２と同じである。
比較例（ｂ １ ）
Ｓｉ基板に開口径（φ）２０μｍおよび深さ約４０μｍの穴を形成するトレンチエッチングにおいて、図１のプラズマエッチング装置を使用し、ＳＦ_６／Ｏ_２混合ガスをエッチングガスに用いた場合のエッチング特性を評価した。エッチング条件は、ＳＦ_６／Ｏ_２＝４００／７５ｓｃｃｍのエッチングガスを用いる以外は、実施例３（Ｂ１〜Ｂ６）と同じである。
図１２に、比較例ｂ１および実施例Ｂ１〜Ｂ６で得られたＳｉのエッチング速度（Ｓｉ　Ｅ／Ｒ）、マスクのエッチング速度（ＳｉＯ２　Ｅ／Ｒ）、選択比（Ｓｉ　Ｅ／Ｒ／ＳｉＯ２　Ｅ／Ｒ）、アンダーカット、テーパ角の測定データを示す。また、図１３に比較例ｂ１で得られたパターンの断面図および部分拡大断面図（ＳＥＭ写真）を示し、図１４に実施例Ｂ１〜Ｂ６で得られたパターンの断面図（ＳＥＭ写真）をマッピング形式で示し、図１５に実施例Ｂ３，Ｂ２におけるパターンの部分拡大断面図（ＳＥＭ写真）を示す。
図７および図１２から、５μｍφのエッチングと２０μｍφのエッチングとを比較すると、開口径を大きくするほど被エッチング材であるＳｉのエッチング速度が増大する一方で、マスク（ＳｉＯ_２）のエッチング速度は変わらないため、選択比は向上することが分かる。しかし、図１２および図１３に示すように、比較例ｂ１では、やはりアンダーカットが発生し、しかもその度合いは比較例ａ１よりも増大する。この一要因として、開口径が大きいほど、斜めイオンによる側壁へのアタックが増すことが考えられる。これに対して、実施例Ｂ１〜Ｂ６では、図１２、図１４および図１５に示すように、アンダーカットが発生しなかった。しかも、実施例Ｂ２（ＳＦ_６／Ｏ_２／ＳｉＦ_４＝２００／８０／２５０ｓｃｃｍ、ＳｉＦ_４の割合＝４７％）では、選択比も比較例ｂ１に比して著しく改善（約２６〜３５％向上）している。
なお、実施例Ｂ３では、図１４および図１５に示すように、エッチング穴内に柱状の残渣が生じる。これは、ＳＦ_６ガスに対するＯ_２ガスの混合比が大きすぎると（実施例Ｂ３ではＯ_２／ＳＦ_６の混合比率が０．８）、開口部内の表面に酸化物等の不揮発性物質が残って微小なマスクとして作用することにより、下地層（Ｓｉ）のエッチングが妨げられるものと推測される。実際、実施例Ｂ５のように、ＳＦ_６ガスの流量を増やしてＯ_２／ＳＦ_６の混合比率を下げると、柱状残渣は生じなくなる。もっとも、実施例Ｂ４のように、ＳＦ_６に対するＯ_２の混合比が小さすぎると（実施例Ｂ４ではＯ_２／ＳＦ_６の比率が０．２）、エッチング穴の中間部ないし底部で側壁保護膜が成長しにくくなり、エッチング形状がボーイングまたは逆テーパ化しやすくなる。
上記のように、２０μｍφのトレンチエッチングでは、ＳＦ_６／Ｏ_２／ＳｉＦ_４の流量を２００〜６００／４０〜２４０／２５０ｓｃｃｍ（最も好ましくは約２００／８０／２５０ｓｃｃｍ）に設定することで、つまりＳＦ_６／Ｏ_２／ＳｉＦ_４の流量比を０．８〜２．４／０．１６〜０．９６／１（最も好ましくは約０．８／０．３２／１）に設定することで、高速のエッチングレートを保証しつつ、マスク選択比および垂直形状を同時に改善できることが分かった。
上記のような本発明のＳｉエッチングにおけるＳＦ_６／Ｏ_２／ＳｉＦ_４の流量比は、５μｍφ〜２０μｍφのトレンチエッチングはもちろん、５μｍφ以下のトレンチエッチングあるいは２０μｍφ以上のトレンチエッチングでも有効である。実施例４（Ｃ １ 〜Ｃ ４ ）
Ｓｉ基板に開口径（φ）５μｍおよび深さ約３０μｍの穴を形成するトレンチエッチングにおいて、図１のプラズマエッチング装置を使用し、高周波電力（ＲＦ）パワーとチャンバ内の圧力（ガス圧）をパラメータにしてエッチング特性を評価した。他のエッチング条件は下記のとおりである。
Ｓｉウエハ口径＝６インチ
マスク材料＝ＳｉＯ_２膜（ＣＶＤ酸化膜）、マスク厚＝２μｍ
開口率＝５％
ＳＦ_６／Ｏ_２／ＳｉＦ_４＝２００／１６０／２５０ｓｃｃｍ
ＲＦ周波数＝４０ＭＨｚ
背圧（センター部／エッジ部）＝７／４０Ｔｏｒｒ（Ｈｅガス）
上部及び下部電極間距離＝３７ｍｍ
温度（下部電極／上部電極／チャンバ側壁）＝−１０／４０／４０゜Ｃ
エッチング時間＝１２０秒
図１６に各実施例Ｃ１〜Ｃ４のデータを示し、図１７に各実施例Ｃ１〜Ｃ４におけるパターンの断面図（ＳＥＭ写真）をマッピング形式で示す。図１６および図１７から、実施例Ｃ１〜Ｃ３のように、他のエッチング条件、特に圧力を２５０ｍＴｏｒｒ（一定）にしたままでＲＦパワーを１２００Ｗから１７００Ｗ、２２００Ｗと上げても、それだけではＳｉエッチング速度および選択比のいずれもさほど変わらず、むしろテーパ角の増大つまり逆テーパ化の傾向が増すことが分かる。しかし、実施例Ｃ４のように、ＲＦパワー上昇に応じて圧力を４５０ｍＴｏｒｒに上げると、テーパ角を順テーパに保ちつつ、Ｓｉエッチング速度および選択比のいずれも著しく向上することが分かる。本発明のＳｉエッチングでは圧力を１０Ｔｏｒｒ程度まで上げることができる。なお、実施例Ｃ１〜Ｃ４におけるＲＦパワーの範囲１２００〜２２００Ｗをパワー密度に換算すると、６．８〜１２．５Ｗ／ｃｍ^２である。
このように、５μｍφのトレンチエッチングでは、ＲＦパワーとガス圧とを相関的に制御することで、Ｓｉエッチング速度、選択比およびテーパ角を制御し、かつ最適化できることが分かる。
実施例５（Ｄ １ 〜Ｄ ４ ）
Ｓｉ基板に開口径（φ）２０μｍおよび深さ約４０μｍの穴を形成するトレンチエッチングにおいて、図１のプラズマエッチング装置を使用し、高周波電力（ＲＦ）パワーとチャンバ内の圧力（ガス圧）を変えてエッチング特性を評価した。エッチング条件は上記実施例４と同じであり、図１８に各実施例のデータを示し、図１９に各実施例におけるパターンの断面図（ＳＥＭ写真）をマッピング形式で示す。
図１８および図１９に示すように、２０μｍφのトレンチエッチングでは、実施例Ｄ１〜Ｄ３のように、圧力を２５０ｍＴｏｒｒ（一定）にしたままＲＦパワーを１２００Ｗから１７００Ｗ、２２００Ｗと上げると、それに比例してＳｉエッチング速度および選択比のいずれも向上し、しかも柱状残渣が減少する。これは、開口径が大きいほど、ＲＦパワーの上昇によるプラズマ密度ないしラジカル（特にフッ素ラジカル）の増加、ひいてはＳｉエッチングを促進する効果が大きくなるためと推測される。また、２０μｍφのトレンチエッチングでも、ＲＦパワーの上昇に応じてテーパ角の増大ないし逆テーパ化の傾向が強まるが、実施例Ｄ４のように、圧力を４５０ｍＴｏｒｒに上げると、テーパ角を順テーパに保ちつつ、Ｓｉエッチング速度および選択比のいずれも大幅に改善できる。
このように、２０μｍφのトレンチエッチングでも、ＲＦパワーとガス圧とを相関的に制御することで、Ｓｉエッチング速度、選択比およびテーパ角を制御し、かつ最適化できることが分かる。
実施例６（Ｅ １ 〜Ｅ５）
Ｓｉ基板に開口幅１．２μｍ、長さ１〜１０μｍおよび深さ約６μｍの溝を形成するトレンチエッチングにおいて、図１のプラズマエッチング装置を使用し、エッチングガス（ＳＦ_６／Ｏ_２／ＳｉＦ_４）の流量比、特にＳｉＦ_４の流量、圧力、高周波パワーをパラメータにしてエッチング特性を評価した。他のエッチング条件は下記のとおりである。
Ｓｉウエハ口径＝８インチ
マスク材料＝ＳｉＯ_２膜（ＣＶＤ酸化膜）、マスク厚＝２μｍ
ＲＦ周波数＝４０ＭＨｚ
上部及び下部電極間距離＝３７ｍｍ
温度（下部電極／上部電極／チャンバ側壁）＝−１５／４０／４０゜Ｃ
比較例（ｅ １ 〜ｅ ３ ）
Ｓｉ基板に開口幅１．２μｍ、長さ１〜１０μｍおよび深さ約６μｍの溝を形成するトレンチエッチングにおいて、図１のプラズマエッチング装置を使用し、ＳＦ_６／Ｏ_２混合ガスをエッチングガスに用いた場合に、圧力、高周波パワーをパラメータにしてエッチング特性を評価した。他のエッチング条件は実施例６と同じである。
図２０および図２１から、実施例Ｅ１〜Ｅ３と比較例ｅ１〜ｅ３とを比較すると、１．２μｍのトレンチエッチングでは、ＳＦ_６／Ｏ_２ガス系にＳｉＦ_４を添加することによって、選択比はそれほど変わらないものの、Ｓｉエッチング速度を向上させることができ、特に実施例Ｅ２，Ｅ３のように圧力およびＲＦパワーを上げるほどＳｉエッチング速度の大幅な向上を達成できることが分かる。
また、図２１および図２２から、実施例Ｅ２，Ｅ３（ＳｉＦ_４＝５０ｓｃｃｍ）と実施例Ｅ４，Ｅ５（ＳｉＦ_４＝３５０ｓｃｃｍ）とを比較すると、実施例Ｅ４，Ｅ５のようにＳｉＦ_４の添加量を増やすことで、Ｓｉエッチング速度を幾らか下げながらも選択比を大幅に改善できることが分かる。これは、上述した実施例１から明らかなように、ＳｉＦ_４の添加量が増すほど、それに比例してＳｉＯ_２（マスク）エッチング速度が低下するためである。また、実施例Ｅ４（Ｏ_２＝９０ｓｃｃｍ）と実施例Ｅ５（Ｏ_２＝１００ｓｃｃｍ）とを比較すると、Ｏ_２含有率の少ない実施例Ｅ４の方が選択比およびＳｉエッチング速度のいずれも優れていることが分かる。
なお、実施例Ｅ１〜Ｅ５において、エッチングガス（ＳＦ_６／Ｏ_２／ＳｉＦ_４）の流量１５０／９０〜１００／５０〜３５０ｓｃｃｍを流量比に換算すると、１／０．６〜０．６７／０．３３〜２．３３である。また、ＲＦパワー６５０〜２０００Ｗをパワー密度に換算すると、２．０〜６．４Ｗ／ｃｍ^２である。ＲＦパワーを５００Ｗ（１．５Ｗ／ｃｍ^２）程度まで下げても有効である。
以上に述べた実施の形態および実施例は、本発明の技術思想に基づいてさらに変形が可能である。
上記の実施形態におけるトレンチの仕様（開口径または開口幅、深さ）は一例であり、種々のトレンチ仕様に対して上記の実施例のエッチング条件をそのまま、または適宜変形して適用することができる。たとえば、上記実施例２（Ａ１〜Ａ６）、実施例３（Ａ１〜Ａ６）、実施例４（Ｃ１〜Ｃ４）および実施例４（Ｃ１〜Ｃ４）のエッチング条件、特にエッチングガス（ＳＦ_６／Ｏ_２／ＳｉＦ_４）の流量比、ＲＦパワーおよびガス圧は、Ｓｉ基板またはＳｉ層に約３μｍ以上の開口径または開口幅および約２０μｍ以下の深さでトレンチを形成する加工に適用できる。また、上記実施例２（Ｅ１〜Ｅ５）のエッチング条件、特にエッチングガス（ＳＦ_６／Ｏ_２／ＳｉＦ_４）の流量比、ＲＦパワーおよびガス圧は、Ｓｉ基板またはＳｉ層に約３μｍ以下の開口径または開口幅および約１５μｍ以下の深さでトレンチを形成する加工に適用できる。
また、本発明のＳＦ_６／Ｏ_２／ＳｉＦ_４ガス系を用いるエッチングとＳＦ_６／Ｏ_２ガス系を用いるエッチングとを交互に行なうプロセスも可能である。この場合、ＳＦ_６／Ｏ_２ガス系による高速エッチングと本発明のＳＦ_６／Ｏ_２／ＳｉＦ_４ガス系による高選択性および垂直形状性とを有機的に組み合わせることができる。
上記実施形態ではマグネトロンＲＩＥプラズマエッチング装置の磁場形成手段としてダイボールリング磁石を用いたが、これに限るものではなく、磁場の形成も必須のものではない。また、任意のプラズマ機構を使用することができ、容量結合型に限らず、誘導結合型の装置でもよい。上記実施形態ではＳｉウエハのエッチングを示したが、Ｓｉ基板またはＳｉ層を含む任意の被処理体について本発明のＳｉエッチング方法を適用することができる。
本発明のＳｉエッチング方法は、トレンチエッチングに限るものではなく、三次元実装デバイスやＭＥＭＳ等において配線用の貫通孔やメカニカル構造用の溝等を形成するエッチング加工にも適用可能である。
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＳｉエッチング方法によれば、基本的にはフッ化硫黄またはフッ化炭素、Ｏ_２およびフッ化ケイ素を含む混合ガスをエッチングガスに用いることにより、好ましくは所要のエッチング条件を最適化することにより、マスク選択比および異方性形状を同時に向上させ、高速エッチングも可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＳｉエッチング方法を実施するためのプラズマエッチング装置の構成を示す図である。
【図２】図１のエッチンク装置に取り付けられるダイボールリング磁石の構成を模式的に示す図である。
【図３】図１のエッチング装置のチャンバ内で形成される電界および磁界を説明するための図である。
【図４】図１のエッチング装置における処理ガス供給系の構成を示す図である。
【図５】第１の実施例におけるＳｉＦ_４ガスの流量とＳｉＯ_２（マスク）エッチング速度との関係を示すグラフである。
【図６】第１の実施例におけるＳｉＯ_２（マスク）エッチング速度のウエハ面内均一性を示すグラフである。
【図７】第２の実施例における主要なエッチング条件およびエッチング特性を一覧表として示す図である。
【図８】第２の実施例に対応する比較例におけるエッチング形状の断面を示す図（ＳＥＭ写真）である。
【図９】第２の実施例におけるエッチング形状の断面を示す図（ＳＥＭ写真）である。
【図１０】第２の実施例におけるエッチング形状の断面を示す部分拡大図（ＳＥＭ写真）である。
【図１１】アンダーカットおよびテーパ角の定義を説明するための図である。
【図１２】第３の実施例における主要なエッチング条件およびエッチング特性を一覧表として示す図である。
【図１３】第３の実施例に対応する比較例におけるエッチング形状の断面を示す図（ＳＥＭ写真）である。
【図１４】第３の実施例におけるエッチング形状の断面を示す図（ＳＥＭ写真）である。
【図１５】第３の実施例におけるエッチング形状の断面を示す部分拡大図（ＳＥＭ写真）である。
【図１６】第４の実施例における主要なエッチング条件およびエッチング特性を一覧表として示す図である。
【図１７】第４の実施例におけるエッチング形状の断面を示す図（ＳＥＭ写真）である。
【図１８】第５の実施例における主要なエッチング条件およびエッチング特性を一覧表として示す図である。
【図１９】第５の実施例におけるエッチング形状の断面を示す図（ＳＥＭ写真）である。
【図２０】第６の実施例に対応する比較例における主要なエッチング条件およびエッチング特性を一覧表として示す図である。
【図２１】第６の実施例における主要なエッチング条件およびエッチング特性を一覧表として示す図である。
【図２２】第６の実施例における主要なエッチング条件およびエッチング特性を一覧表として示す図である。
【符号の説明】
１　　チャンバー
２　　サセプタ（下部電極）
１２　　排気系
１５
１７　　冷媒室
１８　　ガス導入機構
２０　　シャワーヘッド
２３　　処理ガス供給系
２４　　ダイボールリング磁石
２６　　第１の高周波電源

Claims (18)

1. 処理容器内でエッチングガスをプラズマ化して、その中でＳｉ基板またはＳｉ層をマスクを介してエッチング加工するＳｉエッチング方法であって、
   前記エッチングガスに、フッ化硫黄またはフッ化炭素、Ｏ_２およびフッ化ケイ素を含む混合ガスを用いるＳｉエッチング方法。
2. 前記混合ガスにおける前記フッ化ケイ素の含有率は１０％以上である請求項１に記載のＳｉエッチング方法。
3. 前記混合ガスにおけるフッ化硫黄またはフッ化炭素に対するＯ_２の混合比が０．２〜０．８の範囲内である請求項１または２に記載のＳｉエッチング方法。
4. 相対向する一対の電極間に高周波電力を供給して、前記エッチングガスをプラズマ化する請求項１〜３のいずれか一項に記載のＳｉエッチング方法。
5. 前記高周波電力の周波数は４０ＭＨｚ以上である請求項４に記載のＳｉエッチング方法。
6. 前記電極間に電界と直交する磁場を形成する請求項４または５に記載のＳｉエッチング方法。
7. 前記磁場の磁束密度は１７０ガウス以上である請求項６に記載のＳｉエッチング方法。
8. 前記Ｓｉ基板またはＳｉ層を含む被処理体が載置される電極に前記高周波電力を印加する請求項４〜７のいずれか一項に記載のＳｉエッチング方法。
9. 前記処理容器内の圧力が５０ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒである請求項１〜８のいずれか一項に記載のＳｉエッチング方法。
10. 前記Ｓｉ基板またはＳｉ層を含む被処理体が載置される電極の温度が−３０゜Ｃ〜２０゜Ｃである請求項１〜９のいずれか一項に記載のＳｉエッチング方法。
11. 前記エッチング加工が前記Ｓｉ基板またはＳｉ層に約３μｍ以下の開口径または開口幅および約１５μｍ以下の深さで穴または溝を形成する加工であり、フッ化硫黄またはフッ化炭素、Ｏ_２およびフッ化ケイ素の流量比が１／０．６〜０．６７／０．３３〜２．３３である請求項１〜１０のいずれか一項に記載のＳｉエッチング方法。
12. 前記高周波電力のパワー密度が１．５〜６．４Ｗ／ｃｍ^２である請求項１１に記載のＳｉエッチング方法。
13. 前記処理容器内の圧力が５０〜２５０ｍＴｏｒｒである請求項１１または１２に記載のＳｉエッチング方法。
14. 前記エッチング加工が前記Ｓｉ基板またはＳｉ層に約３μｍ以上の開口径または開口幅および約２０μｍ以上の深さで穴または溝を形成する加工であり、フッ化硫黄またはフッ化炭素、Ｏ_２およびフッ化ケイ素の流量比が０．８〜２．４／０．１６〜０．９６／１である請求項１〜１０のいずれか一項に記載のＳｉエッチング方法。
15. 前記高周波電力のパワー密度が６．８〜１２．５Ｗ／ｃｍ^２である請求項１４に記載のＳｉエッチング方法。
16. 前記処理容器内の圧力が２５０〜４５０ｍＴｏｒｒである請求項１４または１５に記載のＳｉエッチング方法。
17. 前記フッ化硫黄がＳＦ_６である請求項１〜１６のいずれか一項に記載のＳｉエッチング方法。
18. 前記フッ化ケイ素がＳｉＦ_４である請求項１〜１７のいずれか一項に記載のＳｉエッチング方法。

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