図面 (/)

技術 プラズマエッチング方法

出願人 株式会社日立ハイテクノロジーズ
発明者 高田和男豊岡秀則紺野秋彦桑原謙一
出願日 2013年8月30日 (7年4ヶ月経過) 出願番号 2013-179313
公開日 2015年3月16日 (5年9ヶ月経過) 公開番号 2015-050229
状態 特許登録済
技術分野 半導体のドライエッチング
主要キーワード 絶対流量 冷却ガス供給口 添加ガス流量 間欠制御 テーパ形 最適領域 エッチング加工形状 ガス比率
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2015年3月16日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (9)

課題

トレンチテーパ角度をもったシャロートレンチ形状を形成する場合、サブトレンチを抑制しようとした場合にトレンチテーパ角度との特性がトレードオフとなり、所望のエッチング特性を得ることが困難であった。

解決手段

シリコン基板疎密パターンを含むトレンチアイソレーション構造を形成するプラズマエッチング方法において、HBrガス主体とし、O2ガスと、CO2ガスやSO2ガス等のO2ガスと異なる酸素含有ガスを添加した混合ガスを用いる。この混合ガスによるプラズマエッチングを行うことで、所望の十分なテーパ角度を有すると共に、トレンチ底部にサブトレンチや鋭角部が無い形状を得ることができ、量産安定性に優れたエッチング特性を有するプラズマエッチング方法を提供することができる。

概要

背景

本技術分野の背景技術として、特許文献1がある。この特許文献1には、例えば、絶縁膜マスクとした半導体基板をHBr、およびCHF3からなるガスを用いてエッチングし、マスク側壁に半導体基板との反応生成物を徐々に付着させることにより、トレンチ上端部に十分な丸みを持つトレンチを形成すると記載されている。

概要

トレンチテーパ角度をもったシャロートレンチ形状を形成する場合、サブトレンチを抑制しようとした場合にトレンチテーパ角度との特性がトレードオフとなり、所望のエッチング特性を得ることが困難であった。シリコン基板疎密パターンを含むトレンチアイソレーション構造を形成するプラズマエッチング方法において、HBrガス主体とし、O2ガスと、CO2ガスやSO2ガス等のO2ガスと異なる酸素含有ガスを添加した混合ガスを用いる。この混合ガスによるプラズマエッチングを行うことで、所望の十分なテーパ角度を有すると共に、トレンチ底部にサブトレンチや鋭角部が無い形状を得ることができ、量産安定性に優れたエッチング特性を有するプラズマエッチング方法を提供することができる。

目的

このような背景の中でSTIを形成するトレンチ形状は一般的なデバイス構造以上にテーパ角を持った形状で、且つ、サブトレンチ等が無いトレンチ形状であることが望まれている

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

プラズマエッチング方法であって、トレンチパターンが形成されたマスクを用いて半導体基板プラズマエッチングすることにより前記半導体基板にトレンチを形成する際に、HBrガスと、O2ガスまたはCl2ガスと、O2ガスと異なる酸素含有ガスとの混合ガスを用いて前記半導体基板をエッチングする、ことを特徴とするプラズマエッチング方法。

請求項2

請求項1に記載のプラズマエッチング方法であって、前記酸素含有ガスは、CO2ガス、SO2ガス、NO2ガスのいずれか一つのガスであることを特徴とするプラズマエッチング方法。

請求項3

請求項2に記載のプラズマエッチング方法であって、前記酸素含有ガスの流量は、前記O2ガスまたはCl2ガスの流量より多い、ことを特徴とするプラズマエッチング方法。

請求項4

請求項3に記載のプラズマエッチング方法であって、前記O2ガスまたはCl2ガスの流量と、前記酸素含有ガスの流量の和に対する前記酸素含有ガスの流量の比率は、60%から75%の範囲の比率である、ことを特徴とするプラズマエッチング方法。

請求項5

請求項3に記載のプラズマエッチング方法であって、前記混合ガスの流量に対する、前記O2ガスまたはCl2ガスと前記酸素含有ガスの合計流量の比率は、5%未満である、ことを特徴とするプラズマエッチング方法。

請求項6

請求項4に記載のプラズマエッチング方法であって、前記酸素含有ガスは、CO2ガスである、ことを特徴とするプラズマエッチング方法。

請求項7

請求項5に記載のプラズマエッチング方法であって、前記酸素含有ガスは、CO2ガスである、ことを特徴とするプラズマエッチング方法。

請求項8

請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法であって、前記酸素含有ガスは、ArガスまたはHeガスで希釈されている、ことを特徴とするプラズマエッチング方法。

請求項9

請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法であって、前記混合ガスは、更に不活性ガスを含み、前記不活性ガスは、Heガス、Arガス、Xeガス、Krガス、N2ガスのいずれかの一つのガスである、ことを特徴とするプラズマエッチング方法。

請求項10

請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法であって、前記マスクは無機マスクであり、前記半導体基板はシリコン基板である、ことを特徴とするプラズマエッチング方法。

技術分野

背景技術

0002

本技術分野の背景技術として、特許文献1がある。この特許文献1には、例えば、絶縁膜マスクとした半導体基板をHBr、およびCHF3からなるガスを用いてエッチングし、マスク側壁に半導体基板との反応生成物を徐々に付着させることにより、トレンチ上端部に十分な丸みを持つトレンチを形成すると記載されている。

先行技術

0003

特開2004−63921号公報

発明が解決しようとする課題

0004

従来のパワー系半導体デバイス等に用いられるトランジスタ素子分離は、LOCOS(Local oxidation of silicon)構造を有することが一般的であった。しかし、近年ではパワー系半導体デバイス等も微細化が検討されつつあり、その場合、従来は用いていなかったSTI(Shallow Trench Isolation)構造を有する素子分離技術の適用が必須技術となる。このような背景の中でSTIを形成するトレンチ形状は一般的なデバイス構造以上にテーパ角を持った形状で、且つ、サブトレンチ等が無いトレンチ形状であることが望まれている。しかしながら、シリコンシャロートレンチエッチング技術において、特にトレンチテーパ角度をもったシャロートレンチ形状を求める場合、底部のサブトレンチが発生しやすいこと、また、サブトレンチを抑制しようとした場合にはトレンチテーパ角度との特性がトレードオフとなり、所望のエッチング特性を得ることが困難であったという点が課題である。

0005

本発明は、上記の課題を解決し、マイクロ波プラズマエッチング装置を用いたトレンチ加工において、十分なトレンチテーパ角度を有し、トレンチ底部にサブトレンチや鋭角部が無いトレンチ形状を形成するプラズマ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

0006

上記の目的を達成するため、本発明においては、プラズマエッチング方法であって、トレンチパターンが形成されたマスクを用いて半導体基板をプラズマエッチングすることにより半導体基板にトレンチを形成する際に、HBrガスと、O2ガスまたはCl2ガスと、O2ガスと異なる酸素含有ガスとの混合ガスを用いて半導体基板をエッチングするプラズマエッチング方法を提供する。

発明の効果

0007

本発明によれば、十分なトレンチテーパ角度を有すると同時に、トレンチ底部にサブトレンチや鋭角部が無いトレンチ形状を形成することが出来、量産安定性に優れたエッチング特性を有したプラズマエッチング方法を提供することができる。

図面の簡単な説明

0008

実施例1に係るマイクロ波プラズマエッチング装置の一構成例を示す図である。
実施例1に係る被処理基板トレンチマスク構造の一例を示す図である。
比較例の被処理基板のエッチング後の状態を示す図である。
比較例の被処理基板のエッチング後の状態を示す図である。
実施例1に係る被処理基板のエッチング後の形状を示す図である。
第1の実施例に係る、トレンチテーパ角度とサブトレンチ発生の関係について示した図である。
第1の実施例に係る、トレンチテーパ角度の添加ガス流量依存性を説明するための図である。
第1の実施例に係る、トレンチテーパ角度の総和ガス流量依存性を説明するための図である。

0009

以下、本発明の各種の実施例を図面に従い説明する。

0010

実施例1は、マイクロ波プラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法であって、トレンチパターンが形成されたマスクを用いて半導体基板にトレンチを形成する際に、HBrガスと、O2ガスと、O2ガスと異なる酸素含有ガスとの混合ガスを用いて半導体基板をエッチングするプラズマエッチング方法の実施例である。

0011

図1は、実施例1に係る、マイクロ波磁界を利用したマイクロ波プラズマエッチング装置の一構成例を示している。

0012

この装置では、エッチング処理室101にガス導入部105から多孔構造の例えば、石英からなるガス導入窓108を介してエッチングガスが供給される。また、マイクロ波発生器102で発振されたマイクロ波を整合器103及び導波管104を通し、マイクロ波導入窓106よりエッチング処理室101にマイクロ波を輸送して、ガス導入窓108から供給されたエッチングガスをプラズマ化してガスプラズマとする。本実施例において、このエッチングガスとして用いる混合ガスについては、後で詳述する。

0013

高効率放電のための磁場発生用のソレノイドコイル107を、エッチング処理室101の周辺に配置し、例えば、0.0875テスラの磁場を作り電子サイクロトロン共鳴を用いて高密度プラズマを発生させる。エッチング処理室101には試料台110があり、この上に被処理基板111を設置して、マイクロ波により生成されたガスプラズマによりエッチングする。被処理基板111を設置する試料台110には、例えば、400KHzの高周波電源112が接続され、試料台110に任意の設定で印加できる構造となっている。

0014

また、高周波電源112は、図示を省略したパルス発生器を備えており、時間変調された間欠的な高周波電力、あるいは、連続的な高周波電力を選択的に試料台110に印加することができる。試料台110表面には、静電吸着電源113より直流電圧を印加することにより静電吸着力が発生し、被処理基板111が静電チャックにより、試料台110に吸着される。

0015

また、試料台110の表面には溝が形成され、固定された被処理基板111裏面との間で形成される図示を省略した流路に、冷却ガス供給口114からHe、Ar、O2等の冷却ガスを供給し、流路内を所定圧力に維持できる構造となっている。被処理基板111の表面の温度上昇は、流路におけるガス伝熱と接触面からの熱伝導にて、試料台110表面へ熱伝達され、被処理基板の表面は一定温度に維持される。また、被処理基板111の温度上昇を抑制し安定制御するため、試料台110の内部に埋設された冷媒循環流路には、チラーユニット115により指定の温度に制御された冷媒循環される。

0016

被処理基板111の周囲には、セラミックスや石英製の図示を省略した絶縁カバーが配置されている。なお、エッチング処理室101に導入されたエッチングガスは、エッチング処理中、排気経路109を介して、図示を省略した排気ポンプ、及び排気配管によりエッチング処理室101の外に排気される。

0017

次に、実施例1におけるシリコン基板上に、例えば酸化膜、窒化膜等の無機マスク材パターニングされたパターンによるプラズマエッチング方法で用いるエッチングガスである混合ガスの具体的な実施例を説明する。ここでは、図1のマイクロ波プラズマエッチング装置を使用し、HBr,O2,CO2の混合ガスプラズマ主体としたプロセスによる一例を示す。

0018

図2A図2Dに、図1の被処理基板111の詳細構造と、エッチング後の状態を模式的に示す。図2Dは、実施例1に係る混合ガスを用いた被処理基板のエッチング後の形状を示す図であり、図2B図2Cは比較例の被処理基板のエッチング後の形状を示す図である。なお、各図において、左側に密パターン部を、右側に疎パターン部を示す。ここで、密パターンはとは、マスク材201で覆われたパターンであるラインの幅と、ライン間のスペースの幅が1:1未満、疎パターンとはラインの幅とスペースの幅が1:1以上のものを意味する。

0019

図2Aに示す通り、被処理基板111は、SiN膜などからなる無機マスク材201でマスク開口部203がパターニングされたシリコン基板202となっている。この被処理基板111を、図示を省略した搬送手段を用いて試料台110に載置した後、HBr、O2をそれぞれ、150、5ml/minの流量に調整してエッチング処理室101に供給し、処理圧力を、図示を省略した調整バルブにて0.8Paに調整する。

0020

その後、マイクロ波出力1000Wを印加することによりプラズマを発生させ、試料台110にバイアス出力200Wでパルス変調された間欠的な高周波電力を印加することにより、図2Bに示すようにマスク開口部203よりシリコンエッチングが進行する。

0021

ここで、HBr、O2をそれぞれ、150、5ml/minの流量に調整したエッチングガスを用いた場合、図2Bに示すように、疎パターンではテーパ角度は80度以下の結果が得られたが、スペースの幅が0.5um以下の密パターンではテーパ角度80度を僅かに超える結果となった。また、図2Bに示すように、密パターンではサブトレンチの無い形状が得られたが、逆に疎パターンではサブトレンチの発生が見られた。

0022

更に、テーパ角度とサブトレンチ抑制の疎密パターン差改善を目的に、上記のエッチングガスにデポ性を持った添加ガスであるAr+CH4の添加による形状評価を実施した。すなわち、HBr、O2をそれぞれ、200、5ml/minに対して、前述の添加ガスを50ml/min添加してエッチングした結果、図2Cに示す通り、テーパ角度は密パターンで76度、疎パターンは74度で80度以下のテーパ形状を得ることができた。しかし、サブトレンチは疎密パターン共に増大した。

0023

次に、図3A図3Bを用いて、本実施例に係る混合ガスを用いたプラズマエッチング方法の処理の一例を説明する。図3Aはトレンチテーパ角度に対する添加ガス流量の依存性を示す図である。同図に明らかなように、トレンチテーパ角度が鉛直(90度)に近ければ、サブトレンチは見られないが、トレンチテーパ角度が85度以下になるとサブトレンチが発生しやすくなることを示している。もちろん、この現象エッチングレシピや、疎密パターンなどの被エッチング材となるウエハ上に形成されたパターン依存性もあるが、ここでの詳細説明割愛する。

0024

このようなトレンチテーパ角度が85度以下という極度のトレンチテーパ角度を持った形状に対しては、その角度制御性と底部サブトレンチの発生有無がトレードオフの関係となり、これらの性能を両立させることが困難である。しかしながら、種々の検討の結果、これを両立する手段として、エッチング中に供給される反応生成物のバランスを整えること、すなわち、過度生成物の供給の抑制と安定的な生成物の供給が可能な最適な添加ガス、並びに、それらの添加ガスが複数の場合にはその混合比率等を調整することが有効であることが明らかとなった。

0025

図3Bを用いて、サブトレンチの発生を抑え、かつテーパ角度制御が実現可能な手段として、HBrガスを主体として、第一の混合ガスであるO2ガスに加えて、第二の混合ガスとしてCO2ガスを添加した場合について、ガス比率と得られる加工形状との関係を説明する。図3Bに明らかなように、O2ガスとCO2ガスの添加比率に対するサブトレンチの発生依存性を評価した結果、O2:100%では底部へのデポジションが強固となり、エッチストップが発生した。これはSiO2のエッチング抑制が起こるためにシリコンがエッチングされにくいことから発生した現象と判断できる。

0026

逆に、O2と同一流量でCO2:100%に置き換えた場合には、エッチストップは見られなかったが、サブトレンチが発生した。これはO2単独条件においても、HBr流量やウエハに印加するバイアスパワー等のレシピにも見られる現象であることから、これらのガスを混合して使用する場合の最適領域見出すことが必要であることが明らかである。なお、O2単独や、CO2単独の添加では、形状制御性とサブトレンチ抑制に対してトレードオフの関係を解決することが出来なかった。

0027

図3Bに見るように、O2:CO2比を55%:45%とした場合、サブトレンチはやや無くなり、改善傾向であったが、完全に抑制するには至らなかった。更に、O2:CO2比を25%:75%とした場合、図2Dに示す通り、サブトレンチは見られず、テーパ角度も所望の結果が得られた。また、O2:CO2比が40%:60%とした場合も同様に良好な結果が得られた。このことからO2ガスとCO2ガスの添加比率は、CO2ガスがO2ガスの流量より多いこと、更には、O2ガスに対するCO2ガスの混合比率が60%以上、75%以下の範囲が好ましいことが明らかとなった。

0028

次に、図4を用いて、本実施例において、前述の第一の混合ガスであるO2ガスと第二の混合ガスであるCO2ガスの総流量について、主体とするHBrガスとの総和流量依存性について検討した結果を説明する。

0029

HBrガスの流量は300、400、480ml/minで比較した。その結果、図4に示す通り、HBr:400ml/minの場合には、混合ガスの総流量比は2%、HBr:480ml/minの場合には、混合ガスの総流量比は4%において、サブトレンチが無く、所望のテーパ角度を得ることができた。また、5%以上の流量比ではエッチストップが見られた。このことから、HBrガスに対するO2ガスやCO2ガスなどの第一および第二の混合ガスとして用いるガスの流量比率は、総ガス流量の5%未満の範囲が好ましいことが明らかとなった。

0030

上述した実施例1では、第一、第二の混合ガスとしてO2ガスやCO2ガスを添加することで説明したが、添加する絶対流量が少ない場合は、その制御性添加流量マージンが小さくなる可能性がありうる。そのため、実施例2としては、例えばHBrのような主体とするエッチングガスと、第一、第二の添加ガスとして、あらかじめArやHeで希釈された酸素含有ガス、例えば、Ar+O2ガスや、He+O2ガスを用いることで、実施例1と同様の効果が得られと共に、ガス流量制御性やマージンが大きくなるという効果が得られた。

0031

更に、実施例2と同様に、実施例3としては第一、第二の添加ガスに加えて、第三のガスとして例えば、Ar、He、Xe、Kr、N2等の不活性ガスを混合することにより、添加ガス流量比を変えることができ、実施例1と同様の効果が得られた。ただし、この場合の混合比、総流量はそれぞれの最適化が必要である。

0032

以上、本発明の実施例として実施例1〜3を説明したが、上述した実施例1〜3において、添加ガス混合比率のみならず、複数のパラメータを独立して可変させることで所望のエッチング性能を維持する手段を適用することでも同様の効果を達成することができる。例えば、実施例1と同様に、ある一定時間でパラメータを変化させて複数のエッチングステップによる切り替えステップで構成されるエッチングステップにおいて、処理圧力や間欠制御を含むRFバイアスパワーを各ステップ内で上昇もしくは、下降制御することにより同様の効果を得ることができる。

0033

また、上述の通り、複数のパラメータを独立制御することにより、加工形状制御やサブトレンチ抑制とは個別に無機系マスク材との選択性も高く得られるため、量産安定性に優れたエッチング特性を有したプラズマエッチングが達成できる。また、複数のエッチングステップを組み合わせることにより、底部サブトレンチや鋭角部が無い形状を最適化することもできるという利点もある。

0034

ここで説明したエッチング方法は、図1に示したマイクロ波プラズマエッチング装置で使用される代表的なエッチング方法である。また、ここで示されるプロセス条件は、本実施例の構成において適正化された条件であり、ヘリコン波エッチング装置誘導結合型エッチング装置、容量結合型エッチング装置、有磁場RIE装置など他のエッチング装置とは、個々のプロセスパラメータ最適値においては、多少異なるものである。

0035

しかし、シャロートレンチエッチングにおけるエッチング形状の制御方法および底部形状の制御については、この装置に限定して使用されるものではなく、他のエッチング装置にも適用することが可能である。また、エッチングプロセスに携わるものであれば、ここに提示したプロセス条件を基に、上述の他の装置を最適条件に調整し、順応させることができる。また、ここで説明した実施例では、HBr、O2、CO2の混合ガスによるシリコンエッチングを事例としたが、混合ガス中のO2ガスに代えCl2ガスを用いたり、O2ガスと異なる酸素含有ガスとしてのCO2ガスに代え、SO2ガスやNO2ガスを用いた場合においても同様のエッチング方法で同様の効果を達成する事が可能である。更に、本発明はシリコントレンチゲートや、ポリシリコン系のゲート膜構造等のエッチングにおいても順応させることが出来るものである。

実施例

0036

以上説明した通り、本発明の各種の実施例によれば、サブトレンチが無く、所望のトレンチテーパ角度を形成することが可能で、かつ無機系マスク材との選択性も高く得られるため、量産安定性に優れた安定したエッチング特性を有したエッチング方法を提供することができる。

0037

101エッチング処理室
102マイクロ波発生器
103整合器
104導波管
105ガス導入部
106マイクロ波導入窓
107ソレノイドコイル
108 ガス導入窓
109排気経路
110試料台
111被処理基板
112高周波電源
113静電吸着電源
114冷却ガス供給口
115チラーユニット
201マスク材
202 被処理基板
203マスク開口部
204エッチング加工形状

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

該当するデータがありません

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い技術

関連性が強い 技術一覧

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

該当するデータがありません

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ