JP2001526462A - シリコンに高アスペクト比のトレンチを形成するための新規なエッチング方法 - Google Patents
シリコンに高アスペクト比のトレンチを形成するための新規なエッチング方法Info
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- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
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Abstract
(57)【要約】
酸化シリコンおよび/または窒化シリコンのハードマスクを有するシリコンに高アスペクト比のトレンチを形成するための複数のステップからなるエッチングプロセスに関する。第1のステップでは、HBrと酸素からなるエッチング組成が用いられ、トレンチの側壁上にパッシベーション層を堆積し、僅かにテーパ状になった開口を発生する。第2のステップでは、SF6、HBrおよび酸素などのフッ素含有ガスが用いられて、高アスペクト比のより垂直な開口を発生する。第2のステップ中、開口のテーパ形状は、用いるHBrもしくはSF6の相対量を調整することによって制御できる。このプロセスにより、エッチングステップ毎にエッチングチャンバの洗浄を行う必要がないクリーンなプロセスとなる。
Description
【0001】 本発明は、1997年6月2日出願の米国特許出願第08/867,229号
の一部継続出願である。
の一部継続出願である。
【0002】 本発明は、シリコンに高アスペクト比の開口をエッチングするための新規なエ
ッチングプロセスに関する。より詳細には、本発明は、シリコンに非常に直径が
小さい、すなわち0.25ミクロンよりも小さい直径を有する開口をエッチング
するための新規なエッチングプロセスに関する。
ッチングプロセスに関する。より詳細には、本発明は、シリコンに非常に直径が
小さい、すなわち0.25ミクロンよりも小さい直径を有する開口をエッチング
するための新規なエッチングプロセスに関する。
【0003】 (発明の背景) 半導体産業のデバイスがさらに小型化され、より接近させて実装される傾向に
伴い、このようなデバイスの形成プロセスを開発する必要がある。DRAMなど
のデバイスを形成するために、高アスペクト比の直線的な壁をもつトレンチがシ
リコンに形成される必要があり、このトレンチ内部に1以上の絶縁層が充填され
てコンデンサを形成する。トレンチはボイドを発生しないように完全に充填しな
ければならない。
伴い、このようなデバイスの形成プロセスを開発する必要がある。DRAMなど
のデバイスを形成するために、高アスペクト比の直線的な壁をもつトレンチがシ
リコンに形成される必要があり、このトレンチ内部に1以上の絶縁層が充填され
てコンデンサを形成する。トレンチはボイドを発生しないように完全に充填しな
ければならない。
【0004】 256MBのデバイスを作るには、シリコンに約0.25〜0.3ミクロンの
直径を有し少なくとも8ミクロンの深さの開口がエッチングされなければならな
い。HBrと酸素などの従来のエッチャントの組成を用いてこのようなデバイス
を形成することは可能であるが、このエッチャントの組成を用いることには制限
がある。エッチングを続けていると、エッチング速度が低下するのである。さら
に、このエッチャントの組成はトレンチの側壁上にパッシベーション層を堆積す
るが、パッシベーション層は基板の上面、さらには処理チャンバの壁や固定治具
にまで堆積する。チャンバ内の温度などの条件が変化すると、このような堆積物
は剥げ落ち、チャンバ内に粒子を形成する。粒子がチャンバ内において処理され
ている基板上に落ちるため、このような粒子の発生は非常に望ましくないことか
ら、一般的にエッチング基板が処理された後にチャンバを頻繁に洗浄しなければ
ならなくなる。このようにして頻繁に洗浄を行わなければならないと、一枚の基
板処理のスループットが低下し、これらの半導体デバイスの製造コストが上がる
ことになる。
直径を有し少なくとも8ミクロンの深さの開口がエッチングされなければならな
い。HBrと酸素などの従来のエッチャントの組成を用いてこのようなデバイス
を形成することは可能であるが、このエッチャントの組成を用いることには制限
がある。エッチングを続けていると、エッチング速度が低下するのである。さら
に、このエッチャントの組成はトレンチの側壁上にパッシベーション層を堆積す
るが、パッシベーション層は基板の上面、さらには処理チャンバの壁や固定治具
にまで堆積する。チャンバ内の温度などの条件が変化すると、このような堆積物
は剥げ落ち、チャンバ内に粒子を形成する。粒子がチャンバ内において処理され
ている基板上に落ちるため、このような粒子の発生は非常に望ましくないことか
ら、一般的にエッチング基板が処理された後にチャンバを頻繁に洗浄しなければ
ならなくなる。このようにして頻繁に洗浄を行わなければならないと、一枚の基
板処理のスループットが低下し、これらの半導体デバイスの製造コストが上がる
ことになる。
【0005】 シリコン含有材料に対してさまざまなハロゲン含有エッチャントが周知である
が、シリコンに直線的な壁を有する直径が小さく深い開口を形成するには、これ
ら全てにエッチャントとしては不充分なさまざまな特性がある。エッチャントの
なかには、異方性ではなく等方性でエッチングを行うもの、トレンチの側壁上に
ポリマー含有材料を堆積し、トレンチを滑らかに充填できない状態にするもの、
適切に充填することができない湾曲もしくは形状をもった側壁を作りだすもの、
エッチング速度が低いもの、さらには基板にダメージを与えたり汚染の原因にも
なる高チャンバ電力が必要であるものもある。マイクロローディングも問題とな
る。エッチャントのさまざまな組み合わせも試みたが、パターン化されたマスク
に対して高い選択性を有し、シリコンに丸い底部を有する高アスペクト比の直線
的な壁の開口をエッチングし、さらにマイクロローディングを最小に抑え、エッ
チング速度が高い状態でシリコン含有材料をエッチングするエッチャントを得る
点から考えると、これらは全て不充分である。
が、シリコンに直線的な壁を有する直径が小さく深い開口を形成するには、これ
ら全てにエッチャントとしては不充分なさまざまな特性がある。エッチャントの
なかには、異方性ではなく等方性でエッチングを行うもの、トレンチの側壁上に
ポリマー含有材料を堆積し、トレンチを滑らかに充填できない状態にするもの、
適切に充填することができない湾曲もしくは形状をもった側壁を作りだすもの、
エッチング速度が低いもの、さらには基板にダメージを与えたり汚染の原因にも
なる高チャンバ電力が必要であるものもある。マイクロローディングも問題とな
る。エッチャントのさまざまな組み合わせも試みたが、パターン化されたマスク
に対して高い選択性を有し、シリコンに丸い底部を有する高アスペクト比の直線
的な壁の開口をエッチングし、さらにマイクロローディングを最小に抑え、エッ
チング速度が高い状態でシリコン含有材料をエッチングするエッチャントを得る
点から考えると、これらは全て不充分である。
【0006】 シリコンに対する従来のエッチャントの組成は、臭化水素(HBr)および酸
素(O2)からなる。このエッチャントの組成はトレンチ側壁上にパッシベーシ ョン層を形成することから、少しテーパ状になったトレンチを形成する。少量の
フッ素含有ガスを添加すると、エッチングされたトレンチの底部からパッシベー
ション層が除去されて、より深いトレンチが形成できる。しかしながら、パッシ
ベーション材料はエッチングチャンバやその部品上にも堆積してしまい、ウェー
ハを粒子で汚染するため、チャンバを一般にはウェーハ毎に頻繁に洗浄しなけれ
ばならなくなる。さらに、このエッチャントの組成を用いると、エッチングする
シリコンと一般に用いられる酸化シリコンハードマスクとの間の選択性が比較的
低くなるため、エッチング中深刻なハードマスクの侵食につながる。このエッチ
ングプロセスでは、チャンバに対して高密度プラズマおよび高電力を伝達する必
要もある。
素(O2)からなる。このエッチャントの組成はトレンチ側壁上にパッシベーシ ョン層を形成することから、少しテーパ状になったトレンチを形成する。少量の
フッ素含有ガスを添加すると、エッチングされたトレンチの底部からパッシベー
ション層が除去されて、より深いトレンチが形成できる。しかしながら、パッシ
ベーション材料はエッチングチャンバやその部品上にも堆積してしまい、ウェー
ハを粒子で汚染するため、チャンバを一般にはウェーハ毎に頻繁に洗浄しなけれ
ばならなくなる。さらに、このエッチャントの組成を用いると、エッチングする
シリコンと一般に用いられる酸化シリコンハードマスクとの間の選択性が比較的
低くなるため、エッチング中深刻なハードマスクの侵食につながる。このエッチ
ングプロセスでは、チャンバに対して高密度プラズマおよび高電力を伝達する必
要もある。
【0007】 1997年6月2日に出願された米国特許出願第08/867,229号は、
本願の一部継続出願であって、この先行出願には、六フッ化シリコン(SF6) などのフッ素含有ガスと、HBrおよびO2からなるシリコン用の改良形エッチ ャント組成が発見されている。このエッチング組成は、1分間に0.8〜0.3
ミクロンの高いエッチング速度で、特にポリシコンや結晶シリコンなどのシリコ
ン含有材料をエッチングする。このエッチャント組成も異方性のものであり、シ
リコンに丸い底部を有し、高アスペクト比で直線的な壁の開口を形成する。
本願の一部継続出願であって、この先行出願には、六フッ化シリコン(SF6) などのフッ素含有ガスと、HBrおよびO2からなるシリコン用の改良形エッチ ャント組成が発見されている。このエッチング組成は、1分間に0.8〜0.3
ミクロンの高いエッチング速度で、特にポリシコンや結晶シリコンなどのシリコ
ン含有材料をエッチングする。このエッチャント組成も異方性のものであり、シ
リコンに丸い底部を有し、高アスペクト比で直線的な壁の開口を形成する。
【0008】 しかしながら、このエッチャント組成は、シリコンに高アスペクト比の開口を
形成したい場合、完全に満足のいく結果を生じさせるものではない。
形成したい場合、完全に満足のいく結果を生じさせるものではない。
【0009】 さらに、このエッチャントは、窒化シリコン層上に酸化シリコン層を設けた二
層からなるハードマスクが用いられる場合、完全に満足のいく結果を生じさせる
ものではない。図1Aにはこの問題が示されている。HBr、O2およびSF6の
エッチャント組成を用いることにより、マスクの窒化シリコン部分がエッチング
中に侵食し、窒化シリコンのエッチングされた開口の直径が拡大され、酸化シリ
コン層と窒化シリコン層の間の界面に段が形成されていることが明らかである。
層からなるハードマスクが用いられる場合、完全に満足のいく結果を生じさせる
ものではない。図1Aにはこの問題が示されている。HBr、O2およびSF6の
エッチャント組成を用いることにより、マスクの窒化シリコン部分がエッチング
中に侵食し、窒化シリコンのエッチングされた開口の直径が拡大され、酸化シリ
コン層と窒化シリコン層の間の界面に段が形成されていることが明らかである。
【0010】 さらに、シリコンの非常に直径が小さい開口を適切に充填するために、底部を
丸状にしたまま開口の上部の幅と開口の底部の幅を少なくとも同じになるように
形状させた開口が望まれる。さらに、基板表面に対して実質的に垂直な開口が望
まれる。
丸状にしたまま開口の上部の幅と開口の底部の幅を少なくとも同じになるように
形状させた開口が望まれる。さらに、基板表面に対して実質的に垂直な開口が望
まれる。
【0011】 したがって、1以上のハードマスク層を介して滑らかなテーパ状の開口を設け
、シリコン基板表面に垂直な方向に直線的な壁を有する開口を設け、非常に小さ
な、例えば、0.25ミクロン直径よりも小さな開口を高アスペクト比のシリコ
ンにエッチングすることができ、可変の側壁テーパ部を設けることができ、さら
に処理すべき各基板の間にエッチングチャンバを洗浄する必要がない洗浄プロセ
スを提供することができるエッチングプロセスが求められる。
、シリコン基板表面に垂直な方向に直線的な壁を有する開口を設け、非常に小さ
な、例えば、0.25ミクロン直径よりも小さな開口を高アスペクト比のシリコ
ンにエッチングすることができ、可変の側壁テーパ部を設けることができ、さら
に処理すべき各基板の間にエッチングチャンバを洗浄する必要がない洗浄プロセ
スを提供することができるエッチングプロセスが求められる。
【0012】 (発明の要約) 我々は、第1のエッチングステップにおいてHBrとO2のエッチャント組成 を用いた後に、第2のエッチングステップにおいてフッ素含有ガス、HBrおよ
びO2を用いる連続マルチステップエッチングにより、高エッチング速度でシリ コンに直径が小さく、深く、さらに壁が直線的な開口が形成されることを発見し
た。
びO2を用いる連続マルチステップエッチングにより、高エッチング速度でシリ コンに直径が小さく、深く、さらに壁が直線的な開口が形成されることを発見し
た。
【0013】 第1のエッチングステップでは、ハードマスクを保護し、開口の上部の形状が
所望の僅かにテーパ状のものになるように維持しながら側壁にパッシベーション
を設け、一方で第2のステップでは、高エッチング速度で異方性エッチングが得
られる。パッシベーション材料は、第2のエッチングステップ中に、側壁、基板
およびチャンバから除去され、各処理されるウェーハ間でエッチングチャンバを
洗浄する必要がない洗浄方法を生み出し、さらにスループットを向上させる。
所望の僅かにテーパ状のものになるように維持しながら側壁にパッシベーション
を設け、一方で第2のステップでは、高エッチング速度で異方性エッチングが得
られる。パッシベーション材料は、第2のエッチングステップ中に、側壁、基板
およびチャンバから除去され、各処理されるウェーハ間でエッチングチャンバを
洗浄する必要がない洗浄方法を生み出し、さらにスループットを向上させる。
【0014】 (好適な実施形態の詳細な説明) 本発明のエッチングプロセスは、図2に示すようなプラズマリアクタで実行さ
れることが適切である。このチャンバは、非結合プラズマ源チャンバとして公知
のものである。図2を参照すると、誘導結合RFプラズマリアクタには、接地さ
れた導電性の筒状側壁10と、ドーム形状など、ある形状を備えた絶縁性の天井
部12を有するリアクタチャンバ1が含まれている。リアクタ1には、チャンバ
1の中央に半導体ウェーハ16を支持するためのウェーハ台14が含まれている
。筒状の誘電コイル18は、ウェーハまたはウェーハの台14の上面近くから始
まり、そこからチャンバの上面の方向へと上方に延びて、チャンバの上側部分を
取り囲む。
れることが適切である。このチャンバは、非結合プラズマ源チャンバとして公知
のものである。図2を参照すると、誘導結合RFプラズマリアクタには、接地さ
れた導電性の筒状側壁10と、ドーム形状など、ある形状を備えた絶縁性の天井
部12を有するリアクタチャンバ1が含まれている。リアクタ1には、チャンバ
1の中央に半導体ウェーハ16を支持するためのウェーハ台14が含まれている
。筒状の誘電コイル18は、ウェーハまたはウェーハの台14の上面近くから始
まり、そこからチャンバの上面の方向へと上方に延びて、チャンバの上側部分を
取り囲む。
【0015】 チャンバ内部に処理ガスを処理ガス供給源22およびガス入口24が供給し、
このガス入口はチャンバの周りに間隔をとって複数設けてもよく、さらにチャン
バの圧力をポンプ26が制御する。
このガス入口はチャンバの周りに間隔をとって複数設けてもよく、さらにチャン
バの圧力をポンプ26が制御する。
【0016】 誘導コイル18は、従来のアクティブRF整合ネットワーク30を介してプラ
ズマ源電源もしくはRF発生器28によって付勢され、このコイル誘電子18の
巻線部の上部は「熱く」、巻線部の底部は接地される。ウェーハ台14は、バイ
アスRF電源もしくは発生器34に結合された内部導電部分32と、外部の接地
させた導電体36(内部の導電部分32とは絶縁されている)を含む。コイル誘
電子18の周りを導電性の接地されたRFシールド20が取り囲む。
ズマ源電源もしくはRF発生器28によって付勢され、このコイル誘電子18の
巻線部の上部は「熱く」、巻線部の底部は接地される。ウェーハ台14は、バイ
アスRF電源もしくは発生器34に結合された内部導電部分32と、外部の接地
させた導電体36(内部の導電部分32とは絶縁されている)を含む。コイル誘
電子18の周りを導電性の接地されたRFシールド20が取り囲む。
【0017】 チャンバ1の1つの態様によれば、複数半径を有するドーム形状などのように
チャンバ1の天井部12を形状付け、天井部12の複数の半径のそれぞれを個別
に決定もしくは調整することによって、ウェーハ全体のプラズマ密度の空間分布
がさらに均一になる。図2の実施形態に示す複数半径を有するドーム形状は、ド
ームの中央部分の周りのドーム天井部12の曲率を少し平坦化したものであり、
ドーム12の周辺部分の曲率はそれに比べて急勾配である 処理中、処理ガスがチャンバ1内に入り、電源が入ると、チャンバ1内には高
密度のプラズマが形成される。誘導コイルRF電源28からのチャンバ1への電
力は、約3,000ワットまでのものが適切である。コイルへのRF源は、12
.56MHz電源のものが適切である。基板支持体14へのバイアス電力は、1
,000ワットまで変化するものであってよく、良好なエッチング速度が得られ
る。バイアス周波数は、約400kHzから約13.56MHzの間で変化する
ものであってよいが、約400kHzのものが好ましい。これにより、外形の制
御が向上する。しかしながら、上述した周波数は、説明を目的として挙げたのみ
であって、異なる周波数も使用可能である。50kHzまで低い周波数や13.
56MHzまで高い周波数、さらにそれらの倍数の周波数も使用可能である。
チャンバ1の天井部12を形状付け、天井部12の複数の半径のそれぞれを個別
に決定もしくは調整することによって、ウェーハ全体のプラズマ密度の空間分布
がさらに均一になる。図2の実施形態に示す複数半径を有するドーム形状は、ド
ームの中央部分の周りのドーム天井部12の曲率を少し平坦化したものであり、
ドーム12の周辺部分の曲率はそれに比べて急勾配である 処理中、処理ガスがチャンバ1内に入り、電源が入ると、チャンバ1内には高
密度のプラズマが形成される。誘導コイルRF電源28からのチャンバ1への電
力は、約3,000ワットまでのものが適切である。コイルへのRF源は、12
.56MHz電源のものが適切である。基板支持体14へのバイアス電力は、1
,000ワットまで変化するものであってよく、良好なエッチング速度が得られ
る。バイアス周波数は、約400kHzから約13.56MHzの間で変化する
ものであってよいが、約400kHzのものが好ましい。これにより、外形の制
御が向上する。しかしながら、上述した周波数は、説明を目的として挙げたのみ
であって、異なる周波数も使用可能である。50kHzまで低い周波数や13.
56MHzまで高い周波数、さらにそれらの倍数の周波数も使用可能である。
【0018】 エッチング中は、圧力が重要な要素となる。すなわち、一般にエッチング速度
は圧力をかけると増大するが、最大値に達すると、エッチング速度は最大レベル
を超えた圧力で下がる。圧力が高すぎると、エッチングはさらに等方性のものに
なる。第1のエッチングステップは、約10〜150ミリトルの間の圧力で実行
されるものであってよい。第2のエッチングステップは、約1〜100ミリトル
の間の圧力で実行されるものであってよいが、約10〜60ミリトルの圧力を用
いることが好ましい。図3は、第2のエッチングステップ中に圧力を変化させて
形成された開口を示している。圧力が増大すると、エッチング速度も増大する。
は圧力をかけると増大するが、最大値に達すると、エッチング速度は最大レベル
を超えた圧力で下がる。圧力が高すぎると、エッチングはさらに等方性のものに
なる。第1のエッチングステップは、約10〜150ミリトルの間の圧力で実行
されるものであってよい。第2のエッチングステップは、約1〜100ミリトル
の間の圧力で実行されるものであってよいが、約10〜60ミリトルの圧力を用
いることが好ましい。図3は、第2のエッチングステップ中に圧力を変化させて
形成された開口を示している。圧力が増大すると、エッチング速度も増大する。
【0019】 上述したようなプラズマリアクタを用いて、第1のエッチングステップ中に誘
電コイル電源からチャンバへの電力は、約500〜3,000ワットのものであ
ってよい。第2のエッチングステップ中は、電力は約400〜約1,600ワッ
トのものが適切である。基板支持体へのバイアス電力は、約5〜300ワットの
間で変化するものであってよく、これによって良好なエッチング速度が得られる
。第1のエッチングステップ中、誘電コイルと基板支持体の両方に印加される電
力は、一般に、第2のエッチングステップ中のものよりも高いものである。上述
したチャンバの利点の1つは、チャンバへ供給するエネルギーと基板支持体へ供
給するエネルギーを個別に制御できる点である。
電コイル電源からチャンバへの電力は、約500〜3,000ワットのものであ
ってよい。第2のエッチングステップ中は、電力は約400〜約1,600ワッ
トのものが適切である。基板支持体へのバイアス電力は、約5〜300ワットの
間で変化するものであってよく、これによって良好なエッチング速度が得られる
。第1のエッチングステップ中、誘電コイルと基板支持体の両方に印加される電
力は、一般に、第2のエッチングステップ中のものよりも高いものである。上述
したチャンバの利点の1つは、チャンバへ供給するエネルギーと基板支持体へ供
給するエネルギーを個別に制御できる点である。
【0020】 エッチャント組成原料が、HBrは約10sccm〜300sccmのガス流
量で、さらに酸素は約1sccm〜30sccmのガス流量で一般にチャンバ内
に流入する。酸素は、添加されるHBrの約10〜25体積パーセントの量に、
酸素を体積割合で約30%含むヘリウムなどのヘリウムと酸素の混合物として添
加される。この混合物を以下、HeO2と称する。ヘリウムを添加することで酸 素が希釈され、チャンバへの酸素の流量が制御しやすくなる。約10〜20秒間
の短い間、HBrのみを用いて予備エッチングを行って、エッチングされるシリ
コン表面上に自然酸化物があればそれを除去することもできる。
量で、さらに酸素は約1sccm〜30sccmのガス流量で一般にチャンバ内
に流入する。酸素は、添加されるHBrの約10〜25体積パーセントの量に、
酸素を体積割合で約30%含むヘリウムなどのヘリウムと酸素の混合物として添
加される。この混合物を以下、HeO2と称する。ヘリウムを添加することで酸 素が希釈され、チャンバへの酸素の流量が制御しやすくなる。約10〜20秒間
の短い間、HBrのみを用いて予備エッチングを行って、エッチングされるシリ
コン表面上に自然酸化物があればそれを除去することもできる。
【0021】 第1の主要なエッチングステップでは、HBrと酸素からなる混合物を用いて
もよい。必要であれば、NF3、SF6、SiF4、Si2F6などのフッ素含有ガ スの、例えば約20sccmまでのように少量のガスをエッチャントガスに添加
してもよい。第1の主要なエッチャントは異方性のものであるが、開口の側壁に
パッシベーション層を堆積する。したがって、このステップは一般に、高アスペ
クト比の深いトレンチでは85〜89°、そして浅いトレンチでは80〜89°
の僅かにテーパ状になった側壁を発生させる。これは、トレンチが充填されると
きに利点となる。第1の主要なエッチングステップが、エッチングされた開口の
側壁と上部にパッシベーション材料を堆積させるので、この材料は、必要であれ
ば、希釈された水性HFを用いてウェットエッチングにより除去することが可能
である。
もよい。必要であれば、NF3、SF6、SiF4、Si2F6などのフッ素含有ガ スの、例えば約20sccmまでのように少量のガスをエッチャントガスに添加
してもよい。第1の主要なエッチャントは異方性のものであるが、開口の側壁に
パッシベーション層を堆積する。したがって、このステップは一般に、高アスペ
クト比の深いトレンチでは85〜89°、そして浅いトレンチでは80〜89°
の僅かにテーパ状になった側壁を発生させる。これは、トレンチが充填されると
きに利点となる。第1の主要なエッチングステップが、エッチングされた開口の
側壁と上部にパッシベーション材料を堆積させるので、この材料は、必要であれ
ば、希釈された水性HFを用いてウェットエッチングにより除去することが可能
である。
【0022】 第2の主要なエッチングステップでは、SiF4、Si2F6、NF3もしくは、
好ましくは、SF6などのフッ素含有ガスの混合物を、酸素原料と共に用いても よい。このエッチングは異方性のもので、テーパ角が88°を超える非常に直線
的な垂直の側壁を形成する。したがって、連続して両方のエッチングステップを
用いることによって、シリコンの高いエッチング速度が達成され、所望の外形角
度を制御でき、さらに窒化シリコンのハードマスクの侵食を防ぐことができる。
トレンチが、トレンチの底部がトレンチの上部よりも幅が広いものであるような
形状であれば、HBrおよびフッ素含有ガスの比率を調整することによって、フ
ッ素含有ガスによりパッシベーション層が除去され、エッチングがより等方性の
ものになる。エッチャントを両方用いることで、底部が丸いトレンチ開口が得ら
れる。エッチャント原料の比率はさまざまなものが用いられ得るが、第2のエッ
チングステップで用いる好適なエッチャント混合物は、SF6:HBR:O2の体
積比率が1:2:0.85のものが用いられる。しかしながら、反応チャンバ、
用いる反応条件や所望の開口形状によっては、他の比率を用いることもある。
好ましくは、SF6などのフッ素含有ガスの混合物を、酸素原料と共に用いても よい。このエッチングは異方性のもので、テーパ角が88°を超える非常に直線
的な垂直の側壁を形成する。したがって、連続して両方のエッチングステップを
用いることによって、シリコンの高いエッチング速度が達成され、所望の外形角
度を制御でき、さらに窒化シリコンのハードマスクの侵食を防ぐことができる。
トレンチが、トレンチの底部がトレンチの上部よりも幅が広いものであるような
形状であれば、HBrおよびフッ素含有ガスの比率を調整することによって、フ
ッ素含有ガスによりパッシベーション層が除去され、エッチングがより等方性の
ものになる。エッチャントを両方用いることで、底部が丸いトレンチ開口が得ら
れる。エッチャント原料の比率はさまざまなものが用いられ得るが、第2のエッ
チングステップで用いる好適なエッチャント混合物は、SF6:HBR:O2の体
積比率が1:2:0.85のものが用いられる。しかしながら、反応チャンバ、
用いる反応条件や所望の開口形状によっては、他の比率を用いることもある。
【0023】 「ラグ効果」として知られる現象が従来のエッチング中には生じており、これ
は、より深い開口をエッチングするには長い時間を要するという意味をもつもの
である。本発明の2つのステップを連続して行うエッチングプロセスと装置を用
いることによって、この効果は減少し、開口が高アスペクト比で直径が小さいも
のであっても、全体的なエッチング速度が従来のプロセスよりも高くなる。
は、より深い開口をエッチングするには長い時間を要するという意味をもつもの
である。本発明の2つのステップを連続して行うエッチングプロセスと装置を用
いることによって、この効果は減少し、開口が高アスペクト比で直径が小さいも
のであっても、全体的なエッチング速度が従来のプロセスよりも高くなる。
【0024】 第2のエッチングステップ中の低いバイアス周波数の効果を、図4に示す。図
4は、第2のステップのプロセスによりエッチングされた一連の開口を示すもの
であり、A)基板の中央部、B)基板の中央部と縁部との間の中間部、C)基板
の縁から10mm、およびD)基板の縁から5mm、の場所のものである。基板
支持体に、400kHzの周波数と13.56MHzの周波数を用いて比較を行
った。低い方の周波数では、基板に渡って側壁外形にほとんど変化は見られない
が、高い方の周波数では、側壁のテーパ部は基板の縁部近くのシリコン表面に対
してあまり垂直ではないことが分かる。したがって、基板の表面に対してより垂
直なエッチングされた開口を得るには、より低いバイアス周波数が用いられる必
要がある。
4は、第2のステップのプロセスによりエッチングされた一連の開口を示すもの
であり、A)基板の中央部、B)基板の中央部と縁部との間の中間部、C)基板
の縁から10mm、およびD)基板の縁から5mm、の場所のものである。基板
支持体に、400kHzの周波数と13.56MHzの周波数を用いて比較を行
った。低い方の周波数では、基板に渡って側壁外形にほとんど変化は見られない
が、高い方の周波数では、側壁のテーパ部は基板の縁部近くのシリコン表面に対
してあまり垂直ではないことが分かる。したがって、基板の表面に対してより垂
直なエッチングされた開口を得るには、より低いバイアス周波数が用いられる必
要がある。
【0025】 第1のエッチングステップ中、バイアス電力もテーパ角に影響を及ぼす。図5
は、40ミリトルの圧力と1,600ワットの電源電力を用いて、第1のエッチ
ングステップ中のテーパ角対ワットで示したバイアス電力のグラフである。バイ
アス電力が200ワットから500ワットに上げられると、テーパ角も85.7
°から88.9°に増大し、略垂直になる。したがって、第1のエッチングステ
ップのテーパ角は、バイアス電力を変化させることで制御することができる。
は、40ミリトルの圧力と1,600ワットの電源電力を用いて、第1のエッチ
ングステップ中のテーパ角対ワットで示したバイアス電力のグラフである。バイ
アス電力が200ワットから500ワットに上げられると、テーパ角も85.7
°から88.9°に増大し、略垂直になる。したがって、第1のエッチングステ
ップのテーパ角は、バイアス電力を変化させることで制御することができる。
【0026】 第1のエッチングステップ中にエッチング速度を制御するために、電源電力を
変化させることもある。図6は、40ミリトルの圧力と475ワットのバイアス
電力を用いて、第1のエッチングステップ中のエッチング速度対電源電力のグラ
フである。電源電力が約1,200ワットから2,500ワットに上げられると
、エッチング速度も大きくなる。第2のステップのエッチング中、電源電力が約
400ワットのように低すぎると、トレンチの側壁は粗くなり、エッチング速度
は低くなる。このステップ中、約1,000ワットの電源電力が維持されれば良
好な結果が得られる。
変化させることもある。図6は、40ミリトルの圧力と475ワットのバイアス
電力を用いて、第1のエッチングステップ中のエッチング速度対電源電力のグラ
フである。電源電力が約1,200ワットから2,500ワットに上げられると
、エッチング速度も大きくなる。第2のステップのエッチング中、電源電力が約
400ワットのように低すぎると、トレンチの側壁は粗くなり、エッチング速度
は低くなる。このステップ中、約1,000ワットの電源電力が維持されれば良
好な結果が得られる。
【0027】 第2のエッチングステップ中では、バイアス電力の効果は少し異なる。30ミ
リトルの圧力と1,000ワットの電源電力を用いて、第2のエッチングステッ
プ中に、20ワットから200ワットにバイアス電力が変化すると、図7に示す
ように、酸化物マスクが高速でエッチングする。
リトルの圧力と1,000ワットの電源電力を用いて、第2のエッチングステッ
プ中に、20ワットから200ワットにバイアス電力が変化すると、図7に示す
ように、酸化物マスクが高速でエッチングする。
【0028】 本発明は、以下の例および制御においてさらに記載されるが、本発明はここに
記載する詳細により限定されるべきものではない。制御1 7,000Åの酸化シリコンと2,200Åの窒化シリコンを組み合わせたハ
ードマスクを用いて、40ミリトルの圧力で図2による装置において、160s
ccmのHBrと、酸素と酸素を約30%含んだヘリウム(以下、HeO2)の 30sccmの混合物を用いて、シリコン内にエッチングを施した。コイルへの
電力は1,600ワットに設定し、基板支持体への電力は300ワットに設定し
た。図8は、これにより生じた上面がテーパ状になっているエッチングされたト
レンチを示している。実施例1 以下の条件下で、図2の装置を用いて2つのステップからなるエッチングをシ
リコン内で実行した。
記載する詳細により限定されるべきものではない。制御1 7,000Åの酸化シリコンと2,200Åの窒化シリコンを組み合わせたハ
ードマスクを用いて、40ミリトルの圧力で図2による装置において、160s
ccmのHBrと、酸素と酸素を約30%含んだヘリウム(以下、HeO2)の 30sccmの混合物を用いて、シリコン内にエッチングを施した。コイルへの
電力は1,600ワットに設定し、基板支持体への電力は300ワットに設定し
た。図8は、これにより生じた上面がテーパ状になっているエッチングされたト
レンチを示している。実施例1 以下の条件下で、図2の装置を用いて2つのステップからなるエッチングをシ
リコン内で実行した。
【0029】 ステップ1:160sccmのHBrと33sccmのHeO2をチャンバ内 に流入させ、圧力を40ミリトルに維持し、1,600ワットの電力をコイルに
接続し、300ワットの電力を基板支持体に接続した。このステップを120秒
間継続した。
接続し、300ワットの電力を基板支持体に接続した。このステップを120秒
間継続した。
【0030】 ステップ2:55sccmのSF6と、110sccmのHBrと47scc mのO2をチャンバ内に流入させ、圧力を25ミリトルに維持し、1,000ワ ットの電力をコイルに接続し、20ワットの電力を基板支持体に接続した。この
ステップを360秒間継続した。
ステップを360秒間継続した。
【0031】 図9は、この結果生じたトレンチの写真であり、底部が丸い形状をした直線的
な側壁を示している。全体的なエッチング速度は1.0ミクロン/分であった。
ウェーハ全体に渡った均一性は、ウェーハの中央部と縁部との間で約2.0%で
あり、本発明のプロセスが良好に制御されていることを示している。開口の上部
の角度は、88.4°と僅かにテーパ状であるが、底部の側壁は89.5°とほ
ぼ垂直であった。実施例2 図10に示されているように、パッシベーション層を除去するために、ステッ
プ2の後に水性の100:1の水:HF浸漬が用いられた点を除けば、実施例1
の手順に沿ったものである。実施例3 この例は、本発明の2つのステップからなるプロセスを用いて、外形角度が制
御可能であることを示すものである。第2のエッチングステップにおいて、80
0ワットの電力がコイルに接続された点を除けば、実施例1の手順に沿ったもの
である。
な側壁を示している。全体的なエッチング速度は1.0ミクロン/分であった。
ウェーハ全体に渡った均一性は、ウェーハの中央部と縁部との間で約2.0%で
あり、本発明のプロセスが良好に制御されていることを示している。開口の上部
の角度は、88.4°と僅かにテーパ状であるが、底部の側壁は89.5°とほ
ぼ垂直であった。実施例2 図10に示されているように、パッシベーション層を除去するために、ステッ
プ2の後に水性の100:1の水:HF浸漬が用いられた点を除けば、実施例1
の手順に沿ったものである。実施例3 この例は、本発明の2つのステップからなるプロセスを用いて、外形角度が制
御可能であることを示すものである。第2のエッチングステップにおいて、80
0ワットの電力がコイルに接続された点を除けば、実施例1の手順に沿ったもの
である。
【0032】 A部において、第2のエッチングステップで使用するエッチャントは、45s
ccmのSF6と、52sccmのHBrと、47sccmのO2であった。図1
1に示すように、トレンチの上部の角度は89.2°であり、底部の角度は90
.5°であった。これら2つのエッチャントの間には明確な境界があり、トレン
チの底部は外側方向にテーパ状になっており、したがってトレンチの上部よりも
広くなっている。
ccmのSF6と、52sccmのHBrと、47sccmのO2であった。図1
1に示すように、トレンチの上部の角度は89.2°であり、底部の角度は90
.5°であった。これら2つのエッチャントの間には明確な境界があり、トレン
チの底部は外側方向にテーパ状になっており、したがってトレンチの上部よりも
広くなっている。
【0033】 B部において、第2のエッチングステップは、45sccmのSF6と、80 sccmのHBrと、47sccmのO2とを用いた。トレンチの上部の角度は 、88.5°であり、ほぼ垂直のものであった。図12に示すように、これによ
り、上部で僅かにテーパ状になった開口を有するトレンチが得られた。
り、上部で僅かにテーパ状になった開口を有するトレンチが得られた。
【0034】 C部において、第2のエッチングステップは、45sccmのSF6と、10 0sccmのHBrと、47sccmのO2とを用いた。トレンチの上部の角度 は、88.2°であり、トレンチの底部の角度は89.4°であった。この結果
生じたトレンチは上部で僅かにテーパ状になったもので、トレンチの底部は内側
方向にテーパ状になったものであり、したがってトレンチの上側よりも細くなっ
ている。この変化は図13に示されている。
生じたトレンチは上部で僅かにテーパ状になったもので、トレンチの底部は内側
方向にテーパ状になったものであり、したがってトレンチの上側よりも細くなっ
ている。この変化は図13に示されている。
【0035】 したがって、HBrとSF6の相対比率を変化することによって、エッチング された開口のテーパ角度を制御できることになる。
【0036】 本発明のプロセスのさらなる利点は、非常にクリーンな点である。図14は基
板支持体を示し、図15は、酸化物ハードマスクを用いてチャンバ内でほぼ1,
000枚のウェーハを連続してエッチングした後のチャンバの内部ドーム状天井
部を示すものである。可視堆積物もしくは粒子は全く見られず、したがって本発
明により、洗浄ステップを必要とせずに連続して多くのウェーハが処理できるこ
とが明らかである。
板支持体を示し、図15は、酸化物ハードマスクを用いてチャンバ内でほぼ1,
000枚のウェーハを連続してエッチングした後のチャンバの内部ドーム状天井
部を示すものである。可視堆積物もしくは粒子は全く見られず、したがって本発
明により、洗浄ステップを必要とせずに連続して多くのウェーハが処理できるこ
とが明らかである。
【0037】 本発明の2つのステップからなるプロセスを用いて、ウェーハ全体に渡ったエ
ッチング速度の均一性は5%よりも低いものであり、エッチング速度は1ミクロ
ン/分を超えるものであり、さらに酸化物マスクに対するシリコンの選択性は、
例えば、シリコン内に7ミクロン深さのエッチングを施している間、酸化物損失
は4,000Åを下回るほど高いものである。
ッチング速度の均一性は5%よりも低いものであり、エッチング速度は1ミクロ
ン/分を超えるものであり、さらに酸化物マスクに対するシリコンの選択性は、
例えば、シリコン内に7ミクロン深さのエッチングを施している間、酸化物損失
は4,000Åを下回るほど高いものである。
【0038】 本発明のエッチングプロセスをエッチング反応物質および条件の特定の実施形
態について記載してきたが、当業者であれば、電力、圧力、エッチャント原料の
比率などさまざまな変更を行うことができることを認識するであろう。このよう
な変更はここに含まれるべきものとされる。したがって、本発明は、添付の請求
の範囲にのみ限定されるべきものである。
態について記載してきたが、当業者であれば、電力、圧力、エッチャント原料の
比率などさまざまな変更を行うことができることを認識するであろう。このよう
な変更はここに含まれるべきものとされる。したがって、本発明は、添付の請求
の範囲にのみ限定されるべきものである。
【図1】 2層からなるハードマスクを用いてシリコンに形成された開口の写真である。
【図2】 シリコン含有材料の本発明のエッチングが実行されるプラズマリアクタの概略
断面図である。
断面図である。
【図3】 チャンバの圧力を変化させながら、SF6、HBrおよびO2からなる第2のス
テップのエッチャントを用いてエッチングしたトレンチの写真を示す。
テップのエッチャントを用いてエッチングしたトレンチの写真を示す。
【図4】 エッチング中にバイアス周波数を変化させながら、本発明に従って形成したエ
ッチングされたトレンチの写真を示す。
ッチングされたトレンチの写真を示す。
【図5】 第1のエッチングステップ中のテーパ角度とワットで示したバイアス電力のグ
ラフである。
ラフである。
【図6】 第1のエッチングステップ中のエッチング速度と電源電力のグラフである。
【図7】 第2のエッチングステップ中バイアス電力を増大させた時のテーパ角度の変化
を示す。
を示す。
【図8】 第1のエッチングステップのみを用いてエッチングされたトレンチの写真を示
す。
す。
【図9】 本発明の方法を用いてエッチングされたトレンチの写真を示す。
【図10】 希釈したHF浸漬後の図8のトレンズを示す写真である。
【図11】 第2のエッチングステップ中、HBrの比率を変化させて形成したトレンチの
写真である。
写真である。
【図12】 第2のエッチングステップ中、HBrの比率を変化させて形成したトレンチの
写真である。
写真である。
【図13】 第2のエッチングステップ中、HBrの比率を変化させて形成したトレンチの
写真である。
写真である。
【図14】 複数のウェーハが連続して処理された後、エッチングチャンバの内部を示す写
真である。
真である。
【図15】 複数のウェーハが連続して処理された後、エッチングチャンバのドームを示す
写真である。
写真である。
1…リアクタチャンバ、10…筒状側壁、12…天井部、14…ウエーハ台、1
6…半導体ウエーハ、18…誘導コイル、20…RFドーム、22 ガス供給源
、 24…ガス入口、26…ポンプ、28…誘導コイルRF電源、30…RF整合ネ
ットワーク、32…内部導電部、34…RF電源もしくは発生器、36…導電体
。
6…半導体ウエーハ、18…誘導コイル、20…RFドーム、22 ガス供給源
、 24…ガス入口、26…ポンプ、28…誘導コイルRF電源、30…RF整合ネ
ットワーク、32…内部導電部、34…RF電源もしくは発生器、36…導電体
。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リ, マオチャン アメリカ合衆国, カリフォルニア州, フリーモント, ホンダ ウェイ 725 (72)発明者 パン, シャオハー アメリカ合衆国, カリフォルニア州, サン ノゼ, ケレツ ドライヴ 1133 Fターム(参考) 5F004 AA03 AA05 BA20 BB11 BB18 CA01 CA02 CA03 DA00 DA17 DA18 DA22 DA26 DB01 EB05 5F083 AD15 PR03
Claims (23)
- 【請求項1】 プラズマ真空チャンバに接続された第1のRF電力源と、基
板の支持体に接続された第2のRF電力源を有するプラズマ真空チャンバにおい
て、酸化シリコンハードマスクを用いてシリコンに底部が丸い形状をした深く高
アスペクト比の開口をエッチングする方法であって、 a)HBrと酸素を含む混合物を用いてエッチングし、側壁上にパッシベーシ
ョン層を堆積して僅かにテーパ状の開口を形成するステップと、 b)フッ素含有ガス、HBrおよび酸素の混合物を用いてエッチングし、高ア
スペクト比の開口を形成するステップとの2つの連続したステップからなること
を特徴とする方法。 - 【請求項2】 ステップb)において前記フッ素含有ガスは、SF6、Si F4、Si2F6およびNF3からなる群から選択されることを特徴とする請求項1
記載の方法。 - 【請求項3】 前記フッ素含有ガスは、SF6であることを特徴とする請求 項2記載の方法。
- 【請求項4】 HBr:SF6の体積比率は、0.1〜10であることを特 徴とする請求項3記載の方法。
- 【請求項5】 HBrおよびSF6:酸素の体積比率は、0.1〜10であ ることを特徴とする請求項3記載の方法。
- 【請求項6】 ステップa)において、体積割合で約30パーセントまでの
酸素を含むヘリウムに混合物として酸素が添加されることを特徴とする請求項1
記載の方法。 - 【請求項7】 体積割合で約10〜約50パーセントのヘリウムと酸素の混
合物が、添加された臭化水素を基に添加されることを特徴とする請求項6記載の
方法。 - 【請求項8】 ステップa)中にフッ素含有ガスが添加されて、トレンチの
底部上にあるパッシベーション層を除去することを特徴とする請求項1記載の方
法。 - 【請求項9】 前記フッ素含有ガスは、SF6、SiF4、Si2F6およびN
F3からなる群から選択されることを特徴とする請求項8記載の方法。 - 【請求項10】 ステップa)は、約1〜150ミリトル(torr)の圧
力で実行されることを特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項11】 少なくとも約500ワットの電力がチャンバに接続される
ことを特徴とする請求項10記載の方法。 - 【請求項12】 約3,000ワットまでの電力がチャンバに接続されるこ
とを特徴とする請求項11記載の方法。 - 【請求項13】 約20〜2,000ワットの電力が基板支持体に接続され
ることを特徴とする請求項12記載の方法。 - 【請求項14】 ステップb)は、約1〜100ミリトルの圧力で実行され
ることを特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項15】 約400〜2,000ワットの電力がチャンバに接続され
ることを特徴とする請求項14記載の方法。 - 【請求項16】 約1〜500ワットが基板支持体に接続されることを特徴
とする請求項15記載の方法。 - 【請求項17】 シリコンに高アスペクト比のトレンチの外形を制御する方
法であって、 a)臭化水素と酸素の混合物を用いてハードマスクを介してエッチングして、
形成された開口上にパッシベーション層を形成するステップと、 b)フッ素含有ガス、臭化水素および酸素の混合物を用いてエッチングし、前
記ガス混合物の割合を調整することによって、エッチングされた側壁のテーパ角
度を変更するステップとの連続したステップからなることを特徴とする方法。 - 【請求項18】 前記フッ素含有ガスは、SF6、SiF4、Si2F6および
NF3からなる群から選択されることを特徴とする請求項17記載の方法。 - 【請求項19】 前記フッ素含有ガスは、SF6であることを特徴とする請 求項18記載の方法。
- 【請求項20】 ステップa)中に、フッ素含有ガスが添加されて、トレン
チの底部にあるパッシベーション材料を除去することを特徴とする請求項17記
載の方法。 - 【請求項21】 単一の処理チャンバにおいて、シリコンに高アスペクト比
の開口を連続してエッチングする方法であって、 a)シリコン基板をエッチングチャンバに供給するステップと、 b)HBrおよび酸素からなるエッチャント組成を用いて、チャンバ内で第1
のエッチングステップを実行するステップと、 c)HBr、酸素およびフッ素含有ガスからなるエッチャント組成を用いて、
チャンバ内で第2のエッチングステップを実行するステップと、 d)チャンバから基板を除去するステップと、 e)第2のシリコン基板をエッチングチャンバに供給し、ステップb)、ステ
ップc)およびステップd)を連続して実行するステップとの連続したステップ
からなることを特徴とする方法。 - 【請求項22】 前記フッ素含有ガスは、SiF6、SiF4、Si2F6およ
びNF3からなる群から選択されることを特徴とする請求項21記載の方法。 - 【請求項23】 前記フッ素含有ガスは、SiF6であることを特徴とする 請求項22記載の方法。
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