シリコン基板に凹部を異方性エッチングにより形成する方法およびプラズマエッチングシステムの使用方法
【課題】シリコン基板に異方性エッチングにより深さが大きい凹部を形成するための、簡便な方法およびプラズマエッチングシステムの使用方法を提供する。
【解決手段】反応性エッチングガスをエネルギー励起するためにプラズマを用いる。反応性エッチングガスは、連続的に流れるガスフローの成分である。凹部は、エッチング時に、上記ガスフローを中断することなく少なくとも５０マイクロメートルの深さに形成される。その結果、深さの大きい凹部を製造するための簡便な方法が提供される。
【解決手段】反応性エッチングガスをエネルギー励起するためにプラズマを用いる。反応性エッチングガスは、連続的に流れるガスフローの成分である。凹部は、エッチング時に、上記ガスフローを中断することなく少なくとも５０マイクロメートルの深さに形成される。その結果、深さの大きい凹部を製造するための簡便な方法が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、本願発明は、プラズマを用いて反応性エッチングガスをエネルギー励起する方法に関するものである。上記エッチングガスは、凹部を異方性エッチングにより形成する機能を果たす。
【背景技術】
【０００２】
凹部の例としては、溝または穴があげられる。凹部が溝である場合は、開口縁部において、１つの幅寸法（基板表面方向に沿って互いに対向する各開口縁部間の長さ）は、上記１つの幅寸法に対して９０°の角度で横断するように配置されている他の幅寸法の少なくとも２倍の大きさを有するようにできる。
【０００３】
凹部が穴である場合は、開口周縁部において、一方の幅寸法は、それに対して９０°の角度で横断するように配置されている他方の幅寸法の２倍以下の大きさにできる。穴の場合は、上記２つの各幅寸法が同じサイズであることが好ましい。溝の場合は、開口部が楕円形または長方形である。穴の場合は、開口部が楕円形、円形、長方形または正方形である。穴および溝の双方は、多くの場合、トレンチと呼ばれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
穴の場合は、溝の場合よりもエッチングが困難である。なぜなら、エッチングガスが、同じ深さと同じ幅とを有する溝よりも、穴の底部に届きにくいからである。マイクロメカニックスにおける凹部の例としては、各ビーム部、各クシ状、または、各フィン部の周囲の凹部が挙げられる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明の目的は、５０マイクロメートルよりも深い凹部をエッチングにより形成するための簡便な方法を提供することである。さらに、本願発明は、プラズマエッチングシステムの使用方法を提供することである。
【０００６】
本願発明の方法に関する目的は、特許請求項１に記載の方法の工程を含む方法によって達成される。本願発明の方法に関する各実施形態は、従属請求項に記載されている。
【０００７】
本願発明は、幅寸法が１９０ｎｍ（ナノメートル）未満である、または、９０ｎｍ未満でさえある溝または穴が半導体技術には必要である、という認識に基づくものである。トレンチの深さは、１０マイクロメートル未満であり、典型的には７マイクロメートルまたは３マイクロメートルである。これらのトレンチは、電荷を揮発性にて保持するメモリーセルの容量を収容する機能を果たす。さらに、このようなトレンチは、例えば各トランジスタ間を絶縁するために使用できる。開口縁部における、深さおよび最小幅寸法のアスペクト比（深さ／最小幅寸法）は、５０：１を上回っており、ときには７０：１を上回っていることがある。
【０００８】
上記エッチングには、従来では、例えば、三フッ化窒素ＮＦ３よびＨＢｒが使用される。これらのトレンチ形成の場合の問題の一例としては、例えばシリコン基板を数マイクロメートルエッチングした後も、マスクの機能を保持しているエッチングマスクが形成されて、依然として存在してしまうことが挙げられる。つまり、トレンチ深さを任意に増大できないことを意味している。
【０００９】
さらに、本願発明は、マイクロメカニックスにおいて、数百マイクロメートルの深さの各トレンチがエッチングにより形成される必要という考慮事項に基づくものである。この場合のアスペクト比はより極端なものではないものであり、例えば２０：１未満であるか、または、１０：１未満でさえある。この場合、六フッ化硫黄ＳＦ６および／または三フッ化窒素ＮＦ３が、エッチングガスとして使用される。
【００１０】
従来では、５０マイクロメートルを上回る深さのトレンチをエッチングにより形成するために、反復方法が使用される。この反復方法では、エッチングステップの後、堆積工程において、保護層が、溝の壁に繰り返し生成される。例えば何百回の反復が必要な反復プロセスを実施するには、高価な特別のシステムが必要である。上記反復方法では、トレンチの側壁が不均一な、いわゆる「波形」となる。
【００１１】
本願発明では、驚くべきことに、反復プロセスの実施は必須ではないということが確立された。したがって、本願発明の方法では、反応性エッチングガスが、連続的に流れるガスフローの成分であり、少なくとも１つの凹部が、上記エッチング時に、ガスフローが中断されることなく、少なくとも７５マイクロメートルの深さに形成される。したがって、本願発明の方法は、簡単なエッチングシステム（例えば、多結晶シリコンをエッチングするために必要とされるエッチングシステム）を深いトレンチをエッチングにより形成するために使用できる。さらに、本願発明の方法は、低圧で行われる反復式のガスフローを用いる方法のような高いポンプ力、および、高精度のガスフロー制御ユニットが不要となる。
【００１２】
一実施形態では、反応性エッチングガスは、フッ素またはフッ素化合物、好ましくは六フッ化硫黄ＳＦ６および／または三フッ化窒素ＮＦ３、特に好ましくは単一種のフッ素化合物を含んでいる。高密度プラズマにおいて六フッ化硫黄ＳＦ６を使用することにより、エッチングエリア毎につき十分な数のフッ素ラジカルを生成できる。その結果、エッチング速度が１分につき６マイクロメートルに達する。上記フッ素化合物は、フッ素分子よりも有害性が低い。フッ素またはフッ素化合物は、他のハロゲンまたはハロゲン化合物よりも反応性がある。
【００１３】
次の一実施形態では、反応性エッチングガスは、フッ素フリーの添加ガス、好ましくは酸化物形成剤、特に酸素分子を含んでいる。フッ素フリーの添加ガスによる組成分、特に酸素ガスフローによる組成分は、全活性ガスフロー中、２０％（パーセント）〜５０％または３０％〜４０％であり、好ましくは３５％であり、プラズマから陽イオンが、凹部の底部まで加速されるように基板バイアス電圧を設定して、上記陽イオンにより、上記凹部の底部に二酸化シリコンからなる保護膜が形成されない。
【００１４】
フッ素フリーの上記添加ガスにより、充分に厚い保護層がトレンチの側壁上に確実に形成される。後述するように、プラズマから生じる陽イオンにより、トレンチの底部には保護層は形成されない。さらに、添加ガス、特に酸素による組成分は、以下でより詳しく説明されるように、トレンチの側壁の傾斜のためには重要なものである。アンダーカットも、添加ガスによる組成分によって制御できる。
【００１５】
他の一実施形態では、エッチングガスが、単一種の希ガス、特にヘリウムまたはアルゴン、を含んでいる。あるいは、エッチングガスは、複数種の希ガス、特にヘリウムおよびアルゴンを含んでいる。全不活性ガスフロー中、アルゴンガスフローによる組成分は、２５％〜６５％、または３５％〜５５％である。活性ガスを不活性ガスによって希釈することにより、１５０ｍｍ（ミリメートル）、２００ｍｍ、または、３００ｍｍさえ上回る直径のウエハーに対する、エッチングの均一性が向上する。さらに、ハードマスクの選択性が増大する。さらに、希ガスによって希釈を行うことにより、ガスフローの避けられない変動に対して、全体的なプロセスが安定化される。
【００１６】
次の一実施形態では、反応性エッチングガスを含むガスフローによる組成分は、全ガスフロー中、２０％〜４０％または２５％〜３５％の範囲であり、好ましくは２８％〜３２％である。エッチング速度およびアンダーカットは、全ガスフロー中の、反応性エッチングガスによる組成分によって制御できる。
【００１７】
一実施形態では、エッチング中の圧力は、０．０５ｍｂａｒ、または、０．１ｍｂａｒを上回っている。また、エッチング中の圧力は、０．５ｍｂａｒまたは０．２５ｍｂａｒ未満であることが好ましい。エッチング速度、トレンチの側壁の傾斜、および、アンダーカットは、圧力によって制御できる。
【００１８】
一実施形態では、プラズマは、３００ワット〜１２００ワット、または、５００ワット〜１０００ワット、特に６００ワットの電力で生成される。電力が高過ぎるとオーバーヒートが大きくなり過ぎる。電力が低すぎると、エッチング速度が低くなる。一発展形態では、プラズマを生成するための周波数は、１００ＭＨｚ未満であり、例えば誘導結合プラズマの生成では１３．５６ＭＨｚである。しかしながら、プラズマを誘導結合により生成するための電力の周波数は、マイクロ波領域の電磁放射線、すなわち、１ギガヘルツを上回る（特に、２．４５ＧＨｚの）ものでもよい。
【００１９】
次の一実施形態では、５０ワットまたは６０ワットを上回る、好ましくは７０ワットを上回る電力を有する基板バイアス電圧が生成されて、基板に印加される。基板バイアス電圧を生成するための電力は、７００ワット未満であることが好ましい。同じく、基板バイアス電圧は、１５０ボルトまたは２１０ボルトを上回る値を有している。基板バイアス電圧は、６００ボルト未満であることが好ましい。比較的高い値を有する基板バイアス電圧は、トレンチの底部に対するイオン反応を増大させることとなり、したがって、エッチングによる除去の速度が上がる。生成される基板バイアス電圧の周波数は、１００ＭＨｚ未満であることが好ましい。
【００２０】
以下の最適化された値は、次の一実施形態に該当するものである：
ガス圧 １２０μｂａｒ
プラズマ電力 ６００ワット
基板バイアス電圧 ２２０ボルト
ヘリウムガスフロー １２６ｓｃｃｍ
酸素ガスフロー ３２ｓｃｃｍ
六フッ化硫黄ガスフロー ５９ｓｃｃｍ
アルゴンガスフロー ８４ｓｃｃｍ
更なるガスは使用されないことが好ましい。これらの値の±５パーセントまたは±１０パーセントの変動は、最適化の範囲内である。
【００２１】
本願発明の方法、特に最適化された方法では、エッチング時において温度サイクルは必要ない。なぜなら、エッチング時における温度は、例えば４５℃（摂氏）で変化しないままだからである。より高い温度は、エッチング速度を上げる。より低い温度は、側壁保護をより好適にする。標準的なウエハーレス予備処理および自己洗浄方法以外に、付加的な処理は必要ない。したがって、５０マイクロメートルを上回るトレンチのエッチング処理を、標準的な半導体製造に導入できる。
【００２２】
一実施形態では、凹部は溝または穴である。深い穴をエッチングにより形成することに対するこの方法の適用性は、特に驚くべきことであり、予見できたことではなかった。凹部の幅が狭くても、例えばエッチングガスが穴の底部に達しないときでも、エッチングを停止しないで連続的な方法にて、深さ５０マイクロメートルを上回る凹部をエッチングにより形成できる。一発展形態では、凹部の開口縁部における最小幅寸法および凹部におけるカットアウトの連続的にエッチングされた深さのアスペクト比は、８：１または１０：１を上回っている。
【００２３】
代替的な一発展形態または更なる一発展形態では、カットアウトの開口縁部における最小幅寸法は、２０マイクロメートル未満または１０マイクロメートル未満である。
【００２４】
他の一発展形態では、凹部が形成される基板表面の元の面積サイズに対するカットアウトの開口部、または、カットアウトの複数の開口部の合計面積割合は、２０％未満または１０％未満または５％未満である。上記合計面積割合が小さいほど、より高いエッチング速度を達成できる。
【００２５】
一実施形態では、カットアウトの開口縁部を含む基板表面への距離が大きくなるに伴い先細りするテーパー形状の凹部の側壁の傾斜角は、９１度を上回り、９２度を上回り、または９３度を上回っている。なお、上記傾斜角は、１１０度未満であることが好ましい。したがって、この凹部の角の稜線から基板上の空間へと延びる側壁の傾斜角と基板表面との間の角度については、８９°未満、８８°未満、または８７°未満である。大きい程度にて先細りするカットアウトは、平行な側壁を有するカットアウトよりも、上記カットアウト内に物を充填しやすい。先細りの程度が過ぎると凹部の深さが制限される。傾斜角は、ガスフロー（プロセスガス）中の酸素の割合によって設定されることが好ましい。
【００２６】
次の一実施形態では、エッチングマスク（特に、二酸化シリコンでできたエッチングマスク）を使用して、凹部の形成位置を規定する。二酸化シリコンは、例えばＴＥＯＳ法（テトラエチルオルソシリケート法）によって製造される。熱酸化により形成された二酸化シリコンもエッチングマスクの材料として適している。
【００２７】
次の一実施形態では、シリコン含有ガス、特にシリコンおよびフッ素を含む化合物（例えば、ＳｉＦ４）を含むガスを、エッチングに利用されるプロセスチャンバーまたはエッチングチャンバーに外部から導入しない。それゆえ、本願発明の方法の実施は、簡素化されている。
【００２８】
次の一実施形態では、全ガスフローの規格は、２００ｓｃｃｍ（標準立法センチメートル）〜５００ｓｃｃｍまたは２５０ｓｃｃｍ〜３５０ｓｃｃｍであり、好ましくは、２９５ｓｃｃｍ〜３０５ｓｃｃｍである。
【００２９】
これらのガスフローは、ラム（Ｒａｍ）社のＴＣＰ（登録商標）９４００ＰＴＸタイプといった誘電結合プラズマ源のシステムでのように、エッチングチャンバーの体積（すなわち、約３０リットルの体積）に対して決定されたものである。平均滞留時間は、プロセスにとって重要なものである。平均滞留時間は、ガスフローとガス圧とから得られる。したがって、より大きな、または、より小さなチャンバー体積への換算は、上記規格を用いて行うことができる。
【００３０】
本願発明の更なる一観点では、本願発明の使用目的は、５０マイクロメートルまたは１００マイクロメートルを上回る深さを有する少なくとも１つの凹部を、連続的に流れるガスフローによって、すなわち、プラズマエッチングシステムのエッチングチャンバーに導入するガスを中断することなく、上記ガスによるエッチングにより形成するためのプラズマエッチングシステムの使用方法により達成される。
【００３１】
本願発明の使用方法の一実施形態では、プラズマエッチングシステムは、反復エッチングのための制御ユニットを備えていない。それにもかかわらず、このシステムは、５０マイクロメートルを上回る深さの溝または穴をエッチングにより形成するために使用される。一発展形態では、このプラズマエッチングシステムは、特に複数の集積回路を含むウエハー（例えば、ＭＯＳ回路（Metal Oxide Semiconductor ）、ＣＭＯＳ回路（Complementary MOS ）、ＢｉＣＭＯＳ（Bipolar CMOS）または純粋なバイポーラ回路）を形成する場合に、多結晶シリコン層をエッチングするために使用される。このことは、５０マイクロメートルを上回る深さのトレンチをエッチングにより形成するために高価な特別のシステムは必要なくなる、ということを意味している。
【００３２】
一実施形態では、エッチングによる凹部の形成中においてガスフローの組成が同一に維持される。あるいは、ガスフローの流量値が、エッチングによる凹部の形成中において同一に維持される。従って、本願発明の方法の実施を簡素化することが可能である。しかしながら、ガスフローが連続的であっても、例えば、トレンチの形状を変化させるために、または、トレンチの底部をより均一な状態にするために、エッチング期間全体の少なくとも一部において、ガスフローの流量値をエッチング中に変更する方法も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本願発明の方法に用いるプラズマエッチングシステムの構造を示す要部断面図である。
【図２】本願発明の方法に用いるエッチング中の現象を基本的に示す概念断面図である。
【図３Ａ】本願発明の方法における、異なる３つの各実施方法の異なる側壁傾斜を有するトレンチの一つの断面図である。
【図３Ｂ】本願発明の方法における、異なる３つの各実施方法の異なる側壁傾斜を有するトレンチの他の一つの断面図である。
【図３Ｃ】本願発明の方法における、異なる３つの各実施方法の異なる側壁傾斜を有するトレンチのさらに他の一つの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本願発明の実施例を、以下で、添付の各図を参照して説明する。
【００３５】
図１は、プラズマエッチングシステムの構造を示す断面図である。
【００３６】
図２は、エッチング中の現象を基本的に示す断面図である。
【００３７】
図３Ａ〜図３Ｃは、それぞれ、異なる３つの方法の実施による異なる側壁傾斜を有する各トレンチの断面図である。
【００３８】
図１に、プラズマエッチングシステム（例えば、ラム社のＴＣＰ９４００ＰＴＸタイプのプラズマエッチングシステム）１０を示す。プラズマ１２を有するエッチングチャンバーは、各側壁、チャンバーの底部１８およびチャンバーの蓋１９によって密閉されている。エッチングチャンバーのチャンバーの底部１８に、ウエハー状のシリコン基板２２を担持している基板キャリア２０が配置されている。
【００３９】
さらに、エッチングチャンバーは、１つまたは複数のガス吸気口（図示せず）を備えている。このガス吸気口に、アルゴンと、ヘリウムと、六フッ化硫黄ＳＦ６と、酸素とを含むガス混合物を流入する。流入したガス混合物の一部と、さらに反応生成物とが、１つまたは複数のガス排気口（図示せず）から同じく流出する。
【００４０】
さらに、上記プラズマエッチングチャンバーは、コイル２４を備えている。このコイル２４は、エッチングチャンバーの上側に、または、エッチングチャンバーの上部領域に配置されており、巻線３０〜４４を有している。コイルの１つの端子は、配線５２を介して、ＡＣ電源５０と電気的に接続されている。ＡＣ電源５０の他の端子は、接地電位Ｍと接続されている。ＡＣ電源５０の周波数は、１３．５６ＭＨｚである。プラズマ１２を生成するためのＡＣ電源５０は、６００ワットの消費電力規格のものである。
【００４１】
さらに、プラズマエッチングシステム１０は、１３．５６ＭＨｚの周波数で作動するＡＣ電源６０を備えている。ＡＣ電源６０の一方の端子は、導電性の配線６２を介して、導電性の基板キャリア２０と接続されている。ＡＣ電源６０の他方の端子は、接地電位Ｍと接続されている。ＡＣ電源６０は、約７０ワットの消費電力規格にて、マイナス２２０ボルトの基板バイアス電圧を生成する。
【００４２】
各ＡＣ電源５０・６０を、それぞれ別々に制御することができる。その結果、イオン密度およびイオンエネルギーを、相互に別々に調整できる。さらに、荷電粒子と非荷電粒子との関係を予め決めておくことができる。
【００４３】
図２にプラズマエッチングシステム１０のエッチングチャンバーでのエッチング中の現象を基本的に示す。トレンチの場所（特に、トレンチ７２の場所）を予め決めておくために、二酸化シリコンでできたハードマスク７０を、エッチングチャンバーへの挿入前に、フォトリソグラフィープロセスによってシリコン基板２２上に作製しておく。ハードマスク７０は、例えば深さが１００マイクロメートル、または、エッチング時間が１０００秒である凹部のために、２．５マイクロメートルの厚みを有している。上記厚みは、約３００ナノメートルのエッチング減耗分を含んでいる。トレンチ（例えば穴）は、円形の開口部７４、内周面の側壁７６、および、丸みを帯びたトレンチの底部７８を有している。各トレンチは同時に同じ深さでエッチングにより形成される。本実施例においては、トレンチ７２の深さＴは、７５マイクロメートルである。
【００４４】
図３Ａにも示すトレンチ７２をエッチングにより形成するために、以下の一定のパラメータを維持した：
ガス圧 １２０μｂａｒ、
プラズマ電力 ６００ワット、
基板バイアス電圧 −２２０ボルト、
ヘリウムガスフロー １２６ｓｃｃｍ、
酸素ガスフロー ３２ｓｃｃｍ、
六フッ化硫黄ガスフロー ５９ｓｃｃｍ、および、
アルゴンガスフロー ８４ｓｃｃｍ
以下のエッチング結果が得られた：
トレンチ深さＴ：７５マイクロメートル、
開口部７４におけるトレンチ直径（最小幅寸法）：１０マイクロメートル、
開口領域：４％（３％〜５％）、
側壁７６の傾斜角Ｗ１：８７°、
または、側壁７６の傾斜角Ｗ２：９３°、および、
エッチング速度：６マイクロメートル／分
エッチングチャンバーにおいて、とりわけ、以下の反応または現象が生じた：
イオン、特に陽イオン８０・８２が、プラズマからトレンチの底部７８まで基板バイアス電圧により加速される。トレンチの底部７８において、上記陽イオンは、シリコン酸化膜の形成を防止する。
【００４５】
プラズマ１２の作用により、フッ素ラジカルＦ＊（矢印８４参照）および硫黄ラジカルが、六フッ化硫黄ＳＦ６から生じる。
【００４６】
プラズマ１２の作用により、酸素ラジカルＯ＊（矢印８６参照）が、酸素分子から生じる。
【００４７】
硫黄ラジカルと酸素ラジカルＯ＊の一部とが反応して硫黄酸化物ＳＯＸ（例えば、一酸化硫黄ＳＯまたは二酸化硫黄ＳＯ２（矢印８８・９０参照））となる。
【００４８】
フッ素ラジカルＦ＊は、二酸化シリコンによって未だ被覆されていない、または、二酸化シリコンによって未だ充分には被覆されていない側壁７６の場所で、シリコン基板２２のシリコンと反応し、特にトレンチの底部７８の周辺領域（矢印９２参照）で、トレンチの底部７８（矢印９４参照）のシリコンと反応する。その結果、フッ化シリコンＳｉＦＸ（例えば、四フッ化シリコンＳｉＦ４（矢印９６・９８参照））が生じる。
【００４９】
酸素ラジカルＯ＊の他の部分は、フッ化シリコン化合物ＳＩＦＸと反応し、二酸化シリコンＳｉＯ２を生成する。生成した二酸化シリコンＳｉＯ２は、側壁７６上に堆積する（矢印１００・１０２・１０４を参照）。他の酸素ラジカルＯ＊は、シリコン基板２２のシリコンとも直接反応し、二酸化シリコンＳｉＯ２を生成する。
【００５０】
トレンチ７２の断面に沿ったＳＥＭ（Secondary Electron Microscopy ）画像の再現を図３Ａに示す。
【００５１】
図３Ｂに、以下のプロセスパラメータを使用してエッチングにより形成した各トレンチ１２０〜１２６の断面に沿ったＳＥＭ画像の再現を示す。
ガス圧 ９３μｂａｒ、
プラズマ電力 ７００ワット、
基板バイアス電圧 −２００ボルト、
ヘリウムガスフロー １３１ｓｃｃｍ、
酸素ガスフロー ３５ｓｃｃｍ、
六フッ化硫黄ガスフロー ５３ｓｃｃｍ、および、
アルゴンガスフロー １３１ｓｃｃｍ
以下のエッチング結果となった。
トレンチ深さＴ：５６マイクロメートル、
開口部におけるトレンチ直径：１０マイクロメートル、
開口領域：４％（３％〜５％）、
側壁７６の傾斜角Ｗ１：８９°
側壁７６の傾斜角Ｗ２：９１°
エッチング速度：４．５マイクロメートル／分
図３Ｃに、以下のプロセスパラメータを使用してエッチングにより形成した各トレンチ１３０〜１３６の断面に沿ったＳＥＭ画像の再現を示す。
ガス圧 １２０μｂａｒ、
プラズマ電力 ８００ワット、
基板バイアス電圧 −２２０ボルト、
ヘリウムガスフロー １２２ｓｃｃｍ、
酸素ガスフロー ５０ｓｃｃｍ、
六フッ化硫黄ガスフロー ６６ｓｃｃｍ、および、
アルゴンガスフロー １６８ｓｃｃｍ
以下のエッチング結果となった：
トレンチ深さＴ：６８マイクロメートル
開口部におけるトレンチ直径：１０マイクロメートル
開口領域：４％（３％〜５％）
側壁７６の傾斜角Ｗ１：８８°
側壁７６の傾斜角Ｗ２：９２°
エッチング速度：５マイクロメートル／分
実施例は、ＴＣＰ（Transformer Coupled Plasma）プロセスチャンバーを用いた場合について説明したものである。同様な機能を有する他のプロセスチャンバー（プラズマ源）としては、とりわけ、ＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma source 、誘導結合プラズマ源）チャンバー、ＩＰＳ（Inductive Coupled Plasma Source ）チャンバーまたはＤＰＳ（Decoupled Plasma Source ）チャンバーが挙げられる。
【００５２】
これらの全ての各プロセスチェンバーのシステムは、１立方センチメートルにつき少なくとも１０１０個のイオンのプラズマ密度、好ましくは１０１１個のイオン／ｃｍ３および１０１２個のイオン／ｃｍ３の範囲内のプラズマ密度を有するＨＤＰ（High Density Plasma、高密度プラズマ）を生成する。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、本願発明は、プラズマを用いて反応性エッチングガスをエネルギー励起する方法に関するものである。上記エッチングガスは、凹部を異方性エッチングにより形成する機能を果たす。
【背景技術】
【０００２】
凹部の例としては、溝または穴があげられる。凹部が溝である場合は、開口縁部において、１つの幅寸法（基板表面方向に沿って互いに対向する各開口縁部間の長さ）は、上記１つの幅寸法に対して９０°の角度で横断するように配置されている他の幅寸法の少なくとも２倍の大きさを有するようにできる。
【０００３】
凹部が穴である場合は、開口周縁部において、一方の幅寸法は、それに対して９０°の角度で横断するように配置されている他方の幅寸法の２倍以下の大きさにできる。穴の場合は、上記２つの各幅寸法が同じサイズであることが好ましい。溝の場合は、開口部が楕円形または長方形である。穴の場合は、開口部が楕円形、円形、長方形または正方形である。穴および溝の双方は、多くの場合、トレンチと呼ばれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
穴の場合は、溝の場合よりもエッチングが困難である。なぜなら、エッチングガスが、同じ深さと同じ幅とを有する溝よりも、穴の底部に届きにくいからである。マイクロメカニックスにおける凹部の例としては、各ビーム部、各クシ状、または、各フィン部の周囲の凹部が挙げられる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明の目的は、５０マイクロメートルよりも深い凹部をエッチングにより形成するための簡便な方法を提供することである。さらに、本願発明は、プラズマエッチングシステムの使用方法を提供することである。
【０００６】
本願発明の方法に関する目的は、特許請求項１に記載の方法の工程を含む方法によって達成される。本願発明の方法に関する各実施形態は、従属請求項に記載されている。
【０００７】
本願発明は、幅寸法が１９０ｎｍ（ナノメートル）未満である、または、９０ｎｍ未満でさえある溝または穴が半導体技術には必要である、という認識に基づくものである。トレンチの深さは、１０マイクロメートル未満であり、典型的には７マイクロメートルまたは３マイクロメートルである。これらのトレンチは、電荷を揮発性にて保持するメモリーセルの容量を収容する機能を果たす。さらに、このようなトレンチは、例えば各トランジスタ間を絶縁するために使用できる。開口縁部における、深さおよび最小幅寸法のアスペクト比（深さ／最小幅寸法）は、５０：１を上回っており、ときには７０：１を上回っていることがある。
【０００８】
上記エッチングには、従来では、例えば、三フッ化窒素ＮＦ３よびＨＢｒが使用される。これらのトレンチ形成の場合の問題の一例としては、例えばシリコン基板を数マイクロメートルエッチングした後も、マスクの機能を保持しているエッチングマスクが形成されて、依然として存在してしまうことが挙げられる。つまり、トレンチ深さを任意に増大できないことを意味している。
【０００９】
さらに、本願発明は、マイクロメカニックスにおいて、数百マイクロメートルの深さの各トレンチがエッチングにより形成される必要という考慮事項に基づくものである。この場合のアスペクト比はより極端なものではないものであり、例えば２０：１未満であるか、または、１０：１未満でさえある。この場合、六フッ化硫黄ＳＦ６および／または三フッ化窒素ＮＦ３が、エッチングガスとして使用される。
【００１０】
従来では、５０マイクロメートルを上回る深さのトレンチをエッチングにより形成するために、反復方法が使用される。この反復方法では、エッチングステップの後、堆積工程において、保護層が、溝の壁に繰り返し生成される。例えば何百回の反復が必要な反復プロセスを実施するには、高価な特別のシステムが必要である。上記反復方法では、トレンチの側壁が不均一な、いわゆる「波形」となる。
【００１１】
本願発明では、驚くべきことに、反復プロセスの実施は必須ではないということが確立された。したがって、本願発明の方法では、反応性エッチングガスが、連続的に流れるガスフローの成分であり、少なくとも１つの凹部が、上記エッチング時に、ガスフローが中断されることなく、少なくとも７５マイクロメートルの深さに形成される。したがって、本願発明の方法は、簡単なエッチングシステム（例えば、多結晶シリコンをエッチングするために必要とされるエッチングシステム）を深いトレンチをエッチングにより形成するために使用できる。さらに、本願発明の方法は、低圧で行われる反復式のガスフローを用いる方法のような高いポンプ力、および、高精度のガスフロー制御ユニットが不要となる。
【００１２】
一実施形態では、反応性エッチングガスは、フッ素またはフッ素化合物、好ましくは六フッ化硫黄ＳＦ６および／または三フッ化窒素ＮＦ３、特に好ましくは単一種のフッ素化合物を含んでいる。高密度プラズマにおいて六フッ化硫黄ＳＦ６を使用することにより、エッチングエリア毎につき十分な数のフッ素ラジカルを生成できる。その結果、エッチング速度が１分につき６マイクロメートルに達する。上記フッ素化合物は、フッ素分子よりも有害性が低い。フッ素またはフッ素化合物は、他のハロゲンまたはハロゲン化合物よりも反応性がある。
【００１３】
次の一実施形態では、反応性エッチングガスは、フッ素フリーの添加ガス、好ましくは酸化物形成剤、特に酸素分子を含んでいる。フッ素フリーの添加ガスによる組成分、特に酸素ガスフローによる組成分は、全活性ガスフロー中、２０％（パーセント）〜５０％または３０％〜４０％であり、好ましくは３５％であり、プラズマから陽イオンが、凹部の底部まで加速されるように基板バイアス電圧を設定して、上記陽イオンにより、上記凹部の底部に二酸化シリコンからなる保護膜が形成されない。
【００１４】
フッ素フリーの上記添加ガスにより、充分に厚い保護層がトレンチの側壁上に確実に形成される。後述するように、プラズマから生じる陽イオンにより、トレンチの底部には保護層は形成されない。さらに、添加ガス、特に酸素による組成分は、以下でより詳しく説明されるように、トレンチの側壁の傾斜のためには重要なものである。アンダーカットも、添加ガスによる組成分によって制御できる。
【００１５】
他の一実施形態では、エッチングガスが、単一種の希ガス、特にヘリウムまたはアルゴン、を含んでいる。あるいは、エッチングガスは、複数種の希ガス、特にヘリウムおよびアルゴンを含んでいる。全不活性ガスフロー中、アルゴンガスフローによる組成分は、２５％〜６５％、または３５％〜５５％である。活性ガスを不活性ガスによって希釈することにより、１５０ｍｍ（ミリメートル）、２００ｍｍ、または、３００ｍｍさえ上回る直径のウエハーに対する、エッチングの均一性が向上する。さらに、ハードマスクの選択性が増大する。さらに、希ガスによって希釈を行うことにより、ガスフローの避けられない変動に対して、全体的なプロセスが安定化される。
【００１６】
次の一実施形態では、反応性エッチングガスを含むガスフローによる組成分は、全ガスフロー中、２０％〜４０％または２５％〜３５％の範囲であり、好ましくは２８％〜３２％である。エッチング速度およびアンダーカットは、全ガスフロー中の、反応性エッチングガスによる組成分によって制御できる。
【００１７】
一実施形態では、エッチング中の圧力は、０．０５ｍｂａｒ、または、０．１ｍｂａｒを上回っている。また、エッチング中の圧力は、０．５ｍｂａｒまたは０．２５ｍｂａｒ未満であることが好ましい。エッチング速度、トレンチの側壁の傾斜、および、アンダーカットは、圧力によって制御できる。
【００１８】
一実施形態では、プラズマは、３００ワット〜１２００ワット、または、５００ワット〜１０００ワット、特に６００ワットの電力で生成される。電力が高過ぎるとオーバーヒートが大きくなり過ぎる。電力が低すぎると、エッチング速度が低くなる。一発展形態では、プラズマを生成するための周波数は、１００ＭＨｚ未満であり、例えば誘導結合プラズマの生成では１３．５６ＭＨｚである。しかしながら、プラズマを誘導結合により生成するための電力の周波数は、マイクロ波領域の電磁放射線、すなわち、１ギガヘルツを上回る（特に、２．４５ＧＨｚの）ものでもよい。
【００１９】
次の一実施形態では、５０ワットまたは６０ワットを上回る、好ましくは７０ワットを上回る電力を有する基板バイアス電圧が生成されて、基板に印加される。基板バイアス電圧を生成するための電力は、７００ワット未満であることが好ましい。同じく、基板バイアス電圧は、１５０ボルトまたは２１０ボルトを上回る値を有している。基板バイアス電圧は、６００ボルト未満であることが好ましい。比較的高い値を有する基板バイアス電圧は、トレンチの底部に対するイオン反応を増大させることとなり、したがって、エッチングによる除去の速度が上がる。生成される基板バイアス電圧の周波数は、１００ＭＨｚ未満であることが好ましい。
【００２０】
以下の最適化された値は、次の一実施形態に該当するものである：
ガス圧 １２０μｂａｒ
プラズマ電力 ６００ワット
基板バイアス電圧 ２２０ボルト
ヘリウムガスフロー １２６ｓｃｃｍ
酸素ガスフロー ３２ｓｃｃｍ
六フッ化硫黄ガスフロー ５９ｓｃｃｍ
アルゴンガスフロー ８４ｓｃｃｍ
更なるガスは使用されないことが好ましい。これらの値の±５パーセントまたは±１０パーセントの変動は、最適化の範囲内である。
【００２１】
本願発明の方法、特に最適化された方法では、エッチング時において温度サイクルは必要ない。なぜなら、エッチング時における温度は、例えば４５℃（摂氏）で変化しないままだからである。より高い温度は、エッチング速度を上げる。より低い温度は、側壁保護をより好適にする。標準的なウエハーレス予備処理および自己洗浄方法以外に、付加的な処理は必要ない。したがって、５０マイクロメートルを上回るトレンチのエッチング処理を、標準的な半導体製造に導入できる。
【００２２】
一実施形態では、凹部は溝または穴である。深い穴をエッチングにより形成することに対するこの方法の適用性は、特に驚くべきことであり、予見できたことではなかった。凹部の幅が狭くても、例えばエッチングガスが穴の底部に達しないときでも、エッチングを停止しないで連続的な方法にて、深さ５０マイクロメートルを上回る凹部をエッチングにより形成できる。一発展形態では、凹部の開口縁部における最小幅寸法および凹部におけるカットアウトの連続的にエッチングされた深さのアスペクト比は、８：１または１０：１を上回っている。
【００２３】
代替的な一発展形態または更なる一発展形態では、カットアウトの開口縁部における最小幅寸法は、２０マイクロメートル未満または１０マイクロメートル未満である。
【００２４】
他の一発展形態では、凹部が形成される基板表面の元の面積サイズに対するカットアウトの開口部、または、カットアウトの複数の開口部の合計面積割合は、２０％未満または１０％未満または５％未満である。上記合計面積割合が小さいほど、より高いエッチング速度を達成できる。
【００２５】
一実施形態では、カットアウトの開口縁部を含む基板表面への距離が大きくなるに伴い先細りするテーパー形状の凹部の側壁の傾斜角は、９１度を上回り、９２度を上回り、または９３度を上回っている。なお、上記傾斜角は、１１０度未満であることが好ましい。したがって、この凹部の角の稜線から基板上の空間へと延びる側壁の傾斜角と基板表面との間の角度については、８９°未満、８８°未満、または８７°未満である。大きい程度にて先細りするカットアウトは、平行な側壁を有するカットアウトよりも、上記カットアウト内に物を充填しやすい。先細りの程度が過ぎると凹部の深さが制限される。傾斜角は、ガスフロー（プロセスガス）中の酸素の割合によって設定されることが好ましい。
【００２６】
次の一実施形態では、エッチングマスク（特に、二酸化シリコンでできたエッチングマスク）を使用して、凹部の形成位置を規定する。二酸化シリコンは、例えばＴＥＯＳ法（テトラエチルオルソシリケート法）によって製造される。熱酸化により形成された二酸化シリコンもエッチングマスクの材料として適している。
【００２７】
次の一実施形態では、シリコン含有ガス、特にシリコンおよびフッ素を含む化合物（例えば、ＳｉＦ４）を含むガスを、エッチングに利用されるプロセスチャンバーまたはエッチングチャンバーに外部から導入しない。それゆえ、本願発明の方法の実施は、簡素化されている。
【００２８】
次の一実施形態では、全ガスフローの規格は、２００ｓｃｃｍ（標準立法センチメートル）〜５００ｓｃｃｍまたは２５０ｓｃｃｍ〜３５０ｓｃｃｍであり、好ましくは、２９５ｓｃｃｍ〜３０５ｓｃｃｍである。
【００２９】
これらのガスフローは、ラム（Ｒａｍ）社のＴＣＰ（登録商標）９４００ＰＴＸタイプといった誘電結合プラズマ源のシステムでのように、エッチングチャンバーの体積（すなわち、約３０リットルの体積）に対して決定されたものである。平均滞留時間は、プロセスにとって重要なものである。平均滞留時間は、ガスフローとガス圧とから得られる。したがって、より大きな、または、より小さなチャンバー体積への換算は、上記規格を用いて行うことができる。
【００３０】
本願発明の更なる一観点では、本願発明の使用目的は、５０マイクロメートルまたは１００マイクロメートルを上回る深さを有する少なくとも１つの凹部を、連続的に流れるガスフローによって、すなわち、プラズマエッチングシステムのエッチングチャンバーに導入するガスを中断することなく、上記ガスによるエッチングにより形成するためのプラズマエッチングシステムの使用方法により達成される。
【００３１】
本願発明の使用方法の一実施形態では、プラズマエッチングシステムは、反復エッチングのための制御ユニットを備えていない。それにもかかわらず、このシステムは、５０マイクロメートルを上回る深さの溝または穴をエッチングにより形成するために使用される。一発展形態では、このプラズマエッチングシステムは、特に複数の集積回路を含むウエハー（例えば、ＭＯＳ回路（Metal Oxide Semiconductor ）、ＣＭＯＳ回路（Complementary MOS ）、ＢｉＣＭＯＳ（Bipolar CMOS）または純粋なバイポーラ回路）を形成する場合に、多結晶シリコン層をエッチングするために使用される。このことは、５０マイクロメートルを上回る深さのトレンチをエッチングにより形成するために高価な特別のシステムは必要なくなる、ということを意味している。
【００３２】
一実施形態では、エッチングによる凹部の形成中においてガスフローの組成が同一に維持される。あるいは、ガスフローの流量値が、エッチングによる凹部の形成中において同一に維持される。従って、本願発明の方法の実施を簡素化することが可能である。しかしながら、ガスフローが連続的であっても、例えば、トレンチの形状を変化させるために、または、トレンチの底部をより均一な状態にするために、エッチング期間全体の少なくとも一部において、ガスフローの流量値をエッチング中に変更する方法も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本願発明の方法に用いるプラズマエッチングシステムの構造を示す要部断面図である。
【図２】本願発明の方法に用いるエッチング中の現象を基本的に示す概念断面図である。
【図３Ａ】本願発明の方法における、異なる３つの各実施方法の異なる側壁傾斜を有するトレンチの一つの断面図である。
【図３Ｂ】本願発明の方法における、異なる３つの各実施方法の異なる側壁傾斜を有するトレンチの他の一つの断面図である。
【図３Ｃ】本願発明の方法における、異なる３つの各実施方法の異なる側壁傾斜を有するトレンチのさらに他の一つの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本願発明の実施例を、以下で、添付の各図を参照して説明する。
【００３５】
図１は、プラズマエッチングシステムの構造を示す断面図である。
【００３６】
図２は、エッチング中の現象を基本的に示す断面図である。
【００３７】
図３Ａ〜図３Ｃは、それぞれ、異なる３つの方法の実施による異なる側壁傾斜を有する各トレンチの断面図である。
【００３８】
図１に、プラズマエッチングシステム（例えば、ラム社のＴＣＰ９４００ＰＴＸタイプのプラズマエッチングシステム）１０を示す。プラズマ１２を有するエッチングチャンバーは、各側壁、チャンバーの底部１８およびチャンバーの蓋１９によって密閉されている。エッチングチャンバーのチャンバーの底部１８に、ウエハー状のシリコン基板２２を担持している基板キャリア２０が配置されている。
【００３９】
さらに、エッチングチャンバーは、１つまたは複数のガス吸気口（図示せず）を備えている。このガス吸気口に、アルゴンと、ヘリウムと、六フッ化硫黄ＳＦ６と、酸素とを含むガス混合物を流入する。流入したガス混合物の一部と、さらに反応生成物とが、１つまたは複数のガス排気口（図示せず）から同じく流出する。
【００４０】
さらに、上記プラズマエッチングチャンバーは、コイル２４を備えている。このコイル２４は、エッチングチャンバーの上側に、または、エッチングチャンバーの上部領域に配置されており、巻線３０〜４４を有している。コイルの１つの端子は、配線５２を介して、ＡＣ電源５０と電気的に接続されている。ＡＣ電源５０の他の端子は、接地電位Ｍと接続されている。ＡＣ電源５０の周波数は、１３．５６ＭＨｚである。プラズマ１２を生成するためのＡＣ電源５０は、６００ワットの消費電力規格のものである。
【００４１】
さらに、プラズマエッチングシステム１０は、１３．５６ＭＨｚの周波数で作動するＡＣ電源６０を備えている。ＡＣ電源６０の一方の端子は、導電性の配線６２を介して、導電性の基板キャリア２０と接続されている。ＡＣ電源６０の他方の端子は、接地電位Ｍと接続されている。ＡＣ電源６０は、約７０ワットの消費電力規格にて、マイナス２２０ボルトの基板バイアス電圧を生成する。
【００４２】
各ＡＣ電源５０・６０を、それぞれ別々に制御することができる。その結果、イオン密度およびイオンエネルギーを、相互に別々に調整できる。さらに、荷電粒子と非荷電粒子との関係を予め決めておくことができる。
【００４３】
図２にプラズマエッチングシステム１０のエッチングチャンバーでのエッチング中の現象を基本的に示す。トレンチの場所（特に、トレンチ７２の場所）を予め決めておくために、二酸化シリコンでできたハードマスク７０を、エッチングチャンバーへの挿入前に、フォトリソグラフィープロセスによってシリコン基板２２上に作製しておく。ハードマスク７０は、例えば深さが１００マイクロメートル、または、エッチング時間が１０００秒である凹部のために、２．５マイクロメートルの厚みを有している。上記厚みは、約３００ナノメートルのエッチング減耗分を含んでいる。トレンチ（例えば穴）は、円形の開口部７４、内周面の側壁７６、および、丸みを帯びたトレンチの底部７８を有している。各トレンチは同時に同じ深さでエッチングにより形成される。本実施例においては、トレンチ７２の深さＴは、７５マイクロメートルである。
【００４４】
図３Ａにも示すトレンチ７２をエッチングにより形成するために、以下の一定のパラメータを維持した：
ガス圧 １２０μｂａｒ、
プラズマ電力 ６００ワット、
基板バイアス電圧 −２２０ボルト、
ヘリウムガスフロー １２６ｓｃｃｍ、
酸素ガスフロー ３２ｓｃｃｍ、
六フッ化硫黄ガスフロー ５９ｓｃｃｍ、および、
アルゴンガスフロー ８４ｓｃｃｍ
以下のエッチング結果が得られた：
トレンチ深さＴ：７５マイクロメートル、
開口部７４におけるトレンチ直径（最小幅寸法）：１０マイクロメートル、
開口領域：４％（３％〜５％）、
側壁７６の傾斜角Ｗ１：８７°、
または、側壁７６の傾斜角Ｗ２：９３°、および、
エッチング速度：６マイクロメートル／分
エッチングチャンバーにおいて、とりわけ、以下の反応または現象が生じた：
イオン、特に陽イオン８０・８２が、プラズマからトレンチの底部７８まで基板バイアス電圧により加速される。トレンチの底部７８において、上記陽イオンは、シリコン酸化膜の形成を防止する。
【００４５】
プラズマ１２の作用により、フッ素ラジカルＦ＊（矢印８４参照）および硫黄ラジカルが、六フッ化硫黄ＳＦ６から生じる。
【００４６】
プラズマ１２の作用により、酸素ラジカルＯ＊（矢印８６参照）が、酸素分子から生じる。
【００４７】
硫黄ラジカルと酸素ラジカルＯ＊の一部とが反応して硫黄酸化物ＳＯＸ（例えば、一酸化硫黄ＳＯまたは二酸化硫黄ＳＯ２（矢印８８・９０参照））となる。
【００４８】
フッ素ラジカルＦ＊は、二酸化シリコンによって未だ被覆されていない、または、二酸化シリコンによって未だ充分には被覆されていない側壁７６の場所で、シリコン基板２２のシリコンと反応し、特にトレンチの底部７８の周辺領域（矢印９２参照）で、トレンチの底部７８（矢印９４参照）のシリコンと反応する。その結果、フッ化シリコンＳｉＦＸ（例えば、四フッ化シリコンＳｉＦ４（矢印９６・９８参照））が生じる。
【００４９】
酸素ラジカルＯ＊の他の部分は、フッ化シリコン化合物ＳＩＦＸと反応し、二酸化シリコンＳｉＯ２を生成する。生成した二酸化シリコンＳｉＯ２は、側壁７６上に堆積する（矢印１００・１０２・１０４を参照）。他の酸素ラジカルＯ＊は、シリコン基板２２のシリコンとも直接反応し、二酸化シリコンＳｉＯ２を生成する。
【００５０】
トレンチ７２の断面に沿ったＳＥＭ（Secondary Electron Microscopy ）画像の再現を図３Ａに示す。
【００５１】
図３Ｂに、以下のプロセスパラメータを使用してエッチングにより形成した各トレンチ１２０〜１２６の断面に沿ったＳＥＭ画像の再現を示す。
ガス圧 ９３μｂａｒ、
プラズマ電力 ７００ワット、
基板バイアス電圧 −２００ボルト、
ヘリウムガスフロー １３１ｓｃｃｍ、
酸素ガスフロー ３５ｓｃｃｍ、
六フッ化硫黄ガスフロー ５３ｓｃｃｍ、および、
アルゴンガスフロー １３１ｓｃｃｍ
以下のエッチング結果となった。
トレンチ深さＴ：５６マイクロメートル、
開口部におけるトレンチ直径：１０マイクロメートル、
開口領域：４％（３％〜５％）、
側壁７６の傾斜角Ｗ１：８９°
側壁７６の傾斜角Ｗ２：９１°
エッチング速度：４．５マイクロメートル／分
図３Ｃに、以下のプロセスパラメータを使用してエッチングにより形成した各トレンチ１３０〜１３６の断面に沿ったＳＥＭ画像の再現を示す。
ガス圧 １２０μｂａｒ、
プラズマ電力 ８００ワット、
基板バイアス電圧 −２２０ボルト、
ヘリウムガスフロー １２２ｓｃｃｍ、
酸素ガスフロー ５０ｓｃｃｍ、
六フッ化硫黄ガスフロー ６６ｓｃｃｍ、および、
アルゴンガスフロー １６８ｓｃｃｍ
以下のエッチング結果となった：
トレンチ深さＴ：６８マイクロメートル
開口部におけるトレンチ直径：１０マイクロメートル
開口領域：４％（３％〜５％）
側壁７６の傾斜角Ｗ１：８８°
側壁７６の傾斜角Ｗ２：９２°
エッチング速度：５マイクロメートル／分
実施例は、ＴＣＰ（Transformer Coupled Plasma）プロセスチャンバーを用いた場合について説明したものである。同様な機能を有する他のプロセスチャンバー（プラズマ源）としては、とりわけ、ＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma source 、誘導結合プラズマ源）チャンバー、ＩＰＳ（Inductive Coupled Plasma Source ）チャンバーまたはＤＰＳ（Decoupled Plasma Source ）チャンバーが挙げられる。
【００５２】
これらの全ての各プロセスチェンバーのシステムは、１立方センチメートルにつき少なくとも１０１０個のイオンのプラズマ密度、好ましくは１０１１個のイオン／ｃｍ３および１０１２個のイオン／ｃｍ３の範囲内のプラズマ密度を有するＨＤＰ（High Density Plasma、高密度プラズマ）を生成する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板（２２）に凹部（７２）を異方性エッチングにより形成する方法であって、
プラズマを使用して、反応性エッチングガスをエネルギー励起し、
上記反応性エッチングガスが、連続的に流れるガスフローの成分であり、
上記エッチング時に、上記ガスフローを中断することなく、少なくとも１つの凹部（７２）を、少なくとも５０マイクロメートル、または、少なくとも７５マイクロメートル、または、少なくとも１００マイクロメートルの深さに形成する方法。
【請求項２】
上記反応性エッチングガスは、フッ素またはフッ素化合物、好ましくは六フッ化硫黄ＳＦ６および／または三フッ化窒素ＮＦ３、特に単一種のフッ素化合物を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記反応性エッチングガスは、フッ素フリーの添加ガス、好ましくは酸化物形成剤、特に酸素分子を含み、
および／または、
フッ素フリーの添加ガスによる組成分、特に酸素ガスフローによる組成分は、全活性ガスフロー中、２０％〜５０％、または３０％〜４０％であり、好ましくは３５％であることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
上記エッチングガスは、単一種の不活性ガスもしくは希ガス、特にヘリウムもしくはアルゴン、または、複数種の不活性ガスもしくは希ガス、特にヘリウムおよびアルゴンを含み、
および／または、
上記アルゴンガスフローによる組成分は、全不活性ガスフロー中、２５％〜６５％または３５％〜５５％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
反応性エッチングガスを含む上記ガスフローによる上記組成分は、上記全ガスフロー中、２０％〜４０％の範囲内または２５％〜３５％の範囲内であり、好ましくは２８％〜３２％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
上記エッチング中の圧力は、０．０５ｍｂａｒまたは０．１ｍｂａｒを上回り、好ましくは０．５ｍｂａｒまたは０．２５ｍｂａｒ未満であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
上記プラズマを、３００ワット〜１２００ワットまたは５００ワット〜１０００ワットの電力で、特に６００ワットの電力で生成し、
上記プラズマを生成するための周波数は、好ましくは１００ＭＨｚ未満であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
基板電圧を、５０ワットまたは６０ワットを上回り、好ましく７０ワットを上回り、好ましくは７００ワット未満である電力で生成し、
および／または、
基板バイアス電圧を、１５０ボルトまたは１８０ボルトまたは２１０ボルトを上回り、好ましくは６００ボルト未満の値で生成し、
上記基板バイアス電圧を生成するための周波数は、好ましくは１００ＭＨｚ未満であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
以下の値：
ガス圧 １２０μｂａｒ
プラズマ電力 ６００ワット
基板バイアス電圧 −２２０ボルト
ヘリウムガスフロー １２６ｓｃｃｍ
酸素ガスフロー ３２ｓｃｃｍ
六フッ化硫黄ガスフロー ５９ｓｃｃｍ
アルゴンガスフロー ８４ｓｃｃｍ
もしくは上記値から最大で±５パーセントまたは最大で±１０パーセント相違する値をとり、好ましくは他の添加ガスを使用しない、
または、
以下の値：
ガス圧 ９３μｂａｒ
プラズマ電力 ７００ワット
基板バイアス電圧 −２００ボルト
ヘリウムガスフロー １３１ｓｃｃｍ
酸素ガスフロー ３５ｓｃｃｍ
六フッ化硫黄ガスフロー ５３ｓｃｃｍ
アルゴンガスフロー １３１ｓｃｃｍ
もしくは上記値から最大で±５パーセントまたは最大で±１０パーセント相違する値をとり、好ましくは他の添加ガスを使用しない、
または、
以下の値：
ガス圧 １２０μｂａｒ
プラズマ電力 ８００ワット
基板バイアス電圧 −２２０ボルト
ヘリウムガスフロー １１２ｓｃｃｍ
酸素ガスフロー ５０ｓｃｃｍ
六フッ化硫黄ガスフロー ６６ｓｃｃｍ
アルゴンガスフロー １６８ｓｃｃｍ
もしくは上記値から最大で±５パーセントまたは最大で±１０パーセント相違する値をとり、好ましくは他の添加ガスを使用しないことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
上記凹部（７２）は、溝または穴であり、
および／または、
上記凹部（７２）の開口縁部における最小幅寸法および上記凹部（７２）の上記連続的にエッチングされた深さ（Ｔ）のアスペクト比は、８：１または１０：１を上回り、
および／または、
上記凹部（７２）の上記開口縁部における最小幅寸法は、２０マイクロメートル未満または１０マイクロメートル未満であり、
および／または、
上記凹部（７２）が形成される上記基板表面における、元の面積サイズに対する上記凹部（７２）の上記開口部または上記凹部（７２）の上記複数の開口部の割合は、２０％未満または１０％未満または５％未満であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
上記凹部の開口縁部を含む上記基板表面への距離が大きくなるに伴い先細りするテーパー形状の上記凹部の側壁の傾斜角（Ｗ２）は、９１度を上回り、９２度を上回り、または９３度を上回り、好ましくは１１０度未満であり、好ましくはガスフロー中の酸素の割合によって設定されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
エッチングマスク（７０）、特に二酸化シリコンによるエッチングマスクを使用して、上記凹部（７２）の形成位置を規定することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
シリコン含有ガス、特にシリコンおよびフッ素を含む化合物を有するガスを、エッチングに利用されるエッチングチャンバーへ外部から導入しないことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
上記ガスフローの全流量は、２００〜５００ｓｃｃｍ、または、２５０〜３５０ｓｃｃｍ、好ましくは２９５〜３０５ｓｃｃｍであり、
および／または、
上記エッチングチャンバーの上記チャンバー体積は、３０リットルであり、
または、
上記ガスフローの全流量は、滞留時間を同一に維持したままで異なるチャンバー体積に換算されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法に基づくプラズマエッチングシステム（１０）の使用方法であって、
上記プラズマエッチングシステム（１０）のエッチングチャンバーへ流入するガスを中断することなく、連続的に流れるガスフローによって、５０マイクロメートルを上回る、または、７５マイクロメートルを上回る、または、１００μメートルを上回る深さ（Ｔ）を有する少なくとも１つの凹部（７２）をエッチングにより形成するための使用方法。
【請求項１６】
上記プラズマエッチングシステムは反復エッチングのための制御ユニットを備えていないことを特徴とする請求項１５に記載の使用方法。
【請求項１７】
上記ガスフローの組成を、上記凹部のエッチング中において同一に維持し、
および／または、
上記ガスフローの流量値を、上記凹部のエッチング中において同一に維持することを特徴とする請求項１５または１６に記載の使用方法。
【請求項１８】
上記プラズマエッチングシステム（１０）は、エネルギーが誘導的に結合されて導入される、または、マイクロ波放射における放射によって導入されるプラズマ源（２４，５０）を用いるシステムであることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の使用方法。
【請求項１】
シリコン基板（２２）に凹部（７２）を異方性エッチングにより形成する方法であって、
プラズマを使用して、反応性エッチングガスをエネルギー励起し、
上記反応性エッチングガスが、連続的に流れるガスフローの成分であり、
上記エッチング時に、上記ガスフローを中断することなく、少なくとも１つの凹部（７２）を、少なくとも５０マイクロメートル、または、少なくとも７５マイクロメートル、または、少なくとも１００マイクロメートルの深さに形成する方法。
【請求項２】
上記反応性エッチングガスは、フッ素またはフッ素化合物、好ましくは六フッ化硫黄ＳＦ６および／または三フッ化窒素ＮＦ３、特に単一種のフッ素化合物を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記反応性エッチングガスは、フッ素フリーの添加ガス、好ましくは酸化物形成剤、特に酸素分子を含み、
および／または、
フッ素フリーの添加ガスによる組成分、特に酸素ガスフローによる組成分は、全活性ガスフロー中、２０％〜５０％、または３０％〜４０％であり、好ましくは３５％であることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
上記エッチングガスは、単一種の不活性ガスもしくは希ガス、特にヘリウムもしくはアルゴン、または、複数種の不活性ガスもしくは希ガス、特にヘリウムおよびアルゴンを含み、
および／または、
上記アルゴンガスフローによる組成分は、全不活性ガスフロー中、２５％〜６５％または３５％〜５５％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
反応性エッチングガスを含む上記ガスフローによる上記組成分は、上記全ガスフロー中、２０％〜４０％の範囲内または２５％〜３５％の範囲内であり、好ましくは２８％〜３２％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
上記エッチング中の圧力は、０．０５ｍｂａｒまたは０．１ｍｂａｒを上回り、好ましくは０．５ｍｂａｒまたは０．２５ｍｂａｒ未満であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
上記プラズマを、３００ワット〜１２００ワットまたは５００ワット〜１０００ワットの電力で、特に６００ワットの電力で生成し、
上記プラズマを生成するための周波数は、好ましくは１００ＭＨｚ未満であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
基板電圧を、５０ワットまたは６０ワットを上回り、好ましく７０ワットを上回り、好ましくは７００ワット未満である電力で生成し、
および／または、
基板バイアス電圧を、１５０ボルトまたは１８０ボルトまたは２１０ボルトを上回り、好ましくは６００ボルト未満の値で生成し、
上記基板バイアス電圧を生成するための周波数は、好ましくは１００ＭＨｚ未満であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
以下の値：
ガス圧 １２０μｂａｒ
プラズマ電力 ６００ワット
基板バイアス電圧 −２２０ボルト
ヘリウムガスフロー １２６ｓｃｃｍ
酸素ガスフロー ３２ｓｃｃｍ
六フッ化硫黄ガスフロー ５９ｓｃｃｍ
アルゴンガスフロー ８４ｓｃｃｍ
もしくは上記値から最大で±５パーセントまたは最大で±１０パーセント相違する値をとり、好ましくは他の添加ガスを使用しない、
または、
以下の値：
ガス圧 ９３μｂａｒ
プラズマ電力 ７００ワット
基板バイアス電圧 −２００ボルト
ヘリウムガスフロー １３１ｓｃｃｍ
酸素ガスフロー ３５ｓｃｃｍ
六フッ化硫黄ガスフロー ５３ｓｃｃｍ
アルゴンガスフロー １３１ｓｃｃｍ
もしくは上記値から最大で±５パーセントまたは最大で±１０パーセント相違する値をとり、好ましくは他の添加ガスを使用しない、
または、
以下の値：
ガス圧 １２０μｂａｒ
プラズマ電力 ８００ワット
基板バイアス電圧 −２２０ボルト
ヘリウムガスフロー １１２ｓｃｃｍ
酸素ガスフロー ５０ｓｃｃｍ
六フッ化硫黄ガスフロー ６６ｓｃｃｍ
アルゴンガスフロー １６８ｓｃｃｍ
もしくは上記値から最大で±５パーセントまたは最大で±１０パーセント相違する値をとり、好ましくは他の添加ガスを使用しないことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
上記凹部（７２）は、溝または穴であり、
および／または、
上記凹部（７２）の開口縁部における最小幅寸法および上記凹部（７２）の上記連続的にエッチングされた深さ（Ｔ）のアスペクト比は、８：１または１０：１を上回り、
および／または、
上記凹部（７２）の上記開口縁部における最小幅寸法は、２０マイクロメートル未満または１０マイクロメートル未満であり、
および／または、
上記凹部（７２）が形成される上記基板表面における、元の面積サイズに対する上記凹部（７２）の上記開口部または上記凹部（７２）の上記複数の開口部の割合は、２０％未満または１０％未満または５％未満であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
上記凹部の開口縁部を含む上記基板表面への距離が大きくなるに伴い先細りするテーパー形状の上記凹部の側壁の傾斜角（Ｗ２）は、９１度を上回り、９２度を上回り、または９３度を上回り、好ましくは１１０度未満であり、好ましくはガスフロー中の酸素の割合によって設定されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
エッチングマスク（７０）、特に二酸化シリコンによるエッチングマスクを使用して、上記凹部（７２）の形成位置を規定することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
シリコン含有ガス、特にシリコンおよびフッ素を含む化合物を有するガスを、エッチングに利用されるエッチングチャンバーへ外部から導入しないことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
上記ガスフローの全流量は、２００〜５００ｓｃｃｍ、または、２５０〜３５０ｓｃｃｍ、好ましくは２９５〜３０５ｓｃｃｍであり、
および／または、
上記エッチングチャンバーの上記チャンバー体積は、３０リットルであり、
または、
上記ガスフローの全流量は、滞留時間を同一に維持したままで異なるチャンバー体積に換算されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法に基づくプラズマエッチングシステム（１０）の使用方法であって、
上記プラズマエッチングシステム（１０）のエッチングチャンバーへ流入するガスを中断することなく、連続的に流れるガスフローによって、５０マイクロメートルを上回る、または、７５マイクロメートルを上回る、または、１００μメートルを上回る深さ（Ｔ）を有する少なくとも１つの凹部（７２）をエッチングにより形成するための使用方法。
【請求項１６】
上記プラズマエッチングシステムは反復エッチングのための制御ユニットを備えていないことを特徴とする請求項１５に記載の使用方法。
【請求項１７】
上記ガスフローの組成を、上記凹部のエッチング中において同一に維持し、
および／または、
上記ガスフローの流量値を、上記凹部のエッチング中において同一に維持することを特徴とする請求項１５または１６に記載の使用方法。
【請求項１８】
上記プラズマエッチングシステム（１０）は、エネルギーが誘導的に結合されて導入される、または、マイクロ波放射における放射によって導入されるプラズマ源（２４，５０）を用いるシステムであることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の使用方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【公開番号】特開２０１２−１４６９９１（Ｐ２０１２−１４６９９１Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−３６６８７（Ｐ２０１２−３６６８７）
【出願日】平成２４年２月２２日（２０１２．２．２２）
【分割の表示】特願２００６−５１９９０９（Ｐ２００６−５１９９０９）の分割
【原出願日】平成１６年６月２９日（２００４．６．２９）
【出願人】（５０１２０９０７０）インフィネオン テクノロジーズ アーゲー (331)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＦＩＮＥＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＡＧ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年２月２２日（２０１２．２．２２）
【分割の表示】特願２００６−５１９９０９（Ｐ２００６−５１９９０９）の分割
【原出願日】平成１６年６月２９日（２００４．６．２９）
【出願人】（５０１２０９０７０）インフィネオン テクノロジーズ アーゲー (331)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＦＩＮＥＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＡＧ
【Ｆターム（参考）】
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