JP2010067855A - ドライエッチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板のエッチング加工において、側壁ダメージの防止、マイクロトレンチの防止および垂直形状加工を両立させる。
【解決手段】真空可能なチャンバ１０内に配置されたサセプタ（下部電極）１２上にシリコン基板Ｗを載置し、チャンバ１０内でエッチングガスを放電させてプラズマを生成し、サセプタ１２にイオンを引き込むための第１の高周波ＲＦ_Lを印加する。そして、チャンバ１０内の圧力を１mTorr〜１００mTorrに選び、圧力（mTorr）をｘ、サセプタ１２に生成される自己バイアス電圧（ボルト）の絶対値をｙとすると、ｙ≧−１．７ｘ＋２９５の関係が満たされるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマを用いてシリコン基板をエッチング加工するドライエッチング方法に関する。

半導体デバイスの製造では、シリコン基板上に所定の薄膜を形成する工程とその薄膜をリソグラフィを経てドライ（プラズマ）エッチングによりパターニング加工する工程とが数多く繰り返されるが、製造工程の初期段階でシリコン基板そのもののドライエッチングもよく行われている。

これまでの代表的なシリコン基板のドライエッチングは、素子分離用の溝状トレンチあるいはキャパシタ用の穴状トレンチを形成するＳiトレンチのエッチングである。Ｓiトレンチのエッチングでは、トレンチの縦横比（アスペクト比）やトレンチ縦断面形状の制御が重視され、特にトレンチの内壁が樽状にえぐれるボウイングやマスク下のエッチング（サイドエッチング）等の抑制が重要課題になっている。このような技術的課題を解決するために、エッチングガスには臭化水素（ＨＢr）のような水素を含んだハロゲン化合物ガス、あるいはＣｌ₂などのハロゲンガスにＣＨＦ₃などを添加した混合ガスが用いられ、エッチング装置にはプラズマ中のイオンに方向性を持たせて被エッチング材（シリコン基板）と反応させる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置が多用されている。
特開２００３−２１８０９３

ところで、シリコン基板上に作製される半導体デバイスの高集積化や高性能化に伴って、デバイスを構成する半導体素子は略０．７倍のスケーリング則で微細化している。そして、現在の半導体製品に適用されている６５ｎｍ、４５ｎｍのデザインルール（設計基準）は次世代の開発製品で３２ｎｍ程度となり、次々世代においては２２ｎｍ程度になると予想されている。

デバイス設計基準が次々世代の２２ｎｍ程度になると、ＬＳＩを構成する基本的な半導体素子である絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）は、そのチャネル領域およびソース・ドレイン領域がこれまでのシリコン基板主面に平面的に作製される二次元構造（平面構造）から立体的に作製される三次元構造（立体構造）に変わる可能性が高い。この立体構造では、チャネル領域が基板主面上に突出して延びるフィンあるいはピラーの側壁に形成され、ソース・ドレイン領域はチャネル領域を挟んでチャネル長手方向の両側に形成される。ここで、フィンやピラーのような立体型の素子本体は、シリコン基板の主面を１００ｎｍ以上の深さにエッチング加工して得られる。

このような立体型素子本体のエッチング加工においては、被エッチング材の側壁が受けるダメージを極力少なくすることと、側壁の下端（素子本体の裾）付近に不所望な溝（マイクロトレンチ）を発生させないことが特に重要な課題となる。すなわち、従来のＳiトレンチエッチングとは異なり、この場合の被エッチング側壁はＭＩＳＦＥＴのチャネル領域として使われる部位になるため、側壁にイオンが入射して表層部の結晶格子が破壊されると、電子あるいは正孔（電荷キャリア）の易動度が下がり、ＭＩＳＦＥＴの性能が著しく低下する。さらに、ピラー型の場合は、その素子本体の裾付近にマイクロトレンチが出来ると、不純物領域（ソースまたはドレイン領域）を形成する際に障害となりやすい。もちろん、ＭＩＳＦＥＴ性能の安定性・再現性の面から被エッチング材側壁の垂直形状にも一層の精度が要求される。

本発明は、上述した実状に鑑みてなされたもので、シリコン基板のエッチング加工、特に立体型構造体を作製するためのエッチング加工において、側壁ダメージの防止、マイクロトレンチの防止および垂直形状加工を両立させることができるドライエッチング方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の観点におけるドライエッチング方法は、真空可能な処理容器内に配置された第１の電極上にシリコン基板を載置し、前記処理容器内でエッチングガスを放電させてプラズマを生成し、前記第１の電極に前記プラズマからイオンを引き込むための第１の高周波を印加し、前記プラズマの下で前記シリコン基板をエッチングするドライエッチング方法であって、前記処理容器内の圧力を１mTorr〜１００mTorrに選び、前記圧力（mTorr）をｘ、前記第１の電極に生成される自己バイアス電圧（ボルト）の絶対値をｙ_Sとすると、下記の式（１）の関係が満たされるようにする。
ｙ_S≧−１．７ｘ＋２９５ ・・・（１）

本発明者は、シリコン基板のドライエッチング、特にシリコン基板の主面に立体型素子本体のような立体型構造体を形成するドライエッチングにおいて、(i)被エッチング体の側壁にイオン衝撃またはイオン入射のダメージを与えないこと、(ii) 側壁の垂直形状加工性がすぐれていること、(iii)側壁下端（裾）付近に溝または窪みとして発生し得るマイクロトレンチの深さが可及的に小さくすることの３つの要件を満たすためのプロセス条件について、幾多の実験を重ねて鋭意検討した結果、処理容器内の圧力と自己バイアス電圧との間に上記の式（１）で規定される相関関係が満たされればよいことを突き止めた。

また、下記の式（２）が満たされることによってより好ましいエッチング特性が得られること、さらには下記の式（３）が満たされることによって更に好ましいエッチング特性が得られることも突き止めた。
ｙ_S≧−１．７ｘ＋３９５ ・・・（２）
−１．７ｘ＋３９５≦ｙ_S≦−１．７ｘ＋４９５ ・・・（３）

また、本発明の第２の観点におけるドライエッチング方法は、真空可能な処理容器内に配置された第１の電極上にシリコン基板を載置し、前記処理容器内でエッチングガスを放電させてプラズマを生成し、前記第１の電極に前記プラズマからイオンを引き込むための第１の高周波を印加し、前記プラズマの下で前記シリコン基板をエッチングするドライエッチング方法であって、前記処理容器内の圧力を１mTorr〜１００mTorrに選び、前記圧力（mTorr）をｘ、前記第１の電極における単位面積当たりの前記第１の高周波のパワー密度（ワット／ｃｍ²）をｙ_Mとすると、下記の式（４）の関係が満たされるようにする。
ｙ_M≧２．８４×１０^-3ｘ＋０．２８ ・・・（４）

本発明者は、上記(i)，(ii)，(iii)の３要件を満たすためのプロセス条件について、幾多の実験を重ねて鋭意検討した結果、処理容器内の圧力とシリコン基板をバイアスＲＦパワー密度との間に上記の式（４）で規定される相関関係が満たされればよいことも突き止めた。

また、下記の式（５）が満たされることによってより好ましいエッチング特性が得られること、さらには下記の式（６）が満たされることによって更に好ましいエッチング特性が得られることも突き止めた。

下記の式（５）の関係が満たされる、請求項１に記載のドライエッチング方法。
ｙ_M≧２．８４×１０^-3ｘ＋０．５７ ・・・（５）
２．８４×１０^-3ｘ＋０．５７≦ｙ_M≦２．８４×１０^-3ｘ＋０．８５ ・・（６）

本発明においては、上記の式（１）、（２）、（３）のいずれかと上記の式（４）、（５）、（６）のいずれかとが同時に満たされることによって更に好ましいエッチング特性が得られ、特に（３）、（６）が同時に満たされることによって最も好ましいエッチング特性が得られる。

本発明においては、垂直形状加工性においてボーイング形状を十全に防止するうえで、処理容器内の圧力としては、３mTorr〜２０mTorrが特に好ましい。また、第１の電極の温度は６０℃以上が好ましく、８０℃以上が更に好ましい。

また、エッチングガスのエッチャントガスとしてはハロゲンガスが好ましく、特に塩素ガスが最も好ましい。ハロゲンガスと不活性ガスとの混合ガスも使用できるが、Ｃｌ₂の単ガスが最も好ましい。

また、本発明では、ハロゲンガス（特にＣｌ₂ガス）の高密度プラズマが好ましく、電子密度は１×１０¹⁰／ｃｍ³以上が好ましい。

高密度プラズマを生成するうえでは、イオン引き込みに適した高周波とプラズマ生成に適した高周波を併用するのが望ましい。好適な一態様として、処理容器内で第１の電極と所定の間隔を隔てて平行に向かい合う第２の電極が設けられ、エッチングガスを放電させるための第２の高周波が第１の電極または第２の電極に印加されてよい。この場合、好ましくは、第１の高周波の周波数は２ＭＨｚ〜２７ＭＨｚであり、第２の高周波の周波数は４０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚである。

また、本発明では、側壁ダメージを防止ないし低減するうえで、エッチングマスクが無機物層たとえばＳiＮ（窒化珪素）からなるものが好ましい。

本発明のドライエッチング方法によれば、上記のような構成および作用により、シリコン基板のエッチング加工、特に立体型構造体を作製するためのエッチング加工において、側壁ダメージの防止、マイクロトレンチの防止および垂直形状加工を両立させることができる。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。

図１に、本発明のドライエッチング方法を実施するための好適なプラズマエッチング装置の構成を示す。このプラズマエッチング装置は、ＲＦ下部２周波印加方式の容量結合型（平行平板型）であり、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円筒型チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は保安接地されている。

チャンバ１０内には、被処理体（被処理基板）としてシリコンウエハＷを載置する円板状の下部電極またはサセプタ１２が設けられている。このサセプタ１２は、たとえばアルミニウムからなり、絶縁性の筒状保持部１４を介してチャンバ１０の底から垂直上方に延びる筒状支持部１６に支持されている。筒状保持部１４の上面には、サセプタ１２の上面を環状に囲むたとえば石英やシリコンからなるフォーカスリング１８が配置されている。

チャンバ１０の側壁と筒状支持部１６との間には排気路２０が形成され、この排気路２０の入口または途中に環状のバッフル板２２が取り付けられるとともに底部に排気口２４が設けられている。この排気口２４に排気管２６を介して排気装置２８が接続されている。排気装置２８は、真空ポンプを有しており、チャンバ１０内の処理空間を所定の真空度まで減圧することができる。チャンバ１０の側壁には、シリコンウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ３０が取り付けられている。

サセプタ１２には、イオン引き込み用の第１高周波電源３２が第１整合器３４および給電棒３６を介して電気的に接続されている。この高周波電源３２は、プラズマ中のイオンをシリコンウエハＷに引き込むのに適した１３．５６ＭＨｚ以下の周波数を有する第１高周波ＲＦ_Lを下部電極つまりサセプタ１２に印加する。

また、サセプタ１２には、プラズマ生成用の第２高周波電源７０が第２整合器７２および給電棒３６を介して電気的に接続されている。この第２高周波電源７０は、エッチングガスを高周波で放電させるの適した４０ＭＨｚ以上の周波数を有する第２高周波ＲＦ_Hをサセプタ１２に印加する。

なお、チャンバ１０の天井部には、後述するシャワーヘッド３８が接地電位の上部電極として設けられている。高周波電源３２，７０からの高周波ＲＦ_L，ＲＦ_Hはサセプタ１２とシャワーヘッド３８との間に容量的に印加される。

サセプタ１２の上面にはシリコンウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック４０が設けられている。この静電チャック４０は導電膜からなる電極４０ａを一対の絶縁膜４０ｂ，４０ｃの間に挟み込んだものであり、電極４０ａには直流電源４２がスイッチ４３を介して電気的に接続されている。直流電源４２からの直流電圧により、クーロン力でシリコンウエハＷをチャック上に吸着保持することができる。

サセプタ１２の内部には、たとえば円周方向に延在する冷媒室４４が設けられている。この冷媒室４４には、チラーユニット４６より配管４８、５０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静電チャック４０上のシリコンウエハＷの処理温度を制御できる。さらに、伝熱ガス供給部５２からの伝熱ガスたとえばＨｅガスが、ガス供給ライン５４を介して静電チャック４０の上面とシリコンウエハＷの裏面との間に供給される。

天井部のシャワーヘッド３８は、多数のガス通気孔５６ａを有する下面の電極板５６と、この電極板５６を着脱可能に支持する電極支持体５８とを有する。電極支持体５８の内部にバッファ室６０が設けられ、このバッファ室６０のガス導入口６０ａには処理ガス供給部６２からのガス供給配管６４が接続されている。

チャンバ１０の周囲には、環状または同心状に延在する磁石６６が配置されている。チャンバ１０内において、シャワーヘッド３８とサセプタ１２との間に形成される第２高周波ＲＦ_HによるＲＦ電界と磁石６６による磁界との重畳作用により、サセプタ１２の表面近傍に高密度のプラズマが生成される。この実施形態では、本発明のドライエッチング方法を実施するために、チャンバ１０の室内、特にシャワーヘッド３８とサセプタ１２との間のプラズマ生成空間が１mTorr（約０．１３３Ｐａ）程度の低圧であっても、電子密度が１×１０¹⁰／ｃｍ³以上の高密度プラズマが得られるようになっている。

制御部６８は、このプラズマエッチング装置内の各部たとえば排気装置２８、第１高周波電源３２、第１整合器３４、静電チャック用のスイッチ４３、チラーユニット４６、伝熱ガス供給部５２、処理ガス供給部６２、第２高周波電源７０および第２整合器７２等の動作を制御するもので、ホストコンピュータ（図示せず）等とも接続されている。

このプラズマエッチング装置において、ドライエッチングを行うには、先ずゲートバルブ３０を開状態にして加工対象のシリコンウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック４０の上に載置する。そして、処理ガス供給部６２よりエッチングガスを所定の流量および流量比でチャンバ１０内に導入し、排気装置２８によりチャンバ１０内の圧力を設定値にする。さらに、第１高周波電源３２より所定のパワーで第１の高周波ＲＦ_Lをサセプタ１２に供給すると同時に、第２高周波電源７０からも所定のパワーで第２の高周波ＲＦ_Hをサセプタ１２に供給する。また、直流電源４２より直流電圧を静電チャック４０の電極４０ａに印加して、シリコンウエハＷを静電チャック４０上に固定する。シャワーヘッド３８より吐出されたエッチングガスは両電極１２，３８間で放電してプラズマ化し、このプラズマで生成されるラジカルやイオンがシリコンウエハＷ表面のエッチングマスクを通して被エッチング材（シリコン基板）と反応し、被エッチング材が所望のパターンにエッチングされる。

このドライエッチングのプロセスにおいて、エッチングガスの放電またはプラズマ生成には第２高周波電源７０よりサセプタ（下部電極）１２に印加される比較的高い周波数（４０ＭＨｚ以上、好ましくは８０ＭＨｚ以上）の高周波ＲＦ_Hが主に寄与し、プラズマからシリコンウエハＷへのイオンの引き込みには第１高周波電源３２よりサセプタ（下部電極）１２に印加される比較的低い周波数（２７ＭＨｚ以下、好ましくは１３．５６ＭＨｚ以下）の高周波ＲＦ_Lが主に寄与する。

ドライエッチングの最中は、つまり処理空間にプラズマが生成されている間は、そのバルクプラズマとサセプタ（下部電極）１２との間に下部イオンシースが形成され、サセプタ１２ないしシリコンウエハＷには下部イオンシースの電圧降下に略等しい負極性の自己バイアス電圧Ｖ_dcが発生する。この自己バイアス電圧Ｖ_dcの絶対値｜Ｖ_dc｜は、サセプタ１２に印加される第１高周波ＲＦ_Lの電圧の尖頭値Ｖ_ppに比例する。実施形態におけるプラズマエッチング装置（図１）では、本発明のドライエッチング方法を実施するために、少なくとも−６００Ｖ〜−１２０Ｖの範囲で自己バイアス電圧Ｖ_dcが得られるようになっている。

次に、図２〜図１２を参照して、本発明を好適に適用できるエッチング加工例として、シリコンウエハＷの主面に縦型トランジスタ（Vertical Transistor）用のピラー型素子本体を形成するための一実施形態によるドライエッチング方法を説明する。

この種のピラー型素子本体を作製するには、シリコンウエハＷ上に形成されたマスク材料（好ましくは無機物層）を図２Ａに示すように所望の口径（直径）Ｌを有する円板１００にパターニングして、これをエッチングマスクとし、所望の深さＨまでシリコンウエハＷをエッチング加工する。そうすると、図３に示すようにシリコンウエハＷの主面に所望サイズ、たとえば直径Ｌ＝２０ｎｍ前後、高さＨ＝２００ｎｍ前後の円柱状ピラー型素子本体１０２が形成される。なお、図３（ａ）および図３（ｂ）はそれぞれピラー型素子本体１０２の上面図および縦断面図であり、エッチングマスク１００（図２）は除去されている。

このようなピラー型素子本体１０２を作製するうえでシリコンドライエッチングに求められる加工要件の中で最も重要なものは、(i)ピラー側壁１０２ａにイオン衝撃またはイオン入射のダメージを与えないこと、(ii) ピラー側壁１０２ａの垂直形状加工性がすぐれている（理想的にはテーパ角θ＝９０°にする）こと、(iii)ピラー裾付近に溝または窪みとして発生し得るマイクロトレンチ１０４の深さが可及的に小さい（理想的には深さｄ＝０にする）ことである。

この実施形態では、上記したプラズマエッチング装置（図１）を用いてシリコンウエハＷに種種の条件下でドライエッチングを施して上記のようなピラー型素子本体１０２を作製するエッチング加工の実験を行った。主なエッチング条件は下記のとおりである。この実験では、チャンバ１０内の圧力と、イオン引き込み用の第１高周波ＲＦ_Lのパワー（バイアスＲＦパワー）と、自己バイアス電圧Ｖ_dcの３つをパラメータとした。
シリコンウエハ口径＝３００ｍｍ
エッチングマスク：上層ＳiＮ（１５０ｎｍ）
エッチングガス：Ｃｌ₂ガス＝１００ｓｃｃｍ
ガス圧力：１ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒ
第１高周波：１３ＭＨｚ、バイアスＲＦパワー＝１００〜８００Ｗ
第２高周波：１００ＭＨｚ、ＲＦパワー＝５００Ｗ
自己バイアス電圧：−４８０Ｖ〜−１３０Ｖ
上部及び下部電極間距離＝３０ｍｍ
下部電極面積＝７０３．１ｃｍ²（口径３００ｍｍ）
温度：上部電極／チャンバ側壁／下部電極＝８０／７０／８５℃
エッチング時間＝３０秒〜５８秒

（実施例）
図４および図５に、実施例１〜１２で使われたパラメータ値および得られたエッチング特性を一覧表に示す。

実施例１
ガス圧力を３mTorr、バイアスＲＦパワーを４００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖ_dcを−４５０Ｖに選んだ場合であり、マイクロトレンチ深さｄ＝０ｎｍ、テーパ角θ＝８８．７°のエッチング結果が得られた。

実施例２
ガス圧力を２０mTorr、バイアスＲＦパワーを６００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖ_dcを−４８０Ｖに選んだ場合であり、マイクロトレンチ深さｄ＝０ｎｍ、テーパ角θ＝８９°のエッチング結果が得られた。

実施例３
ガス圧力を５０mTorr、バイアスＲＦパワーを８００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖ_dcを−４３０Ｖに選んだ場合であり、マイクロトレンチ深さｄ＝０ｎｍ、テーパ角θ＝８９．８°のエッチング結果が得られた。

実施例４
ガス圧力を１００mTorr、バイアスＲＦパワーを８００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖ_dcを−２５０Ｖに選んだ場合であり、マイクロトレンチ深さｄ＝０ｎｍ、テーパ角θ＝８８．２°のエッチング結果が得られた。

実施例５
ガス圧力を３mTorr、バイアスＲＦパワーを３００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖ_dcを−３７０Ｖに選んだ場合であり、マイクロトレンチ深さｄ＝８ｎｍ、テーパ角θ＝８７．０°のエッチング結果が得られた。

実施例６
ガス圧力を２０mTorr、バイアスＲＦパワーを４００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖ_dcを−３５０Ｖに選んだ場合であり、マイクロトレンチ深さｄ＝８ｎｍ、テーパ角θ＝８８．２°のエッチング結果が得られた。

実施例７
ガス圧力を２mTorr、バイアスＲＦパワーを２００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖ_dcを−３１０Ｖに選んだ場合であり、マイクロトレンチ深さｄ＝１４ｎｍ、テーパ角θ＝８８．９°のエッチング結果が得られた。

実施例８
ガス圧力を５０mTorr、バイアスＲＦパワーを４００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖ_dcを−２２０Ｖに選んだ場合であり、マイクロトレンチ深さｄ＝１４ｎｍ、テーパ角θ＝８６．４°のエッチング結果が得られた。

実施例９
ガス圧力を５mTorr、バイアスＲＦパワーを２００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖ_dcを−２９０Ｖに選んだ場合であり、マイクロトレンチ深さｄ＝１６ｎｍ、テーパ角θ＝８７．１°のエッチング結果が得られた。

実施例１０
ガス圧力を１００mTorr、バイアスＲＦパワーを４００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖ_dcを−１３０Ｖに選んだ場合であり、マイクロトレンチ深さｄ＝１６ｎｍ、テーパ角θ＝８３．４°のエッチング結果が得られた。

実施例１１
ガス圧力を３mTorr、バイアスＲＦパワーを２００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖ_dcを−３００Ｖに選んだ場合であり、マイクロトレンチ深さｄ＝１８ｎｍ、テーパ角θ＝８６．８°のエッチング結果が得られた。

実施例１２
ガス圧力を２０mTorr、バイアスＲＦパワーを３００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖ_dcを−２９０Ｖに選んだ場合であり、マイクロトレンチ深さｄ＝１８ｎｍ、テーパ角θ＝８７．４°のエッチング結果が得られた。

（比較例）
図６に、比較例１〜４で選択されたパラメータ値および得られたエッチング特性を一覧表に示す。

比較例１
ガス圧力を１mTorr、バイアスＲＦパワーを１００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖ_dcを−１９０Ｖに選んだ場合であり、マイクロトレンチ深さｄ＝２２ｎｍ、テーパ角θ＝８４．４°のエッチング結果が得られた。

比較例２
ガス圧力を２０mTorr、バイアスＲＦパワーを２００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖ_dcを−２４０Ｖに選んだ場合であり、マイクロトレンチ深さｄ＝２８ｎｍ、テーパ角θ＝８５．７°のエッチング結果が得られた。

比較例３
ガス圧力を３mTorr、バイアスＲＦパワーを１００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖ_dcを−１７０Ｖに選んだ場合であり、マイクロトレンチ深さｄ＝３４ｎｍ、テーパ角θ＝８５．３°のエッチング結果が得られた。

比較例４
ガス圧力を２０mTorr、バイアスＲＦパワーを１００Ｗ、自己バイアス電圧Ｖ_dcを−１１０Ｖに選んだ場合であり、マイクロトレンチ深さｄ＝４８ｎｍ、テーパ角θ＝８４．６°のエッチング結果が得られた。

上記のように、実施例１〜１２ではマイクロトレンチ深さｄが実用的に許容可能な２０ｎｍ以下であり、比較例１〜４では許容できないｄ＞２０ｎｍであった。

また、上記実験のエッチング加工では、エッチングガスに単ガスのＣｌ₂を使用し、エッチングマスク１００には水素や炭素等を含まない無機物層（ＳiＮ／ＳiＯ₂）を用いているので、側壁に重合膜等が堆積しにくく、いわゆる側壁保護効果は小さい。したがって、側壁の垂直性が良いほど、側壁へのイオン衝撃ないしイオン入射は少なく、側壁ダメージは小さいということになる。この点、実施例１〜１２ではテーパ角θが実用的に許容できる８６°以上であり、比較例１〜４は８６°未満であった。なお、エッチングマスク１００の下層のＳiＯ₂層は、ＳiＮ層にかかる応力を緩和するためのものである。

図７および図８に、上記実施例１〜１２および上記比較例１〜４でそれぞれ得られたピラーエッチング形状の断面ＳＥＭ写真をマッピング型式で示す。図中、横軸をバイアスＲＦパワーにとり、縦軸を圧力にとっている。

図９に、上記実施例１〜１２および上記比較例１〜４で選択された２つのパラメータ値（圧力，バイアスＲＦパワー）の分布特性をマッピング形式で示す。図示のように、圧力（mTorr）をｘ、バイアスＲＦパワー（ワット）をｙ_Pとすると、ｙ_P＝２．０ｘ＋４００．９で表される直線の近くに実施例１〜１２が分布し、比較例１〜４はこの直線から遠くに分布することがわかる。

より詳細には、マイクロトレンチ深さｄ＝０ｎｍの結果が得られた実施例１〜４はすべて直線ｙ_P＝２．０ｘ＋４００．９よりも上の領域に分布し、マイクロトレンチ深さｄ＝８〜１８ｎｍの結果が得られた実施例５〜１２はすべて直線ｙ_P＝２．０ｘ＋２００．９と直線ｙ_P＝２．０ｘ＋４００．９との間に挟まれた領域に分布している。また、比較例１〜４はすべて直線ｙ_P＝２．０ｘ＋２００．９の下の領域に分布している。なお、図９の直線ｙ_P＝２．０ｘ＋４００．９は図７および図８の直線Ｋに略対応している。

したがって、この実施形態では、圧力ｘとバイアスＲＦパワーｙ_Pとの間に下記の式（１０）の関係が満たされればよく、さらに好ましくは下記の式（１１）の関係が満たされればよいことがわかる。
ｙ_P≧２．０ｘ＋２００．９ ・・・（１０）
ｙ_P≧２．０ｘ＋４００．９ ・・・（１１）

もっとも、直線ｙ_P＝２．０ｘ＋６００．９よりも上の領域では、実施例３，４のように垂直形状加工性が幾らか低下する傾向がある。したがって、この実施形態において圧力ｘとバイアスＲＦパワーｙ_Pとの間の一層好ましい関係は下記の式（１２）が満たされることである。
２．０ｘ＋４００．９≦ｙ_P≦２．０ｘ＋６００．９ ・・・（１２）

バイアスＲＦパワーｙ_Pは、サセプタ（下部電極）１２における単位面積当たりのパワーつまりバイアスＲＦパワー密度ｙ_M（ワット／ｃｍ²）に換算することができる。

この実施形態では、サセプタ１２の口径をウエハ口径（３００ｍｍ）に等しいとみなすと、下部電極面積は７０３．１ｃｍ²であるから、ｙ_pとｙ_Mとの間には下記の式（１３）で表される比例関係がある。
ｙ_p＝７０３．１×ｙ_M ・・・（１３）

この関係式（１３）から、上記の式（１０）、（１１）、（１２）をそれぞれ次の式（１０'）、（１１'）、（１２'）に置き換えることができる。
ｙ_M≧２．８４×１０^-3ｘ＋０．２８ ・・・（１０'）
ｙ_M≧２．８４×１０^-3ｘ＋０．５７ ・・・（１１'）
２．８４×１０^-3ｘ＋０．５７≦ｙ_M≦２．８４×１０^-3ｘ＋０．８５・・(１２')

図１０には、上記実施例１〜１２および上記比較例１〜４で選択された２つのパラメータ値（圧力，自己バイアス電圧−Ｖ_dc）の分布特性をマッピング型式で示す。図示のように、圧力（mTorr）をｘ、自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖ_dc｜（ボルト）をｙ_Sとすると、ｙ_S＝−１．７ｘ＋３９５．０で表される直線の近くに実施例１〜１２が分布し、比較例１〜４はこの直線から遠くに分布することがわかる。

より詳細には、マイクロトレンチ深さｄ＝０ｎｍの結果が得られた実施例１〜４はすべて直線ｙ_S＝−１．７ｘ＋３９５．０よりも上の領域に分布し、マイクロトレンチ深さｄ＝８〜１８ｎｍの結果が得られた実施例５〜１２はすべて直線ｙ_S＝−１．７ｘ＋２９５．０と直線ｙ_S＝−１．７ｘ＋３９５．０との間に挟まれた領域に分布している。また、比較例１〜４はすべて直線ｙ_S＝−１．７ｘ＋２９５．０９の下の領域に分布している。

したがって、この実施形態では、圧力ｘと自己バイアス電圧の絶対値ｙ_Sとの間に下記の式（１４）の関係が満たされればよく、さらに好ましくは下記の式（１５）の関係が満たされればよいことがわかる。
ｙ_S≧−１．７ｘ＋２９５．０ ・・・（１４）
ｙ_S≧−１．７ｘ＋３９５．０ ・・・（１５）

もっとも、直線ｙ_S＝−１．７ｘ＋４９５．０よりも上の領域では、実施例３のように垂直形状加工性が幾らか低下する傾向がある。したがって、この実施形態において圧力ｘと自己バイアス電圧絶対値ｙ_Sとの間の一層好ましい関係は下記の式（１６）が満たされることである。
−１．７ｘ＋３９５．０≦ｙ_S≦−１．７ｘ＋４９５．０ ・・・（１６）

また、上記の式（１０'）、（１１'）、（１２'）のいずれかと上記の式（１４）、（１５）、（１６）のいずれかとが同時に満たされることによって更に好ましいエッチング特性が得られ、特に（１２'）、（１６）が同時に満たされることによって最も好ましいエッチング特性が得られる。

なお、後述するように、チャンバ１０内の圧力を１００mTorrよりも高くすると、イオン入射角度分布が相当広がってボーイング傾向になりやすいことがシミュレーションで検証されている。したがって、本発明のドライエッチング方法においては、圧力ｘを１〜１００mTorrの範囲内に選ぶのが望ましい。

一般に、ドライエッチングにおいてプラズマから被エッチング材に入射するイオンの入射角度（法線に対する角度）は、イオン温度Ｔ_i、電子温度Ｔ_e、自己バイアス電圧Ｖ_dc、電子密度Ｎ_eおよび圧力Ｐ（ｘ）に依存する。すなわち、イオン温度Ｔ_iが低くて自己バイアス電圧Ｖ_dcの絶対値が大きいほど（つまりイオン引き込みの加速度が大きくなるほど）、そして圧力Ｐが低いほど（つまりイオンの平均自由行程が長くなるほど）、そして電子密度Ｎ_eが高いほど（つまりイオンシースが薄くなるほど）、イオン入射角度の垂直性が高くなる。

シミュレーションで得られた検証結果として、圧力Ｐ（ｘ）＝１０mTorr、電子密度Ｎ_e＝１×１０¹⁰／ｃｍ³、電子温度Ｔ_e＝１．３ｅＶ、イオン温度Ｔ_i＝０．１ｅＶ、自己バイアス電圧Ｖ_dc／尖頭値Ｖ_pp＝−１００Ｖ／５００Ｖを基準条件とし、この基準条件の中で圧力Ｐ（ｘ）をパラメータとしたときの正規化イオン入射角度分布特性を図１１に示し、自己バイアス電圧Ｖ_dcをパラメータとしたときの正規化イオン入射角度分布特性を図１２に示す。

図１１に示すように、圧力が低いほどイオン入射角度は小さく分布し、たとえば被エッチング材に入射するイオンの９９％が、５０mTorrでは入射角度１５°以内に分布し、２０mTorrでは入射角度８°以内に分布し、１０mTorrでは入射角度４．６°以内に分布し、１mTorrでは入射角度２．８°以内に分布する。これが、１００mTorrでは、２０°よりもずっと広く分布する。別な見方をすると、入射角度約４°以内に分布するイオンが、１mTorr〜５０mTorrでは約９０％であるのに対して、１００mTorrでは約８０％にすぎない。

したがって、本発明において、使用可能な圧力は１００mTorrが上限であり、それ以上高くするのは、イオン入射角分布が広くなりすぎてボーイング形状になるおそれがあり、望ましくない。

図１２に示すように、自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖ_dc｜が大きいほどイオン入射角度は小さく分布することがわかる。もっとも、圧力ほどの顕著なばらつきは見られず、入射角度約４°以内に分布するイオンが、−２０Ｖでも約９０％ある。しかし、本発明においては、上記のように圧力を１００mTorr以下に制限されることで、上記の式（１４）から自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖ_dc｜も約１２５Ｖ以上に限定されることになる。

なお、イオン入射角度分布を狭くするうえで電子密度Ｎ_eは高いほど好ましく、本発明では１×１０¹⁰／ｃｍ³以上とするのが望ましい。

また、上記実施例では、サセプタ（下部電極）１２の温度を８５℃と設定し、通常よりも高い電極温度にしている。これは、反応生成物の堆積を起こりにくくし、ひいては垂直形状加工性やマイクロトレンチ防止効果を高めるためである。本発明においては、サセプタ温度を４０℃以上に選ぶのが好ましく、より好ましくは６０℃以上、最も好ましくは実施形態のように８０℃以上としてよい。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものでない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

たとえば、本発明で用いるエッチングガスとしては、上記実施形態のように塩素（Ｃｌ₂）ガスが最も好ましいが、他のハロゲンガス、すなわちフッ素（Ｆ₂）ガス、臭素（Ｂｒ₂）ガス、沃素（Ｉ₂）ガスも使用可能である。また、ハロゲンガスとヘリウム、アルゴン等の奇ガスまたは不活性ガスとの混合ガスであってもよい。

本発明のドライエッチング方法で用いるプラズマエッチング装置も上記実施形態のものに限定されず、種々の変形が可能である。たとえば、プラズマ生成用の高周波を上部電極に印加し、下部電極にはイオン引き込み用の高周波だけを印加する上下部２周波印加方式のプラズマエッチング装置も好適に使用できる。また、容量結合型プラズマエッチング装置以外にも、たとえば、チャンバの上面または周囲にアンテナを配置して誘電磁界の下でプラズマを生成する誘導結合型プラズマエッチング装置や、マイクロ波のパワーを用いてプラズマを生成するマイクロ波プラズマエッチング装置等も使用可能である。

本発明のドライエッチング方法を実施するための好適なプラズマエッチング装置の構成を示す縦断面図である。 一実施形態のドライエッチング方法により円柱状ピラー型素子本体を作製するエッチング加工の一段階を示す縦断面図である。 一実施形態のドライエッチング方法により円柱状ピラー型素子本体を作製するエッチング加工の一段階を示す縦断面図である。 実施形態のドライエッチング方法により作製される円柱状ピラー型素子本体の形状を示す図（上面図および縦断面図）である 実施形態のドライエッチングにおいて実施例（１〜６）で使われたパラメータ値および得られたエッチング特性を一覧表で示す図である。 実施形態のドライエッチングにおいて、実施例（７〜１２）で使われたパラメータ値および得られたエッチング特性を一覧表で示す図である。 実施形態のドライエッチングにおいて比較例（１〜４）で使われたパラメータ値および得られたエッチング特性を一覧表で示す図である。 実施例および比較例でそれぞれ得られたピラーエッチング形状の断面ＳＥＭ写真をマッピング型式で示す図である。 実施例および比較例でそれぞれ得られたピラーエッチング形状の断面ＳＥＭ写真をマッピング型式で示す図である。 実施例および比較例で選択された２つのパラメータ値（圧力，バイアスＲＦパワー）の分布特性をマッピング形式で示す図である。 実施例および比較例で選択された２つのパラメータ値（圧力，自己バイアス電圧）の分布特性をマッピング形式で示す図である。 シミュレーションによる圧力をパラメータとする正規化イオン入射角度分布特性を示す図である。 シミュレーションによる自己バイアス電圧をパラメータとする正規化イオン入射角度分布特性を示す図である。

符号の説明

１０ チャンバ（処理容器）
１２ サセプタ（下部電極）
２８ 排気装置
３２ 第１高周波電源
３４ 第１整合器
３６ 給電棒
３８ シャワーヘッド（上部電極）
６２ 処理ガス供給部
６８ 制御部
７０ 第２高周波電源
７２ 第２整合器

Claims (22)

1. 真空可能な処理容器内に配置された第１の電極上にシリコン基板を載置し、前記処理容器内でエッチングガスを放電させてプラズマを生成し、前記第１の電極に前記プラズマからイオンを引き込むための第１の高周波を印加し、前記プラズマの下で前記シリコン基板をエッチングするドライエッチング方法であって、
   前記処理容器内の圧力が１mTorr〜１００mTorrに選ばれ、
   前記圧力（mTorr）をｘ、前記第１の電極に生成される自己バイアス電圧（ボルト）の絶対値をｙ_Sとすると、下記の式（１）の関係が満たされることを特徴とするドライエッチング方法。
   ｙ_S≧−１．７ｘ＋２９５ ・・・（１）
2. 下記の式（２）の関係が満たされることを特徴とする請求項１に記載のドライエッチング方法。
   ｙ_S≧−１．７ｘ＋３９５ ・・・（２）
3. 下記の式（３）の関係が満たされることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のドライエッチング方法。
   −１．７ｘ＋３９５≦ｙ_S≦−１．７ｘ＋４９５ ・・・（３）
4. 真空可能な処理容器内に配置された第１の電極上にシリコン基板を載置し、前記処理容器内でエッチングガスを放電させてプラズマを生成し、前記第１の電極に前記プラズマからイオンを引き込むための第１の高周波を印加し、前記プラズマの下で前記シリコン基板をエッチングするドライエッチング方法であって、
   前記処理容器内の圧力が１mTorr〜１００mTorrに選ばれ、
   前記圧力（mTorr）をｘ、前記第１の電極における単位面積当たりの前記第１の高周波のパワー密度（ワット／ｃｍ²）をｙ_Mとすると、下記の式（４）の関係が満たされることを特徴とするドライエッチング方法。
   ｙ_M≧２．８４×１０^-3ｘ＋０．２８ ・・・（４）
5. 下記の式（５）の関係が満たされることを特徴とする請求項４に記載のドライエッチング方法。
   ｙ_M≧２．８４×１０^-3ｘ＋０．５７ ・・・（５）
6. 下記の式（６）の関係が満たされることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のドライエッチング方法。
   ２．８４×１０^-3ｘ＋０．５７≦ｙ_M≦２．８４×１０^-3ｘ＋０．８５ ・・（６）
7. 真空可能な処理容器内に配置された第１の電極上にシリコン基板を載置し、前記処理容器内でエッチングガスを放電させてプラズマを生成し、前記第１の電極に前記プラズマからイオンを引き込むための第１の高周波を印加し、前記プラズマの下で前記シリコン基板をエッチングするドライエッチング方法であって、
   前記処理容器内の圧力が１mTorr〜１００mTorrに選ばれ、
   前記圧力（mTorr）をｘ、前記第１の電極に生成される自己バイアス電圧（ボルト）の絶対値をｙ_S、前記第１の電極における単位面積当たりの前記第１の高周波のパワー密度（ワット／ｃｍ²）をｙ_Mとすると、下記の式（１）および（４）の関係が満たされることを特徴とするドライエッチング方法。
   ｙ_S≧−１．７ｘ＋２９５ ・・・（１）
   ｙ_M≧２．８４×１０^-3ｘ＋０．２８ ・・・（４）
8. 下記の式（２）の関係が満たされることを特徴とする請求項７に記載のドライエッチング方法。
   ｙ_S≧−１．７ｘ＋３９５ ・・・（２）
9. 下記の式（３）の関係が満たされることを特徴とする請求項７または請求項８に記載のドライエッチング方法。
   −１．７ｘ＋３９５≦ｙ_S≦−１．７ｘ＋４９５ ・・・（３）
10. 下記の式（５）の関係が満たされることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載のドライエッチング方法。
    ｙ_M≧２．８４×１０^-3ｘ＋０．５７ ・・・（５）
11. 下記の式（６）の関係が満たされることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載のドライエッチング方法。
    ２．８４×１０^-3ｘ＋０．５７≦ｙ_M≦２．８４×１０^-3ｘ＋０．８５ ・・（６）
12. 前記処理容器内の圧力が３mTorr〜２０mTorrに選ばれることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のドライエッチング方法。
13. 前記エッチングガスのエッチャントガスがハロゲンガスであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のドライエッチング方法。
14. 前記ハロゲンガスが塩素ガスであることを特徴とする請求項１３に記載のドライエッチング方法。
15. 前記プラズマの電子密度が１×１０¹⁰／ｃｍ³以上であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載のドライエッチング方法。
16. 前記処理容器内で前記第１の電極と所定の間隔を隔てて平行に向かい合う第２の電極が設けられ、前記エッチングガスを放電させるための第２の高周波が前記第１の電極または前記第２の電極に印加されることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載のドライエッチング方法。
17. 前記第１の高周波の周波数が２ＭＨｚ〜２７ＭＨｚであり、前記第２の高周波の周波数が４０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚであることを特徴とする請求項１６に記載のドライエッチング方法。
18. 前記第１の電極の温度が６０℃以上であることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載のドライエッチング方法。
19. 前記第１の電極の温度が８０℃以上であることを特徴とする請求項１８に記載のドライエッチング方法。
20. 前記エッチングによって前記シリコン基板の主面に円柱状または直方体形状の立体型素子本体を形成することを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一項に記載のドライエッチング方法。
21. 前記エッチングに用いられるエッチングマスクが無機物層を有することを特徴とする請求項１〜２０のいずれか一項に記載のドライエッチング方法。
22. 前記無機物層がＳiＮ（窒化珪素）を含むことを特徴とする請求項２１に記載のドライエッチング方法。

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