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発明の名称 ドライエッチング方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−61190
公開日 平成6年(1994)3月4日
出願番号 特願平4−208789
出願日 平成4年(1992)8月5日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
発明者 川上 博士 / 榎並 弘充
要約 目的
単結晶シリコンへのトレンチエッチングにおいてエッチングマスクとなる酸化膜との選択比を高い状態に維持したまま、Y型トレンチエッチング形状ができるドライエッチング方法を提供する。

構成
マイクロ波プラズマエッチング装置を使ったHBrガスと酸素ガスを混合した反応ガスにおいて、反応ガスの総流量に対して1%から5%の範囲で酸素ガスを混合し、Y型トレンチエッチング形状を作る。
特許請求の範囲
【請求項1】HBrガスと酸素ガスを混合した反応ガスを用いることにより、単結晶シリコンにY型溝あるいはY型穴を形成することを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項2】請求項1において、前記反応ガスの総流量に対して1%から5%の範囲で酸素ガスを混合するドライエッチング方法。
【請求項3】請求項1において、エッチングの底面を丸くするために、前記反応ガスの総流量に対して10%〜20%の酸素ガスを混合した反応ガスで追加エッチングを行なうドライエッチング方法。
【請求項4】請求項1において、単結晶シリコンにY型で且つ底面の丸いU型の溝あるいは穴を形成するドライエッチング方法。
【請求項5】請求項1において、マイクロ波プラズマエッチングを用いるドライエッチング方法。
【請求項6】請求項1のドライエッチング方法で形成した前記Y型溝を半導体集積回路の素子間分離に用いた半導体装置。
【請求項7】請求項1のドライエッチング方法で形成した前記Y型穴をトレンチキャパシタに用いた半導体装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はドライエッチング方法に係り、特に、単結晶シリコンのドライエッチングにおけるY型溝あるいはY型穴を形成するドライエッチング方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体集積回路製造プロセスにおける単結晶シリコンのドライエッチングは、バイポーラトランジスタに用いられる素子間分離あるいはダイナミックRAMに用いられるトレンチ型蓄積容量に用いられる。
【0003】単結晶シリコンのドライエッチングについては、ハロゲンガスあるいはハロゲン化合物ガスが用いられており、更にエッチングマスクとなる酸化膜との選択比向上及びケミカルコンタミネーション防止のために、炭素原子を含まないエッチングガスが用いられている。特に近年ではHBrガスを主反応ガスとして単結晶シリコンのエッチングが行なわれている。HBrガスを用いた単結晶シリコンのドライエッチングについては、特公昭63−278339号公報にあるように、HBrガスあるいはこれにHe,Ar,N2 等の不活性ガスを混合して用いられている。しかし、従来のエッチングではトレンチ開口部のテーパ加工(Y型トレンチ)について考慮されていない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】半導体素子の微細化に伴い、CVD法などによる堆積膜においても薄膜化されてきており、現在では3〜5nm程度の非常に薄い膜が要求されている。ダイナミックRAMに用いられるトレンチ型蓄積容量部の形成においても同様の薄膜形成が必要である。
【0005】上記、従来方法による単結晶シリコンのエッチングでは、トレンチ側壁が垂直となるために、トレンチ内に蓄積容量を形成する際、トレンチ内への堆積膜のカバレッジが悪くなる可能性がある。本発明によるトレンチエッチングはエッチングマスクとなる酸化膜との選択比を高く保持した状態で、トレンチ開口部にテーパを有する加工形状とできる。このために、トレンチ内へカバレッジ良く堆積膜の形成を行なうことができる。また、トレンチをCVD膜で充填する場合に、開口部にテーパがないと空洞が形成され平坦な埋込みができないという問題がある。
【0006】本発明の目的はY型形状の溝及び穴を高精度且つ高選択に形成できるドライエッチング方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】この課題は、HBrガスと酸素ガスを混合した反応ガスにおいて、反応ガスの総流量に対して1%から5%の範囲で酸素ガスを混合することにより達成できる。
【0008】
【作用】HBrガスと酸素ガスを混合した反応ガスにおいて、反応ガスの総流量に対して1%から5%の範囲で酸素ガスを混合することにより、Y型形状のトレンチが容易に形成できる。トレンチ開口部にテーパを有するために、トレンチ内へカバレッジ良く堆積膜の形成を行なうことができる。
【0009】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。
【0010】図1は本発明のエッチングに用いた装置の説明図である。エッチング装置はマイクロ波プラズマエッチング装置である。本装置は試料台11に高周波電力12が印加できる構造になっており、プラズマの発生とは別にエッチング試料10に入射するイオンのエネルギを独立に制御できる構造となっている。高周波電力の周波数は2MHzであり、マッチング回路13を通して試料台11に接続されている。プラズマを発生させるマイクロ波は、2.45GHz の周波数のマグネトロン14を用いており、導波管15により、石英管20で真空に封じられた反応室16に導かれる。反応室16の周囲には電磁石17が設けてあり、マイクロ波と電磁石17の相乗効果により反応室16内にプラズマを発生させる。エッチング試料10は反応室16内の試料台11上に設置する。反応ガスはガス供給口18より反応室16内に供給される。エッチング後のガスは装置下部に設けられた、排気口19より、ターボポンプ,ドライポンプの排気系により反応室16外へ排気される。
【0011】図2(a)から(c)は実施例のエッチングに用いた試料の作成工程を示している。単結晶シリコン22上に酸化膜21を300nm形成し(a)、ホトレジストにより酸化膜21上にパターン23を作成した(b)。このホトレジストパターン23をエッチングマスクとして酸化膜21をCF4とCHF3の混合ガスによりドライエッチングする。酸化膜21のドライエッチング後、酸素プラズマを用いてホトレジストパターン23を除去し、水により二百倍に薄めたHFによる洗浄を2分行なった(c)。単結晶シリコンのドライエッチングは図2(c)の構造の試料を用いて行なった。エッチングマスクとなる酸化膜21の開口寸法Wは500nmである。
【0012】図3は単結晶シリコン及び酸化膜のエッチング速度と反応ガスの総流量に対する酸素ガス混合率との関係である。エッチング条件はガス流量が40sccm、圧力が10mTorr、高周波電力が25W、マイクロ波パワーが600W、冷却温度が20℃、エッチング時間が5分である。単結晶シリコンのエッチング速度aは酸素ガスの混合率0%から5%の範囲では250nm/min で一定であるが、5%より多く混合していくと低下し、10%の混合率では120nm/min となる。酸化膜のエッチング速度bは酸素ガスを1%(0.4sccm)混合することにより50nm/minから5nm/minに低下する。さらに酸素ガス混合率を増加させ、10%(4sccm)としても酸化膜のエッチング速度に変化は見られなかった。
【0013】以下、各種条件で行なったエッチング結果について説明する。
【0014】(1) 図1のマイクロ波プラズマエッチング装置を使って、図2の試料を用い、HBrガスのみで単結晶シリコンのエッチングを行なった。エッチングに用いた条件は、HBrガスの流量が40sccm、マイクロ波パワーが600W、RFパワーが20W、圧力が0.5mTorr 、冷却温度が20℃、エッチング時間が20分である。このときの加工形状の模式図を図4に示す。トレンチ側面の形状は樽型30となり、底面にはサブトレンチ31が発生している。また、酸化膜との選択比が5と小さいためにエッチングマスク21aが薄くなっており、良好なエッチング形状を得ることはできなかった。この樽型形状30は、斜め方向からのイオンによるサイドエッチングを防ぐ側壁保護膜が形成されないために生じたものである。
【0015】(2) HBrガスに2.5% の酸素ガスを混合した反応ガスで単結晶シリコンのエッチングを行なった。エッチングに用いた条件は、HBrガスの流量が37.5sccm,酸素ガスの流量が2.5sccm ,その他の条件は(1)と同様である。このときの加工形状の模式図を図5に示す。トレンチ開口部からアスペクト比3程度の深さまでテーパ形状32となり、それより深いところでは、垂直形状33となっている。また、酸化膜との選択比は50と大きいためにエッチングマスク21bも十分残っており、良好なY型トレンチエッチング形状を得ることができた。これはシリコンのエッチング中にシリコンの酸化物が生成され、トレンチ開口部により多く付着するためにY型のトレンチ形状が得られるものである。
【0016】酸素ガス混合率を変化させて加工形状を調べたところ、良好なY型トレンチエッチング形状を得ることのできる酸素ガス混合率は1〜5%の範囲であった。また、反応ガスの総流量を20sccmから100sccmの範囲で変えてみたが、いずれの場合にも酸素ガス混合率1〜5%の範囲でY型トレンチエッチング形状が得られた。また、He,Arなどの不活性ガスを混合しても同様の効果が得られた。
【0017】本実施例によるエッチング条件でY型溝アイソレーション及びY型トレンチキャパシタを作成したところ、カバレッジ良く薄膜の堆積がされていることが確認された。
【0018】(3) HBrガスに10%の酸素ガスを混合した反応ガスで単結晶シリコンのエッチングを行なった。エッチングに用いた条件は、HBrガスの流量が36sccm,酸素ガスの流量が4sccm,その他の条件は(1)と同様である。このときの加工形状の説明図を図6に示す。エッチング深さがHBrのみのときあるいは2.5% の酸素を混合したときに比べ、約半分になっている。加工形状は底面に丸み35aを持ったV型34になっている。エッチングマスク21cはほとんどエッチングされることなく残っている。これはエッチング中にシリコンの酸化物がより多く生成されるため、エッチングが阻害されることによるものである。
【0019】(4) HBrガスに2.5% の酸素ガスを混合した反応ガスを用い(1)の条件で単結晶シリコンのエッチングを行なった後、追加エッチングとして、酸素ガス混合率を10%とし、その他の条件は(1)と同様にして5分間のエッチングを行なった。このときの加工形状の説明図を図7に示す。加工形状は実施例2と同様なY型トレンチ形状となり、トレンチ底面が丸み35bを持ったものとなった。アスペクト比の大きいトレンチ底面では、保護膜となるシリコンの酸化物が届きにくく、方向性を持ったイオンのみが底面のエッチングに寄与するために、トレンチ底面に丸み35bをもたらすものである。
【0020】このように、(2)の条件を用いることにより、溝内にCVD膜を形成しやすい形状を得ることができる。また、(4)のように追加エッチングを行なうことにより底面を丸くでき、溝内酸化膜形成などの応力の大きいプロセスでの結晶欠陥の発生が抑制できた。
【0021】
【発明の効果】本発明によれば、HBrガスに1%〜5%の範囲で酸素ガスを混合することにより、エッチングマスクとなる酸化膜との選択比を高くして、素子分離あるいはキャパシタに好適なY型トレンチ溝形状を高精度に形成することができる。




 

 


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