JP2007184356A - エッチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣の無く滑らかなエッチング面を得ることが可能なエッチング方法を提供する。
【解決手段】エッチング方法は、第１のエッチングレートでシリコン系半導体領域をエッチングする第１のエッチング工程Ｓ４と、第１のエッチング工程Ｓ４の後、炭素と弗素とを含み且つ弗素の割合が炭素の割合より多い第１のエッチングガスを使用して、第１のエッチングレートより低い第２のエッチングレートでシリコン系半導体領域をエッチングする第２のエッチング工程Ｓ９と、を少なくとも含む。
【選択図】図６

Description

本発明は、エッチング方法に関し、特に、シリコン系半導体基板に対する異方性プラズマエッチング方法に関する。

半導体基板にトレンチを形成するために各種の異方性プラズマエッチングが使用されている。例えば、特許文献１には、エッチングレートと歩留まりとの向上を図るため、２つの工程に分けてプラズマエッチングを行って、該半導体基板にトレンチを形成することが開示されている。第１の工程では、ＳＦ_６及びＯ_２を含むエッチングガスを使用して目標深さの約７０％乃至約９０％までエッチングを行い、その後、第２の工程では、ＣＬ_２及びＯ_２を含むエッチングガスを使用して目標深さまでの残りの約３０％乃至約１０％エッチングを行う。第２の工程では、弗素を含まないエッチングガスを使用する。

更に、特許文献２には、トレンチをドライエッチング処理で形成する際、ブラックシリコン等の残渣物の発生を極力防止するため、ドライエッチングにてトレンチが形成される半導体ウエハにおいて、トレンチエッチングの間、トレンチ形成領域以外の領域において半導体領域が露出されるのを防止することが開示されている。なお、ブラックシリコンとは、シリコン面に形成されるシリコン針状残渣部を示す。光学顕微鏡でウエハを見たとき、シリコン針状残渣部が黒く視認される為、シリコン針状残渣部がブラックシリコンと呼ばれることもある。
特許第３５２７９０１号公報（段落番号００５０乃至００５３、第６図） 特許第３２６７１９９号公報（段落番号０００９、００１０、第１図）

しかしながら、従来技術は、特許文献１及び特許文献２に開示されるように、トレンチの底部の表面におけるブラックシリコン等の荒れの低減と、トレンチの底部の形状の制御性の向上と、エッチング処理時間の低減との要求を満たすものではなかった。

そこで、本発明の目的は、前述した問題のないエッチング方法を提供することである。

本発明の第１の視点は、第１のエッチングレートでシリコン系半導体領域をエッチングする第１のエッチング工程と、前記第１のエッチング工程の後、炭素と弗素とを含み且つ弗素の割合が炭素の割合より多い第１のエッチングガスを使用して、前記第１のエッチングレートより低い第２のエッチングレートで前記シリコン系半導体領域をエッチングする第２のエッチング工程と、を少なくとも含むエッチング方法を提供することである。

本発明によれば、第１のエッチング工程でシリコン系半導体領域をエッチングした際に、エッチング面に形成されたブラックシリコン即ちシリコン針状残渣を除去しながら、新たなブラックシリコン即ちシリコン針状残渣の発生を抑制するため、エッチングの仕上げとしての第２のエッチング工程で、炭素と弗素とを含み且つ弗素の割合が炭素の割合より多いエッチングガスを使用して、前記第１のエッチングレートより低い第２のエッチングレートで前記シリコン系半導体領域をエッチングする。エッチングガスに含まれる炭素が、第１のエッチング工程で使用される酸素及び水素の少なくとも一方と化学結合するため、酸素及び水素がエッチング表面に付着してブラックシリコン即ちシリコン針状残渣の発生させることを抑制することが可能となる。結果得られるエッチングされた面は、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣が無く滑らかである。

（１）第１実施形態
本発明の第１の実施形態は、半導体基板にトレンチを形成するための選択的異方性プラズマエッチング方法を提供する。図１乃至図５は、本発明の第１の実施形態に係る選択的異方性プラズマエッチング方法に関する各工程における半導体基板を示す部分垂直断面図である。図６は、本発明の第１の実施形態に係る選択的異方性プラズマエッチング方法に関する各工程を説明するフローチャートである。

図１に示すように、シリコン基板１を用意する。該シリコン基板１の表面には自然酸化膜２が形成されている。

図６の工程Ｓ１において、図２に示すように、エッチングマスク３を既知の方法で形成する。エッチングマスクは、例えば、酸化シリコンで構成することができるが、必ずしもこれに限定されるものではない。エッチングマスクとして機能する既知の物質であればよい。

図６の工程Ｓ２において、図３に示すように、エッチングマスク３を使用して自然酸化膜２をエッチングにより除去する。ここでエッチング量は、シリコン基板１に対するエッチング量で換算して１０ｎｍ以上とする。エッチングの選択比即ちＳｉのエッチングレートに対するＳｉＯ_２のエッチングレートの比率は１０以下とする。

図６の工程Ｓ３において、目的のトレンチをシリコン基板１中に形成するための第１のトレンチエッチング工程を開始するため、エッチングチャンバ内へのＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとの供給を開始する。ＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとの混合ガスをエッチングガスとして使用する。

図６の工程Ｓ４において、図４に示すように、ＳＦ_６とＯ_２との混合ガスのプラズマを発生させ、第１のトレンチエッチング工程を行う。プラズマを発生させる際の条件は、以下の通りである。第１のエッチングガスとして、ＳＦ_６とＯ_２との混合ガス（ＳＦ_６＋Ｏ_２）を使用する。ＳＦ_６ガスの流量は、５５ｍＬ／ｍｉｎに設定する。Ｏ_２ガスの流量は、１５ｍＬ／ｍｉｎに設定する。ＳＦ_６ガスの流量とＯ_２ガスの流量との比は、１１：３である。ガス圧は、３Ｐａに設定する。マイクロ波電力は、６００Ｗに設定する。高周波電力は、１５Ｗに設定する。試料温度は、−４０℃に設定する。この条件下で、エッチングマスク３を使用してシリコン基板１の第１のトレンチエッチング工程を開始する。該第１のトレンチエッチング工程は、メインのエッチング工程であり、可能な範囲で出来るだけ高いエッチングレートでシリコン基板１をエッチングする。

図６の工程Ｓ５において、該第１のトレンチエッチング工程は、予め定められた必要な全エッチング量の９０％に相当する時間を経過するまで継続する。

図６の工程Ｓ６において、該第１のトレンチエッチング工程によるエッチング量が前述の全エッチング量の９０％に相当する時間経過した時点で、プラズマを停止させ、該第１のエッチングガス（ＳＦ_６＋Ｏ_２）の供給を停止する。この時点で、シリコン基板１中には深さＤ１を有するトレンチ４が形成されている。

図６の工程Ｓ７において、該第１のエッチングガス（ＳＦ_６＋Ｏ_２）をエッチングチャンバから排出する。

図６の工程Ｓ８において、目的のトレンチをシリコン基板１中に形成するための最終エッチング工程としての第２のトレンチエッチング工程を開始するため、エッチングチャンバー内へのＳＦ_６ガスとＣＦ_４ガスとの供給を開始する。ＳＦ_６ガスとＣＦ_４ガスとの混合ガス（ＳＦ_６＋ＣＦ_４）を第２のエッチングガスとして使用する。

図６の工程Ｓ９において、図５に示すように、ＳＦ_６とＣＦ_４との混合ガス（ＳＦ_６＋ＣＦ_４）のプラズマを発生させ、第２のトレンチエッチング工程を行う。プラズマを発生させる際の条件は、以下の通りである。エッチングガスとして、ＳＦ_６とＣＦ_４との混合ガスを使用する。ＳＦ_６ガスの流量は、６ｍＬ／ｍｉｎに設定する。ＣＦ_４ガスの流量は、８０ｍＬ／ｍｉｎに設定する。ＳＦ_６ガスの流量とＣＦ_４ガスの流量との比は、３：４０である。ガス圧は、０．８Ｐａに設定する。マイクロ波電力は、６００Ｗに設定する。高周波電力は、７５Ｗに設定する。試料温度は、−４０℃に設定する。この条件下で、エッチングマスク３を再度使用してシリコン基板１のトレンチエッチングの仕上げを行う。第２のトレンチエッチング工程のエッチングレートは、前述した第１のトレンチエッチング工程のエッチングレートの約１／１０となるようにＳＦ_６ガスの流量とＣＦ_４ガスの流量との比を３：４０にした。

図６の工程Ｓ１０において、該第２のトレンチエッチング工程は、予め定められた必要な全エッチング量の１０％に相当する時間を経過するまで継続する。即ち、前述した第１のトレンチエッチング工程によりトレンチ形成工程の大部分を完了させ、第２のトレンチエッチング工程により、トレンチ形成工程の仕上げを行う。前述の第１のエッチング工程では、エッチングレートを十分高くして出来るだけ短時間でエッチングを行う。エッチングレートを十分高くするため、第１のエッチングガスは、酸素（Ｏ_２）或いは酸化物を含むものとした。プラズマ状態の第１のエッチングガスに曝されているエッチング面に酸素（Ｏ_２）或いは酸化物が部分的に付着する。その結果、シリコンが露出した部分に比べて酸素（Ｏ_２）或いは酸化物が付着した部分のエッチングレートが低くなってしまう。エッチングが進行して酸素（Ｏ_２）或いは酸化物が付着した部分が削られても、第１のトレンチエッチング工程の間中、エッチング面は第１のエッチングガスに曝されるため、新たなに酸素（Ｏ_２）或いは酸化物が付着する。その結果、前述した第１のトレンチエッチング工程により形成されたトレンチ４の底部表面には、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣が形成される。

そこで、本発明では、トレンチ形成工程の仕上げとして第２のトレンチエッチング工程を行う。前述の第１のトレンチエッチング工程により深さＤ１を有するトレンチ４が形成されており、該深さＤ１は、最終的に得たい深さＤ２の約９０％である。従って、第２のトレンチエッチング工程では、残りの約１０％の深さを掘り下げればよい。従って、第２のトレンチエッチング工程は、エッチングレートが低くても、第１のトレンチエッチング工程でトレンチ４の底部表面に付着している酸素（Ｏ_２）或いは酸化物を取り除くと共に、新たにエッチングの妨げとなる酸素（Ｏ_２）或いは酸化物を付着させないことが重要である。この点に鑑み、第２のトレンチエッチング工程で使用する第２のエッチングガスは、酸素（Ｏ_２）或いは酸化物と化学結合し易い元素である炭素（Ｃ）を含むものを選択する。具体的には、前述したＳＦ_６とＣＦ_４との混合ガスを使用して、上記条件の下で第２のトレンチエッチング工程を行う。第２のエッチングガスには十分な量の炭素（Ｃ）が含まれているので、第２のトレンチエッチング工程が開始されると、先の第１のトレンチエッチング工程でトレンチ４の底部表面に付着している酸素（Ｏ_２）或いは酸化物が取り除かれると共に、トレンチ４の底部表面に形成されたブラックシリコン即ちシリコン針状残渣が削り取られ、加えて、新たにエッチングの妨げとなる酸素（Ｏ_２）或いは酸化物が付着することなく、仕上げとしてのエッチング工程が行われる。ＳＦ_６とＣＦ_４との混合ガスを使用した第２のトレンチエッチング工程のエッチングレートは、ＳＦ_６とＯ_２との混合ガスを使用した第１のトレンチエッチング工程のエッチングレートの約１／１０であるが、エッチングで掘り下げる量が最終的に得たい深さＤ２の約１０％であるので、全エッチング工程でみた場合のエッチングレートの平均値に与える影響は小さいので、エッチングレート低下の問題は生じない。逆に、仕上げ段階でエッチングレートが低い第２のトレンチエッチング工程を行うことで、トレンチ５の最終的に得たい深さＤ２を高い精度で調整することが容易となる。

図６の工程Ｓ１１において、該第２のエッチング工程によるエッチング量が前述の全エッチング量の１０％に相当する時間経過した時点で、プラズマを停止させ、該第２のエッチングガス（ＳＦ_６＋ＣＦ_４）の供給を停止する。シリコン基板１中には深さＤ２を有する目的とするトレンチ５が形成される。目的とするトレンチ５は、最終的に得たい深さＤ２を有すると共に、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣が殆ど存在しない良好な底部表面を有する。

図６の工程Ｓ１２において、該第２のエッチングガス（ＳＦ_６＋ＣＦ_４）をエッチングチャンバーから排出して、エッチング工程を完了する。

図７は、前述の第１のエッチングガス（ＳＦ_６＋Ｏ_２）を使用して、エッチングレート３．２μｍ/ｍｉｎの条件でシリコン基板をエッチングすることにより形成したトレンチ４の底部の表面状態を示す電子写真である。図８は、前述の第２のエッチングガス（ＳＦ_６＋ＣＦ_４）を使用して、エッチングレート０．３７５μｍ/ｍｉｎの条件でシリコン基板をエッチングすることにより形成したトレンチ５の底部の表面状態を示す電子写真である。ここで、図７に示すように、前述の第１のエッチングガス（ＳＦ_６＋Ｏ_２）を使用した場合、トレンチ４の底部の表面は荒れているのが判る。この荒れは、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣がトレンチ４の底部の表面に存在していることを示すものである。このブラックシリコン即ちシリコン針状残渣は、前述したように、エッチング表面に酸素（Ｏ_２）或いは酸化物が付着することで発生する。ここで、酸素（Ｏ_２）或いは酸化物の付着物は、酸化膜系の堆積物（Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を意味する。即ち、前述の第１のエッチングガスが酸素（Ｏ_２）を含むことが、酸素（Ｏ_２）或いは酸化物の付着の原因となり、この付着が、エッチングレートのばらつきの原因となる。このエッチングレートのばらつきが、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣が発生し、トレンチ４の底部の表面が荒れる原因である。換言すれば、前述の第１のエッチングガスが酸素（Ｏ_２）を含むことが、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣が発生し、トレンチ４の底部の表面が荒れる原因である。尚、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣が発生のし易さは、エッチングマスクのパターンレシオに依存する。具体的には、エッチングマスクのパターンレシオが低く、エッチングする面積が広い場合には、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣が発生し易い。

一方、図８に示すように、前述の第２のエッチングガス（ＳＦ_６＋ＣＦ_４）を使用した場合、トレンチ４の底部の表面は滑らかで荒れが無いのが判る。この滑らかさは、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣がトレンチ５の底部の表面に存在しないことを示すものである。ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣は、前述したように、エッチング表面に酸素（Ｏ_２）或いは酸化物が付着することで発生するが、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣がトレンチ５の底部の表面に存在しないことは、トレンチ５の底部の表面に存在していた酸素（Ｏ_２）或いは酸化物が取り除かれると共に、新たに酸素（Ｏ_２）或いは酸化物がトレンチ５の底部の表面に付着していないことを意味する。前述の第２のエッチングガス（ＳＦ_６＋ＣＦ_４）は炭素（Ｃ）或いは炭化物を含むため、この炭素（Ｃ）が、残存する酸素（Ｏ_２）或いは酸化物と化学反応して、新たに酸素（Ｏ_２）或いは酸化物がトレンチ５の底部の表面に付着するのを防止すると共に、本来のエッチング効果により、トレンチ５の底部の表面に付着していた酸化膜系の堆積物（Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を除去する。このため、エッチング面は、酸素（Ｏ_２）或いは酸化物の無いシリコンで構成される。更に、前述の第２のエッチングガス（ＳＦ_６＋ＣＦ_４）によるエッチングで、先のエッチング工程で形成されたブラックシリコン即ちシリコン針状残渣が除去される。この結果、最終的に得られるトレンチ５は、図８に示すようなブラックシリコン即ちシリコン針状残渣の無い滑らかな底部表面を有する。

従って、図７によれば、酸素（Ｏ_２）或いは酸化物を含む第１のエッチングガス（ＳＦ_６＋Ｏ_２）による第１のエッチング工程によって形成されるトレンチは、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣が存在する荒れた底部表面を有することを示している。一方、図８によれば、第１のエッチング工程の後に、炭素（Ｃ）或いは炭化物含む第２のエッチングガス（ＳＦ_６＋ＣＦ_４）による第２のエッチング工程によって形成されるトレンチは、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣の無い滑らかな底部表面を有することを示している。

第１のエッチングガス（ＳＦ_６＋Ｏ_２）を使用した該第１のエッチング工程によるエッチング量に対する第２のエッチングガス（ＳＦ_６＋ＣＦ_４）を使用した該第２のエッチング工程によるエッチング量の比は、全エッチング処理時間と、該第１のエッチング工程でトレンチの底部表面に形成されたブラックシリコン即ちシリコン針状残渣の除去とを考慮して決定することが好ましい。該第２のエッチング工程は、エッチングレートが該第１のエッチング工程に比べて低いので、全エッチング処理時間を出来るだけ短くするには、該第２のエッチング工程によるエッチング量を出来るだけ少なくした方がよい。一方、該第２のエッチング工程は、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣を除去することができる。よって、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣を除去するのに最小限必要なエッチング量だけ該第２のエッチング工程を行った場合、全エッチング処理時間を可能な限り短くし、且つブラックシリコン即ちシリコン針状残渣を除去することが可能となる。前述したように、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣が発生のし易さは、エッチングマスクのパターンレシオに依存する。具体的には、エッチングマスクのパターンレシオが低く、エッチングする面積が広い場合には、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣が発生し易い。エッチングマスクのパターンレシオが低く、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣が多く発生した場合に最小限必要となる第２のエッチング工程におけるエッチング量は、エッチングマスクのパターンレシオが高く、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣が少なく発生した場合に最小限必要となる第２のエッチング工程におけるエッチング量より多くなる。即ち、最小限必要となる第２のエッチング工程におけるエッチング量は、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣の量に依存し、間接的にはエッチングマスクのパターンレシオに依存する。

更に、エッチングマスクがシリコン酸化膜で構成される場合、エッチング工程中に該シリコン酸化膜がプラズマガスに曝されるので、該シリコン酸化膜から酸素（Ｏ_２）或いは酸化物がエッチング面すなわちトレンチの底部に供給されるので、第１のエッチングガス（ＳＦ_６＋Ｏ_２）に加えて、シリコン酸化膜からなるエッチングマスクが、酸素（Ｏ_２）或いは酸化物の供給源となる。従って、エッチングマスクがシリコン酸化膜で構成される場合は、エッチングマスクが酸素を含まない物質で構成される場合に比べブラックシリコン即ちシリコン針状残渣が多く発生するので、第２のエッチング工程におけるエッチング量を多くする必要がある。換言すると、第２のエッチング工程におけるエッチング量を決定する際に考慮すべき事項に、エッチングマスクがシリコンを含む物質で構成されるか否かも含めることが好ましい。

従って、該第１のエッチング工程を全エッチング量の９０％とし、第２のエッチング工程におけるエッチング量を全エッチング量の１０％とする前述の例に限定する必要はない。ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣を除去と、全エッチング処理時間の短縮とを考慮し、第２のエッチング工程におけるエッチング量を全エッチング量の３％乃至２０％の範囲とすることが好ましい。第２のエッチング工程におけるエッチング量を全エッチング量の３％未満とした場合、全エッチング処理時間の短縮の十分高い効果は期待できるが、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣の除去が期待できない。一方、第２のエッチング工程におけるエッチング量を全エッチング量の２０％を超える量とした場合、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣の除去の十分高い効果は期待できるが、全エッチング処理時間の短縮が期待できない。ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣の除去の十分高い効果及び全エッチング処理時間の短縮の双方を得るには、第１のエッチング工程におけるエッチング量と第２のエッチング工程におけるエッチング量との和に対する第２のエッチング量の比率は、２０％乃至３％の範囲であることが好ましい。

本発明によれば、酸素（Ｏ_２）或いは酸化物と化学結合する炭素（Ｃ）或いは炭化物を含む第２のエッチングガスを使用する第２のエッチング工程で仕上げを行うことで、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣が存在しない底部表面を有するトレンチ５が最終的に得られる。第２のエッチングガス（ＳＦ_６＋ＣＦ_４）中に含まれる炭素（Ｃ）の量は、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣の除去効率に影響を与えることは前述した通りであるが、これに加え、トレンチの垂直断面形状にも影響を与える。第２のエッチングガス（ＳＦ_６＋ＣＦ_４）中に含まれる炭素（Ｃ）の量、即ち、ＳＦ_６ガスの流量に対するＣＦ_４ガスの流量の比とトレンチの垂直断面形状との相互関係につき、以下説明する。

図９は、ＳＦ_６ガスの流量に対するＣＦ_４ガスの流量の比が低い条件で仕上げのエッチング工程を行って形成したトレンチの垂直断面形状を示す部分垂直断面図である。図１０は、図９のトレンチの側壁及び底面に熱酸化膜を形成した場合にシリコン基板に加わるストレスの緩和を説明する部分垂直断面図である。図１１は、ＳＦ_６ガスの流量に対するＣＦ_４ガスの流量の比が高い条件で仕上げのエッチング工程を行って形成したトレンチの垂直断面形状を示す部分垂直断面図である。図１２は、図１１のトレンチの底面に熱酸化膜を形成し、側壁には熱酸化膜とポリシリコンとの積層構造を形成した場合にシリコン基板に加わるストレスの増加を説明する部分垂直断面図である。

図９に示すトレンチは、前述した第１のエッチング工程と第２のエッチング工程との組で形成する。ここで、前述した第２のエッチング工程を行う際、ＳＦ_６ガスの流量に対するＣＦ_４ガスの流量の比を前述の比より低くすることで、形成されたトレンチ６の底部７は、中心が深く側壁に近づくにつれ次第に浅くなり、更に底部と側壁との境界部分８はラウンドした形状を有する。即ち、第２のエッチング工程で使用するエッチングガスに含まれる炭素（Ｃ）或いは炭化物の量を減少させることで、図９に示すような中心が深く側壁に近づくにつれ次第に浅くなる底部７と、該底部７と側壁との境界部分８がラウンドした形状を有するトレンチ６を得ることができる。その後、図１０に示すように、トレンチ６の底部７及び側壁に絶縁膜９を形成する。絶縁膜９は熱酸化膜でもよいし、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ膜でもよい。絶縁膜９をトレンチ６の底部と側壁とに形成する際、トレンチ６の底部と側壁との境界部分８のシリコンにストレスが加わる。底部７と側壁との境界部分８のラウンドした形状は、境界部分８のシリコンに加わるストレスを緩和させる。

図１１に示すトレンチは、前述した第１のエッチング工程と第２のエッチング工程との組で形成する。ここで、前述した第２のエッチング工程を行う際、ＳＦ_６ガスの流量に対するＣＦ_４ガスの流量の比を前述の比より高くすることで、形成されたトレンチ６の底部１１は、中心が浅く側壁に近づくにつれ次第に深くなり、更に該底部１１と側壁との境界部分１２は鋭角形状を有する。即ち、第２のエッチング工程で使用するエッチングガスに含まれる炭素（Ｃ）或いは炭化物の量を増加させることで、図１１に示すような中心が浅く側壁に近づくにつれ次第に深くなる底部１１と、該底部１１と側壁との境界部分１２が鋭角形状を有するトレンチ１０を得ることができる。その後、図１２に示すように、トレンチ１０の底部１１及び側壁１２に絶縁膜１３を形成する。絶縁膜１３は熱酸化膜でもよいし、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ膜でもよい。絶縁膜１３をトレンチ１０の底部１１と側壁とに形成する際、トレンチ１０の底部１１と側壁との境界部分１２のシリコンに加わるストレスは、大きくなる。底部１１と側壁との境界部分１２の鋭角形状は、境界部分１２のシリコンに加わるストレスを増大させる。その後、導電性膜１４をトレンチの側壁のみに選択的に形成することが可能である。具体的には、導電性膜１４を全体に形成し、その後、等方性エッチングにより導電性膜１４をエッチングすることで、トレンチ底部の導電性膜１４とシリコン基板１の上面の導電性膜１４を除去することができる。導電性膜１４は、例えばポリシリコン膜であってもよい。中心が浅く側壁に近づくにつれ次第に深くなる底部１１の形状が、等方性エッチングにより導電性膜１４をトレンチ１０の側壁のみに残すことを可能にする。炭素（Ｃ）或いは炭化物の量を増加させて第２のエッチング工程を行った場合、トレンチ１０の底部１１と側壁との境界部分１２のシリコンにストレスが加わるストレスは大きくなるが、導電性膜１４をトレンチ１０の側壁のみに選択的に形成することが容易となる。即ち、トレンチ１０の底部と側壁との分離が可能となる。

従って、炭素（Ｃ）或いは炭化物を含む第２のエッチングガスを使用して仕上げエッチング工程として行う第２のエッチング工程のエッチング量を調整することで、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣の除去とトレンチの深さの高精度での調整が可能となり、該第２のエッチングガスに含まれる炭素の量を調整することで、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣の除去の効率と、最終的に得られるトレンチの形状を調整することが可能となる。

尚、トレンチの形状の調整を行うには、前述の第２のエッチング工程で使用するエッチングガスに含まれる炭素（Ｃ）或いは炭化物の量の調整に加えて、第２のエッチング工程の処理時間及び第２のエッチングガスの圧力並びにシリコン基板１の温度調整によっても可能である。

前述の第１のエッチング工程は、エッチングのメイン工程であり、主にエッチングレートを高くすることが要求された。前述した第１のエッチングガスは、（ＳＦ_６＋Ｏ_２）ガスを使用したが、必ずしもこれに限定するものではなく、例えば、（Ｃｌ_２＋Ｏ_２）ガス、（Ｃｌ_２＋ＨＢｒ）ガス、（Ｃｌ_２＋ＨＢｒ＋Ｏ_２）ガスを使用してもよい。第１のエッチングガスに少なくとも酸素（Ｏ_２）か水素（Ｈ）のいずれか一方が含まれる場合、エッチング面にこれら元素或いは化合物が付着し、エッチングレートのばらつきを引き起こす。その結果、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣がトレンチの底部に形成される。

そこで、仕上げのエッチング工程として、炭素（Ｃ）或いは炭化物を含む第２のエッチングガスを使用して第２のエッチング工程を行い、ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣を除去することで、最終的にブラックシリコン即ちシリコン針状残渣の無い滑らかな底部を有するトレンチを得ることが可能となる。更に、前述したように、第２のエッチング工程のエッチングレートが低いので、最終的に得られるトレンチの深さの制御性が向上する。更に、前述したように、第２のエッチングガスに含まれる炭素（Ｃ）の量を調整することで、最終的に得られるトレンチの形状を調整することが可能となる。

ブラックシリコン即ちシリコン針状残渣の除去及びトレンチの形状の許容範囲を考慮すると、第２のエッチングガスは、炭素（Ｃ）と弗素（Ｆ）とを含み且つ弗素の割合が炭素の割合より多いことが条件となる。更に、第２のエッチングガスは、エッチングレートのばらつきを引き起こす原因となる酸素及び水素のいずれも含まないことが好ましい。第２のエッチングガスに含まれる弗素（Ｆ）の量が増加すると、エッチングの異方性が低下し、最終的に得られるトレンチの形状が崩れる。一方、第２のエッチングガスに含まれる炭素（Ｃ）の量が増加すると、エッチングレートが低下する。従って、トレンチの形状とエッチングレートとを考慮し、炭素に対する弗素の重量比が、弗素：炭素＝９０：１乃至６：１の範囲であることが好ましい。この範囲を超えて弗素の重量比が高い場合、最終的に得られるトレンチの形状が大きく崩れるので好ましくない。更に、炭素に対する弗素の重量比が、弗素：炭素＝４０：１乃至６：１の範囲であることがより好ましい。弗素の重量比がこの範囲内であれば、トレンチの形状の実質的な崩れが生じないので好ましい。

前述したように第１のエッチング工程の後、第１のエッチングガスをエッチングチャンバ内から排出し、その後、第２のエッチングガスを該エッチングチャンバ内に供給し、第２のエッチング工程を開始してもよい。但し、第１のエッチングガスをエッチングチャンバ内から排出しても、完全な真空にしない限り酸素又は水素がエッチングチャンバ内に残存するので、残存した酸素又は水素を炭素と反応させ、二酸化炭素或いは炭化水素にすることで、エッチングの仕上げ工程では、酸素又は水素がエッチング面に付着するのを防止する必要がある。このため、第１のエッチングガスをエッチングチャンバ内から排出した後に、第２のエッチングガスをエッチングチャンバ内に導入する場合でも、第２のエッチングガスは、シリコンをエッチングするための弗素と、残存した酸素又は水素と化学結合するための炭素（Ｃ）或いは炭化物を含むことが必要となる。

また、第１のエッチング工程の後、ＳＦ_６の供給を維持する一方で、Ｏ_２の供給を停止すると共にＣＦ_４の供給を開始することで、ＳＦ_６及びＯ_２を含む第１のエッチングガスをＳＦ_６及びＣＦ_４を含む第２のエッチングガスに切り替えることも可能である。第１のエッチングガスをエッチングチャンバ内から排出する工程を含まないので、酸素がエッチングチャンバ内に残存する。よって、残存した酸素を炭素と反応させ、二酸化炭素にすることで、エッチングの仕上げ工程では、酸素がエッチング面に付着するのを防止する必要がある。このため、Ｏ_２の供給を停止した後に、第２のエッチングガスをエッチングチャンバ内に導入する場合でも、第２のエッチングガスは、シリコンをエッチングするための弗素と、残存した酸素と化学結合するための炭素（Ｃ）或いは炭化物を含むことが必要となる。

更に、第１のエッチングガスとして（Ｃｌ_２＋Ｏ_２）ガス、（Ｃｌ_２＋ＨＢｒ）ガス、或いは（Ｃｌ_２＋ＨＢｒ＋Ｏ_２）ガスを使用することが可能であるが、（Ｃｌ_２）ガスを用いているため、シリコン表面に付着した（Ｃｌ_２）ガスにより、処理したシリコンウェハを設備の搬送部へ搬送した場合に該搬送部の（Ｃｌ_２）ガスによる腐食を誘発し易くなる。しかし、第２のエッチングガスが（ＳＦ_６＋ＣＦ_４）を含むことで、処理最後の工程で（Ｃｌ_２）ガスとＦ系ガスとの置換がエッチングチャンバ内及びシリコンウェハの表面で可能となり、搬出したシリコンウェハによる搬送部の腐食を抑えることが可能となる。即ち、該第１のエッチングガスの供給を停止して、第２のエッチングガス（ＳＦ_６＋ＣＦ_４）の供給を開始することで、第２のエッチング工程を行うと共に、Ｃｌ_２と、ＳＦ_６及びＣＦ_４との置換反応を引き起こすことでクリーニング処理も同時に行うことが可能となる。

更に、第２のエッチングガス（ＳＦ_６＋ＣＦ_４）に代え、（ＮＦ_４＋ＣＦ_４）ガス、或いは（ＳＦ_６＋ＮＦ_４＋ＣＦ_４）ガスを使用してもよい。即ち、第２のエッチングガスは、（ＳＦ_６）ガス及び（ＮＦ_４）ガスの少なくとも一方と、（ＣＦ_４）ガスとを含むことができる。

前述の実施形態では、シリコン半導体基板に対する選択的な異方性プラズマエッチングによりトレンチを形成したが、必ずしもトレンチの形成に限定する必要はなく、底部の有るホールや、マスクを用いずに異方性プラズマエッチングを行うことで、シリコン基板の全面をエッチングする場合にも適用可能である。即ち、エッチングにより形成すべき対象は特に限定する必要はない。

尚、前述した第１のエッチング工程とその後に行う第２のエッチング工程との組を複数回繰り返して、多段形状トレンチを形成することも可能である。

更に、シリコン基板をエッチングの対象としたが、必ずしもシリコンのバルク領域のエッチングに限定するものではなく、例えば、ＥＰＩ層を有したシリコン基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、ＳＯＳ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｓａｐｐｈｉｒｅ）基板、或いはＳＯＱ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｑｕａｒｔｚ）基板にも適用可能である。更に、原料にシリコンを用いたシリコン系半導体物質からなる領域をエッチングする場合にも、前述したブラックシリコン即ちシリコン針状残渣が発生するので、本発明を適用する意義がある。

本発明の第１の実施形態に係る選択的異方性プラズマエッチング方法に関する各工程における半導体基板を示す部分垂直断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る選択的異方性プラズマエッチング方法に関する各工程における半導体基板を示す部分垂直断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る選択的異方性プラズマエッチング方法に関する各工程における半導体基板を示す部分垂直断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る選択的異方性プラズマエッチング方法に関する各工程における半導体基板を示す部分垂直断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る選択的異方性プラズマエッチング方法に関する各工程における半導体基板を示す部分垂直断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る選択的異方性プラズマエッチング方法に関する各工程を説明するフローチャートである。 エッチングガス（ＳＦ_６＋Ｏ_２）を使用して、エッチングレート３．２μｍ/ｍｉｎの条件でシリコン基板をエッチングすることにより形成したトレンチの底部の表面状態を示す電子写真である。 エッチングガス（ＳＦ_６＋ＣＦ_４）を使用して、エッチングレート０．３７５μｍ/ｍｉｎの条件でシリコン基板をエッチングすることにより形成したトレンチの底部の表面状態を示す電子写真である。 ＳＦ_６ガスの流量に対するＣＦ_４ガスの流量の比が低い条件で仕上げのエッチング工程を行って形成したトレンチの垂直断面形状を示す部分垂直断面図である。 図９のトレンチの側壁及び底面に熱酸化膜を形成した場合にシリコン基板に加わるストレスの緩和を説明する部分垂直断面図である。 ＳＦ_６ガスの流量に対するＣＦ_４ガスの流量の比が低い条件で仕上げのエッチング工程を行って形成したトレンチの垂直断面形状を示す部分垂直断面図である。 図１１のトレンチの底面に熱酸化膜を形成し、側壁には熱酸化膜とポリシリコンとの積層構造を形成した場合にシリコン基板に加わるストレスの増加を説明する部分垂直断面図である。

符号の説明

１ シリコン基板
２ 自然酸化膜
３ エッチングマスク
４ トレンチ
５ トレンチ
６ トレンチ
７ トレンチの底部
８ トレンチの底部と側壁との境界部分
９ 絶縁膜
１０ トレンチ
１１ トレンチの底部
１２ トレンチの底部と側壁との境界部分
１３ 絶縁膜
１４ 導電性膜

Claims (24)

1. 第１のエッチングレートでシリコン系半導体領域をエッチングする第１のエッチング工程と、
   前記第１のエッチング工程の後、炭素と弗素とを含み且つ弗素の割合が炭素の割合より多い第１のエッチングガスを使用して、前記第１のエッチングレートより低い第２のエッチングレートで前記シリコン系半導体領域をエッチングする第２のエッチング工程と、
   を少なくとも含むエッチング方法。
2. 前記第１のエッチング工程は、水素及び酸素のうち少なくとも一方を含む第２のエッチングガスを使用して行う請求項１に記載のエッチング方法。
3. 前記第２のエッチング工程で使用する前記第１のエッチングガスは、水素及び酸素のいずれも含まない請求項２に記載のエッチング方法。
4. 前記第１のエッチングガスは、ＳＦ_６及びＮＦ_４のうち少なくとも一方とＣＦ_４とからなる請求項１乃至３のいずれかに記載のエッチング方法。
5. 前記第１のエッチングガスは、炭素に対する弗素の重量比が、弗素：炭素＝９０：１乃至６：１の範囲である請求項１乃至４のいずれかに記載のエッチング方法。
6. 前記第１のエッチングガスは、炭素に対する弗素の重量比が、弗素：炭素＝４０：１乃至６：１の範囲である請求項１乃至４のいずれかに記載のエッチング方法。
7. 前記第１のエッチング工程における異方性エッチングによる第１のエッチング量と前記第２のエッチング工程における異方性エッチングによる第２のエッチング量との和に対する、前記第２のエッチング量の比率は、２０％乃至３％の範囲である請求項１乃至６のいずれかに記載のエッチング方法。
8. 前記第１のエッチング工程の前に、前記シリコン系半導体領域上に選択的に酸化物からなるエッチングマスクを形成する工程を更に含む請求項１乃至７のいずれかに記載のエッチング方法。
9. 前記第１のエッチング工程の後、前記第２のエッチングガスをエッチングチャンバ内から排出し、その後、前記第１のエッチングガスを前記エッチングチャンバ内に供給し、前記第２のエッチング工程を開始する請求項１乃至８のいずれかに記載のエッチング方法。
10. 前記第１のエッチング工程は、ＳＦ_６及びＯ_２を含む第２のエッチングガスを使用して行う請求項１乃至９のいずれかに記載のエッチング方法。
11. 前記第１のエッチング工程の後、ＳＦ_６の供給を維持する一方で、Ｏ_２の供給を停止すると共にＣＦ_４の供給を開始することで、ＳＦ_６及びＯ_２を含む前記第２のエッチングガスをＳＦ_６及びＣＦ_４を含む前記第１のエッチングガスに切り替えた後、前記第２のエッチング工程を開始する請求項１０に記載のエッチング方法。
12. 前記第１のエッチング工程は、Ｃｌ_２及びＯ_２を含む第２のエッチングガスを使用して行う請求項１乃至９にいずれかに記載のエッチング方法。
13. 前記第１のエッチング工程は、Ｃｌ_２及びＨＢｒを含む第２のエッチングガスを使用して行う請求項１乃至９にいずれかに記載のエッチング方法。
14. 前記第１のエッチング工程は、Ｃｌ_２、ＨＢｒ及びＯ_２を含む第２のエッチングガスを使用して行う請求項１乃至９にいずれかに記載のエッチング方法。
15. 前記第２のエッチング工程は、選択的異方性エッチングと同時にＣｌ_２と、ＳＦ_６及びＣＦ_４との置換反応を引き起こすことでクリーニング処理を行う請求項１２乃至１４のいずれかに記載のエッチング方法。
16. 水素及び酸素のうち少なくとも一方を含む第１のエッチングガスを使用して、第１のエッチングレートでシリコン系半導体領域を、予め決められた目的とするエッチング量の８０％乃至９７％の範囲の第１のエッチング量だけ異方性ドライエッチングする第１のエッチング工程と、
    前記第１のエッチング工程の後、水素及び酸素のいずれも含まず、炭素と弗素とを含み且つ炭素に対する弗素の重量比が、弗素：炭素＝９０：１乃至６：１の範囲である第２のエッチングガスを使用して、前記第１のエッチングレートより低い第２のエッチングレートで前記シリコン系半導体領域を、前記予め定められたエッチング量の２０％乃至３％の範囲の第２のエッチング量だけ異方性ドライエッチングする第２のエッチング工程と、
    を少なくとも含むエッチング方法。
17. 前記第２のエッチングガスは、ＣＦ_４からなる請求項１６に記載のエッチング方法。
18. 前記第１のエッチングガスは、ＳＦ_６及びＯ_２からなる請求項１６又は１７に記載のエッチング方法。
19. 前記第１のエッチングガスは、Ｃｌ_２及びＯ_２からなる請求項１６又は１７に記載のエッチング方法。
20. 前記第１のエッチングガスは、Ｃｌ_２及びＨＢｒからなる請求項１６又は１７に記載のエッチング方法。
21. 前記第１のエッチングガスは、Ｃｌ_２、ＨＢｒ及びＯ_２からなる請求項１６又は１７に記載のエッチング方法。
22. 前記第１のエッチング工程の前に、前記シリコン系半導体領域上に選択的に酸化物からなるエッチングマスクを形成する工程を更に含む請求項１６乃至２１のいずれかに記載のエッチング方法。
23. 前記第２のエッチング工程は、選択的異方性エッチングと同時にＣｌ_２と、ＳＦ_６及びＣＦ_４との置換反応を引き起こすことでクリーニング処理を行う請求項１９乃至２１のいずれかに記載のエッチング方法。
24. シリコン系半導体基板を準備する工程と、
    請求項１乃至２３のいずれかに記載のエッチング方法により、前記シリコン系半導体基板をエッチングする工程と、
    を含む半導体装置の製造方法。

Images