JP2003100706A - ドライエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ウェーハの面内におけるエッチング深さの均
一化を図ったドライエッチング方法を提供する。 【解決手段】 本発明のドライエッチング方法において
は、シリコンウェーハＷの主裏面側を熱緩衝膜２０で覆
い、その熱緩衝膜２０に冷却ガスを吹き付けるなどして
冷却しつつシリコンウェーハＷの主表面をエッチングす
る。熱緩衝膜２０は、シリコンウェーハＷと一体に形成
され、シリコン単結晶よりも熱伝導率の小さいシリコン
酸化膜またはシリコン窒化膜が採用される。熱緩衝膜２
０は、面内での冷却温度のばらつきを緩和するので、エ
ッチング面での温度分布の均一化を図ることができ、ひ
いては面内におけるエッチング深さの均一性も向上す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンウェーハ
をドライエッチングする方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの高集積化・高密度化を
図るには、トランジスタや配線などの微細化を進めるこ
とが重要であるが、これは、フォトエッチング技術の進
歩に拠るところが大きい。エッチング技術に関していえ
ば、薬液を使用するウェットエッチングと、使用しない
ドライエッチングがあるが、微細加工という観点におい
てはドライエッチングが圧倒的に有利である。

【０００３】ドライエッチングといえば、適当なガスに
高周波を印加することによってプラズマを生じさせ、そ
れから得られるイオンやラジカルをウェーハに当ててエ
ッチングする方法が一般的である。中でも、ウェーハを
０℃以下の低温に保ちつつ、自己バイアス電圧を利用し
てプラズマから反応性イオンを取り出してエッチングを
行う、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエ
ッチング）は、異方性エッチングとしてよく知られてい
る。ウェーハを冷却する手法としては、ウェーハの裏面
にＨｅ等のガスを直接吹き付けて冷却する機構、ウェー
ハの載置されている支持台を水等の冷媒で冷却する機構
などをエッチング装置に設けるのが普通である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、円板状
のウェーハ全体を均一に冷却することは難しく、面内で
の温度分布は不均一になりがちである。これは、ウェー
ハの径が大きくなればなるほど顕著である。ウェーハの
面内に温度差が生じると、エッチングレートに差が生じ
てエッチング深さが不均一になるので好ましくない。デ
バイスの微細化が進み、より一層厳しい寸法精度が要求
されるにともない、エッチング深さのばらつきが具体的
な不具合を招く恐れがある。それゆえ、より高精度のエ
ッチング技術が望まれている。

【０００５】本発明の課題は、面内におけるエッチング
深さの均一化を図ったドライエッチング方法を提供する
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記課題
を解決するために本発明のドライエッチング方法は、シ
リコンウェーハの主裏面側から冷却しながらエッチング
を行うドライエッチング方法において、シリコンウェー
ハの主裏面を熱緩衝膜で覆い、該シリコンウェーハの主
表面をエッチングすることを特徴とする。

【０００７】ドライエッチングプロセスの最中には、エ
ッチング面と反対側（主裏面側）から適当な冷却手段を
用いて積極的にウェーハの冷却を行う。本発明において
は、直接的には、主裏面側表層部に形成された熱緩衝膜
を冷却する。この熱緩衝膜は、面内での冷却温度のばら
つきを緩和するものである。すなわち、裏面側において
冷却温度に多少の差が生じていても、その差は熱緩衝膜
によって緩衝される。結局、熱緩衝膜とシリコン単結晶
部分との接触界面近傍において、面内の温度分布を均一
にすることができるので、エッチング面における温度差
も生じにくい。従って、面内におけるエッチング深さの
均一性の向上を図ることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しつつ本
発明の一実施形態を説明する。ドライエッチング法の中
でも、自己バイアス電圧を利用して反応性イオンをプラ
ズマから引出し、異方性エッチングを行うＲＩＥが主流
であることは述べた。従って、ＲＩＥを行うための装置
の一形態である平行平板型ＲＩＥ装置を代表例として説
明する。

【０００９】まず、図１に、平行平板型ＲＩＥ装置の概
略を示す。平行平板型ＲＩＥ装置１は、ガス導入口１０
とガス排出口１１とを有する金属製の真空チャンバー２
内に、接地されたアノード（陽極）３と、高周波電源Ｒ
Ｆに接続されたカソード（陰極）４とが配置されてい
る。ガス排出口１１には、真空ポンプが取り付けられて
おり、チャンバー２内を排気して適当な圧力に調整でき
る。チャンバー２内を適当な圧力に維持しつつ、ガス導
入口１０からこのチャンバー２内にエッチングガスを導
入するとともに、アノード３とカソード４との間に高周
波を印加して、導入されたエッチングガスに基づくプラ
ズマを生じさせる仕組みである。

【００１０】プラズマの発生とともに、イオンよりも移
動度の大きい電子が電極に多く流れ込む。それととも
に、ブロッキングコンデンサ５が負に帯電するので、カ
ソード４は負にバイアスされる。従って、反応性イオン
はその自己バイアスによる負電圧に加速されてカソード
４上に載置されたシリコンウェーハＷを衝撃する。この
ように、シリコンウェーハＷに対し、その厚さ方向と垂
直な方向から反応性イオンが衝突して異方性エッチング
が行える。

【００１１】カソード４は、被エッチング材であるシリ
コンウェーハＷを静電力により位置決め保持するサセプ
タとして機能するものである。アノード３と対向するカ
ソード４の上部、すなわちシリコンウェーハＷとの接触
部分は、石英製電極部材１３により構成されている。カ
ソード４の上面全体が該石英製電極部材１３に被覆され
ているので、イオンがカソード４の本体部をスパッタし
てシリコンウェーハＷが汚染されることも防止される。

【００１２】図２は、カソード４の拡大図である。カソ
ード４には、ウェーハ冷却用のガス噴出機構が設けられ
ている。すなわち、カソード４を貫通する形にて形成さ
れた冷却ガス流通部１２に、たとえばＨｅガス等の冷却
ガスを導入して、シリコンウェーハＷのエッチング面と
反対側である主裏面側に、その冷却ガスを適度な圧力で
吹き付けることが可能とされている。アノード４の上面
に開口する冷却ガス流通部１２と、被エッチング材であ
るシリコンウェーハＷの中心部が略一致するように配置
する。そうすると、冷却ガス流通部１２を流れてきた冷
却ガスは、シリコンウェーハＷの裏面側に当たってその
流れを分岐させる形にて、アノード４とシリコンウェー
ハＷとの間に形成されるごく僅かな隙間を抜けて、チャ
ンバー２内に排気される。

【００１３】図３は、カソード４をアノード３側から観
察した場合の上面模式図である。この図に示されるよう
に、冷却ガス流通部１２を流れてきた冷却ガスは、まず
シリコンウェーハＷの中央部を冷却する。続いて主裏面
に沿って半径方向外向きに流れてシリコンウェーハＷの
周縁から排気される。この冷却機構により、エッチング
プロセスの最中においても、シリコンウェーハＷを０℃
以下に保つことが可能となる。なお、カソード４内に適
当な冷媒を収容する、あるいは冷媒の流通経路を形成す
るといった冷却機構も採用できる。

【００１４】シリコンウェーハＷを低温に保つことによ
り、ラジカルによるサイドエッチングを抑制できる。た
だし、反応性イオンによって衝撃される位置に到達した
ラジカルは、反応性イオンの並進運動エネルギーを利用
して（いわゆるイオンアシスト効果を受けて）化学的エ
ッチングを生じさせる。このようにして、ＲＩＥにおい
ては化学的反応と物理的スパッタリングが協働してエッ
チングが進行する。ＲＩＥを主流としたドライエッチン
グ法は、シリコンウェーハＷに位置決め用のアライメン
トマークを形成する際や、トレンチアイソレーションの
ためのトレンチを形成する際など、高いエッチング精度
が要求される場面においては必須とされる。

【００１５】上記したような冷却機構に限ったことでは
ないが、シリコンウェーハＷの裏面側全体を一定温度で
冷却することは相当難しく、このような場合、ウェーハ
の面内において温度差が生じる。エッチング面の温度分
布が不均一になると、エッチング深さも不均一になるの
で望ましくない。そこで、本発明のドライエッチング方
法においては、シリコンウェーハＷの主裏面側を、シリ
コン単結晶よりも熱伝導率の小さい熱緩衝膜２０で覆
い、その熱緩衝膜２０を冷却しつつ主表面側をエッチン
グする（図１および図２参照）。この熱緩衝膜２０は、
面内での冷却温度のばらつきを緩和する形にて、冷却の
効果を主表面側に伝える作用を有するので、熱緩衝膜２
０を形成せずに直接冷却した場合と比較して、エッチン
グ面の温度分布をより均一に保つことが可能である。

【００１６】熱緩衝膜２０の熱伝導率がエッチングされ
るべきシリコン単結晶部分よりも大きいと、エッチング
によって生じた熱が裏面側に一層伝わり易くなるだけで
あるから、本発明者等が望む効果は得難い。シリコン単
結晶よりも小さい熱伝導率を有する場合に、高い緩衝効
果が得られる。なお、熱伝導率の大小は、エッチングプ
ロセス中にシリコンウェーハＷが達する温度域、たとえ
ばマイナス数十℃〜プラス数百℃において考慮されるも
のである。

【００１７】通常、エッチング面に対して均一な冷却効
果を与えるためには、冷却手段の工夫や改良が必要とな
って大変面倒である。ところが、本発明によれば、図３
に示したような簡単な冷却機構を以ってしても、十分に
所望の冷却効果を実現することができる。

【００１８】熱緩衝膜２０は、シリコンウェーハＷと一
体に形成可能なものが望ましく、たとえばシリコン酸化
膜、シリコン窒化膜等が採用できる。シリコン酸化膜
は、公知の熱酸化法、ＣＶＤ法によって容易に形成でき
るので好適である。ＣＶＤ法を採用した場合、シリコン
ウェーハＷの主裏面側表層部にＣＶＤ法により二酸化珪
素を体積させる形となる。シリコン窒化膜も、同じく熱
窒化法やＣＶＤ法によって形成できる。熱伝導率に関し
ていえば、シリコン単結晶：約１５０Ｗ／ｍ・Ｋ、二酸
化珪素（ＳｉＯ_２）：約１．５Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化珪素
（Ｓｉ_３Ｎ_４）：約２０Ｗ／ｍ・Ｋ、であり、好適であ
る。

【００１９】より具体的には、上記熱緩衝膜２０がシリ
コン酸化膜である場合、その厚さを０．２μｍ以上１．
５μｍ以下に調整することが望ましい。シリコン酸化膜
２０の厚さを０．２μｍ未満にすると、裏面側で生じた
面内での温度差を緩和する形にて、冷却の効果を主表面
側に伝える効果が十分に望めなくなる。たとえば、自然
酸化膜は０．２μｍ未満の厚さしか持たないので、本発
明の効果を得られるものではない。他方、１．５μｍを
超えると、伝熱性が低下しすぎて冷却そのものが不十分
になる恐れがあるうえ、酸化膜形成のためのコストも嵩
むので好ましくない。

【００２０】また、熱緩衝膜２０の持つ緩衝効果は、そ
の膜厚に左右される傾向にあるので、この熱緩衝膜２０
の厚さ調整に基づいて主表面側におけるエッチング深さ
の面内分布を制御することも可能である。熱緩衝膜２０
の形成厚さは、該熱緩衝膜２０がシリコン酸化膜である
場合、上記したように０．２μｍ以上１．５μｍ以下が
好適であるが、エッチングされるシリコンウェーハＷの
径によって最適値が異なる。シリコンウェーハＷの径が
大きくなれば、面内での温度分布のばらつきも一層大き
くなる傾向にあるからである。さらには、冷却用ガスの
流量によっても冷却温度が異なるし、使用するエッチン
グガスの流量および種類、印加する高周波電源の出力等
によっても、エッチングの条件が種々異なる。そこで、
実際に実施する予定のエッチング条件のもとで、熱緩衝
膜２０の形成厚さを種々異ならせてドライエッチングを
行い、どの厚さにおいて最もエッチング深さの均一化を
図ることができるのかを予め調べておいて、好適値に関
する知見を得るのが望ましい。

【００２１】

【実施例】本発明の効果を確かめるために、以下の実験
を行った。まず、ＣＺ（Czochralski）法等の公知の単
結晶育成法により製造したシリコン単結晶棒をスライス
して得たシリコン単結晶ウェーハＷに、ラッピング、ポ
リッシング等の処理を施したのち、ＣＶＤ法により裏面
側に０．４μｍのシリコン酸化膜を形成した。次に、エ
ッチング面となる主表面側をマスクして所定の線幅にパ
ターニングした。

【００２２】このようにして作製したシリコンウェーハ
Ｗを被エッチング材として、図１に示した平行平板型Ｒ
ＩＥ装置１を用いて０．７μｍの深さねらいで、主表面
側にドライエッチングを施した。シリコンウェーハＷの
裏面冷却用Ｈｅガスの流量は標準状態で５０ｃｍ^３／ｍ
ｉｎとし、プラズマを発生させる前にシリコンウェーハ
Ｗを十分に冷却した。エッチングガスは、ＣＦ_４とＨｅ
を４：１の割合で混合したエッチングガスを２００ｃｍ
^３／ｍｉｎの流量でチャンバー２に導入した。チャンバ
ー２内の圧力は、６８０ｍＴｏｒｒに維持し、高周波電
源ＲＦの出力は２８０Ｗとした。面内のエッチング深さ
の測定結果を図４（ａ）に示す。

【００２３】次に、比較例として、主裏面側にＣＶＤ酸
化膜を形成していないシリコンウェーハＷについて、上
記実施例と同条件にて主表面側をマスク・パターニング
してドライエッチングを行った。面内のエッチング深さ
の測定結果を図４（ｂ）に示す。

【００２４】図４（ｂ）の測定結果から読み取れるよう
に、比較例においては、シリコンウェーハＷの中心部か
ら周縁部に向うにつれ、エッチング深さが増大してい
る。この結果は、冷却ガスをシリコンウェーハＷの中央
部に吹き付け、半径方向外向きに流れるようにしたた
め、中央部に比べて周縁部が冷却されにくくなっている
ことを示唆するものであると考えられる。他方、本発明
の方法によれば、図４（ａ）の測定結果に示されるよう
に面内でのエッチング深さは、ほぼ均一に保たれてい
る。この結果からも、本発明を採用することによって、
面内でのエッチング深さの均一化を図ることができるの
は明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】平行平板型ＲＩＥ装置の概略図。

【図２】図１の装置におけるカソードの拡大図。

【図３】図１の装置における冷却ガスの流れを模式的に
説明する図。

【図４】エッチング深さの面内分布測定結果を示すグラ
フ。

【符号の説明】

２０ 熱緩衝膜（シリコン酸化膜） Ｗ シリコンウェーハ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコンウェーハの主裏面側から冷却し
   ながらエッチングを行うドライエッチング方法におい
   て、 前記シリコンウェーハの前記主裏面を熱緩衝膜で覆い、
   該シリコンウェーハの主表面をエッチングすることを特
   徴とするドライエッチング方法。
2. 【請求項２】 前記熱緩衝膜は、シリコン単結晶よりも
   小さい熱伝導率を有することを特徴とする請求項１記載
   のドライエッチング方法。
3. 【請求項３】 前記熱緩衝膜は、前記シリコンウェーハ
   と一体に形成されるシリコン酸化膜またはシリコン窒化
   膜であることを特徴とする請求項１または２記載のドラ
   イエッチング方法。
4. 【請求項４】 前記熱緩衝膜は、０．２μｍ以上１．５
   μｍ以下の厚さを有するシリコン酸化膜であることを特
   徴とする請求項３記載のドライエッチング方法。