JPH11135489A - 半導体のエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トレンチ角度を９０°に近く且つばらつきを
低減することで、アスペクト比が１０以上のトレンチを
形成可能とする。 【解決手段】 ＲＩＥ装置でドライエッチングを行なう
場合に、エッチングガスとして、ＨＢｒガス，Ｈｅ，Ｏ
2 ガス，ＳＦ6 ガスおよびＳｉＦ4 ガスの流量を所定比
率で混合したものを用いる。このとき、ＨＢｒガスを８
０〜１５０ＳＣＣＭ程度まで高めてイオンエッチング効
果を高めると共に、Ｈｅ，Ｏ2 ガス／ＳＦ6 ガスの混合
比を高めてもエッチング角度の低下が起こらないように
してマスクとしての酸化膜に対する選択比を高くする。
これにより、アスペクト比が１０以上のトレンチを精度
良く形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板にトレ
ンチを形成するためのトレンチエッチングを酸化膜をマ
スクとしてドライエッチング法を用いて行なうようにし
た半導体のエッチング方法に関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】シリコン基板などの半
導体基板に多数の回路素子を形成して集積回路を構成す
る際に、各素子間を電気的に分離するために素子の周辺
にトレンチを形成し内部に絶縁物などを埋め込むように
構成することが行なわれている。トレンチエッチング処
理は、シリコン基板を深さ方向に選択的にエッチングす
ることにより、幅寸法に対する深さ寸法の比であるアス
ペクト比（深さ寸法／幅寸法）の高い深溝形状（トレン
チ）あるいは深穴形状を形成する方法である。これらの
形状を製造工程で実現するためには、ドライエッチング
処理を高い異方性で行なうと共に、エッチングマスクと
なるシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）に対して高い選択比で
行なえ、且つエッチング速度の均一性が要求される。

【０００３】このようなトレンチエッチングを行なう方
法として、例えば特開平６−１６３４７８号公報に示さ
れるものがある。この方法においては、エッチングガス
として、Ｂｒ系／Ｏ_２系／ＳｉＦ_４／ＳＦ_６系の混合ガ
スを用いており、これによってドライエッチング処理を
行なうものである。そして、この方法においては、シリ
コン基板のエッチング反応生成物がトレンチの側壁と、
マスク表面を保護することで、深さ方向に対する高い異
方性を実現すると共にマスクとしての酸化膜に対して高
選択比を実現するようにしている。

【０００４】ところで、近年では、集積回路を構成する
各要素をより微細化したり、高機能化を図るために、ト
レンチの形成に際しても高アスペクト比化が要求されて
きている。この場合、高アスペクト比化を実現するため
には、トレンチの側壁の傾斜角度を示すトレンチ角度
（基板面に対する角度で示す）が９０°を超えない範囲
で極力これに近い角度となることが必要である。

【０００５】これは、例えば、アスペクト比が１０であ
る場合には、トレンチの側壁が平面であると仮定したと
きに、側壁の両側が傾斜していることを考慮すると、角
度の値にして最低限でも８７．１°（arctan２０＝８
７．１°であるから）でこれ以上に形成する必要があ
る。つまり、トレンチ角度が、これよりも小さい角度に
形成される場合にはトレンチの底で側壁同士が付いてし
まってそれ以降深さ方向に対してエッチングを進めるこ
とができなくなり、幾何学的制約でトレンチの形成が不
能となるのである。

【０００６】また、上述の最低限の制限に加えて、トレ
ンチエッチングの途中で被エッチング部にＳｉＯ_２系の
粒子が付着することがあるが、この場合にはその粒子が
エッチングマスクとなって作用するので、トレンチの底
面にエッチング残渣として悪影響を与えることになる。
つまり、このようなエッチング残渣によって、トレンチ
が底までエッチングできなくなったり、トレンチ分離が
十分に得られなくなって絶縁不良を起こす場合が生ず
る。したがって、上述の幾何学的な制約に加えてこのよ
うなエッチング残渣をある程度見込んだトレンチ角度が
必要となる。

【０００７】一方、トレンチ角度は、９０°以上となる
場合で、トレンチ断面がいわゆる逆テーパー状態に形成
された場合には、この後実施する工程でトレンチ内部を
絶縁物などで埋めるときに、成膜工程でトレンチを十分
に満たすことができず、中央部にいわゆる「す」が発生
してこれが素子特性に悪影響を与える可能性がある。こ
の点から、高アスペクト比でトレンチを形成する場合に
は、トレンチ角度を９０°以下で且つ極力９０°に近
く、しかもばらつきを少なくするようにエッチングを制
御できることが要求されるのである。

【０００８】上述の点からすると、従来技術において
は、トレンチ角度の精度としては、例えば８８．６±
１．２°程度となっており、このため、形成されるトレ
ンチ角度の中心角度の値では条件を満足していても、ば
らつきの点で十分なものとは言えず、したがって、高ア
スペクト比でトレンチを精度良く形成することが難しく
なる。このことは、結果としてトレンチが底部分で絶縁
距離が短くなるなどの状態に形成されることに起因し
て、半導体素子の特性上の点でリーク不良が発生しやす
くなるという不具合がある。

【０００９】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、高アスペクト比のトレンチでも傾斜角
度を９０°に近く且つばらつきの少ない状態で形成する
ことができ、これによってトレンチ開口幅の増大を極力
抑制してトレンチを形成することができるようにした半
導体のエッチング方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明によれ
ば、トレンチエッチングをドライエッチング処理により
行なう場合において、エッチングガスとして臭素系ガ
ス，フッ素系ガスおよび酸素系ガスを用い、臭素系ガス
流量を増大させ、且つフッ素系ガス流量を低減させたガ
ス流量とすることにより、臭素系ガスで深さ方向に対す
る異方性エッチングを主として行ない、フッ素系ガスで
生成物の揮発を主として進めると共に、酸素系ガスによ
り酸化膜に対する選択比を高めるようにしてエッチング
を行なうが、この性質を利用して臭素系ガスの混合比を
高めることで深さ方向へのエッチング比率を増大させ、
また、フッ素系ガスの流量を抑えることにより、トレン
チの側面方向におけるエッチングを抑制してトレンチが
逆テーパ形状となるのを防ぎ、これによって、トレンチ
角度を９０°以下としながら極めて９０°に近付けるこ
とができ、よりアスペクト比の高いトレンチのエッチン
グ形成をすることができるようになる。

【００１１】請求項２の発明によれば、臭素系ガスの混
合比を高めることで上述の効果と共に、酸素系ガスの混
合比上昇によるトレンチ角度の低下を防止する効果が生
ずるので、この原理を利用して酸素系ガスの混合比を高
めることができ、フッ素系ガスに対する酸素系ガスの流
量比を従来では達成することができなかった「３」より
も大きく設定することができ、これによって、酸化膜に
対する選択比を高めることができるようになる。この結
果、形成しようとするトレンチのアスペクト比をより高
くすることができ、半導体チップの設計上において、ト
レンチを形成する領域の省スペース化を図ることができ
るようになる。

【００１２】請求項３の発明によれば、エッチングガス
として、酸素系ガスの前記フッ素系ガスに対する流量比
を３以上となるように設定した混合ガスを用いるので、
酸化膜に対する選択比を従来では達成できなかった高い
値に設定することができ、形成しようとするトレンチの
アスペクト比をより高くすることができ、半導体チップ
の設計上において、トレンチを形成する領域の省スペー
ス化を図ることができるようになる。

【００１３】また、従来では、エッチング選択比を向上
させるために酸素系ガスの流量比を高めることが行なわ
れたが、これでは、トレンチ角度が９０°よりも小さい
方に悪化してしまうという現象が生ずるため、単純に酸
素系ガスの流量比を高めることでは対応できなかったの
に対し、本発明では、臭素系ガスの流量比を増大させて
対処することにより酸素系ガスの流量比を高める場合で
もトレンチ角度の低下を防止することができるようにな
った。

【００１４】請求項４および５の発明によれば、エッチ
ングガスとして、臭素系ガス，フッ素系ガスおよび酸素
系ガスを用いて、臭素系ガスで深さ方向に対する異方性
エッチングを主として行ない、フッ素系ガスで生成物の
揮発を主として進め、酸素系ガスにより酸化膜に対する
選択比を高めるようにしてエッチングを行なうが、ここ
で、臭素系ガス流量を増大させ、且つＳＦ_６ガスの流量
を低減させたガス流量とすることで、深さ方向へのエッ
チング比率を増大させることができ、トレンチ角度を９
０°以下としながら極めて９０°に近付けることがで
き、よりアスペクト比の高いトレンチのエッチング形成
をすることができるようになる。

【００１５】請求項６の発明によれば、上述のようにし
てドライエッチング処理を行なうことで、形成しようと
するトレンチのアスペクト比を高めることができ、これ
によって、例えばアスペクト比が１０以上のトレンチで
も再現性良くしかも精度良く形成することができるよう
になる。

【００１６】請求項７の発明によれば、臭化水素（ＨＢ
ｒ）ガスの流量を１００ＳＣＣＭ以上（１５０ＳＣＣＭ
以下の範囲）とすることで、異方性エッチングの性能を
高めることができ、さらにトレンチ角度のばらつきも低
減させることができるようになる。

【００１７】請求項８の発明によれば、臭化水素ガス流
量を８０ＳＣＣＭ以上（１５０ＳＣＣＭ以下の範囲）と
すると共に、ヘリウムガス（Ｈ_２）を含んだ酸素ガス
（Ｏ_２）の混合流量を２０ＳＣＣＭ以上（１００ＳＣＣ
Ｍ未満の範囲）とすることにより、酸化膜からなるマス
ク材料に対するエッチング選択比を大きくとることがで
きるようになる。つまり、マスクに対するエッチング選
択比を向上させることで、トレンチ角度が９０°から悪
化するが、この点について、臭化水素（ＨＢｒ）ガスの
流量を増加させていることで垂直方向へのエッチングを
強めることで解決しているのである。

【００１８】請求項９の発明によれば、反応性イオンエ
ッチング装置ＲＩＥを用いることで、臭化水素（ＨＢ
ｒ）ガスから生じる臭素イオンを用いてイオンエッチン
グを良好に実施することができるようになる。

【００１９】請求項１０の発明によれば、臭化水素（Ｈ
Ｂｒ）ガスの流量を８０ＳＣＣＭ以上（１５０ＳＣＣＭ
以下の範囲）とし、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）ガス流量に
対するヘリウム（Ｈｅ）を含んだ酸素ガスの流量比を１
０以上となるように設定したので、ドライエッチングを
行なう場合において、酸化膜からなるマスクに対するエ
ッチング選択比を向上させた状態でトレンチ角度を９０
°に近い角度でトレンチを形成することができるように
なる。

【００２０】請求項１１の発明によれば、トレンチを形
成する半導体基板の外周部などのチップが配置されない
部分には酸化膜を残した状態としてエッチングされない
ようにしているので、エッチング時にトレンチ以外の部
分のエッチングをしなくなり、その分のエッチング残渣
による汚染やエッチング阻害を防止できるようになる。
この場合において、酸化膜マスクの保護膜となるエッチ
ング反応生成物の発生量が減少することにより、酸化膜
マスクの半導体基板材料に対するエッチング選択比が低
下することになるが、このような場合でも、上述したよ
うなエッチングガスを採用することから、安定したトレ
ンチエッチングを行なうことができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明をＳＯＩ基板のトレ
ンチエッチングに適用した場合の一実施形態について図
面を参照しながら説明する。まず、本実施形態において
用いるエッチング装置について簡単に説明する。エッチ
ング装置としては、図２に模式的な断面図で示すよう
に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ；Reactive Ion E
tching）装置１を用いる。

【００２２】このＲＩＥ装置１は、エッチング槽２内に
上部電極３および下部電極４が対向状態に設けられてお
り、この下部電極４上にエッチング対象となる半導体基
板５（基板サイズは、例えば５〜６インチ径のものに対
応した装置を想定している）を載置するようになってい
る。上部電極３および下部電極４の間には高周波電源６
から、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が供給され
るようになっており、これにより上部電極３および下部
電極４の間にプラズマが生じエッチングガスをイオン化
してドライエッチング処理を行なうようになっている。

【００２３】また、エッチング槽２内にはガス導入口７
から後述するエッチングガスが導入され、エッチング槽
２内を通って排気口８から排出されるようになってい
る。また、エッチング槽２の外周にはマグネットコイル
９が配設されており、マグネトロン方式のＲＩＥ装置１
を構成している。なお、図示はしないが、排気口８には
減圧用の真空ポンプが連結されてエッチング槽２内のガ
スを排気して所定圧力に減圧するようになっている。

【００２４】次に、形成すべきトレンチの構造について
簡単に説明する。図３はその基本的構造を示すもので、
半導体基板であるＳＯＩシリコン基板１０は、支持用シ
リコン基板１１に絶縁膜１２を介してシリコン単結晶膜
１３が形成されたＳＯＩ構造のもので、このシリコン単
結晶膜１３を絶縁分離する際に用いるのがトレンチ１４
である。また、後述するように、形成されるトレンチ１
４の側壁の傾斜角度を示すトレンチ角度θ_Ｔは、図中に
も示すように、シリコン基板１０の面に対する側壁の傾
斜角度で表す。

【００２５】トレンチ１４は、ＳＯＩシリコン基板１０
のシリコン単結晶膜１３の表面にシリコン酸化膜（Ｓｉ
Ｏ_２）１５を形成し、これをマスク部材としてエッチン
グ処理する。この場合、トレンチ１４を形成する部分の
酸化膜１５による開口部のパターン幅ｐに対して形成す
るトレンチ１４の深さ寸法ｑの比率で示すアスペクト比
（＝ｑ／ｐ）は１０程度である。

【００２６】なお、エッチング工程中にエッチング生成
物等の異物１６がエッチング面に付着した場合、これが
マスク材として作用することにより、図３中にも示して
いるように、以後のエッチング処理においてこの部分が
エッチングされずに残ることになってエッチング残渣１
７が形成されることがある。そして、一般に、このよう
なエッチング残渣１７がある程度形成されることを見込
んでパターン幅ｐおよびトレンチ角度θ_Ｔを設定するよ
うになっている。

【００２７】次に、ＲＩＥ装置１によるエッチング条件
を図４に示す。なお、この図中には比較として従来例に
おけるエッチング条件についても示している。エッチン
グガスとしては、臭素系ガスとしてＨＢｒ（臭化水素）
ガスを用い，フッ素系ガスとしてＳＦ_６（六フッ化硫
黄）ガスおよびＳｉＦ_４（四フッ化シリコン）ガスを用
い、さらに不活性ガスを含んだ酸素系ガスとしてＨｅ
（ヘリウム）ガスとＯ_２（酸素）ガスとを７対３で混合
したＨｅ，Ｏ_２ガス（Ｈｅ：Ｏ_２＝７：３）を用い、こ
れらを図４に示す流量条件で混合して用いた。

【００２８】この場合、従来の混合比に対して、本実施
形態ＡおよびＢの２種類の混合比でエッチングガスを組
成した場合の例を示している。実施形態Ａとしては、Ｈ
Ｂｒガスを８０ＳＣＣＭに倍増している。また、ＳＦ_６
ガスに対するＨｅ，Ｏ_２ガスの流量比を従来の５．３に
対して２０に設定した。ＲＩＥ装置１の稼働条件である
磁界強度（６５Ｇａｕｓｓ），圧力（１００ｍＴｏｒ
ｒ），高周波出力（６００Ｗ）については従来と同様の
条件を用いた。また、実施形態Ｂとしては、ＨＢｒガス
を従来の３倍の１２０ＳＣＣＭにすると共に、ＳＦ_６ガ
スに対するＨｅ，Ｏ_２ガスの流量費を３０に設定した。
ＲＩＥ装置１の稼働条件は従来と同様の条件である。

【００２９】なお、上述の条件は、本発明でいうところ
のエッチング条件として、本実施形態において採用して
いる５〜６インチ径の基板（シリコンウエハ）に対応す
る装置の場合、以下に示すような範囲を限界として設定
しており、この範囲内の条件を用いることで実施形態Ａ
およびＢの条件を設定している。また、実施形態Ａ，Ｂ
に限らず、この範囲内にある条件を用いることで、同様
の効果を得ることができる他のエッチング条件を設定す
ることもできる。

【００３０】 ＨＢｒ 流量（ＳＣＣＭ） ８０〜 １５０ ＳＦ_６ 流量（ＳＣＣＭ） ０．５〜 ２ ＳｉＦ_４ 流量（ＳＣＣＭ） ０〜 ２０ Ｈｅ，Ｏ_２流量（ＳＣＣＭ） ２０〜 １００ 磁界強度 （Ｇａｕｓｓ） ０〜 １００ 圧 力 （ｍＴｏｒｒ） ５０〜 １５０ 高周波出力 （Ｗ） ２００〜１０００

【００３１】次に、トレンチエッチングの原理について
図５を参照して簡単に説明する。トレンチエッチング
は、形成しようとするトレンチ１４の開口形状に対応し
てシリコン基板１０の表面に形成している酸化膜１５に
開口部を形成し、他の部分を酸化膜１５により覆ってマ
スクとして利用する。この状態で、エッチング装置であ
るＲＩＥ装置１の下部電極４上にシリコン基板１１を載
置する。内部が減圧されて高周波電源６から高周波出力
が印加されると共にガス導入口７からエッチングガスが
導入されるとエッチングが行なわれる。

【００３２】まず、エッチングガスとして上述した実施
形態ＡあるいはＢの混合ガスがＲＩＥ装置１内部に導入
されると、各ガスはイオン化された状態、あるいは活性
化したラジカルの状態でシリコン基板１１のシリコン単
結晶膜１３のシリコン元素と反応するようになる。ま
た、エッチングの進行に伴って反応により生成した反応
生成物はエッチングされた部分の側壁部分や酸化膜１５
の表面に堆積した堆積層である堆積酸化膜Ｍを形成し側
壁のエッチングを抑制するように作用する。また、この
側壁に堆積する反応生成物はさらにエッチングされる反
応もおこる。これらの反応は主に以下の反応式で示され
る。

【００３３】 （Ｓｉエッチング） Ｓｉ ＋ Ｂｒ^＋ → ＳｉＢｒ_４↑ Ｓｉ ＋ Ｆ＊ → ＳｉＦ_４↑ （反応生成物の堆積） ＳｉＢｒ_４ ＋ Ｏ＊ → ＳｉＯｘＢｒｙ （堆積物のエッチング） ＳｉＯｘＢｒｙ ＋ Ｆ＊ → ＳｉＢｒｘＦｙ↑ 上式中、Ｂｒ^＋はイオン種、Ｏ＊，Ｆ＊は、それぞれラ
ジカルを示す。

【００３４】つまり、トレンチエッチング処理過程にお
いては、エッチングガスを組成している各ガス成分のう
ち、シリコン単結晶膜１３のエッチングにはＨＢｒガス
が主として作用し、反応生成物や堆積酸化膜Ｍの除去に
はＳＦ_６ガスが主として作用し、側壁への反応生成物の
堆積による堆積酸化膜Ｍの形成やマスクとしての酸化膜
１５の保護は酸素系ガスが主として作用する。そして、
Ｂｒ^＋による方向性を持ったシリコンのイオンエッチン
グと、Ｏ_２，ＳＦ_６による反応生成物の側壁への堆積お
よび除去反応のバランスによりトレンチエッチングが進
行する。

【００３５】ここで、側壁への反応生成物の堆積量は、
反応生成物の堆積反応とフッ素ラジカル（Ｆ＊）による
堆積物の等方性エッチング反応によって変化する。反応
生成物の堆積反応は、主としてＨＢｒとＯ_２の流量が多
くなると促進する方向に変化し、堆積物の等方性エッチ
ング反応は主としてＳＦ_６の流量が多くなると促進する
方向に変化する。

【００３６】そして、トレンチ角度θ_Ｔについては、ト
レンチの側壁に堆積する反応生成物である堆積酸化膜Ｍ
の膜厚によって変化するようになる。すなわち、側壁に
形成される堆積酸化膜Ｍはエッチングマスクとして作用
するので、この堆積酸化膜Ｍの膜厚が厚く形成される傾
向にある場合には、トレンチ角度θ_Ｔが小さくなって傾
斜の緩やかな順テーパー形状になる傾向があり、堆積酸
化膜Ｍの膜厚が薄く形成される傾向にある場合には、ト
レンチ角度θ_Ｔが急峻で９０°に近くなる。

【００３７】上述のトレンチ角度θ_Ｔを支配する要因と
しては、前述した反応式においても明らかなように、酸
素ガスとＳＦ_６ガスの流量比が大きく寄与していること
がわかる。つまり、トレンチ角度を制御するには堆積酸
化膜Ｍの側壁への堆積反応およびその堆積酸化膜Ｍの除
去反応の２つの要因を制御する必要があり、トレンチ角
度制御を行なうことが困難である。そして、酸素ガス流
量とＳＦ_６ガス流量とは密接な関係があり、容易にこれ
らのガスの流量を変更することができず、その設定の変
更が困難となる事情がある。

【００３８】そこで、本実施形態においては、上述の性
質を考慮して、これまで、酸化膜に対する高選択比を目
的として混合しているＨＢｒガスに着目し、このＨＢｒ
ガスの混合比を高くすることつまり流量を増加すること
により、シリコンのイオンエッチングの比率を高めてト
レンチ角度θ_Ｔを９０°に近い値となるようにしてい
る。なお、この場合において、イオンエッチングの反応
種としては、ＢｒおよびＦがあるが、その原子サイズか
ら考慮すると、上式の反応式で示したように、Ｂｒによ
るイオンエッチングが主となっていることが推定され
る。

【００３９】また、シリコンのイオンエッチングの比率
を高めることができたことにより、上記した側壁に堆積
する堆積酸化膜Ｍによるトレンチ角度θ_Ｔのばらつきに
ついても大幅に縮小することができる。そして、このこ
とによって、酸化膜に対する選択比を高める働きがある
酸素ガスおよびＳＦ_６ガスの流量比の適用範囲について
も拡大することができるようになる。

【００４０】すなわち、従来では、ＨＢｒガスが少ない
ことにより、堆積酸化膜Ｍの膜厚を制御する必要があ
り、Ｈｅ，Ｏ_２ガス／ＳＦ_６ガスの比率を大きくとるこ
とができなかったが、本実施形態においては、ＨＢｒガ
スを増やすことによって方向性を持つイオンエッチング
を大きくすることができ、これによりＳＦ_６ガスを少な
くしたとしても堆積酸化膜Ｍは増加する方向であり、こ
の増加によるトレンチ角度の悪化（９０°から離れる方
向）にあるものの、ＨＢｒガスによる垂直性のエッチン
グでトレンチ角度は良好に維持することができる。

【００４１】本実施形態では、Ｂｒイオンによる方向性
を持ったシリコンのイオンエッチングがメインとなっ
て、Ｏ_２，ＳＦ_６による反応生成物による堆積酸化膜Ｍ
の堆積および除去反応は補助的な役割となってトレンチ
の形状を制御し、トレンチ角度θ_Ｔの制御が行なわれる
のである。

【００４２】なお、従来の側壁堆積膜厚によるトレンチ
角度θ_Ｔの制御においては、反応生成物を利用している
ことから、パターン密度などによるエッチング面積によ
って影響を受けることがあり、これがトレンチ角度のば
らつきの原因となっていた。この点で、本実施形態にお
いては、供給するエッチングガスの流量により制御する
ようにしているので、トレンチ角度についても高精度で
制御することができるようになる。

【００４３】この結果、本実施形態によると、トレンチ
角度θ_Ｔの値を、例えば±０．５°の範囲で精度良く形
成することができるようになった。また、本実施形態に
おいてＨＢｒガスの流量を８０ＳＣＣＭ以上に増やした
ことによってＢｒイオンによるシリコンのイオンエッチ
ング性を向上させることができ、ＳＦ_６ガス流量を低減
させてもトレンチ角度の垂直性を維持できたが、さらに
ＳＦ_６ガス流量に対するＯ_２流量を増加させることも可
能となった。

【００４４】つまり、ＳＦ_６ガス流量に対するＯ_２ガス
流量を増加させると、より一層堆積酸化膜Ｍを増加させ
るようになりトレンチ角度が悪化する方向へ変化する
が、この場合でもＨＢｒガス流量を８０ＳＣＣＭ以上と
することによるエッチングの垂直性が強くなっているの
で、トレンチ角度は従来と同等かそれ以上に９０°に近
付けることができるようになる。

【００４５】これによって、Ｏ_２ガス流量が増大したこ
とにより、マスクとしての酸化膜１５に対する半導体基
板材料であるシリコンのエッチング選択比を向上させる
ことができる。また、ＳＦ_６ガス流量に対するＯ_２ガス
流量であるＯ_２／ＳＦ_６は３よりも大きくとれるように
なる。なお、この値はＨｅ：Ｏ_２＝７：３の場合には
［Ｈｅ−Ｏ_２］／ＳＦ_６の比の値は１０よりも大きい値
になると言える。

【００４６】さて、次に、本実施形態において行なった
トレンチエッチング処理で得られたデータおよびこの本
実施形態と比較するためのデータを示す。まず、図１０
および図１１においては、ＨＢｒガスの流量を増加して
混合比を高めることによる効果を示すデータとして、横
軸にＨｅ，Ｏ_２ガスの流量，ＳＦ_６ガスの流量をそれぞ
れとり、縦軸にトレンチ角度θ_Ｔの値を示している。Ｈ
Ｂｒガスの流量をパラメータとして４０，８０ＳＣＣＭ
の場合についてプロットしている。

【００４７】また、図１においては、ＨＢｒガスの流量
を増加して混合比を高めることによる効果を示すデータ
として、横軸にＨｅ，Ｏ_２ガス／ＳＦ_６ガスの流量比を
とり、縦軸にトレンチ角度θ_Ｔの値を示している。ＨＢ
ｒガスの流量をパラメータとして４０，６０，８０，１
２０ＳＣＣＭの場合についてプロットしている。

【００４８】そして、図７には、実施形態Ａ，Ｂにおけ
るトレンチ角度とそのばらつきを示すデータを従来のエ
ッチング条件の場合のエッチングの実施結果と共に示し
ている。本実施形態Ａ，Ｂにおいては、いずれの場合に
も、従来のエッチング条件に比べてエッチングばらつき
については約半分に抑えることができているという結果
が得られている。また、図８は、ＨＢｒガス流量に対す
るトレンチ角度θ_Ｔのばらつきの関係を示しており、こ
の結果から、ＨＢｒガス流量を増やすほどトレンチ角度
のばらつきが減少することがわかった。

【００４９】この結果から、ＨＢｒガスの流量を高くす
るにしたがって、Ｈｅ，Ｏ_２ガス／ＳＦ_６ガスの流量比
を高くした場合のトレンチ角度の低下を抑制することが
できることがわかる。従来レベルを示すＨＢｒガスが４
０ＳＣＣＭでは、Ｈｅ，Ｏ_２ガス／ＳＦ_６ガスの流量比
を少し高くするとトレンチ角度θ_Ｔが大幅に低下するこ
とがわかり、一方、ＨＢｒガスが８０〜１２０ＳＣＣＭ
程度まで増加すると、Ｈｅ，Ｏ_２ガス／ＳＦ_６ガスの流
量比が２５程度まで高くなってもトレンチ角度の大幅な
低下には至らないことが確認できた。

【００５０】上述のことは、換言すると、ＨＢｒガス流
量を高めることにより、トレンチ角度を大きくすること
ができ、これによって付随的にＨｅ，Ｏ_２ガス／ＳＦ_６
ガスの流量比を高めることができるようになることを意
味し、これは、すなわち、酸化膜１５に対するエッチン
グ選択比を高めることができるということになる。この
結果、トレンチ角度のばらつきについても少なくするこ
とができ、トレンチエッチングの精度を向上させること
ができるものである。このことから、アスペクト比の値
を高くしたトレンチ１４を形成することができるのであ
る。

【００５１】図９は、ＨＢｒガス流量に対するトレンチ
エッチング速度（μｍ／分）の関係をプロットしたもの
で、この結果から考慮すると、エッチングガスに混合す
るＨＢｒガスの流量の上限値としては１５０ＳＣＣＭ程
度であることが推定され、上述の点も考慮すると、８０
〜１５０ＳＣＣＭ程度が適正な範囲であることがわかっ
た。

【００５２】図６は、実施形態Ａ，Ｂにおけるトレンチ
エッチング後におけるマスクとしての酸化膜１５の形状
を断面で示すもので、従来のエッチング条件の場合の結
果と共に示している。そして、この結果によると、従来
のエッチング条件の場合のように、酸化膜１５のエッチ
ングによる削れ量がある程度存在すると共に、酸化膜１
５部分のエッジ部分でも大きく傾斜面が形成されるよう
に削れている。

【００５３】これに対して、Ｈｅ，Ｏ_２ガス／ＳＦ_６ガ
スの流量比を高めるように設定している実施形態Ａ，Ｂ
のいずれにおいても、酸化膜１５の削れ量はほぼゼロに
抑えることができると共に、酸化膜１５部分のエッジ部
分での傾斜面の形成も抑制されており、トレンチ１４の
シリコン単結晶膜１３を保護する機能を十分果たしてい
ると言える。

【００５４】図１２（ａ）は、本実施形態においてトレ
ンチエッチングを行なう対象としたＳＯＩシリコン基板
１０のウエハ状態での外形を示すもので、トレンチ１４
を形成する部分のシリコン酸化膜１５を除去した状態で
示している。このＳＯＩシリコン基板１０は、チップが
形成されるウエハ内部領域においては網目状にトレンチ
１４が存在するので、エッチング領域のシリコン酸化膜
１５が除去されており、チップが配置されないウエハの
外周領域においては、エッチングが行なわれないように
シリコン酸化膜１５が残された状態に形成されている。

【００５５】なお、上述の本実施形態におけるＳＯＩシ
リコン基板１０に対して、従来行なっていたトレンチエ
ッチングにおいては、同図（ｂ）に示すようなＳＯＩシ
リコン基板Ｗを用いている。これは、チップが配置され
ないウエハの外周領域においては、シリコン酸化膜が除
去された状態に形成されたものであり、トレンチエッチ
ング時には、ＳＯＩシリコン基板Ｗの外周領域のシリコ
ンも同時にエッチングされる。

【００５６】さて、上述したようなＳＯＩシリコン基板
１０を用いることにより、トレンチエッチング時に、エ
ッチングガスに曝されるシリコンの領域はトレンチ１４
を形成する部分のみとなる。したがって、シリコンのエ
ッチングにより発生する反応生成物は少なくなり、トレ
ンチ１４の側壁部分には堆積酸化膜Ｍが形成され難くな
る。つまり、マスク材に対するエッチング選択比が大き
く取れなくなるという事態を生ずることになる。

【００５７】この点、従来のものでは、ウエハの外周部
のシリコンもエッチングガスに曝されるため同時にエッ
チングされることになり、これによって発生する反応生
成物がトレンチ１４形成領域に供給されるため、トレン
チ１４の側壁部分には堆積酸化膜Ｍが形成されるので、
マスク材に対するエッチング選択比を大きく取れるとい
う利点があった。しかし、このような利点に引き換え
て、シリコンのエッチング残渣がトレンチ１４の底面部
などに付着するとこれがマスクとして機能してしまいピ
ットが形成されてしまったり、あるいは、エッチング装
置の内部に汚染物質として作用してしまうなどの悪影響
があった。

【００５８】本実施形態においては、このような不具合
を解決しながら、堆積酸化膜Ｍが形成されないことによ
るエッチング選択比の低下を防止できる。すなわち、前
述したように、ＨＢｒガスの流量を増やし、ＨＢｒガス
による角度制御を中心として堆積酸化膜Ｍの堆積および
除去反応によるトレンチ角度制御を補助的な要因に変更
してやることで、堆積酸化膜の生成を促進させるＯ_２ガ
ス流量を角度制御にあまり関係なく増やすことができ、
マスク材に対するエッチング選択比の向上を図ることが
できるのである。

【００５９】なお、ここでエッチングガスの上限値につ
いて説明する。まず、ＨＢｒガスについては、Ｂｒイオ
ンによるシリコンとの反応生成物の揮発性が高くなく、
流量を多く設定するとエッチングレートが悪化するとい
う問題があり、そのエッチングレートとの関係から、１
５０ＳＣＣＭよりも高く設定することが好ましくないか
らである。

【００６０】また、Ｏ_２とＳＦ_６とは、その流量比が角
度制御に影響を及ぼすことから、流量比で考えた時に、
大きくなるにしたがって、それがＨＢｒガスによる垂直
エッチングを主としている場合でも角度制御が悪くなる
方向となり、Ｈｅ：Ｏ_２＝７：３とした場合に、［Ｈｅ
−Ｏ_２］／ＳＦ_６の値は大きくとも２００程度にするこ
とが好ましいからである。また、ＳｉＦ_４ガスについて
もその流量は、増加するにしたがって酸化膜からなるマ
スク材をエッチングするように作用するため、高々２０
ＳＣＣＭとすることが好ましいからである。

【００６１】このような本実施形態によれば、トレンチ
エッチングにおいて、ＨＢｒガス流量を増やすことによ
り、イオンエッチングの効果を高めてトレンチ角度を９
０°以下で且つ極力９０°に近付けて形成することがで
きるようになり、また、このことによりＨｅ，Ｏ_２ガス
／ＳＦ_６ガスの流量比を高くすることができ、これによ
って酸化膜に対する選択比を高く設定することができ、
制御性の良いトレンチエッチングを行なうことができ、
この結果、アスペクト比が１０以上のトレンチ１４につ
いても精度良く形成することができるようになる。

【００６２】本発明は、上記実施形態にのみ限定される
ものではなく、次のように変形また拡張できる。ＳＯＩ
構造の分離以外に、トレンチキャパシタ用のトレンチ形
成，シャロートレンチ形成工程などのアスペクト比の高
いトレンチ形成技術にも適用できる。ＲＩＥ装置に代え
て、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）装置やＩ
ＣＰ（Inductively Coupled Plasma）装置などの高密度
プラズマエッチング装置を用いることもできる。

【００６３】臭素系ガスとして、臭化水素（ＨＢｒ）ガ
スに代えて、臭素（Ｂｒ_２）ガスを用いてもよい。フッ
素系ガスとして、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）ガスに代え
て、三フッ化窒素（ＮＦ_３）ガスを用いてもよい。不活
性ガスを含む酸素ガスとして、Ｈｅ，Ｏ_２ガスの混合比
を７：３としたものを用いたが、他の混合比に設定する
こともできる。エッチングガスとして、塩素系ガスを含
むものでも適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す特性相関図で、トレ
ンチ角度をＨＢｒをパラメータとしてＨｅ，Ｏ_２／ＳＦ
_６の流量比でプロットした結果の相関図

【図２】ＲＩＥ装置の概略構成図

【図３】トレンチ形状の模式的断面図

【図４】エッチング条件の説明図

【図５】トレンチエッチングの原理説明図

【図６】トレンチエッチング後のマスクとしての酸化膜
の状態を示す図

【図７】トレンチ角度とそのばらつきを示す図

【図８】トレンチ角度のばらつきのＨＢｒガスの流量に
対する相関図

【図９】トレンチエッチング速度のＨＢｒガスの流量に
対する相関図

【図１０】ＨＢｒガス流量をパラメータとして取得した
トレンチ角度のＨｅ，Ｏ_２ガス流量に対する相関図

【図１１】ＨＢｒガス流量をパラメータとして取得して
トレンチ角度のＳＦ_６ガス流量に対する相関図

【図１２】トレンチエッチングを行なう場合の半導体基
板の平面図

【符号の説明】

１はＲＩＥ装置、２はエッチング槽、３は上部電極、４
は下部電極、５は半導体基板、６は高周波電源、７はガ
ス導入口、８は排気口、９はマグネットコイル、１０は
ＳＯＩシリコン基板（半導体基板）、１１は支持用シリ
コン基板、１２は絶縁膜、１３はシリコン単結晶膜、１
４はトレンチ、１５はシリコン酸化膜、１６はエッチン
グ生成物、１７はエッチング残渣である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂野 芳和 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板にトレンチを形成するための
   トレンチエッチングを酸化膜をマスクとしてドライエッ
   チング法を用いて行なうようにした半導体のエッチング
   方法において、 前記ドライエッチング法で用いるエッチングガスとし
   て、少なくとも臭素（Ｂｒ）系ガスと、フッ素（Ｆ）系
   ガスと、酸素（Ｏ_２）系ガスとを混合したものを用いる
   と共に、このうち、エッチングの方向性の高い臭素系ガ
   スの混合比を高めたエッチングガスを用いて行ない、 前記半導体基板の表面に対する前記トレンチの側壁の傾
   斜角度であるトレンチ角度を９０°以下で且つ９０°に
   近い角度となるように形成することを特徴とする半導体
   のエッチング方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の半導体のエッチング方
   法において、 前記エッチングガスとして、前記酸素系ガスの混合比も
   高めたエッチングガスを用いて行ない、 これにより、前記酸化膜に対する半導体基板のエッチン
   グ選択比を高くするようにしたことを特徴とする半導体
   のエッチング方法。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の半導体のエッチング方
   法において、 前記エッチングガスとして、前記酸素系ガスの前記フッ
   素系ガスに対する流量比を３以上となるように設定した
   混合ガスを用いることを特徴とする半導体のエッチング
   方法。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の半
   導体のエッチング方法において、 前記エッチングガスの要素である前記フッ素系ガスとし
   て、ＳＦ_６（六フッ化硫黄）ガスを用いることを特徴と
   する半導体のエッチング方法。
5. 【請求項５】請求項４に記載の半導体のエッチング方法
   において、 前記エッチングガスは、前記臭素系ガスの流量が８０Ｓ
   ＣＣＭ（Standard Cubic Centimeter per Minute）以上
   で、ＳＦ_６ガスの流量が２ＳＣＣＭ以下となるように設
   定された混合ガスを用いることを特徴とする半導体のエ
   ッチング方法。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれかに記載の半
   導体のエッチング方法において、 前記半導体基板に形成するトレンチは、表面の開口幅に
   対する深さ寸法の比として示されるアスペクト比が１０
   以上であることを特徴とする半導体のエッチング方法。
7. 【請求項７】 請求項１ないし６のいずれかに記載の半
   導体のエッチング方法において、 前記エッチングガスは、臭化水素（ＨＢｒ）ガスと、四
   フッ化シリコン（ＳｉＦ_４）ガスと、六フッ化硫黄（Ｓ
   Ｆ6 ）ガスと、ヘリウム（Ｈｅ）ガスを含んだ酸素（Ｏ
   _２）ガスとの混合ガスを使用し、 そのエッチングガスのうちの前記臭化水素ガスの混合流
   量は１００〜１５０ＳＣＣＭ（Standard Cubic Centime
   ter per Minute）であることを特徴とする半導体のエッ
   チング方法。
8. 【請求項８】 請求項１ないし６のいずれかに記載の半
   導体のエッチング方法において、 前記エッチングガスは、臭化水素（ＨＢｒ）ガスと、四
   フッ化シリコン（ＳｉＦ_４）ガスと、六フッ化硫黄（Ｓ
   Ｆ_６）ガスと、ヘリウム（Ｈｅ）ガスを含んだ酸素（Ｏ
   _２）ガスとの混合ガスを使用し、 そのエッチングガスのうちの前記臭化水素ガスの混合流
   量は８０〜１５０ＳＣＣＭであると共に、前記ヘリウム
   ガスを含んだ酸素ガスの混合流量を２０〜１００ＳＣＣ
   Ｍであることを特徴とする半導体のエッチング方法。
9. 【請求項９】 請求項１ないし８のいずれかに記載の半
   導体のエッチング方法において、 前記ドライエッチングは、反応性イオンエッチング装置
   （ＲＩＥ）を用いて行なうことを特徴とする半導体のエ
   ッチング方法。
10. 【請求項１０】 請求項１ないし６のいずれかに記載の
    半導体のエッチング方法において、 前記エッチングガスは、臭化水素（ＨＢｒ）ガスと、四
    フッ化シリコン（ＳｉＦ_４）ガスと、六フッ化硫黄（Ｓ
    Ｆ_６）ガスと、ヘリウム（Ｈｅ）ガスを含んだ酸素（Ｏ
    _２）ガスとの混合ガスを使用し、 そのエッチングガスのうちの前記臭化水素ガスの混合流
    量は８０〜１５０ＳＣＣＭであると共に、前記六フッ化
    硫黄ガスに対する前記ヘリウムを含んだ酸素ガスの流量
    比が１０よりも大きく設定されていることを特徴とする
    半導体のエッチング方法。
11. 【請求項１１】 請求項１ないし１０のいずれかに記載
    の半導体のエッチング方法において、 前記半導体基板は、複数個のチップが集合配置された状
    態のウエハとして取り扱われ、前記エッチングを行なう
    ときにそのウエハの外周部分などの前記チップが配置さ
    れない部分は酸化膜で覆われた状態とすることを特徴と
    する半導体のエッチング方法。