專利名稱：Si蝕刻方法及蝕刻裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及對Si(硅)進行蝕刻的技術，特別涉及適用于Si基板或Si層上的小開口徑深溝槽的形成加工的蝕刻方法及裝置。
背景技術：
用于分離LSI(大規模集成電路Large Scale Integrated circuit)中的元件的槽分離法一般是STI(淺槽隔離Shallow Trench Isolation)法。在STI中，將抗蝕層或絕緣膜作為掩膜對Si基板進行干式蝕刻，形成深度1μm以下的比較淺的溝(槽)。對于該槽蝕刻，需要有對溝的深度及形狀，特別是側壁角度(錐角)進行控制的技術。
現在，STI用蝕刻氣體，多使用以Br(溴元素)為基本原料的混合氣體，典型的為HBr/O2混合氣體。由于HBr對通過O2的作用而形成于槽側壁的氧化膜(SiO2)攻擊性比較弱，因此容易做成錐狀，與F或Cl這樣的其它鹵族氣體相比，容易實現對側壁保護膜的厚度和錐角的控制。由于STI中的槽比較淺，與其說錐狀沒有什么缺陷，不如說是因為在用絕緣膜填充溝的時候可防止產生空隙，因此與嚴格的垂直形狀相比，優選為錐狀。
另外，隨著LSI的高密度化及細微化，DTI(Deep Trench Isolation)作為元件分離能力高的槽分離法而受到關注。DTI中，為了在Si基板上形成深度為3～5μm左右的比較深的溝(槽)，需要能夠與遠高于STI的長寬比相應的槽蝕刻技術。
由于HBr/O2混合氣體不能對高長寬比的槽進行蝕刻，所以不適用于DTI。另外，還有蝕刻速度慢、處理效率低、生產性低的問題。
發明內容
本發明是為了解決上述現有技術的問題而作出的發明，其目的在于，提供一種可適用于較高的長寬比的、同時可提高蝕刻速度的Si蝕刻方法及蝕刻裝置。
為達成上述目的，本發明的Si蝕刻方法，是在處理容器內對Si基板或Si層進行干式蝕刻處理時，將含有Cl2、O2和NF3的混合氣體作為蝕刻氣體，在以下式(1)中所表示的滯留時間τ為約180msec以上的條件下進行蝕刻處理。
τ＝pV/Q(1)其中，p為處理容器內的壓力(Torr)，V為設定在被處理體上的有效蝕刻空間的體積(1升)，Q為蝕刻氣體的總流量(Torr·1/s)。
另外，本發明的蝕刻裝置為對Si基板或Si層進行干式蝕刻的蝕刻裝置，具有具有氣體導入口和排氣口的、收容有可存取含有上述Si基板或Si層的被處理體的處理容器；以所希望的流量比混合Cl2氣、O2氣和NF3氣，將混合氣體作為蝕刻氣體，通過上述氣體導入口供給到上述處理容器內的蝕刻氣體供給機構；將上述蝕刻氣體等離子體化的等離子體發生機構；和通過上述排氣口由上述處理容器內將氣體排出，以達到所希望的蝕刻壓力的排氣機構，在以上式(1)中所示的時間τ為約180msec以上的條件下，進行蝕刻處理。
本發明中，將含有Cl2、O2和NF3的混合氣體用于蝕刻氣體。在該蝕刻氣體中，Cl2被用作對Si進行蝕刻的主要的蝕刻劑，以高于HBr的反應可能性與Si發生反應，生成揮發性高的反應生成物，從而可高速蝕刻。O2與Si反應以形成阻止對側壁的側向腐蝕的氧化膜或保護膜(SiOX)。NF3用于抑制側壁保護膜的過度生成，以使蝕刻劑順利地進入槽內以至深處，促進各向異性的蝕刻。
為了垂直地深深地蝕刻開口徑細微的槽，重要之處在于，在槽底部附近取得沉積率和蝕刻率的平衡。本發明中，在以滯留時間τ為約180msec以上的條件下進行蝕刻處理。
作為其中一例，在平行平板型等離子體蝕刻裝置中，在被處理體例如Si晶片的直徑為200mm、壓力為60mTorr、電極間距(間隙)為15mm的條件下，將滯留時間τ設為180msec以上的時候，可將蝕刻氣體的流量Q設為約95sccm以下。
在本發明中，優選為，將蝕刻氣體(Cl2/O2/NF3)總流量中的Cl2和O2的合計流量設為約80％以下。因此，在上例中，優選為將Cl2+O2的流量設為約75sccm以F。
另外，Cl2+O2與O2的流量比也是重要的參數，優選為將O2/Cl2+O2比設定在0.1～0.3的范圍內，更優選為在0.15～0.25的范圍內。O2/Cl2+O2比如果過大，則側壁堆積膜的生長較緩，錐角變小，蝕刻速度下降。相反，O2/Cl2+O2比如果過小，則側壁的保護變弱，容易產生逆錐或彎曲。
另外，在本發明中，可將Ar等惰性氣體作為稀釋氣體混合到蝕刻氣體中，優選為將蝕刻氣體的總流量設在100sccm以下。另外，優選為將蝕刻壓力設定在20mTorr～200mTorr的范圍內，并將平行平板型中的電極間距設定在30mm～300mm的范圍內。
在本發明的蝕刻裝置中，優選為，等離子體發生機構為包含用于在處理容器內載置被處理體的第1電極和與該第1電極設有規定的間隔的對置的第2電極的結構。在此情況下，可將高頻功率施加到第1電極，以進行離子輔助蝕刻。
圖1為本發明的一個實施方式的蝕刻裝置的結構示意圖。
圖2為圖1所示蝕刻裝置中的處理氣體供給部的結構示意圖。
圖3為實施例中的主要蝕刻條件和蝕刻特性的示意圖。
圖4為實施例中的錐角與(Cl2+O2)流量及O2分率(O2/Cl2+O2)的關系示意圖。
圖5為比較例中的主要蝕刻條件和蝕刻特性的示意圖。
圖6為實施方式中的滯留時間定義的示意圖。
符號說明10腔室(處理容器)；16基座(下部電極)；18靜電卡盤；22直電流源；30上部電極；36電極板；40氣體導入口；42處理氣體供給部；46排氣口；58第1高頻電源；64第2高頻電源；66Cl2氣源；68O2氣源；70NF3氣源；66a、68a、70a質量流控制器具體實施方式
以下，參照
本發明的優選實施方式。
圖1表示本發明的一個實施方式中的蝕刻裝置的結構。該蝕刻裝置由平行平板型等離子體蝕刻裝置構成，具有由例如表面經鋁陽極化處理(陽極氧化處理)的鋁制成的圓筒腔室(處理容器)10，且腔室10接地。
由氧化鋁制成的圓筒狀的沉積件(deposit shield)12涂敷在腔室10的內側壁面上。在腔室10的底部，隔著陶瓷等絕緣板13配置有圓柱狀基座支持臺14，在該基座支持臺14的上面設有由例如鋁制成的基座16。基座16構成下部電極，在其上面載置有作為被處理體的例如單晶Si基板或Si晶片W。
用于以靜電吸著力保持Si晶片W的靜電卡盤18設置在支持體16的上面。該靜電卡盤18用于將由導電膜制成的電極20夾在一對絕緣片之間，電極20與直流電源22形成電連接。利用源自直流電源20的直流電壓，使Si晶片W因庫侖力的作用而被吸著保持在靜電卡盤18商。在靜電卡盤18的周圍、基座16的上面，配置有用于提高蝕刻均勻性的例如石英制聚焦環24。
在基座支持臺14的內部，設有沿圓周方向延伸的冷媒室26。由外接的冷卻機構(圖中未標示)通過配管26a、26b向該冷媒室26中循環供給規定溫度的冷媒，例如冷水。并可根據冷媒的溫度控制基座16上的Si晶片W的處理溫度。
另外，源自冷卻氣體供給機構(圖中未標示)的冷卻氣體，例如He氣，通過氣體供給管28而被供給到靜電卡盤18的上面與Si晶片W的背面之間。為提高蝕刻加工的晶片的面內均勻性，冷卻氣體供給機構可對晶片中心部和晶片周邊部的氣壓，即背壓，進行獨立控制。
在基座16的上方，設有和該支持臺平行對置的上部電極30。該上部電極30被支持在腔室10內，二者之間隔著絕緣部件32，具有有多個噴出孔34的、由例如氧化鋁等陶瓷制成的下面的電極板36；和支持該電極板36的、由導電材料——例如背面經鋁陽極氧化處理的鋁——制成的電極支持體38。在電極板36和電極支持體38的內側形成緩沖室，在該緩沖室的上面中心部設有氣體導入口40。氣體導入口40連接著源自氣體供給部42的氣體供給配管44。
在腔室10的底部設有排氣口46，該排氣口46通過排氣管48連接排氣機構50。排氣機構50具有渦輪分子泵等真空泵，可將腔室10內的蝕刻處理空間減壓至所希望的真空度。另外，腔室10的側壁上安裝有用于對Si晶片W的搬進搬出口進行開關控制的閘閥52。
上部電極30通過低通濾波器(LPF)54與接地電位連接，同時，通過整合器56與第1高頻電源58連接。該第1高頻電源58向上部電極30施加頻率在50～150MHz范圍內的、典型的為60MHz附近的高頻功率。
作為下部電極的基座16，通過旁路濾波器(HPF)60與接地電位連接，同時，通過整合器62與第2高頻電源64連接。該第2高頻電源64向基座16施加頻率為1～4MHz范圍內的、典型的為2MHz附近的高頻功率。
在本實施方式中，上部電極30和下部電極(基座)16之間的距離，即電極間距，優選為設定在30mm～300mm的范圍內。
在該等離子體蝕刻裝置中，當進行Si蝕刻的時候，先以閘閥52打開的狀態將加工對象Si晶片W搬入腔室10內，載置在基座16上。然后，由處理氣體供給部42將蝕刻氣體以規定的流量導入腔室10內，由排氣機構50使腔室10內的壓力，即蝕刻壓力，達到設定值(優選是20mTorr～200mTorr范圍內的值)。另外，由第1高頻電源58將60MHz附近的高頻以規定的功率施加到上部電極30上，同時，由第2高頻電源64將2MHZ附近的高頻以規定的功率施加到基座16上。另外，由直流電源22將直流電壓施加到靜電卡盤18的電極20上，將Si晶片W固定在基座16上。利用將由上部電極30的帶有很多孔的電極板或噴頭36噴出的蝕刻氣體在電極間的輝光放電完成等離子體化，由該等離子體生成的自由基、離子等對Si晶片W進行蝕刻。
在該等離子體蝕刻裝置中，可通過將與現有技術(一般為27MHz)相比高得多的頻率區域(50～150MHz)的高頻施加到上部電極30上，使等離子體在優選的離解狀態下高密度化，從而可在較低壓的條件下形成適宜的等離子體。另外，將與現有技術(一般為800KHz)相比高得多的頻率區域(1～4MHz)的高頻施加到下部電極的基座16上，從而可在較低壓的條件下對被處理體施行適度的RIE(Reactive IonEtching)處理。
在本實施方式的Si蝕刻處理中，將含有Cl2、O2和NF3的混合氣體用作蝕刻氣體。因此，如圖2所示，處理氣體供給系統42具有例如Cl2氣源66、O2氣源68及NF3氣源70，分別由質量流控制器66a、68a、70a分別對各氣體流量進行任意控制。另外，也可將Ar氣等惰性氣體作為稀釋氣體混合到蝕刻氣體中，在這種情況下，還設有稀釋氣體供給部(圖中未標示)。
然后，說明本發明的Si蝕刻方法的具體實施例。
實施例1～8在Si晶片上形成開口寬0.3μm，深3～6μm的槽的DTI用槽的蝕刻中，使用圖1的等離子體蝕刻裝置，以蝕刻氣體(Cl2/O2/NF3)的流量及流量比為參數，評價蝕刻氣體的特性。其它主要的蝕刻條件如下所述。圖3及圖4表示實驗結果的數據。
Si晶片孔徑200mm掩膜材料SiO2(上層)/SiN(下層)的雙層膜結構掩膜厚度(SiO2/SiN)＝3000A/1500A壓力60mTorrRF功率(上部電極/下部電極)500W/600W電極間距115mm溫度(上部電極/下部電極/腔室側壁)80/60/60℃比較例1、2在Si晶片上形成開口寬0.3μm，深3～6μm的槽的DTI用槽的蝕刻中，使用圖1的等離子體蝕刻裝置，將HBr/O2/NF3混合氣體(比較例1)和HBr/O2混合氣體(比較例2)用作蝕刻氣體，進行蝕刻特性的評價。其它蝕刻條件，除電極間隙為120mm以外，與實施例相同。圖5表示實驗的數據。
從圖3及圖5的數據，就Si的蝕刻速度(SiE/R)來看，相對于以HBr為基礎原料的比較例1、2的0.25μm/min附近，實施例1～8為約其3倍以上的0.78μm/min以上。
另外，就錐角來看，比較例1(92.3°)為錐角超過90°的倒錐狀或波音(ボ一ィ冫グ)狀，比較例2(87.5°)為錐角不足89°的錐狀，而不能得到垂直形狀。
另一方面，實施例1(89.3°)、實施例2(89.0°)以及實施例3(89.2°)中的任一個的錐角都在89～90°的范圍內，達成垂直形狀。但是，實施例4(87.6°)、實施例5(87.5°)、實施例6(87.7°)、實施例7(87.8°)為錐狀，實施例8(91.8°)為波音狀。
研究實施例1～8后發現，實施例1～3的特點為氣體的流量減小，特別是Cl2和O2的合計流量(Cl2+O2)減小。具體來說，在實施例4～8中，蝕刻氣體的總流量為100sccm以上，滯留時間比小于約180msec小，與此相對，在實施例1～3中，蝕刻氣體的總流量為小于100sccm的45sccm以下，滯留時間為大于180msec的380msec以上。另外，(Cl2+O2)流量為25sccm以下。滯留時間τ參照圖6，如下式這樣定義τ＝V(＝A×H)/S＝PV/Q (1)在此，V為蝕刻處理空間的體積(1)，S為蝕刻氣體的排氣速度(1/s)，P為壓力(Torr)，Q為總流量(Torr×1/s)，A為晶片面積，H為下部電極和上部電極之間的間距。
以細微的0.3μm左右的開口寬度垂直形成3～6μm的深槽時，蝕刻氣體滯留時間，即，控制蝕刻氣體(Cl2/O2/NF3)流量的、特別是控制(Cl2+O2)流量的這一參數是很重要的。由圖3可知，滯留時間優選為約180msec以上。另外，當滯留時間設為180msec以上時，優選為將蝕刻氣體的流量Q設為約95sccm以下。另外，本發明中，在蝕刻氣體的總流量中，(Cl2+O2)的合計流量優選設為約80％以下，或約75sccm以下。如果(Cl2+O2)的流量大，則槽底部附近的沉積率高于蝕刻率，易于形成錐狀。而如果(Cl2+O2)的流量過小，也會影響蝕刻速度，所以，優選為設定在15sccm以上。
另外，O2與Cl2+O2的流量比(O2分率)也很重要，如實施例8(0.09)所使，如果O2分率過低，沉積率將低于蝕刻率，有可能形成波音狀。相反，如果O2分率過高，沉積率將高于蝕刻率，有可能形成錐狀。因此，O2分率優選為設定在0.1～0.3的范圍內，更優選為設定在0.15～0.25的范圍內。
盡管實施例1～8中將NF3的流量設在20sccm(一定)，但可以認為，在10～30sccm的范圍內，各實施例的蝕刻特性沒什么改變。在實際應用中，優選為將NF3的流量設在蝕刻氣體的總流量的約20％以上。
另外，在實施例1～8中將壓力設在60mTorr(一定)。由上式(1)可知，壓力為左右滯留時間的參數，同時，也影響蝕刻速度，所以優選為根據其它蝕刻條件和槽型選擇最適壓力。另外，如果將實施例1～8的RF功率(上部電極＝500W，下部電極＝600W)換算成功率密度，則上部電極＝1.6/cm2，下部電極＝1.9/em2。RF功率或功率密度也優選為根據其它蝕刻條件和槽型進行最適選擇。
另外，如圖3所示，實施例2的掩膜選擇比(Si的蝕刻速度/SiO2的蝕刻速度)為28.70.其它實施例及比較例1、2可得到同程度的掩膜比。在將Cl2/O2/NF3混合氣體用作蝕刻氣體的本發明的Si蝕刻方法中，優選為至少表層為由SiO2制成的掩膜材料。
上述實施方式的等離子體蝕刻裝置為電容結合型平行平板裝置，但也可采用其它等離子體蝕刻方式，例如由有磁場RIE和ECR(ElectronCyclotron Resonance)方式的裝置構成。上述實施方式中揭示了Si晶片的蝕刻，本發明的Si蝕刻方法及蝕刻裝置也適用于含有Si基板或Si層的任意一種被處理體。
發明效果如上所述，根據本發明，通過在Si蝕刻時將Cl2/O2/NF3混合氣體用于蝕刻氣體，并將其氣體流量設定在最適范圍內，可適用于較高的長寬比，同時，還能提高蝕刻速度。
權利要求
1.一種Si蝕刻方法，其特征在于，當在處理容器內對Si基板或Si層進行干式蝕刻時，使用含有Cl2、O2和NF3的混合氣體作為蝕刻氣體，在以式(1)τ＝pV/Q (1)所表示的滯留時間τ為約180msec以上的條件下進行蝕刻處理，式中，p為處理容器內的壓力，V為設定在被處理體上的有效蝕刻空間的體積，Q為蝕刻氣體的流量。
2.如權利要求1所述的Si蝕刻方法，其特征在于，Cl2和O2的合計流量為所述蝕刻氣體總流量的約80％以下。
3.如權利要求1所述的Si蝕刻方法，其特征在于，O2的流量與所述蝕刻氣體中的Cl2和O2的合計流量之比在約0.1～0.3的范圍內。
4.如權利要求1所述的哦Si蝕刻方法，其特征在于，所述蝕刻氣體的總流量為約100sccm以下。
5.如權利要求1所述的Si蝕刻方法，其特征在于，所述處理容器內的壓力設定在20mTorr～200mTorr的范圍內。
6.如權利要求1所述的Si蝕刻方法，其特征在于，所述處理容器內的電極間距設定在30mm～300mm的范圍內。
7.一種對Si基板或Si層進行干式蝕刻的蝕刻裝置，其特征在于，具有具有氣體導入口和排氣口的、收容有可存取含有所述Si基板或Si層的被處理體的處理容器；以所希望的流量比混合Cl2氣、O2氣和NF3氣，將混合氣體作為蝕刻氣體通過所述氣體導入口供給到所述處理容器內的蝕刻氣體供給機構；將所述蝕刻氣體等離子體化的等離子體發生機構；和通過所述排氣口由所述處理容器內排出氣體，以達到所希望的蝕刻壓力的排氣機構，以下述式τ＝pV/Q表示的滯留時間τ為約180msec以上的條件下進行蝕刻處理，在此，p為處理容器內的壓力，V為設定在被處理體上的有效蝕刻空間的體積，Q為蝕刻氣體的總流量。
8.如權利要求7所述的蝕刻裝置，其特征在于，所述蝕刻氣體的供給機構以約100sccm以下的流量將所述蝕刻氣體供給到所述處理容器。
9.如權利要求7所述的蝕刻裝置，其特征在于，所述排氣機構將所述處理容器內壓力減至20mTorr～200mTorr的范圍內。
10.如權利要求7所述的蝕刻裝置，其特征在于，在所述處理容器內，具有電極間距設定在30mm～300mm的范圍內的上部電極和下部電極。
全文摘要
本發明涉及在Si蝕刻中可達到較高的長寬比和提高蝕刻速度的Si蝕刻方法及蝕刻裝置。它是通過由處理氣體供給部(42)將Cl
文檔編號H01L21/302GK1490849SQ0315662
公開日2004年4月21日 申請日期2003年9月5日 優先權日2002年9月6日
發明者齋田喜孝, 山口雅司, 司 申請人:東京毅力科創株式會社