富士時報 Vol.79 No.5 2006 特 集 トレンチ形成におけるエッチング特性とプラズマ物性の 関係 矢嶋 理子（やじま あやこ） 脇本 節子（わきもと せつこ） 市川 幸美（いちかわ ゆきみ） まえがき 図 実験装置の構成 トレンチ構造は，MOSFET（Metal-Oxide-Semiconduc- ソースパワー 13.56 MHz tor Field-Effect Transistor）や IGBT（Insulated Gate Biコイル polar Transistor） ，素子絶縁分離，DRAM（Dynamic Random Access Memory）のキャパシタなど，さまざまなデ ICP-RIE ラングミュアプローブ バイスで使用されている。それらのデバイス作製において， 86 mm トレンチエッチング形成はキープロセスであり，トレンチ ウェーハ の深さ，幅，側壁角度などにおいてさまざまな仕様を要求 される。こうしたトレンチ形状を制御するためにはトレ バイアスパワー 13.56 MHz ンチエッチングのメカニズムを解明することが重要である。 また，最近は深いトレンチを使用したデバイスが多く開発 されている。このエッチングプロセスを量産に適用するに を用いたメインエッチング（ME）ステップとから成る。 は，エッチングレート（ER）を向上させ，スループット （ 1（ ）2） を上げる必要がある。ER は放電パワー（Ws ）とマスク ME 条件は，圧力 3.3 Pa，エッチング時間 300 s，バイアス パターンに依存することが知られている。しかし，それら 用高周波（RF）パワー（Wb）一定とし，ER の Ws 依存性 の依存性についてプラズマ物性の立場から論じた研究は少 を調べるために Ws を変化させた。 （ 1（ ）3） ない。 本報告ではラングミュアプローブ法を用いてプラズマ診 . 計測方法 断を行い，プラズマ物性と Ws やパターン依存性について ト レ ン チ 形 状 の 観 察 は 断 面 SEM（Scanning Electron 調べ，それらを説明するための新たなモデルを幾つか提案 Microscope）を使用した。また，イオンや電子の振る舞 する。 いを調べるために，高周波による電位変動を補償したラ ングミュアプローブを使用した。図 1 に実験装置の構成を 実 験 示す。プローブは，ウェーハ中央の直上 86 mm の位置に セットした。ウェーハとプラズマ間のシースにかかる電圧 . サンプル （1/2 Vpp）は，エッチングチャンバに取り付けられたセン 実験において，サンプルは（100）面 6 インチシリコン サを使用して計測した。 ウェーハを使用した。パターン形成に使用するトレンチマ 実験結果と考察 スクは熱酸化膜を使用した。ER のパターン依存性を調べ るため，パターンを変えたサンプルを用意した。 . . エッチング条件 エッチングレートの W s 依存性 まず，ER とプラズマを生成させるための放電電力 Ws トレンチエッチングは ICP（Inductively Coupled Plas- の関係について述べる。 図 2 に ER の Ws 依存性を示す。 ma）-RIE（Reactive Ion Etching） シ ス テ ム を 用 い た。 ME 条 件 は，SF6 流 量 120 sccm（standard cc/min） ，O2 エッチングレシピは CF4 ガスを用いた短いブレークスルー 流量 120 sccm，HBr 流量 40 sccm である。ER は Ws の増 （BT）ステップと，HBr/SF6/O2 または SF6/O2 混合ガス 矢嶋 理子 加に伴って増加するが，高 Ws においては飽和傾向を示す。 脇本 節子 市川 幸美 IC・パワーデバイスのプロセス研 トレンチエッチング技術，洗浄技 太陽電池，ウェーハプロセスの開 究開発に従事。現在，富士電機ア 術の研究開発に従事。現在，富士 発に従事。現在，富士電機アドバ ドバンストテクノロジー株式会社 電機アドバンストテクノロジー株 ンストテクノロジー株式会社電子 半導体研究所。応用物理学会会員。 式会社半導体研究所。応用物理学 デバイス技術センター副センター 会会員。 長。工学博士。電気学会会員，応 用物理学会会員。 408（ 64 ） トレンチ形成におけるエッチング特性とプラズマ物性の関係 富士時報 Vol.79 No.5 2006 図 エッチングレートの W s 依存性（W b ＝ 140 W） 図 RF 放電の等価回路 3.0 特 集 コーティング表面 2.8 ER（ m/min） 2.6 2.4 2.2 Cc V pp 1.8 バイアス RF 1.4 プラズマ ステージ電極 1.2 1.0 シース 0 400 800 1,200 1,600 W S（W） 図 トレンチエッチングレートの開口率依存性 3.5 電子密度，イオン電流，RF ピーク電圧の W s 依存性 1.8×1016 500 電子密度 イオン電流 450 1.4×10 16 1.2×10 400 16 1.0×1016 350 0.8×1016 0.6×1016 300 0.4×10 16 250 0.2×10 16 0 400 RFピーク電圧 RFピーク電圧（V） 電子密度（/m3） イオン電流（×10−20A） 1.6×1016 ER（ m/min） （W b ＝ 140 W） 0 C t' C s' 2.0 1.6 図 チャンバ壁 Cc Cs Co Ct V pp 200 800 1,200 1,600 W S（W） 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 0 5 10 15 20 100 開口率（％） ER が飽和傾向を示す要因の一つとなる。 このほかに，エッチングによる副生成物のトレンチ側壁 への付着量が Ws の増加につれて増すことも確認している。 Ws の増加とともに電子密度が増加すると，エッチング生 成物が増加するのに対して排気速度は一定であることが原 因であると考えられ，エッチングを阻害するもう一つの要 この理由を調べるため，ER と正の相関があると考えら 因と考えられる。 れる電子密度とイオン電流（密度）を測定すると，これら の諸量は高 Ws でも飽和しておらず（図 3） ，高 Ws におけ . エッチングレートのパターン依存性 る ER の阻害要因とはならないことが分かる。一方，Vpp ER は開口率（ウェーハ面積に対するエッチング領域の はステージの表面電位を表し（ 図 4） ，イオン加速のバイ 比率）やパターン寸法に依存することが知られている。そ アス電圧に比例する量であるが，これは Ws の増加ととも こで，これらについてもプラズマ物性の観点から調べてみ に減少している。したがって，バイアス電圧の低下が ER の飽和をもたらすことが分かる。 ると，以下のことが分かる。 開口率依存性 （ 1） そこで ER の低下する機構を説明するため，エッチング 図 5 にトレンチ ER の開口率依存性を示す。開口率の増 装置の等価回路を図 4 のように考える。ここで，Cc，Cs， 加につれて ER が減少する原因として，一般的には次のよ Co，Ct，Ct’ ，Cs’はそれぞれ，ブロッキングコンデンサ， うな説明がなされている。 ステージ上の絶縁コーティング，マスク酸化膜，シース， エッチング面積増加によるラジカル消費量の増加 （a） チャンバ壁のシース，チャンバ壁の絶縁コーティング容 （b） エッチング面に付着する反応生成物の量の増加によ 量であり，Vpp はグラウンドとステージの間の電圧である。 Cc，Cs’は大きな容量を持ちインピーダンスは十分に小さ （ 1） るエッチングの阻害 しかしプラズマ物性を調べてみると，上記の機構だけ いために無視でき，また Cs，Co は一定である。 ではなく，以下のような機構も関与していることが分か 一方，電子密度が増加するにつれてシースが薄くなるた る。図 6 に開口率① 0 %，② 50 %，③ 100 % におけるラン め，Ct，Ct’は増加する。Wb は一定なのでバイアス高周波 グミュアプローブの I-V 特性を示す。ME 条件は，SF6 流 振幅はほぼ一定と考えられ，結果として，電子密度の増 量 30 sccm，O2 流量 20 sccm，Ws ＝ 400 W，Wb ＝ 0 W で 加とともに Ct に加わる電圧は減少する。すなわち，Ws の ある。図 6 は，開口率が増加するにつれて電子電流は減少 増加につれて Vpp が減少することになり，高 Ws において し，正イオン電流は変化しないことを示している。このこ 409（ 65 ） 富士時報 Vol.79 No.5 2006 トレンチ形成におけるエッチング特性とプラズマ物性の関係 とは負イオン密度の増加を意味している。正イオンと電子 口率はすべて 50 % とした。本実験で用いたプラズマのデ の飽和電流の比率が減少するとプラズマ−ウェーハ間に加 バイ長λD は約 100 µm であり，③の場合にはλD に比べて （ 4（ ）5） パターンははるかに微細である。 が増加するにつれてイオンの加速エネルギーが減少し，こ 図 7（b） ， にそれぞれマスクパターン①，②，③におけ （c） れも ER が減少する要因の一つと考えられる。 るラングミュアプローブの I-V 特性，ER を示す。図 7（b） パターン依存性 （ 1） は，①，②，③すべて同じ I-V 特性を示し，開口率が同 開口率が同じでも，パターン寸法が異なると ER も変 じであれば，ウェーハ上部でのプラズマの状態は同じであ に示すような 化する。これについて調べるため， 図 7（a） り，電子温度，電子密度，活性種には変化がないことを示 三つの異なったマスクパターンを用意した。それぞれ① の ME 条 件 は，SF6 流 量 120 sccm，O2 し て い る。 図 7（c） 100 µm × 100 µm 格 子， ② 50 µm × 50 µm 格 子， ③ ラ イ 流量 120 sccm，HBr 流量 40 sccm であるが，図に示すよ ン & スペース（L/S ＝ 5 µm/5 µm）パターンであり，開 うに，パターン③の ER は，パターン①，②よりも大きい。 （ 3） 通常，トレンチ幅が減少するのに従って ER は減少する。 図 ラングミュアプローブ I -V 特性の開口率依存性 しかし，今回の結果では，トレンチ幅の広いパターン①， ②の方が，幅の狭いトレンチパターン③よりも ER が低い 結果となった。 電流（×10−3A） 2.5 ① 2.0 1.5 図 7（c） の結果は，次のように解釈することができる。 ウェーハの全表面が熱酸化膜によって覆われている （a） ② 1.0 ときはシース厚は一様であり，図 8（a） のようなプロー ③ ブ（I-V）特性を動特性として自己バイアスが発生す 0.5 （ 4（ ）5） る。 0 −40 −20 0 20 ①開口率 0 % ②開口率 50 % ③開口率 100 % 40 電位（V） （b） 全表面がシリコンの場合，シリコンの方が熱酸化膜 よりも二次電子放出係数（γ係数）が大きいと考えら れるので，二次電子放出が見かけ上のイオン電流増加 に寄与する。そして，プローブ特性のプラズマ浮遊電 図 のようにプラズマ空間電位側，すな 位（Vf）は図 8（b） トレンチエッチングのマスクパターン依存性 わち高電位側へシフトする。結果として，図 9 に示す ように，イオンを加速するエネルギーが減少する。 図 ① ② ステージ I -V 特性 ③ （a）マスクパターン 電子電流 プラズマ 電流（×10−3A） 2.0 Vf （二次電子放出なし） シース ①，②，③ ステージ電流 SiO2 1.5 Si 1.0 イオン電流 （a）全表面がSiO2に覆われたとき 0.5 0 −40 −20 0 20 ステージ電流 40 電位（V） （b）ラングミュアプローブI -V 特性のパターン依存性 Vf （二次電子放出なし） プラズマ シース 1.75 放出による電子電流 1.65 （b）全表面がSiのとき 1.60 プラズマ 1.55 シース 1.50 1.45 プラズマ シース SiO2 Si ① ② ③ （c）トレンチエッチングレートのパターン依存性 410（ 66 ） Vf （二次電子放出あり） Si 1.70 ER（ m/min） 特 集 わるセルフバイアス電圧が減少する。したがって，開口率 （c）パターン周期＞ プラズマデバイ長 Si （d）パターン周期＜ プラズマデバイ長 トレンチ形成におけるエッチング特性とプラズマ物性の関係 富士時報 Vol.79 No.5 2006 図 二次電子放出効果によるセルフバイアス電圧変化 で説明できるが，より詳細な実験により検証する必要があ る。 特 集 セルフバイアス小 あとがき RF電流 誘導結合型プラズマ（ICP）エッチャにおいて，ER に セルフバイアス大 対する Ws とパターンの依存性についてプラズマ物性を調 γ係数大 V t プラズマ電位 べ，そのメカニズムを考察した。トレンチエッチングの制 御性を上げることは，今後ますます重要になってくる。富 士電機は精密なエッチング制御を目的として，いまだよく 分かっていないエッチングメカニズム解明の研究を進めて いく所存である。 終わりに，本研究を行うにあたり，実験ならびに解析に バイアス電圧 t I おいて多大なる助言をいただいた武蔵工業大学の松村昭作 教授に感謝する次第である。 図 8（c） のようにパターン周期がデバイ長と同等，も （c） しくは長いとき（図 7（a） ①，②に相当） ，シースはパ 参考文献 Cabrujya, E. ; Schreiner, M. Deep trenches in silicon using （ 1） ターンに追従する。このとき，表面が熱酸化膜に覆わ photoresist as a mask. Sensors and Actuators A. 37- 38, れた部分のプローブ特性は図 8（a） となり，表面がシリ 1993, p.766-771. コン部分の特性は図 8（b） となる。 Vyvoda, M. A. el al. Effects of plasma conditions on the （ 2） パターン周期がデバイ長よりも短いとき（図 7（a） ③ （d） shapes of features etched in Cl2 and HBr plasmas. I. Bulk に相当） ，シースはマスクパターンに追従せず， 図 8 crystalline silicon etching. J. Vac. Sci. Technol. A vol.16, に示すように図 8（a） と の平均を示す。この場合， （b） （d） シリコン表面における Vf は Vs を基準として図 8（b） よ no.6, 1998-11/12, p.3247-3258. Cooper, K. et al. Magnetically enhanced RIE etching （ 3） りもマイナス側へシフトし，イオンを加速するエネル of submicron silicon trenches. SPIE. vol.1392, Advanced ギーが増加する。 Techniques for Integrated Circuit Processing. 1990, ③のシリコン露出面に加わ 結果として，パターン図 7（a） るバイアス電圧はパターン図 7（a） ①，②よりも大きくなる。 上で提案したモデルは，従来あまり着目されていなかっ たエッチング表面からの二次電子放出がバイアスに及ぼ におけるパ す効果を定性的に説明したものである。図 7（c） p.253-264. 市川幸美ほか．プラズマ半導体プロセス工学．内田老鶴圃． （ 4） 2003-7. Lieberman, M. ; Lichetenberg, A. プラズマ/プロセスの原 （ 5） 理．ED リサーチ社．2001-11. ターン①，②，③の ER の差は，上記の二次電子放出効果 411（ 67 ） ＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する 商標または登録商標である場合があります。