JP2006093269A - エッチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ノッチングを回避するとともに、高エッチングレートでのエッチング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、マスク層１０４と、シリコン層１０３と、ストッパー層１０２とを有する被処理体にエッチングガスのプラズマを作用させることによりストッパー層１０２に達する略垂直形状の開口を形成するものであり、フッ素含有ガスとＯ_２とを含み、ＨＢｒを含まない第１のエッチングガスにより、シリコン層１０２に壁面がテーパー形状の開口を形成する第１のエッチング工程と、フッ素含有ガスとＯ_２とＨＢｒとを含む第２のエッチングガスによりテーパー形状の開口に対してエッチングを行なう第２のエッチング工程と、を含んで実施される。
【選択図】図４

Description

本発明は、エッチング方法に関し、詳細には、反応性ガスのプラズマを利用してシリコン基板にエッチングを行なうエッチング方法に関する。

ＳＯＩ（Silicon on insulator）構造のデバイスは、省電力化、高速化が可能であるため、超ＬＳＩなどの各種半導体装置のほか、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）への適用も期待されている。ＳＯＩ構造の半導体装置の製造においては、ＢＯＸ（Buried Oxide：埋込酸化膜）層の上に形成されたシリコン層をエッチングすることにより、ホールやトレンチを形成する。このエッチングには、エッチングガスとして、例えば、ＳＦ_６とＯ_２の混合ガス、ＳＦ_６とＯ_２とＳｉＦ_４の混合ガス、ＳＦ_６とＣ_４Ｆ_８との混合ガスなどを用い、ＳＯＩ構造のＢＯＸ層が露出するまでＳｉ層をプラズマエッチングすることが行なわれている。

しかし、エッチングがＢＯＸ層付近まで進行すると、強固なＢＯＸ層との境界面でシリコン層のエッチングが横方向へ進行するノッチング現象が発生する。このノッチング現象は、高アスペクト比となるホールやトレンチの底部で、正イオンと電子の流入バランスが崩れてイオン過多になり、ＢＯＸ層が正に帯電する結果、入射するガスプラズマ中の正イオンが曲げられ、シリコン側壁やその保護膜をエッチングしてしまうために起こると考えられている。

また、一般に被処理基板の中央部とエッジ部ではエッチングレートが異なるため、上記ガス系を用いてＳＯＩ構造の被処理基板のシリコン層をエッチングする際、エッチングレートが遅い部分が終了するまでエッチングを行なうと、被処理基板のエッチングレートが速い部分ではＢＯＸ層まで到達した後もオーバーエッチングが続けられることになるため、さらにノッチングが発生しやすくなる。

ノッチングを防止する技術としては、被エッチング薄膜を構成する元素と同一の元素を含む四塩化シリコンなどの添加ガスをエッチングガスに混合してエッチングを行なうエッチング方法（例えば、特許文献１）が提案されている。

また、ノッチング防止のため、第１エッチャントとしてＳＦ_６とＨＢｒとＯ_２を用い、第２エッチャントとしてＨＢｒとＯ_２とを用いるエッチング方法が提案されている（例えば、特許文献２）。
特開平８−２１３３６８号公報（請求項１など） 特表２００３−５２４８９８号公報（請求項１など）

一般に、スループット向上の観点から、エッチングレートは高い方が好ましく、ＳＯＩ構造の被処理基板に対してエッチングを行なう場合でも、高エッチングレートでの処理を実現することが求められる。ところが上記従来技術の方法は、いずれもエッチングレートを犠牲にしてノッチングを回避しようとするものである。例えば、上記特許文献１では、四塩化シリコンの添加により積極的に保護膜を形成してノッチの防止を図っているが、保護膜が形成されれば、必然的にエッチングレートは低下する。また、上記特許文献２の方法でも、第１エッチャントとして堆積物を形成しやすいＨＢｒを含むガスを用いるので、エッチングレートはせいぜい２〜４μｍ／分であり、また、第２エッチャントによるエッチングのレートも６０００〜８０００オングストローム／分程度に過ぎない。従って、従来技術に挙げたノッチング対策は、仮にノッチングを回避できたとしても、エッチングレートが低すぎ、実用性に欠けるという問題があった。

従って、本発明の目的は、ノッチングを回避するとともに、高エッチングレートでのエッチングが可能なエッチング方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点によれば、真空に保持可能な処理容器内に、所定形状のパターンが形成されたマスク層と、前記マスク層の下に形成された被エッチング層としてのシリコン層と、前記シリコン層の下に形成されたストッパー層とを有する被処理体を載置し、エッチングガスのプラズマを作用させることにより前記ストッパー層に達する略垂直形状の開口を形成するエッチング方法であって、
フッ素含有ガスとＯ_２とを含み、ＨＢｒを含まない第１のエッチングガスにより、前記シリコン層に壁面がテーパー形状の開口を形成する第１のエッチング工程と、
フッ素含有ガスとＯ_２とＨＢｒとを含む第２のエッチングガスにより前記開口に対してエッチングを行なう第２のエッチング工程と、
を含むことを特徴とする、エッチング方法が提供される。

第１の観点において、前記フッ素含有ガスはＳＦ_６であることが好ましい。また、前記第１のエッチング工程では、前記ストッパー層の一部が露出するまでエッチングを行なうか、あるいは、前記ストッパー層の一部が露出した後も所定時間オーバーエッチングを行なうことができる。
さらに、前記第１のエッチング工程および第２のエッチング工程では、処理容器内の圧力が１３．３〜６６．７Ｐａ（１００〜５００ｍＴｏｒｒ）であり、プラズマを生成させるための高周波電力が被処理体の面積当り１．６〜７．６Ｗ／ｃｍ^２であることが好ましい。
また、前記第２のエッチングガスに含まれるＨＢｒと、フッ素含有ガスおよびＯ_２との比［ＨＢｒ／（フッ素含有ガス＋Ｏ_２）］が０．２５より大きく１より小さいことが好ましい。
さらに、前記ストッパー層がシリコン酸化膜であり、被処理体がＳＯＩ構造を有するシリコンウエハであることが好ましい。

本発明の第２の観点によれば、真空に保持可能な処理容器内に、所定形状のパターンが形成されたマスク層と、前記マスク層の下に形成された被エッチング層と、前記被エッチング層の下に形成されたストッパー層とを有する被処理体を載置し、エッチングガスのプラズマを作用させることによりエッチングを行なうエッチング方法であって、
前記被エッチング層に壁面がテーパー形状の開口を形成する第１のエッチング工程と、
前記開口のテーパー形状の壁面を横方向に広げるとともに、前記ストッパー層に達する略垂直形状の開口とする第２のエッチング工程と、
を含むことを特徴とする、エッチング方法が提供される。

第２の観点において、前記第１のエッチング工程では、前記ストッパー層の一部が露出するまでエッチングを行なうことが好ましい。
また、前記第２のエッチング工程のエッチング速度は、前記第１のエッチング工程のエッチング速度より小さいことが好ましい。

本発明の第３の観点によれば、コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、
所定形状のパターンが形成されたマスク層と、前記マスク層の下に形成された被エッチング層としてのシリコン層と、前記シリコン層の下に形成されたストッパー層とを有する被処理体に対してエッチングガスのプラズマを作用させることにより、前記ストッパー層に達する略垂直形状の開口を形成するための工程として、
フッ素含有ガスとＯ_２とを含み、ＨＢｒを含まない第１のエッチングガスにより、前記シリコン層に壁面がテーパー形状の開口を形成する第１のエッチング工程と、
フッ素含有ガスとＯ_２とＨＢｒとを含む第２のエッチングガスにより前記開口に対してエッチングを行なう第２のエッチング工程と、
を含むエッチング方法に用いられるプラズマエッチング装置を制御することを特徴とする、コンピュータ記憶媒体が提供される。

第３の観点において、前記フッ素含有ガスがＳＦ_６であることが好ましい。また、前記第１のエッチング工程では、前記ストッパー層の一部が露出するまでエッチングを行なうか、あるいは、前記ストッパー層の一部が露出した後も所定時間オーバーエッチングを行なうことができる。
さらに、前記第１のエッチング工程および第２のエッチング工程では、処理容器内の圧力が１３．３〜６６．７Ｐａ（１００〜５００ｍＴｏｒｒ）であり、プラズマを生成させるための高周波電力が被処理体の面積当り１．６〜７．６Ｗ／ｃｍ^２であることが好ましい。
また、前記第２のエッチングガスに含まれるＨＢｒと、フッ素含有ガスおよびＯ_２との比［ＨＢｒ／（フッ素含有ガス＋Ｏ_２）］が０．２５より大きく１より小さいことが好ましい。
さらに、前記ストッパー層がシリコン酸化膜であり、被処理体がＳＯＩ構造を有するシリコンウエハであることが好ましい。

本発明の第４の観点によれば、コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、
真空に保持可能な処理容器内に、所定形状のパターンが形成されたマスク層と、前記マスク層の下に形成された被エッチング層と、前記被エッチング層の下に形成されたストッパー層とを有する被処理体に対し、エッチングガスのプラズマを作用させることによりエッチングを行なう工程として、
前記被エッチング層に壁面がテーパー形状の開口を形成する第１のエッチング工程と、
前記開口のテーパー形状の壁面を横方向に広げるとともに、前記ストッパー層に達する略垂直形状の開口とする第２のエッチング工程と、
を含むエッチング方法に用いられるプラズマエッチング装置を制御することを特徴とする、コンピュータ記憶媒体が提供される。

第４の観点において、前記第１のエッチング工程では、前記ストッパー層の一部が露出するまでエッチングを行なうことが好ましい。また、前記第２のエッチング工程のエッチング速度は、前記第１のエッチング工程のエッチング速度より小さいことが好ましい。

本発明のプラズマエッチング方法によれば、フッ素含有ガスと酸素を含む処理ガスによる第１のエッチング工程と、フッ素含有ガスと酸素と臭化水素とを含む処理ガスによる第２のエッチング工程とを含み、第１のエッチング方法では、ホールまたはトレンチの側壁をテーパー状に形成し、第２のエッチング工程で略垂直な側壁を形成する少なくとも２段階のエッチング工程によって、高いエッチングレートを維持しながら、ノッチの発生を効果的に防止することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明方法を実施する目的で好適に使用可能なマグネトロンＲＩＥ方式のプラズマエッチング装置１００の概要を示す断面図である。このエッチング装置１００は、気密に構成され、小径の上部１ａと大径の下部１ｂとからなる段つき円筒状をなし、壁部が例えばアルミニウム製のチャンバー（処理容器）１を有している。

このチャンバー１内には、被処理体としてＳＯＩ構造を備えたシリコン基板であるウエハＷを水平に支持する支持テーブル２が設けられている。支持テーブル２は例えばアルミニウムで構成されており、絶縁板３を介して導体の支持台４に支持されている。また、支持テーブル２の上方の外周にはＳｉ以外の材料、例えば石英で形成されたフォーカスリング５が設けられている。上記支持テーブル２と支持台４は、ボールねじ７を含むボールねじ機構により昇降可能となっており、支持台４の下方の駆動部分は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製のベローズ８で覆われている。ベローズ８の外側にはベローズカバー９が設けられている。なお、上記フォーカスリング５の外側にはバッフル板１０が設けられており、このバッフル板１０、支持台４、ベローズ８を通してチャンバー１と導通している。なお、チャンバー１は接地されている。

チャンバー１の下部１ｂの側壁には、排気ポート１１が形成されており、この排気ポート１１には排気系１２が接続されている。そして排気系１２の真空ポンプを作動させることによりチャンバー１内を所定の真空度まで減圧することができるようになっている。一方、チャンバー１の下部１ｂの側壁上側には、ウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ１３が設けられている。

支持テーブル２には、整合器１４を介してプラズマ形成用の第１の高周波電源１５が接続されており、この第１の高周波電源１５から所定の周波数の高周波電力が支持テーブル２に供給されるようになっている。一方、支持テーブル２に対向してその上方には後で詳細に説明するシャワーヘッド２０が互いに平行に設けられており、このシャワーヘッド２０は接地されている。したがって、支持テーブル２およびシャワーヘッド２０は一対の電極として機能する。

第１の高周波電源１５の給電線には、整合器２５を介して第２の高周波電源２６が接続されている。第２の高周波電源２６は第１の高周波電源１５の周波数よりも低い高周波電力を供給しプラズマ形成用の高周波電力に重畳されるようになっている。

支持テーブル２の表面上にはウエハＷを静電吸着して保持するための静電チャック６が設けられている。この静電チャック６は絶縁体６ｂの間に電極６ａが介在されて構成されており、電極６ａには直流電源１６が接続されている。そして電極６ａに電源１６から電圧が印加されることにより、静電力例えばクーロン力によってウエハＷが吸着される。

支持テーブル２の内部には、冷媒室１７が設けられており、この冷媒室１７には、冷媒が冷媒導入管１７ａを介して導入され冷媒排出管１７ｂから排出されて循環し、その冷熱が支持テーブル２を介してウエハＷに対して伝熱され、これによりウエハＷの処理面が所望の温度に制御される。

また、チャンバー１が排気系１２により排気されて真空に保持されていても、冷媒室１７に循環される冷媒によりウエハＷを有効に冷却可能なように、冷却ガスが、ガス導入機構１８によりそのガス供給ライン１９を介して静電チャック６の表面とウエハＷの裏面との間に所定圧力（バックプレッシャー）で導入される。このように冷却ガスを導入することにより、冷媒の冷熱がウエハＷに有効に伝達され、ウエハＷの冷却効率を高くすることができる。

上記シャワーヘッド２０は、チャンバー１の天壁部分に支持テーブル２に対向するように設けられている。このシャワーヘッド２０は、その下面に多数のガス吐出孔２２が設けられており、かつその上部にガス導入部２０ａを有している。そして、その内部には空間２１が形成されている。ガス導入部２０ａにはガス供給配管２３ａが接続されており、このガス供給配管２３ａの他端には、エッチングガスおよび希釈ガスからなる処理ガスを供給する処理ガス供給系２３が接続されている。

このような処理ガスが、処理ガス供給系２３からガス供給配管２３ａ、ガス導入部２０ａを介してシャワーヘッド２０の空間２１に至り、ガス吐出孔２２から吐出される。

一方、チャンバー１の上部１ａの周囲には、同心状に、ダイポールリング磁石２４が配置されている。ダイポールリング磁石２４は、図２の水平断面図に示すように、複数の異方性セグメント柱状磁石３１がリング状の磁性体のケーシング３２に取り付けられて構成されている。この例では、円柱状をなす１６個の異方性セグメント柱状磁石３１がリング状に配置されている。図２中、異方性セグメント柱状磁石３１の中に示す矢印は磁化の方向を示すものであり、この図に示すように、複数の異方性セグメント柱状磁石３１の磁化の方向を少しずつずらして全体として一方向に向かう一様な水平磁界Ｂが形成されるようになっている。

したがって、支持テーブル２とシャワーヘッド２０との間の空間には、図３に模式的に示すように、第１の高周波電源１５により鉛直方向の電界ＥＬが形成され、かつダイポールリング磁石２４により水平磁界Ｂが形成され、このように形成された直交電磁界によりマグネトロン放電が生成される。これによって高エネルギー状態のエッチングガスのプラズマが形成され、ウエハＷがエッチングされる。

プラズマエッチング装置１００の各構成部は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ５０に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ５０には、工程管理者がプラズマエッチング装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマエッチング装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインタフェィス５１が接続されている。

また、プロセスコントローラ５０には、プラズマエッチング装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５０の制御にて実現するための制御プログラムや処理条件データ等が記録されたレシピが格納された記憶部５２が接続されている。

そして、必要に応じて、ユーザーインタフェィス５１からの指示等にて任意のレシピを記憶部５２から呼び出してプロセスコントローラ５０に実行させることで、プロセスコントローラ５０の制御下で、プラズマエッチング装置１００での所望の処理が行われる。また、前記レシピは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスクなどの読み出し可能な記憶媒体に格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させて利用したりすることも可能である。

次に、このように構成されるプラズマエッチング装置１００を用いた本発明方法の実施形態について、適宜図４を参照しながら説明する。本発明方法では、第１のエッチング工程と、第２のエッチング工程の２ステップのエッチング処理を行なうものであるため、以下の説明は、第１のエッチング工程と第２のエッチング工程とに分けて説明する。

＜第１のエッチング工程＞
第１のエッチング工程では、まず、図１のゲートバルブ１３を開にしてウエハＷをチャンバー１内に搬入し、支持テーブル２に載置した後、支持テーブル２を図示の位置まで上昇させ、排気系１２の真空ポンプにより排気ポート１１を介してチャンバー１内を排気する。この状態のウエハＷは、図４（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１０１上に、絶縁酸化膜のストッパー層１０２、被エッチング層としてのポリシリコンなどのシリコン層１０３、レジストなどのマスク層１０４が積層された構造をしている。マスク層１０４には、所定形状のパターンが形成されている。

そして処理ガス供給系２３からエッチングガスおよび希釈ガスを含む処理ガスが所定の流量でチャンバー１内に導入され、チャンバー１内の圧力を１３．３〜６６．７Ｐａ（１００〜５００ｍＴｏｒｒ）にし、その状態で第１の高周波電源１５から支持テーブル２に所定の高周波電力を供給する。プラズマを生成させるための高周波電力としては、例えばウエハＷ面積当り１．６〜７．６Ｗ／ｃｍ^２とすることが好ましい。この際に、ウエハＷは、直流電源１６から静電チャック６の電極６ａに所定の電圧が印加されることにより例えばクーロン力により静電チャック６に吸着保持されるとともに、上部電極であるシャワーヘッド２０と下部電極である支持テーブル２との間に高周波電界が形成される。シャワーヘッド２０と支持テーブル２との間にはダイポールリング磁石２４により水平磁界Ｂが形成されているので、ウエハＷが存在する電極間の処理空間には直交電磁界が形成され、これによって生じた電子のドリフトによりマグネトロン放電が生成される。そしてこのマグネトロン放電により形成されたエッチングガスのプラズマによりウエハＷがエッチングされる。この場合に、チャンバー１内のガス圧力を高めに設定することにより、イオンおよび電子の荷電粒子のみならず、十分な量のラジカルを生成させることができ、このラジカルが有効に作用して２０μｍ／ｍｉｎ以上という高速のエッチングを実現することができる。

また、ウエハＷの上のラジカル数を多くする観点から被処理体であるウエハＷを載置する電極に高周波電力を印加することが好ましい。本実施形態ではＲＩＥタイプのプラズマ生成機構を用い、ウエハＷを載置する下部電極である支持テーブル２に高周波電力を印加するので、プラズマを被処理体の直上で形成することができる。したがって、ラジカルの消滅レートを減少させてウエハＷの上のラジカル数を多くすることができるとともに、ラジカルをウエハＷのエッチングに有効に寄与させることができる。また、電極間に電界と直交する磁場を形成しながらエッチングを行うことにより、被処理体直上にＥ×Ｂドリフトが生じ、被処理体の直上で高プラズマ密度が実現される。これらにより、上記ガス圧力が高いことと相俟って一層高速でエッチングすることができる。

第１のエッチング工程で使用するエッチングガスとしては、ウエハＷを高速でエッチングする観点から反応性の高いフッ素含有ガスと酸素を含むガスを用いることが好ましい。フッ素含有ガスとしては、１分子に存在するＦの数が多いほど反応性が高く、その分子をＡｘＦｙ（ただし、Ａは任意の元素、ｘおよびｙは価数）と表した場合に、ｙが４以上、さらにはｙが６以上が反応性が高く好ましい。このようなフッ素含有ガスとしては、ＣＦ_４、Ｃ_３Ｆ_８、ＳＦ_６、Ｓ_２Ｆ_１０等を挙げることができる。また、フッ素含有ガスとともに酸素ガスを用いることによりエッチングの異方性を高めることができ、エッチングの形状性を良好にすることができる。具体的には、ＳＦ_６とＯ_２とを含み、ＳＦ_６／Ｏ_２比が１〜１０のものが、高速エッチング性および形状性の観点から好ましく、３〜４程度がより好ましい。

エッチングの形状性を良好にするためには、ウエハＷの温度を低下させることも有効である。そのために、冷媒室１７が設けられており、この冷媒室１７に冷媒が循環され、その冷熱が支持テーブル２を介してウエハＷに対して伝熱され、これによりウエハＷの処理面が所望の温度に制御される。エッチングの形状性つまり異方性を良好にするためには、例えば−３０℃程度の冷媒を循環させる。

また、ガス導入機構１８によりガス供給ライン１９を介してウエハＷに冷熱を有効に供給するための伝熱ガスが静電チャック６の表面とウエハＷの裏面との間に所定圧力（バックプレッシャー）で導入されるが、このガスとしては通常のＨｅの代わりにＳＦ_６やＣ_４Ｆ_８等のエッチングガスとして用いられるガスを導入することが好ましい。これらは冷却効率がＨｅよりも大きく、ウエハＷを冷却する効果を一層高めることができ、エッチングの形状性をより良好にすることが可能となる。

プラズマ生成用の第１の高周波電源１５は、所望のプラズマを形成するためにその周波数および出力が適宜設定される。ウエハＷの直上のプラズマ密度を高くする観点からは、周波数が２７ＭＨｚ以上であることが好ましい。

第２の高周波電源２６は、プラズマのイオンエネルギーをコントロールするための高周波電力を供給するものであり、その周波数は第１の高周波電源１５の周波数よりも小さく２ＭＨｚ以上であることが好ましい。

ダイポールリング磁石２４は、ウエハＷの直上のプラズマ密度を高くするために、対向電極である支持テーブル２およびシャワーヘッド２０の間の処理空間に磁場を印加するが、その効果を有効に発揮させるためには処理空間に１００００μＴ（１００Ｇ）以上の磁場を形成するような強度の磁石であることが好ましい。磁場は強ければ強いほどプラズマ密度を高くする効果が増加すると考えられるが、安全性の観点から１０００００μＴ（１ｋＧ）以下であることが好ましい。

第１のエッチング工程では、図４（ｂ）に示すように、マスク層１０４からシリコン層１０３に向けてエッチングを進行させ、ホール１１０（またはトレンチ）の側壁１１１がテーパー形状になるようにエッチングを施す。つまり、図４（ｂ）中に破線で示す最終的なエッチング形状に対し、ホール（またはトレンチ）１１０下部の側壁１１１のエッチングを抑制した状態にとどめる。テーパー状の側壁１１１の角度θは、底面となるストッパー層１０２に対して８０〜８８°の範囲になるように制御することが好ましい。
このようなテーパー形状は、第１のエッチング工程におけるチャンバー１内の圧力と、プラズマを発生させるための高周波電力によって、制御することができる。この目的のため、第１のエッチング工程におけるチャンバー１内の圧力は、１３．３〜６６．７Ｐａ（１００〜５００ｍＴｏｒｒ）とし、プラズマを生成させるための高周波電力はウエハＷの面積当り１．６〜７．６Ｗ／ｃｍ^２とすることが好ましい。

ここで、圧力と高周波電力がホール１１０のテーパー形状に与える影響について検討を行なった模擬試験について説明する。図５は、チャンバー１内の圧力を８〜３９．９Ｐａ（６０〜３００ｍＴｏｒｒ）、高周波電力を４００〜８００Ｗ（ウエハＷの面積当り２．２〜４．４Ｗ／ｃｍ^２）の範囲で変化させて、ウエハＷの中央部に４０×４０μｍの四角い開口のホール１１０を形成した場合のホール１１０の形状を電子顕微鏡により撮影した画像を示す図面である。なお、プラズマエッチングにおける他の条件は、以下のとおりである。

プラズマエッチング条件：
磁場の強さ＝１７０００μＴ（１７０Ｇ）勾配磁石；
ＳＦ_６／Ｏ_２流量比＝３００／８０；
上下部電極間距離（シャワーヘッド２０の下面と支持テーブル２の上面までの距離、以下同様である）＝３７ｍｍ；
バックプレッシャー（センター部／エッジ部）＝９３３／５３３２Ｐａ（７／４０Ｔｏｒｒ）；
シャワーヘッド２０の温度＝４０℃；
チャンバー１側壁の温度＝４０℃；
支持テーブル２の温度＝−１０℃；

図５中、テーパー角度は白抜きの数字で示している。この図５から、チャンバー内圧力が大きくなるとテーパー角θが小さくなり、テーパーが強まる傾向が示されている。また、同じチャンバー内圧力でも高周波電力が高くなると、テーパー角θが大きくなり、テーパーが弱まる（あるいは、逆向きのテーパー形成となる）傾向が示されている。

以上のように、第１のエッチング工程では、処理ガスとして、ＳＦ_６およびＯ_２を用い、チャンバー内圧力と高周波電力を制御することによって、ホール１１０がテーパー形状となるようにエッチングを行えることが確認された。

第１のエッチング工程は、図４（ｂ）に示すように、ストッパー層１０２の一部が露出するか、あるいは、ストッパー層１０２の一部が露出してから所定時間経過するまでオーバーエッチングを実施した後終了することができる。オーバーエッチングは、例えばエッチング対象の膜厚に対しエッチング量として０〜１５％程度多くなる時間行なうことが好ましい。

＜第２のエッチング工程＞
第２のエッチング工程は、プラズマエッチング装置１００で処理ガスを代えてエッチングを実施する。第２のエッチング工程では、図４（ｃ）のように、第１のエッチング工程で形成されたホール１１０のテーパー形状の側壁１１１（破線で示す）を横方向に広げるようにエッチングが進められる。

第２のエッチング工程の処理ガスとしては、例えばＳＦ_６などのフッ素含有ガスと、Ｏ_２ガスと、ＨＢｒとを含むガスが使用される。フッ素含有ガスとしては、前記第１のエッチング工程と同じガスを用いることができる。

ここで、図６は、エッチングガスに含まれるＨＢｒと、ＳＦ_６およびＯ_２との流量比を変化させて、Ｓｉ基板へ直接エッチングを行なった模擬実験のホール１１０の形状を電子顕微鏡によって撮影した画像である。

本実験では、ＳＦ_６／Ｏ_２の流量を１８０／６０ｍＬ／ｍｉｎに固定しており、図６（ａ）は、ＨＢｒガスを含まない場合、同（ｂ）はＨＢｒ６０ｍＬ／ｍｉｎ、同（ｃ）はＨＢｒ１２０ｍＬ／ｍｉｎ、同（ｄ）はＨＢｒ１８０ｍＬ／ｍｉｎ、同（ｅ）はＨＢｒ２４０ｍＬ／ｍｉｎであり、ＨＢｒ／（ＳＦ_６＋Ｏ_２）は、それぞれ０、０．２５、０．５、０．７５、１である。
なお、プラズマエッチングにおける他の条件は、以下のとおりである。

プラズマエッチング条件：
磁場の強さ＝１７０００μＴ（１７０Ｇ）勾配磁石；
チャンバー内圧力＝２６．７Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ）；
高周波電力＝６００Ｗ（ウエハ面積当り３．３Ｗ／ｃｍ^２）；
上下部電極間距離＝３７ｍｍ；
バックプレッシャー（センター部／エッジ部）＝１３３３／２６６６Ｐａ（１０／２０Ｔｏｒｒ）；
シャワーヘッド２０の温度＝４０℃；
チャンバー１側壁の温度＝４０℃；
支持テーブル２の温度＝０℃

図６から、ＨＢｒの量が多くなるに従い、エッチングレートが低下し、ホール１１０の深さが浅くなっていることが見て取れる。ＨＢｒは、エッチング中にデポ（堆積物）を形成し、このデポが保護膜として機能する結果、エッチングレートを低下させるものである。しかし、図６（ａ）のＨＢｒを含まない処理ガスの場合には、デポによる保護作用が無いことから、エッチングが垂直方向に進み、ストッパー層１０２が存在するＳＯＩウエハでは、ノッチを引き起こす原因となる。また、ＨＢｒ比が少ない場合には、図６（ｂ）に示すように、ホール１１０が横方向に広がり過ぎる場合がある。従って、他の条件にも依存するが、第２のエッチング工程でテーパー状の側壁１１１を略垂直にエッチングするためのガス流量比には、最適範囲が存在することが理解される。

この模擬試験から、第２のエッチング工程では、図６の（ｃ）、（ｄ）を含む範囲、例えば、第２のエッチングガスに含まれるＨＢｒと、フッ素含有ガスおよびＯ_２との比［ＨＢｒ／（フッ素含有ガス＋Ｏ_２）］が０．２５より大きく１より小さい範囲でエッチングを行なうことが好ましく、エッチングレートの低下を抑制するためには、０．２５より大きく０．７５より小さい範囲がより好ましく、０．２５より大きく０．５以下が望ましいと考えられる。

また、ノッチング形成回避、エッチング形状制御などの観点から、第２のエッチング工程におけるチャンバー１内の圧力は、２６．７〜６６．７Ｐａ（２００〜５００ｍＴｏｒｒ）とし、プラズマを生成させるための高周波電力はウエハＷの面積当り１．６〜３．３Ｗ／ｃｍ^２とすることが好ましい。
さらに、第２のエッチング工程では、光学的手法によるエッチング形状モニター手段を用いて、テーパー角度などをモニターし、所定のエッチング形状となった時点で終点とし、エッチングを終了させることができる。

以上の検討を踏まえ、ＳＯＩウエハに対して、プラズマエッチング装置１００を用いてエッチングを実施した結果を図７〜図９に示す。なお、図中、「センター部」はＳＯＩウエハの中央に形成したホール１１０、「エッジ部」はＳＯＩウエハのエッジに形成したホール１１０を意味している。

図７は比較例であり、以下に示すプラズマ処理条件でシリコン層１０３の膜厚が５０μｍのサンプル［図７（ａ）および（ｂ）］と、１００μｍのサンプル［図７（ｃ）、（ｄ）］に対して１段階でエッチングを実施した後のホール１１０断面の電子顕微鏡画像である。

（１）エッチング工程の条件：
磁場の強さ＝１７０００μＴ（１７０Ｇ）；
チャンバー内圧力＝２６．７Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ）；
高周波電力＝６００Ｗ（ウエハ面積当り３．３Ｗ／ｃｍ^２）；
ＳＦ_６／Ｏ_２流量比＝１８０／６０；
上下部電極間距離＝３７ｍｍ；
バックプレッシャー（センター部／エッジ部）＝１３３３／２６６６Ｐａ（１０／２０Ｔｏｒｒ）；
シャワーヘッド２０の温度＝４０℃；
チャンバー１側壁の温度＝４０℃；
支持テーブル２の温度＝０℃

シリコン層１０３の膜厚が５０μｍのサンプル（ａ）、（ｂ）は、３０％のオーバーエッチング、すなわち６５μｍの深さまでエッチングできる時間をかけてエッチングを実施した。また、１００μｍのサンプル（ｃ）、（ｄ）は、１５％のオーバーエッチング、すなわち１１５μｍの深さまでエッチングできる時間をかけてエッチングを実施した。

図７（ａ）〜（ｄ）から、いずれのサンプルにおいても、ホール１１０の底がストッパー層１０２に沿って横方向に削られ、ノッチが発生していることがわかる。

図８は本発明方法による第１実施例の結果を示しており、シリコン層１０３の膜厚が５０μｍのサンプル［図８（ａ）および（ｂ）］と、１００μｍのサンプル［図８（ｃ）および（ｄ）］に対して、第１のエッチング工程および第２のエッチング工程を下記の条件で実施した後のホール１１０断面の電子顕微鏡画像である。

（１）第１のエッチング工程の条件：
磁場の強さ＝１７０００μＴ（１７０Ｇ）；
チャンバー内圧力＝２６．７Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ）；
高周波電力＝６００Ｗ（ウエハ面積当り３．３Ｗ／ｃｍ^２）；
ＳＦ_６／Ｏ_２流量比＝１８０／６０；
上下部電極間距離＝３７ｍｍ；
バックプレッシャー（センター部／エッジ部）＝１３３３／２６６６Ｐａ（１０／２０Ｔｏｒｒ）；
シャワーヘッド２０の温度＝４０℃；
チャンバー１側壁の温度＝４０℃；
支持テーブル２の温度＝０℃

（２）第２のエッチング工程の条件：
磁場の強さ＝１７０００μＴ（１７０Ｇ）；
チャンバー内圧力＝３９．９Ｐａ（３００ｍＴｏｒｒ）；
高周波電力＝３００Ｗ（ウエハ面積当り１．６Ｗ／ｃｍ^２）；
ＳＦ_６／Ｏ_２／ＨＢｒ流量比＝１８０／６０／１８０；
上下部電極間距離＝３７ｍｍ；
バックプレッシャー（センター部／エッジ部）＝１３３３／２６６６Ｐａ（１０／２０Ｔｏｒｒ）；
シャワーヘッド２０の温度＝４０℃；
チャンバー１側壁の温度＝４０℃；
支持テーブル２の温度＝０℃

ここで、図８（ａ）のサンプルは、第１のエッチング工程で４５μｍ、第２のエッチング工程で２０μｍの合計６５μｍの深さまでエッチングできる時間分のオーバーエッチングを実施した。
図８（ｂ）のサンプルは、第１のエッチング工程で４５μｍ、第２のエッチング工程で１２μｍの合計５７μｍの深さまでエッチングできる時間分のオーバーエッチングを実施した。
また、図８（ｃ）のサンプルは、第１のエッチング工程で９５μｍ、第２のエッチング工程で２０μｍの合計１１５μｍの深さまでエッチングできる時間分のオーバーエッチングを実施した。
また、図８（ｄ）のサンプルは、第１のエッチング工程で９５μｍ、第２のエッチング工程で１２μｍの合計１０７μｍの深さまでエッチングできる時間分のオーバーエッチングを実施した。

センター部のホール１１０断面（膜厚１００μｍ）を示す図８（ｃ）において、ホール１１０の底がストッパー層１０２に沿って横方向に極く僅かに削られているが、図７のような顕著なノッチは抑制されていることがわかる。また、図８（ａ）、（ｂ）、（ｄ）に示すホール１１０は、いずれもノッチの発生は見られなかった。

以上、図７および図８の結果を総合すると、処理ガス中にＨＢｒを含まない第１のエッチング工程と、処理ガス中にＨＢｒを所定比率で含む第２のエッチング工程とを実施した２段階のエッチングの場合（図８）、通算のエッチング時間が同じでも、一段階のエッチング結果（図７）に比べて、ノッチの発生を効果的に抑制できることが示された。

図９は、本発明の第２実施例の結果を示しており、シリコン層１０３の膜厚が１００μｍのサンプル［図９（ａ）および（ｂ）］に対して、第１のエッチング工程および第２のエッチング工程を下記の条件で実施した後のホール１１０断面の電子顕微鏡画像である。

（１）第１のエッチング工程の条件：
磁場の強さ＝１７０００μＴ（１７０Ｇ）；
チャンバー内圧力＝３３．２５Ｐａ（２５０ｍＴｏｒｒ）；
高周波電力＝５５０Ｗ（ウエハ面積当り３．０Ｗ／ｃｍ^２）；
ＳＦ_６／Ｏ_２流量比＝１８０／６０；
上下部電極間距離＝３７ｍｍ；
バックプレッシャー（センター部／エッジ部）＝１３３３／２６６６Ｐａ（１０／２０Ｔｏｒｒ）；
シャワーヘッド２０の温度＝４０℃；
チャンバー１側壁の温度＝４０℃；
支持テーブル２の温度＝０℃；

（２）第２のエッチング工程の条件：
磁場の強さ＝１７０００μＴ（１７０Ｇ）；
チャンバー内圧力＝３９．９Ｐａ（３００ｍＴｏｒｒ）；
高周波電力＝３００Ｗ（ウエハ面積当り１．６Ｗ／ｃｍ^２）；
ＳＦ_６／Ｏ_２／ＨＢｒ流量比＝１８０／６０／１８０；
上下部電極間距離＝３７ｍｍ；
バックプレッシャー（センター部／エッジ部）＝１３３３／２６６６Ｐａ（１０／２０Ｔｏｒｒ）；
シャワーヘッド２０の温度＝４０℃；
チャンバー１側壁の温度＝４０℃；
支持テーブル２の温度＝０℃；

ここで、図９（ａ）のセンター部は、第１のエッチング工程で１１５μｍ、第２のエッチング工程で１５μｍの合計１３０μｍの深さまでエッチングできる時間をかけてエッチングを実施した。
図９（ｂ）のエッジ部は、第１のエッチング工程で１０１μｍ、第２のエッチング工程で９μｍの合計１１０μｍの深さまでエッチングできる時間をかけてエッチングを実施した。

第１のエッチング工程終了後、センター部のホール１１０の側壁１１１のテーパー角度は８３．７°であり（図示せず）、これが第２のエッチング工程終了後の側壁１１２では８７．０°となっており、略垂直に近い側壁１１２のホール１１０が形成された。また、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、センター部、エッジ部のいずれの箇所でも、ノッチは形成されなかった。

また、本実施形態では、第１のエッチング工程で２０μｍ／ｍｉｎ以上、第２のエッチング工程で５〜１０μｍ／ｍｉｎの高いエッチングレートが得られることも確認されている。

以上のように、本実施形態の方法を採用することにより、ノッチングを防止してＳＯＩなどのウエハＷを極めて高速でエッチングできることが確認された。従って、本発明のかつエッチングの形状性も良好となることが確認された。

以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明は上記実施形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態ではマグネトロンＲＩＥプラズマエッチング装置１００の磁場形成手段としてダイポールリング磁石を用いたが、これに限るものではなく、磁場の形成も必須なものではない。また、本発明の範囲のガス圧力でプラズマを形成することができれば装置は問わず、容量結合型や誘導結合型等の種々のプラズマエッチング装置１００を用いることができる。ただし、高圧でプラズマを形成する観点からは誘導結合型よりも容量結合型のものが好ましい。また、プラズマ生成領域と被処理体とを近づける観点からはその中でもＲＩＥタイプのものが好ましい。また、上記実施形態ではウエハのエッチングについて示したが、Ｓｉ部分を含む被処理体におけるＳｉのエッチングであれば、ウエハのエッチングに限るものではない。

本発明に係る方法を実施するためのマグネトロンＲＩＥプラズマエッチング装置の概略構成を示す断面図。 図１の装置のチャンバーの周囲に配置された状態のダイポールリング磁石を模式的に示す水平断面図。 チャンバー内に形成される電界および磁界を説明するための模式図。 本発明のエッチング方法の手順を示しており、（ａ）はエッチング前、（ｂ）は第１のエッチング工程終了後、（ｃ）は第２のエッチング工程終了後の状態を示す図面。 圧力と高周波電力がエッチングのテーパー角度に与える影響を説明するためのエッチング形状の電子顕微鏡写真。 ＨＢｒの添加比率を変えた場合のエッチング形状を示す電子顕微鏡写真。 比較例におけるエッチング形状を示す電子顕微鏡写真。 第１実施例におけるエッチング形状を示す電子顕微鏡写真。 第２実施例におけるエッチング形状を示す電子顕微鏡写真。

符号の説明

１；チャンバー（処理容器）
２；支持テーブル（電極）
１２；排気系
１５；第１の高周波電源
１７；冷媒室
１８；ガス導入機構
２０；シャワーヘッド（電極）
２３；処理ガス供給系
２４；ダイポールリング磁石
２６；第２の高周波電源
１００；プラズマエッチング装置
１０１；Ｓｉ基板
１０２；ストッパー層
１０３；シリコン層
１０４；マスク層
１１０；ホール
１１１，１１２；側壁
Ｗ；ウエハ

Claims (20)

1. 真空に保持可能な処理容器内に、所定形状のパターンが形成されたマスク層と、前記マスク層の下に形成された被エッチング層としてのシリコン層と、前記シリコン層の下に形成されたストッパー層とを有する被処理体を載置し、エッチングガスのプラズマを作用させることにより前記ストッパー層に達する略垂直形状の開口を形成するエッチング方法であって、
   フッ素含有ガスとＯ_２とを含み、ＨＢｒを含まない第１のエッチングガスにより、前記シリコン層に壁面がテーパー形状の開口を形成する第１のエッチング工程と、
   フッ素含有ガスとＯ_２とＨＢｒとを含む第２のエッチングガスにより前記開口に対してエッチングを行なう第２のエッチング工程と、
   を含むことを特徴とする、エッチング方法。
2. 前記フッ素含有ガスがＳＦ_６であることを特徴とする、請求項１に記載のエッチング方法。
3. 前記第１のエッチング工程では、前記ストッパー層の一部が露出するまでエッチングを行なうことを特徴とする、請求項１に記載のエッチング方法。
4. 前記第１のエッチング工程では、前記ストッパー層の一部が露出した後も所定時間オーバーエッチングを行なうことを特徴とする、請求項１に記載のエッチング方法。
5. 前記第１のエッチング工程および第２のエッチング工程では、処理容器内の圧力が１３．３〜６６．７Ｐａ（１００〜５００ｍＴｏｒｒ）であり、プラズマを生成させるための高周波電力が被処理体の面積当り１．６〜７．６Ｗ／ｃｍ^２であることを特徴とする、請求項１に記載のエッチング方法。
6. 前記第２のエッチングガスに含まれるＨＢｒと、フッ素含有ガスおよびＯ_２との比［ＨＢｒ／（フッ素含有ガス＋Ｏ_２）］が０．２５より大きく１より小さいことを特徴とする、請求項１に記載のエッチング方法。
7. 前記ストッパー層がシリコン酸化膜であり、被処理体がＳＯＩ構造を有するシリコンウエハであることを特徴とする、請求項１に記載のエッチング方法。
8. 真空に保持可能な処理容器内に、所定形状のパターンが形成されたマスク層と、前記マスク層の下に形成された被エッチング層と、前記被エッチング層の下に形成されたストッパー層とを有する被処理体を載置し、エッチングガスのプラズマを作用させることによりエッチングを行なうエッチング方法であって、
   前記被エッチング層に壁面がテーパー形状の開口を形成する第１のエッチング工程と、
   前記開口のテーパー形状の壁面を横方向に広げるとともに、前記ストッパー層に達する略垂直形状の開口とする第２のエッチング工程と、
   を含むことを特徴とする、エッチング方法。
9. 前記第１のエッチング工程では、前記ストッパー層の一部が露出するまでエッチングを行なうことを特徴とする、請求項８に記載のエッチング方法。
10. 前記第２のエッチング工程のエッチング速度は、前記第１のエッチング工程のエッチング速度より小さいことを特徴とする、請求項８に記載のエッチング方法。
11. コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
    前記制御プログラムは、実行時に、
    所定形状のパターンが形成されたマスク層と、前記マスク層の下に形成された被エッチング層としてのシリコン層と、前記シリコン層の下に形成されたストッパー層とを有する被処理体に対してエッチングガスのプラズマを作用させることにより、前記ストッパー層に達する略垂直形状の開口を形成するための工程として、
    フッ素含有ガスとＯ_２とを含み、ＨＢｒを含まない第１のエッチングガスにより、前記シリコン層に壁面がテーパー形状の開口を形成する第１のエッチング工程と、
    フッ素含有ガスとＯ_２とＨＢｒとを含む第２のエッチングガスにより前記開口に対してエッチングを行なう第２のエッチング工程と、
    を含むエッチング方法に用いられるプラズマエッチング装置を制御することを特徴とする、コンピュータ記憶媒体。
12. 前記フッ素含有ガスがＳＦ_６であることを特徴とする、請求項１１に記載のコンピュータ記憶媒体。
13. 前記第１のエッチング工程では、前記ストッパー層の一部が露出するまでエッチングを行なうことを特徴とする、請求項１１に記載のコンピュータ記憶媒体。
14. 前記第１のエッチング工程では、前記ストッパー層の一部が露出した後も所定時間オーバーエッチングを行なうことを特徴とする、請求項１１に記載のコンピュータ記憶媒体。
15. 前記第１のエッチング工程および第２のエッチング工程では、処理容器内の圧力が１３．３〜６６．７Ｐａ（１００〜５００ｍＴｏｒｒ）であり、プラズマを生成させるための高周波電力が被処理体の面積当り１．６〜７．６Ｗ／ｃｍ^２であることを特徴とする、請求項１１に記載のコンピュータ記憶媒体。
16. 前記第２のエッチングガスに含まれるＨＢｒと、フッ素含有ガスおよびＯ_２との比［ＨＢｒ／（フッ素含有ガス＋Ｏ_２）］が０．２５より大きく１より小さいことを特徴とする、請求項１１に記載のコンピュータ記憶媒体。
17. 前記ストッパー層がシリコン酸化膜であり、被処理体がＳＯＩ構造を有するシリコンウエハであることを特徴とする、請求項１１に記載のコンピュータ記憶媒体。
18. コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
    前記制御プログラムは、実行時に、
    真空に保持可能な処理容器内に、所定形状のパターンが形成されたマスク層と、前記マスク層の下に形成された被エッチング層と、前記被エッチング層の下に形成されたストッパー層とを有する被処理体に対し、エッチングガスのプラズマを作用させることによりエッチングを行なう工程として、
    前記被エッチング層に壁面がテーパー形状の開口を形成する第１のエッチング工程と、
    前記開口のテーパー形状の壁面を横方向に広げるとともに、前記ストッパー層に達する略垂直形状の開口とする第２のエッチング工程と、
    を含むエッチング方法に用いられるプラズマエッチング装置を制御することを特徴とする、コンピュータ記憶媒体。
19. 前記第１のエッチング工程では、前記ストッパー層の一部が露出するまでエッチングを行なうことを特徴とする、請求項１８に記載のコンピュータ記憶媒体。
20. 前記第２のエッチング工程のエッチング速度は、前記第１のエッチング工程のエッチング速度より小さいことを特徴とする、請求項１８に記載のコンピュータ記憶媒体。
    

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