JP2008243918A - ドライエッチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エッチングガスと保護膜形成用の反応ガスとの共存を原因とするエッチングレートの低下を抑制でき、かつ、保護膜の成膜レートを向上させることができる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は、真空槽内でプラズマを発生させて、基板をエッチングする工程と、基板に対向して配置された固体材料をスパッタして、エッチングパターンの側壁部に保護膜を形成する工程を、交互に繰り返して行うドライエッチング方法であって、保護膜の形成工程では、スパッタガスとして、希ガスに保護膜形成用の反応ガスを添加した混合ガスを用いる。好適には、スパッタガスに占める反応ガスの割合は、１０％以下とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えばシリコン基板の表面に高アスペクト比の孔やディープトレンチを形成するのに好適なドライエッチング方法に関する。

従来、シリコン基板の表面の加工には、プラズマエッチング（ドライエッチング）方法が広く用いられている。また、室温における原子状（ラジカル）フッ素とシリコンの反応は自発的であり比較的高いエッチングレートが得られることから、シリコン基板のエッチングには、エッチングガスとしてＳＦ₆、ＮＦ₃等のフッ素を含むガスが多用されている。

ところが、フッ素を含むエッチングガスを用いたシリコン基板のドライエッチングは等方的であるため、形成された凹部（エッチングパターン）の側壁部にもエッチングが進行する。このため、スルーホールやディープトレンチなどの微細でアスペクト比の高い凹部を高精度に形成することが困難であった。そこで近年、凹部の側壁面に保護膜を形成しながらエッチングを行うことで、エッチングの横方向の広がりを抑え、側壁面の垂直性を維持できるシリコン基板の深掘り加工技術が提案されている。

例えば特許文献１，２には、エッチング工程と保護膜形成工程を交互に繰り返して行うことで、エッチング工程で露出した凹部の底面および側壁面にポリマー層からなる保護膜を形成しながらエッチングを行う方法が開示されている。保護膜形成工程で凹部の側壁面に形成されたポリマー層は、凹部の底面に形成されたポリマー層に比べて、エッチング工程において除去される量が少ないため、この凹部の側壁面に形成されたポリマー層がエッチング保護膜として機能し、エッチング方向を凹部の深さ方向に制限した異方性エッチングが実現可能となる。

特に、特許文献１に記載の方法では、保護膜の成膜にＣＨＦ系ガスを用いたプラズマＣＶＤ法が採用されている。また、特許文献２に記載の方法では、保護膜の成膜に、基板に対向配置された固体材料に対するアルゴンガスを用いたスパッタ法が採用されている。

米国特許第５，５０１，８９３号明細書 ＷＯ２００６／００３９６２号公報

近年、シリコン基板の深掘り加工技術の必要性が高まり、生産性の向上が求められている。上述したドライエッチング技術において生産性を高めるためには、エッチング工程及び保護膜形成工程のそれぞれについて、エッチングレート及び成膜レートを高める必要がある。

しかし、特許文献１に記載のドライエッチング方法においては、保護膜の形成にプラズマＣＶＤ法を用いているので、チャンバ内に残留する成膜ガスの量によってエッチングレートが大きく左右されるという問題がある。図８は、エッチングガスとしてＳＦ₆ガス、成膜ガスとしてＣ₄Ｆ₈ガスを用いたときのエッチングレートに及ぼす残留成膜ガス量の影響を示している。図８から明らかなように、成膜ガスの残留量が多いほどエッチングレートの低下は著しい。特許文献１に記載のドライエッチング方法においては、エッチング及び保護膜形成の各工程の間隔が短くなるほどチャンバ内にエッチングガス及び成膜ガスが共存する時間が長くなるため、エッチングレートを向上させることが困難である。また、ガスの排気時間を長くすることでガスの共存を回避することも可能であるが、この場合、エッチング工程と保護膜形成工程の間隔が長くなるため、生産性が低下する。

一方、特許文献２に記載のドライエッチング方法においては、保護膜の形成にＡｒスパッタを採用しているので、プラズマＣＶＤ法で保護膜を形成する場合に比べて成膜レートが低いという問題がある。図９は、Ａｒプラズマを用いたスパッタ法による保護膜の成膜レートの一例を示しており、横軸はプラズマ励起源である高周波コイル（アンテナ）のパワーを表している。図９に示したように、アンテナパワーの増加に伴って成膜レートは上昇するが、アンテナパワーが一定以上になると成膜レートの上昇率は飽和する傾向にあり、アンテナパワーのみで成膜レートを上昇させるには限界がある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、エッチングガスと保護膜形成用のガスとの共存を原因とするエッチングレートの低下を抑制でき、かつ、保護膜の成膜レートを向上させることができるドライエッチング方法を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明のドライエッチング方法は、真空槽内でプラズマを発生させて、基板をエッチングする工程と、前記基板に対向して配置された固体材料をスパッタして、エッチングパターンの側壁部に保護膜を形成する工程を、交互に繰り返して行うドライエッチング方法であって、
前記保護膜の形成工程では、前記スパッタガスとして、希ガスに保護膜形成用の反応ガスを添加した混合ガスを用いることを特徴とする。

スパッタガスに上記混合ガスを用いることで、プラズマＣＶＤ法で保護膜を形成する場合に比べて真空チャンバへ導入する成膜ガスのガス量を少なくでき、排気時間を長くすることなくエッチングガスとの共存を回避してエッチングレートの低下を抑制することができる。また、希ガスに反応ガスを添加することで、Ａｒスパッタ法で保護膜を形成する場合に比べて成膜レートの向上が図れるようになる。本発明によれば、エッチングレートの低下を抑制できるとともに成膜レートの向上を実現でき、信頼性、生産性の高い深掘り加工プロセスを構築することができる。

保護膜の成膜レートは、希ガスを主体とするスパッタガスへの反応ガスの添加量に応じて高くなる。反応ガスの添加量は特に限定されないが、反応ガスの添加量が多いと、保護膜の成膜レートは向上する反面、エッチングガスとの切換えに必要な排気時間が長くなり、生産性が低下する。好適には、スパッタガスに示す反応ガスの割合は、１０％以下とする。

基板に対向して配置される固体材料は、形成すべき保護膜の構成材料に応じて選定され、ポリマー系の保護膜を形成する場合には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂が好適に用いられる。希ガスは、典型的にはＡｒが用いられ、ほかにＸｅ、Ｋｒ、Ｎ₂などを用いることができる。反応ガスは、ＣＦ系又はＣＨＦ系ガスが用いられ、好適には、Ｃ₄Ｆ₈又はＣＨＦ₃が用いられる。

本発明のドライエッチング方法は、真空槽内に磁気中性線を形成する磁場形成手段と、上記磁気中性線に沿って交番電場を形成する電場形成手段とを用いて発生されるプラズマを用いるのが好適である。このように発生されるプラズマは、ＮＬＤ（磁気中性線放電）と称される高密度プラズマの一形態であり、磁気中性線の形成位置、形成径を任意に調整することで面内均一性の高いプラズマ処理が実現可能である。

以上述べたように、本発明のドライエッチング方法によれば、保護膜形成用の成膜ガスとエッチングガスとの共存に起因するエッチングレートの低下を抑制できるとともに、保護膜の成膜レートを向上させることができる。これにより、信頼性および生産性の高い基板の深掘り加工を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態によるドライエッチング方法に用いられるドライエッチング装置２０の概略構成図である図示するドライエッチング装置は、ＮＬＤ（磁気中性線放電：magnetic Neutral Loop Discharge）型のプラズマエッチング装置として構成されている。

図１において、２１は真空槽であり、内部にプラズマ形成空間２１ａと基板処理部２１ｂを含む真空チャンバを形成している。真空槽２１にはターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）等の真空ポンプが接続され、真空槽２１の内部が所定の真空度に真空排気されている。

プラズマ形成空間２１ａは、真空槽２１の一部を構成する筒状壁２２の内部に形成されている。筒状壁２２は絶縁性の透明材料で構成されている。筒状壁２２の外周側には、第１高周波電源ＲＦ１に接続されたプラズマ発生用の高周波コイル（アンテナ）２３と、この高周波コイル２３の外周側に配置された三つの磁気コイル（電磁コイル）２４（２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ）がそれぞれ配置されている。なお、高周波コイル２３は本発明の「電場形成手段」を構成し、磁気コイル２４は本発明の「磁場形成手段」を構成している。

磁気コイル２４Ａと磁気コイル２４Ｃにはそれぞれ同一方向に電流が供給され、磁気コイル２４Ｂには他の磁気コイル２４Ａ，２４Ｃと逆方向に電流が供給される。その結果、プラズマ形成空間２１ａにおいて、磁場ゼロとなる磁気中性線２５がリング状に連続して形成され、高周波コイル２３により磁気中性線２５に沿って交番電場が形成されることで、磁気中性線２５に放電プラズマが発生される。

特に、ＮＬＤ方式のエッチング装置においては、磁場コイル２４Ａ〜２４Ｃに流す電流の大きさによって、磁気中性線２５の形成位置および大きさを調整することができる。すなわち、磁場コイル２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃに流す電流をそれぞれＩ_A，Ｉ_B，Ｉ_Cとしたとき、Ｉ_A＞Ｉ_Cの場合は磁気中性線２５の形成位置は磁場コイル２４Ｃ側へ下がり、逆に、Ｉ_A＜Ｉ_Cの場合は磁気中性線２５の形成位置は磁場コイル２４Ａ側へ上がる。また、中間の磁場コイル２４Ｂに流す電流Ｉ_Bを増していくと、磁気中性線２５のリング径は小さくなると同時に、磁場ゼロの位置での磁場の勾配が緩やかになる。これらの特性を利用することで、プラズマ密度分布の最適化を図ることができる。

一方、基板処理部２１ｂには、半導体ウエハを支持するステージ２６が設置されている。本実施形態では、半導体ウエハとしてシリコン基板が用いられる。基板の表面にはエッチング領域を画定するレジストマスクが形成されている。このステージ２６は、コンデンサ２７を介してバイアス電源としての第２高周波電源ＲＦ２に接続されている。また、ステージ２６の対向電極としてプラズマ形成空間２１ａの上部に天板２８が設置されている。天板２８には、コンデンサ２９を介して第３高周波電源ＲＦ３が接続されている。

また、天板２８のプラズマ形成空間２１ａ側の面には、スパッタにより基板表面にエッチング保護膜を形成するための固体材料（ターゲット）３１が取り付けられている。固体材料３１は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂材で形成されているが、これ以外にも、珪素材、炭素材、炭化珪素材、酸化珪素材、窒化珪素材等が適用可能である。

天板２８の近傍には、真空槽２１の内部にプロセスガスを導入するためのガス導入部３０が設置されている。プロセスガスは、希ガス、エッチングガスおよび保護膜形成用の反応ガスが含まれる。希ガスとしては、Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒ、Ｎ₂の少なくとも何れかが用いられ、エッチングガスとしては、ＳＦ₆、ＮＦ₃、ＳｉＦ₄、ＸｅＦ₂の少なくとも何れか又は希ガスとの混合ガスが用いられる。本実施形態では、エッチングガスとして、ＳＦ₆とＡｒの混合ガスが用いられる。

一方、保護膜形成用のプロセスガスとしては、希ガスに保護膜形成用の反応ガスを添加した混合ガスが用いられる。後述するように、保護膜形成用のプロセスガスは、天板２８に設置された固体材料３１のスパッタガスとして用いられる。このスパッタガスに希ガスと保護膜形成用の反応ガスとの混合ガスを用いることによって、保護膜の成膜レートの向上を図るようにしている。保護膜形成用の反応ガスとしては、Ｃ₄Ｆ₈、ＣＨＦ₃などのフロロカーボン系のガスが好適である。本実施形態では、スパッタガスをＡｒとＣ₄Ｆ₈の混合ガスで構成している。また、スパッタガスに占める反応ガス（Ｃ₄Ｆ₈）の割合は、１０％以下である。

以上のように構成される本実施形態のドライエッチング装置２０においては、ステージ２６上に載置された基板に対してエッチング工程と保護膜形成工程を交互に繰り返し行うことで、基板表面に高アスペクト比の孔またはディープトレンチを形成する。

図２は、本実施形態のドライエッチング装置２０の一動作例を示すタイミングチャートである。図２において、Ａは、ステージ２６に印加される第２高周波電源ＲＦ２の印加タイミング、Ｂは、天板２８に印加される第３高周波電源ＲＦ３の印加タイミング、Ｃは、真空槽２１の内部における圧力変化を示している。この例では、エッチング工程の処理圧力（プロセスガス導入量）は、保護膜形成工程のそれよりも高く設定されている。

エッチング工程において、真空槽２１の内部に導入されたエッチングガス（Ａｒ＋ＳＦ₆）は、プラズマ形成空間２１ａでプラズマ化し、生成されたイオンとラジカルによりステージ２６上の基板をエッチング処理する。このとき、第２高周波電源ＲＦ２からの電力投入で基板バイアスがＯＮとなり、イオンをステージ２６側へ加速させ、基板上のラジカル生成物をスパッタ除去してエッチング性を高める。すなわち、フッ素ラジカルがシリコンと反応してラジカル生成物を形成し、これをプラズマ中のイオンによるスパッタ作用で除去することで、シリコン基板のエッチング処理が進行する。

一方、エッチング工程を所定時間行った後、真空槽２１の内部に残留するエッチングガスが排気される。そして、成膜用のプロセスガス（Ａｒ＋Ｃ₄Ｆ₈）が真空槽２１の内部に導入されることで保護膜形成工程が開始される。導入されたプロセスガスは、プラズマ形成空間２１ａでプラズマ化する。このとき、基板バイアスはＯＦＦとなり、代わりに、第３高周波電源ＲＦ３からの電力投入で天板バイアスがＯＮとなる。その結果、天板２９に設置された固体材料３１はプラズマ中のイオンによりスパッタされ、そのスパッタ物が基板の表面および上述のエッチング工程で形成された凹部に付着する。以上のようにして、エッチング凹部の底面および側壁面に、保護膜として機能するポリマー層が形成される。

また、この保護膜形成工程において導入されるプロセスガス（スパッタガス）中の反応ガスは、プラズマ形成空間２１ａにおいてプラズマ化し、そのラジカル生成物が基板表面に堆積することによって保護膜として機能するポリマー層を形成する。なお、この反応ガスに起因するポリマー層は、固体材料３１のスパッタ作用によって形成されるポリマー層と同種の材料でもよいし、異種の材料でもよい。

ここで、上記反応ガスに起因する保護膜形成手法は、固体材料３１のスパッタ作用による保護膜形成手法と異なり、化学的蒸着法に順ずる薄膜形成プロセスを利用しているため、エッチング凹部に対して優れたカバレッジ性が得られる。したがって本実施形態によれば、固体材料３１のスパッタ作用のみによる保護膜形成手法に比べて、成膜レートの向上を図ることができるとともに、面内均一性の高い保護膜形成が可能となる。

保護膜形成工程を所定時間行った後、再び上述したエッチング工程が行われる。このエッチング工程の初期段階は、エッチング凹部の底面を被覆する保護膜の除去作用に費やされる。その後、保護膜の除去により露出したエッチング凹部の底面のエッチング処理が再開される。このとき、プラズマ中のエッチングガスのイオンは、基板バイアス作用によって基板に対して垂直方向に入射する。このため、エッチング凹部の側壁面を被覆する保護膜に到達するイオンは、エッチング凹部の底面に到達するイオンに比べて少ない。したがって、エッチング工程の間、エッチング凹部の側壁面を被覆する保護膜はほとんど除去されることなく残留する。これにより、エッチング凹部の側壁面とフッ素ラジカルとの接触が回避され、凹部の側壁面のエッチングによる侵食が防止される。

以後、上述のエッチング工程と保護膜形成工程が交互に繰り返し行われることで、基板表面に対して垂直方向の異方性エッチングが実現される。

本実施形態によれば、Ａｒと反応ガスの混合ガスを用いたスパッタ法によって保護膜を形成するようにしているので、従来のプラズマＣＶＤによる保護膜形成方法に比べて、成膜レートの向上を図ることができる。図３は、反応ガスの導入量と成膜レートとの関係を示す一実験結果である。本実施形態によれば、Ａｒスパッタによって得られる成膜レートとプラズマＣＶＤによって得られる成膜レートの総和に相当する成膜レートを得ることができる。

なお、成膜レートは、反応ガスの種類によって異なる。図４は、スパッタガスがＡｒ、ＡｒとＣ４Ｆ８の混合ガス、ＡｒとＣＨＦ₃の混合ガスの場合の成膜レートの違いを示している。スパッタガスがＡｒ単体のときと比べて、反応ガスとの混合ガスのときの方が高い成膜レートが得られることがわかる。なお本例において、Ａｒ及び反応ガス（Ｃ₄Ｆ₈、ＣＨＦ₃）の流量比は、Ａｒ／反応ガスの比で２８０／２０、処理圧力は０．１Ｐａ〜１Ｐａとした。

また、本実施形態によれば、保護膜形成用の反応ガスの導入量は、スパッタガス全体の１０％以下と少量であるため、ガスの切換えを短時間で行うことが可能となる。これにより、エッチング工程へ速やかな移行が確保される。また、チャンバ内におけるエッチングガスと保護膜形成ガスとの共存をほぼ回避できるので、高いエッチングレートを確保することができる。

以上のように、エッチング工程及び保護膜形成工程において、エッチングレート及び成膜レートをともに向上させることができるので、従来よりも高い生産性をもってシリコン基板の深掘り加工技術を構築することができる。さらに、保護膜形成用の反応ガスの導入量が少ないことから、プラズマＣＶＤに比べてチャンバ内壁への反応物の付着による汚染を低減でき、装置の稼働時間の向上を図ることができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態によるドライエッチング方法に用いられるドライエッチング装置４０の概略構成図である。なお、図において上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。

本実施形態では、天板２８が、可変コンデンサ４１を介して第１高周波電源ＲＦ１に接続されている点で、上述の第１の実施形態と異なっている。天板２８に対する高周波電力の入力およびその停止は、可変コンデンサ４１のＯＮ／ＯＦＦの切換えによって制御される。図６は、このドライエッチング装置４０の動作例を示すタイミングチャートである。

図６は、基板エッチング工程、エッチング保護膜形成工程、エッチング保護膜除去工程を１サイクルとして、３サイクルのタイミングを示している。図６において、Ａはスパッタガス（Ａｒと反応ガスの混合ガス）の導入タイミング、Ｂはエッチングガスの導入タイミング、Ｃは可変コンデンサ４１の切換えタイミング、Ｄは第１高周波電力ＲＦ１の出力電力の切換えタイミング、Ｅは第２高周波電力（基板バイアス電力）ＲＦ２の出力のＯＮ−ＯＦＦタイミングをそれぞれ示している。

まず、１サイクル目のｔ１で示される基板エッチング工程において、真空槽内部にエッチングガスが導入される。このとき、ステージ２６および天板２８へは高周波電力が供給されないように可変コンデンサ４１及び第２高周波電源はＯＦＦの状態にあり、第１高周波電源ＲＦ１から高周波コイル２３へプラズマ発生用の電力が供給され、基板のエッチング処理が行われる。

次に、ｔ２で示されるエッチング保護膜形成工程において、チャンバ内へのエッチングガスの導入を停止し、スパッタガスを導入する。そして、可変コンデンサ４１をＯＮとし、第１高周波電源ＲＦ１の出力を上げることで、天板２８に高周波電力を印加する。この状態で、天板２８に設置した固体材料３１がスパッタされ、基板上にエッチング保護膜が形成される。同時に、プラズマ中の反応ガスのラジカル生成物が基板上に堆積し保護膜を形成する。

次に、ｔ３で示されるエッチング保護膜除去工程においては、スパッタガスの導入を停止し、可変コンデンサ４１をＯＦＦにして天板２８への高周波電力の供給を停止する。更に、第２高周波電源ＲＦ２からステージ２６へ高周波電力を供給する。これにより、基板表面およびエッチング凹部の底面を被覆する保護膜が除去されるとともに、エッチング凹部の側壁を被覆する保護膜は除去されずに残留する。

次の２サイクル目および３サイクル目以降においても上述と同様な方法でｔ１〜ｔ３の各工程が交互に繰り返して行われることにより、基板上に所定深さのエッチング凹部が垂直方向に形成される。

本実施形態では、第１の実施形態で説明したエッチング工程を保護膜除去工程ｔ３とエッチング工程ｔ１の２段階で構成されている。本実施形態によっても上述の第１の実施形態と同様な作用効果を得ることができる。特に本実施形態によれば、第１の実施形態に比べて、高周波電源の設置数を低減することが可能となる。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施形態では、ＮＬＤ方式のドライエッチング装置を用いたドライエッチング方法について説明したが、エッチング装置はＮＬＤ方式に限られず、例えば、高周波コイルのみを用いたＩＣＰ方式のドライエッチング装置を用いることも可能である。

また、以上の実施形態では、スパッタガス用の希ガスにＡｒを用いたが、例えば窒素ガス（Ｎ₂）を用いることによっても一定の成膜レートを得ることができる。図７は、ＡｒスパッタとＮ₂スパッタの各々のスパッタレートを示す図である。

本発明の第１の実施形態において使用されるドライエッチング装置の概略構成図である。 本発明の第１の実施形態におけるドライエッチング装置の動作例を説明するタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態における反応ガスと成膜レートとの関係を説明する図である。 本発明の第１の実施形態における各種スパッタガスと成膜レートとの関係を説明する図である。 本発明の第２の実施形態において使用されるドライエッチング装置の概略構成図である。 本発明の第２の実施形態におけるドライエッチング装置の動作例を説明するタイミングチャートである。 ＡｒスパッタによるスパッタレートとＮ₂スパッタによるスパッタレートの一例を示す図である。 保護膜形成用の反応ガスの量とエッチングレートとの関係を説明する図である。 Ａｒスパッタにおけるアンテナパワーと成膜レートとの関係を説明する図である。

符号の説明

２０，４０ ドライエッチング装置
２１ 真空槽
２３ 高周波コイル
２４ 磁気コイル
２５ 磁気中性線
２６ ステージ
２８ 天板
３０ ガス導入部
３１ 固体材料
４１ 可変コンデンサ

Claims (6)

1. 真空槽内でプラズマを発生させて、基板をエッチングする工程と、前記基板に対向して配置された固体材料をスパッタして、エッチングパターンの側壁部に保護膜を形成する工程を、交互に繰り返して行うドライエッチング方法であって、
   前記保護膜の形成工程では、前記スパッタガスとして、保護膜形成用の反応ガスを希ガスに添加した混合ガスを用いる
   ことを特徴とするドライエッチング方法。
2. 前記スパッタガスに占める前記反応ガスの割合は、１０％以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載のドライエッチング方法。
3. 前記希ガスはＡｒであり、前記反応ガスはＣ₄Ｆ₈又はＣＨＦ₃である
   ことを特徴とする請求項１に記載のドライエッチング方法。
4. 前記プラズマは、前記真空槽内に磁気中性線を形成する磁場形成手段と、前記磁気中性線に沿って交番電場を形成する電場形成手段とを用いて発生させる
   ことを特徴とする請求項１に記載のドライエッチング方法。
5. 前記基板は、シリコン基板である
   ことを特徴とする請求項１に記載のドライエッチング方法。
6. 前記固体材料は、フッ素系樹脂である
   ことを特徴とする請求項１に記載のドライエッチング方法。

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