JP2009182059A

JP2009182059A - ドライエッチング方法

Info

Publication number: JP2009182059A
Application number: JP2008018156A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Katagiri; 憲明片桐
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-01-29
Filing date: 2008-01-29
Publication date: 2009-08-13

Abstract

【課題】トレンチの上部と下部とで形状を変えたトレンチを形成できるドライエッチング方法を提供する。
【解決手段】基体の凹部の内面に第１の保護膜を形成し、第１のバイアス電力を用いて第１のエッチングを行った後、前記第１のバイアス電力よりも低い第２のバイアス電力を用いて第２のエッチングを行うことにより、前記第１の保護膜のうち前記凹部の底面の部分を除去して前記基体をエッチングする第１のサイクルを複数回繰り返す第１の加工と、前記凹部の内面に第２の保護膜を形成し、第３のバイアス電力を用いて第３のエッチングを行った後、前記第３のバイアス電力よりも低い第４のバイアス電力を用いて第４のエッチングを行うことにより、前記第２の保護膜のうち前記凹部の底面の部分を除去して前記基体をエッチングする第２のサイクルを複数回繰り返す第２の加工と、の間に、前記凹部の内面に、第３の保護膜を形成すること。
【選択図】図１

Description

本発明は、保護膜の形成とエッチングとを繰り返して基板を加工するドライエッチング方法に関する。

半導体装置やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System：微小電子機械システム）等の微細構造体を形成する際に、基板に深いトレンチを形成する方法として、Ｂｏｓｃｈプロセスが知られている。Ｂｏｓｃｈプロセスでは、保護膜の形成とエッチングとを繰り返すことにより、基板に深いトレンチを形成する。
すなわち、基板の表面に、エッチングマスクを所定形状にパターニングして形成した後、例えば、ＳＦ_６ガスのプラズマにより、基板をエッチングして凹部を形成する。その後、Ｃ_４Ｆ_８ガスのプラズマにより、この凹部の内面上に保護膜を形成する。その後、ＳＦ_６プラズマによるエッチングを施すことにより、凹部の側面上には保護膜を残したまま、凹部の底面上の保護膜のみを除去し、凹部の下方を更にエッチングする。以後、同様にして、保護膜の形成とエッチングとを繰り返すことにより、基板に深いトレンチを形成する。また、その際、アスペクト比の高いトレンチを形成するために、保護膜の一部にエッチング耐性の高い保護膜を用いる技術が開示されている（特許文献１）。

トレンチの形成において、トレンチの上部（開口部付近）と上部以外の領域（トレンチの深い部分）とで、トレンチの壁面の角度を変化させる技術が望まれている。例えば、形成されたトレンチの内部に所望の膜をエピタキシャル成長させる際に、エピタキシャル膜にボイドが発生しないように、トレンチの上部のみをテーパ形状にする技術が要求されている。通常の方法では、トレンチの上部をテーパ形状にした後に、底部を垂直にエッチングしようとしても、上部以外の部分のトレンチの幅が広がり、結果として、上部のテーパ形状が損なわれたほぼ垂直の壁面が形成されてしまうという問題があった。
特開２０００−２９９３１０号公報

本発明の目的は、トレンチの上部にテーパ形状を設ける等、トレンチの上部と下部とで形状を変えたトレンチを形成できるドライエッチング方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、基体の表面に形成された凹部の内面に第１の保護膜を形成し、第１のバイアス電力を用いて第１のエッチングを行った後、前記第１のバイアス電力よりも低い第２のバイアス電力を用いて第２のエッチングを行うことにより、前記第１の保護膜のうち前記凹部の底面の部分を除去して前記基体をエッチングする第１のサイクルを複数回繰り返す第１の加工と、前記凹部の内面に第２の保護膜を形成し、第３のバイアス電力を用いて第３のエッチングを行った後、前記第３のバイアス電力よりも低い第４のバイアス電力を用いて第４のエッチングを行うことにより、前記第２の保護膜のうち前記凹部の底面の部分を除去して前記基体をエッチングする第２のサイクルを複数回繰り返す第２の加工と、の間に、前記凹部の内面に、前記第２の保護膜よりも耐エッチング性の高い第３の保護膜を形成することを特徴とするドライエッチング方法が提供される。

本発明によれば、トレンチの上部にテーパ形状を設ける等、トレンチの上部と下部とで形状を変えたトレンチを形成できるドライエッチング方法が提供される。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、以下の各図については、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施の形態）
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法を例示するフローチャート図である。
図１に表したように、本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法においては、まず、基板（基体）の表面に形成された凹部の内面に第１の保護膜を形成する（ステップＳ１１０）。なお、基板には例えばシリコン基板が用いられ、また、凹部は、所定形状を有するエッチングマスクを基板の表面に形成し、エッチングマスクの開口部をエッチングすることによって設けることができる。そして、基板とエッチングマスクとが被加工体２０となる。
次に、第１のバイアス電力を用いて第１のエッチングを行う（ステップＳ１２０）。
そして、第１のバイアス電力より低い第２のバイアス電力を用いて第２のエッチングを行う（ステップＳ１３０）。このステップＳ１２０とステップＳ１３０により、第１の保護膜のうち凹部の底面の部分を除去し、基板をエッチングする。
このステップＳ１１０〜ステップＳ１３０の１回の実施が、１回の第１のサイクル１０１であり、そして、第１の加工１００では、第１のサイクル１０１（ステップＳ１１０〜ステップＳ１３０）を複数回繰り返す。

そして、第３の保護膜を形成する（ステップＳ１９０）。

その後、凹部の内面に第２の保護膜を形成する（ステップＳ２１０）。
次に、第３のバイアス電力を用いて第３のエッチングを行う（ステップＳ２２０）。
そして、第３のバイアス電力より低い第４のバイアス電力を用いて第４のエッチングを行う（ステップＳ２３０）。このステップＳ２２０とステップＳ２３０により、第２の保護膜のうち凹部の底面の部分を除去し、基板をエッチングする。
このステップＳ２１０〜ステップＳ２３０の１回の実施が、１回の第２のサイクル２０１であり、そして、第２の加工２００では、第２のサイクル２０１（ステップＳ２１０〜ステップＳ２３０）を複数回繰り返す。

以下、本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法に使用されるドライエッチング装置の例を説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法で使用されるドライエッチング装置の構成を例示する模式断面図である。
図２に表したように、第１の実施形態に係るドライエッチング方法で使用されるドライエッチング装置１には、チャンバー２が設けられている。チャンバー２は、チャンバー２の例えば上部を構成するプラズマ発生室３と、チャンバー２の例えば下部を構成する反応室４を有する。なお、プラズマ発生室３と反応室４とは相互に連通している。
プラズマ発生室３には、ガス導入口６が設けられており、ガス導入口６からは、チャンバー２の内部に、例えば、ＳＦ_６ガス、Ｏ_２ガス及びＣ_４Ｆ_８ガスが相互に独立に導入することができる。また、プラズマ発生室３の外部には、プラズマ発生室３の外面に沿ってコイル１１が巻回されており、このコイル１１はＲＦ（Radio Frequency）電源１２に接続されている。そして、プラズマ発生室３において、このコイル１１に印加する高周波電力によってプラズマを発生させることができる。なお、ＲＦ電源１２がコイル１１に印加する高周波電力を「ソース電力」と言う。

また、反応室４の内部には、バイアス電極１３が設けられており、このバイアス電極１３はチャンバー２の外部に設けられたＲＦ電源１４に接続されている。バイアス電極１３の上部に、被加工体２０（エッチングマスクを有する基板）が保持される。そして、バイアス電極１３に印加される高周波電力によって、プラズマ発生室３において発生したプラズマが、被加工体２０に導引され、被加工体２０のエッチング及び保護膜の形成が行われる。なお、ＲＦ電源１４がバイアス電極１３に印加する高周波電力を「バイアス電力」と言う。
なお、反応室４には、排気口７が設けられ、排気口７は、例えば、排気管９、排気バルブを経て排気ポンプ８に連通されている。また、ドライエッチング装置１には、圧力計等の通常の付属機器を設けることができる。

次に、本実施形態のドライエッチング方法における基板加工の機構を説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法による被加工物の形状を例示する模式断面図である。
図３（ａ）は、加工開始前の状態を示し、（ｂ）は凹部の内面に保護膜を形成した状態を示し、（ｃ）は凹部の底面の保護膜を除去した状態を示し、（ｄ）は更にエッチングを行って新たな凹部を形成した状態を示す。
まず、図３（ａ）に表したように、シリコンからなる基板２１の上に所定の形状のパターンで、所定の開口部２２ａを設けたエッチングマスク２２を形成し、被加工体２０とする。

そして、被加工体２０を、ドライエッチング装置１のバイアス電極１３の上部に設置し、チャンバー２内を排気した後、チャンバー２内にＳＦ_６ガス及びＯ_２ガスを導入すると共に、ＲＦ電源１２を作動させて、コイル１１に高周波電力（ソース電力）を供給する。これにより、プラズマ発生室３においてＳＦ_６ガスによるＳＦ_６プラズマが発生する。この状態でＲＦ電源１４を作動させて、バイアス電極１３に高周波電力（バイアス電力）を印加する。この結果、被加工体２０にバイアス電力が印加され、ＳＦ_６プラズマにより被加工体２０がエッチングされる。
これにより、図３（ｂ）に示すように、基板２１の表面におけるエッチングマスク２２の開口部２２ａにおいて露出した領域に、凹部２３ａが形成される。

その後、図１に例示したステップＳ１１０を行う。
すなわち、ＳＦ_６ガス及びＯ_２ガスに代えて、チャンバー２内にＣ_４Ｆ_８ガスを導入し、Ｃ_４Ｆ_８ガスによるＣ_４Ｆ_８プラズマを発生させる。
これにより、図３（ｂ）に表したように、このＣ_４Ｆ_８プラズマによって、被加工体２０の全面に有機材料からなる第１の保護膜２４が形成される。なお、第１の保護膜２４は略等方的に形成されるため、凹部２３ａの内面にも形成される。
次に、図１に例示したステップＳ１２０として、以下を行う。
すなわち、Ｃ_４Ｆ_８ガスに代えて、チャンバー２内にＳＦ_６ガス及びＯ_２ガスを導入し、ＳＦ_６プラズマを生成する。そして、第１のバイアス電力Ｅ_１として、例えば、８０Ｗに設定し、第１のエッチングを行う。第１のバイアス電力Ｅ_１は、高いバイアス電力なので、被加工体２０が異方的にエッチングされる。
これにより、図３（ｃ）に示すように、被加工体２０に形成された第１の保護膜２４のうち、凹部２３ａの底面の部分のみが選択的に除去される。

次に、図１に例示したステップＳ１３０として、以下を行う。
すなわち、第２のバイアス電力Ｅ_２として、例えば、４０Ｗに設定し、第２のエッチングを行う。このとき、基板２１の表面における凹部２３ａ以外の領域はエッチングマスク２２によって保護されており、また、凹部２３ａの側面は第１の保護膜２４によって保護されているため、凹部２３ａの底面のみが選択的にエッチングされる。この時、第２のバイアス電力Ｅ_２は、バイアス電力が低いため、第１の保護膜２４によって凹部２３ａの側面を適正な状態で保護しつつ、凹部２３ａの底面部の基板２１のみをエッチングすることができる。
この結果、図３（ｄ）に示すように、凹部２３ａの下方に凹部２３ｂが形成される。

以上のステップＳ１１０〜ステップＳ１３０の実施が、１回の第１のサイクル１０１となる。そして、この第１のサイクル１０１を複数回繰り返すことにより、第１の加工１００が行われ、基板２１にトレンチを形成することができる。

また、図１に例示した第２の加工２００におけるステップＳ２１０〜Ｓ２３０でも、上記のステップＳ１１０〜Ｓ１３０と同様に加工が行われる。そして、ステップＳ２１０〜Ｓ２３０の１回の実施が、１回の第２のサイクル２０１となる。そして、この第２のサイクル２０１を複数回繰り返すことにより、第２の加工２００が行われ、基板２１にトレンチを形成することができる。

なお、上記において、保護膜２４（第１の保護膜及び第２の保護膜）には、例えば、Ｃ_４Ｆ_８ガスのプラズマを用いて成膜した有機膜を用いることができる。
また、第１、第２、第３、第４のエッチングには、ＳＦ_６ガスのプラズマを用いることができる。また、第１、第２、第３、第４のエッチングには、Ｏ_２ガスを混合したＳＦ_６ガスのプラズマを用いても良い。

図４は、本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法の処理条件を例示するグラフ図である。
図５は、本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法における被加工物の形状を例示する模式断面図である。
図４の横軸は、各サイクルの回数Ｎを示し、縦軸は、第１〜第４のエッチングにおけるバイアス電力を示す。そして、図中の実線は、第１のバイアス電力Ｅ_１と第３のバイアス電力Ｅ_３を示し、破線は、第２のバイアス電力Ｅ_２と第４のバイアス電力Ｅ_４を示す。また、図４に例示した処理条件は、トレンチの上部にテーパ形状を持たせ、トレンチの上部以外の部分は、基板面に対して実質的に垂直な側壁、または上部のテーパよりも傾斜のついたテーパ形状の側壁を形成する場合の処理条件の一例である。すなわち、トレンチの上部に上部テーパ部があり、上部より深い位置に、上部の側壁（側面）の基板表面に対する角度より実質的に大きい角度の側壁（側面）を有する部分を形成する場合の処理条件の一例である。
図４に表したように、本実施形態に係るドライエッチング方法においては、第１の加工１００として、第１のサイクル１０１を３０回実施する（Ｎ_１＝３０）。すなわち、図４において、横軸のＮが１〜３０の部分が第１の加工１００である。そして、その後、第３の保護膜を形成するステップＳ１９０を実施する。そして、それに引き続いて、第２の加工２００として、第２のサイクル２０１を７６回実施する（Ｎ_２＝７６）。すなわち、Ｎが３１〜１０６の部分が第２の加工２００である。なお、図４は、第２の加工２００では、第２のサイクル２０１の回数７６回のうち、前半の３８回（Ｎが３１〜６８）と、後半の３８回（Ｎが６９〜１０６）とで、バイアス電力のサイクルの回数Ｎに対する変化を変化させた例である。

そして、図４の実線と破線で表したように、１サイクル内において、第２のバイアス電力Ｅ_２は、第１のバイアス電力Ｅ_１より小さく設定されている。これにより、高バイアス電力の第１のバイアス電力Ｅ_１を用いた第１のエッチングで、第１の保護膜のうちの凹部２３ａの底面の部分を効率的に除去できる。そして、その後、バイアス電力の小さい第２のバイアス電力Ｅ_２を用いた第２のエッチングにより、側面部に残存している第１の保護膜によって凹部２３ａの側面を適正な状態で保護しつつ、第１の保護膜から露出した凹部２３ａの底面部の基板２１をエッチングできる。

同様に、図４の実線と破線で表したように、１サイクル内において、第４のバイアス電力Ｅ_４は、第３のバイアス電力Ｅ_３より小さく設定されている。これにより、高バイアス電力の第３のバイアス電力Ｅ_３を用いた第３のエッチングで、第２の保護膜のうちの凹部２３ａの底面の部分を効率的に除去できる。そして、その後、バイアス電力の小さい第２のバイアス電力Ｅ_４を用いた第４のエッチングにより、側面部に残存している第２の保護膜によって凹部２３ａの側面を適正な状態で保護しつつ、第２の保護膜から露出した凹部２３ａの底面部の基板２１をエッチングできる。

そして、図４に表したように、第１のバイアス電力Ｅ_１と第２のバイアス電力Ｅ_２は、第１のサイクルの回数Ｎ_１が増えるにつれて、低下している。これにより、第１のサイクル１０１の回数Ｎ_１が増えるに連れ、すなわち、深く掘り進むに連れ、凹部２３ａの底面の第１の保護膜の除去の程度が小さくなる。これにより、第１の保護膜から露出する基板２１の面積を小さくでき、第１のサイクルの回数Ｎ_１が増えるにつれて、凹部２３ａの断面積が小さくできる。
これにより、図５（ａ）に表したように、トレンチの上部(基板２１の表面２１ａに近い領域）に、テーパ形状５５を設けることができる。

また、図４に表したように、同一の第１のサイクル１０１内において、第１のバイアス電力Ｅ_１と第２のバイアス電力Ｅ_２との差は、第１のサイクル１０１の回数Ｎ_１の増大につれて縮小している。これにより、基板２１の表面２１ａに近い領域では、基板２１の主面（表面２１ａ）に垂直な方向のエッチング速度が、水平な方向のエッチング速度より高い異方性が高いエッチングが行われ、その後、表面２１ａから深く掘り進むにつれて、その異方性が低下するエッチングが行われる。
これにより、図５（ａ）に例示したテーパ形状５５をより形成し易くできる。

なお、図４の例では、第１のサイクル１０１の回数Ｎ_１が増すに連れ、第１のバイアス電力Ｅ_１と第２のバイアス電力Ｅ_２を低下させることと、第１のバイアス電力Ｅ_１と第２のバイアス電力Ｅ_２との差を縮小させることを同時に行っているが、どちらか一方を実施しても良い。

そして、この後、図５（ｂ）に表したように、第３の保護膜３２４を形成する（ステップＳ１９０）。この第３の保護膜３２４の耐エッチング性は、この後形成される第２の保護膜の耐エッチング性より高い。すなわち、第１の加工１００と第２の加工２００の間に、凹部の内面に、第２の保護膜より耐エッチング性の高い第３の保護膜を形成する。これにより、この後実施される第２の加工によってテーパ形状５５が損なわれることを実質的に防止することができる。

そして、図４に表したように、第２の加工２００を開始する。
この時、第３の保護膜３２４は、この後形成される第２の保護膜よりは高い耐エッチング性を有するが、ある程度のエッチング性を有するように設定できるので、第３の保護膜３２４の凹部２３ａの底面の部分を除去し、それ以外の部分は残存させることができる。これにより、図５（ｃ）に表したように、第３の保護膜３２４の凹部２３ａの底面の部分から、基板２１がエッチングでき、基板２１を掘り進めることができる。

そして、図４に表したように、第３のバイアス電力Ｅ_３と第４のバイアス電力Ｅ_４は、第２のサイクルの回数Ｎ_２が増えるにつれて、上昇している。一般に、深く掘り進むに連れ、凹部２３ａの底面付近においてエッチングイオンの供給が不足する状態となり、トレンチが先細りの形状となるが、このように、第３のバイアス電力Ｅ_３と第４のバイアス電力Ｅ_４を、第２のサイクルの回数Ｎ_２が増えるにつれて上昇させることにより、これが防止できる。
これにより、図５（ｄ）に表したように、テーパ形状５５より深い位置において、基板２１の表面２１ａに対して実質的に垂直な側面を有する所望の形状のトレンチを形成することができる。

また、同一の第２のサイクル２０１内において、第３のバイアス電力Ｅ_３と第４のバイアス電力Ｅ_４との差を、第２のサイクル２０１の回数の増大につれて拡大している。すなわち、深く堀り進むに連れ、異方性の高いエッチングを行う。これにより、エッチングイオンの供給不足に起因した先細り形状を効果的に防止でき、基板２１の表面２１ａに対して実質的に垂直な側面を有する所望の形状のトレンチを形成することができる。
これにより、図５（ｄ）に表したような、テーパ形状５５より深い位置において、基板２１の表面２１ａに対して実質的に垂直な側面を有する所望の形状のトレンチをより形成し易くできる。

なお、図４の例では、第２のサイクル２０１の回数Ｎ_２が増すに連れ、第３のバイアス電力Ｅ_３と第４のバイアス電力Ｅ_４を増大させることと、第３のバイアス電力Ｅ_３と第４のバイアス電力Ｅ_４との差を拡大することを同時に行っているが、どちらか一方を実施しても良い。

上記のように、本実施形態に係るドライエッチング方法においては、第３の保護膜３２４の耐エッチング性を第２の保護膜のエッチング性より高くするが、これは以下のようにして実現できる。
例えば、第３の保護膜３２４の膜厚は、第２の保護膜の厚さより厚くすることができる。これにより、第３の保護膜３２４の耐エッチング性を第２の保護膜の耐エッチング性より高くすることができる。
第３の保護膜３２４には、第１、第２の保護膜の形成に用いたガスと同じガス（例えば、Ｃ_４Ｆ_８ガス）を用いることができる。その際、第３の保護膜３２４の成膜時間を第２の保護膜の成膜時間より長くすることで、第３の保護膜３２４の膜厚を第２の保護膜の膜厚より厚くでき、第３の保護膜３２４の耐エッチング性を第２の保護膜の耐エッチング性より高くすることができる。また、例えば、第３の保護膜３２４の成膜時のガス流量を第２の保護膜の成膜時のガス流量より大きくすることで、第３の保護膜３２４の膜厚を第２の保護膜の膜厚より厚くでき、第３の保護膜３２４の耐エッチング性を第２の保護膜の耐エッチング性より高くすることができる。

さらには、第３の保護膜３２４の成膜時に、第２の保護膜の成膜時に用いるガスの種類とは異なる種類のガスを用いることで、第３の保護膜３２４の耐エッチング性を第２の保護膜の耐エッチング性より高くすることができる。例えば、第２の保護膜の成膜時にＣ_４Ｆ_８ガスを用い、第３の保護膜３２４の成膜時にＯ_２ガスを用いる。これにより、第２の保護膜は有機物となり、第３の保護膜３２４は酸化物（シリコン酸化物）となるため、第３の保護膜３２４の耐エッチング性を第２の保護膜の耐エッチング性より大きくできる。
なお、第３の保護膜３２４の耐エッチング性は、第１の保護膜の耐エッチング性より高くても良い。

以下、第１の実施例について説明する。
（第１の実施例）
第１の実施例のドライエッチング方法における第１〜第４のエッチングにおいては、図４に例示した条件の第１〜第４のバイアス電力Ｅ_１〜Ｅ_４を用いた。そして、第１〜第４のエッチングには、ＳＦ_６ガスとＯ_２ガスの混合ガスによるプラズマを用いた。
また、第１の保護膜及び第２の保護膜の形成においては、Ｃ_４Ｆ_８ガスによるプラズマを用い、Ｃ_４Ｆ_８ガスの流量を５００ｓｃｃｍとし、１サイクルの成膜時間を０．６秒とした。
そして、第３の保護膜３２４の形成においては、同様にＣ_４Ｆ_８ガスのプラズマを用い、成膜時間を１．５秒とした。これにより、第３の保護膜のエッチング耐性は、第２の保護膜（及び第１の保護膜）のエッチング耐性より高くされている。

図６は、本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法によるトレンチの形状を例示する模式断面図である。
図６に表したように、基板２１に設けられたトレンチ５０において、基板２１の上部５１０（表面２１ａに近い領域）、基板２１の下部５２０（底面２１ｃ側に近い領域）、及び、その中間部５２０、のそれぞれで、テーパ形状が異なっており、その時、基板２１の上部５１０、基板２１の下部５２０及び中間部５２０のそれぞれの側面５２と、基板２１の表面２１ａと平行な面とのなす角度を、それぞれ、上部テーパ角θ_１、中間部テーパ角θ_２、下部テーパ角θ_３とする。

第１の実施例のドライエッチング方法により、基板２１にトレンチ５０を形成し、トレンチ５０の断面形状を走査型電子顕微鏡により観察し、図６の定義に従って、上部テーパ角θ_１、中間部テーパ角θ_２、下部テーパ角θ_３を求めた。

その結果、上部テーパ角θ_１が８８．４度、中間部テーパ角θ_２が９０．０度、下部テーパ角θ_３が８９．７度と、トレンチ５０の上部５１０のみにテーパ形状５５を有し、それ以外の中間部５２０や下部５３０では、基板２１の表面２１ａに対して実質的に垂直な形状のトレンチを形成することができた。

（第１の比較例）
第１の比較例のドライエッチング方法では、上記の実施形態のドライエッチング方法における第３の保護膜３２４の形成を行わない。すなわち、図１に例示したフローチャート図において、ステップＳ１９０が設けられていない。従って、第１の加工１００と第２の加工２００の区別がなく、全てが、第１の加工１００となり、第１の保護膜の形成（ステップＳ１１０）、第１のバイアス電力Ｅ_１による第１のエッチング（ステップＳ１２０）、第２のバイアス電力Ｅ_２による第２のエッチング（ステップＳ１３０）を第１のサイクル１０１として、それを複数回実施した。

図７は、第１の比較例のドライエッチング方法の処理条件を例示するグラフ図である。図７に表したように、第１の比較例では、第１のバイアス電力Ｅ_１より第２のバイアス電力Ｅ_２を低く設定した。そして、第１のサイクル１０１の回数Ｎ_１は１０８回とした。この第１、第２のバイアス電力Ｅ_１、Ｅ_２の設定及び第１のサイクル１０１の回数Ｎ_１を変えたことと、第３の保護膜３２４を設けない以外の条件は、第１の実施例と同様とした。そして、基板２１にトレンチ５０を形成し、トレンチ５０の上部５１０、中間部５２０、下部５３０のテーパ角を測定した。

その結果、上部テーパ角θ_１は８９．６度、中間部テーパ角θ_２が９０．０度、下部テーパ角θ_３が８８．５度となり、基板２１の上部５１０にテーパ形状５５を設けることができなかった。また、中間部５２０及び下部５３０の側壁の基板２１の表面２１ａに対する角度は、上部５１０の側壁の基板２１の表面２１ａの角度と実質的に同等または小さくなった。

第１の比較例において、トレンチ５０の上部５１０にテーパ形状が形成できなかったのは、以下のように説明できる。
図８は、第１の比較例のドライエッチング方法における被加工物の形状を例示する模式断面図である。
第１の比較例においても、図７に表したように、１サイクル内において、第２のバイアス電力Ｅ_２は、第１のバイアス電力Ｅ_１より小さく設定されている。これにより、高バイアス電力の第１のバイアス電力Ｅ_１を用いた第１のエッチングで、第１の保護膜のうち凹部２３ａの底面の部分を効率的に除去できる。そして、その後、バイアス電力の小さい第２のバイアス電力Ｅ_２を用いた第２のエッチングにより、側面部に残存している第１の保護膜に与えるダメージを可及的小さくしつつ、第１の保護膜から露出した凹部２３ａの底面をエッチングできる。

これにより、基板２１に凹部２３ａが掘り進まれ、そして、図８（ａ）に表したように深く掘り進むにつれて、第１の保護膜がエッチングしにくくなり、基板２１の上部にテーパ形状５５が一旦形成される。

その後、加工のサイクルが続けられるが、この時、テーパ形状５５の部分は、エッチングイオンの入射方向に対して傾斜しており、高耐エッチング性の第３の保護膜が無いため、凹部２３ａの底面部ほどではないが、エッチングイオンによりエッチングされる。このため、図８（ｂ）に例示したように、テーパ形状５５の形状をそのまま維持されず、凹部２３ａの底面方向へ掘り進むのと同時に、側面５２もエッチングされ、実質的に垂直の壁面が形成される。

そして、その後の加工のサイクルを行うと、図８（ｃ）に例示したように、基板２１の上部から下部まで、ほぼ同じ形状の壁面が形成される、これにより、第１の比較例では、中間部５２０及び下部５３０の側壁の基板２１の表面２１ａに対する角度は、上部５１０の側壁の基板２１の表面２１ａの角度と実質的に同等または小さくなった。

これに対し、既に説明したように、第１の実施例においては、耐エッチング性の高い第３の保護膜３２４を設けるので、基板２１の上部５１０に形成されたテーパ形状５５の形を維持でき、その結果、上部５１０ではテーパ形状で、中間部５２０及び下部５３０では、上部５１０の側壁の基板２１の表面２１ａに対する角度より実質的に大きい角度の側壁を有する形状のトレンチを形成できた。

なお、上記の実施例においては、第３、第４のバイアス電力Ｅ_３、Ｅ_４は図４に表したように、第２のサイクルの回数Ｎ_２の前半３８回と後半３８回とで、バイアス電力のサイクル回数Ｎに対する変化を変えた例であるが、これには制限されない。
図９は、本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法の別の処理条件を例示するグラフ図である。
図９に表したように、本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法の別の処理条件では、第２の加工２００において、バイアス電力のサイクルの回数Ｎに対する変化を一定としたものである。それ以外は、図４の例と同様に、第１のバイアス電力Ｅ_１と第２のバイアス電力Ｅ_２は、第１のサイクルの回数Ｎ_１の増大につれて低下し、また、第３のバイアス電力Ｅ_３と第４のバイアス電力Ｅ_４は、第２のサイクルの回数Ｎ_２の増大につれて上昇している。そして、同一の第１のサイクル１０１内の第１のバイアス電力Ｅ_１と第２のバイアス電力Ｅ_２との差は、第１のサイクル１０１の回数Ｎ_１の増大につれて縮小し、同一の第２のサイクル２０１内の第３のバイアス電力Ｅ_３と第４のバイアス電力Ｅ_４との差は、第２のサイクル２０１の回数Ｎ_２の増大につれて拡大している。

これにより、上部５１０ではテーパ形状で、中間部５２０及び下部５３０では、実質的に基板２１の表面２１ａに垂直な形状、すなわち、上部５１０の側壁の基板２１の表面２１ａに対する角度より実質的に大きい角度の側壁を有する形状のトレンチを形成できる。

また、図４及び図９では、第１のバイアス電力Ｅ_１と第２のバイアス電力Ｅ_２の両方が、第１のサイクルの回数Ｎ_１の増大につれて低下している例であるが、どちらか一方でも良い。

図１０は、本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法の別の処理条件を例示するグラフ図である。
図１０に表したように、本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法の別の処理条件では、第１のバイアス電力Ｅ_１は、第１のサイクルの回数Ｎ_１の増大につれて低下しているが、第２のバイアス電力Ｅ_２は、一定とされている。このように、第１のバイアス電力Ｅ_１と第２のバイアス電力Ｅ_２の少なくともいずれかが、第１のサイクルの回数Ｎ_１の増大につれて低下するように設定しても良い。
また、第３のバイアス電力Ｅ_３と第４のバイアス電力Ｅ_４に関しても、第３のバイアス電力Ｅ_３と第４のバイアス電力Ｅ_４の少なくともいずれかが、第２のサイクルの回数Ｎ_２の増大につれて、上昇するように設定しても良い。
また、図１０に例示したように、第１のバイアス電力Ｅ_１のサイクルの回数Ｎに対する変化を、第１の加工１００の間で変化させている。すなわち、第１のサイクルの回数Ｎ_１が１〜１２の場合と、第１のサイクルの回数Ｎ_１が１３〜３０の場合とで、第１のバイアス電力Ｅ_１のサイクルの回数Ｎに対する変化（実線の傾き）を変えている。
このように、第１〜第４のバイアス電力Ｅ_１〜Ｅ_４のサイクル回数Ｎに対する変化は、目的とするトレンチのテーパ形状５５のテーパ角や深さ等に応じて、適切に設定できる。

また、図６、図９及び図１０に例示した、第１〜第４のバイアス電力Ｅ_１〜Ｅ_４の設定条件の例は、一例であり、本発明は、これには制限されない。
すなわち、基板２１に各種の形状のトレンチを形成するにあたり、第１の形状を設けた後に、その第１の形状より深い位置に、第１の形状とは異なる第２の形状を設ける場合、すなわち、上部５１０はテーパ形状５５を有し、上部５１０より深い位置では、上部のテーパ形状５５の側壁の基板２１の表面２１ａに対する角度よりも大きい角度の側壁を有する構造を形成する場合の全てに対して、本実施形態のドライエッチング方法は適用できる。

すなわち、第１の形状を設ける第１の加工１００の後に、高耐エッチング性の第３の保護膜３２４を形成し、その後に第２の形状を設ける第２の加工２００を行う。その際、第３の保護膜３２４の耐エッチング性が、第２の加工２００の第２の保護膜の耐エッチング性より高いことにより、第１の形状を維持したまま、第１の形状とは異なる第２の形状の形成を行うことができる。そして、第１の加工１００においては、高バイアス電力の第１のバイアス電力Ｅ_１の後に低バイアス電力の第２のバイアス電力Ｅ_２でエッチングすることにより、第１の保護膜によって側面を適正に保護しつつ、所望の形状の第１の形状を効率的に形成できる。また、第２の加工２００においては、高バイアス電力の第３のバイアス電力Ｅ_３の後に低バイアス電力の第４のバイアス電力Ｅ_４でエッチングすることにより、第２の保護膜によって適正に保護しつつ、所望の形状の第２の形状を効率的に形成できる。

さらに、第１〜第４のエッチングにおいて、バイアス電力Ｅ_１〜Ｅ_４の設定条件を変えるだけでなく、第１〜第４のエッチング時間の他、それぞれで使用するガス種、ガス流量及びソース電力等を変えても良い。

また、第１の保護膜及び第２の保護膜の耐エッチング性を、例えば、第１の加工１００と第２の加工２００の中で、サイクルの回数に従って変えることによっても、種々の形状のトレンチを形成することができる。例えば、第１の保護膜及び第２の保護膜の形成における、使用ガス種、ガス流量、成膜時間、ソース電力等を、第１の加工１００と第２の加工２００の中で、サイクルの回数に従って変えても良い。

このように、第１の加工１００の実施中に、第１の保護膜、第１のエッチング、第２のエッチングの各処理条件を変え、また、第２の加工２００の実施中に、第２の保護膜、第３のエッチング、第４のエッチングの各処理条件を変えることにより、第１の形状を設けた後に、その第１の形状より深い位置に、第１の形状とは異なる第２の形状を有する種々の形状、すなわち、上部５１０はテーパ形状５５を有し、上部５１０より深い位置では、上部のテーパ形状５５の側壁の基板２１の表面２１ａに対する角度よりも大きい角度の側壁を有する種々の形状のトレンチが形成できる。

そして、本実施形態では、図１に例示した加工（第１の加工１００、ステップＳ１９０、第２の加工２００）を１回実施する場合を説明したが、これには制限されず、図１に例示した加工（第１の加工１００、ステップＳ１９０、第２の加工２００）を複数回実施することもできる。以下、第２の実施形態により説明する。

（第２の実施の形態）
第２の実施形態に係るドライエッチング方法では、図１に例示した加工を２回行う。すなわち、第１の加工１００を行った後、第３の保護膜の形成を行い（ステップＳ１９０）、その後、第２の加工２００を行う。そして、さらにその後、２回目の第１の加工１０２を行い、２回目の第３の保護膜の形成を行い（ステップＳ１９１）、２回目の第２の加工２０２を行う。これにより、テーパ形状を有する２つの領域を有するトレンチが形成できる。

図１１は、本発明の第２の実施形態に係るドライエッチング方法の処理条件を例示するグラフ図である。
図１１に表したように、本発明の第２の実施形態に係るドライエッチング方法では、１回目の第１の加工１００として、１回目の第１のバイアス電力Ｅ_１１と１回目の第２のバイアス電力Ｅ_１２を用いて１回目の第１の加工１００を実施した後、１回目の第３の保護膜３２４の形成を行う（ステップＳ１９０）。これら、第１の加工１００と、第３の保護膜３２４の形成（ステップＳ１９０）までは、第１の実施形態で説明したものと同様の条件を用いることができるので、説明を省略する。

その後、１回目の第２の加工２００を実施する。すなわち、１回目の第３のバイアス電力Ｅ_１３と１回目の第４のバイアス電力Ｅ_１４を用いて、１回目の第２のサイクル２０１（ステップＳ２１０〜ステップＳ２３０）を実施する。これらの条件は、第１の実施形態と同様とすることができるが、第２のサイクルの回数Ｎ_２を、例えば３０回とする（第１の実施形態では第２のサイクルの回数Ｎ_２は、前半と後半を合わせて７６回とした）。

この後、２回目の第１の加工１０２として、２回目の第１のバイアス電力Ｅ_２１と２回目の第２のバイアス電力Ｅ_２２を用いて２回目の第１のサイクル１０２（ステップＳ１１１〜ステップＳ１３１）を実施し、その後、２回目の第３の保護膜の形成を行う（ステップＳ１９１）。この時、２回目の第１のサイクルの回数Ｎ_３は、例えば、２０回とする。これら、２回目の第１の加工１０２において、バイアス電力以外の条件は、１回目の第１の加工１００と同様とすることができる。また、２回目の第３の保護膜３２４の形成（ステップＳ１９１）の処理条件は、１回目の第３の保護膜３２４の形成（ステップＳ１９０）と同様とすることができる。

その後、２回目の第２の加工２０２を実施する。すなわち、２回目の第３のバイアス電力Ｅ_２３と２回目の第４のバイアス電力Ｅ_２４を用いて、２回目の第２のサイクル２０２（ステップＳ２１１〜ステップＳ２３１）を実施する。そして、２回目の加工２０２のバイアス電力以外の条件は、１回目の第２の加工２００と同様とすることができ、また、２回目の第２のサイクル２０２の回数Ｎ_４は、例えば２６回とする。

図１２は、本発明の第２実施形態に係るドライエッチング方法における被加工物の形状を例示する模式断面図である。
図１２に表したように、本発明の第２の実施形態に係るドライエッチング方法では、図１に例示した加工を２回行うので、テーパ形状を有する部分を２つ有するトレンチが形成できる。

すなわち、図１２に表したように、まず、１回目の第１の加工１００により、基板２１の上部５１０には第１のテーパ形状５５ａが設けられる。そして、その後、第３の保護膜３２４を形成することにより、第１のテーパ形状５５ａは維持され、その後の１回目の第２の加工２００によって掘り進められる。これにより、基板２１の上側の中間部５２１に、基板２１の表面２１ａに対して実質的に垂直な形状が設けられる。
そして、その後、２回目の第１の加工１０２により、下側の中間部５２２に、第２のテーパ形状５５ｃが設けられる。その後、２回目の第３の保護膜３２４を形成することにより、第２のテーパ形状５５ｃが維持され、その後の２回目の第２の加工２０２によって掘り進められる。これにより、さらに下の下部５３０では、基板２１の表面２１ａに対して実質的に垂直な形状が設けられる。

このように、１回目の第３の保護膜３２４を、上部５１０の加工が終了した後に形成し、その後、２回目の第３の保護膜３２４を、下側の中間部５２２の加工が終了した後にも形成することで、第１のテーパ形状５５ａと第２のテーパ形状５５ｃを実質的に維持した状態で深いトレンチ５０を形成できる。

このように、複数の第３の保護膜３２４を設ける場合、それぞれの第３の保護膜３２４の耐エッチング性は、それぞれの後に実施される保護膜の耐エッチング性より高く設定できる。

このように、耐エッチング性の高い第３の保護膜を設けることで、それより前に形成されたテーパ形状を維持して、トレンチを形成できる。これにより、トレンチの深さ方向における複数の部分の形状を独立して制御でき、その結果、第１の形状を設けた後に、その第１の形状より深い位置に、第１の形状とは異なる第２の形状のトレンチ、すなわち、上部５１０はテーパ形状５５を有し、上部５１０より深い位置（例えば上側の中間部５２１、下側の中間部５２２、及び下部５３０）では、上部のテーパ形状５５の側壁の基板２１の表面２１ａに対する角度よりも大きい角度の側壁を有する、種々の形状のトレンチを形成することができる。また、これにより、製造条件の適正設定幅が拡大し、また、マージンの広いデバイス設計が可能となる。

また、本実施形態のドライエッチング方法によれば、保護膜の形成工程及びエッチング工程の条件を変更するだけで第１の形状を設けた後に、その第１の形状より深い位置に、第１の形状とは異なる第２の形状のトレンチ、すなわち、上部５１０はテーパ形状５５を有し、上部５１０より深い位置では、上部のテーパ形状５５の側壁の基板２１の表面２１ａに対する角度よりも大きい角度の側壁を有する、所望の任意の形状のトレンチが形成できるので、チャンバー内での連続処理が可能であり、簡単に、高装置稼働率で、所望の形状のトレンチを形成できる。

また、前述の各実施形態においては、加工対象となる基板としてシリコン基板を使用し、また、保護膜を形成するためのプラズマとしてＣ_４Ｆ_８プラズマを使用し、エッチングのためのプラズマとしてＳＦ_６プラズマを使用する例を示したが、これには限定されない。例えば、シリコン基板の替わりに、シリコンゲルマニウム基板又はシリコンカーバイド基板などを使用しても良い。また、Ｃ_４Ｆ_８ガスの替わりに、Ｃ_５Ｆ_８ガス、又はＣ_４Ｆ_６ガス等を使用しても良い。更に、ＳＦ_６ガスの替わりに、ＮＦ_３ガス、ＳｉＦ_４ガス、又はＣＦ_４ガス等を使用しても良い。また、これらにＯ_２ガスを適量添加しても良い。

なお、上記の実施形態のドライエッチング方法は、基板２１に、第１の形状を設けた後に、その第１の形状より深い位置に、第１の形状とは異なる第２の形状のトレンチ、すなわち、上部５１０はテーパ形状５５を有し、上部５１０より深い位置では、上部のテーパ形状５５の側壁の基板２１の表面２１ａに対する角度よりも大きい角度の側壁を有する深いトレンチを形成する全ての工程に使用でき、これにより、所望の形状を有する深いトレンチが設けられた微細構造体が作製できる。この微細構造体は、例えば、半導体装置、ＭＥＭＳ及び磁気記憶素子等の各種の電子デバイスを含む。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、ドライエッチング方法を構成する各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述したドライエッチング方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全てのドライエッチング方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法を例示するフローチャート図である。本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法で使用されるドライエッチング装置の構成を例示する模式断面図である。本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法による被加工物の形状を例示する模式断面図である。本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法の処理条件を例示するグラフ図である。本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法における被加工物の形状を例示する模式断面図である。本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法によるトレンチの形状を例示する模式断面図である。第１の比較例のドライエッチング方法の処理条件を例示するグラフ図である。第１の比較例のドライエッチング方法における被加工物の形状を例示する模式断面図である。本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法の別の処理条件を例示するグラフ図である。本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法の別の処理条件を例示するグラフ図である。本発明の第２の実施形態に係るドライエッチング方法の処理条件を例示するグラフ図である。本発明の第２実施形態に係るドライエッチング方法における被加工物の形状を例示する模式断面図である。

符号の説明

１ドライエッチング装置
２チャンバー
３プラズマ発生室
４反応室
６ガス導入口
７排気口
８排気ポンプ
９排気管
１０バルブ
１１コイル
１２ＲＦ電源
１３バイアス電極
１４ＲＦ電源
２０被加工体
２１基板（基体）
２１ａ表面
２１ｃ底面
２２エッチングマスク
２２ａ開口部
２３ａ、２３ｂ凹部
２４保護膜
５０トレンチ
５２側面
５５、５５ａ、５５ｃテーパ形状
１００、１０２第１の加工
１０１第１のサイクル
２００、２０２第２の加工
２０１第２のサイクル
３２４第３の保護膜
５１０上部
５２０、５２１、５２２中間部
５３０下部

Claims

基体の表面に形成された凹部の内面に第１の保護膜を形成し、
第１のバイアス電力を用いて第１のエッチングを行った後、前記第１のバイアス電力よりも低い第２のバイアス電力を用いて第２のエッチングを行うことにより、前記第１の保護膜のうち前記凹部の底面の部分を除去して前記基体をエッチングする
第１のサイクルを複数回繰り返す第１の加工と、
前記凹部の内面に第２の保護膜を形成し、
第３のバイアス電力を用いて第３のエッチングを行った後、前記第３のバイアス電力よりも低い第４のバイアス電力を用いて第４のエッチングを行うことにより、前記第２の保護膜のうち前記凹部の底面の部分を除去して前記基体をエッチングする
第２のサイクルを複数回繰り返す第２の加工と、
の間に、
前記凹部の内面に、前記第２の保護膜よりも耐エッチング性の高い第３の保護膜を形成することを特徴とするドライエッチング方法。
前記第３の保護膜の膜厚は、前記第２の保護膜の膜厚よりも厚いことを特徴とする請求項１記載のドライエッチング方法。
前記第１のバイアス電力と前記第２のバイアス電力のうち少なくともいずれかを、前記第１のサイクルの回数の増大につれて低下させることを特徴とする請求項１または２に記載のドライエッチング方法。
前記第３のバイアス電力と前記第４のバイアス電力のうち少なくともいずれかを、前記第２のサイクルの回数の増大につれて上昇させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のドライエッチング方法。
同一の前記第１のサイクル内の前記第１のバイアス電力と前記第２のバイアス電力との差を、前記第１のサイクルの回数の増大につれて縮小させ、
同一の前記第２のサイクル内の前記第３のバイアス電力と前記第４のバイアス電力との差を、前記第２のサイクルの回数の増大につれて拡大させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のドライエッチング方法。