JP2014150149A

JP2014150149A - エッチング方法及びエッチング装置

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Publication number: JP2014150149A
Application number: JP2013017600A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Sakuishi; 敏幸作石; Takahide Murayama; 貴英村山; Yasuhiro Morikawa; 泰宏森川
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2014-08-21

Abstract

【課題】ノッチの発生が抑制された深孔を短時間で容易に形成することができるエッチング方法を提供する。
【解決手段】絶縁体膜１２上に設けられたＳｉ基板１３のエッチング方法であって、ＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとＳｉＦ_４ガスとを含む第１のエッチングガスでＳｉ基板１３をエッチングすることにより、Ｓｉ基板１３に中心部分が絶縁体膜１２に達するまで孔１４を形成する第１エッチング工程と、形成された孔１４の内部に保護膜形成する保護膜形成工程、及びＦを含む第２のエッチングガスで保護膜１６が形成された孔１４をエッチングすることにより前記中心部分の周辺部分をエッチングする第２エッチング工程を交互に繰り返すサイクルエッチング工程と、を有し、第１エッチング工程において、ラジカルの発光量をモニタリングし、このモニタリングしているラジカルの発光量が増加した時に第１エッチング工程におけるエッチングを終了させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、Ｓｉ基板をエッチングするエッチング方法及びエッチング装置に関し、特に、Ｓｉ基板にいわゆるノッチの発生が抑制された深孔を形成することができるエッチング方法及びエッチング装置に関する。

電子部品である半導体の占有面積を小さくするために、複数のＩＣチップを垂直に積み重ねる技術が用いられている。従来、この複数のＩＣチップはワイヤボンディングによって接続されていたが、ワイヤボンディングのための空間が必要になることが問題である。この問題を解決する方法として、シリコン製のチップを垂直方向に貫通する電極であるＴＳＶ（through-silicon via、Ｓｉ貫通電極）によって、複数のチップを垂直方向に接続する技術がある。

ＴＳＶ技術を用いた基板は、ＴＳＶを模式的に示す概略断面図である図１に示すように、例えば、ガラス基板１上にＳｉＯ_２等からなる絶縁体膜２及びＳｉ基板３が設けられ、Ｓｉ基板３に貫通ホール等の深孔４が設けられている構成を有する。この深孔４は、Ｓｉ基板を例えばドライエッチングすることによって形成される。ＴＳＶの従来の製造方法により得られるＴＳＶの模式的概略断面図である図２に示すように、レジスト膜５をマスクとしＳＦ_６等のエッチングガスを用いてＳｉ基板３をエッチングしていくと、深孔（Ｓｉ基板貫通孔）４が形成され、ＳｉＯ_２等からなる絶縁体膜２が露出する。絶縁体膜２が露出した後もエッチングを続けると、絶縁体膜２はＳＦ_６等のエッチングガスではエッチングされ難いので深孔４に存在するプラス電荷やラジカルの行き場がなくなってしまうためか、深孔４の側壁と絶縁体膜２との境界がサイドエッチングされ、いわゆるノッチ（Ｎｏｔｃｈ）６が形成されてしまい、所望の形状のＴＳＶを形成できないという問題が生じる。

ここで、Ｓｉ基板に深孔等を形成するための技術として、例えば、Ｃ_４Ｆ_８プラズマによる保護膜の形成とＳＦ_６プラズマによるエッチングとを繰り返すＢｏｓｃｈ法がある（特許文献１）。このＢｏｓｃｈ法では、保護膜の形成とエッチングとを繰り返しながら少しずつエッチングするため、ノッチの発生を抑制することができる。しかしながら、Ｂｏｓｃｈ法では、下地異種膜層へ到達するまで保護膜形成ガスとエッチングガスとを何度も切り替えることが必要であり、また、エッチングが少しずつ行われるため、手間や時間がかかるという問題がある。

特開２００８−２０５４３６号公報

本発明の課題は、上述の従来技術の問題点を解決することにあり、ノッチの発生が抑制された深孔を短時間で容易に形成することができるエッチング方法及びエッチング装置を提供することにある。

上記課題を解決する本発明のエッチング方法は、絶縁体膜上に設けられたＳｉ基板のエッチング方法であって、ＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとＳｉＦ_４ガスとを含む第１のエッチングガスを分解して発生させたプラズマ中のラジカルでＳｉ基板をエッチングすることにより、Ｓｉ基板に、中心部分が前記絶縁体膜に達するまで孔を形成する第１エッチング工程と、形成された孔の内部に保護膜形成ガスにより保護膜を形成する保護膜形成工程、及びＦを含む第２のエッチングガスを分解して発生させたプラズマ中のラジカルで前記保護膜が形成された孔をエッチングすることにより前記中心部分の周辺部分をエッチングする第２エッチング工程を交互に繰り返すサイクルエッチング工程と、を有し、前記第１エッチング工程において、第１のエッチングガスを分解して発生させたプラズマ中の少なくとも一種のラジカルの発光量をモニタリングし、このモニタリングしているラジカルの発光量が増加した時に前記第１エッチング工程におけるエッチングを終了させることを特徴とする。

前記第１エッチング工程においてモニタリングするラジカルが、Ｆラジカル、酸素ラジカル、ケイ素ラジカル及び硫黄ラジカルから選択される少なくとも一種であることが好ましい。

また、本発明のエッチング装置は、Ｓｉ基板が載置される反応室と、前記第１のエッチングガスを前記反応室に供給する第１のエッチングガス供給手段と、前記保護膜形成ガスを前記反応室に供給する保護膜形成ガス供給手段と、前記第２のエッチングガスを前記反応室に供給する第２のエッチングガス供給手段と、前記第１のエッチングガス及び第２のエッチングガスを分解してプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、前記第１エッチング工程においてラジカルの発光量をモニタリングするラジカルモニタリング手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ノッチの発生が抑制された深孔を、短時間で、且つ、容易に形成することができるエッチング方法及びエッチング装置を提供することができる。

ＴＳＶを模式的に示す概略断面図。従来技術にかかるＴＳＶ製造方法の問題点を説明するための模式的概略断面図。本発明のエッチング方法を模式的に示す概略断面図。第１エッチング工程におけるラジカルの発光量（発光強度）のモニタリング結果例を示す図。ドライエッチング装置の一構成例を模式的に示す概略断面図。実施例１のＦラジカルの発光量（発光強度）のモニタリング結果を示す図実施例１でＳｉ基板に形成されたホールの断面ＳＥＭ観察結果を示す写真。

本発明のエッチング方法は、絶縁体膜上に設けられたＳｉ基板のエッチング方法であって、ＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとＳｉＦ_４ガスとを含む第１のエッチングガスを分解して発生させたプラズマ中のラジカルでＳｉ基板をエッチングすることにより、Ｓｉ基板に、中心部分が絶縁体膜に達するまで孔を形成する第１エッチング工程と、形成された孔の内部に保護膜形成ガスにより保護膜を形成する保護膜形成工程、及びＦを含む第２のエッチングガスを分解して発生させたプラズマ中のラジカルで保護膜が形成された孔をエッチングすることにより中心部分の周辺部分をエッチングする第２エッチング工程を交互に繰り返すサイクルエッチング工程と、を有し、第１エッチング工程において、第１のエッチングガスを分解して発生させたプラズマ中の少なくとも一種のラジカルの発光量をモニタリングし、このモニタリングしているラジカルの発光量が増加した時に第１エッチング工程におけるエッチングを終了させる。上記周辺部分のエッチングの場合、孔の底面全体をエッチングして側壁をほぼ垂直にするように実施しても、孔の底面にエッチングされるＳｉが少し残っていても良い。本発明のエッチング方法を模式的に示す概略断面図である図３を用いて、本発明を具体的に説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、絶縁体膜１２とＳｉ基板１３が積層された複合体のＳｉ基板１３側の表面に、所望のパターンを有する樹脂製等のレジスト膜１５を、フォトリソグラフィー法等により形成する。絶縁体膜１２は特に限定されず、後段の第１エッチング工程及び第２エッチング工程において、Ｓｉ基板１３に比べてエッチングされ難い絶縁体であればよく、例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ等が挙げられる。Ｓｉ基板の厚さは特に限定されず、例えば、５０〜２００μｍ程度の薄いＳｉ基板でもよい。勿論、厚さ２００〜８００μｍ程度のＳｉ基板でもよい。絶縁体膜１２のＳｉ基板１３とは反対側の面には、強度等を付与するために、ガラス基板等の部材が、必要に応じて接着剤等で接着されていてもよい。

次に、図３（ｂ）に示すように、レジスト膜１５をマスクとして、高周波電源から高周波を印加する等して、第１のエッチングガスを分解して発生させたプラズマ中のラジカル（例えば、Ｆラジカル、酸素ラジカル、Ｓｉラジカルや、Ｓラジカル）で、Ｓｉ基板１３をエッチングすることにより、孔１４を形成する。本発明において、第１のエッチングガスは、ＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとＳｉＦ_４ガスとを含むものであればよいが、その他に、Ｆ供給ガスとしては、Ｆ_２、ＸｅＦ_２、ＮＦ_３、ＣＯＦ_２、ＩＦ_ｘ、ＢＦ_３等を含んでいてもよい。このように、例えばＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとＳｉＦ_４ガスとを含むエッチングガスを用いてＳｉ基板１３をエッチングすることにより、基板３の厚さ方向に、すなわち、垂直方向にエッチングしていくことができ、且つ、エッチング速度も速い。例えば、第１エッチング工程において、Ｓｉ基板１３の厚さ方向のエッチングレートは５〜１５μｍ／ｍｉｎである。ＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとＳｉＦ_４ガスを含む第１のエッチングガスを用いたＳｉ基板のエッチングは、通常、図３（ｂ）等に示すように、孔１４の中心部分が優先してエッチングされる。そして、孔１４の底面は外側にＳｉ基板１３が残り、例えば孔１４の底面の断面はＲ形状を有する。

第１エッチングガスに含まれる各成分の割合は特に限定されないが、例えば、体積比で、ＳＦ_６ガス：Ｏ_２ガス：ＳｉＦ_４ガス＝２００〜３００：２０〜６０：２０〜６０とすることが好ましい。この体積比は、孔径、アスペクト比、テーパー角要求、接合基板の種類等に基づいて、その割合を適宜調整すればよい。また、プラズマを発生させるために高周波電源から印加する高周波のパワーは、例えば、１２００〜１８００Ｗとすればよい。なお、第１エッチング工程は、真空（例えば、５〜２０Ｐａ）で行うものである。

この第１エッチング工程において、Ｓｉ基板１３の厚さ方向のエッチングが進むと、孔１４が深くなり、孔１４の中心部分が絶縁体膜１２に達し、孔１４の中心部分の絶縁体膜１２が露出する。このように絶縁体膜１２が露出した後もエッチングを続けた場合、絶縁体膜１２はＳＦ_６等の第１エッチング工程のエッチングガスではエッチングされ難く、ほとんどエッチングされない。このため、孔１４に存在するプラス電荷やラジカルが行き場がなくなってしまうためか、孔１４の側壁と絶縁体膜１２との境界がサイドエッチングされ、いわゆるノッチが形成されてしまい、所望の形状の孔１４を形成できないという問題が生じる。このノッチが形成されてしまうという問題は、金属膜とＳｉ基板の複合体の場合には生じない。また、孔１４が深い場合、特に開口部の大きさに対して深い（すなわちアスペクト比が大きい）場合に、このノッチが発生するという現象が顕著になる。

本発明では、第１エッチング工程において、第１のエッチングガスを分解して発生させたプラズマ中のラジカルのうち、少なくとも一種のラジカルの発光量（例えば発光強度）をモニタリングし、このモニタリングしているラジカルの発光量が増加した時に、第１エッチング工程におけるエッチングを終了させる。第１エッチング工程におけるラジカルの発光量（発光強度）のモニタリング結果例を図４に示す。図４に示すように、Ｓｉ基板１３をエッチングするエッチングガスであるＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとＳｉＦ_４ガスを分解することにより発生させたプラズマ中のラジカルの発光量は、第１エッチング工程でＳｉ基板１３を厚さ方向にエッチングしている最中はほぼ一定であり、絶縁体膜１２が露出すると急激に上昇することにより、ピーク（図４におけるｂ→ａ）として検出されることを、本発明において知見した。したがって、このラジカルの発光量をモニタリングし、発光量が増加した時に第１エッチング工程のエッチングを終了させることにより、孔１４の側壁と絶縁体膜１２との境界がエッチングされる現象（ノッチ）を抑制することができる。ＴＳＶ（through-silicon via、Ｓｉ貫通電極）の場合、ほぼ同じ形状の複数の貫通孔をＳｉ基板１３に形成するため、本発明のエッチング方法に特に適している。Ｓｉ基板の面積に対して、孔１４の開口部の面積が小さい、例えば開口率（孔１４の開口部の面積の合計／Ｓｉ基板の面積×１００）が小さい場合であっても、このピークを観察することができる。なお、ピークトップ（図４におけるａ）でエッチングを終了させる操作を行うと、特に厚さにばらつきのあるＳｉ基板１３に複数の孔を形成する等の場合、ノッチが生じている可能性が高いため、発光量が増加し始めた時に、すなわち、図４におけるｂの段階で、エッチングを終了させる操作を行うことが好ましい。

ここで、第１のエッチングガスであるＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとＳｉＦ_４ガスを分解することにより発生させたプラズマ中のラジカルがＳｉ基板をエッチングするときに発生するエッチング生成物であるＳｉＦ_ｘや、ＳｉＯのラジカルの発光量をモニタリングしても、絶縁体膜１２が露出すると急激に上昇する現象は観察できない。

また、第１のエッチングガスであるＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとＳｉＦ_４ガスを分解することにより発生したイオンをモニタリングしても、絶縁体膜１２が露出すると急激に上昇する現象は観察できない。

そして、第１エッチング工程を行わず、後述するサイクルエッチング工程（図３（ｃ）〜（ｆ））のみを行って、このサイクルエッチング工程において、エッチングガスを用いて分解することにより発生させたプラズマ中のラジカルの発光量をモニタリングする方法では、保護膜の形成とエッチングとを繰り返しながら少しずつエッチングするため、本発明のエッチング方法と比較して、非常に時間がかかってしまう。また、このようにサイクルエッチング工程のみを行った場合は、少しずつしかエッチングされないため、ラジカルの発光量をモニタリングしても、絶縁体膜１２が露出すると急激に上昇する現象は観察し難い。

発光量をモニタリングするラジカルは、第１のエッチングガスを分解することにより発生させたプラズマ中のラジカル、具体的には、Ｆラジカル、酸素ラジカル、Ｓｉラジカル、Ｓラジカルや、ＳｉＦ_ｘラジカル等であるが、好ましくは、Ｆラジカルである。発光量をモニタリングするラジカルの発光量測定波長は、発光量の変化を確認することができれば限定されないが、例えば、Ｆラジカル（７１２．８ｎｍ）であれば波長７１０〜７１５ｎｍの範囲内の発光量のモニタリングをすればよい。また、酸素ラジカルであれば波長７７５〜７７７ｎｍの範囲内の発光量を、Ｓｉラジカルであれば波長２８５〜２８８ｎｍの範囲内の発光量を、Ｓラジカルであれば波長４６９〜４７０ｎｍの範囲内の発光量をモニタリングすればよい。発光量の検出方法も特に限定されず、発光分光装置等を用いればよい。

第１エッチング工程で、高速で一気にエッチングした後に、サイクルエッチング工程を行う。サイクルエッチング工程とは、例えば、図３（ｃ）〜（ｆ）に示すように、形成された孔１４の側壁や底面等の表面に保護膜形成ガスにより保護膜１６を形成する保護膜形成工程と、第２のエッチングガスを分解して発生させたプラズマ中のラジカルで保護膜１６が形成された孔１４をエッチングすることにより、第１エッチング工程により下層の絶縁体膜１２が露出した孔１４の底面の中心部分の周辺部分をエッチングする第２エッチング工程を交互に繰り返すものである。

具体的には、まず、図３（ｃ）に示すように、第１エッチング工程で形成された孔１４の側壁等の内部に、保護膜形成ガスにより保護膜１６を形成する（保護膜形成工程）。保護膜形成ガスとしては、Ｃ_４Ｆ_８等のフルオロカーボン、Ｃ_ｘＯ_ｙ、Ｎ_ｘＯ_ｙ、ＳＯ、Ｎ_２、ＮＨ_３、ＢＦ_３、Ｃ_ｘＨ_ｙＦ_ｚ、ＳｉＣｌ_４等や、これらの混合ガスが挙げられ、これらガスの気相制御としての希ガス添加でＡｒ、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｘｅ等を含んでいてもよい。この保護膜形成ガスに対し、高周波電源から高周波を印加する等して、分解して発生させたプラズマ中のラジカルやイオンを、孔の内部、具体的には少なくとも孔１４の側壁に堆積させることにより、保護膜１６を形成することができる。図３（ｃ）においては、孔１４の側壁だけでなく、孔１４の底面や、レジスト膜１５上にも保護膜１６が形成された例を示している。なお、保護膜形成工程は、真空（例えば、５〜１００Ｐａ）で行うものである。

保護膜形成工程の後、第２のエッチングガスに対し、高周波電源から高周波を印加する等して、分解して発生させたプラズマ中のラジカルで、保護膜１６が形成された孔１４をエッチングすることにより、第１のエッチング工程で到達した孔の中心部分（下層の絶縁体膜が露出した部分）の周辺部分がさらにエッチングされる（第２エッチング工程）。この第２エッチング工程では、絶縁体膜１２がエッチングされ難いため絶縁体膜１２が露出していた孔１４の中心部分の深さは変わらないが、孔１４の底面に残っていた外側のＳｉ基板（例えばＲ形状の部分）はエッチングされて、深くなる。第２エッチング工程は、真空（例えば、５〜１０Ｐａ）で行うものである。

第２のエッチングガスとしては、Ｓｉ基板１３を厚さ方向にエッチングすることができれば特に限定されないが、例えば、ＳＦ_６ガス、Ｏ_２ガス、ＳｉＦ_４ガス、上記した第１エッチング工程のエッチングガス等や、これらの混合ガスが挙げられる。また、第１エッチング工程で用いる第１のエッチングガスと同じ成分を含むガス、具体的には、ＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとＳｉＦ_４ガスとを含むものを第２のエッチングガスとしてもよい。

第２のエッチングガスに含まれる各成分の割合は特に限定されないが、エッチングレートが第１エッチング工程よりも第２エッチング工程の方が小さい方が好ましいので、例えば、ＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとＳｉＦ_４ガスとを含む場合は、体積比で、ＳＦ_６ガス：Ｏ_２ガス：ＳｉＦ_４ガス＝２００〜３００：５０〜２００：５０〜２００とすることが好ましい。また、プラズマを発生させるために高周波電源から印加する高周波のパワーは、例えば、１２００〜１８００Ｗとすればよい。

第２エッチング工程のエッチング時間は特に限定されないが、各第２エッチング工程のエッチング時間が長くなることによって孔１４の側壁と絶縁体膜１２との境界がサイドエッチングされノッチが発生するという現象を防止するために、エッチング時間は短くすることが好ましい。具体的には、例えば、５〜２０秒とすることが好ましい。

このような第２エッチング工程（図３（ｄ））の後に、図３（ｅ）に示すように、再度、保護膜形成工程を行う。その後、図３（ｆ）に示すように、再度、第２エッチング工程を行う。

このように、第１エッチング工程の後に、保護膜形成工程と第２エッチング工程とを繰り返すサイクルエッチング工程を行うことにより、図３（ｆ）に示すように、ノッチの発生が抑制された孔１４が形成できる。また、孔１４の側壁を絶縁体膜１２に対して（ひいてはＳｉ基板１３の表面に対して）ほぼ垂直にすることができる。形成する孔１４の形状は特に限定は無く、ホール形状でも、トレンチ形状でもよい。また、孔１４の大きさや深さも特に制限はなく、例えば、開口部の面積が１５〜１００００μｍ^２、深さが２０〜２００μｍとすることができる。また、アスペクト比（ホール形状の場合は開口部の深さ／直径、トレンチの場合は深さ／開口部のいずれかの辺の長さ）は、１〜２０とすることができる。

サイクルエッチング工程は、保護膜形成工程の後に第２エッチング工程行う操作を繰り返し行えばよく、その繰り返し回数に特に限定はないが、５〜２０回が好ましい。ここで、本発明においては、第１エッチング工程において、一気にＳｉ基板のエッチングを行い、孔１４をほぼ形成している。したがって、第１エッチング工程を有さない場合と比較して、保護膜の形成とエッチングとを繰り返しながら少しずつエッチングすることにより時間がかかってしまうサイクルエッチング工程を少なくすることができる。よって、本発明のエッチング方法では、サイクルエッチング工程が少なくてすむため、短時間で所望の孔１４を形成することができ、また、保護膜形成ガスとエッチングガスとを切り替える回数を少なくすることができるため、手間がかからず容易に行うことができる。

このような本発明のエッチング方法を行う装置について、説明する。図５は本発明のエッチング方法を適用できるドライエッチグ装置の一構成例を模式的に示す概略断面図である。

図５に示すように、ドライエッチング装置２０は、エッチングを行う基板Ｗが載置される反応室（真空槽）２１と、基板Ｗを反応室２１内へ搬入及び搬出するためのロード／アンロード室（Ｌ／ＵＬ室）２２とを有し、このロード／アンロード室２２に格納されている基板Ｗは、反応室２１へと搬入され、そこでエッチング処理された後、ロード／アンロード室（Ｌ／ＵＬ室）２２へ搬出される。そして、反応室２１には、内部を排気して所望の真空状態にする真空ポンプ２３が接続されている。

また、反応室２１の天井部にはラジカルやイオンが通過する複数の孔を有するシャワープレート２４が設けられ、このシャワープレート２４を介して円筒状側壁２５を有するプラズマ発生室２６が接続されている。プラズマ発生室２６の円筒状側壁２５の外側には、三つの磁場コイル２７ａ、２７ｂ及び２７ｃが所定の間隔を置いて設けられ、磁場発生手段を構成する。三つの磁場コイル２７ａ、２７ｂ及び２７ｃは、その外側を上下から囲むように高透磁率材料製のヨーク部材（図示せず）に取付けられている。本実施形態においては、上側及び下側の各磁場コイル２７ａ及び２７ｃには、同方向の電流を流し、中間の磁場コイル２７ｂには逆向きの電流を流すようにしている。これにより、中間の磁場コイル２７ｂのレベル付近で円筒状側壁２５の内側に連続した磁場ゼロの位置ができ、環状磁気中性線（図示せず）が形成される。

環状磁気中性線の大きさは、上側及び下側の各磁場コイル２７ａ及び２７ｃに流す電流と中間の磁場コイル２７ｂに流す電流との比を変えることで適宜設定でき、環状磁気中性線の上下方向の位置は、上側及び下側の各磁場コイル２７ａ及び２７ｃに流す電流の比によって適宜設定できる。また、中間の磁場コイル２７ｂに流す電流を増していくと、環状磁気中性線の径は小さくなり、同時に磁場ゼロの位置での磁場の勾配も緩やかになってゆく。磁場コイル２７ａ、２７ｂ及び２７ｃの内側には、高周波電場発生用のアンテナコイル２８が設けられ、このアンテナコイル２８はマッチングボックス３０を介して第１高周波電源３１に接続され、磁場発生手段を構成する。そして、三つの磁場コイル２７ａ、２７ｂ及び２７ｃによってプラズマ発生室２６の上部に形成された環状磁気中性線に沿って交番磁場を加え、この磁気中性線に放電プラズマ（ＮＬＤプラズマ）を発生させるように構成されている。

また、反応室２１内には、環状磁気中性線の作る面に対向して、基板Ｗが載置される基板ステージである基板電極３２が設けられている。この基板電極３２は、マッチングボックス３３を介して第２高周波電源３４に接続され、この第２高周波電源３４には、第１高周波電源３１とは異なる電圧が印加され、電位的に浮遊電極となって負のバイアス電位となるように構成されている。

また、プラズマ発生室２６の上部に設けられた天板３５は、絶縁体部材（図示せず）を介して円筒状側壁２５の上部フランジに密封固着され、電位的に浮遊状態の対向電極として機能する。この天板３５には、プラズマ発生室２６内に、エッチングガスや保護膜形成ガス等の原料ガスを導入するガス導入手段（図示せず）が設けられ、このガス導入手段は、ガス流量制御手段３６を介してガス源３７に接続されている。ここで、図５においては、ガス流量制御手段３６及びガス源３７をそれぞれ１つのみ記載したが、第１エッチング工程、保護膜形成工程、及び、第２エッチング工程で使用するガスの種類の数に応じて、ガス流量制御手段３６及びガス源３７がそれぞれ接続されたガス導入手段が設けられており、ガス流量制御手段３６、ガス源３７及びガス導入手段で、第１エッチングガス、第２エッチングガスや、保護膜形成ガスのガス供給手段を構成する。また、基板ステージである基板電極３２には冷却手段であるチラー３８が接続され、基板電極３２の温度を調整している。

反応室２１の天井部には、第１エッチング工程においてラジカルの発光量を測定するラジカル発光量測定器４１が設けられている。なお、図５においては、ラジカル発光量測定器４１は反応室２１の天井部に設けたが、ラジカル発光量測定器４１の設置位置は特に制限されず、例えば、反応室２１の側壁に設けるようにしてもよい。また、ラジカル発光量測定器４１の個数も制限されず、１個でも２個以上でもよい。そして、ラジカル発光量測定器４１で測定された発光量データを受け取る制御手段４２が設けられている。このラジカル発光量測定器４１及び制御手段４２でラジカルモニタリング手段を構成する。また、この制御手段４２は、ガス流量制御手段３６、第１高周波電源３１及び第２高周波電源３４にも接続され、ラジカル発光量測定器４１から受け取ったラジカル発光量測定データを基にして、ガス流量制御手段３６、第１高周波電源３１及び第２高周波電源３４を制御するようになっている。

このようなドライエッチング装置２０で本発明のエッチング方法を行う具体的な方法について、説明する。最初に、第１エッチング工程を行う。第１エッチング工程において、まず、ロード／アンロード室２２から基板Ｗを反応室２１内に搬送し、基板ステージである基板電極３２に載置する。なお、エッチングを行う基板Ｗは、図３に記載されるように、絶縁体膜１２とＳｉ基板１３が積層された複合体のＳｉ基板１３側の表面に、所望のパターンを有する樹脂製等のレジスト膜１５がフォトリソグラフィー法等により形成されたものであり、レジスト膜１５がプラズマ発生室２６側になるように、基板電極３２に載置されている。そして、真空ポンプ２３を動作させて反応室２１内を所定の真空状態まで排気する。

次に、第１のエッチングガスを、ガス導入手段を用いて天板３５からプラズマ発生室２６に導入すると共に、磁場コイル２７ａ、２７ｂ及び２７ｃに電流を流すことで環状磁気中性線に沿って交番磁場を加えると、この磁気中性線に放電プラズマ（ＮＬＤプラズマ）が発生し、第１のエッチングガスが分解したラジカルが発生する。また、イオンも発生する。このラジカルが、シャワープレート２４を介して反応室２１内の基板Ｗ表面に到達すると、基板Ｗがエッチングされる。このエッチングは、Ｓｉ基板１３の厚さ方向に行われ、孔１４が形成される。また、孔１４の底面は、通常、孔１４の中心部分のみが絶縁体膜１２に達し、その外側にＳｉ基板１３が残った形状となる。このエッチングにおいて、Ｓｉ基板１３が厚さ方向にエッチングされるエッチング速度は、後段のサイクルエッチング工程におけるエッチング速度と比較して、格段に早い。

この第１エッチングガスを用いてエッチングする第１エッチング工程においては、第１のエッチングガスを分解して発生させた少なくとも一種のラジカルの発光量を、反応室２１に設けられたラジカル発光量測定器４１で測定する。そして、ラジカル発光量測定器４１で測定されたラジカル発光量が、増加した時、例えば所定値以上増加した時に、制御手段４２によって、ガス流量制御手段３６、第１高周波電源３１及び第２高周波電源３４を制御して、第１エッチング工程のエッチングを終了する。具体的には、ガス流量制御手段３６において第１のエッチングガスの流量をゼロとする。そして、第１エッチング工程のエッチングを終了させるために、また、次に行う保護膜形成工程に適したプラズマにするために、必要に応じて、第１高周波電源３１や第２高周波電源３４のパワーを変化させる。このように、ラジカル発光量測定器４１で測定されたラジカル発光量が、増加した時に、第１エッチング工程のエッチングを終了させることにより、孔１４の底面の中心部分の絶縁体膜１２が露出した時点で、第１エッチング工程のエッチングを終了させることができる。したがって、第１エッチング工程において、孔１４の側壁の下部と絶縁体膜１２との境界がサイドエッチングされいわゆるノッチが形成されるという現象を抑制することができる。また、第１エッチング工程で、高速で一気にＳｉ基板１３を絶縁体膜１２が露出するまでエッチングすることができる。なお、第１のエッチングガスの流量をゼロにしても、反応室２１内に残存する第１のエッチングガスが反応するため、第１のエッチングガスの流量をゼロにすると同時にエッチング反応が終了するわけではない。具体的には、図４のラジカル発光量が増加し始めるｂの時点において第１のエッチングガスの流量をゼロにしても、ある程度の時間はエッチング反応が進むことになるが、上記したようなサイドエッチングは起こらない。

以上が第１エッチング工程である。続いて、サイクルエッチング工程を行う。まず、保護膜形成ガスを、ガス導入手段を用いて天板３５からプラズマ発生室２６に導入する。プラズマ発生室２６に導入された保護膜形成ガスは、分解され、ラジカルやイオンとなる。このラジカルやイオンが、シャワープレート２４を介して反応室２１内の基板Ｗ表面に到達すると、Ｓｉ基板１３の孔１４の内部、すなわちその側壁や底面等の表面、レジスト膜１５の表面等に堆積することにより、孔１４の側壁等に保護膜１６が形成される。保護膜１６を形成した後は、制御手段４２によって、ガス流量制御手段３６、第１高周波電源３１及び第２高周波電源３４を制御して、保護膜形成工程を終了する。具体的には、ガス流量制御手段３６において保護膜形成ガスの流量をゼロとする。そして、保護膜形成工程を終了させるために、また、次に行う第２エッチング工程に適したプラズマにするために、必要に応じて、第１高周波電源３１や第２高周波電源３４のパワーを変化させる。

保護膜形成工程の後、第２のエッチングガスを、ガス導入手段を用いて天板３５からプラズマ発生室２６に導入する。プラズマ発生室２６に導入された第２のエッチングガスは、分解され、ラジカルとなる。また、イオンも発生する。このラジカルが、シャワープレート２４を介して反応室２１内の基板Ｗ表面に到達すると、基板Ｗがエッチングされる。このエッチングは、Ｓｉ基板１３の厚さ方向に行われる。絶縁体膜１２が露出していた孔１４の中心部分は絶縁体膜１２がエッチングされないため深さは変わらないが、孔１４の底面に残っていた外側のＳｉ基板（例えばＲ形状の部分）はエッチングされて、その部分は深くなる。

このような第２エッチング工程の後に、再度、保護膜形成工程を行う。その後、再度、第２エッチング工程を行う。このように、第１エッチング工程の後に、保護膜形成工程と第２エッチング工程を繰り返すサイクルエッチング工程を行うことにより、短時間で、且つ容易に、ノッチの発生が抑制された孔１４が形成できる。また、孔１４の側壁は絶縁体膜１２に対してほぼ垂直にすることができる。所望の孔１４を形成した後は、基板Ｗを反応室２１からロード／アンロード室２２へ搬送する。なお、第１のエッチングガス、保護膜形成ガスや第２エッチングガスを反応室２１等に導入する時に使用されるキャリアガスとしては、ＨｅやＡｒ等を用いることができる。

上述した例では、一枚の基板Ｗを処理する枚葉式の装置としたが、複数枚の基板Ｗを同時に処理するいわゆるバッチ型の装置としてもよい。

以下に、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。

（実施例１）
図５に示すドライエッチング装置２０を用い、厚さ１μｍのＳｉＯ_２からなる絶縁体膜１２と厚さ１５０μｍで直径２００ｍｍのシリコンウエハー（Ｓｉ基板１３）が積層された複合体のＳｉ基板１３側の表面に、フォトリソグフラフィー法によりパターニングされたレジスト膜１５を設けた基板Ｗに対して、下記に示す条件で、第１エッチング工程を行った。そして、この第１エッチング工程において、Ｆラジカルの発光量（発光強度）を下記条件でモニタリングし、Ｆラジカルの発光量が５％増加した時に、ガス流量制御手段３６において第１のエッチングガスの流量をゼロにした。なお、第１のエッチングガスの流量をゼロにしても、反応室２１内に残存する第１のエッチングガスが反応するため、第１のエッチングガスの流量をゼロすると同時にエッチング反応が終了するわけではない。実施例１においては、エッチング開始から４２０秒後に、Ｆラジカルの発光量が５％増加したため第１のエッチングガスの流量をゼロにしたところ、エッチング反応が終了したのは、エッチング開始から４２２秒後であった。Ｆラジカルの発光量をモニタリングした結果を図６に示す。ピークの解析に関しては、図４と同じであるので、説明しない。

＜第１エッチング工程のエッチング条件＞
エッチングガス・・・ＳＦ_６（２７５ｓｃｃｍ）、Ｏ_２（４０ｓｃｃｍ）、ＳｉＦ_４（５０ｓｃｃｍ）
エッチングガス圧力・・・１５Ｐａ
キャリアガス・・・Ｈｅ
キャリアガス圧力・・・１５００Ｐａ
アンテナパワー（第１高周波電源３１）・・・１０００Ｗ
バイアスパワー（第２高周波電源３４）・・・２５Ｗ
エッチングレート・・・１５μｍ／分
開口率・・・２％

＜Ｆラジカルのモニタリング条件＞
発光モニター型式・・・ＳＤ１０２４Ｆ／Ｖｅｒｉｔｙ（Verity社製）
Ｆラジカル測定波長（発光波長）・・・７１２．８ｎｍ

次に、下記に示す条件で、保護膜形成工程及び第２エッチング工程からなるサイクルエッチング工程を行った。サイクルエッチング工程は、保護膜形成工程の後に第２エッチング工程を行う操作を、１５回行った。１５回行った後の基板の状態について、断面を１００００倍の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。シリコンウエハーの中央部に形成したホールの断面ＳＥＭ観察結果を図７（ａ）に、図７（ａ）の拡大図を図７（ｂ）に示す。また、シリコンウエハーの周縁近傍に形成したホールの断面ＳＥＭ観察結果を図７（ｃ）に、図７（ｃ）の拡大図を図７（ｄ）に示す。シリコンウエハーに形成されたホールは合計２４００００個であり、中央部のものも周縁近傍のものも、いずれも開口部の直径５０μｍで深さが１５０μｍであった。

＜保護膜形成工程の保護膜形成条件＞
保護膜形成ガス・・・Ｃ_４Ｆ_８（３０ｓｃｃｍ）、Ａｒ（３０ｓｃｃｍ）
保護膜形成ガス圧力・・・１５Ｐａ
アンテナパワー（第１高周波電源３１）・・・１０００Ｗ
バイアスパワー（第２高周波電源３４）・・・０Ｗ
時間・・・１０秒

＜第２エッチング工程のエッチング条件＞
エッチングガス・・・ＳＦ_６（２１５ｓｃｃｍ）、Ｏ_２（４０ｓｃｃｍ）、ＳｉＦ_４（８０ｓｃｃｍ）
エッチングガス圧力・・・１５Ｐａ
キャリアガス・・・Ｈｅ
キャリアガス圧力・・・１５００Ｐａ
アンテナパワー（第１高周波電源３１）・・・１０００Ｗ
バイアスパワー（第２高周波電源３４）・・・３５Ｗ
エッチング時間・・・１０秒
エッチングレート・・・３μｍ／分

図７に示すように、本発明のエッチング方法を行った実施例１においては、第１エッチング工程においてＦラジカルをモニタリングすることにより絶縁体膜が露出し始めた時にエッチングを終了させたため、ノッチが発生しなかった。また、ホールの壁面は、ほぼ垂直であった。そして、第１エッチング工程で一気にエッチングをしているため、第１エッチング工程及びサイクルエッチング工程にかかる時間は、合計７２０秒と大変短かった。これは、後述するサイクルエッチング工程のみで実施例１と同じ基板Ｗをエッチングした場合と比べて、３７％の短縮であった。さらに、サイクルエッチング工程の回数も少ないため、保護膜形成ガスとエッチングガスとの切り替え回数も少なく、容易にエッチングを行うことができた。

一方、サイクルエッチング工程のみを行うと所望の深さの孔を得るために時間がかかり（１１４０秒）、また、第１エッチング工程のみを行うと、ノッチが発生するという問題や垂直な壁面を有する孔が作り難いという問題が生じた。

本発明によれば、ノッチの発生が抑制された深孔を短時間で容易に形成することができるので、ＴＳＶ等の半導体装置の分野等で利用可能である。

１ガラス基板２絶縁体膜
３基板４深孔
５レジスト膜６ノッチ
１２絶縁体膜１３Ｓｉ基板
１４孔１５レジスト膜
１６保護膜２０ドライエッチング装置
２１反応室２２ロード／アンロード室
２３真空ポンプ２４シャワープレート
２５円筒状側壁２６プラズマ発生室
２７ａ、２７ｂ、２７ｃ磁場コイル２８アンテナコイル
３０、３３マッチングボックス３１第１高周波電源
３２基板電極３４第２高周波電源
３５天板３６ガス流量制御手段
３７ガス源３８チラー４１ラジカル発光量測定器４２制御手段

Claims

絶縁体膜上に設けられたＳｉ基板のエッチング方法であって、
ＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとＳｉＦ_４ガスとを含む第１のエッチングガスを分解して発生させたプラズマ中のラジカルでＳｉ基板をエッチングすることにより、Ｓｉ基板に、中心部分が前記絶縁体膜に達するまで孔を形成する第１エッチング工程と、
形成された孔の内部に保護膜形成ガスにより保護膜を形成する保護膜形成工程、及びＦを含む第２のエッチングガスを分解して発生させたプラズマ中のラジカルで前記保護膜が形成された孔をエッチングすることにより前記中心部分の周辺部分をエッチングする第２エッチング工程を交互に繰り返すサイクルエッチング工程と、を有し、
前記第１エッチング工程において、第１のエッチングガスを分解して発生させたプラズマ中の少なくとも一種のラジカルの発光量をモニタリングし、このモニタリングしているラジカルの発光量が増加した時に前記第１エッチング工程におけるエッチングを終了させることを特徴とするエッチング方法。
前記第１エッチング工程においてモニタリングするラジカルが、Ｆラジカル、酸素ラジカル、ケイ素ラジカル及び硫黄ラジカルから選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項１に記載するエッチング方法。
請求項１又は２に記載するラジカルエッチング方法を行うエッチング装置であって、
Ｓｉ基板が載置される反応室と、
前記第１のエッチングガスを前記反応室に供給する第１のエッチングガス供給手段と、
前記保護膜形成ガスを前記反応室に供給する保護膜形成ガス供給手段と、
前記第２のエッチングガスを前記反応室に供給する第２のエッチングガス供給手段と、
前記第１のエッチングガス及び第２のエッチングガスを分解してプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
前記第１エッチング工程においてラジカルの発光量をモニタリングするラジカルモニタリング手段と、を備えることを特徴とするエッチング装置。