JP4578893B2 - シリコン材のプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置 - Google Patents

Description

この発明は、シリコン材をプラズマエッチングにて例えば階段状に成形する際に、段差角部に突出する針状部を、複数のガスを順次プラズマ化してシリコンをエッチングすることで防止して優れた平坦度を確保したシリコン材のプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置に関する。

従来、シリコン基板を、プラズマ処理により異方性エッチングする方法としては、例えば、特許文献１に開示されているように、エッチングマスク、例えばフォトレジストマスクを施したシリコン基板に対し、それぞれ交互に連続するエッチング工程及び重合工程を実施することにより、異方性を保持しながらシリコンをエッチングする方法が知られている。

前記エッチング工程においては、六フッ化硫黄ＳＦ₆とアルゴンＡｒとの混合ガスを使用し、イオンの加速により、重合工程の間に沈殿するエッチンググランドポリマーを早期に除去しようとする方法が提案され、他方、重合工程においても、トリフルオロメタンＣＨＦ₃とＡｒガスとの混合ガスを用いて、エッチンググランド上のポリマー形成を阻害する方法が提案されている。

また、特許文献２においては、デポジション工程が等方性エッチング工程と交互に実施される点は、特許文献１に提案されている技術と同様であるが、特に、エッチング工程にはＳＦ₆ガスに対して、酸素ガスを添加することもできることを開示している。
特表平７−５０３８１５号公報 特表２００２−５２７２５３号公報

上述のエッチング方法では、エッチングガス及びそのプラズマは、エッチング溝の側壁部を保護するために堆積させる保護膜に対して化学的な反応性を有しないか、あるいは極めて低いものが選択されている。

従って、前記特許文献１に記載されている方法を採用した場合、エッチング工程及び重合工程のいずれであっても、異方性エッチングに際して不要となる溝の底面に形成される保護膜の除去は、専ら、化学的反応性の極めて低いプラズマ中のイオン（例えば、Ａｒイオン）などによる、物理的衝撃による効果に依存することになる。

その結果、溝の底面の一部に、前述の物理的効果では除去しきれなかった保護膜、例えばポリマー膜が次のエッチング工程後も残留し、それが新たなエッチングマスク（以下、マイクロマスクいう）となり、その後のエッチングが施されるため、溝の底面に針状形状が形成される（図１Ｄ参照）という問題が生じる。

具体的には、例えば、２段形状のエッチング溝を形成するためには、図１Ａに示すとおり、基板１表面に最初に最も深くエッチングする部分に合わせた開口幅を持つエッチングマスク２と、次の深さの部分に合わせた開口幅を持つエッチングマスク３を積層して設け（図１Ｂ）、まず最初の異方性エッチングを行い、次に最初のエッチングマスク２を除去し（図１Ｃ）、更に異方性エッチングを行う（図１Ｄ）。

所望の階段形状を得るためには、必要段数のエッチングマスクを設けるか、深い順にその開口幅を持つエッチングマスクを設けてから異方性エッチングを行う工程を繰り返すことになるが、上述した従来の異方性エッチングでは、結果として、図１Ｄに示すごとく段差が生じている端部を中心に、針状の異形突起４が現れるという問題が生じる。

この問題は、エッチング工程において、エッチングガスであるＳＦ₆ガスに、酸素ガスを混入する方法であっても大きく変わることはない。酸素プラズマ自身は、例えばフッ化炭素系ポリマーによる保護膜に対して高い化学的反応性を有していると言える。しかし、これがエッチングガスと併存する場合は、プラズマ化することによって、むしろシリコンのエッチング能力を弱め、エッチング底面のマイクロマスクを生じさせ易くすることを、発明者らは実験により確認した。

そして上述の問題は、特に、図１に示すような多段形状のエッチング溝を形成しようとする場合や、図２Ａに示すようなＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハー上に残り厚み（高さ）の異なるシリコンの成形体を作製しようとする場合に、顕著になって現れることを発明者らは見出した。

この発明は、発明者らが知見した上述の問題を解決することを目的とするものであり、特に、多段形状のような複雑な形状であっても異常形状を生じさせることのない、加工精度の高いプラズマエッチング方法及びその装置の提供を目的としている。

発明者らは、一つの空間が形成される被エッチング領域内に段差形状をプラズマエッチングにて形成するに際し、段差端部に針状形状が形成されることなく、エッチング到達面が極めて平滑な面を有するシリコン成形体を得るべく、エッチング工程について鋭意検討した。その結果、酸素を含む酸化性ガスをプラズマ化してシリコン材に曝す工程を、エッチング工程や保護膜を堆積させる工程とは別個の工程として設けた上で、これらの工程を順次繰り返す方法を採用することにより、段差を有する複雑なシリコン成形体であっても、そのエッチング到達面を極めて平滑にすることができることを知見し、この発明を完成した。

すなわち、この発明は、
処理室内の基台であって、高周波電力が印加される基台上に、エッチングの対象領域内に少なくとも１の段差形状を有するシリコン材又は該シリコン材を含む基板を載置し、
前記処理室内にエッチングガスを含むガスを供給しプラズマ化して前記シリコン材をエッチングする工程と、
前記処理室内に酸素を含む酸化性ガスを供給しプラズマ化して前記シリコン材に曝す工程と、
前記処理室内にフッ化炭素ガス又はフッ化炭化水素ガス又はその両方を含む保護膜形成ガスを供給しプラズマ化して前記シリコン材に保護膜を堆積させる工程とを、
順次繰り返して実行するようにしたシリコン材のプラズマエッチング方法である。

また、この発明は、室内に雰囲気ガスを流量調節して供給するガス供給手段並びにその排気手段を備えた処理室と、前記処理室内に設けられ、被処理基板が載置される基台と、前記基台に高周波電力を印加する電力供給手段と、前記処理室内に供給された前記雰囲気ガスをプラズマ化するプラズマ発生手段と、前記ガス供給手段、電力供給手段及びプラズマ発生手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記雰囲気ガスとして、エッチングガスを含むガスを前記処理室内に供給しプラズマ化して前記被処理基板をエッチングする工程と、前記雰囲気ガスとして、酸素を含む酸化性ガスを前記処理室内に供給しプラズマ化して前記被処理基板に曝す工程と、前記雰囲気ガスとして、フッ化炭素ガス又はフッ化炭化水素ガス又はその両方を含む保護膜形成ガスを前記処理室内に供給しプラズマ化して前記被処理基板に保護膜を堆積させる工程とを、順次繰り返して実行させるように構成されてなるシリコン材のプラズマエッチング装置である。

この発明によれば、一つの空間が形成されるエッチングの対象（施工）領域内に、少なくとも１の段差形状を有するシリコン成形体であって、当該エッチング到達面の最大表面粗さ（Ｒｙ）が、２μｍ以下のシリコン成形体を得ることができる。

この発明によるエッチング方法によれば、エッチング工程で除去し切れなかったエッチング底面上の保護膜残渣、すなわちマイクロマスクを、その後に続く酸素を含む酸化性ガスのプラズマにより確実に除去できるため、エッチング対象となる領域内に段差形状を有する空間部を形成する場合であっても、針状の異常形状を生じさせることなく、各エッチング到達面、特に、最も深いエッチング到達面を除くエッチング到達面を極めて平滑にすることができる。

また、この発明によるエッチング方法によれば、酸化性ガスがプラズマ化した際に、シリコン材を載置する基台に対して印加する高周波電力を最適化することで、エッチング底面に残留するマイクロマスクの効率的な除去に加え、シリコン材への過剰な酸素プラズマ照射によるエッチング側面の保護膜破壊を防止して、高精度なエッチング形状を得ることができる。さらに、特定範囲の高周波電力印加により、例えばエッチングマスクがフォトレジストマスクであった場合には、当該マスクの消費量を低く抑えることができ、マスクに対するシリコンのエッチング選択比を向上することができる。

この発明によるエッチング装置によれば、酸素を含む酸化性ガスをプラズマ化してシリコン材に曝す工程を、エッチング工程や保護膜を堆積させる工程とは別個に制御可能な工程とし、かつ、酸素を含む酸化性ガスをプラズマ化する工程をエッチング工程の後に実施する構成を採用することにより、エッチング工程後に残留するマイクロマスクを確実に除去して、段差形状部分に針状の異常形状がない高精度の段差形状を得ることができる。

この発明によって得られるシリコン成形体は、一つの空間が形成されるエッチングの対象（施工）領域内におけるエッチング到達面が、それぞれ極めて平滑な面で構成されるため、例えば、当該シリコン成形体が半導体デバイス化され、前記空間内に流体が通過する構成となった場合、流体の円滑な流れが得られる。

以下、本発明の具体的な実施形態を、添付する図面に基づいて説明する。図３は、この発明の一実施形態に係るシリコン材のエッチング方法を実施するための誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）装置の構成説明図である。

図３に示すエッチング装置は、処理室１０として、プラズマを発生させる上方側のプラズマ発生室１１と、発生されたプラズマを引き込んで被エッチング対象であるシリコン材２３をプラズマ処理するための基台１３を備えた下方側の反応室１２とから構成される。

処理室内の排気手段としての排気系路１４は、ここでは反応室１２に接続する通路部材及びこの通路部材に接続する真空ポンプ１５を備えている。この真空ポンプ１５と、反応室１２と通路部材間に介在する制御機構を備えた開閉バルブ（図示せず）により、処理室１０内の圧力は所要範囲に減圧、制御される。

エッチング用のＳＦ₆ガスと、酸素を含む酸化性ガスと、保護膜形成用Ｃ４Ｆ８ガスとを供給するガス供給系路１６は、プラズマ発生室１１上部に接続される通路部材と、各ガスに対応した流量制御装置及びガスボンベ１７〜１９とからなる。各種ガスは、ガスボンベ１７〜１９から流量制御装置（ＭＦＣ）により流量を調整された上で、プラズマ発生室１１内に送給される。

プラズマ発生手段は、セラミック製の円筒形状を有するプラズマ発生室１１の外周に配設されたコイル２０と、コイル２０にマッチングユニット２１を介して接続される高周波電源２２とからなる。プラズマエッチング装置の稼動時には、周波数１３．５６ＭＨｚの交流電力がコイル２０に印加され、処理室に供給されるガスがプラズマ化される。

シリコン材２３を載置する基台１３は、前記反応室１２内に収容されており、コイル２０への高周波電力の印加により発生したプラズマを積極的にシリコン材２３に引き込むために、基台１３に対して、前記コイル２０とは別個にマッチングユニット２４を介して周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電源２５が接続されている。

図示しない制御装置は、ガス流量制御、基台電力制御、コイル電力制御の各機能を有し、前述のガス流量制御装置を制御してガスボンベ１７〜１９からエッチングガス、酸化性ガス、保護膜形成ガスをプラズマ発生室１１内に送給し、また、前述の基台１３に対し高周波電源２５とマッチングユニット２４を制御して高周波電力を印加し、さらに、コイル２０に対し高周波電源２２とマッチングユニット２１を制御して高周波電力を印加する。

特にガス流量制御は、エッチングガスのみを所定時間供給してエッチングを行うエッチング工程、酸化性ガスをのみを所定時間供給して作用させる工程、保護膜形成ガスのみを所定時間供給して保護膜を形成する保護膜を堆積させる工程とを順次繰り返して実行することができる。

なお、エッチング工程においてはエッチングガスのＳＦ₆に加え、例えば酸素ガスをプラズマ発生室１１内に一時的に同時に供給することを妨げるものではなく、また、保護膜を堆積させる工程においても、Ｃ₄Ｆ₈ガスと酸素ガスを一時的に同時に供給することもできる。例えば、ＳＦ₆ガスと酸素ガスを同時にプラズマ化することにより、シリコンのエッチング能力は低下するが、ＳＦ₆プラズマ中の硫黄成分と酸素プラズマとの反応により、排気装置又は通路部材内への硫化物の析出を抑制することができるからである。

図２Ａに示すようなＳＯＩウェハー上に残り厚み（高さ）の異なるシリコンの成形体を作製する際、従来のプロセスでは、図２Ｂに示すようにＳＦ₆のエッチングガスで所定の深さまでエッチングを行い、その後、一旦マスクを全て除去した後、図２Ｃに示すように開口部中央を除く部分にマスクを再形成し、さらに第２段階でエッチング工程（底部保護膜除去とエッチング）と、Ｃ₄Ｆ₈を保護膜形成ガスとする保護膜形成工程のスイッチングプロセスを行って開口部中央の段差部の形成すると、図２Ｄに示すようにエッチング時に余分な保護膜が除去できず、保護膜（または保護膜に覆われたシリコン）が残るような形状になり、端部を中心に針状の異形突起が現れる。

異形突起は、ステップごとに端部に残渣、マイクロマスクが順次成長するようであるので、残渣の原因となる所謂デポ能力を下げることを検討したところ、デポ時のコイルパワーを下げることや、処理圧力を下げることにより、残渣の生成を抑えることはある程度可能となるが、異形突起をなくすことはできない。

また、前記誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）装置を用いて、エッチングガスとしてのＳＦ₆ガスに添加する酸素ガスの量を変えて、上述のエッチング方法によりシリコンの異方性エッチングを行ったときの最終形状を検討したところ、エッチングガスに添加する酸素ガスの量が増加していくに従い、エッチング底面に生じる針状形状がより明確に確認できるようになっている。すなわち、酸素ガスがＳＦ₆ガスと同時にプラズマ化された場合には、酸素プラズマは針状形状の原因となるマイクロマスクの効果的な除去剤としては機能しないことを確認した。

そこでこの発明では、図４に示すごとく、エッチングガスａによるエッチング工程の後に酸素を含む酸化性ガスｂのみのプラズマステップを加え、その後、保護膜形成ガスｃによる保護膜形成工程に入る３ステップを基本としたスイッチングプロセスとしている。すなわち、酸素プラズマステップにより、ＳＦ₆エッチング後の取りきれなかった過剰な保護膜を確実に除去するものである。

この発明において、酸素を含む酸化性ガスをプラズマ化して前記シリコン材に曝す工程は、その酸素量や処理時間等はエッチング処理対象空間の形状やエッチング、保護膜形成条件などに応じて適宜選定される。好ましくは、高周波電力は、コイル側に８００Ｗ、及び基台側に２０Ｗを印加し、また、処理室内圧力は、５．０Ｐａとし、処理時間は、１０秒である。

酸素Ｏ₂を含む酸化性ガスとしては、酸素と窒素Ｎ₂の混合ガス、酸素とアルゴンＡｒの混合ガス、酸素と四フッ化炭素ＣＦ₄の混合ガス、及び酸素とＨ₂Ｏガスとの混合ガスが好適である。

エッチングガスを含むガスとしては、公知のＳＦ₆の他に、ＳＦ₆と酸素の混合ガスが好適である。保護膜形成ガスとしては、フッ化炭素ガス又はフッ化炭化水素ガスあるいはその両方を含むガスが適宜利用できる。

また、この発明において、前記酸素を含む酸化性ガスをプラズマ化して前記シリコン材に曝す際に基台に印加される高周波電力が、１０Ｗ以上６０Ｗ以下であることが好ましい。これは、１０Ｗ未満では、プロセス中に生じるマイクロマスクを十分に除去する能力が低下してしまい、一方６０Ｗを超えると、酸素プラズマの斜め入射によりエッチング部の側壁保護膜が破壊されてしまうとともに、エッチングマスクがフォトレジストマスクであった場合には、当該マスクの消費量が増大して、マスクに対するシリコンのエッチング選択比が低下することによる。そして前記効果をより有効にするため、さらに好ましい印加電力の範囲としては、１０Ｗ以上４０Ｗ以下である。

この発明によるプラズマエッチング方法で得られたシリコン成形体は、複数存在するエッチング到達面のうち、最も浅いエッチング到達面までの深さが１０μｍ以上であっても、全てのエッチング到達面の最大表面粗さ（Ｒｙ）が２μｍ以下となった。また、前記シリコン成形体は、シリコン基板への印加電力を適正化、即ち１０Ｗ以上６０Ｗ以下の範囲に設定することにより、最大表面粗さ（Ｒｙ）が１μｍ以下である平滑面を形成し、更に印加電力の最適化、即ち１０Ｗ以上４０Ｗ以下の範囲に設定することにより、最大表面粗さ（Ｒｙ）が０．５μｍ以下である平滑面とすることに成功した。これにより、前記シリコン成形体が、特に、前記空間内に血液やインクなどの液体あるいは高圧ガスなどの気体が通過する構成となった場合、流体の円滑な流れが得られる。

図１に示すような２段形状のエッチングを前述の図３に示すプラズマエッチング装置で、エッチング条件を変化させたり、従来工程とこの発明の工程とを実施し、エッチング後の形状性を評価した。

基板表面に最初に最も深くエッチングする部分に合わせた開口幅を持つエッチングマスクと、次の深さの部分に合わせた開口幅を持つエッチングマスク３積層して設け、まず最初の異方性エッチングを行い、次に最初のエッチングマスクを除去し、更に異方性エッチングを行う工程で、従来のエッチング工程と保護膜形成工程のスイッチングプロセスを行った。

エッチング工程は、ＳＦ₆ ４００ｓｃｃｍ、コイル２４００Ｗ、基台６０Ｗ、圧力７．９８Ｐａ、保護膜形成工程は、Ｃ₄Ｆ₈ ２００ｓｃｃｍ、コイル１８００Ｗ、基台０Ｗ、圧力２．６６Ｐａとし、エッチング工程と保護膜形成工程の時間を夫々５秒と３秒で交互に繰り返した。総プロセス時間は４分とした。その結果、図５Ａに示すように、段差端部に異形突起が多く見られるものであった。

エッチング工程で、基台への入力を６０Ｗから７０Ｗにしたところ、図５Ｂに示すように、段差端部の形状性が損なわれてしまった。

そこで、保護膜形成工程については、Ｃ₄Ｆ₈の流量を２００ｓｃｃｍから１７０ｓｃｃｍにしたところ、図６Ａに示すように、段差端部の異形突起が少なくなった。そこで、さらにＣ₄Ｆ₈の流量を１７０ｓｃｃｍから１５０ｓｃｃｍにしたところ、図６Ｂに示すように、段差端部の形状性が損なわれてしまった。尚、Ｃ₄Ｆ₈の流量が１６０ｓｃｃｍの場合も実験したが、この場合、結果にバラツキがありプロセス上不安定であることが分かった。

次に、先のエッチング工程と、上記のＣ₄Ｆ₈の流量を減らした保護膜形成工程との間に、Ｏ₂ ４０ｓｃｃｍ、コイル８００Ｗ、基台２０Ｗ、圧力４．５Ｐａ、時間１０秒の条件による酸素ガスプラズマ工程を加え、これらの工程を順次繰り返すプラズマエッチングを実施した。尚、エッチング工程と保護膜形成工程の時間を夫々５秒と３秒とし、総プロセス時間は９分であった。また、酸素ガスに替えて、酸素とアルゴンＡｒの混合ガスを使用し、Ｏ₂ ４０ｓｃｃｍ、Ａｒ １０ｓｃｃｍ、コイル８００Ｗ、基台２０Ｗ、圧力５．０Ｐａ、時間１０秒の条件による酸素ガスを含む酸化性ガスプラズマ工程を加えて同様の実験を行った。

その結果、前記いずれのガスの場合も、図６Ｃに示すように、最終構造物は段差端部の異形突起がなく、また、段差の形状も極めて良好であった。また、前記酸素を含む酸化性ガスプラズマ工程を設けることにより、その他の工程（例えばエッチング工程）の条件を多少変更しても、同様の良好な形状を得ることができ、所謂プロセスマージンが広いことが分かった。このことから、エッチング工程及び保護膜形成工程とは別個の酸素プラズマによる工程を設けることにより、被エッチング領域内に段差形状を有する最終構造物の段差部分の形状が極めて精度の高いものとなることが本実施例からも明らかである。

この発明によるプラズマエッチング方法並びにエッチング装置は、酸素を含む酸化性ガスをプラズマ化してシリコン材に曝す工程を、従来のエッチング工程と保護膜形成工程とは別個の工程として管理制御するため、エッチング工程後に残留するマイクロマスクを確実に除去して、段差形状部分に針状の異常形状がない高精度の段差形状を得ることができる。

Ａ〜Ｄはプラズマエッチング工程を説明する基板の断面説明図である。 ＡはＳＯＩウェハー上に残り厚み（高さ）の異なる形状を形成した例を示す説明であり、Ｂ〜Ｄはプラズマエッチング工程を説明する基板の断面説明図である。 プラズマエッチング装置の構成例を示す説明図である。 この発明による３ステップスイッチングのシーケンス図である。 実施例におけるエッチングで得られたシリコン成形体の断面形状を示す顕微鏡写真の模式図である。 実施例におけるエッチングで得られたシリコン成形体の断面形状を示す顕微鏡写真の模式図である。

符号の説明

１ 基板
２，３ マスク
４ 異常突起
５ ＳiＯ₂層
１０ 処理室
１１ プラズマ発生室
１２ 反応室
１３ 基台
１４ 排気系路
１５ 真空ポンプ
１６ ガス供給系路
１７〜１９ ガスボンベ
２０ コイル
２１，２４ マッチングユニット
２２，２５ 高周波電源
２３ ウェハー

Claims (4)

1. 処理室内の基台であって、高周波電力が印加される基台上に、エッチングの対象領域内に少なくとも１の段差形状を有するシリコン材又は該シリコン材を含む基板を載置し、
   前記処理室内にエッチングガスを含むガスを供給しプラズマ化して前記シリコン材をエッチングする工程と、
   前記処理室内に酸素を含む酸化性ガスを供給しプラズマ化して前記シリコン材に曝す工程と、
   前記処理室内にフッ化炭素ガス又はフッ化炭化水素ガス又はその両方を含む保護膜形成ガスを供給しプラズマ化して前記シリコン材に保護膜を堆積させる工程とを、
   順次繰り返して実行するようにしたシリコン材のプラズマエッチング方法。
2. 前記酸素を含む酸化性ガスをプラズマ化して前記シリコン材に曝す工程において、前記基台に印加する高周波電力を１０Ｗ以上６０Ｗ以下とした請求項１に記載のシリコン材のプラズマエッチング方法。
3. 室内に雰囲気ガスを流量調節して供給するガス供給手段並びにその排気手段を備えた処理室と、
   前記処理室内に設けられ、被処理基板が載置される基台と、
   前記基台に高周波電力を印加する電力供給手段と、
   前記処理室内に供給された前記雰囲気ガスをプラズマ化するプラズマ発生手段と、
   前記ガス供給手段、電力供給手段及びプラズマ発生手段を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記雰囲気ガスとして、エッチングガスを含むガスを前記処理室内に供給しプラズマ化して前記被処理基板をエッチングする工程と、
   前記雰囲気ガスとして、酸素を含む酸化性ガスを前記処理室内に供給しプラズマ化して前記被処理基板に曝す工程と、
   前記雰囲気ガスとして、フッ化炭素ガス又はフッ化炭化水素ガス又はその両方を含む保護膜形成ガスを前記処理室内に供給しプラズマ化して前記被処理基板に保護膜を堆積させる工程とを、
   順次繰り返して実行させるように構成されてなるシリコン材のプラズマエッチング装置。
4. 前記制御手段は、前記酸素を含む酸化性ガスをプラズマ化して前記シリコン材に曝す工程において、前記電力供給手段によって前記基台に印加される高周波電力を１０Ｗ以上６０Ｗ以下に設定するように構成されている請求項３に記載のシリコン材のプラズマエッチング装置。

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