JP4707178B2 - エッチング方法およびエッチング装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン基板等の被処理物をエッチングする方法および装置に関するものである。

各種のセンサ関連部品やバイオ関連部品として、シリコン基板をエッチングにより加工して微小な機能部品を製造する技術があるが、このうちパワーデバイスやＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System）分野では、しばしば２０μｍ以上、さらには１００〜３００μｍの深い溝や穴の加工を行う場合もある。

このような深い溝や縦穴の加工をドライエッチングにより行う場合、一般にＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）等の高密度プラズマソースを利用した高いエッチングレートが得られる方法が用いられる。また、処理反応室内にエッチングガスを導入して溝又は穴をエッチングする工程と、同じ反応処理室内にパッシベーションガスを導入し、エッチングされた溝や穴の側壁およびボトムにパッシベーション層（保護膜）を化学的に蒸着させる工程とを交互に行うことによって、高速で正確な形状の深い溝や穴の加工を可能とするエッチング方法がある（例えば、特許文献１参照）。

このエッチング方法は、エッチングした後の溝や穴内においてシリコンが露出した側壁とボトムの両方に保護膜を化学的に蒸着した状態で再度エッチングを行うと、側壁よりもボトムの保護膜の方が早くエッチングされることにより、主としてボトム方向へのエッチングが進行することを利用するものである。また、このようなエッチング方法において、側壁の形状を制御する方法が特許文献２に開示されている。
特表２００１−５０５００１号公報 特許第３５４０１２９号公報

しかしながら、上記各特許文献にて開示されたエッチング方法を実際に使用する場合、エッチング加工された溝や穴等のエッチング部の側壁に形成される保護膜に、部分的でかつ不規則な欠陥（欠落や変質等）が発生することがある。この保護膜自体は後の工程で取り除かれることが多いが、その下地であるシリコンの表面に該欠陥による影響によって部分的な窪みや不規則な表面粗さが発生するおそれがある。

また、エッチングレートを上げるため、エッチングガスの流量や圧力を増加させると、更にそれらの欠陥が側壁全体に拡大したり、溝や穴の形状が悪化したりすることもある。

本発明は、エッチング部に形成される保護膜における欠陥の発生を抑制するとともに、高いエッチングレートを実現するエッチング方法および装置を提供することを目的とする。

１つの側面としての本発明のエッチング方法および装置は、処理室内にエッチングガスを供給して処理室内に配置されたシリコン基板のプラズマエッチングを行う第１の工程と、処理室内にパッシベーションガスを供給してシリコン基板のエッチング部にパッシベーション層を生成する第２の工程とを交互に繰り返すことによりシリコン基板に深い溝又は穴の加工を行い、さらに第２の工程の後、第１の工程の前に第３の工程として、エッチングガスおよびパッシベーションガスの両方を遮断する工程を設け、第１の工程、第２の工程および第３の工程を通じて処理室内にエッチングガス及びパッシベーションガスの導入圧力より低い一定の導入圧力に設定したパージガスを供給し、第１の工程、第２の工程および第３の工程を繰り返すことによりシリコン基板のエッチング部の深さが深くなるにしたがって、第３の工程のパージガスの導入時間を随時増加させることを特徴とする。

本発明において、第２の工程の後、第１の工程の前に、エッチングガスおよびパッシベーションガスの両方を遮断する第３の工程は、パージ工程となる。該パージ工程では、第１、第２および第３の工程を通じて供給されているパージガスが処理室内の大部分を占めることになる。このため、エッチング部内から、第２の工程で供給されて残留したパッシベーションガスを排除したり減少させたりすることができる。したがって、本発明によれば、パッシベーション層に不規則な欠陥が発生するのを抑制できる。この結果、エッチングガスやパッシベーションガスの流量や圧力を増加させてエッチングレートを大きくすることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施例について説明する。

図１Ａには、本発明の実施例１であるエッチング方法を使用するエッチング装置の構成を示している。本実施例では、ＩＣＰプラズマエッチング装置の一例を示している。

図１Ａにおいて、５は基板処理反応室であり、ガスが導入されていない状態では１０^−５Ｐａ程度の高い真空状態を実現できる。この基板処理反応室１の上部には、ガス導入口９が設けられており、該ガス導入口９を通じてガス供給部４１からのエッチングガス、保護膜生成ガス（パッシベーションガス）およびパージガスを基板処理反応室５内に導入できる。ガス供給部４１内には、図示しないが、各ガスに対応した電磁バルブ等、各ガスの供給、遮断および供給流量（供給圧力）を制御する部材が設けられている。

また、基板処理反応室５の上部には、該基板処理反応室５の外周部に配置されたアンテナコイル６が設けられている。このアンテナコイル６には、例えば１３．５６ＭＨｚのプラズマソース用高周波電源７が接続されており、加工する寸法や形状によって異なるが、例えばピーク電力が１〜３ｋＷである高周波電力がインピーダンスマッチング回路８を経由してアンテナコイル６に印加される。

後述するように、ガス供給部４１からは、エッチングガスとしてのＳＦ_６が１００〜７００ｓｃｃｍ（standard cc/min）の流量で、また保護膜生成ガスとしてのＣ_４Ｆ_８が５０〜４００ｓｃｃｍの流量で、それぞれ順に切り換えられて基板処理反応室５に供給される。この切り換え制御は、コントローラ４２により行われる。一方、パージガスとしてのヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトンガス（Ｋｒ）、キセノンガス（Ｘｅ）又は窒素（Ｎ_２）が、５０〜４００ｓｃｃｍの流量で、後述するエッチング工程（第１の工程）、保護膜生成工程（第２の工程）およびパージ工程（第３の工程）を通じて常時連続して供給される。なお、本発明において、各ガスの具体的な成分はこれらに限られない。

基板処理反応室５内に導入されたエッチングガスが高周波電源７およびアンテナコイル６からのエネルギーによって励起されることにより、プラズマが発生する。これにより、エッチングガス内には、イオン（ＳＦ_ｘ）および励起反応種Ｆラジカルが発生する。また、保護膜生成ガス内には、基板表面に付着してパッシベーション層としての保護膜を形成するポリマーイオン（Ｃ_ｘF_ｙ）が発生する。さらに、パージガス内には、該ガスの活性種やイオンが発生する。

基板処理反応室５内の下部には、被処理物であるシリコン基板１２を保持するための基板ホルダー１１が配置されており、その内部には電極１３が設けられている。電極１３と基板処理反応室５との間には、インピーダンスマッチング回路１５を経由してバイアス用高周波電源１４から、例えば１３．５６ＭＨｚでピーク電力が５〜５００ｗの高周波電力が印加される。これにより、基板処理反応室５の上部空間にて発生し、該反応室５のほぼ全体に拡散しているイオンや活性種が基板１２側に加速運動する。

そして、それらのイオンや活性種は、最終的に基板１２の表面に到達し、基板１２をエッチングしたり、エッチングされた溝や穴等のエッチング部の側壁やボトムに保護膜を生成したりする。

エッチング部に保護膜が生成された後に処理室５内に存在するパージガスは、該エッチング部内から残留した保護膜生成ガスを排除したり減少させたりする作用を持つ。これにより、保護膜に欠陥や変質が発生するのを抑制できる。

ここで、本実施例で説明するエッチング方法は、それぞれ数秒間のエッチング工程と保護膜生成工程とを繰り返しながら異方性エッチング形成するものである。このようなエッチング方法では、エッチングされた溝や穴の側壁に、波状の繰り返し模様（通称、スキャロップと称される）が深さ方向に現れる。

このような模様は、細かければ細かいほど好ましく、無くすることが理想的である。スキャロップを細かくするため若しくは無くするためには、エッチング工程と保護膜工程のそれぞれの時間を短くすればよい。例えば、エッチング工程を３秒、保護膜生成工程を１秒、パージ工程を０．５秒というように設定すればよい。

しかしながら、ガス流量を一定量に制御する手段として一般に使用される流量制御機能付き電磁弁（マスフローコントローラ）では、１秒以下の短い時間での正確な流量制御は難しい。したがって、パージ工程でのパージガス流量が不安定になるおそれがある。そして。パージガス流量が不安定であると、エッチング部の側壁に形成される保護膜に生じる欠陥や変質を低減させるパージ効果が十分に得られない。

このため、本実施例では、エッチング工程、保護膜生成工程およびパージ工程を通じて一定の流量のパージガスを常時、基板処理反応室５に供給する。この方法によれば、パージ工程を１秒以下の短い時間に設定しても、パージガス流量自体の不安定さが生じない。これにより、パージ工程でのみパージガスを供給する場合に比較して、パージ効果を低下させることなく、スキャロップを細かくすることができる。

さらに、本実施例によれは、エッチング速度の低下も回避できる。パージ工程を１秒以上に設定すればパージガス流量を安定させることができるので、十分なパージ効果を得ることは可能である。しかし、エッチング工程、保護膜生成工程およびパージ工程からなるエッチング処理内でのパージ工程の時間比率が上昇する。言い換えれば、該エッチング処理内でのエッチング工程の時間比率が下降する。例えば、前述したように、エッチング工程が３秒、保護膜生成工程が１秒、パージ工程が０．５秒である場合には、エッチング工程の時間比率が６７％であるのに対して、パージ工程が１秒になると、エッチング工程の時間比率が６０％まで下降する。したがって、全体としてのエッチング速度（加工速度、つまりはスループット）を７％も低下させてしまうことになる。

この点、本実施例によれば、パージガス流量の不安定さを生じさせずにパージ工程を例えば０．５秒に設定することができるので、全体としてのエッチング速度の低下を回避できる。本実施例では、エッチングガスおよび保護膜生成ガスの圧力を、常時供給するパージガスの圧力分だけ高めに設定する。

図１Ｂには、上述した本実施例のエッチング装置における１枚の基板１２（但し、複数の基板を同時に処理してもよい）に対する一連のエッチング処理の流れを示している。

ステップ（図では「Ｓ」と略す：他のフローチャートについても同じ）１では、基板１２を基板ホルダー１１上に配置し、その後で基板処理反応室５内からの真空排気を行い、上述したように１０^−５Ｐａ程度の真空状態とする。

ステップ２では、エッチング工程、保護膜生成工程およびパージ工程を通じて連続して供給するパージガスの供給を開始し、不図示の圧力センサの出力をモニターしながらパージガスの圧力を所定値に維持する。

次に、ステップ３では、基板処理反応室５内にエッチングガスを導入し、ステップ２と同様に圧力センサの出力をモニターしながらパージガス圧とエッチングガス圧が重合された圧力を所定値に維持した状態で上述したようにプラズマを発生させ、所定時間、基板１２に対するエッチングを行う（第１の工程であるエッチング工程）。

エッチング工程が終了すると、エッチングガスの供給を遮断し、次にステップ４にて、基板処理反応室５内に保護膜生成ガスを導入して、パージガス圧と保護膜生成ガス圧が重合された圧力を所定値に維持した状態で、基板１２におけるエッチング部に保護膜を生成する（第２の工程である保護膜生成工程）。

所定時間の保護膜生成工程が終了すると、保護膜生成ガスの供給を遮断し、次にステップ５にて、基板処理反応室５内に常時連続して供給されているパージガスによってエッチング部内に残留した保護膜生成ガスを除去又は減少させる（第３の工程であるパージ工程）。
そして、所定時間のパージ工程が終了すると、ステップ６にて今回のプロセスサイクル（１回のエッチング工程〜パージ工程までを１プロセスサイクルとする）が所定のｎ回目であったか否かを判別し、まだｎ回目でなければステップ２に戻り、次回のプロセスサイクルを繰り返す。

一方、ｎ回目のプロセスサイクルが終了した場合は、ステップ７へ進み、パージガスの供給を停止する。

次に、ステップ８に進み、基板処理反応室５内において気化したエッチング生成物や余分なガスが基板処理反応室５の下部に設けられたガス排出口１０から外部へ排出される。こうして一連のエッチング処理を終了する。

図２には、コントローラ４２の制御による、基板処理反応室５内に導入されるガスの時間的な切り換えの様子を示している。図２の縦軸は導入される各ガスの基板処理反応室５内での圧力（以下、これを導入圧力といい、供給圧力と同義である）を示し、横軸は時間を示している。

図２において、１はエッチングガスの導入圧力（本実施例では、設定圧をＰ１とする）と導入タイミングを示している。２は保護膜生成ガスの導入圧力（本実施例では、設定圧をＰ２とする）と導入タイミングを示している。３はパージガスの導入圧力（本実施例では、設定圧をＰ３とする）と導入タイミングを示している。具体的な圧力値は、加工の寸法や形状により異なるが、例えば、エッチングガスについては１〜３０Ｐａ、保護膜生成ガス２については０．５〜１８Ｐａ、パージガスについては０．５〜１７Ｐａを使用する。但し、保護膜生成ガスの圧力をエッチングガスの圧力よりも低く、パージガスの圧力を保護膜生成ガスの圧力よりも低く設定するのが望ましい。

さらに、４は基板処理反応室５内でのエッチングガス、保護膜生成ガスおよびパージガスの合成圧力の変化を示している。エッチング工程中の圧力はＰ１＋Ｐ２、保護膜生成工程中の圧力はＰ２＋Ｐ３、パージ工程中の圧力はＰ３に変化する。

本実施例では、時間（期間）ｔ１であるエッチングガスの導入時間の後であって、時間ｔ２である保護膜生成ガスの導入時間の完了直後に、該ｔ１，ｔ２に比較して短い時間ｔ３の間エッチンガスおよび保護膜生成ガスの両方とも供給しない時間を設ける。言い換えれば、時間ｔ１でのエッチング工程が終了した後の時間ｔ２での保護膜生成工程の後、次のエッチング工程の前に時間ｔ３でパージ効果が発揮されるパージ工程を設ける。

具体的なガス導入時間およびパージ工程の時間は、ｔ１については１〜１２秒、ｔ２については１〜３秒、ｔ３については０．５〜３秒の範囲に設定する。なお、導入時間は供給時間と同義である。

ここで、経験的に、２０μｍ以上あるいはアスペクト比が５以上の深い溝あるいは穴を加工する場合に、保護膜生成ガスが該溝又は穴内の空間に残っている状態でエッチングガスが導入されると、該空間で必要以上のフッ素ラジカルが生じる期待しない反応（異常反応と同義）が発生し、保護膜の形状や質を著しく悪化させることが分かっている。図６には、保護膜生成ガスが溝内空間に残っている状態でエッチングガスが導入された場合に、溝の側壁に発生した欠陥を示すＳＥＭ（Scanning Electron Microscopy）写真を示している。図中にいくつか黒い斑点状に見えるものＤが、保護膜に生じた欠陥である。

本実施例では、ヘリウムガス、アルゴンガス、キセノンガス、クリプトンガスあるいは窒素ガスをパージガスとして導入することで、これらのパージガスはプラズマ下でイオンあるいは活性種を発生し得るが、エッチング部内の空間に残留する保護膜生成ガスを取り除く又は減少させる作用を有し、結果として上記異常反応の発生を抑制できる。特に、エッチング深さが２０μｍ以上あるいはアスペクト比が５以上の深い溝あるいは穴等を加工する場合に、本実施例（および後述する他の実施例）は有効である。

なお、酸素ガスについても同様なパージ効果を有するが、その反面、プラズマ下で発生する酸素ラジカルの保護膜へのエッチング（除去）効果が高い。このため、エッチング部の側壁に形成した保護膜を除去し過ぎて、シリコン基材を露出させてしまう可能性がある。この結果、望まずして露出したシリコン側壁が次のエッチング工程で削られ、エッチング部の溝や穴の形状が垂直形状にならず、途中が膨らんだ樽状等の異形状になるおそれがある。特に、深さが１００μｍを超えるアスペクト比２０以上の深い溝或いは穴を加工する場合に、このような異形状が発生し易い。したがって、本実施例において、酸素ガスをパージガスとして用いる場合は注意が必要である。図３のフローチャートには、本実施例のエッチング方法（処理）を実行するためのコントローラ４２によるガス供給制御の手順を示している。該制御は、コントローラ４２に格納された制御用コンピュータプログラムに従って実行される。このことは以下の実施例でも同様である。

まず、ステップ１２０１では、コントローラ４２は、エッチング処理のプロセスサイクル数Cycleを１に初期設定する。次に、ステップ１２０２では、ガス供給部４１を制御してパージガスの導入を開始（オン）する。ステップ１２０３では、１プロセスサイクル内でのプロセスステップ数（エッチング工程を１、保護膜生成工程を２、パージ工程を３とし、３に達すると１に戻る）を０に初期設定する。

次に、ステップ１２０４では、プロセスステップ数を１インクリメントし、さらにステップ１２０５では、該ステップ数を判別する。該ステップ数が１である場合はステップ１２１１に、ステップ数が２である場合はステップ１２２１に、ステップ数が３である場合はステップ１２３１に進む。

ステップ１２１１では、エッチング工程を行うためにガス供給部４１からのエッチングガスの導入を開始（オン）する。そして、ステップ１２１２において、エッチングガスの導入時間タイマーを時間ｔ１に設定し、ステップ１２１３，１２１４で該導入時間が時間ｔ１に達する（すなわち、エッチング工程が終了する）と、ステップ１２１５に進み、ガス供給部４１からのエッチングガスの導入を遮断（オフ）する。そして、ステップ１２０４に戻る。

ここで、ステップ１２１４においてはタイマーを所定時間ずつデクリメントし、ステップ１２１３でタイマーが０になったときにステップ１２１５に進むが、デクリメントする所定時間は、整数秒単位でもよいし、小数点以下の秒を含む単位でもよい。このことは、他のガスの導入時間タイマーにおいても同様である。ステップ１２２１では、保護膜生成工程を行うためにガス供給部４１からの保護膜生成ガスの導入を開始（オン）する。そして、ステップ１２２２において、保護膜生成ガスの導入時間タイマーを時間ｔ２に設定する。ステップ１２２３、１２２４で該導入時間が時間ｔ２に達する（すなわち、保護膜生成工程が終了する）と、ステップ１２１５に進み、ガス供給部４１からの保護膜生成ガスの導入を遮断（オフ）する。この時点から、常時供給されているパージガスの分圧が上昇し始める。

ステップ１２３１では、エッチングガスと保護膜生成ガスの両方の導入を遮断しておくパージ工程時間のタイマーを時間ｔ３に設定する。これにより、パージ工程が開始され、該エッチング部近傍に残留している保護膜生成ガスに対するパージ効果が出始める。

ステップ１２３２とステップ１２３３でパージ工程時間が時間ｔ３に達すると、ステップ１２０６に進む。ステップ１２０６では、プロセスサイクル数を１インクリメントし、ステップ１２０７においてプロセスサイクル数が所定数ｎに達していない場合は、ステップ１２０３に戻る。このとき、次のステップ１２０４でプロセスステップ数は１となるので、ステップ１２０５からステップ１２１１に進み、再びエッチングガスの導入をオンして次のプロセスサイクルのエッチング工程を開始する。
こうしてステップ１２０７においてプロセスサイクル数が所定数ｎに達すると、ステップ１２０８に進み、パージガスをオフして、一連のエッチング処理を終了する。

エッチング工程、保護膜生成工程およびパージ工程からなる１プロセスサイクルの時間は、概ね２〜１５秒である。また、基板１枚に対する全エッチング加工時間は、その材料や形状若しくはエッチング深さによって異なるが、例えばシリコン基板に１００μｍの深さの溝又は穴をエッチングする場合は、５〜１０分である。

ここで、図４は、パージガスを使用しない場合のガス圧力を示している。すなわち、基板処理反応室５からの排気のみで保護膜生成ガスの残留分をエッチング部内から取り除く従来の方法を実施した場合の基板処理反応室５内の圧力を示している。２１はエッチングガスの導入圧力と導入タイミングを、２２は保護膜生成ガスの導入圧力と導入タイミングを、２３はこれらの合成圧力を示している。具体的な各ガスの圧力値は、図２と同様に、エッチングガスについては１〜３０Ｐａ、保護膜生成ガスについては０．５〜１８Ｐａである。

この従来方法でも、保護膜生成ガスの排気時間を十分長くすることにより、エッチング部の側壁に形成された保護膜の欠陥を回避することは可能である。しかし、保護膜生成ガスの排気時間が長くなることによりスループットが低下したり、基板処理反応室５内のプラズマが一旦消失してしまうことによりエッチングや保護膜生成プロセスの不安定さを招くおそれが生じたりするので好ましくない。したがって、スループットを向上させ、プラズマの消失を防止するために、プラズマ発生に必要なガスが常に基板処理反応室５内に存在し、連続してプラズマソース用高周波電力による励起を行う必要がある。

この点、本実施例では、この従来方法と異なり、一連のエッチング処理中は基板処理反応室５内に常時パージガスが導入されているので、プラズマが不安定になることがない。

また、別の方法を図５に示す。これは一連のエッチング処理で、パージガスを切れ目なく連続して導入するのではなく、パージ工程においてのみパージガスを導入する方法である。２４はエッチングガスの導入圧力と導入タイミングを示している。２５は保護膜生成ガスの導入圧力と導入タイミングを示している。２６はパージガスの導入圧力と導入タイミングを示している。さらに、２７は基板処理反応室５内でのエッチングガス、保護膜生成ガスおよびパージガスの合成圧力の変化を示している。

本方法によれば、短時間のパージ工程を設けることにより、スループットを低下させることなく十分なパージ効果を得ることができる。但し、前述したように、１秒以下での正確なパージガス流量制御が現状の流量制御機能付き電磁弁では難しく、また３種類のガスの順次オン・オフを制御するプロセスレシピを組む必要があり、プロセスが煩雑になるという課題が残る。

この点、本実施例の方法では、パージガスは一連のエッチング処理開始時にオンし、終了時にオフするだけなので、１秒以下での正確なパージガス流量制御が不要となり、また２種類のガスの順次オン・オフを制御するだけで済み、プロセスレシピが簡単で最適化調整もし易いというメリットがある。

さらに、本実施例のメリットについて説明する。エッチング部の側壁に発生するスキャロップを細かくするために、図５の方法における３つの工程時間を短縮する。図１３は、特に、パージ工程が１秒以下と短くなった場合の基板処理反応室内のガス圧とガス制御信号との関係を表している。３０はエッチングガスのオン・オフ制御信号で、３１はエッチングガス圧を示す。３２は保護膜生成ガスのオン・オフ制御信号で、３３は保護膜生成ガス圧を示す。３４はパージガスのオン・オフ制御信号で、３５はパージガス圧を示している。３６は基板処理反応室内の合成ガス圧を示している。

実際のガスフローによるガス圧は図１３中の３１，３３，３５，３６に示すように、過渡的な挙動を示す。このため、それぞれのガスの切り換わりタイミングでは混合ガス状態となり、切り換わり前後で何れのガス分圧が大きいかによってどちらの工程になるかが定まる。その様子を合成ガス圧に基づいて示すと、時間ｔ１０がパージ工程、時間ｔ１１がエッチング工程、時間ｔ１２が保護膜生成工程となり、各工程と制御の切り換わりタイミングとの間に若干のずれが生じる。

ここで、パージ工程に着目すると、Ａで示す保護膜生成ガスがオフとなった後の過渡的領域と、Ｂで示すパージガスがオンとなった後の過渡的領域との重なりにより、保護膜生成工程からパージ工程へ移行するが、双方のガス圧が過渡的に変化する非安定領域であるため、ｔ１０およびパージガス圧ｐ１０の不安定さを免れ得ない。

一方、図１４は、本実施例の方法なよりパージ工程が１秒以下となった場合の基板処理反応室内のガス圧とガス制御信号との関係を表している。４０はエッチングガスのオン・オフ制御信号で、４１はエッチングガス圧を示し、４２は保護膜生成ガスのオン・オフ制御信号で、４３は保護膜生成ガス圧を示している。また、４４はパージガス圧を示している。４３は基板処理反応室内の合成ガス圧を示している。また、図１３と同様に、ｔ２０がパージ工程の時間、ｔ２１がエッチング工程の時間、ｔ２２が保護膜生成工程の時間を示している。

図１４においてパージ工程に着目すると、保護膜生成ガスのオフ直後の過渡的領域（非安定領域）Ｃがパージ工程に重なるが、パージガス圧自体は安定しているので、パージ工程の時間ｔ２０とパージガス圧ｐ２０は、図１３の場合に比較して安定している。すなわち、短いパージ工程時間を設定しても、安定したパージ効果を得ることができる。

また、本実施例では、エッチングプロセスにおいては、プラズマからの熱放射、イオンによるスパッタリング若しくはエッチングによる化学反応熱などによって、基板自体が表面から加熱されてその温度が上昇する。一例として、レジストマスクを加工する場合は、１２０℃を超えると急速に劣化や焼失が生じ、エッチング形状が悪くなったり保護膜の強度が低下して欠陥が発生したりする。このため、基板ホルダー１１には、エッチング中に基板１２に発生する熱を取り除き、該基板１２の温度を略一定に保って良好なエッチング又は保護膜の生成を維持するための冷却機構が内蔵されている。

図１Ａにおいて、Ａは該冷却機構を構成する温調媒体の基板ホルダー１１への入力、Ｂはその出力を示している。特に保護膜においては、経験的に概ね３０℃を超えると、溝や穴の側壁の表面側(表面側の方がより高温になるため)に欠陥を生じ易くなり、その下地の形状にまで悪影響を与える。つまり、エッチング加工中の基板１２の温度制御は敏感に加工品質に影響を与える。

本実施例では、上記冷却機構による基板１２の冷却に加えて、パージ工程を設けることで、その温度制御を容易にするという効果をもたらす。さらに、従来では許容レベルを超えるような温度上昇があった場合でも保護膜の欠陥の発生を抑制でき、また従来の許容レベルの温度に対しても保護膜の強度が増すので、基板の温度上昇の許容レベルを上げることができる。

保護膜を生成する化学的蒸着時間を長くしても保護膜の強化を図れるが、エッチングレートが小さくなるという弊害があるので好ましくない。

エッチング部の空間にエッチングガスと保護膜生成ガスとが混在する場合、前述した異常反応はエッチングガスの導入が完了して保護膜生成ガスが導入される直前にも発生する可能性がある。このため、エッチングガスの導入（エッチング工程）完了後、保護膜生成ガスの導入（保護膜生成工程）直前に、前パージ工程を設けてもよい。この場合、図１Ｂに示したステップ２とステップ３の間に前パージ工程を設けるとともに、ステップ４を本パージ工程とする。

図７には、本発明の実施例２であるエッチング方法（処理）において、コントローラ４２の制御により基板処理反応室５内に導入されるガスの時間的な切り換えの様子を示している。図７の縦軸は導入される各ガスの基板処理反応室５内での圧力を示し、横軸は時間を示している。

図７において、１７はエッチングガスの導入圧力（本実施例では、設定圧をＰ４とする）と導入タイミングを、１８は保護膜生成ガスの導入圧力（本実施例では、設定圧をＰ５とする）と導入タイミングを、１９はパージガスの導入圧力（本実施例では、設定圧をＰ６とする）と導入タイミングを示している。具体的なガスの圧力値は、実施例１と同様に、エッチングガスについては１〜３０Ｐａ、保護膜生成ガスについては０．５〜１８Ｐａ、パージガスについては０．５〜１７Ｐａであり、保護膜生成ガスの圧力をエッチングガスの圧力よりも低く、パージガスの圧力を保護膜生成ガスの圧力よりも低く設定するのが望ましい。２０は基板処理反応室５内の合成ガス圧力を示している。そして、本実施例では、１プロセスサイクル中において、ｔ４で示すエッチングガス導入時間（エッチング工程）の直後に時間ｔ６で示すパージ工程（前パージ工程ＰＰ）、すなわちエッチングガスと保護膜生成ガスの両方の導入を遮断する時間を設け、その後に時間ｔ５で示す保護膜生成ガス導入時間（保護膜生成工程）を設け、その直後に再び時間ｔ６で示すパージ工程（本パージ工程ＰＭ）を設けている。なお、前パージ工程と本パージ工程とで時間を異ならせてもよい。

図８には、本実施例２のエッチング方法（処理）を実行するためのコントローラ４２によるガス供給制御の手順を示している。なお、本実施例におけるエッチング装置の構成は実施例１と同様である。

まず、ステップ９０１では、コントローラ４２は、エッチング処理のプロセスサイクル数Cycleを１に初期設定する。次に、ステップ９０２では、ガス供給部４１を制御して、後続する一連のエッチング処理中連続して供給するパージガスの導入を開始（オン）する。次に、ステップ９０３では、１プロセスサイクル内でのプロセスステップ数（エッチング工程を１、前パージ工程を２、保護膜生成工程を３、本パージ工程を４とし、４に達すると１に戻る）を０に初期設定する。

次に、ステップ９０４では、プロセスステップ数を１インクリメントし、さらにステップ９０５では、該ステップ数を判別する。該ステップ数が１である場合はステップ９１１に、ステップ数が２である場合はステップ９２１に、ステップ数が３である場合はステップ９３１に、ステップ数が４である場合はステップ９４１に進む。

ステップ９１１では、エッチング工程を行うためにガス供給部４１からのエッチングガスの導入を開始（オン）する。そして、ステップ９１２において、エッチングガスの導入時間タイマーを時間ｔ４に設定する。ステップ９１３，９１４で該導入時間が時間ｔ４に達すると（すなわち、エッチング工程が終了する）と、ステップ９１５に進み、エッチングガスの導入を遮断（オフ）し、ステップ９０４に戻る。

ステップ９２１では、エッチングガスと保護膜生成ガスの両方の導入を遮断しておく前パージ時間タイマーを時間ｔ６に設定する。そして、ステップ９２２、９２３で前パージ工程時間が時間ｔ６に達するタイマーが０になる（すなわち、前パージ工程が終了する）と、ステップ９０４に戻る。

また、ステップ９３１では、保護膜生成工程を行うためにガス供給部４１からの保護膜生成ガスの導入を開始（オン）する。そして、ステップ９３２において、保護膜生成ガスの導入時間タイマーを時間ｔ５に設定する。ステップ９３３，９３４で該導入時間が時間ｔ５に達する（すなわち、保護膜生成工程が終了する）と、ステップ９１５に進み、ガス供給部４１からの保護膜生成ガスの導入を遮断（オフ）し、ステップ９０４に戻る。

さらに、ステップ９４１では、本パージ工程を行うために、エッチングガスと保護膜生成ガスの両方の導入を遮断している本パージ工程時間タイマーを時間ｔ６に設定する。ステップ９４２，９４３で該本パージ工程時間が時間ｔ６に達する（すなわち、本パージ工程が終了する）と、ステップ９０６に進む。

ステップ９０６では、サイクル数を１インクリメントし、ステップ９０７においてプロセスサイクル数が所定数ｎに達していない場合は、ステップ９０３に戻る。このとき、次のステップ９０４でプロセスステップ数は１となるので、ステップ９０５からステップ９１１に進んでエッチングガスの導入をオンし、次のプロセスサイクルのエッチング工程を開始する。

こうしてステップ９０７においてプロセスサイクル数が所定数ｎに達すると、ステップ９０８に進み、パージガスをオフして、一連のエッチング処理を終了する。

上記実施例１，２では、１枚の基板に対する一連のエッチング処理（所定数ｎのプロセスサイクル）中における各プロセスサイクルでのパージ工程の時間を一定とした場合について説明したが、図９に示すように、一連のエッチング処理中において各プロセスサイクルでのパージ工程時間ｔ３１〜ｔｎを変化させてもよい。具体的には、エッチング部の深さが深くなるに従って、例えば０．５〜３秒の間で連続的に又は段階的に増加させてもよい。エッチング深さが浅い場合は短い時間のパージ工程時間で残留した保護膜生成ガスを良好に除去又は減少させることができるが、エッチング深さが深くなるほど（例えば、１００μｍを超えるような深さになると）、それに対応して長いパージ工程時間が必要となる。

図９において、２８はエッチングガスの導入圧力と導入タイミングを、２９は保護膜生成ガスの導入圧力と導入タイミングを、３０はパージガスの導入圧力と導入タイミングを示している。また、３１は基板処理反応室５内の合成圧力を示している。

一連のエッチング処理中において、はじめは短いパージ工程時間ｔ３１を設定し、プロセスサイクルが進むに従ってパージ工程時間ｔ３２〜ｔｎを漸次長くしていく制御を行うことで、１枚の基板の全体に要する処理時間を、経験的には５〜１０％短縮し、スループットを向上させることができる。はじめから長いパージ工程時間を設定すると、エッチング深さが浅い段階では無駄な時間が大きくなり、スループットが低下するので好ましくない。

図１０のフローチャートには、本実施例のエッチング方法（処理）を実行するためのコントローラ４２によるガス供給制御の手順を示している。なお、本実施例におけるエッチング装置の構成は実施例１と同様であり、ガス供給制御の手順も基本的に実施例１と同様とする。

まず、ステップ１００１では、コントローラ４２は、エッチング処理のプロセスサイクル数Cycleとパージ時間設定用カウンタｊとを１に初期設定する。

次に、ステップ１００２では、ガス供給部４１を制御し、後続する一連のエッチング処理中、連続して供給するパージガスの導入を開始（オン）する。次に、ステップ１００３では、１プロセスサイクル内でのプロセスステップ数（エッチング工程を１、保護膜生成工程を２、パージ工程を３とし、３に達すると１に戻る）を０に初期設定する。

次に、ステップ１００４では、プロセスステップ数を１インクリメントし、さらにステップ１００５では、該ステップ数を判別する。該ステップ数が１である場合はステップ１０１１に、ステップ数が２である場合はステップ１０２１に、ステップ数が３である場合はステップ１０３１に進む。

ステップ１０１１では、エッチング工程を行うためにガス供給部４１からのエッチングガスの導入を開始（オン）する。そして、ステップ１０１２において、エッチングガスの導入時間タイマーを時間ｔ１に設定し、ステップ１０１３，１０１４で該導入時間が時間ｔ１に達する（すなわち、エッチング工程が終了する）と、ステップ１０１５に進み、エッチングガスの導入を遮断（オフ）し、ステップ１００４に戻る。

ステップ１０２１では、保護膜生成工程を行うためにガス供給部４１からの保護膜生成ガスの導入を開始（オン）する。そして、ステップ１０２２において、保護膜生成ガスの導入時間タイマーを時間ｔ２に設定する。ステップ１０２３，１０２４で該導入時間が時間ｔ２に達する（すなわち、保護膜生成工程が終了する）と、ステップ１０１５で保護膜生成ガスの導入を遮断（オフ）し、ステップ１００４に戻る。

ステップ１０３１では、パージ工程を行うために、ガス供給部４１からのエッチングガスと保護膜生成ガスの両方の導入を遮断しているパージ工程時間タイマーを時間ｔ３ｊ（ｔ３１，ｔ３２，ｔ３３…ｔｎ）に設定する。ステップ１０３２，１０３３で該パージ工程時間が時間ｔ３ｊに達する（すなわち、パージ工程が終了する）と、ステップ１００６に進む。ステップ１００６では、パージ時間設定用カウンタｊを１インクリメントし、次のステップ１００７では、プロセスサイクル数を１インクリメントする。

次にステップ１００８においてプロセスサイクル数が所定数ｎに達していない場合は、ステップ１００３に戻る。このとき、次のステップ１００４でプロセスステップ数は１となるので、ステップ１００５からステップ１０１１に進んでエッチングガスの導入をオンし、次のプロセスサイクルのエッチング工程を開始する。

こうしてステップ１００７においてプロセスサイクル数が所定数ｎに達すると、ステップ１００９に進み、パージガスをオフして、一連のエッチング処理を終了する。

なお、上記実施例１から３では、一連のエッチング処理中、常時供給するパージガスを一定圧とする場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、パージ工程以外の時間にはパージガス圧を第１の所定圧とし、パージ工程においてはパージガス圧を該第１の所定圧より高い第２の所定圧とするようにしてもよい。この場合、パージ工程時間を流量制御機能付き電磁弁でパージガスの流量制御が可能な時間に設定する必要はあるが、図５に示すようにパージガス圧が０から立ち上がる場合に比べてパージガス圧の不安定さは少なく、パージ工程においてパージガス圧を高めることで良好なパージ効果が得られる。

上記実施例１，２において、１枚の基板に対する一連のエッチング処理（所定数ｎのプロセスサイクル）中の各プロセスサイクルでのパージガスの導入流量を変化させてもよい。具体的には、パージガスの導入流量を０．５〜１７ｓｃｃｍの間で連続的に又は段階的に増加させてもよい。このことは、言い換えれば、パージガスの導入圧力（パージ圧）を連続的に又は段階的に変化（増加）させることと等価である。なお、導入流量は供給流量と同義である。

エッチング深さが浅い間は少ない流量（低圧）とし、エッチング深さが深くなるにしたがって流量（圧力）を漸次増加させるよう流量（圧力）制御を行うことで、パージ工程時間を各プロセスサイクルで最短時間に設定することができる。これにより、実施例３のようにパージ工程時間を変化させる場合に比べて、更に全体の処理時間を短くしてスループットを短縮することができる。経験的には、実施例３に比べて５〜１０％短縮することができる。

図１１において、３２はエッチングガスの導入圧力と導入タイミングを、３３は保護膜生成ガスの導入圧力と導入タイミングを、３４はパージガスの導入圧力と導入タイミングおよび圧力増加タイミングを示している。また、３５は基板処理反応室５内の合成圧力を示している。

本実施例では、図１１に示すように、パージ工程時間をエッチング深さが浅い段階での短い時間ｔ３に固定したまま、エッチング深さが深くなるにしたがってパージガスの導入圧力がＰ７，Ｐ８，Ｐ９，Ｐ１０，…Ｐｎと漸次増加していくように、導入流量を制御する。

図１２のフローチャートには、本実施例のエッチング方法（処理）を実行するためのコントローラ４２によるガス供給制御の手順を示している。なお、本実施例におけるエッチング装置の構成は実施例１と同様であり、ガス供給制御の手順も基本的に実施例１と同様とする。

まず、ステップ１１０１では、コントローラ４２は、エッチング処理のプロセスサイクル数Cycleとパージ圧力設定用カウンタｋとを１に初期設定する。

次に、ステップ１１０２では、ガス供給部４１を制御し、後続する一連のエッチング処理中、連続して供給するパージガスの導入を開始（オン）する。はじめてステップ１１０２を実行する場合は、ｋ＝１に対応する圧力Ｐ７でパージガスの導入を開始する。

次に、ステップ１１０３では、１プロセスサイクル内でのプロセスステップ数（エッチング工程を１、保護膜生成工程を２、パージ工程を３とし、３に達すると１に戻る）を０に初期設定する。

次に、ステップ１１０４では、プロセスステップ数を１インクリメントし、さらにステップ１１０５では、該ステップ数を判別する。該ステップ数が１である場合はステップ１１１１に、ステップ数が２である場合はステップ１１２１に、ステップ数が３である場合はステップ１１３１に進む。

ステップ１１１１では、エッチング工程を行うためにガス供給部４１からのエッチングガスの導入を開始（オン）する。そして、ステップ１１１２において、エッチングガスの導入時間タイマーを時間ｔ１に設定し、ステップ１１１３，１１１４で該導入時間が時間ｔ１に達する（すなわち、エッチング工程が終了する）と、ステップ１１１５に進み、ガス供給部４１からのエッチングガスの導入を遮断（オフ）し、ステップ１１０４に戻る。

また、ステップ１１２１では、保護膜生成工程を行うためにガス供給部４１からの保護膜生成ガスの導入を開始（オン）する。そして、ステップ１１２２において、保護膜生成ガスの導入時間タイマーを時間ｔ２に設定し、ステップ１１２３，１１２４で該導入時間が時間ｔ２に達する（すなわち、保護膜生成工程が終了する）と、ステップ１１１５に進み、ガス供給部４１からの保護膜生成ガスの導入を遮断（オフ）し、ステップ１１０４に戻る。

さらに、ステップ１１３１では、パージ工程を行うために、ガス供給部４１からのエッチングガスと保護膜生成ガスの両方の導入を遮断しているパージ工程時間タイマーを時間ｔ３に設定する。ステップ１１３２，１１３４で該パージ工程時間が時間ｔ３に達する（すなわち、パージ工程が終了する）と、ステップ１１０６に進む。

ステップ１１０６では、パージ圧設定用カウンタｋを１インクリメントし、次のステップ１１０７では、プロセスサイクル数を１インクリメントする。

次にステップ１１０８においてプロセスサイクル数が所定数ｎに達していない場合は、ステップ１１０２に戻る。ステップ１１０２では、圧力Ｐｋ（Ｐ８，Ｐ９，Ｐ１０…Ｐｎ）でのパージガス導入が開始される。

次のステップ１１０５でプロセスステップ数は１となるので、ステップ１１１１に進んでエッチングガスの導入をオンして、次のプロセスサイクルのエッチング工程を開始する。

こうしてステップ１１０８においてプロセスサイクル数が所定数ｎに達すると、ステップ１１０９に進み、パージガスの導入をオフして、一連のエッチング処理を終了する。

なお、上記実施例３，４では、パージ工程時間とパージガスの導入流量（導入圧力）を個別に変化させる場合について説明したが、これらの両方を変化させるようにしてもよい。

さらに、このようなパージ工程時間とパージガス導入流量（導入圧力）に加えて、エッチング工程や保護膜生成工程の時間、導入ガス圧（流量）等のパラメータをエッチング深さに応じて総合的に制御することで、２０μｍ以上のエッチング深さや５以上のアスペクト比の溝や穴の加工をより良好な形状精度かつ高スループットで行うことができる。経験的には、２００μｍ以上あるいはアスペクト比２０以上の深い溝や穴でも、保護膜を損傷することなく加工できる。

以上説明したように、上記各実施例によれば、第２の工程（保護膜生成工程）の後、第１の工程（エッチング工程）の前に、基板処理反応室５へのエッチングガスおよび保護膜生成ガスの両方の供給を遮断する第３の工程を設け、第１、第２および第３の工程を通じて常時連続してパージガスを供給することにより、第３の工程がパージ工程となり、パッシベーション層（保護膜）に不規則な欠陥が発生するのを抑制できる。この結果、エッチングガスやパッシベーションガス（保護膜生成ガス）の流量や圧力を増加させて、エッチングレートを大きくすることができる。さらに、エッチング部のボトムの形状を平坦に保つ効果も得られる。

特に、２０μｍ以上もしくはアスペクト比５以上の深い溝や穴をエッチングする場合に、エッチング深さに応じたパージガス導入時間や導入圧力（導入流量）を設定することにより、１基板あたりのエッチング処理時間が長くなることを回避できる。

本発明の実施例１であるエッチング方法を実施するためのエッチング装置の構成を示す概略図。 実施例１のエッチング方法による一連のエッチング処理の流れを示すフローチャート。 実施例１のエッチング方法におけるガス圧力の変化を示すタイミングチャート。 実施例１におけるガス導入の制御手順を示すフローチャート。 従来のエッチング方法におけるガス圧力の変化を示すタイミングチャート。 実施例１のエッチング方法を実施した場合のガス圧力の変化を示すタイミングチャート。 従来のエッチング方法により保護膜に発生した欠陥を示す図。 本発明の実施例２であるエッチング方法におけるガス圧力の変化を示すタイミングチャート。 実施例２におけるガス導入の制御手順を示すフローチャート。 本発明の実施例３であるエッチング方法におけるガス圧力の変化を示すタイミングチャート。 実施例３におけるガス導入の制御手順を示すフローチャート。 本発明の実施例４であるエッチング方法におけるガス圧力の変化を示すタイミングチャート。 実施例４におけるガス導入の制御手順を示すフローチャート。 従来のエッチング方法におけるガス制御信号とガス圧力との関係を示すタイミングチャート。 実施例１のエッチング方法におけるガス制御信号とガス圧力との関係を示すタイミングチャート。

符号の説明

５ 基板処理反応室
６ アンテナコイル
７，１４ 高周波電源
１１ 基板ホルダー
１２ 基板
１３ 電極
１６ 磁石
４１ ガス供給部
４２ コントローラ

Claims (7)

1. 処理室内にエッチングガスを供給して前記処理室内に配置されたシリコン基板のプラズマエッチングを行う第１の工程と、前記処理室内にパッシベーションガスを供給して前記シリコン基板のエッチング部にパッシベーション層を生成する第２の工程とを交互に繰り返すことにより前記シリコン基板に深い溝又は穴の加工を行うエッチング方法であって、
   前記第２の工程の後、前記第１の工程の前に、エッチングガスおよびパッシベーションガスの両方を遮断する第３の工程を設け、
   前記第１の工程、第２の工程および第３の工程を通じて前記処理室内に前記エッチングガス及び前記パッシベーションガスの導入圧力より低い一定の導入圧力に設定したパージガスを供給し、
   前記第１の工程、前記第２の工程および前記第３の工程を繰り返すことにより前記シリコン基板の前記エッチング部の深さが深くなるにしたがって、前記第３の工程の前記パージガスの導入時間を随時増加させることを特徴とするエッチング方法。
2. 前記第１の工程の後、前記第２の工程の前に、さらにエッチングガスおよびパッシベーションガスの両方を遮断する工程をさらに有す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３の工程における前記パージガスの当初の導入時間は、前記第１の工程における前記エッチングガスの導入時間および前記第２の工程における前記パッシベーションガスの導入時間よりも短いことを特徴とする請求項１又は２に記載のエッチング方法。
4. 前記パージガスの導入流量は、前記エッチングガスおよびパッシベーションガスの導入流量よりも少ないことを特徴とする請求項１又は２に記載のエッチング方法。
5. 前記パージガスは、ヘリウムガス、アルゴンガス、クリプトンガス、キセノンガス又は窒素ガスであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のエッチング方法。
6. 前記シリコン基板が配置される処理室と、
   エッチングガス、パッシベーションガスおよびパージガスを前記処理室に供給するガス供給部と、
   請求項１から５のいずれかに記載のエッチング方法を実施するよう前記ガス供給部を制御する制御部とを有することを特徴とするエッチング装置。
7. 請求項６に記載のエッチング装置内に前記シリコン基板を配置する工程と、
   該エッチング装置により前記シリコン基板のエッチングを行う工程とを有することを特徴とするデバイスの製造方法。