JP5135271B2 - エッチング方法 - Google Patents

Description

本発明は、所定の処理ガスをプラズマ化してシリコン基板をエッチングするエッチング方法に関する。

従来、シリコン基板のエッチング方法として、エッチングガスを含んだ処理ガスを処理チャンバ内に供給してプラズマ化するとともに、シリコン基板が載置された基台にバイアス電位を与え、このシリコン基板をエッチングするエッチング工程と、耐エッチング層形成ガスを含んだ処理ガスを処理チャンバ内に供給してプラズマ化し、前記シリコン基板に耐エッチング層を形成する耐エッチング層形成工程とを交互に繰り返して実行するものが知られている。

前記エッチング工程では、プラズマ中のラジカルがシリコン原子と化学反応したり、プラズマ中のイオンがシリコン基板に入射することによってシリコン基板がエッチングされ、これにより、シリコン基板の表面に形成されたマスクのマスクパターンに応じた穴や溝が形成される。一方、耐エッチング層形成工程では、プラズマ中のラジカルやイオンによって、前記穴や溝の側壁及び底面を含むシリコン基板の表面に耐エッチング層が形成される。この耐エッチング層は、エッチング工程で生成されるラジカルと化学反応し難い性質を有している。

そして、このようなエッチング工程と耐エッチング層形成工程とを交互に繰り返すことにより、耐エッチング層形成工程で形成される耐エッチング層によって前記穴や溝の側壁を保護しつつ、エッチング工程で前記穴や溝の深さ方向にエッチングを進行させることができる。

ところで、前記エッチング工程では、シリコン基板に比べてエッチング速度は遅いものの、シリコン基板に入射するイオンによって前記マスクもエッチングされる。このため、マスクには、エッチングに対する耐性を高めるために熱処理が施されている。

ところが、このマスクＭに熱処理を施すと、マスクＭの開口部が、この熱処理時に、例えば、図４に示すように丸まった形状となって当該開口部でマスクＭが薄くなる場合がある。そして、この図４に示すような形状のマスクＭでエッチングを行うと、マスクＭの後退によりマスクＭの開口部におけるシリコン基板Ｋの表面が露出して、穴Ｈや溝Ｈの側壁上部に筋目Ｓが深さ方向に形成されるといった問題を生じる。

そして、このような問題を解消可能なエッチング方法として、従来、例えば、特開２００８−２８２９６７号公報に開示されたものがある。このエッチング方法は、前記エッチング工程と耐エッチング層形成工程とを所定回数繰り返して一定深さの穴や溝を形成した後、前記シリコン基板の上方に配置したノズル体からその下方のシリコン基板に向けてレジスト液体物を噴霧させながら前記ノズル体を水平方向に走査させてシリコン基板の表面にレジスト液体物を塗布し、次に、塗布したレジスト液体物を硬化させてマスク上にレジスト液体物からなる補強膜を形成し、この後、再度、前記エッチング工程と耐エッチング層形成工程とを所定回数繰り返して更に穴や溝の深さを深くするというものである。

このエッチング方法では、マスク上に補強膜が形成されることにより、マスクが完全にエッチングされてシリコン基板の表面が露出するのが防止され、精度の良いエッチング形状が得られる。

特開２００８−２８２９６７号公報

しかしながら、特開２００８−２８２９６７号公報に開示された上記エッチング方法では、以下のような問題があった。即ち、シリコン基板をエッチングする一連の工程の中で、シリコン基板のエッチング自体には直接的に寄与しない、シリコン基板の表面にレジスト液体物を塗布する工程及び塗布したレジスト液体物を硬化させる工程を実施しているので、処理時間が長くなるという問題がある。

また、当該エッチング方法を実施するためには、ノズル体、ノズル体にレジスト液体物を供給する機構、ノズル体を走査させる機構、シリコン基板の表面に塗布されたレジスト液体物を硬化させる機構が必要であり、このエッチング方法の実施に用いられるエッチング装置の構造が複雑になったり、製造コストが高くなるという問題もある。

本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、マスク開口部が丸まった形状となっている場合であっても、短い処理時間で高精度なエッチング形状が得られるとともに、簡単且つ安価なエッチング装置を用いて実施可能なエッチング方法の提供をその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、
処理チャンバ内の基台上に載置されたシリコン基板をエッチングする方法であって、
エッチングガスを含んだ処理ガスを前記処理チャンバ内に供給するとともに、プラズマ生成手段に高周波電力を供給して前記処理チャンバ内の処理ガスをプラズマ化し、且つ前記基台にバイアス電位を与え、前記シリコン基板をエッチングするエッチング工程と、耐エッチング層形成ガスを含んだ処理ガスを前記処理チャンバ内に供給するとともに、前記プラズマ生成手段に高周波電力を供給して前記処理チャンバ内の処理ガスをプラズマ化し、前記シリコン基板に耐エッチング層を形成する耐エッチング層形成工程とを交互に繰り返して実施するエッチング方法において、
前記エッチング工程と耐エッチング層形成工程との繰り返し工程を実施する前に、まず、最初の工程として、前記エッチングガスを含み且つ前記耐エッチング層形成ガスを含まない処理ガスを前記処理チャンバ内に供給するとともに、前記プラズマ生成手段に高周波電力を供給して前記処理チャンバ内の処理ガスをプラズマ化し、前記シリコン基板をエッチングする工程であって、処理時間が前記繰り返しエッチング工程の処理時間よりも長く設定された初期工程を実施し、この後、前記繰り返し工程を実施するようにしたことを特徴とするエッチング方法に係る。

この発明によれば、まず、最初の工程として、エッチングガスを含んだ処理ガスをプラズマ化してシリコン基板をエッチングする工程であって、処理時間がこの工程の後に行われる繰り返しエッチング工程の処理時間よりも長く設定された初期工程を実施する。

この初期工程では、プラズマ中のラジカルがシリコン原子と化学反応することによってシリコン基板が等方的にエッチングされ、マスク直下部分における穴や溝の側壁もエッチングされる。前記繰り返し工程では、穴や溝の側壁のエッチングを防止して深さ方向にエッチングを進行させるために、比較的短時間でエッチング工程と耐エッチング層形成工程とが切り換えられる。したがって、当該初期工程の処理時間を繰り返しエッチング工程より長くすることで、等方的エッチングが効果的に進行する。また、当該初期工程では、耐エッチング層が形成されていないので、このことによっても、等方的エッチングが効果的に進行する。

そして、この初期工程の後、繰り返し工程を実施し、エッチングを穴や溝の深さ方向に進行させる。即ち、エッチングガスを含んだ処理ガスをプラズマ化するとともに基台にバイアス電位を与えてシリコン基板をエッチングするエッチング工程と、耐エッチング層形成ガスを含んだ処理ガスをプラズマ化してシリコン基板に耐エッチング層を形成する耐エッチング層形成工程とを交互に繰り返して実施する。

上述のように、前記繰り返しエッチング工程では、シリコン基板に入射するイオンによってマスクもエッチングされる。したがって、マスク開口部が丸まった形状となって当該開口部でマスクが薄くなっている場合には、マスクのエッチングによりマスク開口部におけるシリコン基板の表面が露出し、穴や溝の側壁上部に筋目が深さ方向に形成されるなど、エッチング形状が悪化する。

そこで、本発明では、まず、前記初期工程を実施してから前記エッチング工程と耐エッチング層形成工程との繰り返し工程を実施するようにしている。前記初期工程でマスク直下部分における穴や溝の側壁がエッチングされ、穴径や溝幅が広がっているので、前記繰り返しエッチング工程でマスクがエッチングされて後退したとしても、穴径や溝幅が広がった分だけ実効的なマスク厚さを厚くしてシリコン基板の表面を露出し難くすることができる。これにより、シリコン基板をエッチングする一連の工程に渡ってマスクによりシリコン基板を保護することが可能となり、穴や溝の側壁上部に筋目が形成されるのを防止することができるなど、シリコン基板を高精度にエッチングすることができる。

また、初期工程においてもエッチングを進行させることができるので、従来のエッチング方法のように、シリコン基板をエッチングする一連の工程に要する処理時間が長くなることもない。また、更に、当該エッチング方法の実施に当たり、従来のエッチング方法のように、追加的な機構は不要であるので、当該エッチング方法の実施に用いられるエッチング装置の構造が複雑になったり、製造コストが高くなることもない。

尚、前記初期工程では、前記基台にバイアス電位を与えるようにしても良く、このようにすれば、シリコン基板に入射するイオンによって穴や溝の深さ方向にエッチングを進行させつつマスク直下部分における穴や溝の側壁をエッチングすることができるので、当該初期工程においても深さ方向にエッチングを効果的に進行させることができ、エッチング完了までの処理時間を短くすることができる。

また、前記初期工程では、前記処理時間の他に、前記繰り返しエッチング工程に比べて、前記処理チャンバ内に供給される処理ガスの流量が多いこと、前記処理チャンバ内の圧力が高いこと、前記プラズマ生成手段に供給される高周波電力が大きいこと、前記基台に与えられるバイアス電位が高いことの内の少なくとも１つの処理条件を設定するようにしても良い。

上記各処理条件は、いずれもエッチング速度を速くするための条件であり、これらの処理条件の内、いずれか１つでも採用すれば、より短時間で等方的エッチングを進行させることができ、これにより、前記初期工程に要する処理時間を短縮させることができる。

尚、マスクの開口径や開口幅、初期工程が終了したときのサイドエッチング量は、一連のエッチング加工が終了した後に必要な穴径や溝幅に応じて適宜設定することができる。また、繰り返し工程では、エッチング工程から開始してエッチング工程と耐エッチング層形成工程とを交互に繰り返しても良いし、耐エッチング層形成工程から開始して耐エッチング層形成工程とエッチング工程とを交互に繰り返すようにしても良い。

以上のように、本発明に係るエッチング方法によれば、マスク開口部が丸まった形状となっている場合であっても、短い処理時間で高精度なエッチング形状を得ることができるとともに、簡単且つ安価なエッチング装置を用いて当該方法を実施することができる。

本発明の一実施形態に係るエッチング方法を実施するためのエッチング装置の概略構成を示した断面図である。 本実施形態における、ＳＦ_６ガス及びＣ_４Ｆ_８ガスの供給流量の制御状態を示したタイミングチャートである。 本実施形態に係るエッチング方法を説明するための説明図である。 従来のエッチング方法の問題点を説明するための説明図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、添付図面に基づき説明する。尚、本実施形態では、図１に示すようなエッチング装置１を用いてシリコン基板Ｋをエッチングする場合を一例に挙げて説明する。

まず、前記エッチング装置１について説明する。このエッチング装置１は、図１に示すように、閉塞空間を有する処理チャンバ１１と、処理チャンバ１１内に昇降自在に配設され、シリコン基板Ｋが載置される基台１５と、基台１５を昇降させる昇降シリンダ１８と、処理チャンバ１１内の圧力を減圧する排気装置２０と、処理チャンバ１１内に処理ガスを供給するガス供給装置２５と、処理チャンバ１１内に供給された処理ガスをプラズマ化するプラズマ生成装置３０と、基台１５に高周波電力を供給する基台用高周波電源３５とを備える。

前記処理チャンバ１１は、相互に連通した内部空間を有する下部容器１２及び上部容器１３から構成され、上部容器１３は、下部容器１２よりも小さく形成される。前記基台１５は、シリコン基板Ｋが載置される上部材１６と、昇降シリンダ１８が接続される下部材１７とから構成され、下部容器１２内に配置される。

前記排気装置２０は、下部容器１２の側面に接続した排気管２１を備え、排気管２１を介して処理チャンバ１１内の気体を排気し、処理チャンバ１１の内部を所定圧力にする。前記ガス供給装置２５は、上部容器１３の上面に接続した供給管２６を備え、前記処理ガスとして、エッチングガス（例えば、ＳＦ_６ガス）や耐エッチング層形成ガス（例えば、Ｃ_４Ｆ_８ガス）を、供給管２６を介して処理チャンバ１１内に供給する。

前記プラズマ生成装置３０は、上部容器１３の外周部に上下に並設された複数のコイル３１と、各コイル３１に高周波電力を供給するコイル用高周波電源３２とから構成され、コイル用高周波電源３２によってコイル３１に高周波電力を供給することで、上部容器１３内に供給された処理ガスをプラズマ化する。前記基台用高周波電源３５は、基台１５に高周波電力を供給することで、基台１５とプラズマとの間に電位差（バイアス電位）を生じさせる。

次に、以上のように構成されたエッチング装置１を用い、シリコン基板Ｋをエッチングする方法について説明する。まず、シリコン基板Ｋを処理チャンバ１１の下部容器１２内に搬入して基台１５の上部材１６上に載置する。この後、図２に示すように、処理チャンバ１１内に供給するエッチングガス及び耐エッチング層形成ガスの供給流量などを制御することにより、まず最初の工程として第１エッチング工程（初期工程）Ｅ’を実施した後、耐エッチング層形成工程Ｄと第２エッチング工程（繰り返しエッチング工程）Ｅとを交互に繰り返して実施する。

前記第１エッチング工程Ｅ’は、その処理時間が前記第２エッチング工程Ｅよりも長く設定されており、また、この第１エッチング工程Ｅ’では、各高周波電源３２，３５によってコイル３１及び基台１５に高周波電力をそれぞれ供給し、ガス供給装置２５から処理チャンバ１１内にエッチングガスを供給し（図２参照）、排気装置２０によって処理チャンバ１１内を減圧する。

前記エッチングガスは、処理チャンバ１１内でプラズマ化され、このプラズマ中のラジカルがシリコン原子と化学反応したり、同じくプラズマ中のイオンがシリコン基板Ｋに入射することによってシリコン基板Ｋがエッチングされる。これにより、シリコン基板Ｋの表面に形成されたマスクＭのマスクパターンに応じた穴Ｈや溝Ｈが当該シリコン基板Ｋに形成されるが、前記ラジカルによりシリコン基板Ｋが等方的にエッチングされてマスクＭの直下部分における穴Ｈや溝Ｈの側壁もエッチングされる。そして、この第１エッチング工程Ｅ’が終了すると、シリコン基板Ｋは、例えば、図３（ａ）から図３（ｂ）に示すような形状になる。尚、穴Ｈの径や深さ、マスクＭの丸まりの程度などによって好ましいサイドエッチング量Ｗは異なるが、その一例を示すと、例えば、１μｍ〜２μｍである。

尚、前記第１エッチング工程Ｅ’では、前記第２エッチング工程Ｅに比べて、処理チャンバ１１内に供給されるエッチングガスの流量が多いこと、処理チャンバ１１内の圧力が高いこと、コイル３１に供給される高周波電力が大きいこと、基台１５に供給される高周波電力が大きいことの内の少なくとも１つの処理条件を設定するようにしても良い。これらの処理条件は、いずれもエッチング速度を速くするための条件であり、これらの処理条件の内、いずれか１つでも採用すれば、より短時間で等方的エッチングを進行させることができ、これにより、第１エッチング工程Ｅ’に要する処理時間を短縮させることができる。

この後、前記耐エッチング層形成工程Ｄと第２エッチング工程Ｅとを繰り返して実施する。前記耐エッチング層形成工程Ｄでは、コイル用高周波電源３２によってコイル３１に高周波電力を供給し、ガス供給装置２５から処理チャンバ１１内に耐エッチング層形成ガスを供給し（図２参照）、排気装置２０によって処理チャンバ１１内を減圧する。一方、前記第２エッチング工程Ｅでは、前記第１エッチング工程Ｅ’と同様に、各高周波電源３２，３５によってコイル３１及び基台１５に高周波電力をそれぞれ供給し、ガス供給装置２５から処理チャンバ１１内にエッチングガスを供給し（図２参照）、排気装置２０によって処理チャンバ１１内を減圧する。

前記耐エッチング層形成ガスは、処理チャンバ１１内でプラズマ化され、このプラズマ中のラジカルから生成される重合物が、シリコン基板Ｋの表面（前記穴Ｈや溝Ｈの側壁及び底面、マスクＭの表面）に堆積して、エッチングガスから生成されるラジカルと化学反応し難い耐エッチング層（フロロカーボン膜）が形成される。一方、前記エッチングガスは、同様に処理チャンバ１１内でプラズマ化され、このプラズマ中のラジカルがシリコン原子と化学反応したり、同じくプラズマ中のイオンがシリコン基板Ｋに入射することによってシリコン基板Ｋがエッチングされる。

そして、このような耐エッチング層形成工程Ｄと第２エッチング工程Ｅとを交互に繰り返すと、耐エッチング層形成工程Ｄで形成される耐エッチング層により前記穴Ｈや溝Ｈの側壁が保護されつつ、第２エッチング工程Ｅで前記穴Ｈや溝Ｈの深さ方向にエッチングが進行する。したがって、シリコン基板Ｋは、例えば、図３（ｂ）から図３（ｃ）に示すような形状になり、更に、図３（ｃ）から図３（ｄ）に示すような形状になる。

耐エッチング層形成工程Ｄと第２エッチング工程Ｅとを一定回数繰り返し、所定形状の穴Ｈや溝Ｈが形成されると、上記一連の工程を終了して、シリコン基板Ｋを下部容器１２の外部に搬出する。

ところで、前記各エッチング工程Ｅ’，Ｅでは、シリコン基板Ｋに入射するイオンによってマスクＭもエッチングされる。したがって、マスクＭの開口部が丸まった形状となってこの開口部でマスクＭが薄くなっている場合には、マスクＭがエッチングされることによりマスクＭの開口部におけるシリコン基板Ｋの表面が露出して、図４に示すように、穴Ｈや溝Ｈの側壁上部に筋目Ｓが深さ方向に形成されるなど、エッチング形状が悪化する。

そこで、本例のエッチング方法では、まず、処理時間が前記第２エッチング工程Ｅより長い前記第１エッチング工程Ｅ’を実施してから前記耐エッチング層形成工程Ｄと第２エッチング工程Ｅとを交互に繰り返すようにしている。

耐エッチング層形成工程Ｄと第２エッチング工程Ｅとを繰り返す際には、穴Ｈや溝Ｈの側壁のエッチングを防止して深さ方向にエッチングを進行させるために、比較的短時間で耐エッチング層形成工程Ｄと第２エッチング工程Ｅとが切り換えられる。したがって、第１エッチング工程Ｅ’の処理時間を第２エッチング工程Ｅより長くすることで、等方的エッチングを効果的に進行させることができ、また、当該第１エッチング工程Ｅ’では耐エッチング層が形成されていないことによっても、等方的エッチングが効果的に進行する。

そして、第１エッチング工程Ｅ’の等方的エッチングでマスクＭの直下部分における穴Ｈや溝Ｈの側壁をエッチングし、穴径や溝幅を広げておくことで、耐エッチング層形成工程Ｄと第２エッチング工程Ｅとが繰り返される際にマスクＭがエッチングされて後退したとしても、穴径や溝幅が広がった分だけ実効的なマスク厚さを厚くしてシリコン基板Ｋの表面を露出し難くすることができる。これにより、シリコン基板Ｋをエッチングする一連の工程に渡ってマスクＭによりシリコン基板Ｋを保護することが可能となり、穴Ｈや溝Ｈの側壁上部に筋目Ｓが形成されるのを防止することができるなど、シリコン基板Ｋを高精度にエッチングすることができる。

また、第１エッチング工程Ｅ’においてもエッチングを進行させることができるので、従来のエッチング方法のように、シリコン基板Ｋをエッチングする一連の工程に要する処理時間が長くなることもない。また、更に、当該エッチング方法の実施に当たり、従来のエッチング方法のように、追加的な機構は不要であるので、当該エッチング方法の実施に用いられるエッチング装置１の構造が複雑になったり、製造コストが高くなることもない。

また、第１エッチング工程Ｅ’においても基台１５に高周波電力を供給しているので、シリコン基板Ｋに入射するイオンによって穴Ｈや溝Ｈの深さ方向にエッチングを進行させつつマスクＭの直下部分における穴Ｈや溝Ｈの側壁をエッチングすることができる。これにより、エッチング完了までの処理時間を短くすることができる。

因みに、マスクＭの開口部が丸まった形状となってこの開口部でマスクＭが薄くなっているシリコン基板Ｋに対し、本例のエッチング方法を適用してエッチングしたところ、図４に示すような筋目Ｓが穴Ｈや溝Ｈの側壁上部に形成されることはなく、高精度なエッチング形状が得られた。尚、前記第１エッチング工程Ｅ’の処理条件は、処理時間を６０秒と、処理チャンバ１１内の圧力を４Ｐａと、コイル３１に供給する高周波電力を２．５ｋＷと、基台１５に供給する高周波電力を８０Ｗと、ＳＦ_６ガスの供給流量を６００ｓｃｃｍとし、前記第２エッチング工程Ｅの処理条件は、処理時間を４秒と、処理チャンバ１１内の圧力を４Ｐａと、コイル３１に供給する高周波電力を２．５ｋＷと、基台１５に供給する高周波電力を８０Ｗと、ＳＦ_６ガスの供給流量を６００ｓｃｃｍとし、前記耐エッチング層形成工程Ｄの処理条件は、処理時間を２秒と、処理チャンバ１１内の圧力を６Ｐａと、コイル３１に供給する高周波電力を２．５ｋＷと、Ｃ_４Ｆ_８ガスの供給流量を４００ｓｃｃｍとした。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。

上例では、前記エッチング装置１を用いて本発明に係るエッチング方法を実施したが、このエッチング方法の実施には、他の構造を備えたエッチング装置を用いるようにしても良い。また、上例では、耐エッチング層形成工程Ｄにおいて基台１５に高周波電力を供給しなかったが、高周波電力を供給するようにしても良い。

１ エッチング装置
１１ 処理チャンバ
１５ 基台
２０ 排気装置
２５ ガス供給装置
３０ プラズマ生成装置
３１ コイル
３２ コイル用高周波電源
３５ 基台用高周波電源
Ｋ シリコン基板
Ｍ マスク
Ｈ 穴又は溝

Claims (4)

1. 処理チャンバ内の基台上に載置されたシリコン基板をエッチングする方法であって、
   エッチングガスを含んだ処理ガスを前記処理チャンバ内に供給するとともに、プラズマ生成手段に高周波電力を供給して前記処理チャンバ内の処理ガスをプラズマ化し、且つ前記基台にバイアス電位を与え、前記シリコン基板をエッチングするエッチング工程と、耐エッチング層形成ガスを含んだ処理ガスを前記処理チャンバ内に供給するとともに、前記プラズマ生成手段に高周波電力を供給して前記処理チャンバ内の処理ガスをプラズマ化し、前記シリコン基板に耐エッチング層を形成する耐エッチング層形成工程とを交互に繰り返して実施するエッチング方法において、
   前記エッチング工程と耐エッチング層形成工程との繰り返し工程を実施する前に、まず、最初の工程として、前記エッチングガスを含み且つ前記耐エッチング層形成ガスを含まない処理ガスを前記処理チャンバ内に供給するとともに、前記プラズマ生成手段に高周波電力を供給して前記処理チャンバ内の処理ガスをプラズマ化し、前記シリコン基板をエッチングする工程であって、処理時間が前記繰り返しエッチング工程の処理時間よりも長く設定された初期工程を実施し、この後、前記繰り返し工程を実施するようにしたことを特徴とするエッチング方法。
2. 前記初期工程では、前記処理時間の他に、前記繰り返しエッチング工程に比べて、前記処理チャンバ内に供給される処理ガスの流量が多いこと、前記処理チャンバ内の圧力が高いこと、前記プラズマ生成手段に供給される高周波電力が大きいことの内の少なくとも１つの処理条件を設定したことを特徴とする請求項１記載のエッチング方法。
3. 前記初期工程では、前記基台にバイアス電位を与えるようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載のエッチング方法。
4. 前記初期工程では、前記繰り返しエッチング工程に比べて、前記基台に与えられるバイアス電位が高いことを特徴とする請求項３記載のエッチング方法。

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