JP5507695B2 - 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

プラズマエッチング方法、及びプラズマエッチング装置 Download PDF

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Description

この発明は、シリコン基板をエッチングするプラズマエッチング方法、及びそれに用いるプラズマエッチング装置に関する。
従来から、例えば特許文献１に記載のように、シリコン基板の厚さ方向に延びるホールを、六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガスや三フッ化窒素（ＮＦ３）ガス等のフッ素含有ガスを用いたプラズマエッチングによって形成する方法が知られている。
フッ素含有ガスから生成されるプラズマには、シリコンのエッチャントであるフッ素系イオンとフッ素系ラジカルとが含まれる。このうちフッ素系イオンは、シリコン基板が有するバイアス電位によって基板の表面に引き込まれて、基板表面に対してその法線方向から入射する。それゆえに、フッ素系イオンによるシリコン基板のエッチングは、基板の厚さ方向にのみ進行する異方性エッチングとなる。
他方、フッ素系ラジカルは、プラズマ生成空間内のガスの流れに従ってシリコン基板の表面に到達する。そのため、基板表面に対する特定の方向を有しない等方性エッチングとなる。そして、フッ素含有ガスから生成されたプラズマによるエッチングには、イオンによる異方性エッチングとラジカルによる等方性エッチングとが混在することになる。
近年では、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System ）デバイス等の製造にあたり、数十程度の高アスペクト比と数十μｍにも及ぶ深さとを有するホールを、シリコン基板に精度よく形成することが求められている。そこで、こうした要請に応えるために、フッ素含有ガスと酸素ガスとを用いたプラズマエッチング方法が提案されている。こうしたエッチングガスによるプラズマエッチング方法では、ホールの形成に際し、プラズマ中に含まれる酸素イオンや酸素ラジカル等の酸素源が、ホールを構成する側面や底面のシリコンと反応してシリコン酸化膜を形成する。シリコン酸化物は、シリコンよりもフッ素系ラジカルによってエッチングされにくいことから、シリコン酸化膜はホールの側面をエッチングから保護する膜として機能する。また、ホールの底面に形成されたシリコン酸化膜は、フッ素系イオンとフッ素系ラジカルとの両方によってエッチングされることから、側面に形成されたシリコン酸化膜よりもエッチングが進行しやすい。そのため、基板の厚さ方向へのシリコンのエッチングは側方へのエッチングよりも進行する。こうして、基板表面に略垂直なホールが形成される。
特開２００９−１０２４０号公報
ところで、シリコン基板にホールを形成するときには、プラズマエッチングに先立って、フォトレジストからなるマスクがシリコン基板の表面に形成される。一方、上述したエッチングガスによるプラズマエッチングでは、有機物等からなるフォトレジストが酸素プラズマに曝される。それゆえに、プラズマエッチング時の酸素ガスの供給流量を所定量以上とすると、ホールの側面はシリコン酸化膜によって確実に保護される一方、シリコン基板の表面がエッチャントに曝される可能性がある。これにより、ホールの開口部近傍が所望の形状に維持されにくくなる。
フォトレジストのエッチング量を少なくするために酸素ガスの供給流量を所定量以下とすると、ホールの側面がシリコン酸化膜によって十分に保護されなくなる。その結果、特にフッ素系ラジカルに起因する等方性エッチングが進行してしまい、フォトレジストの開口よりも内側のシリコンが面方向にエッチングされることになる（いわゆるサイドエッチング）。
この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ホールの加工における形状制御性を高めることができるプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置を提供することにある。
本発明の一態様は、レジストマスクが積層されたシリコン基板を収容する真空槽に六フッ化硫黄ガスと酸素ガスとをエッチングガスとして供給するガス供給工程と、前記真空槽内に高周波電力を供給して前記エッチングガスでプラズマを生成するプラズマ生成工程とを備え、前記プラズマによって前記シリコン基板をエッチングするプラズマエッチング方法であって、前記プラズマに含まれる酸素ラジカルの密度が前記高周波電力の供給開始時から単調増加する期間を第一の期間として設定し、前記プラズマに含まれるフッ素系ラジカルの密度が前記高周波電力の供給開始時から単調増加する期間を第二の期間として設定し、前記プラズマ生成工程は、前記高周波電力の供給開始時から前記第一の期間が経過した後でかつ前記第二の期間が経過する前に、前記高周波電力の供給を停止すること、及び、前記高周波電力の供給と前記高周波電力の供給停止とを繰り返すこと含む。
本発明の別の態様は、レジストマスクが積層されたシリコン基板を収容する真空槽と、前記真空槽に六フッ化硫黄ガスと酸素ガスとをエッチングガスとして供給するガス供給部と、前記真空槽内に高周波電力を供給して前記エッチングガスでプラズマを生成するプラズマ生成部とを備え、前記プラズマによって前記シリコン基板をエッチングするプラズマエッチング装置であって、前記プラズマに含まれる酸素ラジカルの密度が前記高周波電力の供給開始から単調増加する期間が第一の期間として設定されており、前記プラズマに含まれるフッ素系ラジカルの密度が前記高周波電力の供給開始から単調増加する期間が第二の期間として設定されており、前記プラズマ生成部は、前記供給開始から前記第一の期間が経過した後でかつ前記第二の期間が経過する前に、前記高周波電力の供給を停止し、前記高周波電力の供給と前記高周波電力の供給停止とを交互に繰り返す。
上記一態様及び別の態様では、第一の期間及び第二の期間を以下のように設定している。
［第一の期間］高周波電力の供給開始時から酸素ラジカルの密度が単調増加する期間。
［第二の期間］高周波電力の供給開始時からフッ素系ラジカルの密度が単調増加する期間。
本願発明者は、酸素（Ｏ２）ガスから酸素ラジカルを生成するために必要な高周波電力の供給時間と、六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガスからフッ素系ラジカルを生成するために必要な同供給時間とを数値計算や実測によって得た。そして、Ｏ２ガスとＳＦ６ガスとの混合系において、酸素ラジカルの生成に要する供給時間が、フッ素系ラジカルの生成に要する供給時間よりも大幅に短いことを見出した。上記第一の期間においては、酸素ラジカルに対するフッ素系ラジカルの比が大きくなりやすく、第一の期間の終了時から第二の期間の終了時までの間は、酸素ラジカルに対するフッ素系ラジカルの比が小さくなりやすい。こうした点に鑑みれば、エッチングプロセスの全体において、高周波電力の供給開始時から第一の期間が経過するまでの間は、エッチングにより形成されたホールの内壁と酸素ラジカルとの反応が相対的に進行しやすい。そのため、ホールの内壁には、酸化シリコン膜が形成されやすくなる。これに対して、第一の期間の経過後から第二の期間の終了までの間は、ホールの側壁が酸化シリコン膜により保護されて、ホールの側壁とフッ素系ラジカルとの反応が相対的に進行し難い。一方、ホールの底壁では、プラズマ中の正イオンとフッ素系ラジカルとによってエッチングが進行するため、ホールの側壁と比較して、酸化シリコン膜が除去されやすい。
そこで、上記一態様及び別の態様では、第一の期間の経過後であって第二の期間の経過前の期間で高周波電力の供給を停止し、こうした高周波電力の供給及びその停止を交互に繰り返すようにしている。これにより、ホールの内壁に酸化シリコン膜が形成されやすい期間とホールの底壁がエッチングされやすい期間とを、交互に繰り返すことができるため、ホールの側壁を等方的なエッチングから保護しつつ、ホールの底壁をエッチングすることができる。
これに対し、上記エッチングガスを用いて連続的にエッチングを実施する場合、ホールの側壁における酸化シリコン膜の形成と、ホールの底壁におけるエッチングとが同時に進行することになる。それゆえに、シリコン基板の厚さ方向へホールを形成し続けるためには、ホールの側壁に対してエッチングが進行することを抑える分だけ、Ｏ２ガスの供給流量を増大する必要がある。しかし、このような流量でＯ２ガスを供給すると、ホールの側壁は保護されやすくなるものの、シリコン基板の表面に積層されたレジストマスクまでもがエッチングされやすくなる。そのため、レジストマスクの厚さも増大させなければ、ホールが完成する以前にレジストマスクが除去されて、ホールの開口側の形状が維持されなくなる。
一方、上記一態様及び別の態様によれば、まず、ホールの内壁に酸化シリコン膜を形成してから、ホールの底壁がエッチングされるため、上記連続的なエッチングにおけるＯ２ガスよりも低い流量で、ホールの側壁が等方的にエッチングされることを抑えることができる。したがって、請求項１に記載の発明によれば、プラズマエッチング方法によるホールの加工における形状制御性を高めることができる。
一例では、前記プラズマ生成工程では、前記供給開始時から２５ミリ秒以上経過して、該供給開始時から１００ミリ秒以下経過する前に、前記高周波電力の供給を停止する。この方法によれば、酸素ラジカルの密度は、供給期間中においてフッ素ラジカルよりも確実に先行して増大し、フッ素ラジカルの密度は、同供給期間において酸素ラジカルの増大期間後も続けて増大するようになる。それゆえに、ホールの内壁に酸化シリコン膜が形成されやすい期間とホールの底壁がエッチングされやすい期間とを、確実に交互に繰り返すことができる。
一例では、前記高周波電力の供給を停止してから再び前記高周波電力の供給を開始するまでの期間を第三の期間として設定し、前記第三の期間は、次回の高周波電力の供給開始時における前記フッ素系ラジカルの密度、及び前記次回の高周波電力の供給開始時における前記酸素ラジカルの密度を、前記供給開始時ごとに等しくするように設定される。この方法によれば、高周波電力の供給とその停止とを交互に繰り返したとしても、前回の電力供給時に生成されたフッ素系ラジカルが次回の電力供給時のエッチングに影響を及ぼし難くなる。また、前回の電力供給時に生成された酸素ラジカルが次回の電力供給時における酸化シリコン膜の生成に影響を及ぼし難くなる。それゆえに、プラズマエッチング方法によるホールの加工における形状制御性を再現性よく高めることができる。
一例では、前記高周波電力の供給開始時から前記高周波電力の供給停止時までの期間は、前記供給開始時ごとに等しく、前記第三の期間は、前記次回の高周波電力の供給停止時における前記フッ素系ラジカルの密度、及び前記次回の高周波電力の供給停止時における前記酸素ラジカルの密度が、前記供給停止時ごとに等しくなるように設定される。この方法によれば、高周波電力の供給時には、その開始時から停止時までにわたるフッ素ラジカルの密度の挙動、及び酸素ラジカルの密度の挙動が、高周波電力の供給ごとに略等しくなる。そのため、高周波電力の供給とその停止とを繰り返したとしても、高周波電力の供給期間ごとに、ホールの内壁に酸化シリコン膜が形成されやすい期間とホールの底壁がエッチングされやすい期間とを、より確実に交互に繰り返すことができる。それゆえに、プラズマエッチング方法が有するホールの加工における形状制御性をより確実に高めることができる。
本実施形態におけるプラズマエッチング装置の概略図。 プラズマに含まれる各種粒子の密度の経時変化を示すグラフ。 （ａ）フッ素系ラジカルの密度変動（ｂ）酸素ラジカルの密度変動、及び（ｃ）高周波電力の供給タイミングを示すタイムチャート。 プラズマエッチング方法の処理手順を示すフローチャート。 （ａ）実施例のプラズマエッチング方法によって形成したホールのＳＥＭ画像（ｂ）比較例のプラズマエッチング方法によって形成したホールのＳＥＭ画像（ｃ）比較例のプラズマエッチング方法によって形成したホールのＳＥＭ画像。
以下、本発明の一実施形態に従うプラズマエッチング装置及びプラズマエッチング方法について、図１〜図５を参照して説明する。図１は、本実施形態のプラズマエッチング方法を実施するプラズマエッチング装置である。プラズマエッチング装置１０は、レジストマスクが形成されたシリコン基板Ｓに対し、その表面Ｓｓをプラズマに曝して、シリコン基板Ｓの厚さ方向に延びるホールをシリコン基板Ｓに形成する。
プラズマエッチング装置１０は、アルミニウム等の金属からなる円筒状の真空槽１１を有している。真空槽１１の上面１１ｔには、接地された円板状の上部電極１２が設けられている。上部電極１２は、ガスを導入するガス導入管１２ａにと連通するガス室１２ｂと、ガス室１２ｂ及び真空槽１１と連通する複数のシャワーホール１２ｃとを有している。ガス導入管１２ａには、エッチングガスとして六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガスと酸素（Ｏ２）ガスとを供給するエッチングガス供給部１３が、ガス供給管ＧＬを介して接続されている。そして、接地電極としての上部電極１２は、エッチングガスを真空槽１１内に略均一に拡散させる。
真空槽１１の下面１１ｂには、排気管１１ｅが接続されている。排気管１１ｅには、真空槽１１内の気体を排気する真空ポンプ等を備えた排気部１４が接続されている。そして、プラズマエッチング装置１０がプラズマエッチングを実施するとき、排気部１４は真空槽１１内の圧力を例えば２０Ｐａ〜１５０Ｐａにする。
真空槽１１内には、上部電極１２と対向するように下部電極１５が配設されている。下部電極１５には、インピーダンス整合器１８を介して、高周波電力をパルス状に出力してプラズマ生成部を構成する高周波電源１９が接続されている。また、下部電極１５は、シリコン基板Ｓが載置される基板ステージとしても機能する。下部電極１５には、該下部電極１５と上部電極１２との距離を変更する可動軸１６が連結されている。可動軸１６には、可動軸１６の位置を変更するモータ１７が接続されている。
そして、モータ１７が正回転あるいは逆回転すると、可動軸１６が上方又は下方に移動することで、下部電極１５の位置が変更される。また、下部電極１５が固定された状態で、高周波電源１９が下部電極１５に高周波電力を供給すると、上部電極１２と下部電極１５とに挟まれたプラズマ生成領域ＰＬに、エッチングガスのプラズマが生成される。加えて、下部電極１５に高周波電力が供給されると、下部電極１５が負のバイアス電位を有するようになる。なお、この間、インピーダンス整合器１８は、高周波電源１９の出力インピーダンスと、真空槽１１内を含む負荷の入力インピーダンスとを整合させる。
上述のような平行平板型のプラズマエッチング装置１０によってプラズマエッチングを実施する際には、まず、プラズマエッチング装置１０の搬出入口からシリコン基板Ｓが真空槽１１に搬入され、下部電極１５上に載置される。次いで、排気部１４が駆動されることによって、真空槽１１内が所定の圧力にまで減圧される。その後、エッチングガス供給部１３からＳＦ６ガスとＯ２ガスとが真空槽１１内に所定の流量で供給される。このとき、排気部１４の排気流量とエッチングガス供給部１３からのエッチングガスの供給流量とによって、真空槽１１内が所定の圧力に保たれる。そして、高周波電源１９から下部電極１５に高周波電力が供給されることによって、エッチングガスのプラズマがプラズマ生成領域ＰＬに生成される。プラズマに含まれるエッチャントであるフッ素系ラジカルや各種正イオンがシリコン基板Ｓの表面Ｓｓに到達することによって、該表面Ｓｓがエッチングされる。
ここで、上記エッチングガスを用いてシリコン基板Ｓを連続的にエッチングする場合、ホールの側面では、フッ素系ラジカルによるシリコンのエッチング反応と酸素ラジカルによるシリコンの酸化反応とが同時に進行する。この際、シリコン基板の厚さ方向にのみエッチングを進行させるためには、上記酸化反応を優先的に進行させるだけのＯ２ガスを供給し続ける必要がある。一般に、エッチングガスにおけるＯ２ガスの割合をＳＦ６ガスの割合よりも大きくする必要がある。
一方、シリコン基板Ｓの表面Ｓｓに形成されたレジストマスクは、フッ素系ラジカルによりシリコン基板Ｓがエッチングされると同時に、酸素ラジカルによりエッチングされる。そのため、シリコン基板Ｓに形成されるレジストマスクは、酸素ラジカルによるエッチング量よりも十分に厚いことが必要とされる。厚いレジストマスクを形成する結果、フッ素系ラジカルがホール内に到達し難くなり、エッチングの速度が低下したり、異方性のエッチングが進行し難くなったりする。
他方、レジストマスクの厚さを抑えるために、Ｏ２ガスの供給流量を低減させると、ホールの側面において酸化シリコン膜が十分に形成されなくなる。そのため、フッ素系ラジカルによってホールの側面が等方的にエッチングされることになる。
ところで、上記エッチングガスから生成されるプラズマには、上述のフッ素系ラジカル及び酸素ラジカルに加え、Ｏ＋イオン、ＳＦｘ＋イオン等の各種正イオン、及び電子が含まれる。図２は、これら各種粒子の密度、及び電子温度の経時変化を示すグラフである。なお、図２は、真空槽１１内にシリコン基板Ｓを搬入せず、プラズマ生成時の各種条件を以下のように設定した上で、各種粒子の密度等をシミュレーションによって算出したものである。
・Ｏ２ガスの供給流量 １５０ｓｃｃｍ
・ＳＦ６ガスの供給流量 １５０ｓｃｃｍ
・真空槽１１内の圧力 ９３Ｐａ
・高周波電源１９の出力周波数 ６０ＭＨｚ
・高周波電源１９の出力 ２５００Ｗ
図２に示されるように、高周波電力の供給を供給開始点Ｔ０から開始して凡そ１０ミリ秒が経過すると、正イオンの密度が略一定になる。正イオンの密度は、高周波電力の供給を開始した時点からそれ程増加しないものの、単調増加の後に略一定になる。供給開始点Ｔ０から凡そ２５ミリ秒が経過すると、電子の密度が、単調増加の後に略一定になる。酸素ラジカルの密度は、電子の密度よりもより急峻な単調増加の後に最大値を示す。酸素ラジカルについては、正イオンや電子の密度の変動と異なり、最大値を示した直後に単調減少を開始する。その後、供給開始点Ｔ０から凡そ３７５ミリ秒が経過したところで酸素ラジカルの密度は略一定になる。フッ素系ラジカルの密度は供給開始点Ｔ０から単調増加し、供給開始点Ｔ０から凡そ４２５ミリ秒が経過すると、フッ素系ラジカルの密度は略一定値になる。電子温度は、供給開始点Ｔ０から凡そ１５ミリ秒が経過するまで減少し、その後、凡そ１００ミリ秒まで単調増加し、再び単調減少して、凡そ３５０ミリ秒が経過したところで略一定になる。こうした各種粒子の密度は、Ｏ２ガスの供給流量及びＳＦ６ガスの供給流量が上述の条件とは異なる任意の流量に設定されたとしても、概ね同様の傾向で変動する。また、各種粒子の密度変動に見られる傾向は、高周波電源１９の出力にかかわらず認められるものであり、真空槽１１内の圧力が２０Ｐａ〜１５０Ｐａ、高周波電源の出力周波数が６０ＭＨｚ〜１５０ＭＨｚの範囲でも概ね認められるものである。
各種粒子のうち、上記ホールの形状への寄与が相対的に大きい粒子である酸素ラジカルとフッ素系ラジカルとに着目する。以下の説明では、上記供給開始点Ｔ０から、酸素ラジカルの密度が単調増加し続ける期間、言い換えれば酸素ラジカルの密度が最大値となるまでの期間を、第一の期間Ｔ１と称する。他方、供給開始点Ｔ０から、フッ素系ラジカルの密度が単調増加し続ける期間、言い換えればフッ素系ラジカルの密度が飽和するまでの期間を、第二の期間Ｔ２と称する。これら第一の期間Ｔ１と第二の期間Ｔ２とを比較すると、上述のように第二の期間Ｔ２が第一の期間Ｔ１よりも顕著に長い。
また、第一の期間Ｔ１では、酸素ラジカルの密度が単調増加するとともに、酸素ラジカルの密度の増加率がフッ素系ラジカルの密度の増加率よりも大きい。そのため、フッ素系ラジカルの密度に対する酸素ラジカルの密度の比（密度比Ｒ＝［酸素ラジカルの密度］／［フッ素系ラジカルの密度］）は、時間の経過とともに大きくなる。そして、第一の期間Ｔ１の終了時にて密度比Ｒは最大値となる。
第一の期間Ｔ１の終了時から第二の期間Ｔ２の終了時までの期間では、酸素ラジカルの密度は単調減少するが、フッ素系ラジカルの密度は単調増加し続ける。そのため、密度比Ｒは、時間の経過とともに小さくなり、第二の期間Ｔ２の終了時点にて最も小さくなる。
第二の期間Ｔ２の終了時以降は、酸素ラジカルの密度及びフッ素系ラジカルの密度がともに一定の値で推移することから、密度比Ｒの値も一定となる。
プラズマ生成領域ＰＬ内にエッチングガスのプラズマを生成した場合、上記密度比Ｒは第一の期間Ｔ１において相対的に大きくなるとともに、第二の期間Ｔ２の終了時以降において相対的に小さくなる。そして、第一の期間Ｔ１の終了時から第二の期間Ｔ２の終了時までの期間における密度比Ｒは、第二の期間Ｔ２以降における密度比Ｒよりも大きく、且つ第一の期間Ｔ１における密度比Ｒと同じか小さい値となる。
ここで、プラズマ生成領域ＰＬの酸素ラジカルがフッ素系ラジカルよりも先にホールの内壁に到達する確率は、密度比Ｒが相対的に大きくなる上記第一の期間Ｔ１において、最も高くなる。それゆえに、第一の期間Ｔ１においては、ホールの側面に酸化シリコン膜が形成されやすくなるため、フッ素系ラジカルによる等方的なエッチングからホールの側面が効果的に保護される。
これに対して、プラズマ生成領域ＰＬのフッ素系ラジカルが酸素ラジカルよりも先にホールの内壁に到達する確率は、密度比Ｒが相対的に小さくなる期間、すなわち上記第一の期間Ｔ１の終了時から第二の期間Ｔ２の終了時までの間の方が第一の期間Ｔ１よりも高くなる。このとき、ホールの側面にはシリコンよりもフッ素系ラジカルによってエッチングされにくい酸化シリコン膜が予め形成されていることから、ホールの側面での等方的なエッチングは進行しにくい。
一方、上述のように連続的にエッチングを実施した場合、該エッチングの開始から終了までの大部分が、第二の期間Ｔ２経過後の期間となる。そして、第二の期間Ｔ２経過後では、フッ素系ラジカルが酸素ラジカルよりも先にホールの側面に到達しやすい状態が続くこととなる。その結果、高周波電力の供給開始直後にのみホールの側面に酸化シリコン膜が形成され、それ以降では、ホールの側面においてエッチングが支配的に進行し続けてしまう。それゆえに、プラズマ生成時の条件、特にＯ２ガスの供給流量やＳＦ６ガスの供給流量が同じという前提であれば、一旦高周波電力の供給を開始してから連続的にエッチングを実施するよりも、第一の期間Ｔ１によるエッチングを繰り返し実施することが好ましい。これにより、ホールの側面をより確実に酸化シリコン膜によって保護しつつ、ホール底面のエッチングを進行させることができる。したがって、プラズマエッチングによるホールの加工における形状制御性が高められることになる。
なお、高周波電力の供給は、上記第二の期間Ｔ２経過後まで実施するよりも、供給開始点Ｔ０からフッ素系ラジカルの密度が単調増加を継続している期間であるオン期間Ｔ３だけ実施する方が好ましい。これにより、エッチングの開始から終了までにわたり、酸素ラジカルの密度及びフッ素系ラジカルの密度が、上記連続的なエッチングと同等の条件となることを確実に抑えることができる。ひいては、上述したホールの加工における形状制御性が、より効果的に得られることになる。
図３は、上記オン期間Ｔ３にわたる高周波電力の供給と、オフ期間Ｔ４にわたる高周波電力の供給停止とを繰り返したときのラジカルの密度について経時変化を示している。図３（ａ）はフッ素系ラジカルの密度について経時変化を示しており、図３（ｂ）は酸素ラジカルの密度について経時変化を示している。また、図３（ｃ）は、高周波電力の供給を開始（ＯＮ）するタイミング及び停止（ＯＦＦ）するタイミングを示している。なお、図３に示される各ラジカルの密度の経時変化も、図２に示される各種粒子の密度の経時変化を算出したときと同様の方法及び条件にて算出されたものである。また、各ラジカルの密度の経時変化は、高周波電力の供給の開始及び停止を任意の回数だけ繰り返したうちの一部のみを示したものである。
図３に示されるように、高周波電力の供給が開始されてから停止されるまでのオン期間Ｔ３を、例えば１００ミリ秒に設定する。なお、該オン期間Ｔ３は２５ミリ秒以上１００ミリ秒以下に設定することが好ましい。これにより、高周波電力が供給されるごとに、上述した密度比Ｒが相対的に高くなり、その密度比Ｒが相対的に低くなるごとに、高周波電力の供給が停止される。また、オン期間Ｔ３と次のオン期間Ｔ３とに挟まれた期間であって、高周波電力の供給が停止されてから再び開始されるまでのオフ期間Ｔ４を、例えば５０ミリ秒に設定する。
なおオフ期間Ｔ４は、フッ素系ラジカルの密度及び酸素ラジカルの密度が電力供給の開始ごとに同じ値（それぞれフッ素系ラジカルの所望開始時密度及び酸素ラジカルの所望開始時密度と呼ぶことがある）に等しくなるように設定されることが好ましい。これによれば、高周波電力の供給とその停止とを交互に繰り返したとしても、前回の電力供給時に生成されたフッ素系ラジカルが次回の電力供給時のエッチングに影響を及ぼし難くなる。また、前回の電力供給時に生成された酸素ラジカルが次回の電力供給時における酸化シリコン膜の生成に影響を及ぼし難くなる。さらに、高周波電力の供給を継続する期間を、高周波電力の供給時ごとに等しくするとともに、オフ期間Ｔ４を、該期間の次に高周波電力の供給を停止するときに、フッ素系ラジカルの密度、及び酸素ラジカルの密度が毎回同じ値（それぞれフッ素系ラジカルの所望停止時密度及び酸素ラジカルの所望停止時密度と呼ぶことがある）に等しくなるように定めることが好ましい。これによれば、高周波電力の供給時には、その開始時から停止時までにわたるフッ素ラジカルの密度の挙動、及び酸素ラジカルの密度の挙動が、高周波電力の供給ごとに略等しくなる。そのため、高周波電力の供給とその停止とを繰り返したとしても、高周波電力の供給期間ごとに、ホールの内壁に酸化シリコン膜が形成されやすい期間とホールの底壁がエッチングされやすい期間とを、より確実に交互に繰り返すことができる。
ここで、高周波電力の供給が停止されている間に、フッ素系ラジカルの密度及び酸素ラジカルの密度を決定する要因としては、例えば以下の３つが挙げられる。
まず第１の要因は、ラジカルが生成されてから励起状態でなくなるまでの時間、いわゆるラジカルの寿命である。ラジカルの寿命は各ラジカルに固有の長さであることから、最も長い寿命よりも長い時間をオフ期間Ｔ４として設定すればよい。例えば、酸素ラジカルとフッ素系ラジカルとのうち、フッ素系ラジカルの寿命よりも長い時間をオフ期間Ｔ４として設定する。これによれば、オフ期間Ｔ４の直前のオン期間Ｔ３にて生成されたラジカルの略全てが励起状態ではなくなる。そのため、オン期間Ｔ３間で、各ラジカルの密度の初期値が等しくなる。それゆえに、オン期間Ｔ３同士でラジカルの密度の上限値が互いに大きく異なることはない。
第２の要因は、プラズマ生成領域ＰＬにて生成されたラジカルが、真空槽１１に滞在する時間（滞在時間）である。滞在時間は、例えば、真空槽１１及び排気管１１ｅの断面形状及び長さ等を含むプラズマエッチング装置１０の内部形状や排気部１４の排気能力等によって決まる。こうした滞在時間に応じてオフ期間Ｔ４を設定すればよい。例えば、滞在時間よりも長くオフ期間Ｔ４を設定すれば、オフ期間Ｔ４の直前のオン期間Ｔ３にて生成されたラジカルは、略全てが真空槽１１外に排出されることになる。そのため、オン期間Ｔ３同士で、ラジカルの密度の初期値が等しくなる。それゆえに、オン期間Ｔ３同士でラジカルの密度の上限値が互いに大きく異なることはない。
第３の要因は、プラズマ生成領域ＰＬの温度、圧力、高周波電力の伝達特性など、これらを初期化する時間（初期化時間）である。例えば、初期化時間は、例えば真空槽１１内における各種構成部材の温度の形状制御性が高ければ短くなり、また真空槽１１内における高周波電力の伝達性が安定していれば短くなる。反対に、初期化時間は、例えば真空槽１１内における各種構成部材の温度の形状制御性が低ければ、プラズマ生成領域ＰＬにおける温度を所定の温度に維持するために長くなり、また真空槽１１内における高周波電力の伝達性が不安定なものであれば、所定の出力値を得るために長くなる。こうした初期化時間に応じてオフ期間Ｔ４を設定すればよい。例えば、初期化時間よりも長くオフ期間Ｔ４を設定すれば、オフ期間Ｔ４の直後のオン期間Ｔ３にて生成されるラジカルは、同じようなプラズマ生成領域ＰＬの環境のもとで生成される。そのため、オン期間Ｔ３同士で、ラジカルの密度の挙動やラジカルの密度の終値が等しくなる。
上記オフ期間Ｔ４は、こうしたラジカルの寿命、滞在時間、初期化時間のうち、ラジカルの密度に与える影響が大きい要因に対応付けて設定する、若しくは、ラジカルの寿命、滞在時間、初期化時間のうち、より長い時間に対応付けて設定すればよい。このように設定されたオン期間Ｔ３とオフ期間Ｔ４とを順に複数回繰り返してエッチングを実施することにより、ホールの形成中には、フッ素系ラジカルよりも先に、ホールの側面と酸素ラジカルとが反応する。そして、このような状態を複数回繰り返すことができる。
そこで、本実施形態では、ホールを形成するエッチングに際して、高周波電力を供給する期間と、高周波電力の供給を停止する期間とを順に複数回実施するようにしている。図４は、本実施形態のプラズマエッチング方法における処理の手順を示すフローチャートである。
プラズマエッチングに際しては、まず、レジストマスクが表面Ｓｓに積層されたシリコン基板Ｓを真空槽１１内に搬入する（ステップＳ１１）。排気部１４による真空槽１１内の排気の後、ガス供給工程にてＳＦ６ガスとＯ２ガスとを真空槽１１内に供給する（ステップＳ１２）。なお、ＳＦ６ガスの供給流量は例えば１５０ｓｃｃｍであり、Ｏ２ガスの供給流量は例えば１５０ｓｃｃｍである。
次いで、高周波電源１９から、６０ＭＨｚ、２５００Ｗの高周波電力をパルス状で下部電極１５に供給する（ステップＳ１３）。上述のように、高周波電力を供給する期間は、シリコン基板Ｓが真空槽１１内に搬入されていない状態で算出されたオン期間Ｔ３であり、例えば１００ミリ秒とされる。そして、ステップＳ１３の開始から１００ミリ秒が経過したところで、高周波電力の供給を停止する。高周波電力の供給が停止される期間は、シリコン基板Ｓが真空槽１１内に搬入されていない状態で算出されたオフ期間Ｔ４であり、例えば５０ミリ秒とされる。オン期間Ｔ３とオフ期間Ｔ４とを順に繰り返すステップＳ１３が所定の処理時間だけ実施されると（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、エッチングガスの供給が停止され（ステップＳ１５）、その後、プラズマエッチング処理が終了される。なお、ステップＳ１３のオン期間Ｔ３とオフ期間Ｔ４を順に繰り返す回数は、シリコン基板Ｓに形成されるホールの深さと、高周波電力を供給したときの深さ方向へのエッチング速度とに応じて設定すればよい。また、ステップＳ１２にて開始されたエッチングガスの供給は、ステップＳ１６にて停止されるまで継続される。加えて本実施形態では、ステップＳ１３、及びステップＳ１４がプラズマ生成工程に含まれる。
［実施例］
直径１２インチ、厚さ１００μｍのシリコン基板を、上記プラズマエッチング装置を用いて以下の条件にてエッチングすることにより、基板表面の法線方向に延びるホールを形成した。
・高周波電力の周波数 ６０ＭＨｚ
・高周波電力 ２５００Ｗ
・真空槽内の圧力 ９３Ｐａ
・基板温度 −１０℃
・エッチングガス ＳＦ６／Ｏ２
シリコン基板のエッチングに際し、高周波電力の供給とその停止とを以下の条件にて繰り返した。
・レジストマスクの厚さ ４０μｍ
・エッチングガス流量 １５０（ＳＦ６）／５０（Ｏ２）ｓｃｃｍ
・高周波電力の供給期間（オン期間Ｔ３） ２５ミリ秒
・高周波電力の供給停止期間（オフ期間Ｔ４） ２５ミリ秒
・オン期間Ｔ３及びオフ期間Ｔ４の繰り返し回数 ６０００回
［比較例１］
シリコン基板の連続的なエッチングを以下の条件にて実施した。なお、エッチングガスの供給流量は、上記実施例と同一とした。
・レジストマスクの厚さ ４０μｍ
・エッチングガス流量 １５０（ＳＦ６）／５０（Ｏ２）ｓｃｃｍ
・エッチング時間（高周波電力の供給時間） 連続的に５分
［比較例２］
シリコン基板の連続的なエッチングを以下の条件にて実施した。なお、エッチングガスの供給流量は、上記実施例と同一とした。
・レジストマスクの厚さ ４０μｍ
・エッチングガス流量 ５０（ＳＦ６）／１００（Ｏ２）ｓｃｃｍ
・エッチング時間（高周波電力の供給時間） 連続的に５分
実施例、比較例１、及び比較例２によれば、図５及び以下の表に示される形状のホールが得られた。なお、図５（ａ）が実施例のエッチング条件によって得られたホールの形状、図５（ｂ）が比較例１のエッチング条件によって得られたホールの形状、図５（ｃ）が比較例２のエッチング条件によって得られたホールの形状である。
実施例のプラズマエッチングよれば、レジストマスクＭの開口幅Ｗ１は、４０μｍであり、ホールＨの最大幅Ｗ２は、５５μｍであった。このことから、レジストマスクＭの開口よりも内側におけるシリコンのサイドエッチングの量（Ｗ２−Ｗ１）は、１５μｍであった。また、ホールＨの深さＤは１２５μｍであった。
これに対し、比較例１のプラズマエッチングによれば、レジストマスクＭの開口幅Ｗ１は、４０μｍであり、ホールＨの最大幅Ｗ２は、９０μｍであった。このことから、サイドエッチングの量（Ｗ２−Ｗ１）は、５０μｍであった。また、ホールＨの深さＤは、１２０μｍであった。
このように、ＳＦ６ガスの供給流量とＯ２ガスの供給流量とを同一として、略同一の深さを有するホールを形成するとき、実施例のプラズマエッチング方法によれば、比較例１のプラズマエッチング方法よりも、等方的なエッチングを抑えられることが認められた。したがって、実施例のプラズマエッチング方法は、比較例のプラズマエッチング方法に比べて、ホールの加工における形状制御性がより高い方法であると言える。
また、実施例のプラズマエッチングによれば、シリコン基板Ｓに積層されたレジストマスクＭの厚さは、４０μｍである。これに対し、エッチング後のレジストマスクＭの残厚ＭＴは、３２μｍであった。つまり、シリコン基板Ｓのエッチングに伴って、８μｍの厚さ分だけレジストマスクＭがエッチングされた。
一方、比較例２のプラズマエッチングによれば、レジストマスクＭの開口幅Ｗ１は、４０μｍであり、ホールＨの最大幅Ｗ２は、６０μｍであった。このことから、サイドエッチングの量（Ｗ２−Ｗ１）は、２０μｍであった。また、ホールの深さＤは、１２０μｍであった。シリコン基板Ｓに積層されたレジストマスクＭの厚さが４０μｍであるのに対し、エッチング後のレジストマスクＭの残厚ＭＴは、７μｍであった。つまり、シリコン基板Ｓのエッチングに伴って、３３μｍの厚さ分だけレジストマスクＭがエッチングされた。
このように、実施例と略同じ深さ、且つ略同じサイドエッチング量のホールＨを形成する場合、比較例２のプラズマエッチング方法であれば、実施例のプラズマエッチング方法の２倍のＯ２ガスを単位時間あたりに供給する必要がある。そのため、比較例２におけるレジストマスクＭのエッチング量は、実施例におけるレジストマスクＭのエッチング量の凡そ４．１倍となることが認められた。それゆえに、比較例２のプラズマエッチング方法によれば実施例よりも多量のレジストマスクＭを塗布する必要があると言える。したがって、実施例のプラズマエッチング方法は、より少量のレジストマスクＭによって、ホールＨ、特に開口部付近の形状を担保できる。それゆえに、比較例２のプラズマエッチング方法よりもホールの加工における形状制御性が高い方法であると言える。
以上説明したように、本実施形態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よれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。
（１）高周波電力の供給を開始後、第一の期間Ｔ１の終了時と第二の期間Ｔ２の終了時との間で高周波電力の供給を停止し、こうした高周波電力の供給及びその停止を交互に繰り返すようにしている。これにより、ホールＨの内壁に酸化シリコン膜が形成されやすい期間とホールＨの底壁がエッチングされやすい期間とを、交互に繰り返すことができるため、ホールＨの側壁を等方的なエッチングから保護しつつ、ホールＨの底壁をエッチングすることができる。
（２）ホールＨの内壁に酸化シリコン膜を形成してから、ホールＨの底壁がエッチングされるため、上記連続的なエッチングにおけるＯ２ガスよりも低い流量で、ホールＨの側壁が等方的にエッチングされることを抑えることができる。したがって、プラズマエッチング方法によるホールＨの加工における形状制御性を高めることができる。
（３）高周波電力の供給期間であるオン期間Ｔ３を、２５ミリ秒以上１００ミリ秒以下としている。これにより、酸素ラジカルの密度は、オン期間Ｔ３中においてフッ素ラジカルよりも確実に先行して増大するとともに、フッ素ラジカルの密度は、同オン期間Ｔ３において酸素ラジカルの増大期間後も続けて増大するようになる。それゆえに、ホールＨの内壁に酸化シリコン膜が形成されやすい期間とホールＨの底壁がエッチングされやすい期間とを、確実に交互に繰り返すことができる。
（３）フッ素系ラジカルの密度及び酸素ラジカルの密度が電力供給の開始ごとに等しくなるように、高周波電力の供給がオフ期間Ｔ４だけ停止される。これにより、高周波電力の供給とその停止とを交互に繰り返したとしても、前回の電力供給時に生成されたフッ素系ラジカルが次回の電力供給時のエッチングに影響を及ぼし難くなる。また、前回の電力供給時に生成された酸素ラジカルが次回の電力供給時における酸化シリコン膜の生成に影響を及ぼし難くなる。それゆえに、プラズマエッチング方法によるホールの加工における形状制御性を再現性よく高めることができる。
（４）高周波電力の供給を継続するオン期間Ｔ３を、高周波電力の供給時ごとに等しくしている。加えて、オン期間Ｔ３を、該オン期間の次に高周波電力の供給を停止する時点における、フッ素系ラジカルの密度、及び酸素ラジカルの密度が毎回等しくなるように定めている。つまり、高周波電力の供給時には、その開始時から停止時までにわたるフッ素ラジカルの密度の挙動、及び酸素ラジカルの密度の挙動が、高周波電力の供給ごとに略等しくなる。そのため、高周波電力の供給とその停止とを繰り返したとしても、高周波電力の各オン期間Ｔ３に、ホールＨの内壁に酸化シリコン膜が形成されやすい期間とホールの底壁がエッチングされやすい期間とを、より確実に交互に繰り返すことができる。それゆえに、プラズマエッチング方法が有するホールの加工における形状制御性をより確実に高めることができる。
なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・オフ期間Ｔ４は、フッ素系ラジカル及び酸素ラジカルが真空槽１１内に存在しなくなるまで継続せずともよい。オフ期間Ｔ４が、これらラジカルが真空槽１１内に存在しなくなるだけの長さでなくとも、オフ期間Ｔ４の継続時間だけ、真空槽１１内の各ラジカルの密度は低下する。そのため、オフ期間Ｔ４を設けない場合よりも、該オフ期間Ｔ４に続くオン期間Ｔ３において、各ラジカルの密度が単調増加し続ける可能性が高くなる。
・高周波電力の供給とその停止とを複数回繰り返す間に、フッ素系ラジカルの密度及び酸素ラジカルの密度が略一定の値として推移するようになってもよい。これによっても、各ラジカルの密度が略一定の値となる以前、及び以後においては、高周波電力の供給とその停止とを繰り返す効果が得られることになる。
・高周波電力を供給するオン期間Ｔ３は、高周波電力の供給からその停止に切り替えることが可能な最小の時間、例えば１ナノ秒以上の値であればよい。
・高周波電力の供給とその停止とは、２回以上繰り返すこととすればよい。該繰り返しの回数は、２回以上であれば、高周波電力を供給したときのエッチング速度や、ホールの深さ等に応じて任意に設定可能である。
・プラズマエッチング方法を実施する装置は、上述のような平行平板型（容量結合型）のプラズマエッチング装置に限らず、例えば、プラズマ源として高周波アンテナを真空槽１１外に備える誘導結合型のプラズマエッチング装置として具現化することもできる。また、誘導結合型のプラズマエッチング装置に、真空槽１１内にゼロ磁場領域を形成する磁場コイルを有した磁気中性線放電型エッチング装置として具現化することもできる。
・図２及び図３には、プラズマに含まれる各種粒子の密度の変動を、シミュレーションによって算出した結果を示した。これに限らず、各種粒子の密度の変動は実測することも可能であるとともに、実測値においても上記シミュレーションと同様の傾向が見られる。そのため、実測値に基づいて上記第一の期間Ｔ１や第二の期間Ｔ２を決定したり、上記オン期間Ｔ３やオフ期間Ｔ４を設定したりしてもよい。
・プラズマエッチングを実施するときの各種条件、例えば、ＳＦ６ガスの供給流量、Ｏ２ガスの供給流量、真空槽１１内の圧力、高周波電力、高周波電力の周波数等は、上記以外の他の値でもよい。
・上記のプラズマエッチング方法は、プログラムコードとしてコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納させることができる。
・上記のプラズマエッチング方法は、プラズマエッチング装置に備えられた図示しない制御装置によって自動的に実施することができる。この制御装置は、実験等で予め決められた期間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４を格納するメモリを備えることができる。制御装置は、プログラムコード及びメモリに格納した期間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４等に従い、エッチングガス供給部１３、排気部１４及び高周波電源１９に制御信号を供給して、プラズマエッチング方法を実施することができる。
１０…プラズマエッチング装置、１１…真空槽、１１ｂ…下面、１１ｅ…排気管、１１ｔ…上面、１２…上部電極（シャワープレート）、１２ａ…ガス供給管、１２ｂ…ガス室、１２ｃシャワーホール、１３…エッチングガス供給部、１４…排気部、１５…下部電極（基板ステージ）、１６…可動軸、１７…モータ、１８…整合器、１９…高周波電源、ＧＬ…ガス供給管、Ｈ…ホール、Ｍ…レジストマスク、Ｓ…シリコン基板、Ｓｓ…表面。

Claims (5)

  1. レジストマスクが積層されたシリコン基板を収容する真空槽に六フッ化硫黄ガスと酸素ガスとをエッチングガスとして供給するガス供給工程と、
    前記真空槽内に高周波電力を供給して前記エッチングガスでプラズマを生成するプラズマ生成工程とを備え、
    前記プラズマによって前記シリコン基板をエッチングするプラズマエッチング方法であって、
    前記プラズマに含まれる酸素ラジカルの密度が前記高周波電力の供給開始時から単調増加する期間を第一の期間として設定し、
    前記プラズマに含まれるフッ素系ラジカルの密度が前記高周波電力の供給開始時から単調増加する期間を第二の期間として設定し、
    前記プラズマ生成工程は、
    前記高周波電力の供給開始時から前記第一の期間が経過した後でかつ前記第二の期間が経過する前に、前記高周波電力の供給を停止すること、及び、前記高周波電力の供給と前記高周波電力の供給停止とを繰り返すことを含む
    ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
  2. 前記プラズマ生成工程では、
    前記供給開始時から２５ミリ秒以上経過して、該供給開始時から１００ミリ秒以下経過する前に、前記高周波電力の供給を停止する
    請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
  3. 前記高周波電力の供給を停止してから再び前記高周波電力の供給を開始するまでの期間を第三の期間として設定し、
    前記第三の期間は、次回の高周波電力の供給開始時における前記フッ素系ラジカルの密度、及び前記次回の高周波電力の供給開始時における前記酸素ラジカルの密度を、前記供給開始時ごとに等しくするように設定される
    請求項１又は２に記載のプラズマエッチング方法。
  4. 前記高周波電力の供給開始時から前記高周波電力の供給停止時までの期間は、前記供給開始時ごとに等しく、
    前記第三の期間は、前記次回の高周波電力の供給停止時における前記フッ素系ラジカルの密度、及び前記次回の高周波電力の供給停止時における前記酸素ラジカルの密度が、前記供給停止時ごとに等しくなるように設定される
    請求項３に記載のプラズマエッチング方法。
  5. レジストマスクが積層されたシリコン基板を収容する真空槽と、前記真空槽に六フッ化硫黄ガスと酸素ガスとをエッチングガスとして供給するガス供給部と、前記真空槽内に高周波電力を供給して前記エッチングガスでプラズマを生成するプラズマ生成部とを備え、
    前記プラズマによって前記シリコン基板をエッチングするプラズマエッチング装置であって、
    前記プラズマに含まれる酸素ラジカルの密度が前記高周波電力の供給開始から単調増加する期間が第一の期間として設定されており、前記プラズマに含まれるフッ素系ラジカルの密度が前記高周波電力の供給開始から単調増加する期間が第二の期間として設定されており、
    前記プラズマ生成部は、
    前記供給開始から前記第一の期間が経過した後でかつ前記第二の期間が経過する前に、前記高周波電力の供給を停止し、前記高周波電力の供給と前記高周波電力の供給停止とを交互に繰り返す
    ことを特徴とするプラズマエッチング装置。
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