JP6421480B2

JP6421480B2 - プラズマエッチング方法

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Publication number: JP6421480B2
Application number: JP2014146506A
Authority: JP
Inventors: 豪松浦
Original assignee: Zeon Corp
Current assignee: Zeon Corp
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2018-11-14
Anticipated expiration: 2034-07-17
Also published as: JP2016025132A

Description

本発明は、高いエッチングレートでシリコンをプラズマエッチングすることができるプラズマエッチング方法に関する。

従来、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓｔｅｍ）等の微小構造体を製造する際や、シリコン基板にＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ−Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｖｉａ）を作成する際には、異方性エッチング技術を利用して、シリコンを深掘りエッチングすることが行われてきた。

例えば、特許文献１には、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）等のエッチングガスを用いてシリコン材をエッチングするエッチング工程と、オクタフルオロシクロブタン（Ｃ_４Ｆ_８）等の保護膜形成用ガスを用いて、シリコン材の表面をプラズマ重合膜（保護膜）で保護する保護膜形成工程とを交互に繰り返しながら、高アスペクト比のホール等を形成するボッシュプロセスが記載されている。

また、非特許文献１には、六フッ化硫黄や塩素などのエッチングガスと、酸素やＣ_４Ｆ_８などの保護膜形成用ガスとの混合ガスを用いてプラズマエッチングを行い、ホール等の側壁に保護膜を形成しながらその底部を掘り進めることにより、高アスペクト比のホール等を形成する非ボッシュプロセスが記載されている。

ＭＥＭＳ等の微小構造体を製造する際は、通常、電気絶縁性の高い酸化膜層を内部に有するウェハ〔ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハ〕が用いられる。そして、上記のような異方性エッチング技術を利用して、ＳＯＩウェハの表面から内部の酸化膜層まで達する複数のホールを同時に形成する。
しかしながら、このような加工においては、加工場所（ＳＯＩウェハの中央部や端部）の違いや、ホールの大きさの違いにより、各ホールのエッチングレートに差が生じることがあった。このため、一部のホールが酸化膜層まで達した後においても、他の全てのホールが酸化膜層まで達するまでエッチングを続ける、いわゆるオーバーエッチングを行うことが必要になる。
しかしながら、オーバーエッチングを長時間行うと、ホール底部に露出した酸化膜が徐々に帯電するため、ホール内に入射したイオンが曲げられ、横方向にエッチングが進行する現象（いわゆるノッチング）が起こり、目的の形状のホールを形成することができないという問題が生じることがあった。

ノッチングを防ぐ方法としては、ＳＯＩウェハ側の電極にかける高周波電力を適切に制御することにより、酸化膜層の帯電を防止するという方法や、ノッチングを効果的に防ぐことができる保護膜を形成する方法等が考えられる。
しかしながら、これらの方法を採用すると、エッチングレートが低下する傾向があるため、生産性が低下するという問題が生じていた。
したがって、高いエッチングレートでシリコンをプラズマエッチングすることができる方法が要望されていた。

特開２００７−１２９２６０号公報

Ａ．Ｆ．Ｉｓａｋｏｖｉｃｅｔａｌ．，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ａ．２６．１１８２（２００８）

本発明は、上記した従来技術に鑑みてなされたものであり、高いエッチングレートでシリコンをプラズマエッチングすることができるプラズマエッチング方法、を提供することを目的とする。

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、六フッ化硫黄とフッ化カルボニルとを特定の割合で含有する混合ガスを用いることにより、高いエッチングレートでシリコンをプラズマエッチングすることができることを見出し、本発明を完成するに至った。

かくして本発明によれば、下記〔１〕、〔２〕のプラズマエッチング方法、が提供される。
〔１〕六フッ化硫黄とフッ化カルボニルとを、重量比（六フッ化硫黄：フッ化カルボニル）で、７５：２５〜９７：３の範囲で含有する混合ガスを用いて、シリコンをプラズマエッチングすることを特徴とするプラズマエッチング方法。
〔２〕前記シリコンが、純度１１Ｎ以上の結晶ケイ素である、〔１〕に記載のプラズマエッチング方法。

本発明によれば、高いエッチングレートでシリコンをプラズマエッチングすることができるプラズマエッチング方法が提供される。

本発明のプラズマエッチング方法は、六フッ化硫黄とフッ化カルボニルとを、重量比（六フッ化硫黄：フッ化カルボニル）で、７５：２５〜９７：３の範囲で含有する混合ガスを用いて、シリコンをプラズマエッチングすることを特徴とする。

本発明に用いる混合ガスは、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）とフッ化カルボニル（ＣＯＦ_２）とを含有する。
本発明において、六フッ化硫黄はエッチングガスとして機能する。一方、フッ化カルボニルは、補助ガスとして機能する。
混合ガス中の六フッ化硫黄とフッ化カルボニルの含有量は、重量比（六フッ化硫黄：フッ化カルボニル）で、７５：２５〜９７：３、好ましくは８２：１８〜９７：３、より好ましくは８７：１３〜９６：４である。
六フッ化硫黄とフッ化カルボニルの重量比が上記範囲内の混合ガスを用いることで、いずれかのガスを単独で用いる場合に比べて、非常に高いエッチングレートでシリコンをプラズマエッチングすることができる。

混合ガス中には、六フッ化硫黄、フッ化カルボニル以外のガス（以下、「その他のガス」ということがある。）が含まれていてもよい。
その他のガスとしては、アルゴン、ヘリウム等の希ガス；窒素ガス；酸素ガス、一酸化炭素等の酸素原子含有ガス；オクタフルオロシクロプロパン（Ｃ_４Ｆ_８）等の保護膜形成用ガス；等が挙げられる。混合ガス中の、その他のガスの含有量は特に限定されず、目的に合わせて適宜決定することができる。

本発明に用いる混合ガスの調製方法は特に限定されない。例えば、六フッ化硫黄、フッ化カルボニル、及び、必要に応じて用いられるその他のガスがそれぞれ充填されたボンベを用意し、各ボンベをエッチングチャンバーに接続した後、各ボンベからそれぞれのガスを所定の流量でエッチングチャンバー内に導入して得られた混合ガスを、本発明に用いる混合ガスとすることができる。
また、混合用装置に各ガスを導入して混合ガスを得た後、得られた混合ガスをエッチングチャンバー内に導入してもよい。

本発明においてエッチング対象とするシリコンは、ケイ素の結晶からなるものであり、純度が１１Ｎ以上（即ち、９９．９９９９９９９９９％以上）の結晶ケイ素からなるものが好ましい。
結晶ケイ素の純度が１１Ｎ以上であることで、より高性能のＭＥＭＳ等を製造することができる
本発明に用いるシリコンの形態としては特に限定されない。例えば、シリコン基板や、ガラス基板上に形成されたポリシリコン膜等が挙げられる。なかでも、ＭＥＭＳ等の微小構造体の製造に適することから、シリコン基板が好ましく、ＳＯＩ基板がより好ましい。
シリコン基板の製造方法や、ポリシリコン膜の形成方法は特に限定されず、公知の方法を利用することができる。

本発明のプラズマエッチング方法においては、通常、シリコン上に所定のパターンを有するマスク層を形成した後、プラズマエッチングを行う。
マスク層の種類は特に限定されない。例えば、酸化ケイ素膜（ＳｉＯ_２）、窒化ケイ素膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）等からなるハードマスク；感光性樹脂を用いたレジスト膜；等が挙げられる。
これらのマスク層の形成方法は特に限定されず、公知の方法を利用することができる。

本発明のプラズマエッチング方法は、市販のプラズマエッチング装置を用いて行うことができる。プラズマエッチング装置としては、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ）エッチング装置、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）エッチング装置、電子サイクロトロン共鳴型（ＥＣＲ）プラズマエッチング装置等が挙げられる。

本発明のプラズマエッチング方法は、従来公知のエッチング条件を採用することができる。例えば、各ガスのエッチングチャンバーへの導入速度は、混合ガスの組成や含有割合にもよるが、通常、１〜５００ｓｃｃｍ、好ましくは１〜１００ｓｃｃｍである。
ガスが導入されたエッチングチャンバー内の圧力は、通常、０．００１３〜１３００Ｐａ、好ましくは０．１３〜５Ｐａである。
エッチング時における被処理基板（シリコン）の温度は、好ましくは−５０〜３００℃、より好ましくは−２０〜２００℃、さらに好ましくは−１０〜１００℃の範囲である。

本発明のプラズマエッチング方法は、例えば、ボッシュプロセスや非ボッシュプロセスにおいて利用することができる。
本発明のプラズマエッチング方法をボッシュプロセスや非ボッシュプロセスにおいて利用する場合、エッチングチャンバーに導入するガスとして前記混合ガスを用いる点を除き、従来公知のエッチング条件を採用することができる。
例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波を印加するＩＣＰ型エッチング装置を用いる場合、上部電極への供給電力は、通常、４００〜２０００Ｗ、下部電極への供給電力は、通常、０〜１３０Ｗの範囲で行うことができる。また、基板温度は、通常、−２０〜４０℃であり、エッチングチャンバー内の圧力は、通常、１〜１０Ｐａである。
また、ボッシュプロセスにおいては、エッチング工程と保護膜形成工程の時間は、各々１〜６０秒の範囲で自由に組み合わせることができる。

本発明によれば、高いエッチングレートでシリコンをプラズマエッチングすることができる。
本発明の方法におけるエッチングレートは、好ましくは１，０００ｎｍ／分以上、より好ましくは１，０００〜３，０００ｎｍ／分である。
本発明の方法は、ＭＥＭＳ等の微小構造体を製造する際や、シリコン基板にＴＳＶを作成する際に好適に用いられる。

以下、実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

〔実施例１〕
８インチシリコン基板（シリコンの純度＝１１Ｎ）上にシリコン酸化膜を形成した後、このシリコン酸化膜に３ｍｍ幅の開きパターンを設けた。このシリコン酸化膜を有するシリコン基板を、２ｃｍ×２ｃｍに切り出したものを用いて、以下の条件でプラズマエッチングを行った。
その結果、エッチング深さは３１５０ｎｍであった。

六フッ化硫黄流量：５０ｓｃｃｍ
フッ化カルボニル流量：５ｓｃｃｍ
エッチング処理時間：２分間
チャンバー内圧力：６Ｐａ
シリコン基板温度：２０℃
上部電極への供給電力：１９００Ｗ（周波数：６０ＭＨｚ）
下部電極への供給電力：０Ｗ（高周波を印加しない）

〔実施例２〕
実施例１において、フッ化カルボニルの流量を１５ｓｃｃｍに変更したこと以外は、実施例１と同様の条件でエッチングを行った。
その結果、エッチング深さは３１４１ｎｍであった。

〔実施例３〕
実施例１において、六フッ化硫黄の流量を４０ｓｃｃｍ、フッ化カルボニルの流量を２０ｓｃｃｍに変更したこと以外は、実施例１と同様の条件でエッチングを行った。
その結果、エッチング深さは２４００ｎｍであった。

〔比較例１〕
実施例１において、フッ化カルボニルを添加しないこと以外は、実施例１と同様の条件でエッチングを行った。
その結果、エッチング深さは１７０３ｎｍであった。

〔比較例２〕
実施例１において、六フッ化硫黄の流量を６０ｓｃｃｍ、フッ化カルボニルの流量を３ｓｃｃｍに変更したこと以外は、実施例１と同様の条件でエッチングを行った。
その結果、エッチング深さは６１９ｎｍであった。

〔比較例３〕
実施例１において、六フッ化硫黄の流量を２０ｓｃｃｍ、フッ化カルボニルの流量を４０ｓｃｃｍに変更したこと以外は、実施例１と同様の条件でエッチングを行った。
その結果、エッチング深さは２３７ｎｍであった。またシリコン酸化膜上に厚さ９０ｎｍの膜が堆積していた。

〔比較例４〕
実施例１において、六フッ化硫黄の流量を１０ｓｃｃｍ、フッ化カルボニルの流量を４５ｓｃｃｍに変更したこと以外は、実施例１と同様の条件でエッチングを行った。
その結果、エッチング深さは３７５ｎｍであった。またシリコン酸化膜上に厚さ１９０ｎｍの膜が堆積していた。

〔比較例５〕
実施例１において、六フッ化硫黄の流量を５ｓｃｃｍ、フッ化カルボニルの流量を４５ｓｃｃｍに変更したこと以外は、実施例１と同様の条件でエッチングを行った。
その結果、エッチング深さは４３８ｎｍであった。またシリコン酸化膜上に厚さ１５０ｎｍの膜が堆積していた。

〔比較例６〕
実施例１において、六フッ化硫黄を添加せず、かつ、フッ化カルボニルの流量を５０ｓｃｃｍに変更したこと以外は、実施例１と同様の条件でエッチングを行った。
その結果、エッチング深さは２８０ｎｍであった。またシリコン酸化膜及びエッチングされたシリコン表面に厚さ１６０ｎｍの膜が堆積していた。

実施例１〜３、比較例１〜６の結果を第１表にまとめて示す。

第１表から以下のことが分かる。
本願実施例１〜３では、エッチングレートが非常に高く、ＳＦ_６を単独で用いた比較例１よりも少なくとも１．４倍高い値になっている。
そして、併用するＣＯＦ_２の量が多過ぎる場合（比較例３〜５）、及び、少な過ぎる場合（比較例２）のいずれも、本願発明の効果は得られず、併用するＣＯＦ_２の量が本願発明に規定する特定の範囲内にある場合に、著しく高いエッチングレートとなっている。

Claims

六フッ化硫黄とフッ化カルボニルとを、重量比（六フッ化硫黄：フッ化カルボニル）で、７５：２５〜９７：３の範囲で含有する混合ガスを用いて、シリコンを深掘りエッチングすることを特徴とするプラズマエッチング方法。
前記シリコンが、純度が１１Ｎ以上の結晶ケイ素である、請求項１に記載のプラズマエッチング方法。