JPWO2003030239A1 - シリコン基板のエッチング方法およびエッチング装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、エッチングにより形成される構造面の凹凸を一定値以下に押え得るシリコン基板のエッチング方法及びエッチング装置に関する。シリコン基板Ｓは、表面にエッチングマスクが形成された後、エッチング装置１の基台３上に載置され、この状態でエッチングガス（ＳＦ６）及び保護膜形成ガス（Ｃ４Ｆ８）がチャンバ２内に供給される。チャンバ２内に供給されたＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスは、高周波電力の印加されたコイル１６によってプラズマ化され、基台３に高周波電力を印加した状態で、例えばＳＦ６ガスを多量に供給することで、主としてエッチンググランドにおいてドライエッチングが進行し、逆にＣ４Ｆ８ガスを多量に供給することで、主としてエッチング構造面への保護膜形成が進行し、これらを繰り返すことによって、平滑な構造面を備えた深溝などが形成される。
Description
技術分野
この発明は、ドライエッチングプロセスによって、シリコン基板に、例えば、溝などの構造面を形成するシリコン基板のエッチング方法及びエッチング装置に関する。
背景技術
ドライエッチングプロセスによってシリコン基板上に溝などの構造を形成する、例えば半導体集積回路の分野では、益々高集積化，高密度化が進められており、高精度にトレンチ（深溝若しくは深穴）を形成することのできるエッチング技術が求められている。そして、このようなトレンチエッチングを目的としたエッチング法として、従来、特表平７−５０３８１５号公報に開示されるようなエッチング法が知られている。
このエッチング法は、シリコン基板表面に所望形状のエッチングマスクを形成した後、プラズマ化したＳＦ６とＡｒの混合ガスを用い基板表面をドライエッチングして溝若しくは穴を形成するエッチング工程と、同じくプラズマ化したＣＨＦ３とＡｒの混合ガスを用い、前記溝若しくは穴（以下、溝等という）の側壁に保護膜を形成する重合工程（保護膜形成工程）とを交互に繰り返すことによって、深溝若しくは深穴（以下、深溝等という）を形成するというものである。
このエッチング法によれば、ドライエッチングによって順次形成された溝等の壁面がその後保護膜によって被覆され、以降のドライエッチングの際にこの保護膜により前記壁面が保護されるため、極端なサイドエッチングやアンダーカットが防止され、見かけ上垂直な壁面を備えた溝等を形成することができる。
ところが、上述した従来のエッチング法には、以下に説明するような問題が存在した。
上記従来のエッチング法は、前記壁面に対する保護膜の形成を伴わないエッチング工程と、壁面に保護膜を形成する工程とを順次交番的に繰り返すというものであり、エッチング工程においてシリコン基板表面がエッチングされ、エッチング加工が進行して新たに形成される壁面は、保護膜が形成されていない状態となっている。このため、当該エッチング工程では、エッチンググランド（溝等の底面）とともにこの壁面がエッチングされ、この結果、例えば、第５図に示すように、溝１００の壁面１０１が垂直方向に波打ったものとなり、加工精度の悪いものとなるのである。そして、壁面１０１に形成されたこのような凹凸が原因となり、半導体集積回路の分野における高集積化，高密度化が阻害されていた。
また、上述の深溝１００を用いて第６図に示すようなトレンチ・キャパシタ１０２を形成する場合には、壁面１０１の凹凸によって絶縁層１０３の膜厚に厚い部分と薄い部分とを生じるため、膜厚の薄い部分で亀裂を生じ易く、このために絶縁性が低下するという問題があった。尚、図中、Ｓはシリコン基板であり、１０４はポリシリコンからなる電極である。
また、上述したドライエッチングプロセスはマイクロマシンの製造にも用いられるが、例えば、歯車を形成する場合、上記従来のエッチング法によると、その歯面に大きな凹凸が形成されるため、これが摩擦抵抗となって動力の伝達損失を生じ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、ドライエッチングプロセスにより形成される構造面の凹凸を一定値以下に押え得るシリコン基板のエッチング方法及びエッチング装置の提供を目的とする。
発明の開示
上記目的を達成するための本発明は、シリコン基板表面にエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、高周波電力によりプラズマ化したエッチングガスを用いて前記エッチングマスクの開口部から前記シリコン基板表面をドライエッチングして所定の構造面を形成するエッチング工程とを順次実施することによりシリコン基板をエッチングする方法であって、
前記エッチング工程を、エッチングガスおよび保護膜形成ガスを用い、主としてエッチンググランドにおける前記ドライエッチングを進行させる工程と、保護膜形成ガスを用い、前記ドライエッチングにより形成された構造面に保護膜を形成する工程と、前記エッチンググランドに形成された前記保護膜を除去する工程とを順次繰り返すことにより行うことを特徴としたエッチング方法に係る。
このエッチング方法によれば、上記主としてエッチンググランドにおける前記ドライエッチングを進行させる工程では、エッチンググランドがエッチングガスによってエッチングされるとともに、エッチングによって順次形成される、エッチンググランドと垂直な構造面が保護膜形成ガスからもたらされる保護膜によって直ちに被覆され、引き続いて実行される保護膜を形成する工程において、前記垂直な構造面が保護膜によって更に強固に被覆される。
このように、このエッチング方法によれば、エッチングによって順次形成される前記垂直な構造面を保護膜によって直ちに被覆するとともに、引き続いて実行される工程において、これを更に強固に被覆するようにしているので、上述したサイドエッチングやアンダーカットを確実に防止することができ、これにより、前記垂直な構造面の凹凸を２００ｎｍ以下にすることができる。
尚、エッチングガスとしてはＳＦ６等を挙げることができ、保護膜形成ガスとしてはＣ４Ｆ８等のフロロカーボンガス（ＣｘＦｙ）を挙げることができる。
そして、上記のエッチング方法において、主としてドライエッチングを進行させる工程においては少量の保護膜形成ガスを供給し、保護膜を形成する工程においては多量の保護膜形成ガスを供給するようにすれば、ドライエッチングの進行する工程のエッチング速度を速めることができ、一方、保護膜を形成する工程においてはより強固な保護膜を形成することができる。
また、前記主としてドライエッチングを進行させる工程及び前記保護膜除去工程、または前記保護膜除去工程において、シリコン基板に電力を印加してバイアス電位を与えるようにすれば、エッチンググランドをイオン照射により物理的にエッチングすることができるので、前記ドライエッチングを進行させる工程においてはエッチング速度が速まる一方、前記保護膜を除去する工程においてはエッチンググランドに形成された保護膜を容易に除去することができ、その結果、全体のエッチング加工時間を短くすることができる。また、保護膜除去工程から主としてドライエッチングを進行させる工程に、これを区切ることなくスムーズに移行させることができるので、これらの工程をあたかも１つ工程のように実施することができる。
また、本発明は、シリコン基板表面にエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、高周波電力によりプラズマ化したエッチングガスを用いて前記エッチングマスクの開口部から前記シリコン基板表面をドライエッチングして所定の構造面を形成するエッチング工程とを順次実施することによりシリコン基板をエッチングする方法であって、
前記エッチング工程を、エッチングガスおよび保護膜形成ガスを用い、主としてエッチンググランドにおける前記ドライエッチングを進行させる工程と、同じくエッチングガスおよび保護膜形成ガスを用い、主としてエッチンググランドに対して垂直な前記構造面に保護膜を形成させる工程とを順次繰り返すことにより行うことを特徴としたエッチング方法に係る。
このエッチング方法によっても同様に、上記主としてエッチンググランドにおける前記ドライエッチングを進行させる工程で、エッチンググランドがエッチングガスによってエッチングされるとともに、エッチングによって順次形成される、エッチンググランドと垂直な構造面が保護膜形成ガスからもたらされる保護膜によって直ちに被覆され、引き続いて実行される保護膜を形成する工程において、前記垂直な構造面が保護膜によって更に強固に被覆される。これにより、サイドエッチングやアンダーカットを確実に防止することができ、前記垂直な構造面の凹凸を２００ｎｍ以下にすることができる。
そして、かかるエッチング方法において、ドライエッチングを進行させる工程においては多量のエッチングガスおよび少量の保護膜形成ガスを供給し、保護膜を形成する工程においては少量のエッチングガスおよび多量の保護膜形成ガスを供給するようにすれば、ドライエッチングの進行する工程におけるエッチング速度を速めることができる一方、保護膜を形成する工程においては、前記垂直な構造面に、より強固な保護膜を形成することができる。
また、前記エッチング工程において、常時シリコン基板に電力を印加してバイアス電位を与えるようにすれば、エッチンググランドをイオン照射により物理的にエッチングすることができるので、前記ドライエッチングを進行させる工程においてはエッチング速度が速まる一方、前記保護膜を形成する工程においてはエッチンググランドに保護膜が形成されるのをより積極的に防止することができ、その結果、全体のエッチング加工時間を短くすることができる。
また、本発明は、シリコン基板表面にエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、高周波電力によりプラズマ化したエッチングガスを用いて前記エッチングマスクの開口部から前記シリコン基板表面をドライエッチングして所定の構造面を形成するエッチング工程とを順次実施することによりシリコン基板をエッチングする方法であって、
前記エッチング工程を、該エッチング工程中、常時シリコン基板に電力を印加してバイアス電位を与えるとともに、エッチングガスおよび保護膜形成ガスを用い、主としてエッチンググランドにおける前記ドライエッチングを進行させる工程と、保護膜形成ガスを用い、主としてエッチンググランドに対して垂直な前記構造面に保護膜を形成させる工程とを順次繰り返すことにより行うことを特徴としたエッチング方法に係る。
このエッチング方法によれば、主としてエッチンググランドにおける前記ドライエッチングを進行させる工程で、エッチンググランドがエッチングガス及びイオン照射によってエッチングされるとともに、エッチングによって順次形成される、エッチンググランドと垂直な構造面が保護膜形成ガスからもたらされる保護膜によって直ちに被覆され、引き続いて実行される保護膜を形成する工程において、前記垂直な構造面が保護膜によって更に強固に被覆される。これにより、サイドエッチングやアンダーカットを確実に防止することができ、前記垂直な構造面の凹凸を２００ｎｍ以下にすることができる。
そして、かかるエッチング方法において、前記ドライエッチングを進行させる工程においては少量の保護膜形成ガスを供給し、前記保護膜を形成する工程においては多量の保護膜形成ガスを供給するようにすれば、ドライエッチングの進行する工程のエッチング速度を速めることができ、一方保護膜を形成する工程においては、より強固な保護膜を形成することができる。
また、前記シリコン基板に印加する電力を、前記ドライエッチングを進行させる工程においては大きくし、前記保護膜を形成させる工程においては小さくすれば、ドライエッチングを進行させる工程におけるイオンの照射速度を高めることができてエッチング速度を速めることができる一方、保護膜を形成させる工程において、前記垂直な構造面に形成された保護膜が斜め方向の照射イオンによって剥離されるのを極僅かなものとすることができ、これにより、強固な保護膜を形成することができる。
また、前記エッチングガスに反応性ガスを用いると、より良好なエッチング速度でシリコン基板をエッチングすることができる。尚、反応性のエッチングガスとしては、ＳＦ６等を挙げることができる。
また、前記エッチング工程において、プラズマ化したエッチングガス及び保護膜形成ガスを用いるとともに、前記プラズマを発生させる際に用いる高周波電力を、前記ドライエッチングを進行させる工程においては高くし、前記保護膜を形成させる工程においては低くすれば、ドライエッチングを進行させる工程におけるエッチング速度を高めることができる。
尚、上記エッチング工程は、主としてドライエッチングが進行する工程から開始して各工程を繰り返すようにしても良く、或いは保護膜形成工程から開始して各工程を繰り返すようにしても良いが、保護膜形成工程から開始する方が凹凸をより小さなものとすることができる点で好ましい。
そして、以上の述べたエッチング方法は、以下のエッチング装置によってこれを好適に実施することができる。
即ち、このエッチング装置は、被エッチング物たるシリコン基板を収納するエッチングチャンバと、前記エッチングチャンバ内の下部位置に配設され、前記シリコン基板が載置される基台と、前記エッチングチャンバ内にエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、前記エッチングチャンバ内に保護膜形成ガスを供給する保護膜形成ガス供給手段と、前記エッチングチャンバ内を減圧する減圧手段と、前記エッチングチャンバの外周にこれと対向するように配設されたコイルを備え、該コイルに高周波電力を印加して、前記エッチングチャンバ内に供給されたエッチングガスおよび保護膜形成ガスをプラズマ化するプラズマ生成手段と、前記基台に高周波電力を印加する基台電力印加手段と、前記エッチングガス供給手段および前記保護膜形成ガス供給手段により前記エッチングチャンバ内に供給されるエッチングガスおよび保護膜形成ガスの流量を制御するガス流量制御手段と、前記プラズマ生成手段のコイルに印加される電力を制御するコイル電力制御手段と、前記基台電力印加手段により基台に印加される電力を制御する基台電力制御手段とを備えて構成され、前記ガス流量制御手段が、前記保護膜形成ガスを連続的に前記エッチングチャンバ内に供給し、且つ前記エッチングガスを断続的に前記エッチングチャンバ内に供給するように構成されてなることを特徴とする。
或いは、前記ガス流量制御手段は、前記エッチングガスの非供給時には多量の前記保護膜形成ガスを前記エッチングチャンバ内に供給し、且つ前記エッチングガスの供給時には少量の前記保護膜形成ガスを前記エッチングチャンバ内に供給するように構成されていても良い。
また、エッチング装置は、被エッチング物たるシリコン基板を収納するエッチングチャンバと、前記エッチングチャンバ内の下部位置に配設され、前記シリコン基板が載置される基台と、前記エッチングチャンバ内にエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、前記エッチングチャンバ内に保護膜形成ガスを供給する保護膜形成ガス供給手段と、前記エッチングチャンバ内を減圧する減圧手段と、前記エッチングチャンバの外周にこれと対向するように配設されたコイルを備え、該コイルに高周波電力を印加して、前記エッチングチャンバ内に供給されたエッチングガスおよび保護膜形成ガスをプラズマ化するプラズマ生成手段と、前記基台に高周波電力を印加する基台電力印加手段と、前記エッチングガス供給手段および前記保護膜形成ガス供給手段により前記エッチングチャンバ内に供給されるエッチングガスおよび保護膜形成ガスの流量を制御するガス流量制御手段と、前記プラズマ生成手段のコイルに印加される電力を制御するコイル電力制御手段と、前記基台電力印加手段により基台に印加される電力を制御する基台電力制御手段とを備えて構成され、前記ガス流量制御手段が、前記エッチングガスおよび保護膜形成ガスを連続的且つその供給量を周期的に変化させて前記エッチングチャンバ内に供給するとともに、両者の位相が逆となるように前記供給量を制御するように構成されていても良い。
更に、エッチング装置は、被エッチング物たるシリコン基板を収納するエッチングチャンバと、前記エッチングチャンバ内の下部位置に配設され、前記シリコン基板が載置される基台と、前記エッチングチャンバ内にエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、前記エッチングチャンバ内に保護膜形成ガスを供給する保護膜形成ガス供給手段と、前記エッチングチャンバ内を減圧する減圧手段と、前記エッチングチャンバの外周にこれと対向するように配設されたコイルを備え、該コイルに高周波電力を印加して、前記エッチングチャンバ内に供給されたエッチングガスおよび保護膜形成ガスをプラズマ化するプラズマ生成手段と、前記基台に高周波電力を印加する基台電力印加手段と、前記エッチングガス供給手段および前記保護膜形成ガス供給手段により前記エッチングチャンバ内に供給されるエッチングガスおよび保護膜形成ガスの流量を制御するガス流量制御手段と、前記プラズマ生成手段のコイルに印加される電力を制御するコイル電力制御手段と、前記基台電力印加手段により基台に印加される電力を制御する基台電力制御手段とを備えて構成され、前記基台電力制御手段が、前記基台に印加される電力を周期的に変化させるように構成されていても良い。
また、前記基台電力制御手段は、これが、前記基台に印加される電力を周期的に変化させるとともに、前記エッチングガスの非供給時には低い電力を前記基台に印加し、且つ前記エッチングガスの供給時には高い電力を前記基台に印加するように構成されていても良く、更に、前記コイル電力制御手段は、これが、前記コイルに印加される電力を周期的に変化させるように構成されていても良い。
また、エッチング装置は、被エッチング物たるシリコン基板を収納するエッチングチャンバと、前記エッチングチャンバ内の下部位置に配設され、前記シリコン基板が載置される基台と、前記エッチングチャンバ内にエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、前記エッチングチャンバ内に保護膜形成ガスを供給する保護膜形成ガス供給手段と、前記エッチングチャンバ内を減圧する減圧手段と、前記エッチングチャンバの外周にこれと対向するように配設されたコイルを備え、該コイルに高周波電力を印加して、前記エッチングチャンバ内に供給されたエッチングガスおよび保護膜形成ガスをプラズマ化するプラズマ生成手段と、前記基台に高周波電力を印加する基台電力印加手段と、前記エッチングガス供給手段および前記保護膜形成ガス供給手段により前記エッチングチャンバ内に供給されるエッチングガスおよび保護膜形成ガスの流量を制御するガス流量制御手段と、前記プラズマ生成手段のコイルに印加される電力を制御するコイル電力制御手段と、前記基台電力印加手段により基台に印加される電力を制御する基台電力制御手段とを備えて構成され、前記コイル電力制御手段が、前記コイルに印加される電力を周期的に変化させるように構成されていても良い。
そして、前記コイル電力制御手段は、これを、コイルに印加される電力を周期的に変化させるとともに、エッチングガスの非供給時には低い電力をコイルに印加し、且つエッチングガスの供給時には高い電力をコイルに印加するように構成されたものとすることができる。
また、前記基台電力制御手段は、これが、基台に印加される電力を周期的に変化させるとともに、前記エッチングガスの少量供給時には低い電力を前記基台に印加し、且つ前記エッチングガスの多量供給時には高い電力を前記基台に印加するように構成されていても良く、前記コイル電力制御手段は、これが、コイルに印加される電力を周期的に変化させるとともに、エッチングガスの少量供給時には低い電力をコイルに印加し、且つエッチングガスの多量供給時には高い電力を前記コイルに印加するように構成されていても良い。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明をより詳細に説明するために、添付図面に基づいてこれを説明する。
まず、本実施形態に係るエッチング装置の構成について第１図に基づき説明する。尚、第１図は本実施形態に係るエッチング装置の概略構成を一部ブロック図で示す断面図である。
第１図に示すように、このエッチング装置１は、セラミックからなり、内部にエッチング室２ａが形成された筐体状のエッチングチャンバ２と、前記エッチング室２ａ内の下部領域に配設され、被エッチング物たるシリコン基板Ｓを載置する基台３と、エッチング室２ａ内にエッチングガス及び保護膜形成ガスを供給するガス供給部７と、エッチング室２ａ内を減圧する減圧部１３と、エッチング室２ａ内に供給されたエッチングガス及び保護膜形成ガスをプラズマ化するプラズマ生成部１５と、前記基台３に高周波電力を印加する高周波電源１８と、これら各部の作動を制御する制御装置２０とを備えている。
前記基台３上には、シリコン基板ＳがＯリング４などのシール部材を介して載置される。基台３はその基部３ａがエッチング室２ａ外に導出されるように設けられており、その中心部には、基台３とシリコン基板Ｓとの間に形成された空間５ａに通じる連通路５が設けられ、この連通路５を通して前記空間５ａ内にヘリウムガスが充填，封入されている。また、基台３には冷却水循環路６が形成されており、この冷却水循環路６内を循環する冷却水（２０℃）により、前記基台３及びヘリウムガスを介して、前記シリコン基板Ｓが冷却されるようになっている。また、この基台３には前記高周波電源１８によって１３．５６ＭＨｚの高周波電力が印加されており、基台３及び基台３上に載置されたシリコン基板Ｓにバイアス電位が生じるようになっている。
前記ガス供給部７は、前記エッチングチャンバ２の上端部に接続されたガス供給管８と、このガス供給管８にそれぞれマスフローコントローラ１１，１２を介して接続されたガスボンベ９，１０とからなり、マスフローコントローラ１１，１２により流量調整されたガスがガスボンベ９，１０からエッチング室２ａ内に供給されるようになっている。尚、ガスボンベ９内にはエッチング用のＳＦ６ガスが充填され、ガスボンベ１０内には保護膜形成用のＣ４Ｆ８ガスが充填されている。
前記減圧部１３は、前記エッチングチャンバ２の下端部に接続された排気管１４と、この排気管１４に接続された図示しない真空ポンプとからなり、この真空ポンプ（図示せず）によって前記エッチング室２ａ内が所定の低圧（例えば１．３３Ｐａ）に減圧されるようになっている。
前記プラズマ生成部１５は、前記エッチングチャンバ２の前記基台３より高い位置の外周に沿って配設されたコイル１６と、このコイル１６に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加する高周波電源１７とからなり、コイル１６に高周波電力を印加することによりエッチング室２ａ内の空間に変動磁場が形成され、エッチング室２ａ内に供給されたガスがこの変動磁場によって誘起される電界によってプラズマ化されるようになっている。
また、前記制御装置２０は、前記マスフローコントローラ１１；１２を制御し、ガスボンベ９，１０からエッチング室２ａ内に供給されるガス流量を調整するガス流量制御手段２１と、前記コイル１６に印加される高周波電力を制御するコイル電力制御手段２２と、前記基台３に印加される高周波電力を制御する基台電力制御手段２３とからなる。
次に、以上の構成を備えたエッチング装置１によりシリコン基板Ｓをエッチングするその態様について説明する。
まず、フォトリソグラフィなどを用いて所望形状のエッチングマスク（例えばレジスト膜やＳｉＯ２膜など）をシリコン基板Ｓ上に形成した後、このシリコン基板Ｓをエッチングチャンバ２内に搬入し、Ｏリング４を介して基台３上に載置する。この後、連通路５から空間５ａ内にヘリウムガスを充填，封入する。なお、冷却水循環路６内の冷却水は絶えず循環されている。
ついで、ガスボンベ９及び１０からＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスをそれぞれエッチング室２ａ内に供給するとともに、コイル１６に高周波電力を印加し、基台３に高周波電力を印加する。
エッチング室２ａ内に供給されるＳＦ６ガスの流量は、第２図（ａ）に示すように、Ｖｅ２からＶｅ１の範囲で矩形波状に変化し、また、Ｃ４Ｆ８ガスの流量は、第２図（ｂ）に示すように、Ｖｄ２からＶｄ１の範囲で矩形波状に変化し、且つＳＦ６ガスの位相とＣ４Ｆ８ガスの位相とが相互に逆になるようにそれぞれガス流量制御手段２１によって制御される。
また、コイル１６に印加される高周波電力は、第２図（ｃ）に示すように、Ｗｃ２からＷｃ１の範囲で矩形波状に変化し、基台３に印加される高周波電力は、第２図（ｄ）に示すように、Ｗｐ２からＷｐ１の範囲で矩形波状に変化し、且つコイル１６に印加される高周波電力の位相と基台３に印加される高周波電力の位相とが同位相となるようにそれぞれコイル電力制御手段２２，基台電力制御手段２３によって制御される。
エッチング室２ａ内に供給されたＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスは、コイル１６によって生じた変動磁界内で、イオン，電子，Ｆラジカルなどを含むプラズマとなり、プラズマはこの変動磁界の作用によって高密度に維持される。プラズマ中に存在するＦラジカルはＳｉと化学的に反応して、シリコン基板ＳからＳｉを持ち去る、即ちシリコン基板Ｓをエッチングする働きをし、イオンは基台３及びシリコン基板Ｓに生じた自己バイアス電位により基台３及びシリコン基板Ｓに向けて加速され、シリコン基板Ｓに衝突してこれをエッチングする。斯くして、これらＦラジカル及びイオンによってマスク開口部のシリコン基板Ｓ表面（エッチンググランド）がエッチングされ、所定幅及び深さの溝等が形成される。
一方、Ｃ４Ｆ８ガスはプラズマ化されることにより重合物となって溝等の壁面及び底面（エッチンググランド）に堆積してフロロカーボン膜を形成する働きをする。このフロロカーボン膜はＦラジカルと反応せず、Ｆラジカルに対する保護膜として作用し、この保護膜によってサイドエッチングやアンダーカットが防止される。
このように、ＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスを同時にエッチング室２ａ内に供給して得られるプラズマの存在下では、Ｆラジカル及びイオン照射によるエッチングと、重合による保護膜の形成という相反する作用が同時に溝等の壁面及び底面上で進行する。詳細には、イオン照射の多い底面では、重合物の堆積よりもイオン照射による重合物の剥離の方がより強く作用して、Ｆラジカル及びイオンによるエッチングが進行し易く、一方イオン照射の少ない壁面では、イオン照射による重合物の剥離よりも重合物の堆積の方がより強く作用して、保護膜の形成が進行し易い。
以上のことを考慮して本実施形態においては、ＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスの流量、並びにコイル１６に印加される高周波電力及び基台３に印加される高周波電力を、上述した如く第２図に示すようにそれぞれ制御している。
具体的には、第２図においてｅで示す時間帯については、ＳＦ６ガスの供給量をＶｅ１と多くし、Ｃ４Ｆ８ガスの供給量をＶｄ２と少なくするとともに、コイル１６に印加される高周波電力をＷｃ１と高くし、基台３に印加される高周波電力をＷｐ１と高くしている。ＳＦ６ガスの供給量を多くし、Ｃ４Ｆ８ガスの供給量を少なくし、コイル１６に印加される高周波電力を高くすることにより、エッチングに必要なＦラジカルやイオンを適量生成することができる一方、重合物の生成をサイドエッチングやアンダーカットを防止することができる最低限の量に押さえることができる。また、基台３に印加される高周波電力を高くすることにより、イオン照射速度を高め、エッチング速度を高めることができる。
以上により、イオン照射の多いエッチンググランド（底面）については、重合物の堆積よりもイオン照射による重合物の剥離の方ががなり強く作用して、Ｆラジカルやイオンによるエッチングが進行する一方、イオン照射の少ない壁面では、イオン照射による重合物の剥離よりも重合物の堆積の方がより強く作用して、保護膜の形成が進行し、エッチングによって順次形成される壁面がこの保護膜によって直ちに被覆される。
一方、第２図においてｄで示す時間帯については、ＳＦ６ガスの供給量をＶｅ２と少なくし、Ｃ４Ｆ８ガスの供給量をＶｄ１と多くするとともに、コイル１６に印加される高周波電力をＷｃ２と低くし、基台３に印加される高周波電力をＷｐ２と低くしている。ＳＦ６ガスの供給量を少なくし、Ｃ４Ｆ８ガスの供給量を多くすることにより、保護膜形成に必要な重合物をより多く生成することができる一方、Ｆラジカルやイオンの生成を、エッチンググランドに堆積される重合物を剥離するのに必要な最低限の量に押さえることができる。また、基台３に印加される高周波電力を低くすることにより、エッチンググランドに堆積される重合物を剥離するのに必要な程度にイオン照射速度を遅くすることができ、壁面に堆積される保護膜がイオン照射によって剥離されるのを防止することができる。
以上により、エッチンググランド（底面）については、堆積される重合物をイオン照射によって剥離する程度にエッチングが抑制される一方、イオン照射の少ない壁面では、より多くの重合物が堆積して、強固な保護膜が形成される。
斯くして、以上のｅ工程及びｄ工程を順次繰り返して実施することにより、主としてエッチングの進行する工程と、主として保護膜形成の進行する工程とが交番的に繰り返され、エッチングによって順次形成される壁面が保護膜によって直ちに被覆されるとともに、引き続いて実行される工程において、保護膜が更に強固に形成されるので、上述したサイドエッチングやアンダーカットを確実に防止することができ、これにより、内壁面が垂直であり且つその凹凸が２００ｎｍ以下であるトレンチを、効率よくシリコン基板Ｓ上に形成することができる。
このような作用を奏するための前記ＳＦ６ガスの流量Ｖｅ１は６０〜３００ｍｌ／ｍｉｎの範囲であるのが好ましく、流量Ｖｅ２は０〜８０ｍｌ／ｍｉｎの範囲であるのが好ましい。尚、流量Ｖｅ２の範囲に０ｍｌ／ｍｉｎを含めているのは、Ｃ４Ｆ８ガスをプラズマ化した際にもイオンが生成されるため、エッチンググランドに堆積される重合物の除去に必要なイオン量を、このＣ４Ｆ８ガスからもたらされるイオンで十分まかなうことができると考えられるからである。また、前記Ｃ４Ｆ８ガスの流量Ｖｄ１は５０〜２６０ｍｌ／ｍｉｎの範囲であるのが好ましく、流量Ｖｄ２は５０〜１５０ｍｌ／ｍｉｎの範囲であるのが好ましい。
また、コイル１６に印加される高周波電力Ｗｃ１は８００〜３０００Ｗの範囲であるのが好ましく、Ｗｃ２は６００〜２５００Ｗの範囲であるのが好ましい。更に、基台３に印加される高周波電力Ｗｐ１は３〜５０Ｗの範囲であるのが好ましく、Ｗｐ２は０〜１５Ｗの範囲であるのが好ましい。尚、Ｗｐ２の範囲に０Ｗを含めているのは、Ｗｐ２を０Ｗにすると前記ｄ工程においてエッチンググランドに堆積する重合物を除去することはできないが、続くｅ工程におけるイオン照射によりこれを除去することができるからである。但し、エッチンググランドに堆積する重合物をｅ工程において除去する必要があることから、全体としての加工時間が長くなるという欠点がある。
また、前記ｅ工程の実施時間は３〜４５秒の範囲が好ましく、前記ｄ工程の実施時間は３〜３０秒の範囲が好ましい。
このように、本例によれば、シリコン基板Ｓをエッチングして得られた溝等の壁面の凹凸を２００ｎｍ以下にすることができるので、半導体集積回路の高集積化，高密度化を図ることができ、トレンチ・キャパシタとした場合に、その絶縁性が低下するのを防止することができ、また、歯車を形成した場合には、その伝達損失を極力小さいものとすることができる。
また、本例では主としてエッチングの進行する工程においても保護膜形成用のＣ４Ｆ８ガスをエッチング室２ａ内に供給しているので、次のような効果が確認された。即ち、エッチングの進行する工程において保護膜形成用ガスを供給しない従来のエッチング法で深溝等を形成すると、マスクの開口幅が狭いほどエッチング速度が低下する、いわゆるマイクロローディング効果を生じることが知られており、マスクの開口幅によってそのエッチング速度が異なる。ところが、本例のようにエッチングの進行する工程中に保護膜形成用ガスを供給すると、マスクの開口幅によらずエッチング速度がほぼ一定になることが判明したのである。本例によると、エッチンググランドにおいて重合物の堆積と除去とが同時に進行するため、エッチング速度が低下するが、これはマスク開口部が広いほど顕著に現れる。このため、結果としてマスク開口幅によらずエッチング度がほぼ一定になるものと思われる。
このことは、特にＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板をエッチングする際に有利に働く。即ち、様々な開口幅を有するエッチングマスクを用いて従来のエッチング法によりＳＯＩ基板をエッチングした場合、広い開口幅の部分はエッチング速度が速いため、そのエッチンググランドが他の開口部に比べて速くＳｉＯ２層に達する。他の開口部のエッチングが完了していないためこれを継続すると、ＦラジカルがＳｉＯ２層と反応し難いため、言い換えればＳｉＯ２層のエッチング速度がＳｉのエッチング速度に比べて格段に低いため、Ｆラジカルは保護膜を突き破り、ＳｉとＳｉＯ２層との界面付近のＳｉを侵食するいわゆるノッチング現象を生じて加工精度が悪化するのである。本例によれば、マスクの開口幅によらずエッチング速度をほぼ一定にすることができるので、このようなノッチング現象が生じて加工精度が悪化するのを防止することができる。
また、ＳＦ６ガスとＣ４Ｆ８ガスとを別々にエッチング室２ａ内に供給すると、コイル１６への供給電力が一定であっても、発生するプラズマのインピーダンスが各ガス及びその流量によって異なるため、インピーダンスの調整に長時間を要し、その結果、安定的に電力を供給することが困難になる。本例によれば、ＳＦ６ガスとＣ４Ｆ８ガスとを同時にエッチング室２ａ内に供給しているので、印加の際に供給電力の低下を招くインピーダンスの調整を容易に行うことができ、安定して電力を供給することができる。
（実施例）
シリコン基板に開口が５μｍ×３００μｍのマスク（ＳｉＯ２）を形成した後、以下の条件で当該シリコン基板をエッチングした。
１．比較例
▲１▼エッチング室２ａ内の圧力を３．９９Ｐａとし、▲２▼エッチングガスとしてＳＦ６ガス、保護膜形成ガスとしてＣ４Ｆ８ガスをそれぞれ用い、▲３▼ＳＦ６ガスの流量Ｖｅ１を２６０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｖｅ２を０ｍｌ／ｍｉｎとし、▲４▼Ｃ４Ｆ８ガスの流量Ｖｄ１を１５０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｖｄ２を０ｍｌ／ｍｉｎとし、▲５▼上記コイル１６に印加される高周波電力Ｗｃ１を２５００Ｗ、Ｗｃ２を１０００Ｗとし、▲６▼上記基台３に印加される高周波電力Ｗｐ１を２０Ｗ、Ｗｐ２を０Ｗとし、これらを、第２図に示すように制御して、シリコン基板に深さ５０μｍの穴を形成した。
２．実施例
▲１▼エッチング室２ａ内の圧力を３．９９Ｐａとし、▲２▼エッチングガスとしてＳＦ６ガス、保護膜形成ガスとしてＣ４Ｆ８ガスをそれぞれ用い、▲３▼ＳＦ６ガスの流量Ｖｅ１を２６０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｖｅ２を７ｍｌ／ｍｉｎとし、▲４▼Ｃ４Ｆ８ガスの流量Ｖｄ１を１５０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｖｄ２を１３ｍｌ／ｍｉｎとし、▲５▼上記コイル１６に印加される高周波電力Ｗｃ１を２５００Ｗ、Ｗｃ２を１０００Ｗとし、▲６▼上記基台３に印加される高周波電力Ｗｐ１を２０Ｗ、Ｗｐ２を５Ｗとして、これらを、第２図に示すように制御して、シリコン基板に深さ５０μｍの穴を形成した。
上記実施例及び比較例におけるエッチングレート及びマスク選択比、並びにエッチングによりシリコン基板に形成された穴の寸法特性を第４図に示す。尚、エッチングレートは１分間当たりのエッチング深さで表され、これが大きいほど好ましい。また、マスク選択比は、シリコン（Ｓｉ）がエッチングされる深さとマスク（ＳｉＯ２）がエッチングされる深さとの比、即ち、マスク選択比＝Ｓｉエッチング深さ／ＳｉＯ２エッチング深さ、で表わされ、これが大きいほど好ましい。更に、凹凸ρ（ｎｍ）は、第３図に示すように、穴側壁に形成された凹凸の深さで表され、これが小さい方が好ましく、穴側壁角度θ（°）は、水平面（シリコン基板の底面に相当）に対する角度で表され、これが９０°に近い方が好ましい。尚、図中、符号Ｓはシリコン基板、符号２１はマスク、符号２２は穴壁面である。
上記第４図に示すように、エッチングを行う全工程においてＳＦ６ガス（エッチングガス）とＣ４Ｆ８ガス（保護膜形成ガス）の双方をエッチングチャンバ２内に供給し、且つその供給量を相互に逆位相となるように周期的に変化させた実施例は、ＳＦ６ガス（エッチングガス）とＣ４Ｆ８ガス（保護膜形成ガス）とを交互にエッチングチャンバ２内に供給するようにした比較例に比べて、エッチングレート，マスク選択比，凹凸ρ及び穴側壁角度θのいずれの項目についても優っている。
以上、本発明の最適と思われる一実施形態について説明したが、本発明の具体的な態様がこれに限られるものでないことは言うまでもないことである。
上述したように、ＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスの流量、コイル１６に印加される高周波電力、基台３に印加される高周波電力といった各エッチング条件をそれぞれ上記範囲で変化させることにより、主としてエッチングの進行する工程と、主として保護膜形成の進行する工程とを交番的に繰り返して実行することができ、凹凸が２００ｎｍ以下となった垂直な壁面の溝等をシリコン基板Ｓ上に形成することができる。したがって、変化させる上記各エッチング条件を適宜組み合わせて実施することによっても本発明の目的を達成することができる。
即ち、コイル１６の印加電力及び基台３の印加電力を一定にして、ＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスの流量を上記範囲で変化させるようにしても良く、或いはコイル１６の印加電力のみを一定にして、基台３の印加電力並びにＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスの流量を上記範囲で変化させるようにしても良く、或いは逆に基台３の印加電力を一定にして、コイル１６の印加電力並びにＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスの流量を上記範囲で変化させるようにしても良い。
また、ＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスの流量並びにコイル１６の印加電力を一定にして、基台３の印加電力を上記範囲で変化させるようにしても良く、或いはＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスの流量のみを一定にして、コイル１６の印加電力及び基台３の印加電力を上記範囲で変化させるようにしても良い。
また、本例では、エッチング工程をｅ工程から開始してｅ工程とｄ工程とを順次繰り返し実施するようにしたが、これに限るものではなく、ｄ工程から開始してｄ工程とｅ工程とを順次繰り返し実施するようにしても良い。このようにすれば、得られる溝側面（特にマスク直下の部分）の凹凸を更に小さくすることができる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明にかかるエッチング方法及びエッチング装置は、ドライエッチングプロセスによって、シリコン基板に、例えば、溝などの構造面を形成する際に、これを好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明にかかる好ましいエッチング装置の概略構成を一部ブロック図で示した断面図である。
第２図（ａ）は、ＳＦ６ガス流量の制御状態を示したタイミングチャートであり、第２図（ｂ）は、Ｃ４Ｆ８ガス流量の制御状態を示したタイミングチャートであり、第２図（ｃ）は、コイルに印加される高周波電力の制御状態を示したタイミングチャートであり、第２図（ｄ）は、基台に印加される高周波電力の制御状態を示したタイミングチャートである。
第３図は、実施例の評価方法を説明するための説明図である。
第４図は、実施例の評価結果を示した説明図である。
第５図は、従来のエッチング法によりシリコン基板に形成した深溝を示す断面図である。
第６図は、従来のエッチング法により形成した深溝を用いて形成したトレンチ・キャパシタを示す断面図である。
この発明は、ドライエッチングプロセスによって、シリコン基板に、例えば、溝などの構造面を形成するシリコン基板のエッチング方法及びエッチング装置に関する。
背景技術
ドライエッチングプロセスによってシリコン基板上に溝などの構造を形成する、例えば半導体集積回路の分野では、益々高集積化，高密度化が進められており、高精度にトレンチ（深溝若しくは深穴）を形成することのできるエッチング技術が求められている。そして、このようなトレンチエッチングを目的としたエッチング法として、従来、特表平７−５０３８１５号公報に開示されるようなエッチング法が知られている。
このエッチング法は、シリコン基板表面に所望形状のエッチングマスクを形成した後、プラズマ化したＳＦ６とＡｒの混合ガスを用い基板表面をドライエッチングして溝若しくは穴を形成するエッチング工程と、同じくプラズマ化したＣＨＦ３とＡｒの混合ガスを用い、前記溝若しくは穴（以下、溝等という）の側壁に保護膜を形成する重合工程（保護膜形成工程）とを交互に繰り返すことによって、深溝若しくは深穴（以下、深溝等という）を形成するというものである。
このエッチング法によれば、ドライエッチングによって順次形成された溝等の壁面がその後保護膜によって被覆され、以降のドライエッチングの際にこの保護膜により前記壁面が保護されるため、極端なサイドエッチングやアンダーカットが防止され、見かけ上垂直な壁面を備えた溝等を形成することができる。
ところが、上述した従来のエッチング法には、以下に説明するような問題が存在した。
上記従来のエッチング法は、前記壁面に対する保護膜の形成を伴わないエッチング工程と、壁面に保護膜を形成する工程とを順次交番的に繰り返すというものであり、エッチング工程においてシリコン基板表面がエッチングされ、エッチング加工が進行して新たに形成される壁面は、保護膜が形成されていない状態となっている。このため、当該エッチング工程では、エッチンググランド（溝等の底面）とともにこの壁面がエッチングされ、この結果、例えば、第５図に示すように、溝１００の壁面１０１が垂直方向に波打ったものとなり、加工精度の悪いものとなるのである。そして、壁面１０１に形成されたこのような凹凸が原因となり、半導体集積回路の分野における高集積化，高密度化が阻害されていた。
また、上述の深溝１００を用いて第６図に示すようなトレンチ・キャパシタ１０２を形成する場合には、壁面１０１の凹凸によって絶縁層１０３の膜厚に厚い部分と薄い部分とを生じるため、膜厚の薄い部分で亀裂を生じ易く、このために絶縁性が低下するという問題があった。尚、図中、Ｓはシリコン基板であり、１０４はポリシリコンからなる電極である。
また、上述したドライエッチングプロセスはマイクロマシンの製造にも用いられるが、例えば、歯車を形成する場合、上記従来のエッチング法によると、その歯面に大きな凹凸が形成されるため、これが摩擦抵抗となって動力の伝達損失を生じ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、ドライエッチングプロセスにより形成される構造面の凹凸を一定値以下に押え得るシリコン基板のエッチング方法及びエッチング装置の提供を目的とする。
発明の開示
上記目的を達成するための本発明は、シリコン基板表面にエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、高周波電力によりプラズマ化したエッチングガスを用いて前記エッチングマスクの開口部から前記シリコン基板表面をドライエッチングして所定の構造面を形成するエッチング工程とを順次実施することによりシリコン基板をエッチングする方法であって、
前記エッチング工程を、エッチングガスおよび保護膜形成ガスを用い、主としてエッチンググランドにおける前記ドライエッチングを進行させる工程と、保護膜形成ガスを用い、前記ドライエッチングにより形成された構造面に保護膜を形成する工程と、前記エッチンググランドに形成された前記保護膜を除去する工程とを順次繰り返すことにより行うことを特徴としたエッチング方法に係る。
このエッチング方法によれば、上記主としてエッチンググランドにおける前記ドライエッチングを進行させる工程では、エッチンググランドがエッチングガスによってエッチングされるとともに、エッチングによって順次形成される、エッチンググランドと垂直な構造面が保護膜形成ガスからもたらされる保護膜によって直ちに被覆され、引き続いて実行される保護膜を形成する工程において、前記垂直な構造面が保護膜によって更に強固に被覆される。
このように、このエッチング方法によれば、エッチングによって順次形成される前記垂直な構造面を保護膜によって直ちに被覆するとともに、引き続いて実行される工程において、これを更に強固に被覆するようにしているので、上述したサイドエッチングやアンダーカットを確実に防止することができ、これにより、前記垂直な構造面の凹凸を２００ｎｍ以下にすることができる。
尚、エッチングガスとしてはＳＦ６等を挙げることができ、保護膜形成ガスとしてはＣ４Ｆ８等のフロロカーボンガス（ＣｘＦｙ）を挙げることができる。
そして、上記のエッチング方法において、主としてドライエッチングを進行させる工程においては少量の保護膜形成ガスを供給し、保護膜を形成する工程においては多量の保護膜形成ガスを供給するようにすれば、ドライエッチングの進行する工程のエッチング速度を速めることができ、一方、保護膜を形成する工程においてはより強固な保護膜を形成することができる。
また、前記主としてドライエッチングを進行させる工程及び前記保護膜除去工程、または前記保護膜除去工程において、シリコン基板に電力を印加してバイアス電位を与えるようにすれば、エッチンググランドをイオン照射により物理的にエッチングすることができるので、前記ドライエッチングを進行させる工程においてはエッチング速度が速まる一方、前記保護膜を除去する工程においてはエッチンググランドに形成された保護膜を容易に除去することができ、その結果、全体のエッチング加工時間を短くすることができる。また、保護膜除去工程から主としてドライエッチングを進行させる工程に、これを区切ることなくスムーズに移行させることができるので、これらの工程をあたかも１つ工程のように実施することができる。
また、本発明は、シリコン基板表面にエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、高周波電力によりプラズマ化したエッチングガスを用いて前記エッチングマスクの開口部から前記シリコン基板表面をドライエッチングして所定の構造面を形成するエッチング工程とを順次実施することによりシリコン基板をエッチングする方法であって、
前記エッチング工程を、エッチングガスおよび保護膜形成ガスを用い、主としてエッチンググランドにおける前記ドライエッチングを進行させる工程と、同じくエッチングガスおよび保護膜形成ガスを用い、主としてエッチンググランドに対して垂直な前記構造面に保護膜を形成させる工程とを順次繰り返すことにより行うことを特徴としたエッチング方法に係る。
このエッチング方法によっても同様に、上記主としてエッチンググランドにおける前記ドライエッチングを進行させる工程で、エッチンググランドがエッチングガスによってエッチングされるとともに、エッチングによって順次形成される、エッチンググランドと垂直な構造面が保護膜形成ガスからもたらされる保護膜によって直ちに被覆され、引き続いて実行される保護膜を形成する工程において、前記垂直な構造面が保護膜によって更に強固に被覆される。これにより、サイドエッチングやアンダーカットを確実に防止することができ、前記垂直な構造面の凹凸を２００ｎｍ以下にすることができる。
そして、かかるエッチング方法において、ドライエッチングを進行させる工程においては多量のエッチングガスおよび少量の保護膜形成ガスを供給し、保護膜を形成する工程においては少量のエッチングガスおよび多量の保護膜形成ガスを供給するようにすれば、ドライエッチングの進行する工程におけるエッチング速度を速めることができる一方、保護膜を形成する工程においては、前記垂直な構造面に、より強固な保護膜を形成することができる。
また、前記エッチング工程において、常時シリコン基板に電力を印加してバイアス電位を与えるようにすれば、エッチンググランドをイオン照射により物理的にエッチングすることができるので、前記ドライエッチングを進行させる工程においてはエッチング速度が速まる一方、前記保護膜を形成する工程においてはエッチンググランドに保護膜が形成されるのをより積極的に防止することができ、その結果、全体のエッチング加工時間を短くすることができる。
また、本発明は、シリコン基板表面にエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、高周波電力によりプラズマ化したエッチングガスを用いて前記エッチングマスクの開口部から前記シリコン基板表面をドライエッチングして所定の構造面を形成するエッチング工程とを順次実施することによりシリコン基板をエッチングする方法であって、
前記エッチング工程を、該エッチング工程中、常時シリコン基板に電力を印加してバイアス電位を与えるとともに、エッチングガスおよび保護膜形成ガスを用い、主としてエッチンググランドにおける前記ドライエッチングを進行させる工程と、保護膜形成ガスを用い、主としてエッチンググランドに対して垂直な前記構造面に保護膜を形成させる工程とを順次繰り返すことにより行うことを特徴としたエッチング方法に係る。
このエッチング方法によれば、主としてエッチンググランドにおける前記ドライエッチングを進行させる工程で、エッチンググランドがエッチングガス及びイオン照射によってエッチングされるとともに、エッチングによって順次形成される、エッチンググランドと垂直な構造面が保護膜形成ガスからもたらされる保護膜によって直ちに被覆され、引き続いて実行される保護膜を形成する工程において、前記垂直な構造面が保護膜によって更に強固に被覆される。これにより、サイドエッチングやアンダーカットを確実に防止することができ、前記垂直な構造面の凹凸を２００ｎｍ以下にすることができる。
そして、かかるエッチング方法において、前記ドライエッチングを進行させる工程においては少量の保護膜形成ガスを供給し、前記保護膜を形成する工程においては多量の保護膜形成ガスを供給するようにすれば、ドライエッチングの進行する工程のエッチング速度を速めることができ、一方保護膜を形成する工程においては、より強固な保護膜を形成することができる。
また、前記シリコン基板に印加する電力を、前記ドライエッチングを進行させる工程においては大きくし、前記保護膜を形成させる工程においては小さくすれば、ドライエッチングを進行させる工程におけるイオンの照射速度を高めることができてエッチング速度を速めることができる一方、保護膜を形成させる工程において、前記垂直な構造面に形成された保護膜が斜め方向の照射イオンによって剥離されるのを極僅かなものとすることができ、これにより、強固な保護膜を形成することができる。
また、前記エッチングガスに反応性ガスを用いると、より良好なエッチング速度でシリコン基板をエッチングすることができる。尚、反応性のエッチングガスとしては、ＳＦ６等を挙げることができる。
また、前記エッチング工程において、プラズマ化したエッチングガス及び保護膜形成ガスを用いるとともに、前記プラズマを発生させる際に用いる高周波電力を、前記ドライエッチングを進行させる工程においては高くし、前記保護膜を形成させる工程においては低くすれば、ドライエッチングを進行させる工程におけるエッチング速度を高めることができる。
尚、上記エッチング工程は、主としてドライエッチングが進行する工程から開始して各工程を繰り返すようにしても良く、或いは保護膜形成工程から開始して各工程を繰り返すようにしても良いが、保護膜形成工程から開始する方が凹凸をより小さなものとすることができる点で好ましい。
そして、以上の述べたエッチング方法は、以下のエッチング装置によってこれを好適に実施することができる。
即ち、このエッチング装置は、被エッチング物たるシリコン基板を収納するエッチングチャンバと、前記エッチングチャンバ内の下部位置に配設され、前記シリコン基板が載置される基台と、前記エッチングチャンバ内にエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、前記エッチングチャンバ内に保護膜形成ガスを供給する保護膜形成ガス供給手段と、前記エッチングチャンバ内を減圧する減圧手段と、前記エッチングチャンバの外周にこれと対向するように配設されたコイルを備え、該コイルに高周波電力を印加して、前記エッチングチャンバ内に供給されたエッチングガスおよび保護膜形成ガスをプラズマ化するプラズマ生成手段と、前記基台に高周波電力を印加する基台電力印加手段と、前記エッチングガス供給手段および前記保護膜形成ガス供給手段により前記エッチングチャンバ内に供給されるエッチングガスおよび保護膜形成ガスの流量を制御するガス流量制御手段と、前記プラズマ生成手段のコイルに印加される電力を制御するコイル電力制御手段と、前記基台電力印加手段により基台に印加される電力を制御する基台電力制御手段とを備えて構成され、前記ガス流量制御手段が、前記保護膜形成ガスを連続的に前記エッチングチャンバ内に供給し、且つ前記エッチングガスを断続的に前記エッチングチャンバ内に供給するように構成されてなることを特徴とする。
或いは、前記ガス流量制御手段は、前記エッチングガスの非供給時には多量の前記保護膜形成ガスを前記エッチングチャンバ内に供給し、且つ前記エッチングガスの供給時には少量の前記保護膜形成ガスを前記エッチングチャンバ内に供給するように構成されていても良い。
また、エッチング装置は、被エッチング物たるシリコン基板を収納するエッチングチャンバと、前記エッチングチャンバ内の下部位置に配設され、前記シリコン基板が載置される基台と、前記エッチングチャンバ内にエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、前記エッチングチャンバ内に保護膜形成ガスを供給する保護膜形成ガス供給手段と、前記エッチングチャンバ内を減圧する減圧手段と、前記エッチングチャンバの外周にこれと対向するように配設されたコイルを備え、該コイルに高周波電力を印加して、前記エッチングチャンバ内に供給されたエッチングガスおよび保護膜形成ガスをプラズマ化するプラズマ生成手段と、前記基台に高周波電力を印加する基台電力印加手段と、前記エッチングガス供給手段および前記保護膜形成ガス供給手段により前記エッチングチャンバ内に供給されるエッチングガスおよび保護膜形成ガスの流量を制御するガス流量制御手段と、前記プラズマ生成手段のコイルに印加される電力を制御するコイル電力制御手段と、前記基台電力印加手段により基台に印加される電力を制御する基台電力制御手段とを備えて構成され、前記ガス流量制御手段が、前記エッチングガスおよび保護膜形成ガスを連続的且つその供給量を周期的に変化させて前記エッチングチャンバ内に供給するとともに、両者の位相が逆となるように前記供給量を制御するように構成されていても良い。
更に、エッチング装置は、被エッチング物たるシリコン基板を収納するエッチングチャンバと、前記エッチングチャンバ内の下部位置に配設され、前記シリコン基板が載置される基台と、前記エッチングチャンバ内にエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、前記エッチングチャンバ内に保護膜形成ガスを供給する保護膜形成ガス供給手段と、前記エッチングチャンバ内を減圧する減圧手段と、前記エッチングチャンバの外周にこれと対向するように配設されたコイルを備え、該コイルに高周波電力を印加して、前記エッチングチャンバ内に供給されたエッチングガスおよび保護膜形成ガスをプラズマ化するプラズマ生成手段と、前記基台に高周波電力を印加する基台電力印加手段と、前記エッチングガス供給手段および前記保護膜形成ガス供給手段により前記エッチングチャンバ内に供給されるエッチングガスおよび保護膜形成ガスの流量を制御するガス流量制御手段と、前記プラズマ生成手段のコイルに印加される電力を制御するコイル電力制御手段と、前記基台電力印加手段により基台に印加される電力を制御する基台電力制御手段とを備えて構成され、前記基台電力制御手段が、前記基台に印加される電力を周期的に変化させるように構成されていても良い。
また、前記基台電力制御手段は、これが、前記基台に印加される電力を周期的に変化させるとともに、前記エッチングガスの非供給時には低い電力を前記基台に印加し、且つ前記エッチングガスの供給時には高い電力を前記基台に印加するように構成されていても良く、更に、前記コイル電力制御手段は、これが、前記コイルに印加される電力を周期的に変化させるように構成されていても良い。
また、エッチング装置は、被エッチング物たるシリコン基板を収納するエッチングチャンバと、前記エッチングチャンバ内の下部位置に配設され、前記シリコン基板が載置される基台と、前記エッチングチャンバ内にエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、前記エッチングチャンバ内に保護膜形成ガスを供給する保護膜形成ガス供給手段と、前記エッチングチャンバ内を減圧する減圧手段と、前記エッチングチャンバの外周にこれと対向するように配設されたコイルを備え、該コイルに高周波電力を印加して、前記エッチングチャンバ内に供給されたエッチングガスおよび保護膜形成ガスをプラズマ化するプラズマ生成手段と、前記基台に高周波電力を印加する基台電力印加手段と、前記エッチングガス供給手段および前記保護膜形成ガス供給手段により前記エッチングチャンバ内に供給されるエッチングガスおよび保護膜形成ガスの流量を制御するガス流量制御手段と、前記プラズマ生成手段のコイルに印加される電力を制御するコイル電力制御手段と、前記基台電力印加手段により基台に印加される電力を制御する基台電力制御手段とを備えて構成され、前記コイル電力制御手段が、前記コイルに印加される電力を周期的に変化させるように構成されていても良い。
そして、前記コイル電力制御手段は、これを、コイルに印加される電力を周期的に変化させるとともに、エッチングガスの非供給時には低い電力をコイルに印加し、且つエッチングガスの供給時には高い電力をコイルに印加するように構成されたものとすることができる。
また、前記基台電力制御手段は、これが、基台に印加される電力を周期的に変化させるとともに、前記エッチングガスの少量供給時には低い電力を前記基台に印加し、且つ前記エッチングガスの多量供給時には高い電力を前記基台に印加するように構成されていても良く、前記コイル電力制御手段は、これが、コイルに印加される電力を周期的に変化させるとともに、エッチングガスの少量供給時には低い電力をコイルに印加し、且つエッチングガスの多量供給時には高い電力を前記コイルに印加するように構成されていても良い。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明をより詳細に説明するために、添付図面に基づいてこれを説明する。
まず、本実施形態に係るエッチング装置の構成について第１図に基づき説明する。尚、第１図は本実施形態に係るエッチング装置の概略構成を一部ブロック図で示す断面図である。
第１図に示すように、このエッチング装置１は、セラミックからなり、内部にエッチング室２ａが形成された筐体状のエッチングチャンバ２と、前記エッチング室２ａ内の下部領域に配設され、被エッチング物たるシリコン基板Ｓを載置する基台３と、エッチング室２ａ内にエッチングガス及び保護膜形成ガスを供給するガス供給部７と、エッチング室２ａ内を減圧する減圧部１３と、エッチング室２ａ内に供給されたエッチングガス及び保護膜形成ガスをプラズマ化するプラズマ生成部１５と、前記基台３に高周波電力を印加する高周波電源１８と、これら各部の作動を制御する制御装置２０とを備えている。
前記基台３上には、シリコン基板ＳがＯリング４などのシール部材を介して載置される。基台３はその基部３ａがエッチング室２ａ外に導出されるように設けられており、その中心部には、基台３とシリコン基板Ｓとの間に形成された空間５ａに通じる連通路５が設けられ、この連通路５を通して前記空間５ａ内にヘリウムガスが充填，封入されている。また、基台３には冷却水循環路６が形成されており、この冷却水循環路６内を循環する冷却水（２０℃）により、前記基台３及びヘリウムガスを介して、前記シリコン基板Ｓが冷却されるようになっている。また、この基台３には前記高周波電源１８によって１３．５６ＭＨｚの高周波電力が印加されており、基台３及び基台３上に載置されたシリコン基板Ｓにバイアス電位が生じるようになっている。
前記ガス供給部７は、前記エッチングチャンバ２の上端部に接続されたガス供給管８と、このガス供給管８にそれぞれマスフローコントローラ１１，１２を介して接続されたガスボンベ９，１０とからなり、マスフローコントローラ１１，１２により流量調整されたガスがガスボンベ９，１０からエッチング室２ａ内に供給されるようになっている。尚、ガスボンベ９内にはエッチング用のＳＦ６ガスが充填され、ガスボンベ１０内には保護膜形成用のＣ４Ｆ８ガスが充填されている。
前記減圧部１３は、前記エッチングチャンバ２の下端部に接続された排気管１４と、この排気管１４に接続された図示しない真空ポンプとからなり、この真空ポンプ（図示せず）によって前記エッチング室２ａ内が所定の低圧（例えば１．３３Ｐａ）に減圧されるようになっている。
前記プラズマ生成部１５は、前記エッチングチャンバ２の前記基台３より高い位置の外周に沿って配設されたコイル１６と、このコイル１６に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加する高周波電源１７とからなり、コイル１６に高周波電力を印加することによりエッチング室２ａ内の空間に変動磁場が形成され、エッチング室２ａ内に供給されたガスがこの変動磁場によって誘起される電界によってプラズマ化されるようになっている。
また、前記制御装置２０は、前記マスフローコントローラ１１；１２を制御し、ガスボンベ９，１０からエッチング室２ａ内に供給されるガス流量を調整するガス流量制御手段２１と、前記コイル１６に印加される高周波電力を制御するコイル電力制御手段２２と、前記基台３に印加される高周波電力を制御する基台電力制御手段２３とからなる。
次に、以上の構成を備えたエッチング装置１によりシリコン基板Ｓをエッチングするその態様について説明する。
まず、フォトリソグラフィなどを用いて所望形状のエッチングマスク（例えばレジスト膜やＳｉＯ２膜など）をシリコン基板Ｓ上に形成した後、このシリコン基板Ｓをエッチングチャンバ２内に搬入し、Ｏリング４を介して基台３上に載置する。この後、連通路５から空間５ａ内にヘリウムガスを充填，封入する。なお、冷却水循環路６内の冷却水は絶えず循環されている。
ついで、ガスボンベ９及び１０からＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスをそれぞれエッチング室２ａ内に供給するとともに、コイル１６に高周波電力を印加し、基台３に高周波電力を印加する。
エッチング室２ａ内に供給されるＳＦ６ガスの流量は、第２図（ａ）に示すように、Ｖｅ２からＶｅ１の範囲で矩形波状に変化し、また、Ｃ４Ｆ８ガスの流量は、第２図（ｂ）に示すように、Ｖｄ２からＶｄ１の範囲で矩形波状に変化し、且つＳＦ６ガスの位相とＣ４Ｆ８ガスの位相とが相互に逆になるようにそれぞれガス流量制御手段２１によって制御される。
また、コイル１６に印加される高周波電力は、第２図（ｃ）に示すように、Ｗｃ２からＷｃ１の範囲で矩形波状に変化し、基台３に印加される高周波電力は、第２図（ｄ）に示すように、Ｗｐ２からＷｐ１の範囲で矩形波状に変化し、且つコイル１６に印加される高周波電力の位相と基台３に印加される高周波電力の位相とが同位相となるようにそれぞれコイル電力制御手段２２，基台電力制御手段２３によって制御される。
エッチング室２ａ内に供給されたＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスは、コイル１６によって生じた変動磁界内で、イオン，電子，Ｆラジカルなどを含むプラズマとなり、プラズマはこの変動磁界の作用によって高密度に維持される。プラズマ中に存在するＦラジカルはＳｉと化学的に反応して、シリコン基板ＳからＳｉを持ち去る、即ちシリコン基板Ｓをエッチングする働きをし、イオンは基台３及びシリコン基板Ｓに生じた自己バイアス電位により基台３及びシリコン基板Ｓに向けて加速され、シリコン基板Ｓに衝突してこれをエッチングする。斯くして、これらＦラジカル及びイオンによってマスク開口部のシリコン基板Ｓ表面（エッチンググランド）がエッチングされ、所定幅及び深さの溝等が形成される。
一方、Ｃ４Ｆ８ガスはプラズマ化されることにより重合物となって溝等の壁面及び底面（エッチンググランド）に堆積してフロロカーボン膜を形成する働きをする。このフロロカーボン膜はＦラジカルと反応せず、Ｆラジカルに対する保護膜として作用し、この保護膜によってサイドエッチングやアンダーカットが防止される。
このように、ＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスを同時にエッチング室２ａ内に供給して得られるプラズマの存在下では、Ｆラジカル及びイオン照射によるエッチングと、重合による保護膜の形成という相反する作用が同時に溝等の壁面及び底面上で進行する。詳細には、イオン照射の多い底面では、重合物の堆積よりもイオン照射による重合物の剥離の方がより強く作用して、Ｆラジカル及びイオンによるエッチングが進行し易く、一方イオン照射の少ない壁面では、イオン照射による重合物の剥離よりも重合物の堆積の方がより強く作用して、保護膜の形成が進行し易い。
以上のことを考慮して本実施形態においては、ＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスの流量、並びにコイル１６に印加される高周波電力及び基台３に印加される高周波電力を、上述した如く第２図に示すようにそれぞれ制御している。
具体的には、第２図においてｅで示す時間帯については、ＳＦ６ガスの供給量をＶｅ１と多くし、Ｃ４Ｆ８ガスの供給量をＶｄ２と少なくするとともに、コイル１６に印加される高周波電力をＷｃ１と高くし、基台３に印加される高周波電力をＷｐ１と高くしている。ＳＦ６ガスの供給量を多くし、Ｃ４Ｆ８ガスの供給量を少なくし、コイル１６に印加される高周波電力を高くすることにより、エッチングに必要なＦラジカルやイオンを適量生成することができる一方、重合物の生成をサイドエッチングやアンダーカットを防止することができる最低限の量に押さえることができる。また、基台３に印加される高周波電力を高くすることにより、イオン照射速度を高め、エッチング速度を高めることができる。
以上により、イオン照射の多いエッチンググランド（底面）については、重合物の堆積よりもイオン照射による重合物の剥離の方ががなり強く作用して、Ｆラジカルやイオンによるエッチングが進行する一方、イオン照射の少ない壁面では、イオン照射による重合物の剥離よりも重合物の堆積の方がより強く作用して、保護膜の形成が進行し、エッチングによって順次形成される壁面がこの保護膜によって直ちに被覆される。
一方、第２図においてｄで示す時間帯については、ＳＦ６ガスの供給量をＶｅ２と少なくし、Ｃ４Ｆ８ガスの供給量をＶｄ１と多くするとともに、コイル１６に印加される高周波電力をＷｃ２と低くし、基台３に印加される高周波電力をＷｐ２と低くしている。ＳＦ６ガスの供給量を少なくし、Ｃ４Ｆ８ガスの供給量を多くすることにより、保護膜形成に必要な重合物をより多く生成することができる一方、Ｆラジカルやイオンの生成を、エッチンググランドに堆積される重合物を剥離するのに必要な最低限の量に押さえることができる。また、基台３に印加される高周波電力を低くすることにより、エッチンググランドに堆積される重合物を剥離するのに必要な程度にイオン照射速度を遅くすることができ、壁面に堆積される保護膜がイオン照射によって剥離されるのを防止することができる。
以上により、エッチンググランド（底面）については、堆積される重合物をイオン照射によって剥離する程度にエッチングが抑制される一方、イオン照射の少ない壁面では、より多くの重合物が堆積して、強固な保護膜が形成される。
斯くして、以上のｅ工程及びｄ工程を順次繰り返して実施することにより、主としてエッチングの進行する工程と、主として保護膜形成の進行する工程とが交番的に繰り返され、エッチングによって順次形成される壁面が保護膜によって直ちに被覆されるとともに、引き続いて実行される工程において、保護膜が更に強固に形成されるので、上述したサイドエッチングやアンダーカットを確実に防止することができ、これにより、内壁面が垂直であり且つその凹凸が２００ｎｍ以下であるトレンチを、効率よくシリコン基板Ｓ上に形成することができる。
このような作用を奏するための前記ＳＦ６ガスの流量Ｖｅ１は６０〜３００ｍｌ／ｍｉｎの範囲であるのが好ましく、流量Ｖｅ２は０〜８０ｍｌ／ｍｉｎの範囲であるのが好ましい。尚、流量Ｖｅ２の範囲に０ｍｌ／ｍｉｎを含めているのは、Ｃ４Ｆ８ガスをプラズマ化した際にもイオンが生成されるため、エッチンググランドに堆積される重合物の除去に必要なイオン量を、このＣ４Ｆ８ガスからもたらされるイオンで十分まかなうことができると考えられるからである。また、前記Ｃ４Ｆ８ガスの流量Ｖｄ１は５０〜２６０ｍｌ／ｍｉｎの範囲であるのが好ましく、流量Ｖｄ２は５０〜１５０ｍｌ／ｍｉｎの範囲であるのが好ましい。
また、コイル１６に印加される高周波電力Ｗｃ１は８００〜３０００Ｗの範囲であるのが好ましく、Ｗｃ２は６００〜２５００Ｗの範囲であるのが好ましい。更に、基台３に印加される高周波電力Ｗｐ１は３〜５０Ｗの範囲であるのが好ましく、Ｗｐ２は０〜１５Ｗの範囲であるのが好ましい。尚、Ｗｐ２の範囲に０Ｗを含めているのは、Ｗｐ２を０Ｗにすると前記ｄ工程においてエッチンググランドに堆積する重合物を除去することはできないが、続くｅ工程におけるイオン照射によりこれを除去することができるからである。但し、エッチンググランドに堆積する重合物をｅ工程において除去する必要があることから、全体としての加工時間が長くなるという欠点がある。
また、前記ｅ工程の実施時間は３〜４５秒の範囲が好ましく、前記ｄ工程の実施時間は３〜３０秒の範囲が好ましい。
このように、本例によれば、シリコン基板Ｓをエッチングして得られた溝等の壁面の凹凸を２００ｎｍ以下にすることができるので、半導体集積回路の高集積化，高密度化を図ることができ、トレンチ・キャパシタとした場合に、その絶縁性が低下するのを防止することができ、また、歯車を形成した場合には、その伝達損失を極力小さいものとすることができる。
また、本例では主としてエッチングの進行する工程においても保護膜形成用のＣ４Ｆ８ガスをエッチング室２ａ内に供給しているので、次のような効果が確認された。即ち、エッチングの進行する工程において保護膜形成用ガスを供給しない従来のエッチング法で深溝等を形成すると、マスクの開口幅が狭いほどエッチング速度が低下する、いわゆるマイクロローディング効果を生じることが知られており、マスクの開口幅によってそのエッチング速度が異なる。ところが、本例のようにエッチングの進行する工程中に保護膜形成用ガスを供給すると、マスクの開口幅によらずエッチング速度がほぼ一定になることが判明したのである。本例によると、エッチンググランドにおいて重合物の堆積と除去とが同時に進行するため、エッチング速度が低下するが、これはマスク開口部が広いほど顕著に現れる。このため、結果としてマスク開口幅によらずエッチング度がほぼ一定になるものと思われる。
このことは、特にＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板をエッチングする際に有利に働く。即ち、様々な開口幅を有するエッチングマスクを用いて従来のエッチング法によりＳＯＩ基板をエッチングした場合、広い開口幅の部分はエッチング速度が速いため、そのエッチンググランドが他の開口部に比べて速くＳｉＯ２層に達する。他の開口部のエッチングが完了していないためこれを継続すると、ＦラジカルがＳｉＯ２層と反応し難いため、言い換えればＳｉＯ２層のエッチング速度がＳｉのエッチング速度に比べて格段に低いため、Ｆラジカルは保護膜を突き破り、ＳｉとＳｉＯ２層との界面付近のＳｉを侵食するいわゆるノッチング現象を生じて加工精度が悪化するのである。本例によれば、マスクの開口幅によらずエッチング速度をほぼ一定にすることができるので、このようなノッチング現象が生じて加工精度が悪化するのを防止することができる。
また、ＳＦ６ガスとＣ４Ｆ８ガスとを別々にエッチング室２ａ内に供給すると、コイル１６への供給電力が一定であっても、発生するプラズマのインピーダンスが各ガス及びその流量によって異なるため、インピーダンスの調整に長時間を要し、その結果、安定的に電力を供給することが困難になる。本例によれば、ＳＦ６ガスとＣ４Ｆ８ガスとを同時にエッチング室２ａ内に供給しているので、印加の際に供給電力の低下を招くインピーダンスの調整を容易に行うことができ、安定して電力を供給することができる。
（実施例）
シリコン基板に開口が５μｍ×３００μｍのマスク（ＳｉＯ２）を形成した後、以下の条件で当該シリコン基板をエッチングした。
１．比較例
▲１▼エッチング室２ａ内の圧力を３．９９Ｐａとし、▲２▼エッチングガスとしてＳＦ６ガス、保護膜形成ガスとしてＣ４Ｆ８ガスをそれぞれ用い、▲３▼ＳＦ６ガスの流量Ｖｅ１を２６０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｖｅ２を０ｍｌ／ｍｉｎとし、▲４▼Ｃ４Ｆ８ガスの流量Ｖｄ１を１５０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｖｄ２を０ｍｌ／ｍｉｎとし、▲５▼上記コイル１６に印加される高周波電力Ｗｃ１を２５００Ｗ、Ｗｃ２を１０００Ｗとし、▲６▼上記基台３に印加される高周波電力Ｗｐ１を２０Ｗ、Ｗｐ２を０Ｗとし、これらを、第２図に示すように制御して、シリコン基板に深さ５０μｍの穴を形成した。
２．実施例
▲１▼エッチング室２ａ内の圧力を３．９９Ｐａとし、▲２▼エッチングガスとしてＳＦ６ガス、保護膜形成ガスとしてＣ４Ｆ８ガスをそれぞれ用い、▲３▼ＳＦ６ガスの流量Ｖｅ１を２６０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｖｅ２を７ｍｌ／ｍｉｎとし、▲４▼Ｃ４Ｆ８ガスの流量Ｖｄ１を１５０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｖｄ２を１３ｍｌ／ｍｉｎとし、▲５▼上記コイル１６に印加される高周波電力Ｗｃ１を２５００Ｗ、Ｗｃ２を１０００Ｗとし、▲６▼上記基台３に印加される高周波電力Ｗｐ１を２０Ｗ、Ｗｐ２を５Ｗとして、これらを、第２図に示すように制御して、シリコン基板に深さ５０μｍの穴を形成した。
上記実施例及び比較例におけるエッチングレート及びマスク選択比、並びにエッチングによりシリコン基板に形成された穴の寸法特性を第４図に示す。尚、エッチングレートは１分間当たりのエッチング深さで表され、これが大きいほど好ましい。また、マスク選択比は、シリコン（Ｓｉ）がエッチングされる深さとマスク（ＳｉＯ２）がエッチングされる深さとの比、即ち、マスク選択比＝Ｓｉエッチング深さ／ＳｉＯ２エッチング深さ、で表わされ、これが大きいほど好ましい。更に、凹凸ρ（ｎｍ）は、第３図に示すように、穴側壁に形成された凹凸の深さで表され、これが小さい方が好ましく、穴側壁角度θ（°）は、水平面（シリコン基板の底面に相当）に対する角度で表され、これが９０°に近い方が好ましい。尚、図中、符号Ｓはシリコン基板、符号２１はマスク、符号２２は穴壁面である。
上記第４図に示すように、エッチングを行う全工程においてＳＦ６ガス（エッチングガス）とＣ４Ｆ８ガス（保護膜形成ガス）の双方をエッチングチャンバ２内に供給し、且つその供給量を相互に逆位相となるように周期的に変化させた実施例は、ＳＦ６ガス（エッチングガス）とＣ４Ｆ８ガス（保護膜形成ガス）とを交互にエッチングチャンバ２内に供給するようにした比較例に比べて、エッチングレート，マスク選択比，凹凸ρ及び穴側壁角度θのいずれの項目についても優っている。
以上、本発明の最適と思われる一実施形態について説明したが、本発明の具体的な態様がこれに限られるものでないことは言うまでもないことである。
上述したように、ＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスの流量、コイル１６に印加される高周波電力、基台３に印加される高周波電力といった各エッチング条件をそれぞれ上記範囲で変化させることにより、主としてエッチングの進行する工程と、主として保護膜形成の進行する工程とを交番的に繰り返して実行することができ、凹凸が２００ｎｍ以下となった垂直な壁面の溝等をシリコン基板Ｓ上に形成することができる。したがって、変化させる上記各エッチング条件を適宜組み合わせて実施することによっても本発明の目的を達成することができる。
即ち、コイル１６の印加電力及び基台３の印加電力を一定にして、ＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスの流量を上記範囲で変化させるようにしても良く、或いはコイル１６の印加電力のみを一定にして、基台３の印加電力並びにＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスの流量を上記範囲で変化させるようにしても良く、或いは逆に基台３の印加電力を一定にして、コイル１６の印加電力並びにＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスの流量を上記範囲で変化させるようにしても良い。
また、ＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスの流量並びにコイル１６の印加電力を一定にして、基台３の印加電力を上記範囲で変化させるようにしても良く、或いはＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスの流量のみを一定にして、コイル１６の印加電力及び基台３の印加電力を上記範囲で変化させるようにしても良い。
また、本例では、エッチング工程をｅ工程から開始してｅ工程とｄ工程とを順次繰り返し実施するようにしたが、これに限るものではなく、ｄ工程から開始してｄ工程とｅ工程とを順次繰り返し実施するようにしても良い。このようにすれば、得られる溝側面（特にマスク直下の部分）の凹凸を更に小さくすることができる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明にかかるエッチング方法及びエッチング装置は、ドライエッチングプロセスによって、シリコン基板に、例えば、溝などの構造面を形成する際に、これを好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明にかかる好ましいエッチング装置の概略構成を一部ブロック図で示した断面図である。
第２図（ａ）は、ＳＦ６ガス流量の制御状態を示したタイミングチャートであり、第２図（ｂ）は、Ｃ４Ｆ８ガス流量の制御状態を示したタイミングチャートであり、第２図（ｃ）は、コイルに印加される高周波電力の制御状態を示したタイミングチャートであり、第２図（ｄ）は、基台に印加される高周波電力の制御状態を示したタイミングチャートである。
第３図は、実施例の評価方法を説明するための説明図である。
第４図は、実施例の評価結果を示した説明図である。
第５図は、従来のエッチング法によりシリコン基板に形成した深溝を示す断面図である。
第６図は、従来のエッチング法により形成した深溝を用いて形成したトレンチ・キャパシタを示す断面図である。
Claims (21)
- シリコン基板表面にエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、高周波電力によりプラズマ化したエッチングガスを用いて前記エッチングマスクの開口部から前記シリコン基板表面をドライエッチングして所定の構造面を形成するエッチング工程とを順次実施することによりシリコン基板をエッチングする方法であって、
前記エッチング工程を、
エッチングガスおよび保護膜形成ガスを用い、主としてエッチンググランドにおける前記ドライエッチングを進行させる工程と、
保護膜形成ガスを用い、前記ドライエッチングにより形成された構造面に保護膜を形成する工程と、
前記エッチンググランドに形成された前記保護膜を除去する工程とを順次繰り返すことにより行うことを特徴とするシリコン基板のエッチング方法。 - 前記主としてドライエッチングを進行させる工程においては少量の保護膜形成ガスを供給し、前記保護膜を形成する工程においては多量の保護膜形成ガスを供給することを特徴とする請求の範囲第１項記載のシリコン基板のエッチング方法。
- 前記主としてドライエッチングを進行させる工程及び前記保護膜除去工程、または前記保護膜除去工程において、シリコン基板に電力を印加してバイアス電位を与えることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項記載のシリコン基板のエッチング方法。
- シリコン基板表面にエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、高周波電力によりプラズマ化したエッチングガスを用いて前記エッチングマスクの開口部から前記シリコン基板表面をドライエッチングして所定の構造面を形成するエッチング工程とを順次実施することによりシリコン基板をエッチングする方法であって、
前記エッチング工程を、
エッチングガスおよび保護膜形成ガスを用い、主としてエッチンググランドにおける前記ドライエッチングを進行させる工程と、
同じくエッチングガスおよび保護膜形成ガスを用い、主としてエッチンググランドに対して垂直な前記構造面に保護膜を形成させる工程とを順次繰り返すことにより行うことを特徴とするシリコン基板のエッチング方法。 - 前記主としてドライエッチングを進行させる工程においては多量のエッチングガスおよび少量の保護膜形成ガスを供給し、前記主として保護膜を形成する工程においては少量のエッチングガスおよび多量の保護膜形成ガスを供給することを特徴とする請求の範囲第４項記載のシリコン基板のエッチング方法。
- 前記エッチング工程において、常時シリコン基板に電力を印加してバイアス電位を与えることを特徴とする請求の範囲第４項又は第５項記載のシリコン基板のエッチング方法。
- シリコン基板表面にエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、高周波電力によりプラズマ化したエッチングガスを用いて前記エッチングマスクの開口部から前記シリコン基板表面をドライエッチングして所定の構造面を形成するエッチング工程とを順次実施することによりシリコン基板をエッチングする方法であって、
前記エッチング工程を、
該エッチング工程中、常時シリコン基板に電力を印加してバイアス電位を与えるとともに、
エッチングガスおよび保護膜形成ガスを用い、主としてエッチンググランドにおける前記ドライエッチングを進行させる工程と、
保護膜形成ガスを用い、主としてエッチンググランドに対して垂直な前記構造面に保護膜を形成させる工程とを順次繰り返すことにより行うことを特徴とするシリコン基板のエッチング方法。 - 前記主としてドライエッチングを進行させる工程においては少量の保護膜形成ガスを供給し、前記主として保護膜を形成する工程においては多量の保護膜形成ガスを供給することを特徴とする請求の範囲第７項記載のシリコン基板のエッチング方法。
- 前記シリコン基板に印加する電力を、前記主としてドライエッチングを進行させる工程においては大きくし、前記主として保護膜を形成させる工程においては小さくすることを特徴とする請求の範囲第６項乃至第８項記載のいずれかのシリコン基板のエッチング方法。
- 前記エッチングガスに反応性ガスを用いることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第９項記載のいずれかのシリコン基板のエッチング方法。
- 前記エッチング工程において、プラズマ化したエッチングガス及び保護膜形成ガスを用いるとともに、プラズマを発生させる際に用いる高周波電力を、前記主としてドライエッチングを進行させる工程においては高くし、前記主として保護膜を形成させる工程においては低くすることを特徴とする請求の範囲第１０項記載のシリコン基板のエッチング方法。
- 被エッチング物たるシリコン基板を収納するエッチングチャンバと、
前記エッチングチャンバ内の下部位置に配設され、前記シリコン基板が載置される基台と、
前記エッチングチャンバ内にエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、
前記エッチングチャンバ内に保護膜形成ガスを供給する保護膜形成ガス供給手段と、
前記エッチングチャンバ内を減圧する減圧手段と、
前記エッチングチャンバの外周にこれと対向するように配設されたコイルを備え、該コイルに高周波電力を印加して、前記エッチングチャンバ内に供給されたエッチングガスおよび保護膜形成ガスをプラズマ化するプラズマ生成手段と、
前記基台に高周波電力を印加する基台電力印加手段と、
前記エッチングガス供給手段および前記保護膜形成ガス供給手段により前記エッチングチャンバ内に供給されるエッチングガスおよび保護膜形成ガスの流量を制御するガス流量制御手段と、
前記プラズマ生成手段のコイルに印加される電力を制御するコイル電力制御手段と、
前記基台電力印加手段により基台に印加される電力を制御する基台電力制御手段とを備えて構成され、
前記ガス流量制御手段が、前記保護膜形成ガスを連続的に前記エッチングチャンバ内に供給し、且つ前記エッチングガスを断続的に前記エッチングチャンバ内に供給するように構成されてなることを特徴とするシリコン基板のエッチング装置。 - 前記ガス流量制御手段が、前記エッチングガスの非供給時には多量の前記保護膜形成ガスを前記エッチングチャンバ内に供給し、且つ前記エッチングガスの供給時には少量の前記保護膜形成ガスを前記エッチングチャンバ内に供給するものである請求の範囲第１２項記載のシリコン基板のエッチング装置。
- 被エッチング物たるシリコン基板を収納するエッチングチャンバと、
前記エッチングチャンバ内の下部位置に配設され、前記シリコン基板が載置される基台と、
前記エッチングチャンバ内にエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、
前記エッチングチャンバ内に保護膜形成ガスを供給する保護膜形成ガス供給手段と、
前記エッチングチャンバ内を減圧する減圧手段と、
前記エッチングチャンバの外周にこれと対向するように配設されたコイルを備え、該コイルに高周波電力を印加して、前記エッチングチャンバ内に供給されたエッチングガスおよび保護膜形成ガスをプラズマ化するプラズマ生成手段と、
前記基台に高周波電力を印加する基台電力印加手段と、
前記エッチングガス供給手段および前記保護膜形成ガス供給手段により前記エッチングチャンバ内に供給されるエッチングガスおよび保護膜形成ガスの流量を制御するガス流量制御手段と、
前記プラズマ生成手段のコイルに印加される電力を制御するコイル電力制御手段と、
前記基台電力印加手段により基台に印加される電力を制御する基台電力制御手段とを備えて構成され、
前記ガス流量制御手段が、前記エッチングガスおよび保護膜形成ガスを連続的且つその供給量を周期的に変化させて前記エッチングチャンバ内に供給するとともに、両者の位相が逆となるように前記供給量を制御するように構成されてなることを特徴とするシリコン基板のエッチング装置。 - 被エッチング物たるシリコン基板を収納するエッチングチャンバと、
前記エッチングチャンバ内の下部位置に配設され、前記シリコン基板が載置される基台と、
前記エッチングチャンバ内にエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、
前記エッチングチャンバ内に保護膜形成ガスを供給する保護膜形成ガス供給手段と、
前記エッチングチャンバ内を減圧する減圧手段と、
前記エッチングチャンバの外周にこれと対向するように配設されたコイルを備え、該コイルに高周波電力を印加して、前記エッチングチャンバ内に供給されたエッチングガスおよび保護膜形成ガスをプラズマ化するプラズマ生成手段と、
前記基台に高周波電力を印加する基台電力印加手段と、
前記エッチングガス供給手段および前記保護膜形成ガス供給手段により前記エッチングチャンバ内に供給されるエッチングガスおよび保護膜形成ガスの流量を制御するガス流量制御手段と、
前記プラズマ生成手段のコイルに印加される電力を制御するコイル電力制御手段と、
前記基台電力印加手段により基台に印加される電力を制御する基台電力制御手段とを備えて構成され、
前記基台電力制御手段が、前記基台に印加される電力を周期的に変化させるように構成されてなることを特徴とするシリコン基板のエッチング装置。 - 前記基台電力制御手段が、前記基台に印加される電力を周期的に変化させるとともに、前記エッチングガスの非供給時には低い電力を前記基台に印加し、且つ前記エッチングガスの供給時には高い電力を前記基台に印加するように制御するものである請求の範囲第１２項又は第１３項記載のシリコン基板のエッチング装置。
- 前記コイル電力制御手段が、前記コイルに印加される電力を周期的に変化させるものである請求の範囲第１５項記載のシリコン基板のエッチング装置。
- 被エッチング物たるシリコン基板を収納するエッチングチャンバと、
前記エッチングチャンバ内の下部位置に配設され、前記シリコン基板が載置される基台と、
前記エッチングチャンバ内にエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、
前記エッチングチャンバ内に保護膜形成ガスを供給する保護膜形成ガス供給手段と、
前記エッチングチャンバ内を減圧する減圧手段と、
前記エッチングチャンバの外周にこれと対向するように配設されたコイルを備え、該コイルに高周波電力を印加して、前記エッチングチャンバ内に供給されたエッチングガスおよび保護膜形成ガスをプラズマ化するプラズマ生成手段と、
前記基台に高周波電力を印加する基台電力印加手段と、
前記エッチングガス供給手段および前記保護膜形成ガス供給手段により前記エッチングチャンバ内に供給されるエッチングガスおよび保護膜形成ガスの流量を制御するガス流量制御手段と、
前記プラズマ生成手段のコイルに印加される電力を制御するコイル電力制御手段と、
前記基台電力印加手段により基台に印加される電力を制御する基台電力制御手段とを備えて構成され、
前記コイル電力制御手段が、前記コイルに印加される電力を周期的に変化させるように構成されてなることを特徴とするシリコン基板のエッチング装置。 - 前記コイル電力制御手段が、前記コイルに印加される電力を周期的に変化させるとともに、前記エッチングガスの非供給時には低い電力を前記コイルに印加し、且つ前記エッチングガスの供給時には高い電力を前記コイルに印加するように制御するものである請求の範囲第１２項又は第１３項又は第１６項記載のシリコン基板のエッチング装置。
- 前記基台電力制御手段が、前記基台に印加される電力を周期的に変化させるとともに、前記エッチングガスの少量供給時には低い電力を前記基台に印加し、且つ前記エッチングガスの多量供給時には高い電力を前記基台に印加するように制御するものである請求の範囲第１４項記載のシリコン基板のエッチング装置。
- 前記コイル電力制御手段が、前記コイルに印加される電力を周期的に変化させるとともに、前記エッチングガスの少量供給時には低い電力を前記コイルに印加し、且つ前記エッチングガスの多量供給時には高い電力を前記コイルに印加するように制御するものである請求の範囲第１４項又は第２０項記載のシリコン基板のエッチング装置。
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