JPWO2011093258A1 - ドライエッチング方法 - Google Patents
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Abstract
ドライエッチング方法は、第１の工程と第２の工程とを含む。第１の工程は、酸化ガスとフッ素含有ガスとを含む混合ガスから第１のプラズマを生成し、シリコン層（Ls）に第１のプラズマによる異方性エッチングを施してシリコン層（Ls）に凹部を形成することを含む。第２の工程は、第２のプラズマにより凹部の内表面に有機膜を堆積する有機膜形成処理と、有機膜に覆われた凹部に第１のプラズマによる異方性エッチングを施すエッチング処理とを交互に繰り返すことを含む。第１の工程で形成される凹部の底面の一部にエッチングストッパ層（Lo）が露出されたとき、第１の工程から第２の工程への切り替えが行われる。
Description
この発明は、ドライエッチング方法、特にシリコン層をエッチングする異方性エッチングの方法に関する。
従来、例えば微小な機械部品と電子部品とを有するいわゆるＭＥＭＳデバイスを製造する際、ＭＥＭＳデバイスに用いるシリコン層をエッチングするためにドライエッチングが利用されている。特許文献１は、ＭＥＭＳデバイスのシリコン層に凹部や貫通孔等のパターンを形成するために、反応性ドライエッチングを用いることを記載している。この特許文献１に記載された方法を例に、従来のドライエッチング方法を、図４を参照して以下に説明する。
図４（ａ）に示されるように、ドライエッチングでは、処理対象の基板Ｓが収容された真空容器内に、六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガスを用いたプラズマ、すなわち、フッ素ラジカル（Ｆ＊）や各種正イオン等を含むエッチャント５４が生成される。基板Ｓは、ＭＥＭＳデバイスを構成するシリコン層５２を含み、このシリコン層５２は、例えばエッチングストッパ層であるシリコン酸化物層５１上に積層されている。シリコン層５２の表面５２ｓには、エッチングマスク５３が形成されている。このエッチングマスク５３は、シリコン層５２の被エッチング領域５２ａを露出させるようにパターニングされている。そして、図４（ｂ）に示されるように、基板Ｓに印加されたバイアス電圧によって基板Ｓに引き込まれた正イオンと、基板Ｓの表面に接触するフッ素ラジカルとにより、被エッチング領域５２ａでエッチング反応が進行して、被エッチング領域５２ａに凹部５５が形成される。
ここで、基板Ｓに引き込まれた正イオンは、シリコン層５２の厚さ方向へエッチングを進行させるが、指向性を有しないラジカルは、シリコン層５２の厚さ方向のみならず、該厚さ方向と交差する方向へもエッチングを進行させる。ＭＥＭＳデバイスでは、シリコン層５２の厚さは数十μｍから数百μｍにも達する。このため、このようなラジカルによる等方的なエッチングがシリコン層５２の厚さの全体で続くことになると、シリコン層５２に形成される凹部５５が、シリコン層５２の厚さ方向のみならずその厚さ方向と交差する方向にも大きく広がってしまう。この問題に対し、特許文献１に記載のドライエッチング方法では、以下のような方法でエッチングが行われている。
つまり、その方法では、図４（ｂ）に示すように、シリコン層５２の厚さ方向の一部にのみ凹部５５が形成された後、一旦エッチング反応が停止される。次いで、図４（ｃ）に示されるように、真空容器内に三フッ化炭化水素（ＣＨＦ３）ガス５６が導入されることで、上記凹部５５の内面を含む基板Ｓの表面全体にポリテトラフルオロエチレン（（Ｃ２Ｆ２）ｎ）からなる保護膜５７が形成される。その後、図４（ｄ）に示されるように、再び真空容器内に導入された六フッ化硫黄ガスがプラズマ化されることにより、シリコン層５２の厚さ方向へのエッチングが再開される。
このとき、凹部５５の側面に形成された保護膜５７には主にラジカルのみが接触する一方、凹部５５の底面に形成された保護膜５７にはラジカルのみならず正イオンも接触することとなる。その結果、エッチャント５４による保護膜５７の除去が、凹部５５の側面よりも該凹部５５の底面で速くなる。よって、凹部５５の側面は保護膜５７によって保護される一方、凹部５５の底面はシリコン層５２の厚さ方向に更にエッチングされることになる。その後、凹部５５の底面がシリコン酸化物層５１の表面に達するまで、六フッ化硫黄ガスを用いたエッチング工程（図４（ｄ））と、三フッ化炭化水素ガス５６を用いた保護膜形成工程（図４（ｃ））とが交互に繰り返される。これにより、厚さが数十μｍから数百μｍのシリコン層５２をその厚さ方向に貫通するように貫通孔Ｈが形成される。
上記のようにエッチング工程と保護膜形成工程とが繰り返されることにより上記貫通孔Ｈが形成される際、最終のエッチング工程時には、シリコン層５２の下層にあるシリコン酸化物層５１の表面が露出されるようになる。このとき、シリコン酸化物層５１にも上記バイアス電圧が印加されていることから、上記エッチャント５４に含まれる正イオンが、シリコン層５２だけでなく、露出したシリコン酸化物層５１の表面にも引き込まれるようになる。
この際、上記六フッ化硫黄ガスに由来するエッチャント５４によってはシリコン酸化物層５１がエッチングされないため、正イオンの衝突を受けたシリコン酸化物層５１の表面が正に帯電するようになる。このように、シリコン酸化物層５１の表面が正に帯電すると、図４（ｅ）に示されるように、シリコン酸化物層５１に向かう正イオンの進行方向が、シリコン酸化物層５１の表面の近傍において凹部５５の側面、つまり、シリコン層５２へと逸れてしまう。よって、シリコン酸化物層５１が露出し続ける最終のエッチング工程時には、凹部５５の底面に向けて進行した正イオンの殆どが、凹部５５の側面に向けて移動することとなる。そのために、正イオンによる凹部５５の側面の浸食が大きくなり、ノッチ６０が貫通孔Ｈの底部（側面下部）に形成されてしまう。つまり、シリコン酸化物層５１の表面における貫通孔Ｈの開口Ｈａが、所望とするサイズよりも拡大してしまう。例えばこの貫通孔Ｈが、完成したＭＥＭＳデバイスにおいて光を導く光路として用いられる場合には、この開口Ｈａでの光の反射が所望のものとならず、ＭＥＭＳデバイスとしての機能が損なわれる虞がある。
なお、こうした問題は、ＭＥＭＳデバイスで用いられるシリコン層のエッチングに限り生じるものではなく、誘電体からなるエッチングストッパ層に積層された数十μｍから数百μｍの厚さを有したシリコン層を先の図４に示したドライエッチング方法にてエッチングした際には、共通して生じるものである。
この発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、シリコン層とエッチングストッパ層との境界におけるシリコン層の不所望の浸食、すなわち、ノッチの発生を抑制しつつ、シリコン層をエッチング可能なドライエッチング方法を提供することにある。
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
本発明の一態様は、ドライエッチング方法である。誘電体からなるエッチングストッパ層上にシリコン層を有する基板に、開口を有するマスク層を介してドライエッチングを施す方法は、第１の工程と、第２の工程とを備える。第１の工程は、前記シリコン層を酸化する酸化ガスとフッ素含有ガスとを含む混合ガスから第１のプラズマを生成すること、該第１のプラズマ中で前記基板を負のバイアス電位に維持すること、前記マスク層の開口を介して前記シリコン層に前記第１のプラズマによる異方性エッチングを施して前記シリコン層に凹部を形成することを含む。第２の工程は、有機膜形成処理とエッチング処理とを交互に繰り返すことを含む。前記有機膜形成処理は、前記第１のプラズマで除去可能な有機膜の形成に用いる第２のプラズマを生成すること、該第２のプラズマ中で前記基板を負のバイアス電位に維持すること、前記第２のプラズマにより前記凹部の内表面に前記有機膜を堆積することを含む。前記エッチング処理は、前記混合ガスから前記第１のプラズマを生成すること、該第１のプラズマ中で前記基板を負のバイアス電位に維持すること、前記マスク層の開口を介して前記有機膜に覆われた前記凹部に前記第１のプラズマによる異方性エッチングを施すことを含む。前記第１の工程により形成される前記凹部の底面の一部に前記エッチングストッパ層が露出されたとき、前記第１の工程から前記第２の工程への切り替えが行われる。
本発明の一態様は、ドライエッチング方法である。誘電体からなるエッチングストッパ層上にシリコン層を有する基板に、開口を有するマスク層を介してドライエッチングを施す方法は、第１の工程と、第２の工程とを備える。第１の工程は、前記シリコン層を酸化する酸化ガスとフッ素含有ガスとを含む混合ガスから第１のプラズマを生成すること、該第１のプラズマ中で前記基板を負のバイアス電位に維持すること、前記マスク層の開口を介して前記シリコン層に前記第１のプラズマによる異方性エッチングを施して前記シリコン層に凹部を形成することを含む。第２の工程は、有機膜形成処理とエッチング処理とを交互に繰り返すことを含む。前記有機膜形成処理は、前記第１のプラズマで除去可能な有機膜の形成に用いる第２のプラズマを生成すること、該第２のプラズマ中で前記基板を負のバイアス電位に維持すること、前記第２のプラズマにより前記凹部の内表面に前記有機膜を堆積することを含む。前記エッチング処理は、前記混合ガスから前記第１のプラズマを生成すること、該第１のプラズマ中で前記基板を負のバイアス電位に維持すること、前記マスク層の開口を介して前記有機膜に覆われた前記凹部に前記第１のプラズマによる異方性エッチングを施すことを含む。前記第１の工程により形成される前記凹部の底面の一部に前記エッチングストッパ層が露出されたとき、前記第１の工程から前記第２の工程への切り替えが行われる。
上記方法では、第１の工程で、第１のプラズマによる異方性エッチングが行われることによりシリコン層に凹部が形成される。第１のプラズマは、酸化ガスとフッ素含有ガスとを含む混合ガスから生成されている。従って、酸化ガスによって凹部の内表面を保護しつつ、フッ素含有ガスによりシリコン層をエッチングすることができる。すなわち、指向性を有しないラジカルによる等方性エッチングを抑制しつつ、異方性エッチングを促進させることができる。第１の工程で、凹部の底面の一部にエッチングストッパ層が露出されると、第１の工程が終了し、第２の工程が開始される。第２の工程では、第２のプラズマによる有機膜形成処理と第１のプラズマによる異方性エッチング処理が交互に繰り返し行われる。従って、凹部の底面の一部にエッチングストッパ層が露出された後は、エッチングストッパ層の露出部分が有機膜によって覆われた状態で、凹部に対し異方性エッチングが実施される。このとき、凹部の底面に向かって飛行した正イオン（第１のプラズマによるエッチャント）は、凹部の底面を覆う有機膜を除去するために利用されることとなる。このため、第２の工程でエッチングストッパ層の表面が正に帯電することが抑制される。従って、シリコン層とエッチングストッパ層との境界におけるシリコン層の不所望の浸食、すなわちノッチの発生を好適に抑制することができる。
上記したドライエッチング方法においては、前記第２の工程で、前記第２のプラズマによる前記有機膜形成処理と前記第１のプラズマによる前記エッチング処理とを交互に複数回繰り返すようにしてもよい。
この方法では、基板のシリコン層の厚さや、凹部の開口の大きさや、エッチング処理の種々の条件等に応じて、ノッチの発生を好適に抑制しながら、シリコン層を貫通する凹部をエッチングによって適切に形成することができる。
上記したドライエッチング方法においては、前記第１の工程で、前記凹部の底面の一部に前記エッチングストッパ層が露出されたことを、前記シリコン層のエッチング時に生成されるエッチング生成物の量の変化に基づいて検出するようにしてもよい。
ドライエッチング処理では通常、エッチングに利用されるエッチャントと被エッチング対象物との反応によりエッチング生成物が生成される。このエッチング生成物の生成量はエッチング条件に応じた固有値を示すものとなる。例えばエッチング条件が単一の条件であれば、エッチング生成物の生成反応が略定常状態で進行するため、エッチング生成物の生成量は処理の開始時から一定値となる。一方、エッチング条件が変更される場合には、エッチング生成物の生成反応が非定常状態で進行するため、エッチング生成物の生成量がエッチング条件に応じて増大あるいは減少するものとなる。
ここで、凹部の底面の一部にエッチングストッパ層が露出されると、凹部の底面に向かって飛行したエッチャントの一部は、シリコン層ではなくエッチングストッパ層に衝突することになる。そのため、凹部の底面に向かって飛行したエッチャントの全てがシリコン層に衝突する場合と比較して、エッチング反応に利用されるエッチャントの量とシリコン層の量とが減少する。結果、単位時間あたりに処理容器内に存在するエッチャントの量が増大する一方、単位時間あたりに処理容器内に存在するエッチング生成物の量が減少することになる。つまり、エッチャントと接触するシリコン層が減少するときには、それに応じて上記エッチング生成物の生成量も変化することとなる。
上記方法によれば、凹部の底面の一部におけるエッチングストッパ層の露出が、第１の工程におけるエッチング生成物の生成量の変化に基づいて検出される。従って、エッチングストッパ層の表面が、正イオンに長期にわたり曝露されることが抑制され、ひいては、ノッチの発生を好適に抑制することができる。
上記したドライエッチング方法においては、前記第１の工程で、前記エッチング生成物の量を監視し、前記エッチング生成物の量が減少したとき、前記凹部の底面の一部に前記エッチングストッパ層が露出されたと検出するようにしてもよい。
上記のように、凹部の底面の一部にエッチングストッパ層が露出されると、凹部の底面に向かって飛行したエッチャントの一部は、シリコン層ではなくエッチングストッパ層に衝突することになる。そのため、シリコン層とエッチャントとの反応により生成されるエッチング生成物の量が減少することになる。
上記方法によれば、凹部の底面の一部におけるエッチングストッパ層の露出が、第１の工程におけるエッチング生成物の生成量の減少によって検出されることから、エッチングストッパ層の露出を好適に検出することができる。それゆえ、第１の工程から第２の工程への切り替えが遅れることによってエッチングストッパ層の露出部分が正に帯電することを抑制し、ひいては、上記ノッチの生成を好適に抑制することができる。
上記したドライエッチング方法においては、前記第１の工程で、前記シリコン層をエッチングするエッチャントの量を監視し、前記エッチャントの量が増加したとき、前記凹部の底面の一部に前記エッチングストッパ層が露出されたと検出するようにしてもよい。
上記のように、凹部の底面の一部にエッチングストッパ層が露出されると、凹部の底面に向かって飛行したエッチャントの一部は、シリコン層ではなくエッチングストッパ層に衝突することになる。このエッチングストッパ層に衝突したエッチャントは、エッチング反応に利用されないため処理容器内に残存することになる。あるいは、このエッチャントは他の粒子と衝突した後にシリコン層と反応することも考えられるが、最初にエッチング反応に利用される場合と比較すると、処理容器内に滞在する時間が長くなる。
上記方法によれば、凹部の底面の一部におけるエッチングストッパ層の露出が、第１の工程におけるエッチャントの量の増大によって検出されることから、エッチングストッパ層の露出を好適に検出することができる。それゆえ、第１の工程から第２の工程への切り替えが遅れることによってエッチングストッパ層の露出部分が正に帯電することを抑制し、ひいては、上記ノッチの生成を好適に抑制することができる。
上記したドライエッチング方法において、前記混合ガスが、前記フッ素含有ガスとしての六フッ化硫黄ガスと、前記酸化ガスとしての酸素ガスと、臭化水素ガスとを含むものとしてもよい。また、前記第２のプラズマが、フッ化炭素化合物から生成されてもよい。また、前記有機膜が、前記フッ化炭素化合物の重合体として形成されてもよい。
上記方法によれば、六フッ化硫黄ガスは、シリコン層をエッチングするフッ素ラジカルの原料として使用される。酸素ガスは、六フッ化硫黄ガスと協同して不揮発性のフッ化酸化シリコンを生成する。臭化水素ガスは、シリコン層をエッチングする臭素イオンの原料として使用されるとともに、酸素ガスと協同して臭化酸化シリコンを生成する。そのため、フッ化酸化シリコン及び臭化酸化シリコンといったハロゲン化酸化シリコンにより、凹部の側面（シリコン層）が保護される。更には、フッ素ラジカルと臭素イオンとによって凹部の底面のエッチングが促進されるため、異方性エッチングを好適に実現することができる。
加えて上記方法では、フッ化炭素化合物の重合体が上記有機膜として形成されるため、第１のプラズマに含有されるエッチャントによる化学的エッチングや物理的エッチングによって有機膜が好適に除去される。従って、有機膜は、凹部の浸食を好適に保護しつつもエッチングの進行を阻害することがない。
以下、本発明に係るドライエッチング方法の一実施の形態を図１〜図３を参照して説明する。なお、一実施の形態では、シリコン層をプラズマエッチングする方法について説明する。
図１は、本実施の形態のプラズマエッチング方法を用いたエッチングを実施するプラズマエッチング装置の概略構成を示している。同図１に示されるように、プラズマエッチング装置１０の真空容器１１によって区画されるプラズマ生成領域１１ａ内には、処理対象である基板Ｓを載置する基板ステージ１２が設けられている。なお、基板Ｓは、例えばＭＥＭＳデバイス用の基板であって、エッチングストッパ層としてのシリコン酸化物層Ｌｏと、その上に積層されたシリコン層Ｌｓとを含む。基板Ｓは、シリコン酸化物層Ｌｏを下側にして基板ステージ１２上に配置される。
基板ステージ１２には、これに載置された基板Ｓにバイアス電圧を印加する高周波電源１３が接続されている。これら基板ステージ１２と高周波電源１３との間には、マッチングボックス１４が接続されている。このマッチングボックス１４は、負荷となるプラズマ生成領域１１ａと、高周波電源１３から基板Ｓまでの伝送路とのインピーダンスの整合を図る整合回路と、ブロッキングコンデンサとを含む。また、プラズマ生成領域１１ａ内において、上記基板ステージ１２の上方にはシャワープレート１５が配設されている。このシャワープレート１５は、エッチング処理に用いるプラズマの原料となるガスをプラズマ生成領域１１ａ内に均一に拡散する。
真空容器１１の天部１１ｂに形成されたガス導入口１１ｅには、プラズマの原料となるガス、例えば、フッ素含有ガスである六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガス、酸化ガス（Ｏ２）、及び臭化水素（ＨＢｒ）ガスからなる混合ガスをプラズマ生成領域内１１ａに供給するエッチングガス供給部２１が接続されている。これに加え、同ガス導入口１１ｅには、同じくプラズマ生成領域１１ａ内にフッ化炭素化合物のガス、例えば八フッ化シクロブタン（Ｃ４Ｆ８）ガスを供給するフッ化炭素化合物ガス供給部２２が接続されている。他方、真空容器１１の底部１１ｃに形成された排気口１１ｆには、ターボ分子ポンプ等から構成されて、プラズマ生成領域１１ａ内の気体を排気する排気部２３が接続されている。
また真空容器１１の側部１１ｄに形成された検出口１１ｇには、プラズマ生成領域１１ａ内に存在する物質の量を単位時間あたりに検出する検出部３０が接続されている。なお、プラズマエッチング装置１０にてエッチング処理が実施されるときには、プラズマ生成領域１１ａ内に生成された生成物、例えばエッチング反応により生成された生成物や、エッチング反応に利用されるエッチャントの生成量が検出部３０によって例えば１秒ごとに検出される。
こうしたプラズマエッチング装置１０は、上記基板Ｓにエッチング処理を施すことで、基板Ｓの特にシリコン層Ｌｓにその厚さ方向に貫通してシリコン酸化物層Ｌｏにまで至る貫通孔を形成する。このエッチング処理では、まず基板Ｓが、プラズマエッチング装置１０の搬入口から真空容器１１内に搬入され、基板ステージ１２上に載置される。次いで、エッチングガス供給部２１にて調量されたエッチングガスがガス導入口１１ｅから導入され、シャワープレート１５を介してプラズマ生成領域１１ａ内に均一に拡散される。こうしてエッチングガスが導入されると、排気部２３によってプラズマ生成領域１１ａが所定の圧力に調圧される。なお、プラズマ生成領域１１ａ内の圧力は、これに導入されるガスの流量と排気部２３の排気量とによって、エッチング処理の実施中に渡り所定の圧力に維持される。
エッチングガスの雰囲気が所定の圧力でプラズマ生成領域１１ａに形成されると、高周波電源１３から例えば６０ＭＨｚの高周波電力がマッチングボックス１４を介して基板ステージ１２に供給される。これにより、基板ステージ１２の周囲に存在するエッチングガスが電離あるいは乖離して、基板Ｓの周囲に例えば、フッ化硫黄系の各種正イオン（ＳＦｘ ＋）や臭素の正イオン（Ｂｒ＋）や、さらには、フッ素ラジカル（Ｆ＊）等のラジカルから構成されるプラズマが生成される。また、高周波電力の周波数に追従するプラズマ中の電子が基板Ｓの表面全体に衝突して、マッチングボックス１４に含まれるブロッキングコンデンサの作用により該基板Ｓの表面全体が負のバイアス電位となる。そして、これら正イオンやラジカルが基板Ｓのシリコン層Ｌｓと反応することにより、該シリコン層Ｌｓがエッチングされる。
また、当該プラズマエッチング装置１０は、こうしたエッチング処理に加えて、上記フッ化炭素化合物ガス供給部２２から供給されたガスを用いて、エッチング処理によって上記シリコン層Ｌｓに形成された凹部に保護膜を形成する処理も実施する。この保護膜は、プラズマで除去可能な有機膜である。そして、これらエッチング処理と保護膜形成処理（有機膜形成処理）とが交互に繰り返されることによって、基板Ｓのシリコン層Ｌｓをその厚さ方向に貫通してシリコン酸化物層Ｌｏにまで達する貫通孔が形成される。
次に、上記基板Ｓに貫通孔を形成する際に実施されるドライエッチング処理の処理工程について、図２、図３を参照して詳述する。図２は、基板Ｓをシリコン層４２の厚さ方向に切断したときの断面形状を、該貫通孔の形成工程の順に示している。
図２（ａ）に示されるように、基板Ｓは、例えば二酸化シリコン等のシリコン酸化物からなるシリコン酸化物層４１と、その上に積層された、シリコンからなるシリコン層４２とを含む。このシリコン層４２の表面４２ｓにはマスク層であるエッチングマスク４３が形成されている。このエッチングマスク４３は、貫通孔の形成領域に対応してシリコン層４２の被エッチング領域４２ａを露出させるようにパターニングされている。なお、以下における混合ガスのガス流量、エッチング処理時の圧力、エッチング処理時の高周波電力の出力値、フッ化炭素化合物ガスのガス流量、保護膜形成処理時の圧力、及び保護膜形成処理時の高周波電力の出力値は、いずれも上記シリコン層４２の厚さが１００μｍ、円形孔である被エッチング領域４２ａの口径が５０μｍで構成された基板Ｓについて好適なものを例示する。
上記基板Ｓにドライエッチング処理が施される際にはまず、基板Ｓが収容された真空容器１１に、エッチングガス供給部２１からエッチングガスが供給される。本実施の形態では、このエッチングガスとして、六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガス、酸素ガス（Ｏ２）、及び臭化水素（ＨＢｒ）ガスが混合された混合ガスが用いられる。これらガスは六フッ化硫黄ガス、酸素ガス、臭化水素ガスの順にそれぞれ、例えば７５ｓｃｃｍ、７５ｓｃｃｍ、１５ｓｃｃｍの流量で真空容器１１内に導入される。つまり、真空容器１１内での六フッ化硫黄ガスの分圧をＰＳＦ、酸素ガスの分圧をＰＯ、そして臭化水素ガスの分圧をＰＨＢｒとするとき、これらの分圧比は、「ＰＳＦ：ＰＯ：ＰＨＢｒ＝５：５：１」となっている。こうして真空容器１１内に混合ガスが導入されると、排気部２３が駆動されて、真空容器１１内が所定の圧力、例えば２０Ｐａとなるように該真空容器１１内の気体が排気される。
次いで、高周波電源１３から、例えば６０ＭＨｚの高周波電力がマッチングボックス１４を介して１２００Ｗの出力値で基板Ｓに供給される。これにより、基板Ｓが載置された基板ステージ１２の周囲には、混合ガスを用いたプラズマが生成されて基板Ｓが負のバイアス電位となる。このプラズマには、上記六フッ化硫黄の励起種であるフッ素ラジカルに加えて、フッ化硫黄系（ＳＦ系）の各種正イオンや、臭化水素の励起種である臭素の正イオンが含まれる。これらラジカル及び正イオンは、エッチングマスク４３の開口から露出されるシリコン層４２の表面４２ｓ（被エッチング領域４２ａ）に飛行し、該シリコン層４２をその表面４２ｓからエッチングするエッチャント４４として機能する。
つまり、基板Ｓの表面４２ｓに引き込まれた正イオンは物理的及び化学的なエッチングを基板Ｓの表面４２ｓで進行させる。また、フッ素ラジカルあるいは臭素イオンは、シリコン（Ｓｉ）との反応により、揮発性の四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）あるいは、揮発性の四臭化ケイ素（ＳｉＢｒ４）を生成する化学的なエッチングを、同じく基板Ｓの表面４２ｓで進行させる。これらのうち、正イオンによるエッチングは、該正イオンが上記バイアス電位によって基板Ｓに略垂直に引き込まれることで誘起されることから、シリコン層４２の表面４２ｓに対して垂直な方向にエッチングを進行させるいわゆる異方性エッチングである。これに対して、フッ素ラジカルや臭素イオンによるエッチングは、指向性を有さない等方性エッチングである。
また、本実施の形態におけるドライエッチング処理に際しては、エッチャント４４を生成するために、六フッ化硫黄ガス、臭化水素ガスに加え、酸素ガスもプラズマエッチング装置１０内に導入されている。そのため、酸素ガスに由来する酸素ラジカル（Ｏ＊）と、上述のようなケイ素のハロゲン化物とが反応し、フッ化酸化シリコン（ＳｉＯｘＦｙ）や臭化酸化シリコン（ＳｉＯｘＢｒｙ）が生成される。ハロゲン化酸化シリコンの１種であるこれらフッ化酸化シリコン及び酸化臭化シリコンの生成反応は、エッチングマスク４３の開口部である被エッチング領域４２ａ全体で生じるため、該被エッチング領域４２ａの全体にこれらハロゲン化酸化シリコンが堆積することになる。そして、シリコン層４２の被エッチング領域４２ａに堆積した上記ハロゲン化酸化シリコンは、シリコン層４２と同様、上述のエッチングで除去されるとともに、特に臭化酸化シリコンは、フッ素ラジカルと反応して揮発性のフッ化臭化シリコン（ＳｉＢｒｘＦｙ）となることで、シリコン層４２上から除去される。
つまり、本実施の形態では、上記各種励起種によるシリコン層４２のエッチングと、該励起種とシリコンと酸素との反応生成物であるハロゲン化酸化シリコンのシリコン層４２への堆積とが同時に進行する。このようなドライエッチング処理が進行すると図２（ｂ）に示されるように、シリコン層４２の厚さ方向に凹部４５が形成される際に、この凹部４５の内表面の全体に上記ハロゲン化酸化シリコンが堆積するようになる。
ここで、ハロゲン化酸化シリコンに対する等方的なエッチングの速度と該ハロゲン化酸化シリコンの堆積速度とが凹部４５の底面４５ａ及び凹部４５の側壁４５ｂに対して等しくなるようにプラズマ生成領域１１ａ内の環境が維持されるものとする。つまり、凹部４５の底面４５ａに堆積するハロゲン化酸化シリコンの量と、凹部４５の側壁４５ｂに堆積するハロゲン化酸化シリコンの量とがほぼ同一であるとともに、上記ラジカルやイオン等による等方性エッチングの速度も、凹部４５の底面４５ａと該凹部４５の側壁４５ｂとでほぼ同一であると見なせるものとする。この場合、シリコン層４２の被エッチング領域４２ａに形成された凹部４５においては、上記正イオンの分だけ、該凹部４５の底面４５ａにおけるエッチング速度が高くなる。特に正イオンの入射確率が高い底面４５ａの中央では、該底面４５ａの中央周辺と比べてエッチング速度が高くなる。これに対して、凹部４５の側壁４５ｂにおいては、これに堆積したハロゲン化酸化シリコンのエッチングが完了しない限り、シリコン層４２のエッチングが進行しなくなる。その結果、被エッチング領域４２ａに対するエッチング処理は、同図２（ｂ）に示されるように、シリコン層４２の厚さ方向に窪んだ凹部４５がその底面４５ａの中央で最も窪むかたちに形成されることとなる。
本実施の形態では、このような異方性のエッチングが進行するように、予め実施された実験等に基づき、プラズマ生成領域１１ａに形成するプラズマ状態や基板Ｓのバイアス電位、すなわち、混合ガスを構成する各種ガスの流量、プラズマ生成領域１１ａの圧力、高周波電源１３から供給される高周波電力等が設定されている。なお、このようなエッチング条件は、例えば単一の条件で構築されてもよく、あるいは複数の異なる条件が連続的に実施されるかたちに構築されてもよい。
そして、こうした異方性エッチングが進行すると、図２（ｃ）に示されるように、やがてシリコン層４２の厚さ方向に垂直に延びる凹部４５の底面４５ａの一部に、シリコン層４２の下層であるシリコン酸化物層４１が露出される。この際には、底面４５ａにおいて異方性のエッチングが最も進行しやすい部位、つまり正イオンの入射確率が最も高くなる底面４５ａの中央で、シリコン酸化物層４１が露出されるようになる。そして、シリコン酸化物層４１の露出部分は、エッチャント４４の１つである正イオンの衝突によって正に帯電することになる。
このように、凹部４５の底面４５ａの一部にシリコン酸化物層４１が露出されるまでシリコン層４２のエッチングが進行すると、エッチングガス供給部２１から基板Ｓへの混合ガスの供給が停止される。そして、図２（ｄ）に示されるように、フッ化炭素化合物ガス供給部２２からフッ化炭素化合物ガス、例えば八フッ化シクロブタンガス４６の供給が開始される。この八フッ化シクロブタンガス４６は、例えば８０ｓｃｃｍの流量で真空容器１１内に供給される。こうして真空容器１１内に八フッ化シクロブタンガス４６が導入されると、真空容器１１内が所定の圧力、例えば４０Ｐａとなるように該真空容器１１内の気体が排気される。次いで、高周波電源１３から、例えば６０ＭＨｚの高周波電力がマッチングボックス１４を介して６００Ｗの出力値で基板Ｓに供給される。これにより、基板Ｓの周囲に八フッ化シクロブタンガス４６からなるプラズマが生成される。
こうして生成されたプラズマ中においては、フッ化炭素系のラジカル（ＣｘＦｙ ＊）やそのクラスターが励起種として生成される。そして、基板Ｓに設けられた凹部４５の内表面全体に該励起種が重合して、フッ化炭素化合物（ＣＦ系）の膜である保護膜４７が形成される。この際、高周波電力の周波数に追従して生じるプラズマ中の電子が、正に帯電したシリコン酸化物層４１の一部（露出部分）を含む基板Ｓの表面全体に衝突して、シリコン酸化物層４１中に残留する正電荷を除電するようになる。また、マッチングボックス１４に含まれるブロッキングコンデンサの作用により、基板Ｓの表面全体が再び負のバイアス電位となる。さらに、このときには、高周波電力の周波数に追従する正イオンが八フッ化シクロブタンガス４６のプラズマ中に含まれないため、基板Ｓが負に帯電し続ける。その結果、静電的に中和若しくは負に帯電されたシリコン酸化物層４１上でも上記励起種による保護膜４７の生成が進行するようになる。この際、シリコン酸化物層４１を含む底面４５ａの中央は、上記励起種が最も進入しやすい部位、つまり該励起種の入射確率が最も高くなる部位となる。従って、保護膜４７は、底面４５ａの中央で、最も緻密な膜構造、あるいは最も厚い膜厚を有するようになる。なお、炭素骨格を有する有機膜であるＣＦ系の保護膜４７は、上記混合ガスのプラズマによって除去可能な組成である。
こうした保護膜４７の形成処理が例えば２０秒間実施されると、図２（ｅ）に示されるように、八フッ化シクロブタンガス４６の供給が停止され、再びエッチングガス供給部２１（図１）から混合ガスが供給される。この混合ガスに含まれる六フッ化硫黄ガス、酸素ガス、及び臭化水素ガスの流量はそれぞれ、７５ｓｃｃｍ、７５ｓｃｃｍ、及び１５ｓｃｃｍとされる。こうして混合ガスが供給されると、真空容器１１内が所定の圧力、例えば２０Ｐａとなるように該真空容器１１内の気体が排気される。次いで、高周波電源１３から、例えば６０ＭＨｚの高周波電力がマッチングボックス１４を介して１２００Ｗの出力値で基板Ｓに供給される。これにより、六フッ化硫黄ガスの励起種であるフッ化硫黄系の正イオンや酸素イオンをエッチャント４４として行う異方性エッチングと、同じく六フッ化硫黄ガスの励起種であるフッ素ラジカルや酸素ラジカルをエッチャント４４として行う等方性エッチングとにより、ＣＦ系の重合膜である保護膜４７が凹部４５の内表面から除去される。
このとき、凹部４５の底面４５ａを覆う保護膜４７は、正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により除去される。特に、正イオンの入射確率が高くなる部位や、正イオンによりエッチングされやすい膜構造の部位では、保護膜４７が早く取り除かれることとなる。ここで、底面４５ａの中央では、保護膜４７の膜構造が高いエッチング耐性あるいは厚い膜厚を有する一方、正イオンの入射確率が高くなる。これに対して、底面４５ａの中央周辺では、保護膜４７の膜構造が上記中央に形成された保護膜４７よりも低いエッチング耐性あるいは薄い膜厚を有する一方、正イオンの入射確率が上記中央よりも低くなる。それゆえ、底面４５ａの中央と底面４５ａの中央周辺とにおいては、保護膜４７が取り除かれる速度が略同じとなるか、あるいは底面４５ａの中央周辺の方が少しだけ遅くなる。すなわち、底面４５ａの略全体は同じタイミングで露出されるか、あるいは底面４５ａの中央が少しだけ先行して露出される。なお、等方性エッチングが支配的に進行する凹部４５の側壁４５ｂでは、上記底面４５ａと比較して保護膜４７が残存しやすくなる。その結果、底面４５ａの略全体で保護膜４７が側壁４５ｂに先行して取り除かれ、底面４５ａの中央周辺に残るシリコン層４２のエッチングが継続して進行することとなる。
このようにして再度エッチングが進行すると、凹部４５の側壁４５ｂが保護されつつ、凹部４５の底面４５ａに露出されるシリコン酸化物層４１の面積割合が次第に高くなる。また、底面４５ａの中央に露出されたシリコン酸化物層４１は、底面４５ａの中央周辺に残存するシリコン層４２のエッチングが進行するに連れて再び正に帯電し始める。但し、上記のように保護膜４７の形成時にはシリコン酸化物層４１中に残留する正電荷が除電され若しくは基板Ｓが負に帯電されることにより、シリコン酸化物層４１に正電荷が蓄積され始めるタイミングは、シリコン層４２が再びエッチングされ始めるタイミングと略同じか、あるいはそれよりも遅れる。そのため、保護膜４７が形成されることなくエッチング処理が続けられた場合と比較して、シリコン酸化物層４１に帯電する正電荷量がエッチングの開始時において大幅に低減されることとなる。それゆえに、シリコン酸化物層４１の露出部分に向けて正イオンが進行したとしても、正イオンの殆どはシリコン酸化物層４１に衝突してエッチング能を失活させるため凹部４５の側壁４５ｂにおいてエッチング反応が進行することはない。
またシリコン酸化物層４１に向けて進行した正イオンがシリコン酸化物層４１から逸れることがあっても、凹部４５がその底面４５ａの中央で最も窪むかたちを呈するため、こうした正イオンによるエッチングが底面４５ａのシリコン層４２のエッチングとして寄与するようになる。それゆえ、底面４５ａのシリコン層４２が該シリコン層４２の厚さ方向に沿ってエッチングされ続けることとなる。つまり、
（Ａ）シリコン酸化物層４１に正電荷が蓄積され始めるタイミングが、シリコン層４２がエッチングされ始めるタイミングと略同じ、若しくはそれより遅いこと、
（Ｂ）凹部４５がその底面４５ａの中央で最も窪むかたちを呈すること、
により、シリコン層４２はその厚さ方向に沿ってエッチングされ続けることとなる。なお本実施の形態では、この凹部４５の側壁４５ｂに形成された保護膜４７が残存して側壁４５ｂのシリコン層４２のエッチングが進行しない程度の時間、例えば１０秒間にエッチング処理の時間が設定されている。
（Ａ）シリコン酸化物層４１に正電荷が蓄積され始めるタイミングが、シリコン層４２がエッチングされ始めるタイミングと略同じ、若しくはそれより遅いこと、
（Ｂ）凹部４５がその底面４５ａの中央で最も窪むかたちを呈すること、
により、シリコン層４２はその厚さ方向に沿ってエッチングされ続けることとなる。なお本実施の形態では、この凹部４５の側壁４５ｂに形成された保護膜４７が残存して側壁４５ｂのシリコン層４２のエッチングが進行しない程度の時間、例えば１０秒間にエッチング処理の時間が設定されている。
この１０秒間に渡るエッチング処理が完了すると、図２（ｆ）に示されるように、エッチングガス供給部２１からのエッチングガスの供給が停止され、先の図２（ｄ）と同様、フッ化炭素化合物ガス供給部２２から八フッ化シクロブタンガス４６が供給されて、凹部４５の内表面に保護膜４７が再び形成される。つまり本実施の形態では、先の図２（ａ）〜図２（ｃ）に示される、混合ガスを用いたシリコン層４２のエッチング処理を行う第１の工程の後に、先の図２（ｄ）及び図２（ｆ）に示される、保護膜４７によって凹部４５の内表面を覆う保護膜形成処理と、先の図２（ｅ）に示される、混合ガスによるエッチング処理とを交互に繰り返す第２の工程を実施するようにしている。
上記第２の工程では保護膜形成処理とエッチング処理とが例えば２５回繰り返される。この間、底面４５ａに露出されるシリコン酸化物層４１は、先行するエッチング処理により正に帯電するものの、上記のように、シリコン酸化物層４１に帯電した正電荷は、後続する保護膜４７の形成処理において除電されることになる。そして凹部４５の側壁４５ｂに保護膜４７が残存する状態で上記エッチング処理と保護膜形成処理とが繰り返されることにより、図２（ｇ）に示されるように、底面４５ａのシリコン層４２の全てがエッチングされる。こうして、シリコン層４２の厚さ方向に貫通する貫通孔Ｈが形成される。この貫通孔Ｈは、シリコン酸化物層４１の露出面に相当する開口Ｈａを有し、シリコン層４２の表面４２ｓの開口と、シリコン酸化物層４１を露出させる貫通孔Ｈの開口Ｈａとはほぼ同一の形状となる。つまり、シリコン層４２に形成された貫通孔Ｈは、シリコン層４２の厚さ方向のいずれの位置であっても、シリコン層４２の表面４２ｓと平行な断面の形状がほぼ同一となる。
こうしてシリコン層４２をその厚さ方向に貫通する貫通孔Ｈが形成されると、図２（ｈ）に示されるように、シリコン層４２に積層されたエッチングマスク４３と、貫通孔Ｈの内表面に残存する保護膜４７とが除去される。
本実施の形態においては、上述のような貫通孔Ｈの形成に際し、シリコン層４２のドライエッチング処理を開始したときから、当該ドライエッチング処理の反応生成物、特に真空容器１１の気相中に存在する上記四フッ化ケイ素や四臭化ケイ素の量を検出部３０によって検出するようにしている。これら揮発性を有するエッチング生成物の生成量の推移と、上記エッチングガス及び保護膜４７の原料である八フッ化シクロブタンガスの供給処理について、図３を参照して説明する。
図３は、エッチングガス及び八フッ化シクロブタンガスの真空容器１１への供給処理を示すとともに、真空容器１１内における揮発性のエッチング生成物の存在量の推移を示している。図３（ａ）に示されるように、タイミングｔ１にてシリコン層４２のエッチング工程である第１の工程が開始されると、図３（ｃ）に示されるように、シリコン層４２とフッ素ラジカルとの反応、あるいはシリコン層４２と臭素イオンとの反応により、揮発性のエッチング生成物が真空容器１１内に存在するようになる。このとき、図３（ｂ）に示されるように、保護膜４７の形成材料である八フッ化シクロブタンガスの供給はなされない。
なお、上述のように、ドライエッチング処理の実施中は、混合ガスが一定の条件で真空容器１１内に供給されるとともに、一定の条件にて真空容器１１内の気体が排気されることにより、該真空容器１１内が所定の圧力に維持されている。そのため、単位時間当たりのエッチング生成物の量が一定であれば、つまり、エッチング速度が一定であれば、ドライエッチング処理の実施中に渡って真空容器１１内のエッチング生成物の量は一定に維持される。例えば、先の図２（ａ）、図２（ｂ）に示されるように、シリコン層４２のみのエッチングによって凹部４５が形成されている間は、単位時間当たりにシリコン層４２の被エッチング領域４２ａに衝突するエッチャント４４の量と、エッチャント４４と反応するシリコンの量とがほぼ等しいと考えられる。そのため、真空容器１１内のエッチング生成物の量もほぼ一定に維持されることになる。
第１の工程によるシリコン層４２のエッチングが進行し、凹部４５の底面４５ａの一部に、シリコン層４２の下層であるシリコン酸化物層４１が露出すると（タイミングｔ２）、図３（ｃ）に示されるように、シリコン層４２のエッチング反応により生成されるエッチング生成物の量が減少する。これは、シリコン酸化物層４１が底面４５ａの一部に露出されることにより、被エッチング領域４２ａにおいてシリコン層４２と反応しないエッチャント４４が存在するためである。つまり、エッチャント４４とのエッチング反応に供される単位時間当たりのシリコン層４２の量が減少することで、揮発性のエッチング生成物の生成量が減少する。こうして、一旦シリコン酸化物層４１が露出されると、シリコン層４２のエッチングが進行するに従って、凹部４５の底面４５ａに露出されるシリコン酸化物層４１の面積が拡大される。よって、エッチャント４４と反応する単位時間当たりのシリコン層４２の量も減少することになる。それゆえ、上記真空容器１１内に存在するエッチング生成物の量も次第に減少することになる。
本実施の形態では上述のように、シリコン層４２への貫通孔Ｈの形成を開始したときから、真空容器１１の気相中に存在するエッチング生成物の量が上記検出部３０にて検出され監視される。このエッチング生成物の量は、シリコン層４２に形成される凹部４５の底面４５ａの一部にシリコン酸化物層４１が露出されたことを契機として減少し始める。従って、エッチング生成物の量の減少が検出された時点が、凹部４５の底面４５ａの一部にシリコン酸化物層４１が露出し始めたタイミングであると言える。
ここで、先の図４（ｅ）に示されるように、ドライエッチング処理により形成された凹部５５の底面にシリコン酸化物層５１の一部が露出された後も、貫通孔Ｈの形成が完了するまでドライエッチング処理を実施し続けると、シリコン酸化物層５１にエッチャント５４が衝突して該シリコン酸化物層５１が正に帯電するようになる。こうしてシリコン酸化物層５１に帯電した正の電荷は、基板Ｓに向かって垂直に飛行するエッチャント５４、特に正イオンの軌道を、シリコン酸化物層５１の表面近傍において、貫通孔Ｈの側壁をなすシリコン層５２に向かうように変更する。この軌道が変更されたエッチャント５４により、貫通孔Ｈの開口Ｈａが拡大される、つまり、ノッチ６０が発生することになる。
これに対し、本実施の形態では、タイミングｔ２にてシリコン酸化物層４１が露出して以降、エッチング生成物の量に所定の減少傾向が見られると検出部３０が判断すると、凹部４５の底面４５ａにシリコン酸化物層４１の一部が露出されたと判断される（タイミングｔ３）。こうした判断がなされたタイミングで、エッチングガス供給部２１からのエッチングガスの供給が停止されるとともに、フッ化炭素化合物ガス供給部２２からの八フッ化シクロブタンの供給が開始される。つまり、タイミングｔ３にて上記第１の工程から第２の工程への切り替えが実施される。
なお、底面４５ａの一部にシリコン酸化物層４１が露出された後における第１の工程から第２の工程への切り替えタイミングは、貫通孔Ｈの設計寸法、第１の工程で得られる凹部４５の形状、保護膜４７の膜構造や段差被覆性、さらには第２の工程で得られる保護膜４７のエッチング形状等、予め実施されるこれらの結果に基づいて適宜選択される。例えば、貫通孔Ｈの口径が小さく且つ、貫通孔Ｈの深さが浅くなる場合には、凹部４５において上記（Ｂ）の構造が得られ難いため、第１の工程から第２の工程への切り替えタイミングを早くすることが好ましい。反対に貫通孔Ｈの口径が大きく且つ、貫通孔Ｈの深さが深くなる場合には、凹部４５において上記（Ｂ）の構造が得られやすいため、第１の工程から第２の工程への切り替えタイミングを遅くすることが好ましい。また例えば、底面４５ａの中央付近で保護膜４７の耐エッチング性が高くなる場合には、上記（Ａ）の状態が得られやすいため、第１の工程から第２の工程への切り替えタイミングを遅くすることが好ましい。
次いで、タイミングｔ３からタイミングｔ４までに渡り、八フッ化シクロブタンが供給されて、凹部４５の内表面に保護膜４７が形成される。そして、タイミングｔ４では、八フッ化シクロブタンの供給が停止され、エッチングガスの供給が再度開始される。なお、例えば、タイミングｔ３からタイミングｔ４までの時間は、タイミングｔ４からエッチングガスの供給を停止するタイミングｔ５までの時間の２倍に設定される。
このように、基板Ｓにシリコン層４２からシリコン酸化物層４１まで貫通する貫通孔Ｈを形成する際には、上記タイミングｔ３で、ドライエッチング処理を行う第１の工程が、保護膜形成処理とドライエッチング処理とを交互に繰り返す第２の工程に切り替えられる。そのため、凹部４５の底面４５ａに露出されたシリコン酸化物層４１の一部が、予め保護膜４７によって覆われた状態で、混合ガスによってエッチングされることになる。それゆえ、保護膜４７を形成した後のドライエッチング処理では、上記底面４５ａに形成された保護膜４７が除去されつつ、上記被エッチング領域４２ａに残存するシリコン層４２が除去される。
こうして保護膜形成処理とドライエッチング処理とが交互に繰り返されることにより、シリコン層４２の被エッチング領域４２ａにおけるシリコンが完全に除去されて、シリコン酸化物層４１に開口Ｈａを有する貫通孔Ｈが形成される（タイミングｔ６：図３（ｃ））。
本実施の形態のドライエッチング方法は、以下に列挙する利点を有する。
（１）シリコン層４２のエッチングに利用する六フッ化硫黄ガスと、シリコン層４２を酸化する酸素ガスとを含む混合ガスから生成されたプラズマを用いた異方性エッチングにより、シリコン層４２をエッチングし始めるようにした。そして、シリコン酸化物層４１の少なくとも一部が凹部４５の底面４５ａに露出されると、エッチングにより形成された凹部４５の内表面を保護膜４７で覆う処理と、上記エッチング処理とを交互に実施するようにした。このように、酸素ガスによって凹部４５の内表面を保護しつつ、六フッ化硫黄ガスによるシリコン層４２のエッチングを実施することで、指向性を有しないラジカルによる等方性のエッチングが抑制されて、異方性のエッチングが進行するようになる。加えて、凹部４５の底面４５ａの一部にシリコン酸化物層４１が露出して以降は、この露出領域が保護膜４７によって覆われた状態でシリコン層４２のエッチングが実施される。そして、シリコン酸化物層４１の表面に向かって飛行した正イオンが凹部４５の底面４５ａに形成された保護膜４７を除去するのに利用されるため、シリコン酸化物層４１の表面が正に帯電することが抑制されるようになる。従って、貫通孔Ｈの底部においてノッチの発生を抑制することができるようになる。
（１）シリコン層４２のエッチングに利用する六フッ化硫黄ガスと、シリコン層４２を酸化する酸素ガスとを含む混合ガスから生成されたプラズマを用いた異方性エッチングにより、シリコン層４２をエッチングし始めるようにした。そして、シリコン酸化物層４１の少なくとも一部が凹部４５の底面４５ａに露出されると、エッチングにより形成された凹部４５の内表面を保護膜４７で覆う処理と、上記エッチング処理とを交互に実施するようにした。このように、酸素ガスによって凹部４５の内表面を保護しつつ、六フッ化硫黄ガスによるシリコン層４２のエッチングを実施することで、指向性を有しないラジカルによる等方性のエッチングが抑制されて、異方性のエッチングが進行するようになる。加えて、凹部４５の底面４５ａの一部にシリコン酸化物層４１が露出して以降は、この露出領域が保護膜４７によって覆われた状態でシリコン層４２のエッチングが実施される。そして、シリコン酸化物層４１の表面に向かって飛行した正イオンが凹部４５の底面４５ａに形成された保護膜４７を除去するのに利用されるため、シリコン酸化物層４１の表面が正に帯電することが抑制されるようになる。従って、貫通孔Ｈの底部においてノッチの発生を抑制することができるようになる。
（２）シリコン層４２に形成された凹部４５の底面４５ａの一部にシリコン酸化物層４１が露出されると、第１の工程で生成されるエッチング生成物の量が変化する。この変化が検出部３０によって検出されることによって第１の工程が終了し、第２の工程が開始される。これにより、シリコン酸化物層４１の表面が、正イオンに長期にわたり曝露されることを抑制でき、ひいてはノッチの発生を抑制できる。
（３）検出部３０は第１の工程で生成されるエッチング生成物の量を検出して監視し、このエッチング生成物の量の減少を検出する。この検出によって、凹部４５の底面４５ａの一部にシリコン酸化物層４１が露出したと判定される。これにより、シリコン酸化物層４１の一部が露出したことを適切に検出できる。それゆえ、第１の工程から第２の工程への切り替えが遅れることによってシリコン酸化物層４１の露出部分が正に帯電することを抑制し、ひいては、上記ノッチの生成を抑制することができるようになる。
（４）混合ガスが、六フッ化硫黄ガスと、酸素ガスと、臭化水素ガスとを含む。六フッ化硫黄ガスは、シリコン層４２をエッチングするフッ素ラジカルの原料として使用される。酸素ガスは、六フッ化硫黄ガスと協同して不揮発性のフッ化酸化シリコンを生成する。臭化水素ガスは、シリコン層４２をエッチングする臭素イオンの原料として使用されるとともに、酸素ガスと協同して臭化酸化シリコンを生成する。そのため、フッ化酸化シリコン及び臭化酸化シリコンといったハロゲン化酸化シリコンにより、シリコン層４２に形成された凹部４５の側面が保護される。更には、フッ素ラジカルと臭素イオンとによって凹部４５の底面４５ａのエッチングが促進されるため、異方性エッチングを好適に実現することができる。
（５）フッ化炭素化合物である八フッ化シクロブタン（Ｃ４Ｆ８）を原料ガスにしてフッ化炭素化合物の重合体を保護膜４７として形成するようにした。これにより、保護膜４７は、上記混合ガスのプラズマに含有されるエッチャント４４による化学的エッチングや物理的エッチングによって好適に除去される。従って、保護膜４７は、凹部４５の浸食を好適に保護しつつもエッチングの進行を阻害することがない。
なお、上記実施の形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・プラズマエッチング装置１０は、基板ステージ１２に印加された高周波電力によってプラズマを誘起する、いわゆる容量結合型のエッチング装置を前提とした。これに限らず、例えば、真空容器１１の天部１１ｂ近傍に、基板ステージ１２と対向する電極を設けるとともに、該電極に高周波電力を印加する構成としてもよい。
・プラズマエッチング装置１０は、基板ステージ１２に印加された高周波電力によってプラズマを誘起する、いわゆる容量結合型のエッチング装置を前提とした。これに限らず、例えば、真空容器１１の天部１１ｂ近傍に、基板ステージ１２と対向する電極を設けるとともに、該電極に高周波電力を印加する構成としてもよい。
・また、上記プラズマエッチング装置１０は、真空容器１１の天部１１ｂ上に搭載される、あるいは同真空容器１１の側部１１ｄの外周面に沿って配設される高周波アンテナを備え、高周波アンテナに高周波電力を印加することによって真空容器１１内にプラズマを誘起させるものでもよい。つまり、本発明は、いわゆる誘導結合型のプラズマエッチング装置を採用することも可能である。
・さらに、プラズマエッチング装置として誘導結合型の装置を採用した場合、例えば、真空容器１１の側部１１ｄの外周面に沿って配設され、真空容器の内部に磁場がゼロとなる領域を形成する磁場コイルを設けるようにしてもよい。
・エッチングガスは上記混合ガス、つまり、六フッ化硫黄ガス、酸素ガス、及び臭化水素ガスからなる混合ガスに限らず、シリコン層を酸化する酸化ガスとフッ素含有ガスとを含む混合ガスであって、シリコン層の厚さの方向に延びる凹部を形成できる構成であればよい。例えば、六フッ化硫黄ガスに限らずフッ素含有ガスである五フッ化ヨウ素ガスを用いたり、酸素ガスに限らず酸化ガスであるオゾンガスを用いたりしてもよい。また、臭化水素ガスを割愛してもよい。
・上記混合ガスが、六フッ化硫黄ガス、酸素ガス、及び臭化水素ガスに加えて、他のガス、例えば六フッ化硫黄ガス以外のフッ素含有ガスや、酸素ガス以外の酸化ガス等を含むようにしてもよい。
・保護膜４７の形成に際し、その原料となるガスは上記八フッ化シクロブタンガスに限らず、例えば八フッ化プロパンガス等であってもよい。要は、エッチングガスによって除去可能な有機膜を形成可能なフッ素炭化化合物ガスであればよい。
・上記第１の工程及び第２の工程におけるドライエッチング処理に係る条件や、第２の工程における保護膜４７の形成処理に係る条件は上記に限らず、例えば、基板Ｓが有するシリコン層４２の厚さや、これに形成する貫通孔Ｈの大きさ、あるいはエッチング処理に係る条件等に合わせて適宜変更可能である。
・第２の工程において、保護膜４７の形成処理とドライエッチング処理とを交互に繰り返す回数を２５回とした。これに限らず、繰り返し回数は、例えば、基板Ｓが有するシリコン層４２の厚さや、これに形成する貫通孔Ｈの大きさ、あるいは、エッチング処理に係る条件等に応じて適宜変更可能である。
・検出部３０は、真空容器１１内に存在する揮発性のエッチング生成物の量を検出して監視するとともに、このエッチング生成物の量が減少したことを契機に、上記第１の工程から第２の工程に切り替えるようにした。これに限らず、当該検出部３０が、シリコン層４２をエッチングするエッチャント４４の量を検出するようにしてもよい。
ここで、上記第１の工程によるシリコン層４２のエッチングが進行し、凹部４５の底面４５ａにおける一部に、シリコン層４２の下層であるシリコン酸化物層４１が露出されると、シリコン層４２をエッチングするエッチャント４４の量が増大する。これは、シリコン酸化物層４１が凹部４５の底面４５ａに露出されることにより、被エッチング領域４２ａにおいてシリコン層４２と反応しないエッチャント４４が生じるためである。つまり、真空容器１１のエッチングガス供給部２１から基板Ｓに向かって飛行したものの、シリコン酸化物層４１に衝突して、再び真空容器１１のエッチングガス供給部２１に向かって戻されるエッチャント４４が存在するためである。こうして、一旦シリコン酸化物層４１が露出されると、シリコン層４２のエッチングが進行するに従って、凹部４５の底面４５ａに露出されるシリコン酸化物層４１の面積が拡大して、シリコン層４２と反応する単位時間当たりのエッチャント４４の量が減少することになる。それゆえに、上記真空容器１１内に存在するエッチャント４４の量が次第に増大することになる。
上記理由により、検出部３０が真空容器１１内のエッチャント４４の量の増大を検出したことを契機に、上記第１の工程が第２の工程に切り替えられるようにすれば、シリコン層４２に形成される凹部４５の底面４５ａにシリコン酸化物層４１が露出されたときに、これら工程間の切り替えがなされることになる。この方法によれば、上記（３）の利点に代えて以下の利点が得られる。
（６）検出部３０は第１の工程でシリコン層４２をエッチングするエッチャント４４の量を監視し、このエッチャント４４の量の増大を検出する。この検出によって、凹部４５の底面４５ａの一部にシリコン酸化物層４１が露出されたと判定される。これにより、該シリコン酸化物層４１の一部が露出したことを適切に検出できるようになる。それゆえ、第１の工程から第２の工程への切り替えが遅れることによってシリコン酸化物層４１の露出部分が正に帯電することを抑制し、ひいては、上記ノッチの生成を抑制することができるようになる。
・真空容器１１内に存在するエッチング生成物の量が減少したことを契機に、上記第１の工程から第２の工程に切り替えるようにした。これに限らず、ドライエッチング処理を開始してから、上記凹部４５の底面４５ａにおける一部にシリコン酸化物層４１が露出されるまでの時間を予め実験等により測定しておき、これに応じて第１の工程の実施時間を設定し、該実施時間が経過したことを契機に、第２の工程に切り替えるようにしてもよい。
・上記第１の工程及び上記第２の工程では、それぞれ混合ガスの流量、圧力、高周波電力の出力値など、エッチング条件が単一の条件となることを前提としたが、少なくとも一方の工程内において複数の異なるエッチング条件が連続的に実施される構成であってもよい。
・誘電体からなるエッチングストッパ層は、上記シリコン酸化物層４１の他、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物層、あるいはこれらの積層体で構成されていてもよく、上記シリコン層４２との密着性が確保された各種誘電体層であればよい。
Claims (6)
- 誘電体からなるエッチングストッパ層上にシリコン層を有する基板に、開口を有するマスク層を介してドライエッチングを施す方法であって、
前記シリコン層を酸化する酸化ガスとフッ素含有ガスとを含む混合ガスから第１のプラズマを生成し、該第１のプラズマ中で前記基板を負のバイアス電位に維持し、前記マスク層の開口を介して前記シリコン層に前記第１のプラズマによる異方性エッチングを施して前記シリコン層に凹部を形成する第１の工程と、
有機膜形成処理とエッチング処理とを交互に繰り返す第２の工程であって、前記有機膜形成処理が、前記第１のプラズマで除去可能な有機膜の形成に用いる第２のプラズマを生成し、該第２のプラズマ中で前記基板を負のバイアス電位に維持し、前記第２のプラズマにより前記凹部の内表面に前記有機膜を堆積することを含み、前記エッチング処理が、前記混合ガスから前記第１のプラズマを生成し、該第１のプラズマ中で前記基板を負のバイアス電位に維持し、前記マスク層の開口を介して前記有機膜に覆われた前記凹部に前記第１のプラズマによる異方性エッチングを施すことを含む、同第２の工程とを備え、
前記第１の工程により形成される前記凹部の底面の一部に前記エッチングストッパ層が露出されたとき、前記第１の工程から前記第２の工程への切り替えが行われることを特徴とする方法。 - 請求項１に記載の方法において、
前記第２の工程で、前記第２のプラズマによる前記有機膜形成処理と前記第１のプラズマによる前記エッチング処理とを交互に複数回繰り返すことを特徴とする方法。 - 請求項１又は２に記載の方法において、
前記第１の工程で、前記凹部の底面の一部に前記エッチングストッパ層が露出されたことを、前記シリコン層のエッチング時に生成されるエッチング生成物の量の変化に基づいて検出することを特徴とする方法。 - 請求項３に記載の方法において、
前記第１の工程で、前記エッチング生成物の量を監視し、前記エッチング生成物の量が減少したとき、前記凹部の底面の一部に前記エッチングストッパ層が露出されたと検出することを特徴とする方法。 - 請求項１又は２に記載の方法において、
前記第１の工程で、前記シリコン層をエッチングするエッチャントの量を監視し、前記エッチャントの量が増加したとき、前記凹部の底面の一部に前記エッチングストッパ層が露出されたと検出することを特徴とする方法。 - 請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法において、
前記混合ガスが、前記フッ素含有ガスとしての六フッ化硫黄ガスと、前記酸化ガスとしての酸素ガスと、臭化水素ガスとを含み、
前記第２のプラズマが、フッ化炭素化合物から生成され、
前記有機膜が、前記フッ化炭素化合物の重合体として形成される、
ことを特徴とする方法。
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