TWI523100B - 電漿蝕刻方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種使特定之處理氣體電漿化而對矽基板進行蝕刻，於該矽基板形成上部開口寬度較寬且底部寬度較窄之錐形(前端漸細狀)之蝕刻結構(錐形蝕刻結構)之電漿蝕刻方法。
存在如下情形，即藉由對矽基板進行蝕刻而形成之蝕刻結構(孔或槽)之側壁如圖3(b)所示般，並非垂直而為帶有傾斜地形成上部開口寬度變寬且底部寬度變窄之錐形。
而且，作為於矽基板上形成此種錐形蝕刻結構之蝕刻方法，先前已知有例如日本專利特開平2-89310號公報中所揭示者。該蝕刻方法係使用溴化氫及氧之混合氣體作為蝕刻氣體，使該混合氣體電漿化而對矽基板進行蝕刻。
該蝕刻方法中，藉由氧氣之電漿化而於矽基板形成作為抗蝕刻層之氧化膜，並藉由溴化氫氣體之電漿化而對矽基板進行蝕刻，故而一面藉由氧化膜保護蝕刻結構之側壁，一面進行蝕刻，藉此，藉由蝕刻而形成之蝕刻結構成為錐形。
[專利文獻1]日本公開公報日本專利特開平2-89310號公報
然而，若如上述先前之蝕刻方法般，利用藉由使氧氣電漿化而於矽基板上形成之氧化膜保護側壁，則於矽基板之深度方向上易於進行蝕刻，相對於此，於如對遮罩正下部基蝕般之矽基板之寬度方向上難以進行蝕刻。因此，若使氧氣電漿化，則側壁上部易成為呈圓弧狀凹陷之形狀(彎曲形狀)(參照圖8)，而無法獲得良好之蝕刻形狀。
而且，若形成呈彎曲形狀之蝕刻結構，則於例如形成錐形之蝕刻結構之後以CVD(chemical vapor deposition，化學氣相沈積)處理進行成膜之情形時，彎曲形狀成為均質沈積之障礙，因此會產生於彎曲形狀之部分難以形成薄膜之問題。因此，較佳為呈錐形地對矽基板進行蝕刻以不形成彎曲形狀。
再者，抗蝕刻層亦可藉由使例如C4F8氣體等氟碳氣體電漿化形成聚合膜而形成。因此，亦可使用氟碳氣體代替上述氧氣，將藉由氟碳氣體而形成之聚合膜作為抗蝕刻層，或者使用上述氧氣及氟碳氣體，將藉由氧氣而形成之氧化膜、及藉由氟碳氣體而形成之聚合膜作為抗蝕刻層對矽基板進行蝕刻。
然而，於使氟碳氣體電漿化形成聚合膜之情形時，側壁之表面易成為粗糙之狀態(表面粗糙度較粗之狀態)(參照圖6)，而無法獲得高精度之蝕刻結構。可認為其原因在於：利用電漿化之氟碳氣體而形成之抗蝕刻層為沈積於矽基板表面之聚合膜，例如，難以如藉由電漿化之氧氣與矽原子之化學反應而形成於矽基板表面之氧化膜般均一地形成。即，於聚合膜較薄之部分(聚合物之沈積較少之部分)易於進行蝕刻，於聚合膜較厚之部分(聚合物之沈積較多之部分)難以進行蝕刻，因此，在蝕刻易於進行之部分與難以進行之部分會產生凹凸。眾所周知的是，由於該凹凸成為殘渣(微遮罩)而導致蝕刻狀態產生不均，從而經蝕刻之膜表面成為粗糙之狀態(表面粗糙度較高之狀態)。
而且，若表面粗糙度較粗，則於例如形成錐形之蝕刻結構之後以CVD處理進行成膜之情形時，存在無法形成均一膜厚之薄膜等問題。因此，較佳為以使表面粗糙度不變粗之方式對矽基板進行蝕刻。
本發明係鑒於以上之實際情況而完成者，且其目的在於提供一種可防止彎曲形狀而形成表面平滑之錐形之蝕刻結構之電漿蝕刻方法。
用以達成上述目的之本發明係一種電漿蝕刻方法，其特徵在於：其係使處理氣體電漿化而對矽基板進行蝕刻，於該矽基板上形成上部開口寬度較寬且底部寬度較窄之錐形之孔或槽者，且，使用氟系氣體及氮氣作為上述處理氣體，使該些氣體電漿化，並且一面藉由電漿化之氮氣於上述矽基板形成抗蝕刻層，一面藉由電漿化之氟系氣體對上述矽基板進行蝕刻。氟系氣體與氮氣之電漿化既可同時，亦可不同時。
根據本發明，使用氟系氣體及氮氣作為處理氣體，使該些氣體電漿化而對矽基板進行蝕刻。具體而言，一面藉由使氮氣電漿化而於矽基板形成抗蝕刻層(例如，包含SiN之氮化膜)，一面藉由使氟系氣體電漿化而對矽基板進行蝕刻。
於藉由電漿化之氮氣而形成抗蝕刻層之情形時，與藉由電漿化之氧氣而形成抗蝕刻層之情形相比，於對遮罩正下部基蝕之方向上易於進行蝕刻。因此，於藉由電漿化之氮氣而形成抗蝕刻層之情形時，難以形成彎曲形狀。
又，於藉由電漿化之氮氣而形成抗蝕刻層之情形時，藉由電漿化之氮氣與矽原子之化學反應而形成於矽基板表面之抗蝕刻層難以如沈積於矽基板表面之聚合膜般抗蝕刻層之層厚變得不均一，藉此，藉由蝕刻而形成之蝕刻結構之表面之凹凸較少而較為平滑。又，一般而言，使用藉由氮氣而形成之抗蝕刻層，相較於使用藉由氧氣而形成之抗蝕刻層，表面之凹凸較少而較為平滑。
以如此方式對矽基板進行蝕刻，從而於該矽基板形成上部開口寬度較寬且底部寬度較窄之錐形之蝕刻結構。
從而，根據本發明之電漿蝕刻方法，可形成無彎曲形狀且表面平滑之錐形之蝕刻結構。
又，於上述之構成中，亦較佳為藉由調整蝕刻時之氮氣之供給流量或蝕刻時之腔室內之壓力而控制所形成之蝕刻結構之錐狀態。此處，蝕刻結構之錐狀態除所形成之錐形狀以外，亦包括其表面粗糙度。
再者，所謂表面粗糙度係依據JIS標準而由「自對象物之表面隨機地抽取之各部分之表示表面粗糙度之參數即算術平均粗糙度(Ra)、最大高度(Ry)、十點平均粗糙度(Rz)、凹凸之平均間隔(Sm)、局部山頂之平均間隔(S)及負荷長度率(tp)」之一或其組合所表示之概念。
根據上述之構成，可藉由變更相對易調整之製程條件而簡便地控制錐狀態。藉此，可形成無彎曲形狀且表面平滑之錐形之蝕刻結構。
且說，於藉由電漿化之氮氣而形成抗蝕刻層之情形時，與藉由電漿化之氧氣而形成抗蝕刻層之情形相比，抗蝕刻層之強度較低，因此，易於向蝕刻結構之寬度方向進行蝕刻，而難以向蝕刻結構之深度方向進行蝕刻。因此，有時朝向蝕刻結構之深度方向之蝕刻速度變慢，而無法獲得固定水準以上之蝕刻速度。
因此，於該情形時，較佳為於實施使上述氟系氣體及氮氣電漿化而對上述矽基板進行蝕刻之步驟即第1步驟之後，實施第2步驟，即，使用氟系氣體及氧系氣體作為上述處理氣體，使該些氣體電漿化，並且一面藉由電漿化之氧系氣體於上述矽基板形成抗蝕刻層，一面藉由電漿化之氟系氣體對上述矽基板進行蝕刻。氟系氣體與氧系氣體之電漿化既可同時，亦可不同時。
如此一來，於藉由電漿化之氧系氣體而形成抗蝕刻層時，相較於藉由電漿化之氮氣而形成抗蝕刻層時，抗蝕刻層之強度變高，因此，相較於蝕刻結構之寬度方向，易於向蝕刻結構之深度方向進行蝕刻，就該情況而言，可更高效地進行朝向深度方向之蝕刻。
此時，第1步驟中所形成之蝕刻結構之側壁係利用藉由氮氣之電漿化而形成之抗蝕刻層進行保護，以防止成為彎曲形狀，又，第2步驟中之藉由蝕刻而新形成之側壁係一面利用藉由氧系氣體之電漿化而形成之抗蝕刻層(例如，包含SiO2之氧化膜)進行保護，一面進行蝕刻。又，藉由電漿化之氧系氣體與矽原子之化學反應而於矽基板表面形成抗蝕刻層，故而難以如沈積於矽基板表面之聚合膜般抗蝕刻層之層厚變得不均一，藉此，第2步驟中所形成之蝕刻結構之表面亦成為凹凸較少而較為平滑者。
若如此般以兩個階段進行蝕刻，對第1步驟中所形成之蝕刻結構，於第2步驟中進一步向深度方向進行蝕刻，則如上所述，除可形成無彎曲形狀而表面平滑之錐形之蝕刻結構以外，亦可獲得更快之蝕刻速度，就該情況而言，即便為深度較深之蝕刻結構，亦可於更短時間內結束蝕刻。
又，藉由氮氣之電漿化而形成抗蝕刻層之第1步驟，相較於藉由氧系氣體之電漿化而形成抗蝕刻層之第2步驟，易於向蝕刻結構之寬度方向進行蝕刻，就該情況而言，於依序實施上述第1步驟及第2步驟之情形時，若第1步驟之處理時間較長，則於蝕刻結構之寬度方向進行相應程度之蝕刻，於第1步驟中所形成之蝕刻結構之側壁、與第2步驟中所形成之蝕刻結構之側壁之邊界易產生階差。
因此，較佳為將上述第1步驟之處理時間設為4秒以上。如此一來，則可於第1步驟中充分地進行朝向寬度方向之蝕刻，而獲得防止彎曲形狀之錐形之蝕刻結構。而且，較佳為將上述第1步驟之處理時間設為10秒以下。如此一來，則可將第1步驟中所形成之蝕刻結構之朝向寬度方向之蝕刻抑制在固定範圍內，從而使其側壁與第2步驟中所形成之蝕刻結構之側壁之階差難以產生(即便產生，亦為極微小)。
再者，作為上述氟系氣體，例如可列舉SF6氣體或CF4氣體，作為上述氧系氣體，例如可列舉O2氣體。
如上所述，根據本發明之電漿蝕刻方法，於矽基板形成上部開口寬度較寬且底部寬度較窄之錐形之孔或槽時，使氟系氣體及氮氣電漿化，一面藉由電漿化之氮氣於矽基板形成抗蝕刻層，一面藉由電漿化之氟系氣體對矽基板進行蝕刻，因此，可防止彎曲形狀而形成表面平滑之錐形之蝕刻結構(錐形蝕刻結構)。
以下，根據隨附圖式對本發明之具體實施形態進行說明。
首先，根據圖1對用以實施本發明之一實施形態之電漿蝕刻方法之蝕刻裝置1進行說明。如圖1所示，該蝕刻裝置1包含：處理腔室11，其具有封閉空間；基台15，其升降自如地配設於處理腔室11內，且載置有矽基板K；升降氣缸18，其使基台15升降；排氣裝置20，其對處理腔室11內之壓力進行減壓；氣體供給裝置25，其將處理氣體供給至處理腔室11內；電漿生成裝置30，其使供給至處理腔室11內之處理氣體電漿化；及電源35，其將高頻或低頻電力供給至基台15。
上述處理腔室11係由具有相互連通之內部空間之下腔室12及上腔室13所構成，上腔室13係較下腔室12更小地形成。上述基台15係由載置有矽基板K之上構件16、及連接有升降氣缸18之下構件17所構成，且配置於下腔室12內。
上述排氣裝置20包含連接於下腔室12之側面之排氣管21，經由排氣管21對處理腔室11內之氣體進行排氣而使處理腔室11之內部為特定壓力。
上述氣體供給裝置25包含：氣體供給部26，其供給SF6氣體；氣體供給部27，其供給N2氣體；氣體供給部28，其供給O2氣體；及供給管29，其一端連接於上腔室13之上表面，另一端分支而分別連接於各氣體供給部26、27、28；且，將SF6氣體、N2氣體、O2氣體自各氣體供給部26、27、28經由供給管29分別供給至處理腔室11內。
上述SF6氣體、N2氣體、O2氣體係分別作為上述處理氣體而供給至處理腔室11內者，亦可供給例如CF4氣體等氟系氣體以代替上述SF6氣體。
上述電漿生成裝置30係由沿上下並排設置於上腔室13之外周部之呈數個環狀之線圈31、及將高頻電力供給至各線圈31之高頻電源32所構成，藉由利用高頻電源32將高頻電力供給至線圈31而使供給至上腔室13內之SF6氣體、N2氣體及O2氣體電漿化。
上述電源35係藉由將高頻電力供給至基台15而於基台15與電漿之間產生電位差(偏壓電位)，使藉由SF6氣體之電漿化而生成之離子入射至矽基板K。
其次，對使用以上述方式構成之蝕刻裝置1而於矽基板K形成上部開口寬度較寬且底部寬度較窄之錐形之蝕刻結構之電漿蝕刻方法進行說明。
首先，於實施將矽基板K搬入至蝕刻裝置1內並載置於基台15上之搬入步驟後，以例如4秒以上且10秒以下之時間實施使SF6氣體及N2氣體之混合氣體電漿化而對基台15上之矽基板K進行蝕刻之第1蝕刻步驟。
於該第1蝕刻步驟中，將SF6氣體及N2氣體自氣體供給部26、27分別供給至處理腔室11內，藉由排氣裝置20使處理腔室11內為特定壓力，並藉由高頻電源32、35而將高頻電力分別供給至線圈31及基台15。再者，作為N2氣體之較佳供給流量，例如為SF6氣體之供給流量之0.75倍以上且1倍以下。又，如根據下述之實驗結果所獲得般，為使錐形蝕刻結構之表面粗糙度變得良好，較佳為將N2氣體之供給流量設為100～400 sccm之範圍內。
供給至處理腔室11內之SF6氣體及N2氣體被電漿化，藉由電漿化之SF6氣體對矽基板K進行蝕刻，且藉由電漿化之N2氣體於矽基板K形成抗蝕刻層。又，如根據下述之實驗結果所獲得般，為使錐形蝕刻結構之表面粗糙度變得良好，較佳為將處理腔室11內之壓力設為12 Pa～25 Pa之範圍內。
於以下之實施例中，於計算表面粗糙度時，如圖2所示，根據顯微鏡之剖面照片，依據JIS定義之最大高度Ry，測定適當之基準長度內之山頂線與谷底線之間隔並進行評價。其中，申請專利範圍中之「表面粗糙度」並不限定於利用該實施例中之評價方法所獲得者，而可採用遵循上述JIS標準之任意者。
具體而言，使自SF6氣體所生成之自由基與矽原子進行化學反應，或者同樣地自SF6氣體所生成之離子藉由偏壓電位而入射至矽基板K，藉此對矽基板K進行蝕刻，藉由自N2氣體所生成之離子與矽原子進行化學反應，而使例如包含SiN之氮化膜作為抗蝕刻層形成於矽基板K之表面。如此，同時進行矽基板K之蝕刻與抗蝕刻層之形成，一面藉由抗蝕刻層而進行保護，一面進行矽基板K之蝕刻。
此處，於藉由電漿化之N2氣體而形成抗蝕刻層之情形時，與藉由電漿化之O2氣體而形成抗蝕刻層之情形相比，抗蝕刻層之強度較低，因此，於對遮罩正下部基蝕之方向易於進行蝕刻。其結果為，彎曲形狀難以形成而容易地獲得良好之形狀之錐形蝕刻結構。
又，由於藉由電漿化之N2氣體與矽原子之化學反應而形成抗蝕刻層，故而難以如沈積於矽基板K表面之聚合膜般抗蝕刻層之層厚變得不均一，藉此，藉由蝕刻而形成之蝕刻結構之表面之凹凸較少而較為平滑。
而且，當該第1蝕刻步驟結束時，矽基板K成為例如圖3(a)所示之形狀。再者，於該圖3(a)中，符號M表示遮罩，符號H表示蝕刻結構。
其後，實施使SF6氣體及O2氣體之混合氣體電漿化而對基台15上之矽基板K進行蝕刻之第2蝕刻步驟，對第1蝕刻步驟中所形成之蝕刻結構，於第2蝕刻步驟中進一步於深度方向進行蝕刻。
於該第2蝕刻步驟中，將SF6氣體及O2氣體自氣體供給部26、28分別供給至處理腔室11內，藉由排氣裝置20使處理腔室11內為特定壓力，並藉由高頻電源32、35將高頻電力分別供給至線圈31及基台15。再者，作為O2氣體之較佳供給流量，例如為SF6氣體之供給流量之0.75倍以上且1倍以下。
供給至處理腔室11內之SF6氣體及O2氣體電漿化，藉由電漿化之SF6氣體對矽基板K進行蝕刻，且藉由電漿化之O2氣體於矽基板K形成抗蝕刻層。
具體而言，如上所述般，使自SF6氣體所生成之自由基與矽原子進行化學反應，或者同樣地自SF6氣體所生成之離子藉由偏壓電位而入射至矽基板K，藉此對矽基板K進行蝕刻，藉由自O2氣體生成之離子與矽原子進行化學反應，而使例如包含SiO2之氧化膜作為抗蝕刻層形成於矽基板K之表面。如此，於第2蝕刻步驟中，矽基板K之蝕刻與抗蝕刻層之形成亦同時進行，一面藉由抗蝕刻層進行保護，一面進行矽基板K之蝕刻。
此處，於第2蝕刻步驟中，使用O2氣體代替N2氣體之理由在於如下。即，其理由在於：於藉由電漿化之N2氣體而形成抗蝕刻層之情形時，與藉由電漿化之O2氣體而形成抗蝕刻層之情形相比，易於向蝕刻結構之寬度方向進行蝕刻，而難以向蝕刻結構之深度方向進行蝕刻，因此，有時朝向蝕刻結構之深度方向之蝕刻速度會變慢，而無法獲得固定水準以上之蝕刻速度。
因此，若使用O2氣體，則可更高效地於深度方向進行蝕刻。此時，第1蝕刻步驟中所形成之蝕刻結構之側壁受到藉由N2氣體之電漿化而形成之抗蝕刻層保護，從而可預防成為彎曲形狀。
而且，第2蝕刻步驟中之藉由蝕刻而新形成之側壁係一面受到藉由O2氣體之電漿化而形成之抗蝕刻層保護，一面進行蝕刻。又，由於進而藉由電漿化之O2氣體與矽原子之化學反應而於矽基板K形成抗蝕刻層之表面，故而難以如沈積於矽基板K表面之聚合膜般抗蝕刻層之層厚變得不均一，藉此，第2蝕刻步驟中所形成之蝕刻結構之表面亦為凹凸較少且較為平滑者。
而且，當該第2蝕刻步驟結束時，矽基板K成為例如圖3(b)所示之形狀。再者，於該圖3(b)中，符號M表示遮罩，符號H表示蝕刻結構。
如此般依序實施第1蝕刻步驟及第2蝕刻步驟，當於矽基板K形成上部開口寬度較寬且底部寬度較窄之錐形之蝕刻結構時，實施將矽基板K搬出至外部之搬出步驟。
如此，根據本例之電漿蝕刻方法，當於矽基板K形成上部開口寬度較寬且底部寬度較窄之錐形之蝕刻結構時，依序實施使SF6氣體及N2氣體之混合氣體電漿化而對矽基板K進行蝕刻之第1蝕刻步驟、及使SF6氣體及O2氣體之混合氣體電漿化而對矽基板K進行蝕刻之第2蝕刻步驟，因此，可形成無彎曲形狀且表面平滑之錐形之蝕刻結構。
又，於第2蝕刻步驟中，由於可於蝕刻結構之深度方向以較快之蝕刻速度進行蝕刻，故而，即便為深度較深之蝕刻結構，亦可於更短時間內結束蝕刻。
又，由於將第1蝕刻步驟之處理時間設為4秒以上且10秒以下之範圍，故而可防止第1蝕刻步驟之處理時間變長。其原因在於：藉由N2氣體之電漿化而形成抗蝕刻層之第1蝕刻步驟，相較於藉由O2氣體之電漿化而形成抗蝕刻層之第2蝕刻步驟，難以向蝕刻結構H之深度方向進行蝕刻，而易於向蝕刻結構H之寬度方向進行蝕刻，就該情況而言，若第1蝕刻步驟之處理時間較長，則會產生如下問題：向蝕刻結構H之寬度方向進行相應程度之蝕刻，於第1蝕刻步驟中所形成之蝕刻結構H之側壁、與第2蝕刻步驟中所形成之蝕刻結構H之側壁之邊界易產生階差S(參照圖4)。因此，藉由上述方式，可將向蝕刻結構H之寬度方向之蝕刻抑制於固定範圍內，從而可使階差S難以產生(即便產生，亦為極微小)。
順帶而言，作為實施例1，應用本例之電漿蝕刻方法對矽基板K進行蝕刻，於該矽基板K形成上部開口寬度較寬且底部寬度較窄之錐形之孔，此時如圖5之顯微鏡照片所示，未形成彎曲形狀且表面不粗糙，而形成平滑之表面之錐形蝕刻結構。具體而言，側壁之表面粗糙度為0.15 μm，且錐角度為84°。再者，第1蝕刻步驟之處理條件係將處理時間設為0.08分鐘，將處理腔室11內之壓力設為12 Pa，將供給至線圈31之高頻電力設為2500 W，將供給至基台15之電力設為85 W，將SF6氣體之供給流量設為200 sccm，將N2氣體之供給流量設為150 sccm；第2蝕刻步驟之處理條件係將處理時間設為3分鐘，將處理腔室11內之壓力設為12 Pa，將供給至線圈31之高頻電力設為2500 W，將供給至基台15之電力設為85 W，將SF6氣體之供給流量設為200 sccm，將O2氣體之供給流量設為150 sccm。又，圖5(a)係表示所形成之蝕刻結構之剖面整體之顯微鏡照片，圖5(b)係放大而表示所形成之蝕刻結構之上部之顯微鏡照片，圖5(c)係放大而表示所形成之蝕刻結構之底部之顯微鏡照片。
又，作為比較例1，依序實施將處理時間設為3.5分鐘、將處理腔室11內之壓力設為12 Pa、將供給至線圈31之高頻電力設為2500 W、將供給至基台15之電力設為15 W、將SF6氣體之供給流量設為240 sccm、將O2氣體之供給流量設為120 sccm、將C4F8氣體之供給流量設為180 sccm之處理條件之第1蝕刻步驟，與將處理時間設為5.5分鐘、將處理腔室11內之壓力設為12 Pa、將供給至線圈31之高頻電力設為2500 W、將供給至基台15之電力設為85 W～140 W、將SF6氣體之供給流量設為200 sccm、將O2氣體之供給流量設為150 sccm之處理條件之第2蝕刻步驟，此時如圖6所示，形成有開口部(上部)表面粗糙之孔。具體而言，側壁上部之表面粗糙度為0.3 μm。再者，圖6(a)係表示所形成之蝕刻結構之剖面整體之顯微鏡照片，圖6(b)係放大而表示所形成之蝕刻結構之上部之顯微鏡照片，圖6(c)係放大而表示所形成之蝕刻結構之底部之顯微鏡照片。
又，作為實施例2，於將處理時間設為3分鐘、將處理腔室11內之壓力設為12 Pa、將供給至線圈31之高頻電力設為2500 W、將供給至基台15之電力設為85 W、將SF6氣體之供給流量設為200 sccm、將N2氣體之供給流量設為150 sccm之處理條件下對矽基板K進行蝕刻，此時如圖7之顯微鏡照片所示，表面並不粗糙，而形成有平滑之表面之孔。
另一方面，作為比較例2，於將處理時間設為6.5分鐘、將處理腔室11內之壓力設為12 Pa、將供給至線圈31之高頻電力設為3500 W、將供給至基台15之電力設為100 W、將SF6氣體之供給流量設為180 sccm、將O2氣體之供給流量設為80 sccm之處理條件下對矽基板K進行蝕刻，此時如圖8之顯微鏡照片所示，於孔之側壁形成有彎曲形狀。
如根據上述比較例1所知，若利用藉由C4F8氣體之電漿化而形成之抗蝕刻層保護側壁，則使用C4F8氣體之第1蝕刻步驟中所形成之蝕刻結構之側壁表面(孔之上部側壁表面)粗糙。如根據上述比較例2所知，若自當初便利用藉由O2氣體之電漿化而形成之抗蝕刻層保護側壁，則會形成彎曲形狀。
另一方面，如根據上述實施例1及2所知，若利用藉由N2氣體之電漿化而形成之抗蝕刻層保護側壁，則可形成無彎曲形狀且表面平滑之錐形蝕刻結構(所謂錐，若為上部開口寬度較寬且底部寬度較窄之形狀，則包括碗狀等所有前端漸細形態)。又，根據上述實施例2可知，若利用藉由N2氣體之電漿化而形成之抗蝕刻層保護側壁，則可形成表面平滑之蝕刻結構。
根據該些實施例1及2、比較例1及比較例2亦為明確的是，若利用藉由N2氣體之電漿化而形成之抗蝕刻層保護側壁，則不會形成彎曲形狀且表面不粗糙，而形成平滑之表面之錐形蝕刻結構。為便於參照，給出實施例1及2、比較例1及2之條件表以作為圖9。
上述說明了利用藉由N2氣體之電漿化而形成之抗蝕刻層保護側壁，可藉此而形成無彎曲形狀且表面平滑之錐形蝕刻結構之方法，本案發明者等人進行進一步銳意研究之結果為，藉由實驗發現，所形成之錐形蝕刻結構之狀態(包括形狀及其表面粗糙度)亦會根據藉由N2氣體之流量或反應腔室之壓力而變化較大。該情形意味著，於使用N2氣體之蝕刻時，可藉由使該些製程條件合理化而控制錐狀態。以下，對該實驗結果進行說明。
首先，作為實施例3，本案發明者等人藉由使N2氣體蝕刻時所供給之N2之量發生變化，而實驗錐狀態如何變化。
圖10～圖14係表示將其他製程條件設為相同且逐漸增加N2氣體之流量時蝕刻結構之情況如何變化的顯微鏡照片。各圖(b)係放大各圖(a)之側壁部分之顯微鏡照片，表面粗糙之情況相對容易看清。各圖所共通之製程條件，係蝕刻處理時間為7分鐘，處理腔室11內之壓力為12 Pa，基台溫度為10℃，供給至線圈31之高頻電力為2500 W，供給至基台15之電力為50 W，SF6氣體之供給流量為300 sccm。而且，本案發明者等人係使N2氣體之供給流量在50～400 sccm之範圍內變化。
圖10(a)係表示將N2氣體之供給流量設為50 sccm時所形成之蝕刻結構之剖面整體的顯微鏡照片，圖10(b)係放大而表示所形成之蝕刻結構之側壁之顯微鏡照片。根據圖10(b)之情況，可看清蝕刻結構側部之表面粗糙。該圖中之表面粗糙度之測量結果為154 nm，且蝕刻速率為16.2 μm/min。
圖11(a)係表示將N2氣體之供給流量設為100 sccm時所形成之蝕刻結構之剖面整體的顯微鏡照片，圖11(b)係放大而表示所形成之蝕刻結構之側壁之顯微鏡照片。該圖中之表面粗糙度之測量結果為75 nm，且蝕刻速率為14.6 μm/min。
圖12(a)係表示將N2氣體之供給流量設為200 sccm時所形成之蝕刻結構之剖面整體的顯微鏡照片，圖12(b)係放大而表示所形成之蝕刻結構之側壁之顯微鏡照片。該圖中之表面粗糙度之測量結果為71 nm，且蝕刻速率為12.3 μm/min。
圖13(a)係表示將N2氣體之供給流量設為300 sccm時所形成之蝕刻結構之剖面整體的顯微鏡照片，圖13(b)係放大而表示所形成之蝕刻結構之側壁之顯微鏡照片。該圖中之表面粗糙度之測量結果為54 nm，蝕刻速率為12.1 μm/min。
圖14(a)係表示將N2氣體之供給流量設為400 sccm時所形成之蝕刻結構之剖面整體之顯微鏡照片，圖14(b)係放大而表示所形成之蝕刻結構之側壁之顯微鏡照片。該圖中之表面粗糙度之測量結果為60 nm，蝕刻速率為12.7 μm/min。
將圖10至圖14之實驗結果匯總於表中而成者為圖15。若觀察圖15，則可知隨著N2氣體之供給流量增加，表面粗糙度大致減小。考慮其原因在於：藉由更多之N2氣體之電漿化而形成抗蝕刻層，藉此而進行蝕刻結構之側壁保護。若在100～400 sccm之範圍內調整N2氣體之供給流量，則與將N2氣體之流量設為50 sccm之情形相比，可獲得一半以下之良好之表面粗糙度之值，從而較佳。再者，考慮隨著N2氣體之供給流量增加，蝕刻速率存在下降之傾向之原因在於SF6氣體稀釋於N2氣體中。
其次，作為實施例4，本案發明者等人係藉由於N2氣體蝕刻時使腔室內之壓力變化，而實驗錐狀態如何變化。
圖16～圖18係表示將其他製程條件設為相同且逐漸增加N2氣體蝕刻時之腔室內壓力時蝕刻結構之情況如何變化的顯微鏡照片。各圖(a)係表示所形成之蝕刻結構之剖面整體之顯微鏡照片，各圖(b)係放大所形成之蝕刻結構之上部之顯微鏡照片，各圖(c)係放大而表示所形成之蝕刻結構之底部之顯微鏡照片。
圖16～圖18中共通之製程條件係蝕刻處理時間設為4分鐘，基台溫度設為10℃，供給至線圈31之高頻電力設為2500 W，供給至基台15之電力設為10 W，SF6氣體之供給流量設為200 sccm，N2氣體之供給流量設為300 sccm。而且，本案發明者等人使處理腔室11內之壓力於12～25 Pa之間變化。
圖16(a)係表示將處理腔室11內之壓力設為12 Pa時所形成之蝕刻結構之剖面整體的顯微鏡照片，圖16(b)係放大而表示所形成之蝕刻結構之側壁之顯微鏡照片，圖16(c)係進一步放大而表示圖16(b)之側壁之顯微鏡照片。該圖中之表面粗糙度之測量結果為44 nm，蝕刻速率為10.1 μm/min。
圖17(a)係表示將處理腔室11內之壓力設為16 Pa時所形成之蝕刻結構之剖面整體的顯微鏡照片，圖17(b)係放大而表示所形成之蝕刻結構之側壁之顯微鏡照片，圖17(c)係進一步放大而表示圖17(b)之側壁之顯微鏡照片。該圖中之表面粗糙度之測量結果為67 nm，蝕刻速率為10.4 μm/min。
圖18(a)係表示將處理腔室11內之壓力設為25 Pa時所形成之蝕刻結構之剖面整體之顯微鏡照片，圖18(b)係放大而表示所形成之蝕刻結構之側壁之顯微鏡照片，圖18(c)係進一步放大而表示圖18(b)之側壁之顯微鏡照片。該圖中之表面粗糙度之測量結果為83 nm，蝕刻速率為10.9 μm/min。
將圖16至圖18之實驗結果匯總於表中而成者為圖19。若觀察圖19，則可知，於將處理腔室11內之壓力設為12 Pa～25 Pa時，隨著壓力增高，表面粗糙度之值變大，但於任意壓力下，均可獲得未達100 nm之相對良好之表面粗糙度。
再者，難以根據各圖之顯微鏡照片直接看清微妙之錐形狀，但自圖16至圖18，隨著腔室內壓力增高，錐之形狀係變得更為直線性，因此就其進行說明。作為其前提，係預先使用圖20而說明錐角度之確定方法。
圖20係表示蝕刻結構(錐形蝕刻結構)之剖面之示意圖。如該圖所示，蝕刻結構之側壁部(錐部)通常係畫弧線，於該錐部劃切線L，分別由ΔX定義蝕刻結構之端部(上端部與下端部即底部之兩處)自該切線L離開何種程度。而且，調整切線L之角度以使蝕刻結構物之上端之ΔX1與下端(底部)之ΔX2相等，將該切線L與水準線所成之角度稱為θ，並將其定義為錐角度。
若就圖16～圖18驗證如此般定義之錐角度，則於圖16之情形時為57.4度(ΔX=11 μm)，於圖17之情形時為56.8度(ΔX=8 μm)，於圖18之情形時為54.1度(ΔX=7 μm)。即，可看清，自圖16至圖18，隨著腔室內壓力增高，切線L與蝕刻結構物之上端及下端(底部)之距離變小。
考慮自圖16至圖18藉由增加腔室內壓力而使錐角度θ之角度變小之原因在於：由於係藉由增高腔室內壓力而全方位地進行蝕刻，故而，相對而言，相較蝕刻結構之深度方向，朝向寬度方向之蝕刻速度有所提昇。
再者，於本說明書中，所謂錐，若為上部開口寬度較寬、底部寬度較窄之形狀，則包括碗狀等所有前端漸細形態，較佳之錐角度根據實施態樣或用途而為多種。於半導體製造製程等中，就典型性而言，較佳為錐角度具有50～60度左右且儘可能接近直線狀之錐。如此，於較佳為直線狀錐之情形時，若於圖16～圖18之中進行比較，則較佳為ΔX之值較小且具有更為直線性之錐形狀之圖18者。
接著，作為實施例5，本案發明者等人係對如下情形進行了實驗：於逐漸增加N2氣體蝕刻時供給至基台15之電力(平台功率)時，錐狀態如何變化。
圖21～圖23係表示將其他製程條件設為相同且逐漸增加供給至基台15之電力(平台功率)時蝕刻結構之情況如何變化的顯微鏡照片。各圖(a)係表示所形成之蝕刻結構之剖面整體之顯微鏡照片，各圖(b)係放大所形成之蝕刻結構之上部之顯微鏡照片。
各圖中共通之製程條件係蝕刻處理時間設為7分鐘，處理腔室11內之壓力設為12 Pa，基台溫度設為10℃，供給至線圈31之高頻電力設為2500 W，SF6氣體之供給流量設為200 sccm，N2氣體之供給流量設為300 sccm。而且，本案發明者等人係使供給至基台15之電力於30～70 W為止發生變化。
圖21(a)係表示將供給至基台15之電力設為30 W時所形成之蝕刻結構之剖面整體的顯微鏡照片，圖21(b)係放大而表示所形成之蝕刻結構之上部側壁之顯微鏡照片。該圖中之表面粗糙度之測量結果為76 nm，蝕刻速率為18.0 μm/min。
圖22(a)係表示將供給至基台15之電力設為50 W時所形成之蝕刻結構之剖面整體的顯微鏡照片，圖22(b)係放大而表示所形成之蝕刻結構之上部側壁之顯微鏡照片。該圖中之表面粗糙度之測量結果為54 nm，蝕刻速率為12.1 μm/min。
圖23(a)係表示將供給至基台15之電力設為70 W時所形成之蝕刻結構之剖面整體的顯微鏡照片，圖23(b)係放大而表示所形成之蝕刻結構之上部側壁之顯微鏡照片。該圖中之表面粗糙度之測量結果為54 nm，蝕刻速率為12.0 μm/min。
將圖21至圖23之實驗結果匯總於表中而成者為圖24。於上述實施例4之實驗中，係將供給至基台15之電力(平台功率)設為10 W，但如圖21～圖23所示可知，如本實施例，即便於30～70 W之範圍內，亦可獲得表面粗糙度、形狀均良好之錐形蝕刻結構。
如上所述，本案發明者等人藉由實驗發現，所形成之錐形蝕刻結構之狀態(包括形狀及其表面粗糙度)亦根據N2氣體之流量或反應腔室之壓力而變化較大。該情形意味著，於使用N2氣體之蝕刻時，可藉由使該些製程條件合理化而控制錐狀態。
以上，對本發明之一實施形態進行了說明，但本發明中可採取之具體態樣絲毫不限定於此。
於上例中，依序實施上述第1蝕刻步驟及第2蝕刻步驟，但並不限定於此，於應形成之蝕刻結構之深度較淺時，可僅實施上述第1蝕刻步驟，並省略上述第2蝕刻步驟。
又，於上例中，表示了N2氣體之流量及反應腔室之壓力等在N2氣體蝕刻時合理化較佳之製程條件，合理化之製程條件並不限定於該些，亦可為平台功率或其他製程條件、或者數個製程條件之任意之組合。
又，使用上述蝕刻裝置1而實施本發明之電漿蝕刻方法，但於該電漿蝕刻方法之實施時，亦可使用包含其他結構之蝕刻裝置。
1．．．蝕刻裝置
11．．．處理腔室
12．．．下腔室
13．．．上腔室
15．．．基台
16．．．上構件
17．．．下構件
18．．．升降氣缸
20．．．排氣裝置
21．．．排氣管
25．．．氣體供給裝置
26、27、28．．．氣體供給部
29．．．供給管
30．．．電漿生成裝置
31．．．線圈
32．．．線圈用高頻電源
35．．．電源
H．．．蝕刻結構
K．．．矽基板
L．．．切線
M．．．遮罩
S．．．階差
θ．．．錐角度
ΔX1．．．蝕刻結構物之上端
ΔX2．．．蝕刻結構物之下端
圖1係表示用以實施本發明之一實施形態之電漿蝕刻方法之蝕刻裝置之概略構成的剖面圖。
圖2係用以說明本實施形態之表面粗糙度之測定方法之說明圖。
圖3係用以說明本實施形態之電漿蝕刻方法之說明圖。
圖4係用以說明第1蝕刻步驟之處理時間較長之情形時產生之問題點的剖面圖。
圖5(a)係表示實施例1之錐形蝕刻結構之剖面整體之顯微鏡照片。
圖5(b)係表示實施例1之錐形蝕刻結構之上部之顯微鏡照片。
圖5(c)係表示實施例1之錐形蝕刻結構之底部之顯微鏡照片。
圖6(a)係表示比較例1之錐形蝕刻結構之剖面整體之顯微鏡照片。
圖6(b)係表示比較例1之錐形蝕刻結構之剖面整體之顯微鏡照片。
圖6(c)係表示比較例1之錐形蝕刻結構之剖面整體之顯微鏡照片。
圖7係表示實施例2之錐形蝕刻結構之剖面之顯微鏡照片。
圖8係表示比較例2之蝕刻結構之剖面之顯微鏡照片。
圖9係匯總實施例1及2、比較例1及2之實驗條件之表。
圖10(a)係表示變更所供給之氮氣之流量之實驗中之錐形蝕刻結構之剖面整體的顯微鏡照片。
圖10(b)係放大圖10(a)之錐形蝕刻結構之上部側面之顯微鏡照片。
圖11(a)係表示變更所供給之氮氣之流量之實驗中之錐形蝕刻結構之剖面整體的顯微鏡照片。
圖11(b)係放大圖11(a)之錐形蝕刻結構之上部側面之顯微鏡照片。
圖12(a)係表示變更所供給之氮氣之流量之實驗中之錐形蝕刻結構之剖面整體的顯微鏡照片。
圖12(b)係放大圖12(a)之錐形蝕刻結構之上部側面之顯微鏡照片。
圖13(a)係表示變更所供給之氮氣之流量之實驗中之錐形蝕刻結構之剖面整體的顯微鏡照片。
圖13(b)係放大圖13(a)之錐形蝕刻結構之上部側面之顯微鏡照片。
圖14(a)係表示變更所供給之氮氣之流量之實驗中之錐形蝕刻結構之剖面整體的顯微鏡照片。
圖14(b)係放大圖14(a)之錐形蝕刻結構之上部側面之顯微鏡照片。
圖15係匯總圖10～圖14之實驗結果之表。
圖16(a)係表示變更腔室內之壓力之實驗中之錐形蝕刻結構之剖面整體的顯微鏡照片。
圖16(b)係放大圖16(a)之錐形蝕刻結構之上部側面之顯微鏡照片。
圖16(c)係放大圖16(b)之錐形蝕刻結構之側面之顯微鏡照片。
圖17(a)係表示變更腔室內之壓力之實驗中之錐形蝕刻結構之剖面整體的顯微鏡照片。
圖17(b)係放大圖17(a)之錐形蝕刻結構之上部側面之顯微鏡照片。
圖17(c)係放大圖17(b)之錐形蝕刻結構之側面之顯微鏡照片。
圖18(a)係表示變更腔室內之壓力之實驗中之錐形蝕刻結構之剖面整體的顯微鏡照片。
圖18(b)係放大圖18(a)之錐形蝕刻結構之上部側面之顯微鏡照片。
圖18(c)係放大圖18(b)之錐形蝕刻結構之側面之顯微鏡照片。
圖19係匯總圖16～圖18之實驗結果之表。
圖20係用以說明錐形蝕刻結構剖面之錐角度之確定方法之示意圖。
圖21(a)係表示變更平台功率之實驗中之錐形蝕刻結構之剖面整體的顯微鏡照片。
圖21(b)係放大圖21(a)之錐形蝕刻結構之側面之顯微鏡照片。
圖22(a)係表示變更平台功率之實驗中之錐形蝕刻結構之剖面整體的顯微鏡照片。
圖22(b)係放大圖22(a)之錐形蝕刻結構之側面之顯微鏡照片。
圖23(a)係表示變更平台功率之實驗中之錐形蝕刻結構之剖面整體的顯微鏡照片。
圖23(b)係放大圖23(a)之錐形蝕刻結構之側面之顯微鏡照片。
圖24係匯總圖21～圖23之實驗結果之表。
H．．．蝕刻結構
K．．．矽基板
M．．．遮罩
Claims (9)
- 一種電漿蝕刻方法，其特徵在於：其係使處理氣體電漿化對矽基板進行蝕刻，而於該矽基板上形成上部開口寬度較寬且底部寬度較窄之錐形蝕刻結構，且，使用氟系氣體及氮氣作為上述處理氣體，且該處理氣體不含有氧氣，使該些氣體電漿化，並且一面藉由電漿化之氮氣而於上述矽基板形成抗蝕刻層，一面藉由電漿化之氟系氣體對上述矽基板進行蝕刻。
- 如申請專利範圍第1項所述之電漿蝕刻方法，其中，藉由調整上述蝕刻時之氮氣之供給流量而控制所形成之蝕刻結構之錐狀態。
- 如申請專利範圍第2項所述之電漿蝕刻方法，其中，所謂上述錐狀態係指該錐形蝕刻結構之表面粗糙度。
- 如申請專利範圍第2項所述之電漿蝕刻方法，其中，上述氮氣之供給流量處於100~400sccm之範圍內。
- 如申請專利範圍第1項所述之電漿蝕刻方法，其中，藉由調整上述蝕刻時之腔室內之壓力而控制所形成之蝕刻結構之錐狀態。
- 如申請專利範圍第5項所述之電漿蝕刻方法，其中，所謂上述錐狀態係指該錐形蝕刻結構之表面粗糙度。
- 如申請專利範圍第5項所述之電漿蝕刻方法，其中，上述腔室內之壓力為12Pa~25Pa。
- 如申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述之電漿蝕刻方法，其中，於實施使上述氟系氣體及氮氣電漿化而 對上述矽基板進行蝕刻之步驟即第1步驟之後，實施如下之第2步驟，即，使用氟系氣體及氧系氣體作為上述處理氣體，使該些氣體電漿化，並且一面藉由電漿化之氧系氣體而於上述矽基板形成抗蝕刻層，一面藉由電漿化之氟系氣體對上述矽基板進行蝕刻。
- 如申請專利範圍第8項所述之電漿蝕刻方法，其中，將上述第1步驟之處理時間設為4秒以上且10秒以下之範圍。
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