WO2004086478A1 - シリコン基板のエッチング方法及びエッチング装置 - Google Patents

シリコン基板のエッチング方法及びエッチング装置 Download PDF

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WO2004086478A1
WO2004086478A1 PCT/JP2004/003693 JP2004003693W WO2004086478A1 WO 2004086478 A1 WO2004086478 A1 WO 2004086478A1 JP 2004003693 W JP2004003693 W JP 2004003693W WO 2004086478 A1 WO2004086478 A1 WO 2004086478A1
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WO
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gas
etching
silicon substrate
protective film
fluorocarbon
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Application number
PCT/JP2004/003693
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English (en)
French (fr)
Inventor
Yoshiyuki Nozawa
Kazuo Kasai
Hiroaki Kouno
Original Assignee
Sumitomo Precision Products Co., Ltd.
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Publication date
Application filed by Sumitomo Precision Products Co., Ltd. filed Critical Sumitomo Precision Products Co., Ltd.
Publication of WO2004086478A1 publication Critical patent/WO2004086478A1/ja
Priority to US10/988,042 priority Critical patent/US7220678B2/en

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
    • H01L21/306—Chemical or electrical treatment, e.g. electrolytic etching
    • H01L21/3065—Plasma etching; Reactive-ion etching
    • H01L21/30655—Plasma etching; Reactive-ion etching comprising alternated and repeated etching and passivation steps, e.g. Bosch process

Definitions

  • the present invention relates to a silicon substrate etching method and an etching apparatus for forming a structural surface such as a groove on a silicon substrate by a dry etching process.
  • Grooves and other structures are formed on a silicon substrate by a dry etching process.
  • a dry etching process For example, in the field of semiconductor integrated circuits, higher integration and higher densities are being promoted, and trenches (deep grooves or deep holes) can be formed with high precision. There is a need for an etching technology that can be formed.
  • an etching method for the purpose of such a trench etching an etching method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-53038 is conventionally known.
  • the etching process for forming the grooves or holes by dry etching the substrate table surface using a mixed gas plasma state SF 6 and a r, and also plasma
  • a mixed gas of CHF 3 and Ar By using a mixed gas of CHF 3 and Ar and repeating a polymerization step (protective film forming step) of forming a protective film on the side wall of the groove or the hole (hereinafter referred to as a groove or the like), a deep groove or It is to form a deep hole (hereinafter referred to as a deep groove etc.).
  • the wall surfaces of the grooves and the like sequentially formed by dry etching are subsequently covered with a protective film. Since the wall surface is protected by this protective film at the time of grinding, extreme side etching / undercut is prevented, and a groove or the like having an apparently vertical wall surface can be formed.
  • the above-described etching method has the following problems. That is, since the above-mentioned etching method alternately repeats an etching step without forming a protective film on the wall surface and a step of forming a protective film on the wall surface, it is etched and newly formed. The wall surface formed at this time is in a state where no protective film is formed. For this reason, in the etching process, this wall surface is etched together with the etching ground (the bottom surface of the groove or the like), and as a result, the wall surface becomes wavy in the vertical direction, resulting in poor machining accuracy. Such irregularities formed on the wall surface have hindered high integration and high density in the field of semiconductor integrated circuits.
  • the inventors of the present invention have conducted both the etching step and the protective film forming step using a mixed gas of an etching gas and a protective film forming gas while applying a bias voltage by constantly applying power to the silicon substrate.
  • a mixed gas of a large amount of etching gas and a small amount of protective film forming gas is used
  • a mixed gas of a small amount of etching gas and a large amount of protective film forming gas is used.
  • Such an etching method has already been proposed in Japanese Patent Application No. 2001-29094.
  • the etching ground is etched by the etching gas in the etching step.
  • the vertical structure surface sequentially formed by the etching is immediately covered with the protective film provided from the protective film forming gas, and in the subsequent protective film forming step, the vertical structure surface is formed. Is further firmly covered with a protective film. Thereby, the etching of the vertical structure surface is suppressed, and the vertical structure surface having small irregularities on the surface and excellent perpendicularity can be formed.
  • the etching ground can be physically etched by ion irradiation, so that the etching speed is increased in the etching step, while the etching ground is increased in the protective film forming step. This prevents the formation of a protective film on the substrate, and as a result, has the effect of reducing the overall etching time.
  • the protective film can be prevented from being formed on the etching ground by the etching gas or ions, and the effect of shortening the entire etching time can be obtained.
  • the etching gas also acts on the vertical structure surface, the vertical structure surface becomes an environment where it is easily etched, and in some cases, there is a disadvantage that the surface cannot be sufficiently smoothed.
  • the present inventors have conducted intensive studies on the mixing ratio of the mixed gas, and as a result, have found that the protective film forming gas is not used in the etching progress step, and that the protective film is not used.
  • Optimum mixing ratio that makes the etching speed faster than the etching method that does not use an etching gas in the formation process, and that the vertical structure surface formed by etching is sufficiently smooth and has excellent squareness.
  • the present invention provides a method of etching a silicon substrate and an etching apparatus which can make the vertical structure surface formed by etching sufficiently smooth and excellent in squareness without lowering the etching rate.
  • the purpose is to provide. Disclosure of the invention
  • the present invention provides a mask forming step of forming an etching mask on a silicon substrate surface, and drying the silicon substrate surface through an opening of the etching mask using an etching gas plasmatized by high frequency power. And etching the silicon substrate by sequentially performing an etching step of etching to form a predetermined structural surface,
  • a SF 6 gas as an etching gas and a fluorocarbon gas (C x F y) such as C 4 F 8 as a protective film forming gas are used.
  • C x F y fluorocarbon gas
  • etching method was carried out by sequentially repeating the step of forming a protective film on the structure surface perpendicular to etch ground as the main Said mixed gas, and that fluorosilicone force one Bongasu mixed 5 to 1 2 weight against SF 6 gas 1 0 0 volume in the dry Etsu quenching progression step,
  • the present invention relates to a method for etching a silicon substrate, wherein the mixed gas in the protective film forming step is obtained by mixing 2 to 5 volumes of SF 6 gas with 100 volumes of fluorocarbon gas.
  • the etching ground is etched by the SF 6 gas or ion irradiation, and the vertical structure surface sequentially formed by the etching is provided by the fluorocarbon gas. Immediately covered by a protective film.
  • the vertical structure surface is more firmly covered with the protective film, and the protective film is formed on the etching ground by etching gas ion irradiation. It is suppressed.
  • the mixed gas in the dry etching progression step those fluoroalkyl force one Pongasu mixed 5 to 1 2 volume against SF 6 gas 1 0 0 volume, i.e., SF 6 gas and fluorocarbon gas Are preferably mixed in a volume ratio of 100: 5 to 12. If the amount of fluorocarbon gas is less than 5 volumes, the amount of fluorocarbon gas is too small to effectively protect the vertical structure surface formed by etching, while the amount of fluorocarbon gas is 1 volume. When the volume exceeds 2 volumes, the amount of the fluorocarbon gas is too large, so that the protective film is easily formed on the etching ground, and the energy for performing the etching action is largely consumed for the peeling of the protective film. This is because the etching speed is reduced as compared with the etching method that does not use the method.
  • the mixed gas in the protective film forming step is a fluorocarbon gas. 1 0 0 which the SF 6 gas was 2-5 volume mixing with capacitive, i.e., 0 1 a full Rollo carbon gas and SF 6 gas at a volume ratio of 0: those engaged mixed in the range of 2-5 Is preferred. If the amount of SF 6 gas is less than 2 volumes, the amount of SF 6 gas is too small and the formation of a protective film on the etching duland cannot be sufficiently suppressed, so that a sufficient etching rate can be obtained. On the other hand, if the amount of SF 6 gas exceeds 5 volumes, the amount of SF 6 gas is too large, so that the vertical structure surface is easily etched and the surface accuracy deteriorates.
  • the mixed gas of the SF 6 gas and the fluorocarbon gas is used, and the mixed gas in the dry etching progressing step and the mixed gas in the protective film forming step have the above-mentioned mixing ratio, respectively. Therefore, compared to an etching method that does not use a protective film forming gas in the dry etching progressing step and does not use an etching gas in the protective film forming step, the etching rate is increased, and the vertical structure surface formed by etching is reduced. A smooth surface with high surface accuracy can be obtained.
  • the power applied to the silicon substrate is set high in the dry etching progressing step and low in the protection film forming step.
  • the irradiation rate of ions in the dry etching proceeding step can be increased and the etching rate can be increased.
  • the protective film forming step the protective film formed on the vertical structure surface is irradiated by the irradiated ions. Peeling can be made very small, and the vertical structure surface can be protected more effectively.
  • the high-frequency power for generating the plasma is also increased in the dry etching proceeding step and is decreased in the protective film forming step.
  • the SF 6 gas is efficiently turned into plasma and etched.
  • the ratio of SF 6 gas to be converted into plasma is reduced, so that the vertical structure surface is hardly etched, and the vertical structure surface is more effectively protected. Can be.
  • the above-mentioned etching step may be started from a dry etching proceeding step or from a protective film forming step, but starting from the protective film forming step makes unevenness of the vertical structure surface smaller. It is preferable in that it can be used.
  • the above-described etching method can be suitably performed by the following etching apparatus.
  • the etching apparatus includes: an etching chamber for accommodating a silicon substrate to be etched; a base disposed at a lower position in the etching chamber, on which the silicon substrate is mounted; Etching gas supply means for supplying SF 6 gas as an etching gas to the etching chamber; protection film forming gas supply means for supplying a flow port carbon gas as a protection film forming gas into the etching chamber; and decompression means for reducing the pressure in the etching chamber.
  • a coil disposed on the outer periphery of the etching chamber so as to face the same, and applying high-frequency power to the coil to convert the SF 6 gas and the fluorocarbon gas supplied into the etching chamber.
  • Plasma generating means for generating plasma, base power for applying high-frequency power to the base Application means; gas flow control means for controlling the flow rates of the SF 6 gas and the fluorocarbon gas supplied into the etching chamber by the etching gas supply means and the protective film forming gas supply means; and the plasma Coil power control means for controlling power applied to the coil of the generating means, and base power control means for controlling power applied to the base by the base power application means,
  • Said gas flow rate control means communicating the SF 6 gas and flow inlet carbon gas Supplies to the etch chamber by periodically changing the connection target and its supply quantity, and controls the supply amount to both phases is reversed, further when a large amount supplied of the SF 6 gas SF 6 the fluorocarbon gas 5 to 1 2 capacitively fed to gases 1 0 0 volume, wherein at the time of a large amount supply fluorocarbon gas is composed of SF 6 gas to fluorocarbon gas 1 0 0 volume to 2-5 volume supply It is characterized by becoming.
  • the base power control means is configured to increase the power applied to the base when a large amount of the SF 6 gas is supplied and to decrease the power when a large amount of the fluorocarbon gas is supplied.
  • the coil power control means is configured to increase the power applied to the coil when a large amount of the SF 6 gas is supplied and to decrease the power when a large amount of the fluorocarbon gas is supplied. preferable.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view partially showing a schematic configuration of an etching apparatus according to the present embodiment in a block diagram.
  • FIG. 2 is a flow chart showing the flow rates of SF 6 gas and C 4 F 8 gas, and a coil and a base. 6 is a timing chart showing a control state of high-frequency power applied to the power supply.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining an evaluation method in an experimental example.
  • FIG. 4 is a table showing the measurement results of the etching speed in Experimental Example 1
  • FIG. 5 is a graph showing the measurement results of the etching speed in Experimental Example 1
  • FIG. 7 is a table showing the measurement results of the surface accuracy P in Experimental Example 1
  • FIG. 8 is a graph showing the measurement results of the surface accuracy P in Experimental Example 1.
  • FIG. 9 is a table showing measurement results at an angle of 0 in Example 1
  • FIG. 9 is a graph showing measurement results at an angle of 0 in Experimental Example 1.
  • FIG. 10 is a table showing the measurement results of the etching speed in Experimental Example 2
  • FIG. Is a graph showing the measurement results of the etching rate in Experimental Example 2
  • FIG. 12 is a table showing the measurement results of surface accuracy; 0 in Experimental Example 2
  • FIG. 13 is a table showing the experimental results.
  • FIG. 14 is a graph showing the measurement results of the surface accuracy p in Example 2
  • FIG. 14 is a table showing the measurement results of the angle 0 in Experimental Example 2
  • FIG. 15 is a table showing the angles in Experimental Example 2. It is a graph showing the measurement result of 0. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of an etching apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view shown by a block diagram of FIG.
  • the etching apparatus 1 is made of a ceramic or the like and has a housing-like etching chamber 2 in which an etching chamber 2a is formed, and a lower chamber in the etching chamber 2a. is set, a base 3 for supporting the silicon substrate S serving etching object, fluorosilicone force one Bongasu of C 4 F 8, or the like serving Etsu Chingugasu serving SF 6 gas and protective film deposition gas into the etching chamber 2 a (C x F y), a pressure reducing section 13 for reducing the pressure in the etching chamber 2a, and a plasma generating section for converting the 3 ⁇ 6 gas and the fluorocarbon gas supplied into the etching chamber 2a into plasma. 15; a high-frequency power supply 18 for applying high-frequency power to the base 3; and a control device 20 for controlling the operation of these components.
  • a silicon substrate S is placed via a sealing member such as an O-ring 4.
  • the base 3 is provided so that the base portion 3 a is derived to 2 a outside the etching chamber, in its central portion, based alloy is 3 and the silicon substrate
  • a communication path 5 is provided to communicate with a space 5a formed between the space S and the space 5a, and the space 5a is filled and sealed with helium gas through the communication path 5.
  • a cooling water circulation path 6 is formed in the base 3, and the cooling water (20 ° C.) circulating in the cooling water circulation path 6 allows the silicon substrate to pass through the base 3 and helium gas.
  • S is to be cooled.
  • a high frequency power of 13.56 MHz is applied to the base 3 by the high frequency power supply 18, and a bias potential is applied to the base 3 and the silicon substrate S mounted on the base 3. Is coming to occur.
  • the gas supply section 7 includes a gas supply pipe 8 connected to the upper end of the etching chamber 2, and a gas cylinder 9 connected to the gas supply pipe 8 via a masuff port controller 11, 12.
  • the gas whose flow rate has been adjusted by the mass flow controllers 11 and 12 is supplied from the gas cylinders 9 and 10 into the etching chamber 2a.
  • the gas cylinder 9 is filled with SF 6 gas for etching
  • the gas cylinder 10 is filled with C 4 F 8 gas for forming a protective film.
  • the pressure reducing unit 13 includes an exhaust pipe 14 connected to a lower end of the etching chamber 2 and a vacuum pump (not shown) connected to the exhaust pipe 14. The inside of the etching chamber 2a is reduced to a predetermined low pressure.
  • the plasma generation unit 15 includes a coil 16 disposed along the outer periphery of the etching chamber 2 at a position higher than the base 3, and a high frequency power of 13.56 MHz is applied to the coil 16.
  • a high-frequency power supply 17 is applied, and a high-frequency power is applied to the coil 16 to form a fluctuating magnetic field in the space inside the etching chamber 2a, and the gas supplied into the etching chamber 2a generates the fluctuating magnetic field. It is turned into plasma by the electric field induced by this.
  • the control device 20 controls the mass flow controllers 11 and 12, and controls gas flow control means 21 that adjusts a gas flow supplied from the gas cylinders 9 and 10 into the etching chamber 2 a. It comprises coil power control means 22 for controlling the high frequency power applied to the coil 16 and base power control means 23 for controlling the high frequency power applied to the base 3.
  • an etching mask of a desired shape (for example, a resist film or a SiO 2 film) is formed on a silicon substrate S using photolithography or the like, and then the silicon substrate S is carried into the etching chamber 2. It is placed on the base 3 via the O-ring 4. Then, the space gas is filled and sealed from the communication passage 5 into the space 5a.
  • the cooling water in the cooling water circuit 6 is constantly circulated.
  • SF 6 gas and C 4 F 8 gas are supplied from the gas cylinders 9 and 10 into the etching chamber 2a, respectively, and high-frequency power is applied to the coil 16 and high-frequency power is applied to the base 3 .
  • the flow rates of the S 6 gas and the C 4 F 8 gas V d 2 (ie, the mixing capacity ratio) V e 1 are controlled by the gas flow control means 21 so that they are reversed.
  • V d 2 force "1 0 0: Uni I of 5 to 1 2 in the range, also the flow rate V.
  • the flow rate ratio (i.e., mixing capacity Ratio) V e 2 : V d 1 will be in the range of 2 to 5: 100
  • the gas flow rate is controlled by the gas flow rate control means 21.
  • the high-frequency power applied to the coil 16 is W, as shown in Fig. 2 (c). 2 to W. , Varies from a rectangular wave, high frequency power applied to the base 3, as shown in FIG. 2 (d), it changes the rectangle wave in the range of W p 2 of W p 1, and
  • the phase of the high-frequency power applied to the coil 16 and the phase of the high-frequency power applied to the base 3 are controlled by the coil power control means 22 and the base power control means 23 so that they have the same phase.
  • the SF 6 gas and the C 4 F 8 gas supplied into the etching chamber 2 a become plasma containing ions, electrons, F radicals, etc. in the fluctuating magnetic field generated by the coil 16, and the plasma generates the fluctuating magnetic field.
  • the F radicals present in the plasma chemically react with Si and carry Si away from the silicon substrate S, that is, function to etch the silicon substrate S, and ions are generated on the base 3 and the silicon substrate S.
  • the silicon substrate S is accelerated toward the base 3 and the silicon substrate S by the self-bias potential, and collides with and etches the silicon substrate S.
  • the surface (etching ground) of the silicon substrate S at the mask opening is etched by the F radical and the ions, and a groove or the like having a predetermined width and depth is formed.
  • the C 4 F 8 gas is converted into a polymer by being converted into plasma, and is deposited on the wall and the bottom surface (etching ground) of the groove and the like to form a fluorocarbon film.
  • This fluorocarbon film does not react with F radicals but acts as a protective film against F radicals, and this protective film prevents side etching and undercut.
  • the supply amount of SF 6 gas is increased to V e
  • the supply amount of C 4 F 8 gas is reduced to V d 2
  • the coil 1 the RF power applied to 6 as high as W c 1, and by increasing the RF power applied to the base 3 and W p 1.
  • the ion irradiation speed can be reduced to the extent necessary to peel off the polymer deposited on the etching ground, and the ion irradiation speed is reduced.
  • the protective film can be prevented from being peeled off by ion irradiation.
  • the etching is suppressed to such an extent that the deposited polymer is peeled off by ion irradiation, but on the wall surface with less ion irradiation, more polymer is deposited, and the polymer is deposited. A protective film is formed.
  • the step of mainly performing the etching and the step of mainly performing the formation of the protective film are alternately repeated, and are sequentially formed by etching.
  • the wall surface to be formed is immediately covered with the protective film, and in a subsequent step, the protective film is formed more strongly, so that the above-described side etching and undercut can be reliably prevented. Accordingly, a trench whose inner wall surface is vertical and whose unevenness is equal to or less than a predetermined reference value can be efficiently formed on the silicon substrate S.
  • the flow rate V of the SF 6 gas for achieving such an action is preferably in the range of 6 0 ⁇ 6 OO ml Zm in
  • the C 4 F 8 flow rate V d 1 of the gas is preferably in the range of 5 0 ⁇ 40 0 ml Zm in .
  • the flow rate of C 4 F 8 gas V d 2 is the flow rate of SF 6 gas In ratio of V e 1, V d 2: V ⁇ 1 is 5-1 2: 1 is preferably 0 0 range become by Una flow. If V d 2 is less than 5, the amount of C 4 F 8 gas is too small to effectively protect the walls formed by etching, while if V d 2 exceeds 12, This is because if the amount of the C 4 F 8 gas is too large, a protective film is easily formed on the etching ground, and energy for performing the etching action is largely consumed for peeling off the protective film, and the etching speed is reduced.
  • the flow rate Ve 2 of SF 6 gas is such that the ratio of V e 2 : V d 1 is in the range of 2 to 5: 100 in comparison with the flow rate V d of C 4 F 8 gas. It is preferred that If V e 2 is less than 2, the amount of SF 6 gas is too small and the formation of a protective film on the etching ground cannot be sufficiently suppressed, so that a sufficient etching rate cannot be obtained. On the other hand, when V e 2 exceeds 5, the amount of SF 6 gas is too large, and the wall surface is likely to be etched, and the surface accuracy is deteriorated.
  • frequency power W c 1 applied to Koi zone les 1 6 is in the range of 8 0 0 ⁇ 3 0 0 0 W
  • W c 2 is the 6 0 0 ⁇ 2 5 0 0W range der Preferably.
  • frequency power W p to be applied to the base 3 is in the range of 3 ⁇ 5 0 W (more preferably 1 0 ⁇ 5 0W)
  • W p 2 is 2 ⁇ 2 5 W (more preferably 5 to 25 W).
  • the execution time of the step e is preferably in a range of 3 to 45 seconds
  • the execution time of the step d is preferably in a range of 3 to 30 seconds.
  • a mixed gas of SF 6 gas and C 4 F 8 gas fluorocarbon gas
  • a mixed gas in the etching progressing step and a mixed gas in the protective film forming step are used.
  • the protective film forming gas is not used in the etching progressing step,
  • the etching rate can be increased as compared with the etching method not using an etching gas in the protective film forming step, and the wall surface formed by the etching can be a smooth surface with high surface accuracy.
  • a C 4 F 8 gas as a protective film forming gas
  • the W p 2 and 2 0 W the flow rate V e 1 of SF 6 gas e step 4 5 0 ml /
  • the flow rate of C 4 F 8 gas in step d, V d1 was set to 150 ml Zmin, and the flow rate V of SF 6 gas in step d.
  • the processing time of the step e was 8.5 seconds, and the processing time of the step d was 3 seconds, and the steps e and d were repeated for 15 minutes.
  • the pressure in the etching chamber 2 was 4. O Pa in the e step, and 1.9 Pa in the d step.
  • FIG. 4 is a table showing the measurement results of the etching rate (jtmZmin) under each of the above etching conditions
  • FIG. 5 is a graph thereof.
  • FIG. 6 is a table showing measurement results of the surface accuracy (unevenness) p (nm)
  • FIG. 7 is a graph thereof.
  • FIG. 8 is a table showing the measurement results of the angle 0 (°)
  • FIG. 9 is a graph thereof.
  • the flow rate V ⁇ 2 of SF 6 gas is set to 100 with the flow rate V d 1 (150 m I / min) of C 4 F 8 gas. This is expressed by the flow rate (capacity) ratio of the case, and the flow rate of C 4 F 8 gas V d 2 is also the same when the flow rate of SF 6 gas V e 1 (450 m I / min) is 100 This is expressed by the flow rate (capacity) ratio of
  • the flow rate of SF 6 gas was The flow ratio of V ⁇ 2 to C 4 F 8 gas flow rate V d , is in the range of 2 to 5, and C 4 F 8 gas flow rate V d 2 S
  • the flow ratio F 6 gas to the flow rate V beta is in the range of 5 to 1 2
  • the etching rate is preferably as fast as possible.
  • the surface accuracy (irregularity) p (nm) is small.
  • the angle 0) is close to 90 °, but a preferable angle is 91 ° or less.
  • the flow rate V d 1 of the C 4 F 8 gas in the process is set to 60 m I / min
  • the flow rate V e 2 of the SF 6 gas in the d process is set to O ml Zm in, 1 Z m I / m In, 1.8 m I / m ⁇ n, 3 m I / min, D m I / min and change the flow rate V d 2 of C 4 F 8 gas in the e process to O ml Z min, 10 m Etching the
  • Hole 31 was formed. Note that the processing time of the step e was set to 15 seconds, and the processing time of the step d was set to 7 seconds, and the steps e and d were repeated for 30 minutes.
  • the pressure in the etching chamber 2 was 2.5 Pa in the e-step and 0.8 Pa in the d-step.
  • FIGS. 10 to 15 The results are shown in FIGS. 10 to 15.
  • FIG. 10 is a table showing the measurement results of the etching rate (/ m / m ⁇ ) under the above etching conditions, and FIG. 11 is a graph thereof.
  • FIG. 12 is a table showing the measurement results of the surface accuracy (unevenness) ⁇ (nm), and FIG. 13 is a graph thereof.
  • FIG. 14 is a table showing measurement results of the angle 0 (°), and FIG. 15 is a graph thereof.
  • the flow rate V beta 2 of SF 6 gas was C 4 F 8 gas flow rate V d 1 (6 0 ml Roh min) 1 00 This is expressed by the flow rate ratio in this case, and the flow rate of C 4 F 8 gas V d 2 is also the same assuming that the flow rate V e 1 (200 m I / mi ⁇ ) of SF 6 gas is 100. This is represented by the flow ratio of
  • Li there is divided Li, from this result, the flow rate V beta 2 and SF 6 gas in the step d in step e It can be seen that by setting the flow rate V d 2 of the C 4 F 8 gas to an appropriate amount, the etching rate, surface accuracy (irregularity) P (nm), and angle 0) can be improved.
  • the flow ratio of SF 6 gas V ⁇ 2 to C 4 F 8 gas flow V d was 2 to 5.
  • the flow rate ratio of the C 4 F 8 gas V d 2 to the SF 6 gas flow V ⁇ within the range of 5 to 12, the etching rate and the surface accuracy (unevenness) ⁇ (nm ) And an angle of 0 (°).
  • the preferable ranges of the etching rate, surface accuracy (irregularity) p (nm), and angle 0) were determined based on the same standards as those in Experimental Example 1.
  • the flow rate V ⁇ of SF 6 gas and C 4 F 8 gas flow rate V d multi I regardless of no small a, SF 6 gas flow rate V beta 2 of C 4 F 8 gas flow rate V d, against that flow ratio is in the range of 2-5,
  • the flow ratio of C 4 F 8 gas V d 2 to SF 6 gas flow V ⁇ is in the range of 5 to 12
  • the etching speed, surface accuracy (unevenness) ⁇ (nm) and angle 0 ) was found to be good.
  • the tuning device can be suitably used when a structural surface such as a groove is formed on a silicon substrate by a dry etching process.

Abstract

本発明は、エッチング速度が速く、しかも壁面の平滑性及び直角度に優れたエッチング構造物を得ることができるシリコン基板のエッチング方法等に関する。エッチング工程は、シリコン基板に常時電力を印加してバイアス電位を与えつつ、ＳＦ６ガスとフロロカーボンガスとの混合ガスを用いて、主としてエッチンググランドにおけるドライエッチングを進行させる工程と、同じく混合ガスを用いて、主としてエッチンググランドに対して垂直な構造面に保護膜を形成させる工程とが順次繰り返して行われる。ドライエッチング進行工程における混合ガスは、ＳＦ６ガス１００容量に対してフロロカーボンガスを５～１２容量混合させたものとし、保護膜形成工程における混合ガスを、フロロカーボンガス１００容量に対してＳＦ６ガスを２～５容量混合させたものとされる。

Description

明 細 書 シリコン基板のエツチング方法及びェッチング装置 技術分野
本発明は、 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ェ ツ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物 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 一 5 0 3 8 1 5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 S F 6と A r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 C H F 3と A r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 ドライエツチン 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 ツチングゃアンダーカツ 卜が防止され、 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、 上述したエッチング法には、 次のような問題が存在した。 即ち、 上記のエッチング法は、 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 リ返すというものであるため、 エッチングされ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、 エツチン 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ェ ツチングされ、 この結果、 壁面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、 壁面に形成されたこのような 凹凸が原因となって、 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。
そこで、 本発明者らは、 シリコン基板に常時電力を印加してバイアス 電位を与えた状態で、 エッチングガスと保護膜形成ガスとの混合ガスを 用いてエッチング工程と保護膜形成工程の双方の工程を実施し、 エッチ ング工程では多量のエツチングガスと少量の保護膜形成ガスとの混合ガ スを用い、 保護膜形成工程では少量のエッチングガスと多量の保護膜形 成ガスとの混合ガスを用いるようにしたエッチング法を、 特願 2 0 0 1 — 2 9 9 4 3 5号において既に提案している。
このエッチング法によれば、 エッチングガスと保護膜形成ガスとの混 合ガスを用いてエッチング工程及び保護膜形成工程が実施されるので、 エッチング工程では、 エッチンググラン ドがエッチングガスによってェ ツ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形成工程において、 前記垂直な構造面 が更に強固に保護膜によって被覆される。 これにより、 当該垂直な構造 面に対するエッチングが抑制され、 その表面の凹凸が小さく、 しかも直 角度に優れた垂直構造面を形成することができる。
また、 シリコン基板に常時電力を印加してバイアス電位を与えている ので、 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、 エッチング工程ではエッチング速度が速まる一方、 保護膜 形成工程ではエッチンググラン ドに保護膜が形成されるのを防止するこ 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 るという効果も奏される。
ところが、 このエッチング法では、 上記のように、 エッチングガスと 保護膜形成ガスとの混合ガスを用いてエッチングするので、 エッチング によって形成された垂直構造面を有効に保護することができるという効 果がある反面、 エッチンググラン ドでは、 エッチングガスやイオン照射 によるエッチングと、 このエッチングを抑制する保護膜の形成という相 反する作用とが同時に進行するため、 エッチング作用をなすエネルギが 保護膜の剥離にも費やされることとなり、 この分、 エッチング時に保護 膜形成ガスを用いないエッチング法に比べて、 エツチング速度が低下す るというデメ リ ツ トを有している。
また、 保護膜形成工程については、 エッチングガスやイオンによって 、 エッチンググランドに保護膜が形成されるのを抑制することができ、 全体のエッチング加工時間を短くすることができるという効果が奏され る反面、 エッチングガスは垂直構造面にも作用するため、 当該垂直構造 面がエッチングされ易い環境となり、 場合によっては、 その表面を十分 に平滑にすることができないというデメ リ ッ 卜がある。
そこで、 本発明者らは前記混合ガスの混合割合について鋭意研究を重 ねた結果、 エッチング進行工程で保護膜形成ガスを用いず、 且つ保護膜 形成工程でエッチングガスを用いないエッチング法に比べて、 エツチン グ速度を速く し、 しかもエッチングによって形成される垂直構造面が十 分に平滑で直角度に優れたものとなるような最適な混合割合について知 見を得るに至った。
斯く して、 本発明は、 エッチング速度を低下させることなく、 しかも エッチングによって形成される垂直構造面を十分に平滑で直角度に優れ たものとすることができるシリコン基板のエッチング方法及びエツチン 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ツチングする方法で あって、
前記エッチング工程を、
前記シリコン基板に常時電力を印加してバイアス電位を与えつつ、 エッチングガスと しての S F 6ガスと、 保護膜形成ガスと しての C 4 F 8等のフロロカーボンガス （C x F y ) との混合ガスを用いて、 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ェ 程と、
同じく前記 S F 6ガスとフロロカーボンガスとの混合ガスを用いて、 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して行うようにしたエッチング方法において 前記ドライエツチング進行工程における前記混合ガスを、 S F 6ガス 1 0 0容量に対してフロロ力一ボンガスを 5 〜 1 2 量混合させたもの とし、
前記保護膜形成工程における前記混合ガスを、 フロロカーボンガス 1 0 0容量に対して S F 6ガスを 2 ~ 5容量混合させたものとしたことを 特徴とするシリコン基板のエッチング方法に係る。
この発明によれば、 上記ドライエッチングを進行させる工程では、 ェ ツチンググランドが S F 6ガスや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垂直な構造面がフロロ力 一ボンガスからもたらされる保護膜によって直ちに被覆される。
また、 引き続いて実行される保護膜形成工程では、 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とともに、 エッチングガスゃィ オン照射によって、 エッチンググラン ドに保護膜が形成されるのが抑制 される。
尚、 上記のように、 ドライエッチング進行工程における前記混合ガス は、 S F 6ガス 1 0 0容量に対してフロロ力一ポンガスを 5 ~ 1 2容量 混合させたもの、 即ち、 S F 6ガスとフロロカーボンガスとを容量比で 1 0 0 ： 5 ~ 1 2の範囲で混合したものが好ましい。 フロロカーボンガ スの量が 5容量未満であると、 フロロ力一ボンガスの量が少なすぎて、 エッチングによって形成された垂直構造面を有効に保護することができ ず、 一方、 フロロカーボンガスの量が 1 2容量を超えると、 フロロカー ボンガスの量が多すぎて、 ェツチンググランドに保護膜が形成され易く 、 エッチング作用をなすエネルギが保護膜の剥離に多く費やされて、 ェ ッチング時に保護膜形成ガスを用いないエツチング法に比べて、 エッチ ング速度が低下するからである。
また、 保護膜形成工程における前記混合ガスは、 フロロカーボンガス 1 0 0容量に対して S F 6ガスを 2 〜 5容量混合させたもの、 即ち、 フ ロロカーボンガスと S F 6ガスとを容量比で 1 0 0 ： 2〜 5の範囲で混 合させたものが好ましい。 S F 6ガスの量が 2容量未満であると、 S F 6ガスの量が少なすぎて、 ェツチングダラン ドに保護膜が形成されるの を十分に抑制することができないため、 十分なエッチング速度が得られ ず、 一方、 S F 6ガスの量が 5容量を超えると、 S F 6ガスの量が多す ぎて、 垂直構造面がエッチングされ易い環境となり、 その表面精度が悪 化するからである。
斯く して、 この発明によれば、 S F 6ガスとフロロカーボンガスとの 混合ガスを用いいるとともに、 ドライエッチング進行工程における混合 ガス、 及び保護膜形成工程における混合ガスを、 それぞれ上記混合比率 とすることで、 ドライエッチング進行工程で保護膜形成ガスを用いず、 且つ保護膜形成工程でエッチングガスを用いないエッチング法に比べて 、 エッチング速度を速く し、 しかも、 エッチングによって形成される垂 直構造面を、 表面精度の高い平滑面とすることができる。
また、 前記シリコン基板に印加する電力は、 これを、 前記ドライエツ チング進行工程においては高く し、 前記保護膜形成工程においては低く するのが好ましい。 このようにすれば、 前記ドライエッチング進行工程 におけるイオンの照射速度を高め、 エッチング速度を速めることができ る一方、 保護膜形成工程においては、 前記垂直構造面に形成された保護 膜が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 、 前記垂直構造面をより効果的に保護することができる。
更に、 前記プラズマを発生させるための高周波電力についても、 これ を、 前記ドライエッチング進行工程においては高く し、 前記保護膜形成 工程においては低くするのが好ましい。 このようにすれば、 前記ドライ エッチング進行工程では S F 6ガスが効率よく プラズマ化してエツチン グ速度が速まり、 一方、 保護膜形成工程ではプラズマ化する S F 6ガス の割合が低下して、 垂直構造面がエッチングされ難くなリ、 当該垂直構 造面をよ y効果的に保護することができる。
また、 上記エッチング工程は、 ドライエッチング進行工程から開始し ても、 或いは保護膜形成工程から開始しても良いが、 保護膜形成工程か ら開始する方が前記垂直構造面の凹凸をよリ小さなものとすることがで きる点で好ましい。
そして、 上述し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、 前記エッチングチヤ ンバ内にエッチングガスたる S F 6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たるフロ口カーボ ン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前記 S F 6ガス及びフロロ力 —ボン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及び前 記保護膜形成ガス供給手段によリ前記エッチングチャンバ内に供給され る前記 S F 6ガス及びフロロカーボン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 電力を制御する基合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は、 前記 S F 6ガスとフロ口カーボンガスを連 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し、 更に、 前記 S F 6ガスの多量供給時には S F 6ガス 1 0 0容量に対して フロロカーボンガスを 5 ~ 1 2容量供給し、 前記フロロカーボンガスの 多量供給時にはフロロカーボンガス 1 0 0容量に対して S F 6ガスを 2 〜 5容量供給するように構成されてなることを特徴とする。
尚、 前記基台電力制御手段は、 前記基台に印加される電力を、 前記 S F 6ガスの多量供給時には高く し、 前記フロロカーボンガスの多量供給 時には低くするように構成されているのが好ましい。
また、 前記コイル電力制御手段も同様に、 前記コイルに印加される電 力を、 前記 S F 6ガスの多量供給時には高く し、 前記フロロカーボンガ スの多量供給時には低くするように構成されているのが好ましい。 図面の簡単な説明
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り、 第 2図は、 S F 6ガス及び C 4 F 8ガスの流量 、 並びにコイル及び基台に印加される高周波電力の制御状態を示すタイ ミングチャートである。 また、 第 3図は、 実験例における評価方法を説 明するための説明図である。 また、 第 4図は、 実験例 1 におけるエッチ ング速度の測定結果を示した表であり、 第 5図は、 実験例 1 におけるェ ツチング速度の測定結果を示したグラフであり、 第 6図は、 実験例 1 に おける表面精度) 0の測定結果を示した表であり、 第 7図は、 実験例 1 に おける表面精度 Pの測定結果を示したグラフであり、 第 8図は、 実験例 1 における角度 0の測定結果を示した表であり、 第 9図は、 実験例 1 に おける角度 0の測定結果を示したグラフである。 また、 第 1 0図は、 実 験例 2におけるエツチング速度の測定結果を示した表であり、 第 1 1 図 は、 実験例 2におけるエッチング速度の測定結果を示したグラフであり 、 第 1 2図は、 実験例 2における表面精度; 0の測定結果を示した表であ リ、 第 1 3図は、 実験例 2における表面精度 pの測定結果を示したグラ フであり、 第 1 4図は、 実験例 2における角度 0の測定結果を示した表 であり、 第 1 5図は、 実験例 2における角度 0の測定結果を示したグラ フである。 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。 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
—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、 セラミックなどから なり、 内部にエッチング室 2 a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 2 a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 2 a内にエツ チングガスたる S F 6ガス及び保護膜形成ガスたる C 4 F 8等のフロロ力 一ボンガス （C x F y ) を供給するガス供給部 7 と、 エッチング室 2 a 内を減圧する減圧部 1 3 と、 エッチング室 2 a内に供給された 3 「 6ガ ス及びフロロカーボンガスをプラズマ化するプラズマ生成部 1 5と、 前 記基台 3に高周波電力を印加する高周波電源 1 8と、 これら各部の作動 を制御する制御装置 2 0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 3 aがエッチング室 2 a外に導出 されるように設けられており、 その中心部には、 基合 3 とシリコン基板 Sとの間に形成された空間 5 a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 5 a内にヘリウムガスが充填， 封入されている。 また、 基合 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 （ 2 0 °C ) 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 1 8によって 1 3 . 5 6 M H zの高周波 電力が印加されており、 基合 3及び基台 3上に載置されたシリコン基板 Sにバイアス電位を生じるようになつている。
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にそれぞれマスフ口一コン トロー ラ 1 1 ， 1 2を介して接続されたガスボンベ 9 , 1 0とからなり、 マス フローコン トローラ 1 1 , 1 2により流量調整されたガスがガスボンベ 9， 1 0からエッチング室 2 a内に供給されるようになっている。 尚、 本例では、 ガスボンベ 9内にはエッチング用の S F 6ガスが充填され、 ガスボンベ 1 0内には保護膜形成用の C 4 F 8ガスが充填されている。 前記減圧部 1 3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 1 4と、 この排気管 1 4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 2 a内 が所定の低圧に減圧されるようになっている。
前記プラズマ生成部 1 5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つて配設されたコイル 1 6と、 このコイル 1 6 に 1 3 . 5 6 M H zの高周波電力を印加する高周波電源 1 7とからなり 、 コイル 1 6に高周波電力を印加することによりエッチング室 2 a内の 空間に変動磁場が形成され、 エッチング室 2 a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 つている。 また、 前記制御装置 2 0は、 前記マスフローコン トローラ 1 1 , 1 2 を制御し、 ガスボンベ 9 , 1 0からエツチング室 2 a内に供給されるガ ス流量を調整するガス流量制御手段 2 1 と、 前記コイル 1 6に印加され る高周波電力を制御するコィル電力制御手段 2 2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 2 3とからなる。
次に、 以上の構成を備えたエッチング装置 1 によリシリコン基板 Sを ェツ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 S i O 2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 5 a内にへ リウ厶ガスを充填， 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 1 0から S F 6ガス及び C 4 F 8ガスをそれ ぞれエッチング室 2 a内に供給するとともに、 コイル 1 6に高周波電力 を印加し、 基合 3に高周波電力を印加する。
エッチング室 2 a内に供給される S F 6ガスの流量は、 第 2図 （ a ) に示すように、 V β 2から V β，の範囲で矩形波状に変化し、 また、 C 4 F 8ガスの流量は、 第 2図 （ b ) に示すように、 V d 2から V d 1の範囲 で矩形波状に変化し、 且つ S F 6ガスの位相と C 4 F 8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 2 1 によって制御される そして、 S 「 6ガスの流量 と C 4 F 8ガスの流量 V d 2との流量比 (即ち、 混合容量比） V e 1 ： V d 2力《 1 0 0 ： 5 ~ 1 2の範囲となるよ うに、 また、 S F 6ガスの流量 V。 2と C 4 F 8ガスの流量 V d，との流量 比 （即ち、 混合容量比） V e 2 : V d 1が 2〜 5 ： 1 0 0の範囲となるよ うに、 前記ガス流量制御手段 2 1 によつて制御される。
また、 コイル 1 6に印加される高周波電力は、 第 2図 （ c ) に示すよ うに、 W。 2から W。，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、 W p 2から W p 1の範囲で矩 形波状に変化し、 且つコイル 1 6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ィ ル電力制御手段 2 2， 基台電力制御手段 2 3によって制御される。 エッチング室 2 a内に供給された S F 6ガス及び C 4 F 8ガスは、 コィ ル 1 6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 S i と化学的に反応し て、 シリコン基板 Sから S i 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 ィァス電位により基台 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、 C 4 F 8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ツ 卜が防止される。
このように、 S F 6ガス及び C 4 F 8ガスを同時にエッチング室 2 a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ツ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、 S F 6ガス及び C 4 F 8 ガスの流量、 並びにコイル 1 6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、 S F 6ガス の供給量を V e，と多く し、 C 4 F 8ガスの供給量を V d 2と少なくすると ともに、 コイル 1 6に印加される高周波電力を W c 1と高く し、 基台 3 に印加される高周波電力を W p 1と高く している。 S F 6ガスの供給量を 多く し、 C 4 F 8ガスの供給量を少なく し、 コイル 1 6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ラジカルゃィォ 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 やアンダー力ッ 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、 基合 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かなり強 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、 ィ 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リも重合 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、 S F 6ガスの供給 量を V β 2と少なく し、 C 4 F 8ガスの供給量を V d 1と多くするとともに 、 コイル 1 6に印加される高周波電力を W 2と低く し、 基台 3に印加 される高周波電力を Wp 2と低く している。 S F 6ガスの供給量を少なく し、 C 4 F 8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所定の基準値以下である 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 S F 6ガスの流量 V。 は 6 0 ~ 6 O O m l Zm i nの範囲であるのが好ましく、 前記 C 4 F 8ガスの流量 V d 1は 5 0 ~ 40 0 m l Zm i nの範囲であるのが好ましい。
また、 上記のように、 C 4 F 8ガスの流量 V d 2は、 S F 6ガスの流量 V e 1 との比において、 V d 2 : V β 1が5〜 1 2 ： 1 0 0の範囲となるよ うな流量であるのが好ましい。 V d 2が 5未満であると、 C 4 F 8ガスの 量が少なすぎて、 エッチングによって形成された壁面を有効に保護する ことができず、 一方、 V d 2が 1 2を超えると、 C 4 F 8ガスの量が多す ぎて、 エッチンググラン ドに保護膜が形成され易く、 エッチング作用を なすエネルギが保護膜の剥離に多く費やされて、 ェツチング速度が低下 するからである。
また、 S F 6ガスの流量 V e 2は、 C 4 F 8ガスの流量 V d との比にお いて、 V e 2 ： V d 1が 2〜 5 ： 1 0 0の範囲となるような流量であるの が好ましい。 V e 2が 2未満であると、 S F 6ガスの量が少なすぎて、 ェ ツチンググラン ドに保護膜が形成されるのを十分に抑制することができ ないため、 十分なエッチング速度が得られず、 一方、 V e 2が 5を超え ると、 S F 6ガスの量が多すぎて、 前記壁面がエッチングされ易い環境 となリ、 その表面精度が悪化するからである。
また、 コィ ゾレ 1 6に印加される高周波電力 Wc 1は 8 0 0〜 3 0 0 0 Wの範囲であるのが好ましく、 Wc 2は 6 0 0 ~ 2 5 0 0W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 W p は 3 ~ 5 0 W (更に好ましくは 1 0〜 5 0W) の範囲であるのが好ましく、 Wp 2は 2 ~ 2 5 W (更に好ましくは 5〜 2 5W) の範囲であるのが好まし い。
また、 前記 e工程の実施時間は 3 ~ 4 5秒の範囲が好ましく、 前記 d 工程の実施時間は 3 ~ 3 0秒の範囲が好ましい。
このように、 本例によれば、 S F 6ガスと C 4 F 8ガス （フロロカーボ ンガス） との混合ガスを用いいるとともに、 エッチング進行工程におけ る混合ガス、 及び保護膜形成工程における混合ガスを、 それぞれ上記混 合比率とすることで、 エッチング進行工程で保護膜形成ガスを用いず、 且つ保護膜形成工程でェッチングガスを用いないエツチング法に比べて 、 エッチング速度を速く し、 しかも、 エッチングによって形成される壁 面を、 表面精度の高い平滑面とすることができる。
そして、 このような精度の高いエッチングを行うことで、 半導体集積 回路の高集積化や高密度化を図ることができ、 また、 形状精度の高いマ イクロマシンを製造することができる。
以下、 本発明におけるより具体的な効果を実験 に基づいて説明する
1 . 実験例 1
エッチングガスと して S F 6ガスを用い、 保護膜形成ガスと して C 4 F 8ガスを用い、 コイル 1 6に印加される高周波電力 Wc 1を 2 2 0 O W 、 We 2を 1 5 0 0 Wと し、 基台 3に印加される高周波電力 Wp 1を 4 0 W、 Wp 2を 2 0 Wと し、 e工程の S F 6ガスの流量 V e 1を 4 5 0 m l /m i n と し、 d工程の C 4 F 8ガスの流量 V d 1を 1 5 0 m l Zm i n とするとともに、 d工程の S F 6ガスの流量 V。 2を、 O m l Zm i n , 3 m I / m i n , 4. 5 m I / m ι n , /' . 5 m I / m i n , 1 5 m l m i n と変化させ、 且つ、 e工程の C 4 F 8ガスの流量 V d 2を、 O m I Zm i n , 2 2. o m I / m i n , 3 1 . 5 m I / m i n , 5 4 m l Zm i n , 9 0 m I / m i n , 1 3 5 m l Zm i nと変化させた各条件 下でシリコン基板をエッチングし、 当該シリコン基板上に第 3図に示す ような穴 3 1 を形成した。
尚、 e工程の処理時間を 8. 5秒と し、 d工程の処理時間を 3秒とし て、 この e工程と d工程とを 1 5分間繰り返して実施した。 また、 エツ チングチャンバ 2内の圧力は、 e工程では 4. O P a、 d工程では 1 . 9 P aであった。
そして、 上記各エッチング条件下でのエッチング速度、 並びに形成さ れた穴壁面 3 2の表面精度 （凹凸） P ( n m) 、 及び壁面 3 2の溝底面 に対する角度 0 (° ) をそれぞれ測定した。 その結果を、 第 4図乃至第 9図に示す。 尚、 第 4図は、 上記各エッチング条件下におけるエツチン グ速度 （jt mZm i n ) の測定結果を示した表であり、 第 5図は、 その グラフである。 また、 第 6図は、 前記表面精度 （凹凸） p ( n m) の測 定結果を示した表であり、 第 7図は、 そのグラフである。 また、 第 8図 は、 前記角度 0 (° ) の測定結果を示した表であり、 第 9図は、 そのグ ラフである。
また、 第 4図、 第 6図、 第 8図において、 S F 6ガスの流量 V β 2は、 C 4 F 8ガスの流量 V d 1 ( 1 5 0 m I /m i n ) を 1 0 0と した場合の 流量 （容量） 比でこれを表し、 C 4 F 8ガスの流量 V d 2も同様に、 S F 6ガスの流量 V e 1 ( 4 5 0 m I /m i n ) を 1 0 0とした場合の流量 （ 容量） 比でこれを表している。
第 4図乃至第 9図に示すように、 d工程で S F 6ガスを用いない場合 ( A = 0の場合） には、 e工程での C 4 F 8ガスの流量 V d 2を多くする ほど表面精度 （凹凸） P ( n m ) や角度 0 (° ) は良好となるが、 エツ チング速度が低下する傾向にあり、 また、 e工程で C 4 F 8ガスを用い ない場合には、 d工程での S F 6ガスの流量 V β 2を多くするほどエッチ ング速度は速くなるが、 その一方、 表面精度 （凹凸） p ( n m) や角度 0 (° ) が悪化する傾向にあることが分かる。
そして、 この結果から、 d工程での S F 6ガスの流量 V β 2及びを eェ 程での C 4 F 8ガスの流量 V d 2を適量とすることで、 エッチング速度、 表面精度 （凹凸） P ( n m) 及び角度 0 (° ) のそれぞれを良好なもの とすることができると予想されるが、 本実験例では、 上記第 4図乃至第 9図に示すように、 S F 6ガスの流量 V β 2の C 4 F 8ガスの流量 V d ,に 対する流量比が 2 ~ 5の範囲であり、 且つ C 4 F 8ガスの流量 V d 2の S F 6ガスの流量 V β，に対する流量比が 5 ~ 1 2の範囲である場合に、 e 工程で C 4 F 8ガスを用いず、 且つ d工程で S F 6ガスを用いない場合 （ 即ち、 A = 0及び B = 0の場合） と比べて、 エッチング速度が速く、 し かも表面精度 （凹凸） p ( n m) や角度 0 ） を良好にできることが 判明した。
尚、 エッチング速度は、 速ければ速い程好ましいが、 本例では、 上記 のように、 e工程で C 4 F 8ガスを用いず、 且つ d工程で S F 6ガスを用 いない場合 （即ち、 A = 0及び B = 0の場合） と比べて、 同程度以上と なるエッチング速度を好ましい速度と判断した。 また、 表面精度 （凹凸 ) p ( n m) についても、 これが小さい方が好ましいが、 e工程で C 4 F 8ガスを用いず、 且つ d工程で S F 6ガスを用いない場合 （即ち、 A = 0及び B = 0の場合） と比べて、 同程度以下となる表面精度を好まし い精度と判断した。 更に、 角度 0 ） は、 9 0 ° に近い方がより好ま しいが、 9 1 ° 以下を好ましい角度とした。
2. 実験例 2
同じくェツチングガスと して S F 6ガスを用い、 保護膜形成ガスと し て C 4 F 8ガスを用い、 コイル 1 6に印加される高周波電力 Wc 1を 9 0 OW、 Wc 2を 8 0 0 Wとし、 基台 3に印加される高周波電力 Wp 1を 2 5 W、 Wp 2を 5 Wと し、 e工程の S F 6ガスの流量 V e 1を 2 0 0 m l /m i n とし、 d工程の C 4 F 8ガスの流量 V d 1を 6 0 m I /m i n と するとともに、 d工程の S F 6ガスの流量 V e 2を、 O m l Zm i n , 1 Z m I / m I n , 1 . 8 m I / m ι n , 3 m I / m i n , D m I / m i n と変化させ、 且つ、 e工程の C 4 F 8ガスの流量 V d 2を、 O m l Z m i n , 1 0 m I / m i n , 1 4 m I / m i n , 2 4 m I / m i n , 4 0 m I / m i nと変化させた各条件下でシリコン基板をェツチングし、 当該シリコン基板上に第 3図に示すような穴 3 1 を形成した。 尚、 e工程の処理時間を 1 5秒とし、 d工程の処理時間を 7秒として 、 この e工程と d工程とを 3 0分間繰り返して実施した。 また、 エッチ ングチャンバ 2内の圧力は、 e工程では 2. 5 P a、 d工程では 0. 8 P aであった。
そして、 上記各エッチング条件下で、 そのエッチング速度、 並びに形 成された穴壁面 3 2の表面精度 （凹凸） p ( n m) 、 及び壁面 3 2の溝 底面に対する角度 0 (° ) をそれぞれ測定した。 その結果を、 第 1 0図 乃至第 1 5図に示す。 尚、 第 1 0図は、 上記各エッチング条件下におけ るエッチング速度 （ / m / m ί η ) の測定結果を示した表であり、 第 1 1 図は、 そのグラフである。 また、 第 1 2図は、 前記表面精度 （凹凸） Ρ ( n m) の測定結果を示した表であり、 第 1 3図は、 そのグラフであ る。 また、 第 1 4図は、 前記角度 0 (° ) の測定結果を示した表であり 、 第 1 5図は、 そのグラフである。
また、 第 1 0図、 第 1 2図、 第 1 4図において、 S F 6ガスの流量 V β 2は、 C4 F 8ガスの流量 V d 1 ( 6 0 m l ノ m i n ) を 1 00と した場 合の流量比でこれを表し、 C 4 F 8ガスの流量 V d 2も同様に、 S F 6ガ スの流量 V e 1 ( 2 0 0 m I /m i η ) を 1 0 0 と した場合の流量比で これを表している。
第 1 0図乃至第 1 5図に示すように、 この実験例においても、 d工程 で S F 6ガスを用いない場合 （A = 0の場合） には、 e工程での C4 F 8 ガスの流量 V d 2を多くするほど表面精度 （凹凸） p ( n m) や角度 0 (° ) は良好となるが、 エッチング速度が低下する傾向にあり、 また、 e工程で C 4 F 8ガスを用いない場合には、 d工程での S F 6ガスの流量 V a 2を多くするほどエッチング速度は速くなるが、 その一方、 表面精 度 （凹凸） p ( n m) や角度 0 ） が悪化する傾向にあることが分か リ、 この結果から、 d工程での S F 6ガスの流量 V β 2及びを e工程での C 4 F 8ガスの流量 V d 2を適量とすることにより、 エッチング速度、 表 面精度 （凹凸） P ( n m) 及び角度 0 に ) のそれぞれを良好なものに できることが分かる。
そして、 本実験例においても、 上記第 1 0図乃至第 1 5図に示すよう に、 S F 6ガスの流量 V β 2の C 4 F 8ガスの流量 V d，に対する流量比が 2 ~ 5の範囲であり、 且つ C 4 F 8ガスの流量 V d 2の S F 6ガスの流量 V β，に対する流量比が 5 〜 1 2の範囲である場合に、 エッチング速度 、 表面精度 （凹凸） Ρ ( n m) 及び角度 0 (° ) のいずれをも良好にで きることが判明した。 尚、 エッチング速度、 表面精度 （凹凸） p ( n m ) 及び角度 0 ） の好ましい範囲については、 上記実験例 1 における 基準と同じ基準に依ることとした。
実験例 2は、 実験例 1 に比べてコイル 1 6に印加される高周波電力 W 0 及び W c 2を下げ、 基台 3に印加される高周波電力 Wp Λ及び Wp 2を 下げるとともに、 これに応じて、 S F 6ガスの流量 V β 及び C 4 F 8ガ スの流量 V d を少なく した条件下で実験を行ったが、 これら、 実験例 1 及び 2から分かるように、 コイル 1 6に印加される高周波電力 W c 1 , Wc 2及び基台 3に印加される高周波電力 Wp 1 , Wp 2の大きさに依ら ず、 また、 S F 6ガスの流量 V β，及ぴ C 4 F 8ガスの流量 V d，の多ぃ少 ないに依らず、 S F 6ガスの流量 V β 2の C 4 F 8ガスの流量 V d，に対す る流量比が 2 〜 5の範囲であり、 且つ C 4 F 8ガスの流量 V d 2の S F 6 ガスの流量 V β に対する流量比が 5 ~ 1 2の範囲である場合に、 エツ チング速度、 表面精度 （凹凸） Ρ ( n m) 及び角度 0 ） のいずれを もを良好にできることが分かった。 産業上の利用可能性
以上のように、 本発明にかかるシリコン基板のエッチング方法及びェ ツチング装置は、 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、 好適に用いることができる

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 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、
前記シリコン基板に常時電力を印加してバイアス電位を与えつつ、 エッチングガスとしての S F 6ガスと、 保護膜形成ガスとしてのフロ 口カーボンガスとの混合ガスを用いて、 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、
同じく前記 S F 6ガスとフロロカーボンガスとの混合ガスを用いて、 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して行うようにしたエッチング方法において 前記ドライエッチング進行工程における前記混合ガスを、 S F 6ガス 1 0 0容量に対してフロロカーボンガスを 5 〜 "！ 2容量混合させたもの とし、
前記保護膜形成工程における前記混合ガスを、 フロロ力一ボンガス 1 0 0容量に対して S F 6ガスを 2 ~ 5容量混合させたものとしたことを 特徴とするシリコン基板のエッチング方法。
2 . 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進行ェ 程においては高く し、 前記保護膜形成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 1 項記載のシリコン基板のエッチング方法。
3 . 前記エッチング工程においてプラズマを発生させるための高周波電 力を、 前記ドライエッチング進行工程においては高く し、 前記保護膜形 成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 1 項又は第 2 項記載のシリコン基板のエッチング方法。
4 . 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 が載置される基合と、
前記エッチングチャンバ内にエッチングガスたる S F 6ガスを供給す るエツチングガス供給手段と、
前記ェツチングチヤンバ内に保護膜形成ガスたるフロロカーボンガス 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 ィルを備え、 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 パ内に供給された前記 S F 6ガス及びフロロカーボンガスをプラズマ化 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、
前記ェツチングガス供給手段及び前記保護膜形成ガス供給手段によリ 前記エッチングチャンバ内に供給される前記 S F 6ガス及びフロロカー ボン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は、 前記 S F 6ガスとフロロカーボンガスを連 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し、 更に、 前記 S F 6ガスの多量供給時には S F 6ガス 1 0 0容量に対して フロロカーボンガスを 5 〜 1 2容量供給し、 前記フ口口カーボンガスの 多量供給時にはフロロ力一ボンガス 1 0 0容量に対して S F 6ガスを 2 ~ 5容量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 のエツチング装置。
5 . 前記基台電力制御手段は、 前記基台に印加される電力を、 前記 S F 6ガスの多量供給時には高く し、 前記フロロカーボンガスの多量供給時 には低くするように構成されてな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装置。
6 . 前記コイル電力制御手段は、 前記コイルに印加される電力を、 前記 S F 6ガスの多量供給時には高く し、 前記フロロカーボンガスの多量供 給時には低くするように構成されてな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装置。
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