ドライエッチング方法及びドライエッチング装置
【課題】特殊な装置を用いることなく、好適なエッチングレートを維持しつつ、エッチング形状の異方性を向上することができるドライエッチング方法及びドライエッチング装置を提供する。
【解決手段】ＳＦ６からなるガスに、酸素を添加するとともに、ＳＦ６に対する流量比を０．２２以上０．６７以下に調整してＳｉｘＦｙで表されるフッ化ケイ素ガスを添加したエッチングガスをプラズマ化して、シリコン層をエッチングする。
【解決手段】ＳＦ６からなるガスに、酸素を添加するとともに、ＳＦ６に対する流量比を０．２２以上０．６７以下に調整してＳｉｘＦｙで表されるフッ化ケイ素ガスを添加したエッチングガスをプラズマ化して、シリコン層をエッチングする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン層を処理対象としたドライエッチング方法及びドライエッチング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板を利用した半導体素子の製造工程には、エッチングガスのプラズマにより基板にホールやトレンチを形成するドライエッチングが利用されている。シリコン基板を対象としたドライエッチングでは、エッチングガスとして、ＳＦ６とＯ２とからなる混合ガスが多用されている。この混合ガスのうち、ＳＦ６の解離により生成されたプラズマ中のフッ素ラジカルは、シリコンと反応して、揮発性のＳｉｘＦｙを生成する。また、酸素分子、酸素原子又は酸素ラジカルは、気相中のＳｉｘＦｙと反応してＳｉＯｘを生成する。こうして生成されたＳｉＯｘは、ホールやトレンチの側面に堆積して、側面方向にエッチングが進行する等方性エッチングを抑制する保護膜として機能する。
【０００３】
また、ホールやトレンチの側面に保護膜を形成するために、ドライエッチング装置に、保護膜の材料となるターゲットを設けて、基板にホールやトレンチを形成するエッチング工程と、ターゲットをスパッタしてそのホールやトレンチの側面に保護膜を形成する保護膜形成工程とを繰り返す方法も提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−０３５１６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記した方法では、反応生成物であるＳｉｘＦｙとＯ２、酸素原子又は酸素ラジカルが反応してＳｉＯｘからなる保護膜が形成されるため、ホールやトレンチの開口部付近には保護膜が形成されやすいが、該開口部よりも奥側には保護膜が形成されにくい。このため、ホールやトレンチの側面のうち、保護膜が十分に形成されていない箇所において等方的にエッチングが進行し、ホールやトレンチの形状を樽型とする、いわゆるボーイングが発生しやすくなる。特に、貫通孔（ＴＳＶ：through silicon via）や深いトレンチを加工する際には、その影響が顕著となる。
【０００６】
一方、上記エッチングガスのうち酸素が占める割合を増加させると、エッチングレートが急激に低下して、最終的にはエッチングが停止してしまう。このため、シリコン基板に対するエッチングレートを好適に保ちつつ、異方性の高いドライエッチング方法が求められていた。
【０００７】
また、エッチング工程と保護膜形成工程とを繰り返す方法では、平滑性が高い保護膜を形成し、ホール又はトレンチの加工精度を向上することができるが、特殊な装置を必要とし、工程数が多くなる。
【０００８】
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、特殊な装置を用いることなく、好適なエッチングレートを維持しつつ、エッチング形状の異方性を向上することができるドライエッチング方法及びドライエッチング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、ＳＦ６からなるガスに、酸素を添加するとともに、ＳＦ６に対する流量比を０．２２以上０．６７以下に調整してＳｉｘＦｙで表されるフッ化ケイ素ガスを添加したエッチングガスをプラズマ化して、シリコン層をエッチングすることを要旨とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、シリコン層を有する基板を収容する処理室と、ＳＦ６からなるガス、酸素及びＳｉｘＦｙで表されるフッ化ケイ素ガスを含有するエッチングガスを、ＳＦ６に対するフッ化ケイ素ガスの流量比を０．２２以上０．６７以下に調整するガス供給系と、前記処理室内の前記エッチングガスをプラズマ化するプラズマ源とを備えたことを要旨とする。
【００１１】
請求項１及び請求項４に記載の発明によれば、ＳＦ６とシリコンとの反応によりシリコン層をエッチングする際に、ＳＦ６とシリコンとの反応生成物であるＳｉＦｘ等と、プラズマ中の酸素ラジカル等を反応させてＳｉＯｘを生成し、このＳｉＯｘを、ホール又はトレンチの側面に等方的なエッチングを抑制する保護膜として堆積させることができる。また、プラズマ中のＳｉｘＦｙ（ｘ及びｙは自然数）で表されるフッ化ケイ素が解離して生成されたガス分子と酸素ラジカル等とを反応させてＳｉＯｘを生成し、上記保護膜として堆積させることができる。即ち、気相中のＳｉｘＦｙがＳｉＯｘ等の生成に寄与することにより、ホール又はトレンチの開口部だけでなく、ホール又はトレンチの側面の全体に亘ってＳｉＯｘを堆積させることができる。またＳｉｘＦｙの流量比を上記範囲に調整するため、ホール又はトレンチの側面に堆積するＳｉＯｘの量を、等方的エッチングを抑制できるような十分な量にするとともに、ＳｉＯｘの堆積量が過多となることによるエッチングレートの低下又はエッチングの停止が生じないようにすることができる。このため、異方性エッチングと好適なエッチングレートとを両立することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のドライエッチング方法において、前記エッチングガスのプラズマの密度が、１０１１ｃｍ−３以上であることを要旨とする。
請求項２に記載の発明によれば、エッチングガスのプラズマの密度が、１０１１ｃｍ−３以上であるため、ＳｉｘＦｙの解離度が高まり、プラズマ中のＳｉＯｘの生成に寄与するＳｉＦｘの含有量を増加させることができる。このため、エッチングガスとして使用されるＳｉｘＦｙガスのうち、ＳｉＯｘの生成に寄与するガスの割合を多くすることができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のドライエッチング方法において、前記フッ化ケイ素ガスは、ＳＦ６からなるガス及び酸素の供給と同時又はそれらのガスの供給を開始した後に供給されることを要旨とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、少なくともＳｉｘＦｙが供給される際には酸素等の酸素源が存在するので、パーティクルの原因となるＳｉリッチな粒子の生成を抑制しつつＳｉＯｘを生成することができる。即ち、ＳｉｘＦｙからなるガスをＳＦ６からなるガス及び酸素の供給前に供給すると、酸素源が少ない状態でＳｉｘＦｙガスがプラズマ中で分解されるので、Ｓｉリッチな粒子が生成され、この粒子が装置内を汚染するパーティクルの原因となる。これに対し、上記タイミングでＳｉｘＦｙからなるガスを供給することで、Ｓｉリッチな粒子の生成を抑制し、パーティクルの生成を抑制することができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のドライエッチング装置において、前記プラズマ源は、磁気中性線放電プラズマを生成するプラズマ源、又は誘導結合によりプラズマを生成するプラズマ源であることを要旨とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、上記プラズマ源により、高密度なプラズマを生成することができるため、ＳｉｘＦｙの解離度が高まり、ＳｉＯｘの生成に寄与するＳｉＦ等の含有量を増加させることができる。このため、エッチングガスとして使用されるＳｉｘＦｙガスのうち、ＳｉＯｘの生成に寄与するガスの割合を多くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のドライエッチング装置を具体化した磁気中性線放電型エッチング装置の概略図。
【図２】（ａ）はエッチングを実施する前の基板の端面図、（ｂ）は同装置によってエッチングを実施した際の基板の端面図。
【図３】比較例の基板の端面図。
【図４】異なるガス組成でエッチングを実施した際のプラズマの発光スペクトルを示す。
【図５】実施例１の条件により生成されたホールの電子顕微鏡写真。
【図６】実施例２の条件により生成されたホールの電子顕微鏡写真。
【図７】実施例３の条件により生成されたホールの電子顕微鏡写真。
【図８】比較例１の条件により生成されたホールの電子顕微鏡写真。
【図９】比較例２の条件により生成されたホールの電子顕微鏡写真。
【図１０】実施例及び比較例の流量比におけるＣＤシフト量を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明のドライエッチング装置を、磁気中性線放電型エッチング装置（以下、ＮＬＤ型エッチング装置）に具体化した一実施形態について、図１〜図５にしたがって説明する。
【００１９】
図１に示すように、ＮＬＤエッチング装置は、略有底筒状に形成された真空槽１１を有している。真空槽１１はアルミニウム等の金属製であって、その内部にシリコン基板Ｓｂを収容する処理室５０を有し、処理室５０の上部開口を誘電体から形成された誘電体窓１２によって密閉している。
【００２０】
真空槽１１には、エッチングを実施する処理対象となるシリコン基板Ｓｂを隣室から真空槽１１内へ搬入するとともに、真空槽１１から他の処理室へ搬送するための図示しない搬送口が設けられている。さらに、真空槽１１には、真空槽１１内のエッチングガスや大気等の流体を排気する排出口１１ｄが設けられ、該排出口１１ｄには図示しない排気装置が接続されている。また、真空槽１１には、処理室５０に連通するガス供給部１３が設けられている。エッチングを実施する際には、このガス供給部１３には、処理室５０にエッチングガスを供給するガス供給系１５が接続されている。
【００２１】
ガス供給系１５は、ＳＦ６（六フッ化硫黄）からなるガスを供給する第１ガス供給源１６と、Ｏ２（酸素）からなるガスを供給する第２ガス供給源１７と、ＳｉｘＦｙからなるガスを供給する第３ガス供給源１８とを備えている。本実施形態では、第３ガス供給源１８は、ＳｉＦ４ガスを供給する。ＳＦ６ガス、Ｏ２ガス及びＳｉＦ４ガスは、各供給源１６〜１８から各マスフローコントローラ１４によって流量を調節されながら所定のタイミングでそれぞれ送出され、処理室５０に供給される直前で混合される。
【００２２】
真空槽１１の下部には、ステージ２０が設けられている。ステージ２０は、その上面が平坦に形成され、シリコン基板Ｓｂを載置可能となっており、図示しない静電チャックを有している。また、ステージ２０は、ステージ電極を兼ねており、整合回路２１を介して、バイアス用高周波電源２２に電気的に接続されている。整合回路２１は、プラズマ生成領域とバイアス用高周波電源２２からシリコン基板Ｓｂ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んでいる。
【００２３】
また、誘電体窓１２の上方には、電磁波源を構成する誘導コイルとしての２段の高周波アンテナ２５が、異なる面上であって、真空槽１１の中心軸の回りを周回するように積み重ねられている。
【００２４】
高周波アンテナ２５は、始端が真空槽１１の中心軸と平行に延びる柱状の入力端子２６に、その外周側に位置する終端が、中心軸と平行な方向に延びる出力端子２７に電気的に並列に接続されている。
【００２５】
図１に示すように、上段の高周波アンテナ２５から突出する入力端子２６の端部には、電磁波源を構成する高周波電源２８と整合回路２９とが、入力側コンデンサ３1を介して接続されている。また、高周波アンテナ２５には、直列に接続された直流電源ＤＣとローパスフィルタ３０とからなる直列回路とが接続されている。
【００２６】
高周波電源２８は、処理室５０にプラズマを生成するための高周波電力、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を出力する。整合回路２９は、負荷となる上記処理室５０内のガスと、高周波アンテナ２５を含む高周波電源２８から真空槽１１までの伝送路とのインピーダンスの整合を図る。入力側コンデンサ３１は、容量の変更が可能ないわゆる可変コンデンサであって、例えば１０ｐＦ〜１００ｐＦの範囲で任意に静電容量を変更する。直流電源ＤＣは、例えば０Ｖ〜−２０００ｋＶの直流電圧を入力端子２６に印加可能な電源である。またローパスフィルタ３０は、直流電源ＤＣの出力した電圧からノイズを除去する。
【００２７】
また、上段の高周波アンテナ２５から突出する出力端子２７の端部は、可変コンデンサである出力側コンデンサ３２に接続され、この出力側コンデンサ３２及びＮＬＤエッチング装置の筐体を介して設置電位に接続されている。尚、この出力側コンデンサ３２も入力側コンデンサ３１同様、その静電容量は、例えば１０ｐＦ〜１００ｐＦの範囲で任意に変更可能である。
【００２８】
さらに、真空槽１１の側面には三段の磁場コイル３５が設けられている。この磁場コイル３５は、第１磁場コイル３６、第２磁場コイル３７及び第３磁場コイル３８を有している。各磁場コイル３６〜３８は、真空槽１１の外周に配設され、それらの中心軸が、上記中心軸とほぼ一致するように配置されている。
【００２９】
第１磁場コイル３６及び第３磁場コイル３８には、各電力供給部（図示略）から、同一方向の電流が供給される。第２磁場コイル３７には、第１磁場コイル３６及び第３磁場コイル３８に供給される電流の向きとは逆の電流が供給される。その結果、磁場コイル３５の周方向、即ち真空槽１１の周方向に沿って、ゼロ磁場領域５１が形成される。ゼロ磁場領域５１の中心軸方向の位置は、第２磁場コイル３７の中心軸方向における位置とほぼ同じである。
【００３０】
次に、本実施形態のＮＬＤ型エッチング装置の作用について説明する。図２（ａ）に示すように、シリコン基板Ｓｂには、ホール（又はトレンチ）が形成される領域である被エッチング領域のみが露出するように、微細パターンを有するレジストマスクＭが形成されている。
【００３１】
また、ＮＬＤ型エッチング装置の搬送口に接続するゲートバルブが開弁されるとともに、搬送口を介してシリコン基板Ｓｂが処理室５０に搬入される。シリコン基板Ｓｂがステージ２０上に配置されると、ゲートバルブを閉じられる。また静電チャックに内蔵された電極に所定の電圧が印加されて、静電チャック上に電荷が誘起されることで、静電チャックにシリコン基板Ｓｂが静電吸着される。
【００３２】
次いで、ガス供給部１３を介して、各マスフローコントローラ１４によって流量を調整されたＳＦ６、Ｏ２及びＳｉＦ４が処理室５０内に同時に供給される。また、図示しない排気装置の駆動により、排出口１１ｄを介して処理室５０内の流体が排気され、処理室５０がエッチング処理の条件に応じた圧力とされる。このエッチングガスの供給と、排気装置による真空槽１１内の排気は、プラズマエッチング処理の実施中にわたり継続されるものである。
【００３３】
また、図示しない電力供給部から、第１磁場コイル３６及び第３磁場コイル３８に同一方向の電流が供給され、第２磁場コイル３７に、第１磁場コイル３６及び第３磁場コイル３８に供給される電流の向きとは逆の電流が供給される。この電流の供給により、処理室５０には、ゼロ磁場領域５１が生成される。
【００３４】
さらにバイアス用高周波電源２２から、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が、整合回路２１及び入力側コンデンサ３１を介して高周波アンテナ２５に供給される。そして、高周波アンテナ２５から出力される高周波電力が、誘電体窓１２を介して、ゼロ磁場領域５１が生成された処理室５０に伝播され、誘導電場が生成される。そして、この誘導電場の生成により、エッチングガスを原料とする磁気中性線放電（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｌｏｏｐ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）プラズマが生成される。このプラズマ中には、ＳＦ６ガスが解離して生成されたＳＦｘ（ｘ＝１〜５）、酸素原子や酸素ラジカル、ＳｉＦ４ガスが解離して生成されたＳｉＦｘ（ｘ＝１〜３）等が含まれる。
【００３５】
そして、バイアス用高周波電源２２から基板電極ステージ２０にバイアス用の高周波電力が供給される。この電力の供給により、処理室５０に生成されたプラズマとシリコン基板Ｓｂとの間に直流電圧が発生する。その結果、処理室５０内に存在するプラズマ中のＳＦｘ等がシリコン基板Ｓｂに引き込まれ、シリコン基板Ｓｂをエッチングする。
【００３６】
酸素原子や酸素ラジカルは、シリコン基板ＳｂのＳｉと反応して、ＳｉＯｘを生成する。反応生成物であるＳｉＯｘは、図２（ｂ）に示すように、シリコン基板Ｓｂのエッチングにより生成されたホールＨの側面に堆積し、等方的なエッチングを抑制する保護膜Ｆとして機能する。また、処理室５０に供給されたＳｉＦ４がプラズマ中で解離して生成されたＳｉＦｘのうち、主にＳｉＦが、酸素原子や酸素ラジカル等と反応してＳｉＯｘを生成し、ホールの側面に形成された保護膜Ｆを増強する。
【００３７】
エッチングによる反応生成物であるＳｉＯｘは、エッチングが進行している底面付近に多く存在するが、プラズマ中（気相中）のＳｉＦｘは、局所的に滞留することなく、ホールＨの側面付近に到達し、同じく側面に到達した酸素原子や酸素ラジカルと反応してＳｉＯｘを生成する。このため、プラズマ中（気相中）のＳｉＦｘにより生成されたＳｉＯｘは、ホールＨの側面全体に亘って堆積することとなる。
【００３８】
また上記したように、ＳｉＦ４ガスは、ＳＦ６ガス及びＯ２ガスの供給と同時に処理室５０へ供給されるので、パーティクルの原因となるＳｉリッチな粒子の生成を抑制しつつ、ＳｉＯｘを生成することができる。即ち、ＳｉＦ４からなるガスをＳＦ６からなるガス及びＯ２からなるガスの供給前に供給すると、酸素源が少ない状態でＳｉＦ４ガスが分解されるので、Ｓｉリッチな粒子が生成され、この粒子が処理室５０内を汚染するパーティクルの原因となる。これに対し、Ｏ２ガスの供給と同時にＳｉＦ４からなるガスを供給することで、Ｓｉリッチな粒子の生成を抑制し、パーティクルの生成を抑制することができる。
【００３９】
このようなエッチングを実施する際、ＳＦ６ガスに対するＳｉＦ４ガスの流量比が、０．２２以上０．６７以下であることが好ましい。ＳｉＦ４ガスの流量比が０．２２未満になると、ホールＨの側面に堆積するＳｉＯｘの量が不足して、エッチング形状の異方性を向上することができない。このため、ＳｉＦ４ガスの流量比が０．２２未満である場合、図３に示すように、ホールＨの開口部付近の内径が大きくなり、ホールＨの側面が湾曲するボーイングが発生する等、ホールＨの垂直性が低下してしまう。
【００４０】
ＳｉＦ４ガスの流量比が、０．６７を超えると、シリコン基板Ｓｂのエッチングに直接寄与するＳＦｘが不足気味となるか、又はＳｉＯｘの堆積量が過剰となり、エッチングレートが低下するか、若しくはエッチングが停止してしまう。
【００４１】
なお、上述したようにエッチングガスとしてＳｉＦ４を添加しなくても、ＳＦ６とＳｉとの反応により、ＳｉＯｘの供給源となるＳｉＦｘは生成されるが、ＳｉＦ４をエッチングガスとして添加すると、プラズマ中のＳｉＦｘの生成量は増加する。図４中太線（上側のスペクトル）で示すように、ＳＦ６、Ｏ２及びＳｉＦ４からなるエッチングガスを用いてシリコン基板Ｓｂをエッチングした場合、プラズマのスペクトルでは、ＳｉＦ（４３７ｎｍ）に相当する強いピークがみられた。一方、図４中細線（下側のスペクトル）で示すように、ＳＦ６及びＯ２からなるエッチングガスを用いてシリコン基板Ｓｂをエッチングした場合、プラズマのスペクトルでは、前者のスペクトルに比べＳｉＦに相当するピークの強度が小さかった。
【００４２】
さらに、エッチングを実施する際、Ｏ２ガスは、ＳｉＦ４ガスの流量に対して５％以上添加することが好ましい。Ｏ２ガスの添加量をその範囲とすると、適度な量のＳｉＯｘを生成することができる。
【００４３】
また、プラズマ密度は、１０１１ｃｍ−３以上であることが好ましい。プラズマ密度が、１０１１ｃｍ−３以上である場合、プラズマ中のＳｉＦ４の解離度が高まり、ＳｉＯｘの生成に寄与するＳｉＦｘの量を多くすることができる。即ち、処理室５０に供給されたＳｉＦ４のうち、ＳｉＯｘの生成に寄与する割合を多くすることができる。このＳｉＦｘは、プラズマ中の酸素原子又は酸素ラジカルと反応してＳｉＯｘを生成し、ホールの側壁の保護膜を増強する。
【００４４】
そしてＳＦ６ガスに対するＳｉＦ４ガスの流量比を０．２２以上０．６７以下といった比率を保持してエッチングを継続して実施していくと、シリコン基板Ｓｂに所望の深さを有するホールＨが形成される。このように形成されたホールＨは、側面に形成されたＳｉＯｘからなる保護膜Ｆが適量化されているため、開口部付近のボーイングが抑制されて、ホールＨの異方性（垂直性）が維持される。
【００４５】
シリコン基板Ｓｂに所望の深さのホールＨを形成すると、レジストマスクＭを除去する工程で、保護膜Ｆも除去する。
次に、実施例及び比較例を挙げて、上記実施形態について具体的に説明する。
（実施例１）
上記したＮＬＤ型エッチング装置を用いて、以下の条件でエッチングを行った。シリコン基板Ｓｂに、エッチングマスクとして膜厚１μｍのＴＥＯＳを積層し、ウエハ開口率は１．５％で形成し、そのシリコン基板Ｓｂに対して、以下の条件でエッチングを実施して、深さ５０μｍ程度のホールを形成した。尚、ＳＦ６に対するＳｉＦ４の流量比は、０．２２である。
【００４６】
・エッチングガス ＳＦ６：Ｏ２：ＳｉＦ４
・流量（ＳＦ６：Ｏ２：ＳｉＦ４） ２２５ｓｃｃｍ：５０ｓｃｃｍ：５０ｓｃｃｍ
・真空槽内の圧力 ６．６５Ｐａ
・アンテナパワー １０００Ｗ
・バイアス用高周波電力（周波数） ５０Ｗ（２ＭＨｚ）
・基板温度 −２０℃
・エッチング時間 １０分
上記条件でエッチングを実施した際のホールの電子顕微鏡写真を図５に示す。ホールの異方性が維持されている。
（実施例２）
実施例１の条件のうち、ＳＦ６に対するＳｉＦ４の流量比を好適な範囲の下限値とし、その他の条件は実施例１と同様にしてエッチングを実施した。各ガスの流量を以下に示す。尚、ＳＦ６に対するＳｉＦ４の流量比は、０．４４である。
・流量（ＳＦ６：Ｏ２：ＳｉＦ４） ２２５ｓｃｃｍ：５０ｓｃｃｍ：１００ｓｃｃｍ
上記条件でエッチングを実施した際のホールの電子顕微鏡写真を図６に示す。開口部付近でのボーイングが見られず、ホールの異方性が維持された。
（実施例３）
実施例１の条件のうち、ＳＦ６に対するＳｉＦ４の流量比を好適な範囲の下限値とし、その他の条件は実施例１と同様にしてエッチングを実施した。各ガスの流量を以下に示す。尚、ＳＦ６に対するＳｉＦ４の流量比は、０．６７である。
・流量（ＳＦ６：Ｏ２：ＳｉＦ４） ２２５ｓｃｃｍ：５０ｓｃｃｍ：１５０ｓｃｃｍ
上記条件でエッチングを実施した際のホールの電子顕微鏡写真を図７に示す。ホールの異方性が維持されている。
（比較例１）
エッチングガスにＳｉＦ４を添加せず、その他の条件は実施例１と同様にしてエッチングを実施した。各ガスの流量を以下に示す。
・流量（ＳＦ６：Ｏ２：ＳｉＦ４） ２２５ｓｃｃｍ：５０ｓｃｃｍ：０ｓｃｃｍ
上記条件でエッチングを実施した際のホールの電子顕微鏡写真を図８に示す。開口付近で等方的にエッチングが進んだことがわかる。
（比較例２）
実施例１の条件のうち、ＳｉＦ４の流量比を変更し、その他の条件は実施例１と同様にしてエッチングを実施した。各ガスの流量を以下に示す。
・流量（ＳＦ６：Ｏ２：ＳｉＦ４） ２２５ｓｃｃｍ：５０ｓｃｃｍ：２００ｓｃｃｍ
上記条件でエッチングを実施した際のホールの電子顕微鏡写真を図９に示す。エッチングが途中で停止し、所望の深さが得られなかった。
【００４７】
また、実施例３の流量比と比較例１の流量比とで、直径５μｍのホールと直径１０μｍのホールとを形成し、基板中央とエッジ部とでＣＤシフト量（エッチングマスクの寸法とホールの寸法との差分）の平均値を測定した。その結果を図１０に示す。
【００４８】
基板中央部では、各ホールの両方において、ＳｉＦ４の流量が１５０ｓｃｃｍの場合の方がＣＤシフト量が小さくなった。基板エッジ部でも同様な傾向がみられた。
上記実施形態のドライエッチング装置及びドライエッチング方法によれば、以下のような効果を得ることができる。
【００４９】
（１）上記実施形態では、ＳｉｘＦｙで表されるフッ化ケイ素ガスを、ＳＦ６に対する流量比が０．２２以上０．６７以下となるように添加したエッチングガスを、プラズマ化して、シリコン基板Ｓｂをエッチングした。このため、ＳＦ６を原料とするＳＦｘとＳｉとを反応させてエッチングする際に、反応生成物であるＳｉＦｘと酸素ラジカル等とを反応させて、ホール又はトレンチの側面にＳｉＯｘが堆積される。また、処理室５０に供給された気相中のフッ化ケイ素ガスは、気相中の酸素原子又は酸素ラジカル等と反応することにより、ＳｉＯｘの生成に寄与することができる。このようにプラズマ中にＳｉＦｘ等が含まれることにより、ホール又はトレンチの開口部だけでなく、全体的にＳｉＯｘを堆積させることができるので、ボーイングの発生を抑制し、エッチング形状の異方性を向上することができる。また、ＳｉＦ４ガスの流量比を上記範囲に調整するため、シリコン基板Ｓｂのエッチングに直接寄与するＳＦｘを不足させることなく、ホールＨの側面に堆積するＳｉＯｘの量を適量化することができる。このため、異方性エッチングと良好なエッチングレートとを両立することができる。
【００５０】
（２）ＮＬＤエッチング装置により生成されるプラズマの密度は、１０１１ｃｍ−３以上であるため、プラズマ中のフッ化ケイ素の解離度が高まり、ＳｉＯｘの生成に寄与するＳｉＦｘの含有量を増加させることができる。このため、処理室５０に供給されるフッ化ケイ素ガスのうち、ＳｉＯｘの生成に寄与するガスの割合を多くすることができる。
【００５１】
（３）フッ化ケイ素ガスを、ＳＦ６ガス及びＯ２ガスの供給と同時に処理室５０へ供給したため、パーティクルの原因となるＳｉリッチな粒子の生成を抑制しつつＳｉＯｘを生成することができる。即ち、フッ化ケイ素ガスを、ＳＦ６からなるガス及びＯ２からなるガスの供給前に供給すると、酸素源が少ない状態でＳｉＦ４ガスが分解されるので、Ｓｉリッチな粒子が生成され、この粒子が処理室５０内を汚染するパーティクルの原因となる。これに対し、酸素源が存在する処理室５０にＳｉＦ４からなるガスを供給することで、Ｓｉリッチな粒子の生成を抑制し、パーティクルの生成を抑制することができる。
【００５２】
尚、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、シリコン基板ＳｂにホールＨを形成したが、トレンチ等を形成してもよい。また、シリコン層と他の材質の層を積層した多層構造としてもよい。
【００５３】
・上記実施形態では、本発明のドライエッチング装置を、ＮＬＤ型エッチング装置に具体化したが、誘導結合型プラズマ源のみを有するエッチング装置に具体化することも可能である。
【００５４】
・上記実施形態では、プラズマ密度を１０１１ｃｍ−３以上としたが、ホール又はトレンチの深さや内径に応じて、プラズマ密度を１０１１ｃｍ−３未満とすることも可能である。
【００５５】
・上記実施形態では、ＳｉＦ４ガスを、ＳＦ６ガス及びＯ２ガスの供給と同時に処理室５０へ供給したが、ＳＦ６ガス及びＯ２ガスを供給した後に供給してもよい。
・上記実施形態では、ＳｉｘＦｙガスとしてＳｉＦ４ガスを用いたが、これ以外のガスを使用してもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１５…ガス供給系、２５…プラズマ源を構成する高周波アンテナ、２８…プラズマ源を構成する高周波電源、５０…処理室、Ｓｂ…シリコン基板。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン層を処理対象としたドライエッチング方法及びドライエッチング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板を利用した半導体素子の製造工程には、エッチングガスのプラズマにより基板にホールやトレンチを形成するドライエッチングが利用されている。シリコン基板を対象としたドライエッチングでは、エッチングガスとして、ＳＦ６とＯ２とからなる混合ガスが多用されている。この混合ガスのうち、ＳＦ６の解離により生成されたプラズマ中のフッ素ラジカルは、シリコンと反応して、揮発性のＳｉｘＦｙを生成する。また、酸素分子、酸素原子又は酸素ラジカルは、気相中のＳｉｘＦｙと反応してＳｉＯｘを生成する。こうして生成されたＳｉＯｘは、ホールやトレンチの側面に堆積して、側面方向にエッチングが進行する等方性エッチングを抑制する保護膜として機能する。
【０００３】
また、ホールやトレンチの側面に保護膜を形成するために、ドライエッチング装置に、保護膜の材料となるターゲットを設けて、基板にホールやトレンチを形成するエッチング工程と、ターゲットをスパッタしてそのホールやトレンチの側面に保護膜を形成する保護膜形成工程とを繰り返す方法も提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−０３５１６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記した方法では、反応生成物であるＳｉｘＦｙとＯ２、酸素原子又は酸素ラジカルが反応してＳｉＯｘからなる保護膜が形成されるため、ホールやトレンチの開口部付近には保護膜が形成されやすいが、該開口部よりも奥側には保護膜が形成されにくい。このため、ホールやトレンチの側面のうち、保護膜が十分に形成されていない箇所において等方的にエッチングが進行し、ホールやトレンチの形状を樽型とする、いわゆるボーイングが発生しやすくなる。特に、貫通孔（ＴＳＶ：through silicon via）や深いトレンチを加工する際には、その影響が顕著となる。
【０００６】
一方、上記エッチングガスのうち酸素が占める割合を増加させると、エッチングレートが急激に低下して、最終的にはエッチングが停止してしまう。このため、シリコン基板に対するエッチングレートを好適に保ちつつ、異方性の高いドライエッチング方法が求められていた。
【０００７】
また、エッチング工程と保護膜形成工程とを繰り返す方法では、平滑性が高い保護膜を形成し、ホール又はトレンチの加工精度を向上することができるが、特殊な装置を必要とし、工程数が多くなる。
【０００８】
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、特殊な装置を用いることなく、好適なエッチングレートを維持しつつ、エッチング形状の異方性を向上することができるドライエッチング方法及びドライエッチング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、ＳＦ６からなるガスに、酸素を添加するとともに、ＳＦ６に対する流量比を０．２２以上０．６７以下に調整してＳｉｘＦｙで表されるフッ化ケイ素ガスを添加したエッチングガスをプラズマ化して、シリコン層をエッチングすることを要旨とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、シリコン層を有する基板を収容する処理室と、ＳＦ６からなるガス、酸素及びＳｉｘＦｙで表されるフッ化ケイ素ガスを含有するエッチングガスを、ＳＦ６に対するフッ化ケイ素ガスの流量比を０．２２以上０．６７以下に調整するガス供給系と、前記処理室内の前記エッチングガスをプラズマ化するプラズマ源とを備えたことを要旨とする。
【００１１】
請求項１及び請求項４に記載の発明によれば、ＳＦ６とシリコンとの反応によりシリコン層をエッチングする際に、ＳＦ６とシリコンとの反応生成物であるＳｉＦｘ等と、プラズマ中の酸素ラジカル等を反応させてＳｉＯｘを生成し、このＳｉＯｘを、ホール又はトレンチの側面に等方的なエッチングを抑制する保護膜として堆積させることができる。また、プラズマ中のＳｉｘＦｙ（ｘ及びｙは自然数）で表されるフッ化ケイ素が解離して生成されたガス分子と酸素ラジカル等とを反応させてＳｉＯｘを生成し、上記保護膜として堆積させることができる。即ち、気相中のＳｉｘＦｙがＳｉＯｘ等の生成に寄与することにより、ホール又はトレンチの開口部だけでなく、ホール又はトレンチの側面の全体に亘ってＳｉＯｘを堆積させることができる。またＳｉｘＦｙの流量比を上記範囲に調整するため、ホール又はトレンチの側面に堆積するＳｉＯｘの量を、等方的エッチングを抑制できるような十分な量にするとともに、ＳｉＯｘの堆積量が過多となることによるエッチングレートの低下又はエッチングの停止が生じないようにすることができる。このため、異方性エッチングと好適なエッチングレートとを両立することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のドライエッチング方法において、前記エッチングガスのプラズマの密度が、１０１１ｃｍ−３以上であることを要旨とする。
請求項２に記載の発明によれば、エッチングガスのプラズマの密度が、１０１１ｃｍ−３以上であるため、ＳｉｘＦｙの解離度が高まり、プラズマ中のＳｉＯｘの生成に寄与するＳｉＦｘの含有量を増加させることができる。このため、エッチングガスとして使用されるＳｉｘＦｙガスのうち、ＳｉＯｘの生成に寄与するガスの割合を多くすることができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のドライエッチング方法において、前記フッ化ケイ素ガスは、ＳＦ６からなるガス及び酸素の供給と同時又はそれらのガスの供給を開始した後に供給されることを要旨とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、少なくともＳｉｘＦｙが供給される際には酸素等の酸素源が存在するので、パーティクルの原因となるＳｉリッチな粒子の生成を抑制しつつＳｉＯｘを生成することができる。即ち、ＳｉｘＦｙからなるガスをＳＦ６からなるガス及び酸素の供給前に供給すると、酸素源が少ない状態でＳｉｘＦｙガスがプラズマ中で分解されるので、Ｓｉリッチな粒子が生成され、この粒子が装置内を汚染するパーティクルの原因となる。これに対し、上記タイミングでＳｉｘＦｙからなるガスを供給することで、Ｓｉリッチな粒子の生成を抑制し、パーティクルの生成を抑制することができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のドライエッチング装置において、前記プラズマ源は、磁気中性線放電プラズマを生成するプラズマ源、又は誘導結合によりプラズマを生成するプラズマ源であることを要旨とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、上記プラズマ源により、高密度なプラズマを生成することができるため、ＳｉｘＦｙの解離度が高まり、ＳｉＯｘの生成に寄与するＳｉＦ等の含有量を増加させることができる。このため、エッチングガスとして使用されるＳｉｘＦｙガスのうち、ＳｉＯｘの生成に寄与するガスの割合を多くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のドライエッチング装置を具体化した磁気中性線放電型エッチング装置の概略図。
【図２】（ａ）はエッチングを実施する前の基板の端面図、（ｂ）は同装置によってエッチングを実施した際の基板の端面図。
【図３】比較例の基板の端面図。
【図４】異なるガス組成でエッチングを実施した際のプラズマの発光スペクトルを示す。
【図５】実施例１の条件により生成されたホールの電子顕微鏡写真。
【図６】実施例２の条件により生成されたホールの電子顕微鏡写真。
【図７】実施例３の条件により生成されたホールの電子顕微鏡写真。
【図８】比較例１の条件により生成されたホールの電子顕微鏡写真。
【図９】比較例２の条件により生成されたホールの電子顕微鏡写真。
【図１０】実施例及び比較例の流量比におけるＣＤシフト量を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明のドライエッチング装置を、磁気中性線放電型エッチング装置（以下、ＮＬＤ型エッチング装置）に具体化した一実施形態について、図１〜図５にしたがって説明する。
【００１９】
図１に示すように、ＮＬＤエッチング装置は、略有底筒状に形成された真空槽１１を有している。真空槽１１はアルミニウム等の金属製であって、その内部にシリコン基板Ｓｂを収容する処理室５０を有し、処理室５０の上部開口を誘電体から形成された誘電体窓１２によって密閉している。
【００２０】
真空槽１１には、エッチングを実施する処理対象となるシリコン基板Ｓｂを隣室から真空槽１１内へ搬入するとともに、真空槽１１から他の処理室へ搬送するための図示しない搬送口が設けられている。さらに、真空槽１１には、真空槽１１内のエッチングガスや大気等の流体を排気する排出口１１ｄが設けられ、該排出口１１ｄには図示しない排気装置が接続されている。また、真空槽１１には、処理室５０に連通するガス供給部１３が設けられている。エッチングを実施する際には、このガス供給部１３には、処理室５０にエッチングガスを供給するガス供給系１５が接続されている。
【００２１】
ガス供給系１５は、ＳＦ６（六フッ化硫黄）からなるガスを供給する第１ガス供給源１６と、Ｏ２（酸素）からなるガスを供給する第２ガス供給源１７と、ＳｉｘＦｙからなるガスを供給する第３ガス供給源１８とを備えている。本実施形態では、第３ガス供給源１８は、ＳｉＦ４ガスを供給する。ＳＦ６ガス、Ｏ２ガス及びＳｉＦ４ガスは、各供給源１６〜１８から各マスフローコントローラ１４によって流量を調節されながら所定のタイミングでそれぞれ送出され、処理室５０に供給される直前で混合される。
【００２２】
真空槽１１の下部には、ステージ２０が設けられている。ステージ２０は、その上面が平坦に形成され、シリコン基板Ｓｂを載置可能となっており、図示しない静電チャックを有している。また、ステージ２０は、ステージ電極を兼ねており、整合回路２１を介して、バイアス用高周波電源２２に電気的に接続されている。整合回路２１は、プラズマ生成領域とバイアス用高周波電源２２からシリコン基板Ｓｂ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んでいる。
【００２３】
また、誘電体窓１２の上方には、電磁波源を構成する誘導コイルとしての２段の高周波アンテナ２５が、異なる面上であって、真空槽１１の中心軸の回りを周回するように積み重ねられている。
【００２４】
高周波アンテナ２５は、始端が真空槽１１の中心軸と平行に延びる柱状の入力端子２６に、その外周側に位置する終端が、中心軸と平行な方向に延びる出力端子２７に電気的に並列に接続されている。
【００２５】
図１に示すように、上段の高周波アンテナ２５から突出する入力端子２６の端部には、電磁波源を構成する高周波電源２８と整合回路２９とが、入力側コンデンサ３1を介して接続されている。また、高周波アンテナ２５には、直列に接続された直流電源ＤＣとローパスフィルタ３０とからなる直列回路とが接続されている。
【００２６】
高周波電源２８は、処理室５０にプラズマを生成するための高周波電力、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を出力する。整合回路２９は、負荷となる上記処理室５０内のガスと、高周波アンテナ２５を含む高周波電源２８から真空槽１１までの伝送路とのインピーダンスの整合を図る。入力側コンデンサ３１は、容量の変更が可能ないわゆる可変コンデンサであって、例えば１０ｐＦ〜１００ｐＦの範囲で任意に静電容量を変更する。直流電源ＤＣは、例えば０Ｖ〜−２０００ｋＶの直流電圧を入力端子２６に印加可能な電源である。またローパスフィルタ３０は、直流電源ＤＣの出力した電圧からノイズを除去する。
【００２７】
また、上段の高周波アンテナ２５から突出する出力端子２７の端部は、可変コンデンサである出力側コンデンサ３２に接続され、この出力側コンデンサ３２及びＮＬＤエッチング装置の筐体を介して設置電位に接続されている。尚、この出力側コンデンサ３２も入力側コンデンサ３１同様、その静電容量は、例えば１０ｐＦ〜１００ｐＦの範囲で任意に変更可能である。
【００２８】
さらに、真空槽１１の側面には三段の磁場コイル３５が設けられている。この磁場コイル３５は、第１磁場コイル３６、第２磁場コイル３７及び第３磁場コイル３８を有している。各磁場コイル３６〜３８は、真空槽１１の外周に配設され、それらの中心軸が、上記中心軸とほぼ一致するように配置されている。
【００２９】
第１磁場コイル３６及び第３磁場コイル３８には、各電力供給部（図示略）から、同一方向の電流が供給される。第２磁場コイル３７には、第１磁場コイル３６及び第３磁場コイル３８に供給される電流の向きとは逆の電流が供給される。その結果、磁場コイル３５の周方向、即ち真空槽１１の周方向に沿って、ゼロ磁場領域５１が形成される。ゼロ磁場領域５１の中心軸方向の位置は、第２磁場コイル３７の中心軸方向における位置とほぼ同じである。
【００３０】
次に、本実施形態のＮＬＤ型エッチング装置の作用について説明する。図２（ａ）に示すように、シリコン基板Ｓｂには、ホール（又はトレンチ）が形成される領域である被エッチング領域のみが露出するように、微細パターンを有するレジストマスクＭが形成されている。
【００３１】
また、ＮＬＤ型エッチング装置の搬送口に接続するゲートバルブが開弁されるとともに、搬送口を介してシリコン基板Ｓｂが処理室５０に搬入される。シリコン基板Ｓｂがステージ２０上に配置されると、ゲートバルブを閉じられる。また静電チャックに内蔵された電極に所定の電圧が印加されて、静電チャック上に電荷が誘起されることで、静電チャックにシリコン基板Ｓｂが静電吸着される。
【００３２】
次いで、ガス供給部１３を介して、各マスフローコントローラ１４によって流量を調整されたＳＦ６、Ｏ２及びＳｉＦ４が処理室５０内に同時に供給される。また、図示しない排気装置の駆動により、排出口１１ｄを介して処理室５０内の流体が排気され、処理室５０がエッチング処理の条件に応じた圧力とされる。このエッチングガスの供給と、排気装置による真空槽１１内の排気は、プラズマエッチング処理の実施中にわたり継続されるものである。
【００３３】
また、図示しない電力供給部から、第１磁場コイル３６及び第３磁場コイル３８に同一方向の電流が供給され、第２磁場コイル３７に、第１磁場コイル３６及び第３磁場コイル３８に供給される電流の向きとは逆の電流が供給される。この電流の供給により、処理室５０には、ゼロ磁場領域５１が生成される。
【００３４】
さらにバイアス用高周波電源２２から、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が、整合回路２１及び入力側コンデンサ３１を介して高周波アンテナ２５に供給される。そして、高周波アンテナ２５から出力される高周波電力が、誘電体窓１２を介して、ゼロ磁場領域５１が生成された処理室５０に伝播され、誘導電場が生成される。そして、この誘導電場の生成により、エッチングガスを原料とする磁気中性線放電（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｌｏｏｐ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）プラズマが生成される。このプラズマ中には、ＳＦ６ガスが解離して生成されたＳＦｘ（ｘ＝１〜５）、酸素原子や酸素ラジカル、ＳｉＦ４ガスが解離して生成されたＳｉＦｘ（ｘ＝１〜３）等が含まれる。
【００３５】
そして、バイアス用高周波電源２２から基板電極ステージ２０にバイアス用の高周波電力が供給される。この電力の供給により、処理室５０に生成されたプラズマとシリコン基板Ｓｂとの間に直流電圧が発生する。その結果、処理室５０内に存在するプラズマ中のＳＦｘ等がシリコン基板Ｓｂに引き込まれ、シリコン基板Ｓｂをエッチングする。
【００３６】
酸素原子や酸素ラジカルは、シリコン基板ＳｂのＳｉと反応して、ＳｉＯｘを生成する。反応生成物であるＳｉＯｘは、図２（ｂ）に示すように、シリコン基板Ｓｂのエッチングにより生成されたホールＨの側面に堆積し、等方的なエッチングを抑制する保護膜Ｆとして機能する。また、処理室５０に供給されたＳｉＦ４がプラズマ中で解離して生成されたＳｉＦｘのうち、主にＳｉＦが、酸素原子や酸素ラジカル等と反応してＳｉＯｘを生成し、ホールの側面に形成された保護膜Ｆを増強する。
【００３７】
エッチングによる反応生成物であるＳｉＯｘは、エッチングが進行している底面付近に多く存在するが、プラズマ中（気相中）のＳｉＦｘは、局所的に滞留することなく、ホールＨの側面付近に到達し、同じく側面に到達した酸素原子や酸素ラジカルと反応してＳｉＯｘを生成する。このため、プラズマ中（気相中）のＳｉＦｘにより生成されたＳｉＯｘは、ホールＨの側面全体に亘って堆積することとなる。
【００３８】
また上記したように、ＳｉＦ４ガスは、ＳＦ６ガス及びＯ２ガスの供給と同時に処理室５０へ供給されるので、パーティクルの原因となるＳｉリッチな粒子の生成を抑制しつつ、ＳｉＯｘを生成することができる。即ち、ＳｉＦ４からなるガスをＳＦ６からなるガス及びＯ２からなるガスの供給前に供給すると、酸素源が少ない状態でＳｉＦ４ガスが分解されるので、Ｓｉリッチな粒子が生成され、この粒子が処理室５０内を汚染するパーティクルの原因となる。これに対し、Ｏ２ガスの供給と同時にＳｉＦ４からなるガスを供給することで、Ｓｉリッチな粒子の生成を抑制し、パーティクルの生成を抑制することができる。
【００３９】
このようなエッチングを実施する際、ＳＦ６ガスに対するＳｉＦ４ガスの流量比が、０．２２以上０．６７以下であることが好ましい。ＳｉＦ４ガスの流量比が０．２２未満になると、ホールＨの側面に堆積するＳｉＯｘの量が不足して、エッチング形状の異方性を向上することができない。このため、ＳｉＦ４ガスの流量比が０．２２未満である場合、図３に示すように、ホールＨの開口部付近の内径が大きくなり、ホールＨの側面が湾曲するボーイングが発生する等、ホールＨの垂直性が低下してしまう。
【００４０】
ＳｉＦ４ガスの流量比が、０．６７を超えると、シリコン基板Ｓｂのエッチングに直接寄与するＳＦｘが不足気味となるか、又はＳｉＯｘの堆積量が過剰となり、エッチングレートが低下するか、若しくはエッチングが停止してしまう。
【００４１】
なお、上述したようにエッチングガスとしてＳｉＦ４を添加しなくても、ＳＦ６とＳｉとの反応により、ＳｉＯｘの供給源となるＳｉＦｘは生成されるが、ＳｉＦ４をエッチングガスとして添加すると、プラズマ中のＳｉＦｘの生成量は増加する。図４中太線（上側のスペクトル）で示すように、ＳＦ６、Ｏ２及びＳｉＦ４からなるエッチングガスを用いてシリコン基板Ｓｂをエッチングした場合、プラズマのスペクトルでは、ＳｉＦ（４３７ｎｍ）に相当する強いピークがみられた。一方、図４中細線（下側のスペクトル）で示すように、ＳＦ６及びＯ２からなるエッチングガスを用いてシリコン基板Ｓｂをエッチングした場合、プラズマのスペクトルでは、前者のスペクトルに比べＳｉＦに相当するピークの強度が小さかった。
【００４２】
さらに、エッチングを実施する際、Ｏ２ガスは、ＳｉＦ４ガスの流量に対して５％以上添加することが好ましい。Ｏ２ガスの添加量をその範囲とすると、適度な量のＳｉＯｘを生成することができる。
【００４３】
また、プラズマ密度は、１０１１ｃｍ−３以上であることが好ましい。プラズマ密度が、１０１１ｃｍ−３以上である場合、プラズマ中のＳｉＦ４の解離度が高まり、ＳｉＯｘの生成に寄与するＳｉＦｘの量を多くすることができる。即ち、処理室５０に供給されたＳｉＦ４のうち、ＳｉＯｘの生成に寄与する割合を多くすることができる。このＳｉＦｘは、プラズマ中の酸素原子又は酸素ラジカルと反応してＳｉＯｘを生成し、ホールの側壁の保護膜を増強する。
【００４４】
そしてＳＦ６ガスに対するＳｉＦ４ガスの流量比を０．２２以上０．６７以下といった比率を保持してエッチングを継続して実施していくと、シリコン基板Ｓｂに所望の深さを有するホールＨが形成される。このように形成されたホールＨは、側面に形成されたＳｉＯｘからなる保護膜Ｆが適量化されているため、開口部付近のボーイングが抑制されて、ホールＨの異方性（垂直性）が維持される。
【００４５】
シリコン基板Ｓｂに所望の深さのホールＨを形成すると、レジストマスクＭを除去する工程で、保護膜Ｆも除去する。
次に、実施例及び比較例を挙げて、上記実施形態について具体的に説明する。
（実施例１）
上記したＮＬＤ型エッチング装置を用いて、以下の条件でエッチングを行った。シリコン基板Ｓｂに、エッチングマスクとして膜厚１μｍのＴＥＯＳを積層し、ウエハ開口率は１．５％で形成し、そのシリコン基板Ｓｂに対して、以下の条件でエッチングを実施して、深さ５０μｍ程度のホールを形成した。尚、ＳＦ６に対するＳｉＦ４の流量比は、０．２２である。
【００４６】
・エッチングガス ＳＦ６：Ｏ２：ＳｉＦ４
・流量（ＳＦ６：Ｏ２：ＳｉＦ４） ２２５ｓｃｃｍ：５０ｓｃｃｍ：５０ｓｃｃｍ
・真空槽内の圧力 ６．６５Ｐａ
・アンテナパワー １０００Ｗ
・バイアス用高周波電力（周波数） ５０Ｗ（２ＭＨｚ）
・基板温度 −２０℃
・エッチング時間 １０分
上記条件でエッチングを実施した際のホールの電子顕微鏡写真を図５に示す。ホールの異方性が維持されている。
（実施例２）
実施例１の条件のうち、ＳＦ６に対するＳｉＦ４の流量比を好適な範囲の下限値とし、その他の条件は実施例１と同様にしてエッチングを実施した。各ガスの流量を以下に示す。尚、ＳＦ６に対するＳｉＦ４の流量比は、０．４４である。
・流量（ＳＦ６：Ｏ２：ＳｉＦ４） ２２５ｓｃｃｍ：５０ｓｃｃｍ：１００ｓｃｃｍ
上記条件でエッチングを実施した際のホールの電子顕微鏡写真を図６に示す。開口部付近でのボーイングが見られず、ホールの異方性が維持された。
（実施例３）
実施例１の条件のうち、ＳＦ６に対するＳｉＦ４の流量比を好適な範囲の下限値とし、その他の条件は実施例１と同様にしてエッチングを実施した。各ガスの流量を以下に示す。尚、ＳＦ６に対するＳｉＦ４の流量比は、０．６７である。
・流量（ＳＦ６：Ｏ２：ＳｉＦ４） ２２５ｓｃｃｍ：５０ｓｃｃｍ：１５０ｓｃｃｍ
上記条件でエッチングを実施した際のホールの電子顕微鏡写真を図７に示す。ホールの異方性が維持されている。
（比較例１）
エッチングガスにＳｉＦ４を添加せず、その他の条件は実施例１と同様にしてエッチングを実施した。各ガスの流量を以下に示す。
・流量（ＳＦ６：Ｏ２：ＳｉＦ４） ２２５ｓｃｃｍ：５０ｓｃｃｍ：０ｓｃｃｍ
上記条件でエッチングを実施した際のホールの電子顕微鏡写真を図８に示す。開口付近で等方的にエッチングが進んだことがわかる。
（比較例２）
実施例１の条件のうち、ＳｉＦ４の流量比を変更し、その他の条件は実施例１と同様にしてエッチングを実施した。各ガスの流量を以下に示す。
・流量（ＳＦ６：Ｏ２：ＳｉＦ４） ２２５ｓｃｃｍ：５０ｓｃｃｍ：２００ｓｃｃｍ
上記条件でエッチングを実施した際のホールの電子顕微鏡写真を図９に示す。エッチングが途中で停止し、所望の深さが得られなかった。
【００４７】
また、実施例３の流量比と比較例１の流量比とで、直径５μｍのホールと直径１０μｍのホールとを形成し、基板中央とエッジ部とでＣＤシフト量（エッチングマスクの寸法とホールの寸法との差分）の平均値を測定した。その結果を図１０に示す。
【００４８】
基板中央部では、各ホールの両方において、ＳｉＦ４の流量が１５０ｓｃｃｍの場合の方がＣＤシフト量が小さくなった。基板エッジ部でも同様な傾向がみられた。
上記実施形態のドライエッチング装置及びドライエッチング方法によれば、以下のような効果を得ることができる。
【００４９】
（１）上記実施形態では、ＳｉｘＦｙで表されるフッ化ケイ素ガスを、ＳＦ６に対する流量比が０．２２以上０．６７以下となるように添加したエッチングガスを、プラズマ化して、シリコン基板Ｓｂをエッチングした。このため、ＳＦ６を原料とするＳＦｘとＳｉとを反応させてエッチングする際に、反応生成物であるＳｉＦｘと酸素ラジカル等とを反応させて、ホール又はトレンチの側面にＳｉＯｘが堆積される。また、処理室５０に供給された気相中のフッ化ケイ素ガスは、気相中の酸素原子又は酸素ラジカル等と反応することにより、ＳｉＯｘの生成に寄与することができる。このようにプラズマ中にＳｉＦｘ等が含まれることにより、ホール又はトレンチの開口部だけでなく、全体的にＳｉＯｘを堆積させることができるので、ボーイングの発生を抑制し、エッチング形状の異方性を向上することができる。また、ＳｉＦ４ガスの流量比を上記範囲に調整するため、シリコン基板Ｓｂのエッチングに直接寄与するＳＦｘを不足させることなく、ホールＨの側面に堆積するＳｉＯｘの量を適量化することができる。このため、異方性エッチングと良好なエッチングレートとを両立することができる。
【００５０】
（２）ＮＬＤエッチング装置により生成されるプラズマの密度は、１０１１ｃｍ−３以上であるため、プラズマ中のフッ化ケイ素の解離度が高まり、ＳｉＯｘの生成に寄与するＳｉＦｘの含有量を増加させることができる。このため、処理室５０に供給されるフッ化ケイ素ガスのうち、ＳｉＯｘの生成に寄与するガスの割合を多くすることができる。
【００５１】
（３）フッ化ケイ素ガスを、ＳＦ６ガス及びＯ２ガスの供給と同時に処理室５０へ供給したため、パーティクルの原因となるＳｉリッチな粒子の生成を抑制しつつＳｉＯｘを生成することができる。即ち、フッ化ケイ素ガスを、ＳＦ６からなるガス及びＯ２からなるガスの供給前に供給すると、酸素源が少ない状態でＳｉＦ４ガスが分解されるので、Ｓｉリッチな粒子が生成され、この粒子が処理室５０内を汚染するパーティクルの原因となる。これに対し、酸素源が存在する処理室５０にＳｉＦ４からなるガスを供給することで、Ｓｉリッチな粒子の生成を抑制し、パーティクルの生成を抑制することができる。
【００５２】
尚、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、シリコン基板ＳｂにホールＨを形成したが、トレンチ等を形成してもよい。また、シリコン層と他の材質の層を積層した多層構造としてもよい。
【００５３】
・上記実施形態では、本発明のドライエッチング装置を、ＮＬＤ型エッチング装置に具体化したが、誘導結合型プラズマ源のみを有するエッチング装置に具体化することも可能である。
【００５４】
・上記実施形態では、プラズマ密度を１０１１ｃｍ−３以上としたが、ホール又はトレンチの深さや内径に応じて、プラズマ密度を１０１１ｃｍ−３未満とすることも可能である。
【００５５】
・上記実施形態では、ＳｉＦ４ガスを、ＳＦ６ガス及びＯ２ガスの供給と同時に処理室５０へ供給したが、ＳＦ６ガス及びＯ２ガスを供給した後に供給してもよい。
・上記実施形態では、ＳｉｘＦｙガスとしてＳｉＦ４ガスを用いたが、これ以外のガスを使用してもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１５…ガス供給系、２５…プラズマ源を構成する高周波アンテナ、２８…プラズマ源を構成する高周波電源、５０…処理室、Ｓｂ…シリコン基板。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳＦ６からなるガスに、酸素を添加するとともに、ＳＦ６に対する流量比を０．２２以上０．６７以下に調整してＳｉｘＦｙで表されるフッ化ケイ素ガスを添加したエッチングガスをプラズマ化して、シリコン層をエッチングするドライエッチング方法。
【請求項２】
前記エッチングガスのプラズマの密度が、１０１１ｃｍ−３以上である請求項１に記載のドライエッチング方法。
【請求項３】
前記フッ化ケイ素ガスは、ＳＦ６からなるガス及び酸素の供給と同時又はそれらのガスの供給を開始した後に供給される請求項１又は２に記載のドライエッチング方法。
【請求項４】
シリコン層を有する基板を収容する処理室と、
ＳＦ６からなるガス、酸素及びＳｉｘＦｙで表されるフッ化ケイ素ガスを含有するエッチングガスを、ＳＦ６に対する前記フッ化ケイ素ガスの流量比を０．２２以上０．６７以下に調整するガス供給系と、
前記処理室内の前記エッチングガスをプラズマ化するプラズマ源とを備えたことを特徴とするドライエッチング装置。
【請求項５】
前記プラズマ源は、磁気中性線放電プラズマを生成するプラズマ源、又は誘導結合によりプラズマを生成するプラズマ源である請求項４に記載のドライエッチング装置。
【請求項１】
ＳＦ６からなるガスに、酸素を添加するとともに、ＳＦ６に対する流量比を０．２２以上０．６７以下に調整してＳｉｘＦｙで表されるフッ化ケイ素ガスを添加したエッチングガスをプラズマ化して、シリコン層をエッチングするドライエッチング方法。
【請求項２】
前記エッチングガスのプラズマの密度が、１０１１ｃｍ−３以上である請求項１に記載のドライエッチング方法。
【請求項３】
前記フッ化ケイ素ガスは、ＳＦ６からなるガス及び酸素の供給と同時又はそれらのガスの供給を開始した後に供給される請求項１又は２に記載のドライエッチング方法。
【請求項４】
シリコン層を有する基板を収容する処理室と、
ＳＦ６からなるガス、酸素及びＳｉｘＦｙで表されるフッ化ケイ素ガスを含有するエッチングガスを、ＳＦ６に対する前記フッ化ケイ素ガスの流量比を０．２２以上０．６７以下に調整するガス供給系と、
前記処理室内の前記エッチングガスをプラズマ化するプラズマ源とを備えたことを特徴とするドライエッチング装置。
【請求項５】
前記プラズマ源は、磁気中性線放電プラズマを生成するプラズマ源、又は誘導結合によりプラズマを生成するプラズマ源である請求項４に記載のドライエッチング装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図１０】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図１０】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−２１２５８（Ｐ２０１３−２１２５８Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５５５５４（Ｐ２０１１−１５５５５４）
【出願日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
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