JP5967710B2

JP5967710B2 - プラズマエッチングの終点検出方法

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Publication number: JP5967710B2
Application number: JP2012215537A
Authority: JP
Inventors: 知行野中; 浩通扇谷
Original assignee: Samco Inc
Current assignee: Samco Inc
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: JP2014072269A

Description

本発明は、プラズマエッチングの終点を検出する方法に関し、特に、シリコン層にアスペクト比の高い穴、柱、溝等を形成するためのプラズマエッチングの終点を検出する方法に関する。

シリコン基板（Si基板）にアスペクト比の高い縦穴構造や柱構造をプラズマエッチングにより形成する方法として、SF₆ガスをエッチングガスとしてSi基板のエッチングを行うエッチング工程と、前記エッチング工程において形成された穴の面に保護膜を形成する保護膜形成工程を繰り返すボッシュプロセスが知られている。特許文献１には、Si基板の下に、該Si基板に比べてエッチングされにくい材料から成る下層膜が設けられたワークにおいて、上記のボッシュプロセスによるSi基板のエッチングが下層膜（終点）まで到達したことを検出するプラズマエッチングの終点検出方法が記載されている。この終点検出方法では、Si基板をエッチングする際に生成されるエッチング生成物（SiF₄やその解離種であるSiF_x（x=0〜3））がプラズマ（主にプラズマ中の電子）と反応することにより生じる光の強度を検出する。下層膜までエッチングを行うとエッチング生成物が生成される量が減少するため、該エッチング生成物による発光強度が低下する。この発光強度の変化から、エッチングの終点を検出する。

一方、ボッシュプロセスにおいてエッチング速度を上げるためには、SF₆ガスの供給量を増やして大量のラジカルやイオンを生成させることが好ましい。ところが、このようなラジカルやイオンが大量に生成されると、エッチング生成物の移動が阻害され、プラズマまで到達しにくくなる。そのため、エッチング生成物による発光強度が低下し、終点検出精度が低下する。加えて、アスペクト比の高い縦穴構造や柱構造をプラズマエッチングにより形成する場合、プラズマ中のイオンの垂直性を高めてSi基板に入射させる必要があり、高周波コイルとSi基板との距離を通常よりも離すことが行われる（例えば、特許文献１の図１）。このような場合、シリコン基板の近傍で生成されたエッチング生成物は、高周波コイルの近傍で発生したプラズマまで長い距離を移動しなければ互いに反応することができないため、上記のようにラジカルやイオンが大量に生成されると、プラズマまで到達することのできるエッチング生成物の量が極めて少なくなる。
そこで、上記の終点検出方法では、エッチング工程を、多量のSF₆ガスを供給する多量供給工程と、少量のSF₆ガスを供給する少量供給工程の２つの工程に分け、前記多量供給工程においてSi層のエッチングを高速に行った後、前記少量供給工程においてSi層のエッチングを低速に行いつつ、エッチングの終点検出を行っている。SF₆ガスの供給量が少ないとラジカルやエッチング生成物の生成も少ないもののそれらの移動が阻害されないので強い発光を観察することができる。

特開2008-053678号公報

"ボッシュプロセス"、[online]、サムコ株式会社、[平成２４年９月２８日検索]、インターネット<URL:http://www.samco.co.jp/products/tech/03_bosch.php>

特許文献１の終点検出方法では、終点を検出するために少量供給工程を設けるため、プロセス全体のエッチング速度が低下するという問題がある。

一方、非特許文献１には、Si層をF系ラジカルにより等方的にエッチングする等方性エッチング工程と、前記等方性エッチング工程において形成された穴の面に保護膜を形成する保護膜形成工程と、F系イオンを照射することにより前記穴の底面に形成された保護膜を選択的に除去する底面エッチング工程を繰り返す、３工程からなるボッシュプロセスが記載されている。この非特許文献１に記載のボッシュプロセスでは、底面エッチング工程において底面の保護膜が選択的に除去されるため、等方性エッチング工程では底面側にエッチングされやすくなる。これにより、特許文献１に記載のボッシュプロセスよりも基板面に対する垂直性の高い縦穴構造や柱構造を形成することが可能となる。

このような非特許文献１のボッシュプロセスに上記の特許文献１に記載の終点検出方法を適用すると、Si層のエッチングを行う等方性エッチング工程において、終点検出を行うための少量供給工程を設けることになる。そうすると、プロセス全体のエッチング速度の低下を招くため好ましくない。

本発明は、等方性エッチング工程と保護膜形成工程と底面エッチング工程の３つの工程を有するプラズマエッチングにおいて、該プラズマエッチング全体のエッチング速度を低下させることなくエッチングの終点を検出することが可能な方法を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係るプラズマエッチングの終点検出方法は、
被エッチング層と、前記被エッチング層の下面に設けられた下層膜を有するワークの該被エッチング層に等方性エッチングを行う等方性エッチング工程と、前記等方性エッチング工程においてエッチングされた部分の面に保護膜を形成する保護膜形成工程と、前記等方性エッチング工程よりも真空度が高い状態で、前記保護膜が形成された面のうち底面に形成された保護膜をイオンの照射により選択的に除去する底面エッチング工程と、を有するプラズマエッチングにおいて、
前記底面エッチング工程において前記被エッチング層をエッチングすることにより生成されるエッチング生成物が前記プラズマと反応することにより生じる光の強度を該底面エッチング工程において測定し、該底面エッチング工程において測定した光の強度の変化から、エッチングが前記下層膜まで到達したか否かを判定する
ことを特徴とする。

なお、ここで言う「下」とは便宜上のものであって、重力の向きとしての「下」を意味するものではない。また、下層膜は、被エッチング層とは異なる材料で構成された層である。下層膜には、前記エッチング生成物が被エッチング層より生成されにくい材料を用いるのが望ましい。

本発明に係るプラズマエッチングの終点検出方法では、プラズマの発光強度の変化によるエッチングの終点検出を、底面エッチング工程において行うことを特徴とする。底面エッチング工程は、イオンの入射がラジカル等の他の浮遊粒子に阻害されないように、等方性エッチング工程のときよりもSF₆ガスの供給量が少なく且つ真空度が高い状態で行われる。そのため、底面保護膜を除去した後、イオンが被エッチング層をエッチングすることにより生成されるエッチング生成物がプラズマまで到達しやすく、プラズマとエッチング生成物の反応による発光が生じやすい。従って、底面エッチング工程におけるエッチングの速度を低下させなくても、感度良くプラズマの発光強度の変化を観察することができる。

本発明に係るプラズマエッチングの終点検出方法では、等方性エッチング工程よりも元々SF₆ガスの供給量が少なく且つ真空度が高い底面エッチング工程において、プラズマの発光強度の変化を観察するため、エッチングの終点を精度良く検出することができる。また、終点検出のためにSF₆ガスの供給量を少なくしなくても済むため、プラズマエッチング全体のエッチング速度が低下しない。

本発明に係るプラズマエッチングの終点検出方法の一実施例を適用するために用いた誘導結合型反応性イオンエッチング装置の要部構成図。ボッシュプロセスの等方性エッチング工程を説明するための模式図(a)、保護膜形成工程を説明するための模式図(b)、底面エッチング工程を説明するための模式図(c)、最終的に得られるエッチング穴の形状を示す模式図(d)。本実施例のプラズマエッチングの終点検出方法における発光強度の時間的変化を示すグラフ。本実施例と比較例１〜４のプラズマエッチングの終点検出方法におけるエッチング条件を示す表。比較例１のプラズマエッチングの終点検出方法における発光強度の時間的変化を示すグラフ。比較例２のプラズマエッチングの終点検出方法における発光強度の時間的変化を示すグラフ。比較例３のプラズマエッチングの終点検出方法における発光強度の時間的変化を示すグラフ。比較例４のプラズマエッチングの終点検出方法における発光強度の時間的変化を示すグラフ。本実施例と比較例１〜４のプラズマエッチングの終点検出方法のエッチング到達時間と発光強度比を示す表。

以下、本発明に係るプラズマエッチング方法の一実施例について図面を用いて説明する。図１は、本実施例のプラズマエッチング方法で使用する誘導結合型反応性イオンエッチング装置（ICP-RIE、製品名：RIE-800iPB。サムコ株式会社製。以下「プラズマエッチング装置」とする）の要部構成図である。

図１のプラズマエッチング装置は、プラズマエッチングを行う反応室１０を有する。反応室１０の底部には、ワーク１１を載置する平板状の下部電極（カソード）１２が備わっており、該下部電極１２はブロッキングコンデンサ１６、第１整合器１７を介して第１高周波電源１８に接続されている。下部電極１２には、ワーク１１を所定の温度に保つための冷却ガス（Heガス）を流通させる冷却ガス流路（図示なし）が設けられている。また、反応室１０の側壁にはエッチングガス又は保護膜形成用の成膜ガスを導入するガス導入口１４と、反応室１０内を真空ポンプ２６により排気するガス排気口１５と、反応室１０内で発生するプラズマを観察するための、石英ガラス等から成る観察窓２７が設けられている。ガス導入口１４には、第１ガス供給源２２と第２ガス供給源２３が、第１マスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４と第２ＭＦＣ２５を介してそれぞれ接続されている。第１ガス供給源２２からはSF₆ガスがエッチングガスとして、第２ガス供給源２３からはC₄F₈ガスが成膜ガスとして、それぞれ反応室１０内に導入される。また、観察窓２７を挟んで反応室１０の外側には、観察窓２７から観察されるプラズマ中の所定波長の光の発光強度を検出する光検出部２８が設けられている。反応室１０の上部には、誘電体窓１３を介して渦巻状のコイル１９が設けられている。コイル１９の片端は第２整合器２０を介して第２高周波電源２１に接続されており、他端は直接、第２高周波電源２１に接続されている。図１のプラズマエッチング装置はまた、装置の各部を制御する制御部２９を有する。制御部２９は予め設定された条件と、光検出部２８から取得される検出信号に基づいて、第１高周波電源１８、第２高周波電源２１、真空ポンプ、第１ＭＦＣ、及び第２ＭＦＣを動作させる。これにより、以下で述べる等方性エッチング工程と保護膜形成工程と底面エッチング工程が順次実行される。

以下、本実施例のプラズマエッチングの終点検出方法について説明する。本実施例では、等方性エッチング工程と保護膜形成工程と底面エッチング工程の３つの工程を有するボッシュプロセスにより、Si基板に縦穴構造を形成する場合について図１及び図２を参照して説明する。なお、反応室１０内の下部電極１２上に載置されたワーク１１には、エッチングを行うSi基板（被エッチング層）３０の下面にSiO₂層（下層膜）３１が形成されている。また、Si基板３０の上面にはマスク３２が形成されている（図２）。

制御部２９は、まず真空ポンプ２６を動作させることにより反応室１０内の排気を行い、反応室１０の内部圧力を10Paにまで低下させる。続いて、第１ＭＦＣ２４を動作させ、第１ガス供給源２２から1000sccmのSF₆ガスを反応室１０内に導入する。この際にも真空ポンプ２６による排気を続け、反応室１０の内部圧力が10Paを維持するように調整する。次に、制御部２９は、第２高周波電源２１から周波数13.56MHzの高周波電力3000Wをコイル１９に投入させる。以上の動作により、反応室１０の内部にプラズマが発生する。以後、少なくともSi基板３０のエッチングが終了するまでは、第２高周波電源２１からコイル１９への高周波電力の投入を続ける。

［等方性エッチング工程］
本工程では、制御部２９は、第１ＭＦＣ２４により第１ガス供給源２２から流量1000sccmのSF₆ガスを反応室１０内に導入すると共に、真空ポンプ２６により反応室１０内の圧力を10Paに調整する。なお、本工程では、第２ガス供給源２３から反応室１０へのC₄F₈ガスの導入は行わない。また、第１高周波電源１８から下部電極１２への高周波電力の投入も行わない。

反応室１０内に導入されたSF₆ガスはプラズマと反応し、SF₆ガスからラジカル、イオン、電子が生成される。これらの生成物のうち、F系ラジカルが本工程のエッチングに寄与する。F系ラジカルは、マスク３２に形成された孔を通してワーク１１のSi基板３０に到達し、Siと反応する。これにより、Si基板３０からSiがエッチングされる。また、この際、エッチング生成物としてSiF_x（x=1〜4）が生成される。F系ラジカルは拡散によって等方的にSi基板３０に入射するため、本工程において形成されるエッチング穴３３は、上下方向のみならず水平方向にもエッチングされたものとなる（図２(a)）。

［保護膜形成工程］
本工程では、制御部２９は、第１ＭＦＣ２４により第１ガス供給源２２から反応室１０へのSF₆ガスを止め、第２ＭＦＣ２５により第２ガス供給源２３から流量400sccmのC₄F₈ガスを反応室１０内に導入する。それと共に、真空ポンプ２６により反応室１０内の圧力を4Paに調整する。なお、本工程においても、第１高周波電源１８から下部電極１２への高周波電力の投入は行わない。

反応室１０内に導入されたC₄F₈ガスはプラズマにより分解され、CF系の高分子が重合される。これが等方性エッチング工程で形成されたエッチング穴３３に堆積され、エッチング穴３３の側壁及び底面に保護膜３４を形成する（図２(b)）。

［底面エッチング工程］
本工程では、制御部２９は、第２ＭＦＣ２５により第２ガス供給源２３から反応室１０へのC₄F₈ガスの供給を中止し、第１ＭＦＣ２４により第１ガス供給源２２から流量400sccmのSF₆ガスを反応室１０内に導入する。それと共に、真空ポンプ２６により反応室１０内の圧力を4Paに保つ。また、第１高周波電源１８から周波数13.56MHzの高周波電力100Wを下部電極１２に投入する。

反応室１０内に導入されたSF₆ガスはプラズマと反応し、等方性エッチング工程と同様に、SF₆ガスからラジカル、イオン、電子が生成される。この状態で下部電極１２に第１高周波電源１８から高周波電力が投入されると、プラズマ中の電子は高周波により形成される電場の変動に追従して下部電極１２に飛び込む。下部電極１２にはブロッキングコンデンサ１６が接続されているため、下部電極１２に前記電子による負のバイアス電圧（自己バイアス）が印加され、下部電極１２に向かってイオンが加速されるようになる。本工程では、このイオンがエッチングに寄与する。

イオンは、下部電極１２に向かって直線的に加速され、エッチング穴３３の底面に入射される。エッチング穴３３の底面に形成された保護膜３４は、このイオンの入射によりスパッタされ、エッチングされる。本工程ではイオンは方向性を持ってSi基板３０に入射するため、保護膜３４は底面部分のものが選択的に除去される（図２(c)）。

上記３つの工程を繰り返すことにより、ボッシュプロセスではアスペクト比の高いエッチング穴３３をSi基板３０に形成することができる（図２(d)）。本実施例のプラズマエッチングの終点検出方法は、これら３つの工程のうち、底面エッチング工程において、プラズマとSiF_x（x=1〜4）が反応することにより生じる発光の強度の変化を測定することにより、エッチングの終点を検出するものである。

上記のように、底面エッチング工程では、エッチング穴３３の底面に形成された保護膜３４をイオンの入射により除去する。底面に形成された保護膜３４が除去されると、イオンは露出したSiをスパッタする。スパッタされたSiは、イオンと共にSF₆ガスより生成されたF系ラジカルと反応し、等方性エッチング工程と同様に、SiF_x（x=1〜4）が生成される。本実施例のプラズマエッチングの終点検出方法では、底面エッチング工程を開始してから終了するまでの間、SiF_xによる発光が生じる波長の発光強度を光検出部２８により取得し、そのデータを制御部２９に送る。制御部２９は、底面エッチング工程の間、前記発光強度が予め設定された閾値以上になるか否かを判定し続け、一度も閾値以上にならなければ、ワーク１１のエッチングを終了する。

なお、本実施例のプラズマエッチングの終点検出方法において、底面エッチング工程でエッチングの終点検出を行う理由は以下の通りである。上記の通り、底面エッチング工程では、SF₆ガスの流量及び反応室１０内の圧力は、等方性エッチング工程のものよりも低い。これは、イオン以外のラジカル等の他の浮遊粒子の量が多いと、イオンがこれらに衝突し、直線的にエッチング穴３３の底面に入射しなくなるためである。そうすると、保護膜３４のエッチングの異方性が低下し、それに伴って、最終的なエッチング穴３３のアスペクト比も低下する。そのため、底面エッチング工程では、元々、等方性エッチング工程のときよりもSF₆ガスの供給量が少なく且つ圧力が低い（すなわち真空度が高い）状態で行われる。

反応室１０内の真空度が高いと、底面の保護膜３４を除去した後にイオンがSiをエッチングすることにより生成されるSiF_xがプラズマまで到達しやすくなる。そのため、底面エッチング工程では、プラズマとSiF_xの反応による発光が生じやすい。従って、底面エッチング工程において、プラズマとSiF_xの反応による発光が生じる波長の発光を観察すれば、上記３つの工程のいずれの速度を低下させることなく、精度良くエッチングの終点を検出することが可能となる。

図３は、本実施例のプラズマエッチングの終点検出方法において、各底面エッチング工程における最大の発光強度をプロットしたグラフである。このデータは、等方性エッチング工程を4秒間、保護膜形成工程を2秒間、底面エッチング工程を2秒間、順に繰り返す（すなわち１サイクル当たり8秒）ことにより取得したものである。また、ワーク１１は、Si基板３０が450μm、SiO₂層が1μmのものを用いた。本実施例の各工程における設定条件は、図４の表にまとめている。表中のICPは第２高周波電源２１から投入する高周波電力、BIASは第１高周波電源１８から投入する高周波電力に、それぞれ対応している。

図３のグラフに示すように、本実施例のプラズマエッチングの終点検出方法では、底面エッチング工程においても、発光強度の変化がはっきりと区別できていることが分かる。このデータでは、エッチングがSiO₂層に到達した後の発光強度に対するエッチングがSiO₂層に到達する前の発光強度比は約1.2となった。従って、例えば終点検出を行うための閾値をエッチングがSiO₂層に到達する前の発光強度の1.1倍程度に設定すれば、精度良くエッチングの終点検出を行うことができる。

比較例として、図４の表に示す条件でプラズマエッチングとその終点検出を行った結果を図５〜図８に示す。また、本実施例と比較例１〜４の発光強度比とエッチングがSiO₂層に到達するまでに要した時間を図９の表に示す。

図４の比較例１及び２は、等方性エッチング工程、終点検出用エッチング工程、保護膜形成工程の順にプラズマエッチングを繰り返し行った場合のものである。この比較例１及び２では底面エッチング工程を行っていない。また、図４の比較例３及び４は、等方性エッチング工程、終点検出用エッチング工程、保護膜形成工程、底面エッチング工程の順にプラズマエッチングを繰り返し行った場合のものである。比較例１〜４では、終点検出用エッチング工程（太線で囲った工程）においてプラズマの発光強度を測定している。また、実施例と比較例１〜４のプラズマエッチングにおけるエッチング到達時間を比較するため、いずれの例においても１サイクル当たりに要する時間は8秒とした。

比較例１は、等方性エッチング工程と終点検出用エッチング工程を同じ条件で行った場合のものである。この場合、図５に示すように発光強度が殆ど変化せず、エッチングがSiO₂層に到達したか否かを検出することができなかった。これは、終点検出用エッチング工程における真空度が低く、エッチング生成物がプラズマまで殆ど到達できなかったためであると考えられる。

比較例２は、終点検出用エッチング工程におけるSF₆ガスの供給量を、等方性エッチング工程のときより減らした場合のものである。この比較例２は、特許文献１に記載された、エッチング工程と保護膜形成工程の２工程からなるボッシュプロセスの該エッチング工程に、終点検出用の少量供給工程を設けたものに対応する。この例では、図６に示すように発光強度の変化が見られた。この例における発光強度比は約1.1であり、本実施例の発光強度比よりも低かった。SiO₂層へのエッチング到達時間は本実施例とほぼ同じであった。

比較例３と比較例４は、非特許文献１に記載された、等方性エッチング工程と保護膜形成工程と底面エッチング工程の３工程からなるボッシュプロセスの該等方性エッチング工程に、終点検出用の少量供給工程を設けたものに対応する。比較例３は、終点検出用エッチング工程を、本実施例の底面エッチング工程と同条件（第１高周波電源１８から高周波電力を投入している）にした場合のものであり、比較例４は、終点検出用エッチング工程において第１高周波電源１８から高周波電力を投入しなかった場合のものである。

比較例３及び４においても、図７及び図８に示すように発光強度の変化が見られたが、発光強度比は約1.1であり、本実施例の発光強度比よりも低かった。また、SiO₂層へのエッチング到達時間は本実施例よりも比較例３では230秒、比較例４では240秒長くなった（図９）。

比較例３及び４でSiO₂層へのエッチング到達時間が本実施例よりも長くかかったのは、Siのエッチング工程の一部を発光観測に充てるためガス流量を少なくしたためである。また、本実施例の発光強度比が、終点検出時の条件が同じ比較例３よりも高かったのは、本実施例のプラズマエッチングの終点検出方法では、終点検出を行う底面エッチング工程の前に、該底面エッチング工程と同じくガス流量と真空度の低い保護膜形成工程があるため、エッチング生成物がプラズマに到達するのを阻害する浮遊粒子の量が、比較例３よりも少なくなっているためであると考えられる。

１０…反応室
１１…ワーク
１２…下部電極
１３…誘電体窓
１４…ガス導入口
１５…ガス排気口
１６…ブロッキングコンデンサ
１７…第１整合器
１８…第１高周波電源
１９…コイル
２０…第２整合器
２１…第２高周波電源
２２…第１ガス供給源
２３…第２ガス供給源
２４…第１ＭＦＣ
２５…第２ＭＦＣ
２６…真空ポンプ
２７…観察窓
２８…光検出部
２９…制御部
３０…Si基板（被エッチング層）
３１…SiO₂層（下層膜）
３２…マスク
３３…エッチング穴
３４…保護膜

Claims

被エッチング層と、前記被エッチング層の下面に設けられた下層膜を有するワークの該被エッチング層に等方性エッチングを行う等方性エッチング工程と、前記等方性エッチング工程においてエッチングされた部分の面に保護膜を形成する保護膜形成工程と、前記等方性エッチング工程よりも真空度が高い状態で、前記保護膜が形成された面のうち底面に形成された保護膜をイオンの照射により選択的に除去する底面エッチング工程と、を有するプラズマエッチングにおいて、
前記底面エッチング工程において前記被エッチング層をエッチングすることにより生成されるエッチング生成物がプラズマと反応することにより生じる光の強度を該底面エッチング工程において測定し、該底面エッチング工程において測定した光の強度の変化から、エッチングが前記下層膜まで到達したか否かを判定する
ことを特徴とするプラズマエッチングのエッチング終点検出方法。