(57)【要約】気密な処理容器１０２内で，予めパターニングされたシリコン酸化膜層２０４を含むマスクを用いてＨＢｒガス，Ｏ２ガスおよびＳｉＦ４ガスに，ＳＦ６ガスとＮＦ３ガスの両方又はいずれか一方を加えた混合ガスを含む処理ガスにより，シリコン層２１０をエッチングする際，被処理体が載置される下部電極１０４に第１周波数の第１高周波電源１１８と，第１周波数よりも低い第２周波数の第２高周波電源１３８より高周波電力を印加してエッチングを行う。これにより，シリコン層に，高アスペクト比を有する，適正な形状のホール又は溝を形成できる。
2003056617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気密な処理容器内で，予めパターニングされたマスクを用いてＨＢｒガス，Ｏ２ガスおよびＳｉＦ４ガスに，ＳＦ６ガスとＮＦ３ガスの両方又はいずれか一方を加えた混合ガスを含む処理ガスにより，被処理体のシリコン層をエッチングする方法であって，
前記被処理体が載置される下部電極に，第１周波数の第１高周波電力と，前記第１周波数よりも低い第２周波数の第２高周波電力とを印加することを特徴とするエッチング方法。
【請求項２】
前記第１周波数は２７．１２ＭＨｚ以上であり，前記第２周波数は３．２ＭＨｚであることを特徴とする請求項１に記載のエッチング方法。
【請求項３】
前記気密な処理容器内には，電界に垂直な水平磁場が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のエッチング方法。
【請求項４】
前記水平磁場の強度は前記被処理体中心部で１７０Ｇａｕｓｓ以上であることを特徴とする請求項３に記載のエッチング方法。
【請求項５】
前記下部電極の温度は７０℃以上２５０℃以下であることを特徴とする請求項１に記載のエッチング方法。
【請求項６】
前記処理容器内の圧力は１５０ｍＴｏｒｒ以上５００ｍＴｏｒｒ以下であることを特徴とする請求項１に記載のエッチング方法。
【請求項７】
前記処理ガスの流量は，ＨＢｒガスが１００〜６００ｓｃｃｍ，Ｏ２ガスが２〜６０ｓｃｃｍ，ＳｉＦ４ガスが２〜５０ｓｃｃｍ，ＳＦ６ガスを用いる場合１〜６０ｓｃｃｍ，ＮＦ３ガスを用いる場合２〜８０ｓｃｃｍであることを特徴とする請求項１に記載のエッチング方法。
【請求項８】
エッチングによって形成されるホール又は溝のアスペクト比は，３０以上であることを特徴とする請求項１に記載のエッチング方法。
【請求項９】
前記予めパターニングされたマスクは，少なくともシリコン酸化膜層を含むことを特徴とする請求項１に記載のエッチング方法。
【請求項１０】
前記マスクの肩部エッチング量に対する被エッチング材料であるシリコン層のエッチング量の比は６以上であることを特徴とする請求項９に記載のエッチング方法。
【請求項１１】
気密な処理容器内で，予めパターニングされたマスクを用いてＨＢｒガス，Ｏ２ガスおよびＳｉＦ４ガスに，ＳＦ６ガスとＮＦ３ガスの両方又はいずれか一方を加えた混合ガスを含む処理ガスにより，被処理体のシリコン層をエッチングするエッチング方法であって，
被処理体を載置する下部電極の温度は７０℃以上２５０℃以下であることを特徴とするエッチング方法。
【請求項１２】
気密な処理容器内で，予めパターニングされたマスクを用いてＨＢｒガス，Ｏ２ガスおよびＳｉＦ４ガスに，ＳＦ６ガスとＮＦ３ガスの両方又はいずれか一方を加えた混合ガスを含む処理ガスにより，被処理体のシリコン層をエッチングするエッチング方法であって，
前記処理容器内の圧力は１５０ｍＴｏｒｒ以上５００ｍＴｏｒｒ以下であることを特徴とするエッチング方法。
【請求項１３】
気密な処理容器内で，予めパターニングされたマスクを用いてＨＢｒガス，Ｏ２ガスおよびＳｉＦ４ガスに，ＳＦ６ガスとＮＦ３ガスの両方又はいずれか一方を加えた混合ガスを含む処理ガスにより，被処理体のシリコン層をエッチングする際に，前記被処理体が載置される下部電極に第１周波数の第１高周波電力と，前記第１周波数よりも低い第２周波数の第２高周波電力とを印加するエッチング方法であって，
前記シリコン層の上部を漏斗形状にエッチングする第１の工程と，
前記第１の工程に続いて残りのシリコン層を，断面が被処理体表面に対して略垂直な平滑面となるようにエッチングする第２の工程と，
を有することを特徴とするエッチング方法。
【請求項１４】
前記第２の工程は，前記第１の工程よりも前記第２高周波電力を増大させて行うことを特徴とする請求項１３に記載のエッチング方法。
【請求項１５】
前記第２の工程は，さらに複数の工程により行われることを特徴とする請求項１３に記載のエッチング方法。
【請求項１６】
前記第２の工程に含まれる複数の工程においては，前記第２高周波電力およびＯ２ガスの流量が各工程により異なることを特徴とする請求項１５に記載のエッチング方法。
【請求項１７】
前記第２の工程に含まれる複数の工程は，後工程ほど前記Ｏ２ガスの流量を増加させることを特徴とする請求項１６に記載のエッチング方法。
【請求項１８】
気密な処理容器内で，予めパターニングされたマスクを用いてＨＢｒガス，Ｏ２ガスおよびＳｉＦ４ガスに，ＳＦ６ガスとＮＦ３ガスの両方又はいずれか一方を加えた混合ガスを含む処理ガスにより，被処理体のシリコン層をエッチングするプラズマエッチング処理装置であって，
前記被処理体が載置される下部電極に，第１周波数の第１高周波電力と，前記第１周波数よりも低い第２周波数の第２高周波電力とが印加されることを特徴とするプラズマエッチング処理装置。
【請求項１９】
前記第１周波数は２７．１２ＭＨｚ以上であり，前記第２周波数は３．２ＭＨｚであることを特徴とする請求項１８に記載のプラズマエッチング処理装置。
【請求項２０】
前記気密な処理容器内には，電界に垂直な水平磁場が形成されることを特徴とする請求項１８に記載のプラズマエッチング処理装置。
【請求項２１】
前記水平磁場の強度は前記被処理体中心部で１７０Ｇａｕｓｓ以上であることを特徴とする請求項２０に記載のプラズマエッチング処理装置。
【請求項２２】
前記下部電極の温度は７０℃以上２５０℃以下であることを特徴とする請求項１８に記載のプラズマエッチング処理装置。
【請求項２３】
前記処理容器内の圧力は１５０ｍＴｏｒｒ以上５００ｍＴｏｒｒ以下であることを特徴とする請求項１８に記載のプラズマエッチング処理装置。
【請求項２４】
気密な処理容器内で，予めパターニングされたマスクを用いてＨＢｒガス，Ｏ２ガスおよびＳｉＦ４ガスに，ＳＦ６ガスとＮＦ３ガスの両方又はいずれか一方を加えた混合ガスを含む処理ガスにより，被処理体のシリコン層をエッチングするプラズマエッチング処理装置であって，
前記被処理体が載置される下部電極に周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力が印加され，
前記気密な処理容器内には，電界に垂直で，強度が前記被処理体中心部で１７０Ｇａｕｓｓ以上の水平磁場が形成され，
前記下部電極の温度は７０℃以上２５０℃以下であり，
前記処理容器内の圧力は１５０ｍＴｏｒｒ以上５００ｍＴｏｒｒ以下であることを特徴とするプラズマエッチング処理装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明はエッチング方法及びプラズマエッチング処理装置に関する。
背景技術
近年，半導体素子の高密度化，高集積化に相俟って，高アスペクト比を有するホールを形成する必要性が生じている。しかも，形成するホールは，側壁がホールの開口部面に対し略垂直でかつ滑らかとなる適正な形状であることが好ましい。
シリコン層にこのような高アスペクト比を有するホールを形成するには，気密な処理容器内で被処理体を載置する下部電極の温度を例えば６０℃以下に設定し，ＨＢｒガス，ＮＦ３ガスおよびＯ２ガスの混合ガス，またはＨＢｒガス，ＳＦ６ガスおよびＯ２ガスの混合ガスを処理ガスとして用い，処理容器内の圧力を１５０ｍＴｏｒｒ以下に設定してエッチング処理を行う方法がある。
また別の方法として，特開平６−１６３４７８号公報に開示されているように，気密な処理容器内でＨＢｒガス，ＳｉＦ４ガス，ＳＦ６ガス，およびＨｅガスを含むＯ２ガスの混合ガスを処理ガスとして用い，処理容器内の圧力を５０〜１５０ｍＴｏｒｒに設定し，電界に対して垂直な１００Ｇａｕｓｓ以下の磁場を与えてエッチングを行う方法がある。
ところが，上記第１の方法では，エッチングの際にマスクとして用いられるシリコン酸化膜に対する，被エッチング材であるシリコンのエッチング速度の比で表されるエッチング選択比（以下，単にエッチング選択比という）が十分でなく，必要なマスクの残量を確保しつつ，シリコンに深いホールを形成することが困難であった。
また，特開平６−１６３４７８号公報では，１〜１２０μｍまでの幅の溝（トレンチ）の形成については開示されている。しかしながら，１μｍ以下（例えば０．２μｍ程度）の微細なホール径（又は溝幅）を持つホール（又は溝）の形成については，開示されていない。
本発明は，従来のエッチング方法及びプラズマエッチング処理装置が有する上記問題点に鑑みてなされたものであり，本発明の目的は，シリコン層に，高アスペクト比を有する微少なホール（又は溝）を，適正な形状に形成することが可能な，新規かつ改良されたエッチング方法及びプラズマエッチング処理装置を提供することである。
発明の開示
上記課題を解決するため，本発明のある観点によれば，気密な処理容器内で，予めパターニングされたマスクを用いてＨＢｒガス，Ｏ２ガスおよびＳｉＦ４ガスに，ＳＦ６ガスとＮＦ３ガスの両方又はいずれか一方を加えた混合ガスを含む処理ガスにより，被処理体のシリコン層をエッチングする方法であって，被処理体が載置される下部電極に第１周波数の第１高周波電力と，第１周波数よりも低い第２周波数の第２高周波電力とを印加するエッチング方法が提供される。
また，上記第１周波数は２７．１２ＭＨｚ以上であり，第２周波数は３．２ＭＨｚであることが好ましい。気密な処理容器内には，電界に垂直な水平磁場，例えば強度が被処理体中心部で１７０Ｇａｕｓｓ以上の水平磁場が形成されるように構成してもよい。
また，上記下部電極の温度は７０℃以上２５０℃以下，処理容器内の圧力は１５０ｍＴｏｒｒ以上５００ｍＴｏｒｒ以下とすることができる。また，処理ガスの流量は，ＨＢｒガスが１００〜６００ｓｃｃｍ，Ｏ２ガスが２〜６０ｓｃｃｍ，ＳｉＦ４ガスが２〜５０ｓｃｃｍとしてもよい。またＳＦ６ガスを用いる場合にはその流量を１〜６０ｓｃｃｍとしてもよく，ＮＦ３ガスを用いる場合にはその流量を２〜８０ｓｃｃｍとしてもよい。
また，エッチングによって形成されるホール又は溝のアスペクト比は，３０以上が可能である。予めパターニングされたマスクは，少なくともシリコン酸化膜層を含むことが好ましい。さらに，マスクの肩部エッチング量に対する被エッチング材料であるシリコン層のエッチング量の比（エッチング選択比）は６以上とすることができる。かかる方法によれば，シリコン層に，例えばホール径（ホールの直径）又は溝幅が１μｍ以下の，高アスペクト比を有するホール又は溝を，適正な形状に形成することが可能である。
上記課題を解決するため，本発明の別の観点によれば，気密な処理容器内で，予めパターニングされたマスクを用いてＨＢｒガス，Ｏ２ガスおよびＳｉＦ４ガスに，ＳＦ６ガスとＮＦ３ガスの両方又はいずれか一方を加えた混合ガスを含む処理ガスにより，被処理体のシリコン層をエッチングする際に，被処理体が載置される下部電極に第１周波数の第１高周波電力と，その第１周波数よりも低い第２周波数の第２高周波電力とを印加するエッチング方法であって，シリコン層の上部を漏斗形状にエッチングする第１の工程と，第１の工程に続いて残りのシリコン層を，断面が被処理体表面に対して略垂直な平滑面となるようにエッチングする第２の工程とを有するエッチング方法が提供される。
また，上記第２の工程は，第１の工程よりも第２高周波電力を増大させて行うことができる。また，第２の工程は，さらに複数の工程により行われるようにしてもよい。第２の工程に含まれる複数の工程においては，第２高周波電力およびＯ２ガスの流量が各工程により異なるようにしてもよい。特に，第２の工程に含まれる複数の工程は，後工程ほどＯ２ガスの流量を増加させることが好ましい。かかる方法によれば，形成されるホール又は溝の形状をより適正に制御することが可能になる。
上記課題を解決するため，本発明の別の観点によれば，気密な処理容器内で，予めパターニングされたマスクを用いてＨＢｒガス，Ｏ２ガスおよびＳｉＦ４ガスに，ＳＦ６ガスとＮＦ３ガスの両方又はいずれか一方を加えた混合ガスを含む処理ガスにより，被処理体のシリコン層をエッチングするプラズマエッチング処理装置であって，被処理体が載置される下部電極に第１周波数の第１高周波電力と，第１周波数よりも低い第２周波数の第２高周波電力とが印加されるように構成したプラズマエッチング処理装置が提供される。
ここで，第１周波数は２７．１２ＭＨｚ以上であり，第２周波数は３．２ＭＨｚとするのが好ましい。また，気密な処理容器内には，電界に垂直な水平磁場が形成されることが好ましく，その強度は被処理体中心部で１７０Ｇａｕｓｓ以上とすることができる。下部電極の温度は７０℃以上２５０℃以下，処理容器内の圧力は１５０ｍＴｏｒｒ以上５００ｍＴｏｒｒ以下であることが好ましい。
上記課題を解決するため，本発明の別の観点によれば，気密な処理容器内で，予めパターニングされたマスクを用いてＨＢｒガス，Ｏ２ガスおよびＳｉＦ４ガスに，ＳＦ６ガスとＮＦ３ガスの両方又はいずれか一方を加えた混合ガスを含む処理ガスにより，被処理体のシリコン層をエッチングするプラズマエッチング処理装置であって，被処理体が載置される下部電極に周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加し，気密な処理容器内には，電界に垂直で，強度が被処理体中心部で１７０Ｇａｕｓｓ以上水平磁場が形成され，下部電極の温度は７０℃以上２５０℃以下，処理容器内の圧力は１５０ｍＴｏｒｒ以上５００ｍＴｏｒｒ以下であるプラズマエッチング処理装置が提供される。
このような構成によれば，シリコン層に，ホール径又は溝幅が１μｍ以下で，高アスペクト比のホールを，適正な形状で形成することが可能である。
なお，本明細書において，１ｍＴｏｒｒは（１０−３×１０１３２５／７６０）Ｐａ，１ｓｃｃｍは（１０−６／６０）ｍ３／ｓｅｃとする。
発明を実施するための最良の形態
以下に添付図面を参照しながら，本発明にかかるエッチング方法及びプラズマエッチング処理装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
（第１の実施の形態）
図１は，本発明の１実施の形態にかかるプラズマエッチング装置１００の構成を示す概略断面図である。図１に示すように，プラズマエッチング装置１００の処理容器１０２は，例えば表面に陽極酸化処理を施して酸化アルミニウム膜が形成されたアルミニウムから成るとともに，接地されている。
処理容器１０２内には，被処理体，例えば半導体ウエハＷを載置する，サセプタを兼ねた下部電極１０４が配置されている。下部電極１０４は，昇降軸（図示せず）により上下動自在である。
下部電極１０４の側面下部の部分には，絶縁材となる石英部材１０５と，ベローズ１０９に接触する導電部材１０７が形成されている。ベローズ１０９は，例えばステンレスからなり，処理容器１０２に接触している。これにより，導電部材１０７は，ベローズ１０９及び処理容器１０２を介して接地されている。さらに，石英部材１０５及び導電部材１０７及びベローズ１０９を囲うように，ベローズカバー１１１が設けられている。
下部電極１０４の載置面には，高圧直流電源１０８に接続された静電チャック１１０が設けられている。フォーカスリング１１２は，静電チャック１１０を囲うように配置されている。
下部電極１０４には，整合器１１６を介して，２系統の高周波電源，すなわち第１高周波電源１１８及び第２高周波電源１３８が接続されている。第１高周波電源１１８の周波数（第１周波数という）は，第２高周波電源１３８の周波数（第２周波数という）よりも高く設定される。このように２系統の高周波電力を与え，それらの電力をそれぞれ独立して制御することにより，形成されるホールの側壁が曲線状に削れるボーイング現象を防止するなど，形状をより適正に制御することが可能になる。
上記第１周波数としては例えば２７．１２ＭＨｚ以上とするのが好ましい。特に処理空間に磁場がない場合には２７．１２ＭＨｚ以上とするのが好ましい。但し，磁石１３０などを設けた場合のように処理空間に磁場がある場合には後述するように第１周波数を１３．５６ＭＨｚとしてもよい。これは上記磁場によりプラズマ密度を高くしてシリコンのエッチングレートを大きくできるからである。上記第２周波数としては例えば３．２ＭＨｚに設定するのが好ましい。
また，処理容器１０２の上部には，処理容器１０２を介して接地された上部電極１２４が備えられている。上部電極１２４には，処理ガスを導入する多数のガス吐出孔１２６が設けられ，ガス供給源（図示せず）に接続されており，処理空間１２２内に処理ガスが供給される。
処理容器１０２の外部には，処理空間１２２に水平な磁場を与える磁石１３０が配置されている。磁石１３０により例えば被処理体中央部で１７０Ｇａｕｓｓの磁場が処理空間１２２に形成される。このように磁石１３０による磁場が１７０Ｇａｕｓｓ以上の場合には，高周波電源は，たとえば１３．５６ＭＨｚの単一構成としてもよい。
処理容器１０２の下部には，真空ポンプなどの排気系（図示せず）に接続された排気孔１２８が設けられ，処理容器１０２内を所定の真空度に保つことができるように構成されている。
次に，図１及び図２を参照しながら，上記プラズマエッチング装置１００の動作について説明する。図２は，エッチング前の被処理体２００の構成を示す概略断面図である。
図２に示すように，被処理体２００には，例えば直径が２００ｍｍの半導体ウエハＷを用い，表面にフォトリソグラフィ工程により直径２００ｎｍのホール形状がパターニングされたレジスト層２０２を形成しておく。レジスト層２０２の下層には，例えばＣＶＤ酸化膜であるシリコン酸化膜層（ＳｉＯ２膜）２０４が約７００〜２２００ｎｍの厚さで形成されている。そのシリコン酸化膜層２０４の下層には，シリコン窒化膜層（ＳｉＮ膜）２０６が約２００ｎｍの厚さで形成されている。そのシリコン窒化膜層２０６の下層には，ゲート絶縁膜であるシリコン熱酸化膜層（ＳｉＯ２膜）２０８が，数ｎｍ以下の厚さで形成されている。
このように構成された被処理体２００において，レジスト層２０２をマスクとして，予めシリコン酸化膜層２０４，シリコン窒化膜層２０６およびシリコン熱酸化膜層２０８に対して，エッチング処理により所定のパターニングを施す。その後，レジスト層２０２を除去する。これにより，シリコン酸化膜層２０４及びシリコン窒化膜層２０６は，シリコン（Ｓｉ）層２１０をエッチングするためのマスクとなる。
上記のように，所定のパターニングを施されたシリコン酸化膜層２０４及びシリコン窒化膜層２０６をマスクとして備えた被処理体を，被処理体搬入口（図示せず）より処理容器１０２内に搬入し，下部電極１０４上に載置する。その状態で排気口１２８から真空ポンプ（図示せず）により処理容器１０２内を排気した後，ガス供給源（図示せず）からガス吐出口１２６を介して処理ガスを処理容器１０２内に導入する。
上記処理ガスとしては，ＨＢｒガス，Ｏ２ガス，ＳｉＦ４ガスに，ＳＦ６ガス又はＮＦ３ガスを加えた混合ガスを使用した。処理ガスの流量は，例えばＨＢｒガスが１００〜６００ｓｃｃｍ，Ｏ２ガスが２〜６０ｓｃｃｍ，ＳｉＦ４ガスが２〜５０ｓｃｃｍ，ＳＦ６ガスを用いる場合１〜６０ｓｃｃｍ，ＮＦ３ガスを用いる場合２〜８０ｓｃｃｍである。これら処理ガスの流量の詳細については，下部電極１０４の載置面，上部電極１２４，及び処理容器１０２の内壁面の温度などと共に後述する。
上記処理ガスを所定の流量に，各部の温度を所定の温度に設定した状態で，処理容器１０２内の圧力を所定の値（例えば２００ｍＴｏｒｒ，詳しくは後述する）に設定する。また下部電極１０４には，第１高周波電源１１８から第１周波数を有する第１高周波電力を整合器１１６を介して印加するとともに，第２高周波電源１３８から第２周波数を有する第２高周波電力を整合器１１６を介して印加する。
上記第１周波数は，上述したように２７．１２ＭＨｚ以上とするのが好ましいので，ここでは第１周波数は４０．６８ＭＨｚに設定する。第２周波数は，３．２ＭＨｚに設定する。また第１高周波電源１１８の電力の大きさは例えば６００〜１５００Ｗ，高周波電源１３８の電力の大きさは例えば５００〜１２００Ｗとする。
このように２系統の異なる周波数を有する高周波電力を供給することで，ＳｉＦ４ガスの解離を促進し，より効率よくエッチングすることが可能になる。上記動作により，被処理体にエッチング処理が施される。
次に，図２〜図６，図７を参照しながら，第１の実施の形態にかかるエッチング条件について説明する。なお第１の実施の形態にかかるエッチング条件は，ホール径０．１８μｍのホールを形成する場合の例である。
図３はエッチング後の被処理体３００を示す概略断面図（シリコン熱酸化膜層２０８は図示せず）であり，図４は各パラメータの圧力依存性を示す図である。図５は各パラメータの下部電極温度依存性を示す図であり，図６は各パラメータのＳｉＦ４ガス添加効果を示す図である。図７はシリコン酸化膜層のエッチングレートのＳｉＦ４ガス流量依存性を示す図である。
図３に示すように，被処理体３００は，シリコン酸化膜層２０４及びシリコン窒化膜層２０６（以下まとめてマスク材ともいう）をマスクとして，ホール径（ホールの直径）がＲ１のホールを形成するためにエッチングされる。そのマスク材およびシリコン酸化膜層２０４の初期の厚さはＤ３およびＤ６である。
本実施の形態にかかるエッチングは，複数の工程により行われる。まずエッチングを行うシリコン層２１０（図２）の表面に自然酸化などで生じたシリコン酸化膜層を除去する，いわゆるブレークスルー（“Ｂ．Ｔ”ともいう）と呼ばれる工程を行う。
次に，深さＤ１の部分を上が広く，下が細くすぼまって穴になっているホール形状，例えば漏斗形状にエッチングするための第１の工程（表中“１−１，１−２”と記述する）を行う。上記深さＤ１は例えば１．５μｍである。ここで，第１の工程がさらに２工程に細分されているのは，ホールの形状を適正に保つため，エッチング条件を変化させているからである。
続いて，残りのシリコン層２１０の深さＤ２部分をエッチングする第２の工程を行う（表中“２−１，２−２，…，２−６”と記述する）。ここで，第２の工程がさらに６工程に細分されているのは，ホールの形状を適正に保つため，エッチング条件を変化させているからである。
上記工程により，被処理体３００には，ホール径Ｒ１，深さＤ４を有するホールが形成されることになる。このとき，初期状態で厚さＤ６であったシリコン酸化膜層２０４は，ホール入口の肩部で，厚さＤ５（シリコン酸化膜マスク残量ともいう）となる。ここで，肩部のエッチング選択比はＤ４／（Ｄ６−Ｄ５）で表される。
次に，処理室内圧力を変化させてエッチング処理を行った場合の実験結果に基づいて，例えばシリコン酸化膜マスク残量Ｄ５，エッチング選択比，ホールの深さＤ４，アスペクト比（Ｄ４／Ｒ１）といった各パラメータについての処理容器１０２内の圧力依存性を図４を参照しながら検討する。図４（ａ）は，シリコン酸化膜マスク残量Ｄ５の処理容器１０２内の圧力依存性を示しており，同図（ｂ）はエッチング選択比の処理容器１０２内の圧力依存性を示している。同図（ｃ）はホールの深さＤ４及びアスペクト比（Ｄ４／Ｒ１）それぞれの処理容器１０２内の圧力依存性を示している。
ここでは，表１−１に示す第１のエッチング条件によりエッチング処理を行った。表１−１では各工程ごとにエッチング条件を示している。なお，第１のエッチング条件において，上部電極温度，処理容器内壁温度，下部電極温度はそれぞれ，８０℃，６０℃，１２０℃とする。また，記号（＊）は，処理容器内圧力を２００〜２５０ｍＴｏｒｒまで徐々に変化させてエッチング処理を行ったことを示す。例えば処理容器内圧力を２００ｍＴｏｒｒ，２２５ｍＴｏｒｒ，２５０ｍＴｏｒｒに変えてエッチング処理を行う。
2003056617.tif 000003
上記エッチング条件では，ホールが深くなるとシリコンのエッチング速度が低下するので，第２の工程は第１の工程に比べ高周波電源１３８の出力を増大させて，プラズマ中のイオンのエネルギーを増大させ，エッチングレートの低下を防いでいる。特に工程２−２〜２−６の，後側の工程で徐々に出力を増加させている。さらに，後工程になるほどＯ２ガスの流量を増加させて，マスク材の上部に保護膜の堆積を促進することでエッチング選択性を保持している。なお，第２の工程で，高周波電源１３８の出力増大とＯ２ガスの増加を同時に行うことが好ましい。
このエッチング条件で記号（＊）の処理容器内圧力を２００〜２５０ｍＴｏｒｒまで変化させると，図４（ｂ），（Ｃ）に示すように，エッチング選択比，ホールの深さＤ４，アスペクト比は共に，圧力の増加に伴って増加する。エッチング選択比は６以上，アスペクト比は少なくとも３０以上とすることが可能である。
一方，シリコン酸化膜マスク残量Ｄ５は，処理容器内圧力が変わっても変化しない。よって，上記条件下における処理容器内の圧力は高い方がよいと考えられる。ところが，圧力が高すぎると，反応生成物が排気されにくくなり堆積物となるため，エッチングが促進されなくなって，シリコンのエッチングレートが低下する。これらのことを考慮すれば，上記条件下における処理容器内の圧力は実用的な範囲として１５０ｍＴｏｒｒから５００ｍＴｏｒｒが好ましく，さらに１５０ｍＴｏｒｒから３５０ｍＴｏｒｒがより好ましい。
次に，下部電極１０４の温度を変化させてエッチング処理を行った場合の実験結果に基づいて，各パラメータについての下部電極１０４の温度依存性を図５を参照しながら検討する。図５（ａ）はシリコン酸化膜マスク残量Ｄ５の下部電極１０４の温度依存性を示しており，同図（ｂ）はエッチング選択比の下部電極１０４の温度依存性を示している。同図（ｃ）はホールの深さＤ４及びアスペクト比（Ｄ４／Ｒ１）それぞれの下部電極１０４の温度依存性を示している。
ここでは，表１−２に示す第２のエッチング条件によりエッチング処理を行った。表１−２では各工程ごとにエッチング条件を示している。なお，第２のエッチング条件において，上部電極温度，処理容器内壁温度，下部電極温度はそれぞれ，８０℃，６０℃，１２０℃をベースとし，下部電極温度を７０℃から１２０℃に変化させてエッチング処理を行った。例えば７０℃，９０℃，１２０℃と変化させる。
2003056617.tif 000004
表１−２における第２のエッチング条件は，下部電極温度が１２０℃のものである。なお，他の下部電極温度（７０℃，９０℃）の場合には，ホールの深さＤ４及びアスペクト比が一定になるようにＯ２ガスの流量を調整している。図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すように，下部電極温度を高くするとシリコン酸化膜マスク残量Ｄ５及びエッチング選択比は共に上昇する。ここで，シリコン酸化膜マスク残量Ｄ５は大きい方が好ましい。具体的には例えば２００ｎｍ以上であることが好ましい。
また，下部電極温度の下限は，シリコン酸化膜マスク残量Ｄ５が大きく，エッチング選択比が６以上の範囲という観点によれば，約７０℃が好ましい（図５（ｂ）参照）。一方，下部電極温度の上限は，下部電極温度が高くなると半導体ウエハ面内のエッチングの均一性が低下するので，約２５０℃が好ましい。さらに上記エッチングの面内均一性が±５％程度，悪くても±１０％以下となるようにするには，下部電極温度の上限は，１５０℃程度がより好ましい。なお，シリコン酸化膜マスク残量Ｄ５としては，エッチングされる量を考慮して，その必要十分な厚さのシリコン酸化膜層を形成しておくことにより，例えば２００ｎｍ以上を確保できる。
次に，ＳｉＦ４ガスを添加しない場合と添加した場合についてエッチング処理を行った場合の実験結果に基づいて，各パラメータについてのＳｉＦ４ガス添加の効果を図６を参照しながら検討する。図６（ａ）はシリコン酸化膜マスク残量Ｄ５のＳｉＦ４ガス添加の効果を示しており，同図（ｂ）はエッチング選択比のＳｉＦ４ガス添加の効果を示している。同図（ｃ）はホールの深さＤ４及びアスペクト比（Ｄ４／Ｒ１）それぞれのＳｉＦ４ガス添加の効果を示している。
ここでは．表１−３に示す第３のエッチング条件によりエッチング処理を行った。表１−３では各工程ごとにエッチング条件を示している。なお，第３のエッチング条件において，上部電極温度，処理容器内壁温度，下部電極温度はそれぞれ，８０℃，６０℃，７０℃とする。
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表１−３のＳｉＦ４ガスの欄において，０／２０とあるのは，第２の工程でＳｉＦ４ガスを添加しない場合にはその流量を０ｓｃｃｍとし，第２の工程でＳｉＦ４ガスを添加する場合にはその流量を２０ｓｃｃｍとすることを示す。第３のエッチング条件では，図６（ａ）〜図６（ｃ）に示すように，ＳｉＦ４ガスを添加すると，ホールの深さＤ４及びアスペクト比がほぼ一定であるのに対し，シリコン酸化膜マスク残量Ｄ５及びエッチング選択比は，増加することが分かる。
次に，ＳｉＦ４ガスの添加量を徐々に変えてエッチング処理を行った場合における酸化膜のエッチングレートとＳｉＦ４ガス添加量との関係を図７に示す。図７（ａ）はＳｉＦ４ガス添加量を０〜３０ｓｃｃｍとしたときのエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）の具体的な値を示しており，図７（ｂ）はエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）をプロットしたグラフを示す。
図７によれば，マスク材であるシリコン酸化膜層２０４のエッチングレートは，ＳｉＦ４ガスを少量添加すると著しく減少することがわかる。またＳｉＦ４ガスの添加量は約２〜５０ｓｃｃｍが好ましい。さらにＳｉＦ４ガスを約１０〜３０ｓｃｃｍ添加すると少なくとも２分の１以下に低下する。これにより，エッチング選択比は２倍以上になる。よって，フッ素系ガスとしてＳｉＦ４ガスを約１０〜３０ｓｃｃｍ混合させることがより好ましい。
また，被処理体が載置される下部電極１０４に周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加し，処理容器内には，電界に垂直で，強度が被処理体中心部で１７０Ｇａｕｓｓ以上の水平磁場を形成し，下部電極１０４の温度は７０℃以上１５０℃以下とし，処理容器内の圧力は１５０ｍＴｏｒｒ以上３５０ｍＴｏｒｒ以下とするプラズマエッチング装置においても上記と同様な処理が可能である。
次に，ＳＦ６ガスの代わりにＮＦ３ガスを含む混合ガスにより，被処理体のシリコン層をエッチングした場合について検討する。ここでは，表１−４に示す第４のエッチング条件によりエッチング処理を行った。なお，第４のエッチング条件において上部電極温度，処理容器内壁温度，下部電極温度はそれぞれ−８０℃，６０℃，７５℃とする。上部電極と下部電極との間の距離は２７ｍｍとする。
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上記条件で直径１３５ｎｍのホール形状のマスクの下層のシリコン（Ｓｉ）層をエッチングしたところ，エッチングレート７５５ｎｍ／ｍｉｎ，ホールの深さ８．２１μｍ，アスペクト比５６．２という結果であった。上記のように，ＳＦ６ガスの代わりにＮＦ３ガスを含む混合ガスを用いてエッチング処理を行っても，高アスペクト比を有するホールを，側壁が曲面状になることなく形成することが可能である。
このように，第１の実施の形態にかかるエッチング方法及びプラズマエッチング処理装置によれば，シリコン層にホール径約０．２μｍで，深さ８μｍ以上の，３０以上の高アスペクト比を有するホールを，適正な形状にエッチングにより形成することが可能である。また，エッチング条件を上述したような好ましい範囲で適宜選択することにより，よりよいエッチング形状，エッチングレートなどを実現できる。
次に，本発明の第２の実施の形態にかかるプラズマ処理装置１００によるエッチング方法について図８〜図１１を参照しながら説明する。第２の実施の形態におけるエッチング処理は，下部電極１０４に印加する第１周波数を２７．１２ＭＨｚとした場合の例である。なお，第２の実施の形態においてエッチング処理により形成するホールは，図２，図３に示すものと同様である。ここでは第１の実施の形態と同様にホール径０．１８μｍのホールを形成する場合の例を示す。
図８〜図１１は，第２の実施の形態におけるエッチング処理によって得られた実験結果である。図８〜図１１はそれぞれ第１の実施の形態における図４〜図７に対応している。具体的には，図８は各パラメータの処理容器内の圧力依存性を示す図であり，図９は各パラメータの下部電極温度依存性を示す図である。図１０は各パラメータのＳｉＦ４ガス添加効果を示す図であり，図１１はシリコン酸化膜層のエッチングレートのＳｉＦ４ガス流量依存性を示す図である。なお，第２の実施の形態におけるエッチング処理についても第１の実施の形態の場合と同様の工程で行われるため，その詳細な説明は省略する。第２の実施の形態では，第１工程と第２工程はさらなる細分化はしていない。
先ず，処理室内圧力を変化させてエッチング処理を行った場合の実験結果に基づいて，各パラメータの処理容器１０２内の圧力依存性を図８を参照しながら検討する。図８（ａ）は，シリコン酸化膜マスク残量Ｄ５の処理容器１０２内の圧力依存性を示しており，同図（ｂ）はエッチング選択比の処理容器１０２内の圧力依存性を示している。同図（ｃ）はホールの深さＤ４及びアスペクト比（Ｄ４／Ｒ１）それぞれの処理容器１０２内の圧力依存性を示している。
ここでは，表２−１に示す第５のエッチング条件によりエッチング処理を行った。表２−１では各工程ごとにエッチング条件を示している。なお，第５のエッチング条件において，上部電極温度，処理容器内壁温度，下部電極温度はそれぞれ，８０℃，８０℃，８０℃とする。また，記号（＊）は，処理容器内圧力を２００〜２５０ｍＴｏｒｒまで変化させてエッチング処理を行ったことを示す。例えば処理容器内圧力を２００ｍＴｏｒｒ，２５０ｍＴｏｒｒに変えてエッチング処理を行う。
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上記第５のエッチング条件では，ホールが深くなるとシリコンのエッチング速度が低下するので，第２の工程は第１の工程に比べ高周波電源１３８の出力を増大させて，プラズマ中のイオンのエネルギーを増大させ，エッチングレートの低下を防いでいる。
第５のエッチング条件で記号（＊）の処理容器内圧力を２００〜２５０ｍＴｏｒｒまで変化させると，図８（ｂ），（Ｃ）に示すように，エッチング選択比，ホールの深さＤ４，アスペクト比は共に，圧力の増加に伴って増加する。エッチング選択比は６以上，アスペクト比は少なくとも３０以上が可能であることはもちろん，エッチング選択比は１５以上，アスペクト比は約４０以上とすることも可能である。
一方，シリコン酸化膜マスク残量Ｄ５は，処理容器内圧力が変わってもほとんど変化しない。よって，上記条件下における処理容器内の圧力は高い方がよいと考えられる。ところが，圧力が高すぎると，反応生成物が排気されにくくなり堆積物となるため，エッチングが促進されなくなって，シリコンのエッチングレートが低下する。これらのことを考慮すれば，第１の実施の形態と同様に上記条件下における処理容器内の圧力は実用的な範囲として１５０ｍＴｏｒｒから５００ｍＴｏｒｒが好ましく，さらに１５０ｍＴｏｒｒから３５０ｍＴｏｒｒがより好ましい。
次に，下部電極１０４の温度を変化させてエッチング処理を行った実験結果に基づいて，各パラメータについての下部電極１０４の温度依存性を図９を参照しながら検討する。図９（ａ）はシリコン酸化膜マスク残量Ｄ５の下部電極１０４の温度依存性を示しており，同図（ｂ）はエッチング選択比の下部電極１０４の温度依存性を示している。同図（ｃ）はホールの深さＤ４及びアスペクト比（Ｄ４／Ｒ１）それぞれの下部電極１０４の温度依存性を示している。
ここでは，表２−２に示す第６のエッチング条件によりエッチング処理を行った。表２−２では各工程ごとにエッチング条件を示している。なお，第６のエッチング条件において，上部電極温度，処理容器内壁温度，下部電極温度はそれぞれ，８０℃，８０℃，８０℃をベースとし，下部電極温度を６０℃〜８０℃に変化させてエッチング処理を行った。例えば６０℃，８０℃と変化させる。
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上記第６のエッチング条件は，下部電極温度が８０℃のものである。なお，他の下部電極温度（６０℃，８０℃）の場合には，ホールの深さＤ４及びアスペクト比が一定になるようにＯ２ガスの流量を調整している。図９（ａ）〜図９（ｃ）に示すように，下部電極温度を高くするとシリコン酸化膜マスク残量Ｄ５及びエッチング選択比は共に上昇する。ここで，シリコン酸化膜マスク残量Ｄ５は大きい方が好ましい。具体的には例えば２００ｎｍ以上であることが好ましい。
また，下部電極温度の下限は，シリコン酸化膜マスク残量Ｄ５が大きく，エッチング選択比が６以上の範囲という観点によれば，約７０℃が好ましい（図９（ｂ）参照）。一方，下部電極温度の上限は，下部電極温度が高くなると半導体ウエハ面内のエッチングの均一性が低下するので，約２５０℃が好ましい。さらに上記エッチングの面内均一性が±５％程度，悪くても±１０％以下となるようにするには，下部電極温度の上限は，１５０℃程度がより好ましい。なお，シリコン酸化膜マスク残量Ｄ５としては，エッチングされる量を考慮して，その必要十分な厚さのシリコン酸化膜層を形成しておくことにより，例えば２００ｎｍ以上を確保できる。
次に，ＳｉＦ４ガスを添加しない場合と添加した場合についてエッチング処理を行った場合の実験結果に基づいて，各パラメータについてのＳｉＦ４ガス添加の効果を図１０を参照しながら検討する。図１０（ａ）はシリコン酸化膜マスク残量Ｄ５のＳｉＦ４ガス添加の効果を示しており，同図（ｂ）はエッチング選択比のＳｉＦ４ガス添加の効果を示している。同図（ｃ）はホールの深さＤ４及びアスペクト比（Ｄ４／Ｒ１）それぞれのＳｉＦ４ガス添加の効果を示している。
ここでは，表２−３に示す第７のエッチング条件によりエッチング処理を行った。表２−３では各工程ごとにエッチング条件を示している。なお，第７のエッチング条件において，上部電極温度，処理容器内壁温度，下部電極温度はそれぞれ，８０℃，６０℃，６０℃とする。
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表２−３のＳｉＦ４ガスの欄において，０／５とあるのは，第２の工程でＳｉＦ４ガスを添加しない場合には流量０ｓｃｃｍとし，第２の工程でＳｉＦ４ガスを添加する場合には流量を５ｓｃｃｍとすることを示す。第７のエッチング条件では，図１０（ａ）〜図１０（ｃ）に示すように，ＳｉＦ４ガスを添加すると，ホールの深さＤ４及びアスペクト比がほぼ一定であるのに対し，シリコン酸化膜マスク残量Ｄ５及びエッチング選択比は，増加することが分かる。
次に，ＳｉＦ４ガスの添加量を徐々に変えてエッチング処理を行った場合における酸化膜のエッチングレートとＳｉＦ４ガス添加量との関係を図１１に示す。図１１（ａ）はＳｉＦ４ガス添加量を０〜３０ｓｃｃｍとしたときのエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）の具体的な値を示しており，図１１（ｂ）はエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）をプロットしたグラフを示す。
図１１によれば，マスク材であるシリコン酸化膜層２０４のエッチングレートは，ＳｉＦ４ガスを少量添加すると減少する傾向がある点で，図７に示す場合と同様である。またＳｉＦ４ガスの添加量は約２〜５０ｓｃｃｍが好ましく，約２〜３５ｓｃｃｍがより好ましい。さらにＳｉＦ４ガスを約１０〜３０ｓｃｃｍ添加すると約２分の１以下まで低下する。これにより，エッチング選択比は約２倍以上になる。よって，第２の実施の形態においてもフッ素系ガスとしてＳｉＦ４ガスを約１０〜３０ｓｃｃｍ混合させることが好ましく，約１０〜２５ｓｃｃｍ混合させることがより好ましい。
このように，第２の実施の形態にかかるエッチング方法及びプラズマエッチング処理装置によっても，シリコン層にホール径約０．２μｍで，深さ８μｍ以上の，３０以上の高アスペクト比を有するホールを，適正な形状にエッチングにより形成することが可能である。また，エッチング条件を上述したような好ましい範囲で適宜選択することにより，よりよいエッチング形状，エッチングレートなどを実現できる。
以上，添付図面を参照しながら本発明にかかるエッチング方法及びプラズマエッチング処理装置の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば，本発明においては，エッチングによりウエハのシリコン層にホールを形成する場合について説明したが，エッチングによりウエハ上に溝を形成する場合に適用してもよい。ウエハ上に（例えばシリコン層に）溝を形成する場合にもホールを形成する場合と同様の効果が得られる。なお，ウエハ上に溝を形成する場合には，上述したホール径は，溝幅に相当する。
また，本発明においては，被処理体のシリコン層をエッチングする場合に，ＨＢｒガス，Ｏ２ガスおよびＳｉＦ４ガスに，ＳＦ６ガス又はＮＦ３ガスを加えた処理ガスを用いた場合を説明したが，必ずしもこれに限られることはなく，ＨＢｒガス，Ｏ２ガスおよびＳｉＦ４ガスに，ＳＦ６ガスとＮＦ３ガスの両方を加えた混合ガスを含む処理ガスを用いてもよい。
このような構成の本発明によれば，気密な処理容器内で，予めパターニングされたシリコン酸化膜層を含むマスクを用いてＨＢｒガス，Ｏ２ガス，ＳｉＦ４ガスに，ＳＦ６ガスおよびＮＦ３ガスのいずれかを加えた混合ガスにより，被処理体が載置される下部電極に異なる周波数の２系統の高周波電力を印加するようにしたので，シリコン層にホール径（又は溝幅）が例えば１μｍ以下で，３０以上の高アスペクト比を有するホール（又は溝）を，適正な形状に形成することが可能なエッチング方法及びプラズマエッチング処理装置が提供できる。
産業上の利用の可能性
本発明はエッチング方法及びプラズマエッチング処理装置に適用可能であり，特にアスペクト比の大きいホール又は溝をシリコン層に形成するためのエッチング方法及びプラズマエッチング処理装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
図１は，本発明の第１の実施形態にかかるプラズマエッチング装置の構成を示す概略断面図である。
図２は，第１の実施形態におけるエッチング前の被処理体の構成を示す概略断面図である。
図３は，第１の実施形態におけるエッチング後の被処理体の構成を示す概略断面図である。
図４は，第１の実施形態における各パラメータの圧力依存性を示す図である。
図５は，第１の実施形態における各パラメータの下部電極温度依存性を示す図である。
図６は，第１の実施形態における各パラメータのＳｉＦ４ガス添加効果を示す図である。
図７は，第１の実施形態におけるシリコン酸化膜層のエッチングレートのＳｉＦ４ガス流量依存性を示す図である。
図８は，本発明の第２の実施形態における各パラメータの圧力依存性を示す図である。
図９は，第２の実施形態における各パラメータの下部電極温度依存性を示す図である。
図１０は，第２の実施形態における各パラメータのＳｉＦ４ガス添加効果を示す図である。
図１１は，第２の実施形態におけるシリコン酸化膜層のエッチングレートのＳｉＦ４ガス流量依存性を示す図である。
符号の説明
１００      エッチング装置
１０２      処理容器
１０４      下部電極
１０５      石英部材
１０７      導電部材
１０８      高圧直流電源
１０９      ベローズ
１１０      静電チャック
１１１      ベローズカバー
１１２      フォーカスリング
１１６      整合器
１１８      高周波電源
１２２      処理空間
１２４      上部電極
１２６      ガス吐出孔
１２８      排気管
１３０      磁石
１３８      高周波電源
Ｗ        半導体ウエハ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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