(57)【要約】      （修正有）【課題】大なる傾角を有する逆テーパ形の孔加工であっても精度良く高い制御性で加工可能なシリコン基板の加工方法の提供。【解決手段】セルフバイアスを印加しつつシリコン基板に孔をエッチング加工するエッチング工程と、孔の内面を覆うように保護膜を与える保護膜付与工程と、を交互に繰り返し与える方法である。エッチング工程では、孔の底部の保護膜を除去しつつその間隙を介してシリコン基板をエッチングする。ここで、保護膜付与工程を挟む直前及び直後のエッチング工程では、保護膜の除去される間隙の面積をより大としていく。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上のマスク窓を介してプラズマエッチングによってその下部に逆テーパ形の孔加工を与える方法であって、
セルフバイアスを印加しつつ前記シリコン基板に孔をエッチング加工するエッチング工程と、前記孔の内面を覆うように保護膜を与える保護膜付与工程と、を交互に繰り返し与え、
前記エッチング工程では、前記孔の底部の前記保護膜を除去しつつその間隙を介して前記シリコン基板をエッチングし、前記保護膜付与工程を挟む直前及び直後の前記エッチング工程では、前記保護膜の除去される前記間隙の面積をより大とすることを特徴とするシリコン基板の加工方法。
【請求項２】
前記保護膜付与工程では、ＣＨＦ3、ＣＦ4、Ｃ2Ｆ6、Ｃ3Ｆ8、Ｃ4Ｆ8から少なくとも１のプロセスガスを用い、
前記エッチング工程では、ＳＦ6からなるエッチングガスと、Ａｒ、Ｏ2、Ｎ2、ＮＯのいずれか１からなるプロセスガスと、を用いることを特徴とする請求項１記載のシリコン基板の加工方法。
【請求項３】
前記エッチングガスに前記プロセスガスを混入させることを特徴とする請求項２記載のシリコン基板の加工方法。
【請求項４】
前記保護膜付与工程を挟む直前及び直後の前記エッチング工程では、異なる、前記セルフバイアスの高周波印加電力、及び／又は、工程時間であることを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載のシリコン基板の加工方法。
【請求項５】
前記保護膜付与工程は、異なる、前記プロセスガスの導入量、プラズマ発生時の圧力、及び／又は、プラズマ発生時間であることを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載のシリコン基板の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマエッチングによって孔加工を与えるシリコン基板の加工方法に関し、特に、逆テーパ形の孔加工を与え得るシリコン基板の加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
異方性プラズマエッチングによればシリコン基板に高アスペクト比の断面形状の孔(溝)加工が可能である。例えば、反応性ガスを微量添加したチャンバー内でシリコン基板に高周波によるセルフバイアスを印加すると、プラズマ中において生成されたイオンがシリコン基板方向へと加速され、表面近傍でのラジカル反応を促進させる。これによりシリコン基板主面と垂直方向、すなわち、深さ方向への反応が促進されて、高アスペクト比の断面形状の孔加工が与えられるのである。
【０００３】
セルフバイアスを利用したプラズマエッチングにおいて、孔加工のためのエッチング工程と、孔部の側壁を保護する保護膜付与工程(デポジション)工程とを繰り返し与えて、等方的なエッチングの進行を抑制し、より高アスペクト比の断面形状の孔を加工しようとする加工方法も提案されている。また、多くのイオンやラジカルを生成させ、より効率的にエッチングを行おうとする方法も提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、シリコン基板にセルフバイアスを印加しつつＮＦ3やＳＦ6などのフッ素を含む反応性ガスをアルゴンガスとともに用いてエッチングを行うエッチング工程と、ＣＨＦ3をアルゴンガスとともに用いてポリマーによる保護膜を与える保護膜付与工程とを繰り返し、側壁の垂直な、矩形の断面形状の孔加工を与える方法を開示している。保護膜付与工程では、エッチング工程で得られた孔の内面をポリマーで覆うように被覆するが、引き続き行われるエッチング工程の初期で孔の底部のポリマーが取り除かれ、これにより、フッ素によるケイ素との化学反応が生じて、集中的に孔の底部でのエッチングが進行するのである。
【０００５】
ところで、半導体素子が集積形成された半導体基板の作成などにおいて、高アスペクト比の断面形状であり且つ側面にテーパを有する孔加工を必要とする場合がある。(ここでは、深さ方向に幅を狭くする孔の断面形状を「順テーパ」、深さ方向に幅を広くする孔の断面形状を「逆テーパ」と称する。)
【０００６】
例えば、特許文献２では、上記したようなエッチング工程と保護膜付与工程とを繰り返すシリコン基板の異方性プラズマエッチングにおいて、各工程の時間や条件を調整することで孔の側面のテーパ角度を任意に制御できることについて述べている。すなわち、エッチング工程における時間を短くすれば順テーパ、逆に長くすれば逆テーパになるとしている。１つの実施例として、約３０μｍの深さの孔の側面にテーパ角度を約５度(表面との角度は８５度)の順テーパ及び約６度(表面との角度は９６度)の逆テーパとして与えることができたと述べている。
【０００７】
また、特許文献３では、上記同様のシリコン基板のプラズマエッチングにおいて、エッチング工程及び保護膜付与工程の施工条件を変化させて順テーパの孔加工を与え得ることを述べている。ここでは、ＳＦ6とともにＯ2をエッチング工程におけるエッチングガスに用いているが、Ｏ2をＳＯ2に置き換えることでシリコン基板表面に与えられたマスク下のアンダーカットを抑制できて、順テーパを与え得るとしている。また、バイアス電圧及び／又はガス総流量も順テーパの角度に影響を与える因子であるともしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表平７−５０３８１５号公報
【特許文献２】特開２００４−１２８０６３号公報
【特許文献３】特表２０１１−５０８４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記したように、プラズマエッチングによる基板の孔加工では、基板面に対して垂直なトレンチ形状のみでなく、逆テーパ形状にも加工可能である。しかしながら、一般的なプラズマエッチングによる基板の孔加工と同様に、孔深さが大きくなると、加工精度が低下してしまう。また、近年、機械要素部品、センサ、アクチュエーター、電子回路を１つのシリコン基板に納めるＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)の如きでは、従来以上により大なる傾角を有する逆テーパ形の孔加工も求められ得る。かかる場合には、より高い精度を有する加工方法が必要とされる。
【００１０】
本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、プラズマエッチングによって孔加工を与えるシリコン基板の加工方法において、特に、逆テーパ形の孔加工であっても精度良く高い制御性で加工可能なシリコン基板の加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によるシリコン基板の加工方法は、シリコン基板上のマスク窓を介してプラズマエッチングによってその下部に逆テーパ形の孔加工を与える方法であって、セルフバイアスを印加しつつ前記シリコン基板に孔をエッチング加工するエッチング工程と、前記孔の内面を覆うように保護膜を与える保護膜付与工程と、を交互に繰り返し与え、前記エッチング工程では、前記孔の底部の前記保護膜を除去しつつその間隙を介して前記シリコン基板をエッチングし、前記保護膜付与工程を挟む直前及び直後の前記エッチング工程では、前記保護膜の除去される前記間隙の面積をより大とすることを特徴とする。
【００１２】
かかる発明によれば、保護膜付与工程とエッチング工程とのバランスによる逆テーパ形の孔加工における傾角の制御をより深い孔深さに亘って容易にできて、例えば、大なる傾角を有する逆テーパ形の深い孔加工であっても精度良く加工可能である。
【００１３】
上記した発明において、前記保護膜付与工程では、ＣＨＦ3、ＣＦ4、Ｃ2Ｆ6、Ｃ3Ｆ8、Ｃ4Ｆ8から少なくとも１のプロセスガスを用い、前記エッチング工程では、ＳＦ6からなるエッチングガスと、Ａｒ、Ｏ2、Ｎ2、ＮＯのいずれか１からなるプロセスガスと、を用いることを特徴としてもよい。更に、前記エッチングガスに前記プロセスガスを混入させることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、逆テーパ形の深い孔加工であっても安定して精度良く加工可能である。
【００１４】
上記した発明において、前記保護膜付与工程を挟む直前及び直後の前記エッチング工程では、異なる、前記セルフバイアスの高周波印加電力、及び／又は、工程時間であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、特別なプロセスを与えることなく、逆テーパ形の深い孔加工であっても安定して精度良く加工可能である。
【００１５】
上記した発明において、前記保護膜付与工程は、異なる、前記プロセスガスの導入量、プラズマ発生時の圧力、及び／又は、プラズマ発生時間であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、特別なプロセスを与えることなく、逆テーパ形の深い孔加工であっても安定して精度良く加工可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】異方性プラズマエッチングによる孔加工を示す断面図である。
【図２】本発明による加工方法を示す断面図である。
【図３】本発明による加工方法を示す断面図である。
【図４】本発明による加工方法に使用される装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に示すように、シリコン基板１０の上に与えられたマスク１２の窓部を介してプラズマエッチングによってその下部に孔加工を与える。ここで、イオンを加工孔１０１の底部方向へセルフバイアスによって加速しエッチングガスによって生成されるラジカルと衝突させる異方性プラズマエッチングによれば、加工孔１０３の形状を制御できる。つまり、プラズマエッチングによる加工孔１０１に対して、深さ方向へのエッチングを促進させると、加工孔１０１の底部をより平らに且つ側壁を垂直近くにできる。更に、エッチング時間を長くすることで、加工孔１０３ａのように、側壁は垂直線Ａよりも外側、すなわち逆テーパ形にもなり得る。
【００１８】
一方、本発明による加工方法では、図２に示すように、保護膜１５を与える保護膜付与工程(図２(ａ)参照)と、保護膜１５の上から異方性プラズマエッチングを施すエッチング工程(図２(ｂ))と、を交互に繰り返し与えるが、次のエッチング工程時に加工孔１１の底部の保護膜１５の開口部Ｓの面積をより大としていくように制御して、最終的に逆テーパ形状の加工孔を得ようとするものである。
【００１９】
図３に示すように、エッチング工程における保護膜１５の開口部Ｓ１よりも、保護膜付与工程を挟んだ次のエッチング工程における保護膜１５の開口部Ｓ２の面積がより大きく、更に、次のエッチング工程における保護膜１５の開口部Ｓ３の面積がより大きいのである。これにより、基板１０には逆テーパ形の側壁１６を有した加工孔１１−３が得られる。
【００２０】
保護膜１５の開口部Ｓの面積をより大とすることにおいて、加工孔１１の表面積はエッチングの進行につれて大きくなるから、同一条件の保護膜付与工程を繰り返せば、同一条件のエッチング工程であっても開口部Ｓの面積をより大と出来得る。また、エッチング工程において、セルフバイアスの高周波印加電力、及び／又は、工程時間を変化させてもよい。また、保護膜付与工程において、プロセスガスの導入量、プラズマ発生時の圧力、及び／又は、プラズマ発生時間を変化させても良い。なお、保護膜付与工程において、プラズマ発生時の圧力を高くすると、平均自由行程が短くなり十分な加速を得られず、電子温度の低い状態となってしまう。例えば、ＣＨＦ3ガスに衝突すると解離しやすいＨが抜け落ち、加工孔１１の内部で保護膜としてのＣＦ3が多量に生成される。逆に、プラズマ発生時の圧力を低くすると、平均自由行程が長くなり高いエネルギー状態でＣＨＦ3ガスに衝突して解離が促進され、様々な分解反応が加工孔１１の内部で生じ、加工孔１１の底部でのエッチングが促進される。
【００２１】
ここで、エッチング工程では、ＳＦ6からなるエッチングガスと、Ａｒ、Ｏ2、Ｎ2、ＮＯのいずれか１つからなるプロセスガスと、を用い得る。また、保護膜付与工程では、ＣＨＦ3、ＣＦ4、Ｃ2Ｆ6、Ｃ3Ｆ8、Ｃ4Ｆ8から少なくとも１つのプロセスガスを用い得る。更に、絶縁性のＳＦ6からなるエッチングガスでは、保護膜１５を形成させるために用い得るＣＨＦ3ガスをエッチングガスに加えることが好ましい。放電が安定し、逆テーパ形の深い孔加工であっても安定して精度良く加工可能となる。
【００２２】
本発明の方法では、保護膜１５の開口部の面積を大きくしていくようにエッチング工程のプロセスパラメータを制御、及び／又は、保護膜付与工程のプロセスパラメータを制御すれば良いので制御性に優れている。詳細には、エッチング工程における加工孔の底部でのエッチング量を増加傾向へ制御すること、及び／又は、保護膜付与工程における保護膜の量を減少傾向へ制御することで行われ得る。これにより、従来、シリコン基板の異方性エッチングにおける垂直、若しくは、わずかな逆テーパの傾角の側壁をより大なる傾角で、且つ、より深い孔深さに亘って精度良く加工可能であって、微細孔加工の自由度を一層向上させ得るのである。
【００２３】
なお、上記したように、エッチング速度を高めることが逆テーパを得るためのプロセスに有効であることから製造性にも優れる。例えば、プラズマ源としてＩＣＰ方式を利用することで高密度プラズマを発生させ、シリコンのエッチングに起因するフッ素ラジカルを高い効率で生成させて比較的速いエッチング速度を得ることも併せて採用し得る。更に、エッチング工程における圧力を高い領域に維持し励起活性種を増加させて、高いエッチング速度を得ることも有効である。
【００２４】
上記した本発明による方法で得られる加工孔の逆テーパは制御性に優れ、また、加工孔の傾角は、比較的大きく出来得る。典型的には５°以上であり、ＭＥＭＳデバイスの製造技術やマイクロ流路を利用した流体実験における可能性の幅をさらに広げ得る。
【００２５】
次に、シリコン基板１０の具体的な孔加工の実施例について述べる。
［実施例１］
図４に示すように、本実施例で用いたプラズマエッチング装置１は、高密度プラズマを発生させ得るトルネードコイルを利用したＩＣＰ(Inductive Coupled Plasma)方式のプラズマ源からなるプラズマ発生装置２０を含む。プラズマ発生装置２０によれば、第１工程であるエッチング工程と第２工程である保護膜付与工程の２つの工程を互いに独立制御でき、且つ、これを交互に繰り返すことができる。プラズマの出力は、エッチング工程では典型的には４００Ｗから５００Ｗの範囲であるが、ここでは４８０Ｗに、保護膜付与工程では典型的には３８０Ｗから４３０Ｗの範囲であるが、ここでは４００Ｗに調整した。
【００２６】
バイアス装置２８は、サンプルステージ３０にブロッキングコンデンサを介して高周波のバイアスを導入し、プラズマ発生装置２０によって発生するプラス電荷を有するイオン等の粒子をステージ３０の方向へと加速させる。バイアス装置２８によって与えられるバイアスは、典型的には、上記したトレンチ形状を得るためのバイアスよりは低く、５Ｗから３０Ｗの範囲であるが、ここでは２２Ｗに調整した。かかるバイアスによるイオンの加速により加工孔の底部近傍でのラジカル反応を促進させ、底部のみならず、その周縁部についても逆テーパ形を与えるようにエッチングを促進させ得る。
【００２７】
サンプルステージ３０は、冷媒冷却システム３１によって常温から１０℃までの範囲で温度制御可能である。また、サンプルステージ３０には、図示しない静電チャックとシリコン基板(ウェハ)１０を裏面からガス冷却する冷却機構とを含む。これにより、静電チャックによって固定されたシリコン基板１０とステージ３０との間にヘリウムガスを導入でき、約２ｋＰａ前後のガス圧力を加えることで温度制御されたサンプルステージ３０の温度を熱伝導率の高いヘリウムガスを介して効率的にシリコン基板(ウェハ)１０へ伝達できる。
【００２８】
チャンバー(真空槽)５の内部は、ＴＭＰ(Turbo Molecular Pump)とＲＰ(Rotary Pump)とを組み合わせた２段真空系２２によって、プロセス前圧力で２×１０-4Ｐａ程度まで排気可能である。図示しないが、真空度の確認はＤＧ(Diaphragm Gauge)によって行う。
これはＴＭＰ上部に設置されたＡＰＣ(Auto Pressure Controller)の自動コンダクタンス調整バルブと連動し、排気のフィードバック制御を可能としている。つまり、チャンバー５を高真空排気するＴＭＰの吸気口の開度を０〜１００％の幅でＡＰＣによって自動制御することで、チャンバー５内の圧力はリアルタイムに制御可能とできる。チャンバー５内の圧力は、エッチング工程では典型的には５Ｐａから１２Ｐａまでの範囲で、ここでは１０Ｐａに、保護膜付与工程では典型的には３Ｐａから８Ｐａまでの範囲で、ここでは５Ｐａに制御した。
【００２９】
プロセスガスの導入は、ＭＦＣ(Mass Flow Controller)２６によって行われる。チャンバー５内のプロセスガス導入ライン２５は円環状であり、円環内周には均等位置に噴出口２５ａが設けられ、サンプルステージ３０の上の基板１０へ向けて外周側から均一にプロセスガスを導入できる。
【００３０】
シリコン基板１０の上にはエッチングを行いたい部分を露出させるようフォトレジストによるマスク１２が予め与えられている(図２参照)。このマスク１２はエッチング工程で消失していくため、エッチング耐性の高い材質のもの、若しくは、比較的厚さのある、例えば、数十ミクロン程度の厚さを形成できる材質が好ましい。ここでは、ポジ型のフォトレジストであって、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ノボラック樹脂、感光材からなるＰＭＥＲレジスト(東京応化工業株式会社製)を用い、膜厚は典型的には５〜２０μｍであるが、ここでは１２μｍとした。
【００３１】
以上において、フッ素を含むガスによってシリコン基板１０をエッチングするエッチング工程では、プロセスガスにＳＦ６及びＡｒを用い、それぞれの流量を５０ｓｃｃｍ及び２０ｓｃｃｍとし、ＤＧとＡＰＣの自動コンダクタンスバルブによってチャンバー５内の圧力を上記したように１０Ｐａに維持した。
【００３２】
エッチングガスをチャンバー５内に導入しつつ１０Ｐａに制御し、ＩＣＰによりＲＦを印加する。このときのＲＦの出力は４８０Ｗ(１３.５６ＭＨｚ)に設定した。また、ステージにも、発生したイオンをステージ方向へ加速させ異方性寄りのエッチングを行うためのバイアスとなるＲＦを印加する。このときのＲＦ出力は２２Ｗ(１３.５６ＭＨｚ)に設定した。この条件で５秒間エッチングをした。
【００３３】
なお、エッチング時間は孔加工形状へ影響を与えない範囲で任意に調節可能である。かかる孔加工形状への影響は、エッチング深さや、マスクの材質によって異なり得る。また、マスクの材質によっては、エッチングされたマスクの一部が保護膜の一部となってエッチングを阻害してしまうことにも注意される。
【００３４】
続く、ＣＦ系ガスによる保護膜付与工程では、プロセスガスにＣＨＦ3(トリフルオロメタン)を用い、流量を５０ｓｃｃｍとした。加工孔の内面に与えられる保護膜１５はＣＦ系ポリマーであるが、使用するガスはＣＨＦ3でなくとも他のＣＦ系ガスでもよい。チャンバー５内の圧力は５Ｐａに制御され、ＩＣＰのＲＦの出力は４００Ｗに設定した。この条件で４秒間保護膜付与を行った。
【００３５】
以上の条件でエッチング工程と保護膜付与工程とを１セットとして組み合わせ連続して４０回繰り返した。このときの加工孔の深さは２１.６μｍ、逆テーパの傾角θは４.５°となった。
【００３６】
［実施例２］
実施例１と同様に、エッチング工程では、プロセスガスにＳＦ６及びＡｒを用い、それぞれの流量を５０ｓｃｃｍ及び２０ｓｃｃｍとし、チャンバー５内の圧力を１０Ｐａに制御した。ＩＣＰのＲＦは４８０Ｗ、バイアスのＲＦは２２Ｗとし、６秒間エッチングを行った。また、保護膜付与工程では、プロセス０ガスにＣＨＦ3を用い、流量を５０ｓｃｃｍとし、圧力を５Ｐａに制御した。その上で、ＩＣＰのＲＦを４００Ｗとし、４秒間保護膜付与を行った。このエッチング工程と保護膜付与工程を１セットとし４０回繰り返した。このときの逆テーパの傾角θは７°となった。
【００３７】
［実施例３］
実施例１と同様に、エッチング工程では、プロセスガスにＳＦ６及びＡｒを用い、それぞれの流量を５０ｓｃｃｍ及び２０ｓｃｃｍとし、チャンバー５内の圧力を１０Ｐａに制御した。ＩＣＰのＲＦは４８０Ｗ、バイアスのＲＦは２２Ｗとし、５秒間エッチングを行った。また、保護膜付与工程では、プロセスガスにＣＨＦ3を用い、流量を５０ｓｃｃｍとし、圧力を５Ｐａに制御した。その上で、ＩＣＰのＲＦを４００Ｗとし、実施例１よりも短い３秒間保護膜付与を行った。このエッチング工程と保護膜付与工程を１セットとし４０回繰り返した。このときの逆テーパの傾角θは９°となった。
【００３８】
以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。
【符号の説明】
【００３９】
１        プラズマエッチング装置
５        チャンバー(真空槽)
１０      シリコン基板
１１，１０１，１０３    加工孔
１２      マスク
１５      保護膜
２０      プラズマ発生装置
２２      ２段真空系
２５      プロセスガス導入ライン
２８      バイアス装置
３０      サンプルステージ
３１      冷媒冷却システム
【図１】
2015185747.tif 000003
【図２】
2015185747.tif 000004
【図３】
2015185747.tif 000005
【図４】
2015185747.tif 000006