(57)【要約】【課題】エッチングガスと保護膜形成ガスを交互に切り替えて、半導体基板を垂直方向にエッチングするドライエッチング方法において、エッチングレートの再現性が良く、小さな工数と低コストで実施できるドライエッチング方法を提供する。【解決手段】エッチングガス（ＳＦ６）と保護膜形成ガス（Ｃ４Ｆ８）を交互に切り替えて、半導体基板１を垂直方向にエッチングするドライエッチング方法において、エッチングガス（ＳＦ６）と保護膜形成ガス（Ｃ４Ｆ８）のガス流量を質量流量計７ａ，７ｂにより制御すると共に、エッチングガス（ＳＦ６）の質量流量計７ａにおけるバルブ開閉反応時間が、所定の目標時間となるように設定される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エッチングガスと保護膜形成ガスを交互に切り替えて、エッチングによる穴形成と当該エッチング穴への側壁保護膜形成を交互に繰り返しながら、半導体基板を垂直方向にエッチングしていくドライエッチング方法において、
前記エッチングガスと保護膜形成ガスのガス流量を質量流量計により制御すると共に、
前記エッチングガスの質量流量計におけるバルブ開閉反応時間が、所定の目標時間となるように設定されることを特徴と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質量流量計におけるバルブ開閉反応時間の目標時間は、７５０ｍｓｅｃ以下の時間に設定されることを特徴とする請求項１に記載のドライエッチング方法。
【請求項３】
前記エッチングガスの質量流量計におけるバルブ開閉反応時間の目標時間は、２５０ｍｓｅｃ以上、４００ｍｓｅｃ以下の範囲に属する時間に設定されることを特徴とする請求項２に記載のドライエッチング方法。
【請求項４】
前記保護膜形成ガスの質量流量計におけるバルブ開閉反応時間が、所定の目標時間となるように設定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のドライエッチング方法。
【請求項５】
前記保護膜形成ガスの質量流量計におけるバルブ開閉反応時間の目標時間は、７５０ｍｓｅｃ以下の時間に設定されることを特徴とする請求項４に記載のドライエッチング方法。
【請求項６】
前記半導体基板が、シリコン（Ｓｉ）基板であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のドライエッチング方法。
【請求項７】
前記エッチングガスが六フッ化硫黄（ＳＦ６）であり、前記保護膜形成ガスが八フッ化シクロブタン（Ｃ４Ｆ８）であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のドライエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板のドライエッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
所定の処理ガスを用いたドライエッチング方法が、例えば、特開平１０−１９９８６９号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００３】
特許文献１に開示されたドライエッチング方法は、処理室内にＣ３Ｆ６、Ｏ２およびＡｒからなる混合ガスを導入し、所定の減圧雰囲気下でプラズマを発生させて、被処理面に形成された酸化シリコン系材料層にエッチング処理を施す方法である。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１９９８６９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ドライエッチング技術は、近年、半導体装置の製造だけでなく、半導体基板を用いたマイクロマシニングやＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）の分野においても、重要な技術となっている。マイクロマシニングやＭＥＭＳ分野では、特に、シリコン（Ｓｉ）半導体基板を垂直方向に深くエッチングする技術が必要とされている。このための技術として、エッチングガスと保護膜形成ガスを数秒間で交互に切り替えて、エッチングによる穴形成と穴の側壁への保護膜形成を交互に繰り返しながら、Ｓｉ基板をエッチングしていくドライエッチング方法の開発が進められている。
【０００６】
しかしながら上記ドライエッチング方法は、エッチング装置の質量流量計を故障等でメンテナンスした場合、エッチングレートの再現が困難である。従って、メンテナンスの度にエッチング条件の調整が必要で、大きな工数とコストが必要である。
【０００７】
そこで本発明は、エッチングガスと保護膜形成ガスを交互に切り替えて、半導体基板を垂直方向にエッチングするドライエッチング方法において、エッチングレートの再現性が良く、小さな工数と低コストで実施できるドライエッチング方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、エッチングガスと保護膜形成ガスを交互に切り替えて、エッチングによる穴形成と当該エッチング穴への側壁保護膜形成を交互に繰り返しながら、半導体基板を垂直方向にエッチングしていくドライエッチング方法において、前記エッチングガスと保護膜形成ガスのガス流量を質量流量計により制御すると共に、前記エッチングガスの質量流量計におけるバルブ開閉反応時間が、所定の目標時間となるように設定されることを特徴としている。
【０００９】
これによれば、エッチングレートの基本因子であるエッチングガスについて、質量流量計におけるバルブの開閉時間だけでなく、質量流量計毎にバラツキのあるバルブの開閉反応時間が、所定の目標時間となるように設定される。従って、質量流量計を故障等でメンテナンスした場合にも、エッチングレートを確実に再現することができ、前記ドライエッチング方法を小さな工数と低コストで実施することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記エッチングガスの質量流量計におけるバルブ開閉反応時間の目標時間は、７５０ｍｓｅｃ以下の時間に設定されることを特徴としている。
【００１１】
これによれば、エッチングレートの基本因子であるエッチングガスについて、質量流量計におけるバルブ開閉反応時間の目標時間が、７５０ｍｓｅｃ以下の時間に設定される。従って、エッチングガスと保護膜形成ガスを交互に切り替えるため、エッチングガスの質量流量計におけるバルブの開閉を数秒間隔で行っても、エッチング時間に対するバルブ開閉反応時間の影響が相対的に低減できる。これによってエッチングレートの再現性が向上し、当該ドライエッチング方法を、小さな工数と低コストで実施できるドライエッチング方法とすることができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、前記エッチングガスの質量流量計におけるバルブ開閉反応時間の目標時間は、２５０ｍｓｅｃ以上、４００ｍｓｅｃ以下の範囲に属する時間に設定されることを特徴としている。
【００１３】
エッチングガスの質量流量計におけるバルブ開閉反応時間の目標時間が２５０ｍｓｅｃより小さく設定されると、エッチングレートが大きすぎて、エッチング穴が逆テーパ形状になり易い。一方、バルブ開閉反応時間の目標時間が４００ｍｓｅｃより大きく設定されると、エッチングレートが小さすぎて、エッチング穴が順テーパ形状になり易い。従って、バルブ開閉反応時間の目標時間が２５０ｍｓｅｃ以上、４００ｍｓｅｃ以下の範囲に属する時間に設定されることで、半導体基板に対してテーパの無い垂直方向のエッチングが可能となる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、前記保護膜形成ガスの質量流量計におけるバルブ開閉反応時間が、所定の目標時間となるように設定されることを特徴としている。
【００１５】
これによれば、前記のエッチングガスに加えて保護膜形成ガスの質量流量計についても、バルブの開閉時間だけでなく、バルブの開閉反応時間が、所定の目標時間となるように設定される。従って、エッチングレートの再現性がさらに向上し、当該ドライエッチング方法を、小さな工数と低コストで実施できるドライエッチング方法とすることができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、前記保護膜形成ガスの質量流量計におけるバルブ開閉反応時間の目標時間は、７５０ｍｓｅｃ以下の時間に設定されることを特徴としている。
【００１７】
前記と同様に保護膜形成ガスについても、質量流量計におけるバルブ開閉反応時間の目標時間が７５０ｍｓｅｃ以下に設定される。従って、保護膜形成ガスの質量流量計におけるバルブの開閉を数秒間隔で行っても、バルブ開閉反応時間の影響を相対的に低減できる。従って、これによってもエッチングレートの再現性が向上し、当該ドライエッチング方法を、小さな工数と低コストで実施できるドライエッチング方法とすることができる。
【００１８】
請求項６に記載のように、当該ドライエッチング方法は、マイクロマシニングやＭＥＭＳで多用されるシリコン基板のエッチングに最適である。当該ドライエッチング方法を用いることで、低コストで安定的に、シリコン基板を垂直方向に深くエッチングすることができる。
【００１９】
請求項７に記載のように、当該ドライエッチング方法においては、エッチングガスとして六フッ化硫黄（ＳＦ６）を用い、保護膜形成ガスとして八フッ化シクロブタン（Ｃ４Ｆ８）を用いることが好ましい。ＳＦ６はＳｉ基板のエッチングガスとして、またＣ４Ｆ８はＳｉ基板エッチング時の側壁保護膜形成ガスとして、それぞれ一般的に用いられるガスであり、安価である。従って、これらガスの組み合わせを用いることで、当該ドライエッチング方法を低コストのドライエッチング方法とすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるドライエッチング方法の実施の形態を、図に基づいて説明する。
【００２１】
図１（ａ）〜（ｆ）は、エッチングによる穴形成と保護膜形成を交互に繰り返して、半導体基板を垂直方向にエッチングしていくドライエッチング方法ついて、そのプロセスを示す断面図である。
【００２２】
図１（ａ）は、被エッチング部材であるシリコン（Ｓｉ）半導体基板１に、レジストマスク２を形成した状態である。
【００２３】
次に、図１（ｂ）に示すように、六フッ化硫黄（ＳＦ６）をエッチングガスとして用い、プラズマエッチングで数秒間、Ｓｉ基板１をエッチングする。これによって、図に示すような穴３１ｈが、Ｓｉ基板１に形成される。
【００２４】
次に、図１（ｃ）に示すように、八フッ化シクロブタン（Ｃ４Ｆ８）を保護膜形成ガスとして用い、プラズマＣＶＤで全面に数秒間、側壁保護膜となるポリマー３１ｄを堆積する。尚、Ｃ４Ｆ８を用いたプラズマＣＶＤは、回り込みが良いため、図に示すように穴３１ｈの側壁にポリマー３１ｄを付着させることができる。
【００２５】
次に、図１（ｄ）に示すように、再びＳＦ６を用いて数秒間プラズマエッチングして、Ｓｉ基板１に穴３２ｈを形成する。尚、このエッチングに際して、先に形成した穴３１ｈの側壁に付着したポリマー３１ｄは保護膜として作用し、図に示すようにエッチング後も残存する。
【００２６】
次に、図１（ｅ）に示すように、再びＣ４Ｆ８を保護膜形成ガスとして用い、プラズマＣＶＤで全面に数秒間、ポリマー３２ｄを堆積する。
【００２７】
以後、図１（ｄ）に示すエッチングと図１（ｅ）に示す保護膜形成を繰り返し、エッチングによる穴を深くしていく。
【００２８】
図１（ｆ）は、最終のエッチングが終了した状態である。上記エッチングと保護膜形成の繰り返しによって、Ｓｉ基板１を垂直方向に深くエッチングすることができ、図に示すトレンチ状の深い穴３ｈを形成することができる。最後に、Ｓｉ基板１上に形成したマスク２と側壁に付着しているポリマー３ｄを除去して、上記エッチングプロセスが終了する。
【００２９】
尚、上記図１（ａ）〜（ｆ）のドライエッチングでは、エッチングガスとしてＳＦ６を用い、保護膜形成ガスとしてＣ４Ｆ８を用いている。エッチングガスと保護膜形成ガスはこの組み合わせに限らないが、ＳＦ６はＳｉ基板のエッチングガスとして、またＣ４Ｆ８はＳｉ基板エッチング時の側壁保護膜形成ガスとして、それぞれ一般的に用いられるガスであり、安価である。従って、これらガスの組み合わせを用いることで、図１（ａ）〜（ｆ）のドライエッチングを低コストで行うことができる。
【００３０】
図１（ａ）〜（ｆ）に示すドライエッチング方法においては、エッチングと保護膜形成を短時間で交互に多数回繰り返すため、エッチングガスと保護膜形成ガスの精密な制御が重要である。
【００３１】
図２は、上記ドライエッチングを実施するために使用される装置１００の概略構成図である。
【００３２】
被エッチング材料であるＳｉ基板１は、処理室４に入れられる。装置１００は２つの高周波電源１２，１３を備えている。高周波電源１２は、処理室４の上部に高密度プラズマを発生させるための高周波電源である。また高周波電源１３は、Ｓｉ基板１を設置する下部電極５に接続されており、エッチング時に、処理室４の上部の高密度プラズマを基板方向へ引き込むための高周波電源である。
【００３３】
エッチングガスであるＳＦ６と保護膜形成ガスであるＣ４Ｆ８は、各ガスの供給源であるボンベ６ａ，６ｂから、質量流量計（ＭＦＣ）７ａ，７ｂを通り、バルブ８ａ，８ｂ，９を介して、処理室４に導入される。尚、エッチングと保護膜形成の繰り返し時はバルブ８ａ，８ｂ，９を全開状態とし、各ガスの流量制御は質量流量計７ａ，７ｂを用いて行う。
【００３４】
エッチング及び保護膜形成時の反応ガスは、ターボ分子ポンプ１１ａやドライポンプ１１ｂを介して、処理室４から排気される。尚、簡単化のために図示を省略したが、エッチング及び保護膜形成時には処理室４内にプラズマ発生のためのアルゴン（Ａｒ）ガスが同時に導入され、処理室４内はゲートバルブ１０により数１０〜１０００ｍｍＴｏｒｒ程度の真空度に保たれる。
【００３５】
図２に示す装置１００においては、エッチングガスと保護膜形成ガスの流量が、質量流量計７ａ，７ｂにより精密に制御される。
【００３６】
図１（ａ）〜（ｆ）のドライエッチングは、エッチングガスと保護膜形成ガスを数秒間隔で交互に切り替えるため、エッチングガスや保護膜形成ガスの導入時間に対して、各ガスの質量流量計７ａ，７ｂ内に設けられているバルブの開閉反応時間が大きな影響を及ぼすと考えられる。従って、図２の質量流量計７ａ，７ｂにおいては、バルブの開閉時間だけでなく、質量流量計毎にバラツキのあるバルブの開閉反応時間が、所定の目標時間となるように設定される。これによって、質量流量計７ａ，７ｂを故障等でメンテナンスした場合にも、エッチングレートを確実に再現することができ、図１（ａ）〜（ｆ）のドライエッチングを小さな工数と低コストで実施することができる。
【００３７】
図３に、質量流量計のバルブ開閉反応時間に関する測定結果の一例を示す。
【００３８】
図３は、バルブ開のトリガ入力信号に対して、バルブの動きを出力信号として検出し、バルブが完全に開状態になるまでの反応時間を測定したものである。図３のバルブは、約２８０ｍｓｅｃで完全開状態になる。
【００３９】
図４と５は、エッチングと保護膜形成を交互に繰り返す図１（ａ）〜（ｆ）のドライエッチングについて、バルブの開閉反応時間に対するエッチングレートの測定結果をまとめた図である。エッチングレートの測定は、エッチングガスであるＳＦ６の導入を６秒間とし、保護膜形成ガスであるＣ４Ｆ８の導入を７秒間として、これを交互に繰り返して、約１０分かけて行った
図４は、エッチングガスの質量流量計のバルブ開閉反応時間に対して、図１（ａ）〜（ｆ）のドライエッチング全体にわたるエッチングレートを測定した結果をまとめた図である。尚、図４のエッチングレート測定においては、保護膜形成ガスの質量流量計におけるバルブ開閉反応時間を４００ｍｓｅｃに固定して、測定を行った。
【００４０】
エッチングガスの質量流量計におけるバルブ開閉反応時間について、図４の測定点に示す７５０ｍｓｅｃ以下の各目標時間に設定されたいずれの試験についても、再現性よくエッチングレートを測定することができた。これは、エッチングレートの基本因子であるエッチングガスについて、バルブ開閉反応時間の目標時間が７５０ｍｓｅｃ以下に設定された結果、６秒間のガス導入時間に対してバルブ開閉反応時間の影響が相対的に小さくなったためと考えられる。従って、エッチングガスの質量流量計におけるバルブ開閉反応時間が７５０ｍｓｅｃ以下の時間に設定されることで、エッチングレートの再現性が向上し、図１（ａ）〜（ｆ）のドライエッチングが、さらに小さな工数と低コストで実施できるようになる。
【００４１】
図４に示すように、エッチングガスの質量流量計におけるバルブ開閉反応時間については、バルブ開閉反応時間の目標時間を小さく設定していくと、エッチングレートが増大する。エッチングの高速化を図るためにはエッチングレートが大きいほうが好ましいが、バルブ開閉反応時間の目標時間が２５０ｍｓｅｃより小さく設定されると、エッチングレートが大きすぎて、エッチング穴が逆テーパ形状になり易い。一方、バルブ開閉反応時間の目標時間が４００ｍｓｅｃより大きく設定されると、エッチングレートが小さすぎて、エッチング穴が順テーパ形状になり易い。従って、バルブ開閉反応時間の目標時間は、２５０ｍｓｅｃ以上、４００ｍｓｅｃ以下の範囲に属する時間に設定されることが好ましく、この範囲に設定されることで、半導体基板に対してテーパの無い垂直方向のエッチングが可能となる。
【００４２】
図５は、保護膜形成ガスの質量流量計のバルブ開閉反応時間に対して、図１（ａ）〜（ｆ）のドライエッチング全体にわたるエッチングレートを測定した結果をまとめた図である。尚、図５のエッチングレート測定においては、エッチングガスの質量流量計のバルブ開閉反応時間を４００ｍｓｅｃに固定して、測定を行った。
【００４３】
保護膜形成ガスの質量流量計におけるバルブ開閉反応時間についても、図５の測定点に示す７５０ｍｓｅｃ以下の各目標時間に設定された何れの試験についても、再現性よくエッチングレートを測定することができた。これは、保護膜形成ガスについてもエッチングガスの場合と同様に、バルブ開閉反応時間の目標時間が７５０ｍｓｅｃ以下に設定された結果、７秒間のガス導入時間に対してバルブ開閉反応時間の影響が相対的に小さくなったためと考えられる。従って、保護膜形成ガスの質量流量計におけるバルブ開閉反応時間が７５０ｍｓｅｃ以下の時間に設定されることで、エッチングレートの再現性がさらに向上し、図１（ａ）〜（ｆ）のドライエッチングが、さらに小さな工数と低コストで実施できるようになる。尚、図５に示すように、保護膜形成ガスの質量流量計におけるバルブ開閉反応時間については、バルブ開閉反応時間の目標時間を小さく設定していくと、エッチングレートがわずかに減少する。
【００４４】
以上、図１〜図５で説明したドライエッチング方法は、マイクロマシニングやＭＥＭＳで多用されるＳｉ基板１のエッチングに最適である。上記ドライエッチング方法を用いることで、低コストで安定的に、Ｓｉ基板１を垂直方向に深くエッチングすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｆ）は、本発明におけるドライエッチング方法のプロセスを示す断面図である。
【図２】図１のドライエッチングを実施するために使用される装置の概略構成図である。
【図３】質量流量計のバルブ開閉反応時間に関する測定結果の一例を示す図である。
【図４】エッチングガスの質量流量計のバルブ開閉反応時間に対して、エッチングレートを測定した結果をまとめた図である。
【図５】エッチングガスの質量流量計のバルブ開閉反応時間に対して、エッチングレートを測定した結果をまとめた図である。
【符号の説明】
１  半導体基板（Ｓｉ）
２  レジストマスク
３ｈ，３１ｈ，３２ｈ  穴
３ｄ，３１ｄ，３２ｄ  ポリマー
４  処理室
７ａ，７ｂ  質量流量計（ＭＦＣ）
１００  装置
【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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