JP6865727B2 - ＳｉＧｅ層のエッチング方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＳｉＧｅ層のエッチング方法に関する。特に、本発明は、エッチング残渣の発生を抑制可能なＳｉＧｅ層のエッチング方法に関する。

従来、与えられた加速度に応じて変位可能な可動錘を備え、この可動錘の変位に応じた静電容量の変化に基づき加速度を測定するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems)加速度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
このＭＥＭＳ加速度センサの感度は、原理的に、可動錘の質量が大きければ大きいほど高くなる。可動錘の形成材料としては、一般にＳｉが用いられる場合が多い。しかしながら、ＭＥＭＳ加速度センサの感度を高めると同時に小型化するには、可動錘の形成材料としてＳｉよりも密度の高い材料を用いることが好ましい。このような材料の一つとして、ＳｉＧｅを例示できる（例えば、特許文献２参照）。

ＳｉＧｅ製の可動錘を形成する方法としては、基板の表面に形成されたＳｉＧｅ層を所望する可動錘の形状（例えば櫛歯状）や寸法に応じてエッチングする方法が挙げられる。ＳｉＧｅ層は、例えば、プラズマＣＶＤ法によって１０μｍ以上の厚い膜厚で基板の表面に形成される（例えば、特許文献３参照）。
したがい、可動錘の形状や寸法に応じて、厚い膜厚のＳｉＧｅ層を高アスペクト比でエッチングすることを可能にする方法として、いわゆるボッシュプロセス法を適用することが考えられる。ボッシュプロセス法は、Ｓｉ等の被エッチング層をＳＦ_６ガス等のプラズマを用いてエッチングするエッチング処理と、エッチング処理によって形成された凹部にＣ_４Ｆ_８ガス等のプラズマを用いて保護膜を形成する保護膜形成処理とを交互に繰り返し行うことで、被エッチング層を深掘りエッチングする方法である。

しかしながら、本発明者らが、ＳｉＧｅ層のエッチング方法としてボッシュプロセス法の適用を検討したところ、被エッチング層がＳｉである場合と同様の条件でボッシュプロセス法を適用したのでは、エッチング残渣が発生してしまうことが分かった。

特開２００９−２７６３０５号公報 特開２０１６−１２５８４９号公報 特開２０１６−１９７６５９号公報

本発明は、上記従来技術の問題を解決するためになされたものであり、エッチング残渣の発生を抑制可能なＳｉＧｅ層のエッチング方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討を行った。
まず、ボッシュプロセス法のエッチング処理用に供給するガスの流量を増加させる等によってエッチングの強さを高める方法を検討したものの、この方法では、エッチング選択比が低下したり、形成される凹部の側壁の形状が逆テーパ形状になるという問題が生じた。
次に、ボッシュプロセス法の保護膜形成処理用に供給するガスの流量を減少させる等によって保護膜形成速度を低下させる方法を検討したものの、この方法では、形成される凹部の側壁の形状がボーイング形状になるという問題が生じた。

そこで、本発明者らは更に鋭意検討を行った結果、ボッシュプロセス法のエッチング処理用に供給するガスにＯ_２ガスを含ませることで、エッチング残渣の発生を抑制可能であることを知見した。また、本発明者らが鋭意検討した結果によれば、エッチング処理用に供給するガスにＳＦ _６ ガスが含まれる場合、供給するＳＦ _６ ガスの流量に対するＯ _２ ガスの流量の比率を１０％以上にすれば、エッチング残渣の発生を十分に抑制可能であることが分かった。本発明は、本発明者らの上記知見に基づき完成した。
すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、基板の表面に形成されたＳｉＧｅ層をプラズマを用いてエッチングするエッチング処理と、前記エッチング処理によって形成された凹部にプラズマを用いて保護膜を形成する保護膜形成処理とを交互に繰り返し行うことで、前記ＳｉＧｅ層を深掘りエッチングする工程を含み、前記エッチング処理において、プラズマを生成するために供給するガスとして、ＳＦ _６ ガスとＯ_２ガスとを含み、供給するＳＦ _６ ガスの流量に対するＯ _２ ガスの流量の比率が１０％以上である、ことを特徴とするＳｉＧｅ層のエッチング方法を提供する。

本発明に係るＳｉＧｅ層のエッチング方法は、エッチング処理と保護膜形成処理とを交互に繰り返すことで、ＳｉＧｅ層を深掘りエッチングする工程を含む、いわゆるボッシュプロセス法である。そして、エッチング処理において、プラズマを生成するために供給するガスとして、ＳＦ _６ ガスとＯ_２ガスとを含み、供給するＳＦ _６ ガスの流量に対するＯ _２ ガスの流量の比率が１０％以上であるため、前述した本発明者らの知見の通り、エッチング残渣の発生を十分に抑制可能である。

なお、エッチング残渣の発生を抑制することだけに着目すれば、Ｏ_２ガスの流量の比率の上限に特に制約は無いものの、Ｏ_２ガスの流量の比率を高め過ぎると、ＳｉＧｅ層のエッチングレートが低下する。このため、エッチング残渣の発生を抑制すると同時にＳｉＧｅ層のエッチングレートの低下も抑制するには、供給するＳＦ_６ガスの流量に対するＯ_２ガスの流量の比率が１０％以上６０％以下であることが好ましい。

本発明に係るＳｉＧｅ層のエッチング方法を適用する基板の構成としては、表面にＳｉＧｅ層が形成されている限りにおいて、特に限定されるものではないが、最表面から、ＳｉＧｅ層、ＳｉＯ_２層及びＳｉ層の順に積層された基板を例示できる。

本発明によれば、ＳｉＧｅ層をエッチングする際にエッチング残渣の発生を抑制可能である。

本発明の一実施形態に係るＳｉＧｅ層のエッチング方法を実行するためのプラズマエッチング装置及び基板の概略構成を模式的に示す断面図である。 従来のエッチング方法で発生するエッチング残渣の状態を模式的に示す断面図である。 ＳｉＧｅ層のエッチング残渣の発生有無及びエッチングレートに対するＯ_２／ＳＦ_６流量比率の影響を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、適宜図面を参照しつつ説明する。
なお、説明の便宜上、各図に示す各構成要素の寸法や縮尺比は、実際のものとは異なる場合がある。

図１は、本発明の一実施形態に係るＳｉＧｅ層のエッチング方法（以下、適宜、単に「エッチング方法」という）を実行するためのプラズマエッチング装置及び基板の概略構成を模式的に示す断面図である。図１（ａ）はプラズマエッチング装置の概略構成図であり、図１（ｂ）は基板の概略構成図である。図１（ｂ）は、便宜上、上下方向の寸法を大幅に拡大して図示している。
図１（ａ）に示すように、プラズマエッチング装置１００は、チャンバ１と、コイル２と、載置台３とを備える。チャンバ１は、上部にプラズマ生成空間１１が設けられ、下部に処理空間１２が設けられている。コイル２は、プラズマ生成空間１１を囲うようにチャンバ１の外部に配設されている。載置台３は、処理空間１２に配置され、エッチングを施す基板Ｓが載置される。

図１（ｂ）に示すように、本実施形態の基板Ｓは、最表面（最上面）から、ＳｉＧｅ層１０、ＳｉＯ_２層２０及びＳｉ層３０の順に積層されたものである。プラズマエッチング装置１００を用いて基板ＳのＳｉＧｅ層１０にエッチングを施す際には、所望する形状や寸法に対応するパターンが形成されたマスクＭが基板Ｓ上（ＳｉＧｅ層１０上）に配置される。マスクＭは、例えば、フォトレジストから形成される。

また、図１（ａ）に示すように、プラズマエッチング装置１００は、高周波電源４、５と、インピーダンス整合器６、７と、ガス供給源８と、排気装置９とを備える。高周波電源４は、インピーダンス整合器６を介してコイル２に高周波電力を印加する。高周波電源５は、インピーダンス整合器７を介して載置台３に高周波電力を印加する。ガス供給源８は、プラズマを生成するためのガスをプラズマ生成空間１１に供給する。排気装置９は、チャンバ１内（プラズマ生成空間１１及び処理空間１２）のガスをチャンバ１外に排気する。

上記の構成を有するプラズマエッチング装置１００を用いて本実施形態に係るエッチング方法は実行される。以下、本実施形態に係るエッチング方法について説明する。
本実施形態に係るエッチング方法は、エッチング処理と、保護膜形成処理とを交互に繰り返し行うことで、基板ＳのＳｉＧｅ層１０を深掘りエッチングする工程を含む。

エッチング処理では、まず基板Ｓを載置台３に載置し、排気装置９によってチャンバ１内を減圧状態にした後、高周波電源４、５からコイル２及び載置台３に高周波電力を印加すると共に、ガス供給源８からプラズマ生成空間１１に対してエッチング処理用ガス（本実施形態では、ＳＦ_６ガス及びＯ_２ガス）を供給する。コイル２に高周波電力が印加されることでプラズマ生成空間１１に誘導電界が生じ、この誘導電界によってエッチング処理用ガスがプラズマ化する。一方、載置台３に高周波電力が印加されることで載置台３とプラズマとの間に電位差が生じ、プラズマ中のイオンがこの電位差によって載置台３に向けて移動する。プラズマ中のイオンが、マスクＭを介して基板ＳのＳｉＧｅ層１０に衝突することで、ＳｉＧｅ層１０がエッチングされる。なお、保護膜形成処理後のエッチング処理では、先に凹部の底面に堆積された保護膜が除去された後、ＳｉＧｅ層１０がエッチングされることになる。

次いで、保護膜形成処理では、高周波電源４からコイル２に高周波電力を印加すると共に、ガス供給源８からプラズマ生成空間１１に対して保護膜形成処理用ガス（本実施形態では、Ｃ_４Ｆ_８ガス）を供給する。コイル２に高周波電力が印加されることでプラズマ生成空間１１に誘導電界が生じ、この誘導電界によって保護膜形成処理用ガスがプラズマ化する。生成されたプラズマが載置台３に向けて移動し、エッチング処理によって形成されたＳｉＧｅ層１０の凹部に堆積することで、ＳｉＧｅ層１０の凹部に保護膜が形成される。

本実施形態に係るエッチング方法は、以上に説明したエッチング処理と、保護膜形成処理とを交互に繰り返す、いわゆるボッシュプロセス法を適用しているため、ＳｉＧｅ層１０を深掘りエッチングすることが可能である。

図２は、エッチング処理用ガスにＯ_２ガスを含まない（ＳＦ_６ガスのみ）、従来のボッシュプロセス法を用いてＳｉＧｅ層１０を深掘りエッチング（エッチング深さ１０μｍ程度）した場合に電子顕微鏡で観察される、基板Ｓの表面近傍断面を模式的に示す図である。図２（ａ）はＳｉＧｅ層１０に広い開口を形成した場合に得られる模式断面図であり、図２（ｂ）はＳｉＧｅ層１０に狭い開口幅のラインアンドスペースを形成した場合に得られる模式断面図である。
図２に示すように、エッチング処理用ガスにＯ_２ガスを含まない場合、ボッシュプロセス法によってＳｉＧｅ層１０を深掘りエッチングすると、針状のエッチング残渣１０ａが発生してしまう。エッチング残渣１０ａが発生すると、基板Ｓの機械的形状や電気的特性に悪影響を及ぼすおそれがあるので問題である。

これに対し、本実施形態に係るエッチング方法は、エッチング処理用ガスにＯ_２ガスを含むため、エッチング残渣１０ａの発生を抑制可能である。
以下、エッチング処理用ガスにＯ_２ガスを含むことの効果、及びＯ_２ガスの好ましい流量（ＳＦ_６ガスの流量に対するＯ_２ガスの好ましい流量の比率）について検討した結果について説明する。

プラズマエッチング装置１００を用いて、以下の（１）〜（４）に示す条件で、約３分間、ＳｉＧｅ層１０を深掘りエッチング（エッチング深さ１０μｍ程度）する試験を行った。
（１）エッチング処理におけるＳＦ_６ガスの流量２５０ｓｃｃｍ、Ｏ_２ガスの流量０〜１５０ｓｃｃｍ
（２）エッチング処理（ＳｉＧｅ層１０の凹部底面に堆積した保護膜除去時）の時間１．５ｓｅｃ、チャンバ１内圧力２Ｐａ、コイル２への印加電力１５００Ｗ、載置台３への印加電力１５０Ｗ
（３）エッチング処理（ＳｉＧｅ層１０のエッチング時）の時間１．１ｓｅｃ、チャンバ１内圧力２Ｐａ、コイル２への印加電力１５００Ｗ、載置台３への印加電力２０Ｗ
（４）保護膜形成処理におけるＣ_４Ｆ_８ガスの流量３００ｓｃｃｍ、保護膜形成処理の時間１．２ｓｅｃ、チャンバ１内圧力３Ｐａ、コイル２への印加電力１５００Ｗ、載置台３への印加電力０Ｗ
そして、Ｏ_２ガスの各流量毎に、深掘りエッチング後のエッチング残渣の発生有無とエッチング残渣の最大高さを電子顕微鏡で観察すると共に、ＳｉＧｅ層１０のエッチングレートを評価した。

図３は、上記試験結果の一例を示す図である。図３の横軸はＳＦ_６ガスの流量に対するＯ_２ガスの流量の比率を、縦軸はエッチング残渣の最大高さ及びＳｉＧｅ層１０のエッチングレートを示す。図３中、「□」でプロットしたデータはエッチング残渣の最大高さを、「〇」でプロットしたデータはエッチングレートを示す。
図３に示すように、エッチング処理用ガスにＯ_２ガスを含まない（ＳＦ_６ガスの流量に対するＯ_２ガスの流量の比率＝０％）場合に比べて、エッチング処理用ガスにＯ_２ガスを少しでも含ませると（ＳＦ_６ガスの流量に対するＯ_２ガスの流量の比率≧１０％）、たとえエッチング残渣が発生したとしてもその最大高さが小さくなり、エッチング残渣の発生を抑制可能であることが分かった。さらに、ＳＦ_６ガスの流量に対するＯ_２ガスの流量の比率を４０％以上にすれば、エッチング残渣の発生を十分に抑制可能であることが分かった。具体的には、上記流量の比率が４０％の場合にはエッチング残渣の最大高さが０．２μｍであり、５０％、６０％の場合にはエッチング残渣が発生しなかった。

なお、エッチング処理用ガスにＯ_２ガスを含まない（ＳＦ_６ガスのみ）場合に、Ｓｉ層３０を深掘りエッチングする試験も併せて行ったが、ＳｉＧｅ層１０の場合と異なり、エッチング残渣は全く発生しなかった。
Ｓｉ層３０でエッチング残渣が発生せず、ＳｉＧｅ層１０でエッチング残渣が発生するのは、Ｇｅが存在することで、エッチング残渣の起点となるＣ_４Ｆ_８ガス起因のＣＦ系ポリマーが残存し易くなるからではないかと考えられる。そして、ＳｉＧｅ層１０を深掘りエッチングする際、エッチング処理用ガスにＯ_２ガスを含ませることでエッチング残渣の発生が抑制されるのは、エッチング残渣の起点となるＣ_４Ｆ_８ガス起因のＣＦ系ポリマーがＯ_２ガスでアッシングされるからではないかと考えられる。
なお、図３に示す結果は一例に過ぎず、ＳＦ_６ガスの流量やコイル２への印加電力などの条件を種々変更したとしても、供給するＳＦ_６ガスの流量に対するＯ_２ガスの流量の比率を４０％以上にすれば、いずれの条件でもエッチング残渣の発生を十分に抑制可能であった。

また、図３に示すように、Ｏ_２ガスの流量の比率を過度に高め過ぎると、ＳｉＧｅ層１０のエッチングレートが低下する。このため、エッチング残渣の発生を十分に抑制すると同時にＳｉＧｅ層１０のエッチングレートの低下も抑制するには、供給するＳＦ_６ガスの流量に対するＯ_２ガスの流量の比率を４０％以上６０％以下にすることが好ましい。

以上に説明した本実施形態に係るエッチング方法は、ＭＥＭＳ加速度センサの可動錘を形成する方法の他、例えば、ＭＥＭＳ圧力センサや、エナジーハーベスタ（振動発電素子）の形成方法としても適用することが可能である。

１・・・チャンバ
２・・・コイル
３・・・載置台
１０・・・ＳｉＧｅ層
１００・・・プラズマエッチング装置
Ｓ・・・基板

Claims (2)

1. 基板の表面に形成されたＳｉＧｅ層をプラズマを用いてエッチングするエッチング処理と、前記エッチング処理によって形成された凹部にプラズマを用いて保護膜を形成する保護膜形成処理とを交互に繰り返し行うことで、前記ＳｉＧｅ層を深掘りエッチングする工程を含み、
   前記エッチング処理において、プラズマを生成するために供給するガスとして、ＳＦ _６ ガスとＯ_２ガスとを含み、
   供給するＳＦ _６ ガスの流量に対するＯ _２ ガスの流量の比率が１０％以上である、
   ことを特徴とするＳｉＧｅ層のエッチング方法。
2. 前記供給するＳＦ_６ガスの流量に対するＯ_２ガスの流量の比率が６０％以下である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のＳｉＧｅ層のエッチング方法。

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