JP2004119972A - Silicon etching method and etching device - Google Patents

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Yoshitaka Saida
齋田 喜孝
Masashi Yamaguchi
山口 雅司
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve a high aspect ratio and improvement of the etching rate in Si etching. <P>SOLUTION: Mixture gas of Cl<SB>2</SB>/O<SB>2</SB>/NF<SB>3</SB>is introduced from a process gas supply part 42 into a chamber 10 as an etching gas, and etching is performed under the condition, where the residence time is about 180 nsec or larger. High-frequency near 60 MHz is applied from a first high-frequency power source 58 to an upper electrode 30 at a specified power level. Further, a high frequency near 2MHz is applied from a second high-frequency power source 64 to a lower electrode (susceptor) 16 with a specified power level. The etching gas, discharged from a porous electrode plate or a shower head 36 of the upper electrode 30, is turned into a plasma during the glow discharge between the electrodes, and a Si wafer W is etched by radicals and ions generated in the plasma. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

 本発明は、Si(シリコン)をエッチングする技術に係わり、特にSi基板またはSi層に開口径の小さい深溝のトレンチを形成する加工に用いて好適なエッチング方法および装置に関する。 The present invention relates to a technique for etching Si (silicon), and more particularly to an etching method and apparatus suitable for forming a deep trench having a small opening diameter in a Si substrate or a Si layer.

 LSI(Large Scale Integrated circuit)における素子分離用の一般的なトレンチ分離法はSTI(Shallow Trench Isolation)である。STIでは、レジストまたは絶縁膜をマスクとしてSi基板をドライエッチングして、深さ1μm以下の比較的浅い溝(トレンチ)を形成する。このトレンチエッチングには、溝の深さおよび形状、特に側壁角度(テーパ角)を制御する技術が要求される。 A common trench isolation method for element isolation in LSI (Large Scale Integrated circuit) is STI (Shallow Trench Isolation). In STI, a Si substrate is dry-etched using a resist or an insulating film as a mask to form a relatively shallow groove (trench) having a depth of 1 μm or less. This trench etching requires a technique for controlling the depth and shape of the trench, particularly the sidewall angle (taper angle).

 従来より、STI用のエッチングガスには、Br(臭素)をベースとする混合ガス、典型的にはHBr/O2混合ガスが多く用いられている。HBrは、O2の作用によってトレンチ側壁に形成される酸化膜(SiO2)に対する攻撃性が比較的弱くてテーパ形状を作りやすく、FやClのような他のハロゲン系ガスよりも側壁保護膜の厚みやテーパ角の制御が容易である。STIにおいては、溝が浅いため、テーパ形状はさほど不都合なものではなく、むしろ溝を絶縁膜で埋め込む際にはボイドの発生を防止できる点で、テーパ形状の方が厳密な垂直形状よりも好ましいとされている。 Conventionally, a mixed gas based on Br (bromine), typically an HBr / O 2 mixed gas, is often used as an etching gas for STI. HBr is relatively weak in aggressiveness to an oxide film (SiO 2 ) formed on the trench side wall due to the action of O 2 , and is easy to form a tapered shape. It is easy to control the thickness and taper angle. In STI, since the groove is shallow, the tapered shape is not so inconvenient. Rather, the tapered shape is preferable to the strict vertical shape in that the void can be prevented when the groove is buried with the insulating film. It has been.

 ところで、LSIの高密度化および微細化に伴ない、素子分離能力の高いトレンチ分離法としてDTI(Deep Trench Isolation)が注目されてきている。DTIでは、Si基板に深さ3〜5μm程の比較的深い溝(トレンチ)を形成するため、STIよりも格段に高いアスペクト比に対応できるトレンチエッチング技術を必要とする。 By the way, DTI (Deep Trench Isolation) has been attracting attention as a trench isolation method having a high element isolation capability along with the increase in density and miniaturization of LSI. In DTI, a relatively deep trench (trench) having a depth of about 3 to 5 μm is formed in a Si substrate, so that a trench etching technique capable of coping with a much higher aspect ratio than STI is required.

 HBr/O2混合ガスは、高アスペクト比のトレンチエッチングを行なえないため、DTIには対応できない。また、エッチング速度が遅く、処理効率ないし生産性が低いという問題もある。 The HBr / O 2 mixed gas cannot perform DTI since trench etching with a high aspect ratio cannot be performed. There is also a problem that the etching rate is low and the processing efficiency or productivity is low.

 本発明は、かかる従来技術の問題点を解決するものであり、高アスペクト比に対応できると同時にエッチング速度を向上させるSiエッチング方法およびエッチング装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the problems of the related art, and has as its object to provide a Si etching method and an etching apparatus which can cope with a high aspect ratio and improve an etching rate.

 上記の目的を達成するために、本発明のSiエッチング方法は、処理容器内でSi基板またはSi層をドライエッチングするに際して、Cl2とO2とNF3とを含む混合ガスをエッチングガスとして使用し、次式(1)で表されるレジデンスタイムτが約180msec以上の条件でエッチング処理を行う。
  τ=pV/Q  ‥‥‥(1)
 ここで、pは処理容器内の圧力(Torr)、Vは被処理体上に設定される有効なエッチング空間の体積(l:リットル)、Qはエッチングガスの全流量(Torr・l/s)である。
In order to achieve the above object, the Si etching method of the present invention uses a mixed gas containing Cl 2 , O 2 and NF 3 as an etching gas when dry etching a Si substrate or a Si layer in a processing vessel. Then, the etching process is performed under the condition that the residence time τ represented by the following equation (1) is about 180 msec or more.
τ = pV / Q ‥‥‥ (1)
Here, p is the pressure (Torr) in the processing vessel, V is the volume (l: liter) of an effective etching space set on the object to be processed, and Q is the total flow rate of the etching gas (Torr · l / s). It is.

 また、本発明のエッチング装置は、Si基板またはSi層をドライエッチングするエッチング装置であって、ガス導入口と排気口とを有し、前記Si基板またはSi層を含む被処理体を出し入れ可能に収容する処理容器と、Cl2ガスとO2ガスとNF3ガスとを所望の流量比で混合し、混合したガスをエッチングガスとして前記処理容器内に前記ガス導入口を介して供給するエッチングガス供給手段と、前記エッチングガスをプラズマ化するプラズマ発生手段と、前記処理容器内を前記排気口を介して排気して所望のエッチング圧力を与える排気手段とを有し、上式(1)で表されるレジデンスタイムτが約180msec以上の条件でエッチング処理を行う。 Further, the etching apparatus of the present invention is an etching apparatus for dry-etching a Si substrate or a Si layer, the apparatus having a gas inlet and an exhaust port, and capable of taking in and out an object to be processed including the Si substrate or the Si layer. An etching gas containing a processing vessel to be accommodated, a Cl 2 gas, an O 2 gas, and an NF 3 gas mixed at a desired flow ratio, and supplying the mixed gas as an etching gas into the processing vessel through the gas inlet; A supply unit, a plasma generation unit that converts the etching gas into plasma, and an exhaust unit that exhausts the inside of the processing chamber through the exhaust port to provide a desired etching pressure. The etching process is performed under the condition that the residence time τ is about 180 msec or more.

 本発明では、Cl2とO2とNF3とを含む混合ガスをエッチングガスに用いる。このエッチングガスにおいて、Cl2は、Siをエッチングするための主たるエッチャントであり、HBrよりも高い反応確率でSiと反応して揮発性の高い反応生成物を生じさせ、高速エッチングを可能とする。O2は、Siと反応して溝の側壁にサイドエッチングを阻止する酸化膜または保護膜(SiOx)を形成する。NF3は、側壁保護膜の過剰な成長を抑制して、溝の内奥ないし底部へエッチャントをスムースに進入せしめ、異方性エッチングを促進する。 In the present invention, a mixed gas containing Cl 2 , O 2 and NF 3 is used as an etching gas. In this etching gas, Cl 2 is a main etchant for etching Si, reacts with Si with a higher reaction probability than HBr, generates a highly volatile reaction product, and enables high-speed etching. O 2 reacts with Si to form an oxide film or a protective film (SiO x ) on the side wall of the groove to prevent side etching. NF 3 suppresses excessive growth of the side wall protective film, allows the etchant to smoothly enter the inside or bottom of the groove, and promotes anisotropic etching.

 微細な開口径の溝を垂直に深くエッチングするためには、溝の底部付近においてデポジション率とエッチング率とのバランスをとることが重要である。本発明では、レジデンスタイムτが約180msec以上の条件でSiエッチング処理を行う。 た め In order to vertically and deeply etch a groove having a small opening diameter, it is important to balance the deposition rate and the etching rate near the bottom of the groove. In the present invention, the Si etching process is performed under the condition that the residence time τ is about 180 msec or more.

 一例として、平行平板型のプラズマエッチング装置において、被処理体たとえばSiウエハの直径が200mm、圧力が60mTorr、電極間距離(ギャップ)が115mmの条件下で、レジデンスタイムτを180msec以上にするには、エッチングガスの流量Qを約95sccm以下にすればよい。 As an example, in a parallel plate type plasma etching apparatus, in order to set the residence time τ to 180 msec or more under the conditions that the diameter of an object to be processed, for example, a Si wafer is 200 mm, the pressure is 60 mTorr, and the distance between electrodes (gap) is 115 mm. The flow rate Q of the etching gas may be set to about 95 sccm or less.

 本発明において、好ましくは、エッチングガス(Cl2/O2/NF3)の総流量のうちCl2とO2の合計流量を約80%以下としてよい。したがって、上記の例では、Cl2+O2の流量を約75sccm以下としてよい。 In the present invention, preferably, the total flow rate of Cl 2 and O 2 in the total flow rate of the etching gas (Cl 2 / O 2 / NF 3 ) may be about 80% or less. Therefore, in the above example, the flow rate of Cl 2 + O 2 may be about 75 sccm or less.

 また、(Cl2+O2)流量とO2流量の比O2/(Cl2+O2)も重要なパラメータであり、O2/(Cl2+O2)を好ましくは0.1〜0.3の範囲内、より好ましくは0.15〜0.25の範囲内に設定してよい。O2/(Cl2+O2)が大きすぎると、側壁堆積膜の成長が速まって、テーパ角が小さくなったり、エッチング速度が低下する。逆に、O2/(Cl2+O2)が小さすぎると、側壁の保護が弱くなって、逆テーパまたはボーイングが生じやすくなる。 Further, the ratio of the (Cl 2 + O 2 ) flow rate to the O 2 flow rate, O 2 / (Cl 2 + O 2 ), is also an important parameter, and O 2 / (Cl 2 + O 2 ) is preferably 0.1 to 0.3. , More preferably within the range of 0.15 to 0.25. If O 2 / (Cl 2 + O 2 ) is too large, the growth of the side wall deposition film is accelerated, and the taper angle is reduced and the etching rate is reduced. Conversely, if O 2 / (Cl 2 + O 2 ) is too small, the protection of the side wall is weakened, and reverse taper or bowing is likely to occur.

 また、本発明において、エッチングガスにArなどの不活性ガスを希釈ガスとして混合してもよく、好ましくは、エッチングガスの総流量を100sccm以下としてよい。また、好ましくは、エッチング圧力を20mTorr〜200mTorrの範囲内に設定してよく、平行平板型における電極間距離を30mm〜300mmの範囲内に設定してよい。 Also, in the present invention, an inert gas such as Ar may be mixed as a diluting gas with the etching gas, and preferably, the total flow rate of the etching gas may be 100 sccm or less. Preferably, the etching pressure may be set in the range of 20 mTorr to 200 mTorr, and the distance between the electrodes in the parallel plate type may be set in the range of 30 mm to 300 mm.

 本発明のエッチング装置において、好ましくは、プラズマ発生手段が、処理容器内に被処理体を載置するための第1の電極と、この第1の電極と所定の間隔を置いて対向配置される第2の電極とを含む構成としてよい。この場合、第1の電極に高周波電力を印加して、イオンアシストエッチングを行なってもよい。 In the etching apparatus according to the aspect of the invention, preferably, the plasma generating unit is disposed to face the first electrode for placing the object to be processed in the processing container at a predetermined interval from the first electrode. A configuration including the second electrode may be employed. In this case, high-frequency power may be applied to the first electrode to perform ion-assisted etching.

 本発明によれば、Siエッチングに際してCl2/O2/NF3混合ガスをエッチングガスとして用いてそのガス流量を最適な範囲に設定することにより、高アスペクト比に対応できると同時にエッチング速度を向上させることができる。 According to the present invention, a Cl 2 / O 2 / NF 3 mixed gas is used as an etching gas at the time of Si etching and the gas flow rate is set in an optimum range, so that it is possible to cope with a high aspect ratio and to improve an etching rate. Can be done.

 以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
 図1に、本発明の一実施形態におけるエッチング装置の構成を示す。このエッチング装置は、平行平板型のプラズマエッチング装置として構成されており、たとえば表面がアルマイト処理(陽極酸化処理)されたアルミニウムからなる円筒形のチャンバ(処理容器)10を有している。チャンバ10は接地されている。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a configuration of an etching apparatus according to an embodiment of the present invention. This etching apparatus is configured as a parallel plate type plasma etching apparatus, and has, for example, a cylindrical chamber (processing vessel) 10 made of aluminum whose surface is anodized (anodized). The chamber 10 is grounded.

 チャンバ10の内側壁面には、アルミナからなる円筒形状のデポシールド材12が被着されている。チャンバ10の底部には、セラミックなどの絶縁板13を介して円柱状のサセプタ支持台14が配置され、このサセプタ支持台14の上にたとえばアルミニウムからなるサセプタ16が設けられている。サセプタ16は下部電極を構成し、この上に被処理体としてたとえば単結晶Si基板またはSiウエハWが載置される。 A cylindrical deposition shield material 12 made of alumina is adhered to the inner wall surface of the chamber 10. At the bottom of the chamber 10, a columnar susceptor support 14 is disposed via an insulating plate 13 made of ceramic or the like, and a susceptor 16 made of, for example, aluminum is provided on the susceptor support 14. The susceptor 16 constitutes a lower electrode, on which, for example, a single crystal Si substrate or a Si wafer W is mounted as an object to be processed.

 サセプタ16の上面にはSiウエハWを静電吸着力で保持するための静電チャック18が設けられている。この静電チャック18は導電膜からなる電極20を一対の絶縁シートの間に挟み込んだものであり、電極20には直流電源22が電気的に接続されている。直流電源22からの直流電圧により、SiウエハWがクーロン力で静電チャック18に吸着保持されるようになっている。静電チャック18の周囲でサセプタ16の上面には、エッチングの均一性を向上させるためのたとえば石英からなるフォーカスリング24が配置されている。 静電 An electrostatic chuck 18 for holding the Si wafer W with an electrostatic attraction force is provided on the upper surface of the susceptor 16. The electrostatic chuck 18 has an electrode 20 made of a conductive film sandwiched between a pair of insulating sheets, and a DC power supply 22 is electrically connected to the electrode 20. The DC voltage from the DC power supply 22 causes the Si wafer W to be attracted and held on the electrostatic chuck 18 by Coulomb force. A focus ring 24 made of, for example, quartz for improving the uniformity of the etching is arranged on the upper surface of the susceptor 16 around the electrostatic chuck 18.

 サセプタ支持台14の内部には、たとえば円周方向に延在する冷媒室26が設けられている。この冷媒室26には、外付けのチラーユニット(図示せず)より配管26a,26bを介して所定温度の冷媒たとえば冷却水が循環供給される。冷媒の温度によってサセプタ16上のSiウエハWの処理温度を制御できる。 {Circle around (4)} The susceptor support 14 is provided with a refrigerant chamber 26 extending in a circumferential direction, for example. A coolant at a predetermined temperature, for example, cooling water is circulated into the coolant chamber 26 from an external chiller unit (not shown) via pipes 26a and 26b. The processing temperature of the Si wafer W on the susceptor 16 can be controlled by the temperature of the coolant.

 さらに、冷却ガス供給機構(図示せず)からの冷却ガスたとえばHeガスが、ガス供給ライン28を介して静電チャック18の上面とSiウエハWの裏面との間に供給される。冷却ガス供給機構は、エッチング加工のウエハ面内均一性を高めるため、ウエハ中心部とウエハ周縁部とでガス圧つまり背圧を独立的に制御できるようになっている。 {Circle over (4)} A cooling gas, for example, He gas, from a cooling gas supply mechanism (not shown) is supplied between the upper surface of the electrostatic chuck 18 and the back surface of the Si wafer W via a gas supply line 28. The cooling gas supply mechanism is capable of independently controlling the gas pressure, that is, the back pressure at the central portion of the wafer and the peripheral portion of the wafer in order to increase the uniformity of the etching process within the wafer surface.

 サセプタ16の上方には、このサセプタと平行に対向して上部電極30が設けられている。この上部電極30は、絶縁材32を介してチャンバ10に支持されており、多数の吐出孔34を有するたとえばアルミナなどのセラミックからなる下面の電極板36と、この電極板36を支持する導電材料たとえば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる電極支持体38とを有する。電極板36と電極支持体38との内側にはバッファ室が形成され、このバッファ室の上面中心部にガス導入口40が設けられている。ガス導入口40には処理ガス供給部42からのガス供給配管44が接続されている。 (4) Above the susceptor 16, an upper electrode 30 is provided so as to face the susceptor in parallel. The upper electrode 30 is supported by the chamber 10 via an insulating material 32, and has a lower electrode plate 36 having a large number of discharge holes 34 and made of a ceramic such as alumina, for example, and a conductive material supporting the electrode plate 36. For example, it has an electrode support 38 whose surface is made of anodized aluminum. A buffer chamber is formed inside the electrode plate 36 and the electrode support 38, and a gas inlet 40 is provided in the center of the upper surface of the buffer chamber. A gas supply pipe 44 from a processing gas supply unit 42 is connected to the gas inlet 40.

 チャンバ10の底部には排気口46が設けられ、この排気口46に排気管48を介して排気装置50が接続されている。排気装置50は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ10内のエッチング処理空間を所望の真空度まで減圧できるようになっている。また、チャンバ10の側壁にはSiウエハWの搬入出口を開閉するゲートバルブ52が取り付けられている。 An exhaust port 46 is provided at the bottom of the chamber 10, and an exhaust device 50 is connected to the exhaust port 46 via an exhaust pipe 48. The exhaust device 50 has a vacuum pump such as a turbo-molecular pump, and can reduce the pressure of the etching processing space in the chamber 10 to a desired degree of vacuum. A gate valve 52 that opens and closes a loading / unloading port for the Si wafer W is attached to a side wall of the chamber 10.

 上部電極30には、ローパスフィルタ(LPF)54を介してアース電位が接続されるとともに、整合器56を介して第1の高周波電源58が接続される。この第1の高周波電源58は、50〜150MHzの範囲内の周波数、典型的には60MHz付近の高周波電力を上部電極30に印加する。 A ground potential is connected to the upper electrode 30 via a low-pass filter (LPF) 54, and a first high-frequency power supply 58 is connected via a matching unit 56. The first high-frequency power supply 58 applies a high-frequency power of a frequency in the range of 50 to 150 MHz, typically around 60 MHz, to the upper electrode 30.

 下部電極としてのサセプタ16には、ハイパスフィルタ(HPF)60を介してアース電位が接続されるとともに、整合器62を介して第2の高周波電源64が接続される。この第2の高周波電源64は、1〜4MHzの範囲内の周波数、典型的には2MHz付近の高周波電力をサセプタ16に印加する。 ア ー ス The susceptor 16 serving as the lower electrode is connected to a ground potential via a high-pass filter (HPF) 60, and is connected to a second high-frequency power supply 64 via a matching unit 62. The second high-frequency power supply 64 applies a high-frequency power of a frequency in the range of 1 to 4 MHz, typically about 2 MHz, to the susceptor 16.

 この実施形態において、上部電極30と下部電極(サセプタ)16との間の距離つまり電極間距離は、好ましくは30mm〜300mmの範囲内に設定されてよい。 In this embodiment, the distance between the upper electrode 30 and the lower electrode (susceptor) 16, that is, the distance between the electrodes, may be preferably set in a range of 30 mm to 300 mm.

 このプラズマエッチング装置において、Siエッチングを行なうには、先ずゲートバルブ52を開状態にして加工対象のSiウエハWをチャンバ10内に搬入して、サセプタ16の上に載置する。そして、処理ガス供給部42よりエッチングガスを所定の流量でチャンバ10内に導入し、排気装置50によりチャンバ10内の圧力つまりエッチング圧力を設定値(好ましくは20mTorr〜200mTorrの範囲内の値)とする。さらに、第1の高周波電源58より60MHz付近の高周波を所定のパワーで上部電極30に印加するとともに、第2の高周波電源64より2MHz付近の高周波を所定のパワーでサセプタ16に印加する。また、直流電源22より直流電圧を静電チャック18の電極20に印加して、SiウエハWをサセプタ16に固定する。上部電極30の多孔付き電極板またはシャワーヘッド36より吐出されたエッチングガスは電極間のグロー放電中でプラズマ化し、このプラズマで生成されるラジカルやイオンによってSiウエハWがエッチングされる。 To perform Si etching in this plasma etching apparatus, first, the gate valve 52 is opened, and the Si wafer W to be processed is loaded into the chamber 10 and placed on the susceptor 16. Then, an etching gas is introduced into the chamber 10 at a predetermined flow rate from the processing gas supply unit 42, and the pressure in the chamber 10, that is, the etching pressure is set to a set value (preferably a value in the range of 20 mTorr to 200 mTorr) by the exhaust device 50. I do. Further, a high frequency of about 60 MHz from the first high frequency power supply 58 is applied to the upper electrode 30 at a predetermined power, and a high frequency of about 2 MHz from the second high frequency power supply 64 is applied to the susceptor 16 at a predetermined power. Further, a DC voltage is applied from the DC power supply 22 to the electrode 20 of the electrostatic chuck 18 to fix the Si wafer W to the susceptor 16. The etching gas discharged from the perforated electrode plate of the upper electrode 30 or the shower head 36 is turned into plasma during glow discharge between the electrodes, and the Si wafer W is etched by radicals and ions generated by this plasma.

 このプラズマエッチング装置では、上部電極30に対して従来(一般に27MHz)よりも格段に高い周波数領域(50〜150MHz)の高周波を印加することにより、プラズマを好ましい解離状態で高密度化し、より低圧の条件下で適切なプラズマを形成することができる。また、下部電極であるサセプタ16に対しても従来(一般に800kHz)よりも高い周波数領域(1〜4MHz)の高周波を印加することで、より低圧において被処理体に適度なRIE(Reactive Ion Etching)を施すことができる。 In this plasma etching apparatus, the plasma is densified in a preferable dissociated state by applying a high frequency to the upper electrode 30 in a much higher frequency region (50 to 150 MHz) than in the past (generally, 27 MHz). An appropriate plasma can be formed under the conditions. In addition, by applying a high frequency in a higher frequency range (1 to 4 MHz) than the conventional one (generally 800 kHz) to the susceptor 16 as the lower electrode, a moderate RIE (Reactive Ion Etching) is applied to the object to be processed at a lower pressure. Can be applied.

 この実施形態のSiエッチングでは、Cl2とO2とNF3とを含む混合ガスをエッチングガスに用いる。このため、処理ガス供給系42は、図2に示すように、たとえばCl2ガス源66,O2ガス源68およびNF3ガス源70を有し、それぞれの流量をマスフローコントローラ66a,68a,70aによって個別かつ任意に制御できるようにしている。なお、Arなどの不活性ガスを希釈ガスとしてエッチングガスに混合してもよく、その場合は希釈ガス供給部(図示せず)も設けられる。 In the Si etching of this embodiment, a mixed gas containing Cl 2 , O 2 and NF 3 is used as an etching gas. For this purpose, as shown in FIG. 2, the processing gas supply system 42 has, for example, a Cl 2 gas source 66, an O 2 gas source 68, and an NF 3 gas source 70, and controls the respective flow rates to mass flow controllers 66a, 68a, 70a. And can be controlled individually and arbitrarily. Note that an inert gas such as Ar may be mixed with the etching gas as a diluent gas, and in that case, a diluent gas supply unit (not shown) is also provided.

 次に、本発明のSiエッチング方法の具体的な実施例を説明する。 Next, specific examples of the Si etching method of the present invention will be described.

実施例1〜8
 Siウエハに開口幅0.3μm、深さ3〜6μmの溝を形成するDTI用のトレンチエッチングにおいて、図1のプラズマエッチング装置を使用し、エッチングガス(Cl2/O2/NF3)の流量および流量比をパラメータにしてエッチング特性を評価した。他の主要なエッチング条件は下記のとおりである。図3および図4に実験結果のデータを示す。
  Siウエハ口径=200mm
  マスク材料=SiO2(上層)/SiN(下層)の2層構造膜
  マスク厚(SiO2/SiN)=3000Å/1500Å
  圧力=60mToor
  RFパワー(上部電極/下部電極)=500W/600W
  電極間距離=115mm
  温度(上部電極/下部電極/チャンバ側壁)=80/60/60゜C
Examples 1 to 8
In trench etching for DTI for forming a groove having an opening width of 0.3 μm and a depth of 3 to 6 μm in a Si wafer, a flow rate of an etching gas (Cl 2 / O 2 / NF 3 ) is used by using the plasma etching apparatus of FIG. The etching characteristics were evaluated using the parameters and the flow rate ratio as parameters. Other major etching conditions are as follows. FIG. 3 and FIG. 4 show data of the experimental results.
Si wafer diameter = 200mm
Mask material = two-layer structure film of SiO 2 (upper layer) / SiN (lower layer) Mask thickness (SiO 2 / SiN) = 300031500Å
Pressure = 60mToor
RF power (upper electrode / lower electrode) = 500W / 600W
Distance between electrodes = 115 mm
Temperature (upper electrode / lower electrode / chamber side wall) = 80/60/60 ° C

比較例1,2
 Siウエハに開口幅0.3μm、深さ3〜6μmの溝を形成するDTI用のトレンチエッチングにおいて、図1のプラズマエッチング装置を使用し、HBr/O2/NF3混合ガス(比較例1)またはHBr/O2混合ガス(比較例2)をエッチングガスに用いてエッチング特性を評価した。他のエッチング条件は、電極間ギャップが120mmであることを除いて、実施例と同じである。図5に実験結果のデータを示す。
Comparative Examples 1 and 2
In the trench etching for DTI for forming a groove having an opening width of 0.3 μm and a depth of 3 to 6 μm in a Si wafer, a HBr / O2 / NF 3 mixed gas (Comparative Example 1) or a plasma etching apparatus of FIG. The etching characteristics were evaluated using an HBr / O2 mixed gas (Comparative Example 2) as an etching gas. Other etching conditions are the same as those of the embodiment except that the gap between the electrodes is 120 mm. FIG. 5 shows the data of the experimental results.

 図3および図5のデータから、Siのエッチング速度(Si E/R)についてみると、HBrをベースとする比較例1,2は0.25μm/min付近であるのに対して、実施例1〜8は0.78μm/min以上で約3倍以上である。 3 and 5, the etching rate (Si E / R) of Si is about 0.25 μm / min in Comparative Examples 1 and 2 based on HBr, whereas Example 1 is about 0.25 μm / min. 88 is about 3 times or more at 0.78 μm / min or more.

 また、テーパ角についてみると、比較例1(92.3゜)は90゜超で逆テーパまたはボーイング形状であり、比較例2(87.5゜)は89゜未満でテーパ形状であり、垂直形状を得ることができなかった。 As for the taper angle, Comparative Example 1 (92.3 °) has an inverted taper or bowing shape exceeding 90 °, and Comparative Example 2 (87.5 °) has a taper shape of less than 89 ° and has a vertical shape. The shape could not be obtained.

 一方、実施例1(89.3゜)、実施例2(89.0゜)および実施例3(89.2゜)はいずれも89〜90゜の範囲内にあり、垂直形状を達成した。しかし、実施例4(87.6゜)、実施例5(87.5゜),実施例6(87.7゜)、実施例7(87.8゜)はテーパ形状であり、実施例8(91.8゜)はボーイング形状となった。 On the other hand, Example 1 (89.3 °), Example 2 (89.0 °) and Example 3 (89.2 °) all fall within the range of 89 to 90 °, and achieved a vertical shape. However, Example 4 (87.6 °), Example 5 (87.5 °), Example 6 (87.7 °), and Example 7 (87.8 °) have a tapered shape, and Example 8 (91.8 ゜) became a bowing shape.

 実施例1〜8の中で検討すると、実施例1〜3では、ガス流量を小さくしており、特にCl2とO2の合計流量(Cl2+O2)を小さくしている点が特徴的である。より詳細には、実施例4〜8ではエッチングガスの総流量が100sccm以上でありレジデンスタイムは約180msecより小さいのに対して、実施例1〜3では、エッチングガスの総流量が100sccmより小さく45sccm以下であり、レジデンスタイムは180msecより大きく、380msec以上である。また、(Cl2+O2)流量は25sccm以下である。 When examined in Examples 1 to 8, Examples 1 to 3 are characterized in that the gas flow rate is reduced, and in particular, the total flow rate of Cl 2 and O 2 (Cl 2 + O 2 ) is reduced. It is. More specifically, in Examples 4 to 8, the total flow rate of the etching gas is 100 sccm or more and the residence time is less than about 180 msec, whereas in Examples 1 to 3, the total flow rate of the etching gas is less than 100 sccm and 45 sccm. The residence time is longer than 180 msec and longer than 380 msec. The flow rate of (Cl 2 + O 2 ) is 25 sccm or less.

 なお、レジデンスタイムτは、図6を参照して下の式(1)のように定義される。
  τ=V(=A×H)/S=pV/Q  ‥‥‥(1)
 ここで、Vはエッチング処理空間の体積(l:リットル)、Sは排気速度(l/s)、Pは圧力(Torr)、Qは総流量(Torr×l/s)、Aはウエハ面積、Hは下部電極と上部電極との間の距離である。
The residence time τ is defined as in the following equation (1) with reference to FIG.
τ = V (= A × H) / S = pV / Q ‥‥‥ (1)
Here, V is the volume of the etching space (l: liter), S is the pumping speed (l / s), P is the pressure (Torr), Q is the total flow rate (Torr × l / s), A is the wafer area, H is the distance between the lower electrode and the upper electrode.

 微細な0.3μm程度の開口幅で3〜6μmの深溝を垂直に形成するには、エッチングガスのレジデンスタイム、すなわち、エッチングガス(Cl2/O2/NF3)の流量を制限すること、特に(Cl2+O2)流量を絞ることが重要である。図3から、レジデンスタイムは約180msec以上とするのが好ましい。なお、レジデンスタイムを180msec以上にするには、エッチングガスの流量Qを約95sccm以下にすればよい。更に、本発明において、好ましくは、エッチングガスの総流量のうちCl2とO2の合計流量を約80%以下に、または約75sccm以下にするのが好ましい。(Cl2+O2)流量が大きいと、トレンチ底部付近におけるデボジション率がエッチング率を上回り、テーパ化しやすくなるものと考えられる。もっとも、(Cl2+O2)流量が小さすぎてもエッチング速度に影響するので、好ましくは15sccm以上としてよい。 In order to vertically form a 3 to 6 μm deep groove with a fine opening width of about 0.3 μm, the etching gas residence time, that is, the flow rate of the etching gas (Cl 2 / O 2 / NF 3 ) is limited; In particular, it is important to reduce the flow rate of (Cl 2 + O 2 ). From FIG. 3, it is preferable that the residence time is about 180 msec or more. To set the residence time to 180 msec or more, the flow rate Q of the etching gas may be set to about 95 sccm or less. Further, in the present invention, it is preferable that the total flow rate of Cl 2 and O 2 in the total flow rate of the etching gas is set to about 80% or less, or about 75 sccm or less. It is considered that when the flow rate of (Cl 2 + O 2 ) is large, the devolution rate in the vicinity of the bottom of the trench exceeds the etching rate, and the taper is easily formed. However, if the flow rate of (Cl 2 + O 2 ) is too small, the etching rate is affected. Therefore, the flow rate is preferably set to 15 sccm or more.

 また、(Cl2+O2)流量に対するO2流量の比またはO2ratioも重要であり、実施例8(0.09)のようにO2ratioが低すぎると、デボジション率がエッチング率を下回りボーイング傾向になりやすい。逆に、O2ratioが高すぎると、デボジション率がエッチング率を上回りテーパ傾向になりやすい。O2ratioは、好ましくは0.1〜0.3の範囲内に設定してよく、より好ましくは0.15〜0.25の範囲内に設定してよい。 In addition, the ratio of the O 2 flow rate to the (Cl 2 + O 2 ) flow rate or the O 2 ratio is also important. If the O 2 ratio is too low as in Example 8 (0.09), the devotion rate falls below the etching rate. Boeing tendency. Conversely, if the O 2 ratio is too high, the devotion rate tends to exceed the etching rate and tend to taper. The O 2 ratio may be set preferably in the range of 0.1 to 0.3, and more preferably in the range of 0.15 to 0.25.

 実施例1〜8ではNF3の流量を20sccm(一定)としたが、10〜30sccmの範囲内では各実施例のエッチング特性はさほど変わらないものと考えられる。実用的には、NF3の流量をエッチングガスの総流量の約20%以上にするのが望ましい。 Although the flow rate of the Examples 1 to 8 in NF 3 was 20 sccm (constant), within the scope of 10~30sccm etching characteristics of each embodiment it will probably not change much. Practically, it is desirable that the flow rate of NF 3 be about 20% or more of the total flow rate of the etching gas.

 また、実施例1〜8では圧力を60mTorr(一定)とした。上式(1)から圧力はレジデンスタイムを左右するパラメータであるとともに、エッチング速度等にも影響するので、他のエッチング条件やトレンチ仕様に応じて最適化されるのが望ましい。なお、実施例1〜8のRFパワー(上部電極=500W、下部電極=600W)をパワー密度に換算すると、上部電極=1.6W/cm2、下部電極=1.9W/cm2である。RFパワーまたはパワー密度も他のエッチング条件やトレンチ仕様に応じて最適化されるのが望ましい。 In Examples 1 to 8, the pressure was set to 60 mTorr (constant). From the above equation (1), the pressure is a parameter that affects the residence time and also affects the etching rate and the like. Therefore, it is desirable that the pressure be optimized according to other etching conditions and trench specifications. Incidentally, RF power (upper electrode = 500 W, the lower electrode = 600W) of Examples 1-8 in terms of the power density, the upper electrode = 1.6 W / cm 2, a lower electrode = 1.9W / cm 2. Preferably, the RF power or power density is also optimized according to other etching conditions and trench specifications.

 また、図3に示すように、実施例2のマスク選択比(Siのエッチング速度/SiO2のエッチング速度)は28.70であった。他の実施例および比較例1,2でも同程度のマスク選択比が得られる。Cl2/O2/NF3混合ガスをエッチングガスに用いる本発明のSiエッチングでは、少なくとも表層がSiO2からなるマスク材料が望ましい。 Further, as shown in FIG. 3, the mask selectivity of Example 2 (etching rate of Si / etching rate of SiO 2 ) was 28.70. In other examples and Comparative Examples 1 and 2, the same mask selection ratio can be obtained. In the Si etching of the present invention using a mixed gas of Cl 2 / O 2 / NF 3 as an etching gas, a mask material having at least a surface layer of SiO 2 is desirable.

 上記実施形態のプラズマエッチング装置は容量結合型平行平板装置であったが、他のプラズマエッチング方式、たとえば有磁界RIEやECR(Electron Cyclotron Resonance)方式の装置として構成することも可能である。上記実施形態ではSiウエハのエッチングを示したが、Si基板またはSi層を含む任意の被処理体について本発明のSiエッチング方法およびエッチング装置を適用することができる。 Although the plasma etching apparatus of the above embodiment is a capacitively coupled parallel plate apparatus, it may be configured as another plasma etching method, for example, a magnetic field RIE or ECR (Electron Cyclotron Resonance) method. In the above embodiment, the etching of the Si wafer is described, but the Si etching method and the etching apparatus of the present invention can be applied to any object to be processed including the Si substrate or the Si layer.

本発明の一実施形態によるエッチング装置の構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an etching apparatus according to an embodiment of the present invention. 図1のエッチング装置における処理ガス供給部の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a processing gas supply unit in the etching apparatus of FIG. 1. 実施例における主要なエッチング条件とエッチング特性を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing main etching conditions and etching characteristics in an example. 実施例におけるテーパ角の(Cl2+O2)流量およびO2ratio(O2/Cl2+O2)依存性を示す図である。It is a diagram showing a (Cl 2 + O 2) flow rate and O 2 ratio (O 2 / Cl 2 + O 2) dependence of the taper angle in the embodiment. 比較例における主要なエッチング条件とエッチング特性を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing main etching conditions and etching characteristics in a comparative example. 実施形態におけるレジデンスタイムの定義を示す図である。It is a figure showing the definition of residence time in an embodiment.

符号の説明Explanation of reference numerals

  10  チャンバ(処理容器)
  16  サセプタ(下部電極)
  18  静電チャック
  22  直流電源
  30  上部電極
  36  電極板
  40  ガス導入口
  42  処理ガス供給部
  46  排気口
  58  第1の高周波電源
  64  第2の高周波電源
  66  Cl2ガス源
  68  O2ガス源
  70  NF3ガス源
  66a,68a,70a  マスフローコントローラ
10 chambers (processing vessel)
16 Susceptor (lower electrode)
Reference Signs List 18 electrostatic chuck 22 DC power supply 30 upper electrode 36 electrode plate 40 gas inlet 42 processing gas supply unit 46 exhaust port 58 first high frequency power supply 64 second high frequency power supply 66 Cl 2 gas source 68 O 2 gas source 70 NF 3 Gas source 66a, 68a, 70a Mass flow controller

Claims (10)

 処理容器内でSi基板またはSi層をドライエッチングするに際して、Cl2とO2とNF3とを含む混合ガスをエッチングガスとして使用し、下記の式(1)で表されるレジデンスタイムτが約180msec以上の条件でエッチング処理を行うSiエッチング方法。
  τ=pV/Q  ‥‥‥(1)
 ここで、pは処理容器内の圧力、Vは被処理体上に設定される有効なエッチング空間の体積、Qはエッチングガスの流量である。
When dry etching a Si substrate or a Si layer in a processing vessel, a mixed gas containing Cl 2 , O 2, and NF 3 is used as an etching gas, and a residence time τ represented by the following equation (1) is about A Si etching method for performing an etching process under a condition of 180 msec or more.
τ = pV / Q ‥‥‥ (1)
Here, p is the pressure in the processing chamber, V is the volume of the effective etching space set on the object, and Q is the flow rate of the etching gas.
 Cl2とO2の合計流量が前記エッチングガスの総流量の約80%以下である請求項1に記載のSiエッチング方法。 Cl 2 and Si etching method according to claim 1 total flow rate of O 2 is less than about 80% of the total flow rate of the etching gas.  前記エッチングガスにおけるCl2とO2の合計流量に対するO2の流量の比が約0.1〜0.3の範囲内である請求項1に記載のSiエッチング方法。 Si etching method of claim 1 the flow rate ratio of O 2 is in the range of about 0.1 to 0.3 to the total flow of Cl 2 and O 2 in the etching gas.  前記エッチングガスの総流量が約100sccm以下である請求項1に記載のSiエッチング方法。 The method of claim 1, wherein the total flow rate of the etching gas is about 100 sccm or less.  前記処理容器内の圧力が20mTorr〜200mTorrの範囲内に設定される請求項1に記載のSiエッチング方法。 The method according to claim 1, wherein the pressure in the processing container is set in a range of 20 mTorr to 200 mTorr.  前記処理容器内の電極間距離が30mm〜300mmの範囲内に設定される請求項1に記載のSiエッチング方法。 2. The Si etching method according to claim 1, wherein a distance between the electrodes in the processing container is set within a range of 30 mm to 300 mm.  Si基板またはSi層をドライエッチングするエッチング装置であって、
 ガス導入口と排気口とを有し、前記Si基板またはSi層を含む被処理体を出し入れ可能に収容する処理容器と、
 Cl2ガスとO2ガスとNF3ガスとを所望の流量比で混合し、混合したガスをエッチングガスとして前記処理容器内に前記ガス導入口を介して供給するエッチングガス供給手段と、
 前記エッチングガスをプラズマ化するプラズマ発生手段と、
 前記処理容器内を前記排気口を介して排気して所望のエッチング圧力を与える排気手段とを有し、
 下記の式(2)で表されるレジデンスタイムτが約180msec以上の条件でエッチング処理を行うエッチング装置。
  τ=pV/Q  ‥‥‥(2)
 ここで、pは処理容器内の圧力、Vは被処理体上に設定される有効なエッチング空間の体積、Qはエッチングガスの全流量である。
An etching apparatus for dry-etching a Si substrate or a Si layer,
A processing container having a gas inlet and an exhaust outlet, and accommodating the object to be processed including the Si substrate or the Si layer in a removable manner,
An etching gas supply unit for mixing a Cl 2 gas, an O 2 gas, and an NF 3 gas at a desired flow rate ratio, and supplying the mixed gas as an etching gas into the processing container through the gas inlet;
Plasma generating means for converting the etching gas into plasma,
Exhaust means for exhausting the processing chamber through the exhaust port to provide a desired etching pressure,
An etching apparatus that performs an etching process under the condition that the residence time τ represented by the following equation (2) is about 180 msec or more.
τ = pV / Q ‥‥‥ (2)
Here, p is the pressure in the processing chamber, V is the volume of the effective etching space set on the object, and Q is the total flow rate of the etching gas.
 前記エッチングガス供給手段が、前記エッチングガスを約100sccm以下の流量で前記処理容器に供給する請求項7に記載のエッチング装置。 8. The etching apparatus according to claim 7, wherein the etching gas supply means supplies the etching gas to the processing container at a flow rate of about 100 sccm or less.  前記排気手段が、前記処理容器内を20mTorr〜200mTorrの範囲内に減圧する請求項7に記載のエッチング装置。 8. The etching apparatus according to claim 7, wherein the exhaust means reduces the pressure inside the processing container to a range of 20 mTorr to 200 mTorr.  前記処理容器内に電極間距離が30mm〜300mmの範囲内に設定された上部電極と下部電極とを有する請求項7に記載のエッチング装置。 8. The etching apparatus according to claim 7, further comprising: an upper electrode and a lower electrode having a distance between the electrodes set within a range of 30 mm to 300 mm in the processing container.
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