JP2006278498A - プラズマエッチング方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フッ素含有化合物ガスを含む処理ガスをプラズマ化し、そのプラズマにより被処理基板のシリコン部分をプラズマエッチングするにあたって、高いエッチングレートでシリコンをエッチングすること。
【解決手段】フッ素含有化合物ガス例えばＳＦ6ガスをプラズマ化したプラズマによって被処理体のシリコン部分をエッチングするのに伴って、被処理体の表面に反応生成物例えばＳｉＦ4の光吸収波長帯域に光強度のピークを有する光、具体的には９μｍ以上、１０μｍ未満に光強度のピークを有する光源を用いて、ここからの光を照射する。この光を吸収したＳｉＦ4は活性化されて運動エネルギーが大きくなり、ホールから速やかに排出される。そのためホール内においてエッチャントであるフッ素ラジカルの量（分圧）が増すことで、シリコンのエッチング速度が高くなる。
【選択図】図７

Description

本発明は、フッ素含有化合物ガスを含む処理ガスをプラズマ化し、そのプラズマに被処理体のシリコン部分をエッチングするプラズマエッチング方法及びその装置に関する。

近時、三次元的なデバイス構造を有する三次元実装デバイスが開発されている。この三次元実装デバイスは、例えばロジックを形成した単結晶シリコン（Ｓｉ）基板やメモリを形成した単結晶シリコン基板等を複数枚重ね、これら基板同士を配線で接続する構成を有しており、これにより、よりスペース効率の高いデバイス構造を実現するものである。

このような三次元実装デバイスは、例えば１００〜２００μｍ程度の厚さを有するシリコン基板に口径が１０〜７０μｍ程度の配線用の孔（ホール）を形成する必要があることから、極めて高速のエッチングが求められる。

そこで特許文献１には、フッ素含有化合物ガスとして１分子に存在するフッ素の数が多いガス例えばＳＦ6（六フッ化イオウ）ガスやＳ2Ｆ10（十フッ化イオウ）ガス等をプラズマ化し、更に処理容器内のガス圧力を１３〜１３３３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ）と高く設定することで、十分な量のフッ素ラジカルを生成し、これによって２０μｍ／分もの高速のエッチングが行えることが記載されている。

ところで例えばＳＦ6ガスを用いてシリコン層をエッチングすると、下記の反応式（１）に示すようにフッ素ラジカルとＳｉとの反応によりＳｉＦ4（四フッ化シリコン）が生成される。

４Ｆ^＊＋Ｓｉ→ＳｉＦ4 ……（１）
ホール内で生成されたＳｉＦ4はホールの外へと排出されるが、シリコンのエッチング速度が数十μｍ／分にもなると、ＳｉＦ4の生成量が多くなり、ホール内に供給されるフッ素ラジカルの量とホールから排出される反応生成物の量とが略同じオーダーとなる。このためホール内におけるＳｉＦ4の分圧が高くなり、フッ素ラジカルの分圧を高めることが抑えられるため、結果的にエッチング速度（エッチングレート）をそれ程高められないという問題がある。

なお、特許文献２にはシリコンをエッチングする処理ガスとしてＳＦ6ガスを用い、ガス分圧を５０Ｐａとし、１０ｋＷのＣＯ2レーザーによってＳＦ6分子を振動励起させて、シリコンをエッチングして行くことが記載されているが、シリコン層を２０μｍ／分を越えた高速エッチングを実現するための手法については記載されていない。

特開２００２−９３７７６号公報（段落００３４、００３７） 特開６１−３２４２９号公報（第２頁上段）

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、被処理体のシリコン部分をプラズマエッチングするにあたって、高いエッチング速度でシリコンをエッチングすることができるプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置を提供することにある。

本発明は、フッ素含有化合物ガスを含む処理ガスをプラズマ化し、そのプラズマにより被処理体のシリコン部分をエッチングするプラズマエッチング方法において、
エッチングにより生成される反応生成物の光吸収波長帯域に光強度のピークを有する光を被処理体の表面に照射することを特徴とする。

上述したプラズマエッチング方法において、前記反応生成物は例えばフッ化シリコン（ＳｉＦ4）であり、前記光吸収波長帯域が例えば９μｍ以上、１０μｍ未満である。前記フッ素含有化合物ガスは、例えばＳＦ6及びＳ2Ｆ10の少なくとも一方を含む。また前記処理ガスは、さらに酸素ガスを含むことが好ましい。

また本発明は、気密な処理容器内にて、フッ素含有化合物ガスを含む処理ガスをプラズマ化して得られたプラズマにより、載置台に載置された被処理体のシリコン部分をエッチングするプラズマエッチング装置において、
フッ素含有化合物とシリコンとの反応生成物の光吸収波長帯域に光強度のピークを有する光を発光し、載置台上の被処理体の表面に照射するための光源部と、
前記処理容器内に処理ガスを導入するためのガス供給部と、を備えたことを特徴とする。

上記プラズマエッチング装置において、前記光源部は、処理容器の外に設けられ、前記ガス供給部は、載置台と対向する面内に、処理ガスを処理容器内に導入するガス導入孔と、前記光源部からの光を処理容器内に透過させる光透過窓と、を備えたことを特徴とする。また例えば光透過窓は、前記光吸収波長帯域の光を選択的に透過するバンドパスフィルターの機能を有するものであってもよい。

本発明によれば、フッ素含有化合物ガスをプラズマ化したプラズマによって被処理体のシリコン部分をエッチングするのに伴って、被処理体の表面に、反応生成物例えばＳｉＦ4に光吸収波長帯域の光強度のピークを有する光を照射しているので、反応生成物は、この光を吸収して活性化されて運動エネルギーが大きくなり、ホールから速やかに排出される。従ってホール内における反応生成物の量（分圧）を低減できるため、エッチャントの量（分圧）を増やすことができ、この結果シリコンのエッチング速度を高めることができる。

先ず、本発明のプラズマエッチング方法を実施するために用いられるプラズマエッチング装置について図１〜図４に基づいて説明する。この例では装置としてマグネトロンＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置を用いている。図１中１は、例えばアルミニウムからなる処理容器（真空チャンバー）である。前記処理容器１は、小径の円筒状の上部１ａと大径の円筒状の下部１ｂとからなり、気密に構成されている。この処理容器１内には、被処理体である被処理基板Ｗを水平に支持する載置台である支持テーブル２が設けられている。前記支持テーブル２は例えばアルミニウムで構成されており、絶縁板３を介して導体の支持台４に支持されている。また、前記支持テーブル２の上方の外周にはシリコン以外の材料、例えば石英で形成されたフォーカスリング５が設けられている。上記支持テーブル２と支持台４は、ボールねじ７を含むボールねじ機構により昇降可能となっており、支持台４の下方の可動部分は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製のベローズ８で覆われている。前記ベローズ８の外側にはベローズカバー９が設けられている。なお、上記フォーカスリング５の外側にはバッフル板１０が設けられており、このバッフル板１０、支持台４、ベローズ８を通して処理容器１と導通している。また前記処理容器１は接地されている。

前記処理容器１の下部１ｂの側壁には、排気ポート１１が形成されており、この排気ポート１１には真空ポンプ１２が接続されている。そして前記真空ポンプ１２を作動させることにより処理容器１内を所定の真空度まで減圧することができるようになっている。一方、処理容器１の下部１ｂの側壁上側には、被処理基板Ｗの搬入出口を開閉するゲートバルブ１３が設けられている。

前記支持テーブル２には、整合器１４及び１８を介して夫々プラズマ形成用の第１の高周波電源１５及びイオン引き込み用の第２の高周波電源１９が接続されており、この第１の高周波電源１５及び第２の高周波電源１９から所定の周波数の高周波電力が支持テーブル２に供給されるようになっている。なお、前記第２の高周波電源１９は第１の高周波電源１５の周波数よりも低い高周波電力を供給する。一方、支持テーブル２に対向してその上方には後で詳細に説明するガス供給部であるガスシャワーヘッド２０が設けられており、このガスシャワーヘッド２０は接地されている。したがって、支持テーブル２及びガスシャワーヘッド２０は一対の電極として機能する。

前記支持テーブル２の表面上には被処理基板Ｗを静電吸着して保持するための静電チャック６が設けられている。この静電チャック６は絶縁体６ｂの間に電極６ａが介在されて構成されており、電極６ａには直流電源１６が接続されている。そして電極６ａに電源１６から電圧が印加されることにより、静電力例えばクーロン力によって被処理基板Ｗが吸着保持される。

前記支持テーブル２の内部には、冷却室１７が設けられており、この冷却室１７には、冷媒が冷媒導入管１７ａを介して導入され冷媒排出管１７ｂから排出されて循環し、その冷熱が支持テーブル２を介して被処理基板Ｗに対して伝熱され、これにより被処理体Ｗの処理面が所望の温度に制御される。

ガス供給部であるガスシャワーヘッド２０の上方には、光源部４０が設けられ、この光源部４０としては、エッチングにより生成される反応生成物例えばＳｉＦ4の光吸収波長帯域に光強度のピークを有するもの、例えばハロゲンランプまたは半導体レーザー等が用いられる。反応生成物がＳｉＦ4の場合、ＳｉＦ4の光吸収スペクトルは、図２（ａ）に示されるように９μｍ以上、１０μｍ未満の波長領域に存在することから、光源部４０の光強度のピークは、この波長帯域に含まれることになる。また図２（ｂ）には後述するエッチングガスであるＳＦ６ガスと反応生成物であるＳｉＦ4との光吸収スペクトルを示している。図２（ｂ）に示すようにＳＦ6及びＳｉＦ4は波数が夫々９４７ｃｍ^−１（波長１０．６μｍ）及び１０３０ｃｍ^−１（波長９．７μｍ）に吸光度のピークを示すことが分かる。また前記光源部４０は、支持テーブル２上の円形基板をカバーできるように、例えば基板の直径と略同じ長さの棒状のランプを複数並行状に配置した構成を採用できる。

前記ガスシャワーヘッド２０は、内部が通気室２１になっている中空の扁平な円筒状に形成され、処理容器１の天壁部分に支持テーブル２に対向するように設けられている。図１及び図３に示すように前記ガスシャワーヘッド２０の上面２０ａには、例えば直径が５〜２０ｍｍの光透過窓２２が多数形成されている。また前記ガスシャワーヘッド２０の下面２０ｂには、例えば直径が０．５〜１ｍｍのガス導入孔２３と例えば直径が５〜２０ｍｍの光透過窓２４とが多数形成されており、前記光透過窓２４は光透過窓２２と対向するように配列されている。前記光透過窓２４（２２）のレイアウトについては、光源部４０からの透過光が被処理基板Ｗに均一に照射されるように設定される。

前記光透過窓２２及び２４は、被処理基板Ｗの表面に、エッチングにより生成される反応生成物例えばＳｉＦ4の光吸収波長帯域の波長を高い透過率で透過させる材質のものが用いられ、例えばＢａＦ2、Ｇｅ、ＫＣｌ、ＫＢｒ、ＫＲＳ−５、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ等が用いられる。あるいは前記光透過窓２２及び２４は、前記光吸収波長帯域の光を選択的に透過するバンドパスフィルターとしての機能を有するものであってもよい。

また前記ガスシャワーヘッド２０の上面２０ａの一端側にはガス導入部２７が形成されている。前記ガス導入部２７にはガス供給管２９が接続されており、このガス供給管２９の基端側は、分岐管２９ａ及び分岐管２９ｂに分岐されている。一方の分岐管２９ａには、フッ素含有化合物ガス例えばＳＦ6ガスの供給源であるガス供給源３０がガス供給機器群３１を介して接続されている。また他方の分岐管２９ｂには、酸素（Ｏ2）ガスの供給源であるガス供給源３２がガス供給機器群３３を介して接続されている。これらの混合ガスは処理ガス（エッチングガス）をなすものであり、ガス供給管２９及びガス導入部２７を介してガスシャワーヘッド２０の通気室２１に至り、ガス導入孔２２から処理容器１内に供給されるようになっている。なお、ガス供給機器群３１及び３３はバルブや流量調整部であるマスフローコントローラなどを含むものである。

一方、処理容器１の上部１ａの周囲には、同心状に、ダイポールリング磁石３４が配置されている。前記ダイポールリング磁石３４は、図４の水平断面図に示すように、複数の異方性セグメント柱状磁石３５がリング状の磁性体のケーシング３６に取り付けられて構成されている。この例では、円柱状をなす１６個の異方性セグメント柱状磁石３５がリング状に配置されている。図４中、異方性セグメント柱状磁石３５の中に示す矢印は磁化の方向を示すものであり、この図に示すように、複数の異方性セグメント柱状磁石３５の磁化の方向を少しずつずらして全体として一方向に向かう一様な水平磁界Ｂが形成されるようになっている。

従って、支持テーブル２とガスシャワーヘッド２０との間の空間には、図５に模式的に示すように、第１の高周波電源１５により鉛直方向の電界ＥＬが形成され、且つダイポーリング磁石３４により水平磁界Ｂが形成され、このように形成された直交電磁界によりマグネトロン放電が生成される。これによって高エネルギー状態のエッチングガスのプラズマが形成される。

次にこのように構成されたプラズマエッチング装置を用いて本発明のプラズマエッチング方法の実施の形態について説明する。なお、被処理体である被処理基板Ｗとしては、例えば各々回路部が形成されたシリコン基板が用いられる。そしてここで行われるプロセスによりシリコン基板をエッチングした後、Ｃｕ等の埋め込みにより貫通電極を形成したのち、基板を薄くし、そしてこれらの基板同士を複数枚貼り合せることで三次元実装デバイスが得られることになる。先ず、ゲートバルブ１３を開にして図６に示すように一番上のシリコン基板８０の表面に酸化シリコン膜（ＳｉＯ2膜）９０がパターニングされた被処理基板Ｗを処理容器１内に搬入し、支持テーブル２に載置した後、支持テーブル２を図示の位置まで上昇させ、真空ポンプ１２により排気ポート１１を介して処理容器１内を排気する。

そして前記ガス供給源３０からのＳＦ6ガスを例えば５０〜１０００ｓｃｃｍの流量で、また前記ガス供給源３２からのＯ2ガスを例えば０〜５００ｓｃｃｍの流量で各々ガスシャワーヘッド２０のガス導入孔２３を介して処理容器１内に供給する。なお、ＳＦ6ガスと共に酸素ガスを用いる理由は、シリコンと酸素とにより凹部の側壁にシリコン酸化物を付着させて側壁を保持しながらエッチングするため、エッチングの異方性を高めることができると共にエッチングの形状性を良好にすることができるからである。そして処理容器１内のガス圧力を例えば１３〜１３３３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ）にし、その状態で第１の高周波電源１５から支持テーブル２に例えば４０ＭＨｚの高周波電力を供給する。一方第２の高周波電源１９からは、プラズマのイオンエネルギーをコントロールするために例えば３．２ＭＨｚの高周波電力が供給されている。この際、被処理基板Ｗは、直流電源１６から静電チャック６の電極６ａに所定の電圧が印加されることにより例えばクーロン力により静電チャック６に吸着保持されると共に、上部電極であるガスシャワーヘッド２０と下部電極である支持テーブル２との間に高周波電界が形成される。ガスシャワーヘッド２０と支持テーブル２との間にはダイポールリング磁石３４により水平磁界Ｂが形成されているので、被処理基板Ｗが存在する電極間の処理空間には例えば１７００μＴ（１７０Ｇ）の直交電磁界が形成され、これによって生じた電子のドリフトによりマグネトロン放電が形成される。そしてこのマグネトロン放電によりＳＦ6ガス及びＯ2ガスがプラズマ化し、その中でフッ素ラジカル（Ｆ^＊）がシリコン基板８０の厚さ方向にエッチングをして行く。このとき下記の反応式（２）に示すようにフッ素ラジカルとＳｉとの反応によりＳｉＦ4が生成される。またエッチング反応の一部において、下記の反応式（３）に示すようにＳＦ4とＳｉとＯ2との反応によりＳｉＦ4及びＳＯ2が生成される。このようにエッチング反応では、ＳｉＦ4が主たる反応生成物となる。

４Ｆ^＊＋Ｓｉ→ＳｉＦ4 ……（２）
ＳＦ4＋Ｓｉ＋Ｏ2→ＳｉＦ4＋ＳＯ2 ……（３）
一方光源部４０から既述のようにＳｉＦ4の光吸収波長帯域に例えば９μｍ以上、１０μｍ未満に光強度のピークを有する光が光透過窓２２及び２４を透過してシリコン基板８０の表面に照射される。

図７（ａ）は、シリコン基板８０に既述の光を照射しながらフッ素ラジカル（Ｆ^＊）を含む活性種によりエッチングを行って配線用の孔（ホール）８１を形成して行く様子を示す図である。既述の反応式（２）に示すようにフッ素ラジカルとＳｉとの反応によりＳｉＦ4が生成される。このＳｉＦ4は、９μｍ以上、１０μｍ未満の光を吸収することでＳｉＦ4分子が活性化されて運動エネルギーが大きくなる。このためホール８１から排出されるＳｉＦ4分子の運動速度が増し、ホール８１から速やかに排出される。なお、図７（ｂ）はシリコン基板８０に対して光を照射しない他は同様にしてエッチングを行った場合の図である。この場合、図７（ｂ）に示すようにホール８１から排出されるＳｉＦ4分子の運動速度が光を照射する場合に比べて小さいので、ホール８１内におけるＳｉＦ4の滞留の程度が大きい。

上述の実施の形態によれば、ＳＦ6ガスと酸素ガスをプラズマ化することで得られる、主としてフッ素ラジカル（Ｆ^＊）によってシリコン基板８０をエッチングするのに伴って、シリコン基板８０の表面に反応生成物であるＳｉＦ4の光吸収波長帯域の光、具体的には９μｍ以上、１０μｍ未満の光を照射しているので、ＳｉＦ4は、この光を吸収して活性化されて運動エネルギーが大きくなり、ホール８１から速やかに排出される。従ってホール８１内におけるＳｉＦ4の量（分圧）を低減できるため、エッチャントであるフッ素ラジカル（Ｆ^＊）の量（分圧）を増やすことができ、この結果シリコン基板８０のエッチング速度を高めることができる。

この実施の形態の手法によれば、特にアスペクト比が２以上でホール径が１００μｍ以下のホールを高速でエッチングするのに好適であり、３０μｍ／分以上の高速エッチングが期待できる。

以上において、光源部４０としては処理容器１の外の大気雰囲気に配置することに限られるものではなく、処理容器１内の真空雰囲気に配置するようにしてもよい。またエッチングによる孔部の構造としては、貫通孔に限られるものではなく、有底のホールであってもよい。更にまた本発明のプラズマエッチング方法を実施する装置としては、平行平板型の容量結合型以外にも誘導結合型やマイクロ波を使用したプラズマ装置などであってもよい。

また、本実施の形態にかかるプラズマエッチング方法について、エッチング用のガスとしてＳＦ6ガスとＯ2ガスとを用いて説明したが、エッチング用のガスとしてＳ2Ｆ10ガスとＯ2ガスとを用いても主たる反応生成物はＳｉＦ4であるため上述と同様の作用効果を呈する。この場合、図１に示す装置において、ガス供給源３０からＳ2Ｆ10ガスが処理容器１内に供給されることになる。

なお本発明では、光源部４０から９μｍ以上、１０μｍ未満に光強度のピークを有する光を照射しているが、この光照射と共にＳＦ６分子の吸収波長である１０．６μｍにピーク波長を有する光の照射を併用してもよい。

本発明方法を実施するためのプラズマエッチング装置を示す概略断面図である。 ＳｉＦ4及びＳＦ6の光吸収スペクトルを示す説明図である。 上記装置に設けられたガスシャワーヘッドを示す概略斜視図である。 上記装置の処理容器の周囲に配置された状態のダイポールリング磁石を模式的に示す水平断面図である。 上記装置の処理容器内に形成される電界及び磁界を説明するための模式図である。 上記装置の処理容器内に搬入される被処理基板を示す概略断面図である。 本発明方法の実施の形態を説明する作用図である。

符号の説明

Ｗ 被処理基板
１ 処理容器
２ 支持テーブル
１２ 真空ポンプ
２ 載置台
１５ 第１の高周波電源
１７ 冷却室
１９ 第２の高周波電源
２０ ガスシャワーヘッド
２１ 通気室
２２ 光透過窓
２３ ガス導入孔
２４ 光透過窓
３４ ダイポールリング磁石
４０ 光源部
６ 静電チャック

Claims (7)

1. フッ素含有化合物ガスを含む処理ガスをプラズマ化し、そのプラズマにより被処理体のシリコン部分をエッチングするプラズマエッチング方法において、
   エッチングにより生成される反応生成物の光吸収波長帯域に光強度のピークを有する光を被処理体の表面に照射することを特徴とするプラズマエッチング方法。
2. 前記反応生成物はフッ化シリコン（ＳｉＦ4）であり、前記光吸収波長帯が９μｍ以上、１０μｍ未満であることを特徴とする請求項１記載のプラズマエッチング方法。
3. 前記フッ素含有化合物ガスは、ＳＦ6及びＳ2Ｆ10の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマエッチング方法。
4. 前記処理ガスは、さらに酸素ガスを含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載のプラズマエッチング方法。
5. 気密な処理容器内にて、フッ素含有化合物ガスを含む処理ガスをプラズマ化して得られたプラズマにより、載置台に載置された被処理体のシリコン部分をエッチングするプラズマエッチング装置において、
   フッ素含有化合物とシリコンとの反応生成物の光吸収波長帯域に光強度のピークを有する光を発光し、載置台上の被処理体の表面に照射するための光源部と、
   前記処理容器内に処理ガスを導入するためのガス供給部と、を備えたことを特徴とするプラズマエッチング装置。
6. 前記光源部は、処理容器の外に設けられ、
   前記ガス供給部は、載置台と対向する面内に、処理ガスを処理容器内に導入するガス導入孔と、前記光源部からの光を処理容器内に透過させる光透過窓と、を備えたことを特徴とする請求項５記載のプラズマエッチング装置。
7. 前記光透過窓は、前記光吸収波長帯域の光を選択的に透過するバンドパスフィルターの機能を備えたことを特徴とする請求項６記載のプラズマエッチング装置。
   
   

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