JP2016213407A - Dry etching method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a dry etching method which enables the achievement of a superior etching rate and the machining with a high aspect ratio.SOLUTION: A dry etching method comprises the steps of: supplying a gas into a vacuum chamber 2 so that the total amount of the gas supplied per minute becomes 1.0×10cmor more at a static gas pressure in a range of 0.1-1.0 Pa with a mean free path of ions formed in a plasma generation chamber 10 made longer than a sheath thickness; guiding ions to a material to be processed in the vacuum chamber 2; and turning the gas into radicals to etch a target face of the material to be processed with a plasma density in the vicinity of the material to be processed made 10mor more.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明はドライエッチング方法に関する。詳しくは、優れたエッチングレートを実現可能であり、かつ、高アスペクト比の加工が可能なドライエッチング方法に係るものである。   The present invention relates to a dry etching method. Specifically, the present invention relates to a dry etching method capable of realizing an excellent etching rate and capable of processing with a high aspect ratio.

複数のチップを積層して形成する積層型集積回路(3D−IC)の利用が注目を集めている。積層型集積回路では、シリコン貫通電極(TSV:Through Silicon Via)を介してチップ間が接続され、これまでの微細化のルールに依存せず高集積化が可能であるため、従来の集積回路よりも小型化、高速度化、多機能化及び省電力化を実現可能なものとなっている。   The use of a stacked integrated circuit (3D-IC) formed by stacking a plurality of chips is attracting attention. In stacked integrated circuits, chips are connected via through silicon vias (TSV: Through Silicon Via), and high integration is possible without depending on the rules of miniaturization so far. In addition, downsizing, high speed, multi-functionality, and power saving can be realized.

TSVはシリコンウェハにTSV用の貫通孔をあけ、貫通孔にシード層を形成し、電気めっきにて電極となる銅等を充填して形成される。シード層を形成することで貫通孔に電極となる銅等が充填しやすくなる。   The TSV is formed by forming a TSV through-hole in a silicon wafer, forming a seed layer in the through-hole, and filling copper or the like serving as an electrode by electroplating. By forming the seed layer, it becomes easy to fill the through holes with copper or the like serving as an electrode.

ここで、TSV用の貫通孔の加工には、一般にボッシュプロセスと呼ばれるエッチング方式が有利であるとされている。ボッシュプロセスは、シリコンのエッチングと、側壁保護用のポリマーの堆積とを交互に繰り返すドライエッチング方式であり、アスペクト比の高いエッチングが可能とされている。   Here, it is considered that an etching method generally called a Bosch process is advantageous for processing a through hole for TSV. The Bosch process is a dry etching method in which etching of silicon and deposition of a polymer for protecting sidewalls are alternately repeated, and etching with a high aspect ratio is possible.

ボッシュプロセスでは、異なるガスの置換を繰り返すことで、孔の底面エッチング工程とエッチング孔の側壁保護を目的とした保護膜形成工程を、数秒単位で繰り返してアスペクト比の高い貫通孔を形成可能であるが、ガス置換の時間が長くかかる場合に、貫通孔の側壁にスキャロップと呼ばれる凹凸が生じる。スキャロップの領域では、ウェハ表面の法線方向から貫通孔を見た際に影となる部分が生じ、そこではスパッタリングなどの工程で形成されるシード層が貫通孔側壁に形成されず電極材の接着不良が生じることがある。この結果、めっき形成時に電極内にボイドが発生するなどしてTSVの品質の低下を招く恐れがある。   In the Bosch process, it is possible to form through-holes with a high aspect ratio by repeating the process of etching the bottom surface of the holes and the protective film forming process for the purpose of protecting the sidewalls of the etching holes in units of several seconds by repeatedly replacing different gases. However, when gas replacement takes a long time, irregularities called scallops are formed on the side wall of the through hole. In the scalloped area, a shadowed part occurs when the through-hole is viewed from the normal direction of the wafer surface, where the seed layer formed by a process such as sputtering is not formed on the side wall of the through-hole, and the electrode material is adhered. Defects may occur. As a result, there is a possibility that voids are generated in the electrode during the plating formation and the quality of the TSV is deteriorated.

また、ガス置換の時間間隔を狭め、スキャロップを小さくする手法も存在するが、アスペクト比の高い孔を形成する際に、正味のエッチング工程に長い時間を要するものとなる。そのため、TSVの生産効率が下がり、産業的に採用することが困難となっている。   There is also a method of reducing the gas replacement time interval and reducing the scallop, but when forming a hole with a high aspect ratio, the net etching process takes a long time. Therefore, the production efficiency of TSV falls and it is difficult to adopt industrially.

また、ボッシュプロセスに代わるガス置換を行わないドライエッチング方式は、高いエッチングレートを得る際に、アスペクト比の高いエッチング孔を得ることが困難とされていた。   Further, in the dry etching method that does not perform gas replacement in place of the Bosch process, it has been difficult to obtain etching holes with a high aspect ratio when obtaining a high etching rate.

こうしたなか、高いエッチングレートを得ることと、高いアスペクト比の孔を形成することの両立を試みたエッチング装置が存在し、例えば、特許文献1に記載のエッチング装置が提案されている。   Under such circumstances, there exists an etching apparatus that attempts to achieve both a high etching rate and a hole having a high aspect ratio. For example, an etching apparatus described in Patent Document 1 has been proposed.

ここで、特許文献1に記載のエッチング装置は、ヘリコン波型プラズマ生成部を設けた絶縁性の第1のチャンバと、導電性の第2のチャンバを有している。第1のチャンバ及び第2のチャンバは開口を介して連通している。   Here, the etching apparatus described in Patent Document 1 includes an insulating first chamber provided with a helicon wave type plasma generation unit, and a conductive second chamber. The first chamber and the second chamber communicate with each other through the opening.

第1のチャンバ内には不活性ガスが導入され、ヘリコン波型プラズマ生成部の作用により不活性ガスがプラズマ化される。第2のチャンバ内には、反応性ガスが導入され、第1のチャンバ内のプラズマ電子により反応性ガスが励起されて活性種が生成される。   An inert gas is introduced into the first chamber, and the inert gas is turned into plasma by the action of the helicon wave type plasma generator. A reactive gas is introduced into the second chamber, and the reactive gas is excited by plasma electrons in the first chamber to generate active species.

第2のチャンバ内の活性種は、セルフバイアス効果により負電位となっている載置台側に引き込まれ、ウェハの酸化膜上に吸着される。更に、載置台側に向かう電界方向に沿って不活性ガスのイオン照射が行われ、イオンアシストにより活性種と酸化膜が反応し、低圧雰囲気にて化学的エッチングが促進される。   The active species in the second chamber are drawn to the mounting table side having a negative potential due to the self-bias effect, and are adsorbed on the oxide film of the wafer. Furthermore, ion irradiation of an inert gas is performed along the electric field direction toward the mounting table, and the active species react with the oxide film by ion assist, and chemical etching is promoted in a low-pressure atmosphere.

特開平6−89880号公報Japanese Patent Laid-Open No. 6-89880

D. L. Flamm et al.: J. Appl. Phys 52, 3633 (1981)D. L. Flamm et al .: J. Appl. Phys 52, 3633 (1981)

しかしながら、特許文献1に記載のエッチング装置は、TSVを産業的に製造するために必要な生産効率を実現可能なエッチング速度が得られるものとはなっていない。   However, the etching apparatus described in Patent Document 1 does not provide an etching rate that can achieve the production efficiency necessary for industrially manufacturing TSVs.

また、アスペクト比の高い、異方性に優れた貫通孔を形成する点で改良の余地があるものと考えられる。   Further, it is considered that there is room for improvement in terms of forming a through hole having a high aspect ratio and excellent anisotropy.

本発明は、以上の点に鑑みて創案されたものであり、優れたエッチングレートを実現可能であり、かつ、高アスペクト比の加工が可能なドライエッチング方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a dry etching method capable of realizing an excellent etching rate and capable of processing with a high aspect ratio.

上記の目的を達成するための本発明の構成の前提となる、ラジカル総量の見積もり、プラズマ密度を得るためのプラズマ源の仕様、ラジカル総量を得るための真空システムの設計指針及び貫通孔形状の最適化について、以下説明する。   Estimating the total amount of radicals, the specification of the plasma source for obtaining the plasma density, the design guideline of the vacuum system for obtaining the total amount of radicals, and the optimum shape of the through-holes, which are the premise of the configuration of the present invention to achieve the above object The conversion will be described below.

ここでは、本発明を適用したドライエッチング方法を用いて、50μm/minのシリコンのエッチングレートを実現するためのプラズマプロセスの制御指針について説明する。   Here, a control guideline of a plasma process for realizing a silicon etching rate of 50 μm / min using a dry etching method to which the present invention is applied will be described.

(1)ラジカル総量の見積もり
積層型集積回路の量産に必要なTSV用の貫通孔として、直径20μm、深さ50μmの貫通孔形状を想定し、それを1分間で形成可能なものと設定する。従来のフッ素ラジカルによるシリコンウェハのドライエッチングの加工速度は、ボッシュプロセスにおいては高々5.0μm/minであり、これを50μm/minに向上させるためには、ドライエッチングの反応律速であるラジカルの供給量を増やすことが必要となる。
(1) Estimation of total radical amount As a through hole for TSV necessary for mass production of stacked integrated circuits, a through hole shape having a diameter of 20 μm and a depth of 50 μm is assumed, and it is set to be able to be formed in one minute. The processing speed of conventional dry etching of silicon wafers by fluorine radicals is at most 5.0 μm / min in the Bosch process, and in order to improve this to 50 μm / min, supply of radicals, which is the rate limiting reaction of dry etching, is performed. It is necessary to increase the amount.

フッ素ラジカルによるシリコンのエッチングレートERsiは、非特許文献1の記載から、下記の[数1]で算出される。 The etching rate ER si of silicon by fluorine radicals is calculated by the following [Equation 1] from the description in Non-Patent Document 1.

直径20μm、深さ50μmの貫通孔形状を1分間で加工する場合は、ERsi=50μm/minで表される。また、室温25℃(〜300K)、イオンアシスト効果を10とすると、必要なフッ素ラジカル密度は、下記の[数2]で表される。なお、イオンアシスト効果については、非特許文献1の記載を参考とした。 When a through-hole shape having a diameter of 20 μm and a depth of 50 μm is processed in one minute, ER si = 50 μm / min. Further, assuming that the room temperature is 25 ° C. (up to 300 K) and the ion assist effect is 10, the necessary fluorine radical density is expressed by the following [Equation 2]. In addition, about the ion assist effect, the description of the nonpatent literature 1 was referred.

ガスからのラジカル生成効率が数十%であることを考慮して、ラジカル生成効率を65%と仮定すると、上記の[数2]のフッ素ラジカル密度を得るために1分間に必要なガス密度は、下記の[数3]で表される。   Considering that the radical generation efficiency from the gas is several tens of percent, assuming that the radical generation efficiency is 65%, the gas density required for one minute to obtain the fluorine radical density of [Formula 2] is It is expressed by the following [Equation 3].

ここで、[数3]に記載したように、1017cm-3は気体の圧力(p)、分子数密度(n)、絶対温度(T)、ボルツマン定数(k)で表される気体の状態方程式から算出すると、p=1kPaとなる。ここでT〜300Kとした。すなわちERsi=50μm/minを実現するために必要なガス供給量として、1分間当たり1017cm-3のガス粒子の供給が必要であることが分かる。また、ラジカル生成効率が65%に到達しない可能性を踏まえ、余裕のあるガス供給を行うものとして、10倍量の1018cm-3のラジカル相当量を1分間当たりに供給するものとした。即ち、ERsi=50μm/minを達成可能な装置設計の指針として、1分間当たり1018cm13を必要なガス粒子供給量と定めた。 Here, as described in [Equation 3], 10 17 cm -3 is the gas pressure (p), the molecular number density (n), the absolute temperature (T), and the gas represented by the Boltzmann constant (k). When calculated from the state equation, p = 1 kPa. Here, T to 300K was set. That is, it can be seen that the supply of gas particles of 10 17 cm −3 per minute is necessary as a gas supply amount necessary to realize ER si = 50 μm / min. Further, in consideration of the possibility that the radical generation efficiency does not reach 65%, 10 times the amount of radical equivalent to 10 18 cm −3 was supplied per minute as a gas supply with a margin. That is, 10 18 cm 13 per minute was determined as a necessary gas particle supply amount as a guide for designing an apparatus capable of achieving ER si = 50 μm / min.

代表的なプラズマ源である容量結合プラズマ(CCP: Capacitively Coupled Plasma)方式の一般的な電離度が10-3%であることから、前述したガス粒子供給量が1分間当たり1018cm-3の場合を考慮すると、フッ素ラジカル密度を得るために必要なプラズマ密度は、下記の[数4]の値となる。 Since the general ionization degree of a capacitively coupled plasma (CCP) system, which is a typical plasma source, is 10 −3 %, the gas particle supply rate is 10 18 cm −3 per minute. Considering the case, the plasma density necessary to obtain the fluorine radical density is the value of the following [Equation 4].

しかしながら、[数4]で示されるプラズマ密度を一般的なCCP方式で得るためには、10kW以上の高出力の電力が必要となり、電源設備などが高価になり、電力効率良くプラズマを生成することが困難である。また、仮にプラズマ生成ができたとしても、定常ガス圧が高くなり、イオンと中性粒子の衝突に伴うイオン散乱現象が起こり、貫通孔側壁にイオンが入射する確率が高くなる。また同様に、定常ガス圧力が高まると、ラジカルが貫通孔側壁に入射する確率も高まる。即ち、エッチングで加工される貫通孔の異方性を高めることが難しいものとなる。   However, in order to obtain the plasma density represented by [Equation 4] by a general CCP method, high output power of 10 kW or more is required, power supply facilities are expensive, and plasma is generated efficiently. Is difficult. Even if plasma can be generated, the steady gas pressure becomes high, an ion scattering phenomenon accompanying collision of ions and neutral particles occurs, and the probability that ions enter the through-hole side wall increases. Similarly, when the steady gas pressure is increased, the probability that radicals are incident on the side wall of the through hole is also increased. That is, it becomes difficult to increase the anisotropy of the through hole processed by etching.

(2)高プラズマ密度を得るためのプラズマ源の仕様
上記の点から、数kWの電力でも高密度にプラズマを発生することが可能であり、かつ、定常ガス圧を低く保てるプラズマ生成源が必要となる。より具体的には、プラズマ密度1018(m-3)を達成できるプラズマ生成方式と、形成される貫通孔の異方性の両方を担保しうる定常ガス圧0.1〜1.0Paを満足するプラズマ源を用いる必要がある。定常ガス圧の0.1〜1.0Paの範囲は、これまでの検討から得られた、イオン及びラジカル散乱が生じにくく、直径20μm、深さ50μmの貫通孔の形状が加工可能なガス圧の範囲である。
(2) Specifications of plasma source for obtaining high plasma density From the above points, it is necessary to have a plasma generation source that can generate plasma with high density even with a power of several kW and can keep the steady gas pressure low. It becomes. More specifically, a plasma generation method capable of achieving a plasma density of 10 18 (m −3 ) and a steady gas pressure of 0.1 to 1.0 Pa that can ensure both the anisotropy of the formed through holes are satisfied. It is necessary to use a plasma source. The range of the stationary gas pressure of 0.1 to 1.0 Pa is a gas pressure obtained from the examination so far, in which ion and radical scattering hardly occur, and the shape of the through hole having a diameter of 20 μm and a depth of 50 μm can be processed. It is a range.

また、ガス供給量を増やすために、定常ガス圧力を高めるとイオン及びラジカルの平均自由行程が短くなり、貫通孔の側壁のエッチングを進行させる散乱現象が生じやすくなり、高アスペクト比の貫通孔の形成が困難となる。そのため、定常ガス圧力を低くすることが求められる。   In addition, when the steady gas pressure is increased to increase the gas supply amount, the mean free path of ions and radicals is shortened, and a scattering phenomenon that facilitates etching of the side wall of the through hole is likely to occur. Formation becomes difficult. Therefore, it is required to reduce the steady gas pressure.

プラズマ源の種類から上記の条件を満たすプラズマ源として、ヘリコン波励起プラズマ(HWP:Helicon Wave Plasma)方式または電子サイクロトロン共鳴プラズマ(ECR:Electron Cyclotoron Resonance)方式が挙げられる。これらのプラズマ源は、定常ガス圧力が低い範囲でプラズマの高密度化が可能である。   As a plasma source that satisfies the above conditions depending on the type of plasma source, there is a Helicon Wave Plasma (HWP) method or an Electron Cyclotoron Resonance (ECR) method. These plasma sources can increase the density of plasma in a range where the steady gas pressure is low.

(3)ラジカル総量を得るための真空システムの設計指針
続いて、前述した1分間に必要なガス粒子供給量である1分間当たり1018cm-3を真空容器内に供給するための真空システムについて説明する。まず、真空容器内でのガスの流れやすさを表す量として、ガス滞留時間(τ)がある。1分間に必要なガス粒子供給量である1018cm-3(一分間あたり、〜167Paを充填することに相当する)を、定常ガス圧力0.1Paで得るとすると、条件より、167Pa/0.1Paで1秒間に1670回の真空容器内のガス置換を行う必要があることが分かる。即ち、ガス滞留時間τ(sec)は、1/1670〜0.5msecと算出される。なお、ここでは、ガス粒子供給量を1分間当たり1018cm-3、定常ガス圧を0.1Paに設定してガス滞留時間を算出したが、ガス供給量を所望のエッチングレートを得るためのガス相当量(例えば1分間当たり1017cm-3)として設定することもできる。また、同様に定常ガス圧を設定することもできる(50μm/minを得る際には、1.0Pa以上となる)。1分間当たり1017cm-3のガス粒子を投入し、定常ガス圧力を1.0Paとして、ガス滞留時間τを算出すると、τ(sec)〜60msecとなる。
(3) Vacuum system design guidelines for obtaining the total amount of radicals Next, the vacuum system for supplying 10 18 cm -3 per minute, which is the gas particle supply amount required for 1 minute, into the vacuum vessel as described above. explain. First, there is a gas residence time (τ) as an amount representing the ease of gas flow in the vacuum vessel. Assuming that a gas gas supply amount of 10 18 cm −3 (corresponding to filling up to 167 Pa per minute) is obtained at a steady gas pressure of 0.1 Pa per minute, 167 Pa / 0 It can be seen that it is necessary to perform gas replacement in the vacuum vessel 1670 times per second at 1 Pa. That is, the gas residence time τ (sec) is calculated as 1/1670 to 0.5 msec. Here, the gas residence time was calculated by setting the gas particle supply rate to 10 18 cm −3 per minute and the steady gas pressure to 0.1 Pa, but the gas supply rate is used to obtain a desired etching rate. It can also be set as a gas equivalent amount (for example, 10 17 cm −3 per minute). Similarly, a steady gas pressure can also be set (when obtaining 50 μm / min, the pressure is 1.0 Pa or more). When 10 17 cm −3 gas particles are introduced per minute, the steady gas pressure is 1.0 Pa, and the gas residence time τ is calculated, τ (sec) to 60 msec is obtained.

続いて、ガス圧力p(Pa)と、真空容器の容積V(L)が与えられたときに、50μm/minのエッチングレートを達成するために必要な導入するガスの流量(Q)を考える。導入するガスの流量に対する定常ガス圧力p(Pa)は、以下の[数5]で表される。   Subsequently, when the gas pressure p (Pa) and the volume V (L) of the vacuum vessel are given, the flow rate (Q) of the gas introduced to achieve the etching rate of 50 μm / min is considered. The steady gas pressure p (Pa) with respect to the flow rate of the introduced gas is expressed by the following [Equation 5].

上記の[数5]において、通常の場合、qはQの1/1000以下であり、ほとんど無視できるものであるため、p〜Q/Sとして近似できる。ここで、滞留時間τ(sec)は、τ=V/Sの式で表されるため、以下の[数6]のようになる。   In the above [Equation 5], in the normal case, q is 1/1000 or less of Q and can be almost ignored, and therefore can be approximated as p to Q / S. Here, since the residence time τ (sec) is expressed by the equation τ = V / S, the following [Equation 6] is obtained.

ここで、定常ガス圧力p=0.1Pa、真空容器容量をV〜0.5L(直径約80mm、高さ約100mmの円筒真空容器)と仮定した場合、τ〜0.5msecを得るために導入するガス流量Q(Pa・L/s)は、[数6]の式より、Q〜100(Pa・L/s)となる。また、1Pa・L/s=0.592sccmとして換算すると、Q〜60sccmとなる。なお、ガス流量Qは、真空容器容量を仮定した際に定まる量であって、50μm/minのエッチングレートを得る際に必要となる単位時間あたりに供給するガス供給量と、50μm/minのエッチングレートを得る際に必要となるラジカル生成率を得るためのプラズマ源の使用を満たすものであれば、ガス流量は限定されるものではない。   Here, in order to obtain τ to 0.5 msec, assuming that the steady gas pressure p = 0.1 Pa and the vacuum vessel capacity is V to 0.5 L (a cylindrical vacuum vessel having a diameter of about 80 mm and a height of about 100 mm). The gas flow rate Q (Pa · L / s) to be calculated is Q to 100 (Pa · L / s) from the formula [6]. Further, when converted as 1 Pa · L / s = 0.582 sccm, it is Q to 60 sccm. The gas flow rate Q is an amount determined when the vacuum container capacity is assumed, and is a gas supply amount supplied per unit time required for obtaining an etching rate of 50 μm / min and an etching rate of 50 μm / min. The gas flow rate is not limited as long as it satisfies the use of the plasma source for obtaining the radical generation rate necessary for obtaining the rate.

上記での導入するガスの流量Qの値60sccmは、一般的にエッチング工程において用いられる典型的なガス使用量の目安であるQ=100sccmの値を下回っており、産業的にも採用可能なガス使用量となっている。   The gas flow rate Q introduced above is 60 sccm, which is lower than the value of Q = 100 sccm, which is a typical standard for the amount of gas used in the etching process, and can be used industrially. It is used.

また、本発明では、1分間に必要なガス粒子供給量1018cm-3(または1分間当たり1017cm-3)と、定常ガス圧力0.1〜1.0Paを満足しうる真空システムが実現されることが重要であり、前述したように、容積がV〜0.5Lという真空容器の容積としては小型のものに限定されるものではない。例えば、容積が大きな真空容器であっても、上記のガス供給量と定常ガス圧が満足しうるような実効排気速度を有する真空システムを用いれば、50μm/minのエッチングレートを実現しうるものである。 In the present invention, a vacuum system capable of satisfying a gas particle supply amount of 10 18 cm −3 (or 10 17 cm −3 per minute) required for one minute and a steady gas pressure of 0.1 to 1.0 Pa is provided. It is important to be realized, and as described above, the volume of the vacuum container having a volume of V to 0.5 L is not limited to a small one. For example, even in a vacuum container having a large volume, an etching rate of 50 μm / min can be realized by using a vacuum system having an effective exhaust speed that satisfies the above gas supply amount and steady gas pressure. is there.

容積が小さな小型の真空容器を用いる利点としては、定常ガス圧力を0.1〜1.0Paに設定した際でも、排気量の大きな真空ポンプを用いずに、1分間あたりに容器内に投入できるガス総量が増加できる点にある。1分間あたりに容器内に投入できるガス総量を排気量の大きなポンプを用いずに容易に得ることができるため、高いエッチングレートを得るために必要なラジカル総量を容易に得ることができる。   As an advantage of using a small vacuum container with a small volume, even when the steady gas pressure is set to 0.1 to 1.0 Pa, it can be put into the container per minute without using a vacuum pump with a large displacement. The total amount of gas can be increased. Since the total amount of gas that can be introduced into the container per minute can be easily obtained without using a pump with a large displacement, the total amount of radicals necessary for obtaining a high etching rate can be easily obtained.

(4)貫通孔形状の最適化
前述した内容によって、高いエッチングレートを得ることが可能となるが、本発明においては高いアスペクト比の貫通孔を形成する点も重要となる。直径が小さく、深い貫通孔を効率良く形成するためには、イオンとガスの中性粒子との衝突によるイオンの弾性散乱頻度を低下させ、イオンを貫通孔の底まで真っ直ぐな入射角度で導く必要がある。
(4) Optimization of the shape of the through hole Although the above-described content makes it possible to obtain a high etching rate, in the present invention, it is also important to form a through hole having a high aspect ratio. In order to efficiently form deep through-holes with a small diameter, it is necessary to reduce the elastic scattering frequency of ions due to collisions between ions and gas neutral particles, and to guide ions to the bottom of the through-holes at a straight incident angle. There is.

具体的には、真空容器内のガス圧力をできるだけ低くすることで、イオンとガスの中性粒子との衝突頻度を下げて、イオンの弾性散乱が生じにくくする。圧力は低いほど好ましく、定常ガス圧力0.1〜1.0Paの範囲内であれば、イオンの弾性散乱は生じにくくなる。ただし、ヘリコン波励起プラズマ(HWP:Helicon Wave Plasma)方式または電子サイクロトロン共鳴プラズマ(ECR:Electron Cyclotoron Resonance)方式により高密度を得るために、0.1Pa程度の定常ガス圧力は必要となる。   Specifically, by making the gas pressure in the vacuum vessel as low as possible, the collision frequency between the ions and the neutral particles of the gas is lowered, thereby making it difficult for elastic scattering of ions to occur. The pressure is preferably as low as possible. If the pressure is within the range of a stationary gas pressure of 0.1 to 1.0 Pa, elastic scattering of ions is less likely to occur. However, in order to obtain a high density by a Helicon Wave Plasma (HWP) system or an Electron Cyclotoron Resonance (ECR) system, a steady gas pressure of about 0.1 Pa is required.

また、真空容器内に直線の磁場を形成し、ウェハ表面に対して略垂直にイオンを入射させることで、イオンアシスト効果を高めるイオン軌道を制御でき、貫通孔の底面まで効率よくイオンを導くことができる。この結果、異方性の高い貫通孔の高速エッチングが可能となる。   In addition, by forming a linear magnetic field in the vacuum vessel and making ions incident substantially perpendicular to the wafer surface, the ion trajectory that enhances the ion assist effect can be controlled, and ions are efficiently guided to the bottom of the through hole. Can do. As a result, high-speed etching of a highly anisotropic through hole is possible.

以上の点を踏まえて、上記の目的を達成するために、本発明のドライエッチング方法は、真空チャンバ内に電磁場励起プラズマを発生させるプラズマ発生部が生ずるイオンの平均自由行程を被処理材の表面に生じるシース厚よりも長くして、定常ガス圧が0.1〜1.0Paの範囲で、かつ、1分間に供給するガス総量が1.0×1017cm-3以上となる様に、ガスを前記真空チャンバ内に供給するガス供給工程と、前記プラズマ発生部が生ずるイオンを前記真空チャンバ内に配置される試料支持台に位置する被処理材に誘導するイオン誘導工程と、前記被処理材の近傍のプラズマ密度を1018-3以上とし、前記ガスをラジカル化して前記被処理材の被処理面をエッチング処理するエッチング処理工程とを備える。 In view of the above points, in order to achieve the above object, the dry etching method of the present invention uses the mean free path of ions generated by a plasma generating part for generating electromagnetic field excited plasma in a vacuum chamber to the surface of the material to be processed. In order that the steady gas pressure is in the range of 0.1 to 1.0 Pa and the total amount of gas supplied per minute is 1.0 × 10 17 cm −3 or longer A gas supply step of supplying a gas into the vacuum chamber; an ion induction step of guiding ions generated by the plasma generation unit to a material to be processed located on a sample support placed in the vacuum chamber; A plasma density in the vicinity of the material is set to 10 18 m −3 or more, and an etching process step is performed in which the gas is radicalized to etch the surface of the material to be processed.

ここで、真空チャンバ内に電磁場励起プラズマを発生させるプラズマ発生部が生ずるイオンの平均自由行程を被処理材の表面に生じるシース厚よりも長くしたガス供給工程によって、高エッチングレートの加工に必要な高いイオンアシスト効果を実現可能なイオン密度を得ることができる。より具体的には、シリコンウェハをフッ素ラジカルで加工する際の1分間のエッチングレートの値である、ERsi=50μm/minというエッチング速度を実現するためのラジカル密度が得られるものとなる。
なお、イオンの平均自由行程とは、プラズマ中で生じたイオンが散乱源との衝突で妨害されること無く進むことのできる距離の平均値である。また、シース厚とは、被処理物となるウェハの近傍にあるシース電場が作用する空間の厚みである。イオンの平均自由行程が被処理材の表面に生じるシース厚よりも長いことで、シース中でイオンの散乱が生じず、充分なエッチング反応を貫通孔の底面近傍において効率的に得ることが可能となる。
Here, it is necessary for processing at a high etching rate by a gas supply process in which the mean free path of ions generated by the plasma generation unit that generates electromagnetic field excited plasma in the vacuum chamber is longer than the sheath thickness generated on the surface of the material to be processed. An ion density capable of realizing a high ion assist effect can be obtained. More specifically, a radical density for realizing an etching rate of ER si = 50 μm / min, which is a value of an etching rate per minute when a silicon wafer is processed with fluorine radicals, can be obtained.
The mean free path of ions is the average value of the distance that ions generated in the plasma can travel without being disturbed by the collision with the scattering source. The sheath thickness is a thickness of a space in which a sheath electric field near the wafer to be processed acts. Since the mean free path of ions is longer than the sheath thickness generated on the surface of the material to be processed, ion scattering does not occur in the sheath, and a sufficient etching reaction can be efficiently obtained in the vicinity of the bottom surface of the through hole. Become.

定常ガス圧が0.1〜1.0Paの範囲でガスを真空チャンバ内に供給するガス供給工程によって、所望のラジカル生成量に必要なプラズマ密度をヘリコン波励起プラズマ方式または電子サイクロトロン共鳴プラズマ方式により生成し、かつ、形成される貫通孔の異方性を高めることができる。容積量が小さな小型の真空容器を有するエッチング装置を用いた際に、一般的には、プラズマが装置壁面等に衝突して消失し、プラズマ密度が低下してしまうとされていたが、上記の定常ガス圧範囲で上記手法によりプラズマを高密度に生成できれば、プラズマの消失分を補うプラズマ生成分を確保することができる。そのため、上記の手法を用いることで小型の装置においてもプラズマの生成量を充分に確保でき、プラズマを高密度化することができる。また、ガスの圧力が低くなり、ガスとイオンの衝突によるイオン散乱が生じにくくなるため、形成される貫通孔が異方性の高いものとすることができる。   A gas supply step of supplying gas into the vacuum chamber with a steady gas pressure in the range of 0.1 to 1.0 Pa allows the plasma density necessary for a desired radical generation amount to be determined by a helicon wave excitation plasma method or an electron cyclotron resonance plasma method. The anisotropy of the through hole formed and formed can be increased. When using an etching apparatus having a small vacuum container with a small volume, it was generally said that plasma collided with the wall surface of the apparatus and disappeared, resulting in a decrease in plasma density. If plasma can be generated with high density by the above method in the steady gas pressure range, it is possible to secure a plasma generation component that compensates for the disappearance of the plasma. Therefore, by using the above method, a sufficient amount of plasma can be secured even in a small apparatus, and the plasma can be densified. In addition, since the gas pressure is reduced and ion scattering due to collision between the gas and ions is less likely to occur, the formed through-hole can be made highly anisotropic.

ここで、定常ガス圧が0.1Pa未満の場合には、ヘリコン波励起プラズマ方式または電子サイクロトロン共鳴プラズマ方式において、電子とガスとの電離頻度が下がり、プラズマ生成量が不充分になってしまう。一方、定常ガス圧が1.0Paを超える場合には、プラズマ生成量が充分でもイオン及びラジカルの散乱が生じやすくなり、形成される貫通孔の異方性が不充分となってしまう。   Here, when the steady gas pressure is less than 0.1 Pa, in the helicon wave excitation plasma method or the electron cyclotron resonance plasma method, the ionization frequency between the electrons and the gas decreases, and the plasma generation amount becomes insufficient. On the other hand, when the steady gas pressure exceeds 1.0 Pa, ions and radicals are easily scattered even if the plasma generation amount is sufficient, and the anisotropy of the formed through-holes becomes insufficient.

また、1分間に供給するガス総量が1.0×1017cm-3以上となる様に、ガスを真空チャンバ内に供給するガス供給工程によって、より高いエッチングレートを得るために必要なラジカル密度を得ることができる。より具体的には、ERsi=50μm/min以上のエッチング速度を実現するためのラジカル密度が得られるものとなる。 In addition, the radical density necessary for obtaining a higher etching rate by the gas supply step of supplying gas into the vacuum chamber so that the total amount of gas supplied per minute is 1.0 × 10 17 cm −3 or more. Can be obtained. More specifically, a radical density for realizing an etching rate of ER si = 50 μm / min or more can be obtained.

また、プラズマ発生部が生ずるイオンを真空チャンバ内に配置される試料支持台に位置する被処理材に誘導するイオン誘導工程によって、イオンを被処理材の被処理面に対して真っ直ぐ入射させるものとなり、形成される貫通孔の異方性を高めることができる。また、定常ガス圧が低い範囲にある際に、貫通孔底面へのイオンの入射効率を高め、エッチングレートを向上させることができる。   In addition, the ions are directly incident on the surface to be processed of the material to be processed by the ion induction process for inducing the ions generated by the plasma generation unit to the material to be processed located on the sample support table disposed in the vacuum chamber. The anisotropy of the through-hole formed can be increased. Moreover, when the steady gas pressure is in a low range, the incident efficiency of ions to the bottom surface of the through hole can be increased and the etching rate can be improved.

また、試料支持台に位置する被処理材の近傍のプラズマ密度を1018-3以上とし、ガスをラジカル化して被処理材の被処理面をエッチング処理するエッチング処理工程によって、ガスを高効率にラジカル化して、エッチング処理を行うことが可能となる。即ち、高エッチングレートの加工に必要なラジカル密度を得ることができる。より具体的には、ERsi=50μm/min以上のエッチング速度を実現するためのラジカル密度が得られるものとなる。 In addition, the plasma density in the vicinity of the material to be processed located on the sample support is set to 10 18 m −3 or more, and the gas is made highly efficient by an etching process that performs radical processing of the gas to etch the surface to be processed. It becomes possible to carry out an etching process by radicalization. That is, a radical density necessary for processing at a high etching rate can be obtained. More specifically, a radical density for realizing an etching rate of ER si = 50 μm / min or more can be obtained.

ここで、試料支持台に位置する被処理材の近傍のプラズマ密度が1018−3未満になると、ERsi=50μm/minというエッチング速度を実現するために充分なラジカル量が発生せず、高いエッチングレートをもつエッチング処理ができないものとなってしまう。 Here, when the plasma density in the vicinity of the material to be processed located on the sample support is less than 10 18 m −3 , a radical amount sufficient to realize an etching rate of ER si = 50 μm / min is not generated, An etching process having a high etching rate cannot be performed.

また、上記の例にあるように真空容器容量をV〜0.5L(直径約80mm、高さ約100mmの円筒真空容器)と想定して、及びガス供給工程でガスの滞留時間が0.5msec以下である場合には、高エッチングレートの加工に必要となるよりも多くのラジカル密度を得ることができる。より具体的には、ERsi=50μm/minというエッチング速度を実現するために求められる、1分間に必要なガス供給総量を充分に供給することが可能となる。 Further, as in the above example, assuming that the vacuum container capacity is V to 0.5 L (a cylindrical vacuum container having a diameter of about 80 mm and a height of about 100 mm), and the gas residence time is 0.5 msec in the gas supply process. In the case of the following, a higher radical density can be obtained than is necessary for processing at a high etching rate. More specifically, it is possible to sufficiently supply the total gas supply amount required for one minute required to realize an etching rate of ER si = 50 μm / min.

また、高速排気が可能な真空システムを備え、ガス供給工程で導入するガスの流量が100sccm以下となる場合には、ガスの使用量が減り、加工に必要な製造コストを低減することが可能となる。   In addition, when a vacuum system capable of high-speed evacuation is provided and the flow rate of gas introduced in the gas supply process is 100 sccm or less, the amount of gas used can be reduced, and the manufacturing cost required for processing can be reduced. Become.

また、プラズマ発生部が、ヘリコン波励起プラズマ方式または電子サイクロトロン共鳴プラズマ方式を用いてプラズマを発生する場合には、1kW〜数kWという出力で、定常ガス圧が0.1〜1.0Paの範囲かつ、プラズマ密度1018-3以上のプラズマを発生させることができる。なお、ここでいうヘリコン波励起プラズマ方式は、誘導結合プラズマ方式のプラズマ源を有するものを含むものである。 When the plasma generator generates plasma using the helicon wave excitation plasma method or the electron cyclotron resonance plasma method, the output is 1 kW to several kW, and the steady gas pressure is in the range of 0.1 to 1.0 Pa. In addition, plasma having a plasma density of 10 18 m −3 or more can be generated. Here, the helicon wave excitation plasma system includes one having an inductively coupled plasma system plasma source.

また、イオン誘導工程が、試料支持台に設けた磁力線引込部を介して、プラズマ発生部及び真空チャンバ内に生起する磁場の磁力線を試料支持台に引き込み、イオンを試料支持台に対して略垂直に入射させる場合には、イオンの入射方向を制御し、形成される貫通孔の異方性を向上させることができる。より詳細には、プラズマ密度を高めてエッチング孔の底部までイオンが入射可能となり、形成される貫通孔の異方性及びエッチングレートが高まるものとなる。   In addition, the ion induction process draws the magnetic field lines generated in the plasma generation unit and the vacuum chamber into the sample support table via the magnetic field drawing unit provided on the sample support table, so that the ions are substantially perpendicular to the sample support table. In the case of being incident on the surface, the incident direction of ions can be controlled to improve the anisotropy of the formed through hole. More specifically, the plasma density is increased so that ions can enter the bottom of the etching hole, and the anisotropy and etching rate of the formed through hole are increased.

また、イオン誘導工程が、試料支持台に高周波電場を印加してイオンを制御する場合には、定常ガス圧が低い範囲にあれば、イオンの試料支持台方向への入射速度を高め、イオンスパッタリング効果によるエッチングレートを向上させることができる。   Also, when the ion induction process controls ions by applying a high-frequency electric field to the sample support, if the steady gas pressure is in a low range, the incident speed of ions toward the sample support is increased and ion sputtering is performed. The etching rate due to the effect can be improved.

本発明に係るドライエッチング方法は、優れたエッチングレートを実現可能であり、かつ、高アスペクト比の加工が可能な方法となっている。   The dry etching method according to the present invention is a method capable of realizing an excellent etching rate and capable of processing with a high aspect ratio.

本発明を適用したドライエッチング方法が可能なドライエッチング装置の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the dry etching apparatus in which the dry etching method to which this invention is applied is possible. ドライエッチング装置の構成の一部を示す概略図である。It is the schematic which shows a part of structure of a dry etching apparatus. 真空チャンバを断面的に示した図である。It is the figure which showed the vacuum chamber in cross section. 真空チャンバの一部を拡大した模式図である。It is the schematic diagram which expanded a part of vacuum chamber. ステージを磁気コイル近くに配設したときの磁力線の説明図である。It is explanatory drawing of a magnetic force line when a stage is arrange | positioned near a magnetic coil. ステージに磁力線引込部材を設けたときの磁力線の説明図である。It is explanatory drawing of a magnetic force line when the magnetic force line drawing member is provided in the stage. 定常ガス圧力とプラズマ密度との関係における各種プラズマ生成源の位置づけを示す図である。It is a figure which shows the positioning of the various plasma generation sources in the relationship between a steady gas pressure and a plasma density.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。
図1は、本発明を適用したドライエッチング方法が可能なドライエッチング装置の一例を示す概略図である。なお、以下に示す構造は本発明を適用した方法を実施する装置の一例であり、本発明の内容はこれに限定されるものではない。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings to facilitate understanding of the present invention.
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a dry etching apparatus capable of performing a dry etching method to which the present invention is applied. In addition, the structure shown below is an example of the apparatus which implements the method to which this invention is applied, and the content of this invention is not limited to this.

図1に示す本発明を適用したドライエッチング方法が可能なドライエッチング装置の一例であるドライエッチング装置1は、真空チャンバ2、高周波結合用アンテナ3、磁気コイル4、ステージ5を備えている。   A dry etching apparatus 1, which is an example of a dry etching apparatus capable of performing the dry etching method to which the present invention shown in FIG. 1 is applied, includes a vacuum chamber 2, a high frequency coupling antenna 3, a magnetic coil 4, and a stage 5.

また、ドライエッチング装置1は、プラズマ終端版6や、真空チャンバ2内のガスを排気する真空ポンプに連結されたガス排気部(図示せず)を有している。なお、図1では符号Xで供給されるガスの方向を、符号Zで排気されるガスの方向を示している。また、符号Yは、磁気コイル4によって形成される磁力線の向きを示している。   The dry etching apparatus 1 also has a gas exhaust section (not shown) connected to the plasma termination plate 6 and a vacuum pump that exhausts the gas in the vacuum chamber 2. In FIG. 1, the direction of the gas supplied by the symbol X indicates the direction of the gas exhausted by the symbol Z. The symbol Y indicates the direction of the lines of magnetic force formed by the magnetic coil 4.

本構成ではプラズマ終端版6に接続される中空管を通して、不活性ガス(Ar、Kr、Xe等)やフッ素系等のプロセスガスを真空チャンバ2内に導入する。また、導入されたプロセスガスはガス排気部を介して真空引きすることで、真空チャンバ2内が一定の定常ガス圧力に維持される。   In this configuration, an inert gas (Ar, Kr, Xe, etc.) or a fluorine-based process gas is introduced into the vacuum chamber 2 through a hollow tube connected to the plasma termination plate 6. Further, the introduced process gas is evacuated through the gas exhaust part, so that the inside of the vacuum chamber 2 is maintained at a constant steady gas pressure.

また、高周波結合用アンテナ3は、マッチングボックス7及び高周波電源8に接続されている。高周波結合用アンテナ3は高周波電源8より高周波電力が供給され、マッチングボックス7内の回路素子の各素子値を調整することによりインピーダンス整合をとって真空チャンバ2内に高周波電磁場を生起し、プロセスガスをプラズマ化する。   The high frequency coupling antenna 3 is connected to a matching box 7 and a high frequency power source 8. The high-frequency coupling antenna 3 is supplied with high-frequency power from a high-frequency power supply 8 and adjusts the element values of the circuit elements in the matching box 7 to obtain impedance matching to generate a high-frequency electromagnetic field in the vacuum chamber 2, thereby generating process gas. Is turned into plasma.

また、磁気コイル4は、真空チャンバ2内に磁力線を発生させる。プラズマ中の荷電粒子は、磁力線に巻き付くように螺旋運動しながらステージ5上に載置された試料に向けて磁力線と略平行に輸送され、試料がエッチング処理される。   Further, the magnetic coil 4 generates lines of magnetic force in the vacuum chamber 2. The charged particles in the plasma are transported substantially parallel to the magnetic lines of force toward the sample placed on the stage 5 while spirally moving so as to wrap around the magnetic lines of force, and the sample is etched.

また、磁気コイル4が生じる磁力線がステージ5の台面と略直交するようになっている。このため、イオンが磁力線に沿って飛行し、ステージ5の台面に略垂直に入射する。この結果、平滑なエッチング孔の側壁を実現、即ち、形成される貫通孔の異方性が高いものとなりエッチングレートが向上する。   Further, the lines of magnetic force generated by the magnetic coil 4 are substantially orthogonal to the stage surface of the stage 5. For this reason, ions fly along the lines of magnetic force and enter the base surface of the stage 5 substantially perpendicularly. As a result, a smooth sidewall of the etching hole is realized, that is, the formed through hole has high anisotropy, and the etching rate is improved.

図2は、ドライエッチング装置の構成の一部を示す概略図である。図2では、高周波結合用アンテナ3、磁気コイル4及びステージ5の形状と位置関係の一例を示している。また、図3は、真空チャンバを断面的に示した図である。図4は、真空チャンバの一部を拡大した模式図である。   FIG. 2 is a schematic view showing a part of the configuration of the dry etching apparatus. FIG. 2 shows an example of the shapes and positional relationships of the high-frequency coupling antenna 3, the magnetic coil 4, and the stage 5. FIG. 3 is a cross-sectional view of the vacuum chamber. FIG. 4 is an enlarged schematic view of a part of the vacuum chamber.

図2に示すように、真空チャンバ2では、プラズマ終端版6とステージ5の間に、プラズマ発生室10とプラズマ処理室11が形成されている。プラズマ終端版6はプラズマ発生室10寄りの位置に設けられている。ステージ5はステージシャフト9と接続されている。   As shown in FIG. 2, in the vacuum chamber 2, a plasma generation chamber 10 and a plasma processing chamber 11 are formed between the plasma termination plate 6 and the stage 5. The plasma termination plate 6 is provided at a position near the plasma generation chamber 10. The stage 5 is connected to the stage shaft 9.

また、ステージ5はプラズマ処理室11寄りの位置に設けられている。上記の構成により、プロセスガスが、プラズマ発生室10とプラズマ処理室11を通過して流れるものとなる。   The stage 5 is provided at a position near the plasma processing chamber 11. With the above configuration, the process gas flows through the plasma generation chamber 10 and the plasma processing chamber 11.

また、真空チャンバ2は、直径70mm、高さ1000mmの直線状の円筒型となっている。また、真空チャンバ2は、電磁波を透過する絶縁材で形成されている。真空チャンバ2は、円筒の軸方向に沿って異なる部位にプラズマ発生室10とプラズマ処理室11とが設けてある。プラズマ発生室10とプラズマ処理室11は、同じ円筒型の真空チャンバ10内に同一の直径で形成されている。   The vacuum chamber 2 has a linear cylindrical shape with a diameter of 70 mm and a height of 1000 mm. The vacuum chamber 2 is made of an insulating material that transmits electromagnetic waves. The vacuum chamber 2 is provided with a plasma generation chamber 10 and a plasma processing chamber 11 at different locations along the axial direction of the cylinder. The plasma generation chamber 10 and the plasma processing chamber 11 are formed in the same cylindrical vacuum chamber 10 with the same diameter.

更に、真空吸引ポンプを含む真空排気システムは、広い圧力領域で運転可能となっている。こうした真空排気システムの真空吸引とプラズマ終端版6に接続された中空管からのプロセスガス供給とを調整し、プラズマ発生室10で単位時間あたりに供給されるラジカルの量、及び、プラズマ発生室10内のプロセスガスのリフレッシュレートを制御することができる。   Furthermore, the vacuum exhaust system including the vacuum suction pump can be operated in a wide pressure range. The amount of radicals supplied per unit time in the plasma generation chamber 10 by adjusting the vacuum suction of such an evacuation system and the process gas supply from the hollow tube connected to the plasma terminal plate 6, and the plasma generation chamber The refresh rate of the process gas within 10 can be controlled.

プラズマ発生室10の外周面には、プラズマ発生室10の中心軸と同軸に高周波結合用アンテナ3が配設される。高周波結合用アンテナ3には、整合回路を介して高周波電源から所定周波数の高周波電力が供給される。高周波結合用アンテナ3はダブルループアンテナから構成されている。   On the outer peripheral surface of the plasma generation chamber 10, the high frequency coupling antenna 3 is disposed coaxially with the central axis of the plasma generation chamber 10. The high frequency coupling antenna 3 is supplied with high frequency power of a predetermined frequency from a high frequency power supply via a matching circuit. The high frequency coupling antenna 3 is composed of a double loop antenna.

高周波結合用アンテナ3は、電磁誘導作用でプラズマ発生室10内に高周波電場を励起し、プラズマ発生室10内を流れるプロセスガスをプラズマ化する。高周波結合用アンテナ3は、例えば、数MHz〜数百MHzの領域の数kWまでの電磁波を印加する。高周波結合用アンテナ3は、水冷方式などで冷却することが望ましい。   The high-frequency coupling antenna 3 excites a high-frequency electric field in the plasma generation chamber 10 by electromagnetic induction, and converts the process gas flowing in the plasma generation chamber 10 into plasma. The high frequency coupling antenna 3 applies, for example, an electromagnetic wave up to several kW in a region of several MHz to several hundred MHz. The high frequency coupling antenna 3 is desirably cooled by a water cooling method or the like.

プラズマ発生室10の外側かつ高周波結合用アンテナ3の外周部には、プラズマ発生室10の中心軸と同軸に、真空容器径よりも大きなリング状の磁気コイル4が配設される。磁気コイル4は、ソレノイドコイルで構成されている。   A ring-shaped magnetic coil 4 larger than the diameter of the vacuum vessel is disposed outside the plasma generation chamber 10 and on the outer periphery of the high frequency coupling antenna 3 coaxially with the central axis of the plasma generation chamber 10. The magnetic coil 4 is composed of a solenoid coil.

磁気コイル4は、プラズマ発生室10に生成されるプラズマ中に磁力線を発生する。このプラズマ中に発生する磁力線は、その少なくとも一部、例えば、円筒真空容器の中心軸近傍の磁力線が、プラズマ発生室10の中心軸と平行な直線状となる。プラズマ発生室10内のプラズマは、磁気コイル4が印加する磁場により、内部に電磁波の一種であるヘリコン波(ホイッスラー波)が励起される。   The magnetic coil 4 generates lines of magnetic force in the plasma generated in the plasma generation chamber 10. At least a part of the lines of magnetic force generated in the plasma, for example, the line of magnetic force in the vicinity of the central axis of the cylindrical vacuum vessel is a straight line parallel to the central axis of the plasma generation chamber 10. The plasma in the plasma generation chamber 10 is excited with a helicon wave (Whistler wave), which is a kind of electromagnetic wave, by the magnetic field applied by the magnetic coil 4.

また、ドライエッチング装置1では、プラズマ発生室10に生じるイオンの平均自由行程はシース厚よりも長いものとなっている。具体的には、真空チャンバ2は、イオンが、ウェハに衝突するまでにガス粒子と衝突する確率(衝突率)が一定以下となる定常ガス圧力0.1〜1.0Pa範囲内に減圧されている。   In the dry etching apparatus 1, the mean free path of ions generated in the plasma generation chamber 10 is longer than the sheath thickness. Specifically, the vacuum chamber 2 is depressurized within a steady gas pressure range of 0.1 to 1.0 Pa, where the probability that the ions collide with gas particles (collision rate) before colliding with the wafer is below a certain level. Yes.

真空チャンバ2内の圧力及び磁場強度は、ウェハの直上において、イオンのホールパラメータが1より十分に大きくなるように調整されており、イオンの平均自由行程が高周波結合用アンテナ3とステージ5との距離以上に確保されるものとなっている。イオンのホールパラメータは、真空チャンバ2内の圧力と磁場を制御することにより調整することができる。なお、ホールパラメータhは、サイクロトロン周波数ω/2πと主にはイオンと中性粒子の衝突周波数νを用いて、下記[数7]式にて表される。 The pressure and magnetic field intensity in the vacuum chamber 2 are adjusted so that the hole parameter of ions is sufficiently larger than 1 immediately above the wafer, and the mean free path of ions is between the high frequency coupling antenna 3 and the stage 5. It is secured more than the distance. The hole parameters of ions can be adjusted by controlling the pressure and magnetic field in the vacuum chamber 2. The Hall parameter h is expressed by the following [Equation 7] using the cyclotron frequency ω c / 2π and mainly the collision frequency ν of ions and neutral particles.

ここで、真空チャンバ2の形状は円筒形に限定されるものではなく、例えば、角形、テーパーのある円筒状の構造等、様々な形状を採用可能である。   Here, the shape of the vacuum chamber 2 is not limited to a cylindrical shape, and various shapes such as a square shape and a tapered cylindrical structure can be employed.

また、必ずしも、真空チャンバ2の大きさが、直径70mm、高さ1000mmの円筒型に限定される必要はない。即ち、真空部分の容積が小さな小型装置に限定されるものではない。但し、小型装置を用いることで、以下の利点が生じる。   Further, the size of the vacuum chamber 2 is not necessarily limited to a cylindrical shape having a diameter of 70 mm and a height of 1000 mm. That is, the present invention is not limited to a small apparatus having a small vacuum part volume. However, the use of a small device has the following advantages.

一般的に、装置を小型化すると、プラズマがチャンバ側壁に衝突して消滅するためプラズマ密度が上昇しないと言われてきた。しかしながら、本発明を適用したドライエッチング方法で採用する電磁場励起プラズマ生成源は、装置を小型化してもインピーダンス整合をとった高周波励起アンテナにより生起される電磁場励起プラズマを用いることによって、プラズマ密度を高密度に保つことができる。小型装置の場合は、定常ガス圧力と、真空ポンプの排気速度を一定にした際に、1分間あたりに容器内に投入できるガス量が大きくなる。1分間あたりに容器内に投入できるガス供給量が大きくなることで、高いエッチングレートを得るために必要なラジカル総量を得ることができる。また、ガスのリフレッシュレートが短くなるので、排気速度の小さな真空ポンプでの高速プロセスが可能となる。なお、大型の真空容器を用いた場合にも、排気に用いる真空ポンプの排気速度が高ければ、本発明を実施することが可能である。   In general, it has been said that when the apparatus is downsized, the plasma does not increase because the plasma collides with the side wall of the chamber and disappears. However, the electromagnetic field excitation plasma generation source employed in the dry etching method to which the present invention is applied increases the plasma density by using the electromagnetic field excitation plasma generated by the high frequency excitation antenna that has impedance matching even if the apparatus is downsized. Can be kept in density. In the case of a small apparatus, when the steady gas pressure and the pumping speed of the vacuum pump are made constant, the amount of gas that can be introduced into the container per minute increases. By increasing the amount of gas supply that can be introduced into the container per minute, the total amount of radicals necessary for obtaining a high etching rate can be obtained. In addition, since the gas refresh rate is shortened, a high-speed process with a vacuum pump with a low exhaust speed is possible. Even when a large vacuum vessel is used, the present invention can be implemented if the exhaust speed of the vacuum pump used for exhaust is high.

また、必ずしも、プラズマ発生室10とプラズマ処理室11が、同じ円筒型の真空チャンバ2内に同一の直径で形成される必要はない。但し、本発明では、磁気コイルにより生起される軸方向磁力線によるプラズマ閉じ込め効果により、真空容器側壁面へのプラズマの消失を低減できる点から、プラズマ発生室10とプラズマ処理室11が、同じ円筒型の真空チャンバ2内に同一の直径で形成されても良い。   In addition, the plasma generation chamber 10 and the plasma processing chamber 11 do not necessarily have the same diameter in the same cylindrical vacuum chamber 2. However, in the present invention, the plasma generation chamber 10 and the plasma processing chamber 11 are the same cylindrical shape because the plasma confinement effect due to the axial magnetic field lines generated by the magnetic coil can reduce the disappearance of the plasma on the side wall surface of the vacuum vessel. The vacuum chamber 2 may be formed with the same diameter.

また、真空チャンバ2を形成する絶縁体は限定されるものではないが、体積抵抗率が高い程好ましい。例えば、熱膨張率を下げた耐熱ガラス、石英ガラス、セラミックス管等を用いることができる。   Further, the insulator forming the vacuum chamber 2 is not limited, but the higher the volume resistivity, the better. For example, heat-resistant glass, quartz glass, ceramic tubes, etc. with a reduced coefficient of thermal expansion can be used.

また、高周波結合用アンテナ3の種類はダブルループアンテナに限定されるものではなく、シングル、ヘリカル、ボズウェル等の各種の励起アンテナを用いることができる。   The type of the high-frequency coupling antenna 3 is not limited to the double loop antenna, and various types of excitation antennas such as single, helical, and boswell can be used.

また、必ずしも磁気コイル4がソレノイドコイルで構成される必要はなく、プラズマ発生室10に生成されるプラズマ中に磁力線を発生するものであれば充分である。例えば、ソレノイドコイルの代わりに、プラズマ発生室10の中心軸と同一の軸方向に磁化された永久磁石等を用いることができる。   Further, the magnetic coil 4 does not necessarily need to be constituted by a solenoid coil, and it is sufficient if it generates magnetic lines of force in the plasma generated in the plasma generation chamber 10. For example, a permanent magnet or the like magnetized in the same axial direction as the central axis of the plasma generation chamber 10 can be used instead of the solenoid coil.

また、磁気コイル4は、プラズマ発生室10内に発生してプラズマを輸送する真空円筒容器の中心軸近傍の磁力線Bが真空チャンバ2の内側壁と交差しないのであれば、軸方向に収束・発散する磁場配位で磁力線Bを発生してもよい。   The magnetic coil 4 converges and diverges in the axial direction if the magnetic field lines B near the central axis of the vacuum cylindrical container that is generated in the plasma generation chamber 10 and transports the plasma do not intersect the inner wall of the vacuum chamber 2. Magnetic field lines B may be generated in a magnetic field configuration.

図3に示すように、プラズマ処理室11内には、試料支持台としてのステージ5が配置されている。ステージ5の台面は、磁気コイル4が印加する磁場と垂直に交差するように配置されている。ステージ5の上面には、エッチング処理が施されるウェハ12が載置される。   As shown in FIG. 3, a stage 5 as a sample support is disposed in the plasma processing chamber 11. The stage surface of the stage 5 is disposed so as to intersect perpendicularly with the magnetic field applied by the magnetic coil 4. A wafer 12 to be etched is placed on the upper surface of the stage 5.

また、ステージ5のウェハ12の載置面の反対側には、バイアス電圧印加用電極13と、磁力線引込部材としての永久磁石14が配置されている。また、ステージ5は、所定の温度範囲で温度が調節可能な温度調節機構を有している。   Further, on the opposite side of the stage 5 from the mounting surface of the wafer 12, a bias voltage applying electrode 13 and a permanent magnet 14 as a magnetic line drawing member are arranged. Further, the stage 5 has a temperature adjustment mechanism capable of adjusting the temperature within a predetermined temperature range.

バイアス電圧印加用電極13は、真空チャンバ2外のブロッキングコンデンサとマッチングボックスを介して高周波電源に接続され、例えば、13.56MHzの高周波電力を印加してRFバイアスを印加する。バイアス電圧を調整することで、イオンの入射速度を調整することができる。   The bias voltage application electrode 13 is connected to a high frequency power source via a blocking capacitor outside the vacuum chamber 2 and a matching box, and applies an RF bias by applying a high frequency power of 13.56 MHz, for example. By adjusting the bias voltage, the incident speed of ions can be adjusted.

図4に示すように、磁気コイル4が発生した磁力線Bが、ステージ5の台面と直交するように構成してある。通常、リング状の磁気コイル4が発生した磁場の磁力線Bは、磁気コイル4から離れるほど発散するため、磁力線Bの全てを台面と直交するようにステージ5を配置することは難しい。ここで、永久磁石14を設けることで、磁力線Bをステージ5に引き込むことが可能となる。   As shown in FIG. 4, the magnetic field lines B generated by the magnetic coil 4 are configured to be orthogonal to the stage surface of the stage 5. Usually, the magnetic field lines B of the magnetic field generated by the ring-shaped magnetic coil 4 diverge as the distance from the magnetic coil 4, so it is difficult to arrange the stage 5 so that all the magnetic field lines B are orthogonal to the base surface. Here, by providing the permanent magnet 14, the magnetic field lines B can be drawn into the stage 5.

永久磁石14による引き込み磁場の形成範囲は、ステージ5の台面上、ウェハ12が載置される範囲を含むように設定されている。磁力線Bをステージ5の台面と直交させることにより、イオンがステージ5の台面に略垂直に入射するようになる。この結果、ウェハ12に形成されるエッチング孔の底部までイオンが入射し、平滑な側壁形状でありマスクに忠実なサイズのエッチング孔が形成可能となる。また、イオン−中性粒子間の運動量輸送効果によりエッチング速度の向上にも寄与する。   The range in which the magnetic field is drawn by the permanent magnet 14 is set so as to include the range where the wafer 12 is placed on the stage surface of the stage 5. By making the magnetic field lines B perpendicular to the stage surface of the stage 5, ions are incident on the stage surface of the stage 5 substantially perpendicularly. As a result, ions enter the bottom of the etching hole formed in the wafer 12, and an etching hole having a smooth side wall shape and a size faithful to the mask can be formed. In addition, the momentum transport effect between ions and neutral particles contributes to the improvement of the etching rate.

ここで、必ずしも、磁力線引込部材が永久磁石14で構成される必要はなく、磁気コイル4が発生する磁力線を引きこみ可能であれば充分である。例えば、ステージ5と同心円状となるように配置したソレノイドコイルを採用することもできる。   Here, the magnetic force line drawing member does not necessarily need to be constituted by the permanent magnet 14, and it is sufficient if the magnetic force lines generated by the magnetic coil 4 can be drawn. For example, a solenoid coil arranged so as to be concentric with the stage 5 may be employed.

また、必ずしも、ステージ5が温度調節機構を有する必要はない。但し、エッチングで加熱されたウェハを冷却し、ウェハの熱的ダメージを低減できる点や、ステージ5を加熱することによりエッチング反応速度を制御できる場合がある点から、ステージ5が温度調節機構を有することが好ましい。また、温度調節範囲としては、例えば、−100℃〜100℃の範囲での調節が考えられる。   Moreover, the stage 5 does not necessarily need to have a temperature adjustment mechanism. However, the stage 5 has a temperature adjustment mechanism because the wafer heated by etching can be cooled to reduce the thermal damage of the wafer and the etching reaction rate can be controlled by heating the stage 5. It is preferable. Moreover, as a temperature control range, the adjustment in the range of -100 degreeC-100 degreeC can be considered, for example.

磁力線Bをステージ5の台面と直交させる構造としては、図5に示すようなものも採用しうる。図5に示す構造では、ステージ5を磁気コイル4の近くに配設することで、ステージ5の台面に垂直に入射する磁力線Bの割合を増加させている。   As a structure in which the magnetic field lines B are orthogonal to the stage surface of the stage 5, the structure shown in FIG. In the structure shown in FIG. 5, by arranging the stage 5 near the magnetic coil 4, the ratio of the lines of magnetic force B incident perpendicularly to the stage surface of the stage 5 is increased.

ステージ5は、磁力線Bが発散し始める位置P1よりも磁気コイル4側寄りの位置に配置されている。これにより、磁力線Bは、ウェハ12の中心から周縁まで略垂直且つ均一に入射することになる。なお、図6には、比較として、前述した磁力線引込部材として永久磁石14を配置した際の磁力線の様子を示している。   The stage 5 is disposed at a position closer to the magnetic coil 4 than the position P1 at which the magnetic field lines B start to diverge. As a result, the magnetic lines of force B are incident substantially vertically and uniformly from the center to the periphery of the wafer 12. In addition, in FIG. 6, the mode of the magnetic force line at the time of arrange | positioning the permanent magnet 14 as a magnetic force line drawing member mentioned above is shown as a comparison.

前述したドライエッチング装置1は、プラズマ生成源としてヘリコン波励起プラズマ方式を採用しているが、本発明を適用したドライエッチング方法では、電子サイクロトロン共鳴プラズマ(ECR)方式をプラズマ生成源として利用することも可能である。   The dry etching apparatus 1 described above employs a helicon wave excitation plasma method as a plasma generation source. However, in the dry etching method to which the present invention is applied, an electron cyclotron resonance plasma (ECR) method is used as a plasma generation source. Is also possible.

ECR方式をプラズマ生成源として利用する場合には、定常ガス圧が0.1〜1.0Paの範囲で、ヘリコン波方式と同等のプラズマ密度を得ることができる。ECR方式では、発散型の磁場配位となるため、プラズマの消失を減らすために拡散型チャンバを用いることが一般的である。また、前述した構造と同様に、ステージに磁力線引込部材としての永久磁石を配置して、磁力線をステージに垂直に引き込む形状にすることも可能である。   When the ECR method is used as a plasma generation source, a plasma density equivalent to that of the helicon wave method can be obtained when the steady gas pressure is in the range of 0.1 to 1.0 Pa. Since the ECR system has a divergent magnetic field configuration, it is common to use a diffusion chamber in order to reduce the disappearance of plasma. Similarly to the structure described above, it is also possible to arrange a permanent magnet as a magnetic force line drawing member on the stage so that the magnetic force lines are drawn vertically to the stage.

図7には各種プラズマ生成源を定常ガス圧力とプラズマ密度で分類した図を示している。本発明を適用したドライエッチング方法では、定常ガス圧力0.1〜1.0Paの範囲で、プラズマ密度1018−3を実現できるプラズマ生成源として、符号15で示すヘリコン波励起プラズマ方式、または、符号16で示す電子サイクロトロン共鳴プラズマ(ECR)方式が採用される。なお、符号17は誘導結合プラズマ(ICP)方式、符号18はICPを改良したBeamed-ICP方式またはMSC-ICP(Multi Spiral Coil:MSC)方式、符号19はMagnetically Enhanced-CCP方式、符号20は容量結合プラズマ(Capacitively Coupled Plasma:CCP)方式、符号21はHIPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputtering)方式またはMagnetron方式を示している。 FIG. 7 shows a diagram in which various plasma generation sources are classified by steady gas pressure and plasma density. In the dry etching method to which the present invention is applied, a helicon wave excitation plasma method denoted by reference numeral 15 as a plasma generation source capable of realizing a plasma density of 10 18 m −3 in a range of a steady gas pressure of 0.1 to 1.0 Pa, or , The electron cyclotron resonance plasma (ECR) system indicated by reference numeral 16 is employed. Reference numeral 17 is an inductively coupled plasma (ICP) system, reference numeral 18 is a beamed-ICP system or MSC-ICP (Multi Spiral Coil: MSC) system with improved ICP, reference numeral 19 is a Magnetically Enhanced-CCP system, and reference numeral 20 is a capacity. A coupled plasma (CCP) system, reference numeral 21 indicates a high power impulse magnetron sputtering (HIPIMS) system or a magnetron system.

以上のように構成されたドライエッチング装置1では、プラズマ終端版6に接続された中空管からプロセスガスがプラズマ発生室10に導入され、同時にガス排気部(図示せず)から真空引きすることによって、プラズマ発生室10及びプラズマ処理室11内で、定常ガス圧が0.1〜1.0Paの範囲に維持される。   In the dry etching apparatus 1 configured as described above, the process gas is introduced into the plasma generation chamber 10 from the hollow tube connected to the plasma terminal plate 6 and simultaneously evacuated from the gas exhaust unit (not shown). Thus, the steady gas pressure is maintained in the range of 0.1 to 1.0 Pa in the plasma generation chamber 10 and the plasma processing chamber 11.

また、プロセスガスの真空チャンバ2内のガス滞留時間は、0.5〜60msecであり、ERsi=50μm/min以上のエッチング速度を実現すべく、1分間に供給されるプロセスガスのガス総量を1.0×1017cm-3以上としている。 Further, the gas residence time of the process gas in the vacuum chamber 2 is 0.5 to 60 msec, and the total amount of the process gas supplied per minute is set to realize an etching rate of ER si = 50 μm / min or more. 1.0 × 10 17 cm −3 or more.

この状態で、高周波結合用アンテナ3によってプラズマ発生室10に所定の高周波電圧の高周波信号を印加しつつ、磁気コイル4によってプラズマ発生室10内に所定の磁場を形成すると、プラズマ発生室10内にヘリコンプラズマの電磁場励起プラズマが励起される。この際、ウェハ12近傍のプラズマ密度は1018-3が可能となる。 In this state, when a predetermined magnetic field is formed in the plasma generation chamber 10 by the magnetic coil 4 while applying a high frequency signal of a predetermined high frequency voltage to the plasma generation chamber 10 by the high frequency coupling antenna 3, The electromagnetic field excitation plasma of helicon plasma is excited. At this time, the plasma density in the vicinity of the wafer 12 can be 10 18 m −3 .

この電磁場励起プラズマ中の荷電粒子は、磁力線Bに巻き付くように螺旋運動しながらプラズマ処理室11のステージ5上に載置されたウェハ12に向けて磁力線Bと略平行に輸送される。これにより、ウェハ12がエッチング処理される。   The charged particles in the electromagnetic field excited plasma are transported substantially parallel to the magnetic force lines B toward the wafer 12 placed on the stage 5 of the plasma processing chamber 11 while spirally moving so as to wrap around the magnetic force lines B. Thereby, the wafer 12 is etched.

また、ステージ5に印加するRFバイアスを、使用する処理ガスや雰囲気に応じて変更することにより、シース中のイオン加速を制御して、ウェハ12に応じた適切なプラズマ処理を実現することができる。   Further, by changing the RF bias applied to the stage 5 according to the processing gas and atmosphere to be used, ion acceleration in the sheath can be controlled, and appropriate plasma processing according to the wafer 12 can be realized. .

ウェハ12のエッチングは、原則、ラジカルと被エッチング面との反応によって進行するが、被エッチング面にイオンを入射させるとイオンアシスト効果によってエッチングが加速される。   The etching of the wafer 12 proceeds in principle by the reaction between radicals and the surface to be etched, but when ions are incident on the surface to be etched, the etching is accelerated by the ion assist effect.

イオンアシスト効果によるエッチングの加速は、イオンのシース端における入射速度及びシース内の電圧降下が大きくなる場合によっても生じるため、ウェハ12へのイオン突入速度を高めるほどエッチング速度を加速できる。イオンアシストによるエッチングは、イオンの衝突方向への異方性を持って進行するため、イオンアシスト用イオンの突入方向を揃えることにより、エッチング孔の側壁形状を平滑に形成できる。   Etching acceleration due to the ion assist effect also occurs depending on the case where the ion incidence speed at the sheath end and the voltage drop in the sheath increase, so that the etching speed can be accelerated as the ion entry speed into the wafer 12 is increased. Since the etching with ion assist proceeds with anisotropy in the ion collision direction, the sidewall shape of the etching hole can be formed smoothly by aligning the ion assisting ion entry direction.

また、ラジカルによるエッチングの進行方向も、定常ガス圧力が高いとラジカルの散乱が生じ、斜め入射の確率が高まりエッチングの異方性が低下するが、定常ガス圧力を低くすることで、ラジカルとイオンの散乱による貫通孔の側壁面への粒子の入射確率が低減されて良好な異方性エッチングを実現できる。   Also, in the direction of etching by radicals, if the steady gas pressure is high, radical scattering occurs, and the probability of oblique incidence increases and etching anisotropy decreases. However, by reducing the steady gas pressure, radicals and ions are reduced. The probability of incidence of particles on the side wall surface of the through-hole due to scattering of light is reduced, and favorable anisotropic etching can be realized.

本発明を適用したドライエッチング方法では、ラジカル発生源としてのガス粒子の供給を増やし、ガス粒子との衝突によるイオン散乱確率が低下する程度に定常ガス圧力を低くすることで、効率的な異方性エッチングを実現できる。   In the dry etching method to which the present invention is applied, the supply of gas particles as a radical source is increased, and the steady gas pressure is lowered to such an extent that the probability of ion scattering due to collision with the gas particles is reduced. Etching can be realized.

イオンは、進行方向を向いて右回りに回転して磁力線Bに平行に運動する。イオンは磁場方向に沿う磁束を中心に磁力線Bに巻き付くように螺旋運動しつつ、散乱が生じなければ磁場に平行な方向に搬送される。   The ions move in the direction of travel and rotate clockwise to move parallel to the magnetic field lines B. The ions are spirally moved around the magnetic field lines B around the magnetic flux along the magnetic field direction, and are transported in a direction parallel to the magnetic field if no scattering occurs.

これにより、イオンがエッチング孔の底部に到達するまでに他のガス粒子と衝突する衝突率が抑制され、エッチングの高速化に寄与するとともに、イオンの真空チャンバ側壁への衝突を低減することができ、プラズマの損失が低減される。   As a result, the collision rate with which ions collide with other gas particles before reaching the bottom of the etching hole is suppressed, which contributes to high-speed etching and reduces collision of ions with the vacuum chamber side wall. , Plasma loss is reduced.

また、電磁場励起プラズマの荷電粒子(ここではイオン)は、磁束密度が高まるほど密度が上昇するため、ウェハへ突入するプラズマの荷電粒子数が増加する。これによりウェハへのプラズマの荷電粒子の突入確率が上昇し、エッチング速度が高まる特性を有する。   Moreover, since the density of the charged particles (here, ions) of the electromagnetic field excitation plasma increases as the magnetic flux density increases, the number of charged particles of the plasma entering the wafer increases. This increases the probability of plasma charged particles entering the wafer and increases the etching rate.

プラズマ発生室10からステージ5の間では、直線磁場又は収束磁場となっており、イオンは、プラズマ発生室10からステージ5に至るまでプラズマシース(ウェハ直上の数ミリの領域)の電位により定まる初期速度を持って入射する。これにより、ウェハのエッチング速度が向上する。   Between the plasma generation chamber 10 and the stage 5, there is a linear magnetic field or a converging magnetic field, and ions are initially determined by the potential of the plasma sheath (a few millimeters directly above the wafer) from the plasma generation chamber 10 to the stage 5. Incident with velocity. This improves the wafer etching rate.

更に、ステージ5に高周波のRFバイアスを加えるバイアス電圧印加用電極13を設けてある。このRFバイアスもステージ5の台面に略垂直方向に生起されるものであり、このRFバイアスと前述したプラズマ電位との電位差により、イオンの突入速度が更に高まり、ウェハ12のエッチング速度が更に向上する。   Further, a bias voltage applying electrode 13 for applying a high frequency RF bias to the stage 5 is provided. This RF bias is also generated in a direction substantially perpendicular to the stage surface of the stage 5, and due to the potential difference between the RF bias and the above-described plasma potential, the ion entry speed is further increased, and the etching speed of the wafer 12 is further improved. .

ドライエッチング装置1は、TSV用の貫通孔をエッチングで50μm/min以上の高速で形成するため、従来に比して単位時間あたりに供給されるガス供給量を多くしてある(通常の100〜1000倍)。具体的には、プロセスガスが1分間に供給されるガス総量は1.0×1017cm-3以上となる。 Since the dry etching apparatus 1 forms TSV through holes at a high speed of 50 μm / min or more by etching, the gas supply amount supplied per unit time is increased as compared with the conventional case (normally 100 to 100 μm / min). 1000 times). Specifically, the total amount of gas that is supplied with the process gas in one minute is 1.0 × 10 17 cm −3 or more.

単位時間当たりに供給されるガス供給量が増加すると、プラズマ生成に伴い生成されるラジカル量も増加する。そして、ラジカル量が増加すると、エッチング速度が向上する。   As the amount of gas supplied per unit time increases, the amount of radicals generated with plasma generation also increases. And when the amount of radicals increases, an etching rate will improve.

ただし、ガス供給量を増やしても、定常ガス圧力が高いとイオンの平均自由行程が短くなりエッチング速度が低下してしまう。そこで、ドライエッチング装置1では、真空チャンバ2のガスリフレッシュレートを高めることにより、真空チャンバ2内の定常ガス圧力を従来よりも低くしてある。具体的には、定常ガス圧が0.1〜1.0Paの範囲に維持される。   However, even if the gas supply amount is increased, if the steady gas pressure is high, the mean free path of ions is shortened and the etching rate is lowered. Therefore, in the dry etching apparatus 1, the steady gas pressure in the vacuum chamber 2 is made lower than before by increasing the gas refresh rate of the vacuum chamber 2. Specifically, the steady gas pressure is maintained in the range of 0.1 to 1.0 Pa.

一方で、円筒型の真空チャンバ2の直径は、チャンバ内のガス平均自由行程よりも短くしてもよい。ドライエッチング装置1では、ヘリコン波型プラズマ生成方式を用いており、プラズマ密度が高いこと、直線磁場でウェハまでイオンを導くことにより、側壁にプラズマが衝突して消滅する確率を低減させることができるためである。
なお、前述したように、プラズマ生成源としては、ECR方式も採用しうる。
On the other hand, the diameter of the cylindrical vacuum chamber 2 may be shorter than the gas mean free path in the chamber. The dry etching apparatus 1 uses the helicon wave type plasma generation method, and can reduce the probability that the plasma collides with the side wall and disappears by guiding the ions to the wafer with a linear magnetic field. Because.
As described above, an ECR method can also be adopted as the plasma generation source.

また、チャンバ内の定常ガス圧力は、上述したホールパラメータhを1より充分に大きくすることで、チャンバ内のイオンの平均自由行程が高周波結合用アンテナ3とステージ5との距離以上に確保される程度に調整されている。   Further, the steady gas pressure in the chamber is such that the above-described Hall parameter h is sufficiently larger than 1 so that the mean free path of ions in the chamber is more than the distance between the high frequency coupling antenna 3 and the stage 5. It is adjusted to the degree.

この結果、磁力線Bに沿ってウェハ12まで輸送されるイオンが、ウェハ12のエッチング孔の底面に到達する前にイオン散乱を生じる確率を可及的に低下し、真空チャンバの壁面に衝突してプラズマが損失する事を低減できる。これにより、エッチングに係るラジカル量の増加に加えて、イオンアシストによる掘削力も向上し、エッチング速度が更に向上する。   As a result, the probability that ions transported to the wafer 12 along the magnetic field lines B will cause ion scattering before reaching the bottom surface of the etching hole of the wafer 12 is reduced as much as possible, and collides with the wall surface of the vacuum chamber. Loss of plasma can be reduced. Thereby, in addition to the increase in the amount of radicals related to etching, the excavation force by ion assist is also improved, and the etching rate is further improved.

ドライエッチング装置1では、プラズマ発生室10とステージ5の間に発生する磁力線Bがステージ5の台面と略直交するようになっている。このため、イオンが磁力線Bに沿って飛行することとなり、ステージ5の台面に垂直に入射する。この結果、平滑なエッチング孔の側壁を実現することができる。   In the dry etching apparatus 1, the lines of magnetic force B generated between the plasma generation chamber 10 and the stage 5 are substantially perpendicular to the stage surface of the stage 5. For this reason, the ions fly along the magnetic field lines B, and enter the base surface of the stage 5 perpendicularly. As a result, a smooth sidewall of the etching hole can be realized.

更に、ウェハ12と交差する磁力線Bは、ウェハ12の平面に対して略垂直にしてあるが、プラズマ発生室10とステージ5の途中位置で磁場をいったん収束させて、ステージ5付近の磁束密度をプラズマ発生室10付近に比べて高めてもよい。ステージ5付近の磁束密度を高めると、ステージ5近傍でのプラズマ密度が高まり、エッチング速度が向上する。   Further, the magnetic field lines B intersecting the wafer 12 are substantially perpendicular to the plane of the wafer 12, but once the magnetic field is converged in the middle of the plasma generation chamber 10 and the stage 5, the magnetic flux density near the stage 5 is increased. You may raise compared with the plasma generation chamber 10 vicinity. Increasing the magnetic flux density near the stage 5 increases the plasma density near the stage 5 and improves the etching rate.

また、ステージ5上に載置されるウェハ12が、電磁場励起プラズマ中を伝搬する電磁波の腹又は節の位置に来るようにステージ5の位置を調整することが好ましい。軸方向境界(ステージ5)が電気絶縁性材料(もしくは全体として電気絶縁性材料)である場合は、ウェハ12が電磁波の腹の位置になるように調整し、軸方向境界が導体材料(もしくは全体として導体材料)である場合は、ウェハ12が電磁波の節の位置になるように調整することができる。   Further, it is preferable to adjust the position of the stage 5 so that the wafer 12 placed on the stage 5 comes to the position of the antinode or node of the electromagnetic wave propagating in the electromagnetic field excited plasma. When the axial boundary (stage 5) is an electrically insulating material (or an electrically insulating material as a whole), the wafer 12 is adjusted so as to be in the antinode position of the electromagnetic wave, and the axial boundary is a conductor material (or the entire material). In this case, the wafer 12 can be adjusted so as to be positioned at the node of the electromagnetic wave.

また、本発明を適用したドライエッチング方法では、エッチング速度や、100nm以下の微精細なプラズマエッチングへの応用に向けて、以下の点を調整することも可能である。   Moreover, in the dry etching method to which the present invention is applied, the following points can be adjusted for application to etching rate and fine plasma etching of 100 nm or less.

まず、粒子拡散時間を考慮したパルス長(ms以下)や、昇温を抑えるために短くしたパルス長(1s以下)を用いて、パルス電力投入を調整することが考えられる。パルス電力のONとOFFを制御してプラズマを断続的に生成し、アンテナの発熱を低減させる。   First, it is conceivable to adjust the pulse power input using a pulse length (ms or less) considering the particle diffusion time or a pulse length (1 s or less) shortened to suppress the temperature rise. Plasma is generated intermittently by controlling ON / OFF of the pulse power, and the heat generation of the antenna is reduced.

また、バイアス電圧の電圧値を調整し、イオンがウェハに入射する速度を変えることができる。特に、バイアス電圧を大きくすることでイオンの加速効果が高まり、エッチング速度を向上させることができる。   In addition, the voltage value of the bias voltage can be adjusted to change the speed at which ions are incident on the wafer. In particular, by increasing the bias voltage, the effect of accelerating ions can be increased, and the etching rate can be improved.

また、アンテナ構成やプラズマ生成源に併せて、高周波電源の周波数を数MHz〜数GHzの範囲で調整することが考慮される。   In addition, it is considered that the frequency of the high-frequency power source is adjusted in the range of several MHz to several GHz in accordance with the antenna configuration and the plasma generation source.

また、供給するプロセスガスのガス流量を数sccm〜100sccmの範囲で調節し、ガス使用量を減らすこともできる。   In addition, the amount of gas used can be reduced by adjusting the gas flow rate of the process gas to be supplied in the range of several sccm to 100 sccm.

更に、バッフル板の挿入や、ゲートバルブの開閉構造を設けることで真空コンダクタンスの調整を行い、定常ガス圧を調整することも可能である。   Furthermore, the steady gas pressure can be adjusted by adjusting the vacuum conductance by inserting a baffle plate or providing a gate valve opening / closing structure.

以上のように、本発明のドライエッチング方法は、優れたエッチングレートを実現可能であり、かつ、高アスペクト比の加工が可能な方法となっている。   As described above, the dry etching method of the present invention can realize an excellent etching rate and can be processed with a high aspect ratio.

1 ドライエッチング装置
2 真空チャンバ
3 高周波結合用アンテナ
4 磁気コイル
5 ステージ
6 プラズマ終端版
7 マッチングボックス
8 RF電源
9 ステージシャフト
10 プラズマ発生室
11 プラズマ処理室
12 ウェハ
13 バイアス電圧印加用電極
14 永久磁石
15 ヘリコン波励起プラズマ方式
16 電子サイクロトロン共鳴プラズマ(ECR)方式
17 誘導結合プラズマ(ICP)方式
18 Beamed-ICP方式またはMSC-ICP(Multi Spiral Coil:MSC)方式
19 Magnetically Enhanced-CCP方式
20 容量結合プラズマ(Capacitively Coupled Plasma:CCP)方式
21 HIPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputtering)方式またはMagnetron方式
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Dry etching apparatus 2 Vacuum chamber 3 High frequency coupling antenna 4 Magnetic coil 5 Stage 6 Plasma termination plate 7 Matching box 8 RF power source 9 Stage shaft 10 Plasma generation chamber 11 Plasma processing chamber 12 Wafer 13 Electrode for bias voltage application 14 Permanent magnet 15 Helicon wave excited plasma method 16 Electron cyclotron resonance plasma (ECR) method 17 Inductively coupled plasma (ICP) method 18 Beamed-ICP method or MSC-ICP (Multi Spiral Coil: MSC) method 19 Magnetically Enhanced-CCP method 20 Capacitively coupled plasma ( Capacitively Coupled Plasma (CCP) method 21 HIPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering) method or Magnetron method

Claims (6)

真空チャンバ内に電磁場励起プラズマを発生させるプラズマ発生部が生ずるイオンの平均自由行程を被処理材の表面に生じるシース厚よりも長くして、定常ガス圧が0.1〜1.0Paの範囲で、かつ、1分間に供給するガス総量が1.0×1017cm-3以上となる様に、ガスを前記真空チャンバ内に供給するガス供給工程と、
前記プラズマ発生部が生ずるイオンを前記真空チャンバ内に配置される試料支持台に位置する被処理材に誘導するイオン誘導工程と、
前記被処理材の近傍のプラズマ密度を1018-3以上とし、前記ガスをラジカル化して前記被処理材の被処理面をエッチング処理するエッチング処理工程とを備える
ドライエッチング方法。
In the vacuum chamber, the mean free path of ions generated by the plasma generating part for generating electromagnetic field excited plasma is made longer than the sheath thickness generated on the surface of the material to be processed, and the steady gas pressure is in the range of 0.1 to 1.0 Pa. And a gas supply step of supplying gas into the vacuum chamber such that the total amount of gas supplied per minute is 1.0 × 10 17 cm −3 or more,
An ion induction step of inducing ions generated by the plasma generation unit to a material to be processed located on a sample support placed in the vacuum chamber;
A dry etching method, comprising: an etching process step in which a plasma density in the vicinity of the material to be processed is set to 10 18 m −3 or more, and the gas is radicalized to etch a surface to be processed of the material to be processed.
前記ガス供給工程は、前記ガスの滞留時間が0.5msec以下となる様に、ガスを前記真空チャンバ内に供給する
請求項1に記載のドライエッチング方法。
The dry etching method according to claim 1, wherein the gas supply step supplies gas into the vacuum chamber so that a residence time of the gas is 0.5 msec or less.
前記ガス供給工程は、導入する前記ガスの流量が100sccm以下となる様に、ガスを前記真空チャンバ内に供給する
請求項1または請求項2に記載のドライエッチング方法。
3. The dry etching method according to claim 1, wherein in the gas supply step, a gas is supplied into the vacuum chamber so that a flow rate of the introduced gas is 100 sccm or less.
前記プラズマ発生部は、ヘリコン波励起プラズマ方式または電子サイクロトロン共鳴プラズマ方式を用いてプラズマを発生する
請求項1、請求項2または請求項3に記載のドライエッチング方法。
The dry etching method according to claim 1, wherein the plasma generation unit generates plasma using a helicon wave excitation plasma method or an electron cyclotron resonance plasma method.
前記イオン誘導工程は、前記試料支持台に設けた磁力線引込部を介して、前記プラズマ発生部及び前記真空チャンバ内に生起する磁場の磁力線を同試料支持台に引き込み、イオンを同試料支持台に対して略垂直に入射させる
請求項1、請求項2、請求項3または請求項4に記載のドライエッチング方法。
In the ion induction step, magnetic force lines of magnetic fields generated in the plasma generation unit and the vacuum chamber are drawn into the sample support table via a magnetic line drawing unit provided on the sample support table, and ions are supplied to the sample support table. 5. The dry etching method according to claim 1, 2, 3 or 4, wherein the light is incident substantially perpendicularly.
前記イオン誘導工程は、前記試料支持台に高周波電場を印加してイオンを制御する
請求項1、請求項2、請求項3、請求項4または請求項5に記載のドライエッチング方法。
The dry etching method according to claim 1, wherein the ion induction step controls ions by applying a high-frequency electric field to the sample support.
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