JP3920015B2 - Ｓｉ基板の加工方法 - Google Patents

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    • H01J2237/3347—Problems associated with etching bottom of holes or trenches

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶Ｓｉ基板に対し高速でエッチングを含む加工を施すＳｉ基板の加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、デバイス構造を三次元的にした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Ｓｉ基板やメモリを形成した単結晶Ｓｉ基板等を複数重ね、これら基板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を実現するものである。
【０００３】
このような三次元実装デバイスは、１００μｍ程度の厚さを有するＳｉ基板にφ１０〜７０μｍ程度の配線用の孔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。
【０００４】
また、Ｓｉの高速エッチングは、このような三次元実装デバイスだけでなく、様々なマイクロマシニングにおけるサブミクロンオーダーの加工にも応用可能であり、加工形状も孔だけではなく溝やライン形状等も可能である。
【０００５】
このような高速エッチングの用途には、従来より、高プラズマ密度を実現することができる誘導結合型のプラズマエッチング装置が用いられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の誘導結合型のプラズマエッチング装置を用いた高速エッチングでも、エッチングレートは高々１０μｍ／ｍｉｎ程度であり、必ずしも十分なエッチングレートではない。
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、従来よりも高いエッチングレートで単結晶Ｓｉ基板を高速エッチングしてＳｉ基板を加工することができるＳｉ基板の加工方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
従来は、高速のＳｉエッチングのためには、高プラズマ密度が必要であるとして、誘導結合型のプラズマエッチング処理装置を用いて高プラズマ密度下でＳｉエッチングを行っていたが、本発明者らの検討結果によれば、後述する図４に示すように、Ｓｉのエッチング速度の高速化のためには、プラズマ密度を上昇させるより、むしろ処理容器内のガス圧力を上昇させることが有効であることが見出された。
【０００９】
従来は、Ｓｉの高速エッチングのために、高プラズマ密度化、つまり高電離レート化して単位体積当たりのイオン個数を増加させることを意図していたが、本発明者らの検討結果によれば、Ｓｉのエッチングには中性粒子であるラジカルが大きく寄与していることが判明した。したがって、Ｓｉの高速エッチングのためには、イオン等の荷電粒子の個数とラジカルの個数との和が大きいことが要求され、そのためには処理容器内のガス圧力を高くする必要がある。
【００１０】
本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、真空に保持可能な処理容器内に単結晶Ｓｉ基板を設置するとともに、前記処理容器内のガス圧力を１３〜１３３３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ）として前記処理容器内にエッチングガスのプラズマを生成し、その中で単結晶Ｓｉ基板を高速エッチングし、その後、該単結晶Ｓｉ基板の反対側の表面の全面研削または全面エッチングを行い、前記Ｓｉ高速エッチングによりＳｉ基板に形成した穴または溝が前記単結晶Ｓｉ基板を貫通するようにしたことを特徴とするＳｉ基板の加工方法を提供するものである。
【００１１】
このように処理容器内のガス圧力を高く設定することにより、十分な量のラジカルを生成させることができ、２０μｍ／ｍｉｎ以上、他の条件を最適化することにより５０μｍ／ｍｉｎ以上の従来にない高速のＳｉエッチングを実現することができる。この際に、処理容器内のガス圧力を２６〜１３３Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒ）とすることが好ましい。
【００１２】
また、ラジカルを用いてエッチング反応を生じさせる際に、被処理体上のエッチング反応に寄与するラジカル数ｎＧは、ｎ０を母ガス密度（圧力に比例）、ＧＧをラジカルの生成レート、ＬＧをエッチング反応以外で消滅するラジカルの消滅レートとすると、ｎＧ＝ｎ０ＧＧ−ＬＧと表すことができるから、被処理体上のエッチング反応に寄与するラジカル数ｎＧを多くするためには、ｎ０ＧＧを高くすること、つまり上述のように処理容器内のガス圧力を高くすることの他、ＬＧを低くすることが有効であるが、ＬＧを低くするためには反応までの時間を極力短くする必要があり、そのためには処理容器内のプラズマ生成領域と被処理体のエッチング面との距離が２０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１３】
さらに、エッチングガスとしては、反応性の高いフッ素含有ガスを含むものを用いることが好ましく、フッ素含有ガスとしては、その分子をＡｘＦｙ（ただし、Ａは任意の元素、ｘおよびｙは価数）と表した場合に、ｙが４以上、さらにはｙが６以上が反応性が高く好ましい。ｙが６以上のガスとしては、Ｃ３Ｆ８、ＳＦ６、Ｓ２Ｆ１０を挙げることができ、ｙが４以上のガスとしては、ＣＦ４を挙げることができる。また、フッ素含有ガスとともに酸素ガスを用いることによりエッチングの異方性を高めることができ、エッチングの形状性を良好にすることができる。エッチングガスの具体的な組み合わせとして、ＳＦ６とＯ２とを含み、Ｏ２／ＳＦ６が０．１〜０．５のものを好適に用いることができる（後述する図６参照）。また、ＳＦ６とＣ４Ｆ８とを含みＣ４Ｆ８／ＳＦ６が０．３〜０．６であるものも好適に用いることができる（後述する図７参照）。
【００１４】
本発明のＳｉ高速エッチングを実現するためには、上記構成を満たしていれば、プラズマを生成する機構の種類は問わないが、処理容器内の圧力を上記高い範囲にして被処理体に有効にプラズマ作用を及ぼす観点からは、相対向する一対の電極間に高周波電界を形成してプラズマを生成する容量結合型のものであることが好ましい。また、その中でも、被処理体が載置される電極にプラズマ生成用の高周波が印加されるＲＩＥタイプのものが好ましい。ＲＩＥタイプのプラズマ生成機構は、プラズマ生成領域と被処理体との間の距離を容易に２０ｍｍ以下と近くすることができ、しかもプラズマを被処理体の直上で形成することができる。この場合に、電極間に電界と直交する磁場を形成しながらエッチングを行うことにより、被処理体直上にＥ×Ｂドリフトが生じ、被処理体の直上で高プラズマ密度が実現されるため特に好ましい。
【００１５】
また、本発明は、被処理体が配置され真空に保持可能な処理容器と、処理容器内に相対向して設けられ、その一方に被処理体が載置される一対の電極と、被処理体が載置される電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加して前記一対の電極間に高周波電界を形成する高周波電源と、前記処理容器内にエッチングガスを導入するエッチングガス導入機構と、前記一対の電極間の処理空間に、電界方向と直交しかつ一方向に向かう磁場を形成する磁場形成手段とを有するマグネトロンエッチング装置を用い、前記処理容器内のガス圧力を１３〜１３３３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ）として前記処理容器内に直交電磁界によりエッチングガスのプラズマを生成し、その中で被処理体としての単結晶Ｓｉ基板を高速エッチングし、その後、該単結晶Ｓｉ基板の反対側の表面の全面研削または全面エッチングを行い、前記Ｓｉ高速エッチングによりＳｉ基板に形成した穴または溝が前記単結晶Ｓｉ基板を貫通するようにしたことを特徴とするＳｉ基板の加工方法を提供する。
【００１６】
このようなＲＩＥタイプのマグネトロンプラズマエッチング装置を用いて、処理容器内のガス圧力を高くすることにより、上述したように、被処理体直上においてラジカル密度を高くすることができ、しかも、電極間に電界と直交する磁場を形成しながらエッチングを行うことにより、被処理体直上にＥ×Ｂドリフトが生じて被処理体の直上で高プラズマ密度を得ることができ、極めて高速のＳｉエッチングが実現される。
【００１７】
この場合に、前記磁場形成手段は、複数の異方性セグメント磁石を前記処理容器の周囲にリング状に配置し、前記各異方性セグメント磁石の磁化の方向が、電極間に一様な一方向磁場が形成されるように設定されたダイポールリング磁石を有することが好ましい。また、前記高周波電源は、被処理体直上のプラズマ密度を高くする観点から、２７ＭＨｚ以上の高周波電力を印加することが好ましく（後述する図８参照）、特に、４０〜２００ＭＨｚの高周波電力を印加することが好ましい。同様の観点から、磁場形成手段が被処理体の存在領域に１００００μＴ（１００Ｇ）以上の磁場を形成することが好ましい。さらに、イオンエネルギーをコントロールする観点から、前記高周波電源とは異なる他の高周波電源から、周波数が前記プラズマ形成用の高周波電力の周波数よりも小さく、２ＭＨｚ以上の高周波電力を前記プラズマ形成用の高周波電力に重畳させることが好ましい。
【００１９】
また、上記Ｓｉ高速エッチング方法において、エッチングを行う被処理体のエッチング開口部の寸法が１０μｍ以上であることが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
ここでは、マグネトロンＲＩＥプラズマエッチング装置を用いて本発明の方法を実施する例について説明する。図１は、本発明に係る方法を実施するためのマグネトロンＲＩＥプラズマエッチング装置を示す断面図である。このエッチング装置は、気密に構成され、小径の上部１ａと大径の下部１ｂとからなる段つき円筒状をなし、壁部が例えばアルミニウム製のチャンバー（処理容器）１を有している。
【００２１】
このチャンバー１内には、被処理体として単結晶Ｓｉ基板であるＳｉウエハＷを水平に支持する支持テーブル２が設けられている。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、支持テーブル２の上方の外周にはＳｉ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の下方の駆動部分は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製のベローズ８で覆われている。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を通してチャンバー１と導通している。チャンバー１は接地されている。
【００２２】
チャンバー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には排気系１２が接続されている。そして排気系１２の真空ポンプを作動させることによりチャンバー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、チャンバー１の下部１ｂの側壁上側には、Ｓｉウエハ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。
【００２３】
支持テーブル２には、整合器１４を介してプラズマ形成用の第１の高周波電源１５が接続されており、この第１の高周波電源１５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。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シャワーヘッド２０が互いに平行に設けられており、このシャワーヘッド２０は接地されている。したがって、支持テーブル２およびシャワーヘッド２０は一対の電極として機能する。
【００２４】
第１の高周波電源１５の給電線には、整合器２５を介して第２の高周波電源２６が接続されている。第２の高周波電源２６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しプラズマ形成用の高周波電力に重畳されるようになっている。
【００２５】
支持テーブル２の表面上にはＳｉウエハ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ＳｉウエハＷが吸着される。
【００２６】
支持テーブル２の内部には、冷媒室１７が設けられており、この冷媒室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ＳｉウエハＷに対して伝熱され、これによりＳｉウエハＷの処理面が所望の温度に制御される。
【００２７】
また、チャンバー１が排気系１２により排気されて真空に保持されていても、冷媒室１７に循環される冷媒によりＳｉウエハＷを有効に冷却可能なように、冷却ガスが、ガス導入機構１８によりそのガス供給ライン１９を介して静電チャック６の表面とＳｉウエハＷの裏面との間に導入される。このように冷却ガスを導入することにより、冷媒の冷熱がＳｉウエハＷに有効に伝達され、ＳｉウエハＷの冷却効率を高くすることができる。
【００２８】
上記シャワーヘッド２０は、チャンバー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。このシャワーヘッド２０は、その下面に多数のガス吐出孔２２が設けられており、かつその上部にガス導入部２０ａを有している。そして、その内部には空間２１が形成されている。ガス導入部２０ａにはガス供給配管２３ａが接続されており、このガス供給配管２３ａの他端には、エッチングガスおよび希釈ガスからなる処理ガスを供給する処理ガス供給系２３が接続されている。
【００２９】
このような処理ガスが、処理ガス供給系２３からガス供給配管２３ａ、ガス導入部２０ａを介してシャワーヘッド２０の空間２１に至り、ガス吐出孔２２から吐出される。
【００３０】
一方、チャンバー１の上部１ａの周囲には、同心状に、ダイポールリング磁石２４が配置されている。ダイポールリング磁石２４は、図２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３１がリング状の磁性体のケーシング３２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３１がリング状に配置されている。図２中、異方性セグメント柱状磁石３１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３１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。
【００３１】
したがって、支持テーブル２とシャワーヘッド２０との間の空間には、図３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、かつダイポールリング磁石２４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、ＳｉウエハＷがエッチングされる。
【００３２】
次に、このように構成されるマグネトロンプラズマエッチング装置を用いた本発明の方法の実施形態について説明する。
まず、ゲートバルブ１３を開にしてＳｉウエハＷをチャンバー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、排気系１２の真空ポンプにより排気ポート１１を介してチャンバー１内を排気する。
【００３３】
そして処理ガス供給系２３からエッチングガスおよび希釈ガスを含む処理ガスが所定の流量でチャンバー１内に導入され、チャンバー１内のガス圧力を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に所定の高周波電力を供給する。この際に、Ｓｉウエハ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ともに、上部電極であるシャワーヘッド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。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２４により水平磁界Ｂが形成されているので、ＳｉウエハＷが存在する電極間の処理空間には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生成される。そしてこのマグネトロン放電により形成されたエッチングガスのプラズマによりＳｉウエハＷがエッチングされる。
【００３４】
この場合に、チャンバー１内のガス圧力を１３〜１３３３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ）と高く設定するので、イオンおよび電子の荷電粒子のみならず、十分な量のラジカルを生成させることができ、このラジカルが有効に作用して２０μｍ／ｍｉｎ以上という従来にない高速のＳｉエッチングを実現することができる。ガス圧力の好ましい範囲は、２６〜１３３Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒ）である。
【００３５】
このことを確認した実験について説明する。ここでは、エッチングガスとしてＳＦ６ガスおよびＯ２ガスを用い、支持テーブル２に印加する高周波電力の周波数を４０ＭＨｚ、ダイポールリング磁石によりＳｉウエハＷの存在空間に１７０００μＴ（１７０Ｇ）の磁場を印加し、チャンバー内圧力および高周波電力を変化させて図１に示すエッチング装置によりエッチングを行った。その結果を図４に示す。図４は横軸にチャンバー内圧力をとり縦軸に高周波電力をとって、これらとエッチングレートとの関係を示すグラフである。この図に示すように、高周波電力にかかわらず、チャンバー内圧力が１３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）より高くなるに従ってエッチングレートが高くなっていることがわかる。
【００３６】
また、ラジカルの消滅レートを減少させてＳｉウエハＷの上のラジカル数を多くする観点からプラズマ生成領域とＳｉウエハＷとの間の距離を２０ｍｍ以下とすることが好ましい。本実施形態ではＲＩＥタイプのプラズマ生成機構を用いているので、プラズマ生成領域と被処理体であるＳｉウエハＷとの間の距離を容易に２０ｍｍ以下と近くすることができ、しかもプラズマを被処理体の直上で形成することができる。したがって、ラジカルの消滅レートを減少させてＳｉウエハＷの上のラジカル数を多くすることができるとともに、ラジカルをＳｉウエハＷのエッチングに有効に寄与させることができる。また、電極間に電界と直交する磁場を形成しながらエッチングを行うことにより、被処理体直上にＥ×Ｂドリフトが生じ、被処理体の直上で高プラズマ密度が実現される。これらにより、上記ガス圧力が高いことと相俟って一層高速でエッチングすることができる。
【００３７】
エッチングガスとしては、通常エッチング用のガスとして用いているガスを用いればよいが、ＳｉウエハＷを高速でエッチングする観点から反応性の高いフッ素含有ガスを含むものを用いることが好ましい。また、フッ素含有ガスとしては、１分子に存在するＦの数が多いほど反応性が高く、その分子をＡｘＦｙ（ただし、Ａは任意の元素、ｘおよびｙは価数）と表した場合に、ｙが４以上、さらにはｙが６以上が反応性が高く好ましい。このようなフッ素含有ガスとしては、ＣＦ４、Ｃ３Ｆ８、ＳＦ６、Ｓ２Ｆ１０を挙げることができる。また、フッ素含有ガスとともに酸素ガスを用いることによりエッチングの異方性を高めることができ、エッチングの形状性を良好にすることができる。具体的には、ＳＦ６とＯ２とを含み、Ｏ２／ＳＦ６が０．１〜０．５のものが、高速エッチング性および形状性の観点から好ましい。さらに好ましくは０．１５〜０．３である。また、ＳＦ６とＣ４Ｆ８とを含みＣ４Ｆ８／ＳＦ６が０．３〜０．６であるものも好適に用いることができる。さらに好ましくは、０．４〜０．５である。
【００３８】
このことを確認した実験について説明する。ここでは、図１に示すエッチング装置を用い、エッチングガスとしてＳＦ６＋Ｏ２を用い、高周波電力の周波数４０ＭＨｚとしマスクとしてＳｉＯ２を用いた場合（条件Ａ）、および２７ＭＨｚとしマスクとしてレジストを用いた場合（条件Ｂ）でＯ２／ＳＦ６の値を変化させてエッチングを行った。また、エッチングガスとしてＳＦ６＋Ｃ４Ｆ８を用い、高周波電力の周波数４０ＭＨｚとして上記条件ＡでＣ４Ｆ８／ＳＦ６の値を変化させてＳｉウエハのエッチングを行った。
【００３９】
図５に示す垂直エッチングレートａとサイドエッチングレートｂを測定し、高速エッチング性を垂直エッチングレートａで評価し、形状性をサイドエッチングレートｂの垂直エッチングレートａに対する比（エッチングレート比）ｂ／ａで評価した。その結果を図６および図７に示す。図６はＯ２／ＳＦ６の値と垂直エッチングレートａおよびエッチングレート比ｂ／ａとの関係を示すグラフである。また、図７はＣ４Ｆ８／ＳＦ６の値と垂直エッチングレートａおよびエッチングレート比ｂ／ａとの関係を示すグラフである。図６からＯ２／ＳＦ６が０．１〜０．５の範囲で高速エッチング性および形状性が良好であることが確認される。特に０．１５〜０．３で垂直エッチングレートａとエッチングレート比ｂ／ａとのバランスが良く、この範囲がより好ましい。また、図７からＣ４Ｆ８／ＳＦ６が０．３〜０．６の範囲で高速エッチング性および形状性が良好であることが確認される。特に０．４〜０．５の範囲で垂直エッチングレートａとエッチングレート比ｂ／ａとのバランスが良く、この範囲がより好ましい。
【００４０】
エッチングの形状性を良好にするためには、ＳｉウエハＷの温度を低下させることも有効である。そのために、冷媒室１７が設けられており、この冷媒室１７に冷媒が循環され、その冷熱が支持テーブル２を介してＳｉウエハＷに対して伝熱され、これによりＳｉウエハＷの処理面が所望の温度に制御される。エッチングの形状性つまり異方性を良好にするためには、例えば−３０℃程度の冷媒を循環させる。
【００４１】
また、ガス導入機構１８によりガス供給ライン１９を介してＳｉウエハＷに冷熱を有効に供給するための伝熱ガスが静電チャック６の表面とＳｉウエハＷの裏面との間に導入されるが、このガスとしては通常のＨｅの代わりにＳＦ６やＣ４Ｆ８等のエッチングガスとして用いられるガスを導入することが好ましい。これらは冷却効率がＨｅよりも大きく、ＳｉウエハＷを冷却する効果を一層高めることができ、エッチングの形状性をより良好にすることが可能となる。
【００４２】
プラズマ生成用の第１の高周波電源１５は、所望のプラズマを形成するためにその周波数および出力が適宜設定される。ＳｉウエハＷの直上のプラズマ密度を高くする観点からは、周波数が２７ＭＨｚ以上であることが好ましい。
【００４３】
このことを確認した実験について説明する。図１に示すエッチング装置を用い、エッチングガスとしてＣ４Ｆ８＋ＳＦ６を用い、高周波電力の周波数を変化させてＳｉウエハＷのエッチングを行い、エッチングレートおよびレジストに対するエッチング選択比を求めた。図８は高周波電力の周波数とエッチングレートおよびエッチング選択比との関係を示すグラフである。この図に示すように、エッチングレートおよびエッチング選択比ともに、周波数の上昇に従って増加しており、特に２７ＭＨｚ以上で急激に上昇していることがわかる。
【００４４】
また、さらにエッチングレートおよびエッチング選択比を上昇させる観点からは４０〜２００ＭＨｚの範囲が好ましい。図８は４０ＭＨｚまでの結果しか示されていないが、４０ＭＨｚ以上においても周波数の上昇にともなってエッチングレートおよびエッチング選択比が上昇することは容易に理解される。
【００４５】
第２の高周波電源２６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の高周波電力を供給するものであり、その周波数は第１の高周波電源１５の周波数よりも小さく２ＭＨｚ以上であることが好ましい。
【００４６】
ダイポールリング磁石２４は、ＳｉウエハＷの直上のプラズマ密度を高くするために、対向電極である支持テーブル２およびシャワーヘッド２０の間の処理空間に磁場を印加するが、その効果を有効に発揮させるためには処理空間に１００００μＴ（１００Ｇ）以上の磁場を形成するような強度の磁石であることが好ましい。磁場は強ければ強いほどプラズマ密度を高くする効果が増加すると考えられるが、安全性の観点から１０００００μＴ（１ｋＧ）以下であることが好ましい。
【００４７】
また、ＳｉウエハＷを高速にエッチングするためには、エッチングの開口率、すなわちＳｉウエハＷの全面積に対するエッチング孔の面積の割合も考慮する必要がある。つまり、開口率が大きすぎると高速のエッチングは困難となる。このような観点から開口率は１０％以下であることが好ましく、５％以下がさらに好ましい。また、エッチングの開口幅は特に限定されるものではなく例えば５μｍ程度以上が適用可能であるが、１０μｍ以上が好ましい。開口幅の上限も特に存在しないが２００μｍ程度以下が好ましい。
【００４８】
以上のように、エッチングの際のチャンバー１内のガス圧力を高圧にすることにより、また、さらに他の条件を好ましい範囲に規定することにより、Ｓｉのエッチングを高速で行うことができるが、実用的な観点からは、例えば、チャンバー１内のガス圧力を２６．６〜６６．５Ｐａ（２００〜５００ｍＴｏｒｒ）、第１の高周波電源１５の周波数を４０ＭＨｚ、第２の高周波電源２６の周波数を３．２ＭＨｚ、ダイポールリング磁石２４によって形成される処理空間での磁場の強さを１００００〜３００００μＴ（１００〜３００Ｇ）とする。このような条件を採用することにより、ＳｉウエハＷのエッチングを５０μｍ／ｍｉｎ程度またはそれ以上という著しく大きい速度で行うことができる。
【００４９】
このような実用的な条件でＳｉウエハＷを実際にエッチングした結果について説明する。
Ｓｉウエハの表面にＳｉＯ２マスクを形成し、図１のマグネトロンＲＩＥプラズマエッチング装置を用いてエッチングを行った。エッチングの際のチャンバー１内の圧力を３３．２５Ｐａ（２５０ｍＴｏｒｒ）とし、エッチングガスとしてＳＦ６およびＯ２をそれぞれ０．４Ｌ／ｍｉｎおよび０．１３Ｌ／ｍｉｎの流量でチャンバー１内に供給し、第１の高周波電源１５の周波数を４０ＭＨｚ、第２の高周波電源２６の周波数を３．２ＭＨｚ、ダイポールリング磁石２４によって形成される処理空間での磁場の強さを１７０００μＴ（１７０Ｇ）とし、第１の高周波電源１５からの高周波電力の出力を２３００Ｗとした。また、ＳｉウエハＷを効率よく冷却するためにウエハ裏面に供給するガスとしてＳＦ６ガスを用い、ＳｉウエハＷの底面の温度が−１５℃になるようにした。なお、エッチングにより形成する孔の開口径は２０μｍとした。
【００５０】
その結果、図９の電子顕微鏡写真に示すようなエッチング孔が得られた。エッチングレートは４９．３μｍ／ｍｉｎと極めて高速であった。また、図９に示すようにエッチング孔の形状は良好なものであった。マスクのＳｉＯ２に対するＳｉのエッチング選択比は５０．７であった。
【００５１】
また、チャンバー内圧力、エッチンガス流量、高周波電力等を最適化することにより、６０μｍ／ｍｉｎ以上のエッチングレートが得られることも確認されている。
【００５２】
以上のように、本実施形態の方法を採用することにより、Ｓｉを極めて高速でエッチングすることができ、かつエッチングの形状性も良好となることが確認された。
【００５３】
以上説明した高速エッチング方法によりＳｉウエハに貫通する穴や溝を形成することができるが、このようにしてＳｉウエハをエッチングした後、該Ｓｉウエハの反対側の表面の全面研削または全面エッチングを行って、上記高速エッチング方法によりＳｉウエハに形成した穴または溝がＳｉウエハを貫通するようにすることもできる。
【００５４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々変形可能である。例えば、上記実施形態ではマグネトロンＲＩＥプラズマエッチング装置の磁場形成手段としてダイポールリング磁石を用いたが、これに限るものではなく、磁場の形成も必須なものではない。また、本発明の範囲のガス圧力でプラズマを形成することができれば装置は問わず、容量結合型や誘導結合型等の種々のプラズマエッチング装置を用いることができる。ただし、高圧でプラズマを形成する観点からは誘導結合型よりも容量結合型のものが好ましい。また、プラズマ生成領域と被処理体とを近づける観点からはその中でもＲＩＥタイプのものが好ましい。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プラズマを生成する際の処理容器内のガス圧力を１３〜１３３３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ）と高く設定することにより、十分な量のラジカルを生成させることができ、２０μｍ／ｍｉｎ以上、他の条件を最適化することにより５０μｍ／ｍｉｎ以上の従来にない高速のＳｉエッチングを実現することができる。
【００５６】
このため、本発明は三次元デバイスの貫通孔形成に好適に用いることができる他、この高速エッチング特性を兼ね備えた微細加工特性を利用して従来は機械加工で行っていた基板からのチップの切り出し加工（ダイシング）を半分以下の削り代で実現できるなど、マイクロマシニングや電子線ビームリソグラフィーにおけるマスク加工等への適用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る方法を実施するためのマグネトロンＲＩＥプラズマエッチング装置を示す断面図。
【図２】図１の装置のチャンバー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。
【図３】チャンバー内に形成される電界および磁界を説明するための模式図。
【図４】チャンバー内圧力および高周波電力とエッチングレートとの関係を示すグラフ。
【図５】エッチングにおける垂直エッチングレートａとサイドエッチングレートｂとを説明するための図。
【図６】Ｏ２／ＳＦ６の値と垂直エッチングレートａおよびエッチングレート比ｂ／ａとの関係を示すグラフ。
【図７】Ｃ４Ｆ８／ＳＦ６の値と垂直エッチングレートａおよびエッチングレート比ｂ／ａとの関係を示すグラフ。
【図８】高周波電力の周波数とエッチングレートおよびエッチング選択比との関係を示すグラフ。
【図９】図１の装置により実際にエッチングを行った際のエッチング孔の一例を示す電子顕微鏡写真。
【符号の説明】
１；チャンバー（処理容器）
２；支持テーブル（電極）
１２；排気系
１５；第１の高周波電源
１７；冷媒室
１８；ガス導入機構
２０；シャワーヘッド（電極）
２３；処理ガス供給系
２４；ダイポールリング磁石
２６；第２の高周波電源
Ｗ；Ｓｉウエハ

Claims (27)

  1. 真空に保持可能な処理容器内に被処理体として単結晶Ｓｉ基板を設置するとともに、前記処理容器内のガス圧力を１３〜１３３３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ）として前記処理容器内にエッチングガスのプラズマを生成し、その中で単結晶Ｓｉ基板を高速エッチングし、その後、該単結晶Ｓｉ基板の反対側の表面の全面研削または全面エッチングを行い、前記Ｓｉ高速エッチングによりＳｉ基板に形成した穴または溝が前記単結晶Ｓｉ基板を貫通するようにしたことを特徴とするＳｉ基板の加工方法。
  2. 前記処理容器内のガス圧力を２６〜１３３Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒ）とすることを特徴とする請求項１に記載のＳｉ基板の加工方法。
  3. 前記処理容器内のプラズマ生成領域と被処理体のエッチング面との距離が２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＳｉ基板の加工方法。
  4. 前記エッチングガスは、フッ素含有ガスを含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のＳｉ基板の加工方法。
  5. 前記フッ素含有ガスは、その分子をＡｘＦｙ（ただし、Ａは任意の元素、ｘおよびｙは価数）と表した場合に、ｙが４以上であることを特徴とする請求項４に記載のＳｉ基板の加工方法。
  6. 前記フッ素含有ガスのｙが６以上であることを特徴とする請求項５に記載のＳｉ基板の加工方法。
  7. 前記エッチングガスはさらに酸素を含むことを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載のＳｉ基板の加工方法。
  8. 前記エッチングガスはＳＦ６とＯ２とを含み、Ｏ２／ＳＦ６が０．１〜０．５であることを特徴とする請求項７に記載のＳｉ基板の加工方法。
  9. 前記エッチングガスはＳＦ６とＣ４Ｆ８とを含みＣ４Ｆ８／ＳＦ６が０．３〜０．６であることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載のＳｉ基板の加工方法。
  10. プラズマを生成する機構は、相対向する一対の電極間に高周波電界を形成してプラズマを生成する容量結合型のものであることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のＳｉ基板の加工方法。
  11. 前記プラズマを生成する機構は、被処理体が載置される電極にプラズマ生成用の高周波が印加されるＲＩＥタイプであることを特徴とする請求項１０に記載のＳｉ基板の加工方法。
  12. 電極間に電界と直交する磁場を形成しながらエッチングを行うことを特徴とする請求項１１に記載のＳｉ基板の加工方法。
  13. 被処理体が配置され真空に保持可能な処理容器と、処理容器内に相対向して設けられ、その一方に被処理体が載置される一対の電極と、被処理体が載置される電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加して前記一対の電極間に高周波電界を形成する高周波電源と、前記処理容器内にエッチングガスを導入するエッチングガス導入機構と、前記一対の電極間の処理空間に、電界方向と直交しかつ一方向に向かう磁場を形成する磁場形成手段とを有するマグネトロンエッチング装置を用い、前記処理容器内のガス圧力を１３〜１３３３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ）として前記処理容器内に直交電磁界によりエッチングガスのプラズマを生成し、その中で被処理体としての単結晶Ｓｉ基板を高速エッチングし、その後、該単結晶Ｓｉ基板の反対側の表面の全面研削または全面エッチングを行い、前記Ｓｉ高速エッチングによりＳｉ基板に形成した穴または溝が前記単結晶Ｓｉ基板を貫通するようにしたことを特徴とするＳｉ基板の加工方法。
  14. 前記処理容器内のガス圧力を２６〜１３３Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒ）としてエッチングを行うことを特徴とする請求項１３に記載のＳｉ基板の加工方法。
  15. 前記磁場形成手段は、複数の異方性セグメント磁石を前記処理容器の周囲にリング状に配置し、前記各異方性セグメント磁石の磁化の方向が、電極間に一様な一方向磁場が形成されるように設定されたダイポールリング磁石を有することを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載のＳｉ基板の加工方法。
  16. 前記エッチングガスは、フッ素含有ガスを含むことを特徴とする請求項１３から請求項１５のいずれか１項に記載のＳｉ基板の加工方法。
  17. 前記フッ素含有ガスは、その分子をＡｘＦｙ（ただし、Ａは任意の元素、ｘおよびｙは価数）と表した場合に、ｙが４以上であることを特徴とする請求項１６に記載のＳｉ基板の加工方法。
  18. 前記フッ素含有ガスのｙが６以上であることを特徴とする請求項１７に記載のＳｉ基板の加工方法。
  19. 前記エッチングガスはさらに酸素を含むことを特徴とする請求項１６から請求項１８のいずれか１項に記載のＳｉ基板の加工方法。
  20. 前記エッチングガスはＳＦ６とＯ２とを含み、Ｏ２／ＳＦ６が０．１〜０．５であることを特徴とする請求項１９に記載のＳｉ基板の加工方法。
  21. 前記エッチングガスはＳＦ６とＣ４Ｆ８とを含みＣ４Ｆ８／ＳＦ６が０．３〜０．６であることを特徴とする請求項１６から請求項１８のいずれか１項に記載のＳｉ基板の加工方法。
  22. 前記高周波電源は、２７ＭＨｚ以上の高周波電力を印加することを特徴とする請求項１３から請求項２１のいずれか１項に記載のＳｉ基板の加工方法。
  23. 前記高周波電源は、４０〜２００ＭＨｚの高周波電力を印加することを特徴とする請求項２２に記載のＳｉ基板の加工方法。
  24. 前記磁場形成手段は、被処理体の存在領域に１００００μＴ（１００Ｇ）以上の磁場を形成することを特徴とする請求項１３から請求項２３のいずれか１項に記載のＳｉ基板の加工方法。
  25. 前記高周波電源とは異なる他の高周波電源から、周波数が前記プラズマ形成用の高周波電力の周波数よりも小さく２ＭＨｚ以上の高周波電力を前記プラズマ形成用の高周波電力に重畳させることを特徴とする請求項１３から請求項２４のいずれか１項に記載のＳｉ基板の加工方法。
  26. エッチングを行う被処理体のエッチング開口率は被処理体表面の１０％以下であることを特徴とする請求項１から請求項２５のいずれか１項に記載のＳｉ基板の加工方法。
  27. エッチングを行う被処理体のエッチング開口部の寸法が１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１から請求項２６のいずれか１項に記載のＳｉ基板の加工方法。
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