JP5172417B2 - Manufacturing method of silicon structure, manufacturing apparatus thereof, and manufacturing program thereof - Google Patents

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Description

本発明は、シリコン構造体の製造方法及びその製造装置並びにその製造プログラムに関するものである。   The present invention relates to a method of manufacturing a silicon structure, a manufacturing apparatus thereof, and a manufacturing program thereof.

シリコンを用いたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスが適用される技術分野は日進月歩で拡大しており、近年では、その技術がマイクロタービンやセンサーのみならず情報通信分野や医療分野へも適用されている。このMEMS技術を支える主要な要素技術の一つがシリコンの異方性ドライエッチングであり、この要素技術の発展がMEMS技術の発展を支えているといえる。ここ数年来、シリコンの異方性ドライエッチングの技術は飛躍的に進歩したが、高アスペクト比の開口の形成に対する要求は依然として衰えを知らない。最近では、溝やホールを形成する際に、アスペクト比とともに側壁の形状に代表されるエッチング形状に対する要求が厳しい。特に、サブミクロンの開口幅の溝やホールを形成する際には、高いアスペクト比と高い垂直性の双方の要求を満足させることが非常に困難となる。   The technical field to which MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) devices using silicon are applied is steadily expanding, and in recent years, the technology has been applied not only to micro turbines and sensors but also to information communication field and medical field. Yes. One of the main elemental technologies that support this MEMS technology is anisotropic dry etching of silicon, and it can be said that the development of this elemental technology supports the development of MEMS technology. Although the technology of anisotropic dry etching of silicon has made great progress over the past few years, the demand for the formation of openings with a high aspect ratio is still not declining. Recently, when grooves and holes are formed, there is a strict requirement for an etching shape typified by a sidewall shape as well as an aspect ratio. In particular, when forming a groove or hole having a submicron opening width, it is very difficult to satisfy both requirements of a high aspect ratio and a high perpendicularity.

従来、シリコン材料に対して高い垂直性と高いアスペクト比の開口を有する溝やホールを形成するための手段として、エッチング条件を決めるパラメータ(ガス流速、圧力、RF出力等)の値を時間と共に変化させる方法が開示されている(特許文献1及び2参照)。しかしながら、これらの方法が開示している変化の態様は周期的な又は線形の変化である。また、その変化をどのタイミングで生じさせるべきかについては示唆されていない。さらに、前述の方法によるエッチングマスク(以下、単にマスクともいう)の消費量の問題についても何ら示唆されていない。   Conventionally, as a means to form grooves and holes with high perpendicularity and high aspect ratio openings with respect to silicon material, parameters (gas flow rate, pressure, RF output, etc.) that determine etching conditions change with time. Is disclosed (see Patent Documents 1 and 2). However, the mode of change disclosed by these methods is a periodic or linear change. Also, there is no suggestion as to when the change should occur. Furthermore, there is no suggestion about the problem of consumption of an etching mask (hereinafter also simply referred to as a mask) by the above-described method.

特に、エッチングマスクの消費は、高アスペクト比の開口を有する溝やホールの形成に大きく影響する重要な問題の一つである。これは、エッチング工程によるマスクの消費量が大きくなると、高いアスペクト比を達成することが困難となるためである。
特開平10−135192号公報 特開平10−144654号公報
In particular, consumption of an etching mask is one of the important problems that greatly affects the formation of grooves and holes having high aspect ratio openings. This is because it becomes difficult to achieve a high aspect ratio when the mask consumption by the etching process increases.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-135192 JP-A-10-144654

上述のとおり、高アスペクト比の開口を形成しようとする場合は、単に垂直性を高めるための側壁の侵食防止のみを解決すれば良いというものではなく、マスクの枯渇に対する配慮も必要である。   As described above, when an opening having a high aspect ratio is to be formed, it is not only necessary to solve the side wall erosion prevention for enhancing the verticality, but consideration must be given to the depletion of the mask.

高い垂直性の問題は、特に高アスペクト比の開口を有する溝やホールにおいて顕在化する。これは、高アスペクト比の開口の場合、エッチングされた溝やホールが深くなればなるほど、先細り現象、換言すれば、それら開口部(上端部)の幅と比較してそれらの底部の幅が細くなる現象が発生しやすくなるためである。従って、側壁の異常形状を生じさせずに前述の底部の幅を如何に広げるかという点が重要な課題となる。   The problem of high verticality becomes apparent particularly in grooves and holes having openings with a high aspect ratio. This is because, in the case of openings with a high aspect ratio, the deeper the etched grooves and holes, the narrower the taper phenomenon, in other words, the narrower the width of their bottoms compared to the width of their openings (tops). This is because the phenomenon becomes easier to occur. Therefore, how to increase the width of the bottom portion without causing an abnormal shape of the side wall is an important issue.

他方、マスクの消耗という問題に対しては、例えば当初から十分なエッチングマスクの厚みを設けておくという手段も考えられる。しかしながら、厚いエッチングマスクのマスクエッジのテーパー形状を基板全面において急峻にすることは容易ではない。また、高いアスペクト比を得るためにはエッチング耐性の高いシリコン酸化膜をエッチングマスクとするのが好ましい。しかしながら、このシリコン酸化膜を厚くしようとすると、酸化膜自体の異方性エッチングの際に十分な選択比が得られるマスクを形成することが非常に困難となる。従って、前述のような各種の特別なマスクの製造によって生じる生産速度や歩留まりの低下は避けられない。   On the other hand, with respect to the problem of mask exhaustion, for example, a means of providing a sufficient etching mask thickness from the beginning can be considered. However, it is not easy to make the taper shape of the mask edge of the thick etching mask steep on the entire surface of the substrate. In order to obtain a high aspect ratio, it is preferable to use a silicon oxide film having high etching resistance as an etching mask. However, if this silicon oxide film is to be thickened, it becomes very difficult to form a mask capable of obtaining a sufficient selection ratio during anisotropic etching of the oxide film itself. Therefore, a decrease in production speed and yield caused by manufacturing various special masks as described above is inevitable.

本発明は、そのような技術課題を解決して、高い垂直性を備えた高アスペクト比の開口を有する溝やホールの形成を可能にすることにより、シリコンの異方性ドライエッチング性能の更なる向上に貢献するものである。   The present invention solves such technical problems and enables the formation of trenches and holes having high aspect ratio openings with high perpendicularity, thereby further improving the anisotropic dry etching performance of silicon. Contributes to improvement.

発明者は、まず、エッチング開始当初の時間帯での溝やホールの底部及び側壁形状と、エッチング時間が十分に経過した後のそれらの底部及び側壁形状とをエッチング時間を変えつつ注意深く比較観察した。その結果、高アスペクト比の開口を形成するにあたり、エッチング開始当初の一定の時間帯で求められるエッチング条件が、エッチング時間が十分に経過した後の溝やホールの底部を更に深くエッチングする際に求められる条件とは異るべきであることを知見した。   The inventor first carefully compared and observed the shapes of the bottom and side walls of the grooves and holes in the initial time zone of the etching and the shapes of the bottom and side walls after the etching time had sufficiently passed while changing the etching time. . As a result, when forming an opening with a high aspect ratio, the etching conditions required in a certain time zone at the beginning of etching are obtained when the bottom of the groove or hole is etched deeper after a sufficient etching time has elapsed. It was found that the conditions should be different.

具体的には、エッチング当初は、エッチングガスから形成されるプラズマ中のイオンの基板に対する入射をある程度弱めたとしても、側壁及び底面形状等のエッチング性能が損なわれることがない。しかしながら、エッチング開始から相当の時間が経過した後は、その入射を時間と共に強めなければ満足する側壁及び底面形状が得られないことが明らかとなった。これは、エッチング当初は、前述の弱いイオンの入射であっても、そのイオンやラジカルと溝やホールの底部のシリコン表面との化学反応は比較的容易に起こるが、深い溝やホールの底部におけるシリコン表面との化学反応や有機堆積物の除去のためには、相当強いイオンの入射が必要となると考えられるためである。特に、高アスペクト比の開口を有する溝やホールの場合、エッチング深さが深くなればなるほど、そのイオンの入射が非線形的に強められることにより、それらの底部の形状の顕著な改善が確認された。この知見に加え、発明者は、特にエッチング開始当初では、エッチング条件の違いがマスクの消費に著しく影響することも併せて知見した。本発明は、上述の知見に基づいて創出された。   Specifically, at the beginning of etching, even if the incidence of ions in the plasma formed from the etching gas to the substrate is weakened to some extent, the etching performance such as the sidewall and bottom shape is not impaired. However, after a considerable time has elapsed from the start of etching, it has become clear that satisfactory sidewall and bottom shapes cannot be obtained unless the incidence is increased with time. This is because the chemical reaction between the ions and radicals and the silicon surface at the bottom of the groove or hole occurs relatively easily at the beginning of etching, even if the above-described weak ions are incident, but at the bottom of the deep groove or hole. This is because it is considered that a fairly strong ion incidence is required for the chemical reaction with the silicon surface and the removal of organic deposits. In particular, in the case of a groove or hole having an opening with a high aspect ratio, as the etching depth becomes deeper, the incident of the ions is nonlinearly enhanced, so that a remarkable improvement in the shape of the bottom thereof has been confirmed. . In addition to this knowledge, the inventors have also found that the difference in etching conditions significantly affects the consumption of the mask, particularly at the beginning of etching. The present invention has been created based on the above-described findings.

本発明の1つのシリコン構造体の製造方法は、エッチングガスと有機堆積物形成ガスが交互に導入されて形成されるプラズマを用いてシリコンをエッチングする過程で、そのエッチングの開始時から所定時間、前述のエッチングガス導入時の基板への印加電力を一定にする第1電力印加工程と、その所定時間が経過した後にそのエッチングガス導入時の基板への印加電力を時間と共に上昇させる第2電力印加工程とを有している。   One method of manufacturing a silicon structure according to the present invention is a process of etching silicon using plasma formed by alternately introducing an etching gas and an organic deposit forming gas, and a predetermined time from the start of the etching, The first power application step for making the applied power to the substrate constant when the etching gas is introduced, and the second power application for increasing the applied power to the substrate when the etching gas is introduced after the predetermined time has elapsed. Process.

この製造方法によれば、エッチング開始から所定時間は、その所定時間経過後と比較して、エッチング中の基板への印加電力が低く抑えられる。その結果、エッチング開始当初の基板に対するイオンの入射が弱められるため、マスクの消費が抑えられる一方、溝やホールの側壁及び底部の良好な形状は維持される。さらに、その所定時間経過後は、イオンの入射を時間と共に強めることにより、深い溝やホールの底部におけるシリコン表面との化学反応及び有機堆積物の除去を促進すると考えられる結果、垂直性の高いエッチング形状と高いマスク選択比が同時に達成される。   According to this manufacturing method, the power applied to the substrate during etching is kept low for a predetermined time from the start of etching as compared to after the predetermined time has elapsed. As a result, since the incidence of ions on the substrate at the beginning of etching is weakened, consumption of the mask is suppressed, while good shapes of the side walls and bottom of the grooves and holes are maintained. Further, after the predetermined time has elapsed, it is thought that by increasing the ion incidence with time, the chemical reaction with the silicon surface at the bottom of deep grooves and holes and the removal of organic deposits are promoted, resulting in highly perpendicular etching. Shape and high mask selectivity are achieved simultaneously.

また、本発明の1つのシリコン構造体の製造プログラムは、エッチングガスと有機堆積物形成ガスが交互に導入されて形成されるプラズマを用いてシリコンをエッチングする過程で、そのエッチングの開始時から所定時間、前述のエッチングガス導入時の基板への印加電力を一定にする第1電力印加ステップと、その所定時間が経過した後にそのエッチングガス導入時の基板への印加電力を時間と共に上昇させる第2電力印加ステップとを有している。   The silicon structure manufacturing program of the present invention is a process for etching silicon using plasma formed by alternately introducing an etching gas and an organic deposit forming gas, and is predetermined from the start of the etching. A first power application step for making the applied power to the substrate constant when the etching gas is introduced, and a second power for increasing the applied power to the substrate when the etching gas is introduced after the predetermined time has elapsed. A power application step.

このプログラムを実行させることにより、エッチング開始から所定時間は、その所定時間経過後と比較して、エッチング中の基板への印加電力が低く抑えられる。その結果、エッチング開始当初の基板に対するイオンの入射が弱められるため、マスクの消費が抑えられる一方、溝やホールの側壁及び底部の良好な形状は維持される。さらに、その所定時間経過後は、時間と共にイオンの入射を強めるようにプログラムされていることにより、深い溝やホールの底部におけるシリコン表面との化学反応及び有機堆積物の除去を促進すると考えられる結果、垂直性の高いエッチング形状と高いマスク選択比が同時に達成される。   By executing this program, the power applied to the substrate during etching is kept low for a predetermined time from the start of etching as compared to after the predetermined time has elapsed. As a result, since the incidence of ions on the substrate at the beginning of etching is weakened, consumption of the mask is suppressed, while good shapes of the side walls and bottom of the grooves and holes are maintained. Furthermore, after the predetermined time has elapsed, the program is designed to increase the incidence of ions with time, thereby promoting the chemical reaction with the silicon surface at the bottom of deep grooves and holes and the removal of organic deposits. In addition, a highly perpendicular etching shape and a high mask selectivity can be achieved at the same time.

ところで、本出願において、「高アスペクト比」とは、ホールエッチングではアスペクト比が10以上の場合を意味し、より狭義には、アスペクト比が15又は15を超える場合を意味する。一方、トレンチエッチングでは、「高アスペクト比」とは、アスペクト比が15以上の場合を意味し、より狭義には、アスペクト比が20又は20を超える場合を意味する。また、本出願により得られるアスペクト比の上限は特に限定されるものではないが、実質的には被エッチング材であるシリコンの厚みとの関係によって算出される値が上限値となろう。   By the way, in the present application, “high aspect ratio” means a case where the aspect ratio is 10 or more in hole etching, and more narrowly means a case where the aspect ratio is 15 or more than 15. On the other hand, in trench etching, “high aspect ratio” means that the aspect ratio is 15 or more, and more narrowly means that the aspect ratio is 20 or more than 20. In addition, the upper limit of the aspect ratio obtained by the present application is not particularly limited, but a value calculated by the relationship with the thickness of silicon that is the material to be etched will be the upper limit.

また、本発明において、「ホール」とは、基板最表面におけるマスクパターンによる形状が円状の孔のみならず、楕円形や四角形の孔を含む。より具体的には、本発明における「ホール」は、例えば、四角形の孔の場合は、長辺と短辺の関係が、短辺が1に対して長辺が3以下までを意味する。また、本発明において、「トレンチ」とは、「ホール」以外の孔を意味する。   In the present invention, the “hole” includes not only a circular hole in the shape of the mask pattern on the outermost surface of the substrate but also an elliptical or square hole. More specifically, “hole” in the present invention means, for example, in the case of a square hole, the relationship between the long side and the short side means that the short side is 1 and the long side is up to 3 or less. In the present invention, “trench” means holes other than “holes”.

本発明の製造方法、製造装置又は製造プログラムによれば、シリコンのドライエッチングにおいて、垂直性の高いエッチング形状と高いマスク選択比が同時に達成される。   According to the manufacturing method, manufacturing apparatus, or manufacturing program of the present invention, a highly perpendicular etching shape and a high mask selectivity can be achieved simultaneously in dry etching of silicon.

つぎに、本発明の実施形態を、添付する図面に基づいて詳細に述べる。尚、この説明に際し、全図にわたり、特に言及がない限り、共通する部分には共通する参照符号が付されている。また、図中、本実施形態の要素は必ずしもスケール通りに示されていない。また、特に言及がない限り、以下の各種ガスの流量は、標準状態の流量を示す。   Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this description, common parts are denoted by common reference symbols throughout the drawings unless otherwise specified. In the drawings, the elements of the present embodiment are not necessarily shown to scale. Unless otherwise specified, the flow rates of the following various gases indicate the flow rates in the standard state.

<第1の実施形態>
図1は、本実施形態のシリコン構造体の製造装置100(以下、単に製造装置100ともいう)の装置構成の一例を示す断面図である。また、図2は、本実施形態におけるシリコン基板へのエッチング工程における印加電力の時間変化を示すグラフである。また、図3A乃至図3Cは、本実施形態におけるシリコン構造体10の製造方法の一過程を示す断面図である。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a device configuration of a silicon structure manufacturing apparatus 100 (hereinafter also simply referred to as a manufacturing apparatus 100) according to the present embodiment. FIG. 2 is a graph showing the change over time of the applied power in the etching process for the silicon substrate in the present embodiment. 3A to 3C are cross-sectional views showing a process of the method for manufacturing the silicon structure 10 in the present embodiment.

まず、図1に示すシリコン構造体の製造装置100の構成について説明する。エッチング対象となるシリコン基板W(以下、単に基板Wともいう)は、チャンバー20の下部側に設けられたステージ21に載置される。チャンバー20には、エッチングガス、有機堆積物形成ガス(以下、保護膜形成ガスともいう)から選ばれる少なくとも一種類のガスが、各ボンベ22a,22bからそれぞれガス流量調整器23a,23bを通して供給される。これらのガスは、第1高周波電源25により高周波電力を印加されたコイル24によりプラズマ化される。その後、第2高周波電源26を用いてステージ21に高周波電力が印加されることにより、これらの生成されたプラズマは基板Wに引き込まれる。このチャンバー20内を減圧し、かつプロセス後に生成されるガスを排気するため、第1プロセス用チャンバー20には真空ポンプ27が排気流量調整器28を介して接続されている。尚、このチャンバー20からの排気流量は排気流量調整器28により変更される。上述のガス流量調整器23a,23b、第1高周波電源25、第2高周波電源26及び排気流量調整器28は、制御部29により制御される。   First, the configuration of the silicon structure manufacturing apparatus 100 shown in FIG. 1 will be described. A silicon substrate W to be etched (hereinafter also simply referred to as a substrate W) is placed on a stage 21 provided on the lower side of the chamber 20. The chamber 20 is supplied with at least one gas selected from an etching gas and an organic deposit forming gas (hereinafter also referred to as a protective film forming gas) from the cylinders 22a and 22b through gas flow controllers 23a and 23b, respectively. The These gases are turned into plasma by the coil 24 to which high frequency power is applied by the first high frequency power supply 25. Thereafter, high-frequency power is applied to the stage 21 using the second high-frequency power source 26, so that the generated plasma is drawn into the substrate W. A vacuum pump 27 is connected to the first process chamber 20 via an exhaust flow rate regulator 28 in order to decompress the inside of the chamber 20 and exhaust a gas generated after the process. The exhaust flow rate from the chamber 20 is changed by an exhaust flow rate regulator 28. The gas flow regulators 23 a and 23 b, the first high frequency power supply 25, the second high frequency power supply 26, and the exhaust flow regulator 28 are controlled by the control unit 29.

次に、本実施形態のシリコン構造体10の製造工程について説明する。まず、シリコンの異方性ドライエッチングについて、本実施形態は、保護膜形成ガスが導入される保護膜形成工程とエッチングガスが導入されるエッチング工程とを順次繰り返す方法を採用する。尚、本実施形態の保護膜形成ガスはCであり、エッチングガスはSFである。 Next, the manufacturing process of the silicon structure 10 of this embodiment will be described. First, for anisotropic dry etching of silicon, this embodiment employs a method of sequentially repeating a protective film forming process in which a protective film forming gas is introduced and an etching process in which an etching gas is introduced. In this embodiment, the protective film forming gas is C 4 F 8 and the etching gas is SF 6 .

本実施形態では、保護膜形成工程において、一単位時間としての処理時間である2.5秒間に、保護膜形成ガスが200mL/min.で供給され、チャンバー20内の圧力は4.65Paに制御される。コイル24には、13.56MHzの高周波電力が1800W印加されるが、ステージ21には13.56MHzの高周波電力が印加されない。一方、つづくエッチング工程では、一単位時間としての処理時間である2秒間に、エッチングガスが300mL/min.で供給され、チャンバー20内の圧力は4Paに制御される。コイル24には、13.56MHzの高周波電力が3200W印加される。一方、ステージ21には、図2に示すように、エッチング開始から5分間は、13.56MHzの高周波電力が120W印加されるが、5分経過後は、その印加電力は階段状に上昇し、エッチング終了時には180Wに到達する。ここで、前述の階段状の上昇は、時間の経過とともに、その段差、換言すれば、印加電力の差が大きくなるように設定される。つまり、図2における、(a)〜(d)の関係は、(a)<(b)<(c)<(d)である。なお、本実施形態では、ステージ21を冷却するための図示しないチラーに流れる流体温度は0℃に設定されている。   In this embodiment, in the protective film forming step, the protective film forming gas is 200 mL / min. In 2.5 seconds, which is a processing time as one unit time. The pressure in the chamber 20 is controlled to 4.65 Pa. A high frequency power of 13.56 MHz is applied to the coil 24 at 1800 W, but a high frequency power of 13.56 MHz is not applied to the stage 21. On the other hand, in the subsequent etching process, the etching gas is 300 mL / min. In 2 seconds, which is the processing time as one unit time. The pressure in the chamber 20 is controlled to 4 Pa. The coil 24 is applied with 3200 W of high frequency power of 13.56 MHz. On the other hand, as shown in FIG. 2, 120 W of high frequency power of 13.56 MHz is applied to the stage 21 for 5 minutes from the start of etching, but after 5 minutes, the applied power increases stepwise. It reaches 180 W at the end of etching. Here, the above-mentioned stepwise rise is set so that the difference in level, in other words, the applied power, increases with the passage of time. That is, the relationship between (a) to (d) in FIG. 2 is (a) <(b) <(c) <(d). In the present embodiment, the temperature of the fluid flowing in a chiller (not shown) for cooling the stage 21 is set to 0 ° C.

ここで、本実施形態のシリコン構造体10のより具体的な製造方法を、図3A乃至図3Cに従って説明する。エッチング開始から5分間のエッチング工程では、エッチング速度よりもイオン入射によるマスクの消費を抑えることを重視するエッチング条件が選択される。すなわち、本実施形態では、図3Aに示すように、エッチング工程時に120Wを印加することによってシリコン基板の異方性エッチングがなされる。この段階では、シリコン基板Wへの印加電力が低くても、エッチングされたシリコンの溝又はホールの底部16における保護膜、換言すれば、有機堆積物の除去は比較的容易である。その一方で、前述の印加電力が低いために、マスク12の消費が抑えられる。また、上述の通り、基板Wへの印加電力が低いため、イオンの斜め入射によるシリコンの側壁14の異常形状(例えば、側壁の保護膜の消失による側壁14の垂直性の低下)は殆ど見られない。   Here, a more specific manufacturing method of the silicon structure 10 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3A to 3C. In the etching process for 5 minutes from the start of etching, an etching condition is selected that places greater importance on suppressing mask consumption due to ion incidence than on the etching rate. That is, in this embodiment, as shown in FIG. 3A, anisotropic etching of the silicon substrate is performed by applying 120 W during the etching process. At this stage, even if the power applied to the silicon substrate W is low, it is relatively easy to remove the protective film at the bottom 16 of the etched silicon trench or hole, in other words, the organic deposit. On the other hand, since the applied power is low, the consumption of the mask 12 is suppressed. Further, as described above, since the power applied to the substrate W is low, an abnormal shape of the silicon side wall 14 due to the oblique incidence of ions (for example, a decrease in the verticality of the side wall 14 due to the disappearance of the protective film on the side wall) is almost seen. Absent.

次に、エッチング開始から5分経過後、基板Wへの印加電力の値が階段状に上昇する。その階段状の上昇の初期段階(本実施形態におけるエッチング開始後5分経過後から8分に至るまで)のエッチング工程では、図2に示すように、その印加電力の上昇幅は比較的小さい。しかしながら、この印加電力の小幅な上昇により、一般的にはエッチングが進行することにより除去が困難となる前述の底部16の保護膜の除去が容易になる。しかも、この段階から基板Wに対する印加電力を上昇させ始めているため、エッチング当初から印加電力を上昇させ始めている場合と比較して、より厚いマスク12が残されることになる。この段階では、図3Bに示すように、イオンの斜め入射によるシリコンの側壁14の異常形状が生じ始めるため、開口部近傍の側壁14の間の距離Lが当初の幅Lに比べて幾分広がる。しかし、本実施形態では、エッチング開始から5分が経過した後に基板Wに対する印加電力を上昇させ始めているため、エッチング当初から印加電力を上昇させ始めている場合と比較して、その幅の広がりは小さい。 Next, after 5 minutes from the start of etching, the value of the applied power to the substrate W increases stepwise. In the etching step in the initial stage of the step-like increase (from 5 minutes after the start of etching until 8 minutes in the present embodiment), as shown in FIG. 2, the increase in the applied power is relatively small. However, the small increase in the applied power facilitates the removal of the protective film on the bottom portion 16, which is generally difficult to remove as etching progresses. In addition, since the applied power to the substrate W is started to increase from this stage, a thicker mask 12 is left as compared with the case where the applied power is started to increase from the beginning of etching. At this stage, as shown in FIG. 3B, an abnormal shape of the silicon side wall 14 due to the oblique incidence of ions begins to occur, so the distance L 2 between the side walls 14 in the vicinity of the opening is less than the initial width L 1. Spread a minute. However, in this embodiment, since the applied power to the substrate W is started to increase after 5 minutes have elapsed from the start of etching, the width of the spread is small compared to the case where the applied power is started to increase from the beginning of etching. .

その後、その階段状の上昇の最終段階(本実施形態におけるエッチング開始後8分経過後から10分に至るまで)のエッチング工程では、図2に示すように、その印加電力の上昇幅は比較的大きい。しかしながら、この印加電力の大幅な上昇により、一般的にはアスペクト比の高い開口を有する溝やホールの底部16において除去が困難となる前述の底部16の保護膜の除去が容易になる。すなわち、図3Cに示すように、本実施形態では基板Wに対する印加電力を非線形に高めた結果、高いマスク選択比を維持しつつ、溝やホールの底部16においても十分な間隔(図3CのL)を得ることが可能となる。換言すれば、従来技術のように印加電力の線形の上昇を採用すれば、マスク選択比が悪化するだけではなく、アスペクト比の高い開口を有する溝やホールの底部16上に保護膜の一部が残存するため、上述の先細り現象が生じることになる。しかも、前述の最終段階において基板Wに対する印加電力を大幅に上昇されるため、マスク12の消費を顕著に抑えることができる。他方、この段階では、図3Cに示すように、非線形的に強まるイオンの斜め入射によるシリコンの側壁14の異常形状が進行するため、開口部近傍の側壁14の間の距離Lが当初の幅Lに比べて広がる。 Thereafter, in the etching process in the final stage of the step-like increase (from 8 minutes after the start of etching until 10 minutes in the present embodiment), as shown in FIG. large. However, this significant increase in applied power facilitates the removal of the protective film on the bottom 16 which is generally difficult to remove at the bottom 16 of a groove or hole having a high aspect ratio opening. That is, as shown in FIG. 3C, in the present embodiment, the applied power to the substrate W is increased nonlinearly. As a result, a sufficient gap (L in FIG. 3C) is maintained at the bottom 16 of the groove or hole while maintaining a high mask selection ratio. 4 ) can be obtained. In other words, if a linear increase in applied power is employed as in the prior art, not only the mask selectivity is deteriorated, but also a part of the protective film is formed on the bottom 16 of the groove or hole having an opening with a high aspect ratio. As a result, the above-mentioned tapering phenomenon occurs. In addition, since the power applied to the substrate W is significantly increased in the final stage, consumption of the mask 12 can be remarkably suppressed. On the other hand, at this stage, as shown in FIG. 3C, the abnormal shape of the silicon side wall 14 due to the oblique incidence of non-linearly strengthened ions proceeds, so the distance L 3 between the side walls 14 near the opening is the initial width. It spreads compared to L 1.

ここで、実験として、図4に示すように線形的に印加電力が上昇するように設定されている以外は本実施形態と同じ条件でシリコン基板Wの異方性エッチングが行われた比較例と本実施形態とを対比させる。   Here, as an experiment, a comparative example in which anisotropic etching of the silicon substrate W was performed under the same conditions as in the present embodiment except that the applied power was set to increase linearly as shown in FIG. Contrast with this embodiment.

表1は、一例として約0.5μm幅の開口を有する溝に着目したときの上述の比較例のエッチングによって形成されたシリコン構造体と本実施形態のシリコン構造体とを比較した結果を示している。   Table 1 shows a result of comparing the silicon structure formed by the etching of the above-described comparative example with the silicon structure of the present embodiment when focusing on a groove having an opening with a width of about 0.5 μm as an example. Yes.

表1に示すとおり、本実施形態のシリコン構造体10は、比較例に比べて顕著にマスク選択比が向上していることが分かる。これは、上述のとおり、エッチング当初の所定時間において基板Wへの印加電圧の上昇を行わなかったためである。本実施形態の製造方法によるマスク選択比の改善により、従来、シリコン酸化膜をマスクとしなければならなかった場合であっても、場合によってはレジストマスクを代用することも可能となる。また、現時点で理由は明らかではないが、本実施形態ではエッチング当初の所定時間において基板Wへの印加電圧の上昇を行わなかったにもかかわらず、比較例よりも最終的にエッチング速度が上回っている。このエッチング速度の向上は生産性の向上に大きく寄与する。   As shown in Table 1, it can be seen that the silicon structure 10 of the present embodiment has a significantly improved mask selectivity as compared with the comparative example. This is because, as described above, the voltage applied to the substrate W was not increased for a predetermined time at the beginning of etching. By improving the mask selection ratio by the manufacturing method of the present embodiment, even if the silicon oxide film has conventionally been used as a mask, a resist mask can be substituted in some cases. Although the reason is not clear at this time, in the present embodiment, the etching rate is finally higher than that of the comparative example even though the voltage applied to the substrate W is not increased for a predetermined time at the beginning of etching. Yes. This improvement in the etching rate greatly contributes to the improvement in productivity.

さらに、本実施形態のシリコン構造体10は、溝の底部16の幅(図3CのL)が比較例よりも広がっている。これにより、いわゆる先細りの問題が解決される。ところで、上述の実験では、本実施形態のシリコン構造体10が、一見すると、垂直性の観点で、比較例よりも劣っている。しかしながら、この実験を超える高アスペクト比の開口を形成する場合は、溝やホールの底部における保護膜の除去がより確実な本実施形態の方が、垂直性の観点でも優れることになる。なお、表1において、「CD損失」とは、特開平10−135192号公報の図3等に定義されている意味と同じである。また、表1における「側壁角度」は、図7に示すθが表す角度である。なお、実際の側壁は、図7に示すような直線状の側壁ではない。従って、図3Cにおける上部溝幅(L)、下部溝幅(L)、及び溝の深さ(D)を測定した上で、擬似的に側壁が直線状であると仮定して、次に示す数式によって側壁角度(θ)が算出される。 Furthermore, in the silicon structure 10 of the present embodiment, the width of the bottom 16 of the groove (L 4 in FIG. 3C) is wider than that of the comparative example. This solves the so-called taper problem. By the way, in the above-mentioned experiment, the silicon structure 10 of the present embodiment is inferior to the comparative example at first glance in terms of verticality. However, when a high aspect ratio opening exceeding this experiment is formed, the present embodiment in which the protective film is more surely removed from the bottom of the groove or hole is superior in terms of verticality. In Table 1, “CD loss” has the same meaning as defined in FIG. 3 of JP-A-10-135192. The “side wall angle” in Table 1 is an angle represented by θ shown in FIG. The actual side wall is not a straight side wall as shown in FIG. Therefore, after measuring the upper groove width (L 3 ), the lower groove width (L 4 ), and the groove depth (D) in FIG. 3C, assuming that the side wall is pseudo linear, The side wall angle (θ) is calculated by the mathematical formula shown below.

ここで、参考までに、本実施形態のシリコン構造体10における溝の上部断面及び下部断面の走査電子顕微鏡(以下、SEMという)写真を図5A及び図5Bに示す。なお、溝の下部断面を示す図5Bでは、シリコンが鉛直下方に切断されなかったこと及びSEM写真が溝の真正面から撮影されていないことから溝が歪んでいるように見えていること付言しておく。   Here, for reference, scanning electron microscope (hereinafter referred to as SEM) photographs of the upper and lower cross-sections of the grooves in the silicon structure 10 of the present embodiment are shown in FIGS. 5A and 5B. In addition, in FIG. 5B which shows the lower cross section of a groove | channel, it adds that the groove | channel seems to be distorted because the silicon | silicone was not cut | disconnected perpendicularly downward and the SEM photograph was not image | photographed from the front of the groove | channel. deep.

ところで、上述の製造装置100に備えられている制御部29は、コンピュータ60に接続されている。コンピュータ60は、上述の各プロセスを実行するためのシリコン構造体10の製造プログラムにより、上述の各プロセスを監視し、又は統合的に制御する。以下に、具体的な製造フローチャートを示しながら、シリコン構造体10の製造プログラムを説明する。尚、本実施形態では、上述の製造プログラムがコンピュータ60内のハードディスクドライブ、又はコンピュータ60に設けられた光ディスクドライブ等に挿入される光ディスク等の公知の記録媒体に保存されているが、この製造プログラムの保存先はこれに限定されない。例えば、この製造プログラムの一部又は全部は、本実施形態における各プロセスチャンバーに備えられている制御部29内に保存されていてもよい。また、この製造プログラムは、ローカルエリアネットワークやインターネット回線等の公知の技術を介して上述の各プロセスを監視し、又は制御することもできる。   Incidentally, the control unit 29 provided in the above-described manufacturing apparatus 100 is connected to the computer 60. The computer 60 monitors or comprehensively controls each process described above by the manufacturing program of the silicon structure 10 for executing each process described above. Hereinafter, a manufacturing program for the silicon structure 10 will be described with reference to a specific manufacturing flowchart. In the present embodiment, the above-described manufacturing program is stored in a known recording medium such as an optical disk inserted in a hard disk drive in the computer 60 or an optical disk drive provided in the computer 60. The storage destination of is not limited to this. For example, a part or all of this manufacturing program may be stored in the control unit 29 provided in each process chamber in the present embodiment. The manufacturing program can also monitor or control each of the processes described above via a known technique such as a local area network or an Internet line.

図6は、本実施形態のシリコン構造体10の製造フローチャートである。   FIG. 6 is a manufacturing flowchart of the silicon structure 10 of this embodiment.

図6に示すとおり、まず、ステップS101において、基板Wがチャンバー20内に搬送された後、チャンバー20内のガスが排気される。その後、ステップS102〜ステップS104において、チャンバー20内で基板Wが既述の条件により異方性ドライエッチングされる。   As shown in FIG. 6, first, in step S <b> 101, after the substrate W is transferred into the chamber 20, the gas in the chamber 20 is exhausted. Thereafter, in steps S102 to S104, the substrate W is anisotropically dry etched in the chamber 20 under the above-described conditions.

具体的には、まず、ステップS102において、本実施形態のエッチングが開始される。エッチング開始から5分が経過するまでは、ステップS103に示すように、エッチング工程において基板Wに対して一定の電力(120W)が印加される。エッチング開始から5分が経過した後、ステップS104に示すように、エッチング工程において基板Wに対して階段状に印加電力が上昇するように電力が印加される。本実施形態では、その階段状の階段の段差が、時間の経過と共に大きくなるように製造プログラムが設定されている。その後、ステップS104においてエッチング停止され、本実施形態の製造プログラムが終了する。なお、図6では、特にエッチング工程における印加電力の推移について言及されているが、その他の条件、例えば、保護膜形成工程の各条件等についてもこの製造プログラムにおいて統合的に制御される。上述のとおり、シリコン構造体10の製造プログラムが実行される結果、垂直性の高い異方性エッチング形状と高いマスク選択比が同時に達成される。   Specifically, first, in step S102, the etching of this embodiment is started. Until 5 minutes have elapsed from the start of etching, a constant power (120 W) is applied to the substrate W in the etching process as shown in step S103. After 5 minutes have elapsed from the start of etching, power is applied so that the applied power increases stepwise with respect to the substrate W in the etching process, as shown in step S104. In the present embodiment, the manufacturing program is set so that the steps of the stepped staircase increase with time. Thereafter, the etching is stopped in step S104, and the manufacturing program of the present embodiment ends. In FIG. 6, the transition of the applied power in the etching process is particularly mentioned, but other conditions such as each condition in the protective film forming process are also integratedly controlled in this manufacturing program. As described above, as a result of executing the manufacturing program of the silicon structure 10, a highly perpendicular anisotropic etching shape and a high mask selection ratio are achieved at the same time.

ところで、上述の実施形態では、シリコン基板Wへの印加電力量が一定時間経過後に階段状に上昇するように設定されているが、これに限定されない。例えば、2次曲線的に上昇するように設定されても本発明の効果と実質的に同様の効果が奏される。   By the way, in the above-described embodiment, the amount of electric power applied to the silicon substrate W is set to rise in a stepped manner after a predetermined time has elapsed, but the present invention is not limited to this. For example, even if it is set so as to rise in a quadratic curve, substantially the same effect as the effect of the present invention is exhibited.

また、上述の実施形態では、エッチング開始当初のシリコン基板Wに対して一定電力が印加された時間が5分であったが、これに限定されない。本発明の効果が実質的に奏されるための一定電力が印加されるべき時間は、エッチング開始から3分以上6分以下である。これは、エッチング開始から3分未満で基板Wへの印加電力を上昇させ始めると、溝やホールの深さが比較的浅い段階で印加電力を不用に上昇させることになるため、基板に入射するイオンによって消費するマスクの量が増加し、マスク選択比が低下する危険性が高まるためである。一方、エッチング開始から6分を超えて一定の電力を印加することは、エッチング完了までに長い時間を要するため、この場合も結果として、マスク選択比が低下する危険性が高まるためである。   Further, in the above-described embodiment, the time during which the constant power is applied to the silicon substrate W at the beginning of etching is 5 minutes. However, the present invention is not limited to this. The time for applying a constant power for substantially achieving the effect of the present invention is not less than 3 minutes and not more than 6 minutes from the start of etching. This is because if the applied power to the substrate W starts to increase within 3 minutes from the start of etching, the applied power is unnecessarily increased when the depth of the grooves and holes is relatively shallow. This is because the amount of the mask consumed by the ions increases, and the risk that the mask selection ratio decreases is increased. On the other hand, applying a constant power over 6 minutes from the start of etching requires a long time to complete the etching, and as a result, the risk that the mask selection ratio is lowered is also increased.

さらに、上述の実施形態では、エッチング開始当初から一定時間、シリコン基板Wに対して印加された電力が120Wであったが、160W以下であれば、マスクの消費量を低減して高いマスク選択比を達成することができる。他方、実質的にシリコンの異方性エッチングが進行するためには、100W以上が印加されることが好ましい。   Furthermore, in the above-described embodiment, the power applied to the silicon substrate W is 120 W for a certain time from the beginning of etching. However, if the power is 160 W or less, the mask consumption is reduced and the mask selection ratio is high. Can be achieved. On the other hand, in order for the anisotropic etching of silicon to proceed substantially, it is preferable to apply 100 W or more.

また、上述の実施形態では、当初のエッチングマスクとしてシリコン酸化膜マスクが使用されているが、レジストマスクやシリコン窒化膜マスクが使用されてもよい。本発明によって高いマスク選択比が達成されるため、イオン入射に対する耐性の高いシリコン酸化膜マスクやシリコン窒化膜マスクの代わりに、レジストマスクが適用できる場合が増えると考えられる。   In the above-described embodiment, a silicon oxide film mask is used as an initial etching mask. However, a resist mask or a silicon nitride film mask may be used. Since a high mask selection ratio is achieved by the present invention, it is considered that there are more cases where a resist mask can be applied instead of a silicon oxide film mask or a silicon nitride film mask having high resistance to ion incidence.

また、上述の実施形態では、シリコンをエッチングする手段として、エッチングガスと保護膜形成ガスが交互にプラズマ化される技術を用いられているが、エッチング手段はこれに限定されない。例えば、特開2004−296474に記載されているようなエッチングガスと保護膜形成ガスの混合ガスをプラズマ化する方法もシリコンの異方性ドライエッチングとして活用できる。この方法は、上記各々のガスを単に交互にプラズマ化させてエッチングする方法に比べてエッチングレートが遅くなるが、側壁面の凹凸がより小さくなって滑らかになる点では有効である。また、上述の保護膜形成ガスであるCの代わりにCやC6が用いられても良く、上述のエッチングガスであるSFの代わりにNFやFが用いられても良い。また、上記のエッチングガス及び保護膜形成ガスは、それぞれが単一ガスである必要はない。例えば、エッチングガスはSF等の他に酸素ガスやアルゴンガスを含んでいても良く、保護膜形成ガスは、C等の他に酸素ガスを含んでいても良い。 In the above-described embodiment, as a means for etching silicon, a technique in which an etching gas and a protective film forming gas are alternately turned into plasma is used, but the etching means is not limited to this. For example, a method for converting a mixed gas of an etching gas and a protective film forming gas into a plasma as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-296474 can also be used as anisotropic dry etching of silicon. This method is slower in etching rate than the method in which each of the above gases is simply turned into plasma, but is effective in that the unevenness on the side wall surface becomes smaller and smoother. Further, C 5 F 8 and C 4 F 6 may be used instead of C 4 F 8 which is the protective film forming gas, and NF 3 and F 2 are used instead of SF 6 which is the etching gas. It may be used. Further, the etching gas and the protective film forming gas need not be a single gas. For example, the etching gas may contain oxygen gas or argon gas in addition to SF 6 or the like, and the protective film forming gas may contain oxygen gas in addition to C 4 F 8 or the like.

また、上述の実施形態では、シリコン基板が用いられているが、プロセスの対象はシリコン基板に限定されない。例えば、SOI(Silicon on Insulator)のようなシリコン層を含む基板に対しても本発明は適用できる。   Moreover, although the silicon substrate is used in the above-described embodiment, the process target is not limited to the silicon substrate. For example, the present invention can be applied to a substrate including a silicon layer such as SOI (Silicon on Insulator).

さらに、プラズマ生成手段としてこれまでの実施形態ではICP(Inductively Coupled Plasma)を用いたが、本発明はこれに限定されない。他の高密度プラズマ、例えば、CCP(Capacitive−Coupled Plasma)やECR(Electron−Cyclotron Resonance Plasma)を用いても本発明の効果を得ることができる。以上、述べたとおり、本発明の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれるものである。   Furthermore, although ICP (Inductively Coupled Plasma) has been used as the plasma generating means in the embodiments so far, the present invention is not limited to this. The effects of the present invention can also be obtained using other high-density plasmas such as CCP (Capacitive-Coupled Plasma) and ECR (Electron-Cyclotron Resonance Plasma). As described above, modifications that exist within the scope of the present invention are also included in the claims.

本発明の1つの実施形態におけるシリコン構造体の製造装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the manufacturing apparatus of the silicon structure in one embodiment of this invention. 本発明の1つの実施形態におけるシリコン基板へのエッチング工程における印加電力の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the applied electric power in the etching process to the silicon substrate in one embodiment of the present invention. 本発明の1つの実施形態におけるシリコン構造体の製造方法の一過程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 1 process of the manufacturing method of the silicon structure in one embodiment of this invention. 本発明の1つの実施形態におけるシリコン構造体の製造方法の一過程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 1 process of the manufacturing method of the silicon structure in one embodiment of this invention. 本発明の1つの実施形態におけるシリコン構造体の製造方法の一過程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 1 process of the manufacturing method of the silicon structure in one embodiment of this invention. 比較例におけるシリコン基板へのエッチング工程における印加電力の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the applied electric power in the etching process to the silicon substrate in a comparative example. 本発明の1つの実施形態におけるシリコン構造体の溝の上部断面を示すSEM写真である。It is a SEM photograph which shows the upper cross section of the groove | channel of the silicon structure in one embodiment of this invention. 本発明の1つの実施形態におけるシリコン構造体の溝の下部断面を示すSEM写真である。It is a SEM photograph which shows the lower cross section of the groove | channel of the silicon structure in one embodiment of this invention. 本発明の1つの実施形態におけるシリコン構造体の製造フローチャートである。It is a manufacture flowchart of a silicon structure in one embodiment of the present invention. エッチング形状の側壁角度の定義を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the definition of the side wall angle of an etching shape.

符号の説明Explanation of symbols

10 シリコン構造体
12 エッチングマスク
14 側壁
16 底部
20 チャンバー
21 ステージ
22a,22b ガスボンベ
23a,23b ガス流量調整器
24 コイル
25 第1高周波電源
26 第2高周波電源
27 真空ポンプ
28 排気流量調整器
29 制御部
60 コンピュータ
100 シリコン構造体の製造装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Silicon structure 12 Etching mask 14 Side wall 16 Bottom part 20 Chamber 21 Stage 22a, 22b Gas cylinder 23a, 23b Gas flow regulator 24 Coil 25 1st high frequency power supply 26 2nd high frequency power supply 27 Vacuum pump 28 Exhaust flow rate regulator 29 Control part 60 Computer 100 Silicon structure manufacturing apparatus

Claims (7)

エッチングガスと有機堆積物形成ガスが交互に又は混合して導入されて形成されるプラズマを用いてシリコンをエッチングする過程で、
前記エッチングの開始時から所定時間、前記エッチングガス導入時の基板への印加電力を一定にする第1電力印加工程と、
前記所定時間が経過した後に前記エッチングガス導入時の基板への印加電力を時間と共に上昇させて、前記エッチングガスから形成されるプラズマ中のイオンの前記基板への入射を時間と共に強める第2電力印加工程とを有する
シリコン構造体の製造方法。
In the process of etching silicon using plasma formed by introducing an etching gas and an organic deposit forming gas alternately or mixedly ,
A first power application step of making the applied power to the substrate constant when the etching gas is introduced for a predetermined time from the start of the etching;
After the predetermined time has elapsed, the etching power applied to the substrate during the gas introduction is raised together with the time, a second power to enhance the incidence over time into the substrate of ions in the plasma formed from the etch gas A method for manufacturing a silicon structure.
前記第2電力印加工程における前記印加電力が階段状に上昇し、前記階段状の印加電力の任意の1つの段差が、前記段差が生じる時点よりも前の各々の段差よりも大きい
請求項1に記載のシリコン構造体の製造方法。
The applied power in the second power application step increases stepwise, and any one step of the stepped applied power is larger than each step before the time when the step occurs. The manufacturing method of the silicon structure of description.
前記所定時間は、エッチング開始から3分以上6分以下である
請求項1又は請求項2に記載のシリコン構造体の製造方法。
The method for manufacturing a silicon structure according to claim 1, wherein the predetermined time is not less than 3 minutes and not more than 6 minutes from the start of etching.
前記第1電力印加工程における印加電力が、100W以上である
請求項1又は請求項2に記載のシリコン構造体の製造方法。
The method for manufacturing a silicon structure according to claim 1 or 2, wherein an applied power in the first power application step is 100 W or more .
エッチングガスと有機堆積物形成ガスが交互に又は混合して導入されて形成されるプラズマを用いてシリコンをエッチングする過程で、
前記エッチングの開始時から所定時間、前記エッチングガス導入時の基板への印加電力を一定にする第1電力印加ステップと、
前記所定時間が経過した後に前記エッチングガス導入時の基板への印加電力を時間と共に上昇させて、前記エッチングガスから形成されるプラズマ中のイオンの前記基板への入射を時間と共に強める第2電力印加ステップとを有する
シリコン構造体の製造プログラム。
In the process of etching silicon using plasma formed by introducing an etching gas and an organic deposit forming gas alternately or mixedly ,
A first power application step of making the applied power to the substrate constant when the etching gas is introduced for a predetermined time from the start of the etching;
After the predetermined time has elapsed, the etching power applied to the substrate during the gas introduction is raised together with the time, a second power to enhance the incidence over time into the substrate of ions in the plasma formed from the etch gas A silicon structure manufacturing program comprising: an applying step.
請求項5に記載の製造プログラムを記録した記録媒体。   A recording medium on which the manufacturing program according to claim 5 is recorded. 請求項5に記載の製造プログラムにより制御される制御部を備えた
シリコン構造体の製造装置。
A silicon structure manufacturing apparatus comprising a control unit controlled by the manufacturing program according to claim 5.
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