JP5525319B2 - Etching method and etching apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、半導体基板のエッチング方法およびエッチング装置に係り、特に高アスペクト比の溝および/または穴を形成する加工をドライエッチングによって行うエッチング方法およびエッチング装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor substrate etching method and an etching apparatus, and more particularly, to an etching method and an etching apparatus that perform dry etching to form a high aspect ratio groove and / or hole.
半導体の集積化に伴い、複数のチップを重ねて接続し、ひとつのチップに集約するなどチップの小型化が進んでいる。従来チップ間の接続はワイヤを用いて接続する方法が用いられてきたが、現在では複数のチップを貫通する電極にて接続する方法が主流となりつつある。この貫通電極を形成するには、シリコン基板やSOI基板に10μm以上の深穴を形成する必要がある。 With the integration of semiconductors, chip miniaturization is progressing, such as connecting a plurality of chips in a stacked manner and consolidating them into one chip. Conventionally, a connection method using a wire has been used for connection between chips, but at present, a connection method using electrodes penetrating a plurality of chips is becoming mainstream. In order to form this through electrode, it is necessary to form a deep hole of 10 μm or more in a silicon substrate or SOI substrate.
上記の加工を行うには、シリコン基板における素子間分離やコンタクトホール及びキャパシタ等を形成するために用いられてきたO2、Cl2またはHBr,CF4等の混合ガスによるドライエッチング方法では、Si-CやSi-Brなどエッチングにより発生する反応生成物の揮発性が低いため再付着しやすく、強い堆積性(デポ性)を有するため、シリコンのエッチング速度が小さくなり、スループットが低下する等の問題が発生していた。 In order to perform the above-described processing, in a dry etching method using a mixed gas such as O 2 , Cl 2, HBr, or CF 4 that has been used to form element isolation in a silicon substrate, contact holes, capacitors, and the like, The reaction product generated by etching such as -C and Si-Br is low in volatility, so it is easy to reattach, and has a strong deposition property (depositing property), so the etching rate of silicon is reduced and the throughput is reduced. There was a problem.
この問題を解決するために、SF6ガス等のフッ素含有ガスとO2ガスなどの酸素含有ガスの混合ガスを用いた混合ガスプラズマによるドライエッチング方法が提案されている。 In order to solve this problem, a dry etching method using a mixed gas plasma using a mixed gas of a fluorine-containing gas such as SF 6 gas and an oxygen-containing gas such as O 2 gas has been proposed.
例えば、SF6とO2ガスは、それぞれS、F、Oのイオンやラジカルに解離され、シリコン基板表面と反応してSi-FやSi-O,Si-O-Fなどの反応生成物が生成される。Si-FはSiがエッチングされる際に最も多く発生し、FによりSiが引き抜かれることによりSiのエッチングが進行する。 For example, SF 6 and O 2 gases are dissociated into S, F, and O ions and radicals, respectively, and react with the silicon substrate surface to produce reaction products such as Si—F, Si—O, and Si—O—F. Generated. Si-F is most generated when Si is etched, and Si is extracted by F, so that etching of Si proceeds.
Si-Fのエッチングは、Si-Cl,Si-CやSi-Brなどと比較して、結合エネルギーが大きいため、よりエッチングが進行しやすい。またSi-Fは蒸気圧が高く、物質自体の結合エネルギーも小さく、基板の温度による揮発や入射イオンによって除去されるため、付着量は少ない。 Etching of Si—F is more likely to proceed because of higher binding energy than Si—Cl, Si—C, Si—Br, and the like. Si-F has a high vapor pressure, a low bond energy of the substance itself, and is removed by volatilization depending on the temperature of the substrate and incident ions, so that the amount of adhesion is small.
一方、Si-OやSi-O-Fは、不揮発性の反応生成物であるため、側壁へ再付着しやすいことから、側壁の保護膜として形成される。 On the other hand, since Si—O and Si—O—F are non-volatile reaction products, they are easily reattached to the side wall, and thus are formed as a protective film for the side wall.
上記のことから、適度にサイドエッチングを抑制しながら、深さ方向のみの異方性かつ高速なエッチングを可能としている。 From the above, it is possible to perform anisotropic and high-speed etching only in the depth direction while appropriately suppressing side etching.
また、このドライエッチング方法は、SF6ガスとO2ガスの混合ガスによるプラズマで、基板のシリコンとの反応により生成したSi-Oが、比較的薄く処理室内壁に形成されるので、付着物の剥離による異物発生が少なく、ウエット周期を長くできる利点もある。 Further, in this dry etching method, Si—O generated by the reaction with the silicon of the substrate is formed by a plasma of a mixed gas of SF 6 gas and O 2 gas. There is also an advantage that the generation of foreign matter due to peeling of the film is small and the wet cycle can be lengthened.
さらにSF6ガスで形成された副生成物とO2ガスによってチャンバー内壁に薄く生成されたSi-Oは、チャンバー部材から発生する金属汚染物質のシリコン基板への飛散を抑制し、基板に形成する半導体デバイスの特性不良を低減する効果がある。 Further, by-products formed with SF 6 gas and Si—O thinly formed on the inner wall of the chamber with O 2 gas suppress the scattering of metal contaminants generated from the chamber member to the silicon substrate, and form on the substrate. There is an effect of reducing characteristic defects of semiconductor devices.
従来のSF6ガスとO2ガスを用いた技術では、Fラジカルによるエッチングが主となるため、図2に示すシリコン層21にてサイドエッチング23が大きくなりやすい。22はマスクである。このサイドエッチング23を低減し、深さ方向のエッチングを促進する目的で大量のO2が添加され、Si-OやSi-O-Fなどの反応生成物の側壁を保護しながらエッチングが進行していく。
In the conventional technique using SF 6 gas and O 2 gas, etching by F radicals is the main, and therefore the side etching 23 tends to be large in the
但し、この添加ガスであるO2については、ある一定割合を超えると側壁保護の効果が大きくなりテーパ形状となる。深さ数μmのTrench工程やVia工程ではテーパ角度の影響は小さいものの、深さ数十μmのDT(Deep Trench)やTSV(Through-Silicon Via)については、テーパ角度の影響が大きくなり、その制御性が重要となってくる。 However, when O 2 as the additive gas exceeds a certain ratio, the effect of protecting the side walls is increased and a tapered shape is obtained. Although the influence of the taper angle is small in the trench process and via process of several μm in depth, the influence of the taper angle becomes large in DT (Deep Trench) and TSV (Through-Silicon Via) of several tens of μm in depth. Controllability is important.
反応生成物による側壁保護方法については、シリコン基板を0度以下に冷却することにより、サイドエッチングやボウイング形状を抑制することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。しかしながらアスペクト比20を超え、深さ数十μmのTrenchやViaのエッチングについては、エッチング時間が長くなることにより、シリコン基板を低温にするだけでは、側壁保護が追いつかず、TrenchやViaの上部では付着した反応性生物がエッチングされてしまうため、サイドエッチングやボーイングなどが発生しやすい。 As for the side wall protection method using a reaction product, it has been proposed to suppress side etching and bowing shape by cooling the silicon substrate to 0 degrees or less (see, for example, Patent Document 1). However, for trenches and vias with an aspect ratio exceeding 20 and a depth of several tens of μm, the etching time becomes long, so that the side wall protection cannot be caught up only by lowering the silicon substrate. Since the attached reactive organisms are etched, side etching or bowing is likely to occur.
またTrench工程やVia工程で溝又は穴の深さが深くなるとエッチング途中でマスク22が無くなってしまい、開口部の寸法が広がる等の問題が発生しやすい。マスク消失により開口部の寸法が広がるとTrenchやViaの側面が段になり、側壁が荒れた状態になってしまう。形成する目的によっても異なるが、TrenchやViaの内部には導体あるいは絶縁物質が埋め込まれる。
Further, when the depth of the groove or the hole is deepened in the Trench process or the Via process, the
例えば、Trenchを素子分離の目的に利用する場合には、シリコン酸化膜等の絶縁膜がTrench内部に埋め込まれる。しかし、このサイドエッチング23の存在によって、埋め込みが不完全となり酸化膜中にボイドと呼ばれる空孔が形成される。その結果、リーク電流の増大や絶縁耐圧低下により、歩留まりを低下させる問題が発生していた。したがって、このサイドエッチング23の発生を抑制することは、デバイス特性の確保する上で重要な問題となっている。
For example, when the trench is used for the purpose of element isolation, an insulating film such as a silicon oxide film is embedded in the trench. However, due to the presence of the side etching 23, the embedding is incomplete, and voids called voids are formed in the oxide film. As a result, there has been a problem that the yield is lowered due to an increase in leakage current and a decrease in dielectric strength. Therefore, suppressing the occurrence of the
この問題に対しては、高周波のバイアスを間欠的に印加することにより、酸化膜マスクとの選択比を向上することが提案されている(例えば、特許文献2参照)。しかしながら、TSVはフォトレジストなどの有機膜のマスクが多く、この有機膜に対する問題については解決方法が示されていない。 In order to solve this problem, it has been proposed to improve the selectivity with respect to an oxide film mask by intermittently applying a high-frequency bias (for example, see Patent Document 2). However, TSV has many masks of organic films, such as a photoresist, and the solution method is not shown about the problem with respect to this organic film.
本発明の目的は、フッ素含有ガスおよび酸素含有ガスを用いてシリコン基板やSOI基板に深い溝又は穴を形成する際に、マスクのエッチングを最小限に抑制しシリコンのエッチングを行うと同時に、サイドエッチングを最小とするドライエッチング方法およびエッチング装置を提供することにある。 An object of the present invention is to form a deep groove or hole in a silicon substrate or an SOI substrate using a fluorine-containing gas and an oxygen-containing gas, and at the same time, performs silicon etching while minimizing mask etching. An object of the present invention is to provide a dry etching method and an etching apparatus that minimize etching.
本課題は、エッチングにより生成される反応生成物だけでは側壁保護が足りないため、反応生成物と同じSiを含むガスをフッ素含有ガスと酸素含有ガスに添加することにより解決することができる。またマスクとの選択比についても、RFバイアスを一定間隔で印加しない時間を設けた上で、Si含有ガスを添加しマスク上に反応性生物の堆積させることによって選択比を向上することができる。 This problem can be solved by adding a gas containing Si, which is the same as the reaction product, to the fluorine-containing gas and the oxygen-containing gas because the reaction product produced by etching alone does not provide sufficient sidewall protection. Further, with respect to the selection ratio with respect to the mask, it is possible to improve the selection ratio by adding a Si-containing gas and depositing reactive organisms on the mask after providing a time during which the RF bias is not applied at regular intervals.
本発明のエッチング方法は、SOI基板又はシリコン基盤に溝および/または穴を形成するエッチング方法であって、フッ素含有ガスと酸素含有ガスと珪素含有ガスを用いて混合ガスプラズマを生成し、高周波電力を時間的に変調した間欠的な高周波のバイアスを、前記SOI基板又はシリコン基板に印加するエッチング方法において、前記フッ素含有ガスがSF 6 、S 2 F 10 、CF 4 のいずれかもしくはこれらの2種以上の混合ガスであり、前記酸素含有ガスがO 2 、CO、CO 2 、SO 2 のいずれかもしくはこれらの混合ガスであり、前記珪素含有ガスがSiF 4 、SiCl 4 のいずれかもしくはこれらの混合ガスであり、前記反応容器内に設置された前記SOI基板又はシリコン基板を載置する電極内の温度制御部分を2ヶ所以上有し、それぞれの部分の温度を−35℃〜−45℃の異なる温度に設定し、前記珪素含有ガスのSiF 4 の流量を増加し、更に、単位時間当たりに印加されるバイアス電力を固定し、前記SOI基板又はシリコン基盤に印加するバイアスの印加と停止を時間的に変調することが可能な時間変調バイアスを用いて、前記時間変調バイアスの周期により前記高周波バイアスのオフF時間を制御することを特徴とする。 The etching method of the present invention is an etching method for forming grooves and / or holes in an SOI substrate or a silicon substrate, generating a mixed gas plasma using a fluorine-containing gas, an oxygen-containing gas, and a silicon-containing gas, In the etching method in which an intermittent high-frequency bias modulated with time is applied to the SOI substrate or the silicon substrate, the fluorine-containing gas is any one of SF 6 , S 2 F 10 , CF 4 or two of them. The above-mentioned mixed gas, wherein the oxygen-containing gas is any one of O 2 , CO, CO 2 , SO 2 , or a mixed gas thereof, and the silicon-containing gas is any one of SiF 4 , SiCl 4 , or a mixture thereof 2 is a temperature control part in an electrode on which the SOI substrate or silicon substrate placed in the reaction vessel is placed. Has the reason, the temperature of each part is set to different temperatures -35 ℃ ~-45 ℃, increasing the flow rate of SiF 4 in the silicon-containing gas, further, the bias power applied per unit time The off-F time of the high-frequency bias is controlled by the period of the time modulation bias using a time modulation bias that can be fixed and time-modulated to apply and stop the bias applied to the SOI substrate or silicon substrate. characterized in that it.
また、本発明のエッチング装置は、SOI基板又はシリコン基盤に溝および/または穴を形成するエッチング装置であって、フッ素含有ガスと酸素含有ガスと珪素含有ガスを用いて混合ガスを反応容器に導入し、混合ガスプラズマを生成する混合ガスプラズマ生成手段と、高周波電力を時間的に変調した間欠的な高周波のバイアスを、前記SOI基板又はシリコン基板に印加する高周波バイアス電源とを備えており、前記フッ素含有ガスがSF 6 、S 2 F 10 、CF 4 のいずれかもしくはこれらの2種以上の混合ガスであり、前記酸素含有ガスがO 2 、CO、CO 2 、SO 2 のいずれかもしくはこれらの混合ガスであり、前記珪素含有ガスがSiF 4 、SiCl 4 のいずれかもしくはこれらの混合ガスであり、前記反応容器内に設置された前記SOI基板又はシリコン基板を載置する電極内の温度制御部分を2ヶ所以上有し、それぞれの部分の温度が−35℃〜−45℃の異なる温度に設定可能であり、前記反応容器に導入される前記混合ガスの前記珪素含有ガスのSiF 4 の流量を増加し、更に、単位時間当たりに印加されるバイアス電力を固定し、前記SOI基板又はシリコン基盤に印加するバイアスの印加と停止を時間的に変調することが可能な時間変調バイアスを用いて、前記時間変調バイアスの周期により前記高周波バイアスのオフF時間を制御することを特徴とする。 The etching apparatus of the present invention is an etching apparatus for forming grooves and / or holes in an SOI substrate or a silicon substrate, and introducing a mixed gas into a reaction vessel using a fluorine-containing gas, an oxygen-containing gas, and a silicon-containing gas. and, a mixed gas plasma generation means for generating a mixed gas plasma, the intermittent high-frequency bias RF power temporally modulated, and a high frequency bias power source to be applied to the SOI substrate or a silicon substrate, wherein The fluorine-containing gas is any one of SF 6 , S 2 F 10 , CF 4 or a mixed gas of two or more thereof, and the oxygen-containing gas is any one of O 2 , CO, CO 2 , SO 2 or these mixing a gas, 4 the silicon-containing gas is SiF, is any or a mixture gas of these SiCl 4, set into the reaction vessel Two or more temperature control portions in the electrode on which the SOI substrate or silicon substrate is placed, and the temperature of each portion can be set to different temperatures of -35 ° C to -45 ° C, and the reaction vessel The flow rate of SiF 4 of the silicon-containing gas of the mixed gas introduced into the substrate is increased, and the bias power applied per unit time is fixed, and the application and stop of the bias applied to the SOI substrate or the silicon substrate is performed. using time-modulated bias capable of temporally modulated, characterized that you control the high frequency bias off F times the period of said time-modulated bias.
本発明によれば、TSV等の深穴加工においてマスクの加工寸法異常を抑制するとともに、サイドエッチングを含む側壁の荒れを低減し安定した生産性を確保することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress a mask processing dimension abnormality in deep hole processing such as TSV and to reduce roughness of a side wall including side etching and to ensure stable productivity.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明のエッチング方法を適用するプラズマエッチング装置である。この実施例は、プラズマを形成する手段として、マイクロ波と磁界を利用したマイクロ波プラズマエッチング装置を示したものである。 FIG. 1 shows a plasma etching apparatus to which the etching method of the present invention is applied. This embodiment shows a microwave plasma etching apparatus using a microwave and a magnetic field as means for forming plasma.
プラズマエッチング装置は、アルミニウムまたはステンレス鋼等から構成される円筒状の反応容器1を有し、被処理基板(シリコン基板又はSOI基板)2を載置する試料台3が内設されている。また、試料台3は試料台3表面の中心部と外周部の温度を独立に制御できる2冷媒タイプの試料台である。
The plasma etching apparatus includes a
SF6、S2F10、NF3、CF4、C2F8等のフロンガス(フッ素含有ガス)、Ar、N2等の不活性ガス、O2、CO、CO2、SO2等の酸化含有ガスやSiF4、SiCl4等の珪素含有ガスは、図示しないガス流量調整手段(MFC:Mass Flow Controller)やエアーバルブにより、供給流量や供給タイミングが制御され、ガス導入口4から多孔構造の透過窓5を介して均一に被処理基板2表面に供給される。
Freon gas (fluorine-containing gas) such as SF 6 , S 2 F 10 , NF 3 , CF 4 , C 2 F 8 , inert gas such as Ar, N 2 , oxidation containing O 2 , CO, CO 2 , SO 2, etc. Gas and silicon-containing gas such as SiF 4 and SiCl 4 are controlled in flow rate and timing by a gas flow rate adjusting means (MFC: Mass Flow Controller) and an air valve (not shown), and the permeation of the porous structure from the
反応容器1の下方には、図示しないターボ分子ポンプ(TMP)等からなる真空排気手段が配設され、オートプレッシャーコントローラー(APC)等の調圧手段(図省略)により、反応容器1内が所定圧力に保持される。処理後の反応ガスは、真空排気手段を介して、反応容器1外へ排出される。
Below the
マグネトロン6で発生したマイクロ波は、導波管7を通して電磁波を透過可能な石英、サファイヤ、窒化アルミニウム、窒化ボロンで構成される誘電体窓8を介して、反応容器1へ導入される。
Microwaves generated by the
反応容器1の外周壁には、磁場発生用のソレノイドコイル9が配設され、これにより発生する磁界と、入射されるマイクロ波との相互作用により電子サイクロトロン共鳴(ECR:Electron Cyclotron Resonance)が発生し、高密度プラズマを形成できる構造となっている。
A solenoid coil 9 for generating a magnetic field is disposed on the outer peripheral wall of the
導電性試料台3表面には、静電チャック10が配設され、静電吸着電源17より直流電圧を印加することにより静電吸着力が発生し、被処理基板2が静電チャック10表面に固定される。被処理基板2の周囲には、セラミックスや石英製の絶縁カバー18が配置されている。これら装置の中央に配設される被処理基板2を置載させる構造体を総称して、電極と呼ぶ。
An
静電チャック10表面には溝が形成され、固定された被処理基板2の裏面と静電チャック10間で形成される流路12に、冷却ガス供給口15よりHe、Ar、O2等の冷却ガスを供給し、流路12内を所定圧力に維持できる構造となっている。また静電チャック10に埋設された冷媒循環流路13に、それぞれにチラーユニット14で温度制御された冷媒が循環しており、流路12のガスによるガス伝熱と接触面による熱伝導により、被処理基板2を冷却している。
A groove is formed on the surface of the
導電性試料台3には、高周波電力導入ポート16が接続され、400kHzの正弦波電圧またはTMの高周波バイアス電力を印加できる構成となっている。印加される高周波バイアスは、図示しないエッチング装置の制御部より、高周波電力の印加タイミングや印加パワーが制御される。なお、高周波バイアスの電源には、可変周波数電源を用いており、400〜1200kHzの任意の周波数を印加できるようになっている。
A high frequency
TMの高周波バイアス電力を印加するため、高周波電源11には図示しない任意波形発生装置が接続され、印加される高周波電力を時間的に変調して、静電チャック10に間欠的に供給可能となっている。高周波電力を時間的に変調視した間欠的な高周波バイアスのデューティ比、およびその印加する周期等は、図示しないプラズマエッチング装置の制御部に記録されたレシピ条件に従い、任意に制御可能となっている。
In order to apply TM high-frequency bias power, an arbitrary waveform generator (not shown) is connected to the high-
反応容器1内には、メンテナンス向上と金属汚染防止対策のために、取り外しが容易な石英製の円筒20およびアルミニウム材にアルマイト等の表面処理を施したカバー19が、電極の周囲に設置されている。
In the
すなわち、本発明にかかるエッチング装置は、反応容器1と、反応容器1内に設けたシリコン又はSOIの基板を載置する電極(試料台)3と、プラズマ生成用マイクロ波電源(マグネトロン)6と、反応容器1の外周壁に設けた磁場発生用ソレノイドコイル9と、反応容器1内に、フッ素含有ガスと酸素含有ガスの混合ガスを供給する処理ガス供給手段4と、電極に載置されたシリコン又はSOIの基板を冷却する冷却手段(冷却ガス供給手段12、15、冷媒循環路13およびチラーユニット14)と電極に高周波バイアスを供給する高周波電源11とを備えた、シリコン又はSOIの被処理基板2に溝および/または穴を形成するエッチング装置において、前記処理ガス供給手段からフッ素含有ガス酸素含有ガスの混合ガスを供給し、前記高周波電源が電極に供給する高周波バイアスを時間的に変調した間欠的な高周波の周波数帯が1kHz〜2MHzであるバイアスを供給するようにし、前記冷却手段が被処理基板2を載置する電極の温度を30〜−60℃の温度に制御するようにした。
That is, an etching apparatus according to the present invention includes a
さらに、本発明のエッチング装置は、上記エッチング装置において、前記高周波電源が、連続的な高周波電力のバイアスを供給する態様と、時間的に変調した間欠的な高周波電力のバイアスを印加する態様を取ることが可能に構成され、連続的な高周波電力のバイアスを供給した後、時間的に変調した間欠的な高周波電力のバイアスを出力する手段とした。 Furthermore, the etching apparatus of the present invention takes an aspect in which the high-frequency power source supplies a continuous high-frequency power bias and a time-modulated intermittent high-frequency power bias in the etching apparatus. In this configuration, after supplying a continuous high frequency power bias, a temporally modulated intermittent high frequency power bias is output.
また本発明のエッチング装置は、上記エッチング装置において前記処理ガス供給手段から供給されるフッ素含有ガスがSF6、S2F10、NF3、CF4、C2F8いずれかもしくはこれらの混合ガス、前記酸素含有ガスがO2、CO、CO2、SO2のいずれかもしくはこれらの混合ガス、前期Si含有ガスがSiF4、SiCl4のいずれかもしくはこれらの混合ガスである。 In the etching apparatus of the present invention, the fluorine-containing gas supplied from the processing gas supply means in the etching apparatus is SF 6 , S 2 F 10 , NF 3 , CF 4 , C 2 F 8 or a mixed gas thereof. The oxygen-containing gas is any one of O 2 , CO, CO 2 and SO 2 or a mixed gas thereof, and the Si-containing gas is any one of SiF 4 and SiCl 4 or a mixed gas thereof.
本装置を用いて、シリコン基板のVia工程のエッチング加工を行った。第1の実施例は、SF6とO2とSiF4の条件にてエッチング加工する場合を示したものであり、図3〜図4を用いて詳細を説明する。なお、本実施例では、表1に示すガス流量を中心条件とした。
図1に示す被処理基板2は、図3に示すシリコン基板である。ホトリソグラフィやエッチング処理工程を経て、被処理基板2表面にはフォトレジストのマスクパターン24が形成されている。マスクパターン24は厚さ4.0μm、開口幅約10.0μmの穴パターンが形成されている。
A
被処理基板2は、図示しない搬送機構により反応容器1内に搬送され、静電チャック10上に設置される。MFCで100〜500CCM(cc(cm3)/min)に流量制御されたArガスを反応容器1内に供給し、容器内をAPCにより0.5〜20Pa(パスカル= 1N/m2)に圧力調整する。400Wのマイクロ波を、導波管を介して反応容器内1に供給してプラズマを形成する。
The
静電吸着電源より−500Vの直流電圧を印加、プラズマを介して電荷を移動させることにより静電吸着力が発生し、被処理基板2が静電チャック上に固定される。
By applying a DC voltage of −500 V from the electrostatic attraction power source and moving the charge through the plasma, an electrostatic attraction force is generated, and the
流路12に冷却ガス供給口15を介してHeを供給し、流路12内の圧力を1〜2kPaに調整する。
He is supplied to the
静電チャック10との接触面からの熱伝達と、流路12からのガス伝熱により被処理基板2を所定時間放置して中心部:−35℃,外周部:−45℃に冷却する。被処理基板2を所定温度に冷却した後、マイクロ波の印加を停止し、プラズマを停止する。
The
ウエハの冷却は、ウエハ裏面のHeによって冷却されるが、上述のようなArの放電(ウエハバイアス:0W)がないと、室温からエッチングが開始される。 The wafer is cooled by He on the back surface of the wafer, but if there is no Ar discharge (wafer bias: 0 W) as described above, etching is started from room temperature.
そのため、表1に示す条件の放電でも約10秒程度である程度まではウエハの温度が低下するが、最初の約10秒は、所定温度より高い温度でエッチングが行われる。 For this reason, even with the discharge under the conditions shown in Table 1, the temperature of the wafer decreases to a certain extent in about 10 seconds, but etching is performed at a temperature higher than a predetermined temperature for the first about 10 seconds.
このため、最初の約10秒とはいえ、温度が高い状態でSF6を使用しているため、マスク直下のノッチやサイドエッチングの原因となる。 For this reason, although SF 6 is used at a high temperature for the first approximately 10 seconds, it causes notches and side etching directly under the mask.
これを防ぐためArの放電(ウエハバイアス:0W)をエッチングに入る前に追加し、静電吸着させることによってウエハを冷却させている。
(実際のところTCR −45℃設定、Ar放電時間30秒で−40℃付近までウエハ温度が低下する。)
Arガスの供給を停止した後、一旦、反応容器1内を真空引し、SF6:400CCMとO2:60CCMとSiF4:25CCMのガスを供給して、反応容器1内をエッチングガスに置換する。反応容器1内は、図示しないAPCにより13.0Paに圧力調整される。
In order to prevent this, a discharge of Ar (wafer bias: 0 W) is added before etching and the wafer is cooled by electrostatic adsorption.
(Actually, the wafer temperature falls to around −40 ° C. when the TCR is set at −45 ° C. and the Ar discharge time is 30 seconds.)
After stopping the supply of Ar gas, the inside of the
マイクロ波電力:1000Wを印加、反応容器1内に供給しプラズマを生成する。プラズマの着火と安定したことを光学的手段によって確認した後、高周波電力導入ポート16から図示しない任意波形発生装置で変調した400kHzのバイアスを印加する。
図4は、従来の800kHzのCWバイアス波形24と本実施例で使用した400kHzのTMバイアス波形25の例を示したものである。
Microwave power: 1000 W is applied and supplied into the
FIG. 4 shows an example of a conventional 800 kHz
TM(Time Modulation:時間変調)バイアスでは、単位時間当たりに印加されるバイアス電力を固定し、被処理基板2に印加するバイアスの印加と停止を時間的に変調することが可能となっている。そのため、TMバイアス印加時には、CWバイアスに比べて、高電圧のバイアスが印加され、単位時間当たりの印加電力は同じであっても、高いVppにより高垂直性イオンの生成が可能となっている。
In TM (Time Modulation) bias, it is possible to fix the bias power applied per unit time and temporally modulate the application and stop of the bias applied to the
この高周波の印加と停止の総合時間を100%とし、総合時間に対する印加時間の比率をデューティ比と称して、この比率によって高周波バイアスの印加状態が制御される。また、前記総合時間も任意に制御することが可能であり、印加するTMバイアスの周期を120Hz〜2kHzの範囲で制御可能となっている。TMバイアスの周期により高周波バイアスのOFF時間を制御し、副生成物の反応時間、側壁への付着時間を調整可能となっている。 The total time for applying and stopping the high frequency is 100%, and the ratio of the applied time to the total time is called the duty ratio, and the application state of the high frequency bias is controlled by this ratio. The total time can also be arbitrarily controlled, and the period of the TM bias to be applied can be controlled in the range of 120 Hz to 2 kHz. The OFF time of the high frequency bias is controlled by the period of the TM bias, and the reaction time of the by-product and the adhesion time to the side wall can be adjusted.
被処理基板2を所定時間、エッチング処理した後、マイクロ波電力の印加を停止し、プラズマの生成を停止する。エッチングガスの供給を停止した後、反応容器1内を真空引し、容器内の反応生成物を排出する。なお、被処理基板2の処理時間は、図示しないエッチング装置の制御部に記録されたレシピ条件に従い制御される。
After the
エッチング加工の過程では、Trench側壁で保護膜となる反応副生成物の付着と脱離が繰返されている。電極温度の低温化により付着確率を向上できる。 In the course of the etching process, the attachment and detachment of reaction by-products serving as a protective film on the trench side wall are repeated. The adhesion probability can be improved by lowering the electrode temperature.
図5は、SiF4の添加量の依存性を示したもので、SiF4の流量を増加することにより、サイドエッチングを抑制することができる。この効果は、SiF4を添加することにより、エッチングによりSi表面から発生する反応生成物Si-O,Si-O-F以外に、ガスの形で処理室内に供給されるSiF4が、エッチングに寄与するFイオンやFラジカル以外にSi-O,Si-O-Fも生成され、側壁保護として付着することにより、サイドエッチングが抑制されることによる。 FIG. 5 shows the dependence of the amount of SiF 4 added, and side etching can be suppressed by increasing the flow rate of SiF 4 . This effect is obtained by adding SiF 4 , in addition to the reaction products Si—O and Si—O—F generated from the Si surface by etching, SiF 4 supplied into the processing chamber in the form of gas is used for etching. In addition to contributing F ions and F radicals, Si—O and Si—O—F are also generated and adhered as side wall protection, thereby suppressing side etching.
また、図6は、同じくSiF4の添加量の依存性を示したもので、SiF4の流量を増加することにより、フォトレジスト膜とシリコン膜とのエッチングの選択比を向上することができる。この効果は、上記と同じく反応生成物のSi-O,Si-O-FがSiF4の流量を増加することにより、マスク上に堆積する量が増加することによる。なおウエハバイアスが印加されていることから、入射イオンによるフォトレジスト膜へのアタックはあるものの、反応生成物の堆積量が増加することにより、全体としてフォトレジスト膜の削れ量を低減することが可能となる。 FIG. 6 also shows the dependency of the amount of SiF 4 added, and the etching selectivity between the photoresist film and the silicon film can be improved by increasing the flow rate of SiF 4 . This effect is due to the fact that the amount of Si—O and Si—O—F reaction products deposited on the mask increases as the flow rate of SiF 4 increases as described above. Since the wafer bias is applied, there is an attack on the photoresist film due to incident ions, but the amount of reaction product deposited increases, so that the amount of photoresist film scraping can be reduced as a whole. It becomes.
さらにTMバイアスにて、デューティ比を小さくすることにより、RFバイアスの印加していない時間を長くできる。このことは、反応生成物の付着時間が長くできることを意味すする。反応生成物の付着時間を長くすると堆積量が多くなることから、よりフォトレジスト膜の削れ量を低減することが可能となる。 Further, by reducing the duty ratio with the TM bias, the time during which the RF bias is not applied can be lengthened. This means that the deposition time of the reaction product can be increased. If the reaction product is attached for a long period of time, the amount of deposition increases, so that the amount of abrasion of the photoresist film can be further reduced.
例えばSiF4の流量が0のマスクとシリコンの選択比は141.7に対し、50CCM添加すると166.6となる。本実施例の結果では、マスクとシリコンの選択比は160程度であるが、ガス流量比、TMバイアス電力、TMバイアスの印加周期等の最適化により、選択比300程度まで向上させることが可能である。 For example, the selection ratio between the mask with a SiF 4 flow rate of 0 and silicon is 141.7, whereas when 50 CCM is added, it becomes 166.6. According to the result of this example, the selection ratio of the mask and silicon is about 160, but the selection ratio can be increased to about 300 by optimizing the gas flow rate ratio, TM bias power, TM bias application period, and the like. is there.
また、被処理基板の中心部と外周部を独立に温度制御しているため、被処理基板面内で均一な良好な加工形状を得ることができる。 In addition, since the temperature of the central portion and the outer peripheral portion of the substrate to be processed is controlled independently, a uniform and favorable processed shape can be obtained within the surface of the substrate to be processed.
なお、本実施例では、マイクロ波と磁場を用いたマイクロ波プラズマエッチング装置を例に説明したが、プラズマ生成方法を問わず、例えば、ヘリコン波エッチング装置、誘導結合型エッチング装置、容量結合型エッチング装置、有磁場RIE装置などにも本技術を適用可能であり、同等の効果を得ることができる。 In this embodiment, a microwave plasma etching apparatus using a microwave and a magnetic field has been described as an example. However, regardless of the plasma generation method, for example, a helicon wave etching apparatus, an inductively coupled etching apparatus, a capacitively coupled etching is used. The present technology can be applied to an apparatus, a magnetic field RIE apparatus, and the like, and the same effect can be obtained.
1 反応容器
2 被処理体
3 試料台
4 プロセスガス導入口
5 シャワープレート(多孔構造石英板)
6 マグネトロン
7 導波管
8 石英板
9 ソレノイドコイル
10 静電チャック
11 高周波電源
12 冷却ガス流路
13 冷媒循環流路
14 チラーユニット
15 冷却ガス供給口
16 高周波導入ポート
17 静電吸着電源
18 絶縁カバー
19 金属汚染低減パーツ
20 石英円筒
21 シリコン
22 マスクパターン
23 シリコンのサイドエッチング
24 CWバイアス波形
25 TMバイアス波形
DESCRIPTION OF
6
Claims (2)
前記フッ素含有ガスがSF 6 、S 2 F 10 、CF 4 のいずれかもしくはこれらの2種以上の混合ガスであり、前記酸素含有ガスがO 2 、CO、CO 2 、SO 2 のいずれかもしくはこれらの混合ガスであり、前記珪素含有ガスがSiF 4 、SiCl 4 のいずれかもしくはこれらの混合ガスであり、
前記反応容器内に設置された前記SOI基板又はシリコン基板を載置する電極内の温度制御部分を2ヶ所以上有し、それぞれの部分の温度を−35℃〜−45℃の異なる温度に設定し、
前記珪素含有ガスのSiF 4 の流量を増加し、
更に、単位時間当たりに印加されるバイアス電力を固定し、前記SOI基板又はシリコン基盤に印加するバイアスの印加と停止を時間的に変調することが可能な時間変調バイアスを用いて、前記時間変調バイアスの周期により前記高周波バイアスのオフF時間を制御することを特徴とするエッチング方法。 An etching method for forming grooves and / or holes in an SOI substrate or a silicon substrate, wherein a mixed gas is introduced into a reaction vessel using a fluorine-containing gas, an oxygen-containing gas, and a silicon-containing gas to generate a mixed gas plasma, In the etching method of applying an intermittent high frequency bias obtained by temporally modulating high frequency power to the SOI substrate or the silicon substrate ,
The fluorine-containing gas is SF 6 , S 2 F 10 , CF 4 , or a mixed gas of two or more thereof, and the oxygen-containing gas is any one of O 2 , CO, CO 2 , SO 2 or these The silicon-containing gas is either SiF 4 , SiCl 4 or a mixed gas thereof,
There are two or more temperature control parts in the electrode on which the SOI substrate or silicon substrate placed in the reaction vessel is placed, and the temperature of each part is set to a different temperature of −35 ° C. to −45 ° C. ,
Increasing the flow rate of SiF 4 of the silicon-containing gas ,
Further, the time modulation bias is fixed using a bias power applied per unit time and using a time modulation bias capable of temporally modulating the application and stop of the bias applied to the SOI substrate or silicon substrate. An etching method characterized by controlling the off-F time of the high-frequency bias according to the period .
前記フッ素含有ガスがSF6、S2F10 、CF 4 のいずれかもしくはこれらの2種以上の混合ガスであり、前記酸素含有ガスがO2、CO、CO2、SO2のいずれかもしくはこれらの混合ガスであり、前記珪素含有ガスがSiF4、SiCl4のいずれかもしくはこれらの混合ガスであり、
前記反応容器内に設置された前記SOI基板又はシリコン基板を載置する電極内の温度制御部分を2ヶ所以上有し、それぞれの部分の温度が−35℃〜−45℃の異なる温度に設定可能であり、
前記反応容器に導入される前記混合ガスの前記珪素含有ガスのSiF 4 の流量を増加し、
更に、単位時間当たりに印加されるバイアス電力を固定し、前記SOI基板又はシリコン基盤に印加するバイアスの印加と停止を時間的に変調することが可能な時間変調バイアスを用いて、前記時間変調バイアスの周期により前記高周波バイアスのオフF時間を制御することを特徴とするエッチング装置。 An etching apparatus for forming grooves and / or holes in an SOI substrate or a silicon substrate, wherein a mixed gas is introduced into a reaction vessel using a fluorine-containing gas, an oxygen-containing gas, and a silicon-containing gas, and mixed gas is generated. Gas plasma generating means, and a high-frequency bias power source for applying an intermittent high-frequency bias obtained by temporally modulating high-frequency power to the SOI substrate or silicon substrate,
Wherein the fluorine-containing gas is SF 6, S 2 F 10, one or a mixture gas of two or more of these C F 4, wherein the oxygen-containing gas is O 2, CO, CO 2, either SO 2 or a mixture of these gases, the silicon-containing gas Ri either or gas mixture der these SiF 4, SiCl 4,
There are two or more temperature control parts in the electrode on which the SOI substrate or silicon substrate placed in the reaction vessel is placed, and the temperature of each part can be set to different temperatures from -35 ° C to -45 ° C. And
Increasing the flow rate of SiF 4 of the silicon-containing gas of the mixed gas introduced into the reaction vessel ;
Further, the time modulation bias is fixed using a bias power applied per unit time and using a time modulation bias capable of temporally modulating the application and stop of the bias applied to the SOI substrate or silicon substrate. An etching apparatus characterized by controlling the off-F time of the high-frequency bias according to the period .
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