JP6533998B2 - Dry etching method - Google Patents

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    • H05H1/24Generating plasma
    • H05H1/46Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

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 at 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 has attracted attention. In stacked integrated circuits, chips are connected via through silicon vias (TSVs: Through Silicon Vias), and high integration can be achieved without depending on the rules of miniaturization thus far, so a conventional integrated circuit can be used. Also, miniaturization, speeding up, multifunctionalization 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 through hole for TSV in a silicon wafer, forming a seed layer in the through hole, and filling with copper or the like to be an electrode by electroplating. By forming the seed layer, the through holes are easily filled with copper or the like to be 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, an etching method generally called a Bosch process is considered to be advantageous for the processing of through holes for TSV. The Bosch process is a dry etching method in which etching of silicon and deposition of a polymer for sidewall protection are alternately repeated, and etching with a high aspect ratio is enabled.

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 a through hole having a high aspect ratio by repeating the replacement of different gases, repeating the bottom etching process of the hole and the protective film forming process for protecting the side wall of the etching hole every few seconds. However, when the time of gas replacement takes a long time, the side wall of the through-hole has an unevenness called scallop. In the scallop region, a shadowed portion occurs when the through hole is viewed from the normal direction of the wafer surface, where the seed layer formed in the process such as sputtering is not formed on the side wall of the through hole and adhesion of the electrode material Failure may occur. As a result, a void may be generated in the electrode at the time of plating formation, which may lead to deterioration of the quality of the TSV.

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 are also methods for reducing the time interval of gas replacement and reducing scallop, but when forming a hole with a high aspect ratio, it takes a long time for the net etching step. Therefore, the production efficiency of the TSV is lowered and it is difficult to adopt it 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 which does not perform gas replacement instead of the Bosch process, it is considered difficult to obtain etching holes having 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 is an etching apparatus that attempts to achieve both a high etching rate and formation of holes with 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 are in communication via 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 a plasma by the action of the helicon wave type plasma generation unit. In the second chamber, a reactive gas is introduced, and plasma electrons in the first chamber excite the reactive gas 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。   Active species in the second chamber are drawn to the side of the mounting table which is at a negative potential due to the self bias effect, and are adsorbed on the oxide film of the wafer. Furthermore, ion irradiation of the inert gas is performed along the direction of the electric field directed to the mounting table side, 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Unexamined-Japanese-Patent 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 is not capable of obtaining an etching rate that can realize the production efficiency necessary for industrially manufacturing TSV.

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 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 it is an object of the present invention to provide a dry etching method capable of realizing an excellent etching rate and capable of processing at 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。   The estimation of 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 hole, which are the premise of the configuration of the present invention to achieve the above object 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 principle 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 Amount of Radicals As through holes for TSVs necessary for mass production of stacked integrated circuits, it is assumed that through holes having a diameter of 20 μm and a depth of 50 μm can be formed in one minute. The processing speed for dry etching of silicon wafers by conventional 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 reaction-limited in dry etching It will be 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 of 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 processing a through hole having a diameter of 20 μm and a depth of 50 μm in one minute, it is expressed as ER si = 50 μm / min. Further, assuming that the room temperature is 25 ° C. (-300 K) and the ion assist effect is 10, the necessary fluorine radical density is represented by the following [Equation 2]. In addition, the description of the nonpatent literature 1 was referred to about the ion assist effect.

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。   Assuming that the radical generation efficiency is 65%, considering that the radical generation efficiency from gas is several tens%, the gas density required for 1 minute to obtain the above-mentioned [Equation 2] fluorine radical density is , It is represented 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 a gas represented by pressure (p), molecular number density (n), absolute temperature (T), and Boltzmann constant (k) of the gas. When calculated from the state equation, p = 1 kPa. Here, T to 300K. That is, it is understood that the supply of 10 17 cm -3 gas particles per minute is necessary as the gas supply amount necessary to realize ER si = 50 μm / min. Also, based on the possibility that the radical generation efficiency does not reach 65%, it is assumed that 10 times the amount of 10 18 cm -3 radicals equivalent is supplied per minute as a gas supply with allowance. That is, 10 18 cm 13 per minute was defined as the required gas particle supply amount as a guide for device design 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 capacitively coupled plasma (CCP) method, which is a typical plasma source, is 10 -3 %, the aforementioned gas particle supply rate is 10 18 cm -3 per minute. Considering the case, the plasma density required 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 shown in [Equation 4] by the general CCP method, high power of 10 kW or more is required, and power supply facilities and the like become expensive, and plasma is generated efficiently. Is difficult. Further, even if plasma can be generated, the steady-state gas pressure becomes high, the ion scattering phenomenon occurs due to the collision between the ions and the neutral particles, and the probability that the ions are incident on the side wall of the through hole becomes high. Similarly, when the steady-state gas pressure increases, the probability that radicals enter the side wall of the through hole also increases. That is, it becomes difficult to enhance 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) Specification of plasma source for obtaining high plasma density From the above point, it is possible to generate plasma with high density even with power of several kW, and a plasma generation source capable of keeping steady gas pressure low is required. It becomes. More specifically, it satisfies a steady gas pressure of 0.1 to 1.0 Pa, which can secure both the plasma generation method capable of achieving a plasma density of 10 18 (m -3 ) and the anisotropy of the through holes formed. It is necessary to use a suitable plasma source. The steady gas pressure in the range of 0.1 to 1.0 Pa is difficult to cause ion and radical scattering and has a diameter of 20 μm and a diameter of 50 μm at which the shape of the through hole 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 becomes short, and a scattering phenomenon that causes the etching of the side wall of the through hole is likely to occur. It becomes difficult to form. Therefore, it is required to lower 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。   From the type of plasma source, as a plasma source satisfying the above conditions, a Helicon wave excited plasma (HWP: Helicon Wave Plasma) method or an electron cyclotron resonance plasma (ECR: Electron Cyclotron Resonance) method can be mentioned. These plasma sources are capable of densifying plasma in the 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) Design Guideline of Vacuum System for Obtaining Total Radical Amount Subsequently, about the vacuum system for supplying 10 18 cm -3 per minute, which is the gas particle supply amount necessary for 1 minute described above, into the vacuum vessel explain. First, there is a gas residence time (τ) as a quantity representing the ease of gas flow in the vacuum vessel. Assuming that the gas particle supply rate of 10 18 cm -3 (corresponding to filling -167 Pa per minute) necessary for 1 minute can be obtained at a steady gas pressure of 0.1 Pa, the condition is that 167 Pa / 0 It can be seen that it is necessary to carry out 1670 gas purges in the vacuum vessel at 1 Pa per second at 1 Pa. That is, the gas residence time τ (sec) is calculated to be 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 was calculated to obtain a desired etching rate. It can also be set as a gas equivalent (eg 10 17 cm -3 per minute). Also, the steady gas pressure can be set similarly (when obtaining 50 μm / min, it will be 1.0 Pa or more). The gas particles per 10 17 cm -3 1 minute was charged, the constant gas pressure as 1.0 Pa, calculating the gas residence time tau, the τ (sec) ~60msec.

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, given the gas pressure p (Pa) and the volume V (L) of the vacuum vessel, consider the flow rate (Q) of the introduced gas necessary to achieve the etching rate of 50 μm / min. The steady gas pressure p (Pa) with respect to the flow rate of the gas to be introduced 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], since q is 1/1000 or less of Q in the usual case and can be almost ignored, it can be approximated as p ̃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, assuming that the steady gas pressure p is 0.1 Pa and the vacuum vessel volume is V to 0.5 L (cylindrical vacuum vessel having a diameter of about 80 mm and a height of about 100 mm), it is introduced to obtain τ to 0.5 msec. The gas flow rate Q (Pa · L / s) to be obtained is Q to 100 (Pa · L / s) according to the equation [6]. Further, when converted as 1 Pa · L / s = 0.592 sccm, Q is 60 sccm. The gas flow rate Q is an amount determined when assuming the vacuum vessel volume, and the amount of supplied gas per unit time required to obtain an etching rate of 50 μm / min, and etching of 50 μm / min. The gas flow rate is not limited as long as it satisfies the use of a plasma source to obtain a radical generation rate required to obtain a 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 value 60 sccm of the flow rate Q of the gas introduced above is generally below the value of Q = 100 sccm, which is a standard of the amount of gas used in the etching process, and it is an industrially applicable gas. 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。 Moreover, in the present invention, a vacuum system capable of satisfying a gas particle supply rate 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 mentioned above, the volume of the vacuum vessel of V to 0.5 L is not limited to a small one. For example, even if the volume is a large vacuum vessel, an etching rate of 50 μm / min can be realized by using a vacuum system having an effective pumping speed such that the gas supply amount and the steady gas pressure can be satisfied. 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 vessel with a small volume, even when the steady gas pressure is set to 0.1 to 1.0 Pa, it can be introduced into the vessel per minute without using a vacuum pump with a large displacement. The point is that 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 having a large displacement, the total amount of radicals necessary to obtain 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 Through Hole Shape According to the contents described above, it is possible to obtain a high etching rate, but in the present invention, it is also important to form a through hole having a high aspect ratio. In order to efficiently form a small diameter and deep through hole, it is necessary to reduce the frequency of elastic scattering of ions due to collision of ions and gas neutral particles and to guide the ions to the bottom of the through hole 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 of the ions with the neutral particles of the gas is reduced to make elastic scattering of the ions less likely to occur. The lower the pressure, the better, and within the range of a steady gas pressure of 0.1 to 1.0 Pa, elastic scattering of ions hardly occurs. However, a steady gas pressure of about 0.1 Pa is required to obtain a high density by a Helicon Wave Excited Plasma (HWP) method or an Electron Cyclotron Resonance Plasma (ECR) method.

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。   Further, by forming a linear magnetic field in the vacuum chamber and causing ions to be incident substantially perpendicularly to the wafer surface, it is possible to control the ion trajectory that enhances the ion assist effect, and to efficiently guide the ions to the bottom of the through hole. Can. As a result, high-speed etching of highly anisotropic through holes becomes 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。 Based on the above points, in order to achieve the above object, the dry etching method of the present invention is characterized in that the mean free path of the ions generated by the plasma generating portion generating the electromagnetic field excited plasma in the vacuum chamber is the surface of the material to be treated So 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 more. 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 treated located on a sample support placed in the vacuum chamber; And an etching process step of radicalizing the gas and etching the surface to be treated of the material to be treated, by setting the plasma density in the vicinity of the material to 10 18 m −3 or more.

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 high etching rate processing by the gas supply process in which the mean free path of ions generated by the plasma generation unit for generating the electromagnetic field excitation plasma in the vacuum chamber is longer than the sheath thickness generated on the surface of the workpiece It is possible to obtain an ion density that can realize a high ion assist effect. More specifically, a radical density for achieving an etching rate of ER si = 50 μm / min, which is a value of an etching rate for 1 minute when processing a silicon wafer 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 the thickness of a space in the vicinity of a wafer to be treated, in which a sheath electric field acts. If the mean free path of ions is longer than the sheath thickness generated on the surface of the material to be treated, ion scattering does not occur in the sheath and sufficient etching reaction can be efficiently obtained near the bottom 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。   Plasma density required for desired amount of radical formation by helicon wave excitation plasma method or electron cyclotron resonance plasma method by gas supply process of supplying gas into vacuum chamber with steady gas pressure in the range of 0.1 to 1.0 Pa The anisotropy of the through holes that are formed and formed can be enhanced. In general, when using an etching apparatus having a small vacuum vessel with a small volume, the plasma collides with the wall of the apparatus and disappears, and the plasma density is said to decrease. If plasma can be generated at high density in the steady gas pressure range by the above-described method, it is possible to secure a plasma generation component that compensates for the loss of plasma. Therefore, by using the above-described method, the generation amount of plasma can be sufficiently secured even in a small device, and the plasma can be densified. In addition, since the pressure of the gas becomes low and ion scattering due to the collision of the gas and the ions does not easily occur, the formed through holes can be 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 system or the electron cyclotron resonance plasma system, the ionization frequency of electrons and gas decreases, and the amount of plasma generation becomes insufficient. On the other hand, when the steady-state gas pressure exceeds 1.0 Pa, scattering of ions and radicals is likely to occur even if the plasma generation amount is sufficient, and the anisotropy of the formed through holes is 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。 Also, the radical density necessary to obtain a higher etching rate by the gas supply process of supplying the gas into the vacuum chamber so that the total amount of gas supplied per minute is 1.0 × 10 17 cm -3 or more You can get More specifically, a radical density for achieving 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 ion induction step of guiding the ions generated by the plasma generation unit to the material to be treated located on the sample support placed in the vacuum chamber causes the ions to be made to strike the treatment surface of the material to be treated straight. The anisotropy of the through holes formed can be enhanced. In addition, when the steady gas pressure is in a low range, the efficiency of ion incidence on the bottom of the through hole can be enhanced, 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 target material located on the sample support is 10 18 m -3 or more, and the gas is radicalized by the etching processing step of etching the target surface of the target material with high efficiency. It is possible to radicalize and perform an etching process. That is, it is possible to obtain a radical density necessary for processing at a high etching rate. More specifically, a radical density for achieving 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 treated located on the sample support is less than 10 18 m −3 , a sufficient amount of radicals is not generated to realize an etching rate of ER si = 50 μm / min. The etching process with a high etching rate can not 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。 Also, assuming that the vacuum vessel volume is V to 0.5 L (cylindrical vacuum vessel with a diameter of about 80 mm and a height of about 100 mm) as in the above example, and the residence time of the gas in the gas supply step is 0.5 msec. In the following cases, it is possible to obtain more radical density than required for high etching rate processing. More specifically, it becomes possible to sufficiently supply the total amount of gas required for 1 minute, which is required to realize the 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, if a vacuum system capable of high-speed evacuation is provided and the flow rate of gas introduced in the gas supply step is 100 sccm or less, the amount of gas used decreases, 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 generation unit generates plasma using the helicon wave excitation plasma method or the electron cyclotron resonance plasma method, the steady gas pressure is in the range of 0.1 to 1.0 Pa with an output of 1 kW to several kW. In addition, plasma with a plasma density of 10 18 m −3 or more can be generated. The helicon wave excitation plasma system referred to here includes one having a plasma source of an inductive coupling plasma system.

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。   Further, the ion induction step draws the magnetic force lines of the magnetic field generated in the plasma generation unit and the vacuum chamber into the sample support via the magnetic force lead-in portion provided on the sample support, and the ions are substantially perpendicular to the sample support In the case of making the light incident on the surface, it is possible to control the incident direction of the ions and to improve the anisotropy of the formed through holes. More specifically, the plasma density is increased to allow ions to 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。   In addition, when the ion induction process controls the ions by applying a high frequency electric field to the sample support, if the steady gas pressure is in a low range, the incident velocity of the ions toward the sample support is increased to perform ion sputtering. The etching rate by 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 at 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 an explanatory view of a line of magnetic force when arranging a stage 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 providing a magnetic force line drawing-in member on a 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 position of the various plasma generation sources in the relationship between steady-state gas pressure and 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 provide an understanding of the present invention.
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a dry etching apparatus capable of the dry etching method to which the present invention is applied. The structure shown below is an example of an apparatus for implementing the method to which the present invention is applied, and the contents of the present invention are 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 as an example of a dry etching apparatus capable of 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 further includes a plasma termination plate 6 and a gas exhaust unit (not shown) connected to a vacuum pump for exhausting the gas in the vacuum chamber 2. In FIG. 1, the direction of the supplied gas is indicated by symbol X, and the direction of the exhausted gas is indicated by symbol Z. Further, a symbol Y indicates the direction of magnetic lines of 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, a process gas such as an inert gas (Ar, Kr, Xe, etc.) or a fluorine-based 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 unit to maintain the inside of the vacuum chamber 2 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 the matching box 7 and the high frequency power supply 8. A high frequency power is supplied from the high frequency power supply 8 to the high frequency coupling antenna 3 and impedance matching is performed by adjusting each element value of the circuit element in the matching box 7 to generate a high frequency electromagnetic field in the vacuum chamber 2 Plasmatize.

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。   The magnetic coil 4 also generates magnetic lines of 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 being spirally moved so as to wind 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, magnetic lines of force generated by the magnetic coil 4 are substantially orthogonal to the base surface of the stage 5. For this reason, the ions fly along the magnetic lines of force and strike the pedestal 5 of the stage 5 substantially perpendicularly. As a result, the side wall of the smooth etching hole is realized, that is, the anisotropy of the through hole to be formed becomes high, 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 shape and positional relationship 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 a schematic view enlarging 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 a 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。   Further, the stage 5 is provided at a position close to 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。   Further, the vacuum chamber 2 is in the form of a straight cylinder having a diameter of 70 mm and a height of 1000 mm. In addition, the vacuum chamber 2 is formed of an insulating material that transmits an electromagnetic wave. The vacuum chamber 2 is provided with a plasma generation chamber 10 and a plasma processing chamber 11 at different portions 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 pumping system, including the vacuum suction pump, is operable in a wide pressure range. The amount of radicals supplied per unit time in the plasma generation chamber 10 and the plasma generation chamber are adjusted by adjusting the vacuum suction of such an evacuation system and the process gas supply from the hollow tube connected to the plasma termination plate 6. The refresh rate of the process gas in 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。   A high frequency coupling antenna 3 is disposed on the outer peripheral surface of the plasma generation chamber 10 coaxially with the central axis of the plasma generation chamber 10. High frequency power of a predetermined frequency is supplied to the high frequency coupling antenna 3 from a high frequency power source 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 an electromagnetic induction action to plasmify the process gas flowing in the plasma generation chamber 10. The high frequency coupling antenna 3 applies, for example, an electromagnetic wave of up to several kW in the range of several MHz to several hundreds MHz. It is desirable that the high frequency coupling antenna 3 be 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 vacuum vessel diameter is disposed coaxially with the central axis of the plasma generation chamber 10 outside the plasma generation chamber 10 and on the outer peripheral portion of the high frequency coupling antenna 3. 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 magnetic lines of force in the plasma generated in the plasma generation chamber 10. The magnetic lines of force generated in the plasma, at least a part of which, for example, the magnetic lines of force near the central axis of the cylindrical vacuum vessel, are in a straight line parallel to the central axis of the plasma generation chamber. In the plasma in the plasma generation chamber 10, a helicon wave (Whistler wave), which is a type of electromagnetic wave, is excited inside 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。   Further, 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 into a steady gas pressure range of 0.1 to 1.0 Pa, in which the probability (collision rate) of collision of ions with gas particles before collision with the wafer becomes constant or less. There is.

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 the magnetic field strength in the vacuum chamber 2 are adjusted so that the hole parameter of the ion is sufficiently larger than 1 immediately above the wafer, and the mean free path of the ion is between the high frequency coupling antenna 3 and the stage 5 It is secured over the distance. The Hall parameters of the ions can be adjusted by controlling the pressure and the 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 the collision frequency イ オ ン of ions and neutral particles mainly.

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. For example, various shapes such as a square and a tapered cylindrical structure can be adopted.

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 volume of the vacuum portion is not limited to a small device having a small volume. However, the use of the small device brings about 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。   Generally, it has been said that as the device is miniaturized, the plasma density does not increase because the plasma collides with the chamber sidewall and disappears. However, the electromagnetic field excitation plasma generation source employed in the dry etching method to which the present invention is applied has high plasma density by using the electromagnetic field excitation plasma generated by the high frequency excitation antenna which has achieved impedance matching even when the device is miniaturized. It can be kept at the density. In the case of a small-sized apparatus, when the steady gas pressure and the exhaust rate of the vacuum pump are constant, the amount of gas that can be introduced into the container per minute is large. By increasing the gas supply amount that can be introduced into the container per minute, it is possible to obtain the total amount of radicals necessary to obtain a high etching rate. In addition, since the gas refresh rate is short, high-speed processes can be performed with a vacuum pump having a small evacuation speed. Even when a large vacuum vessel is used, the present invention can be implemented as long as the evacuation speed of the vacuum pump used for evacuation 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。   Moreover, the plasma generation chamber 10 and the plasma processing chamber 11 do not necessarily have to be formed with the same diameter in the same cylindrical vacuum chamber 2. However, in the present invention, since the plasma confinement effect by the magnetic lines of force generated by the magnetic coil can reduce the loss of plasma to the sidewall surface of the vacuum vessel, the plasma generating chamber 10 and the plasma processing chamber 11 have the same cylindrical shape. The same diameter may be formed in the vacuum chamber 2 of FIG.

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。   The insulator forming the vacuum chamber 2 is not limited, but the higher the volume resistivity, the more preferable. For example, heat-resistant glass with a reduced coefficient of thermal expansion, quartz glass, a ceramic tube, or the like 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。   Further, 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 Bosewell 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 have to be constituted of a solenoid coil, and it is sufficient if it can generate magnetic lines of force in the plasma generated in the plasma generation chamber 10. For example, in place of the solenoid coil, a permanent magnet magnetized in the same axial direction as the central axis of the plasma generation chamber 10 can be used.

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。   Further, if the magnetic coil 4 generates magnetic force lines B near the central axis of the vacuum cylindrical container generated in the plasma generation chamber 10 to transport the plasma, the magnetic flux 4 converges and diverges in the axial direction if it does not intersect the inner side wall of the vacuum chamber 2 The magnetic lines of force B may be generated by 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 pedestal surface of the stage 5 is disposed to intersect perpendicularly with the magnetic field applied by the magnetic coil 4. The wafer 12 to be subjected to the etching process 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 mounting surface of the wafer 12 of the stage 5, a bias voltage application electrode 13 and a permanent magnet 14 as a magnetic line lead-in member are disposed. Further, the stage 5 has a temperature control 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 supply via a blocking capacitor outside the vacuum chamber 2 and a matching box, and applies a high frequency power of 13.56 MHz, for example, to apply an RF bias. By adjusting the bias voltage, the incident velocity 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, magnetic lines of force B generated by the magnetic coil 4 are configured to be orthogonal to the pedestal surface of the stage 5. In general, the magnetic lines of force B of the magnetic field generated by the ring-shaped magnetic coil 4 diverge as the distance from the magnetic coil 4 increases, so it is difficult to arrange the stage 5 so that all the magnetic lines of force B are orthogonal to the pedestal surface. Here, by providing the permanent magnet 14, it is possible to draw the magnetic force lines B 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 formation range of the pull-in magnetic field by the permanent magnet 14 is set to include the range in which the wafer 12 is placed on the pedestal surface of the stage 5. By making the magnetic lines of force B orthogonal to the pedestal surface of the stage 5, ions are incident substantially perpendicularly on the pedestal surface of the stage 5. As a result, ions enter the bottom of the etching hole formed in the wafer 12, and it becomes possible to form an etching hole having a smooth side wall shape and a size faithful to the mask. Further, the momentum transport effect between the ion 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 lead-in member does not necessarily have to be constituted by the permanent magnet 14, and it is sufficient if it can draw in the magnetic force lines generated by the magnetic coil 4. For example, a solenoid coil disposed concentrically 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。   Also, the stage 5 does not necessarily have to have a temperature control mechanism. However, the stage 5 has a temperature control mechanism because it can cool the wafer heated by etching and reduce the thermal damage of the wafer and that the etching reaction rate can be controlled by heating the stage 5. Is preferred. Moreover, as a temperature control range, control in the range of -100 degreeC-100 degreeC is 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 for making the magnetic lines of force B orthogonal to the pedestal surface of the stage 5, one as shown in FIG. 5 can also be adopted. In the structure shown in FIG. 5, by disposing the stage 5 near the magnetic coil 4, the ratio of the lines of magnetic force B vertically incident on the pedestal 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 begin to diverge. As a result, the lines of magnetic force B are incident substantially perpendicularly and uniformly from the center of the wafer 12 to the periphery. 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 lead-in 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 above-described dry etching apparatus 1 adopts the helicon wave excitation plasma method as a plasma generation source, but in the dry etching method to which the present invention is applied, the 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 system is used as a plasma generation source, a plasma density equivalent to the helicon wave system can be obtained in a steady gas pressure range of 0.1 to 1.0 Pa. In the ECR method, it is common to use a diffusion type chamber to reduce the disappearance of the plasma because of the divergent magnetic field configuration. Further, as in the above-described structure, it is also possible to dispose a permanent magnet as a magnetic field lead-in member on the stage so that magnetic lines of force can be drawn in perpendicularly 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 indicated by reference numeral 15 as a plasma generation source capable of realizing a plasma density of 10 18 m −3 in a steady gas pressure range of 0.1 to 1.0 Pa, or An electron cyclotron resonance plasma (ECR) system indicated by reference numeral 16 is adopted. Reference numeral 17 is an inductively coupled plasma (ICP) system, reference numeral 18 is a ICP-enhanced Beamed-ICP system or MSC-ICP (Multi Spiral Coil: MSC) system, reference numeral 19 is a Magnetically Enhanced-CCP system, and reference numeral 20 is a capacity 21 shows a capacitively coupled plasma (CCP) method, and 21 indicates a high power impulse magnetic sputtering (HIPIMS) method or a magnetron method.

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 termination plate 6, and at the same time, vacuuming is performed 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。 In addition, the gas residence time of the process gas in the vacuum chamber 2 is 0.5 to 60 msec, and the total amount of process gas supplied per minute is set to achieve an etching rate of ER si = 50 μm / min or more. It is more than 1.0 × 10 17 cm -3 .

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, while a high frequency signal of a predetermined high frequency voltage is applied to the plasma generation chamber 10 by the high frequency coupling antenna 3, a predetermined magnetic field is formed in the plasma generation chamber 10 by the magnetic coil 4. The electromagnetic field excited plasma of the 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 excitation plasma are transported substantially parallel to the magnetic field lines B toward the wafer 12 mounted on the stage 5 of the plasma processing chamber 11 while being spirally moved so as to wind around the magnetic field lines B. Thus, 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 in accordance with the processing gas and atmosphere to be used, it is possible to control the ion acceleration in the sheath and to realize appropriate plasma processing according to the wafer 12 .

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。   Since the acceleration of etching by the ion assist effect also occurs when the incident velocity of ions at the sheath end and the voltage drop in the sheath increase, the etching rate can be accelerated as the ion rushing rate to the wafer 12 is increased. Since the ion-assisted etching proceeds with anisotropy in the collision direction of the ions, the side wall shape of the etching hole can be smoothed by aligning the rush direction of the ion-assisting ions.

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, the radicals are scattered, the probability of oblique incidence increases, and the etching anisotropy decreases, but by lowering the steady gas pressure, the radicals and ions are reduced. The probability of particles being incident on the side wall surface of the through hole due to the scattering is reduced, and good 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, an efficient anisotropy is achieved by increasing the supply of gas particles as a radical generation source and lowering the steady state gas pressure to such an extent that the ion scattering probability due to collision with gas particles decreases. 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 rotate in the clockwise direction toward the traveling direction and move parallel to the magnetic field lines B. The ions spirally move around the magnetic flux along the direction of the magnetic field so as to wrap around the magnetic field line B, and are transported in a direction parallel to the magnetic field if scattering does not occur.

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 at which ions collide with other gas particles before reaching the bottom of the etching hole is suppressed, which contributes to the speeding up of etching and can reduce the collision of ions against the vacuum chamber sidewall. , The loss of plasma 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。   Further, as the charged particles (here, ions) of the electromagnetic field excitation plasma increase in density as the magnetic flux density increases, the number of charged particles of plasma entering the wafer increases. This increases the probability of plasma charged particles entering the wafer and has the characteristic of increasing 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。   A linear magnetic field or converging magnetic field is formed between the plasma generation chamber 10 and the stage 5, and the ions are initially determined by the potential of the plasma sheath (area of several millimeters immediately above the wafer) from the plasma generation chamber 10 to the stage 5 Incident with speed. This improves the etch rate of the wafer.

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 application electrode 13 for applying a high frequency RF bias to the stage 5 is provided. The RF bias is also generated in a direction substantially perpendicular to the pedestal surface of the stage 5. The potential difference between the RF bias and the plasma potential described above further increases the ion rushing rate and further improves the etching rate of the wafer 12. .

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。 In order to form through holes for TSV by etching at a high speed of 50 μm / min or more, the dry etching apparatus 1 increases the gas supply amount supplied per unit time as compared with the conventional case (generally 1000 times). Specifically, the total amount of gas supplied per minute of the process gas 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 gas supply amount supplied per unit time increases, the amount of radicals generated along with plasma generation also increases. And if the amount of radicals increases, the 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-state 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, by increasing the gas refresh rate of the vacuum chamber 2, the steady-state gas pressure in the vacuum chamber 2 is made lower than in the prior art. 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 the high plasma density and the ability to introduce ions to the wafer with a linear magnetic field can reduce the probability that the plasma collides with the sidewall and disappears. It is for.
As described above, an ECR method can also be adopted as a 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 free gas pressure in the chamber ensures that the mean free path of the ions in the chamber is greater than the distance between the high frequency coupling antenna 3 and the stage 5 by making the above-mentioned Hall parameter h sufficiently larger than 1. The degree is adjusted.

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 along the magnetic field lines B to the wafer 12 cause ion scattering before reaching the bottom of the etching hole of the wafer 12 is reduced as much as possible, and collides with the wall of the vacuum chamber. Loss of plasma can be reduced. As a result, in addition to the increase in the amount of radicals involved in etching, the digging power by ion assistance 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, magnetic lines of force B generated between the plasma generation chamber 10 and the stage 5 are substantially orthogonal to the pedestal surface of the stage 5. Therefore, the ions fly along the magnetic field lines B, and are perpendicularly incident on the pedestal of the stage 5. As a result, it is possible to realize smooth side walls of the etching hole.

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。   Furthermore, although the magnetic lines of force B intersecting the wafer 12 are substantially perpendicular to the plane of the wafer 12, the magnetic field is once converged at an intermediate position between the plasma generation chamber 10 and the stage 5, and the magnetic flux density near the stage 5 is It may be higher than the vicinity of the plasma generation chamber 10. When the magnetic flux density in the vicinity of the stage 5 is increased, the plasma density in the vicinity of the stage 5 is increased, and the etching rate is improved.

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 mounted on the stage 5 is at the position of the antinode or node of the electromagnetic wave propagating in the electromagnetic field excitation 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 to the position of the antinode of the electromagnetic wave, and the axial boundary is a conductor material (or the whole) If it is a conductive material, the wafer 12 can be adjusted to be at the node position 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。   Further, in the dry etching method to which the present invention is applied, it is possible to adjust the following points for application to an etching rate and fine-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 pulse power application using a pulse length (ms or less) in consideration of particle diffusion time, or a pulse length (1 s or less) shortened to suppress temperature rise. By controlling ON and OFF of pulse power, plasma is generated intermittently to reduce heat generation of the antenna.

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 enter the wafer. In particular, by increasing the bias voltage, the acceleration effect of ions can be enhanced, 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。   Further, in accordance with the antenna configuration and the plasma generation source, it is considered to adjust the frequency of the high frequency power source in a range of several MHz to several GHz.

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 gas flow rate of the supplied process gas can be adjusted in the range of several sccm to 100 sccm to reduce the gas usage.

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, it is also possible to adjust the steady-state gas pressure 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 is capable of realizing an excellent etching rate and capable of processing at 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 antenna for high frequency coupling 4 magnetic coil 5 stage 6 plasma termination plate 7 matching box 8 RF power supply 9 stage shaft 10 plasma generation chamber 11 plasma processing chamber 12 wafer 13 bias voltage application electrode 14 permanent magnet 15 Helicon wave excitation plasma system 16 electron cyclotron resonance plasma (ECR) system 17 inductively coupled plasma (ICP) system 18 Beamed-ICP system or MSC-ICP (Multi Spiral Coil (MSC) system 19 Magnetically Enhanced-CCP system 20 capacitively coupled plasma ( Capacitively Coupled Plasma (CCP) method 21 High Power Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS) 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。
The steady-state gas pressure is in the range of 0.1 to 1.0 Pa by making the mean free path of the ions generated by the plasma generation unit for generating the electromagnetic field excitation plasma in the vacuum chamber longer than the sheath thickness generated on the surface of the workpiece And supplying the 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 inducing step of directing ions generated by the plasma generation unit to a material to be treated located on a sample support placed in the vacuum chamber;
A dry etching method comprising: an etching process step of radicalizing the gas and etching the surface to be treated of the material to be treated by setting the plasma density in the vicinity of the material to be treated to 10 18 m -3 or more.
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 a gas into the vacuum chamber such 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。
The dry etching method according to claim 1 or 2, wherein the gas supply step supplies a gas into the vacuum chamber such that a flow rate of the introduced gas is equal to or less than 100 sccm.
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 a 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 a magnetic field generated in the plasma generation unit and the vacuum chamber are drawn to the same sample support via the magnetic force lead-in portion provided on the sample support, and ions are transferred to the same sample support. 5. The dry etching method according to claim 1, 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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