JPWO2018088532A1 - Etching apparatus and etching method - Google Patents

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Abstract

反応性ラジカルを有するプラズマを照射するエッチング方法において、プラズマ形成に用いられる処理ガスは、H2ガスを含むエッチングガスと、N2、NH3、H2O及びCO2からなる群から選択される少なくとも1種のガスを含む表面改質ガスとを含んでおり、エッチングレートを向上すると共にエッチングの際の表面粗さの増加を抑制することができる。In the etching method of irradiating plasma having reactive radicals, the processing gas used for plasma formation is an etching gas containing H2 gas and at least one gas selected from the group consisting of N2, NH3, H2O and CO2. The surface modification gas is contained, so that the etching rate can be improved and the increase in the surface roughness during the etching can be suppressed.

Description

本発明は、プラズマを用いたエッチング装置及びエッチング方法に関する。   The present invention relates to an etching apparatus and an etching method using plasma.

従来から、Cuなどの金属配線などの形成のため、種々のエッチング方法が検討されている。一般的には、化学機械研磨(CMP)法などの他、塩素などのハロゲンガスを用いて、Cuをドライエッチングする方法が知られている(特許文献1参照)。共有結合を有するシリコンや、ゲルマニウム等の半導体材料のドライエッチングにおいては、地球温暖化係数の高いパーフルオロカーボンガスや、ハロゲンガス等を用いることなく、水素を用いることで、エッチングが可能であることが知られている。水素を用いたエッチング法は、パーフルオロカーボンガスやハロゲンガスを用いたエッチング法に比べて、ガス単価が安い、地球温暖化の効果が無い、毒性が無いなど、優れた利点を有しており、とりわけ大気圧近傍の圧力とすることで、狭ギャップ中に高密度なプラズマを形成し、プラズマとの反応により発生した揮発性生成物を効率良く除去することができる。   Conventionally, various etching methods have been studied for forming metal wiring such as Cu. In general, other than a chemical mechanical polishing (CMP) method, a method of dry etching Cu using a halogen gas such as chlorine is known (see Patent Document 1). In dry etching of a semiconductor material such as silicon having a covalent bond and germanium, etching may be possible by using hydrogen without using a perfluorocarbon gas having a high global warming potential or a halogen gas. Are known. The etching method using hydrogen has excellent advantages such as a low gas unit price, no global warming effect, and no toxicity compared to etching methods using perfluorocarbon gas or halogen gas. In particular, by setting the pressure in the vicinity of atmospheric pressure, a high-density plasma can be formed in the narrow gap, and volatile products generated by the reaction with the plasma can be efficiently removed.

特開平7−161687号公報JP-A-7-161687 特開2014−63874号公報JP 2014-63874 A

金属のエッチングにおいては、環境負荷の小さい廉価なエッチングガスの使用、エッチング速度の高速化、さらにはエッチングした金属表面の粗さを低減することが同時に期待されている。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、環境負荷の小さいエッチングガスを用いて高速エッチングし、得られる金属表面の粗さを低減することが可能なエッチング装置及びエッチング方法を提供することを目的とする。   In metal etching, it is simultaneously expected to use an inexpensive etching gas with a small environmental load, increase the etching rate, and reduce the roughness of the etched metal surface. The present invention has been made in view of the above problems, and provides an etching apparatus and an etching method capable of performing high-speed etching using an etching gas having a small environmental load and reducing the roughness of the resulting metal surface. The purpose is to provide.

上述の課題を解決するため、第1の態様のエッチング装置は、金属を含む試料のエッチング装置において、処理容器と、前記処理容器内に配置される試料ホルダーと、前記試料ホルダーに対向する位置に設けられ、プラズマを発生させ、プラズマ中に直接処理ガスを供給することを可能とするプラズマ生成電極と、前記プラズマ生成電極に接続された高周波電源と、前記プラズマ生成電極に処理ガスを供給する処理ガス導入口と、を備え、前記処理ガスは、Hガスを含むエッチングガスと、N、NH3、O及びCOからなる群から選択される少なくとも1種のガスを含む表面改質ガスと、を含む。In order to solve the above-described problem, an etching apparatus according to a first aspect includes a processing container, a sample holder disposed in the processing container, and a position facing the sample holder in the etching apparatus for a sample containing metal. A plasma generation electrode provided to generate plasma and supply a processing gas directly into the plasma; a high-frequency power source connected to the plasma generation electrode; and a process of supplying the processing gas to the plasma generation electrode comprising a gas inlet, wherein the processing gas, surface modification comprising at least one gas selected and etching gas containing H 2 gas, from the group consisting of N 2, NH 3, H 2 O and CO 2 Quality gas.

第2の態様のエッチング装置においては、前記プラズマ生成電極は、前記処理ガス導入口に連通したガス放出通路を備え、前記ガス放出通路の先端部においてプラズマを発生することができる。   In the etching apparatus according to the second aspect, the plasma generation electrode includes a gas discharge passage communicating with the processing gas introduction port, and plasma can be generated at a tip portion of the gas discharge passage.

第3の態様のエッチング装置においては、前記金属はCuを含むことができる。   In the etching apparatus according to the third aspect, the metal may contain Cu.

第4の態様のエッチング方法は、反応性ラジカルを有するプラズマを照射するエッチング方法において、プラズマ形成に用いられる処理ガスは、Hガスを含むエッチングガスと、N、NH、HO及びCOからなる群から選択される少なくとも1種のガスを含む表面改質ガスとを含むことができる。An etching method according to a fourth aspect is an etching method in which a plasma having reactive radicals is irradiated. A processing gas used for plasma formation includes an etching gas containing H 2 gas, N 2 , NH 3 , H 2 O, and And a surface modifying gas containing at least one gas selected from the group consisting of CO 2 .

本発明によれば、廉価で環境負荷の小さなエッチングガスを用いて、エッチング速度の向上とともに、エッチングした金属表面の粗さを低減することが可能である。   According to the present invention, it is possible to improve the etching rate and reduce the roughness of the etched metal surface by using an inexpensive and low environmental load etching gas.

エッチングの原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of an etching. サンプル基板を示す図である。It is a figure which shows a sample board | substrate. 表面粗さ等の改善結果を示す図表である。It is a graph which shows improvement results, such as surface roughness. 水素濃度とエッチング速度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a hydrogen concentration and an etching rate. 高周波電源からの高周波電力のパワーとエッチング速度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the power of the high frequency electric power from a high frequency power supply, and an etching rate. 第1のエッチング装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a 1st etching apparatus. プラズマ発生領域の近傍の状態について説明するための縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view for demonstrating the state of the vicinity of a plasma generation area | region. 第2のエッチング装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a 2nd etching apparatus. プラズマ発生領域の近傍の状態について説明するための縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view for demonstrating the state of the vicinity of a plasma generation area | region. 第3のエッチング装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a 3rd etching apparatus. 第4のエッチング装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a 4th etching apparatus. 第5のエッチング装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 5th etching apparatus. 第6のエッチング装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 6th etching apparatus. ドラムの詳細構成を示す図である。It is a figure which shows the detailed structure of a drum. 第7のエッチング装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 7th etching apparatus. 第8のエッチング装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 8th etching apparatus. 第9のエッチング装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 9th etching apparatus. 第10のエッチング装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 10th etching apparatus.

以下、実施の形態に係るエッチング装置及びエッチング方法について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。   Hereinafter, an etching apparatus and an etching method according to embodiments will be described. Note that the same reference numerals are used for the same elements, and redundant description is omitted.

図1は、エッチングの原理を説明するための図である。   FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of etching.

このエッチング方法では、反応性ラジカルを有するプラズマを照射するエッチング方法において、プラズマ形成に用いられる処理ガスは、エッチングガス(Hガス)に加えて、表面改質ガス(Nガス)を用いている。エッチング対象は、金属であり、好適には、銅である。In this etching method, in the etching method in which plasma having reactive radicals is irradiated, a processing gas used for plasma formation uses a surface modification gas (N 2 gas) in addition to an etching gas (H 2 gas). Yes. The object to be etched is a metal, preferably copper.

本願発明者らの研究によれば、銅に、水素プラズマのみを照射してエッチングを行おうとすると、銅表面が粗くなるという現象が観察された。この原因は、透過型電子顕微鏡等による観察によると、水素ラジカル(水素原子)が、銅内部に侵入して、結晶粒内や結晶粒界におけるボイドを形成していることにあることが判明した。   According to the study by the inventors of the present application, it was observed that the copper surface becomes rough when etching is performed by irradiating copper with only hydrogen plasma. The cause of this was found by observation with a transmission electron microscope or the like that hydrogen radicals (hydrogen atoms) penetrated into the copper and formed voids in the crystal grains or in the crystal grain boundaries. .

そこで、このエッチング方法では、エッチャント用の水素ガスに、表面改質ガスとして窒素ガスを混入している。銅サンプル上部に窒素混合水素プラズマを形成すると、金属銅の表面に、銅の窒化物(窒化層)が形成される。銅サンプル上部には、水素と窒素の原子が、ラジカルとして存在している(図1(A))。   Therefore, in this etching method, nitrogen gas is mixed as a surface modifying gas into the etchant hydrogen gas. When a nitrogen mixed hydrogen plasma is formed on the copper sample, a copper nitride (nitride layer) is formed on the surface of the copper metal. At the top of the copper sample, hydrogen and nitrogen atoms are present as radicals (FIG. 1A).

金属銅表面に、窒化層が形成されると、水素プラズマにおける水素ラジカル(水素原子)の深部への拡散が防止され、表面の窒化層が最初に削れていく(図1(B))。また加工対象としての銅は、非常に都合の良いことに、窒化層の融点は、窒化前の金属銅よりも低く、窒化層を非常に高速にエッチングすることができる。このことは、窒化物の銅―窒素の結合エネルギーが、金属銅の結合エネルギーに比べて低いことも意味している。   When a nitride layer is formed on the metal copper surface, diffusion of hydrogen radicals (hydrogen atoms) in the hydrogen plasma to the deep portion is prevented, and the nitride layer on the surface is first scraped (FIG. 1B). Further, copper as a processing object is very convenient. The melting point of the nitride layer is lower than that of the metal copper before nitriding, and the nitride layer can be etched very quickly. This also means that the bond energy of nitride-copper-nitrogen is lower than that of metallic copper.

詳説すれば、このエッチング方法において、エッチング対象の金属と、反応性ラジカルとなった表面改質ガスとが反応すると、これらの化合物の融点は、元の金属よりも低下する場合があり、原子状水素が、この溶融化合物中に過剰に溶解し、化合物の蒸散を促進する。ここで、水素ラジカル(水素原子)のみのエッチングの場合、金属表面は常に清浄な金属表面が露出することとなるため、水素原子が極めて容易に金属中へ溶解する。水素原子は、その粒子径が非常に小さいため、容易に金属の深部まで拡散し、これら過剰溶解した水素が、金属結晶内や粒界などにボイド等の表面粗さの増加原因を生成する。この方法では、対象の金属と表面改質ガスとの反応生成物が、基板の表層に形成されている。この表層の反応生成物(窒化層)は、金属結合によるものではなく、共有結合性、もしくはイオン結合性をもち、局在した未結合手等の欠陥を多く含む層であるため、水素は、これら欠陥にトラップされることで、金属中の拡散に比べて低速となる。この層が、水素ラジカル(水素原子)の拡散を抑制する障壁として機能するため、金属中への過剰な水素原子の上記拡散を抑制し、金属バルク内のボイドの発生を妨げる結果、表面粗さの増加を抑制することができる。   Specifically, in this etching method, when the metal to be etched reacts with the surface modification gas that has become a reactive radical, the melting point of these compounds may be lower than that of the original metal. Hydrogen dissolves excessively in the molten compound and promotes transpiration of the compound. Here, in the case of etching using only hydrogen radicals (hydrogen atoms), a clean metal surface is always exposed on the metal surface, so that the hydrogen atoms dissolve very easily into the metal. Since the hydrogen atom has a very small particle diameter, it easily diffuses to the deep part of the metal, and these excessively dissolved hydrogens generate the cause of the increase in surface roughness such as voids in the metal crystal and grain boundaries. In this method, a reaction product of the target metal and the surface modification gas is formed on the surface layer of the substrate. This reaction product (nitride layer) on the surface layer is not a metal bond, but has a covalent bond or ionic bond, and is a layer containing many defects such as localized dangling bonds. By being trapped by these defects, it becomes slower than diffusion in metal. Since this layer functions as a barrier that suppresses the diffusion of hydrogen radicals (hydrogen atoms), the above-described diffusion of excessive hydrogen atoms into the metal is suppressed, resulting in the prevention of voids in the metal bulk, resulting in surface roughness. Can be suppressed.

しかも、例えば、SiO等の絶縁膜をCu配線が同一基板上に形成されているデバイスにおいて、このエッチング方法を用いれば、Cuのみを非常に高い選択比でエッチングすることが可能である。Moreover, for example, in a device in which an Cu insulating film such as SiO 2 is formed on the same substrate, this etching method can be used to etch only Cu with a very high selectivity.

なお、金属としてCuを用いる場合、表面改質ガスとして、Nの他に、NH、HO又はCOを用いても、表面粗さが改善される。なぜならば、これらガスから生成される窒素、酸素、ならびに水酸化ラジカルにより、金属表面が共有結合性、もしくはイオン結合性の物質に変換されるためである。In the case of using Cu as the metal, as a surface modifying gas, in addition to the N 2, even with NH 3, H 2 O or CO 2, the surface roughness is improved. This is because the metal surface is converted into a covalent bond or ion bond substance by nitrogen, oxygen, and hydroxyl radicals generated from these gases.

さらに、金属として、Cu以外の金属、例えば、Al、Ni、In、Ag、Ga、Cr、又は、Mnをエッチングする場合においても、本方法は有効であると考えられる。なぜならば、これらの金属は、水素原子との反応により比較的不安定な水素化物を形成すると共に、窒素ラジカル、酸素ラジカルなどにより、非金属結合の物質へ改質可能だからである。   Furthermore, the present method is considered to be effective even when a metal other than Cu, for example, Al, Ni, In, Ag, Ga, Cr, or Mn is etched. This is because these metals form a relatively unstable hydride by reaction with a hydrogen atom, and can be reformed into a non-metal bonded substance by a nitrogen radical, an oxygen radical, or the like.

なお、上記プラズマでは、高密度原子状水素(1016〜1019atoms/cc)を生成している。また、CuとNの化合物である窒化層は、化学量論的組成ではCuNでありCuよりも融点が低い。窒化による非金属化により、未結合手からなる欠陥を多数含む層を形成し、これにより窒化層が水素バリア層として機能する。Note that the plasma generates high-density atomic hydrogen (10 16 to 10 19 atoms / cc). In addition, the nitride layer that is a compound of Cu and N is Cu 3 N in terms of stoichiometric composition and has a lower melting point than Cu. By non-metallization by nitriding, a layer including many defects composed of dangling bonds is formed, whereby the nitride layer functions as a hydrogen barrier layer.

図2は、サンプル基板(試料)を示す図である。   FIG. 2 is a diagram showing a sample substrate (sample).

サンプル基板は、Si基板上に、SiO層が形成されており、SiO層の間に、Cu層が埋め込まれているものである。このサンプル基板に対して、上記のエッチングを適用した。In the sample substrate, a SiO 2 layer is formed on a Si substrate, and a Cu layer is embedded between the SiO 2 layers. The etching described above was applied to this sample substrate.

図3は、表面粗さ等の改善結果を示す図表である。   FIG. 3 is a chart showing improvement results such as surface roughness.

エッチングガスは、比較例においては水素のみ(水素濃度:100%)であり、実施例においては、水素と表面改質ガス(N)を用いた(水素濃度:90%、窒素濃度:10%)。なお、これらの濃度は、常圧において、処理容器の内部に供給する各ガスの質量流量の比率である。In the comparative example, the etching gas is only hydrogen (hydrogen concentration: 100%), and in the examples, hydrogen and surface modified gas (N 2 ) are used (hydrogen concentration: 90%, nitrogen concentration: 10%). ). In addition, these density | concentrations are the ratio of the mass flow rate of each gas supplied to the inside of a processing container in normal pressure.

プラズマを発生させるプラズマ生成電極に印加する高周波電力のパワーは100W、処理容器内圧力は13.3kPa、処理容器内の温度は室温、プラズマ生成電極とサンプル基板との間の距離は0.7mm、プラズマ生成電極から放出されるガスの流速は10SLMである。エッチング装置は、図6に示すものを用いた。   The power of the high frequency power applied to the plasma generating electrode for generating plasma is 100 W, the pressure in the processing container is 13.3 kPa, the temperature in the processing container is room temperature, the distance between the plasma generating electrode and the sample substrate is 0.7 mm, The flow rate of the gas emitted from the plasma generating electrode is 10 SLM. The etching apparatus shown in FIG. 6 was used.

これらの実験結果から明らかなように、水素のみのエッチングと比較して、Nを混合したエッチングガスを用いた場合、表面粗さは著しく改善され、Cuとの選択エッチング比(SiOの190倍)も著しく増加し、さらに、Cuのエッチング速度も著しく増加していることが分かる。As is clear from these experimental results, the surface roughness is remarkably improved when the etching gas mixed with N 2 is used as compared with the etching using only hydrogen, and the selective etching ratio with Cu (190 of SiO 2 is 190 nm). It can be seen that the etching rate of Cu is also significantly increased.

図4は、水素濃度とエッチング速度の関係を示すグラフである。   FIG. 4 is a graph showing the relationship between the hydrogen concentration and the etching rate.

この水素濃度は、処理容器の内部に供給する各ガスの質量流量の比率である。エッチング速度は、水素濃度が90%(窒素濃度=10%)の場合に、最も高くなっていることが分かる。   This hydrogen concentration is the ratio of the mass flow rate of each gas supplied into the processing container. It can be seen that the etching rate is highest when the hydrogen concentration is 90% (nitrogen concentration = 10%).

図5は、高周波電源からの高周波電力のパワー(W)とエッチング速度(μm/min)の関係を示すグラフである。   FIG. 5 is a graph showing the relationship between the power (W) of the high frequency power from the high frequency power supply and the etching rate (μm / min).

パワーの増加に伴って、エッチング速度は増加するが、水素のみのエッチング(純水素)に比べて、窒素を混入した場合のエッチング速度(N=10%添加水素)は高い。このことからも、窒素の添加が、エッチング速度の増加に有効であることが分かる。As the power increases, the etching rate increases. However, the etching rate when nitrogen is mixed (N 2 = 10% added hydrogen) is higher than etching with hydrogen only (pure hydrogen). This also shows that the addition of nitrogen is effective in increasing the etching rate.

次にエッチング装置について説明する。   Next, an etching apparatus will be described.

図6は、第1のエッチング装置の構成を示す図である。   FIG. 6 is a diagram showing a configuration of the first etching apparatus.

このエッチング装置は、金属(Cu)を含むサンプル基板のエッチング装置において、処理容器1と、処理容器1内に配置される基板ホルダー2と、基板ホルダー2に対向する位置に設けられ、プラズマ8を発生させるプラズマ生成電極5と、プラズマ生成電極5に電気的に接続された高周波電源6と、プラズマ生成電極5に処理ガスを供給する処理ガス導入口4とを備えている。プラズマ生成電極5は、プラズマ8中へ直接ガスを供給する機能を持ち、サンプル基板(S、F)とプラズマ8の反応により生成された反応生成物を強制的に輸送する流れを形成する機能をもつ。   This etching apparatus is an etching apparatus for a sample substrate containing metal (Cu), and is provided at a position facing the processing container 1, a substrate holder 2 disposed in the processing container 1, and the substrate holder 2. A plasma generation electrode 5 to be generated, a high-frequency power source 6 electrically connected to the plasma generation electrode 5, and a processing gas inlet 4 for supplying a processing gas to the plasma generation electrode 5 are provided. The plasma generation electrode 5 has a function of supplying a gas directly into the plasma 8 and a function of forming a flow for forcibly transporting a reaction product generated by the reaction between the sample substrate (S, F) and the plasma 8. Have.

ここで、処理ガスは、Hガスを含むエッチングガスと、N、NH、HO及びCOからなる群から選択される少なくとも1種のガスを含む表面改質ガスを含むものである。Here, the process gas contains the etching gas containing H 2 gas, the surface modifying gas containing at least one gas selected from N 2, NH 3, the group consisting of H 2 O and CO 2.

上述のように、金属をエッチングする場合に、Hガスの他に、N等の表面改質ガスをプラズマ化することで、エッチングレートの増大、エッチング選択比の向上、ならびに金属表面の粗さを大幅に低減することができる。As described above, when etching a metal, in addition to H 2 gas, a surface modifying gas such as N 2 is converted into plasma, thereby increasing the etching rate, improving the etching selectivity, and roughening the metal surface. Can be greatly reduced.

なお、プラズマ生成電極5は、処理ガス導入口4に連通したガス放出通路5Pを備えており、ガス放出通路5Pの先端部とサンプル基板(F、S)の間にプラズマ8が発生する。ガス放出通路5Pの先端部近傍とサンプル基板(F,S)の間でプラズマ8が発生するので、プラズマ8中へ効率的にプロセスガスの供給が行われ、このガスの流れにしたがって、プラズマ8とサンプル基板(F、S)の反応によって生じたエッチング反応生成物を好適にサンプル基板表面から除去することができる。   The plasma generating electrode 5 includes a gas discharge passage 5P communicating with the processing gas introduction port 4, and plasma 8 is generated between the tip of the gas discharge passage 5P and the sample substrate (F, S). Since the plasma 8 is generated between the vicinity of the front end of the gas discharge passage 5P and the sample substrate (F, S), the process gas is efficiently supplied into the plasma 8, and the plasma 8 is supplied in accordance with the flow of this gas. Etching reaction products generated by the reaction between the sample substrate (F, S) and the sample substrate surface can be suitably removed.

この装置は、狭ギャップで高圧プラズマを形成することができ、狭ギャップ中にガスを直接供給できるため、サンプル基板上で生成した反応生成物を効率良くサンプル基板表面から除去・輸送することができる。   Since this apparatus can form high-pressure plasma in a narrow gap and gas can be directly supplied into the narrow gap, reaction products generated on the sample substrate can be efficiently removed and transported from the sample substrate surface. .

この装置は、処理容器1内の基板ホルダー2に対向する位置に配置されるプラズマ生成電極ホルダー3と、処理容器1内に処理ガスを導入するための処理ガス導入口4と、プラズマ生成電極ホルダー3に配置されるプラズマ生成電極5に接続された高周波電源6と、高周波電源6や容器内圧力等を制御する制御装置7とを備えている。   This apparatus includes a plasma generation electrode holder 3 disposed at a position facing the substrate holder 2 in the processing container 1, a processing gas inlet 4 for introducing a processing gas into the processing container 1, and a plasma generation electrode holder. 3 is provided with a high frequency power source 6 connected to the plasma generating electrode 5 arranged in 3 and a control device 7 for controlling the high frequency power source 6 and the pressure in the container.

処理容器1の内部空間にはバルブVを介して排気ポンプEXが連通しており、排気ポンプEXを駆動することで、内部空間内の圧力を減圧することができる。排気ポンプEXの排気量は、バルブVを調整することで制御することができる。処理容器1内の圧力は、圧力計PSによって計測されている。   An exhaust pump EX communicates with the internal space of the processing container 1 via a valve V. By driving the exhaust pump EX, the pressure in the internal space can be reduced. The exhaust amount of the exhaust pump EX can be controlled by adjusting the valve V. The pressure in the processing container 1 is measured by a pressure gauge PS.

処理容器1内の基板ホルダー2上には、エッチング対象の金属や金属膜Fが形成されたサンプル基板Sが保持され、その上方にパイプ状のプラズマ生成電極5が配置されている。プラズマ生成電極5の上端は、プラズマ生成電極ホルダー3によって保持されている。プラズマ生成電極ホルダー3は、処理容器1の内壁に固定することができる。パイプ状のプラズマ生成電極5の内部空間は、配管及び流量制御器MFCを介して、複数のプロセスガス貯蔵タンク(図示せず)に接続されている。本例では、これらのタンク内に水素と窒素が充填されており、流量制御器MFCを制御することで、処理容器1の外壁に設けられた処理ガス導入口4を介して、処理容器1内部に水素ガス(H)と窒素ガス(N)を導入することができる。なお、流量制御器は、それぞれのガス流量を制御するように設けることも可能である。A sample substrate S on which a metal to be etched and a metal film F are formed is held on a substrate holder 2 in the processing container 1, and a pipe-shaped plasma generation electrode 5 is disposed above the sample substrate S. The upper end of the plasma generation electrode 5 is held by the plasma generation electrode holder 3. The plasma generating electrode holder 3 can be fixed to the inner wall of the processing container 1. The internal space of the pipe-shaped plasma generation electrode 5 is connected to a plurality of process gas storage tanks (not shown) via piping and a flow rate controller MFC. In this example, these tanks are filled with hydrogen and nitrogen, and by controlling the flow rate controller MFC, the inside of the processing container 1 is passed through the processing gas inlet 4 provided on the outer wall of the processing container 1. Hydrogen gas (H 2 ) and nitrogen gas (N 2 ) can be introduced into the gas. The flow rate controller can also be provided to control the respective gas flow rates.

流量制御器MFCを介して、処理ガス導入口4から導入された水素は、パイプ状のプラズマ生成電極5の内部空間を通り、その下方端から排出される。排出先の近傍には、高周波電源6によって高電界の高周波電界が形成されており、排出された水素と窒素によって、パイプの先端部近傍にプラズマが形成される(プラズマ発生領域8)。   The hydrogen introduced from the processing gas inlet 4 via the flow rate controller MFC passes through the internal space of the pipe-shaped plasma generation electrode 5 and is discharged from the lower end thereof. In the vicinity of the discharge destination, a high-frequency electric field of high electric field is formed by the high-frequency power source 6, and plasma is formed in the vicinity of the tip of the pipe by the discharged hydrogen and nitrogen (plasma generation region 8).

プラズマ生成電極5は、高周波電源6に電気的に接続されており、基板S、基板ホルダー2、処理容器1の外壁は、グランド電位に接続されている。   The plasma generation electrode 5 is electrically connected to a high-frequency power source 6, and the substrate S, the substrate holder 2, and the outer wall of the processing container 1 are connected to a ground potential.

制御装置7には、圧力計PS、バルブV、高周波電源6、流量制御器MFCが接続されており、処理容器1内が所望の圧力になるように、圧力計PSで内部圧力をモニターしながら、流量制御器MFCやバルブVの開度を調整する。制御装置7は、高周波電源6の出力電力を制御することができ、所望の内部圧力の場合において、適切な高周波電力をプラズマ生成電極5に供給することで、プラズマ生成電極5の先端部の周囲にプラズマを発生させることができる。   The control device 7 is connected with a pressure gauge PS, a valve V, a high-frequency power source 6, and a flow rate controller MFC, and monitors the internal pressure with the pressure gauge PS so that the inside of the processing container 1 becomes a desired pressure. The opening degree of the flow rate controller MFC and the valve V is adjusted. The control device 7 can control the output power of the high-frequency power source 6, and by supplying an appropriate high-frequency power to the plasma generation electrode 5 in the case of a desired internal pressure, the periphery of the tip of the plasma generation electrode 5 Plasma can be generated.

ここで、制御装置7は、処理ガス導入口4から処理容器1内に水素と窒素が導入された場合に、高周波電源6を制御し、プラズマ生成電極5の周囲に水素・窒素ガス混合のプラズマを発生させる。高周波電源6によってプラズマ生成電極5のプラズマ発生領域8における単位面積当たりに与えられる高周波電力の密度A、プラズマ生成電極5とサンプル基板Sとの間の距離B、処理容器1内のプラズマ生成電極5の周囲の圧力Cは、以下の関係を満たすように設定される。
・A≧130(W/cm
・0.1(mm)≦B≦15(mm)
・80(Pa)≦C≦0.2(MPa)
Here, the control device 7 controls the high-frequency power source 6 when hydrogen and nitrogen are introduced into the processing container 1 from the processing gas inlet 4, and a plasma of hydrogen / nitrogen gas mixed around the plasma generation electrode 5. Is generated. The density A of the high frequency power applied per unit area in the plasma generation region 8 of the plasma generation electrode 5 by the high frequency power source 6, the distance B between the plasma generation electrode 5 and the sample substrate S, the plasma generation electrode 5 in the processing chamber 1 Is set so as to satisfy the following relationship.
A ≧ 130 (W / cm 2 )
・ 0.1 (mm) ≦ B ≦ 15 (mm)
・ 80 (Pa) ≦ C ≦ 0.2 (MPa)

なお、原料金属のプラズマ発生領域8における単位面積は、プラズマ生成電極5とプラズマとの接触面における単位面積である。プラズマ生成電極5からなるパイプ先端部の近傍において、プラズマ密度が高いので、同図では、プラズマ発生領域8は、比較的密度の高いプラズマ領域を示している。このプラズマ発生領域は、基板方向に広がり基板に触れている。   The unit area in the plasma generation region 8 of the raw metal is the unit area on the contact surface between the plasma generation electrode 5 and the plasma. Since the plasma density is high in the vicinity of the pipe tip portion formed of the plasma generation electrode 5, the plasma generation region 8 shows a relatively high density plasma region in FIG. This plasma generation region extends in the direction of the substrate and touches the substrate.

すなわち、サンプル基板Sとパイプ状のプラズマ生成電極5の先端部との間の距離B(ギャップ)は、非常に狭く、0.1(mm)以上、15(mm)以下に設定され、圧力Cは80(Pa)以上、0.2(MPa)以下と、比較的高く、高周波電力の密度Aは、130(W/cm)以上であり、非常に高い。That is, the distance B (gap) between the sample substrate S and the tip of the pipe-shaped plasma generation electrode 5 is very narrow, set to 0.1 (mm) or more and 15 (mm) or less, and the pressure C Is relatively high, such as 80 (Pa) or more and 0.2 (MPa) or less, and the density A of high-frequency power is 130 (W / cm 2 ) or more, which is very high.

この状態で窒素混合水素プラズマを発生させると、プラズマが、金属膜Fの表面に作用し、エッチングが行われる。なお、プラズマ生成電極5の材料は、鉄やステンレス鋼など、水素プラズマに対して、Cuなどよりも反応性の低い物質から構成される。通常の金属であっても、表面を水素と反応性の低いAlなどの絶縁体でコーティングすれば、プラズマ生成電極5に使用することができる。プラズマと金属の反応生成物は、ガス流によって、プラズマ生成電極の外部へと移動する。When nitrogen mixed hydrogen plasma is generated in this state, the plasma acts on the surface of the metal film F and etching is performed. The material of the plasma generating electrode 5 is made of a substance that is less reactive than hydrogen or the like with respect to hydrogen plasma, such as iron or stainless steel. Even a normal metal can be used for the plasma generating electrode 5 if the surface is coated with an insulator such as Al 2 O 3 having low reactivity with hydrogen. The reaction product of plasma and metal moves to the outside of the plasma generation electrode by the gas flow.

図7は、プラズマ生成電極5の周囲のプラズマ発生領域について説明するための縦断面図である。   FIG. 7 is a longitudinal sectional view for explaining a plasma generation region around the plasma generation electrode 5.

基板表面の金属膜Fにおいて、プラズマ生成電極から排出されたガス流の影響により、その直下よりもやや外側の領域をエッチング領域ERとして削り、エッチング生成物をプラズマの外側へ放出する。   In the metal film F on the substrate surface, due to the influence of the gas flow discharged from the plasma generation electrode, a region slightly outside the region immediately below is etched as an etching region ER, and the etching product is released to the outside of the plasma.

プラズマ生成電極5の形状はパイプ状(円管)であり、外径DOUT、内径DINを有しており、その長さは、プラズマ発生領域8と接するパイプ長手方向の寸法Hよりも長ければよい。プラズマ発生領域8と接するパイプの寸法Hは、一例では、2.7mm以上6.57mm以下である。
プラズマ発生領域8と接するプラズマ生成電極5の表面積SPは、以下の式で与えられる。
SP=π×DOUT×H+(DOUT/2)×π−(Din/2)×π
The shape of the plasma generation electrode 5 is a pipe shape (circular tube), and has an outer diameter D OUT and an inner diameter D IN , and the length is longer than the dimension H in the longitudinal direction of the pipe in contact with the plasma generation region 8. That's fine. In one example, the dimension H of the pipe in contact with the plasma generation region 8 is not less than 2.7 mm and not more than 6.57 mm.
The surface area SP of the plasma generation electrode 5 in contact with the plasma generation region 8 is given by the following equation.
SP = π × D OUT × H + (D OUT / 2) 2 × π− (D in / 2) 2 × π

外径DOUT=1.06mm、内径DIN=0.7mm、投入電力30〜100Wとした場合の寸法Hは、以下の通りである。
・30Wの時:H=2.7mm
・40Wの時:H=3.5mm
・50Wの時:H=4.1mm
・60Wの時:H=4.5mm
・70Wの時:H=5.4mm
・80Wの時:H=5.8mm
・100Wの時:H=6.6mm
The dimension H when the outer diameter D OUT is 1.06 mm, the inner diameter D IN is 0.7 mm, and the input power is 30 to 100 W is as follows.
・ At 30W: H = 2.7mm
・ At 40W: H = 3.5mm
・ At 50W: H = 4.1mm
・ At 60W: H = 4.5mm
・ At 70W: H = 5.4mm
・ At 80W: H = 5.8mm
・ At 100W: H = 6.6mm

したがって、投入電力をプラズマ発生領域8と接するプラズマ生成電極5の表面積SPで除算すれば、高周波電力の密度Aを得ることができる。   Therefore, if the input power is divided by the surface area SP of the plasma generation electrode 5 in contact with the plasma generation region 8, the density A of the high frequency power can be obtained.

以上のように、本装置では、改質ガスと水素をパイプ状のプラズマ生成電極(電極)から同時供給した。なお、水平断面が円や正方形のパイプ状ではなく、縦断面形状が、これと同一のスリット状であり、水平断面が長方形を有するプラズマ生成電極とすることもできる。   As described above, in this apparatus, the reformed gas and hydrogen are simultaneously supplied from the pipe-shaped plasma generation electrode (electrode). In addition, the horizontal cross section is not a circular or square pipe shape, but the vertical cross sectional shape is the same slit shape as this, and the horizontal cross section may be a plasma generating electrode having a rectangular shape.

図8は、第2のエッチング装置の構成を示す図であり、図9は、プラズマ発生領域の近傍の状態について説明するための縦断面である。   FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the second etching apparatus, and FIG. 9 is a longitudinal section for explaining the state in the vicinity of the plasma generation region.

第2のエッチング装置と、第1のエッチング装置との相違点は、ガスの流れる方向が反対である点であり、その他の構成・作用効果は、同一である。なお、前述の処理ガス導入口4は、ガス放出口として機能する。処理ガスの流入量を流量制御器MFCで制御し、排気バルブV2のコンダクタンスを制御することで、処理容器内の圧力を制御しながら金属膜周辺のガス流速を制御することができる。また、ガス導入口4をガス放出口として用いるので、新たに、処理ガスを導入する処理ガス導入口4’を処理容器1の外壁に設けてある。この処理ガス導入口4’には、流量制御器MFCが付帯し、流入量を制御している。   The difference between the second etching apparatus and the first etching apparatus is that the direction of gas flow is opposite, and the other configurations, functions and effects are the same. The processing gas inlet 4 described above functions as a gas outlet. By controlling the inflow amount of the processing gas with the flow rate controller MFC and controlling the conductance of the exhaust valve V2, the gas flow velocity around the metal film can be controlled while controlling the pressure in the processing container. Further, since the gas inlet 4 is used as a gas outlet, a processing gas inlet 4 ′ for introducing a processing gas is newly provided on the outer wall of the processing container 1. A flow rate controller MFC is attached to the processing gas inlet 4 'to control the inflow amount.

この処理ガス導入口4’からエッチングガス(H)と表面改質ガス(N)を処理容器1内に導入し、パイプ状のプラズマ生成電極5で、これらの雰囲気を吸引しながら、プラズマを生成する。An etching gas (H 2 ) and a surface modification gas (N 2 ) are introduced into the processing vessel 1 from the processing gas inlet 4 ′, and the plasma is generated while sucking these atmospheres with the pipe-shaped plasma generation electrode 5. Is generated.

この構造によれば、金属のエッチングによる反応生成物が、処理容器1の内壁などへ再付着するのを抑制することができる。   According to this structure, it can suppress that the reaction product by metal etching adheres again to the inner wall etc. of the processing container 1. FIG.

図10は、第3のエッチング装置の構成を示す図である。   FIG. 10 is a diagram showing the configuration of the third etching apparatus.

この装置は、上記のエッチング装置と比較して、XYステージ11を備えた点のみが異なり、その他の構造は、同一である。XYステージ11は、内部にアクチュエータを備えており、制御装置7からの制御信号により、基板表面に平行な面内で、二次元状に移動することができる。この構成により、二次元走査によって、局在したプラズマを用いても大面積の金属膜のエッチング処理が可能となる。   This apparatus is different from the above-described etching apparatus only in that an XY stage 11 is provided, and the other structures are the same. The XY stage 11 includes an actuator inside, and can move two-dimensionally in a plane parallel to the substrate surface by a control signal from the control device 7. With this configuration, a metal film having a large area can be etched even by using localized plasma by two-dimensional scanning.

図11は、第4のエッチング装置の構成を示す図である。   FIG. 11 is a diagram showing the configuration of the fourth etching apparatus.

第4のエッチング装置と、第1のエッチング装置との相違点は、パイプ状のプラズマ生成電極5の周囲を、ガラス等の絶縁体からなるガスシールド筒20で覆い、これらの間のガスを、外部に排出する構成とした点であり、その他の構成・作用効果は、同一である。ガスシールド筒20は、処理容器1の外部の配管まで連通しており、排気の有無は、配管に設けられたバルブV2によって制御することができる。   The difference between the fourth etching apparatus and the first etching apparatus is that the periphery of the pipe-shaped plasma generation electrode 5 is covered with a gas shield cylinder 20 made of an insulator such as glass, and the gas between these is covered. It is the point which made it the structure discharged | emitted outside, and the other structure and effect are the same. The gas shield cylinder 20 communicates with a pipe outside the processing container 1, and the presence or absence of exhaust can be controlled by a valve V2 provided in the pipe.

この構成によっても、上記の吸引タイプの装置と同様に、反応生成物の再付着を抑制することができる。なお、中央のパイプから処理ガスを供給し、その周囲のガスシールド筒20を介して、処理済みのガスを排気することで、処理済みのガスが吸い込みやすくなるという利点がある。ガス供給量とシールド筒20によるガス排気量をバランスさせることにより、容器内の雰囲気が空気等のプロセスガス以外の成分であってもエッチング処理ができる。また、この構成においても、第3のエッチング装置と同様に、走査を行うことができる。   Also with this configuration, it is possible to suppress the reattachment of the reaction product as in the above suction type device. In addition, there is an advantage that the processed gas can be easily sucked by supplying the processing gas from the central pipe and exhausting the processed gas through the surrounding gas shield cylinder 20. By balancing the amount of gas supply and the amount of gas exhausted by the shield cylinder 20, etching can be performed even if the atmosphere in the container is a component other than process gas such as air. Also in this configuration, scanning can be performed as in the third etching apparatus.

図12は、第5のエッチング装置の構成を示す図である。   FIG. 12 is a diagram showing the configuration of the fifth etching apparatus.

第5のエッチング装置と、第1のエッチング装置との相違点は、プラズマ生成電極5の形状を、ドラム状とし、ドラム型のプラズマ生成電極51とした点であり、その他の構成・作用効果は、同一である。ドラム型のプラズマ生成電極51が、水平方向の軸を中心に回転すると、ドラム電極表面近傍にガス粘性によるガスの運動が誘起され、サンプル基板表面に平行な粘性のガス流が発生し、プラズマの発生と共に、上記と同様にエッチングが行われる。処理容器1内には、予め、処理ガスが導入されている。   The difference between the fifth etching apparatus and the first etching apparatus is that the shape of the plasma generation electrode 5 is a drum shape, and the drum-type plasma generation electrode 51 is used. Are the same. When the drum-type plasma generation electrode 51 rotates about a horizontal axis, gas motion due to gas viscosity is induced in the vicinity of the drum electrode surface, and a viscous gas flow parallel to the sample substrate surface is generated. Etching is performed in the same manner as described above. A processing gas is introduced into the processing container 1 in advance.

この構造によれば、処理ガスの貯蔵タンクからの連続ガス供給は必ずしも必要ではないという利点がある。また、回転により、新鮮なガスが金属膜表面に提供されるため、連続加工が容易となり、回転による電極冷却効果によって、高周波電力を増加させることも可能である。   According to this structure, there is an advantage that continuous gas supply from the processing gas storage tank is not always necessary. Moreover, since a fresh gas is provided to the metal film surface by rotation, continuous processing is facilitated, and high-frequency power can be increased by an electrode cooling effect by rotation.

図13は、第6のエッチング装置の構成を示す図であり、図14は、ドラムの詳細構成を示す側面図である。   FIG. 13 is a diagram showing the configuration of the sixth etching apparatus, and FIG. 14 is a side view showing the detailed configuration of the drum.

第6のエッチング装置と、第5のエッチング装置との相違点は、ドラム型のプラズマ生成電極51の外周面上に、複数の孔の空いたプレートを巻き付け、各孔が、ドラムの中心部に位置する空間に連通するようにした点であり、その他の構成・作用効果は、同一である。ドラムの中心部に位置する空間は、処理容器1の内部に連通している。   The difference between the sixth etching apparatus and the fifth etching apparatus is that a plate having a plurality of holes is wound around the outer peripheral surface of the drum-type plasma generation electrode 51, and each hole is formed at the center of the drum. It is the point which was made to communicate with the space which is located, and the other structure and operation effects are the same. A space located at the center of the drum communicates with the inside of the processing container 1.

ドラムの中心から放射状に延びた通路は、外表面上の孔に接続されているため、ドラムが回転すると、遠心力により、孔から外部に処理ガスが放出される。これに伴い、ドラムの中心の空間内には、その水平方向両端部に設けられた開口から、処理ガスが導入される(図14参照)。また、ガス流は、孔のみからでなく、金属膜Fとの間には回転ドラムの接線方向へ向けた粘性によるガス流も発生しており、これらのガス流の存在する中でのプラズマの発生に伴い、上記と同様にエッチングが行われる。この装置でも、処理ガスの貯蔵タンクからの連続ガス供給は必ずしも必要ではないという利点がある。   Since the passage extending radially from the center of the drum is connected to the hole on the outer surface, when the drum rotates, the processing gas is discharged from the hole to the outside by centrifugal force. Along with this, processing gas is introduced into the center space of the drum from the openings provided at both ends in the horizontal direction (see FIG. 14). Further, a gas flow is generated not only from the hole but also from the metal film F due to the viscosity in the tangential direction of the rotating drum, and the plasma flow in the presence of these gas flows is also generated. Etching is performed in the same manner as described above. This apparatus also has the advantage that a continuous gas supply from the storage tank for the processing gas is not always necessary.

図15は、第7のエッチング装置の構成を示す図である。   FIG. 15 is a diagram showing the configuration of the seventh etching apparatus.

第7のエッチング装置と、第6のエッチング装置との相違点は、ドラム型のプラズマ生成電極51に代えて、回転軸を垂直軸とするプラズマ生成電極52を用いた点であり、その他の構成・作用効果は、同一である。この装置でも、処理ガスの貯蔵タンクからの連続ガス供給は必ずしも必要ではないという利点がある。   The difference between the seventh etching apparatus and the sixth etching apparatus is that, instead of the drum-type plasma generation electrode 51, a plasma generation electrode 52 having a rotation axis as a vertical axis is used. -The effect is the same. This apparatus also has the advantage that a continuous gas supply from the storage tank for the processing gas is not always necessary.

プラズマ生成電極52は、鉛直方向に延びた筒部521を備えており、その側面には、複数の微細孔が設けられている。各孔には、径方向に延びた排出パイプ522が連通しており、筒部521を回転させると、遠心力に誘起されたガス流が、排出パイプ522内を外側に向かって流れ、したがって、筒部521の内部の気圧が下がり、筒部521の先端部において周辺の処理ガス(H+N)の吸引が生じる。他の作用効果は、第6のエッチング装置と同様である。The plasma generation electrode 52 includes a cylindrical portion 521 extending in the vertical direction, and a plurality of fine holes are provided on a side surface thereof. A discharge pipe 522 extending in the radial direction communicates with each hole, and when the cylindrical portion 521 is rotated, a gas flow induced by centrifugal force flows inside the discharge pipe 522 toward the outside. The atmospheric pressure inside the cylinder part 521 decreases, and suction of the surrounding processing gas (H 2 + N 2 ) occurs at the tip part of the cylinder part 521. Other functions and effects are the same as those of the sixth etching apparatus.

図16は、第8のエッチング装置の構成を示す図である。   FIG. 16 is a diagram showing the configuration of the eighth etching apparatus.

第8のエッチング装置と、第1又は第4のエッチング装置との相違点は、プラズマ生成電極5を含むセットを複数並べ、大面積のエッチングに対応したものであり、その他の構成・作用効果は、同一である。反応生成物は、プラズマ生成電極5の間の隙間を通って、外部に排気・排出される。   The difference between the eighth etching apparatus and the first or fourth etching apparatus is that a plurality of sets including the plasma generation electrode 5 are arranged to correspond to etching of a large area. Are the same. The reaction product is exhausted and discharged to the outside through the gap between the plasma generation electrodes 5.

図17は、第9のエッチング装置の構成を示す図である。   FIG. 17 is a diagram showing the configuration of the ninth etching apparatus.

第9のエッチング装置と、第2のエッチング装置との相違点は、プラズマ生成電極5を含むセットを複数並べ、大面積のエッチングに対応したものであり、その他の構成・作用効果は、同一である。反応生成物は、プラズマ生成電極5内の空間を通って、外部に排気・排出される。   The difference between the ninth etching apparatus and the second etching apparatus is that a plurality of sets including the plasma generation electrodes 5 are arranged to correspond to etching of a large area, and the other configurations, functions and effects are the same. is there. The reaction product passes through the space in the plasma generation electrode 5 and is exhausted and discharged to the outside.

図18は、第10のエッチング装置の構成を示す図である。   FIG. 18 is a diagram showing the configuration of the tenth etching apparatus.

第10のエッチング装置と、第1のエッチング装置との相違点は、プラズマ生成電極5の機能を、処理ガス別(H、N)に分離し、複数並べたものであり、その他の構成・作用効果は、同一である。なお、基板は走査して移動させることができる。この構成により、水素プラズマと、改質ガスプラズマを別々に発生させることができるので、より緻密な制御が期待できる。The difference between the tenth etching apparatus and the first etching apparatus is that the function of the plasma generation electrode 5 is separated into processing gases (H 2 , N 2 ) and arranged in plural, and other configurations -The effect is the same. Note that the substrate can be moved by scanning. With this configuration, since hydrogen plasma and reformed gas plasma can be generated separately, more precise control can be expected.

以上、説明したように、上述のエッチング装置及び方法によれば、処理ガスのプラズマで金属表面をエッチングする場合に、エッチングレートを向上すると共にエッチングした金属表面の粗さを低減することができる。   As described above, according to the etching apparatus and method described above, when the metal surface is etched with the plasma of the processing gas, the etching rate can be improved and the roughness of the etched metal surface can be reduced.

上述の実施形態に係るエッチング装置は、金属を含む試料のエッチング装置において、処理容器1と、処理容器1内に配置される試料ホルダー(基板ホルダー2)と、試料ホルダーに対向する位置に設けられ、プラズマを発生させ、プラズマ中に直接処理ガスを供給することを可能とするプラズマ生成電極5と、プラズマ生成電極5に接続された高周波電源6と、プラズマ生成電極5に処理ガスを供給する処理ガス導入口4とを備え、処理ガスは、Hガスを含むエッチングガスと、N、NH、HO及びCOからなる群から選択される少なくとも1種のガスを含む表面改質ガスとを含む。The etching apparatus according to the above-described embodiment is provided in a processing container 1, a sample holder (substrate holder 2) disposed in the processing container 1, and a position facing the sample holder in the etching apparatus for a sample containing metal. The plasma generating electrode 5 that can generate plasma and supply the processing gas directly into the plasma, the high-frequency power source 6 connected to the plasma generating electrode 5, and the processing for supplying the processing gas to the plasma generating electrode 5 A surface reforming process including an etching gas containing H 2 gas and at least one gas selected from the group consisting of N 2 , NH 3 , H 2 O and CO 2. Including gas.

プラズマ生成電極5は、プラズマと基板の間の反応で生成した反応生成物を速やかにプラズマ外部へ輸送するガス流れを形成する。金属をエッチングする場合に、Hガスの他に、N等の表面改質ガスをプラズマ化することで、環境負荷の小さな廉価なエッチングガスを用いつつ、エッチング速度の増加、金属表面の粗さを大幅に低減することができた。The plasma generation electrode 5 forms a gas flow that quickly transports reaction products generated by the reaction between the plasma and the substrate to the outside of the plasma. In the case of etching a metal, in addition to H 2 gas, a surface modifying gas such as N 2 is made into plasma, so that an inexpensive etching gas with a small environmental load is used, and an etching rate is increased, and the surface of the metal is roughened. It was possible to greatly reduce the thickness.

また、上述の実施形態に係るエッチング装置においては、プラズマ生成電極5は、処理ガス導入口に連通したガス放出通路5Pを備え、ガス放出通路5Pの先端部においてプラズマが発生させることができる。ガス放出通路5Pは、ガス吸引通路とすることも可能である。この場合、ガス吸引通路の先端部でプラズマが発生するので、プラズマによってエッチングされた金属がガスの流れにしたがって、好適に試料から速やかに取り去られ、エッチング速度の向上につながると共に、金属試料からのエッチング生成物が未加工面へ付着することを防止でき、粗さの増大がさらに改善できる。   Further, in the etching apparatus according to the above-described embodiment, the plasma generation electrode 5 includes the gas discharge passage 5P that communicates with the processing gas introduction port, and plasma can be generated at the tip of the gas discharge passage 5P. The gas discharge passage 5P can be a gas suction passage. In this case, since plasma is generated at the tip of the gas suction passage, the metal etched by the plasma is preferably quickly removed from the sample according to the flow of the gas, leading to an improvement in the etching rate and from the metal sample. The etching product can be prevented from adhering to the raw surface, and the increase in roughness can be further improved.

また、上述の実施形態に係るエッチング装置においては、前記金属はCuを含むことができる。金属がCuを含む場合において、H及びNを同時に用いた場合には、表面粗さを著しく低減できることが確認された。In the etching apparatus according to the above-described embodiment, the metal can include Cu. In the case where the metal contains Cu, it was confirmed that the surface roughness can be significantly reduced when H 2 and N 2 are used at the same time.

また、上述の実施形態に係るエッチング方法は、反応性ラジカルを有するプラズマを照射するエッチング方法において、プラズマ形成に用いられる処理ガスは、Hガスを含むエッチングガスと、N、NH、HO及びCOからなる群から選択される少なくとも1種のガスを含む表面改質ガスとを含み、上述の作用効果を奏する。Further, the etching method according to the above-described embodiment is an etching method in which plasma having reactive radicals is irradiated. The processing gas used for plasma formation is an etching gas containing H 2 gas, N 2 , NH 3 , H And a surface modification gas containing at least one gas selected from the group consisting of 2 O and CO 2, and exhibit the above-described effects.

金属としてCuを用いる場合、表面改質ガスとして、Nの他に、NH、HO又はCOを用いても、表面粗さが改善される。なぜならば、これらに含まれる窒素ラジカル、酸素ラジカル、ならびに水酸基ラジカル等により、金属銅が窒化、酸化、ならびに水酸化され、共有結合型、もしくはイオン結合型の表面層に改質されることで、金属中での水素原子の拡散に比べ、これらラジカル表面改質層が、水素の拡散を抑制し、金属中への過剰な水素の導入を防止できるためである。また、この様なラジカルによる表面改質層では、水素の移動が生じにくいため、層内での水素原子濃度が上昇し、層を構成する元素群との反応確率を上昇させる効果がある。これによりエッチングレートの上昇につながる。When Cu is used as the metal, the surface roughness can be improved by using NH 3 , H 2 O or CO 2 in addition to N 2 as the surface modification gas. This is because metal copper is nitrided, oxidized, and hydroxylated by nitrogen radicals, oxygen radicals, and hydroxyl radicals contained therein, and modified into a covalent bond or ionic bond surface layer. This is because these radical surface modified layers suppress the diffusion of hydrogen and prevent the introduction of excessive hydrogen into the metal as compared with the diffusion of hydrogen atoms in the metal. In addition, in such a surface-modified layer using radicals, hydrogen does not easily move, so that the concentration of hydrogen atoms in the layer is increased, and the reaction probability with the element group constituting the layer is increased. This leads to an increase in the etching rate.

さらに、金属として、Cu以外の金属、例えば、Al、Ni、In、Ag、Ga、Cr、Mnをエッチングする場合においても、本方法は有効であると考えられる。なぜならば、これらの金属は、水素原子との反応により比較的不安定な水素化物を形成するとともに、窒素ラジカル、酸素ラジカルなどにより、非金属結合の物質へ改質可能だからである。   Furthermore, the present method is considered to be effective when a metal other than Cu, for example, Al, Ni, In, Ag, Ga, Cr, or Mn is etched. This is because these metals form a relatively unstable hydride by reaction with a hydrogen atom, and can be reformed into a non-metal bonded substance by a nitrogen radical, an oxygen radical, or the like.

なお、上記のエッチング方法においては、エッチング対象の金属と、反応性ラジカルとなった表面改質ガスとが反応すると、これらの化合物の融点は、元の金属よりも大きく低下する場合が有り、試料温度をこの化合物の融点以上に設定する事で、水素プラズマが、溶融した化合物を著しい速さでエッチングする。ここで、水素ラジカル(水素原子)のみのエッチングの場合、加工対象となる金属表面は、常時新鮮な金属面が露出することとなる。この場合、プラズマ曝露された表面から金属結合物質中へ水素が極めて容易に溶解する。   In the above etching method, when the metal to be etched reacts with the surface modification gas that has become a reactive radical, the melting point of these compounds may be significantly lower than that of the original metal. By setting the temperature above the melting point of this compound, the hydrogen plasma etches the molten compound at a significant rate. Here, in the case of etching using only hydrogen radicals (hydrogen atoms), a fresh metal surface is always exposed on the metal surface to be processed. In this case, hydrogen dissolves very easily from the plasma exposed surface into the metal binding material.

水素原子の半径は非常に小さく、また軽量であるため、比較的容易に金属の深部まで大量に拡散し、バルク内でのボイド発生や粒界におけるガスバブルの発生等が生じ、これらがエッチングの進行と共に、エッチング面として露出することで、表面粗さの増加を招く。即ち、エッチング進行前に金属中に過剰溶解した水素により形成されるボイドやガスバブル等が表面粗さの原因となっている。一方、本発明では、対象の金属と表面改質ガスとの化合物層(改質層)が、基板の表層に形成される。この表層の化合物層(改質層)は、局在した未結合手による欠陥を多数含み、これが水素をトラップし、水素ラジカル(水素原子)の拡散を抑制する障壁として機能するため、上記拡散を抑制し、表面粗さの増加を抑制することができる。また障壁となる層には、水素が貯留しやすいため、改質層内での水素濃度の増加と滞在時間の長時間化により改質層を構成する元素と水素原子との反応速度を高める効果がある。これによりエッチング速度の向上を達成できる。   Since the radius of hydrogen atoms is very small and light, it diffuses relatively easily to the deep part of the metal, causing voids in the bulk and gas bubbles at the grain boundaries. At the same time, exposure as an etched surface causes an increase in surface roughness. That is, voids, gas bubbles, and the like formed by hydrogen excessively dissolved in the metal before the etching proceeds cause surface roughness. On the other hand, in the present invention, a compound layer (modified layer) of the target metal and the surface modified gas is formed on the surface layer of the substrate. This surface compound layer (modified layer) contains many defects due to localized dangling bonds, which trap hydrogen and function as a barrier to suppress the diffusion of hydrogen radicals (hydrogen atoms). It is possible to suppress the increase in surface roughness. In addition, since hydrogen is easily stored in the barrier layer, the hydrogen concentration in the reformed layer is increased and the residence time is increased, thereby increasing the reaction rate between the elements constituting the reformed layer and hydrogen atoms. There is. Thereby, the improvement of an etching rate can be achieved.

1…処理容器、3…プラズマ生成電極ホルダー、4…処理ガス導入口、5…プラズマ生成電極、6…高周波電源、7…制御装置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Processing container, 3 ... Plasma generation electrode holder, 4 ... Processing gas inlet, 5 ... Plasma generation electrode, 6 ... High frequency power supply, 7 ... Control apparatus.

Claims (4)

金属を含む試料のエッチング装置において、
処理容器と、
前記処理容器内に配置される試料ホルダーと、
前記試料ホルダーに対向する位置に設けられ、プラズマを発生させ、プラズマ中に直接処理ガスを供給することを可能とするプラズマ生成電極と、
前記プラズマ生成電極に接続された高周波電源と、
前記プラズマ生成電極に処理ガスを供給する処理ガス導入口と、
を備え、
前記処理ガスは、
ガスを含むエッチングガスと、
、NH、HO及びCOからなる群から選択される少なくとも1種のガスを含む表面改質ガスと、
を含む、
エッチング装置。
In an etching apparatus for a sample containing metal,
A processing vessel;
A sample holder disposed in the processing vessel;
A plasma generating electrode provided at a position facing the sample holder, which generates plasma and allows a processing gas to be supplied directly into the plasma;
A high-frequency power source connected to the plasma generating electrode;
A processing gas inlet for supplying a processing gas to the plasma generating electrode;
With
The processing gas is
An etching gas containing H 2 gas;
A surface modifying gas comprising at least one gas selected from the group consisting of N 2 , NH 3 , H 2 O and CO 2 ;
including,
Etching equipment.
前記プラズマ生成電極は、
前記処理ガス導入口に連通したガス放出通路を備え、
前記ガス放出通路の先端部においてプラズマが発生する、
請求項1に記載のエッチング装置。
The plasma generating electrode is
A gas discharge passage communicating with the processing gas introduction port;
Plasma is generated at the tip of the gas discharge passage.
The etching apparatus according to claim 1.
前記金属は、Cuを含む請求項1又は2に記載のエッチング装置。   The etching apparatus according to claim 1, wherein the metal includes Cu. 反応性ラジカルを有するプラズマを照射するエッチング方法において、
プラズマ形成に用いられる処理ガスは、
ガスを含むエッチングガスと、
、NH、HO及びCOからなる群から選択される少なくとも1種のガスを含む表面改質ガスと、
を含む、
エッチング方法。
In the etching method of irradiating plasma having reactive radicals,
The processing gas used for plasma formation is
An etching gas containing H 2 gas;
A surface modifying gas comprising at least one gas selected from the group consisting of N 2 , NH 3 , H 2 O and CO 2 ;
including,
Etching method.
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