(57)【要約】【課題】エッチング形状の面内バラツキを小さくできるドライエッチング装置を提供する。【解決手段】真空ポンプＰ１が接続される真空チャンバ１と、その底部に設けられてシリコン基板Ｗを支持するステージ２と、真空チャンバ内にエッチングガスを導入するガス導入手段と、エッチングガスを解離するプラズマをステージの上方空間に発生させるプラズマ発生手段Ｅ２とを備える。エッチングガスは、プラズマで解離されてシリコン基板と反応し、主として反応生成物が真空ポンプへと排気される第１ガスと、プラズマで解離されてシリコン基板と反応し、主として反応生成物がシリコン基板表面に堆積する第２ガスとで構成される。ガス導入手段は、鉛直方向上側からステージで支持されるシリコン基板の中央部に向けて第１ガスを供給するガスノズル４と、水平方向外側からステージの上方空間の中央に向けて第２ガスを供給する第２ガス導入口１２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空ポンプが接続される真空チャンバと、真空チャンバの底部に設けられて処理対象物を支持するステージと、真空チャンバ内にエッチングガスを導入するガス導入手段と、エッチングガスを解離するプラズマをステージの上方空間に発生させるプラズマ発生手段とを備えるドライエッチング装置であって、
エッチングガスは、プラズマで解離されて処理対象物と反応し、主として反応生成物が真空ポンプへと排気される第１ガスと、プラズマで解離されて処理対象物と反応し、主として反応生成物が処理対象物表面に堆積する第２ガスとで構成されるものにおいて、
ガス導入手段は、鉛直方向上側からステージで支持される処理対象物の中央部に向けて第１ガスを供給する第１ガス導入部と、水平方向外側からステージの上方空間の中央に向けて第２ガスを供給する第２ガス導入部とを備えることを特徴とするドライエッチング装置。
【請求項２】
前記第１ガス導入部は、真空チャンバの天井部に挿設されたガスノズルを備え、ガスノズルは、鉛直方向にのびる第１ガス通路と、第１ガス通路から分岐された鉛直方向に対して傾斜した分岐通路とを有し、分岐通路先端の噴出孔から第１ガスが噴出されることを特徴とする請求項１記載のドライエッチング装置。
【請求項３】
真空チャンバの内壁面とステージの外周面との間の空間を閉塞するプレートを備え、プレートに複数の透孔が形成されると共に、真空ポンプからの排気管が接続される排気口を、プレート下側の空間を臨むように真空チャンバに開設したことを特徴とする請求項１または２記載のドライエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドライエッチング装置に関し、より詳しくは、処理対象物をシリコン基板とし、このシリコン基板に孔（貫通孔を含む）や溝を形成するのに適したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの高集積化を図る技術の１つに、複数の半導体デバイスを上下に積層する３次元実装技術があり、積層した半導体デバイス相互間を電気的に接続するために、シリコン貫通電極（ＴＳＶ）が広く用いられている。ＴＳＶは、シリコン基板に高アスペクト比の孔を形成し、その内部に導電材料を埋め込むことにより形成される。
【０００３】
ＴＳＶ用の孔の形成に用いられるドライエッチング装置は、例えば、特許文献１で知られている。このものは、真空ポンプが接続される真空チャンバと、真空チャンバの底部に設けられてシリコン基板を支持するステージと、真空チャンバ内にエッチングガスを導入するガス導入手段と、エッチングガスを解離するプラズマをステージの上方空間に発生させるプラズマ発生手段とを備える。エッチングガスとしては、ＳＦ６等の第１ガスと、ＳｉＦ４やＯ２等の第２ガスとの混合ガスが用いられ、鉛直方向上側のシャワープレートを介して、ステージで支持されるシリコン基板（以下「基板」という）の全面に向けてエッチングガスが供給される。これにより、第１ガスはプラズマでＦイオンやＦラジカル等に解離され、基板のＳｉと反応して蒸気圧の高いＳｉ−Ｆ等の反応生成物を主に生成し、この反応生成物は主として真空ポンプに排気される。このとき、真空チャンバの内壁面とステージの外周面との間に画成される排気通路を介して等方排気されるのが一般である。一方、第２ガスはプラズマでＦ，Ｓｉ，Ｏのイオンやラジカルに解離され、蒸気圧の低いＳｉ−ＯやＳｉ−Ｏ−Ｆ等の反応生成物を主に生成し、この反応生成物は主として孔の側壁を含む基板表面に堆積する。このように、孔の側壁に反応生成物を堆積させながらエッチングを進行させることで、例えば、基板表面に略垂直な側壁を持つ孔を形成できる。
【０００４】
然し、上記従来例の如くシャワープレートを介して基板に第１ガス及び第２ガスを供給すると、基板の中央部から径方向外方に向かうのに従いエッチングレートが速くなり、基板面内でエッチング形状のバラツキが生じる、つまり、基板の外周部ではサイドエッチングが進行して基板の中央部とは異なるエッチング形状となることが判明した。これは、基板周囲に排気通路が存在することで、基板の外周部に到達せずにそのまま排気される第２ガスの量が多くなって、当該外周部に反応生成物を堆積させる効果が薄れることによる、との知見を得た。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２２８５３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、以上の点に鑑み、エッチング形状の面内バラツキを小さくできるドライエッチング装置を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、真空ポンプが接続される真空チャンバと、真空チャンバの底部に設けられて処理対象物を支持するステージと、真空チャンバ内にエッチングガスを導入するガス導入手段と、エッチングガスを解離するプラズマをステージの上方空間に発生させるプラズマ発生手段とを備え、エッチングガスは、プラズマで解離されて処理対象物と反応し、主として反応生成物が真空ポンプへと排気される第１ガスと、プラズマで解離されて処理対象物と反応し、主として反応生成物が処理対象物表面に堆積する第２ガスとで構成される本発明のドライエッチング装置において、ガス導入手段は、鉛直方向上側からステージで支持される処理対象物の中央部に向けて第１ガスを供給する第１ガス導入部と、水平方向外側からステージの上方空間の中央に向けて第２ガスを供給する第２ガス導入部とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、ガス導入手段を第１ガス導入部と第２ガス導入部とに分け、第２ガス導入部により水平方向外側からステージの上方空間の中央に向けて第２ガスを供給するようにしたため、処理対象物の外周部に到達する第２ガスが増加する。その結果、処理対象物の外周部に反応生成物を堆積させる効果が高まり、当該外周部に形成される孔の側壁に堆積する反応生成物が増加する。これにより、処理対象物の外周部でのサイドエッチングの進行を防止でき、エッチング形状の面内バラツキを小さくすることができる。尚、第１ガス導入部により鉛直方向上側から処理対象物の中央部に供給された第１ガスは、第２ガスと衝突しながら処理対象物の径方向外方に向けて拡散するため、処理対象物の外周部でのエッチングレートが低下することはない。
【０００９】
本発明において、前記第１ガス導入部は、真空チャンバの天井部に挿設されたガスノズルを備え、ガスノズルは、鉛直方向にのびる第１ガス通路と、第１ガス通路から分岐された鉛直方向に対して傾斜した分岐通路とを有し、分岐通路先端の噴出孔から第１ガスが噴出されることが好ましい。これによれば、各噴出孔から噴出された第１ガスは水平方向の速度成分を持つため、第１ガスが処理対象物の外周部に拡散し易くなってよい。
【００１０】
本発明において、真空チャンバの内壁面とステージの外周面との間の空間を閉塞するプレートを備え、プレートに複数の透孔が形成されると共に、真空ポンプからの排気管が接続される排気口を、プレート下側の空間を臨むように真空チャンバに開設したことが好ましい。これによれば、プレート上側の空間の圧力をプレート下側の空間よりも高くできるため、上述したエッチング形状の面内バラツキを小さくできるという効果を損なうことなく、エッチングレートを高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態のドライエッチング装置を説明する模式図。
【図２】（ａ）は、図１に示すガスノズルを拡大して示す断面図であり、（ｂ）は、図２（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿った断面図。
【図３】基板上方の反応副生成物の量を説明する図。
【図４】（ａ１），（ｂ１），（ｃ１）は従来例で形成された溝のエッチング形状を模式的に示す断面図であり、（ａ２），（ｂ２），（ｃ２）は本実施形態で形成された溝のエッチング形状を模式的に示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１を参照して、ＥＭは、本発明の実施形態のドライエッチング装置であり、ドライエッチング装置ＥＭは、金属製の真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の底部にはステージ２が配置されている。
【００１３】
ステージ２は、処理対象物たるシリコン基板（以下、「基板Ｗ」という）の輪郭に対応した上面形状を持つ金属製の基台２１と、この基台２１上面に設けられる静電チャック２２とで構成されている。基台２１は、真空チャンバ１の底面に気密に装着された絶縁体Ｉ１で支持されている。静電チャック２２は、特に図示して説明しないが、チャック電源から電圧が印加される電極が埋設されている。静電チャック２２は、単極型や双極型等の公知の構造が広く利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。このステージ２によりシリコン基板Ｗがその処理面を上側にして位置決め保持される。また、ステージ２には、図示省略のブロッキングコンデンサ及びマッチングボックスを介してバイアス用の高周波電源Ｅ１の出力が接続され、基板Ｗに例えば２ＭＨｚの高周波電力が印加できるようになっている。
【００１４】
真空チャンバ１の天井部には、例えば、耐圧ガラス等の絶縁物製の天板１１が気密に取り付けられ、天板１１の上方には、プラズマ発生用の第１のアンテナコイル３１が配置されており、このアンテナコイル３１には高周波電源Ｅ２の出力が接続され、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波電力が印加できるようになっている。真空チャンバ１の側壁外側にも、プラズマ発生用の第２のアンテナコイル３２が配置されており、このアンテナコイル３２には位相シフター３３を介して高周波電源Ｅ２の出力が接続されている。このような構成を採用することにより、ステージ２の上方空間Ｓｕに高密度のプラズマを発生させることができる。
【００１５】
天板１１の中央部には、ガスノズル４が挿設されている。ガスノズル４には、エッチングガスを構成する第１ガスを導入する、図示省略のマスフローコントローラが介設された第１ガス導入管が接続されており、鉛直方向上側からステージ２で支持されるシリコン基板Ｗの中央部に向けて第１ガスを供給できるようになっている。このように供給された第１ガスは、後述する第２ガスと衝突しながらシリコン基板Ｗの径方向外方に向けて拡散する。第１ガスは、プラズマで解離されてシリコン基板Ｗと反応し、主として反応生成物が真空ポンプＰへと排気されるものである。第１ガスは、例えば、フッ素含有ガスであり、ＳＦ６ガス、ＣＦ４ガス等の中から選択することができる。図２（ａ）も参照して、ガスノズル４は、鉛直方向にのびる例えばφ１０ｍｍの第１ガス通路４１と、第１ガス通路４１から分岐された鉛直方向に対して傾斜した２段の分岐通路４２ａ，４２ｂとを有し、各分岐通路４２ａ，４２ｂ先端の噴出孔４３ａ，４３ｂから第１ガスが噴出されるようになっている。図２（ｂ）に示すように、平面視では、上段の分岐通路４２ａと下段の分岐通路４２ｂとが周方向で交互に位置するように設けられている。各噴出孔４３ａ，４３ｂから噴出された第１ガスは水平方向の速度成分を持つため、シリコン基板Ｗの中央部から外周部に拡散し易い。尚、ガスノズル４のフランジ部下面には凹溝が形成され、凹溝にＯリング４４が嵌め込まれることにより、天板１１とガスノズル４との間で真空シールされている。これらガスノズル４、第１ガス導入管、マスフローコントローラは、本発明の第１ガス導入部を構成する。尚、天板１１の下面に、反応生成物が付着することを防止する例えば石英製の防着板を設けてもよい。
【００１６】
真空チャンバ１の側壁には、複数個（本実施形態では、周方向に９０度の間隔を存して４個）の第２ガス導入口１２が開設され、第２ガス導入口１２には、図示省略のマスフローコントローラが介設された第２ガス導入管５が夫々接続されている。このような構成を採用することにより、水平方向外側からステージ２の上方空間Ｓｕの中央に向けて第２ガスを供給することができる。第２ガスは、プラズマで解離されてシリコン基板Ｗと反応し、主として反応生成物がシリコン基板Ｗの表面に堆積するものであり、例えば、シリコン含有ガス及び酸素含有ガスである。シリコン含有ガスは、ＳｉＦ４ガス、ＳｉＣｌ４ガス、ＴＥＯＳガス等の中から選択でき、酸素含有ガスは、酸素ガス、Ｏ３ガス、ＣＯ２ガス、ＣＯガス等の中から選択できる。これらの第２ガス導入口１２、第２ガス導入管５、マスフローコントローラは、本発明の第２ガス導入部を構成する。
【００１７】
上記ドライエッチング装置ＥＭは、真空チャンバ１の内壁面とステージ２の外周面との間の空間を閉塞するプレート６を更に備える。プレート６は、例えば、アルミニウム等の金属製であり、多数の透孔６１が開設されている。また、真空チャンバ１の底部には、ドライポンプやターボ分子ポンプ等の真空ポンプＰに通じる排気管が接続される排気口１３が、プレート６下側の空間Ｓｄを臨むように開設されている。真空ポンプＰによりプレート６を介して排気することにより、プレート６下側の空間Ｓｄとプレート６上側の空間Ｓｕとの間に差圧が生じるため、プレート６を設けない場合に比べて空間Ｓｕの圧力が高くなり、エッチングレートを高めることができる。
【００１８】
上記ドライエッチング装置ＥＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた制御手段を有し、真空ポンプＰ、マスフローコントローラ、高周波電源Ｅ１，Ｅ２の稼働等を統括制御するようにしている。以下、上記ドライエッチング装置ＥＭを用いたドライエッチング方法について、処理対象物をシリコン基板とし、第１ガスをＳＦ６ガスとし、第２ガスを酸素ガス及びＳｉＦ４ガスとし、シリコン基板ＷにＴＳＶ用の孔を形成する場合を例に説明する。
【００１９】
先ず、真空ポンプＰにより真空チャンバ１内を真空引きし、真空チャンバ１内が所定の真空度（例えば、１０−３Ｐａ）に達すると、ステージ２上に図外の搬送ロボットによりシリコン基板Ｗを搬送し、シリコン基板Ｗを吸着保持する。搬送が完了すると、真空チャンバ１内に、ＳＦ６ガス、酸素ガス及びＳｉＦ４ガスを、例えば、ＳＦ６ガス流量：１００〜５００ｓｃｃｍ、酸素ガス流量：１０〜１５０ｓｃｃｍ、ＳｉＦ４ガス流量：１０〜１５０ｓｃｃｍで夫々導入する（このとき、ステージ２上方の空間Ｓｕの圧力は、５〜３０Ｐａ）。そして、高周波電源Ｅ１からシリコン基板Ｗに２ＭＨｚ、０Ｗ〜５００Ｗの高周波電力を投入すると共に、高周波電源Ｅ２からアンテナコイル３１，３２に１３．５６ＭＨｚ、５００Ｗ〜５０００Ｗの高周波電力を夫々投入することにより、プラズマがステージ２の上方空間Ｓｕに発生し、シリコン基板Ｗがエッチングされる。
【００２０】
ここで、上記第１ガスと第２ガスとの混合ガス（３種のガス）を従来例の如く１つのシャワープレートからシリコン基板に供給すると、シリコン基板Ｗの周辺に排気通路が存在することで、シリコン基板Ｗの外周部に到達せずにそのまま排気される第２ガスの量が多くなって、図３において二点鎖線Ｌ２で示すように、シリコン基板Ｗの外周部では、シリコン基板Ｗの中央部に比べて反応生成物の量が少なくなって反応生成物を堆積させる効果が薄れる。その結果、図４（ａ１），（ｂ１），（ｃ１）に示すように、エッチング形状の面内バラツキが大きくなる。図４（ａ１）に示す例では、外周部に形成された溝が順テーパー形状であるのに対して、中央部では殆どエッチングが進行せず溝の深さが極めて浅い。図４（ｂ１）に示す例では、外周部に形成された溝が基板表面に対して略垂直な側壁を有する垂直形状であるのに対して、中央部に形成された溝は順テーパー形状である。また、図４（ｃ１）に示す例では、外周部に形成された溝がボーイング形状であるのに対して、中央部に形成された溝は垂直形状である。尚、図中、ＰＲは、リソグラフィ技術を用いて形成されたレジストパターンである。
【００２１】
それに対して、本実施形態では、ガス導入手段を第１ガス導入部と第２ガス導入部とに分け、第２ガス導入部たる第２ガス導入口１２により水平方向外側からステージ２の上方空間Ｓｕの中央に向けて第２ガスを供給するようにしたため、シリコン基板Ｗの外周部に到達する第２ガスが増加する。その結果、図３において実線Ｌ１で示すように、シリコン基板Ｗの外周部に反応生成物を堆積させる効果が高まり、当該外周部に形成される孔の側壁に堆積する反応生成物が増加する。これにより、当該外周部でのサイドエッチングの進行を防止でき、エッチング形状の面内バラツキを小さくすることができる。例えば、図４（ａ２）に示すように、外周部と中央部との両方に順テーパー形状の溝を形成することや、図４（ｂ２）に示すように、外周部と中央部との両方に垂直形状の溝を形成することができる。また、図４（ｃ２）に示すように、外周部と中央部との両方に意図的にボーイング形状の溝を形成することもできる。
【００２２】
尚、ガスノズル４からシリコン基板Ｗの中央部に供給された第１ガスは、第２ガスと衝突しながらシリコン基板Ｗの外周部に供給されるため、当該外周部でのエッチングレートが低下することはない。ここで、ガスノズル４の噴出孔４３ａ，４３ｂから第１ガスを噴出することで、噴出した第１ガスは水平方向の速度成分を持つため、第１ガスがシリコン基板Ｗの外周部に拡散し易くなってよい。
【００２３】
また、複数の透孔６１が形成されたプレート６を介して排気することで、プレート６上側の空間Ｓｕの圧力を下側の空間Ｓｄよりも高くできるため、上述したエッチング形状の面内バラツキを小さくできるという効果を損なうことなく、エッチングレートを高くすることができる。
【００２４】
次に、上記発明の効果を確認するために、上記ドライエッチング装置ＥＭを用いて以下の実験を行った。処理対象物Ｗをレジストパターンが形成されたシリコン基板とし、このシリコン基板Ｗにアスペクト比が１０（直径が５μｍ、深さが５０μｍ）の孔を以下のように形成した。即ち、ステージ２上にシリコン基板Ｗを吸着保持し、ＳＦ６ガスを２７５ｓｃｃｍ、酸素ガスを４０ｓｃｃｍ、ＳｉＦ４ガスを５０ｓｃｃｍ夫々導入した（このときの空間Ｓｕの圧力は９Ｐａ）。そして、アンテナコイル３１，３２に１３．５６ＭＨｚ、２０００Ｗの高周波電力を投入し、ステージ２を介してシリコン基板Ｗに２ＭＨｚ、２５Ｗの高周波電力を投入してプラズマを発生させ、４２０ｓｅｃエッチングを行った。エッチング後のシリコン基板Ｗの断面ＳＥＭ像（図示省略）から、シリコン基板Ｗの中央部と外周部に夫々形成された孔の形状に差が無く、エッチング形状の面内バラツキが小さいことが確認された。
【００２５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、４個の第２ガス導入口１２を開設しているが、第２ガス導入口１２の数はこれに限られず、例えば、８個の第２ガス導入口を開設してもよい。また、真空チャンバ１の側壁に第２ガス導入口１２を開設しているが、側壁の内側に当該側壁への反応生成物の付着を防止する隔絶板（防着板）を設け、この隔絶板に開設してもよい。
【００２６】
また、上記実施形態では、ガスノズル４の側面に噴出孔４３ｂが位置しているが、噴出孔４３ｂがガスノズル４の下面に位置するように下段の分岐通路４２ｂを設けてもよい。
【００２７】
また、上記実施形態では、誘導放電方式でプラズマを発生させているが、プラズマの発生方式は任意であってよく、例えば、容量放電方式でプラズマを発生させてもよい。
【符号の説明】
【００２８】
Ｗ…処理対象物、Ｐ…真空ポンプ、Ｅ２…プラズマ発生手段、１…真空チャンバ、２…ステージ、４…ガスノズル（ガス導入手段，第１ガス導入部）、４１…第１ガス通路、４２…分岐通路、４３…噴出孔、５…ガス導入手段，第２ガス導入部、６…プレート、６１…透孔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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