JP4958658B2 - Plasma processing method - Google Patents

Description

本発明は、シリコン基板の表面に高アスペクト比の孔やディープトレンチを形成するのに好適なプラズマ処理方法に関し、更に詳しくは、安定したスパッタレートが得られ、生産性に優れたプラズマ処理方法に関する。   The present invention relates to a plasma processing method suitable for forming high aspect ratio holes or deep trenches on the surface of a silicon substrate, and more particularly, to a plasma processing method that provides a stable sputter rate and is excellent in productivity. .

従来、シリコン基板の表面の加工には、プラズマエッチング（ドライエッチング）方法が広く用いられている。室温における原子状（ラジカル）フッ素とシリコンの反応は自発的であり、比較的高いエッチングレートが得られることから、シリコン基板のエッチングでは、エッチングガスとしてＳＦ₆、ＮＦ₃、ＣＯＦ₂、ＸｅＦ₂等のフッ素を含むガスが多用されている。 Conventionally, a plasma etching (dry etching) method has been widely used for processing a surface of a silicon substrate. Since the reaction between atomic (radical) fluorine and silicon at room temperature is spontaneous and a relatively high etching rate is obtained, in etching a silicon substrate, SF ₆ , NF ₃ , COF ₂ , XeF _2, etc. are used as etching gases. Gases containing fluorine are frequently used.

一方、フッ素を含むエッチングガスを用いたシリコン基板のドライエッチングは等方的であるため、形成された凹部（エッチングパターン）の側面にもエッチングが進行する。このため、スルーホールやディープトレンチなどの微細でアスペクト比の高いビアを高精度に形成することが困難であった。   On the other hand, since dry etching of a silicon substrate using an etching gas containing fluorine is isotropic, etching also proceeds to the side surface of the formed recess (etching pattern). For this reason, it has been difficult to form fine and high aspect ratio vias such as through holes and deep trenches with high accuracy.

そこで近年、パターンの側面に保護膜を形成しながらエッチングを行うことで、エッチングの横方向の広がりを抑え、パターン側面の垂直性を維持できるシリコン基板の深掘り加工技術が提案されている。   Therefore, in recent years, a silicon substrate deep digging technique has been proposed in which etching is performed while forming a protective film on the side surface of the pattern, thereby suppressing the lateral spread of the etching and maintaining the verticality of the pattern side surface.

例えば特許文献１，２には、エッチング工程と保護膜形成工程を交互に繰り返して行うことで、エッチング工程で露出したパターンの底部および側面にポリマー層からなる保護膜を形成しながらエッチングを行う方法が開示されている。保護膜形成工程で凹部の側面に形成されたポリマー層は、パターンの底部に形成されたポリマー層に比べて、エッチング工程において除去される量が少ないため、このパターンの側面に形成されたポリマー層がエッチング保護膜として機能し、エッチング方向をパターンの深さ方向に制限する異方性エッチングが実現可能となる。   For example, in Patent Documents 1 and 2, a method of performing etching while forming a protective film made of a polymer layer on the bottom and side surfaces of a pattern exposed in the etching process by alternately performing an etching process and a protective film forming process. Is disclosed. The polymer layer formed on the side surface of the recess in the protective film forming step is less removed in the etching step than the polymer layer formed on the bottom of the pattern, so the polymer layer formed on the side surface of this pattern Functions as an etching protective film, and anisotropic etching that limits the etching direction to the depth direction of the pattern can be realized.

特に、特許文献１には、保護膜の成膜手法として、ＣＨＦ系ガスを用いたＣＶＤ法が開示されている。また、特許文献２には、保護膜の成膜として、基板に対向配置されたスパッタターゲットに対するアルゴンガスを用いたスパッタ法が開示されている。   In particular, Patent Document 1 discloses a CVD method using a CHF-based gas as a method for forming a protective film. Further, Patent Document 2 discloses a sputtering method using an argon gas for a sputtering target disposed opposite to a substrate as a protective film.

米国特許第５，５０１，８９３号明細書US Pat. No. 5,501,893 ＷＯ２００６／００３９６２号公報WO2006 / 003962 Publication

近年、シリコン基板の深掘り加工技術の必要性が高まっており、これに伴って生産性の向上が求められている。しかしながら、保護膜の成膜をスパッタ法で行う場合、処理開始時に所望とするスパッタレートが得られないという問題がある。これは、前工程であるシリコン基板のエッチング工程におけるスパッタターゲット表面へのエッチング反応物の一定以上の付着が原因である。   In recent years, the necessity of deep digging technology for silicon substrates has been increasing, and accordingly, improvement in productivity has been demanded. However, when the protective film is formed by sputtering, there is a problem that a desired sputtering rate cannot be obtained at the start of processing. This is because the etching reaction product adheres more than a certain amount to the surface of the sputter target in the silicon substrate etching process, which is a previous process.

ターゲット表面に付着したエッチング反応物は、保護膜形成工程においてイオンのスパッタ作用により除去される。しかし、エッチング反応物の付着量が多くなると、スパッタ作用で除去されるまでの間にかなりの時間を要することになるため、速やかに安定したスパッタレートが得られない。一方、スパッタ時間を長くすることで上記問題を解消することも可能であるが、スパッタ時間が長くなることで基板の加工サイクルが長くなり、生産性の改善が図れなくなる。   Etching reactants adhering to the target surface are removed by ion sputtering in the protective film forming step. However, if the adhesion amount of the etching reaction product increases, a considerable time is required until it is removed by the sputtering action, so that a stable sputtering rate cannot be obtained quickly. On the other hand, it is possible to solve the above problem by increasing the sputtering time. However, if the sputtering time is increased, the processing cycle of the substrate becomes longer and the productivity cannot be improved.

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、シリコン基板の深掘り加工プロセスにおいて、生産性を低下させることなく安定したスパッタレートを維持することができるプラズマ処理方法を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a plasma processing method capable of maintaining a stable sputtering rate without reducing productivity in a deep digging process of a silicon substrate.

以上の課題を解決するにあたり、本発明のプラズマ処理方法は、真空槽内でプラズマを発生させて、シリコン基板をエッチングする工程と、基板に対向して配置されたターゲットをスパッタして、エッチングパターンの側壁部に保護膜を形成する工程を、交互に繰り返して行うプラズマ処理方法であって、ターゲットの表面を清浄化するコンディショニング工程を有することを特徴とする。   In solving the above problems, the plasma processing method of the present invention includes a step of generating plasma in a vacuum chamber to etch a silicon substrate, and a target disposed opposite to the substrate by sputtering to form an etching pattern. A plasma processing method in which the step of forming a protective film on the side wall portion of the substrate is alternately repeated, and has a conditioning step of cleaning the surface of the target.

本発明は、シリコン基板に対する深掘り加工プロセスにおいて、エッチング工程と保護膜形成工程のほかに、ターゲットの表面を清浄化するコンディショニング工程を有している。このコンディショニング工程は、定期的に行うのが好適であるが、これに限られない。定期的に行う例としては、基板を所定枚数処理するごとに、コンディショニング工程を行う。これにより、ターゲット表面に対するエッチング反応物の付着量を低減し、安定したスパッタレートを速やかに確保して、保護膜を効率良く形成することが可能となり、生産性の向上が図れるようになる。   In the deep digging process for the silicon substrate, the present invention has a conditioning process for cleaning the surface of the target in addition to the etching process and the protective film forming process. The conditioning process is preferably performed periodically, but is not limited thereto. As an example of performing periodically, the conditioning process is performed every time a predetermined number of substrates are processed. As a result, the amount of the etching reaction product attached to the target surface can be reduced, a stable sputtering rate can be secured quickly, the protective film can be efficiently formed, and productivity can be improved.

本発明において、コンディショニング工程は、真空槽内でエッチングガスを含むプロセスガスのプラズマを発生させてターゲットの表面を清浄化するものであり、ターゲットにバイアス電圧を印加しない第１クリーニング工程と、ターゲットにバイアス電圧を印加する第２クリーニング工程とが順に行われる。第１クリーニング工程は、主として、ターゲット表面に付着したシリコンのエッチング反応物の除去を目的として行われる。ここで、ターゲットにバイアス電圧を印加しないのは、バイアスを印加するとターゲットから除去されたエッチング反応物が、再度ターゲットに付着してしまうからである。また、第２クリーニング工程では、主として、ターゲット表面の仕上げを目的として行われる。即ち、第１クリーニング工程を行うと、ターゲットがプロセスガスに晒された結果、その表面にＳやＦの変成層が形成されるので、これを除去して仕上げを行う必要がある。また、この第２クリーニング工程用のプロセスガスに不活性ガス単体を用いることで、ターゲット表面の仕上げ品質が高められ、より良好なスパッタレートを得ることが可能となる。   In the present invention, the conditioning step is to clean the surface of the target by generating plasma of a process gas containing an etching gas in a vacuum chamber, and a first cleaning step in which no bias voltage is applied to the target, A second cleaning step for applying a bias voltage is sequentially performed. The first cleaning process is mainly performed for the purpose of removing etching reaction products of silicon adhering to the target surface. Here, the bias voltage is not applied to the target because the etching reaction product removed from the target adheres to the target again when the bias is applied. Further, the second cleaning process is mainly performed for the purpose of finishing the target surface. That is, when the first cleaning step is performed, the target is exposed to the process gas, and as a result, an S or F metamorphic layer is formed on the surface thereof. Therefore, it is necessary to remove and finish the target. Further, by using an inert gas alone as the process gas for the second cleaning step, the finish quality of the target surface can be improved and a better sputter rate can be obtained.

コンディショニング工程で用いられるプロセスガスは、エッチング工程や保護膜形成工程で用いられるプロセスガスを用いるのが有利である。同種のガスを用いることで、コンディショニング工程の時間短縮と使用ガスの共用による設備構成の簡素化を図ることができる。   As a process gas used in the conditioning process, it is advantageous to use a process gas used in the etching process or the protective film forming process. By using the same kind of gas, it is possible to shorten the time of the conditioning process and simplify the equipment configuration by sharing the gas used.

以上述べたように、本発明のプラズマ処理方法によれば、ターゲット表面を清浄に維持して良好なスパッタレートを確保することができるとともに、生産性の向上を図れるようになる。   As described above, according to the plasma processing method of the present invention, the target surface can be kept clean to ensure a good sputtering rate, and the productivity can be improved.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、本発明の実施形態に適用されるプラズマ処理装置２０の概略構成図である。図示するプラズマ処理装置２０は、ＮＬＤ（磁気中性線放電：magnetic Neutral Loop Discharge）型のプラズマエッチング装置としての機能と、ＮＬＤを利用したスパッタ装置としての機能を有している。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a plasma processing apparatus 20 applied to an embodiment of the present invention. The illustrated plasma processing apparatus 20 has a function as an NLD (Magnetic Neutral Loop Discharge) type plasma etching apparatus and a function as a sputtering apparatus using NLD.

図１において、２１は真空槽であり、内部にプラズマ形成空間２１ａを含む真空チャンバが形成されている。真空槽２１にはターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）等の真空ポンプが接続され、真空槽２１の内部が所定の真空度に真空排気されている。   In FIG. 1, reference numeral 21 denotes a vacuum chamber, in which a vacuum chamber including a plasma forming space 21a is formed. A vacuum pump such as a turbo molecular pump (TMP) is connected to the vacuum chamber 21, and the inside of the vacuum chamber 21 is evacuated to a predetermined degree of vacuum.

プラズマ形成空間２１ａの周囲は、真空槽２１の一部を構成する筒状壁２２によって区画されている。筒状壁２２は石英等の透明絶縁材料で構成されている。筒状壁２２の外周側には、第１高周波電源ＲＦ１に接続されたプラズマ発生用の高周波コイル（アンテナ）２３と、この高周波コイル２３の外周側に配置された三つの磁気コイル群２４（２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ）がそれぞれ配置されている。なお、高周波コイル２３は本発明の「電場形成手段」を構成し、磁気コイル群２４は本発明の「磁場形成手段」を構成している。   The periphery of the plasma forming space 21 a is partitioned by a cylindrical wall 22 that constitutes a part of the vacuum chamber 21. The cylindrical wall 22 is made of a transparent insulating material such as quartz. On the outer peripheral side of the cylindrical wall 22, a plasma generating high-frequency coil (antenna) 23 connected to the first high-frequency power source RF1 and three magnetic coil groups 24 (24A) arranged on the outer peripheral side of the high-frequency coil 23 are provided. , 24B, 24C) are arranged respectively. The high-frequency coil 23 constitutes “electric field forming means” of the present invention, and the magnetic coil group 24 constitutes “magnetic field forming means” of the present invention.

磁気コイル２４Ａと磁気コイル２４Ｃにはそれぞれ同一方向に電流が供給され、磁気コイル２４Ｂには他の磁気コイル２４Ａ，２４Ｃと逆方向に電流が供給される。その結果、プラズマ形成空間２１ａにおいて、磁場ゼロとなる磁気中性線２５が環状に連続して形成される。そして、高周波コイル２３により磁気中性線２５に沿った誘導電場（高周波電場）が形成されることで、放電プラズマが形成される。   Current is supplied to the magnetic coil 24A and the magnetic coil 24C in the same direction, and current is supplied to the magnetic coil 24B in the opposite direction to the other magnetic coils 24A and 24C. As a result, in the plasma formation space 21a, the magnetic neutral line 25 having a magnetic field of zero is continuously formed in an annular shape. And the induction plasma electric field (high frequency electric field) along the magnetic neutral line 25 is formed by the high frequency coil 23, and discharge plasma is formed.

特に、ＮＬＤ方式のプラズマ処理装置においては、磁気コイル２４Ａ〜２４Ｃに流す電流の大きさによって、磁気中性線２５の形成位置および大きさを調整することができる。すなわち、磁気コイル２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃに流す電流をそれぞれＩ_A，Ｉ_B，Ｉ_Cとしたとき、Ｉ_A＞Ｉ_Cの場合は磁気中性線２５の形成位置は磁気コイル２４Ｃ側へ下がり、逆に、Ｉ_A＜Ｉ_Cの場合は磁気中性線２５の形成位置は磁気コイル２４Ａ側へ上がる。また、中間の磁気コイル２４Ｂに流す電流Ｉ_Bを増していくと、磁気中性線２５のリング径は小さくなると同時に、磁場ゼロの位置での磁場の勾配が緩やかになる。これらの特性を利用することで、プラズマ密度分布の最適化を図ることができる。 In particular, in the NLD type plasma processing apparatus, the formation position and size of the magnetic neutral wire 25 can be adjusted by the magnitude of the current flowing through the magnetic coils 24A to 24C. That is, when the currents flowing through the magnetic coils 24A, 24B, and 24C are I _A , I _B , and I _C , respectively, when I _A > I _C , the formation position of the magnetic neutral wire 25 is lowered to the magnetic coil 24C side, On the other hand, when I _A <I _C , the formation position of the magnetic neutral line 25 goes up to the magnetic coil 24A side. Further, as the current I _B flowing through the intermediate magnetic coil 24B is increased, the ring diameter of the magnetic neutral wire 25 is reduced and the gradient of the magnetic field at the zero magnetic field position becomes gentle. By utilizing these characteristics, it is possible to optimize the plasma density distribution.

一方、真空チャンバの内部には、半導体ウエハ（シリコン基板）を支持するステージ２６が設置されている。ステージ２６は導電体で構成されており、スイッチ２７およびコンデンサ２８を介して第２高周波電源ＲＦ２に接続されている。なお、ステージ２６には、基板を所定温度に加熱するためのヒータ等の加熱源が内蔵されている。   On the other hand, a stage 26 for supporting a semiconductor wafer (silicon substrate) is installed inside the vacuum chamber. The stage 26 is made of a conductor, and is connected to the second high frequency power supply RF2 via a switch 27 and a capacitor 28. The stage 26 incorporates a heating source such as a heater for heating the substrate to a predetermined temperature.

プラズマ形成空間２１ａの上部には、天板２９が設置されている。天板２９は、ステージ２６の対向電極として構成されており、スイッチ３０およびコンデンサ３１を介して第３高周波電源ＲＦ３に接続されている。天板２９のプラズマ形成空間２１ａ側の面には、スパッタにより基板を成膜するためのターゲット（スパッタターゲット）３２が取り付けられている。ターゲット３２は、本実施形態では、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂材が用いられているが、これ以外の合成樹脂材料、あるいは珪素材、炭素材、炭化珪素材、酸化珪素材、窒化珪素材等が適用可能である。   A top plate 29 is installed above the plasma forming space 21a. The top plate 29 is configured as a counter electrode of the stage 26, and is connected to the third high-frequency power source RF3 via the switch 30 and the capacitor 31. A target (sputter target) 32 for forming a substrate by sputtering is attached to the surface of the top plate 29 on the plasma forming space 21a side. In the present embodiment, the target 32 is made of a fluororesin material such as polytetrafluoroethylene (PTFE), but other synthetic resin materials, or silicon materials, carbon materials, silicon carbide materials, silicon oxide materials, A silicon nitride material or the like is applicable.

天板２９の近傍には、真空槽２１の内部にプロセスガスを導入するためのガス導入管３３が設置されている。スパッタ用のプロセスガスとしては、アルゴンや窒素等の希ガスあるいは不活性ガスのほか、Ｃ₄Ｆ₈、ＣＨＦ₃等のフッ素含有ガス、あるいは、これら不活性ガスとフッ素含有ガスとの混合ガスが用いられる。本実施形態では、スパッタ用のプロセスガスとして、Ａｒが用いられる。なお、プロセスガスとしてのＣ₄Ｆ₈、ＣＨＦ₃等のフロロカーボン系ガスはそれ自体、成膜ガスとして機能させることができ、例えば当該ガスの分解生成物とターゲット３１のスパッタ物の反応物を基板上へ堆積させることが可能となる。 In the vicinity of the top plate 29, a gas introduction pipe 33 for introducing a process gas into the vacuum chamber 21 is installed. Process gases for sputtering include rare gases such as argon and nitrogen or inert gases, fluorine-containing gases such as C ₄ F ₈ and CHF ₃ , or mixed gases of these inert gases and fluorine-containing gases. Used. In the present embodiment, Ar is used as the sputtering process gas. In addition, fluorocarbon gases such as C ₄ F ₈ and CHF ₃ as process gases can themselves function as film forming gases. For example, a reaction product of a decomposition product of the gas and a sputtered product of the target 31 is used as a substrate. It is possible to deposit on top.

エッチングガスとしては、ＳＦ₆、ＮＦ₃、ＳｉＦ₄、ＸｅＦ₂の少なくとも何れか一種又は不活性ガスとの混合ガスが用いられる。本実施形態では、エッチングガスとして、ＳＦ₆とＡｒの混合ガスが用いられる。 As the etching gas, a gas mixture of at least one of SF ₆ , NF ₃ , SiF ₄ , and XeF ₂ or an inert gas is used. In this embodiment, a mixed gas of SF ₆ and Ar is used as the etching gas.

以上のように構成される本実施形態のプラズマ処理装置２０においては、ステージ２６上に載置された基板に対してエッチング工程と保護膜形成工程を交互に繰り返し行うことで、基板表面に高アスペクト比の孔またはディープトレンチ等からなるビアを形成する。   In the plasma processing apparatus 20 of the present embodiment configured as described above, a high aspect ratio is formed on the surface of the substrate by alternately repeating the etching process and the protective film forming process on the substrate placed on the stage 26. A via made of a specific hole or deep trench is formed.

図２は、本実施形態のプラズマ処理装置２０の一動作例を示すタイミングチャートである。図２において、Ａは、高周波コイル２３に供給される第１高周波電源ＲＦ１の印加タイミング、Ｂは、ステージ２６に印加される第２高周波電源ＲＦ２の印加タイミング、Ｃは、天板２９に印加される第３高周波電源ＲＦ３の印加タイミング、Ｄは、真空槽２１の内部における圧力変化を示している。この例では、エッチング工程の処理圧力（プロセスガス導入量）は、保護膜形成工程のそれよりも高く設定されている。   FIG. 2 is a timing chart showing an operation example of the plasma processing apparatus 20 of the present embodiment. In FIG. 2, A is the application timing of the first high frequency power supply RF1 supplied to the high frequency coil 23, B is the application timing of the second high frequency power supply RF2 applied to the stage 26, and C is applied to the top plate 29. The application timing D of the third high frequency power supply RF3 indicates a pressure change in the vacuum chamber 21. In this example, the processing pressure in the etching process (process gas introduction amount) is set higher than that in the protective film forming process.

基板の表面にはあらかじめ、レジストマスクが形成されている。このレジストマスクは有機レジストやメタルマスク等が用いられる。エッチング工程および保護膜形成工程では、プラズマ形成空間２１ａに、磁気コイル群２４による環状磁気中性線２５が形成されるとともに、第１高周波電源ＲＦ１から高周波コイル２３への電力投入により、環状磁気中性線２５に沿って誘導結合プラズマが形成される。   A resist mask is formed in advance on the surface of the substrate. As this resist mask, an organic resist, a metal mask, or the like is used. In the etching process and the protective film forming process, an annular magnetic neutral line 25 is formed by the magnetic coil group 24 in the plasma forming space 21a, and power is supplied from the first high-frequency power source RF1 to the high-frequency coil 23. An inductively coupled plasma is formed along the sex line 25.

エッチング工程において、真空槽２１の内部に導入されたエッチングガス（ＳＦ₆とＡｒの混合ガス）は、プラズマ形成空間２１ａでプラズマ化し、生成されたイオンとラジカルによりステージ２６上の基板をエッチング処理する。このとき、第２高周波電源ＲＦ２からの電力投入で基板バイアスがＯＮとなり、イオンをステージ２６側へ加速させ、基板上のラジカル生成物をスパッタ除去してエッチング性を高める。すなわち、フッ素ラジカルがシリコンと反応してラジカル生成物を形成し、これをプラズマ中のイオンによるスパッタ作用で除去することで、シリコン基板のエッチング処理が進行する。 In the etching process, the etching gas (mixed gas of SF ₆ and Ar) introduced into the vacuum chamber 21 is turned into plasma in the plasma formation space 21a, and the substrate on the stage 26 is etched by the generated ions and radicals. . At this time, the substrate bias is turned ON by applying power from the second high-frequency power source RF2, the ions are accelerated toward the stage 26, and radical products on the substrate are removed by sputtering to improve the etching property. That is, the fluorine radical reacts with silicon to form radical products, which are removed by the sputtering action of ions in the plasma, whereby the etching process of the silicon substrate proceeds.

一方、エッチング処理を所定時間行った後、真空槽２１の内部に残留するエッチングガスが排気される。そして、成膜用のプロセスガス（Ａｒ）が真空槽２１の内部に導入されることで保護膜形成工程が開始される。導入されたプロセスガスは、プラズマ形成空間２１ａでプラズマ化する。このとき、基板バイアス（ＲＦ２）はＯＦＦとなり、代わりに、第３高周波電源（ＲＦ３）からの電力投入で天板バイアスがＯＮとなる。その結果、天板２９に設置されたターゲット３２はプラズマ中のイオンによりスパッタされ、そのスパッタ物が基板の表面および上述のエッチング工程で形成された凹部に付着する。以上のようにして、エッチング凹部の底部および側面に、保護膜として機能するポリマー層が形成される。   On the other hand, after the etching process is performed for a predetermined time, the etching gas remaining in the vacuum chamber 21 is exhausted. Then, the process gas (Ar) for film formation is introduced into the vacuum chamber 21 to start the protective film formation process. The introduced process gas is turned into plasma in the plasma forming space 21a. At this time, the substrate bias (RF2) is turned OFF, and instead, the top bias is turned ON when power is supplied from the third high frequency power supply (RF3). As a result, the target 32 placed on the top plate 29 is sputtered by the ions in the plasma, and the sputtered material adheres to the surface of the substrate and the recess formed in the etching process described above. As described above, a polymer layer functioning as a protective film is formed on the bottom and side surfaces of the etching recess.

ここで、ターゲット３２から叩き出されたスパッタ粒子は、プラズマ形成空間２１ａに形成されているＮＬＤプラズマを通過して基板へ到達する。このとき、スパッタ粒子は、環状磁気中性線２５が形成される高密度プラズマ領域で分解、再励起されることにより、化学的蒸着法（ＣＶＤ法）に類似する成膜形態で、基板の表面に対して等方的に入射する。したがって、本実施形態によって得られるエッチングパターンの段差被膜（保護膜）は、カバレッジ性が高く、面内均一性に優れる。   Here, the sputtered particles struck from the target 32 pass through the NLD plasma formed in the plasma forming space 21a and reach the substrate. At this time, the sputtered particles are decomposed and re-excited in a high-density plasma region where the annular magnetic neutral line 25 is formed, thereby forming a film form similar to a chemical vapor deposition method (CVD method) and the surface of the substrate. Isotropically incident. Therefore, the step film (protective film) of the etching pattern obtained by this embodiment has high coverage and excellent in-plane uniformity.

また、保護膜形成工程のプロセスガスとして、例えばＡｒと反応ガス（Ｃ₄Ｆ₈、ＣＨＦ₃等）の混合ガスを用いることで、プロセスガス中の反応ガスがプラズマ形成空間２１ａにおいてプラズマ化し、そのラジカル生成物が基板表面に堆積することによって、保護膜として機能するポリマー層を形成する。更に、プロセスガスとして上記混合ガスを用いることで、Ａｒガスのみをプロセスガスとして用いる場合に比べてスパッタレートの向上を図ることが可能となる。 Further, by using, for example, a mixed gas of Ar and a reactive gas (C ₄ F ₈ , CHF _3, etc.) as a process gas in the protective film forming step, the reactive gas in the process gas is turned into plasma in the plasma forming space 21a, The radical product is deposited on the surface of the substrate to form a polymer layer that functions as a protective film. Further, by using the above mixed gas as the process gas, it becomes possible to improve the sputtering rate as compared with the case where only Ar gas is used as the process gas.

保護膜形成工程を所定時間行った後、再び上述したエッチング工程が行われる。このエッチング工程の初期段階は、エッチング凹部の底面を被覆する保護膜の除去作用に費やされる。その後、保護膜の除去により露出したエッチング凹部の底面のエッチング処理が再開される。このとき、プラズマ中のイオンは、基板バイアス作用によって基板に対して垂直方向に入射する。このため、エッチング凹部の側面を被覆する保護膜に到達するイオンは、エッチング凹部の底面に到達するイオンに比べて少ない。したがって、エッチング工程の間、エッチング凹部の側面を被覆する保護膜はほとんど除去されることなく残留する。これにより、エッチング凹部の側面とフッ素ラジカルとの接触が回避され、凹部の側面のエッチングによる侵食が防止される。   After performing the protective film forming process for a predetermined time, the above-described etching process is performed again. The initial stage of this etching process is spent for removing the protective film covering the bottom surface of the etching recess. Thereafter, the etching process of the bottom surface of the etching recess exposed by removing the protective film is resumed. At this time, ions in the plasma are incident on the substrate in the vertical direction by the substrate bias action. For this reason, the number of ions reaching the protective film covering the side surface of the etching recess is less than the number of ions reaching the bottom surface of the etching recess. Therefore, during the etching process, the protective film covering the side surface of the etching recess remains almost without being removed. Thereby, the contact between the side surface of the etching recess and the fluorine radical is avoided, and erosion due to the etching of the side surface of the recess is prevented.

以後、上述のエッチング工程と保護膜形成工程が交互に繰り返し行われることで、基板表面に対して垂直方向の異方性エッチングが実現される。以上のようにして、基板の内部に高アスペクト比のビア（コンタクトホール、トレンチ）が作製される。   Thereafter, anisotropic etching in a direction perpendicular to the substrate surface is realized by alternately repeating the above-described etching process and protective film forming process. As described above, high aspect ratio vias (contact holes, trenches) are formed in the substrate.

次に、本発明に係るターゲット３２のコンディショニング工程について説明する。   Next, the conditioning process of the target 32 according to the present invention will be described.

基板の処理枚数が増加すると、ターゲット３２の表面へのエッチング反応物の付着量が増加する。エッチング反応物には、シリコン基板のエッチング工程において発生するラジカル反応物あるいはシリコン化合物が含まれる。ターゲット表面に付着したエッチング反応物は、保護膜形成工程においてイオンのスパッタ作用により除去される。しかし、エッチング反応物の付着量が多くなると、スパッタ作用で除去されるまでの間にかなりの時間を要することになるため、速やかに安定したスパッタレートが得られない。一方、スパッタ時間を長くすることで上記問題を解消することも可能であるが、スパッタ時間が長くなるため基板の加工サイクルが長くなり、生産性の改善が図れなくなる。   As the number of processed substrates increases, the amount of etching reactant attached to the surface of the target 32 increases. The etching reaction product includes a radical reaction product or a silicon compound generated in the etching process of the silicon substrate. Etching reactants adhering to the target surface are removed by ion sputtering in the protective film forming step. However, if the adhesion amount of the etching reaction product increases, a considerable time is required until it is removed by the sputtering action, so that a stable sputtering rate cannot be obtained quickly. On the other hand, it is possible to solve the above problem by increasing the sputtering time. However, since the sputtering time becomes longer, the processing cycle of the substrate becomes longer, and the productivity cannot be improved.

そこで本実施形態では、生産性を低下させることなく安定したスパッタレートを維持することを目的として、ターゲット３２の表面を清浄化するコンディショニング工程を有している。このコンディショニング工程では、真空チャンバ内でエッチングガスを含むプロセスガスのプラズマを発生させてターゲット３２の表面を清浄化する。なお、このコンディショニング工程においては、基板は真空槽２１から搬出された状態で行われる。   Therefore, in the present embodiment, a conditioning process for cleaning the surface of the target 32 is provided for the purpose of maintaining a stable sputtering rate without reducing productivity. In this conditioning process, the surface of the target 32 is cleaned by generating plasma of a process gas including an etching gas in a vacuum chamber. In this conditioning process, the substrate is carried out from the vacuum chamber 21.

図３はコンディショニング工程の処理例を示している。処理例１は、プロセスガスとしてＳＦ₆とＡｒの混合ガスが使用され、ターゲット３２にバイアス電圧（ＲＦ３）を印加しないで実施される例を示している。 FIG. 3 shows a processing example of the conditioning process. The processing example 1 shows an example in which a mixed gas of SF ₆ and Ar is used as the process gas and the bias voltage (RF 3) is not applied to the target 32.

処理例２および処理例３は、ターゲット３２にバイアス電圧（ＲＦ３）を印加しない第１クリーニング工程と、ターゲット３２にバイアス電圧を印加する第２クリーニング工程とが順に実施される例を示している。第１クリーニング工程は、主として、ターゲット３２の表面に付着したシリコンのエッチング反応物の除去を目的として行われる。ここで、ターゲットにバイアス電圧を印加しないのは、バイアスを印加するとターゲットから除去されたエッチング反応物が、再度ターゲットに付着してしまうからである。第２クリーニング工程は、主として、ターゲット３２の表面仕上げを目的として行われる。即ち、第１クリーニング工程を行うと、ターゲットがプロセスガスに晒された結果、その表面にＳやＦの変成層が形成されるので、これを除去して仕上げを行う必要がある。   Processing example 2 and processing example 3 show an example in which a first cleaning process in which a bias voltage (RF3) is not applied to the target 32 and a second cleaning process in which a bias voltage is applied to the target 32 are sequentially performed. The first cleaning process is mainly performed for the purpose of removing the etching reaction product of silicon adhering to the surface of the target 32. Here, the bias voltage is not applied to the target because the etching reaction product removed from the target adheres to the target again when the bias is applied. The second cleaning process is mainly performed for the purpose of surface finishing of the target 32. That is, when the first cleaning step is performed, the target is exposed to the process gas, and as a result, an S or F metamorphic layer is formed on the surface thereof. Therefore, it is necessary to remove and finish the target.

なお、プロセスガスとしては、処理例２の第１，第２クリーニング工程においてはそれぞれＳＦ₆とＡｒの混合ガスが使用される。一方、処理例３に関しては、第１クリーニング工程においてＳＦ₆とＡｒの混合ガスが使用され、第２クリーニング工程においてＡｒガス単体が使用される。 As the process gas, a mixed gas of SF ₆ and Ar is used in the first and second cleaning steps of the processing example 2, respectively. On the other hand, regarding the processing example 3, a mixed gas of SF ₆ and Ar is used in the first cleaning process, and Ar gas alone is used in the second cleaning process.

図４は、上述した処理例１〜３を施した直後に実施した保護膜形成工程を実施したときのスパッタレートを示している。なお、コンディショニング工程の実施条件は以下のとおりである。
（実施条件）
・ターゲット材料：ポリテトラフルオロエチレン
・ＲＦ１：周波数 １３．５６ＭＨｚ
パワー １５００Ｗ
・ＲＦ３：周波数１２．５ＭＨｚ
パワー ５００Ｗ
・プロセスガス
処理例１ ＳＦ₆／Ａｒ＝５０／５０（ｓｃｃｍ）
処理例２ 第１クリーニング工程 ＳＦ₆／Ａｒ＝５０／５０（ｓｃｃｍ）
第２クリーニング工程 ＳＦ₆／Ａｒ＝５０／５０（ｓｃｃｍ）
処理例３ 第１クリーニング工程 ＳＦ₆／Ａｒ＝５０／５０（ｓｃｃｍ）
第２クリーニング工程 Ａｒ＝５０（ｓｃｃｍ）
・処理圧力
処理例１ ３Ｐａ
処理例２ 第１クリーニング工程 ３Ｐａ
第２クリーニング工程 ３Ｐａ
処理例３ 第１クリーニング工程 ３Ｐａ
第２クリーニング工程 ３Ｐａ
・処理時間
処理例１ ３０分
処理例２ 第１クリーニング工程 ３０分
第２クリーニング工程 ９０秒
処理例３ 第１クリーニング工程 ３０分
第２クリーニング工程 ９０秒 FIG. 4 shows the sputtering rate when the protective film forming step performed immediately after performing the processing examples 1 to 3 described above is performed. In addition, the implementation conditions of the conditioning process are as follows.
(Implementation conditions)
・ Target material: Polytetrafluoroethylene ・ RF1: Frequency 13.56 MHz
Power 1500W
・ RF3: Frequency 12.5MHz
Power 500W
・ Process gas
Treatment Example 1 SF ₆ / Ar = 50/50 (sccm)
Processing Example 2 First Cleaning Step SF ₆ / Ar = 50/50 (sccm)
Second cleaning step SF ₆ / Ar = 50/50 (sccm)
Processing Example 3 First Cleaning Step SF ₆ / Ar = 50/50 (sccm)
Second cleaning step Ar = 50 (sccm)
・ Processing pressure
Processing example 1 3Pa
Processing Example 2 First Cleaning Step 3Pa
Second cleaning step 3Pa
Processing Example 3 First Cleaning Step 3Pa
Second cleaning step 3Pa
·processing time
Processing example 1 30 minutes
Treatment example 2 First cleaning step 30 minutes
Second cleaning process 90 seconds
Treatment example 3 First cleaning step 30 minutes
Second cleaning process 90 seconds

なお、本実施形態におけるコンディショニング工程においては、磁気中性線２５を形成せず、高周波コイル２３への電力（ＲＦ１）供給のみでプラズマを形成するようにしたが、これに限らず、磁気中性線２５の形成を伴ったＮＬＤプラズマを用いてターゲット３２のコンディショニング工程を実施してもよい。   In the conditioning process according to the present embodiment, the magnetic neutral line 25 is not formed, and the plasma is formed only by supplying power (RF1) to the high-frequency coil 23. However, the present invention is not limited to this. The conditioning process of the target 32 may be performed using NLD plasma accompanied by the formation of the line 25.

図４に示したように、無処理の例に比べて、ターゲットのコンディショニング工程を実施する方がスパッタレートを向上させることができる。特に、処理例１〜３においては、処理例１、２、３の順でスパッタレートが向上することが確認された。これは、処理例１に比べて処理例２の方が、第２クリーニング工程においてターゲットへバイアス電圧が印加されることによってターゲットへのイオンの引き込み作用が得られる結果、ターゲットの清浄効果が高まったものと考えられる。   As shown in FIG. 4, the sputtering rate can be improved by performing the target conditioning process as compared to the case of no treatment. In particular, in treatment examples 1 to 3, it was confirmed that the sputtering rate was improved in the order of treatment examples 1, 2, and 3. This is because the treatment example 2 is more effective in attracting ions to the target by applying a bias voltage to the target in the second cleaning step than the treatment example 1, and the target cleaning effect is enhanced. It is considered a thing.

また、処理例２に比べて処理例３の方が高いスパッタレートが得られた。これは、処理例２と処理例３の第２クリーニング工程で使用されるプロセスガスの相違に起因する。すなわち、エッチングガス（ＳＦ₆）を含むプロセスガスの場合、ターゲット表面からエッチング反応物を除去しながらも、ターゲット表面にフッ素やシリコンの変成層を形成する。これに対して、処理例３においては第２クリーニング工程において使用されるプロセスガスにエッチングガスが含まれていないので、当該第２クリーニング工程においてターゲット表面に上記変成層は形成されない。したがって、第１クリーニング工程においてターゲット表面に形成された上記混合層を除去する効果が得られるため、ターゲット表面の仕上げ品質が高められ、処理例２に比べて高いスパッタレートを得ることができる。 Further, a higher sputtering rate was obtained in the processing example 3 than in the processing example 2. This is due to the difference in the process gas used in the second cleaning step between the processing example 2 and the processing example 3. That is, in the case of a process gas containing an etching gas (SF ₆ ), a fluorine or silicon metamorphic layer is formed on the target surface while removing etching reactants from the target surface. On the other hand, in the processing example 3, since the etching gas is not included in the process gas used in the second cleaning process, the metamorphic layer is not formed on the target surface in the second cleaning process. Therefore, since the effect of removing the mixed layer formed on the target surface in the first cleaning step can be obtained, the finish quality of the target surface can be improved, and a higher sputter rate can be obtained as compared with the processing example 2.

上述したコンディショニング工程は、基板を所定枚数処理する毎に行うことが好適である。また、処理例１に用いられるプロセスガスまたは処理例２，３の第１クリーニング工程に用いられるプロセスガスは、エッチングガスと不活性ガスの混合ガスに限らず、エッチングガス単体でもよい。特に、コンディショニング工程において使用されるプロセスガスとして、エッチング工程や保護膜形成工程に用いられるプロセスガスと同種のガスを用いることで、必要以上のガス排気が不要となるためコンディショニングの時間短縮を図れるとともに、使用ガスの共用による設備構成の簡素化を図ることができる。   The conditioning process described above is preferably performed every time a predetermined number of substrates are processed. Further, the process gas used in the processing example 1 or the process gas used in the first cleaning process of the processing examples 2 and 3 is not limited to the mixed gas of the etching gas and the inert gas, and may be a single etching gas. In particular, as the process gas used in the conditioning process, by using the same type of gas as the process gas used in the etching process and the protective film forming process, it is possible to reduce the conditioning time because unnecessary gas exhaust is unnecessary. The equipment configuration can be simplified by sharing the gas used.

以上のように、本実施形態によれば、ターゲットのコンディショニング工程を定期的に行うことによって、ターゲット表面に対するエッチング反応物の付着量を低減し、安定したスパッタレートを速やかに確保して、保護膜を効率良く形成することが可能となる。また、これにより生産性の向上を図ることができる。   As described above, according to the present embodiment, the target conditioning process is periodically performed, so that the amount of etching reactants attached to the target surface is reduced, and a stable sputtering rate can be secured quickly. Can be formed efficiently. In addition, this can improve productivity.

以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, of course, this invention is not limited to this, A various deformation | transformation is possible based on the technical idea of this invention.

例えば以上の実施形態では、ＮＬＤ方式のプラズマ処理装置を例に挙げて説明したが、これに限られず、例えば高周波コイルのみを用いたＩＣＰプラズマ処理装置にも本発明は適用可能である。   For example, in the above embodiment, the NLD type plasma processing apparatus has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to an ICP plasma processing apparatus using only a high-frequency coil, for example.

また、ターゲットのコンディショニング工程の処理条件（使用ガス、処理時間、処理圧力、天板バイアスパワー等）は上記の例に限定されず、ターゲット材料の種類や使用ガス、付着物の種類等に応じて、設定を適宜変更することが可能である。   In addition, the processing conditions for the conditioning process of the target (used gas, processing time, processing pressure, top plate bias power, etc.) are not limited to the above examples, depending on the type of target material, the used gas, the type of deposits, etc. The settings can be changed as appropriate.

本発明の実施形態において使用されるプラズマ処理装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the plasma processing apparatus used in embodiment of this invention. 図１のプラズマ処理装置の動作例を説明するタイミングチャートである。It is a timing chart explaining the operation example of the plasma processing apparatus of FIG. 本発明の実施形態によるコンディショニング工程の処理例を説明するタイミングチャートである。It is a timing chart explaining the process example of the conditioning process by embodiment of this invention. 本発明の実施形態によるコンディショニング工程の処理例ごとのスパッタレートを説明する一実験結果である。It is one experimental result explaining the sputter | spatter rate for every process example of the conditioning process by embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

２０ プラズマ処理装置
２１ 真空槽
２３ 高周波コイル
２４ 磁気コイル群
２５ 磁気中性線
２６ ステージ
２９ 天板
３２ ターゲット
３３ ガス導入管 DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 Plasma processing apparatus 21 Vacuum chamber 23 High frequency coil 24 Magnetic coil group 25 Magnetic neutral wire 26 Stage 29 Top plate 32 Target 33 Gas introduction pipe

Claims (6)

真空槽内でプラズマを発生させて、シリコン基板をエッチングする工程と、前記基板に
対向して配置されたターゲットをスパッタして、エッチングパターンの側壁部に保護膜を
形成する工程を、交互に繰り返して行うプラズマ処理方法であって、
前記ターゲットの表面を清浄化するコンディショニング工程を有し、
前記コンディショニング工程は、前記真空槽内でエッチングガスを含むプロセスガスの
プラズマを発生させて前記ターゲットの表面を清浄化するものであり、
前記ターゲットにバイアス電圧を印加しない第１クリーニング工程を含む
ことを特徴とするプラズマ処理方法。 The process of etching the silicon substrate by generating plasma in the vacuum chamber and the step of forming a protective film on the side wall of the etching pattern by sputtering the target disposed opposite to the substrate are repeated alternately. A plasma processing method performed by
Have a conditioning step of cleaning the surface of said target,
The conditioning process includes a process gas including an etching gas in the vacuum chamber.
Generating a plasma to clean the surface of the target;
A plasma processing method comprising a first cleaning step in which a bias voltage is not applied to the target . 前記コンディショニング工程は、前記第１クリーニング工程と、前記ターゲットにバイアス電圧を印加する第２クリーニング工程とが順に行われる
ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理方法。 The conditioning step includes a first cleaning step, a plasma processing method according to claim 1 in which the second cleaning step of applying a bias voltage to the target, characterized in that the sequentially performed. 前記第２クリーニング工程では、前記プロセスガスとして不活性ガス単体が用いられる
ことを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理方法。 The plasma processing method according to claim 2, wherein an inert gas alone is used as the process gas in the second cleaning step. 前記エッチングガスは、ＳＦ_６ガスである
ことを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理方法。 The plasma processing method according to claim 2, wherein the etching gas is SF ₆ gas. 前記プラズマは、前記真空槽内に磁気中性線を形成する磁場形成手段と、前記磁気中性
線に沿って交番電場を形成する電場形成手段とを用いて発生させる
ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理方法。 The plasma is generated using magnetic field forming means for forming a magnetic neutral line in the vacuum chamber and electric field forming means for forming an alternating electric field along the magnetic neutral line. 2. The plasma processing method according to 1. 前記ターゲットは、フッ素系樹脂からなる
ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理方法。 The plasma processing method according to claim 1, wherein the target is made of a fluorine-based resin.

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