JP5967710B2

JP5967710B2 - End point detection method of plasma etching

Info

Publication number: JP5967710B2
Application number: JP2012215537A
Authority: JP
Inventors: 知行野中; 浩通扇谷
Original assignee: Samco Inc
Current assignee: Samco Inc
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: JP2014072269A

Description

本発明は、プラズマエッチングの終点を検出する方法に関し、特に、シリコン層にアスペクト比の高い穴、柱、溝等を形成するためのプラズマエッチングの終点を検出する方法に関する。 The present invention relates to a method for detecting an end point of plasma etching, and more particularly to a method for detecting an end point of plasma etching for forming a hole, a column, a groove or the like having a high aspect ratio in a silicon layer.

シリコン基板（Si基板）にアスペクト比の高い縦穴構造や柱構造をプラズマエッチングにより形成する方法として、SF₆ガスをエッチングガスとしてSi基板のエッチングを行うエッチング工程と、前記エッチング工程において形成された穴の面に保護膜を形成する保護膜形成工程を繰り返すボッシュプロセスが知られている。特許文献１には、Si基板の下に、該Si基板に比べてエッチングされにくい材料から成る下層膜が設けられたワークにおいて、上記のボッシュプロセスによるSi基板のエッチングが下層膜（終点）まで到達したことを検出するプラズマエッチングの終点検出方法が記載されている。この終点検出方法では、Si基板をエッチングする際に生成されるエッチング生成物（SiF₄やその解離種であるSiF_x（x=0〜3））がプラズマ（主にプラズマ中の電子）と反応することにより生じる光の強度を検出する。下層膜までエッチングを行うとエッチング生成物が生成される量が減少するため、該エッチング生成物による発光強度が低下する。この発光強度の変化から、エッチングの終点を検出する。 As a method for forming a vertical hole structure or a column structure with a high aspect ratio on a silicon substrate (Si substrate) by plasma etching, an etching process for etching the Si substrate using SF ₆ gas as an etching gas, and a hole formed in the etching process. A Bosch process is known in which a protective film forming step for forming a protective film on the surface is repeated. In Patent Document 1, the Si substrate etching by the Bosch process reaches the lower layer film (end point) in a work in which a lower layer film made of a material that is harder to etch than the Si substrate is provided under the Si substrate. A method for detecting the end point of plasma etching for detecting this is described. In this end point detection method, etching products (SiF ₄ and its dissociation species SiF _x (x = 0 to 3)) generated when etching the Si substrate react with the plasma (mainly electrons in the plasma). The intensity of light generated by doing so is detected. When the etching is performed up to the lower layer film, the amount of the etching product generated is reduced, so that the emission intensity by the etching product is reduced. The end point of etching is detected from the change in the emission intensity.

一方、ボッシュプロセスにおいてエッチング速度を上げるためには、SF₆ガスの供給量を増やして大量のラジカルやイオンを生成させることが好ましい。ところが、このようなラジカルやイオンが大量に生成されると、エッチング生成物の移動が阻害され、プラズマまで到達しにくくなる。そのため、エッチング生成物による発光強度が低下し、終点検出精度が低下する。加えて、アスペクト比の高い縦穴構造や柱構造をプラズマエッチングにより形成する場合、プラズマ中のイオンの垂直性を高めてSi基板に入射させる必要があり、高周波コイルとSi基板との距離を通常よりも離すことが行われる（例えば、特許文献１の図１）。このような場合、シリコン基板の近傍で生成されたエッチング生成物は、高周波コイルの近傍で発生したプラズマまで長い距離を移動しなければ互いに反応することができないため、上記のようにラジカルやイオンが大量に生成されると、プラズマまで到達することのできるエッチング生成物の量が極めて少なくなる。
そこで、上記の終点検出方法では、エッチング工程を、多量のSF₆ガスを供給する多量供給工程と、少量のSF₆ガスを供給する少量供給工程の２つの工程に分け、前記多量供給工程においてSi層のエッチングを高速に行った後、前記少量供給工程においてSi層のエッチングを低速に行いつつ、エッチングの終点検出を行っている。SF₆ガスの供給量が少ないとラジカルやエッチング生成物の生成も少ないもののそれらの移動が阻害されないので強い発光を観察することができる。 On the other hand, in order to increase the etching rate in the Bosch process, it is preferable to increase the supply amount of SF ₆ gas to generate a large amount of radicals and ions. However, when a large amount of such radicals and ions are generated, the movement of the etching product is hindered and it is difficult to reach the plasma. Therefore, the light emission intensity due to the etching product is lowered, and the end point detection accuracy is lowered. In addition, when a vertical hole structure or a column structure with a high aspect ratio is formed by plasma etching, it is necessary to increase the perpendicularity of ions in the plasma and make it incident on the Si substrate, and the distance between the high-frequency coil and the Si substrate is larger than usual. Is also performed (for example, FIG. 1 of Patent Document 1). In such a case, the etching products generated in the vicinity of the silicon substrate cannot react with each other unless they move a long distance to the plasma generated in the vicinity of the high frequency coil. When produced in large quantities, the amount of etching products that can reach the plasma is very small.
Si So, in the above end point detection method, an etching process, and a large amount supply step of supplying a large amount of SF ₆ gas, is divided into two steps of the small-amount supply step of supplying a small amount of SF ₆ gas, in the amount supply step After the etching of the layer is performed at a high speed, the end point of the etching is detected while the etching of the Si layer is performed at a low speed in the small amount supply step. When the supply amount of SF ₆ gas is small, radicals and etching products are generated little, but their movement is not hindered, so that strong luminescence can be observed.

特開2008-053678号公報JP 2008-053678 A

"ボッシュプロセス"、[online]、サムコ株式会社、[平成２４年９月２８日検索]、インターネット<URL:http://www.samco.co.jp/products/tech/03_bosch.php>“Bosch Process”, [online], Samco Corporation, [searched on September 28, 2012], Internet <URL: http: //www.samco.co.jp/products/tech/03_bosch.php>

特許文献１の終点検出方法では、終点を検出するために少量供給工程を設けるため、プロセス全体のエッチング速度が低下するという問題がある。 In the end point detection method of Patent Document 1, a small amount supply step is provided to detect the end point.

一方、非特許文献１には、Si層をF系ラジカルにより等方的にエッチングする等方性エッチング工程と、前記等方性エッチング工程において形成された穴の面に保護膜を形成する保護膜形成工程と、F系イオンを照射することにより前記穴の底面に形成された保護膜を選択的に除去する底面エッチング工程を繰り返す、３工程からなるボッシュプロセスが記載されている。この非特許文献１に記載のボッシュプロセスでは、底面エッチング工程において底面の保護膜が選択的に除去されるため、等方性エッチング工程では底面側にエッチングされやすくなる。これにより、特許文献１に記載のボッシュプロセスよりも基板面に対する垂直性の高い縦穴構造や柱構造を形成することが可能となる。 On the other hand, Non-Patent Document 1 discloses an isotropic etching process for isotropically etching a Si layer with an F-based radical, and a protective film for forming a protective film on the surface of the hole formed in the isotropic etching process. A Bosch process consisting of three steps is described in which a formation step and a bottom etching step for selectively removing a protective film formed on the bottom surface of the hole by irradiation with F-based ions are repeated. In the Bosch process described in Non-Patent Document 1, since the protective film on the bottom surface is selectively removed in the bottom surface etching step, the bottom surface side is easily etched in the isotropic etching step. Thereby, it becomes possible to form a vertical hole structure or a column structure having higher perpendicularity to the substrate surface than the Bosch process described in Patent Document 1.

このような非特許文献１のボッシュプロセスに上記の特許文献１に記載の終点検出方法を適用すると、Si層のエッチングを行う等方性エッチング工程において、終点検出を行うための少量供給工程を設けることになる。そうすると、プロセス全体のエッチング速度の低下を招くため好ましくない。 When the end point detection method described in Patent Document 1 is applied to the Bosch process of Non-Patent Document 1, a small amount supply step for performing end point detection is provided in the isotropic etching process for etching the Si layer. It will be. This is not preferable because the etching rate of the entire process is reduced.

本発明は、等方性エッチング工程と保護膜形成工程と底面エッチング工程の３つの工程を有するプラズマエッチングにおいて、該プラズマエッチング全体のエッチング速度を低下させることなくエッチングの終点を検出することが可能な方法を提供することである。 The present invention can detect the end point of etching without reducing the etching rate of the whole plasma etching in plasma etching having three steps of an isotropic etching step, a protective film forming step, and a bottom surface etching step. Is to provide a method.

上記課題を解決するために成された本発明に係るプラズマエッチングの終点検出方法は、
被エッチング層と、前記被エッチング層の下面に設けられた下層膜を有するワークの該被エッチング層に等方性エッチングを行う等方性エッチング工程と、前記等方性エッチング工程においてエッチングされた部分の面に保護膜を形成する保護膜形成工程と、前記等方性エッチング工程よりも真空度が高い状態で、前記保護膜が形成された面のうち底面に形成された保護膜をイオンの照射により選択的に除去する底面エッチング工程と、を有するプラズマエッチングにおいて、
前記底面エッチング工程において前記被エッチング層をエッチングすることにより生成されるエッチング生成物が前記プラズマと反応することにより生じる光の強度を該底面エッチング工程において測定し、該底面エッチング工程において測定した光の強度の変化から、エッチングが前記下層膜まで到達したか否かを判定する
ことを特徴とする。 The end point detection method of plasma etching according to the present invention made to solve the above problems,
An isotropic etching step for performing isotropic etching on the etching target layer of a workpiece having a layer to be etched and a lower layer film provided on the lower surface of the layer to be etched, and a portion etched in the isotropic etching step ions and the protective film forming step, while a higher degree of vacuum than the isotropic etching process, the protective film which the protective film is formed on the formed surface sac Chi bottom surface of the surface forming a protective film In the plasma etching having a bottom surface etching process selectively removed by irradiation of
The intensity of the light generated by the etching products formed by etching the etching target layer at the bottom surface etching step reacts with the plasma was measured in the bottom etching step, the light measured at the bottom surface etching step It is characterized by determining whether or not the etching reaches the lower layer film from the change in intensity.

なお、ここで言う「下」とは便宜上のものであって、重力の向きとしての「下」を意味するものではない。また、下層膜は、被エッチング層とは異なる材料で構成された層である。下層膜には、前記エッチング生成物が被エッチング層より生成されにくい材料を用いるのが望ましい。 Note that “lower” here is for convenience, and does not mean “lower” as the direction of gravity. The lower layer film is a layer made of a material different from that of the layer to be etched. For the lower layer film, it is desirable to use a material in which the etching product is less likely to be generated than the etching target layer.

本発明に係るプラズマエッチングの終点検出方法では、プラズマの発光強度の変化によるエッチングの終点検出を、底面エッチング工程において行うことを特徴とする。底面エッチング工程は、イオンの入射がラジカル等の他の浮遊粒子に阻害されないように、等方性エッチング工程のときよりもSF₆ガスの供給量が少なく且つ真空度が高い状態で行われる。そのため、底面保護膜を除去した後、イオンが被エッチング層をエッチングすることにより生成されるエッチング生成物がプラズマまで到達しやすく、プラズマとエッチング生成物の反応による発光が生じやすい。従って、底面エッチング工程におけるエッチングの速度を低下させなくても、感度良くプラズマの発光強度の変化を観察することができる。 The plasma etching end point detection method according to the present invention is characterized in that the etching end point detection based on a change in plasma emission intensity is performed in the bottom surface etching step. The bottom surface etching process is performed in a state where the supply amount of SF ₆ gas is smaller and the degree of vacuum is higher than in the isotropic etching process so that the incidence of ions is not hindered by other floating particles such as radicals. Therefore, after the bottom protective film is removed, an etching product generated by ions etching the etching target layer easily reaches the plasma, and light emission is likely to occur due to the reaction between the plasma and the etching product. Therefore, it is possible to observe the change in the light emission intensity of the plasma with high sensitivity without reducing the etching rate in the bottom surface etching step.

本発明に係るプラズマエッチングの終点検出方法では、等方性エッチング工程よりも元々SF₆ガスの供給量が少なく且つ真空度が高い底面エッチング工程において、プラズマの発光強度の変化を観察するため、エッチングの終点を精度良く検出することができる。また、終点検出のためにSF₆ガスの供給量を少なくしなくても済むため、プラズマエッチング全体のエッチング速度が低下しない。 In the plasma etching end point detection method according to the present invention, in order to observe the change in the emission intensity of the plasma in the bottom surface etching step where the supply amount of SF ₆ gas is originally lower than that of the isotropic etching step and the degree of vacuum is high, Can be detected with high accuracy. Further, since it is not necessary to reduce the supply amount of SF ₆ gas for end point detection, the etching rate of the entire plasma etching does not decrease.

本発明に係るプラズマエッチングの終点検出方法の一実施例を適用するために用いた誘導結合型反応性イオンエッチング装置の要部構成図。The principal part block diagram of the inductively coupled reactive ion etching apparatus used in order to apply one Example of the plasma etching end point detection method concerning this invention. ボッシュプロセスの等方性エッチング工程を説明するための模式図(a)、保護膜形成工程を説明するための模式図(b)、底面エッチング工程を説明するための模式図(c)、最終的に得られるエッチング穴の形状を示す模式図(d)。Schematic diagram for explaining the isotropic etching process of the Bosch process (a), schematic diagram for explaining the protective film forming process (b), schematic diagram for explaining the bottom surface etching process (c), finally FIG. 4D is a schematic diagram showing the shape of the etching hole obtained in (d). 本実施例のプラズマエッチングの終点検出方法における発光強度の時間的変化を示すグラフ。The graph which shows the time change of the emitted light intensity in the end point detection method of the plasma etching of a present Example. 本実施例と比較例１〜４のプラズマエッチングの終点検出方法におけるエッチング条件を示す表。The table | surface which shows the etching conditions in the end point detection method of the plasma etching of a present Example and Comparative Examples 1-4. 比較例１のプラズマエッチングの終点検出方法における発光強度の時間的変化を示すグラフ。The graph which shows the time change of the emitted light intensity in the end point detection method of the plasma etching of the comparative example 1. FIG. 比較例２のプラズマエッチングの終点検出方法における発光強度の時間的変化を示すグラフ。The graph which shows the time change of the emitted light intensity in the end point detection method of the plasma etching of the comparative example 2. FIG. 比較例３のプラズマエッチングの終点検出方法における発光強度の時間的変化を示すグラフ。The graph which shows the time change of the emitted light intensity in the end point detection method of the plasma etching of the comparative example 3. FIG. 比較例４のプラズマエッチングの終点検出方法における発光強度の時間的変化を示すグラフ。The graph which shows the time change of the emitted light intensity in the end point detection method of the plasma etching of the comparative example 4. 本実施例と比較例１〜４のプラズマエッチングの終点検出方法のエッチング到達時間と発光強度比を示す表。The table | surface which shows the etching arrival time and emission intensity ratio of the end point detection method of the plasma etching of a present Example and Comparative Examples 1-4.

以下、本発明に係るプラズマエッチング方法の一実施例について図面を用いて説明する。図１は、本実施例のプラズマエッチング方法で使用する誘導結合型反応性イオンエッチング装置（ICP-RIE、製品名：RIE-800iPB。サムコ株式会社製。以下「プラズマエッチング装置」とする）の要部構成図である。 Hereinafter, an embodiment of a plasma etching method according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows the essentials of an inductively coupled reactive ion etching apparatus (ICP-RIE, product name: RIE-800iPB, manufactured by Samco Corporation, hereinafter referred to as “plasma etching apparatus”) used in the plasma etching method of this embodiment. FIG.

図１のプラズマエッチング装置は、プラズマエッチングを行う反応室１０を有する。反応室１０の底部には、ワーク１１を載置する平板状の下部電極（カソード）１２が備わっており、該下部電極１２はブロッキングコンデンサ１６、第１整合器１７を介して第１高周波電源１８に接続されている。下部電極１２には、ワーク１１を所定の温度に保つための冷却ガス（Heガス）を流通させる冷却ガス流路（図示なし）が設けられている。また、反応室１０の側壁にはエッチングガス又は保護膜形成用の成膜ガスを導入するガス導入口１４と、反応室１０内を真空ポンプ２６により排気するガス排気口１５と、反応室１０内で発生するプラズマを観察するための、石英ガラス等から成る観察窓２７が設けられている。ガス導入口１４には、第１ガス供給源２２と第２ガス供給源２３が、第１マスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４と第２ＭＦＣ２５を介してそれぞれ接続されている。第１ガス供給源２２からはSF₆ガスがエッチングガスとして、第２ガス供給源２３からはC₄F₈ガスが成膜ガスとして、それぞれ反応室１０内に導入される。また、観察窓２７を挟んで反応室１０の外側には、観察窓２７から観察されるプラズマ中の所定波長の光の発光強度を検出する光検出部２８が設けられている。反応室１０の上部には、誘電体窓１３を介して渦巻状のコイル１９が設けられている。コイル１９の片端は第２整合器２０を介して第２高周波電源２１に接続されており、他端は直接、第２高周波電源２１に接続されている。図１のプラズマエッチング装置はまた、装置の各部を制御する制御部２９を有する。制御部２９は予め設定された条件と、光検出部２８から取得される検出信号に基づいて、第１高周波電源１８、第２高周波電源２１、真空ポンプ、第１ＭＦＣ、及び第２ＭＦＣを動作させる。これにより、以下で述べる等方性エッチング工程と保護膜形成工程と底面エッチング工程が順次実行される。 The plasma etching apparatus of FIG. 1 has a reaction chamber 10 for performing plasma etching. A flat lower electrode (cathode) 12 on which a work 11 is placed is provided at the bottom of the reaction chamber 10, and the lower electrode 12 is connected to a first high-frequency power source 18 via a blocking capacitor 16 and a first matching unit 17. It is connected to the. The lower electrode 12 is provided with a cooling gas passage (not shown) through which a cooling gas (He gas) for keeping the workpiece 11 at a predetermined temperature is circulated. Further, on the side wall of the reaction chamber 10, a gas introduction port 14 for introducing an etching gas or a film forming gas for forming a protective film, a gas exhaust port 15 for exhausting the inside of the reaction chamber 10 by a vacuum pump 26, and the inside of the reaction chamber 10 Is provided with an observation window 27 made of quartz glass or the like. A first gas supply source 22 and a second gas supply source 23 are connected to the gas inlet 14 via a first mass flow controller (MFC) 24 and a second MFC 25, respectively. SF ₆ gas is introduced into the reaction chamber 10 from the first gas supply source 22 as an etching gas, and C ₄ F ₈ gas is introduced into the reaction chamber 10 from the second gas supply source 23 as a film forming gas. In addition, a light detection unit 28 that detects the emission intensity of light having a predetermined wavelength in the plasma observed from the observation window 27 is provided outside the reaction chamber 10 with the observation window 27 interposed therebetween. A spiral coil 19 is provided above the reaction chamber 10 via a dielectric window 13. One end of the coil 19 is connected to the second high-frequency power source 21 via the second matching unit 20, and the other end is directly connected to the second high-frequency power source 21. The plasma etching apparatus of FIG. 1 also has a control unit 29 that controls each part of the apparatus. The control unit 29 operates the first high-frequency power source 18, the second high-frequency power source 21, the vacuum pump, the first MFC, and the second MFC based on preset conditions and the detection signal acquired from the light detection unit 28. Thereby, an isotropic etching process, a protective film forming process, and a bottom surface etching process described below are sequentially performed.

以下、本実施例のプラズマエッチングの終点検出方法について説明する。本実施例では、等方性エッチング工程と保護膜形成工程と底面エッチング工程の３つの工程を有するボッシュプロセスにより、Si基板に縦穴構造を形成する場合について図１及び図２を参照して説明する。なお、反応室１０内の下部電極１２上に載置されたワーク１１には、エッチングを行うSi基板（被エッチング層）３０の下面にSiO₂層（下層膜）３１が形成されている。また、Si基板３０の上面にはマスク３２が形成されている（図２）。 Hereinafter, the method for detecting the end point of plasma etching according to this embodiment will be described. In this embodiment, a case where a vertical hole structure is formed in a Si substrate by a Bosch process having three processes, an isotropic etching process, a protective film forming process, and a bottom etching process, will be described with reference to FIGS. . Note that a SiO ₂ layer (lower layer film) 31 is formed on the lower surface of a Si substrate (etched layer) 30 to be etched on the workpiece 11 placed on the lower electrode 12 in the reaction chamber 10. A mask 32 is formed on the upper surface of the Si substrate 30 (FIG. 2).

制御部２９は、まず真空ポンプ２６を動作させることにより反応室１０内の排気を行い、反応室１０の内部圧力を10Paにまで低下させる。続いて、第１ＭＦＣ２４を動作させ、第１ガス供給源２２から1000sccmのSF₆ガスを反応室１０内に導入する。この際にも真空ポンプ２６による排気を続け、反応室１０の内部圧力が10Paを維持するように調整する。次に、制御部２９は、第２高周波電源２１から周波数13.56MHzの高周波電力3000Wをコイル１９に投入させる。以上の動作により、反応室１０の内部にプラズマが発生する。以後、少なくともSi基板３０のエッチングが終了するまでは、第２高周波電源２１からコイル１９への高周波電力の投入を続ける。 The control unit 29 first evacuates the reaction chamber 10 by operating the vacuum pump 26 to reduce the internal pressure of the reaction chamber 10 to 10 Pa. Subsequently, the first MFC 24 is operated, and 1000 sccm of SF ₆ gas is introduced into the reaction chamber 10 from the first gas supply source 22. At this time as well, evacuation by the vacuum pump 26 is continued, and the internal pressure of the reaction chamber 10 is adjusted to maintain 10 Pa. Next, the control unit 29 causes the high-frequency power 3000 W having a frequency of 13.56 MHz to be input from the second high-frequency power source 21 to the coil 19. With the above operation, plasma is generated inside the reaction chamber 10. Thereafter, at least until the etching of the Si substrate 30 is completed, the high-frequency power is continuously supplied from the second high-frequency power source 21 to the coil 19.

［等方性エッチング工程］
本工程では、制御部２９は、第１ＭＦＣ２４により第１ガス供給源２２から流量1000sccmのSF₆ガスを反応室１０内に導入すると共に、真空ポンプ２６により反応室１０内の圧力を10Paに調整する。なお、本工程では、第２ガス供給源２３から反応室１０へのC₄F₈ガスの導入は行わない。また、第１高周波電源１８から下部電極１２への高周波電力の投入も行わない。 [Isotropic etching process]
In this step, the control unit 29 introduces SF ₆ gas having a flow rate of 1000 sccm from the first gas supply source 22 into the reaction chamber 10 by the first MFC 24 and adjusts the pressure in the reaction chamber 10 to 10 Pa by the vacuum pump 26. . In this step, C ₄ F ₈ gas is not introduced from the second gas supply source 23 into the reaction chamber 10. Further, no high frequency power is supplied from the first high frequency power source 18 to the lower electrode 12.

反応室１０内に導入されたSF₆ガスはプラズマと反応し、SF₆ガスからラジカル、イオン、電子が生成される。これらの生成物のうち、F系ラジカルが本工程のエッチングに寄与する。F系ラジカルは、マスク３２に形成された孔を通してワーク１１のSi基板３０に到達し、Siと反応する。これにより、Si基板３０からSiがエッチングされる。また、この際、エッチング生成物としてSiF_x（x=1〜4）が生成される。F系ラジカルは拡散によって等方的にSi基板３０に入射するため、本工程において形成されるエッチング穴３３は、上下方向のみならず水平方向にもエッチングされたものとなる（図２(a)）。 The SF ₆ gas introduced into the reaction chamber 10 reacts with the plasma, and radicals, ions, and electrons are generated from the SF ₆ gas. Of these products, F-based radicals contribute to the etching in this step. The F radicals reach the Si substrate 30 of the workpiece 11 through the holes formed in the mask 32 and react with Si. Thereby, Si is etched from the Si substrate 30. At this time, SiF _x (x = 1 to 4) is generated as an etching product. Since the F radicals are isotropically incident on the Si substrate 30 by diffusion, the etching holes 33 formed in this step are etched not only in the vertical direction but also in the horizontal direction (FIG. 2A). ).

［保護膜形成工程］
本工程では、制御部２９は、第１ＭＦＣ２４により第１ガス供給源２２から反応室１０へのSF₆ガスを止め、第２ＭＦＣ２５により第２ガス供給源２３から流量400sccmのC₄F₈ガスを反応室１０内に導入する。それと共に、真空ポンプ２６により反応室１０内の圧力を4Paに調整する。なお、本工程においても、第１高周波電源１８から下部電極１２への高周波電力の投入は行わない。 [Protective film formation process]
In this step, the control unit 29 stops the SF ₆ gas from the first gas supply source 22 to the reaction chamber 10 by the first MFC 24 and the C ₄ F ₈ gas having a flow rate of 400 sccm from the second gas supply source 23 by the second MFC 25 . It introduces into the reaction chamber 10. At the same time, the pressure in the reaction chamber 10 is adjusted to 4 Pa by the vacuum pump 26. Also in this step, high-frequency power is not supplied from the first high-frequency power source 18 to the lower electrode 12.

反応室１０内に導入されたC₄F₈ガスはプラズマにより分解され、CF系の高分子が重合される。これが等方性エッチング工程で形成されたエッチング穴３３に堆積され、エッチング穴３３の側壁及び底面に保護膜３４を形成する（図２(b)）。 The C ₄ F ₈ gas introduced into the reaction chamber 10 is decomposed by plasma, and a CF polymer is polymerized. This is deposited in the etching hole 33 formed in the isotropic etching process, and a protective film 34 is formed on the side wall and the bottom surface of the etching hole 33 (FIG. 2B).

［底面エッチング工程］
本工程では、制御部２９は、第２ＭＦＣ２５により第２ガス供給源２３から反応室１０へのC₄F₈ガスの供給を中止し、第１ＭＦＣ２４により第１ガス供給源２２から流量400sccmのSF₆ガスを反応室１０内に導入する。それと共に、真空ポンプ２６により反応室１０内の圧力を4Paに保つ。また、第１高周波電源１８から周波数13.56MHzの高周波電力100Wを下部電極１２に投入する。 [Bottom etching process]
In this step, the control unit 29 stops the supply of C ₄ F ₈ gas from the second gas supply source 23 to the reaction chamber 10 by the second MFC 25, and SF ₆ having a flow rate of 400 sccm from the first gas supply source 22 by the first MFC 24. Gas is introduced into the reaction chamber 10. At the same time, the pressure in the reaction chamber 10 is kept at 4 Pa by the vacuum pump 26. Further, 100 W of high frequency power having a frequency of 13.56 MHz is input to the lower electrode 12 from the first high frequency power supply 18.

反応室１０内に導入されたSF₆ガスはプラズマと反応し、等方性エッチング工程と同様に、SF₆ガスからラジカル、イオン、電子が生成される。この状態で下部電極１２に第１高周波電源１８から高周波電力が投入されると、プラズマ中の電子は高周波により形成される電場の変動に追従して下部電極１２に飛び込む。下部電極１２にはブロッキングコンデンサ１６が接続されているため、下部電極１２に前記電子による負のバイアス電圧（自己バイアス）が印加され、下部電極１２に向かってイオンが加速されるようになる。本工程では、このイオンがエッチングに寄与する。 The SF ₆ gas introduced into the reaction chamber 10 reacts with the plasma, and radicals, ions, and electrons are generated from the SF ₆ gas as in the isotropic etching process. In this state, when high-frequency power is supplied to the lower electrode 12 from the first high-frequency power supply 18, electrons in the plasma jump into the lower electrode 12 following changes in the electric field formed by the high frequency. Since the blocking capacitor 16 is connected to the lower electrode 12, a negative bias voltage (self-bias) due to the electrons is applied to the lower electrode 12, and ions are accelerated toward the lower electrode 12. In this step, these ions contribute to etching.

イオンは、下部電極１２に向かって直線的に加速され、エッチング穴３３の底面に入射される。エッチング穴３３の底面に形成された保護膜３４は、このイオンの入射によりスパッタされ、エッチングされる。本工程ではイオンは方向性を持ってSi基板３０に入射するため、保護膜３４は底面部分のものが選択的に除去される（図２(c)）。 The ions are linearly accelerated toward the lower electrode 12 and are incident on the bottom surface of the etching hole 33. The protective film 34 formed on the bottom surface of the etching hole 33 is sputtered and etched by the incidence of ions. In this step, ions are incident on the Si substrate 30 with directionality, so that the protective film 34 is selectively removed from the bottom surface (FIG. 2 (c)).

上記３つの工程を繰り返すことにより、ボッシュプロセスではアスペクト比の高いエッチング穴３３をSi基板３０に形成することができる（図２(d)）。本実施例のプラズマエッチングの終点検出方法は、これら３つの工程のうち、底面エッチング工程において、プラズマとSiF_x（x=1〜4）が反応することにより生じる発光の強度の変化を測定することにより、エッチングの終点を検出するものである。 By repeating the above three steps, an etching hole 33 having a high aspect ratio can be formed in the Si substrate 30 in the Bosch process (FIG. 2D). The plasma etching end point detection method of this embodiment measures the change in the intensity of light emission caused by the reaction between plasma and SiF _x (x = 1 to 4) in the bottom surface etching process among these three processes. Thus, the end point of etching is detected.

上記のように、底面エッチング工程では、エッチング穴３３の底面に形成された保護膜３４をイオンの入射により除去する。底面に形成された保護膜３４が除去されると、イオンは露出したSiをスパッタする。スパッタされたSiは、イオンと共にSF₆ガスより生成されたF系ラジカルと反応し、等方性エッチング工程と同様に、SiF_x（x=1〜4）が生成される。本実施例のプラズマエッチングの終点検出方法では、底面エッチング工程を開始してから終了するまでの間、SiF_xによる発光が生じる波長の発光強度を光検出部２８により取得し、そのデータを制御部２９に送る。制御部２９は、底面エッチング工程の間、前記発光強度が予め設定された閾値以上になるか否かを判定し続け、一度も閾値以上にならなければ、ワーク１１のエッチングを終了する。 As described above, in the bottom surface etching step, the protective film 34 formed on the bottom surface of the etching hole 33 is removed by the incidence of ions. When the protective film 34 formed on the bottom surface is removed, the ions sputter the exposed Si. The sputtered Si reacts with F-based radicals generated from SF ₆ gas together with ions, and SiF _x (x = 1 to 4) is generated as in the isotropic etching process. In the plasma etching end point detection method of the present embodiment, the light detection unit 28 acquires the emission intensity of the wavelength at which light emission by SiF _x occurs from the start to the end of the bottom surface etching process, and the data is transmitted to the control unit. 29. During the bottom surface etching process, the control unit 29 continues to determine whether or not the light emission intensity is greater than or equal to a preset threshold value.

なお、本実施例のプラズマエッチングの終点検出方法において、底面エッチング工程でエッチングの終点検出を行う理由は以下の通りである。上記の通り、底面エッチング工程では、SF₆ガスの流量及び反応室１０内の圧力は、等方性エッチング工程のものよりも低い。これは、イオン以外のラジカル等の他の浮遊粒子の量が多いと、イオンがこれらに衝突し、直線的にエッチング穴３３の底面に入射しなくなるためである。そうすると、保護膜３４のエッチングの異方性が低下し、それに伴って、最終的なエッチング穴３３のアスペクト比も低下する。そのため、底面エッチング工程では、元々、等方性エッチング工程のときよりもSF₆ガスの供給量が少なく且つ圧力が低い（すなわち真空度が高い）状態で行われる。 In the plasma etching end point detection method of the present embodiment, the reason for detecting the end point of etching in the bottom surface etching step is as follows. As described above, in the bottom surface etching process, the flow rate of SF ₆ gas and the pressure in the reaction chamber 10 are lower than those in the isotropic etching process. This is because if the amount of other floating particles such as radicals other than ions is large, the ions collide with them and do not enter the bottom surface of the etching hole 33 linearly. If it does so, the anisotropy of the etching of the protective film 34 will fall, and the aspect ratio of the final etching hole 33 will also fall in connection with it. Therefore, the bottom surface etching process is originally performed in a state where the supply amount of SF ₆ gas is small and the pressure is low (that is, the degree of vacuum is high) as compared with the isotropic etching process.

反応室１０内の真空度が高いと、底面の保護膜３４を除去した後にイオンがSiをエッチングすることにより生成されるSiF_xがプラズマまで到達しやすくなる。そのため、底面エッチング工程では、プラズマとSiF_xの反応による発光が生じやすい。従って、底面エッチング工程において、プラズマとSiF_xの反応による発光が生じる波長の発光を観察すれば、上記３つの工程のいずれの速度を低下させることなく、精度良くエッチングの終点を検出することが可能となる。 When the degree of vacuum in the reaction chamber 10 is high, SiF _x generated by ions etching Si after removing the protective film 34 on the bottom surface easily reaches the plasma. Therefore, in the bottom surface etching process, light emission is likely to occur due to the reaction between plasma and SiF _x . Therefore, in the bottom surface etching process, if the light emission at the wavelength at which light emission is caused by the reaction between the plasma and SiF _x is observed, the etching end point can be accurately detected without reducing the speed of any of the above three processes. It becomes.

図３は、本実施例のプラズマエッチングの終点検出方法において、各底面エッチング工程における最大の発光強度をプロットしたグラフである。このデータは、等方性エッチング工程を4秒間、保護膜形成工程を2秒間、底面エッチング工程を2秒間、順に繰り返す（すなわち１サイクル当たり8秒）ことにより取得したものである。また、ワーク１１は、Si基板３０が450μm、SiO₂層が1μmのものを用いた。本実施例の各工程における設定条件は、図４の表にまとめている。表中のICPは第２高周波電源２１から投入する高周波電力、BIASは第１高周波電源１８から投入する高周波電力に、それぞれ対応している。 FIG. 3 is a graph plotting the maximum light emission intensity in each bottom surface etching step in the plasma etching end point detection method of this example. This data was obtained by repeating the isotropic etching process for 4 seconds, the protective film forming process for 2 seconds, and the bottom surface etching process for 2 seconds in order (ie, 8 seconds per cycle). Further, the workpiece 11 used was a Si substrate 30 of 450 μm and a SiO ₂ layer of 1 μm. The setting conditions in each step of this example are summarized in the table of FIG. In the table, ICP corresponds to the high-frequency power input from the second high-frequency power source 21, and BIAS corresponds to the high-frequency power input from the first high-frequency power source 18.

図３のグラフに示すように、本実施例のプラズマエッチングの終点検出方法では、底面エッチング工程においても、発光強度の変化がはっきりと区別できていることが分かる。このデータでは、エッチングがSiO₂層に到達した後の発光強度に対するエッチングがSiO₂層に到達する前の発光強度比は約1.2となった。従って、例えば終点検出を行うための閾値をエッチングがSiO₂層に到達する前の発光強度の1.1倍程度に設定すれば、精度良くエッチングの終点検出を行うことができる。 As shown in the graph of FIG. 3, it can be seen that in the plasma etching end point detection method of this example, the change in emission intensity can be clearly distinguished even in the bottom surface etching process. In this data, the etching is etching the emission intensity after reaching the SiO ₂ layer becomes luminous intensity ratio of about 1.2 before reaching the SiO ₂ layer. Therefore, for example, if the threshold value for detecting the end point is set to about 1.1 times the emission intensity before the etching reaches the SiO ₂ layer, the end point of the etching can be detected with high accuracy.

比較例として、図４の表に示す条件でプラズマエッチングとその終点検出を行った結果を図５〜図８に示す。また、本実施例と比較例１〜４の発光強度比とエッチングがSiO₂層に到達するまでに要した時間を図９の表に示す。 As comparative examples, the results of plasma etching and end point detection under the conditions shown in the table of FIG. 4 are shown in FIGS. The table of FIG. 9 shows the emission intensity ratio of this example and Comparative Examples 1 to 4 and the time required for the etching to reach the SiO ₂ layer.

図４の比較例１及び２は、等方性エッチング工程、終点検出用エッチング工程、保護膜形成工程の順にプラズマエッチングを繰り返し行った場合のものである。この比較例１及び２では底面エッチング工程を行っていない。また、図４の比較例３及び４は、等方性エッチング工程、終点検出用エッチング工程、保護膜形成工程、底面エッチング工程の順にプラズマエッチングを繰り返し行った場合のものである。比較例１〜４では、終点検出用エッチング工程（太線で囲った工程）においてプラズマの発光強度を測定している。また、実施例と比較例１〜４のプラズマエッチングにおけるエッチング到達時間を比較するため、いずれの例においても１サイクル当たりに要する時間は8秒とした。 Comparative Examples 1 and 2 in FIG. 4 are cases in which plasma etching is repeatedly performed in the order of an isotropic etching process, an endpoint detection etching process, and a protective film forming process. In Comparative Examples 1 and 2, the bottom surface etching process is not performed. Further, Comparative Examples 3 and 4 in FIG. 4 are cases in which plasma etching is repeatedly performed in the order of an isotropic etching process, an endpoint detection etching process, a protective film forming process, and a bottom surface etching process. In Comparative Examples 1 to 4, the emission intensity of plasma is measured in the etching process for detecting the end point (the process surrounded by a thick line). Moreover, in order to compare the etching arrival time in the plasma etching of an Example and Comparative Examples 1-4, the time required per cycle was 8 seconds in any example.

比較例１は、等方性エッチング工程と終点検出用エッチング工程を同じ条件で行った場合のものである。この場合、図５に示すように発光強度が殆ど変化せず、エッチングがSiO₂層に到達したか否かを検出することができなかった。これは、終点検出用エッチング工程における真空度が低く、エッチング生成物がプラズマまで殆ど到達できなかったためであると考えられる。 In Comparative Example 1, the isotropic etching step and the end point detection etching step are performed under the same conditions. In this case, as shown in FIG. 5, the emission intensity hardly changed, and it was not possible to detect whether or not the etching reached the SiO ₂ layer. This is presumably because the degree of vacuum in the etching process for detecting the end point was low, and the etching product could hardly reach the plasma.

比較例２は、終点検出用エッチング工程におけるSF₆ガスの供給量を、等方性エッチング工程のときより減らした場合のものである。この比較例２は、特許文献１に記載された、エッチング工程と保護膜形成工程の２工程からなるボッシュプロセスの該エッチング工程に、終点検出用の少量供給工程を設けたものに対応する。この例では、図６に示すように発光強度の変化が見られた。この例における発光強度比は約1.1であり、本実施例の発光強度比よりも低かった。SiO₂層へのエッチング到達時間は本実施例とほぼ同じであった。 Comparative Example 2 is a case where the supply amount of SF ₆ gas in the etching process for detecting the end point is reduced as compared with that in the isotropic etching process. This Comparative Example 2 corresponds to the Bosch process described in Patent Document 1 in which the etching process and the protective film forming process are provided with a small amount supply process for end point detection. In this example, a change in emission intensity was observed as shown in FIG. The emission intensity ratio in this example was about 1.1, which was lower than the emission intensity ratio of this example. The etching arrival time to the SiO ₂ layer was almost the same as in this example.

比較例３と比較例４は、非特許文献１に記載された、等方性エッチング工程と保護膜形成工程と底面エッチング工程の３工程からなるボッシュプロセスの該等方性エッチング工程に、終点検出用の少量供給工程を設けたものに対応する。比較例３は、終点検出用エッチング工程を、本実施例の底面エッチング工程と同条件（第１高周波電源１８から高周波電力を投入している）にした場合のものであり、比較例４は、終点検出用エッチング工程において第１高周波電源１８から高周波電力を投入しなかった場合のものである。 In Comparative Example 3 and Comparative Example 4, the end point is detected in the isotropic etching step of the Bosch process described in Non-Patent Document 1, which includes the three steps of the isotropic etching step, the protective film forming step, and the bottom surface etching step. Corresponding to those with a small amount of supply process. In Comparative Example 3, the end point detection etching step is performed under the same condition as that of the bottom surface etching step of the present embodiment (high frequency power is supplied from the first high frequency power supply 18). This is a case where no high frequency power is supplied from the first high frequency power source 18 in the etching process for detecting the end point.

比較例３及び４においても、図７及び図８に示すように発光強度の変化が見られたが、発光強度比は約1.1であり、本実施例の発光強度比よりも低かった。また、SiO₂層へのエッチング到達時間は本実施例よりも比較例３では230秒、比較例４では240秒長くなった（図９）。 In Comparative Examples 3 and 4 as well, a change in emission intensity was observed as shown in FIGS . 7 and 8 , but the emission intensity ratio was about 1.1, which was lower than the emission intensity ratio of this example. Further, the etching arrival time to the SiO ₂ layer was 230 seconds longer in Comparative Example 3 and 240 seconds longer in Comparative Example 4 than in this example (FIG. 9) .

比較例３及び４でSiO₂層へのエッチング到達時間が本実施例よりも長くかかったのは、Siのエッチング工程の一部を発光観測に充てるためガス流量を少なくしたためである。また、本実施例の発光強度比が、終点検出時の条件が同じ比較例３よりも高かったのは、本実施例のプラズマエッチングの終点検出方法では、終点検出を行う底面エッチング工程の前に、該底面エッチング工程と同じくガス流量と真空度の低い保護膜形成工程があるため、エッチング生成物がプラズマに到達するのを阻害する浮遊粒子の量が、比較例３よりも少なくなっているためであると考えられる。 In Comparative Examples 3 and 4, the time required to reach the SiO ₂ layer was longer than in this example because the gas flow rate was reduced because a part of the Si etching process was used for light emission observation. Further, the emission intensity ratio of this example was higher than that of Comparative Example 3 where the conditions at the time of end point detection were the same. In the plasma etching end point detection method of this example, before the bottom surface etching step for performing end point detection, Since there is a protective film forming step with a low gas flow rate and a low degree of vacuum as in the bottom surface etching step, the amount of suspended particles that inhibit the etching product from reaching the plasma is smaller than in Comparative Example 3. It is thought that.

１０…反応室
１１…ワーク
１２…下部電極
１３…誘電体窓
１４…ガス導入口
１５…ガス排気口
１６…ブロッキングコンデンサ
１７…第１整合器
１８…第１高周波電源
１９…コイル
２０…第２整合器
２１…第２高周波電源
２２…第１ガス供給源
２３…第２ガス供給源
２４…第１ＭＦＣ
２５…第２ＭＦＣ
２６…真空ポンプ
２７…観察窓
２８…光検出部
２９…制御部
３０…Si基板（被エッチング層）
３１…SiO₂層（下層膜）
３２…マスク
３３…エッチング穴
３４…保護膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Reaction chamber 11 ... Work 12 ... Lower electrode 13 ... Dielectric window 14 ... Gas introduction port 15 ... Gas exhaust port 16 ... Blocking capacitor 17 ... 1st matching device 18 ... 1st high frequency power supply 19 ... Coil 20 ... 2nd matching 21 ... second high frequency power supply 22 ... first gas supply source 23 ... second gas supply source 24 ... first MFC
25 ... 2nd MFC
26 ... Vacuum pump 27 ... Observation window 28 ... Light detection unit 29 ... Control unit 30 ... Si substrate (etched layer)
31 ... SiO ₂ layer (lower layer)
32 ... Mask 33 ... Etching hole 34 ... Protective film

Claims

被エッチング層と、前記被エッチング層の下面に設けられた下層膜を有するワークの該被エッチング層に等方性エッチングを行う等方性エッチング工程と、前記等方性エッチング工程においてエッチングされた部分の面に保護膜を形成する保護膜形成工程と、前記等方性エッチング工程よりも真空度が高い状態で、前記保護膜が形成された面のうち底面に形成された保護膜をイオンの照射により選択的に除去する底面エッチング工程と、を有するプラズマエッチングにおいて、
前記底面エッチング工程において前記被エッチング層をエッチングすることにより生成されるエッチング生成物がプラズマと反応することにより生じる光の強度を該底面エッチング工程において測定し、該底面エッチング工程において測定した光の強度の変化から、エッチングが前記下層膜まで到達したか否かを判定する
ことを特徴とするプラズマエッチングのエッチング終点検出方法。 An isotropic etching step for performing isotropic etching on the etching target layer of a workpiece having a layer to be etched and a lower layer film provided on the lower surface of the layer to be etched, and a portion etched in the isotropic etching step ions and the protective film forming step, while a higher degree of vacuum than the isotropic etching process, the protective film which the protective film is formed on the formed surface sac Chi bottom surface of the surface forming a protective film In the plasma etching having a bottom surface etching process selectively removed by irradiation of
Intensity of said intensity of the light generated by the at the bottom surface etching step etching products formed by etching the etching target layer from reacting with the plasma was measured in the bottom etching step, the light measured at the bottom surface etching step A method for detecting an end point of etching in plasma etching, wherein it is determined whether or not etching has reached the lower layer film from the change in.