JP4153961B2 - Etching method of silicon - Google Patents
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Description
この発明は、フッ素系ガスを用いて基板の表面のシリコンをエッチングする方法に関する。 The present invention relates to a method for etching silicon on the surface of a substrate using a fluorine-based gas.
例えば、特許文献1、2には、ウェハ表面のシリコンをオゾンによって酸化し酸化シリコンとしたうえで(式1)、フッ酸を用いてエッチングすることが記載されている。フッ酸は、フッ酸蒸気発生器で蒸発させ、これをウェハ表面に導いている。また、ウェハ温度は、50℃以上、好ましくは60℃以上とすることが記載されている。
特許文献3には、CF4等のフッ素系ガス中に大気圧近傍放電を起こすことによりHF、COF2等を生成し、更にCOF2についてはCF4等に混合させておいた水と反応させてHFとし(式2)、このようにして得たHFによって酸化シリコンをエッチング(式3)することが記載されている。
Si+2O3→SiO2+2O2 (式1)
COF2+H2O→CO2+2HF (式2)
SiO2+4HF+H2O→SiF4+3H2O (式3)
特許文献4には、加湿したCF4から大気圧プラズマ放電によってHFを得、これにO3を添加し、酸化シリコンをエッチングすることが記載されている。
特許文献5には、CF4とO2を大気圧放電させてラジカルを得、これをプラズマ空間から温度20℃又は100℃の基板に導き、単結晶シリコンをエッチングすることが記載されている。
特許文献6には、加湿CF4又は乾燥CF4を大気圧放電させ、基板温度90℃で結晶シリコンをエッチングすることが記載されている。
Si + 2O 3 → SiO 2 + 2O 2 (Formula 1)
COF 2 + H 2 O → CO 2 + 2HF (Formula 2)
SiO 2 + 4HF + H 2 O → SiF 4 + 3H 2 O (Formula 3)
Patent Document 4 describes that HF is obtained from humidified CF 4 by atmospheric pressure plasma discharge, O 3 is added thereto, and silicon oxide is etched.
Patent Document 5 describes that CF 4 and O 2 are discharged at atmospheric pressure to obtain radicals, which are led from a plasma space to a substrate at a temperature of 20 ° C. or 100 ° C. to etch single crystal silicon.
Patent Document 6 describes that humidified CF 4 or dry CF 4 is discharged at atmospheric pressure, and crystalline silicon is etched at a substrate temperature of 90 ° C.
従来のシリコンエッチングではエッチング速度をあまり大きくすることができなかった。発明者は、その理由を以下のように考察した。
例えば上掲特許文献1、2等では、エッチャントとしてのフッ酸を、はじめからフッ酸の形でウェハからなる基板に供給している。したがって、基板の表面上では上式1の酸化反応を除くと上式3のエッチング反応だけが起きているものと考えられる。この式3の反応では、酸化シリコンが揮発性のSiF4になるのに伴ない、新たに水(H2O)が生成される。
In conventional silicon etching, the etching rate could not be increased so much. The inventor considered the reason as follows.
For example, in
ここで、基板温度が低い場合、上記の新たに生成された水が凝縮し、基板表面上のフッ酸の凝縮相の中に溶け込む。このため、エッチング反応の進行に伴ない、凝縮相が成長し、厚さが増していく。一方、シリコンの酸化に必要なオゾンは、凝縮相に溶解して凝縮相中を拡散し基板表面に到達してはじめてシリコンの酸化に寄与し得るのであるが、凝縮相の厚さが増大すると基板表面まで到達する割合が減少してくる。したがって、オゾンの凝縮相での拡散律速が起き、シリコン酸化速度の低下を招く。
また、凝縮相のフッ化水素濃度が減少することもレートを下げる一因である可能性もある。
Here, when the substrate temperature is low, the newly generated water is condensed and dissolved in the condensed phase of hydrofluoric acid on the substrate surface. For this reason, as the etching reaction proceeds, the condensed phase grows and the thickness increases. On the other hand, ozone necessary for silicon oxidation can contribute to silicon oxidation only after it dissolves in the condensed phase and diffuses in the condensed phase and reaches the substrate surface. The rate of reaching the surface decreases. Therefore, the diffusion rate is limited in the ozone condensed phase, and the silicon oxidation rate is lowered.
In addition, a decrease in the hydrogen fluoride concentration in the condensed phase may also be a factor in reducing the rate.
逆に、基板温度が高い場合は、フッ酸凝縮相の成長の問題はなくなるが、その一方で、図4に示すように、オゾンの気−液間の分配係数が低下する。すなわち、温度が高くなればなるほど、オゾンがフッ酸凝縮相に溶解しにくくなる。したがって、オゾンの溶解律速が起き、やはりシリコン酸化速度の低下を招くことになる。 Conversely, when the substrate temperature is high, the problem of growth of the hydrofluoric acid condensed phase is eliminated, but on the other hand, as shown in FIG. 4, the partition coefficient between ozone and liquid decreases. That is, the higher the temperature, the more difficult it is for ozone to dissolve in the hydrofluoric acid condensed phase. Therefore, the rate of dissolution of ozone occurs, and the rate of silicon oxidation is also reduced.
よって、基板温度にはシリコン酸化速度をピークにする値が存在する。従来は、60℃前後が好適な基板温度とされていた。図4に示す通り、60℃付近の分配係数は0.1程度であり、オゾン全体の1割程度しか溶解させ得ないレベルである。しかしながら、フッ酸凝縮相の成長を抑える必要性からは、60℃が下限ぎりぎりの温度であり、それ以上、低温化して分配係数を上げるのは困難であった。また、高濃度のフッ酸水は水よりもフッ化水素のほうが蒸発しやすいので、高温になればフッ酸濃度自体も減少すると思われる。
このような事情から、従来のシリコンエッチングでは、シリコン酸化速度がピーク点においても十分な値にならず、おのずとエッチングレートも不十分な大きさにならざるを得なかった。
Therefore, the substrate temperature has a value that peaks the silicon oxidation rate. Conventionally, a suitable substrate temperature has been around 60 ° C. As shown in FIG. 4, the distribution coefficient in the vicinity of 60 ° C. is about 0.1, which is a level at which only about 10% of the total ozone can be dissolved. However, from the necessity of suppressing the growth of the hydrofluoric acid condensed phase, 60 ° C. is the limit temperature, and it is difficult to lower the temperature further to increase the partition coefficient. In addition, since hydrofluoric acid water with a high concentration tends to evaporate more than water, the hydrofluoric acid concentration itself seems to decrease at higher temperatures.
Under such circumstances, in the conventional silicon etching, the silicon oxidation rate does not become a sufficient value even at the peak point, and the etching rate naturally has to be insufficient.
また、特許文献5等のように、プラズマで生成したラジカルを用いてエッチングする場合、プラズマ空間と基板との間の距離が離れ過ぎていると、ラジカルが基板に到達するまでに失活してしまい、エッチングレートの低下を招く。一方、プラズマ空間と基板との間の距離を近づけ過ぎると、プラズマによって基板が損傷するおそれがある。したがって、プラズマ空間と基板との離間距離の設定範囲の自由度が小さい。 In addition, as in Patent Document 5, etc., when etching is performed using radicals generated by plasma, if the distance between the plasma space and the substrate is too far, the radicals are deactivated before reaching the substrate. As a result, the etching rate is reduced. On the other hand, if the distance between the plasma space and the substrate is too close, the substrate may be damaged by the plasma. Therefore, the degree of freedom of the setting range of the separation distance between the plasma space and the substrate is small.
ところで、式3のエッチング反応で新たな水が生成されるのは、HF等のフッ素系エッチングガスが水素原子を有しているためである。発明者は、以上の考察により、エッチングガス中に水素原子が存在することは、シリコンエッチングにマイナスの影響を及ぼす面もあるとの知見を得た。
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、
シリコンからなる被処理物をエッチングする方法において、
シリコンを酸化可能な酸化性ガスとしてオゾンを生成するとともに、このオゾン生成とは別に、シリコンとの反応性を有しないフッ素系原料と水とを含むガスを大気圧近傍のプラズマ空間に通すことによりフッ素系反応性ガスを生成して、前記オゾンと前記フッ素系反応性ガスとを温度を10℃〜50℃とした被処理物に吹付け、
前記フッ素系反応性ガスが、COF 2 、CF 3 OH、F 2 から選択される非ラジカルのフッ素系中間ガスを含み、フッ素原子数(F)と水素原子数(H)の比が(F)/(H)>1.5であり、
前記フッ素系中間ガスが水と反応して酸化シリコンのエッチング能を有するフッ素系エッチングガスとしてHFが生成され、このフッ素系エッチングガスによる酸化シリコンのエッチング反応により水が生成されることを特徴とする。
これによって、被処理物の表面上においてフッ素系中間ガスと水によるフッ素系エッチングガスの生成反応を起こすことができる。こうして出来たフッ素系エッチングガスと、被処理物が酸化してなる酸化シリコンとのエッチング反応時に水が発生したとしても、その水を、新たなフッ素系中間ガスのエッチングガス化反応に消費することができる。したがって、酸化シリコンのエッチング反応時に発生する水の凝縮を防止する必要がなく、被処理物温度が10℃〜50℃の低温であっても被処理物の表面上に凝縮相が成長するのを抑制することができる。被処理物の低温化によって、酸化性ガスの凝縮相への溶解度を向上させることができ、凝縮相の成長抑制によって、酸化性ガスの凝縮相中の拡散度を確保することができる。しかも、フッ素系中間ガスを主成分とするフッ素系反応性ガスの水素原子数(H)とフッ素原子数(F)の比が(F)/(H)>1.5になるようにすることにより、エッチング反応で生成される水を、フッ素系中間ガスのエッチングガス化反応で確実に消費することができ、凝縮相の成長を確実に抑制することができる。これによって、酸化性ガスの凝縮相中の拡散度を一層十分に確保することができる。この結果、シリコン酸化速度を向上させることができ、ひいては、エッチングレートを向上させることができる。
また、非ラジカルのフッ素系中間ガスを用いることにより、反応性ガスの吹出し部と被処理物との間の離間距離に応じてエッチングレートが低下したり被処理物が損傷を受けたりするのを回避でき、距離設定等の設計の自由度を向上させることができる。
最初のフッ素系エッチングガスを得るために、反応の最初だけフッ素系中間ガスに水蒸気を添加することにしてもよく、被処理物がアモルファスシリコンである場合等には、当該被処理物に含まれる水素と前記酸化性ガスとにより水を得、この水とフッ素系中間ガスとにより最初のフッ素系エッチングガスを得ることにしてもよい。或いは、最初だけフッ素系中間ガスとは別にフッ素系エッチングガスを被処理物表面に供給し、そのエッチング反応で生成された水によってフッ素系中間ガスのエッチングガス化を行なわせることにしてもよい。
被処理物の温度等によっては水が蒸発してフッ酸凝縮相が消滅することが有り得るため、その場合、蒸発した分の水をエッチング反応や供給ガス中への水蒸気添加により補うようにするのが好ましい。
By the way, the reason why new water is generated by the etching reaction of Formula 3 is that a fluorine-based etching gas such as HF has hydrogen atoms. From the above consideration, the inventor has found that the presence of hydrogen atoms in the etching gas has a negative effect on silicon etching.
The present invention has been made based on the above findings,
In a method of etching a workpiece made of silicon,
By generating ozone as an oxidizing gas that can oxidize silicon, and by passing a gas containing fluorine-based raw material that is not reactive with silicon and water through a plasma space near atmospheric pressure separately from this ozone generation A fluorine-based reactive gas is generated, and the ozone and the fluorine-based reactive gas are sprayed on an object to be processed at a temperature of 10 ° C. to 50 ° C. ,
The fluorine-based reactive gas includes a non-radical fluorine-based intermediate gas selected from COF 2 , CF 3 OH, and F 2 , and the ratio of the number of fluorine atoms (F) to the number of hydrogen atoms (H) is (F) /(H)>1.5 der is,
The fluorine-based intermediate gas reacts with water to generate HF as a fluorine-based etching gas having silicon oxide etching ability, and water is generated by etching reaction of silicon oxide with the fluorine-based etching gas. .
As a result, a generation reaction of a fluorine-based etching gas by the fluorine-based intermediate gas and water can be caused on the surface of the object to be processed. Even if water is generated during the etching reaction between the fluorine-based etching gas thus formed and silicon oxide formed by oxidizing the object to be processed, the water is consumed for the etching gasification reaction of a new fluorine-based intermediate gas. Can do. Therefore, it is not necessary to prevent the condensation of water generated during the etching reaction of silicon oxide, and the condensed phase grows on the surface of the object to be processed even if the object temperature is a low temperature of 10 ° C. to 50 ° C. Can be suppressed. The solubility of the oxidizing gas in the condensed phase can be improved by lowering the temperature of the workpiece, and the diffusion degree of the oxidizing gas in the condensed phase can be ensured by suppressing the growth of the condensed phase. In addition, the ratio of the number of hydrogen atoms (H) to the number of fluorine atoms (F) in the fluorine-based reactive gas mainly composed of a fluorine-based intermediate gas should be (F) / (H)> 1.5. Thus, water generated by the etching reaction can be reliably consumed by the etching gasification reaction of the fluorine-based intermediate gas, and the growth of the condensed phase can be reliably suppressed. As a result, the diffusivity of the oxidizing gas in the condensed phase can be more sufficiently ensured. As a result, the silicon oxidation rate can be improved, and consequently the etching rate can be improved.
In addition, by using a non-radical fluorine-based intermediate gas, the etching rate may be lowered or the object to be processed may be damaged depending on the separation distance between the reactive gas blowing portion and the object to be processed. This can be avoided, and the degree of freedom of design such as distance setting can be improved.
In order to obtain the first fluorine-based etching gas, water vapor may be added to the fluorine-based intermediate gas only at the beginning of the reaction. If the object to be processed is amorphous silicon, it is included in the object to be processed. Water may be obtained from hydrogen and the oxidizing gas, and the first fluorine-based etching gas may be obtained from the water and the fluorine-based intermediate gas. Alternatively, a fluorine-based etching gas may be supplied to the surface of the object to be processed separately from the fluorine-based intermediate gas only at the beginning, and the fluorine-based intermediate gas may be converted into an etching gas by water generated by the etching reaction.
Depending on the temperature of the object to be treated, water may evaporate and the hydrofluoric acid condensed phase may disappear, so in that case, the evaporated water should be supplemented by etching reaction or addition of water vapor to the supply gas. Is preferred.
前記フッ素系反応性ガスのフッ素原子数(F)と水素原子数(H)の比は、(F)/(H)>3であることがより望ましい。これによって、水(H2O)を一層確実に消費することができ、凝縮相の成長を一層確実に抑制することができる。
なお、上記の比(F)/(H)は、次のようにして測定することができる。
(1)前記フッ素系反応性ガス中のフッ素系中間ガスの濃度をフーリエ変換赤外分光器(FTIR)で測定し、フッ素系中間ガス中の水素原子数(H)を求める。
(2)前記フッ素系反応性ガスを一定量、水(アルカリ性水)に通すとともにPhを測定し、通す前と通した後の水素の濃度変化ΔHを求める。この濃度変化は、前記フッ素系反応性ガスの水とのHF生成反応によるものであるので、これから前記フッ素系反応性ガス中のフッ素原子数(F)が求まる。
(3)上記(1)と(2)より比(F)/(H)を算出する。
The ratio of the number of fluorine atoms (F) to the number of hydrogen atoms (H) in the fluorine-based reactive gas is more preferably (F) / (H)> 3. Thereby, water (H 2 O) can be consumed more reliably, and the growth of the condensed phase can be more reliably suppressed.
In addition, said ratio (F) / (H) can be measured as follows.
(1) The concentration of the fluorine-based intermediate gas in the fluorine-based reactive gas is measured with a Fourier transform infrared spectrometer (FTIR) to determine the number of hydrogen atoms (H) in the fluorine-based intermediate gas.
(2) A predetermined amount of the fluorine-based reactive gas is passed through water (alkaline water) and Ph is measured, and a change in hydrogen concentration ΔH before and after passing is obtained. This change in concentration is due to the HF generation reaction of the fluorine-based reactive gas with water, and from this, the number of fluorine atoms (F) in the fluorine-based reactive gas can be determined.
(3) The ratio (F) / (H) is calculated from the above (1) and (2).
前記フッ素系中間ガスは、水素を含まないフッ素系分子であることが好ましく、例えばCOF2であることが好ましいが、水と反応してHF等のフッ素系エッチングガスを生成するものであれば、CF3OH等の水素を含むものであってもよく、F2であってもよい。 The fluorine-based intermediate gas is preferably a fluorine-based molecule that does not contain hydrogen. For example, COF 2 is preferable, but if it reacts with water to generate a fluorine-based etching gas such as HF, It may contain hydrogen such as CF 3 OH or F 2 .
前記フッ素系反応性ガスが、シリコンとの反応性を有しないフッ素系原料に露点が10℃〜40℃(水蒸気分圧1.2282kPa〜7.3844kPa)になる量の水を添加してなる低露点フッ素系原料ガスを大気圧近傍のプラズマ空間に通すことにより得たものであることが好ましい。これにより、COF2をはじめとするフッ素系中間ガスを豊富に含むフッ素系反応性ガスを得ることができる。また、取り扱いの容易化を図ることができる。なお、プラズマ放電の投入電力が比較的大きい場合には、フッ素系原料に水を添加するのに加えて酸素をも添加するのが好ましい。
ここで、大気圧近傍とは、0.5bar〜2barの範囲を言い、好ましくは0.9〜1.1barの範囲を言う。
The fluorine-based reactive gas is obtained by adding water in an amount such that a dew point is 10 ° C. to 40 ° C. (water vapor partial pressure 1.2282 kPa to 7.3844 kPa) to a fluorine-based raw material that is not reactive with silicon. It is preferable that the dew point fluorine-based source gas is obtained by passing it through a plasma space near atmospheric pressure. Thereby, a fluorine-based reactive gas containing abundant fluorine-based intermediate gas such as COF 2 can be obtained. In addition, handling can be facilitated. In addition, when the input power of plasma discharge is relatively large, it is preferable to add oxygen in addition to adding water to the fluorine-based raw material.
Here, the vicinity of atmospheric pressure means a range of 0.5 bar to 2 bar, preferably a range of 0.9 to 1.1 bar.
フッ素を含みシリコンとの反応性を有しないフッ素系原料に露点が10℃〜40℃(水蒸気分圧1.2282kPa〜7.3844kPa)になる量の水を添加し、低露点フッ素系原料ガスを得る水添加工程と、
前記低露点フッ素系原料ガスを大気圧近傍のプラズマ空間に通すプラズマ化工程と、
シリコンを酸化可能な酸化性ガスと前記プラズマ化工程を経たガスとを含む反応性ガスを、温度を10℃〜50℃とした被処理物に吹付ける吹付け工程と、
を実行することが好ましい。
前記プラズマ化工程により、フッ素系原料からフッ素系中間ガスを多く含むフッ素系反応性ガス成分を得ることができる。
A fluorine-containing raw material containing fluorine and not having reactivity with silicon is added with an amount of water such that the dew point is 10 ° C. to 40 ° C. (water vapor partial pressure 1.2282 kPa to 7.3844 kPa). A water addition step to obtain;
A plasma process for passing the low dew point fluorine-based source gas through a plasma space near atmospheric pressure;
A spraying step of spraying a reactive gas containing an oxidizing gas capable of oxidizing silicon and a gas that has undergone the above-described plasma forming step onto an object to be processed at a temperature of 10 ° C. to 50 ° C .;
Is preferably performed.
By the plasma treatment step, a fluorine-based reactive gas component containing a large amount of fluorine-based intermediate gas can be obtained from the fluorine-based raw material.
前記酸化性ガスが、オゾンであることが好ましい。これにより、被処理物を構成するシリコンを確実に酸化させることができる。
前記酸化性ガスが、酸素ガスをオゾナイザーに通すことにより得たものあることが好ましい。これにより、酸化性ガスとして高濃度のオゾンを得ることができる。
オゾン添加量は、なるべく多くするのが好ましい。フッ素系中間ガスがCOF2であり、フッ素系エッチングガスがHFである場合、オゾンの添加流量は、少なくともCOF2の体積流量とHFの体積流量の2分の1とを合計した大きさ以上必要であり、好ましくは、その2倍程度である。
The oxidizing gas is preferably ozone. Thereby, the silicon which comprises a to-be-processed object can be oxidized reliably.
The oxidizing gas is preferably obtained by passing oxygen gas through an ozonizer. Thereby, high concentration ozone can be obtained as oxidizing gas.
It is preferable to increase the amount of ozone added as much as possible. When the fluorine-based intermediate gas is COF 2 and the fluorine-based etching gas is HF, the addition flow rate of ozone must be at least the sum of the volume flow rate of COF 2 and one half of the volume flow rate of HF. Preferably, it is about twice that.
前記酸化性ガスが、酸素ガスを大気圧近傍のプラズマ空間に通すことにより得たものであってもよい。
このプラズマ空間は、前記低露点フッ素系原料ガスをプラズマ化するためのプラズマ空間と同一でもよく、別でもよい。前者の同一の場合、1つのプラズマ生成装置を共用することができ、装置構成を簡素化できる。後者の別々の場合、高濃度のオゾン等の酸化性ガスを得ることができるとともに、低露点フッ素系原料ガスのプラズマ化を効率的に行なうことができる。
The oxidizing gas may be obtained by passing oxygen gas through a plasma space near atmospheric pressure.
This plasma space may be the same as or different from the plasma space for converting the low dew point fluorine-based source gas into plasma. In the case of the former, one plasma generation apparatus can be shared, and the apparatus configuration can be simplified. In the latter case, an oxidizing gas such as high-concentration ozone can be obtained, and the low dew point fluorine-based source gas can be efficiently converted to plasma.
フッ素を含みシリコンとの反応性を有しないフッ素系原料と、このフッ素系原料に対し露点が10℃〜40℃(水蒸気分圧1.2282kPa〜7.3844kPa)になる量の水と、酸素とを混合して混合ガスを得る混合工程と、
前記混合ガスを大気圧近傍のプラズマ空間に通し、反応性ガスを得るプラズマ化工程と、
前記反応性ガスを、温度を10℃〜50℃とした被処理物に吹付ける吹付け工程と、
を実行することにしてもよい。
これにより、1つのプラズマ空間においてフッ素系原料ガスからはフッ素系中間ガスを得ることができ、酸素ガスからは酸化性ガスを得ることができる。
A fluorine-based raw material that contains fluorine and has no reactivity with silicon, water in an amount such that the dew point is 10 ° C. to 40 ° C. (water vapor partial pressure of 1.2282 kPa to 7.3844 kPa), oxygen, Mixing step to obtain a mixed gas by mixing
A plasma process for obtaining a reactive gas by passing the mixed gas through a plasma space near atmospheric pressure;
A spraying step of spraying the reactive gas on an object to be processed at a temperature of 10 ° C. to 50 ° C .;
May be executed.
Thereby, in one plasma space, a fluorine-based intermediate gas can be obtained from the fluorine-based source gas, and an oxidizing gas can be obtained from the oxygen gas.
また、本発明は、シリコンからなる被処理物をエッチングする方法において、
シリコンとの反応性を有しないフッ素系原料と、このフッ素系原料に対し露点が10℃〜40℃になる量の水と、酸素とを混合して混合ガスを得る混合工程と、
前記混合ガスを大気圧近傍のプラズマ空間に通すことにより反応性ガスを生成するプラズマ化工程と、
前記反応性ガスを、温度を10℃〜50℃とした被処理物に吹き付ける吹付け工程と、
を実行し、前記混合ガス中の酸素の割合が、前記フッ素系原料に対し5〜20vol%であり、
前記反応性ガスが、
(a) シリコンを酸化可能な酸化性ガスとしてオゾンと、
(b) COF 2 、CF 3 OH、F 2 から選択される非ラジカルのフッ素系中間ガスを含み、フッ素原子数(F)と水素原子数(H)の比が(F)/(H)>1.5であるフッ素系反応性ガスと、
を含み、前記フッ素系中間ガスが水と反応して酸化シリコンのエッチング能を有するフッ素系エッチングガスとしてHFが生成され、このフッ素系エッチングガスによる酸化シリコンのエッチング反応により水が生成されることを他の特徴とする。
前記混合ガス中の酸素の割合の下限を5vol%とすることにより、プラズマ放電の投入電力が高くても、フッ素系中間ガスを十分に生成することができる。上限を20vol%としたのは、これを超えるとフッ素系中間ガスの生成が飽和してしまうためである。前記酸素割合は、プラズマ放電の投入電力にもよるが、前記フッ素系原料に対し7〜13vol%であることがより好ましい。
The present invention also relates to a method for etching a workpiece made of silicon,
A mixing step of mixing a fluorine raw material having no reactivity with silicon, an amount of water having a dew point of 10 ° C. to 40 ° C. with respect to the fluorine raw material, and obtaining a mixed gas;
A plasma process for generating a reactive gas by passing the mixed gas through a plasma space near atmospheric pressure;
A spraying step of spraying the reactive gas on an object to be processed at a temperature of 10 ° C. to 50 ° C .;
Is executed, the percentage of oxygen in the mixed gas, Ri 5~20Vol% der respect to the fluorine-based material,
The reactive gas is
(A) ozone as an oxidizing gas capable of oxidizing silicon;
(B) a non-radical fluorine-based intermediate gas selected from COF 2 , CF 3 OH, and F 2 , and the ratio of the number of fluorine atoms (F) to the number of hydrogen atoms (H) is (F) / (H)> A fluorine-based reactive gas which is 1.5;
The fluorine-based intermediate gas reacts with water to generate HF as a fluorine-based etching gas having silicon oxide etching ability, and water is generated by the etching reaction of silicon oxide with the fluorine-based etching gas. Other features.
By setting the lower limit of the proportion of oxygen in the mixed gas to 5 vol%, it is possible to sufficiently generate a fluorine-based intermediate gas even when the input power of plasma discharge is high. The reason why the upper limit is set to 20 vol% is that when the upper limit is exceeded, the production of the fluorine-based intermediate gas is saturated. The oxygen ratio is more preferably 7 to 13 vol% with respect to the fluorine-based raw material, although it depends on the input power of plasma discharge.
前記フッ素系原料が、CF4であることが好ましい。
これにより、前記プラズマ空間においてフッ素系中間ガスとしてCOF2やCF3OHやF2を得ることができる。
The fluorine-based material is preferably CF 4 .
This makes it possible to obtain COF 2 and CF 3 OH and F 2 as the fluorine-based intermediate gas in said plasma space.
前記プラズマ化工程において、前記プラズマ空間に通した後の水の濃度が、通す前の1/10以下であることが好ましい。
これにより、水のほとんどをフッ素系中間ガスのエッチングガス化反応に消費でき、被処理物表面の凝縮相の成長を確実に抑制でき、エッチングレートを確実に向上させることができる。
することができる。
In the plasmification step, it is preferable that the concentration of water after passing through the plasma space is 1/10 or less before passing.
Thereby, most of the water can be consumed in the etching gasification reaction of the fluorine-based intermediate gas, the growth of the condensed phase on the surface of the object to be processed can be reliably suppressed, and the etching rate can be reliably improved.
can do.
前記露点は、10℃〜30℃(水蒸気分圧1.228kPa〜4.2467kPa)であることが好ましく、10℃〜20℃で(水蒸気分圧1.228kPa〜2.3392kPa)あることがより好ましく、10℃〜17℃(水蒸気分圧1.2282kPa〜1.9383kPa)であることがより一層好ましい。
これによって、エッチングレートを確実に向上させることができる。
The dew point is preferably 10 ° C. to 30 ° C. (water vapor partial pressure 1.228 kPa to 4.2467 kPa), more preferably 10 ° C. to 20 ° C. (water vapor partial pressure 1.228 kPa to 2.3392 kPa). More preferably, it is 10 to 17 ° C. (water vapor partial pressure 1.2282 kPa to 1.9383 kPa).
As a result, the etching rate can be reliably improved.
前記被処理物の温度の上限は、50℃より低くしてもよく、40℃以下としてもよい。
前記被処理物の温度を、10℃〜30℃とすることがより好ましい。
これによって、オゾン等の酸化性ガスが被処理物表面の凝縮相に容易に溶解するようにすることができ、シリコン酸化速度を向上できる。或いはフッ化水素等が溶解しやすくなってフッ酸濃度を高めることができる。よって、エッチングレートを一層向上させることができる。
The upper limit of the temperature of the object to be processed may be lower than 50 ° C or 40 ° C or lower.
More preferably, the temperature of the object to be processed is 10 ° C to 30 ° C.
Thus, an oxidizing gas such as ozone can be easily dissolved in the condensed phase on the surface of the object to be processed, and the silicon oxidation rate can be improved. Or hydrogen fluoride etc. become easy to melt | dissolve and a hydrofluoric acid density | concentration can be raised. Therefore, the etching rate can be further improved.
前記被処理物の温度範囲の下限を10℃としたのは、被処理物表面への結露を防止するためである。(室温が25℃の場合、相対湿度が38%以内であればよい。)
前記被処理物の温度範囲の下限を10℃に代えて室内露点としてもよい。
これによって、室内の水分が被処理物表面に結露するのを防止でき、被処理物表面の凝縮相の成長を一層確実に防止することができる。
The reason why the lower limit of the temperature range of the object to be processed is 10 ° C. is to prevent condensation on the surface of the object to be processed. (When the room temperature is 25 ° C., the relative humidity may be within 38%.)
The lower limit of the temperature range of the object to be processed may be an indoor dew point instead of 10 ° C.
Thereby, it is possible to prevent moisture in the room from condensing on the surface of the object to be processed, and it is possible to more reliably prevent the growth of the condensed phase on the surface of the object to be processed.
前記被処理物の温度を、室温にすることがより好ましい。
これによって、被処理物を加熱したり冷却したりする必要がなく、被処理物の温度調節工程を省くことができる。
It is more preferable that the temperature of the object to be processed is room temperature.
Accordingly, it is not necessary to heat or cool the object to be processed, and the temperature adjustment process of the object to be processed can be omitted.
本発明によれば、エッチング反応時に水が発生したとしても、その水をフッ素系エッチングガスの生成反応に用いることができる。よって、被処理物温度が低温であっても被処理物の表面上に凝縮相が成長するのを抑制することができる。これによって、シリコン酸化速度を向上させることができ、ひいては、エッチングレートを向上させることができる。 According to the present invention, even if water is generated during the etching reaction, the water can be used for the generation reaction of the fluorine-based etching gas. Therefore, it is possible to suppress the growth of the condensed phase on the surface of the workpiece even when the workpiece temperature is low. As a result, the silicon oxidation rate can be improved, and consequently the etching rate can be improved.
以下、本発明の第1実施形態を説明する。
図1に示すように、ガラスなどの基板90の上面には、シリコンの膜91(被処理物)が形成されている。シリコン膜91を構成するシリコンは、アモルファスシリコンでもよく、微結晶Si・多結晶Si等の結晶性のシリコンでもよい。シリコンを主成分とし、0〜20%程度の水素を含む膜であってもよい。基板90がウェハ等のシリコンで構成され、このシリコン基板90自体が被処理物としてエッチング対象になっていてもよい。PやB等をドープしたn型又はP型シリコンでもよい。一例を挙げると、液晶用のTFTに使われる基板では、ガラス上にSiNが成膜され、その後、本実施形態の被処理物となる非晶質SiがプラズマCVDで成膜されている。
図において、基板90及びシリコン膜91の厚さは誇張して示してある。
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, a silicon film 91 (object to be processed) is formed on the upper surface of a
In the drawing, the thickness of the
エッチング装置1は、基板温度調節手段2と、搬送手段3と、反応性ガス供給系4を備えている。
基板温度調節手段2は、加熱器や冷却器(図示省略)を含み、処理すべき基板90の温度が所定になるように調節するようになっている。基板90の温度は、10℃〜50℃が好ましく、10℃〜30℃がより好ましく、室温とするのがより一層好ましい。温度範囲の下限は、10℃に代えて室内露点としてもよい。基板温度を室温とする場合、基板温度調節手段2は省略してもよい。
搬送手段3は、基板90を反応性ガス供給系4に対し例えば図1の左右方向に相対移動させるようになっている。
The etching apparatus 1 includes a substrate
The substrate temperature adjusting means 2 includes a heater and a cooler (not shown), and adjusts the temperature of the
The transport means 3 moves the
反応性ガス供給系4は、オゾン供給系10と、フッ素系ガス供給系20を備えている。
オゾン供給系10は、酸素供給部11と、この酸素供給部11に接続されたオゾナイザー12を含んでいる。詳細な図示は省略するが、酸素供給部11は、酸素ガスボンベやマスフローコントローラを有し、所定流量の酸素ガス(O2)をオゾナイザー12に供給するようになっている。オゾナイザー12は、酸素ガスから酸化性ガスであるオゾン(O3)を生成するようになっている。オゾナイザー12の出口部におけるオゾン濃度は、対酸素比で1〜15vol%であるのが望ましい。
The reactive gas supply system 4 includes an
The
フッ素系ガス供給系20は、フッ素系原料供給部21と、このフッ素系原料供給部21に接続された加湿器22と、この加湿器22に接続されたリモート式のプラズマヘッド23を備えている。詳細な図示は省略するが、フッ素系原料供給部21は、フッ素系原料としてCF4を蓄えたタンクやマスフローコントローラを有し、所定流量のCF4を加湿器22に供給するようになっている。加湿器22は、フッ素系原料供給部21からのCF4ガスに、所定量の水を添加するようになっている。この水添加量は、添加後のCF4ガスの露点が、10℃〜40℃になる量であるのが好ましく、10℃〜30℃になる量であるのがより好ましく、10℃〜20℃になる量であるのが一層好ましい。これによって、従来よりも低露点のCF4ガスが生成される。
The fluorine-based
リモート式プラズマヘッド23は、上記搬送手段3にて相対移動される基板90の上方に配置されるようになっている。プラズマヘッド23は、一対の電極24,24を備えている。一方の電極24に電源25が接続され、他方の電極24は電気的に接地されている。一対の電極24,24間にスリット状の空間26が形成されている。この電極間空間26の上端部に加湿器22からのガス路が連なっている。電極の対向面には固体誘電体層が設けられている。
電源25から一方の電極24への電圧供給により、電極間空間26に大気圧グロー放電が形成される。これにより、電極間空間26が大気圧プラズマ空間となるようになっている。
供給電圧は、Vpp=10〜15kVが好ましい。電圧波形は、パルス等の間欠波でもよく、正弦波等の連続波でもよい。
The
By supplying a voltage from the
The supply voltage is preferably Vpp = 10 to 15 kV. The voltage waveform may be an intermittent wave such as a pulse or a continuous wave such as a sine wave.
リモート式プラズマヘッド23の電極間空間26の下端部から短い吹出路27が延び、この吹出路27の下端部がプラズマヘッド23の下面に開口されている。吹出し路27の中間部にオゾナイザー12からのオゾン供給路13が合流されている。プラズマヘッド23の下面の吹出路27の下端開口(吹出し口)の近傍には、基板90との相対移動方向に離れて吸引路41の端部開口(吸引口)が配置されている。吸引路41は、真空ポンプ等の排気手段42に連なっている。
A
上記エッチング装置1によって、基板90のシリコン膜91をエッチングする方法を説明する。
基板温度調節工程
処理すべき基板90を、基板温度調節手段2にて10℃〜50℃、好ましくは10℃〜30℃の所定温度に調節する。基板90の所定温度が室温の場合は、特に温度調節を行なう必要はない。
この基板90をプラズマヘッド23の下側に配置する。
A method for etching the
Substrate temperature adjusting step The
The
オゾン化工程
次に、酸素供給部11からの酸素をオゾナイザー12でオゾン化する。これにより、オゾン含有酸素ガスを得る。このオゾン含有酸素ガスをオゾン供給路13に導出する。
Ozonation process will be ozonized in an
水添加工程
また、フッ素系原料供給部21からのCF4を加湿器22に導入し、この加湿器22において、露点が10℃〜40℃、好ましくは10℃〜30℃になる量の水を添加する。この添加水量は、後記プラズマ化工程において、プラズマ空間26に通した後の水の濃度が、通す前の1/10以下になるような量であることが好ましい。
Water addition step In addition, CF 4 from the fluorine-based raw
プラズマ化工程
水添加後のCF4をプラズマヘッド23の電極間空間26に導入する。併行して、電源25から電極24に電圧を供給することにより、電極間空間26に大気圧グロー放電を立て、電極間空間26をプラズマ空間とする。これによって、CF4がプラズマ化され、添加された水と反応を起こし、COF2、CF3OH、F2等のフッ素系中間ガスや、フッ素系エッチングガスであるHF等が生成される。しかも、上記水添加量の設定により、COF2等の中間ガスがHFよりも多く生成される。これにより、例えばCOF2リッチのフッ素系反応性ガスを吹出し路27に導出することができる。
なお、プラズマ放電の投入電力が比較的大きい場合には、CF4に水を添加するのに加えて例えばCF4に対し10vol%程度の酸素(O2)をも添加するのが好ましい。これにより、フッ素系中間ガスとしてCOF2をより確実に生成することができる。
CF 4 after the addition of water into the plasma process is introduced into the
In addition, when the input power of plasma discharge is relatively large, in addition to adding water to CF 4 , it is preferable to add, for example, about 10 vol% oxygen (O 2 ) to CF 4 . Thereby, COF 2 can be more reliably generated as the fluorine-based intermediate gas.
混合工程
このCOF2リッチガスにオゾン供給路13からのオゾン含有酸素ガスを混合する。この混合ガスにより「酸化性ガスとフッ素系中間ガスを含む反応性ガス」が構成される。
Mixing Step Ozone-containing oxygen gas from the
吹付け工程
この混合ガスを吹出し路27から吹き出し、基板90のシリコン膜91の表面に吹き付ける。これにより、シリコン膜91の表面上で反応が起き、シリコン膜91のエッチングがなされる。反応に関わるCOF2、HF、O3等は非ラジカルであるので、プラズマヘッド23と基板90の間のワーキングディスタンスに応じてエッチングレートが低下したり基板90が損傷を受けたりするのを回避でき、ヘッド高さの設定等を容易化でき、設計の自由度を向上させることができる。
処理済みのガスは、吸引路41で吸込み、排気手段42で排出する。さらに、搬送手段3で基板90を相対移動させ、基板90全体をエッチング処理する。
Blowing Step This mixed gas is blown out from the
The treated gas is sucked in by the
このシリコンエッチングの詳細メカニズムは確定的ではないが、以下のような反応が起きているものと考えられる。プラズマ空間26からの供給ガス中のHFは無視する。
[ケース1]
(酸化過程)
Si+2O3 → SiO2+2O2 (式11)
(HF生成過程)
2COF2+2H2O → 2CO2+4HF (式12)
(フッ酸溶解過程)
4HF+4HF+4H2O → 4HF2 −+4H3O+ (式13)
(エッチング過程)
SiO2+4HF2 −+4H3O+ → SiF4+2H2O+4H2O+4HF(式14)
Although the detailed mechanism of this silicon etching is not definitive, it is considered that the following reaction occurs. HF in the supply gas from the
[Case 1]
(Oxidation process)
Si + 2O 3 → SiO 2 + 2O 2 (Formula 11)
(HF generation process)
2COF 2 + 2H 2 O → 2CO 2 + 4HF (Formula 12)
(Hydrofluoric acid dissolution process)
4HF + 4HF + 4H 2 O → 4HF 2 − + 4H 3 O + (Formula 13)
(Etching process)
SiO 2 + 4HF 2 − + 4H 3 O + → SiF 4 + 2H 2 O + 4H 2 O + 4HF (Formula 14)
式13に示すように、シリコン膜91の表面上にはフッ酸の凝縮相が形成されている。この凝縮相の表面に、上記吹出ガス中の各成分が接触する。
吹出ガス中のオゾンが凝縮相表面に接触すると、基板温度に対する分配係数(図4)にしたがう割合で凝縮相中へ溶解する。基板温度は10℃〜50℃等の低温に設定されているので、分配係数が大きく、オゾンの凝縮相中への溶解度を十分に大きくすることができる。また、低温下であるので、オゾンが分解するのを防止でき、オゾン寿命を十分に長くすることができる。凝縮相中に溶解したオゾンは、凝縮相中を拡散してシリコン膜91の表面に達する。このオゾンによってシリコン膜91を構成するシリコンが酸化され、酸化シリコンとなる(式11)。オゾン溶解度が大きいので、シリコン酸化速度を十分に大きくすることができる。
As shown in
When ozone in the blown-out gas comes into contact with the condensed phase surface, it dissolves into the condensed phase at a rate according to the distribution coefficient (FIG. 4) with respect to the substrate temperature. Since the substrate temperature is set to a low temperature such as 10 ° C. to 50 ° C., the distribution coefficient is large, and the solubility of ozone in the condensed phase can be sufficiently increased. Moreover, since it is under low temperature, it can prevent that ozone decomposes | disassembles and can make ozone life long enough. The ozone dissolved in the condensed phase diffuses in the condensed phase and reaches the surface of the
こうして出来た酸化シリコンに、凝縮相を構成するフッ酸が接触し、酸化シリコンが揮発性のSiF4となって吸引口から吸引され除去される(式14)。これによって、シリコンエッチングがなされる。シリコン酸化速度が大きいので、エッチングレートを十分に大きくすることができる。 The hydrofluoric acid constituting the condensed phase comes into contact with the silicon oxide thus formed, and the silicon oxide becomes volatile SiF 4 and is sucked and removed from the suction port (Formula 14). As a result, silicon etching is performed. Since the silicon oxidation rate is high, the etching rate can be sufficiently increased.
上記エッチング反応によって水(蒸気)が生成される(式14)。この水の一部(式14の右辺第2項の2H2O)が、上記吹出ガス中のCOF2と反応し、HFが生成される(式12)。したがって、この水(2H2O)は、式12及び式14の2つの反応において触媒のように振舞う。なお、上記エッチング反応によって生成された水の残部(式14の右辺第3項の4H2O)は、フッ酸凝縮相の形成に使われ(式13の左辺第3項)、更に、酸化シリコンのエッチング反応で消費される(式14)。
Water (steam) is generated by the etching reaction (Formula 14). A part of this water (2H 2 O in the second term on the right side of Formula 14) reacts with COF 2 in the blown gas to generate HF (Formula 12). Therefore, this water (2H 2 O) behaves like a catalyst in the two reactions of
これによって、基材の表面上の凝縮相が成長するのを防止又は抑制することができる。したがって、凝縮相中でのオゾンの拡散律速が起きるのを防止でき、オゾンをシリコン膜91の表面まで確実に拡散させることができる。よって、上述したオゾンの凝縮相中への溶解度向上と相俟って、シリコン膜91の酸化速度を一層大きくすることができる。
また、フッ酸についても拡散律速が起きるのを防止でき、エッチング反応が確実に行なわれるようにすることができる。
さらには、凝縮相の成長抑制によって、エッチング反応で発生したSiF2が基板90表面から速やかに放出されるようにすることができ、SiO2の再析出を防止することができる。この結果、エッチングレートをより一層向上させることができる。
Thereby, it is possible to prevent or suppress the growth of the condensed phase on the surface of the substrate. Therefore, it is possible to prevent the rate of diffusion of ozone in the condensed phase from occurring, and ozone can be reliably diffused to the surface of the
In addition, it is possible to prevent diffusion rate-limiting from occurring with hydrofluoric acid, and to ensure that the etching reaction takes place.
Furthermore, by suppressing the growth of the condensed phase, SiF 2 generated by the etching reaction can be promptly released from the surface of the
式12においてCOF2から出来たHFは、フッ酸凝縮相に溶解し(式13の左辺第1項)、酸化シリコンのエッチングに寄与することができる(式14)。エッチング反応により生成されるHF(式14の右辺第4項)についても、同様にフッ酸凝縮相に溶解し(式13の左辺第2項)、酸化シリコンのエッチングに寄与することができる(式14)。
In
式11〜式14は、以下の反応式にまとめられる。
Si+2O3+2COF2 → SiF4+2O2+2CO2 (式15)
理論的には、処理の最初だけH2Oを供給すれば、中間ガスCOF2のHF化反応(式12)が起き、これがきっかけとなって式11〜14の反応が連鎖し、全体として式15で表される反応が進むことになる。したがって、一旦、反応が開始すれば、その後は、プラズマ空間26からのCOF2リッチの供給ガスにHFがまったく含まれていなかったとしても、中間ガスのCOF2さえ含まれていれば、シリコンエッチング処理を継続することができる。
ここで、プラズマ空間26からの供給ガスに含まれる成分のうち、フッ素系エッチングガスとフッ素系中間ガスと水とを合わせた全体の水素原子数(H)とフッ素原子数(F)の比(F)/(H)を考えると、式15においては、フッ素原子数(F)が2COF2中の4個に対し水素原子(H)がゼロであるので、(F)/(H)=無限大となる。
Si + 2O 3 + 2COF 2 → SiF 4 + 2O 2 + 2CO 2 (Formula 15)
Theoretically, if H 2 O is supplied only at the beginning of the treatment, the HF conversion reaction (formula 12) of the intermediate gas COF 2 occurs, and this causes the reactions of
Here, among the components contained in the supply gas from the
一方、式14のエッチング反応を起こすにはシリコン膜91の表面にある程度の厚さの凝縮相が存在することが必要と考えられるところ、凝縮相があまり薄すぎると水の蒸発により簡単に蒸発してしまう。また、エッチング反応で出来た水(式14の右辺第2項)が、COF2と出会ってHF化反応(式12)を起こす前にSiF4等と一緒に吸引口から吸引されてしまうこともあり得る。そこで、実際には、上記水添加工程を継続的に行なうのが好ましい。
一般に液晶駆動用のTFT(薄膜トランジスタ)に使用される、プラズマCVDで作製されたアモルファスシリコンの場合、膜中に約10%程度の水素が含まれている。この場合、下式11aに示すように、オゾンによる酸化反応によって水が生成される。この水を利用して最初のHF化反応(式12)を起こしたり、その後の水補給を行ったりすることができる。
SiH2x+(2+x)O3→SiO2+(2+x)O2+xH2O (式11a)
ここで、SiH2xは、被処理物のシリコン原子1個につき2x個の水素原子が含まれていることを示し、アモルファスシリコンでは2x≒0.1であり、通常シリコンでは2x=0である。
被処理物の含有水素を考慮した場合の全体の反応式は、以下のようになる。
SiH2x+(2+x)O3+2COF2→SiF4+(2+x)O2+2CO2 (式15a)
On the other hand, in order to cause the etching reaction of Formula 14, it is considered necessary that a condensed phase with a certain thickness exists on the surface of the
In the case of amorphous silicon produced by plasma CVD, which is generally used for TFTs (thin film transistors) for driving liquid crystals, about 10% of hydrogen is contained in the film. In this case, as shown in the following formula 11a, water is generated by an oxidation reaction with ozone. This water can be used to cause the first HF reaction (Formula 12) or to supply water thereafter.
SiH 2x + (2 + x) O 3 → SiO 2 + (2 + x) O 2 + xH 2 O (Formula 11a)
Here, SiH 2x indicates that 2x hydrogen atoms are contained in each silicon atom of the object to be processed. In amorphous silicon, 2x≈0.1, and in normal silicon, 2x = 0.
The overall reaction formula when considering the hydrogen content of the workpiece is as follows.
SiH 2x + (2 + x) O 3 + 2COF 2 → SiF 4 + (2 + x) O 2 + 2CO 2 (Formula 15a)
上記のケース1は、プラズマ空間26からの供給ガス成分のうち専らCOF2に着目して反応を考えてきたが、供給ガスにはHFもいくらか含まれている。これを考慮した場合、式11〜式14の各反応は以下のように書き直すことができる。
[ケース2]
(酸化過程)
Si+2O3 → SiO2+2O2 (式11b)
(HF生成過程)
COF2+H2O → CO2+2HF (式12b)
(フッ酸溶解過程)
2HF+4HF+2HF+4H2O → 4HF2 −+4H3O+ (式13b)
(エッチング過程)
SiO2+4HF2 −+4H3O+ → SiF4+H2O+4H2O+H2O+4HF
(式14b)
式13bの左辺第1項の2HFが、プラズマ空間26からの供給ガス中のHFに対応する。この供給ガス中のHFは、シリコン膜91の表面のフッ酸凝縮相と空気層との界面からフッ酸凝縮相中に溶解する。なお、同式13bの左辺第2項の4HFは、エッチング反応で生成されたもの(式14bの右辺第5項)に対応し、式13bの左辺第3項の2HFは、供給ガス中のCOF2のHF化反応で生成されたもの(式12bの右辺第2項)に対応する。
また、エッチング反応(式14b)で生成されたH2Oのうち一部(式14bの右辺第2項)が、COF2のHF化反応(式12bの左辺第2項)に使われ、他の一部(式14bの右辺第3項)は、フッ酸溶解(式13bの左辺第4項)を経て新たなエッチング反応(式14b)に使われる。
In the case 1 described above, the reaction has been considered focusing on COF 2 among the components of the gas supplied from the
[Case 2]
(Oxidation process)
Si + 2O 3 → SiO 2 + 2O 2 (Formula 11b)
(HF generation process)
COF 2 + H 2 O → CO 2 + 2HF (Formula 12b)
(Hydrofluoric acid dissolution process)
2HF + 4HF + 2HF + 4H 2 O → 4HF 2 − + 4H 3 O + (formula 13b)
(Etching process)
SiO 2 + 4HF 2 − + 4H 3 O + → SiF 4 + H 2 O + 4H 2 O + H 2 O + 4HF
(Formula 14b)
2HF in the first term on the left side of Equation 13b corresponds to HF in the supply gas from the
Further, a part of H 2 O generated by the etching reaction (Formula 14b) (the second term on the right side of Formula 14b) is used for the HF reaction of COF 2 (the second term on the left side of Formula 12b). A part (3rd term on the right side of Formula 14b) is used for a new etching reaction (Formula 14b) via hydrofluoric acid dissolution (4th term on the left side of Formula 13b).
式11b〜14bの反応は、H2Oを媒介にした正のフィードバックが働く連鎖反応である。この連鎖反応は、基板温度を50℃以下の範囲で調節してシリコン膜表面のH2Oの存在量を増減させることにより制御可能である。上記水添加工程における水添加量が少ないので、シリコン膜表面のH2O量も少なく、シリコン膜表面は常にドライな傾向を示す。したがって、50℃以下の温度調節によりシリコン膜表面のH2O量を十分にコントロールでき、ひいては凝縮相の成長を確実に抑制することができる。また、シリコン膜表面のH2O量が少なく蒸発しやすい分、供給ガス中のHFによってH2Oを余分に生成し(式14bの右辺第4項)、これによりシリコン膜表面のH2O量を確保して反応を維持するようにすることができる。
また、供給ガス中にHFが存在することにより、処理開始時にCOF2をHF化するためのH2Oを確実に得ることができる。
The reaction of the formula 11b~14b are chain reaction acting positive feedback that of H 2 O in mediating. This chain reaction can be controlled by adjusting the substrate temperature within a range of 50 ° C. or less to increase or decrease the amount of H 2 O present on the silicon film surface. Since the amount of water added in the water addition step is small, the amount of H 2 O on the silicon film surface is also small, and the silicon film surface always shows a dry tendency. Therefore, the amount of H 2 O on the surface of the silicon film can be sufficiently controlled by adjusting the temperature to 50 ° C. or lower, and as a result, the growth of the condensed phase can be reliably suppressed. Also, H 2 O amount is less evaporable amount of the silicon film surface, extra generating of H 2 O by HF in the feed gas (fourth term on the right-hand side of Equation 14b), thereby the silicon film surface H 2 O An amount can be ensured to maintain the reaction.
In addition, since HF is present in the supply gas, it is possible to reliably obtain H 2 O for converting COF 2 to HF at the start of processing.
式11b〜14bをまとめると、下式のようになる。
Si+2O3+COF2+2HF → SiF4+2O2+CO2+H2O (式15b)
式15bにおいて、反応に寄与する水素原子数(H)は、左辺第4項の2HF中の2個であり、フッ素原子数(F)は、左辺第3項のCOF2中の2個と左辺第4項の2HF中の2個で合計4個である。したがって、反応に寄与する水素原子数(H)とフッ素原子数(F)の比(F)/(H)は、(F)/(H)=2となる。
比(F)/(H)は、(F)/(H)>1.5になるようにするのが好ましい。
The formulas 11b to 14b are summarized as follows.
Si + 2O 3 + COF 2 + 2HF → SiF 4 + 2O 2 + CO 2 + H 2 O (Formula 15b)
In Formula 15b, the number of hydrogen atoms (H) contributing to the reaction is two in 2HF in the fourth term on the left side, and the number of fluorine atoms (F) is two in COF 2 in the third term on the left side and the left side Two in 2HF in the fourth term, a total of four. Therefore, the ratio (F) / (H) of the number of hydrogen atoms (H) and the number of fluorine atoms (F) contributing to the reaction is (F) / (H) = 2.
The ratio (F) / (H) is preferably such that (F) / (H)> 1.5.
次に、プラズマ空間26においてフッ素系中間ガスとしてCF3OHが生成された場合について説明する。この場合、以下のような反応が起きる。
[ケース3]
(酸化過程)
Si+2O3 → SiO2+2O2 (式11c)
(COF2生成過程)
CF3OH+H2O → COF2+HF+H2O (式12−1c)
(HF生成過程)
COF2+H2O → CO2+2HF (式12−2c)
(フッ酸溶解過程)
HF+HF+4HF+2HF+4H2O → 4HF2 −+4H3O+ (式13c)
(エッチング過程)
SiO2+4HF2 −+4H3O+ → SiF4+2H2O+4H2O+4HF
(式14c)
(全体の反応)
Si+2O3+CF3OH+HF → SiF4+2O2+CO2+H2O
(式15c)
式12−1cに示すように、CF3OHは、不安定であり、分解してCOF2とHFになる。したがって、この分解後は、上記ケース2と同じ反応が起きることになる(式11c,12−2c,13c,14c)。
式15cにおいて、反応に寄与する水素原子数(H)は、左辺第3項のCF3OH中の1個と左辺第4項のHF中の1個で合計2個であり、フッ素原子数(F)は、左辺第3項のCF3OH中の3個と左辺第4項のHF中の1個で合計4個である。したがって、反応に寄与する水素原子数(H)とフッ素原子数(F)の比(F)/(H)は、(F)/(H)=2となる。
ケース3においても基板温度を操作してシリコン膜表面のH2O量を調節することにより、反応を制御可能である。
Next, a case where CF 3 OH is generated as a fluorine-based intermediate gas in the
[Case 3]
(Oxidation process)
Si + 2O 3 → SiO 2 + 2O 2 (Formula 11c)
(COF 2 production process)
CF 3 OH + H 2 O → COF 2 + HF + H 2 O (Formula 12-1c)
(HF generation process)
COF 2 + H 2 O → CO 2 + 2HF (Formula 12-2c)
(Hydrofluoric acid dissolution process)
HF + HF + 4HF + 2HF + 4H 2 O → 4HF 2 − + 4H 3 O + (formula 13c)
(Etching process)
SiO 2 + 4HF 2 − + 4H 3 O + → SiF 4 + 2H 2 O + 4H 2 O + 4HF
(Formula 14c)
(Overall reaction)
Si + 2O 3 + CF 3 OH + HF → SiF 4 + 2O 2 + CO 2 + H 2 O
(Formula 15c)
As shown in Formula 12-1c, CF 3 OH is unstable and decomposes into COF 2 and HF. Therefore, after this decomposition, the same reaction as in
In Formula 15c, the number of hydrogen atoms (H) contributing to the reaction is 2 in total, one in CF 3 OH in the third term on the left side and one in HF in the fourth term on the left side, and the number of fluorine atoms ( F) is a total of four in three in CF 3 OH in the third term on the left side and one in HF in the fourth term on the left side. Therefore, the ratio (F) / (H) of the number of hydrogen atoms (H) and the number of fluorine atoms (F) contributing to the reaction is (F) / (H) = 2.
In
次に、本発明の他の実施形態を示す。
図2に示すように、本発明の第2実施形態ではオゾナイザー12が省かれている。これに代えて、酸素供給部11からの供給路13が、加湿器22とプラズマヘッド23との間のフッ素系ガス路に合流されている。
なお、供給路13を加湿器22より上流側のフッ素系ガス路に合流させることにしてもよい。
Next, another embodiment of the present invention will be described.
As shown in FIG. 2, the
Note that the
これによって、加湿器22からの低露点CF4に酸素供給部11からのO2が混合されるようになっている(混合工程)。O2のCF4に対する混合割合は、5〜20vol%であるのが好ましい。
Thus, O 2 from the
この混合ガスが、プラズマヘッド23のプラズマ空間26に導入されてプラズマ化され、CF4からCOF2等のフッ素系反応性ガスが生成されるとともに、O2からO3等の酸化性ガスが生成される(プラズマ化工程)。したがって、フッ素系反応性ガスの生成部と酸化性ガスの生成部を共通化することができ、構成の簡素化を図ることができる。
これら生成ガスが吹出し路27から吹出されて基板90に吹き付けられ(吹付け工程)、上記第1実施形態と同様の反応過程によりシリコン膜92のエッチングがなされる。
This mixed gas is introduced into the
These generated gases are blown out from the blowing
本発明は、上記実施形態に限定されるものでなく、種々の改変をなすことができる。
例えば、第1実施形態において、プラズマヘッド23からのCOF2等のフッ素系ガスとオゾナイザー12からのオゾンとを混合せずに、互いに別々の吹き出し口からシリコン膜表面に供給するようにしてもよい。
酸化性ガスを、オゾナイザー12に代えて、フッ素系ガス用のプラズマヘッド23とは別の酸素プラズマ放電装置を用いて生成することにしてもよい。
酸化性ガスの吹付け後、COF2等のフッ素系反応性ガスの吹付けを行なうことにしてもよい。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
For example, in the first embodiment, fluorine gas such as COF 2 from the
The oxidizing gas may be generated using an oxygen plasma discharge device different from the
After the oxidizing gas is sprayed, fluorine reactive gas such as COF 2 may be sprayed.
実施例1を説明する。
図1で示されるエッチング装置1を用い、ガラス基板表面に被膜されたアモルファスシリコンのエッチングを行なった。フッ素系原料としてCF4 0.8slmに、加湿器22で露点が13.5℃(水蒸気分圧1.55kPa)になる量のH2Oを添加した。この添加H2OのCF4に対する流量比は、1.55vol%であった。この低露点CF4をプラズマヘッド23の電極間空間26に導入し、大気圧下でプラズマ化した。プラズマ化の条件は以下の通りとした。
供給電力:0.165kW
供給電圧:Vpp=13kV
電極面積:35cm2
フーリエ変換赤外分光器(FTIR)によりプラズマ化後のガス成分を分析したところ、CF4 1slmにつき、HFが0.0057slm生成され、COF2が0.0149slm生成されていることが確認された。
ここで、HF 0.0057molとCOF2 0.0149molとに含まれるフッ素原子数(F)と水素原子数(H)の比(F)/(H)は、
(F)/(H)=(0.0149×2+0.0057)/0.0057=6.2
であり、(F)/(H)>1.5の条件を満たす。
また、プラズマ化後のH2Oは、ほとんど観測されず、プラズマ化前の1/10以下となることが確認された。
別途、酸化性ガスの原料としてO2 0.4slmをオゾナイザー12に供給し、8vol%(対O2比)すなわち0.032slmのO3を得た。O3は、少なくともCOF2の体積流量(0.0149slm)と、HFの体積流量(0.0057slm)の半分を合計した値(0.01775slm)以上必要であり、その2倍程度が好適であるところ、上記オゾナイザー12で得られたO3流量は、ほぼ好適な大きさであると言える。
基板温度は20℃とし、上記プラズマヘッド23からのガスとオゾナイザー12からのガスを混合して基板表面に吹き付けた。
そして、エッチングレートを測定したところ、45000A/minであり、十分に大きなエッチングレートを得ることができた。
Example 1 will be described.
Using the etching apparatus 1 shown in FIG. 1, the amorphous silicon coated on the glass substrate surface was etched. H 2 O was added in an amount of dew point of 13.5 ° C. (water vapor partial pressure 1.55 kPa) in the
Supply power: 0.165kW
Supply voltage: Vpp = 13kV
Electrode area: 35 cm 2
As a result of analyzing the gas components after being converted to plasma by a Fourier transform infrared spectrometer (FTIR), it was confirmed that HF was produced at 0.0057 slm and COF 2 was produced at 0.0149 slm for 1 slm of CF 4 .
Here, the ratio (F) / (H) of the number of fluorine atoms (F) and the number of hydrogen atoms (H) contained in 0.0057 mol of HF and 0.0149 mol of COF 2 is:
(F) / (H) = (0.0149 × 2 + 0.0057) /0.0057=6.2
And the condition of (F) / (H)> 1.5 is satisfied.
Further, H 2 O after plasma was hardly observed, and it was confirmed that it became 1/10 or less before plasma.
Separately, O 2 0.4 slm was supplied to the
The substrate temperature was 20 ° C., and the gas from the
When the etching rate was measured, it was 45000 A / min, and a sufficiently large etching rate could be obtained.
実施例2では、基板温度とフッ素系原料ガスへの水添加量とエッチングレートとの関係を調べた。CF4 0.5slmに対し、加湿器22でH2Oの添加量を調節したのち、プラズマヘッド23でプラズマ化した。プラズマ化の条件は以下の通りとした。
供給電力:0.165kW
供給電圧:Vpp=13kV
電極面積:35cm2
また、O2 0.5slmを用いてオゾナイザー12にて8vol%(対O2比)のO3を作り、これを上記プラズマ化後のガスと混合してガラス基板に供給し、表面のアモルファスシリコン膜のエッチングを行なった。
基板温度は、20℃、40℃、60℃の3通りとし、各温度条件下でのエッチングレートを測定した。(なお、60℃は従来の一般的な基板温度であり、比較例である。)
In Example 2, the relationship between the substrate temperature, the amount of water added to the fluorine-based source gas, and the etching rate was examined. After adjusting the amount of H 2 O added by the
Supply power: 0.165kW
Supply voltage: Vpp = 13kV
Electrode area: 35 cm 2
Further, 8 vol% (compared to O 2 ratio) of O 3 is made by
The substrate temperature was set to three types of 20 ° C., 40 ° C., and 60 ° C., and the etching rate under each temperature condition was measured. (Note that 60 ° C. is a conventional general substrate temperature and is a comparative example.)
結果を図3に示す。
同図からわかるように、基板温度が従来同様の60℃の場合、フッ素系原料ガスへの水添加量を増やしてもエッチングレートはほとんど変化しない。
これに対し、基板温度が20℃の場合、露点が10℃になる水添加量の付近からエッチングレートが大きく立ち上がり、露点が20℃になる水添加量の付近でエッチングレートがピークを迎え、露点が40℃になる水添加量の付近までは従来(基板温度60℃の場合)を十分に上回るエッチングレートが得られることが判明した。
基板温度が40℃の場合でも、露点10℃〜40℃の水添加範囲において従来(基板温度60℃の場合)を十分に上回るエッチングレートが得られることが判明した。
The results are shown in FIG.
As can be seen from the figure, when the substrate temperature is 60 ° C. as in the prior art, the etching rate hardly changes even if the amount of water added to the fluorine-based source gas is increased.
On the other hand, when the substrate temperature is 20 ° C., the etching rate rises greatly from the vicinity of the water addition amount at which the dew point becomes 10 ° C., and the etching rate reaches a peak near the water addition amount at which the dew point becomes 20 ° C. It has been found that an etching rate sufficiently higher than the conventional one (when the substrate temperature is 60 ° C.) can be obtained up to the vicinity of the amount of water added at 40 ° C.
It has been found that even when the substrate temperature is 40 ° C., an etching rate sufficiently higher than the conventional one (when the substrate temperature is 60 ° C.) can be obtained in a water addition range with a dew point of 10 ° C. to 40 ° C.
本発明は、例えば半導体ウェハや液晶等のフラットパネルガラスなどの製造において、表面のシリコン膜をエッチングするのに適用可能である。 The present invention can be applied to etching a silicon film on the surface, for example, in the manufacture of a flat panel glass such as a semiconductor wafer or a liquid crystal.
1 エッチング装置
2 基板温度調節手段
3 搬送手段
4 反応性ガス供給系
10 オゾン供給系
11 酸素供給部
12 オゾナイザー
13 オゾン供給路
20 フッ素系ガス供給系
21 フッ素系原料供給部
22 加湿器
23 プラズマヘッド
24 電極
25 電源
26 プラズマ空間
27 吹出し路
41 吸引路
42 排気手段
90 基板
91 シリコン膜(被処理物)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (13)
シリコンを酸化可能な酸化性ガスとしてオゾンを生成するとともに、このオゾン生成とは別に、シリコンとの反応性を有しないフッ素系原料と水とを含むガスを大気圧近傍のプラズマ空間に通すことによりフッ素系反応性ガスを生成して、前記オゾンと前記フッ素系反応性ガスとを温度を10℃〜50℃とした被処理物に吹付け、
前記フッ素系反応性ガスが、COF 2 、CF 3 OH、F 2 から選択される非ラジカルのフッ素系中間ガスを含み、フッ素原子数(F)と水素原子数(H)の比が(F)/(H)>1.5であり、
前記フッ素系中間ガスが水と反応して酸化シリコンのエッチング能を有するフッ素系エッチングガスとしてHFが生成され、このフッ素系エッチングガスによる酸化シリコンのエッチング反応により水が生成されることを特徴とするエッチング方法。 In a method of etching a workpiece made of silicon,
By generating ozone as an oxidizing gas that can oxidize silicon, and by passing a gas containing fluorine-based raw material that is not reactive with silicon and water through a plasma space near atmospheric pressure separately from this ozone generation A fluorine-based reactive gas is generated, and the ozone and the fluorine-based reactive gas are sprayed on an object to be processed at a temperature of 10 ° C. to 50 ° C.,
The fluorine-based reactive gas includes a non-radical fluorine-based intermediate gas selected from COF 2 , CF 3 OH, and F 2 , and the ratio of the number of fluorine atoms (F) to the number of hydrogen atoms (H) is (F) /(H)>1.5,
The fluorine-based intermediate gas reacts with water to generate HF as a fluorine-based etching gas having silicon oxide etching ability, and water is generated by etching reaction of silicon oxide with the fluorine-based etching gas. Etching method.
前記フッ素系反応性ガスが、前記フッ素系中間ガスとしてCOF2を含むとともに前記フッ素系エッチングガスとしてHFを含み、
オゾンの体積流量が、HFの体積流量の2分の1とCOF2の体積流量との合計以上であることを特徴とする請求項1に記載のエッチング方法。 The oxidizing gas is ozone;
The fluorine-based reactive gas includes COF 2 as the fluorine-based intermediate gas and HF as the fluorine-based etching gas,
The etching method of claim 1, wherein the volumetric flow rate of ozone is greater than or equal to the sum of 1 and the volumetric flow rate of COF 2 half the volumetric flow rate of HF.
シリコンとの反応性を有しないフッ素系原料と、このフッ素系原料に対し露点が10℃〜40℃になる量の水と、酸素とを混合して混合ガスを得る混合工程と、
前記混合ガスを大気圧近傍のプラズマ空間に通すことにより反応性ガスを生成するプラズマ化工程と、
前記反応性ガスを、温度を10℃〜50℃とした被処理物に吹き付ける吹付け工程と、
を実行し、前記混合ガス中の酸素の割合が、前記フッ素系原料に対し5〜20vol%であり、
前記反応性ガスが、
(a) シリコンを酸化可能な酸化性ガスとしてオゾンと、
(b) COF 2 、CF 3 OH、F 2 から選択される非ラジカルのフッ素系中間ガスを含み、フッ素原子数(F)と水素原子数(H)の比が(F)/(H)>1.5であるフッ素系反応性ガスと、
を含み、前記フッ素系中間ガスが水と反応して酸化シリコンのエッチング能を有するフッ素系エッチングガスとしてHFが生成され、このフッ素系エッチングガスによる酸化シリコンのエッチング反応により水が生成されることを特徴とするエッチング方法。 In a method of etching a workpiece made of silicon,
A mixing step of mixing a fluorine raw material having no reactivity with silicon, an amount of water having a dew point of 10 ° C. to 40 ° C. with respect to the fluorine raw material, and obtaining a mixed gas;
A plasma process for generating a reactive gas by passing the mixed gas through a plasma space near atmospheric pressure;
A spraying step of spraying the reactive gas on an object to be processed at a temperature of 10 ° C. to 50 ° C .;
The ratio of oxygen in the mixed gas is 5 to 20 vol% with respect to the fluorine-based raw material,
The reactive gas is
(A) ozone as an oxidizing gas capable of oxidizing silicon;
(B) a non-radical fluorine-based intermediate gas selected from COF 2 , CF 3 OH, and F 2 , and the ratio of the number of fluorine atoms (F) to the number of hydrogen atoms (H) is (F) / (H)> A fluorine-based reactive gas which is 1.5;
The fluorine-based intermediate gas reacts with water to generate HF as a fluorine-based etching gas having silicon oxide etching ability, and water is generated by the etching reaction of silicon oxide with the fluorine-based etching gas. Etching method characterized.
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