JP4495470B2 - エッチング方法 - Google Patents

Description

本発明はエッチング技術にかかり、特に、ラジカルを用いるエッチング技術に関する。

従来では、半導体表面の酸化膜等を除去するために、ＨＦを用いたウェットエッチが行われていたが、近年では、特に、半導体表面の自然酸化膜等を除去する技術として、ラジカルを用いたエッチング方法が注目されている。

このエッチング方法は、反応室の真空雰囲気中に反応ガスとラジカルとを導入し、基板表面の自然酸化膜と反応させ、反応生成物を熱分解し、生成されたガスを真空排気によって除去する技術である。

このような反応は、枚葉処理の他、下記特許文献のように、反応室内に多数の基板を搬入し、一括してエッチングするバッチ処理で行われるものもある。
特開２００３−１２４１７２ 特開２００１−２８４３０７

しかしながら、反応室内に配置された複数の基板のうち、ラジカルの導入口や反応ガスの導入口に対する位置によって反応速度が異なったり、また、一枚の基板中でも、基板中心付近のエッチング量と外周付近のエッチング量とが異なる等、均一性に問題が生じている。

本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、反応速度が速く、均一性の良いエッチングを行うことができる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、反応室の壁面で囲まれた断面が略円形の反応空間内に、円形のシリコン基板を複数枚所定間隔で平行にし、且つ前記基板の周辺を前記壁面に対向して配置し、前記反応空間内に、化学構造中にフッ素を有する反応ガスと、活性ガスとから生成した水素ラジカルを導入し、前記基板表面のシリコン酸化膜と反応させて反応生成物を生成した後、前記基板を昇温させ、前記反応生成物を熱分解させ、前記シリコン酸化膜を除去するエッチング方法であって、前記基板の周囲と前記壁面とを非接触にし、且つ、前記基板の周囲と前記壁面との間の距離を２５ｍｍ以下にし、前記反応ガスと前記水素ラジカルを導入するときに、前記基板を回転させるエッチング方法である。
請求項２記載の発明は、前記各基板の中心を前記反応空間の中心軸線上に配置する請求項１記載のエッチング方法である。
請求項３記載の発明は、前記反応ガスとしてＮＦ₃ガスを用い、前記活性ガスとしてＮＨ₃ガス又はＨ₂ガスの少なくとも一方を用いる請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のエッチング方法である。
請求項４記載の発明は、前記活性ガスにＮ₂ガスを添加する請求項３記載のエッチング方法である。

本発明は上記のように構成されており、複数の円形基板を反応空間に搬入し、各基板を離間させ、反応空間の中心軸線に対して垂直に配置することで、基板の周辺を壁面に対向させている。

本発明のエッチング方法は、活性ガスからラジカルを生成し、上記のような反応空間内に反応ガスとラジカルを導入し、各基板表面に形成されているエッチング対象物と反応させ、熱分解性の反応生成物を生成した後、各基板を昇温させ、反応生成物を熱分解させ、分解生成物を真空排気することで、エッチング対象物を除去している。反応ガスとラジカルの導入は、それらを一緒に導入してもよいし、先ず反応ガスを導入した後、次にラジカルを反応ガスと一緒に導入してもよい。

そして本発明では、基板を回転させるために各基板の周囲と前記壁面とを非接触にしており、且つ、各基板の周囲と壁面との間の距離を２５ｍｍ以下にすることで、導入した反応ガスやラジカルが基板と壁面の間を無駄に流れることを防止している。その結果、導入した反応ガスやラジカルの流れが基板の中心を通り、真空排気により反応空間から排出される。

反応ガスを導入するときや、反応ガスとラジカルを導入するときは、基板を回転させているので、基板の全表面が反応ガスやラジカルと接触できる。

そして、ラジカルと反応ガスが基板表面のエッチング対象物と反応し、反応生成物が熱分解によってガス化し、真空排気によって除去される。

エッチング対象物が、シリコンの自然酸化膜(シリコン酸化物薄膜)の場合、反応ガスとして化学構造中にフッ素を有するガスを用い、ラジカルとして水素ラジカルを用いると、加熱しなくても常温で反応が進行し、反応生成物が生成される。この反応生成物はガスではないが、加熱すると熱分解し、ガスが生成され、除去される。

本発明によれば、反応ガスやラジカルが基板と壁面の間を無駄に流れず、基板と基板の間を流れるので、均一で反応速度の速いエッチングを行うことができる。

図７の符号５は、本発明の一例の処理装置を示している。
処理装置５は、反応装置１０と、搬送ロボット４２と、ストッカー４３と、作業台４４とを有している。

反応装置１０は、搬出入室１１と、反応室１２を有している。搬出入室１１は地上に設置されており、反応室１２は搬出入室１１の上部に配置されている。
搬出入室１１の一側面には、搬出入口１４が設けられている。

搬送ロボット４２とストッカー４３と作業台４４は、搬出入口１４の近傍位置に配置されている。

作業台４４上には、処理対象の基板が収容されたカセット４１が配置されている。搬送ロボット４２は、カセット４１内に搭載された基板を一枚ずつ取り出し、搬出入口１４から搬出入室１１の内部に搬入し、搬出入室１１内の後述するボート２３に保持させ、また、処理装置５内での処理が終了し、ボート２３に保持された基板を一枚ずつ搬出入室１１から取り出し、カセット４１へ戻すように構成されている。

なお、処理済み基板が搭載されたカセット４１や、未処理基板が搭載されたカセット４２は、ストッカー４３に配置できるようになっている。

次に、反応装置１０の内部を説明すると、図１は反応装置１０の内部構造を示す図面である。

反応装置１０には、ガイド棒２６が鉛直に取り付けられており、ガイド棒２６には、リング２７が移動可能に装着されている。

搬出入室１１には、支持棒２５が気密に挿通されており、その上端部は搬出入室１１の外部に位置し、リング２７に取り付けられており、下端部は、搬出入室１１の内部に位置し、支持台２２が水平に取り付けられている。

支持台２２上には、密閉板２４が配置されており、その上部には、ボート２３が配置されている。

ボート２３は、鉛直に配置された支柱２１を複数本(ここでは二本又は三本)有しており、各支柱２１には、水平方向に刻まれた細溝が、複数本、高さ方向に等間隔に配置されている。各支柱２１の細溝同士の位置は、同じ高さであり、搬送ロボット４２によって基板が搬出入室１１内に搬入され、細溝に差し込まれると、その基板は水平に保持されるように構成されている。

図１の符号１５は、ボート２３に水平に保持された状態の複数の基板を示している。

搬出入室１１と反応室１２の間には、通路３１が形成されており、この通路３１は、バルブ３０によって開閉されるように構成されている。

バルブ３０が閉状態で通路３１が塞がされた状態では、搬出入室１１と反応室１２との間の雰囲気は遮断される。

基板１５をボート２３に保持させるときや、ボート２３に保持された基板１５を大気中に取り出すときのように搬出入室１１の内部に大気が侵入するときは、バルブ３０によって通路３１が閉塞され、反応室１２の内部に大気が侵入しないようにされている。

従って、搬出入室１１が大気が侵入するときでも反応室１２は真空排気可能である。

符号３４は、反応室１２内部を真空排気する真空排気系を示しており、下記プロセス中、反応室１２の内部は真空排気系３４によって継続して真空排気される。

バルブ３０が開状態で通路３１が開通されると、搬出入室１１と反応室１２との間の雰囲気は接続される。反応室１２に大気が侵入しないようにするために、バルブ３０を開状態にする前には、搬出入室１１は真空排気され、反応室１２と略同程度の低圧力にされる。

ボート２３に所定枚数の基板１５が搭載されると、不図示の扉によって搬出入口１４が閉じられ、搬出入室１１の内部雰囲気は、大気雰囲気から遮断される。

この状態で搬出入室１１の内部を真空排気し、所定圧力まで低下したところで、バルブ３０を通路３１上から移動させ、不図示のモータによって支持棒２５と共に支持台２２を上昇させ、ボート２３を支持台２２によって持ち上る。

ボート２３は通路３１の真下に位置しており、バルブ３０の開状態を維持し、ボート２３を持ち上げるとボート２３は反応室１２の内部に搬入される。

支持板２２が最上部まで上昇した状態では、図２に示すように、バルブ３０に代わって密閉板２４が通路３１を閉塞する。この状態では、反応室１２の内部雰囲気は、搬出入室１１の内部雰囲気から遮断され、反応室１２に導入されたガスは搬出入室１１に侵入しない。
反応室１２の内部平面図を図３に示す。

同図符号３２は、反応室１２を構成する側壁であり、側壁３２の内周面である壁面３７や、天井や底板の表面によって囲まれる領域で、反応室１２の内部に、鉛直な円筒形の反応空間３８が形成されている。図１、２の符号２０は円筒形の反応空間３８の中心軸線を示しており、中心軸線２０は鉛直であり、中心軸線２０に対して垂直な方向は水平方向である。反応空間３８の水平方向の断面は円形である。図３の符号Ｄは、その円形の直径を示している。

ボート２３に保持された基板１５は円形であり、反応空間３８の直径Ｄは、処理対象となっている基板１２の直径よりも大径にされている。

図４は、直径Ｄの反応空間３８に直径ｄの基板１５が搬入され、基板１５の中心１８が、中心軸線２０上に位置し、水平に配置された状態を示している。この状態では、基板１５の外周と壁面３７の間は、一定の間隔ｗだけ離間している。

また、ボート２３の中心は基板１５の中心と略一致されており、ボート２３の中心から支柱２１の外周までの半径は、反応空間３８の半径Ｄ／２よりも小さくされている。支柱２１は略鉛直にされており、基板１５の中心及びボート２３の中心が反応空間３８の中心軸線２０上に位置すると、支柱２１は壁面３７とは接触しない。

ボート２３には不図示のモータが接続されており、ボート２３は、反応空間３８の中心軸線２０を中心として、水平回転されるように構成されている。ボート２３が回転することにより、ボート２３に搭載された基板１５は、基板１５の中心を中心として水平面内で回転する。

上述のように、中心軸線２０から支柱２１の外周までの距離(半径)は、反応空間３８の半径Ｄ／２よりも小さいから、ボート２３が回転しても支柱２１は壁面３７とは接触しない。

なお、ボート２３が水平回転するときは、密閉板２４は回転せず、閉状態は維持されている。

反応室３２の内部には、回転する支柱２１よりも外側の位置に、それぞれシャワーノズル状のラジカル導入装置３６と反応ガス導入装置３５が鉛直に延設されている。

この処理装置５は、反応ガス導入装置３５を二台有しており、それらはラジカル導入装置３６の左右に配置されている。

反応室１２の外部には、反応ガス供給源４７と、μ波発生源４９と、活性ガス供給源４８が配置されている。

活性ガス供給源４８は、導入管３３によってラジカル導入装置３６に接続されている。μ波発生源４９は、導波管３９に接続されており、導入管３３は一部が石英で構成され、その石英の部分が導波管３９を貫通しており、μ波発生源４９を起動すると発生したμ波は導波管３９内を進行し、導入管３３の石英部分を貫通するように構成されている。

また、反応ガス導入装置３５は反応ガス供給源４７に接続されている。
反応ガス導入装置３５とラジカル導入装置３６は、一定間隔で小孔が複数個形成されており、基板１５を水平面内で回転させながら、先ず、反応ガスを反応ガス導入装置３５に供給すると、反応ガスは、反応ガス導入装置３５の小孔から反応空間３８に導入される。

反応ガス導入装置３５の小孔とラジカル導入装置３６の小孔は、隣接する基板１５と基板１５の間に位置している。ここでは、各基板１５は等間隔に配置されており、反応ガス導入装置３５の小孔とラジカル導入装置３６の小孔も等間隔に配置されている。基板１５が直径２００ｍｍの８インチウェハのとき、基板ピッチは６．３５ｍｍであり、基板間隔は５．５８ｍｍである。基板１５の直径が３００ｍｍの１２インチウェハのとき、基板ピッチは１０ｍｍであり、基板間隔は９．２ｍｍ程度である。

そして、反応ガス導入装置３５の小孔(0.6mm)とラジカル導入装置３６の小孔(３mm)は基板１５と基板１５の間隔よりも小さいので、それらの小孔から導入されたガスは、基板１５と基板１５の間に流入するようになっている。

反応ガス導入装置３５やラジカル導入装置３６の小孔は、基板１５の中心方向に向けられており、壁面３７に形成された真空排気系３４の排気孔は、中心軸線２０を中心として、ラジカル導入装置３６の反対側に配置されている。

そして、後述するように、基板１５と壁面３７の間の間隔ｗが小さい場合は、小孔から反応空間３８に導入された反応ガスは、基板１５の中心方向に流れ、排気孔から排出される。

各基板１５の表面には、エッチング対象物の薄膜が形成されており、各基板１５は水平回転しているため、各基板１５表面の薄膜は基板中心位置から外周位置まで反応ガスと接触する。基板１５が回転しながら反応ガスが一定時間流されることにより、各基板１５の薄膜の表面に均一に反応ガスが吸着される。

次に、活性ガス供給源４８から導入管３３内に活性ガスを流し、μ波発生源４９を起動すると、導入管３３が導波管３９を貫通する石英部分で活性ガスにμ波が照射され、活性ガスのプラズマが生成される。

活性ガスのプラズマ中には、活性ガスの構成原子のラジカルが含まれる。生成されたラジカルは導入管３３内を反応室１２方向に流れ、ラジカル導入装置３６に到達すると、ラジカル導入装置３６の小孔から反応空間３８に導入され、各基板１５の中心方向に向かって流れる。

このとき、各基板１５は水平面内で回転しているため、各基板１５の薄膜の表面が基板中心位置から外周位置まで均一にラジカルと接触する。活性ガスには活性ガスよりも流量が多い補助ガスが添加されている場合は、基板１５の中心方向に向かって流れる補助ガスと一緒にラジカルも流される。

また、ラジカルの導入と共に活性ガスも導入されると、ラジカルは活性ガスと一緒に基板１５の中心方向を流れ、基板１５表面と均一に接触する。

各基板１５の薄膜表面がラジカルと接触し、薄膜に吸着されている反応ガスとラジカルとエッチング対象物とが反応し、反応生成物が形成される。

例えば、基板がシリコンウェハであり、エッチング対象物がその表面に形成されたシリコン酸化物である場合は、反応ガスにＮＦ₃ガスを用い、活性ガスとしてＮＨ₃ガス又はＨ₂ガスのいずれか一方又は両方を用いると、常温で下記反応が進行し、中間生成物ＮＨ_xＦ_y が生成される。

Ｈ^*＋ＮＦ₃→ＮＨ_xＦ_y ……(１)
中間生成物ＮＨ_xＦ_yは常温で下記式のようにシリコン酸化物と反応し、(ＮＨ₄)₂ＳｉＦ₆から成る反応生成物が生成される。

ＮＨ_xＦ_y＋ＳｉＯ₂→(ＮＨ₄)₂ＳｉＦ₆＋Ｈ₂Ｏ ……(２)
上記反応により、反応生成物が十分生成された後、活性ガスと反応ガスとμ波の供給を停止し、反応空間３８の圧力を低下させる。
反応空間３８の周囲には、一乃至複数台の赤外線ランプ５１が配置されている。

ボート２３を回転させながら各赤外線ランプ５１に通電し、各基板１５を回転させながらその表面に赤外線を照射し、加熱すると反応生成物は熱分解され、ガスが生成される。

基板１５は昇温されているため、生成されたガスは基板１５上から容易に脱離し、真空排気系３４によって真空排気されるため、反応生成物が基板１５上から除去され、その結果、エッチング対象物が除去される。

反応生成物が上記のように(ＮＨ₄)₂ＳｉＦ₆である場合、１００℃以上の温度に昇温させると、下記化学反応、

(ＮＨ₄)₂ＳｉＦ₆→ＮＨ₃＋ＨＦ＋ＳｉＦ₄ ……(３)
が進行し、生成されたＮＨ₃ガス、ＨＦガス、及びＳｉＦ₄ガスは基板表面から脱離し、真空排気されることで、基板１５の表面からシリコン酸化物の薄膜が除去される。熱分解によって生成されたガスを除去する際、Ｎ₂ガスやＡｒガス等の不活性ガスを大量に流し、熱分解ガスを不活性ガスの流れに乗せて除去することもできる。

反応生成物の熱分解と熱分解ガスの除去が終了した後、ボート２３を降下させ、搬出入室１１に移動させた後、搬送ロボット４２によってカセット４１に移載すると、エッチング作業の１バッチ処理は終了する。

シリコン酸化物の薄膜が所定膜厚に形成された８インチ(20.32cm)のシリコンウェハを基板１５を用い、異なる直径の反応室１２でシリコン酸化物薄膜をエッチングした。この基板１５は一台のボート２３に５０枚搭載した。

エッチング処理前と処理後の両方でシリコン酸化物薄膜の膜厚を測定し、エッチング前後の膜厚とエッチング時間から、各基板１５のエッチング速度を求めた。

先ず、間隔ｗとエッチングレートの関係を下記表１に示す。

表中の「基板位置」は、ボート２３に搭載された基板１５の上下方向の位置を示しており、５０枚の基板１５に対し、下側から上方に向かって昇順の番号を付してある。基板位置が“１”であるものが最下端にあり、“５０”であるものが最上端にある。なお、最上端の基板１５の上には、ダミーのウェハが配置されており、最上端の基板１５も他の位置の基板１５と同じエッチング条件にされている。

エッチング速度は、間隔ｗが狭いほど大きいことが分かる。７５ｍｍ以上では遅すぎ、間隔ｗは２５ｍｍ以下が望ましいことが分かる。

１枚の基板１５に対する膜厚測定は複数位置で行い、各位置のエッチング量からエッチング量の基板面内の均一性を求めた。その均一性と間隔ｗとの関係を下記表２に示す。

表２の値は、一枚の基板１５内のエッチング量の標準偏差を、その基板１５のエッチング量の平均値で除した値であり、値が小さいほどエッチング量の均一性は高い。間隔ｗが小さいほど、均一性も高くなっており、特に、２５ｍｍと７５ｍｍとの均一性の差が大きい。この表２からも、間隔ｗは２５ｍｍ以下が望ましいことが分かる。

本発明に用いることができる反応装置の一例 その反応装置のボートに基板を搭載して反応室内に搬入した状態を示す図 反応室の横方向断面図 その反応室内に基板が搬入された状態の横方向断面図 基板位置とエッチング速度の関係を示すグラフ 基板位置と膜厚均一性の関係を示すグラフ 本発明に用いることができる反応装置を含む処理装置の全体図

符号の説明

１１……搬送室
１２……反応室
１５……基板
２０……中心軸線
３７……壁面

Claims (4)

1. 反応室の壁面で囲まれた断面が略円形の反応空間内に、円形のシリコン基板を複数枚所定間隔で平行にし、且つ前記基板の周辺を前記壁面に対向して配置し、
   前記反応空間内に、化学構造中にフッ素を有する反応ガスと、活性ガスとから生成した水素ラジカルを導入し、前記基板表面のシリコン酸化膜と反応させて反応生成物を生成した後、前記基板を昇温させ、前記反応生成物を熱分解させ、前記シリコン酸化膜を除去するエッチング方法であって、
   前記基板の周囲と前記壁面とを非接触にし、且つ、前記基板の周囲と前記壁面との間の距離を２５ｍｍ以下にし、前記反応ガスと前記水素ラジカルを導入するときに、前記基板を回転させるエッチング方法。
2. 前記各基板の中心を前記反応空間の中心軸線上に配置する請求項１記載のエッチング方法。
3. 前記反応ガスとしてＮＦ₃ガスを用い、前記活性ガスとしてＮＨ₃ガス又はＨ₂ガスの少なくとも一方を用いる請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のエッチング方法。
4. 前記活性ガスにＮ₂ガスを添加する請求項３記載のエッチング方法。

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