JP4987219B2 - エッチング装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体ウェーハ表面に形成される自然酸化膜を真空中でエッチング処理するエッチング装置に関する。

半導体装置を製造する工程においては、例えば半導体ウェーハのコンタクトホール底部の基板表面に形成される自然酸化膜を除去する必要がある。

このような自然酸化膜を除去するエッチング方法として、近年、ラジカル状態の水素（Ｈ^*）とＮＦ₃ガスを使用する方法がいくつか提案されている。
特開平１０−３３５３１６号 特開２００１−２８４３０７号公報 特開２００３−１２４１７２号公報

しかしながら、このような従来技術においては、処理後の面内均一性を確保するのが困難であるという問題がある。

特に多数の半導体ウェーハを同時に処理する場合に、真空処理槽内の半導体ウェーハの位置によって面内均一性がばらつくという問題がある。

本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、多数の処理対象物の高速処理が可能で、かつ、処理後の処理対象物の面内均一性を確保することが可能なエッチング装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、真空処理槽内に所定間隔で複数配置された処理対象物である半導体ウェーハ表面の自然酸化膜をエッチングするエッチング装置であって、前記真空処理槽に接続され、水素ラジカルを含有する第１の処理ガスを前記真空処理槽内に導入する第１の処理ガス導入部と、第２の処理ガスとしてＮＦ ³ ガスを前記真空処理槽内に導入する第２の処理ガス導入部とを備え、前記第１の処理ガス導入部が、前記第１の処理ガスを前記真空処理槽内に導入する導入口を複数有する鉛直方向に延びるパイプ形状の第１のノズル部を備え、当該第１のノズル部の複数の導入口から導入された当該第１の処理ガスを前記所定間隔で複数配置された処理対象物の間にそれぞれ導くように構成され、前記第２の処理ガス導入部が、前記第２の処理ガスを前記真空処理槽内に導入する導入口を複数有し前記第１の処理ガス導入部の第１のノズル部を挟む位置に設けられた複数の第２のノズル部を備え、当該第２のノズル部の複数の導入口から導入された当該第２の処理ガスを前記所定間隔で複数配置された処理対象物の間にそれぞれ導くように構成され、前記第１及び第２のノズル部の導入口は、前記所定間隔で複数配置された処理対象物の間全てに位置するように設けられ、前記処理対象物は、前記真空処理槽内において回転するように構成されているエッチング装置である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記第２のノズル部が、前記第１のノズル部のガスの導入方向に対して対称となる位置に設けられているものである。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２のいずれか１項記載の発明において、前記第２の処理ガス導入部が、前記第１の処理ガス導入部の第１のノズル部を挟む位置に設けられた二つの第２のノズル部を有しているものである。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の発明において、前記第１及び第２の処理ガス導入部が、前記処理対象物の中央部分に当該処理ガスを導くように構成されているものである。
請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項記載の発明において、前記第１のノズル部の導入口と前記第２のノズル部の導入口の少なくともいずれか一方は、その口径が複数の前記処理対象物間の間隔より小さいものである。
請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項記載の発明において、前記第１及び第２のノズル部が、前記処理対象物の中央部分から等しい距離の位置に設けられた導入口を有するものである。

本発明の場合、第２の処理ガス導入部が、第１のガス導入部に設けられた第１のノズル部を挟む位置に設けられた複数（例えば二つ）の第２のノズル部を有していることから、第２の処理ガスが、第１のガス導入部から導入された第１の処理ガスの例えばガスカーテン状態となり、その結果、第１の処理ガスの流れに対して左右対称的な状態で第２の処理ガスを流すことができ、比較的短寿命の第１の処理ガスを効率良く処理対象物上に導くことができる。また、これにより処理対象物の表面に対して均一な状態で反応性中間生成物が生成されるため、処理後の面内均一性を向上させることが可能になる。

また、本発明によれば、短寿命のガスを効率良く導入することができるので、処理速度を向上させることが可能になる。

本発明において、第２のノズル部が、第１のノズル部のガスの導入方向に対して対称となる位置に設けられている場合には、第１の処理ガスの流れに対する第２の処理ガスの対称性を向上させることができ、これにより処理後の面内均一性をより向上させることが可能になる。

また、第１及び第２のガス導入部が、処理対象物の中央部分に当該処理ガスを導くように構成されている場合には、処理対象物の表面に対してより均一な状態で反応性中間生成物が生成され、処理後の面内均一性をより向上させることが可能になる。

さらに、本発明では、第１及び第２のガス導入部の第１及び第２のノズル部が、所定の間隔をおいて配置された複数の処理対象物の間に当該処理ガスをそれぞれ導入するための複数の導入口を有するとともに、第１及び第２のノズル部の導入口は、所定間隔で複数配置された処理対象物の間全てに位置するように設けられていることから、複数（多数）の処理対象物に対して処理後の面内均一性を向上させることができるとともに、複数の処理対象物間の均一性も向上させることができ、多数の処理対象物を短時間で均一に処理することが可能になる。
さらにまた、第１及び第２のノズル部の少なくとも一方が、複数の導入口を有し、当該導入口の少なくともいずれか一方は、その口径が複数の処理対象物間の間隔より小さい場合には、処理後の面内均一性をより向上させることが可能になる。

本発明によれば、多数の処理対象物を高速に処理することができるとともに、処理後の処理対象物の面内均一性を向上させることができる。

以下、本発明に係るエッチング装置の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態をエッチング装置を示す斜視図、図２は、同エッチング装置の真空処理槽の内部構成を示す横断面図、図３は、図１の断面図及び図２のＡ−Ａ線断面図である。
また、図４は、本発明の原理を示す説明図である。

図１〜３に示すように、本実施の形態のエッチング装置１は、図示しない真空排気系に接続された仕込取出槽２と、仕込取出槽２の上方に設けられた真空処理槽３を有している。

仕込取出槽２内には、図示しない駆動機構によって所定速度で回転可能なターンテーブル２０が設けられている。

このターンテーブル２０は、半導体ウェーハ１０を保持するボート１１を支持するもので、仕込取出槽２の上部に鉛直方向に延びるように設けられたボールねじ２１に沿って上下動するように構成されている。

仕込取出槽２と真空処理槽３とは、連通口２ａを介して接続され、上述したターンテーブル２０の上下動によってボート１１の受け渡しが行われる。

なお、処理中において仕込取出槽２と真空処理槽３とは雰囲気的に隔離されるようになっている。

本実施の形態においては、真空処理槽３に２系統の処理ガスを導入して処理を行うように構成されている。

この場合、真空処理槽３の側方から水素ラジカル（Ｈ^*）を導入する第１のガス導入部（第１の処理ガス導入部）３０が設けられている。

図２〜図４に示すように、第１のガス導入部３０は、第１の処理ガス（本実施の形態の場合はＮ₂＋ＮＨ₃）に対してマイクロ波を用いてプラズマ状態にし、真空処理槽３内に設けられた導入管（第１のノズル部）３１を介して水素ラジカルを導入するように構成されている。

ここで、導入管３１は、鉛直方向に延びる角形パイプ形状に形成されている。そして、導入管３１の側面には、複数の導入口３２が列状に設けられている。

図４に示すように、本実施の形態の場合は、真空処理槽３内において、多数（５０枚程度）の半導体ウェーハ１０が、一定の間隔をおいて水平に重ねて配置される。

なお、半導体ウェーハ１０のうち最上部と最下部の両側にはダミーの基板１０ｄが配置される。

本実施の形態の場合、導入管３１の各導入口３２は、例えば円形に形成されている。

本発明の場合、導入管３１の各導入口３２の口径は特に限定されることはないが、面内均一性を向上させる観点からは、半導体ウェーハ１０の間隔より小さいことが好ましい。

また、導入管３１の各導入口３２は、面内均一性を向上させる観点から、真空処理槽３内に配置される各半導体ウェーハ１０の間に位置するように設けることが好ましい。

そして、これら半導体ウェーハ１０の間において、各半導体ウェーハ１０の中央部分に向ってＨラジカルを導入するように導入管３１の各導入口３２の方向が設定されている。

一方、本実施の形態においては、第１のガス導入部３０の導入管３１を挟むように第２のガス導入部（第２の処理ガス導入部）４０が設けられている。

この第２のガス導入部４０は、図示しないガス供給源に接続され、鉛直方向に延びる一対のパイプ形状のシャワーノズル（第２のノズル部）４１、４２を有している。

本実施の形態のシャワーノズル４１、４２は、第１のガス導入部３０のＨラジカルの導入方向に対して対称となる位置に配置されている。

これらシャワーノズル４１、４２は、それぞれ複数の導入口４３、４４が設けられている。
シャワーノズル４１の各導入口４３、４４は、例えば円形に形成されている。

本発明の場合、シャワーノズル４１の各導入口４３、４４の口径は特に限定されることはないが、面内均一性を向上させる観点からは、半導体ウェーハ１０の間隔より小さいことが好ましい。

また、シャワーノズル４１の各導入口４３、４４は、面内均一性を向上させる観点から、真空処理槽３内に配置される各半導体ウェーハ１０の間に位置するように設けることが好ましい。

そして、これら半導体ウェーハ１０の間において、各半導体ウェーハ１０の中央部分に向ってＮＦ₃を導入するようにシャワーノズル４１、４２の各導入口４３、４４の方向が設定されている。

図２に示すように、本実施の形態の場合、Ｈラジカル導入側である導入管３１の導入口３２と、ＮＦ₃導入側であるシャワーノズル４１の各導入口４３、４４は、半導体ウェーハ１０の中央部分から等しい距離の位置に設けられているが、説明の便宜上、図４においては、半導体ウェーハ１０の中央部分から異なる距離の位置にあるように描かれている。

また、本実施の形態の場合、真空処理槽３の第１及び第２のガス導入部３０、４０と対向する位置に排出部５０が設けられ、この排出部５０を介して真空排気を行うように構成されている。

なお、真空処理槽３には、中間生成物を熱分解して気化させるためのランプヒータ５が設けられている。

このような構成を有する本実施の形態において半導体ウェーハ１０のエッチング処理を行うには、半導体ウェーハ１０を保持したボート１１を真空処理槽３内に搬入してチャンバー内を気密状態にし、所定の圧力となるように真空排気を行う。

そして、図４に示すように、第１のガス導入部３０の導入管３１の導入口３２から水素ラジカルを導入するとともに、第２のガス導入部４０のシャワーノズル４１、４２の導入口４３、４４からＮＦ₃を導入し、これらを混合させて反応させる。

この場合の反応式は、次のようになると考えられる。

Ｈ^*＋ＮＦ₃→ＮＨ_XＦ_Y（ＮＨ₄ＦＨ、ＮＨ₄ＦＨＦ等）
ＮＨ_XＦ_Y＋ＳiＯ₂→（ＮＨ₄Ｆ）ＳｉＦ₆＋Ｈ₂Ｏ↑

すなわち、ＮＨ_XＦ_Yと半導体ウェーハ１０の表面の自然酸化膜（ＳiＯ₂）が反応して反応生成物（（ＮＨ₄Ｆ）ＳｉＦ₆）が形成される。

その後、ランプヒータ５によって半導体ウェーハ１０を所定温度で加熱することにより、上記反応生成物を分解して排出することができる。

（ＮＨ₄Ｆ）₂ＳｉＦ₆→ＮＨ₃↑＋ＨＦ↑＋ＳiＦ₄↑

以上述べたように本実施の形態によれば、第２のガス導入部４０が、第１のガス導入部３０の導入管３１を挟む位置に設けられた二つのシャワーノズル４１、４２を有していることから、ＮＦ₃ガスが、第１のガス導入部３０から導入されたＨラジカルの例えばガスカーテン状態となり、その結果、Ｈラジカルの流れに対して左右対称的な状態でＮＦ₃ガスを流すことができ、比較的短寿命のＨラジカルを効率良く半導体ウェーハ１０上に導くことができる。また、これにより半導体ウェーハ１０の表面に対して均一な状態で反応性中間生成物が生成されるため、処理後の面内均一性を向上させることが可能になる。

また、本実施の形態によれば、短寿命のＨラジカルを効率良く導入することができるので、処理速度を向上させることが可能になる。

特に、本実施の形態においては、第２のガス導入部４０のシャワーノズル４１、４２が、第１のガス導入部３０のガスの導入方向に対して対称となる位置に設けられていることから、Ｈラジカルの流れに対するＮＦ₃ガスの対称性を向上させることができ、比較的短寿命の第１の処理ガスをより効率良く処理対象物上に導くことができる。

しかも、第１及び第２のガス導入部３０、４０が、半導体ウェーハ１０の中央部分にそれぞれＨラジカルとＮＦ₃ガスをを導くように構成されていることから、半導体ウェーハ１０の表面に対してより均一な状態で反応性中間生成物が生成され、処理後の面内均一性をより向上させることができる。

さらに、本実施の形態においては、第１のガス導入部３０の導入口３２及び第２のガス導入部４０の導入口４３、４４が、所定の間隔をおいて配置された複数の半導体ウェーハ１０の間にそれぞれＨラジカルとＮＦ₃ガスを導入するように構成されていることから、複数（多数）の半導体ウェーハ１０に対して処理後の面内均一性を向上させることができるとともに、複数の処理対象物間の均一性も向上させることができ、多数の半導体ウェーハ１０を短時間で均一に処理することができる。

なお、本発明は上述の実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。

例えば、上述の実施の形態においては、第１のガス導入部３０の導入管３１を挟む位置に二つのシャワーノズル４１、４２を設けるようにしたが、本発明はこれに限られず、第１のガス導入部３０の導入管３１を挟む位置であれば、４つ以上設けることも可能である。

また、上述の実施の形態においては、第１及び第２のガス導入部３０、４０が、半導体ウェーハ１０の中央部分にそれぞれＨラジカルとＮＦ₃ガスを導くように構成したが、本発明はこれに限られず、処理後の面内均一性を損なわない限り、ＨラジカルとＮＦ₃ガスの導入方向を適宜変更することができる。

さらに、本発明は、エッチング装置に限られず、例えばアッシング装置にも適用することが可能である。

以下、本発明に係るエッチング装置の実施例を比較例とともに詳細に説明する。＜実施例＞
上述したエッチング装置を用いて半導体ウェーハの表面をエッチング処理した。

この場合、半導体ウェーハは、６．３５ｍｍの間隔をおいて水平に５０枚重ねて配置した。
Ｈラジカルの導入口の口径は３ｍｍ、ＮＦ₃の導入口の口径は０．５ｍｍとした。

そして、ＮＨ₃流量は、１．５ｓｌｍ、ＮＦ₃の流量は、５ｓｌｍとし、真空処理槽内の圧力が１Ｐａとなるように調整した。

＜比較例＞
第２のガス導入部のシャワーノズルを１本だけ設けた以外は実施例と同一の条件でエッチング処理を行った。

図５は、実施例と比較例によるエッチング後の面内均一性を示すグラフ、図６は、実施例と比較例によるエッチングレートを示すグラフである。

図５に示すように、実施例のエッチング装置は、比較例のエッチング装置に比べて各位置の半導体ウェーハの面内均一性が大幅に向上していることが理解される。

また、図６に示すように、各位置の半導体ウェーハのエッチングレートも大幅に向上していることが理解される。

本発明の実施の形態をエッチング装置を示す斜視図 同エッチング装置の真空処理槽の内部構成を示す横断面図 図１の断面図及び図２のＡ−Ａ線断面図 本発明の原理を示す説明図 実施例と比較例によるエッチング後の面内均一性を示すグラフ 実施例と比較例によるエッチングレートを示すグラフ

符号の説明

１…エッチング装置 ３…真空処理槽 ５…ランプヒーター １０…半導体ウェーハ（処理対象物） １１…ボート ２０…ターンテーブル ２１…ボールねじ ３０…第１のガス導入部（第１の処理ガス導入部） ３１…導入管（第１のノズル部） ３２…導入口 ４０…第２のガス導入部（第２の処理ガス導入部） ４１、４２…シャワーノズル（第２のノズル部） ４３、４４…導入口

Claims (6)

1. 真空処理槽内に所定間隔で複数配置された処理対象物である半導体ウェーハ表面の自然酸化膜をエッチングするエッチング装置であって、
   前記真空処理槽に接続され、水素ラジカルを含有する第１の処理ガスを前記真空処理槽内に導入する第１の処理ガス導入部と、
   第２の処理ガスとしてＮＦ ³ ガスを前記真空処理槽内に導入する第２の処理ガス導入部とを備え、
   前記第１の処理ガス導入部が、前記第１の処理ガスを前記真空処理槽内に導入する導入口を複数有する鉛直方向に延びるパイプ形状の第１のノズル部を備え、当該第１のノズル部の複数の導入口から導入された当該第１の処理ガスを前記所定間隔で複数配置された処理対象物の間にそれぞれ導くように構成され、
   前記第２の処理ガス導入部が、前記第２の処理ガスを前記真空処理槽内に導入する導入口を複数有し前記第１の処理ガス導入部の第１のノズル部を挟む位置に設けられた複数の第２のノズル部を備え、当該第２のノズル部の複数の導入口から導入された当該第２の処理ガスを前記所定間隔で複数配置された処理対象物の間にそれぞれ導くように構成され、
   前記第１及び第２のノズル部の導入口は、前記所定間隔で複数配置された処理対象物の間全てに位置するように設けられ、
   前記処理対象物は、前記真空処理槽内において回転するように構成されているエッチング装置。
2. 前記第２のノズル部が、前記第１のノズル部のガスの導入方向に対して対称となる位置に設けられている請求項１記載のエッチング装置。
3. 前記第２の処理ガス導入部が、前記第１の処理ガス導入部の第１のノズル部を挟む位置に設けられた二つの第２のノズル部を有している請求項１又は２のいずれか１項記載のエッチング装置。
4. 前記第１及び第２の処理ガス導入部が、前記処理対象物の中央部分に当該処理ガスを導くように構成されている請求項１乃至３のいずれか１項記載のエッチング装置。
5. 前記第１のノズル部の導入口と前記第２のノズル部の導入口の少なくともいずれか一方は、その口径が複数の前記処理対象物間の間隔より小さい請求項１乃至４のいずれか１項記載のエッチング装置。
6. 前記第１及び第２のノズル部が、前記処理対象物の中央部分から等しい距離の位置に設けられた導入口を有する請求項１乃至５のいずれか１項記載のエッチング装置。

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