JP2001068460A - 表面波プラズマエッチング装置を用いた半導体ウェーハ上の物質膜エッチング方法 - Google Patents

表面波プラズマエッチング装置を用いた半導体ウェーハ上の物質膜エッチング方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 表面波を伝えるガラス板の予熱時間を大幅
に短縮でき、フッ素によるガラス板の損傷およびガラス
板へのポリマー付着を抑えることができる表面波プラズ
マエッチング方法を提供する。 【解決手段】 絶縁板及び反応チャンバーに表面波を伝
えるガラス板を具備し、マイクロ波によって表面波が発
生する表面波プラズマエッチング装置により、前記反応
チャンバー内に載置された半導体ウェーハ上の物質膜を
エッチングする方法において、前記方法は、アルゴンま
たは／およびキセノンの表面波プラズマを発生させて前
記ガラス板を予熱するステップと、前記物質膜をエッチ
ングするステップとを含むことを特徴とする半導体ウェ
ーハ上の物質膜エッチング方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体ウェーハ上の
物質膜（ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｉｌｍ）エッチング方法
に係り、特に、表面波プラズマエッチング装置を用いた
半導体ウェーハ上の物質膜エッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体ウェーハの大口径化及び半導体素
子の高集積化が進むにつれて、微細パターンが形成でき
るエッチング装置の必要性が増大しつつある。特に、大
口径の半導体ウェーハ上に、限界寸法誤差が小さくかつ
ウェーハ上の誤差分布が一様な微細パターンを形成でき
るエッチング装置が望まれている。
【０００３】このような要求に応えるものとして、表面
波プラズマエッチング装置が提案されている。表面波プ
ラズマエッチング装置は、絶縁板で発生した表面波がガ
ラス板を介して反応チャンバーに伝えられてエッチング
ガスを励起させ、これによりプラズマを発生させる装置
である。前記生成した表面波プラズマにより半導体ウェ
ーハ上に形成された物質膜（酸化ケイ素等の酸化膜や窒
化ケイ素等の窒化膜などの半導体ウェーハ上に形成され
た膜）がエッチングされる。
【０００４】ところで、従来の表面波プラズマエッチン
グ装置の反応チャンバーはエッチングガスの損失を抑え
るために１８０℃程度の温度に加熱される。したがっ
て、表面波が伝えられるガラス板は、その熱伝達効率が
低いため通常はアルミニウム材質の反応チャンバーに比
べて低温である１２０〜１５０℃状態に維持されるが、
エッチング工程時には容易に加温されて反応チャンバー
に比べて高温である２５０℃程度にもなる。こうなる
と、その熱伝達効率が低いためエッチング工程中にガラ
ス板の温度は一様でなくなり、その結果、プラズマの性
質が一様な表面波プラズマが発生しない。
【０００５】これを解決するために、反応チャンバー内
に半導体ダミーウェーハをロードした後、エッチングガ
ス、例えば、Ｃ4Ｆ8、ＣＯ、Ｏ2及びＡｒの混合ガスで
エッチングを行い、前記ガラス板を予熱する方法が提案
されている。しかし、このような予熱方法は前記ガラス
板の予熱時間が３０分以上に長びき、またエッチングガ
スにフッ素（Ｆ）が含まれているため、ガラス板を損傷
してしまい、装置寿命が短くなる。さらに、エッチング
ガスに炭素（Ｃ）が含まれているため、ガラス板にポリ
マーが付着してしまい、表面波プラズマがガラス板を通
りにくくなる短所がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に鑑
みて成されたものであり、その目的は、表面波プラズマ
エッチング装置を用いるとき、表面波を伝えるガラス板
の予熱時間を大幅に短縮でき、フッ素によるガラス板の
損傷およびガラス板へのポリマー付着を抑えることがで
きる、半導体ウェーハ上の物質膜をエッチングする方法
を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明は、絶縁板及び反応チャンバーに表面波を伝えるガラ
ス板を具備し、マイクロ波によって表面波が発生する表
面波プラズマエッチング装置により、前記反応チャンバ
ー内に載置された半導体ウェーハ上の物質膜をエッチン
グする方法において、前記方法は、アルゴンまたは／お
よびキセノンの表面波プラズマを発生させて前記ガラス
板を予熱するステップと、前記物質膜をエッチングする
ステップとを含むことを特徴とする半導体ウェーハ上の
物質膜エッチング方法である。
【０００８】前記方法は、アルゴンやキセノンの表面波
プラズマを生成させて前記ガラス板を迅速に予熱した後
に、前記物質膜をエッチングする。
【０００９】また本発明は、マイクロ波によって表面波
が発生する絶縁板及び反応チャンバーに表面波を伝える
ガラス板を具備する表面波プラズマエッチング装置の反
応チャンバー内に半導体ダミーウェーハをロードするス
テップと、アルゴンまたは／およびキセノンの表面波プ
ラズマを発生させて前記ガラス板を予熱するステップ
と、前記アルゴンまたは／およびキセノンガスを排出す
るステップと、前記半導体ダミーウェーハをアンロード
するステップと、前記反応チャンバー内に半導体ウェー
ハをロードするステップと、前記半導体ウェーハがロー
ドされた反応チャンバー内にエッチングガスを注入する
ステップと、前記エッチングガスを励起させて表面波プ
ラズマを発生させるステップと、前記エッチングガスに
よる表面波プラズマを用い、前記半導体ウェーハ上の物
質膜をエッチングするステップとを含むことを特徴とす
る半導体ウェーハ上の物質膜エッチング方法である。
【００１０】前記表面波プラズマの発生時に、前記半導
体ウェーハが載置された下部電極にバイアスパワーを５
００〜２５００ワット印加することが好ましい。
【００１１】前記表面波プラズマの発生時に、前記表面
波を発生させるマイクロ波のソースパワーは１０００〜
４０００ワットであることが好ましい。
【００１２】前記表面波プラズマの発生時に、前記反応
チャンバーの圧力は４〜８Ｐａに維持されることが好ま
しい。
【００１３】前記表面波プラズマの発生時に、前記反応
チャンバーに酸素ガスをさらに注入することが好まし
い。
【００１４】前記ガラス板は、２５０〜３５０℃に予熱
されることが好ましい。
【００１５】前記物質膜は、酸化膜であることが好まし
い。
【００１６】前記エッチングガスは、フッ素含有ガス、
炭素含有ガス及び酸素ガスが混合されたガスであること
が好ましい。
【００１７】以上のように、本発明は、表面波プラズマ
エッチング装置を用いてエッチング工程を行なうとき、
アルゴンやキセノンガスを用いる。前記アルゴンやキセ
ノンなどのガスは、表面波プラズマの生成時にイオン密
度が高くてイオン質量が大きいので、表面波が伝えられ
るガラス板を迅速に予熱することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面に基づき、本
発明の実施例について詳細に説明する。しかし、本発明
は以下に開示される実施例に限定されるものではなく、
相異なる各種の形態にて実施できる。本実施例は、本発
明を完全に開示し、通常の知識を有する者に本発明の範
疇を完全に知らせるために提供されるものであり、図
中、各種の構成要素の大きさは発明を明確にするために
強調されている。また、図中、同一の部材には同一の参
照符号を使用した。また、物質膜とは、半導体ウェーハ
上に形成されてなる膜一般をさし、酸化ケイ素等の酸化
膜や窒化ケイ素等の窒化膜が例として挙げられ、本発明
においては酸化膜が好ましくは使用される。
【００１９】図１は、本発明で使用される表面波プラズ
マエッチング装置の一実施形態の概略図である。
【００２０】以下具体的に説明する。本発明で使用され
る表面波プラズマエッチング装置は、マイクロ波（例え
ば、２．４５ＧＨｚ）によってプラズマを発生させ、こ
れを用いてエッチングを行なう装置であって、上部領域
１００及び下部領域２００で構成される。
【００２１】上部領域１００は、所定のソースパワーを
もつマイクロ波を導いて表面波を生成し、かつ、表面波
を限定する機能を果たす領域である。すなわち、上部領
域１００はマイクロ波導入部１０２、マイクロ波ガイド
１０４、絶縁板１０６、ガラス板１０８及び上部電極１
１０で構成されている。絶縁板１０６はテフロンから形
成されてなり、マイクロ波導入部１０２を介して導かれ
たマイクロ波を伝え、かつ、表面波１１２を発生させ
る。このように発生させられた表面波１１２はガラス板
１０８を介して反応チャンバー２０２内に導かれる。前
記ガラス板１０８は絶縁板１０６と平行するように所定
距離をあけて離隔配置され、絶縁板１０６とガラス板１
０８との間の隙間領域１１４には空気が満たされてい
る。前記絶縁板１０６で発生した表面波１１２が伝わる
領域は、絶縁板１０６の上面に配置されたアルミニウム
板からなるマイクロ波ガイド１０４及びガラス板１０８
の下部に配置されたアルミニウムからなる上部電極１１
０によって、エッチング対象物が配置された領域周辺に
限定される。
【００２２】下部領域２００は、上部領域１００で発生
した表面波１１２によって誘起されたプラズマ２０４を
用いてエッチングを行なう反応チャンバー２０２を含
む。下部領域２００は、ヒーター２０６、反応チャンバ
ー２０２、下部電極２０８、高周波電源２１０及び排出
口２１２で構成される。前記ヒーター２０６は前記反応
チャンバー２０２を加熱するために設けられ、前記下部
電極２０８はエッチング装置の底面に、上部電極１１０
と対向して設けられ、前記下部電極２０８上には半導体
ウェーハ２１４が載置される。前記下部電極２０８には
高周波電源２１０が接続されて、高周波電力（ｒａｄｉ
ｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐｏｗｅｒ）が印加される。
【００２３】以上、本発明で使用される表面波プラズマ
エッチング装置の一実施形態を示したが、本発明で用い
られる表面プラズマエッチング装置はこれに限定される
ものではなく、公知の表面波プラズマエッチング装置に
適用できることはもちろん、単なる材料の変更や公知の
技術を利用した変形は本発明に含まれるものである。
【００２４】図２は、表面波プラズマエッチング装置を
用いた本発明の半導体ウェーハ上の物質膜エッチング方
法の一例を示すフローチャートである。
【００２５】以下具体的に説明する。表面波が発生する
絶縁板１０６及び反応チャンバー２０２内に表面波を伝
えるガラス板１０８を具備する表面波プラズマエッチン
グ装置の反応チャンバー２０２内に半導体ダミーウェー
ハをロードする（ステップ３００）。次に、前記反応チ
ャンバーにガス、アルゴンガスまたは／およびキセノン
ガスを注入し、前記反応チャンバー２０２を所定圧力に
維持する（ステップ３１０）。図３に、図１の形態の表
面波プラズマエッチング装置を用いてアルゴンプラズマ
を発生させたときの、表面波の発生に影響する工程圧力
とイオン密度（ｎi）との関係を示す。図３から明らか
なように、工程圧力が４〜８Ｐａ（３０〜６０ｍＴｏｒ
ｒ）のときイオン密度が高い。これより、表面波プラズ
マ発生時の反応チャンバーの圧力は４〜８Ｐａ（３０〜
６０ｍＴｏｒｒ）であることが好ましい。
【００２６】次に、マイクロ波導入部１０２からマイク
ロ波を導き、これにより絶縁板１０６から表面波を発生
させてガラス板１０８に放射させる。図４に、図１の形
態の表面波プラズマエッチング装置を用いてアルゴンプ
ラズマを発生させたときの、ソースパワーとイオン密度
（ｎi）との関係を示す。図４から明らかなように、ソ
ースパワーは高いほどイオン密度が高い。これより、ガ
ラス板の加熱はソースパワーが高いほど効果的であるこ
とが分かる。また、ソースパワーは１０００〜４０００
ワットのソースパワーであるときが効果的で好ましい。
放射された表面波は、ガラス板１０８を介して反応チャ
ンバー２０２内に放射される。上部電極１１０によって
反応チャンバーへの表面波を限定してもよい。前記表面
波によって前記反応チャンバー２０２内に注入されたガ
スが励起して表面波プラズマが生成する。このとき、半
導体ダミーウェーハ２１４が載置された下部電極２０８
には５００〜２５００ワットのバイアスパワーを印加す
ることが好ましい。これにより、前記ガスの励起による
表面波プラズマはガラス板１０８を２００℃以上、より
好ましくは２５０〜３５０℃の温度に予熱することが好
ましい（ステップ３２０）。このとき、予熱ガスにアル
ゴンまたは／およびキセノンを用いているため迅速な昇
温が施される。さらに、本発明においては、このように
予熱ガスに炭素が含まれないため、ガラス板へのポリマ
ー付着を抑えることができ、ウェハーのエッチング効率
を向上させることができる。なお、前記表面波プラズマ
の生成時に前記反応チャンバー２０２に酸素ガスをさら
に注入すれば、チャンバーの洗浄効果も同時に得ること
ができる。
【００２７】ここで、表面波プラズマエッチング装置の
ガラス板１０８を迅速に予熱するためにアルゴンガスや
キセノンガスを用いる理由について詳細に述べる。
【００２８】まず、本発明者はガラス板の加熱が表面波
プラズマによって生成したイオンの衝突によってなされ
るため、加熱能力が表面波プラズマによって生成したイ
オンがもつエネルギー及び入射するイオンの量に依存す
ることを見出した。これを数学式で表わすと以下のよう
になる。
【００２９】
【数１】
【００３０】（式中、Ｈｅａｔは加熱能力を、ｎiはイ
オン密度（プラズマ密度とも呼ぶ）を、Ｅionはイオン
のエネルギーを、Ｖdcはセルフバイアス電圧をそれぞれ
示す。） 前式に示すように、加熱能力Ｈｅａｔはイオンの量を決
めるイオン密度ｎi及びイオンのエネルギーＥionの積に
比例する。換言すれば、加熱能力は、イオン密度が高く
なるほど、または、イオンの質量が大きくなるほど増大
する。この理由から、本発明では表面波プラズマの生成
時にイオン密度が高く、かつ質量が大きいイオンが得ら
れるアルゴンガスやキセノンガスを用いるのである。ま
た、加熱能力は、イオン密度及びセルフバイアス電圧の
積に比例する。ここで、前記セルフバイアス電圧は半導
体ウェーハに加えられるバイアスパワーに比例するの
で、加熱能力は、バイアスパワー及びイオン密度が高く
なるほど良好になる。
【００３１】参考に、図１の形態の表面波プラズマエッ
チング装置を用いてプラズマを発生させたときの予熱ガ
スの種類とイオン密度との関係を図５に示す。横軸は予
熱ガスの種類を表わし、縦軸は相対的なイオン密度を表
わす。ここで、予熱ガスとしては、Ｏ2、Ｃ4Ｆ8、ＣＨ
Ｆ3及びＡｒをそれぞれ用いた。図５のグラフから明ら
かなように、Ｏ2、Ｃ4Ｆ8、ＣＨＦ3及びＡｒ順にイオン
密度が大きくなり、前述のように、ガラス板の加熱能力
も、Ｏ2、Ｃ4Ｆ8、ＣＨＦ3及びＡｒ順に大きくなる。こ
れにより、例えばある表面波プラズマエッチング装置を
用いてエッチング工程を行なうとき、ガラス板を２５０
〜３５０℃に加熱するための加熱時間が、Ａｒを用いる
ときには約５分であるのに対し、エッチングガスである
Ｃ4Ｆ8、ＣＯ、Ｏ2及びＡｒの混合ガスを用いるときに
は約３７分かかる。
【００３２】次に、前記予熱に用いたガスを前記反応チ
ャンバー２０２から排出し（ステップ３３０）、前記反
応チャンバーから半導体ダミーウェーハをアンロードし
（ステップ３４０）、前記反応チャンバーに素子が作製
される半導体ウェーハをロードする（ステップ３５
０）。
【００３３】続いて、前記反応チャンバー内にエッチン
グガスを注入して前記反応チャンバーを所定圧力に維持
する（ステップ３６０）。前記エッチングガスとして
は、半導体ウェーハ上の物質膜が酸化膜である場合、フ
ッ素含有ガス、炭素含有ガス及び酸素ガスの混合ガスを
用いることが好ましい。前記フッ素含有ガス中のフッ素
はエッチングに用いられ、前記炭素はポリマーの形成に
用いられ、酸素はポリマーを除去する役割をする。前記
フッ素含有ガスとしてはＳＦ6、ＮＦ3、ＣＦ4、ＣＨ
Ｆ3、ＣＨ2Ｆ2、Ｃ2Ｆ6、Ｃ3Ｆ8、Ｃ4Ｆ8などが用いら
れ、炭素含有ガスとしてはＣＯガスが用いられる。
【００３４】次に、前記エッチングガスを励起させて表
面波プラズマを発生させる（ステップ３７０）。このよ
うにして発生した表面波プラズマが下部電極上にロード
された半導体ウェーハ上の物質膜に作用して物質膜をエ
ッチングする（ステップ３８０）。このとき、下部電極
には高周波電源を介して高周波電力が印加されて、半導
体ウェーハに入射する表面波プラズマのエネルギーが調
節される。次に、前記反応チャンバーからエッチングガ
スを排出する（ステップ３９０）。最後に、前記反応チ
ャンバーを常圧に維持した後に半導体ウェーハをアンロ
ードしてエッチング工程を終える（ステップ４００）。
【００３５】
【発明の効果】以上述べたように、本発明は、表面波プ
ラズマエッチング装置を用いてガラス板を予熱する際、
アルゴンやキセノンガスを用いるため、表面波が伝わる
ガラス板を迅速に予熱することができ、ガラス板の予熱
時間を従来の方法に比べて大幅に短縮することができ
る。また、エッチングガスを用いないで予熱をするた
め、従来法の見られたフッ素によりガラス板が損傷する
問題を解決することができる。さらに、従来法と異なり
予熱する際、炭素を用いないので、ガラス板へのポリマ
ーの付着を抑えることができ、ウエハーのエッチング効
率を向上させ、エッチング不良を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明で使用される表面波プラズマエッチン
グ装置一実施形態の概略図である。
【図２】 表面波プラズマエッチング装置を用いた本発
明の半導体ウェーハ上の物質膜エッチング方法を示すフ
ローチャートである。
【図３】 図１の形態の表面波プラズマエッチング装置
を用いてアルゴンプラズマを発生させたときの、工程圧
力とイオン密度との関係を示すグラフである。
【図４】 図１の形態の表面波プラズマエッチング装置
を用いてアルゴンプラズマを発生させたときの、ソース
パワーとイオン密度との関係を示すグラフである。
【図５】 図１の形態の表面波プラズマエッチング装置
を用いてプラズマを発生させたときの予熱ガスの種類と
イオン密度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１００ 上部領域 １０２ マイ
クロ波導入部 １０４ マイクロ波ガイド １０６ 絶縁
板 １０８ ガラス板 １１０ 上部
電極 １１２ 表面波 １１４ 隙間
領域 ２００ 下部電極 ２０２ 反応
チャンバー ２０４ プラズマ ２０６ ヒー
ター ２０８ 下部電極 ２１０ 高周
波電源 ２１２ 排出口 ２１４ 半導
体ウェーハ

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 絶縁板及び反応チャンバーに表面波を伝
    えるガラス板を具備し、マイクロ波によって表面波が発
    生する表面波プラズマエッチング装置により、前記反応
    チャンバー内に載置された半導体ウェーハ上の物質膜を
    エッチングする方法において、前記方法は、アルゴンま
    たは／およびキセノンの表面波プラズマを発生させて前
    記ガラス板を予熱するステップと、前記物質膜をエッチ
    ングするステップとを含むことを特徴とする半導体ウェ
    ーハ上の物質膜エッチング方法。
  2. 【請求項２】 前記表面波プラズマの発生時に、前記半
    導体ウェーハが載置された下部電極にバイアスパワーを
    ５００〜２５００ワット印加することを特徴とする請求
    項１に記載の半導体ウェーハ上の物質膜エッチング方
    法。
  3. 【請求項３】 前記表面波プラズマの発生時に、前記表
    面波を発生させるマイクロ波のソースパワーは１０００
    〜４０００ワットであることを特徴とする請求項１また
    は２に記載の半導体ウェーハ上の物質膜エッチング方
    法。
  4. 【請求項４】 前記表面波プラズマの発生時に、前記反
    応チャンバーの圧力は４〜８Ｐａに維持されることを特
    徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体ウ
    ェーハ上の物質膜エッチング方法。
  5. 【請求項５】 前記表面波プラズマの発生時に、前記反
    応チャンバーに酸素ガスをさらに注入することを特徴と
    する請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体ウェー
    ハ上の物質膜エッチング方法。
  6. 【請求項６】 前記ガラス板は、２５０〜３５０℃に予
    熱されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項
    に記載の半導体ウェーハ上の物質膜エッチング方法。
  7. 【請求項７】 前記物質膜は、酸化膜であることを特徴
    とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体素子
    の物質膜エッチング方法。
  8. 【請求項８】 マイクロ波によって表面波が発生する絶
    縁板及び反応チャンバーに表面波を伝えるガラス板を具
    備する表面波プラズマエッチング装置の反応チャンバー
    内に半導体ダミーウェーハをロードするステップと、ア
    ルゴンまたは／およびキセノンの表面波プラズマを発生
    させて前記ガラス板を予熱するステップと、前記アルゴ
    ンまたは／およびキセノンガスを排出するステップと、
    前記半導体ダミーウェーハをアンロードするステップ
    と、前記反応チャンバー内に半導体ウェーハをロードす
    るステップと、前記半導体ウェーハがロードされた反応
    チャンバー内にエッチングガスを注入するステップと、
    前記エッチングガスを励起させて表面波プラズマを発生
    させるステップと、前記エッチングガスによる表面波プ
    ラズマを用い、前記半導体ウェーハ上の物質膜をエッチ
    ングするステップとを含むことを特徴とする半導体ウェ
    ーハ上の物質膜エッチング方法。
  9. 【請求項９】 前記表面波プラズマの発生時に、前記半
    導体ウェーハが載置された下部電極にバイアスパワーを
    ５００〜２５００ワット印加することを特徴とする請求
    項８に記載の半導体ウェーハ上の物質膜エッチング方
    法。
  10. 【請求項１０】 前記表面波プラズマの発生時に、前記
    表面波を発生させるマイクロ波のソースパワーは１００
    ０〜４０００ワットであることを特徴とする請求項８ま
    たは９に記載の半導体ウェーハ上の物質膜エッチング方
    法。
  11. 【請求項１１】 前記表面波プラズマの発生時に、前記
    反応チャンバーの圧力は４〜８Ｐａに維持されることを
    特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の半導
    体ウェーハ上の物質膜エッチング方法。
  12. 【請求項１２】 前記表面波プラズマの発生時に、前記
    反応チャンバーに酸素ガスをさらに注入することを特徴
    とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載の半導体ウ
    ェーハ上の物質膜エッチング方法。
  13. 【請求項１３】 前記ガラス板は、２５０〜３５０℃に
    予熱されることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか
    １項に記載の半導体ウェーハ上の物質膜エッチング方
    法。
  14. 【請求項１４】 前記物質膜は、酸化膜であることを特
    徴とする請求項８〜１３のいずれか１項に記載の半導体
    ウェーハ上の物質膜エッチング方法。
  15. 【請求項１５】 前記エッチングガスは、フッ素含有ガ
    ス、炭素含有ガス及び酸素ガスが混合されたガスである
    ことを特徴とする請求項８〜１４のいずれか１項に記載
    の半導体ウェーハ上の物質膜エッチング方法。
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