JP2004014969A

JP2004014969A - 半導体表面処理方法

Info

Publication number: JP2004014969A
Application number: JP2002169568A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Ono; 小野　哲郎; Katsumi Setoguchi; 瀬戸口　勝美; Motohiko Kikkai; 吉開　元彦
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】半導体素子の配線やゲート電極のエッチングで問題となるエッチング装置を大気開放にて清掃してから製品を寸法変動無く加工できるまでの時間を短縮できる。
【解決手段】装置の大気開放清掃終了後の真空引きにて、真空容器壁温度を通常の製品エッチング時の温度より高く設定すると同時にＳＦ６あるいはＣＦ４を含むガスで放電を行う。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は表面処理方法に係り、特にプラズマを用いて半導体ウエハ表面をエッチングして半導体素子を作製する半導体表面処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子のエッチングにはプラズマを利用した装置が広く用いられている。ここではそのうちの一つであるＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）方式と呼ばれる装置を例に説明する。この方式は、真空容器中にマイクロ波を導入しプラズマを発生する。コイルにより磁場を形成し、磁場によりプラズマ中の電子にローレンツ力が働き、電子は磁力線の回りを回転運動（サイクロトロン運動）する。この電子の回転の周期とマイクロ波の周波数を等しくすると共鳴し、効率良くプラズマを発生できる。また、試料に入射するイオンを加速するために、試料には高周波電圧が印加される。一般的にプラズマとなるガスには塩素やフッ素などのハロゲンガスが用いられる。
【０００３】
このような装置のクリーニング方法に関連する技術としては、例えば特許公報第２７９７３０７号公報記載の技術が知られている。ここでは、ＥＣＲ型エッチング装置の真空容器壁の電位をかえて、プラズマの発生場所を制御して、真空容器壁をクリーニングする技術が述べられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
半導体素子の高速化に伴い、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ　Ｓｃａｌｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ）の加工寸法は現在０．１μｍレベルになっている。素子の電極や配線部分の加工精度は±０．０１μｍ以下が必要となっている。
一方、プラズマを用いたエッチング装置では加工寸法が時間とともに微少に変動する問題がある。たとえばエッチング装置では真空容器の内壁からのガスの放出状態などによってプラズマが影響を受け、寸法変動が生じる。一般にエッチング装置では内部にＳｉ等の反応生成物が付着して異物が発生するので、定期的に真空容器内部を清掃する必要がある。この際に真空容器を大気開放して、内壁を水等で清掃する。清掃後再び容器内を真空引きするが、定常状態に落ち着くまでは表面処理を開始できない。通常、短時間で定常状態に戻すために、真空を引くと同時に慣らし放電を行ったりする。慣らし放電が十分でないと、清掃後のエッチング寸法と数百枚処理後のエッチング寸法には変動が生じてしまう。素子の微細化に伴い、この寸法変動のために要求加工精度を満たすことが困難になっている。一方、慣らし放電時間が長くなると装置の稼動率が落ちてしまう。前述の公知例などでクリーニング方法は知られているが、素子寸法の精度が厳しくなるに伴い、より短時間でエッチングの寸法変動を抑えるクリーニング方法が必要となっている。
【０００５】
本発明の目的は、プラズマを用いた半導体表面処理方法で問題となる経時的な加工寸法の変動を抑えて、０．１μｍレベルの半導体素子を再現性良く加工することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
真空容器にその温度を調整する機能をつけて、清掃などで真空容器を大気開放した後に、真空引き開始から表面処理を開始する間の真空容器壁の温度を表面処理時の温度より高く設定すると同時にこの間にＳＦ６ガスの放電を発生させる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、実施例を図により説明する。
【０００８】
〔実施例〕
図１は本発明を適用するＥＣＲ方式のエッチング装置の全体構成図である。マイクロ波電源１０１から導波管１０２を介して真空容器１０４内にマイクロ波が導入される。容器の天板１０３はマイクロ波を透過するために石英でできている。真空容器１０４の回りには電磁石１０５が設置されており、磁場強度はマイクロ波の周波数と電子のサイクロトロン周波数が同じになるように設定される。例えば、マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚならば磁場強度は８７５Ｇａｕｓｓである。試料１０６は試料台１０７の上に設置される。試料に入射するイオンを加速するために、高周波電源１０８が試料台１０７に接続されている。高周波電源の周波数に特に制限はないが、通常では２００ｋＨｚから２０ＭＨｚの範囲である。真空容器内面は石英内筒１０９で被われている。また、真空容器にはその温度を調整するためのヒータ１１０が設けられている。
【０００９】
図２には、真空容器清掃後に慣らし放電と呼ぶＳｉダミーウエハを試料台に置き放電を発生させる処理をした後に、多結晶シリコンゲート試料のエッチングを行い、そのエッチング寸法と慣らし放電の回数（処理したＳｉダミーウエハの数）の関係を示す。多結晶シリコンゲート試料のおよその構造はＳｉ基板上にゲート酸化膜３．５ｎｍ、多結晶シリコン２５０ｎｍ、ハードマスク（酸化膜）５０ｎｍである。この製品の規格寸法は１３０ｎｍであるが、図２のように真空容器を大気開放して内部の水ぶきおよび石英部品（天板１０３と内筒１０９）のフッ酸エッチングを行った直後は、水分や真空容器壁が安定状態にない影響で、寸法は規格より大きくなってしまう。
【００１０】
慣らし放電を繰り返すと、寸法は次第に細くなり規格に入る。慣らし放電の時間は短いほどよく、慣らし放電が多いことは装置の遊び時間が長い、すなわち製品のスループットが低くなり、また無駄なＳｉダミーウエハを多く必要とすることになる。製品のエッチングガスは塩素（１８ｃｃ）＋酸素（３ｃｃ）＋ＨＢｒ（８２ｃｃ）、圧力０．４Ｐａで真空容器壁温度を１００℃に調節している。
【００１１】
図２の曲線ＡはＳｉダミーウエハ１枚につき慣らし放電を塩素（１８ｃｃ）＋酸素（３ｃｃ）＋ＨＢｒ（８２ｃｃ）、圧力０．４Ｐａで１２０秒とＳＦ６（１５０ｃｃ）圧力１Ｐａで３０秒行い、真空容器壁温度は製品エッチング時と同じ１００℃に設定した場合である。曲線Ｂは本発明に従い、慣らし放電のガス組成と放電時間は曲線Ａと同じであるが、真空容器温度を１５０℃とし、製品エッチング時には温度を１００℃とした場合である。慣らし放電時の真空容器温度をエッチング時の温度より高くすることにより、寸法が規格に入るまでのＳｉダミーウエハ数が約１００枚となり、曲線Ａと比較して約５０枚少なくなる。図２曲線Ｃは、温度を変えるのに加えて、慣らし放電条件を塩素（１８ｃｃ）＋酸素（３ｃｃ）＋ＨＢｒ（８２ｃｃ）圧力０．４Ｐａで３０秒とＳＦ６（１５０ｃｃ）圧力１Ｐａで１２０秒にしたものである。
【００１２】
すなわち、ＳＦ６放電時間をエッチングガス（塩素＋酸素＋ＨＢｒ）放電時間より長く設定した。この条件では約５０枚のＳｉダミーウエハで規格に入り、曲線Ｂよりさらに早く安定させることができる。この原因はおそらく、ＳＦ６放電のＦに、石英と反応して水分を置換したり早く壁を安定状態にする効果があり、この時に真空容器壁温度が高いと反応が促進され安定までの時間が短縮されるためと思われる。さらにエッチング時に真空容器壁の温度を下げると容器からの脱ガス量が減り安定するためと考えられる。
【００１３】
慣らし放電時に真空容器の温度を上げると、真空容器からの脱ガスが試料台の方に吸着する恐れがある。この場合は、慣らし放電時に試料台の温度も、エッチング時より高く設定すればよい。例えば先に述べた例では試料台温度を２０℃に設定しており問題はないが、もし条件により試料台への堆積物が多くなった場合は、慣らし放電中の試料台の温度を５０℃程度にすればよい。
【００１４】
また、本実施例はＥＣＲ型のエッチング装置での例を説明したが、エッチング装置はＥＣＲに限らず、容量結合型のプラズマ源装置あるいは誘導結合型のプラズマ源装置でも同様に効果がある。また慣らし放電に用いるガスはＳＦ６と酸素や希ガスの混合ガス、あるいはＣＦ４とその混合ガスでも効果は同じである。
【００１５】
また、慣らし放電時に用いるウエハはＳｉウエハに酸化膜をつけたものにするとＳｉ反応生成物の量が減少するために、異物などをより抑えることができる。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体素子のエッチング装置にて問題となる、大気開放での内部清掃後から製品着工を開始するまでの安定化に要する時間を短くして、装置の稼動時間をあげることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する表面処理装置の全体構成図。
【図２】慣らし放電回数とエッチング寸法の関係。
【符号の説明】
１０１…マイクロ波電源、１０２…導波管、１０３…天板、１０４…真空容器、１０５…電磁石、１０６…試料、１０７…試料台、１０８…高周波電源、１０９…内筒、１１０…ヒータ。

Claims

真空容器とその中にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と真空容器内に設けられた試料台と試料に高周波電圧を印加する高周波電源と真空容器の温度を調整する手段からなる装置による半導体表面処理において、真空容器を大気開放した後の、真空引き開始から表面処理を開始する間の真空容器温度を表面処理時の真空容器温度より高く調節すると同時に表面処理開始前に少なくともＳＦ６あるいはＣＦ４を含むガスの放電を発生させる期間を設けることを特徴とする半導体表面処理方法。
請求項１記載の半導体表面処理方法において、真空引き開始から表面処理を開始する間の真空容器温度を１５０℃以上、表面処理時の真空容器温度を１００℃以下に調節したことを特徴とする半導体表面処理方法。
請求項１又は２記載の半導体表面処理方法において、表面処理を開始する前にＳＦ６を含む放電と表面処理時に用いるガスの放電を交互に繰り返すことを特徴とする半導体表面処理方法。
請求項３記載の半導体表面処理方法において、交互に繰り返す放電は、ＳＦ６を含むガスの放電時間が表面処理時に用いるガスの放電時間よりも長いことを特徴とする半導体表面処理方法。
請求項１から４のいずれかに記載の半導体表面処理方法において、真空引き開始から表面処理を開始する間の試料台の温度を、表面処理時の試料台温度より高く設定することを特徴とする半導体表面処理方法。
請求項１から５のいずれかに記載の半導体表面処理方法において、ＳＦ６あるいはＣＦ４の放電時には試料台に酸化膜で被われたＳｉウエハを設置しておくことを特徴とする半導体表面処理方法。