JP2004152850A

JP2004152850A - ドライエッチング装置

Info

Publication number: JP2004152850A
Application number: JP2002314045A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Umagoe; 俊行馬越
Original assignee: Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd; Kansai Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd; Kansai Nippon Electric Co Ltd
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】簡単な方法でエッチングの反応生成ガスがビューポートへ付着するのを防止し、安定したエッチングの終点判定ができるドライエッチング装置を提供する。
【解決手段】本発明のドライエッチング装置１では、ビューポート１３の表面に反応生成ガスの付着を防止するための不活性ガスのガス雰囲気が形成される。このガス雰囲気は、ガス供給部１７とガス流路部１８とガス排気部１９により形成される。ガス供給部１７はガス流路部１８の上側に設けられた流量制御器２０と排気バルブ２１とガス供給源２２からなる。また、ガス排気部１９はガス流路部１８の下側に設けられた圧力制御バルブ２３と排気バルブ１０と真空ポンプ１１からなる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エッチングガスのプラズマにより半導体ウェーハのエッチングを行なうドライエッチング装置に関し、特に、プラズマを観測するビューポートの表面にエッチングの反応生成ガスが堆積するのを防止する機能を備えたドライエッチング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の製造工程では、半導体ウェーハの表面に形成された所定膜を除去するためにエッチングガスのプラズマを利用したドライエッチング装置が用いられる。このようなプラズマエッチング装置は、真空チャンバ内を高真空にした後、エッチングガスを導入し、真空チャンバ内に相対向して設けられた半導体ウェーハを載置する下部電極と上部電極間に高周波電圧を印加し、両電極間にプラズマを発生させ、ガスプラズマ中のイオン衝撃による物理的反応と活性ガスによる化学反応によって被エッチング膜をエッチングするように構成されている。
【０００３】
さらに、エッチング精度を高めて微細なパターンを形成するために、エッチングの終点を精度よく検出する機能が備わっている。このようなエッチングの終点判定方法は、真空チャンバ側壁に設けた発光プラズマの観測用窓（以下、ビューポートという）を通して行なわれる。ビューポートを通して真空チャンバ内でのプラズマの発光スペクトルの強度変化を観測して、所望の膜厚のエッチング処理が終了したことを判断するものである。
【０００４】
このようなドライエッチング装置においては、エッチングの進行過程においてエッチングの反応生成ガスが生じる。この反応生成ガスの大部分は、原料ガスとともに真空ポンプにより、真空チャンバ外へ排気される。しかし、反応生成ガスの全てが排気されるわけではなく、一部はビューポート表面に堆積物となって付着する。
【０００５】
このビューポート表面に付着した堆積物は、繰り返しプラズマに晒されているうちに一部が剥がれて不純物粒子となり、半導体ウェーハに付着して製品の歩留りを低下させるという問題があった。また、ビューポート表面の光透過率を低下させることにより、真空チャンバ内のプラズマより得られる発光の信号強度を低下させ、エッチングの終点判定の信頼性を損なわせるという問題もあった。さらには、このような堆積物を除去するために、半導体ウェーハを所定枚数処理する毎に装置を大気開放してクリーニングする必要があり、装置の稼動率及び生産性を低下させるという問題もあった。
【０００６】
この点に関し、特開平３−５０７２３号公報にはビューポートに温調手段を設けることにより、ビューポート表面への反応生成ガスの付着を防止した技術が開示されている。図５は従来のドライエッチング装置の構成を示すブロック図であり、図６（ａ）、（ｂ）は反応中のプラズマ放電状態を監視するビューポートの拡大平面図及び断面図である。従来のドライエッチング装置５１は、半導体ウェーハ５２をエッチング処理する真空チャンバ５３と、半導体ウェーハ５２を吸着保持する下部電極５４と、半導体ウェーハ５２上方に配置される上部電極５５と、エッチングガスを半導体ウェーハ５２に均一に導くために上部電極５５に設けた複数のガス導入孔５５ａを備えている。また、下部電極５４には、整合器５６を介して高周波電源５７が接続されている。また、真空チャンバ５３の下部の排気ライン５８には、エッチングガスを排気するための圧力制御バルブ５９を介してメカニカルブースターポンプやロータリーポンプ等の真空ポンプ６０が接続され、真空チャンバ５３内のエッチングガスの排気を行なっている。
【０００７】
さらに、真空チャンバ５３の側壁部には反応中のプラズマ６１を観測するためのビューポート６２と、ビューポート６２から特定ガスの発光スペクトルを検出する分光器６３と、分光器６３の発光スペクトル強度を検出するＥＰＤ（ＥｎｄＰｏｉｎｔＤｅｔｅｃｔｏｒ）センサ６４が接続され、ＥＰＤセンサ６４からの発光スペクトルの強度変化に基づいて高周波電源５７がＯＦＦされる構成になっている。
【０００８】
また、真空チャンバ５３の側壁に設けられたビューポート６２の温調は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、ビューポートホルダ６５に保持され石英ガラス６６に埋め込まれた電熱用合金線６７で行なう。このとき、ビューポート６２の温度が真空チャンバ５３の側壁の温度と同じになるよう設定することにより、ビューポート６２表面への反応生成ガスの付着を防止している。
【０００９】
【特許文献１】
特開平３−５０７２３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のプラズマエッチング装置５１は、ビューポート６２に電熱用合金線６７を設けているために、プラズマ６１を観察するビューポート６２の有効面積が狭くなり発光スペクトル強度が小さくなるという新たな問題が発生する。また、エッチングに伴なう頻繁な温調動作によりヒータが切れ易くなり、ビューポート６２交換のためのメンテナンス工数が増え、生産性を低下させる等の問題もある。
【００１１】
本発明は、前記問題点を解決するために考えられたもので、簡単な方法でエッチングの反応生成ガスがビューポート表面へ付着するのを防止し、安定したエッチングの終点判定ができるドライエッチング装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載のドライエッチング装置は、反応室内に設けた上部電極と下部電極の間に高周波電圧を印加することにより発生するエッチングガスのプラズマを用いて被処理基板を処理するとともに、前記反応室の側壁に設けたビューポートを通して前記プラズマの発光状態を監視することによりエッチングの終点判定を行なうドライエッチング装置であって、前記ビューポートにエッチングの反応生成ガスが堆積するのを防止するために、前記ビューポートの前面に不活性ガスの雰囲気を形成するガス雰囲気形成手段を備えたことを特徴とする。この構成により、ビューポート表面に形成された不活性ガスの雰囲気がエッチングの反応生成ガスを遮断する働きをするので、ビューポート表面への反応生成ガスの付着を有効に防止することができる。
【００１３】
また、請求項２記載のドライエッチング装置は、請求項１記載のドライエッチング装置であって、前記ガス雰囲気形成手段が、ガス供給部とガス流路部とガス排気部からなることを特徴とする。この構成により、不活性ガスの流量を精度よく制御できるので、反応室内のエッチング処理を阻害することなく、安定した不活性ガスの雰囲気を形成することができる。
【００１４】
また、請求項３記載のドライエッチング装置は、請求項１記載のドライエッチング装置であって、前記ガス流路部が複数のガス供給孔とガス排気孔を有することを特徴とする。この構成により、複数のガス供給孔を通って供給された不活性ガスが複数のガス排気孔を通って排気されるので、ビューポート表面全体を覆うように均一な不活性ガスの雰囲気を形成することができる。
【００１５】
また、請求項４記載のドライエッチング装置は、請求項１記載のドライエッチング装置であって、前記ガス流路部が、前記ビューポートの前面に複数形成されていることを特徴とする。この構成により、不活性ガスの雰囲気が複数層形成されるので、反応生成ガスの遮断効果が高まる。
【００１６】
また、請求項５記載のドライエッチング装置は、請求項１記載のドライエッチング装置であって、前記ガス供給部に、不活性ガスを加熱する加熱部が設けられていることを特徴とする。この構成により、ビューポートのみならず、ビューポート近傍における反応生成ガスの付着も防止できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明のドライエッチング装置の構成を示すブロック図である。本発明のドライエッチング装置１は、半導体ウェーハ２のエッチング処理を行なう真空チャンバ３と、半導体ウェーハ２を吸着保持する下部電極４と、半導体ウェーハ２上方に配置される上部電極５と、エッチングガスを半導体ウェーハ２に均一に導くために上部電極５に設けた複数のガス導入孔５ａを備えている。また、下部電極４には、整合器６を介して高周波電源７が接続されている。また、真空チャンバ３の下部の排気ライン８には、エッチングガスの排気速度を調整するための圧力制御バルブ９及び排気ライン８を開閉するための排気バルブ１０を介して真空ポンプ１１が接続されている。
【００１８】
さらに、真空チャンバ３の側壁部には反応中のプラズマ１２を観測するための石英ガラスからなるビューポート１３と、ビューポート１３から特定ガスの発光スペクトルを検出する分光器１４と、分光器１４の発光スペクトル強度を電圧に変換し、電圧がある設定条件以下に達したときにエッチング終点と判定するＥＰＤセンサ１５と、ＥＰＤセンサ１５からの発光スペクトルの強度変化に基づいて高周波電源７をＯＦＦする制御回路１６が接続されている。
【００１９】
さらに、本発明のドライエッチング装置１では、ビューポート１３の表面に反応生成ガスの付着を防止するための不活性ガスのガス雰囲気が形成される。このガス雰囲気は、ガス供給部１７とガス流路部１８とガス排気部１９により形成される。ガス供給部１７はガス流路部１８の上側に設けられた流量制御器２０と供給バルブ２１とガス供給源２２からなる。また、ガス排気部１９はガス流路部１８の下側に設けられた圧力制御バルブ２３と排気バルブ１０と真空ポンプ１１からなり、排気系は真空チャンバ３の排気系と共通になっている。
【００２０】
次に、本発明のドライエッチング装置１を用いたエッチング方法について説明する。先ず、半導体ウェーハ２を下部電極４に吸着保持し、上部電極５に設けたガス導入孔５ａから所定のエッチングガスを、真空チャンバ３内に導入する。次に、排気バルブ１０を開き、圧力制御バルブ９を所定の排気速度になるように調整することにより、真空チャンバ３内を真空ポンプ１１によって真空排気して、真空チャンバ３内に導入されたエッチングガスの圧力制御を行なう。
【００２１】
次に、ガス供給部１７により流量の調整されたＨｅガス等の不活性ガスを、ガス流路部１８の上側から供給する。このとき同時に、ガス流路部１８の下側から、ガス排気部１９により不活性ガスを吸引排気する。このとき、不活性ガスの流量は、流量制御器２０及び排気バルブ２３により調整する。この構成により、不活性ガスは、反応生成ガスに対して垂直方向にかつビューポート１３の全面を覆うように流れることになる。そして、エッチングガスの圧力が安定した後、下部電極４に高周波電源７から高周波電力を印加し、プラズマ１２を発生させる。このとき、上部電極５及び真空チャンバ３内壁はグランド電位に接地する。これにより、エッチングガスが反応性の高いプラズマ状態になり、半導体ウェーハ２上の膜と反応して膜がエッチング除去される。
【００２２】
エッチング処理中は、ビューポート１３を通してプラズマ１２の発光状態を観察する。次に、分光器１４にてビューポート１３を通して得られた特定ガスの発光スペクトルを検出し、ＥＰＤセンサ１５にて発光スペクトルの強度が電圧に変換される。エッチング処理が進行し、ＥＰＤセンサ１５の出力が所定の値まで低下したら、制御回路１６にて高周波電源７をＯＦＦにしてエッチング処理を終了する。
【００２３】
次に、本発明に適用されるガス流路部の内部形状について説明する。図２（ａ）〜（ｃ）は、ガス流路部の種々の内部形状を示す拡大断面図である。図２（ａ）に示すガス流路部１８ａでは、ビューポート１３の上側に末広がりのガス供給口２４ａが配置され、下側に末細りのガス排気口２５ａが配置されている。図２（ｂ）に示すガス流路部１８ｂでは、ビューポート１３の上側にガス供給口２４ｂから供給される不活性ガスが均一に分散されるように複数のガス供給孔２６ａが配置され、対応する下側に複数のガス排出孔２７ａとガス供給孔２５ｂが配置されている。図２（ｃ）に示すガス流路部１８ｃでは、ビューポート１３の上側にガス供給口２４ｃから供給される不活性ガスが均一に分散されるようにビューポート１３の外周を環状に取り囲むようにして、上側にガス供給孔２６ｂが配置され、対応する下側にガス排気孔２７ｂとガス排気口２５ｃが配置されている。
【００２４】
上述したガス流路部１８ａ〜１８ｃは、いずれもビューポート１３の前面に、安定した不活性ガスの流路を形成できる構成になっている。また、図２（ｂ）、（ｃ）のタイプはガス供給孔２６ａ、２６ｂ及びガス排気孔２７ａ、２７ｂの大きさを任意に変えることができる。
【００２５】
次に本発明の他の実施例について図面を参照して説明する。図３及び図４は、本発明の他の実施例を示すガス流路部の拡大断面図である。図１と同一箇所には同一符号を付して説明を省略する。図３では、ガス供給口３０及びガス排気口３１を複数に分割して、ビューポート１３前面に複数のガス流路部３２ａ〜３２ｃを形成するようにしている。このようにすれば、ビューポート１３表面への反応生成ガスの遮断効果が高まり、より確実に反応生成ガスの付着を防止できる。また図４では、ガス流路部３３と流量制御器２０の間にヒータ等の加熱部３４を設けて、ビューポート１３前面に供給する不活性ガスを加熱するようにしている。このようにすれば、加熱された不活性ガスにより、ビューポート１３のみならず、その近傍も加熱されるので、ビューポート近傍における反応生成ガスの付着も防止できる。
【００２６】
なお、本発明の実施例は上記に限定されるものではなく、例えばガス供給部を下側に、ガス排気部を上側に配置するようにしてもよい。また、ガス排気部の真空ポンプを独立に設けるように構成してもよい。また、不活性ガスはＨｅガスのみならず、Ａｒガス、Ｎ_２ガス等も使用することができる。
【０００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のドライエッチング装置は、ビューポート前面に反応生成ガスを遮断する不活性ガスのガス流路を形成したので、ビューポート表面への反応生成ガスの付着を防ぐことができる。従って、付着物が剥がれて不純物粒子が発生することがなくなり、製品の歩留りを向上させることが可能となる。また、ビューポートの透過率が低下することもないので、真空チャンバ内のプラズマの発光強度を正確に読み取ることができ、エッチングの終点判定の信頼性が向上する。また、付着物を定期的に除去するためのクリーニング作業も不要となり、生産効率も大幅に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のドライエッチング装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明のガス流路部の内部形状を示す拡大断面図
【図３】本発明の他の実施例におけるガス流路部の拡大断面図
【図４】本発明の他の実施例におけるガス流路部の拡大断面図
【図５】従来のドライエッチング装置の構成を示すブロック図
【図６】従来のビューポートの拡大平面図及び断面図
【符号の説明】
１本発明のドライエッチング装置
２半導体ウェーハ
３真空チャンバ
４下部電極
５上部電極
５ａガス導入孔
６整合器
７高周波電源
８排気ライン
９圧力制御バルブ
１０排気バルブ
１１真空ポンプ
１２プラズマ
１３ビューポート
１４分光器
１５ＥＰＤセンサ
１６制御回路
１７ガス供給部
１８ガス流路部
１８ａ〜１８ｃガス流路部
１９ガス排気部
２０流量制御器
２１供給バルブ
２２ガス供給源
２３圧力制御バルブ
２４ａ〜２４ｃガス供給口
２５ａ〜２５ｃガス排気口
２６ａ、２６ｂガス供給孔
２７ａ、２７ｂガス排気孔
３０ガス供給口
３１ガス排気口
３２ａ〜３２ｃガス流路部
３３ガス流路部
３４加熱部
５１従来のドライエッチング装置
５２半導体ウェーハ
５３真空チャンバ
５４下部電極
５５上部電極
５５ａガス導入孔
５６整合器
５７高周波電源
５８排気ライン
５９圧力制御バルブ
６０真空ポンプ
６１プラズマ
６２ビューポート
６３分光器
６４ＥＰＤセンサ
６５ビューポートホルダ
６６石英ガラス
６７電熱用合金線

Claims

反応室内に設けた上部電極と下部電極の間に高周波電圧を印加することにより発生するエッチングガスのプラズマを用いて被処理基板を処理するとともに、前記反応室の側壁に設けたビューポートを通して前記プラズマの発光状態を監視することによりエッチングの終点判定を行なうドライエッチング装置において、前記ビューポートにエッチングの反応生成ガスが堆積するのを防止するために、前記ビューポートの前面に不活性ガスの雰囲気を形成するガス雰囲気形成手段を備えたことを特徴とするドライエッチング処理装置。
前記ガス雰囲気形成手段が、ガス供給部とガス流路部とガス排気部からなることを特徴とする請求項１記載のドライエッチング装置。
前記ガス流路部が複数のガス供給孔とガス排気孔を有することを特徴とする請求項１記載のドライエッチング処理装置。
前記ガス流路部が、前記ビューポートの前面に複数形成されていることを特徴とする請求項１記載のドライエッチング処理装置。
前記ガス供給部に、不活性ガスを加熱する加熱部が設けられていることを特徴とする請求項１記載のドライエッチング処理装置。