JP2004207756A

JP2004207756A - ドライエッチング装置

Info

Publication number: JP2004207756A
Application number: JP2004068666A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Inui; 英規乾
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd; Miyazaki Oki Electric Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd; Miyazaki Oki Electric Co Ltd
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】ドライエッチング時に生じる反応生成物の付着の抑制に、さらなる効果を期待できるようなドライエッチング装置を提供する。
【解決手段】内部にプラズマ発生用の上部電極２１および下部電極２３を具え、かつ内部を真空に保持した状態で、被エッチング材Ａに対してドライエッチングを行う真空処理室２０ａと、この真空処理室に隣接して設けられ、内部を真空に保持してある予備室とを具えたドライエッチング装置において、真空処理室の内部、上部電極および下部電極のそれぞれを、温度調節するための手段３０、４０ａ、４０ｂを設ける。
【選択図】図２

Description

この発明は、真空処理室および予備室を具えたドライエッチング装置に関する。

フォトリソグラフィ技術とこれに伴うエッチング技術は、半導体素子等の製造工程で用いられる微細加工の代表的な技術として知られている。後者のエッチングは、フォトリソグラフィの露光後にパターンとして残す部分以外の不要部分の除去や、あるプロセスで用いるがその後のプロセスでは不要となるものの除去のために行う。このようなエッチングには、プラズマ化したガスによりエッチングを行うドライエッチングがよく用いられる。

このようなエッチングを行うためのドライエッチング装置（以下、単に装置と称する場合がある。）は、内部を真空に保持した状態で、被エッチング材に対してドライエッチングを行う真空処理室と、この真空処理室に隣接して設けられ、内部を真空に保持してある予備室とを具えているものが多い。これは、エッチングを行う真空処理室に大気が流入するのを防ぐためである。真空処理室に大気が流入すると、エッチング時に生じた反応生成物が大気中の水分を吸収して固化し、処理室の内壁に付着する。また、真空処理室の側壁や天壁から固化した反応生成物（以下、パーティクルともいう。）が剥がれ落ちたり、真空処理室内のガスの流れによって巻き上げられたりすることによって、被エッチング材の表面にも付着するおそれがある。被エッチング材の表面にパーティクルが付着すると、レジスト膜と同じ働きをするため、本来ならばエッチングしなければならない部分が、除去されずに残ってしまうことになる（以下、これを膜残りという。）。このため、被エッチング材の加工精度等が低下したり、不良品となってしまったりするおそれがある。装置内に付着した反応生成物の除去には煩雑なメンテナンスが必要となるため、反応生成物の付着を抑えることが可能な装置の開発が検討されてきている。

例えば特開平６−１７７０７４号公報に開示されている装置によれば、上述の予備室の内部を加熱する手段が設けてある。また、特開昭６４−４２５８３号公報に開示されている装置によれば、半導体ウエハの表面に赤外光を照射する手段を設けてある。このように、予備室内や被エッチング材を加熱することにより、反応生成物の付着を抑えようというものである。
特開平６−１７７０７４号公報特開昭６４−４２５８３号公報

しかしながら、従来の装置はいずれも、真空処理室や被エッチング材の表面への、反応生成物の付着の抑制について、満足のいく効果は得られなかった。また、被エッチング材の処理数が進むにつれ、被エッチング材に付着した反応生成物が妨げとなって、エッチングレートが低下することを避けることができなかった。

したがって、真空処理室内や被エッチング材の表面への、反応生成物の付着の抑制に、さらなる効果を期待できるようなドライエッチング装置が望まれていた。また、真空処理室や被エッチング材の表面への、反応生成物の付着の抑制に、さらなる効果を期待できるようなドライエッチング方法が望まれていた。

本発明は、上部電極と下部電極とを設け上部電極及び下部電極間にプラズマを発生させることにより下部電極上に設けた被エッチング材をエッチングする真空処理室を有し、真空処理室の側壁はアルミ材を用いて構成され、側壁を介して伝導された真空処理室内の温度を検出するセンサと、検出に基づいて真空処理室内を加熱するヒータとを備えたことを特徴とする。

上述した説明からも明らかなように、この発明のドライエッチング装置によれば、エッチング時に生じる反応生成物の気化を促進することができる。したがって、パーティクルが真空処理室内および被エッチング材の表面へ付着するのを、さらなる効果をもって防ぐことができる。

以下、図を参照してこの出願の発明の実施の形態について説明する。各図は、発明が理解できる程度に各構成成分の大きさ、形状および位置関係等を概略的に示してあるにすぎない。また、以下の説明中で挙げる使用材料、処理時間、処理温度などの数値的条件は、これら発明の範囲内の好適例にすぎない。従って、これらの発明は、これら条件にのみ限定されるものではない。また、図において、断面を示すハッチング等は省略してある。

図１は、この発明の第１の実施の形態のドライエッチング装置、およびドライエッチング方法の説明に係る概略的な平面図であり、ここで用いたドライエッチング装置１０の装置構成を、この装置の天壁を除いた形で示してある。

この発明のドライエッチング装置によれば、内部にプラズマ発生用の上部電極および下部電極を具え、かつ内部を真空に保持した状態で、被エッチング材に対してドライエッチングを行う真空処理室と、この真空処理室に隣接して設けられ、内部を真空に保持してある予備室とを具えたドライエッチング装置において、真空処理室の内部と、上部電極および下部電極のそれぞれを、温度調節するための手段を設けてある。ここでは、次のような装置構成となっている。大気搬送ロボット１００すなわち、外部からこのエッチング装置に搬送する、大気にさらされたロボットに、装置１０が隣接している。装置１０内には、被エッチング材を、このロボット１００から装置１０に搬入するため、また、装置１０からロボット１００に搬出するための、第１予備室１１が設けられている。また、第１予備室１１に、バルブ１３を介して、第２予備室１５が隣接して設けられている。この第２予備室１５内は常に高真空に保持されており、後に述べる真空処理室（第１真空処理室２０ａおよび第２真空処理室２０ｂ）に大気が流入するのを防ぐ構造となっている。また、第２予備室１５内には、真空処理室に被エッチング材を搬送するための、搬送アーム１５ａが具えてある。この第２予備室１５の両脇であって、第１予備室１１に対して９０ーの方向の両脇に、バルブ１７ａを介して第１真空処理室２０ａ、およびバルブ１７ｂを介して第２真空処理室２０ｂが設けられている。真空処理室が二つ設けられているのは、被エッチング材の処理数をより多くするためである。その他の構成成分、例えば、エッチングガスの流入口や排気口等は、ここでは省略してある。次に、第１および第２真空処理室２０ａおよび２０ｂについて詳細に説明をする。

図２は、図１に示す装置１０のうち、第１および第２真空処理室２０ａおよび２０ｂの構成の説明に供する概略的な構成説明図である。これら二つの真空処理室は、どちらも同じ構成であるため、第１真空処理室２０ａのみにおいて説明をする。

真空処理室２０ａは、内部にプラズマ発生用の上部電極２１および下部電極２３を具えており、いわゆる平行平板型の真空処理室である。上部電極２１には、１３．５６ＭＨz の高周波を印加する高周波電源２５を接続してあり、下部電極２３はグラウンド２７に接続されている。下部電極２３は、被エッチング材Ａを載せるステージとしても用いられる。上部電極２１はシリンダ等の機構により、上下に昇降させることができるようになっており、被エッチング材との距離を調節することができる。

真空処理室２０ａの側壁２９は熱伝導性に優れたアルミ材を用いてあり、この側壁２９内の一部に、ヒーター３１および第１温度センサー３３が互いに埋め込まれており、これらヒーター３１および第１温度センサー３３に、ヒーター温度を調節するための温度コントローラー３５が接続されている。これら、ヒーター３１、第１温度センサー３３、および温度コントローラー３５によって、真空処理室２０ａ内を温度調節するための第１温度調節手段３０を構成している。この例では、ヒーター３１は、最大８０℃まで加熱が可能である。

また、熱交換器３７と、この熱交換器３７に連絡されていて、その一部分が上部電極２１の内部を通っている第１熱媒体循環路３９ａと、この第１熱媒体循環路３９ａの部分のうちこの上部電極２１内の循環路中に設けられていて、循環している熱媒体の温度を検出する第２温度センサー４１ａとで、上部電極２１を温度調節するための第２温度調節手段４０ａを構成している。

また、同様に、熱交換器３７と、この熱交換器３７に連絡されていて、その一部分が下部電極２３の内部を通っている第２熱媒体循環路３９ｂと、この第２熱媒体循環路３９ｂ内の部分のうちこの下部電極２３内の循環路中に設けられていて、循環している熱媒体の温度を検出する第３温度センサー４１ｂとで、下部電極２３を温度調節するための第２温度調節手段４０ｂを構成している。

ここでは、熱交換器３７として、チラーを用いており、熱媒体を加熱するヒーターおよび温度コントローラーを内蔵している。また、第２および第３温度調節手段４０ａおよび４０ｂにおいて、ここでは、同一の熱交換器３７を共用している。また、図２では、第２および第３温度センサーは４１ａおよび４１ｂは、第１および第２熱媒体循環路３９ａおよび３９ｂの外側に示してあるが、実際にはこれら温度センサー４１ａおよび４１ｂを、熱媒体循環路内に設けてある。この例では、これら第２および第３温度調節手段４０ａおよび４０ｂにより、上部電極２１および下部電極２３は、１１０℃まで加熱が可能となっている。

第２温度調節手段４０ａは、次のように上部電極２１を温度調節する仕組みになっている。熱交換器３７に連絡されている第１熱媒体循環路３９ａの、図示しない熱媒体供給口から、熱交換器３７内のヒーターによって加熱された熱媒体が供給され、供給された熱媒体は第１熱媒体循環路３９ａの図示しない排出口からチラー（熱交換器３７）に戻される。第１熱媒体循環路３９ａは、その一部分が上部電極２１内を通っており、また、第１熱媒体循環路３９ａ内に熱媒体の温度を検出する第２温度センサー４１ａが具えられているので、例えば熱媒体の温度が下がっている時には、熱交換器３７内の温度コントローラーがヒーターの温度を調節し、一定の温度に調節されるようになっている。また、第３温度調節手段４０ｂも、第２温度調節手段４０と同様に、次のように下部電極２３を温度調節する仕組みになっている。熱交換器３７に連絡されている第２熱媒体循環路３９ｂの、図示しない熱媒体供給口から、熱交換器３７内のヒーターによって加熱された熱媒体が供給され、供給された熱媒体は第２熱媒体循環路３９ｂの図示しない排出口から熱交換器３７に戻される。第２熱媒体循環路３９ｂは、その一部分が下部電極２３内を通っており、また、第２熱媒体循環路３９ｂ内に熱媒体の温度を検出する第３温度センサー４１ｂが具えられている。第２真空処理室２０ｂの構成については、第１真空処理室２０ａとまったく同じ構成であるため、説明を省略する。

次に、装置１０を用いたエッチング方法について説明をする。

この発明のエッチング方法によれば、すでに説明したように、内部にプラズマ発生用の上部電極および下部電極を具え、かつ内部を真空に保持した状態で、被エッチング材に対してドライエッチングを行う真空処理室と、この真空処理室に隣接して設けられ、内部を真空に保持してある予備室とを具えたドライエッチング装置でドライエッチングを行うに当たり、真空処理室の内部と、上部電極および下部電極のそれぞれを、同時に加熱して一定の温度に保持した状態でエッチングする点に特色を有している。ここでは、被エッチング材Ａ（図２）を、半導体ウエハとした。また、除去の対象は、ここでは、フォトリソグラフィ後に不要となった、反射保護膜としてのＴｉＮ（窒化チタン）膜とした。反射保護膜は、露光時に、金属配線の反射率を低くして光の干渉を少なくするために用いるものである。以下、エッチング方法の説明を図１および図２を参照して行う。

まず、第１予備室１１を、第１予備室１１内の図示しないＮ₂ （窒素）導入口からＮ₂ パージを行って大気圧にする。その後、大気搬送ロボット１００から、半導体ウエハを、装置１０内の第１予備室１１に搬送する。次に、この第１予備室１１内の真空引きを行う。これは、第１予備室１１内の図示しない真空排気口に接続された真空ポンプによって行う。次に、バルブ１３が開口し、半導体ウエハを、第２予備室１５に搬送する。第２予備室１５は常に高真空に保持されており、エッチング処理を行う真空処理室に大気が流入しないようになっている。次に、バルブ１７ａを開口して、第２予備室１５の搬送アーム１５ａで、半導体ウエハを、第１真空処理室２０ａに搬送する。その後、後に述べるエッチング条件により、ドライエッチングを行う。次に同様のプロセスで、バルブ１７ａを開口して第２予備室２０ｂにも半導体ウエハを搬送し、エッチング処理を行う。このとき、真空処理室１０の内部、上部電極２１、および下部電極２３は、同時に加熱され、一定の温度に保持されている。第１真空処理室２０ａでエッチング処理が終了した後、第２予備室１５の搬送アーム１５ａで半導体ウエハが第１真空処理室２０ａから搬出され、バルブ１３を通って第１予備室１１、大気搬送ロボット１００へと送られる。また、第２真空処理室２０ｂでドライエッチング処理が済んだ半導体ウエハも、同様のプロセスで大気搬送ロボット１００へと送られる。これを繰り返し、半導体ウエハのエッチングを順次行う。

ここで、真空処理室でのエッチング条件について詳細に説明する。表１は、第１の実施の形態での被エッチング材（除去対象がＴｉＮ膜の半導体ウエハ）に対するエッチング条件を示している。

ここで、ＲＦパワーは、高周波電力を示す。また、エッチング時間の項の「ＥＰＤ」はエッチングの終点検出をエンド・ポイント・ディテクト法としたことを意味する。また、「Ｏ．Ｅ＝４０％」は、オーバーエッチング時間の設定を、４０％多めにしたことを示す。例えば、ある膜厚の膜を除去するのに、通常１０分程度のエッチング時間を要するとすると、ここではエッチング時間の設定を１４分にするという意味である。

上記の条件でエッチングを行った後、真空処理室内および半導体ウエハに反応生成物が付着しているかどうか、Ｈ₂ Ｏ₂ （過酸化水素水）を用いて調べた。反応生成物とＨ₂ Ｏ₂ とが反応すると、黄色に発色することを利用して、真空処理室２０ａおよび２０ｂ内に、Ｈ₂ Ｏ₂ を流入した。その結果、真空処理室および半導体ウエハのいずれにおいても発色は起こらなかった。よって、パーティクルが、付着していないことが理解できる。

上記の表１の条件で、５０枚の半導体ウエハにおいてＴｉＮ膜のエッチングを行い、エッチングを行った順に１〜５０番までウエハに番号をつけ、ウエハ番号１、１３、２５、２６、３８、５０の６枚のウエハにつき、エッチングレートの変化と、ウエハ面内でのエッチングの均一性を調べた。図３はその結果を示すものである。特に、図３の（Ａ）は６枚のウエハのエッチングレート（Å／ｍｉｎ（分））の変化を示すグラフであり、縦軸にエッチングレート（Å／ｍｉｎ（分））をとり、横軸にウエハ番号をとって示している。また、図３の（Ｂ）はウエハ面内でのエッチングの均一性を示すグラフであり、縦軸に均一性（ア％）をとり、横軸にウエハ番号をとって示している。

ここで、エッチングレートは、次の式を用いて算出したものである。

（エッチング前の除去対象の膜の膜厚の平均値−エッチング後の除去対象の膜の膜厚の平均値）／エッチング時間また、均一性は、ウエハ面内でのエッチングレートの均一性のことであり、各ウエハの面内の９ポイントにおいてエッチングレートを算出し、次の式を用いて算出したものである。

｛（エッチングレートの面内最大値−エッチングレートの面内最小値）／（エッチングレートの面内最大値−エッチングレートの面内最小値）｝ラ１００図３の（Ａ）より、エッチングレートは、３１００〜３５００（Å／ｍｉｎ）の範囲を示し、ウエハ処理数が増えるにつれ低下することはないことがわかる。また、図３の（Ｂ）より、均一性においては、６〜９（ア％）の範囲を示し、こちらもウエハ処理数が増えるにつれ低下することがないことがわかる。これは、ウエハに膜残りが起こりにくいことを示す。

次に、ＴｉＮ膜のエッチングレートの温度依存性を調べた結果を図４に示す。図４は、上部電極２１および下部電極２３の温度を、６０℃、９０℃、および１１０℃としたときの、それぞれのウエハ（試料）のＴｉＮ膜のエッチングレートの変化を示すグラフであり、縦軸にエッチングレート（Å／ｍｉｎ）をとり、横軸に上部電極および下部電極の温度（℃）をとって示してある。この図からも理解できるように、ＴｉＮ膜のエッチングレートは上部電極および下部電極の温度が６０℃のときは２０００（Å／ｍｉｎ）程度を示し、９０℃のときは２４００（Å／ｍｉｎ）程度を示す。また、１１０℃のときは３１００（Å／ｍｉｎ）程度を示し、温度上昇にほぼ比例してエッチングレートが向上することがわかる。したがって、ＴｉＮ膜の膜残りは生じていないことが推察される。

第２の実施の形態は、基本的には第１の実施の形態と同様である。ここでは、エッチング装置、エッチング方法、エッチング条件等、第１の実施の形態と同じくしたが、除去対象の膜をＴｉＮ膜の代わりにポリシリコン膜とした。そして、上記の表１の条件で、５０枚の半導体ウエハにおいてエッチングを行い、エッチングを行った順に１〜５０番までウエハに番号をつけ、ウエハ番号１、１３、２５、２６、３８、５０の６枚のウエハにつき、エッチングレートの変化と、ウエハ面内でのエッチングの均一性を調べた。図５はその結果を示すものである。特に、図５の（Ａ）は６枚のウエハのエッチングレート（Å／ｍｉｎ（分））の変化を示すグラフであり、縦軸にエッチングレート（Å／ｍｉｎ（分））をとり、横軸にウエハ番号をとって示している。また、図５の（Ｂ）はウエハ面内でのエッチングの均一性を示すグラフであり、縦軸に均一性（ア％）をとり、横軸にウエハ番号をとって示している。

図５の（Ａ）より、エッチングレートは、３４００〜３８００（Å／ｍｉｎ）の範囲を示し、ウエハ処理数が増えるにつれ低下することはないことがわかる。また、図５の（Ｂ）より、均一性においては、４〜６（ア％）の範囲を示し、こちらもウエハ処理数が増えるにつれ低下することがないことがわかる。よって、ウエハに膜残りも起こりにくい。

次に、ポリシリコン膜のエッチングレートの温度依存性を調べた結果を図６に示す。図６は、上部電極２１および下部電極２３の温度を、６０℃、９０℃、および１１０℃としたときの、それぞれのウエハ（試料）のポリシリコン膜のエッチングレートの変化を示すグラフであり、縦軸にエッチングレート（Å／ｍｉｎ）をとり、横軸に上部電極および下部電極の温度（℃）をとって示してある。この図からも理解できるように、ポリシリコン膜のエッチングレートは上部電極および下部電極の温度がいずれの場合もほぼ３５００（Å／ｍｉｎ）程度を示し、温度上昇につれてエッチングレートが低下しないことがわかる。したがって、ポリシリコン膜の膜残りは生じていないことが推察される。

第１の実施の形態とエッチング装置、エッチング方法、エッチング条件等、第１の実施の形態と同じくしたが、第１および第２処理室に半導体ウエハを搬送した後、ヒーター３１および熱交換器３７ａおよび３７ｂを作動させてから１０秒から３０秒の間ウエハを放置し、ウエハ温度の安定を図った。この後にエッチング処理を行ったところ、ウエハ面内でのエッチングレートのばらつき（均一性）が改善された。例えば、ウエハの放置を行わなかった場合に均一性がア１３．８％であったとき、放置を行った以外はまったく同条件でエッチングを行うと、均一性がア５．２％となった。したがって、ウエハ温度を安定させたものの方が、均一性が向上することがわかった。

その他の部分については、第１の実施の形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。

この発明は、上述した第１、第２および第３の実施の形態にのみ限定されるものではないことは明らかである。例えば、ここでは、真空処理室を二つ有するエッチング装置を用いたが、真空処理室は一つでも良い。また、ここでは、真空処理室内の温度調節手段と、上部および下部電極の温度調節手段を別のものとしたが、同じものであっても、また、すべて違うものであってもよい。例えば、すべての温度調節手段をヒーター、温度センサー、温度コントローラーからなる温度調節手段としても良く、また、すべての温度調節手段を熱交換器、熱媒体循環路、温度センサーからなる温度調節手段としても良い。

また、ここでは、上部電極および下部電極の温度調節手段において、一つの熱交換器を共用しているが、独立して用いても良い。また、上部電極、下部電極、真空処理室内の温度調節手段を、すべて熱交換器、熱媒体循環路、温度センサーからなる温度調節手段とした場合も、一つの熱交換器を共用しても、それぞれに独立して用いてもよい。

ドライエッチング装置の一例を示す、概略的な平面図である。真空処理室の概略的な断面図である。（Ａ）は６枚のウエハのＴｉＮ膜のエッチングレートの変化を示すグラフであり、（Ｂ）はウエハ面内でのエッチングの均一性を示すグラフである。ＴｉＮ膜のエッチングレートの温度依存性を示すグラフである。（Ａ）は６枚のウエハのポリシリコン膜のエッチングレートの変化を示すグラフであり、（Ｂ）はウエハ面内でのエッチングの均一性を示すグラフである。ポリシリコン膜のエッチングレートの温度依存性を示すグラフである。

符号の説明

１０：ドライエッチング装置
１１：第１予備室
１３、１７ａ、１７ｂ：バルブ
１５：第２予備室
２０ａ：第１真空処理室
２０ｂ：第２真空処理室
２１：上部電極２３：下部電極
２５：高周波電源２７：グラウンド
２９：側壁３０：第１温度調節手段
３１：ヒーター３３：第１温度センサー
３５：温度コントローラー
３７：熱交換器（チラー）
３９ａ：第１熱媒体循環路
３９ｂ：第２熱媒体循環路
４０ａ：第２温度調節手段
４０ｂ：第３温度調節手段
４１ａ：第２温度センサー
４１ｂ：第３温度センサー

Claims

上部電極と下部電極とを設け、該上部電極及び該下部電極間にプラズマを発生させることにより、該下部電極上に設けた被エッチング材をエッチングする真空処理室を有し、
前記真空処理室の側壁はアルミ材を用いて構成され、
前記側壁を介して伝導された該真空処理室内の温度を検出するセンサと、
前記検出に基づいて前記真空処理室内を加熱するヒータとを備えたことを特徴とするドライエッチング装置。
前記センサの検出に基づいて前記ヒータを制御する温度コントローラを備えた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。
前記上部電極に熱を伝えるための第１熱媒体循環路と
前記下部電極に熱を伝えるための第２熱媒体循環路とを備えたことを特徴とする請求項２記載のドライエッチング装置。
前記上部電極の前記第１熱媒体循環路の循環路内に設けられ、循環している熱媒体の温度を検出する第２のセンサと、
前記下部電極の前記第２熱媒体循環路の循環路内に設けられ、循環している熱媒体の温度を検出する第３のセンサとを備えたことを特徴とする請求項３記載のドライエッチング装置。
前記第１熱媒体循環路と前記第２熱媒体循環路と接続し、前記第２及び第３のセンサの検出に基づいて、該第１及び第２熱媒体循環路に前記熱媒体を供給することにより、前記上部電極及び前記下部電極をそれぞれ一定温度に調整する熱交換器を備えたことを特徴とする請求項４記載のドライエッチング装置。
前記センサは、前記真空処理室の前記側壁の内部に埋め込まれ、該側壁から露出されていない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。