JP2004260197A

JP2004260197A - シリコン系基板のプラズマ処理方法

Info

Publication number: JP2004260197A
Application number: JP2004108848A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Arita; 潔有田; Tetsuhiro Iwai; 哲博岩井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-04-01
Filing date: 2004-04-01
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】シリコン系基板のプラズマ処理において鏡面状態のエッチング面を得ることができるプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
【解決手段】シリコンウェハ７の処理対象面のエッチング処理を行うプラズマ処理方法であって、プラズマ処理装置の処理室内に配置された載置部６に回路形成面を保護テープ７ａが貼着された状態のシリコンウェハ７を保護テープ７ａを載置部６に接触させた姿勢で載置する。そして処理室内にフッ素系ガスを含むプラズマ発生用ガスを供給した状態でプラズマ放電を発生させて前記シリコン系基板の表面をプラズマによってエッチング処理する際に、シリコンウェハ７の表面Ａの温度を４０℃以上の温度に保持する。これによりフッ素系ガスの反応生成物のエッチング表面への付着・堆積を抑制してエッチングを均一に行い、鏡面状のエッチング面を得ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、シリコンウェハなどのシリコン系基板をプラズマによってエッチング処理するプラズマ処理方法に関するものである。

半導体装置に用いられるシリコンウェハの製造工程では、半導体装置の薄型化にともない基板の厚さを薄くするための薄化加工が行われる。この薄化加工は、シリコンウェハの表面に回路パターンを形成した後に、回路形成面の裏面を機械研磨することによって行われる。機械研磨加工においてはシリコンウェハの表面には機械研磨によって発生するマイクロクラックを含むストレス層が生成され、このストレス層によるシリコンウェハの強度低下を防止するため、機械研磨後にはシリコン表面のストレス層を除去するエッチング処理が行われる。このエッチング処理に、従来の薬液を用いる湿式エッチング処理に替えて、製造現場での薬液使用上の危険性や産業廃棄物の発生がないプラズマエッチングが検討されている。

このシリコンを対象としたプラズマエッチング処理には、より高いエッチングレートを実現するために、４フッ化炭素や６フッ化硫黄などのフッ素系ガスを含む混合ガスがプラズマ発生用ガスとして用いられる。この方法では、フッ素系ガスがプラズマ放電によって電離または励起して生成したイオンやラジカルによってシリコン表面のエッチングが行われる。

しかしながら、上述のフッ素系ガスを用いたプラズマエッチング処理では、シリコン表面のプラズマ処理の反応生成物として炭素や硫黄を含む膜、すなわちフッ素と炭素や硫黄の化合物がシリコン表面に部分的に再付着する現象が生じる。そしてこの化合物が再付着した部分ではプラズマエッチングの進行が阻害されるが、再付着の分布や程度は処理対象面全面にわたって均一とはならずばらつくことから、プラズマエッチング効果に微細なばらつきを生じ、結果としてエッチング処理後の表面が白濁状の外観を呈する場合がある。

この白濁状の外観は、エッチング後の微細なキズ等の有無を目視で確認する際の妨げとなり、品質管理上の障害となるとともに、シリコンウェハの外観品質として鏡面を求めるユーザにとっては、製品としての外観品質の評価を低下させるという問題点があった。

そこで本発明は、上記従来の問題点を解消できるシリコン系基板のプラズマ処理方法を提供することを目的とする。

請求項１記載のシリコン系基板のプラズマ処理方法は、シリコン系基板の処理対象面のエッチング処理を行うプラズマ処理方法であって、処理室内に配置された載置部にシリコン系基板を載置し、この処理室内にフッ素系ガスを含むプラズマ発生用ガスを供給した状態でプラズマ放電を発生させてシリコン系基板の表面をプラズマによってエッチング処理する際に、シリコン系基板の温度を４０℃以上の温度に保持する。

本発明によれば、シリコン系基板の表面をプラズマによってエッチング処理する際に、シリコン系基板の温度を４０℃以上の温度に保持することにより、フッ素系ガスの反応生
成物のエッチング表面への付着・堆積を抑制してエッチングを均一に行うことができる。

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態のプラズマ処理装置の断面図、図２は本発明の一実施の形態のプラズマ処理装置の下部電極の部分断面図、図３は本発明の一実施の形態のシリコンウェハのプラズマエッチング処理の説明図、図４は本発明の一実施の形態のプラズマ処理におけるシリコンウェハの温度変化を示すグラフ、図５は本発明の一実施の形態のプラズマ処理におけるシリコンウェハの温度分布を示すグラフ、図６は本発明の一実施の形態のシリコンウェハのプラズマエッチング処理の目視評価結果を示す表である。

まず図１を参照してプラズマ処理装置について説明する。図１において、真空チャンバ１の内部はプラズマ処理を行う処理室２となっており、処理室２内部には、下部電極３および上部電極４が上下に対向して配設されている。下部電極３は電極体５を備えており、電極体５は下方に延出した支持部５ａによって絶縁体９を介して真空チャンバ１に装着されている。電極体５の上面には、高熱伝導性材料より成る載置部６が装着されており、載置部６の上面にはシリコン系基板であるシリコンウェハ７が載置される。

シリコンウェハ７は、回路形成面の裏側を機械研磨によって薄化加工された直後の状態であり、図２に示すようにシリコンウェハ７の回路形成面に貼着された保護テープ７ａを載置部６に接触させた姿勢で、すなわち処理対象面である研磨加工面（回路形成面の裏側）を上向きにした状態で載置される。

載置部６には上面に開口する多数の吸着孔６ａが設けられており、吸着孔６ａは電極体５の支持部５ａ内を貫通して設けられた吸引路５ｄと連通している。吸引路５ｄは真空吸引部１１と接続されており、載置部６の上面にシリコンウェハ７が載置された状態で真空吸引部１１から真空吸引することにより、シリコンウェハ７は載置部６に真空吸着により保持される。電極体５や載置部６を有する下部電極３および真空吸引部１１は、シリコンウェハ７を保持する保持手段となっている。なおシリコンウェハ７を保持する保持手段としては、真空吸着による方法以外にも、電極体５に直流電圧を印加して静電力によりシリコンウェハ７を吸着保持するようにしてもよい。

載置部６の内部には冷却用の冷媒流路６ｂ，６ｃが設けられており、冷媒流路６ｂ，６ｃは支持部５ａ内を貫通して設けられた管路５ｂ，５ｃと連通している。管路５ｂ，５ｃは温度制御部１０と接続されており、温度制御部１０を駆動することにより、冷媒流路６ｂ，６ｃ内を冷却水などの冷媒が循環し、これによりプラズマ処理時に発生した熱によって加熱された載置部６が冷却され、載置部６の温度が制御される。載置部６の温度を制御する目的は、プラズマエッチング時にシリコンウェハ７の温度を所定の処理温度に保持するためであり、この温度制御により後述するようにプラズマエッチング処理時において処理対象面のエッチングレートを均一にし、白濁のない鏡面状態のエッチング面を得ることができる。

電極体５は高周波電源１２と電気的に接続されている。また真空チャンバ１内の処理室２は、真空排気・大気開放部１３と接続されている。真空排気・大気開放部１３は、処理室２からの真空排気、および処理室２内の真空破壊時の大気開放を行う。

上部電極４（対向電極）は、接地部２０に接地された電極体１５を備えており、電極体１５は上方に延出した支持部１５ａによって絶縁体１６を介して真空チャンバ１に装着されている。電極体１５の下面には微細孔をランダムに多数含んだ多孔質部材１７が装着されている。これらの微細孔は電極体１５に設けられた空隙部１５ｂと連通しており、さら
に空隙部１５ｂは支持部１５ａ内を貫通して設けられたガス供給路１５ｃを介してガス供給部１９と接続されている。

ガス供給部１９は、４フッ化炭素（ＣＦ_４）や６フッ化硫黄（ＳＦ_６）などのフッ素系ガスを含む混合ガスをプラズマ発生用ガスとして供給する。真空排気・大気開放部１３を駆動して処理室２内を真空排気し、次いでガス供給部１９を駆動することにより、上部電極４に装着された多孔質部材１７の微細孔より下方に向けてプラズマ発生用ガスが噴出する。この状態で高周波電源１２を駆動して下部電極３の電極体５に高周波電圧を印加することにより、上部電極４と下部電極３との間の空間にはプラズマ放電が発生する。そしてこのプラズマ放電により発生したプラズマによって、載置部６上に載置されたシリコンウェハ７の上面のプラズマエッチング処理が行われる。

次にこのプラズマエッチング処理の過程を図３を参照して説明する。シリコンウェハ７の上方の空間のＣＦ_４やＳＦ_６を含む混合ガス中でプラズマ放電が発生することにより、図３（ａ）に示すように、ガス状のフッ素ラジカル（ｘＣＦｙ^＊、ｘＳＦｙ^＊）（記号＊で示す。）が発生する。そしてこれらのフッ素ラジカルがシリコンウェハ７の成分であるＳｉに作用することにより、図３（ａ）に示すように、Ｓｉはガス状のＳｉＦ_４（記号○で示す）となってシリコンウェハ７の表面から蒸散して除去される。

そしてこの反応と同時に反応生成物としてフッ素と炭素の化合物ｘＣＦｚやフッ素と硫黄の化合物ｘＳＦｚ（記号●で示す）が発生する。そしてこれらの反応生成物は、図３（ｂ）に示すようにプラズマ処理過程においてシリコンウェハ７の表面に再付着して堆積するとともに、堆積した反応生成物が再びシリコンウェハ７の表面から離脱するという不安定な挙動を示す。

すなわち、フッ素系ガスを用いたシリコンウェハ７を対象とするプラズマエッチング処理においては、シリコンウェハ７の表面からシリコンが除去されるエッチング現象と、反応生成物の再付着および再離脱が同時並行的に進行する。そして、反応生成物が再付着して堆積層を形成した部分では、フッ素ラジカルの作用がシリコン表面に及ばないことから、シリコンの除去が進行しない。このため、一旦再付着した反応生成物がそのまま堆積層として残留した部分は、プラズマエッチングが完了した後においても部分的にエッチングされないままの状態で存在する。

そしてこのような未エッチング部は微細なスポット状でランダムに分布することから、エッチング処理後のエッチング面は白濁状の外観を呈する。前述のように、このようなエッチングのばらつきはフッ素ラジカルとシリコンとの反応によって生成された反応生成物がシリコン表面に再付着しそのまま残留して堆積層を形成することによって生じることから、上記のような白濁状のエッチング面を防止するためには、付着した反応生成物が安定してシリコンウェハ７の表面に残留せず、付着後速やかに離脱するような条件を実現すればよい。

本実施の形態に示すプラズマ処理においては、前述の条件を実現するためシリコンウェハ７の温度を反応生成物の離脱を促進するような温度条件に設定するようにしている。すなわち、シリコンウェハ７の表面の温度を高めることにより、ガス状の反応生成物分子の動きがより活発となり、これらの分子がシリコンウェハ７の表面に衝突した場合に安定して表面に残留する確率が低下し、シリコンウェハ７の表面からの離脱の度合いが増加する。

以下、プラズマ処理におけるシリコンウェハ７の温度条件について、図４、図５を参照して説明する。図４は、プラズマ処理開始後のシリコンウェハ７表面の温度変化を示して
おり、当初室温Ｔｒであったシリコンウェハ７は、放電開始のタイミングｔ１後、プラズマ放電によって過熱されて次第に昇温する。このとき、シリコンウェハ７の表面の温度が、予め設定された処理温度Ｔｔに収束するよう、温度制御部１０の温度制御条件が設定される。

すなわち、プラズマ処理の定常状態において、プラズマ放電によって発生する熱と、載置部６内を循環して冷却する冷媒（温度制御媒体）によって除去される熱がバランスするように、温度制御条件が設定される。このとき、シリコンウェハ７から載置部６へ伝達される熱は保護テープ７ａの断熱特性によって規定されることから、保護テープ７ａの種類ごとに異なる温度制御条件が用いられる。これらの温度制御条件は、プラズマ処理圧力、放電電極間距離、高周波電源出力などのプラズマ処理条件を組み合わせて行われる温度条件出しのための試行によって求められる。

図５（ａ）は、プラズマ処理過程におけるシリコンウェハ７の厚み方向の温度分布を示しており、Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれシリコンウェハ７の表面、シリコンウェハ７の下面と保護テープ７ａの上面との当接面、保護テープ７ａと載置部６上面との当接面（図２参照）を示している。すなわち、プラズマ処理過程においては、シリコンウェハ７の表面が処理温度Ｔｔ（４０℃以上に設定される）に保持されるよう、温度制御部１０による制御が行われる。

このとき、保護テープ７ａの温度は、図５（ａ）のグラフのＢ〜Ｃの範囲に示すように、常に４０℃以下の温度に保たれる。これにより保護テープ７ａの温度上昇が抑制され、過熱によって保護テープ７ａが溶融する不具合を防止することができる。

なお、保護テープ７ａが高耐熱性の素材で成っている場合には、処理温度Ｔｔをさらに高温に設定することができる。すなわちこの場合には、図５（ｂ）に示すように、Ｂにおける温度が使用する保護テープ７ａの耐熱温度Ｔｐ以下となるように、温度制御部１０の温度制御条件を設定する。これによりシリコンウェハ７の表面における処理温度Ｔｔを、図５（ａ）に示す場合と比較してより高い温度に設定することができ、反応生成物の堆積抑制効果をさらに高めることが可能となる。

図６は、シリコンウェハ７表面の処理温度Ｔｔを変化させた場合の、エッチング面の目視評価結果を示している。これによれば処理温度Ｔｔが４０℃に満たない条件の場合には、いずれもエッチング面が白濁状の外観を呈し、目視品質上不良の評価がなされるのに対し、処理温度Ｔｔが４０℃以上の場合には、いずれも良好な評価がなされる。

このとき、さらに高温の５０℃、６０℃の場合には、４０℃場合と比較して白濁の度合いが温度上昇に伴ってさらに低下し、より鏡面に近い外観となる。これは、処理温度Ｔｔの上昇に伴ってシリコンウェハ７表面からの反応生成物の離脱がより促進されことによるものである。したがって、エッチング面の外観をより鏡面状態に近づけたい場合には、プラズマ処理装置や保護テープの耐熱温度条件が許容する範囲で、極力高い処理温度となるように処理温度Ｔｔを設定すればよい。

このプラズマ処理により、前工程の機械研磨によって加工面に発生したマイクロクラックを含むストレス層が効率よく除去される。そしてプラズマ処理後のシリコンウェハ７が、載置部６による真空吸着を解除された後に処理室２から搬出されることによりプラズマ処理を終了する。このプラズマ処理において、前述のように白濁のない鏡面に近い外観のエッチング面を得ることができ、外観品質に優れたプラズマエッチング処理が可能となっている。

なお上記実施の形態では、シリコン系基板としての半導体装置用のシリコンウェハをプラズマ処理の対象とする例を示しているが、本発明はシリコンウェハに限定されるものではなく、シリコンを含んだ素材を対象とするものであれば、例えば水晶振動子に用いられる水晶板なども本発明の適用対象となる。

本発明によれば、シリコン系基板の表面をプラズマによってエッチング処理する際に、シリコン系基板の温度を４０℃以上の温度に保持するようにしたので、フッ素系ガスの反応生成物のエッチング表面への付着・堆積を抑制してエッチングを均一に行うことができる。

本発明の一実施の形態のプラズマ処理装置の断面図本発明の一実施の形態のプラズマ処理装置の下部電極の部分断面図本発明の一実施の形態のシリコンウェハのプラズマエッチング処理の説明図本発明の一実施の形態のプラズマ処理におけるシリコンウェハの温度変化を示すグラフ本発明の一実施の形態のプラズマ処理におけるシリコンウェハの温度分布を示すグラフ本発明の一実施の形態のシリコンウェハのプラズマエッチング処理の目視評価結果を示す図

符号の説明

１真空チャンバ
２処理室
３下部電極
４上部電極
７シリコンウェハ
７ａ保護テープ
１０温度制御部
１９ガス供給部

Claims

シリコン系基板の処理対象面のエッチング処理を行うプラズマ処理方法であって、処理室内に配置された載置部にシリコン系基板を載置し、この処理室内にフッ素系ガスを含むプラズマ発生用ガスを供給した状態でプラズマ放電を発生させてシリコン系基板の表面をプラズマによってエッチング処理する際に、シリコン系基板の温度を４０℃以上の温度に保持することを特徴とするシリコン系基板のプラズマ処理方法。