JP2006013058A

JP2006013058A - ドライエッチング装置

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Publication number: JP2006013058A
Application number: JP2004186604A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Okamoto; 哲也岡本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】高いエッチングレートを有しエッチング後の表面のイオン損傷を防止するエッチング装置を提供する。
【解決手段】気密状態を保持する第１のエッチング処理室１と第２のエッチング処理室９とがゲートバルブ８を介して連結されている。第１のエッチング処理室１では高密度プラズマによるエッチングが基板６に対して行われ、この基板６はゲートバルブ８を通って第２のエッチング処理室９に移動する。第２のエッチング処理室９では、光エッチングが基板１６に対して行われる。
【選択図】図１

Description

本発明はドライエッチング装置に関し、特に２つのエッチング処理室を備えたドライエッチング装置に関する。

ドライエッチングは、イオンや活性種を用いて、薄膜又は基板の不要な部分を除去する加工技術であり、反応性イオンエッチング（以下、ＲＩＥという）、マイクロ波で生成した高密度プラズマを用いたエッチング、光エッチング等の種々の方法がある。この中で、イオンを含まない光エッチング方法は、例えば特許文献１に述べられている。
特開平５−２１３９７号公報

ＲＩＥでは、加速されたイオンを基板に入射してエッチングを行うが、基板がイオン損傷を受けると薄膜トランジスタ（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ：ＴＦＴ）の電気特性が劣化する原因になる。マイクロ波で生成した高密度プラズマを用いたドライエッチング装置でも、プラズマ中にはイオンが存在するため、基板のイオン損傷を完全に避けることは困難である。

一方、特許文献１に述べられている光エッチング方法では、イオンが存在しないため基板にイオン損傷は生じない。しかし、光エッチングは、プラズマエッチングと比較して、エッチング速度が遅い（エッチングレートが小さい）ためにエッチング時間が長くなることが課題である。さらに、大型基板を処理する場合は、光照射領域を広くするために光源であるレーザ光をスキャンさせるなどの対策が必要となる。これにより装置構造が複雑となり、装置メンテナンスが難しくなり易い。また、本光エッチング方法でＳ₂Ｆ₂／Ｏ₂混合ガスを用いた場合は、Ｓｉをエッチングできないという課題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高いエッチングレートを有しエッチング後の表面のイオン損傷を防止するエッチング装置を提供することにある。

本発明のエッチング装置は、第１及び第２のエッチング処理室を備えたドライエッチング装置であって、前記第１のエッチング処理室は、第１の処理ガスを導入する第１導入口と、マイクロ波プラズマ導入部とを備え、気密状態に密閉可能であり、前記第２のエッチング処理室は、第２の処理ガスを導入する第２導入口と、５．６ｅＶよりも大きなエネルギーを有する光を発生させる光源と、該光を室内に導入する光透過窓とを備え、気密状態に密閉可能である。

上記の構成を有することにより、高密度プラズマのエッチングと光エッチングとを連続して行うことができ、高速且つエッチング面のイオン損傷の無いエッチングを行うことができる。ここで気密状態に密閉可能とは、第１および第２のエッチング処理室を例えばメンテナンスのために大気開放した後に密閉して排気した場合に０．００１ｍＴｏｒｒまで真空排気することが可能なことであり、ドライエッチングに必要な１〜１０００ｍＴｏｒｒの真空状態を少なくともエッチングを行っている間保持できることである。

前記第１及び第２のエッチング処理室は、扉を介して隣接していることが好ましい。

上記構成を有することにより、扉を開閉するだけで気密状態を保持したまま第１のエッチング処理室から第２のエッチング処理室に被処理物を搬送することができる。

前記光源は、キセノンエキシマランプ、クリプトンエキシマランプ又はアルゴンエキシマランプであることが好ましい。

上記構成により、光エッチングを効率よく行うことができる。

前記第２の処理ガスは、Ｆ₂、Ｃｌ₂、ＳＦ₆又はＣＦ₄であることが好ましい。

上記構成により、光エッチングを確実に行うことができる。

前記光透過窓は、ＬｉＦ、ＭｇＦ₂、ＣａＦ₂又は石英であることが好ましい。

上記構成により、光エッチングを効率的に行うことができる。

被処理物のエッチング対象面を略鉛直の状態でエッチングすることが好ましい。

上記構成により、エッチング対象面にダストが付着しにくくなる。

本発明では、まず、マイクロ波を用いて生成した高密度プラズマでエッチングをし、続いて光エッチングを行うので、高密度プラズマエッチングによって高いエッチングレートでエッチングをした後に、光エッチングによってイオン損傷のないエッチングされた面を形成できる。したがって、本発明では、エッチング処理時間の短縮、および基板のイオン損傷の回避の両立が可能となり、生産効率の向上と半導体特性劣化の防止を両立できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施形態１）
実施形態１では、イオン損傷の回避とエッチング時間の短縮を実現するために次の手段を用いる。

まず、エッチング時間を短縮するために、光エッチングと比べてエッチングレートが大きいマイクロ波により生成した高密度プラズマを用い、全エッチング量の途中までエッチングを行う。次に、イオン損傷の回避するために、光エッチングを用い、全エッチング量のうち残りの分をエッチングする。光エッチングの光源には、広い領域を容易に照射できるエキシマランプを用いた。

図１は、本実施形態のドライエッチング装置を側方より観察したときの内部を模式的に示した図である。このドライエッチング装置は、高密度プラズマでエッチングを行う第１のエッチング処理室１と、光エッチングを行う第２のエッチング処理室９を備えている。２つのエッチング処理室１，９は気密状態を保持するゲートバルブ（扉）８を介して隣接している。

第１のエッチング処理室１には、高密度プラズマとなる第１の処理ガスを導入する第１導入口２とマイクロ波を導入するための導波管３及び誘電体窓４とが備えられている。第１のエッチング処理室１は、第１の真空ポンプ７により内部の空気やガスが排出されたときに気密状態を保持するように形成されている。基板６はサセプタ１８に支持されて第１のエッチング処理室１内に置かれ、高密度プラズマ５によりエッチングされる。

第２のエッチング処理室９には、光エッチング用処理ガス（第２の処理ガス）の第２導入口１４、光源１０，１０，１０および光源１０，１０，１０を窒素雰囲気下に保持するランプハウス１１、光源１０，１０，１０からの光を処理室９内に導入する光透過窓１２が備えられている。光透過窓１２はＬｉＦからできている。ランプハウス１１には窒素ガスを導入する窒素ガス入口１３が備えられている。光源１０，１０，１０の光は空気により減衰してしまうので、ランプハウス１１内を窒素雰囲気下としている。第２のエッチング処理室９は、第２の真空ポンプ１７により内部の空気やガスが排出されたときに気密状態を保持するように形成されている。基板１６はサセプタ１９に支持されて第２のエッチング処理室９内に置かれ、光エッチングによりエッチングされる。

次に、本実施形態のエッチング装置を用いたエッチングについて説明をする。

まず第１のエッチング処理室１に基板６を配置する。図４は本実施形態のエッチング処理を行う前の半導体装置の断面図であり、基板６上に形成されたＴＦＴの概略構造を示している。このＴＦＴは、ゲート電極６１の上に窒化シリコン層６２を積層し、それからゲート電極６１の上方にアモルファスシリコン層６３、ｎ＋シリコン層６４をこの順番で積層し、さらに窒化シリコン層６２の上及びｎ＋シリコン層６４の一部の上にソース電極６５とドレイン電極６６とがそれぞれ離間されて積層され、形成されている。ｎ＋シリコン層６４の他の一部はその上にソース電極６５およびドレイン電極６６のいずれもが存在しておらず、剥き出しの状態となっている。

基板６は、第１の真空ポンプ７により排気された第１のエッチング処理室１の内部に配置され、２０℃に保持される。

そして第１導入口２から第１の処理ガスであるＣＦ₄を第１のエッチング処理室１内に流量３００ｓｃｃｍで導入し、第１のエッチング処理室１の圧力を４Ｐａに制御する。ここで、ｓｃｃｍは、「standard cc/min」のことであり、大気圧(１．０１３ｈＰａ)で０℃における流量の単位である。そして、導波管３、誘電体窓４をとおして周波数２．４５ＧＨｚ、パワー３ kＷのマイクロ波を、第１のエッチング処理室１に導入した第１の処理ガスＣＦ₄に照射して、高密度プラズマ５を生成させる。この高密度プラズマ５中に存在するイオンあるいは活性種によって剥き出しになっているｎ＋シリコン層６４がエッチングされる。図５に高密度プラズマ５によるエッチングを終えた半導体装置（ＴＦＴの一部）を示す。ｎ＋シリコン層６４がエッチングされてアモルファスシリコン層６３が剥き出しになっている。

次に、基板６をゲートバルブ８をとおして気密状態を保持したまま第２のエッチング処理室９に移す。第２のエッチング処理室９に移動された基板を基板１６とする。

それから第２のエッチング処理室９に第２導入口１４から第２の処理ガスであるＦ₂を導入する。光源１０の光１５をＦ₂に照射して生成した活性種を用いて、アモルファスシリコン層６３の表層をエッチングする。第２のエッチング処理室９でのエッチング処理が終わったＴＦＴの概略構造を図６に示す。

本実施形態では、高密度プラズマエッチングによりｎ＋シリコン層６４をエッチングした後に光エッチングによりアモルファスシリコン層６３の表層をエッチングするので、高密度プラズマエッチングの高いエッチングレートと、光エッチングによる基板損傷の無いエッチング後の状態とが両立しており、高速エッチング且つ高い半導体特性の両方が達成される。したがって、高密度プラズマを用いたエッチングによる処理時間の短縮、および光エッチングによる基板のイオン損傷の回避が可能となり、生産効率の向上とＴＦＴ特性劣化の防止を両立できる。

光源１０は大気圧雰囲気中に存在するため、内部が真空に保持される第２のエッチング処理室９と分離して光源１０のメンテナンスを行うことが可能となり、作業効率が良く、第２のエッチング処理室９を大気圧放置する必要が無いため第２のエッチング処理室９の大気圧放置による汚染はない。

また、本実施形態では光源１０にアルゴンエキシマランプ（フォトンエネルギー９．８ｅＶ）を用いている。第２の処理ガスＦ₂は、結合エネルギー１．６ｅＶであるので、アルゴンエキシマランプの光により容易に結合が切断されて活性種が生成する。

（実施形態２）
実施形態２のエッチング装置は、基板を立てた状態、即ちエッチングされる面をほぼ鉛直の状態にしてエッチングを行う。なお、本実施形態におけるエッチング対象は実施形態１のものと同じである。

本実施形態のドライエッチング装置を側面から観察した概略を図２に示す。また、図３は、本実施形態のドライエッチング装置を上方より観察したときの内部を模式的に示した図である。このドライエッチング装置は、高密度プラズマでエッチングを行う第１のエッチング処理室３１と、光エッチングを行う第２のエッチング処理室３２とを備えている。２つのエッチング処理室３１，３２は気密状態を保持するゲートバルブ（扉）３８を介して隣接している。

第１のエッチング処理室３１には、高密度プラズマとなる第１の処理ガスを導入する第１導入口３７，３７とマイクロ波を導入するための導波管３３，３３及び誘電体窓３４，３４とが各一対ずつ備えられている。第１のエッチング処理室３１は、第１の真空ポンプ４６により内部の空気やガスが排出されたときに気密状態を保持するように形成されている。基板３５，３５はサセプタ３６に支持されて第１のエッチング処理室３１内に置かれ、高密度プラズマによりエッチングされる。

第２のエッチング処理室３２には、光エッチング用処理ガス（第２の処理ガス）の第２導入口４４，４４、光源４０，４０，…および光源４０，４０，…を窒素雰囲気下に保持する一対のランプハウス４３，４３、光源４０，４０，…からの光を処理室３２内に導入する一対の光透過窓３９，３９が備えられている。光透過窓３９，３９はＭｇＦ₂からできている。ランプハウス４３，４３には窒素ガスを導入する窒素ガス入口４５，４５が備えられている。第２のエッチング処理室３２は、第２の真空ポンプ４７により内部の空気やガスが排出されたときに気密状態を保持するように形成されている。基板４１，４１はサセプタ４２に支持されて第２のエッチング処理室３２内に置かれ、光エッチングによりエッチングされる。

本実施形態においては、基板３５，３５，４１，４１はエッチングされる面とは反対側の面をサセプタ３６，４２に支持されて、エッチング処理面が略鉛直となるように各エッチング処理室３１，３２に置かれる。そして、エッチング処理面が鉛直のままエッチングが行われる。本実施形態におけるエッチング処理工程は、エッチング処理面が鉛直の状態でエッチングが行われること、第１の処理ガスがＣＨＦ₃であること、第２の処理ガスがＣｌ₂（結合エネルギー２．５ｅＶ）であること及び光源４０，４０，…がクリプトンエキシマランプ（フォトンエネルギー８．５ｅＶ）であること以外は実施形態１と同じであるので、エッチング処理工程の説明は省略する。

本実施形態では、エッチング処理面が鉛直の状態でエッチングが行われ搬送もこの状態で行われるため、ダストが基板に付着しにくい。従ってダストによってエッチングが邪魔されることがなく、高いエッチング精度が得られる。また、実施形態１と同様に高密度プラズマエッチングの高いエッチングレートと、光エッチングによる基板損傷の無いエッチング後の状態とが両立しており、高速エッチング且つ高い半導体特性の両方が達成され、生産効率の向上とＴＦＴ特性劣化の防止を両立できる。なお、本実施形態では一つの装置中で２枚の基板を同時にエッチングしているが、１枚の基板のみをエッチングしても構わない。

上記の実施形態は本発明の例であって、本発明はこれらの実施形態に限定されない。例えば、第２の処理ガスは、ＳＦ₆（結合エネルギー３．８ｅＶ）あるいはＣＦ₄（結合エネルギー５．６ｅＶ）を用いても構わない。光エッチングの光源として第２の処理ガス中最も結合エネルギーが大きいＣＦ₄の結合エネルギー５．６ｅＶよりも大きい光エネルギーを有する光源、例えばキセノンエキシマランプ（フォトンエネルギー７．２ｅＶ）等を用いれば、第２の処理ガスの種類を問わず光エッチングを確実に行える。また、光透過窓としてＣａＦ₂や石英を用いても構わない。さらに、エッチング対象はシリコンのみに限定されず、窒化シリコンや二酸化シリコンでも構わない。

以上説明したように、本発明に係るドライエッチング装置は、大きなエッチングレートを有し基板への損傷が少ないので、半導体装置のエッチング装置等として有用である。

実施形態１に係るドライエッチング装置の側方から観察した模式的な透視図である。実施形態２に係るドライエッチング装置の概略側面図である。実施形態２に係るドライエッチング装置の上方から観察した模式的な透視図である。実施形態１または２のエッチング装置によるエッチング前の半導体装置の概略断面図である。高密度プラズマによるエッチングが終わった半導体装置の概略断面図である。光エッチングによるエッチングが終わった半導体装置の概略断面図である。

符号の説明

１第１のエッチング処理室
２第１導入口
３導波管
４誘電体窓
５プラズマ
６基板
７真空ポンプ
８ゲートバルブ
９第２のエッチング処理室
１０光源
１１ランプハウス
１２光透過窓
１３窒素ガス導入口
１４第２導入口
１５光
１６基板
１７真空ポンプ
１８サセプタ
１９サセプタ
３１第１のエッチング処理室
３２第２のエッチング処理室
３３導波管
３４誘電体窓
３５基板
３６サセプタ
３７第１導入口
３８ゲートバルブ
３９光透過窓
４０光源
４１基板
４２サセプタ
４３ランプハウス
４４第２導入口
４５窒素ガス導入口
４６真空ポンプ
４７真空ポンプ
６１ゲート電極
６２窒化シリコン層
６３アモルファスシリコン層
６４ n＋シリコン層
６５ソース電極
６６ドレイン電極

Claims

第１及び第２のエッチング処理室を備えたドライエッチング装置であって、
前記第１のエッチング処理室は、第１の処理ガスを導入する第１導入口と、マイクロ波プラズマ導入部とを備え、気密状態に密閉可能であり、
前記第２のエッチング処理室は、第２の処理ガスを導入する第２導入口と、５．６ｅＶよりも大きなエネルギーを有する光を発生させる光源と、該光を室内に導入する光透過窓とを備え、気密状態に密閉可能であることを特徴とする、ドライエッチング装置。
前記第１及び第２のエッチング処理室は、扉を介して隣接していることを特徴とする、請求項１に記載のドライエッチング装置。
前記光源は、キセノンエキシマランプ、クリプトンエキシマランプ又はアルゴンエキシマランプであることを特徴とする、請求項１又は２に記載のドライエッチング装置。
前記第２の処理ガスは、Ｆ₂、Ｃｌ₂、ＳＦ₆又はＣＦ₄であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一つに記載のドライエッチング装置。
前記光透過窓は、ＬｉＦ、ＭｇＦ₂、ＣａＦ₂又は石英であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一つに記載のドライエッチング装置。
被処理物のエッチング対象面を略鉛直の状態でエッチングすることを特徴とする、請求項１から５に記載の装置。