JP2008543095A - 偏向プラズマビームを用いた下流プラズマエッチング - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ源から発生したラジカル流を自由に分布させることができるエッチング方法及びエッチングチャンバーを提供する。
【解決手段】エッチングチャンバー（1）の外で印加されたプラズマを用いて、エッチングチャンバー（1）内で基板（3）をエッチングする方法であって、基板の表面にラジカル流を分布させるため、エッチング工程の間、基板（3）に照射するラジカル流（7）に向けて、少なくとも一時的に、少なくとも1つのガス噴流（10）を横方向から送る。
【選択図】図４

Description

本発明は、基板のエッチング方法及びエッチングチャンバーに関する。

ドライエッチング方法は、半導体基板やウェーハのような基板の処理において、厚みの小さな基板に対しても使用することができるため、該方法は有益であることが証明されている。該方法のそうした薄い基板に対する処理は、機械的な方法の処理に比べて信頼性が高い。
ドライ化学プラズマエッチングは、2つのグループ、すなわち、ウェーハに隣接するチャンバー内で印加されたプラズマによる直接プラズマドライ化学プラズマエッチングと、プロセスチャンバーの外にプラズマが維持されるリモートプラズマドライ化学プラズマエッチングとに分類される。したがって、後者の処理においては、プラズマの生成とエッチングの場所が互いに離れている。リモートプラズマ処理とも呼ばれる、この処理においては、例えば、ガス、特にプロセスガスが導入されるチューブ内に、マイクロ波が導入されることによりプラズマが生成する。プラズマ内にラジカルが発生し、次いで、このラジカルはエッチングチャンバーの中を通って、エッチングすべき表面に向かう。

このエッチング方法の欠点は、上記表面におけるエッチング速度が異なるという点にある。このエッチング速度の違いは、プラズマ源から発生するラジカル流がエッチングチャンバー内に直接供給されることが原因である。このエッチング速度のばらつきにより、不均等あるいは不均一なエッチングプロファイルが基板上に形成される。一般的に、基板の表面全部をエッチングすることができるように、ラジカル流は基板の中央部に向けられている。したがって、基板の中央部、すなわち、ラジカル流がエッチングチャンバーに導入されている場所の下方においては、基板中央部の材料は、該基板の端部に比べて、より多く除去される。

プラズマが反応部位から離れている方法においては、該方法で使用する反応性ガスの分布の不均一性を均衡させるため、先行技術は分配プレートとシャワーヘッドをそれぞれ提案している。例えば、ドイツ公報697
13 080 T2では、シャワーヘッドが提案されており、これは基板表面上のガス分布の均一性を高めると考えられている。このシャワーヘッドは、分配プレートと似ており、いくつかのガス注入口とガス流出口を有しており、これらは基板表面上に分布される形で配列されている。

上記分配プレート又はシャワーヘッドは、表面の処理、特に表面のエッチングをすべき基板の表面に送られたラジカル流の一部にだけ有効である。これは、特にラジカルの損失が原因である。ラジカルの損失は、ラジカルが上記分配プレート又はシャワーヘッドを構成する材料に衝突したときに起こる。さらに、ラジカル流の分布は、予め設けられた開口又はガス注入口及びガス流出口の配置に限定される。

それゆえ、本発明が解決せんとする課題は、プラズマ源から発生したラジカル流を自由に分布させることができるエッチング方法及びエッチングチャンバーを提供することである。

エッチングチャンバーの外で印加されたプラズマを用いて、該エッチングチャンバー内で基板をエッチングする本発明の方法によって、上記課題は解決される。該エッチング方法は、エッチング工程の間において、ラジカル流を基板に照射する場合、少なくとも一時的に、ラジカル流に向けて、少なくとも1つのガス噴流を横方向から送るという点に特徴がある。

ラジカル流に対して接線方向、好ましくは水平方向にあるガス噴流を導入することによって、ラジカル流の方向を変更することができる。従来技術による解決法とは異なり、このラジカル流の方向の変更は、ラジカル密度に重大な変化をもたらすことなく達成することができ、したがって、ラジカル流の効率に影響を与えることなく達成することができる。さらに、上記方向の変更は、ラジカル分布に関する要件に基づいて自由に調節することができる。ラジカルを破壊する固体の物理的拡散物質を上記流れの中に導入することなく、ラジカル流を調節することができる。ノズルを用いて、少なくとも１個のガス噴流をラジカル流の領域内に導入するのが好ましい。本発明の方法は、ウェーハの全表面に対して均等にエッチング工程を繰り返し行うために多数のガス噴流を使用する。また、本発明の方法により、他の所望するラジカル流の基板表面上の分布を容易に確立することができる。

また、本発明の方法では、特にラジカル流中のラジカルと活性種の原子との再結合は起こらない。それゆえ、ラジカル密度は変わらず、再結合は重大な影響を受けないため、標準的なラジカル流で得られるエッチング速度を維持することができる。同時に、特定の要件に基づいて、基板材料の除去の分布を調節することができる。

少なくとも2つのガス噴流を使用し、これらのガス噴流を対向、すなわち、互いに向かい合わせることが好ましい。互いに1列になる２つの対向するガス噴流は、衝突領域を生じさせる。対向するガス噴流がラジカル流の方向に送られると、該衝突領域はラジカル流の内部、好ましくはラジカル流の中央部となる。したがって、ガス噴流と衝突領域は、ラジカル流の流れに影響を与え、ガス噴流の軸に対して接線方向あるいは実質的に接線方向のラジカルの向きを変えることになる。

2つの対向するガス噴流を使用することにより、絶え間ない障害が形成される。この障害のところで、ラジカル流は、ガス噴流に対して接線方向に偏向し、ラジカル流は分岐あるいは分裂する。ラジカル流の下方に配置した基板上にて、エッチングプロファイルが形成されるが、これは、基板材料の除去の程度が、ガス噴流の方向において、この方向に隣接した領域よりも低い。基板の真中又は中央、すなわち、ラジカル流の注入口の下における過剰エッチングの問題は、こうして解消し得る。この点で、誘導されたラジカル流の衝突領域による分岐は、所望するエッチングプロファイルを高い信頼性で、正確に予め設定することを可能にすることを示した。

さらに、2つのガス噴流を使用することは、ラジカル流に影響を与えるのに有利である。その理由は、反射又はミラーシンメトリーをもつプロファイルを得ることができ、これは後続のエッチング処理で容易に繰り返すことができるからである。

ガス噴流を形成し、ガス噴流をエッチングチャンバーに導入する上記ノズルの配列は、主として該チャンバーで処理すべき基板によって決まる。互いに向き合う2個のノズル間の距離は、ノズルの流出口に基づいて決定する。これらの2個のパラメータを変えることにより、ラジカル流を所望するように偏向させるため、2個のガス噴流の最適な衝突領域を得ることができる。例えば、6mmの開口のノズルでは、向き合う2個のノズル間の距離を300mmとすることができる。この距離であると、ガス噴流は扇形に広がって、ラジカル流の領域内で約70mmの直径となることができる。この配列、特にノズルの直径と2個の対向するノズルの距離が、本システムにおける全体的な効率と性能を支配する。

ガス噴流は水平方向に向けられていることが好ましい。その結果、予め設定した高さで、ラジカル流の方向に作用を及ぼすことができ、分裂したラジカル流又はその部分的な流れは、ガス噴流の注入高さより下方を、妨害されることなく広がることができる。その結果、基板表面上におけるエッチング速度の違いを最小にすることができる。

ガス噴流は律動的に送ることが好ましい。このことは、ラジカル流に対する影響が一時的に与えられることを意味する。ラジカル流の方向に向いたガス噴流の注入口又はノズルを設けると、ラジカル流に影響を及ぼすために、異なる時点で種々のガス噴流を使用することができる。この場合、ガス噴流は、輪を描くように配列させて、律動的に送ることが好ましい。この律動的なガス噴流により、基板の種々の領域を異なる程度で異なる時間にエッチングすることができる。
異なる時間に始動又は作動するいくつかのノズルをエッチングチャンバーに設けることが好ましい。例えば、エッチングチャンバーの中央部に向けられた８個又は12個のノズルを設けることができる。例えば、ラジカル流の周囲に配列された8個のノズルのうち、対向する2個のノズルが始動すると、所定の時間経過後の後続する工程においては、これらのノズルは作動を停止し、他の2個の対向するノズルがガス噴流を導入するために使用される。対向する対のガス噴流を連続して交替で律動的に送ることにより、ラジカル流の下方に配置した基板の表面全体に対して均一なエッチング速度を得ることができる。

対になっているガス注入口におけるパルスの持続時間は、基板、特にテープを付けた基板への熱的負荷を最小にするために設定することができる。1〜5秒のパルスが使用できる。通常は、1秒のパルスを使用し、そうすると、基板を破壊する可能性があるプロセス熱は1箇所に蓄積しない。中央部に熱が繰り返し蓄積することは、本発明以外のケースで一般的に観察される。

本発明の方法においては、ガス噴流から基板表面までの距離は、エッチングする基板の大きさに応じて変更するか、必要な配置にした適当なエッチングチャンバーを使用することが好ましい。上記距離の変更又は必要な配置にしたエッチングチャンバーの選択により、ラジカル流の偏向の効率を高めることができる。また、所望するエッチングプロファイルを、より大きな基板の全表面、すなわち、直径全体の基板上に得ることができる。
さらに、方法のパラメータは、所望するエッチングプロファイルを調節又は修飾するために使用することができ、特に噴流速度、プロセスガスの流速、エッチングチャンバーの圧力及びノズルの配置、特に流出口の直径、対向するノズルの相対的位置、及び基板／噴出／ラジカル源の高さの比率である。これらのパラメータは、あらゆる所望するプロファイルに対するシステム効率の微妙な調節に使用できる。

ラジカル流に影響を及ぼすためのガス噴流を形成するガスは、エッチング工程におけるプロセスガスに不活性であるガスが好ましい。1つの例示としては、一般のプラズマエッチング工程で使用するエネルギーキャリアーであるアルゴン、キセノン、窒素等が使用される。不活性ガスの使用により、ラジカル効率の重大な低下を確実に避けることができる。

他の態様としては、本発明は、基板ホルダーとこれから離れたプラズマ源とを備えた、基板をエッチングするためのエッチングチャンバーに関する。該エッチングチャンバーは、該エッチングチャンバー内にガス噴流を水平に導入するために、基板ホルダーとプラズマ源の間に、少なくとも1個のノズルを設けている点に特徴がある。1つのガス噴流は前述した衝突領域は発生させないが、ラジカル流の偏向が可能である。

該エッチングチャンバーは、少なくとも2個の対向するノズルを有することが好ましい。対向するノズルは、エッチングチャンバーの端部に配置することができ、このことは、側壁内に配設したこと、又は直接又は対応するガスパイプで側壁を通って挿入されていることを意味する。しかしながら、エッチングチャンバーの上面を通じて、エッチングチャンバー内にノズルを挿入することも可能である。水平方向のノズルは、垂直方向のガスパイプと一体化することができる。この配列は、ノズルから基板及びプラズマ源への距離が変更可能であるという点で好ましい。この距離を調節することにより、種々の大きさの基板を、同一のエッチングチャンバー内で処理することができ、また、チャンバー内の圧力等のプロセスパラメータを異なるものにすることができる。

エッチングチャンバーは、一度に別々の対の一時的な案内又は作動を可能にするコントロールユニットに連結する、少なくとも2対の対向するノズルを有することが好ましい。該コントロールユニットは、ノズルに連結するバルブを有することが好ましい。該バルブはエッチングチャンバーの外に配置させることが好ましい。該コントロールユニットを用いることにより、ラジカル流を照射させる基板上にエッチングプロファイルを作製することが可能である。
対向するノズルの対を、輪を描くように配列させると、対称のエッチングプロファイルがガス噴流軸に対して接線方向に作製される。輪を描くように配列されたノズル対によって、対称のプロファイルは重なり、完全に1回転すると、全領域は等しくエッチングされ、均一な結果物が作製される。

本発明の方法及びエッチングチャンバーにより、基板は、例えば、基板内の応力を減らすため研磨等の機械的処理を行った後、処理することができる。この処理は、基板の応力除去処理という。本発明では、基板に対し、トレンチエッチング等の他のエッチング処理を行うことができる。

上記エッチング工程に関連して述べた利点及び特徴は、適用可能である限り、本発明のエッチングチャンバーにも同様であり、その逆も同様である。

本発明は、また、添付図面を参照して、再度説明される。

図１は、エッチングチャンバーの組立の概略図を示している。このエッチングチャンバー1では、チャックとも呼ばれる基板ホルダー2が配設されている。この基板ホルダー上に、処理すべき基板3、特に半導体基板又はウェーハが保持される。エッチングチャンバー1の上方には、プラズマ源4が配設され、これは、プラズマ源4で形成されたラジカルをエッチングチャンバー1内に導入するためのチューブ5を備えている。プラズマ源4は、例えば、マイクロ波によってプラズマを形成するものである。図示していないが、リードを通じて、六フッ化硫黄（SF₆）、テトラフルオロメタン（SF₄）等のプロセスガスがプラズマ源4に導入される。プラズマ源4で形成された活性種を案内するチューブ5は、エッチングチャンバー1の上面6を通って伸びている。その結果、基板3に向けられたラジカル流7はエッチングチャンバー1内に導入される。

図１の概略図からわかるように、ラジカル流7は、本質的に、通例一般に円形である基板3の中央部に向けられている。ラジカル流7は広がるので、基板3の端部も、少なくとも部分的にはエッチングされる。しかしながら、端部でのエッチング速度は、基板3の中央部よりもかなり低い。このエッチングチャンバー1内において、予め決めたエッチング速度を達成するために、基板材料の必要量が端部においても除去されるまで、エッチング工程を行う必要がある。これには長いエッチング時間を必要とする。エッチングの継続時間が長くなると、温度上昇が基板3で発生し、基板3の損傷を招く可能性がある。

図２は、本発明のエッチングチャンバー1の概略図である。このエッチングチャンバー1内においては、また、エッチングチャンバー1の上方に位置するプラズマ源4でプラズマが形成され、その結果得られたラジカルは、ラジカル流7として、エッチングチャンバー1の上方からエッチングチャンバー1内に導入される。図２の態様においては、一般に中央部分に配置される開口、すなわちラジカル流7のためのチューブ5は、8個のガスパイプ8によって囲まれている。図２では5個だけが見えている。これらのガスパイプ8は、エッチングチャンバー1の上面6から垂直下方に伸び、基板ホルダー2の上方で終わっている。ガスパイプは下端で曲がっていて、水平方向に向いたノズル9に通ずる。ノズル9はエッチングチャンバー1の中央部、特に基板3上にあるチューブ5の突出部の中央部に向けられている。

図２では、異なる配置のガスパイプ8及びノズル9を破線で示している。この態様では、ガスパイプ8は、エッチングチャンバー1の側壁を通って水平に伸び、水平に向いたノズル9に通じている。この場合、エッチングチャンバー1の上面を通って伸びる、垂直方向のガスパイプ8は設けない。

図３にある図２のエッチングチャンバー1の上面図からわかるように、ノズル9をもつ8個のガスパイプ8が設けられている。ノズル9は、2個1対になって互いに対向するように、その方向が向けられている。ノズル9は、2個1対になって、案内又は作動されることが好ましく、このことは、２個の対向するノズル9を通じてのみ、エッチングチャンバー1内にガスが同時に導入されることを意味する。

図示した態様では、ノズル9は、基板3の端部の領域にその先端がくる。しかしながら、ノズル9を基板3からさらに外側に配置させることも可能である。

2個の対向するノズル9を通じて、各ノズル9からガス噴流10が噴射されると、2つの水平なガス噴流10は、互いに中央部、すなわち、ラジカル流7の中央部で当たり、あるいは衝突し、こうしてラジカル流7に対して障害を形成する。上部から基板3に向けられたラジカル流7は、ガス噴流10によって向きが変えられる。特に図４で示した概略においては、ラジカル流7は分裂し、2つの部分的流れ11が形成される。図４において、ラジカル流7及びその部分的流れ11は、概略の状態だけを示している。ガス噴流10の下方でラジカルがガス噴流10のガスと混合することがよく理解できる。しかしながら、基板3の中央部では、基板表面のラジカル密度は、妨害されないラジカル流7の流れに比べて低く、そのため、この場所での基板物質の除去は減少する。

2個の対向するガス噴流10により、図５に示したエッチングプロファイル12が得られる。ガス噴流10の領域において、ガス噴流10の方向が２個のノズル9によって図５に示され、予め定めたプロセス条件によって、5μm以下の基板材料が除去された。この領域は、プロファイル12において、一番濃い領域13として示している。ガス噴流10から離れるが、基板材料が10μmまで除去された。これはプロファイル12において明るい領域14によって示している。

このエッチングプロファイル12は、後続のエッチング工程でさらに処理することができる。この次の工程では、ラジカル流7に影響を及ぼすために、最初のエッチング工程で使用したガス噴流10と異なる向きのガス噴流10を使用することが好ましい。特に、前に使用したガス噴流10に対して角度により相殺するガス噴流10を使用する。

例えば、最初の工程で使用した1対のノズルに隣接する1対の対向するノズルを後続のエッチング工程で使用し、ノズル9を介したガス供給が停止される前に、該エッチング工程を、こうして分裂されたラジカル流7を用いて適当な時間行う。例えば、時計方向に隣接する対のノズル間における、こうした転換を連続的に行うと、均一なエッチングプロファイルを得ることができる。

1対のノズルから他の対のノズル、例えば、隣接する対に変わると、特に、エッチング工程において除去の程度が低かった基板3の領域は、高いラジカル密度になり、前エッチング工程で形成された基板表面の不均一性を修復することができる。

ノズル9、特にノズル9の対を、時間をずらして案内して、ガス噴流10の方向を変えることにより、基板3表面のエッチングプロファイルを均一に形成することができる。特に基板中央の過剰エッチングを避けることができる。

全てのガス噴流が完全にローテーションすると、連続的なエッチングプロファイル12が重なり、360度後は、基板全体にわたって、ほとんど等しく基板の除去が行われる。この最終のプロファイルを概略的に図６に示す。工程ごとに、ローテーションを何回か行うことができる。2回以上のローテーション、例えば、1工程当たり、30回の完全なローテーションにおいて、開始と終了の位置はたいてい重要ではない。

ラジカル流の形状は、ラジカルの分布を意味するが、エッチングチャンバー1内のチャンバー圧力、ガス噴流すなわちガス噴流10の圧力又は流速、プロセスガスの流速のような他のパラメータや、また、ノズル9から基板3への距離を意味するガス噴流10の導入距離によって、さらに変更することができる。基板ホルダー2への距離が小さくなると、工程条件の変更がなければ、基板表面に到達する部分流11の間の距離は小さくなる。図７はこの状態の概略図である。また、この図では、部分流11は、ほんの概略的に示している。ガス噴流10の下方では、当然のことながら、ガス噴流のガスとラジカル流7のラジカルが混合する。しかしながら、基板3の中央部のラジカル密度は、妨害のないラジカル流7に比べて低くなり、それにより中央部の材料の除去も減少する。

小さな直径をもつ基板3上に均一なエッチングプロファイルを形成するためには、ガス噴流10の導入は、基板3への距離を小さくして行う。基板3への距離を大きくしてガスを導入すると、同じ均一性を得るために必要なガス圧力又は流速は、一般に減少することになる。しかしながら、ガス噴流10を高く配置させて導入すると、エッチング速度が低下することが判明している。基板の中央部周囲の環状領域において、基板の中央部及び端部より高いエッチング速度が得られる、いわゆるドーナツ効果は、ガス噴流の注入口の位置を高くすることで解消することができる。

対照的に、基板3の近くでガスを導入すると以下の効果をもたらす。1つには、他に工程条件の変更がなければ、ラジカルのより高い効率により、エッチング速度が上昇する。しかしながら、ガス噴流10の導入が低いほど、所定の均一性を得るために調節すべき流速が上昇し、環状すなわちドーナツプロファイルの形成の恐れが増加する。

ラジカル流7のラジカル密度の上昇、あるいはプロセスガスの流速の上昇を意味するラジカル流の増大は、環状プロファイル形成の効果を高める。さらに、ラジカル流7の分裂を確実にするためには、ラジカル流7の流速が増大するにつれて、ガス噴流の流速を増大することが必要である。

既に述べたように、エッチングチャンバー1内の基板3の上方にあるガス噴流10のガス注入口の高さは、エッチングプロファイルの均一性に影響を及ぼす。

また、エッチングチャンバー1内のチャンバー圧力は、ラジカル流7の形状に関連する。例えば、エッチングチャンバー内の圧力が150Paから300 Paに上昇すると、ラジカル流7の偏向又は分裂が大きくなる。

ラジカル流7の流れに影響を及ぼすパラメータを変更することによって、所望するエッチングプロファイルを得ることができる。例えば、基板の表面全体における均一なエッチング速度を得ることができる。また、均一性が改善することにより、エッチング速度も高くすることができる。

本発明は図示した態様に限定されない。特に、ガス注入口として機能するガスパイプを、エッチングチャンバーの側壁を通ってノズルに至るようにすることも可能である。

本明細書では、全体的に、基板上に均一なエッチングプロファイルを形成する点を強調しているが、本発明は、種々のエッチングプロファイル、例えば、基板の片側のエッチング速度が高いエッチングプロファイルを得るための実現可能な手段も提供する。

さらに、3又は4つのガス噴流を同時にラジカル流に向けることも可能である。また、ラジカル流に影響を及ぼすため、1つのガス噴流の使用は、本発明の範囲に含まれる。使用されるガス噴流の数は、所望するエッチングプロファイルに応じて選択する。したがって、本発明によれば、基板の表面に均一なエッチング速度を得ること、あるいは基板の部分に所定の高いエッチング速度を得ることが可能である。

本発明によれば、基板上のエッチングプロファイルに容易に影響を及ぼすことができ、エッチング工程において、エッチングプロファイルをコントロールすることができる。特に、12”−ウェーハのような大きな基板に均一なエッチングプロファイルを得ることができる。エッチングプロファイルへの作用はガス噴流によってなされるため、作用強度及び作用の方向を、条件、特にプロセスパラメータに容易に適合させることができる。

エッチングチャンバーの概略図である。 本発明に係るエッチングチャンバーの１例の断面概略図である。 図２のエッチングチャンバーの上面概略図である。 ラジカル流に向けて送られたガス噴流とラジカル流の概略図である。 エッチングプロファイルの概略図である。 他のエッチングプロファイルの概略図である。 ラジカル流に向けて送られたガス噴流とラジカル流の概略図である。

符号の説明

エッチングチャンバー1
基板ホルダー2
基板3
プラズマ源4
チューブ5
上面6
ラジカル流7
ガスパイプ8
ノズル9

Claims (10)

1. エッチングチャンバー（1）の外で印加されたプラズマを用いて、エッチングチャンバー（1）内で基板（3）をエッチングする方法であって、基板の表面にラジカル流を分布させるため、エッチング工程の間、基板（3）に照射するラジカル流（7）に向けて、少なくとも一時的に、少なくとも1つのガス噴流（10）を横方向から送ることを特徴とする方法。
2. 少なくとも2つの対向するガス噴流（10）を使用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ガス噴流（10）を水平に送る請求項１又は２に記載の方法。
4. ガス噴流（10）を律動的に送ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. ガス噴流（10）から基板（3）までの距離を、エッチングする基板（3）の大きさに基づいて変更することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. ガス噴流（10）のガスが、エッチング工程のプロセスガスに対して不活性であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. エッチングチャンバー（1）に横方向のガス噴流（10）を導入する少なくとも１個のノズル（9）を、基板ホルダー（2）とプラズマ源（4）の間に設けることを特徴とする、基板ホルダー（2）と、基板ホルダー（2）から離れたところにあるプラズマ源（4）とを備えた、基板（3）をエッチングするためのエッチングチャンバー。
8. エッチングチャンバーは、少なくとも2個の対向するノズル（9）を有することを特徴とする請求項７に記載のエッチングチャンバー。
9. エッチングチャンバーは、少なくとも2対の対向するノズル（9）を有し、一度に1対のノズル（9）を一時的に案内することができるコントロールユニットに連結していることを特徴とする請求項８に記載のエッチングチャンバー。
10. ノズル（9）が、エッチングチャンバー（1）の側壁を通って、エッチングチャンバー（1）内に導入されていることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載のエッチングチャンバー。

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