JP2012004188A

JP2012004188A - エッチング方法

Info

Publication number: JP2012004188A
Application number: JP2010135495A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Kawai; 智也河井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2012-01-05

Abstract

【課題】反応室を構成するチャンバを大気開放せずに、チャンバ内壁に付着した堆積膜を除去できるエッチング方法を提供する。
【解決手段】まず、加工対象をエッチングするエッチャントガスを反応室内に導入するとともに、冷却流路に冷媒を流すことによって反応室を冷却し、加工対象とエッチャントガスとの反応生成物を加工対象上に生成する。ついで、冷却流路への冷媒の供給を停止し、加工対象が反応生成物の昇華温度以上となるように加熱する。そして、冷却流路への冷媒の供給を停止した状態で、反応室の内壁が反応生成物の昇華温度以上となるように加熱する。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、エッチング方法に関する。

従来、半導体装置などの製造工程において、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法などのドライエッチング法を用いた加工処理が行われている。このようなドライエッチング法では、ガスを用いて加工対象のエッチングを行うが、その際、加工対象とガスとが反応した反応生成物がチャンバ内壁に堆積する。チャンバ内壁に堆積した反応生成物はエッチング時に放出されてエッチング条件に影響を与えるので、加工対象のエッチングを再現性よく行うことができない。そこで、従来では、加工対象表面とチャンバ内壁への反応生成物の堆積量を制御する方法が提案されている。

特開平１０−１１６８２２号公報

一般的にエッチングを行うチャンバは、上記したように内壁に反応生成物などの堆積膜が付着するので、チャンバ内を大気開放し、堆積膜を除去する作業を行う必要があった。

本発明の一つの実施形態は、反応室を構成するチャンバを大気開放せずに、チャンバ内壁に付着した堆積膜を除去できるエッチング方法を提供することを目的とする。

本発明の一つの実施形態によれば、まず、加工対象をエッチングするエッチャントガスを反応室内に導入するとともに、冷却流路に冷媒を流すことによって前記反応室を冷却し、前記加工対象とエッチャントガスとの反応生成物を前記加工対象上に生成する。ついで、前記冷却流路への前記冷媒の供給を停止し、前記加工対象が前記反応生成物の昇華温度以上となるように加熱する。そして、前記冷却流路への前記冷媒の供給を停止した状態で、前記反応室の内壁が前記反応生成物の昇華温度以上となるように加熱する。

図１は、実施の形態によるエッチング装置の概略構成を模式的に示す図である。図２は、実施の形態によるエッチング装置内での処理手順を示すタイムチャートの一例を示す図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかるエッチング方法を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、実施の形態によるエッチング装置の概略構成を模式的に示す図である。このエッチング装置は、エッチング処理を行う反応室１０と、反応室１０を真空に保持し外気から遮断する準備室２０と、を備え、反応室１０と準備室２０とはゲートバルブ３０で仕切られている。また、エッチング装置は、ウェハなどの加工対象を保持する保持手段であるボート３１を有し、図示しない搬送機構によって、準備室２０と反応室１０との間を移動可能に構成されている。この例では、反応室１０の上方に準備室２０が設けられている場合を示している。

反応室１０内には、加工対象のエッチング後の加熱処理時や、反応室１０内壁に付着した反応生成物を除去するベーク処理時に、反応室１０内を加熱する加熱手段であるランプヒータ１１が設けられている。また、反応室１０には、反応室１０内にガスを供給する配管１２−１〜１２−６が設けられている。この例では、Ｎ₂ガスを供給する第１、第３および第６の配管１２−１，１２−３，１２−６と、ＮＨ₃ガスを供給する第２および第４の配管１２−２，１２−４と、ＮＦ₃ガスを供給する第５の配管１２−５と、が設けられている。第１、第３および第６の配管１２−１，１２−３，１２−６には図示しないＮ₂ガス供給部が設けられ、第２および第４の配管１２−２，１２−４には図示しないＮＨ₃ガス供給部が設けられ、第５の配管１２−５には図示しないＮＦ₃ガス供給部が設けられている。また、第１〜第６の配管１２−１〜１２−６にはそれぞれガスの供給のオン／オフを切り替えるガスバルブＶ１〜Ｖ６が設けられている。

第１と第２の配管１２−１，１２−２は、反応室１０付近で一体化されて反応室１０に接続されるが、ガスバルブＶ１，Ｖ２と反応室１０との間の配管にはアプリケータ１３−１が設けられている。同様に、第３と第４の配管１２−３，１２−４も、反応室１０付近で一体化されて反応室１０に接続され、ガスバルブＶ３，Ｖ４と反応室１０との間の配管にはアプリケータ１３−２が設けられている。アプリケータ１３−１，１３−２は、たとえば石英チューブとマイクロ波印加手段とからなり、ＮＨ₃ガスを反応室１０内に導入する際に、石英チューブにマイクロ波を印加することで、ＮＨ₃ガスを活性化させる機能を有する。また、第５と第６の配管１２−５，１２−６は、反応室１０付近で一体化されて反応室１０に接続される。

反応室１０には、冷却手段であるチラー３２から供給される冷媒を循環させる冷媒流路である冷却用配管１４が設けられている。冷却用配管１４はたとえば反応室１０の外壁に接するように設けられる。チラー３２の冷媒吐出口３２ａと冷却用配管１４の一方の端部との間を接続する配管１５ａにはバルブＶ７が設けられ、チラー３２と冷媒回収口３２ｂと冷却用配管１４の他方の端部との間を接続する配管１５ｂにはバルブＶ８が設けられている。チラー３２で温度調節された冷媒は冷媒吐出口３２ａから吐出され、冷却用配管１４内を冷媒が移動（循環）することによって、反応室１０（壁面）が冷却され、所定の温度に保たれる。なお、冷媒として、１００〜１３０℃の温度範囲で使用しても揮発しにくいものが望ましく、たとえばフロリナート（商品名）やガルデン（商品名）などを用いることができる。

また、反応室１０には、図示しない真空ポンプが接続されており、反応室１０内が所定の真空度となるように排気されている。

準備室２０は、上記したように、反応室１０を外気から遮断する機能とともに、反応室１０でエッチングされた加工対象を冷却する機能も有する。準備室２０には、準備室２０内にガスを供給する配管２１−１，２１−２が設けられている。この例では、Ｎ₂ガスを供給する第７および第８の配管２１−１，２１−２が接続され、それぞれの配管２１−１，２１−２にはガスの供給のオン／オフを切り替えるガスバルブＶ９，Ｖ１０が設けられている。また、第７と第８の配管２１−１，２１−２には図示しないＮ₂ガス供給部が設けられている。

また、準備室２０には、チラー３２から供給される冷媒を循環させる冷媒流路である冷却用配管２２が設けられている。冷却用配管２２はたとえば準備室２０の外壁に接するように設けられる。チラー３２の冷媒吐出口３２ａと冷却用配管２２の一方の端部との間を接続する配管２３ａにはバルブＶ１１が設けられ、チラー３２の冷媒回収口３２ｂと冷却用配管２２の他方の端部との間を接続する配管２３ｂにはバルブＶ１２が設けられている。この準備室２０でも、チラー３２で温度調節された冷媒が冷却用配管２２内を循環することによって、準備室２０が冷却され、所定の温度に保たれる。なお、準備室２０の冷却用配管２２は、反応室１０の冷却用配管１４と直列に接続されておらず、並列に接続されている。すなわち、このような接続によって、反応室１０と準備室２０のいずれか一方のみを冷却することも可能となる。

さらに、準備室２０には、図示しない真空ポンプが接続されており、準備室２０内が所定の真空度となるように排気されている。

また、エッチング装置には、反応室１０のガスバルブＶ１〜Ｖ６、バルブＶ７，Ｖ８の開閉およびランプヒータ１１のオン／オフと、準備室２０のガスバルブＶ９，Ｖ１０およびバルブＶ１１，Ｖ１２の開閉と、ゲートバルブ３０の開閉と、ボート３１の搬送などを、所定の手順（レシピ）にしたがって制御する図示しない制御部が設けられている。

つぎに、このようなエッチング装置におけるエッチング方法について説明する。図２は、実施の形態によるエッチング装置内での処理手順を示すタイムチャートの一例を示す図である。このタイムチャートは、制御部によるガスバルブＶ１〜Ｖ６，Ｖ９，Ｖ１０やバルブＶ７，Ｖ８，Ｖ１１，Ｖ１２、ゲートバルブ３０、ランプヒータ１１、搬送機構などの制御手順を示している。

まず、ウェハなどの加工対象が保持されたボート３１が準備室２０に搬送される（ステップＳ１１）。このとき、ゲートバルブ３０は閉じられた状態にあり、たとえばガスバルブＶ９，Ｖ１０がオープンにされ、準備室２０内に窒素ガスが導入される。そして、たとえば大気圧になった状態で加工対象が保持されたボート３１が準備室２０の外部から準備室２０の内部へと搬送される。その後、ガスバルブＶ９，Ｖ１０がクローズにされ、真空ポンプによって準備室２０内が反応室１０内の真空度とほぼ一致するまで真空引きされる。また、このとき、反応室１０では、真空ポンプによって真空引きされクリーニングされている状態にある（ステップＳ１２）。準備室２０の真空度が反応室１０の真空度とほぼ同じになると、ゲートバルブ３０を開き、図示しない搬送機構によってボート３１を反応室１０へと搬送した後、ゲートバルブ３０を閉じる（ステップＳ１３）。

ついで、反応室１０では、加工対象のエッチング処理が行われる（ステップＳ１４）。ここでは、加工対象は、ウェハに形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）であるものとする。制御部によって第１〜第５のガスバルブＶ１〜Ｖ５がオープンにされ、反応室１０内にＮ₂ガス、ＮＨ₃ガスおよびＮＦ₃ガスが供給される。それぞれのガスの供給量は、予め設定された条件にしたがって、制御部で制御される。また、制御部によってアプリケータ１３−１，１３−２が作動され、反応室１０内に供給されるＮＨ₃ガスは活性化される。さらに、バルブＶ７，Ｖ８をオープンにし、反応室１０が３０℃程度の常温となるように冷媒を循環させる。

このような状態の反応室１０内では、エッチャントガス（ＮＨ₃ガスおよびＮＦ₃ガス）によって、加工対象がエッチングされる。具体的には、ＮＨ₃ガスとＮＦ₃ガスを活性化させてシリコン酸化膜と反応させ、加工対象上に（ＮＨ₄）₂ＳｉＦ₆が反応生成物として生成される。また、反応室１０の温度を常温程度とすることで、酸化シリコンとエッチャントガス（ＮＨ₃ガスおよびＮＦ₃ガス）との間の反応が促進される。

所定の時間反応させた後、加工対象の温度が反応生成物の昇華温度以上となる温度で所定の時間、アニール処理が行われる（ステップＳ１５）。具体的には、第２、第４および第５のガスバルブＶ２，Ｖ４，Ｖ５をクローズにし、第１、第３および第６のガスバルブＶ１，Ｖ３，Ｖ６をオープンにして、反応室１０内にＮ₂ガスを導入する。また、バルブＶ７，Ｖ８をクローズにして、冷媒の循環を停止するとともに、ランプヒータ１１をオンにして反応室１０内を加熱する。なお、反応生成物（ＮＨ₄）₂ＳｉＦ₆の昇華温度は、１００〜１３０℃であるので、加熱対象が１００〜１３０℃以上となるようにランプヒータ１１を制御する。

ランプヒータ１１による加熱が始まると、加工対象と反応室１０の側壁の温度が上昇する。この加熱によって、加工対象の温度は反応生成物の昇華温度以上となるので、加工対象上に生成された反応生成物（ＮＨ₄）₂ＳｉＦ₆は昇華される。なお、反応室１０内の側壁には、冷媒が循環していないが、滞留しているため、６０〜８０℃程度まで加熱され、その結果、加工対象上から昇華した反応生成物は反応室１０内の側壁に再吸着する。

アニール処理を所定時間行った後、ゲートバルブ３０を開き、加工対象が保持されたボート３１を図示しない搬送機構によって準備室２０に移送した後、ゲートバルブ３０を閉じる（ステップＳ１６）。その後、ガスバルブＶ９，Ｖ１０をオープンにして準備室２０内にＮ₂を導入し、バルブＶ１１，Ｖ１２をオープンにして準備室２０の冷却用配管２２に冷媒を循環させて加工対象の冷却を行う（ステップＳ１７）。

ステップＳ１７の準備室２０での加工対象の冷却処理と並行して、反応室１０では、反応室１０内壁に付着した反応生成物を除去するベーキング処理が行われる（ステップＳ１８）。このベーキング処理では、反応室１０内の側壁の温度が反応生成物の昇華温度（１００〜１３０℃）以上となるようにランプヒータ１１の発熱量を制御する。これによって、反応室１０の側壁の温度が、反応生成物の昇華温度以上に加熱され、反応生成物が側壁から昇華し、真空ポンプによって反応室１０外へと排気される。

所定の時間ベーキング処理を行った後、反応室１０の冷却処理を行う（ステップＳ１９）。具体的には、ランプヒータ１１の電源をオフにし、ガスバルブＶ２，Ｖ４をオープンにして反応室１０内にＮＨ₃ガスを導入し、バルブＶ７，Ｖ８をオープンにして冷媒を反応室１０の冷却用配管１４に循環させて、反応室１０の冷却を行う。このとき、反応室１０内にＮＨ₃ガスのような冷媒ガスを導入することで、反応室１０内の冷却効率を上げることができる。

また、ステップＳ１７で準備室２０に移送された加工対象が所定の温度まで下がると、図示しない搬送機構によって加工対象を保持したボート３１を、準備室２０から準備室２０の外部に取り出す搬送処理が行われる（ステップＳ２０）。これによって、１バッチ目の処理が終了する。その後、上記したステップＳ１１〜Ｓ２０で説明したバッチ処理が制御部での制御によって繰り返し実行される。

つぎに、比較例として一般的なエッチング方法について説明する。同一チャンバ内で反応および加熱を行う場合には、酸化シリコンとエッチャントガスのＮＨ₃ガス、ＮＦ₃ガスとの反応を加速させるため、チャンバの側壁温度を３０℃程度の常温に制御する。つまり、エッチング時にチャンバの温度を３０℃程度の常温に維持するために、冷媒をチャンバの側壁に循環させている。そのため、冷却しているチャンバ内の壁面に反応生成物（ＮＨ₄）₂ＳｉＦ₆が再吸着し、これらのプロセスの回数を重ねることで、堆積膜が形成される。そして、加熱と冷却が繰り返されることで、堆積膜に応力差が生じ、チャンバ内に堆積膜が剥がれ落ちてしまう虞がある。このような問題を防ぐために、所定の周期でチャンバを大気開放し、内壁に堆積した堆積膜を除去する処理が必要となっていた。

一方、本実施の形態では、エッチング処理で反応室１０を冷媒によって冷却しながら加工対象表面に反応生成物（ＮＨ₄）₂ＳｉＦ₆を形成した後、冷媒による冷却を中断して加工対象を反応生成物の昇華温度以上に加熱するアニール処理を行う、加工対象のエッチングを反応室１０内で行い、加工対象を準備室２０へと移送した後、反応室１０の冷却処理を中断しながら反応室１０の温度を反応生成物の昇華温度以上に加熱する処理を１つのバッチ処理ごとに行うようにした。これによって、エッチング中に反応室１０内壁に付着した反応生成物が昇華され、反応室１０内から除去される。つまり、反応生成物による堆積膜が反応室１０内壁に形成されない。その結果、比較例のように時間の経過とともに反応生成物が反応室１０側壁に堆積し、加工対象上に剥がれ落ちてしまうことを防ぐことができるという効果を有する。また、１回のエッチング処理ごとに反応生成物の反応室１０の内壁からの除去が行われるので、反応室１０内を大気開放してクリーニングする必要がない。すなわち、反応室１０を大気開放することなく、反応室１０の内壁をクリーニングすることができるという効果も有する。

また、反応室１０の冷却用配管１４と準備室２０の冷却用配管２２とを、直列に接続せず、並列にチラー３２に接続したので、反応室１０と準備室２０とを独立して冷却することが可能になるという効果も有する。さらに、冷却用配管１４，２２に設けられるバルブＶ７，Ｖ８，Ｖ１１，Ｖ１２を制御手段によって制御可能な構成としたので、エッチング装置における加熱冷却を予め作成されたレシピによって制御性よく行うことができるという効果も有する。

１０…反応室、１１…ランプヒータ、１２−１〜１２−６，１５ａ，１５ｂ，２１−１〜２１−２，２３ａ，２３ｂ…配管、１３…アプリケータ、１４，２２…冷却用配管、２０…準備室、３０…ゲートバルブ、３１…ボート、３２…チラー、３２ａ…冷媒吐出口、３２ｂ…冷媒回収口、Ｖ１〜Ｖ６，Ｖ９，Ｖ１０…ガスバルブ、Ｖ７，Ｖ８，Ｖ１１，Ｖ１２…バルブ。

Claims

加工対象をエッチングするエッチャントガスを反応室内に導入するとともに、冷却流路に冷媒を流すことによって前記反応室を冷却し、前記加工対象と前記エッチャントガスとの反応生成物を前記加工対象上に生成するエッチング工程と、
前記冷却流路への前記冷媒の供給を停止し、前記加工対象が前記反応生成物の昇華温度以上となるように加熱する第１加熱工程と、
前記冷却流路への前記冷媒の供給を停止した状態で、前記反応室の内壁が前記反応生成物の昇華温度以上となるように加熱する第２加熱工程と、
を含むことを特徴とするエッチング方法。
前記第１加熱工程の後で前記第２加熱工程の前に、前記加工対象を前記反応室外に搬出する搬出工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のエッチング方法。
前記加工対象は酸化シリコンであり、
前記エッチャントガスは、ＮＨ₃ガスおよびＮＦ₃ガスであることを特徴とする請求項１または２に記載のエッチング方法。