JP2015179775A

JP2015179775A - 半導体製造装置

Info

Publication number: JP2015179775A
Application number: JP2014057238A
Authority: JP
Inventors: 宏典西山; Hironori Nishiyama
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2015-10-08

Abstract

【課題】本発明が解決しようとする課題は、プラズマを用いた半導体基板のエッチングにおいて、エッチングのばらつきを抑制することを可能にする半導体製造装置を提供することである。
【解決手段】
実施形態の半導体製造装置は、反応室内に設けられた下部電極と、前記反応室内に設けられ、前記下部電極に対向する上部電極と、前記反応室内において、前記上部電極と前記下部電極の間を挟むように設けられた１組の電磁石と、前記上部電極に複数設けられたセンサと、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体製造装置に関する。

一般に、半導体の製造工程において、成膜、エッチングなどの工程に、平行平板タイプのプラズマ処理装置が用いられている。平行平板タイプのプラズマ処理装置は、真空チャンバ内に対向して設けられた二つの電極の間に、高周波を印加して成膜ガス、エッチングガスなどのプロセスガスを流すことにより、プラズマを発生させてウェハを処理するものである。

このような平行平板タイプのプラズマ処理装置においては、発生したプラズマに空間的な偏りが生じる可能性がある。例えば、プラズマを用いた反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）法により、ウェハにエッチングを行う場合、プラズマに偏りが生じるとエッチング特性がウェハ面内でばらつく。ウェハ面内において、エッチング特性のばらつきに起因する異常形状が形成されると、ウェハに形成されるトランジスタの性能不良や、製品歩留りの劣化が生じるという問題がある。

特開平０６−３３２７１号公報

本発明が解決しようとする課題は、プラズマを用いた半導体基板のエッチングにおいて、エッチングのばらつきを抑制することを可能にする半導体製造装置を提供することである。

実施形態の半導体製造装置は、反応室内に設けられた下部電極と、前記反応室内に設けられ、前記下部電極に対向する上部電極と、前記反応室内において、前記上部電極と前記下部電極の間を挟むように設けられた１組の電磁石と、前記上部電極に複数設けられたセンサと、を有する。

本実施形態に係る半導体製造装置の断面図。本実施形態に係る半導体製造装置の平面図。比較例に係る半導体製造装置を用いた際のプラズマ密度分布プロファイル。本実施形態に係る半導体製造装置を用いた際のプラズマ密度分布プロファイル。

以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。実施例中の説明で使用する図は、説明を容易にするための模式的なものであり、図中の各要素の形状、寸法、大小関係などは、実際の実施においては必ずしも図に示されたとおりとは限らず、本発明の効果が得られる範囲内で適宜変更可能である。半導体としては、シリコンを一例に説明するが、炭化シリコン（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）などの化合物半導体にも適用可能である。

本発明の実施形態に係る半導体製造装置１００について、図１及び図２を用いて説明する。図１は本実施形態に係る半導体製造装置の断面図、及び図２は本実施形態に係る半導体製造装置の平面図を示している。なお、図２は反応室１１の上面のみを示しており、誘導コイル部１８、及び電磁石２３、２４は図示していない。

図１に示すように、本実施形態に係る半導体製造装置１００は、反応室１１、石英蓋１２、サセプタ１３、排気口１４、排気量調整バルブ１５、プロセスガス導入口１６、支柱１７、誘導コイル部１８、センサ１９、ヒータ２０、高周波電源２１，２２、電磁石２３，２４、及び電磁石電源２５，２６を有する。

反応室１１は気密性を有するように、その上部が石英蓋１２で封止されている。反応室１１にはプロセスガス（エッチングガス）を導入するための、プロセスガス導入口１６が設けられている。また、真空ポンプなどと接続され、真空に排気することが可能な排気口１４が反応室１１に設けられている。排気口１４には、排気量調整バルブ１５が接続されており、反応室１１内を所定の圧力に制御することが可能となっている。

石英蓋１２には、図２に示すようにプラズマの発光強度を測定するためのセンサ１９が設けられている。図２では、センサ１９は５つ設けられているが、プラズマ全体の発光強度平均値を測定するために少なくとも２つ設けられていれば実施は可能である。

サセプタ１３は反応室１１内の下部に設けられ、支柱１７により支持されている。また、サセプタ１３には高周波電源２１が接続されており、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波が印加できるようになっている。サセプタ１３は後述するように、反応室１１内にプラズマを発生させた際、プラズマ中の活性イオンを引き寄せる電極としての役割も有する。サセプタ１３の上面には、例えばシリコン基板からなるウェハｗが載置される。サセプタ１３内には、サセプタ温度を一定に保つために冷却材を循環させるための冷却パイプ（図示せず）と抵抗加熱ヒータ等のヒータ２０が内蔵されている。支柱１７には上下駆動機構（図示せず）が設けられており、サセプタ１３を昇降することによりウェハｗの高さ位置を調整することが可能となっている。

反応室１１の外側であり、サセプタ１３の反対側（石英蓋１２の上部）に誘導コイル１８が設けられている。誘導コイル１８には高周波電源２２が接続されており、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波が印加できるようになっている。

上述したように、サセプタ１３と誘導コイル部１８には、それぞれサセプタ１３と誘導コイル部１８間に高周波電圧を印加するための高周波電源２１、２２が接続されるが、バイアスが印加されないプロセスでは、サセプタ１３と誘導コイル部１８共に接地される。

反応室１１の外側面には、石英蓋１２とサセプタ１３間に、ウェハｗ面と離間して磁場を印加するための２組の電磁石２３、２４が設けられている。電磁石２３、２４は図２に示すように、それぞれ反応室１１を挟むように対になって設けられている。電磁石２３、２４には、例えばダイポールリングマグネットなど、水平磁場を発生することが可能なものが用いられる。そして、それぞれウェハｗの被処理面に平行な磁場を発生させるとともに、磁場印加タイミングおよび強度を制御することが可能な制御機構を備えた電磁石電源２５、２６が設けられている。なお、電磁石電源２５、２６にはセンサ１９で測定したプラズマ発光強度の結果を踏まえて、電磁石２５、２６に磁場制御信号を送る制御手段等が接続される（図示せず）。

このような半導体製造装置を用いて、ウェハｗに対して例えばプラズマエッチング等の処理が行われる。

次に、本実施形態に係る半導体製造装置を用いて、ウェハｗをプラズマエッチングする工程について説明する。本実施形態の場合、プラズマエッチングによりウェハｗに微細なトレンチを複数形成する場合について説明する。

まず、搬送室（図示せず）および反応室１１内を、排気口１４より真空排気し、ウェハｗを搬送室（図示せず）より反応室１１に搬送して、サセプタ１３上に載置する。この際、微細パターンが形成される領域以外のウェハｗ上にはレジスト（図示せず）が設けられている。次いで、プラズマ処理が行われる温度、例えば３５０℃となるように、ヒータ２０により加熱する。そして、流量制御されたプロセスガスが、プロセスガス導入口１６より導入される。プロセスガスには、例えば、四フッ化炭素（ＣＦ_４）等が用いられる。

このとき、反応室１１内の圧力は、排気量調整バルブ１５により、５Ｔｏｒｒ程度となるように自動調圧される。そして、石英蓋１２とサセプタ１３間の距離が例えば３０ｍｍとなるように、支柱１７によりサセプタ１３を昇降させる。

このような状態で、高周波電源２２より誘導コイル部１８に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加し、サセプタ１３は接地し、５００Ｗで放電を行う。このような高周波を印加すると、特に放電開始時（プラズマイグナイト時）は、ガスフロー中にプラズマが形成されるため、分子であったガスの乖離により体積膨張を生じ、一時的に反応室１１内の圧力が増加する。そこで、圧力増加を補正するために、排気量調整バルブ１５により排気量が自動的に調整される。

このような状態において、放電を開始してプラズマを発生させ、ウェハｗがエッチングされる。プラズマによるウェハｗのエッチング中は、センサ１９によりプラズマの発光強度を測定し、測定結果は例えば１秒毎に更新される。

プラズマの発光強度を測定した結果、ウェハｗの面内方向についてプラズマ発光強度のばらつきがあった場合、電磁石２３、２４により、反応室１１内に磁場を印加し、プラズマ発光強度のばらつきを補正する。

以上のような工程により、本実施形態に係る半導体製造装置を用いたウェハｗのエッチングは行われる。

ここで、本実施形態の効果について説明する。図３は比較例に係る半導体製造装置を用いた際のプラズマ密度分布プロファイル、図４は本実施形態に係る半導体製造装置を用いた際のプラズマ密度分布プロファイルを示している。また、図３と図４は共に、縦軸がプラズマ発光強度、横軸がウェハｗの面内位置を示している。なお、比較例に係る半導体製造装置は、本実施形態に係る半導体製造装置からセンサ１９を取り除いた構造を有する。

反応室１１内にプラズマを発生させてウェハｗをエッチングする際、図３のようにプラズマ発光強度がウェハｗの面内位置でばらつきが生じる可能性がある。プラズマ発光強度にばらつきが生じると、ウェハｗのエッチング特性も面内でばらつき、ウェハｗに形成するトレンチの形状にばらつきが生じる。結果として、ウェハｗに半導体装置を作り込んだ際、半導体装置の特性ばらつきが生じるため、信頼性の低下に繋がる恐れがある。

本実施形態に係る半導体製造装置の場合、ウェハｗの面内方向におけるプラズマ発光強度をセンサ１９により測定し、プラズマ発光強度にばらつきが生じた際、電磁石２３、２４により反応室１１内に磁場を印加してプラズマ発光強度の補正を行っている。従って、図４に示すようにウェハｗのエッチングばらつきが抑制され、結果として、半導体装置の信頼性も向上する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

ｗ…ウェハ、１１…反応室、１２…石英蓋、１３…サセプタ、１４…排気口、１５…排気量調整バルブ、１６…プロセスガス導入口、１７…支柱、１８…支柱、１９…センサ、２０…ヒータ、２１，２２…高周波電源、２３，２４…電磁石、２５，２６…電磁石電源、１００…半導体製造装置

Claims

反応室内に設けられた下部電極と、
前記反応室内に設けられ、前記下部電極に対向する上部電極と、
前記反応室内において、前記上部電極と前記下部電極の間を挟むように設けられた１組の電磁石と、
前記上部電極に複数設けられたセンサと、
を有する半導体製造装置。
前記センサは、前記上部電極と前記下部電極との間に形成されるプラズマの発光強度を測定することを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
前記センサの結果に基づき、前記プラズマの発光強度を均一にするよう前記電磁石を動作させることを特徴とする請求項２に記載の半導体製造装置。