JP2016058643A - プラズマエッチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板に対して前処理を施すことにより、エッチング対象の膜への選択性を向上させてマテリアルロスを抑制できる。【解決手段】前処理工程において基板Ｗの表面が水素終端化されて不活性化されるが、シリコン窒化膜Ｆ１とポリシリコン膜Ｆ２の表面における水素終端化のされやすさは膜種によって異なる。したがって、エッチング処理工程では、シリコン窒化膜Ｆ１における化学反応性をそのままに、ポリシリコン膜Ｆ２における化学反応性を悪くすることができる。その結果、シリコン窒化膜Ｆ１は、三フッ化窒素ガスのプラズマにより発生するラジカルによってエッチングされるが、ポリシリコン膜Ｆ２はエッチングされにくくできる。よって、エッチング対象であるシリコン窒化膜Ｆ１への選択性を向上させてマテリアルロスを抑制できる。【選択図】図７

Description

本発明は、半導体ウエハ、液晶ディスプレイ用基板、プラズマディスプレイ用基板、有機ＥＬ用基板、ＦＥＤ(Field Emission Display)用基板、光ディスプレイ用基板、磁気ディスク用基板、光磁気ディスク用基板、フォトマスク用基板、太陽電池用基板（以下、単に基板と称する）に対してプラズマによるエッチングを行うプラズマエッチング方法に関する。

従来、プラズマエッチング方法を用いる工程として、例えば、シリコン基板上やシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）上に成膜されたシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）とポリシリコン膜のうち、シリコン窒化膜をエッチングするドライエッチング工程が挙げられる。

具体的には、例えば、処理ガスをフッ素含有ガスとし、プラズマ生成によって発生するフッ素ラジカルでシリコン窒化膜を選択的にエッチングする。しかしながら、エッチング対象であるシリコン窒化膜をエッチングできるものの、エッチングをしたくないエッチング非対象のポリシリコン膜もエッチングされてしまうという問題がある。

そこで、例えば、エッチング対象（シリコン窒化膜）と、エッチング非対象（シリコンやシリコン酸化膜）との選択比を高めるために、フッ素ガスに酸化用ガスを含むものを処理ガスとするプラズマエッチング方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５４６６７５６号公報

しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
すなわち、従来の装置は、選択比を高めることはできるものの、やはりエッチング非対象である膜もエッチングされるので、マテリアルロスが生じるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、基板に対して前処理を施すことにより、エッチング対象の膜への選択性を向上させてマテリアルロスを抑制できるプラズマエッチング方法を提供することを目的とする。

本発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、基板に形成された少なくとも二種類の膜のうちの一方の膜をプラズマにより選択的にエッチングするプラズマエッチング方法において、水素プラズマを生成させることにより、前記基板の表面を水素終端化させる前処理工程と、処理用ガスによるプラズマを生成させることにより、前記基板の一方の膜をエッチングさせるエッチング処理工程と、をその順に実施することを特徴とするものである。

［作用・効果］請求項１に記載の発明によれば、前処理工程において基板の表面が水素終端化されて不活性化されるが、表面における水素終端化のされやすさは膜種によって異なる。したがって、エッチング処理工程では、一方の膜における化学反応性をそのままに、他方の膜における化学反応性を悪くすることができる。その結果、一方の膜は、処理ガスのプラズマにより発生するラジカルによってエッチングされるが、他方の膜はエッチングされにくくできる。よって、エッチング対象の膜への選択性を向上させてマテリアルロスを抑制できる。

また、本発明において、前記前処理工程は、前記水素プラズマの生成により生じた水素ラジカルと水素イオンのうち、水素イオンが基板に供給されることを抑制することが好ましい（請求項２）。

水素プラズマの生成により水素ラジカルと水素イオンが生じるが、水素イオンが基板に供給されると、基板や膜がダメージを受け、欠陥を生じることがある。したがって、水素イオンが基板に供給されることを抑制することにより、基板や膜に欠陥を生じることを抑制して、エッチング時における欠陥の発生を抑制できる。

また、本発明は、前記前処理工程と前記エッチング処理工程は、同一のプラズマエッチング装置内で実施されることが好ましい（請求項３）。

同一プラズマエッチング装置内で前処理工程とエッチング処理工程とを実施するので、水素終端化による他方の膜における化学反応性が悪くなった状態で、次のエッチング処理工程を行うことができる。したがって、エッチングの選択性を維持した状態でエッチング処理工程を行うことができる。また、処理時間を短縮でき、装置の構成を簡易化できるので、コスト面で有利となる。

また、本発明は、前記基板は、シリコン製であり、前記一方の膜は、シリコン窒化膜であり、他方の膜は、ポリシリコン膜であることが好ましい（請求項４）。

シリコン窒化膜は、シリコン製の基板及びポリシリコン膜よりも水素終端化がされにくいので、シリコン窒化膜の表面はシリコン製の基板及びポリシリコン膜よりも不活性化されにくい。したがって、シリコン窒化膜の表面はシリコン製の基板及びポリシリコン膜よりもエッチング処理工程においてエッチングされやすくでき、エッチングの選択比を高くできる。

本発明に係るプラズマエッチング方法によれば、前処理工程において基板の表面が水素終端化されて不活性化されるが、表面における水素終端化のされやすさは膜種によって異なる。したがって、エッチング処理工程では、一方の膜における化学反応性をそのままに、他方の膜における化学反応性を悪くすることができる。その結果、一方の膜は、処理ガスのプラズマにより発生するラジカルによってエッチングされるが、他方の膜はエッチングされにくくできる。よって、エッチング対象の膜への選択性を向上させてマテリアルロスを抑制できる。

実施例に係るプラズマエッチング装置の概略構成を示す全体図である。 プラズマエッチング装置に基板を搬入した状態を示す図である。 プラズマエッチング装置に搬入された状態の基板の処理面を拡大した模式図である。 プラズマエッチング装置による前処理工程を示す図である。 前処理工程における基板の処理面を拡大した模式図である。 プラズマエッチング装置によるエッチング処理工程を示す図である。 エッチング処理工程における基板の処理面を拡大した模式図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施例について説明する。
図１は、実施例に係るプラズマエッチング装置の概略構成を示す全体図である。

実施例に係るプラズマエッチング装置は、処理ユニット１と、供給ユニット３と、導入ユニット５と、排気ユニット７と、電力供給ユニット９と、処理用ガス供給ユニット１１とを備えている。

処理ユニット１は、処理対象である基板Ｗを収納して処理を施す。供給ユニット３は、導入ユニット５を介して、処理用ガスを処理ユニット１に供給する。排気ユニット７は、処理ユニット１内の気体を排出して、処理ユニット１の内部圧力を調整する。電力供給ユニット９は、導入ユニット５に供給された処理用ガスに対して、必要に応じて高周波電力を供給して、処理用ガスのプラズマを発生させる。処理用ガス供給ユニット１１は、複数種類の処理用ガスを供給ユニット３に対して供給する。

処理ユニット１は、基板Ｗを載置するためのチャック１３を内部に備えている。チャック１３は、平面視で基板Ｗよりやや大なる径を有する。チャック１３は、内部に温調ユニット１５を備えている。温調ユニット１５は、上面に載置された基板Ｗの温度を所定の温度に調整することができる。

供給ユニット３は、処理ユニット１との連結部分に、シャワープレート１７を備えている。このシャワープレート１７は、導電性の材料で形成されており、全面にわたって貫通口１９を形成されている。シャワープレート１７は電気的に接地されており、後述するプラズマによるエッチング処理工程において、ラジカルとイオンのうちのイオンが処理ユニット１側へ供給されるのを抑制する。したがって、基板Ｗがイオンによりダメージを受けにくくできる。

導入ユニット５は、上部から供給された処理用ガスをそのまま、あるいはプラズマ状態にして供給ユニット３へ導入する。導入ユニット５は、外周部に高周波アンテナ２１を備えている。高周波アンテナ２１は、コイル状に形成されている。高周波アンテナ２１は、一端側が電力供給ユニット９の電源１０に接続され、他端側が接地されている。電力供給ユニット９は、高周波アンテナ２１に対して高周波電流を供給する。高周波アンテナ２１に高周波電流が供給されると、導入ユニット５の内部空間に誘導電磁場が形成され、処理用ガスがイオン化のためのエネルギーを供給されてプラズマ状態にされる。

排気ユニット７は、処理ユニット１の内部に連通した排気口２３と、排気口２３に連通した排気管２５と、排気管２５を開閉する開閉弁２７と、排気管２５を介して処理ユニット１内の気体を排気する排気ポンプ２９とを備えている。

処理用ガス供給ユニット１１は、導入ユニット５の上部に一端側が連通された供給管３１と、供給管３１の他端部から３本に分岐した分岐管３３と、各分岐管３３における開閉及び流量を調整する流量制御弁３５と、分岐管３３に連通接続された水素ガス（Ｈ_２）供給源３７と、窒素ガス（Ｎ_２）供給源３９と、三フッ化窒素ガス（ＮＦ_３）供給源４１とを備えている。水素ガス供給源３７からの水素ガス、窒素ガス供給源３９からの窒素ガス、三フッ化窒素ガス供給源４１からの三フッ化窒素ガスは、それぞれ流量制御弁３５により所定流量に調整され、導入ユニット５に供給される。

次に、図２から図７を参照して、上述した構成のプラズマエッチング装置によるプラズマエッチングについて説明する。なお、図２は、プラズマエッチング装置に基板を搬入した状態を示す図であり、図３は、プラズマエッチング装置に搬入された状態の基板の処理面を拡大した模式図である。また、図４は、プラズマエッチング装置による前処理工程を示す図であり、図５は、前処理工程における基板の処理面を拡大した模式図である。また、図６は、プラズマエッチング装置によるエッチング処理工程を示す図であり、図７は、エッチング処理工程における基板の処理面を拡大した模式図である。

まず、図２に示すように、処理対象である基板Ｗをプラズマエッチング装置の処理ユニット１に搬入する。具体的には、基板Ｗをチャック１３の上面に載置する。

基板Ｗは、例えば、図３に示すように、シリコン基板ＳＷの上面にシリコン窒化膜Ｆ１とポリシリコン膜Ｆ２とが予め形成されている。

次に、プラズマエッチング装置により「前処理工程」を実施する。具体的には、図４に示すように、温調ユニット１５により、チャック１３の温度を１０［℃］とし、排気ユニット７により、処理ユニット１内の圧力を３０［ｍＴｏｒｒ］とし、処理用ガス供給ユニット１１の流量制御弁３５を操作して、処理用ガスとしての水素ガスを５０［ｃｃ／ｍｉｎ］、窒素ガスを２０［ｃｃ／ｍｉｎ］の流量で導入ユニット５に供給する。さらに、電力供給ユニット９により、高周波アンテナ２１に４５００［Ｗ］の高周波電力を供給する。

この前処理工程により、導入ユニット５内で水素プラズマが生成され、水素ラジカルと水素イオンが発生する。そして、導入ユニット５で発生した水素ラジカルが処理ユニット１内に拡散する。したがって、基板Ｗは、水素ラジカルに晒される。これにより、基板Ｗが水素終端化される。但し、シリコン基板ＳＷは、その表面にシリコン窒化膜Ｆ１とポリシリコン膜Ｆ２とが成膜されているが、ポリシリコン膜Ｆ２は水素終端化されやすく、シリコン窒化膜Ｆ１は水素終端化されにくいという性質を有する。したがって、ポリシリコン膜Ｆ２の表面Ｆ２Ｓだけが水素終端化される。この水素終端化により、ポリシリコン膜Ｆ２の表面Ｆ２Ｓは、化学的活性が大幅に低下される。換言すると、化学反応性が低下される。

上述した水素終端化は、具体的には次のようにして形成される。

すなわち、ポリシリコン膜Ｆ２などのシリコン表面は、通常、自然酸化膜が形成されているので、最表面には、酸素（Ｏ）や炭素（Ｃ）や水酸基（−ＯＨ）が結合されている。これらの結合原子は、水素ラジカルに晒されると、還元され、さらに混合する窒素ガス等の希ガスの活性種でエッチングされる。したがって、未結合手となったところには水素が結合し、水素終端化される。もちろん、最初から未結合手も存在するが、これらも水素終端化される。

その一方、シリコン窒化膜Ｆ１の表面は、基本的に窒素原子が最表面を構成しているが、炭素（Ｃ）や水素（Ｈ）も存在する。シリコン窒化膜Ｆ１は、成膜プロセスにおいて膜中に水素や炭素が不純物として取り込まれている。水素ラジカルに晒されると、活性な水素により窒素原子は揮発性気体であるアンモニア（ＮＨ_３）となって揮発する。また、もし、炭素が存在すると、シアン化水素（ＨＣＮ）となり、これも蒸気圧が高い生成物であるので、揮発する。したがって、シリコン窒化膜Ｆ１の表面をポリシリコン膜Ｆ２のように水素終端化することはできない。

なお、接地されたシャワープレート１７により、水素イオンが処理ユニット１に拡散することを抑制できる。したがって、水素イオンによりシリコン基板ＳＷ、シリコン窒化膜Ｆ１、ポリシリコン膜Ｆ２がダメージを受けて欠陥を生じることを抑制でき、後工程のエッチング時における欠陥の発生を抑制できる。

次に、同じプラズマエッチング装置により「エッチング処理工程」を実施する。具体的には、図６に示すように、温調ユニット１５により、チャック１３の温度を１０［℃］のまま維持し、排気ユニット７により、処理ユニット１内の圧力を３００［ｍＴｏｒｒ］とする。また、処理用ガス供給ユニット１１の流量制御弁３５を操作して、処理用ガスとしての水素ガスを２００［ｃｃ／ｍｉｎ］、窒素ガスを５０［ｃｃ／ｍｉｎ］、三フッ化窒素ガスを４００［ｃｃ／ｍｉｎ］の流量で導入ユニット５に供給する。さらに、電力供給ユニット９により、高周波アンテナ２１に２８００［Ｗ］の高周波電力を供給する。

このエッチング処理工程により、導入ユニット５内でフッ素ラジカルとフッ素イオンが発生する。そして、導入ユニット５で発生したフッ素ラジカルが処理ユニット１内に拡散する。したがって、基板Ｗは、フッ素ラジカルに晒されるので、これにより基板Ｗのシリコン窒化膜Ｆ１に含まれているシリコン（Ｓｉ）がフッ素ラジカルと反応し、最終的に四フッ化ケイ素（ＳｉＦ_４）を形成して離脱する。一方、基板Ｗのポリシリコン膜Ｆ２は、その表面Ｆ２Ｓが水素終端化され、耐エッチング性を有するので、シリコンが離脱することがない。その結果、ほぼシリコン窒化膜Ｆ１だけがエッチングされる。

本実施例によると、前処理工程において基板Ｗの表面が水素終端化されて不活性化されるが、シリコン窒化膜Ｆ１とポリシリコン膜Ｆ２の表面における水素終端化のされやすさは膜種によって異なる。したがって、エッチング処理工程では、シリコン窒化膜Ｆ１における化学反応性をそのままに、ポリシリコン膜Ｆ２における化学反応性を悪くすることができる。その結果、シリコン窒化膜Ｆ１は、三フッ化窒素ガスのプラズマにより発生するラジカルによってエッチングされるが、ポリシリコン膜Ｆ２はエッチングされにくくできる。よって、エッチング対象であるシリコン窒化膜Ｆ１への選択性を向上させてマテリアルロスを抑制できる。

また、本実施例では、シャワープレート１７により、プラズマ化により生じたラジカルとイオンのうち、イオンが基板Ｗに到達することを抑制しているので、基板Ｗや膜に欠陥を生じることを抑制して、エッチング時における欠陥の発生を抑制できる。

また、本実施例では、同一のプラズマエッチング装置内で前処理工程とエッチング処理工程とを続けて実施するので、水素終端化によってポリシリコン膜Ｆ２における化学反応性が悪くなった状態で、次のエッチング処理工程を行うことができる。したがって、エッチングの選択性を維持した状態でエッチング処理工程を行うことができる。また、処理時間を短縮でき、装置の構成を簡易化できるので、コスト面で有利となる。

本発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

（１）上述した実施例では、前処理工程において上述した処理条件を例示したが、本発明はこの処理条件に限定されるものではなく、エッチング対象でない膜の表面を水素終端化できれば他の処理条件であってもよい。

（２）上述した実施例では、エッチング処理工程において上述した処理条件を例示したが、本発明はこのような処理条件に限定されるものではない。つまり、エッチング対象である膜をエッチングできれば処理条件は種々の設定でよい。

（３）上述した実施例では、エッチング対象である一方の膜をシリコン窒化膜とし、エッチング非対象である他方の膜をポリシリコン膜としたが、本発明はこれらの膜に限定されるものではなく、水素終端化のされやすさに差異がある膜種であれば採用することができる。

（４）上述した実施例では、前処理工程とエッチング処理工程とを同じプラズマエッチング装置内で行ったが、これらの処理工程を別体の装置で実施してもよい。

Ｗ … 基板
１ … 処理ユニット
３ … 供給ユニット
５ … 導入ユニット
７ … 排気ユニット
９ … 電力供給ユニット
１０ … 電源
１１ … 処理用ガス供給ユニット
１３ … チャック
２１ … 高周波アンテナ
２９ … 排気ポンプ
ＳＷ … シリコン基板
Ｆ１ … シリコン窒化膜
Ｆ２ … ポリシリコン膜
Ｆ２Ｓ … ポリシリコン膜の表面

Claims (4)

1. 基板に形成された少なくとも二種類の膜のうちの一方の膜をプラズマにより選択的にエッチングするプラズマエッチング方法において、
   水素プラズマを生成させることにより、前記基板の表面を水素終端化させる前処理工程と、
   処理用ガスによるプラズマを生成させることにより、前記基板の一方の膜をエッチングさせるエッチング処理工程と、
   をその順に実施することを特徴とするプラズマエッチング方法。
2. 請求項１に記載のプラズマエッチング方法において、
   前記前処理工程は、前記水素プラズマの生成により生じた水素ラジカルと水素イオンのうち、水素イオンが基板に供給されることを抑制することを特徴とするプラズマエッチング方法。
3. 請求項１または２に記載のプラズマエッチング方法において、
   前記前処理工程と前記エッチング処理工程は、同一のプラズマエッチング装置内で実施されることを特徴とするプラズマエッチング方法。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のプラズマエッチング方法において、
   前記基板は、シリコン製であり、前記一方の膜は、シリコン窒化膜であり、他方の膜は、ポリシリコン膜であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
   

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