JP2016058644A - 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ポリシリコン膜Ｆ２に酸化膜Ｆ３を生成させる。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Ｆ２における化学反応性を低下させることができる。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。【選択図】図８

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エッチング対象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、基板のエッチング非対象膜に対して酸化膜を生成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、基板のエッチング対象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エッチング非対象膜に酸化膜を生成させる。したがって、エッチング処理工程では、エッチング対象膜における化学反応性をそのままに、エッチング非対象膜における化学反応性を低下させることができる。その結果、エッチング対象膜は、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、エッチング非対象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、前記前処理工程の最初に前記基板を加熱するプレアニール工程を実施し、前記前処理工程の最後に前記基板を加熱するポストアニール工程を実施することが好ましい（請求項２）。

プレアニール工程で基板を予め加熱してから前処理工程を実施すると、酸化膜を効率よく生成できる。さらに、ポストアニール工程で基板を加熱することで、生成された酸化膜を緻密にできる。したがって、エッチング非対象膜の耐エッチング性を向上できる。

また、本発明において、前記前処理工程と前記エッチング処理工程とを所定回数繰り返すことが好ましい（請求項３）。

前処理工程で生成できる酸化膜の厚さに限度があるので、エッチング処理工程で酸化膜が劣化してエッチング非対象膜がエッチングされる恐れがある。そこで、前処理工程に続いてエッチング処理工程を実施してある程度エッチング処理工程を行った後、再び前処理工程で酸化膜を生成させ、再度エッチング処理工程を実施することで、そのような不都合を回避できる。

また、本発明において、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が好ましい（請求項４）。

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、エッチング非対象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。

本発明に係るエッチング方法によれば、前処理工程においてエッチング非対象膜に酸化膜を生成させる。したがって、エッチング処理工程では、エッチング対象膜における化学反応性をそのままに、エッチング非対象膜における化学反応性を低下させることができる。その結果、エッチング対象膜は、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、エッチング非対象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のアニール工程を示す図である。 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。 前処理工程におけるアニール工程の有無によるエッチング量の差異を示すグラフである。 前処理工程における処理用ガスごとの酸化膜厚の差異を示すグラフである。

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、基板Ｗに対して所定の処理を施す。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、温調ユニット１５を内部に備えている。温調ユニット１５は、所定の温度に加熱したり冷却したりして、チャック１３の上面に載置された基板Ｗの温度を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４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に連通接続された酸素ガス（Ｏ_２）供給源３７と、水素ガス（Ｈ_２）供給源３９と、窒素ガス（Ｎ_２）供給源４１と、三フッ化窒素ガス（ＮＦ_３）供給源４３とを備えている。酸素ガス供給源３７からの酸素ガス、水素ガス供給源３９からの水素ガス、窒素ガス供給源４１からの窒素ガス、三フッ化窒素ガス供給源４３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８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のアニール工程を示す図である。図５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６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７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８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。本実施例における前処理工程は、前処理工程の最初に実施されるプレアニール工程と、酸化工程と、前処理工程の最後に実施されるポストアニール工程とを有する。

まず、プレアニール工程を実施する。このプレアニール工程は、図４に示すように、流量調整弁３５を全て閉止し、排気ポンプ２９を停止して開閉弁２７を閉止した状態において、温調ユニット１５によりチャック１３の温度を１５０［℃］に設定する。この状態では、処理用ガスを流通させず、基板Ｗに対する熱処理だけを行う。

次に、酸化工程を実施する。酸化工程は、図５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５０［℃］に下げるとともに、排気ポンプ２９を操作して処理ユニット１内の圧力を１０００［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酸素ガスを５００［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。

この酸化工程により、導入ユニット５内で酸素プラズマが生成され、酸素ラジカルと酸素イオンとが発生する。そして、導入ユニット５で発生した酸素ラジカルが処理ユニット１に拡散する。したがって、基板Ｗは、酸素ラジカルにさらされる。これにより、基板Ｗの表面が酸化される。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は酸化されやすく、シリコン窒化膜Ｆ１は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の表面にだけ酸化膜Ｆ３が形成される。この酸化膜形成により、ポリシリコン膜Ｆ２の表面は、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。

なお、接地されたシャワープレート１７により、酸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、酸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、ポストアニール工程を実施する。このポストアニール工程は、上述したプレアニール工程と同じである。つまり、図４に示すように、処理用ガスを流通させず、温調ユニット１５によりチャック１３の温度を１５０［℃］に設定する。この処理により、基板Ｗに形成された酸化膜Ｆ３が緻密にされる。

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７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［℃］に維持し、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、その表面が酸化膜Ｆ３で覆われ、フッ素ラジカルに対する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エッチング非対象膜であるポリシリコン膜Ｆ２に酸化膜Ｆ３を生成させる。したがって、エッチング処理工程では、エッチング対象膜であるシリコン窒化膜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低下させることができる。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、本実施例では、前処理工程において、プレアニール工程で基板Ｗを予め加熱してから前処理工程を実施するので、酸化膜Ｆ３を効率よく生成できる。さらに、ポストアニール工程で基板Ｗを加熱することで、生成された酸化膜Ｆ３を緻密にできる。したがって、エッチング非対象膜であるポリシリコン膜Ｆ２の耐エッチング性を向上できる。

さらに、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、ポリシリコン膜Ｆ２における化学反応性を低下させた状態で、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。

ここで、図９を参照する。なお、図９は、前処理工程におけるアニール工程の有無によるエッチング量の差異を示すグラフである。

図９に示すように、従来例に相当する前処理工程なしと、本発明に相当する前処理工程ありとでは、エッチング非対象膜であるポリシリコン膜Ｆ２のエッチング度合いに差異があり、本発明にあたる前工程有りは、前処理工程なしを基準にすると、ポリシリコン膜Ｆ２のエッチング量が１３．８％も少なくできていることがわかる。また、上述した実施例のようなプレアニール及びポストアニールを実施すると、さらにポリシリコン膜Ｆ２のエッチング量が１６．８％も少なくできていることがわかる。

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、エッチング非対象膜の表面を酸化膜Ｆ３で覆うことができれば他の処理条件であってもよい。例えば、ここで図１０を参照する。なお、図１０は、前処理工程における処理用ガスごとの酸化膜厚の差異を示すグラフである。

前処理工程においては、上述した実施例のような酸素プラズマだけでなく、酸素プラズマ及び水素プラズマによって酸化膜Ｆ３を生成するようにしてもよい。これにより、ポリシリコン膜Ｆ２において酸化がより促進されるので、図１０に示すように、酸素プラズマの場合に比較して酸化膜Ｆ３の厚さをより厚くできる。したがって、耐エッチング性能をより向上できる。

（２）上述した実施例では、一回の前処理工程の後、一回のエッチング処理工程を実施して処理を終了しているが、本発明はこの例に限定されない。例えば、一回の前処理工程の後、一回のエッチング処理工程を行った後、再び一回の前処理工程を実施し、その後、再び一回のエッチング処理工程を実施するように、前処理工程とエッチング処理工程とを複数回繰り返すようにしてもよい。これにより、エッチング量を稼ぎつつも、エッチング非対象膜であるポリシリコン膜Ｆ２がエッチングされることを抑制できる。

（３）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、エッチング対象膜をエッチングできれば処理条件は種々の設定でよい。

（４）上述した実施例では、プレアニール工程、酸化工程、ポストアニール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、基板Ｗを加熱して酸化膜Ｆ３の形成に寄与できれば処理条件は種々の設定でよい。

（５）上述した実施例では、エッチング対象膜をシリコン窒化膜とし、エッチング非対象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、酸化膜の生成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。

（６）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
Ｆ３ … 酸化膜

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エッチング対象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、
   基板のエッチング非対象膜に対して酸化膜を生成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、基板のエッチング対象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、
   前記前処理工程の最初に前記基板を加熱するプレアニール工程を実施し、前記前処理工程の最後に前記基板を加熱するポストアニール工程を実施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とを所定回数繰り返すことを特徴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。

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