JP2017027981A

JP2017027981A - プラズマエッチング方法

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Publication number: JP2017027981A
Application number: JP2015141877A
Authority: JP
Inventors: 飯田　英一; Hidekazu Iida; 英一飯田; 健志岡▲崎▼; Takeshi Okazaki
Original assignee: Disco Abrasive Systems Ltd
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2015-07-16
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2017-02-02

Abstract

【課題】フッ酸の生成を抑えると共にシリコンウエーハのエッチング速度を向上させること。
【解決手段】シリコンウエーハ（Ｗ）を砥石で研削した被研削面（６１）をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法であって、フッ素系のプラズマガスに所定の比率で酸素を混合させ、シリコンウエーハに付着している水分とフッ素系のプラズマガスとの反応を酸素によって抑えた状態でシリコンウエーハの該被研削面をプラズマエッチングする構成にした。
【選択図】図１

Description

本発明は、フッ素系のプラズマガスをプラズマ化させてシリコンウエーハをエッチングするプラズマエッチング方法に関する。

研削装置による研削後のシリコンウエーハでは、シリコンウエーハの被研削面に研削ダメージが残存しており、この研削ダメージがシリコンウエーハの抗折強度を低下させる原因になっている。このため、プラズマエッチングによってシリコンウエーハの被研削面から研削ダメージを除去する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のプラズマエッチング方法では、フッ素系のプラズマガスがシリコンウエーハの被研削面に噴き付けられ、シリコンウエーハのダメージ層がプラズマエッチングされて抗折強度の低下が抑えられている。

特許第５３３１５００号公報

ところで、研削時には研削水が供給されながらシリコンウエーハが研削され、研削後の洗浄時には洗浄水が噴射されてシリコンウエーハから研削屑が洗い流されている。よって、研削水や洗浄水によって研削後や洗浄後のシリコンウエーハは湿気を帯びている。また、湿気を帯びたシリコンウエーハが乾燥された場合であっても、シリコンウエーハがプラズマチャンバー内に搬入される間に、空気中の水分がシリコンウエーハに付着する可能性がある。この湿気を帯びたシリコンウエーハがプラズマエッチングされると、シリコンウエーハの湿気とフッ素系のプラズマガスとの反応によってフッ酸（ＨＦ）が生成される。

フッ酸は人体に有害であると共に、装置の金属等を酸で劣化させてしまっていた。さらに、フッ酸の生成にフッ素が使用された分だけ、シリコンウエーハのエッチングに使用されるフッ素の量が少なくなるため、シリコンウエーハのエッチング速度が低下するという問題があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、フッ酸の生成を抑えると共に、シリコンウエーハのエッチング速度を向上させることが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。

本発明のプラズマエッチング方法は、シリコンウエーハを砥石で研削した被研削面をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法であって、フッ素系のプラズマガスに所定の比率で酸素を混合させプラズマ化させ被研削面をプラズマエッチングする。

この構成によれば、プラズマガスに所定の比率で混合された酸素によって、シリコンウエーハに付着している水分とフッ素系のプラズマガスの反応が抑えられる。これにより、人体に有害なフッ酸が生成され難くなり、フッ酸による装置の金属等の劣化が抑えられる。また、フッ酸の生成にフッ素が使用されない分、シリコンウエーハのエッチングに使用されるフッ素の量を増やして、シリコンウエーハのエッチング速度を向上することができる。

また、上記プラズマエッチング方法において、酸素の比率は、体積比率で１０〜１５％である。

本発明によれば、フッ素系のプラズマガスに所定の比率で酸素を混合させることで、フッ酸の生成を抑えると共に、シリコンウエーハのエッチング速度を向上させることができる。

本実施の形態に係るエッチング装置の全体模式図である。本実施の形態に係るプラズマエッチング方法の説明図である。実験例に係る酸素の比率とエッチング速度の関係を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して、本実施の形態に係るエッチング方法について説明する。図１は、本実施の形態に係るエッチング装置の全体模式図である。なお、本実施の形態では、容量結合型プラズマ（CCP: Capacitive Coupled Plasma）のプラズマエッチング装置に本実施の形態を適用した例について説明するが、誘導結合型プラズマ（ICP: Inductive Coupled Plasma）のプラズマエッチング装置やその他各種プラズマエッチング装置にも適用可能である。

図１に示すように、プラズマエッチング装置１は、チャンバー１１内のエッチングガスをプラズマ化させて、シリコンウエーハＷを砥石で研削した被研削面６１をプラズマエッチングするように構成されている。シリコンウエーハＷに水分（Ｈ_２Ｏ）が付着されていると、シリコンウエーハＷの水とエッチングガス（ＳＦ_６等）のフッ素（Ｆ）が反応して、人体に有害なフッ酸（ＨＦ）が生成される。また、フッ酸は、装置を劣化させる原因になっていた。このため通常は、シリコンウエーハＷが完全に乾燥した状態でプラズマエッチング装置１に搬入される。

しかしながら、シリコンウエーハＷを乾燥させても、シリコンウエーハＷの搬送中に空気中の水分がシリコンウエーハＷに付着する可能性がある。本件発明者等は、シリコンウエーハＷから完全に水分を取り除いた状態でプラズマエッチング装置１に搬入することが困難であるという点に着目し、プラズマエッチング中に水とフッ素の反応を抑える方法を見出した。本実施の形態に係るプラズマエッチング装置１では、エッチングガスに所定の比率で酸素を混合させて、シリコンウエーハＷに水分が残っていても、フッ酸の生成を抑えるようにしている。

プラズマエッチング装置１のチャンバー１１内には、電界を形成する下部電極ユニット３１と上部電極ユニット４１とが上下方向で対向して配設されている。下部電極ユニット３１は、チャンバー１１の底壁１４に設けられた導電性の支柱部３２と、支柱部３２の上端に設けられている導電性の保持テーブル３３とから構成されている。保持テーブル３３の上面には、シリコンウエーハＷを真空チャックで仮止めする保持面３４が形成されている。保持面３４には、吸引源３６に連なる多数の吸引口３７が形成されており、保持面３４に生じる負圧によってシリコンウエーハＷが仮止めされる。

また、保持テーブル３３内には、シリコンウエーハＷを静電チャックで本止めする保持電極３８が埋設されている。保持電極３８は直流電源５２に接続されており、保持電極３８に電圧が印加されることで、保持面３４に生じる静電気によってシリコンウエーハＷが吸着保持される。なお、保持電極３８は単極構造でもよいし、双極構造のいずれでもよい。また、本実施の形態では、真空チャックで仮止めして、静電チャックで本止めする構成にしたが、この構成に限定されない。真空チャック又は静電チャックのいずれか一方で、シリコンウエーハＷを保持してもよい。

上部電極ユニット４１は、チャンバー１１の上壁１５を貫通する導電性の支柱部４２と、支柱部４２の下端に設けられている噴出テーブル４３とから構成されている。噴出テーブル４３の下面には、チャンバー１１内にエッチングガスと酸素ガスの混合ガスを噴出する噴出面４４が形成されている。噴出面４４には多数の噴射口４６が形成されており、噴射口４６には混合部４９を介してエッチングガス源４７及び酸素ガス源４８が接続されている。エッチングガス源４７から供給されたエッチングガスと酸素ガス源４８から供給された酸素ガスとが混合部４９で混合されて、混合ガスとして多数の噴射口４６から噴射される。

エッチングガスとしては、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）、四フッ化メタン（ＣＦ_４）、三フッ化窒素（ＮＦ_３）等のフッ素を含むフッ素系ガスにヘリウムガス等が含まれたフッ素系のプラズマガスが用いられる。また、噴出テーブル４３からは、フッ素系のプラズマガスに対して酸素ガスを所定の比率で混合したものが供給される。所定の比率とは、フッ素系のプラズマガスのフッ素とシリコンウエーハＷに付着した水との反応を抑えることが可能な比率であり、例えば、体積比率で８％以上１５％以下が好ましく、１０％以上１５％以下がより好まく、１０％以上１３％以下がさらに好ましい。

また、混合部４９は、例えば、エッチングガスの供給量、酸素ガスの供給量を調整するバルブ（不図示）を備えており、上記した所定の比率でエッチングガスと酸素ガスを混合可能に構成されている。また、上部電極ユニット４１の支柱部４２の上端側は、チャンバー１１から上方に突出しており、チャンバー１１の上壁１５に設けられたボールねじ式の昇降駆動機構（不図示）に連結されている。この昇降駆動機構が駆動されることで、上部電極ユニット４１が下部電極ユニット３１に対して離反又は接近され、保持テーブル３３上のシリコンウエーハＷに対して噴出テーブル４３の高さが適切な位置に調整される。

下部電極ユニット３１は高周波電源５１に接続され、上部電極ユニット４１は接地されている。下部電極ユニット３１及び上部電極ユニット４１の間で高周波電圧が印加されることで、エッチングガス及び酸素ガスの混合ガスがプラズマ化される。さらに、チャンバー１１には、保持テーブル３３の下方に排出口５３が形成されており、排出口５３には減圧部（不図示）が接続されている。減圧部によってチャンバー１１内が排気されることで、チャンバー１１内が負圧状態になるまで減圧される。

このように構成されたプラズマエッチング装置１では、チャンバー１１内が負圧にされた状態で、上部電極ユニット４１からシリコンウエーハＷに向けてエッチングガスと酸素ガスの混合ガスが噴射される。この状態で、上部電極ユニット４１及び下部電極ユニット３１間に高周波電圧が印加されることで混合ガスがプラズマ化される。プラズマ化した混合ガスによってシリコンウエーハＷがプラズマエッチングされる。この場合、エッチングガスに酸素ガスが添加されているため、エッチングガス中のフッ素系ガスのフッ素とシリコンウエーハＷに残った水との反応によるフッ酸の生成が抑えられる。

ここで、エッチング処理時の化学反応について簡単に説明する。先ず、エッチングガスに酸素ガスを添加していない場合の通常のプラズマエッチングの化学反応について説明する。通常のプラズマエッチングでは、フッ素系ガス（例えば、ＳＦ_６）とヘリウム（Ｈｅ）からなるエッチングガスでシリコンウエーハＷがエッチングされる。このとき、シリコンウエーハＷに水分が付着していると、下記式（１）に示すように水（Ｈ_２Ｏ）とフッ素系ガスのフッ素（Ｆ）が反応してフッ酸（ＨＦ）が生成される。
（１）
ＳＦ_６，Ｈ_２Ｏ→ＨＦ
この場合、フッ素系ガスのフッ素が水との反応に使用された分だけ、プラズマエッチングに使用されるフッ素が少なくなってエッチング速度が遅くなる（例えば、２．２８[μｍ／ｍｉｎ]）。

これに対して、本実施の形態に係るプラズマエッチングでは、エッチングガスに酸素ガスが添加されてシリコンウエーハＷがエッチングされる。このとき、シリコンウエーハＷに水分が付着していると、下記式（２）に示すように、酸素ガス（Ｏ_２）によって水とフッ素の反応が抑えられ、フッ酸が生成され難くなる。
（２）
ＳＦ_６，Ｏ_２，Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２Ｏ，Ｆ
この場合、フッ素系ガスのフッ素が水との反応に使用されない分だけ、プラズマエッチングに使用されるフッ素が多くなってエッチング速度が向上される（例えば、２．６８[μｍ／ｍｉｎ]）。

以下、図２を参照して、プラズマエッチング装置によるプラズマエッチング方法について説明する。図２は、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法の説明図である。また、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法は一例に過ぎず、適宜変更が可能である。

図２Ａに示すように、研削後のシリコンウエーハＷがプラズマエッチング装置１の搬入出口（不図示）からチャンバー１１内に搬入され、被研削面６１を上方に向けた状態で保持テーブル３３上に保持されている。上部電極ユニット４１が下部電極ユニット３１に近づけられて電極間距離が調整され、チャンバー１１内の圧力が負圧状態になるまで真空排気されて、負圧状態が維持される。この状態で、エッチングガス源４７と酸素ガス源４８から混合部４９にガスが供給され、混合部４９でエッチングガス（フッ素系のプラズマガス）に所定の比率で酸素ガスが混合されて上部電極ユニット４１から噴射される。

図２Ｂに示すように、上部電極ユニット４１からエッチングガスと酸素ガスの混合ガスがシリコンウエーハＷに噴射された状態で、上部電極ユニット４１と下部電極ユニット３１との間で高周波電圧が印加されて混合ガスがプラズマ化（ラジカル化）される。プラズマ化した混合ガスによってシリコンウエーハＷの被研削面６１がラジカル連鎖反応によってドライエッチングされ、シリコンウエーハＷの被研削面６１から研削ダメージが除去されて抗折強度が向上される。混合ガスに含まれる酸素が、シリコンウエーハＷの水分とフッ素系ガスのフッ素との反応を抑えて、フッ酸を生成させ難くしている。

このとき、フッ酸の生成を抑えると共にエッチング速度を向上させることができように、エッチングガスに対して酸素ガスが適切な比率で混合されている。すなわち、酸素ガスの割合が低すぎると、フッ素と水との反応を抑えることができず、フッ素がフッ酸の生成に使用された分だけエッチング速度が低下する。一方で酸素ガスの割合が高すぎると、フッ素と水との反応を抑えることができるが、酸素ガスが増えた分だけフッ素の割合が少なくなってエッチング速度が低下する。このように、適切な比率で酸素を添加することで、水分の付着したシリコンウエーハＷを適切にエッチングすることが可能になっている。

さらに、六フッ化硫黄ガス（ＳＦ_６）はプラズマ化されシリコンウエーハＷと反応して、下記式（３）に示すように、ＳｉＦ_４が生成されシリコンウエーハＷがエッチングされる。
（３）
ＳＦ_６，Ｓｉ→Ｓ，ＳｉＦ_４
このとき、硫黄（Ｓ）がシリコンウエーハに付着し、エッチング速度を低下させている。酸素（Ｏ_２）を添加することで、硫黄（Ｓ）と酸素（Ｏ_２）が反応し、下記式（４）に示すように、硫黄酸化物ガス（ＳＯ、ＳＯ_２）が生成されるので、これを排気させることで硫黄（Ｓ）を除去する事ができる。これにより、硫黄（Ｓ）によってエッチングが阻害されることがなく、エッチング速度を向上させている。
（４）
ＳＦ_６，Ｓi，Ｏ_２→ＳＯ_２，（ＳＯ），ＳｉＦ_４

（実験例）
以下、実験例に基づき詳述するが、これらは説明のために記述されるものであって、下記実験例に限定されるものではない。図３は、実験例に係る酸素の比率とエッチング速度の関係を示すグラフである。

実験例では、シリコンウエーハＷ（図１参照）を研削した後に洗浄を行い、湿気を帯びた状態のシリコンウエーハＷをプラズマエッチング装置１（図１参照）に搬入してプラズマエッチングを実施した。このとき、六フッ化硫黄ガス（ＳＦ_６）、ヘリウムガス（Ｈｅ）、酸素ガス（Ｏ_２）の流量を下記表１−表４に示す割合に調節して、プラズマガス（フッ素系のプラズマガス）に所定の比率で酸素ガスが混合されるようにした。

表１、表２では、いずれも六フッ化硫黄ガスの流量を９１０［ＳＣＣＭ］、ヘリウムガスの流量を３９０［ＳＣＣＭ］とした。このときの酸素ガスの体積比率を１０％と１３％に調節してプラズマエッチングを実施したところ、いずれも０．４[μｍ／ｍｉｎ]のエッチング速度の上昇が観察された。また、表３、表４では、六フッ化硫黄ガスの流量を７８０［ＳＣＣＭ］、ヘリウムガスの流量を５２０［ＳＣＣＭ］とした。このときの酸素ガスの体積比率を１０％と１３％に調節してプラズマエッチングを実施したところ、いずれも０．４[μｍ／ｍｉｎ]のエッチング速度の上昇が観察された。

このように、酸素ガスの体積比率が１０％から１３％の間では、同様の効果が得られることが確認された。また、酸素ガスの割合を変えて、複数回に亘ってエッチング速度を調べた。この結果、図３に示すような関係が確認される。酸素ガスの体積比率が８％以上から１５％以下の範囲では、プラズマエッチング量が上昇し、シリコンウエーハＷが良好にプラズマエッチングされた。特に１０％以上から１５％以下の範囲でエッチング速度が、酸素ガスを混合しない場合のエッチング速度に比べて、０．４［μｍ／ｍｉｎ］だけ上昇した。

以上のように、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法では、プラズマガスに所定の比率で混合された酸素によって、シリコンウエーハＷに付着している水分とフッ素系のプラズマガスの反応が抑えられる。これにより、人体に有害なフッ酸が生成され難くなり、フッ酸による装置の金属等の劣化が抑えられる。また、フッ酸の生成にフッ素が使用されない分、シリコンウエーハＷのエッチングに使用されるフッ素の量を増やして、シリコンウエーハＷのエッチング速度を向上することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、上記した実施の形態においては、フッ素系ガスにヘリウムガスを混合してエッチングガスとする構成にしたが、この構成に限定されない。エッチングガスは、フッ素系ガスを含むプラズマガスであれば、どのようなプラズマガスでもよく、ヘリウムガスを含まなくてもよい。

また、上記した実施の形態においては、混合部４９においてプラズマガスと酸素ガスとが混合される構成にしたが、この構成に限定されない。プラズマガスと酸素ガスとを予め混合した混合ガスがプラズマエッチング装置１に供給されてもよい。また、本実施の形態では、混合部４９においてプラズマガスに対する酸素ガスの体積比率を調節する構成にしたが、この構成に限定されない。エッチングガス源４７と酸素ガス源４８で、プラズマガスに対する酸素ガスの体積比率を調節する構成にしてもよい。

以上説明したように、本発明は、フッ酸の生成を抑えると共に、シリコンウエーハのエッチング速度を向上させるという効果を有し、特に、フッ素系のプラズマガスをプラズマ化させてシリコンウエーハをエッチングするプラズマエッチング方法に有用である。

１プラズマエッチング装置
３１下部電極ユニット
４１上部電極ユニット
４７エッチングガス源
４８酸素ガス源
４９混合部
６１シリコンウエーハの被研削面
Ｗシリコンウエーハ

Claims

シリコンウエーハを砥石で研削した被研削面をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法であって、
フッ素系のプラズマガスに所定の比率で酸素を混合させプラズマ化させ該被研削面をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法。
該酸素の比率は、体積比率で１０〜１５％である請求項１記載のプラズマエッチング方法。