JP3318938B2 - 気相エッチング方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、弗化水素ガスによる気
相エッチング方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、弗化水素ガスによる二酸化珪素膜
の気相エッチング技術が注目されている。弗化水素酸水
溶液に浸漬させて二酸化珪素膜のエッチングをする技術
よりも、パーティクル付着量が少なく、純水リンスによ
る自然酸化膜の再成長を抑制可能であり、ゲート酸化膜
形成や金属配線形成の前処理として有望視されている。

【０００３】従来の弗化水素ガスによる二酸化珪素膜の
気相エッチング装置は、図８（ａ），（ｂ）に示すよう
に構成されている。図８（ａ）は無水弗化水素ガスを使
用して気相エッチングを行なう気相エッチング装置の例
であり、無水弗化水素ガス１とキャリアガス２、例えば
窒素ガスをエッチングチャンバー３内に導入して直接半
導体基板６上に吹き付けることにより半導体基板６上の
二酸化珪素膜をエッチングする。半導体基板６面内のエ
ッチングを均一化するために、半導体基板６を保持する
台７を回転させている。

【０００４】図８（ｂ）は、弗化水素酸水溶液を使用し
て気相エッチングを行なう気相エッチング装置の例であ
り、弗化水素酸水溶液１５を直接エッチングチャンバー
３内に導入し、その液面上に半導体基板６を曝すことに
より半導体基板６上の二酸化珪素膜をエッチングする。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の気相エッチング装置では、半導体基板上に形成
された様々な二酸化珪素膜の均一エッチングが困難であ
る。図８（ａ）に示した無水弗化水素ガスによる気相エ
ッチング装置を用いた場合には、エッチングチャンバー
３へのガス導入部が小さく、ガス１がチャンバー３内に
均一に分布しにくいため、半導体基板６面内に均一にガ
ス１が供給されず、エッチングの面内不均一性が生じて
しまう。

【０００６】半導体基板６の保持台７を回転させること
によって、エッチングチャンバー３の形状を原因とした
不均一性はある程度改善されるが、同心円状のエッチン
グむらは改善されない。

【０００７】これは、弗化水素ガスによる二酸化珪素膜
のエッチングがエッチングガスの流速に関係しており、
半導体基板とそれに接触するガスの相対的な速度が速い
ほど半導体基板表面の水分脱離が起こり、二酸化珪素膜
が反応しにくくなることが原因である。

【０００８】従って、半導体基板を回転させることによ
って生じる半導体基板の中心と外側におけるガスとの相
対的な速度の差は、基板面上の同心円方向での均一性を
著しく劣化させてしまう。

【０００９】例えば６インチウェハの場合、単純に計算
すると、半導体基板中心から３ｃｍ離れた所は６ｃｍ離
れた所より相対的な速度が約２倍小さく、例えば、弗化
水素の濃度が約０．５％（無水弗化水素ガス流量１０ｌ
／ｍｉｎ、希釈窒素ガス流量５０ｃｃ／ｍｉｎ）の時
は、図３（ａ）に示すようにエッチング量の差は約１．
３倍になる。

【００１０】また、ガスによるエッチングは、弗化水素
ガスや希釈窒素ガスの流量を精密に制御することによっ
て弗化水素の濃度を任意に変えて、様々なエッチング対
象（様々な二酸化珪素膜）と様々な状態の半導体基板の
処理が可能であるが、各流量を変えるとエッチングチャ
ンバー内のガスの流れや流速が変化して、目的とする二
酸化珪素膜のエッチングの不均一性は、同心円方向の分
布ではあるが、半導体基板の内外の差が変化する。

【００１１】例えば、弗化水素濃度が約０．５％（無水
弗化水素ガス流量５ｌ／ｍｉｎ、希釈窒化ガス流量２５
ｃｃ／ｍｉｎ）の時は、逆に半導体基板中心にガスが供
給されにくい影響の方が強くなるために、図３（ｂ）に
示すように、半導体基板中心から３ｃｍ離れた所は５ｃ
ｍ離れた所の０．８倍になる。

【００１２】一方、図８（ｂ）に示した弗化水素酸水溶
液による気相エッチング装置を用いた場合には、半導体
基板表面に均一に弗化水素酸蒸気が供給されるためエッ
チングの均一性は良好であるが、エッチングチャンバー
の温度や圧力を制御していないために、弗化水素酸蒸気
の濃度が一定にならず、エッチング速度が半導体基板間
で異なってしまう。

【００１３】また、エッチング対象の二酸化珪素膜の種
類や半導体基板表面状態によって供給する弗化水素酸の
濃度を変更しなければならないが、弗化水素酸水溶液を
その都度交換しなければならず、溶液交換の時間の増大
及び交換に伴なう弗化水素酸濃度のばらつきの問題が生
じる。

【００１４】二酸化珪素膜のエッチングの半導体基板面
内の不均一性は、後工程において形成される膜の平坦性
を劣化させ、その上部に形成される配線の断線等を引き
起こし、最終的なデバイスの信頼性の劣化、製品の歩留
まり低下の原因となる。

【００１５】本発明の目的は、上記欠点を除去し、弗化
水素ガスによる高均一な二酸化珪素膜の再現性の良いエ
ッチング方法および装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る気相エッチング方法は、加熱源を半導
体基板上の中心位置上部に配置し、加熱源の強度を可変
に制御可能な、弗化水素ガスによる二酸化珪素膜の気相
エッチングを行なう気相エッチング装置において、半導
体基板の中心を、エッチング速度がピークとなる温度よ
り高い温度に加熱することにより、半導体基板周辺部が
ピーク温度となり半導体基板周辺部におけるエッチング
速度を速めるように補正し、半導体基板中心部を、エッ
チング速度がピーク値となる温度に加熱することによ
り、半導体基板の中心部におけるエッチング速度を速め
るように補正し、 弗化水素ガス流量の各種設定値に対し
て半導体基板全体が均一なエッチング速度となるように
補正制御するものである。

【００１７】

【００１８】また本発明に係る気相エッチング装置は、
半導体基板を加熱するための加熱源を有し、前記半導体
基板と前記加熱源を分離する透明石英ガラスと、前記透
明石英ガラスと前記半導体基板の間に位置する穴のあい
た透明石英ガラスと、前記穴のあいた透明石英ガラスと
前記透明石英ガラスにより形成される流路とを有する気
相エッチング装置において、前記流路に窒素ガスを流す
ことにより、エッチングガスが両石英ガラスに接触しな
いようにしたものである。また前記半導体基板と前記半
導体基板の加熱源を分離する窒化珪素膜で被覆された透
明石英ガラスを有するものである。

【００１９】

【作用】本発明の方法および装置は、従来においてガス
流量や半導体基板の回転速度の改善のみで解決できない
基板面内のエッチングの不均一性を簡単な加熱によって
改善することにある。

【００２０】半導体基板を加熱し、半導体基板面内の温
度分布に傾斜をつける方法の一つとして、ランプによる
照射加熱があるが、照射光を透過可能な材料が必要であ
る。通常では、透明石英ガラスが使用されているが、弗
化水素ガスによる気相エッチングにおいては、弗化水素
ガスによる腐食が懸念される。

【００２１】本発明では、弗化水素ガスが透明石英ガラ
スに接触するのを防止、あるいは弗化水素ガスによるエ
ッチングを防止する窒化珪素膜を被覆して透明石英ガラ
スを保護して、透明石英ガラスの腐食を防止できる。

【００２２】

【実施例】次に、本発明の実施例に係る弗化水素ガスに
よる二酸化珪素膜のエッチング方法および装置を説明
し、本発明の特徴及び効果を更に明らかにする。

【００２３】（実施例１）図１は、本発明の実施例１を
示す図で、無水弗化水素ガスを直接半導体基板表面に吹
き付け、半導体基板の加熱方法にランプを使用する二酸
化珪素エッチング装置の断面構造図である。

【００２４】図において、無水弗化水素ガス１は、ガス
吹き出し口からエッチングチャンバー３内に導入され
る。チャンバー３の上部は、透明石英ガラス製の窓４で
構成され、上部の反射板１０をもつランプ５（例えばＸ
ｅランプ）により半導体基板６を加熱する。

【００２５】また、半導体基板６と透明石英ガラス窓４
との間に、多数穴のあいた透明石英ガラス板８を備え、
両透明石英ガラス４，８の間に窒素ガス２を流し、全体
のガスはチャンバー３の下部ガス出口９から排気するこ
とにより、弗化水素ガス１が両透明石英ガラス４，８に
接触し、腐食させるのを防止する。半導体基板６は保持
台７の上で回転する。

【００２６】図２は、温度とエッチング速度の関係を示
したもので、９００℃でドライ酸素雰囲気で形成した二
酸化珪素膜のエッチング例である。３０℃を最大とし
て、それより低温あるいは高温ではエッチング速度は減
少する。

【００２７】この特性を持つ二酸化珪素膜のエッチング
を加熱無しに行なった場合、例えば図８（ａ）に示す従
来方法の場合、キャリア窒素ガスと無水弗化水素ガスの
流量が多い場合には、前述のとおり、ガスとの相対的な
速度の差の影響により、図３（ａ）のように基板の外側
の方がエッチング速度が遅く、中心が速くなる。

【００２８】逆に、流量が少ないときには、半導体基板
中心にガスが供給されにくい影響の方が大きいため、図
３（ｂ）のように半導体基板の外側のエッチング速度が
速く、中心付近が小さくなる。

【００２９】このような不均一性の改善には、本発明の
方法および装置により、例えば上記のランプとしてＸｅ
ランプ球を半導体基板上の中心に設置し、Ｘｅランプ照
射の強度を変えることで行なうことができる。図４
（ａ）は、半導体基板の中心を４０℃に加熱した場合の
基板面内の温度分布であるが、基板外側はランプ光源か
ら遠くなるために基板温度が３０℃までしか上がらな
い。図２より４０℃の時は３０℃の時に比べてエッチン
グ速度が遅いことがわかる。

【００３０】そこで、従来方法において図３（ａ）のガ
ス供給量の時に、すなわち半導体基板外側のエッチング
速度が遅い時、このような設定での半導体基板加熱方法
を適用することによって、図３（ｃ）のように半導体基
板面内のエッチング速度を均一にすることができる。

【００３１】また、従来方法において図３（ｂ）のガス
供給量の時には、すなわち半導体基板外側のエッチング
速度が速い場合には、図４（ｂ）のように半導体基板中
心を３０℃、基板外側を２３℃に加熱する（具体的に
は、前述の条件よりもランプ照射の強度を弱くする）こ
とによって、同様に図３（ｃ）のような均一エッチング
が可能になる。

【００３２】もちろん、様々な製法で形成された二酸化
珪素膜に対して同様な原理によって均一エッチングが可
能である。また、複雑な半導体基板面内のエッチング分
布特性を持つエッチング条件での改良は、図５のような
同心円状に配置した各々独立に制御可能な赤外ランプ１
１（例えば、タングステン・ハロゲンランプ）によって
可能である。

【００３３】（実施例２）図６は、本発明の実施例２を
示す図で、ランプによる半導体基板加熱装置において、
窒化珪素膜１２を被覆させた透明石英ガラス４を窓に使
用して、弗化水素ガスによる透明石英ガラス４の腐食を
防止した例である。腐食がないため、実施例１に存在す
る穴のあいた透明石英ガラスの板を使用することなく、
簡単な構成で実現することができる。

【００３４】（実施例３）図７（ａ），（ｂ）は、本発
明の実施例３を示す図で、ランプ照射による半導体基板
加熱の代わりに基板保持台をホットプレートを使用して
加熱する二酸化珪素気相エッチング装置の断面構造図と
ホットプレート部の拡大図である。

【００３５】図において、基板保持台７上に同心円状に
各々独立に制御可能な抵抗加熱源１４を備えたホットプ
レート１３を配し、エッチングの対象の二酸化珪素膜の
種類や使用する弗化水素ガス流量によって、加熱の条件
を変えて、ランプ加熱と同様の基板面内のエッチングの
均一性を図ることができる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、弗化水素
ガスを用いた二酸化珪素膜の気相エッチング半導体製造
装置として、任意に半導体基板を加熱可能な加熱源を有
している。

【００３７】また加熱実現のために、透明石英ガラス腐
食防止のための、穴のあいた透明石英ガラスあるいは窒
化珪素膜を堆積させた透明石英ガラス板を備えている。
その結果、半導体基板面内のエッチングを分布無く均一
に行なうことができるほか、様々な種類あるいは状態の
二酸化珪素膜の均一エッチングに簡単に対応できる。

【００３８】これによって、エッチング後形成する膜の
均一性が良好になり、配線の断線などが減少し、デバイ
スの信頼性向上や製品の歩留まり改善に効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る気相エッチング方法を実施するた
めの装置の実施例１を示す断面構造図である。

【図２】本発明の効果を表すための半導体基板温度とエ
ッチング速度の関係を示した図である。

【図３】本発明の効果を表すため、本発明の方法および
装置を使用した時と、従来技術の方法および装置を用い
た時の、半導体基板上に一様に形成された二酸化珪素膜
のエッチング速度の面内均一性を示した図である。

【図４】本発明の方法の例で、加熱による半導体基板面
内の温度分布を示した図である。

【図５】本発明に使用する加熱源の例を示す平面図であ
る。

【図６】本発明の気相エッチング方法を説明するための
装置の実施例２を示す断面構造図である。

【図７】本発明の気相エッチング方法を説明するための
装置の実施例３を示す断面構造図である。

【図８】従来技術の気相エッチング装置を示す断面構造
図である。

【符号の説明】

１ 弗化水素ガス ２ 窒素ガス ３ エッチングチャンバー ４ 透明石英ガラス窓 ５ ランプ ６ 半導体基板 ７ 保持台 ８ 透明石英ガラス板 ９ ガス出口 １０ 反射板 １１ 赤外線ランプ １２ 窒化珪素膜 １３ ホットプレート １４ 抵抗加熱源 １５ 弗化水素酸水溶液

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/306

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱源を半導体基板上の中心位置上部に
   配置し、加熱源の強度を可変に制御可能な、弗化水素ガ
   スによる二酸化珪素膜の気相エッチングを行なう気相エ
   ッチング装置において、 半導体基板の中心を、エッチング速度がピークとなる温
   度より高い温度に加熱することにより、温度に起因する
   エッチング速度が半導体基板周辺部でピーク値になると
   きは、半導体基板に供給する弗化水素ガスの流量を所定
   量より多く供給するように制御し、 半導体基板中心部を、エッチング速度がピーク値となる
   温度に加熱することにより、温度に起因するエッチング
   速度が半導体基板中心部でピーク値になるときは、半導
   体基板に供給する弗化水素ガスの流量を所定量より少な
   く供給するように制御し、 半導体基板全体が均一なエッチング速度となるように補
   正制御することを特徴とする気相エッチング方法。
2. 【請求項２】 半導体基板を加熱するための加熱源を有
   し、前記半導体基板と前記加熱源を分離する透明石英ガ
   ラスと、前記透明石英ガラスと前記半導体基板の間に位
   置する穴のあいた透明石英ガラスと、前記穴のあいた透
   明石英ガラスと前記透明石英ガラスにより形成される流
   路とを有する気相エッチング装置において、 前記流路に窒素ガスを流すことにより、エッチングガス
   が両石英ガラスに接触しないようにしたことを特徴とす
   る気相エッチング装置。
3. 【請求項３】 前記半導体基板と前記半導体基板の加熱
   源を分離する窒化珪素膜で被覆された透明石英ガラスを
   有することを特徴とする請求項２に記載の気相エッチン
   グ装置。