JP4169854B2 - ウエハ平坦化方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ウエハ表面の凸部を活性種ガスにより局部的にエッチングして平坦化し、あるいはウエハの相対的に厚い部分を局部的にエッチングしてウエハの厚さ分布を均一にするためのウエハ平坦化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来のウエハ平坦化方法の一例を示すための局部エッチング装置の概略断面図である。
図６において、符号１００はプラズマ発生器であり、プラズマ発生器１００で生成したプラズマ中の活性種ガスＧを、ノズル部１０１からシリコンウエハＷの表面に噴射する。
シリコンウエハＷはステージ１２０上に載置固定されており、ステージ１２０を水平方向に移動させることで、シリコンウエハＷの表面のうち規定厚さよりも相対的に厚い部分（以下、「相対厚部」という）Ｗａをノズル部１０１の真下に導く。
そして、活性種ガスＧをノズル部１０１から凸状の相対厚部Ｗａに噴射し、相対厚部Ｗａを局部的にエッチングすることで、シリコンウエハＷの表面厚さ分布を均一化することにより、シリコンウエハＷの表面を平坦化する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した従来のウエハ平坦化方法では、次のような問題があった。
ノズル部１０１から噴射される活性種ガスＧ中には中性ラジカルの他にも多数のイオンが含まれており、これらのイオンもシリコンウエハＷに衝突するので、イオンが衝突した部分が大きなダメージを受ける。この結果、シリコンウエハＷの表面粗さ（micro-roughness）が大きくなってしまう。
【０００４】
この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、プラズマ放電部位とウエハ表面との距離を所定値に維持しながら局部エッチングすることで、ウエハの表面粗さの改善を図ったウエハ平坦化方法を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、放電管内の所定のガスをプラズマ放電させて活性種ガスを生成し、この活性種ガスを放電管のノズル部から噴射するプラズマ発生過程と、放電管のノズル部をシリコンウエハの表面に沿って相対的に移動させながら、シリコンウエハの表面に存在する相対厚部を、ノズル部から噴射する活性種ガスによって局部的にエッチングする局部エッチング過程とを具備するウエハ平坦化方法において、所定のガスのプラズマ放電部位の略中心からシリコンウエハの表面までの距離を、活性種ガス中のイオンが活性種ガス中での衝突の繰り返しや寿命によって消滅する距離以上の距離であって且つシリコンウエハのエッチング深さが略所望値になるような距離に設定し、所定のガスは、六フッ化硫黄のガスであり、プラズマ放電部位の略中心からシリコンウエハの表面までの距離は、活性種ガス中に生じたイオンの平均自由行程の３０００倍より大きく且つ６０００倍よりも小さい距離であり、シリコンウエハのエッチング深さは、１トル（ Torr ）の圧力下で六フッ化硫黄のガスをプラズマ放電して生成した活性種ガスによって得る１秒間当たり０．１μｍ以上の深さである構成とした。
かかる構成により、プラズマ発生過程の実行によって、放電管内の六フッ化硫黄のガスがプラズマ放電されて活性種ガスが生成され、この活性種ガスが放電管のノズル部から噴射される。そして、局部エッチング過程の実行により、放電管のノズル部がシリコンウエハの表面に沿って相対的に移動させられ、シリコンウエハの表面に存在する相対厚部がノズル部から噴射する活性種ガスによって局部的にエッチングされる。この過程をシリコンウエハ全面に対して実行することにより、シリコンウエハの全表面が平坦化される。ところで、活性種ガス中には多数のイオンが存在する。このため、活性種ガスをシリコンウエハに噴き当てると、イオンがシリコンウエハ表面にダメージを与え、シリコンウエハの表面粗さが大きくなってしまう。しかし、この発明では、六フッ化硫黄のガスのプラズマ放電部位の略中心からシリコンウエハの表面までの距離を、活性種ガス中のイオンが活性種ガス中での衝突の繰り返しや寿命で消滅する距離以上の距離、すなわち、活性種ガス中に生じたイオンの平均自由行程の３０００倍より大きく且つ６０００倍よりも小さい距離に設定してあるので、イオンはシリコンウエハ表面に至るまでに消滅し、中性ラジカルのみがシリコンウエハ表面に噴き当たることとなる。かといって、プラズマ放電部位の略中心からシリコンウエハの表面までの距離が余り大きいと、シリコンウエハに到達する中性ラジカルの量が減少し、所望のエッチング形状を得ることができない。しかし、この発明では、距離を活性種ガスによるシリコンウエハのエッチング深さが略所望値になるような距離、すなわち、１トルの圧力下で六フッ化硫黄のガスをプラズマ放電して生成した活性種ガスによって得る１秒間当たり０．１μｍ以上の深さに設定してあるので、所望のエッチング形状を得ることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係るウエハ平坦化方法を実行するための局部エッチング装置を示す概略構成図である。
図１に示すように、局部エッチング装置は、プラズマ発生器１と、アルミナ放電管２と、ガス供給装置３と、Ｘ−Ｙ駆動機構５と、Ｚ駆動機構６とを具備している。
【０００８】
プラズマ発生器１は、アルミナ放電管２内のガスをプラズマ放電させて中性ラジカルを含んだ活性種ガスＧを生成するための器機であり、マイクロ波発振器１０と導波管１１とよりなる。
マイクロ波発振器１０は、マグネトロンであり、所定周波数のマイクロ波Ｍを発振することができる。
導波管１１は、マイクロ波発振器１０から発振されたマイクロ波Ｍを伝搬するためのもので、アルミナ放電管２に外挿されている。
このような導波管１１の左側端内部には、マイクロ波Ｍを反射して定在波を形成する反射板（ショートプランジャ）１２が取り付けられている。また、導波管１１の中途には、マイクロ波Ｍの位相合わせを行う３スタブチューナ１３と、マイクロ波発振器１０に向かう反射マイクロ波Ｍを９０゜方向（図１の表面方向）に曲げるアイソレータ１４とが取り付けられている。
【０００９】
アルミナ放電管２は、下端部にノズル部２０を有した円筒体であり、上端部には、ガス供給装置３の供給パイプ３０が連結されている。
ガス供給装置３は、アルミナ放電管２内にガスを供給するための装置であり、ＳＦ6（六フッ化硫黄）ガスのボンベ３１を有し、ボンベ３１がバルブ３２と流量制御器３３を介して供給パイプ３０に連結されている。
【００１０】
プラズマ発生器１がかかる構成を採ることにより、ガス供給装置３からアルミナ放電管２にガスを供給すると共に、マイクロ波発振器１０からマイクロ波Ｍを発振すると、アルミナ放電管２内においてプラズマ放電が行われ、プラズマ放電で生成された活性種ガスＧがノズル部２０から噴射される。
【００１１】
シリコンウエハＷは、チャンバー４内のチャック４０上に配置されると、チャック４０の静電気力で吸着されるようになっている。チャンバー４には、真空ポンプ４１が取り付けられており、この真空ポンプ４１によってチャンバー４内を真空にすることができる。また、チャンバー４の上面中央部には、孔４２が穿設され、この孔４２を介してアルミナ放電管２のノズル部２０がチャンバー４内に挿入されている。また、孔４２とアルミナ放電管２との間にはＯ−リング４３が装着され、孔４２とアルミナ放電管２との間が気密に保持されている。そして、このような孔４２に挿入されたノズル部２０の周囲には、ダクト４４が設けられ、真空ポンプ４５の駆動によって、エッチング時の反応生成ガスをチャンバー４外部に排出することができる。
【００１２】
Ｘ−Ｙ駆動機構５は、このようなチャンバー４内に配されており、チャック４０を下方から支持している。
このＸ−Ｙ駆動機構５は、そのＸ駆動モータ５０によってチャック４０を図１の左右に移動させ、そのＹ駆動モータ５１によってチャック４０とＸ駆動モータ５０とを一体に図１の紙面表裏に移動させる。すなわち、このＸ−Ｙ駆動機構５によって、ノズル部２０をシリコンウエハＷに対して相対的にＸ−Ｙ方向に移動させることができる
Ｚ駆動機構６は、チャンバー４内のＸ−Ｙ駆動機構５全体を下方から支持している。このＺ駆動機構６は、そのＺ駆動モータ６０によって、Ｘ−Ｙ駆動機構５全体を上下に移動させて、ノズル部２０の開口２０ａとシリコンウエハＷ表面との距離を調整することができる。
【００１３】
次に、上記局部エッチング装置を用いてこの実施形態のウエハ平坦化方法を実行する方法について説明する。
【００１４】
まず、図１に示す真空ポンプ４１を駆動してチャンバー４内を所定の低気圧状態にすると共に、Ｚ駆動機構６を駆動してＸ−Ｙ駆動機構５全体を上昇させ、シリコンウエハＷをノズル部２０の開口２０ａに近付ける。
このとき、図２に示すように、ＳＦ6ガスのプラズマ放電部位の略中心ＰからシリコンウエハＷの表面Ｗｃ迄の距離Ｌを、ＳＦ6ガスのプラズマ放電で生成された活性種ガスＧ中のイオン（荷電活性種）が、活性種ガスＧ中で他のイオン等の粒子等との衝突の繰り返しや寿命によって消滅する距離に設定する。具体的には、１Ｔｏｒｒの圧力下でＳＦ6ガスをプラズマ放電して生成した活性種ガスＧ中のイオンの平均自由行程は約５×１０^−５ｍであるので、この平均自由行程の３０００倍より大きく且つ６０００倍より小さい距離、即ち１５０ｍｍ〜３００ｍｍの範囲の距離に設定する。また、シリコンウエハＷの表面Ｗｃに吹き当たる活性種ガスＧによるシリコンウエハＷのエッチング深さが１秒間当たり０．１μｍ以上の範囲の値になるように、上記距離Ｌを設定する。
【００１５】
そして、プラズマ発生過程を実行する。
すなわち、ガス供給装置３のバルブ３２を開き、ボンベ３１内のＳＦ6ガスを供給パイプ３０に流出して、アルミナ放電管２内に供給する。
このとき、バルブ３２の開度を調整して、ＳＦ6ガスの圧力を所定の圧力に維持すると共に、流量制御器３３によりＳＦ6ガスの流量を３００ＳＣＣＭに調整する。
【００１６】
そして、上記ＳＦ6ガスの供給作業と並行して、マイクロ波発振器１０を駆動する。すると、ＳＦ6ガスがマイクロ波Ｍによってプラズマ放電されて、中性ラジカルであるＦ（フッ素）ラジカル（中性活性種）を含んだ活性種ガスＧが生成される。これにより、活性種ガスＧがアルミナ放電管２のノズル部２０に案内されて、ノズル部２０の開口２０ａからシリコンウエハＷ側に噴射される。
【００１７】
この状態で、局部エッチング過程を実行する。
制御コンピュータ４９によりＸ−Ｙ駆動機構５を駆動し、シリコンウエハＷを吸着したチャック４０をＸ−Ｙ方向にジグザグ状に移動する。
すなわち、図３に示すように、ノズル部２０をシリコンウエハＷに対して相対的にジグザグ状に走査させる。このとき、ノズル部２０のシリコンウエハＷに対する相対速度は、相対厚部の厚さに略反比例するように設定しておく。これにより、図４に示すように、ノズル部２０が非相対厚部Ｗｂの真上を高速度で移動し、相対厚部Ｗａの上方にくると相対厚部Ｗａの厚さに応じて速度を下げる。この結果、相対厚部Ｗａに対するエッチング時間が長くなり、相対厚部Ｗａが平坦に削られることとなる。このようにして、シリコンウエハＷの表面全面を順次局部エッチングすることで、シリコンウエハＷ表面を平坦化することができる。
【００１８】
ところで、上記プラズマ発生過程において、プラズマ放電部位で生成された活性種ガスＧ中には、多数のイオンＡ⁻ が含まれる。このため、上記局部エッチング過程を実行すると、これらのイオンＡ⁻が、フッ素の中性ラジカルＦ^＊ と共に、アルミナ放電管２内を開口２０ａ側にダウンフローし、これらのイオンＡ⁻が開口２０ａから噴出して、シリコンウエハＷの表面Ｗｃにダメージを与えるおそれがある。
しかし、この実施形態では、プラズマ放電部位の略中心ＰからシリコンウエハＷの表面Ｗｃまでの距離Ｌを１５０ｍｍ〜３００ｍｍの範囲の距離に設定したので、図５に示すように、イオンＡ⁻がアルミナ放電管２の内壁や他の粒子Ｂに衝突する回数が多くなる。このため、イオンＡ⁻はノズル部２０の開口２０ａから噴射される前に消滅することとなる。この結果、直進性に優れしかも衝突で消滅しない中性ラジカルＦ^＊を含み且つイオンＡ⁻を含まない活性種ガスＧのみがシリコンウエハＷの表面Ｗｃに噴射されることとなる。したがって、表面Ｗｃはダメージを受けることなく、中性ラジカルＦ^＊によってエッチングされる。しかも、活性種ガスＧによるシリコンウエハＷのエッチング深さが１秒間当たり０．１μｍ以上の値に設定されているので、高密度の中性ラジカルＦ^＊が表面Ｗｃに噴き当たることになり、所定のエッチングレートを確保することができる。
【００１９】
このように、この実施形態のウエハ平坦化方法によれば、中性ラジカルＦ^＊を含み且つイオンＡ⁻を含まない活性種ガスＧのみをシリコンウエハＷの表面Ｗｃに噴射することができるので、局部エッチングによるシリコンウエハＷの表面粗さを小さくすることができる。例えば、プラズマ放電部位の略中心ＰからシリコンウエハＷの表面Ｗｃまでの距離Ｌを１５０ｍｍ〜３００ｍｍの範囲の距離よりも短く即ちノズル部２０の開口２０ａを上記実施形態の場合よりも近づけて、局部エッチング過程を実行したところ、シリコンウエハＷの表面粗さが５Å〜１０Åであったが、上記距離Ｌに設定して、局部エッチング過程を実行すると、シリコンウエハＷの表面粗さが２Å〜３Åになり、表面粗さが非常に向上した。
【００２０】
なお、この発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内において種々の変形や変更が可能である。
例えば、上記実施形態では、放電管として、アルミナ放電管２を用いたが、アルミナ放電管２の代わりに、石英放電管や窒化アルミニウム放電管を用いても同様の効果を得ることができることは勿論である。
また、上記実施形態では、プラズマ発生器として、マイクロ波を発振してプラズマを発生するプラズマ発生器１を用いたが、活性種ガスを生成しうる手段であれば良く、例えば高周波によってプラズマを発生して活性種ガスを生成するプラズマ発生器など各種のプラズマ発生器を用いることができることは勿論である。
【００２１】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、この発明のウエハ平坦化方法によれば、六フッ化硫黄のガスのプラズマ放電部位の略中心からシリコンウエハの表面までの距離を、活性種ガス中のイオンが活性種ガス中での衝突の繰り返しで消滅する距離以上の距離に設定してあるので、イオンはシリコンウエハ表面に至るまでに消滅し、中性ラジカルのみがシリコンウエハ表面に噴き当たる。この結果、イオンがシリコンウエハ表面に達することはほとんどなく、中性ラジカルのみがシリコンウエハ表面に達して、そのエッチングに寄与するので、シリコンウエハの表面粗さが向上する。しかも、上記距離をシリコンウエハのエッチング深さが略所望値になるような距離に設定してあるので、所望のエッチング形状を得ることができる。すなわち、この発明は、所望のエッチング形状を維持しながら、シリコンウエハの表面粗さを改善することができるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係るウエハ平坦化方法を実行するための局部エッチング装置を示す概略構成図である。
【図２】プラズマ放電部位の略中心からウエハの表面までの距離を説明するための断面図である。
【図３】ノズル部のシリコンウエハに対する走査状態を示す平面図である。
【図４】局部エッチング過程を示す断面図である。
【図５】イオンの衝突状態を示す概略図である。
【図６】従来のウエハ平坦化方法の一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１…プラズマ発生器、 ２…アルミナ放電管、 ３…ガス供給装置、 ５…Ｘ−Ｙ駆動機構、 ６…Ｚ駆動機構、 ２０…ノズル部、 Ａ−…イオン、 Ｆ＊…中性ラジカル、 Ｌ…プラズマ放電部位の略中心からシリコンウエハの表面迄の距離、 Ｗ…シリコンウエハ、 Ｗｃ…表面、 Ｗａ…相対厚部。

Claims (1)

1. 放電管内の所定のガスをプラズマ放電させて活性種ガスを生成し、この活性種ガスを放電管のノズル部から噴射するプラズマ発生過程と、上記放電管のノズル部をシリコンウエハの表面に沿って相対的に移動させながら、シリコンウエハの表面に存在する相対厚部を、ノズル部から噴射する活性種ガスによって局部的にエッチングする局部エッチング過程とを具備するウエハ平坦化方法において、
   上記所定のガスのプラズマ放電部位の略中心から上記シリコンウエハの表面までの距離を、上記活性種ガス中のイオンが活性種ガス中での衝突の繰り返しや寿命によって消滅する距離以上の距離であって且つシリコンウエハのエッチング深さが略所望値になるような距離に設定し、
   上記所定のガスは、六フッ化硫黄のガスであり、
   上記プラズマ放電部位の略中心から上記シリコンウエハの表面までの距離は、上記活性種ガス中に生じたイオンの平均自由行程の３０００倍より大きく且つ６０００倍よりも小さい距離であり、
   上記シリコンウエハのエッチング深さは、１トル（ Torr ）の圧力下で上記六フッ化硫黄のガスをプラズマ放電して生成した上記活性種ガスによって得る１秒間当たり０．１μｍ以上の深さである、
   ことを特徴とするウエハ平坦化方法。

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