JP4387801B2 - 半導体ウェーハの乾式蝕刻方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体ウェーハの乾式蝕刻に関するものであって、特にプラズマを用いて半導体ウェーハ端部の上面部、側面部及び底面部に積層された物質を除去するための半導体ウェーハの乾式蝕刻方法に関する。
一般的に、半導体素子の微細回路パターンを形成するためのエッチング（蝕刻）方法は、湿式蝕刻(wet etching)と乾式蝕刻(dry etching)の2種に分類され、湿式蝕刻の場合は、素子の線幅が約数μm〜数１０μmのLSIに適用されてきたが、VLSI、ULSI素子に対しては等方性(isotropic)の湿式蝕刻では限界があるため、異方性(anisotropic)蝕刻が可能な乾式蝕刻技術が使用されている。
乾式蝕刻技術は、プラズマ状態のラジカル (Radical)により被加工物を蝕刻する化学反応蝕刻(chemical reaction etching)と、イオンを加速させて該イオンを被加工物に物理的に衝突させて蝕刻する物理的蝕刻(physical etching)、そしてこれら2種の方法を混用して蝕刻するイオンアシストエッチング(ion assisted etching)、すなわち，ラジカルによって行なわれる蝕刻がイオン衝突により与えられたエネルギによって促進される方法を総称する。
通常、VLSIで使用される薄膜には酸化物(SiO2)、ポリシリコン(P-Si)、ケイ化タングステン(WSix)、窒化物(Si3N4)、アルミニウム(Al)、タングステン(W)等があるが、このような薄膜は、素子の微細化、高集積化に応じて、等方性(Isotropic)よりは異方性 (Anisotropic)であることと、蝕刻選択性(etching selectivity)とを同時に満足させるために、プラズマを用いて蝕刻を行ない、配線及びホール(hole)を形成する。
図1には、このようなプラズマによる従来の乾式蝕刻方法を説明する図面が示されているが、陽極(anode)と陰極(cathode)の2つの電極100,200の間に、電場または電磁場を誘発させて、半導体ウェーハ300の上方にプラズマを形成(“P”表示領域)することにより、半導体ウェーハ300の上面部に積層された物質を感光膜のパターン模様に蝕刻するようになり、このとき蝕刻の条件、即ち、蝕刻率(etching rate)、蝕刻均一性(etching uniformity)、 蝕刻選択性を最適化するために、2つの電極のいずれかを上下運動させて電極100,200の間隔を調節する。
ところが、このような方法では半導体ウェーハ300端部中の上面部に積層された物質の一部300aのみを除去できるだけで、半導体ウェーハ300端部の側面部と底面部に積層された物質300b、300cは除去できないという問題点がある。
本発明は、前述したような従来の乾式蝕刻方法の問題点を解決するために案出されたものであって、その目的は半導体ウェーハ端部の上面部はもちろん、側面部と底面部に積層された物質を完全に除去できる半導体ウェーハの乾式蝕刻方法を提供することにある。
前記のような目的を達成するための本発明に係る半導体ウェーハの乾式蝕刻方法は、電力が印加される第1電極と、前記第１電極に対向配置される接地された第2電極の間でプラズマを発生させ、前記第１、第２電極の対向面間に配置される半導体ウェーハを蝕刻する乾式蝕刻方法であって、前記第１電極及び第２電極のそれぞれの対向面に半導体ウェーハの蝕刻範囲に対応する寸法で環状の突出部を形成し、前記第１電極を前記突出部の内径と同径の内径に形成した環状電極と成すと共に、前記第２電極の前記突出部の外周位置に反応ガスの注入口を形成し、前記第1電極の前記突出部に前記半導体ウェーハ端部の底面部を接触させた状態で前記注入口を介して反応ガスを注入してプラズマを発生させて、イオン化したプラズマ微粒子により前記半導体ウェーハ端部の上面部と側面部に対して反応性イオン蝕刻を行い、前記第2電極の前記突出部に前記半導体ウェーハ端部の上面部を接触させた状態で前記注入口を介して反応ガスを注入してプラズマを発生させて、ラジカル化したプラズマ微粒子により前記半導体ウェーハ端部の底面部と側面部に対してプラズマ蝕刻を行うことを特徴的な技術的思想とする。
本発明に係る半導体ウェーハの乾式蝕刻方法によると、半導体ウェーハ端部の上面部は勿論、側面部と底面部に共にプラズマが作用できるようになり、これらの部位に積層された物質が完全に除去されることにより、別途の追加装置や追加工程を要することなく半導体素子の製造工程を簡単化し製造コストを削減し、半導体ウェーハの歩留まり、品質及び生産性を向上させることができる。
以下、本発明の好適な実施例を添付図面により詳細に説明する。
まず、本発明の理論的根拠になる蝕刻方法の2つの類型に対して言及すると、次の通りである。
図2と図3にはそれぞれ反応性イオン蝕刻(reactive ion etching: RIE)と、プラズマ蝕刻(plasma etching)を説明するための図面が提示されているが、2つの電極、即ち、陽極10、10’と陰極20、20’が設置されている真空チャンバー(図示省略)内に反応ガスを注入し、陰極20、20’に高周波電源 30、30’から電力を印加すると、2つの電極10、10’ 、20、20’の間に電場が形成され、注入された反応ガスはこの電場内で加速化された電子との非弾性衝突(inelastic collision)により分離(dissociation)、イオン化(ionization)、分離及びイオン化、励起(excitation)、再結合(recombination)が反復的に起こりプラズマが形成される。
反応ガスとしてCF4ガスが使用された例を挙げて説明すると、CF4ガスはCF3、CF2、CF、C、Fに分離され、CF3+、CF2+、CF+、C+、F+にイオン化され、CF3*、CF2*、CF*、C*、F*ラジカルに励起され、再結合によりC2F4、C2F6が形成される。
このとき発生されるプラズマ微粒子(plasma Species)のうち、CF3+、CF2+、CF+、C+、F+イオンが、加速化されると共に、高周波電力が印加される陰極20上に置かれた半導体ウェーハ40の端部に直進運動により到達して、物理的蝕刻が行なわれる。このように高周波電力が印加される陰極20上に半導体ウェーハ40が位置するときは、RIE方式の蝕刻が行われる(図2参照)。
一方、接地された電極、即ち、陽極10’上に半導体ウェーハ40’が置かれた構造では、イオン化された粒子より励起された粒子、即ち、CF3*、CF2*、CF*、C*、F*ラジカルにより半導体ウェーハ40’の端部に対して化学的蝕刻が主導されるが、これをプラズマ蝕刻という(図3参照)。
未説明の符号50、50’はそれぞれマッチングユニット(matching unit)である。
ここで、前記のCF4ガスは酸化膜除去のための蝕刻に用いられるプラズマ形成用反応ガスであるが、このほかにも感光膜除去のためのO2、ポリシリコン膜やアルミニウム膜またはタングステン膜除去のためのCl2、窒化膜除去のためのSF6ガスの場合にも同様な反応と過程により、前記の2つ類型の蝕刻工程が遂行される。
次に、前述したような2つの蝕刻方法理論に基づき、本発明の乾式蝕刻方法に対して説明する。
添付する図面の図4と図5には、本発明の乾式蝕刻方法により蝕刻が行われる過程がそれぞれ示されているが、本発明の乾式蝕刻方法が適用されるためには使用される2つの電極が、図面のように電極1、2間の対向面に半導体ウェーハ3の蝕刻範囲と対応する寸法でそれぞれ突出部1a、2aが形成された構造からなるか、図6のように環状になった構造からなることが好ましい。
前記のような構造を有する2つの電極、即ち、第1電極1と第2電極2が真空チャンバー(図示省略)内に設置されると共に、半導体ウェーハ3を載置される静電チャック(electrostatic chuck) 4が第1電極1の中央部を通して電極1、2の間で昇降できるように設置される。これと共に、前記の第2電極2には反応ガスが注入されるための注入口2bが形成されており、第1電極1はマッチングユニット5を経て高周波電源6に連結され、この高周波電源6を介して第2電極2は接地される。
このような装置的条件下で、まず図4のように静電チャック4が低い位置に配置されることにより、蝕刻しようとする半導体ウェーハ3が第1電極1の突出部1a上に接触するようになったとき、第2電極2の注入口2bを通して反応ガスを注入して高周波電源6の電力を印加する。そうすると、2つの電極1、2の間に電場が形成され、反応ガスが電場内で加速化された電子との非弾性衝突により分離、イオン化、分離及びイオン化、励起、再結合反応が反復的に起こりプラズマが形成される。
このとき発生されたプラズマ微粒子のうち、前述したようなイオン化微粒子，即ち、CF3+、CF2+、CF+、C+、F+等)が、加速化されると共に，直進運動により半導体ウェーハ表面に到達し、反応性イオン蝕刻を起こすものの、半導体ウェーハ3上面部の内側にある微細回路パターンには影響を及ぼさず、半導体ウェーハ3端部のうち第1電極1の突出部1aと接触していない上面部3aと側面部3bに対してのみ精密に蝕刻を遂行する。
即ち、RIEはプラズマ微粒子によって行われるが、高周波電力が印加される第1電極1上に置かれた半導体ウェーハ3の端部で、プラズマ微粒子のうちラジカル化された反応ガスよりも多くのイオン化された反応ガス粒子が直進運動することにより、半導体ウェーハ3の端部の上面部及び側面部に積層されている窒化膜、酸化膜、ポリシリコン膜、アルミニウム膜、タングステン膜等とイオン性反応を起こして精巧に蝕刻する。
参考として、下記の表1にはイオン性反応の例としてフッ素系及び塩素 (Chlorine)系ガスによる蝕刻反応が示されている。
一方、図5に示されたように、静電チャック4が上昇し、蝕刻しようとする半導体ウェーハ3が、第2電極2の突出部2aに接触するようになったとき、第2電極2の注入口2bを通して反応ガスを注入して高周波電源6の電力を印加すると、前記と同様に2つの電極1、2の間に形成された反応ガスが加速化された電子との非弾性衝突により分離、イオン化、分離及びイオン化、励起、再結合反応が反復的に起こりプラズマが形成される。
このときは発生されたプラズマ微粒子のうち、ラジカル化した粒子(即ち、CF3*、CF2*、CF*、C*、F*等)が、第2電極2の突出部2aに接触されていない半導体ウェーハ3端部の底面部3cと側面部3bに対して化学反応(ラジカル反応)を主に起こすことにより、前述したようなプラズマ蝕刻を誘導し、半導体ウェーハ3端部の底面部3cと側面部3bに積層された物質をプラズマ衝撃(plasma damage)を最小化しつつ効果的に除去するようになる。
即ち、接地された第2電極2に半導体ウェーハ3端部の上面部が接触した状態では、プラズマ微粒子のうちイオン化された反応ガスよりは、ラジカル化された反応ガス粒子により化学反応を起こして半導体ウェーハの端部の側面部及び底面部に積層されている窒化膜、酸化膜、ポリシリコン膜、アルミニウム膜、タングステン膜等の物質等を蝕刻する。
このような化学反応の例として表2にはフッ素系及び塩素系ガスによる蝕刻反応が示されている。
前記では電極間の対向面に突出部1a、2aが形成された構造の電極1、2を使用して説明したが、図6のように環状電極を使用する場合にも同様に、第1電極1’と第2電極2’の間で半導体ウェーハ3’を昇降させて、半導体ウェーハ3’端部の底面部を第1電極1’と接触させたり、上面部を第2電極2’に接触させる方法により半導体ウェーハ3’端部の上面部と側面部及び底面部に対して、それぞれ反応性イオン蝕刻とプラズマ蝕刻が行われる。
本発明に係る半導体ウェーハの乾式蝕刻方法は、前記で説明した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内で当業者により多様な変更及び変形実施が可能であることは勿論、このような変更及び変形実施は記載された特許請求の範囲に属すると言える。
Claims (1)
- 電力が印加される第１電極と、前記第１電極に対向配置される接地された第２電極の間でプラズマを発生させ、前記第１、第２電極の対向面間に配置される半導体ウェーハを蝕刻する乾式蝕刻方法であって、
前記第１電極及び第２電極のそれぞれの対向面に半導体ウェーハの蝕刻範囲に対応する寸法で環状の突出部を形成し、前記第１電極を前記突出部の内径と同径の内径に形成した環状電極と成すと共に、前記第２電極の前記突出部の外周位置に反応ガスの注入口を形成し、
前記第１電極の前記突出部に前記半導体ウェーハ端部の底面部を接触させた状態でプラズマを発生させて、イオン化したプラズマ微粒子により前記半導体ウェーハ端部の上面部と側面部に対して反応性イオン蝕刻を行い、
前記第２電極の前記突出部に前記半導体ウェーハ端部の上面部を接触させた状態でプラズマを発生させて、ラジカル化したプラズマ微粒子により前記半導体ウェーハ端部の底面部と側面部に対してプラズマ蝕刻を行うことを特徴とする半導体ウェーハの乾式蝕刻方法。
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