JP4635478B2 - 半導体ウェハのプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン基板などシリコンを含む半導体ウェハをプラズマによってエッチング処理する半導体ウェハのプラズマ処理方法に関するものである。

半導体装置に用いられるシリコン基板の製造工程では、半導体装置の薄型化にともない基板の厚さを薄くするための薄化加工が行われる。この薄化加工は、シリコン基板の表面に回路パターンを形成した後に、回路形成面の裏面を機械研磨することによって行われる。機械研磨加工においては、シリコン基板の表面には機械研磨によって発生するマイクロクラックを含むストレス層が生成される。そこでこのストレス層によるシリコン基板の強度低下を防止するため、機械研磨後にはシリコン表面のストレス層を除去するエッチング処理が行われる。このエッチング処理として、従来の薬液を用いる湿式エッチング処理に替えて、製造現場での薬液使用上の危険性や産業廃棄物の発生がないプラズマエッチングを行うことが知られている。

シリコンを対象としたプラズマエッチング処理には、より高いエッチングレートを実現するために、４フッ化炭素ガスを含むガスがプラズマ発生用ガスとして用いられる。この方法では、４フッ化炭素ガスがプラズマ放電によって電離または励起し、これにより生成したイオンやラジカルによってシリコン表面のエッチングが行われる。

しかしながら、上述の４フッ化炭素を用いたプラズマエッチング処理では、シリコン表面のプラズマ処理の反応生成物として炭素を含む膜、すなわちフッ素と炭素の化合物がシリコン表面に部分的に再付着する現象が生じる。そしてこの化合物の再付着によりプラズマエッチングの進行が阻害されてエッチングレートが全体的に低下するとともに、再付着の程度によりプラズマエッチング効果にばらつきを生じることから、エッチング処理後の表面が白濁状外観を呈し、目視品質を低下させるという問題点があった。

そこで本発明は、シリコンを含む処理対象物のプラズマ処理において高いエッチングレートを実現でき、かつ表面が白濁状外観を呈することなく目視品質に優れた半導体ウェハのプラズマ処理方法を提供することを目的とする。

請求項１記載のプラズマ処理方法は、シリコンを含む半導体ウェハの表面のエッチング処理を行うプラズマ処理方法であって、前記表面は回路形成面の裏側を研磨した研磨加工面であり、プラズマ処理を行う処理室内の載置部に前記半導体ウェハを載置し、前記処理室内に６フッ化硫黄とヘリウムとを含むプラズマ発生用ガスを多孔質材に形成されたガス噴出孔から供給した状態でプラズマ放電を発生させることにより、前記研磨加工面に発生したマイクロクラックを除去するものであり、前記載置部に高周波電圧を印加し、この載置部に対向する位置に配置された対向電極の対向面から前記プラズマ発生用ガスを供給しながらプラズマ処理を行う。

請求項２記載の半導体ウェハのプラズマ処理方法は、前記プラズマ発生用ガスの６フッ化硫黄とヘリウムの体積比が１：１から１：１０の範囲である。

請求項３記載の半導体ウェハのプラズマ処理方法は、前記プラズマ発生用ガスに含まれるヘリウムによってプラズマ処理によって発生する反応生成物を前記半導体ウェハの表面から除去する。

本発明によれば、シリコンを含む処理対象物のプラズマエッチング処理において、６フッ化硫黄とヘリウムとを含むプラズマ発生用ガスを用い、載置部に高周波電圧を印加し、この載置部に対向する位置に配置された対向電極の対向面からプラズマ発生用ガスを供給しながらプラズマ処理を行うことにより、反応生成物の再付着によるエッチングレートの低下およびエッチングのばらつきに起因する目視品質の低下を防止することができる。

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態の半導体ウェハのプラズマ処理装置の断面図、図２、図３は本発明の一実施の形態の半導体ウェハのプラズマ処理方法の工程説明図である。

まず図１を参照してプラズマ処理装置について説明する。図１において、真空チャンバ１の内部はプラズマ処理を行う処理室２となっており、処理室２内部には、下部電極３および上部電極４が上下に対向して配設されている。下部電極３は電極体５を備えており、電極体５は下方に延出した支持部５ａによって絶縁体９を介して真空チャンバ１に装着されている。電極体５の上面には、高熱伝導性材料より成る載置部６が装着されており、載置部６の上面にはシリコンを含む処理対象物である半導体ウェハ７が載置される。半導体ウェハ７は、回路形成面の裏側を機械研磨によって研磨された直後の状態であり、図２（ａ）に示すように半導体ウェハ７の回路形成面に貼着された保護シート７ａを載置部６に当接させ、研磨加工面を上向きにした状態で載置される。

載置部６には上面に開口する多数の吸着孔６ａが設けられており、吸着孔６ａは電極体５の支持部５ａ内を貫通して設けられた吸引路５ｄと連通している。吸引路５ｄは真空吸引部１１と接続されており、載置部６の上面に半導体ウェハ７が載置された状態で真空吸引部１１から真空吸引することにより、半導体ウェハ７は載置部６に真空吸着により保持される。電極体５や載置部６を有する下部電極３は、半導体ウェハ７を保持する保持手段となっている。

載置部６の内部には冷却用の冷媒流路６ｂ，６ｃが設けられており、冷媒流路６ｂ，６ｃは支持部５ａ内を貫通して設けられた管路５ｂ，５ｃと連通している。管路５ｂ，５ｃは冷媒循環部１０と接続されており、冷媒循環部１０を駆動することにより、冷媒流路６ｂ，６ｃ内を冷却水などの冷媒が循環し、これによりプラズマ処理時に発生した熱によって加熱された載置部６が冷却される。載置部６を冷却する目的は、半導体ウェハ７の回路形成面に貼着された樹脂製の保護シート７ａがプラズマの熱で溶融してしまうのを防止するためである。

電極体５は高周波電源１２と電気的に接続されている。また真空チャンバ１内の処理室２は、真空排気・大気開放部１３と接続されている。真空排気・大気開放部１３は、処理室２からの真空排気、および処理室２内の真空破壊時の大気開放を行う。

上部電極（対向電極）４は、接地部２０に接地された電極体１５を備えており、電極体１５は上方に延出した支持部１５ａによって絶縁体１６を介して真空チャンバ１に装着されている。電極体１５の下面には絶縁体１７が装着されており、絶縁体１７には多数のガス噴出孔１７ａが空隙部１５ｂと連通して設けられている。つまり下部電極３側に面している上部電極４の対向面４ａには、プラズマ発生用ガスを供給するガス噴出孔１７ａが多
数形成されている。これらのガス噴出孔１７ａは電極体１５に設けられた空隙部１５ｂと連通しており、さらに空隙部１５ｂは支持部１５ａ内を貫通して設けられたガス供給路１５ｃを介してガス供給部１９と接続されている。なお絶縁体１７としては、ガス噴出孔１７ａがランダムに形成された多孔質材でもよい。

ガス供給部１９は、６フッ化硫黄（ＳＦ_６）とヘリウム（Ｈｅ）を、１（ＳＦ_６）：１（Ｈｅ）から１（ＳＦ_６）：１０（Ｈｅ）の範囲の体積比で混合した混合ガスをプラズマ発生用ガスとして供給する。６フッ化硫黄（ＳＦ_６）とヘリウム（Ｈｅ）の混合比は、主にエッチングレート、エッチング面（研磨加工面）の目視品質によって決められる。６フッ化硫黄（ＳＦ_６）の混合比が高い場合（１（ＳＦ_６）：１（Ｈｅ））は、エッチングレートは高いものの目視品質が低く、エッチング面が白濁化してくる。一方、混合比が低い場合（１（ＳＦ_６）：１０（Ｈｅ））は、目視品質はエッチング面が鏡面となって高くなるが、エッチングレートは低くなる。

真空排気・大気開放部１３を駆動して処理室２内を真空排気し、次いでガス供給部１９を駆動することにより、上部電極４に装着された絶縁体１７のガス噴出孔１７ａより下方に向けてプラズマ発生用ガスが噴出する。この状態で高周波電源１２を駆動して下部電極３の電極体５に高周波電圧を印加することにより、上部電極４と下部電極３との間の空間にはプラズマ放電が発生する。そしてこのプラズマ放電により発生したプラズマによって、載置部６上に載置された半導体ウェハ７の上面のプラズマエッチング処理が行われる。

図１に示すように、下部電極３の載置部６の外縁部には絶縁体８が、また上部電極４の絶縁体１７の外縁部には絶縁体１８がそれぞれ外周方向に張り出した形態で装着されている。これらの絶縁体８，１８により、上部電極４と下部電極３との間の空間にプラズマ放電を発生させる際に、上部電極４の側面と下部電極３の側面との間で発生する異常放電を抑制し、下部電極３の載置部６上でのプラズマを安定させるという効果を有する。

次にこのプラズマエッチング処理の過程を図２，図３を参照して説明する。図２（ａ）に示すように、保護シート７ａに貼着された状態の半導体ウェハ７は下部電極３の載置部６上に載置され、真空吸着によって保持される。次いで処理室２内の真空排気を行った後、プラズマ発生用ガスがガス噴出孔１７ａから半導体ウェハ７の上面に対して吹き付けられる。この状態で高周波電源１２を駆動して下部電極３と上部電極４との間に高周波電圧を印加することにより、半導体ウェハ７の上方の空間でプラズマ放電が発生する。

ここで、ＳＦ_６を含む混合ガス中でプラズマ放電が発生することにより、図２（ｂ）に示すように、ガス状のフッ素ラジカル（記号＊で示す）が発生する。そしてこのフッ素ラジカルは、プラズマ発生ガス中のヘリウムガス（矢印参照）の流れによって半導体ウェハ７の表面に吹き付けられ、ここでフッ素ラジカルが半導体ウェハ７の成分であるＳｉに作用することにより、図３（ａ）に示すように、Ｓｉはガス状のＳｉＦ_４（記号○で示す）となって半導体ウェハ７の表面から蒸散し、ヘリウムガスの流れによって除去される。

そしてこの反応と同時に反応生成物としてフッ素と硫黄の化合物ＳＦｎ（記号●で示す）が発生するが、図３（ｂ）に示すように、この反応生成物も同様に半導体ウェハ７の表面に吹き付けられるヘリウムガスの流れによって除去され、半導体ウェハ７の表面に残留して堆積することがない。

すなわち、本実施の形態に示すプラズマ処理においては、プラズマ発生用ガス中に含まれたヘリウムガスは、プラズマ放電によって発生したフッ素ラジカルを処理対象面である半導体ウェハ７のシリコン表面に吹き付けるとともに、フッ素ラジカルとＳｉとの反応によって生成したガス状のＳｉＦ_４や、反応によって生成されるＳＦｎを半導体ウェハ７の
表面から除去するキャリアガスとしての役割を果たしている。

これにより、Ｓｉの除去反応後においても半導体ウェハ７の処理対象面に残留して堆積しやすい反応生成物を確実に除去することができる。従って、このような反応生成物が処理対象面に残留することによる全体的なエッチングレートの低下や、反応生成物が処理表面で偏って残留することによるエッチング効果のばらつきが発生しない。

このため、エッチング処理後の半導体ウェハ７の表面が、エッチング効果のばらつきによって白濁状外観を示す目視品質の低下が発生しない。またプラズマ発生用ガスとして、６フッ化硫黄（ＳＦ_６）を用いることにより、従来の４フッ化炭素ＣＦ_４を用いる場合と比較して、１分子あたりのフッ素原子数が多いことから、シリコン表面からＳｉを除去するエッチングレートを従来より向上させることができる。

一方、ヘリウムガス（Ｈｅ）はキャリアガスとしての効果を持つ以外に、他のガス種に比べて非常に放電を開始するための放電開始最小電圧が低いことが知られている。つまり６フッ化硫黄（ＳＦ_６）は放電開始最小電圧が高く、圧力が数百Ｐａ以上の６フッ化硫黄のみでは平行平板電極に高周波電圧を印加しても電界の強い場所でのみ放電が起こり、エッチング分布がばらつく。そのため放電しやすいヘリウムガス（Ｈｅ）を混合することにより、低い高周波電圧または高周波電力でも均一性の高いエッチングを実現できる。

このプラズマ処理により、前工程の機械研磨によって加工面に発生したマイクロクラックを含むストレス層が効率よく除去される。そしてプラズマ処理後の半導体ウェハ７が、載置部６による真空吸着を解除された後に処理室２から搬出されることによりプラズマ処理を終了する。

上記説明したように、シリコンを含む処理対象物である半導体ウェハのプラズマエッチングにおいて、プラズマ発生用ガスとして６フッ化硫黄とヘリウムとの混合ガスを用いることにより、４フッ化炭素をプラズマ発生用ガスとして用いる従来の方法よりエッチングレートを向上させることができる。また反応生成物がキャリアガスとしてのヘリウムガスによって処理表面から除去され、処理後の表面がエッチングのばらつきに起因する白濁状外観を呈することがなく、目視品質に優れたプラズマエッチング処理を高能率で行うことが可能となっている。

さらには、対向電極（上部電極４）の下部電極３側の対向面４ａに多数形成されたガス噴出孔１７ａからプラズマ発生用ガスを供給するので、半導体ウェハ７の研磨加工面全体に満遍なくプラズマ発生用ガスを行きわたらせることができ、同時にＳｉＦ_４やＳＦｎ等、反応によって発生したガスを研磨面から効率よく除去して、高いエッチングレートの処理を実現することができる。

本発明によれば、シリコンを含む半導体ウェハのプラズマエッチング処理において、６フッ化硫黄とヘリウムとを含むプラズマ発生用ガスを用い、載置部に高周波電圧を印加し、この載置部に対向する位置に配置された対向電極の対向面からプラズマ発生用ガスを供給しながらプラズマ処理を行うようにしたので、ヘリウムガスをフッ素ラジカルや反応生成物のキャリアガスとして作用させ、反応生成物の再付着によるエッチングレートの低下およびエッチングのばらつきに起因する目視品質の低下を防止することができ、シリコンを含む半導体ウェハのプラズマ処理方法として有用である。

本発明の一実施の形態の半導体ウェハのプラズマ処理装置の断面図 本発明の一実施の形態の半導体ウェハのプラズマ処理方法の工程説明図 本発明の一実施の形態の半導体ウェハのプラズマ処理方法の工程説明図

符号の説明

１ 真空チャンバ
２ 処理室
３ 下部電極
４ 上部電極
７ 半導体ウェハ
１９ ガス供給部

Claims (3)

1. シリコンを含む半導体ウェハの表面のエッチング処理を行うプラズマ処理方法であって、前記表面は回路形成面の裏側を研磨した研磨加工面であり、プラズマ処理を行う処理室内の載置部に前記半導体ウェハを載置し、前記処理室内に６フッ化硫黄とヘリウムとを含むプラズマ発生用ガスを多孔質材に形成されたガス噴出孔から供給した状態でプラズマ放電を発生させることにより、前記研磨加工面に発生したマイクロクラックをエッチングして除去するものであり、
   前記載置部に高周波電圧を印加し、この載置部に対向する位置に配置された対向電極の対向面から前記プラズマ発生用ガスを供給しながらプラズマ処理を行うことを特徴とする半導体ウェハのプラズマ処理方法。
2. 前記プラズマ発生用ガスの６フッ化硫黄とヘリウムの体積比が１：１から１：１０の範囲であることを特徴とする請求項１記載の半導体ウェハのプラズマ処理方法。
3. 前記プラズマ発生用ガスに含まれるヘリウムによってプラズマ処理によって発生する反応生成物を前記半導体ウェハの表面から除去することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体ウェハのプラズマ処理方法。

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