JP6878154B2 - エッチング方法およびエッチング装置 - Google Patents

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Description

本発明の種々の側面および実施形態は、エッチング方法およびエッチング装置に関する。
FPD(Flat Panel Display)に使用される薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)は、ガラス基板などの基板上に、ゲート電極やゲート絶縁膜、半導体層などをパターニングしながら順次積層していくことにより形成される。TFTのチャネルには、電子移動度の高さや、消費電力の低さ等の観点から、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、および亜鉛(Zn)からなる酸化物半導体が用いられる。このような酸化物半導体は、アモルファス状態であっても比較的高い電子移動度を有する。そのため、酸化物半導体をTFTのチャネルに用いることで、高速のスイッチング動作を実現することが可能となる。
例えば、チャネルエッチ型のボトムゲート構造のTFTでは、ガラス基板上にゲート電極、ゲート絶縁膜、酸化物半導体膜が順次形成された後、酸化物半導体膜の上に、電極膜が形成され、その後、その金属膜をプラズマ等でエッチングすることにより、ソース電極およびドレイン電極が形成される。ソース電極およびドレイン電極となる電極膜としては、例えばチタン(Ti)膜、アルミニウム(Al)膜、およびTi膜が積層された金属膜が多用されており、その場合のエッチングガスとしては、塩素含有ガス、例えばCl2ガスが用いられる。
特開2000−235968号公報
ところで、FPDでは、画質のばらつきを抑制するため、FPDに含まれる多数のTFTを精度よく加工することが求められる。しかし、近年のFPDは、大型化する傾向にあるため、FPDの製造工程では、大型のガラス基板に配置された多数のTFTを均一に加工することが難しくなっている。
例えば、ガラス基板上におけるプラズマの分布によっては、電極膜のエッチングレートが場所毎に異なる場合がある。そのため、エッチングレートが低い場所にあるTFTにおいて電極膜が確実にエッチングされるまでエッチングを続けると、エッチングレートが高い場所にあるTFTでは、電極膜の下層の酸化物半導体層までエッチングされてしまう。これにより、各TFTの酸化物半導体の厚さにばらつきが生じ、FPDの品質が劣化してしまう。
また、エッチングレートが低い場所にあるTFTにおいて電極膜が確実にエッチングされるまでプラズマによるエッチングを続けると、エッチングレートが高い場所にあるTFTの酸化物半導体層は、長くプラズマに晒されることになる。これにより、酸化物半導体層の特性が変化してしまう場合がある。これにより、各TFTの酸化物半導体の特性にばらつきが生じ、FPDの品質が劣化してしまう。
本発明の一側面は、エッチング方法であって、搬入工程と、供給工程と、第1のエッチング工程と、切換工程と、第2のエッチング工程とを含む。搬入工程では、第1のTi膜の上にAl膜が積層されAl膜の上に第2のTi膜が積層された電極層が半導体層の上に形成された複数の素子が設けられた被処理基板が、チャンバ内に搬入される。供給工程では、チャンバ内に、第1の処理ガスが供給される。第1のエッチング工程では、チャンバ内において第1の処理ガスのプラズマにより、それぞれの素子の電極層に含まれる第2のTi膜がエッチングされ、いずれかの素子において第1のTi膜が露出するまで、それぞれの素子の電極層に含まれるAl膜がエッチングされる。切換工程では、チャンバ内に供給される処理ガスが、第1の処理ガスから、N2ガスを含む第2の処理ガスに切り換えられる。第2のエッチング工程では、チャンバ内において第2の処理ガスのプラズマにより、それぞれの素子の電極層のエッチングが再開される。
本発明の種々の側面および実施形態によれば、FPDの品質を向上させることができる。
図1は、エッチング装置の一例を示す図である。 図2は、ボトムゲート構造のTFTである素子の電極形成工程の一例を示す模式図である。 図3は、比較例における素子の電極形成工程の一例を示す模式図である。 図4は、本実施形態における素子の電極形成工程の一例を示す模式図である。 図5は、Cl2ガスの流量に対してN2ガスの流量を変えた場合のエッチングレートおよび選択比の実験結果の一例を示す図である。 図6は、エッチング中のTi元素およびAl元素の発光強度の変化の一例を示す模式図である。 図7は、エッチング処理の一例を示すフローチャートである。 図8は、制御部のハードウェアの一例を示す図である。
開示するエッチング方法は、1つの実施形態において、搬入工程と、供給工程と、第1のエッチング工程と、第1の切換工程と、第2のエッチング工程とを含む。搬入工程では、第1のTi膜の上にAl膜が積層されAl膜の上に第2のTi膜が積層された電極層が半導体層の上に形成された複数の素子が設けられた被処理基板が、チャンバ内に搬入される。供給工程では、チャンバ内に、第1の処理ガスが供給される。第1のエッチング工程では、チャンバ内において第1の処理ガスのプラズマにより、それぞれの素子の電極層に含まれる第2のTi膜がエッチングされ、いずれかの素子において第1のTi膜が露出するまで、それぞれの素子の電極層に含まれるAl膜がエッチングされる。第1の切換工程では、チャンバ内に供給される処理ガスが、第1の処理ガスから、N2ガスを含む第2の処理ガスに切り換えられる。第2のエッチング工程では、チャンバ内において第2の処理ガスのプラズマにより、それぞれの素子の電極層のエッチングが再開される。
また、開示するエッチング方法には、1つの実施形態において、第1のエッチング工程において、チャンバ内の空間に存在するTi元素に対応する波長の光の発光強度を測定し、当該発光強度が減少した後に増加に転じたか否かを判定する第1の判定工程がさらに含まれてもよい。第1の切換工程では、第1の判定工程においてTi元素に対応する波長の光の発光強度が減少した後に増加に転じたと判定された場合に、チャンバ内に供給される処理ガスが、第1の処理ガスから第2の処理ガスに切り換られてもよい。
また、開示するエッチング方法の1つの実施形態において、第1の処理ガスは、BCl3ガスおよびCl2ガスの混合ガス、または、Cl2ガスであってもよく、第2の処理ガスは、Cl2ガスおよびN2ガスの混合ガスであってもよい。
また、開示するエッチング方法には、1つの実施形態において、第2の切換工程と、第3のエッチング工程とがさらに含まれてもよい。第2の切換工程では、第2のエッチング工程において全ての素子において第1のTi膜が露出した後に、チャンバ内に供給される処理ガスが、第2の処理ガスから、窒素元素を含まない第3の処理ガスに切り換られる。第3のエッチング工程では、チャンバ内において第3の処理ガスのプラズマにより、それぞれの素子の電極層のエッチングが再開される。
また、開示するエッチング方法には、1つの実施形態において、第2のエッチング工程において、チャンバ内の空間に存在するTi元素に対応する波長の光の発光強度を測定し、当該発光強度の増加率が所定値以下になったか否かを判定する第2の判定工程がさらに含まれてもよい。第2の切換工程では、第2の判定工程においてTi元素に対応する波長の光の発光強度の増加率が所定値以下になったと判定された場合に、チャンバ内に供給される処理ガスが、第2の処理ガスから第3の処理ガスに切り換られてもよい。
また、開示するエッチング方法の1つの実施形態において、第3の処理ガスは、BCl3ガスおよびCl2ガスの混合ガス、または、Cl2ガスであってもよい。
また、開示するエッチング方法の1つの実施形態において、半導体層は、酸化物半導体であってもよい。
また、開示するエッチング方法の1つの実施形態において、酸化物半導体は、TFT(Thin Film Transistor)のチャネルを構成してもよい。
また、開示するエッチング装置は、1つの実施形態において、チャンバと、載置台と、供給部と、生成部と、制御部とを備える。載置台は、チャンバ内に設けられ、第1のTi膜の上にAl膜が積層されAl膜の上に第2のTi膜が積層された電極層が半導体層の上に形成された複数の素子が設けられた被処理基板が載置される。供給部は、チャンバ内に、処理ガスを供給する。生成部は、載置台に被処理基板が載置された状態で、チャンバ内に供給された処理ガスのプラズマを生成する。制御部は、第1のエッチング工程と、切換工程と、第2のエッチング工程とを実行する。第1のエッチング工程では、制御部は、供給部を制御してチャンバ内に第1の処理ガスを供給させ、生成部を制御してチャンバ内において第1の処理ガスのプラズマを生成させることにより、それぞれの素子の電極層に含まれる第2のTi膜をエッチングし、いずれかの素子において第1のTi膜が露出するまで、それぞれの素子の電極層に含まれるAl膜をエッチングする。切換工程では、制御部は、供給部を制御してチャンバ内に供給される処理ガスを、第1の処理ガスから、N2ガスを含む第2の処理ガスに切り換える。第2のエッチング工程では、制御部は、生成部を制御してチャンバ内において第2の処理ガスのプラズマを生成させることにより、それぞれの素子の電極層のエッチングを再開する。
以下に、開示するエッチング方法およびエッチング装置の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の本実施形態により、開示されるエッチング方法およびエッチング装置が限定されるものではない。
[エッチング装置1の構成]
図1は、エッチング装置1の一例を示す図である。エッチング装置1は、本体10および制御部20を有する。エッチング装置1は、被処理基板W上に形成された金属膜をプラズマによりエッチングする装置である。本実施形態において、被処理基板Wは、例えばFPDパネルであり、エッチング装置1によるエッチング処理を経て、被処理基板W上に複数のTFTが形成される。なお、以下では、被処理基板W上に形成されるそれぞれのTFTを、素子Dと記載する。
本体10は、例えば、内壁面が陽極酸化処理されたアルミニウムによって形成された角筒形状の気密なチャンバ101を有する。チャンバ101は接地されている。チャンバ101は、誘電体壁102により上下に区画されており、誘電体壁102の上面側が、アンテナが収容されるアンテナ室103となっており、誘電体壁102の下面側が、プラズマが生成される処理室104となっている。誘電体壁102はAl2O3等のセラミックスまたは石英等で構成されており、処理室104の天井壁を構成する。
チャンバ101におけるアンテナ室103の側壁103aと処理室104の側壁104aとの間には内側に突出する支持棚105が設けられており、誘電体壁102は、当該支持棚105によって支持されている。
誘電体壁102の下側部分には、処理ガスを処理室104内に供給するためのシャワー筐体111が嵌め込まれている。シャワー筐体111は、例えば、複数のサスペンダ(図示せず)によりチャンバ101の天井に吊された状態となっている。
シャワー筐体111は、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等の導電性材料で構成されている。シャワー筐体111の内部には水平方向に広がるガス拡散室112が形成されており、ガス拡散室112には、下方に向かって延びる複数のガス吐出孔112aが連通している。
誘電体壁102の上面略中央には、ガス拡散室112に連通するようにガス供給管124が設けられている。ガス供給管124は、チャンバ101の天井からチャンバ101の外部へ貫通し、ガス供給機構120に接続されている。
ガス供給機構120は、ガス供給源121a、ガス供給源121b、MFC(Mass Flow Controller)122a、MFC122b、バルブ123a、およびバルブ123bを有する。ガス供給機構120は、供給部の一例である。MFC122aは、例えばCl2ガス等の塩素含有ガスを供給するガス供給源121aに接続され、ガス供給源121aから供給されるガスの流量を制御する。バルブ123aは、MFC122aによって流量が制御されたガスのガス供給管124への供給および供給停止を制御する。
MFC122bは、例えばN2ガス等の窒素含有ガスを供給するガス供給源121bに接続され、ガス供給源121bから供給されるガスの流量を制御する。バルブ123bは、MFC122bによって流量が制御されたガスのガス供給管124への供給および供給停止を制御する。
ガス供給機構120から供給されたガスは、ガス供給管124を介して、シャワー筐体111内に供給され、シャワー筐体111のガス拡散室112内を拡散する。そして、ガス拡散室112内を拡散したガスは、シャワー筐体111の下面のガス吐出孔112aから処理室104内の空間へ吐出される。
アンテナ室103内には、アンテナ113が配設されている。アンテナ113は、銅やアルミニウム等の導電性の高い金属により形成されたアンテナ線113aを有する。アンテナ線113aは、環状や渦巻状等の任意の形状に形成される。アンテナ113は絶縁部材で構成されたスペーサ117により誘電体壁102から離間している。
アンテナ線113aの端子118には、アンテナ室103の上方へ延びる給電部材116の一端が接続されている。給電部材116の他端には、給電線119の一端が接続されており、給電線119の他端には、整合器114を介して高周波電源115が接続されている。高周波電源115は、整合器114、給電線119、給電部材116、および端子118を介して、アンテナ113に、例えば13.56MHzの周波数の高周波電力を供給する。これにより、アンテナ113の下方にある処理室104内に誘導電界が形成され、この誘導電界により、シャワー筐体111から供給されたガスがプラズマ化され、処理室104内に誘導結合プラズマが生成される。シャワー筐体111およびアンテナ113は、生成部の一例である。
処理室104内の底壁には、絶縁性部材により額縁状に形成されたスペーサ126を介して、被処理基板Wを載置する載置台130が設けられている。載置台130は、スペーサ126の上に設けられた基材131と、基材131の上に設けられた静電チャック132と、絶縁性部材で形成され、基材131および静電チャック132の側壁を覆う保護部材133とを有する。基材131および静電チャック132は被処理基板Wの形状に対応した矩形状をなし、載置台130の全体が四角板状または柱状に形成されている。スペーサ126および保護部材133は、アルミナ等の絶縁性セラミックスで構成されている。
静電チャック132は、基材131の上面に設けられている。静電チャック132は、セラミックス溶射膜からなる誘電体層145と、誘電体層145の内部に設けられた電極146とを有する。電極146は、例えば板状、膜状、格子状、網状等種々の形態をとることができる。電極146には、給電線147を介して直流電源148が接続されており、直流電源148から供給された直流電圧が印加される。直流電源148から給電線147を介して電極146に印加される直流電圧は、スイッチ(図示せず)により制御される。直流電源148から印加される直流電圧により、電極146にクーロン力やジョンセン・ラーベック力等の静電吸着力が発生し、静電チャック132上に載置された被処理基板Wが静電チャック132の上面に吸着保持される。静電チャック132の誘電体層145としては、Al2O3やY2O3等を用いることができる。
基材131には、給電線151を介して整合器152および高周波電源153が接続されている。給電線151および整合器152を介して基材131に高周波電力が供給されることにより、基材131の上方に配置された被処理基板Wにイオンが引き込まれる。高周波電源153によって基材131に供給される高周波電力の周波数は、例えば50kHz〜10MHzの範囲の周波数であり、例えば3.2MHzである。
なお、載置台130の基材131内には、被処理基板Wの温度を制御するための温度調節機構および温度センサ(いずれも図示せず)が設けられている。また、本体10には、載置台130に被処理基板Wが載置された状態で、被処理基板Wと載置台130との間の熱伝達量を調節するための伝熱ガス、例えばHeガスを、被処理基板Wと載置台130との間に供給する伝熱ガス供給機構(図示せず)が設けられている。さらに、載置台130には、被処理基板Wの受け渡しを行うための複数の昇降ピン(図示せず)が静電チャック132の上面に対して突没可能に設けられている。
処理室104の側壁104aには、被処理基板Wを処理室104へ搬入および搬出するための搬入出口155が設けられており、搬入出口155はゲートバルブGによって開閉可能となっている。ゲートバルブGが開状態に制御されることにより、搬入出口155を介して被処理基板Wの搬入および搬出が可能となる。
また、処理室104の側壁104aには、例えば石英等により形成された窓106が設けられている。処理室104内で生成されたプラズマ中のイオンやラジカル等が発する光は、窓106を介して処理室104の外部へ放射される。窓106の外部には、発光モニタ170が設けられている。発光モニタ170は、窓106から漏れた光を受光し、受光した光に基づいて、プラズマ中のそれぞれの元素が発する光の強度を波長毎に測定する。本実施形態において、発光モニタ170は、Ti元素に対応する波長の光の発光強度を測定する。
処理室104の底壁の縁部または隅部には複数の排気口159が形成されており、各排気口159には排気機構160が設けられている。排気機構160は、排気口159に接続された排気管161と、排気管161の開度を調整することにより処理室104内の圧力を制御するAPC(Auto Pressure Controller)バルブ162と、排気管161を介して処理室104内を排気するための真空ポンプ163とを有する。真空ポンプ163により処理室104内が排気され、プラズマによるエッチング処理中において、APCバルブ162の開度が調整されることにより、処理室104内の圧力が所定の圧力に維持される。
制御部20は、メモリおよびプロセッサを有する。制御部20内のプロセッサは、制御部20内のメモリに格納されたプログラムを読み出して実行することにより、本体10の各部を制御する。制御部20によって行われる具体的な処理については、後述する。
[素子Dの形成過程]
ここで、被処理基板W上に設けられた複数の素子Dの形成過程の一部について説明する。図2は、ボトムゲート構造のTFTである素子Dの電極形成工程の一例を示す模式図である。被処理基板W上の素子Dの電極形成工程では、まず、ガラス基板などの基板上にゲート電極が形成され、ゲート電極上にゲート絶縁膜30が積層される。そして、例えば図2(a)に示すように、ゲート絶縁膜30上に半導体層31が積層される。本実施形態において、半導体層31は、例えば、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、および亜鉛(Zn)からなる酸化物半導体である。酸化物半導体である半導体層31は、TFTのチャネルを構成する。
そして、半導体層31が所定の形状にパターニングされた後、半導体層31を覆うように、電極層32が積層される。電極層32には、例えば図2(a)に示すように、Ti膜320、Al膜321、およびTi膜322が含まれる。電極層32は、Ti膜320上にAl膜321が積層され、Al膜321上にTi膜322が積層されることにより形成される。Ti膜320は、第1のTi膜の一例であり、Ti膜322は、第2のTi膜の一例である。そして、電極層32上に、フォトレジスト33が積層され、ソース電極およびドレイン電極の形状にフォトレジスト33がパターニングされる。そして、被処理基板Wが、塩素含有ガスのプラズマに晒されることにより、例えば図2(b)に示すように、フォトレジスト33のパターンに沿って電極層32がエッチングされ、電極層32によってソース電極およびドレイン電極が形成される。
ところで、FPDに用いられる被処理基板Wは大型化する傾向にあり、エッチング装置1の本体10も大型化している。そのため、処理室104内において均一なプラズマを生成することが難しくなってきており、被処理基板W上に配置されている多数の素子Dを均一に加工することが難しくなっている。
ここで、例えば図2(a)に示す被処理基板Wにおいて、塩素を含有する1種類のガスを用いて、電極層32をエッチングする場合を考える。処理室104内においてプラズマの分布に偏りがあると、被処理基板W上において、プラズマ密度が高い場所ではエッチングレートが高くなり、プラズマ密度が低い場所ではエッチングレートが低くなる。そのため、被処理基板W上に設けられた複数の素子Dにおいて、被処理基板W上の場所によって素子Dのエッチングレートが異なることになる。
プラズマ密度が高い場所にある素子Dでは、例えば図3(a)に示すように、電極層32のエッチングが速く進行し、電極層32によってソース電極およびドレイン電極が早期に形成される。図3は、比較例における素子Dの電極形成工程の一例を示す模式図である。
一方、プラズマ密度が低い場所にある素子Dでは、プラズマ密度が高い場所にある素子Dよりもエッチングレートが低くなる。そのため、プラズマ密度が高い場所にある素子Dでは、例えば図3(a)に示すように、電極層32のエッチングが完了した場合でも、エッチングレートが低い場所の素子Dでは、例えば図3(b)に示すように、電極層32のエッチングはまだ完了していない。
エッチングレートが低い場所の素子Dにおいても、エッチングが継続されれば、例えば図3(d)に示すように、やがて溝の底が半導体層31に達し、ソース電極およびドレイン電極を形成することができる。しかし、その場合、プラズマの密度が高い領域に配置された素子Dでは、電極層32のエッチングにより半導体層31が露出した後にさらにエッチングが継続されるため、例えば図3(c)に示すように、半導体層31がエッチングされてしまう。そのため、プラズマ密度が高い場所にある素子Dの半導体層31は、プラズマ密度が低い場所にある素子Dの半導体層31よりも、消耗量が多くなってしまう。
また、プラズマによる半導体層31の消耗量が少ないとしても、プラズマの密度が高い領域に配置された素子Dの半導体層31は、プラズマの密度が低い領域に配置された素子Dの半導体層31よりも、プラズマに晒される時間が長くなる。これにより、半導体層31において酸素原子の離脱等の特性劣化が発生する。そのため、被処理基板W上の各素子Dにおける半導体層31の特性のばらつきが大きくなってしまう。
そこで、本実施形態では、Al膜321のエッチングが行われている間に、処理室104内に供給されるガスが、Ti膜に対するAl膜の選択比が大きいガスに切り換られる。これにより、プラズマの密度が高い領域に配置された素子Dと、プラズマの密度が低い領域に配置された素子Dとにおいて、エッチングにより半導体層31が露出するまでの時間差を小さくすることができる。これにより、プラズマの密度が高い領域に配置された素子Dにおける半導体層31の消耗量を低減することができると共に、半導体層31がプラズマに晒される時間を短くすることができる。これにより、被処理基板W上の各素子Dにおける半導体層31の特性のばらつきを抑えることができ、FPDの品質を向上させることができる。
具体的には、電極層32内のAl膜321の途中までは、塩素含有ガスのプラズマにより電極層32がエッチングされる。これにより、プラズマの密度が高い領域に配置された素子Dとプラズマの密度が低い領域に配置された素子Dとでは、例えば図4(a)および図4(b)に示すように、電極層32のエッチング量に大きな差が生じる。図4は、本実施形態における素子Dの電極形成工程の一例を示す模式図である。図4(a)、(c)、および(e)は、プラズマの密度が高い領域に配置された素子Dの電極形成工程の一例を示しており、図4(b)、(d)、および(f)は、プラズマの密度が低い領域に配置された素子Dの電極形成工程の一例を示している。
そして、プラズマの密度が高い領域に配置された素子DにおいてAl膜321のエッチングが完了した段階で、処理室104内に供給されるガスが、Ti膜に対するAl膜の選択比が大きいガスに切り換られる。これにより、プラズマの密度が高い領域に配置された素子DにおけるTi膜320のエッチングレートよりも、プラズマの密度が低い領域に配置された素子DにおけるAl膜321のエッチングレートが上がる。そのため、プラズマの密度が高い領域に配置された素子Dと低い領域に配置された素子Dとでは、例えば図4(c)および図4(d)に示すように、電極層32全体としてのエッチングレートの差が小さくなる。これにより、プラズマの密度が高い領域に配置された素子Dにおける半導体層31の消耗量を低減することができると共に、プラズマに晒される時間を短くすることができる。
なお、本実施形態では、Ti膜に対するAl膜の選択比が大きいガスとしては、Cl2ガスおよびN2ガスの混合ガスが用いられる。しかし、半導体層31は、N2ガスのプラズマに晒されると、表面が窒化され特性が変化してしまう場合がある。そのため、プラズマの密度が高い領域に配置された素子Dにおいて半導体層31が露出する前に、エッチングガスが、Cl2ガスおよびN2ガスの混合ガスから、N2ガスを含まないエッチングガスに切り換えられる。そして、N2ガスを含まないエッチングガスのプラズマにより電極層32のエッチングが続けられ、プラズマの密度が高い領域に配置された素子Dと低い領域に配置された素子Dとにおいて、例えば図4(e)および図4(f)に示すように、電極層32のエッチングが完了する。
[エッチングガスの選択比]
ここで、Ti膜に対するAl膜の選択比が大きいガスについての実験結果について説明する。図5は、Cl2ガスの流量に対してN2ガスの流量を変えた場合のエッチングレートおよび選択比の実験結果の一例を示す図である。
Cl2ガスのみを用いた場合(即ち、N2ガスの流量を0とした場合)、例えば図5に示すように、Alのエッチングレートが224(nm/min)であり、Tiのエッチングレートが161(nm/min)であった。この場合、Tiに対するAlの選択比は約1.39である。
また、Cl2ガスの流量とN2ガスの流量との比を4:1とした場合、例えば図5に示すように、Alのエッチングレートが194(nm/min)となり、Tiのエッチングレートが111(nm/min)となった。この場合、Tiに対するAlの選択比は約1.75であった。
また、Cl2ガスの流量とN2ガスの流量との比を3:2とした場合、例えば図5に示すように、Alのエッチングレートが145(nm/min)となり、Tiのエッチングレートが81(nm/min)となった。この場合、Tiに対するAlの選択比は約1.79であった。
このように、エッチングガスにおいて、Cl2ガスに添加されるN2ガスの流量を多くするほど、Tiに対するAlの選択比が増加する。Ti膜320がエッチングされている間に切り換えられるエッチングガスにおいて、Tiに対するAlの選択比が高いほど、プラズマの密度が高い領域に配置された素子Dと低い領域に配置された素子Dとにおいて、電極層32全体におけるエッチングレートの差を小さくすることができる。
なお、N2ガスが添加されていれば、Cl2ガスのみで電極層32をエッチングする場合に比べて、Tiに対するAlの選択比が高くなるため、各素子Dにおいて電極層32全体におけるエッチングレートの差を小さくすることができると言える。N2ガスが添加されることによりTiに対するAlの選択比が高くなる理由としては、Tiの表面が窒化されエッチングされにくくなることが考えられる。また、N2ガスのみでは、TiおよびAlのいずれもエッチングされないため、N2ガスの添加量を多くする場合でも、エッチングガスには少なくともClガスが含まれている必要がある。また、図5に示した実験結果によれば、Cl2ガスの流量に対するN2ガスの流量の比は、25%以上であることが好ましい。さらに、Cl2ガスの流量に対するN2ガスの流量の比は、25%以上67%以下であることがより好ましい。
[エッチングガスの切り換えタイミング]
図6は、エッチング中のTi元素およびAl元素の発光強度の変化の一例を示す模式図である。例えば図2(a)に示した素子Dが形成された被処理基板Wに対してCl2ガスのプラズマによりエッチングが行われると、まず、電極層32内のTi膜322がエッチングされる。これにより、Ti膜322から離脱したTi元素が処理室104内に漂い始め、例えば図6に示すように処理室104内においてTi元素に対応する波長の光の発光強度が増加し始める。
そして、プラズマの密度が高い領域に配置された素子DにおいてAl膜321が露出すると、処理室104内においてTi元素に対応する波長の光の発光強度が減少に転じると共に、Al元素の波長に対応する光の発光強度が増加し始める。
そして、プラズマの密度が低い領域に配置された素子DにおいてもAl膜321が露出すると、処理室104内においてTi元素に対応する波長の光の発光強度が最小となり、Al元素の波長に対応する光の発光強度が最大となる。
そして、さらにエッチングが進み、プラズマの密度が高い領域に配置された素子DにおいてTi膜320が露出したタイミングt1において、例えば図6に示すように、処理室104内においてAl元素に対応する波長の光の発光強度が減少に転じると共に、Ti元素の波長に対応する光の発光強度が再び増加し始める。
本実施形態では、Ti元素の波長に対応する光の発光強度が減少から再び増加に転じたタイミングt1において、処理室104内に供給されるガスが、Ti膜に対するAl膜の選択比が大きいガスに切り換られる。具体的には、Cl2ガスにN2ガスが添加される。Cl2ガスは、第1の処理ガスの一例であり、Cl2ガスおよびN2ガスを含む混合ガスは、第2の処理ガスの一例である。これにより、プラズマの密度が低い領域に配置された素子Dにおいて、残りのAl膜321がより迅速にエッチングされ、プラズマの密度が高い領域に配置された素子DにおけるTi膜320のエッチングレートが低下する。そのため、プラズマの密度が低い領域に配置された素子Dとプラズマの密度が高い領域に配置された素子Dとにおいて、電極層32全体におけるエッチングレートの差を小さくすることができる。
そして、さらにエッチングが進み、プラズマの密度が低い領域に配置された素子DにおいてもTi膜320が露出したタイミングt2において、例えば図6に示すように、処理室104内において、Al元素に対応する波長の光の発光強度の減少率、および、Ti元素の波長に対応する光の発光強度の増加率が、共に所定値以下(例えば0)となる。
本実施形態では、Ti元素の波長に対応する光の発光強度の増加率が所定値以下となったタイミングt2において、処理室104内に供給されるガスが、元のエッチングガスに戻される。具体的には、N2ガスの添加が停止され、Cl2ガスの供給に戻される。これにより、Ti膜320のエッチングによりTi膜320の下層の半導体層31が露出した際に、半導体層31の表面がN2ガスに晒されることを防止することができる。
そして、さらにエッチングが進み、プラズマの密度が高い領域に配置された素子Dにおいて半導体層31が露出すると、処理室104内において、Ti元素に対応する波長の光の発光強度が減少し始める。そして、プラズマの密度が低い領域に配置された素子Dにおいても半導体層31が露出したタイミングt3において、Ti元素に対応する波長の光の発光強度の減少率が所定値以下(例えば0)となる。タイミングt3では、プラズマの密度が低い領域に配置された素子Dにおいても電極層32のエッチングが完了しているので、全ての素子Dの電極層32のエッチングが完了している。
[エッチング処理]
図7は、エッチング処理の一例を示すフローチャートである。図6に示すエッチング処理は、制御部20の制御により実行される。
まず、ゲートバルブGが開かれ、被処理基板Wが処理室104内に搬入される(S100)。そして、被処理基板Wが、載置台130の静電チャック132上に載置され、ゲートバルブGが閉じられる。そして、制御部20は、図示しないスイッチを制御して直流電源148からの直流電圧を給電線147を介して電極146に印加させる。これにより、被処理基板Wが静電チャック132の上面に吸着保持される。そして、制御部20は、図示しない温度調整機構を制御して、被処理基板Wを所定の温度に調節する。
次に、制御部20は、APCバルブ162および真空ポンプ163を制御し、処理室104内を所定の真空度まで排気する。そして、制御部20は、バルブ123aを開状態に制御し、ガス供給源121aから供給されるCl2ガスが所定の流量となるようにMFC122aを制御する。これにより、ガス供給管124を介して、処理室104内にCl2ガスの供給が開始される(S101)。なお、バルブ123bは閉状態に制御されている。ステップS101は、供給工程の一例である。
次に、制御部20は、高周波電源115を制御して、例えば13.56MHzの高周波電力をアンテナ113に印加させる。これにより、誘電体壁102を介して、アンテナ113の下方の処理室104内に磁界が発生し、発生した磁界によって処理室104内に誘導電界が発生する。これにより、誘導電界によって処理室104内の電子が加速され、加速された電子が、処理室104内に導入されたCl2ガスの分子や原子と衝突することにより、処理室104内に誘導結合プラズマが生成される(S102)。
そして、制御部20は、高周波電源153を制御して、例えば3.2MHzの高周波電力を基材131に印加させる。これにより、被処理基板W上にイオンが引き込まれ、被処理基板W上の各素子Dの電極層32のエッチングが開始される。このように、ステップS102では、処理室104内においてCl2ガスのプラズマが生成されることにより、それぞれの素子Dの電極層32に含まれるTi膜322がエッチングされる。そして、いずれかの素子DにおいてTi膜320が露出するまで、それぞれの素子Dの電極層32に含まれるAl膜321がエッチングされる。ステップS102は、第1のエッチング工程の一例である。
次に、制御部20は、発光モニタ170による測定結果を参照し、Ti元素に対応する波長の光の発光強度が減少から増加に転じたか否かを判定する(S103)。ステップS103は、第1の判定工程の一例である。Ti元素に対応する波長の光の発光強度が減少から増加に転じた場合(S103:Yes)、制御部20は、バルブ123bを開状態に制御し、ガス供給源121bから供給されるN2ガスが所定の流量となるようにMFC122bを制御する。制御部20は、Cl2ガスの流量に対するN2ガスの流量の比が例えば67%となるように、MFC122aおよびMFC122bを制御する。これにより、処理室104内に供給されるガスが、Cl2ガスから、Cl2ガスおよびN2ガスを含む混合ガスに切り換えられ、ガス供給管124を介して、処理室104内にCl2ガスおよびN2ガスの供給が開始される(S104)。ステップS104は、第1の切換工程の一例である。そして、Cl2ガスおよびN2ガスの混合ガスのプラズマにより、各素子Dの電極層32のエッチングが続けられる。処理室104内に供給されるガスが切り換わった後に行われるステップS104のエッチングは、第2のエッチング工程の一例である。
次に、制御部20は、発光モニタ170による測定結果を参照し、Ti元素に対応する波長の光の発光強度の増加率が所定値以下となったか否かを判定する(S105)。ステップS105は、第2の判定工程の一例である。Ti元素に対応する波長の光の発光強度の増加率が所定値以下となった場合(S105:Yes)、制御部20は、バルブ123bを閉状態に制御し、ガス供給源121bからのN2ガスの供給を停止する(S106)。これにより、処理室104内に供給されるガスが、Cl2ガスおよびN2ガスを含む混合ガスから、窒素元素を含まない第3の処理ガスの一例であるCl2ガスに切り換えられる。ステップS106は、第2の切換工程の一例である。そして、Cl2ガスのプラズマにより、各素子Dの電極層32のエッチングが続けられる。処理室104内に供給されるガスが切り換わった後に行われるステップS106のエッチングは、第3のエッチング工程の一例である。
次に、制御部20は、発光モニタ170による測定結果を参照し、Ti元素に対応する波長の光の発光強度が減少し、その減少率が所定値以下となったか否かを判定する(S107)。Ti元素に対応する波長の光の発光強度の減少率が所定値以下となった場合(S107:Yes)、制御部20は、高周波電源115および高周波電源153を制御してアンテナ113および基材131への高周波電力の供給を停止させる。これにより、処理室104内でのプラズマの生成が停止される(S108)。そして、制御部20は、バルブ123aを閉状態に制御し、APCバルブ162および真空ポンプ163の動作を停止させる。そして、制御部20は、図示しないスイッチを制御して直流電源148から電極146への直流電圧の印加を停止させ、図示しない複数の昇降ピンを上昇させる。そして、ゲートバルブGが開かれて、被処理基板Wが処理室104内から搬出される(S109)。
[制御部のハードウェア]
図8は、制御部20のハードウェアの一例を示す図である。制御部20は、例えば図8に示すように、CPU(Central Processing Unit)21、RAM(Random Access Memory)22、ROM(Read Only Memory)23、補助記憶装置24、通信インターフェイス(I/F)25、入出力インターフェイス(I/F)26、およびメディアインターフェイス(I/F)27を備える。
CPU21は、ROM23または補助記憶装置24に格納されたプログラムに基づいて動作し、各部の制御を行う。ROM23は、制御部20の起動時にCPU21によって実行されるブートプログラムや、制御部20のハードウェアに依存するプログラム等を格納する。
補助記憶装置24は、例えばHDD(Hard Disk Drive)またはSSD(Solid State Drive)等であり、CPU21によって実行されるプログラムおよび当該プログラムによって使用されるデータ等を格納する。CPU21は、補助記憶装置24内に格納されたプログラムを、例えば補助記憶装置24から読み出してRAM22上にロードし、ロードされたプログラムを実行する。通信I/F25は、通信ケーブルを介して本体10の各部から信号を受信してCPU21へ送り、CPU21が生成した信号を、通信ケーブルを介して本体10の各部へ送信する。
CPU21は、入出力I/F26を介して、ディスプレイ等の出力装置、および、キーボードやマウス等の入力装置を制御する。CPU21は、入出力I/F26を介して、入力装置からデータを取得する。また、CPU21は、生成したデータを、入出力I/F26を介して出力装置へ出力する。
メディアI/F27は、記録媒体28に格納されたプログラムまたはデータ等を読み取り、補助記憶装置24に格納する。記録媒体28は、例えばDVD(Digital Versatile Disc)、PD(Phase change rewritable Disk)等の光学記録媒体、MO(Magneto-Optical disk)等の光磁気記録媒体、テープ媒体、磁気記録媒体、または半導体メモリ等である。なお、制御部20は、補助記憶装置24に格納されるプログラム等を、他の装置から、通信ケーブル等を介して取得し、取得したプログラム等を補助記憶装置24に格納してもよい。
以上、エッチング装置1の実施形態について説明した。上記説明から明らかなように、本実施形態のエッチング装置1によれば、プラズマの密度が高い領域に配置された素子Dにおける半導体層31の消耗量を低減することができると共に、プラズマの密度が高い領域に配置された素子Dにおける半導体層31がプラズマに晒される時間を短くすることができる。これにより、FPDの品質を向上させることができる。
[その他]
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。
例えば、上記した実施形態では、各素子Dの電極層32のエッチングにおいて、Al膜321の途中までは第1の処理ガスのプラズマにより電極層32がエッチングされ、その後にN2ガスが添加され、第1の処理ガスおよびN2ガスの混合ガスのプラズマにより、エッチングが継続される。そして、第1の処理ガスは、例えばCl2ガスである。しかし、開示の技術はこれに限られない。例えば、第1の処理ガスは、BCl3ガスおよびCl2ガスの混合ガスであってもよい。この場合、各素子Dの電極層32のエッチングにおいて、Al膜321の途中まではBCl3ガスおよびCl2ガスの混合ガスのプラズマにより電極層32がエッチングされ、その後にBCl3ガスの供給が停止され、N2ガスが添加され、Cl2ガスおよびN2ガスの混合ガスのプラズマにより、エッチングが継続される。なお、第1の処理ガスは、Cl2ガスの他、BCl3ガスやCCl4ガス等の他の塩素含有ガスであってもよい。
また、第1の処理ガスにN2ガスが添加されたガスを第2の処理ガスとしてもよい。これにより、ガス供給機構120の構成を簡略化することができる。
また、上記した本実施形態では、Ti元素の波長に対応する光の発光強度の増加率が所定値以下となったタイミングt2(図6参照)において、N2ガスの添加が停止され、Cl2ガスの供給が再開されるが、開示の技術はこれに限られない。例えば図6に示すように、Ti元素の波長に対応する光の発光強度の増加率が所定値以下となるタイミングt2では、Al元素の波長に対応する光の発光強度が低くなっている。そのため、Ti元素の波長に対応する光の発光強度の増加率に代えて、Al元素の波長に対応する光の発光強度を監視し、Al元素の波長に対応する光の発光強度が所定の閾値以下となった場合に、N2ガスの添加を停止し、Cl2ガスの供給を再開してもよい。
また、上記した実施形態では、プラズマ源として誘導結合プラズマを用いてエッチングを行うエッチング装置1を例に説明したが、開示の技術はこれに限られない。プラズマを用いてエッチングを行うエッチング装置1であれば、プラズマ源は誘導結合プラズマに限られず、例えば、容量結合プラズマ、マイクロ波プラズマ、マグネトロンプラズマなど、任意のプラズマ源を用いることができる。
D 素子
G ゲートバルブ
W 被処理基板
1 エッチング装置
10 本体
20 制御部
101 チャンバ
102 誘電体壁
103 アンテナ室
104 処理室
106 窓
111 シャワー筐体
113 アンテナ
115 高周波電源
120 ガス供給機構
130 載置台
131 基材
132 静電チャック
148 直流電源
153 高周波電源
160 排気機構
170 発光モニタ
30 ゲート絶縁膜
31 半導体層
32 電極層
320 Ti膜
321 Al膜
322 Ti膜
33 フォトレジスト

Claims (8)

  1. 第1のTi膜の上にAl膜が積層され前記Al膜の上に第2のTi膜が積層された電極層が半導体層の上に形成された複数の素子が設けられた被処理基板を、チャンバ内に搬入する搬入工程と、
    前記チャンバ内に、第1の処理ガスを供給する供給工程と、
    前記チャンバ内において前記第1の処理ガスのプラズマにより、それぞれの前記素子の前記電極層に含まれる前記第2のTi膜をエッチングし、いずれかの前記素子において前記第1のTi膜が露出するまで、それぞれの前記素子の前記電極層に含まれる前記Al膜をエッチングする第1のエッチング工程と、
    前記チャンバ内に供給される処理ガスを、前記第1の処理ガスから、N2ガスを含む第2の処理ガスに切り換える第1の切換工程と、
    前記チャンバ内において前記第2の処理ガスのプラズマにより、それぞれの前記素子の前記電極層のエッチングを再開する第2のエッチング工程と
    を含み、
    前記第1の処理ガスは、Cl2ガス、または、BCl3ガスおよびCl2ガスの混合ガスであり、
    前記第2の処理ガスは、Cl2ガスおよびN2ガスの混合ガスであることを特徴とするエッチング方法。
  2. 前記第1のエッチング工程において、前記チャンバ内の空間に存在するTi元素に対応する波長の光の発光強度を測定し、前記発光強度が減少した後に増加に転じたか否かを判定する第1の判定工程をさらに含み、
    前記第1の切換工程では、
    前記第1の判定工程において前記発光強度が減少した後に増加に転じたと判定された場合に、前記チャンバ内に供給される処理ガスが、前記第1の処理ガスから前記第2の処理ガスに切り換られることを特徴とする請求項1に記載のエッチング方法。
  3. 前記第2のエッチング工程において全ての前記素子において前記第1のTi膜が露出した後に、前記チャンバ内に供給される処理ガスを、前記第2の処理ガスから、窒素元素を含まない第3の処理ガスに切り換える第2の切換工程と、
    前記チャンバ内において前記第3の処理ガスのプラズマにより、それぞれの前記素子の前記電極層のエッチングを再開する第3のエッチング工程と
    をさらに含むことを特徴とする請求項1または2に記載のエッチング方法。
  4. 前記第2のエッチング工程において、前記チャンバ内の空間に存在するTi元素に対応する波長の光の発光強度を測定し、前記発光強度の増加率が所定値以下になったか否かを判定する第2の判定工程をさらに含み、
    前記第2の切換工程では、
    前記第2の判定工程において前記発光強度の増加率が前記所定値以下になったと判定された場合に、前記チャンバ内に供給される処理ガスが、前記第2の処理ガスから前記第3の処理ガスに切り換られることを特徴とする請求項に記載のエッチング方法。
  5. 前記第3の処理ガスは、BCl3ガスおよびCl2ガスの混合ガス、または、Cl2ガスであることを特徴とする請求項またはに記載のエッチング方法。
  6. 前記半導体層は、酸化物半導体であることを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載のエッチング方法。
  7. 前記酸化物半導体は、TFT(Thin Film Transistor)のチャネルを構成することを特徴とする請求項に記載のエッチング方法。
  8. チャンバと、
    前記チャンバ内に設けられ、第1のTi膜の上にAl膜が積層され前記Al膜の上に第2のTi膜が積層された電極層が半導体層の上に形成された複数の素子が設けられた被処理基板が載置される載置台と、
    前記チャンバ内に、処理ガスを供給する供給部と、
    前記載置台に前記被処理基板が載置された状態で、前記チャンバ内に供給された前記処理ガスのプラズマを生成する生成部と、
    制御部と
    を備え、
    前記制御部は、
    前記供給部を制御して前記チャンバ内に第1の処理ガスを供給させ、前記生成部を制御して前記チャンバ内において第1の処理ガスのプラズマを生成させることにより、それぞれの前記素子の前記電極層に含まれる前記第2のTi膜をエッチングし、いずれかの前記素子において前記第1のTi膜が露出するまで、それぞれの前記素子の前記電極層に含まれる前記Al膜をエッチングする第1のエッチング工程と、
    前記供給部を制御して前記チャンバ内に供給される前記処理ガスを、前記第1の処理ガスから、N2ガスを含む第2の処理ガスに切り換える切換工程と、
    前記生成部を制御して前記チャンバ内において前記第2の処理ガスのプラズマを生成させることにより、それぞれの前記素子の前記電極層のエッチングを再開する第2のエッチング工程と
    を実行し、
    前記第1の処理ガスは、Cl2ガス、または、BCl3ガスおよびCl2ガスの混合ガスであり、
    前記第2の処理ガスは、Cl2ガスおよびN2ガスの混合ガスであることを特徴とするエッチング装置。
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