JP7396668B2 - エッチング装置、およびエッチング方法 - Google Patents

Description

本発明は、エッチング処理対象の厚さを目標の厚さにするためなどに用いられるエッチング装置、およびそのようなエッチング装置を用いたエッチング方法に関するものである。

従来、半導体基板における半導体層の厚さを目標の厚さとその分布面（以下「厚さ分布面」という）にするために、例えば、まず、ＳＯＩウェーハのアクティブシリコンレイヤをエッチングすることにより厚さ分布面の凹凸を除去し、次に、要求される膜厚にまでエッチングすることにより、加工の高精度化、および高スループット化を図る技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４－１２８０７９号公報

しかしながら、上記のように２段階のエッチングを行っても、必ずしもスループットを大幅に向上させられるとは限らない。

本発明は、上記の点に鑑み、エッチング処理対象の厚さを目標の厚さ分布面にするための加工時間を容易に短縮できるようにすることを目的としている。

上記の目的を達成するため、本発明は、
エッチング処理対象を多段局所ドライエッチングによって所定の目標厚さ分布面まで除去するエッチング装置であって、
所定の空間波長成分の除去が可能な第１のエッチングと、
上記第１のエッチングでは除去できない空間波長成分の除去が可能な第２のエッチングが行われるように構成されるとともに、
上記第１のエッチングによる取代分布が、第１のエッチングによって除去可能な最大取代分布以下であって、第１のエッチングによって除去できない空間波長成分の回帰面が、目標厚さ分布面と平行になるように第１のエッチングによる除去を行うとした場合の最大取代分布よりも大きな取代分布、かつ、第２のエッチングだけによって目標厚さ分布面と平行な分布面を最小取代分布で形成するとした場合の第１のエッチングによる取代分布よりも大きな取代分布に設定され、上記第２のエッチングによる取代分布が、第１のエッチングによって除去しない部分を除去対象と設定されるように構成されていることを特徴とする。

これにより、第２のエッチングによる取代を少なく抑えて、加工時間を短縮することが容易にできる。

本発明によれば、エッチング処理対象の厚さを目標の厚さ分布面にするための加工時間を容易に短縮できる。

エッチング装置の構成を模式的に示す模式図である。 第１段階の加工前の半導体層の厚さ分布面を示す模式図である。 第１段階の加工後の半導体層の厚さ分布面を示す模式図である。 比較例の第１段階の加工後の半導体層の厚さ分布面を示す模式図である。 変形例の第１段階の加工後の半導体層の厚さ分布面を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（エッチング装置の概略構成）
図１はダウンストリームプラズマエッチングを用いたエッチング装置の一例を示すものである。シリコンウェーハ１は、ゲートバルブ１０を有するチャンバＣの中に収容されたステージ２の上に載置されるようになっている。ステージ２はＸ軸駆動モータ３、およびＹ軸駆動モータ３’の作用によりＸ軸、Ｙ軸方向（図１における左右方向である主走査方向、紙面に垂直な方向である副走査方向）への駆動が可能であり、それによりシリコンウェーハ１はＸ軸、Ｙ軸方向への移動が可能となっている。ここで、以下の説明では、便宜上、シリコンウェーハ１に対して相対的にノズル５や層厚測定装置１１が移動するとして説明する。なお、上記のような直線方向の走査に限らず、例えばシリコンウェーハ１を回転させるようにして、円周方向が主走査方向、半径（または直径）方向の移動が副走査方向となるようにしてもよい。

シリコンウェーハ１の上部におけるチャンバＣ内には、２台のプラズマ装置の一方と他方とに設けられたノズル５’・５”が設置されている。上記ノズル５’はシリコンウェーハ１側のノズル開口径が相対的に大径に設定される一方、ノズル５”は、シリコンウェーハ１側のノズル開口径が相対的に小径に設定されている。ここで、上記２台のプラズマ装置はノズル５’・５”の開口径の相違に関する点を除いて基本的に同じ構成を有しているが、図１および以下においては、便宜上、ノズル５’が設けられたプラズマ装置だけに着目して説明する。

上記ノズル５’はプラズマ発生用の放電管４の下端に設けられている。上記放電管４の上端にはプロセスガス供給ライン８（プロセスガス供給装置）が接続されている。また放電管４のプラズマ発生領域６に相当する部分にはマイクロ波電源７が配置されている。上記放電管４、ノズル５、プラズマ発生領域６、およびマイクロ波電源７等によってプラズマ装置が構成されている。なお、プラズマ装置は全体が２台設けられるのに限らず、ノズル５’・５”以外の部分やそのうちの一部が共通に設けられたりしてもよい。また、チャンバＣが２つ設けられ、それぞれにノズル５’または５”が設けられたプラズマ装置が設けられ、上記２つのチャンバＣの間をウェ－ハ１が移動するようにされるなどしてもよい。

チャンバＣには、また、シリコンウェーハ１上の半導体（エッチング処理対象）層の厚さを測定する層厚測定装置１１が設けられている。

エッチングを行う際には、上記チャンバＣに接続される真空ポンプ（図示せず）を稼動した状態で、プロセスガスである六フッ化硫黄ガスをプロセスガス供給ライン８より導入し、プラズマ装置を稼動させて放電管４の中で活性種ガスであるフッ素ラジカルを発生させ、ノズル５からシリコンウェーハ１に照射する。シリコンウェーハ１は上記放電管４のノズル５から照射される活性種ガスによりエッチング作用を受ける。ここで、活性種ガスはその下に位置するシリコンウェーハの部分に局部的に作用するが、シリコンウェーハが上記のようにＸＹ軸方向に駆動されるので、それによりウェーハ全面が加工される。より詳しくは、シリコンウェーハ１はステージ２に接続したＸ軸駆動モータ３、Ｙ軸駆動モータ３’の駆動により、ノズル５が相対的に主走査方向に往復しながら、副走査方向に所定のピッチずつ移動する。

上記ステージ２の駆動制御や、プラズマ装置の動作制御、層厚測定装置１１による半導体層の厚さの測定などは、制御コンピュータ９によって行われるようになっている。

（厚さ制御）
上記のようなエッチング装置で、例えばシリコン基板等の支持基板上に絶縁膜を介して半導体層が形成されたシリコンウェーハ１について、上記半導体層の層厚が、領域ごとに所定の層厚になるようにエッチング処理される場合の動作の例を説明する。

（１） まず、エッチング前のシリコンウェーハ１における半導体層の全域の層厚が層厚測定装置１１によって測定される。次に、シリコンウェーハ１の領域ごとに、その測定結果と予め設定された目標厚とに基づいてエッチング処理による取代が求められる。

さらに、合計の取代が上記取代になるように、各ノズル５’・５”の取代が求められる。すなわち、開口径が大径のノズル５’による、所定の空間波長成分の除去が可能な第１のエッチングでの取代と、開口径が小径のノズル５”による、上記第１のエッチングでは除去できない空間波長成分の除去が可能な第２のエッチングでの取代が求められる。より詳しくは、上記第１のエッチングによる取代分布は、第１のエッチングによって除去可能な最大取代分布以下であって、第１のエッチングによって除去できない空間波長成分の回帰面が、目標厚さ分布面と平行になるように第１のエッチングによる除去を行うとした場合の最大取代分布よりも大きな取代分布、かつ、第２のエッチングだけによって目標厚さ分布面と平行な分布面を最小取代分布で形成するとした場合の第１のエッチングによる取代分布よりも大きな取代分布に設定される。なお、上記の回帰面は、例えば、目標厚さ分布面の面形状と第１のエッチングでは除去できない空間波長成分の厚さデータとから最小二乗法により求められる面など、一般的な算出法による回帰面を適宜選択できる。また、上記の最低取代分布は、エッチング処理対象が載置されたステージを最高速度で走査させエッチング加工した際に除去される取代分布とするほか、これに安定生産を行う上で必要な余裕取代分布を加えた取代分布としてもよい。

ここで、上記第１のエッチングによる取代分布が、エッチング処理対象の表面と、目標厚さ分布面に上記第２のエッチングの最低取代分布を加えた平行分布面との、差分の分布を除去対象として、上記第１のエッチングの取代分布において上記エッチング処理対象の全面内すべての位置の取代が上記差分の分布を超えない取代に設定され、上記第２のエッチングによる取代分布が、上記第１のエッチングによって除去しない部分を除去対象と設定するように構成してもよい。

また、上記取代分布に応じて、シリコンウェーハ１に対する各ノズル５’・５”の相対的な走査速度マップが制御コンピュータ９によって作成される。上記相対的な走査速度は、層厚が相対的に厚い部分（取代が大きい部分）では低速で、相対的に薄い部分（取代が小さい部分）では高速で走査するように制御コンピュータ９によって決定される。

なお、上記のような第１のエッチングによる取代分布の算出または走査速度の決定、および第２のエッチングによる取代分布の算出または走査速度の決定の順序は、特に限定されないが、通常は、例えばこの順序で行うことによって演算が容易になると考えられる。

（２） 上記演算の結果、シリコンウェーハ１の厚さ分布面が例えば図２に示すような凹凸形状を有していたとし、目標厚に加工されたときの厚さ分布面が、同図に示す目標厚さ分布面Ｓとすると、まず、大径のノズル５’によって、図３に示すように、凹凸の各谷の部分が目標厚さ分布面Ｓに近づくように第１段階のエッチング（第１のエッチング）がなされる。すなわち、谷の部分の上記目標厚さ分布面Ｓからの厚さが厚い部分ほど多く（山の部分および谷の部分が上記目標厚さ分布面Ｓに近づくように）エッチングされる。このとき、上記各谷の部分の最下点が、目標厚さ分布面Ｓに後述の第２段階のエッチング（第２のエッチング）における最低取代量を加えた表面位置（以下「中間目標位置Ｓ’」という）を下回らず、且つ中間目標位置Ｓ’に極力近づくようにエッチングを行うことで、第１のエッチングにおける除去（エッチング）体積を最大化し、最も高い除去効率、すなわち多段局所ドライエッチング加工全体として最短の加工時間を実現することが可能となる。

（３） 次に、小径のノズル５”によって、図３に示す第１のエッチングによって形成されたシリコンウェーハ１の厚さ分布面が目標厚さ分布面Ｓに沿った位置になるまで第２のエッチングがなされることにより、すなわち、特に上記第１のエッチングでは除去できない空間波長成分が除去されることにより、シリコンウェーハ１の厚さ分布面が全面的に目標厚さ分布面Ｓに沿った形状となる。なお、上記目標厚さ分布面Ｓに沿った形状は、所定の精度の範囲で目標厚さ分布面Ｓに一致する形状でもよいし、さらに仕上げ加工によって除去され得る多少の取代分布が残された形状でもよい。

ここで、上記（２）の第１のエッチングによって形成される図３に示すような厚さ分布面の回帰面は同図に破線で示すように必ずしも平坦とはならない。しかしながら、このように各谷の部分が目標厚さ分布面Ｓに近づくように形成されることによって（上記各谷の部分の最下点が、目標厚さ分布面Ｓに第２のエッチングにおける最低取代量を加えた表面位置（中間目標位置Ｓ’）を下回らず、且つ中間目標位置Ｓ’に極力近づくように形成されることによって）、例えば図４に示すように第１のエッチングによって形成される厚さ分布面の回帰面が平坦な、いわゆる平坦化加工が第１段階でなされる場合に比べて、第２のエッチングによる取代が少なく抑えられることになり、加工時間を短縮できることになる。

なお、上記実施形態では、第１のエッチングおよび第２のエッチングの走査速度マップを作成した後、第１段階として、大径のノズル５’による第１のエッチングを行った後に、第２段階として、小径のノズル５”による第２のエッチングを行う例にて説明したが、それ以外にも、工順を逆にして小径のノズル５”によって第２のエッチングを行った後、大径のノズル５’によって第１のエッチングを行うことも可能である。

より具体的には、例えば、図５に示すように、まず、小径のノズル５”による第２のエッチングによって、大径のノズル５’による第１のエッチングでは除去できない空間波長成分の除去が行われた後に、大径のノズル５’による第１のエッチングによって、その大径のノズル５’によって可能な空間波長成分の除去が行われようにしてもよい。

すなわち、各ノズル５’・５”によって行われるエッチングの順序には直接係わらず、これらのノズル５’・５”によるエッチングの取代が上記のように設定されることによって、加工時間を容易に短縮することができる。

上記のように、上記小径のノズル５”による取代を少なく抑えることによって、全体の処理時間を容易に短くすることができる。すなわち、小径のノズル５”は大径のノズル５’と比較してそのノズルの開口径が小さく活性種ガスの噴出量が少ないため、より細かい凹凸の除去ができるがエッチングレートは低くなる。そのため、大径のノズル５’によるエッチング量を最大限とし、小径のノズル５”によるエッチング量を最小限とすることによって全体の処理時間を容易に短くすることができる。

また、上記実施形態においては、ノズル５’・５”の開口径が異なる例にて説明したが、それ以外にも、複数のノズル開口部（ウェーハ側に開口したノズルの先端部）とシリコンウェーハ１との距離を異ならせるなど、特開２０１６－０８１９４８号公報等にて開示されるような公知の技術により、複数のノズルのエッチング特性を異ならせることでも本発明を実施することができる。より具体的には、エッチングによって除去可能な空間波長成分と除去効率が異なる複数種類のエッチングとしては、上記第１のエッチングが行われる場合と、上記第２のエッチングが行われる場合とで、上記ノズルの開口部とエッチング処理対象との距離、ノズルの周囲に配置された排気手段の排気条件、エッチング処理対象の加工領域および／または排気ダクトの周辺に供給する不活性ガスの流量、放電管に供給される非活性のプロセスガスから分岐させて、エッチング処理対象の加工領域および／または排気ダクトの周辺に供給する非活性のプロセスガスの流量、上記ノズルの開口形状、上記ノズルに接続された放電管に供給するガスの流量、および電磁波発生器から出力される電磁波の強さのうち少なくとも何れかが異なるようにしてもよい。

ここで、第１のエッチングによる取代分布が、第１のエッチングによって除去可能な最大取代分布に設定される場合に、最も高い除去効率を得られることになるが、これに限らず、上記最大取代分布を第１のエッチングによる取代分布の上限として、例えば図４に示したような、第１のエッチングによって除去できない空間波長成分の回帰面が、目標厚さ分布面と平行になるように第１のエッチングによる除去を行うとした場合の最大取代分布よりも大きな取代分布に設定され、また、例えば特許文献１に示されるような、第２のエッチングだけによって目標厚さ分布面と平行な分布面を最小取代分布で形成するとした場合の第１のエッチングによる取代分布よりも大きな取代分布に設定されることが可能であり、これによって、より高い除去効率が得られ、加工時間の短縮を図ることが容易にできる。

（その他の事項）
なお、上記のように小径のノズル５”でのエッチングによる取代を小さく抑えられるようにするための具体的な制御は、上記に限らず、等価や同等な種々の演算、制御が行われるようにしてもよい。例えば、上記のように凹凸の各谷の部分が目標厚さ分布面Ｓに近づくようにするのに限らず、高い空間波長成分の振幅（例えば図２のＡ、Ｂ）が小さい部分ほど、局所的な平均厚さ（例えば図３の破線部分のＣ、Ｄ：低い空間波長成分の形状）が目標厚さ分布面Ｓに近づくように制御するなどしてもよい。

また、上記の例ではシリコンウェーハ１上に形成された半導体層を目標の厚さに加工する例を示したが、これに限らず、シリコン、石英等の基板自体をエッチング処理対象として目標の厚さに加工してもよい。

また、基板上に形成された膜等がエッチング処理対象とされる場合、そのエッチング対象は、シリコン（ＳＯＩ）等の半導体膜や、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の絶縁膜、タンタル等の導電膜などであってもよい。

また、エッチング処理対象に合わせ、プロセスガスは、適宜四フッ化炭素や三フッ化窒素などの他のガスであってもよい。

また、基板全体や半導体層などの厚さや平行度・平坦度等に目標値をもって加工をしてもよい。すなわち、図２等では模式的に目標厚さ分布面Ｓが平面的に描かれているが、種々の厚さまたは形状（例えばレンズ形状、特定・任意の形状など）となる目標厚さ分布面Ｓが設定されればよい。

また、上記第１、第２段階のエッチングは、それぞれ１回のエッチング走査（エッチング動作）によって行われるのに限らず、少なくとも一方が複数回のエッチング走査によって行われてもよい。

１ シリコンウェーハ
２ ステージ
３ Ｘ軸駆動モータ
３’ Ｙ軸駆動モータ
４ 放電管
５’ ノズル
５” ノズル
６ プラズマ発生領域
７ マイクロ波電源
８ プロセスガス供給ライン
９ 制御コンピュータ
１０ ゲートバルブ
１１ 層厚測定装置

Claims (9)

1. エッチング処理対象を多段局所ドライエッチングによって所定の目標厚さ分布面まで除去するエッチング装置であって、
   所定の空間波長成分の除去が可能な第１のエッチングと、
   上記第１のエッチングでは除去できない空間波長成分の除去が可能な第２のエッチングが行われるように構成されるとともに、
   上記第１のエッチングによる取代分布が、第１のエッチングによって除去可能な最大取代分布以下であって、第１のエッチングによって除去できない空間波長成分の回帰面が、目標厚さ分布面と平行になるように第１のエッチングによる除去を行うとした場合の最大取代分布よりも大きな取代分布、かつ、第２のエッチングだけによって目標厚さ分布面と平行な分布面を最小取代分布で形成するとした場合の第１のエッチングによる取代分布よりも大きな取代分布に設定され、上記第２のエッチングによる取代分布が、上記第１のエッチングによって除去しない部分を除去対象と設定されるように構成されていることを特徴とするエッチング装置。
2. 請求項１のエッチング装置であって、
   上記エッチング処理対象の表面に沿って相対的に移動しながらエッチングガスを噴出するノズルを備え、
   上記第１および第２のエッチングによる取代分布は、上記エッチング処理対象の厚さの測定結果に基づいて取得された厚さ分布面に基づいて、上記エッチング処理対象と上記ノズルとの相対的な走査速度が決定されることにより設定されることを特徴とするエッチング装置。
3. 請求項２のエッチング装置であって、
   上記第１のエッチングによる取代分布を設定するための上記走査速度が決定された後に、上記第２のエッチングによる取代分布を設定するための上記走査速度が決定されるように構成されていることを特徴とするエッチング装置。
4. 請求項１から請求項３のうち何れか１項のエッチング装置であって、
   上記第１のエッチングが行われた後に、第２のエッチングが行われるように構成されていることを特徴とするエッチング装置。
5. 請求項１から請求項３のうち何れか１項のエッチング装置であって、
   上記第２のエッチングが行われた後に、第１のエッチングが行われるように構成されていることを特徴とするエッチング装置。
6. 請求項１から請求項５のうち何れか１項のエッチング装置であって、
   上記エッチング処理対象の表面に沿って相対的に移動しながらエッチングガスを噴出するノズルを備え、
   上記第１のエッチングが行われる場合と、上記第２のエッチングが行われる場合とで、上記ノズルの開口径、上記ノズルの開口部とエッチング処理対象との距離、ノズルの周囲に配置された排気手段の排気条件、エッチング処理対象の加工領域および／または排気ダクトの周辺に供給する不活性ガスの流量、放電管に供給される非活性のプロセスガスから分岐させて、エッチング処理対象の加工領域および／または排気ダクトの周辺に供給する非活性のプロセスガスの流量、上記ノズルの開口形状、上記ノズルに接続された放電管に供給するガスの流量、および電磁波発生器から出力される電磁波の強さのうち少なくとも何れかが異なることを特徴とするエッチング装置。
7. 請求項１から請求項６のうち何れか１項のエッチング装置であって、
   上記第１のエッチングによる取代分布が、上記エッチング処理対象の表面と、目標厚さ分布面に上記第２のエッチングの最低取代分布を加えた平行分布面との、差分の分布を除去対象として、上記第１のエッチングの取代分布において上記エッチング処理対象の全面内すべての位置の取代が上記差分の分布を超えない取代に設定され、上記第２のエッチングによる取代分布が、上記第１のエッチングによって除去しない部分を除去対象と設定されるように構成されていることを特徴とするエッチング装置。
8. 請求項１から請求項７のうち何れか１項のエッチング装置であって、
   上記第１のエッチング、および上記第２のエッチングの少なくとも一方は、複数回のエッチング動作によって行われることを特徴とするエッチング装置。
9. 請求項１から請求項８のうち何れか１項のエッチング装置を用いたエッチング方法であって、
   上記第１のエッチングが行われる第１のエッチング工程と、
   上記第２のエッチングが行われる第２のエッチング工程と、
   を有することを特徴とするエッチング方法。

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