JP2006165173A

JP2006165173A - 半導体装置の製造装置および製造方法

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Publication number: JP2006165173A
Application number: JP2004352766A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Omura; 村光広大
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-12-06
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】面内の加工形状差をより低減することを可能にする。
【解決手段】内部に被処理基板１２が載置されプラズマ処理を行う反応室１１と、反応室に処理用ガスを導入する導入ライン１３、１４と、反応室内の処理用ガスに高周波電力を印加してプラズマを発生させる高周波電力システム３２、３４と、反応室内のガスを排気する複数の排気ライン１６、１７とを備え、複数の排気ラインのうちの少なくとも１つは、被処理基板の直上の反応室の上壁に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造装置および製造方法に関する。

近年の半導体装置の製造においては更なる低コスト化を目指した基板の大口径化が進んでいる。すなわち、１ウェハーあたりのチップ数を増加させ、１チップあたりのコストを低減させることが進んでいる。

しかし、半導体装置の製造における各処理のウェハー面内の均一性が悪化すれば逆に歩留まり低下を招くこととなる為、ウェハー面内の均一性を上げることは必須の課題となっている。

基板の大口径化に際して特に面内の均一性維持が困難である工程として、プラズマを用いるドライエッチングやアッシング、又はプラズマＣＶＤなどが挙げられる。プラズマを用いる工程の面内均一性に関連する要素としては様々なパラメータが考えられるがそのうちの一つとしてガス流れの不均一に起因したレジデンスタイムの面内の不均一が挙げられる。特に反応性ガスを用いたドライエッチングにおいてはこのレジデンスタイムは加工形状に大きな影響を及ぼす。

ちなみにレジデンスタイムはガス分子、ラジカル、反応生成物分子などの反応室内の滞在時間をあらわす。例としてフルオロカーボン系ガスを用いたドライエッチングの反応生成物分子を考えると、シリコン酸化膜に対してＣＨＦ_３ガスを用いてエッチングを行った場合、反応生成物としてＳｉＦｘが生成される。ＳｉＦ_４は蒸気圧が高いため容易に気相中に除去されるが、実際にはＳｉＦやＳｉＦ_２からなる分子も生成され、これらはある確率でパターン側壁などに再付着し、ＣＨＦ_３ガスから供給されるＣＦｘラジカルと共に堆積膜を形成し、その結果加工形状がテーパ形状となる。よって、ＳｉＦｘの滞在時間を短くしてすばやく排気することによって加工形状を垂直にすることが可能である。

しかし、大口径化した従来のエッチングチャンバーにおいて、特にナローギャップの平行平板型ＲＩＥ装置においては、通常ガスは天板からシャワーヘッドを通じてウェハー全面に供給されるが、排気はウェハー端部からのみ行われる。つまり、反応生成物もウェハー中央部からウェハー端部に向けて流れることとなる。するといくら排気性能を上げて反応生成物のレジデンスタイムを下げても、ウェハー端部での反応生成物の量が増加することとなり、結果としてウェハー端部近傍で加工形状がテーパ形状になる問題が生じる。言い換えればウェハー径が２００ｍｍから３００ｍｍになった場合、ウェハー中央部で生成した反応生成物分子はウェハー半径方向に１００ｍｍから１５０ｍｍ移動することになり、当然ウェハーに付着する可能性が増加することとなる。すなわち、ウェハー上で例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力の印加によってプラズマを生成し、ドライエッチングを行う場合、ウェハー端部にはウェハー中央部からの反応生成物も流れてくる為に反応生成物の量が多くなる。

例えば、半導体基板上にシリコン酸化膜が堆積され、レジストがパターニングされており、このレジストをマスクとしてシリコン酸化膜をエッチングしている場合を考える。この場合、エッチングされるシリコン酸化膜およびレジストの側部には反応生成物に起因する堆積物とエッチングガスからのフルオロカーボン供給に起因する堆積物の両方が付着し、この堆積膜の付着によってシリコン酸化膜の側部がテーパー形状となる。ここでウェハーの中央部と端部を比較すると、これらの堆積物はガスの流れから考えて特にウェハー端部において多くなる。つまりウェハー端部においてテーパー形状が発生しやすくなり、全体としてウェハー面内の形状差を生じることとなる。

このような現象を少しでも改善する為、導入ガスのガス流量をウェハー中央部と端部において変化させる導入ガス２系統化が既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。この技術を用いてウェハー端部での導入ガスを増加させた場合には当然ウェハー端部でのレジデンスタイムが短くなる。このため、反応生成物の排気効率も向上すると考えられる。しかし、ウェハー中央部からの反応生成物の供給は無くなるわけではなく、その結果ウェハーの中央部と端部の形状差は残ることとなる。

このようにウェハーの中央部と端部の形状差は容易に改善できるものではなく、増して大口径化した場合にはさらに深刻な問題となる。

以上説明したように、近年の半導体装置の製造においては更なる低コスト化を目指した基板の大口径化が進んでおり、特にプラズマを用いたドライエッチング工程においては面内の加工形状差を低減することが非常に困難となってきている。
特開２００２−６４０８４号公報

本発明は、面内の加工形状差をより低減することのできる半導体装置の製造装置および製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様による半導体装置の製造装置は、内部に被処理基板が載置されプラズマ処理を行う反応室と、前記反応室に処理用ガスを導入する導入ラインと、前記反応室内の前記処理用ガスに高周波電力を印加してプラズマを発生させる高周波電力システムと、前記反応室内のガスを排気する複数の排気ラインとを備え、前記複数の排気ラインのうちの少なくとも１つは、前記被処理基板の直上の前記反応室の上壁に設けられていることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様による半導体装置の製造方法は、反応室の上壁に設けられた導入ラインから処理用ガスを導入し、前記処理用ガスに高周波電力を印加してプラズマ化して、前記反応室内に載置される被処理基板にプラズマ処理を行うとともに、前記被処理基板の直上の前記反応室の前記上壁および前記反応室の上壁以外に設けられた排気ラインから前記反応室内のガスを排気することを特徴とする。

本発明によれば、排気ラインを２系統以上設けたことにより、ウェハー面内の加工形状差を低減することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による半導体装置の製造装置を図１および図２を参照して詳細に説明する。

本実施形態の製造装置は、ドライエッチング装置であって、図１にその構成を示す。本実施形態の製造装置は、プラズマ処理を行う真空反応室１１を備えており、この真空反応室１１の上壁の中央部に第１のガス導入ライン１３が、周辺部に第２のガス導入ライン１４が設けられている。そして、真空反応室１１の上壁の第１のガス導入ライン１３と第２のガス導入ライン１４との間の領域には排気ライン１７が設けられている。また、真空反応室１１の側壁の下部にも排気ライン１６が設けられている。なお、少なくとも第１および第２のガス導入ライン１３、１４と真空反応室１１との接続部には、ガスを分散させるシャワーヘッド１５が設けられている。

また、真空反応室１１内にはウェハー１２を支持するサセプタ１８と、プラズマの広がりを抑えるバッフル板１９が設けられている。また、サセプタ１８にはコンデンサ３２を介して高周波電源３４が接続されており、この高周波電源３４より高周波電力を印加することによって真空反応室１１にプラズマを生成させる。

本実施形態の製造装置においては、ガス導入ラインが真空反応室１１の上壁の中央部に設けられた第１のガス導入ライン１３と、周辺部に設けられた第２のガス導入ライン１４の２系統であるとともに、排気ラインが真空反応室１１の上壁に設けられた排気ライン１７と、側壁に設けられた排気ライン１６の２系統となっている。このため、従来の場合と異なり、ウェハー１２の真上からも排気を行う構成となっている。なお、排気ライン１６は真空反応室１１の側壁に設けたが、真空反応室１１の底部に設けてもよい。

次に、本実施形態の製造装置における、反応生成物の流れと、導入ガスの流れ、およびガスの排気の流れを図２に示す。真空反応室１１の上壁の中央部に設けられた第１のガス導入ライン１３および周辺部に設けられた第２のガス導入ライン１４からエッチングガス２が導入されるととともに、高周波電源３４よりサセプタ１８を介して高周波電力が印加されることにより真空反応室１１内にプラズマが発生し、このプラズマによってウェハー１２がエッチングされる。このとき、ウェハー１２の中央部からの反応生成物が矢印２０に示すように、ウェハー１２の端部からの反応生成物が矢印２１に示すように流れるとともに、ウェハー１２の中央部においては排気ガスが矢印２４に示すように流れて排気ライン１７から、ウェハー１２の周辺部においては排気ガスが矢印２５に示すように流れて排気ライン１６から排気される。

このように、本実施形態においては、ウェハー１２の中央部からの排気２４によって、ウェハー１２の中央部からの反応生成物の少なくとも一部が排気されることになり、ウェハー１２の端部への反応生成物の流れが減少する。このため、ウェハー１２の中央部からの反応生成物の流入に起因したウェハー１２の端部の加工パターンの側壁への堆積膜の生成が抑えられることとなり、ウェハー面内の加工形状差が改善される。

なお、本実施形態において、さらに第１のガス導入ライン１３と、第２のガス導入ライン１４での導入ガス流量に差を設けることによってウェハー１２の面内のレジデンスタイムを制御し、ウェハー面内の加工形状差をより低減するようにしてもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による半導体装置の製造装置を図３を参照して詳細に説明する。

本実施形態による製造装置は、ドライエッチング装置であって、その構成を図３に示す。本実施形態の製造装置は、第１実施形態の製造装置において、排気ライン１６、１７にガスの排気量を制御する制御弁としての圧力制御バルブ４０、４１をそれぞれ設けた構成となっている。

このように、圧力制御バルブ４０、４１を設けたことにより、ガス排気量をウェハー１２の中央部と端部で独立に制御することが可能となり、ウェハー面内の反応生成物の流れ、導入ガスの流れをより詳細に制御することができる。これにより、ウェハー面内の加工形状差をより低減することができる。

なお、第１および第２実施形態においては、ガスの導入ラインを２系統、排気ラインを２系統としているが、これを発展させてそれぞれを３系統以上にすることも当然可能であり、ウェハー面内の形状をより精密に制御することができる。

上記第１および第２実施形態において、ガス導入ライン１３、１４に接続される、シャワーヘッド１５に設けられたガス導入口、および排気ライン１７に接続される、シャワーヘッド１５に設けられた排気口の配置の一例を図４に示す。図４に示す例においては、同心円状に領域を分け、中央部の第１の領域には複数（図４では４個）のガス導入口が設けられ、第１の領域を取り囲む第２領域には複数個の排気口が設けられ、第２領域を取り囲む第３の領域には複数個のガス導入口が設けられ、このように複数個のガス導入口が設けられた領域と、複数個の排気口が設けられた領域が交互に配置された構成となっている。同一の領域に配置されたガス導入口または排気口は同じガス導入ラインまたは排気ラインに接続されるように構成され、、つまりは真空反応室１１の上壁に３つのガス導入ラインと３つの排気ラインを設けることを想定している。

また、シャワーヘッド１５に設けられたガス導入口と排気口の配置の他の例を図５に示す。図５においては、中央にガス導入口が１個設けられた第１の領域があり、第１の領域を取り囲むように複数の排気口が設けられた第２の領域があり、第２の領域を取り囲むように、複数のガス導入口が設けられた第３の領域がある構成となっている。第１の領域ではガス導入口は半径方向に多重となるように設けてもよい。また、第２の領域に設けられた排気口は同一の排気ラインに接続され、第３の領域に設けられたガス導入口は同一のガス導入ラインに接続されるように構成される。

なお、領域の数、面積およびガス導入口、排気口の数、またその大きさには何の制約もなく、図４および図５に示す例はあくまで一例である。各領域ではガス導入口または排気口は半径方向に一重または多重となるように設けてもよく、それらが設けられる位置も任意に変更することが可能である。

さらに、第１および第２の実施形態においては、本発明をドライエッチング処理に適用した例を示したが、アッシング処理やＣＶＤ処理などの他のプラズマ処理に適用することもでき、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。

本発明の第１実施形態による半導体装置の製造装置の構成を示す断面図。第１実施形態の製造装置のガスの流れを説明する断面図。本発明の第２実施形態による半導体装置の製造装置の構成を示す断面図。第１および第２実施形態の製造装置において、シャワーヘッドに設けられるガス導入口と排気口の配置の一例を示す図。第１および第２実施形態の製造装置において、シャワーヘッドに設けられるガス導入口と排気口の配置の他の例を示す図。

符号の説明

１１真空反応室
１２ウェハー
１３ガス導入ライン
１４ガス導入ライン
１６排気ライン
１７排気ライン

Claims

内部に被処理基板が載置されプラズマ処理を行う反応室と、前記反応室に処理用ガスを導入する導入ラインと、前記反応室内の前記処理用ガスに高周波電力を印加してプラズマを発生させる高周波電力システムと、前記反応室内のガスを排気する複数の排気ラインとを備え、前記複数の排気ラインのうちの少なくとも１つは、前記被処理基板の直上の前記反応室の上壁に設けられていることを特徴とする半導体装置の製造装置。
前記導入ラインは複数個設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造装置。
前記複数の排気ラインのそれぞれに、ガスの排気量を制御する制御弁が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造装置。
前記被処理基板の直上の前記反応室の上壁の中央部の第１領域に第１の導入ラインが設けられ、前記第１領域を取り囲む第２領域に前記複数の排気ラインのうちの少なくとも１つが設けられ、前記第２領域を取り囲む第３領域に第２の導入ラインが設けられていることを特徴とする請求項２または３記載の半導体装置の製造装置。
反応室の上壁に設けられた導入ラインから処理用ガスを導入し、前記処理用ガスに高周波電力を印加してプラズマ化して、前記反応室内に載置される被処理基板にプラズマ処理を行うとともに、前記被処理基板の直上の前記反応室の前記上壁および前記反応室の上壁以外に設けられた排気ラインから前記反応室内のガスを排気することを特徴とする半導体装置の製造方法。