JP4987220B2 - エッチング装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体ウェーハ表面に形成される自然酸化膜を真空中でエッチング処理するエッチング装置に関する。

半導体装置を製造する工程においては、例えば半導体ウェーハのコンタクトホール表面に形成される自然酸化膜を除去する必要がある。

このような自然酸化膜を除去するエッチング方法として、近年、ラジカル状態の水素（Ｈ^*）とＮＦ₃ガスを使用する方法がいくつか提案されている。
特開平１０−３３５３１６号 特開２００１−２８４３０７号公報 特開２００３−１２４１７２号公報

しかしながら、このような従来技術においては、処理後の面内均一性を確保するのが困難であるという問題がある。

特に多数の半導体ウェーハを同時に処理する場合に、真空処理槽内の半導体ウェーハの位置によって面内均一性がばらつくという問題がある。

本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、処理後の処理対象物の面内均一性を確保することが可能なエッチング装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、真空処理槽内に複数配置された処理対象物である半導体ウェーハ表面の自然酸化膜をエッチングするエッチング装置であって、前記真空処理槽に接続され、水素ラジカルを含有する第１の処理ガスを前記真空処理槽内に導入する第１の処理ガス導入部と、第２の処理ガスとしてＮＦ ³ ガスを前記真空処理槽内に導入する第２の処理ガス導入部とを備え、前記第１の処理ガス導入部が、前記第１の処理ガスを前記真空処理槽内に導入する導入口を複数有する第１のノズル部を備え、当該第１のノズル部の複数の導入口から導入された前記第１の処理ガスを前記所定間隔で複数配置された処理対象物の間で且つ当該処理対象物の中央部分にそれぞれ導くように構成され、前記第２の処理ガス導入部が、前記第２の処理ガスを前記真空処理槽内に導入する導入口を複数有する第２のノズル部を備え、当該第２のノズル部の複数の導入口から導入された当該第２の処理ガスを前記所定間隔で複数配置された処理対象物の間で且つ当該処理対象物の中央部分にそれぞれ導くように構成され、前記第１及び第２のノズル部の導入口は、前記所定間隔で複数配置された処理対象物の間全てに位置するように設けられ、前記処理対象物は、前記真空処理槽内において回転するように構成されているエッチング装置である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記第１の処理ガス導入部の第１のノズル部が、前記第１の処理ガスを前記処理対象物の回転中心軸を通過させるように構成され、前記第２の処理ガス導入部の第２のノズル部が、前記第２の処理ガスを前記処理対象物の回転中心軸を通過させるように構成されているものである。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２のいずれか１項記載の発明において、前記第１のノズル部の導入口と前記第２のノズル部の導入口の少なくともいずれか一方は、その口径が複数の前記処理対象物間の間隔より小さいものである。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の発明において、前記第１の処理ガス導入部が、前記第１のノズル部に設けられた前記導入口から前記第１の処理ガスを分散させて均一に噴出させるように設けられた分散部材を更に有するものである。
請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項記載の発明において、前記第１及び第２のノズル部が、前記処理対象物の中央部分から等しい距離の位置に設けられた導入口を有するものである。

本発明の場合、第１の処理ガス導入部及び第２の処理ガス導入部が、処理対象物の中央部分に当該処理ガスを導くように構成されたノズル部を有していることから、第１の処理ガスと第２の処理ガスが処理対象物の中央部分において反応し、処理対象物の表面の周縁部に向って均一な状態で反応性中間生成物が生成されるようになるため、処理後の面内均一性を向上させることが可能になる。

本発明において、第１の処理ガス導入部及び第２の処理ガス導入部が、当該処理ガスを前記処理対象物の回転中心軸を通過させるように構成されたノズル部を有している場合には、処理対象物の表面の周縁部に向ってより均一な状態で反応性中間生成物を生成することができ、処理後の面内均一性を一層向上させることが可能になる。

また、本発明において、第２の処理ガス導入部が、第１のガス導入部のノズル部を挟む位置に設けられた二つのノズル部を有している場合、特に第２のノズル部が、第１のノズルのガスの導入方向に対して対称となる位置に設けられている場合には、第１及び第２の処理ガスを対称な状態で処理対象物の中央部分に導くことができ、これにより反応性中間生成物の均一性を高めて処理後の面内均一性を一層向上させることができる。

さらに、本発明では、第１及び第２のガス導入部の第１及び第２のノズル部が、所定の間隔をおいて配置された複数の処理対象物の間で且つ当該処理対象物の中央部分に当該処理ガスをそれぞれ導入するための複数の導入口を有するとともに、第１及び第２のノズル部の導入口は、所定間隔で複数配置された処理対象物の間全てに位置するように設けられていることから、複数（多数）の処理対象物に対して処理後の面内均一性を向上させることができるとともに、複数の処理対象物間の均一性も向上させることができ、多数の処理対象物を短時間で均一に処理することが可能になる。
さらにまた、第１及び第２のノズル部の少なくとも一方が、複数の導入口を有し、当該導入口の少なくともいずれか一方は、その口径が複数の処理対象物間の間隔より小さい場合には、処理後の面内均一性をより向上させることが可能になる。
加えて、第１の処理ガス導入部が、第１のノズル部に設けられた導入口から前第１の処理ガスを分散させて噴出させるための分散部材を更に有する場合には、第１のノズル部の導入口から第１の処理ガスを均一に噴出させることが可能になる。

本発明によれば、処理後の処理対象物の面内均一性を向上させることができる。

以下、本発明に係るエッチング装置の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態をエッチング装置を示す斜視図、図２は、同エッチング装置の真空処理槽の内部構成を示す横断面図、図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。
また、図４は、本発明の原理を示す説明図である。

図１〜３に示すように、本実施の形態のエッチング装置１は、図示しない真空排気系に接続された仕込取出槽２と、仕込取出槽２の上方に設けられた真空処理槽３を有している。

仕込取出槽２内には、図示しない駆動機構によって所定速度で回転可能なターンテーブル２０が設けられている。

このターンテーブル２０は、半導体ウェーハ１０を保持するボート１１を支持するもので、仕込取出槽２の上部に鉛直方向に延びるように設けられたボールねじ２１に沿って上下動するように構成されている。

仕込取出槽２と真空処理槽３とは、連通口２ａを介して接続され、上述したターンテーブル２０の上下動によってボート１１の受け渡しが行われる。

なお、処理中において仕込取出槽２と真空処理槽３とは雰囲気的に隔離されるようになっている。

本実施の形態においては、真空処理槽３に２系統の処理ガスを導入して処理を行うように構成されている。

この場合、真空処理槽３の側方から水素ラジカル（Ｈ^*）を導入する第１のガス導入部（第１の処理ガス導入部）３０が設けられている。

図２〜図４に示すように、第１のガス導入部３０は、第１の処理ガス（本実施の形態の場合はＮ₂＋ＮＨ₃）に対してマイクロ波を用いてプラズマ状態にし、真空処理槽３の上下に取り付けられた二つの導入路３０ａ及び真空処理槽３内に設けられた導入管（第１のノズル部）３１を介して水素ラジカルを導入するように構成されている。

ここで、導入管３１は、鉛直方向に延びる角形パイプ形状に形成されている。そして、導入管３１の側面には、複数の導入口３２が列状に設けられている。

図４に示すように、本実施の形態の場合は、真空処理槽３内において、多数（５０枚程度）の半導体ウェーハ１０が、一定の間隔をおいて水平に重ねて配置される。

なお、半導体ウェーハ１０のうち最上部と最下部の両側にはダミーの基板１０ｄが配置される。

本実施の形態の場合、導入管３１の各導入口３２は、例えば円形に形成されている。

本発明の場合、導入管３１の各導入口３２の口径は特に限定されることはないが、面内均一性を向上させる観点からは、半導体ウェーハ１０の間隔より小さいことが好ましい。

また、導入管３１の各導入口３２は、面内均一性を向上させる観点から、真空処理槽３内に配置される各半導体ウェーハ１０の間に位置するように設けることが好ましい。

そして、これら半導体ウェーハ１０の間において、各半導体ウェーハ１０の中央部分に向ってＨラジカルを導入するように導入管３１の各導入口３２の方向が設定されている。

特に、本例の導入管３１は、Ｈラジカルを半導体ウェーハ１０の回転中心軸１００を通過させるように構成されている。

なお、本実施の形態においては、図２及び図３に示すように、各導入路３０ａと導入口３２との間に板状の分散部材３３が設けられ、この分散部材３３によって導入管３１に沿ってＨラジカルを分散させて各導入口３２からＨラジカルを均一に噴出させるように構成されている。

一方、真空処理槽３内の第１のガス導入部３０の導入管３１に隣接する部位には、第２のガス導入部（第２の処理ガス導入部）４０が設けられている。

この第２のガス導入部４０は、図示しないガス供給源に接続され、鉛直方向に延びるパイプ形状のシャワーノズル（第２のノズル部）４１を有している。

そして、シャワーノズル４１の側部は、複数の導入口４３が設けられている。
シャワーノズル４１の各導入口４３は、例えば円形に形成されている。

本発明の場合、シャワーノズル４１の各導入口４３の口径は特に限定されることはないが、面内均一性を向上させる観点からは、半導体ウェーハ１０の間隔より小さいことが好ましい。

また、シャワーノズル４１の各導入口４３は、面内均一性を向上させる観点から、真空処理槽３内に配置される各半導体ウェーハ１０の間に位置するように設けることが好ましい。

そして、これら半導体ウェーハ１０の間において、各半導体ウェーハ１０の中央部分に向ってＮＦ₃を導入するようにシャワーノズル４１の各導入口４３の方向が設定されている。

特に、本例のシャワーノズル４１は、ＮＦ₃を上記半導体ウェーハ１０の回転中心軸１００を通過させるように構成されている。

図２に示すように、本実施の形態の場合、Ｈラジカル導入側である導入管３１の導入口３２と、ＮＦ₃導入側であるシャワーノズル４１の各導入口４３は、半導体ウェーハ１０の中央部分から等しい距離の位置に設けられているが、説明の便宜上、図４においては、半導体ウェーハ１０の中央部分から異なる距離の位置にあるように描かれている。

また、本実施の形態の場合、真空処理槽３の第１のガス導入部３０の導入管３１及び第２のガス導入部４０のシャワーノズル４１と対向する位置に排出部５０が設けられ、この排出部５０を介して真空排気を行うように構成されている。

なお、真空処理槽３には、中間生成物を熱分解して気化させるためのランプヒータ５が設けられている。

このような構成を有する本実施の形態において半導体ウェーハ１０のエッチング処理を行うには、半導体ウェーハ１０を保持したボート１１を真空処理槽３内に搬入してチャンバー内を気密状態にし、所定の圧力となるように真空排気を行う。

そして、図４に示すように、第１のガス導入部３０の導入管３１の導入口３２からＨラジカルを導入するとともに、第２のガス導入部４０のシャワーノズル４１の導入口４３からＮＦ₃を導入し、これらを混合させて反応させる。

この場合の反応式は、次のようになると考えられる。

Ｈ^*＋ＮＦ₃→ＮＨ_XＦ_Y（ＮＨ₄ＦＨ、ＮＨ₄ＦＨＦ等）
ＮＨ_XＦ_Y＋ＳiＯ₂→（ＮＨ₄Ｆ）ＳｉＦ₆＋Ｈ₂Ｏ↑

すなわち、ＮＨ_XＦ_Yと半導体ウェーハ１０の表面の自然酸化膜（ＳiＯ₂）が反応して反応生成物（（ＮＨ₄Ｆ）ＳｉＦ₆）が形成される。

その後、ランプヒータ５によって半導体ウェーハ１０を所定温度で加熱することにより、上記反応生成物を分解して排出することができる。

（ＮＨ₄Ｆ）₂ＳｉＦ₆→ＮＨ₃↑＋ＨＦ↑＋ＳiＦ₄↑

以上述べたように本実施の形態によれば、基板１０の中央部分、特に回転中心軸１００を通過させるようにＨラジカルとＮＦ₃をそれぞれ導く導入管３１とシャワーノズル４１を有していることから、ＨラジカルとＮＦ₃が基板１０の中央部分において反応し、基板１０の表面の周縁部に向って均一な状態で反応性中間生成物が生成されるようになるため、処理後の面内均一性を向上させることができる。

さらに、本実施の形態においては、第１のガス導入部３０の導入口３２及び第２のガス導入部４０の導入口４３が、所定の間隔をおいて配置された複数の半導体ウェーハ１０の間にそれぞれＨラジカルとＮＦ₃ガスを導入するように構成されていることから、複数の半導体ウェーハ１０に対して処理後の面内均一性を向上させることができ、多数の半導体ウェーハ１０を短時間で処理することができる。

図５は、本発明の他の実施の形態のエッチング装置の真空処理槽の内部構成を示す横断面図であり、以下、上記実施の形態と対応する部分については同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。

図５に示すように、本実施の形態においては、第１のガス導入部３０の導入管３１を挟むように二つの第２のガス導入部４０Ａ、４０Ｂが設けられている。

第２のガス導入部４０Ａ、４０Ｂは、図示しないガス供給源に接続され、鉛直方向に延びる一対のパイプ形状のシャワーノズル４１、４２を有している。

本実施の形態のシャワーノズル４１、４２は、第１のガス導入部３０のＨラジカルの導入方向に対して対称となる位置に配置されている。

これらシャワーノズル４１、４２は、上記実施の形態と同様にそれぞれ複数の導入口４３、４４が設けられている。

シャワーノズル４１の各導入口４３、４４は、上記実施の形態と同様に例えば円形に形成されている。

本発明の場合、シャワーノズル４１の各導入口４３、４４の口径は特に限定されることはないが、面内均一性を向上させる観点から、上記実施の形態と同様に半導体ウェーハ１０の間隔より小さいことが好ましい。

また、シャワーノズル４１の各導入口４３、４４についても、面内均一性を向上させる観点から、真空処理槽３内に配置される各半導体ウェーハ１０の間に位置するように設けることが好ましい。

そして、本実施の形態の場合も、半導体ウェーハ１０の間において、各半導体ウェーハ１０の中央部分に向って（図５に示す例においては回転中心軸１００を通過するように）、Ｈラジカルの各導入口３２の方向が設定されるとともに、ＮＦ₃の各導入口４３、４４の方向が設定されている。

このような構成を有する本実施の形態によれば、Ｈラジカル及びＮＦ₃を対称な状態で基板１０の中央部分に導くことができ、これにより反応性中間生成物の均一性を高めて処理後の面内均一性を一層向上させることができる。その他の構成及び作用効果については上述の実施の形態と同一であるのでその詳細な説明を省略する。

なお、本発明は上述の実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。

例えば、上述の実施の形態においては、第１のガス導入部３０の導入管３１と第２のガス導入部４０のシャワーノズル４１（４２）を、真空処理槽３内の排出部５０と対向する位置に隣接させて配置したが、本発明はこれに限られず、半導体ウェーハ１０の中央部分に処理ガスを導く構成である限り、導入管３１及びシャワーノズル４１（４２）の位置を適宜変更することができる。

さらに、本発明は、エッチング装置に限られず、例えばアッシング装置にも適用することが可能である。

以下、本発明に係るエッチング装置の実施例を比較例とともに詳細に説明する。＜実施例＞
図５に示すエッチング装置を用い、半導体ウェーハの間において、各半導体ウェーハの回転中心軸を通過するように、ＨラジカルとＮＦ₃を導入して半導体ウェーハの表面をエッチング処理した。

この場合、半導体ウェーハは、６．３５ｍｍの間隔をおいて水平に５０枚重ねて配置した。
Ｈラジカルの導入口の口径は３ｍｍ、ＮＦ₃の導入口の口径は０．５ｍｍとした。

そして、ＮＨ₃流量は、１．３ｓ／ｍ、ＮＦ₃の流量は、４ｓ／ｍとし、真空処理槽内の圧力が４００Ｐａとなるように調整した。

＜比較例１＞
第２のガス導入部のシャワーノズルのＮＦ₃の導入方向を対向させるようにした以外は実施例と同一の条件でエッチング処理を行った。

＜比較例２＞
第２のガス導入部のシャワーノズルのＮＦ₃の導入方向を半導体ウェーハの外周（真空処理槽内壁）方向に向けるようにした以外は実施例と同一の条件でエッチング処理を行った。

図６は、実施例と比較例１、２によるエッチング後の面内均一性を示すグラフである。

図６に示すように、実施例のエッチング装置は、比較例１、２のエッチング装置に比べて各位置の半導体ウェーハの面内均一性が大幅に向上していることが理解される。

本発明の実施の形態をエッチング装置を示す斜視図 同エッチング置の真空処理槽の内部構成を示す横断面図 図２のＡ−Ａ線断面図 本発明の原理を示す説明図 本発明の他の実施の形態のエッチング装置の真空処理槽の内部構成を示す横断面図 実施例と比較例によるエッチング後の面内均一性を示すグラフ

符号の説明

１…エッチング装置 ３…真空処理槽 １０…半導体ウェーハ １１…ボート ３０…第１のガス導入部（第１の処理ガス導入部） ３１…導入管（第１のノズル部） ３２…導入口 ４０…第２のガス導入部（第２の処理ガス導入部） ４１…シャワーノズル（第２のノズル部） ４３…導入口

Claims (5)

1. 真空処理槽内に複数配置された処理対象物である半導体ウェーハ表面の自然酸化膜をエッチングするエッチング装置であって、
   前記真空処理槽に接続され、水素ラジカルを含有する第１の処理ガスを前記真空処理槽内に導入する第１の処理ガス導入部と、
   第２の処理ガスとしてＮＦ ³ ガスを前記真空処理槽内に導入する第２の処理ガス導入部とを備え、
   前記第１の処理ガス導入部が、前記第１の処理ガスを前記真空処理槽内に導入する導入口を複数有する第１のノズル部を備え、当該第１のノズル部の複数の導入口から導入された前記第１の処理ガスを前記所定間隔で複数配置された処理対象物の間で且つ当該処理対象物の中央部分にそれぞれ導くように構成され、
   前記第２の処理ガス導入部が、前記第２の処理ガスを前記真空処理槽内に導入する導入口を複数有する第２のノズル部を備え、当該第２のノズル部の複数の導入口から導入された当該第２の処理ガスを前記所定間隔で複数配置された処理対象物の間で且つ当該処理対象物の中央部分にそれぞれ導くように構成され、
   前記第１及び第２のノズル部の導入口は、前記所定間隔で複数配置された処理対象物の間全てに位置するように設けられ、
   前記処理対象物は、前記真空処理槽内において回転するように構成されているエッチング装置。
2. 前記第１の処理ガス導入部の第１のノズル部が、前記第１の処理ガスを前記処理対象物の回転中心軸を通過させるように構成され、
   前記第２の処理ガス導入部の第２のノズル部が、前記第２の処理ガスを前記処理対象物の回転中心軸を通過させるように構成されている請求項１記載のエッチング装置。
3. 前記第１のノズル部の導入口と前記第２のノズル部の導入口の少なくともいずれか一方は、その口径が複数の前記処理対象物間の間隔より小さい請求項１又は２のいずれか１項記載のエッチング装置。
4. 前記第１の処理ガス導入部が、前記第１のノズル部に設けられた前記導入口から前記第１の処理ガスを分散させて均一に噴出させるように設けられた分散部材を更に有する請求項１乃至３のいずれか１項記載のエッチング装置。
5. 前記第１及び第２のノズル部が、前記処理対象物の中央部分から等しい距離の位置に設けられた導入口を有する請求項１乃至４のいずれか１項記載のエッチング装置。

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