JP7303315B2 - 半導体製造装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体製造装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は半導体製造装置および半導体装置の製造方法に関し、特に、プラズマを用いないベーパーエッチング装置およびこれを用いた製造方法に関するものである。
半導体ウエハの試料上に設けられた膜（例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜）を処理して回路用の構造を形成する工程を有する半導体デバイスの製造においては、半導体デバイスの微細化に伴って、より高精度な加工技術のニーズが高まっている。近年では、ＳｉＯ2膜を加工する処理装置として、プラズマを用いず、処理用のガスとして特定の物質の蒸気をＳｉＯ2膜の表面に供給して、当該物質の原子または分子とＳｉＯ2膜とを反応させる、所謂ベーパーエッチング装置の開発が進んでいる。
例えば、ＳｉＯ2膜向けのベーパーエッチングにおいては、非特許文献１で記載されている様に、フッ酸（ＨＦ）とアルコールとの混合ガスを用いたエッチングが提案されている。また、特許文献１（特開２０１５－１６１４９３号公報）においても、ＨＦとアルコールとの混合ガスを用いたベーパーエッチング装置が提案されている。
特開２００５－１６１４９３号公報
Chun Su Lee et al., "Modeling and Characterization of Gas-Phase Ethihng of Thermal Oxide and TEOS Oxide Using Anthdrous HF and CH3OH", J. Electrochem. Soc., vol. 143, No.3 pp.1099-1103 (1996)
ＨＦとアルコールとの混合ガスのベーパーを用いたエッチングにおいては、エッチングの速度（レート）を所望の範囲内のものにするために、エッチング中にウエハの温度を適切な範囲に維持することが効果的であることが判っている。また、エッチングのレートに影響する他のパラメータとしては、処理室内の圧力が挙げられる。しかし、処理室内の温度および圧力などのパラメータは、高い速度で変更することが一般的に困難である。このため、従来では、混合ガスを蒸気として供給し、ＳｉＯ2を対象としてエッチングを行うベーパーエッチングでは、エッチング量は時間の経過に伴って単調に増大する、所謂連続エッチングを適用していた。
一方で、近年の半導体デバイスの加工においては、高精度のエッチングが求められており、例えば、ＳｉＯ2を原子層レベルでエッチングする、所謂、ＡＬＥ（Atomic Layer Etching）のニ－ズが高まっている。このようなＳｉＯ2を対象とするＡＬＥの課題に対して、特許文献１に記載されている技術では、高い精度で単位時間あたりのエッチング量（エッチングレート）を所望の範囲内の値に調節できず、処理の歩留まりが損なわれるという問題が生じ得る。
本発明の目的は、ＳｉＯ2を含む膜を高い精度でエッチングでき、特に原子層レベルのエッチングにおいて、処理の歩留まりを向上させた半導体製造装置および半導体装置の製造方法を提供することにある。
その他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
代表的な実施の形態による半導体製造装置は、処理容器と、前記処理容器内部の処理室に、フッ化水素およびアルコールのそれぞれの蒸気を含む処理用のガスを導入する導入口と、前記処理室に配置され、処理対象のウエハがその上面に載せられる試料台と、前記試料台の内部に配置され、前記ウエハの前記上面に形成された第１膜をプラズマを用いずにエッチング処理する際、前記処理用のガスにより前記ウエハの前記上面上に形成される第１層に電界を形成する直流電力が印加される電極と、前記直流電力を供給する電源が出力する電圧の値または極性を切り替える第１制御部と、を有するものである。
代表的な実施の形態によれば、半導体製造装置の性能を向上できる。特に、ＳｉＯ2の高精度なエッチングが可能となる。
本発明の実施の形態に係る半導体製造装置であるエッチング装置の構成を模式的に示す縦断面図である。 図１に示すエッチング装置の全体の構成をそれぞれが機能を示すブロック同士が接続された図として模式的に示すブロック図である。 図１に示すエッチング装置を用いたエッチング処理中のウエハ上面とその上方の処理室内の構成を示す模式図である。 図１に示すエッチング装置を用いたエッチング処理中のウエハ上面とその上方の処理室内の構成を示す模式図である。 エッチング処理における時間とエッチング量との関係を示すグラフである。 図１に示すエッチング装置を用いたエッチング処理における時間とエッチング量との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態の変形例１に係る半導体製造装置であるエッチング装置の構成を模式的に示す縦断面図である。 図７に示すエッチング装置を構成する試料台を示す平面図である。 図７に示す変形例に係る半導体製造装置であるエッチング装置を用いて処理されたウエハ上面のＳｉＯ2膜のエッチングレートのウエハの半径方向の位置に対する変化を模式的に示すグラフである。 本発明の実施の形態の変形例１に係る半導体製造装置であるエッチング装置の構成を模式的に示す縦断面図である。 図１０に示すエッチング装置を構成する試料台を示す平面図である。 図１０に示す変形例に係る半導体製造装置であるエッチング装置を用いて処理されたウエハ上面のＳｉＯ2膜のエッチングレートのウエハの半径方向の位置に対する変化を模式的に示すグラフである。 本発明の実施の形態の変形例３に係る半導体製造装置であるエッチング装置の構成を模式的に示す縦断面図である。 本発明の実施の形態の変形例３に係る半導体製造装置であるエッチング装置の構成を模式的に示す縦断面図である。 比較例のエッチング装置を用いたエッチング処理中のウエハ上面とその上方の処理室内の構成を示す模式図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
（実施の形態）
以下では、半導体デバイスを製造する工程として、半導体ウエハ（以下、単にウエハという）の上面上に予め形成された処理対象の膜であるＳｉＯ2膜に対して、エッチング処理を行うエッチング装置およびエッチング方法について説明する。このエッチング装置およびエッチング方法は、処理用の混合ガスを構成する物質としてフッ化水素（ＨＦ、フッ酸）およびアルコールＸ（ＣｘＨｙＯＨ）を含む蒸気を供給してエッチング処理を行う、所謂ベーパーエッチングを実施するものである。本実施の形態は、ＳｉＯ2のエッチングの速度（レート）を高い精度で調節することが可能な半導体製造装置または半導体装置の製造方法を提供するものである。
＜改善の余地の詳細＞
ＳｉＯ2膜を加工する処理としては、プラズマを用いずに処理用のガスとして特定の物質の蒸気をＳｉＯ2膜表面に供給して、当該物質の原子または分子とＳｉＯ2とを反応させる、所謂ベーパーエッチング法がある。
例えば、ＳｉＯ2向けのベーパーエッチングにおいては、ＨＦとアルコールとの混合ガスを用いたエッチングを行うことが考えられる。ＨＦとアルコールとのベーパーエッチングでは、気相中で混合されたＨＦとアルコールＸとがウエハ表面で液化する。ウエハ表面の液相では、以下の式１で示される様に、ＨＦとアルコールＸは、負イオンＨＦ2 -と正イオンＸＨ+にそれぞれイオン化する。
２ＨＦ+Ｘ→ＨＦ2 -+ＸＨ+ ・・・（１）
一方で、当該液相とエッチング対象であるＳｉＯ2膜との界面においては、負イオンであるＨＦ2 -がＳｉＯ2のシリコン原子（Ｓｉ）と酸素原子（Ｏ）とのボンドを切断し、四フッ化シリコン（ＳｉＦ4）と水（Ｈ2Ｏ）とを生成する。なお、この化学反応には、プロトン（Ｈ+）が必要であるが、プロトンは当該液相中のＸＨ+から供給される。結果として、当該界面では、以下の式２に示される反応が進む。
ＳｉＯ2＋２ＨＦ2 -＋２ＸＨ+→ＳｉＦ4＋２Ｈ2Ｏ＋２Ｘ ・・・（２）
本反応を纏めると、下記の式３の反応式となる。
ＳｉＯ2＋４ＨＦ＋２Ｘ→ＳｉＦ4＋Ｈ2Ｏ＋２Ｘ ・・・（３）
仮に、真空ポンプ等で反応生成物であるＳｉＦ4およびＨ2Ｏなどを排気し続ければ、式３の左辺から右辺への反応が一方向に進み、結果としてＳｉＯ2のエッチングが進行する。本反応を真空容器中で実施するためには、ＳｉＦ4またはＨ2Ｏなどの飽和蒸気圧力以下でエッチングを実施する必要がある。ただし、式１の反応を効率的に進めるために、処理室内の圧力は、ＨＦまたはアルコールＸの飽和蒸気付近の圧力であることが好ましい。例えば、数十～数百Ｐａの圧力下でエッチングを実施した場合、効率的なエッチングが可能となる。
ＨＦとアルコールＸとの混合ガスのベーパーを用いたエッチングにおいて、エッチングの速度（レート）を所望の範囲内とするためには、エッチング中にウエハの温度を適切な範囲に維持することが効果的である。例えば、処理室内に配置された試料台上にウエハを載せた状態で、試料台の温度を適切に低い値にすることで、ＨＦまたはアルコールＸなどの蒸気の粒子がウエハへ付着する割合（付着係数）が上昇する。これにより、ウエハ表面上方の室内に供給された物質の蒸気のうち、ウエハ表面に付着した一部は相互に結びついて液滴を形成し、さらに、ウエハの表面上に上記の成分から構成された液（液相）の層が形成される。
このような状態を、図１５に示す。図１５は、比較例のエッチング装置を用いたエッチング処理中のウエハ上面とその上方の処理室内の構成を示す模式図である。図１５では、気相状態のフッ化水素（ＨＦ）を白い三角で示し、気相状態のアルコールＸを白い四角で示し、液相状態の負のイオンＨＦ2 -をハッチングを付した三角で示し、液相状態の正のイオンＸＨ+をハッチングを付した四角で示している。
図１５に示すように、領域１Ａでは、ウエハ表面に酸化シリコン（ＳｉＯ2）の膜が予め形成されている。また、当該ＳｉＯ2膜４ａ上の室内には、フッ化水素（ＨＦ）およびアルコールＸからなる蒸気が供給され、ＳｉＯ2膜４ａの上面上の領域１Ｂに、これらの物質（フッ化水素およびアルコール）が液相として層を構成した液相層と、当該液相層上の室内の領域１Ｃに、これらの物質（フッ化水素およびアルコール）が気相状態の蒸気となっている気相層とが存在している。この状態において、ＳｉＯ2膜４ａに接した液相層でエッチャントである負のイオンＨＦ2 -の総数が気相層よりも増大し、結果としてＳｉＯ2のエッチングされる速度（レート）が増大する。
このような状態で、エッチングのレートに影響を与える他のパラメータとしては、処理室内の圧力が挙げられる。ＨＦの蒸気が供給される処理室内の圧力を増大させる事でＨＦ2 -の生成率を上げることが可能となる。しかし、温度および圧力などのパラメータは、処理の条件が変化する場合に短い時間でこれに対応して値を変化させること、つまり高い速度で応答させることが困難である。このため、混合ガスを蒸気として供給し、ＳｉＯ2を対象としてエッチングを行うベーパーエッチングでは、エッチング量は時間の経過に伴って単調に増大させる、所謂、連続エッチングを適用することが考えられる。
一方で、ＳｉＯ2を原子層レベルでエッチングする、所謂ＡＬＥ（Atomic Layer Etching）において、特許文献１に記載されているようなＨＦとアルコールとの混合ガスを用いてエッチングを行うと、単位時間あたりのエッチング量（エッチングレート）を高い精度で所望の範囲内の値に調節できず、処理の歩留まりが損なわれる。
このように、プラズマを用いないベーパーエッチングでは、ＳｉＯ2を含んで構成された膜を高い精度でエッチングできず、特に原子層レベルのエッチングにおいて、処理の歩留まりを向上させることが困難であるという改善の余地が存在する。
＜本実施の形態のエッチング装置の構造＞
以下に、本実施の形態について、図１～図６を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る半導体製造装置であるエッチング装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。特に、図１では、ウエハに直流電界を印加してＳｉＯ2をエッチング処理するエッチング装置が示されている。
図１に示すように、本実施の形態のエッチング装置１００は、真空容器（処理容器）１内部に減圧される空間である処理室３０と、処理室３０内に配置されてウエハ４が上面の上方に載せられる試料台（ステージ）である電極５とを備えている。電極５上にウエハ４が設置された際、電極５とウエハ４とは物理的に接触する。少なくとも一部に円筒形状を有した真空容器１はその上部で内部を気密に封止する蓋部材である円形の天板１ａと、その下方で処理室の上方の箇所にガス導入部２とを備えている。天板１ａとガス導入部２とを上下方向に貫通したガスの経路であるガス導入孔３２を含むガス導入部２を備えている。ここでいう真空容器１の少なくとも一部とは、真空容器１のうち、電極５よりも上方の処理室３０を平面視で囲む部分である。
処理室３０内部には、処理用ガスとしてＨＦとアルコールＸとを含む混合ガスが導入される。本願でいうアルコールＸは、イソプロパノール、エタノール、メタノールなどに代表される炭化水素の水素原子をヒドロキシ基で置き換えた、化学式ＣｘＨｙＯＨで表される物質一般を指す。
さらに、真空容器１の下部には処理室３０内のガスまたは反応生成物などの粒子を処理室３０外部に排出するための貫通孔である排気口３１が、処理室３０の内外を連通して配置されている。排気口３１の下方には、排気口３１の出口と配管により連通されたターボ分子ポンプまたはロータリーポンプなどの真空排気ポンプが備えられている。真空排気ポンプの動作により処理室３０内部が排気されて減圧される。
少なくとも一部に円筒形状を有した処理室３０の下部において、上方から見て中央部に配置された電極５は円筒形状を有している。電極５は、その内部に、円板または円筒形の金属等の導電体製の部材を備えている。当該導電性を有する部材には、直流電圧源６が電気的に接続されている。直流電圧源６は、備えられた端子における直流電圧の極性を切替ることが可能な機能または極性の切替器を内蔵した、所謂バイポーラ電源が望ましいがその限りではない。
また、ここでは真空容器１の内部に、処理室３０の上方であってガス導入部２の外周側でガス導入部２を囲んでリング状に配置された少なくとも１つの赤外線ランプ（ＩＲランプ）ユニット３が備えられている。赤外線ランプユニット３は、真空容器１の上方から見て、ガス導入孔３２および電極５の中心部を囲んで配置されたリング状の空間を備えている。また、赤外線ランプユニット３は、当該空間内部でガス導入孔３２または円筒形状を有した電極５の上下方向の軸の周りに同心状または螺旋状に多重に配置された少なくとも１つの赤外線ランプ３ａを備えている。また、赤外線ランプユニット３は、赤外線ランプ３ａと処理室３０との間に配置されて処理室３０の天井面を構成し、赤外線ランプ３ａから放射される赤外線が透過する石英等の部材から構成された、リング状の窓部材３ｂを備えている。また、赤外線ランプユニット３は、窓部材３ｂの内周縁部の上方でガス導入部２を囲む円筒形の仕切りと、図示していないがリング状の上記空間の内部で赤外線ランプ３ａの上方に配置され、下方の赤外線ランプ３ａから放射される赤外光を下方の処理室３０内部に向けて反射する反射板を備えている。
赤外線ランプ３ａは図示しない直流電源と電気的に接続されて電力が供給され、これにより赤外線ランプ３ａから放射した赤外線がウエハ４に照射されることにより、ウエハ４上の残渣および反応生成物が輻射による加熱によって除去される。つまり、赤外線ランプ３ａは、ウエハ４に対しエッチング装置１００によりエッチングを行った後、ウエハ４上の残渣および反応生成物を除去するために用いられる。
なお、被エッチング材であるＳｉＯ2からなる膜は、ウエハ４の上面に接して形成されている。また、本実施の形態のＳｉＯ2のエッチングでは、反応生成物を除去する目的で、赤外線ランプ３ａによりウエハ４への照射をするが、ここでのエッチング方法において赤外線ランプは必須の構成ではない。
本実施の形態のエッチング装置１００は、処理用のガスとして特定の物質の蒸気をＳｉＯ2膜の表面に供給して、当該物質の原子または分子とＳｉＯ2膜とを反応させる、ベーパーエッチング装置であり、エッチングの際にはプラズマを用いない。すなわち、エッチング装置１００は、プラズマエッチングを行わない。言い換えれば、エッチング装置１００は、プラズマ発生装置（プラズマ発生部）を備えていない。
次に、図１で示したエッチング装置１００が、上面に予めＳｉＯ2を含む膜が形成されたウエハ４をエッチング処理する工程について説明する。本実施の形態では、処理室３０内に、処理用のガスとしてフッ化水素（ＨＦ）およびメタノール（ＣＨ3ＯＨ）の蒸気を含む混合ガスが供給される。ＨＦおよびＣＨ3ＯＨの流量は、それぞれ５００ｍＬ／ｍｉｎおよび２５０ｍＬ／ｍｉｎに調節される。さらに、処理室３０内に導入されるガス導入部２からの処理用のガスの導入の量または速度と、真空排気ポンプの動作により調節される処理室３０からの排気の量または速度とのバランスにより、処理室３０内の圧力は１０Ｐａ～１０００Ｐａの値となるように調節される。
電極５は、内部に図示しない冷媒の温度調節用のチラーと接続された冷媒流路を備えている。ウエハ４の処理前および処理中には、チラーから冷媒流路内部を供給されて循環する冷媒の作用により、電極５とその上面上方に保持されたウエハ４の温度は、－５０～－１０℃の値に調節される。なお、ウエハ４の最適な処理温度は、処理室３０内の圧力値に依存している。上記の通り電極５内部にはバイポーラ電源である直流電圧源６と接続された導電性の部材が電極として配置され、ウエハ４の処理中に当該導電性の部材に電圧ＶDC＝±２００Ｖの電圧が印加される。
シリコン（Ｓｉ）製のウエハ４の上面には、処理対象の膜（被エッチング材）として、ＳｉＯ2を含んで構成された膜が５００ｎｍを含む所定の誤差の範囲の値の厚さで形成されている。当該膜は、熱酸化膜である。本発明者は、このようなウエハ４を用いて、処理室３０内部にＨＦとＣＨ3ＯＨとの蒸気を含む混合ガスを供給してＳｉＯ2膜をエッチング処理した際のエッチングの速度（レート）を検出した。本発明者は、ウエハ４のエッチングレートの当該検出において、ＳｉＯ2膜のエッチングレートを、ウエハ４の中心とその近傍の５箇所で検出した値の平均値として算出した。
検出されたＳｉＯ2のエッチングレートは、ＶDC＝０Ｖの場合で６０ｎｍ／ｍｉｎとなった。一方で、ＶDC＝＋２００Ｖとした場合のＳｉＯ2のエッチングレートは、８０ｎｍ／ｍｉｎ程度まで増大したのに対し、ＶDC＝－２００Ｖにした場合、ＳｉＯ2のエッチングレートが５０ｎｍ／ｍｉｎ程度に減少した。また、バイアス電圧をさらに増大させることが出来れば、エッチングレートの増大と抑制の効果は大きくなると予想される。
図２を用いて、本実施の形態のエッチング装置１００の処理用ガスを供給および排気する構成を含めた全体の構成を説明する。図２は、図１に示すエッチング装置の全体の構成をそれぞれが機能を示すブロック同士が接続された図として模式的に示すブロック図である。なお、図２では図１等に示された構成の一部は図示が省略されている。
図２に示すように、本実施の形態のエッチング装置は、処理用のガスとして蒸気を供給するフッ化水素（ＨＦ）の供給器２０とその流量調節器２１とを備えている。ＨＦの供給器２０はＨＦが内部の貯留されたタンク等の貯留部および一般的に用いられるシリンダによる高圧ガス状態でＨＦを供給する構成を有している。流量調節器２１には、気体用のマスフロー制御器が広く用いられている。
また、本実施の形態のエッチング装置は、アルコールＸの供給器２２と流量調節器２３を有している。アルコールＸの供給器２２としては、アルコールＸの貯留部とともに強制気化方式による供給または液状態での供給を行うものが用いられる。また、流量調節器２３には、例えば流量調節器２１と同様の構成を備えたものが用いられる。
処理用ガスは、ＨＦおよびアルコールＸのそれぞれが通流する経路で供給器２０、２２からのガスが流量調節器２１、２３で流量が調節された後、これらの経路が合流して１つの流路として真空容器１に接続されて内部の処理室３０内に蒸気として供給される。ただし、上記の処理用ガスを供給する構成は、図２を用いて上記した構成に限られない。
本実施の形態のエッチング装置は、真空容器２４と排気口３１に連結され連通した真空排気ポンプ２５とを有している。真空容器２４は、図１に示す真空容器１に相当する。供給器２０は、流量調節器２１を介して真空容器２４に接続され、供給器２２は、流量調節器２３を介して真空容器２４に接続され、真空容器２４は真空排気ポンプ２５に接続されている。
真空容器２４は、電極５の内部に配置された冷媒流路に所定の範囲内の温度にされた冷媒を供給して循環させるチラー２６に接続されている。ここでは、ウエハ４が電極５上面上に乗せられ保持された状態、または、ウエハ４の処理中において、冷媒流路にチラー２６からの冷媒が供給される。これにより、電極５およびその上に保持されたウエハ４のそれぞれの温度が、処理に適した範囲内の温度に冷却される。このように冷却を行うことで、混合ガスの付着率を増加させることができる。
また、真空容器２４内に設けられた電極５には、制御器（直流電源制御器、制御部）２７を介して、極性判定回路付き直流電源２８が接続されている。制御器２７により、直流電源２８から電極５に印加される電圧の極性を制御できる。
上記の処理用ガスの供給器、流量調節器、排気ポンプ、または、ウエハ４を支持する試料台の温度の調節器等の構成は、後述する各変形例の装置にも備えられている。
次に、図３および図４を用いて、本実施の形態で実施されるＳｉＯ2膜のエッチング処理中におけるウエハ４上面の構成を説明する。図３および図４は、図１に示すエッチング装置を用いたエッチング処理中のウエハ上面とその上方の処理室内の構成を示す模式図である。図１５を用いて説明したように、処理室３０内に蒸気として供給されたＨＦとアルコールＸとは、ウエハ４のＳｉＯ2膜の上面上で液相層を形成し、当該液相層内部においてＨＦとアルコールＸはそれぞれ正イオンと負イオンとに電離し、ＳｉＯ2に対するエッチャントである負のイオンＨＦ2 -が形成される。
図３では、電極５内の導電性の部材と電気的に接続された直流電圧源６の端子の極性を、当該部材および電極５の極性が正となるようにした場合のウエハ４上面の状態を示している。図３の右側には、電界の向きを大きい矢印で示している。図３において、電極５内の導電性の部材に電圧が印加されて形成された正の電界（電極５側のものが高くウエハ４上方の処理室３０内部のものが低い電位の差の分布）により、負のイオンＨＦ2 -には下方の電極５に向かう引力が働いて、ウエハ４のＳｉＯ2膜４ａの上面に近づくように負イオンＨＦ2 -が液相層内で下方に移動する。
一方、正のイオンＸＨ+には電極５から遠ざける斥力が働いて、正イオンＸＨ+はウエハ４上のＳｉＯ2膜４ａの上面から離れる方向に液相層内部を上方に移動する。つまり、ウエハ４に供給する電界を正の方向に印加した場合（相対的に電極５内の導電性部材の電位が高い正の電界を形成した場合）、ウエハ４上のＳｉＯ2膜４ａとその上方の液相層との間の界面では、エッチャントである負のイオンＨＦ2 -が偏析する。結果として、ＳｉＯ2のエッチングレートは、電界を印加しない場合と比較し増大する。
図４は、図３の例とは逆に、電極５内の導電性の部材と電気的に接続された直流電圧源６の端子の極性を、当該部材および電極５の極性が負となるようにした場合のウエハ４上面の状態を示している。図４の右側には、電界の向きを大きい矢印で示している。図４に示すように、ウエハ４の上面に形成される電界が負の向きに形成された場合には、負イオンＨＦ2 -には電極５との間で斥力が働き、ＸＨ+には電極５との間で引力が働く。つまり、電界を負の方向に印加した場合は、ウエハ４上のＳｉＯ2膜４ａの上面と液相層下面との界面では、エッチングには直接寄与しない正イオンＸＨ+が偏析し、結果としてＳｉＯ2のエッチングレートは、電界を印加しない場合と比較し減少すると想定される。
＜本実施の形態の効果＞
以下に、図５および図６を用いて、本実施の形態の効果について説明する。
図５および図６は、エッチング処理における時間とエッチング量との関係を示すグラフである。図５に示すように、電極５にかかる電圧（バイアス電圧）ＶDCが正の場合（ＶDC＞０）、ＶDC＝０の場合と比較して、エッチングレートが増大することが判る。これに対し、バイアス電圧が負の場合（ＶDC＜０）は、エッチングレートが減少することが判る。ここで、エッチングレートの大きさは、印加する正のバイアス電圧の大きさに対応して増大している。
一方、図６には、バイアス電圧の大きさを時間の経過に伴って変動させた場合のＳｉＯ2膜のエッチング量の変化を示している。例えば、０＜ｔ＜ｔ１の時間でバイアス電圧をＶDC＝－Ｖ０（負の一定値）とした場合は、前述の通りＳｉＯ2のエッチングの進行は抑制される。次に、ｔ１＜ｔ＜ｔ２の時間でＶDC＝＋Ｖ０（正の一定値）とした場合、ＳｉＯ2のエッチングは進行する。このように、バイアス電圧を時間的に変動させる事で、エッチングの進行と抑止を変化させる事が可能となる。この効果を利用すると、ＳｉＯ2に対する高精度なエッチング制御が可能となる。したがって、本実施の形態のエッチング装置１００は、電極５に供給される直流電力の電圧の大きさまたは極性を、ウエハ４の処理中の時間の経過に応じて変化させる制御部を有していてもよい。
このように、本実施の形態では、プラズマを使用しないエッチング装置において、ウエハを設置する試料台内の電極に印加される電圧を制御することで、エッチングの進行を制御することができる。よって、ベーパーエッチングにおいて、ＳｉＯ2を含む膜を高い精度でエッチングすることができる。すなわち、半導体製造装置の性能を向上させることができる。また、特に原子層レベルのエッチングにおいて、処理の歩留まりを向上させることができる。すなわち、上記改善の余地を解消できる。
＜変形例１＞
図７を用いて、本実施の形態の変形例１を説明する。図７は、本変形例のエッチング装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。図８は、図７に示すエッチング装置を構成する試料台を示す平面図である。本変形例のエッチング装置６００は、ウエハ４をその上面に保持する試料台が、その円筒形状の半径方向について同心状に配置された複数の導電体製の部材である電極を備えている点で、図１に示すエッチング装置１００とは異なる。以下の説明において、図１～図６で説明した実施の形態と同じ符号が付された構成については、必要がない限り説明を省略する。
本変形例のエッチング装置６００は、エッチング装置１００と同様に、真空容器１、処理室３０、ガス導入孔３２を有するガス導入部２、赤外線ランプユニット３、および、真空容器１の底面に配置された排気口３１を備えている。本変形例では、ガス導入孔３２の下方で処理室３０の下部に配置され円筒形状または円板形状を有した第１マルチ電極１０を備えている。第１マルチ電極１０は、その半径方向において異なる半径位置の箇所または領域に配置された複数の導電体製の部材を備えている。複数の導電体製の部材のそれぞれは、直流電圧源６と電気的に接続されている。
第１マルチ電極１０を構成する複数の導電体製の部材は、図８にその平面図が示されている。図８は、図７の第１マルチ電極１０の上面、または、特定の上下方向の高さの横断面を上方から見た構成を模式的に示した図であり、特に複数の導電体製の部材の配置が示されている。図８に示される通り、第１マルチ電極１０は、その円筒または円板形状の半径方向の中心部に配置された円板または円筒形を有した導電体製の内側電極７と、この内側電極７の外周側で内側電極７と距離を開けて内側電極７を囲み、リング状の形状を有した導電体製の外側電極８と、半径方向に距離を開けて配置されたこれら２つの電極同士の間に配置され、これらの電極を電気的に絶縁する誘電体材料から構成されたリング形状の絶縁体９とを備えている。
第１マルチ電極１０においては、絶縁体９が、内側電極７と外側電極８との間に挟まれて嵌め込まれて配置されて、両者に接続している。さらに、本例の直流電圧源６は、その端子の一方が、内側電極７に電気的に接続されており、内側電極７に直流電圧を印加することができる。また、直流電圧源６の他方の端子は、図示しない接地電極と共に外側電極８に電気的に接続されており、接地電位にされている。これにより、バイポーラ電源である直流電圧源６の一方の端子に接続された内側電極７の電位を正と負とに変化させることが可能である。加えて、内側電極７の電位の、外側電極８に対する相対的な大小を変化させることができる。
本変形例において、内側電極７、外側電極８および絶縁体９の形状としては、円形または円筒形が好ましく、また、これらが同心状に配置されていることが好ましい。ただし、内側電極７、外側電極８および絶縁体９の形状およびこれらから構成される第１マルチ電極１０の形状は、円板、円筒形状に限られない。
次に、図７および図８で示したエッチング装置６００が、上面に予めＳｉＯ2を含む膜が形成されたウエハ４をエッチング処理する工程について説明する。本変形例のエッチング装置６００では、ウエハ４を処理する際の条件は、図１～図６に示した実施の形態に係る半導体製造装置であるエッチング装置１００において用いられた条件と同一にされている。
本変形例のエッチング装置６００の処理室３０内にＨＦおよびアルコールＸの蒸気を含む混合ガスを供給し、処理室３０内の第１マルチ電極１０上面上にウエハ４が配置され保持された状態で、バイポーラ電源である直流電圧源６から内側電極７に、電圧ＶDC＝＋２００Ｖまたは－２００∨が印加しつつ、ウエハ４上面のＳｉＯ2膜のエッチング処理を行った。その際のエッチングレートを３００ｍｍウエハ上の１３点において測定した結果について説明する。
なお、本変形例では、図８に示すように、第１マルチ電極１０の上方から見た中心から円形の内側電極７の半径をｒ１＝１００ｍｍ、リング形状を有した絶縁体９の外周縁の半径をｒ２＝１５０ｍｍ、および外側電極８の外周縁までの半径をｒ３＝２００ｍｍとした。
内側電極７に印加される電圧ＶDC＝＋２００Ｖとした場合、ＳｉＯ2膜のエッチングレートは、第１マルチ電極１０上面上に載せられて保持されたウエハ４の中心部がおよそ８０ｎｍ／ｍｉｎであったのに対し、ウエハ４の外周縁（エッジ）部分ではエッチングレートはおよそ６５ｎｍ／ｍｉｎであった。一方、ＶDC＝－２００Ｖにした場合には、当該エッチングレートはウエハ４の中心部でおよそ５０ｎｍ／ｍｉｎ、エッジ部分ではおよそ５５ｎｍ／ｍｉｎとなった。上記実施の形態と同様に、第１マルチ電極１０に供給され形成されるバイアス電圧をさらに増大させることでウエハ４上面のＳｉＯ2膜のエッチングレートをより増大させる、または抑制させることが可能である。
図９は、図７に示す変形例に係る半導体製造装置であるエッチング装置を用いて処理されたウエハ上面のＳｉＯ2膜のエッチングレートのウエハの半径方向の位置に対する変化を模式的に示すグラフである。ここで、図９において、ウエハ４の中心の位置はＯと表されており、内側電極７、絶縁体９および外側電極８のそれぞれの外周縁の半径方向の位置は、ｒ２、ｒ２´およびｒＧと表されている。
内側電極７に供給されるバイアス電圧がＶDC＞０の場合、横軸に示された半径方向の位置の－ｒ２＜ｒ＜＋ｒ２の範囲に配置された内側電極７上のＳｉＯ2膜上の混合ガスの粒子から構成された液相層内では、ＨＦ2 -の偏析量が多くなる。このため、エッチングレートは、ＶDC≦０の場合と比べて、相対的に大きくなる。一方で、接地電位にされている半径方向の位置ｒ２´＜ｒ＜ｒＧ、－ｒＧ＜ｒ＜－ｒ２´に配置されている外側電極８の上方のＳｉＯ2膜上面では、直流のバイアス電圧＝０であるため、エッチングレートは、内側電極７上のエッチングレートと比較して小さくなる。その結果、図９に実線で示されるグラフのように、ウエハ４上のＳｉＯ2膜のエッチングレートの分布は、横軸の座標Ｏを中心とするウエハ４の中心部で大きく周縁部で小さい、所謂山型の分布となる。
一方、バイアス電圧がＶDC＜０の場合のエッチングレートの分布は、図９に一点鎖線で示されるグラフのように、上記のＶDC＞０の場合とは逆に、外側電極８上のＳｉＯ2膜上でのエッチングレートと比較して、中心部のエッチングレートが低い谷型のレート分布を示す。このことから、本変形例によれば、内側電極７に印加される電圧の値を、その極性を正と負との間の複数の値で可変に調節することで、エッチングレートを山型の形状と谷型の形状との間の自在な形状で実現することができる。また、ウエハ４の半径が内側電極７のそれより大きい場合には、特にウエハ４の外周端（エッジ）部においてエッチングレートの大きさと中央部でのレートの値に対する比率とを含む分布の調節を効果的に行うことができる。
＜変形例２＞
図１０および図１１を用いて、本実施の形態の変形例２を説明する。図１０は、本変形例のエッチング装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。図１１は、図１０に示すエッチング装置を構成する試料台を示す平面図である。図１０および図１１に示すように、本変形例のエッチング装置８００は、ウエハ４をその上面に保持する試料台が、その円筒形状の半径方向について同心状に配置された３個以上の導電体製の部材である電極を備えている点で、図１および図７に示すエッチング装置と異なる。以下の説明において、図１～図６で説明した実施の形態と同じ符号が付された構成については、必要がない限り説明を省略する。
本変形例のエッチング装置８００は、図１に示すエッチング装置１００または図７に示すエッチング装置６００と同様、真空容器１、ガス導入部２、赤外線ランプユニット３、および、真空容器１の底面に配置された排気口３１を備えている。さらに、本変形例では、図７の第１マルチ電極１０に換えて、第２マルチ電極１４を備えている。第２マルチ電極１４は、リング状の複数の絶縁体９によって相互に電気的に絶縁された円板または円筒形の中心電極１１を備えている。また、第２マルチ電極１４は、中心電極１１の中心軸に同心状に中心電極１１の外周側に２重に配置され、それぞれリング形状を有する第１中間電極１２および第２中間電極１３を備えている。また、第２マルチ電極１４は、第１中間電極１２および第２中間電極１３の外周側でこれらを囲んでリング状に配置され、電気的に接地された外側電極８を備えている。
中心電極１１、第１中間電極１２および第２中間電極１３は、それぞれが異なる直流電圧源１５、１６および１７に電気的に接続されている。つまり、中心電極１１は直流電圧源１５の端子に接続され、第１中間電極１２は直流電圧源１６の端子に接続され、第２中間電極１３は直流電圧源１７の端子に接続されている。中心電極１１、第１中間電極１２および第２中間電極１３のそれぞれには、直流電圧源１５、１６、１７から相互に独立して調節された電圧が印加される。ここでは、図１０に示す第２マルチ電極１４は相互に絶縁された同心状に多重に配置された４つの電極を備えている。ただし、電極の個数は本変形例のものに限られず、３以上の何れの個数の電極で構成されていても、本変形例と同様の作用・効果が得られる。また、これらの電極は円板、円筒形状またはリング状の形状を有しているが、電極の形状は本変形例のものに限られない。
図１２は、図１０に示す変形例に係る半導体製造装置であるエッチング装置を用いて処理されたウエハ上面のＳｉＯ2膜のエッチングレートのウエハの半径方向の位置に対する変化を模式的に示すグラフである。図１２において、横軸の変数として示された半径方向の位置（ｐｏｓｉｔｉｏｎ）ｒは、下記のように表されている。すなわち、図１２では、中心電極１１、第１中間電極１２、第２中間電極１３および外側電極８の外周縁の半径方向の位置ｒを、それぞれｒ４、ｒ５、ｒ６およびｒＧとし、上方から見てリング形状を有する第１中間電極１２、第２中間電極１３および外側電極８のそれぞれの内周縁（絶縁体９の外周縁）の半径における位置を、それぞれｒ４´、ｒ５´およびｒ６´とする。
本変形例において、例えば、中心電極１１、第１中間電極１２および第２中間電極１３に、直流電圧源１５、１６および１７からＶDC＝＋Ｖ４、ＶDC＝－Ｖ５およびＶDC＝＋Ｖ６の値の電圧がそれぞれ印加された場合、ウエハ４上のＳｉＯ2膜上面上の液相層におけるエッチャントＨＦ2 -の偏析量は、印加されたバイアス電圧により形成される電界の大きさ（電位差）に応じて増減する。このことから、電圧０である（電位が０にされる）外側電極８の場合と比較して、位置ｒがｒ４より小さい箇所で大きく、位置ｒがｒ４´～ｒ５の箇所で小さく、さらに位置ｒがｒ５´～ｒ６の箇所で大きい値をとる。さらに、これらの半径方向の位置ｒの範囲同士の間の箇所は絶縁体９の上方であって、当該箇所での上記電圧は絶縁体９を構成する材料の誘電率と絶縁体９を挟む電極間の電位差に実質的に比例したものとなる。このため、図２においても偏析量が中心である座標Ｏを挟んだ正負それぞれの側でｒがｒ４とｒ４´との間、ｒ５とｒ５´との間、および、ｒ６とｒ６´との間において１次関数的に増加または減少する。
また、｜Ｖ４｜＞｜Ｖ６｜の場合には、第２中間電極１３上の箇所よりも、中心電極１１上の箇所でのＨＦ2 -の偏析量が大きいため、ウエハ４の中心部の方がよりエッチングレートは大きくなる。このように、本変形例によれば、第２マルチ電極１４が半径方向の複数の範囲に分割されそれぞれが絶縁された複数の電極を有する場合、ウエハ４の面内でエッチレートの分布を、これらの電極に供給する電圧および当該電圧により形成される電位を調節することで、所望のものにすることができる。ただし、上記複数の電極の数を増大させて、これらの電極が半径方向の箇所を占める範囲を過度に細分化すると、負イオンＨＦ2 -の濃度の分布を精度よく実現する事が難しくなるため、電極の数としては多くとも数十個程度以内が適当である。本変形例を用いることで、例えば、ウエハ面での内周部と外周部とのエッチングレート分布に差異が生じている場合でも、ウエハ面内の均一性を制御する事が可能となる。
＜変形例３＞
次に、本発明の別の変形例３について、図１３を用いて説明する。図１３は、本変形例に係る半導体製造装置であるエッチング装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。本変形例において、図１～図１２に示した実の形態、変形例と同じ符号が付されている構成については、特に必要のない限り説明を省略する。
図１３は、本変形例に係る半導体製造装置であるエッチング装置１０００の構成上の特徴として、図１に示す実施例のエッチング装置１００、図７に示す変形例１のエッチング装置６００および図１０に示す変形例２のエッチング装置８００と異なり、処理室３０内の電極５または第１マルチ電極１０、第２マルチ電極１４などの、ウエハ４が載せられる試料台の上面上に、当該上面に対向して実質的に平行となるように配置された別の電極板を備えている、所謂１対の平行平板型の電極を備えている点にある。すなわち、本実施例では、円板または円筒形状を有してそれぞれの上下方向の中心軸が上方から見て実質的に合致している位置で上下に所定の隙間を開けて、下面および上面が平行またはこれと見なせる程度に近似した位置に配置された上部平板電極１８と下部平板電極１９とを処理室３０内に備えている。
本変形例では、これらの電極は直流電圧源６の別の極性が付与される異なる端子に電気的に接続されて電極同士の間に電位差が形成されるように構成されている。なお、本変形例では上下の電極はこれらの間に電位差が形成される電位が形成されることが必要であり、そのための電位または極性は上記説明した例に限られない。
処理室３０内には、下部平板電極１９と、下部平板電極１９上の上部平板電極１８とが設置されている。上部平板電極１８と下部平板電極１９とは、平面視で互いに重なる箇所に位置している。
下部平板電極１９の平坦な上面上にはウエハ４が配置され、上部平板電極１８に供給される直流電力によりその下面形成される電位が下部平板電極１９上面の電位よりも高い場合は、両者の間に形成される電界は正の荷電粒子を下方のウエハ４上面に誘引するように下向きとなり、ウエハ４表面に形成されたＳｉＯ2膜のエッチングが進行する。一方、逆に上部平板電極１８下面の電位が下部平板電極１９上面のものより低い場合は電界が上向きとなり、ウエハ４のＳｉＯ2膜のエッチングが抑制される。このように、本変形例によれば、ウエハが一方の表面に保持される平行平板電極の組に供給する電力により形成される電位若しくは極性、または、これら平行平板電極同士の間の電位差の大きさを調節することで、ウエハ４表面のＳｉＯ2膜のエッチングの速度を所望の範囲内のものに調節することができる。
処理室３０内に配置される平行平板型の電極の対は、図１３に示すような１つのみに限られない。例えば、真空容器１内の１つの処理室３０内に上下方向または水平方向に複数個が配置されていてもよい。例えば、図１４に示すエッチング装置１１００のように、真空容器１内部に上下方向にそれぞれの間に隙間をあけて、複数の対（図１４では３つ）の上部平板電極１８および下部平板電極１９とこれらに電気的に接続された直流電圧源６とを有する平行平板型の電極の対が設けられていてもよい。
図１４は、本発明の実施の形態の変形例３に係る半導体製造装置であるエッチング装置の構成を模式的に示す縦断面図である。図１４に示す変形例では、処理室３０内に複数枚のウエハ４を格納し複数の下部平板電極１９それぞれの上面上に保持した状態で、並行してこれら複数枚のウエハ４上面のＳｉＯ2膜のエッチングを行う、所謂バッチ式でウエハ４をエッチングすることができる。複数のウエハ４で異なる回路パターンまたはＳｉＯ2膜などの仕様に応じて、これらの平行平板型の電極の対に接続された直流電圧源６のそれぞれから供給される電力を可変に調節することができる。これにより、ウエハ４の処理中に形成される電界または下部平板電極１９上に形成されるバイアス電位等の条件を異ならせて、バッチ式において異なるウエハ４それぞれで異なるエッチングレートを実現できる。ここでは、適切な処理の条件によりウエハ４それぞれに求められる最適な処理後の加工の形状を得られるようにしてもよい。
以上、本発明者らによってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
本発明は、半導体製造装置および半導体装置の製造方法に幅広く利用することができる。
１ 真空容器
２ ガス導入部
３ 赤外線ランプ
４ ウエハ
５ 電極
６ 直流電圧源

Claims (8)

  1. 処理容器と、
    前記処理容器内部の処理室に、フッ化水素およびアルコールのそれぞれの蒸気を含む処理用のガスを導入する導入口と、
    前記処理室に配置され、処理対象のウエハがその上面に載せられる試料台と、
    前記試料台の内部に配置され、前記ウエハの前記上面に形成された第１膜をプラズマを用いずにエッチング処理する際、前記処理用のガスにより前記ウエハの前記上面上に形成される第１層に電界を形成する直流電力が印加される電極と、
    前記直流電力を供給する電源が出力する電圧の値または極性を切り替える第１制御部と、
    を有する、半導体製造装置。
  2. 請求項１記載の半導体製造装置において、
    前記第１膜は、酸化シリコンを含み、
    前記処理用のガスを構成する前記フッ化水素および前記アルコールのそれぞれの蒸気により形成された、前記第１膜の上面上の液相の前記第１層には、前記電極に供給される直流電力により、前記電界が形成される、半導体製造装置。
  3. 請求項１記載の半導体製造装置において、
    前記電極は、平面視で前記試料台の中心側の領域に配置された内側電極と、前記内側電極の外周側で前記内側電極を囲む外側電極とを含む複数の電極を備え、
    前記複数の電極のうちの１つが接地電極と接続されて接地電位にされる、半導体製造装置。
  4. 請求項１記載の半導体製造装置において、
    前記電極に供給される前記直流電力の電圧の大きさまたは極性を、前記ウエハの処理中の時間の経過に応じて変化させる第２制御部を備えた、半導体製造装置。
  5. 処理容器内部の処理室に配置された試料台の上面上に処理対象のウエハを配置し、前記処理室内にフッ化水素およびアルコールのそれぞれの蒸気を含む処理用のガスを供給して前記ウエハの上面に予め形成された第１膜をプラズマを用いずにエッチング処理する半導体装置の製造方法であって、
    前記エッチング処理中に、前記試料台内部に配置された電極に直流電力を印加して、前記処理用のガスにより前記ウエハの上面上に形成された第１層に電界を形成するものであって、前記電極に印加される前記直流電力の電圧の値または極性を切り替える、半導体装置の製造方法。
  6. 請求項５に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記ウエハの前記上面上には、酸化シリコンを含む処理対象の前記第１膜が形成され、
    前記エッチング処理中に、前記電極に前記直流電力を印加して、前記処理用のガスにより前記第１膜の表面上に形成された液相の前記第１層に電界を形成する、半導体装置の製造方法。
  7. 請求項５に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記電極は、平面視で前記試料台の中心側の領域に配置された内側電極と、前記内側電極の外周側で前記内側電極を囲む外側電極とを含む複数の電極を備え、
    前記複数の電極のうちの１つが接地電極と接続されて接地電位にされる、半導体装置の製造方法。
  8. 請求項５に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記電極に供給される前記直流電力の電圧の大きさまたは極性を、前記ウエハの処理中の時間の経過に応じて変化させる、半導体装置の製造方法。
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