JP4152895B2 - 半導体ウェーハ乾式蝕刻用電極 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェーハの乾式蝕刻に関するものであって、特に集積回路素子製造用の半導体ウェーハの端部に積層された各種の異物をプラズマで除去するための、半導体ウェーハ乾式蝕刻用電極に関する。

一般に、高集積度の半導体素子を製造する過程では、図5のように半導体ウェーハ100の端部にポリシリコン膜、窒化膜層、金属層等110、120が形成、累積される。また、図6のように半導体ウェーハ100の運送中、または備品200との接触により半導体ウェーハ100端部に付着した層が砕けて、半導体ウェーハ100の内部に入り込み、集積回路素子内に含有される場合が発生する。

この他にも、近年、半導体素子のゲート電極がケイ化タングステンからタングステンに、コンデンサの絶縁膜はONO（oxide-nitrid-oxide）構造から酸化タンタルに変わり、フォトレジストのマスク微細パターン形成のための有機性ボトム反射防止膜（anti-reflective coating，以下「ARC」という）層及び無機性ARC層のSiON、障壁金属(barrier metal)層のTi、TiN層を使用する傾向により、これらの異物が半導体素子の製造工程中で、前記のような経路により半導体ウェーハを汚染させるようになる。

このような異物は、半導体の製造工程が進行するにつれパーティクルの原因となって半導体ウェーハ100を汚染するようになるが、特に半導体ウェーハの直径が200mmから300mmに転換されると、半導体ウェーハ端部の半径もさらに大きくなるため、パーティクルによる半導体ウェーハの汚染もまた大きくなってしまうのが実情である。

従って、半導体素子の歩留りと信頼性に影響を及ぼす半導体ウェーハ100端部の異物は完全に除去する必要がある。

このため、従来から、半導体ウェーハの端部に付着、累積した異物を除去するために、次のような方法が使用されてきた。

例えば、湿式蝕刻を用いた窒化膜の除去工程は、次のように5段階からなる(図7a〜図7e参照)。

i. シリコン半導体ウェーハ100に既に蒸着された窒化膜101の上に、プラズマ蒸着装置を用いて酸化膜102を蒸着させる(図7a)。

ii. 前記酸化膜102の上に感光剤を塗布して感光膜103を形成し、半導体ウェーハ100の端部にある感光膜103のみを除去して酸化膜102が表れるようにする(図7b)。

iii. 半導体ウェーハ100の端部に表れた酸化膜102を湿式蝕刻装置を用いて化学溶液(NHF₄+HF)で除去する(図7c)。

iv. 酸化膜102の上にある感光膜103を乾式蝕刻装置を用いて除去し、洗浄装置を用いて化学溶液(H₂SO₄/H₂O₂)で残留感光膜103を除去する(図7d)。

v. 半導体ウェーハ100の端部に表れた窒化膜101を湿式蝕刻装置を用いて高温のリン酸(H₃PO₄)溶液で除去する(図7e)。

ところが、このような従来の湿式蝕刻による窒化膜の除去工程は、その段階が複雑で、工程の遂行において酸化膜の蒸着、感光剤の塗布、湿式蝕刻による酸化膜の除去、乾式蝕刻による感光膜の除去、洗浄、窒化膜の湿式蝕刻等のための様々な装置を要するという問題点がある。

一方、従来の別の例として、乾式蝕刻を用いたポリシリコン膜の除去工程は次のように5段階からなる(図8a〜図8e参照)。

i. シリコン半導体ウェーハ100上に蒸着されたポリシリコン膜104の上にプラズマ蒸着装置を用いて酸化膜102を蒸着させる(図8a)。

ii. 感光剤を塗布して感光膜103を形成し、半導体ウェーハ100の端部にある感光膜103を除去して酸化膜102が表れるようにする(図8b)。

iii. 半導体ウェーハ100の端部に表れた酸化膜102を湿式蝕刻装置を用いて化学溶液(NHF₄+HF)で除去する(図8c)。

iv. 前記酸化膜102の上にある感光膜103を感光膜の乾式蝕刻装置を用いて除去し、洗浄装置を用いて化学溶液(H₂SO₄/H₂O₂)で残留感光膜103を除去する(図8d)。

v. 半導体ウェーハ100の端部に表れたポリシリコン膜104を従来の乾式蝕刻装置を用いて除去する(図8e)。

以上のような従来の乾式蝕刻によるポリシリコン膜の除去工程でも、湿式蝕刻による窒化膜の除去工程と同様に、その段階が複雑で、工程の遂行において酸化膜の蒸着、感光剤の塗布、湿式蝕刻による酸化膜の除去、乾式蝕刻による感光膜の除去、洗浄、乾式蝕刻によるポリシリコン膜の除去などのための様々な装置を要するという問題点がある。

さらに、半導体ウェーハの端部にあるポリシリコン膜の除去の際、従来の乾式蝕刻装置による場合、半導体ウェーハ端部の上面部に対しては除去が可能であるが、半導体ウェーハ端部の側面部と下面部に対する除去は不完全であるか、ほぼ不可能になる問題点がある。

これだけでなく、従来の蝕刻装置は半導体ウェーハにパターンを形成するそれぞれの工程毎に個別的に使用されるしかないため、前記で説明した例のように、ある一つの異物のみを除去するに留まり、1種類の蝕刻装置では様々な異物を全部除去できないという問題点がある。

一方、従来において半導体素子の微細回路パターンの形成に一般的に使用されている乾式蝕刻装置は、図9に図示するように、反応ガスの雰囲気下で平板状の第1電極及び第2電極300、300’の間に電場を形成し、半導体ウェーハ100の上面部にプラズマを発生させることにより、半導体ウェーハ100の上面部100aに積層された物質を微細パターン103aの模様に蝕刻するが、このとき半導体素子の製造時に半導体ウェーハ100の端部に累積された異物積層膜の一部を除去するようになる。未説明の符号400，500はそれぞれ高周波電源とマッチングネットワーク(matching network)である。

しかし、このような従来の乾式蝕刻装置は、半導体ウェーハ100が一方の電極300’上に置かれた状態で工程が行われるため、プラズマが半導体ウェーハ100の側面部100bと底面100c部には影響を及ぼせないことにより、半導体ウェーハ100の側面部100bと下面100c部に積層された異物は除去することが困難であるという問題点がある。

本発明は前述したような諸般の問題点を解消するために案出されたものであって、その目的は半導体の製造工程中で、半導体ウェーハ端部の上面部はもちろん、側面部や下面部に積層形成された異物を、半導体ウェーハに損傷を与えることなく、効果的に完全に除去できる半導体ウェーハ乾式蝕刻用電極を提供することにある。

前記のような目的を達成するための本発明による半導体ウェーハ乾式蝕刻用電極は、対向配置される第1、第2一対の電極から成り、プラズマを形成させて半導体ウェーハ端部の異物を除去する半導体ウェーハ乾式蝕刻用電極において、前記第1電極は、前記半導体ウェーハ端部の上面部と対向する環状の第1突出部及び前記第1突出部の外側に連続して形成された第1平坦部を備え、前記第2電極は、前記半導体ウェーハ端部の下面部と対向し、前記第1突出部と同一寸法で形成された環状の第2突出部と、前記第2突出部の外側に連続して形成された、前記第1平坦部と同一寸法の第2平坦部を備え、前記第1、第2突出部間と前記第1、第2平坦部間に互いに異なる強度を有するプラズマを発生する領域を形成したことを特徴的な技術的思想とする。

ここで、前記第1電極の前記半導体ウェーハと対向する面の中心部から前記第1突出部の内径に至る部位に絶縁膜を塗布し、又は絶縁体を付着することもできる。

本発明に係る半導体ウェーハ乾式蝕刻用電極は、半導体の製造工程で別途の追加工程を要することなく、半導体ウェーハ端部の上面部はもちろん、側面部や下面部に積層された様々な異物を全て除去することにより、工程の単純化と工程費用の節減、そして歩留りと品質及び生産性の向上に寄与する。

以下、本発明の好適な実施例を添付する図面により詳細に説明する。

図1は、本発明に係る半導体ウェーハ乾式蝕刻用電極を示した部分断面斜視図であって、半導体ウェーハの端部に付着、累積した異物を除去するためのプラズマ発生手段の一対の電極、即ち、第1電極10と第2電極20が示されている。

便宜上、これらの電極10、20のうち第1電極10を陽極(anode)にし、第2電極20を陰極(cathode)にして説明するが、第1電極10が陰極、第2電極20が陽極になることもある。

前記第1電極10の大まかな形状は、通常の電極と同様に円形の平板からなるが、その底面部に環状の突出部10aが形成されていることを特徴的な構造とし、この突出部10aと外径の間には本発明の第1及び第2電極10、20が設置される真空チャンバー(図示省略)の内部に、プラズマ形成用の反応ガスを吹き込むためのガス吹込口10bが形成されている。

そして、前記の第2電極20は、前記の第1電極10に対応する同一直径の円形の平板からなるが、中央には上下に貫通された開口部20aが形成されており、この開口部20aと外径の間には前記第1電極の突出部10a（以下，便宜上，「第1突出部」という）と対向する同一寸法の環型突出部20b （以下，前記の第1突出部と区分して「第2突出部」という）が形成されている。

さらに、前記第1電極10の第1突出部10aと第2電極20の第2突出部20b外側の平坦部は、便宜上それぞれ第1平坦部10cと第2平坦部20cと称して区分する。

一方、前記第1電極10の底面中心部から第1突出部10aの内径に至る部位には、第1電極10と第2電極20の間に高周波電力が印加されたとき、この部位に電場または電磁場が形成できないようにするために絶縁膜が塗布されたり、絶縁体11が付着されることもある。このような絶縁体11には、ポリイミド(Polyimide)またはテフロン(Teflon)（登録商標、以下同じ）、シリコン(silicon)、石英(quartz)、セラミック(ceramic)などを例として挙げられる。

添付する図面の図2と図3はそれぞれ本発明に係る電極を用いた半導体ウェーハの蝕刻を説明する図面であって、以下では図面を中心に本発明の電極10、20と半導体ウェーハ30間の相互作用を説明する。

まず、図2により見てみると、半導体ウェーハ30を静電チャック(Electrostatic Chuck)40により陽極の第1電極10と陰極の第2電極20の間に介在させ、静電チャック40が第2電極20の開口部20aを介して低い位置に取り付けられることにより、半導体ウェーハ30端部の下面部30cが第2電極20の第2突出端20bの上側に接触する。

この状態で、第1電極10のガス吹込口10bを通して反応ガスを吹き込み、高周波電源50から第2電極20に電力を印加すると、第1電極10の第1突出部10a及び第1平坦部10c、第2電極20の第2突出部20b及び第2平坦部20cを通じて電場または電磁場が形成され、反応ガスにより2つの突出部10a、20bと2つの平坦部10c、20c間に互いに異なる強度を有する2種類のプラズマが発生する。

このとき、プラズマは第1突出部10aと第2突出部20bそれぞれの幅に沿って形成されるが、これら突出部10a、20bの幅は対向している半導体ウェーハ30の蝕刻しようとする端部(図面に「B」で表された領域)に該当する程度の寸法で製作され使用されることにより、半導体ウェーハ30の微細パターン31が形成されている部位(図面に「A」で表された領域)にはプラズマの影響が及ばず、第1平坦部10cと第2平坦部20cの間 (図面に「C」で表された部位)に形成されたプラズマは半導体ウェーハ30の側面部30bを蝕刻する。

特に、半導体ウェーハ30の下面部30cが第2電極20の第2突出部20bの上面部に接した状態であるため、主に半導体ウェーハ30の上面部30aと側面部30bに局限され、この部分に対する異物を除去できる範囲内でRIE(Reactive Ion Etching)により蝕刻が行われる。

さらに、第1電極10の底面中心部から第1突出部10aの内径に至る部位に備えられている絶縁体11により、「A」領域には電場または電磁場が形成されないため、この「A」領域でのプラズマ発生が事前に防止されることで、より安定的な蝕刻効果を示すことができる。

図面における未説明の符号60はマッチングネットワークである。

一方、図3のように、第2電極20の開口部20aを通して静電チャック40を上昇させて、半導体ウェーハ30端部の上面部30aが第1電極10の第1突出部10aの表面に接するようにした状態で、第1電極10のガス吹込口10bを通して反応ガスを吹き込み、高周波電源50から電力を印加すると、前記と同様に第1突出部10aと第2突出部20bを通してプラズマが発生するが、このときは主に半導体ウェーハ30端部の下面部30cと側面部30bに局限され、この部分(「B」領域)に対する異物を除去できる範囲内でプラズマにより蝕刻が行われる。

図4は、本発明の電極が通常の真空チャンバーに設置されて適用された例を示しているが、この真空チャンバー70には本発明の電極10、20でプラズマを発生させるための反応ガス吹込用の導管71と、半導体ウェーハ30を搬入するための出入口70a、半導体ウェーハ30の蝕刻後のガスを排出するための排出口70b、そして半導体ウェーハ30が上下に昇降できるようにする静電チャック40を備えている。

従って、出入口70aを通して真空チャンバー70内に半導体ウェーハ30を進入させて静電チャック40の上に載置した後、反応ガスの雰囲気下で第2電極20を通して高周波電源50の電圧を印加すると、第1電極10の絶縁体11により半導体ウェーハ30上面部の中央部は完全に保護された上で、第1電極10の第1突出部10a及び第1平坦部10cと第2電極20の第2突出部20b及び第2平坦部20cの間でのみプラズマが形成されることにより、前述したような過程を通して半導体ウェーハ30端部の上面部30a、下面部30c、側面部30bに対する蝕刻が行われる。

このようにして蝕刻工程が進行される間、従来と同様に半導体ウェーハ30から除去された異物と反応ガスは排出口70bを通して吸い出される。

一方、本発明による電極を用いて行われる半導体ウェーハの端部に対する乾式蝕刻は、表1に示した蝕刻用反応ガスを用いて対応する異物を除去することができる。

前述したように、従来は、窒化膜除去用の湿式蝕刻装置または微細パターン形成用の乾式蝕刻装置のように、ある1種類の物質のみを除去するために考案されたり、そのような機能のみを持つ蝕刻装置が使用されてきたため、各種の異物を除去するためには対応する蝕刻装置が必要で、工程もまた複雑だった。

また、電極の構造においても、従来は半導体ウェーハの端部中、上面部と側面部に対する異物の除去のみが確かに行われただけで、半導体ウェーハ端部の下面部に対する異物の除去は非常に困難だった。

しかし、本発明の電極を適用する場合は、半導体ウェーハに微細パターンを形成する過程で除去されなかった、表1に例示されている異物を除去するための各異物に対応する蝕刻用反応ガスの交替のみを通じて、連続的に全ての異物を除去することが可能であるため、別途の装備を備える必要がなく工程が単純化される。

これだけでなく、半導体ウェーハ端部の上面部と側面部及び下面部以外の部位には、プラズマの影響が及ばないようになっているため、端部に対する効果的な蝕刻が行われ、また、半導体ウェーハ中央部の微細パターン部位には全く損傷を与えない。

本発明に係る半導体ウェーハの乾式蝕刻用電極は、前記で説明した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内で当業者により多様な変更及び変形実施が可能であることは勿論、このような変更及び変形実施は記載された特許請求の範囲に属すると言える。

本発明に係る半導体ウェーハ乾式蝕刻用電極を示した部分断面斜視図である。 本発明に係る電極を用いた半導体ウェーハの上面部及び側面部の蝕刻を説明する図である。 本発明に係る電極を用いた半導体ウェーハの下面部及び側面部の蝕刻を説明する図である。 本発明に係る電極が設置された乾式蝕刻装置を示した断面図である。 異物が積層された半導体ウェーハを示した側面図である。 装備により半導体ウェーハに異物が形成積層される場面を描写した図である。 図７a〜図７eは、従来の湿式蝕刻による窒化膜の除去工程を示す図である。 図8a〜図8eは、従来の乾式蝕刻によるポリシリコン膜の除去工程を示す図である。 従来の電極を用いた半導体ウェーハの乾式蝕刻装置を示す図である。

Claims (2)

1. 対向配置される第1、第2一対の電極から成り、プラズマを形成させて半導体ウェーハの端部の異物を除去する半導体ウェーハ乾式蝕刻用電極において、
   前記第1電極は、前記半導体ウェーハ端部の上面部と対向する環状の第1突出部及び前記第1突出部の外側に連続して形成された第1平坦部を備え、前記第2電極は、前記半導体ウェーハ端部の下面部と対向し、前記第1突出部と同一寸法で形成された環状の第2突出部と、前記第2突出部の外側に連続して形成された、前記第1平坦部と同一寸法の第2平坦部を備え、
   前記第1、第2突出部間と前記第1、第2平坦部間に互いに異なる強度を有するプラズマを発生する領域を形成したことを特徴とする半導体ウェーハ乾式蝕刻用電極。
2. 前記第1電極の前記半導体ウェーハと対向する面の中心部から前記第1突出部の内径に至る部位に絶縁膜が塗布され、又は絶縁体が付着されたことを特徴とする請求項1記載の半導体ウェーハ乾式蝕刻用電極。

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