JP3814558B2 - 局所ドライエッチング方法及び半導体ウェハ表面の位置−厚さデータの処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、活性種ガスによって半導体ウェハの相対的に厚い部分を局所的にドライエッチングすることにより半導体ウェハの厚さ分布を均一にするためのウェハ平坦化技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、プラズマを用いた局所エッチング法によるウェハ平坦化方法及び装置の原理を説明するための説明図である。符号１００はプラズマ発生部であり、プラズマ発生部１００で発生したプラズマ中の活性種ガスＧは、ノズル１０１から半導体ウェハＷの表面に噴射される。半導体ウェハＷはステージ１２０上に載置固定されており、ステージ１２０をノズル１０１に対して水平方向に制御された速度で移動（走査）させる。
【０００３】
半導体ウェハＷの厚さは場所に応じて異なっている。局所ドライエッチング加工に先立って、半導体ウェハＷ毎に、その細分化された各領域における厚さが測定され、各領域の位置とその位置の厚さのデータ（位置−厚さデータ）が得られる。
【０００４】
局所ドライエッチングによって除去される領域毎の材料除去量は、その領域が活性種ガスＧに曝される時間とエッチングプロファイル（除去速度の分布）に対応する。このため、ウェハ表面が平坦になるように、各領域に対してノズルが通過する相対速度（ノズル・ウェハ相対速度）が計算され、この速度と所定のピッチで走査することによりウェハの全表面が平坦化される。このとき、ノズルは相対的に厚い部分や凸形状部分（相対厚み部）Ｗａの上では低速で、また、相対的に薄い部分では相対的に高速で、移動することになる。
【０００５】
半導体ウェハの表面には図２のグラフに示すように種々のレベルの凹凸が存在し、半導体デバイス製造の歩留まりを低下させる原因となっている。このうち平坦度と呼ばれる凹凸は、空間波長がλ＝１０^−２ｍ程度かそれ以上のレベル、波高がｈ＝１０^−７〜１０^−５ｍ程度のレベルのものであり、局所ドライエッチング装置が対象とする凹凸である。ナノトポグラフィと呼ばれる凹凸は、範囲中心でみてλ＝１０^−３ｍ程度のレベル、波高がｈ＝１０^−８ｍ程度のレベルのもの、及び、マイクロラフネスと呼ばれる凹凸は、範囲中心でみてλ＝１０^−６ｍ程度のレベルであってｈ＝１０^−９ｍ程度のレベルのものである。
【０００６】
平坦度測定装置は上記平坦度レベルの計測をするだけでなく、一般に波長、波高とも更に微細な凹凸も検出する。これまで、平坦度計測装置から得られた測定結果は、上記ノズル・ウェハ相対速度を計算するための基礎データとしてそのまま使用されてきたため、計算されたノズル・ウェハ相対速度は、必要以上の加速、減速を伴った値として得られていた。このようなノズル・ウェハ相対速度を指令値としてドライエッチング装置に与えたとき、その駆動モータは頻繁に加速、減速を行うようになる。
【０００７】
図３は直径２００mmのウェハにおいて、直径の一端から他端にノズルが移動するときのノズル・ウェハ相対速度の指令値（入力速度）と実測したステージ動作速度をプロットしたグラフである。実測値と指令値との間には大きな速度差ｄが生じており、指令値どおりにはノズル・ウェハ相対速度が得られていないことを示している。この速度差はドライエッチング装置の駆動モータの瞬間的な過負荷、脱調あるいは各部材の変形という形で吸収されたものである。このような頻繁な加速、減速は、駆動モータや可動部にとって大きな負担となるため、長い間使用しているうちに加工精度及び機械寿命を損なうことになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、平坦度測定装置によって得られた位置−厚さデータを処理することによって、ドライエッチング装置に指令値として与えるためのノズル・ウェハ相対速度を、加速、減速を必要最小限に抑制し、しかも平坦化に必要な充分な精度が得られるようにすること、及び、これによって駆動モータの過負荷や部材の変形を減らし、加工精度や機械寿命を維持することを課題とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題は以下の手段により解決される。すなわち、第１番目の発明の解決手段では、平坦度測定装置によって得られる半導体ウェハの位置−厚さデータを用いて局所ドライエッチング装置に与えるノズル・ウェハ相対速度を算出し、このノズル・ウェハ相対速度にしたがってノズルをウェハ面に沿って移動させながらノズルから噴出される活性種ガスによってウェハ表面の材料を除去して平坦化する局所ドライエッチング方法において、上記ノズル・ウェハ相対速度の算出に当たり、フィルタリング処理が行われ、このフィルタリング処理によって、上記位置−厚さデータから、予め定められた空間波長以下の成分がカットオフされる。
【００１０】
第２番目の発明においては、第１番目の発明の局所ドライエッチング方法において、上記予め定められた空間波長が１０mmであり、この空間波長以下の成分を上記位置−厚さデータからカットオフするものである。
【００１１】
第３番目の発明においては、第１番目の発明の局所ドライエッチング方法において、上記予め定められた空間波長が２０mmであり、この空間波長以下の成分を上記位置−厚さデータからカットオフするものである。
【００１２】
第４番目の発明の半導体ウェハ表面の位置−厚さデータの処理方法においては、局所ドライエッチング装置のノズル・ウェハ相対速度を算出するために測定された半導体ウェハ表面の位置−厚さデータは、予め決められた半径内にある全ての厚さデータの平均値をそれぞれの位置における厚さデータとすることによってフィルタリング処理される。
【００１３】
第５番目の発明においては、第４番目の発明の半導体ウェハ表面の位置−厚さデータの処理方法において、上記予め決められた半径を、カットオフする空間波長の２分の１程度としたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。図４は、局所プラズマエッチング装置の具体例を説明するための説明図である。この局所プラズマエッチング装置は、プラズマ発生器１、ガス供給装置３、Ｘ−Ｙ駆動機構５を具備している。プラズマ発生器１はアルミナ放電管のガスをプラズマ化させて中性ラジカルを含んだ活性種ガスＧを生成するための機器であり、マイクロ波発振器１０と導波管１１とよりなる。マイクロ波発振器１０は、マグネトロンであり、所定周波数のマイクロ波Ｍを発振することができる。
【００１５】
導波管１１は、マイクロ波発振器１０から発振されたマイクロ波Ｍを伝搬するためのもので、アルミナ放電管２に外挿されている。導波管１１の左側端内部には、マイクロ波Ｍを反射して定在波を形成する反射板（ショートプランジャー）１２が取り付けられている。また、導波管１１の中途には、マイクロ波Ｍの位相合わせを行うスタブチューナ１３と、マイクロ波発振器１０に向かう反射マイクロ波Ｍを９０°方向に（図４の表面方向）に曲げるアイソレータ１４とが取り付けられている。
【００１６】
アルミナ放電管２は、下端部にノズル部２０を有した円筒体であり、上端部には、ガス供給装置３の供給パイプ３０が連結されている。ガス供給装置３は、アルミナ放電管２内にガスを供給するための装置であり、ＳＦ_６（六フッ化硫黄）ガスのボンベ３１を有し、ボンベ３１がバルブ３２と流量制御器３３を介して供給パイプ３０に連結されている。なお、六フッ化硫黄ガスは、このように単独のガスとすることもできるが、供給パイプ３０に他のガスを同時に供給し、六フッ化硫黄ガスを含んだ混合ガスとすることもできる。
【００１７】
プラズマ発生器１がかかる構成を採ることにより、ガス供給装置３からアルミナ放電管２にガスを供給すると共に、マイクロ波発振器１０からマイクロ波Ｍを発振すると、アルミナ放電管２内においてガスのプラズマ化が行われ、プラズマ化によって生成された活性種ガスＧがノズル部２０から噴射される。
【００１８】
シリコンウェハＷは、チャンバー４内のウェハテーブル４０上に配置されると、ウェハテーブル４０の静電気力で吸着されるようになっている。チャンバー４には、真空ポンプ４１がとりつけられており、この真空ポンプ４１によってチャンバー４内を真空にする（減圧する）ことができる。また、チャンバー４の上面中央部には、孔４２が穿設され、この孔４２を介してアルミナ放電管２のノズル部２０がチャンバー４内に外挿されている。また、孔４２とアルミナ放電管２との間にはＯ−リング４３が装着され、孔４２とアルミナ放電管２との間が気密に保持されている。そして、このような孔４２に挿入されたノズル部２０の周囲にはダクト４４が設けられ真空ポンプ４５の駆動によって、エッチング時の反応生成ガスをチャンバー４の外部に排出することができる。
【００１９】
Ｘ−Ｙ駆動機構５は、このようなチャンバー４内に配されており、ウェハテーブル４０の下方から支持している。このＸ−Ｙ駆動機構５は、そのＸ駆動モータ５０によってウェハテーブル４０を図４の左右方向に移動させ、そのＹ駆動モータ５１によってウェハテーブル４０とＸ駆動モータ５０とを一体に図４の紙面表裏方向に移動させる。すなわち、このＸ−Ｙ駆動機構５によってノズル部２０をシリコンウェハＷに対して相対的にＸ−Ｙ方向に移動させることができる。
【００２０】
ガス供給装置３のバルブ３２を開くと、ボンベ３１内のＳＦ_６ガスが供給パイプ３０に流出して、アルミナ放電管２に供給される。この時、バルブ３２の開度によってＳＦ_６ガスの流量が調整される。
【００２１】
上記ＳＦ_６ガス又はこの混合ガスの供給作業と平行して、マイクロ波発振器１０を駆動する。すると、ＳＦ_６ガスがマイクロ波Ｍによってプラズマ化され、中性ラジカルであるＦ（フッ素）ラジカル（中性活性種）を含んだ活性種ガスＧが生成される。これにより活性種ガスＧがアルミナ放電管２のノズル部２０に案内されて、ノズル部２０の開口２０ａからシリコンウェハＷ側に向けて噴射される。
【００２２】
活性種ガスの噴射と平行して、制御コンピュータ４９によりＸ−Ｙ駆動機構５を駆動し、シリコンウェハＷを吸着したウェハテーブル４０をＸ−Ｙ方向に移動する。このＸ−Ｙ方向の移動によってウェハＷをノズル部２０が走査する。図５にはノズル部２０の走査軌跡を示しており、ピッチｐのピッチ幅でもってウェハＷの全面を覆うような軌跡である。
【００２３】
シリコンウェハの表面の材料は活性種ガスと化学反応を起こし、生成したガス状の生成物は噴射されたガスとともにその場から流れ去るため、これによってシリコンウェハＷの表面から材料が除去される。除去される量は活性種ガスに曝される時間に略比例するので、シリコンウェハＷとノズル部２０との相対速度を制御することにより除肉量が制御される。
【００２４】
上記相対速度は、次のようにして決められる。すなわち、事前にウェハ毎の表面凹凸を平坦度測定機によって測定する。測定結果は、ウェハ表面の升目状の小さな領域に対する厚さデータ（位置−厚さデータ）として得られる。エッチングプロファイルのデータ、予定されるピッチｐ、及び、位置−厚さデータを用いて、各領域における全除肉量を調節しウェハ全体として平坦になるように各領域を通過するときのノズル・ウェハ相対速度が計算される。
【００２５】
「従来の技術」の項で説明したように、これまでの局所ドライエッチング法では、ノズル・ウェハ相対速度を求めるために使用する位置−厚さデータには平坦度測定機によって測定されたデータがそのまま使用されていた。このため、大きな速度変化を伴うノズル・ウェハ相対速度が計算結果として得られていた。現実のドライエッチング装置では、このような速度変化（加速度）に駆動モータあるいは機体が対応できないため、駆動モータには瞬間的な過負荷、又は脱調が生じ、あるいは、各部材に変形が生じることとなり、結果として、長い間使用しているうちにドライエッチング装置の加工精度及び機械寿命が損なわれることになった。
【００２６】
本発明では、次のようにして局所ドライエッチングが行われる。図６は、この作業の流れを示す図である。局所ドライエッチング作業が開始（ステップＳ００）すると、ステップＳ０１において、平坦度測定機を用いて各ウェハの表面の平坦度を測定する。ステップＳ０２において上記測定の結果（位置−厚さデータ）に対し、フィルタリング処理を施し、予め定められた空間波長以下の成分をカットオフする。これは各ウェハ毎に行われ、それぞれの位置−厚さデータから余分なノイズが除去される。
【００２７】
次いで、ステップＳ０３において、ノイズ除去された位置−厚さデータから、従来どおりノズル・ウェハ相対速度を計算する。ノイズ除去によって、計算されたノズル・ウェハ相対速度には大きな速度変化が伴わないが、必要な除肉は行えるものとなっている。ステップＳ０４において、得られたノズル・ウェハ相対速度をドライエッチング装置の制御コンピュータ４９に入力し、このノズル・ウェハ相対速度でもってドライエッチングを実行（ステップＳ０５）する。
【００２８】
なお、上記ノズル・ウェハ相対速度の大きさが、ウェハ毎に異なるだけでなく、一つのウェハにおいてもノズルの位置（ウェハとの相対位置）に応じて変化することは当然である。全ウェハの平坦化を終えたとき終了（ステップＳ９９）する。また、上記フィルタリング処理は、制御コンピュータ４９で行うことも、他のコンピュータで行うことも可能である。
【００２９】
図７を用いてフィルタリング処理の例について説明する。位置−厚さデータは、ウェハ表面を細かな格子によって分割し、分割された領域毎の厚さＴ（ｘ、ｙ）として表される。図８の式１に示すように、今注目している一つの領域を中心として、半径ｆｓの円内に入る領域の厚さＴ（ｘ＋ｉ、ｙ＋ｊ）の平均値を求め、これを新しい厚さＴａ（ｘ、ｙ）とする。各領域について求めた一群の厚さＴａのデータを新たに位置−厚さデータとする。
【００３０】
この処理によって、半径ｆｓの２倍程度以下の空間波長成分（つまりドライエッチング装置にとってはノイズになる短い波長成分）をカットオフすることができる。上記半径ｆｓの円に代えて、一辺２ｆｓ−１の正方形（図７に点線でもって示す）とすることも可能である。また、上の説明では厚さの平均値を算術平均によって求めているが、算術平均に限らず他の平均化計算手法、例えば、周辺データに位置の重みをつける（係数を掛ける）ような加重平均法、あるいは他のノイズ除去手法を採用することも可能である。
【００３１】
カットオフ波長は１０mm、あるいは、ノズル径により場合によっては２０mmとすることが好ましい。これによりおおよそ１０mmあるいは２０mm以下の空間波長成分が測定データからカットオフされる。この場合、分割領域の一辺を１mmとしたときには半径ｆｓの数は５乃至１０（数値５、及び１０は領域の個数で数えたもの）に相当することになる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、平坦度測定装置によって得られた位置−厚さデータからノイズ成分が除去されるので、ドライエッチング装置に指令値として与えるためのノズル・ウェハ相対速度を、加速、減速を必要最小限に抑制し、しかも平坦化に必要な充分な精度が得られるものとすることができる。また、これによって駆動モータの過負荷や部材の変形を減らし、加工精度や機械寿命を維持することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマを用いた局所エッチング法によるウェハ平坦化方法の原理を説明するための説明図である。
【図２】半導体ウェハの表面に種々の凹凸が存在することを説明するためのグラフである。
【図３】直径２００mmのウェハにおいて、直径の一端から他端にノズルが移動するときのノズル・ウェハ相対速度の指令値（入力速度）と実測した速度をプロットしたグラフである。
【図４】局所プラズマエッチング装置の具体例を説明するための説明図である。
【図５】ノズル部２０の走査軌跡を示すための説明図である。
【図６】本発明の局所ドライエッチング作業の流れを示す説明図である。
【図７】フィルタリング処理の例について説明するための説明図である。
【図８】半径ｆｓの円内に入る領域の厚さＴ（ｘ＋ｉ、ｙ＋ｊ）の平均値を求めるための式である。
【符号の説明】
１ プラズマ発生器
２ アルミナ放電管
３ ガス供給装置
４ チャンバー
５ Ｘ−Ｙ駆動機構
１０ マイクロ波発振器
１２ 反射板（ショートプランジャー）
１１ 導波管
１３ スタブチューナ
１４ アイソレータ
２０ ノズル部
３０ 供給パイプ
３１ ボンベ
３２ バルブ
３３ 流量制御器
４０ ウェハテーブル
４１、４５ 真空ポンプ
４２ 孔
４３ Ｏ−リング
４４ ダクト
４９ 制御コンピュータ
５０ Ｘ駆動モータ
５１ Ｙ駆動モータ
１００ プラズマ発生部
１０１ ノズル
１２０ ステージ
２０ａ 開口
Ｇ 活性種ガス
Ｍ マイクロ波
Ｗ ウェハ

Claims (5)

1. 平坦度測定装置によって得られる半導体ウェハの位置−厚さデータを用いて局所ドライエッチング装置に与えるノズル・ウェハ相対速度を算出し、このノズル・ウェハ相対速度にしたがってノズルをウェハ面に沿って移動させながらノズルから噴出される活性種ガスによってウェハ表面の材料を除去して平坦化する局所ドライエッチング方法において、
   上記ノズル・ウェハ相対速度の算出に当たり、上記位置−厚さデータから、予め定められた空間波長以下の成分をカットオフするためのフィルタリング処理を行うこと
   を特徴とする局所ドライエッチング方法。
2. 請求項１に記載された局所ドライエッチング方法において、
   上記予め定められた空間波長は１０mmであり、この空間波長以下の成分が上記位置−厚さデータからカットオフされること
   を特徴とする局所ドライエッチング方法。
3. 請求項１に記載された局所ドライエッチング方法において、
   上記予め定められた空間波長は２０mmであり、この空間波長以下の成分が上記位置−厚さデータからカットオフされること
   を特徴とする局所ドライエッチング方法。
4. 局所ドライエッチング装置のノズル・ウェハ相対速度を算出するために測定された半導体ウェハ表面の位置−厚さデータを、予め決められた半径内にある全ての厚さデータの平均値をそれぞれの位置における厚さデータとすることによってフィルタリング処理すること
   を特徴とする半導体ウェハ表面の位置−厚さデータの処理方法。
5. 請求項４に記載された半導体ウェハ表面の位置−厚さデータの処理方法において、
   上記予め決められた半径は、カットオフする空間波長の２分の１程度であること
   を特徴とする半導体ウェハ表面の位置−厚さデータの処理方法。

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