JPH05152258A

JPH05152258A - 低温処理方法

Info

Publication number: JPH05152258A
Application number: JP33802791A
Authority: JP
Inventors: Junichi Sato; 淳一佐藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1991-11-28
Filing date: 1991-11-28
Publication date: 1993-06-18

Abstract

(57)【要約】【目的】低温エッチングにおいて、ウェハの裏面への
パーティクルの付着を防止する。【構成】有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置
１００を用いてＳ₂Ｆ₂ガスによるシリコン・トレンチ
・エッチングを行う場合、ウェハ８をセットしない状態
でＳ₂Ｆ₂ガスを導入して予備放電を行い、ウェハ載置
電極９の表面を予めＳ（イオウ）堆積層で被覆する。こ
れにより、ウェハ８をウェハ載置電極９上へ密着保持し
たとしても、裏面に付着する物質はＳのみとなり、組成
の不明な他のパーティクルは直接接触しない。エッチン
グ終了後、ウェハ８を後加熱チャンバ１４へ搬送して表
裏両面から加熱Ｎ₂ガスを吹き付ければ、Ｓは容易に昇
華除去できる。アンロード・カセット室１８内でウェハ
８がカセット１９に収納される際にも、他のウェハを汚
染する虞れがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造分野等
において適用される低温ドライエッチング方法，極低温
ＣＶＤ法等の低温処理方法に関し、特に被処理基板（ウ
ェハ）の裏面に付着するパーティクルの他のウェハへの
転写を防止する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩ，ＵＬＳＩ等にみられる
ように半導体装置の高集積化および高性能化が進展する
に伴い、各種プロセスに対しても性能，信頼性を一層向
上させる技術が求められており、その開発のための努力
が続けられている。被処理基板（ウェハ）の温度を低温
域に保持しながら所定の処理を行う低温処理方法も、か
かる技術のひとつであり、極低温ＣＶＤ法、低温エッチ
ング方法等がその代表例である。

【０００３】極低温ＣＶＤ法は、低温冷却された基板の
表面でラジカル重合反応が進行する際に、ある種の物質
が流動性の高い膜形成前駆体を形成することを利用する
技術であり、微細なパターンを優れたステップ・カバレ
ッジ（段差被覆性）にて被覆し、良好な平坦化を実現で
きる技術として注目されている。たとえば、第３８回応
用物理学関係連合講演会（１９９１年春季年会），講演
予稿集ｐ．６３２，演題番号２９ｐ−Ｖ−１０、および
１９９１ＤｒｙＰｒｏｃｅｓｓＳｙｍｐｏｓｉｕｍ
予稿集ｐ．１５１〜１５５，演題番号ＶＩ−２には、ウ
ェハを−１１０℃に冷却した状態でシリコン薄膜を成膜
した例が報告されている。

【０００４】また、第３８回応用物理学関係連合講演会
（１９９１年春季年会），講演予稿集ｐ．６３３，演題
番号２９ｐ−Ｖ−１１、およびＥｘｔｅｎｄｅｄＡｂｓ
ｔｒａｃｔｏｆｔｈｅ１９９１Ｉｎｔｅｒｎａ
ｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｏｌｉ
ｄＳｔａｔｅＤｅｖｉｃｅｓａｎｄＭａｔｅｒｉ
ａｌｓ，ｐ．２０１〜２０３（Ｓ−Ｄ−９）には、ウェ
ハを−１１０℃に冷却した状態でシリコン酸化膜を成膜
した例が報告されている。

【０００５】一方の代表的な技術である低温エッチング
方法は、基板の温度を０℃以下に保持することにより、
深さ方向のエッチング速度をイオン・アシスト効果によ
り実用レベルに維持したまま、側壁部におけるラジカル
反応を凍結または抑制してアンダカット等の形状不良を
防止しようとする技術である。この技術の概念は、応用
物理第５９巻１１号（１９９０年），ｐ．１４２８〜１
４４０に紹介されている。この技術によれば、異方性加
工に必要な入射イオン・エネルギーを低減できるため、
低損傷性，低汚染性も達成できるというメリットも得ら
れる。

【０００６】なお、通常のエッチング・プロセスでは、
特にウェハの冷却を行わなければエッチング中の基板温
度はプラズマ輻射熱や反応熱により百数十℃にまで上昇
するのが普通なので、ウェハ温度を室温近傍に維持する
プロセスも広義の低温エッチングと解釈できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、低温処理
方法によれば多くのメリットが期待できるが、反面、解
決すべき問題も残されている。そのひとつに、基板の裏
面、すなわち被処理面とは反対側の面に発生するパーテ
ィクルの問題がある。一般に低温処理方法では、ウェハ
・ステージ，ウェハ載置電極等の基板保持手段に冷却機
構を内蔵させ、この基板保持手段を介してウェハを冷却
するようになされている。したがって、冷却効率を高め
るために、クランプや静電チャック等の機構を用いてウ
ェハ保持手段とウェハとを強く密着させる必要がある。
このため、ウェハ保持手段の表面に付着しているパーテ
ィクルがウェハの裏面に転写され易い。裏面に転写され
たパーティクルは、洗浄工程、搬送工程等を経て脱落
し、他のウェハの表面を汚染する懸念が大きい。半導体
装置の製造分野では、チップ面積の増大と共にウェハの
大口径化が避けられなくなり、今後、処理の均一化を期
すために枚葉処理が主流となることは確実である。この
ような状況下では、個々のウェハの処理工程において徹
底的なクリーン化を図ることが特に重要となる。

【０００８】そこで本発明は、低温プロセスにおいても
上述のようなパーティクルの転写を防止することが可能
な低温処理方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の目的を
達成するために提案されるものである。すなわち、本願
の第１の発明にかかる低温処理方法は、基板保持手段上
に保持される基板の温度を室温以下に制御しながら、堆
積性物質を生成し得る処理ガスを用いてこの基板に対し
所定の処理を施す方法であって、前記所定の処理を行う
に先立ち、この処理に用いる処理ガスと同一の堆積性物
質を生成し得るガスを用いて予め前記基板保持手段の表
面に堆積性物質を堆積させておくことを特徴とする。

【００１０】本願の第２の発明にかかる低温処理方法
は、前記堆積性物質がイオウもしくはイオウ系化合物で
あることを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明者は、低温プロセスにおいて基板と基板
保持手段とを密着させることが不可欠であるならば、仮
に基板の裏面に付着したとしてもプロセスへの悪影響を
最小限に抑え得る堆積性物質を予め基板保持手段の表面
に積極的に堆積させることにより、有害なパーティクル
と基板との直接的な接触を遮断すれば良いものと考え
た。

【００１２】本願の第１の発明では、基板保持手段の表
面に堆積性物質を堆積させるために、目的の処理に用い
る処理ガスと同一の堆積性物質を生成し得るガスを用い
る。最も簡便には、目的の処理に用いる処理ガスと同一
のガスを用いれば良い。この第１の発明によれば、ｎ枚
目の基板について目的の処理が終了し、この基板が搬出
された後に基板保持手段の表面に任意の組成のパーティ
クルが付着したとしても、次の（ｎ＋１）枚目の基板が
載置される前に該基板保持手段の表面は堆積性物質によ
り被覆される。つまり、基板の裏面に何らかの物質が付
着したとしても、その組成は目的の処理の過程で生じ得
る堆積性物質と同一物に限定されるので、除去対策の方
針が極めて立て易くなるのである。

【００１３】本願の第２の発明は、上述の堆積性物質と
してイオウ（Ｓ）もしくはＳ系化合物を利用するもので
ある。単体のＳは、入射イオン・エネルギー等の条件に
もよるが、基板の温度がおおよそ室温以下に制御されて
いればその表面へ堆積し、目的の処理が終了した後は、
基板を９０〜１５０℃程度に加熱すれば容易に昇華除去
することができる。

【００１４】かかるＳの堆積を利用するプロセスとして
は、第３８回応用物理学関係連合講演会（１９９１年春
季年会），講演予稿集ｐ．５０３，演題番号２８ｐ−Ｚ
Ｃ−１３、あるいは、ＤｉｇｅｓｔｏｆＰａｐｅｒ
ｓ（１９９１）４ｔｈＭｉｃｒｏＰｒｏｃｅｓｓＣ
ｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐ．３２，演題番号Ａ−３−１等
に低温ドライエッチング方法が報告されている。これら
の技術では、放電解離条件下でプラズマ中に遊離のＳを
放出し得るＳ₂Ｆ₂等の化合物をエッチング・ガスとし
て用い、基板上に堆積したＳを選択性の向上や側壁保護
に利用している。

【００１５】一方のＳ系化合物としては、ポリチアジル
（ＳＮ）_xに代表される窒化イオウ系化合物等が好適で
あると考えられ、これも基板を１５０℃程度に加熱する
ことで容易に除去することができる。本願の第２の発明
では、基板保持手段の表面が予めＳもしくはＳ系化合物
で被覆されるので、基板の裏面に付着する物質もＳもし
くはＳ系化合物に限定される。したがって、所定の処理
（特にドライエッチング）が終了した後に基板の表面
（被処理面）に残存するＳもしくはＳ系化合物を除去す
る工程では、裏面のＳもしくはＳ系化合物も同時に除去
することができ、何らパーティクル汚染を惹起させる懸
念がない。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。ここで、実際のプロセスの説明を行う前に、本発
明を実施するにあたり使用した低温処理装置の一構成例
を、図面を参照しながら説明する。

【００１７】この低温処理装置は、図１に示されるよう
に、ＲＦバイアス印加型の有磁場マイクロ波プラズマ・
エッチング装置１００と、後加熱装置１０１と、アンロ
ード・カセット室１８とがゲート・バルブ１３，１７に
て接続されてなるものである。上記有磁場マイクロ波プ
ラズマ・エッチング装置１００の基本的な構成要素は、
２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマグネトロン
１、マイクロ波を導く矩形導波管２および円形導波管
３、上記マイクロ波を利用してＥＣＲ放電により内部に
プラズマＰを生成させるための石英製のベルジャー４、
上記円形導波管３と上記ベルジャー４を周回するように
配設され８．７５×１０^-2Ｔ（８７５Ｇａｕｓｓ）の磁
場強度を達成できるソレノイド・コイル５、上記ベルジ
ャー４に接続され図中矢印Ａ方向に高真空排気される処
理チャンバ６、該処理チャンバ６と上記ベルジャー４へ
処理に必要なガスをそれぞれ矢印Ｂ₁，Ｂ₂方向から供
給するガス導入管７、ウェハ８を載置するためのウェハ
・ステージ９、ウェハ８を冷却するために該ウェハ・ス
テージ９に埋設され、装置外部に設置される図示されな
いチラー等の冷却設備から矢印Ｃ₁，Ｃ₂方向に冷媒を
循環させるための冷却配管１０、上記ウェハ・ステージ
９にＲＦバイアスを印加するためにブロッキング・コン
デンサ１１等を介して接続されるＲＦ電源１２等であ
る。

【００１８】上記後加熱装置１０１は、上記有磁場マイ
クロ波プラズマ・エッチング装置１００の処理チャンバ
６にゲート・バルブ１３を介して接続される後加熱チャ
ンバ１４、該後加熱チャンバ１４内においてウェハ８を
縁面にて支持することが可能なサセプタ１６、上記後加
熱チャンバ１４の天井面と床面とに開口され、ウェハの
表面（被エッチング面）と裏面とに矢印Ｄ₁，Ｄ₂方向
から加熱気体を吹きつけることが可能な一対のブロー管
１５等から構成される。

【００１９】ここで、上記サセプタ１６によるウェハ８
の保持状態を図２に示す。このサセプタ１６は陽極酸化
アルミニウムもしくは石英等から構成される４本一組の
円柱状の部材であり、図示されない駆動手段にて操作さ
れることにより、切り欠き部１６ａにてウェハ８の縁面
を保持するようになされている。ただし、サセプタ１６
の形状や本数等は、図示される例に限られるものではな
い。

【００２０】さらに、上記後加熱チャンバ１４には、ゲ
ート・バルブ１７を介してアンロード・カセット室１８
が接続されている。このアンロード・カセット室１８
は、処理の終了したウェハ８を収納するためのカセット
１９を収容している。かかる装置を使用すれば、低温エ
ッチング→後加熱→アンロードの一連の作業を、ウェハ
８を大気開放することなく、クリーンな環境下で連続的
に行うことができる。

【００２１】以下の各実施例では、上記の装置を利用し
た実際のプロセス例について説明する。

【００２２】実施例１本実施例は、本願の第２の発明をシリコン・トレンチ・
エッチングに適用し、Ｓ₂Ｆ₂を用いて有磁場マイクロ
波プラズマ・エッチング装置のウェハ載置電極の表面に
予めＳ堆積層を形成した後、同じくＳ₂Ｆ₂を用いて単
結晶シリコン基板をエッチングした例である。

【００２３】本実施例でエッチング・サンプルとして使
用したウェハ８は、単結晶シリコン基板上に所定の形状
にパターニングされたレジスト・マスクが形成されてな
るものである。

【００２４】まず、上述の有磁場マイクロ波プラズマ・
エッチング装置１００のウェハ載置電極９の表面にＳを
堆積させるため、ウェハ８をセットしない状態で、一例
として以下の条件により予備放電を行った。Ｓ₂Ｆ₂流量３０ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（５ｍＴｏｒｒ）マイクロ波パワー８００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー０Ｗウェハ載置電極温度 −７０℃（エタノール冷媒使
用）上記Ｓ₂Ｆ₂は、本願出願人が先に特願平３−２１０５
１６号明細書において、シリコン系材料層のエッチング
・ガスとして提案した化合物であり、同じフッ化イオウ
でも従来から広く利用されているＳＦ₆とは異なり、放
電解離条件下でプラズマ中に遊離のＳを放出することを
特長としている。この予備放電過程では、低温冷却され
たウェハ載置電極９の表面に無バイアス条件下で効率良
くＳが堆積した。予備放電は、Ｓ堆積層の厚さが約１μ
ｍとなったところで終了した。

【００２５】次に、上記ウェハ載置電極９上にウェハ８
をセットし、図示されないクランプもしくは静電チャッ
ク機構等により両者を密着させた。この状態で、一例と
して下記の条件でシリコン・トレンチ・エッチングを行
った。Ｓ₂Ｆ₂流量３０ＳＣＣＭガス圧０．１３Ｐａ（１ｍＴｏｒｒ）マイクロ波パワー８００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー１０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ温度 −７０℃ このエッチング過程では、Ｆ^*によるラジカル反応がＳ
Ｆ⁺，Ｓ⁺等のイオンの入射エネルギーによりアシスト
されながらエッチングが進行した。このラジカル反応自
体は、ウェハの低温冷却によりある程度抑制されてい
る。また、イオンの垂直入射が原理的に生じないパター
ンの側壁部にはＳが堆積し、側壁保護膜を形成した。こ
れら、ラジカル反応の抑制効果、イオン・アシスト効
果、Ｓによる側壁保護効果等が相乗的に現れる結果、異
方性形状を有するトレンチが形成された。

【００２６】なお、このエッチング・プロセスは、ＣＦ
Ｃ（クロロフルオロカーボン）ガスを用いずにシリコン
系材料層のエッチングが行えることから、脱ＣＦＣ対策
（いわゆる脱フロン対策）としての価値が極めて大き
い。

【００２７】次に、上記ウェハ８を後加熱装置１０１の
後加熱チャンバ１４に搬送してサセプタ１６で支持し
た。このときのウェハ８の表面（被エッチング面）に
は、側壁保護等に寄与したＳが、また裏面にはウェハ載
置電極９を被覆するＳ堆積層から転写されたＳが付着し
ている。この状態でブロー管１５から約１００℃に加熱
されたＮ₂ガスを該ウェハ８の表裏両面から吹き付ける
と、Ｓは容易に昇華除去された。

【００２８】なお、このときのＮ₂ガスの吹き付け時間
は、上記装置内におけるＳの昇華時間を予め計測してお
き、この計測結果にもとづいて設定した。Ｎ₂ガスの吹
き付け圧力は、Ｓを不用意に飛散させることのない程度
に設定しておくことが望ましい。

【００２９】最後に、ウェハ８をアンロード・カセット
室１８に搬送し、カセット１９に収納した。このとき、
ウェハ８の裏面にはパーティクルが付着していないの
で、他のウェハを汚染することはなかった。また、ウェ
ハ８は前段の加熱Ｎ₂ガスの吹きつけにより昇温されて
いるため、このまま大気中に取り出しても結露を生ずる
懸念がない。この結露は、低温エッチングに本質的に付
随する問題点であり、処理後のウェハを室温に戻すため
の所要時間が従来よりスループットを大幅に低下させる
原因となってきた。しかし、上述のプロセスによれば、
Ｓの昇華除去とウェハ加熱を兼ねることができるため、
スループットを改善することができる。

【００３０】実施例２本実施例は、本願の第２の発明をアルミニウム（Ａｌ）
配線加工に適用し、Ｓ₂Ｃｌ₂を用いて有磁場マイクロ
波プラズマ・エッチング装置のウェハ載置電極の表面に
予めＳ堆積層を形成した後、同じくＳ₂Ｃｌ₂を用いて
Ａｌ系多層膜をエッチングした例である。

【００３１】本実施例でエッチング・サンプルとして使
用したウェハ８は、単結晶シリコン基板上に、厚さ１０
０ｎｍの熱酸化膜を介して厚さ４００ｎｍのＡｌ系多層
膜が積層され、さらに所定の形状にパターニングされた
レジスト・マスクが形成されてなるものである。このＡ
ｌ系多層膜は、厚さ３０ｎｍのＴｉ層および厚さ７０ｎ
ｍのＴｉＯＮ層からなる２層構造のバリヤメタルと、厚
さ３００ｎｍのＡｌ−１％Ｓｉ層とが順次積層されてな
るものである。

【００３２】まず、実施例１で述べた有磁場マイクロ波
プラズマ・エッチング装置１００のウェハ載置電極９の
表面にＳを堆積させるため、ウェハ８をセットしない状
態で、一例として以下の条件により予備放電を行った。Ｓ₂Ｃｌ₂流量３０ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（５ｍＴｏｒｒ）マイクロ波パワー８００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー０Ｗウェハ載置電極温度 −７０℃（エタノール冷媒使
用）上記Ｓ₂Ｃｌ₂は、本願出願人が先に特願平３−２１０
５１６号明細書において、シリコン系材料層およびＡｌ
系材料層のエッチング・ガスとして提案した化合物であ
り、やはり放電解離条件下でＳを放出することができ
る。この予備放電過程では、低温冷却されたウェハ載置
電極９の表面に無バイアス条件下で効率良くＳが堆積し
た。予備放電は、Ｓ堆積層の厚さが約１μｍとなったと
ころで終了した。

【００３３】次に、上記ウェハ載置電極９上にウェハ８
をセットし、一例として下記の条件でＡｌ系多層膜をエ
ッチングした。Ｓ₂Ｃｌ₂流量３０ＳＣＣＭガス圧０．１３Ｐａ（１ｍＴｏｒｒ）マイクロ波パワー８００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー１０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ温度 −７０℃ このエッチング過程では、Ｃｌ^*によるラジカル反応が
ＳＣｌ⁺，Ｓ⁺，Ｃｌ⁺等のイオンの入射エネルギーに
よりアシストされながらエッチングが進行した。一方、
Ｓ₂Ｃｌ₂から解離生成するＳが側壁保護効果を発揮す
ることにより、良好な異方性形状を有するＡｌ系配線層
を形成することができた。

【００３４】なお、このエッチング・プロセスは、アフ
ターコロージョン防止対策としての価値が極めて大き
い。なぜなら、上記の条件は自己バイアス電位Ｖ_dcの低
い条件であり、レジスト・マスクの分解生成物（炭素系
ポリマー）の側壁保護への寄与がほとんどないため、残
留塩素の影響を低減できるからである。

【００３５】この後、実施例１と同様に加熱Ｎ₂を吹き
付けることによりＳを昇華除去し、ウェハ８をアンロー
ド・カセット室１８に搬送した。本実施例によっても、
他のウェハを汚染することなく、枚葉処理によるＡｌ配
線加工を行うことができた。

【００３６】以上、本発明を２つの実施例にもとづいて
説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定される
ものではなく、たとえば被エッチング材料層は上述の単
結晶シリコン基板やＡｌ系多層膜の他、多結晶シリコン
層、高融点金属シリサイド層、ポリサイド膜、酸化シリ
コン系材料層等であっても良い。堆積性物質としては、
上述のＳの他、Ｓ系化合物として（ＳＮ）_x等を利用し
ても良い。この（ＳＮ）_xについては、本願出願人が先
にたとえば特願平３−１７１８８１号明細書においても
述べているごとく、イオウ系化合物と窒素系化合物とを
含むガスを用いて放電解離条件下で気相中に生成させる
ことができる。

【００３７】その他、エッチングされるウェハの構成、
エッチング条件、エッチング装置の構成等は適宜変更可
能であることは、言うまでもない。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明によれば、基板の裏面におけるパーティクルの付着を
防止しながら低温処理を行うことが可能となる。したが
って、枚葉処理おける信頼性，再現性，歩留り等を大幅
に改善することができる。また、特に堆積性物質として
Ｓを選択した場合には、処理の終了後にＳを除去するた
めの基板加熱が行われるため、基板への結露を防止する
ことも可能となる。

【００３９】したがって本発明は、微細なデザイン・ル
ールにもとづいて設計され、高性能および高集積度を有
する半導体装置の製造に好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するにあたり使用される低温処理
装置の一構成例を示す概略断面図である。

【図２】図１に示される低温処理装置の後加熱装置に配
設されるサセプタを拡大して示す概略斜視図である。

【符号の説明】

４・・・ベルジャー６・・・処理チャンバ８・・・ウェハ９・・・ウェハ載置電極１０・・・冷却配管１３，１７・・・ゲート・バルブ１４・・・後加熱チャンバ１５・・・ブロー管１６・・・サセプタ１８・・・アンロード・カセット室１９・・・カセット１００・・・有磁場マイクロ波プラズマ・エッチン
グ装置１０１・・・後加熱装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板保持手段上に保持される基板の温度
を室温以下に制御しながら、堆積性物質を生成し得る処
理ガスを用いてこの基板に対し所定の処理を施す低温処
理方法において、前記所定の処理を行うに先立ち、この処理に用いる処理
ガスと同一の堆積性物質を生成し得るガスを用いて予め
前記基板保持手段の表面に堆積性物質を堆積させておく
ことを特徴とする低温処理方法。
【請求項２】前記堆積性物質がイオウもしくはイオウ
系化合物であることを特徴とする請求項１記載の低温処
理方法。