JPH06168932A - 半導体装置のパターニング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 より単純なプロセスによりパターニングを行
うことができる半導体装置のパターニング装置を提供す
る。 【構成】 チャンバ１０内の支持基板２０上にパターニ
ング対象基板３０を載せる。この上に、形成すべきパタ
ーンに対応する形状の開口窓が形成されたマスク板４０
をのせ、磁石２１で吸引固定する。排気管１２によって
排気減圧しながら、ガス導入管１１から反応性ガスを導
入する。ＲＦ発生器６０により、支持電極２０と対向電
極５０との間に交流を供給して放電を起こさせ、導入ガ
スをプラズマ化する。マスク４０の開口窓からの露出面
は、プラズマガスにより化学反応を生じ、別な化合物の
膜が形成される。

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パターニン
グ装置、特に、薄膜トランジスタ、太陽電池、各種セン
サ、などの製造に適したパターニング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的な半導体装置は、基板上に複数の
層をそれぞれ様々なパターンで積層させた構造をもつ。
このため、半導体装置の製造工程では、基板上への層の
形成と、形成した層に対するパターニングとが繰り返し
行われる。従来用いられている最も一般的なパターニン
グ方法は、フォトリソグラフィ法である。この方法で
は、パターニング対象となる層の上にレジスト層を形成
し、このレジスト層上に所定のパターンが描かれたマス
クを載せた状態で露光し、レジスト層を現像して露光部
分または非露光部分を除去し、残ったレジスト層を保護
膜として用い、パターニング対象層のエッチングが行わ
れる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述したフォトリソグ
ラフィ法では、対象となる１つの層をパターニングする
ために、レジスト層の形成、マスクを用いた露光、
レジスト層の現像、エッチング、という４つの段階
が必要になり、各段階においてそれぞれ処理装置が必要
になる。一般に、１つの半導体装置を製造するために
は、多数の層に対するパターニングが必要になるため、
全製造プロセスを完了するまでには、非常に多数の段階
からなる複雑な処理を行わねばならない。このため、製
造に時間がかかりコストも高くなるという問題があっ
た。

【０００４】そこで本発明は、より単純なプロセスによ
りパターニングを行うことができる半導体装置のパター
ニング装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

(1) 本願第１の発明は、製造工程途中の半導体装置を
構成する材料層について、その一部を除去することによ
って所定のパターンを形成させるパターニング工程に用
いられる装置において、パターニング対象となる材料層
が形成された基板を収容するためのチャンバと、このチ
ャンバ内を減圧するための排気手段と、このチャンバ内
にパターニング対象となる材料層と化学反応を生じる反
応性ガスを導入するための反応性ガス導入手段と、この
チャンバ内において基板を支持する支持電極と、この支
持電極に対向して設けられた対向電極と、支持電極と対
向電極との間に電界を発生させる電界発生手段と、支持
電極の上に基板を載置し、その上に、形成すべき所定の
パターンに対応する形状の開口窓が形成された金属製の
マスク板を載せたときに、この金属製のマスク板を支持
電極に向かって吸引固定する作用をもった磁界を、基板
に対してほぼ一様に分布するように発生させる磁界発生
手段と、を設け、発生させた電界により反応性ガスをチ
ャンバ内においてプラズマ化し、マスク板の開口窓から
露出した材料層の表面とプラズマ化した反応性ガスとを
化学反応させて別な化合物を形成できるようにしたもの
である。

【０００６】(2) 本願第２の発明は、上述の第１の発
明に係る半導体装置のパターニング装置において、マス
ク板をチャンバ内で水平方向に移動させる位置調整機構
を更に設け、磁界発生手段として電磁石を用い、位置調
整機構による位置合わせが完了した後に電磁石に通電を
行いマスク板の吸引固定を行うことができるようにした
ものである。

【０００７】

【作 用】本発明は新規なパターニング方法の実施に適
したパターニング装置を提供する。この新規なパターニ
ング方法では、物理的な開口窓をもったマスク板によっ
て、パターニング対象となる基板上の材料層の一部が物
理的に覆われる。この状態で、基板をプラズマ化された
所定の反応性ガスのチャンバ内におくと、マスク板の開
口窓から露出した材料層に対して化学反応が生じ、この
露出部分についてのみ別な化合物が形成させる。結局、
マスク板で覆われていた部分はもとの材料層のままであ
るが、開口窓によって露出していた部分には別な化合物
によるパターンが形成されたことになる。この化学反応
中、金属製のマスク板は、磁界発生装置によって発生さ
れた磁界の吸引力により材料層の表面に吸引固着された
状態となる。しかも、この磁界は、基板に対してほぼ一
様に分布するため、プラズマ化されたガスとの化学反応
も基板上で一様に起こり、一様なパターン形成が可能に
なる。

【０００８】このように、本発明に係る半導体装置のパ
ターニング装置による処理を行えば、基板上のパターニ
ング対象となる材料層上に、別な化合物によるパターン
形成がなされる。そこで、この後、もとの材料層と別な
化合物との間でエッチングレートが異なる方法でエッチ
ングを行えば、所望のパターニングが可能になる。この
方法によれば、本発明に係る装置による反応性ガス雰
囲気中での化合物形成、エッチング、という２段階の
処理により、１つの層に対するパターニングが完了す
る。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基づいて説
明する。はじめに、本発明に係る装置を用いた新規なパ
ターニング方法の原理を説明する。ここでは、ガラス基
板上にＣｒからなる金属配線層をパターニングするプロ
セスを例にとって、図１の断面図を参照しながら説明し
よう。まず、図１(a) に示すように、ガラス基板１上に
Ｃｒを堆積させ、Ｃｒ材料層２を形成する。Ｃｒを堆積
させる方法としては、従来から用いられている一般的な
成膜方法を用いればよい。たとえば、真空蒸着法、スパ
ッタ法、ＣＶＤ法、鍍金法などを用いることができる。
Ｃｒ材料層２の厚みとしては、後述するように、０．０
１〜１μｍの範囲が好ましく、特に、０．０５〜０．５
μｍの範囲にするのがよい。

【００１０】続いて、このＣｒ材料層２が形成されたガ
ラス基板１を、本発明に係るパターニング装置のチャン
バ内に収容し、図１(b) に示すように、このＣｒ材料層
２の上に、金属製のマスク板３をのせて覆うようにす
る。後述するように、この金属製のマスク板３は、磁石
の吸引力により図の下方へ吸引されるため、マスク板３
とＣｒ材料層２とは密着することになる。このマスク板
３には、金属配線層として形成すべき所定のパターンに
対応する形状の開口窓４が設けられている。開口窓４は
貫通孔を形成しており、Ｃｒ材料層２の表面のうち、開
口窓４に対応する部分は露出した状態となる。続いて、
このチャンバ内を減圧して反応性ガスを導入する。ここ
で用いる反応性ガスとしては、Ｃｒ材料層２の表面と化
学反応を起こしてＣｒとは別の化合物を生成するような
ガスであれば何でもよいが、ここでは、弗素を含んだガ
スを反応性ガスとして用いている。この反応性ガスは、
チャンバ内においてプラズマ化される。このように、図
１(b) に示すものを、弗素を含んだプラズマガス雰囲気
中におくと、開口窓４によって露出しているＣｒ材料層
２の露出面が化学反応を起こし、その表面に弗素化合物
膜５が形成される。なお、条件によっては、弗素による
コーティング膜が形成される場合もあるが、本明細書で
は、このような弗素コーティング膜も含めて弗素化合物
膜５と呼ぶことにする。以上の化学反応が完了したら、
これをチャンバ内から取り出し、マスク板３を除去す
る。図１(c) は、マスク板３を除去したときの状態を示
す図であり、Ｃｒ材料層２の表面に弗素化合物膜５が形
成された状態が明瞭に示されている。

【００１１】上述したプラズマガス雰囲気中における化
学反応を行うにあたって重要なことは、Ｃｒ材料層２の
露出面のみについて反応が起こり、非露出面には反応が
起こらないようにすることである。そのためには、プラ
ズマガスが露出面だけに供給され、非露出面には触れな
いようにしなければならない。これは、Ｃｒ材料層２の
上面とマスク板３の下面との物理的密着性を向上させる
ことにより可能である。一般に、ガラス基板１の上面は
かなりの平滑度を有しており、この上に真空蒸着法、ス
パッタ法、ＣＶＤ法、鍍金法などによって堆積されたＣ
ｒ材料層２の上面もかなり平滑度をもった面となる。そ
こで、同程度の平滑度をもった下面を有するマスク板３
を用い、このマスク板３がＣｒ材料層２の上に密着した
状態を保つようにして反応を行わせれば、両者間におけ
るプラズマガスの回り込みを阻止することができ、Ｃｒ
材料層２の露出面のみに弗素化合物膜５が形成されるこ
とになる。マスク板３をＣｒ材料層２の上に密着させる
ために、後述するように、磁石が用いられている。

【００１２】さて、図１(c) に示すように、弗素化合物
膜５が所定のパターンで形成されたら、これに対して選
択的なエッチングを行う。すなわち、Ｃｒ材料層２と弗
素化合物膜５との間で、エッチングレートの異なるエッ
チング方法を行うのである。たとえば、硝酸第２セリウ
ムアンモン液を用いたエッチングを行えば、Ｃｒ材料層
２に対するエッチング速度は、弗素化合物膜５に対する
エッチング速度の１０倍程度となり、エッチング速度の
遅い弗素化合物膜５をマスクとして用い、Ｃｒ材料層２
のうち弗素化合物膜５が形成されていない部分のみをエ
ッチング除去することが可能である。こうして、図１
(d) に示すように、Ｃｒ材料層２のうち、Ｃｒパターニ
ング層６だけがエッチング除去されずに残ることにな
り、このＣｒパターニング層６が目的の金属配線層とな
る。なお、別なエッチング方法として、ＣＣＬ_４を用い
たドライエッチングを行っても、同程度のエッチング選
択比が得られる。

【００１３】前述したように、Ｃｒ材料層２の厚みとし
ては、０．０１〜１μｍの範囲が好ましい。これは、次
のような理由による。すなわち、Ｃｒ材料層２の厚みが
０．０１μｍ以下であると、金属配線層として抵抗が高
くなりすぎ実用的ではなくなる上、プラズマ雰囲気中に
おける化学処理の際に、スパッタ効果により層が消滅す
るおそれがあり不適当である。また、Ｃｒ材料層２の厚
みが１μｍ以上であると、Ｃｒ材料層２の厚みと弗素化
合物膜５の厚みの比が大きくなりすぎるため、エッチン
グ処理時に、マスクとして機能する弗素化合物膜５がエ
ッチング除去されてしまったり、サイドエッチングの影
響を受けてＣｒパターニング層６の形状が悪くなったり
するためにやはり不適当である。

【００１４】以上、本願発明者によって案出された新規
なパターニング方法の原理を説明した。要するに、この
パターニング方法は、前段工程となるプラズマガスによ
る反応プロセス（図１(b) ）と、後段工程となるエッチ
ングプロセス（図１(d) ）と、によって構成される。本
願発明に係るパターニング装置は、この前段工程を行う
ための装置である。以下、図２を参照しながら、この装
置の一実施例を説明する。チャンバ１０内は、ガス導入
管１１から反応性ガス（たとえば、弗素を含んだガス）
が導入されるとともに、排気管１２を通じて排気系（図
示していない真空ポンプなど）によって真空に引かれ
る。チャンバ１０の下部には、支持電極２０が設けられ
ている。この支持電極２０には、磁石２１が内蔵されて
おり、その上面には、パターニング対象基板３０が載置
される。このパターニング対象基板３０は、たとえば、
図１(a) に示すように、ガラス基板１の上面にＣｒ材料
層２を形成した基板である。この上に、マスク板４０
（図１におけるマスク板３に相当）が載せられる。この
実施例では、マスク板４０の周囲に支持枠４１が設けら
れている。更に、チャンバ１０の上部には、支持電極２
０と対向する位置に対向電極５０が設けられており、こ
の対向電極５０と支持電極２０との間には、ＲＦ発生器
６０によってＲＦ交流電力が供給され、両電極間にはＲ
Ｆ交流電界が発生する。

【００１５】さて、この装置を用いたパターニングの前
段工程は、次のようにして行われる。まず、パターニン
グ対象基板３０を支持電極２０の上面にのせ、この上
に、マスク板４０をのせる。マスク板４０は金属製であ
り、支持電極２０には磁石２１が内蔵されているため、
この磁石２１によってマスク板４０は下方に引き付けら
れ、パターニング対象基板３０の上面に押圧された状態
で固定される。すなわち、図１(b) に示す例では、マス
ク板３がＣｒ材料層２の上面に密着した状態で固定され
ることになる。このような密着固定は、反応性ガスが開
口窓４以外の領域に回り込むのを防ぐために重要であ
る。続いて、排気管１２からチャンバ１０内を真空に排
気して減圧状態（たとえば、５Ｐａ）に保ち、ガス導入
管１１から反応性ガス（たとえば、ＣＦ_４とＯ_２とを混
合比９５：５で混合したガス）をチャンバ１０内に所定
の流量（たとえば、１分間に１００ｃｃ）で導入する。
そして、ＲＦ発生器６０によって、支持電極２０と対向
電極５０とに交流電力（たとえば、５００Ｗ）を与え、
両電極間に交流電界を発生させて放電を起こし、導入し
た反応性ガスをプラズマ化する。この状態を所定時間
（たとえば、３分間）保持することにより、マスク板４
０の開口部からの露出面に弗素化合物膜５を形成する。
続く、後段工程では、チャンバ１０内から取り出したパ
ターニング対象基板３０を、たとえば、硝酸第２セリウ
ムアンモン溶液に浸し、エッチングを行えばよい。

【００１６】ところで、減圧したチャンバ内に交流電界
をかけ、導入した反応性ガスをプラズマ化して所定の化
学反応を行う装置は、従来からスパッタリング処理を行
う場合などに用いられている。また、チャンバ内に磁石
を設けて磁界を発生させる装置も公知である。しかしな
がら、本発明に係る装置は、磁石２１の発生する磁界が
パターニング対象基板３０に対してほぼ一様に分布する
という特徴をもっている点において、この種の従来装置
とは区別される。すなわち、本発明の装置では、図３に
破線で示すような磁力線が生じるような磁石２１が、支
持電極２０上に用意されている。この磁力線は、パター
ニング対象基板３０に対してはほぼ一様に分布している
ことがわかる。このような磁界の一様分布は、プラズマ
ガスによる反応を一様にするために必要になる。従来の
スパッタリング装置などでも、チャンバ内に磁界を発生
させる装置が用いられているが、これは、プラズマガス
による反応をスパッタリング処理の対象となる基板のあ
る特定部分に集中させる意図で用いられているものであ
る。すなわち、局在化した磁界を発生させれば、プラズ
マガスによる反応を局在化させることができる。したが
って、従来のスパッタリング装置などで用いられている
磁界発生装置は、基板に対して局在的な磁界を発生させ
る目的で設けられているものである。

【００１７】これに対し、本発明において用いる磁界発
生装置は、マスク板４０を吸引固着することを目的とす
るものであり、プラズマガスによる反応を局在化させる
ことを目的とするものではない。逆に、プラズマガスに
よる反応が局在化しては問題が生じる。なぜなら、プラ
ズマガスの反応によって生じる弗素化合物膜５のパター
ンにむらが生じてしまうからである。したがって、本発
明の装置では、マスク板４０を吸引固着するために磁界
を発生させる必要はあるものの、その磁界はパターニン
グ対象基板３０に対してほぼ一様である必要がある。こ
のため、本発明の装置には、図３に示すように、パター
ニング対象基板３０よりも大きな断面をもつ円盤状の永
久磁石か、図４に示すように、パターニング対象基板３
０よりも大きな断面をもつ鉄芯２２とその周囲に巻装さ
れたコイル２３とによって構成される電磁石を、磁石２
１として用いるのが好ましい。このような磁石２１を用
いることにより、金属製のマスク板４０を十分に吸引固
定するとともに、パターニング対象基板３０に対して
は、プラズマガスによる反応に影響を与えないように、
ほぼ一様な磁界を与えることが可能になる。

【００１８】なお、マスク板４０とパターニング対象基
板３０との位置合わせを容易に行うことができるよう
に、マスク板４０をチャンバ１０内で水平方向（図２の
矢印Ａの方向）に移動させる位置調整機構を更に設けて
おくとよい。このような位置調整機構は、フォトリソグ
ラフィ法においてフォトマスクの位置合わせを行うため
に従来から用いられている一般的な機構を用いればよ
い。パターニング対象基板３０およびマスク板４０に、
それぞれ位置合わせ用のマークを設けておき、これらの
マークを光学的に観察しながら位置合わせを行えばよ
い。この場合、磁石２１としては電磁石を用いるのが好
ましい。電磁石を用いれば、図２の矢印Ａの方向への位
置合わせを行うときには、この電磁石の通電を中止して
おき、位置合わせが完了した時点で電磁石に通電を行
い、マスク板４０を図２の矢印Ｂの方向に吸引固定する
ことができる。

【００１９】以上、本発明を図示する実施例に基づいて
説明したが、本発明はこの実施例のみに限定されるもの
ではなく、この他にも種々の態様で実施可能である。た
とえば、上述の実施例では、反応性ガスをプラズマ化す
るための放電を、ＲＦ交流電力の供給によって行ってい
るが、この放電は直流電力の供給によって行ってもよ
い。また、この放電は、カソードカップル型で行って
も、アノードカップル型で行ってもよい。更に、ナロー
ギャップ、マグネトロン、トライオードなどを用いて放
電を行うようにしてもよい。

【００２０】なお、本発明に係るパターニング方法は、
マスク板を物理的に接触させる必要があるため、フォト
リソグラフィ法に比べれば、寸法精度を向上させること
がやや困難である。したがって、ＭＯＳトランジスタな
ど、寸法精度を要求する半導体装置のパターニングに用
いるよりは、薄膜トランジスタ、太陽電池、各種セン
サ、などの比較的寸法精度が要求されない半導体装置の
パターニングに用いるのが好ましい。

【００２１】

【発明の効果】以上のとおり、本発明に係る半導体装置
のパターニング装置によれば、パターニング対象基板を
チャンバ内に収容し、この上に金属製のマスク板をのせ
て磁石で吸引固定し、プラズマ化した反応性ガスにより
化学反応を起こさせるようにしたため、より単純なプロ
セスによりパターニングを行うことができるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るパターニング装置を用いたパター
ニングの工程を示す断面図である。

【図２】本発明の一実施例に係るパターニング装置の基
本構成を示す縦断面図である。

【図３】図２に示す装置の磁石２１の磁界を示す断面図
である。

【図４】図２に示す装置の磁石２１を電磁石で構成した
例を示す図である。

【符号の説明】

１…ガラス基板 ２…Ｃｒ材料層 ３…マスク板 ４…開口窓 ５…弗素化合物膜 ６…Ｃｒパターニング層 １０…チャンバ １１…ガス導入管 １２…排気管 ２０…支持電極 ２１…磁石 ２２…鉄芯 ２３…コイル ３０…パターニング対象基板 ４０…マスク板 ４１…支持枠 ５０…対向電極 ６０…ＲＦ発生器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 製造工程途中の半導体装置を構成する材
   料層について、その一部を除去することによって所定の
   パターンを形成させるパターニング工程に用いられる装
   置であって、 パターニング対象となる材料層が形成された基板を収容
   するためのチャンバと、 このチャンバ内を減圧するための排気手段と、 このチャンバ内に前記材料層と化学反応を生じる反応性
   ガスを導入するための反応性ガス導入手段と、 前記チャンバ内において前記基板を支持する支持電極
   と、 この支持電極に対向して設けられた対向電極と、 前記支持電極と前記対向電極との間に電界を発生させる
   電界発生手段と、 前記支持電極の上に前記基板を載置し、その上に、形成
   すべき所定のパターンに対応する形状の開口窓が形成さ
   れた金属製のマスク板を載せたときに、この金属製のマ
   スク板を前記支持電極に向かって吸引固定する作用をも
   った磁界を、前記基板に対してほぼ一様に分布するよう
   に発生させる磁界発生手段と、 を備え、前記電界により前記反応性ガスを前記チャンバ
   内においてプラズマ化し、前記マスク板の開口窓から露
   出した前記材料層の表面とプラズマ化した反応性ガスと
   を化学反応させて別な化合物を形成できるようにしたこ
   とを特徴とする半導体装置のパターニング装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のパターニング装置にお
   いて、マスク板をチャンバ内で水平方向に移動させる位
   置調整機構を更に設け、磁界発生手段として電磁石を用
   い、前記位置調整機構による位置合わせが完了した後に
   前記電磁石に通電を行い前記マスク板の吸引固定を行う
   ことができるようにしたことを特徴とする半導体装置の
   パターニング装置。