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技術 エッチング方法及びエッチング装置

出願人 株式会社SCREENホールディングス
発明者 鰍場真樹前田主悦
出願日 2016年9月30日 (5年4ヶ月経過) 出願番号 2016-193198
公開日 2018年4月5日 (3年10ヶ月経過) 公開番号 2018-056465
状態 特許登録済
技術分野 半導体の洗浄、乾燥 半導体のドライエッチング
主要キーワード 水蒸気洗浄 水蒸気用 混合ガス配管 水蒸気供給源 到達確率 低エッチングレート 製造工程間 残留フッ素
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重要な関連分野

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図面 (8)

課題

シリコン基板上に形成された膜質の異なるさまざまなシリコン酸化膜気相エッチングするエッチング方法において、エッチング後の基板表面にフッ素残留すること、および基板全面に対するエッチング均一性を向上させることが課題となっている。エッチング後の基板表面にフッ素を残留させずに膜質の異なるさまざまなシリコン酸化膜を基板全面に対して均一に気相エッチングするエッチング方法およびエッチング装置を提供する。

解決手段

基板を収容する処理室内を減圧にした後、第1の水蒸気を処理室内に供給して基板上に薄い水膜を形成し、その後フッ化水素ガスと第1の水蒸気とを所定の割合で混合したフッ化水素混合ガスを処理室内に供給して基板に形成されたシリコン酸化膜をエッチングする。エッチング後、第2の水蒸気を処理室内に供給して基板を洗浄することにより基板表面のフッ素を除去する。

概要

背景

半導体デバイスの製造工程においては、シリコン基板上に膜質の異なるさまざまなシリコン酸化膜が形成される。例えば、シリコン基板上に形成されるシリコン酸化膜としては、熱酸化により形成される熱シリコン酸化膜CVD法を用いて得られるTEOS(Tetra Ethoxy Silane)膜、CVD法で得られるBSG(Boron Silicate Glass)膜、PSG(Phospho Silicate Glass)膜、BPSG(Boron doped Phospho Silicate Glass)膜などの不純物を多く含んだシリコン酸化膜等があげられる。また、半導体デバイスの製造工程間においては、シリコン基板表面が化学的に不安定なために大気中の酸素との反応により自然酸化膜が形成される。

従来、上記さまざまなシリコン酸化膜のエッチングにはフッ化水素酸ベースとしたウェットエッチングが用いられてきた。しかしながら、半導体デバイスの高集積化に伴い形成するパターン微細化されるとウェットエッチングでは水の表面張力でパターンが倒壊する問題が生じてきた。また、シリコン基板へのコンタクト形成では、ホール底面の自然酸化膜を除去する必要があるが、半導体デバイスの微細化に伴いウェットエッチングでは水洗時の薬液置換が十分に行えない問題が生じてきた。

このようなウェットエッチングの問題を解決するためにフッ酸ベーパーを用いた気相エッチング技術や無水フッ化水素ガスを用いた気相エッチング技術がある。フッ酸ベーパーを用いた気相エッチング技術が特許文献1に記載されている。特許文献1には、エッチングの均一性を高めるために処理室内の排気流量を制御してエッチング時の圧力を高めてエッチングすることが記載されている。エッチング後は不活性ガスにより処理室内雰囲気を置換してエッチング処理基板全面にて停止させている。

また、無水フッ化水素ガスを用いた気相エッチング技術が特許文献2に記載されている。特許文献2には、80℃〜120℃の所定の温度下でかつ12Kpa〜40Kpaの範囲内の所定の減圧下に保持した状態で、無水フッ化水素ガスを所定の混合比率で不活性ガスにより希釈化した反応ガス曝すことを特徴とする自然酸化膜のエッチング方法が記載されている。エッチング処理後は、真空排気を行い、所定時間後に窒素ガスを供給している。

概要

シリコン基板上に形成された膜質の異なるさまざまなシリコン酸化膜を気相でエッチングするエッチング方法において、エッチング後の基板表面にフッ素残留すること、および基板全面に対するエッチング均一性を向上させることが課題となっている。エッチング後の基板表面にフッ素を残留させずに膜質の異なるさまざまなシリコン酸化膜を基板全面に対して均一に気相エッチングするエッチング方法およびエッチング装置を提供する。基板を収容する処理室内を減圧にした後、第1の水蒸気を処理室内に供給して基板上に薄い水膜を形成し、その後フッ化水素ガスと第1の水蒸気とを所定の割合で混合したフッ化水素混合ガスを処理室内に供給して基板に形成されたシリコン酸化膜をエッチングする。エッチング後、第2の水蒸気を処理室内に供給して基板を洗浄することにより基板表面のフッ素を除去する。

目的

そこで、本件発明は半導体デバイスの製造工程において、エッチング後のシリコン表面にフッ素を残留させずにシリコン基板上に形成される膜質の異なるさまざまなシリコン酸化膜を基板全面に対して均一に気相エッチングするエッチング方法及びエッチング装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

シリコン酸化膜が形成された基板エッチングするエッチング方法において、前記基板を収容する処理室内を減圧状態にする減圧工程と、前記減圧工程の後、フッ化水素を含むエッチングガスを前記処理室内に供給して前記基板に形成されたシリコン酸化膜をエッチングするエッチング工程と、前記エッチング工程の後、水蒸気を前記処理室内に供給して前記基板を洗浄する洗浄工程と、を有することを特徴とする基板のエッチング方法。

請求項2

請求項1に記載のエッチング方法において、前記減圧工程の後、前記エッチング工程の前に、前記処理室内に水蒸気を供給して前記基板の表面に水膜を形成する水膜形成工程をさらに有することを特徴とする基板のエッチング方法。

請求項3

請求項1または請求項2に記載のエッチング方法において、前記エッチングガスは、フッ化水素ガスと水蒸気とのエッチング混合ガスであることを特徴とする基板のエッチング方法。

請求項4

請求項3に記載のエッチング方法において、前記エッチングガスは、前記水蒸気に対する前記フッ化水素ガスの割合が10〜60vol.%であることを特徴とする基板のエッチング方法。

請求項5

請求項1ないし4に記載のエッチング方法において、前記エッチング工程における基板温度を30〜200℃とすることを特徴とする基板のエッチング方法。

請求項6

請求項1ないし5に記載のエッチング方法において、前記エッチング工程における処理室内の真空度を1Pa〜100Paとすることを特徴とする基板のエッチング方法。

請求項7

シリコン酸化膜が形成された基板をエッチングするエッチング装置であって、内部に処理空間を有する処理室と、前記処理空間で基板を保持する基板保持手段と、前記処理室の底部に連通接続され、前記処理室内を減圧にする減圧手段と、前記処理室の上部に連通接続され、前記処理空間に第2の水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記処理室の上部に連通接続され、前記処理空間にフッ化水素を含むエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、前記減圧手段と前記水蒸気供給手段と前記エッチングガス供給手段とを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は前記減圧手段により前記処理空間を減圧した後、前記エッチングガス供給手段により前記処理空間に前記エッチングガスを供給して前記基板のエッチングを行い、その後、前記水蒸気供給手段により前記処理空間に第2の水蒸気を供給して前記基板を洗浄する洗浄処理を行うことを特徴とするエッチング装置。

請求項8

請求項7に記載のエッチング装置であって、前記エッチングガス供給手段は第1の水蒸気とフッ化水素ガスとを混合して前記エッチングガスを生成する混合ガス配管と、前記混合ガス配管を通して前記処理空間に前記第1の水蒸気単体と前記エッチングガスとを選択的に供給するための多連弁とを備え、前記制御手段は、前記多連弁を制御することにより、前記減圧手段による前記処理空間の減圧後、前記混合ガス配管から前記処理空間に前記第1の水蒸気単体を供給して前記基板の表面に水膜を形成する水膜形成を行い、当該水膜形成の後に、前記多連弁を制御することにより前記混合ガス配管から前記処理空間に前記エッチングガスを供給して前記基板のエッチングを行うことを特徴とするエッチング装置。

請求項9

請求項8に記載のエッチング装置であって、前記水蒸気供給手段は前記混合ガス配管を通さずに前記第2の水蒸気を前記処理空間に供給することを特徴とするエッチング装置。

請求項10

請求項7に記載のエッチング装置であって、前記制御手段は、前記減圧手段により前記処理空間を減圧した後、前記エッチングガス供給手段により前記処理空間にエッチングガスを供給する前に、前記水蒸気供給手段を制御して前記処理空間に第2の水蒸気を供給して前記基板の表面に水膜を形成する水膜形成を行うことを特徴とするエッチング装置。

請求項11

請求項7ないし請求項10のいずれかに記載のエッチング装置において、処理室内の基板保持手段上部に複数の細孔を備えたガス分散板を有することを特徴とするエッチング装置。

技術分野

0001

本発明は、基板エッチング方法及びエッチング装置に関するものである。処理対象になる基板には、例えば、半導体ウェハ液晶表示装置用基板プラズマディスプレイ用基板FPD(Field Emission Display)用基板、光ディスク用基板磁気ディスク用基板光磁気ディスク用基板、フォトマスク用基板セラミック基板太陽電池用基板等の基板が含まれる。

背景技術

0002

半導体デバイスの製造工程においては、シリコン基板上に膜質の異なるさまざまなシリコン酸化膜が形成される。例えば、シリコン基板上に形成されるシリコン酸化膜としては、熱酸化により形成される熱シリコン酸化膜CVD法を用いて得られるTEOS(Tetra Ethoxy Silane)膜、CVD法で得られるBSG(Boron Silicate Glass)膜、PSG(Phospho Silicate Glass)膜、BPSG(Boron doped Phospho Silicate Glass)膜などの不純物を多く含んだシリコン酸化膜等があげられる。また、半導体デバイスの製造工程間においては、シリコン基板表面が化学的に不安定なために大気中の酸素との反応により自然酸化膜が形成される。

0003

従来、上記さまざまなシリコン酸化膜のエッチングにはフッ化水素酸ベースとしたウェットエッチングが用いられてきた。しかしながら、半導体デバイスの高集積化に伴い形成するパターン微細化されるとウェットエッチングでは水の表面張力でパターンが倒壊する問題が生じてきた。また、シリコン基板へのコンタクト形成では、ホール底面の自然酸化膜を除去する必要があるが、半導体デバイスの微細化に伴いウェットエッチングでは水洗時の薬液置換が十分に行えない問題が生じてきた。

0004

このようなウェットエッチングの問題を解決するためにフッ酸ベーパーを用いた気相エッチング技術や無水フッ化水素ガスを用いた気相エッチング技術がある。フッ酸ベーパーを用いた気相エッチング技術が特許文献1に記載されている。特許文献1には、エッチングの均一性を高めるために処理室内の排気流量を制御してエッチング時の圧力を高めてエッチングすることが記載されている。エッチング後は不活性ガスにより処理室内雰囲気を置換してエッチング処理を基板全面にて停止させている。

0005

また、無水フッ化水素ガスを用いた気相エッチング技術が特許文献2に記載されている。特許文献2には、80℃〜120℃の所定の温度下でかつ12Kpa〜40Kpaの範囲内の所定の減圧下に保持した状態で、無水フッ化水素ガスを所定の混合比率で不活性ガスにより希釈化した反応ガス曝すことを特徴とする自然酸化膜のエッチング方法が記載されている。エッチング処理後は、真空排気を行い、所定時間後に窒素ガスを供給している。

先行技術

0006

特開2013−149934号公報
特開2008−34688号公報

発明が解決しようとする課題

0007

上述したフッ酸ベーパーを用いた気相エッチング技術や無水フッ化水素ガスを用いた気相エッチング技術においては、エッチングした後のシリコン基板の表面にフッ素残留する。シリコン酸化膜をエッチングした後のシリコン表面にフッ素が残留すると、残留フッ素とシリコンが反応し、シリコンに欠陥が発生したり、パーティクルを形成したりする。またゲートとなるシリコン上のシリコン酸化膜をエッチングした後にフッ素が残留すると、その後形成されるゲート酸化膜とシリコン界面の固定電荷が増加して電気特性に悪影響を及ぼす。

0008

そこで、本件発明は半導体デバイスの製造工程において、エッチング後のシリコン表面にフッ素を残留させずにシリコン基板上に形成される膜質の異なるさまざまなシリコン酸化膜を基板全面に対して均一に気相エッチングするエッチング方法及びエッチング装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0009

上記目的を達成するための請求項1記載の発明は、シリコン酸化膜が形成された基板をエッチングするエッチング方法において、前記基板を収容する処理室内を減圧状態にする減圧工程と、前記減圧工程の後、フッ化水素を含むエッチングガスを前記処理室内に供給して前記基板に形成されたシリコン酸化膜をエッチングするエッチング工程と、前記エッチング工程の後、水蒸気を前記処理室内に供給して前記基板を洗浄する洗浄工程と、を有することを特徴とする基板のエッチング方法である。請求項1記載のエッチング方法によると、エッチング工程の後に水蒸気を供給して基板を洗浄する洗浄工程を行うため、基板の表面におけるフッ素の残留を抑制することができる。

0010

請求項2記載の発明は、請求項1に記載のエッチング方法において、前記減圧工程の後、前記エッチング工程の前に、前記処理室内に水蒸気を供給して前記基板の表面に水膜を形成する水膜形成工程をさらに有することを特徴とする基板のエッチング方法である。請求項2記載のエッチング方法によると、表面に水膜が形成された基板に対してエッチングガスが供給されるため、効率的にエッチングを行うことができる。

0011

請求項3記載の発明は、請求項1または請求項2に記載のエッチング方法において、前記エッチングガスは、フッ化水素ガスと水蒸気とのエッチング混合ガスであることを特徴とする基板のエッチング方法である。請求項3記載のエッチング方法によると効率的なエッチングが可能になる。

0012

請求項4記載の発明は、請求項3に記載のエッチング方法において、前記エッチングガスは、前記水蒸気に対する前記フッ化水素ガスの割合が10〜60vol.%であることを特徴とする基板のエッチング方法である。

0013

請求項5記載の発明は、請求項1ないし4に記載のエッチング方法において、前記エッチング工程における基板温度を30〜200℃とすることを特徴とする基板のエッチング方法である。

0014

請求項6記載の発明は、請求項1ないし5に記載のエッチング方法において、前記エッチング工程における処理室内の真空度を1Pa〜100Paとすることを特徴とする基板のエッチング方法である。

0015

請求項7記載の発明は、シリコン酸化膜が形成された基板をエッチングするエッチング装置であって、内部に処理空間を有する処理室と、前記処理空間で基板を保持する基板保持手段と、前記処理室の底部に連通接続され、前記処理空間を減圧する減圧手段と、前記処理室の上部に連通接続され、前記処理空間に第2の水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記処理室の上部に連通接続され、前記処理空間にフッ化水素を含むエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、前記減圧手段と前記水蒸気供給手段と前記エッチングガス供給手段とを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は前記減圧手段により前記処理空間を減圧した後、前記エッチングガス供給手段により前記処理空間に前記エッチングガスを供給して前記基板のエッチングを行い、その後、前記水蒸気供給手段により前記処理空間に第2の水蒸気を供給して前記基板を洗浄する洗浄処理を行うことを特徴とするエッチング装置である。請求項7記載のエッチング装置によると、エッチングガスによるエッチングの後に水蒸気を供給して基板を洗浄するため、基板の表面におけるフッ素の残留を抑制することができる。

0016

請求項8記載の発明は、請求項7に記載のエッチング装置であって、前記エッチングガス供給手段は第1の水蒸気とフッ化水素ガスとを混合して前記エッチングガスを生成する混合ガス配管と、前記混合ガス配管を通して前記処理空間に前記第1の水蒸気単体と前記エッチングガスとを選択的に供給するための多連弁とを備え、前記制御手段は、前記多連弁を制御することにより、前記減圧手段による前記処理空間の減圧後、前記混合ガス配管から前記処理空間に前記第1の水蒸気単体を供給して前記基板の表面に水膜を形成する水膜形成を行い、当該水膜形成の後に、前記多連弁を制御することにより前記混合ガス配管から前記処理空間に前記エッチングガスを供給して前記基板のエッチングを行うことを特徴とするエッチング装置である。請求項8記載のエッチング装置によると、表面に水膜が形成された基板に対してエッチングガスが供給されるため、効率的にエッチングを行うことができる。

0017

請求項9記載の発明は、請求項8に記載のエッチング装置であって、前記水蒸気供給手段は前記混合ガス配管を通さずに前記第2の水蒸気を前記処理空間に供給することを特徴とするエッチング装置である。エッチングガスを供給した後、混合ガス配管にはエッチングガスが残留している可能性がある。水蒸気供給手段は混合ガス配管を通さずに第2の水蒸気を処理空間に供給するため、前記残留したエッチングガスを含まない水蒸気を処理空間に供給することができる。

0018

請求項10記載の発明は、請求項7に記載のエッチング装置であって、前記制御手段は、前記減圧手段により前記処理空間を減圧した後、前記エッチングガス供給手段により前記処理空間にエッチングガスを供給する前に、前記水蒸気供給手段を制御して前記処理空間に第2の水蒸気を供給して前記基板の表面に水膜を形成する水膜形成を行うことを特徴とするエッチング装置である。表面に水膜が形成された基板に対してエッチングガスが供給されるため、効率的にエッチングを行うことができる。

0019

請求項11記載の発明は、請求項7ないし請求項10のいずれかに記載のエッチング装置において、処理室内の基板保持手段上部に複数の細孔を備えたガス分散板を有することを特徴とするエッチング装置である。

発明の効果

0020

本発明により、シリコン酸化膜をエッチングした後の表面にフッ素が残留することなく、膜質の異なるさまざまなシリコン酸化膜を基板全面に対して均一にエッチングすることが可能となる。

図面の簡単な説明

0021

実施例に係るエッチング装置の概略構成を示す側面図である。
実施例に係る処理のフローを示すフロー図である。
実施例に係る水蒸気洗浄によるフッ素除去を示すグラフである。
実施例に係る処理室内圧力に対するエッチングレートのグラフである。
実施例に係る基板温度に対するエッチングレートのグラフである。
実施例に係るエッチング装置の概略構成を示す側面図である。
実施例に係る処理のフローを示すフロー図である。

実施例

0022

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。尚、以下に説明する実施の形態により本発明が限定されるものではない。

0023

図1は、本発明を実施するためのエッチング装置1の概略構成を示す側面図である。エッチング装置1は、半導体ウェハ等の基板Wを一枚ずつ処理する枚葉式のエッチング装置である。エッチング装置1は、基板Wを処理する処理室2と、エッチング装置1に備えられた装置の動作やバルブ開閉を制御する制御部3とを備えている。

0024

処理室2内には、基板Wを保持する基板ホルダー4と、基板Wを加熱するために基板ホルダー4に内蔵された加熱機構5と、処理室2内の基板ホルダー4の上方に位置するガス分散板6と,処理室2内を減圧するために処理室2に連通接続された排気配管7と、排気配管7を通して処理室2内を減圧にする真空ポンプ8と、排気配管7に設置されたAPC(Auto Pressure Controller)バルブ9と、処理室2に連結された圧力センサー10と、処理室2上部に連通接続される第1配管11(混合ガス配管)と、図示しない水蒸気供給源から供給された第1の水蒸気を処理室2内に供給するための第1水蒸気流量コントローラ12と、フッ化水素ガスを処理室2内に供給するためのフッ化水素ガス流量コントローラ13と、第1の水蒸気とフッ化水素ガスを処理室2内に供給するための開閉バルブを個別に有する多連弁14と、処理室2上部に連通接続される第2配管17と、図示しない水蒸気供給源から供給された第2の水蒸気を処理室2内に供給するための第2水蒸気流量コントローラ15および開閉バルブ16と、を備えるものである。

0025

処理室2は円筒形状をなし、内部に基板Wを処理する処理空間を有する。処理室2内には基板Wを略水平姿勢で保持する基板ホルダー4が設置されている。基板Wが図示しない搬送系により処理室2内に搬送され基板ホルダー4に載置される。基板Wは、基板ホルダー4に内蔵された加熱機構5により30℃から200℃の範囲の所定の温度に加熱される。加熱機構5は例えば抵抗加熱式電気ヒーターが用いられる。

0026

処理室2内を減圧するために処理室2の底部に排気配管7が連通接続され、排気配管7に接続された真空ポンプ8により排気される。排気配管7にはAPCバルブ9が接続され、APCバルブ9は処理室2からの排気流量を調整することにより処理室2内の圧力を調節する。処理室2に連結された圧力センサー10により処理室2内の真空度がモニターされる。モニターされる真空度が所望の真空度となるようにAPCバルブ9の開度が調整され処理室2内の圧力を調節される。基板Wが基板ホルダー4に保持された後、真空ポンプ8が作動して処理室2内の真空引きが開始される。本実施の形態においては処理室2内の減圧の手段を真空ポンプ8で記載しているが、これに限るものではなく例えば工場ユーティリティ排気により行うことも可能である。

0027

処理室2上部に連通接続された第1配管11から第1の水蒸気が処理室2内に供給される。第1の水蒸気は第1水蒸気流量コントローラ12により供給流量が調節され、多連弁14の開閉バルブが開動作されることにより処理室2内に供給される。図示しないフッ化水素供給源から供給されたフッ化水素ガスはフッ化水素ガス流量コントローラ13により供給流量が調節され、多連弁14の開閉バルブが開動作されることにより処理室2内に供給される。多連弁14は内部に第1の水蒸気の開閉バルブとフッ化水素ガスの開閉バルブを有しており、それぞれ独立してバルブを開閉することができる。どちらのバルブも開動作させると多連弁14の出先である第1配管11において第1の水蒸気とフッ化水素ガスとは混合される。いずれかのバルブが開動作されると多連弁14は第1の水蒸気単体またはフッ化水素ガス単体を第1配管11に供給する。

0028

処理室2上部に連通接続された第2配管17から第2の水蒸気が処理室2内に供給される。第2の水蒸気は第2水蒸気流量コントローラ15により供給流量が調節され、開閉可能な開閉バルブ16が開動作されることにより処理室2内に供給される。なお、図示していないが第1の水蒸気と第2の水蒸気の供給源は例えば純水を貯留したタンクを加熱して気化させ、窒素などの不活性ガスで圧送する方法が用いられる。純水を貯留したタンクを共通にして第1の水蒸気と第2の水蒸気に切り替えて供給することもできるし、個別にタンクを設けることもできる。また、図示していないがフッ化水素ガスの供給源は、無水フッ化水素の高圧ボンベが用いられる。

0029

エッチング装置1の加熱機構5の温度調節流量コントローラ12、13、15の流量調節、多連弁14の開閉動作、開閉バルブ16の開閉動作、真空ポンプ8の排気動作、圧力センサー10のモニター、APCバルブ9の開度調節などの各部の動作は、制御部3によって制御される。

0030

制御部3が多連弁14を制御することにより、第1配管11から処理室2内には第1の水蒸気および第1の水蒸気・フッ化水素ガスの混合ガスが選択的に供給される。第2配管17からは処理室2内に第2の水蒸気が供給される。これらの第1の水蒸気、第1の水蒸気・フッ化水素ガスの混合ガス、および第2の水蒸気はガス分散板6を通過して基板Wに到達する。ガス分散板6は,処理室2内に導入された第1の水蒸気、第1の水蒸気とフッ化水素ガスとの混合ガスおよび第2の水蒸気を基板W上に均一に供給するために複数の開口が形成されている。本実施の形態においては、内径0.1mmの開口が5mm間隔で形成されている。なお、開口の内径及び間隔はこれに限るものではない。また、ガス分散板6を複数段設置してもよい。

0031

基板Wに形成されたシリコン酸化膜をエッチングするために供給されるフッ化水素ガスの供給量は100cc/min〜2000cc/minが適用され、これに対して混合する第1の水蒸気は300cc/min〜10000cc/minが適用される。シリコン酸化膜をエッチングした後の基板表面洗浄においては、第2の水蒸気の供給量として300cc/min〜10000cc/minが適用される。また、基板Wの処理中、処理室2内の圧力は、1〜100Paに維持される。第1の水蒸気、第1の水蒸気とフッ化水素ガスとの混合ガスおよび第2の水蒸気の供給量に応じて、圧力センサー10の圧力が所定圧力となるようAPCバルブ9の開度が調節されることにより処理室2内の圧力が制御される。

0032

第1の実施の形態について、図2の処理のフロー図を用いて説明する。基板Wが図示しない搬送系により処理室2内に搬送され基板ホルダー4に載置される(ステップS1)。基板Wは基板ホルダー4に載置された後、基板ホルダー4に内蔵された加熱機構5により30℃から200℃の範囲の所定の温度に加熱される。

0033

基板Wが基板ホルダー4上に載置された後、真空ポンプ8により真空引きが開始される(ステップS2)。真空引きは処理室2内の圧力が0.1Pa程度まで実行し、処理室2内の大気雰囲気を排気する。真空引きは用いる真空ポンプの能力および許容される真空引き時間により決められるが、できるだけ減圧するほうが処理室2内の大気雰囲気が排気され、処理室2内はクリーンになる。

0034

処理室2内の圧力が0.1Pa程度まで到達した後、第1の水蒸気が第1配管11を通して処理室2内に供給される(ステップS3)。第1水蒸気流量コントローラ12により第1の水蒸気の供給流量が所定流量に調節され、多連弁14のバルブが開動作されて第1配管11より処理室2内に供給される。処理室2内の圧力が所定の真空度になるように、処理室2内の圧力を圧力センサー10によりモニターして、APCバルブ9の開度が調節される。ステップS3における第1の水蒸気の供給時間は特に限定されるものではないが、基板Wの表面全面に薄い水の層が形成できる程度の時間(例えば、1〜10秒程度)であればよい。

0035

第1の水蒸気はガス分散板6の複数の開口を通過して基板Wの表面全面に供給される。基板Wの表面の全面に到達した第1の水蒸気は、基板W上で薄い水の層を形成する。

0036

第1の水蒸気が所定の時間供給された後、フッ化水素ガス流量コントローラ13によりフッ化水素ガスが所定の供給流量に調節され、多連弁14のバルブが開動作されて多連弁14の出先の第1配管11において第1の水蒸気と混合され混合ガスとなり第1配管11より処理室2内に供給される。処理室2内に供給された混合ガスはガス分散板6の複数の開口を通過して基板Wの表面全面に均一に供給され、基板W上に形成されたシリコン酸化膜をエッチングする(ステップS4)。第1の水蒸気とフッ化水素ガスの供給流量は、エッチング対象となるシリコン酸化膜種により予め決められる。例えば、本実施形態のようにシリコン酸化膜をエッチングする場合であれば第1の水蒸気の供給流量は300cc/min〜10000cc/minの範囲で設定され、第1の水蒸気に混合されるフッ化水素ガスの供給流量は100cc/min〜2000cc/minに設定される。

0037

本実施形態では、第1の水蒸気をエッチング混合ガスの供給よりも先に供給している。このため、シリコン酸化膜のエッチング種であるフッ化水素ガスが基板W上に到達する時点よりも前に水の層が基板W上に形成されているため、直ちにエッチングを開始することができる。仮に、基板Wの上に水膜が存在しない状態でエッチング混合ガスを基板Wに供給した場合、基板Wのシリコン酸化膜のエッチングを直ちに開始することができない。フッ化水素ガスでシリコン酸化膜をエッチングする場合、フッ化水素ガスが水に溶けることにより解離してフッ素イオンが生成し、このフッ素イオンがエッチングに寄与するためである。

0038

混合ガスによりシリコン酸化膜のエッチングが終了すると直ちに多連弁14の第1の水蒸気用バルブとフッ化水素ガス用バルブが閉動作されることにより混合ガスの供給が停止される。同時に第2の水蒸気が第2水蒸気流量コントローラ15により所定の供給流量に調節され、開閉バルブ16が開動作されることにより第2配管17より処理室2内に供給される(ステップS5)。第2の水蒸気はガス分散板6の複数の開口を通過して基板Wの表面の全面に供給される。シリコン酸化膜エッチング後の基板Wに第2の水蒸気を供給して洗浄することにより基板Wの表面に残存するフッ素が除去される。本実施形態では処理室2内にフッ化水素ガスを供給した第1配管11とは別の第2の配管17から基板Wを洗浄するための水蒸気(第2の水蒸気)を処理室2内に供給している。仮に、基板Wを洗浄するための水蒸気を第1配管11を通して処理室2内に供給しようとすると、第1配管11の内部に残存するフッ化水素ガスが処理室2内に供給されてしまうために基板Wの表面に残存するフッ素の除去に時間を要すこととなる。

0039

シリコン酸化膜が熱酸化膜の場合について第1の実施の形態について説明する。基板温度を50℃に保持し、第1の水蒸気を供給流量1000cc/minに設定して5秒間処理室内に供給した後、フッ化水素ガスを供給流量100cc/minに設定して供給し、第1の水蒸気と混合して処理室内に供給して60秒間熱酸化膜をエッチングした。エッチング直後、第2の水蒸気を供給流量1000cc/minに設定して基板表面を240秒間洗浄した。第1の水蒸気を処理室内に供給してから処理が終了するまでの間、処理室内の真空度は32Paに制御した。エッチング後の基板Wの表面に残存するフッ素量比較評価するために上記条件において第2の水蒸気を供給せずにエッチング終了時までで処理を停止させた基板Wも作成した。

0040

上記条件により処理した基板Wのフッ素残存量を評価した結果を図3に示す。フッ素残存量の測定は市販のイオンクロマトグラフィを用いて行った。横軸処理条件を示している。第2の水蒸気で洗浄しなかった未処理はNoで、洗浄を行った条件をH2Oで示している。縦軸は検出されたフッ素量を示す。未処理の場合、フッ素検出量が33ngであったが、第2の水蒸気で洗浄すると未検出となった。この結果より、熱酸化膜エッチング後に第2の水蒸気で洗浄することによりフッ素が残存しない表面が得られることが分かる。

0041

一般的にフッ化水素を含む気相でシリコン酸化膜をエッチングした場合、エッチング後の表面にはフッ素が残留する。先にも述べたように、フッ素が残留するとシリコンに欠陥が発生したり、パーティクルを形成したり、また電気特性にも影響を及ぼす。しかし、上記のフッ素残存量評価結果のように第2の水蒸気で洗浄することにより、このような問題を回避することができる。

0042

また、本実施の形態では、エッチング混合ガスを供給する配管(第1配管11)とは別の配管(第2配管17)を介してエッチング後の基板Wを洗浄するための水蒸気(第2の水蒸気)を処理室2内に供給している。すなわち、第2の水蒸気は第1配管11(混合ガス配管)を通さずに処理室2内に供給されている。これにより配管内に残留するエッチングガスが基板洗浄時に処理室2内に供給されることを防止できる。このため、処理室2内のフッ化水素を含む雰囲気をすばやく水蒸気に置換することができる。仮にエッチングガスとエッチング後の基板Wを洗浄するための水蒸気とを共通の配管で処理室2内に供給すると、フッ化水素ガスを含む混合ガスでシリコン酸化膜をエッチングした後、水蒸気に切り替えても配管内のフッ化水素ガスが出流れるために処理室2内のフッ化水素を含む雰囲気の置換効率が悪くなり基板Wの表面に残存するフッ素の除去に時間を要すこととなる。

0043

次に本実施の形態にて熱酸化膜をエッチングしたときのエッチングレートについて説明する。図4に熱酸化膜を基板温度170℃、第1の水蒸気の供給流量を1500cc/minとしたときの処理室2内の圧力を変化させてフッ化水素ガス濃度パラメータとした場合のエッチング結果を示す。横軸は処理室2内の圧力を、縦軸は熱酸化膜のエッチングレートを示す。エッチングレートは光学式エリプソメータを用いてエッチング前後の膜厚を測定し、その差分から求めた。

0044

フッ化水素ガス濃度が大きいほど熱酸化膜のエッチングレートも大きくなっている。また、エッチングレートは処理室内の圧力にも依存し、圧力が低いときよりも高いときのほうが大きくなり、40Pa程度において最大値を示した。圧力が低いときにエッチングレートが小さくなる原因は、エッチング種であるフッ化水素ガスの熱酸化膜表面への到達確率が十分ではないためであると考えられる。また、圧力が40Paを超えてエッチングレートが低下している原因は、圧力が高いためにエッチングにより生成したエッチング生成物の基板表面からの脱離が不十分であったためであると考えられる。

0045

実験の結果より、処理室2内圧力が40Paのとき、フッ化水素ガス濃度が52vol.%では90nm/min程度のエッチングレートが得られ、40vol.%では80nm/min程度、25vol.%では60nm/min程度、10vol.%では10nm/min程度のエッチングレートが得られた。このように、熱酸化膜に対してフッ化水素ガス濃度を変化させることによりエッチングレートをコントロールすることができることが分かる。

0046

次にフッ化水素ガス濃度を15vol.%に固定して基板Wの温度を変化させたときのエッチングレートについて説明する。処理室2内の圧力は13.3Paとした。図5に評価したエッチングレートの結果を示す。横軸は基板Wの温度を、縦軸は熱酸化膜のエッチングレートを示す。基板Wの温度が30℃、80℃、130℃、150℃における結果を示している。基板Wの温度が高くなるにつれてエッチングレートも大きくなっている。基板Wの表面ではフッ素イオンによるエッチングが反応律速となっており、温度が高くなるほど反応速度が大きくなっている。本条件において、基板Wの温度を変えることにより熱酸化膜のエッチングレートを3〜20nm程度にコントロールできることが分かる。

0047

熱酸化膜のエッチングレートを評価した結果、フッ化水素ガスの供給流量、水蒸気の供給流量、処理室内圧力、基板温度の各条件設定により幅広くエッチングレートが変化することが判明した。このことは、半導体デバイスの製造工程において形成された膜質の異なるさまざまなシリコン酸化膜に対して適切なエッチング条件を設定することにより理想的にエッチングすることが可能であることを示している。上記実験結果から熱酸化膜に対してエッチングレートを3nm〜90nm程度にコントロールできることが分かる。例えば半導体デバイスの工程間で形成されたnmオーダーの膜厚を有する自然酸化膜をエッチングする場合には、低エッチングレートの条件でエッチングすることにより均一にかつエッチング後の基板へのダメージもなくエッチングすることが可能となる。また熱酸化膜のようにエッチングされにくい緻密なシリコン酸化膜に対しては高エッチングレートの条件でエッチングすることにより均一にかつ高スループットでエッチングすることが可能となる。また、気相状態でエッチングするために微細なコンタクトホール内部のエッチングも可能である。

0048

次に第1の実施の形態の変形例について図6を参照して説明する。図6はエッチング装置1のガス供給系を変形した概略構成を示す側面図である。ガス供給系以外はすべて第1の実施の形態と同じ構成となっている。本変形例では第1配管11をフッ化水素ガス単独の供給配管としている。フッ化水素ガス流量コントローラ13は第1の実施の形態と同じであるがフッ化水素ガスを供給停止するために開閉バルブ20が第1配管11に介装されている。

0049

近年、半導体デバイスの微細化が進行しゲート長が10nm以下のデバイスが開発されている。このような最先端半導体デバイス製造においては単原子層のエッチングを制御することが望まれている。本変形例はこのような単原子層のエッチングが可能である。

0050

本変形例について、図7の処理のフロー図を用いて説明する。基板Wが図示しない搬送系により処理室2内に搬送され基板ホルダー4に載置される(ステップS71)。基板Wが基板ホルダー4に載置された後、この基板Wは、基板ホルダー4に内蔵された加熱機構5により30℃から200℃の範囲の所定の温度に加熱される。

0051

基板Wが基板ホルダー4上に載置された後、真空ポンプ8により真空引きが開始される(ステップS72)。真空引きは処理室2内の圧力が0.1Pa程度まで実行し、処理室2内の大気雰囲気を排気する。できるだけ減圧するほうが望ましいことは第1の実施の形態と同じである。

0052

処理室2内の圧力が0.1Pa程度まで到達した後、水蒸気が第2配管17を通して処理室2内に供給される(ステップS73)。流量コントローラ15により水蒸気の供給流量が所定流量に調節され、開閉バルブ16が開動作されることにより処理室2内に供給される。処理室2内の圧力が所定の真空度になるように、処理室2内の圧力を圧力センサー10によりモニターして、APCバルブ9の開度が調節される。

0053

処理室2内に導入された水蒸気はガス分散板6の複数の開口を通過して基板Wの全面に供給される。基板Wの全面に到達した水蒸気は、基板W上で薄い水の層を形成する。供給する水蒸気の供給流量と供給時間は、エッチング対象となるシリコン酸化膜の膜質と膜厚に依存するが、供給流量は300cc/min〜10000cc/min、供給時間は1〜10秒が適用される。この工程により基板Wの表面に一定厚さの水膜が形成され、後述するフッ化水素ガスが溶け込む溶媒となる。

0054

開閉バルブ16が閉動作されることにより水蒸気の供給が停止される。その後、流量コントローラ13によりフッ化水素ガスが所定の供給流量に調節され、開閉バルブ20が開動作されることにより第1配管11を通って処理室2内に供給される。処理室2内に導入されたフッ化水素ガスはガス分散板6の複数の開口を通過して基板Wの表面全面に供給される。基板Wの表面全面に到達したフッ化水素ガスは、予め形成された水膜に溶け込み、解離してフッ素イオンを生成しシリコン酸化膜をエッチングする。所定の時間供給した後、開閉バルブ20が閉動作されることによりフッ化水素ガスの供給が停止される。エッチングされるシリコン酸化膜の膜厚は供給されるフッ化水素ガスの濃度と供給時間により決まる。すなわち、本変形例におけるエッチングは、予め形成された水膜に所定濃度のフッ化水素ガスを溶け込ませてシリコン酸化膜をエッチングするエッチング方法である。この方法を用いれば、形成する水膜量の制御とフッ化水素ガス濃度の選択により単原子層のエッチングが可能となる。

0055

所定時間のエッチング工程の後、開閉バルブ16が開動作されることにより水蒸気が処理室2内に供給される(ステップS75)。水蒸気はガス分散板6の複数の開口を通過して基板Wの表面全面に供給される。第1の実施の形態と同様にシリコン酸化膜エッチング後の基板Wに水蒸気を供給して洗浄することにより基板Wの表面に残存するフッ素が除去される。

0056

ウェハ
1エッチング装置
2処理室
3 制御部
4基板ホルダー
5加熱機構
6ガス分散板
7排気配管
8真空ポンプ
9APCバルブ
10圧力センサー
11 第1配管
12 第1水蒸気流量コントローラ
13フッ化水素ガス流量コントローラ
14多連弁
15 第2水蒸気流量コントローラ
16開閉バルブ
17 第2配管

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