JP2003174009A

JP2003174009A - エッチング方法およびエッチング装置

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Publication number: JP2003174009A
Application number: JP2001369877A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Osawa; 篤史大澤; Masato Tanaka; 眞人田中; Kenichi Yokouchi; 健一横内
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2001-12-04
Publication date: 2003-06-20
Anticipated expiration: 2021-12-04
Also published as: JP3639812B2

Abstract

(57)【要約】【課題】基板上の高誘電率材料を含む薄膜を選択的にエ
ッチングすることができ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】ホットプレート４５によって所定の温度に
加熱されたウエハＷの表面に、ふっ酸蒸気発生容器４３
から、ふっ酸水溶液の蒸気が導かれる。ウエハＷの表面
には、高誘電率材料からなるゲート絶縁膜が、酸化シリ
コン膜やポリシリコン膜などとともに形成されている。
ふっ酸の気相エッチングにおけるエッチングレートは、
温度依存性が極めて高いので、ウエハＷの温度を適切に
調整することによって、酸化シリコン膜およびポリシリ
コン膜に大きな損傷を与えることなく、ウエハＷ上のゲ
ート絶縁膜を良好に選択除去してパターニングできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、基板表面に形成
された高誘電率材料を含む薄膜（ゲート絶縁膜など）を
選択的にエッチングするためのエッチング方法およびエ
ッチング装置に関する。処理対象となる基板には、半導
体ウエハ、液晶表示装置用ガラス基板、プラズマディス
プレイ用ガラス基板等が含まれる。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路素子の高集積化および微
細化に伴って、ゲート長が短縮され、それに応じてゲー
ト絶縁膜が薄膜化されてきた。しかし、ゲート絶縁膜の
薄膜化とゲートからのリーク電流の増加とはトレードオ
フの関係にあり、もはやゲート絶縁膜の薄膜化は限界に
達している。そこで、従来からゲート絶縁膜の材料とし
て用いられてきた酸化シリコンに代えて、この酸化シリ
コンよりも誘電率の高い高誘電率材料（いわゆるｈｉｇ
ｈ−ｋ材料）を用いて厚いゲート絶縁膜を形成すること
が提案されている。このような高誘電率材料の候補とし
ては、ハフニア（ＨｆＯ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、
ジルコニア（ＺｒＯ₂）などが挙げられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、これらの高
誘電率材料は、従来からの薬液を用いたエッチングにお
いては、シリコン半導体素子の基本構成材料とも言える
ポリシリコンおよび酸化シリコンに対する選択性がな
い。したがって、基板上で高誘電率材料の薄膜をパター
ニングすることができない。そのため、このような高誘
電率材料をゲート絶縁膜やキャパシタとして用いた半導
体集積回路素子の実用的な製造方法は存在しない。

【０００４】そこで、この発明の目的は、上述の技術的
課題を解決し、基板上の高誘電率材料を含む薄膜を選択
的にエッチングすることができるエッチング方法および
エッチング装置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段および発明の効果】上記の
目的を達成するための請求項１記載の発明は、基板
（Ｗ）の表面から高誘電率材料を含む薄膜（１）をエッ
チング除去するエッチング方法であって、基板を所定の
温度に加熱する基板加熱工程と、この基板加熱工程と並
行して、上記基板の表面に薬液またはケミカルガスを含
む蒸気を供給することによって、当該基板の表面の高誘
電率材料を含む薄膜を選択的にエッチング除去する蒸気
供給工程とを含むことを特徴とするエッチング方法であ
る。なお、括弧内の英数字は後述の実施形態における対
応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。

【０００６】上記薬液は、ふっ酸、硝酸、酢酸、塩酸お
よび硫酸などの酸を含む薬液であってもよい。また、上
記薬液はアンモニア等のアルカリを含む薬液であっても
よい。さらに、上記薬液は、これらの酸またはアルカリ
に、過酸化水素水やオゾン等の酸化剤、またはメタノー
ル等の有機溶剤を加えた混合液であってもよい。なお、
薬液を含む蒸気とは、薬液そのものの蒸気（薬液蒸気）
であってもよいし、この薬液蒸気を不活性ガスなどのキ
ャリアガス中に混合させたものであってもよい。

【０００７】また、上記ケミカルガスは、無水ふっ酸ガ
ス、アンモニアガス、塩化水素ガス、二酸化窒素ガス、
およびＳＯ₃ガスのうちのいずれか１つを含むガス、あ
るいはこれらのうちの２以上のガスの混合ガスであって
もよい。なお、ケミカルガスを含む蒸気とは、ケミカル
ガスと水蒸気とが混合されたものであってもよいし、ケ
ミカルガスとメタノールなどの有機溶剤の蒸気とが混合
されたものであってもよく、また、これらをさらに不活
性ガスなどのキャリアガス中に混合させたものであって
もよい。

【０００８】このような薬液またはケミカルガスを含む
蒸気によるエッチングでは、エッチングレートの温度依
存性が極めて大きい。そこで、高誘電率材料のエッチン
グレートが大きく、基板表面に形成されたその他の材料
の薄膜のエッチングレートが小さくなるように基板を所
定の温度に加熱した状態で、蒸気を基板表面に導くこと
よって、高誘電率材料を含む薄膜を選択的にエッチング
除去することができる。

【０００９】これにより、高誘電率材料を含む薄膜を用
いた半導体集積回路素子等の装置の実用的な製造方法を
実現することができ、そのような装置の量産が可能にな
る。請求項２記載の発明は、上記基板加熱工程における
上記所定の温度が５０℃以上１６０℃以下であることを
特徴とする請求項１記載のエッチング方法である。この
ような温度条件を設定することによって、高誘電率材料
を含む薄膜を良好な選択性でエッチング除去できる。

【００１０】請求項３記載の発明は、上記蒸気供給工程
と並行して、上記基板が置かれた空間を所定の気圧（た
とえば、１００〜３００Torr）に減圧する減圧工程をさ
らに含むことを特徴とする請求項１または２記載のエッ
チング方法である。薬液またはケミカルガスを含む蒸気
によるエッチングにおけるエッチングレートは、温度依
存性が高いばかりでなく、基板が置かれる空間の気圧に
対する依存性も大きい。そこで、蒸気を用いたエッチン
グを行う際に、基板が置かれた空間を所定の気圧に減圧
することによって、エッチング選択性をより高めること
ができる。

【００１１】請求項４記載の発明は、基板（Ｗ）の表面
から高誘電率材料を含む薄膜（１）をエッチング除去す
るエッチング方法であって、基板が置かれた空間を所定
の気圧（たとえば、１００〜３００Torr）に減圧する減
圧工程と、この減圧工程と並行して、上記基板の表面に
薬液またはケミカルガスを含む蒸気を供給することによ
って、当該基板の表面の高誘電率材料を含む薄膜を選択
的にエッチング除去する蒸気供給工程とを含むことを特
徴とするエッチング方法である。

【００１２】上述のとおり、薬液またはケミカルガスを
含む蒸気を用いたエッチングのエッチングレートは、基
板が置かれた空間の気圧に大きく依存する。そこで、基
板が置かれた空間を所定の気圧に減圧することによっ
て、基板表面の高誘電率材料を含む薄膜を良好な選択性
で除去または変質させることができる。請求項５記載の
発明は、上記薄膜は、ゲート絶縁膜またはキャパシタで
あることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記
載のエッチング方法である。

【００１３】ゲート絶縁膜に適用可能な高誘電率材料に
は、ハフニア（ＨｆＯ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ジ
ルコニア（ＺｒＯ₂）、ジルコニアシリサイド（ＺｒＳ
ｉＯ）、タンタルオキサイド（ＴａＯ）などがある。ゲ
ート電極等の配線用の金属膜としては、銅、アルミニウ
ム、タングステンなどが使用可能である。請求項６記載
の発明は、基板（Ｗ）の表面から高誘電率材料を含む薄
膜（１）をエッチング除去するエッチング装置であっ
て、基板を所定の温度で加熱するための基板加熱手段
（４５）と、上記基板の表面の高誘電率材料を含む薄膜
を選択的にエッチング除去するために、上記基板加熱手
段によって所定の温度に加熱されている当該基板の表面
に薬液またはケミカルガスを含む蒸気を供給する蒸気供
給手段（３１〜３４，３６，３７，４３，５２〜５４）
とを含むことを特徴とするエッチング装置である。

【００１４】この構成により、請求項１の発明に関して
述べた効果と同様な効果を達成できる。請求項７記載の
発明は、基板（Ｗ）の表面から高誘電率材料を含む薄膜
（１）をエッチング除去するエッチング装置であって、
基板が置かれた空間を所定の気圧に減圧する減圧手段
（５５）と、上記基板の表面の高誘電率材料を含む薄膜
を選択的にエッチング除去するために、上記減圧手段に
よって所定の気圧に減圧された空間に置かれた当該基板
の表面に薬液またはケミカルガスを含む蒸気を供給する
蒸気供給手段（３１〜３４，３６，３７，４３，５２〜
５４）とを含むことを特徴とするエッチング装置であ
る。

【００１５】この構成により、請求項４の発明に関して
述べたのと同様な作用効果を実現できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下では、この発明の実施の形態
を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、この
発明の一実施形態に係る気相エッチング装置によって、
基板の一例である半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」
という。）Ｗが処理される様子を示す断面図である。ウ
エハＷ上には、図１(a)に示すように、ゲート絶縁膜１
が形成されており、このゲート絶縁膜１上にゲート電極
２が形成されている。その他、図示は省略するが、ウエ
ハＷの表面には、ポリシリコン膜や酸化シリコン膜のパ
ターンが形成されている。

【００１７】この状態のウエハＷに対して気相エッチン
グ処理が施されることによって、ゲート電極２の直下領
域以外の領域におけるゲート絶縁膜１が選択的に除去さ
れて、ゲート絶縁膜１のパターニングが行われる。ゲー
ト絶縁膜１には、いわゆるＨｉｇｈ−ｋ（高誘電率）絶
縁膜が適用されており、ゲート電極２は、銅、アルミニ
ウムまたはタングステンなどの金属膜からなっている。

【００１８】Ｈｉｇｈ−ｋ絶縁膜は、ゲート絶縁膜とし
て従来から用いられてきた酸化シリコン膜よりも誘電率
が高い材料からなる絶縁膜であり、ハフニア（Ｈｆ
Ｏ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ジルコニア（ＺｒＳｉ
Ｏ）、ジルコニアシリサイド（ＺｒＳｉＯ）、またはタ
ンタルオキサイド（ＴａＯ）などからなる膜が該当す
る。この発明の一実施形態では、気相エッチングによっ
て、ウエハＷ上の酸化シリコン膜やポリシリコン膜の損
傷を最小限に抑制しつつ、ウエハＷ上のゲート絶縁膜１
が選択的に除去される。

【００１９】図２は、この発明の一実施形態に係る気相
エッチング装置の構成を説明するための図解的な断面図
である。この装置は、ウエハＷの表面からＨｉｇｈ−ｋ
絶縁膜を選択的にエッチング除去するための装置であ
る。この装置は、ハウジング４１内に、薬液としての酸
を含む水溶液の一例であるふっ酸水溶液４２を密閉状態
で貯留するふっ酸蒸気発生容器４３を備えている。この
ふっ酸蒸気発生容器４３の下方には、ふっ酸蒸気を下方
に向かって放出するための貫通孔が多数形成されたパン
チングプレート４４が設けられている。

【００２０】パンチングプレート４４の下方に、処理対
象のウエハＷをパンチングプレート４４に対向させた状
態で水平に保持するホットプレート４５が配置されてい
る。このホットプレート４５は、モータ等を含む回転駆
動機構４６によって鉛直軸線まわりに回転される回転軸
４７の上端に固定されている。ホットプレート４５の平
面視における外方側には、ハウジング４１の底面４１ａ
に対して上下に収縮するベローズ４８が設けられてい
る。このベローズ４８は、上端縁をパンチングプレート
４４の周囲に当接させて、ホットプレート４５の周縁の
空間を密閉して処理チャンバを形成する密閉位置（図２
において実線で示す位置）と、その上端縁がホットプレ
ート４５の上面４５ａによりも下方に退避した退避位置
（図２において破線で示す位置）との間で、図示しない
駆動機構によって伸長／収縮駆動されるようになってい
る。

【００２１】ベローズ４８の内部空間は、ハウジング４
１の底面４１ａに接続された排気配管４９を介して、排
気手段５５により排気されるようになっている。この排
気手段５５は、排気ブロワまたはエジェクタなどの強制
排気機構であってもよいし、当該基板表面処理装置が設
置されるクリーンルームに備えられた排気設備であって
もよい。ホットプレート４５の側方には、ウエハＷを搬
入するための搬入用開口２１、およびウエハＷを排出す
るための搬出用開口２２が、ハウジング４１の側壁に形
成されている。これらの開口２１，２２には、それぞれ
シャッタ３８，３９が配置されている。ウエハＷの搬入
時には、ベローズ４８が退避位置（図２の破線の位置）
に下降させられるとともに、シャッタ３８が開成され、
図示しない搬送ロボットによって、ホットプレート４５
にウエハＷが受け渡される。また、ウエハＷの搬出時に
は、ベローズ４８が退避位置とされるとともに、シャッ
タ３９が開成されて、ホットプレート４５上のウエハＷ
が別の搬送ロボット（図示せず）に受け渡されて搬出さ
れる。

【００２２】ふっ酸蒸気発生容器４３には、ふっ酸水溶
液４２の液面の上方の空間３５に、キャリアガスとして
の窒素ガスを供給する窒素ガス供給配管５４が接続され
ている。また、この空間３５は、バルブ３７を介して、
パンチングプレート４４へとふっ酸蒸気を導くためのふ
っ酸蒸気供給路３６に接続することができるようになっ
ている。ふっ酸蒸気供給路３６には、窒素ガス供給源３
１からの窒素ガスが、流量コントローラ（ＭＦＣ）３
２、バルブ３３および窒素ガス供給配管３４を介して供
給されるようになっている。

【００２３】また、窒素ガス供給源３１からの窒素ガス
は、流量コントローラ５２およびバルブ５３を介して、
窒素ガス供給配管５４に与えられるようになっている。
ふっ酸蒸気発生容器４３内に貯留されるふっ酸水溶液４
２は、いわゆる擬似共弗組成となる濃度（たとえば、１
気圧、室温（２０℃）のもとで、約３９．６％）に調製
されている。この擬似共弗組成のふっ酸水溶液４２は、
水とふっ化水素との蒸発速度が等しく、そのため、バル
ブ３７からふっ酸蒸気供給路３６を介してパンチングプ
レート４４にふっ酸蒸気が導かれることによってふっ酸
蒸気発生容器４３内のふっ酸水溶液４２が減少したとし
ても、ふっ酸蒸気供給路３６に導かれるふっ酸蒸気の濃
度は不変に保持される。

【００２４】ウエハＷの表面のＨｉｇｈ−ｋ絶縁膜を選
択除去する時には、ベローズ４８はパンチングプレート
４４の周縁に密着した密着位置（図２の実線の位置）ま
で上昇させられるとともに、バルブ３３，５３，３７が
開かれる。これによって、ふっ酸蒸気発生容器４３内の
空間３５において生成されたふっ酸蒸気は、窒素ガス供
給配管５４からの窒素ガスによって、バルブ３７を介
し、ふっ酸蒸気供給路３６へと押し出される。このふっ
酸蒸気は、さらに、窒素ガス供給配管３４からの窒素ガ
スによって、パンチングプレート４４へと運ばれる。そ
して、このパンチングプレート４４に形成された貫通孔
を介して、ウエハＷの表面へと供給される。

【００２５】図３は、ふっ酸水溶液の蒸気を用いた気相
エッチングにおける、酸化シリコン（ＳｉＯ₂：熱酸化
シリコン）膜、ハフニア（ＨｆＯ₂）膜およびアルミナ
（Ａｌ ₂Ｏ₃）膜のエッチングレートの温度依存性を示す
特性図である。酸化シリコンのエッチングレートはウエ
ハＷの温度を上げていくと急激に減少するのに対して、
ハフニアおよびアルミナのエッチングレートはウエハＷ
の温度が高くなるに従って上昇し、さらにウエハＷの温
度が高くなるに従って緩やかに下降することがわかる。

【００２６】とくに、ウエハＷの温度が４５℃以上の領
域では、酸化シリコンのエッチングレートとハフニアお
よびアルミナのエッチングレートとが逆転している。そ
して、ウエハＷの温度が５０℃以上の領域では、酸化シ
リコンとハフニアおよびアルミナのエッチングレートに
顕著な差があり、この温度領域において気相エッチング
を行えば、ウエハＷ上のハフニアおよびアルミナを良好
な選択性でエッチング除去できることが理解される。温
度範囲の上限は、ホットプレート４５の仕様によって定
まるが、概ね１６０℃程度である。

【００２７】一方、気相エッチング処理におけるエッチ
ングレートは、ウエハＷが置かれた空間の気圧にも依存
する。具体的には、約２００Ｔｏｒｒの減圧雰囲気下に
おいては、ウエハＷ上のＨｉｇｈ−ｋ絶縁膜を選択除去
することができる。そこで、この実施形態においては、
ホットプレート４５は、たとえば、ウエハＷの温度を約
６０℃に保持することができるように制御される。ま
た、排気手段５５は、ホットプレート４５上の空間のウ
エハＷの周囲の気圧が約２００Ｔｏｒｒの減圧雰囲気と
なるように制御される。この状態で、ウエハＷの表面
に、ふっ酸水溶液の蒸気が導かれる。これによって、ウ
エハＷ上の酸化シリコン膜およびポリシリコン膜の損傷
を最小限に抑制しつつ、ウエハＷ上のＨｉｇｈ−ｋ絶縁
膜からなるゲート絶縁膜１を選択的に除去することがで
きる。これにより、Ｈｉｇｈ−ｋ絶縁膜をゲート絶縁膜
として用いた半導体集積回路素子等の装置の実用的な生
産手段を提供でき、このような装置の量産が可能にな
る。

【００２８】以上、この発明の一実施形態について説明
したが、この発明は他の形態で実施することもできる。
たとえば、上述の実施形態では、ふっ酸水溶液を用いた
気相エッチング処理によってウエハＷ上のＨｉｇｈ−ｋ
絶縁膜を選択除去する工程について説明したが、気相エ
ッチング処理のために使用される薬液は、ふっ酸のほか
にも、硝酸、酢酸、塩酸、硫酸などの酸を含む薬液であ
ってもよい。また、気相エッチング処理のために使用さ
れる薬液は、アンモニア等のアルカリを含む薬液であっ
てもよい。さらに、これらの酸またはアルカリに、過酸
化水素水、オゾン等の酸化剤、またはメタノール等の有
機溶剤を加えた混合液であってもよい。

【００２９】また、上述の実施形態では、薬液（ふっ
酸）を含む蒸気を用いた気相エッチング処理について説
明したが、薬液を含む蒸気の代わりに、ケミカルガスを
含む蒸気を用いてもよい。ここでいうケミカルガスは、
無水ふっ酸ガス、アンモニアガス、塩化水素ガス、二酸
化窒素ガス、およびＳＯ₃ガスのうちのいずれか１つを
含むガス、あるいはこれらのうちの２以上のガスの混合
ガスであってもよい。なお、ケミカルガスを含む蒸気と
は、ケミカルガスと水蒸気とが混合されたものであって
もよいし、ケミカルガスとメタノールなどの有機溶剤の
蒸気とが混合されたものであってもよく、また、これら
をさらに不活性ガスなどのキャリアガス中に混合させた
ものであってもよい。

【００３０】なお、混合組成の薬液やケミカルガスを用
いる代わりに、このような薬液やケミカルガスの各成分
ごとの蒸気源を設け、各蒸気源からの蒸気をウエハＷの
表面に導くようにして、ウエハＷ近傍において複数の蒸
気を混合させてもよい。蒸気源には、薬液やケミカルガ
スを補充したり、薬液やケミカルガスの濃度を維持した
りするために薬液やケミカルガスの供給機構が付設され
ることが好ましい。

【００３１】その他、特許請求の範囲に記載された事項
の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態に係る気相エッチング装
置による処理の一例を説明するための断面図である。

【図２】この発明の一実施形態に係る気相エッチング装
置の構成を示す図解的な断面図である。

【図３】ふっ酸水溶液の蒸気を用いた気相エッチング処
理における各種の膜のエッチグレートの温度依存性を示
す特性図である。

【符号の説明】

１ゲート絶縁膜２ゲート電極３１窒素ガス供給源３６ふっ酸蒸気供給路４１ハウジング４２ふっ酸水溶液４３ふっ酸蒸気発生容器４４パンチングプレート４５ホットプレート４６回転駆動機構４８ベローズ４９排気配管５５排気手段Ｗウエハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中眞人京都府京都市上京区堀川通寺之内上る４丁目天神北町１番地の１大日本スクリーン製造株式会社内 (72)発明者横内健一京都府京都市上京区堀川通寺之内上る４丁目天神北町１番地の１大日本スクリーン製造株式会社内Ｆターム(参考） 5F004 BA19 BB18 BB24 DA20 DA25 DB13 5F110 AA30 BB01 CC01 DD02 EE02 EE03 EE04 FF01 GG02 QQ04 5F140 AA00 AC36 BA01 BD11 BD12 BD13 BE14 BE17 BF01 BF05 BF07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の表面から高誘電率材料を含む薄膜を
エッチング除去するエッチング方法であって、基板を所定の温度に加熱する基板加熱工程と、この基板加熱工程と並行して、上記基板の表面に薬液ま
たはケミカルガスを含む蒸気を供給することによって、
当該基板の表面の高誘電率材料を含む薄膜を選択的にエ
ッチング除去する蒸気供給工程とを含むことを特徴とす
るエッチング方法。
【請求項２】上記基板加熱工程における上記所定の温度
が５０℃以上１６０℃以下であることを特徴とする請求
項１記載のエッチング方法。
【請求項３】上記蒸気供給工程と並行して、上記基板が
置かれた空間を所定の気圧に減圧する減圧工程をさらに
含むことを特徴とする請求項１または２記載のエッチン
グ方法。
【請求項４】基板の表面から高誘電率材料を含む薄膜を
エッチング除去するエッチング方法であって、基板が置かれた空間を所定の気圧に減圧する減圧工程
と、この減圧工程と並行して、上記基板の表面に薬液または
ケミカルガスを含む蒸気を供給することによって、当該
基板の表面の高誘電率材料を含む薄膜を選択的にエッチ
ング除去する蒸気供給工程とを含むことを特徴とするエ
ッチング方法。
【請求項５】上記薄膜は、ゲート絶縁膜またはキャパシ
タであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか
に記載のエッチング方法。
【請求項６】基板の表面から高誘電率材料を含む薄膜を
エッチング除去するエッチング装置であって、基板を所定の温度で加熱するための基板加熱手段と、上記基板の表面の高誘電率材料を含む薄膜を選択的にエ
ッチング除去するために、上記基板加熱手段によって所
定の温度に加熱されている当該基板の表面に薬液または
ケミカルガスを含む蒸気を供給する蒸気供給手段とを含
むことを特徴とするエッチング装置。
【請求項７】基板の表面から高誘電率材料を含む薄膜を
エッチング除去するエッチング装置であって、基板が置かれた空間を所定の気圧に減圧する減圧手段
と、上記基板の表面の高誘電率材料を含む薄膜を選択的にエ
ッチング除去するために、上記減圧手段によって所定の
気圧に減圧された空間に置かれた当該基板の表面に薬液
またはケミカルガスを含む蒸気を供給する蒸気供給手段
とを含むことを特徴とするエッチング装置。