JP2004179583A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エッチング液を水溶液中でF−とHF2 −に解離するHFの水溶液とし、このHF水溶液の濃度と温度をコントロールすることによりSiN膜の熱酸化SiO2膜に対する選択比(エッチングレートの比)を1程度にするか30程度以上の大きな値にするかの設定を変え、SiN膜の熱酸化SiO2膜に対する非選択的エッチング工程にも選択的エッチング工程にも使用する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に絶縁膜のエッチングに関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程では、半導体基板上に膜質の異なる種々の膜が形成される。よって、エッチング工程も各膜の膜質に応じたエッチング条件が必要になる。
【0003】
また、半導体基板上には、通常複数の膜が積層されており、エッチング処理開始時あるいはエッチング処理の過程で、基板表面に膜質の異なる複数の膜が露出されることが多い。エッチング工程では、膜質の異なる複数の膜を同程度のエッチングレートで同時に(非選択的に)エッチングすることが求められる場合もあれば、これらの露出している複数の膜の中から特定の膜のみを選択的にエッチングすることが求められる場合もある。
【0004】
例えば、半導体基板上に形成される絶縁物としては、熱酸化法で得られる二酸化シリコン(熱酸化SiO2)膜、熱CVD法を用いて得られるTEOS(Tetra Ethoxy Silane)膜、プラズマCVD法で得られるTEOS膜、CVD法で得られるBPSG(Boron Phospher Silicate Glass)膜、PSG(Phospher Silicate Glass)膜、BSG(Boron Silicate Glass)膜、あるいは各種CVD法で作製される窒化シリコン(SiN)膜、窒化酸化シリコン(SiON)膜等が挙げられ、このうち複数の絶縁膜が半導体基板表面に露出している場合があり、複数の絶縁膜を非選択的にエッチングしたり、あるいは、いずれかの絶縁物のみを選択的にエッチングしたりする工程が必要である。
【0005】
従来は、エッチングの対象となる膜の膜質や求められるエッチング態様により、それぞれの工程ごとにエッチング液とする薬液成分が選択されている。よって、エッチング液として様々な種類のエッチング液が使用されており、それぞれに個別のエッチング装置が用いられている。
【0006】
例えば、熱酸化SiO2膜に対してBPSG膜を非選択的にエッチングを行うエッチング液としては、フッ化アンモニウムなどのフッ化物塩と酢酸などの有機酸あるいはエタノールなどの有機溶媒との混合液が用いられる(例えば特許文献1参照。)。
【0007】
また、熱酸化SiO2膜に対してBSG膜やBPSG膜を選択的にエッチングするエッチング液として、フッ化水素(HF)と酢酸などの有機酸あるいはエタノールなどの有機溶媒との混合液が用いられる(例えば特許文献2参照。)。
【0008】
また、ハードマスク(エッチングマスク)として用いられるSiNを熱酸化SiO2に対して高選択にエッチングするエッチング液として、燐酸と水の混合液を160°C程度に加熱したものが用いられる(例えば特許文献3参照。)。
【0009】
【特許文献1】
特開2000−164585号公報(第6−7頁、表5、表6)
【0010】
【特許文献2】
特開2000−164586号公報(第6−8頁、表2、表6)
【0011】
【特許文献3】
特開平9−45660号公報(第4頁、表1)
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のエッチング工程では、エッチング対象の膜質やエッチング態様により、エッチング液の薬液成分が異なっている。そのため、それぞれのエッチング液に応じて個別のエッチング装置が必要であり、薬液や装置のコスト面、エッチング装置の設置スペース面等、製造工程への負担が大きい。
【0013】
さらに、エッチング液に有機酸や有機溶媒を使用すると、その廃液処理には環境保護上厳密な管理が必要であり、一層のコスト高となる。
【0014】
また、高温の燐酸を用いる場合、そのための専用の装置が必要であり、また燐がクリーンルーム中に飛散しやすいため、代替プロセスが望まれていた。
【0015】
そこで、本発明の目的は、組成物に有機酸あるいは燐酸を含まず、また溶媒を水とする溶液をエッチング液とすることにより薬液管理コストの低減や廃液処理コストの低減およびクリーンルームの環境保全を可能とし、かつ、非選択的および選択的エッチング工程において共通のエッチング装置の使用を可能とする半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第1の発明は、フッ素イオンと二フッ化水素イオンに解離する組成物の水溶液をエッチング液として用いて、半導体基板上に積層された第1の絶縁膜と第2の絶縁膜を非選択的にエッチングすることを特徴とする。
【0017】
また、本発明の第2の発明は、フッ素イオンと二フッ化水素イオンに解離する組成物の水溶液をエッチング液として用いて、半導体基板上に積層された第1の絶縁膜に対し第2の絶縁膜を選択的にエッチングすることを特徴とする。
【0018】
また、本発明の第3の発明は、半導体基板上に第1の絶縁膜および第2の絶縁膜を積層する工程と、前記第1の絶縁膜と前記第2の絶縁膜を非選択的にエッチングする第1のエッチング工程と、前記第1の絶縁膜に対し前記第2の絶縁膜を選択的にエッチングする第2のエッチング工程とを有し、前記第1および第2のエッチング工程にフッ素イオンと二フッ化水素イオンに解離する同一の組成物の水溶液をエッチング液として用いることを特徴とする。
【0019】
このような本発明の半導体装置の製造方法によれば、同一の組成物の水溶液をエッチング液として用いて、半導体基板上に積層された複数の絶縁膜を非選択的にエッチングすることも、選択的にエッチングすることもできる。そのため、それぞれのエッチングに使用するエッチング装置を共通化することが可能である。したがって、個々のエッチング液ごとに異なるエッチング装置を装備するよりもエッチング液およびエッチング装置の設置コストを低減することが可能で、エッチング装置の設置スペースも少なくすることが可能である。
【0020】
また、有機酸や有機溶媒を使用しないため、エッチング液の廃液処理のコストも低減できる。
【0021】
さらに、エッチング液に高温の燐酸を使用しないため、クリーンルームの環境汚染を防止することもできる。
【0022】
【発明の実施の形態】
本願発明者等は、半導体装置を製造するために必要な各種のエッチング条件について、これまでいろいろと検討を行ってきた。その中で、エッチング液としてHF水溶液を用いて、HF添加濃度に対するSiN膜および熱酸化SiO2膜のエッチングレートの変化の関係を求める実験を行った。その結果、SiN膜と熱酸化SiO2膜のエッチングレートおよびこの両膜間のエッチング選択比は、HF水溶液のHF濃度と温度によりコントロールが可能なことを見出した。
【0023】
すなわち、熱酸化SiO2膜に対するSiN膜の選択比を30以上にする高選択エッチングを行うこともできれば、その選択比を1とする等速エッチングも可能であることを見出した。
【0024】
そこで、まず、本発明の実施の形態に共通に使用するエッチング液について説明する。
【0025】
(エッチング液)
図2は、本発明で用いるエッチング液であるHF水溶液のHF濃度を0.1wt%〜5wt%まで変化させたときの25°CにおけるSiN膜と熱酸化SiO2膜のエッチングレートの変化をグラフにしたものである。
【0026】
HF濃度が5wt%のときは、SiN膜に比べて熱酸化SiO2膜のエッチングレートは非常に高く、熱酸化SiO2膜のエッチングレートに対するSiN膜のエッチングレートの比、すなわち熱酸化SiO2膜に対するSiN膜の選択比(SiN/熱酸化SiO2)は、0.1程度とかなり小さい。
【0027】
HF濃度を下げると、熱酸化SiO2膜のエッチングレートは急激に下がるが、SiN膜のエッチングレートの低下の度合いは緩やかである。そのため、HF濃度が0.1wt%のときの選択比(SiN/熱酸化SiO2)は、0.5程度まで上昇する。
【0028】
図1は、さらに低濃度領域のエッチング特性を示すもので、HF水溶液のHF濃度を0.01wt%〜0.25wt%としたときのSiN膜と熱酸化SiO2膜のエッチングレートの変化をグラフにしたものである。ここでは、エッチングの進行を早めるため、HF水溶液の温度を90°Cとしている。
【0029】
図1のグラフにおいても、HF濃度の低下に対する熱酸化SiO2膜のエッチングレートの低下は急激であり、HF濃度が0.25wt%以下では、ついにSiN膜のエッチングレートを下回るようになる。
【0030】
すなわち、HF濃度が0.25wt%で選択比(SiN/熱酸化SiO2)がほぼ1となり、HF濃度が0.25wt%より低いと選択比(SiN/熱酸化SiO2)が1以上になることを示している。例えば、HF濃度が0.03wt%のときの選択比(SiN/熱酸化SiO2)はおよそ40となり、HF濃度が0.02wt%のときの選択比(SiN/熱酸化SiO2)はおよそ80となる。
【0031】
また、図2との比較より、HF水溶液の温度を変えることによっても、選択比(SiN/熱酸化SiO2)を変化させることができることもわかる。
【0032】
すなわち、HF濃度が0.1wt%の場合、HF水溶液の温度が25°Cでは選択比(SiN/熱酸化SiO2)がおよそ0.5(図2)であったものが、HF水溶液の温度が90°Cでは選択比(SiN/熱酸化SiO2)がおよそ3(図1)となっている。
【0033】
図3は、HF濃度を一定として、HF水溶液の温度と選択比(SiN/熱酸化SiO2)の関係をグラフにしたものである。HF水溶液の温度が高くなるほど選択比(SiN/熱酸化SiO2)が高くなることがわかる。
【0034】
上記実験結果より、SiN膜と熱酸化SiO2膜のエッチングレートおよびその選択比(SiN/熱酸化SiO2)は、HF水溶液のHF濃度と温度でコントロールできることがわかる。これにより、選択比(SiN/熱酸化SiO2)が30以上の高選択エッチングを行うこともできるし、選択比(SiN/熱酸化SiO2)が1となる等速のエッチングを行うこともできる。
【0035】
ここで、HF水溶液のHF濃度の変化により選択比(SiN/熱酸化SiO2)が変化することについては、以下のように説明できる。
【0036】
H.Kikuyama等による論文(“A Studey of Dissociation State and the SiO2 Etching Reaction for HF Solutions of Extremely Low Concentrion”、Journal of Electrochemical Society、(USA)、The Electrochemical Society、February 1994、Vol.141、No.2、p.366−373)によれば、HF水溶液では、HF濃度が高い場合は、HFの解離により二フッ化水素イオン(HF2 −)とフッ素イオン(F−)が生成されるが、HF水溶液を希釈するに従い、HF2 −濃度が低下し、超希釈領域ではHFはH+とF−に完全解離すると報告されている。
【0037】
通常、熱酸化SiO2膜は、HFではなく、HFが解離したHF2 −によりエッチングされることが知られている。しかし、HF水溶液を希釈すればするほどHF2 −濃度が低下するため、熱酸化SiO2膜のエッチングレートが徐々に低下し、超希釈領域では上記論文に報告されているようにHF2 −が生成されないため、熱酸化SiO2のエッチングは起こらなくなるものと考えられる。
【0038】
一方、本発明者等は、SiN膜のエッチングはHF2 −の濃度変化には全く依存せず、むしろF−の濃度変化に依存していることを見出した。
【0039】
これより、HF水溶液中のHF2 −の濃度がF−の濃度より高い領域では、熱酸化SiO2膜のエッチングレートの方がSiN膜のエッチングレートより高いが、HF2 −の濃度がF−の濃度より低くなる超希釈領域では、SiN膜のエッチングレートの方が熱酸化SiO2膜のエッチングレートより高くなるものと考えられる。
【0040】
なお、ここではHFを例にとって説明したが、水溶液中で解離してF−とHF2 −を生成するフッ化アンモニウム(NH4F)やバッファードフッ酸(NH4F/HF)などの水溶液も同様の効果を示すエッチング液として使用できる。
【0041】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
【0042】
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態は、半導体装置の製造工程において、上述のエッチング液を用いて2種類の絶縁膜を非選択的にエッチングする方法を示すものである。
【0043】
図4(a)は、本実施の形態のエッチングを行う前の半導体装置の断面を示す部分断面図である。この半導体装置は、シリコン基板1上に熱酸化法で形成された熱酸化SiO2膜2とSiN膜3を積層形成したものであり、SiN膜3の上面からシリコン基板1に向かって、シリコン基板1を含む各層が内壁面に露出するようトレンチ4が形成されている。
【0044】
このトレンチ4を形成した後、熱酸化SiO2膜2およびSiN膜3部分のトレンチ4の内壁を、Si基板1部分のトレンチ4の内壁より各10nm程度後退させる工程がある。
【0045】
この工程は、SiN膜3および熱酸化SiO2膜2を同程度のエッチングレートで非選択的にエッチングすること、すなわち、選択比(SiN/熱酸化SiO2)が1〜2程度のエッチングを行うことにより実現できる。
【0046】
図3に示すように、HF濃度が0.1wt%のHF水溶液の温度を50°Cにしたときの選択比(SiN/熱酸化SiO2)は1であり、HF水溶液の温度が70°Cのときの選択比(SiN/熱酸化SiO2)は2である。
【0047】
したがって、濃度0.1wt%のHF水溶液を用いて、水溶液温度を50°C〜70°Cの範囲に設定すれば、上記工程に望まれるSiN膜3および熱酸化SiO2膜2の非選択的エッチングが実現できる。
【0048】
また、図1に示すように、濃度0.25wt%、温度90°CのHF水溶液においてもSiN膜3および熱酸化SiO2膜2のエッチングレートはほぼ同じであり、このような条件の下でも上記工程に望まれるSiN膜3と熱酸化SiO2膜2の非選択的エッチングが実現できる。
【0049】
図4(b)に本実施の形態のエッチングを実行後の半導体装置の断面を示す。Si基板1部分のトレンチ4の内壁に対して、熱酸化SiO2膜2およびSiN膜3部分のトレンチ4の内壁が一様に後退していることがわかる。
【0050】
このような本実施の形態によれば、HF水溶液の濃度と温度をコントロールすることにより、熱酸化SiO2膜に対してSiN膜を非選択的にエッチングすることができる。
【0051】
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態は、半導体装置の製造工程において、上述のエッチング液を用いて絶縁膜を高い選択比で選択エッチングする方法を示すものである。
【0052】
図5(a)は、本実施の形態のエッチングを行う前の半導体装置の断面を示す部分断面図である。この半導体装置は、シリコン基板1上に熱酸化法で形成された熱酸化SiO2膜2とSiN膜3が積層形成されており、さらにSiN膜3の上面からSi基板1に向かって、これらの層が内壁面に露出するようトレンチ4が形成されているものとする。
【0053】
このような半導体装置において、SiN膜3の剥離を必要とする工程がある。この場合、SiN膜3を熱酸化SiO2膜2に対して選択的にエッチングすることが求められる。このとき、SiN膜3の膜厚が50nm〜100nmと厚いため、SiNに対するエッチングレートが少なくとも2nm/分以上で、選択比(SiN/熱酸化SiO2)が30以上のエッチングが望まれる。
【0054】
図1に示すように、本発明のエッチング液を用いることにより、上記の条件に適った選択エッチングを行うことができる。すなわち、0.03wt%に希釈したHF水溶液を90°Cにしてエッチングを行うと、SiN膜のエッチングレートがおよそ2nm/分で選択比(SiN/熱酸化SiO2)がおよそ40のエッチングを行うことができる。
【0055】
さらに高い選択比を望む場合は、HF濃度を0.02wt%にすれば、SiN膜のエッチングレートは2nm/分を多少下回るが、選択比(SiN/熱酸化SiO2)80程度のエッチングを行うことができる。
【0056】
図5(b)に本実施の形態のエッチングを実行後の半導体装置の断面を示す。SiN膜3のみが剥離されている様子がわかる。
【0057】
このような本実施の形態によれば、HF水溶液の濃度と温度をコントロールすることにより、熱酸化SiO2膜に対してSiN膜を選択的にエッチングすることができる。特に、高温の希釈したHF水溶液を用いると、SiN膜のエッチングレートを高く保ちながら、熱酸化SiO2膜に対する選択比の高いエッチングを行うことができる。
【0058】
なお、CVD法で作製され、ゲート加工用のハードマスクとして使用されるSiON膜の剥離工程も上述したSiN膜の剥離方法と同様な方法で行うことができる。
【0059】
以上、本発明のエッチング方法について、実施の形態に沿って説明してきたが、本発明は、これらの実施の形態の記載に限定されるものではない。エッチング液としては、エッチング液の説明の項で述べたように、HF水溶液以外に、フッ化アンモニウム(NH4F)やバッファードフッ酸(NH4F/HF)などの水溶液を用いることもできる。また、水溶液の濃度や温度などのエッチング条件も、実施の形態に記載した例に限らない。さらに、半導体装置上の絶縁膜の形状や厚さも実施の形態に記載した例に限らない。
【0060】
また、一つの半導体装置を製造するための一連の工程の中に非選択的エッチング工程と選択的エッチング工程の両方が含まれる場合は、それぞれに上述の第1の実施の形態のエッチング方法と第2の実施の形態のエッチング方法を適用することも可能である。
【0061】
【発明の効果】
このような本発明の半導体装置の製造方法によれば、半導体基板上に積層された複数の絶縁膜を非選択的にエッチングする工程にも選択的にエッチングする工程にも共通のエッチング装置を使用することできる。そのため、個々の工程に特有のエッチング装置を設備するよりもエッチング装置およびエッチング液のコストを低減することができる。また、エッチング装置の設置スペースも少なくすることができる。
【0062】
また、有機酸や有機溶媒を使用しないため、エッチング液の廃液処理のコストも低減できる。
【0063】
さらに、エッチング液に高温の燐酸を使用しないため、クリーンルームの環境汚染を防止することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】温度90°CにおけるHF水溶液濃度とエッチングレートの関係を示すグラフ。
【図2】温度25°CにおけるHF水溶液濃度とエッチングレートの関係を示すグラフ。
【図3】濃度0.1wt%のHF水溶液の温度と選択比の関係を示すグラフ。
【図4】本発明の第1の実施の形態に係るエッチングの例を示す半導体装置の部分断面図。
【図5】本発明の第2の実施の形態に係るエッチングの例を示す半導体装置の部分断面図。
【符号の説明】
1 シリコン基板
2 熱酸化SiO2膜
3 SiN膜
4 トレンチ
Claims (7)
- フッ素イオンと二フッ化水素イオンに解離する組成物の水溶液をエッチング液として用いて、半導体基板上に積層された第1の絶縁膜と第2の絶縁膜を非選択的にエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- フッ素イオンと二フッ化水素イオンに解離する組成物の水溶液をエッチング液として用いて、半導体基板上に積層された第1の絶縁膜に対し第2の絶縁膜を選択的にエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 半導体基板上に第1の絶縁膜および第2の絶縁膜を積層する工程と、
前記第1の絶縁膜と前記第2の絶縁膜を非選択的にエッチングする第1のエッチング工程と、
前記第1の絶縁膜に対し前記第2の絶縁膜を選択的にエッチングする第2のエッチング工程とを有し、
前記第1および第2のエッチング工程にフッ素イオンと二フッ化水素イオンに解離する同一の組成物の水溶液をエッチング液として用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記エッチング液の組成物をフッ化水素、フッ化アンモニウムまたはバッファードフッ酸としたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の絶縁膜として熱酸化SiO2膜を形成し、前記第2の絶縁膜としてSiN膜あるいはCVD法で作成されたSiON膜を形成することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記エッチング液の濃度と温度の組み合わせにより、前記第1の絶縁膜に対する前記第2の絶縁膜のエッチング速度の比を設定することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記エッチング液を、フッ化水素の濃度が0.02〜0.25wt%で温度が50°C以上のフッ化水素水溶液とすることを特徴とする請求項1乃至3または請求項6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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