JP2004528716A - シリコンと窒素を含む材料をウエットエッチングする方法 - Google Patents
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Abstract
この発明は、温度が１００℃を超える温度に達する高圧下で低濃度のフッ化水素酸を含む水溶液を用いたウエットエッチングによりシリコンと窒素を含む材料を除去する工程を含む半導体装置の製造方法に関する。
Description
【技術分野】
【０００１】
この発明はウエットエッチングによりシリコンと窒素を含む材料を除去する工程を含む半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化シリコンや酸窒化シリコン等のシリコンと窒素を含む材料はしばしば集積回路の製造に用いられる。このような材料は例えば、上部に設けられたレジストマスクにより確定されるゲートのクリティカル・ディメンション（ＣＤ）をより良く制御するための底部反射防止コーティング（ＢＡＲＣ）として用いられる。ウエハとしては半導体基板上にゲート酸化膜を設け、ポリシリコン層をゲート酸化膜上に設け、この導電層上にＢＡＲＣ層を設け、そしてレジストをＢＡＲＣ層に設ける。レジストマスク内のエッチング・ウインドウにより確定されるＢＡＲＣ層とゲート導電層の選択された部分を介して順にエッチングを行うことによりウエハ積層体より一つ又は複数のポリシリコン・ゲートが形成される。このゲート形成後、残っているレジストマスクとＢＡＲＣ層が除去される。ウエットエッチングによるＢＡＲＣ層除去の間、一つ又は複数のポリシリコン・ゲートの横壁とゲート酸化膜の被覆されていない部分とが、ＢＡＲＣ層のウエットエッチングに用いるエッチ・ミクスチャに晒される。さらにこのような材料はいわゆるシャロウ・トレンチ・アイソレーション（ＳＴＩ）工程にマスクとして用いられる。この工程では、ウエットエッチングによりこのマスクを除去している間にフィールド酸化領域がエッチングで使用されるエッチ・ミクスチャに晒される。窒化シリコンや酸窒化シリコン等のシリコンと窒素を含む材料には上記以外にも多くの応用分野があることは集積回路の製造分野の当業者には明らかである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような材料をウエットエッチングする場合は、通常１４０℃乃至１８０℃の高温の燐酸内で行われることが多い。これによりシリコン酸化物やシリコン酸化物のような材料に対して選択比の大きいエッチングを行うことができる。選択比が大きいということはシリコンと窒素を含む材料は、シリコン酸化物やシリコン酸化物のような材料に比べて、非常に早い速度でエッチングすることができることを意味する。しかし、このエッチングには次のようないくつかの欠点がある。１）有機物フォトレジストは高温に弱くエッチング工程の間に除去されてしまう。２）エッチング工程は粒子汚染を受けやすい。３）露出したポリ結線に対する選択比が小さい。４）露出したシリコン酸化物やシリコン酸化物のような材料に対する選択比はエッチング槽の使用年数に依存する。即ち、新しいエッチング槽での選択比は古いエッチング槽での選択比よりかなり小さい。５）このエッチングに要する処理時間は非常に長いので、一つの処理室で同時に多くのウエハを処理する多数ウエハ処理にのみしか適さない。
【０００４】
上記の工程に代わる、窒化シリコンや酸窒化シリコン等のシリコンと窒素を含む材料のウエットエッチングは、温度２５℃乃至９０℃で０.００１Ｍ乃至０.１Ｍの範囲の濃度のフッ化水素酸を含む希薄なフッ化水素酸（HF）水溶液内で行われる。高温の燐酸内で行うエッチングにおける問題の多くは上記温度範囲での希薄なフッ化水素酸水溶液を用いることにより解決される。しかし重大な問題が一つ残る。それは、シリコン酸化物やシリコン酸化物のような材料に対するエッチング選択比に悪影響を与えずに単一ウエハに対する工程によりエッチング工程が効果的に行われるのに十分なだけエッチング速度が速くなるように温度とフッ化水素酸の濃度を上記範囲内で適切に調整することができないということである。
【０００５】
この発明の目的は、とりわけ、冒頭で説明した方法において、ウエット・エッチングによるシリコンと窒素を含む材料を除去する改良された方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的のために、この発明のウエット・エッチングによるシリコンと窒素を含む材料を除去する方法は、１００℃を超える温度に達する高圧下で低濃度のフッ化水素酸を含む水溶液を用いて行う。この水溶液の温度は高圧下で１００℃を超える温度に上げることができる。これにより、単一ウエハ・プロセスによっても十分エッチング工程が速く行える程にエッチング速度が高まる。さらに、１００℃を超える温度ではシリコン酸化物又はシリコン酸化物のような材料に対する選択比に悪影響を与えることはない。逆に、この選択比は大きくなる。
【０００７】
シリコンと窒素を含む材料のエッチングはスプレー、ウエットベンチ等を用いて多数ウエハ・プロセスで行うことができる。この多数ウエハ・プロセスは多くのウエハを同時に一つの処理室で処理するものである。しかし、従来の方法よりエッチング速度が格段に速いこの発明の方法においては、シリコンと窒素を含む材料のエッチングは単一ウエハ・プロセス、即ち、一つの処理室で一度に一枚のウエハを処理するプロセスでも効果的に行われる。
【０００８】
この発明の方法のさらなる効果的な実施形態は従属項に記載されている通りである。
【０００９】
さらにこの発明は、温度が１００℃を超える温度に達する高圧下で低濃度のフッ化水素酸を含む水溶液を用いてエッチングによりシリコンと窒素を含む材料を除去する装置に関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１に示す基板１は例えばシリコンの半導体基体を構成し、その上部に最上部層として誘電体材料層２が形成される。この分野の当業者にとっては明らかであるが、製造工程の段階に応じて基板１には他の層を設けたり、別の構造とすることができる。誘電体材料層２の上部にはシリコン層３が形成される。シリコン層３はこの例ではゲート層とされるが、好ましくは多結晶シリコン又はアモルファスシリコンが用いられる。シリコン層３の上部にシリコンと窒素を含む材料の非有機物反射防止層４が形成される。シリコンと窒素を含む材料は好ましくは窒化シリコン又は酸窒化シリコンであり、さらに好ましくはシリコンを多く含む窒化シリコン又は酸窒化シリコンである。この例ではゲート誘電体層である誘電体材料層２は、好ましくは、その材料に対してシリコンと窒素を含む非有機物反射防止層（４）が選択的にエッチングできる、例えば、シリコン酸化物やシリコン酸化物のような材料より成る。非有機物反射防止層４にはレジストマスク６が設けられる。非有機物反射防止層４とレジストマスク６との間に他の層、例えば、シリコン酸化物層を設けても良い。通常の方法により、レジストマスク６を用いて非有機物反射防止層４がパターンニングされる。そして、通常の方法によりレジストマスク６が除去される（図２）。
【００１１】
図３において、パターンニングされた非有機物反射防止層４をハードマスクとして用いてエッチングによりシリコン層３を、通常の方法で、誘電体材料層２に達するまでパターンニングする。
【００１２】
図４において、窒化シリコンや酸窒化シリコン等のシリコンと窒素を含む材料の非有機物反射防止層４が、好ましくは約０.００１Ｍ乃至０.１Ｍの低濃度のフッ化水素酸を含む水溶液を用いたエッチングにより除去される。水溶液は１００℃を超える温度、好ましくは、１００℃乃至１３０℃の温度範囲で用いるとよい。この水溶液は高圧下で１００℃を超える温度に上げることができる。これは、例えば、シリコンと窒素を含む材料の非有機物反射防止層をエッチングする処理室に圧縮された不活性ガスを流入させることにより行うことができる。別な方法としては、密閉されたシステム内で所望の温度に水溶液を加熱してもよい。この加熱の間、密閉されたシステム内の圧力が高まり、その結果、水溶液の温度が所望の温度まで高まる。別な方法としては油圧ポンプを用いても良い。
【００１３】
このエッチング工程により、シリコン層３の露出した横壁へのエッチングは軽減され、その結果、クリティカルディメンジョン（ＣＤ）に大きな影響を与えずに非有機物反射防止層４を除去することが出来る。さらには、シリコン層３の上壁が一旦露出すると、上記のエッチング工程の間、この上壁へのエッチングが軽減される。それに加えて、このエッチング工程は誘電体材料層２に対する選択比が大きい。即ち、誘電体材料層２に比べて非常に大きな割合で非有機物反射防止層４がエッチングされる。１００℃乃至１３０℃の範囲で温度が高いほど、非有機物反射防止層３のエッチング速度が速くなり、誘電体材料層２に対する選択比が大きくなる。さらに、非有機物反射防止層４とシリコン３との間の選択比を上げる、即ち、非有機物反射防止層４のエッチング速度に対してシリコン層３のエッチング速度を下げるためには、非有機物反射防止層４のエッチングの間に、シリコン層３が酸化しないように上記水溶液を取り扱うのが好ましい。これは水溶液を排出して水溶液に溶解した酸素を除去することにより行われる。他の方法は、水溶液を介して窒素（Ｎ２）又はアルゴン（Ａｒ）の不活性ガスをバブル化することにより溶解した酸素をこの不活性ガスと交換することである。シリコン層３に良い影響を与えるためには溶解した酸素を完全に除去したり不活性ガスと交換する必要は無いことは当業者には明らかである。水溶液から除去される又は不活性ガスと交換される溶解酸素量が多いほど効果が大きくなる。溶解酸素の除去又は交換以外の他の方法としては、溶解した水素（Ｈ２）や亜ジチオン酸（Ｈ２Ｓ２Ｏ４）、次亜硫酸（Ｈ２Ｓ２Ｏ６）、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）等の還元剤を添加することである。水素は水溶液を介してバブル化することにより溶解することができる。上記説明した水溶液の取り扱い方法を二つ以上採用することによりシリコン層３の状態により一層良い影響を与えることは当業者には明らかである。
【００１４】
実行するウエットエッチングに応じて、エッチング速度及び/又は選択比を制御するｐＨ調整剤、表面潤滑性を高める界面活性剤そして/又はエッチング選択比を制御する有機物溶剤等の添加物を一つ以上水溶液に加えても良い。ｐＨ調整剤としてはＮＨ４ＯＨ、ＮＨ４Ｆ、ＨＣＬ、ＨＮＯ３、Ｈ２ＳＯ４、等がある。
【００１５】
非有機物反射防止層４のエッチングはスプレー、ウエットベンチ等を用いて多数ウエハ・プロセスで行うことができる。この多数ウエハ・プロセスは多くのウエハを同時に一つの処理室で処理するものである。しかし、従来の方法よりエッチング速度が格段に速いこの発明の方法においては、非有機物反射防止層のエッチングは単一ウエハ・プロセス、即ち、一つの処理室で一度に一枚のウエハを処理するプロセスでも効果的に行われる。
【００１６】
ゲートが確定されると、半導体装置はさらなる公知の方法で処理されて、半導体基体にソース、ドレイン領域が設けられたり、トランジスタ間の接続が行われて集積回路が形成される。
【００１７】
この発明の範疇において、上記説明した例のみならずさらに多くの変形例が当業者にとって可能であることは理解できるところである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の方法を用いた半導体装置の製造における一工程を示す断面図である。
【図２】この発明の方法を用いた半導体装置の製造における一工程を示す断面図である。
【図３】この発明の方法を用いた半導体装置の製造における一工程を示す断面図である。
【図４】この発明の方法を用いた半導体装置の製造における一工程を示す断面図である。
【０００１】
この発明はウエットエッチングによりシリコンと窒素を含む材料を除去する工程を含む半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化シリコンや酸窒化シリコン等のシリコンと窒素を含む材料はしばしば集積回路の製造に用いられる。このような材料は例えば、上部に設けられたレジストマスクにより確定されるゲートのクリティカル・ディメンション（ＣＤ）をより良く制御するための底部反射防止コーティング（ＢＡＲＣ）として用いられる。ウエハとしては半導体基板上にゲート酸化膜を設け、ポリシリコン層をゲート酸化膜上に設け、この導電層上にＢＡＲＣ層を設け、そしてレジストをＢＡＲＣ層に設ける。レジストマスク内のエッチング・ウインドウにより確定されるＢＡＲＣ層とゲート導電層の選択された部分を介して順にエッチングを行うことによりウエハ積層体より一つ又は複数のポリシリコン・ゲートが形成される。このゲート形成後、残っているレジストマスクとＢＡＲＣ層が除去される。ウエットエッチングによるＢＡＲＣ層除去の間、一つ又は複数のポリシリコン・ゲートの横壁とゲート酸化膜の被覆されていない部分とが、ＢＡＲＣ層のウエットエッチングに用いるエッチ・ミクスチャに晒される。さらにこのような材料はいわゆるシャロウ・トレンチ・アイソレーション（ＳＴＩ）工程にマスクとして用いられる。この工程では、ウエットエッチングによりこのマスクを除去している間にフィールド酸化領域がエッチングで使用されるエッチ・ミクスチャに晒される。窒化シリコンや酸窒化シリコン等のシリコンと窒素を含む材料には上記以外にも多くの応用分野があることは集積回路の製造分野の当業者には明らかである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような材料をウエットエッチングする場合は、通常１４０℃乃至１８０℃の高温の燐酸内で行われることが多い。これによりシリコン酸化物やシリコン酸化物のような材料に対して選択比の大きいエッチングを行うことができる。選択比が大きいということはシリコンと窒素を含む材料は、シリコン酸化物やシリコン酸化物のような材料に比べて、非常に早い速度でエッチングすることができることを意味する。しかし、このエッチングには次のようないくつかの欠点がある。１）有機物フォトレジストは高温に弱くエッチング工程の間に除去されてしまう。２）エッチング工程は粒子汚染を受けやすい。３）露出したポリ結線に対する選択比が小さい。４）露出したシリコン酸化物やシリコン酸化物のような材料に対する選択比はエッチング槽の使用年数に依存する。即ち、新しいエッチング槽での選択比は古いエッチング槽での選択比よりかなり小さい。５）このエッチングに要する処理時間は非常に長いので、一つの処理室で同時に多くのウエハを処理する多数ウエハ処理にのみしか適さない。
【０００４】
上記の工程に代わる、窒化シリコンや酸窒化シリコン等のシリコンと窒素を含む材料のウエットエッチングは、温度２５℃乃至９０℃で０.００１Ｍ乃至０.１Ｍの範囲の濃度のフッ化水素酸を含む希薄なフッ化水素酸（HF）水溶液内で行われる。高温の燐酸内で行うエッチングにおける問題の多くは上記温度範囲での希薄なフッ化水素酸水溶液を用いることにより解決される。しかし重大な問題が一つ残る。それは、シリコン酸化物やシリコン酸化物のような材料に対するエッチング選択比に悪影響を与えずに単一ウエハに対する工程によりエッチング工程が効果的に行われるのに十分なだけエッチング速度が速くなるように温度とフッ化水素酸の濃度を上記範囲内で適切に調整することができないということである。
【０００５】
この発明の目的は、とりわけ、冒頭で説明した方法において、ウエット・エッチングによるシリコンと窒素を含む材料を除去する改良された方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的のために、この発明のウエット・エッチングによるシリコンと窒素を含む材料を除去する方法は、１００℃を超える温度に達する高圧下で低濃度のフッ化水素酸を含む水溶液を用いて行う。この水溶液の温度は高圧下で１００℃を超える温度に上げることができる。これにより、単一ウエハ・プロセスによっても十分エッチング工程が速く行える程にエッチング速度が高まる。さらに、１００℃を超える温度ではシリコン酸化物又はシリコン酸化物のような材料に対する選択比に悪影響を与えることはない。逆に、この選択比は大きくなる。
【０００７】
シリコンと窒素を含む材料のエッチングはスプレー、ウエットベンチ等を用いて多数ウエハ・プロセスで行うことができる。この多数ウエハ・プロセスは多くのウエハを同時に一つの処理室で処理するものである。しかし、従来の方法よりエッチング速度が格段に速いこの発明の方法においては、シリコンと窒素を含む材料のエッチングは単一ウエハ・プロセス、即ち、一つの処理室で一度に一枚のウエハを処理するプロセスでも効果的に行われる。
【０００８】
この発明の方法のさらなる効果的な実施形態は従属項に記載されている通りである。
【０００９】
さらにこの発明は、温度が１００℃を超える温度に達する高圧下で低濃度のフッ化水素酸を含む水溶液を用いてエッチングによりシリコンと窒素を含む材料を除去する装置に関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１に示す基板１は例えばシリコンの半導体基体を構成し、その上部に最上部層として誘電体材料層２が形成される。この分野の当業者にとっては明らかであるが、製造工程の段階に応じて基板１には他の層を設けたり、別の構造とすることができる。誘電体材料層２の上部にはシリコン層３が形成される。シリコン層３はこの例ではゲート層とされるが、好ましくは多結晶シリコン又はアモルファスシリコンが用いられる。シリコン層３の上部にシリコンと窒素を含む材料の非有機物反射防止層４が形成される。シリコンと窒素を含む材料は好ましくは窒化シリコン又は酸窒化シリコンであり、さらに好ましくはシリコンを多く含む窒化シリコン又は酸窒化シリコンである。この例ではゲート誘電体層である誘電体材料層２は、好ましくは、その材料に対してシリコンと窒素を含む非有機物反射防止層（４）が選択的にエッチングできる、例えば、シリコン酸化物やシリコン酸化物のような材料より成る。非有機物反射防止層４にはレジストマスク６が設けられる。非有機物反射防止層４とレジストマスク６との間に他の層、例えば、シリコン酸化物層を設けても良い。通常の方法により、レジストマスク６を用いて非有機物反射防止層４がパターンニングされる。そして、通常の方法によりレジストマスク６が除去される（図２）。
【００１１】
図３において、パターンニングされた非有機物反射防止層４をハードマスクとして用いてエッチングによりシリコン層３を、通常の方法で、誘電体材料層２に達するまでパターンニングする。
【００１２】
図４において、窒化シリコンや酸窒化シリコン等のシリコンと窒素を含む材料の非有機物反射防止層４が、好ましくは約０.００１Ｍ乃至０.１Ｍの低濃度のフッ化水素酸を含む水溶液を用いたエッチングにより除去される。水溶液は１００℃を超える温度、好ましくは、１００℃乃至１３０℃の温度範囲で用いるとよい。この水溶液は高圧下で１００℃を超える温度に上げることができる。これは、例えば、シリコンと窒素を含む材料の非有機物反射防止層をエッチングする処理室に圧縮された不活性ガスを流入させることにより行うことができる。別な方法としては、密閉されたシステム内で所望の温度に水溶液を加熱してもよい。この加熱の間、密閉されたシステム内の圧力が高まり、その結果、水溶液の温度が所望の温度まで高まる。別な方法としては油圧ポンプを用いても良い。
【００１３】
このエッチング工程により、シリコン層３の露出した横壁へのエッチングは軽減され、その結果、クリティカルディメンジョン（ＣＤ）に大きな影響を与えずに非有機物反射防止層４を除去することが出来る。さらには、シリコン層３の上壁が一旦露出すると、上記のエッチング工程の間、この上壁へのエッチングが軽減される。それに加えて、このエッチング工程は誘電体材料層２に対する選択比が大きい。即ち、誘電体材料層２に比べて非常に大きな割合で非有機物反射防止層４がエッチングされる。１００℃乃至１３０℃の範囲で温度が高いほど、非有機物反射防止層３のエッチング速度が速くなり、誘電体材料層２に対する選択比が大きくなる。さらに、非有機物反射防止層４とシリコン３との間の選択比を上げる、即ち、非有機物反射防止層４のエッチング速度に対してシリコン層３のエッチング速度を下げるためには、非有機物反射防止層４のエッチングの間に、シリコン層３が酸化しないように上記水溶液を取り扱うのが好ましい。これは水溶液を排出して水溶液に溶解した酸素を除去することにより行われる。他の方法は、水溶液を介して窒素（Ｎ２）又はアルゴン（Ａｒ）の不活性ガスをバブル化することにより溶解した酸素をこの不活性ガスと交換することである。シリコン層３に良い影響を与えるためには溶解した酸素を完全に除去したり不活性ガスと交換する必要は無いことは当業者には明らかである。水溶液から除去される又は不活性ガスと交換される溶解酸素量が多いほど効果が大きくなる。溶解酸素の除去又は交換以外の他の方法としては、溶解した水素（Ｈ２）や亜ジチオン酸（Ｈ２Ｓ２Ｏ４）、次亜硫酸（Ｈ２Ｓ２Ｏ６）、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）等の還元剤を添加することである。水素は水溶液を介してバブル化することにより溶解することができる。上記説明した水溶液の取り扱い方法を二つ以上採用することによりシリコン層３の状態により一層良い影響を与えることは当業者には明らかである。
【００１４】
実行するウエットエッチングに応じて、エッチング速度及び/又は選択比を制御するｐＨ調整剤、表面潤滑性を高める界面活性剤そして/又はエッチング選択比を制御する有機物溶剤等の添加物を一つ以上水溶液に加えても良い。ｐＨ調整剤としてはＮＨ４ＯＨ、ＮＨ４Ｆ、ＨＣＬ、ＨＮＯ３、Ｈ２ＳＯ４、等がある。
【００１５】
非有機物反射防止層４のエッチングはスプレー、ウエットベンチ等を用いて多数ウエハ・プロセスで行うことができる。この多数ウエハ・プロセスは多くのウエハを同時に一つの処理室で処理するものである。しかし、従来の方法よりエッチング速度が格段に速いこの発明の方法においては、非有機物反射防止層のエッチングは単一ウエハ・プロセス、即ち、一つの処理室で一度に一枚のウエハを処理するプロセスでも効果的に行われる。
【００１６】
ゲートが確定されると、半導体装置はさらなる公知の方法で処理されて、半導体基体にソース、ドレイン領域が設けられたり、トランジスタ間の接続が行われて集積回路が形成される。
【００１７】
この発明の範疇において、上記説明した例のみならずさらに多くの変形例が当業者にとって可能であることは理解できるところである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の方法を用いた半導体装置の製造における一工程を示す断面図である。
【図２】この発明の方法を用いた半導体装置の製造における一工程を示す断面図である。
【図３】この発明の方法を用いた半導体装置の製造における一工程を示す断面図である。
【図４】この発明の方法を用いた半導体装置の製造における一工程を示す断面図である。
Claims (11)
- １００℃を超える温度に達する高圧下で低濃度のフッ化水素酸を含む水溶液を用いたウエットエッチングによりシリコンと窒素を含む材料を除去する工程を含む半導体装置の製造方法。
- 前記シリコンと窒素を含む材料は窒化シリコン又は酸窒化シリコンであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
- 前記シリコンと窒素を含む材料はシリコンを多く含む窒化シリコン又は酸窒化シリコンであることを特徴とする請求項１又は２いずれか記載の半導体装置の製造方法。
- 前記シリコンと窒素を含む材料を単一ウエハ・プロセスによりエッチングすることを特徴とする請求項１、２又は３いずれか記載の半導体装置の製造方法。
- 前記水溶液を１００℃乃至約１３０℃の範囲の温度で用いることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の半導体装置の製造方法。
- 前記非有機物反射防止層をエッチングしている間、前記シリコン層を酸化しない状態に保つように前記水溶液を取り扱うことを特徴とする請求項１乃至５いずれか記載の半導体装置の製造方法。
- 前記水溶液を排出して前記水溶液に溶解した酸素を除去することを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
- 不活性ガスと交換することにより前記水溶液に溶解した酸素を除去することを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
- 還元剤を前記水溶液に添加することを特徴とする請求項６，７又は８いずれか記載の半導体装置の製造方法。
- 前記フッ化水素酸の濃度は約０.００１乃至０.１Ｍであることを特徴とする請求項１乃至９いずれか記載の半導体装置の製造方法。
- 請求項１乃至１０いずれか記載の前記シリコンと窒素を含む材料を除去する工程を実行する装置。
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