JP2009049293A - 半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板にｐｎ接合が形成されているか否かに関わらず、薬液が絶縁膜に接液する際を含めてピットの発生を抑制し且つレジストの変質が生じにくい半導体装置の製造方法を実現できるようにする。
【解決手段】半導体装置の製造方法は、基板１２の上に第１の絶縁膜１１を形成する工程（ａ）と、第１の絶縁膜１１をウェットエッチエッチングにより選択的に除去する工程（ｃ）と、基板１２における第１の絶縁膜１１が除去された領域の上に第２の絶縁膜１７を形成する工程（ｄ）とを備えている。工程（ｃ）では、少なくともウェットエッチングを開始してから薬液が基板と接液するまでの期間において基板１２の表面に可視光又は赤外光からなる照射光を照射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置に関し、特に、絶縁膜を選択的にウェットエッチングする工程を備えた半導体装置の製造方法及びこれに用いる半導体装置の製造装置に関する。

近年、半導体装置の高集積化及び高性能化に伴い、ゲート絶縁膜の薄膜化が進んでいる。また、高性能な薄膜ゲート絶縁膜を形成するために、基板表面のラフネス制御が求められている。

薄く高性能なゲート絶縁膜を形成する場合には、シリコン（Ｓｉ）からなる基板の上に相対的に厚い絶縁膜を形成した後、ウェットエッチングにより選択的に厚い絶縁膜を除去し、露出した基板の上に相対的に薄い絶縁膜を形成する方法が用いられる。

しかし、基板にｐｎ接合が形成されている場合には、厚い絶縁膜をウェットエッチングした後の洗浄処理において、図１３に示すように基板１１１の表面からＳｉが部分的に溶出して基板１１１にピット１１１ａが形成される場合がある。なお、図１３において１１３はゲート絶縁膜、１１４はゲート電極、１１５はサイドウォールであり、基板１１１にはソースドレイン領域１１６が形成されている。

ゲート絶縁膜の膜厚が薄くなると、図１４に示すようにゲートリーク電流が急激に増大する。基板にピットが形成されている場合には、ゲートリーク電流はさらに大きくなる。

ピットの発生を防止する方法として、洗浄処理の際に光を照射する方法が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。洗浄処理の際に光を照射することにより、ｐｎ接合部における電位を制御し、基板の露出部における反応を抑制し、ピットの発生を防止している。
特開２００５−０１９６６５号公報

しかしながら、前記従来のピット発生の防止方法には、以下のような問題がある。まず、従来の方法は、Ｓｉからなる基板の表面が露出した後の洗浄処理の際に、ｐｎ接合の起電力により生じるピットを抑制する方法である。つまり、ｐｎ接合が形成されたＳｉ基板についてピットの発生を防止する技術でしかない。また、ウェットエッチング工程において、ピットは基板の表面が露出した後だけでなく、薬液が絶縁膜に接液した瞬間にも発生するおそれがある。しかし、従来の方法は、基板が露出していない状態において発生するピットに対しては効果がない。

また、従来の方法は、２００ルクス〜３００ルクス以上の照度の光を照射する必要がある。このように、照度が高い光を照射すると、レジストが変質するおそれがある。レジストが変質すると、レジストの除去が困難となりレジスト残渣が発生するおそれがある。

本発明は、前記従来の問題を解決し、基板にｐｎ接合が形成されているか否かに関わらず、薬液が絶縁膜に接液する際を含めてピットの発生を抑制し且つレジストの変質が生じにくい半導体装置の製造方法を実現できるようにすることを目的とする。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板の上に第１の絶縁膜を形成する工程（ａ）と、第１の絶縁膜を、フッ素を含む薬液を用いたウェットエッチエッチングにより選択的に除去する工程（ｂ）と、基板における第１の絶縁膜が除去された領域の上に第２の絶縁膜を形成する工程（ｃ）とを備え、工程（ｂ）では、少なくともウェットエッチングの開始から薬液が基板と接液するまでの期間において基板表面に可視光又は赤外光からなる照射光を照射することを特徴とする。

本発明の半導体装置の製造方法は、少なくともウェットエッチングの開始から薬液が基板と接液するまでの期間において基板表面に可視光又は赤外光からなる照射光を照射する。これにより、光電効果により基板に正孔と電子とが発生する。光電効果により発生した電子は、もとから基板の表面に存在する正孔を中和する。従って、薬液が絶縁膜と接液した際に、電子が基板表面の正孔に引き寄せられにくくなる。その結果、基板に静電破壊に起因したピットが形成されることを抑制できる。

本発明の半導体装置の製造方法において、照射光の波長は、４００ｎｍ以上且つ１１２７ｎｍ以下であることが好ましい。

本発明の半導体装置の製造方法において、照射光の照度は、１ルクス以上且つ１００ルクス以下であることが好ましい。

本発明の半導体装置の製造方法において、工程（ｃ）では、照射光の照射は、ウェットエッチングが完了するまで行うことが好ましい。

本発明に係る半導体装置の製造装置は、本発明の半導体装置の製造方法を行う半導体装置の製造装置を対象とし、基板を保持する保持台と、基板を回転する回転軸と、基板表面に薬液を滴下する薬液ノズルと、基板表面に照射光を照射する光源と、光源からの距離が、基板表面に照射された照射光の照度を測定する照度計とを備えていることを特徴とする。

本発明の半導体装置の製造装置において、光源の照度を制御する照度制御装置をさらに備えていることが好ましい。

本発明の半導体装置の製造装置において、光源及び照度計を保護するカバーをさらに備えていることが好ましい。

本発明に係る半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置によれば、基板にｐｎ接合が形成されているか否かに関わらず、薬液が絶縁膜に接液する際を含めてピットの発生を抑制し且つレジストの変質が生じにくい半導体装置の製造方法を実現できる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示している。

まず、図１（ａ）に示すように、Ｓｉからなる基板１２の上に、例えば１０００℃の条件で膜厚が１０ｎｍの第１の絶縁膜１１を形成する。

次に、図１（ｂ）に示すように、レジスト１３を用いたフォトリソグラフィー技術によって、レジスト１３の所定の領域に開口部１３ａを形成する。

次に、図１（ｃ）に示すように、フッ素を含む薬液を用いたウェットエッチング法により、第１の絶縁膜１１における開口部１３ａから露出した部分を除去して、基板１２を露出する。この際に、光源１６を用いて、例えば波長が４００〜７００ｎｍの光を５０ルクスの照度でウェハ全面に照射する。ウェットエッチングに用いる薬液には、例えば５質量％のフッ酸を用いればよく、エッチング時間は、３０秒とすればよい。これにより、基板１２の露出部分にピットが発生することを抑制できる。

次に、図１（ｄ）に示すように、例えば、硫酸過酸化水素水混合溶液（ＳＰＭ）を用いてレジスト１３を除去する。次に、基板１２における開口部から露出した部分に膜厚が６ｎｍ以下の第２の絶縁膜１７を形成する。第２の絶縁膜１７は、例えば１０００℃の条件で形成すればよい。

光を照射しながらウェットエッチングを行うことによりピットの発生を抑制できる理由について、図２〜図９を参照しながら説明する。本実施形態では枚葉式洗浄装置を使用した場合について説明するが、バッチ式洗浄装置であっても構わない。

図２はウェットエッチングを行うための枚葉式洗浄装置の模式図である。近年、枚葉式洗浄装置は金属不純物でウェハ（基板）を汚染させないように、チャンバー内の部材が樹脂である。樹脂は摩擦などにより帯電しやすく、図２（ａ）に示すように、通常、回転軸２４に取り付けられたウェハ保持台２３の表面は電子によりマイナスに帯電している。その結果、図２（ｂ）に示すように、基板２２をウェハ保持台２３にセットすると、帯電したウェハ保持台２３の影響により基板２２の裏面はプラスに、表面はマイナスに帯電する。この状態で、基板２２の上方に設置された薬液ノズル２５から、基板２２にフッ酸が供給される。

通常のゲート絶縁膜に含まれるＳｉＯ₂とフッ酸との反応は図３に示すように進行する。まず、図３（ａ）に示すように、ＳｉＯ₂のＳｉとＯとは分極するため、Ｓｉ（δ＋）にＨＦ₂ ^-が引き寄せられ、ＨＦ₂ ^-からＳｉへの電子の授受により反応が始まる。その後、図３（ｂ）〜（ｅ）に示す反応が進み、ＳｉＯ₂が分解除去される。

図４は基板がウェハ保持台に保持され、基板の表面がマイナスに帯電している場合に、フッ酸とＳｉＯ₂からなる絶縁膜及びＳｉからなる基板とがどのように反応するかを示している。まず、図４（ａ）に示すように、帯電したウェハ保持台の影響により基板２２の表面には多数の正孔（ホール）４４が存在している。この状態においてフッ酸が供給されると、まず、フッ酸がＳｉＯ₂からなる絶縁膜２１に接液した瞬間にＨＦ₂ ^-がＳｉ（δ＋）に引き寄せられて電子の授受が始まる。次に、図４（ｂ）に示すように、電子は基板２２に存在するホール４４の影響を受けて、基板２２に引き寄せられる。次に、図４（ｃ）に示すように、電子４３の基板２２への進行が進むと、局所的に大量の電子４３が基板２２に流れ込むパスが形成され、基板２２に静電破壊起因のピット４５が発生する。

次に、光を照射した場合に、フッ酸とＳｉＯ₂からなる絶縁膜及びＳｉからなる基板とがどのように反応するかについて検討する。

図５（ａ）に示すように可視光を照射する前の基板２２の表面には多数のホール４４が存在する。次に、基板２２に光源１６から光を照射すると、図５（ｂ）に示すように基板２２内に電子４３とホール４４とが生成される。

Ｓｉからなる基板内に電子とホールとが生成される理由は、Ｓｉの光電効果による。図６は、光を照射したときのＳｉの光電効果を示している。図６に示すように、Ｓｉからなる基板に光を照射すると、光電効果により電子４３と、電子４３に対応する対応するホール４４とが生成される。

Ｓｉ基板内に生成されたホール４４は基板２２の内部へ拡散し、電子４３は基板２２の表面に引き寄せられる。基板２２の表面に引き寄せられた電子４３は基板２２の表面に蓄積されたホール４４により中和される。この結果、基板２２の表面に存在するホール４４が少なくなり、図４（ｃ）に示したような、局所的に大量の電子４３が基板２２に流れ込むパスの形成が抑制される。そのため、基板２２には静電破壊起因のピットが形成されにくくなり、ピットの発生を抑制することが可能となる。

次に、基板に照射する光の波長及び照度について説明する。基板に照射する光は、Ｓｉに光電効果を発生させることができ且つレジストの変質が生じにくいものであればよい。

Ｓｉに光電効果を発生させるためには、１．１ｅＶ以上のエネルギーを与えればよい。光エネルギーは以下の式（１）で表される。

Ｅ＝ｈν＝ｈ×ｃ／λ ・・・ 式（１）
ここで、Ｅはエネルギー、ｈはプランク定数、νは振動数、ｃは光の速さ、λは波長である。

式（１）より、１．１ｅＶ以上のエネルギーを与えるには、１１２７ｎｍ以下の波長の光が必要であることがわかる。しかし、４００ｎｍ以下の波長領域（紫外光領域）においては、レジストを変質させてしまう。従って、基板に照射する光の波長は４００ｎｍ〜１１２７ｎｍの範囲とすることが好ましい。

図７は、照射光の照度とゲートリーク電流との関係を示している。図７に示したように、照射光の照度が１ルクス以上の範囲においてゲートリーク電流が低減できることが明らかである。

図８は、照射光の照度とレジスト残渣除去性能とを示している。レジスト残渣除去性能とは、ウェットエッチング後のレジスト除去工程前後における、レジスト残渣の低減率である。図８に示すように照度が１００ルクスを越えるとレジスト残渣除去性能が低下している。これは、照度が１００ルクスを越えるとレジストの変性が生じることを意味している。

以上の結果から、照射光の照度は、１ルクス以上且つ１００ルクス以下とすることが好ましい。

次に、光照射を行うタイミングについて説明する。図９は、光を照射するタイミングとゲートリーク電流との関係を示している。図９において、Ａは図１（ｃ）に示したウェットエッチング工程において、ウェットエッチングの開始から完了までの全期間において光照射を行った場合である。Ｂはウェットエッチングの開始から薬液がＳｉ基板に接液する瞬間までの期間において光照射を行った場合である。Ｃは光照射を行わなかった場合である。

図９に示すように、少なくとも、薬液がＳｉ基板に接液するまでの期間に光照射を行えば、光照射を行わなかった場合と比べてゲートリーク電流の値が低下する。また、全期間において光照射を行った場合と、接液するまでの期間に光照射を行った場合とでは、ゲートリーク電流の値はほとんど変化しなかった。

つまり、ピットの発生を抑え、ゲートリーク電流を抑制するためには、少なくともウェットエッチング工程の開始時から薬液がウェハに接液される瞬間までの期間に光照射を行えばよく、薬液がウェハに接液した後は、光照射を停止してもよい。これにより、光照射時間を短縮できるため、レジストが変成するおそれをさらに低減できる。なお、ウェットエッチングの開始とは、ウェハがチャンバーにセットされた時を意味する。また、ウェットエッチングの完了とは、水洗後の乾燥が終了した時を意味する。

以下に、本実施形態の半導体装置の製造方法を実現するための製造装置について、図面を参照して説明する。

図１０は本実施形態に係る半導体装置の製造装置を示している。図１０に示すように本実施形態の半導体装置の製造装置は、枚葉式のウェットエッチング装置であり、チャンバ５０内に、回転軸５４と接続され回転可能なウェハ保持台５３と、ウェハ保持台５３に保持された基板５２に薬液を供給する薬液ノズル５５と、光源５６と、照度計５７とを備えている。

光源５６はチャンバ５０内において、基板５２の表面全体に光を照射できる位置に設置されている。また、照度計５７はチャンバ５０内において、基板５２とほぼ同じ高さの位置に基板５２に向けて設置されている。光源５６と照度計５７とをこのような位置に設置することにより、基板５２の表面における照度を正確に監視し、所望の照度の光を照射することができる。

また、図１１に示すように、光源５６から照射される照射光の照度を調整できる照度制御装置５８を設置してもよい。このようにすれば、洗浄処理中に光源５６から照射される照射光の照度を任意に調節できるため、必要なタイミングで必要な時間だけ光を照射できる。この結果、ウェットエッチング工程の開始から薬液が基板に接液するまでの期間だけに光照射を行うこと等が容易に実現できる。

また、図１２に示すように、光源５６及び照度計５７を覆う、透明な樹脂からなる光源カバー６８及び照度計カバー６９を設けてもよい。このようにすることにより、光源５６及び照度計５７が薬液の雰囲気に曝されることを防止し、劣化を防ぐことができる。

なお、本実施形態において、ウェットエッチングに用いる薬液をフッ酸としたが、フッ酸に代えてバッファードフッ酸（ＨＦ／ＮＨ₄Ｆ混合液）、ＨＦを主成分とした混合液又はＮＨ₄Ｆを主成分とした混合液等としてもよい。また、薬液の濃度は、絶縁膜が除去できれば適宜変更してかまわない。

本発明に係る半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置は、基板にｐｎ接合が形成されているか否かに関わらず、薬液が絶縁膜に接液する際を含めてピットの発生を抑制し且つレジストの変質が生じにくい半導体装置の製造方法を実現で、特に、絶縁膜を選択的にウェットエッチングする工程を備えた半導体装置の製造方法及びこれに用いる半導体装置の製造装置等として有用である。

本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 枚葉式洗浄装置の保持台に載置された半導体基板の状態を示す模式図である。 フッ酸と絶縁膜との反応機構を示す図である。 ウェハ表面がマイナスに帯電してい場合におけるフッ酸と絶縁膜との反応を示す図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるフッ酸と絶縁膜との反応を示す図である。 光照射によるシリコンの光電効果を示す図である。 照度とゲートリーク電流との関係を示すグラフである。 照度とレジスト残渣除去性能との関係を示すグラフである。 光照射のタイミングとゲートリーク電流との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造装置を示す図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造装置の変形例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造装置の変形例を示す図である。 基板にピットが発生した状態を示す断面図である。 絶縁膜の厚さとゲートリーク電流との関係を示すグラフである。

符号の説明

１１ 第１の絶縁膜
１２ 基板
１３ レジスト
１３ａ 開口部
１６ 光源
１７ 第２の絶縁膜
２１ 絶縁膜
２２ 基板
２３ ウェハ保持台
２４ 回転軸
２５ 薬液ノズル
４３ 電子
４４ ホール
４５ ピット
５０ チャンバ
５２ 基板
５３ ウェハ保持台
５４ 回転軸
５５ 薬液ノズル
５６ 光源
５７ 照度計
５８ 照度制御装置
６８ 光源カバー
６９ 照度計カバー

Claims (7)

1. 基板の上に第１の絶縁膜を形成する工程（ａ）と、
   前記第１の絶縁膜を、フッ素を含む薬液を用いたウェットエッチエッチングにより選択的に除去する工程（ｂ）と、
   前記基板における前記第１の絶縁膜が除去された領域の上に第２の絶縁膜を形成する工程（ｃ）とを備え、
   前記工程（ｂ）では、少なくとも前記ウェットエッチングの開始から前記薬液が前記基板と接液するまでの期間において前記基板表面に可視光又は赤外光からなる照射光を照射することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記照射光の波長は、４００ｎｍ以上且つ１１２７ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記照射光の照度は、１ルクス以上且つ１００ルクス以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記工程（ｂ）では、前記照射光の照射は、前記ウェットエッチングが完了するまで行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法を行う半導体装置の製造装置であって、
   前記基板を保持する保持台と、
   前記基板を回転する回転軸と、
   前記基板表面に前記薬液を滴下する薬液ノズルと、
   前記基板表面に前記照射光を照射する光源と、
   前記光源からの距離が、前記基板表面に照射された照射光の照度を測定する照度計とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造装置。
6. 前記光源の照度を制御する照度制御装置をさらに備えていることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造装置。
7. 前記光源及び前記照度計を保護するカバーをさらに備えていることを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体装置の製造装置。

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