JP2010003845A - 半導体ウェーハのエッチング装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウェーハをエッチングする技術に関し、ウェーハの表面形状をより最適に制御することができるようにした、半導体ウェーハのエッチング装置及び方法を提供する。
【解決手段】ウェーハ表面にエッチング液を供給してエッチングを行なう半導体ウェーハのエッチング装置１において、エッチング反応をウェーハ表面の位置ごとに操作する反応操作装置２０を備える。該反応操作装置は、該ウェーハに熱を与える熱付与装置２１と、該熱付与装置が該ウェーハに熱を与える位置及び量を設定する熱設定装置とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェーハのエッチング技術に関するものである。

従来、半導体ウェーハを製造するための加工方法の一つにスピン式の枚葉エッチングがあるが、この枚葉エッチングにおいて、ウェーハ表面形状は、例えば、エッチング液（薬液）の流量やウェーハの回転数で最適に制御されるほかに、エッチング液をウェーハに向かって噴射する噴射ノズルのウェーハ面内方向移動パターン等で最適に制御されるようになっている。なお、スピン式の枚葉エッチングについては、特許文献１に開示されている。
特開２００６−１００７９９号公報

ここで、前記噴射ノズルがウェーハ中心部に位置する場合、噴射ノズルから噴射されたエッチング液は遠心力で中心から外周に向かって移動するが、そのエッチング液の温度は化学反応熱によってウェーハ中心部よりも外周部で高くなり、その結果、外周部でのエッチング速度が増加し、ウェーハ表面形状が崩れるという問題があった。この傾向は、エッチング液の流量が小さい場合、新液の供給速度が少ないために顕著であった。

本発明はこのような課題に鑑み案出されたもので、ウェーハの表面形状をより最適に制御することができるようにした、半導体ウェーハのエッチング装置及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の本発明の半導体ウェーハのエッチング装置は、ウェーハ表面にエッチング液を供給してエッチングを行なう、半導体ウェーハのエッチング装置において、エッチング反応を該ウェーハ表面の位置ごとに操作する反応操作装置を備えたことを特徴としている。
請求項２記載の本発明の半導体ウェーハのエッチング装置は、請求項１記載の半導体ウェーハのエッチング装置において、該反応操作装置は、該ウェーハに熱を与える熱付与装置と、該熱付与装置が該ウェーハに熱を与える位置及び量を設定する熱設定装置とを有していることを特徴としている。

請求項３記載の本発明の半導体ウェーハのエッチング装置は、請求項２記載の半導体ウェーハのエッチング装置において、該熱付与装置は、該ウェーハの上方から該ウェーハに熱を照射する熱源であり、該熱設定装置は、該ウェーハと該熱源との間に位置し、熱透過率を任意に可変可能なフィルタであることを特徴としている。
請求項４記載の本発明の半導体ウェーハのエッチング装置は、請求項２記載の半導体ウェーハのエッチング装置において、該ウェーハを回転支持するチャックを備え、該熱付与装置は、該チャックに組み込まれた複数の熱源であり、該熱設定装置は、該複数の熱源を個別に、該個々の熱源のオンオフ及び発熱量を設定することを特徴としている。

請求項５記載の本発明の半導体ウェーハのエッチング装置は、請求項１記載の半導体ウェーハのエッチング装置において、該反応操作装置は、該ウェーハに光を照射する光照射装置と、該光照射装置が該ウェーハに光を照射する位置及び量を設定する光設定装置とを有していることを特徴としている。
請求項６記載の本発明の半導体ウェーハのエッチング装置は、請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体ウェーハのエッチング装置において、該ウェーハを回転させながら該ウェーハ表面に向かってエッチング液を噴射し、枚葉エッチングを行なうことを特徴としている。

請求項７記載の本発明の半導体ウェーハのエッチング方法は、ウェーハ表面にエッチング液を供給してエッチングを行なう、半導体ウェーハのエッチング方法において、エッチング反応を該ウェーハ表面の位置ごとに操作することを特徴としている。
請求項８記載の本発明の半導体ウェーハのエッチング方法は、請求項７記載の半導体ウェーハのエッチング方法において、該ウェーハ表面の位置ごとに異なる量の熱を与えて、該ウェーハの面内方向に温度分布を作り込むことを特徴としている。

請求項９記載の本発明の半導体ウェーハのエッチング方法は、請求項７記載の半導体ウェーハのエッチング方法において、該ウェーハ表面の位置ごとに異なる量の光を照射して、該ウェーハの面内方向に光アシストによる反応速度分布を作り込むことを特徴としている。
請求項１０記載の本発明の半導体ウェーハのエッチング方法は、請求項７〜９の何れか１項に記載の半導体ウェーハのエッチング方法において、該ウェーハを回転させながら該ウェーハに向かってエッチング液を噴射することを特徴としている。

本発明によれば、エッチング反応をウェーハ表面の位置ごとに操作するので、エッチング速度をウェーハ面内全体で最適に制御し、エッチング後のウェーハの表面形状を所望の形状に最適に制御することができる。
特に、ウェーハを回転させながらウェーハに向かってエッチング液を噴射する場合には、エッチング液の遠心力による移動のために生じるウェーハ面内における化学反応熱の差を補正し、エッチング速度をウェーハ面内全体で最適に制御することができる。また、エッチング液の流量を減らしてもウェーハの表面形状を補正することが可能であるため、製造原価削減及び環境への負担軽減に寄与することができる。

以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
［第１実施形態］
図１及び図２は本発明の第１実施形態に係る半導体ウェーハのエッチング装置を示すもので、図１はその全体の模式図、図２はそのウェーハ温度調整装置の模式図である。
半導体ウェーハは、エッチング工程を含む製造工程で製造されるようになっている。そして、このエッチング工程は、図１に示すようなエッチング装置１によって行なわれるようになっている。

エッチング装置１は、ウェーハ回動装置（ウェーハ回動手段）１０と、ウェーハ温度調整装置（ウェーハ温度調整手段；反応操作装置）２０と、エッチング液供給装置（エッチング液供給手段）３０と、リンス液供給装置（リンス液供給手段）４０と、ウェーハ表面形状測定装置（ウェーハ表面形状測定手段）５０と、制御装置（制御手段）６０とを備えて構成されている。

ウェーハ回動装置１０は、ウェーハを支持する円板状のチャック（支持手段）１１と、チャック１１中心部に接続された回転軸１２と、回転軸１２に接続され回転軸１２を介してチャック１１を回転駆動するモータ等の回転駆動装置１３とを有している。なお、ここでは、チャック１１はウェーハの形状に沿った円板状に形成されているが、円板状以外の形状でも良い。つまり、チャック１１はウェーハを安定して支持できれば良く、形状は特に限定されない。

ウェーハ温度調整装置２０は、図２に示すように、チャック１１に支持されたウェーハに向かってウェーハの上方から赤外線を照射する赤外線ランプ（熱付与装置）２１と、赤外線ランプ２１が赤外線を照射する位置及び量を設定するフィルタ（熱設定装置）２２とを有している。
詳しくは、フィルタ２２は、ウェーハと赤外線ランプ２１との間に位置し、チャック１１に追従して回転するメッシュ加工の施されたプレートであって、メッシュごとに、つまりウェーハの位置ごとに熱透過率を任意に可変可能に形成されている。

そして、例えば、ウェーハ中心部に対応するメッシュ部の透過率を上げるとともに、ウェーハ外周部に対応するメッシュ部の透過率を下げるように設定し、ウェーハ外周部よりもウェーハ中心部の赤外線の照射量を多くし温度を上げることによって、ウェーハのエッチング速度を相対的に上げることができるようになっている。もしくは、ウェーハ中心部に対応するメッシュ部にのみ照射されるように透過率を設定し（つまり、照射位置を設定し）、ウェーハ中心部の温度を上げることによって、ウェーハのエッチング速度を相対的に上げることができるようになっている。

エッチング液供給装置３０は、図１に示すように、チャック１１に支持されたウェーハに臨み、ウェーハに向かってエッチング液を噴射するノズル３１と、エッチング液を貯留するとともに、ノズル３１にエッチング液を供給するエッチング液供給部３２と、ノズル３１の位置を移動させるノズル移動装置（ノズル移動手段）３３と、ノズル３１の噴射状態を調整するノズル噴射状態調節装置（ノズル噴射状態調節手段）３４とを有している。なお、エッチング液としては、ＨＦ（フッ酸），ＨＮＯ₃（硝酸）及びＨ₃ＰＯ₄（リン酸）を所定比で混合した混酸液を用いるようになっている。ただし、エッチング液の組成や混合比はこれに限定されるものではない。

ノズル移動装置３３は、ノズル３１を支持するノズル基部３３ａと、ノズル基部３３ａを移動可能に案内するとともにノズル基部３３ａのウェーハ面内方向での位置・移動を規制するガイド部３３ｂとを有している。詳しくは、ガイド部３３ｂは、ウェーハの回転中心を通りウェーハ径方向にノズル３１が移動するように、ノズル基部３３ａを案内している。また、ガイド部３３ｂは、ウェーハ回転中心を中心としてウェーハ面内方向に回動可能に、図示しない支持部に支持されており、ガイド部材３３ｂをウェーハ面内方向に回動させることで、ノズル３１をウェーハ面内方向に移動させることができるようになっている。

ノズル噴射状態調節装置３４は、ノズル基部３３ａに設けられ、詳細には図示しないが、ノズル基部３３ａに対してノズル３１の角度を調節する角度調節装置（角度調節手段）と、ノズル先端部のウェーハからの高さ位置を調節する高さ調節装置（高さ調節手段）と、ノズル３１からのエッチング液の噴射・非噴射を切り替える噴射切替装置（噴射切替手段）とを有している。
リンス液供給装置４０は、チャック１１に支持されたウェーハに臨み、ウェーハに向かって純水等のリンス液を噴射するノズル４１と、リンス液を貯留するとともに、ノズル４１にリンス液を供給するリンス液供給部４２と、ノズル４１からのリンス液の噴射・非噴射を切り替える図示しない噴射切替装置（噴射切替手段）とを有している。

ウェーハ表面形状測定装置５０は、非接触式のレーザ反射方式や静電容量方式等でウェーハの表面形状を測定するようになっている。
制御装置６０は、記憶部６１と演算部６２と指令部６３とを有しており、ウェーハ回動装置１０の回転駆動装置１３の回転数を制御してウェーハ回転数を設定し、また、ウェーハ温度調整装置２０を制御してウェーハ面内方向のウェーハ温度分布を設定し、また、エッチング液供給部３２を制御してエッチング液の供給量（流量）を設定し、また、ノズル移動装置３３及びノズル噴射状態調節装置３４を制御してノズル３１の位置及び噴射状態を設定するようになっている。さらに、制御装置６０は、所定の状態になるようにエッチングを行なったら、エッチング液の供給を停止するとともにリンス液を供給してウェーハ表面のエッチング液を洗浄するように、エッチング液供給装置３０の噴射切替装置及びリンス液供給装置４０の噴射切替装置を制御するようになっている。

詳しくは、記憶部６１は、エッチング処理後の基準となるウェーハ表面の凹凸形状（基準凹凸形状）を記憶する第一記憶部６１ａと、ウェーハ回転数とエッチング状態との対応関係を記憶する第二記憶部６１ｂと、ウェーハ温度とエッチング状態との対応関係を記憶する第三記憶部６１ｃと、エッチング液供給量とエッチング状態との対応関係を記憶する第四記憶部６１ｄと、ノズル３１位置とエッチング状態との対応関係を記憶する第五記憶部６１ｅと、ノズル３１噴射角度とエッチング状態との対応関係を記憶する第六記憶部６１ｆとを有している。なお、これらの対応関係は、予め計測により求められている。

ここで、基準凹凸形状は、最終的に製造するウェーハの表面形状に対して、片面研磨工程における処理特性から規定される片面研磨工程前のウェーハ表面形状が設定されるようになっている。なお、片面研磨工程は、エッチング工程の次工程として続くウェーハの製造工程である。この片面研磨工程では周縁部にダレが発生しやすいので、発生するダレの分を補償して中央部分が凹状態となるように基準凹凸形状が設定されたり、あるいは、周囲のダレを防止するように周縁部を立たせた形状となるように基準凹凸形状が設定されたりするようになっている。

演算部６２は、ウェーハ表面形状測定装置５０によって測定されたエッチング処理直前のウェーハ表面の凹凸形状が入力されるとともに、第一記憶部６１ａから基準凹凸形状を読み込むようになっている。そして、エッチング処理前の表面凹凸形状と基準凹凸形状とを比較し、ウェーハの各位置におけるエッチング量（面内取り代分布）を演算するようになっている。また、第二記憶部６１ｂ〜第六記憶部６１ｆからパラメータ（ウェーハ回転数，ウェーハ温度，エッチング液供給量，ノズル位置，ノズル移動パターン，噴射角度）毎のエッチング状態を読み込み、読み込んだデータを基に上記面内取り代分布になるような各パラメータの設定を演算し、指令部６３にその設定を出力するようになっている。

指令部６３は、演算部６２から入力された各パラメータの設定に基づき、各装置１０，２０，３０，４０に指令を送り各装置１０,２０,３０，４０を制御するようになっている。例えば、ウェーハ回転装置１０に対し、ウェーハ回転数を６００ｒｐｍとする指令を送り、エッチング液供給装置３０のノズル移動装置３３に対し、ノズル位置をウェーハ中心から０，１５，３５，６０，９０，１２０，１３５，１５０ｍｍのように移動させる指令を送るようになっている。また、ウェーハ温度調整装置２０に対し、ウェーハ外周部よりも中心部でウェーハ温度が高くなるウェーハ温度分布を送るようになっている。

本発明の第１実施形態にかかる半導体ウェーハのエッチング装置は上述のようであるので、以下のような作用・効果がある。
ウェーハ温度調整装置２０により、ウェーハ面内温度分布を作り込むことができるので、エッチング液の遠心力による移動のために生じるウェーハ面内における化学反応熱の差を補正し、エッチング速度をウェーハ面内全体で最適に制御することができる。そして、エッチング速度を最適に制御することができるので、枚葉エッチング後のウェーハの表面形状を所望の形状に良好に制御することができる。

また、平坦な形状を得るためのノズル３１の移動パターンを単純化できることから、生産性の向上に寄与することができるとともに、エッチング液の流量を減らしてもウェーハの表面形状を補正することが可能であるため、製造原価削減及び環境への負担軽減に寄与することができる。
［第２実施形態］
次に、図３及び図４を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。

図３及び図４は本発明の第２実施形態に係る半導体ウェーハのエッチング装置を示すもので、図３はその全体の模式図、図４はそのウェーハ温度調整装置の模式図である。なお、第１実施形態のものと同じ部材等は、第１実施形態の説明と同一の符号で説明する。
第２実施形態では、エッチング装置１は、ウェーハ温度調整装置が第１実施形態と異なっている。なお、他の構成は第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。

第２実施形態のウェーハ温度調整装置（反応操作装置）２０′は、図３及び図４に示すように、チャック１１の表面側（ウェーハを吸着する側）に組み込まれた熱源としての複数の温度制御素子（熱付与装置；熱付与手段）２１ａ′，２１ｂ′と、個々の温度制御素子２１ａ′，２１ｂ′のオンオフ及び発熱量を個別に設定する熱設定装置（熱設定手段）２２′とを有して構成されている。つまり、チャック１１が、そのウェーハ面内方向の温度分布をコントロールできるヒータステージとして構成されている。

詳しくは、チャック１１は、ウェーハ回転中心と同心状とされ且つウェーハ中心側位置に対応した円形状の中心部１１ａと、中心部１１ａの外側から外周縁までの円環状の外周部１１ｂとに区画されている。そして、温度制御素子２１ａ′，２１ｂ′は、上記中心部１１ａ及び外周部１１ｂに対応してそれぞれ配置され、それぞれ個別にそのオンオフ及び発熱量を設定されるようになっている。つまり、制御装置６０から入力されるウェーハ温度分布に基づき、熱設定装置２２′が温度制御素子２１ａ′，２１ｂ′のオンオフ及び発熱量を設定し、ウェーハ表面の各位置における温度を変化させることで、ウェーハ表面の各位置におけるエッチング反応速度を制御することができるようになっている。

なお、ここでは、ウェーハ及びチャック１１の領域は２つに区画されるとともに、温度制御素子２１ａ′，２１ｂ′はその領域の位置と数とに対応して２つが備えられているが、ウェーハの領域はさらに細かく区画され、温度制御素子２１ａ′，２１ｂ′もさらに複数備えられていても良い。好ましくは、ウェーハ及びチャック１１の領域は、同心円状に細かく複数に区画されていると良い。

本発明の第２実施形態にかかる半導体ウェーハのエッチング装置は上述のように構成されているので、第１実施形態と同様の効果を奏する。しかも、第２実施形態においては、ウェーハを固定するチャック１１そのものに組み込む熱源体の形状や配置位置を変えるという比較的簡便な操作により、ウェーハ面内において任意の反応速度分布を自由に造り込むことができ、ウェーハ表面形状をテーパー状や鞍型状にするなど、その表面形状を目的に応じて変更できる利点がある。
［その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

例えば、第１実施形態では熱源としての赤外線ランプ２１によってウェーハに赤外線を照射し、第２実施形態では熱源としての温度制御素子２１ａ′，２１ｂ′によってウェーハに熱を与えたが、ウェーハ表面の位置ごとにエッチング反応を操作することができるものであれば、ウェーハに熱を与える構成に限定されるものはなく、例えば、赤外線ランプをレーザ発振器（光照射装置）等に代えても良い。そして、赤外線ランプ２１をレーザ発振器に代えた場合には、上記のフィルタ２２を、レーザ発振器に設けられレーザ照射位置及び照射量を制御する制御器（光設定装置）に代えると好ましい。これによれば、ウェーハの面内方向に光アシストによる反応速度分布を作り込み、エッチング反応速度を最適に制御し、ウェーハの表面形状を最適に制御することができる。つまり、上記各実施形態において、エッチング装置１はウェーハ温度調整装置２０，２０′を有する構成になっているが、その構成はそれらに限定されず、ウェーハ表面の位置ごとにエッチング反応を操作し、ウェーハの面内方向にエッチング反応分布（温度分布や光アシストによる反応速度分布）を所望の状態に設定できるものであれば、どのようなものであっても良い。

また、上記各実施形態において、ウェーハの面内方向の温度分布又は光アシストによる反応速度分布は、ウェーハの回転軸対称に設定されることが好ましい。これによれば、ウェーハの製造工程の一つでありエッチング工程の前工程として行なわれる両面研削工程を省略することができる。
また、上記各実施形態では、エッチング装置１はスピン式の枚葉エッチング装置であるが、ウェーハの面内方向に温度分布または光アシストによる反応速度分布を作り込むことができれば、他のエッチング装置、例えば、エッチング槽にウェーハを浸漬させてエッチングする、浸漬バッチ式エッチング装置であっても良い。

本発明の第１実施形態に係る半導体ウェーハのエッチング装置の全体を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る半導体ウェーハのエッチング装置のウェーハ温度調整装置を示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係る半導体ウェーハのエッチング装置の全体を示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係る半導体ウェーハのエッチング装置のウェーハ温度調整装置を示す模式図である。

符号の説明

１ エッチング装置
２０，２０′ ウェーハ温度調整装置（反応操作装置）

Claims (10)

1. ウェーハ表面にエッチング液を供給してエッチングを行なう、半導体ウェーハのエッチング装置において、
   エッチング反応を該ウェーハ表面の位置ごとに操作する反応操作装置を備えた
   ことを特徴とする、半導体ウェーハのエッチング装置。
2. 該反応操作装置は、
   該ウェーハに熱を与える熱付与装置と、
   該熱付与装置が該ウェーハに熱を与える位置及び量を設定する熱設定装置とを有している
   ことを特徴とする、請求項１記載の半導体ウェーハのエッチング装置。
3. 該熱付与装置は、該ウェーハの上方から該ウェーハに熱を照射する熱源であり、
   該熱設定装置は、該ウェーハと該熱源との間に位置し、熱透過率を任意に可変可能なフィルタである
   ことを特徴とする、請求項２記載の半導体ウェーハのエッチング装置。
4. 該ウェーハを回転支持するチャックを備え、
   該熱付与装置は、該チャックに組み込まれた複数の熱源であり、
   該熱設定装置は、該複数の熱源を個別に、該個々の熱源のオンオフ及び発熱量を設定する
   ことを特徴とする、請求項２記載の半導体ウェーハのエッチング装置。
5. 該反応操作装置は、
   該ウェーハに光を照射する光照射装置と、
   該光照射装置が該ウェーハに光を照射する位置及び量を設定する光設定装置とを有している
   ことを特徴とする、請求項１記載の半導体ウェーハのエッチング装置。
6. 該ウェーハを回転させながら該ウェーハ表面に向かってエッチング液を噴射し、枚葉エッチングを行なう
   ことを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体ウェーハのエッチング装置。
7. ウェーハ表面にエッチング液を供給してエッチングを行なう、半導体ウェーハのエッチング方法において、
   エッチング反応を該ウェーハ表面の位置ごとに操作する
   ことを特徴とする、半導体ウェーハのエッチング方法。
8. 該ウェーハ表面の位置ごとに異なる量の熱を与えて、該ウェーハの面内方向に温度分布を作り込む
   ことを特徴とする、請求項７記載の半導体ウェーハのエッチング方法。
9. 該ウェーハ表面の位置ごとに異なる量の光を照射して、該ウェーハの面内方向に光アシストによる反応速度分布を作り込む
   ことを特徴とする、請求項７記載の半導体ウェーハのエッチング方法。
10. 該ウェーハを回転させながら該ウェーハに向かってエッチング液を噴射する
    ことを特徴とする、請求項７〜９の何れか１項に記載の半導体ウェーハのエッチング方法。

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