JP2019153721A - 基板処理方法および基板処理装置 - Google Patents
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Abstract
Description
ポリシリコン膜は、多数の微小なシリコン単結晶で構成されている。シリコン単結晶は、TMAHに対して異方性を示す。つまり、シリコン単結晶にTMAHを供給したときのエッチング速度は、シリコンの結晶面ごとに異なる(エッチングの異方性)。ポリシリコン膜の表面で露出する結晶面の方位は様々であり、ポリシリコン膜の場所ごとに異なる。加えて、ポリシリコン膜の表面で露出する結晶面の方位は、ポリシリコン膜ごとに異なる。
請求項2に記載の発明は、前記エッチング液作成工程は、前記有機アルカリと前記酸化剤と前記水とからなるアルカリ性の液体を作成する工程である、請求項1に記載の基板処理方法である。
この構成によれば、酸化膜除去液が基板に供給され、ポリシリコン膜の自然酸化膜がポリシリコン膜の表層から除去される。その後、エッチング液が基板に供給され、ポリシリコン膜が選択的にエッチングされる。ポリシリコン膜の自然酸化膜は、主として酸化シリコンで構成されている。エッチング液は、酸化シリコンをエッチングせずにもしくは殆どエッチングせずに、ポリシリコンをエッチングする液体である。したがって、ポリシリコン膜の自然酸化膜を予め除去することにより、ポリシリコン膜を効率的にエッチングできる。
この構成によれば、堆積したポリシリコンを加熱する熱処理工程が行われたポリシリコン膜が、酸化剤を含むアルカリ性のエッチング液でエッチングされる。堆積したポリシリコンを適切な条件下で加熱すると、ポリシリコンの粒度(グレインサイズ)が増加する。したがって、熱処理工程が行われない場合と比較して、ポリシリコン膜を構成するシリコン単結晶が大型化している。これは、ポリシリコン膜の表面で露出するシリコン単結晶の数が減少し、異方性の影響が高まることを意味する。したがって、このようなポリシリコン膜に酸化剤を含むエッチング液を供給することにより、異方性の影響を効果的に低下させることができる。
この構成によれば、溶存酸素濃度を低下させたエッチング液が基板に供給される。前述のように、酸化剤は、ポリシリコン膜を構成するシリコン単結晶の異方性を低下させるものの、ポリシリコン膜のエッチング速度を低下させてしまう。その一方で、エッチング液の溶存酸素濃度を低下させると、ポリシリコン膜のエッチング速度が高まる。したがって、溶存酸素濃度を低下させたエッチング液を基板に供給することにより、ポリシリコン膜のエッチング速度の低下を抑えながら、シリコン単結晶の異方性を低下させることができる。
この構成によれば、雰囲気中の酸素濃度が低い状態でエッチング液が基板に供給される。これにより、雰囲気からエッチング液に溶け込む酸素の量が減少し、溶存酸素濃度の上昇が抑えられる。前述のように、酸化剤は、ポリシリコン膜を構成するシリコン単結晶の異方性を低下させるものの、ポリシリコン膜のエッチング速度を低下させてしまう。エッチング液の溶存酸素濃度が上昇すると、ポリシリコン膜のエッチング速度がさらに低下してしまう。したがって、雰囲気中の酸素濃度を低下させることにより、エッチング速度のさらなる低下を抑えることができる。
この構成によれば、エッチング液における酸化剤の濃度が変更される。有機アルカリと水とを含むエッチング液に極微量でも酸化剤を添加すると、複数の結晶面の間でのエッチング速度の差が減少し、ポリシリコン膜を構成するシリコン単結晶の異方性が低下する。エッチング速度の差は、酸化剤の濃度が高まるにしたがって減少する。その反面、ポリシリコン膜のエッチング速度は、酸化剤の濃度が高まるにしたがって低下する。異方性の低下を優先するのであれば、酸化剤の濃度を上昇させればよい。エッチング速度を優先するのであれば、酸化剤の濃度を低下させればよい。したがって、酸化剤の濃度を変更することにより、ポリシリコン膜のエッチングをコントロールできる。
請求項11に記載の発明は、前記基板は、前記ポリシリコン膜と前記酸化シリコン膜とが交互に入れ替わるように前記基板の厚み方向に積層された複数の前記ポリシリコン膜と複数の前記酸化シリコン膜とを含む積層膜と、前記基板の最表面から前記基板の厚み方向に凹んでおり、前記複数のポリシリコン膜と前記複数の酸化シリコン膜とを貫通する凹部とを含み、前記エッチング液供給手段は、少なくとも前記凹部内に前記エッチング液を供給する手段を含む、請求項9または10に記載の基板処理装置である。この構成によれば、前述の基板処理方法に関して述べた効果と同様な効果を奏することができる。
請求項15に記載の発明は、前記基板に保持されている前記エッチング液に接する雰囲気中の酸素濃度を低下させる雰囲気酸素濃度変更手段をさらに備える、請求項9〜14のいずれか一項に記載の基板処理装置である。この構成によれば、前述の基板処理方法に関して述べた効果と同様な効果を奏することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る基板処理装置1を上から見た模式図である。
基板処理装置1は、半導体ウエハなどの円板状の基板Wを1枚ずつ処理する枚葉式の装置である。基板処理装置1は、一つのロットを構成する1枚以上の基板Wを収容するキャリアCを保持するロードポートLPと、ロードポートLP上のキャリアCから搬送された基板Wを処理液や処理ガスなどの処理流体で処理する複数の処理ユニット2と、ロードポートLP上のキャリアCと処理ユニット2との間で基板Wを搬送する搬送ロボットと、基板処理装置1を制御する制御装置3とを備えている。
チャンバー4は、基板Wが通過する搬入搬出口6bが設けられた箱型の隔壁6と、搬入搬出口6bを開閉するシャッター7とを含む。チャンバー4は、さらに、隔壁6の天井面で開口する送風口6aの下方に配置された整流板8を含む。クリーンエアー(フィルターによってろ過された空気)を送るFFU5(ファン・フィルター・ユニット)は、送風口6aの上に配置されている。チャンバー4内のガスを排出する排気ダクト9は、処理カップ23に接続されている。送風口6aは、チャンバー4の上端部に設けられており、排気ダクト9は、チャンバー4の下端部に配置されている。排気ダクト9の一部は、チャンバー4の外に配置されている。
下ガスバルブ21が開かれると、下ガス配管20から下筒状通路19に供給された窒素ガスが、下ガス流量調整バルブ22の開度に対応する流量で、下中央開口18から上方に吐出される。その後、窒素ガスは、基板Wの下面とスピンベース12の上面12uとの間をあらゆる方向に放射状に流れる。これにより、基板Wとスピンベース12との間の空間が窒素ガスで満たされ、雰囲気中の酸素濃度が低減される。基板Wとスピンベース12との間の空間の酸素濃度は、下ガスバルブ21および下ガス流量調整バルブ22の開度に応じて変更される。下ガスバルブ21および下ガス流量調整バルブ22は、基板Wに接する雰囲気中の酸素濃度を変更する雰囲気酸素濃度変更ユニットに含まれる。
ガード25は、スピンチャック10を取り囲む円筒状のガード筒状部25bと、ガード筒状部25bの上端部から回転軸線A1に向かって斜め上に延びる円環状のガード天井部25aとを含む。複数のガード天井部25aは、上下に重なっており、複数のガード筒状部25bは、同心円状に配置されている。複数のカップ26は、それぞれ、複数のガード筒状部25bの下方に配置されている。カップ26は、上向きに開いた環状の受液溝を形成している。
薬液作成ユニット61は、基板Wに供給されるエッチング液を貯留するタンク62と、タンク62内のエッチング液を循環させる環状の循環路を形成する循環配管63とを含む。薬液作成ユニット61は、さらに、タンク62内のエッチング液を循環配管63に送るポンプ64と、循環路を流れるエッチング液からパーティクルなどの異物を除去するフィルター66とを含む。薬液作成ユニット61は、これらに加えて、エッチング液の加熱または冷却によってタンク62内のエッチング液の温度を変更する温度調節器65を含んでいてもよい。
制御装置3は、コンピュータ本体81と、コンピュータ本体81に接続された周辺装置84とを含む、コンピュータである。コンピュータ本体81は、各種の命令を実行するCPU82(central processing unit:中央処理装置)と、情報を記憶する主記憶装置83とを含む。周辺装置84は、プログラムP等の情報を記憶する補助記憶装置85と、リムーバブルメディアMから情報を読み取る読取装置86と、ホストコンピュータ等の他の装置と通信する通信装置87とを含む。
図6の左側は、エッチングされる前の基板Wの断面を示しており、図6の右側は、エッチングされた後の基板Wの断面を示している。図6の右側に示すように、基板Wがエッチングされると、基板Wの面方向(基板Wの厚み方向Dtに直交する方向)に凹んだ複数のリセスR1が凹部92の側面92sに形成される。
複数のポリシリコン膜P1〜P3および複数の酸化シリコン膜O1〜O3は、ポリシリコン膜と酸化シリコン膜とが交互に入れ替わるように基板Wの厚み方向Dtに積層されている。図7に示すように、ポリシリコン膜P1〜P3は、基板W上にポリシリコンを堆積させる堆積工程と、堆積したポリシリコンを加熱する熱処理工程と、が行われた薄膜である。ポリシリコン膜P1〜P3は、熱処理工程が行われていない薄膜であってもよい。
基板処理装置1によって基板Wが処理されるときは、チャンバー4内に基板Wを搬入する搬入工程が行われる(図7のステップS1)。
具体的には、遮断部材33が下位置に位置している状態で第1薬液バルブ51が開かれ、中心ノズル45がDHFの吐出を開始する。中心ノズル45から吐出されたDHFは、基板Wの上面中央部に着液した後、回転している基板Wの上面に沿って外方に流れる。これにより、基板Wの上面全域を覆うDHFの液膜が形成され、基板Wの上面全域にDHFが供給される。第1薬液バルブ51が開かれてから所定時間が経過すると、第1薬液バルブ51が閉じられ、DHFの吐出が停止される。
具体的には、遮断部材33が下位置に位置している状態で上リンス液バルブ55が開かれ、中心ノズル45が純水の吐出を開始する。基板Wの上面中央部に着液した純水は、回転している基板Wの上面に沿って外方に流れる。基板W上のDHFは、中心ノズル45から吐出された純水によって洗い流される。これにより、基板Wの上面全域を覆う純水の液膜が形成される。上リンス液バルブ55が開かれてから所定時間が経過すると、上リンス液バルブ55が閉じられ、純水の吐出が停止される。
具体的には、遮断部材33が下位置に位置している状態で第2薬液バルブ53が開かれ、中心ノズル45がエッチング液の吐出を開始する。エッチング液の吐出が開始される前に、ガード昇降ユニット27は、基板Wから排出された液体を受け止めるガード25を切り替えるために、少なくとも一つのガード25を鉛直に移動させてもよい。基板Wの上面中央部に着液したエッチング液は、回転している基板Wの上面に沿って外方に流れる。基板W上の純水は、中心ノズル45から吐出されたエッチング液に置換される。これにより、基板Wの上面全域を覆うエッチング液の液膜が形成される。第2薬液バルブ53が開かれてから所定時間が経過すると、第2薬液バルブ53が閉じられ、エッチング液の吐出が停止される。
具体的には、遮断部材33が下位置に位置している状態で上リンス液バルブ55が開かれ、中心ノズル45が純水の吐出を開始する。基板Wの上面中央部に着液した純水は、回転している基板Wの上面に沿って外方に流れる。基板W上のエッチング液は、中心ノズル45から吐出された純水によって洗い流される。これにより、基板Wの上面全域を覆う純水の液膜が形成される。上リンス液バルブ55が開かれてから所定時間が経過すると、上リンス液バルブ55が閉じられ、純水の吐出が停止される。
具体的には、遮断部材33が下位置に位置している状態でスピンモータ14が基板Wを回転方向に加速させ、第1薬液供給工程から第2リンス液供給工程までの期間における基板Wの回転速度よりも大きい高回転速度(例えば数千rpm)で基板Wを回転させる。これにより、液体が基板Wから除去され、基板Wが乾燥する。基板Wの高速回転が開始されてから所定時間が経過すると、スピンモータ14が回転を停止する。このとき、スピンモータ14は、基準回転角でスピンベース12を停止させる。これにより、基板Wの回転が停止される(図7のステップS8)。
具体的には、遮断部材昇降ユニット31が昇降フレーム32を上位置まで上昇させ、ガード昇降ユニット27が全てのガード25を下位置まで下降させる。さらに、上ガスバルブ57および下ガスバルブ21が閉じられ、遮断部材33の上中央開口38とスピンベース12の下中央開口18とが窒素ガスの吐出を停止する。その後、センターロボットCRが、ハンドH1をチャンバー4内に進入させる。センターロボットCRは、複数のチャックピン11が基板Wの把持を解除した後、スピンチャック10上の基板WをハンドH1で支持する。その後、センターロボットCRは、基板WをハンドH1で支持しながら、ハンドH1をチャンバー4の内部から退避させる。これにより、処理済みの基板Wがチャンバー4から搬出される。
図8中の縦軸は、エッチング速度を示しており、図8中の横軸は、過酸化水素の濃度を示している。図8中の丸印、三角印、四角印は、それぞれ、Si(110)面、Si(100)面、およびSi(111)面のエッチング速度を示している。以下の説明における最大差は、Si(110)面、Si(100)面、およびSi(111)面のエッチング速度のうちの最大値とこれらのうちの最小値との差を意味する。つまり、最大差は、エッチング速度の異方性(面方位間でのエッチング速度の差)を意味している。
過酸化水素の濃度が濃度1のとき、つまり、過酸化水素がエッチング液に添加されたときは、丸印、三角印、および四角印のいずれも、エッチング液を添加しない場合と比較して大幅に低下している。過酸化水素の濃度が濃度1のときの最大差は、過酸化水素の濃度が零のときの最大差よりも大幅に減少している。濃度1では、三角印が最も大きく、四角印が最も小さい。丸印は、三角印の近くに位置している。
図8に示す測定結果によると、TMAHと水とからなるエッチング液に過酸化水素を添加すると、Si(110)面、Si(100)面、およびSi(111)面のエッチング速度が低下する。エッチング速度の最大差は、過酸化水素の濃度が高まるにしたがって減少している。言い換えると、シリコンの異方性は、過酸化水素の濃度が高まるにしたがって低下している。各結晶面のエッチング速度は、過酸化水素の濃度が高まるにしたがって低下する傾向にある。
本発明は、前述の実施形態の内容に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
例えば、タンク62の内部ではなく、タンク62と中心ノズル45の吐出口47との間でTMAHと過酸化水素水とを混合してもよい。具体的には、酸化剤の一例である過酸化水素水を案内する酸化剤配管78を、タンク62ではなく、タンク62から中心ノズル45の吐出口47までの薬液の経路に接続してもよい。
溶存酸素濃度変更ユニット67が基板処理装置1から省略されてもよい。つまり、溶存酸素濃度を低下させていないエッチング液を基板Wに供給してもよい。
遮断部材33から筒状部37が省略されてもよい。上支持部43および下支持部44が遮断部材33およびスピンチャック10から省略されてもよい。
ポリシリコン膜上に酸化シリコン膜が形成されている場合、凹部92は、酸化シリコン膜だけを基板Wの厚み方向Dtに貫通していてもよい。つまり、ポリシリコン膜の表面が凹部92の底面であってもよい。この場合、複数の凹部92が基板Wに設けられていてもよい。
基板処理装置1は、複数枚の基板Wを一括して処理するバッチ式の装置であってもよい。
前述の全ての構成の2つ以上が組み合わされてもよい。前述の全ての工程の2つ以上が組み合わされてもよい。
3 :制御装置
10 :スピンチャック(基板保持手段)
15 :下面ノズル(エッチング液供給手段)
21 :下ガスバルブ(雰囲気酸素濃度変更手段)
22 :下ガス流量調整バルブ(雰囲気酸素濃度変更手段)
45 :中心ノズル
46 :第1薬液吐出口(酸化膜除去液供給手段)
47 :第2薬液吐出口(エッチング液供給手段)
57 :上ガスバルブ(雰囲気酸素濃度変更手段)
58 :上ガス流量調整バルブ(雰囲気酸素濃度変更手段)
61 :薬液作成ユニット(エッチング液作成手段)
67 :溶存酸素濃度変更ユニット(溶存酸素濃度変更手段)
77 :酸化剤濃度変更ユニット(酸化剤濃度変更手段)
79 :酸化剤バルブ(酸化剤濃度変更手段)
80 :酸化剤流量調整バルブ(酸化剤濃度変更手段)
91 :積層膜
92 :凹部
92s :凹部の側面
Dt :基板の厚み方向
O1、O2、O3 :酸化シリコン膜
P1、P2、P3 :ポリシリコン膜
W :基板
Ws :最表面
Claims (16)
- 有機アルカリと酸化剤と水とを混合することにより、有機アルカリと酸化剤と水とを含み、フッ化水素化合物を含まない、アルカリ性のエッチング液を作成するエッチング液作成工程と、
前記エッチング液作成工程で作成された前記エッチング液を、ポリシリコン膜と酸化シリコン膜とが露出した基板に供給し、前記酸化シリコン膜のエッチングを抑えながら前記ポリシリコン膜をエッチングする選択エッチング工程と、を含む、基板処理方法。 - 前記エッチング液作成工程は、前記有機アルカリと前記酸化剤と前記水とからなるアルカリ性の液体を作成する工程である、請求項1に記載の基板処理方法。
- 前記基板は、前記ポリシリコン膜と前記酸化シリコン膜とが交互に入れ替わるように前記基板の厚み方向に積層された複数の前記ポリシリコン膜と複数の前記酸化シリコン膜とを含む積層膜と、前記基板の最表面から前記基板の厚み方向に凹んでおり、前記複数のポリシリコン膜と前記複数の酸化シリコン膜とを貫通する凹部とを含み、
前記選択エッチング工程は、少なくとも前記凹部内に前記エッチング液を供給する工程を含む、請求項1または2に記載の基板処理方法。 - 前記選択エッチング工程の前に、酸化膜除去液を前記基板に供給して、前記ポリシリコン膜の自然酸化膜を除去する自然酸化膜除去工程をさらに含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記ポリシリコン膜は、ポリシリコンを堆積させる堆積工程と、前記堆積工程で堆積した前記ポリシリコンを加熱する熱処理工程と、を含む複数の工程を実行することにより得られた薄膜である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記エッチング液作成工程は、前記エッチング液の溶存酸素濃度を低下させる溶存酸素濃度変更工程を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記基板に保持されている前記エッチング液に接する雰囲気中の酸素濃度を低下させる雰囲気酸素濃度変更工程をさらに含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記エッチング液作成工程は、前記エッチング液における前記酸化剤の濃度を変更する酸化剤濃度変更工程を含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- ポリシリコン膜と酸化シリコン膜とが露出した基板を保持する基板保持手段と、
有機アルカリと酸化剤と水とを混合することにより、有機アルカリと酸化剤と水とを含み、フッ化水素化合物を含まない、アルカリ性のエッチング液を作成するエッチング液作成手段と、
前記エッチング液作成手段によって作成された前記エッチング液を、前記基板保持手段に保持されている前記基板に供給するエッチング液供給手段と、
前記エッチング液作成手段およびエッチング液供給手段を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記エッチング液作成手段に前記エッチング液を作成させるエッチング液作成工程と、
前記エッチング液供給手段に前記エッチング液を前記基板に供給させ、前記酸化シリコン膜のエッチングを抑えながら前記ポリシリコン膜をエッチングする選択エッチング工程と、を実行する、基板処理装置。 - 前記エッチング液作成手段は、前記有機アルカリと前記酸化剤と前記水とからなるアルカリ性の液体を作成する手段である、請求項9に記載の基板処理装置。
- 前記基板は、前記ポリシリコン膜と前記酸化シリコン膜とが交互に入れ替わるように前記基板の厚み方向に積層された複数の前記ポリシリコン膜と複数の前記酸化シリコン膜とを含む積層膜と、前記基板の最表面から前記基板の厚み方向に凹んでおり、前記複数のポリシリコン膜と前記複数の酸化シリコン膜とを貫通する凹部とを含み、
前記エッチング液供給手段は、少なくとも前記凹部内に前記エッチング液を供給する手段を含む、請求項9または10に記載の基板処理装置。 - 前記基板処理装置は、酸化膜除去液を前記基板保持手段に保持されている前記基板に供給する酸化膜除去液供給手段をさらに備え、
前記制御装置は、前記選択エッチング工程の前に、前記酸化剤除去液供給手段に前記酸化膜除去液を前記基板に供給させ、前記ポリシリコン膜の自然酸化膜を除去する自然酸化膜除去工程をさらに実行する、請求項9〜11のいずれか一項に記載の基板処理装置。 - 前記ポリシリコン膜は、ポリシリコンを堆積させる堆積工程と、前記堆積工程で堆積した前記ポリシリコンを加熱する熱処理工程と、を含む複数の工程を実行することにより得られた薄膜である、請求項9〜12のいずれか一項に記載の基板処理装置。
- 前記エッチング液作成手段は、前記エッチング液の溶存酸素濃度を低下させる溶存酸素濃度変更手段を含む、請求項9〜13のいずれか一項に記載の基板処理装置。
- 前記基板に保持されている前記エッチング液に接する雰囲気中の酸素濃度を低下させる雰囲気酸素濃度変更手段をさらに備える、請求項9〜14のいずれか一項に記載の基板処理装置。
- 前記エッチング液作成手段は、前記エッチング液における前記酸化剤の濃度を変更する酸化剤濃度変更手段を含む、請求項9〜15のいずれか一項に記載の基板処理装置。
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