JP2022002252A - リンドープシリコン膜を除去する方法、及びシステム - Google Patents

リンドープシリコン膜を除去する方法、及びシステム Download PDF

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Abstract

【課題】リンドープシリコン膜と非ドープシリコン膜とを含む基板から、リンドープシリコン膜を選択性よく除去する。【解決手段】リンがドープされたリンドープシリコン膜を除去する方法であって、前記リンドープシリコン膜と、前記リンがドープされていない非ドープシリコン膜と、を含み、少なくとも前記リンドープシリコン膜が表面に露出する基板について、前記リンドープシリコン膜を酸化してシリコン酸化膜を形成する工程と、前記シリコン酸化膜と前記非ドープシリコン膜とのうち、前記シリコン酸化膜を選択的にエッチングして除去する工程と、を有する。【選択図】図３

Description

本開示は、リンドープシリコン膜を除去する方法、及びシステムに関する。
半導体製造工程において、例えば基板である半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）に対し、リンがドープされたシリコン膜（以下「リンドープシリコン膜」）が形成されることがある。
また、半導体製造工程では、不要な膜の除去や、膜の形状の加工においてエッチング処理が行われる。エッチング処理は、ウエハにエッチングガスを供給するドライエッチングや、ウエハをエッチング液に浸漬してエッチングするウェットエッチングがあり、エッチング対象の膜にエッチングガスや、エッチング液を接触させて、化学反応によりエッチング対象の膜を除去する。
ここでリンがドープされたシリコン膜をエッチングにより除去しようとする際、同じ基板にリンが含まれていないシリコン膜（以下「非ドープシリコン膜」という）が含まれていると、高い選択比が得られず、リンドープシリコン膜と共に非ドープシリコン膜までもエッチングされてしまう場合がある。
特許文献１には、非ドープトシリコン層の上面にドープトシリコン層を成膜したウエハにおいて、ＳＦ６及びフッ化炭素ガスを含むプロセス組成を用いてドープトシリコン層及び非ドープトシリコン層をエッチングする技術が記載されている。
特表２００９−５０８３５４号公報
本開示は、リンドープシリコン膜と非ドープシリコン膜とを含む基板から、リンドープシリコン膜を選択性よく除去する技術を提供する。
本開示の方法は、リンがドープされたリンドープシリコン膜を除去する方法であって、
前記リンドープシリコン膜と、前記リンがドープされていない非ドープシリコン膜と、を含み、少なくとも前記リンドープシリコン膜が表面に露出する基板について、前記リンドープシリコン膜を酸化してシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記シリコン酸化膜と前記非ドープシリコン膜とのうち、前記シリコン酸化膜を選択的にエッチングして除去する工程と、を有する。
本開示によれば、リンドープシリコン膜と非ドープシリコン膜とを含む基板から、リンドープシリコン膜を選択性よく除去することができる。
本開示に係る膜除去方法が適用されるウエハに係る拡大断面図である。 リンドープシリコン膜の除去工程を示す第１の拡大縦断面図である。 リンドープシリコン膜の除去工程を示す第２の拡大縦断面図である。 リンドープシリコン膜の除去工程を示す第３の拡大縦断面図である。 リンドープシリコン膜の除去工程を示す第４の拡大縦断面図である。 本開示に係る基板処理システムを示す平面図である。 前記基板処理システムに設けられる縦型熱処理炉を示す縦断側面図である。 酸化時間に対するシリコン酸化膜の形成膜厚に係る実験結果を示すグラフ図である。
本開示に係るリンドープシリコン膜を除去する方法（以下「膜除去方法」という）の一実施の形態について説明する。図１は、本開示に係る膜除去方法を適用するウエハＷの表面付近の構造の一例を示す。例えば、ウエハＷには、モノシランガスを用いたＣＶＤ法により形成された、リンがドープされていない非ドープシリコン膜１００が形成されている。
非ドープシリコン膜１００の上面には、リン（Ｐ）がドープされたシリコン膜（以下「Ｐドープシリコン膜」という）１０１が形成されている。Ｐドープシリコン膜１０１は、非ドープシリコン膜１００の上面にモノシランガスにホスフィン（ＰＨ３）ガスを添加したＣＶＤ法により得ることができる。Ｐドープシリコン膜１０１は、例えば１μｍ程度の膜厚で形成されている。Ｐドープシリコン膜１０１中のＰの濃度は、例えば８．０×１０２０原子／ｃｍ３である。ウエハＷの表面には、上述のＰドープシリコン膜１０１が表面に露出した状態となっている。
このようなウエハＷにおいて、非ドープシリコン膜１００を残しつつ、Ｐドープシリコン膜１０１のみをエッチングにより除去する要請がある。しかしながらＰドープシリコン膜１０１と非ドープシリコン膜１００とは、性状が近く、Ｐドープシリコン膜１０１についてのエッチングの選択比を大きくとることが難しい。そのため例えばＣｌ２ガスなどのエッチングガスを用いてエッチングを行うと、上層のＰドープシリコン膜１０１のみならず、下層の非ドープシリコン膜１００側までもエッチングにより除去されてしまうおそれがある。
このような事情の下、本開示に係る膜除去方法においては、Ｐドープシリコン膜１０１をエッチングする前に、当該Ｐドープシリコン膜１０１を酸化する酸化処理を行う。後述の実験結果に示すようにＰドープシリコン膜１０１は、リンがドープされていない非ドープシリコン膜１００と比較して、酸化されやすい特性を有することが分かった。そこでこの特性の違いを利用することにより、Ｐドープシリコン膜１０１を酸化する処理を行ってシリコン酸化膜１０２を形成したとしても、非ドープシリコン膜１００は酸化されていない状態を維持することができる。シリコン酸化膜１０２は、非ドープシリコン膜１００に対して選択性の高いエッチャントが存在するので、非ドープシリコン膜１００がエッチングされることを避けつつ、シリコン酸化膜１０２を除去することができる。
上述の酸化処理を実施するにあたり、Ｐドープシリコン膜１０１は、その全体を酸化してシリコン酸化膜１０２とすることが好ましい。一方でＰドープシリコン膜１０１の膜厚が厚すぎると、その表面から離れた深層部分を十分に酸化できないおそれもある。さらには、Ｐドープシリコン膜１０１を酸化してシリコン酸化膜１０２を形成する処理には時間がかかるところ、Ｐドープシリコン膜１０１を薄くすれば、酸化処理の時間を短縮することができる。
そこで図１に示すウエハＷを、まずエッチング装置に搬送し、図２に示すように例えばＰドープシリコン膜１０１の膜厚が１０〜１００ｎｍの範囲内の例えば１５ｎｍになるように、エッチングを行う。なお図２では、エッチング後のＰドープシリコン膜１０１の厚さを誇張して記載している。
しかる後、Ｐドープシリコン膜１０１を酸化してシリコン酸化膜１０２を形成する装置、例えば熱処理装置に向けて図２に示すウエハＷを搬送し、ウエハＷに例えば酸素（Ｏ２）ガスを供給しながら８００℃で４０分加熱する。酸化処理では、Ｏ２は、ウエハＷの表面から深層部に向かって拡散するため、図３に示すように、Ｐドープシリコン膜１０１の酸化が徐々に進行し、所定の時間が経過すると、Ｐドープシリコン膜１０１全体が酸化されてシリコン酸化膜１０２が形成される。なおＰドープシリコン膜１０１の酸化により形成されるシリコン酸化膜１０２は、酸化に伴って膜厚が増加するが、図示の便宜上、図３、図４では、膜厚の増加を省略して記載している。
例えばＰドープシリコン膜１０１は、加熱の開始からおよそ３０分で全体が酸化され、シリコン酸化膜１０２が形成される。そしてシリコン酸化膜１０２の形成後も酸化処理を継続すると、シリコン酸化膜１０２側から非ドープシリコン膜１００にもＯ２が到達する。このとき非ドープシリコン膜１００は、Ｐドープシリコン膜１０１と比較して酸化されにくいため、非ドープシリコン膜１００の酸化はほとんど進行しない。
以上に説明したように、図２に示す構造を備えたウエハＷに対し、酸化処理を行うことで、酸化しやすいＰドープシリコン膜１０１の全層がシリコン酸化膜１０２になる（図４）。一方で非ドープシリコン膜１００は、Ｐドープシリコン膜１０１の下層側に形成されているため、Ｏ２が直接供給されないことと、Ｐドープシリコン膜１０１と比較して酸化されにくいこととが相俟って、非ドープシリコン膜１００のまま残される。
その後、シリコン酸化膜１０２のエッチングを行う装置、例えばウェットエッチング装置にウエハＷを搬送する。そして例えばＤＨＦ（希釈フッ化水素）によりシリコン酸化膜１０２のウェットエッチングを行う。ＤＨＦに対しては、シリコン酸化膜１０２は、エッチングされやすいが、非ドープシリコン膜１００は、ほとんどエッチングされない。この選択比の差を利用してエッチングを行うことにより、図５に示すように非ドープシリコン膜１００を残した状態でシリコン酸化膜１０２を除去することができる。
以上に説明した手法により、図１に示したウエハＷにおけるＰドープシリコン膜１０１を除去して、その下層側の非ドープシリコン膜１００がエッチングされることを抑制しながら、当該非ドープシリコン膜１００を露出させることができる。
上述の実施の形態によれば、非ドープシリコン膜１００の上面にＰドープシリコン膜１０１が形成されたウエハＷから、Ｐドープシリコン膜１０１を除去するにあたって、まずＰドープシリコン膜１０１を酸化する処理を行う。Ｐドープシリコン膜１０１は、非ドープシリコン膜１００より酸化されやすいため、非ドープシリコン膜１００をほとんど酸化させずにＰドープシリコン膜１０１をシリコン酸化膜１０２にすることができる。その後、シリコン酸化膜１０２と、非ドープシリコン膜１００と、のエッチング選択比の差を利用してシリコン酸化膜１０２をエッチングする。これにより非ドープシリコン膜１００がエッチングされることを抑制しながら、Ｐドープシリコン膜１０１を除去することができる。
ここで本開示に係る膜除去方法は、ウエハＷの表面にＰドープシリコン膜１０１と、非ドープシリコン膜１００と、がいずれも露出している構成において、Ｐドープシリコン膜１０１を除去する方法に適用してもよい。Ｐドープシリコン膜１０１と、非ドープシリコン膜１００と、酸化しやすさには大きく差がある。そのため、Ｐドープシリコン膜１０１と、非ドープシリコン膜１００との双方が表面に露出している場合であっても、Ｐドープシリコン膜１０１を選択的に酸化してシリコン酸化膜１０２とすることができる。続いてシリコン酸化膜１０２をエッチングすることで、ウエハＷの表面に非ドープシリコン膜１００を残しつつ、Ｐドープシリコン膜１０１を除去することができる。
また、非ドープシリコン膜１００の上方にＰドープシリコン膜１０１を積層した構成において、非ドープシリコン膜１００と、Ｐドープシリコン膜１０１とが直接、上下に積層されていることは必須の要件ではない。非ドープシリコン膜１００と、Ｐドープシリコン膜１０１との間に他の膜、例えばＤＨＦなどのエッチャントにてシリコン酸化膜１０２と共に除去することが可能な膜が形成されたウエハＷであってもよい。このとき他の膜は、既述の酸化処理を行う際にＰドープシリコン膜１０１と共に酸化されてもよい。
ここで後述の実験結果に示すように、Ｐドープシリコン膜１０１は、Ｐの濃度が高くなることで酸化されやすくなる傾向がみられることが分かった。そのためＰドープシリコン膜１０１と、非ドープシリコン膜１００と、の酸化しやすさに十分な差を持たせるため、Ｐドープシリコン膜１０１に含まれるＰの濃度は、１．５×１０２０原子／ｃｍ３以上であることが好ましい。
またＰドープシリコン膜１０１は、アモルファスのシリコン膜にＰをドープした膜であってもよい。またモノシリコン、あるいはポリシリコンにＰをドープした膜であってもよい。いずれの膜であっても本開示に係る技術により非ドープシリコン膜１００を残しつつ、Ｐドープシリコン膜１０１を除去することができる。
続いて本開示に係る膜除去方法を行うシステム（基板処理システム）について説明する。この基板処理システムは、図６に示すように、ウエハＷの酸化前にエッチングする装置（第３装置）９０１と、Ｐドープシリコン膜１０１を酸化してシリコン酸化膜１０２を形成する装置（第１装置）９０２と、シリコン酸化膜１０２をエッチングする装置（第２装置）９０３と、を含む。さらに各装置９０１〜９０３にウエハＷを搬送するための搬送機構である搬送車９０４を備えている。図６中の符号Ｃは、ウエハＷを各装置間で搬送する際にウエハＷが収納されるキャリアを指している。なお搬送機構は、基板処理システムが設けられた工場の天井に設けられたレールに沿ってキャリアＣを搬送するＯＨＴ（Overhead Hoist Transport）により構成してもよい。
ウエハＷの酸化前にエッチングする装置９０１は、例えばキャリアＣから取り出され、不図示の処理容器内の載置台に載置されたウエハＷに向けて塩素（Ｃｌ２）ガスを供給するように構成されたドライエッチング装置を用いることができる。またＣＭＰ（化学機械研磨：chemical mechanical polishing)によりエッチングしてもよい。
また、シリコン酸化膜１０２をエッチングする装置９０３は、例えばエッチング液であるＤＨＦが貯留された液槽にウエハＷを浸漬してシリコン酸化膜１０２をエッチングするウェットエッチング装置を用いることができる。
Ｐドープシリコン膜１０１を酸化してシリコン酸化膜１０２を形成する装置９０２は、例えばウエハＷに対して熱酸化処理を実施する縦型熱処理炉９を備えた熱処理装置を用いることができる。熱処理装置は、キャリアＣが搬送されるキャリアブロックＳ１と、キャリアＣからウエハＷを取り出す受け渡し機構９４とキャリアＣから取り出したウエハＷを載置する載置棚９６と、載置棚９６に載置されたウエハＷを縦型熱処理炉９７に移載する移載機構９５を備えている。
図７に示すように、縦型熱処理炉９は、石英ガラス製の処理容器である反応管１１の内部に、多数のウエハＷを積載する棚状のウエハボート１２が下方側から気密に収納される。反応管１１の内部には、ガスインジェクタ１３が反応管１１の長さ方向に亘って配置される。ガスインジェクタ１３は、例えばガス供給路２３を介してＯ２ガスの供給源２３１に接続される。図７中の符号Ｖ２３はバルブ、Ｍ２３は流量調節部である。
反応管１１の上端部には排気口１５が形成され、この排気口１５は、圧力調節弁２６を含む金属製の真空排気路２５を介して排気機構２５１に接続される。圧力調節弁２６は、真空排気路２５を開閉自在に設けられ、その開度の調整により排気経路のコンダクタンスを増減することによって、反応管１１内の圧力を調節する役割を果たす。圧力調節弁２６としては、例えばバタフライバルブなどのＡＰＣ（Adaptive Pressure Control）用のバルブが用いられる。また、図７中、符号１６は反応管１１の下端開口部を開閉するための蓋部、１７はウエハボート１２を鉛直軸周りに回転させるための回転機構を指している。反応管１１の周囲及び蓋部１６には加熱部１８が設けられ、ウエハボート１２に載置されたウエハＷを８００℃に加熱する。この縦型熱処理炉９においては、ウエハＷにＯ２ガスを供給しながら加熱処理を行う。これによりＰドープシリコン膜１０１を酸化することができる。
そしてウエハＷの酸化前にエッチングする装置９０１と、シリコン酸化膜１０２を形成する装置９０２と、シリコン酸化膜１０２をエッチングする装置９０３は、夫々制御部９１〜９３を備えている。さらに基板処理システムは、各制御部９１〜９３に制御信号を送信すると共に、搬送車９０４によるキャリアＣの搬送を制御する上位コンピュータ９０を備えている。制御部９１〜９３や上位コンピュータ９０には、既述の膜除去方法を実行するためのプログラムが記憶されている。
またシリコン酸化膜１０２を形成する装置は、例えばウエハＷに水蒸気を供給しながら加熱して、Ｐドープシリコン膜１０１を酸化する装置であってもよい。
今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
（実験１）
本開示に係る膜除去方法の効果を検証するため以下の予備実験を行った。アモルファスのシリコン膜を成膜（膜厚１μｍ以上）したウエハＷをサンプル１とした。またリンをドープしたアモルファスシリコン膜（膜中のＰの濃度が８．０×１０２０原子／ｃｍ３ 、膜厚１μｍ以上）を成膜したウエハＷをサンプル２とした。また膜中のＰの濃度を１．５×１０２０原子／ｃｍ３としたことを除いてサンプル２と同様に成膜した例をサンプル３とした。
サンプル１〜３の各々について、図７に示した縦型熱処理炉９にてＯ２ガスを供給しながら８００℃の温度で加熱して酸化処理を実施し、酸化時間［分］に対する形成されたシリコン酸化膜１０２の膜厚を測定した。各サンプルのアモルファスシリコンは、上記酸化処理を行うための昇温の過程で各々結晶化してポリシリコンになっている。
図８は、この実験結果を示し、サンプル１〜３における酸化時間に対するシリコン酸化膜１０２の膜厚を示す。なおＰドープシリコン膜１０１、または非ドープシリコン膜１００を夫々全層酸化してシリコン酸化膜１０２としたとすると、元のＰドープシリコン膜１０１、及び非ドープシリコン膜１００の膜厚に対しておよそ２倍の膜厚のシリコン酸化膜１０２が形成される。即ち、図８中にて、形成されたシリコン酸化膜１０２の膜厚が３０ｎｍということは、１５ｎｍの膜厚のＰドープシリコン膜１０１、または非ドープシリコン膜１００が酸化されたことを示している。
図８に示すようにサンプル１と比較すると、サンプル２、３は、短時間で厚いシリコン酸化膜１０２が形成されている。従って、サンプル２、３（Ｐドープシリコン膜１０１）は、サンプル１（リンがドープされていない非ドープシリコン膜１００）と比較して酸化されやすいと言える。
具体的には、サンプル１では、およそ５．５ｎｍの膜厚（非ドープシリコン膜１００の膜厚の減少量が２．５〜３ｎｍ）のシリコン酸化膜１０２が形成される期間中（酸化時間３５分）に、サンプル２にて、３０ｎｍの膜厚（Ｐドープシリコン膜１０１の膜厚の減少量が１５ｎｍ）のシリコン酸化膜１０２が形成されていた。従ってＰドープシリコン膜１０１は、非ドープシリコン膜１００に比べてシリコン酸化膜１０２の形成速度が速く、酸化されやすい特性を有すると評価できる。
またサンプル２とサンプル３とを比較するとサンプル２の方がシリコン酸化膜１０２の形成速度が速かった。従ってＰドープシリコン膜１０１中のＰの濃度を高くすることで、Ｐドープシリコン膜１０１をより酸化しやすくすることができる。
また、既述のサンプル１、２について、水蒸気を供給しながら加熱するウェット酸化装置にて酸化処理を行ったところ、サンプル１では、酸化時間５分の時点で９ｎｍの膜厚のシリコン酸化膜１０２が形成されたのに対して、サンプル２では６０ｎｍの厚さのシリコン酸化膜１０２を形成することができた。
ウエハＷにＯ２ガスを供給しながら酸化処理を行った場合と、水蒸気を供給しながら酸化処理を行った場合とにおけるサンプル１、２の酸化速度の比を比べると、ほぼ同等であった。このように、シリコン酸化膜１０２を形成する装置は、ウエハＷに水蒸気を供給しながら加熱するように構成してもよいと言える。
（実験２）
下層側に厚さ１５ｎｍの非ドープシリコン膜１００を成膜し、上層側に厚さ１５ｎｍのＰドープシリコン膜１０１を成膜した例と同様の構成のウエハＷについて、図７に示した縦型熱処理炉９を用い、Ｏ２ガスを供給しながら８００℃の加熱温度下で酸化処理を行った。
酸化処理の経過時間に伴う酸化の進行を確認したところ、３０分経過した時点でＰドープシリコン膜１０１がすべて酸化されてシリコン酸化膜１０２になった。一方で４０分加熱を行った時点において、非ドープシリコン膜１００はほとんど酸化されず、形成されたシリコン酸化膜１０２は、０．３ｎｍであった。
以上の実験結果によれば、Ｐドープシリコン膜１０１を酸化してシリコン酸化膜１０２を形成する酸化処理を行っても、非ドープシリコン膜１００はほとんど酸化されずに元の状態で残すことができると言える。従って、シリコン酸化膜１０２に対するエッチングの選択比が高いエッチャントを利用してシリコン酸化膜１０２を除去することで、非ドープシリコン膜１００の除去を抑制しながらＰドープシリコン膜１０１を除去することができると言える。
１００ 非ドープシリコン膜
１０１ Ｐドープシリコン膜
１０２ シリコン酸化膜
Ｗ ウエハ

Claims (10)

  1. リンがドープされたリンドープシリコン膜を除去する方法であって、
    前記リンドープシリコン膜と、前記リンがドープされていない非ドープシリコン膜と、を含み、少なくとも前記リンドープシリコン膜が表面に露出する基板について、前記リンドープシリコン膜を酸化してシリコン酸化膜を形成する工程と、
    前記シリコン酸化膜と前記非ドープシリコン膜とのうち、前記シリコン酸化膜を選択的にエッチングして除去する工程と、を有する、方法。
  2. 前記基板には、前記非ドープシリコン膜の上方に、前記リンドープシリコン膜が積層されている、請求項１に記載の方法。
  3. 前記シリコン酸化膜を形成する工程は、前記基板に酸素あるいは、水蒸気を供給して加熱することにより実施される、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記シリコン酸化膜を形成する工程の前に、膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内になるように前記リンドープシリコン膜をエッチングする工程を含む、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記リンドープシリコン膜は、膜中のリンの濃度が１．５×１０２０原子／ｃｍ３以上である、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の方法。
  6. リンがドープされたリンドープシリコン膜を除去するシステムであって、
    前記リンドープシリコン膜と、前記リンがドープされていない非ドープシリコン膜と、を含み、少なくとも前記リンドープシリコン膜が表面に露出する基板について、前記リンドープシリコン膜を酸化してシリコン酸化膜を形成する第１装置と、
    前記シリコン酸化膜をエッチングする第２装置と、
    前記基板を搬送する搬送機構と、
    制御部と、を有し、
    前記制御部は、前記第１装置にて、前記リンドープシリコン膜を酸化してシリコン酸化膜を形成するステップと、前記搬送機構により、前記シリコン酸化膜が形成された基板を、前記第２装置に搬送するステップと、前記第２装置にて、前記シリコン酸化膜と前記非ドープシリコンとのうち、前記シリコン酸化膜を選択的にエッチングして除去するステップと、を実行する制御を行うように構成される、システム。
  7. 前記非ドープシリコン膜の上方に、前記リンドープシリコン膜が積層された前記基板から、前記リンドープシリコン膜を除去する、請求項６に記載のシステム。
  8. 前記第１装置は、前記基板に酸素あるいは、水蒸気を供給して加熱することにより、前記シリコン酸化膜を形成する、請求項６または７に記載のシステム。
  9. 前記システムは、前記第１装置にて前記基板を酸化する前に、前記リンドープシリコン膜をエッチングする第３装置を含み、
    前記制御部は、前記第３装置により、前記酸化が行われる前のリンドープシリコン膜の膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内の値となるようにエッチングを行うステップと、前記搬送機構により、前記リンドープシリコン膜のエッチングがされた基板を、前記第１装置に搬送するステップと、を実行する制御を行うように構成される、請求項６ないし８のいずれか一項に記載のシステム。
  10. 膜中のリンの濃度が１．５×１０２０原子／ｃｍ３以上である前記リンドープシリコン膜が形成された基板から、前記リンドープシリコン膜を除去する、請求項６ないし９のいずれか一項に記載のシステム。
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