JP3776092B2 - エッチング装置、エッチング方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents

エッチング装置、エッチング方法および半導体装置の製造方法 Download PDF

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    • H01L21/31111—Etching inorganic layers by chemical means

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置に係り、特に紫外線照射装置を備えたウェットエッチング装置、ウェットエッチング方法および半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術ではない関連技術として、基板上の被加工膜上に薬液を塗布した後、この薬液を介して紫外光を被加工膜に照射し、被加工膜の分子結合を分解（切断）しながらウェットエッチングする方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特願２００３−２１５６６（図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、所定の雰囲気下では、ウェットエッチング前に被加工膜上に有機物の被膜（例えば、油分）が形成される場合がある。この被膜により被加工膜は撥水性となるため、その後に塗布される薬液と被加工膜との接触角が大きくなり、薬液の濡れ性が低下してしまう。十分な濡れ性が得られない状態では薬液を均一に塗布することができず、エッチングレートの面内均一性が劣化してしまうという問題があった。
また、上述したように薬液と被加工膜との接触角が大きい場合、図４に示すように、薬液２０が厚く塗布されてしまう。薬液２０を介して基板５上の被加工膜に紫外光を照射するウェットエッチング方法では、厚く塗布された薬液２０が紫外光の透過の障害となってしまい、紫外光の光エネルギーが薬液２０中で減衰してしまう。このため、被加工膜の分子結合を分解する効果が弱くなってしまい、所望のエッチングレートが得られないという問題があった。
【０００５】
また、酸素が存在する大気中で紫外光を照射してウェットエッチングする場合、酸素に対して高い吸収係数を有する波長の紫外光を用いると、紫外光が被加工膜に達する前に光エネルギーが減衰してしまう。この場合も、被加工膜の分子結合を分解する効果が弱くなってしまい、ひいては光エネルギーが消失してしまう。かかる不具合を解決するため、窒素（Ｎ２）等の不活性ガスを充満させて酸素濃度を所定値以下にした状態で、ウェットエッチングする方法がある。しかし、この方法を実現するためには、図５に示すように、エッチング装置に密閉機構２１を設ける必要があり設備コストがかかってしまうほか、不活性ガスの浪費により装置運用コストがかかってしまうという問題があった。また、密閉機構２１内の雰囲気置換を必要とするため、処理時間が長くなってしまい、スループットが低下してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、高いエッチングレートが得られ、且つ、エッチングレートの面内均一性に優れたエッチング装置およびエッチング方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係るエッチング装置は、基板上のＨｆＯ ２ またはＨｆＡｌＯからなる被加工膜をウェットエッチングするエッチング装置であって、
前記被加工膜に２００ｎｍ以下の波長を有する紫外光を照射する第１の紫外光照射部と、
前記被加工膜上に薬液を塗布する薬液供給部と、
前記薬液供給部により塗布された薬液を介して２００ｎｍよりも長い波長を有する紫外光を照射する第２の紫外光照射部とを備え、
前記第２の紫外光照射部は、前記被加工膜を形成する分子の結合エネルギーよりも高いエネルギーで紫外光を照射するものであることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明に係るエッチング装置において、前記第１の紫外光照射部は、酸素を含む雰囲気中で前記紫外光を照射することが好適である。
【００１０】
本発明に係るエッチング方法は、基板上のＨｆＯ ２ またはＨｆＡｌＯからなる高誘電体膜をウェットエッチングする方法であって、
前記高誘電体膜に、２００ｎｍ以下の波長を有する第１の紫外光を照射する工程と、
前記第１の紫外光を照射した後、前記高誘電体膜上に薬液を塗布する工程と、
前記塗布された薬液を介して前記高誘電体膜に、２００ｎｍよりも長い波長を有する第２の紫外光を照射する工程とを含み、
前記高誘電体膜を形成する分子の結合エネルギーよりも高いエネルギーで前記第２の紫外光を照射することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明に係るエッチング方法において、酸素を含む雰囲気中で、前記第１の紫外光を照射することが好適である。
【００１２】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、ＨｆＯ ２ またはＨｆＡｌＯからなる高誘電体膜をウェットエッチングする工程を含む半導体装置の製造方法であって、
前記高誘電体膜をウェットエッチングする工程は、
前記高誘電体膜に２００ｎｍ以下の波長を有する第１の紫外光を照射する第１サブステップと、
前記第１の紫外光を照射した後、前記高誘電体膜上に薬液を塗布する第２サブステップと、
前記塗布された薬液を介して前記高誘電体膜に、２００ｎｍよりも長い波長を有する第２の紫外光を照射する第３サブステップとを含み、
前記第３サブステップでは、前記高誘電体膜を形成する分子の結合エネルギーよりも高いエネルギーで前記第２の紫外光を照射することを特徴とするものである。
【００１３】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記第１サブステップでは、酸素を含む雰囲気中で、前記第１の紫外光を照射することが好適である。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記第１サブステップでは、前記高誘電体膜の表面を親水化することが好適である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図中、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。
【００１５】
図１及び図２は、本発明の実施の形態１によるエッチング装置を説明するための概略断面図である。詳細には、図１は薬液塗布前のウェットエッチング装置を示す図であり、図２は薬液塗布後のウェットエッチング装置を示す図である。
【００１６】
図１及び図２に示すように、被エッチング膜（被加工膜）が形成された基板５が、回転ステージ７上に回転自在に保持される。詳細には、回転ステージ７上にはピン６が複数設けられており、基板５の端部（側縁部）がこれらのピン６により挟み込まれることにより固定されている。ここで、基板５は、例えば、シリコン基板やガラス基板である。なお、基板５を静電チャックにより保持してもよい。
また、エッチング装置は、図示しないノズルを有し、該ノズルから被エッチング膜上に薬液４又は超純水が供給（塗布）される。
【００１７】
回転ステージ７の中心には回転軸８が設けられ、この回転軸８を中心に回転ステージ７が回転することにより基板５も所望の回転速度で回転する。回転ステージ７は、例えば、薬液塗布時に３００〜５００ｒｐｍ程度の回転速度で回転し、乾燥時に２０００〜３０００ｒｐｍ程度の回転速度で回転する。
【００１８】
また、被エッチング膜は、例えば、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法を用いて成膜した後に、アニール処理（ＰＤＡ：Post Deposition Annealing）が施されたＨｆＯ２膜やＨｆＡｌＯ膜のような高誘電率膜（Ｈｉｇｈ−ｋ膜）である。
【００１９】
また、基板５の上方に、紫外光照射装置としてのランプハウス２が配置されている。本実施の形態におけるランプハウス２は、被エッチング膜の表面改質と分子結合切断の両方を可能とする装置である。
ランプハウス２は、２００ｎｍ以下の波長を有する紫外光を照射するための第１のランプ（第１の紫外光照射部）１ａと、２００ｎｍよりも長い波長を有する紫外光を照射するための第２のランプ（第２の紫外光照射部）１ｂとを内部に備えている。
【００２０】
第１のランプ１ａは、雰囲気汚染により被エッチング膜上に形成された有機物の被膜（例えば、油分）を除去し、被エッチング膜表面を親水化させるために、紫外光を照射するものである。詳細は後述するが、第１のランプ１ａから発せられた紫外光は酸素に対する吸収係数が高いため、この紫外光により被エッチング膜近傍の酸素が励起され、酸素ラジカル（活性酸素ともいう。）やオゾンガスが発生する。第１のランプ１ａとしては、例えば、Ｘｅ２（１７２ｎｍ）エキシマランプ及び低圧水銀ランプを用いることができる。
【００２１】
第２のランプ１ｂは、被エッチング膜を形成する分子の結合を分解するために、該分子の結合エネルギーよりも高いエネルギーで紫外光を照射するものである。紫外光のエネルギーは、紫外光の照射時間により制御可能であり、照射時間は例えば１０ｓｅｃ〜２００ｓｅｃである。詳細は後述するが、第２のランプ１ｂは、被エッチング膜上に塗布された薬液４を介して、被エッチング膜に紫外光を照射する。第２のランプ１ｂとしては、例えば、ＫｒＣｌ（波長２２２ｎｍ）エキシマランプを用いることができる。また、第２のランプ１ｂから発せられた紫外光は酸素に対する吸収係数が低いため、被エッチング膜への光エネルギーの伝達が効率良く行われる。
【００２２】
ランプハウス２の下面には、基板５と同じか、或いはそれ以上のサイズを有する開口が形成されている。この開口は、ランプ１ａ，１ｂから発せられた紫外光に対して高い透過率を有する石英ガラスで形成された窓（以下「石英ガラス窓」という。）３で塞がれている。
石英ガラス窓３により密閉されたランプハウス２の内部は、窒素等の不活性ガスが充填されている。これにより、第１のランプ１ａから発せられ、酸素に対して高い吸収係数を有する紫外光が、ランプハウス２内で減衰することが防止される。
また、第２のランプ１ｂから発せられた紫外光の強度は石英ガラス窓３において、例えば、５〜２０ｍＷ／ｃｍ２程度が好適である。
また、ランプハウス２の上面に、該ランプハウス２を上下方向に駆動する駆動部９が設けられている。
【００２３】
次に、上記エッチング装置の動作、すなわち被エッチング膜のウェットエッチングについて説明する。
【００２４】
先ず、図１に示すように、被エッチング膜（例えば、ＨｆＯ２膜）が形成された基板５を、ピン６により回転ステージ７上に固定する。次に、駆動部９によりランプハウス２を下降させ、第１のランプ１ａを点灯する。すなわち、酸素を含む雰囲気（例えば、大気）中に基板５が配置された状態で、第１のランプ１ａから２００ｎｍ以下の波長を有する紫外光を被エッチング膜に照射する。この紫外光の照射により、被エッチング膜近傍の酸素が励起され、酸素ラジカル及びオゾンガスが発生する。そして、該酸素ラジカル及びオゾンガスが被エッチング膜上に形成された有機物の被膜を分解し、二酸化炭素及び水蒸気として気化される。これにより、被エッチング膜の表面が親水性に改質（親水化）される。その後、第１のランプ１ａを消灯して、駆動部９によりランプハウス２を上昇させる。
【００２５】
次に、回転ステージ７により基板５を３００〜５００ｒｐｍの回転速度で回転させながら、ノズルから被エッチング膜上にリン酸系ベースのエッチャントを含む薬液４を供給する。これにより、親水化された被エッチング膜上に、薬液４が薄く且つ均一に塗布される。このとき、薬液４は、基板５から流れ去ることなく塗布される。
【００２６】
そして、図２に示すように、石英ガラス窓３がピン６に干渉しないようにランプハウス２を駆動部９により基板５近傍に下降させ、予め点灯させておいた第２のランプ１ｂから薬液４を介して被エッチング膜（ＨｆＯ２膜）に紫外光を照射する。薬液４は薄く塗布されているため、図３に示すように、紫外光が基板５の被エッチング膜に照射される。この紫外光の光エネルギーが被エッチング膜の分子の結合（ＨｆＯ２膜のＨｆ−Ｏ結合）を切断し、予め塗布しておいた薬液４に含まれるエッチャントによりエッチング反応が進行する。
【００２７】
所望のエッチング終了後、第２のランプ１ｂを消灯して、駆動部９によりランプハウス２を上昇させるとともに、別途水洗ノズルから超純水を基板５上に吐出させ、基板５上に残留する薬液４を洗い流す。
最後に、回転ステージ７により基板５を２０００〜３０００ｒｐｍ程度で回転させることにより、基板５上の超純水を振り切り、乾燥を行う。
【００２８】
以上説明したように、本実施の形態では、２００ｎｍ以下の波長の紫外光を第１のランプ１ａから被エッチング膜に照射した後、被エッチング膜上に薬液４を塗布し、２００ｎｍよりも長い波長の紫外光を第２のランプ１ｂから薬液４を介して被エッチング膜に照射しながらウェットエッチングを行った。
【００２９】
本実施の形態によれば、大気中での第１のランプ１ａからの紫外光照射により、被エッチング膜表面に形成された有機物の被膜を除去して、被エッチング膜表面を親水化することができる。このため、親水化した被エッチング膜表面の上に、薬液４を薄く且つ均一に塗布することができる。よって、被エッチング膜表面において薬液４の良好な濡れ性が得られ、薬液４を基板５面内で均一に作用させることができるため、エッチングレートの面内均一性を向上させることができる。
【００３０】
さらに、第２のランプ１ｂから発せられた紫外光は、大気中および薬液４中でエネルギーが減衰することなく、被エッチング膜に照射される。このため、被エッチング膜の分子結合が最も切断された状態でウェットエッチングすることができ、エッチングレートを大幅に増大させることができる。
【００３１】
従って、高いエッチングレートが得られ、且つ、エッチングレートの面内均一性に優れたエッチング装置およびエッチング方法を提供することができる。
【００３２】
また、分子結合を分解する目的からすれば、第２のランプ１ｂから２００ｎｍ以下の比較的短波長の紫外光を照射する方が、高いエネルギーが得られるため有利であるように思われる。
しかし、上述したように、２００ｎｍ以下の波長の紫外光は酸素に対する吸収係数が高いため、紫外光の減衰を防止するためには、窒素等の不活性ガスで雰囲気を置換して酸素濃度を１００vol ppm以下に維持する必要がある。これを実現するには、置換ガスである窒素を浪費するほか、基板が保持される雰囲気を大気から遮断するために種々の設備を設ける必要がある（図５参照）。
これに対して、本実施の形態では、分子結合を分解するために、酸素に対する吸収係数が極めて低い２００ｎｍ以上の波長を有する紫外光を照射することとした。このため、雰囲気の置換をすることなく大気中で第２のランプ１ｂによる紫外光照射が可能となる。よって、置換ガスの浪費を防止することができ、雰囲気遮断のための設備が不要となり装置を簡略化することができる。従って、エッチング装置の製造コストおよび運用コストを低減することができる。また、雰囲気置換に要する時間が不要となるため、エッチング時間を短縮することができ、スループットを向上させることができる。
【００３３】
また、本実施の形態により、被エッチング膜の表面改質と分子結合切断の両方を可能とするランプハウス２構造が得られる。
【００３４】
なお、本実施の形態では、被エッチング膜が高誘電率膜である場合について説明したが、これに限らず、ウェットエッチングレートが低い膜に対して本発明を適用することができ、特に緻密な薄膜に対して好適である。
また、波長の条件を満たせば、エキシマランプの代わりにエキシマレーザを用いてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、高いエッチングレートが得られ、且つ、エッチングレートの面内均一性に優れたエッチング装置およびエッチング方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態によるエッチング装置を説明するための概略断面図である（薬液塗布前）。
【図２】 本発明の実施の形態によるエッチング装置を説明するための概略断面図である（薬液塗布後）。
【図３】 本実施の形態において、第２のランプから発せられた紫外光が基板上の被エッチング膜に達した状態を示す図である。
【図４】 ランプから発せられた紫外光が薬液中で減衰する状態を示す図である。
【図５】 雰囲気置換を行うエッチング装置を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
１ａ 第１の紫外光照射部（第１のランプ）
１ｂ 第２の紫外光照射部（第２のランプ）
２ ランプハウス
３ 石英ガラス窓
４ 薬液
５ 基板
６ ピン
７ 回転ステージ
８ 回転軸
９ 駆動部

Claims (7)

  1. 基板上のＨｆＯ ２ またはＨｆＡｌＯからなる被加工膜をウェットエッチングするエッチング装置であって、
    前記被加工膜に２００ｎｍ以下の波長を有する紫外光を照射する第１の紫外光照射部と、
    前記被加工膜上に薬液を塗布する薬液供給部と、
    前記薬液供給部により塗布された薬液を介して２００ｎｍよりも長い波長を有する紫外光を照射する第２の紫外光照射部とを備え、
    前記第２の紫外光照射部は、前記被加工膜を形成する分子の結合エネルギーよりも高いエネルギーで紫外光を照射するものであることを特徴とするエッチング装置。
  2. 請求項１に記載のエッチング装置において、
    前記第１の紫外光照射部は、酸素を含む雰囲気中で前記紫外光を照射することを特徴とするエッチング装置。
  3. 基板上のＨｆＯ ２ またはＨｆＡｌＯからなる高誘電体膜をウェットエッチングする方法であって、
    前記高誘電体膜に、２００ｎｍ以下の波長を有する第１の紫外光を照射する工程と、
    前記第１の紫外光を照射した後、前記高誘電体膜上に薬液を塗布する工程と、
    前記塗布された薬液を介して前記高誘電体膜に、２００ｎｍよりも長い波長を有する第２の紫外光を照射する工程とを含み、
    前記高誘電体膜を形成する分子の結合エネルギーよりも高いエネルギーで前記第２の紫外光を照射することを特徴とするエッチング方法。
  4. 請求項３に記載のエッチング方法において、
    酸素を含む雰囲気中で、前記第１の紫外光を照射することを特徴とするエッチング方法。
  5. ＨｆＯ ２ またはＨｆＡｌＯからなる高誘電体膜をウェットエッチングする工程を含む半導体装置の製造方法であって、
    前記高誘電体膜をウェットエッチングする工程は、
    前記高誘電体膜に２００ｎｍ以下の波長を有する第１の紫外光を照射する第１サブステップと、
    前記第１の紫外光を照射した後、前記高誘電体膜上に薬液を塗布する第２サブステップと、
    前記塗布された薬液を介して前記高誘電体膜に、２００ｎｍよりも長い波長を有する第２の紫外光を照射する第３サブステップとを含み、
    前記第３サブステップでは、前記高誘電体膜を形成する分子の結合エネルギーよりも高いエネルギーで前記第２の紫外光を照射することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 請求項５に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第１サブステップでは、酸素を含む雰囲気中で、前記第１の紫外光を照射することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 請求項５又は６に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第１サブステップでは、前記高誘電体膜の表面を親水化することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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