JP4566556B2

JP4566556B2 - 枚葉式薬液処理方法

Info

Publication number: JP4566556B2
Application number: JP2003428637A
Authority: JP
Inventors: 賢哉萩本; 盛光田中
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2023-12-25
Also published as: JP2005191163A

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、スピン処理装置を用いたウェットプロセスに関する。

近年、半導体装置ではウェハ面内均一性に対する要求が一層厳しくなり、ウェットプロセスにおいても、ウェハを１枚ずつ処理する枚葉式処理が行われるようになってきている。この枚葉式処理が適用される工程としては、各種膜のエッチング工程、新材料汚染除去工程、ドライエッチング後のポリマー剥離工程などが挙げられ、このような工程の処理に関して様々な方法が提案されている。

例えば、特開２００１−８５３１０号公報には、複数種類の薬液を用いて処理する場合に、前の薬液が残留した状態で次の薬液が供給されると処理効率が低下したり、薬液同士が反応して基板の表面荒れを引き起こす等の問題に対して、第１の薬液から第２の薬液に切り替える際に、基板表面から第１の薬液を除去した後、第２の薬液を供給する薬液処理方法が開示されている。

また、特開２００３−２３４２９０号公報には、高速で回転している基板の中央付近に薬液を滴下する場合に、下地に対する接触角の大きい薬液を用いるとレジストパターン表面に薬液が濡れずにエッチングムラが生じる等の問題に対して、非晶質半導体膜表面に形成されたレジストパターンに対して紫外線を照射あるいはオゾン水に接触後、非晶質半導体膜表面に対して結晶化を助長する元素を含む溶液を塗布する方法が開示されている。

特開２００１−８５３１０号公報（第４−９頁、第１図）特開２００３−２３４２９０号公報（第５−１２頁、第１図）

ここで、従来のウェットプロセスの例として、ポリシリコン膜をフッ酸と硝酸の混合液（フッ硝酸）でエッチングする処理方法について、図４を参照して説明する。まず、ウェハを枚葉式装置の処理チャンバーに搬送した後、図４（ａ）に示すように、ウェハ１を１０００ｒｐｍ程度の回転数で回転させながらノズル２を用いて３０℃程度の温度に温調されたフッ硝酸（温薬液３ａ）を１Ｌ／ｍｉｎ程度の供給速度で３ｓｅｃ程度供給してエッチングを行い、ポリシリコン膜の除去を行う（ステップ１）。次に、図４（ｂ）に示すように、ウェハ１を５００ｒｐｍ程度の回転数で回転させながらノズル２を用いて純水４を２Ｌ／ｍｉｎ程度の供給速度で２５ｓｅｃ程度供給して洗浄を行い、ウェハ１表面に付着しているフッ硝酸を洗浄する（ステップ２）。次に、図４（ｃ）に示すように、ウェハ１を２００ｒｐｍ程度の回転数で回転させ、ウェハ１表面に付着している純水４を遠心力により吹き飛ばしてウェハの乾燥を行う（ステップ３）。

このようなウェットプロセスにおいて、枚葉処理の問題点とされるスループットの低下を防止するために、各種膜やＳｉ基板に対してエッチングレートの大きい温薬液３ａを用いたり、温薬液３ａを加温して用いることにより、エッチング性能や剥離性能を向上させる場合がある。その場合、従来の処理方法では、ウェハ１上のノズル２と最も近い部分、即ち吐出された温薬液３ａが最初に接するウェハ１の中央部分が温薬液３ａの影響を最も大きく受けるため、枚葉式装置といえども、厳しく要求されたウェハ面内の高エッチング均一性や高剥離性を実現することが困難となっている。この問題点について具体的に説明する。

［裏面のポリシリコン膜除去工程で生じる不具合］
デバイス表面にポリシリコン膜を形成する際に、ウェハ裏面にもポリシリコンが成長する。この裏面に形成されたポリシリコン膜を除去するために、フッ酸と硝酸の混合液（フッ硝酸）を用いる。フッ硝酸は、ポリシリコン膜に対するエッチングレートが極めて高いため、枚葉式装置による短時間処理が可能であるが、同時にシリコン基板もエッチングされてしまう。従って、フッ硝酸による裏面ポリシリコン膜のエッチング工程では、ウェハ面内にポリシリコン膜のエッチング残りが無く、シリコン基板の荒れを発生させないように制御することが要求される。しかしながら、ポリシリコン膜を除去するために一定の時間、薬液処理を行うと、ノズルに最も近い部分、即ちウェハ面内で薬液が最初に当たる部分は、他の部分に比べて薬液の影響が大きくなるため、フッ硝酸のような基板に対するエッチング作用を持つ薬液を用いた場合は基板荒れが生じてしまうことがある。一方、ノズルに最も近い部分の基板荒れを防止するためにフッ硝酸処理の時間を短縮しようとすると、他の部分においては、ポリシリコン膜がエッチングされないという不具合が生じる。

［ドライエッチング後のポリマー除去工程で生じる不具合］
通常、ドライエッチング後にパターン側壁に付着した付着物を剥離液を用いて除去している。この工程においても、バッチ処理時の裏面転写の影響を無くすために枚葉処理への転換が行われている。本工程においては、薬液を加温して用いることにより薬液の剥離能力を向上させてスループットを向上させることがある。枚葉式処理装置を用いて液温が高い（例えば５０℃以上）薬液を供給する場合は、ウェハ面内でノズルから遠い部分は温度が上昇しにくいために、薬液処理初期の段階でウェハ面内の温度斑が生じる。そのため、薬液温度がキーとなっているプロセスにおいて、指定された処理時間だけ薬液処理をしても、ノズルからの位置によっては所望の剥離性能が得られない可能性が有る。

このように、回転させたウェハ上にノズルを用いて薬液を供給するウェットプロセスにおいては、薬液を吐出するノズル近傍の部分（一般的にウェハの中央部分）は他の部分に比べてエッチングや剥離などの処理が促進されてしまうために、ウェハ面内の処理均一性を向上させることができず、特に、エッチングレートの大きい薬液や加温した薬液を用いる場合には処理のばらつきが顕著に現れるという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、ウェハ面内で高い処理均一性を実現することができる半導体装置の製造方法、特に、枚葉式の薬液処理方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、回転させた基板に、当該基板の中央上部に配置したノズルから薬液を供給し、前記薬液により前記基板に形成した膜をエッチングする枚葉式薬液処理方法において、回転させた前記基板上に、前記ノズルから、前記基板に対して不活性な液体を供給する前処理と、少なくとも前記ノズル近傍領域に前記液体が残存する前記基板上に、前記薬液を供給するエッチング処理と、を少なくとも備え、前記前処理における前記基板の回転速度を５００ｒｐｍ、前記エッチング処理における前記基板の回転速度を１０００ｒｐｍとするものである。

このように、本発明は、回転する基板にノズルを用いて薬液を供給して処理を行う枚葉式の薬液処理方法において、基板上に薬液を供給する前に、基板に対して不活性な液体を供給し、該液体が基板表面に残存する状態、又は、基板の温度が所定の温度に加温された状態で薬液を供給することにより、ウェハ面内での処理均一性を高めることができる。

本発明の枚葉式薬液処理方法によれば、ウェハ面内での処理均一性を高めることができる。

その理由は、基板を処理するための薬液をノズルを用いて吐出する前に、基板に対して不活性な純水などの液体を吐出し、該液体が基板表面に残存する状態で薬液を吐出することにより、ノズル近傍の領域の薬液を希釈して薬液による過剰な反応を抑制することができるからである。

また、所定の温度に加温された薬液を吐出する前に、基板に対して不活性、かつ、薬液と同等の温度に加温した温純水などの液体を吐出し、基板が所定の温度になった状態で薬液を吐出することにより、基板の温度ムラに起因する反応のばらつきを抑制することができるからである。

従来技術で示したように、ウェハ面内均一性を高めるために枚葉式のウェットプロセスが用いられるが、回転するウェハ上にノズルによって薬液を吐出する処理では、薬液が最初に当たる部分、すなわちノズルに最も近い部分の薬液処理が他の部分に比べて促進されてしまい、その結果、ウェハ面内での処理の均一性を高めることができず、特に、スループットを向上させるために反応性を高めた薬液や加温した薬液を使用する場合は処理のばらつきが大きくなるという問題がある。

そこで、本発明では、薬液を吐出する前に、基板に対して不活性な液体（例えば、フッ硝酸などの薬液を用いる場合は純水、加温した剥離液などの薬液を用いる場合は同程度の温度に加温した温純水など）を吐出する。これにより、前者の場合は最初に接液する部分の薬液を薄めて薬液の影響を小さくすることができるため、その部分の基板荒れの発生を抑制することができ、又、後者の場合はウェハを薬液と同等の温度に温めることにより、ウェハ面内の温度斑を少なくしてウェハ面内の処理の均一性を高めることができる。以下、図面を参照して具体的に説明する。

まず、本発明の第１の実施例に係る枚葉式薬液処理方法について、図１及び図２を参照して説明する。図１は本実施例の薬液処理の手順を示す工程であり、図２は、本実施例の効果を説明するための図である。

図１を参照して、本発明の技術を用いたポリシリコン膜のエッチング処理の手順について説明する。まず、ウェハ１を枚葉式装置の処理チャンバーに搬送する。ここで、従来の処理方法では、直ちに薬液による処理を行っていたが、本実施例では、ウェハ１上のノズル近傍の領域（一般的にウェハ１の中央部分）の反応を抑制するために純水によるプリウェット処理を行う。具体的には、図１（ａ）に示すように、ウェハ１を５００ｒｐｍ程度の回転数で回転させながら、ウェハ１に対して不活性な液体（ここでは純水）を２Ｌ／ｍｉｎ程度の供給速度で５ｓｅｃ程度供給して洗浄を行い、ウェハ１表面を純水で満たした状態にする（ステップ１）。

次に、ウェハ１上に純水が残存している状態で、温薬液３ａ（ここではフッ硝酸）によりポリシリコン膜のエッチングを行う。具体的には、図１（ｂ）に示すように、ウェハ１を１０００ｒｐｍ程度の回転数で回転させながら３０℃程度の温度に温調されたフッ硝酸を１Ｌ／ｍｉｎ程度の供給速度で３ｓｅｃ程度供給してエッチングを行い、ポリシリコン膜の除去を行う（ステップ２）。

次に、ウェハ１上から温薬液３ａを除去するために、ＤＩＷ（純水）によるウェハ洗浄を行う。具体的には、図１（ｃ）に示すように、ウェハ１を５００ｒｐｍ程度の回転数で回転させながら純水を２Ｌ／ｍｉｎ程度の供給速度で２５ｓｅｃ程度供給して洗浄を行い、ウェハ１表面に付着しているフッ硝酸を洗浄する（ステップ３）。

次に、ウェハ１上から純水を除去するためのウェハ１乾燥を行う。具体的には、図１（ｄ）に示すように、ウェハ１を２０００ｒｐｍ程度の回転数で回転させて、ウェハ１表面に付着している純水４を遠心力により吹き飛ばしてウェハの乾燥を行う（ステップ４）。また、ウェハ表面に付着している純水を効率よく乾燥させるため、Ｎ_２又はＡｉｒを５０Ｌ／ｍｉｎ程度吹きかけながら処理を行っても良い。尚、各々のステップの移行はウェハ１の回転を停止させること無く、連続して処理を進める。

このように、薬液処理前にウェハ１の表面をウェハ１に対して不活性な液体（純水４）で満たした状態にすることにより、温薬液３ａが最初に接する部分の温薬液３ａの濃度を低下させる効果が得られる。その結果、フッ硝酸のようにポリシリコン膜に対するエッチングレートが早い温薬液３ａでも、温薬液３ａが最初に接する部分と最後に接する部分とのエッチングレート差を小さくすることが可能となる。この効果により、温薬液３ａが最初に接する部分（最初にポリシリコン膜が除去される部分）のエッチングが促進されてＳｉ基板が荒れるといった不具合を回避することが可能となる。

上記本実施例の方法による効果を確認するために、従来技術（プリウェット無し）と本発明の技術（プリウェット有り）を用いて、熱酸化膜を希フッ酸（温度：３０℃、ＨＦ濃度：０．５ｗｔ％）にて３６０ｓｅｃ処理した時の熱酸化膜のエッチング量とエッチング量差（最大値−最小値）を測定した。その結果を、表１及び図２に示す。なお、表１の値はウェハ上の酸化膜エッチング量を示し、測定点をＸＹ座標（ウェハ中央が０，０）にて示している。

表１及び図２より、プリウェット処理無しの従来方法の場合、ウェハ中央部のエッチング量が周辺のポイントに比べ高くなり、その結果、ウェハ中央部のエッチング量と周辺部のエッチング量の差は２．９ｎｍと大きくなっている。これに対して、プリウェット処理を適用した本発明の方法の場合、ウェハ中央部のエッチングが抑えられ、その結果、ウェハ中央部のエッチング量と周辺部のエッチング量差は０．３５ｎｍまで低減されている。この結果から、本発明の枚葉式薬液処理方法はエッチングのウェハ面内均一性向上に有効な手法であることが分かる。

なお、上記説明ではフッ硝酸によるポリシリコン膜の除去を例にして説明したが、本発明はこれに限定されず、エッチング均一性が要求される薄膜エッチングにおいても、本実施例の処理方法は有効である。また、プリウェット処理の液体として純水を例にしたが、ウェハ１に対して不活性であり、また、温薬液３ａと混合する（すなわち、温薬液３ａと分離しない）液体であればどのような液体でもよい。更に、不活性な液体を用いる場合に比べて効果は劣るが、ウェハ１に対して温薬液３ａよりも反応性の低い液体（例えば、希釈度の高いフッ硝酸など）を用いることも可能である。

次に、本発明の第２の実施例に係る枚葉式薬液処理方法について、図３を参照して説明する。図３は、高温（５０℃以上）の薬液を用いた場合の処理の手順を示す工程図である。

図３を参照して、本発明の技術を用いたポリマーの除去方法について説明する。まず、ウェハ１を枚葉式装置の処理チャンバーに搬送する。ここで、従来の処理方法では、第１の実施例と同様に直ちに薬液による処理を行っていたが、本実施例では、ウェハ１上の温度分布に起因する処理のばらつきを抑制するために、温純水によるプリウェット処理を行う。具体的には、図３（ａ）に示すように、ウェハ１を５００ｒｐｍ程度の回転数で回転させながら、ウェハ１に対して不活性であり、かつ、温薬液３ａと同程度の温度の液体（ここでは温純水４ａ）を２Ｌ／ｍｉｎ程度の供給速度で３０ｓｅｃ程度供給して洗浄を行い、ウェハ１を加温する（ステップ１）。

次に、ウェハ１が加温された状態で、薬液（ここでは剥離液）によりポリマー除去を行う。具体的には、図３（ｂ）に示すように、ウェハ１を１０００ｒｐｍ程度の回転数で回転させながら５０℃程度の温度に温調された剥離液（温薬液３ａ）を１Ｌ／ｍｉｎ程度の供給速度で６０ｓｅｃ程度供給して処理を行う（ステップ２）。ここで、温薬液３ａはウェハ１上に温純水４ａが残存する状態で供給することが好ましいが、温純水４ａ供給後、温薬液３ａ供給までの時間が短ければウェハ１上に残存しない状態で供給することもできる。

次に、ウェハ１上から剥離液を除去するために、ＤＩＷ（純水）によるウェハ洗浄を行う。具体的には、図３（ｃ）に示すように、ウェハ１を５００ｒｐｍ程度の回転数で回転させながら純水を２Ｌ／ｍｉｎ程度の供給速度で２５ｓｅｃ程度供給して洗浄を行い、ウェハ１表面に付着している剥離液を洗浄する（ステップ３）。

次に、ウェハ１上から純水を除去するためのウェハ乾燥を行う。具体的には、図３（ｄ）に示すように、ウェハ１を２０００ｒｐｍ程度の回転数で回転させて、ウェハ１表面に付着している純水４を遠心力により吹き飛ばしてウェハの乾燥を行う（ステップ４）。また、第１の実施例と同様に、ウェハ表面に付着している純水を効率よく乾燥させるため、Ｎ_２又はＡｉｒを５０Ｌ／ｍｉｎ程度吹きかけながら処理を行っても良い。尚、各々のステップの移行はウェハ１の回転を停止させること無く、連続して処理を進める。

このように、薬液処理の前にウェハ１に対して不活性、かつ、剥離液と同程度の温度に加温された液体（温純水４ａ）を供給してウェハ１全体を温めることにより、剥離液の温度ムラが抑制され、処理温度に対し敏感な剥離であって効率良くポリマー除去が可能となる。

なお、本実施例では剥離液によるポリマーの除去を例にして説明したが、本発明はこれに限定されず、任意の付着物や反応性生成物の除去に対して本実施例の処理方法は有効である。また、プリウェット処理の液体として温純水を例にしたが、ウェハ１に対して不活性であり、また、温薬液３ａと混合する（すなわち、温薬液３ａと分離しない）液体であればよく、例えば、有機剥離液を薬液として用いる場合は有機溶媒を用いることもできる。更に、不活性な液体に比べて効果は劣るが、ウェハ１に対して温薬液３ａよりも反応性の低い液体（例えば、希釈度の高い剥離液など）を用いることも可能である。

本発明の第１の実施例に係る枚葉式薬液処理の手順を模式的に示す工程図である。本発明の第１の実施例に係る枚葉式薬液処理の効果を示す図である。本発明の第２の実施例に係る枚葉式薬液処理の手順を模式的に示す工程図である。従来の枚葉式薬液処理の手順を模式的に示す工程図である。

符号の説明

１ウェハ
２ノズル
３薬液
３ａ温薬液
４純水
４ａ温純水

Claims

回転させた基板に、当該基板の中央上部に配置したノズルから薬液を供給し、前記薬液により前記基板に形成した膜をエッチングする枚葉式薬液処理方法において、
回転させた前記基板上に、前記ノズルから、前記基板に対して不活性な液体を供給する前処理と、
少なくとも前記ノズル近傍領域に前記液体が残存する前記基板上に、前記薬液を供給するエッチング処理と、を少なくとも備え、
前記前処理における前記基板の回転速度を５００ｒｐｍ、前記エッチング処理における前記基板の回転速度を１０００ｒｐｍとすることを特徴とする枚葉式薬液処理方法。
前記膜がポリシリコン膜であり、前記薬液がフッ酸と硝酸との混合液であり、前記液体が純水であることを特徴とする請求項１記載の枚葉式薬液処理方法。
前記液体は、前記薬液の温度と同じ温度に加温され、
前記前処理により、前記液体により前記基板が加温されることを特徴とする請求項１又は２記載の枚葉式薬液処理方法。