JP5236528B2

JP5236528B2 - ウェトエッチング装置及び方法並びに半導体装置製造方法

Info

Publication number: JP5236528B2
Application number: JP2009044028A
Authority: JP
Inventors: 伸二郎蛯原
Original assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: JP2010199385A

Description

本発明は、メタル配線等のエッチング対象に対してエッチャント液をスプレー式に噴射することでウェトエッチングを実施するウェトエッチング装置に関すると共に、該ウェトエッチング装置を用いて実行される半導体装置製造方法に関する。

一般に、半導体製造プロセスにおいてメタル配線のエッチングは枚葉式ウェトエッチング装置が用いられる。ここで、枚葉とはウエハ１枚毎にエッチング処理を行うことを意味する。枚葉式ウェトエッチング装置の使用方法は、ウエハをホルダ上に載せ、これをプログラムされた一定回転数にてスピンさせながらエッチャント液をウエハに斜め方向から噴射すなわちスプレーすることにより、エッチャント液とウエハ上のメタル配線とを反応させてエッチングを行う。エッチャント液は、通常、１個のノズルでスプレーされウエハ中心付近を狙ってスプレーされる。また、２つのノズルを用いる技術も知られている（特許文献１参照）。

特開２００８−４７６３７号公報

しかしながら、半導体装置を取り巻く環境として、高パワー系デバイス需要の高まりから配線容量を高めることが求められている。その結果、メタル配線が厚膜化する傾向があると共に、高密度化のために被エッチング面積も減少する傾向がある。かかる厚膜化や被エッチング面積減少は、メタル配線パターンの細部にエッチャント液が入り込み難くなるという現象を生じ、ウエハの１部分に膜残り現象を発生するという問題があった。

ここで図１を参照すると、半導体チップ上にメタル配線が施された２つの例が示されている。図面左側の「メタル配線が疎らでエッチング面積大の場合」では、メタル配線の間においても膜残りが発生することはない。一方、図面右側の「メタル配線が密でエッチング面積小の場合」には、スリット領域等の細いメタル配線の間においてエッチャント液が十分に反応せずに膜残りが発生してしまっている。

本発明は以上の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、メタル配線等の被エッチング層の厚膜化においても、膜残りの現象を回避し得るウェトエッチング装置を提供することである。

本発明によるウェトエッチング装置は、ウエハ上に形成された被エッチング層にウェトエッチング処理を行うウェトエッチング装置であって、前記ウエハを保持し、前記ウエハの中心を通る回転軸廻りに前記ウエハを回転せしめる回転ホルダと、前記ウエハの上方に各々が配置され、前記ウエハの回転と並行して前記ウエハに向けてエッチャント液を各々が噴射する複数のノズルと、を備え、前記複数のノズルが、互いに異なるタイプの噴射形状を有し、前記噴射形状の互いに異なるタイプは、フルコーンスプレー型の噴射形状とフラットスプレー型の噴射形状との２つのタイプであることを特徴とする。

本発明によるウェトエッチング方法は、ウエハ上に形成された被エッチング層にウェトエッチング処理を行うウェトエッチング方法であって、前記ウエハを保持し、前記ウエハの中心を通る回転軸廻りに前記ウエハを回転せしめる回転ステップと、前記ウエハの上方に各々が配置された複数のノズルから、前記ウエハの回転と並行して前記ウエハに向けてエッチャント液を噴射する噴射ステップと、を含み、前記複数のノズルが、互いに異なるタイプの噴射形状を有し、前記噴射形状の互いに異なるタイプは、フルコーンスプレー型の噴射形状とフラットスプレー型の噴射形状との２つのタイプであることを特徴とする。

本発明による半導体装置製造方法は、半導体ウエハ上の被エッチング層をウェトエッチング処理するウェトエッチング工程を含む半導体装置製造方法であって、前記ウェトエッチング工程は、前記半導体ウエハの中心を通る回転軸廻りに前記半導体ウエハを回転せしめる回転工程と、前記ウエハの上方に各々が配置された複数のノズルから、前記ウエハの回転と並行して前記ウエハに向けてエッチャント液を噴射する噴射工程と、を含み、前記複数のノズルが、互いに異なるタイプの噴射形状を有し、前記噴射形状の互いに異なるタイプは、フルコーンスプレー型の噴射形状とフラットスプレー型の噴射形状との２つのタイプであることを特徴とする。

本発明によるウェトエッチング装置及び方法、並びに半導体装置製造方法によれば、メタル配線等の被エッチング層の厚膜化においても、膜残りの現象を回避し得る。

本発明の実施例について添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜第１の実施例＞
図２は、本発明の第１の実施例を示し、本発明によるウェトエッチング装置の構成を示している。ここで、ウェトエッチング装置２０は、枚葉式ウェトエッチング装置であり、通常、搬送室、水洗室、乾燥室に隣接する処理室に設置される。ウェトエッチング装置２０は、ウエハ１０は保持するウエハホルダ２２と、ウエハホルダ２２と共にウエハ１０をその中心軸廻りに回転せしめるホルダ回転装置２１と、複数のノズル３１及び３２と、複数のノズル３１及び３２を支持するノズル支持部２３とから構成される。ノズル支持部２３は、その長尺方向がホルダ回転装置２１の上方で、ウエハ１０の中心を通るラインに略沿うように配置される。

複数のノズル３１及び３２のそれぞれは、ノズル支持部２３のうちでウエハ１０を中心とした両翼のそれぞれに配置され、ウエハ１０の中心からその周辺部との間の中程の位置である中間位置の上方に配置される。複数のノズル３１及び３２のそれぞれは、噴射形状を異にする２種類のタイプとする。本実施例では、ノズル３１はフルコーンスプレー型のノズルとする。ノズル３２はフラットスプレー型のノズルとする。噴射形状のタイプの違いは、噴射対象の塗布面に生じる塗布領域の形状の違いをもたらす。フルコーンスプレー型のノズルでは略円形であり、フラットスプレー型のノズルでは、コーンの断面を押しつぶしたような略楕円の形状である。

ホルダ回転装置２１は、プログラムで決められた回転数でウエハホルダ２２を回転させる。回転数は、例えば一定回転とし、メタル配線の膜厚や材質、エッチャント液の成分配合によって適切に選択される必要がある。回転数は、また、処理時間の経過に応じて変化させてもよい。

ウェトエッチング装置２０の外部には、２つの吐出ポンプ２５ａ及び２５ｂと、エッチャント液を貯留する薬液タンク２６が設置されている。本実施例では、２つのタイプのノズルに対応して２系統の吐出ポンプ２５ａ及び２５ｂが備えられる。すなわち、吐出ポンプ２５ａは、薬液タンク２６からエッチャント液を取り込んで、これを適切な配管を経由してノズル３１に供給する。吐出ポンプ２５ｂは、同様にして薬液タンク２６からエッチャント液をノズル３２に供給する。２つの吐出ポンプ２５ａ及び２５ｂの吐出量や吐出圧力等の各条件は、同一条件であっても、或いは対応するノズルタイプに合わせて異なる条件としてもよい。もちろん、ノズル３１及び３２に対して１系統の吐出ポンプでエッチャント液を供給するようにしてもよい。

複数のノズル３１及び３２は、供給されたエッチャント液をウエハ１０に向けて噴射する、すなわちスプレーする。スプレーされたエッチャント液は、ウエハ１０のメタル配線をエッチングして、非マスク部分のメタル配線部分を除去する。除去されたメタル配線材を含むエッチャント液の残余物はドレイ２４を介して外部に排出され、薬液タンク２６に回収される。回収されたエッチャント液は、温度調整されて再度エッチャント液として使用される。

図３は、図２に示されたウェトエッチング装置を用いて、エッチャント液をスプレーする形態を示している。ウエハ１０は、その中心を通る回転軸Ｐ廻りに回転される。フルコーンスプレー型のノズル３１と、フラットスプレー型のノズル３２とが、ノズル支持部２３において下方に向けて取り付けられている。ノズル３１及び３２の取付位置、角度、及び高さは噴射形状のタイプに応じて適切に決定される必要がある。フルコーン式ノズルであるノズル３１は、ウエハ１０の中間位置の上方に来るように取付けられる。フラット式スプレーであるノズル３２は、ウエハ１０の中間位置に取り付けられると共に、ウエハ１０の中心部からウエハ周辺部をスプレーできるように調整される必要がある。これにより、均一なエッチング特性が得られるようにする。

ノズル３１の吐出角をθ１としノズル３１の吐出角をθ２とすると、θ１＜θ２であり、フラットスプレー型のノズル３２はフルコーンスプレー型のノズル３１に比してより広角の吐出角を提供する。そして、フルコーンスプレー型のノズル３１はウエハ１０の塗布面において円形の塗布領域Ａ３１を形成し、フラットスプレー型のノズル３２では、略楕円形状の塗布領域Ａ３２を形成する。図示されるように、塗布領域Ａ３１は、ウエハ１０の中間領域をカバーし、塗布領域Ａ３２は、ウエハ１０の中間位置を目標としてウエハ１０の中心部からウエハ周辺部迄をカバーしている。

図４は、ノズルの噴射軸とウエハ面との関係を示している。ここで、フラット式スプレー型であるノズル３２がノズル支持部２３に取り付けられている。ノズル３２のウエハ１０への噴射軸Ｓは、ウエハ１０の回転軸Ｐに対して傾斜角Δを有する。好ましくは、傾斜角Δの値は約１度である。これにより、エッチャント液が跳ねないようにして、飛沫を最小限にすることができる。

図５は、ウェトエッチング装置を用いて半導体装置を製造する、本発明による半導体装置製造方法の製造手順を示している。前提として、ウエハは、メタル配線層が形成され、且つ該メタル配線層をエッチャント液に対してマスクするためのメタル配線マスク層が形成されているものとする。メタル配線層の材料は、例えば、ＡＬ及びＡＬ−Ｓｉ−Ｃｕ膜からなる。メタル配線マスク層の材料は通常のレジスト材料が用いられ得る。メタル配線層は、厚膜のメタル配線層とし、その膜厚は例えば３μｍ以上である。エッチング処理の結果として得られる配線幅検証のために設けられるスリット部のスリット幅は、例えば３μｍ以下とする。

先ず、メタル配線マスクが形成されたウエハをウェトエッチング装置に装着する（ステップＳ１）。ウエハの装着は手作業又は自動化して行われる。

次に、ウエハが保持されたウエハホルダを一定回転数で回転せしめる（ステップＳ２）。その回転素数は、例えば一定回転数とし、例えば４００ｒｐｍ〜１０００ｒｐｍ程度の回転数に選択される。

同時に、複数のノズルを介してエッチャント液をスプレーする（ステップＳ３）。エッチャント液は、例えば、燐酸、酢酸及び硝酸の混合液が用いられる。エッチャント液は、薬液タンク４３にて温度調整されているが、その温度は例えば５０℃〜６５℃である。

次に、所定時間経過後、ウエハをウェトエッチング装置から脱着する（ステップＳ４）。ここで、処理時間は、メタル配線膜の非配線部分を溶融処理するに要する時間を基準時間として、さらにスリット部分の膜残りを除去するオーバエッチング時間を必要とする。従来では基準時間に対して５０％〜６０％のオーバエッチング時間を必要とするが、本発明を適用することにより２０％程度のオーバエッチング時間で足りることが検証されている。

次に、脱着したウエハを洗浄及び乾燥する（ステップＳ５）。ウエハの洗浄は、ウエハに薬液成分が残留している為に純水にて行われる。ウエハの乾燥は、例えばスピンドライヤー等の手法を用いて行われる。

以上の第１の実施例において、フルコーンスプレー型のノズルとフラットスプレー型のノズルとの２つのタイプからなるノズル３１及びノズル３２が用いられている。塗布パターンが異なるノズルを２つの用いたことにより、スリット等のメタル配線の微小部分に程よくエッチャント液が供給できるようになる。

フルコーンスプレー型或いはフラットスプレー型のノズル1個のみを用いてエッチャント液をウエハ中心部を狙って吐出したたけでは、ウエハの中間領域において膜残りが発生していた。しかし、本実施例のように、フルコーンスプレー型とフラットスプレー型との異なるタイプのノズルを２個用いることにより、ウエハの中間領域においても膜残りが発生しない。これは、フラットスプレー型のノズルによってウエハ周辺部及び中心部に適切な液量を維持しつつ、フラットスプレー型のノズルによる中間領域における液量不足をフルコーンスプレー型のノズルによって補うことができるためと推察される。これにより、ウエハ全体に少しのオーバーエッチで安定したエッチングが期待され、メタル配線の膜残りの発生を回避することができる。

＜第２の実施例＞
図６は、本発明の第２の実施例を示し、本発明によるウェトエッチング装置に含まれるノズルの配置を示している。第２の実施例における特徴は、第１の実施例に比して、さらにエッチャント液吐出用のノズルを２個から４個に増加させ、併せて２つのタイプのノズルを各々２つ使用している。そして、各タイプ毎に専用のノズル支持部２３ａとノズル支持部２３ｂが設けられている。フラットスプレー型のノズル３２ａ及び３２ｂは、ノズル支持部２３ａによって支持され、フルコーンスプレー型のノズル３１ａ及び３１ｂは、ノズル支持部２３ｂによって支持される。図５に示されるように、ノズル支持部２３ａとノズル支持部２３ｂとは、例えば十文字状に互いに９０度の挟角をなして配置され、ノズル支持部２３ａ及び２３ｂに取り付けられたノズル３１ａ、ノズル３２ａ、ノズル３１ｂ及びノズル３２ｂは、ウエハ１０と中心を同じくする同心円Ｃ上に概ね配置されている。

以上のように第２の実施例によればエッチャント液スプレーを２個から４個に増加させることでウエハ面内に供給されるエッチャント液が安定して供給されるので安定したエッチングが期待できる。また、この実施例を適用することでエッチング反応速度が向上し、処理時間の短縮が計れる。

尚、図６に示された例は、噴射形状のタイプを２種類としたが３種類のタイプが用いられてもよく、ノズル総数も４つ以上の数が用いられてもよい。また、本図の例では、同心円Ｃ上で噴射形状のタイプが１つ毎に交代する形態が示されているが、同一タイプが２つ以上連続する形態であってもよい。

以上の複数の実施例から明らかなように、本発明によるウェトエッチング装置及び方法並びに半導体製造方法を実施することにより、薬液温度、回転数、ノズルの種類、ノズル吐出角度を変更したたけでは解決できなかった膜残りの問題が解決されている。また、オーバーエッチチングの時間が短縮されることで、長時間のオーバーエッチチングによって線幅が過度に細くなってしまう欠点が回避されている。

膜残り現象を説明する説明図である。本発明の第１の実施例を示し、本発明によるウェトエッチング装置の構成を示すブロック図である。図２に示されたウェトエッチング装置を用いて、エッチャント液をスプレーする形態を示す斜視図である。ノズルの噴射軸とウエハ面との関係を示す側面図である。ウェトエッチング装置を用いて半導体装置を製造する、本発明による半導体装置製造方法の製造手順を示すフローチャートである。本発明の第２の実施例を示し、本発明によるウェトエッチング装置に含まれるノズルの配置を示す平面図である。

１０ウエハ
２０ウェトエッチング装置
２１ホルダ回転装置
２２ウエハホルダ
２３ノズル支持部
２４ドレイン
３１、３１ａ、３１ｂフルコーンスプレー型ノズル
３２、３２ａ、３２ｂフラットスプレー型ノズル
４１、４２吐出ポンプ
４３薬液タンク

Claims

ウエハ上に形成された被エッチング層にウェトエッチング処理を行うウェトエッチング装置であって、
前記ウエハを保持し、前記ウエハの中心を通る回転軸廻りに前記ウエハを回転せしめる回転ホルダと、
前記ウエハの上方に各々が配置され、前記ウエハの回転と並行して前記ウエハに向けてエッチャント液を各々が噴射する複数のノズルと、
を備え、前記複数のノズルが、互いに異なるタイプの噴射形状を有し、
前記噴射形状の互いに異なるタイプは、フルコーンスプレー型の噴射形状とフラットスプレー型の噴射形状との２つのタイプであることを特徴とするウェトエッチング装置。
前記ノズルは、前記ウエハの中心と周辺部との間の略中間位置に向けて前記エッチャント液を噴射することを特徴とする請求項１に記載のウェトエッチング装置。
前記ノズルの噴射軸は、前記ウエハの回転軸に対して傾斜していることを特徴とする請求項１又は２に記載のウェトエッチング装置。
前記噴射形状のタイプ数に対応した数の複数系統の吐出ポンプを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のウェトエッチング装置。
前記複数のノズルは、前記ウエハに対して同心円上に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のウェトエッチング装置。
前記同心円上に配置された複数のノズルは、前記タイプの違いに従って並べられていることを特徴とする請求項５に記載のウェトエッチング装置。
ウエハ上に形成された被エッチング層にウェトエッチング処理を行うウェトエッチング方法であって、
前記ウエハを保持し、前記ウエハの中心を通る回転軸廻りに前記ウエハを回転せしめる回転ステップと、
前記ウエハの上方に各々が配置された複数のノズルから、前記ウエハの回転と並行して前記ウエハに向けてエッチャント液を噴射する噴射ステップと、
を含み、前記複数のノズルが、互いに異なるタイプの噴射形状を有し、
前記噴射形状の互いに異なるタイプは、フルコーンスプレー型の噴射形状とフラットスプレー型の噴射形状との２つのタイプであることを特徴とするウェトエッチング方法。
半導体ウエハ上の被エッチング層をウェトエッチング処理するウェトエッチング工程を含む半導体装置製造方法であって、
前記ウェトエッチング工程は、
前記半導体ウエハの中心を通る回転軸廻りに前記半導体ウエハを回転せしめる回転工程と、
前記ウエハの上方に各々が配置された複数のノズルから、前記ウエハの回転と並行して前記ウエハに向けてエッチャント液を噴射する噴射工程と、
を含み、前記複数のノズルが、互いに異なるタイプの噴射形状を有し、
前記噴射形状の互いに異なるタイプは、フルコーンスプレー型の噴射形状とフラットスプレー型の噴射形状との２つのタイプであることを特徴とする半導体装置製造方法。
前記被エッチング層は、メタル配線層であることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置製造方法。