JP5629098B2 - シリコン基板上のパターン修復方法 - Google Patents
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Description
本発明は、シリコン基板上のパターン修復方法に関する。
半導体装置の製造工程では、シリコン基板（半導体ウエハ）上に、フォトリソグラフィー工程によって、微細な回路パターンを形成する。このフォトリソグラフィー工程では、フォトレジストの塗布、露光、現像工程や、フォトレジスト等をマスクとしたエッチング工程等によってシリコン基板上に所定のパターン、例えば、ラインやホール等を形成する。
このようなフォトリソグラフィー工程において、エッチングを行う際に、パターンの側壁にポリマー（所謂サイドウォールポリマー）が付着する場合がある。このようなサイドウォールポリマーを除去する技術として、フッ化水素とメタノール等からなる洗浄液によって洗浄する所謂ウェット洗浄技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、コンタクトホール内に形成された自然酸化膜を除去する技術としては、フッ化水素蒸気とアルコール蒸気の混合蒸気を使用することが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
上述したとおり、従来から、フォトリソグラフィー工程の途中で発生するサイドウォールポリマーをウェット洗浄により除去する技術や、コンタクトホール内に形成された自然酸化膜を蒸気によって除去する技術が知られている。
ところで、半導体装置では、回路パターンの微細化が進められており、フォトリソグラフィー工程で形成されるパターンは、その線幅が例えば５６ｎｍから４３ｎｍさらに３２ｎｍ等に微細化される傾向にある。そして、このようなパターンの微細化を行うと次のような問題が発生する。
すなわち、例えば、シリコン基板上に線幅が３２ｎｍ以下のライン状のパターンを形成する場合、エッチング後に大気中で放置しておくと、パターン間のスペース内で成長した異物によって、パターン間のスペースが埋められてしまい隣接するパターン同士が異物で接続された状態になるという現象が発生する。また、大気中での放置時間が長くなると、パターン間で成長した異物の影響でパターンが倒れてしまうという現象も発生する。このような異物は、エッチングの際にパターンに残留したハロゲン元素等が空気中のアンモニア等と反応して発生したものと考えられる。そして、パターンの幅及びスペースの幅が微小であるため、パターン間のスペースが異物で埋められてしまったり、パターンが倒れてしまう等の現象が発生するものと推測される。
また、３２ｎｍ等の微細パターンの場合、ウェット洗浄を行うと洗浄時にパターン同士が接着された状態になる現象が発生する。これは、主に液体の表面張力により倒壊するものと考えられ、その他場合によってはウォーターマーク残留成分が接着剤として作用するためと考えられる。このため、３２ｎｍ等の微細パターンの場合、ウェット洗浄を行うことは難しい。
上記のように、シリコン基板上に３２ｎｍ以下の微細パターンを形成する場合、パターン間のスペースが異物によって埋められてしまったり、異物の影響でパターンが倒れてしまう等の現象が発生する場合があった。そして、３２ｎｍ以下の微細パターンの場合、ウェット洗浄を行うことも困難なため、従来このような現象が発生したシリコン基板は破棄せざるを得なかった。このため、パターンの間に成長した異物を除去して当該パターンの形状を回復させることのできるシリコン基板上のパターン修復方法及びシリコン基板上のパターン修復装置の開発が望まれていた。
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、シリコン基板上にエッチングによって形成されたパターンの間に成長した異物を除去して当該パターンの形状を回復させることのできるシリコン基板上のパターン修復方法を提供しようとするものである。
本発明に係るシリコン基板上のパターン修復方法は、シリコン基板上にエッチングによってパターンの線幅が３２ｎｍ以下のパターンを形成する工程と、前記シリコン基板を大気中に晒す工程と、前記シリコン基板を大気中に晒すことにより前記パターンの間に成長した異物を、前記シリコン基板をチャンバー内に収容し、前記シリコン基板を１６０℃以上に加熱することにより除去して当該パターンの形状を回復させる加熱工程と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、シリコン基板上にエッチングによって形成されたパターンの間に成長した異物を除去して当該パターンの形状を回復させることのできるシリコン基板上のパターン修復方法を提供することができる。
以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るシリコン基板上のパターン修復方法によって修復するパターン構成の一例を模式的示すものである。同図に示すように、シリコン基板（半導体ウエハ）Ｗには、一定間隔で一定幅のライン状に形成されたパターン１１０がエッチングにより形成されており、パターン１１０の間にはスペース１１１が形成されている。本実施形態では、パターン１１０及びスペース１１１の幅は、３２ｎｍ以下とされている。
これらのパターン１１０は、例えば、下側から順に、シリコン基板Ｗを構成する単結晶シリコン層１００、ＳｉＯ２層１０１、ポリシリコン層１０２、ＳｉＯ２層１０３、ＳｉＮ層１０４、ＳｉＯ２層１０５等から構成されている。
次に、図２を参照して、本発明の一実施形態に係るシリコン基板上のパターン修復方法について説明する。図２（ａ）に示すように、エッチング工程終了後は、各パターン１１０の間には、スペース１１１が形成され、各パターン１１０が夫々分離した状態となっている。
エッチング工程終了後、大気中にシリコン基板Ｗを放置すると、図２（ｂ）に示すように、パターン１１０の間に異物１１２が成長する。そして、図２（ｂ）中左側に示すように、パターン１１０の間のスペース１１１が異物１１２によって埋まり、隣接するパターン１１０同士が異物１１２で接続された状態となる現象や、図２（ｂ）中右側に示すように、異物１１２の影響でパターン１１０が倒れた状態となる現象が発生する。このような現象は、パターン１１０及びスペース１１１の幅が広い場合（例えば５６ｎｍ等の場合）は、発生することはなかった。
上記の異物１１２は、エッチングの際にパターン１１０に残留したハロゲン元素（フッ素等）が、空気中のアンモニア等と反応して発生したものと考えられる。パターン１１０を形成するためのプラズマエッチングでは、エッチングガスとしてフッ素を含むガスを使用する場合が多く、この場合異物１１２は、少なくともケイフッ化アンモニウムを含んでいると推定される。なお、上記の現象は、例えばシリコン基板Ｗを１カ月程度空気中に放置することによって発生する。また、図２（ａ）に示す状態から、加湿（湿度８５％）及び加温（温度８５℃）した加速試験を行えば２４時間程度で発生する。
本実施形態では、図２（ｂ）に示す状態から、パターン修復を行い、パターン１１０の間に成長した異物１１２を除去して当該パターン１１０の形状を回復させ、図２（ｃ）に示す状態とする。このパターン修復では、シリコン基板Ｗをチャンバー内に収容し、シリコン基板Ｗを少なくとも１６０℃以上、好ましくは２００℃以上５００℃以下に加熱して異物１１２を除去しパターン１１０の形状を回復させる。
図３は、本実施形態に用いるシリコン基板上のパターン修復装置１２０の構成を示している。このシリコン基板上のパターン修復装置１２０は、内部を気密に閉塞可能とされたチャンバー１２１を具備している。
チャンバー１２１内には、シリコン基板Ｗを載置するための載置台１２２が設けられている。そして、この載置台１２２内には加熱手段としてのヒータ（図示せず。）が設けられている。
また、チャンバー１２１には、チャンバー１２１内にＨＦ（フッ化水素）ガスを導入するためのＨＦガス導入部１２３及び熱処理雰囲気ガス（Ｎ２，Ａｒ等）を導入するための熱処理雰囲気ガス導入部１２４と、チャンバー１２１内から排気するための排気部１２５が設けられている。ＨＦガス導入部１２３は、図示しないＨＦガス供給源に接続され、熱処理雰囲気ガス導入部１２４は図示しないＮ２ガス供給源及びＡｒガス供給源等に接続されており、排気部１２５には、図示しない真空ポンプが接続されている。
上記構成のシリコン基板上のパターン修復装置１２０のチャンバー１２１内にシリコン基板Ｗを搬入し、載置台１２２上に載置して、シリコン基板Ｗを少なくとも１６０℃以上に加熱する。この時、チャンバー１２１内は、例えば、熱処理雰囲気ガス導入部１２４から導入したＮ２ガス雰囲気又はＡｒガス雰囲気若しくはこれらの混合ガス雰囲気とすることが好ましいが、大気雰囲気中で加熱してもよい。
常圧におけるケイフッ化アンモニウムの融点は１６０℃であり、ケイフッ化アンモニウムを含む異物１１２を除去するためには、加熱温度を１６０℃以上とすることが好ましく、２００℃以上５００℃以下とすることがさらに好ましい。加熱温度を２００℃以上とすることにより、効率的に異物１１２を除去することができる。また、加熱温度の上限を５００℃としたのは、５００℃を超えて加熱温度が高くなると、半導体装置を構成するシリコン基板Ｗにとって好ましくない影響が生じるからである。
実施例１として、図２（ｂ）に示すような状態となったシリコン基板Ｗを、常圧のＮ２ガス雰囲気において２００℃に加熱して１８０秒間パターン修復を行った。この結果、パターン１１０の間に成長した異物１１２を除去することができ、かつ、図２（ｂ）の右側に示すようにパターン１１０が倒れた状態となったものについてはパターン１１０が立った元の状態に戻すことができ、パターン１１０の形状を回復させ、図２（ｃ）に示す状態とすることができた。なお、加熱温度を３００℃とした場合においても同様な結果を得ることができた。
上記のパターン修復における加熱を、大気雰囲気で行ったところ、加熱温度２００℃では、パターン修復が不完全であったが、加熱温度を３００℃とすることによって、上記のＮ２ガス雰囲気の場合と同様な結果を得ることができた。なお、加熱工程は、減圧雰囲気で行ってもよい。
また、サンプルによっては、上記の加熱工程のみでは、パターン１１０の間に成長した異物１１２を除去して当該パターン１１０の形状を回復させることが不十分な場合がある。このような場合、上記したケイフッ化アンモニウム等と大気中の水分とが反応して、異物１１２が二酸化ケイ素を含む状態となっていると考えられる。
この場合シリコン基板をＨＦガス雰囲気に晒す工程を付加することが好ましい。このシリコン基板をＨＦガス雰囲気に晒す工程によって、二酸化ケイ素となっている異物１１２を除去することができるからである。
実際に、実施例２として、図２（ｂ）に示すような状態となっているシリコン基板について、以下の条件で、シリコン基板をＨＦガス雰囲気に晒す工程と、これに続いて加熱工程とを実施し、パターン修復を行った。
シリコン基板をＨＦガス雰囲気に晒す工程
圧力：１３３０Ｐａ（１０Torr）
ＨＦガス流量：２８００ｓｃｃｍ
温度：−１０℃
時間：６０秒
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加熱工程
圧力：２２６Ｐａ（１．７Torr）
ガス流量：Ａｒ＝１７００ｓｃｃｍ＋Ｎ２＝１１．３リットル／分
温度：２００℃
時間：１８０秒
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温度：２００℃
時間：１８０秒
上記の実施例２では、パターン１１０の間に成長した異物１１２を除去することができ、かつ、図２（ｂ）の右側に示すようにパターン１１０が倒れた状態となったものについてはパターン１１０が立った元の状態に戻すことができ、パターン１１０の形状を回復させ、図２（ｃ）に示す状態とすることができた。なお、上記実施例２では、シリコン基板をＨＦガス雰囲気に晒す工程を実施した後に加熱工程を実施したが、加熱工程を実施した後にシリコン基板をＨＦガス雰囲気に晒す工程を実施してもよい。また、シリコン基板をＨＦガス雰囲気に晒す工程と、加熱工程とを同時に実施してもよい。また、ＨＦガス雰囲気にシリコン基板を晒すことにより、残留フッ素の反応によって基板のシリコン系材料に欠陥を生じてしまうことがあるため（例えば、特開平８−２６４５０７号公報参照。）、その防止のためにチャンバー１２１にプラズマ発生機構を搭載して水素原子を含有するガスによるプラズマを照射する等、残留フッ素の除去工程を追加してもよい。
以上、本発明を実施形態及び実施例について説明したが、本発明は係る実施形態及び実施例に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは勿論である。
Ｗ……シリコン基板、１１０……パターン、１１１……スペース、１１２……異物。
Claims (6)
- シリコン基板上にエッチングによってパターンの線幅が３２ｎｍ以下のパターンを形成する工程と、
前記シリコン基板を大気中に晒す工程と、
前記シリコン基板を大気中に晒すことにより前記パターンの間に成長した異物を、前記シリコン基板をチャンバー内に収容し、前記シリコン基板を１６０℃以上に加熱することにより除去して当該パターンの形状を回復させる加熱工程と、
を有することを特徴とするシリコン基板上のパターン修復方法。 - 請求項１記載のシリコン基板上のパターン修復方法であって、
前記加熱工程における加熱温度が２００℃以上５００℃以下であることを特徴とするシリコン基板上のパターン修復方法。 - 請求項１又は２記載のシリコン基板上のパターン修復方法であって、
前記シリコン基板をＨＦガス雰囲気に晒す工程をさらに有することを特徴とするシリコン基板上のパターン修復方法。 - 請求項３記載のシリコン基板上のパターン修復方法であって、
前記シリコン基板をＨＦガス雰囲気に晒す工程と、前記加熱工程とを同時に行うことを特徴とするシリコン基板上のパターン修復方法。 - 請求項１〜４いずれか１項記載のシリコン基板上のパターン修復方法であって、
前記異物がケイフッ化アンモニウムを含むことを特徴とするシリコン基板上のパターン修復方法。 - 請求項１〜５いずれか１項記載のシリコン基板上のパターン修復方法であって、
前記異物が二酸化ケイ素を含むことを特徴とするシリコン基板上のパターン修復方法。
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