JP5844436B2 - 化学流体処理装置及び化学流体処理方法 - Google Patents
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Description
本開示は、高温化学流体で基板を処理することによって基板−たとえば半導体ウエハ−を処理する化学流体処理装置及び化学流体処理方法に関する。
半導体デバイスを製造する多くの方法には、−たとえば化学液体でエッチングすることによって半導体ウエハ上に形成される膜を除去するとき−化学流体による基板処理が含まれる。一例では、ハードマスクとして用いられるSiN膜がフッ化水素(HF)によってウエハから除去されて良いし、又は、Si系膜がアンモニア若しくは水酸化アンモニウム溶液によって除去されても良い。
単一ウエハ膜エッチングプロセスにおいては、化学流体は回転ウエハの中心に供給され、かつ、化学液体は、ウエハの中心から端部までウエハ表面全体にわたって流れる。しかし化学液体がウエハ全体にわたって流れることでその化学液体は冷却される。これは問題である。なぜなら基板上の膜のエッチング速度は、液体と基板の温度に依存するからである。この結果、基板の中心と端部との間でのエッチング均一性が不十分となる恐れがある。この問題は、基板サイズが増大するとより顕著になる。
本発明の実施例は、基板を処理する化学流体処理装置及び化学流体処理方法について記載している。一の実施例によると、基板表面全体にわたって実質的に一定の温度が維持されるように、複数の種類の化学流体によって基板を処理する化学流体処理装置が供される。当該装置は、前記基板を保持する基板保持機構、前記基板保持機構を回転させる回転機構、第1温度の第1化学流体を前記基板の前面に供給する、前記基板の上方に位置する放出ノズル、及び、前記第1化学流体を前記放出ノズルへ供給する第1化学流体供給機構を有する。当該装置はさらに、前記第1温度よりも高い第2温度の第2化学流体を前記基板の前面又は背面へ供給する、前記基板の半径方向を向くバーノズル、及び、前記第2化学流体を前記バーノズルへ供給する第2化学流体供給機構を有する。前記バーノズルは、前記基板の中心から様々な距離をとる前記基板の前面又は背面上の複数の接触位置へ前記第2化学流体を供給する複数の排出口を有する。
他の実施例によると、基板表面全体にわたって実質的に一定の温度が維持されるように、複数の種類の化学流体によって基板を処理する化学流体処理方法が供される。当該方法は、前記基板を保持する工程、前記基板を回転させる工程、第1化学流体を放出ノズルから前記基板の前面に供給する工程、及び、第2化学流体をバーノズルから前記基板の前面又は背面へ供給する工程を有する。前記バーノズルは前記基板の半径方向を向く。前記第2温度は前記第1温度よりも高い。前記第2化学流体は、少なくとも1つのバーノズルから複数の排出口を介して前記基板の中心から様々な距離をとる前記基板の前面又は背面上の複数の接触位置へ放出されるように供給される。
本発明のより完全な評価及び本発明の多くの利点は、以降の詳細な説明を添付図面と共に考慮しながら参照することによってより良く理解される。
以降の詳細な説明では、本願明細書の一部を構成する添付図面が参照される。詳細な説明、図面、及び請求項に記載された実施例は限定を意味しない。他の実施例の利用及び他の変化型は、発明の対象の技術的思想又は範囲から逸脱することなく可能である。
本開示は、基板表面全体にわたって実質的に一定の温度を維持することによって基板の処理の均一性を増大させる基板処理装置及び基板処理方法を供する。当該装置及び処理方法では、大きな基板全体にわたって優れた温度均一性を維持しながら、他の装置及び処理方法と比較して、使用する化学流体の体積が少ない。前記処理は、半導体製造において広く知られている様々な処理−エッチング、洗浄、リンス、体積、及び条件出し−を含む。
図1Aは、第1実施例による複数の種類の化学流体による基板10の処理を概略的に示す断面図である。基板10は円形半導体ウエハ−たとえば200mm、300mm、又は450mmSiウエハ−を含む。さらに他の基板−たとえば−が用いられても良い。他の基板−たとえば液晶ディスプレイ(LCD)用ガラス基板を含むフラットパネルディスプレイ(FPD)用基板、フォトリソグラフィマスク石英基板−が用いられても良い。
基板10は、保持機構（図示されていない）によって保持される。基板10は、基板保持機構を回転させるように構成された回転機構（図示されていない）によって基板10の中心の周りで回転する。基板保持機構及び基板回転機構は当技術分野において周知である。放出ノズル12は、第1温度の第1化学流体14を基板10の前面（上面）16へ供給するように、基板10の上方に設けられる。前面16上での流体プロファイル15が概略的に示されている。一例では、放出ノズル12は、第1化学流体14を基板10へ供給する単一の排出口を有して良い。第1化学流体供給機構8は、第1化学流体14を放出ノズル12へ供給する。
図1Aはさらに、基板の背面（下面）22へ第2温度の第2化学流体20を供給するように基板10の半径方向を向くバーノズル18を概略的に示している。ここで第2温度は第1温度よりも高い。第2化学流体供給機構24は、第2化学流体20をバーノズル18へ供給する。背面22上での流体プロファイル17が概略的に示されている。基板10の処理中、第1化学流体14と第2化学流体20は同時に基板10へ供給される。熱い第2化学流体20は、基板10の冷却に対抗し、かつ、基板10の温度をより均一に保つ。膜エッチングプロセスでは、基板温度の均一性が改善されることで、基板10全体にわたる膜エッチング均一性が改善される。化学流体は、気体、液体、又は両者の混合物を含んで良い。気体は、広範な気体−たとえばAr及びN2のような不活性ガスを含む−を含んで良い。典型的な液体は表1に与えられている。一例では、フッ化水素(HF)含有水系液体が、窒化物膜−たとえばSiN−をエッチングするのに用いられて良い。
一例では、基板10の前面（上面）16は、処理が行われる活性面で、かつ、基板10の背面（下面）22は、熱エネルギーを供するために第2化学流体20のみが付与される不活性面である。その結果、前面16全体にわたる基板温度の均一性が改善される。よって第2化学流体（不活性流体）20は、第1化学流体14の組成とは異なる組成を有して良い。これにより、供給又は廃棄のコストが小さい第2化学流体の使用が可能となる。他の例では、活性表面は、背面又は前面と背面の両方の面であって良い。
図1Bは、第2実施例による複数の種類の化学流体による基板の処理を概略的に示す断面図である。図1Bの実施例は図1Aの実施例と似ている。ただしバーノズル18は、第2温度の第2化学流体を基板10の前面16へ供給するように基板10の半径方向を向いている。
図1Cは、図1Aと図1Bの実施例についての基板の半径方向の位置の関数としての基板温度の実験結果を示している。450mmSi基板（ウエハ）が熱水によって処理され、かつ、基板全体にわたる温度が測定され、かつ、放出のずるのみが用いられてバーノズルが用いられない設定と比較された。放出ノズルから供給された流体の温度は70℃で、かつ、バーノズルから放出された流体の温度は79℃だった。図1Cの結果は、基板全体にわたる温度均一性が改善されたことを明らかに示している。放出ノズルのみを用いたときの基板全体にわたる温度変化は約4℃だった。バーノズルを用いて第2温度の第2化学流体を基板の前面へ供給したときの基板全体にわたる温度変化は約2℃だった(1B)。バーノズルを用いて第2温度の第2化学流体を基板の背面に供給したときの基板全体にわたる温度変化も約2℃だった(1A)。このことは、温度均一性は、前面バーノズル供給と背面バーノズル供給とで似ていたことを示している。良好な温度均一性に加えて、背面供給は、放出ノズルと背面バーノズルとで異なる流体を使用することを可能にする。一例では、放出ノズルはエッチング液体を供給し、かつ、背面放出ノズルは、エッチング用液体の代わりに熱水を供給して良い。
バーノズル設計の実験及び反復によって、基板全体にわたる温度均一性は顕著に改善された。一例では、排出口の密度が基板中心よりも基板端部で大きくなるように、化学流体を基板へ供給するバーノズルの排出口（穴）のピッチを変更することで、基板全体にわたる温度均一性が改善されたことが示された。
図2Aは、ピッチが一定の排出口を含むバーノズル30、及び、ピッチが可変の排出口を含むバーノズル32を概略的に示している。一例では、バーノズルは58の排出口を含んで良い。しかし他の例では、バーノズルは58以外の排出口を有しても良い。一部の実施例によると、排出口の直径は約0.1mm〜約2mm又は約1mm〜約2mmであって良い。一部の例では、排出口の直径は約0.35mm又は約0.5mmであって良い。
図2Bは、基板の中心から端部へ向かって減少する可変間隔を有する排出口を含むバーノズルを概略的に示している。換言すると、隣接する排出口36間での距離は、基板の中心から基板の端部へ向かう方向に沿って変化する。図2Bに示された例では、隣接する排出口間での距離は、基板の中心から端部へ向かう半径方向に沿って減少する。一例では、バーノズルは58の排出口を有して良い。
図3は、バーノズルの壁を貫通するように形成された複数の排出口（穴）を含むバーノズルの断面を概略的に示している。穴が基板の回転と一致するようにその穴の角度を垂直方向から変化させることで、飛散が抑制され、かつ、基板全体にわたる温度均一性の性能が改善されることがわかった。典型的な角度には基板表面に対して30°及び60°の角度が含まれる。しかし他の大きさの角度が用いられても良い。図3a)は直径0.35mmの垂直排出口を概略的に示している。図3b)は垂直方向と30°の角をなす直径0.35mmの垂直排出口を概略的に示している。図3c)は水平方向と60°の角をなす直径0.35mmの垂直排出口を概略的に示している。図3d)は水平方向と30°の角をなす直径0. 5mmの垂直排出口を概略的に示している。
図4は、様々な排出口角度と様々な排出口ピッチについての基板半径の関数としての測定温度の均一性を示している。4つの実験には、(A)第1化学流体を基板前面へ供給する放出ノズル、及び、第2化学流体を基板背面へ供給する、60°の角度をなす排出口を備えてピッチが可変（基板端部へ向かって密になる）である背面バーノズル、(B)第1化学流体を基板前面へ供給する放出ノズル、及び、第2化学流体を基板背面へ供給する、60°の角度をなす排出口を備えてピッチが一定である背面バーノズル、(C)第1化学流体を基板前面へ供給する放出ノズル、及び、第2化学流体を基板背面へ供給する、90°の角度をなす排出口を備えてピッチが一定である背面バーノズル、並びに、(D)第1化学流体を基板前面へ供給する放出ノズルが含まれた。図4の結果は、基板全体にわたる温度均一性は、(A)で最も高くて(D)で最も低いことを示している。温度均一性（範囲）は、(A)では約1.1°で、(B)では約1.9°で、(C)では約3.7°で、かつ、(D)では約5.1°であった。
図5は、本発明の実施例による基板半径の関数としてのエッチング均一性を示している。図5の結果は、前面放出ノズルと背面バーノズルを利用するエッチングプロセスは、前面放出ノズルのみを利用するエッチングプロセスと比較して、TiN膜のエッチング均一性を改善させることを示している。これは、前面放出ノズルと背面バーノズルを使用するときに基板表面全体にわたる温度均一性が良好になるためだと考えられ得る。図5の典型的なエッチングプロセスでは、放出ノズル内での化学流体の温度は50℃で、かつ、バーノズル内での化学流体の温度は57℃だった。使用された化学流体は、過酸化水素を含む酸化液体であった。
図6は、様々な温度の化学流体をバーノズル60へ導入する2つの流入口を含むバーノズル60の断面を概略的に示している。バーノズル60は、冷たい化学流体62と熱い化学流体64が混合する混合チャンバ69を含む。よって結果として得られる化学流体66は、排出口68を介して基板表面（図示されていない）へ、一の端部での冷たい化学流体の温度から他の端部での熱い化学流体の温度までの連続する温度範囲で供給される。他の実施例は、3つ以上−たとえば3つ、4つ、又はそれよりも多い数−の流入口の利用を想定している。流入口は、図6に図示されている位置以外のバーノズル60上の位置に設けられても良い。他の例では、2つ以上の流入口が、様々な温度以外の又は様々な温度に加えて様々な特性を備える化学流体を導入するのに用いられて良い。様々な特性とはたとえば、化学濃度又は化学組成を含んで良い。
図7は、本発明の実施例によるバーノズル70内でのシミュレーションによる温度分布を示している。バーノズル70は、様々な温度の化学流体をバーノズル70へ導入する2つの流入口72,74を含んでいた。化学流体の冷たい流入口温度は70℃だった。化学流体の熱い流入口温度は80℃だった。バーノズル70内での化学流体の温度は、基板中心部での約70℃（左）から基板端部での約79℃にまで増大した。
図8Aは、実施例による複数の種類の化学流体による基板80の処理を概略的に示す断面図である。第1化学流体84は、放出ノズル82によって基板前面（上面）86の中心へ供給される。第2化学流体89の排出口温度が基板80の半径方向での位置に対して増大する（中心部では冷たく端部では熱い）ように、バーノズル88は第2化学流体89を基板80の背面87へ供給する。バーノズル80は、様々な温度の化学流体をバーノズル80へ導入する2つの流入口83,85を有する。バーノズル88からの供給温度の変化は、実質的に一定の温度の化学流体を含むバーノズルと比較して、化学流体が前面86で基板80全体にわたって流れることで生じるその化学流体の冷却に、より緊密に対抗する。
図8Bは、実施例による複数の種類の化学流体による基板の処理を概略的に示す断面図である。第1化学流体84は、放出ノズル82によって基板前面（上面）86の中心に供給される。。第2化学流体89の排出口温度が基板80の半径方向での位置に対して増大する（中心部では冷たく端部では熱い）ように、バーノズル88は第2化学流体89を基板80の前面86へ供給する。
図9A-図9Cは、化学流体を基板へ供給する様々な方法について、基板半径の関数としてのシミュレーションによる温度均一性を示している。図9Aは、放出ノズルを用いて第1化学流体を基板前面へ供給した場合の温度均一性を示している。図9Bは、放出ノズルを用いて第1化学流体を基板前面へ供給し、かつ、バーノズルを用いて第2化学流体を基板背面へ供給した場合の温度均一性を示している。図9Cは、放出ノズルを用いて第1化学流体を基板前面へ供給し、かつ、背面バーノズルを用いて、半径方向に温度勾配（中心部では冷たくて端部では熱い）を有する第2化学流体を基板背面へ供給した場合の温度均一性を示している。シミュレーションは、背面放出ノズルからの可変供給温度が、基板全体にわたる温度均一性を顕著に改善させることを示している（図9C）。基板全体にわたる温度範囲は、図9Aでは2.3で、図9Bでは0.7で、かつ、図9Cでは0.13であった。
図10は、本発明の実施例による化学流体104を加熱するヒーター（加熱素子102）を含むバーノズル100の断面を概略的に示している。バーノズル100は、バーノズル100から供給温度が可変である化学流体106を供給するため、内部加熱素子102、又は、個々の制御装置を備える複数加熱素子からなる一連の加熱素子を含んで良い。このとき供給温度は、基板の中心部から端部まで増大する。
表1は、本発明の実施例において利用可能な化学流体と流体温度の例の一覧を示している。
一の実施例では、バーノズルと基板表面との間の距離は、1mmから30mm、1mmから20mm、又は5mmから20mmであって良い。一例では、距離は約5mmであって良い。
一の実施例では、化学流体の流量は、約100mL/min〜約10mL/min、約200mL/min〜約5mL/min、又は、約200mL/min〜約2mL/minであって良い。一例では、化学流体供給量は約1L/minであって良い。
一の実施例では、基板の回転速度は、約25RPM〜約4000RPM、約50RPM〜約1000RPM、又は、約50RPM〜約500RPMであって良い。一例では、回転速度は約150RPMであって良い。
一の実施例では、基板は、約10秒〜約15秒、約10秒〜約1分、又は、約30秒〜約1分の間、化学流体に曝露されて良い。
8 第1化学流体供給機構
10 基板
12 放出ノズル
14 第1化学流体
15 流体プロファイル
16 前面
17 流体プロファイル
18 バーノズル
20 第2化学流体
22 背面
24 第2化学流体供給機構
30 ピッチが一定の排出口を含むバーノズル
32 ピッチが可変の排出口を含むバーノズル
36 隣接する排出口
60 バーノズル
62 冷たい化学流体
64 熱い化学流体
66 化学流体
68 排出口
69 混合チャンバ
70 流体の温度
72 流入口
74 流入口
80 基板
82 放出ノズル
83 流入口
84 第1化学流体
85 流入口
86 前面（上面）
87 背面
88 バーノズル
89 第2化学流体
100 バーノズル
102 加熱素子
104 化学流体
106 化学流体
10 基板
12 放出ノズル
14 第1化学流体
15 流体プロファイル
16 前面
17 流体プロファイル
18 バーノズル
20 第2化学流体
22 背面
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30 ピッチが一定の排出口を含むバーノズル
32 ピッチが可変の排出口を含むバーノズル
36 隣接する排出口
60 バーノズル
62 冷たい化学流体
64 熱い化学流体
66 化学流体
68 排出口
69 混合チャンバ
70 流体の温度
72 流入口
74 流入口
80 基板
82 放出ノズル
83 流入口
84 第1化学流体
85 流入口
86 前面（上面）
87 背面
88 バーノズル
89 第2化学流体
100 バーノズル
102 加熱素子
104 化学流体
106 化学流体
Claims (18)
- 基板表面全体にわたって実質的に一定の温度が維持されるように、複数の種類の化学流体によって基板を処理する化学流体処理装置であって：
前記基板を保持する基板保持機構；
前記基板保持機構を回転させる回転機構；
第1温度の第1化学流体を前記基板の前面に供給する、前記基板の上方に位置する放出ノズル；
前記第1化学流体を前記放出ノズルへ供給する第1化学流体供給機構；
前記第1温度よりも高い第2温度の第2化学流体を前記基板の前面又は背面へ供給する、前記基板の半径方向を向くバーノズル；及び、
前記第2化学流体を前記バーノズルへ供給する第2化学流体供給機構；
を有し、
前記バーノズルは、前記基板の中心から様々な距離をとる前記基板の前面又は背面上の複数の接触位置へ前記第2化学流体を供給する複数の排出口を有し、かつ、
前記第2化学流体供給機構が、様々な温度の前記第2化学流体を、前記バーノズルの少なくとも2つの流入口へ供給するように構成される、
装置。 - 前記バーノズルから供給される前記第2化学流体の第2温度が、前記基板の中心部から端部まで半径方向に沿って増大する、請求項1に記載の装置。
- 前記バーノズルが、前記第2化学流体を前記第2温度に加熱するヒーターをさらに有する、請求項1に記載の装置。
- 前記バーノズル内部で、複数の排出口が、前記バーノズルの壁を前記基板に対して鋭角をなした状態で貫通して形成される、請求項1に記載の装置。
- 前記バーノズル内部で、複数の排出口が、前記バーノズルの壁を前記基板の回転方向に対して鋭角をなした状態で貫通して形成される、請求項1に記載の装置。
- 隣接する排出口間の距離が、前記基板の中心部から端部へ向かう方向に沿って変化する、請求項1に記載の装置。
- 隣接する排出口間の距離が、前記基板の中心部から端部へ向かう方向に沿って減少する、請求項6に記載の装置。
- 前記第2化学流体が、前記第1化学流体とは異なる化学組成を有する、請求項1に記載の装置。
- 前記基板の前面又は背面へ第3化学流体を供給するように前記基板の半径方向を向く第2バーノズルをさらに有する、請求項1に記載の装置。
- 基板表面全体にわたって実質的に一定の温度が維持されるように、複数の種類の化学流体によって基板を処理する化学流体処理方法であって：
前記基板を保持する工程；
前記基板を回転させる工程；
第1化学流体を放出ノズルから前記基板の前面に供給する工程；
第2化学流体をバーノズルから前記基板の前面又は背面へ供給する工程であって、
前記バーノズルは、第2温度の前記第2化学流体を供給するように、前記基板の半径方向を向き、
前記第2温度は前記第1温度よりも高く、
前記第2化学流体は、少なくとも1つのバーノズルから複数の排出口を介して前記基板の中心から様々な距離をとる前記基板の前面又は背面上の複数の接触位置へ放出されるように供給される、工程；及び、
様々な温度の前記第2化学流体を、前記バーノズルの少なくとも2つの流入口へ供給するように第2化学流体供給機構を構成する工程、
を有する方法。 - 前記バーノズルから供給される前記第2化学流体の第2温度が、前記基板の中心部から端部まで半径方向に沿って増大する、請求項10に記載の方法。
- 前記バーノズルが、前記第2化学流体を前記第2温度に加熱するヒーターをさらに有する、請求項10に記載の方法。
- 前記バーノズル内部で、複数の排出口が、前記バーノズルの壁を前記基板に対して鋭角をなした状態で貫通して形成される、請求項10に記載の方法。
- 前記バーノズル内部で、複数の排出口が、前記バーノズルの壁を前記基板の回転方向に対して鋭角をなした状態で貫通して形成される、請求項10に記載の方法。
- 隣接する排出口間の距離が、前記基板の中心部から端部へ向かう方向に沿って変化する、請求項10に記載の方法。
- 隣接する排出口間の距離が、前記基板の中心部から端部へ向かう方向に沿って減少する、請求項15に記載の方法。
- 前記第2化学流体が、前記第1化学流体とは異なる化学組成を有する、請求項10に記載の方法。
- 第2バーノズルから前記基板の前面又は背面へ第3化学流体を供給する工程をさらに有する請求項10に記載の方法であって、
前記第2バーノズルは、前記第1温度よりも高い第3温度の前記第3化学流体を供給するように、前記基板の半径方向を向く、
方法。
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