JP5917346B2 - エッチング方法、およびエッチング装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、エッチング方法、エッチング装置および薬液に関する。
タングステン(W)は半導体のゲート材料や配線材料として用いられている。しかし、半導体基板の不要部分のタングステンはエッチングにより除去する必要がある。特に基板の裏面、或いは基板外周端及び外周端から数mmの範囲の領域であるいわゆるベベル部に堆積されたタングステンは後工程において汚染の原因、及びプロセスの不安定化の原因になることがある。そのため、不要部分のタングステンを完全に除去することが望ましい。
ベベル部に堆積されたタングステンは、例えば、基板を回転ステージ上で回転させた状態で、薬液を基板のベベル部に噴出させる。これにより、ベベル部に堆積されたタングステンを薬液でエッチングしている。そして、タングステンのエッチング液として、過酸化水素水を含む薬液が知られている。ここで、半導体装置の生産性向上の観点からは、現在の薬液によるタングステンのエッチングレートよりもさらに速いエッチングレートの薬液の開発が望まれている。
特許4551229号公報
本発明の実施形態は、上述した問題点を克服し、エッチングレートをより向上させたエッチング方法及び装置、並びに、かかるエッチングに用いる薬液を提供することを目的とする。
実施形態のエッチング方法は、12ppm以上100,000ppm以下のタングステン(W)を含有する過酸化水素水を主成分とする薬液をエッチング液として用いて、タングステンを主成分とする材料をエッチングし、
前記薬液は、タンク内に溜められ、
前記タンク内の薬液中における前記タングステンの濃度を直接、もしくは間接的に計測し、
計測された前記タングステンの濃度の情報を基に、薬液中における前記タングステンの濃度が12ppm以上100,000ppm以下になるために必要なタングステン量と過酸化水素水量を計算し、
計算された前記必要なタングステン量と過酸化水素水量の情報を基に、前記タンク内の薬液中における前記タングステンの濃度が12ppm以上100,000ppm以下になるように、前記タンク内に必要なタングステンと過酸化水素水との混合液若しくは必要な過酸化水素水を供給することを特徴とする。
また、実施形態のエッチング装置は、タンクと、計測部と、コントローラと、供給部と、処理槽と、を備えている。タンクは、タングステン(W)を含有する過酸化水素水を主成分とする薬液を溜める。計測部は、前記タンク内の薬液中における前記タングステンの濃度を計測する。コントローラは、計測された前記タングステンの濃度の情報を基に、薬液中における前記タングステンの濃度が12ppm以上100,000ppm以下になるために必要なタングステン量と過酸化水素水量を計算する。供給部は、計算された前記必要なタングステン量と過酸化水素水量の情報を基に、前記タンク内の薬液中における前記タングステンの濃度が12ppm以上100,000ppm以下になるように、前記タンク内に必要なタングステンと過酸化水素水との混合液若しくは必要な過酸化水素水を供給する。処理槽は、前記タングステンの濃度が12ppm以上100,000ppm以下に調整された前記タンク内の薬液をエッチング液として用いて、タングステンを主成分とする材料に対し、エッチング処理を行う。
また、実施形態の薬液は、タングステンを主成分とする材料をエッチングする際のエッチング液に用いる薬液であって、12ppm以上100,000ppm以下のタングステン(W)を含有する過酸化水素水を主成分とすることを特徴とする。
第1の実施形態におけるエッチング装置の構成を示す図である。 第1の実施形態におけるタングステン濃度とタングステンを含まない過酸化水素水のエッチングレートに対するタングステン含有過酸化水素水のエッチングレートの比の関係の一例を示す図である。 第1の実施形態のメカニズムを説明するためのタングステンの酸化還元電位とpHの関係を示す図である。 第2の実施形態におけるエッチング装置の構成を示す図である。
(第1の実施形態)
第1の実施形態について、以下、図面を用いて説明する。
図1は、第1の実施形態におけるエッチング装置の構成を示す図である。図1において、第1の実施形態におけるエッチング装置100は、処理槽112と、基板を保持するステージ104と、供給ノズル110と、排液流路114と、薬液供給のためのタンク120と、計測モニタ122と、濃度調整液供給部124と、コントローラ130と、バルブ132と、ポンプ134とを備えている。ステージ104は、処理槽112内に回転可能に配置される。まず、ステージ104は、タングステン(W)膜10が表面に形成された半導体基板等の基板300を載置する。ステージ104は、例えば、基板300の裏面の中央部を真空吸着することで基板300裏面をチャック(保持)する。その際、ステージ104の回転軸上に基板300表面の中心点が位置するように載置する。
タンク120内には、過酸化水素(H)水を主成分とする薬液20が溜められている。また、かかる薬液20には、12ppm以上のタングステン(W)が含有されるように調整されている。かかる調整には、計測モニタ122によって、タンク120内の薬液20中におけるWの濃度が計測され、モニタされる。そして、モニタされたWの濃度情報は、コントローラ130に出力される。計測モニタ122として、例えば、ICP−MSまたは分光光度計を用いて、過酸化水素水中のW濃度を観測すると好適である。Wの濃度の計測は、常時実施してもよいし、所定の間隔で実施してもよい。そして、コントローラ130は、薬液20内のWの濃度が12ppm以上100,000ppm以下になるために必要なW量と過酸化水素水量を計算する。そして、計算結果を濃度調整液供給部124に出力する。
濃度調整液供給部124(供給部の一例)内では、濃度調整部126がコントローラ130から入力した各量の情報を基に、必要なWと過酸化水素水を混合する。例えば、濃度調整部126内に固形のWを配置して、必要な過酸化水素水を供給し、コントローラ130から入力したW量分だけWを過酸化水素水に溶解することで濃度調整用の混合液を製造すればよい。製造された混合液は混合液タンク128に一時的に貯蔵される。混合液タンク128内の混合液22(濃度調整液)は、ポンプ129によって、濃度調整液供給部124内から送り出され、タンク120に供給される。
基板回転工程として、基板300の裏面の中央部がステージ104表面にチャック(保持)された状態で、ステージ中心を軸として、ステージ104を回転させることで、基板中心を軸に載置された基板300を回転させる。回転数を、例えば、300〜1500rpmに制御すると好適である。
薬液供給工程として、回転する基板300のべベル部上にタンク120内の薬液20をポンプ134によって送り出すことで供給する。具体的には、12ppm以上100,000ppm以下のWを含有する過酸化水素水を主成分とする薬液20が充填されているタンク120から薬液20をノズル110側に向かって送り、基板300のベベル部上方に配置されたノズル110(第1の供給ノズル)から基板300の表面ベベル部に薬液20を供給する。ベベル部は、例えば、基板の端部から数mm(例えば0〜5mm)までの領域を示す。
かかる操作により、基板300のベベル部に上方から供給された薬液20は、エッチング液として、基板300のベベル部に形成されたW膜10をエッチングしながら遠心力により基板300の端部に流れ、基板300の端部から外部に飛散する。飛散した使用済の薬液18は、処理槽112内の壁面等を通じて、処理槽112下部に配置された排液流路114から排液される。排液された使用済の薬液18は、タンク120に戻される。このように、タンク120内の薬液は、エッチング処理に使用された後、また、タンク120に戻される。そして、タンク120内では、上述したように、W濃度が調整されているので、調整後の薬液20が再度エッチング用に供給されることになる。このように、エッチングに使用済の薬液18を循環させて再度エッチングに用いると好適である。
図2(a)および(b)は、第1の実施形態におけるタングステン濃度とタングステンを含まない過酸化水素水のエッチングレートに対するタングステン含有過酸化水素水のエッチングレートの比の一例を示す図である。図2(a)は、過酸化水素水中のタングステン濃度が1から1000ppmまでの範囲の結果を示し、図2(b)は、100ppmまでの範囲の結果を示す。ここでは、25℃に保持した35wt%の過酸化水素水と、50℃に加熱した3.5wt%の過酸化水素水と、さらに、55℃に加熱した35wt%の過酸化水素水を用い、過酸化水素水中に含有するタングステン濃度を可変にして、タングステン膜をエッチング処理した際のタングステン濃度と、タングステンを含まない同じ温度および濃度の過酸化水素水によるタングステンのエッチングレートに対するエッチングレートの比を示している。
ここでは、タングステン膜を浸漬させてエッチング処理を行った。タングステン膜を薬液内に浸漬し、エッチング時間として所定の時間が経過した時点で取り出して、エッチングされたことにより減少したタングステン量を測定し、減少したタングステン量とエッチング時間からエッチングレートを求めた。図2において、タングステンを含まない過酸化水素水によるタングステンのエッチングレートに対する、タングステン含有過酸化水素水のエッチングレートの比は、過酸化水素水の温度や濃度によらず、含有するタングステン濃度に依存していることがわかった。図2(b)において、タングステン濃度が10ppmより少ないと、タングステンを含まない時のエッチングレートに対して、実質的には殆ど変化が無いが、10ppmを超えて12ppmになるとエッチングレートが上昇し始め、15ppm以上では明らかにエッチングレートが上昇する結果となった。20ppm、25ppmとタングステン濃度が上昇すると、エッチングレートも上昇した。さらにタングステン濃度を増加させたところ、100ppm付近以上ではエッチングレートの上昇がさらに急激になった(図2(a))。
この時、タングステン濃度が0%、すなわちタングステンを含有していない、55℃に加熱した35wt%過酸化水素水では、タングステンのエッチングレートは、およそ55nm/minであった。これに対し、タングステン濃度が12ppmでおよそ63nm/min、15ppmでおよそ66nm/min、20ppmでおよそ68nm/minと、タングステン濃度増加に従ってエッチングレートが上昇した。タングステン濃度が40ppmではおよそ78nm/min、95ppmでは90nm/minとさらに上昇した。同様に、タングステン濃度が0%、すなわちタングステンを含有していない、50℃に保持した3.5wt%過酸化水素水では、タングステンのエッチングレートは、およそ35nm/minであった。これに対し、タングステン濃度が35ppmでおよそ52nm/min、100ppmでおよそ63nm/minとエッチングレートが上昇した。さらにタングステン濃度が150ppmでは、75nm/min、350ppmでは88nm/minとエッチングレートが急激に上昇した。さらに同様に、タングステン濃度が0%、すなわちタングステンを含有していない、25℃に保持した35wt%過酸化水素水では、タングステンのエッチングレートは、およそ9.5nm/minであった。これに対し、タングステン濃度が40ppmでおよそ13nm/min、100ppmでおよそ13nm/minとエッチングレートが上昇した。さらにタングステン濃度が400ppmでは、25nm/min、600ppmでは28nm/minとエッチングレートが急激に上昇し、600ppm以上でもさらにエッチングレートが上昇する傾向にあった。
なお、後述するように、W濃度が増加し過ぎると、エッチングレートが下降していく。かかるエッチングレートが下降を開始し、Wを含有していない場合のエッチングレートよりもエッチングレートが小さくなってしまうW濃度としては、100,000ppm付近であった。
かかる結果より、W膜をエッチングする場合、温度や濃度に関係なく、過酸化水素水中のW濃度が12ppm付近で、エッチングレートの特異点が存在することがわかった。換言すれば、Wを主成分とする材料をエッチングする際、温度や濃度に関係なく、過酸化水素水にWを12ppm以上、好ましくは15ppm以上、より好ましくは20ppm以上であって、100,000ppm以下の範囲で含有させることで、エッチングレートを飛躍的に上昇させることが可能なことが分かった。なお、W濃度が10ppm未満では、仮にエッチングレートが多少上昇したとしても、実際の半導体装置の生産におけるエッチングレートとしては、Wを含有しない場合と比べて実質的に大きな差はなく、また、急激に上昇する特異点も見当たらなかった。実際の半導体装置の生産において実効あるエッチングレートの向上を果たすには、本実施形態のように12ppm以上、好ましくは15ppm以上、より好ましくは20ppm以上であって、100,000ppm以下の範囲で含有させることがよい。
ここで、エッチングレート上昇のメカニズムについて以下に考察する。Wと過酸化水素の反応は、下記の反応式によって示される。まず、過酸化水素の反応は次の反応式(1)で示すことができる。
(1) H+2H+2e⇔2H
また、Wの反応は次の反応式(2)で示すことができる。
(2) W+4HO⇔WO 2−+8H+3H
そして、反応式(1)と反応式(2)をまとめると、次の反応式(3)で示すことができる。
(3) W+3H⇔WO 2−+2H+3H
図3は、第1の実施形態のメカニズムを説明するためのWの酸化還元電位とpHとの関係を示す図である。図3において、Wを過酸化水素水でエッチングすると、反応式(3)で示すように、WO 2−(タングステン酸イオン)として溶解する。その際、同時にH(水素イオン)が発生することにより、反応が進むとH(水素イオン)が増え、溶液のpHは徐々に低下していく。そのため、Wが12ppm以上溶解した状態では、反応式(1)の正反応が加速され、結果として反応式(3)の正反応が加速される。これにより、エッチングレートが上昇すると予想される。しかし、W溶解濃度がさらに増加すると、H(水素イオン)がさらに増えることでpHが大きく低下してしまうことになる。ここで、図3に示すようにpHが低下し、Aで示す境界を超えると、WO(不動態)の領域に入る。WO(不動態)の反応は次の反応式(4)で示すことができる。
(4) WO+HO⇔WO 2−+2H
W溶解濃度が増加することでH(水素イオン)が増えていくとpHが大きく低下する。そのため、反応式(4)の逆反応が加速し、WO(不動態)となることでエッチングレートが下降していくと考えられる。よって、過酸化水素水に含有するW濃度が増加し過ぎるとエッチングレートが下降すると考えられるが、実験を行った600ppmまでの範囲においては、エッチングレートの下降は生じなかった。よって、12ppm以上で少なくとも600ppmまでのW濃度では、エッチングレートを飛躍的に上昇させることが可能である。
ここで、例えば、W膜10のエッチング処理の際に、処理枚数からW溶解量を算出し、エッチングレートが下降する程度のW濃度になった場合には、コントローラ130によって適正な過酸化水素水補充量を見積もるようにしてもよい。エッチング処理毎に見積もった過酸化水素水の量を補充して濃度を制御してもよい。また、タンク120内の薬液20量が増えすぎたらバルブ132から不要な量だけ排液すればよい。
ここで、反応式(3)で示すように、Wを過酸化水素水に溶解することでpHを下げることができるため、タングステン以外の材料をエッチングする場合も同様の効果が得られることが予想される。具体的な材料は、ベリリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、ジルコニウム、クロム、鉄、モリブデン、ゲルマニウム、亜鉛、バナジウム、ハフニウム、マグネシウム、水銀、セレン、テルル、銅、ヒ素、ビスマス、アンチモン、レニウム、ニッケル、コバルト、カドミウムなどである。
よって、上述したW膜10をエッチングする例に限らず、タングステン、ベリリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、ジルコニウム、クロム、鉄、モリブデン、ゲルマニウム、亜鉛、バナジウム、ハフニウム、マグネシウム、水銀、セレン、テルル、銅、ヒ素、ビスマス、アンチモン、レニウム、ニッケル、コバルト、カドミウムをI種または2種以上含有する材料をエッチングする場合であっても同様の効果が得られる。
ここで、上述した例では、計測モニタ122によって、タンク120内の薬液20中におけるWの濃度が直接的に計測され、モニタされていたが、これに限るものではない。図3に示したように、pHを管理してもエッチングレートの高い薬液を維持できる。Wを過酸化水素水に溶解することでpHを下げるので、計測したpHにより間接的にW濃度が計測され、モニタできることになる。そのため、pHが閾値に近づいたら過酸化水素水をタンク120に供給して、Wの濃度を調整してもよい。
かかる場合、計測モニタ122によって、タンク120内の薬液20におけるpHを計測し、モニタしてもよい。薬液20は、例えば、pHが4.0以上であるように調整される。かかる場合、モニタされたpH情報は、コントローラ130に出力される。pHの計測は、常時実施してもよいし、所定の間隔で実施してもよい。そして、コントローラ130は、薬液20のpHが4.0以上になるために必要なW量と過酸化水素水量を計算する。そして、計算結果を濃度調整液供給部124に出力する。
濃度調整液供給部124(供給部の一例)内では、濃度調整部126がコントローラ130から入力した各量の情報を基に、必要なWと過酸化水素水を混合させる。或いは過酸化水素水単独の液とする。製造された混合液或いは過酸化水素水は混合液タンク128に一時的に貯蔵される。混合液タンク128内の混合液22或いは過酸化水素水(濃度調整液)は、ポンプ129によって、濃度調整液供給部124内から送り出され、タンク120に供給される。かかる構成によってもエッチングレートの向上に必要なW濃度を維持しながらエッチングレートを低下させないpHに維持できる。
以上のように、第1の実施形態によれば、エッチングレートをより向上させたエッチング方法及び装置、並びに、かかるエッチングに用いる薬液を得ることができる。よって、エッチング処理のスループットを向上させ、生産性を高めることができる。
(第2の実施形態)
第1の実施形態では、図1に示したように基板表面のベベル部のW膜をエッチングする例を示したがこれに限るものではない。
図4は、第2の実施形態におけるエッチング装置の構成を示す図である。図4において、供給ノズル108と、タンク120から供給ノズル108への図示しない配管を追加した点以外は図1と同様である。また、以下、特に説明する点以外の内容は第1の実施形態と同様である。
薬液供給工程として、基板300のベベル部上方に配置されたノズル110(第1の供給ノズル)から基板300の表面ベベル部に薬液20を供給する際に、同時に、基板300のベベル部下方に配置されたノズル108(第2の供給ノズル)から基板300の裏面ベベル部に薬液20を供給する。
かかる操作により、基板300表面のベベル部に形成されたW膜10をエッチングすると同時に基板300裏面のベベル部に付着したW膜をエッチングする。その際、基板300裏面側から供給され、遠心力によって基板裏面端部から飛散した使用済の薬液19は、薬液18と同様、処理槽112内の壁面等を通じて、処理槽112下部に配置された排液流路114から排液される。排液された使用済の薬液18,19は、タンク120に戻される。このように、タンク120内の薬液は、エッチング処理に使用された後、また、タンク120に戻される。そして、タンク120内では、上述したように、W濃度が調整されているので、調整後の薬液20が再度エッチング用に供給されることになる。このように、エッチングに使用済の薬液18,19を循環させて再度エッチングに用いると好適である。
以上のように、第2の実施形態によれば、基板裏面に付着するW等の材料も従来よりも高いエッチングレートでエッチングできる。
以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、図4では、基板裏面を保持しているが、基板端部を保持しても良い。また、基板裏面のベベル部に薬液を供給しているが、基板裏面の中央部付近に薬液を供給してもよい。これにより、基板裏面の広範囲な領域で付着したW等の材料を除去できる。さらに、基板裏面に供給した薬液を、基板表面まで回り込ませることで、基板表面ベベル部のW等の材料を除去することができる。この場合、基板表面ベベル部への薬液供給をしなくても良い。
また、基板上の膜の膜厚や、サイズ、形状などについても、半導体集積回路や各種の半導体素子において必要とされるものを適宜選択して用いることができる。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのエッチング方法、エッチング装置および薬液は、本発明の範囲に包含される。
また、説明の簡便化のために、半導体産業で通常用いられる手法、例えば、処理前後のクリーニング等は省略しているが、それらの手法が含まれ得ることは言うまでもない。
10 W膜、20 薬液、100 エッチング装置、112 処理槽、120 タンク、122 計測モニタ、124 濃度調整液供給部

Claims (4)

  1. 12ppm以上100,000ppm以下のタングステン(W)を含有する過酸化水素水を主成分とする薬液をエッチング液として用いて、タングステンを主成分とする材料をエッチングし、
    前記エッチングに使用済の前記薬液を循環して再度エッチングに用い、
    エッチング対象となる前記材料は、半導体基板のべベル部に形成され、
    前記薬液は、前記ベベル部に供給され、
    前記薬液は、タンク内に溜められ、
    前記タンク内の薬液中における前記タングステンの濃度を直接、もしくは間接的に計測し、
    計測された前記タングステンの濃度の情報を基に、薬液中における前記タングステンの濃度が12ppm以上100,000ppm以下になるために必要なタングステン量と過酸化水素水量を計算し、
    計算された前記必要なタングステン量と過酸化水素水量の情報を基に、前記タンク内の薬液中における前記タングステンの濃度が12ppm以上100,000ppm以下になるように、前記タンク内に必要なタングステンと過酸化水素水との混合液若しくは必要な過酸化水素水を供給することを特徴とするエッチング方法。
  2. 12ppm以上100,000ppm以下のタングステン(W)を含有する過酸化水素水を主成分とする薬液をエッチング液として用いて、タングステンを主成分とする材料をエッチングし、
    前記薬液は、タンク内に溜められ、
    前記タンク内の薬液中における前記タングステンの濃度を直接、もしくは間接的に計測し、
    計測された前記タングステンの濃度の情報を基に、薬液中における前記タングステンの濃度が12ppm以上100,000ppm以下になるために必要なタングステン量と過酸化水素水量を計算し、
    計算された前記必要なタングステン量と過酸化水素水量の情報を基に、前記タンク内の薬液中における前記タングステンの濃度が12ppm以上100,000ppm以下になるように、前記タンク内に必要なタングステンと過酸化水素水との混合液若しくは必要な過酸化水素水を供給することを特徴とするエッチング方法。
  3. 前記エッチングに使用済の前記薬液を循環して再度エッチングに用いることを特徴とする請求項2記載のエッチング方法。
  4. タングステン(W)を含有する過酸化水素水を主成分とする薬液を溜めるタンクと、
    前記タンク内の薬液中における前記タングステンの濃度を直接、もしくは間接的に計測する計測部と、
    計測された前記タングステンの濃度の情報を基に、薬液中における前記タングステンの濃度が12ppm以上100,000ppm以下になるために必要なタングステン量と過酸化水素水量を計算するコントローラと、
    計算された前記必要なタングステン量と過酸化水素水量の情報を基に、前記タンク内の薬液中における前記タングステンの濃度が12ppm以上100,000ppm以下になるように、前記タンク内に必要なタングステンと過酸化水素水との混合液若しくは必要な過酸化水素水を供給する供給部と、
    前記タングステンの濃度が12ppm以上100,000ppm以下に調整された前記タンク内の薬液をエッチング液として用いて、タングステンを主成分とする材料に対し、エッチング処理を行う処理槽と、
    を備えたことを特徴とするエッチング装置。
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