JP6221155B2 - 基板処理方法および基板処理装置 - Google Patents
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Description
そこで、この発明の目的は、1つのチャンバ内で、シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜を除去できる基板処理装置を提供することである。
この方法によれば、比較的濃度の高い第1の濃度のリン酸水溶液を半導体基板に供給する第1のリン酸処理工程が行われ、次いで、比較的濃度の低い第2の濃度のリン酸水溶液を半導体基板に供給する第2のリン酸処理工程が行われる。
請求項2に記載の発明は、前記半導体基板は、前記シリコン酸化膜上に積層された第2のシリコン窒化膜(58)をさらに有し、前記第1のリン酸処理工程に先立って、前記第2のシリコン窒化膜を除去するために、前記第2の濃度よりも高濃度のリン酸水溶液を前記半導体基板に供給し、当該リン酸水溶液で前記半導体基板を処理する高濃度リン酸処理工程(S31)をさらに含む、請求項1に記載の基板処理方法である。
第1および第2のリン酸処理工程ならびに高濃度リン酸処理工程が共にリン酸水溶液を用いる工程であるので、第1および第2のリン酸処理工程ならびに高濃度リン酸処理工程を1つのチャンバ内で行える。これにより、シリコン酸化膜ならびに第1および第2のシリコン窒化膜の除去を短時間で行える。
また、高濃度のリン酸水溶液は、低濃度のリン酸水溶液と比較して、シリコン窒化膜に対して高いエッチングレートを有する。そのため、高濃度リン酸処理工程では、低濃度のリン酸処理を用いる場合と比較して、その処理時間を短縮できる。
第1および第2のリン酸処理工程ならびに低濃度リン酸処理工程が共にリン酸水溶液を用いる工程であるので、第1および第2のリン酸処理工程ならびに低濃度リン酸処理工程を1つのチャンバ内で行える。これにより、シリコン酸化膜ならびに第1および第2のシリコン窒化膜の除去を短時間で行える。
前記の目的を達成するための請求項4に記載の発明は、表面にシリコンからなるゲート電極(52)が形成され、前記ゲート電極の側方に第1のシリコン窒化膜(54)が側壁膜として形成され、かつ前記ゲート電極および前記第1のシリコン窒化膜上にシリコン酸化膜(56)が積層された半導体基板(W)から、前記第1のシリコン窒化膜および前記シリコン酸化膜を除去するための基板処理装置(1;101)であって、チャンバ(4)と、前記チャンバ内に収容されて、前記半導体基板を保持する基板保持手段(5)と、前記基板保持手段に保持されている前記半導体基板にリン酸水溶液を供給するためのリン酸供給手段(6,106)と、前記半導体基板に供給されるリン酸水溶液の濃度を調整するための供給濃度調整手段(30,25)と、前記リン酸供給手段および前記供給濃度調整手段を制御して、前記シリコン酸化膜を除去するために、前記基板保持手段によって保持されている前記半導体基板に所定の第1の濃度のリン酸水溶液を供給し、当該リン酸水溶液で前記半導体基板を処理する第1のリン酸処理工程(S32)と、前記第1のリン酸処理工程に次いで、前記第1のシリコン窒化膜を除去するために、前記第1の濃度よりも低い第2の濃度のリン酸水溶液を前記半導体基板に供給し、当該リン酸水溶液で前記半導体基板を処理する第2のリン酸処理工程(S33)とを実行する制御手段(3)とを含む、基板処理装置を提供する。
リン酸水溶液を沸点で使用する場合、エッチング選択比(シリコン窒化膜のエッチング量/シリコン酸化膜のエッチング量)は、リン酸水溶液の温度上昇に反比例して低下している。すなわち、高濃度のリン酸水溶液は、シリコン窒化膜のエッチングだけでなく、シリコン酸化膜のエッチングにも使用できる。そのため、第1のリン酸処理工程において高濃度のリン酸水溶液を半導体基板に供給することにより、当該半導体基板からシリコン酸化膜を良好に除去できる。また、第2のリン酸処理工程では低濃度のリン酸水溶液を用いて第1のシリコン窒化膜を除去するので、ゲート電極にダメージを与えることなく、第1のシリコン窒化膜を除去できる。
また、共にリン酸水溶液を用いる工程である第1および第2のリン酸処理工程を連続的に行うことも可能であり、この場合、第1および第2のリン酸処理工程を含む一連の処理を、短時間で行うことができる。これにより、第1および第2のリン酸処理工程を含む一連の処理を、短時間で行うことができる。
この場合、請求項6に記載のように、前記リン酸供給手段は、リン酸水溶液を供給するリン酸配管(19)と、水を供給する水供給配管(20)と、前記リン酸配管および前記水供給配管に接続されて、前記リン酸配管からのリン酸水溶液と前記水供給配管からの水とを混合する混合部(18)とを含み、前記混合部で混合されたリン酸水溶液が、前記リン酸ノズルから吐出されるようになっており、前記吐出濃度調整手段は、前記混合部における、前記リン酸配管からのリン酸水溶液と前記水供給配管からの水との混合比を調整する混合比調整手段(30,25)を含むことが好ましい。
本発明の他の実施形態は、請求項7に記載のように、前記リン酸供給手段は、リン酸水溶液を吐出するリン酸ノズル(103)と、前記第1の濃度のリン酸水溶液を前記リン酸ノズルに供給するための第1のリン酸供給手段(110)と、前記第2の濃度のリン酸水溶液を前記リン酸ノズルに供給するための第2のリン酸供給手段(120)とを含み、前記供給濃度調整手段は、前記リン酸ノズルに供給される前記リン酸水溶液の供給元を、前記第1のリン酸供給手段と前記第2のリン酸供給手段との間で切り換える切換え手段(117,127)を含む、請求項4に記載の基板処理装置である。
図1は、本発明の第1実施形態に係る基板処理装置1に備えられた処理ユニット2の内部を水平に見た模式図である。
基板処理装置1は、半導体基板の一例としての円形の半導体ウエハ(以下、単に「ウエハW」という)を一枚ずつ処理する枚葉式の装置である。基板処理装置1は、ウエハWにおけるデバイス形成領域側の表面(上面)にリン酸水溶液(リン酸を主成分とする水溶液)を供給して、シリコン窒化膜(SiNやSi3N4等)のエッチングやシリコン酸化膜(SiO2)のエッチングを施す複数の処理ユニット2(図1には1つの処理ユニット2のみを図示)と、基板処理装置1に備えられた装置の動作やバルブの開閉を制御する制御装置(制御手段)3とを含む。なお、基板処理装置1が有する処理ユニット2は単数でもよい。
なお、リン酸配管19におけるリン酸バルブ26とフィルタ24との間の部分に、三方弁が介装されており、この三方弁に帰還配管27が分岐接続されていてもよい。このとき、三方弁の制御により、リン酸配管19を流通するリン酸水溶液を、リン酸ノズル18側または帰還配管27側に選択的に送り出すようにしてもよい。
制御装置3が水バルブ29を開くと、水供給配管20からリン酸ノズル18に水が供給される。水流量調整バルブ30による開度調整により、リン酸ノズル18に供給される水の流量が調整される。
赤外線ヒータ40は、赤外線を発する赤外線ランプ43(図5も併せて参照)と、赤外線ランプ43を収容するランプハウジング44とを含む。
処理対象のウエハWは、MOFFETの基体をなすものであり、ウエハW上には、シリコン酸化膜の一例であるTEOS膜(Tetraethyl orthosilicate)からなる第1のシリコン酸化膜51が形成されている。第1のシリコン酸化膜51の表面には、ポリシリコン(シリコン)からなるゲート電極52が配置されている。第1のシリコン酸化膜51上において、ゲート電極52の両側面には、それぞれ、シリコン酸化膜の一例である熱酸化膜からなるオフセットスペーサ53が、ゲート電極52の両側面を取り囲むように形成されている。オフセットスペーサ53は、横方向の厚みが数〜十数nmの厚みを有している。ゲート電極52の側面は、オフセットスペーサ53により取り囲まれている。ゲート電極52の両側方には、オフセットスペーサ53を挟んで、サイドウォール(側壁膜)をなす第1のシリコン窒化膜54が形成されている。第1のシリコン窒化膜54は、たとえばSiNやSi3N4(たとえばSiN)である。
図3は、処理ユニット2によって行われる処理例について説明するためのフローチャートである。図4および図5は、リン酸処理工程(S3)が行われているときのウエハWの模式図である。図6は、ウエハWに供給されるリン酸水溶液の濃度と、シリコン窒化膜のエッチングレート、SiN/SiO2エッチング選択比(シリコン窒化膜のエッチング量/シリコン酸化膜のエッチング量)およびSiN/Poly−Siエッチング選択比(シリコン窒化膜のエッチング量/ポリシリコンのエッチング量)との関係を示すグラフである。図6には、リン酸水溶液を沸点で使用するときのエッチングレートおよび各エッチング選択比を示している。また、図6には、シリコン窒化膜としてLP−SiN(Low Pressure CVD of Silicon Nitride)を用い、シリコン酸化膜として熱酸化膜を用いた場合を示している。図7A、図7Bおよび図7Cは、リン酸処理工程(S3)の各工程(S31,S32,S33))後におけるウエハWの要部の模式図である。
処理ユニット2によってウエハWが処理されるときには、チャンバ4内にウエハWを搬入するウエハ搬入工程(図3のステップS1)が行われる。具体的には、制御装置3は、全てのノズルがスピンチャック5の上方から退避している状態で、ウエハWを保持している搬送ロボット(図示しない)のハンドをチャンバ4内に進入させる。そして、制御装置3は、搬送ロボットに、ウエハWをスピンチャック5上に載置させる。その後、制御装置3は、スピンチャック5にウエハWを保持させる。続いて、制御装置3は、スピンチャック5によってウエハWの回転を開始させる(図3のステップS2)。ウエハWは予め定めるリン酸処理回転速度(たとえば30〜300rpmの範囲。具体的には約100rpm)まで上昇され、そのリン酸処理回転速度に維持される。制御装置3は、ウエハWがスピンチャック5上に置かれた後、搬送ロボットのハンドをチャンバ4内から退避させる。
リン酸処理工程(S3)と並行して、ウエハW上のリン酸水溶液を加熱する加熱工程が行われる。具体的には、制御装置3は、赤外線ヒータ40からの発光を開始させる。その後、制御装置3は、ヒータ移動装置42によって赤外線ヒータ40が退避位置から、ウエハWの上方へ水平に移動させ、図4および図5に示すように、回転軸線A1上の処理位置で静止させる。処理位置に配置された状態で、制御装置3は、赤外線ヒータ40の基板対向面がウエハW上のリン酸水溶液の液膜に接触している状態で赤外線ヒータ40を静止させてもよいし、図4に示すように、赤外線ヒータ40の下面がウエハW上のリン酸水溶液の液膜から所定距離だけ離隔した状態で赤外線ヒータ40を静止させてもよい。
図6に示すように、リン酸水溶液を沸点で使用する場合、SiN/SiO2エッチング選択比およびSiN/Poly−Siエッチング選択比は、リン酸水溶液の濃度上昇に反比例して低下している。具体的には、SiN/SiO2エッチング選択比およびSiN/Poly−Siエッチング選択比は、それぞれ、リン酸水溶液の濃度が82%(低濃度)であるとき225および110、リン酸水溶液の濃度が85%(高濃度)であるとき60および30、リン酸水溶液の濃度が89%(高濃度)であるとき21および10である。
なお、前述のように、図6は、シリコン酸化膜として熱酸化膜を用いた場合のグラフである。シリコン酸化膜としてTEOS膜を用いる場合は、シリコン酸化膜として熱酸化膜を用いる場合と比較して、リン酸水溶液によりエッチングされ易い。シリコン酸化膜としてTEOS膜を用いる場合、リン酸水溶液が高濃度(89%)であるときの選択比の値は7程度である。つまり、高濃度のリン酸水溶液は、シリコン窒化膜のエッチングだけでなく、TEOS膜からなるシリコン酸化膜のエッチングにも使用できる。
リン酸処理工程(図3のステップS3)は、所定の高濃度(約86%)のリン酸水溶液をウエハWに供給する第1工程(高濃度リン酸処理工程。図3のステップS31)と、第1工程(S31)に次いで、所定の高濃度(第1の濃度。約86%)のリン酸水溶液をウエハWに供給する第2工程(第1のリン酸処理工程。図3のステップS32)と、第2工程(S32)に次いで、所定の低濃度(第2の濃度。約82%)のリン酸水溶液をウエハWに供給する第3工程(第2のリン酸処理工程。図3のステップS33)とを含む。第1工程(S31)は、ウエハWの上面から、最表層である第2のシリコン窒化膜58を除去するための工程である。第2工程(S32)は、第2のシリコン窒化膜58除去後のウエハWの上面から、シリコン酸化膜56の一部を除去するための工程である。第3工程(S33)は、シリコン酸化膜56の一部および第2のシリコン窒化膜58除去後のウエハWの上面から、第1のシリコン窒化膜54を除去するための工程である。
次いで、リンス液をウエハWに供給する第1のリンス液供給工程(図3のステップS4)が行われる。具体的には、制御装置3は、リンス液バルブ39を開いて、ウエハWを回転させながら、リンス液ノズル37からウエハWの上面中央部に向けてリンス液を吐出させる。これにより、ウエハWの上面全域を覆うリンス液の液膜が形成され、ウエハWの上面に残留しているリン酸水溶液がリンス液によって洗い流される。そして、リンス液バルブ39が開かれてから所定時間が経過すると、制御装置3は、リンス液バルブ39を閉じてリンス液の吐出を停止する。
第1〜第3工程(S31〜S33)が共にリン酸水溶液を用いる工程であるので、第1〜第3工程(S31〜S33)を1つのチャンバ4内で行える。この場合、エッチングの途中でウエハWを複数のチャンバ間で移し換える必要がない。これにより、シリコン酸化膜56および第1のシリコン窒化膜54の除去を短時間で行える基板処理方法を提供することができる。
また、第1実施形態によれば、第1工程(S31)では、高濃度(約86%)のリン酸水溶液がウエハWに供給される。高濃度のリン酸水溶液は、低濃度のリン酸水溶液と比較して、シリコン窒化膜に対して高いエッチングレートを有する。そのため、第1工程(S31)では、低濃度のリン酸処理を用いる場合と比較して、その処理時間を短縮できる。
一方、制御装置3は、第1のポンプ113を駆動している状態で、第1の帰還バルブ116を閉じつつ第1のリン酸バルブ117を開く。これにより、第1のリン酸タンク111から汲み出されたリン酸水溶液が、第1のヒータ112、第1のフィルタ114および第1のリン酸バルブ117を通ってリン酸ノズル103に流入する。
第2のリン酸配管108の一端は、第2のリン酸タンク121に接続されており、第2のリン酸配管108の他端は、リン酸ノズル103に接続されている。第2のリン酸配管108には、流通方向に沿って、第2のリン酸配管108内を流通するリン酸水溶液を加熱して温度調整する第2のヒータ122と、第2のリン酸タンク121からリン酸水溶液を汲み出して第2のリン酸配管108に送り込む第2のポンプ123と、第2のリン酸配管108内を流通するリン酸水溶液をろ過して、そのリン酸水溶液から異物を除去する第2のフィルタ124と、第2のリン酸配管108からリン酸ノズル103へのリン酸水溶液の供給および供給停止を切り替える第2のリン酸バルブ127とが、この順に介装されている。なお、基板処理装置101(処理ユニット2)の起動時において、第2のポンプ123は常時駆動されている。
リン酸ノズル103は、たとえば、いわゆるストレートノズルの構成を有している。リン酸ノズル103は、略円筒状をなすケーシング(図示しない)を備える。リン酸ノズル103のケーシングの管壁には、第1のリン酸配管107の他端が接続された第1の導入口(図示しない)と、第2のリン酸配管108の他端が接続された第2の導入口(図示しない)とが形成されている。
具体的には、制御装置3は、第2のリン酸バルブ127を閉じた状態で、第1のリン酸バルブ117を閉じつつ第1の帰還バルブ116を開く。これにより、第1のリン酸配管107からのリン酸水溶液がリン酸ノズル103内に流入する。これにより、高濃度のリン酸水溶液をリン酸ノズル103から吐出することができる。
基板処理装置101では、図3に示す処理例と同等の処理が実行される。以下、第1実施形態で説明したものと重複する部分についての説明は省略し、第1実施形態で行われる処理例と相違する部分についてのみ説明する。
また、第2実施形態によれば、制御装置3が第1および第2のリン酸バブル117,127を制御して、リン酸ノズル103に供給されるリン酸水溶液の供給元を第1のリン酸供給ユニット110と第2のリン酸供給ユニット120との間で切り換える。これにより、簡単な構成で、リン酸ノズル103から吐出されるリン酸水溶液の濃度を変更させることができる。
たとえば、第1実施形態において、水流量調整バルブ30による開度調整により、リン酸ノズル18内でのリン酸水溶液と水との混合比を調整するとして説明したが、リン酸配管19の途中部に、リン酸配管19の開度を変更するためのリン酸流量調整バルブ(混合比調整手段)25(図1に二点鎖線にて図示)を介装し、リン酸流量調整バルブ25の開度調整によってリン酸ノズル18に流入するリン酸水溶液の流量を調整することにより、リン酸ノズル18内でのリン酸水溶液と水との混合比を調整するようにしてもよい。また、水流量調整バルブ(混合比調整手段)30による開度調整およびリン酸流量調整バルブ25による開度調整の双方によって、リン酸ノズル18内でのリン酸水溶液と水との混合比を調整するようにしてもよい。
また、基板処理装置1,101で行われる図3に示す処理例において、リン酸処理工程(S3)の各工程(S31,S32,S33)において、リン酸ノズル18からリン酸水溶液を連続吐出するものとして説明したが、リン酸水溶液は間欠的に吐出されるようになっていてもよい。
前述の各実施形態では、第2工程(S32)で用いられる高濃度のリン酸水溶液の濃度を約86%に設定し、かつ第3工程(S33)で用いられる低濃度のリン酸水溶液の濃度を約82%に設定したが、これらは一例であり、第3工程(S33)で用いられるリン酸水溶液が、第2工程(S32)で用いられるリン酸水溶液よりも低濃度に設定されていればよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
3 制御装置(制御手段)
4 チャンバ
5 スピンチャック(基板保持手段)
6 リン酸供給装置(リン酸供給手段)
18 リン酸ノズル(混合部)
19 リン酸配管
20 水供給配管
25 リン酸流量調整バルブ(混合比調整手段)
30 水流量調整バルブ(混合比調整手段)
52 ゲート電極
54 第1のシリコン窒化膜
56 シリコン酸化膜
58 第2のシリコン窒化膜
101 基板処理装置
103 リン酸ノズル
106 リン酸供給装置(リン酸供給手段)
110 第1のリン酸供給ユニット(第1のリン酸供給手段)
117 第1のリン酸バルブ
120 第2のリン酸供給ユニット(第2のリン酸供給手段)
127 第2のリン酸バルブ
W ウエハ(半導体基板)
Claims (7)
- 表面にシリコンからなるゲート電極が形成され、前記ゲート電極の側方に第1のシリコン窒化膜が側壁膜として形成され、かつ前記ゲート電極および前記第1のシリコン窒化膜上にシリコン酸化膜が積層された半導体基板から、前記第1のシリコン窒化膜および前記シリコン酸化膜を除去するための基板処理方法であって、
前記シリコン酸化膜を除去するために、基板保持手段によって保持されている前記半導体基板に所定の第1の濃度のリン酸水溶液を供給し、当該リン酸水溶液で前記半導体基板を処理する第1のリン酸処理工程と、
前記第1のリン酸処理工程に次いで、前記第1のシリコン窒化膜を除去するために、前記第1の濃度よりも低い第2の濃度のリン酸水溶液を前記半導体基板に供給し、当該リン酸水溶液で前記半導体基板を処理する第2のリン酸処理工程とを含む、基板処理方法。 - 前記半導体基板は、前記シリコン酸化膜上に積層された第2のシリコン窒化膜をさらに有し、
前記第1のリン酸処理工程に先立って、前記第2のシリコン窒化膜を除去するために、前記第2の濃度よりも高濃度のリン酸水溶液を前記半導体基板に供給し、当該リン酸水溶液で前記半導体基板を処理する高濃度リン酸処理工程をさらに含む、請求項1に記載の基板処理方法。 - 前記半導体基板は、前記シリコン酸化膜上に積層された第2のシリコン窒化膜をさらに有し、
前記第1のリン酸処理工程に先立って、前記第2のシリコン窒化膜を除去するために、前記第1の濃度よりも低濃度のリン酸水溶液を前記半導体基板に供給し、当該リン酸水溶液で前記半導体基板を処理する低濃度リン酸処理工程をさらに含む、請求項1に記載の基板処理方法。 - 表面にシリコンからなるゲート電極が形成され、前記ゲート電極の側方に第1のシリコン窒化膜が側壁膜として形成され、かつ前記ゲート電極および前記第1のシリコン窒化膜上にシリコン酸化膜が積層された半導体基板から、前記第1のシリコン窒化膜および前記シリコン酸化膜を除去するための基板処理装置であって、
チャンバと、
前記チャンバ内に収容されて、前記半導体基板を保持する基板保持手段と、
前記基板保持手段に保持されている前記半導体基板にリン酸水溶液を供給するためのリン酸供給手段と、
前記半導体基板に供給されるリン酸水溶液の濃度を調整するための供給濃度調整手段と、
前記リン酸供給手段および前記供給濃度調整手段を制御して、前記シリコン酸化膜を除去するために、前記基板保持手段によって保持されている前記半導体基板に所定の第1の濃度のリン酸水溶液を供給し、当該リン酸水溶液で前記半導体基板を処理する第1のリン酸処理工程と、前記第1のリン酸処理工程に次いで、前記第1のシリコン窒化膜を除去するために、前記第1の濃度よりも低い第2の濃度のリン酸水溶液を前記半導体基板に供給し、当該リン酸水溶液で前記半導体基板を処理する第2のリン酸処理工程とを実行する制御手段とを含む、基板処理装置。 - 前記リン酸供給手段は、リン酸水溶液を吐出するリン酸ノズルを含み、
前記供給濃度調整手段は、前記リン酸ノズルから吐出されるリン酸水溶液の濃度を調整する吐出濃度調整手段を含む、請求項4記載の基板処理装置。 - 前記リン酸供給手段は、リン酸水溶液を供給するリン酸配管と、水を供給する水供給配管と、前記リン酸配管および前記水供給配管に接続されて、前記リン酸配管からのリン酸水溶液と前記水供給配管からの水とを混合する混合部とを含み、前記混合部で混合されたリン酸水溶液が、前記リン酸ノズルから吐出されるようになっており、
前記吐出濃度調整手段は、前記混合部における、前記リン酸配管からのリン酸水溶液と前記水供給配管からの水との混合比を調整する混合比調整手段を含む、請求項5に記載の基板処理装置。 - 前記リン酸供給手段は、リン酸水溶液を吐出するリン酸ノズルと、前記第1の濃度のリン酸水溶液を前記リン酸ノズルに供給するための第1のリン酸供給手段と、前記第2の濃度のリン酸水溶液を前記リン酸ノズルに供給するための第2のリン酸供給手段とを含み、
前記供給濃度調整手段は、前記リン酸ノズルに供給される前記リン酸水溶液の供給元を、前記第1のリン酸供給手段と前記第2のリン酸供給手段との間で切り換える切換え手段を含む、請求項4に記載の基板処理装置。
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