JP6751326B2 - 基板処理装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

基板処理装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、基板処理装置および半導体装置の製造方法に関する。
ウェハ状の基板に形成された金属膜をエッチングする液体として、リン酸、硝酸、および水等を含む薬液が用いられる場合がある。このような薬液を用いる場合、薬液の経時的な濃度変化に起因して、エッチング量の安定性が損なわれる可能性がある。
特開２０１３−４８７１号公報
本発明の実施形態は、基板に設けられた金属膜のエッチング量を安定させることができる基板処理装置および半導体装置の製造方法を提供する。
本実施形態に係る基板処理装置は、第１容器と、第２容器と、制御部と、を備える。第１容器は、リン酸を含む酸液と水とが混合され、基板に設けられた金属膜をエッチング可能な第１液体を貯留可能である。第２容器は、水を含む第２液体を貯留可能である。制御部は、第１液体の水濃度が第１液体のリン酸濃度の変化に対応して経時的に高くなるように、第２容器から第１容器への第２液体の供給を制御する。
第１実施形態に係る基板処理装置の構成を概略的に示す模式図である。 基板処理工程のフローを示すフローチャートである。 第１実施形態に係る水濃度の制御方法を説明するための図である。 液体のリン酸濃度および水濃度の経時変化を示す図である。 金属膜に含まれたタングステンのエッチング量の経時変化を示す図である。 第２実施形態に係る基板処理装置の構成を概略的に示す模式図である。 第２実施形態に係る水濃度の制御方法を説明するための図である。 第３実施形態に係る水濃度の制御方法を説明するための図である。 第４実施形態に係る基板処理装置の構成を概略的に示す模式図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
(第１実施形態)
図１は、第１実施形態に係る基板処理装置の構成を概略的に示す模式図である。本実施形態に係る基板処理装置１は、例えば、ウェハ状の基板２０に設けられた金属膜（不図示）を、液体３０（第１液体）で除去するエッチング処理装置である。このエッチング処理装置のタイプは、複数のウェハを一括してエッチング処理する、いわゆるバッチ処理タイプである。基板２０は、例えば、３次元的に積層された金属膜であり、メモリデバイスに用いられる。また、このような基板２０に用いられる金属膜はタングステン（Ｗ）が含まれる。
図１に示すように、本実施形態に係る基板処理装置１は、容器１０(第１容器)と、容器１１(第２容器)と、流路１２と、センサ１３と、制御部１４と、循環路１５と、を備える。
容器１０は、内槽１０１と外槽１０２とを有する。内槽１０１の中には、液体３０が貯留される。外槽１０２は、内槽１０１の全周を囲んでいる。外槽１０２は、内槽１０１からオーバーフローした液体３０を回収する。
液体３０は酸液および水を含む。この酸液には、例えば、リン酸、硝酸、および酢酸が含まれる。内槽１０１の中には、基板２０が収容される。基板２０が液体３０に浸漬されると、金属膜に含まれるタングステンがエッチングされる。
容器１１の中には、液体４０（第２液体）が貯留される。液体４０は、水、より具体的には純水を含む。液体４０は温水でも良い。また、容器１１には液体４０を加熱する機構を有していても良い。容器１１は、流路１２を介して内槽１０１に連通する。液体４０は、流路１２を通じて内槽１０１に供給される。
流路１２には、流量調整部１２１が設けられている。流量調整部１２１は、制御部１４の制御に基づいて、容器１１から内槽１０１に供給される液体４０の流量を調整する。
センサ１３は、内槽１０１の中に設置される。本実施形態では、センサ１３は、液体３０の水濃度を検出する水濃度計である。センサ１３は、検出した水濃度を制御部１４へ出力する。
制御部１４は、センサ１３の検出結果に基づいて流量調整部１２１を制御する。すなわち、制御部１４は、液体３０の水濃度を制御する。制御部１４による水濃度の制御方法については後述する。
循環路１５は、外槽１０２および内槽１０１に連通している。外槽１０２の液体３０を通じて内槽１０１に還流される。このようにして、循環路１５は、容器１０に対して液体３０を循環させる。この循環の過程で、液体３０は、ポンプ１５１と、ヒーター１５２と、フィルタ１５３と、を経由する。
ポンプ１５１は、循環路１５内を加圧して、液体３０を外槽１０２から内槽１０１へ還流させる。ヒーター１５２は、液体３０を、例えば約５０℃〜９０℃に加熱する。フィルタ１５３は、液体３０に含まれる異物を除去する。
以下、本実施形態に係る半導体装置の製造工程について説明する。ここでは、図２を参照して、製造工程の一つである基板処理工程について説明する。図２は、基板処理工程のフローを示すフローチャートである。
まず、液体３０および液体４０を準備する（ステップＳ１）。ステップＳ１１では、液体３０は容器１０に貯留され、液体４０は容器１１に貯留される。このとき、液体３０の温度は例えば約５０℃〜９０℃である。
次に、液体３０を用いて基板２０に設けられた金属膜をエッチングする（ステップＳ２）。ステップＳ１２では、基板２０が内槽１０１に貯留された液体３０に浸漬される。これにより、金属膜に含まれたタングステンが除去される。
上記エッチングの開始に伴って、制御部１４が液体３０の水濃度を制御する(ステップＳ３)。ここで、図３を参照して、ステップＳ３の動作について説明する。
図３は、本実施形態に係る水濃度の制御方法を説明するための図である。図３では、横軸は液体３０が新たに調合されてからの経過時間、換言すると基板２０のエッチング時間を示す。縦軸は液体３０中の水濃度を示す。
図３に示すように、水濃度の設定値ρ１〜ρ３は、液体供給開始時間ｔ１〜ｔ３毎に予め設定されている。各設定値ρ１〜ρ３は、ρ１＜ρ２＜ρ３の関係を満たす。すなわち、水濃度の設定値は経時的に大きくなっている。
例えば、エッチング開始時間ｔ０からの経過時間が液体供給開始時間ｔ１に達したとき、制御部１４は、液体３０の水濃度が初期値ρ０から設定値ρ１に上昇するように流量調整部１２１を制御する。すなわち、制御部１４は、センサ１３の検出値が設定値ρ１に一致するように液体４０の供給を制御する。
液体供給開始時間ｔ１から液体供給開始時間ｔ２までの間、制御部１４は流量調整部１２１を用いて液体４０の供給を停止させる。その後、制御部１４は、液体３０の水濃度が液体供給開始時間ｔ２で設定された設定値になるように液体４０を断続的に供給させる。
図４は、液体３０のリン酸濃度および水濃度の経時変化を示す図である。また、図５は、金属膜に含まれたタングステンのエッチング量の経時変化を示す図である。
ステップＳ２のエッチングによって、液体３０に含まれた硝酸および酢酸は揮発する一方で、リン酸は揮発しない。その結果、図４に示すように、液体３０内でリン酸濃度は相対的に上昇する。そこで、リン酸濃度とタングステンのエッチング量との相関について調べると、両者の相関は高い実験結果を得られた。また、水濃度の変動とエッチング量との相関についても高い実験結果を得られた。
そこで、本実施形態では、図４に示すように液体３０の水濃度が液体３０のリン酸濃度の変化に対応して経時的に高くなるように、制御部１４は、容器１１から容器１０への液体４０の供給を制御する。これにより、図５に示すように、タングステンのエッチング量を安定させることができる。
なお、本実施形態では、センサ１３の検出対象は液体３０の水濃度であるが、他の物性値であってもよい。例えば、センサ１３は、吸光度を用いて液体３０のリン酸濃度を検出するリン酸濃度計、液体３０の粘度を検出する粘度計、また圧力を用いて液体３０の比重を検出する比重計のいずれかであってもよい。さらに、センサ１３は、循環路１５を流れる液体３０の流速を検出する流速計であってもよい。この場合、センサ１３は、例えばポンプ１５１に設けられる。この流速は、例えばポンプ１５１のストローク数に基づいて求めることができる。
基板２０のエッチング時間の経過に伴って、上記リン酸濃度、上記粘度、および上記比重は上昇し、上記流速は低下する。また、上記粘度、上記比重、および上記流速は、上記リン酸濃度に対応している。
そこで、直接的または間接的に検出されたリン酸濃度の変化に対応付けて液体４０の水濃度が高くなるように、制御部１４が流量調整部１２１を用いて液体４０の供給量を制御する。このような制御方法によっても、タングステンのエッチング量を安定させることができる。
また、本実施形態では、液体３０に添加される液体４０は水である。しかし、液体４０は、液体３０に含まれる酸液のうち、リン酸以外の酸液であってもよい。例えば、液体４０は、硝酸と酢酸のうちの少なくとも一方を含む酸液であってもよい。硝酸および酢酸は、上述したように、エッチング中に揮発するので、これらの濃度は減少する。そのため、硝酸と酢酸のうちの少なくとも一方を含む酸液を液体４０として液体３０に添加することによって、液体３０は、エッチングに最適な状態になり得る。
(第２実施形態)
図６は、第２実施形態に係る基板処理装置の構成を概略的に示す模式図である。図２では、第１実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図６に示すように、本実施形態に係る基板処理装置２は、センサ１３を備えていない点で第１実施形態に係る基板処理装置１と異なる。この基板処理装置２において、制御部１４は、センサ１３を用いない方法でエッチング中の液体４０の水濃度を制御する。以下、図７を参照して本実施形態の水濃度の制御方法について説明する。
図７は、本実施形態に係る水濃度の制御方法を説明するための図である。図７では、横軸は液体３０が新たに調合されてからの経過時間、換言すると基板２０のエッチング時間を示す。縦軸は容器１１から容器１０へ供給される液体４０の供給量を示す。
図７に示すように、本実施形態では、液体４０の供給量Ｑ１〜Ｑ３は、液体供給開始時間ｔ１〜ｔ３毎に予め設定されている。供給量Ｑ１〜Ｑ３は、Ｑ１＜Ｑ２＜Ｑ３の関係を満たす。本実施形態では、各供給量Ｑ１〜Ｑ３は、タングステンのエッチング量が一定になるように、液体３０のリン酸濃度変化に対応して予め最適化されている。
例えば、エッチング開始時間ｔ０からの経過時間が液体供給開始時間ｔ１に達したとき、制御部１４は、流量調整部１２１を用いて液体４０を容器１０へ供給する。
液体供給開始時間ｔ１が経過してから液体供給開始時間ｔ２に達するまで、制御部１４は、流量調整部１２１を制御して液体４０の供給を停止させる。その後、制御部１４は、同様に、液体供給開始時間毎に設定された供給量の液体４０を断続的に供給させる。
以上説明した本実施形態によれば、液体４０の供給量が経時的に多くなるように予め設定されている。そのため、各回の供給量を、タングステンのエッチング量が一定になる水濃度に対応付けて最適化することによって、液体３０の水濃度を、リン酸濃度の変化に合わせて高くすることができる。よって、タングステンのエッチング量を安定させることができる。
また、本実施形態では、センサ１３が不要になる。よって、装置構成を簡略化することができる。
(第３実施形態)
第３実施形態について説明する。第３実施形態に係る基板処理装置の構成は、図６に示す基板処理装置２と同じである。本実施形態に係る基板処理装置は、第２実施形態とは異なる方法でエッチング中の液体４０の水濃度を制御する。以下、図８を参照して本実施形態の水濃度の制御方法について説明する。
図８は、本実施形態に係る水濃度の制御方法を説明するための図である。図８では、横軸は液体３０が新たに調合されてからの経過時間、換言すると基板２０のエッチング時間を示す。縦軸は容器１１から容器１０へ供給される液体４０の供給量を示す。
図８に示すように、本実施形態では、液体４０の供給量Ｑ１は、常時一定である。その一方で、液体供給開始時間の間隔Δｔ１〜Δｔ３は、Δｔ１＞Δｔ２＞Δｔ３の関係を満たす。すなわち、液体４０の供給間隔は、経時的に短くなっている。本実施形態では、各間隔Δｔ１〜Δｔ３は、タングステンのエッチング量が一定になるように、液体３０のリン酸濃度変化に対応して予め最適化されている。
例えば、エッチング開始時間ｔ０からの経過時間が液体供給開始時間ｔ１に達したとき、制御部１４は、流量調整部１２１を用いて、液体４０を容器１０へ供給させる。
液体供給開始時間ｔ１と液体供給開始時間ｔ２との間隔、すなわち間隔Δｔ１では、制御部１４は、流量調整部１２１を制御して液体４０の供給を停止させる。その後、制御部１４は、液体供給開始時間ｔ３、ｔ４の時に流量調整部１２１を用いて液体４０を容器１０へ供給させる。
以上説明した本実施形態によれば、液体４０の供給間隔が経時的に短くなるように予め設定されている。そのため、各間隔を、タングステンのエッチング量が一定になる水濃度に対応付けて最適化することによって、液体３０の水濃度を、リン酸濃度の変化に合わせて高くすることができる。よって、タングステンのエッチング量を安定させることができる。
また、本実施形態においても、第２実施形態と同様に、センサ１３が不要になる。よって、装置構成を簡略化することができる。
(第４実施形態)
図９は、第４実施形態に係る基板処理装置の構成を概略的に示す模式図である。この基板処理装置４は、１枚ずつウェハをエッチング処理する、いわゆる枚葉タイプのエッチング処理装置である。
図９では、上述した第１実施形態に係る基板処理装置１と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。本実施形態に係る基板処理装置４は、容器１０と、容器１１と、流路１２と、センサ１３と、制御部１４と、供給路１６と、エッチング処理部１７と、を備える。以下、供給路１６およびエッチング処理部１７について説明する。
供給路１６は、エッチング処理部１７と容器１０との間に設けられている。容器１０に貯留された液体３０は、供給路１６を介してエッチング処理部１７に供給される。
エッチング処理部１７には、ステージ１７１およびノズル１７２が設けられている。ステージ１７１は、金属膜２１が形成された基板２０を保持する。この金属膜２１は、タングステンを含む。ノズル１７２は、供給路１６の一端に連結されている。ノズル１７２は、供給路１６を介して容器１０から供給された液体３０を基板２０に吐出する吐出口(不図示)を有する。
基板処理装置４においても、基板処理装置１と同様に、制御部１４がセンサ１３の検出結果に基づいて、容器１１から容器１０へ供給される液体４０の流量を制御する。そのため、基板２０の金属膜２１のエッチング中に、液体３０の水濃度をリン酸濃度に対応して高くすることができる。よって、金属膜２１に含まれたタングステンのエッチング量を安定させることができる。
また、本実施形態では、上述した第２実施形態と同様に、液体４０の供給量が経時的に多くなるように予め設定されていてもよい。さらに、上述した第３実施形態と同様に、液体４０の供給間隔が経時的に短くなるように予め設定されていてもよい。これらの場合には、センサ１３を用いることなくタングステンのエッチング量を安定させることができる。
なお、基板処理装置４には、エッチング処理部１７で回収した液体３０を容器１０へ戻すための流路(不図示)が設けられていてもよい。この場合、液体３０を無駄なく利用することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１０ 容器(第１容器)、１１ 容器(第２容器)、１３ センサ、１４ 制御部、１５ 循環路、３０ 液体(第１液体)、４０ 液体(第２液体)

Claims (7)

  1. リン酸を含む酸液と水とが混合され、基板に設けられた金属膜をエッチング可能な第１液体を貯留可能な第１容器と、
    水を含む第２液体を貯留可能な第２容器と、
    前記第１容器内で前記金属膜をエッチングすることによって、前記第１液体のリン酸濃度が上昇し、かつ、前記第１液体の水濃度が減少している期間において、前記第２液体を前記第１容器へ断続的に供給させることで前記水濃度を一時的に増加させ、かつ前記リン酸濃度を一時的に減少させ、さらに一定時間経過後には、前記第２液体を前記第１容器へ供給開始前の時点よりも前記水濃度及び前記リン酸濃度を上昇させる制御部と、
    を備える基板処理装置。
  2. 前記水濃度を検出する水濃度計をさらに備え、
    前記制御部は、前記水濃度計の検出値が、前記第２液体の供給開始時間毎に予め設定された前記水濃度の設定値に一致するように前記第２液体の供給を制御する、請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 前記リン酸濃度を検出するリン酸濃度計、前記第１液体の粘度を検出する粘度計、または前記第１液体の比重を検出する比重計をさらに備え、
    前記制御部は、前記リン酸濃度計、前記粘度計、または前記比重計の検出結果に基づいて前記第２液体の供給を制御する、請求項１に記載の基板処理装置。
  4. 前記第１容器に対して前記第１液体を循環させる循環路と、
    前記循環路を流れる前記第１液体の流速を検出する流速計と、をさらに備え、
    前記制御部は、前記流速計の検出結果に基づいて前記第２液体の供給を制御する、請求項１に記載の基板処理装置。
  5. 前記制御部は、経時的に多くなるように予め設定された供給量に基づいて前記第２液体を断続的に供給させる、請求項１に記載の基板処理装置。
  6. 前記制御部は、経時的に短くなるように予め設定された間隔で前記第２液体を断続的に供給させる、請求項１に記載の基板処理装置。
  7. リン酸を含む酸液と水とが混合され、第１容器に貯留された第１液体を用いて基板に設けられた金属膜をエッチングし、
    前記エッチング中に、前記第１液体のリン酸濃度が上昇し、かつ、前記第１液体の水濃度が減少している期間において、第２容器に貯留された水を含む第２液体を前記第１容器へ断続的に供給させることで前記水濃度を一時的に増加させ、かつ前記リン酸濃度を一時的に減少させ、さらに一定時間経過後には、前記第２液体を前記第１容器へ供給開始前の時点よりも前記水濃度及び前記リン酸濃度を上昇させる、半導体装置の製造方法。
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