JP6782140B2 - Etching method and etching equipment - Google Patents
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Description
本発明は、基板のエッチング方法及びエッチング装置に関するものである。処理対象になる基板には、例えば、半導体ウェハ、液晶表示装置用基板、プラズマディスプレイ用基板、FPD(Field Emission Display)用基板、光ディスク用基板、磁気ディスク用基板、光磁気ディスク用基板、フォトマスク用基板、セラミック基板、太陽電池用基板等の基板が含まれる。 The present invention relates to a substrate etching method and an etching apparatus. Examples of the substrate to be processed include a semiconductor wafer, a liquid crystal display device substrate, a plasma display substrate, an FPD (Field Emission Display) substrate, an optical disk substrate, a magnetic disk substrate, an optical magnetic disk substrate, and a photomask. Substrates such as substrates, ceramic substrates, and solar cell substrates are included.
半導体デバイスの製造工程においては、シリコン基板上に膜質の異なるさまざまなシリコン酸化膜が形成される。例えば、シリコン基板上に形成されるシリコン酸化膜としては、熱酸化により形成される熱シリコン酸化膜、CVD法を用いて得られるTEOS(Tetra Ethoxy Silane)膜、CVD法で得られるBSG(Boron Silicate Glass)膜、PSG(Phospho Silicate Glass)膜、BPSG(Boron doped Phospho Silicate Glass)膜などの不純物を多く含んだシリコン酸化膜等があげられる。また、半導体デバイスの製造工程間においては、シリコン基板表面が化学的に不安定なために大気中の酸素との反応により自然酸化膜が形成される。 In the manufacturing process of semiconductor devices, various silicon oxide films having different film qualities are formed on a silicon substrate. For example, examples of the silicon oxide film formed on the silicon substrate include a thermal silicon oxide film formed by thermal oxidation, a TEOS (Tetra Ethoxy Silane) film obtained by using a CVD method, and BSG (Boron Silicone) obtained by a CVD method. Examples thereof include a silicon oxide film containing a large amount of impurities such as a Grass) film, a PSG (Phospho Silane Glass) film, and a BPSG (Boron Doped Phospho Silane Glass) film. Further, during the manufacturing process of the semiconductor device, since the surface of the silicon substrate is chemically unstable, a natural oxide film is formed by the reaction with oxygen in the atmosphere.
従来、上記さまざまなシリコン酸化膜のエッチングにはフッ化水素酸をベースとしたウェットエッチングが用いられてきた。しかしながら、半導体デバイスの高集積化に伴い形成するパターンが微細化されるとウェットエッチングでは水の表面張力でパターンが倒壊する問題が生じてきた。また、シリコン基板へのコンタクト形成では、ホール底面の自然酸化膜を除去する必要があるが、半導体デバイスの微細化に伴いウェットエッチングでは水洗時の薬液置換が十分に行えない問題が生じてきた。 Conventionally, wet etching based on hydrofluoric acid has been used for etching the various silicon oxide films. However, when the pattern formed with the high integration of semiconductor devices is miniaturized, there has been a problem that the pattern collapses due to the surface tension of water in wet etching. Further, in the formation of contacts on a silicon substrate, it is necessary to remove the natural oxide film on the bottom surface of the hole, but with the miniaturization of semiconductor devices, there has been a problem that the chemical solution cannot be sufficiently replaced at the time of washing with wet etching.
このようなウェットエッチングの問題を解決するためにフッ酸ベーパーを用いた気相エッチング技術や無水フッ化水素ガスを用いた気相エッチング技術がある。フッ酸ベーパーを用いた気相エッチング技術が特許文献1に記載されている。特許文献1には、エッチングの均一性を高めるために処理室内の排気流量を制御してエッチング時の圧力を高めてエッチングすることが記載されている。エッチング後は不活性ガスにより処理室内雰囲気を置換してエッチング処理を基板全面にて停止させている。
In order to solve such a problem of wet etching, there are a vapor phase etching technique using hydrofluoric acid vapor and a vapor phase etching technique using anhydrous hydrogen fluoride gas.
また、無水フッ化水素ガスを用いた気相エッチング技術が特許文献2に記載されている。特許文献2には、80℃〜120℃の所定の温度下でかつ12Kpa〜40Kpaの範囲内の所定の減圧下に保持した状態で、無水フッ化水素ガスを所定の混合比率で不活性ガスにより希釈化した反応ガスに曝すことを特徴とする自然酸化膜のエッチング方法が記載されている。エッチング処理後は、真空排気を行い、所定時間後に窒素ガスを供給している。
Further,
上述したフッ酸ベーパーを用いた気相エッチング技術や無水フッ化水素ガスを用いた気相エッチング技術においては、エッチングした後のシリコン基板の表面にフッ素が残留する。シリコン酸化膜をエッチングした後のシリコン表面にフッ素が残留すると、残留フッ素とシリコンが反応し、シリコンに欠陥が発生したり、パーティクルを形成したりする。またゲートとなるシリコン上のシリコン酸化膜をエッチングした後にフッ素が残留すると、その後形成されるゲート酸化膜とシリコン界面の固定電荷が増加して電気特性に悪影響を及ぼす。 In the above-mentioned vapor phase etching technique using hydrofluoric acid vapor and the vapor phase etching technique using anhydrous hydrogen fluoride gas, fluorine remains on the surface of the silicon substrate after etching. When fluorine remains on the surface of silicon after etching the silicon oxide film, the residual fluorine reacts with silicon, causing defects in silicon or forming particles. Further, if fluorine remains after etching the silicon oxide film on the silicon serving as a gate, the fixed charge at the interface between the gate oxide film and the silicon formed thereafter increases, which adversely affects the electrical characteristics.
そこで、本件発明は半導体デバイスの製造工程において、エッチング後のシリコン表面にフッ素を残留させずにシリコン基板上に形成される膜質の異なるさまざまなシリコン酸化膜を基板全面に対して均一に気相エッチングするエッチング方法及びエッチング装置を提供することを目的とする。 Therefore, in the present invention, in the manufacturing process of a semiconductor device, various silicon oxide films having different film qualities formed on a silicon substrate without leaving fluorine on the surface of the silicon after etching are uniformly vapor-phase etched on the entire surface of the substrate. It is an object of the present invention to provide an etching method and an etching apparatus.
上記目的を達成するための請求項1記載の発明は、シリコン酸化膜が形成された基板をエッチングするエッチング方法において、前記基板を収容する処理室内を減圧状態にする減圧工程と、前記減圧工程の後、フッ化水素を含むエッチングガスを前記処理室内に供給して前記基板に形成されたシリコン酸化膜をエッチングするエッチング工程と、前記エッチング工程の後、水蒸気を前記処理室内に供給して前記基板を洗浄する洗浄工程と、前記減圧工程の後、前記エッチング工程の前に、前記処理室内に水蒸気を供給して前記基板の表面に水膜を形成する水膜形成工程とを有することを特徴とする基板のエッチング方法である。請求項1記載のエッチング方法によると、エッチング工程の後に水蒸気を供給して基板を洗浄する洗浄工程を行うため、基板の表面におけるフッ素の残留を抑制することができる。しかも、表面に水膜が形成された基板に対してエッチングガスが供給されるため、効率的にエッチングを行うことができる。
The invention according to
請求項2記載の発明は、請求項1に記載のエッチング方法において、前記エッチングガスは、フッ化水素ガスと水蒸気とのエッチング混合ガスであることを特徴とする基板のエッチング方法である。請求項2記載のエッチング方法によると効率的なエッチングが可能になる。
The invention according to
請求項3記載の発明は、請求項2に記載のエッチング方法において、前記エッチングガスは、前記水蒸気に対する前記フッ化水素ガスの割合が10〜60vol.%であることを特徴とする基板のエッチング方法である。
The invention according to
請求項4記載の発明は、請求項1ないし3に記載のエッチング方法において、前記エッチング工程における基板温度を30〜200℃とすることを特徴とする基板のエッチング方法である。
The invention according to
請求項5記載の発明は、請求項1ないし4に記載のエッチング方法において、前記エッチング工程における処理室内の真空度を1Pa〜100Paとすることを特徴とする基板のエッチング方法である。
The invention according to
請求項6記載の発明は、シリコン酸化膜が形成された基板をエッチングするエッチング装置であって、内部に処理空間を有する処理室と、前記処理空間で基板を保持する基板保持手段と、前記処理室の底部に連通接続され、前記処理空間を減圧する減圧手段と、前記処理室の上部に連通接続され、前記処理空間に第2の水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記処理室の上部に連通接続され、前記処理空間にフッ化水素を含むエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、前記減圧手段と前記水蒸気供給手段と前記エッチングガス供給手段とを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は前記減圧手段により前記処理空間を減圧した後、前記エッチングガス供給手段により前記処理空間に前記エッチングガスを供給して前記基板のエッチングを行い、その後、前記水蒸気供給手段により前記処理空間に第2の水蒸気を供給して前記基板を洗浄する洗浄処理を行い、前記エッチングガス供給手段は第1の水蒸気とフッ化水素ガスとを混合して前記エッチングガスを生成する混合ガス配管と、前記混合ガス配管を通して前記処理空間に前記第1の水蒸気単体と前記エッチングガスとを選択的に供給するための多連弁とを備え、前記制御手段は、前記多連弁を制御することにより、前記減圧手段による前記処理空間の減圧後、前記混合ガス配管から前記処理空間に前記第1の水蒸気単体を供給して前記基板の表面に水膜を形成する水膜形成を行い、当該水膜形成の後に、前記多連弁を制御することにより前記混合ガス配管から前記処理空間に前記エッチングガスを供給して前記基板のエッチングを行うことを特徴とするエッチング装置である。請求項6記載のエッチング装置によると、エッチングガスによるエッチングの後に水蒸気を供給して基板を洗浄するため、基板の表面におけるフッ素の残留を抑制することができる。しかも、表面に水膜が形成された基板に対してエッチングガスが供給されるため、効率的にエッチングを行うことができる。
The invention according to
請求項7記載の発明は、請求項6に記載のエッチング装置であって、前記水蒸気供給手段は前記混合ガス配管を通さずに前記第2の水蒸気を前記処理空間に供給することを特徴とするエッチング装置である。エッチングガスを供給した後、混合ガス配管にはエッチングガスが残留している可能性がある。水蒸気供給手段は混合ガス配管を通さずに第2の水蒸気を処理空間に供給するため、前記残留したエッチングガスを含まない水蒸気を処理空間に供給することができる。
The invention according to
請求項8記載の発明は、シリコン酸化膜が形成された基板をエッチングするエッチング装置であって、内部に処理空間を有する処理室と、前記処理空間で基板を保持する基板保持手段と、前記処理室の底部に連通接続され、前記処理空間を減圧する減圧手段と、前記処理室の上部に連通接続され、前記処理空間に第2の水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記処理室の上部に連通接続され、前記処理空間にフッ化水素を含むエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、前記減圧手段と前記水蒸気供給手段と前記エッチングガス供給手段とを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は前記減圧手段により前記処理空間を減圧した後、前記エッチングガス供給手段により前記処理空間に前記エッチングガスを供給して前記基板のエッチングを行い、その後、前記水蒸気供給手段により前記処理空間に第2の水蒸気を供給して前記基板を洗浄する洗浄処理を行い、前記制御手段は、前記減圧手段により前記処理空間を減圧した後、前記エッチングガス供給手段により前記処理空間にエッチングガスを供給する前に、前記水蒸気供給手段を制御して前記処理空間に第2の水蒸気を供給して前記基板の表面に水膜を形成する水膜形成を行うことを特徴とするエッチング装置である。表面に水膜が形成された基板に対してエッチングガスが供給されるため、効率的にエッチングを行うことができる。
The invention according to
請求項9記載の発明は、請求項6ないし請求項8のいずれかに記載のエッチング装置において、処理室内の基板保持手段上部に複数の細孔を備えたガス分散板を有することを特徴とするエッチング装置である。
The invention according to
本発明により、シリコン酸化膜をエッチングした後の表面にフッ素が残留することなく、膜質の異なるさまざまなシリコン酸化膜を基板全面に対して均一にエッチングすることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to uniformly etch various silicon oxide films having different film qualities on the entire surface of the substrate without leaving fluorine on the surface after etching the silicon oxide film.
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。尚、以下に説明する実施の形態により本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is not limited to the embodiments described below.
図1は、本発明を実施するためのエッチング装置1の概略構成を示す側面図である。エッチング装置1は、半導体ウェハ等の基板Wを一枚ずつ処理する枚葉式のエッチング装置である。エッチング装置1は、基板Wを処理する処理室2と、エッチング装置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部3とを備えている。
FIG. 1 is a side view showing a schematic configuration of an
処理室2内には、基板Wを保持する基板ホルダー4と、基板Wを加熱するために基板ホルダー4に内蔵された加熱機構5と、処理室2内の基板ホルダー4の上方に位置するガス分散板6と,処理室2内を減圧するために処理室2に連通接続された排気配管7と、排気配管7を通して処理室2内を減圧にする真空ポンプ8と、排気配管7に設置されたAPC(Auto Pressure Controller)バルブ9と、処理室2に連結された圧力センサー10と、処理室2上部に連通接続される第1配管11(混合ガス配管)と、図示しない水蒸気供給源から供給された第1の水蒸気を処理室2内に供給するための第1水蒸気流量コントローラ12と、フッ化水素ガスを処理室2内に供給するためのフッ化水素ガス流量コントローラ13と、第1の水蒸気とフッ化水素ガスを処理室2内に供給するための開閉バルブを個別に有する多連弁14と、処理室2上部に連通接続される第2配管17と、図示しない水蒸気供給源から供給された第2の水蒸気を処理室2内に供給するための第2水蒸気流量コントローラ15および開閉バルブ16と、を備えるものである。
In the
処理室2は円筒形状をなし、内部に基板Wを処理する処理空間を有する。処理室2内には基板Wを略水平姿勢で保持する基板ホルダー4が設置されている。基板Wが図示しない搬送系により処理室2内に搬送され基板ホルダー4に載置される。基板Wは、基板ホルダー4に内蔵された加熱機構5により30℃から200℃の範囲の所定の温度に加熱される。加熱機構5は例えば抵抗加熱式の電気ヒーターが用いられる。
The
処理室2内を減圧するために処理室2の底部に排気配管7が連通接続され、排気配管7に接続された真空ポンプ8により排気される。排気配管7にはAPCバルブ9が接続され、APCバルブ9は処理室2からの排気流量を調整することにより処理室2内の圧力を調節する。処理室2に連結された圧力センサー10により処理室2内の真空度がモニターされる。モニターされる真空度が所望の真空度となるようにAPCバルブ9の開度が調整され処理室2内の圧力を調節される。基板Wが基板ホルダー4に保持された後、真空ポンプ8が作動して処理室2内の真空引きが開始される。本実施の形態においては処理室2内の減圧の手段を真空ポンプ8で記載しているが、これに限るものではなく例えば工場ユーティリティ排気により行うことも可能である。
An
処理室2上部に連通接続された第1配管11から第1の水蒸気が処理室2内に供給される。第1の水蒸気は第1水蒸気流量コントローラ12により供給流量が調節され、多連弁14の開閉バルブが開動作されることにより処理室2内に供給される。図示しないフッ化水素供給源から供給されたフッ化水素ガスはフッ化水素ガス流量コントローラ13により供給流量が調節され、多連弁14の開閉バルブが開動作されることにより処理室2内に供給される。多連弁14は内部に第1の水蒸気の開閉バルブとフッ化水素ガスの開閉バルブを有しており、それぞれ独立してバルブを開閉することができる。どちらのバルブも開動作させると多連弁14の出先である第1配管11において第1の水蒸気とフッ化水素ガスとは混合される。いずれかのバルブが開動作されると多連弁14は第1の水蒸気単体またはフッ化水素ガス単体を第1配管11に供給する。
The first water vapor is supplied into the
処理室2上部に連通接続された第2配管17から第2の水蒸気が処理室2内に供給される。第2の水蒸気は第2水蒸気流量コントローラ15により供給流量が調節され、開閉可能な開閉バルブ16が開動作されることにより処理室2内に供給される。なお、図示していないが第1の水蒸気と第2の水蒸気の供給源は例えば純水を貯留したタンクを加熱して気化させ、窒素などの不活性ガスで圧送する方法が用いられる。純水を貯留したタンクを共通にして第1の水蒸気と第2の水蒸気に切り替えて供給することもできるし、個別にタンクを設けることもできる。また、図示していないがフッ化水素ガスの供給源は、無水フッ化水素の高圧ボンベが用いられる。
The second water vapor is supplied into the
エッチング装置1の加熱機構5の温度調節、流量コントローラ12、13、15の流量調節、多連弁14の開閉動作、開閉バルブ16の開閉動作、真空ポンプ8の排気動作、圧力センサー10のモニター、APCバルブ9の開度調節などの各部の動作は、制御部3によって制御される。
Temperature control of the
制御部3が多連弁14を制御することにより、第1配管11から処理室2内には第1の水蒸気および第1の水蒸気・フッ化水素ガスの混合ガスが選択的に供給される。第2配管17からは処理室2内に第2の水蒸気が供給される。これらの第1の水蒸気、第1の水蒸気・フッ化水素ガスの混合ガス、および第2の水蒸気はガス分散板6を通過して基板Wに到達する。ガス分散板6は,処理室2内に導入された第1の水蒸気、第1の水蒸気とフッ化水素ガスとの混合ガスおよび第2の水蒸気を基板W上に均一に供給するために複数の開口が形成されている。本実施の形態においては、内径0.1mmの開口が5mm間隔で形成されている。なお、開口の内径及び間隔はこれに限るものではない。また、ガス分散板6を複数段設置してもよい。
When the
基板Wに形成されたシリコン酸化膜をエッチングするために供給されるフッ化水素ガスの供給量は100cc/min〜2000cc/minが適用され、これに対して混合する第1の水蒸気は300cc/min〜10000cc/minが適用される。シリコン酸化膜をエッチングした後の基板表面洗浄においては、第2の水蒸気の供給量として300cc/min〜10000cc/minが適用される。また、基板Wの処理中、処理室2内の圧力は、1〜100Paに維持される。第1の水蒸気、第1の水蒸気とフッ化水素ガスとの混合ガスおよび第2の水蒸気の供給量に応じて、圧力センサー10の圧力が所定圧力となるようAPCバルブ9の開度が調節されることにより処理室2内の圧力が制御される。
The supply amount of hydrogen fluoride gas supplied for etching the silicon oxide film formed on the substrate W is 100 cc / min to 2000 cc / min, whereas the first water vapor to be mixed is 300 cc / min. 10000 cc / min is applied. In the substrate surface cleaning after etching the silicon oxide film, 300 cc / min to 10000 cc / min is applied as the supply amount of the second water vapor. Further, during the processing of the substrate W, the pressure in the
第1の実施の形態について、図2の処理のフロー図を用いて説明する。基板Wが図示しない搬送系により処理室2内に搬送され基板ホルダー4に載置される(ステップS1)。基板Wは基板ホルダー4に載置された後、基板ホルダー4に内蔵された加熱機構5により30℃から200℃の範囲の所定の温度に加熱される。
The first embodiment will be described with reference to the processing flow chart of FIG. The substrate W is transported into the
基板Wが基板ホルダー4上に載置された後、真空ポンプ8により真空引きが開始される(ステップS2)。真空引きは処理室2内の圧力が0.1Pa程度まで実行し、処理室2内の大気雰囲気を排気する。真空引きは用いる真空ポンプの能力および許容される真空引き時間により決められるが、できるだけ減圧するほうが処理室2内の大気雰囲気が排気され、処理室2内はクリーンになる。
After the substrate W is placed on the
処理室2内の圧力が0.1Pa程度まで到達した後、第1の水蒸気が第1配管11を通して処理室2内に供給される(ステップS3)。第1水蒸気流量コントローラ12により第1の水蒸気の供給流量が所定流量に調節され、多連弁14のバルブが開動作されて第1配管11より処理室2内に供給される。処理室2内の圧力が所定の真空度になるように、処理室2内の圧力を圧力センサー10によりモニターして、APCバルブ9の開度が調節される。ステップS3における第1の水蒸気の供給時間は特に限定されるものではないが、基板Wの表面全面に薄い水の層が形成できる程度の時間(例えば、1〜10秒程度)であればよい。
After the pressure in the
第1の水蒸気はガス分散板6の複数の開口を通過して基板Wの表面全面に供給される。基板Wの表面の全面に到達した第1の水蒸気は、基板W上で薄い水の層を形成する。
The first water vapor passes through the plurality of openings of the
第1の水蒸気が所定の時間供給された後、フッ化水素ガス流量コントローラ13によりフッ化水素ガスが所定の供給流量に調節され、多連弁14のバルブが開動作されて多連弁14の出先の第1配管11において第1の水蒸気と混合され混合ガスとなり第1配管11より処理室2内に供給される。処理室2内に供給された混合ガスはガス分散板6の複数の開口を通過して基板Wの表面全面に均一に供給され、基板W上に形成されたシリコン酸化膜をエッチングする(ステップS4)。第1の水蒸気とフッ化水素ガスの供給流量は、エッチング対象となるシリコン酸化膜種により予め決められる。例えば、本実施形態のようにシリコン酸化膜をエッチングする場合であれば第1の水蒸気の供給流量は300cc/min〜10000cc/minの範囲で設定され、第1の水蒸気に混合されるフッ化水素ガスの供給流量は100cc/min〜2000cc/minに設定される。
After the first steam is supplied for a predetermined time, the hydrogen fluoride gas
本実施形態では、第1の水蒸気をエッチング混合ガスの供給よりも先に供給している。このため、シリコン酸化膜のエッチング種であるフッ化水素ガスが基板W上に到達する時点よりも前に水の層が基板W上に形成されているため、直ちにエッチングを開始することができる。仮に、基板Wの上に水膜が存在しない状態でエッチング混合ガスを基板Wに供給した場合、基板Wのシリコン酸化膜のエッチングを直ちに開始することができない。フッ化水素ガスでシリコン酸化膜をエッチングする場合、フッ化水素ガスが水に溶けることにより解離してフッ素イオンが生成し、このフッ素イオンがエッチングに寄与するためである。 In the present embodiment, the first water vapor is supplied before the etching mixed gas is supplied. Therefore, since the water layer is formed on the substrate W before the hydrogen fluoride gas, which is the etching species of the silicon oxide film, reaches the substrate W, the etching can be started immediately. If the etching mixed gas is supplied to the substrate W in a state where the water film does not exist on the substrate W, the etching of the silicon oxide film of the substrate W cannot be started immediately. This is because when the silicon oxide film is etched with hydrogen fluoride gas, the hydrogen fluoride gas dissolves in water to dissociate and generate fluorine ions, and these fluorine ions contribute to the etching.
混合ガスによりシリコン酸化膜のエッチングが終了すると直ちに多連弁14の第1の水蒸気用バルブとフッ化水素ガス用バルブが閉動作されることにより混合ガスの供給が停止される。同時に第2の水蒸気が第2水蒸気流量コントローラ15により所定の供給流量に調節され、開閉バルブ16が開動作されることにより第2配管17より処理室2内に供給される(ステップS5)。第2の水蒸気はガス分散板6の複数の開口を通過して基板Wの表面の全面に供給される。シリコン酸化膜エッチング後の基板Wに第2の水蒸気を供給して洗浄することにより基板Wの表面に残存するフッ素が除去される。本実施形態では処理室2内にフッ化水素ガスを供給した第1配管11とは別の第2の配管17から基板Wを洗浄するための水蒸気(第2の水蒸気)を処理室2内に供給している。仮に、基板Wを洗浄するための水蒸気を第1配管11を通して処理室2内に供給しようとすると、第1配管11の内部に残存するフッ化水素ガスが処理室2内に供給されてしまうために基板Wの表面に残存するフッ素の除去に時間を要すこととなる。
Immediately after the etching of the silicon oxide film by the mixed gas is completed, the first water vapor valve and the hydrogen fluoride gas valve of the
シリコン酸化膜が熱酸化膜の場合について第1の実施の形態について説明する。基板温度を50℃に保持し、第1の水蒸気を供給流量1000cc/minに設定して5秒間処理室内に供給した後、フッ化水素ガスを供給流量100cc/minに設定して供給し、第1の水蒸気と混合して処理室内に供給して60秒間熱酸化膜をエッチングした。エッチング直後、第2の水蒸気を供給流量1000cc/minに設定して基板表面を240秒間洗浄した。第1の水蒸気を処理室内に供給してから処理が終了するまでの間、処理室内の真空度は32Paに制御した。エッチング後の基板Wの表面に残存するフッ素量を比較評価するために上記条件において第2の水蒸気を供給せずにエッチング終了時までで処理を停止させた基板Wも作成した。 The first embodiment will be described with respect to the case where the silicon oxide film is a thermal oxide film. The substrate temperature was maintained at 50 ° C., the first steam was supplied to the processing chamber at a supply flow rate of 1000 cc / min for 5 seconds, and then hydrogen fluoride gas was supplied at a supply flow rate of 100 cc / min. The thermal oxide film was etched for 60 seconds by mixing with the steam of 1 and supplying the mixture to the treatment chamber. Immediately after etching, the surface of the substrate was washed for 240 seconds by setting the supply flow rate to 1000 cc / min. The degree of vacuum in the treatment chamber was controlled to 32 Pa from the time when the first steam was supplied to the treatment chamber until the treatment was completed. In order to compare and evaluate the amount of fluorine remaining on the surface of the substrate W after etching, a substrate W was also prepared in which the treatment was stopped by the end of etching without supplying the second water vapor under the above conditions.
上記条件により処理した基板Wのフッ素残存量を評価した結果を図3に示す。フッ素残存量の測定は市販のイオンクロマトグラフィを用いて行った。横軸は処理条件を示している。第2の水蒸気で洗浄しなかった未処理はNoで、洗浄を行った条件をH2Oで示している。縦軸は検出されたフッ素量を示す。未処理の場合、フッ素検出量が33ngであったが、第2の水蒸気で洗浄すると未検出となった。この結果より、熱酸化膜エッチング後に第2の水蒸気で洗浄することによりフッ素が残存しない表面が得られることが分かる。 FIG. 3 shows the result of evaluating the residual amount of fluorine in the substrate W treated under the above conditions. The residual amount of fluorine was measured by using commercially available ion chromatography. The horizontal axis shows the processing conditions. The untreated product that was not washed with the second steam is No, and the conditions for washing are indicated by H2O. The vertical axis shows the amount of detected fluorine. In the untreated case, the amount of fluorine detected was 33 ng, but it was not detected when washed with the second steam. From this result, it can be seen that a surface on which fluorine does not remain can be obtained by washing with a second steam after etching the thermal oxide film.
一般的にフッ化水素を含む気相でシリコン酸化膜をエッチングした場合、エッチング後の表面にはフッ素が残留する。先にも述べたように、フッ素が残留するとシリコンに欠陥が発生したり、パーティクルを形成したり、また電気特性にも影響を及ぼす。しかし、上記のフッ素残存量評価結果のように第2の水蒸気で洗浄することにより、このような問題を回避することができる。 Generally, when a silicon oxide film is etched in a gas phase containing hydrogen fluoride, fluorine remains on the surface after etching. As mentioned earlier, residual fluorine can cause defects in silicon, form particles, and affect electrical properties. However, such a problem can be avoided by washing with the second steam as in the above-mentioned fluorine residual amount evaluation result.
また、本実施の形態では、エッチング混合ガスを供給する配管(第1配管11)とは別の配管(第2配管17)を介してエッチング後の基板Wを洗浄するための水蒸気(第2の水蒸気)を処理室2内に供給している。すなわち、第2の水蒸気は第1配管11(混合ガス配管)を通さずに処理室2内に供給されている。これにより配管内に残留するエッチングガスが基板洗浄時に処理室2内に供給されることを防止できる。このため、処理室2内のフッ化水素を含む雰囲気をすばやく水蒸気に置換することができる。仮にエッチングガスとエッチング後の基板Wを洗浄するための水蒸気とを共通の配管で処理室2内に供給すると、フッ化水素ガスを含む混合ガスでシリコン酸化膜をエッチングした後、水蒸気に切り替えても配管内のフッ化水素ガスが出流れるために処理室2内のフッ化水素を含む雰囲気の置換効率が悪くなり基板Wの表面に残存するフッ素の除去に時間を要すこととなる。
Further, in the present embodiment, water vapor (second pipe) for cleaning the substrate W after etching is passed through a pipe (second pipe 17) different from the pipe (first pipe 11) for supplying the etching mixed gas. Water vapor) is supplied into the
次に本実施の形態にて熱酸化膜をエッチングしたときのエッチングレートについて説明する。図4に熱酸化膜を基板温度170℃、第1の水蒸気の供給流量を1500cc/minとしたときの処理室2内の圧力を変化させてフッ化水素ガス濃度をパラメータとした場合のエッチング結果を示す。横軸は処理室2内の圧力を、縦軸は熱酸化膜のエッチングレートを示す。エッチングレートは光学式のエリプソメータを用いてエッチング前後の膜厚を測定し、その差分から求めた。
Next, the etching rate when the thermal oxide film is etched in the present embodiment will be described. FIG. 4 shows the etching results when the pressure in the
フッ化水素ガス濃度が大きいほど熱酸化膜のエッチングレートも大きくなっている。また、エッチングレートは処理室内の圧力にも依存し、圧力が低いときよりも高いときのほうが大きくなり、40Pa程度において最大値を示した。圧力が低いときにエッチングレートが小さくなる原因は、エッチング種であるフッ化水素ガスの熱酸化膜表面への到達確率が十分ではないためであると考えられる。また、圧力が40Paを超えてエッチングレートが低下している原因は、圧力が高いためにエッチングにより生成したエッチング生成物の基板表面からの脱離が不十分であったためであると考えられる。 The higher the hydrogen fluoride gas concentration, the higher the etching rate of the thermal oxide film. Further, the etching rate also depends on the pressure in the processing chamber, and is larger when the pressure is high than when the pressure is low, and shows a maximum value at about 40 Pa. It is considered that the reason why the etching rate decreases when the pressure is low is that the probability that hydrogen fluoride gas, which is an etching species, reaches the surface of the thermal oxide film is not sufficient. Further, it is considered that the reason why the pressure exceeds 40 Pa and the etching rate is lowered is that the etching product generated by etching is not sufficiently detached from the substrate surface due to the high pressure.
本実験の結果より、処理室2内圧力が40Paのとき、フッ化水素ガス濃度が52vol.%では90nm/min程度のエッチングレートが得られ、40vol.%では80nm/min程度、25vol.%では60nm/min程度、10vol.%では10nm/min程度のエッチングレートが得られた。このように、熱酸化膜に対してフッ化水素ガス濃度を変化させることによりエッチングレートをコントロールすることができることが分かる。
From the results of this experiment, when the pressure inside the
次にフッ化水素ガス濃度を15vol.%に固定して基板Wの温度を変化させたときのエッチングレートについて説明する。処理室2内の圧力は13.3Paとした。図5に評価したエッチングレートの結果を示す。横軸は基板Wの温度を、縦軸は熱酸化膜のエッチングレートを示す。基板Wの温度が30℃、80℃、130℃、150℃における結果を示している。基板Wの温度が高くなるにつれてエッチングレートも大きくなっている。基板Wの表面ではフッ素イオンによるエッチングが反応律速となっており、温度が高くなるほど反応速度が大きくなっている。本条件において、基板Wの温度を変えることにより熱酸化膜のエッチングレートを3〜20nm程度にコントロールできることが分かる。
Next, the hydrogen fluoride gas concentration was adjusted to 15 vol. The etching rate when the temperature of the substrate W is changed by fixing it to% will be described. The pressure in the
熱酸化膜のエッチングレートを評価した結果、フッ化水素ガスの供給流量、水蒸気の供給流量、処理室内圧力、基板温度の各条件設定により幅広くエッチングレートが変化することが判明した。このことは、半導体デバイスの製造工程において形成された膜質の異なるさまざまなシリコン酸化膜に対して適切なエッチング条件を設定することにより理想的にエッチングすることが可能であることを示している。上記実験結果から熱酸化膜に対してエッチングレートを3nm〜90nm程度にコントロールできることが分かる。例えば半導体デバイスの工程間で形成されたnmオーダーの膜厚を有する自然酸化膜をエッチングする場合には、低エッチングレートの条件でエッチングすることにより均一にかつエッチング後の基板へのダメージもなくエッチングすることが可能となる。また熱酸化膜のようにエッチングされにくい緻密なシリコン酸化膜に対しては高エッチングレートの条件でエッチングすることにより均一にかつ高スループットでエッチングすることが可能となる。また、気相状態でエッチングするために微細なコンタクトホール内部のエッチングも可能である。 As a result of evaluating the etching rate of the thermal oxide film, it was found that the etching rate changes widely depending on the conditions of hydrogen fluoride gas supply flow rate, water vapor supply flow rate, processing chamber pressure, and substrate temperature. This indicates that it is possible to ideally etch various silicon oxide films having different film qualities formed in the manufacturing process of a semiconductor device by setting appropriate etching conditions. From the above experimental results, it can be seen that the etching rate of the thermal oxide film can be controlled to about 3 nm to 90 nm. For example, when etching a natural oxide film having a film thickness on the order of nm formed between processes of a semiconductor device, etching is performed under a low etching rate condition so that the etching is uniform and there is no damage to the substrate after etching. It becomes possible to do. Further, a dense silicon oxide film that is difficult to be etched, such as a thermal oxide film, can be etched uniformly and with high throughput by etching under a high etching rate condition. Further, since etching is performed in the vapor phase state, it is possible to etch the inside of a fine contact hole.
次に第1の実施の形態の変形例について図6を参照して説明する。図6はエッチング装置1のガス供給系を変形した概略構成を示す側面図である。ガス供給系以外はすべて第1の実施の形態と同じ構成となっている。本変形例では第1配管11をフッ化水素ガス単独の供給配管としている。フッ化水素ガス流量コントローラ13は第1の実施の形態と同じであるがフッ化水素ガスを供給停止するために開閉バルブ20が第1配管11に介装されている。
Next, a modified example of the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a side view showing a schematic configuration in which the gas supply system of the
近年、半導体デバイスの微細化が進行しゲート長が10nm以下のデバイスが開発されている。このような最先端の半導体デバイス製造においては単原子層のエッチングを制御することが望まれている。本変形例はこのような単原子層のエッチングが可能である。 In recent years, the miniaturization of semiconductor devices has progressed, and devices having a gate length of 10 nm or less have been developed. In the manufacture of such state-of-the-art semiconductor devices, it is desired to control the etching of the monatomic layer. In this modification, such monatomic layer etching is possible.
本変形例について、図7の処理のフロー図を用いて説明する。基板Wが図示しない搬送系により処理室2内に搬送され基板ホルダー4に載置される(ステップS71)。基板Wが基板ホルダー4に載置された後、この基板Wは、基板ホルダー4に内蔵された加熱機構5により30℃から200℃の範囲の所定の温度に加熱される。
This modification will be described with reference to the processing flow chart of FIG. 7. The substrate W is transported into the
基板Wが基板ホルダー4上に載置された後、真空ポンプ8により真空引きが開始される(ステップS72)。真空引きは処理室2内の圧力が0.1Pa程度まで実行し、処理室2内の大気雰囲気を排気する。できるだけ減圧するほうが望ましいことは第1の実施の形態と同じである。
After the substrate W is placed on the
処理室2内の圧力が0.1Pa程度まで到達した後、水蒸気が第2配管17を通して処理室2内に供給される(ステップS73)。流量コントローラ15により水蒸気の供給流量が所定流量に調節され、開閉バルブ16が開動作されることにより処理室2内に供給される。処理室2内の圧力が所定の真空度になるように、処理室2内の圧力を圧力センサー10によりモニターして、APCバルブ9の開度が調節される。
After the pressure in the
処理室2内に導入された水蒸気はガス分散板6の複数の開口を通過して基板Wの全面に供給される。基板Wの全面に到達した水蒸気は、基板W上で薄い水の層を形成する。供給する水蒸気の供給流量と供給時間は、エッチング対象となるシリコン酸化膜の膜質と膜厚に依存するが、供給流量は300cc/min〜10000cc/min、供給時間は1〜10秒が適用される。この工程により基板Wの表面に一定厚さの水膜が形成され、後述するフッ化水素ガスが溶け込む溶媒となる。
The water vapor introduced into the
開閉バルブ16が閉動作されることにより水蒸気の供給が停止される。その後、流量コントローラ13によりフッ化水素ガスが所定の供給流量に調節され、開閉バルブ20が開動作されることにより第1配管11を通って処理室2内に供給される。処理室2内に導入されたフッ化水素ガスはガス分散板6の複数の開口を通過して基板Wの表面全面に供給される。基板Wの表面全面に到達したフッ化水素ガスは、予め形成された水膜に溶け込み、解離してフッ素イオンを生成しシリコン酸化膜をエッチングする。所定の時間供給した後、開閉バルブ20が閉動作されることによりフッ化水素ガスの供給が停止される。エッチングされるシリコン酸化膜の膜厚は供給されるフッ化水素ガスの濃度と供給時間により決まる。すなわち、本変形例におけるエッチングは、予め形成された水膜に所定濃度のフッ化水素ガスを溶け込ませてシリコン酸化膜をエッチングするエッチング方法である。この方法を用いれば、形成する水膜量の制御とフッ化水素ガス濃度の選択により単原子層のエッチングが可能となる。
The supply of steam is stopped by closing the on-off
所定時間のエッチング工程の後、開閉バルブ16が開動作されることにより水蒸気が処理室2内に供給される(ステップS75)。水蒸気はガス分散板6の複数の開口を通過して基板Wの表面全面に供給される。第1の実施の形態と同様にシリコン酸化膜エッチング後の基板Wに水蒸気を供給して洗浄することにより基板Wの表面に残存するフッ素が除去される。
After the etching step for a predetermined time, the opening / closing
W ウェハ
1 エッチング装置
2 処理室
3 制御部
4 基板ホルダー
5 加熱機構
6 ガス分散板
7 排気配管
8 真空ポンプ
9 APCバルブ
10 圧力センサー
11 第1配管
12 第1水蒸気流量コントローラ
13 フッ化水素ガス流量コントローラ
14 多連弁
15 第2水蒸気流量コントローラ
16 開閉バルブ
17 第2配管
Claims (9)
前記基板を収容する処理室内を減圧状態にする減圧工程と、
前記減圧工程の後、フッ化水素を含むエッチングガスを前記処理室内に供給して前記基板に形成されたシリコン酸化膜をエッチングするエッチング工程と、
前記エッチング工程の後、水蒸気を前記処理室内に供給して前記基板を洗浄する洗浄工程と、
前記減圧工程の後、前記エッチング工程の前に、前記処理室内に水蒸気を供給して前記基板の表面に水膜を形成する水膜形成工程とを有することを特徴とする基板のエッチング方法。 In an etching method for etching a substrate on which a silicon oxide film is formed,
A decompression step of decompressing the processing chamber accommodating the substrate and
After the decompression step, an etching step of supplying an etching gas containing hydrogen fluoride into the processing chamber to etch the silicon oxide film formed on the substrate, and an etching step.
After the etching step, a cleaning step of supplying water vapor to the processing chamber to clean the substrate, and
A method for etching a substrate, which comprises a water film forming step of supplying water vapor to the processing chamber to form a water film on the surface of the substrate after the depressurizing step and before the etching step .
前記エッチングガスは、フッ化水素ガスと水蒸気とのエッチング混合ガスであることを特徴とする基板のエッチング方法。 In the etching method according to claim 1 ,
A method for etching a substrate, wherein the etching gas is an etching mixed gas of hydrogen fluoride gas and water vapor.
内部に処理空間を有する処理室と、
前記処理空間で基板を保持する基板保持手段と、
前記処理室の底部に連通接続され、前記処理室内を減圧にする減圧手段と、
前記処理室の上部に連通接続され、前記処理空間に第2の水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
前記処理室の上部に連通接続され、前記処理空間にフッ化水素を含むエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、
前記減圧手段と前記水蒸気供給手段と前記エッチングガス供給手段とを制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は前記減圧手段により前記処理空間を減圧した後、前記エッチングガス供給手段により前記処理空間に前記エッチングガスを供給して前記基板のエッチングを行い、その後、前記水蒸気供給手段により前記処理空間に第2の水蒸気を供給して前記基板を洗浄する洗浄処理を行い、
前記エッチングガス供給手段は第1の水蒸気とフッ化水素ガスとを混合して前記エッチングガスを生成する混合ガス配管と、
前記混合ガス配管を通して前記処理空間に前記第1の水蒸気単体と前記エッチングガスとを選択的に供給するための多連弁とを備え、
前記制御手段は、前記多連弁を制御することにより、前記減圧手段による前記処理空間の減圧後、前記混合ガス配管から前記処理空間に前記第1の水蒸気単体を供給して前記基板の表面に水膜を形成する水膜形成を行い、当該水膜形成の後に、前記多連弁を制御することにより前記混合ガス配管から前記処理空間に前記エッチングガスを供給して前記基板のエッチングを行うことを特徴とするエッチング装置。 An etching device that etches a substrate on which a silicon oxide film is formed.
A processing room with an internal processing space and
A substrate holding means for holding the substrate in the processing space and
A decompression means that is connected to the bottom of the processing chamber to reduce the pressure in the processing chamber.
A steam supply means connected to the upper part of the treatment chamber and supplying a second steam to the treatment space,
An etching gas supply means connected to the upper part of the processing chamber to supply an etching gas containing hydrogen fluoride to the processing space.
A control means for controlling the decompression means, the steam supply means, and the etching gas supply means is provided.
After depressurizing the processing space by the depressurizing means, the control means supplies the etching gas to the processing space by the etching gas supply means to etch the substrate, and then the steam supply means performs the processing space. by supplying a second steam have line cleaning process of cleaning the substrate,
The etching gas supply means includes a mixed gas pipe that mixes the first steam and hydrogen fluoride gas to generate the etching gas.
A multi-valve for selectively supplying the first steam unit and the etching gas to the processing space through the mixed gas pipe is provided.
By controlling the multiple valve, the control means supplies the first steam alone from the mixed gas pipe to the processing space after depressurizing the processing space by the depressurizing means to the surface of the substrate. A water film is formed to form a water film, and after the water film is formed, the etching gas is supplied from the mixed gas pipe to the processing space by controlling the multiple valve to etch the substrate. Etching device characterized by.
前記水蒸気供給手段は前記混合ガス配管を通さずに前記第2の水蒸気を前記処理空間に供給することを特徴とするエッチング装置。 The etching apparatus according to claim 6 .
The etching apparatus, wherein the steam supply means supplies the second steam to the processing space without passing through the mixed gas pipe.
内部に処理空間を有する処理室と、
前記処理空間で基板を保持する基板保持手段と、
前記処理室の底部に連通接続され、前記処理室内を減圧にする減圧手段と、
前記処理室の上部に連通接続され、前記処理空間に第2の水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
前記処理室の上部に連通接続され、前記処理空間にフッ化水素を含むエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、
前記減圧手段と前記水蒸気供給手段と前記エッチングガス供給手段とを制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は前記減圧手段により前記処理空間を減圧した後、前記エッチングガス供給手段により前記処理空間に前記エッチングガスを供給して前記基板のエッチングを行い、その後、前記水蒸気供給手段により前記処理空間に第2の水蒸気を供給して前記基板を洗浄する洗浄処理を行い、
前記制御手段は、前記減圧手段により前記処理空間を減圧した後、前記エッチングガス供給手段により前記処理空間にエッチングガスを供給する前に、前記水蒸気供給手段を制御して前記処理空間に第2の水蒸気を供給して前記基板の表面に水膜を形成する水膜形成を行うことを特徴とするエッチング装置。 An etching device that etches a substrate on which a silicon oxide film is formed.
A processing room with an internal processing space and
A substrate holding means for holding the substrate in the processing space and
A decompression means that is connected to the bottom of the processing chamber to reduce the pressure in the processing chamber.
A steam supply means connected to the upper part of the treatment chamber and supplying a second steam to the treatment space,
An etching gas supply means connected to the upper part of the processing chamber to supply an etching gas containing hydrogen fluoride to the processing space.
A control means for controlling the decompression means, the steam supply means, and the etching gas supply means is provided.
After depressurizing the processing space by the depressurizing means, the control means supplies the etching gas to the processing space by the etching gas supply means to etch the substrate, and then the steam supply means performs the processing space. A second steam is supplied to the substrate to perform a cleaning process for cleaning the substrate.
The control means controls the steam supply means after decompressing the processing space by the depressurizing means and before supplying the etching gas to the processing space by the etching gas supply means to provide a second processing space. An etching apparatus characterized in that a water film is formed by supplying water vapor to form a water film on the surface of the substrate.
処理室内の基板保持手段上部に複数の細孔を備えたガス分散板を有することを特徴とするエッチング装置。 In the etching apparatus according to any one of claims 6 to 8 .
An etching apparatus characterized by having a gas dispersion plate having a plurality of pores in the upper part of a substrate holding means in a processing chamber.
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