JPH0296334A - 高温エッチング液の循環方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体素子用ウェハに精密なウェットエツチ
ング処理を行うための高温エツチング液を循環する方法
に関する。より詳しくは、高温エツチング液の一部をエ
ツチング槽から取り出し、これにエツチング液の濃度調
整用の純水を所定量注入した後、所定温度にまで加熱し
てからエツチング槽に循環させる方法に関する。

（従来の技術） 近年、半導体素子の高性能化、高集積化にともない、い
わゆるＮＭＯ３型や、ＣＭＯ８型のＬＳＩのようにシリ
コン酸化ＩＩｍ（以下Ｓ　ｉ　０２膜と称する）〜シリ
コン窒化膜（以下５ｉ４Ｎ３膜と称する）に対する良好
で緻密なエツチング処理が要求されている。

特にゲート絶縁膜の薄膜化が重要なポイントであって、
シリコン基板上に形成された５ｉ０２膜−８ｉ４Ｎ３膜
のうち出来るだけ５ｉ４Ｎ３１１！をエツチングし、Ｓ
　ｉ　０２膜を残し、かつ均一なエツチング処理を行う
、といった精密な処理を必要としている。

すなわち６４にビットの半導体素子の場合、５ｉ０２膜
は比較的厚くて済むが（例えば２０００Å）、１Ｍビッ
トではＳ　ｉ　０２膜の厚みは薄くなるので（例えば１
０００人１ｓｉＪＮ３１１！をより薄く、例えば２００
Å分エツチングしようとするとどうしてもＳ　ｉ　０２
膜までエツチングしてしまうことになる。

エツチングが均一に行われない場合とか、エツチング液
の濃度が高く温度が高い場合などは、この５ｉ０２１１
ｉのエツチング量に対する５ｉ４Ｎ３膜のエツチング量
の比、すなわち選択比が問題となる。

そして、これらの膜のエツチング液としては一般に燐酸
溶液が用いられるが、温度が上昇するとエツチング量が
大きくなり、また温度の変化にともない選択比も変化す
る。

この関係は概略第２図に示す関係となっている。

したがって、目的とする半導体素子の種類に応じてこれ
らのエツチング液の温度、濃度、エツチング量および選
択比などの諸条件を適切に選択することが必要であり、
またその選択幅も広いことが望まれる。

この種の要望に対して従来では、第３図に示す装置を用
いたエツチング方法が行われていた。

同第３図はシリコンを基板とした５ｉ０２［−５ｉ４８
３膜を有するウェハのうち、高温の燐酸水溶液をエツチ
ング液として用いて５ｉ４Ｎ３１ＥＪをエツチングする
従来方法の一例を示している。

図における方法は、−次加熱し−タ７を有するエツチン
グ槽２内に収容されている温度１５０℃〜１８０℃の高
温燐酸水溶液からなるエツチング液１の内部に、ウェハ
ホルダー１９に保持されたウェハ１８を漫潰し、蓋２０
の穴を通じてウェハホルダー１９を外部から支持し、ま
たＮ２ガス導入管２２をエツチング！２の底部に設け、
ここからＮ２ガスを噴出させることで溶液をバブリング
により撹拌すると同時にウェハホルダー１９を時々手動
で揺動する作業によってエツチングを行っている。

燐酸水溶液は加熱によって水分が蒸発し、その濃度が濃
くなるため、これを一定に保つために補給水として純水
１７をパイプ２１を通して手動により時々添加するか、
または順次滴下するようにしている。

またエツチング液１の温度調節は温度コントローラ１５
および１６で行っている。

この方法において、エツチングを繰返しているうちにエ
ツチング能力が落ちてくれば、そのエツチングの１バツ
チを終了し、内部の液を廃棄し、次の燐酸溶液の濃度を
調整し、次のバッチのエツチングを開始することを繰返
す。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、以上のべた従来のエツチング方法である
と、精密エツチングを必要とする場合に、優れた均一性
１選択性に基づいて十分にエツチングをコントロールす
ることは難しく、以下に述べる種々の欠点が指摘されて
いた。

すなわちこの方法では、燐酸エツチング液の濃度を一定
に保つために補給水を手動によって直接エツチング槽内
に加えるようにしているため、Ｎ２バブルとともにウェ
ハホルダーを揺動することによってエツチング液を撹拌
したとしても、その溶液濃度を一定の微小幅の範囲に納
めることが困難である。

例えば、補給水を添加する場合、添加した初期の状態で
は濃度、温度が低下し、その後に次第に上がってくる。

また滴下して添加する場合にあっては、滴下された局部
でその水が沸騰し、その部分の温度が下がるなどして、
エツチング槽内の濃度、温度が不均一になり、ウェハ表
面の部位によりエツチングむらを生ずる。

またこの方法では、手動によってウェハホルダーを揺動
しているので、ウェハホルダーと蓋の大円縁との接触な
どによる異物の発生などのメカニカルトラブルの惧れが
あり、操作者の繁雑さも問題となっていた。

またＮ２バブルによる撹拌方法であると、往々にしてＮ
２バブルがウェハ表面に付着、停滞し、その部分のエツ
チングを局部的に遅らせる原因となっているほか、Ｎ２
ガスを供給することは異物混入の機会ら増えると同時に
、エツチング槽から排出された後は系外に排出され、ロ
スになってしまう欠点があった。

したがって、従来方法によれば、極ＦＪのＳｉＯ２ｗＡ
−３ｉ４　Ｎ３膜に対する精密エツチング性を得ること
は困雑であり、製品歩留まりら低く、さらにはエツチン
グ温度及び濃度を高く出来ず、そのために生産性も低か
った。

この発明は、以上の従来方法の欠点を解決するもので、
その目的は高温エツチング液の循環方法を改良すること
で、極薄の被膜に対する精密エツチング性を向上し、歩
留まりおよび生産性を向上することである。

（課題を解決するための手段） 前記目的を達成するため、この発明は、半導体素子用ウ
ェハのエツチング槽内に収容されたエツチング液の一部
を連続的にエツチング槽より取り出し、これにエツチン
グ液濃度調整用の純水を所定量注入した後所定温度まで
加熱してから前記エツチング槽内に循環させるようにし
な。

また、この発明のより具体的な循環方法として、高温エ
ツチング液をエツチング槽の上部に設けた溢流堰より溢
流させて取り出し、かつ前記エツチング槽内の底部に設
けられた分散板を通して循環させることが出来る。

さらに、この発明では、エツチング液濃度調整用の純水
を、自動弁を有する流量計付き水注入装置を用いてエツ
チング液循環パイプ中に注入することが出来る。

またさらに、この発明の適用対象のエツチング液はシリ
コン基板上に形成された５ｉ０２膜−８ｉ４Ｎ３膜のエ
ツチングに用いられる燐酸水溶液が好適である。

（作　用） 以上の方法によれば、エツチング槽内に再循環されるエ
ツチング液は槽内のエツチング液の濃度および温度近く
に保たれているので、エツチング槽内の濃度および温度
分布を一定範囲に保つことができる。

純水が混合されたエツチング液は、エツチング槽に戻さ
れた状態で圧力が解放され、急激に水蒸気のバブルとな
り、エツチング液を激しく撹１半する。

この水蒸気バブルはウェハの表面上に付着停滞すること
がないので停滞によるエツチングむらが生じない。

分散板を通してエツチング槽内の底部から調整されたエ
ツチング溶液を循環させた場合には、エツチング槽の底
部全面積より水蒸気バブルが上昇するので、さらに均一
な撹拌が行われる。

また、このようにした場合にはエツチング槽内のエツチ
ング液の流れは、完全なアッパーフローとなり、垂直状
、かつ平行にウェハの間の液中を滞りなく流れるので、
槽内の異物もスムーズに上部に流れ、溢流堰から排除さ
れるため、ウェハに異物が付着することも防止できる。

さらに、自動弁を通じて′Ｗｉ環系に調整用の純水を注
入した場合には、濃度調整などの繁雑な手数を省略でき
る。

（実　施　例） 以下、本発明のさらに具体的な一実施例を図面を用いて
詳細に説明する。

第１図は本発明方法に用いられるエツチング装置を示し
ている。

図において、エツチング液１を充填したエツチング槽２
の上部周縁には溢流堰３が設けられ、この溢流堰３に底
部に取り出し管４が接続されている。

エツチング４１！１２の底部には循環するエツチング液
の戻り管５が接続され、エツチング槽２の内底面に付設
された多数の小孔を設けた分散板６の下面に対向してい
る。

さらにエツチング４＠２の外周には加熱用の一次し一部
７が設けられている。

前記取り出し管４はポンプ８．フィルタ９および二次ヒ
ータ１０を経て前記戻り管５に接続している。

一方、電磁弁１３を有する流量計１１付き水注入装置１
２は、水注入管１４により、前記フィルタつと二次ヒー
タ１０との間に配管接続されている。

さらに図中１５．１６は温度コントローラであって、温
度コントローラ１５はエツチング槽２内のエツチング液
１の温度検出用および前記水注入装置１２の駆動制御用
であり、これの検出結果に基づいて前記−次ヒータ７の
温度を所定の温度にコントロールするとともに、検出温
度に基づいて水注入装置１２の駆動制御を行う。

また、前記温度コントローラ１６は前記戻り管５の二次
ヒータ１０からの出口付近の加熱温度検出用であり、こ
の検出結果に基づいて二次ヒータ１０の加熱温度をコン
トロールする。

以上の装置、機器、配管類は、エツチング液として高温
および高濃度の酸を用いており、また高純度の半導体を
製造するものであるから、その材質としては、弗素樹脂
、ポリプロピレンなど十分耐食性および耐久性に富んだ
材料を使用することはいうまでもない。

次に以上の装置を用いた具体的なエツチング方法を説明
する。

エツチング液としては濃度８５％の燐酸水溶液をエツチ
ング槽２内に入れ、−次ヒータ７により槽内温度を１５
８℃まで加熱する。

そして、溢流堰３に溢流したエツチング液１をポンプ８
を介して取り出し管４内に抜き出し、フィルタ９によっ
て異物を除去した後二次ヒータ１０、戻り管５を通じて
エツチング槽２の底部に循環させる。

この時、エツチング槽２内の温度を１５８℃に保つため
の調節は、温度コントローラ１５の温度検出に基づく一
次ヒータ７のＯＮ、ＯＦＦ操作により行う。

また、水注入装置１２は前記温度コントローラ１５の検
出温度に基づいて駆動され、流量計１１の検出結果に基
づき電磁弁１３を開閉制御しつつ補給用純水１７を水注
入管４を通じて二次ヒータ１０の前段に供給する。

すなわち、この純水の補給量は温度検出結果と設定され
た沸騰温度との差に基づいて制御され、前記エツチング
４！２内で蒸発した水分の量に相当する藍となっている
。

このようにしてエツチング槽２内の濃度および温度範囲
は常時設定温度範囲内に保たれ、エツチング液１の沸騰
状態を所定の範囲に保つことができる。

以上の制御操作によって循環系が安定したところで、図
示しないウェハホルダーに支持したウェハ１８をエツチ
ングされる表面を垂直にしてエツチング槽２内に浸漬す
ることによって、エツチングが行われる。

戻り管５を通じてエツチング４！２内のエツチング液１
の濃度および温度近くに調整された液が底部に供給され
ると、この液の圧力は解放され、この内部に含まれる水
分は急激に蒸発して多数のバブルを発生し、分散板６を
通じてエツチング槽２の底部全面から均一に上昇してエ
ツチング液全体を撹拌し、濃度および温度を十分に均一
にするのである。

エツチング槽２内の燐酸エツチング液１の濃度。

温度は第２図に示すような特性に基づくエツチング条件
にしたがって選択される。

例えば濃度８５％ならば温度１５８°Ｃ，濃度９０％な
らば温度１７５℃で大体の沸騰状態になる。

しかし、燐酸水溶液自体は高濃度においては、その溶液
内の相変化もあり、またエツチング液としても熱的影響
や経時変化による影響もあるので以上の関係は一応の目
安である。

したがって、実際には燐酸の濃度に応じた沸騰温度でな
ければならないというわけではなく、沸点近くに保つこ
とによって十分な量のバブルを得ることができる。

次に、以上の方法によって得られたシリコンウェハのエ
ツチング結果について、以下の表１，２を参照して説明
する。

なお、エツチング条件は以下の通りである。

＊ウェハ・・・Ｓｉ基板にＳ　ｉ　０２膜約１００ＯＡ
、５ｉ４Ｎ３膜約１５００Ａを形成したもの。

＊エツチング条件・・・以上のウェハ■〜■をエツチン
グ槽内の４箇所に垂直状態で浸漬し、燐酸水溶液の濃度
８５％、温度１５８℃の処理条件で２０分間エツチング
しな。

表１ （Ｓｉ４Ｎ３膜）　　　単位：Ａ 表２ （Ｓｉ０２　膜） 単位：Ａ ２０分 ＝２７．　３％ （±１３．７％の偏差） １択几 ５ｉ４Ｎ３　　ｌエツチングレート　／５ｉ０２　　ｌ
エツチングレート＝１．７％ （±０．８５％の偏差） 以上の表１．２からエツチングの選択比は５ｉ０２膜１
に対し、５ｉ４Ｎ３１摸５１となり、エツチング偏差も
小さく、良好なエツチングコントロールが出来たことを
示唆している。

なお、前記実施例では補給水の注入箇所としてフィルタ
つと二次ヒータ１０の間で行ったが、エツチング条件に
よってはポンプ８とフィルタ９の間、或いは二次ヒータ
１０の後段に補給するようにしても実質的に問題はない
。

また、前記実施例では、エツチング液として燐酸水溶液
を使用したが、沸点近くでエツチングが行われる酸類、
その池のエツチング用溶液も同様に使用することができ
、さらにはエツチング対象の膜もＳ　ｉ　０２膜、５ｉ
４Ｎ３膜に限定されるものでないことは勿論である。

（発明の効果） 以上実施例によって詳細に説明したように、この発明に
よれば、シリコン基板上に形成された５ｉ０２１１ｉ、
５ｉ４Ｎ３膜を精密にエツチングする場合であっても、
エツチング偏差値の小さな均一なエツチングを行え、選
択性の大きなエツチングが可能となる。

したがって、この発明方法では、エツチング温度、およ
び濃度などの条件を広く選択することができ、高性能な
半導体素子を歩留まりよく製造できる。

また、請求項２の方法とすることによって循環するエツ
チング液は垂直流となり、シリコンウェハの表面に沿っ
て均一に上昇、楯環する。

さらに、請求項３の方法とすることによって自動的に補
給水を補給することができ、濃度を一定範囲に保つこと
ができる。

またさらに、請求項４のように、エツチング准として燐
酸水溶液を用いた場合には、本発明に好適なエツチング
状態を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のエツチング液循環方法が適用される
実施例装置の構成図、第２図はシリコン酸化膜とシリコ
ン窒化膜のエツチング時間に対するエツチング量を示す
特性図、第３図は従来の高温エツチング液の循環方法に
おける装置の構成図である。 １・・・エツチング液 ２・・・エツチング槽 ４・・・取り出し管 ５・・・戻り管 ６・・・分散板 ７・・・−次ヒータ １０・・・二次ヒータ １２・・・水注入装置 １４・・・水注入管 １７・・・純水（補給水） １８・・・シリコンウェハ 特許出願人　　日曹エンジニアリング株式会社代理人　
　　弁理士　　山　本　秀　樹→逼度

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体素子用ウェハのエッチング槽内に収容され
   たエッチング液の一部を連続的にエッチング槽より取り
   出し、これにエッチング液濃度調整用の純水を所定量注
   入した後所定温度まで加熱してから前記エッチング槽内
   に循環させるようにしたことを特徴とする高温エッチン
   グ液の循環方法。
2. （２）高温エッチング液をエッチング槽の上部に設けた
   溢流堰より溢流させて取り出し、かつ前記エッチング槽
   内の底部に設けられた分散板を通して循環させることを
   特徴とする請求項１に記載の高温エッチング液の循環方
   法、
3. （３）エッチング液濃度調整用の純水を、自動弁を有す
   る流量計付き水注入装置を用いてエッチング液循環パイ
   プ中に注入することを特徴とする請求項１または２に記
   載の高温エッチング液の循環方法。
4. （４）エッチング液が燐酸水溶液であることを特徴とす
   る請求項１ないし３のいずれかに記載の高温エッチング
   液の循環方法。