KR20190034080A - 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치 - Google Patents

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아키히사 이와사키
유야 아카니시
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가부시키가이샤 스크린 홀딩스
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Abstract

금속층을 표면에 가지는 기판을 처리하는 기판 처리 방법은, 상기 기판의 표면으로 산화 유체를 공급함으로써, 1개 원자층 또는 수개 원자층으로 이루어지는 산화 금속층을 상기 금속층의 표층에 형성하는 산화 금속층 형성 공정과 상기 기판의 표면으로 에칭액을 공급함으로써, 상기 산화 금속층을 상기 기판의 표면으로부터 선택적으로 제거하는 산화 금속층 제거 공정을 포함한다.

Description

기판 처리 방법 및 기판 처리 장치{SUBSTRATE PROCESSING METHOD AND SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS}
본 발명은, 기판을 처리하는 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치에 관한 것이다. 처리 대상이 되는 기판에는, 예를 들어, 반도체 웨이퍼, 액정표시장치용 기판, 유기 EL(Electroluminescence) 표시장치 등의 FPD(Flat Panel Display)용 기판, 광 디스크용 기판, 자기 디스크용 기판, 광자기 디스크용 기판, 포토마스크(photomask)용 기판, 세라믹 기판, 태양전지용 기판 등의 기판이 포함된다.
반도체 장치 등의 제조 공정에서, 반도체 웨이퍼의 표면에 다층의 금속 배선을 형성하는 공정은, 백 엔드 프로세스(BEOL：Back End of the Line) 등으로 불리고 있다. BEOL에서는, 미세한 금속 배선, 플러그, 비아 등이 형성되어 있다(예를 들어 미국 특허 출원 공개 제2016/293447호 명세서 참조).
BEOL에서는, 나노 미터 이하의 정밀도로 금속층을 에칭하는 것이 요구되는 경우가 있을 수 있다. 예를 들어, 풀 셀프 얼라인 비아(FSAV: Fully Self-Aligned Via)로 불리는 프로세스에서는, 절연막에 형성된 트렌치(trench) 내에 금속층을 설치한 후에, 그 금속층의 표면 부분을 웨트 에칭에 의해서 수십 나노 미터 두께만 제거하여, 금속층 표면을 트렌치 내로 후퇴시키고 싶은 경우가 있다. 그 후퇴한 비아를 형성함으로써, 해당 비아와 근방의 배선의 사이의 거리의 최소화를 도모할 수 있다. 이러한 경우에는, 1개 원자층~수개 원자층의 오더로 웨트 에칭할 수 있는 수법이 필요하다.
여기서, 본 발명의 하나의 목적은, 금속층을 표면에 가지는 기판을 처리하는 구성에서, 나노 미터 이하의 정밀도로 금속층의 에칭량을 제어할 수 있는 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 금속층을 표면에 가지는 기판을 처리하는 기판 처리 방법으로서, 상기 기판의 표면으로 산화 유체를 공급함으로써 1개 원자층 또는 수개 원자층으로 이루어지는 산화 금속층을 상기 금속층의 표층에 형성하는 산화 금속층 형성 공정과, 상기 기판의 표면으로 에칭액을 공급함으로써 상기 산화 금속층을 상기 기판의 표면으로부터 선택적으로 제거하는 산화 금속층 제거 공정을 포함하는, 기판 처리 방법을 제공한다.
이 방법에 의하면, 산화 금속층 형성 공정에서는, 1개 원자층 또는 수개 원자층으로 이루어지는 산화 금속층이 형성된다. 금속 및 산화 금속의 1개 원자층의 두께는, 1 nm 이하(예를 들어, 0.3 nm~0.4 nm)이다. 그 때문에, 산화 금속층 제거 공정에서 산화 금속층을 선택적으로 제거함으로써, 나노 미터 이하의 정밀도로 금속층의 에칭량을 제어할 수 있다.
이와 같이, 1개 원자층 또는 수개 원자층 단위로 금속층을 에칭하는 수법을 ALWE(Atomic Layer Wet Etching)라고 한다. 수개 원자층이란, 2개의 원자층으로부터 10개의 원자층을 말한다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 산화 금속층 형성 공정과, 상기 산화 금속층 제거 공정이 교대로 복수회 실행된다. 산화 금속층 형성 공정 및 산화 금속층 제거 공정을 1회씩 실행함으로써, 에칭되는 금속층의 두께는, 거의 일정하다. 그 때문에, 산화 금속층 형성 공정 및 산화 금속층 제거 공정을 반복해 실행하는 횟수를 조절함으로써, 소망한 에칭량을 달성할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 산화 금속층 형성 공정이, 상기 산화 금속층을 형성하기 위해서, 과산화수소수, 과염소산, 질산, 암모니아 과산화수소수 혼합액, 오존 용존수, 산소 용존수, 드라이 에어, 오존 가스 중 적어도 1종류를 상기 기판의 표면으로 공급하는 공정을 포함하고 있어도 좋다.
산화 금속층 형성 공정에서 형성되는 산화 금속층의 두께는, 산화 유체의 산화력에 의존한다. pH가 높을수록, 즉 염기성이 높을수록 산화 유체의 산화력은 높아진다. 과산화수소수는, pH가 6~8이기 때문에, 1개 원자층~수개 원자층의 산화 금속층을 형성하는데 적합한 산화력을 가지고 있다. 따라서, 산화 금속층을 형성하기 위해서, 과산화수소수를 기판의 표면으로 공급하는 방법이면, 나노 미터 이하의 두께의 산화 금속층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 산화 금속층 제거 공정이, 산성 약액을 상기 기판의 표면으로 공급하는 공정을 포함하고 있어도 좋다. 또한, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 산화 금속층 제거 공정이, 상기 산성 약액으로서 희불산, 염산, 아세트산, 구연산, 글리콜산 중 적어도 1종류를 상기 기판의 표면으로 공급하는 공정을 포함하고 있어도 좋다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 산화 금속층 제거 공정이, 탈기된 에칭액을, 상기 기판의 표면으로 공급하는 탈기에칭액 공급 공정을 포함한다.
에칭액 중의 산소의 농도(용존산소 농도)가 높으면 기판의 표면의 금속층이 에칭액 중의 산소에 의해서 산화되어 산화 금속층이 될 우려가 있다. 이것에 의해서는, 금속층에서 산화 유체에 의해서 산화되지 않았던 부분도 에칭액에 의해서 에칭되어 버린다. 즉, 산화 금속층의 제거 선택성이 저하할(에칭량이 변동할) 우려가 있다. 여기서, 탈기된 에칭액을 이용함으로써, 산화 금속층의 제거 선택성의 향상을 도모할 수 있다. 따라서, 에칭량을 정밀도 좋게 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 기판 처리 방법이, 에칭액 탱크 내의 에칭액에 불활성 가스를 보냄으로써 상기 에칭액 탱크 내의 에칭액을 탈기하는 탈기공정을 더 포함한다. 그리고, 상기 탈기에칭액 공급 공정이, 상기 탈기공정에 의해서 탈기된 에칭액을, 상기 기판의 표면으로 공급하는 공정을 포함한다.
이 방법에 의하면, 에칭액 탱크 내의 에칭액에 불활성 가스를 보냄으로써, 에칭액 탱크 내의 에칭액을 탈기할 수 있다. 이것에 의해, 에칭액 중의 용존산소 농도가 충분히 저감된다. 따라서, 탈기에칭액 공급 공정에서는, 충분히 용존산소 농도가 저감된 에칭액을 기판의 표면으로 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 탈기에칭액 공급 공정이, 탈기된 에칭액의 용존산소 농도를 유지하면서, 상기 탈기된 에칭액을 상기 기판의 표면으로 공급하는 공정을 포함한다.
기판의 표면으로 공급된 에칭액이 기판의 표면의 산화 금속층과 반응하기 전에, 에칭액의 주변의 분위기 중에 존재하는 산소가, 에칭액에 용해할 우려가 있다. 이것에 의해서는, 산화 금속층의 제거 선택성이 저하한다. 여기서, 용존산소 농도를, 탈기 되었을 때의 에칭액 중의 용존산소 농도로 유지한 채로, 에칭액을 기판의 표면으로 공급함으로써, 산화 금속층의 제거 선택성의 향상을 도모할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 기판 처리 방법이, 상기 기판을 수평으로 유지하는 기판 유지 공정과, 상기 기판에 상방으로부터 대향하는 대향부를 구비하는 대향 부재의 상기 대향부와 상기 기판의 사이의 공간을 향해서 불활성 가스를 공급함으로써, 상기 공간 내의 분위기를 불활성 가스로 치환하는 치환 공정을 더 포함한다. 그리고, 상기 탈기에칭액 공급 공정이, 상기 공간 내의 분위기가 불활성 가스로 치환된 후에 실행된다.
이 방법에 의하면, 기판의 표면과 대향부의 사이의 공간 내의 분위기가 불활성 가스로 치환된다. 즉, 기판의 표면의 주변의 분위기로부터 산소가 배제된다. 그 때문에, 기판의 표면으로 공급된 에칭액에 산소가 용해해 용존산소 농도가 상승하는 것을 억제 또는 방지할 수 있다. 따라서, 탈기 직후의 용존산소 농도를 유지한 에칭액을 기판의 표면으로 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 기판 처리 방법이, 상기 대향부로부터 하방으로 연장되고 평면시에서 상기 기판을 둘러싸는 환 형상부가 상기 기판을 측방으로부터 둘러싸도록, 상기 대향 부재를 배치하는 대향 부재 배치 공정을 더 포함한다. 그리고, 상기 대향 부재 배치 공정이, 상기 치환 공정의 개시 전에 실행된다.
기판이 환 형상부에 의해서 측방으로부터 둘러싸임으로써, 기판의 표면과 대향부의 사이의 공간의 밀폐도가 높아진다. 그 때문에, 해당 공간 내의 분위기가 불활성 가스로 치환된 후에, 해당 공간에의 외부로부터의 산소의 유입이 억제된다. 따라서, 탈기 직후의 용존산소 농도를 유지한 에칭액을 기판의 표면으로 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 기판 처리 방법이, 상기 산화 금속층 형성 공정과, 상기 산화 금속층 제거 공정의 사이에 실행되고 상기 기판의 표면으로 제1린스액을 공급함으로써, 상기 기판의 표면에 부착한 산화 유체를 씻어 내는 제1린스 공정을 더 포함한다.
기판의 표면에 산화 유체가 남은 상태에서 기판의 표면으로 에칭액이 공급되면, 산화 금속층의 제거에 의해서 새롭게 노출된 금속층이, 기판의 표면에 남은 산화 유체에 의해서 산화될 우려가 있다. 이것에 의해서는, 에칭량이 변동할 우려가 있다. 여기서, 제1린스액으로 기판 위의 산화 유체를 씻어 냄으로써, 에칭량을 정밀도 좋게 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 제1린스 공정이, 탈기된 제1린스액을, 상기 기판의 표면으로 공급하는 탈기 린스액 공급 공정을 포함한다. 제1린스액으로 산화 유체를 씻어 내도, 산화 금속층의 제거에 의해서 새롭게 노출된 금속층이, 제1린스액 중의 용존산소에 의해서 산화될 우려가 있다. 여기서, 탈기된 제1린스액을 이용함으로써, 산화 금속층의 제거에 의해서 새롭게 노출된 금속층의 산화를 억제할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 기판 처리 방법이, 상기 산화 금속층 제거 공정 후에 실행되고 상기 기판의 표면으로 제2린스액을 공급함으로써 상기 기판의 표면에 부착한 에칭액을 씻어 내는 제2린스 공정을 더 포함한다.
산화 금속층을 제거한 후에 기판의 표면에 에칭액이 남아 있으면, 기판의 표면의 주변의 분위기 중의 산소가 에칭액에 새롭게 용해한다. 그 때문에, 에칭액에 의해서 산화 금속층이 제거됨으로써 새롭게 노출된 금속층이, 이 산소에 의해서 산화될 우려가 있다. 이것에 의해서는, 산화 금속층의 제거 선택성이 저하할 우려가 있다. 여기서, 제2린스액으로 기판 위의 에칭액을 씻어 냄으로써, 에칭량을 정밀도 좋게 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 금속층이, 구리층 및 코발트 층 중 적어도 한편을 포함하고 있어도 좋다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 기판이, 트렌치가 형성된 절연층을 가진다. 그리고, 상기 금속층이, 상기 트렌치에 배치된 금속 배선을 가진다. 금속 배선의 폭은, 미세화의 영향을 받기 쉽다. 이러한 경우에도, 나노 미터 이하의 정밀도로 금속층의 에칭을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 기판 처리 방법이, 마지막의 상기 산화 금속층 제거 공정이 종료한 후에, 피복제를 상기 기판의 표면으로 공급함으로써, 상기 기판의 표면을 덮는 피복막을 형성하는 피복막 형성 공정을 더 포함한다.
마지막의 산화 금속층 제거 공정이 종료한 후, 기판의 주위의 분위기 중의 산소나 수분에 의해서, 기판의 표면의 금속층이 산화될 우려가 있다. 여기서, 기판의 표면을 덮는 피복막을 형성함으로써, 금속층을 보호할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 마지막의 상기 산화 금속층 제거 공정이 종료한 후에, 레이저를 상기 기판의 표면에 조사하는 레이저 조사 공정을 포함한다. 그 때문에, 레이저의 조사에 의해서 금속층의 표면을 용융시킬 수 있다. 이것에 의해, 금속층의 표면을 평활화할 수 있다. 기판의 표면에는, 0.2J/㎠ 이상이고 0.5J/㎠ 이하의 에너지 밀도를 가지는 레이저를 조사하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 금속층을 표면에 가지는 기판을 수평으로 유지하는 기판 유지 유닛과, 산화 유체를 상기 기판의 표면으로 공급하는 산화 유체 공급 유닛과, 에칭액을 상기 기판의 표면으로 공급하는 에칭액 공급 유닛과, 상기 산화 유체 공급 유닛 및 상기 에칭액 공급 유닛을 제어하는 컨트롤러를 포함하는, 기판 처리 장치를 제공한다. 그리고, 상기 컨트롤러가, 상기 산화 유체 공급 유닛으로부터 상기 기판의 표면으로 산화 유체를 공급함으로써 1개 원자층 또는 수개 원자층으로 이루어지는 산화 금속층을 상기 금속층의 표층에 형성하는 산화 금속층 형성 공정과, 상기 에칭액 공급 유닛으로부터 상기 기판의 표면으로 에칭액을 공급함으로써 상기 산화 금속층을 상기 기판의 표면으로부터 선택적으로 제거하는 산화 금속층 제거 공정을 실행하도록 프로그램되어 있다.
이 구성에 의하면, 산화 금속층 형성 공정에서는, 1개 원자층 또는 수개 원자층으로 이루어지는 산화 금속층이 형성된다. 금속 및 산화 금속의 1개 원자층의 두께는, 1 nm 이하(예를 들어, 0.3 nm~0.4 nm)이다. 그 때문에, 산화 금속층 제거 공정에서 산화 금속층을 선택적으로 제거함으로써, 나노 미터 이하의 정밀도로 금속층의 에칭량을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 컨트롤러가, 상기 산화 금속층 형성 공정과, 상기 산화 금속층 제거 공정을 교대로 복수회 실행하도록 프로그램되어 있다. 산화 금속층 형성 공정과 산화 금속층 제거 공정을 1회씩 실행함으로써 금속층이 1개 원자층 또는 수개 원자층만 에칭된다. 따라서, 산화 금속층 형성 공정 및 산화 금속층 제거 공정을 반복해 실행하는 횟수를 조절함으로써, 소망한 에칭량을 달성할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 산화 유체 공급 유닛이, 과산화수소수, 과염소산, 질산, 암모니아 과산화수소수 혼합액, 오존 용존수, 산소 용존수, 드라이 에어, 오존 가스 중 적어도 1종류를 상기 기판의 표면으로 공급해도 좋다.
산화 금속층 형성 공정에서 형성되는 산화 금속층의 두께는, 산화 유체의 산화력에 의존한다. pH가 높을수록, 즉 염기성이 높을수록 산화 유체의 산화력은 높아진다. 과산화수소수는, pH가 6~8이기 때문에, 1개 원자층~수개 원자층의 산화 금속층을 형성하는데 적합한 산화력을 가지고 있다. 따라서, 산화 유체 공급 유닛이, 기판의 표면으로 과산화수소수를 공급하는 과산화수소수 공급 유닛을 포함한 구성이면, 나노 미터 이하의 두께의 산화 금속층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 에칭액 공급 유닛이, 산성 약액을 상기 기판의 표면으로 공급하는 산성 약액 공급 유닛을 포함하고 있어도 좋다. 상기 산성 약액이, 불산, 염산, 아세트산, 구연산, 글리콜산 중 적어도 1종류를 포함하고 있어도 좋다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 에칭액 공급 유닛이, 탈기된 에칭액을 상기 기판의 표면으로 공급한다.
에칭액 중의 산소의 농도(용존산소 농도)가 높으면 기판의 표면의 금속층이 에칭액 중의 산소에 의해서 산화되어 산화 금속층이 될 우려가 있다. 이것에 의해서는, 금속층에서 산화 유체에 의해서 산화되지 않았던 부분도 에칭액에 의해서 에칭되어 버린다. 즉, 산화 금속층의 제거 선택성이 저하할 우려가 있다. 여기서, 탈기된 에칭액을 이용함으로써, 산화 금속층의 제거 선택성의 향상을 도모할 수 있다. 따라서, 에칭량을 정밀도 좋게 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 기판 처리 장치가, 에칭액을 저장하는 에칭액 탱크와, 상기 에칭액 탱크 내의 에칭액에 불활성 가스를 보냄으로써 상기 에칭액 탱크 내의 에칭액을 탈기하는 버블링 유닛을 더 포함한다. 그리고, 상기 에칭액 공급 유닛이, 상기 버블링 유닛에 의해서 탈기된 에칭액을 상기 기판의 표면으로 공급한다.
이 구성에 의하면, 에칭액 탱크 내의 에칭액에 버블링 유닛으로부터 불활성 가스를 보냄으로써, 에칭액을 탈기할 수 있다. 이것에 의해, 에칭액 중의 용존산소 농도가 충분히 저감된다. 따라서, 탈기에칭액 공급 공정에서는, 충분히 용존산소 농도가 저감된 에칭액을 기판의 표면으로 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 기판 처리 장치가, 상기 기판에 상방으로부터 대향하는 대향부를 갖고, 상기 기판 유지 유닛에 대해서 승강하는 대향 부재와, 상기 대향부와 상기 기판의 사이의 공간을 향해서 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급 유닛을 더 포함한다.
그리고, 상기 컨트롤러가, 상기 불활성 가스 공급 유닛으로부터 상기 공간을 향해서 불활성 가스를 공급함으로써 상기 공간 내의 분위기를 불활성 가스로 치환하는 치환 공정과, 상기 공간 내의 분위기가 불활성 가스로 치환된 후에 상기 에칭액 공급 유닛으로부터 상기 기판의 상면으로 에칭액을 공급하는 에칭액 공급 공정을 실행하도록 프로그램되어 있다.
이 구성에 의하면, 기판의 표면과 대향부의 사이의 공간 내의 분위기가 불활성 가스로 치환된다. 즉, 기판의 표면의 주변의 분위기로부터 산소가 배제된다. 그 때문에, 기판의 표면으로 공급된 에칭액에 산소가 용해하여 용존산소 농도가 상승하는 것을 억제 또는 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 대향 부재가, 상기 대향부로부터 하방으로 연장되고 평면시에서 상기 기판을 둘러싸는 환 형상부를 포함한다. 그리고, 상기 컨트롤러가, 상기 환 형상부가 상기 기판을 측방으로부터 둘러싸도록 상기 대향 부재를 배치하는 대향 부재 배치 공정을 상기 치환 공정의 개시 전에 실행하도록 프로그램되어 있다.
기판이 환 형상부에 의해서 측방으로부터 둘러싸임으로써, 기판의 표면과 대향부의 사이의 공간의 밀폐도가 높아진다. 그 때문에, 해당 공간 내의 분위기가 불활성 가스로 치환된 후에, 해당 공간에의 외부로부터의 산소의 유입이 억제된다. 따라서, 기판의 표면으로 공급된 에칭액에 산소가 용해하여 용존산소 농도가 상승하는 것을 억제 또는 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 기판 처리 장치가, 상기 기판의 표면으로 제1린스액을 공급하는 제1린스액 공급 유닛을 더 포함한다. 그리고, 상기 컨트롤러가, 상기 산화 금속층 형성 공정과, 상기 산화 금속층 제거 공정의 사이에, 상기 기판의 표면으로 제1린스액을 공급함으로써 상기 기판의 표면에 부착한 산화 유체를 씻어 내는 제1린스 공정을 실행하도록 프로그램되어 있다.
기판의 표면에 산화 유체가 남은 상태에서 기판의 표면으로 에칭액이 공급되면, 산화 금속층의 제거에 의해서 새롭게 노출된 금속층이, 기판의 표면에 남은 산화 유체에 의해서 산화될 우려가 있다. 이것에 의해서는, 에칭량이 변동할 우려가 있다. 여기서, 제1린스액으로 기판 위의 산화 유체를 씻어 냄으로써, 에칭량을 정밀도 좋게 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 제1린스액 공급 유닛이, 탈기된 제1린스액을, 상기 기판의 표면으로 공급한다. 제1린스액으로 산화 유체를 씻어 내도, 산화 금속층의 제거에 의해서 새롭게 노출된 금속층이, 제1린스액 중의 용존산소에 의해서 산화될 우려가 있다. 여기서, 탈기된 제1린스액을 이용함으로써, 산화 금속층의 제거에 의해서 새롭게 노출된 금속층의 산화를 억제할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 기판 처리 장치가, 제2린스액을 상기 기판의 표면으로 공급하는 제2린스액 공급 유닛을 더 포함한다. 그리고, 상기 컨트롤러가, 상기 산화 금속층 제거 공정 후에, 상기 기판의 표면으로 제2린스액을 공급함으로써 상기 기판의 표면에 부착한 에칭액을 씻어 내는 제2린스 공정을 실행하도록 프로그램되어 있다.
산화 금속층을 제거한 후에 기판의 표면에 에칭액이 남아 있으면, 기판의 표면의 주변의 분위기 중의 산소가 에칭액에 새롭게 용해한다. 그 때문에, 에칭액에 의해서 산화 금속층이 제거됨으로써 새롭게 노출된 금속층이, 이 산소에 의해서 산화될 우려가 있다. 이것에 의해서는, 산화 금속층의 제거 선택성이 저하할 우려가 있다. 여기서, 제2린스액으로 기판 위의 에칭액을 씻어 냄으로써, 에칭량을 정밀도 좋게 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 금속층이, 구리층 및 코발트 층 중 적어도 한편을 포함하고 있어도 좋다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 기판이, 트렌치가 형성된 절연층을 가진다. 그리고, 상기 금속층이, 상기 트렌치에 배치된 금속 배선을 가진다. 금속 배선의 폭은, 미세화의 영향을 받기 쉽다. 이러한 경우에도, 나노 미터 이하의 정밀도로 금속층의 에칭을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 기판 처리 장치가, 상기 기판의 표면을 덮는 피복제를 상기 기판의 표면으로 공급하는 피복제 공급 유닛을 더 포함한다. 그리고, 상기 컨트롤러가, 마지막의 상기 산화 금속층 제거 공정이 종료한 후에, 상기 피복제 공급 유닛으로부터 피복제를 상기 기판의 표면으로 공급함으로써 피복막을 형성하는 피복막 형성 공정을 실행하도록 프로그램되어 있다.
마지막의 산화 금속층 제거 공정이 종료한 후, 기판의 주위의 분위기 중의 산소나 수분에 의해서, 기판의 표면의 금속층이 산화될 우려가 있다. 여기서, 기판의 표면을 덮는 피복막을 형성함으로써, 금속층을 보호할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 기판 처리 장치가, 상기 마지막의 상기 산화 금속층 제거 공정이 종료한 후에, 레이저를 상기 기판의 표면에 조사하는 레이저 조사 유닛을 더 포함한다. 그 때문에, 레이저의 조사에 의해서 금속층의 표면을 용융시킬 수 있다. 이것에 의해, 금속층의 표면을 평활화할 수 있다. 기판의 표면에는, 0.2J/㎠ 이상이고 0.5J/㎠ 이하의 에너지 밀도를 가지는 레이저를 조사하는 것이 바람직하다.
본 발명에서의 상술의, 또는 또 다른 목적, 특징 및 효과는, 첨부 도면을 참조하여 다음에 기재된 실시 형태의 설명에 의해 명확하게 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태와 관련되는 기판 처리 장치의 내부의 레이아웃을 설명하기 위한 모식적인 평면도이다.
도 2는, 상기 기판 처리 장치로 처리되는 기판의 표층 부근의 단면도이다.
도 3은, 상기 기판 처리 장치에 구비된 처리 유닛의 모식도이다.
도 4는, 상기 기판 처리 장치에 구비된 에칭액 공급 장치의 모식도이다.
도 5는, 상기 기판 처리 장치의 주요부의 전기적 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 6은, 상기 기판 처리 장치에 의한 기판 처리의 일례를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7a~도 7e는, 상기 기판 처리를 설명하기 위한 도해적인 단면도이다.
도 8은, 상기 기판 처리에서 산화 유체 공급 공정과 에칭액 공급 공정이 실행되는 것에 의한 기판의 표면 상태의 변화에 대해 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는, 기판의 표면에 레이저를 조사하는 레이저 조사장치의 모식도이다.
도 10은, 에칭의 사이클 수와 기판의 구리막의 에칭량의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 11은, 기판의 표면의 Cu의 에칭량의 시간 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12a는, 과산화수소의 유량에 대한 구리막의 에칭량의 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12b는, 도 12a에서의 과산화수소의 유량이 저유량의 영역을 확대한 그래프이다.
도 13은, 사이클 에칭에 의한 구리막의 에칭량의 총량과 1 사이클당 구리막의 에칭량의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 14는, 산화 유체로서 희석 과산화수소수를 이용한 에칭을 10 사이클 실행한 후의 구리 배선의 TEM 화상이다.
도 15a는, 평탄한 구리막에서의 구리의 결정립에 대해서 설명하기 위한 모식도이다.
도 15b는, 트렌치 내에 배치된 구리 배선에서의 구리의 결정립에 대해서 설명하기 위한 모식도이다.
도 16은, 산화 유체로서 희석 과산화수소수를 이용한 에칭을 4 사이클 실행한 후의 에칭량을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 17a ~ 도 17d는, 사이클 에칭 전후의 트렌치 내의 구리 배선의 형태의 변화를 나타내는 TEM 화상 및 SEM 화상이다.
도 18은, 구리 배선에 조사된 레이저의 에너지 밀도에 대한 구리 배선의 시트 저항의 변화 및 결정상태의 변화를 측정한 그래프이다.
도 19a ~ 도 19d는, 서로 다른 에너지 밀도로 레이저 조사한 후의 구리 배선의 표면 상태를 나타내는 SEM 화상이다.
도 20은, 레이저 조사 전후의 구리 배선의 표면조도를 원자력현미경으로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태와 관련되는 기판 처리 장치(1)의 내부의 레이아웃을 설명하기 위한 모식적인 평면도이다. 기판 처리 장치(1)는, 실리콘 웨이퍼 등의 기판(W)을 1매씩 처리하는 매엽식의 장치이다.
이 실시 형태에서는, 기판(W)은, 원판상의 기판이다. 기판(W)은, 표면에 화학기계 연마(CMP：Chemical Mechanical Polishing) 등이 실시된 기판이다. 도 2는, 기판(W)의 표층 부근의 단면도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 기판(W)은, 표층 부근에, 트렌치(101)가 형성된 절연층(100)과, 트렌치(101) 내에 배치된 구리 배선(102)(금속층)을 포함한다. 기판(W)은, 이 실시 형태와는 다르고, 트렌치(101)의 외부에 배치된 평탄한 구리막(금속층)을 포함하고 있어도 좋다. 또한, 기판(W)은, 구리 이외의 금속(예를 들어 코발트)으로 이루어진 금속층을 포함하고 있어도 좋다. 후술하는 기판 처리에서는, 구리 배선(102)의 표면에, 산화구리층(103)이 형성된다.
도 1을 참조하여, 기판 처리 장치(1)는, 처리액으로 기판(W)을 처리하는 복수의 처리 유닛(2)과 처리 유닛(2)으로 처리되는 복수매의 기판(W)을 수용하는 캐리어(C)가 재치(載置)되는 로드 포트(LP)와, 로드 포트(LP)와 처리 유닛(2)의 사이에 기판(W)을 반송하는 반송 로봇(IR 및 CR)과, 기판 처리 장치(1)를 제어하는 컨트롤러(3)를 포함한다.
반송 로봇(IR)는, 캐리어(C)와 반송 로봇(CR)의 사이에 기판(W)을 반송한다. 반송 로봇(CR)은, 반송 로봇(IR)과 처리 유닛(2)의 사이에 기판(W)을 반송한다. 복수의 처리 유닛(2)은, 예를 들어, 마찬가지의 구성을 가지고 있다. 처리액에는, 후술하는 에칭액, 린스액, 유기용제, 피복제 등이 포함된다.
도 3은, 처리 유닛(2)의 구성예를 설명하기 위한 모식도이다. 처리 유닛(2)은, 기판(W)을 수평으로 유지하면서 기판(W)의 중앙부를 통과하는 연직인 회전축선(A1) 주위에 회전시키는 스핀 척(5)과, 스핀 척(5)을 둘러싸는 컵(4)과, 스핀 척(5)에 의해 유지되어 있는 기판(W)의 상면에 대향하는 대향 부재(6)와, 대향 부재(6)를 매달아 지지하는 지지 부재(7)를 포함한다.
처리 유닛(2)은, 컵(4)을 수용하는 챔버(8)(도 1 참조)를 포함한다. 챔버(8)에는, 챔버(8) 내에 기판(W)을 반입하거나 챔버(8) 내로부터 기판(W)을 반출하거나 하기 위한 출입구(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 챔버(8)에는, 이 출입구를 개폐하는 셔터 유닛(도시하지 않음)이 구비되어 있다.
스핀 척(5)는, 기판 유지 유닛(24)과, 회전축(22)과, 스핀 모터(23)를 포함한다.
기판 유지 유닛(24)은, 기판(W)을 수평으로 유지한다. 기판 유지 유닛(24)은, 스핀 베이스(21)와 복수의 척 핀(20)을 포함한다. 스핀 베이스(21)는, 수평방향으로 따르는 원판 형상을 가지고 있다. 스핀 베이스(21)의 상면에는, 복수의 척 핀(20)이 주 방향으로 간격을 두고 배치되어 있다.
회전축(22)은, 회전축선(A1)을 따라서 연직 방향으로 연장되어 있다. 회전축(22)의 상단부는, 스핀 베이스(21)의 하면 중앙에 결합되어 있다. 평면시에서의 스핀 베이스(21)의 중앙 영역에는, 스핀 베이스(21)을 상하로 관통하는 관통 구멍(21a)이 형성되어 있다. 관통 구멍(21a)은, 회전축(22)의 내부 공간(22a)과 연통하고 있다.
스핀 모터(23)는, 회전축(22)에 회전력을 제공한다. 스핀 모터(23)에 의해서 회전축(22)이 회전되는 것으로, 스핀 베이스(21)가 회전된다. 이것에 의해, 기판(W)이 회전축선(A1)의 주위에 회전된다. 이하에서는, 회전축선(A1)을 중심으로 한 지름 방향의 내방(內方)을 단지 「지름 방향 내방」이라고 하고, 회전축선(A1)을 중심으로 한 지름 방향의 외방을 단지 「지름 방향 외방」이라고 한다. 스핀 모터(23)는, 기판(W)을 회전축선(A1)의 주위에 회전시키는 기판 회전 유닛에 포함된다.
대향 부재(6)는, 대향부(60)와, 환 형상부(61)와, 통 형상부(62)와, 복수의 플랜지 부(63)를 포함한다.
대향부(60)는, 기판(W)의 상면에 상방으로부터 대향한다. 대향부(60)는, 원판 형상으로 형성되어 있다. 대향부(60)는, 스핀 척(5)의 상방에서 거의 수평에 배치되어 있다. 대향부(60)는, 기판(W)의 상면에 대향하는 대향면(60a)을 가진다. 대향부(60)의 중앙부에는, 대향부(60)를 상하로 관통하는 관통 구멍(60b)이 형성되어 있다.
환 형상부(61)는, 대향부(60)의 주연부(周緣部)로부터 하방으로 연장된다. 환 형상부(61)는, 평면시에서 기판(W)을 둘러싸고 있다. 환 형상부(61)의 내주면은, 하방을 향함에 따라서, 지름 방향 외방을 향하도록 요만곡(凹彎曲)되어 있다. 환 형상부(61)의 외주면은, 연직 방향을 따라서 연장되어 있다.
통 형상부(62)는, 대향부(60)의 상면에 고정되어 있다. 통 형상부(62)의 내부 공간은, 대향부(60)의 관통 구멍(60b)과 연통하고 있다. 복수의 플랜지 부(63)는, 통 형상부(62)의 주 방향으로 서로 간격을 멀리하여, 통 형상부(62)의 상단에 배치되어 있다. 각 플랜지부(63)는, 통 형상부(62)의 상단에서 수평으로 연장되어 있다.
자세한 것은 후술하지만, 대향 부재(6)는, 기판 유지 유닛(24)에 대해서 승강 가능하다. 대향 부재(6)는, 예를 들어, 자력에 의해서 기판 유지 유닛(24)과 계합 가능하다. 자세한 것은, 대향 부재(6)는, 복수의 제1계합부(66)를 포함한다. 복수의 제1계합부(66)는, 환 형상부(61)보다도 지름 방향 내방에서 대향부(60)로부터 하방으로 연장되어 있다. 복수의 제1계합부(66)는, 회전축선(A1) 주위의 주 방향(周方向)으로 서로 간격을 멀리하여 배치되어 있다.
기판 유지 유닛(24)은, 복수의 제1계합부(66)와 요철 계합 가능한 복수의 제2 계합부(76)를 포함한다. 복수의 제2 계합부(76)는, 회전축선(A1) 주위의 주 방향(周方向)으로 서로 간격을 멀리하여, 복수의 척 핀(20)보다도 지름 방향 외방에서 스핀 베이스(21)의 상면에 배치되어 있다.
대향 부재(6)의 각 제1계합부(66)와, 기판 유지 유닛(24)의 대응하는 제2 계합부(76)가 계합하고 있을 때, 대향 부재(6)는, 스핀 베이스(21)와 일체 회전 가능하다. 스핀 모터(23)는, 회전축선(A1) 주위에 대향 부재(6)를 회전시키는 대향 부재 회전 유닛으로서도 기능한다. 대향 부재(6)이 기판 유지 유닛(24)과 계합하고 있을 때, 환 형상부(61)는, 지름 방향 외방(측방)으로부터 기판(W)을 둘러싸고 있다(도 3의 2점 쇄선 참조).
처리 유닛(2)은, 기판(W)의 중심에 상방으로부터 대향하는 중심 노즐(9)을 더 포함한다. 중심 노즐(9)의 선단(先端)에 설치된 토출구(9a)는, 대향 부재(6)의 통 형상부(62)의 내부 공간에 수용되어 있다.
중심 노즐(9)은, 유체를 하방으로 토출하는 복수의 튜브(31~35)(제1튜브(31), 제2튜브(32), 제3튜브(33), 제4튜브(34) 및 제5튜브(35))와, 복수의 튜브(31~35)를 둘러싸는 통 형상의 케이싱(30)을 포함한다. 복수의 튜브(31~35) 및 케이싱(30)은, 회전축선(A1)을 따라서 상하 방향으로 연장되어 있다. 중심 노즐(9)의 토출구(9a)는, 복수의 튜브(31~35)의 토출구이기도 하다.
제1튜브(31)는, 과산화수소(H2O2)수 등의 산화 유체를 기판(W)의 상면으로 공급하는 산화 유체 공급 유닛으로서의 기능과, 탈이온수(DIW：Deionized Water) 등의 제1린스액을 기판(W)의 상면으로 공급하는 제1린스액 공급 유닛으로서의 기능을 가진다.
제1튜브(31)로부터 토출되는 산화 유체는, 기판(W)의 구리 배선(102)의 표층에 1개 원자층 또는 수개 원자층으로 이루어지는 산화 금속층으로서의 산화구리층(103)을 형성하는 정도의 산화력을 가진다. 제1튜브(31)로부터 토출되는 산화 유체의 pH는, 6~8인 것이 바람직하고, 7인 것이 한층 바람직하다. 제1튜브(31)로부터 토출되는 산화 유체의 산화환원전위는, 과산화수소 이하인 것이 바람직하다.
제1튜브(31)로부터 토출되는 산화 유체가 과산화수소수인 경우, 산화 유체 중의 산화제로서의 과산화수소의 농도는, 1 ppm~100 ppm인 것이 바람직하다. 제1튜브(31)로부터 토출되는 산화 유체가 과산화수소수인 경우, 제1튜브(31)는, 과산화수소수 공급 유닛으로서 기능한다.
제1튜브(31)로부터 토출되는 산화 유체는, 과산화수소수에 한정되지 않는다. 제1튜브(31)로부터 토출되는 산화 유체는, 과염소산(HClO4), 질산(HNO3), 암모니아 과산화수소수 혼합액(SC1), 오존(O3) 용존수, 산소(O2) 용존수, 드라이 에어, 오존 가스 중 적어도 1종류를 포함하는 유체이어도 좋다.
제1튜브(31)로부터 토출되는 제1린스액은, DIW에 한정되지 않고, 탄산수, 전해이온수, 희석 농도(예를 들어, 1 ppm~100 ppm 정도)의 염산수, 희석 농도(예를 들어, 1 ppm~100 ppm 정도)의 희석 암모니아수, 환원수(수소수)이어도 좋다. 제1튜브(31)로부터 토출되는 제1린스액은, 탈기된 것인 것이 바람직하다.
제1튜브(31)는, 산화 유체 및 제1린스액의 양방이 통과하는 제1공통 배관(38)에 접속되어 있다. 제1공통 배관(38)은, 산화 유체 밸브(51)가 개재된 산화 유체 배관(41)과, 제1린스액 밸브(52)가 개재된 제1린스액 배관(42)으로 분기되어 있다. 제1린스액 배관(42)에는, 제1린스액을 탈기하는 탈기유닛(80)이 개재되어 있다.
산화 유체 밸브(51)가 열리면, 산화 유체가, 산화 유체 배관(41) 및 제1공통 배관(38)을 통해 제1튜브(31)로 공급된다. 그리고, 산화 유체는, 제1튜브(31)의 토출구(중심 노즐(9)의 토출구(9a))로부터 하방으로 연속적으로 토출된다.
제1린스액 밸브(52)가 열리면, 제1린스액이, 제1린스액 배관(42) 및 제1공통 배관(38)을 통해 제1튜브(31)로 공급된다. 그리고, 제1린스액은, 탈기유닛(80)에 의해서 탈기되어 제1튜브(31)의 토출구로부터 하방으로 연속적으로 토출된다. 즉, 산화 유체 밸브(51)와 제1린스액 밸브(52)에 의해서, 제1튜브(31)로부터 공급되는 유체가, 산화 유체와 제1린스액으로 전환된다.
제2튜브(32)는, 희불산(DHF) 등의 에칭액을 기판(W)의 상면으로 공급하는 에칭액 공급 유닛으로서의 기능과, DIW 등의 제2린스액을 기판(W)의 상면으로 공급하는 제2린스액 공급 유닛으로서의 기능을 가진다.
제2튜브(32)로부터 토출되는 에칭액은, 기판(W)의 산화구리층(103)을 선택적으로 제거 가능하다. 그 때문에, 제2튜브(32)로부터 토출되는 에칭액 중의 용존산소는, 저감되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 에칭액 중의 용존산소 농도는, 200 ppb 이하로 되어 있는 것이 바람직하고, 70 ppb 이하로 되어 있는 것이 한층 바람직하다.
제2튜브(32)로부터 토출되는 에칭액은, 희불산에 한정되지 않는다. 제2튜브(32)로부터 토출되는 에칭액은, 무기산이나 유기산 등의 산성 약액이면 좋다. 산성 약액은, 예를 들어, 희불산, 염산, 아세트산, 구연산, 글리콜산 중 적어도 1종류를 포함하는 유체이어도 좋다.
제2튜브(32)로부터 토출되는 제2린스액은, DIW에 한정되지 않고, 탄산수, 전해이온수, 희석 농도(예를 들어, 1 ppm~100 ppm 정도)의 염산수, 희석 농도(예를 들어, 1 ppm~100 ppm 정도)의 희석 암모니아수, 환원수(수소수)이어도 좋다. 제2튜브(32)로부터 토출되는 제2린스액은, 탈기된 것인 것이 바람직하다.
제2튜브(32)는, 에칭액 및 제2린스액의 양방이 통과하는 제2공통 배관(39)에 접속되어 있다. 제2공통 배관(39)은, 에칭액 밸브(53)가 개재된 에칭액 배관(43)과, 제2린스액 밸브(54)가 개재된 제2린스액 배관(44)으로 분기되어 있다. 자세한 것은 후술하지만, 에칭액 배관(43)에는, 탈기된 에칭액이 에칭액 공급 장치(10)으로부터 공급된다. 제2린스액 배관(44)에는, 제2린스액을 탈기하는 탈기유닛(81)이 개재되어 있다.
에칭액 밸브(53)가 열리면, 탈기된 에칭액이, 에칭액 배관(43) 및 제2공통 배관(39)을 통해 제2튜브(32)로 공급된다. 탈기된 에칭액은, 제2튜브(32)의 토출구(중심 노즐(9)의 토출구(9a))로부터 하방으로 연속적으로 토출된다.
제2린스액 밸브(54)가 열리면, 제2린스액이, 제2린스액 배관(44) 및 제2공통 배관(39)을 통해 제2튜브(32)로 공급된다. 제2린스액은, 탈기유닛(81)에 의해서 탈기되어 제2튜브(32)의 토출구로부터 하방으로 연속적으로 토출된다. 즉, 에칭액 밸브(53)와 제2린스액 밸브(54)에 의해서, 제2튜브(32)로부터 공급되는 유체가, 에칭액과 제2린스액으로 전환된다.
제3튜브(33)는, 피복제를 기판(W)의 상면으로 공급하는 피복제 공급 유닛으로서의 기능을 가진다. 피복제는, 기판(W)의 상면을 피복해 보호하는 피복막을 형성하는 액체이다. 피복제를 구성하는 유기 용매가 증발함으로써, 기판(W)의 표면을 덮는 피복막이 형성된다. 피복막은, 기판(W)의 표면을 단지 덮고 있는 것만으로도 좋고, 절연층(100)의 표면이나 구리 배선(102)의 표면과 화학반응해 일체화된 상태로 기판(W)의 표면을 덮고 있어도 좋다. 피복막이 형성됨으로써, 기판(W)의 구리 배선(102)의 산화가 방지된다.
제3튜브(33)는, 피복제 밸브(55)가 개재된 피복제 배관(45)에 접속되어 있다. 피복제 밸브(55)가 열리면, 피복제가, 피복제 배관(45)으로부터 제3튜브(33)로 공급되고 제3튜브(33)의 토출구(중심 노즐(9)의 토출구(9a))로부터 하방으로 연속적으로 토출된다.
제3튜브(33)로부터 토출되는 피복제는, 예를 들면, 승화성의 아크릴계 폴리머를 유기 용매에 용해시킨 용액이다. 승화성의 아크릴계 폴리머를 용해시키는 유기 용매로서는, PGEE(1－에톡시-2－프로판올) 등을 들 수 있다. 제3튜브(33)로부터 토출되는 피복제는, 표면발수제가어도 좋다. 표면발수제로서는, 예를 들어, 헥사메틸디실라잔 등의 유기실란을 유기 용매에 용해시킨 액체나, 데칸 티올 등의 알칸 티올을 유기용제에 용해시킨 액체를 들 수 있다. 유기실란을 용해시키는 유기 용매로서는, PGMEA(2－아세톡시-1－메톡시 프로판) 등을 들 수 있다. 알칸 티올을 용해시키는 유기 용매로서는, 헵탄 등을 들 수 있다. 유기 티올을 이용했을 경우, 구리 배선(102)의 표면에 피복막으로서의 티올 유기 분자층이 형성됨으로써, 구리 배선(102)의 표면의 산화가 방지된다.
제4튜브(34)는, 이소프로필 알코올(IPA：Isopropyl Alcohol) 등의 유기용제를 기판(W)의 상면으로 공급하는 유기용제 공급 유닛으로서의 기능을 가진다. 제4튜브(34)는, 유기용제 밸브(56)가 개재된 유기용제 배관(46)에 접속되어 있다. 유기용제 밸브(56)가 열리면, 유기용제가, 유기용제 배관(46)으로부터 제4튜브(34)로 공급되고 제4튜브(34)의 토출구(중심 노즐(9)의 토출구(9a))로부터 하방으로 연속적으로 토출된다.
제4튜브(34)로부터 토출되는 유기용제는, 제2린스액 및 피복제의 양방에 혼화 가능하면, IPA 이외의 유기용제이어도 좋다. 보다 구체적으로는, 제4튜브(34)로부터 토출되는 유기용제는, IPA, HFE(하이드로플루오로에테르), 메탄올, 에탄올, 아세톤 및 Trans-1,2-디클로로에틸렌 중 적어도 1개를 포함하는 액체의 유기용제이어도 좋다.
제5튜브(35)는, 질소 가스(N2 가스) 등의 불활성 가스를 토출한다. 제5튜브(35)는, 제1불활성 가스 밸브(57)가 개재된 제1불활성 가스배관(47)에 접속되어 있다. 제1불활성 가스 밸브(57)가 열리면, 불활성 가스가, 제1불활성 가스배관(47)으로부터 제5튜브(35)로 공급되고 제5튜브(35)의 토출구(중심 노즐(9)의 토출구(9a))로부터 하방으로 연속적으로 토출된다. 제5튜브(35)로부터 토출되는 불활성 가스는, 대향 부재(6)의 통 형상부(62)의 내부 공간 및 대향부(60)의 관통 구멍(60b)을 통해, 대향부(60)의 대향면(60a)과 기판(W)의 상면의 사이의 공간(65)으로 공급된다.
제5튜브(35)로부터 토출되는 불활성 가스는, 기판(W)의 상면 및 패턴에 대해서 불활성인 가스이다. 제5튜브(35)로부터 토출되는 불활성 가스는, 질소 가스에 한정되지 않고, 예를 들어, 아르곤 등의 희가스류이어도 좋다.
처리 유닛(2)은, 기판(W)의 하면 중앙부를 향해서 질소 가스 등의 불활성 가스를 토출하는 하면 노즐(36)을 포함한다. 하면 노즐(36)은, 스핀 베이스(21)의 상면 중앙부에서 개구하는 관통 구멍(21a) 및 회전축(22)의 내부 공간(22a)에 삽입되어 있다. 하면 노즐(36)의 토출구(36a)는, 스핀 베이스(21)의 상면으로부터 노출되어 있다. 하면 노즐(36)의 토출구(36a)는, 기판(W)의 하면 중앙부에 하방으로부터 대향한다. 하면 노즐(36)은, 제2불활성 가스 밸브(58)가 개재된 제2불활성 가스배관(48)에 접속되어 있다.
제2불활성 가스 밸브(58)가 열리면, 불활성 가스가, 제2불활성 가스배관(48)으로부터 하면 노즐(36)로 공급되고, 하면 노즐(36)의 토출구(36a)로부터 상방으로 연속적으로 토출된다. 스핀 척(5)이 기판(W)을 회전시켜도, 하면 노즐(36)은 회전하지 않는다.
하면 노즐(36)로부터 토출되는 불활성 가스는, 기판(W)의 상면 및 패턴에 대해서 불활성인 가스이다. 하면 노즐(36)로부터 토출되는 불활성 가스는, 질소 가스에 한정되지 않고, 예를 들어, 아르곤 등의 희가스류이어도 좋다.
지지 부재(7)는, 대향 부재(6)를 지지하는 대향 부재 지지부(70)와, 대향 부재 지지부(70)보다도 상방에 설치되어 중심 노즐(9)의 케이싱(30)을 지지하는 노즐 지지부(71)와, 대향 부재 지지부(70) 및 노즐 지지부(71)를 연결해 연직 방향으로 연장되는 벽부(72)를 포함한다.
대향 부재 지지부(70)와 노즐 지지부(71)와 벽부(72)에 의해서 공간(73)이 구획되어 있다. 대향 부재 지지부(70)는, 지지 부재(7) 하벽을 구성하고 있다. 노즐 지지부(71)는, 지지 부재(7) 상벽을 구성하고 있다. 공간(73)은, 대향 부재(6)의 통 형상부(62)의 상단부와 플랜지 부(63)를 수용한다. 케이싱(30)과 노즐 지지부(71)는 밀착하고 있다.
대향 부재 지지부(70)는, 대향 부재(6)(의 플랜지 부(63))를 하방으로부터 지지한다. 대향 부재 지지부(70)의 중앙부에는, 통 형상부(62)가 삽통되는 통 형상부 삽통 구멍(70a)이 형성되어 있다. 각 플랜지부(63)에는, 플랜지 부(63)를 상하 방향으로 관통하는 위치결정 구멍(63a)이 형성되어 있다. 대향 부재 지지부(70)에는, 대응하는 플랜지 부(63)의 위치결정 구멍(63a)에 계합 가능한 계합 돌기(70b)가 형성되어 있다. 각 위치결정 구멍(63a)에 대응하는 계합 돌기(70b)가 계합됨으로써, 회전축선(A1) 주위의 회전 방향에서 지지 부재(7)에 대해서 대향 부재(6)가 위치결정된다.
처리 유닛(2)은, 지지 부재(7)를 승강시키는 지지 부재 승강 유닛(27)을 포함한다. 지지 부재 승강 유닛(27)은, 예를 들어, 지지 부재(7)를 승강시키는 볼 나사 기구(도시하지 않음)와, 해당 볼 나사 기구에 구동력을 부여하는 전동 모터(도시하지 않음)를 포함한다.
지지 부재 승강 유닛(27)은, 상측 위치(도 3에 실선으로 나타내는 위치)로부터 하측 위치(후술하는 도 7a에 나타내는 위치)까지의 사이의 소정의 높이 위치에 지지 부재(7)를 위치시킬 수 있다. 하측 위치는, 지지 부재(7)의 가동 범위에서, 지지 부재(7)가 스핀 베이스(21)의 상면에 가장 근접하는 위치이다. 상측 위치는, 지지 부재(7)의 가동 범위에서, 지지 부재(7)가 스핀 베이스(21)의 상면으로부터 가장 이간하는 위치이다.
지지 부재(7)는, 상측 위치에 위치할 때, 대향 부재(6)를 매달아 지지하고 있다. 지지 부재(7)는, 지지 부재 승강 유닛(27)에 의해서 승강됨으로써, 상측 위치와 하측 위치의 사이의 계합 위치(도 3에 2점 쇄선으로 나타내는 위치)를 통과한다.
지지 부재(7)는, 상측 위치로부터 계합 위치까지 대향 부재(6)와 함께 하강한다. 지지 부재(7)가 계합 위치에 이르면, 대향 부재(6)를 기판 유지 유닛(24)으로 전달한다. 지지 부재(7)는, 계합 위치보다도 하방에 이르면, 대향 부재(6)으로부터 이간한다. 지지 부재(7)는, 하측 위치로부터 상승해 계합 위치에 이르면, 기판 유지 유닛(24)으로부터 대향 부재(6)를 받는다. 지지 부재(7)는, 계합 위치로부터 상측 위치까지 대향 부재(6)와 함께 상승한다. 이와 같이, 대향 부재(6)는, 지지 부재(7)가 지지 부재 승강 유닛(27)에 의해서 승강됨으로써, 기판 유지 유닛(24)에 대해서 승강한다. 그 때문에, 지지 부재 승강 유닛(27)은, 대향 부재 승강 유닛으로서 기능한다.
도 4는, 기판 처리 장치(1)에 구비된 에칭액 공급 장치(10)의 모식도이다. 에칭액 공급 장치(10)는, 에칭액 배관(43)에 에칭액을 공급한다. 에칭액 공급 장치(10)는, 희불산 등의 에칭액을 저장하는 에칭액 탱크(90)와, 원액 밸브(91)가 개재된 원액 공급관(92)과, DIW 밸브(93)가 개재된 DIW 공급관(94)과, 버블링 유닛(95)를 포함한다. DIW 공급관(94)에는, DIW 밸브(93)에 더해, 탈기유닛(99)이 개재되고 있어도 좋다.
원액 공급관(92)은, 불산(HF) 등의 원액을 원액 공급원으로부터 에칭액 탱크(90)로 공급한다. DIW 공급관(94)은, 원액을 옅게 하기 위한 DIW를 에칭액 탱크(90)로 공급한다. 원액 공급관(92)으로부터 공급되는 원액에 의해서 에칭액 탱크(90) 내의 에칭액의 농도를 높게 하거나, DIW 공급관(94)으로부터 공급되는 DIW에 의해서 에칭액 탱크(90) 내의 에칭액의 농도를 낮게 하거나 함으로써, 에칭액 탱크(90) 내의 에칭액을 소망한 농도로 조정할 수 있다.
버블링 유닛(95)은, 질소 가스 등의 불활성 가스를 에칭액 탱크(90) 내의 에칭액에 보냄으로써, 에칭액 탱크(90) 내의 에칭액을 탈기한다.
버블링 유닛(95)은, 에칭액 탱크(90) 내의 에칭액의 액면보다도 하방에서 수평으로 연장되는 불활성 가스 노즐(96)과, 불활성 가스 노즐(96)에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급관(97)과, 불활성 가스 공급관(97)에 개재된 불활성 가스 밸브(98)를 포함한다. 불활성 가스 노즐(96)은, 불활성 가스 노즐(96)이 연장되는 방향(대략 수평방향)을 따라서 배열된 복수의 토출구(96a)를 가진다.
불활성 가스 밸브(98)가 열리면, 불활성 가스가, 불활성 가스 공급원으로부터 불활성 가스 공급관(97)을 통해 불활성 가스 노즐(96)로 공급된다. 불활성 가스는, 불활성 가스 노즐(96)의 복수의 토출구(96a)로부터 에칭액 탱크(90) 내의 에칭액 중에 토출된다. 에칭액 탱크(90) 내의 에칭액 중에 토출된 불활성 가스에 의해서 에칭액 탱크(90) 내의 에칭액이 탈기된다(탈기공정). 불활성 가스가 질소 가스인 경우, 불활성 가스 노즐(96)로부터의 질소 가스의 토출량은, 70 L/min 이상인 것이 바람직하다.
탈기된 에칭액은, 에칭액 배관(43)에 개재된 펌프(82)에 의해서 제2튜브(32)를 향하여 보내진다. 그 때, 탈기된 에칭액은, 에칭액 배관(43)에 개재된 필터(83)를 통과함으로써 여과된다.
도 5는, 기판 처리 장치(1)의 주요부의 전기적 구성을 설명하기 위한 블록도이다. 컨트롤러(3)는, 마이크로컴퓨터를 구비하고 소정의 프로그램에 따라서, 기판 처리 장치(1)에 구비된 제어 대상을 제어한다. 보다 구체적으로는, 컨트롤러(3)는, 프로세서(CPU)(3A)와, 프로그램이 저장된 메모리(3B)를 포함하고, 프로세서(3A)가 프로그램을 실행함으로써, 기판 처리를 위한 여러가지 제어를 실행하도록 구성되어 있다.
특히, 컨트롤러(3)는, 반송 로봇(IR, CR), 스핀 모터(23), 지지 부재 승강 유닛(27), 펌프(82) 및 밸브(51~58, 91, 93, 98) 등의 동작을 제어한다. 밸브(51~58, 91, 93, 98)이 제어됨으로써, 대응하는 노즐 또는 튜브로부터의 유체의 토출의 유무가 제어된다.
도 6은, 기판 처리 장치(1)에 의한 기판 처리의 일례를 설명하기 위한 흐름도이고, 주로, 컨트롤러(3)가 프로그램을 실행함으로써 실현되는 처리가 나타나 있다. 도 7a~도 7e는, 기판 처리의 일례를 설명하기 위한 도해적인 단면도이다.
기판 처리 장치(1)에 의한 기판 처리에서는, 예를 들면, 도 6에 나타낸 바와 같이, 기판 반입 공정(S1), 산화 유체 공급 공정(S2), 제1린스액 공급 공정(S3), 에칭액 공급 공정(S4), 제2린스액 공급 공정(S5), 유기용제 공급 공정(S6), 피복제 공급 공정(S7), 기판 건조 공정(S8) 및 기판 반출 공정(S9)이 이 순서대로 실행된다.
제2린스 공급 공정(S5) 후, 곧바로 유기용제 공급공정(S6)가 실행되는 것이 아니라, 산화 유체 공급 공정(S2) ~ 제2린스액 공급 공정(S5)은, 소정 횟수 반복된다.
이하에서는, 기판 처리 장치(1)에 의한 기판 처리에 대해 자세하게 설명한다.
우선, 처리 유닛(2)에 기판(W)이 반입되기 전에, 대향 부재(6)와 기판 유지 유닛(24)이 계합 가능해지도록, 회전 방향에서의 대향 부재(6)와 기판 유지 유닛(24)의 상대 위치가 조정된다. 자세한 것은, 평면시에서, 대향 부재(6)의 제1계합부(66)와 기판 유지 유닛(24)의 제2 계합부(76)가 겹치도록, 회전 방향에서의 기판 유지 유닛(24)의 위치를 스핀 모터(23)가 조정한다.
그리고, 도 1도 참조하여, 기판 처리 장치(1)에 의한 기판 처리에서는, 기판(W)이, 반송 로봇(IR, CR)에 의해서 캐리어(C)로부터 처리 유닛(2)으로 반입되고 스핀 척(5)에 전달된다(스텝 S1：기판 반입 공정). 이 후, 기판(W)은, 반송 로봇(CR)에 의해서 반출될 때까지, 척 핀(20)에 의해서, 스핀 베이스(21)의 상면에서 상방으로 간격을 두고 수평으로 유지된다(기판 유지 공정).
그리고, 도 7a에 나타낸 바와 같이, 지지 부재 승강 유닛(27)이, 상측 위치에 위치하는 지지 부재(7)를 하측 위치까지 하강시킨다. 지지 부재(7)는, 하측 위치로 이동하기 전에 계합 위치를 통과한다. 지지 부재(7)가 계합 위치를 통과할 때에, 대향 부재(6)와 기판 유지 유닛(24)이 자력에 의해서 계합한다. 이것에 의해, 지지 부재 승강 유닛(27)에 의해서, 환 형상부(61)가 지름 방향 외방(측방)으로부터 기판(W)을 둘러싸는 위치에 대향 부재(6)가 배치된다(대향 부재 배치 공정). 이것에 의해, 기판(W)은, 대향 부재(6)와 스핀 베이스(21)에 의해서 구획되는 수용 공간(67)에 수용된다. 기판(W)의 상면과 대향부(60)의 대향면(60a)의 사이의 공간(65)은, 수용 공간(67)의 일부이다.
그리고, 제1불활성 가스 밸브(57)가 열린다. 이것에 의해, 제5튜브(35)로부터 기판(W)의 상면을 향해서 질소 가스(N2 가스) 등의 불활성 가스가 공급된다. 그리고, 제2불활성 가스 밸브(58)가 열린다. 이것에 의해, 하면 노즐(36)로부터 기판(W)의 하면을 향해서 질소 가스(N2 가스) 등의 불활성 가스가 공급된다. 기판(W)의 하면을 향해서 공급된 질소 가스는, 기판(W)의 상면 측으로 회전한다. 그 때문에, 하면 노즐(36)로부터 토출된 질소 가스는, 결과적으로 공간(65)으로 공급된다. 이것에 의해, 수용 공간(67) 전체내의 분위기가 불활성 가스로 치환되고, 결과적으로 공간(65) 내의 분위기가 불활성 가스로 치환된다(치환 공정). 즉, 공간(65) 내의 산소농도가 저감된다. 이와 같이, 제5튜브(35) 및 하면 노즐(36)은, 공간(65)에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급 유닛으로서 기능한다.
다음에, 도 7b를 참조하여, 산화 유체 밸브(51)가 열린다. 이것에 의해, 기판(W)의 상면의 중앙 영역을 향해서 제1튜브(31)로부터 과산화수소수(H2O2) 등의 산화 유체가 공급(토출)된다(스텝 S2：산화 유체 공급 공정). 기판(W)의 상면에 산화 유체가 공급됨으로써, 기판(W)의 구리 배선(102)(도 2 참조)이 산화된다. 이것에 의해, 산화구리층(103)(도 2 참조)이 형성된다(산화 금속층 형성 공정).
산화 유체는, 원심력에 의해서, 기판(W)의 상면의 전체에 널리 퍼진다. 기판(W) 위의 산화 유체는, 원심력에 의해서 기판(W)으로부터 지름 방향 외방으로 비산해, 컵(4)에 의해서 받을 수 있다.
기판(W)의 상면에의 산화 유체의 공급이 소정 시간(예를 들어 10초) 계속된 후, 산화 유체 밸브(51)가 닫힌다. 한편, 제1린스액 밸브(52)가 열린다. 이것에 의해, 기판(W)의 상면의 중앙 영역을 향해서 제1튜브(31)로부터 DIW 등의 제1린스액이 공급(토출)된다(스텝 S3：제1린스액 공급 공정). 제1튜브(31)로부터 토출되는 제1린스액은, 제1린스액 배관(42)에 개재된 탈기유닛(80)에 의해서 탈기된 제1린스액이다(탈기 제1린스액 공급 공정).
제1린스액은, 원심력에 의해서, 기판(W)의 상면의 전체에 널리 퍼진다. 이것에 의해, 기판(W) 위의 산화 유체가 제1린스액에 의해서 씻어 낸다. 기판(W) 위의 산화 유체 및 제1린스액은, 원심력에 의해서 기판(W)으로부터 지름 방향 외방으로 비산해, 컵(4)에 의해서 받을 수 있다.
기판(W)의 상면에의 제1린스액의 공급이 소정 시간(예를 들어 10초) 계속된 후, 제1린스액 밸브(52)가 닫힌다. 그리고, 도 7c를 참조하여, 에칭액 밸브(53)가 열린다. 이것에 의해, 기판(W)의 표면의 중앙 영역을 향해서, 제2튜브(32)로부터 희불산(DHF) 등의 에칭액이 공급(토출)된다(스텝 S4：에칭액 공급 공정). 기판(W)의 상면으로 에칭액이 공급됨으로써, 기판(W)의 산화구리층(103)(도 2 참조)이 선택적으로 제거된다(산화 금속층 제거 공정). 즉, 기판(W)의 구리 배선(102)에서 산화 유체에 의해서 산화구리층(103)에 산화된 부분이, 선택적으로 제거된다.
제2튜브(32)로부터 토출되는 에칭액은, 버블링 유닛(95)에 의해서 이미 탈기된 에칭액이다(탈기에칭액 공급 공정). 제2튜브(32)로부터 에칭액이 토출될 때, 수용 공간(67)(공간(65)) 내의 분위기는, 불활성 가스에 의해서 이미 치환되어 있다. 즉, 에칭액은, 탈기되었을 때의 용존산소 농도를 유지한 채로 기판(W)의 상면으로 공급된다. 에칭액 중의 용존산소 농도는, 200 ppb 이하인 것이 바람직하고, 70 ppb 이하인 것이 한층 바람직하다. 이와 같이, 용존산소 농도가 매우 낮은 에칭액이 기판(W)의 상면으로 공급된다. 에칭액에 의해서, 산화구리층(103)이 한층 선택적으로 제거된다.
기판(W)의 표면에 착액한 에칭액은, 원심력에 의해서, 기판(W)의 상면의 전체에 널리 퍼진다. 이것에 의해, 기판(W) 위의 제1린스액이 에칭액으로 치환된다. 기판(W) 위의 산화 유체 및 제1린스액은, 원심력에 의해서 기판(W)으로부터 지름 방향 외방으로 비산해, 컵(4)에 의해서 받을 수 있다.
기판(W)의 상면에의 에칭액의 공급이 소정 시간(예를 들어 10초) 계속된 후, 에칭액 밸브(53)가 닫힌다. 한편, 제2린스액 밸브(54)가 열린다. 이것에 의해, 기판(W)의 상면의 중앙 영역을 향해서 제2튜브(32)로부터 DIW 등의 제2린스액이 공급(토출)된다(스텝 S5：제2린스액 공급 공정). 제2튜브(32)로부터 토출되는 제2린스액은, 제2린스액 배관(44)에 개재된 탈기유닛(81)에 의해서 탈기된 제2린스액이다(탈기 제2린스액 공급 공정).
제2린스액은, 원심력에 의해서, 기판(W)의 상면의 전체에 널리 퍼진다. 이것에 의해, 기판(W) 위의 에칭액을 제2린스액에 의해서 씻어 낸다. 기판(W) 위의 에칭액 및 제2린스액은, 원심력에 의해서 기판(W)으로부터 지름 방향 외방으로 비산해, 컵(4)에 의해서 받을 수 있다.
기판(W)의 상면으로 제2린스액의 공급이 소정 시간(예를 들어 10초) 계속된 후, 제2린스액 밸브(54)가 닫힌다. 그리고, 도 7b를 다시 참조하여, 산화 유체 밸브(51)가 열린다. 이것에 의해, 산화 유체 공급 공정(S2)이 실행된다. 그 후, 제1린스액 공급 공정(S3), 에칭액 공급 공정(S4) 및 제2린스액 공급 공정(S5)이 실행된다. 산화 유체 공급 공정(S2) ~ 제2린스액 공급 공정(S5)이 소정 횟수 실행된 후, 즉, 마지막의 제2린스액 공급 공정(S5) 후, 유기용제 공급 공정(S6) 이후의 공정이 실행된다. 산화 유체 공급 공정(S2) ~ 제2린스액 공급 공정(S5)이 1회씩 실행됨으로써, 산화 금속층 형성 공정 및 산화 금속층 제거 공정이 1회씩(1 사이클) 실행된다.
자세한 것은, 제2린스액 밸브(54)가 닫히고, 그 대신에, 도 7d에 나타낸 바와 같이, 유기용제 밸브(56)가 열린다. 이것에 의해, 기판(W)의 상면의 중앙 영역을 향해서 제4튜브(34)로부터 IPA 등의 유기용제가 공급(토출)된다(스텝 S6：유기용제 공급 공정).
유기용제는, 원심력에 의해서, 기판(W)의 상면의 전체에 널리 퍼진다. 유기용제는, 제2린스액과 혼화한다. 그 때문에, 기판(W) 위의 제2린스액은, 새롭게 공급되는 유기용제와 함께 기판(W) 위으로부터 배제된다. 이것에 의해, 기판(W) 위의 제2린스액이 유기용제로 치환된다. 기판(W) 위의 제2린스액 및 유기용제는, 원심력에 의해서 기판(W)으로부터 지름 방향 외방으로 비산해, 컵(4)에 의해서 받을 수 있다.
그리고, 유기용제 밸브(56)가 닫히고, 그 대신에, 도 7e에 나타낸 바와 같이, 피복제 밸브(55)가 열린다. 이것에 의해, 기판(W)의 상면의 중앙 영역을 향해서 제3튜브(33)로부터 피복제가 공급(토출)된다(스텝 S7：피복제 공급 공정).
피복제는, 원심력에 의해서, 기판(W)의 상면의 전체에 널리 퍼진다. 피복제는, 유기용제와 혼화한다. 그 때문에, 기판(W) 위의 유기용제는, 새롭게 공급되는 피복제와 함께 기판(W) 위으로부터 배제된다. 이것에 의해, 기판(W) 위의 유기용제가 피복제로 치환되고 기판(W)의 상면이 피복제에 의해서 덮인다. 기판(W) 위의 유기용제 및 피복제는, 원심력에 의해서 기판(W)으로부터 지름 방향 외방으로 비산해, 컵(4)에 의해서 받을 수 있다.
그리고, 피복제 밸브(55)가 닫힌다. 이것에 의해, 기판(W)의 상면으로 피복제의 공급이 정지된다. 그리고, 기판(W) 위의 피복제 중의 유기 용매가 증발함으로써, 기판(W) 위에 피복막이 형성된다. 이 때, 스핀 베이스(21) 내에 내장된 히터(도시하지 않음) 등에 의해서 기판(W)을 가열함으로써, 피복제 중의 유기용제를 증발시켜도 좋다.
그리고, 스핀 모터(23)가 기판(W)을 예를 들면, 2000 rpm로 회전시킨다. 이것에 의해서, 기판(W) 위의 액체 성분이 뿌려져 기판(W)이 건조된다(스텝 S8：기판 건조 공정).
그 후, 스핀 모터(23)가 스핀 척(5)의 회전을 정지시킨다. 그리고, 제1불활성 가스 밸브(57) 및 제2불활성 가스 밸브(58)를 닫는다. 그리고, 지지 부재 승강 유닛(27)이 지지 부재(7)를 상측 위치에 이동시킨다. 그 후, 도 1도 참조하여, 반송 로봇(CR)이, 처리 유닛(2)에 진입하여, 스핀 척(5)으로부터 처리 완료된 기판(W)을 들어 올리고, 처리 유닛(2) 외로 반출한다(스텝 S9：기판 반출 공정). 그 기판(W)은, 반송 로봇(CR)로부터 반송 로봇(IR)으로 전달되고, 반송 로봇(IR)에 의해서, 캐리어(C)에 수납된다.
이 실시 형태에 의하면, 도 8(a) 및 도 8(b)에 나타내는 기판(W)의 표면으로 과산화수소수 등의 산화 유체를 공급함으로써, 1개 원자층 또는 수개 원자층으로 이루어지는 산화구리층(103)(산화 금속층)이 구리 배선(102)(금속층)의 표층에 형성된다(산화 금속층 형성 공정). 그리고, 도 8(c) 및 도 8(d)에 나타낸 바와 같이 기판(W)의 표면으로 희불산 등의 에칭액을 공급함으로써, 산화구리층(103)이 기판(W)의 표면으로부터 선택적으로 제거된다(산화 금속층 제거 공정).
산화 금속층 형성 공정에서는, 1개 원자층 또는 수개 원자층으로 이루어지는 산화구리층(103)이 형성된다. 구리 및 산화구리의 1개 원자층의 두께는, 1 nm 이하(예를 들어, 0.3 nm~0.4 nm)이다. 그 때문에, 산화 금속층 제거 공정에서 산화구리층(103)을 선택적으로 제거함으로써, 나노 미터 이하의 정밀도로 금속층의 에칭량을 제어할 수 있다. 에칭량은, 리세스량이라고도 하고, 에칭 심도라고도 한다.
또한 이 실시 형태에 의하면, 산화 금속층 형성 공정과 산화 금속층 제거 공정이 교대로 복수회 실행된다. 산화 금속층 형성 공정 및 산화 금속층 제거 공정을 1회씩 실행함으로써, 산화되는 구리 배선(102)의 두께는, 거의 일정하다. 즉, 구리 배선(102)의 자기 정합 산화가 달성되어 있다. 그 때문에, 에칭되는 구리 배선(102)의 두께(에칭량(D1))는, 거의 일정하다(도 8(c) 참조). 따라서, 산화 금속층 형성 공정 및 산화 금속층 제거 공정을 반복해 실행하는 횟수를 조절함으로써, 도 8(e)에 나타낸 바와 같이 소망한 에칭량(D2)을 달성할 수 있다.
이와 같이, 일정한 에칭량으로 단계적으로 구리 배선(102)을 에칭하는 것을 디지털 에칭이라고 한다. 또한, 산화 금속층 형성 공정 및 산화 금속층 제거 공정을 반복해 실행함으로써 금속층(구리 배선(102))을 에칭하는 것을 사이클 에칭이라고 한다.
산화 금속층 형성 공정에서 형성되는 산화구리층(103)의 두께는, 산화 유체의 산화력에 의존한다. pH가 높을 수록, 즉 염기성이 높을 수록 산화 유체의 산화력은 높아진다. 과산화수소수는, pH가 6~8이기 때문에, 1개 원자층~수개 원자층의 산화구리층(103)을 형성하는데 적합한 산화력을 가지고 있다. 따라서, 산화구리층(103)을 형성하기 위해서, 과산화수소수를 기판(W)의 표면으로 공급하는 방법이면, 나노 미터 이하의 두께의 산화구리층(103)을 형성할 수 있다.
또한 이 실시 형태에 의하면, 산화 금속층 제거 공정에서, 탈기된 에칭액이 제2튜브(32)(에칭액 공급 유닛)로부터 기판(W)의 표면으로 공급된다(탈기에칭액 공급 공정).
에칭액 중의 용존산소 농도가 높으면 기판(W)의 표면의 구리 배선(102)이 에칭액 중의 산소에 의해서 산화되어 산화구리층(103)이 될 우려가 있다. 이것에 의해서는, 구리 배선(102)에서 산화 유체에 의해서 산화되지 않았던 부분도 에칭액에 의해서 에칭되어 버린다. 즉, 산화구리층(103)의 제거 선택성이 저하한다(에칭량이 변동한다). 탈기된 에칭액을 이용함으로써, 에칭액에 의한 산화의 선택성의 향상을 도모할 수 있다. 따라서, 에칭량을 정밀도 좋게 제어할 수 있다.
또한 이 실시 형태에 의하면, 에칭액 탱크(90) 내의 에칭액에 불활성 가스를 보냄으로써 에칭액 탱크(90) 내의 에칭액이 탈기된다(탈기공정). 그리고, 탈기에칭액 공급 공정이, 탈기공정에 의해서 탈기된 에칭액을, 기판(W)의 표면으로 공급하는 공정을 포함한다.
이 방법에 의하면, 에칭액 탱크(90) 내의 에칭액에 버블링 유닛(95)으로부터 불활성 가스를 보냄으로써, 에칭액 탱크(90) 내의 에칭액을 탈기할 수 있다. 이것에 의해, 에칭액 중의 용존산소 농도가 충분히 저감된다. 따라서, 탈기에칭액 공급 공정에서는, 충분히 용존산소 농도가 저감된 에칭액을 기판(W)의 상면으로 공급할 수 있다.
또한 이 실시 형태에 의하면, 탈기에칭액 공급 공정이, 탈기된 에칭액의 용존산소 농도를 유지하면서, 탈기된 에칭액을 기판(W)의 표면으로 공급하는 공정을 포함한다. 기판(W)의 표면으로 공급된 에칭액이 기판(W)의 표면의 산화구리층(103)과 반응하기 전에, 에칭액의 주변의 분위기 중에 존재하는 산소가, 에칭액에 용해할 우려가 있다. 여기서, 용존산소 농도를, 탈기되었을 때의 에칭액 중의 용존산소 농도로 유지한 채로, 에칭액을 기판(W)의 표면으로 공급함으로써, 산화구리층(103)의 제거 선택성의 향상을 도모할 수 있다.
또한 이 실시 형태에 의하면, 제5튜브(35) 및 하면 노즐(36)로부터 대향 부재(6)의 대향부(60)와 기판(W)의 사이의 공간(65)을 향해서 불활성 가스를 공급함으로써, 공간(65) 내의 분위기가 불활성 가스로 치환된다(치환 공정). 그리고, 공간(65) 내의 분위기가 불활성 가스로 치환된 후에, 공간(65)에 노출되는 토출구(9a)를 가지는 중심 노즐(9)로부터 기판의 표면을 향해서 탈기된 에칭액이 토출된다(탈기에칭액 토출 공정).
이와 같이, 공간(65) 내의 분위기가 불활성 가스로 치환된다. 즉, 기판(W)의 상면의 주변의 분위기로부터 산소가 배제된다. 그 때문에, 기판(W)의 상면으로 공급된 에칭액에 산소가 용해하여 용존산소 농도가 상승하는 것을 억제 또는 방지할 수 있다. 따라서, 탈기 직후의 용존산소 농도를 유지한 채로, 에칭액을 기판(W)의 표면으로 공급할 수 있다.
또한 이 실시 형태에 의하면, 대향 부재(6)의 환 형상부(61)가 기판(W)을 지름 방향 외방(측방)으로부터 둘러싸도록 대향 부재(6)가 배치된다(대향 부재 배치 공정). 그리고, 대향 부재 배치 공정이, 치환 공정의 개시 전에 실행된다.
기판(W)이 환 형상부(61)에 의해서 지름 방향 외방으로부터 둘러싸임으로써, 공간(65)의 밀폐도가 높아진다. 그 때문에, 공간(65) 내의 분위기가 불활성 가스로 치환된 후에, 공간(65)에의 외부로부터의 산소의 유입이 억제된다. 따라서, 용존산소 농도를, 탈기 직후의 용존산소 농도를 유지한 에칭액을 기판(W)의 표면으로 공급할 수 있다.
또한 이 실시 형태에서는, 산화 금속층 형성 공정과 산화 금속층 제거 공정의 사이에 제1린스 공정이 실행된다. 기판(W)의 표면에 산화 유체가 남은 상태로 기판(W)의 상면으로 에칭액이 공급되면, 산화구리층(103)의 제거에 의해서 새롭게 노출된 구리 배선(102)이, 기판(W)의 상면에 남은 산화 유체에 의해서 산화될 우려가 있다. 이것에 의해서는, 에칭량이 변동할 우려가 있다. 여기서, DIW 등의 제1린스액에 의해서 기판(W) 위의 산화 유체를 씻어 냄으로써, 에칭량을 정밀도 좋게 제어할 수 있다.
또한 이 실시 형태에 의하면, 제1린스 공정에서는, 탈기된 제1린스액이 기판(W)의 상면으로 공급된다(탈기 린스액 공급 공정). 제1린스액으로 산화 유체를 씻어 내도, 산화구리층(103)의 제거에 의해서 새롭게 노출된 구리 배선(102)이, 제1린스액 중의 용존산소에 의해서 산화될 우려가 있다. 여기서, 탈기된 제1린스액을 이용함으로써, 산화구리층(103)의 제거에 의해서 새롭게 노출된 구리 배선(102)의 산화를 억제할 수 있다.
또한 이 실시 형태에서는, 산화 금속층 제거 공정 후에 제2린스 공정이 실행된다. 산화구리층(103)을 제거한 후에 기판(W)의 상면에 에칭액이 남아 있으면, 기판(W)의 상면의 주변의 분위기 중의 산소가 에칭액에 새롭게 용해한다. 그 때문에, 에칭액에 의해서 산화구리층(103)이 제거됨으로써 새롭게 노출된 구리 배선(102)이, 이 산소에 의해서 산화될 우려가 있다. 이것에 의해서는, 산화구리층(103)의 제거 선택성이 저하할 우려가 있다. 여기서, 제2린스액에 의해서 기판(W)의 상면에 부착한 에칭액을 씻어 냄으로써, 에칭량을 정밀도 좋게 제어할 수 있다.
또한 이 실시 형태에 의하면, 기판(W)이, 트렌치(101)가 형성된 절연층(100)과, 트렌치(101)에 배치된 구리 배선(102)(금속 배선)을 가진다. 구리 배선(102)의 폭은, 미세화의 영향을 받기 쉽다. 이러한 경우에도, 나노 미터 이하의 정밀도로 구리 배선(102)의 에칭을 제어할 수 있다.
또한 실시 형태에서는, 마지막의 제2린스액 공급 공정의 후(마지막의 산화 금속층 제거 공정이 종료한 다음에도 있다)에, 피복막 형성 공정이 실행된다. 마지막의 제2린스액 공급 공정의 후, 기판(W)의 주변의 분위기 중의 산소나 수분에 의해서, 기판(W)의 상면의 구리 배선(102)이 산화될 우려가 있다. 여기서, 기판(W)의 상면을 덮는 피복막을 형성함으로써, 구리 배선(102)을 보호할 수 있다.
기판 처리 장치(1)에 의한 기판 처리가 실행된 후, 도 9에 나타내는 레이저 처리 장치(200)를 이용해 기판(W)의 상면에 LTA(Laser Thermal Anneal) 처리가 실행된다. 도 9는, 레이저 처리 장치(200)의 모식도이다.
레이저 처리 장치(200)는, 기판 처리 장치(1)와는 다른 장치이다. 레이저 처리 장치(200)는, 기판(W)을 재치하는 스테이지(202)와, 스테이지(202)를 수평방향으로 이동시키는 스테이지 이동 유닛(203)과, 스테이지(202)를 수용하는 처리실(204)과, 레이저(201)를 발생시키는 레이저광원(205)과, 레이저(201)를 반사시키는 미러(206)를 포함한다.
미러(206)는, 처리실(204)의 천정부(204a)의 상방에 배치되어 있다. 천정부(204a)에는, 미러(206)로 반사하여 하방을 향한 레이저(201)를 처리실(204)에 도입하기 위한 슬릿(207)이 형성되어 있다. 이 실시 형태에서는, 미러(206)는 하나 밖에 도시되어 있지 않지만, 레이저광원(205)로부터 발생한 레이저(201)를 반사시키는 미러가 복수 설치되어 있어도 좋다.
레이저광원(205)은, 예를 들어, 엑시머램프이다. 레이저(201)의 파장은, 예를 들어, 308 nm의 엑시머 레이저이다. 레이저(201)의 에너지 밀도는, 0.2J/㎠ 이상이고, 0.5J/㎠ 이하인 것이 바람직하다.
다음에, LTA 처리에 대해 설명한다. 기판 처리 장치(1)에 의한 기판 처리가 실행된 기판(W)이, 처리실(204)에 반송되고 스테이지(202) 위에 재치된다. 그리고, 레이저광원(205)으로부터 레이저(201)를 발생시켜서, 기판(W)의 상면에 레이저(201)를 조사한다(스텝 S10：레이저 조사 공정, 도 6의 2점 쇄선 참조.). 기판(W)의 상면에 레이저(201)를 조사시키면서, 스테이지 이동 유닛(203)에 의해서, 스테이지(202)를 수평방향으로 이동시킴으로써, 기판(W)의 상면에서의 레이저 조사 위치를 변화시킨다. 기판(W)의 상면의 소정의 영역에 대해서 레이저(201)의 조사를 행함으로써, LTA 처리가 종료한다. 레이저 조사 공정은, 도 6에 나타내는 기판 처리 후에 실행되므로, 마지막의 산화 금속층 제거 공정의 종료 후에 실행된다.
LTA(Laser Thermal Anneal) 처리를 실행함으로써, 레이저(201)의 조사에 의해서 구리 배선(102)의 표면을 용융시킬 수 있다. 이것에 의해, 구리 배선(102)의 표면을 평활화할 수 있다.
구리 배선(102)는, 트렌치(101) 내에 배치되어 있기 때문에, 구리 배선(102)의 표면에 CMP를 실시하는 것은 곤란하다. 이러한 경우에도, LTA 처리에 의해서 구리 배선(102)의 표면을 평활화할 수 있다.
또한 피복막에 의해서 기판(W)의 상면이 보호되어 있는 경우에도, 구리 배선(102)에의 레이저(201)의 조사는 가능하다.
이 실시 형태에서는, 레이저 처리 장치(200)는, 기판 처리 장치(1)와는 다른 장치라고 했다. 그렇지만, 이 실시 형태와는 달리, 레이저 처리 장치(200)는, 레이저 조사 유닛으로서 기판 처리 장치(1)에 구비되어 있어도 좋다.
본 발명은, 이상으로 설명한 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 또 다른 형태로 실시할 수 있다.
상술한 기판 처리에서는, 산화 유체 공급 공정(S2) ~ 제2린스액 공급 공정(S5)이 소정 횟수 반복되는 것으로 했다. 그렇지만, 상술한 실시 형태와는 달리, 산화 유체 공급 공정(S2) ~ 제2린스액 공급 공정(S5)이 반복되지 않은 경우도 있을 수 있다.
또한, 상술한 기판 처리에서는, 마지막의 제2린스액 공급 공정(S5) 후에 피복제 공급 공정(S6)을 실행했다. 그렇지만, 상술한 기판 처리와는 달리, 피복제 공급 공정(S6)이 생략되어도 좋다.
이하에서는, 도 10~도 18을 이용하여, 지금까지 설명해 온 수개 원자층의 산화구리층의 형성 및 산화구리층의 선택적인 에칭을 실증하기 위해서 행한 실험의 결과에 대해 설명한다.
도 10~도 12b에는, 기판에 사이클 에칭을 실시한 후의 에칭량을 측정하는 실험을 행했다. 이 실험에서는, 매엽식의 기판 세정 장치(SCREEN Semiconductor Solutions Co., Ltd. 제의 SU－3200)를 이용해 사이클 에칭을 실행한 후의 에칭량을 측정했다.
기판으로서 전기도금(ECD：Electrochemical Deposition)에 의해서 500nm로 성장시킨 평탄한 구리막을 표면에 가지는 것을 이용했다. 구리막 위에 형성된 자연산화막은, 24℃의 환경하에서, 용존산소 농도가 50ppb 이하인 희불산(dHF：약 0.05% 농도의 불산)을 이용해 20초간 처리함으로써 선택적으로 제거했다. 산화 유체에 의한 에칭량의 차이를 비교하기 위해서 2종류의 산화 유체를 이용했다. 구체적으로는, 실온의 환경하에서, 질량 퍼센트 농도가 약 3%의 희석 과산화수소수(dH2O2)와, 실온에서 질량 퍼센트 농도가 약 1.2%의 희석 APM(dAPM)를 이용했다. dAPM는, 암모니아수와 과산화수소수와 DIW가 대체로 1：4：100의 비율로 혼합된 액체이다. 어느 산화 유체를 이용했을 경우에도, 에칭액으로서는, dHF가 이용되었다.
에칭량은, 사이클 에칭 전후의 구리막의 두께를 측정하고, 그 차분으로부터 계산되었다. 구리막의 두께의 측정은, 시트 저항 장치(KLA－Tencor제 RS100)를 이용해 행해졌다. 또한, 사이클 마다의 에칭량은, 사이클 에칭 전후의 구리막의 두께로부터 계산된 에칭량의 총량을, 사이클 수로 나누는 것에 의해서 계산되었다.
도 10은, 에칭의 사이클 수와 기판의 구리막의 에칭량의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 10의 횡축은, 사이클 수이다. 도 10의 종축은, 구리막의 에칭량(의 총량)이다. 도 10에 나타낸 바와 같이, dAPM를 이용했을 때 구리막의 에칭량 및 dH2O2를 이용했을 때의 구리막의 에칭량은, 함께, 사이클 수에 거의 비례했다. 다만, dH2O2를 이용했을 때의 구리막의 에칭량은, dAPM를 이용했을 때 구리막의 에칭량보다도 직선 형상으로 줄지어 있기 때문에, dH2O2를 이용하는 것이 dAPM를 이용했을 때보다 구리막의 에칭량이 안정한다고 생각된다.
또한, dAPM 중의 과산화수소의 질량 퍼센트 농도(1.2wt%)는, dH2O2 중의 과산화수소의 질량 퍼센트 농도(2.8wt%)의 절반 이하인 것에도 불구하고, dAPM를 이용했을 때 구리막의 에칭량은, dH2O2를 이용했을 때의 구리막의 에칭량보다도 컸다.
사이클당 에칭량이 작은 것이, 전체의 에칭량을 제어하기 쉽다. 도 10에 나타낸 실험결과에 의하면, 에칭량의 제어의 관점에서는, dAPM보다도 dH2O2를 이용하는 것이 바람직하다고 말할 수 있다.
다음에, 산화 유체에 의한 구리막의 산화의 시간 의존성에 대해서 조사하기 위해서, 에칭량의 시간 변화를 측정했다. 도 11은, 기판의 표면의 구리막의 에칭량의 시간 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 11의 횡축은, 산화 유체에 의한 기판의 표면의 처리 시간이다. 도 11의 종축은, 1 사이클당 구리막의 에칭량이다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 산화 유체로서 dAPM를 이용하면, 처리 시간이 길어질수록 1 사이클당 에칭량이 커졌다. 한편, 산화 유체로서 dH2O2를 이용하면, 처리 개시부터 약 3초에 에칭량이 0.8 nm에 이르렀다. 그 후, 처리 시간이 경과해도 에칭량은 거의 증가하지 않고, 처리 개시부터 약 120초 경과한 시점에도 1.4 nm정도였다. 산화 유체로서 dH2O2를 이용했을 때의 처리 시간에 대한 에칭량의 증가율은, 산화 유체로서 dAPM를 이용했을 때의 처리 시간에 대한 에칭량의 증가율보다 작았다.
도 11에 나타낸 실험결과에 의하면, 1 사이클당 dH2O2에 의한 구리막의 에칭량은, 1.0 nm정도가 한계라고 생각된다. 그리고, 산화 유체로서 dH2O2를 이용함으로써, 고정밀의 에칭량의 제어를 달성할 수 있는 것을 추측할 수 있다. 그리고, 처리 시간의 마진이 증대하는 것을 추측할 수 있다.
다음에, 산화 유체에 의한 구리막의 에칭의 농도 의존성에 대해서 조사하기 위해서, 산화 유체 중의 과산화수소의 농도에 대한 에칭량의 변화를 측정했다.
도 12a는, 과산화수소의 유량에 대한 구리막의 에칭량의 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 12b는, 도 12a에서의 과산화수소의 유량이 저유량의 영역(2점 쇄선의 영역)을 확대한 그래프이다. 도 12a 및 도 12b의 횡축은, 산화 유체 중의 과산화수소의 유량이다. 산화 유체의 전체 유량(2 L/min)과 과산화수소의 유량으로부터, 산화 유체 중의 과산화수소의 농도를 계산할 수 있다. 도 12a 및 도 12b의 종축은, 구리막의 에칭량이다. 도 12a 및 도 12b에서는, 사이클 에칭에 의한 에칭량의 총량과 1 사이클당 에칭량의 양방을 나타내고 있다.
도 12a 및 도 12b에 나타낸 바와 같이, 구리막의 에칭량은, 산화 유체 중의 과산화수소의 농도를 변화시켜도 거의 변화하지 않았다. 자세한 것은, 1 사이클당 구리막의 에칭량은, 산화 유체 중의 과산화수소의 농도가 1ppm 이상이면, 약 1.0 nm 정도였다.
도 12a 및 도 12b에 나타낸 실험결과에 의하면, 산화 유체로서 dH2O2를 이용함으로써, 고정밀의 에칭량의 제어를 달성할 수 있고, 산화 유체 중의 산화제의 농도의 마진이 큰 것을 알 수 있다.
도 13은, 사이클 에칭에 의한 구리막의 에칭량의 총량과 1 사이클당 구리막의 에칭량의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 13의 횡축은, 사이클 수이다. 도 13의 좌측의 종축은, 사이클 에칭에 의한 구리막의 에칭량의 총량이다. 도 13의 우측의 종축은, 1 사이클당 구리막의 에칭량이다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 사이클 에칭의 사이클 수에 관계없이, 1 사이클당 구리막의 에칭량은, 거의 일정하고, 약 1.0 nm이다. 즉, 에칭 심도가 안정하다. 1.0 nm는, 구리원자 4개 분의 길이에 상당한다. 즉, 1 사이클 맞아, 4원자층(수개 원자층)으로 이루어지는 산화구리층이 구리막으로 형성되어 있다. 이와 같이, dH2O2를 이용함으로써, 구리막의 자기 정합 산화가 달성된다. 산화 유체의 산화력을 조정함으로써 1개 원자층으로 이루어지는 산화구리층을 구리막의 표면에 형성할 수 있다고 생각된다. dH2O2보다도 산화환원전위가 낮은 산화 유체를 이용하면, 4개 원자층보다도 적은 수의 원자층으로 이루어지는 산화구리층이 형성된다고 생각된다. 또한, dH2O2보다도 산화환원전위가 높은 산화 유체를 이용하면, 4개 원자층보다도 많은 수의 원자층으로 이루어지는 산화구리층이 형성된다고 생각된다.
다음에, 평탄한 구리막을 표면에 가지는 기판이 아니고, 트렌치 내에 구리 배선이 배치된 기판을 이용한 실험에 대해 설명한다. 이 웨이퍼는, 22.5 nm의 절반의 피치로 패턴이 형성되어 있다. 또한, 트렌치는, Low－k막에 형성되어 있고 구리 배선과 Low－k막의 사이에는, Ta/TaN 배리어가 형성되어 있다. 트렌치 내의 구리 배선의 리세스량(에칭량)을 측정하기 위해서 원자력현미경(Veeco제의 NanoscopeV), OCD 측정장치(Noｖa제의 T600), 주사형 전자현미경(SEM)(KLA－Tencor제의 EDR7100) 및 투과형 전자현미경(TEM)(FEI제의 Tecnai　F30ST)를 이용했다. 특별히 기재가 없는 경우, 그 외의 이외의 조건은, 상술의 실험과 같다.
도 14는, 산화 유체로서 dH2O2를 이용한 사이클 에칭을 10 사이클 실행한 후의 구리 배선의 TEM 화상이다. 도 14에 나타낸 바와 같이, 트렌치의 깊이는, 20 nm~25 nm인 것에도 불구하고, 트렌치 내의 구리 배선은, 10 사이클의 사이클 에칭에 의해서 완전히 제거되었다. 평탄한 구리막을 가지는 웨이퍼를 기판으로서 이용했을 경우, 10 사이클의 사이클 에칭에 의해서 제거되는 구리막의 두께는, 10 nm정도였다(도 13 참조). 즉, 트렌치 내의 구리 배선의 1 사이클당 에칭량은, 1 사이클당 평탄한 구리막의 에칭량의 2~2.5배였다.
에칭되는 구리의 두께의 차이는, 구리의 결정립의 크기의 차이에 기인한다고 생각된다. 자세한 것은, 도 15a 및 도 15b에 나타낸 바와 같이, 평탄한 구리막에서의 구리의 결정립 G1는, 트렌치 내의 구리 배선에서의 결정립 G2보다도 크다. 평탄한 구리막을 가지는 웨이퍼는, ECD로 구리막을 성장시킨 후에 어닐링되고 있다. 그 때문에, 결정립끼리 합체해, 사이즈가 큰 결정립 G1가 형성되어 있다.
산화 유체에 의한 구리의 산화의 초기 단계에서는, 구리의 결정립끼리 경계를 따라서 화학반응이 일어난다고 예측되기 때문에, 결정립이 작으면 반응이 진행하기 쉽다고 생각된다. 이것이, 1 사이클당의 트렌치 내의 구리 배선의 에칭량이 1 사이클당 평탄한 구리막의 에칭량보다도 커지는 원리라고 생각된다. 따라서, 평탄한 구리막을 에칭할 때와 트렌치 내의 구리 배선을 에칭할 때에, 사이클 에칭의 사이클 수를 변경하는 것이 바람직하다고 생각된다.
도 16은, 산화 유체로서 희석 과산화수소수를 이용한 사이클 에칭을 4 사이클 실행한 후의 에칭량을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 17a~도 17d는, 사이클 에칭 전후의 트렌치 내 구리 배선의 형태의 변화를 나타내는 TEM 화상 및 SEM 화상이다. 도 17a는, 사이클 에칭 전의 구리 배선의 형태를 나타내는 TEM 화상이고, 도 17b는, 사이클 에칭(4 사이클) 후의 구리 배선의 형태를 나타내는 TEM 화상이다. 도 17c는, 사이클 에칭 전의 구리 배선의 표면의 형태를 나타내는 SEM 화상이고, 도 17d는, 사이클 에칭(4 사이클) 후의 구리 배선의 표면의 형태를 나타내는 SEM 화상이다.
도 16에 나타낸 바와 같이, 사이클 에칭을 4 사이클 실행하면, 리세스의 깊이(구리 배선의 에칭량)는, 약 10nm였다. 이 결과는, 도 17a 및 도 17b에 나타내는 TEM 화상과 거의 일치한다. 또한, 도 17c 및 도 17d에 나타낸 바와 같이, 사이클 에칭을 실시함으로써 구리 배선의 표면이 거칠게 되었다.
다음에, 사이클 에칭에 의해서 거칠게 된 트렌치 내의 구리 배선의 표면조도를 개선하기 위해서 구리 배선의 표면에 레이저를 조사하는 실험을 행했다. 이 실험에서는, 트렌치 내에 구리 배선이 배치된 기판이 이용되었다. 특별히 기재가 없는 경우, 그 외의 이외의 조건은, 상술의 실험과 같다.
이 실험에서는, 우선, 사이클 에칭이 실시된 기판에 LTA 처리를 행했다. LTA 처리는, SCREEN　Laser　Systems　＆　Solutions　of　Europe제의 LT－3000을 이용해서 행했다. 이 LTA 장치를 이용해 에너지 밀도를 0 J/㎠로부터 0.65J/㎠까지 변화시켰다.
우선, LTA 처리가 구리의 결정상태 및 저항값에 주는 영향에 대해 조사했다. 구리의 결정상태는, X선 회절 장치(Bruker제의 JVX7300)를 이용해 측정했다. 도 18은, 구리 배선에 조사된 레이저의 에너지 밀도에 대한 구리 배선의 시트 저항의 변화 및 결정상태의 변화를 측정한 그래프이다. 도 18의 횡축은, 레이저의 에너지 밀도이다. 도 18의 좌측의 종축은, X 선회절에 의한 측정 결과(각 결정상태를 나타내는 피크의 강도)이다. 도 18의 우측의 종축은, 시트 저항이다.
레이저의 조사 전은, 구리의 결정상태가 (111)이고, 이 때 구리의 시트 저항은, 약 0.55Ω／sq였다. 레이저의 에너지 밀도를 0.5J/㎠보다도 높은 값으로 상승시키면, 일부의 구리의 결정상태가 (200)로 변화하고, 구리의 시트 저항이 상승했다. 따라서, 시트 저항(저항값)의 관점으로부터, 레이저의 에너지 밀도는, 0.5J/㎠ 이하로 설정하는 것이 바람직하다고 생각된다.
다음에, LTA 처리 후의 구리 배선의 표면 상태를 주사형 전자현미경(SEM)(KLA－Tencor 제의 EDR7100) 이용해 측정했다. 도 19a~도 19d는, 서로 다른 에너지 밀도로 레이저 조사한 후의 구리 배선의 표면 상태를 나타내는 SEM 화상이다. 도 19a는, LTA 처리 전의 구리 배선의 표면 상태를 나타내고 있다. 도 19b는, 에너지 밀도가 0.15J/㎠인 레이저를 조사한 후의 구리 배선의 표면 상태를 나타내고 있다. 도 19c는, 에너지 밀도가 0.3J/㎠인 레이저를 조사한 후의 구리 배선의 표면 상태를 나타내고 있다. 도 19d는, 에너지 밀도가 0.4J/㎠인 레이저를 조사한 후의 구리 배선의 표면 상태를 나타내고 있다.
도 19a 및 도 19b에 나타낸 바와 같이, 에너지 밀도가 0.15J/㎠인 레이저를 이용했을 경우, 구리 배선의 표면조도는 저감되지 않았다. 한편, 도 19c 및 도 19d에 나타낸 바와 같이, 에너지 밀도가 0.30J/㎠ 또는 0.40J/㎠인 레이저를 이용했을 경우, 구리 배선의 표면조도가 저감되었다.
그리고, LTA 처리에 의한 구리 배선의 표면조도의 저감을 정량적으로 측정하기 위해, 원자력현미경(Veeco제의 NanoscopeV)을 이용해 구리 배선의 표면조도의 측정을 행했다. 도 20은, 레이저 조사 전후의 구리 배선의 표면조도를 원자력현미경으로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 20에 나타낸 바와 같이, 에너지 밀도가 0.30J/㎠ 또는 0.40J/㎠인 레이저가 조사된 구리 배선의 표면조도는, 레이저 조사를 하지 않았던 구리 배선의 표면조도보다도 낮다고 하는 결과가 얻어졌다. 즉, 에너지 밀도가 0.30J/㎠ 또는 0.40J/㎠인 레이저를 구리 배선의 표면에 조사함으로써, 구리 배선의 표면조도가 저감되었다.
본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 설명해 왔지만, 이들은 본 발명의 기술적 내용을 분명히 하기 위해서 이용된 구체예에 지나지 않고, 본 발명은 이러한 구체예로 한정해 해석되어야 하는 것이 아니고, 본 발명의 범위는 첨부의 청구 범위에 의해서만 한정된다.
1　　　　：기판 처리 장치
2　　　　：처리 유닛
3　　　　：컨트롤러
3A　　　：프로세서
3B　　　：메모리
4　　　　：컵
5　　　　：스핀 척
6　　　　：대향 부재
7　　　　：지지 부재
8　　　　：챔버
9　　　　：중심 노즐
9a　　　：토출구
10　　　：에칭액 공급 장치
20　　　：척 핀
21　　　：스핀 베이스
21a　　：관통 구멍
22　　　：회전축
22a　　：내부 공간
23　　　：스핀 모터
24　　　：기판 유지 유닛
27　　　：지지 부재 승강 유닛
30　　　：케이싱
31　　　：제1튜브
32　　　：제2튜브
33　　　：제3튜브
34　　　：제4튜브
35　　　：제5튜브
36　　　：하면 노즐
36a　　：토출구
38　　　：제1공통 배관
39　　　：제2공통 배관
41　　　：산화 유체 배관
42　　　：제1린스액 배관
43　　　：에칭액 배관
44　　　：제2린스액 배관
45　　　：피복제 배관
46　　　：유기용제 배관
47　　　：제1불활성 가스배관
48　　　：제2불활성 가스배관
51　　　：산화 유체 밸브
52　　　：제1린스액 밸브
53　　　：에칭액 밸브
54　　　：제2린스액 밸브
55　　　：피복제 밸브
56　　　：유기용제 밸브
57　　　：제1불활성 가스 밸브
58　　　：제2불활성 가스 밸브
60　　　：대향부
60a　　：대향면
60b　　：관통 구멍
61　　　：환 형상부
62　　　：통 형상부
63　　　：플랜지 부
63a　　：위치결정 구멍
65　　　：공간
66　　　：제1계합부
67　　　：수용 공간
70　　　：대향 부재 지지부
70a　　：통 형상부 삽통 구멍
70b　　： 계합 돌기
71　　　：노즐 지지부
72　　　：벽부
73　　　：공간
76　　　：제2 계합부
80　　　：탈기유닛
81　　　：탈기유닛
82　　　：펌프
83　　　：필터
90　　　：에칭액 탱크
91　　　：원액 밸브
92　　　：원액 공급관
93　　　：DIW 밸브
94　　　：DIW 공급관
95　　　：버블링 유닛
96　　　：불활성 가스 노즐
96a　　：토출구
97　　　：불활성 가스 공급관
98　　　：불활성 가스 밸브
99　　　：탈기유닛
100　　：절연층
101　　：트렌치
102　　：구리 배선
103　　：산화구리층
200　　：레이저 처리 장치
201　　：레이저
202　　：스테이지
203　　：스테이지 이동 유닛
204　　：처리실
204a　：천정부
205　　：레이저광원
206　　：미러
207　　：슬릿
A1　　　：회전축선
APM　　：희석
C　　　　：캐리어
CR　　　：반송 로봇
D1　　　：에칭량
D2　　　：에칭량
G1　　　：결정립
G2　　　：결정립
IR　　　：반송 로봇
LP　　　：로드 포트
W　　　　：기판

Claims (37)

  1. 금속층을 표면에 가지는 기판을 처리하는 기판 처리 방법으로서,
    상기 기판의 표면으로 산화 유체를 공급함으로써, 1개 원자층 또는 수개 원자층으로 이루어지는 산화 금속층을 상기 금속층의 표층에 형성하는 산화 금속층 형성 공정, 및
    상기 기판의 표면으로 에칭액을 공급함으로써, 상기 산화 금속층을 상기 기판의 표면으로부터 선택적으로 제거하는 산화 금속층 제거 공정을 포함하는, 기판 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산화 금속층 형성 공정과 상기 산화 금속층 제거 공정이 교대로 복수회 실행되는, 기판 처리 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산화 금속층 형성 공정이, 상기 산화 금속층을 형성하기 위해서, 과산화수소수, 과염소산, 질산, 암모니아 과산화수소수 혼합액, 오존 용존수, 산소 용존수, 드라이 에어, 오존 가스 중 적어도 1종류를 상기 기판의 표면으로 공급하는 공정을 포함하는, 기판 처리 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 산화 금속층 형성 공정이, 상기 산화 금속층을 형성하기 위해서, 과산화수소수를 상기 기판의 표면으로 공급하는 과산화수소수 공급 공정을 포함하는, 기판 처리 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산화 금속층 제거 공정이, 산성 약액을 상기 기판의 표면으로 공급하는 공정을 포함하는, 기판 처리 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 산화 금속층 제거 공정이, 상기 산성 약액으로서 희불산, 염산, 아세트산, 구연산, 글리콜산 중 적어도 1종류를 상기 기판의 표면으로 공급하는 공정을 포함하는, 기판 처리 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산화 금속층 제거 공정이, 탈기된 에칭액을, 상기 기판의 표면으로 공급하는 탈기에칭액 공급 공정을 포함하는, 기판 처리 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    에칭액 탱크 내의 에칭액에 불활성 가스를 보냄으로써 상기 에칭액 탱크 내의 에칭액을 탈기하는 탈기공정을 더 포함하고,
    상기 탈기에칭액 공급 공정이, 상기 탈기공정에 의해서 탈기된 에칭액을, 상기 기판의 표면으로 공급하는 공정을 포함하는, 기판 처리 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 탈기에칭액 공급 공정이, 탈기된 에칭액의 용존산소 농도를 유지하면서, 상기 탈기된 에칭액을 상기 기판의 표면으로 공급하는 공정을 포함하는, 기판 처리 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기판을 수평으로 유지하는 기판 유지 공정, 및
    상기 기판에 상방으로부터 대향하는 대향부를 구비하는 대향 부재의 상기 대향부와 상기 기판의 사이의 공간을 향해서 불활성 가스를 공급함으로써, 상기 공간 내의 분위기를 불활성 가스로 치환하는 치환 공정을 더 포함하고,
    상기 탈기에칭액 공급 공정이, 상기 공간 내의 분위기가 불활성 가스로 치환된 후에 실행되는, 기판 처리 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 대향부로부터 하방으로 연장되고 평면시에서 상기 기판을 둘러싸는 환 형상부가 상기 기판을 측방으로부터 둘러싸도록, 상기 대향 부재를 배치하는 대향 부재 배치 공정을 더 포함하고,
    상기 대향 부재 배치 공정이, 상기 치환 공정의 개시 전에 실행되는, 기판 처리 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산화 금속층 형성 공정과 상기 산화 금속층 제거 공정의 사이에 실행되고 상기 기판의 표면으로 제1린스액을 공급함으로써, 상기 기판의 표면에 부착한 산화 유체를 씻어 내는 제1린스 공정을 더 포함하는, 기판 처리 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1린스 공정이, 탈기된 제1린스액을, 상기 기판의 표면으로 공급하는 탈기 린스액 공급 공정을 포함하는, 기판 처리 방법.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산화 금속층 제거 공정 후에 실행되고 상기 기판의 표면으로 제2린스액을 공급함으로써, 상기 기판의 표면에 부착한 에칭액을 씻어 내는 제2린스 공정을 더 포함하는, 기판 처리 방법.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속층이, 구리층 및 코발트 층 중 적어도 한편을 포함하는, 기판 처리 방법.
  16. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판이, 트렌치가 형성된 절연층을 갖고,
    상기 금속층이, 상기 트렌치에 배치된 금속 배선을 가지는, 기판 처리 방법.
  17. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    마지막의 상기 산화 금속층 제거 공정이 종료한 후에, 피복제를 상기 기판의 표면으로 공급함으로써, 상기 기판의 표면을 덮는 피복막을 형성하는 피복막 형성 공정을 더 포함하는, 기판 처리 방법.
  18. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    마지막의 상기 산화 금속층 제거 공정이 종료한 후에, 레이저를 상기 기판의 표면에 조사하는 레이저 조사 공정을 포함하는, 기판 처리 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 레이저 조사 공정이, 0.2J/㎠ 이상이고 0.5J/㎠ 이하의 에너지 밀도를 가지는 레이저를 상기 기판의 표면에 조사하는 공정을 포함하는, 기판 처리 방법.
  20. 금속층을 표면에 가지는 기판을 수평으로 유지하는 기판 유지 유닛,
    산화 유체를 상기 기판의 표면으로 공급하는 산화 유체 공급 유닛,
    에칭액을 상기 기판의 표면으로 공급하는 에칭액 공급 유닛, 및
    상기 산화 유체 공급 유닛 및 상기 에칭액 공급 유닛을 제어하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 컨트롤러가, 상기 산화 유체 공급 유닛으로부터 상기 기판의 표면으로 산화 유체를 공급함으로써 1개 원자층 또는 수개 원자층으로 이루어지는 산화 금속층을 상기 금속층의 표층에 형성하는 산화 금속층 형성 공정과, 상기 에칭액 공급 유닛으로부터 상기 기판의 표면으로 에칭액을 공급함으로써 상기 산화 금속층을 상기 기판의 표면으로부터 선택적으로 제거하는 산화 금속층 제거 공정을 실행하도록 프로그램되어 있는, 기판 처리 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 컨트롤러가, 상기 산화 금속층 형성 공정과 상기 산화 금속층 제거 공정을 교대로 복수회 실행하도록 프로그램되어 있는, 기판 처리 장치.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 산화 유체 공급 유닛이, 과산화수소수, 과염소산, 질산, 암모니아 과산화수소수 혼합액, 오존 용존수, 산소 용존수, 드라이 에어, 오존 가스 중 적어도 1종류를 상기 기판의 표면으로 공급하는, 기판 처리 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 산화 유체 공급 유닛이, 상기 기판의 표면으로 과산화수소수를 공급하는 과산화수소수 공급 유닛을 포함하는, 기판 처리 장치.
  24. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 에칭액 공급 유닛이, 산성 약액을 상기 기판의 표면으로 공급하는 산성 약액 공급 유닛을 포함하는, 기판 처리 장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 산성 약액이, 불산, 염산, 아세트산, 구연산, 글리콜산 중 적어도 1종류를 포함하는, 기판 처리 장치.
  26. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 에칭액 공급 유닛이, 탈기된 에칭액을 상기 기판의 표면으로 공급하는, 기판 처리 장치.
  27. 제26항에 있어서,
    에칭액을 저장하는 에칭액 탱크, 및
    상기 에칭액 탱크 내의 에칭액에 불활성 가스를 보냄으로써 상기 에칭액 탱크 내의 에칭액을 탈기하는 버블링 유닛을 더 포함하고,
    상기 에칭액 공급 유닛이, 상기 버블링 유닛에 의해서 탈기된 에칭액을 상기 기판의 표면으로 공급하는, 기판 처리 장치.
  28. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 기판에 상방으로부터 대향하는 대향부를 갖고, 상기 기판 유지 유닛에 대해서 승강하는 대향 부재, 및
    상기 대향부와 상기 기판의 사이의 공간을 향해서 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급 유닛을 더 포함하고,
    상기 컨트롤러가, 상기 불활성 가스 공급 유닛으로부터 상기 공간을 향해서 불활성 가스를 공급함으로써 상기 공간 내의 분위기를 불활성 가스로 치환하는 치환 공정과, 상기 공간 내의 분위기가 불활성 가스로 치환된 후에 상기 에칭액 공급 유닛으로부터 상기 기판의 표면으로 에칭액을 공급하는 에칭액 공급 공정을 실행하도록 프로그램되어 있는, 기판 처리 장치.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 대향 부재가, 상기 대향부로부터 하방으로 연장되고 평면시에서 상기 기판을 둘러싸는 환 형상부를 포함하고,
    상기 컨트롤러가, 상기 환 형상부가 상기 기판을 측방으로부터 둘러싸도록 상기 대향 부재를 배치하는 대향 부재 배치 공정을 상기 치환 공정의 개시 전에 실행하도록 프로그램되어 있는, 기판 처리 장치.
  30. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 기판의 표면으로 제1린스액을 공급하는 제1린스액 공급 유닛을 더 포함하고,
    상기 컨트롤러가, 상기 산화 금속층 형성 공정과 상기 산화 금속층 제거 공정의 사이에, 상기 기판의 표면으로 제1린스액을 공급함으로써 상기 기판의 표면에 부착한 산화 유체를 씻어 내는 제1린스 공정을 실행하도록 프로그램되어 있는, 기판 처리 장치.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 제1린스액 공급 유닛이, 탈기된 제1린스액을, 상기 기판의 표면으로 공급하는, 기판 처리 장치.
  32. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    제2린스액을 상기 기판의 표면으로 공급하는 제2린스액 공급 유닛을 더 포함하고,
    상기 컨트롤러가, 상기 산화 금속층 제거 공정 후에, 상기 기판의 표면으로 제2린스액을 공급함으로써 상기 기판의 표면에 부착한 에칭액을 씻어 내는 제2린스 공정을 실행하도록 프로그램되어 있는, 기판 처리 장치.
  33. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 금속층이, 구리층 및 코발트 층 중 적어도 한편을 포함하는, 기판 처리 장치.
  34. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 기판이, 트렌치가 형성된 절연층을 갖고,
    상기 금속층이, 상기 트렌치에 배치된 금속 배선을 가지는, 기판 처리 장치.
  35. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 기판의 표면을 덮는 피복제를 상기 기판의 표면으로 공급하는 피복제 공급 유닛을 더 포함하고,
    상기 컨트롤러가, 마지막의 상기 산화 금속층 제거 공정이 종료한 후에, 상기 피복제 공급 유닛으로부터 피복제를 상기 기판의 표면으로 공급함으로써 피복막을 형성하는 피복막 형성 공정을 실행하도록 프로그램되어 있는, 기판 처리 장치.
  36. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    마지막의 상기 산화 금속층 제거 공정이 종료한 후에, 레이저를 상기 기판의 표면에 조사하는 레이저 조사 유닛을 더 포함하는, 기판 처리 장치.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 컨트롤러가, 0.2J/㎠ 이상이고 0.5J/㎠ 이하의 에너지 밀도를 가지는 레이저를 상기 기판의 표면에 조사하도록 프로그램되어 있는, 기판 처리 장치.
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