WO2013175872A1 - ガス処理方法 - Google Patents

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WO2013175872A1
WO2013175872A1 PCT/JP2013/060294 JP2013060294W WO2013175872A1 WO 2013175872 A1 WO2013175872 A1 WO 2013175872A1 JP 2013060294 W JP2013060294 W JP 2013060294W WO 2013175872 A1 WO2013175872 A1 WO 2013175872A1
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etching
wafer
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末正 智希
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東京エレクトロン株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a gas processing method for performing chemical oxide removal processing using a mixed gas of hydrogen fluoride (HF) gas and ammonia (NH 3 ) gas.
  • HF hydrogen fluoride
  • NH 3 ammonia
  • COR chemical oxide removal
  • HF hydrogen fluoride
  • NH 3 ammonia
  • a silicon oxide film SiO 2 film
  • AFS ammonium fluorosilicate
  • the pressure in the chamber is set to 10 to 100 mTorr (1.33 to 13.3 Pa) when the mixed gas of HF gas and NH 3 gas reacts with the silicon oxide film.
  • the conditions are such that the temperature of the semiconductor wafer is 30 to 40 ° C. and the flow rate of all gases is 100 to 200 sccm (mL / min).
  • the etching rate at the bottom of the pattern decreases with the miniaturization of the pattern, and the silicon oxide film remains on the bottom of the pattern.
  • the temperature of normal processing is raised to increase the etching rate, but when the temperature is raised, the etching shape becomes tapered.
  • an object of the present invention is to perform etching with high verticality without causing etching residue at the bottom of the pattern when etching a patterned silicon oxide film with a mixed gas of HF gas and NH 3 gas.
  • An object of the present invention is to provide a gas processing method that can be used.
  • the present inventor treats a target object on which a patterned silicon oxide film is formed with HF gas and NH 3 gas, which are reaction gases, and heats a reaction product generated by the reaction between the reaction gas and the silicon oxide film. Then, when etching by removing by decomposition, the amount of dilution gas added to these reaction gases is adjusted to increase the pressure in the chamber, so that there is no etching residue and an etching shape with high perpendicularity can be obtained. I found out.
  • an object to be processed having a patterned silicon oxide film formed on the surface is accommodated in the chamber, and HF gas and NH 3 gas as reaction gases are supplied into the chamber.
  • a gas processing method in which a reaction product produced by this reaction is reacted, and then a reaction product generated by this reaction is heated, decomposed, removed, and etched, and a HF gas that is a reaction gas in the chamber
  • a diluent gas is supplied in addition to the NH 3 gas, and the amount of the diluent gas is adjusted so that the pressure in the chamber is adjusted so that there is no etching residue and a highly perpendicular etching shape is obtained.
  • a gas treatment method is provided.
  • a treatment temperature of the treatment to be reacted is 40 ° C. or less and a pressure in the chamber is 200 mTorr or more.
  • the treatment temperature for the reaction to be reacted is more preferably 35 ° C. or lower.
  • the partial pressure of HF gas is 5 to 50 mTorr
  • the partial pressure of NH 3 gas is 5 to 50 mTorr
  • the partial pressure of dilution gas is 200 mTorr or more.
  • the pressure in the chamber is 300 mTorr or more.
  • gas treatment of the present invention can be applied to the etching of a patterned thermal oxide film having a shallow trench isolation structure.
  • FIG. 1 It is a top view showing a schematic structure of a processing system concerning one embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows the PHT processing apparatus mounted in the processing system of FIG. It is sectional drawing which shows schematic structure of the COR processing apparatus mounted in the processing system of FIG. It is sectional drawing which shows the structure of the to-be-processed object (wafer) applied to one Embodiment of this invention. It is a schematic diagram which shows the state of a pattern when it heat-processes and etches after performing a COR process on the conventional conditions with respect to the pattern of 50 nm or less. FIG.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the state of the pattern when the COR process is performed under the condition where the temperature is raised and then the heat treatment is performed and the etching is performed.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a pattern state when a heat treatment is performed after performing a COR treatment under a conventional condition in which a pressure is 10 to 100 mTorr. It is a schematic diagram which shows the pattern state at the time of performing heat processing, after performing COR processing on the high pressure conditions which made the pressure 200 mTorr or more.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a processing system for carrying out a gas processing method according to an embodiment of the present invention.
  • the processing system 1 includes a loading / unloading section 2 for loading / unloading a semiconductor wafer (hereinafter simply referred to as a wafer) W, and two load lock chambers (L / L) 3 provided adjacent to the loading / unloading section 2.
  • a COR processing apparatus (COR) 5 that performs COR processing on the wafer W is provided.
  • the load lock chamber 3, the PHT processing apparatus 4, and the COR processing apparatus 5 are arranged in a straight line in this order.
  • the loading / unloading unit 2 has a transfer chamber (L / M) 12 in which a first wafer transfer mechanism 11 for transferring the wafer W is provided.
  • the first wafer transfer mechanism 11 has two transfer arms 11a and 11b that hold the wafer W substantially horizontally.
  • a mounting table 13 is provided on the side of the transfer chamber 12 in the longitudinal direction. For example, three carriers C capable of accommodating a plurality of wafers W arranged side by side can be connected to the mounting table 13. .
  • an orienter 14 is installed adjacent to the transfer chamber 12 to rotate the wafer W and optically determine the amount of eccentricity.
  • the wafer W is held by the transfer arms 11 a and 11 b, and is moved to a desired position by moving straight or moving up and down substantially in a horizontal plane by driving the first wafer transfer mechanism 11.
  • the transfer arms 11a and 11b are moved forward and backward with respect to the carrier C, the orienter 14 and the load lock chamber 3 on the mounting table 13, respectively.
  • Each load lock chamber 3 is connected to the transfer chamber 12 with a gate valve 16 interposed between the load lock chamber 3 and the transfer chamber 12, respectively.
  • a second wafer transfer mechanism 17 for transferring the wafer W is provided in each load lock chamber 3.
  • the load lock chamber 3 is configured to be evacuated to a predetermined degree of vacuum.
  • the second wafer transfer mechanism 17 has an articulated arm structure and has a pick for holding the wafer W substantially horizontally.
  • the pick is positioned in the load lock chamber 3 in a state where the articulated arm is contracted, and the pick reaches the PHT processing apparatus 4 and extends further by extending the articulated arm.
  • the COR processing apparatus 5 it is possible to reach the COR processing apparatus 5, and the wafer W can be transferred between the load lock chamber 3, the PHT processing apparatus 4, and the COR processing apparatus 5.
  • the PHT processing apparatus 4 includes a chamber 20 that can be evacuated and a mounting table 23 on which the wafer W is mounted.
  • a heater 24 is embedded in the mounting table 23.
  • the wafer 24 after the COR process is performed by the heater 24 is heated to perform a PHT process for vaporizing (sublimating) a reaction product generated by the COR process.
  • a loading / unloading port 20 a for transferring a wafer to / from the load locking chamber 3 is provided.
  • the loading / unloading port 20 a can be opened and closed by a gate valve 22.
  • a loading / unloading port 20 b for transferring the wafer W to / from the COR processing device 5 is provided on the COR processing device 5 side of the chamber 20, and the loading / unloading port 20 b can be opened and closed by a gate valve 54.
  • a gas supply mechanism 26 having a gas supply path 25 for supplying an inert gas such as nitrogen gas (N 2 ) to the chamber 20 and an exhaust mechanism 28 having an exhaust path 27 for exhausting the inside of the chamber 20 are provided. It has been.
  • the gas supply path 25 is connected to the nitrogen gas supply source 30.
  • the gas supply path 25 is provided with a flow rate adjusting valve 31 capable of opening / closing the flow path and adjusting the supply flow rate of nitrogen gas.
  • An open / close valve 32 and a vacuum pump 33 are provided in the exhaust passage 27 of the exhaust mechanism 28.
  • the COR processing apparatus 5 includes a sealed chamber 40, and a mounting table 42 for mounting the wafer W in a substantially horizontal state is provided inside the chamber 40. Further, the COR processing apparatus 5 is provided with a gas supply mechanism 43 that supplies HF gas, NH 3 gas, and the like to the chamber 40 and an exhaust mechanism 44 that exhausts the inside of the chamber 40.
  • the chamber 40 includes a chamber body 51 and a lid 52.
  • the chamber body 51 has a substantially cylindrical side wall portion 51 a and a bottom portion 51 b, and an upper portion is an opening, and the opening is closed by a lid portion 52.
  • the side wall 51a and the lid 52 are sealed by a sealing member (not shown), and the airtightness in the chamber 40 is ensured.
  • the side wall 51 a is provided with a loading / unloading port 53 for loading / unloading the wafer W into / from the chamber 20 of the PHT processing apparatus 4.
  • the loading / unloading port 53 can be opened and closed by a gate valve 54.
  • the lid portion 52 includes a lid member 55 that constitutes the outside, and a shower head 56 that is fitted inside the lid member 55 and faces the mounting table 42.
  • the shower head 56 includes a main body 57 having a cylindrical side wall 57 a and an upper wall 57 b, and a shower plate 58 provided at the bottom of the main body 57.
  • a plate 59 is provided in parallel to the shower plate 58, and a space between the upper wall 57b of the main body 57 and the plate 59 is a first space 60a.
  • the space between the plate 59 and the shower plate 58 is a second space 60b.
  • the first gas supply pipe 71 of the gas supply mechanism 43 is inserted into the first space 60a, and a plurality of gas passages 61 connected to the first space 60a extend from the plate 59 to the shower plate 58.
  • the gas passage 61 is connected to a plurality of first gas discharge holes 62 formed in the shower plate 58.
  • a second gas supply pipe 72 of a gas supply mechanism is inserted into the second space 60b, and a plurality of second gas discharges formed in the shower plate 58 are inserted into the second space 60b.
  • the hole 63 is connected.
  • the gas supplied from the first gas supply pipe 71 to the first space 60 a is discharged into the chamber 40 through the gas passage 61 and the first gas discharge hole 62. Further, the gas supplied from the second gas supply pipe 72 to the second space 60 b is discharged from the second gas discharge hole 63.
  • the mounting table 42 has a substantially circular shape in plan view, and is fixed to the bottom 51 b of the chamber 40.
  • a temperature controller 65 that adjusts the temperature of the mounting table 42 is provided inside the mounting table 42.
  • the temperature controller 65 includes, for example, a pipe line through which a temperature adjusting medium (for example, water) circulates, and heat exchange is performed with the temperature adjusting medium flowing in the pipe line, thereby the mounting table 42. The temperature of the wafer W on the mounting table 42 is controlled.
  • a temperature adjusting medium for example, water
  • the gas supply mechanism 43 includes the first gas supply pipe 71 and the second gas supply pipe 72 described above, and is further connected to the first gas supply pipe 71 and the second gas supply pipe 72, respectively.
  • HF gas supply source 73 and NH 3 gas supply source 74 The third gas supply line 75 is connected to the first gas supply line 71, and the fourth gas supply line 76 is connected to the second gas supply line 72.
  • These third gas supply lines An Ar gas supply source 77 and an N 2 gas supply source 78 are connected to the pipe 75 and the fourth gas supply pipe 76, respectively.
  • the first to fourth gas supply pipes 71, 72, 75, 76 are provided with a flow rate controller 79 for opening and closing the flow path and controlling the flow rate.
  • the flow rate controller 79 is constituted by, for example, an on-off valve and a mass flow controller.
  • the HF gas and the Ar gas are discharged from the first gas discharge hole 62 into the chamber 40 through the first gas supply pipe 71, the first space 60a, and the gas passage 61, and the NH 3 gas and the N 2 gas. Is discharged from the second gas discharge hole 63 into the chamber 40 through the second gas supply pipe 72 and the second space 60b.
  • HF gas and NH 3 gas are reaction gases, and these are not mixed until they are discharged from the shower head 56, but are mixed for the first time in the chamber 40.
  • Ar gas and N 2 gas are dilution gases.
  • HF gas and NH 3 gas, which are reaction gases, and Ar gas and N 2 gas, which are dilution gases, are introduced into the chamber 40 at a predetermined flow rate, and the chamber 40 is maintained at a predetermined pressure while the HF gas is maintained.
  • the NH 3 gas and the oxide film (SiO 2 ) formed on the wafer W are reacted to generate ammonium fluorosilicate (AFS) as a reaction product.
  • AFS ammonium fluorosilicate
  • the diluting gas only Ar gas or N 2 gas may be used, and other inert gases may be used, or two or more of Ar gas, N 2 gas and other inert gases may be used. May be.
  • the exhaust mechanism 44 has an exhaust pipe 82 connected to an exhaust port 81 formed in the bottom 51 b of the chamber 40, and further, an automatic pressure provided in the exhaust pipe 82 for controlling the pressure in the chamber 40.
  • a control valve (APC) 83 and a vacuum pump 84 for evacuating the chamber 40 are provided.
  • Two capacitance manometers 86a and 86b as pressure gauges for measuring the pressure in the chamber 40 are provided from the side wall of the chamber 40 into the chamber 40.
  • the capacitance manometer 86a is for high pressure
  • the capacitance manometer 86b is for low pressure.
  • Al is used as the material of various components such as the chamber 40 and the mounting table 42 that constitute the COR processing apparatus 5.
  • the Al material that constitutes the chamber 40 may be a solid material, or an inner surface (the inner surface of the chamber body 51, the lower surface of the shower head 56, etc.) that has been anodized.
  • the surface of Al constituting the mounting table 42 is required to have wear resistance, it is preferable to perform anodization to form an oxide film (Al 2 O 3 ) having high wear resistance on the surface.
  • the processing system 1 has a control unit 90.
  • the control unit 90 includes a controller including a microprocessor (computer) that controls each component of the processing system 1.
  • a controller including a microprocessor (computer) that controls each component of the processing system 1.
  • the controller corresponds to a control program and processing conditions for realizing various processes executed in the processing system 1, for example, supply of processing gas in the COR processing apparatus 5 and exhausting of the chamber 40 by control of the controller.
  • a processing recipe that is a control program for causing each component of the processing system 1 to execute a predetermined process, and a storage unit that stores various databases and the like are connected.
  • the recipe is stored in an appropriate storage medium in the storage unit.
  • an arbitrary recipe is called from the storage unit and is executed by the controller, whereby a desired process in the processing system 1 is performed under the control of the controller.
  • the patterned silicon oxide film existing on the surface of the wafer W is etched.
  • a shallow trench 203 is formed in a silicon substrate 201 having a thermal oxide film 202, and the shallow trench 203 is filled with a silicon oxide film (TEOS-SiO 2 film) 204 by CVD using TEOS.
  • a wafer W having a shallow trench isolation (STI) structure is prepared, and the patterned thermal oxide film 202 remaining on the surface is etched by the processing system 1.
  • STI shallow trench isolation
  • the state wafer W shown in FIG. 4 is stored in the carrier C and transferred to the processing system 1.
  • a single wafer W is loaded from the carrier C of the loading / unloading unit 2 by one of the transfer arms 11 a and 11 b of the first wafer transfer mechanism 11 with the atmosphere side gate valve 16 opened.
  • the gate valve 16 on the atmosphere side is closed, the inside of the load lock chamber 3 is evacuated, then the gate valves 22 and 54 are opened, the pick is extended to the COR processing apparatus 5 and the wafer W is mounted on the mounting table 42. .
  • the temperature controller 65 adjusts the temperature of the wafer W on the mounting table 42 to a predetermined target value (for example, 20 to 40 ° C.), and the HF gas and Ar gas are supplied from the gas supply mechanism 43 to the first gas.
  • the gas supply pipe 71, the first space 60a and the gas passage 61 are discharged from the first gas discharge hole 62 into the chamber 40, and NH 3 gas and N 2 gas are discharged into the second gas supply pipe 72 and the second gas supply pipe 72, respectively.
  • the gas is discharged from the second gas discharge hole 63 into the chamber 40 through the space 60b.
  • the HF gas and the NH 3 gas are supplied into the chamber 40 without being mixed in the shower head 56, and the atmosphere in the chamber 40 becomes an atmosphere containing the HF gas and the NH 3 gas, and is formed on the surface of the wafer W.
  • the remaining thermal oxide film 202 selectively reacts with these.
  • the thermal oxide film 202 chemically reacts with hydrogen fluoride gas molecules and ammonia gas molecules to generate ammonium fluorosilicate (AFS), water, and the like as reaction products, which are held on the surface of the wafer W. It becomes a state.
  • AFS ammonium fluorosilicate
  • the gate valves 22 and 54 are opened, the processed wafer W on the mounting table 42 is received by the pick of the second wafer transfer mechanism 17, and the mounting table in the chamber 20 of the PHT processing apparatus 4 is received. 23. Then, the pick is retracted to the load lock chamber 3, the gate valves 22 and 54 are closed, and the wafer W on the mounting table 23 is heated by the heater 24 while N 2 gas is introduced into the chamber 20. Thereby, the reaction product generated by the COR treatment is heated and vaporized and removed.
  • the thermal oxide film 202 can be removed in a dry atmosphere, and a watermark or the like is not generated. Further, since etching can be performed without plasma, processing with less damage is possible. Further, it is possible to perform etching with a high selectivity with respect to the TEOS-SiO 2 film. Furthermore, in the COR process, the etching does not proceed after a predetermined time has elapsed, so that the reaction does not proceed even when overetching is performed, and the endpoint management becomes unnecessary.
  • FIG. 5 is a diagram showing a pattern state when a pattern of 50 nm or less is subjected to a COR process under a conventional condition and then subjected to a heat treatment and etching. As shown in this figure, an etching residue 206 of the thermal oxide film is generated at the bottom of the pattern 205 obtained by etching.
  • Such etching residue is usually eliminated by increasing the etching temperature by increasing the processing temperature.
  • the reactive species HF and NH 3
  • the reaction becomes more dominant than the adsorption, so that the thermal oxide film can be etched without any etching residue.
  • the TEOS-SiO 2 film is also etched, and etching with high selectivity becomes difficult, and the etching shape (verticality) is deteriorated.
  • the etching residue is eliminated and the etching shape is improved. That is, while maintaining the flow rate of HF gas and NH 3 gas, which are the reaction gases, and the processing temperature, the amount of the dilution gas is increased to increase the pressure in the chamber 40, thereby improving the etching property and the etching shape. Can be made.
  • treatment temperature 40 ° C. or lower, preferably 35 ° C. or lower
  • HF gas flow rate 10-100 sccm (mL / min)
  • NH 3 gas flow rate 10-100 sccm (mL / min)
  • dilution gas It is preferable to increase the total flow rate of Ar gas and N 2 gas, and to set the pressure in the chamber 40 to 200 mTorr (26.7 Pa) or more. More preferably, it is 300 mTorr (40.0 Pa) or more.
  • the total flow rate of the Ar gas and N 2 gas which are dilution gases is preferably 500 sccm (mL / min) or more, and more preferably 800 sccm (mL / min) or more.
  • HF gas partial pressure 5 to 50 mTorr (0.67 to 6.7 Pa)
  • NH 3 gas partial pressure 5 to 50 mTorr (0.67 to 6.7 Pa)
  • dilution gas partial pressure 200 mTorr (26.7 Pa) The above is preferable.
  • the temperature is 40 ° C. or less
  • the flow rate of HF gas is 10 to 100 sccm (mL / min)
  • the flow rate of NH 3 gas is 10 to 100 sccm (mL / min)
  • COR processing is performed by changing the pressure. It was.
  • Condition A is a conventional condition in which the pressure is 10 to 100 mTorr
  • Condition B is a high pressure condition in which the pressure is 200 mTorr or more. Thereafter, heat treatment was performed with a PHT treatment apparatus to remove AFS as a reaction product.
  • FIG. 7 and 8 are schematic views showing the state of the pattern after etching is performed under these conditions.
  • the verticality of the pattern 205 is good, but under the condition A which is the conventional condition, when the pattern size is larger than 50 nm, the bottom of the pattern 205 is rounded.
  • condition A which is the conventional condition
  • the pattern size is larger than 50 nm
  • the bottom of the pattern 205 is rounded.
  • an etching residue 206 of the thermal oxide film was generated.
  • condition B no etching residue of the thermal oxide film occurred even if the pattern size was smaller than 50 nm. From this, it was confirmed that high pressure is effective in order to achieve both etching residue and shape.
  • the pressure in the chamber is adjusted by adjusting the amount of dilution gas, there is no etching residue and etching with high verticality can be performed.
  • the present invention can be variously modified without being limited to the above embodiment.
  • the present invention is applied to the etching of the thermal oxide film having the shallow trench isolation structure.
  • the present invention can also be applied to the etching of the silicon oxide film in other structures, and is not limited to the thermal oxide film. It is also possible to apply to etching of a silicon oxide film.
  • Ar gas and N 2 gas are used as the dilution gas, only Ar gas or N 2 gas may be used, and even if other inert gas is used, Ar gas, N 2 gas and Two or more other inert gases may be used.
  • the example which conveys a to-be-processed object one by one continuously was shown, you may convey two or more sheets continuously.

Abstract

 チャンバー内に表面にパターン状のシリコン酸化膜が形成された被処理体を収容し、チャンバー内に反応ガスであるHFガスおよびNHガスを供給して、これらとシリコン酸化膜とを反応させる処理を行い、その後、この反応により生成した反応生成物を加熱して分解除去してエッチングするにあたり、チャンバー内に反応ガスであるHFガスおよびNHガスの他に希釈ガスを供給し、その量を調整して、チャンバー内の圧力を、エッチング残りが存在せず、かつ垂直性の高いエッチング形状となるように調整する。

Description

ガス処理方法
 本発明は、フッ化水素(HF)ガスとアンモニア(NH)ガスの混合ガスを用いて化学的酸化物除去処理を行うガス処理方法に関する。
 近時、半導体デバイスの製造過程で、ドライエッチングやウエットエッチングに代わる微細化エッチングが可能な方法として、化学的酸化物除去処理(Chemical Oxide Removal;COR)と呼ばれる手法が注目されている。
 CORとしては、真空に保持されたチャンバー内で、被処理体である半導体ウエハの表面に存在するシリコン酸化膜(SiO膜)に、フッ化水素(HF)ガスとアンモニア(NH)ガスを吸着させ、これらをシリコン酸化膜と反応させてフルオロケイ酸アンモニウム((NHSiF;AFS)を生成させ、次工程で加熱によりこのフルオロケイ酸アンモニウムを昇華させることにより、シリコン酸化膜をエッチングするプロセスが知られている(例えば、特許文献1、2参照)。
 上記のようにシリコン酸化膜をエッチングする場合、HFガスおよびNHガスの混合ガスとシリコン酸化膜とを反応させる際には、チャンバー内の圧力を10~100mTorr(1.33~13.3Pa)、半導体ウエハの温度を30~40℃、全ガスの流量を100~200sccm(mL/min)とする条件が採用されている。
特開2005- 39185号公報 特開2008-160000号公報
 ところで、ウエハ表面のパターン状のシリコン酸化膜をエッチングする場合、パターンの微細化とともにパターン底面でのエッチレートが減少し、パターン底面でシリコン酸化膜が残存してしまうという不都合が発生する。このようなエッチング残りが発生した場合には、通常処理の温度を上昇させてエッチングレートを上昇させるが、温度を上昇させた場合にはエッチング形状がテーパー状となってしまう。
 したがって、本発明の目的は、HFガスおよびNHガスの混合ガスによりパターン状のシリコン酸化膜をエッチングする場合に、パターン底面でのエッチング残りが生じず、かつ垂直性の高いエッチングを行うことができるガス処理方法を提供することにある。
 本発明者は、パターン状のシリコン酸化膜が形成された被処理体を反応ガスであるHFガスおよびNHガスで処理し、反応ガスとシリコン酸化膜との反応により生成した反応生成物を加熱して分解除去してエッチングするにあたり、これら反応ガスに加える希釈ガスの量を調整してチャンバー内の圧力を高くすることにより、エッチング残りが存在せず、かつ垂直性の高いエッチング形状が得られることを見出した。
 すなわち、本発明によれば、チャンバー内に表面にパターン状のシリコン酸化膜が形成された被処理体を収容し、前記チャンバー内に反応ガスであるHFガスおよびNHガスを供給して、これらと前記シリコン酸化膜とを反応させる処理を行い、その後、この反応により生成した反応生成物を加熱して分解除去してエッチングするガス処理方法であって、前記チャンバー内に反応ガスであるHFガスおよびNHガスの他に希釈ガスを供給し、前記希釈ガスの量を調整して、前記チャンバー内の圧力を、エッチング残りが存在せず、かつ垂直性の高いエッチング形状となるように調整するガス処理方法が提供される。
 本発明において、前記反応させる処理の処理温度を40℃以下、前記チャンバー内の圧力を200mTorr以上とすることが好ましい。前記反応させる処理の処理温度を35℃以下とすることがより好ましい。
 HFガスの分圧を5~50mTorr、NHガスの分圧を5~50mTorr、希釈ガスの分圧を200mTorr以上とすることが好ましい。
 また、前記チャンバー内の圧力を300mTorr以上とすることが好ましい。
 さらに、本発明のガス処理は、シャロートレンチアイソレーション構造のパターン状の熱酸化膜のエッチングに適用することができる。
本発明の一実施形態に係る処理システムの概略構成を示す平面図である。 図1の処理システムに搭載されたPHT処理装置を示す断面図である。 図1の処理システムに搭載されたCOR処理装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に適用される被処理体(ウエハ)の構造を示す断面図である。 50nm以下のパターンに対し、従来の条件でCOR処理を行った後に熱処理してエッチングしたときのパターンの状態を示す模式図である。 図5に対し、温度を上昇させた条件でCOR処理を行った後に熱処理してエッチングしたときのパターンの状態を示す模式図である。 圧力を10~100mTorrとした従来条件でCOR処理を行った後に加熱処理を行った場合のパターン状態を示す模式図である。 圧力を200mTorr以上とした高圧力条件でCOR処理を行った後に加熱処理を行った場合のパターン状態を示す模式図である。
 以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
 図1は、本発明の一実施形態に係るガス処理方法を実施するための処理システムを示す概略構成図である。この処理システム1は、半導体ウエハ(以下、単にウエハと記す)Wを搬入出する搬入出部2と、搬入出部2に隣接させて設けられた2つのロードロック室(L/L)3と、各ロードロック室3にそれぞれ隣接して設けられた、ウエハWに対してPHT(Post Heat Treatment)処理を行なうPHT処理装置(PHT)4と、各PHT処理装置4にそれぞれ隣接して設けられた、ウエハWに対してCOR処理を行なうCOR処理装置(COR)5とを備えている。ロードロック室3、PHT処理装置4およびCOR処理装置5は、この順に一直線上に並べて設けられている。
 搬入出部2は、ウエハWを搬送する第1ウエハ搬送機構11が内部に設けられた搬送室(L/M)12を有している。第1ウエハ搬送機構11は、ウエハWを略水平に保持する2つの搬送アーム11a,11bを有している。搬送室12の長手方向の側部には、載置台13が設けられており、この載置台13には、ウエハWを複数枚並べて収容可能なキャリアCが例えば3つ接続できるようになっている。また、搬送室12に隣接して、ウエハWを回転させて偏心量を光学的に求めて位置合わせを行なうオリエンタ14が設置されている。
 搬入出部2において、ウエハWは、搬送アーム11a,11bによって保持され、第1ウエハ搬送機構11の駆動により略水平面内で直進移動、または昇降させられることにより、所望の位置に搬送させられる。そして、載置台13上のキャリアC、オリエンタ14、ロードロック室3に対してそれぞれ搬送アーム11a,11bが進退することにより、搬入出させられるようになっている。
 各ロードロック室3は、搬送室12との間にそれぞれゲートバルブ16が介在された状態で、搬送室12にそれぞれ連結されている。各ロードロック室3内には、ウエハWを搬送する第2ウエハ搬送機構17が設けられている。また、ロードロック室3は、所定の真空度まで真空引き可能に構成されている。
 第2ウエハ搬送機構17は、多関節アーム構造を有しており、ウエハWを略水平に保持するピックを有している。この第2ウエハ搬送機構17においては、多関節アームを縮めた状態でピックがロードロック室3内に位置し、多関節アームを伸ばすことにより、ピックがPHT処理装置4に到達し、さらに伸ばすことによりCOR処理装置5に到達することが可能となっており、ウエハWをロードロック室3、PHT処理装置4、およびCOR処理装置5間で搬送することが可能となっている。
 PHT処理装置4は、図2に示すように、真空引き可能なチャンバー20と、その中でウエハWを載置する載置台23を有し、載置台23にはヒーター24が埋設されており、このヒーター24によりCOR処理が施された後のウエハWを加熱してCOR処理により生成した反応生成物を気化(昇華)させるPHT処理を行なう。チャンバー20のロードロック室3側には、ロードロック室3との間でウエハを搬送する搬入出口20aが設けられており、この搬入出口20aはゲートバルブ22によって開閉可能となっている。また、チャンバー20のCOR処理装置5側にはCOR処理装置5との間でウエハWを搬送する搬入出口20bが設けられており、この搬入出口20bはゲートバルブ54により開閉可能となっている。さらに、チャンバー20に例えば窒素ガス(N)などの不活性ガスを供給するガス供給路25を備えたガス供給機構26、およびチャンバー20内を排気する排気路27を備えた排気機構28が備えられている。ガス供給路25は、窒素ガス供給源30に接続されている。そして、ガス供給路25には、流路の開閉動作および窒素ガスの供給流量の調節が可能な流量調整弁31が介設されている。排気機構28の排気路27には、開閉弁32および真空ポンプ33が設けられている。
 COR処理装置5は、図3に示すように、密閉構造のチャンバー40を備えており、チャンバー40の内部には、ウエハWを略水平にした状態で載置させる載置台42が設けられている。また、COR処理装置5には、チャンバー40にHFガスおよびNHガス等を供給するガス供給機構43、チャンバー40内を排気する排気機構44が設けられている。
 チャンバー40は、チャンバー本体51と蓋部52とによって構成されている。チャンバー本体51は、略円筒形状の側壁部51aと底部51bとを有し、上部は開口となっており、この開口が蓋部52で閉止される。側壁部51aと蓋部52とは、シール部材(図示せず)により封止されて、チャンバー40内の気密性が確保される。
 側壁部51aには、PHT処理装置4のチャンバー20に対してウエハWを搬入出する搬入出口53が設けられており、この搬入出口53はゲートバルブ54により開閉可能となっている。
 蓋部52は、外側を構成する蓋部材55と、蓋部材55の内側に嵌め込まれ、載置台42に臨むように設けられたシャワーヘッド56とを有している。シャワーヘッド56は円筒状をなす側壁57aと上部壁57bとを有する本体57と、本体57の底部に設けられたシャワープレート58とを有している。本体57とシャワープレート58とで形成される空間には、シャワープレート58と平行にプレート59が設けられており、本体57の上部壁57bとプレート59との間は第1の空間60aとなっており、プレート59とシャワープレート58との間は第2の空間60bとなっている。
 第1の空間60aには、ガス供給機構43の第1のガス供給配管71が挿入されており、第1の空間60aに繋がる複数のガス通路61がプレート59からシャワープレート58に延びている。このガス通路61は、シャワープレート58に形成された複数の第1のガス吐出孔62に繋がっている。一方、第2の空間60bには、ガス供給機構の第2のガス供給配管72が挿入されており、この第2の空間60bには、シャワープレート58に形成された複数の第2のガス吐出孔63が繋がっている。
 そして、第1のガス供給配管71から第1の空間60aに供給されたガスがガス通路61および第1のガス吐出孔62を経てチャンバー40内へ吐出される。また、第2のガス供給配管72から第2の空間60bに供給されたガスが第2のガス吐出孔63から吐出される。
 載置台42は、平面視略円形をなしており、チャンバー40の底部51bに固定されている。載置台42の内部には、載置台42の温度を調節する温度調節器65が設けられている。温度調節器65は、例えば温度調節用媒体(例えば水など)が循環する管路を備えており、このような管路内を流れる温度調節用媒体と熱交換が行なわれることにより、載置台42の温度が調節され、載置台42上のウエハWの温度制御がなされる。
 ガス供給機構43は、上述した第1のガス供給配管71および第2のガス供給配管72を有しており、さらにこれら第1のガス供給配管71および第2のガス供給配管72にそれぞれ接続されたHFガス供給源73およびNHガス供給源74を有している。また、第1のガス供給配管71には第3のガス供給配管75が接続され、第2のガス供給配管72には第4のガス供給配管76が接続されていて、これら第3のガス供給配管75および第4のガス供給配管76には、それぞれArガス供給源77およびNガス供給源78が接続されている。第1~第4のガス供給配管71、72、75、76には流路の開閉動作および流量制御を行う流量制御器79が設けられている。流量制御器79は例えば開閉弁およびマスフローコントローラにより構成されている。
 そして、HFガスおよびArガスは、第1のガス供給配管71、第1の空間60aおよびガス通路61を経て第1のガス吐出孔62からチャンバー40内へ吐出され、NHガスおよびNガスは、第2のガス供給配管72および第2の空間60bを経て第2のガス吐出孔63からチャンバー40内へ吐出される。
 上記ガスのうちHFガスとNHガスは反応ガスであり、これらはシャワーヘッド56から吐出されるまで混合されることなく、チャンバー40内で初めて混合されるようになっている。ArガスおよびNガスは希釈ガスである。そして、チャンバー40内に、反応ガスであるHFガスおよびNHガスと、希釈ガスであるArガスおよびNガスとを所定流量で導入してチャンバー40内を所定圧力に維持しつつ、HFガスおよびNHガスとウエハW上に形成された酸化膜(SiO)とを反応させ、反応生成物としてフルオロケイ酸アンモニウム(AFS)を生成させる。
 希釈ガスとしては、Arガスのみ、またはNガスのみであってもよく、また、他の不活性ガスを用いても、Arガス、Nガスおよび他の不活性ガスの2種以上を用いてもよい。
 排気機構44は、チャンバー40の底部51bに形成された排気口81に繋がる排気配管82を有しており、さらに、排気配管82に設けられた、チャンバー40内の圧力を制御するための自動圧力制御弁(APC)83およびチャンバー40内を排気するための真空ポンプ84を有している。
 チャンバー40の側壁からチャンバー40内に、チャンバー40内の圧力を計測するための圧力計としての2つのキャパシタンスマノメータ86a,86bが設けられている。キャパシタンスマノメータ86aは高圧力用、キャパシタンスマノメータ86bは低圧力用となっている。
 COR処理装置5を構成するチャンバー40、載置台42等の各種構成部品の材質としては、Alが用いられている。チャンバー40を構成するAl材は無垢のものであってもよいし、内面(チャンバー本体51の内面、シャワーヘッド56の下面など)に陽極酸化処理を施したものであってもよい。一方、載置台42を構成するAlの表面は耐摩耗性が要求されるので、陽極酸化処理を行って表面に耐摩耗性の高い酸化被膜(Al)を形成することが好ましい。
 図1に示すように、処理システム1は制御部90を有している。制御部90は、処理システム1の各構成部を制御するマイクロプロセッサ(コンピュータ)を備えたコントローラを有している。コントローラには、オペレータが処理システム1を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、処理システム1の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等が接続されている。また、コントローラには、処理システム1で実行される各種処理、例えばCOR処理装置5における処理ガスの供給やチャンバー40内の排気などをコントローラの制御にて実現するための制御プログラムや処理条件に応じて処理システム1の各構成部に所定の処理を実行させるための制御プログラムである処理レシピや、各種データベース等が格納された記憶部が接続されている。レシピは記憶部の中の適宜の記憶媒体に記憶されている。そして、必要に応じて、任意のレシピを記憶部から呼び出してコントローラに実行させることで、コントローラの制御下で、処理システム1での所望の処理が行われる。
 次に、このような処理システム1を用いた本実施形態のガス処理方法について説明する。
 本実施形態では、ウエハWの表面に存在するパターン化されたシリコン酸化膜をエッチングする。例えば、図4に示すような、熱酸化膜202を有するシリコン基板201にシャロートレンチ203を形成し、シャロートレンチ203を、TEOSを用いたCVDによりシリコン酸化膜(TEOS-SiO膜)204で埋めたシャロートレンチアイソレーション(STI)構造のウエハWを準備し、表面に残存しているパターン状の熱酸化膜202を処理システム1によりエッチングする。
 最初に、図4に示す状態ウエハWをキャリアC内に収納し、処理システム1に搬送する。処理システム1においては、大気側のゲートバルブ16を開いた状態で搬入出部2のキャリアCから第1ウエハ搬送機構11の搬送アーム11a、11bのいずれかによりウエハWを1枚ロードロック室3に搬送し、ロードロック室3内の第2ウエハ搬送機構17のピックに受け渡す。
 その後、大気側のゲートバルブ16を閉じてロードロック室3内を真空排気し、次いでゲートバルブ22および54を開いて、ピックをCOR処理装置5まで伸ばして載置台42にウエハWを載置する。
 その後、ピックをロードロック室3に戻し、ゲートバルブ22および54を閉じ、チャンバー40内を密閉状態する。この状態で、温度調節器65によって載置台42上のウエハWの温度を所定の目標値(例えば20~40℃)に調節し、ガス供給機構43から、HFガスおよびArガスを、第1のガス供給配管71、第1の空間60aおよびガス通路61を経て第1のガス吐出孔62からチャンバー40内へ吐出し、NHガスおよびNガスを、第2のガス供給配管72および第2の空間60bを経て第2のガス吐出孔63からチャンバー40内へ吐出する。
 これにより、HFガスおよびNHガスは、シャワーヘッド56内で混合することなくチャンバー40内に供給され、チャンバー40内の雰囲気はHFガスとNHガスとを含む雰囲気となり、ウエハWの表面に残存する熱酸化膜202が選択的にこれらと反応する。
 すなわち、熱酸化膜202は、フッ化水素ガスの分子およびアンモニアガスの分子と化学反応して、反応生成物としてフルオロケイ酸アンモニウム(AFS)や水等が生成され、ウエハWの表面に保持された状態になる。
 このような処理が終了した後、ゲートバルブ22、54を開き、第2ウエハ搬送機構17のピックにより載置台42上の処理後のウエハWを受け取り、PHT処理装置4のチャンバー20内の載置台23上に載置する。そして、ピックをロードロック室3に退避させ、ゲートバルブ22、54を閉じ、チャンバー20内にNガスを導入しつつ、ヒーター24により載置台23上のウエハWを加熱する。これにより、上記COR処理によって生じた反応生成物が加熱されて気化し、除去される。
 このように、COR処理の後、PHT処理を行なうことにより、ドライ雰囲気で熱酸化膜202を除去することができ、ウォーターマーク等が生じない。また、プラズマレスでエッチングできるのでダメージの少ない処理が可能となる。さらに、TEOS-SiO膜に対して選択比の高いエッチングが可能である。さらにまた、COR処理は、所定時間経過後、エッチングが進まなくなるので、オーバーエッチをかけても反応が進まず、エンドポイント管理が不要となる。
 ところで、COR処理は、従来、チャンバー内の圧力が10~100mTorr(1.33~13.3Pa)、半導体ウエハの温度が20~40℃、全ガスの流量が100~200sccm(mL/min)とする条件が採用されていたが、パターンの微細化とともにパターン底面でのエッチレートが減少し、パターン底面で酸化シリコン膜が残存してしまうという不都合が発生することがある。図5は、50nm以下のパターンに対し、従来条件でCOR処理を行った後に熱処理してエッチングしたときのパターンの状態を示す図である。この図に示すように、エッチングによって得られたパターン205の底部に熱酸化膜のエッチング残り206が生じている。
 このようなエッチング残りは、通常、処理の温度を上昇させてエッチングレートを上昇させることにより解消される。
 しかし、温度を上昇させると、図6に示すように、エッチング残りは解消されるものの、エッチングの形状性が悪化してしまうことが判明した。
 そこで、エッチング性とエッチングの形状性を両立すべく検討した。
 その結果、温度および反応ガスの量を基本的に変化させず、圧力を上昇させることにより、エッチング性とエッチングの形状性を両立できることが見出された。
 すなわち、温度が20~40℃では、反応種(HFおよびNH)は吸着しやすいため、熱酸化膜のパターンエッチングの際に、パターンの底部でエッチングが進みにくくなり、エッチング残りが発生する。これを防止するために温度を上昇させると、吸着よりも反応が支配的となるため、エッチング残りが生じずに熱酸化膜をエッチングすることができる。しかし、温度を上昇させることにより、TEOS-SiO膜もエッチングされ、選択性の高いエッチングが困難となってエッチングの形状性(垂直性)が悪化してしまう。
 これに対して、温度を上げずに圧力を上げた場合には、反応種の平均自由行程が短くなるため、反応種の移動が制限されて直進性が高くなり、パターン底部の熱酸化膜に有効に作用するとともにエッチングの垂直性がより高くなるのである。
 このため、本実施形態では、チャンバー40内の圧力を上昇させることにより、エッチング残りを解消するとともに、エッチングの形状性を良好なものとする。すなわち、反応ガスであるHFガスおよびNHガスの流量および処理温度を維持したまま、希釈ガスの量を増加させてチャンバー40内の圧力を上昇させることにより、エッチング性およびエッチングの形状性を上昇させることができる。
 具体的な条件としては、処理温度:40℃以下、好ましくは35℃以下、HFガス流量:10~100sccm(mL/min)、NHガス流量:10~100sccm(mL/min)とし、希釈ガスであるArガスおよびNガスのトータル流量を増加して、チャンバー40内の圧力を200mTorr(26.7Pa)以上とすることが好ましい。より好ましくは300mTorr(40.0Pa)以上である。
 このときの希釈ガスであるArガスおよびNガスのトータル流量は、500sccm(mL/min)以上であることが好ましく、800sccm(mL/min)以上であることがより好ましい。また、HFガス分圧:5~50mTorr(0.67~6.7Pa)、NHガス分圧:5~50mTorr(0.67~6.7Pa)、希釈ガス分圧:200mTorr(26.7Pa)以上であることが好ましい。
 実際に、温度:40℃以下、HFガスの流量:10~100sccm(mL/min)、NHガスの流量:10~100sccm(mL/min)で固定し、圧力を変化させてCOR処理を行った。条件Aは、圧力を10~100mTorrとした従来条件、条件Bは、圧力を200mTorr以上とした高圧力条件である。その後、PHT処理装置で熱処理を行って、反応生成物であるAFSを除去した。
 図7および図8は、これらの条件でエッチングを行った後のパターンの状態を示す模式図である。これらに示すように、パターン205の垂直性はいずれも良好であるが、従来条件である条件Aでは、パターンサイズが50nmより大きいときには、パターン205の底部に丸みが形成される程度であるものの、パターンサイズが50nmより小さいときには、熱酸化膜のエッチング残り206が生じた。これに対し、条件Bではパターンサイズが50nmより小さくても熱酸化膜のエッチング残りが生じなかった。このことから、エッチング残りと形状性を両立するためには、高圧化が有効であることが確認された。
 以上のように、本実施形態によれば、希釈ガスの量を調整して、チャンバー内の圧力を調整するので、エッチング残りが存在せず、かつ垂直性の高いエッチングを行うことができる。
 なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、シャロートレンチアイソレーション構造の熱酸化膜のエッチングに本発明を適用したが、他の構造におけるシリコン酸化膜のエッチングにも適用できるし、熱酸化膜に限らず、他のシリコン酸化膜のエッチングに適用することも可能である。また、希釈ガスとしてArガスおよびNガスを用いたが、Arガスのみ、またはNガスのみであってもよく、また、他の不活性ガスを用いても、Arガス、Nガスおよび他の不活性ガスの2種以上を用いてもよい。さらに、上記実施形態では、被処理体を1枚ずつ連続的に搬送する例について示したが、2枚以上ずつ連続して搬送するものであってもよい。
 1;処理システム、2;搬入出部、3;ロードロック室、4;PHT処理装置、5;COR処理装置、11;第1ウエハ搬送機構、17;第2ウエハ搬送機構、40;チャンバー、43;ガス供給機構、44;排気機構、56;シャワーヘッド、73:HFガス供給源、74;NHガス供給源、77;Arガス供給源、78;Nガス供給源、86a,86b:キャパシタンスマノメータ、90;制御部、201;シリコン基板、202;熱酸化膜、203;シャロートレンチ、204;TEOS-SiO膜、205;パターン、206;エッチング残り、W;半導体ウエハ

Claims (6)

  1.  チャンバー内に表面にパターン状のシリコン酸化膜が形成された被処理体を収容し、前記チャンバー内に反応ガスであるHFガスおよびNHガスを供給して、これらと前記シリコン酸化膜とを反応させる処理を行い、その後、この反応により生成した反応生成物を加熱して分解除去してエッチングするガス処理方法であって、
     前記チャンバー内に反応ガスであるHFガスおよびNHガスの他に希釈ガスを供給し、前記希釈ガスの量を調整して、前記チャンバー内の圧力を、エッチング残りが存在せず、かつ垂直性の高いエッチング形状となるように調整する、ガス処理方法。
  2.  前記反応させる処理の処理温度を40℃以下、前記チャンバー内の圧力を200mTorr以上とする、請求項1に記載のガス処理方法。
  3.  前記反応させる処理の処理温度を35℃以下とする、請求項2に記載のガス処理方法。
  4.  HFガスの分圧を5~50mTorr、NHガスの分圧を5~50mTorr、希釈ガスの分圧を200mTorr以上とする、請求項2に記載のガス処理方法。
  5.  前記チャンバー内の圧力を300mTorr以上とする、請求項2に記載のガス処理方法。
  6.  シャロートレンチアイソレーション構造のパターン状の熱酸化膜をエッチングするものである、請求項1に記載のガス処理方法。
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