JP3795867B2 - エッチング装置、エッチング方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置に係り、特にウェットエッチング装置、ウェットエッチング方法および半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、先端デバイス向けのゲート絶縁膜として高誘電率膜が用いられている。この高誘電率膜は、成膜後に行われる熱処理（アニール）によって膜の緻密化が促進され、エッチングされにくい物性へと変化する。
従来より、被エッチング膜のエッチング処理には、被エッチング膜と薬液とを接触させて、その薬液中に解離したエッチャントによりエッチングするウェットエッチング、又は、プラズマ中で励起されたラジカル及びイオン種を基板に引き込み、被エッチング膜を強制的にエッチングするドライエッチングが用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アニール後の高誘電率膜のような緻密な薄膜をウェットエッチングする場合、極めてエッチングレートが低いという問題があった。このため、スループットが著しく低下してしまうという問題があった。
また、ウェットエッチングに代えて緻密な薄膜をドライエッチングする場合、ウェットエッチングよりも高いエッチングレートが得られるが、除去すべきでない下地膜まで連続的にエッチングしてしまうという問題があった。すなわち、ドライエッチングでは下地膜に対するエッチング選択比が十分に得られないという問題があった。
従来、このようなエッチング困難性が、高誘電率膜を先端デバイスに適用する際に大きな障害となっていた。
【０００４】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、被加工膜の下地膜に対するエッチング選択比が高く、高いエッチングレートを有するエッチング装置およびエッチング方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係るエッチング装置は、基板上の被加工膜であるＨｆＯ ２ 膜またはＨｆＡｌＯ膜をウェットエッチングするエッチング装置であって、
前記被加工膜上に薬液を供給する薬液供給部と、
前記薬液と対向する面に界面活性剤の層が設けられた光透過窓を有し、該光透過窓を通した紫外光を前記薬液を介して前記被加工膜に照射する紫外光照射部とを備え、
前記紫外光照射部から前記被加工膜を形成する分子の結合エネルギーよりも高いエネルギーを有する前記紫外光を照射することにより前記被加工膜の分子の結合を切断し、この切断された分子を前記薬液によりエッチングすることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明に係るエッチング装置において、前記紫外光照射部は、前記被加工膜から２ｍｍ〜５ｍｍ離れた位置に配置されることが好適である。
【０００８】
本発明に係るエッチング装置において、前記紫外光照射部は、
前記紫外光を発する光源と、
該光源を収納し、前記被加工膜と対向する面に光透過窓を有する収納部とを備え、
前記薬液供給部は、前記光透過窓と前記被加工膜との隙間の側方に配置され、先端部分が該隙間に差し込まれたノズルを備え、
該ノズルは、前記光源から前記紫外光が発せられる間、連続して前記隙間に薬液を供給するものであることが好適である。
【００１０】
本発明に係るエッチング装置において、前記薬液供給部は、前記ノズルに接続された切替バルブと、
前記切替バルブに接続され、前記薬液を供給する配管と、
前記切替バルブに接続され、洗浄液を供給する配管とを更に備えることが好適である。
【００１１】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記エッチング装置を用いて被加工膜であるＨｆＯ ２ 膜またはＨｆＡｌＯ膜をウェットエッチングする工程を含み、
前記被加工膜をウェットエッチングする工程は、
前記被加工膜上に薬液を供給する第１サブステップと、
前記光透過窓を通した紫外光を前記薬液を介して前記被加工膜に照射する第２サブステップとを含み、
前記第２サブステップでは、前記被加工膜を形成する分子の結合エネルギーよりも高いエネルギーを有する紫外光を照射することにより前記被加工膜の分子の結合を切断し、この切断された分子を前記薬液によりエッチングすることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係るエッチング方法は、基板上の被加工膜であるＨｆＯ ２ 膜またはＨｆＡｌＯ膜をウェットエッチングする方法であって、
前記被加工膜上に薬液を供給する工程と、
前記薬液と対向する面に界面活性剤の層を有する光透過窓を通した紫外光を前記薬液を介して前記被加工膜に照射する工程とを含み、
前記紫外光を照射する工程では、前記被加工膜を形成する分子の結合エネルギーよりも高いエネルギーを有する紫外光を照射することにより前記被加工膜の分子の結合を切断し、この切断された分子を前記薬液によりエッチングすることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明に係るエッチング方法において、前記薬液を供給する工程と、前記紫外光を照射する工程とを同時に行うことが好適である。
【００１４】
本発明に係るエッチング方法において、前記紫外光が前記被加工膜に照射されている間は、常に前記基板の一方の端から薬液の供給を行い、前記基板の他方の端から薬液の排出を行うことで、薬液を供給し続けることが好適である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図中、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるエッチング装置を説明するための概略断面図である。詳細には、基板上に形成された被エッチング膜をウェットエッチングするエッチング装置を説明するための図である。
【００１７】
図１に示すように、緻密な薄膜である被エッチング膜（被加工膜）が形成された基板１１が、回転ステージ５上に回転自在に保持される。詳細には、回転ステージ５上にはピン４が複数設けられており、基板１１の端部（側縁部）がこれらのピン４により挟み込まれることにより固定されている。なお、基板１１を静電チャックにより保持してもよい。
【００１８】
回転ステージ５の中心には回転軸６が設けられ、この回転軸６を中心に回転ステージ５が回転することにより基板１１も所望の回転速度で回転する。回転ステージ５は、例えば、薬液塗布時に３００〜５００ｒｐｍ程度の回転速度で回転し、乾燥時に２０００〜３０００ｒｐｍ程度の回転速度で回転する。
【００１９】
また、被エッチング膜は、例えば、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法を用いて成膜した後に、アニール処理（ＰＤＡ：Post Deposition Annealing）が施されたＨｆＯ２膜やＨｆＡｌＯ膜のような高誘電率膜（Ｈｉｇｈ−ｋ膜）である。
【００２０】
薬液配管７先端に設けられたノズル８から薬液９が、基板１１上の被エッチング膜表面に供給される。薬液配管７は、バルブやポンプを介して薬液を貯留する薬液槽に、又は付帯設備の薬液供給ラインに接続されている（図示省略）。
また、薬液９は、例えば、リン酸系ベースのエッチャントを含有するものを用いることができる。なお、所望の特性を得るため、薬液９に、界面活性剤等を添加してもよい。
【００２１】
基板１１の上方には、薬液９を介して被エッチング膜に紫外光を照射する光源１であるランプを収納したランプハウス２が配置されている。ランプ１としては、例えば、ＫｒＣｌ（波長２２２ｎｍ），Ｘｅ２（１７２ｎｍ），Ｋｒ２（１４７ｎｍ），Ａｒ２（１２６ｎｍ）エキシマランプ等を用いることができる。ここで、ランプ１は、被エッチング膜を形成する分子の結合エネルギーよりも高いエネルギーで紫外光を照射する。紫外光のエネルギーは、紫外光の照射時間により制御可能であり、照射時間は例えば１０ｓｅｃ〜２００ｓｅｃである。
また、ランプ１から発せられた紫外光の波長に対して高い透過率を有するように、薬液９の材料や、被エッチング膜上の厚み等が制御される。
【００２２】
ランプハウス２の下面には、基板１１と同じか、或いはそれ以上のサイズを有する開口が形成されている。この開口は、ランプ１から発せられた紫外光が透過する材質で形成された光透過窓３で覆われている。この光透過窓３は、例えば、石英ガラスで形成された窓（以下「石英ガラス窓」という。）である。
また、石英ガラス窓３により密閉されたランプハウス２の内部は、窒素等の不活性ガスが充填されている。これにより、酸素存在下で吸収される波長を有するランプ１を使用することができる。石英ガラス窓３における紫外光の照度は、例えば、５〜２０ｍＷ／ｃｍ２程度が好適である。
【００２３】
ランプハウス２の上面には、該ランプハウス２を上下方向に駆動する駆動部１０が設けられている。この駆動部１０の駆動により、紫外光を照射する際にはランプハウス２が基板１１近傍に配置され、ランプ１からの紫外光を至近距離にある被エッチング膜に作用させることができる。詳細には、基板１１表面から２ｍｍ〜５ｍｍ程度離れた上方に石英ガラス窓３が位置するように、ランプハウス２が配置される。
【００２４】
次に、上記エッチング装置の動作、すなわち被エッチング膜のウェットエッチングについて説明する。
先ず、被エッチング膜としてＨｆＯ２膜が形成された基板１１を、ピン４により回転ステージ５上に固定する。そして、回転軸６を中心に回転ステージ５を回転させることにより基板１１を３００〜５００ｒｐｍの回転速度で回転させながら、ノズル８から基板１１上にリン酸系ベースのエッチャントを含む薬液９を供給する。その後、薬液９が基板１１上に十分に薄くかつ均一に広がった時点で、回転を止める。このとき、薬液９は基板１１から流れ去ることなく、基板１１全体に所望の厚みで塗布されている。
【００２５】
そして、石英ガラス窓３がピン４に干渉せず、基板１１表面から２ｍｍ〜５ｍｍ程度離れた位置となるように、駆動部１０によりランプハウス２を下降させ、予め点灯させておいたランプ１から薬液９を介してＨｆＯ２膜に紫外光を照射する。このとき、紫外光の光エネルギーがＨｆＯ２膜のＨｆ−Ｏ結合を切断し、予め塗布しておいた薬液９に含まれるエッチャントによりエッチング反応が進行する。
【００２６】
所望のエッチング終了後、ランプ１による紫外光照射を止め、駆動部１０によりランプハウス２を上昇させるとともに、別途水洗ノズルから超純水を基板１１上に吐出させ、基板１１上に残留する薬液９を洗い流す。
その後、回転ステージ５により基板１１を２０００〜３０００ｒｐｍ程度で回転させることにより、基板１１上の超純水を振り切り、乾燥を行う。
【００２７】
以上説明したように、本実施の形態１では、緻密な被エッチング膜上に薬液９を供給した後、該被エッチング膜を形成する分子の結合エネルギーを上回る光エネルギーを有する紫外光を薬液９を介して被エッチング膜に照射した。この紫外光の照射により、被エッチング膜を形成する分子の結合が切断され、薬液９と接触する被エッチング膜のエッチングレートが大幅に増大する。すなわち、被エッチング膜の分子結合が最も切断された状態でウェットエッチングすることにより、エッチングレートを大幅に増大させることができる。従って、エッチング処理時間を短縮することができ、スループットを向上させることができる。また、下地膜に対して高いエッチング選択比を有するため、ドライエッチングを用いる場合のように下地膜を連続してエッチングするような問題も発生しない。これにより、先端デバイスに緻密な高誘電率膜を適用することができる。
【００２８】
また、本実施の形態１で用いられる薬液９は、ランプ１が有する波長に対して高い透過率を有する。このため、ランプ１から発せられた紫外光が薬液９によりほとんど吸収されず、該紫外光は十分な光エネルギーで被エッチング膜に到達することができる。よって、薬液９による紫外光の光エネルギーのロスを極力低減することが可能である。
【００２９】
また、熱交換器やホットプレート等を用いて薬液９や基板１１の温度を上げることにより、エッチングレートを更に向上させることができる。しかし、この場合、薬液９の蒸発量が増加することとなり、ランプハウス２下部の石英ガラス窓３の表面に、結露による曇りが生じてしまう可能性がある。この曇りにより紫外光が散乱してしまい、被エッチング膜への紫外光の作用が不十分となる可能性がある。
この対策として、疎水基を有する界面活性剤等を石英ガラス窓３に塗布することが好適である。この界面活性剤の膜により、石英ガラス窓３の結露を防止することができ、紫外光の光エネルギーのロスを防止することが可能となる（後述する実施の形態２についても同様）。
【００３０】
また、薬液９を１回供給しただけでは、エッチング中に消費される薬液９中のエッチャントの量が不十分で、途中でエッチング反応が止まってしまう場合も考えられる。このようにエッチャントの供給律速になる場合には、駆動部１０によりランプハウス２を一旦基板１１近傍から離して（上昇させて）、再度ノズル８から薬液９を供給した後、ランプハウス２を基板１１近傍に下降させて紫外光照射を再度行うのがよい。
【００３１】
しかし、エッチングのメカニズム上、極めてエッチャントの供給律速になる場合には、薬液供給と紫外光照射とを何回も繰り返す必要があるため、プロセス時間が長くなり、スループットが低下してしまう。また、薬液塗布後に照射される紫外光の光エネルギーが与える熱により薬液９が乾燥してしまい、エッチング後の水洗時に不可逆な状態に変化する場合がある。かかる場合に、有効な手段を後述の実施の形態２として説明する。
【００３２】
なお、本実施の形態１では、被エッチング膜が高誘電率膜である場合について説明したが、これに限らず、ウェットエッチングレートが低い膜に対して本発明を適用することができ、特に緻密な薄膜に対して好適である（後述する実施の形態２についても同様）。
【００３３】
また、本発明者は、本実施の形態１の比較例として、ランプ１から被エッチング膜に紫外光を最初に照射した後、被エッチング膜上に薬液９の塗布を行った。しかし、この比較例では、本実施の形態１と比較してエッチングレートの増大が僅かであり、所望の効果が得られなかった。
【００３４】
実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２によるエッチング装置を説明するための概略断面図であり、図３は、図２に示したエッチング装置における基板近傍を示す上面図である。
本実施の形態２によるエッチング装置は、上述したように、極めてエッチャントの供給律速になる場合に特に好適である。
【００３５】
図２に示すように、被エッチング膜が形成された基板１１は、該基板１１よりも広い面積を有する板状のステージ１２上に保持される。ステージ１２上には例えば２〜５ｍｍの高さを有するピン４が複数設けられ、基板１１の端部がこれらのピン４により挟み込まれることにより固定されている。
【００３６】
実施の形態１と同様に、ランプ１を収納したランプハウス２は、駆動部１０により上下方向に移動する。紫外光を照射する際には、基板１１表面から２ｍｍ〜５ｍｍ程度離れた上方に石英ガラス窓３が位置するように、ランプハウス２が配置される。
【００３７】
石英ガラス窓３と基板１１との隙間には、該隙間の側方に配置されたスリット状のフラットノズル１３の先端部分が差し込まれ、フラットノズル１３から隙間に薬液９が連続的に供給される。ここで、図３に示すように、ステージ１２上には、フラットノズル１３と直交し、基板１１を挟み込むように一対のガイド１６が形成されている。これにより、フラットノズル１３から基板１１の一端に供給された薬液９は、ガイド１６によりその一端と対向する他端の方向（すなわち、フラットノズル１３の反対方向）に導かれ、徐々にその隙間を満たしていく。さらに、フラットノズル１３から供給された薬液９の過剰分は、フラットノズル１３の反対方向から流れ出る。
【００３８】
また、フラットノズル１３は配管１５の一端に接続されている。配管１５の他端は、切替バルブ１４を介して、薬液用配管１５ａと超純水用配管１５ｂとに接続されている。すなわち、切替バルブ１４の切り替え動作により、フラットノズル１３及び配管１５が、薬液用配管１５ａ又は超純水用配管１５ｂと接続される。
【００３９】
次に、上記エッチング装置の動作、すなわち被エッチング膜のウェットエッチングについて説明する。
先ず、被エッチング膜としてＨｆＯ２膜が形成された基板１１を、ステージ１２上に固定する。
そして、石英ガラス窓３がピン４に干渉せず、基板１１表面から２ｍｍ〜５ｍｍ程度離れた位置となるように、駆動部１０によりランプハウス２を下降させる。
【００４０】
次に、石英ガラス窓３と基板１１との隙間に側方からフラットノズル１３の先端部分を差し込み、フラットノズル１３から連続的に該隙間に薬液９を供給する。この薬液９の供給と同時に、ランプ１から薬液９を介してＨｆＯ２膜に紫外光を照射する。
このとき、紫外光の光エネルギーがＨｆＯ２膜のＨｆ−Ｏ結合を切断し、フラットノズル１３から供給された薬液９に含まれるエッチャントによりエッチング反応が進行する。また、フラットノズル１３から供給された薬液９はガイド１６によりフラットノズル１３の反対側に導かれ上記隙間を徐々に埋めていき、その後上記隙間を満たす。さらに一定流量で薬液９を供給し続けることにより、過剰の薬液９はフラットノズル１３の反対側の基板１１の外に流出する。これにより、被エッチング膜上には、エッチャントリッチな薬液９が供給される。
【００４１】
所望のエッチング終了後、ランプ１による紫外光照射を止める。そして、ランプハウス２の位置はそのままの状態で、切替バルブ１４を切り替えて、フラットノズル１３から上記隙間に超純水を供給して、基板１１上に残留する薬液９を洗い流す。このとき、基板１１上に残存する薬液９を洗い流すだけでなく、石英ガラス窓３のように薬液９と接液した部分の洗浄も同時に行われる。
【００４２】
以上説明したように、本実施の形態２では、フラットノズル１３による薬液９の供給と、ランプ１による紫外光の照射とを同時に行ってウェットエッチングした。従って、実施の形態１と同様の効果が得られる。
さらに、本実施の形態２では、ウェットエッチングの間、すなわちランプ１により紫外光を照射している間に、石英ガラス窓３と基板１１との間の隙間に、フラットノズル１３により薬液９を連続して供給するようにした。これにより、被エッチング膜上に常にエッチャントリッチな薬液９を供給することができる。従って、実施の形態１よりもエッチングレートを更に増大させることができる。よって、上述した極めてエッチャント供給律速のエッチング反応の場合でも、薬液供給と紫外光照射とを繰り返す必要がなく、プロセス時間が長くなりスループットが低下することを防止することができる。また、薬液９が乾燥して水洗時に不可逆な状態に変化することも防止することができる。
また、本実施の形態２では、切替バルブ１４の切替動作により、フラットノズル１３から超純水を供給するようにした。これにより、基板１１の洗浄だけでなく、フラットノズル１３や石英ガラス窓３のような接液部分の洗浄を行うことができる。よって、別途超純水用のノズルを設ける必要がなく、エッチング装置の簡略化およびコスト低減が可能となる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、被加工膜の下地膜に対するエッチング選択比が高く、高いエッチングレートを有するエッチング装置およびエッチング方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１によるエッチング装置を説明するための概略断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態２によるエッチング装置を説明するための概略断面図である。
【図３】 図２に示したエッチング装置における基板近傍を示す上面図である。
【符号の説明】
１ 光源（ランプ）
２ ランプハウス
３ 光透過窓（石英ガラス窓）
４ ピン
５ 回転ステージ
６ 回転軸
７ 薬液配管
８ ノズル
９ 薬液
１０ 駆動部
１１ 基板
１２ ステージ
１３ フラットノズル
１４ 切替バルブ
１５ 配管
１５ａ 薬液用配管
１５ｂ 超純水用配管
１６ ガイド
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置に係り、特にウェットエッチング装置、ウェットエッチング方法および半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、先端デバイス向けのゲート絶縁膜として高誘電率膜が用いられている。この高誘電率膜は、成膜後に行われる熱処理（アニール）によって膜の緻密化が促進され、エッチングされにくい物性へと変化する。
従来より、被エッチング膜のエッチング処理には、被エッチング膜と薬液とを接触させて、その薬液中に解離したエッチャントによりエッチングするウェットエッチング、又は、プラズマ中で励起されたラジカル及びイオン種を基板に引き込み、被エッチング膜を強制的にエッチングするドライエッチングが用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アニール後の高誘電率膜のような緻密な薄膜をウェットエッチングする場合、極めてエッチングレートが低いという問題があった。このため、スループットが著しく低下してしまうという問題があった。
また、ウェットエッチングに代えて緻密な薄膜をドライエッチングする場合、ウェットエッチングよりも高いエッチングレートが得られるが、除去すべきでない下地膜まで連続的にエッチングしてしまうという問題があった。すなわち、ドライエッチングでは下地膜に対するエッチング選択比が十分に得られないという問題があった。
従来、このようなエッチング困難性が、高誘電率膜を先端デバイスに適用する際に大きな障害となっていた。
【０００４】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、被加工膜の下地膜に対するエッチング選択比が高く、高いエッチングレートを有するエッチング装置およびエッチング方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係るエッチング装置は、基板上の被加工膜であるＨｆＯ ２ 膜またはＨｆＡｌＯ膜をウェットエッチングするエッチング装置であって、
前記被加工膜上に薬液を供給する薬液供給部と、
前記薬液と対向する面に界面活性剤の層が設けられた光透過窓を有し、該光透過窓を通した紫外光を前記薬液を介して前記被加工膜に照射する紫外光照射部とを備え、
前記紫外光照射部から前記被加工膜を形成する分子の結合エネルギーよりも高いエネルギーを有する前記紫外光を照射することにより前記被加工膜の分子の結合を切断し、この切断された分子を前記薬液によりエッチングすることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明に係るエッチング装置において、前記紫外光照射部は、前記被加工膜から２ｍｍ〜５ｍｍ離れた位置に配置されることが好適である。
【０００８】
本発明に係るエッチング装置において、前記紫外光照射部は、
前記紫外光を発する光源と、
該光源を収納し、前記被加工膜と対向する面に光透過窓を有する収納部とを備え、
前記薬液供給部は、前記光透過窓と前記被加工膜との隙間の側方に配置され、先端部分が該隙間に差し込まれたノズルを備え、
該ノズルは、前記光源から前記紫外光が発せられる間、連続して前記隙間に薬液を供給するものであることが好適である。
【００１０】
本発明に係るエッチング装置において、前記薬液供給部は、前記ノズルに接続された切替バルブと、
前記切替バルブに接続され、前記薬液を供給する配管と、
前記切替バルブに接続され、洗浄液を供給する配管とを更に備えることが好適である。
【００１１】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記エッチング装置を用いて被加工膜であるＨｆＯ ２ 膜またはＨｆＡｌＯ膜をウェットエッチングする工程を含み、
前記被加工膜をウェットエッチングする工程は、
前記被加工膜上に薬液を供給する第１サブステップと、
前記光透過窓を通した紫外光を前記薬液を介して前記被加工膜に照射する第２サブステップとを含み、
前記第２サブステップでは、前記被加工膜を形成する分子の結合エネルギーよりも高いエネルギーを有する紫外光を照射することにより前記被加工膜の分子の結合を切断し、この切断された分子を前記薬液によりエッチングすることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係るエッチング方法は、基板上の被加工膜であるＨｆＯ ２ 膜またはＨｆＡｌＯ膜をウェットエッチングする方法であって、
前記被加工膜上に薬液を供給する工程と、
前記薬液と対向する面に界面活性剤の層を有する光透過窓を通した紫外光を前記薬液を介して前記被加工膜に照射する工程とを含み、
前記紫外光を照射する工程では、前記被加工膜を形成する分子の結合エネルギーよりも高いエネルギーを有する紫外光を照射することにより前記被加工膜の分子の結合を切断し、この切断された分子を前記薬液によりエッチングすることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明に係るエッチング方法において、前記薬液を供給する工程と、前記紫外光を照射する工程とを同時に行うことが好適である。
【００１４】
本発明に係るエッチング方法において、前記紫外光が前記被加工膜に照射されている間は、常に前記基板の一方の端から薬液の供給を行い、前記基板の他方の端から薬液の排出を行うことで、薬液を供給し続けることが好適である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図中、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるエッチング装置を説明するための概略断面図である。詳細には、基板上に形成された被エッチング膜をウェットエッチングするエッチング装置を説明するための図である。
【００１７】
図１に示すように、緻密な薄膜である被エッチング膜（被加工膜）が形成された基板１１が、回転ステージ５上に回転自在に保持される。詳細には、回転ステージ５上にはピン４が複数設けられており、基板１１の端部（側縁部）がこれらのピン４により挟み込まれることにより固定されている。なお、基板１１を静電チャックにより保持してもよい。
【００１８】
回転ステージ５の中心には回転軸６が設けられ、この回転軸６を中心に回転ステージ５が回転することにより基板１１も所望の回転速度で回転する。回転ステージ５は、例えば、薬液塗布時に３００〜５００ｒｐｍ程度の回転速度で回転し、乾燥時に２０００〜３０００ｒｐｍ程度の回転速度で回転する。
【００１９】
また、被エッチング膜は、例えば、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法を用いて成膜した後に、アニール処理（ＰＤＡ：Post Deposition Annealing）が施されたＨｆＯ２膜やＨｆＡｌＯ膜のような高誘電率膜（Ｈｉｇｈ−ｋ膜）である。
【００２０】
薬液配管７先端に設けられたノズル８から薬液９が、基板１１上の被エッチング膜表面に供給される。薬液配管７は、バルブやポンプを介して薬液を貯留する薬液槽に、又は付帯設備の薬液供給ラインに接続されている（図示省略）。
また、薬液９は、例えば、リン酸系ベースのエッチャントを含有するものを用いることができる。なお、所望の特性を得るため、薬液９に、界面活性剤等を添加してもよい。
【００２１】
基板１１の上方には、薬液９を介して被エッチング膜に紫外光を照射する光源１であるランプを収納したランプハウス２が配置されている。ランプ１としては、例えば、ＫｒＣｌ（波長２２２ｎｍ），Ｘｅ２（１７２ｎｍ），Ｋｒ２（１４７ｎｍ），Ａｒ２（１２６ｎｍ）エキシマランプ等を用いることができる。ここで、ランプ１は、被エッチング膜を形成する分子の結合エネルギーよりも高いエネルギーで紫外光を照射する。紫外光のエネルギーは、紫外光の照射時間により制御可能であり、照射時間は例えば１０ｓｅｃ〜２００ｓｅｃである。
また、ランプ１から発せられた紫外光の波長に対して高い透過率を有するように、薬液９の材料や、被エッチング膜上の厚み等が制御される。
【００２２】
ランプハウス２の下面には、基板１１と同じか、或いはそれ以上のサイズを有する開口が形成されている。この開口は、ランプ１から発せられた紫外光が透過する材質で形成された光透過窓３で覆われている。この光透過窓３は、例えば、石英ガラスで形成された窓（以下「石英ガラス窓」という。）である。
また、石英ガラス窓３により密閉されたランプハウス２の内部は、窒素等の不活性ガスが充填されている。これにより、酸素存在下で吸収される波長を有するランプ１を使用することができる。石英ガラス窓３における紫外光の照度は、例えば、５〜２０ｍＷ／ｃｍ２程度が好適である。
【００２３】
ランプハウス２の上面には、該ランプハウス２を上下方向に駆動する駆動部１０が設けられている。この駆動部１０の駆動により、紫外光を照射する際にはランプハウス２が基板１１近傍に配置され、ランプ１からの紫外光を至近距離にある被エッチング膜に作用させることができる。詳細には、基板１１表面から２ｍｍ〜５ｍｍ程度離れた上方に石英ガラス窓３が位置するように、ランプハウス２が配置される。
【００２４】
次に、上記エッチング装置の動作、すなわち被エッチング膜のウェットエッチングについて説明する。
先ず、被エッチング膜としてＨｆＯ２膜が形成された基板１１を、ピン４により回転ステージ５上に固定する。そして、回転軸６を中心に回転ステージ５を回転させることにより基板１１を３００〜５００ｒｐｍの回転速度で回転させながら、ノズル８から基板１１上にリン酸系ベースのエッチャントを含む薬液９を供給する。その後、薬液９が基板１１上に十分に薄くかつ均一に広がった時点で、回転を止める。このとき、薬液９は基板１１から流れ去ることなく、基板１１全体に所望の厚みで塗布されている。
【００２５】
そして、石英ガラス窓３がピン４に干渉せず、基板１１表面から２ｍｍ〜５ｍｍ程度離れた位置となるように、駆動部１０によりランプハウス２を下降させ、予め点灯させておいたランプ１から薬液９を介してＨｆＯ２膜に紫外光を照射する。このとき、紫外光の光エネルギーがＨｆＯ２膜のＨｆ−Ｏ結合を切断し、予め塗布しておいた薬液９に含まれるエッチャントによりエッチング反応が進行する。
【００２６】
所望のエッチング終了後、ランプ１による紫外光照射を止め、駆動部１０によりランプハウス２を上昇させるとともに、別途水洗ノズルから超純水を基板１１上に吐出させ、基板１１上に残留する薬液９を洗い流す。
その後、回転ステージ５により基板１１を２０００〜３０００ｒｐｍ程度で回転させることにより、基板１１上の超純水を振り切り、乾燥を行う。
【００２７】
以上説明したように、本実施の形態１では、緻密な被エッチング膜上に薬液９を供給した後、該被エッチング膜を形成する分子の結合エネルギーを上回る光エネルギーを有する紫外光を薬液９を介して被エッチング膜に照射した。この紫外光の照射により、被エッチング膜を形成する分子の結合が切断され、薬液９と接触する被エッチング膜のエッチングレートが大幅に増大する。すなわち、被エッチング膜の分子結合が最も切断された状態でウェットエッチングすることにより、エッチングレートを大幅に増大させることができる。従って、エッチング処理時間を短縮することができ、スループットを向上させることができる。また、下地膜に対して高いエッチング選択比を有するため、ドライエッチングを用いる場合のように下地膜を連続してエッチングするような問題も発生しない。これにより、先端デバイスに緻密な高誘電率膜を適用することができる。
【００２８】
また、本実施の形態１で用いられる薬液９は、ランプ１が有する波長に対して高い透過率を有する。このため、ランプ１から発せられた紫外光が薬液９によりほとんど吸収されず、該紫外光は十分な光エネルギーで被エッチング膜に到達することができる。よって、薬液９による紫外光の光エネルギーのロスを極力低減することが可能である。
【００２９】
また、熱交換器やホットプレート等を用いて薬液９や基板１１の温度を上げることにより、エッチングレートを更に向上させることができる。しかし、この場合、薬液９の蒸発量が増加することとなり、ランプハウス２下部の石英ガラス窓３の表面に、結露による曇りが生じてしまう可能性がある。この曇りにより紫外光が散乱してしまい、被エッチング膜への紫外光の作用が不十分となる可能性がある。
この対策として、疎水基を有する界面活性剤等を石英ガラス窓３に塗布することが好適である。この界面活性剤の膜により、石英ガラス窓３の結露を防止することができ、紫外光の光エネルギーのロスを防止することが可能となる（後述する実施の形態２についても同様）。
【００３０】
また、薬液９を１回供給しただけでは、エッチング中に消費される薬液９中のエッチャントの量が不十分で、途中でエッチング反応が止まってしまう場合も考えられる。このようにエッチャントの供給律速になる場合には、駆動部１０によりランプハウス２を一旦基板１１近傍から離して（上昇させて）、再度ノズル８から薬液９を供給した後、ランプハウス２を基板１１近傍に下降させて紫外光照射を再度行うのがよい。
【００３１】
しかし、エッチングのメカニズム上、極めてエッチャントの供給律速になる場合には、薬液供給と紫外光照射とを何回も繰り返す必要があるため、プロセス時間が長くなり、スループットが低下してしまう。また、薬液塗布後に照射される紫外光の光エネルギーが与える熱により薬液９が乾燥してしまい、エッチング後の水洗時に不可逆な状態に変化する場合がある。かかる場合に、有効な手段を後述の実施の形態２として説明する。
【００３２】
なお、本実施の形態１では、被エッチング膜が高誘電率膜である場合について説明したが、これに限らず、ウェットエッチングレートが低い膜に対して本発明を適用することができ、特に緻密な薄膜に対して好適である（後述する実施の形態２についても同様）。
【００３３】
また、本発明者は、本実施の形態１の比較例として、ランプ１から被エッチング膜に紫外光を最初に照射した後、被エッチング膜上に薬液９の塗布を行った。しかし、この比較例では、本実施の形態１と比較してエッチングレートの増大が僅かであり、所望の効果が得られなかった。
【００３４】
実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２によるエッチング装置を説明するための概略断面図であり、図３は、図２に示したエッチング装置における基板近傍を示す上面図である。
本実施の形態２によるエッチング装置は、上述したように、極めてエッチャントの供給律速になる場合に特に好適である。
【００３５】
図２に示すように、被エッチング膜が形成された基板１１は、該基板１１よりも広い面積を有する板状のステージ１２上に保持される。ステージ１２上には例えば２〜５ｍｍの高さを有するピン４が複数設けられ、基板１１の端部がこれらのピン４により挟み込まれることにより固定されている。
【００３６】
実施の形態１と同様に、ランプ１を収納したランプハウス２は、駆動部１０により上下方向に移動する。紫外光を照射する際には、基板１１表面から２ｍｍ〜５ｍｍ程度離れた上方に石英ガラス窓３が位置するように、ランプハウス２が配置される。
【００３７】
石英ガラス窓３と基板１１との隙間には、該隙間の側方に配置されたスリット状のフラットノズル１３の先端部分が差し込まれ、フラットノズル１３から隙間に薬液９が連続的に供給される。ここで、図３に示すように、ステージ１２上には、フラットノズル１３と直交し、基板１１を挟み込むように一対のガイド１６が形成されている。これにより、フラットノズル１３から基板１１の一端に供給された薬液９は、ガイド１６によりその一端と対向する他端の方向（すなわち、フラットノズル１３の反対方向）に導かれ、徐々にその隙間を満たしていく。さらに、フラットノズル１３から供給された薬液９の過剰分は、フラットノズル１３の反対方向から流れ出る。
【００３８】
また、フラットノズル１３は配管１５の一端に接続されている。配管１５の他端は、切替バルブ１４を介して、薬液用配管１５ａと超純水用配管１５ｂとに接続されている。すなわち、切替バルブ１４の切り替え動作により、フラットノズル１３及び配管１５が、薬液用配管１５ａ又は超純水用配管１５ｂと接続される。
【００３９】
次に、上記エッチング装置の動作、すなわち被エッチング膜のウェットエッチングについて説明する。
先ず、被エッチング膜としてＨｆＯ２膜が形成された基板１１を、ステージ１２上に固定する。
そして、石英ガラス窓３がピン４に干渉せず、基板１１表面から２ｍｍ〜５ｍｍ程度離れた位置となるように、駆動部１０によりランプハウス２を下降させる。
【００４０】
次に、石英ガラス窓３と基板１１との隙間に側方からフラットノズル１３の先端部分を差し込み、フラットノズル１３から連続的に該隙間に薬液９を供給する。この薬液９の供給と同時に、ランプ１から薬液９を介してＨｆＯ２膜に紫外光を照射する。
このとき、紫外光の光エネルギーがＨｆＯ２膜のＨｆ−Ｏ結合を切断し、フラットノズル１３から供給された薬液９に含まれるエッチャントによりエッチング反応が進行する。また、フラットノズル１３から供給された薬液９はガイド１６によりフラットノズル１３の反対側に導かれ上記隙間を徐々に埋めていき、その後上記隙間を満たす。さらに一定流量で薬液９を供給し続けることにより、過剰の薬液９はフラットノズル１３の反対側の基板１１の外に流出する。これにより、被エッチング膜上には、エッチャントリッチな薬液９が供給される。
【００４１】
所望のエッチング終了後、ランプ１による紫外光照射を止める。そして、ランプハウス２の位置はそのままの状態で、切替バルブ１４を切り替えて、フラットノズル１３から上記隙間に超純水を供給して、基板１１上に残留する薬液９を洗い流す。このとき、基板１１上に残存する薬液９を洗い流すだけでなく、石英ガラス窓３のように薬液９と接液した部分の洗浄も同時に行われる。
【００４２】
以上説明したように、本実施の形態２では、フラットノズル１３による薬液９の供給と、ランプ１による紫外光の照射とを同時に行ってウェットエッチングした。従って、実施の形態１と同様の効果が得られる。
さらに、本実施の形態２では、ウェットエッチングの間、すなわちランプ１により紫外光を照射している間に、石英ガラス窓３と基板１１との間の隙間に、フラットノズル１３により薬液９を連続して供給するようにした。これにより、被エッチング膜上に常にエッチャントリッチな薬液９を供給することができる。従って、実施の形態１よりもエッチングレートを更に増大させることができる。よって、上述した極めてエッチャント供給律速のエッチング反応の場合でも、薬液供給と紫外光照射とを繰り返す必要がなく、プロセス時間が長くなりスループットが低下することを防止することができる。また、薬液９が乾燥して水洗時に不可逆な状態に変化することも防止することができる。
また、本実施の形態２では、切替バルブ１４の切替動作により、フラットノズル１３から超純水を供給するようにした。これにより、基板１１の洗浄だけでなく、フラットノズル１３や石英ガラス窓３のような接液部分の洗浄を行うことができる。よって、別途超純水用のノズルを設ける必要がなく、エッチング装置の簡略化およびコスト低減が可能となる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、被加工膜の下地膜に対するエッチング選択比が高く、高いエッチングレートを有するエッチング装置およびエッチング方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１によるエッチング装置を説明するための概略断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態２によるエッチング装置を説明するための概略断面図である。
【図３】 図２に示したエッチング装置における基板近傍を示す上面図である。
【符号の説明】
１ 光源（ランプ）
２ ランプハウス
３ 光透過窓（石英ガラス窓）
４ ピン
５ 回転ステージ
６ 回転軸
７ 薬液配管
８ ノズル
９ 薬液
１０ 駆動部
１１ 基板
１２ ステージ
１３ フラットノズル
１４ 切替バルブ
１５ 配管
１５ａ 薬液用配管
１５ｂ 超純水用配管
１６ ガイド
Claims (8)
- 基板上の被加工膜であるＨｆＯ ２ 膜またはＨｆＡｌＯ膜をウェットエッチングするエッチング装置であって、
前記被加工膜上に薬液を供給する薬液供給部と、
前記薬液と対向する面に界面活性剤の層が設けられた光透過窓を有し、該光透過窓を通した紫外光を前記薬液を介して前記被加工膜に照射する紫外光照射部とを備え、
前記紫外光照射部から前記被加工膜を形成する分子の結合エネルギーよりも高いエネルギーを有する前記紫外光を照射することにより前記被加工膜の分子の結合を切断し、この切断された分子を前記薬液によりエッチングすることを特徴とするエッチング装置。 - 請求項１に記載のエッチング装置において、
前記紫外光照射部は、前記被加工膜から２ｍｍ〜５ｍｍ離れた位置に配置されたことを特徴とするエッチング装置。 - 請求項１又は２に記載のエッチング装置において、
前記紫外光照射部は、
前記紫外光を発する光源と、
該光源を収納し、前記被加工膜と対向する面に光透過窓を有する収納部とを備え、
前記薬液供給部は、前記光透過窓と前記被加工膜との隙間の側方に配置され、先端部分が該隙間に差し込まれたノズルを備え、
該ノズルは、前記光源から前記紫外光が発せられる間、連続して前記隙間に薬液を供給するものであることを特徴とするエッチング装置。 - 請求項３に記載のエッチング装置において、
前記薬液供給部は、前記ノズルに接続された切替バルブと、
前記切替バルブに接続され、前記薬液を供給する配管と、
前記切替バルブに接続され、洗浄液を供給する配管とを更に備えたことを特徴とするエッチング装置。 - 請求項１から４の何れかに記載のエッチング装置を用いて被加工膜であるＨｆＯ ２ 膜またはＨｆＡｌＯ膜をウェットエッチングする工程を含む半導体装置の製造方法であって、
前記被加工膜をウェットエッチングする工程は、
前記被加工膜上に薬液を供給する第１サブステップと、
前記光透過窓を通した紫外光を前記薬液を介して前記被加工膜に照射する第２サブステップとを含み、
前記第２サブステップでは、前記被加工膜を形成する分子の結合エネルギーよりも高いエネルギーを有する紫外光を照射することにより前記被加工膜の分子の結合を切断し、この切断された分子を前記薬液によりエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 基板上の被加工膜であるＨｆＯ ２ 膜またはＨｆＡｌＯ膜をウェットエッチングする方法であって、
前記被加工膜上に薬液を供給する工程と、
前記薬液と対向する面に界面活性剤の層が設けられた光透過窓を通した紫外光を前記薬液を介して前記被加工膜に照射する工程とを含み、
前記紫外光を照射する工程では、前記被加工膜を形成する分子の結合エネルギーよりも高いエネルギーを有する紫外光を照射することにより前記被加工膜の分子の結合を切断し、この切断された分子を前記薬液によりエッチングすることを特徴とするエッチング方法。 - 請求項６に記載のエッチング方法において、
前記薬液を供給する工程と、前記紫外光を照射する工程とを同時に行うことを特徴とするエッチング方法。 - 請求項６に記載のエッチング方法において、
前記紫外光が前記被加工膜に照射されている間は、常に前記基板の一方の端から薬液の供給を行い、前記基板の他方の端から薬液の排出を行うことで、薬液を供給し続けることを特徴とするエッチング方法。
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