JP6151384B2 - 半導体基板製品の製造方法及びこれに利用されるエッチング方法 - Google Patents
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-
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Description
特に近年半導体デバイスの構造に関する一層の効率化の要請を受け、エッチングについても高速化が欠かせない課題となっている。アルカリ性を高め、KOHなどのアルカリ金属水酸化物の溶液を用いることが考えられる。これにより高速エッチングは達成されるが、アルカリ金属は半導体素子の性能を劣化させる懸念があり、できればその製造材料としての使用を避けたい。上記のように未明の点の多い多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンのエッチングに関し、アルカリ金属を必須の成分として含むことなく、シンプルな構成で達成することができる、高速かつ的確な(ディフェクトを抑えた)エッチング方法及びこれを利用する半導体基板製品の製造方法の提供を目的とする。
〔1〕
下記工程(Ia)の後、下記工程(IIa)を繰り返すことを含む半導体基板製品の製造方法。
工程(Ia):
多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜からなるシリコン膜を有する半導体基板上の温度を85℃以上とし、この半導体基板に、4級アルキルアンモニウム水酸化物を9質量%以上15質量%以下含む水溶液を90℃以上に加熱して適用し、前記シリコン膜の少なくとも一部をエッチングする工程;
工程(IIa):
前工程でエッチングに用いた水溶液を回収して再使用液として用い、多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜からなるシリコン膜を有する半導体基板上の温度を85℃以上とし、この半導体基板に前記再使用液を90℃以上に加熱して適用し、前記シリコン膜の少なくとも一部をエッチングする工程。
〔2〕
前記水溶液を1週間以内で交換する、〔1〕に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔3〕
前記水溶液および再使用液を密閉された系内に流通させてエッチングに用いるか、または、窒素フロー下で流通させてエッチングに用いる、〔1〕または〔2〕に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔4〕
前記水溶液または再使用液を循環して再使用する、〔1〕〜〔3〕のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔5〕
前記エッチングを枚葉式洗浄装置により行う、〔1〕〜〔4〕のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔6〕
4級アルキルアンモニウム水酸化物を9質量%以上15質量%以下含む水溶液(a4)を準備する工程と、
多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜からなるシリコン膜を有する半導体基板を準備する工程と、
前記半導体基板上の温度を85℃以上とし、前記半導体基板に前記水溶液(a4)を90℃以上に加熱して適用し、前記シリコン膜の少なくとも一部をエッチングする工程とを有する半導体基板製品の製造方法を実施するに当たり、
前記水溶液(a4)として、下記工程(Ia)においてエッチングに用いた4級アルキルアンモニウム水酸化物を含む水溶液(a3)を回収した再使用液を使用する、半導体基板製品の製造方法。
工程(Ia):
多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜からなるシリコン膜を有する半導体基板上の温度を85℃以上とし、この半導体基板に、4級アルキルアンモニウム水酸化物を9質量%以上15質量%以下含む水溶液(a3)を90℃以上に加熱して適用し、前記シリコン膜の少なくとも一部をエッチングする工程。
〔7〕
前記水溶液(a3)および(a4)を密閉された系内に流通させてエッチングに用いるか、または、窒素フロー下で流通させてエッチングに用いる、〔6〕に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔8〕
前記工程(Ia)における前記水溶液(a3)を循環して前記水溶液(a4)として再使用する、〔6〕または〔7〕に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔9〕
前記エッチングを枚葉式洗浄装置により行う、〔6〕〜〔8〕のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔10〕
前記半導体基板を準備する工程において、前記シリコン膜を含む多層膜構造を形成し、かつ前記半導体基板に凹凸を形成しておき、その後、
前記凹凸表面の少なくとも上面と凹部壁面とに導電膜を形成する工程と、
前記導電膜上に埋設膜を付与して前記凹部を該埋設膜で充填する工程と、
前記上面に付与された導電膜部分および前記埋設膜の一部を除去して、前記半導体基板のシリコン膜を露出させる工程とを有し、次いで、
前記シリコン膜のエッチング工程において、前記半導体基板に前記水溶液を付与して、前記凹部壁面の導電膜は残しつつ、前記露出したシリコン膜と前記埋設膜とを除去する〔6〕〜〔9〕のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔11〕
前記半導体基板がTi化合物を含み、該Ti化合物に対して、前記シリコン膜部分を選択的にエッチングする〔1〕〜〔10〕のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔12〕
前記シリコン膜のエッチングレート(ERs)とTi化合物のエッチングレート(ERe)との比率(ERs/ERe)を100以上とする〔11〕に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔13〕
前記水溶液が4級アルキルアンモニウム水酸化物を1種のみ含む〔1〕〜〔12〕のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔14〕
前記シリコン膜の一部または全てを除去することにより、キャパシタとなる凹凸形状を形成する〔1〕〜〔13〕のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔15〕
前記凹凸形状として、アスペクト比(深さ/開口幅)15〜100のシリンダ構造を形成する〔14〕に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔16〕
前記シリコン膜に対する水溶液の適用を不活性雰囲気下で行う〔1〕〜〔15〕のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔17〕
前記4級アルキルアンモニウム水酸化物がメチル基またはエチル基を3個以上含む化合物である〔1〕〜〔16〕のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔18〕
前記水溶液が金属隠蔽剤を0.0001〜0.1質量%含有する〔1〕〜〔17〕のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔19〕
酸化膜の除去処理が施されていない前記多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜からなるシリコン膜に前記水溶液を適用する〔1〕〜〔18〕のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔20〕
超純水による半導体基板の洗浄工程、シリコン酸化膜の除去工程、再度の超純水による半導体基板の水洗浄工程の後、上記エッチングを実施する〔1〕〜〔18〕のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔21〕
シリコン酸化膜除去工程の後、加温した超純水で水洗浄する〔20〕に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔22〕
前記洗浄工程に窒素置換した超純水を使用する〔20〕または〔21〕に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔23〕
前記水溶液の前記シリコン膜への適用を下記A及びBのいずれかのプロセスで行う〔1〕〜〔22〕のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔A:加熱タンク内および/またはインラインで前記特定温度の水溶液を吐出して該溶液を前記シリコン膜に接触させる。〕
〔B:浴槽内の前記水溶液を前記特定温度とし、前記シリコン膜を該水溶液に浸漬させて接触させる。〕
〔24〕
前記Aプロセスにおいて、半導体基板の回転数1000rpm以上でエッチングする〔23〕に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔25〕
前記Aプロセスにおいて、薬液ノズルを20往復/分以上、半導体基板の中心から2cm以上平行移動させながらエッチングする〔24〕に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔26〕
前記水溶液の温度をタンク温度またはウェハ表面温度で管理する〔1〕〜〔25〕のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔27〕
4級アルキルアンモニウム水酸化物を9質量%以上15質量%以下含む水溶液(a4)を準備する工程と、該水溶液を温度90℃以上に加熱し、85℃以上とした多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜に適用して、該膜の少なくとも一部を除去する工程とを含むエッチング方法を実施するに当たり、
前記水溶液(a4)として、下記工程(Ic)においてエッチングに用いた4級アルキルアンモニウム水酸化物を含む水溶液(a3)を回収した再使用液を使用する、エッチング方法。
工程(Ic):
85℃以上とした多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜に、4級アルキルアンモニウム水酸化物を9質量%以上15質量%以下含む水溶液(a3)を90℃以上に加熱して適用し、該膜の少なくとも一部をエッチングする工程。
まず、本発明に係るエッチング液について説明する前に、本発明において好適に採用することができるキャパシタ構造の製造例について添付の図面に基づき説明する。なお、下記詳細な説明では本発明のエッチング方法の好ましい適用対象であるキャパシタ構造の形成について主に説明するが、本発明がこれに限定して解釈されるものではない。
本実施形態の製造例においては、シリコンウェハ3の上に第1の成形膜1と第2の成形膜2が形成されている。第1の成形膜1はシリンダ孔の開孔時のエッチングストッパー膜であり、第2の成形膜2と異方性ドライエッチングプロセスでエッチングレート比を有する膜である。第1の成形膜1としては、例えばLP−CVD(Low−Pressure Chemical Vapor Deposition)プロセスで形成した窒化膜等が挙げられる。一方、本実施形態において、第2の成形膜2には多結晶シリコンもしくはアモルファスシリコンの膜が採用されている。さらに図示していないが保護膜を設けてもよい。
なお、シリコンウェハ3は大幅に簡略化して単層のものとして示しているが、通常はここに所定の回路構造が形成されている。たとえば、分離絶縁膜、ゲート酸化膜、ゲート電極、拡散層領域、ポリシリコンプラグ、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、ビット線、金属プラグ、窒化膜、プラズマ酸化膜、BPSG膜などを用いたものが挙げられる(例えば前記特許文献1参照)。また、図2〜6においては、特にハッチングを付して示していないが、各部材の断面を示している。
次に、フォトリソグラフィー工程を用いてフォトレジスト4をパターンニングした後、異方性ドライエッチングにて開孔する(凹部Ka)。このときのフォトレジスト4及びドライエッチングの手法については、この種の製品に適用される通常の物あるいは方法を適用すればよい。
さらに、開孔後に凹部Kaの壁面Waと成形膜(シリコン膜)2の上面Wbに沿って、TiNからなる導電膜5及び導電膜5を保護するための埋設膜6(例えば多結晶シリコンもしくはアモルファスシリコンの膜)を順次成膜する。このとき中間的に(導電膜5形成後に)形成される凹部をKbとして示している。
埋設膜6の成膜後はCMP(Chemical Mechanical Polishing)にてウェハ表面の埋設膜6及び導電膜5(図3,3)の一部を除去し、エッチバックラインEまで露出させる。ここで、第2の成形膜2及び埋設膜6をウエットエッチングにより除去する。本発明においてはこの工程が重要であり、後述する本発明に係るエッチング液が高い効果を発揮する。この工程を経て、シリンダ孔Kcを有するキャパシタの下部電極(シリンダ壁)50(図4)が形成される。シリンダ孔壁の深さh2は特に限定されないが、この種のデバイスの通常の構造を考慮すると、500〜2000nmであることが実際的である。なお、本発明のエッチング液は上記のようにエッチバック等により平滑にされた面に適用することが好ましく、そこから埋設膜を除去して、トレンチ構造を形成することが好ましい。
上記のようにして形成したキャパシタの下部電極50形成後に、容量絶縁膜9を形成し、次いでプレート電極(上部電極)(図示せず)の形成を順次行うことでキャパシタ構造10が形成できる。なお、本明細書においてキャパシタ構造とは、キャパシタそのものであっても、キャパシタの一部を構成する構造部であってもよく、図5に示した例では、下部電極50と容量絶縁膜9とから構成されるものとしてキャパシタ構造10を示している。なお、図示したものでは下部電極50とウェハ3とを成形膜1で隔てた構成として示しているが、必要により同図の断面もしくは別の位置で両者が電気的に接続された構成であるものとして解してよい。例えば、成形膜1の部分にプラグ構造やダマシン構造を形成して導通を確保する構造であったり、下部電極50を成形膜1を貫通する形で形成したものであったりしてもよい。また、容量絶縁膜9は下部電極50のみではなく、その他の基板表面に形成されていてもよい。
図7は上記実施形態の製造例の変形例を示している。シリコンウェハ3の上に第1の成形膜1と第2の成形膜2と第3の成形膜21と第4の成形膜31とが順に形成されている。第1の成形膜1はシリンダ孔の開孔時のエッチングストッパー膜であり、第2の成形膜2は異方性ドライエッチングプロセスでエッチングレート比を有する膜である。第1の成形膜1としては、たとえばLP−CVDプロセスで形成した窒化膜等が挙げられる。第2の成形膜2と第3の成形膜21と第4の成形膜31は、異方性ドライエッチングでのエッチングレート比がなく、等方性エッチングにてエッチングレート比の得られる膜の組み合わせが好ましく、さらにキャパシタ形成時に第2の成形膜2と第3の成形膜21と第4の成形膜31を同じウエットエッチング液で一度に除去できる膜で形成することが好ましい。
等方性エッチングでのエッチングレート比は、第2の成形膜2と第4の成形膜31とが同等のエッチングレートを有し、第3の成形膜21は第2の成形膜2及び第4の成形膜31に比べて大きいエッチングレートを有する膜であることが好ましい。さらに第2の成形膜2と第4の成形膜31とは同じ膜を適用しても異なる膜を適用してもよい。さらに図示していないが、保護膜を設けてもよい。なお、シリコンウェハ3は大幅に簡略化して単層のものとして示しているが、上述のとおり通常はここに所定の回路構造が形成されている。また、図7においては、特にハッチングを付して示していないが、各部材の断面を示しており、図8においてはハッチングを付して平断面図を示している。
次に、フォトリソグラフィー工程を用いてフォトレジスト4をパターンニングした後、異方性ドライエッチングにて開孔する(凹部Ka)。このときのフォトレジスト4及びドライエッチングの手法については、この種の製品に適用される通常の物あるいは方法を適用すればよい。
開孔後に等方性エッチングを行い、第3の成形膜21の部分に凹部Vaを形成した後、電極保護膜7を成長させる。電極保護膜7はキャパシタ形成時の第2の成形膜2と第3の成形膜21と第4の成形膜31の除去に用いるエッチング液に対して十分なエッチングレート比を有する成形膜であることが好ましく、さらに凹部Kaの全体に均一に成膜でき、かつ凹部Kaの中腹部に形成した凹部7を完全に埋設できる膜であることが好ましい。たとえば、ALD(Atomic Layer Deposition)法を用いた窒化膜や五酸化タンタル(Ta2O5)膜等が挙げられる。
電極保護膜7の成長後、エッチングにより電極保護膜7を除去する。このとき、凹部Va内の電極保護膜7は除去されずに残る。
上記工程(c)〜(g)と同様にして、シリンダ孔Kcを有するキャパシタの下部電極(シリンダ壁)50が形成される。上記の製造例と同様にして、キャパシタの下部電極50形成後に、容量絶縁膜9を形成し、次いでプレート電極(上部電極)(図示せず)の形成を順次行うことでキャパシタ構造が形成できる。なお、本明細書においてキャパシタ構造とは、キャパシタそのものであっても、キャパシタの一部を構成する構造部であってもよい。
次に、上記工程eにおいて説明したウエットエッチングに極めて効果的に用いることができる本発明におけるシリコンエッチング液の好ましい実施形態について説明する。
上限は特に限定されないが、この量が多すぎるとエッチング効果の上昇が頭打ちになるか、あるいはかえってこれが低下するため適量に制限することが好ましい。具体的には4級アンモニウム水酸化物を18質量%以下とすることが好ましく、15質量%以下とすることがより好ましい。
ただし、本発明のエッチング液では、4級アンモニウム水酸化物を9質量%以上15質量%以下含む。
4級アンモニウム水酸化物としては、テトラアルキルアンモニウム水酸化物が好ましい。具体的には、テトラメチルアンモニウム水酸化物(TMAH)、テトラエチルアンモニウム水酸化物(TEAH)、ベンジルトリメチルアンモニウム水酸化物、エチルトリメチルアンモニウム水酸化物、2−ヒドロキシエチルトリメチルアンモニウム水酸化物、ベンジルトリエチルアンモニウム水酸化物、ヘキサデシルトリメチルアンモニウム水酸化物、テトラブチルアンモニウム水酸化物、テトラヘキシルアンモニウム水酸化物、テトラプロピルアンモニウム水酸化物、などが挙げられる。
4級アンモニウム水酸化物の溶液(薬液)を80℃以上に加熱して多結晶シリコン膜もしくはアモルファスシリコン膜(以下、単に「シリコン膜」ということがある。)に適用する。前記の適用温度は、82℃以上であることが好ましく、85℃以上であることがより好ましく、90℃以上であることが特に好ましい。この温度を高めることで、エッチング速度を向上させることができる。上限は特にないが、水を含む薬液であることを考慮し、その沸点以下であることが好ましく、99℃以下であることがより好ましく、95℃以下であることが特に好ましい。なお、この温度は、特に断らない限り、エッチング液を適用する際の供給タンクの温度を指す。なお、タンク内のエッチング液の温度は特に断らない限り、後記実施例で測定した条件によるものとする。
本発明においては、枚葉式装置を使用する場合、薬液の加熱タンク内及び/またはインラインでの加熱温度前記特定温度とし、これを吐出してシリコン膜に接触させることが好ましい。また、バッチ式の浴槽を使用する場合、エッチングの浴槽温度を前記特定温度とし、そこにシリコン膜を浸漬させてエッチング処理することが好ましい。
いずれも場合も、アモルファスシリコン膜のエッチングにおいては、フッ酸水溶液等による酸化膜を除去する前処理を省略することが好ましく、タンク内及び/またはインラインでの薬液の温度、またはエッチングの浴槽温度を82℃以上にすることが好ましい。
ただし、本発明では、多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜からなるシリコン膜を有する半導体基板上の温度を85℃以上とし、この半導体基板に、エッチング液を90℃以上に加熱して適用する。
図9は、本発明に好適に用いられることができる枚葉式装置の例を示した装置構成図である。本実施形態の除去処理について、同図を用いて説明すると、調製されたエッチング液(液組成物)が供給部Aから供給され、その後流路fcを介して吐出口13に移行するようにされている。その後、除去剤は吐出口13から噴射され、反応容器11内の半導体基板Sの上面に適用される。流路fdは薬液を再利用するための返戻経路を示している。本実施形態において半導体基板Sは回転テーブル12上にあり、回転駆動部Mによって回転テーブルとともに回転されている。
本発明において、加熱した薬液供給ライン形式は、特に限定されないが、好ましい例を以下に記す。
薬液の供給ライン例
1)a)薬液保管タンク→b)加熱タンク→c)インライン加熱→d)ウェハに吐出→a) or b)へ
2)a)薬液タンク→b)加熱タンク→d)ウェハに吐出→a) or b)へ
3)a)薬液タンク→c)インライン加熱→d)ウェハに吐出→a)へ
4)a)薬液タンク→b)加熱タンク→e)エッチング浴槽(循環加熱)
5)a)薬液タンク→e)エッチング浴槽(循環加熱)
6)b)加熱タンク→d)ウェハに吐出→b)へ
7)b)加熱タンク→c)インライン加熱→d)ウェハに吐出→b)へ
8)b)加熱タンク→e)エッチング浴槽(循環加熱)などの使用方法がある。
本発明の製造方法においては、超純水による半導体基板の洗浄工程、シリコン酸化膜の除去工程、再度の超純水による半導体基板の水洗浄工程の後、上記エッチングを実施することが好ましい。これにより、ディフェクト(残渣残り、欠陥、パーティクル、等)の低減という効果が期待できる。さらに、シリコン酸化膜除去工程の後、加温した(例えば、50〜80℃)超純水で水洗浄することも同様の観点から好ましい。さらに同様の観点から、前記再度の超純水による洗浄工程の後、ウェハをプレヒート(例えば、ウェハ表面温度で50〜80℃)し、次いで前記エッチングを施すことも好ましい。上記の超純水は、窒素置換した超純水が好ましい。
〔A:加熱タンク内および/またはインラインで前記特定温度の水溶液を吐出して該溶液を前記シリコン膜に接触させる。〕
〔B:浴槽内の前記水溶液を前記特定温度とし、前記シリコン膜を該水溶液に浸漬させて接触させる。〕
前記Aプロセスにおいては、半導体基板の回転数1000rpm以上でエッチングすることが好ましい。またAプロセスにおいて、薬液ノズルを20往復/分以上、半導体基板の中心から2cm以上平行移動させながらエッチングすることも好ましい。このようにすることで、面内均一性の向上という効果が期待できる。
本発明で使用する薬液は、4級アンモニウム水酸化物以外の添加剤を入れても構わない。例えば、金属隠蔽剤、エッチング促進剤、シリコン以外の部材のエッチング抑制剤等が挙げられる。中でも金属隠蔽剤を添加することが好ましい。
添加する金属隠蔽剤としては、特に制限はないが、コンプレキサン類が好ましい。アミノポリカルボン酸類がより好ましく、EDTA(エチレンジアミン四酢酸)、DTPA(ジエチレントリアミン五酢酸)、CyDTA(シクロヘキサンジアミン四酢酸)が更に好ましい。
本発明のシリコンエッチング液はアルカリ性であり、pH11以上に調整されていることが好ましい。この調整は上記アルカリ化合物とその他の添加物の量を調整することで行うことができる。ただし、本発明の効果を損なわない限りにおいて、他のpH調整剤を用いて上記範囲のpHとしてもよい。シリコンエッチング液のpHは12以上であることが好ましく、13以上であることがより好ましい。このpHが上記下限値以上であることで、十分なエッチング速度を得るとすることができる。上記pHに特に上限はないが、14以下であることが実際的である。なお、本発明においてpHは特に断らない限り室温(25℃)においてHORIBA社製、F−51(商品名)で測定した値である。
本実施形態のエッチング液は、水性媒体を媒体とする水系の液組成物(水溶液)であることが好ましい。水性媒体とは、水及び水に可溶な溶質を溶解した水溶液を言う。溶質としては、例えば、アルコールや無機化合物の塩が挙げられる。ただし、溶質を適用する場合でもその量は所望の効果が奏する範囲に抑えられていることが好ましい。また、上記水系の組成物ないし水溶液とは、水が主たる媒体となっていることをいい、固形分以外の媒体の過半が水であることが好ましく、80質量%以上がより好ましく、85質量%以上であることが特に好ましい。
なお、本実施形態のエッチング液は、半導体用途であることを踏まえ、種々の不純物ができるだけ低減されていることが好ましい。低減されていることが好ましい不純物としては、メタル分、種々のパーティクルなどである。
本発明のエッチング液は、対腐食性等が問題とならない限り、任意の容器に充填して保管、運搬、そして使用することができる。また、半導体用途向けに、容器のクリーン度が高く、不純物の溶出が少ないものが好ましい。使用可能な容器としては、アイセロ化学(株)製の「クリーンボトル」シリーズ、コダマ樹脂工業(株)製の「ピュアボトル」などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
本実施形態においては、特にアモルファスシリコン膜について、シリコン基板表面に自然に形成される酸化膜除去処理を組み合わせずに適用することが好ましい。これにより、前記エッチング液を適用する前に適用しておく必要がなく、その分時間短縮につながる。表面処理の方法は、形成される酸化膜が除去できる限り限定されないが、例えばフッ素原子を含有する酸性水溶液で処理することが挙げられる。フッ素原子を含有する酸性水溶液として、好ましくはフッ化水素酸であり、フッ化水素酸の含有量は、本実施形態の液の全質量に対して、約0.1〜約5質量%であることが好ましく、0.5〜1.5質量%であることがより好ましい。
本実施形態のエッチング液を適用することによりエッチングされる材料はどのようなものでもよいが、一般的なキャパシタの製造に用いられる基板材料として多結晶シリコン又はアモルファスシリコンが挙げられる。一方、キャパシタ構造の中核をなす電極材料としては窒化チタン(TiN)などのTi化合物が挙げられる(ただし、本発明は電極材料に限らずTiNを含む基板構成部材の一部を残すエッチング形態としてもよい。)。すなわち、本実施形態のエッチング液は、上記基板材料のエッチングレート(ERs)と電極材料等の構成部材のエッチングレート(ERe)との比率(ERs/ERe)が大きいことが好ましい。具体的な比率の値は材料の種類や構造にもよるので特に限定されないが、ERs/EReが100以上であることが好ましく、200以上であることが好ましい。この上限は特にないが、10,000以下であることが実際的である。
本明細書においては、シリコン基板をエッチングするようエッチング液を用いることを「適用」と称するが、その実施態様は特に限定されない。例えば、バッチ式のもので浸漬してエッチングしても、枚葉式のもので吐出によりエッチングしてもよい。なお、Ti化合物とはTiそのもの及びこれを含む化合物を含む意味である。TiNのほか、Ti、さらには、Ti,N,Cの複合化合物などが挙げられる。なかでもTiNが好ましい。
さらに、上記の観点から、本発明においては、TiNを含んでなるキャパシタ構成部材を少なくとも前記凹凸構造の壁面に残しつつ、前記多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜についてエッチングを行うことが好ましい。この構成部材は、TiN以外に、HfOx、SiN、SiO2等を含んでいてもよい。なお、TiNは典型的には電極膜をなしている。また、前記多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜を有する実質的に平らな面をもつ半導体基板を準備し、該半導体基板の表面に前記エッチング液を適用し、前記多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜を除去して、その除去された部分を凹部とし、基板内に残された凸部をキャパシタとすることが好ましい。このとき、前記凹部の壁面には、TiN膜が残存していることが好ましい。すなわち、本発明の好ましい実施形態のエッチング液によれば、必要により、シリンダ構造をもつ電極で構成されたキャパシタ構造にも対応することができ、シリンダ孔内部等(シリンダ構造が密集した部分の孔外も含む)の多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜を選択的に除去することができる。
(1)多結晶シリコン膜又はアモルファスシリコン膜からなるシリコン膜を有する半導体基板を準備する工程、及び前記半導体基板に特定のエッチング液を適用し、前記シリコン膜の少なくとも一部をエッチングする工程を有する。
(2)前記半導体基板を準備する工程において、前記シリコン膜を含む多層膜構造を形成し、かつ前記半導体基板に凹凸を形成しておき、その後、
前記凹凸表面の少なくとも上面と凹部壁面とに導電膜を形成する工程と、
前記導電膜上に埋設膜を付与して前記凹部を該埋設膜で充填する工程と、
前記上面に付与された導電膜部分および前記埋設膜の一部を除去して、前記半導体基板のシリコン膜を露出させる工程とを有し、次いで、
前記シリコン膜のエッチング工程において、前記半導体基板に前記エッチング液を付与して、前記凹部壁面の導電膜は残しつつ、前記露出したシリコン膜と前記埋設膜とを除去する。
(3)半導体基板として実質的に平らな面をもつものを準備し、該半導体基板の表面に前記エッチング液を適用し、前記シリコン膜と前記埋設膜とを除去して、その除去された部分を凹部とし、基板内に残された前記導電膜を含む凸部をキャパシタの電極とする。
以下の表1に示す成分及び下記処方に示した組成(質量%)で含有させてエッチング液を調液した。なお、試験No.101〜111のエッチング液はいずれもpH13以上であった。添付の図1は薬液濃度とエッチング速度との関係を示したものであるが、4級アンモニウム水酸化物(テトラメチルアンモニウム水酸化物)の濃度が7%以上でエッチング速度がほぼ飽和することが分かる。また、7%より少ない添加量では、僅かな濃度のずれが、大きなエッチング速度の変化となるため、望ましくない。一方、TMAHの濃度が高すぎるとエッチング速度が低下することが確認された。この原因は、水溶液中のイオン強度が高いことにより、ウェハ表面上からのシリコン水酸化物の溶解速度が低下したことによるものと推察できる。
試験ウェハ:単結晶<100>シリコン上に製膜された1000nmの膜厚の多結晶シリコンのウェハを準備した。これに対して、枚葉式装置(SPS−Europe B.V.社製、POLOS(商品名)))にて、0.5%のフッ化水素酸液(23℃、2L/分、500rpm、1分間)で前処理を行い、純水(23℃、2L/分、500rpm、30秒間)で十分洗浄した。2000rpmで30秒間回転し、水を完全に除去した後、下記の条件でエッチングを行い、評価試験を実施した。なお、ウェハには直径300mmのものを用い、その平均エッチング速度(Ave)を、エリプソメトリー(分光エリプソメーターを使用した膜厚測定方法)により評価した。測定は、ウェハの中央から端部まで均等に5点を設定し、この5点の結果から評価した。
次に、同じ薬液で5枚ウェハをエッチング処理した後、回収した液をタンクに入れなおし、再度エッチング試験を行った。光学顕微鏡で、そのウェハ表面のディフェクト数をカウントした。1cm×1cm四方の面積に存在したディフェクト数(残渣物の残った部分の数)を表に記載した。
枚様式エッチング装置の構成は、図9に記載した形態とした。
・タンク内のエッチング液の温度
タンク内の液温を計測する方法としては、熱電対センサーの表面をテフロン(登録商標)コーティングしたデジタル温度計を用いることができる。本実験では、東邦電子株式会社製TE-PT-PFA-1.0×1.6を使用した。テフロン(登録商標)コーティングされた温度計は、応答性が悪いため、正確な計測には、温度が一定になった後、5分以上経ってから読み取ることが好ましい。
・ウェハ上の温度
株式会社堀場製作所製の放射温度計IT−550F(商品名)を前記枚葉式装置内のウェハ上30cmの高さに固定した。ウェハ中心から2cm外側のウェハ表面上に温度計を向け、薬液を流しながら温度を計測した。温度は、放射温度計からデジタル出力し、パソコンで連続的に記録した。このうち温度が安定した10秒間の温度を平均した値をウェハ上の温度とした。
・吐出量:2L/min.
・ウェハ回転数1000rpm
ただし、試験No.101〜103、105、108および109は参考例である。
試験No.c** 比較例
TMAH:テトラメチルアンモニウム水酸化物
ETMAH:エチルトリメチルアンモニウム水酸化物
TEAH:テトラエチルアンモニウム水酸化物
Rsi:シリコンエッチング速度
T(tank):タンク内のエッチング液温度
T(wafer):ウェハの表面温度
一方、比較例のものでは、エッチング速度が低かった。近年、厚膜の短時間(1分〜2分)処理が望まれてきているが、その処理に適していなかった。
実施例1の多結晶シリコンをアモルファスシリコンに変更する以外は全く同じにして評価した。
上表に示したとおり、本発明のシリコンエッチング方法によれば、エッチング速度の遅いアモルファスシリコンに対しても、十分なエッチング速度を実現した。
実施例2のフッ化水素酸の前処理をなくしたこと以外は全く同じにして評価した。
上表に示したとおり、本発明のシリコンエッチング方法によれば、酸化膜を取り除く前処理を省略してもアモルファスシリコンに対しても、速いエッチング速度を実現した。この速度があれば、前処理を施してエッチング処理した合計時間よりも、短い合計時間で処理することが可能である。
実施例2の各液をテフロン(登録商標)製浴槽に入れ、Tiイオン0.001質量%(TiCl3を添加)、Feイオン0.001質量%(FeCl3を添加)になるよう添加した。浴槽にテフロン(登録商標)性の蓋を載せた後、液を循環しながら90℃で1週間加熱し続けた。蒸発した水分は、随時補充し液量を一定に保った。その液を使用し実施例2と同じ評価を行った。更に、光学顕微鏡観察により、ウェハ1cm×1cm四方内にあるディフェクト数を評価した。なお、ディフェクトはウェハ表面上にできる欠陥を意味し、具体的には残渣物、スクラッチ、腐食、パーティクルなどが挙げられる。
A:ほぼ変化なし(1倍〜2倍未満)
B:僅かに増加 (2以上〜10倍未満)
C:明らかに増加(10倍以上)
テトラメチルアンモニウム水酸化物(TMAH)10質量%とヒドロキシルアミン(HA)10質量%を含有する薬液s01を調製した。これを用い、実施例1の試験No.101と同様にしてシリコン膜のエッチング試験を行った。その結果、シリコンのエッチング速度(Rsi)におよびディフェクト数(残渣物の残った部分の数)ついては、試験No.101の薬液とほぼ同等の性能を示していた。しかしながら、以下のように、薬液s01はその活性の劣化が著しく、長期保存あるいは連続運転に不向きであることが分かる。
――――――――――――――――――――――――――――――
101 s01
――――――――――――――――――――――――――――――
調液直後のRsi* 100 100
常温 5時間の保管後 100 96
80℃ 5時間の保管後 99 63
90℃ 5時間の保管後 97 49
――――――――――――――――――――――――――――――
*インデックス表示・・・調液直後のエッチング速度を100とする
2 第2の絶縁膜
3 シリコンウェハ
4 フォトレジスト
5 導電膜
6 埋設膜
7 保護部材
9 容量絶縁膜
10 キャパシタ構造
50 下部電極(シリンダ壁)
Claims (27)
- 下記工程(Ia)の後、下記工程(IIa)を繰り返し行うことを含む半導体基板製品の製造方法。
工程(Ia):
多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜からなるシリコン膜を有する半導体基板上の温度を85℃以上とし、この半導体基板に、4級アルキルアンモニウム水酸化物を9質量%以上15質量%以下含む水溶液を90℃以上に加熱して適用し、前記シリコン膜の少なくとも一部をエッチングする工程;
工程(IIa):
前工程でエッチングに用いた水溶液を回収して再使用液として用い、多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜からなるシリコン膜を有する半導体基板上の温度を85℃以上とし、この半導体基板に前記再使用液を90℃以上に加熱して適用し、前記シリコン膜の少なくとも一部をエッチングする工程。 - 前記水溶液を1週間以内で交換する、請求項1に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 前記水溶液および再使用液を密閉された系内に流通させてエッチングに用いるか、または、窒素フロー下で流通させてエッチングに用いる、請求項1または2に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 前記水溶液または再使用液を循環して再使用する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 前記エッチングを枚葉式洗浄装置により行う、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 4級アルキルアンモニウム水酸化物を9質量%以上15質量%以下含む水溶液(a4)を準備する工程と、
多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜からなるシリコン膜を有する半導体基板を準備する工程と、
前記半導体基板上の温度を85℃以上とし、前記半導体基板に前記水溶液(a4)を90℃以上に加熱して適用し、前記シリコン膜の少なくとも一部をエッチングする工程とを有する半導体基板製品の製造方法を実施するに当たり、
前記水溶液(a4)として、下記工程(Ia)においてエッチングに用いた4級アルキルアンモニウム水酸化物を含む水溶液(a3)を回収した再使用液を使用する、半導体基板製品の製造方法。
工程(Ia):
多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜からなるシリコン膜を有する半導体基板上の温度を85℃以上とし、この半導体基板に、4級アルキルアンモニウム水酸化物を9質量%以上15質量%以下含む水溶液(a3)を90℃以上に加熱して適用し、前記シリコン膜の少なくとも一部をエッチングする工程。 - 前記水溶液(a3)および(a4)を密閉された系内に流通させてエッチングに用いるか、または、窒素フロー下で流通させてエッチングに用いる、請求項6に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 前記工程(Ia)における前記水溶液(a3)を循環して前記水溶液(a4)として再使用する、請求項6または7に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 前記エッチングを枚葉式洗浄装置により行う、請求項6〜8のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 前記半導体基板を準備する工程において、前記シリコン膜を含む多層膜構造を形成し、かつ前記半導体基板に凹凸を形成しておき、その後、
前記凹凸表面の少なくとも上面と凹部壁面とに導電膜を形成する工程と、
前記導電膜上に埋設膜を付与して前記凹部を該埋設膜で充填する工程と、
前記上面に付与された導電膜部分および前記埋設膜の一部を除去して、前記半導体基板のシリコン膜を露出させる工程とを有し、次いで、
前記シリコン膜のエッチング工程において、前記半導体基板に前記水溶液を付与して、前記凹部壁面の導電膜は残しつつ、前記露出したシリコン膜と前記埋設膜とを除去する請求項6〜9のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。 - 前記半導体基板がTi化合物を含み、該Ti化合物に対して、前記シリコン膜部分を選択的にエッチングする請求項1〜10のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 前記シリコン膜のエッチングレート(ERs)とTi化合物のエッチングレート(ERe)との比率(ERs/ERe)を100以上とする請求項11に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 前記水溶液が4級アルキルアンモニウム水酸化物を1種のみ含む請求項1〜12のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 前記シリコン膜の一部または全てを除去することにより、キャパシタとなる凹凸形状を形成する請求項1〜13のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 前記凹凸形状として、アスペクト比(深さ/開口幅)15〜100のシリンダ構造を形成する請求項14に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 前記シリコン膜に対する水溶液の適用を不活性雰囲気下で行う請求項1〜15のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 前記4級アルキルアンモニウム水酸化物がメチル基またはエチル基を3個以上含む化合物である請求項1〜16のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 前記水溶液が金属隠蔽剤を0.0001〜0.1質量%含有する請求項1〜17のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 酸化膜の除去処理が施されていない前記多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜からなるシリコン膜に前記水溶液を適用する請求項1〜18のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 超純水による半導体基板の洗浄工程、シリコン酸化膜の除去工程、再度の超純水による半導体基板の水洗浄工程の後、上記エッチングを実施する請求項1〜18のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
- シリコン酸化膜除去工程の後、加温した超純水で水洗浄する請求項20に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 前記洗浄工程に窒素置換した超純水を使用する請求項20または21に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 前記水溶液の前記シリコン膜への適用を下記A及びBのいずれかのプロセスで行う請求項1〜22のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
〔A:加熱タンク内および/またはインラインで前記特定温度の水溶液を吐出して該溶液を前記シリコン膜に接触させる。〕
〔B:浴槽内の前記水溶液を前記特定温度とし、前記シリコン膜を該水溶液に浸漬させて接触させる。〕 - 前記Aプロセスにおいて、半導体基板の回転数1000rpm以上でエッチングする請求項23に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 前記Aプロセスにおいて、薬液ノズルを20往復/分以上、半導体基板の中心から2cm以上平行移動させながらエッチングする請求項24に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 前記水溶液の温度をタンク温度またはウェハ表面温度で管理する請求項1〜25のいずれか1項に記載の半導体基板製品の製造方法。
- 4級アルキルアンモニウム水酸化物を9質量%以上15質量%以下含む水溶液(a4)を準備する工程と、該水溶液を温度90℃以上に加熱し、85℃以上とした多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜に適用して、該膜の少なくとも一部を除去する工程とを含むエッチング方法を実施するに当たり、
前記水溶液(a4)として、下記工程(Ic)においてエッチングに用いた4級アルキルアンモニウム水酸化物を含む水溶液(a3)を回収した再使用液を使用する、エッチング方法。
工程(Ic):
85℃以上とした多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜に、4級アルキルアンモニウム水酸化物を9質量%以上15質量%以下含む水溶液(a3)を90℃以上に加熱して適用し、該膜の少なくとも一部をエッチングする工程。
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