JP2005268380A - ウェットエッチング装置、およびウェットエッチング方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】 酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）等のエッチングされにくい材料をウェットエッチングする際、紫外光照射中でもエッチング液の供給が可能であり、さらに小型化および低消費電力化されたウェットエッチング装置を提供する。
【解決手段】 本発明のウェットエッチング装置においては、紫外光ランプの面積を小さくして基板の一部を照射するように設置する。さらに、基板が固定されるステージに回転機構を設け、基板が１回転することで基板全面に紫外線を照射させる。エッチング液は紫外光照射中であっても、紫外光ランプに覆われていない部分に供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ウェットエッチング装置と、これを用いたウェットエッチング方法に関し、特に、大きな面積の基板上に形成されたＨｆＯ_２（ハフニウム酸化物）等の結合エネルギーの高い物質を確実且つ容易にエッチングするウェットエッチング装置とこれを用いたウェットエッチング方法に関する。

次世代超微細ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜として、例えば酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）等の高誘電体（high-k）膜が注目されている。しかし、酸化ハフニウムは本来、溶解しにくい材料であり、特に熱処理（Post Deposition Anneal）を施すと、膜は極めて緻密になる。このため、これら結合エネルギーの極めて高い安定した組成の薄膜は、エッチングにより除去することが困難である。

このような材料をエッチング処理する方法が種々試みられているが、なかでもウエットエッチングを行う際に、バンドギャップ以上のエネルギーを持つ紫外光をエッチング液越しに薄膜上に照射する方法が効果的である。紫外光（Ultraviolet：ＵＶ光）を照射することにより膜の結合にダメージを与え、エッチング液に反応されやすくなるためである。最も簡便な方法としては、シリコン基板上に形成される酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）薄膜上にエッチング液を塗布した後、基板全面に紫外光ランプを接近させて照射する方法が挙げられる。

また、紫外光の照射対象物は異なるものの、紫外光を照射しながら処理を行う装置として、特許文献１にもＣＭＰ用スラリーに紫外光を照射して、酸化力もしくは還元力および親水性を変化させ、研磨速度と精度を高める装置が提案されている。
特開２０００−１１３３７０号公報

しかし、このように基板全面に紫外光を照射しながら処理を行う技術には、以下のような問題点がある。

エッチングすべきウェーハサイズが大型化するにつれて、紫外光ランプを収納する「ランプハウス」と呼ばれるランプ周辺を窒素ガスで充満させた箱状のケースを取り付けるためのスペースも大きくする必要があり、エッチング装置全体が大きくなってしまう。消費電力も、これにともなって大きくなってしまう。

さらに、エッチング処理の場合には、エッチング液が塗布されたシリコン基板上の薄膜と紫外光ランプとの間隔は２〜１０ｍｍ程度と小さい。一旦、処理が開始され基板全面に紫外光ランプを接近させると、紫外光照射中にエッチング液を薄膜上に追加供給することは困難となる。このため、エッチャント（エッチング種）がエッチング液の供給速度でエッチング速度が決まる供給律速である場合は、エッチングが途中で停止する場合がある。

また、別の問題として、静止したシリコン基板上にエッチング液を塗布して紫外線を照射すると、エッチングされてエッチング液中に溶出した残渣物が効率よく排除されず、表面に再付着することがある。

このように、紫外線を照射しながらウェットエッチング処理を行う技術においては、いくつかの問題点が存在し、実用化を阻んでいる。
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、紫外光照射中でもエッチング液の供給が可能であり、さらに小型、低消費電力化された、ウェットエッチング装置、およびウェットエッチング方法を提供することにある。

本発明のウェットエッチング装置においては、紫外光ランプの面積を小さくして基板の一部を照射するように設置する。さらに、基板が固定されるステージに回転機構を設け、基板が１回転することで基板全面に紫外線を照射させる。エッチング液は紫外光照射中であっても、紫外光ランプに覆われていない部分に供給する。

本発明によれば、主面に被エッチング膜が形成された基板を固定するステージと、前記ステージを回転させる回転機構と、前記回転機構による回転動作を制御する回転制御装置と、前記基板の主面の一部に紫外光を照射する紫外光照射部と、前記基板の主面にエッチング液を供給するエッチング液供給部と、を備え、
前記ステージが１回転することにより、前記紫外光を前記基板の全面に照射可能としたことを特徴とするウェットエッチング装置が提供される。

ここで、前記紫外線照射部は紫外線照射制御機構に接続され、前記紫外線照射制御機構はエッチング処理時に前記紫外線照射部を前記基板の上方２〜１０ミリメートルの位置で固定するものとすることができる。

また、前記紫外線照射部は前記基板の主面に対向して、紫外光を照射する照射窓を備え、前記照射窓は少なくとも前記基板の半径を覆うものとすることができる。

また、前記照射窓の前記基板に対向する面積は、少なくとも前記基板の面積の１／４以上であるものとすることができる。
また、前記エッチング液供給部はエッチング液供給制御装置に接続され、前記エッチング液供給制御装置はエッチング処理中にエッチング液を供給可能とすることができる。

また、前記回転制御装置は、前記ステージを毎分５０回転以上の回転数で回転させるものとすることができる。

一方、本発明によれば、基板上に形成された被エッチング膜の上に供給されたエッチング液を介して前記被エッチング膜の一部に紫外線を照射しつつ前記基板を回転させることを特徴とするウェットエッチング方法が提供される。

ここで、前記エッチング液の供給と、前記紫外線の照射と、を同時に実施するものとすることができる。
また、前記基板を、毎分５０回転以上の回転数で回転させるものとすることができる。

本発明によれば、紫外線を照射しながらのウェットエッチングによりエッチング速度が向上する。また、エッチング液を紫外線照射中に供給できることにより、供給律速の材料にも対応可能となる。また、エッチング残渣も効率的に除去でき、エッチング精度も向上する。
さらに、光源の小型化による低消費電力効果、装置全体の小型化が可能となる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態にかかるウェットエッチング装置の主要部の構造を表す模式図である。

被エッチング膜が形成された基板Ｗは、回転ステージ１０１に固定される。回転ステージ１０１は回転軸１０２に取り付けられ、回転ステージ制御装置１０３によって回転制御される。
基板Ｗの一部を覆うように紫外光照射部１０４が設置され、紫外光照射部制御機構１０５により、紫外光の調整および照射部の移動が制御される。紫外光照射部１０４は基板Ｗを回転ステージ１０１上に着脱するときは、上部に移動し、エッチング中のみ基板Ｗ近傍まで下がってくる。また、紫外線照射部１０４の基板Ｗと対向する面には図示しない照射窓が設置され、ここから紫外光が照射される。
エッチング液供給ノズル１０６は、紫外光照射部１０４が基板Ｗ近傍に降下しているときに機能する場合もあるので、紫外光照射部１０４とは緩衝しない位置に設置される。エッチング液供給ノズル１０６は、エッチング液供給制御装置１０７によってエッチング液の供給が制御される。

図２は、図１に表したウェットエッチング装置の側面図（図２（ａ））、および断面図（図２（ｂ））である。図１に表した構成には、同一の符号が付してある。

回転ステージに１０１には固定ピン２０１が設置され、回転運動によって基板Ｗがずれないように固定してある。
紫外光照射部１０４には直管型の紫外光ランプ２０２が設けられ、照射窓２０３を介して紫外光を照射する。照射窓２０３の面積は基板Ｗの半径をカバーし、基板Ｗの面積の最低１／４あればよい。照射面積が基板全面である場合に比べ、消費電力は格段小さくなる。
エッチング液供給ノズル１０６より供給されるエッチング液２０４は、回転による遠心力により、被エッチング膜全面に広がる。この効果を考慮した場合、エッチング液供給ノズル１０６は、なるべく基板Ｗの中心付近に設置することが望ましい。エッチング処理時に発生するエッチング残渣も、この遠心力により除去することが可能である。固定ピン２０１近くに溝状のエッチング液回収口を設け、処理済エッチング液を適宜回収するようにしてもよい。

図３は、本発明の実施の形態におけるエッチング処理の様子を表す概念図である。ここでも、先に説明した構成については、同一の符号を付し説明を省略する。

図３（ａ）は、基板Ｗが回転する様子と、紫外光照射部１０４下で紫外光を照射される前後の基板Ｗの断面の様子を表した、概念図である。
シリコン基板３０１上に形成された酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）膜３０２は、紫外光照射部１０４により照射される紫外光によって、結合にダメージを受けエッチング液３０３に溶解しやすくなり、エッチング処理が活性化される。紫外光にさらされる前と後とで、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）の膜厚はａからｂ（ａ＞ｂ）へと変化し、エッチング処理が進んでいるのがわかる。

図３（ｂ）は、回転を継続してエッチング処理を進めていく過程での、基板Ｗの断面の様子を示した概念図である。
基板の回転にともなって、１回、２回、・・・ｎ回と、紫外光照射部１０４下を通過するに毎に、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）膜３０２のエッチングは活性化され、エッチング速度が増し、全体のエッチング時間は大幅に短縮される。

図４は、実際に紫外光を照射しながらウェットエッチングを行った場合の、エッチング速度の基板回転数依存性を表した図表である。縦軸にエッチング速度（ナノメータ/分）、横軸に基板の回転数（rpm）がとってある。
試料としてＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）で成膜し、続いて窒素（Ｎ_２）中８００℃で熱処理した酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、エッチング液として燐酸系を使用し、測定を行った。装置には、エッチング液滴下後基板近傍まで接近できる駆動部を持つ紫外光照射装置を備えた、枝葉式スピン洗浄装置を用いた。紫外光照射条件は、エキシマ光２２２ナノメータ、９Ｗ／ｃｍ^２で、照射時間は１２０秒固定とし、紫外光照射窓の面積は基板の約１／４とし、基板の回転により全面に均一に照射できるようにした。エッチング液はあらかじめ一定量供給し、照射中は新たな供給を行わなかった。

基板の回転数を５〜１００ｒｐｍ（回転／分）まで変化させると、エッチング時間および照射時間ともに同一であるに関わらず、回転数が高いほどエッチング速度が高くなることがわかった。また、回転数が上がり約５０ｒｐｍ以上で、エラーオーバーが小さくなり、面内均一性が向上していることが認められた。これは紫外光照射窓が基板の約１／４のエリアしか照射しないため、回転数が高くなるほど膜面に対して照射の有り、無しの間隔が短縮されて連続照射に近くなり、Ｈｆ−Ｏバンドに与える影響が大きくなったことを示唆する。また、高回転数の方が、膜上に塗布したエッチング液が薄く均一に形成され、紫外光透過率の向上に寄与したことも考察できる。
基板全面への連続照射を行った場合と同等のエッチング速度が得られるのは、１００ｒｐｍ（回転／分）であった。５０ｒｐｍ（回転／分）はその面内均一性において向上が認められる最低の回転数となる。

以上説明してきたように、本発明のウェットエッチング装置を用いることで、５０ｒｐｍ（回転／分）以上の回転数で、被エッチング膜が形成された基板を回転させながら、基板の約１／４の面積に紫外光照射を照射してウェットエッチングすることにより、エッチング速度が向上する。特に、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）のような結合エネルギーが高くエッチングされにくい材料のエッチングに対しての効果は絶大である。
また、エッチング液の供給は紫外光照射部の設置されない領域で行うことができるので、エッチング処理中のエッチング液追加供給も可能となり、エッチング種の供給律速となる場合でも円滑なエッチング処理を行うことができる。
さらに、エッチング処理時に発生するエッチング残渣も、基板の回転の遠心力により、効率よく除去することも可能となる。
加えて、紫外光照射部を基板基板の１／４の面積に対応できる程度に小型化したことで、消費電力も抑ることができ、装置自体の小型化も可能となる。

本発明の実施の形態にかかるウェットエッチングの構造を表す模式図である。 図１に表したウェットエッチング装置の側面図（ａ）および断面図（ｂ）である。 本発明の実施の形態におけるエッチング処理 処理の様子を表す概念図である。 エッチング速度の基板回転数依存性を表した図表である。

符号の説明

１０１ 回転ステージ
１０２ 回転軸
１０３ 回転ステージ制御装置
１０４ 紫外光照射部
１０５ 紫外光照射部制御機構
１０６ エッチング液供給ノズル
１０７ エッチング液供給制御装置
２０１ 固定ピン
２０２ 紫外光ランプ
２０３ 照射窓
２０４ エッチング液
３０１ シリコン基板
３０２ 酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）膜
３０３ エッチング液

Claims (9)

1. 主面に被エッチング膜が形成された基板を固定するステージと、
   前記ステージを回転させる回転機構と、
   前記回転機構による回転動作を制御する回転制御装置と、
   前記基板の主面の一部に紫外光を照射する紫外光照射部と、
   前記基板の主面にエッチング液を供給するエッチング液供給部と、
   を備え、
   前記ステージが１回転することにより、前記紫外光を前記基板の全面に照射可能としたことを特徴とするウェットエッチング装置。
2. 前記紫外線照射部は紫外線照射制御機構に接続され、前記紫外線照射制御機構はエッチング処理時に前記紫外線照射部を前記基板の上方２〜１０ミリメートルの位置で固定することを特徴とする請求項１記載のウェットエッチング装置。
3. 前記紫外線照射部は前記基板の主面に対向して、紫外光を照射する照射窓を備え、前記照射窓は少なくとも前記基板の半径を覆うことを特徴とする請求項１または２に記載のウェットエッチング装置。
4. 前記照射窓の前記基板に対向する面積は、少なくとも前記基板の面積の１／４以上であることを特徴とする請求項３記載のウェットエッチング装置。
5. 前記エッチング液供給部はエッチング液供給制御装置に接続され、前記エッチング液供給制御装置はエッチング処理中にエッチング液を供給可能としたことを特徴とする請求項１〜４記載のウェットエッチング装置。
6. 前記回転制御装置は、前記ステージを毎分５０回転以上の回転数で回転させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のウェットエッチング装置。
7. 基板上に形成された被エッチング膜の上に供給されたエッチング液を介して前記被エッチング膜の一部に紫外線を照射しつつ前記基板を回転させることを特徴とするウェットエッチング方法。
8. 前記エッチング液の供給と、前記紫外線の照射と、を同時に実施することを特徴とする請求項７記載のウェットエッチング方法。
9. 前記基板を、毎分５０回転以上の回転数で回転させることを特徴とする請求項７または８に記載のウェットエッチング方法。
   
   

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