JP2009277948A - 半導体ウェーハのエッチング方法及びエッチング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウェーハのエッチングを精密に行う。
【解決手段】半導体ウェーハ表面にフッ化水素及びオゾンを含む混合ガスを噴射し、その半導体ウェーハ表面をモニタし、モニタ結果に基づいて、フッ化水素及び／又はオゾンの濃度を調整する。また、半導体ウェーハ表面をモニタ可能なモニタ装置と、フッ化水素及びオゾンを含む混合ガスを噴射可能なノズルと、このフッ化水素及び／又はオゾンの濃度を調整可能な調整器とを含む半導体ウェーハのエッチング装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体ウェーハのエッチング方法及びエッチング装置に関する。さらに詳しくは、フッ化水素及びオゾンを含む混合ガスを用いたエッチング方法及びエッチング装置に関する。

半導体ウェーハ、例えば、シリコンウェーハのエッチングには、ウェットおよびドライ双方のプロセスがある。ウェット方式は、ＨＦ／ＨＮＯ_３混酸または、ＮａＯＨ、ＫＯＨ等のアルカリ液に浸漬する方式が一般的である。また、一部枚葉スピン方式で、混酸液にて処理する方法もある。更に、ドライ方式は、励起イオンや、プラズマによるラジカル照射によるエッチング方法が一般的である。その場合のガスはＣＦ_４等多種多様なものがある。また、オゾンを混合した、フッ化水素と水とからなる気体によって、シリコンウェーハをエッチングすることも知られているが（特許文献１）、これはウェーハ表面が濡れるので実質ウェットといえなくもない。

また、ＳＯＩウェーハを製造するためには、酸化膜を含むシリコンウェーハの研磨若しくはエッチングが必要とされるが、精度の高い研磨若しくはエッチングが望まれる（特許文献２）。
特開平６−１６８９２２号公報 国際公開ＷＯ２００５／０７４０３３号公報

しかしながら、硝酸又は過酸化水素のような酸化剤をフッ化水素溶液中に添加したものを用いたいわゆるウェット状態でのエッチングは、どの程度エッチングされているかをモニタすることが困難である。同様に、化学的な研磨のような方法においても、研磨される表面をモニタすることが困難であり、研磨の途中でフィードバックすることが実質的に不可能である。ところで、オゾンを混合した、フッ化水素と水とからなる気体によるエッチングでも、シリコンウェーハが濡れるため実質的にウェットな状態でのエッチングであり、やはり表面をモニタすることが困難である。例えば、光・赤外線センサー等による膜厚をオンタイムでモニタすることが困難である。よって、ウェーハ面内均一性の確保にも難点がある。一方、ドライ方式は、膜厚測定は容易だが、設備構造上、真空チャンバープラズマ発生装置など付加装置が必要で、設備が大規模になりやすい。

一方、研磨若しくはエッチング量の制御は、近年より精密に行われることが望まれ、研磨若しくはエッチング中のフィードバックが好ましい。特に、異なる種類の材質からなる層を含むウェーハにおいては、エッチング速度が変化するため、所定の研磨量若しくはエッチング量を確保することが困難である。また、材質違いによる研磨若しくはエッチングの速度の変化を利用する化学的な研磨では、速度変化が想定を超えた場合等は、過研磨若しくは過エッチングが生じやすい。また、そうでない場合でも、不十分な研磨若しくはエッチングを避けるための設定にしがちであり、過研磨若しくは過エッチングになりやすい。

以上のような課題に鑑みて、本発明では、半導体ウェーハ表面にフッ化水素及びオゾンを含む混合ガスを噴射し、その半導体ウェーハ表面をモニタし、モニタ結果に基づいて、フッ化水素及び／又はオゾンの濃度を調整する半導体ウェーハのエッチング方法を提供する。また、半導体ウェーハ表面をモニタ可能なモニタ装置と、フッ化水素及びオゾンを含む混合ガスを噴射可能なノズルと、このフッ化水素及び／又はオゾンの濃度を調整可能な調整器とを含む半導体ウェーハのエッチング装置を提供する。

より具体的には、以下のようなものを提供することができる。
（１）半導体ウェーハ表面にフッ化水素及びオゾンを含む混合ガスを噴射する噴射工程と、前記半導体ウェーハ表面（例えば、エッチングすべき層の厚み等）をモニタするモニタ工程と、前記半導体ウェーハ表面の解析を行う解析工程と、前記解析工程の結果に基づいて、前記混合ガスにおけるフッ化水素及び／又はオゾンの濃度を調整する工程と、を含む半導体ウェーハのエッチング方法を提供することができる。

（２）前記モニタ工程では、前記半導体ウェーハ表面を少なくとも光学的にモニタすることを特徴とする上記（１）に記載のエッチング方法を提供することができる。

ここで、半導体ウェーハ表面をモニタするとは、該表面の性状を接触、非接触を問わず、検出し、解析することを含んでよい。特に非接触の検出が好ましい。性状としては、物理的な状態及び化学的な状態を含んでよく、物理的な状態の例として、表面の凹凸や表層の厚み等の形状情報を含んでよい。例えば、エッチングする層（或いは膜）の厚さを含んでよい。また、光学的にモニタするとは、赤外線、可視光、紫外線、Ｘ線等の光（若しくは放射線）を用いた検出を意味してよい。これらの光は、周囲の光（例えば、環境光）や特定の光源、その他放射されるエネルギー等を含んでよく、モニタ対象となる該表面との相互作用の結果、放出される光を含んでよい。例えば、エリプソメータ、光干渉方式、蛍光Ｘ線位相方式等による膜厚のモニタを含むことができる。より具体的には、エリプソメータにより、エッチング対象となる表層の厚さをモニタし、その厚さを随時若しくは所定時間インターバルで計測し、厚さの経時変化を膜厚減少（場合により増加）速度として把握することができる。このように膜厚減少速度が得られれば、所定時間後の膜厚を予想することができるので、所定の膜厚にするためのフッ化水素及び／又はオゾンの濃度の調整をエッチング処理の完了前に開始することができる。混合ガスの濃度調整は、表面に現れる材質に応じて、適宜行うことができる。また、複数の種類の材質が表面に現れる場合は、混合ガスの比を調整することにより、特定の材質を選択的にエッチングすることができる。

（３）前記半導体ウェーハは、エッチングマーカを内部に含むことを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のエッチング方法を提供することができる。ここで、エッチングマーカは、上述のモニタ工程により把握できるものであれば、如何なるものであってもよい。それまでモニタ工程で検出されなかったエッチングマーカは、エッチングの進行に伴い、検出されるようになり、その検出結果を受けてエッチングを終了若しくは中止してもよく、エッチング条件を変更してもよい。

エッチングマーカとしては、例えば、酸化膜、窒化膜、異種金属、異物、不純物等、をモニタ装置の感度に合わせて選択することができる。従って、酸化物等が検出されたときに、エッチングを終了することができる。エッチング前に想定したエッチングレートでエッチング時間を決めてエッチングするのに比べ、エッチングを過不足なく行うことができる。また、酸化物等が検出されたときに、その検出された物質に最適なエッチング条件に調整することも可能である。

（４）前記半導体ウェーハ表面の酸化物の除去を促進する場合には、フッ化水素濃度を高くすることを特徴とする上記（１）から（３）のいずれかに記載のエッチング方法を提供することができる。ここで、シリコンのエッチングメカニズムは、次のような反応が関わっていると考えられる。

尚、因みに水中では、以下の反応が関与すると考えられる。

上述するようにエッチングメカニズムは、（式１）及び（式２）の２つの反応から進行すると考えられる。即ち、シリコン表面が酸化して酸化ケイ素ができ、この酸化ケイ素がフッ化水素と反応して四フッ化ケイ素（気体）となってエッチングが進行する。予め表面に酸化ケイ素がある場合は、フッ化水素がオゾンと比べてより重要であるので、相対的にフッ化水素の濃度を高くすることが好ましい。また、ウェーハ表面の酸化物がない又はあまりない場合のエッチング用の混合ガスよりも、フッ化水素の濃度（分圧）を高くすることができる。例えば、全体の圧力が変わらない場合は、相対的にフッ化水素の濃度（分圧）を高くしてよい。より具体的には、キャリアガス（例えば窒素）を減らしてフッ化水素濃度（分圧）を増やしてもよい。また、全体の圧力を上げつつ、フッ化水素の分圧（濃度）を上げることもできる。固体と気体の反応速度は、通常気体の反応成分の分圧の増加に従って増加すると考えられるからである。

（５）上記（１）から（４）のいずれかに記載のエッチング方法を用いて、シリコン層及び／又は酸化膜層をエッチングすることを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法を提供することができる。

（６）半導体ウェーハ表面をモニタ可能なモニタ装置と、前記半導体ウェーハ表面にフッ化水素及びオゾンを含む混合ガスを噴射可能なノズルと、前記混合ガスにおけるフッ化水素及び／又はオゾンの濃度を調整可能な調整器と、を含む、半導体ウェーハのエッチング装置を提供することができる。

（７）前記モニタ装置は、前記半導体ウェーハ表面を少なくとも光学的にモニタすることを特徴とする上記（６）に記載のエッチング装置を提供することができる。

（８）更に、前記モニタ装置から得られるモニタ結果に基づき、最適なフッ化水素及び／又はオゾンの濃度を算出可能な解析装置を含むことを特徴とする上記（６）又は（７）に記載のエッチング装置を提供することができる。

このように、本発明では、エッチングガスとして、オゾンとフッ化水素の混合ガスを用いることができ、プラズマやイオン等を発生若しくは安定化させたような特殊な状態が不要である。また、処理は、常温・常圧で可能で、Ｓｉ膜厚またはＳｉＯ_２膜厚をモニタしながら、エッチング終点検知を行うことができる。ここで、オゾンガスは、エッチング剤として酸化能力が高い。また、ＨＦ蒸気は、ＳｉＯ_２膜の溶解能力が高い。例えば、オゾンガスは酸素ガスを放電して生成することができ、ＨＦ蒸気は、ＨＦ液をＮ_２バブリングして得ることができる。このように、エッチング用の混合ガスは、典型的に、ＨＦ、水、窒素を含む。この混合ガスをウェーハに吹き付けてエッチングすることができ、その際のエッチングレートは、オゾン濃度、ＨＦガス濃度、流量、温度等を制御することで、変化させることができる。また、エッチング処理しながら、光・赤外線センサー等で、膜厚を計測し、終点検知を行い、所定厚みのシリコンウェーハを得ることができる。

以上のように、フッ化水素及びオゾンを含む混合ガスを用いて、気相で半導体ウェーハをエッチングできるので、エッチング表面のモニタが可能である。一方、エッチング表面のモニタに基づいて、エッチング速度に影響を与える要素であるフッ化水素及び／又はオゾンの濃度を変えることができるので、エッチングをより精密に行うことができる。

また、従来の枚葉スピン洗浄機での処理も可能で、既存のガスエッチング装置よりも安価となる。ＨＦ濃度とオゾン濃度比を変更することで、Ｓｉ／ＳｉＯ_２エッチングレート比が大きく変化するため、膜厚モニタリングと組み合わせてフィードバック制御することで、所定膜厚の精度が確保できる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例について詳しく説明するが、以下の記載は、本発明の実施例を説明するためになされたもので、本発明はこれらの実施例に限定するものではない。また、同一若しくは同種類の要素については、同一若しくは関連性のある符号を用い、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施例であるエッチング装置１０の（a）上面図及び（ｂ）略式断面図を示す。矢印のように時計回りに回転可能にシリコンウェーハ１２が設置され、その上にコーン１４が、エッチング用の混合ガスを作る混合器１６に吊下げられている。混合器１６は、矢印のように揺動する揺動アーム１８に固定されている。略式断面図でより詳しく説明する。混合器１６は、混合容器２０、各ポート２２、２４、及び配管２６からなる。オゾンを含むオゾンガス（点線）及びフッ化水素（実線）を含むＨＦガスがそれぞれポート２２及び２４から導入されて、混合容器２０内で混合される。この混合ガスは、配管２６からノズル２８へと流れ、ノズル２８からラッパ状３０に噴射される。このとき、コーン１４は、混合ガスが不必要に拡散するのを防ぐことができる。シリコンウェーハは、後述するディスク駆動装置により所定の速度で回転され、また、揺動アーム１８は、ノズル駆動装置によりワイパーのように動く。

シリコンウェーハ１２は回転し、ノズル２８も揺動するため、シリコンウェーハ１２の表面全体にエッチング用の混合ガスを供給することができる。図からわかるように、シリコンウェーハ１２の表面は、ノズル２８やコーン１４により完全にカバーされていないので、図示されないモニタ装置（例えば、エリプソメータ）により、シリコンウェーハ１２の表面をモニタすることができる。エリプソメータでは、膜厚の計測のみならず、シリコンウェーハ１２の表面の化学的性質、材質の変化等もエッチング中に計測することができる。

図２は、本発明の別の実施例であるエッチング装置１１の（a）上面図及び（ｂ）略式断面図を示す。矢印のように時計回りに回転可能にシリコンウェーハ１２が設置され、その上にノズル３２が吊下げられている。ノズル３２の本体部３４の上部には、分配器３６が備えられ、オゾンを含むオゾンガス（点線）及びフッ化水素（実線）を含むＨＦガスがそれぞれポート３８及び４０から導入されて、シリコンウェーハ１２の表面に混合噴射される。この本体部３４の下面４２には、複数の微少な孔が開いており、分配器３６で混合された混合ガス（未混合のガスを含んでもよい）をこの孔から噴射する。シリコンウェーハ１２は回転するので、ノズル３２が固定されていても、シリコンウェーハ１２の表面全体にエッチング用の混合ガスを供給することができる。

図３は、図１に示すエッチング装置を用いて行ったシリコンウェーハ１２のエッチング実験の結果をグラフに示す。グラフの縦軸は、エッチング速度であり、横軸は、オゾン濃度とフッ化水素濃度の比を取ったものである。オゾンガスは、市販のオゾンガス発生装置を用いて発生させ、ＨＦガスは、図４に示す装置により生成させた。実質的に密閉となる容器９０に濃度５０％のフッ酸水を入れ、チューブ９２から窒素ガスを１０リットル／分の流量で流し、チューブ９４からＨＦガスを１０リットル／分の流量で供給した。それぞれのガスは、図示しない流量調整バルブにより流量が調整され、それぞれ所定の比率で、ポート２２、２４へ供給された。

図３の菱形プロットは、異なる比率でのシリコンの除去レートを示し、正方形のプロットは、ＳｉＯ_２の除去レートを示し、三角のプロットは、ＳｉＯ_ｘの除去レートを示す。ＳｉＯ_２の除去レートは、比率が最も低いところで最大を示し、比率の増加と共に減少し、比率が１０あたりでほとんど０になる。一方、ＳｉＯ_ｘの除去レートは、比率が１になるまで、徐々に増加し、１近傍で最大を示し、以降は減少し、比率がほぼ１００になったところで、ほとんど０になる。また、シリコンの除去レートは、比率が、０．１あたりまではほとんど０であり、そこから急に立ち上がり、１０あたりになるまで徐々に増加し、１０近傍で最大を示し、以降は減少し、比率がほぼ１００００００になるとほぼ０になる。このように対象となる材質により、エッチングレートが異なり、材質に合わせて適切な混合比を供給することができる。

例えば、混合比選択（１）の範囲では、Ｓｉの除去レートは十分高いが、他のレートはほぼ０になっているので、Ｓｉを選択的にエッチングすることができる。また、混合比選択（２）では、Ｓｉ除去レートがほとんど０であるが、他のレートはそれなりの値（約３０から６０）を示しており、ＳｉＯ_２やＳｉＯ_ｘを選択的にエッチングすることができる。逆に言えば、その材質に対しレートが低い混合比でエッチングを行えば、その材質のエッチングをゆっくりと行うことができ、制御が容易になる。

このように、ドライ雰囲気で、膜厚をモニタしながら、ＳｉおよびＳｉＯ_２の膜除去が可能である。上述したように、本実施例のエッチング装置は、スピン機構をもった装置にガス混合ノズルによって、混合ガスをウェーハに吹き付けるものである。従って、真空装置等を備えるために配管の強度が所定値以上必要である等、装置の仕様が、特に制約されるものではない。

図５は、本実施例の処理を行う装置のブロック図である。制御を含むエッチング装置１００は、シリコンウェーハ１２を載置し回転することができるディスク回転駆動装置１０２と、シリコンウェーハ１２の表面を光学的にモニタするモニタ装置１０４と、初期条件等を入力し、エッチング条件を表示する表示装置／入力装置１０８と、ノズル１１８を駆動するノズル駆動装置１１０と、オゾンガスを供給しその量を調節可能なオゾン供給装置１１２と、ＨＦガスを供給しその量を調節可能なＨＦ供給装置１１４と、これらの供給装置からガスを受け混合する混合器１１６と、これらと信号ｉ１からｉ８までをワイヤレスを含んでもよい通信回線を介してやり取りする制御装置１０６とからなる。

図６は、図５の装置を用いた場合のエッチング処理の例を示すフローチャートである。まず、シリコンウェーハを設置し、各初期設定条件を入力する（Ｓ１０）。次に、シリコンウェーハの表面をエリプソメータ等で膜厚等をモニタするモニタ工程を開始する（Ｓ１２）。次にエッチング用の混合ガスを所定の割合で供給し、エッチングを開始する（Ｓ１４）。表面のモニタにより、予め決めておいたトリガー事象（例えば、エッチングレート異常、所定量のエッチング完了、表面材質の変化等）があるかをチェックする（Ｓ１６）。ない場合は（Ｓ１６、Ｎｏ）、混合ガス供給工程（Ｓ１４）を継続し、あった場合は（Ｓ１６、Ｙｅｓ）、それがエッチングの終了であるかどうかを検討する（Ｓ１８）。トリガー事象が、エッチング終了であった場合（Ｓ１８、Ｙｅｓ）は、次のエッチング終了工程（Ｓ２２）へ進み、エッチングを終了する。エッチング終了でなかった場合（Ｓ１８、Ｎｏ）は、混合ガスの成分の濃度を再調整し（Ｓ２０）、混合ガス供給を継続する。このように、フィードバックがエッチング工程中に行うことができるので、膜厚制御を厳密に行うことができる。

図７は、本発明をＳＯＩウェーハの製造に適用した場合を説明する。まず、２つのシリコンウェーハ６０を用意し（ａ、ｄ）、一方には、酸素をイオン注入して（ｂ）、ＢＯＸ層６２を表層６４の下に形成する。次に、ウェーハを所定の条件で熱酸化して、上及び下面の両方の表面に酸化膜６６を付ける（ｃ）。このウェーハをひっくり返して、他方のさらのウェーハ６０に付ける。密着処理をして、貼り付けウェーハを作り（e)、酸化膜６６及びバルクのシリコンを研磨等で除去する（ｆ）。このとき、表面近傍の断面を拡大すると、酸化膜（ＢＯＸ層、埋込酸化膜とも言われる）６２の表面には、研磨残りのシリコン６８が一部存在し、ＢＯＸ層６２には、ＳｉＯ_２７０及びＳｉＯ_ｘ７２が混在する。このＢＯＸ層６２を、本発明のエッチング方法又はエッチング装置により除去すると好ましいＳＯＩ層が形成される（ｇ）。

一方、従来の張り合わせ方では、上述のような酸化膜（ＢＯＸ層）６２がないものも存在する。このとき、Ｓｉの下には同じくＢＯＸ層６６と呼ばれるＳｉＯ_２膜があるウェーハにおいて、ＳＯＩ層（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ層）を薄膜化するためにＳｉのエッチングを行う。このとき、赤外線等を用いた反射形の光センサーにて膜厚をモニタすることが可能である。その膜厚をフィードバックし、所定膜厚までエッチング処理を行うことができる。また、上述するＳＯＩウェーハの製造方法では、ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ ＩＭｐｌａｎｔｅｄ ＯＸｙｇｅｎ）側のＳｉをエッチングするために、研磨にて除去するが、研磨粗さに埋もれたＳｉ残渣６８がある。このＳｉの残渣を除去する為に、例えば図３の混合選択比（１）にてエッチングすると、Ｓｉ残渣６８のみを除去できる。また、インプラ層は、完全なＳｉＯ_２膜ではなく、ＳｉＯ_ｘ膜であることが多い。この膜をエッチングする必要があるが、ＳＯＩ層であるＳｉはエッチングしないほうがよい。よって、混合選択比（２）にてエッチング処理することで、ＳＯＩ層をエッチングすることなく、処理が可能である。

ところで、ＳｉＯ_２のみをエッチングするには、Ｏ_３ガスを０にするとＳｉおよびＳｉＯｘは殆ど除去されない。このように、混合比の選択と膜厚モニタリングによって、様々なエッチングが可能であり、用途も広い。本発明は、ＳＯＩ基板のエッチングに特化したものではなく、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、ＳｉＯ_ｘ等基板のエッチングを膜厚モニタリングしながら、処理することが可能である。

例えば、シリコンウェーハ内に、光学的に特質を把握し易いマーカー（例えば、酸化膜）を埋め込んでおき、このマーカーが検出されたところで、エッチング処理を終了させることも可能である。

本発明の実施例に係るエッチング装置の概略図である。 本発明の別の実施例に係るエッチング装置の概略図である。 本発明の実施例に係るエッチング装置によって行ったエッチング結果をプロットしたグラフである。 本発明の実施例における、ＨＦガス生成装置の例を示す概略図である。 本発明の実施例に係るエッチング装置の制御系を示すブロック図である。 本発明の実施例に係るエッチング方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例に係るＳＯＩウェーハの製造方法を図解する概略図である。

符号の説明

１０、１１、１００ エッチング装置
１２、６０ シリコンウェーハ
１４ コーン
１６、２２、１１６ 混合器
１８ 揺動アーム
２２、２４、３８、４０ ポート
２６ 配管
２８、３２、１１８ ノズル
３６ 分配器
６２、６６ 酸化層
６８ シリコン
９０ 容器
９２、９４ チューブ
１０２ ディスク回転駆動装置
１０４ モニタ装置
１０６ 制御装置
１０８ 入力装置
１１０ ノズル駆動装置
１１２ オゾン供給装置
１１４ 供給装置

Claims (8)

1. 半導体ウェーハ表面にフッ化水素及びオゾンを含む混合ガスを噴射する噴射工程と、
   前記半導体ウェーハ表面からエッチングする層の厚さをモニタするモニタ工程と、
   前記厚さの解析を行う解析工程と、
   前記解析工程の結果に基づいて、前記混合ガスにおけるフッ化水素及び／又はオゾンの濃度を調整する工程と、を含む半導体ウェーハのエッチング方法。
2. 前記モニタ工程では、前記半導体ウェーハ表面を光学的にモニタすることを特徴とする請求項１に記載のエッチング方法。
3. 前記半導体ウェーハは、エッチングマーカを内部に含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のエッチング方法。
4. 前記半導体ウェーハ表面の酸化物の除去を促進する場合には、フッ化水素濃度を高くすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のエッチング方法。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のエッチング方法を用いて、シリコン層及び／又は酸化膜層をエッチングすることを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法。
6. 半導体ウェーハ表面のエッチングする層の厚さをモニタ可能なモニタ装置と、
   前記半導体ウェーハ表面にフッ化水素及びオゾンを含む混合ガスを噴射可能なノズルと、
   前記混合ガスにおけるフッ化水素及び／又はオゾンの濃度を調整可能な調整器と、を含む、半導体ウェーハのエッチング装置。
7. 前記モニタ装置は、前記半導体ウェーハ表面を光学的にモニタすることを特徴とする請求項６に記載のエッチング装置。
8. 更に、前記モニタ装置から得られるエッチングする層の厚さのモニタ結果に基づき、最適なフッ化水素及び／又はオゾンの濃度を算出可能な解析装置を含むことを特徴とする請求項６又は７に記載のエッチング装置。

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