(57)【要約】【課題】完全なドライ環境の下で酸化膜のエッチング速度を抑制し、かつ、シリカ残渣が残らない酸化膜のエッチング方法およびその装置を提供する。【解決手段】酸化膜が形成された半導体ウエハＷを、８０℃乃至１２０℃の所定の温度下でかつ１２Ｋｐａ乃至４０Ｋｐａの範囲内の所定の減圧下に保持した反応室２内に置き、この状態で、無水フッ化水素ガスを所定の混合比率で窒素ガスにより希釈化した反応ガスＧに曝してエッチングを行なう。エッチング速度は、無水フッ化水素ガスと窒素ガスの混合比率により調節する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化膜が形成された半導体ウエハを、８０℃乃至１２０℃の所定の温度下でかつ１２Ｋｐａ乃至４０Ｋｐａの範囲内の所定の減圧下に保持した状態で、無水フッ化水素ガスを所定の混合比率で不活性ガスにより希釈化した反応ガスに曝すことを特徴とする酸化膜のエッチング方法。
【請求項２】
前記不活性ガスの混合比率を変えて酸化膜のエッチング速度を制御することを特徴とする請求項１に記載の酸化膜のエッチング方法
【請求項３】
前記不活性ガスが窒素ガスであることを特徴とする請求項１または２に記載の酸化膜のエッチング方法。
【請求項４】
反応ガスとして無水フッ化水素ガスと不活性ガスとを混合してなる反応ガスを用いるエッチング装置であって、
半導体ウエハを気密状態で収容可能な反応室と、
前記反応室を減圧する減圧手段と、
前記反応室内を加熱昇温させる反応室加熱手段と、
前記半導体ウエハに向けて反応ガスを噴射供給する反応ガス供給手段とを備えてなり、
前記反応ガスを前記反応ガス供給手段に案内する反応ガス供給路に、無水フッ化水素ガスと不活性ガスとの混合比率を設定する反応ガス混合手段と、前記反応ガスを加熱する反応ガス加熱手段とを備えたことを特徴とするエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、酸化膜のエッチング方法およびその装置に関し、より詳細には、半導体ウエハに形成される自然酸化膜のドライエッチング技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体製造プロセスにおいて半導体ウエハに形成される自然酸化膜を除去する洗浄工程としては、エッチング溶液やリンス純水処理によるウエット洗浄が広く用いられているが、最近では、エッチングの選択性や均一性、再現性に優れ、かつ環境に優しい、フッ化水素（ＨＦ）ガスを用いたドライ洗浄が注目されるに至っている。
【０００３】
この種のＨＦドライ洗浄においては、通常、酸化膜が形成された半導体ウエハを、ＨＦベーパガスまたは高濃度の無水フッ化水素ガスに曝すことによって酸化膜のエッチングが行なわれている（たとえば特許文献１，２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−８２２２号公報
【特許文献２】特開２００１−３１９９１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような従来のＨＦドライ洗浄方法では、以下のような問題があり、その改善が望まれていた。
【０００６】
（１）すなわち、ＨＦベーパガスによる場合、反応ガスは無水フッ化水素ガスとＨ2Ｏガスとから構成されることから完全なドライ洗浄とならず、また、処理後にウエハ表面にＳｉＯ系反応物とみられるシリカ残渣が残るという問題があった。そのため、ＨＦベーパガスによる場合、エッチング処理後に残渣を除去するための後洗浄工程が必要とされていた。
【０００７】
（２）一方、反応ガスに高濃度の無水フッ化水素ガスを用いる場合は、完全なドライ環境での洗浄処理が可能になるが、その反面、酸化膜のエッチング速度が速いため、たとえば、半導体製造プロセスの成膜前における自然酸化膜の除去プロセスへの使用には適さないという問題があった。
【０００８】
すなわち、半導体ウエハに形成される自然酸化膜の膜厚は最大でも５ｎｍ（５０Å）程度と極めて薄い一方で、自然酸化膜は熱酸化膜に比べてエッチング速度が速い（換言すれば、エッチングレートが高い）ことから、高濃度のＨＦガスを用いて自然酸化膜をエッチングしていたのではエッチングの制御が難しく、半導体ウエハにダメージを与えるおそれがあった。なお、この点は、特に半導体ウエハを１枚ずつ処理する枚葉式の装置において顕著であり、枚葉式のエッチング装置への適用を困難にする要因となっていた。
【０００９】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、完全なドライ環境の下で酸化膜のエッチング速度を抑制し、かつ、シリカ残渣が残らない酸化膜のエッチング方法およびその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明に係る酸化膜のエッチング方法は、酸化膜が形成された半導体ウエハを、８０℃乃至１２０℃の所定の温度下でかつ１２Ｋｐａ乃至４０Ｋｐａの範囲内の所定の減圧下に保持した状態で、無水フッ化水素ガスを所定の混合比率で不活性ガスにより希釈化した反応ガスに曝すことを特徴とする。
【００１１】
そして、本発明はその好適な実施態様として、上記不活性ガスの混合比率を変えて酸化膜のエッチング速度を制御するものとされ、また、上記不活性ガスとして窒素ガスが好適に使用される。
【００１２】
また、本発明に係るエッチング装置は、反応ガスとして無水フッ化水素ガスと不活性ガスとを混合してなる反応ガスを用いるエッチング装置であって、半導体ウエハを気密状態で収容可能な反応室と、上記反応室を減圧する減圧手段と、上記反応室内を加熱昇温させる反応室加熱手段と、上記半導体ウエハに向けて反応ガスを噴射供給する反応ガス供給手段とを備えてなり、上記反応ガスを上記反応ガス供給手段に案内する反応ガス供給路に、無水フッ化水素ガスと不活性ガスとの混合比率を設定する反応ガス混合手段と、上記反応ガスを加熱する反応ガス加熱手段とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、無水フッ化水素ガスと不活性ガスとを反応室に導入する前に混合してＨＦガスの濃度を低減していることから、無水フッ化水素ガスを単独で反応ガスとして用いる場合に比べて酸化膜のエッチング速度を低減することができる。
【００１４】
また、無水フッ化水素ガスと不活性ガスとの混合比率を任意に設定することで、酸化膜のエッチング速度を制御することができ、半導体ウエハにダメージを与えることなく酸化膜のエッチング処理を行なうことが可能になる。つまり、不活性ガスの混合比率を多くすることでエッチング速度を遅くできるので、枚葉式の装置への適用が可能になる。
【００１５】
さらに、上記反応ガスとして完全なドライガス（無水フッ化水素ガスと不活性ガスの混合ガス）を用いることから、処理後にウエハ表面にシリカ残渣が残らず、また万一残渣が発生しても反応室内を減圧、高温としているので、シリカ残渣を排出できる。つまり、本発明は、高温環境下で行なうので残渣が蒸発し易く、また、減圧されているので蒸発した残渣の排出が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明に係るエッチング装置の概略構成を示す説明図である。図示のエッチング装置１は、半導体ウエハＷに形成された酸化膜をエッチングするための枚葉式の洗浄装置であって、反応ガスＧとして、無水フッ化水素ガスＨＦと不活性ガス（本実施形態では窒素ガスＮ2）を混合したガスを用いるドライ洗浄装置で構成される。
【００１８】
具体的には、このエッチング装置１は、図示のように、反応室２と、減圧手段３と、反応室加熱手段４と、反応ガス供給手段５と、反応ガス混合手段７と、反応ガス加熱手段８と、制御手段９とを主要部として構成される。
【００１９】
上記反応室２は、半導体ウエハＷを気密状態で収容可能な構造を備え、半導体ウエハＷを所定の減圧下でかつ所定の温度下でドライエッチングする処理室である。この反応室２には、スリットバルブ２ａを備えた完全密封式のゲート２ｂが設けられており、半導体ウエハＷは、図示しない搬送ロボットにより、このゲート２ｂを通じて反応室２内に対し搬入・搬出される。
【００２０】
上記反応室２内の下部位置には、上記ゲート２ｂを通じて搬入される半導体ウエハＷを載置させるためのテーブル１０が設けられる。このテーブル１０は、半導体ウエハＷに対してエッチング処理を行なう際の作業台となるもので、半導体ウエハＷよりも大径のテーブル本体１０ａと、このテーブル本体１０ａを回転可能に軸支する回転軸１０ｂとから構成され、回転軸１０ｂが図示しない回転駆動機構に接続されて、テーブル本体１０ａが回転駆動可能に構成されている。
【００２１】
一方、上記反応室２の上部位置には、反応ガス供給路６を介して供給される反応ガスＧを、上記テーブル１０上に載置された半導体ウエハＷに向けて噴射・供給する反応ガス供給手段５が設けられる。
【００２２】
この反応ガス供給手段５は、上記テーブル１０に対向して配置される。換言すれば、この反応ガス供給手段５は、テーブル１０上に載置される半導体ウエハＷに臨んでテーブル１０の上方に配置される。
【００２３】
本実施形態では、この反応ガス供給手段５は、テーブル１０に対向する平面に反応ガスＧを噴射するための複数の貫通孔（図示せず）が設けられたシャワーヘッドの形態を有し、半導体ウエハＷに反応ガスＧが均一に噴射・供給されるように構成されている。なお、このシャワーヘッドも、上記テーブル１０と同様に、そのヘッド部分の外径が上記半導体ウエハＷの外径よりも大きく設定される。
【００２４】
ここで、反応ガス供給路６は、反応ガス供給手段５に反応ガスＧを案内するための配管で構成され、図示のように、このガス供給路６には、無水フッ化水素ガスＨＦを充填してなるガスボンベ（ＨＦガス供給源）１１と、窒素ガスＮ2を充填してなるガスボンベ（窒素ガス供給源）１２とが接続される。
【００２５】
具体的には、上記ＨＦガス供給源１１と窒素ガス供給源１２は、それぞれガス流量を制御するマスフロコントローラ７１，７２を介して上記ガス供給路６に接続される。そして、このマスフロコントローラ７１，７２によるガス流量制御によって上記反応ガス供給路６に供給される無水フッ化水素ガスＨＦと窒素ガスＮ2の混合比率が設定され、マスフロコントローラ７１，７２から出力された両ガスが反応ガス供給路６に導入される際に合流することで、両ガスが自然に混合される。つまり、本実施形態では、マスフロコントローラ７１，７２とガス供給路６への配管接続部によって反応ガス混合手段７が構成されている。
【００２６】
なお、図において、各マスフロコントローラ７１，７２の前後に設けられた弁装置７４，７５は、マスフロコントローラ７１、７２への入力およびマスフロコントローラ７１、７２からの出力を遮断するための電磁弁である。また、図示例では、上述した無水フッ化水素ガスＨＦおよび窒素ガスＮ2以外のガス（オプションガス）を上記反応ガス供給路６に供給できるように、オプションガス用のガスボンベ１３と、オプションガス用のマスフロコントローラ７３とが設けられている。さらに、各ガスボンベ１１，１２，１３の近傍には、これら各ガスボンベ１１，１２，１３からのガス出力を手動で開閉するための手動弁７６が設けられている。
【００２７】
そして、このように構成された反応ガス供給路６には、該供給路６内を流れる反応ガスＧを所定の温度範囲（本実施形態では、８０℃乃至１２０℃の範囲）にまで加熱昇温させるための反応ガス加熱手段８が設けられている。この反応ガス加熱手段８としては、たとえば、反応ガス供給路６を構成する配管の外周全体をヒーティングジャケット等のヒータで覆うなどの措置がとられる。
【００２８】
また、これに関連して、上記反応室２にも、その外側（図示例では鎖線で示す反応室上部）にヒーティングジャケット等の反応室加熱手段４が設けられ、少なくとも、半導体ウエハＷのエッチング処理時には、この加熱手段４によって反応室２内の雰囲気温度が所定の温度範囲（本実施形態では、８０℃乃至１２０℃の範囲）に維持されるように構成されている。
【００２９】
減圧手段３は、上記反応室２（図示例では、テーブル１０の外周端面の外側下方）に連通接続される排気管３１と、この排気管３１の配管経路上に設けられた自動圧力制御弁３２と、ドライポンプ３３とで構成される。
【００３０】
自動圧力制御弁３２は、半導体ウエハＷのエッチング処理を行なう際に、上記反応室２内の内圧が所定の範囲内（本実施形態では、１２Ｋｐａ乃至４０Ｋｐａの範囲）の所定圧力に維持されるように設けられた圧力調整弁である。また、ドライポンプ３３は、真空ポンプ等の周知の減圧装置で構成され、反応室２内の気体を排出することによって反応室２内を減圧するように構成されている。
【００３１】
なお、図において、符号１５で示すのは除害装置であり、この除害装置１５により、排気管３１を通じて排出される気体のうちの有毒成分等が除害され、無害化された状態で装置外部に排出される。
【００３２】
制御手段９は、エッチング装置１の各部の動作を制御する制御装置であって、具体的には、所定の制御プログラムを備えたマイクロコンピュータを主要部として構成される。
【００３３】
次に、本発明に係るエッチング装置１の動作について説明する。なお、以下の説明は、本発明のエッチング装置１を半導体製造プロセスの成膜前処理工程（換言すれば、レジスト剥離工程後であって熱酸化膜、ＣＶＤ膜、ＰＶＤ膜などの成膜処理を行なう前の工程）における自然酸化膜の除去プロセスに適用した場合についてのものである。
【００３４】
ここではまず、エッチング装置１の動作説明に先立ち、反応ガスＧの混合比率と、半導体ウエハのウエハ温度（半導体ウエハに噴射される反応ガスＧの温度）と、酸化膜のエッチングレートとの関係を図２に基づいて説明する。図２は、窒素ガスＮ2と無水フッ化水素ガスＨＦとの混合比率を５：１（Ｎ2：ＨＦ＝１０００：２００ｓｃｃｍ）とした場合における半導体ウエハＷのウエハ温度と酸化膜のエッチングレートとの関係を出願人が測定したものである。
【００３５】
図示のように、反応ガスＧにおける無水フッ化水素ガスＨＦの濃度を低くした状態では、反応ガスＧの温度が８０℃乃至１２０℃の範囲にあるときに酸化膜のエッチングレートが低い状態で安定し、また、このエッチングレートの安定は、反応室２内の圧力を１２Ｋｐａ，２４Ｋｐａ，４０Ｋｐａと変化させてみても均一に現れることが判明した。
【００３６】
本発明に係るエッチング装置１は、このように酸化膜のエッチングレートが低い状態で安定する条件を反応室２内に再現して、その状態で酸化膜のエッチング処理を行なうことにより膜厚の薄い自然酸化膜のエッチング制御を実現する。
【００３７】
すなわち、上記制御手段９は、このような条件を再現するため、エッチング装置１が待機状態にあるときには、上記反応ガスＧおよび反応室２内の温度が、上述した８０℃乃至１２０℃の範囲内の所定温度に保たれるように上記反応室加熱手段４および反応ガス加熱手段８を作動させる。
【００３８】
そして、レジスト剥離工程を終えた半導体ウエハＷがエッチング装置１のところまで搬送されると、上記制御手段９は、図示しない搬送ロボットが半導体ウエハＷを上記反応室２内のテーブル１０上の所定位置に載置して退出するまでの間スリットバルブ２ａを開き、搬送ロボット退出後にスリットバルブ２ａを閉じる。
【００３９】
このようにしてスリットバルブ２ａが閉じると、次に、制御手段９は、ドライポンプ３３を駆動し、反応室２内を所定の圧力まで減圧する。ここでの減圧処理は、上述したエッチングレートが低い状態で安定する１２Ｋｐａ乃至４０Ｋｐａの範囲内までとされる。
【００４０】
しかして、反応室２内の減圧処理が完了すると、次に、制御手段９は、無水フッ化水素ガスＨＦと窒素ガスＮ2について設けられた弁装置７４，７５を開いて、無水フッ化水素ガスＨＦと窒素ガスＮ2を上記反応ガス供給手段５に供給する。
【００４１】
また、その際、上記制御手段９は、窒素ガスＮ2と無水フッ化水素ガスＨＦとの混合比率が所定の混合比率（本実施形態では、窒素ガスＮ2と無水フッ化水素ガスＨＦとの混合比率が５：１）となるように上記マスフロコントローラ７１，７２のガス流量を制御する。これにより、窒素ガスによって希釈化された無水フッ化水素ガス（反応ガス）が反応ガス供給手段５から半導体ウエハＷに向けて噴射・供給される。つまり、半導体ウエハＷは、反応ガス供給手段５から噴射される反応ガスＧに曝され、表面に形成された酸化膜のエッチング処理が行われる。
【００４２】
なお、その際、上記テーブル１０を回転駆動することにより半導体ウエハＷにエッチングが均一に行われる。
【００４３】
そして、エッチング処理が完了すると、制御手段９は、弁装置７４，７５を閉じて、無水フッ化水素ガスＨＦと窒素ガスＮ2の供給を停止する。そして、真空排気を行い、所定時間後に窒素ガスＮ2を供給する。そして、図示しない搬送ロボットが半導体ウエハＷを上記反応室２から搬出するまでスリットバルブ２ａを開き、搬出完了後にスリットバルブ２ａを閉じて再び待機状態に移行する。
【００４４】
このように、本発明に係るエッチング装置１は、無水フッ化水素ガスＨＦと不活性ガスである窒素ガスＮ2とを反応室２に導入する前に混合して無水フッ化水素ガスの濃度を低減していることから、無水フッ化水素ガスを単独で反応ガスとして用いる場合に比べて酸化膜のエッチング速度を低減することができる。
【００４５】
また、マスフロコントローラ７１，７２によって無水フッ化水素ガスと窒素ガスＮ2との混合比率を任意に設定することができるので、両者の混合比率を変えることで、酸化膜のエッチング速度を制御することができ、半導体ウエハにダメージを与えることなく酸化膜のエッチング処理を行なうことができる。
【００４６】
さらに、上記反応ガスＧとして完全なドライガス（無水フッ化水素ガスＨＦと窒素ガスの混合ガス）を用いることから、シリカ残渣は発生せず、ウエハ表面にシリカ残渣が残ることがない。また、万一シリカ残渣が発生しても、反応室２内を減圧、高温としているので、シリカ残渣は排気管３１を通じて外部に排出されるので、ウエハ表面にシリカ残渣が残らない。
【００４７】
なお、この点に関して、出願人は、本発明のエッチング装置１を用いてエッチング処理を行なった半導体ウエハＷについてＳＥＭ−ＥＤＸ分析を行い、ウエハ表面にシリカ残渣がないことを確認している。図３はこのＳＥＭ−ＥＤＸ分析の結果を示している。
【００４８】
図３において左側に示す図は、半導体ウエハＷの表面のＳＥＭ像（無作為に抽出した３箇所のＳＥＭ像）を示しており、また、右側に示す図は、同左図の各ポイントにおける元素分析結果を示している。なお、図において、「Reference」はパーティクルのない部分を、また、「POINT１」〜「POINT５」はパーティクル部分をそれぞれ示している。
【００４９】
この図３に示すように、本発明によれば、半導体ウエハＷ表面に現れたパーティクル「POINT１」〜「POINT５」のいずれの分析結果もパーティクルのない「Reference」部分の分析結果と同様の結果となり、ウエハ表面にシリカ残渣が残らないことが確認された。
【００５０】
なお、上述した実施形態はあくまでも本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれに限定されることなくその範囲内で種々の設計変更が可能である。
【００５１】
たとえば、上述した実施形態では、無水フッ化水素ガスＨＦと混合する不活性ガスとして窒素ガスＮ2を用いた場合を示したが、窒素ガス以外の不活性ガスを混合することも可能である。
【００５２】
また、上述した実施形態では、マスフロコントローラ７１，７２から出力される無水フッ化水素ガスＨＦと窒素ガスＮ2を、反応ガス供給路６において自然に混合する構成を採用したが混合器を設けて強制的に混合するように構成することも可能である。
【００５３】
さらに、上述した実施形態では、無水フッ化水素ガスＨＦを充填してなるガスボンベ（ＨＦガス供給源）１１と、窒素ガスＮ2を充填してなるガスボンベ（窒素ガス供給源）１２とを別個に設けて反応室２への導入前に両ガスを混合する構成を示したが、無水フッ化水素ガスＨＦと窒素ガスＮ2とを予め混合しておき、この混合ガスを単一のガスボンベに重点して用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係るエッチング装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】窒素ガスＮ2と無水フッ化水素ガスＨＦとの混合比率を５：１（Ｎ2：ＨＦ＝１０００：２００ｓｃｃｍ）とした場合における半導体ウエハのウエハ温度と酸化膜のエッチングレートとの関係を示す説明図である。
【図３】本発明に係るエッチング装置を用いたエッチング処理後における半導体ウエハ表面のＳＥＭ−ＥＤＸ分析結果の一例を示す説明図である。
【００５５】
１          エッチング装置
２          反応室
３          減圧手段
４          反応室加熱手段
５          反応ガス供給手段
６          反応ガス供給路
７          反応ガス混合手段
８          反応ガス加熱手段
９          制御手段
１０        テーブル
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008034688.tif 000005