JP2004335923A - エッチング方法およびエッチング装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ウエハ上における被加工膜の膜厚プロファイルによらずに膜厚の均一化が可能であり、これによりウエハ表面のグローバルな平坦化が可能なエッチング方法およびエッチング装置を提供する。
【解決手段】ウエハ上に形成された被加工膜の膜厚プロファイルを予め把握しておき、被加工膜の膜厚の厚い部分にエッチャント薬液Ｌ１を吐出してウェットエッチングを行うエッチング方法において、エッチャント薬液Ｌ１の吐出と同時に、被加工膜の膜厚の薄い部分にチャント薬液Ｌ１の希釈液Ｌ２を吐出する。
【選択図】 図２
【解決手段】ウエハ上に形成された被加工膜の膜厚プロファイルを予め把握しておき、被加工膜の膜厚の厚い部分にエッチャント薬液Ｌ１を吐出してウェットエッチングを行うエッチング方法において、エッチャント薬液Ｌ１の吐出と同時に、被加工膜の膜厚の薄い部分にチャント薬液Ｌ１の希釈液Ｌ２を吐出する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウエハの表面形状を平坦化するためのエッチング方法およびこれに用いるエッチング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高集積化にともない、素子や配線の微細化、多層化が進んでいる。微細配線のパターン形成は、薄膜形成技術とリソグラフィ技術により行われているが、多層化に当たって、微細パターンを精度良く形成するためには、下地表面の平坦化が不可欠である。
【０００３】
例えば、ゲート電極の微細化に対しては、リソグラフィ技術の露光機性能に依るところも大きいが、素子分離領域の微細化及びゲート電極との距離の縮小化については、先端リソグラフィ技術の他にトレンチ素子分離（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ：以下、ＳＴＩと称する。）技術による下地の平坦化技術も注目を集めている。
【０００４】
図７には、平坦化工程の一例としてＳＴＩ工程の断面工程図を示す。ＳＴＩ工程においては、先ず、図７（１）に示すように、シリコン基板からなるウエハ１上に熱酸化膜２を介して窒化シリコンからなるストッパ層３をパターン形成し、このストッパ層３を無機マスクとしてウエハ１の表面側にトレンチ４を形成する。そして、このトレンチ４内を埋め込む状態で、酸化シリコンからなる埋め込み絶縁膜５を成膜する。ここで、埋め込み絶縁膜５の形成は、通常ＣＶＤ法によって行われるが、ＣＶＤ法による成膜においては、ウエハ１表面における成膜膜厚にばらつきが生じ、例えばウエハ１の中心部の膜厚ｔ１と比較して周辺部の膜厚ｔ２が厚い絶縁膜が形成される。
【０００５】
このような状態において、埋め込み絶縁膜５の平坦化処理としてＣＭＰ（化学的機械研磨）法を行うと、初期の埋め込み絶縁膜５の表面に存在するグローバルな段差が、研磨後における埋め込み絶縁膜５の表面にも残される。
【０００６】
そこで、図７（２）に示すように、ＣＭＰ研磨による平坦化の前処理として、埋め込み絶縁膜５の膜厚を均一化するためのエッチングを行う。このエッチングにおいては、予め、被加工膜である埋め込み絶縁膜５の膜厚プロファイルを把握しておき、埋め込み絶縁膜５の膜厚の厚い部分のみにエッチャント薬液を吐出して埋め込み絶縁膜５をエッチングする。この場合、例えば図８に示すように、回転させたウエハ１の半径方向にエッチャント薬液Ｌ１の吐出位置を移動させる。この際、図９（１）の膜厚プロファイルに示すような、ウエハ１の半径方向における被加工膜（埋め込み絶縁膜５）の膜厚プロファイル情報に基づき、膜厚の厚い部分に対して合計でより多くのエッチャント薬液Ｌ１が供給されるように、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置を移動させる。
【０００７】
これにより、シリコン基板の周辺における膜厚が中心（０）部分の膜厚よりも厚い埋め込み絶縁膜が、図９（２）のプロファイルに示すように周辺と中心（０）付近とで同じ膜厚になり、シリコン基板上における埋め込み絶縁膜のグローバルな平坦化が達成される（以上、下記特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１３４４６６号公報
【０００９】
また、ＳＴＩの形成においては、以上のようなエッチングによって、図７（２）に示すように、埋め込み絶縁膜５の膜厚を均一化した後、図７（３）に示すように、ストッパ層３が露出するまで埋め込み絶縁膜５の表面をＣＭＰ研磨する。これにより、ウエハ１の周辺部のストッパ層３上に埋め込み絶縁膜５を残すことなく、またウエハ１の中心部においての研磨過剰を防止することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したエッチング方法では、膜厚を補正できる被加工膜の膜厚プロファイルが限定され、例えば、図１０（１）に示すようなウエハの中心（０）付近において膜厚の厚い被加工膜の膜厚を均一化することはできない。すなわち、このような膜厚プロファイルを有する被加工膜に対して、上述したエッチング方法による膜厚の補正を施した場合、最も膜厚の厚いウエハの中心（０）付近にエッチャント薬液Ｌ１の吐出位置が配置されるため、エッチャント薬液Ｌ１は遠心力によってウエハの周辺部に向かって流れ、ウエハの全面に供給されることになる。したがって、このようなエッチング方法を施しても、図１０（２）に示すように、被加工膜が全体的にエッチングされて薄膜化するだけであり、その膜厚を均一化することはできないのである。
【００１１】
そして、ＳＴＩの形成工程においては、この様なエッチングを施した埋め込み絶縁膜（被加工膜）に対してＣＭＰ研磨による平坦化処理が行われることになる。このため、図１１（１）に示すように、ウエハ周辺部のストッパ層３を露出させるようにＣＭＰ研磨条件を設定すると、ウエハ中心部ではストッパ層３上の埋め込み絶縁膜５が研磨されずに残存してしまうことになる。この状態を保持したまま、次工程において、熱リン酸によるウェットエッチング、もしくは等方性のケミカルドライエッチングによりストッパ層３を除去しようとすると、ウエハ周辺部においては、残存する埋め込み絶縁膜５がマスクになり、きれいに除去できないことになる。その結果、ウエハ周辺部では所望の加工形状が得られず、半導体装置の特性的にも不良となり歩留まり低下を引き起こす。
【００１２】
また、上記のような悪影響を嫌って、図１１（２）に示すようにウエハ中心部のストッパ層３が露出するまでＣＭＰ研磨を行おうとすると、今度はウエハ周辺部のトレンチ４内の埋め込絶縁膜５が過剰に研磨されることになり、ウエハ中心部と外周部でのトレンチ４内の埋め込み絶縁膜５の厚さが異なることになる。これにより、素子分離特性がウエハ面内で異なる結果になる。したがって、所望の半導体装置の特性が得られず、歩留まり低下を引き起こすことになる。
【００１３】
そこで本発明は、ウエハ上における被加工膜の膜厚プロファイルによらず、どのような膜厚プロファイルを有する被加工膜であっても膜厚の均一化が可能であり、これによりウエハ表面のグローバルな平坦化が可能なエッチング方法およびエッチング装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明のエッチング方法は、ウエハ上に形成された被加工膜の膜厚プロファイルを予め把握しておき、当該被加工膜の膜厚の厚い部分にエッチャント薬液を吐出してウェットエッチングを行うエッチング方法において、エッチャント薬液の吐出と同時に、被加工膜の膜厚の薄い部分に当該チャント薬液の希釈液を吐出することを特徴としている。
【００１５】
このようなエッチング方法によれば、被加工膜の膜厚の厚い部分に吐出されたエッチャント液が被加工膜の膜厚が薄い部分にまで広がった場合、この膜厚が薄い部分に吐出された希釈液によってエッチャント液が薄められる。このため、膜厚の薄い部分においてはエッチャント液による被加工膜のエッチング効果が弱められる。したがって、被加工膜のエッチングは、膜厚の薄い部分よりも膜厚の厚い部分でより多く進むようになり、被加工膜の膜厚分布の均一化が図られる。
【００１６】
また、本発明のエッチング装置は、ウエハを回転保持するスピンチャック、このスピンチャックに保持されたウエハ上の所定位置にエッチャント薬液を供給する薬液ノズル、およびスピンチャックに保持されたウエハ上におけるエッチャント薬液の吐出位置よりも外周側にエッチャント液の希釈液を吐出する希釈液ノズルを備えている。
【００１７】
このような構成のエッチング装置では、スピンチャック上に回転保持されたウエハの半径方向における所定位置に、薬液ノズルからエッチャント薬液が吐出され、これよりも外周側に希釈液ノズルから希釈液が吐出される。このため、エッチャント薬液の吐出位置よりも外周側には、ウエハの回転による遠心力によってエッチャント薬液が流れて供給されるものの、エッチャント薬液が希釈液で希釈されてエッチング速度を低下させることができる。一方、エッチャント薬液の吐出位置よりも内周側には、ウエハの回転による遠心力によってエッチャント薬液の流れ込みが防止され、エッチャント薬液によるエッチングが抑えることができる。したがって、エッチャント薬液の吐出位置で最もエッチング速度が高く、それよりも外周方向および内周方向ではエッチングの進行を抑えることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用したエッチング方法およびエッチング装置の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
＜エッチング装置＞
図１は、本発明のエッチング方法に用いるエッチング装置の一例を示す構成図である。この図に示すエッチング装置１００は、ウエハ１を回転保持するスピンチャック１０１、エッチャント薬液Ｌ１を吐出する薬液ノズル１０３、および希釈液Ｌ２を吐出する希釈液ノズル１０５を備えている。
【００２０】
このうち特に、薬液ノズル１０３は、スピンチャック１０１に保持されたウエハ１上の所定位置にエッチャント薬液Ｌ１を吐出する。この薬液ノズル１０３は、スピンチャック１０１に保持されたウエハ１の回転中心から半径方向にかけて自在に移動可能であり、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置を移動可能な構成となっている。尚、薬液ノズル１０３は、スピンチャック１０１に保持されたウエハ１上の半径方向の複数位置にエッチャント薬液Ｌ１を吐出する複数の吐出口を有しても良い。
【００２１】
また希釈液ノズル１０５は、スピンチャック１０１に保持されたウエハ１上の所定位置にエッチャント液Ｌ１の希釈液Ｌ２を吐出する。この希釈液ノズル１０５は、スピンチャック１０１の回転中心に対して、薬液ノズル１０３によるエッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりも外周側に希釈液Ｌ２を吐出するように設けられている。またさらに、希釈液ノズル１０５は、スピンチャック１０１に保持されたウエハ１上の半径方向に自在に移動可能であり、希釈液Ｌ２の吐出位置を移動可能な構成となっている。尚、希釈液ノズル１０５は、スピンチャック１０１に保持されたウエハ１上の半径方向の複数位置に希釈液Ｌ２を吐出する複数の吐出口を有しても良い。
【００２２】
このような構成のエッチング装置１００では、スピンチャック１０１上に回転保持されたウエハ１の半径方向における所定位置に、薬液ノズル１０３からエッチャント薬液Ｌ１が吐出され、これよりも外周側に希釈液ノズル１０５から希釈液Ｌ２が吐出される。このため、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりも外周側には、ウエハ１の回転による遠心力によってエッチャント薬液Ｌ１が流れて供給されるものの、エッチャント薬液Ｌ１が希釈液Ｌ２で希釈されてエッチング速度を低下させることができる。一方、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりも内周側には、ウエハ１の回転による遠心力によってエッチャント薬液Ｌ１の流れ込みが防止され、エッチャント薬液Ｌ１によるエッチングの進行を抑えることができる。したがって、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置で最もエッチング効果が高く、それよりも外周方向および内周方向ではエッチング効果を抑えたエッチングを行うことができる。
【００２３】
そして、薬液ノズル１０３が半径方向に移動可能であることから、薬液ノズル１０３からのエッチャント薬液Ｌ１の供給と共にエッチャント薬液Ｌ１の吐出位置を半径方向に移動することで、外周側に位置するほどエッチャント薬液Ｌ１の供給量を増加させることができる。これにより、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置における外周側ほど、エッチャント薬液Ｌ１によるエッチング効果を高くすることができる。これは、薬液ノズル１０３がウエハ１の半径方向に複数の吐出口を有し、各吐出口からエッチャント薬液Ｌ１を吐出させた場合も同様である。
【００２４】
また、希釈液ノズル１０５が半径方向に移動可能であることから、希釈液ノズル１０５からの希釈液Ｌ２の供給と共に希釈液Ｌ２の吐出位置を半径方向に移動することで、外周側に位置するほど希釈液Ｌ２の供給量を増加させることができる。これにより、希釈液Ｌ２の吐出位置における外周側ほど、エッチャント薬液Ｌ１の希釈率を高くしてエッチング速度を遅らせることができる。これは、希釈液ノズル１０５がウエハ１の半径方向に複数の吐出口を有し、各吐出口から希釈液Ｌ２を吐出させた場合も同様である。
【００２５】
＜エッチング方法＞
次に、上述した構成のエッチング装置を用いて好適に行われる本発明のエッチング方法の実施形態を、上記図１とともに各膜厚プロファイルに基づいて説明する。
【００２６】
本発明におけるエッチング方法においては、被加工膜の膜厚プロファイルを予め把握しておき、加工手段との相性が悪い部分、例えば膜厚の厚い部分のみにエッチャント薬液Ｌ１を吐出し、膜厚の薄い部分に希釈液Ｌ２吐出してエッチングするというのが基本的な考えである。上記エッチングには、図１を用いて説明した構成のエッチング装置が好適に用いられる。
【００２７】
上記膜厚の厚い部分のみにエッチングを行うには、例えばウエハ１の半径方向の位置情報とウエハ１上に形成した被加工膜の膜厚プロファイル情報に基づき、ウエハ１の半径方向における被加工膜の膜厚の厚い位置にエッチャント薬液Ｌ１を吐出すると同時に、エッチャント薬液Ｌ１よりも外周側の膜厚の薄い部分にエッチャント薬液Ｌ１の希釈液Ｌ２を吐出する。
【００２８】
ここでは先ずエッチング方法の第１例として、図２（１）に示すように、ウエハ上に、中心（０）部の膜厚が厚く外周側に向かって徐々に薄くなるような膜厚プロファイルを有する被加工膜が形成されている場合を例示する。尚、このような被加工膜の膜厚ばらつきは、ＣＶＤ成膜や塗布成膜などの成膜に起因するばらつきや、さらには、被加工膜をドライエッチングした際の面内ばらつきに起因するばらつきであり、特にウエハの半径方向の膜厚ばらつきであることとする。
【００２９】
この場合先ず、スピンチャック１０１の回転中心とウエハ１の中心を一致させた状態で、スピンチャック１０１にウエハ１を回転保持させる。そして、被加工膜の膜厚が最も厚い部分であるウエハ１の中心（０）に、薬液ノズル１０３からエッチャント薬液Ｌ１を吐出することでウエハ１上の被加工膜をエッチングする。
【００３０】
そして、ウエハＷを回転させながら薬液ノズル１０３からエッチャント薬液Ｌ１を吐出すると、いわゆるスピンコータ等と同様、エッチャント薬液Ｌ１は遠心力により外周方向へと流れる。このため、ウエハＷの外周においてもエッチャント薬液Ｌ１によるエッチングが進む。
【００３１】
そこで、薬液ノズル１０３からのエッチャント薬液Ｌ１の吐出と同時に、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりも外周となる位置に、希釈液ノズル１０５からエッチャント薬液Ｌ１の希釈液Ｌ２を吐出する。この希釈液Ｌ２には、エッチャント薬液Ｌ１の溶媒成分、またはエッチャント薬液Ｌ１におけるエッチャント成分を中和させる薬液を用いる。これにより、ウエハＷの中心部よりも被加工膜の膜厚の薄い外周部においてエッチャント薬液Ｌ１が希釈液Ｌ２によって希釈（中和）され、エッチャント液Ｌ１による被加工膜のエッチング効果が弱められる。
【００３２】
またこの際、希釈液ノズル１０５を、薬液ノズル１０３よりも外周側において、ウエハ１の半径方向に移動させながら希釈液Ｌ２を吐出すると、外周側に行くほど希釈液Ｌ２の供給時間が長くなる。このため、外周側に行くほど、エッチャント薬液Ｌ１の希釈率が高くなり、エッチャント薬液Ｌ１によるエッチング効果が小さくなる。尚、希釈液ノズル１０５が半径方向に複数の吐出口を備えている場合には、外周側に行くほど希釈液Ｌ２の供給量が多くなり、外周側に行くほどエッチャント薬液Ｌ１の希釈率が高くなる。したがって、希釈液ノズル１０５のウエハ１の半径方向に移動させる必要はない。
【００３３】
これにより、図２（２）の膜厚プロファイルに示すように、ウエハ１の中心（０）とその外周側の被加工膜の膜厚差を解消することができる。そして、被加工膜の表面のグローバル段差を解消することができる。また、このようにして膜厚を均一化した被加工膜に対して、ＣＭＰ研磨やエッチバックなどの平坦化処理を施した場合に、ウエハ１の全面において均一な平坦化処理を施すことが可能になる。
【００３４】
次にエッチング方法の第２例として、図３（１）に示すように、ウエハ１上に、半径方向の中心（０）付近の膜厚が薄く外周側に向かって徐々に膜厚が厚くなるような膜厚プロファイルを有する被加工膜が形成されている場合を例示する。尚、このような被加工膜の膜厚ばらつきは、第１例で説明したと同様に発生する。
【００３５】
この場合先ず、スピンチャック１０１の回転中心とウエハ１の中心を一致させた状態で、スピンチャック１０１にウエハ１を回転保持させる。そして、膜厚が最も厚い位置Ｐｍａｘよりも半径方向の内周側の位置Ｐｉｎからこの位置Ｐｍａｘにかけて、薬液ノズル１０３をウエハＷの半径方向に移動させながらエッチャント薬液Ｌ１を吐出する。ここで、位置Ｐｉｎは、最も膜厚が薄い位置から、膜厚が厚くなる方向へ変化する位置であることとする。これにより、位置Ｐｉｎから外周側に遠心力によってエッチャント薬液Ｌ１が供給されることになるが、位置Ｐｉｎから外周側に行くほどエッチャント薬液Ｌ１の供給時間が長くなり、位置Ｐｍａｘを含むその外周側でエッチャントＬ１の供給時間が最も長くなる。このため、位置Ｐｉｎから位置Ｐｍａｘにかけては、外周側に行くほどエッチャント薬液Ｌ１によるエッチングが多く進み、被加工膜のエッチング量が大きくなる。
【００３６】
そしてこのように、ウエハＷを回転させながら薬液ノズル１０３からエッチャント薬液Ｌ１を吐出すると、エッチャント薬液Ｌ１が遠心力により突出位置よりも外周方向へと流れるため、膜厚が最も厚い部分Ｐｍａｘもの外周においてもエッチャント薬液Ｌ１によるエッチングが進む。このため、位置Ｐｍａｘよりも外周側において、ウエハＷの半径方向に希釈液ノズル１０５を移動させながら希釈液Ｌ２を吐出することは、上述の第１例と同様である。これにより、位置Ｐｍａｘよりも外周側では、外周側に行くほどエッチャント薬液Ｌ１の希釈率が高くなり、エッチャント薬液Ｌ１によるエッチング効果が小さくなる。
【００３７】
以上により、図３（２）の膜厚プロファイルに示すように、ウエハＷの外周側と内周側の被加工膜の膜厚差を解消することができる。そして、被加工膜の表面のグローバル段差を解消することができる。また、このようにして膜厚を均一化した被加工膜に対して、ＣＭＰ研磨やエッチバックなどの平坦化処理を施した場合に、ウエハ１の全面において均一な平坦化処理を施すことが可能になる。
【００３８】
次にエッチング方法の第３例として、図４（１）に示すように、ウエハ１上に、半径方向の中心（０）と半径方向の外周部とに２つのピークを有する膜厚プロファイルの被加工膜が形成されている場合を例示する。尚、このような被加工膜の膜厚ばらつきは、第１例で説明したと同様に発生する。このような膜厚プロファイルの被加工膜の処理は、先に説明した第１例の手法と第２例の手法とを組みあわせて以下のように行う。
【００３９】
すなわち、先ず、図２を用いて説明した第１例と同様にして、スピンチャック１０１の回転中心とウエハ１の中心を一致させた状態でウエハ１を回転保持させる。そして、被加工膜の膜厚が最も厚い部分であるウエハ１の中心（０）に、薬液ノズル１０３からエッチャント薬液Ｌ１を吐出することでウエハ１上の被加工膜をエッチングする。また、これと同時に、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりも外周側において、希釈液ノズル１０５をウエハ１の半径方向に移動させながら希釈液Ｌ２を吐出させる。この際、希釈液ノズル１０５の移動範囲は、２つの膜厚のピークの谷間における最も膜厚の薄い位置までで良いが、最外周まで移動させても良い。
【００４０】
これにより、図４（２）に示すように、中心のピークがエッチングによって平坦化される。これは、第１例で説明したと同様の作用によって成される。ただし、この状態では、希釈液Ｌ２によってエッチャント薬液Ｌ１が薄められて供給された外側のピークはそのまま残される。
【００４１】
そこで、このような状態において、図３を用いて説明した第２例と同様の処理を行うことで、ウエハの半径方向における外側側のピーク（膜厚の厚い部分）をエッチングにより平坦化する。
【００４２】
尚、以上の第３例では、第１例の手法で中心のピークを平坦化した後に第２例の手法で外周側のピークを平坦化する手順を説明した。しかしながら、この手順は逆であっても良く、同様の平坦化が行われる。また、エッチング装置が、薬液ノズルと希釈液ノズルとを２組備えたものであれば、第１例の手法と第２例の手法とを同時に行うことも可能であり、同様の平坦化が行われる。この場合、２組の薬液ノズルと希釈液ノズルとは、スピンチャックの中心から外周側に向かって、薬液ノズル、希釈液ノズル、薬液ノズル、希釈液ノズルの順に配置されることとする。
【００４３】
以上の第１例〜第３例で説明したように、本発明のエッチング方法によれば、膜厚プロファイルによらずに膜厚の均一化を図ることが可能になるのである。
【００４４】
尚、以上の第１例〜第３例で説明したエッチング方法において、エッチャント薬液Ｌ１は被加工膜を低エッチング速度にてエッチングできる薬液種を用いることが好ましく、これにより、エッチング量の制御性が容易になり、より確実に膜厚の均一化を図ることが可能になる。
【００４５】
また、以上のエッチング方法においては、エッチャント薬液Ｌ１および希釈液Ｌ２が、それぞれの吐出位置から中心方向に流れない程度に、薬液Ｌ１，Ｌ２の吐出流量および吐出時間、さらにはウエハの回転数を設定することが好ましい。これにより、ウエハの半径方向におけるエッチング速度（エッチング効果）の制御性をより確実にすることができる。
【００４６】
また、以上のエッチング方法においては、エッチャント薬液Ｌ１の温度を高温（３０℃以上、好ましくは４０〜６０℃）にし、ウエハ周辺にエッチャント薬液Ｌ１が流れる際の冷却効果にてエッチング量が抑制されるようにしても良い。エッチング速度は、エッチャント薬液Ｌ１の温度が高いほど大きい。したがって、薬液ノズル１０３から高温のエッチャント薬液Ｌ１を吐出すると、吐出位置近傍ではエッチング速度が高く、外周側に流れるのに伴ってエッチャント薬液Ｌ１の温度が次第に下がりエッチング速度も下がっていく。このため、希釈液Ｌ２の供給によるエッチャント薬液Ｌ１の希釈によるエッチング速度の低下と合わせて、温度低下によってエッチング速度を低下させることも可能になり、ウエハ１の周辺位置においての過剰エッチングが防止される。
【００４７】
このような手法を採用する場合、エッチャント薬液Ｌ１の冷却を促進するために、スピンチャック１０１にウエハ１の周辺部の温度を下げる機能を付与すると、より効果的である。温度を下げる機能を付与するための機構としては、例えば、ウエハ１の周辺部の裏面にのみＮ２等の冷媒を吐出して冷却させる等の施策を挙げることができる。
【００４８】
また、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりも外周側においてエッチャントＬ１によるエッチング効果を低下させる他の方法として、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりも外周側において、不活性ガスの噴き付けにより外周側に向かうエッチャント薬液Ｌ１の流速を速める方法が有る。この場合、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりも外周側において、ウエハ１の斜め上方からウエハ１の外周側に向かって不活性ガスを噴き付ける。このように、エッチャント薬液Ｌ１の流速を速めることで、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりも外周側において、エッチャント薬液Ｌ１の供給時間が短縮される。このため、このような方法によっても、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりも外周側においてのエッチング速度（エッチング効果）を低下させることが可能である。
【００４９】
そして、このような不活性ガスの噴き付けをともなうエッチング行う場合には、図１を用いて説明したエッチング装置に、薬液ノズル１０３によるエッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりもウエハ１の半径方向の外周側に、ウエハ１の外周側に向かって不活性ガスを噴き付けるためのガス供給ノズルを設けることとする。
【００５０】
【実施例】
＜実施例１＞
ここでは、半導体装置製造におけるＳＴＩ工程に本発明のエッチング方法を適用した実施例を説明する。
【００５１】
本例で用いたサンプルは、図５（１）に示す構造のものであり、ウエハとなるシリコン基板１１上に熱酸化膜１２を５〜２０ｎｍ程度及びＣＭＰのストッパ層１３となるシリコン窒化膜を減圧ＣＶＤ法で５０〜２５０ｎｍ程度予め形成し、その後ＫｒＦエキシマステッパーによりフォトレジストをパターニングした上で深さ４５０ｎｍのトレンチ１４を形成し、ＣＶＤ法によって埋め込み絶縁膜１５となるシリコン酸化膜を堆積させたものである。
【００５２】
このときのストッパ層１３上の埋め込み絶縁膜１５の膜厚をシリコン基板１１の半径方向に測定したものは、先の図２（１）に示したエッチング前のプロファイルとなった。図からもわかるように、この埋め込み絶縁膜１５は、シリコン基板の中心（０）部の膜厚と外周部の膜厚とで大きな膜厚差があり、中心（０）部の膜厚が厚く外周側に向かって徐々に薄くなっている。
【００５３】
この様な膜厚プロファイルを備えた埋め込み絶縁膜１５を被加工膜とし、中心部分の厚さをキャンセルさせるためのエッチング処理を施した。この際、１）被加工膜である埋め込み絶縁膜１５をウェットエッチングすることが可能なエッチャント薬液として希フッ酸（ＤＨＦ）を採用した。２）エッチャント薬液を希釈する希釈液として水を採用した。３）ウエハとなるシリコン基板１１の中心部を回転中心とし、この中心部がエッチャント薬液Ｌ１の吐出位置となるように薬液ノズル１０３を固定した。４）シリコン基板１１の中心（０）の外周側２０ｍｍの位置から５ｍｍ間隔で５０ｍｍの位置まで希釈液ノズル１０５を移動させ、各位置において３秒間、吐出流量を１リットル／分以下の低流量で希釈液Ｌ２を吐出させた。
【００５４】
以上のようなエッチング処理を行った後のストッパ層１３上の埋め込み絶縁膜１５の膜厚をシリコン基板１１の半径方向に測定したところ、図２（２）で示したエッチング後のプロファイルに示すように、中心部分の膜厚が低減され、中心から外周までほぼ同じ厚さに仕上がった。そして、図５（２）に示すように、シリコン基板１１上における埋め込み絶縁膜１５の表面のグローバルな段差が解消された。
【００５５】
そして、この状態から、図５（３）に示すように、ストッパ層１３上にある全ての埋め込み絶縁膜１５をＣＭＰで研磨することにより除去した。この際、シリコン基板１１の中心部と外周部でのグローバルな段差が無いため、シリコン基板１１の面内すべて同じ形状のＳＴＩ１７を形成することができた。
【００５６】
＜実施例２＞
本例で用いたサンプルは、図６（１）に示す構造のものである。このサンプルでは、素子が作り込まれたシリコン基板２１をウエハとし、この上部にここでの図示を省略した酸化膜を介して金属配線膜を形成し、さらにリソグラフィ技術および反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）技術によってこれを加工パターニングし、金属配線２２を形成した。その後、金属配線２２を埋め込む状態で配線層間の層間絶縁膜２３をプラズマＣＶＤ法により形成した。
【００５７】
このときの層間絶縁膜２３の膜厚をシリコン基板２１の半径方向に測定したものは、先の図２（１）に示したエッチング前のプロファイルとなった。図からもわかるように、この層間絶縁膜２３は、シリコン基板２１の中心（０）部の膜厚と外周部の膜厚とで大きな膜厚差があり、中心（０）部の膜厚が厚く外周側に向かって徐々に薄くなっている。
【００５８】
この様な膜厚プロファイルを備えた層間絶縁膜２３を被加工膜とし、中心部分の厚さをキャンセルさせるために、前述の実施例１と同様のエッチング処理を施した。
【００５９】
このエッチング処理を行った後の層間絶縁膜２３の形状は図６（２）に示すようになり、中心部分の膜厚が低減され、中心から外周までほぼ同じ厚さに仕上がった。そして、シリコン基板２１上における層間絶縁膜２３の表面のグローバルな段差が解消された。
【００６０】
その後、層間絶縁膜２３の平坦化をＲＩＥによるエッチバック手法、またはＣＭＰによる研磨を用いて行った結果が図６（３）になる。図からもわかるように、シリコン基板２１の中心部と外周部での形状差異が無くなり、シリコン基板２１の面内全てにおいて同じ形状の配線層間構造を達成することができた。
【００６１】
上述の実施例１，実施例２では、ウエハ（シリコン基板）上に形成された被加工膜、例えば埋め込み絶縁膜や層間絶縁膜等の被加工膜に対して、加工前に予め被加工膜の形状を変化させる処理を施して平坦化する例を開示したが、被加工膜はウエハ自身でもよく、例えばウエハ中心部と外周部でウエハ厚さが異なる場合に本発明の手法を用いて平坦化してもよい。
【００６２】
尚、以上においては、膜厚プロファイルに基づいてエッチング処理を行う場合を説明した。しかし、本発明のエッチング方法は、ウエハ表面のグローバルな段差、すなわちトレンチや配線の形成などによる局所な段差ではない、ウエハ上の最表面の高さ位置プロファイルに基づいてエッチング処理が行われるようにしても良い。この場合、上述した膜厚の厚い部分との記載を、高さ位置の高い部分に置き換えることとする。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のエッチング方法によれば、被加工膜の膜厚の厚い部分に吐出されて被加工膜の膜厚が薄い部分にまで広がったエッチャント薬液を、膜厚が薄い部分に吐出された希釈液によって希釈することで、膜厚の薄い部分においてはエッチャント液による被加工膜のエッチング効果を弱め、膜厚の薄い部分よりも膜厚の厚い部分でよりエッチング速度を速くすることが可能になる。このため、どのような膜厚プロファイルを有する被加工膜であっても膜厚の均一化が可能であり、これによりウエハ表面のグローバルな平坦化が可能になる。
また本発明のエッチング装置では、スピンチャック上に回転保持されたウエハの半径方向における所定位置にエッチャント薬液を吐出する薬液ノズルと、これよりも外周側に希釈液を吐出する希釈液ノズルとを設けたことで、エッチャント薬液の吐出位置よりも外周側に遠心力によって流れたエッチャント薬液を希釈液で希釈してエッチング効果を低下させると共に、エッチャント薬液の吐出位置よりも内周側ではエッチャント薬液の流れ込みを防止してエッチングを抑えることができる。したがって、エッチャント薬液の吐出位置で最もエッチング効果が高く、それよりも外周方向および内周方向でのエッチング効果を抑えたエッチングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエッチング方法に用いるエッチング装置の一例を示す構成図である。
【図２】本発明のエッチング方法の第１例を示す被加工膜の膜厚プロファイルである。
【図３】本発明のエッチング方法の第２例を示す被加工膜の膜厚プロファイルである。
【図４】本発明のエッチング方法の第３例を示す被加工膜の膜厚プロファイルである。
【図５】実施例１を説明する断面工程図である。
【図６】実施例２を説明する断面工程図である。
【図７】従来例を説明するためのＳＴＩ工程の断面工程図である。
【図８】従来のエッチング方法を説明する構成図である。
【図９】従来のエッチング方法を説明するための被加工膜の膜厚プロファイルである。
【図１０】従来のエッチング方法の課題を説明するための被加工膜の膜厚プロファイルである。
【図１１】従来のエッチング方法を適用したＳＴＩ形成の課題を説明する断面図である。
【符号の説明】
１…ウエハ、１１，２１…シリコン基板（ウエハ）、１５…埋め込み絶縁膜（被加工膜）、２３…層間絶縁膜（被加工膜）、１０１…スピンチャック、１０３…薬液ノズル、１０５…希釈液ノズル、Ｌ１…エッチャント薬液、Ｌ２…希釈液
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウエハの表面形状を平坦化するためのエッチング方法およびこれに用いるエッチング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高集積化にともない、素子や配線の微細化、多層化が進んでいる。微細配線のパターン形成は、薄膜形成技術とリソグラフィ技術により行われているが、多層化に当たって、微細パターンを精度良く形成するためには、下地表面の平坦化が不可欠である。
【０００３】
例えば、ゲート電極の微細化に対しては、リソグラフィ技術の露光機性能に依るところも大きいが、素子分離領域の微細化及びゲート電極との距離の縮小化については、先端リソグラフィ技術の他にトレンチ素子分離（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ：以下、ＳＴＩと称する。）技術による下地の平坦化技術も注目を集めている。
【０００４】
図７には、平坦化工程の一例としてＳＴＩ工程の断面工程図を示す。ＳＴＩ工程においては、先ず、図７（１）に示すように、シリコン基板からなるウエハ１上に熱酸化膜２を介して窒化シリコンからなるストッパ層３をパターン形成し、このストッパ層３を無機マスクとしてウエハ１の表面側にトレンチ４を形成する。そして、このトレンチ４内を埋め込む状態で、酸化シリコンからなる埋め込み絶縁膜５を成膜する。ここで、埋め込み絶縁膜５の形成は、通常ＣＶＤ法によって行われるが、ＣＶＤ法による成膜においては、ウエハ１表面における成膜膜厚にばらつきが生じ、例えばウエハ１の中心部の膜厚ｔ１と比較して周辺部の膜厚ｔ２が厚い絶縁膜が形成される。
【０００５】
このような状態において、埋め込み絶縁膜５の平坦化処理としてＣＭＰ（化学的機械研磨）法を行うと、初期の埋め込み絶縁膜５の表面に存在するグローバルな段差が、研磨後における埋め込み絶縁膜５の表面にも残される。
【０００６】
そこで、図７（２）に示すように、ＣＭＰ研磨による平坦化の前処理として、埋め込み絶縁膜５の膜厚を均一化するためのエッチングを行う。このエッチングにおいては、予め、被加工膜である埋め込み絶縁膜５の膜厚プロファイルを把握しておき、埋め込み絶縁膜５の膜厚の厚い部分のみにエッチャント薬液を吐出して埋め込み絶縁膜５をエッチングする。この場合、例えば図８に示すように、回転させたウエハ１の半径方向にエッチャント薬液Ｌ１の吐出位置を移動させる。この際、図９（１）の膜厚プロファイルに示すような、ウエハ１の半径方向における被加工膜（埋め込み絶縁膜５）の膜厚プロファイル情報に基づき、膜厚の厚い部分に対して合計でより多くのエッチャント薬液Ｌ１が供給されるように、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置を移動させる。
【０００７】
これにより、シリコン基板の周辺における膜厚が中心（０）部分の膜厚よりも厚い埋め込み絶縁膜が、図９（２）のプロファイルに示すように周辺と中心（０）付近とで同じ膜厚になり、シリコン基板上における埋め込み絶縁膜のグローバルな平坦化が達成される（以上、下記特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１３４４６６号公報
【０００９】
また、ＳＴＩの形成においては、以上のようなエッチングによって、図７（２）に示すように、埋め込み絶縁膜５の膜厚を均一化した後、図７（３）に示すように、ストッパ層３が露出するまで埋め込み絶縁膜５の表面をＣＭＰ研磨する。これにより、ウエハ１の周辺部のストッパ層３上に埋め込み絶縁膜５を残すことなく、またウエハ１の中心部においての研磨過剰を防止することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したエッチング方法では、膜厚を補正できる被加工膜の膜厚プロファイルが限定され、例えば、図１０（１）に示すようなウエハの中心（０）付近において膜厚の厚い被加工膜の膜厚を均一化することはできない。すなわち、このような膜厚プロファイルを有する被加工膜に対して、上述したエッチング方法による膜厚の補正を施した場合、最も膜厚の厚いウエハの中心（０）付近にエッチャント薬液Ｌ１の吐出位置が配置されるため、エッチャント薬液Ｌ１は遠心力によってウエハの周辺部に向かって流れ、ウエハの全面に供給されることになる。したがって、このようなエッチング方法を施しても、図１０（２）に示すように、被加工膜が全体的にエッチングされて薄膜化するだけであり、その膜厚を均一化することはできないのである。
【００１１】
そして、ＳＴＩの形成工程においては、この様なエッチングを施した埋め込み絶縁膜（被加工膜）に対してＣＭＰ研磨による平坦化処理が行われることになる。このため、図１１（１）に示すように、ウエハ周辺部のストッパ層３を露出させるようにＣＭＰ研磨条件を設定すると、ウエハ中心部ではストッパ層３上の埋め込み絶縁膜５が研磨されずに残存してしまうことになる。この状態を保持したまま、次工程において、熱リン酸によるウェットエッチング、もしくは等方性のケミカルドライエッチングによりストッパ層３を除去しようとすると、ウエハ周辺部においては、残存する埋め込み絶縁膜５がマスクになり、きれいに除去できないことになる。その結果、ウエハ周辺部では所望の加工形状が得られず、半導体装置の特性的にも不良となり歩留まり低下を引き起こす。
【００１２】
また、上記のような悪影響を嫌って、図１１（２）に示すようにウエハ中心部のストッパ層３が露出するまでＣＭＰ研磨を行おうとすると、今度はウエハ周辺部のトレンチ４内の埋め込絶縁膜５が過剰に研磨されることになり、ウエハ中心部と外周部でのトレンチ４内の埋め込み絶縁膜５の厚さが異なることになる。これにより、素子分離特性がウエハ面内で異なる結果になる。したがって、所望の半導体装置の特性が得られず、歩留まり低下を引き起こすことになる。
【００１３】
そこで本発明は、ウエハ上における被加工膜の膜厚プロファイルによらず、どのような膜厚プロファイルを有する被加工膜であっても膜厚の均一化が可能であり、これによりウエハ表面のグローバルな平坦化が可能なエッチング方法およびエッチング装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明のエッチング方法は、ウエハ上に形成された被加工膜の膜厚プロファイルを予め把握しておき、当該被加工膜の膜厚の厚い部分にエッチャント薬液を吐出してウェットエッチングを行うエッチング方法において、エッチャント薬液の吐出と同時に、被加工膜の膜厚の薄い部分に当該チャント薬液の希釈液を吐出することを特徴としている。
【００１５】
このようなエッチング方法によれば、被加工膜の膜厚の厚い部分に吐出されたエッチャント液が被加工膜の膜厚が薄い部分にまで広がった場合、この膜厚が薄い部分に吐出された希釈液によってエッチャント液が薄められる。このため、膜厚の薄い部分においてはエッチャント液による被加工膜のエッチング効果が弱められる。したがって、被加工膜のエッチングは、膜厚の薄い部分よりも膜厚の厚い部分でより多く進むようになり、被加工膜の膜厚分布の均一化が図られる。
【００１６】
また、本発明のエッチング装置は、ウエハを回転保持するスピンチャック、このスピンチャックに保持されたウエハ上の所定位置にエッチャント薬液を供給する薬液ノズル、およびスピンチャックに保持されたウエハ上におけるエッチャント薬液の吐出位置よりも外周側にエッチャント液の希釈液を吐出する希釈液ノズルを備えている。
【００１７】
このような構成のエッチング装置では、スピンチャック上に回転保持されたウエハの半径方向における所定位置に、薬液ノズルからエッチャント薬液が吐出され、これよりも外周側に希釈液ノズルから希釈液が吐出される。このため、エッチャント薬液の吐出位置よりも外周側には、ウエハの回転による遠心力によってエッチャント薬液が流れて供給されるものの、エッチャント薬液が希釈液で希釈されてエッチング速度を低下させることができる。一方、エッチャント薬液の吐出位置よりも内周側には、ウエハの回転による遠心力によってエッチャント薬液の流れ込みが防止され、エッチャント薬液によるエッチングが抑えることができる。したがって、エッチャント薬液の吐出位置で最もエッチング速度が高く、それよりも外周方向および内周方向ではエッチングの進行を抑えることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用したエッチング方法およびエッチング装置の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
＜エッチング装置＞
図１は、本発明のエッチング方法に用いるエッチング装置の一例を示す構成図である。この図に示すエッチング装置１００は、ウエハ１を回転保持するスピンチャック１０１、エッチャント薬液Ｌ１を吐出する薬液ノズル１０３、および希釈液Ｌ２を吐出する希釈液ノズル１０５を備えている。
【００２０】
このうち特に、薬液ノズル１０３は、スピンチャック１０１に保持されたウエハ１上の所定位置にエッチャント薬液Ｌ１を吐出する。この薬液ノズル１０３は、スピンチャック１０１に保持されたウエハ１の回転中心から半径方向にかけて自在に移動可能であり、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置を移動可能な構成となっている。尚、薬液ノズル１０３は、スピンチャック１０１に保持されたウエハ１上の半径方向の複数位置にエッチャント薬液Ｌ１を吐出する複数の吐出口を有しても良い。
【００２１】
また希釈液ノズル１０５は、スピンチャック１０１に保持されたウエハ１上の所定位置にエッチャント液Ｌ１の希釈液Ｌ２を吐出する。この希釈液ノズル１０５は、スピンチャック１０１の回転中心に対して、薬液ノズル１０３によるエッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりも外周側に希釈液Ｌ２を吐出するように設けられている。またさらに、希釈液ノズル１０５は、スピンチャック１０１に保持されたウエハ１上の半径方向に自在に移動可能であり、希釈液Ｌ２の吐出位置を移動可能な構成となっている。尚、希釈液ノズル１０５は、スピンチャック１０１に保持されたウエハ１上の半径方向の複数位置に希釈液Ｌ２を吐出する複数の吐出口を有しても良い。
【００２２】
このような構成のエッチング装置１００では、スピンチャック１０１上に回転保持されたウエハ１の半径方向における所定位置に、薬液ノズル１０３からエッチャント薬液Ｌ１が吐出され、これよりも外周側に希釈液ノズル１０５から希釈液Ｌ２が吐出される。このため、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりも外周側には、ウエハ１の回転による遠心力によってエッチャント薬液Ｌ１が流れて供給されるものの、エッチャント薬液Ｌ１が希釈液Ｌ２で希釈されてエッチング速度を低下させることができる。一方、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりも内周側には、ウエハ１の回転による遠心力によってエッチャント薬液Ｌ１の流れ込みが防止され、エッチャント薬液Ｌ１によるエッチングの進行を抑えることができる。したがって、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置で最もエッチング効果が高く、それよりも外周方向および内周方向ではエッチング効果を抑えたエッチングを行うことができる。
【００２３】
そして、薬液ノズル１０３が半径方向に移動可能であることから、薬液ノズル１０３からのエッチャント薬液Ｌ１の供給と共にエッチャント薬液Ｌ１の吐出位置を半径方向に移動することで、外周側に位置するほどエッチャント薬液Ｌ１の供給量を増加させることができる。これにより、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置における外周側ほど、エッチャント薬液Ｌ１によるエッチング効果を高くすることができる。これは、薬液ノズル１０３がウエハ１の半径方向に複数の吐出口を有し、各吐出口からエッチャント薬液Ｌ１を吐出させた場合も同様である。
【００２４】
また、希釈液ノズル１０５が半径方向に移動可能であることから、希釈液ノズル１０５からの希釈液Ｌ２の供給と共に希釈液Ｌ２の吐出位置を半径方向に移動することで、外周側に位置するほど希釈液Ｌ２の供給量を増加させることができる。これにより、希釈液Ｌ２の吐出位置における外周側ほど、エッチャント薬液Ｌ１の希釈率を高くしてエッチング速度を遅らせることができる。これは、希釈液ノズル１０５がウエハ１の半径方向に複数の吐出口を有し、各吐出口から希釈液Ｌ２を吐出させた場合も同様である。
【００２５】
＜エッチング方法＞
次に、上述した構成のエッチング装置を用いて好適に行われる本発明のエッチング方法の実施形態を、上記図１とともに各膜厚プロファイルに基づいて説明する。
【００２６】
本発明におけるエッチング方法においては、被加工膜の膜厚プロファイルを予め把握しておき、加工手段との相性が悪い部分、例えば膜厚の厚い部分のみにエッチャント薬液Ｌ１を吐出し、膜厚の薄い部分に希釈液Ｌ２吐出してエッチングするというのが基本的な考えである。上記エッチングには、図１を用いて説明した構成のエッチング装置が好適に用いられる。
【００２７】
上記膜厚の厚い部分のみにエッチングを行うには、例えばウエハ１の半径方向の位置情報とウエハ１上に形成した被加工膜の膜厚プロファイル情報に基づき、ウエハ１の半径方向における被加工膜の膜厚の厚い位置にエッチャント薬液Ｌ１を吐出すると同時に、エッチャント薬液Ｌ１よりも外周側の膜厚の薄い部分にエッチャント薬液Ｌ１の希釈液Ｌ２を吐出する。
【００２８】
ここでは先ずエッチング方法の第１例として、図２（１）に示すように、ウエハ上に、中心（０）部の膜厚が厚く外周側に向かって徐々に薄くなるような膜厚プロファイルを有する被加工膜が形成されている場合を例示する。尚、このような被加工膜の膜厚ばらつきは、ＣＶＤ成膜や塗布成膜などの成膜に起因するばらつきや、さらには、被加工膜をドライエッチングした際の面内ばらつきに起因するばらつきであり、特にウエハの半径方向の膜厚ばらつきであることとする。
【００２９】
この場合先ず、スピンチャック１０１の回転中心とウエハ１の中心を一致させた状態で、スピンチャック１０１にウエハ１を回転保持させる。そして、被加工膜の膜厚が最も厚い部分であるウエハ１の中心（０）に、薬液ノズル１０３からエッチャント薬液Ｌ１を吐出することでウエハ１上の被加工膜をエッチングする。
【００３０】
そして、ウエハＷを回転させながら薬液ノズル１０３からエッチャント薬液Ｌ１を吐出すると、いわゆるスピンコータ等と同様、エッチャント薬液Ｌ１は遠心力により外周方向へと流れる。このため、ウエハＷの外周においてもエッチャント薬液Ｌ１によるエッチングが進む。
【００３１】
そこで、薬液ノズル１０３からのエッチャント薬液Ｌ１の吐出と同時に、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりも外周となる位置に、希釈液ノズル１０５からエッチャント薬液Ｌ１の希釈液Ｌ２を吐出する。この希釈液Ｌ２には、エッチャント薬液Ｌ１の溶媒成分、またはエッチャント薬液Ｌ１におけるエッチャント成分を中和させる薬液を用いる。これにより、ウエハＷの中心部よりも被加工膜の膜厚の薄い外周部においてエッチャント薬液Ｌ１が希釈液Ｌ２によって希釈（中和）され、エッチャント液Ｌ１による被加工膜のエッチング効果が弱められる。
【００３２】
またこの際、希釈液ノズル１０５を、薬液ノズル１０３よりも外周側において、ウエハ１の半径方向に移動させながら希釈液Ｌ２を吐出すると、外周側に行くほど希釈液Ｌ２の供給時間が長くなる。このため、外周側に行くほど、エッチャント薬液Ｌ１の希釈率が高くなり、エッチャント薬液Ｌ１によるエッチング効果が小さくなる。尚、希釈液ノズル１０５が半径方向に複数の吐出口を備えている場合には、外周側に行くほど希釈液Ｌ２の供給量が多くなり、外周側に行くほどエッチャント薬液Ｌ１の希釈率が高くなる。したがって、希釈液ノズル１０５のウエハ１の半径方向に移動させる必要はない。
【００３３】
これにより、図２（２）の膜厚プロファイルに示すように、ウエハ１の中心（０）とその外周側の被加工膜の膜厚差を解消することができる。そして、被加工膜の表面のグローバル段差を解消することができる。また、このようにして膜厚を均一化した被加工膜に対して、ＣＭＰ研磨やエッチバックなどの平坦化処理を施した場合に、ウエハ１の全面において均一な平坦化処理を施すことが可能になる。
【００３４】
次にエッチング方法の第２例として、図３（１）に示すように、ウエハ１上に、半径方向の中心（０）付近の膜厚が薄く外周側に向かって徐々に膜厚が厚くなるような膜厚プロファイルを有する被加工膜が形成されている場合を例示する。尚、このような被加工膜の膜厚ばらつきは、第１例で説明したと同様に発生する。
【００３５】
この場合先ず、スピンチャック１０１の回転中心とウエハ１の中心を一致させた状態で、スピンチャック１０１にウエハ１を回転保持させる。そして、膜厚が最も厚い位置Ｐｍａｘよりも半径方向の内周側の位置Ｐｉｎからこの位置Ｐｍａｘにかけて、薬液ノズル１０３をウエハＷの半径方向に移動させながらエッチャント薬液Ｌ１を吐出する。ここで、位置Ｐｉｎは、最も膜厚が薄い位置から、膜厚が厚くなる方向へ変化する位置であることとする。これにより、位置Ｐｉｎから外周側に遠心力によってエッチャント薬液Ｌ１が供給されることになるが、位置Ｐｉｎから外周側に行くほどエッチャント薬液Ｌ１の供給時間が長くなり、位置Ｐｍａｘを含むその外周側でエッチャントＬ１の供給時間が最も長くなる。このため、位置Ｐｉｎから位置Ｐｍａｘにかけては、外周側に行くほどエッチャント薬液Ｌ１によるエッチングが多く進み、被加工膜のエッチング量が大きくなる。
【００３６】
そしてこのように、ウエハＷを回転させながら薬液ノズル１０３からエッチャント薬液Ｌ１を吐出すると、エッチャント薬液Ｌ１が遠心力により突出位置よりも外周方向へと流れるため、膜厚が最も厚い部分Ｐｍａｘもの外周においてもエッチャント薬液Ｌ１によるエッチングが進む。このため、位置Ｐｍａｘよりも外周側において、ウエハＷの半径方向に希釈液ノズル１０５を移動させながら希釈液Ｌ２を吐出することは、上述の第１例と同様である。これにより、位置Ｐｍａｘよりも外周側では、外周側に行くほどエッチャント薬液Ｌ１の希釈率が高くなり、エッチャント薬液Ｌ１によるエッチング効果が小さくなる。
【００３７】
以上により、図３（２）の膜厚プロファイルに示すように、ウエハＷの外周側と内周側の被加工膜の膜厚差を解消することができる。そして、被加工膜の表面のグローバル段差を解消することができる。また、このようにして膜厚を均一化した被加工膜に対して、ＣＭＰ研磨やエッチバックなどの平坦化処理を施した場合に、ウエハ１の全面において均一な平坦化処理を施すことが可能になる。
【００３８】
次にエッチング方法の第３例として、図４（１）に示すように、ウエハ１上に、半径方向の中心（０）と半径方向の外周部とに２つのピークを有する膜厚プロファイルの被加工膜が形成されている場合を例示する。尚、このような被加工膜の膜厚ばらつきは、第１例で説明したと同様に発生する。このような膜厚プロファイルの被加工膜の処理は、先に説明した第１例の手法と第２例の手法とを組みあわせて以下のように行う。
【００３９】
すなわち、先ず、図２を用いて説明した第１例と同様にして、スピンチャック１０１の回転中心とウエハ１の中心を一致させた状態でウエハ１を回転保持させる。そして、被加工膜の膜厚が最も厚い部分であるウエハ１の中心（０）に、薬液ノズル１０３からエッチャント薬液Ｌ１を吐出することでウエハ１上の被加工膜をエッチングする。また、これと同時に、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりも外周側において、希釈液ノズル１０５をウエハ１の半径方向に移動させながら希釈液Ｌ２を吐出させる。この際、希釈液ノズル１０５の移動範囲は、２つの膜厚のピークの谷間における最も膜厚の薄い位置までで良いが、最外周まで移動させても良い。
【００４０】
これにより、図４（２）に示すように、中心のピークがエッチングによって平坦化される。これは、第１例で説明したと同様の作用によって成される。ただし、この状態では、希釈液Ｌ２によってエッチャント薬液Ｌ１が薄められて供給された外側のピークはそのまま残される。
【００４１】
そこで、このような状態において、図３を用いて説明した第２例と同様の処理を行うことで、ウエハの半径方向における外側側のピーク（膜厚の厚い部分）をエッチングにより平坦化する。
【００４２】
尚、以上の第３例では、第１例の手法で中心のピークを平坦化した後に第２例の手法で外周側のピークを平坦化する手順を説明した。しかしながら、この手順は逆であっても良く、同様の平坦化が行われる。また、エッチング装置が、薬液ノズルと希釈液ノズルとを２組備えたものであれば、第１例の手法と第２例の手法とを同時に行うことも可能であり、同様の平坦化が行われる。この場合、２組の薬液ノズルと希釈液ノズルとは、スピンチャックの中心から外周側に向かって、薬液ノズル、希釈液ノズル、薬液ノズル、希釈液ノズルの順に配置されることとする。
【００４３】
以上の第１例〜第３例で説明したように、本発明のエッチング方法によれば、膜厚プロファイルによらずに膜厚の均一化を図ることが可能になるのである。
【００４４】
尚、以上の第１例〜第３例で説明したエッチング方法において、エッチャント薬液Ｌ１は被加工膜を低エッチング速度にてエッチングできる薬液種を用いることが好ましく、これにより、エッチング量の制御性が容易になり、より確実に膜厚の均一化を図ることが可能になる。
【００４５】
また、以上のエッチング方法においては、エッチャント薬液Ｌ１および希釈液Ｌ２が、それぞれの吐出位置から中心方向に流れない程度に、薬液Ｌ１，Ｌ２の吐出流量および吐出時間、さらにはウエハの回転数を設定することが好ましい。これにより、ウエハの半径方向におけるエッチング速度（エッチング効果）の制御性をより確実にすることができる。
【００４６】
また、以上のエッチング方法においては、エッチャント薬液Ｌ１の温度を高温（３０℃以上、好ましくは４０〜６０℃）にし、ウエハ周辺にエッチャント薬液Ｌ１が流れる際の冷却効果にてエッチング量が抑制されるようにしても良い。エッチング速度は、エッチャント薬液Ｌ１の温度が高いほど大きい。したがって、薬液ノズル１０３から高温のエッチャント薬液Ｌ１を吐出すると、吐出位置近傍ではエッチング速度が高く、外周側に流れるのに伴ってエッチャント薬液Ｌ１の温度が次第に下がりエッチング速度も下がっていく。このため、希釈液Ｌ２の供給によるエッチャント薬液Ｌ１の希釈によるエッチング速度の低下と合わせて、温度低下によってエッチング速度を低下させることも可能になり、ウエハ１の周辺位置においての過剰エッチングが防止される。
【００４７】
このような手法を採用する場合、エッチャント薬液Ｌ１の冷却を促進するために、スピンチャック１０１にウエハ１の周辺部の温度を下げる機能を付与すると、より効果的である。温度を下げる機能を付与するための機構としては、例えば、ウエハ１の周辺部の裏面にのみＮ２等の冷媒を吐出して冷却させる等の施策を挙げることができる。
【００４８】
また、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりも外周側においてエッチャントＬ１によるエッチング効果を低下させる他の方法として、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりも外周側において、不活性ガスの噴き付けにより外周側に向かうエッチャント薬液Ｌ１の流速を速める方法が有る。この場合、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりも外周側において、ウエハ１の斜め上方からウエハ１の外周側に向かって不活性ガスを噴き付ける。このように、エッチャント薬液Ｌ１の流速を速めることで、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりも外周側において、エッチャント薬液Ｌ１の供給時間が短縮される。このため、このような方法によっても、エッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりも外周側においてのエッチング速度（エッチング効果）を低下させることが可能である。
【００４９】
そして、このような不活性ガスの噴き付けをともなうエッチング行う場合には、図１を用いて説明したエッチング装置に、薬液ノズル１０３によるエッチャント薬液Ｌ１の吐出位置よりもウエハ１の半径方向の外周側に、ウエハ１の外周側に向かって不活性ガスを噴き付けるためのガス供給ノズルを設けることとする。
【００５０】
【実施例】
＜実施例１＞
ここでは、半導体装置製造におけるＳＴＩ工程に本発明のエッチング方法を適用した実施例を説明する。
【００５１】
本例で用いたサンプルは、図５（１）に示す構造のものであり、ウエハとなるシリコン基板１１上に熱酸化膜１２を５〜２０ｎｍ程度及びＣＭＰのストッパ層１３となるシリコン窒化膜を減圧ＣＶＤ法で５０〜２５０ｎｍ程度予め形成し、その後ＫｒＦエキシマステッパーによりフォトレジストをパターニングした上で深さ４５０ｎｍのトレンチ１４を形成し、ＣＶＤ法によって埋め込み絶縁膜１５となるシリコン酸化膜を堆積させたものである。
【００５２】
このときのストッパ層１３上の埋め込み絶縁膜１５の膜厚をシリコン基板１１の半径方向に測定したものは、先の図２（１）に示したエッチング前のプロファイルとなった。図からもわかるように、この埋め込み絶縁膜１５は、シリコン基板の中心（０）部の膜厚と外周部の膜厚とで大きな膜厚差があり、中心（０）部の膜厚が厚く外周側に向かって徐々に薄くなっている。
【００５３】
この様な膜厚プロファイルを備えた埋め込み絶縁膜１５を被加工膜とし、中心部分の厚さをキャンセルさせるためのエッチング処理を施した。この際、１）被加工膜である埋め込み絶縁膜１５をウェットエッチングすることが可能なエッチャント薬液として希フッ酸（ＤＨＦ）を採用した。２）エッチャント薬液を希釈する希釈液として水を採用した。３）ウエハとなるシリコン基板１１の中心部を回転中心とし、この中心部がエッチャント薬液Ｌ１の吐出位置となるように薬液ノズル１０３を固定した。４）シリコン基板１１の中心（０）の外周側２０ｍｍの位置から５ｍｍ間隔で５０ｍｍの位置まで希釈液ノズル１０５を移動させ、各位置において３秒間、吐出流量を１リットル／分以下の低流量で希釈液Ｌ２を吐出させた。
【００５４】
以上のようなエッチング処理を行った後のストッパ層１３上の埋め込み絶縁膜１５の膜厚をシリコン基板１１の半径方向に測定したところ、図２（２）で示したエッチング後のプロファイルに示すように、中心部分の膜厚が低減され、中心から外周までほぼ同じ厚さに仕上がった。そして、図５（２）に示すように、シリコン基板１１上における埋め込み絶縁膜１５の表面のグローバルな段差が解消された。
【００５５】
そして、この状態から、図５（３）に示すように、ストッパ層１３上にある全ての埋め込み絶縁膜１５をＣＭＰで研磨することにより除去した。この際、シリコン基板１１の中心部と外周部でのグローバルな段差が無いため、シリコン基板１１の面内すべて同じ形状のＳＴＩ１７を形成することができた。
【００５６】
＜実施例２＞
本例で用いたサンプルは、図６（１）に示す構造のものである。このサンプルでは、素子が作り込まれたシリコン基板２１をウエハとし、この上部にここでの図示を省略した酸化膜を介して金属配線膜を形成し、さらにリソグラフィ技術および反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）技術によってこれを加工パターニングし、金属配線２２を形成した。その後、金属配線２２を埋め込む状態で配線層間の層間絶縁膜２３をプラズマＣＶＤ法により形成した。
【００５７】
このときの層間絶縁膜２３の膜厚をシリコン基板２１の半径方向に測定したものは、先の図２（１）に示したエッチング前のプロファイルとなった。図からもわかるように、この層間絶縁膜２３は、シリコン基板２１の中心（０）部の膜厚と外周部の膜厚とで大きな膜厚差があり、中心（０）部の膜厚が厚く外周側に向かって徐々に薄くなっている。
【００５８】
この様な膜厚プロファイルを備えた層間絶縁膜２３を被加工膜とし、中心部分の厚さをキャンセルさせるために、前述の実施例１と同様のエッチング処理を施した。
【００５９】
このエッチング処理を行った後の層間絶縁膜２３の形状は図６（２）に示すようになり、中心部分の膜厚が低減され、中心から外周までほぼ同じ厚さに仕上がった。そして、シリコン基板２１上における層間絶縁膜２３の表面のグローバルな段差が解消された。
【００６０】
その後、層間絶縁膜２３の平坦化をＲＩＥによるエッチバック手法、またはＣＭＰによる研磨を用いて行った結果が図６（３）になる。図からもわかるように、シリコン基板２１の中心部と外周部での形状差異が無くなり、シリコン基板２１の面内全てにおいて同じ形状の配線層間構造を達成することができた。
【００６１】
上述の実施例１，実施例２では、ウエハ（シリコン基板）上に形成された被加工膜、例えば埋め込み絶縁膜や層間絶縁膜等の被加工膜に対して、加工前に予め被加工膜の形状を変化させる処理を施して平坦化する例を開示したが、被加工膜はウエハ自身でもよく、例えばウエハ中心部と外周部でウエハ厚さが異なる場合に本発明の手法を用いて平坦化してもよい。
【００６２】
尚、以上においては、膜厚プロファイルに基づいてエッチング処理を行う場合を説明した。しかし、本発明のエッチング方法は、ウエハ表面のグローバルな段差、すなわちトレンチや配線の形成などによる局所な段差ではない、ウエハ上の最表面の高さ位置プロファイルに基づいてエッチング処理が行われるようにしても良い。この場合、上述した膜厚の厚い部分との記載を、高さ位置の高い部分に置き換えることとする。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のエッチング方法によれば、被加工膜の膜厚の厚い部分に吐出されて被加工膜の膜厚が薄い部分にまで広がったエッチャント薬液を、膜厚が薄い部分に吐出された希釈液によって希釈することで、膜厚の薄い部分においてはエッチャント液による被加工膜のエッチング効果を弱め、膜厚の薄い部分よりも膜厚の厚い部分でよりエッチング速度を速くすることが可能になる。このため、どのような膜厚プロファイルを有する被加工膜であっても膜厚の均一化が可能であり、これによりウエハ表面のグローバルな平坦化が可能になる。
また本発明のエッチング装置では、スピンチャック上に回転保持されたウエハの半径方向における所定位置にエッチャント薬液を吐出する薬液ノズルと、これよりも外周側に希釈液を吐出する希釈液ノズルとを設けたことで、エッチャント薬液の吐出位置よりも外周側に遠心力によって流れたエッチャント薬液を希釈液で希釈してエッチング効果を低下させると共に、エッチャント薬液の吐出位置よりも内周側ではエッチャント薬液の流れ込みを防止してエッチングを抑えることができる。したがって、エッチャント薬液の吐出位置で最もエッチング効果が高く、それよりも外周方向および内周方向でのエッチング効果を抑えたエッチングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエッチング方法に用いるエッチング装置の一例を示す構成図である。
【図２】本発明のエッチング方法の第１例を示す被加工膜の膜厚プロファイルである。
【図３】本発明のエッチング方法の第２例を示す被加工膜の膜厚プロファイルである。
【図４】本発明のエッチング方法の第３例を示す被加工膜の膜厚プロファイルである。
【図５】実施例１を説明する断面工程図である。
【図６】実施例２を説明する断面工程図である。
【図７】従来例を説明するためのＳＴＩ工程の断面工程図である。
【図８】従来のエッチング方法を説明する構成図である。
【図９】従来のエッチング方法を説明するための被加工膜の膜厚プロファイルである。
【図１０】従来のエッチング方法の課題を説明するための被加工膜の膜厚プロファイルである。
【図１１】従来のエッチング方法を適用したＳＴＩ形成の課題を説明する断面図である。
【符号の説明】
１…ウエハ、１１，２１…シリコン基板（ウエハ）、１５…埋め込み絶縁膜（被加工膜）、２３…層間絶縁膜（被加工膜）、１０１…スピンチャック、１０３…薬液ノズル、１０５…希釈液ノズル、Ｌ１…エッチャント薬液、Ｌ２…希釈液
Claims (11)
- ウエハ上に形成された被加工膜の膜厚プロファイルを予め把握しておき、当該被加工膜の膜厚の厚い部分にエッチャント薬液を吐出してウェットエッチングを行うエッチング方法において、
前記エッチャント薬液の吐出と同時に、前記被加工膜の膜厚の薄い部分に当該チャント薬液の希釈液を吐出する
ことを特徴とするエッチング方法。 - 請求項１記載のエッチング方法において、
前記ウエハの半径方向における前記被加工膜の膜厚プロファイルを予め把握しておき、当該ウエハを回転させながら、当該ウエハの半径方向における当該被加工膜の膜厚の厚い部分にエッチャント薬液を吐出すると共に、当該エッチャント薬液の吐出位置よりも外周側に当該エッチャント薬液の希釈液を吐出する
ことを特徴とするエッチング方法。 - 請求項２記載のエッチング方法において、
前記ウエハの半径方向の複数位置で前記チャント薬液の希釈液を吐出する
ことを特徴とするエッチング方法。 - 請求項２記載のエッチング方法において、
前記希釈液の吐出位置よりも内周側の複数位置で前記エッチャント薬液を吐出する
ことを特徴とするエッチング方法。 - 請求項２記載のエッチング方法において、
前記エッチャント薬液の吐出位置よりも外周側に、当該外周側に向かって不活性ガスを噴き付ける
ことを特徴とするエッチング方法。 - ウエハを回転保持するスピンチャックと、
前記スピンチャックに保持されたウエハ上の所定位置にエッチャント薬液を吐出する薬液ノズルと、
前記スピンチャックに保持されたウエハ上における前記エッチャント薬液の吐出位置よりも外周側に前記エッチャント液の希釈液を吐出する希釈液ノズルとを備えた
ことを特徴とするエッチング装置。 - 請求項６記載のエッチング装置において、
前記希釈液ノズルは、前記スピンチャックに保持されたウエハ上の半径方向の複数位置に前記希釈液を吐出する複数の吐出口を有する
ことを特徴とするエッチング装置。 - 請求項６記載のエッチング装置において、
前記希釈液ノズルは、前記スピンチャックに保持されたウエハ上の半径方向に前記希釈液の吐出位置を移動する
ことを特徴とするエッチング装置。 - 請求項６記載のエッチング装置において、
前記薬液ノズルは、前記スピンチャックに保持されたウエハ上の半径方向の複数位置に前記エッチャント薬液を吐出する複数の吐出口を有する
ことを特徴とするエッチング装置。 - 請求項６記載のエッチング装置において、
前記薬液ノズルは、前記スピンチャックに保持されたウエハ上の半径方向に前記エッチャント薬液の吐出位置を移動する
ことを特徴とするエッチング装置。 - 請求項６記載のエッチング装置において、
前記スピンチャックに保持されたウエハ上における前記エッチャント薬液の吐出位置よりも外周側に、当該外周側に向かって不活性ガスを噴き付けるガス供給ノズルを設けた
ことを特徴とするエッチング装置。
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