JP7813604B2 - Substrate processing solution, substrate processing method, and substrate processing apparatus - Google Patents
Substrate processing solution, substrate processing method, and substrate processing apparatusInfo
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Description
この発明は、トレンチ構造を有する基板に対してエッチング処理を施すための基板処理液、当該基板処理液により基板を処理する基板処理方法および基板処理装置に関するものである。 This invention relates to a substrate processing solution for etching substrates having trench structures, a substrate processing method for processing substrates with the substrate processing solution, and a substrate processing apparatus.
半導体装置や液晶表示装置などの電子部品の製造工程には、基板を部分的にエッチング除去して所望のパターンを形成するエッチング工程が含まれる。例えば特許文献1には、フィンを有する電界効果トランジス(以下「FinFET」という)の製造工程が記載されている。このFinFETでは、複数のフィンに跨ってゲートが形成される。具体的には、複数のフィン上にHKMG層が形成されるのに続いてゲート材料層が形成される。これらのうちHKMG層は、HfO2、Al2O3、La2O3などの高k誘電体で構成された高k金属ゲート層(HK)と、TiN、TaN、TaAlN、TiCで構成される金属層(MG)とを積層させたものである。特許文献1では、HKMG層をパターニングするためにRIE(反応性イオンエッチング)を用いている。 Manufacturing processes for electronic components such as semiconductor devices and liquid crystal display devices include an etching process in which a substrate is partially etched away to form a desired pattern. For example, Patent Document 1 (JP-A-2005-102626) describes a manufacturing process for a fin-type field-effect transistor (hereinafter referred to as "FinFET"). In this FinFET, a gate is formed across multiple fins. Specifically, an HKMG layer is formed on the multiple fins, followed by a gate material layer. The HKMG layer is a stack of a high-k metal gate layer (HK) made of a high-k dielectric such as HfO2 , Al2O3 , or La2O3 , and a metal layer (MG) made of TiN, TaN, TaAlN, or TiC. In Patent Document 1, reactive ion etching (RIE) is used to pattern the HKMG layer.
近年、上記したFinFETや三次元NAND型不揮発性半導体装置(以下「3D-NANDメモリ」という)などの電子部品の製造にあたって、ウェットエッチングを用いることが検討されている。しかしながら、これらの電子部品では、パターンの微細化や三次元構造の複雑化などの進行に伴って狭所な領域に対してエッチング処理を施す必要が生じている。例えばFinFETの金属層を形成するためには、後で説明する図1に示すようにフィン上に金属層を構成する材料、例えばTiNでTiN層を形成し、さらに当該TiN層をエッチング液によって部分的に除去して所望形状に仕上げる必要がある。複数のフィンに跨って形成されたTiN層はトレンチ構造を有している。したがって、所望形状に仕上げるためには、トレンチ構造の内部にTiN層をエッチングするためのエッチャントを侵入させる必要がある。しかしながら、FinFETのフィンピッチが狭くなるにしたがって、トレンチ構造の開口部は狭くなり、トレンチ構造の内部は狭所空間となっている。そのため、上記エッチャントを効率的に侵入させることが難しく、上記狭所空間内でのエッチングレートが低下する。その結果、金属層を所望形状に仕上げることができないという問題があった。このような問題は、FinFETのようにトレンチ構造を構成する底壁ならびに当該底壁から開口部に向けて延設される1または複数の側壁の全部がエッチング対象となる場合に限定されるものではなく、底壁のみ、あるいは側面の全部または一部のみがエッチング対象となる場合にも生じる。 In recent years, the use of wet etching has been considered for the manufacture of electronic components such as the aforementioned FinFETs and three-dimensional NAND nonvolatile semiconductor devices (hereinafter referred to as "3D-NAND memory"). However, with the advancement of finer patterns and more complex three-dimensional structures, the need for etching in confined areas has arisen. For example, to form the metal layer of a FinFET, as shown in Figure 1 (described later), a TiN layer must be formed on the fin using a material that constitutes the metal layer, such as TiN, and then the TiN layer must be partially removed using an etching solution to achieve the desired shape. The TiN layer formed across multiple fins has a trench structure. Therefore, to achieve the desired shape, an etchant must be introduced into the trench structure to etch the TiN layer. However, as the fin pitch of FinFETs becomes narrower, the opening of the trench structure becomes narrower, resulting in a confined space within the trench structure. This makes it difficult to efficiently introduce the etchant, resulting in a reduced etching rate within the confined space. As a result, there was a problem in that the metal layer could not be finished into the desired shape. This problem is not limited to cases where the bottom wall that constitutes a trench structure, such as a FinFET, and one or more side walls extending from the bottom wall toward the opening are all subject to etching, but also occurs when only the bottom wall, or all or part of the side walls, are subject to etching.
この発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、トレンチ構造を形作る底壁および側壁の少なくとも一方が金属または当該金属の化合物で構成される被エッチング層となっている、基板に対して優れたエッチングレートでエッチング処理を施すことができる基板処理液、基板処理方法および基板処理装置を提供することを目的とする。 This invention was developed in consideration of the above-mentioned problems, and aims to provide a substrate processing solution, a substrate processing method, and a substrate processing apparatus that can perform etching processing at an excellent etching rate on substrates in which at least one of the bottom wall and sidewalls that form a trench structure is an etched layer composed of a metal or a compound of that metal.
この発明の第1態様は、狭所幅を有する開口部と前記開口部の対向する底壁と前記底壁から前記開口部に向けて延設される1または複数の側壁とで狭所空間が形成されるとともに前記底壁および前記側壁のうちの少なくとも一方が金属または前記金属の化合物の被エッチング層で形成された、トレンチ構造を有する基板に供給されることで前記被エッチング層を除去する基板処理液であって、前記金属をエッチングするエッチャントとして機能するH2O2分子またはHO2 -を含む薬液と、前記金属のイオンと錯体を形成するアニオンを含む第1錯体形成剤とを備え、pH1以上pH3以下に調整されたことを特徴としている。 A first aspect of the present invention is a substrate processing solution that is supplied to a substrate having a trench structure, in which a narrow space is formed by an opening having a narrow width, a bottom wall opposing the opening, and one or more side walls extending from the bottom wall toward the opening, and in which at least one of the bottom wall and the side walls is formed of an etching layer of a metal or a compound of the metal, to remove the etching layer, and is characterized by comprising a chemical solution containing H 2 O 2 molecules or HO 2 - that functions as an etchant for etching the metal, and a first complex-forming agent containing anions that form a complex with ions of the metal, and is adjusted to a pH of 1 or more and a pH of 3 or less.
この発明の第2態様は、基板処理方法であって、狭所幅を有する開口部と前記開口部の対向する底壁と前記底壁から前記開口部に向けて延設される1または複数の側壁とで狭所空間が形成されるとともに前記底壁および前記側壁のうちの少なくとも一方が、金属または前記金属の化合物で構成される被エッチング層により形成されたトレンチ構造を有する基板に対し、基板処理液を供給して前記被エッチング層の除去を開始する工程と、前記基板から前記基板処理液を除去して前記被エッチング層の除去を停止させる工程とを備え、 前記基板処理液は、前記金属をエッチングするエッチャントとして機能するH2O2分子またはHO2 -を含む薬液と、前記金属のイオンと錯体を形成するアニオンを含む第1錯体形成剤とを備え、pH1以上pH3以下に調整されていることを特徴としている。 A second aspect of the present invention is a substrate processing method, comprising the steps of: supplying a substrate processing liquid to a substrate having a trench structure in which a narrow space is formed by an opening having a narrow width, a bottom wall opposing the opening, and one or more side walls extending from the bottom wall toward the opening, and in which at least one of the bottom wall and the side walls is formed by an etching layer composed of a metal or a compound of the metal; and removing the substrate processing liquid from the substrate to stop removal of the etching layer, wherein the substrate processing liquid comprises a chemical solution containing H 2 O 2 molecules or HO 2 − that functions as an etchant for etching the metal, and a first complex-forming agent containing anions that form a complex with ions of the metal, and is adjusted to a pH of 1 or more and a pH of 3 or less.
この発明の第3態様は、基板処理装置であって、狭所幅を有する開口部と前記開口部の対向する底壁と前記底壁から前記開口部に向けて延設される1または複数の側壁とで狭所空間が形成されるとともに前記底壁および前記側壁のうちの少なくとも一方が、金属または前記金属の化合物で構成される被エッチング層により形成されたトレンチ構造を有する基板を保持する基板保持部と、前記基板保持部に保持された前記基板に基板処理液を供給する処理液供給部とを備え、前記基板処理液は、前記金属をエッチングするエッチャントとして機能するH2O2分子またはHO2 -を含む薬液と、前記金属のイオンと錯体を形成するアニオンを含む第1錯体形成剤とを備え、pH1以上pH3以下に調整されていることを特徴としている。 A third aspect of the present invention is a substrate processing apparatus comprising: a substrate holding unit that holds a substrate having a trench structure in which a narrow space is formed by an opening having a narrow width, a bottom wall facing the opening, and one or more side walls extending from the bottom wall toward the opening, and at least one of the bottom wall and the side walls is formed by an etching layer composed of a metal or a compound of the metal; and a processing liquid supply unit that supplies a substrate processing liquid to the substrate held by the substrate holding unit, wherein the substrate processing liquid comprises a chemical solution containing H 2 O 2 molecules or HO 2 - that functions as an etchant to etch the metal, and a first complex forming agent containing anions that form a complex with ions of the metal, and is adjusted to a pH of 1 or more and pH 3 or less.
このように構成された発明によれば、金属をエッチングするエッチャントとして機能するH2O2分子またはHO2 -を含む薬液と、金属のイオンと錯体を形成するアニオンを含む第1錯体形成剤とを備え、pH1以上pH3以下に調整されている。したがって、トレンチ構造を形作る底壁および側壁の少なくとも一方が金属または当該金属の化合物で構成される被エッチング層である、基板に対して優れたエッチングレートでエッチング処理を施すことができる。 According to the invention configured in this way, a chemical solution containing H 2 O 2 molecules or HO 2 - that functions as an etchant for etching metal and a first complex-forming agent containing anions that form a complex with metal ions are provided, and the pH is adjusted to between 1 and 3. Therefore, an etching process can be performed at an excellent etching rate on a substrate in which at least one of the bottom wall and side wall that form a trench structure is an etched layer composed of a metal or a compound of that metal.
<発明の概要>
本発明は、基板に形成されたトレンチ構造の底壁や側壁の少なくとも1つを被エッチング層とし、基板に基板処理液を供給することで被エッチング層をウェットエッチングして所望形状に仕上げる基板処理方法および基板処理装置、ならびに上記エッチングを効果的に行う基板処理液に関するものである。特に、本発明に係る基板処理方法では、被エッチング層が金属または金属の化合物で構成され、当該金属をエッチングするエッチャントとして機能するH2O2分子またはHO2
-を含む薬液によりエッチング処理が行われる。当該薬液として、例えば過酸化水素水溶液(後で説明する比較例2)を用いることができる。また、基板処理方法は、例えば図1に示すようにFinFETのゲートを製造する一工程に相当する。
<Summary of the Invention>
The present invention relates to a substrate processing method and substrate processing apparatus that wet-etches at least one of the bottom wall and sidewall of a trench structure formed in a substrate, using the layer to be etched as a target layer by supplying a substrate processing solution to the substrate, and to a substrate processing solution that effectively performs the etching. In particular, in the substrate processing method according to the present invention, the target layer is composed of a metal or a metal compound, and the etching process is performed using a chemical solution containing H 2 O 2 molecules or HO 2 − that functions as an etchant for etching the metal. For example, a hydrogen peroxide solution (Comparative Example 2, which will be described later) can be used as the chemical solution. Furthermore, the substrate processing method corresponds to one step in manufacturing a gate of a FinFET, as shown in FIG. 1 .
図1は本発明に係る基板処理方法の一実施形態を模式的に示す図である。FinFETのゲートを製造するにあたっては、特許文献1に記載されているように、シリコンなどの基板Wから上方に立設された複数のフィンFを跨いで形成された高k誘電体層11に対してTiN、TaN、TaAlN,TiCなどの金属層12が所望厚さで積層される(図1の下段図面(b)参照)。これら高k誘電体層11および金属層12によりHKMG層13が構成される。そして、HKMG層13上にポリシリコンなどのゲート材料層(図示省略)が形成される。これによりFinFETのゲート製造が完了する。 Figure 1 is a schematic diagram illustrating one embodiment of a substrate processing method according to the present invention. To manufacture a FinFET gate, as described in Patent Document 1, a metal layer 12 such as TiN, TaN, TaAlN, or TiC is deposited to a desired thickness on a high-k dielectric layer 11 formed across multiple fins F extending upward from a substrate W such as silicon (see the bottom drawing (b) of Figure 1). The high-k dielectric layer 11 and metal layer 12 form an HKMG layer 13. A gate material layer (not shown) such as polysilicon is then formed on the HKMG layer 13. This completes the manufacture of the FinFET gate.
ここで、金属層12の形成は2段階で行われる。つまり、図1の上段図面(a)に示すように金属蒸着などにより高k誘電体層11上に上記所望厚さよりも厚肉の金属層、例えばTiN層12aが形成される。このTiN層12aの形成後において、基板Wの表面に基板処理液を供給することで、同図の下段図面(b)に示すようにTiN層12aをウェットエッチングして上記所望厚さの金属層12を形成する。 Here, the metal layer 12 is formed in two stages. That is, as shown in the upper diagram (a) of Figure 1, a metal layer thicker than the desired thickness, such as a TiN layer 12a, is formed on the high-k dielectric layer 11 by metal vapor deposition or the like. After this TiN layer 12a is formed, a substrate processing liquid is supplied to the surface of the substrate W, and the TiN layer 12a is wet-etched to form a metal layer 12 of the desired thickness, as shown in the lower diagram (b) of the same figure.
ここで注目すべき点は、TiN層12aはフィンFの形状に沿って形成され、互いに隣接するフィンFの間で狭所なトレンチ構造が形成されることである。TiN層12aは比較的厚肉であるためにトレンチ構造の開口部12cはフィンピッチPfよりも大幅に狭くなる。つまり、開口部12cの開口寸法OWは狭所幅となっている。また、トレンチ構造を形作る底壁12dおよび側壁12eも次のような特徴を有している。開口部12cと対向する底壁12dは狭く、当該底壁12dから開口部12cに向かう側壁12eの間隔も開口寸法OW以下となっている。したがって、トレンチ構造の内部空間は互いに隣接するフィンFにより形成される空間よりも大幅に狭く、いわゆる狭所空間12fとなっている。そのため、単に過酸化水素水溶液を主たる成分とする基板処理液を用いてもエッチャントを狭所空間12fに効率的に侵入させることが難しい。その結果、トレンチ構造の底壁12dおよび側壁12eを構成するTiN層12aのエッチングレートの低下は不可避であった。なお、本明細書において、「狭所幅」は2nm以上10nm以下を意味している。 It is important to note here that the TiN layer 12a is formed to conform to the shape of the fin F, forming a narrow trench structure between adjacent fins F. Because the TiN layer 12a is relatively thick, the opening 12c of the trench structure is significantly narrower than the fin pitch Pf. In other words, the opening dimension OW of the opening 12c is the narrow width. The bottom wall 12d and sidewall 12e that form the trench structure also have the following characteristics: The bottom wall 12d facing the opening 12c is narrow, and the distance between the sidewall 12e extending from the bottom wall 12d toward the opening 12c is also less than the opening dimension OW. Therefore, the internal space of the trench structure is significantly narrower than the space formed by adjacent fins F, forming a so-called narrow space 12f. Therefore, simply using a substrate processing solution primarily composed of a hydrogen peroxide solution makes it difficult to efficiently introduce an etchant into the narrow space 12f. As a result, a decrease in the etching rate of the TiN layer 12a that forms the bottom wall 12d and sidewall 12e of the trench structure was unavoidable. Note that in this specification, "narrow width" means 2 nm or more and 10 nm or less.
そこで、本願発明者は鋭意研究し、狭所空間12fでの錯体の形成促進、換言すると被エッチング層の溶解促進のためには、錯体形成イオンを含む錯体形成剤を基板処理液に添加することが有効であるという知見を得た。そして、当該知見に基づき本願発明者は特開2021-145009号公報に記載されているようにNH4 +を錯体形成イオンとして用いた基板処理液を発明した。 Therefore, the present inventors have conducted extensive research and have found that adding a complex-forming agent containing complex-forming ions to the substrate processing solution is effective in promoting the formation of complexes in the narrow space 12f, in other words, promoting the dissolution of the layer to be etched. Based on this finding, the present inventors have invented a substrate processing solution that uses NH 4 + as a complex-forming ion, as described in JP 2021-145009 A.
一方、上記錯体形成イオンとしては、NH4 +以外に、Cl-などのハロゲンイオンも候補に挙げられ、今回、これに着目した。トレンチ構造を形作る壁面の一部が例えば後で説明する図9に示すようにSiやSiO2などである場合、当該壁面の電位はpHの影響を大きく受ける。 On the other hand, in addition to NH 4 + , halogen ions such as Cl - are also considered as candidates for the complex-forming ions, and this is what we focused on in this study. When part of the wall surface forming the trench structure is made of Si or SiO 2 , as shown in Figure 9, which will be explained later, the potential of the wall surface is greatly affected by the pH.
図2はpHに対するSi、PSL、Si3N4、SiO2のゼータ電位の変化を示すグラフである。同グラフの出典はT.Hattori: Ultraclean Surface Processing of Silicon Wafers, 119 (1998)であり、「Si」はケイ素、「PSL」はポリスチレンラテックス、「Si3N4」は窒化ケイ素、「SiO2」は二酸化ケイ素を意味している。同グラフから明らかなように、中性~アルカリ性領域では、狭所界面はマイナス電荷となっており、液置換効率低下や電気二重層によりエッチャントイオン侵入の阻害が起こると考えられる。これに対し、pHが6以下の酸性領域ではSiやSiO2などのゼータ電位は上昇し、狭所界面もプラス電荷またはプラス電荷に近づく。そのため、HO2-エッチャントイオンが狭所へ侵入し易くなると考察される。ただし、酸性になるほど基板処理液中におけるエッチャントイオンの濃度は低くなる。より詳しくは、後で説明する実施例および比較例で示すように、pHが1を下回ると、エッチャントイオンの狭所への侵入性は高まるものの、侵入性の効果はエッチャントイオン濃度の低下により打ち消されてしまう。したがって、アニオンの錯体形成イオンを用いる際には、エッチングレートを高めるために基板処理液のpHを少なくとも1以上かつ6以下に調整することが重要である。 Figure 2 is a graph showing the change in zeta potential of Si, PSL, Si 3 N 4 , and SiO 2 versus pH. The source of this graph is T. Hattori: Ultraclean Surface Processing of Silicon Wafers, 119 (1998), where "Si" refers to silicon, "PSL" refers to polystyrene latex, "Si 3 N 4 " refers to silicon nitride, and "SiO 2 " refers to silicon dioxide. As is clear from the graph, in the neutral to alkaline range, the narrow interface is negatively charged, which is thought to result in a decrease in liquid replacement efficiency and the inhibition of etchant ion penetration due to an electric double layer. In contrast, in the acidic range below pH 6, the zeta potential of Si and SiO 2 increases, and the narrow interface also becomes positively charged or approaches a positive charge. This is thought to facilitate the penetration of HO 2- etchant ions into narrow spaces. However, the more acidic the solution, the lower the concentration of etchant ions in the substrate processing solution. More specifically, as will be shown in the examples and comparative examples described later, when the pH is below 1, the penetration of etchant ions into narrow spaces increases, but the effect of penetration is canceled out by a decrease in the etchant ion concentration. Therefore, when using anionic complex-forming ions, it is important to adjust the pH of the substrate processing solution to at least 1 and 6 inclusive in order to increase the etching rate.
過酸化水素水溶液とDIW(脱イオン水:deionized water)を1:5で混合した混合液(後で説明する比較例2)のpHは約5である。これに本発明の第1錯体形成剤として塩酸(HCl)を添加すると、基板処理液中にCl-(錯体形成イオン)が含まれるとともに基板処理液のpHがさらに低くなる。ただし、基板処理液中での塩酸、過酸化水素水溶液およびDIWの混合比が1:1:5となると、当該基板処理液(後で説明する比較例1)のpHは1を下回ってしまう。したがって、基板処理液での塩酸の混合比率が0.1以下となるように調整するのが望ましく、より好ましい範囲は、0.001~0.1の範囲である(後で説明する実施例1~3)。また、このような作用効果は、Cl-以外にハロゲンイオンなど、金属(本実施形態ではTi)のイオンと錯体を形成するアニオンを含む第1錯体形成剤を用いた場合にも奏せられる。 A mixed solution (Comparative Example 2, described later) of aqueous hydrogen peroxide and deionized water (DIW) in a 1:5 ratio has a pH of approximately 5. Adding hydrochloric acid (HCl) to the mixed solution as the first complex-forming agent of the present invention results in the inclusion of Cl − (complex-forming ions) in the substrate processing solution, further lowering the pH of the substrate processing solution. However, if the mixing ratio of hydrochloric acid, aqueous hydrogen peroxide, and DIW in the substrate processing solution is 1:1:5, the pH of the substrate processing solution (Comparative Example 1, described later) falls below 1. Therefore, it is desirable to adjust the mixing ratio of hydrochloric acid in the substrate processing solution to 0.1 or less, with a more preferred range being 0.001 to 0.1 (Examples 1 to 3, described later). Furthermore, these effects can also be achieved when using a first complex-forming agent containing anions other than Cl − , such as halogen ions, that form complexes with metal ions (Ti in this embodiment).
以上のように、FinFETのHKMG層13を製造するにあたってトレンチ構造の底壁12dおよび側壁12eを構成するTiN層12aをエッチングするための基板処理液には、H2O2分子やHO2 -などのエッチャントを含む薬液を用いることができるが、第1錯体形成剤の添加とpH調整を行うのが好適である。つまり、金属(本実施形態ではTi)のイオンと錯体を形成するアニオンを含む錯体形成剤を添加するとともに基板処理液のpHを1以上かつ6以下に調整することで、エッチャントの量を高めるとともに当該エッチャントをトレンチ構造の内部、つまり狭所空間12fに効率的に侵入させることができる。したがって、底壁12dおよび側壁12eを構成するTiN層12a(被エッチング層)を優れたエッチングレートでエッチング処理を施すことができる。その結果、高性能のFinFETを製造することができる。 As described above, when fabricating the HKMG layer 13 of a FinFET, the substrate processing solution used to etch the TiN layer 12a constituting the bottom wall 12d and sidewall 12e of the trench structure can be a chemical solution containing an etchant such as H O 2 molecules or HO 2 − . However, it is preferable to add a first complexing agent and adjust the pH. That is, by adding a complexing agent containing an anion that forms a complex with a metal (Ti in this embodiment) ion and adjusting the pH of the substrate processing solution to 1 or more and 6 or less, the amount of etchant can be increased and the etchant can be efficiently introduced into the trench structure, i.e., into the narrow space 12f. Therefore, the TiN layer 12a (the layer to be etched) constituting the bottom wall 12d and sidewall 12e can be etched at an excellent etching rate. As a result, a high-performance FinFET can be fabricated.
また、上記したようにNH4
+を錯体形成イオンとして用いることができるため、このようなカチオンを含む第2錯体形成剤を追加してもよい。この第2錯体形成剤としては、アンモニウムイオンNH4
+を含む、一般式(NH4
+)nXn-
ここで、Xn-はn価のアニオンで、nは1または2である、
で表されるアンモニウム塩を用いることができる。アンモニウム塩としては、
・フッ化アンモニウム NH4F (Ammonium Fluoride)
・塩化アンモニウム NH4Cl (Ammonium Chloride)
・臭化アンモニウム NH4Br (Ammonium Bromide)
・ヨウ化アンモニウム NH4I (Ammonium Iodide)
・硫化アンモニウム (NH4)2SO4 (Ammonium Sulfide)
・酢酸アンモニウム NH4CH3CO2 (Ammonium Acetate)
・リン酸アンモニウム (NH4)2PO4 (Ammonium Phosphate)
が含まれる。
Furthermore, since NH 4 + can be used as a complex-forming ion as described above, a second complex-forming agent containing such a cation may be added. This second complex-forming agent may be a compound having the general formula (NH 4 + ) n X n- , which contains ammonium ion NH 4 + .
where X n- is an n-valent anion, n is 1 or 2;
As the ammonium salt, an ammonium salt represented by the following formula can be used:
・Ammonium Fluoride NH4F
・Ammonium chloride NH4Cl (Ammonium Chloride)
・Ammonium bromide NH4Br (Ammonium Bromide)
・Ammonium iodide NH4I (Ammonium Iodide)
・Ammonium sulfide (NH4)2SO4 (Ammonium Sulfide)
・Ammonium acetate NH4CH3CO2 (Ammonium Acetate)
・Ammonium phosphate (NH4)2PO4 (Ammonium Phosphate)
Includes:
また、第2錯体形成剤としてアルキルアンモニウム塩を用いることができる。アルキルアンモニウム塩には、一般式(NR4+)nXn-で表される第四級アンモニウム塩、R3Nで表される第三級アミン、R2NHで表される第二級アミン、RNH2で表される第一級アミンで表される、(Rはアルキル基かアリール基)が含まれ、例えば、
・フッ化テトラメチルアンモニウム [(CH3)4N]F (TetraMethylAmmonium Fluoride; TMAF)
・フッ化テトラエチルアンモニウム [(CH3CH2CH2)4N]F (TetraEthylAmmonium Fluoride; TEAF)
・フッ化テトラブチルアンモニウム [(CH3CH2CH2CH2CH2)4N]F (TetraButhylAmmonium Fluoride; TBAF)
・塩化テトラメチルアンモニウム [(CH3)4N]Cl (TetraMethylAmmonium Chloride; TMAC)
・塩化テトラエチルアンモニウム [(CH3CH2CH2)4N]Cl (TetraEthylAmmonium Chloride; TEAC)
・塩化テトラブチルアンモニウム [(CH3CH2CH2CH2CH2)4N]Cl (TetraButhylAmmonium Chloride; TBAC)
・ヨウ化テトラメチルアンモニウム [(CH3)4N]I (TetraMethylAmmonium Iodide; TMAI)
・ヨウ化テトラエチルアンモニウム [(CH3CH2CH2)4N]I (TetraEthylAmmonium Iodide; TEAI)
・ヨウ化テトラブチルアンモニウム [(CH3CH2CH2CH2CH2)4N]I (TetraButhylAmmonium Iodide; TBAI)
などのハロゲン化物、硫酸水素テトラブチルアンモニウムなどの硫酸水素化物、酢酸テトラメチルアンモニウムなどの酢酸化物、水酸化テトラエチルアンモニウムなどの水酸化物、過塩素酸テトラブチルアンモニウムなどの過塩素酸、などが含まれる。
Alternatively, alkylammonium salts can be used as the second complex-forming agent. Examples of alkylammonium salts include quaternary ammonium salts represented by the general formula (NR4 + ) n X n- , tertiary amines represented by R3N, secondary amines represented by R2NH, and primary amines represented by RNH2 (where R is an alkyl group or an aryl group), for example:
Tetramethylammonium fluoride [(CH3)4N]F (TetraMethylAmmonium Fluoride; TMAF)
Tetraethylammonium fluoride [(CH3CH2CH2)4N]F (TetraEthylAmmonium Fluoride; TEAF)
Tetrabutylammonium fluoride [(CH3CH2CH2CH2CH2)4N]F (TetraButylAmmonium Fluoride; TBAF)
Tetramethylammonium chloride [(CH3)4N]Cl (TetraMethylAmmonium Chloride; TMAC)
Tetraethylammonium chloride [(CH3CH2CH2)4N]Cl (TetraEthylAmmonium Chloride; TEAC)
Tetrabutylammonium chloride [(CH3CH2CH2CH2CH2)4N]Cl (TetraButylAmmonium Chloride; TBAC)
Tetramethylammonium iodide [(CH3)4N]I (TetraMethylAmmonium Iodide; TMAI)
Tetraethylammonium iodide [(CH3CH2CH2)4N]I (TetraEthylAmmonium Iodide; TEAI)
Tetrabutylammonium iodide [(CH3CH2CH2CH2CH2)4N]I (TetraButylAmmonium Iodide; TBAI)
hydrogen sulfates such as tetrabutylammonium hydrogen sulfate; acetates such as tetramethylammonium acetate; hydroxides such as tetraethylammonium hydroxide; perchlorates such as tetrabutylammonium perchlorate; and the like.
上記した第2錯体形成剤を適宜追加することで、狭所での錯体形成が促進され、エッチング対象物の溶解が促進される。なお、このように必要に応じて追加されるカチオンを含む第2錯体形成剤を塩酸などの常時使用される第1錯体形成剤と区別するため、以下においては「追加錯体形成剤」と称する。 By adding the second complex-forming agent described above as needed, complex formation in narrow spaces is promoted, facilitating the dissolution of the material to be etched. Note that, to distinguish this type of second complex-forming agent containing a cation, which is added as needed, from the first complex-forming agent, such as hydrochloric acid, which is used regularly, it will be referred to below as an "additional complex-forming agent."
<基板処理装置>
次に、上記基板処理液を用いて図1に示す基板処理方法を実行する基板処理装置の構成および動作を図3ないし図8を参照しつつ説明する。
<Substrate Processing Apparatus>
Next, the construction and operation of a substrate processing apparatus for performing the substrate processing method shown in FIG. 1 using the substrate processing solution will be described with reference to FIGS.
図3は図1に示す基板処理方法を実行可能な基板処理装置の第1実施形態を示す図である。また、図4は図3に示す基板処理装置の側面図である。この基板処理装置100は、図1の上段に図示された基板Wに対して上記基板処理液によりエッチング処理を実行する装置である。これらの図面は装置の外観を示すものではなく、基板処理装置100の外壁パネルやその他の一部構成を除外することでその内部構造をわかりやすく示した模式図である。この基板処理装置100は、例えばクリーンルーム内に設置され、FinFETを製造するための基板Wに対してエッチング処理を施してHKMG層の金属層(図1中の符号12)を形成する枚葉式の装置である。 Figure 3 is a diagram showing a first embodiment of a substrate processing apparatus capable of performing the substrate processing method shown in Figure 1. Figure 4 is a side view of the substrate processing apparatus shown in Figure 3. This substrate processing apparatus 100 is an apparatus that performs an etching process on the substrate W shown in the upper part of Figure 1 using the substrate processing liquid described above. These drawings do not show the external appearance of the apparatus, but are schematic diagrams that clearly show the internal structure of the substrate processing apparatus 100 by excluding the outer wall panels and other components. This substrate processing apparatus 100 is a single-wafer processing apparatus that is installed, for example, in a clean room and performs an etching process on substrates W for manufacturing FinFETs to form the metal layer of the HKMG layer (reference numeral 12 in Figure 1).
本実施形態では、図1の上段図面中のTiN層12aをエッチングして金属層12を形成するために、錯体形成剤として機能する塩酸と、エッチャントを含む過酸化水素水溶液(薬液)と、DIWとを0.1:1:5で混合した基板処理液をエッチング液として用いている。こうして調製された基板処理液のpHはほぼ2である。なお、当該基板処理液は後で説明する「実施例2」に相当しているが、それ以外、例えば「実施例1」、「実施例3」、「実施例4」、「実施例5」で示す基板処理液を用いてもよい。 In this embodiment, to etch the TiN layer 12a in the upper drawing of Figure 1 to form the metal layer 12, a substrate processing solution prepared by mixing hydrochloric acid, which functions as a complexing agent, a hydrogen peroxide solution (chemical solution) containing an etchant, and DIW in a ratio of 0.1:1:5 is used as the etching solution. The pH of the substrate processing solution prepared in this manner is approximately 2. Note that this substrate processing solution corresponds to "Example 2" described later, but other substrate processing solutions such as those shown in "Example 1," "Example 3," "Example 4," and "Example 5" may also be used.
図3に示すように、基板処理装置100は、基板Wに対して処理を施す基板処理部110と、この基板処理部110に結合されたインデクサ部120とを備えている。インデクサ部120は、基板Wを収容するための容器C(複数の基板Wを密閉した状態で収容するFOUP(FrontOpeningUnifiedPod)、SMIF(StandardMechanicalInterface)ポッド、OC(OpenCassette)など)を複数個保持することができる容器保持部121と、この容器保持部121に保持された容器Cにアクセスして、未処理の基板Wを容器Cから取り出したり、処理済みの基板Wを容器Cに収納したりするためのインデクサロボット122を備えている。各容器Cには、複数枚の基板Wがほぼ水平な姿勢で収容されている。 As shown in FIG. 3, the substrate processing apparatus 100 comprises a substrate processing unit 110 that processes substrates W, and an indexer unit 120 coupled to the substrate processing unit 110. The indexer unit 120 comprises a container holder 121 that can hold a plurality of containers C for accommodating substrates W (such as FOUPs (Front Opening Unified Pods), SMIF (Standard Mechanical Interface) pods, and OCs (Open Cassettes) that accommodate a plurality of substrates W in a sealed state), and an indexer robot 122 that accesses the containers C held by the container holder 121 to remove unprocessed substrates W from the container C and store processed substrates W into the container C. Each container C accommodates a plurality of substrates W in a substantially horizontal position.
インデクサロボット122は、装置筐体に固定されたベース部122aと、ベース部122aに対し鉛直軸まわりに回動可能に設けられた多関節アーム122bと、多関節アーム122bの先端に取り付けられたハンド122cとを備える。ハンド122cはその上面に基板Wを載置して保持することができる構造となっている。このような多関節アームおよび基板保持用のハンドを有するインデクサロボットは公知であるので詳しい説明を省略する。 The indexer robot 122 comprises a base 122a fixed to the device housing, an articulated arm 122b rotatable about a vertical axis relative to the base 122a, and a hand 122c attached to the tip of the articulated arm 122b. The hand 122c is structured so that a substrate W can be placed on and held on its upper surface. Indexer robots having such articulated arms and hands for holding substrates are well known, so a detailed description will be omitted.
基板処理部110は、平面視においてほぼ中央に配置された基板搬送ロボット111と、この基板搬送ロボット111を取り囲むように配置された複数の処理ユニット1とを備えている。具体的には、基板搬送ロボット111が配置された空間に面して複数の(この例では8つの)処理ユニット1が配置されている。これらの処理ユニット1に対して基板搬送ロボット111はランダムにアクセスして基板Wを受け渡す。一方、各処理ユニット1は基板Wに対して所定の処理を実行する。本実施形態では、これらの処理ユニット1は同一の機能を有している。このため、複数基板Wの並列処理が可能となっている。 The substrate processing section 110 comprises a substrate transfer robot 111 located approximately in the center in a plan view, and multiple processing units 1 arranged to surround the substrate transfer robot 111. Specifically, multiple processing units 1 (eight in this example) are arranged facing the space in which the substrate transfer robot 111 is located. The substrate transfer robot 111 randomly accesses these processing units 1 to hand over substrates W. Meanwhile, each processing unit 1 performs a predetermined process on the substrate W. In this embodiment, these processing units 1 have the same functions. This makes it possible to process multiple substrates W in parallel.
図5は処理ユニットの構成を示す部分断面図である。また、図6は処理ユニットを制御する制御部の電気的構成を示すブロック図である。なお、本実施形態では、各処理ユニット1に対して制御部4を設けているが、1台の制御部により複数の処理ユニット1を制御するように構成してもよい。また、基板処理装置100全体を制御する制御ユニット(図示省略)により処理ユニット1を制御するように構成してもよい。 Figure 5 is a partial cross-sectional view showing the configuration of a processing unit. Figure 6 is a block diagram showing the electrical configuration of a control unit that controls the processing units. In this embodiment, a control unit 4 is provided for each processing unit 1, but multiple processing units 1 may also be controlled by a single control unit. Alternatively, the processing units 1 may be controlled by a control unit (not shown) that controls the entire substrate processing apparatus 100.
処理ユニット1は、内部空間21を有するチャンバ2と、チャンバ2の内部空間21に収容されて基板Wを保持する基板保持部として機能するスピンチャック3とを備えている。図3および図4に示すように、チャンバ2の側面にシャッター23が設けられている。シャッター23にはシャッター開閉機構22(図6)が接続されており、制御部4からの開閉指令に応じてシャッター23を開閉させる。より具体的には、処理ユニット1では、未処理の基板Wをチャンバ2に搬入する際にシャッター開閉機構22はシャッター23を開き、基板搬送ロボット111のハンドによって未処理の基板Wがフェースアップ姿勢でスピンチャック3に搬入される。つまり、基板WはTiN層12a(図1)を上方に向けた状態でスピンチャック3上に載置される。そして、当該基板搬入後に基板搬送ロボット111のハンドがチャンバ2から退避すると、シャッター開閉機構22はシャッター23を閉じる。そして、チャンバ2の内部空間21内で後述のように基板処理液、DIWおよび窒素ガスが基板Wの表面Wfに供給されて所望の基板処理が常温環境下で実行される。また、基板処理の終了後においては、シャッター開閉機構22がシャッター23を再び開き、基板搬送ロボット111のハンドが処理済の基板Wをスピンチャック3から搬出する。このように、本実施形態では、チャンバ2の内部空間21が常温環境に保ちつつ基板処理を行う処理空間として機能する。なお、本明細書において「常温」とは、5℃~35℃の温度範囲にあることを意味する。 The processing unit 1 includes a chamber 2 having an internal space 21 and a spin chuck 3 accommodated in the internal space 21 of the chamber 2 and functioning as a substrate holder for holding a substrate W. As shown in FIGS. 3 and 4 , a shutter 23 is provided on the side of the chamber 2. A shutter opening/closing mechanism 22 ( FIG. 6 ) is connected to the shutter 23, and opens and closes the shutter 23 in response to an opening/closing command from the control unit 4. More specifically, in the processing unit 1, when an unprocessed substrate W is loaded into the chamber 2, the shutter opening/closing mechanism 22 opens the shutter 23, and the unprocessed substrate W is loaded face-up onto the spin chuck 3 by the hand of the substrate transfer robot 111. In other words, the substrate W is placed on the spin chuck 3 with the TiN layer 12a ( FIG. 1 ) facing upward. After the substrate is loaded, when the hand of the substrate transfer robot 111 retreats from the chamber 2, the shutter opening/closing mechanism 22 closes the shutter 23. Then, as described below, a substrate processing liquid, DIW, and nitrogen gas are supplied to the surface Wf of the substrate W within the internal space 21 of the chamber 2, and the desired substrate processing is carried out in a room temperature environment. After the substrate processing is completed, the shutter opening/closing mechanism 22 reopens the shutter 23, and the hand of the substrate transport robot 111 removes the processed substrate W from the spin chuck 3. In this manner, in this embodiment, the internal space 21 of the chamber 2 functions as a processing space for performing substrate processing while maintaining a room temperature environment. Note that in this specification, "room temperature" means a temperature range of 5°C to 35°C.
スピンチャック3は、基板Wを把持する複数のチャックピン31と、複数のチャックピン31を支持して水平方向に沿う円盤形状に形成されたスピンベース32と、スピンベース32に連結された状態で基板Wの表面中心から延びる面法線と平行な回転軸線C1まわりに回転自在に設けられた中心軸33と、モータによって中心軸33を回転軸線C1まわりに回転させる基板回転駆動機構34とを備えている。複数のチャックピン31は、スピンベース32の上面の周縁部に設けられている。この実施形態では、チャックピン31は周方向に等間隔を空けて配置されている。そして、スピンチャック3に載置された基板Wをチャックピン31により把持した状態で制御部4からの回転指令に応じて基板回転駆動機構34のモータが作動すると、基板Wは回転軸線C1まわりに回転する。また、このように基板Wを回転させた状態で、制御部4からの供給指令に応じて雰囲気遮断機構5に設けられたノズルから基板処理液、DIWおよび窒素ガスが順次基板Wの表面Wfに供給される。 The spin chuck 3 includes a plurality of chuck pins 31 for gripping the substrate W, a spin base 32 formed in a horizontally disk-like shape and supporting the plurality of chuck pins 31, a central shaft 33 connected to the spin base 32 and rotatable about a rotation axis C1 parallel to a surface normal extending from the center of the surface of the substrate W, and a substrate rotation drive mechanism 34 that rotates the central shaft 33 about the rotation axis C1 using a motor. The plurality of chuck pins 31 are provided on the periphery of the upper surface of the spin base 32. In this embodiment, the chuck pins 31 are arranged at equal intervals in the circumferential direction. When the motor of the substrate rotation drive mechanism 34 is activated in response to a rotation command from the control unit 4 while the substrate W placed on the spin chuck 3 is gripped by the chuck pins 31, the substrate W rotates about the rotation axis C1. Furthermore, while the substrate W is being rotated in this manner, substrate processing liquid, DIW, and nitrogen gas are sequentially supplied to the surface Wf of the substrate W from nozzles provided in the atmosphere blocking mechanism 5 in response to supply commands from the control unit 4.
雰囲気遮断機構5は、遮断板51と、遮断板51に一体回転可能に設けられた上スピン軸52と、遮断板51の中央部を上下方向に貫通するノズル53とを有している。遮断板51は基板Wとほぼ同じ径またはそれ以上の径を有する円板形状に仕上げられている。遮断板51はスピンチャック3に保持された基板Wの上面に間隔を空けて対向配置されている。このため、遮断板51の下面が基板Wの表面Wf全域に対向する円形の基板対向面51aとして機能する。また、基板対向面51aの中央部には、遮断板51を上下に貫通する円筒状の貫通孔51bが形成されている。 The atmosphere shutoff mechanism 5 includes a shutoff plate 51, an upper spin shaft 52 rotatable integrally with the shutoff plate 51, and a nozzle 53 that vertically penetrates the center of the shutoff plate 51. The shutoff plate 51 is finished in a circular disk shape with a diameter approximately the same as or greater than that of the substrate W. The shutoff plate 51 is disposed opposite, with a gap between them, to the upper surface of the substrate W held by the spin chuck 3. Therefore, the lower surface of the shutoff plate 51 functions as a circular substrate-facing surface 51a that faces the entire front surface Wf of the substrate W. Furthermore, a cylindrical through-hole 51b that vertically penetrates the shutoff plate 51 is formed in the center of the substrate-facing surface 51a.
上スピン軸52は遮断板51の中心を通り鉛直に延びる回転軸線(基板Wの回転軸線C1と一致する軸線)まわりに回転可能に設けられている。上スピン軸52は円筒形状を有している。上スピン軸52の内周面は、上記回転軸線を中心とする円筒面に形成されている。上スピン軸52の内部空間は、遮断板51の貫通孔51bに連通している。上スピン軸52は、遮断板51の上方で水平に延びる支持アーム54に相対回転可能に支持されている。 The upper spin shaft 52 is rotatably mounted about a rotation axis (coincident with the rotation axis C1 of the substrate W) that passes through the center of the shielding plate 51 and extends vertically. The upper spin shaft 52 has a cylindrical shape. The inner circumferential surface of the upper spin shaft 52 is formed into a cylindrical surface centered on the rotation axis. The internal space of the upper spin shaft 52 communicates with the through-hole 51b of the shielding plate 51. The upper spin shaft 52 is supported by a support arm 54 that extends horizontally above the shielding plate 51 so as to be rotatable relative to the support arm 54.
ノズル53はスピンチャック3の上方に配置されている。ノズル53は支持アーム54に対して回転不能な状態で支持アーム54によって支持されている。また、ノズル53は、遮断板51、上スピン軸52、および支持アーム54と一体的に昇降可能となっている。ノズル53の下端部には吐出口53aが設けられ、スピンチャック3に保持されている基板Wの表面Wfの中央部に対向する。 The nozzle 53 is positioned above the spin chuck 3. The nozzle 53 is supported by the support arm 54 in a state where it cannot rotate relative to the support arm 54. The nozzle 53 can be raised and lowered integrally with the shielding plate 51, upper spin shaft 52, and support arm 54. An outlet 53a is provided at the lower end of the nozzle 53, and faces the center of the front surface Wf of the substrate W held by the spin chuck 3.
遮断板51には、電動モータ等を含む構成の遮断板回転駆動機構55(図6)が結合されている。遮断板回転駆動機構55は制御部4からの回転指令に応じて遮断板51および上スピン軸52を支持アーム54に対して回転軸線C1まわりに回転させる。また、支持アーム54には遮断板昇降駆動機構56が結合されている。遮断板昇降駆動機構56は制御部4からの昇降指令に応じて遮断板51、上スピン軸52およびノズル53を支持アーム54と一体的に鉛直方向Zに昇降する。より具体的には、遮断板昇降駆動機構56は、基板対向面51aがスピンチャック3に保持されている基板Wの表面Wfに近接して表面Wfの上方空間を周辺雰囲気から実質的に遮断する遮断位置(図3に示す位置)と、遮断位置よりも大きく上方に退避した退避位置(図示省略)の間で昇降させる。 A shielding plate rotation drive mechanism 55 (Figure 6), which includes an electric motor and other components, is coupled to the shielding plate 51. The shielding plate rotation drive mechanism 55 rotates the shielding plate 51 and the upper spin shaft 52 about the rotation axis C1 relative to the support arm 54 in response to a rotation command from the control unit 4. A shielding plate lift drive mechanism 56 is also coupled to the support arm 54. The shielding plate lift drive mechanism 56 raises and lowers the shielding plate 51, the upper spin shaft 52, and the nozzle 53 together with the support arm 54 in the vertical direction Z in response to a lift command from the control unit 4. More specifically, the shielding plate lift drive mechanism 56 raises and lowers the substrate-facing surface 51a between a blocking position (position shown in Figure 3) where the substrate-facing surface 51a is close to the front surface Wf of the substrate W held on the spin chuck 3 and substantially blocks the space above the front surface Wf from the surrounding atmosphere, and a retracted position (not shown) that is retracted significantly above the blocking position.
ノズル53の上端部は、処理液供給制御部61、DIW供給制御部62および気体供給制御部63が接続されている。 The upper end of the nozzle 53 is connected to a processing liquid supply control unit 61, a DIW supply control unit 62, and a gas supply control unit 63.
処理液供給制御部61は、ノズル53に接続された処理液配管611と、処理液配管611に介挿されたバルブ612とを有している。処理液配管611は基板処理液の供給源として機能する処理液供給部400と接続されている。 The processing liquid supply control unit 61 has a processing liquid pipe 611 connected to the nozzle 53 and a valve 612 inserted in the processing liquid pipe 611. The processing liquid pipe 611 is connected to the processing liquid supply unit 400, which functions as a supply source of substrate processing liquid.
図7は基板処理液供給部の構成を示す図である。処理液供給部400は、エッチャントを含む過酸化水素水溶液(薬液)を供給する薬液供給系410と、DIWを供給するDIW供給系420と、第1錯体形成剤の一例である塩酸を供給する錯体形成剤供給系430とを有している。薬液供給系410は、過酸化水素水溶液の供給源から補給される過酸化水素水溶液をタンク411に一時的に貯留し、適当なタイミングでミキシングバルブ450に供給する機能を有している。薬液供給系410はタンク411と窒素ガス供給源とを接続する配管412を有している。この配管412には、流量調整弁413および開閉制御弁414が介装されている。このため、制御部4(図6)からの指令に応じて作動することで適量の流量で窒素ガスが流量調整弁413および開閉制御弁414を介してタンク411に圧送される。これによって、タンク411に貯留されている過酸化水素水溶液が配管415を介してミキシングバルブ450に供給可能となっている。また、配管415には、流量調整弁416および開閉制御弁417が介装されている。このため、制御部4からの指令に応じて流量調整弁416および開閉制御弁417が作動することで適量の流量で過酸化水素水溶液が適当なタイミングでミキシングバルブ450に供給される。一方、タンク411内での過酸化水素水溶液の貯留量を一定以上に保つために、タンク411内での過酸化水素水溶液の液面高さを検知するセンサ418が設けられている。そして、センサ418が上記液面高さを検知するとともに、その検知結果に基づいて上記供給源からタンク411に過酸化水素水溶液が補給される。 Figure 7 shows the configuration of the substrate processing liquid supply unit. The processing liquid supply unit 400 includes a chemical liquid supply system 410 that supplies an etchant-containing hydrogen peroxide solution (chemical liquid), a DIW supply system 420 that supplies DIW, and a complexing agent supply system 430 that supplies hydrochloric acid, an example of a first complexing agent. The chemical liquid supply system 410 temporarily stores the hydrogen peroxide solution replenished from a hydrogen peroxide solution supply source in a tank 411 and supplies it to the mixing valve 450 at the appropriate timing. The chemical liquid supply system 410 includes a pipe 412 that connects the tank 411 to a nitrogen gas supply source. A flow control valve 413 and an on/off control valve 414 are installed in this pipe 412. Therefore, by operating in response to commands from the control unit 4 (Figure 6), nitrogen gas is pressure-fed to the tank 411 at an appropriate flow rate via the flow control valve 413 and the on/off control valve 414. This allows the aqueous hydrogen peroxide solution stored in tank 411 to be supplied to mixing valve 450 via piping 415. Pipe 415 is also equipped with a flow rate adjustment valve 416 and an on/off control valve 417. Flow rate adjustment valve 416 and on/off control valve 417 operate in response to commands from control unit 4, allowing the aqueous hydrogen peroxide solution to be supplied to mixing valve 450 at an appropriate flow rate and with appropriate timing. Meanwhile, to maintain a constant level of aqueous hydrogen peroxide solution stored in tank 411, a sensor 418 is provided that detects the liquid level of the aqueous hydrogen peroxide solution in tank 411. Sensor 418 detects the liquid level, and based on the detection result, aqueous hydrogen peroxide solution is replenished from the supply source to tank 411.
DIW供給系420は、DIW供給源とミキシングバルブ450とを接続する配管421を有するとともに配管421に流量調整弁422および開閉制御弁423が介装されている。このため、制御部4からの指令に応じて流量調整弁422および開閉制御弁423が作動し、適量の流量でDIWが適当なタイミングでミキシングバルブ450に供給される。 The DIW supply system 420 has a pipe 421 connecting the DIW supply source to the mixing valve 450, and a flow rate adjustment valve 422 and an on-off control valve 423 are installed in the pipe 421. Therefore, the flow rate adjustment valve 422 and the on-off control valve 423 operate in response to commands from the control unit 4, and DIW is supplied to the mixing valve 450 at an appropriate flow rate and at the appropriate timing.
錯体形成剤供給系430は、塩酸をタンク431に一時的に貯留し、適当なタイミングでミキシングバルブ450に供給する機能を有している。錯体形成剤供給系430はタンク431と塩酸供給源とを接続する配管432を有している。この配管432には、流量調整弁433および開閉制御弁434が介装されている。また、タンク431内での塩酸の貯留量を一定以上に保つために、タンク431内での塩酸の液面高さを検知するセンサ435が設けられている。そして、センサ435が上記液面高さを検知するとともに、その検知結果に基づいて流量調整弁433および開閉制御弁434が作動して塩酸供給源から塩酸がタンク431に補給される。 The complexing agent supply system 430 temporarily stores hydrochloric acid in a tank 431 and supplies it to the mixing valve 450 at appropriate times. The complexing agent supply system 430 has a pipe 432 connecting the tank 431 to a hydrochloric acid supply source. A flow rate adjustment valve 433 and an on/off control valve 434 are installed in this pipe 432. A sensor 435 is also provided to detect the hydrochloric acid level in the tank 431 in order to maintain a constant level of hydrochloric acid stored in the tank 431. The sensor 435 detects the level, and based on the detection result, the flow rate adjustment valve 433 and on/off control valve 434 operate to replenish hydrochloric acid from the hydrochloric acid supply source to the tank 431.
タンク431と窒素ガス供給源とは配管436により接続されている。この配管436には、流量調整弁437および開閉制御弁438が介装されている。このため、制御部4からの指令に応じて作動することで適量の流量で窒素ガスが流量調整弁437および開閉制御弁438を介してタンク431に圧送され、タンク431に貯留されている塩酸が配管439を介してミキシングバルブ450に供給可能となっている。この配管439には、流量調整弁440および開閉制御弁441が介装されている。このため、制御部4からの指令に応じて流量調整弁440および開閉制御弁441が作動することで適量の流量で塩酸が適当なタイミングでミキシングバルブ450に供給される。 The tank 431 and the nitrogen gas supply source are connected by piping 436. A flow rate adjustment valve 437 and an on/off control valve 438 are installed in this piping 436. Therefore, by operating in response to commands from the control unit 4, nitrogen gas is pressurized into the tank 431 via the flow rate adjustment valve 437 and the on/off control valve 438 at an appropriate flow rate, and hydrochloric acid stored in the tank 431 can be supplied to the mixing valve 450 via piping 439. A flow rate adjustment valve 440 and an on/off control valve 441 are installed in this piping 439. Therefore, by operating the flow rate adjustment valve 440 and the on/off control valve 441 in response to commands from the control unit 4, hydrochloric acid is supplied to the mixing valve 450 at an appropriate flow rate and at the appropriate timing.
ミキシングバルブ450に対して適量の過酸化水素水溶液、DIWおよび塩酸が供給され、ミキシングバルブ450で混合される。この後で混合液は配管451を介して別のタンク461に送液される。このタンク461は配管462を介して追加錯体形成剤(本実施形態では、塩化アンモニウム)の供給源と接続されている。このため、制御部4からの指令に応じて当該供給源から追加錯体形成剤がタンク461に貯留されている基板処理液に追加されることで、後で説明する実施例4の基板処理液が生成される。ここで、追加錯体形成剤の一例である塩化アンモニウムは常温で粉末固体である。そこで、図7に示すように、タンク461内に攪拌ユニット463が設けられ、撹拌による塩化アンモニウムの溶解と混合を促進している。一方、追加錯体形成剤の追加が停止されている場合には、過酸化水素水溶液、DIWおよび塩酸の混合液がそのまま実施例2の基板処理液としてタンク461に貯留される。 Appropriate amounts of aqueous hydrogen peroxide solution, DIW, and hydrochloric acid are supplied to the mixing valve 450 and mixed there. The mixed solution is then sent to another tank 461 via piping 451. This tank 461 is connected to a supply source of an additional complexing agent (ammonium chloride in this embodiment) via piping 462. Therefore, in response to a command from the control unit 4, the additional complexing agent is added from this supply source to the substrate processing solution stored in the tank 461, thereby producing the substrate processing solution of Example 4, which will be described later. Here, ammonium chloride, an example of an additional complexing agent, is a powder solid at room temperature. Therefore, as shown in FIG. 7 , an agitation unit 463 is provided within the tank 461 to promote dissolution and mixing of the ammonium chloride through agitation. On the other hand, when the addition of the additional complexing agent is stopped, the mixed solution of aqueous hydrogen peroxide solution, DIW, and hydrochloric acid is stored in the tank 461 as the substrate processing solution of Example 2.
また、タンク461は配管464を介して窒素ガス供給源と接続されている。また、この配管464には、流量調整弁465および開閉制御弁466が介装されている。このため、制御部4からの指令に応じて作動することで適量の流量で窒素ガスが流量調整弁465および開閉制御弁466を介してタンク461に圧送され、タンク461内で混合された基板処理液が配管467を介して送液される。なお、配管467にも流量調整弁468および開閉制御弁469が介装され、適量の流量で基板処理液を適当なタイミングでノズル53に向けて供給可能となっている。 Tank 461 is also connected to a nitrogen gas supply source via pipe 464. Pipe 464 is also equipped with a flow rate adjustment valve 465 and an on/off control valve 466. Therefore, by operating in response to commands from control unit 4, nitrogen gas is pressure-fed to tank 461 via flow rate adjustment valve 465 and on/off control valve 466 at an appropriate flow rate, and the substrate processing liquid mixed in tank 461 is delivered via pipe 467. Pipe 467 is also equipped with a flow rate adjustment valve 468 and an on/off control valve 469, allowing the substrate processing liquid to be supplied to nozzle 53 at an appropriate flow rate and with appropriate timing.
図5に戻って説明を続ける。DIW供給制御部62はノズル53に接続されたDIW供給配管621と、DIW供給配管651を開閉するバルブ652とを有している。DIW供給配管651はDIWの供給源と接続されている。制御部4からの開閉指令に応じてバルブ622が開かれると、DIWがリンス液としてノズル53に供給され、吐出口53aから基板Wの表面中央部に向けて吐出される。 Returning to Figure 5, the explanation continues. The DIW supply control unit 62 has a DIW supply pipe 621 connected to the nozzle 53, and a valve 652 that opens and closes the DIW supply pipe 651. The DIW supply pipe 651 is connected to a DIW supply source. When the valve 622 is opened in response to an open/close command from the control unit 4, DIW is supplied to the nozzle 53 as a rinsing liquid and discharged from the discharge port 53a toward the center of the surface of the substrate W.
気体供給制御部63は、ノズル53に接続された気体供給配管651と、気体供給配管651を開閉するバルブ652とを有している。気体供給配管651は気体の供給源と接続されている。本実施形態では、気体として除湿された窒素ガスが用いられており、制御部4からの開閉指令に応じてバルブ652が開かれると、窒素ガスがノズル53に供給され、吐出口53aから基板Wの表面中央部に向けて吹き付けられる。なお、気体としては、窒素ガス以外に、除湿されたアルゴンガスなどの不活性ガス用いてもよい。 The gas supply control unit 63 has a gas supply pipe 651 connected to the nozzle 53 and a valve 652 that opens and closes the gas supply pipe 651. The gas supply pipe 651 is connected to a gas supply source. In this embodiment, dehumidified nitrogen gas is used as the gas. When the valve 652 is opened in response to an opening/closing command from the control unit 4, the nitrogen gas is supplied to the nozzle 53 and sprayed from the outlet 53a toward the center of the surface of the substrate W. Note that, in addition to nitrogen gas, an inert gas such as dehumidified argon gas may also be used as the gas.
処理ユニット1では、スピンチャック3を取り囲むように、排気桶80が設けられている。また、スピンチャック3と排気桶80との間に配置された複数のカップ81,82(第1カップ81および第2カップ82)と、基板Wの周囲に飛散した処理液を受け止める複数のガード84~86(第1ガード84~第3ガード86)とが設けられている。また、ガード84~86に対してガード昇降駆動機構87~89(第1~第3ガード昇降駆動機構87~89)がそれぞれ連結されている。ガード昇降駆動機構87~89はそれぞれ制御部4からの昇降指令に応じてガード84~86を独立して昇降する。なお、第1ガード昇降駆動機構87の図5への図示は省略されている。 In the processing unit 1, an exhaust tub 80 is provided to surround the spin chuck 3. Also provided are a plurality of cups 81, 82 (first cup 81 and second cup 82) arranged between the spin chuck 3 and the exhaust tub 80, and a plurality of guards 84-86 (first guard 84 to third guard 86) that catch processing liquid splashed around the substrate W. Guard lifting/lowering drive mechanisms 87-89 (first to third guard lifting/lowering drive mechanisms 87-89) are connected to the guards 84-86, respectively. The guard lifting/lowering drive mechanisms 87-89 independently raise and lower the guards 84-86 in response to lifting/lowering commands from the control unit 4. The first guard lifting/lowering drive mechanism 87 is not shown in Figure 5.
制御部4は、CPU等の演算ユニット、固定メモリデバイス、ハードディスクドライブ等の記憶ユニット、および入出力ユニットを有している。記憶ユニットには、演算ユニットが実行するプログラムが記憶されている。そして、制御部4は上記プログラムにしたがって装置各部を制御することで、エッチャントのみならず移動促進剤を含む基板処理液を用いて図9に示す基板処理を実行する。 The control unit 4 has an arithmetic unit such as a CPU, a storage unit such as a fixed memory device or a hard disk drive, and an input/output unit. The storage unit stores a program executed by the arithmetic unit. The control unit 4 controls each part of the device in accordance with the program, thereby performing the substrate processing shown in Figure 9 using a substrate processing solution that contains not only an etchant but also a migration promoter.
図8は図3の基板処理装置で実行される基板処理の内容を示す図である。基板処理装置100における処理対象は、例えば図1の上段図面に示すようにFinFETを製造するための基板Wであり、当該基板WではHKMG層用のTiN層12aが複数のフィンFに跨って形成されている。 Figure 8 shows the contents of the substrate processing performed by the substrate processing apparatus of Figure 3. The processing object in the substrate processing apparatus 100 is a substrate W for manufacturing FinFETs, for example, as shown in the upper drawing of Figure 1, and on this substrate W, a TiN layer 12a for the HKMG layer is formed across multiple fins F.
未処理の基板Wが処理ユニット1に搬入される前においては、制御部4が装置各部に指令を与えて処理ユニット1は初期状態にセットされる。すなわち、シャッター開閉機構22によりシャッター23(図4、図5)は閉じられている。基板回転駆動機構34によりスピンチャック3は基板Wのローディングに適した位置に位置決め停止されるとともに、図示しないチャック開閉機構によりチャックピン31は開状態となっている。遮断板51は遮断板昇降駆動機構56により退避位置に位置決めされるとともに、遮断板回転駆動機構55による遮断板51の回転は停止されている。ガード84~86はいずれも下方に移動して位置決めされている。さらに、バルブ612、622、632はいずれも閉じられている。 Before an unprocessed substrate W is loaded into the processing unit 1, the control unit 4 issues commands to each component of the apparatus, and the processing unit 1 is set to its initial state. That is, the shutter 23 (Figures 4 and 5) is closed by the shutter opening/closing mechanism 22. The spin chuck 3 is positioned and stopped at a position suitable for loading the substrate W by the substrate rotation drive mechanism 34, and the chuck pins 31 are opened by a chuck opening/closing mechanism (not shown). The shielding plate 51 is positioned at a retracted position by the shielding plate lifting/lowering drive mechanism 56, and rotation of the shielding plate 51 by the shielding plate rotation drive mechanism 55 is stopped. All of the guards 84-86 have been moved downward and are positioned accordingly. Furthermore, all of the valves 612, 622, and 632 are closed.
未処理の基板Wが基板搬送ロボット111により搬送されてくると、シャッター23が開く。シャッター23の開成に合わせて基板Wは基板搬送ロボット111によりチャンバ2の内部空間21に搬入され、表面Wfを上方に向けた状態でスピンチャック3に受け渡される。そして、チャックピン31が閉状態となり、基板Wはスピンチャック3に保持される(ステップS1:基板の搬入)。 When an unprocessed substrate W is transported by the substrate transport robot 111, the shutter 23 opens. As the shutter 23 opens, the substrate W is transported into the internal space 21 of the chamber 2 by the substrate transport robot 111 and transferred to the spin chuck 3 with its front surface Wf facing upward. The chuck pins 31 then close, and the substrate W is held by the spin chuck 3 (Step S1: Substrate Transport).
基板Wの搬入に続いて、基板搬送ロボット111がチャンバ2の外に退避し、さらにシャッター23が再び閉じた後、制御部4は基板回転駆動機構34のモータを制御してスピンチャック3の回転速度(回転数)を、所定の処理速度(約10~3000rpmの範囲内で、例えば800~1200rpm)まで上昇させ、その処理速度に維持させる。また、制御部4は、遮断板昇降駆動機構56を制御して、遮断板51を退避位置から下降させて遮断位置に配置する(ステップS2)。また、制御部4は、ガード昇降駆動機構87~89を制御して第1ガード84~第3ガード86を上位置に上昇させることにより、第1ガード84を基板Wの周端面に対向させる。 Following the loading of the substrate W, the substrate transport robot 111 retreats to the outside of the chamber 2, and the shutter 23 closes again. Then, the control unit 4 controls the motor of the substrate rotation drive mechanism 34 to increase the rotational speed (number of rotations) of the spin chuck 3 to a predetermined processing speed (within a range of approximately 10 to 3000 rpm, for example, 800 to 1200 rpm) and maintain that processing speed. The control unit 4 also controls the shield plate lift drive mechanism 56 to lower the shield plate 51 from its retreated position to the shielding position (step S2). The control unit 4 also controls the guard lift drive mechanisms 87 to 89 to raise the first guard 84 to the third guard 86 to their upper positions, thereby positioning the first guard 84 opposite the peripheral edge of the substrate W.
基板Wの回転が処理速度に達すると、次いで、制御部4はバルブ622を開く。これにより、ノズル53の吐出口53aからDIWが吐出され、基板Wの表面Wfに供給される。基板Wの表面Wf上では、DIWが基板Wの回転による遠心力を受けて基板Wの周縁部に移動する。これにより、基板Wの表面Wfの全体がDIWで覆われる、いわゆるカバーリンス処理が行われる(ステップS3)。なお、カバーリンスは必須工程ではなく、カバーリンスを行わず、次に説明するエッチング処理(ステップS4)を直ちに行う場合もある。 When the rotation of the substrate W reaches the processing speed, the control unit 4 then opens the valve 622. This causes DIW to be discharged from the outlet 53a of the nozzle 53 and supplied to the surface Wf of the substrate W. On the surface Wf of the substrate W, the DIW is subjected to centrifugal force due to the rotation of the substrate W and moves to the peripheral edge of the substrate W. This results in the entire surface Wf of the substrate W being covered with DIW, a so-called cover rinse process (step S3). Note that the cover rinse is not an essential step, and it is also possible to immediately perform the etching process (step S4), which will be described next, without performing the cover rinse.
ステップS4で、制御部4はバルブ612を閉じるとともに、バルブ622を開く。これにより、ノズル53の吐出口53aから吐出される液体がDIWから基板処理液に変わり、基板Wの表面Wfに基板処理液が供給される。基板Wの表面Wf上では、基板処理液が基板Wの回転による遠心力を受けて基板Wの周縁部に移動する。これにより、基板Wの表面Wfの全体が基板処理液によるエッチング処理を受ける。このとき、基板処理液には、TiN層12aのエッチャントとともに錯体形成剤として塩酸(あるいは塩酸+塩化アンモニウム)も含まれている。しかも、基板処理液のpHがほぼ2に調整されている。 In step S4, the control unit 4 closes valve 612 and opens valve 622. As a result, the liquid ejected from the outlet 53a of the nozzle 53 changes from DIW to substrate processing liquid, and the substrate processing liquid is supplied to the surface Wf of the substrate W. On the surface Wf of the substrate W, the substrate processing liquid is subjected to centrifugal force caused by the rotation of the substrate W and moves to the peripheral edge of the substrate W. As a result, the entire surface Wf of the substrate W is etched with the substrate processing liquid. At this time, the substrate processing liquid contains hydrochloric acid (or hydrochloric acid + ammonium chloride) as a complexing agent, in addition to an etchant for the TiN layer 12a. Moreover, the pH of the substrate processing liquid is adjusted to approximately 2.
この基板処理液によるエッチング処理は予め定められたエッチング時間だけ継続され、その間に基板Wの周縁部から排出される基板処理液は第1ガード84の内壁に受け止められ、図示を省略する排液経路に沿って機外の廃液処理設備に送られる。エッチング時間を経過すると、制御部4はバルブ612を閉じて、ノズル53からの基板処理液の吐出を停止する。 The etching process using this substrate processing liquid continues for a predetermined etching time, during which time the substrate processing liquid discharged from the peripheral edge of the substrate W is received on the inner wall of the first guard 84 and sent to waste liquid processing equipment outside the machine along a drainage path (not shown). Once the etching time has elapsed, the control unit 4 closes the valve 612 to stop the discharge of the substrate processing liquid from the nozzle 53.
エッチング処理に続いて、リンス液(DIW)によるリンス処理が実行される(ステップS5)。このDIWリンスでは、制御部4は第1ガード84~第3ガード86の位置を維持しながら、バルブ622を開く。これにより、エッチング処理を受けた基板Wの表面Wfの中央部に対してノズル53の吐出口53aからDIWがリンス液として供給される。すると、DIWが基板Wの回転による遠心力を受けて基板Wの周縁部に移動する。これにより、基板W上に付着している基板処理液がDIWによって洗い流されて基板処理液によるエッチングが停止される。このとき、基板Wの周縁部から排出されたDIWは、基板Wの周縁部から基板Wの側方に排出され、基板処理液と同様にして機外の廃液処理設備に送られる。このDIWリンスは予め定められたリンス時間だけ継続され、それを経過すると、制御部4はバルブ622を閉じて、ノズル53からのDIWの吐出を停止する。 Following the etching process, a rinse process using a rinse liquid (DIW) is performed (step S5). During this DIW rinse, the control unit 4 opens the valve 622 while maintaining the positions of the first guard 84 to the third guard 86. As a result, DIW is supplied as rinse liquid from the outlet 53a of the nozzle 53 to the center of the surface Wf of the substrate W that has been subjected to the etching process. The DIW then moves to the periphery of the substrate W due to centrifugal force caused by the rotation of the substrate W. This washes away the substrate processing liquid adhering to the substrate W, thereby stopping etching with the substrate processing liquid. At this time, the DIW discharged from the periphery of the substrate W is discharged from the periphery of the substrate W to the side of the substrate W and, like the substrate processing liquid, is sent to waste liquid treatment equipment outside the apparatus. This DIW rinse continues for a predetermined rinse time, after which the control unit 4 closes the valve 622 to stop the discharge of DIW from the nozzle 53.
DIWリンスの完了後、制御部4は基板Wの回転数を高めてスピン乾燥を行う(ステップS6)。本実施形態では、スピン乾燥と並行して制御部4はバルブ632を開いてノズル53から乾燥した窒素ガスをスピン乾燥中の基板Wの表面Wfに吹き付ける。これにより基板Wの乾燥が促進される。 After the DIW rinse is complete, the control unit 4 increases the rotation speed of the substrate W to perform spin drying (step S6). In this embodiment, in parallel with the spin drying, the control unit 4 opens the valve 632 to spray dry nitrogen gas from the nozzle 53 onto the surface Wf of the substrate W during spin drying. This promotes drying of the substrate W.
スピン乾燥を所定時間だけ継続させた後で、制御部4は基板回転駆動機構34のモータを制御してスピンチャック3の回転を停止させるとともにバルブ632を閉じて窒素ガスの吹き付けを停止する(ステップS7)。また、制御部4は、遮断板回転駆動機構55を制御して遮断板51の回転を停止させるとともに、遮断板昇降駆動機構56を制御して遮断板51を遮断位置から上昇させて退避位置に位置決めする。さらに、制御部4は、第3ガード昇降駆動機構89を制御して、第3ガード86に下降させて、全てのガード86~88を基板Wの周端面から下方に退避させる。 After continuing spin drying for a predetermined time, the control unit 4 controls the motor of the substrate rotation drive mechanism 34 to stop the rotation of the spin chuck 3 and closes the valve 632 to stop the spray of nitrogen gas (step S7). The control unit 4 also controls the shield plate rotation drive mechanism 55 to stop the rotation of the shield plate 51 and controls the shield plate lift drive mechanism 56 to lift the shield plate 51 from the shielding position and position it in the retracted position. The control unit 4 also controls the third guard lift drive mechanism 89 to lower the third guard 86, retracting all guards 86-88 downward from the peripheral edge surface of the substrate W.
その後、制御部4がシャッター開閉機構22を制御してシャッター23(図3、図5)を開いた後で、基板搬送ロボット111がチャンバ2の内部空間に進入して、チャックピン31による保持が解除された処理済みの基板Wをチャンバ2外へと搬出する(ステップS8)。なお、基板Wの搬出が完了して基板搬送ロボット111が処理ユニット1から離れると、制御部4はシャッター開閉機構22を制御してシャッター23を閉じる。 Then, the control unit 4 controls the shutter opening/closing mechanism 22 to open the shutter 23 (Figures 3 and 5), and the substrate transport robot 111 enters the internal space of the chamber 2 and unloads the processed substrate W, which has been released from the chuck pins 31, from the chamber 2 (step S8). Once the substrate W has been unloaded and the substrate transport robot 111 has moved away from the processing unit 1, the control unit 4 controls the shutter opening/closing mechanism 22 to close the shutter 23.
以上のように、本実施形態では、基板処理液を用いてTiN層12aに対するエッチング処理(ステップS4)を行っている。このため、エッチャントがトレンチ構造の内部、つまり狭所空間12fに効率的に侵入する。このため、底壁12dおよび側壁12eを構成するTiN層12a(被エッチング層)が優れたエッチングレートでエッチングされる。また、TiN層12aの露出領域も基板処理液により良好にエッチングされる。その結果、図1の下段に示すように、所望の形状および厚みを有する金属層12を形成することができる。 As described above, in this embodiment, the etching process (step S4) is performed on the TiN layer 12a using a substrate processing solution. This allows the etchant to efficiently penetrate into the interior of the trench structure, i.e., into the narrow space 12f. As a result, the TiN layer 12a (the layer to be etched) that forms the bottom wall 12d and sidewall 12e is etched at an excellent etching rate. The exposed areas of the TiN layer 12a are also effectively etched by the substrate processing solution. As a result, a metal layer 12 having the desired shape and thickness can be formed, as shown in the lower part of Figure 1.
上記したように本実施形態においては、TiおよびTiNがそれぞれ本発明の「金属」および「金属の化合物」の一例に相当している。また、HKMG層13およびTiN層12aがそれぞれ本発明の「高k金属ゲート層」および「高k金属ゲート層の表層」の一例に相当している。また、TiN層12aの開口寸法OWが本発明の「狭所幅」に相当している。 As described above, in this embodiment, Ti and TiN correspond to examples of the "metal" and "metal compound" of the present invention, respectively. Furthermore, the HKMG layer 13 and TiN layer 12a correspond to examples of the "high-k metal gate layer" and "surface layer of the high-k metal gate layer" of the present invention, respectively. Furthermore, the opening dimension OW of the TiN layer 12a corresponds to the "narrow space width" of the present invention.
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば追加錯体形成剤の供給方法を変更してもよい。例えば予め少量のDIWで塩化アンモニウムを溶解して塩化アンモニウム水溶液を準備しておき、これをタンク461に送り込んで混合させてもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications other than those described above are possible without departing from the spirit of the present invention. For example, the method of supplying the additional complexing agent may be changed. For example, an aqueous ammonium chloride solution may be prepared by dissolving ammonium chloride in a small amount of DIW in advance, and this may then be sent to tank 461 for mixing.
また、上記実施形態では、基板Wへの供給直前に基板処理液を生成し、ノズル53から基板Wに供給してエッチング処理しているが、供給前に基板処理液が加熱部を通過してエッチング処理に適合する温度に調整するように構成してもよい。 In addition, in the above embodiment, the substrate processing liquid is generated immediately before being supplied to the substrate W and then supplied to the substrate W from the nozzle 53 for etching processing, but the substrate processing liquid may also be configured to pass through a heating section before being supplied to adjust the temperature to a temperature suitable for etching processing.
また、上記実施形態では、スピンチャック3に保持された基板Wに基板処理液を供給してエッチング処理を行う、いわゆる枚葉式の基板処理装置100に本発明を適用しているが、いわゆるバッチ方式の基板処理装置に対して本発明適用してもよい。つまり、処理槽に貯留された上記基板処理液に対し、基板保持部に保持された複数の基板Wを保持した基板保持部を浸漬させることでエッチング処理を行ってもよい。 In addition, in the above embodiment, the present invention is applied to a so-called single-wafer type substrate processing apparatus 100 that supplies a substrate processing liquid to a substrate W held on a spin chuck 3 to perform an etching process, but the present invention may also be applied to so-called batch type substrate processing apparatuses. In other words, etching may be performed by immersing a substrate holder holding multiple substrates W in the substrate processing liquid stored in a processing tank.
また、上記実施形態では、塩酸(錯体形成剤)と、エッチャントを含む過酸化水素水溶液(薬液)と、DIWとを0.1:1:5で混合した基板処理液、またはこれに塩化アンモニウムを追加錯体形成剤として添加した基板処理液を用いている。つまり、pHはほぼ「2」の基板処理液を用いているが、塩酸の混合比率を制御することでpHが1以上6以下に調整された基板処理液を用いてもよく、例えばpHが「3」に調整された基板処理液が後で説明する「実施例1」であり、pHが「1」に調整された基板処理液が後で説明する「実施例3」や「実施例5」である。 In addition, the above embodiments use a substrate processing solution that is a 0.1:1:5 mixture of hydrochloric acid (complexing agent), an aqueous hydrogen peroxide solution containing an etchant (chemical solution), and DIW, or a substrate processing solution to which ammonium chloride is added as an additional complexing agent. In other words, a substrate processing solution with a pH of approximately "2" is used, but a substrate processing solution with a pH adjusted to between 1 and 6 by controlling the mixing ratio of hydrochloric acid may also be used. For example, a substrate processing solution with a pH adjusted to "3" is "Example 1" described later, and a substrate processing solution with a pH adjusted to "1" is "Example 3" and "Example 5" described later.
また、基板処理液を基板Wに供給する代わりに、基板処理液を構成する液体成分をそれぞれ基板Wに直接供給してエッチング処理を実行してもよい。例えば混合液(=薬液+DIW)と塩酸(錯体形成剤)とをそれぞれ基板Wに直接供給してエッチング処理を実行してもよい。また、混合液(=塩酸+薬液+DIW)と塩化アンモニウム(追加錯体形成剤)とをそれぞれ基板Wに直接供給してエッチング処理を実行してもよい。 In addition, instead of supplying the substrate processing liquid to the substrate W, the liquid components that make up the substrate processing liquid may be supplied directly to the substrate W to perform the etching process. For example, a mixed liquid (= chemical liquid + DIW) and hydrochloric acid (complexing agent) may be supplied directly to the substrate W to perform the etching process. Alternatively, a mixed liquid (= hydrochloric acid + chemical liquid + DIW) and ammonium chloride (additional complexing agent) may be supplied directly to the substrate W to perform the etching process.
また、上記実施形態では、本発明の「被エッチング層」の一例としてTiN層をエッチングしているが、FinFETのゲートに用いられる他の金属層(MG)をエッチングする基板処理技術や基板処理液にも本発明を適用することができる。 In addition, in the above embodiment, a TiN layer is etched as an example of the "layer to be etched" in the present invention, but the present invention can also be applied to substrate processing techniques and substrate processing solutions for etching other metal layers (MG) used in the gate of a FinFET.
また、上記実施形態では、図1に示すようにトレンチ構造を構成する底壁12dおよび2つの側壁12eが被エッチング層となっている基板Wを基板処理対象としているが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではない。例えば2つの側壁12eのうちの一方と底壁12dが被エッチング層となっている基板に対して本発明を適用可能である。また、側壁12eが筒形状を有する被エッチング層となっている基板に対して本発明を適用可能である。さらに、底壁12dのみが被エッチング層となっている基板に対して本発明を適用可能である。例えば次に説明する実施例で説明するように薄い金属層または金属の化合物層が異なる組成の層(シリコン層や酸化シリコン層など)で挟み込まれた積層構造を有する基板をエッチングする基板処理技術も本発明の適用対象に含まれる。このような積層構造を有し、薄い金属層または金属の化合物層のエッチングが必要となる基板としては、例えば3D-NANDメモリを製造するための基板が含まれる。 In the above embodiment, the substrate W to be processed is a substrate in which the bottom wall 12d and two sidewalls 12e constituting the trench structure, as shown in FIG. 1, are layers to be etched. However, the application of the present invention is not limited to this. For example, the present invention can be applied to a substrate in which one of the two sidewalls 12e and the bottom wall 12d are layers to be etched. The present invention can also be applied to a substrate in which the sidewall 12e is a cylindrically shaped layer to be etched. Furthermore, the present invention can be applied to a substrate in which only the bottom wall 12d is a layer to be etched. For example, as explained in the following example, the present invention also applies to a substrate processing technology for etching a substrate having a stacked structure in which a thin metal layer or metal compound layer is sandwiched between layers of different compositions (such as a silicon layer or a silicon oxide layer). Substrates having such a stacked structure and requiring etching of a thin metal layer or metal compound layer include, for example, substrates used to manufacture 3D-NAND memory.
また、基板処理液の組成は上記したものに限定されるものではなく、上記「発明の概要」の項で説明した第1錯体形成剤や第2錯体形成剤を用いることができる。なお、それらの具体例および効果については、次の実施例において詳述する。 Furthermore, the composition of the substrate processing solution is not limited to the above, and the first complex-forming agent and second complex-forming agent described in the "Summary of the Invention" section above can also be used. Specific examples and effects of these agents will be described in detail in the following examples.
以下、本発明の好ましい態様について、実施例を参照しつつより具体的に説明する。ただし、本発明はもとより下記の実施例によって制限を受けるものではない。したがって、前後記の趣旨に適合しうる範囲で適当に変更を加えて実施することももちろん可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。 Preferred embodiments of the present invention will now be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the examples below. Therefore, it is of course possible to make appropriate modifications within the scope of the spirit described above, and all such modifications are within the technical scope of the present invention.
ここでは、狭所部および非狭所部でのエッチングレートを評価するために、図9に示すサンプルを準備し、以下の実験を行った。 Here, to evaluate the etching rate in narrow and non-narrow spaces, we prepared the sample shown in Figure 9 and conducted the following experiment.
図9はエッチングレートの評価用サンプルの構成および実験内容を模式的に示す図である。同図中の(a)欄に示す基板Waでは、シリコン基材W1の上面にTiN層W2が形成されている。さらに、TiN層W2上にポリシリコン層W3が積層形成されている。このポリシリコン層W3には、例えば内径60nmの貫通孔W4が複数個設けられている。このように構成された基板Waの表面に上記エッチャントを含む基板処理液を供給すると、基板処理液が貫通孔W4を介してTiN層W2に供給され、基板処理液中に含まれるエッチャントによりTiN層W2のうち貫通孔W4に面している露出領域W5がエッチングされ、さらに時間経過とともに開口W6(つまり、シリコン基材W1とポリシリコン層W3と間の隙間部分)を介してエッチャントがシリコン基材W1とポリシリコン層W3とに挟まれた狭所空間W7に侵入する。これによって、当該狭所空間W7のエッチングが進行する。 Figure 9 is a schematic diagram showing the structure and experimental details of a sample used to evaluate the etching rate. In the substrate Wa shown in column (a) of the figure, a TiN layer W2 is formed on the upper surface of a silicon substrate W1. Furthermore, a polysilicon layer W3 is laminated on the TiN layer W2. This polysilicon layer W3 has a plurality of through-holes W4, each with an inner diameter of 60 nm. When a substrate processing solution containing the etchant is supplied to the surface of the substrate Wa configured in this manner, the substrate processing solution is supplied to the TiN layer W2 through the through-holes W4. The etchant contained in the substrate processing solution etches the exposed region W5 of the TiN layer W2 facing the through-holes W4. Over time, the etchant penetrates through the opening W6 (i.e., the gap between the silicon substrate W1 and the polysilicon layer W3) into the narrow space W7 between the silicon substrate W1 and the polysilicon layer W3. This progresses the etching of the narrow space W7.
開口W6のサイズ(TiN層W2の厚みTHaに相当)が比較的大きい場合には、同図の(b)欄に示すようにシリコン基材W1の上面にTiN層W2がブランケット状、例えば厚みTHb=500nm程度の厚みで形成された基板Wbに基板処理液を供給してエッチングを進行させた場合とほぼ同程度のエッチングレートが得られる。例えば基板Wa、Wbに薬液を供給してから一定時間が経過するまでにエッチングされた量をそれぞれエッチング量EMa、EMbとすると、
EMa≒EMb
となる。そして、(EMa/EMb)を基板Waのブランケット比と定義すると、基板WaにおけるTiN層W5の厚みTHaが薄くなると、図1の上段中の開口寸法OWが狭くなった場合と同様に、狭所空間W7にエッチャントが侵入し難くなる。そのため、エッチングレートは小さくなり、基板Waのブランケット比は「1」から減少する。そこで、本実施例では、THaが2nm、5nmおよび10nmの基板Waと、基板Wbとを準備するとともに、7種類の基板処理液を調製した。
When the size of the opening W6 (corresponding to the thickness THa of the TiN layer W2) is relatively large, as shown in (b) of the same figure, an etching rate can be obtained that is approximately the same as when the substrate processing solution is supplied to a substrate Wb on which a blanket-like TiN layer W2, for example, with a thickness of about 500 nm, is formed on the upper surface of the silicon substrate W1. For example, if the etching amounts EMa and EMb are the amounts etched from the supply of the chemical solution to the substrates Wa and Wb until a certain time has elapsed, respectively,
EMa ≒ EMb
If (EMa/EMb) is defined as the blanket ratio of the substrate Wa, then as the thickness THa of the TiN layer W5 in the substrate Wa becomes thinner, it becomes more difficult for the etchant to enter the narrow space W7, as in the case where the opening dimension OW in the upper part of FIG. 1 becomes narrower. Therefore, the etching rate becomes smaller, and the blanket ratio of the substrate Wa decreases from "1". Therefore, in this example, substrates Wa and Wb having THa of 2 nm, 5 nm, and 10 nm were prepared, and seven types of substrate processing solutions were prepared.
これらの基板処理液は、表1に示すよう
(1)塩酸と、過酸化水素水溶液と、DIWとを1:1:5で混合したもの(pHは1よりも小さい
(2)過酸化水素水溶液と、DIWとを1:5で混合したもの(pHはほぼ5
(3)塩酸と、過酸化水素水溶液と、DIWとを0.001:1:5で混合したもの(pHはほぼ3)
(4)塩酸と、過酸化水素水溶液と、DIWとを0.01:1:5で混合したもの(pHはほぼ2)
(5)塩酸と、過酸化水素水溶液と、DIWとを0.1:1:5で混合したもの(pHはほぼ1)
(6)塩酸と、過酸化水素水溶液と、DIWとを0.01:1:5で混合した混合液(上記基板処理液(4)に相当)に、追加錯体形成剤として塩化アンモニウムを1mM加えたもの(pHはほぼ2)
(7)塩酸と、過酸化水素水溶液と、DIWとを0.1:1:5で混合した混合液(上記基板処理液(5)に相当)に、追加錯体形成剤として塩化アンモニウムを1mM加えたもの(pHはほぼ1)、
である。
These substrate processing solutions are as shown in Table 1: (1) a mixture of hydrochloric acid, aqueous hydrogen peroxide, and DIW in a ratio of 1:1:5 (pH less than 1); (2) a mixture of aqueous hydrogen peroxide and DIW in a ratio of 1:5 (pH approximately 5);
(3) A mixture of hydrochloric acid, aqueous hydrogen peroxide, and DIW in a ratio of 0.001:1:5 (pH approximately 3).
(4) A mixture of hydrochloric acid, aqueous hydrogen peroxide, and DIW in a ratio of 0.01:1:5 (pH approximately 2).
(5) A mixture of hydrochloric acid, aqueous hydrogen peroxide, and DIW in a ratio of 0.1:1:5 (pH approximately 1)
(6) A mixture of hydrochloric acid, aqueous hydrogen peroxide, and DIW in a ratio of 0.01:1:5 (corresponding to the substrate processing solution (4) above) to which 1 mM of ammonium chloride was added as an additional complexing agent (pH approximately 2).
(7) A mixture of hydrochloric acid, an aqueous hydrogen peroxide solution, and DIW in a ratio of 0.1:1:5 (corresponding to the substrate treatment solution (5)) to which 1 mM of ammonium chloride was added as an additional complexing agent (pH of approximately 1);
is.
そして、各基板処理液を基板Wa、Wbに供給して1分間にエッチングされた厚み、つまりエッチング量EMca、EMbを計測することで狭所空間W7でのエッチングレート(ER(nm/min))を求めた。また、(EMa/EMb)が基板Waのブランケット比(BL比)である。それらの結果をまとめたものが表1である。また、それらのうち追加錯体形成剤を追加していない基板処理液(1)~(5)について、図1に示すTiN層12aの開口寸法OWに相当する厚みTHaの値に対するブランケット比をプロットしたものが図10である(比較例1、2、実施例1~3)。さらに、追加錯体形成剤の追加効果を検証するために、基板処理液(4)~(7)について、図1に示すTiN層12aの開口寸法OWに相当する厚みTHaの値に対するブランケット比をプロットしたものが図11である(実施例2~5)。 Each substrate processing solution was supplied to substrates Wa and Wb, and the etching depth per minute, i.e., the etching amounts EMca and EMb, were measured to determine the etching rate (ER (nm/min)) in the narrow space W7. Furthermore, (EMa/EMb) is the blanket ratio (BL ratio) for substrate Wa. Table 1 summarizes these results. Furthermore, for substrate processing solutions (1) to (5) containing no additional complexing agent, the blanket ratio is plotted against the thickness THa corresponding to the opening dimension OW of the TiN layer 12a shown in FIG. 1 (Comparative Examples 1 and 2, Examples 1 to 3). Furthermore, to verify the effect of adding an additional complexing agent, the blanket ratio is plotted against the thickness THa corresponding to the opening dimension OW of the TiN layer 12a shown in FIG. 1 for substrate processing solutions (4) to (7) (Examples 2 to 5).
表1および図10から明らかなように、塩酸(第1錯体形成剤)を有さない基板処理液(2)によりエッチングを行った場合、狭所空間W7、特に2nmでのエッチングレートは低くなっている(比較例2)。また、塩酸(第1錯体形成剤)を含む場合であっても、pHが1よりも小さい基板処理液(1)によりエッチングを行った場合、狭所空間W7でのエッチングレートは低くなっている(比較例1)。これに対し、塩酸(第1錯体形成剤)を有し、しかもpHが1以上の基板処理液(3)~(5)によりエッチングを行った場合、比較例1、2に比べ、狭所空間W7でのエッチングレートが大きく改善されている(実施例1~3)。このように基板処理液(3)~(5)を用いることで狭所空間W7にエッチャントを効率的に侵入させて狭所空間W7に面するTiN層W2を優れたエッチングレートおよびブランケット比でエッチングすることができる。また、これらのうちpHがほぼ2の基板処理液(2)によりエッチングを行った場合、最も優れた改善効果が認められる。つまり、塩酸と、過酸化水素水溶液と、DIWとを混合した基板処理液では、pHを1以上かつ6以下に調整することで狭所でのエッチング処理の向上を図ることができるが、その効果にはpH依存性が存在しており、pHを2程度に調整するのが好適である。 As is clear from Table 1 and Figure 10, when etching was performed using substrate processing solution (2) that did not contain hydrochloric acid (first complexing agent), the etching rate in the narrow space W7, particularly at 2 nm, was low (Comparative Example 2). Furthermore, when etching was performed using substrate processing solution (1) that contained hydrochloric acid (first complexing agent) but had a pH of less than 1, the etching rate in the narrow space W7 was low (Comparative Example 1). In contrast, when etching was performed using substrate processing solutions (3) to (5) that contained hydrochloric acid (first complexing agent) and had a pH of 1 or greater, the etching rate in the narrow space W7 was significantly improved compared to Comparative Examples 1 and 2 (Examples 1 to 3). Thus, by using substrate processing solutions (3) to (5), the etchant efficiently penetrated the narrow space W7, enabling the TiN layer W2 facing the narrow space W7 to be etched at an excellent etching rate and blanket ratio. Furthermore, the greatest improvement was observed when etching was performed using substrate processing solution (2) with a pH of approximately 2. In other words, with a substrate processing solution made by mixing hydrochloric acid, aqueous hydrogen peroxide, and DIW, adjusting the pH to between 1 and 6 can improve etching performance in narrow spaces, but this effect is pH-dependent, so it is best to adjust the pH to around 2.
また、表1および図11から明らかなように、追加錯体形成剤の追加によりエッチングレートおよびブランケット比を向上させることができる。ただし、その効果についてもpH依存性が存在しており、pHを2程度に調整するのが好適である。 Furthermore, as is clear from Table 1 and Figure 11, the addition of an additional complexing agent can improve the etching rate and blanket ratio. However, this effect also depends on the pH, and it is preferable to adjust the pH to around 2.
この発明は、トレンチ構造を有する基板に対してエッチング処理を施すための基板処理液、当該基板処理液により基板を処理する基板処理全般に適用することができる。 This invention can be applied to substrate processing solutions for etching substrates having trench structures, as well as to general substrate processing in which substrates are processed using such substrate processing solutions.
1…処理ユニット(基板処理装置)
3…スピンチャック(基板保持部)
11…高k誘電体層
12…金属層
12a…TiN層(高k金属ゲート層の表層)
12c…開口部
12d…底壁
12e…側壁
12f…狭所空間
13…HKMG層(高k金属ゲート層)
400…処理液供給部
F…フィン
OW…開口寸法(狭所幅)
W,Wa,Wb…基板
1... Processing unit (substrate processing apparatus)
3...Spin chuck (substrate holder)
11... high-k dielectric layer 12... metal layer 12a... TiN layer (surface layer of high-k metal gate layer)
12c... Opening 12d... Bottom wall 12e... Side wall 12f... Narrow space 13... HKMG layer (high-k metal gate layer)
400... Processing liquid supply section F... Fin OW... Opening dimension (narrow space width)
W, Wa, Wb...substrate
Claims (11)
前記金属をエッチングするエッチャントとして機能するH2O2分子またはHO2 -を含む薬液と、
前記金属のイオンと錯体を形成するアニオンを含む第1錯体形成剤とを備え、
pH1以上pH3以下に調整されたことを特徴とする基板処理液。 1. A substrate processing solution for removing a layer to be etched by being supplied to a substrate having a trench structure, the substrate having a narrow space formed by an opening having a narrow width, a bottom wall opposing the opening, and one or more side walls extending from the bottom wall toward the opening, and at least one of the bottom wall and the side wall being formed of a layer to be etched that is made of a metal or a compound of the metal,
a chemical solution containing H 2 O 2 molecules or HO 2 − that functions as an etchant for etching the metal;
a first complexing agent containing an anion that forms a complex with an ion of the metal;
A substrate processing solution adjusted to a pH of 1 or more and a pH of 3 or less.
前記基板には、FinFETのゲートを形成するために前記基板の表面から互いに離間して立設された隣接する2つのフィンを跨いで覆う高k金属ゲート層が形成され、
前記高k金属ゲート層の表層を前記被エッチング層としてエッチング除去する基板処理液。 The substrate processing solution according to claim 1 ,
A high-k metal gate layer is formed on the substrate to straddle and cover two adjacent fins that are spaced apart from each other and stand upright on the surface of the substrate to form a gate of a FinFET;
A substrate processing solution that etches and removes a surface layer of the high-k metal gate layer as the etching target layer.
前記金属はチタンおよびタンタルのうちの少なくとも1種を含む基板処理液。 The substrate processing solution according to claim 2,
The substrate processing solution, wherein the metal contains at least one of titanium and tantalum.
前記薬液は過酸化水素水溶液である基板処理液。 The substrate processing solution according to claim 1 ,
The chemical solution is a substrate processing solution that is an aqueous hydrogen peroxide solution.
前記アニオンはハロゲンイオンである基板処理液。 The substrate processing solution according to claim 1 ,
The substrate processing solution wherein the anions are halogen ions.
前記ハロゲンイオンは塩素イオンである基板処理液。 The substrate processing solution according to claim 5,
The substrate processing solution wherein the halogen ions are chloride ions.
前記第1錯体形成剤は塩酸である基板処理液。 The substrate processing solution according to claim 6,
The substrate processing solution wherein the first complex-forming agent is hydrochloric acid.
前記金属のイオンと錯体を形成するNH4 +を含む第2錯体形成剤をさらに備える基板処理液。 The substrate processing solution according to claim 1 ,
The substrate processing solution further comprises a second complexing agent comprising NH 4 + that forms a complex with ions of the metal.
前記狭所幅は2nm以上10nm以下である基板処理液。 The substrate processing solution according to claim 1 ,
The narrow width of the substrate processing liquid is 2 nm or more and 10 nm or less.
前記基板から前記基板処理液を除去して前記被エッチング層の除去を停止させる工程とを備え、
前記基板処理液は、
前記金属をエッチングするエッチャントとして機能するH2O2分子またはHO2 -を含む薬液と、
前記金属のイオンと錯体を形成するアニオンを含む第1錯体形成剤とを備え、
pH1以上pH3以下に調整されている
ことを特徴とする基板処理方法。 a step of supplying a substrate processing solution to a substrate having a trench structure in which a narrow space is formed by an opening having a narrow width, a bottom wall facing the opening, and one or more side walls extending from the bottom wall toward the opening, and at least one of the bottom wall and the side wall is formed by an etching layer made of a metal or a compound of the metal, to start removing the etching layer;
removing the substrate processing solution from the substrate to stop removal of the layer to be etched;
The substrate processing solution is
a chemical solution containing H 2 O 2 molecules or HO 2 − that functions as an etchant for etching the metal;
a first complexing agent containing an anion that forms a complex with an ion of the metal;
A substrate processing method, characterized in that the pH is adjusted to 1 or more and 3 or less.
前記基板保持部に保持された前記基板に基板処理液を供給する処理液供給部とを備え、
前記基板処理液は、
前記金属をエッチングするエッチャントとして機能するH2O2分子またはHO2 -を含む薬液と、
前記金属のイオンと錯体を形成するアニオンを含む第1錯体形成剤とを備え、
pH1以上pH3以下に調整されている
ことを特徴とする基板処理装置。 a substrate holding part for holding a substrate having a trench structure in which a narrow space is formed by an opening having a narrow width, a bottom wall facing the opening, and one or more side walls extending from the bottom wall toward the opening, and at least one of the bottom wall and the side wall is formed by an etching layer composed of a metal or a compound of the metal;
a processing liquid supply unit that supplies a substrate processing liquid to the substrate held by the substrate holder,
The substrate processing solution is
a chemical solution containing H 2 O 2 molecules or HO 2 − that functions as an etchant for etching the metal;
a first complexing agent containing an anion that forms a complex with an ion of the metal;
A substrate processing apparatus characterized in that the pH is adjusted to 1 or more and 3 or less.
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