特開 2024-114493 基板処理方法及び基板処理システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024114493

(43)【公開日】2024-08-23

(54)【発明の名称】基板処理方法及び基板処理システム

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/764 20060101AFI20240816BHJP

   H01L 21/3065 20060101ALI20240816BHJP

   H01L 21/76 20060101ALI20240816BHJP

【ＦＩ】

H01L21/76 A

H01L21/302 105B

H01L21/76 N

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023020295

(22)【出願日】2023-02-13

(71)【出願人】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 順也

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 将久

(72)【発明者】

【氏名】下村 晃司

【テーマコード（参考）】

5F004

5F032

【Ｆターム（参考）】

5F004BD04

5F004DA00

5F004DA01

5F004DA26

5F004DB03

5F004EB04

5F032AA40

5F032AA44

5F032AA45

5F032AA54

5F032AA69

5F032AA70

5F032AA79

5F032AC02

5F032DA02

5F032DA23

5F032DA28

(57)【要約】

【課題】基板にエアギャップ構造を形成する基板処理方法及び基板処理システムを提供する。
【解決手段】オーバーハングを有する凹部を有する基板を準備する工程と、前記基板に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層の上に前記犠牲層よりもエッチング耐性の高い封止層を形成する工程と、前記犠牲層及び前記封止層が形成された前記基板をプラズマエッチングし、前記凹部の上部を封止する封止部を形成することでエアギャップ構造を形成する工程と、を有する、基板処理方法。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

オーバーハングを有する凹部を有する基板を準備する工程と、
前記基板に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層の上に前記犠牲層よりもエッチング耐性の高い封止層を形成する工程と、
前記犠牲層及び前記封止層が形成された前記基板をプラズマエッチングし、前記凹部の上部を封止する封止部を形成することでエアギャップ構造を形成する工程と、を有する、
基板処理方法。

【請求項2】

前記基板をエッチングする工程は、
前記封止層に開裂を形成する工程と、
前記封止層の前記開裂から前記犠牲層をエッチングして前記凹部の側壁に形成された前記封止層を片持ち状態とする工程と、
片持ち支持された前記封止層を前記凹部の内側に湾曲させ、前記凹部の上部を前記封止層で封止する前記封止部を形成することで前記エアギャップ構造を形成する工程と、
請求項１に記載の基板処理方法。

【請求項3】

前記開裂は、
前記封止層の頂部と、前記封止層のオーバーハング部との間に形成される、
請求項２に記載の基板処理方法。

【請求項4】

前記基板をエッチングする工程は、
エッチングガスとしてＣＦ系ガスを含むドライエッチングである、
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の基板処理方法。

【請求項5】

前記基板をエッチングする工程は、
前記エッチングガスとしてＯ_２ガスをさらに含む、
請求項４に記載の基板処理方法。

【請求項6】

前記犠牲層は、酸化ケイ素およびそれを主成分とする膜である、
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の基板処理方法。

【請求項7】

前記封止層は、酸化アルミニウム、水酸化酸化アルミニウム、及びＭｇ、Ｚｎ、Ｍｎの酸化物をドープしたＡｌＯを主成分とする膜のいずれかである、
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の基板処理方法。

【請求項8】

前記封止層を形成する工程において、
前記封止層の膜厚は、成膜時で２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内である、
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の基板処理方法。

【請求項9】

前記基板をエッチングする工程において、
前記犠牲層のエッチングレートは、前記封止層のエッチングレートに対して１０倍以上である、
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の基板処理方法。

【請求項10】

オーバーハングを有する凹部を有する基板にエアギャップ構造を形成する基板処理システムであって、
前記基板に犠牲層を形成する第１の成膜装置と、
前記犠牲層の上に前記犠牲層よりもエッチング耐性の高い封止層を形成する第２の成膜装置と、
前記犠牲層及び前記封止層が形成された前記基板をプラズマエッチングし、前記凹部の上部を封止する封止部を形成することでエアギャップ構造を形成するエッチング装置と、を備える、
基板処理システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、基板処理方法及び基板処理システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、層間犠牲膜をガス化させ溝およびガス透過性膜を通して除去し、層間犠牲膜を除去した後に溝の開口部近傍を封止する封止層を形成することにより、エアギャップを形成する方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１０－６２２４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一の側面では、本開示は、基板にエアギャップ構造を形成する基板処理方法及び基板処理システムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決するために、一の態様によれば、オーバーハングを有する凹部を有する基板を準備する工程と、前記基板に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層の上に前記犠牲層よりもエッチング耐性の高い封止層を形成する工程と、前記犠牲層及び前記封止層が形成された前記基板をプラズマエッチングし、前記凹部の上部を封止する封止部を形成することでエアギャップ構造を形成する工程と、を有する、基板処理方法が提供される。

【発明の効果】

【0006】

一の側面によれば、本開示は、基板にエアギャップ構造を形成する基板処理方法及び基板処理システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】基板処理システムの構成の一例を説明する図。

【図2】エアギャップ構造の形成方法の一例を示すフローチャート。

【図3】ステップＳ２０３の後における処理後の基板Ｗの断面模式図の一例。

【図4】ステップＳ２０４の後における処理後の基板Ｗの断面模式図の一例。

【図5】封止部の組成の測定結果の一例。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

【0009】

［基板処理システム］
本実施例に係る基板処理システム１００について、図１を用いて説明する。図１は、基板処理システム１００の構成の一例を説明する図である。

【0010】

基板処理システム１００は、基板表面にトレンチ形状等の凹部３５０（図３参照）を有する基板Ｗが搬送され、凹部３５０の上方を封止する封止部３２５（図４参照）を形成することにより基板Ｗにエアギャップ構造３６０を形成する基板処理システムである。

【0011】

なお、凹部３５０をエアギャップ構造３６０とすることにより、凹部３５０に誘電体（絶縁体）を埋め込む場合と比較して凹部３５０内の比誘電率を低くすることができる。

【0012】

また、基板Ｗにトランジスタ等の素子が複数形成され、一の素子と隣接する他の素子との間にエアギャップ構造３６０を形成することにより、一の素子と他の素子との間で電流のリークが発生することを抑制することができる。

【0013】

基板処理システム１００は、第１の成膜装置１１０と、第２の成膜装置１２０と、エッチング装置１３０と、を備える。なお、第１の成膜装置１１０、第２の成膜装置１２０及びエッチング装置１３０は、図１に示すように個別の装置として構成されていてもよい。また、同一の装置内で処理が行われる構成であってもよい。また、第１の成膜装置１１０、第２の成膜装置１２０及びエッチング装置１３０の間は、大気雰囲気で基板Ｗが搬送される構成であってもよく、真空雰囲気で基板Ｗが搬送される構成であってもよい。

【0014】

第１の成膜装置１１０は、基板Ｗに後述する犠牲層３１０（図３参照）を形成する成膜装置である。犠牲層３１０として、例えば、酸化ケイ素およびそれを主成分とする膜を形成する。具体的には、犠牲層３１０として、ＳｉＯ_２等を形成する。なお、犠牲層３１０は、これに限られるものではなく、例えばプラズマ処理を用いずに形成することにより密度の低いＳｉＯＣ、ＳｉＯＣＮ等を用いてもよい。なお、第１の成膜装置１１０は、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）装置、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置等の成膜装置を用いることができる。なお、凹部３５０にカバレッジよく犠牲層３１０を成膜するため、ＡＬＤ装置を用いることが好ましい。

【0015】

第２の成膜装置１２０は、基板Ｗに後述する封止層３２０（図３参照）を形成する成膜装置である。封止層３２０として、例えば、酸化アルミニウム、水酸化酸化アルミニウム、及びＭｇ、Ｚｎ、Ｍｎ等の酸化物をドープしたＡｌＯを主成分とする膜を形成する。具体的には、封止層３２０として、ＡｌＯ、ＡｌＭｇＯ、ＡｌＺｎＯ、ＡｌＭｎＯ等を形成する。なお、第２の成膜装置１２０は、ＡＬＤ装置、ＣＶＤ装置等の成膜装置を用いることができる。なお、凹部３５０にカバレッジよく封止層３２０を成膜するため、ＡＬＤ装置を用いることが好ましい。

【0016】

エッチング装置１３０は、基板Ｗに形成された犠牲層３１０及び封止層３２０（図３参照）をエッチングする装置である。犠牲層３１０及び封止層３２０をエッチングすることにより、エアギャップ構造３６０（図４参照）を形成する。また、エッチング装置１３０は、平行平板型のプラズマエッチング装置を用いることができる。平行平板型のプラズマエッチング装置は、容量結合プラズマ（ＣＣＰ：Capacitively Coupled Plasma）を生成する。また、プラズマエッチング装置は、エッチングガスとしてＣＦ系ガス（炭素（Ｃ）とフッ素（Ｆ）を含むガス）を含むドライエッチング装置であって、基板Ｗの垂直方向にイオンを衝突させ、垂直方向にエッチング（異方性エッチング）する。なお、ＣＦ系ガスは、例えばＣ_４Ｆ_８ガス、ＣＦ_４ガス等を用いることができる。また、エッチングガスは、ＣＦ系ガスに加えてＯ_２ガスを添加してもよい。また、エッチングガスは、ＡｒガスやＮ_２ガスを添加してもよい。

【0017】

また、エッチング装置１３０のエッチングガス、エッチング条件等は、犠牲層３１０をプラズマエッチングするエッチングガス、エッチング条件等を用いてもよい。

【0018】

ここで、エッチング装置１３０のプラズマエッチング処理において、犠牲層３１０と封止層３２０のエッチング耐性が異なっている。具体的には、犠牲層３１０のエッチングレートは、封止層３２０のエッチングレートよりも高くなっている。換言すれば、封止層３２０は、犠牲層３１０と比較してエッチング耐性が高くなっている。さらに換言すれば、犠牲層３１０は易エッチング層であり、封止層３２０は難エッチング層である。例えば、犠牲層３１０であるＳｉＯ_２におけるドライエッチングレートは例えば５０ｎｍ／ｍｉｎであるのに対し、封止層３２０であるＡｌＭｇＯにおけるドライエッチングレートは例えば２ｎｍ／ｍｉｎである。

【0019】

次に、エアギャップ構造３６０（図４参照）の形成方法について、図２から図４を用いて説明する。図２は、エアギャップ構造３６０の形成方法の一例を示すフローチャートである。図３は、ステップＳ２０３の後における処理後の基板Ｗの断面模式図の一例である。図４は、ステップＳ２０４の後における処理後の基板Ｗの断面模式図の一例である。

【0020】

ステップＳ２０１において、凹部３５０を有する基板Ｗを準備する。ここで、基板Ｗの層３００の表面には、トレンチ形状等の凹部３５０が形成されている。また、凹部３５０は、高さ方向の中央部分における幅よりも開口部付近の幅が狭くなるオーバーハング形状を有している。即ち、凹部３５０の側壁には、垂直を超えて凹部３５０の内側に向かって傾斜するオーバーハング部３５１が形成されている。

【0021】

ステップＳ２０２において、基板Ｗに犠牲層３１０を成膜する。ここでは、第１の成膜装置１１０によって基板Ｗに犠牲層３１０が形成される。以下の説明において、犠牲層３１０として、ＳｉＯ_２を形成したものとして説明する。

【0022】

ステップＳ２０３において、基板Ｗに封止層３２０を成膜する。ここでは、第２の成膜装置１２０によって基板Ｗに封止層３２０が形成される。以下の説明において、犠牲層３１０として、ＡｌＭｇＯを形成したものとして説明する。

【0023】

図３に示すように、基板Ｗは、凹部３５０の側壁及び凹部３５０の頂部（層３００の上面）に犠牲層３１０が形成される。ここで、犠牲層３１０は、凹部３５０の側壁及び凹部３５０の頂部にカバレッジよく略均等な膜厚で形成される。これにより、犠牲層３１０の側壁には、垂直を超えて凹部３５０の内側に向かって傾斜するオーバーハング部が形成される。

【0024】

また、基板Ｗは、犠牲層３１０の上に封止層３２０が形成されている。ここで、犠牲層３１０は、犠牲層３１０に沿ってカバレッジよく略均等な膜厚で形成される。これにより、犠牲層３１０においても、凹部３５０の側壁に垂直を超えて凹部３５０の内側に向かって傾斜するオーバーハング部３２１が形成される。

【0025】

ステップＳ２０４において、基板Ｗに形成された犠牲層３１０及び封止層３２０をエッチングして、凹部３５０の上方に封止部３２５を形成する。ここでは、エッチング装置１３０によって基板Ｗに形成された犠牲層３１０及び封止層３２０をエッチングする。

【0026】

ここで、プラズマエッチングの条件は、犠牲層３１０であるＳｉＯ_２をエッチングする条件を用いてもよい。例えば、エッチングガスとして、Ｏ_２ガスを添加したＣ_４Ｆ_８ガスを用いることができる。

【0027】

ここで、基板Ｗをプラズマエッチングした際の形状の変化について説明する。

【0028】

まず、プラズマエッチングによって基板Ｗの垂直方向にイオンを衝突させ、垂直方向にエッチングすることにより、封止層３２０の頂部３２２とオーバーハング部３２１との間で開裂を形成する。例えば、プラズマエッチングによってイオンが入射する封止層３２０の面であって、封止層３２０の曲率が小さく、かつ、封止層３２０に応力のかかる部分から開裂が形成される。

【0029】

次に、プラズマエッチングを継続することによって、封止層３２０の開裂した部分から犠牲層３１０がエッチングされる。ここでは、凹部３５０の側壁上部に形成された封止層３２０のオーバーハング部３２１と接する犠牲層３１０がエッチングされる。

【0030】

これにより、封止層３２０のオーバーハング部３２１は、上方側が犠牲層３１０によって支持されておらず、下方側が犠牲層３１０によって支持される片持ち支持された状態となる。ここで、片持ち支持された封止層３２０のオーバーハング部３２１は、凹部３５０の側の面である一方の面と、反対側の他方の面（エッチング前に犠牲層３１０が接していた面）と、を有する。片持ち支持された封止層３２０のオーバーハング部３２１の他方の面は、プラズマエッチングによって入射するイオンの入射方向に面している。

【0031】

そして、プラズマエッチングを更に継続することによって、プラズマエッチングによって片持ち支持された封止層３２０のオーバーハング部３２１の他方の面（エッチング前に犠牲層３１０が接していた面）にイオンが注入及び／又は衝突される。これにより、片持ち支持された封止層３２０のオーバーハング部３２１は、凹部３５０の内側に向かって湾曲（変形）する。

【0032】

そして、両壁から湾曲した封止層３２０のオーバーハング部３２１の上側端部同士が凹部３５０の上部（開口部付近）で接する。これにより、図４に示すように、凹部３５０の上部を封止する封止部３２５を形成する。

【0033】

また、湾曲したオーバーハング部３２１には、犠牲層３１０をエッチングした際の反応副生成物が堆積する。封止部３２５は、両壁から湾曲した封止層３２０のオーバーハング部３２１に加え、堆積した反応副生成物も含む。

【0034】

これにより、両壁から湾曲した封止層３２０のオーバーハング部３２１は、堆積した反応副生成物によって結合する。

【0035】

ここで、封止部３２５の組成の一例について、図５を用いて説明する。図５は、図４の破線４００で示す位置における封止部３２５の組成の測定結果の一例を示す。ここでは、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ：Energy dispersive X-ray spectroscopy）によって封止部３２５の元素の組成を測定し、その中からＯ、Ｆ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉにおける組成比を検出した。

【0036】

封止部３２５は、封止層３２０（ＡｌＭｇＯ）に由来するＡｌ、Ｍｇ、Ｏを含んでいる。

【0037】

また、封止部３２５は、犠牲層３１０（ＳｉＯ_２）をエッチングガス（Ｏ_２ガスを添加したＣ_４Ｆ_８ガス）を用いてプラズマエッチングした際の反応副生成物に由来するＳｉ、Ｆ、Ｏを含んでいる。

【0038】

このように、封止部３２５は、両壁から湾曲したオーバーハング部３２１と、犠牲層３１０をエッチングした際の反応副生成物と、によって形成される。

【0039】

以上の様に、図４に示すように、凹部３５０の上部に封止部３２５が形成され、凹部３５０の開口部が封止部３２５によって閉じられる。換言すれば、凹部３５０の開口部を塞ぐ蓋部としての封止部３２５が形成される。これにより、凹部３５０及び封止部３２５によって、エアギャップ構造３６０が形成される。

【0040】

なお、犠牲層３１０のエッチングレートは、封止層３２０のエッチングレートに対して、１０倍以上であることが好ましい。これにより、封止層３２０の消耗を抑制しつつ、片持ち支持された封止層３２０のオーバーハング部３２１を形成することができる。

【0041】

また、封止層３２０の膜厚は、成膜時（Ｓ２０３終了時）で２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内であることが好ましい。封止層３２０の膜厚を２ｎｍ以上とすることにより、片持ち支持された封止層３２０のオーバーハング部３２１を安定して形成することができる。また、封止層３２０の膜厚を１０ｎｍ以下とすることにより、封止層３２０に開裂を形成し、開裂から犠牲層３１０をエッチングすることができる。これにより、片持ち支持された封止層３２０のオーバーハング部３２１を安定して形成することができる。また、封止層３２０の膜厚を１０ｎｍ以下とすることにより、イオンが注入及び／又は衝突によって封止層３２０のオーバーハング部３２１を凹部３５０の内側に向かって好適に湾曲（変形）させることができる。

【0042】

また、封止層３２０の膜厚は、犠牲層３１０の膜厚よりも薄くすることが好ましい。犠牲層３１０の膜厚を厚くすることにより、封止層３２０の開裂から犠牲層３１０をエッチングする際に、好適に犠牲層３１０をエッチングすることができる。

【0043】

また、封止層３２０は、２層で構成され、封止層３２０は、ＡｌＭｇＯ、ＡｌＯ等で形成され後に湾曲して封止部３２５を形成する層と、この層の上に形成されるパッシベーション層と、を有していてもよい。パッシベーション層を形成することにより、封止層３２０のエッチング耐性を向上することができる。

【0044】

なお、両壁から湾曲したオーバーハング部３２１の上側端部同士が凹部３５０の開口部で接することにより、封止部３２５を形成するものとして説明したがこれに限られるものではない。

【0045】

封止部３２５は、両壁から湾曲したオーバーハング部３２１の上側端部同士が接触せず、両壁から湾曲したオーバーハング部３２１の上側端部の間に隙間を有する構造であってもよい。即ち、封止部３２５は、隙間を有していてもよい。このような隙間を有する封止部３２５であっても、両壁から湾曲したオーバーハング部３２１を形成することにより、凹部３５０の開口を狭くすることができる。また、プラズマエッチングによって凹部３５０の開口を狭くした後に、隙間を有する封止部３２５の上にカバレッジの低い成膜方法によって膜を形成することにより、封止部３２５の隙間を閉じるように形成してもよい。

【0046】

以上、基板処理システム１００による一実施形態のエアギャップ構造３６０の形成方法について説明したが、本開示は上記実施形態等に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本開示の要旨の範囲内において、種々の変形、改良が可能である。

【符号の説明】

【0047】

Ｗ 基板
１００ 基板処理システム
１１０ 第１の成膜装置
１２０ 第２の成膜装置
１３０ エッチング装置
３００ 層
３１０ 犠牲層
３２０ 封止層
３２１ オーバーハング部
３２２ 頂部
３２５ 封止部
３５０ 凹部
３５１ オーバーハング部
３６０ エアギャップ構造

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】