JP2000236021A - 半導体装置のコンタクトホール埋め込み方法 - Google Patents

半導体装置のコンタクトホール埋め込み方法

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 ドライ洗浄工程を前工程として含む半導体装
置のコンタクトホール埋め込み方法を提供する。 【解決手段】 下部物質膜上に絶縁膜２００を形成する
段階と、絶縁膜をドライエッチングによりパターニング
して、下部物質膜を露出させるコンタクトホール２５０
を形成する段階と、露出する下部物質膜上に酸化性ガス
及び酸化物反応ガスを含むソースガスから励起されるプ
ラズマを供給して、コンタクトホールを形成する段階で
できた損傷膜１１０を除去するドライ洗浄段階と、ドラ
イ洗浄段階が行われるチャンバに順次連結されてクラス
ター化した別途のチャンバで行うことによりドライ洗浄
されたコンタクトホール内の露出する下部物質膜上が汚
染源に曝されることを防止して、コンタクトホールを埋
め込む導電膜を形成する段階とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に係り、特に、半導体装置のコンタクトホール埋め込
み方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体装置の高集積化が進むにつ
れて、洗浄工程が重要視されつつある。例えば、ドライ
エッチング方法等によりコンタクトホールを形成し、コ
ンタクトホールを埋め込む工程の前段階として、コンタ
クトホールにより露出された半導体基板上、又はコンタ
クトホールの側壁などを洗浄する工程が重要視されつつ
ある。パターニングのためのドライエッチングは、プラ
ズマに含まれた反応性イオンを電圧差を用いて加速さ
せ、これにより半導体基板上の物質膜などをエッチング
する方法である。このドライエッチングは、半導体装置
に適用されるパターンが微細化するにつれてその利用が
増加している。しかし、このドライエッチングは、イオ
ン衝撃効果（ｉｏｎ ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ ｅｆｆ
ｅｃｔ）を伴ってパターニングされる物質膜下部の半導
体基板、又はポリシリコン膜に格子欠陥又は格子歪み現
象を起こす可能性がある。
【０００３】この格子欠陥又は格子歪み等が原因となっ
て、ドライエッチングにより露出される半導体基板上に
は損傷膜が形成される。損傷膜は、電気的伝導度を低下
させるなど、半導体基板の電気的性質の変化をきたす可
能性がある。この損傷膜を除去したり、又は損傷膜に起
因する電気的特性の劣化を補うため、次のような方法が
用いられている。例えば、アニーリング工程、又はコン
タクトホールを埋め込むプラグなどの導電性物質膜を形
成した後のイオン打ち込み工程、すなわち、プラグイオ
ン打ち込み工程などを施して電気的特性の劣化を補う。
又は、ドライエッチング工程の直後に、ドライエッチン
グでエッチングマスクとして用いられたフォトレジスト
パターンを除去するアッシング工程等により半導体基板
の表面を酸化させた後に、形成された酸化膜をウェット
エッチング法により除去する方法が用いられている。或
いは、コンタクトホールを埋め込む導電膜の下部に形成
される障壁膜を形成する工程前に、このコンタクトホー
ルをウェット洗浄する工程等により半導体装置の電気的
特性の劣化を防止する方法が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、前述のアニ
ーリング工程、又はプラグイオン打ち込み工程は、追加
のコスト及び工程の複雑化を招く。また、ウェット洗浄
法を用いる場合には、コンタクトホールの形成される絶
縁膜パターンを構成する絶縁物質が種々であって、絶縁
物質のそれぞれに対するウェットエッチング量が変わ
り、コンタクトホールの側壁に凹凸など側壁プロファイ
ルが損傷される不良が起こり易い。さらに、前述のウェ
ット洗浄工程等は、導電性物質を蒸着する蒸着装置とは
別の装置で独立的に行われる。例えば、バッチ式洗浄装
置、例えばウェットステーション等でウェット洗浄工程
を行った後に、前記蒸着が行われる枚葉式蒸着装置に洗
浄された半導体基板が移動される。この移動中に、洗浄
された半導体基板の表面などが大気中に曝されて自然酸
化膜の形成、又は不純物の吸着などの汚染が生じうる。
自然酸化膜等は、電気的伝導度を低下させるなど、半導
体装置の電気的特性を低下させる重要な要因となりう
る。
【０００５】本発明は上記事情に鑑みて成されたもので
あり、その目的は、ドライエッチング工程により露出さ
れる半導体基板又は導電膜上に形成される損傷膜又は自
然酸化膜などを簡単に除去し、再汚染を防止して接触抵
抗の増加などの電気的な特性の低下が防止できる半導体
装置のコンタクトホール埋め込み方法を提供するところ
にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、下部物質膜上に絶縁膜を形成し、前記絶
縁膜をドライエッチングによりパターニングして前記下
部物質膜を露出させるコンタクトホールを形成する。前
記コンタクトホールを埋め込む前に、露出する前記下部
物質膜上に酸化性ガス及び酸化物反応ガスを含むソース
ガスから励起されるプラズマを供給して、前記コンタク
トホールを形成する段階で起こされた損傷膜を除去して
ドライ洗浄する。
【０００７】前記ドライ洗浄段階は、酸素ガスなどの酸
化性ガス及び３フッ化窒素ガスなどのフッ化ガスを含む
ソースガスから励起されるプラズマを用いる。このと
き、前記ソースガスには、ヘリウムガス又はアルゴンガ
スがさらに含まれうる。前記プラズマは、マイクロ波方
式により前記ソースガスから励起されてダウンフロー方
式により前記下部物質膜上に供給される。このとき、電
圧差を印加してプラズマを加速する工程は排除されるこ
とが好ましい。また、前記損傷膜の除去された前記下部
物質膜上に酸化物反応ガスを供給して、前記損傷膜を除
去する段階でできた自然酸化膜を除去する段階がさらに
含まれうる。このとき、前記酸化物反応ガスとして３フ
ッ化窒素ガスなどの反応性ガスを水素プラズマと共に前
記自然酸化膜上に供給して行われる。このとき、前記水
素プラズマは、マイクロ波方式により励起されてダウン
フロー方式により前記自然酸化膜上に供給可能である。
【０００８】つぎに、本発明は、前記ドライ洗浄段階が
行われるチャンバに順次連結されてクラスター化した別
のチャンバで行うことにより前記ドライ洗浄された前記
コンタクトホール内の露出される前記下部物質膜上が汚
染源に曝されることを防止して、前記コンタクトホール
を埋め込む導電膜を形成する段階を含む。本発明による
と、コンタクトホールを形成するドライエッチングによ
り誘発される損傷膜を効果良く除去することができる。
さらに、洗浄されたコンタクトホールの内部が再度汚れ
ることが防止でき、コンタクトホールを埋め込む導電膜
と下部物質膜との接触抵抗の増加が防止できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、添付された図面に基づき、
本発明の実施の形態を詳細に説明する。但し、本発明の
実施形態は各種に変形可能であり、本発明の範囲が後述
する実施形態により限定されるものではない。本発明の
実施形態は当業界における通常の知識を有した者に本発
明をより完全に説明するための提供されるものである。
よって、図面における膜の膜厚等はより明確な説明を強
調するために誇張されたものであり、また図面上で同じ
符号にて示された要素は同じ要素を表わす。さらに、あ
る膜が他の膜又は半導体基板の"上"にある、又は接触し
てあると記された場合、その膜は他の膜又は半導体基板
に直接的に接触して存在することもできれば、その間に
第３の膜が介在して存在してもよい。
【００１０】図１は、本発明の実施の形態に係る半導体
装置のコンタクトホール埋め込み方法を説明するために
概略的に示す工程フローチャートである。本実施形態
は、ドライエッチングにより誘発される損傷膜を除去す
るために、導電膜にてコンタクトホールを埋め込む前
に、コンタクトホール内をドライ洗浄する方法を提示す
る。具体的に、絶縁膜上にプラズマを加速してドライエ
ッチングによりコンタクトホールを形成し（ステップ１
０）、ドライエッチングのためにエッチングマスクとし
て用いられた残留するフォトレジスト膜を除去する（ス
テップ２０）。次に、コンタクトホールをドライ洗浄
し、コンタクトホールを埋め込む導電膜を形成する（ス
テップ３０）。
【００１１】このドライ洗浄は、プラズマを用いるソフ
トエッチングにより行われ、ドライエッチングにより誘
発された損傷膜を除去する。損傷膜は、コンタクトホー
ル内に露出された下部物質膜、例えば、シリコン半導体
基板、又は導電性のポリシリコン膜の表面に誘発される
が、主としてドライエッチングに用いられるプラズマに
よるイオン衝撃現象により誘発される。このイオン衝撃
現象は、主としてドライエッチングの効率を高めるため
プラズマに電圧差を印加して加速させることに起因する
と言われている。この損傷膜の存在は、半導体装置の電
気的な特性を低下させる要因として働くため、除去する
ことが好ましい。
【００１２】上記のようなドライ洗浄、例えば、プラズ
マを用いるソフトエッチングは、上記した損傷膜を除去
するときにイオン衝撃現象が誘発されることを最小化す
るように行われる。例えば、通常のドライエッチング工
程は、励起されたプラズマを加速してエッチング効果を
極大化する方式で行われるが、ソフトエッチングは、プ
ラズマを加速する工程を導入しないか、或いは最小化す
る方式で行われる。好ましくは、プラズマを加速する工
程を導入せずに行われる。
【００１３】以下、以上のような本発明の実施の形態を
図面に基づき具体的に説明する。図２〜図５は、本発明
の実施の形態によるコンタクトホール埋め込み方法を説
明するための概略的な断面図である。図６及び図７は、
本発明の実施の形態によるドライ洗浄段階に用いられる
ドライ洗浄モジュールを説明するための概略図であり、
図８は、図６又は図７に示されたドライ洗浄モジュール
を含む洗浄及び蒸着システムの構成を説明するための概
略的な断面図である。
【００１４】図２を参照すると、半導体基板１００上に
絶縁膜２００を形成し、つぎにフォトレジスト膜３００
をエッチングマスクとして用いて絶縁膜２００をパター
ニングしてコンタクトホール２５０を形成する。コンタ
クトホール２５０は、シリコンよりなる半導体基板１０
０を露出させる場合を例にとっているが、コンタクトホ
ール２５０がポリシリコン膜（図示せず）を露出させる
場合にも本発明が適用可能である。半導体基板１００上
には、トランジスタ構造（図示せず）などの動作素子が
形成されており、かかる動作素子を絶縁する絶縁膜２０
０を様々な絶縁物質を用いて形成する。絶縁膜２００
は、必要に応じて各種の絶縁物質よりなる多重膜構造か
ら形成可能である。例えば、膜厚が略５，０００ÅのＢ
ＰＳＧ膜を第１副絶縁膜２０１として形成した後、膜厚
が略１０，０００ÅのＰＥ−ＴＥＯＳ膜を第２副絶縁膜
２０５として形成して多重膜構造を形成し、絶縁膜２０
０として利用可能である。かかる多重膜構造の絶縁膜２
００は、半導体装置が高集積化するにつれて次第に高ま
る段差を克服するため必須に用いられている。
【００１５】上記したように絶縁膜２００を形成した
後、絶縁膜２００をフォトエッチング工程によりパター
ニングして、下部の半導体基板１００を露出させるコン
タクトホール２５０を形成する。このとき、パターニン
グ工程は、ドライエッチング方法を用いて行われる。こ
のドライエッチング方法は、プラズマを前記した絶縁膜
２００上に供給し、このとき、前記プラズマに電圧差を
印加してプラズマを加速することにより、プラズマによ
るエッチング効果を極大化する。ところが、このように
電圧差により加速されたプラズマは、絶縁膜２００の下
部の半導体基板１００上を損傷するおそれがある。すな
わち、コンタクトホール２００により露出される半導体
基板１００上にイオン衝撃効果による損傷膜１１０が誘
発可能である。
【００１６】この損傷膜１１０は、主として、前記ドラ
イエッチングによるイオン衝撃により、露出される半導
体基板１００の表面近くに格子欠陥又は格子歪みが生じ
て誘発される。この損傷膜１１０の存在は、後続工程で
接触抵抗を増加させる要因として働き、結果として半導
体装置の電気的な特性を劣化させる要因となる。このた
め、この損傷膜１１０は除去されることが好ましい。一
方、前述のように、コンタクトホール２５０をパターニ
ングした後に、絶縁膜２００上に残留するフォトレジス
ト膜３００を除去する。例えば、半導体基板１００をア
ッシングシステム及びウェットステーション等により順
次移動させて、残留するフォトレジスト膜３００をアッ
シングし、硫酸ストリップ工程により除去する。このと
き、コンタクトホール２５０内には、有機成分の残留物
が残存する場合がある。
【００１７】図３を参照すると、半導体基板１００上に
誘発された損傷膜１１０を除去する。この損傷膜１１０
の除去は、プラズマを用いるソフトエッチングを含むド
ライ洗浄工程により行われる。ソフトエッチングは、プ
ラズマの化学的エッチング作用を主として用いる。すな
わち、プラズマの化学反応的要素を主として用いる。従
って、半導体基板１００の背面にバイアス電圧を印加す
ることによりプラズマに電圧差を与え、物理的なエッチ
ング作用が発生することを防止する。このため、ソフト
エッチングに用いられるプラズマは、リモート方式によ
り励起され、ダウンフロー方式により半導体基板１００
上に供給されることが好ましい。さらに、プラズマを励
起するために印加されるパワー条件及びプラズマソース
ガス供給条件などの制御条件が調節された誘導結合プラ
ズマ又は反応性イオンエッチング方式により前記したソ
フトエッチングを行っても良い。
【００１８】リモート方式を適用する場合、図６に示さ
れたように、リモートプラズマモジュールを含むプラズ
マ装置を用いて前記したドライ洗浄のためのソフトエッ
チングを行うことができる。移動されるプラズマソース
ガスは、マイクロ波によりプラズマに励起される。この
ようなプラズマはダウンフローされて半導体基板１００
上に達することになる。このようなプラズマは、損傷膜
１１０を酸化させて、損傷されない半導体基板１００か
ら選択的に除去する。このとき、プラズマは、損傷膜１
１０を酸化させるための酸化性ラジカルを含有し、酸化
された損傷膜１１０を除去する酸化物除去用ラジカルな
どを含有することが好ましい。例えば、前記したプラズ
マは、損傷膜をなすシリコンが酸化可能な酸化性ガス
と、酸化物除去用ラジカルが生成可能な酸化物反応ガ
ス、例えば、フッ化ガスを含有するプラズマソースガス
から励起できる。
【００１９】酸化性ガスとしては酸素ガス（Ｏ2）が使
用でき、フッ化ガスとしては３フッ化窒素ガス（Ｎ
Ｆ3）などのフッ化窒素ガス又は、４フッ化炭素ガス
（ＣＦ4）などのフッ化炭素ガスが使用できる。本発明
の実施形態では、３フッ化窒素ガスを用いる場合を例に
とっている。このプラズマソースガスは、ヘリウムガス
（Ｈｅ）又はアルゴンガス（Ａｒ）などの不活性ガスを
より含むことができる。プラズマソースガスは、図６に
示されたように、半導体基板１００が装着されるチャン
バ５１００に供給される。このとき、ソースガスは、第
１導入管５２００を介してＭＦＣ（Ｍａｓｓ Ｆｌｏｗ
Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）により制御されてチャンバ５
１００に供給され、途中で提供されるマイクロ波により
プラズマに励起される。例えば、３フッ化窒素ガスを略
３０ｓｃｃｍないし略１３０ｓｃｃｍに供給し、酸素ガ
スを略５０ｓｃｃｍ〜１０００ｓｃｃｍ、ヘリウムガス
を略１０ｓｃｃｍ〜１０００ｓｃｃｍに供給する。好ま
しくは、略３５ｓｃｃｍの３フッ化窒素ガス、７０ｓｃ
ｃｍの酸素ガス及び５００ｓｃｃｍのヘリウムガスを供
給する。このようなソースガスに窒素ガス（Ｎ2）を略
１０ｓｃｃｍ〜略１０００ｓｃｃｍで追加して供給して
も良い。
【００２０】このプラズマソースガスからリモート方式
で励起されるプラズマ５３００は、チャンバ５１００に
導入されてダウンフロー方式により下部の半導体基板１
００上に供給される。プラズマ５３００が導入されるチ
ャンバ５１００には、石英シールド５１０１が設けられ
る。半導体基板１００は、ヒーター部５４００に装着さ
れた加熱ランプ５４０１により加熱される。このヒータ
ー部５４００上には、石英ウィンドウ５５００が介在す
る。
【００２１】チャンバ５１００は、ターボ機械式ポンプ
及びドライポンプにより真空排出されて圧力が略０．１
Ｔｏｒｒ〜略１０Ｔｏｒｒ（略１３．３Ｐａ〜１，３３
０Ｐａ）に保たれる。そして、半導体基板１００の温度
は、加熱ランプ５４１０により略５℃〜２００℃に保た
れる。好ましくは、略０．７Ｔｏｒｒ（略９３Ｐａ）の
圧力条件及び略４０℃の温度条件を維持する。一方、マ
イクロ波は、略５００Ｗ〜略２０００Ｗのパワー、好ま
しくは、略１，０００Ｗのパワーで提供される。この工
程条件下でプラズマを用いるソフトエッチングは、略１
００秒行われる。この時間は、工程の諸般条件に応じて
変わることがある。
【００２２】一方、前記したような損傷膜１１０を除去
する段階で用いられるＮＦ3ガス及びＯ2ガスの供給量を
調節することにより、半導体基板１００又はポリシリコ
ン膜をなすシリコン及びＢＰＳＧ膜２０１などの絶縁膜
２００のエッチング速度の調節が可能である。例えば、
ＮＦ3ガスの供給を増やすと、ＢＰＳＧのエッチング速
度が高まる。このとき、シリコン又はポリシリコンの場
合、エッチング速度が高まる。さらに、Ｏ2ガスを増大
させると、シリコン又はポリシリコンの場合エッチング
速度が減少する。
【００２３】このように、ソースガスに含まれるＮＦ3
ガス及びＯ2の流量比を相対的に制御することにより、
シリコン／ＢＰＳＧのエッチング率を略０．５３〜３．
１３程度に調節することができる。好ましくは、略２以
下に調節することができる。このように、シリコン／Ｂ
ＰＳＧのエッチング率を制御することにより、上記した
ソフトエッチングによりコンタクトホール（図２におけ
る２５０）の側壁に露出されるＢＰＳＧ膜２０１などが
大いに侵害されることを抑えることができる。
【００２４】前記のように供給されるプラズマにより、
半導体基板１００上に誘発された損傷膜１１０はソフト
エッチングされて除去される。このソフトエッチング
は、行われる条件により変わるが、略２Å〜４００Å程
度の膜厚の露出される半導体基板１００をエッチングし
て損傷膜１１０を除去する。
【００２５】ソフトエッチングによる損傷膜１１０を除
去する段階は、前記のようにマイクロ波により励起され
るプラズマをダウンフロー方式により供給して行いうる
が、必要に応じて、前記した誘導結合プラズマ又は反応
性イオンエッチング方式により前記したソフトエッチン
グを行うことができる。例えば、誘導結合プラズマ方式
を利用する場合、略０．５Ｔｏｒｒ（略６７Ｐａ）の圧
力条件及び略２００Ｗの印加パワー及び略２０℃の温度
条件下に、１５／１０／６２５のＮＦ3／Ｏ2／Ｈｅ流量
比で供給されるソースガスからプラズマを発生させて前
記したソフトエッチングを行うことができる。また、反
応性イオンエッチング方式を利用する場合、略１５０ｍ
Ｔｏｒｒの圧力条件及び略２００Ｗの印加パワー及び略
４０℃の温度条件下に、５／５０／２００のＣＦ4／Ｏ2
／Ａｒの流量比に供給されるソースガスからプラズマを
発生させて前記したソフトエッチングを行うことができ
る。このとき、前記のように誘導結合プラズマ方式また
は反応性イオンエッチング方式を利用する場合、プラズ
マ損傷が最小化又は実質的に発生しない条件、例えば、
電圧差によるプラズマを加速しない条件で行うことが好
ましい。すなわち、バイアス電圧を印加することを排除
することが好ましい。
【００２６】この損傷膜１１０を除去する段階で、付加
的に、フォトレジスト膜３００を除去する工程により誘
発される有機成分の残留物も合わせて除去できる。すな
わち、フォトレジスト膜３００を除去するアッシング工
程またはストリップ工程でコンタクトホール２５０内に
有機成分の残留物が残存する場合がある。プラズマ内に
は酸素プラズマなどの酸化性ラジカルが含まれるため、
有機成分の残留物は前記酸化性ラジカルと反応させて気
相で除去できる。一方、損傷膜１１０が除去されて露出
された半導体基板１００の表面には、前記したプラズマ
により自然に酸化されて自然酸化膜１５０が誘発され
る。すなわち、プラズマに含まれた酸素プラズマなどに
より、露出された半導体基板１００が自然に酸化される
可能性がある。この自然酸化膜１５０も接触抵抗などを
増加させる要因として作用する場合があるため、除去さ
れることが好ましい。
【００２７】図４を参照すると、損傷膜１１０を除去す
るソフトエッチングで誘発される自然酸化膜１５０を除
去する。自然酸化膜１５０を除去する段階は、前記した
損傷膜１１０を除去する段階と真空断絶無しにその状態
を保ったままで行うことが好ましい。例えば、図７に示
されたようなリモートプラズマモジュールのチャンバ５
１００内に損傷膜１１０が除去された半導体基板１００
を導入した後、プラズマを半導体基板１００上に導入す
る。また、前記したプラズマと合わせて半導体基板１０
０上に３フッ化窒素ガスなどのフッ化ガスを酸化物反応
ガスとして供給する。
【００２８】前記したプラズマは、前記３フッ化窒素ガ
スなどの酸化物反応ガスが自然酸化膜１５０と反応でき
るように誘導する機能をする。例えば、プラズマは、水
素ガス及び窒素ガスを含むソースガスから励起できる。
詳細には、図７に示されたように、第１導入管５２００
を介してＭＦＣにより流量比が制御される水素ガス及び
窒素ガスをチャンバ５１００内に供給する。途中で、水
素ガス及び窒素ガスにマイクロ波を印加して水素ラジカ
ルを含有するプラズマを励起する。
【００２９】窒素ガスは、略５０ｓｃｃｍ〜１０００ｓ
ｃｃｍの流量に供給でき、水素ガスを略５０ｓｃｃｍ〜
１００ｓｃｃｍの流量に供給できる。好ましくは、水素
ガスを略１０ｓｃｃｍ程度に供給し、窒素ガスを略４０
０ｓｃｃｍ程度に供給し、途中で略３００Ｗ程度のパワ
ーのマイクロ波を印加してプラズマを励起する。一方、
チャンバ５１００に別設される第２導入管５２５０を介
して３フッ化窒素ガスがチャンバ５１００に供給され
る。例えば、３フッ化窒素ガスを１ｓｃｃｍ〜１００ｓ
ｃｃｍ程度、好ましくは、略９０ｓｃｃｍ程度にガス状
態で供給して前記自然酸化膜１５０をエッチングする。
このとき、チャンバは、０．０１Ｔｏｒｒ〜１００Ｔｏ
ｒｒ（略１．３３Ｐａ〜１３３００Ｐａ）程度、好まし
くは、略３Ｔｏｒｒ（略３９９Ｐａ）程度の圧力に維持
し、半導体基板１００の温度を略５℃〜２００℃程度、
好ましくは、略２５℃程度に維持する。
【００３０】このように供給される３フッ化窒素ガス
は、プラズマ内に含まれた水素ラジカルと共に自然酸化
膜１５０をなすシリコン酸化物（ＳｉＯx）と反応す
る。詳細には、３フッ化窒素ガスが水素ラジカルと反応
して３フッ化窒素水素ラジカル（ＮＦ3Ｈ＊）などの中
間反応物が形成され、この中間反応物がシリコン酸化物
と反応して６フッ化２窒素シリコン（Ｎ2ＳｉＦ6）及び
水蒸気などの気相副産物が生成される。これにより、自
然酸化膜１５０は除去される。発生された気相の反応副
産物は真空排出によりチャンバ５１００の外側に排出さ
れる。この副産物を除去するため、略１５０℃程度の温
度条件下で略１分程度パージ及びポンピングするアニー
リングを前記した自然酸化膜１５０を除去する段階後に
行うことができる。前記のように、自然酸化膜１５０を
除去する段階は、略３分程度行われる。このとき、前記
のような自然酸化膜１５０の除去条件としては、略２Å
／分の酸化膜エッチング速度を得ることができる。従っ
て、工程時間などを調節して略２Å〜４００Åの自然酸
化膜を完全に除去する。このように自然酸化膜１５０が
除去されることにより、汚れずにキュアリングされたき
れいな半導体基板１００の表面が露出される。
【００３１】このように自然酸化膜１５０を除去する工
程は、損傷膜１１０を除去する工程が行われたチャンバ
（図６における５１００）でその状態を保ったまま（イ
ンシツー）で順次行われる。すなわち、損傷膜１１０を
除去する工程を前述のように行った後、中間段階として
チャンバ５１００内をポンピング及びパージした後、前
記のように水素プラズマ及び３フッ化窒素ガスを供給し
て自然酸化膜１５０を除去する段階を行うことができ
る。必要に応じて、前記した自然酸化膜１５０を除去す
る工程を行う図７に示されたような自然酸化膜１５０除
去用ドライ洗浄モジュールを別設し、図６に示されたよ
うな損傷膜１１０を除去する工程を行うドライ洗浄モジ
ュールと連結して、真空断絶なしに半導体基板１００が
順次移動されるようにすることができる。前述のよう
に、損傷膜１１０の除去及びこれにより誘発される自然
酸化膜１５０をインシツーで除去することにより、コン
タクトホール２５０内をドライ洗浄する段階が行われう
る。
【００３２】図５を参照すると、ドライ洗浄されたコン
タクトホール２５０を埋め込む導電膜４５０を形成す
る。例えば、コンタクトホール２５０により露出される
半導体基板１００上にタングステン膜を形成して前記し
た導電膜４５０として利用可能である。この導電膜４５
０は、化学気相蒸着法或いはスパッタ法により形成でき
る。さらに、導電膜４５０の下部には、半導体基板１０
０との界面に介在して拡散を防止する障壁膜４１０が付
随的に形成可能である。
【００３３】前記のように、導電膜４５０を形成する段
階は、前記した損傷膜１１０又は自然酸化膜１５０を除
去する段階を含むドライ洗浄段階と真空断絶なしに行え
る。例えば、図８に示されたように、前述したドライ洗
浄段階をドライ洗浄モジュール８１００のチャンバで行
った後、前記したドライ洗浄モジュール８１００のチャ
ンバに連結された蒸着モジュール８２００のチャンバに
半導体基板１００を順次移動させる。このとき、移動モ
ジュール８６００を介して半導体基板１００が移動さ
れ、この移動モジュール８６００は真空或いは不活性ガ
ス雰囲気に維持されるので、半導体基板１００は酸化雰
囲気などの汚染源に露出されることが防止できる。すな
わち、このように、ドライ洗浄段階と真空断絶なしに導
電膜４５０を形成することにより、ドライ洗浄された半
導体基板１００が再汚染されることが防止できる。
【００３４】前記のように、損傷膜１１０除去段階及び
自然酸化膜１５０除去段階並びに導電膜４５０形成段階
を真空断絶なしに行うためには、図８に示されたよう
に、ドライ洗浄モジュール８１００と、導電膜４５０又
は拡散障壁膜４１０の蒸着のための多数の蒸着モジュー
ル８２００、８３００、８４００、８５００とが集団で
構成される洗浄及び蒸着システムを利用できる。ドライ
洗浄モジュール８１００は、図６または図７に示された
ように構成でき、蒸着モジュール８２００、８３００、
８４００、８５００は、通常の枚葉式化学気相蒸着シス
テム又はスパッタリングシステムが利用可能である。
【００３５】このドライ洗浄モジュール８１００及び蒸
着モジュール８２００、８３００、８４００、８５００
は、移動モジュール８６００を中心に設けられ、この移
動モジュール８６００に設けられるロボットアーム（図
示せず）により半導体基板が順次移動できる。また、こ
の移動モジュール８６００には、ロードロックチャンバ
モジュール８０００が連結されて前記した洗浄及び蒸着
システムへの半導体基板の導入及び搬出を可能にする。
この移動モジュール８６００及びロードロックチャンバ
モジュール８０００は真空に維持できるので、前記のよ
うなドライ洗浄段階及び導電膜４５０の形成段階が真空
断絶なしに行われる。
【００３６】以下、本発明の実施形態による効果を図面
に基づき具体的に説明する。図９は、本発明の実施形態
によるドライ洗浄により損傷膜が除去された半導体基板
の表面で測定された接触角を示すグラフである。図３を
参照して説明したように、コンタクトホールを形成する
ときに誘発される損傷膜をプラズマを用いるソフトエッ
チングにより除去した後、露出される半導体基板の表面
で接触角を測定して損傷膜が除去される効果の度合いを
測定した。このとき、本発明の実施形態によるソフトエ
ッチングは、略０．７Ｔｏｒｒ（略９３Ｐａ）の圧力条
件、１１００Ｗのマイクロ波の印加条件、４０℃程度の
温度条件下にＮＦ3／Ｏ2／Ｈｅの流量比を３５／７０／
５００に調節して行った。また、前記したソフトエッチ
ングにより損傷膜を除去した後、図４を参照して説明し
たように、ＮＦ3ガス及び水素プラズマを利用する自然
酸化膜の除去を行った。
【００３７】一般に、接触角は、物質膜の表面状態を測
定するための手段として用いられる。接触角は、物質膜
上に液体を滴下したとき、物質膜の表面状態に応じて液
相の表面が前記物質膜の表面と接触する角を意味する。
従って、測定される接触角は、物質膜の表面による表面
張力により変わる。一般に、損傷又は汚染が発生しない
ベアーな半導体基板の場合、接触角は略７７゜になるこ
とが知られている。そして、半導体基板上が汚染又は損
傷されると、接触角が下がることが知られている。
【００３８】図９のグラフによると、略１００秒程度の
ソフトエッチングにより損傷膜が完全に除去できること
が分かる。これに対し、従来の湿式洗浄を利用する場合
には、損傷膜の除去が容易でないことが次の図１０から
分かる。図１０は、湿式洗浄により損傷膜を除去した半
導体基板の表面で測定した接触角を示すグラフである。
このとき、湿式洗浄は、ＳＣ−１洗浄液を用いて行わ
れ、自然酸化膜を除去するために２００：１に希釈され
たＨＦ溶液処理を後工程として行った。このように処理
された半導体基板の表面で接触角を測定した。ＳＣ−１
洗浄液は、通常ＮＨ4ＯＨ：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏが配合された
洗浄液を意味する。前記したＳＣ−１洗浄液を利用する
湿式洗浄は、各回数で略１０分程度に行った。ＳＣ−１
洗浄液による湿式洗浄は、繰り返される回数により接触
角が変わる傾向を示すが、７回〜９回程度ＳＣ−１を利
用する湿式洗浄を行っても、ベアーな基板で測定された
接触角は略７７゜以下であった。従って、図１０に示さ
れた結果は、湿式洗浄を利用する場合、半導体基板の表
面から損傷膜を完全に除去することは難しいことを示し
ている。
【００３９】図９及び図１０に示された結果から、本発
明のソフトエッチングを用いて損傷膜を除去する場合、
従来の湿式洗浄に比べ効果的に損傷膜が除去できること
が分かる。図９に示されたように、本発明のソフトエッ
チングを利用する場合、略１００秒程度のソフトエッチ
ングを適用する場合、実質的にベアーな基板の表面に等
しい接触角を得ることができる。これは、本発明のソフ
トエッチングを含むドライ洗浄の場合、損傷膜を完全に
除去できることを示している。これに対し、図１０に示
されたように、ＳＣ−１で湿式洗浄をする場合、少なく
とも９０分以上の長時間の洗浄時間を消費しても、ベア
ーな基板の水準に損傷を回復することは容易でない。前
述のように、本発明の効果は、図１１に示すようにサー
マウェーブ（ｔｈｅｒｍａ ｗａｖｅ）の測定によって
も分かる。サーマウェーブは表面状態をサーマウェーブ
指数により測定する測定方法であって、損傷または汚染
のない表面状態を持つベアーな基板の場合に、低いサー
マウェーブ指数を有する。そして、損傷または汚染が激
しいほど高いサーマウェーブ指数が測定される。
【００４０】図１１は、サーマウェーブ測定方法により
測定されたサーマウェーブ指数を示す棒グラフである。
このとき、測定のなされたサンプルは、図９及び図１０
に示す場合と同一の条件下に用意された。図１１に示す
ように、略１００秒程度のソフトエッチングを行う場
合、測定されるサーマウェーブ指数がほぼベアな基板の
水準に減少する。これに対し、湿式洗浄の場合、ＳＣ−
１を利用して９回繰り返し湿式洗浄を行った場合にも、
ベアな基板に比べて高いサーマウェーブ指数を示す。こ
れは、損傷膜が完全に除去されなかったことを意味す
る。このとき、前記したソフトエッチングを略１００秒
程度行った場合、半導体基板の表面が損傷膜の表面から
略３３０Å程度にエッチングされる。これに対し、湿式
洗浄を９回繰り返す場合、略２７０Å程度のエッチング
がなされる。これを前記のようなサーマウェーブ指数の
測定及び接触角の測定結果と連関づけると、本発明によ
るソフトエッチングの方が、実質的に損傷膜をより完壁
に除去できることが分かる。
【００４１】一方、本発明の実施の形態によるソフトエ
ッチングを含むドライ洗浄を行う場合、コンタクトホー
ルのプロファイルが損傷されることを防止できる。一般
に、コンタクトホールをなす絶縁膜は、様々な絶縁物質
よりなる多数の副絶縁膜が重なり合った多重膜構造に形
成される。従って、従来の湿式洗浄で用いられる洗浄液
に対し、前記した副絶縁膜はそれぞれ別々のエッチング
率を示す。表１に、各種の化学溶液に対する各種の物質
膜の湿式エッチング量を示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】表１に示すように、一般に、絶縁物質の種
類によりそれぞれの洗浄液に対して異なるエッチング量
を示す。通常の場合、コンタクトホールの側壁は多重に
重畳された副絶縁膜が露出する。従って、従来の湿式洗
浄を利用する場合、露出する副絶縁膜がそれぞれ異なる
エッチング量を示し、結果としてコンタクトホールの側
壁プロファイルが悪化する場合がある。
【００４４】例えば、ＢＰＳＧ膜上にＰＥ−ＴＥＯＳ膜
を重畳して絶縁膜を形成し、この絶縁膜をパターニング
してコンタクトホールを形成した場合、コンタクトホー
ルの側壁に露出されるＢＰＳＧ膜及びＰＥ−ＴＥＯＳ膜
は、表１に示されたように、湿式エッチング量に大きい
差がある。従って、湿式洗浄、例えば、ＳＣ−１を用
い、後工程として２００：１ＨＦの希釈溶液処理を行う
場合、コンタクトホールの側壁に段差が生じるなど、側
壁プロファイル不良が生じうる。この側壁プロファイル
不良は、後続する導電膜を形成する工程でコンタクトホ
ール埋め込み不良の要因として作用するおそれがある。
このコンタクトホールの側壁プロファイルが不良になっ
た例として、図１２に走査電子顕微鏡（以下、ＳＥＭ）
写真を示す。
【００４５】図１２は、湿式洗浄によるコンタクトホー
ルのプロファイル変形を表わすＳＥＭ写真である。前述
のように、ＳＣ−１にて湿式洗浄を行った後、２００：
１ＨＦの希釈溶液にて略３０秒程度処理をした後に、導
電膜として拡散障壁膜／タングステン膜を蒸着した構造
の断面をＳＥＭにて観察した。このとき、絶縁膜は、Ｂ
ＰＳＧ膜を５０００Å程度の膜厚にて形成し、ＢＰＳＧ
膜上にＰＥ−ＴＥＯＳ膜を略１００００Å程度形成され
た構造を用いた。図１２から明らかなように、ＢＰＳＧ
膜が形成された部分でコンタクトホールの側壁に段差が
生じる現象が発生する。これは、表１に示されたよう
に、ＳＣ−１及びＨＦ溶液によるＢＰＳＧ膜の湿式エッ
チング量がＰＥ−ＴＥＯＳ膜に比べはるかに大きいこと
に起因する。
【００４６】これに対し、本発明の実施の形態によるド
ライ洗浄の場合、ドライ洗浄の特性によって絶縁膜の種
類別によるエッチング量の違いが僅かにできる。これ
は、次の図１３に示されたＳＥＭ写真から明らかにな
る。図１３は、本発明の実施の形態によるドライ洗浄に
よるコンタクトホールのプロファイルを示すＳＥＭ写真
である。このとき、ＢＰＳＧ膜を５０００Å程度に形成
してＢＰＳＧ膜上にＰＥ−ＴＥＯＳ膜を１００００Å程
度形成して絶縁膜として用いた。コンタクトホールのプ
ロファイル変形が実質的に抑えられたことが分かる。こ
のように、本発明による効果は、次の図１４から明らか
になる。
【００４７】図１４は、様々な絶縁物質の熱酸化膜に対
する相対的なエッチング率を示す棒グラフである。図１
４を参照すると、本発明の実施の形態によるソフトエッ
チングにより損傷膜を除去した後、Ｈ2／ＮＦ3ガスを用
いて自然酸化膜を除去するドライ洗浄工程の場合、絶縁
物質の種類に依らずに、ほとんど一定したエッチング率
を示す。すなわち、熱酸化膜に対し略１程度のエッチン
グ率を示す。これに対し、従来のＳＣ−１及び２００：
１ＨＦの希釈溶液を用いて湿式洗浄を行う場合、絶縁物
質の種類により熱酸化膜に対するエッチング率が大きく
異なる。特に、ＢＰＳＧの場合、熱酸化膜に対し５２．
１程度大きなエッチング率となる。ＰＥ−ＴＥＯＳの場
合、ＢＰＳＧに比べて相対的に低いエッチング率を示
す。これにより、図１２に示すように、ＢＰＳＧ膜／Ｐ
Ｅ−ＴＥＯＳ膜の絶縁膜を利用する場合、相対的にＢＰ
ＳＧ膜が優勢してエッチングされ、コンタクトホールの
側壁に段差が形成する場合がある。すなわち、コンタク
トホールの側壁プロファイルが不良になる問題が生じ
る。ところが、前記のように、本発明のドライ洗浄を用
いる場合、図１３に示されたように、良好なコンタクト
ホールの側壁プロファイルが維持できる。これにより、
導電膜によりコンタクトホールを埋め込む時、埋め込み
不良が生じることを防止できる。
【００４８】また、本発明によると、図１５に示すよう
に、接触抵抗の増加を抑えることができる。図１５は、
本発明の実施の形態によるコンタクトホール埋め込み方
法による接触抵抗の減少効果を説明するためのグラフで
ある。まず、ＳＣ−１及び２００：１ＨＦの希釈溶液に
て湿式洗浄したコンタクトホールを導電膜により埋め込
んだ後、接触抵抗を測定した従来の湿式洗浄を利用する
場合に対するグラフ１５１０を示した。このとき、導電
膜は、タングステン膜を用い、接触抵抗値は単位セル当
りの平均値として求めた。比較例として、ＳＣ−１で湿
式洗浄をした後、本発明による自然酸化膜の除去工程を
行った場合に対して測定されたグラフ（１５３０）を示
した。また、本発明の実施の形態によるソフトエッチン
グ及び自然酸化膜の除去を含むドライ洗浄を行う場合に
対して測定されたグラフ（１５５０）も示した。このグ
ラフは、コンタクト寸法による接触抵抗値の変化を表わ
す。
【００４９】図１５から明らかなように、本発明の実施
の形態による参照符号１５５０の場合、湿式洗浄を利用
する場合の参照符号１５１０に比べ相対的に非常に低い
接触抵抗を示す。ＳＣ−１で湿式洗浄をした後、本発明
の実施の形態による自然酸化膜の除去工程を行った場合
に対して測定されたグラフ１５３０も、相対的に低い接
触抵抗を示し、これは本発明の実施の形態による自然酸
化膜の除去工程が極めて効果的なものであることを意味
する。
【００５０】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によると、コ
ンタクトホールを形成するドライエッチングにより誘発
される損傷膜を効率良く除去することができる。さら
に、洗浄されたコンタクトホールの内部が再度汚れるこ
とが防止でき、コンタクトホールを埋め込む導電膜と下
部物質膜との接触抵抗の増加が防止できる。以上、本発
明を具体的な実施の形態を用いて詳細に説明したが、本
発明はこれに限定されるものではなく、本発明の技術的
な思想内で当分野における通常の知識を有した者にとっ
てその変形や改良が可能なことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による半導体装置のコンタ
クトホール埋め込み方法を説明するために示す概略的な
工程フローチャート。
【図２】本発明の実施の形態によるコンタクトホール埋
め込み方法を説明するために示す概略的な断面図（その
１）。
【図３】本発明の実施の形態によるコンタクトホール埋
め込み方法を説明するために示す概略的な断面図（その
２）。
【図４】本発明の実施の形態によるコンタクトホール埋
め込み方法を説明するために示す概略的な断面図（その
３）。
【図５】本発明の実施の形態によるコンタクトホール埋
め込み方法を説明するために示す概略的な断面図（その
４）。
【図６】本発明の実施の形態によるドライ洗浄段階に用
いられるドライ洗浄モジュールを説明するために示す概
略図（その１）。
【図７】本発明の実施の形態によるドライ洗浄段階に用
いられるドライ洗浄モジュールを説明するために示す概
略図（その２）。
【図８】図６または図７に示されたドライ洗浄モジュー
ルを含む洗浄及び蒸着システムの構成を説明するために
示す概略図。
【図９】本発明の実施の形態によるドライ洗浄により損
傷膜が除去された半導体基板の表面で測定された接触角
を示すグラフ。
【図１０】湿式洗浄により損傷膜を除去した半導体基板
の表面で測定された接触角を示すグラフ。
【図１１】サーマウェーブ測定方法により測定されたサ
ーマウェーブ指数を示す棒グラフ。
【図１２】湿式洗浄によるコンタクトホールのプロファ
イル変形を表わすＳＥＭ写真。
【図１３】本発明の実施の形態によるドライ洗浄による
コンタクトホールのプロファイルを表わすＳＥＭ写真。
【図１４】様々な種類の絶縁物質の熱酸化膜に対する相
対的なエッチング率を示す棒グラフ。
【図１５】本発明の実施の形態によるコンタクトホール
埋め込み方法による接触抵抗減少の効果を説明するため
に示すグラフ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宋 昌 龍 大韓民国京畿道水原市勧善区勧善洞1199− １番地 斗山東亜アパート103棟206号 (72)発明者 鄭 丞 弼 大韓民国ソウル特別市江南区大峙洞316番 地 銀馬アパート５棟312号

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 下部物質膜上に絶縁膜を形成する段階
    と、 前記絶縁膜をドライエッチングによりパターニングし
    て、前記下部物質膜を露出させるコンタクトホールを形
    成する段階と、 露出した前記下部物質膜上に酸化性ガス及び酸化物反応
    ガスを含むソースガスから励起されるプラズマを供給し
    て、前記コンタクトホールを形成する段階でできた損傷
    膜を除去するドライ洗浄段階と、 前記ドライ洗浄段階が行われるチャンバに順次連結され
    てクラスター化した別途のチャンバで行うことにより前
    記ドライ洗浄された前記コンタクトホール内の露出した
    前記下部物質膜上が汚染源に曝されることを防止して、
    前記コンタクトホールを埋め込む導電膜を形成する段階
    とを含むことを特徴とする半導体装置のコンタクトホー
    ル埋め込み方法。
  2. 【請求項２】 前記損傷膜の除去された前記下部物質膜
    上に酸化物反応ガスを供給して、前記損傷膜を除去する
    段階でできた自然酸化膜を除去する段階をさらに含むこ
    とを特徴とする請求項１に記載の半導体装置のコンタク
    トホール埋め込み方法。
  3. 【請求項３】 前記自然酸化膜を除去する段階は、 前記酸化物反応ガスとしてフッ化ガスを用いることを特
    徴とする請求項２に記載の半導体装置のコンタクトホー
    ル埋め込み方法。
  4. 【請求項４】 前記フッ化ガスは、 ３フッ化窒素ガスであることを特徴とする請求項３に記
    載の半導体装置のコンタクトホール埋め込み方法。
  5. 【請求項５】 前記自然酸化膜を除去する段階は、 前記フッ化ガスと共に、水素プラズマを前記自然酸化膜
    上に供給して行われることを特徴とする請求項３に記載
    の半導体装置のコンタクトホール埋め込み方法。
  6. 【請求項６】 前記水素プラズマは、 マイクロ波方式により励起されてダウンフロー方式によ
    り前記自然酸化膜上に供給されることを特徴とする請求
    項５に記載の半導体装置のコンタクトホール埋め込み方
    法。
  7. 【請求項７】 前記自然酸化膜を除去する段階は、 前記損傷膜を除去する段階と真空断絶なしに行われるこ
    とを特徴とする請求項２に記載の半導体装置のコンタク
    トホール埋め込み方法。
  8. 【請求項８】 前記導電膜を形成する段階は、 前記自然酸化膜を除去する段階と真空断絶なしに行われ
    ることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置のコン
    タクトホール埋め込み方法。
  9. 【請求項９】 前記ソースガスの前記酸化性ガスは、 酸素ガスであることを特徴とする請求項１に記載の半導
    体装置のコンタクトホール埋め込み方法。
  10. 【請求項１０】 前記ソースガスの前記酸化物反応ガス
    は、 フッ化ガスであることを特徴とする請求項１に記載の半
    導体装置のコンタクトホール埋め込み方法。
  11. 【請求項１１】 前記フッ化ガスは、 フッ化窒素ガス、又はフッ化炭素ガスであることを特徴
    とする請求項１０に記載の半導体装置のコンタクトホー
    ル埋め込み方法
  12. 【請求項１２】 前記ソースガスは、 ３フッ化窒素ガス及び酸素ガスを含むことを特徴とする
    請求項１に記載の半導体装置のコンタクトホール埋め込
    み方法。
  13. 【請求項１３】 前記ソースガスは、 ヘリウムガス、又はアルゴンガスをさらに含むことを特
    徴とする請求項１２に記載の半導体装置のコンタクトホ
    ール埋め込み方法。
  14. 【請求項１４】 前記プラズマは、 マイクロ波方式により前記ソースガスから励起されてダ
    ウンフロー方式により前記損傷膜上に供給されることを
    特徴とする請求項１に記載の半導体装置のコンタクトホ
    ール埋め込み方法。
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