JP2007019452A - 半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ゲート電極のプラズマエッチング時に生成されるポリマーの蒸着を抑制することにより、ウェハの欠陥を減少させ、工程の効率を増大させることができる半導体素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】酸化イットリウムでコーティングされたセラミックドーム（３４）を備えるチャンバ内にウェハ（３２）を挿入するステップと、ウェハ（３２）の表面に形成されたゲート構造をエッチングするステップと、エッチングにより生成されたエッチング残留物をドライ洗浄により除去するステップと、回復処理を行うステップとを含み、前記ドライ洗浄を、ＳＦ６ガスとＯ２ガスとの混合ガスを用いて、約１６００Ｗのソースパワーと約５０Ｗのバイアスパワーとを印加した状態で、前記混合ガスを約５０秒間注入して行う。
【選択図】図３
【解決手段】酸化イットリウムでコーティングされたセラミックドーム（３４）を備えるチャンバ内にウェハ（３２）を挿入するステップと、ウェハ（３２）の表面に形成されたゲート構造をエッチングするステップと、エッチングにより生成されたエッチング残留物をドライ洗浄により除去するステップと、回復処理を行うステップとを含み、前記ドライ洗浄を、ＳＦ６ガスとＯ２ガスとの混合ガスを用いて、約１６００Ｗのソースパワーと約５０Ｗのバイアスパワーとを印加した状態で、前記混合ガスを約５０秒間注入して行う。
【選択図】図３
Description
本発明は、半導体素子の製造方法に関し、より詳細には、フォトレジストパターンを用いて半導体素子のゲート構造を形成するためのエッチング中に生成されるポリマーを除去することができる半導体素子の製造方法に関する。
一般に、半導体素子の製造に使用される様々な装置のうち、エッチング装置は、フォトレジスト現像後に、フォトレジストパターンによって露出された薄膜を選択的に除去する装置である。エッチングの方式に応じて、エッチング装置は、薬液を用いるウェットエッチング装置と、反応ガスを用いるドライエッチング装置とに分けられる。近年、多くのドライエッチング装置は、プラズマ状態の反応ガスを用いて半導体ウェハの所定領域をエッチングする方法を用いている。
一般に、ドライエッチング装置は、ウェハが内部に配置されるチャンバと、下部電極の役割を果たす静電チャックと、チャンバを開閉するチャンバ蓋とを備える。チャンバ蓋は、上部電極と、内部で反応ガスがプラズマ状態に転換されるガス反応部とを備える。しかしながら、ガス反応部の内壁がプラズマ状態の反応ガスにさらされると、内壁表面にコーティングされたアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）膜が剥落し、それにより、工程不良及びパーティクルの発生原因となる。そのため、高価なガス反応部全体を周期的に交換しなければならず、多くの費用及び時間が必要とされる。
このように、半導体素子の製造工程中に生成される副生成物が、半導体素子の製造工程に深刻な影響を及ぼすため、そのような副生成物の生成を抑制する様々な方法が提案されている。
エッチング中に生成されたそのような副生成物は、一般に、チャンバ内のほぼ全ての部分に蒸着される。特に、過剰に、若しくは不安定に蒸着された副生成物が剥離するとパーティクルを生成し、ウェハ表面に付着すると欠陥となる。
一般にポリマーと呼ばれる副生成物は、概して、反応ガスとウェハ表面のエッチング対象物とが互いに反応する際に生成される。生成されたポリマーの大部分が、真空排気装置を介してチャンバの外部に排出されるが、工程条件によっては、相当部分のポリマーがチャンバ内の露出された部分に蒸着されて残留する場合がある。
また、高集積半導体素子の製造の際には、工程条件を高精度に制御することが困難である。特に、ゲート構造を形成する際には、ゲート電極（例えば、ポリシリコン）の断面形状、及び近年のゲート酸化膜の薄膜化の傾向により、より一層高いエッチング選択比が要求される。その結果、上記要求を満たすために、多量のポリマーを生成することになるエッチング条件が使用されるようになった。
そのため、近年では、ポリマーの生成を根本的に防止するよりも、生成されたポリマーを除去、若しくは生成されるポリマーの総量を制御することが本技術分野における傾向である。参考までに、例えば、米国アプライド マテリアルズ（ＡＭＡＴ）社のＤＰＳ（Ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ）多結晶シリコンエッチング装置が、ゲート構造を形成するために使用される。
図１は、従来技術に係るエッチング装置のチャンバ内部を概略的に示す断面図である。ポリマーはチャンバ内部で生成され、チャンバの内壁表面に蒸着される。
図１に示すように、フォトレジストパターンを用いてゲート電極をエッチングする際に、チャンバ１１内に設けられた静電チャック１２の上にウェハ１３を載置した状態でエッチングを行うと、前述のポリマー１４が、ウェハ１３、チャンバの側壁１１Ａ、及びドーム形状の上部面１１Ｂの表面に蒸着して残留する。
より詳細には、ウェハ１３の表面に形成されたフォトレジストパターン及び酸化膜成分はエッチングされて、副生成物、即ちポリマー１４を生成する。生成されたポリマー１４の大部分が、真空排気装置（図示せず）を介してチャンバ１１の外部に排出されるが、一部のポリマー１４がチャンバ１１内の露出された部分の表面に蒸着されて残留し固形化する。このように固形化したポリマー１４が或る大きさまで成長してウェハ１３の上部表面に落下してパーティクルとなり、歩留まりの低下を引き起こす。
ここで、ゲート構造の形成に用いられるポリシリコン層を、フォトレジストパターンをエッチングマスクに用いてドライエッチングする際に、例えば、ＨＢｒ、Ｃｌ２、及びＯ２ガスを主な反応ガスとして使用し、ドライエッチング後に生成されるポリマー１４は、例えば、Ｓｉ（Ｂｒ、Ｃｌ）ｘＯｙ、ＣＨｘＯｙ、及びＡｌＦｘ等の混合物である。
図２は、従来技術に係るエッチング装置における、エッチング中にウェハ表面に生成されたパーティクルの数（ｙ軸）とＤＰＳエッチング装置のウェハの累積処理枚数（ｘ軸）との関係を示すグラフである。
図２に示すように、ウェハの累積処理枚数が約４００枚を超えると、過剰に蒸着されたポリマーのウェハ表面への落下が頻繁に発生することがわかる。従来では、このように過剰に蒸着されたポリマーの落下を防止するために、周期的にエッチング装置の部品を分解して薬液にて洗浄し、再び組み立てて使用するウェット洗浄が行われている。しかしながら、このようなウェット洗浄は、ポリマーを除去するための根本的な解決方法ではない。エッチング中においては、ウェハ表面におけるパーティクルの生成は避けられないため、頻繁な洗浄が要求される。また、欠損の発生度合によっては要求される洗浄の周期がしばしば短縮され、費用の増大、及び工程時間の損失という結果となる。
上記したように、ウェット洗浄後であっても、エッチング装置のチャンバ内においてウェハの表面がエッチングされる際に、多量のポリマーが生成されるため、時間に比例してポリマーの生成量が増大する。また、このようなポリマーはチャンバ内壁に過剰に蒸着してウェハの上部表面に落下する傾向があり、ポリマーが落下した部位のウェハのエッチングを妨げ、後の工程に影響を及ぼし、製造される半導体素子の歩留まりの低下を招き得る。また、ポリマーを除去するためのチャンバ内の頻繁なウェット洗浄、及びエッチング装置の高価な部品の交換により、エッチング装置のメンテナンス費用が増大するという問題がある。
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、チャンバ内においてゲート電極のエッチング時に生成されるポリマーのチャンバ内部表面への蒸着を抑制することにより、ウェハの欠陥を減少させ、工程の効率を増大させることができる半導体素子の製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の一実施形態に係る半導体素子の製造方法は、プラズマに対するエッチング耐性を有する物質でコーティングされたセラミックドームを備えるチャンバ内にウェハを挿入する第１ステップと、前記ウェハの表面に形成されたゲート構造をエッチングする第２ステップと、ＳＦ６ガスを主成分とするエッチングガスを用いて、前記第２ステップにおけるエッチングにより生成されたエッチング残留物を除去する第３ステップとを含むことを特徴とする。
ここで、前記セラミックドームの表面にコーティングされた前記物質が、酸化イットリウムであることもできる。
ここで、前記第３ステップにおいて、前記酸化イットリウムでコーティングされた前記セラミックドームを、前記セラミックドーム内の洗浄位置に応じて、圧力条件を変えて多段階に洗浄することもできる。
ここで、前記エッチング残留物を除去する前記第３ステップが、前記ＳＦ６ガスとＯ２ガスとの混合ガスを用いてドライ洗浄するステップであることもできる。
ここで、前記第３ステップにおいて、前記エッチングガスを、約１６００Ｗのソースパワーと約５０Ｗのバイアスパワーとを印加した状態で約５０秒間注入することもできる。
また、本発明の別の実施形態に係る半導体素子の製造方法は、プラズマに対するエッチング耐性を有する物質でコーティングされたセラミックドームを備えるチャンバ内にウェハを挿入する第１ステップと、前記ウェハの表面に形成されたゲート構造をエッチングする第２ステップと、ＳＦ６ガスを主成分とするエッチングガスを用いて、前記第２ステップにおけるエッチングにより生成されたエッチング残留物を除去する第３ステップと、回復処理を行う第４ステップとを含むことを特徴とする。
ここで、前記セラミックドームの表面にコーティングされた前記物質が、酸化イットリウムであることもできる。
ここで、前記第３ステップにおいて、前記酸化イットリウムでコーティングされた前記セラミックドームを、前記セラミックドーム内の洗浄位置に応じて、圧力条件を変えて多段階に洗浄することもできる。
ここで、前記エッチング残留物を除去する前記第３ステップが、前記ＳＦ６ガスとＯ２ガスとの混合ガスを用いてドライ洗浄するステップであることもできる。
ここで、前記第３ステップにおいて、前記エッチングガスを、約１６００Ｗのソースパワーと約５０Ｗのバイアスパワーとを印加した状態で約５０秒間注入することもできる。
ここで、前記回復処理を行う前記第４ステップが、約１．３Ｐａ（約１０ｍＴｏｒｒ）の圧力下で、約５００Ｗのソースパワーと約８０Ｗのバイアスパワーとを印加した状態で、約１００ｓｃｃｍのＨＢｒガス、約４０ｓｃｃｍのＣｌ２ガス、約１０ｓｃｃｍのＨｅガス、及び約１ｓｃｃｍのＯ２ガスを約１００秒間注入して行うステップであることもできる。
本発明によると、ウェット洗浄を行う回数を減少させることで製造費用及び工程時間の損失を減少させ、製造工程の利便性を改善することができる。
また、生産性を向上させ、工程中に生成されるパーティクルの数を約７０％以上減少させて、製造する半導体素子の歩留まりを向上させることができる。
以下、本発明の好ましい実施の形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。
図３は、本発明の実施の形態に係る半導体素子の製造方法で使用されるエッチング装置のチャンバ内部の断面及びその使用状態を示す図である。
図３に示すように、エッチング装置のチャンバは、静電チャック３１と、静電チャック３１の上に載置されたウェハ３２と、チャンバの側壁３３と、側壁３３に接続された丸い形状のセラミックドーム３４と、セラミックドーム３４の外部表面に形成されたアンテナコイル３５とを備えている。アンテナコイル３５はソース電圧源３６に接続されており、静電チャック３１はベース電圧源３７に接続されている。
セラミックドーム３４は、プラズマに対する高いエッチング耐性を有する酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）でコーティングされている。従って、ゲート構造のエッチングの際に生成されるポリマーを除去するために、ドライ洗浄を行う。ドライ洗浄には、従来のＣＦ４とＣｌ２との混合ガスの代わりに、ＳＦ６とＯ２との混合ガスをエッチングガスに用いる。ＳＦ６とＯ２との混合ガスは、従来のＣＦ４とＣｌ２との混合ガスに比べてより高いエッチング能力を有し、チャンバの内部をウェット洗浄後と同程度のクリーンな状態に洗浄することができる。特に、欠陥の生成原因の一つであると考えられているセラミックドーム３４の内部表面を効果的に洗浄することができる。
図４は、圧力条件に応じて異なる洗浄位置を示すセラミックドームの断面図である。
図４に示すように、ドライ洗浄を、セラミックドーム３４内の位置に応じて、異なるエッチング条件で行う。このように、セラミックドーム３４内の洗浄対象とする領域に応じて、約０．４Ｐａ以上約１２Ｐａ以下（約３ｍＴｏｒｒ以上約９０ｍＴｏｒｒ以下）の範囲内の異なる圧力で多段階に洗浄することにより、セラミックドーム３４内全体を均一に洗浄することができる。セラミックドーム３４には、約１６００Ｗのソースパワーと約５０Ｗのバイアスパワーとを、それぞれ対応する電圧源から印加し、約２００ｓｃｃｍのＳＦ６ガス及び約５０ｓｃｃｍのＯ２ガスを約５０秒間注入する。
図５Ａ〜図５Ｃは、本発明の実施の形態に係る半導体素子の製造方法に使用されるエッチング装置における工程毎のセラミックドームの状態を示す透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。図５Ａはウェハを挿入する前の状態を示し、図５Ｂは約１００枚のウェハを累積処理した後の状態を示し、図５Ｃはドライ洗浄を行った後の状態を示す。
図５Ｃに示すように、ドライ洗浄後においては、セラミックドーム３４の表面に蒸着されたポリマーが除去されている。尚、ドライ洗浄を行う際には、ウェハ３２を載置する静電チャック３１へのダメージを防止するために、ベアシリコンウェハを用いる。一方、ＳＦ６とＯ２との混合ガスを用いるドライ洗浄後には、エッチング速度が減少する工程シフトが起こるので、本来のエッチング速度を回復するための処理をさらに行う必要がある。
従って、セラミックドーム３４の内部表面に対するドライ洗浄の最後に回復処理として、シリコンを含む副生成物をあらためて生成する。この追加の回復処理が、ドライ洗浄により生じる不必要な工程変動を最小化し、半導体素子の製造の再開を直ちに可能とする。ドライ洗浄後の回復処理のエッチング条件は以下の通りである。セラミックドーム３４を、約１．３Ｐａ（約１０ｍＴｏｒｒ）の圧力下で、約５００Ｗのソースパワーと約８０Ｗのバイアスパワーとを印加し、約１００ｓｃｃｍのＨＢｒガス、約４０ｓｃｃｍのＣｌ２ガス、約１０ｓｃｃｍのＨｅガス、及び約１ｓｃｃｍのＯ２ガスを、約１００秒間注入する。
更に、本実施の形態においては、ポリマーを安定して蒸着させるために、セラミックドーム３４の内部表面にＹ２Ｏ３がコーティングされている。
図６は、Ａｌ２Ｏ３がコーティングされた従来のセラミックドームに本発明のドライ洗浄を適用した場合と、Ｙ２Ｏ３がコーティングされたセラミックドームに本発明のドライ洗浄を適用した場合との結果を比較して示すグラフである。
図６に示すように、Ａｌ２Ｏ３がコーティングされた従来のセラミックドームにＳＦ６ガスを用いてドライ洗浄を行うと、Ａｌ２Ｏ３セラミックドームの表面にフッ化アルミニウム（ＡｌＦｘ）ベースの層が形成される。しかしながら、ＡｌＦｘベースの層が、Ｓｉベースのポリマーの安定した蒸着を妨げるため、それにより欠陥の生成を引き起こす。本発明の実施の形態によると、Ｙ２Ｏ３が良いプラズマ特性を有するため、Ｙ２Ｏ３がコーティングされたセラミックドームが、ドライ洗浄の間に生成されるポリマーの安定した蒸着を促進する。Ｙ２Ｏ３を使用しない場合でも、セラミックドームの洗浄効果には差がないが、ポリマーの発生を抑制する効果はない。
ＳＦ６とＯ２との混合ガスを用いるドライ洗浄は、チャンバ内部表面の材質に関係無しに、蒸着した残留物を除去できるため、洗浄能力はセラミックドームの内部表面を形成する材質には影響されない。しかしながら、ドライ洗浄が行われる際の、セラミックドームの内部表面を形成する様々な材質によって生成される残留物の成分分析によれば、Ｙ２Ｏ３がコーティングされたセラミックドームと、ＳＦ６とＯ２との混合ガスを用いるドライ洗浄とを組み合わせた場合において、ポリマーの発生を抑制する効果が優れている。従って、Ｙ２Ｏ３がコーティングされたセラミックドームと、ＳＦ６及びＯ２の混合ガスを用いるドライ洗浄との組合せが最も望ましい。
図７は、一定の期間にわたって行われた本発明の適用の効果を示すグラフである。
図７に示すように、ＳＦ６及びＯ２の混合ガスをドライ洗浄に用いると、パーティクル数を減少させることがわかる。
以上、本実施の形態においては、ＳＦ６及びＯ２の混合ガスの使用を例示しているが、他の実施の形態として、上記ＳＦ６とＯ２との混合ガスの他に、ＣＦ４とＣｌ２とＯ２との混合ガスをエッチングガスに用いてドライ洗浄を行うこともできる。
本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想から逸脱しない範囲内で様々な変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。
３１ 静電チャック
３２ ウェハ
３３ 側壁
３４ セラミックドーム
３５ アンテナコイル
３６ ソース電圧源
３７ ベース電圧源
３２ ウェハ
３３ 側壁
３４ セラミックドーム
３５ アンテナコイル
３６ ソース電圧源
３７ ベース電圧源
Claims (11)
- プラズマに対するエッチング耐性を有する物質でコーティングされたセラミックドームを備えるチャンバ内にウェハを挿入する第１ステップと、
前記ウェハの表面に形成されたゲート構造をエッチングする第２ステップと、
ＳＦ６ガスを主成分とするエッチングガスを用いて、前記第２ステップにおけるエッチングにより生成されたエッチング残留物を除去する第３ステップとを含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 前記セラミックドームの表面にコーティングされた前記物質が、酸化イットリウムであることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第３ステップにおいて、前記酸化イットリウムでコーティングされた前記セラミックドームを、前記セラミックドーム内の洗浄位置に応じて、圧力条件を変えて多段階に洗浄することを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記エッチング残留物を除去する前記第３ステップが、前記ＳＦ６ガスとＯ２ガスとの混合ガスを用いてドライ洗浄するステップであることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第３ステップにおいて、前記エッチングガスを、約１６００Ｗのソースパワーと約５０Ｗのバイアスパワーとを印加した状態で約５０秒間注入することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
- プラズマに対するエッチング耐性を有する物質でコーティングされたセラミックドームを備えるチャンバ内にウェハを挿入する第１ステップと、
前記ウェハの表面に形成されたゲート構造をエッチングする第２ステップと、
ＳＦ６ガスを主成分とするエッチングガスを用いて、前記第２ステップにおけるエッチングにより生成されたエッチング残留物を除去する第３ステップと、
回復処理を行う第４ステップとを含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 前記セラミックドームの表面にコーティングされた前記物質が、酸化イットリウムであることを特徴とする請求項６に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第３ステップにおいて、前記酸化イットリウムでコーティングされた前記セラミックドームを、前記セラミックドーム内の洗浄位置に応じて、圧力条件を変えて多段階に洗浄することを特徴とする請求項７に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記エッチング残留物を除去する前記第３ステップが、前記ＳＦ６ガスとＯ２ガスとの混合ガスを用いてドライ洗浄するステップであることを特徴とする請求項６に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第３ステップにおいて、前記エッチングガスを、約１６００Ｗのソースパワーと約５０Ｗのバイアスパワーとを印加した状態で約５０秒間注入することを特徴とする請求項６に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記回復処理を行う前記第４ステップが、約１．３Ｐａ（約１０ｍＴｏｒｒ）の圧力下で、約５００Ｗのソースパワーと約８０Ｗのバイアスパワーとを印加した状態で、約１００ｓｃｃｍのＨＢｒガス、約４０ｓｃｃｍのＣｌ２ガス、約１０ｓｃｃｍのＨｅガス、及び約１ｓｃｃｍのＯ２ガスを約１００秒間注入して行うステップであることを特徴とする請求項６に記載の半導体素子の製造方法。
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