JP2011142248A - 基板のクリーニング方法及び基板のクリーニング装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】シリコン層の露出部を含むパターンをプラズマエッチングによって形成する際に、副生成物の除去と残留フッ素の除去とをパターンに損傷を与えることなく行うことのできる基板のクリーニング方法及び基板のクリーニング装置を提供する。
【解決手段】基板上のパターンをプラズマエッチングにより形成した後に、基板の表面をクリーニングする基板のクリーニング方法であって、基板をＨＦガス雰囲気に晒して副生成物を除去する副生成物除去工程と、水素ガスと、炭素と水素を構成元素として含む化合物のガスとを含むクリーニングガスをプラズマ化して基板に作用させ、当該基板に残留したフッ素を除去する残留フッ素除去工程とを具備している。
【選択図】図３
【解決手段】基板上のパターンをプラズマエッチングにより形成した後に、基板の表面をクリーニングする基板のクリーニング方法であって、基板をＨＦガス雰囲気に晒して副生成物を除去する副生成物除去工程と、水素ガスと、炭素と水素を構成元素として含む化合物のガスとを含むクリーニングガスをプラズマ化して基板に作用させ、当該基板に残留したフッ素を除去する残留フッ素除去工程とを具備している。
【選択図】図３
Description
本発明は、基板のクリーニング方法及び基板のクリーニング装置に関する。
従来から、半導体装置の製造分野では、プラズマエッチング工程によって各種の構造を有する微細パターンの形成が行われている。また、このようなプラズマエッチング工程では、副生成物が発生する場合があり、プラズマエッチング工程の後に副生成物を除去するためのクリーニング工程を実施することが行われている。
上記プラズマエッチング技術のうちシリコンをエッチングする技術としては、第１のステップでＳＦ６ガスのプラズマによりシリコン表面の自然酸化膜を除去し、第２のステップで水素ガスのプラズマにより残留フッ素を除去し、第３のステップでＨＣｌとＯ２のプラズマを用いてシリコンをエッチングする技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、ハロゲンを含むガスを使用してプラズマエッチングを行った処理チャンバーをクリーニングする技術として、例えば、酸素ガス及びハロゲンガスに加えて水素ガス等をクリーニングガスとしてプラズマクリーニングを行う技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
さらに、フッ素原子を含むガスによるプラズマエッチングの後に、窒化チタン膜やタングステン膜の表面に残留したフッ素を、水蒸気等の水素を含むガス雰囲気中で半導体基板を加熱することによって除去する技術が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
ところで、シリコン層と絶縁膜層とが積層された構造のパターン等、シリコン層の露出部を含むパターンをプラズマエッチングによって形成する場合等は、プラズマエッチングの際にパターン表面にＳｉＯを主成分とする副生成物が付着する場合がある。このようなＳｉＯを主成分とする副生成物は、ＨＦガス等のフッ素系ガスを用いた気相除去により除去することができるが、この場合フッ素がパターン表面に残留してしまう。そして、フッ素が残留した状態で放置すると、残留フッ素とシリコン層とが反応し、パターンに欠陥が発生するという問題がある。
残留フッ素を除去する方法としては、水洗が効果的であることが知られている。しかし、本発明者等が詳査したところ、例えば３６ｎｍ以下等の微細パターンの場合、水洗を行うと表面張力によりパターンが崩壊してしまう場合があった。また、例えば２００℃程度の加熱処理、或いは５０℃〜１５０℃程度の加熱と水蒸気に晒す処理等では、パターンに残留するフッ素除去の効果はほとんど得られなかった。さらに、水素ガスのプラズマに晒して残留フッ素の除去を行うと、水素のプラズマによってシリコン層が削られてしまうという問題が発生した。
上記のようにプラズマエッチング技術においては、従来からフッ素系ガスを使用して自然酸化膜を除去したり、残留フッ素を水洗や水素ガスのプラズマ等を用いることによって除去する技術が知られている。しかしながら、シリコン層と絶縁膜層とが積層された構造のパターン等のシリコン層の露出部を含むパターンをプラズマエッチングによって形成する場合に、副生成物の除去と残留フッ素の除去とをパターンに損傷を与えることなく実施することのできる技術はなく、このような技術の開発が求められていた。
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、シリコン層の露出部を含むパターンをプラズマエッチングによって形成する際に、副生成物の除去と残留フッ素の除去とをパターンに損傷を与えることなく行うことのできる基板のクリーニング方法及び基板のクリーニング装置を提供しようとするものである。
本発明にかかる基板のクリーニング方法は、基板上のパターンをプラズマエッチングにより形成した後に、前記基板の表面をクリーニングする基板のクリーニング方法であって、前記基板をＨＦガス雰囲気に晒して副生成物を除去する副生成物除去工程と、水素ガスと、炭素と水素を構成元素として含む化合物のガスとを含むクリーニングガスをプラズマ化して前記基板に作用させ、当該基板に残留したフッ素を除去する残留フッ素除去工程とを具備したことを特徴とする。
本発明にかかる基板のクリーニング装置は、基板上のパターンをプラズマエッチングにより形成した後に、前記基板の表面をクリーニングする基板のクリーニング装置であって、前記基板をＨＦガス雰囲気に晒して副生成物を除去する副生成物除去手段と、水素ガスと、炭素と水素を構成元素として含む化合物のガスとを含むクリーニングガスをプラズマ化して前記基板に作用させ、当該基板に残留したフッ素を除去する残留フッ素除去手段とを具備したことを特徴とする。
本発明によれば、シリコン層と絶縁膜層とが積層された構造のパターンをプラズマエッチングによって形成する際に、副生成物の除去と残留フッ素の除去とをパターンに損傷を与えることなく行うことのできる基板のクリーニング方法及び基板のクリーニング装置を提供することができる。
以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態の副生成物除去工程に使用するガス処理装置１００の構成例を模式的に示す縦断面図である。同図に示すようにこのガス処理装置１００は、内部を気密に閉塞可能とされた処理チャンバー１０１を具備している。この処理チャンバー１０１内には、半導体ウエハ（基板）Ｗを載置するためのステージ１０２が設けられている。ステージ１０２は、図示しない温度制御機構を具備しており、ステージ１０２上に載置された半導体ウエハＷの温度を所定温度に維持できるようになっている。
処理チャンバー１０１の上部には、処理チャンバー１０１内に所定の処理ガス（本実施形態ではＨＦガス）を導入するためのガス導入部１０３が設けられている。また、ガスガス導入部１０３が処理チャンバー１０１内に開口する開口部１０４の下方には、多数の透孔１０５が形成されたガス拡散板１０６が設けられており、このガス拡散板１０６の透孔１０５から、均一に分散された状態でＨＦガスが半導体ウエハＷの表面に供給されるように構成されている。
また、処理チャンバー１０１の底部には、排気管１０７が設けられている。この排気管１０７は、図示しない真空ポンプ等に接続されており、処理チャンバー１０１内を所定の圧力に排気できるようになっている。
図２は、本発明の一実施形態の残留フッ素除去工程に使用するプラズマ処理装置２００の構成例を模式的に示す縦断面図である。同図に示すようにこのプラズマ処理装置２００は、内部を気密に閉塞可能とされた処理チャンバー２０１を具備している。この処理チャンバー２０１内には、半導体ウエハ（基板）Ｗを載置するためのステージ２０２が設けられている。ステージ２０２は、図示しない温度制御機構を具備しており、ステージ２０２上に載置された半導体ウエハＷの温度を所定温度に維持できるようになっている。
処理チャンバー２０１は、例えばクォーツ等から構成されており、その天井部には、クォーツ製の窓２０３が形成されている。そして、この窓２０３の外側には、図示しない高周波電源に接続されたＲＦコイル２０４が設けられている。窓２０３の部分には、所定のクリーニングガス（例えば、Ｈ２＋ＣＨ４＋Ａｒ）を処理チャンバー２０１内に導入するためのガス導入部２０５が設けられている。そして、ＲＦコイル２０４に供給された高周波の作用によって、ガス導入部２０５から導入されたクリーニングガスのプラズマＰを発生させるようになっている。
窓２０３の下方には、プラズマの遮蔽とガスの分散を行うためのガス拡散板２０６が設けられており、このガス拡散板２０６を介してプラズマ中のラジカルが分散した状態でステージ２０２上の半導体ウエハＷに供給されるようになっている。なお、基板にプラズマを作用させる場合、直接基板とプラズマとを接触させてもよく、また本実施形態のように、リモートプラズマによる処理、すなわち、直接基板とプラズマとを接触させるのではなく、基板とは離間した部位で発生させたプラズマ中から引き出されたラジカルを基板に作用させてもよい。
また、処理チャンバー２０１の底部には、排気管２０７が設けられている。この排気管２０７は、図示しない真空ポンプ等に接続されており、処理チャンバー２０１内を所定の圧力に排気できるようになっている。
図３は、上記構成のガス処理装置１００とプラズマ処理装置２００とを一体化したクリーニング処理装置３００の構成を示すものである。同図に示すように、ガス処理装置１００とプラズマ処理装置２００は、真空搬送チャンバー３０１を介して接続されており、真空搬送チャンバー３０１内には、真空雰囲気下で半導体ウエハＷを搬送するための真空搬送機構３０２が配設されている。なお、真空搬送チャンバー３０１とガス処理装置１００との間、及び真空搬送チャンバー３０１とプラズマ処理装置２００との間には、夫々図示しない開閉機構（ゲートバルブ等）が設けられている。
また、真空搬送チャンバー３０１には、ロードロック室３０３が接続されており、このロードロック室３０３を介して、半導体ウエハＷが真空搬送チャンバー３０１に搬入、搬出されるようになっている。ロードロック室３０３の外側には、常圧雰囲気下で半導体ウエハＷを搬送するための搬送機構３０４が配設されており、この搬送機構３０４の周囲には、半導体ウエハＷを位置決めするためのアライナー３０５、及び半導体ウエハＷを収容したフープ（ＦＯＵＰ）（又はカセット）３０６が載置されるロードポート３０７が配設されている。
上記構成のクリーニング処理装置３００を用いて、本実施形態では、次のようにして半導体ウエハＷのクリーニングを行う。
クリーニング処理装置３００のロードポート３０７には、前工程であるプラズマエッチング工程において、シリコン層の露出部を含むパターンを形成した半導体ウエハＷを収容したフープ（又はカセット）３０６が載置される。
次に、搬送機構３０４によって、フープ３０６内の半導体ウエハＷが取り出され、まず、アライナー３０５に搬送され、ここで半導体ウエハＷの位置決めがなされる。このアライナー３０５による位置決めは、半導体ウエハＷを回転させながら、その周縁部の位置及びノッチの位置を検出する公知の方法等によって行われる。この後、半導体ウエハＷがロードロック室３０３内に搬送される。
ロードロック室３０３内に半導体ウエハＷが搬入され、搬送機構３０４の搬送アームがロードロック室３０３内から退避した後、ロードロック室３０３の大気側の開閉機構（図示せず。）が閉じられ、ロードロック室３０３内が所定の真空度となるまで排気される。この後、ロードロック室３０３の真空側の開閉機構（図示せず。）が開かれ、真空搬送機構３０２によって、真空搬送チャンバー３０１内に半導体ウエハＷが搬入される。
真空搬送チャンバー３０１内に搬入された半導体ウエハＷは、まず、真空搬送チャンバー３０１とガス処理装置１００（処理チャンバー１０１）との間に設けられた図示しない開閉機構を開いた状態で図１に示した処理チャンバー１０１内に搬入され、ステージ１０２上に半導体ウエハＷが載置され、ここで、副生成物除去工程が実施される。
このガス処理装置１００における副生成物除去工程は、以下のように実施される。すなわち、副生成物除去工程では、真空搬送機構３０２の搬送アームが退避した後、図示しない開閉機構が閉じられる。そして、予め所定温度に設定されたステージ１０２上に半導体ウエハＷが載置されることによって半導体ウエハＷが所定温度に維持された状態となり、この状態でガス導入部１０３から所定の処理ガス（本実施形態ではＨＦガス）が導入されるとともに、排気管１０７から排気が行われ、処理チャンバー１０１内が所定圧力の処理ガス雰囲気とされる。
副生成物除去工程における半導体ウエハＷの温度は、例えば数十度（例えば２０〜４０℃）、圧力は例えば数十Ｐａ〜数千Ｐａ（例えば数百mTorr〜数十Torr）、処理ガス流量は、例えば数百ｓｃｃｍ〜千数百ｓｃｃｍ程度、処理時間は例えば数十秒から数分程度である。この副生成物除去工程により、プラズマエッチング工程で発生したＳｉＯを主成分とする副生成物を除去することができる。しかし、この副生成物除去工程の実施後は、ＨＦガスを使用したことによって、半導体ウエハＷにフッ素が残留した状態となる。このように半導体ウエハＷにフッ素が残留した状態で長時間放置すると、残留フッ素とシリコンが反応してパターンに欠陥が発生する。
ガス処理装置１００における副生成物除去工程が終了すると、真空搬送機構３０２によって半導体ウエハＷがガス処理装置１００から搬出され、真空搬送チャンバー３０１を介してプラズマ処理装置２００の処理チャンバー２０１内に搬入される。すなわち、真空搬送チャンバー３０１とプラズマ処理装置２００（処理チャンバー２０１）との間に設けられた図示しない開閉機構を開いた状態で、半導体ウエハＷが図２に示した処理チャンバー２０１内のステージ２０２上に載置される。そして、プラズマ処理装置２００によって以下のように残留フッ素除去工程が行われる。
この残留フッ素除去工程では、真空搬送機構３０２の搬送アームが処理チャンバー２０１内から退避した後、図示しない開閉機構が閉じられる。そして、予め所定温度に設定されたステージ２０２上に半導体ウエハＷが載置されることによって半導体ウエハＷが所定温度に維持された状態となり、この状態でガス導入部２０５から所定のクリーニングガス（本実施形態では、Ｈ２＋ＣＨ４＋Ａｒ）が導入されるとともに、排気管２０７から排気が行われ、処理チャンバー２０１内が所定の圧力に維持される。
これとともに、ＲＦコイル２０４に高周波電力が印加されることによって、クリーニングガスのプラズマＰが発生する。このプラズマＰは、ガス拡散板２０６によって、ガス拡散板２０６と窓２０３との間の空間に維持されるが、プラズマＰ中から引き出されたラジカルが半導体ウエハＷに作用し、半導体ウエハＷに残留したフッ素が、例えばＨ２との反応でＨＦとなって除去される。
この時、従来のようにＨ２のみのプラズマ等を用いると、半導体ウエハＷの表面に形成されたパターンのうち、露出するシリコン層の部分がエッチングされ、パターンが損傷を受ける。図６は、シリコン層の部分がエッチングされ、パターンが損傷を受けた例を模式的に示すものであり、同図に示すように、シリコン層の露出部分に欠け等の損傷が発生する。
一方、本実施形態では、クリーニングガス中に炭素と水素を構成元素として含む化合物であるＣＨ４ガスが含まれているので、このようなシリコン層の部分のエッチングを抑制することができ、半導体ウエハＷに形成されているパターンが損傷を受けることを抑制することができる。これは、シリコン層の露出部分の表面にＳｉＣが形成され、ＳｉＣが保護層として作用するためと推定される。この点については、以下に示す測定結果によって裏付けられる。
図５は、縦軸を強度、横軸を結合エネルギーとして副生成物除去工程のみを行った後の半導体ウエハＷ（実線Ａ）と、副生成物除去工程の後上記した残留フッ素除去工程を行った半導体ウエハＷ（点線Ｂ）をＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）によって測定した結果を示すグラフである。同図において実線Ａ，点線Ｂに共通して現れている高いピークは、シリコンとシリコンとの結合エネルギーを示すピークである。そして、曲線Ｂでは、このピークより結合エネルギーが高い側の裾の部分（ＳｉとＣとの結合エネルギーを示す。）の強度が高くなっており、ＳｉＣが形成されていることが分かる。このようにシリコンの表面にＳｉＣが形成されている場合、酸素でアッシングを行い、ＳｉＣをＳｉＯとして次工程にまわすこともできる。
また、上記残留フッ素除去工程では、ＣＨ４が存在することにより、フッ素がＣＨＦ３等のガスとして除去されるので、フッ素の除去効率も高めることができる。なお、このようにＣＨ４にフッ素の除去効果があるので、半導体ウエハＷを高温に加熱しても良い場合は、Ｈ２を添加せず、ＣＨ４とＡｒ等の希ガスのみのクリーニングガスを用い、半導体ウエハＷを高温に加熱することによってデポ（堆積物）が発生しないようにして残留フッ素除去工程を行うことも可能である。しかし、多くの場合、半導体ウエハＷを高温に加熱することは望ましくない。
上記プラズマ処理装置２００における残留フッ素除去工程が終了すると、真空搬送機構３０２によって半導体ウエハＷがプラズマ処理装置２００から搬出され、真空搬送チャンバー３０１を介してロードロック室３０３内に搬入される。そして、このロードロック室３０３を介して搬送機構３０４により半導体ウエハＷが大気中に搬出され、ロードポート３０７に載置されたフープ３０６内に収容される。
実施例として、ガス処理装置１００で副生成物除去工程を行った後、プラズマ処理装置２００により残留フッ素除去工程を行った。
副生成物除去工程における処理条件は、
圧力＝１３３０Ｐａ（１０Torr）、
ＨＦガス＝２８００ｓｃｃｍ、
ステージ温度＝３０℃、
処理時間＝６０秒
である。また、残留フッ素除去工程における処理条件は、
圧力＝１３３Ｐａ（１Torr）、
クリーニングガス＝４体積％Ｈ２／Ａｒ＝１７００ｓｃｃｍ＋ＣＨ４（５ｓｃｃｍ）、
高周波電力＝２００Ｗ（２７ＭＨｚ）、
ステージ温度＝８０℃、
処理時間＝１０分
である。
副生成物除去工程における処理条件は、
圧力＝１３３０Ｐａ（１０Torr）、
ＨＦガス＝２８００ｓｃｃｍ、
ステージ温度＝３０℃、
処理時間＝６０秒
である。また、残留フッ素除去工程における処理条件は、
圧力＝１３３Ｐａ（１Torr）、
クリーニングガス＝４体積％Ｈ２／Ａｒ＝１７００ｓｃｃｍ＋ＣＨ４（５ｓｃｃｍ）、
高周波電力＝２００Ｗ（２７ＭＨｚ）、
ステージ温度＝８０℃、
処理時間＝１０分
である。
本実施例では、残留フッ素除去工程前のフッ素残留量が５．７×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ２であったのに対して、残留フッ素除去工程後は２．９×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２とすることができ、パターンを電子顕微鏡で観察したところ、シリコン層のエッチングによる損傷も見られなかった。
比較例として、ＣＨ４を添加しない処理ガスで残留フッ素除去工程を行ったところ、高周波電力を５０Ｗとすると、パターンのシリコン層のエッチングによる損傷が見られた。また、高周波電力を２５Ｗとすると、パターンのシリコン層のエッチングによる損傷はなかったが、残留フッ素除去工程後の残留フッ素量が９．１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２となり、フッ素の除去効果が実施例に比べて明らかに劣っていた。なお、他の条件は、上記した実施例の場合と同じである。この実施例、比較例及び残留フッ素除去工程前（副生成物除去工程のみ）の残留フッ素の測定結果を、縦軸をフッ素量とした図４の棒グラフに示す。
以上のように実施例では、シリコン層の露出部を含むパターンをプラズマエッチングによって形成する際に、副生成物の除去と残留フッ素の除去とをパターンに損傷を与えることなく行うことができた。
なお、本発明は、上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは、勿論である。例えば、残留フッ素除去工程に使用するプラズマ処理装置は、誘導結合型のリモートプラズマによるものではなく、例えば平行平板型の容量結合型のプラズマ処理装置等も用いることができる。この場合、例えば上部電極のみにプラズマ生成用の高周波電力を供給し、下部電極上に載置された半導体ウエハに対してプラズマを作用させるようにしてもよい。また、残留フッ素除去工程に使用する炭素と水素を構成元素として含む化合物のガスは、ＣＨ４ガスに限らず、例えばＣＨ３ＯＨガス等を用いてもよい。
１００……ガス処理装置、２００……プラズマ処理装置、３００……クリーニング処理装置、３０１……真空搬送チャンバー、３０２……真空搬送機構、３０３……ロードロック室、３０４……搬送機構、３０５……アライナー、３０６……フープ、３０７……ロードポート。
Claims (9)
- 基板上のパターンをプラズマエッチングにより形成した後に、前記基板の表面をクリーニングする基板のクリーニング方法であって、
前記基板をＨＦガス雰囲気に晒して副生成物を除去する副生成物除去工程と、
水素ガスと、炭素と水素を構成元素として含む化合物のガスとを含むクリーニングガスをプラズマ化して前記基板に作用させ、当該基板に残留したフッ素を除去する残留フッ素除去工程と
を具備したことを特徴とする基板のクリーニング方法。 - 前記炭素と水素を構成元素として含む化合物のガスが、ＣＨ４ガス又はＣＨ３ＯＨガスであることを特徴とする請求項１記載のクリーニング方法。
- 前記クリーニングガスが、さらに希ガスを含むことを特徴とする請求項１又は２記載のクリーニング方法。
- 前記希ガスがＡｒガスであることを特徴とする請求項３記載のクリーニング方法。
- 前記クリーニングガスが、前記水素ガスを４体積％以下含むことを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載のクリーニング方法。
- 前記基板上のパターンは、シリコン層の露出部を含むパターンであることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載のクリーニング方法。
- 前記残留フッ素除去工程で、前記シリコン層の露出部の表面にＳｉＣからなる層を形成することを特徴とする請求項６記載のクリーニング方法。
- 基板上のパターンをプラズマエッチングにより形成した後に、前記基板の表面をクリーニングする基板のクリーニング装置であって、
前記基板をＨＦガス雰囲気に晒して副生成物を除去する副生成物除去手段と、
水素ガスと、炭素と水素を構成元素として含む化合物のガスとを含むクリーニングガスをプラズマ化して前記基板に作用させ、当該基板に残留したフッ素を除去する残留フッ素除去手段と
を具備したことを特徴とする基板のクリーニング装置。 - 前記基板上のパターンは、シリコン層の露出部を含むパターンであることを特徴とする請求項８記載の基板のクリーニング装置。
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