JP2012119699A

JP2012119699A - プラズマ処理方法、記憶媒体及びプラズマ処理装置

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Publication number: JP2012119699A
Application number: JP2012002123A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kozuka; 慎一狐塚; Naoto Umehara; 直人梅原
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2012-06-21
Also published as: US7405160B2; US8030216B2; US20080261404A1; JP2007165827A; US20070134938A1

Abstract

【課題】高誘電率絶縁膜のエッチング制御性を向上することができるプラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】ウエハＷ上の半導体デバイスに形成されたハフニウム酸化膜にエッチング処理を施す際、ウエハＷをプラズマ処理装置１０のチャンバ１１内に搬入し、該チャンバ１１内の処理空間ＳにＣ_４Ｆ_８ガス、一酸化炭素ガス、アルゴンガス及びキセノンガスを所定の流量比で供給し、処理空間Ｓに高周波電力を印加して供給された処理ガスからプラズマを発生させ、キセノンによってＣ_４Ｆ_８からのフッ素の解離をより促進して高いエッチレートで高誘電率絶縁膜をエッチングする。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理方法、記憶媒体及びプラズマ処理装置に関し、特に基板に形成された高誘電率絶縁膜にエッチング処理を施すプラズマ処理方法に関する。

基板としての半導体ウエハから製造される半導体デバイスの小型化・高集積化に伴い、半導体デバイスのトランジスタにおけるゲート絶縁膜やコンデンサの誘電体（絶縁膜）への薄膜化の要求が高まっている。この薄膜化の要求を満たす絶縁膜の厚さは原子数個分であるが、この場合、従来の絶縁膜の材料であるＳｉＯ_２では、量子トンネル効果によって該絶縁膜を透過してリークする電流リークが増加するため、薄膜化された絶縁膜の材料としてＳｉＯ_２を用いるのは困難である。

これに対して、大量の電流を流しても該電流をリークさせない高誘電率絶縁膜材料が開発されている。高誘電率絶縁膜材料は金属系の材料であり、具体的にはハフニウム（Ｈｆ）やジルコニウム（Ｚｒ）の酸化物、これらのシリコン（Ｓｉ）含有物、又はアルミニウム（Ａｌ）の酸化物等が用いられる。ところが、これらの高誘電率絶縁膜材料を、従来のＳｉＯ_２のエッチングに用いられるフッ素ガス系混合ガスのプラズマを用いてエッチングした場合、エッチレート（エッチング速度）が低い（遅い）という問題がある。

金属系の絶縁膜は腐食系ガスによる腐食と高温処理との組合せからなる化学的エッチングによって高いエッチレートでエッチング可能であるが、この化学的エッチングの実現のためには腐食処理用のチャンバと高温処理用のチャンバが必要であり、新たなシステム構築が必要であること、また、システムのコストも上昇する等の課題も多い。

そこで、近年、従来のエッチング処理装置を用いて高誘電率ゲート絶縁膜をアルゴン（Ａｒ），ヘリウム（Ｈｅ），若しくはアルゴン及びヘリウムの混合ガスに、メタン（ＣＨ_４）を加えた混合ガス（希ガス系の混合ガス）のプラズマによってエッチングするプラズマ処理方法が開発されている（例えば、「特許文献１」参照。）。

特開２００５−３９０１５号公報

しかしながら、低スパッタのエッチング処理装置では、希ガス系の混合ガスのプラズマを用いても、未だエッチレートが低く、要求されるエッチレートを実現することができない。また、高スパッタのエッチング処理装置では、エッチレートが十分高く、要求されるエッチレートを実現することができるが、ハードマスクの材料である窒化珪素（ＳｉＮ）も高いエッチレートでエッチングしてしまうため、ハードマスクに対する高誘電率絶縁膜の選択比を確保する（大きくする）のが困難である。すなわち、高誘電率絶縁膜のエッチング制御性は依然として低いという問題がある。

本発明の目的は、高誘電率絶縁膜のエッチング制御性を向上することができるプラズマ処理方法、記憶媒体及びプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載のプラズマ処理方法は、コンデンサの誘電体部分としての高誘電率絶縁膜が形成された基板に処理ガスのプラズマを用いてエッチング処理を施すプラズマ処理方法であって、前記処理ガスはハロゲンガス、希ガス、及び還元ガスを含むことを特徴とする。

請求項２記載のプラズマ処理方法は、請求項１記載のプラズマ処理方法において、前記希ガスはヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガス、及びキセノンガスからなる群から選択された少なくとも１つであることを特徴とする。

請求項３記載のプラズマ処理方法は、請求項１又は２記載のプラズマ処理方法において、前記還元ガスは水素ガス、一酸化炭素ガス、及びメタンガスからなる群から選択された少なくとも１つであることを特徴とする。

請求項４記載のプラズマ処理方法は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法において、前記ハロゲンガスはフッ素、塩素、及び臭素からなる群から選択された少なくとも１つを含む化合物のガスであることを特徴とする。

請求項５記載のプラズマ処理方法は、請求項１記載のプラズマ処理方法において、前記処理ガスはフッ素化合物のガス、一酸化炭素ガス、及びキセノンガスを少なくとも含むことを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項６記載の記憶媒体は、コンデンサの誘電体部分としての高誘電率絶縁膜が形成された基板に処理ガスのプラズマを用いてエッチング処理を施すプラズマ処理方法をコンピュータに実行させるプログラムを格納するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、前記処理ガスはハロゲンガス、希ガス、及び還元ガスを含むことを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項７記載のプラズマ処理装置は、コンデンサの誘電体部分としての高誘電率絶縁膜が形成された基板に処理ガスのプラズマを用いてエッチング処理を施すプラズマ処理装置であって、前記処理ガスはハロゲンガス、希ガス、及び還元ガスを含むことを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項８記載のプラズマ処理方法は、処理容器内で高誘電率絶縁膜、並びに窒化珪素膜又はＳｉＯ_２膜を有する基板において、処理ガスのプラズマを用いて前記高誘電率絶縁膜をエッチングするプラズマ処理方法であって、前記処理容器内に前記基板を搬入し、前記処理容器内にハロゲン化合物ガス、還元ガス、希ガス及びキセノンガスを含む前記処理ガスを供給し、前記処理容器内で前記処理ガスから前記プラズマを生成し、前記プラズマにより前記高誘電率絶縁膜をエッチングし、前記高誘電率絶縁膜のエッチングでは、前記処理ガスに添加された前記キセノンガスが、前記ハロゲン化合物ガスからのハロゲンの解離を促進させ、前記高誘電率絶縁膜が高いエッチレートでエッチングされることを特徴とする。

請求項９記載のプラズマ処理方法は、請求項８記載のプラズマ処理方法において、前記希ガスはヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス及びクリプトンガスからなる群から選択された少なくとも１つであることを特徴とする。

請求項１０記載のプラズマ処理方法は、請求項８記載のプラズマ処理方法において、前記還元ガスは水素ガス、一酸化炭素ガス、及びメタンガスからなる群から選択された少なくとも１つであることを特徴とする。

請求項１１記載のプラズマ処理方法は、請求項８記載のプラズマ処理方法において、前記ハロゲン化合物ガスはＣ_４Ｆ_８ガスであり、前記還元ガスは一酸化炭素ガスであり、前記希ガスはアルゴンガスであることを特徴とする。

請求項１２記載のプラズマ処理方法は、請求項８記載のプラズマ処理方法において、前記ハロゲン化合物ガスはＣ_４Ｆ_８ガスであり、前記還元ガスは水素ガスであり、前記希ガスはアルゴンガスであることを特徴とする。

請求項１３記載のプラズマ処理方法は、請求項８記載のプラズマ処理方法において、前記高誘電率絶縁膜は、ハフニウム酸化膜、ジルコニウム酸化膜、及びアルミニウム酸化膜からなる群から選択された少なくとも１つであることを特徴とする。

本発明によれば、コンデンサの誘電体部分としての高誘電率絶縁膜が形成された基板にハロゲンガス、希ガス、及び還元ガスを含む処理ガスのプラズマを用いてプラズマ処理が施される。希ガスはハロゲンガスからのハロゲンの解離を促進するため、解離したハロゲンによる高誘電率絶縁膜のエッチングの進行が促進される。また、還元ガスはハロゲン化物の還元を行う。したがって、低スパッタのエッチング処理装置であっても、要求されるエッチレートを実現することができ、これにより、高誘電率絶縁膜のエッチング制御性を向上することができる。

本発明によれば、処理容器内において、高誘電率絶縁膜、並びに窒化珪素膜又はＳｉＯ_２膜を有する基板にハロゲン化合物ガス、還元ガス、希ガス及びキセノンガスを含む処理ガスのプラズマを用いてプラズマ処理が施され、キセノンガスがハロゲン化合物ガスからのハロゲンの解離を促進させて高誘電率絶縁膜が高いエッチレートでエッチングされる。したがって、低スパッタのエッチング処理装置であっても、要求されるエッチレートを実現することができ、これにより、高誘電率絶縁膜のエッチング制御性を向上することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理方法が適用されるプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。Ｃ_４Ｆ_８ガス、一酸化炭素ガス、アルゴンガスからなる処理ガスへ添加するキセノンガスの添加量を変化させたときのハフニウム酸化物のエッチレートを示すグラフである。Ｃ_４Ｆ_８ガス、一酸化炭素ガス、及びアルゴンガスからなる処理ガスで、ハフニウム酸化物の膜がＳｉＯ_２層を介してＳｉ層の上又は直接的にＳｉ層の上に形成されたウエハをエッチングしたときのウエハの表面形状を示す断面図であり、（Ａ）はキセノンガスを添加しないときの表面形状を示す断面図であり、（Ｂ）はキセノンガスを１２０ｓｃｃｍで添加したときの表面形状を示す断面図である。アルゴンガス、及びキセノンガスからなる処理ガスへ添加する水素ガスの添加量を変化させたときのハフニウム酸化膜、窒化珪素膜、及びＳｉＯ_２膜のエッチレートを示すグラフである。アルゴンガス、及びキセノンガスからなる処理ガスへ添加する水素ガスの添加量を変化させたときの窒化珪素膜に対するハフニウム酸化膜の選択比、及びＳｉＯ_２膜に対するハフニウム酸化膜の選択比を示すグラフである。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を行った結果、コンデンサの誘電体部分としての高誘電率絶縁膜が形成された基板に処理ガスのプラズマを用いてエッチング処理を施す場合、処理ガスがハロゲンガス、希ガス、及び還元ガスを含むとき、好ましくは、処理ガスがフッ素化合物のガス、一酸化炭素ガス、及びキセノンガスを少なくとも含むときには、キセノンガスはフッ素化合物からのフッ素の解離を促進するため、解離したフッ素による高誘電率絶縁膜の効率のよいエッチングが実現され、一酸化炭素はフッ素化合物の還元を行う。したがって、低スパッタのエッチング処理装置であっても、要求されるエッチレートを実現することができ、これにより、高誘電率絶縁膜のエッチング制御性を確実に向上することができることを見出した。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理方法について説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理方法が適用されるプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。このプラズマ処理装置は、ウエハＷ上の半導体デバイスに形成されたコンデンサの誘電体部分としての高誘電率絶縁膜に低スパッタでエッチング処理を施すエッチング処理装置として構成される。なお、高誘電率絶縁膜はハフニウム酸化物によって形成される。

図１において、プラズマ処理装置１０は、金属、例えば、アルミニウム又はステンレス鋼からなる、処理室としてのチャンバ１１を備える。該チャンバ１１内には、直径が例えば３００ｍｍのウエハＷを載置し、且つ該載置されたウエハＷと共にチャンバ１１内を上下降する載置台としての下部電極１２と、該下部電極１２と対向するようにチャンバ１１の天井部に配され、且つチャンバ１１内に後述する処理ガスを供給するシャワーヘッド１３が配置されている。

下部電極１２には下部高周波電源１４が下部整合器１５を介して接続され、下部高周波電源１４は所定の高周波電力を下部電極１２に印加する。また、下部整合器１５は、下部電極１２からの高周波電力の反射を低減して該高周波電力の下部電極１２への入射効率を最大にする。

下部電極１２の上部には、ウエハＷを静電吸着力で吸着するためのＥＳＣ１６が配置されている。ＥＳＣ１６は電極膜が積層されて形成されるＥＳＣ電極板１７を内蔵し、該ＥＳＣ電極板１７には直流電源１８が電気的に接続されている。ＥＳＣ１６は、直流電源１８からＥＳＣ電極板１７に印加された直流電圧により発生するクーロン力又はジョンソン・ラーベック(Johnsen-Rahbek)力によってウエハＷをその上面に吸着保持する。

ＥＳＣ１６に載置されたウエハＷの周囲には、該ウエハＷの外周を囲うように円環状のフォーカスリング１９が配されている。該フォーカスリング１９は、載置されたウエハＷの外周を囲うように配されている円環状のインナーフォーカスリング部材２０と、該インナーフォーカスリング部材２０の外周を囲うように配される円環状のアウターフォーカスリング部材２１とを備える。また、インナーフォーカスリング部材２０は下部電極１２上に載置され、アウターフォーカスリング部材２１は下部電極１２を囲うように配置されるＥＳＣカバー部材２２上に載置される。インナーフォーカスリング部材２０はシリコン等の導電性材料からなり、アウターフォーカスリング部材２１は石英等の絶縁性材料からなる。インナーフォーカスリング部材２０は下部電極１２及びシャワーヘッド１３の間の処理空間Ｓにおいて後述する処理ガスから発生するプラズマをウエハＷに収束させる。アウターフォーカスリング部材２１はプラズマをウエハＷ上に閉じ込めるインシュレータとして機能する。

下部電極１２の下方には、該下部電極１２の下部から下方に向けて延設された支持体２３が配置されている。該支持体２３は下部電極１２を支持し、不図示のボールネジを回転させることによって下部電極１２を昇降させる。また、支持体２３は、その周囲がカバー２４，２５によって覆われてチャンバ１１内の雰囲気から遮断される。

チャンバ１１の側壁にはウエハＷの搬出入口２６と排気口２７とが設けられる。ウエハＷは、プラズマ処理装置１０に隣接して配されているＬＬＭ（ロードロックモジュール）（図示しない）が備える搬送アーム（図示しない）によって搬出入口２６を介してチャンバ１１内へ搬出入される。排気口２７は、ＡＰＣ（Automatic Pressure Control）バルブ、ＤＰ（Dry Pump）、ＴＭＰ（Turbo Molecular Pump）等（全て図示しない）からなる排気系に接続され、チャンバ１１内の空気等を外部へ排出する。

このプラズマ処理装置１０では、チャンバ１１内へウエハＷが搬入される場合、下部電極１２が搬出入口２６と同じ高さまで下降し、ウエハＷにプラズマ処理が施される場合、下部電極１２がウエハＷの処理位置まで上昇する。なお、図１は、チャンバ１１内へウエハＷが搬入された直後における搬出入口２６と下部電極１２との位置関係を示す。

シャワーヘッド１３は処理空間Ｓに面した多数のガス通気孔２８を有する円板状の上部電極板２９と、該上部電極板２９の上方に配置され且つ上部電極板２９を着脱可能に支持する電極板支持体３０とを有する。また、上部電極板２９の処理空間Ｓに対向する面のうち外周部に該当する面は、チャンバ１１内の天井部に配された円環状部材である、シールドリング３５の内周部によって覆われる。シールドリング３５は、例えば、石英等からなり、上部電極板２９の外周部に配置された該上部電極板２９をチャンバ１１の天井部に締結するスクリュー（図示しない）をプラズマから保護する。

上部電極板２９には、上部高周波電源３１が上部整合器３２を介して接続されており、上部高周波電源３１は、所定の高周波電力を上部電極板２９に印加する。また、上部整合器３２は、上部電極板２９からの高周波電力の反射を低減して該高周波電力の上部電極板２９への入射効率を最大にする。

電極板支持体３０の内部にはバッファ室３３が設けられ、このバッファ室３３には処理ガス導入管（図示しない）が接続されている。バッファ室３３には、処理ガス導入管からＣ_４Ｆ_８ガス、一酸化炭素ガス、アルゴンガス及びキセノンガスが所定の流量比で混合された処理ガスが導入され、該導入された処理ガスはガス通気孔２８を介して処理空間Ｓに供給される。

このプラズマ処理装置１０のチャンバ１１内では、上述したように、下部電極１２及び上部電極板２９に高周波電力が印加され、これにより、処理空間Ｓにおいて処理ガスから高密度のプラズマが発生し、該プラズマはウエハＷ上の半導体デバイスに形成された高誘電率絶縁膜（ハフニウム酸化物の膜）をエッチングする。

ここで上述したように、高誘電率絶縁膜は希ガス系の混合ガス、例えば、アルゴンガスが混合された混合ガスのプラズマによってエッチングすることが可能であるが、低スパッタのエッチング処理装置ではアルゴンのプラズマによるスパッタ力が小さいため、エッチレートが低く、要求されるエッチレートを実現することができない。また、高誘電率絶縁膜はその用途に応じてＳｉＯ_２層の上に形成される場合があるが、低スパッタのエッチング処理装置では高誘電率絶縁膜の削り残し（残滓）がＳｉＯ_２層の上に発生する。該発生した高誘電率絶縁膜の残滓はＳｉＯ_２層のエッチングの際にマスクとして機能するため、ＳｉＯ_２層には針状の突起が形成される。すなわち、円滑なＳｉＯ_２層の表面を形成することができない。

本実施の形態に係るプラズマ処理方法は、これに鑑みて、Ｃ_４Ｆ_８ガス、一酸化炭素ガス、アルゴンガス及びキセノンガスが所定の流量比で混合された処理ガスのプラズマによって高誘電率絶縁膜をエッチングする。このとき、一酸化炭素はＣ_４Ｆ_８からのフッ素の還元を行い、アルゴン及びキセノンはＣ_４Ｆ_８からのフッ素の解離を促進する。ここでキセノンはハロゲン化合物の解離力がアルゴンよりも大きいため、該キセノンはＣ_４Ｆ_８からのフッ素の解離をより促進し、これにより、解離したフッ素による高誘電率絶縁膜のエッチングの進行が促進される。したがって、本実施の形態に係るプラズマ処理方法は、アルゴンのプラズマのみによる高誘電率絶縁膜のエッチングよりも高いエッチレートで高誘電率絶縁膜をエッチングする。

本実施の形態に係るプラズマ処理方法によれば、半導体デバイスに形成されたコンデンサの誘電体部分としての高誘電率絶縁膜が形成されたウエハＷに、Ｃ_４Ｆ_８ガス、一酸化炭素ガス、アルゴンガス及びキセノンガスが所定の流量比で混合された処理ガスのプラズマを用いてエッチング処理が施されるので、アルゴンのプラズマのみによる高誘電率絶縁膜のエッチングよりも高いエッチレートで高誘電率絶縁膜をエッチングすることができ、もって、低スパッタのエッチング処理装置であっても、要求されるエッチレートを確実に実現することができ、これにより、高誘電率絶縁膜のエッチング制御性を確実に向上することができる。

また、本実施の形態に係るプラズマ処理方法は高いエッチレートで高誘電率絶縁膜をエッチングすることができるため、高誘電率絶縁膜の残滓の発生を防止することができる。その結果、ＳｉＯ_２層に針状の突起が形成されるのを抑制し、もって、円滑なＳｉＯ_２層の表面を形成することができる。

上述した本実施の形態に係るプラズマ処理方法では、Ｃ_４Ｆ_８ガス、一酸化炭素ガス、アルゴンガス及びキセノンガスの混合ガスが用いられたが、混合ガスはこれに限られない。例えば、上述した混合ガスには希ガスとしてアルゴンガス及びキセノンガスが混合されているが、混合される希ガスはヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガス、及びキセノンガスから選択された１つであってもよく、また、これらから選択された２種類以上のガスを組み合わせたものであってもよい。また、上述した混合ガスには還元ガスとして一酸化炭素ガスが混合されているが、混合される還元ガスは水素ガス又はメタンガスでもよく、水素ガス、一酸化炭素ガス、及びメタンガスから選択された２種類以上のガスを組み合わせたものであってもよい。さらに、上述した混合ガスにはハロゲン化合物のガスとしてＣ_４Ｆ_８ガスが混合されているが、混合されるハロゲン化合物のガスは他のフッ化物のガス、塩化物のガス、及び臭化物のガスから選択された１つであってもよく、また、これらから選択された２種類以上のガスを組み合わせたものであってもよい。上述したガスはいずれも容易に入手することができ、もって、当該エッチング処理を容易に行うことができる。

また、本実施の形態に係るプラズマ処理方法においてエッチングされる高誘電率絶縁膜はハウニウム酸化物の膜に限られず、ジルコニウム酸化物やアルミニウム酸化物の膜であってもよい。

次に、本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ処理方法について説明する。

本実施の形態は、その構成や作用が上述した第１の実施の形態と基本的に同じであり、エッチング処理を施すウエハＷ上の半導体デバイスにはトランジスタの高誘電率ゲート絶縁膜、及びハードマスク（窒化珪素の膜）が形成されている点、並びに、プラズマ処理装置が高誘電率ゲート絶縁膜に高スパッタでエッチング処理を施すエッチング処理装置として構成される点で第１の実施の形態と異なり、また、処理ガスの構成も第１の実施の形態と異なる。したがって、重複した構成、作用については説明を省略し、以下に異なる構成、作用についての説明を行う。

本実施の形態に係るプラズマ処理方法では、電極板支持体３０のバッファ室３３に、処理ガス導入管からアルゴンガス、キセノンガス及び水素ガスが所定の流量比で混合された処理ガスが導入され、該導入された処理ガスはガス通気孔２８を介して処理空間Ｓに供給される。また、印加された高周波電力によって処理空間Ｓに供給された処理ガスから高密度のプラズマが発生し、該プラズマはウエハＷ上の半導体デバイスに形成された高誘電率ゲート絶縁膜（ハフニウム酸化物）をエッチングする。

高誘電率ゲート絶縁膜は希ガス系の混合ガス、例えば、アルゴンガス及びキセノンガスが混合された混合ガスのプラズマによってエッチングすることが可能であり、高スパッタのエッチング処理装置では、エッチレートが十分高く、要求されるエッチレートを実現することができる。しかしながら、ハードマスクの材料である窒化珪素も高いエッチレートでエッチングしてしまう。

本実施の形態に係るプラズマ処理方法は、これに鑑みて、アルゴンガス、キセノンガス及び水素ガスが所定の流量比で混合された処理ガスのプラズマによって高誘電率ゲート絶縁膜をエッチングする。このとき、アルゴンのプラズマ及びキセノンのプラズマが高誘電率ゲート絶縁膜及びハードマスクを物理的にエッチングする。ここで、水素のプラズマは物理スパッタによるエッチングを抑制する。したがって、水素のプラズマはアルゴンのプラズマ及びキセノンのプラズマによる高誘電率ゲート絶縁膜及びハードマスクのエッチングのエッチレートを低下させる。水素ガスの添加量に対する高誘電率ゲート絶縁膜及びハードマスクのエッチレートの低下量は略同等であるが、ハードマスクのエッチレートは元々高誘電率ゲート絶縁膜のエッチレートより低いため、所定量の水素ガスを添加するとハードマスクのエッチングはストップする。ハードマスクに対する高誘電率ゲート絶縁膜の選択比は（高誘電率ゲート絶縁膜のエッチレート）／（ハードマスクのエッチレート）で示されるため、ハードマスクのエッチングがストップすると上記選択比は無限大となる。これにより、本実施の形態に係るプラズマ処理方法はハードマスクに対する高誘電率ゲート絶縁膜の選択比を確保する。

本実施の形態に係るプラズマ処理方法によれば、半導体デバイスに形成されたトランジスタの高誘電率ゲート絶縁膜及びハードマスクが形成されたウエハＷに、アルゴンガス、キセノンガス及び水素ガスが所定の流量比で混合された処理ガスのプラズマを用いてエッチング処理が施されるので、高スパッタのエッチング処理装置であっても、ハードマスクに対する高誘電率ゲート絶縁膜の選択比を確保することができ、これにより、高誘電率ゲート絶縁膜のエッチング制御性を向上することができる。

上述した本実施の形態に係るプラズマ処理方法では、アルゴンガス、キセノンガス及び水素ガスの混合ガスが用いられたが、混合ガスはこれに限られない。例えば、上述した混合ガスには希ガスとしてアルゴンガス及びキセノンガスが混合されているが、混合される希ガスはヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガス、及びキセノンガスから選択された１つであってもよく、また、これらから選択された２種類以上のガスを組み合わせたものであってもよい。また、上述した混合ガスには還元ガスとして水素ガスが混合されているが、混合される還元ガスは一酸化炭素ガス又はメタンガスでもよく、水素ガス、一酸化炭素ガス、及びメタンガスから選択された２種類以上のガスを組み合わせたものであってもよい。上述したガスはいずれも容易に入手することができ、もって、当該エッチング処理を容易に行うことができる。

また、本実施の形態に係るプラズマ処理方法においてエッチングされる高誘電率ゲート絶縁膜はハウニウム酸化物の膜に限られず、ジルコニウム酸化物やアルミニウム酸化物の膜であってもよい。

また、本発明の目的は、上述した各実施の形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、コンピュータに供給し、コンピュータのＣＰＵが記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行することによっても達成される。

この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が上述した各実施の形態の機能を実現することになり、プログラムコード及びそのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。

また、プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、ＲＡＭ、ＮＶ−ＲＡＭ、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋ＲＷ）等の光ディスク、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、他のＲＯＭ等の上記プログラムコードを記憶できるものであればよい。或いは、上記プログラムコードは、インターネット、商用ネットワーク、若しくはローカルエリアネットワーク等に接続される不図示の他のコンピュータやデータベース等からダウンロードすることによりコンピュータに供給されてもよい。

また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、上記各実施の形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、ＣＰＵ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって上述した各実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。

更に、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって上述した各実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。

上記プログラムコードの形態は、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラムコード、ＯＳに供給されるスクリプトデータ等の形態から成ってもよい。

次に、本発明の実施例を具体的に説明する。

実施例１
まず、エッチング処理が施されるウエハとして、ハフニウム酸化膜のブランケットウエハ（Blanket wafer）（毛布のように形成されたハフニウム酸化膜を表面上に有するウエハ）を準備した。次いで、該ブランケットウエハをプラズマ処理装置１０のチャンバ１１内に搬入し、該チャンバ１１内の処理空間Ｓに処理ガスとしてＣ_４Ｆ_８ガス、一酸化炭素ガス、アルゴンガス及びキセノンガスを流量比２７／３００／５４０／６０ｓｃｃｍで供給した。すなわち、キセノンの添加量は希ガス全体に対する流量比で１０％であった。次いで、処理空間Ｓに高周波電力を印加して供給された処理ガスからプラズマを発生させ、該ブランケットウエハをエッチングした。そして、このときのエッチレートを計測し、該計測されたエッチレートを図２のグラフに示した。

実施例２
まず、実施例１と同様に、ハフニウム酸化膜のブランケットウエハを準備した。次いで、実施例１と同様の方法で該ブランケットウエハをエッチングした。このとき、処理空間ＳにはＣ_４Ｆ_８ガス、一酸化炭素ガス、アルゴンガス及びキセノンガスを流量比２７／３００／４８０／１２０ｓｃｃｍで供給した。すなわち、キセノンの添加量は希ガス全体に対する流量比で２０％であった。そして、計測されたエッチレートを図２のグラフに示した。

また、本実施例２のエッチング条件でハフニウム酸化物の膜がＳｉＯ_２層を介してＳｉ層の上又は直接的にＳｉ層の上に形成されたウエハにエッチング処理を施し、該エッチング処理が施されたウエハの表面形状を計測し、計測された形状を図３（Ｂ）の断面図に示した。

比較例１
まず、実施例１と同様に、ハフニウム酸化膜のブランケットウエハを準備した。次いで、実施例１と同様の方法で該ブランケットウエハをエッチングした。このとき、処理空間ＳにはＣ_４Ｆ_８ガス、一酸化炭素ガス、及びアルゴンガスを流量比２７／３００／６００ｓｃｃｍで供給した。そして、計測されたエッチレートを図２のグラフに示した。

また、本比較例１のエッチング条件でハフニウム酸化物の膜がＳｉＯ_２層を介してＳｉ層の上又は直接的にＳｉ層の上に形成されたウエハにエッチング処理を施し、該エッチング処理が施されたウエハの表面形状を計測し、計測された形状を図３（Ａ）の断面図に示した。

図２のグラフから、比較例１ではエッチレートが約８ｎｍ／ｍｉｎであったのに対し、実施例１では約１１ｎｍ／ｍｉｎ、実施例２では約１４ｎｍ／ｍｉｎであり、キセノンガスを添加することによってエッチレートを高くすることができるのが分かった。また、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）の表面形状を比較した結果、キセノンガスを添加する（実施例２）ことにより、キセノンガスを添加しない場合（比較例１）に発生するＳｉＯ_２層の針状の突起の発生を防止することができるのが分かった。いずれも、キセノンはハロゲン化合物からのハロゲンの解離力がアルゴンよりも大きいため、実施例１，２では比較例１よりＣ_４Ｆ_８からのフッ素の解離が促進された結果に起因すると考えられた。

実施例３
まず、エッチング処理が施されるウエハとしてハフニウム酸化膜のブランケットウエハ、窒化珪素膜のブランケットウエハ、及びＳｉＯ_２膜のブランケットウエハを準備した。次いで、各ウエハをプラズマ処理装置１０のチャンバ１１内に搬入し、該チャンバ１１内の処理空間Ｓにアルゴンガス、キセノンガス及び水素ガスを流量比１８０／４２０／４ｓｃｃｍで供給した。次いで、処理空間Ｓに高周波電力を印加して供給された処理ガスからプラズマを発生させ、各ウエハをエッチングした。そして、このときのエッチレートを計測し、該計測されたエッチレートを図４のグラフに示した。また、窒化珪素膜に対するハフニウム酸化膜の選択比、及びＳｉＯ_２膜に対するハフニウム酸化膜の選択比を図５のグラフに示した。

実施例４
まず、実施例３と同様に、ハフニウム酸化膜のブランケットウエハ、窒化珪素膜のブランケットウエハ、及びＳｉＯ_２膜のブランケットウエハを準備した。次いで、実施例３と同様の方法で各ウエハをエッチングした。このとき、処理空間Ｓにはアルゴンガス、キセノンガス及び水素ガスを流量比１８０／４２０／８ｓｃｃｍで供給した。そして、計測されたエッチレートを図４のグラフに示し、窒化珪素膜に対するハフニウム酸化膜の選択比、及びＳｉＯ_２膜に対するハフニウム酸化膜の選択比を図５のグラフに示した。

実施例５
まず、ハフニウム酸化膜のブランケットウエハ、及び窒化珪素膜のブランケットウエハを準備した。次いで、実施例３と同様の方法で各ウエハをエッチングした。このとき、処理空間Ｓにはアルゴンガス、キセノンガス及び水素ガスを流量比１８０／４２０／１６ｓｃｃｍで供給した。そして、計測されたエッチレートを図４のグラフに示し、窒化珪素膜に対するハフニウム酸化膜の選択比を図５のグラフに示した。

比較例２
まず、実施例３と同様に、ハフニウム酸化膜のブランケットウエハ、窒化珪素膜のブランケットウエハ、及びＳｉＯ_２膜のブランケットウエハを準備した。次いで、実施例３と同様の方法で各ウエハをエッチングした。このとき、処理空間Ｓにはアルゴンガス及びキセノンガスを流量比１８０／４２０ｓｃｃｍで供給した。そして、計測されたエッチレートを図４のグラフに示し、窒化珪素膜に対するハフニウム酸化膜の選択比、及びＳｉＯ_２膜に対するハフニウム酸化膜の選択比を図５のグラフに示した。

なお、上述した実施例３乃至５、及び比較例２について、図４のグラフには、ハフニウム酸化膜のエッチレートが「◆」で示され、ＳｉＯ_２膜のエッチレートが「■」で示され、且つ窒化珪素膜のエッチレートが「▲」で示された。また、図５のグラフには、窒化珪素膜に対するハフニウム酸化膜の選択比が「▲」で示され、且つＳｉＯ_２膜に対するハフニウム酸化膜の選択比が「■」で示された。

図４のグラフから水素ガスの添加量を増やすに従ってハフニウム酸化膜、窒化珪素膜、及びＳｉＯ_２膜のエッチレートは全て低下することが分かった。これは、水素のプラズマが有する、物理スパッタによるエッチングを抑制する効果により、アルゴンのプラズマ及びキセノンのプラズマによるハフニウム酸化膜、窒化珪素膜、及びＳｉＯ_２膜のエッチングのエッチレートが低下するためと考えられた。さらに、水素ガスの添加量に対するハフニウム酸化膜、窒化珪素膜、及びＳｉＯ_２膜のエッチレートの低下量は略同等であることが分かった。

また、図５のグラフから水素ガスの添加量を増やすに従ってＳｉＯ_２膜に対するハフニウム酸化膜の選択比はほぼ変化しないものの、窒化珪素膜に対するハフニウム酸化膜の選択比は大きくすることができるのが分かった。これは、水素ガスの添加量に対するハフニウム酸化膜及び窒化珪素膜のエッチレートの低下量は略同等であるが、窒化珪素膜のエッチレートは元々ハフニウム酸化膜のエッチレートより低いため、所定量の水素ガスを添加する窒化珪素膜のエッチングがストップするためと考えられた。

Ｗウエハ
Ｓ処理空間
１０プラズマ処理装置
１１チャンバ
１２下部電極
１３シャワーヘッド
１４下部高周波電源
３１上部高周波電源

Claims

コンデンサの誘電体部分としての高誘電率絶縁膜が形成された基板に処理ガスのプラズマを用いてエッチング処理を施すプラズマ処理方法であって、
前記処理ガスはハロゲンガス、希ガス、及び還元ガスを含むことを特徴とするプラズマ処理方法。
前記希ガスはヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガス、及びキセノンガスからなる群から選択された少なくとも１つであることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
前記還元ガスは水素ガス、一酸化炭素ガス、及びメタンガスからなる群から選択された少なくとも１つであることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理方法。
前記ハロゲンガスはフッ素、塩素、及び臭素からなる群から選択された少なくとも１つを含む化合物のガスであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
前記処理ガスはフッ素化合物のガス、一酸化炭素ガス、及びキセノンガスを少なくとも含むことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
コンデンサの誘電体部分としての高誘電率絶縁膜が形成された基板に処理ガスのプラズマを用いてエッチング処理を施すプラズマ処理方法をコンピュータに実行させるプログラムを格納するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、
前記処理ガスはハロゲンガス、希ガス、及び還元ガスを含むことを特徴とする記憶媒体。
コンデンサの誘電体部分としての高誘電率絶縁膜が形成された基板に処理ガスのプラズマを用いてエッチング処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記処理ガスはハロゲンガス、希ガス、及び還元ガスを含むことを特徴とするプラズマ処理装置。
処理容器内で高誘電率絶縁膜、並びに窒化珪素膜又はＳｉＯ_２膜を有する基板において、処理ガスのプラズマを用いて前記高誘電率絶縁膜をエッチングするプラズマ処理方法であって、
前記処理容器内に前記基板を搬入し、
前記処理容器内にハロゲン化合物ガス、還元ガス、希ガス及びキセノンガスを含む前記処理ガスを供給し、
前記処理容器内で前記処理ガスから前記プラズマを生成し、前記プラズマにより前記高誘電率絶縁膜をエッチングし、
前記高誘電率絶縁膜のエッチングでは、前記処理ガスに添加された前記キセノンガスが、前記ハロゲン化合物ガスからのハロゲンの解離を促進させ、前記高誘電率絶縁膜が高いエッチレートでエッチングされることを特徴とするプラズマ処理方法。
前記希ガスはヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス及びクリプトンガスからなる群から選択された少なくとも１つであることを特徴とする請求項８記載のプラズマ処理方法。
前記還元ガスは水素ガス、一酸化炭素ガス、及びメタンガスからなる群から選択された少なくとも１つであることを特徴とする請求項８記載のプラズマ処理方法。
前記ハロゲン化合物ガスはＣ_４Ｆ_８ガスであり、前記還元ガスは一酸化炭素ガスであり、前記希ガスはアルゴンガスであることを特徴とする請求項８記載のプラズマ処理方法。
前記ハロゲン化合物ガスはＣ_４Ｆ_８ガスであり、前記還元ガスは水素ガスであり、前記希ガスはアルゴンガスであることを特徴とする請求項８記載のプラズマ処理方法。
前記高誘電率絶縁膜は、ハフニウム酸化膜、ジルコニウム酸化膜、及びアルミニウム酸化膜からなる群から選択された少なくとも１つであることを特徴とする請求項８記載のプラズマ処理方法。