JP2012243958A - プラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チタンを含有する金属化合物の膜を含むウエハを、フッ素を含有するガスを用いてエッチングするエッチング処理室をプラズマクリーニングするプラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】チタンを含有する金属化合物の膜を含むウエハ１０２を、エッチング処理室１０１内の試料台１０３に載置し、ガス導入部１０４からフッ素を含有するガスを導入してエッチング処理を行い、Ｃｌ_２ガスとＣＨＦ_３ガスの混合ガス、または、Ｃｌ_２ガスとＣＨＦ_３ガスとＳｉの混合ガスを用いて、エッチング処理室１０１内に蓄積されるフッ化チタン系反応生成物を除去するプラズマクリーニングを行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、プラズマを用いて半導体を製造するプラズマ処理方法に関するものであり、特に金属膜をエッチングする時に生成される反応生成物の除去を行うプラズマクリーニング方法に関する。

半導体製造の従来技術として金属膜のエッチングはこれまでも行われていたが、このエッチング時に発生する金属系反応生成物が、エッチング処理室内に残留し、異物発生、エッチング形状不良（エッチング阻害）、チャンバーの大気解放を伴う清掃頻度の増加を招く要因であった。従来の金属系反応生成物を対象とするプラズマクリーニングとしては、特許文献１に開示されたようなプラズマクリーニングが知られている。

特許文献１には、プラズマ処理装置において、効率良くフッ化アルミニウムを除去するクリーニング方法を提供することを目的として、被処理材搭載電極上にＳｉウエハを搭載し、臭化水素ガスと塩素ガスを処理室内に導入してプラズマを発生させて、処理室内部に付着したアルミニウム系堆積物を除去するプラズマ処理装置の処理方法が開示されている。また、以下のような先行技術も開示されている。

アルミニウム系反応生成物などを除去する方法として、一般にアルミニウムのエッチングで使用される塩素ガスを用いたプラズマによりドライクリーニングをすることが考えられる。しかしながら、アルミニウム系反応生成物などは、その一部がフッ化アルミニウム（ＡｌＦ）になっていることがあり、塩素ガスプラズマによるドライクリーニングではアルミニウム系反応生成物（ＡｌＦ）などを除去することができない。

すなわち、アルミニウム系の反応生成物あるいは処理室内の部材からスパッタされたアルミニウムが処理室内壁に付着した場合、塩素ガスを用いてプラズマを発生させる従来のドライクリーニングによってプラズマ処理装置の処理室内を洗浄しても、ＡｌＦを除去することができないので、処理室を大気開放してからアルコールなどを用いて処理室内壁を清掃する必要があった。この清掃方法は、処理室を大気開放した後、アルコールによって清掃し、その後処理室を真空排気するといった時間が必要になるという問題を有している。

さらに、アルミニウム系反応生成物などは処理室内壁に徐々に堆積するので、清掃処理前にその反応生成物などが剥れてパーティクルとなって製品を汚染したり、内壁の状態が変化することによるプラズマ密度・組成の変動、さらにはエッチング性能の変化などを引き起こし、製品の画一性を保持できなくなるという問題がある。

真空容器を清掃する公知技術としては、例えば、Ａｌを含む堆積物をＢＣｌ_３とＣｌ_２あるいはＢＣｌ_３とＨＣｌのプラズマを用いて除去する方法が提案されている。また、Ａｌを含む堆積物をＨ_２Ｏ、Ｃｌ_２、Ｏ_２のプラズマを順に用いて除去する方法が提案されている。

さらに、プラズマ処理時にフッ素を含むガスを用いると、蒸気圧が低く安定な化合物であるフッ化アルミニウムが形成されて、除去しにくいことが知られている。フッ化アルミニウムの除去方法としては、Ｃｌ_２ガスを用いてＡｌＦ_３をＡｌＣｌ_３に分解する方法が提案されている。

また、Ｈ_２ＯとＣｌ_２にてＡｌＦ_３を分解除去する方法が提案されている。また、酸素によりフッ化アルミニウムを除去する方法が提案されている。また、酸素を含まない、塩素あるいはフッ素のプラズマでクリーニングすることで、フッ化アルミニウムの生成を抑える方法が提案されている。

これらのプラズマクリーニング方法は、真空容器を大気に戻すことが無いので、短時間で清掃が済むことが利点である。また、例えば、ウエハを数千枚処理した後は真空を大気に戻して内部を水や酸などを用いて湿式に清掃する。

近年、半導体素子の多様化に伴い、ウエハの材料あるいはプラズマプロセスで用いるガスも多様化してきた。すると従来のプラズマを用いた清掃では除去しにくい堆積物の問題がさらに顕著になる。真空容器の材料としてアルミニウム（Ａｌ）／アルマイトなどＡｌを含む材料を用いて、塩素系ガスとフッ素系ガスを混合あるいは切り替えて用いると、フッ素がＡｌあるいはアルミナと反応してフッ化アルミニウム（ＡｌＦ_３）が生じる。

フッ化アルミニウムは蒸気圧が低くプラズマクリーニングでは除去が困難であるが、プロセスの複雑化に伴い、今まで以上にフッ化アルミニウムの堆積が深刻な問題となっており、スループット向上のためにさらに効率良いクリーニング方法が必要となっている。上述したように、フッ化アルミニウム除去を目的としたプラズマクリーニングは知られている。

特開２００４−２１４６０９号公報

また、アルミニウム以外の例えばチタンを含む金属化合物をフッ素系ガス雰囲気でエッチングする際も、上述のフッ化アルミニウムと同様に、フッ化チタンの反応生成物が生成され、フッ化チタンの除去も困難である。

図１の被処理基板１０２となる図３の製品ウエハのＴｉＮ膜２０３をエッチング処理することで飛散したフッ化チタンの堆積物がエッチング処理室１０１内に付着する。

図１の処理室１０１内に付着したフッ化チタン堆積物はパーティクルやプラズマ変動の要因となる。このため処理室１０１内に付着したメタル系堆積物を除去することが必要である。しかし、上述した従来のプラズマクリーニングでのフッ化チタンの除去は不十分である。

このため、この課題を鑑みて、本発明は、チタンを含有する金属化合物の膜を含むウエハをフッ素を含有するガスを用いてエッチングする処理室をプラズマクリーニングするプラズマ処理方法を提供する。

この課題は半導体製品ウエハ処理の前後にメタル系反応生成物の除去に有効なプロセスガスを用いＲＦ−Ｂｉａｓを印加しながら、且つＳｉウエハを使用するプラズマクリーニングを施すことにより達成できる。実験の結果、メタル系反応生成物除去に効果的なプロセスガスはＣｌ_２、ＣＨＦ_３又はＣｌ_２、ＨＢｒ等の組み合わせが有効で、ＲＦ−Ｂｉａｓを印加するのが望ましく、プラズマ生成中にＳｉウエハから供給されるＳｉも除去効率に大きな影響があることが分かった。

本発明のプラズマ処理方法は、チタンを含有する金属化合物の膜を含む被処理基板を、フッ素を含有するガスを用いてエッチング処理するエッチング処理室内をプラズマクリーニングするプラズマ処理方法であって、前記プラズマクリーニングは、Ｃｌ_２ガスとＣＨＦ_３ガスの混合ガスを用いて、前記エッチング処理室内に蓄積されるフッ化チタン系反応生成物を除去するプラズマクリーニングであることを特徴とする。

また、本発明のプラズマ処理方法は、更に、前記プラズマクリーニングは、Ｃｌ_２ガスとＣＨＦ_３ガスの混合ガスを用いたプラズマにさらにシリコンを供給して、前記エッチング処理室内に蓄積されるフッ化チタン系反応生成物を除去するプラズマクリーニングであることが望ましい。

また、本発明のプラズマ処理方法は、更に、前記プラズマクリーニングは、前記被処理基板を前記エッチング処理室内の試料台に載置した状態で行うことが望ましい。

また、本発明のプラズマ処理方法は、更に、前記プラズマクリーニングは、前記エッチング処理室内の試料台に載置した前記被処理基板へ高周波電源を印加して行うことが望ましい。

本発明によれば、フッ化チタンをプラズマクリーニングによって除去することができる。

図１は本発明におけるエッチング処理室の構成を説明する断面図である。 図２は製品ウエハの膜構造トレンチ断面図であり、第１の膜であるレジスト膜２０１をマスクとして第２の膜である有機膜２０２のエッチング処理を行う断面図である。 図３は製品ウエハの膜構造トレンチ断面図であり、第２の膜である有機膜２０２をマスクとして第３の膜のＴｉＮ膜２０３のエッチング処理を行う断面図である。 図４は製品ウエハ及びクリーニングウエハの処理フローである。

以下、本発明の実施例を図１〜図４を用いて説明する。

図１は、プラズマ処理装置のプラズマ生成部に関する詳細を示しており、プラズマを形成する手段にマイクロ波と磁界を利用した、マイクロ波プラズマエッチング装置を示している。

この装置ではエッチング処理室１０１にガス導入手段１０４から多孔構造の例えば、石英からなる透過窓１０５を介してエッチングガスが供給される。また、マイクロ波発生器（図示しない）から発振されたマイクロ波を整合器１０６及び導波管１０７を通しマイクロ波導入窓１０８よりエッチング処理室１０１に伝送して前記エッチングガスをプラズマ化する。

高効率放電のため磁場発生用のソレノイドコイル１０９をエッチング処理室１０１の周辺に配置し、電子サイクロトロン共鳴を用いて高密度プラズマを発生させる。エッチング処理室１０１には試料台１０３があり、この上に被処理基板１０２を載置して、マイクロ波により生成されたガスプラズマによりエッチングする。被処理基板１０２を載置する試料台１０３には高周波電源１１３が接続され、４００ｋＨｚから１３．５６ＭＨｚの高周波バイアスを印加できる構造となっている。試料台１０３の表面には、静電吸着電源１１０より直流電圧を印加することにより静電吸着力が発生し、被処理基板１０２が静電チャックにより、試料台１０３に吸着される。

また、試料台１０３の表面には溝が形成され、吸着された被処理基板１０２の裏面間に形成される流路（図示しない）に、冷却ガス供給口１１２からＨｅの冷却ガスを供給し、流路内を所定圧力に維持できる構造となっている。被処理基板１０２の表面の温度上昇は、流路におけるガス伝熱と接触面からの熱伝導にて、試料台１０３の表面へ熱伝達され、一定温度に維持される。

被処理基板１０２を一定温度に維持するため、試料台１０３の内部に埋設された冷媒循環経路は、内側と外側からなる２冷媒構造となっており、チラーユニット１１１により内側と外側で個別に指定された温度が制御された冷媒が循環される。なお、エッチング処理室１０１に導入されたエッチングガスは、エッチング完了後、ターボ分子ポンプ１１４、ドライポンプ１１５及び排気配管によりエッチング処理室１０１の外に排気される。

次に、本発明のエッチング方法の具体的な実施例を以下、説明する。下記に製品ウエハの処理フローを説明する。

図４に製品ウエハ及びプラズマクリーニングの処理フローを示す。処理フローとしては、第１にエッチング処理室１０１内に被処理基板１０２となる製品ウエハを搬送手段（図示せず）により搬入（Ｓ０１）し、これを試料台１０３に搭載する。第２に被処理基板１０２となる製品ウエハの処理（Ｓ０２）を行う。

図２及び図３に被処理基板１０２となる製品ウエハの膜構造を示す。上から第１の膜のレジスト膜２０１、第２の膜の有機膜２０２、第３の膜の窒化チタン（以下、「ＴｉＮ」と称する。）のＴｉＮ膜２０３、第４の膜のＬｏｗ−ｋ膜２０４があり、これらの膜を上から順番に各々違うエッチング条件を設定し、図２に示すように、第２の膜である有機膜２０２の処理には、第１の膜であるレジスト膜２０１をマスクとして、例えば、ＣＨＦ_３ガス、ＳＦ_６ガスからなる混合ガスを使用してエッチング処理を行い、図３に示すように、第３の膜のＴｉＮ膜２０３の処理には第１の膜であるレジスト膜２０１と第２の膜である有機膜２０２をマスクとしてＡｒガス、Ｃｌ_２ガス、ＣＨＦ_３ガスからなる混合ガスを使用してエッチング処理を行う。

上記処理が終了したところで、第３に搬送手段（図示せず）により、被処理基板１０２となる製品ウエハ搬出（Ｓ０３）を行う。被処理基板１０２となる製品ウエハ搬入（Ｓ０１）から製品ウエハ搬出（Ｓ０３）までのフローを２５枚分の被処理基板１０２について繰り返した後に、以下に示すプラズマクリーニングを行う。

処理フローとしては、第１にエッチング処理室１０１内に被処理基板１０２となる製品クリーニングウエハを搬入（Ｓ０５）、これを試料台１０３に搭載する。第２に被処理基板１０２となるクリーニングウエハの処理（Ｓ０６）を表１の条件にて行う。上記処理が終了したところで、第３に被処理基板１０２となるクリーニングウエハ搬出（Ｓ０６）を行う。

下記に本発明の実施結果を説明する。上記クリーニングフローで、試料台１０３に搭載した被処理基板１０２となるクリーニングウエハの処理（Ｓ０６）としてＴｉＮウエハを使用し、これのウエハ中心部でのエッチングレートの速さにより処理室１０１内のメタル系堆積物除去速度の指標とした。

被処理基板１０２となるクリーニングウエハの処理（Ｓ０６）を行う条件としては、表１に示すように、ガスをＣｌ_２ガス（１００ｍｌ／ｍｉｎ）、ＣＨＦ_３ガス（２０ｍｌ／ｍｉｎ）、処理圧力を０．３Ｐａ、マイクロ波電源出力を８００Ｗ、被処理基板１０２へ印加する高周波電源１１３を０Ｗ、処理時間を１００ｓとした。

被処理基板１０２にシリコン（Ｓｉ）膜露出面積率０％のＴｉＮウエハを用い、これを試料台１０３に載置し、ＴｉＮ膜エッチングレート確認を行ったところ、表２に示すように、リファレンス条件では３．０ｎｍ／ｍｉｎの除去速度であり、一方、本発明では７．９ｎｍ／ｍｉｎの除去速度であり、本発明はリファレンス条件と比べ除去速度が約２．５倍速い結果となった。

次に上記条件と同様に、ガスをＣｌ_２ガス（１００ｍｌ／ｍｉｎ）、ＣＨＦ_３ガス（２０ｍｌ／ｍｉｎ）、処理圧力を０．３Ｐａ、マイクロ波電源出力を８００Ｗ、被処理基板１０２へ印加する高周波電源１１３の出力を０Ｗ、処理時間（クリーニング時間）を１００ｓとした条件で、被処理基板１０２にＳｉ露出面積率を２５％、５０％、９５％とＳｉ面積率を大きくしたＴｉＮ膜２０３のウエハを用い、これを試料台１０３に載置し、ＴｉＮ膜２０３のエッチングレート確認を行ったところ、表２に示すように、Ｓｉ面積率２５％の場合、リファレンス条件では４．０ｎｍ／ｍｉｎの除去速度、一方、本発明では３０．３ｎｍ／ｍｉｎの除去速度、Ｓｉ面積率５０％の場合、リファレンス条件では５．５ｎｍ／ｍｉｎの除去速度、本発明では４７．６ｎｍ／ｍｉｎの除去速度、Ｓｉ面積率９５％の場合、リファレンス条件では７．７ｎｍ／ｍｉｎの除去速度、一方、本発明では１１７．８ｎｍ／ｍｉｎの除去速度とリファレンス条件に比べ除去速度に極めて顕著な効果を奏することができる。

この結果は、フッ化チタン系の反応生成物の除去に、Ｃｌ_２ガスとＣＨＦ_３ガスの混合ガスを用いたプラズマクリーニングが有効であることを示す。また、Ｃｌ_２ガスとＣＨＦ_３ガスの混合ガスにシリコンを供給したプラズマによるクリーニングは、フッ化チタン系の反応生成物を更に除去できることを示す。

次に表２に示す条件のうち被処理基板１０２へ印加する高周波電源１１３の印加の変更について検討した。条件としては、ガスをＣｌ_２ガス（１００ｍｌ／ｍｉｎ）とＣＨＦ_３ガス（２０ｍｌ／ｍｉｎ）の混合ガス、処理圧力を０．３Ｐａ、マイクロ波電源出力を８００Ｗ、被処理基板１０２へ印加する高周波電源１１３の電力を８０Ｗ、処理時間を１００ｓとした。

被処理基板１０２にＳｉ膜の露出面積率を０％、２５％、５０％、９５％とＳｉの露出面積率を大きくしたＴｉＮウエハを用い、これを試料台１０３に載置し、ＴｉＮ膜のエッチングレート確認を行ったところ、表３に示すようにＳｉ面積率０％の場合、リファレンス条件２では１２．０ｎｍ／ｍｉｎの除去速度、一方、本発明では３３２．５ｎｍ／ｍｉｎの除去速度、Ｓｉ面積率２５％の場合、リファレンス条件２では１７．０ｎｍ／ｍｉｎの除去速度、一方、本発明では１２５．０ｎｍ／ｍｉｎの除去速度、Ｓｉ面積率５０％の場合、リファレンス条件２では２１．０ｎｍ／ｍｉｎの除去速度、一方、本発明では１９６．９ｎｍ／ｍｉｎの除去速度、Ｓｉ面積率９５％の場合、リファレンス条件２では３０．０ｎｍ／ｍｉｎの除去速度、一方、本発明では２７０．０ｎｍ／ｍｉｎの除去速度であり、リファレンス条件２に比べ除去速度に極めて顕著な効果を奏することができる。

以上の結果より、Ｃｌ_２ガスとＣＨＦ_３ガスの混合ガスを用い、高周波電源１１３を試料台１０３に８０Ｗ印加した場合、被処理基板１０２のＳｉ露出面積率が大きいほど、ＴｉＮ膜２０３の除去速度は増加する。

このことは、フッ化チタン系の堆積物除去にプラズマ中へのシリコン供給が効果的であることを示す。このため、Ｓｉの供給方法としては、ＳｉＦ_４、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＨＣｌ_３等のシリコン含有ガスを用いてシリコンを供給しても良い。

以上、本発明であるＣｌ_２ガスとＣＨＦ_３ガスの混合ガスを用いたプラズマによるプラズマクリーニングにより、フッ化チタン系の反応生成物を十分に除去できる。また、Ｃｌ_２ガスとＣＨＦ_３ガスの混合ガスを用いたプラズマにシリコンを供給したプラズマクリーニングにより、フッ化チタン系の反応生成物の除去の効果が更に向上する。

尚、本発明のＣｌ_２ガスとＣＨＦ_３ガスの混合ガスを用いたプラズマへのシリコンの供給方法は、シリコンウエハを試料台１０３に載置させた状態でのＣｌ_２ガスとＣＨＦ_３ガスの混合ガスを用いたプラズマクリーニング、または、Ｃｌ_２ガスとＣＨＦ_３ガスの混合ガスにシリコンを含有したガスを添加したプラズマクリーニングの少なくとも一方を用いるとする。

また、本実施例は、窒化チタン膜を用いた実施例であるが、チタン含有金属化合物の膜でも、本実施例と同様の効果が得られる。また、本実施例は、製品ウエハを２５枚エッチング処理した後に本発明のプラズマクリーニングを実施した例であるが、本発明のプラズマクリーニングを実施した後に製品ウエハを２５枚エッチング処理しても良い。また、製品ウエハの任意の枚数毎に、本発明のプラズマクリーニングを実施しても良い。

本発明によれば、半導体製品ウエハのエッチング処理過程でエッチング処理室内に蓄積されるフッ化チタン系反応生成物の除去を効率的に行い、エッチングチャンバー内における異物の低減、エッチング形状不良（エッチング阻害）の低減、チャンバー大気解放を伴う清掃頻度の低減ができ、装置の稼働率の向上を図ることができる。

以上、上記実施形態を述べたが、この発明はこの形態に限られるものではなく、例えば、本実施例ではマイクロ波ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いたが、本発明の圧力範囲が使用可能なプラズマエッチング装置であれば磁場を用いない容量結合型や誘導結合型等、種々のプラズマエッチング装置に適用できるものである。

１０１ エッチング処理室
１０２ 被処理基板
１０３ 試料台
１０４ ガス導入部
１０５ 透過窓
１０６ 整合器
１０７ 導波管
１０８ マイクロ波導入窓
１０９ ソレノイドコイル
１１０ 静電吸着電源
１１１ チラーユニット
１１２ 冷却ガス供給口
１１３ 高周波電源
１１４ ターボ分子ポンプ
１１５ ドライポンプ
２０１ レジスト膜
２０２ 有機膜
２０３ ＴｉＮ膜
２０４ Ｌｏｗ−ｋ膜
Ｓ０１ 製品ウエハ搬入
Ｓ０２ 製品ウエハ処理
Ｓ０３ 製品ウエハ搬出
Ｓ０４ 製品ウエハ繰り返し判断
Ｓ０５ クリーニングウエハ搬入
Ｓ０６ クリーニングウエハ処理
Ｓ０７ クリーニングウエハ搬出

Claims (4)

1. チタンを含有する金属化合物の膜を含む被処理基板を、フッ素を含有するガスを用いてエッチング処理するエッチング処理室内をプラズマクリーニングするプラズマ処理方法において、
   前記プラズマクリーニングは、Ｃｌ_２ガスとＣＨＦ_３ガスの混合ガスを用いて、前記エッチング処理室内に蓄積されるフッ化チタン系反応生成物を除去するプラズマクリーニングであることを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 請求項１記載のプラズマ処理方法において、
   前記プラズマクリーニングは、Ｃｌ_２ガスとＣＨＦ_３ガスの混合ガスを用いたプラズマにさらにシリコンを供給して、前記エッチング処理室内に蓄積されるフッ化チタン系反応生成物を除去するプラズマクリーニングであることを特徴とするプラズマ処理方法。
3. 請求項１記載のプラズマ処理方法において、
   前記プラズマクリーニングは、前記被処理基板を前記エッチング処理室内の試料台に載置した状態で行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
4. 請求項１記載のプラズマ処理方法において、
   前記プラズマクリーニングは、前記エッチング処理室内の試料台に載置した前記被処理基板へ高周波電源を印加して行うことを特徴とするプラズマ処理方法。

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