JP2016076515A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属汚染物質に起因した半導体装置の特性劣化を低減することができる半導体装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】一つの実施形態によれば、半導体装置の製造方法が提供される。半導体装置の製造方法は、ドライエッチングを行うチャンバ内へハイドロカーボンガスを導入する工程と、チャンバ内のハイドロカーボンガスをプラズマ化させてチャンバの内周面をハイドロカーボン膜によって被覆する工程と、ハイドロカーボン膜によって内周面が被覆されたチャンバ内において半導体基板に対してドライエッチングを行う工程とを含む。
【選択図】図３

Description

本実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。

従来、半導体装置の製造工程の一つとして、半導体基板をチャンバと呼ばれる処理室内でドライエッチングする工程がある。チャンバは、ドライエッチングを行う前にクリーニングされるのが一般的である。しかしながら、クリーニング後のチャンバは、内周面に金属汚染物質が付着している場合がある。

かかる金属汚染物質は、半導体基板のエッチング中にチャンバの内周面から剥離して半導体基板に付着すると、その半導体基板を使用して製造される半導体装置の特性を劣化させることがある。例えば、イメージセンサの画素アレイに金属汚染物質が付着した場合、金属汚染物質は、撮像画像における白キズの原因となる。

特開平１０−３０８３５２号公報

一つの実施形態は、金属汚染物質に起因した半導体装置の特性劣化を低減することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、半導体装置の製造方法が提供される。半導体装置の製造方法は、ドライエッチングを行うチャンバ内へハイドロカーボンガスを導入する工程と、前記チャンバ内の前記ハイドロカーボンガスをプラズマ化させて前記チャンバの内周面をハイドロカーボン膜によって被覆する工程と、前記ハイドロカーボン膜によって内周面が被覆された前記チャンバ内において半導体基板に対してドライエッチングを行う工程とを含む。

実施形態に係る半導体装置の製造工程の説明図。 実施形態に係る半導体装置の製造工程の説明図。 実施形態に係る半導体装置の製造工程の説明図。 実施形態に係る半導体装置の製造工程の説明図。

以下に添付図面を参照して、実施形態に係る半導体装置の製造方法を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。図１〜図４は、実施形態に係る半導体装置の製造工程の説明図である。

以下では、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサの各画素間に、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によってＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）用のトレンチを形成する製造工程を例に挙げて説明する。なお、本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、製造工程中にドライエッチングが含まれるものであれば、任意の半導体装置の製造方法への適用が可能である。

図１の（ａ）に示すように、本実施形態に係るドライエッチング装置１は、チャンバ２、ステージ３、アンテナコイル４、ブロッキングコンデンサ５、および高周波電源６，７を備える。なお、ここでは図示を省略したが、ドライエッチング装置１は、チャンバ２内へ反応性ガスを供給するガス供給部と、チャンバ２内部の雰囲気をチャンバ２の外部へ排気する排気部とを備える。

チャンバ２は、ＲＩＥを行う処理室である。かかるチャンバ２は、グランドに接続され、内部にステージ３が設けられる。ステージ３は、載置される処理対象基板Ｗ４（図４参照）などの半導体基板を吸着保持するテーブルである。ステージ３は、ブロッキングコンデンサ５および高周波電源６を介してグランドに接続される。アンテナコイル４は、チャンバ２の天板上に設けられる平面視渦巻き状のコイルである。アンテナコイル４は、高周波電源７を介してグランドに接続される。

ドライエッチング装置１は、チャンバ２の内部へ反応性ガスを導入し、チャンバ２内部を略真空にした状態で、高周波電源７からアンテナコイル４へ高周波電圧を印加すると共に、高周波電源６からステージ３へ高周波電圧を印加して反応性ガスをプラズマ化する。

プラズマ中の電子は、アンテナコイル４に面するチャンバ２の天井、およびステージ３へ引き寄せられる。チャンバ２の天井に引き寄せられる電子は、チャンバ２がグランドに接続されているためグランドへ流れる。このため、チャンバ２の天井の電位は一定となる。一方、ブロッキングコンデンサ５は、直流電流を遮断するので、引き寄せる電子を蓄積して上部電極が負に帯電する。

そして、ドライエッチング装置１は、プラズマ中の陽イオンを負に帯電したブロッキングコンデンサ５へ引き寄せ、ステージ３に載置される処理対象基板Ｗ４（図４参照）に衝突させることによってＲＩＥを行う。

かかるドライエッチング装置１は、ＲＩＥを繰り返すと、ＲＩＥによって処理対象基板Ｗ４から削り取られたシリコンを含む反応生成物がチャンバ２の内周面に付着して、図１の（ａ）に示すように、チャンバ２の内周面に反応生成物膜９が形成されることがある。

このとき、ドライエッチング装置１では、チャンバ２内へ反応性ガスを導入する配管（例えば、ステンレス配管）の金属と反応性ガスとの反応によって生成される金属汚染物質８が反応生成物膜９の表面や、チャンバ２の内周面に付着することがある。

かかる金属汚染物質８は、処理対象基板Ｗ４へ付着すると、処理対象基板Ｗ４を使用して製造されるＣＭＯＳイメージセンサの白キズ特性を悪化させることがある。このため、ドライエッチング装置１は、所定枚数の処理対象基板Ｗ４に対してＲＩＥを行う毎に、チャンバ２のクリーニングを行う必要がある。

チャンバ２のクリーニングを行う場合、図１の（ｂ）に示すように、ステージ３上に、例えば、シリコンウェハなどのクリーニング用基板Ｗ１を載置する。これにより、後述のクリーニングプラズマからステージ３の上面を保護することができる。なお、ステージ３へのクリーニング用基板Ｗ１の載置は、省略してもよい。

続いて、チャンバ２内へ、例えば、フッ素系のクリーニングガスを導入する。その後、図１の（ｃ）に示すように、高周波電源６によってステージ３へ高周波電圧を印加すると共に、高周波電源７からアンテナコイル４へ高周波電圧を印加することによって、クリーニングガスをプラズマ化させてクリーニングプラズマを発生させる。

これにより、反応生成物膜９は、クリーニングプラズマによってアッシングされる。その後、チャンバ２内部のアッシングされた反応生成物膜９を含む雰囲気をチャンバ２の外部へ排気してチャンバ２のクリーニングを行う。かかるクリーニングによって、チャンバ２の内周面に付着した反応生成物膜９は除去されるが、チャンバ２の内周面には、金属汚染物質８が残留することがある。

そこで、本実施形態では、クリーニングの後に、第１シーズニングを行うことによって、チャンバ２の内周面から金属汚染物質８を除去する。第１シーズニングでは、図２の（ａ）に示すように、ステージ３へクリーニング用基板Ｗ１に代えて、例えば、シリコンウェハなどの第１シーズニング用基板Ｗ２を載置する。これにより、後述の腐食性プラズマおよび酸素プラズマからステージ３の上面を保護することができる。なお、ステージ３への第１シーズニング用基板Ｗ２の載置は、省略してもよい。

続いて、チャンバ２内へ、酸素を含む腐食性ガスを導入する。腐食性ガスは、例えば、ＨＢｒ（臭化水素）ガスまたはＣｌ（塩素）ガス、もしくは、これらの混合ガスである。その後、図２の（ｂ）に示すように、高周波電源６によってステージ３へ高周波電圧を印加すると共に、高周波電源７からアンテナコイル４へ高周波電圧を印加し、酸素を含む腐食性ガスをプラズマ化させて腐食性プラズマおよび酸素プラズマを発生させる。

これにより、チャンバ２の内周面に付着した金属汚染物質８は、腐食性プラズマおよび酸素プラズマと反応してチャンバ２の内周面から剥離される。ここで、腐食性ガスが酸素を含んでいないＨＢｒガスであった場合、金属汚染物質８が例えばＣｒ（クロム）であると、Ｃｒは、ＨＢｒプラズマと反応して２元化合物であるＣｒ−Ｂｒとなってチャンバ２の内周面から剥離される。

これに対して、本実施形態では、第１シーズニングに酸素を含む腐食性ガスを用いるので、腐食性ガスがＨＢｒであり、金属汚染物質８がＣｒであった場合、Ｃｒは、ＨＢｒプラズマおよび酸素プラズマと反応して、３元化合物であるＣｒ−Ｂｒ−Ｏとなる。かかる３元化合物は、２元化合物に比べて蒸気圧が高く蒸発しやすい物質である。

このように、第１シーズニングでは、金属汚染物質８を２元化合物よりも蒸発しやすい３元化合物に変質させることができるので、酸素を含まない腐食性ガスを用いるシーズニングを行う場合よりも効果的に金属汚染物質８をチャンバ２から剥離することができる。

その後、第１シーズニングでは、図２の（ｃ）に示すように、チャンバ２の内部の雰囲気をチャンバ２の外部へ排気することによって、チャンバ２の内周面から剥離された金属汚染物質８をチャンバ２の外部へ排出する。

ただし、第１シーズニングを行っても、図２の（ｃ）に示すように、チャンバ２の内周面に付着した金属汚染物質８を完全には除去できない場合もありうる。また、チャンバ２の内周面に付着していた金属汚染物質８を完全に除去できたとしても、第１シーズニングに使用する腐食性ガスと、このガスを供給する配管の金属とが反応して、新たに生じた金属汚染物質８がチャンバ２の内周面に付着する場合もありうる。

そこで、本実施形態では、第１シーズニングの後に、第２シーズニングを行い、金属汚染物質８ごとチャンバ２の内周面を被膜で覆うことによって、チャンバ２の内周面に残存した金属汚染物質８が処理対象基板Ｗ４（図４参照）に付着することを抑制する。

具体的には、図３の（ａ）に示すように、第２シーズニングでは、ステージ３へ第１シーズニング用基板Ｗ２に代えて、例えば、シリコンウェハなどの第２シーズニング用基板Ｗ３を載置する。これにより、後述のハイドロカーボンプラズマからステージ３の上面を保護することができる。なお、ステージ３への第２シーズニング用基板Ｗ３の載置は、省略してもよい。

続いて、チャンバ２内へ、ハイドロカーボンガスを導入する。ハイドロカーボンガスは、例えば、メタンガスまたはエチレンガス、もしくは、これらの混合ガスである。その後、図３の（ｂ）に示すように、高周波電源６によってステージ３へ高周波電圧を印加すると共に、高周波電源７からアンテナコイル４へ高周波電圧を印加し、ハイドロカーボンガスをプラズマ化させてハイドロカーボンプラズマを発生させる。

そして、図３の（ｃ）に示すように、発生させたハイドロカーボンプラズマによって、チャンバ２の内周面に付着した金属汚染物質８を含むチャンバ２の内周面全体を被覆するようにハイドロカーボン膜１０を形成する。このように、本実施形態では、金属汚染物質８ごとチャンバ２の内周面をハイドロカーボン膜１０によって被覆するので、金属汚染物質８をハイドロカーボン膜１０内に封止することができる。

ここで、金属汚染物質８を含むチャンバ２の内周面全体を被覆する被膜を形成して、チャンバ２の内周面に付着した金属汚染物質８を被膜内に封止するだけなら、チャンバ２内で腐食性ガスをプラズマ化させて腐食性被膜を形成してもよい。

しかし、チャンバ２内で腐食性ガスをプラズマ化させて、チャンバ２の内周面に腐食性被膜を形成する場合、発生させた腐食性プラズマがガスを導入する配管の金属と反応して、新たに生じた金属汚染物質８が成膜した腐食性被膜の表面に付着する場合がある。

かかる場合、金属汚染物質８は、後に処理対象基板Ｗ４（図４参照）に対してＲＩＥを行う工程において、腐食性被膜から剥離して処理対象基板Ｗ４（図４参照）に付着すると、ＣＭＯＳイメージセンサの白キズ特性を悪化させることがある。

これに対して、本実施形態では、第２シーズニングに配管の金属と反応しないハイドロカーボンガスを使用するので、ガスを供給する配管の金属に起因した金属汚染物質８が新たに生じることがない。したがって、第２シーズニングによれば、成膜するハイドロカーボン膜１０の表面に、新たに生じた金属汚染物質８が付着することを予防することができうる。

そして、本実施形態では、第２シーズニングによって内周面をハイドロカーボン膜１０で被覆したチャンバ２を使用して、処理対象基板Ｗ４に対して本体処理を行う。具体的には、図４の（ａ）に示すように、本体処理では、ステージ３へ第２シーズニング用基板Ｗ３に代えて、処理対象基板Ｗ４を載置する。なお、処理対象基板Ｗ４の上面には、予めＣＭＯＳイメージセンサの各画素間の上面が選択的に露出するようにパターニングを施したレジストマスク１１を形成しておく。

続いて、チャンバ２内へ、腐食性ガスを導入する。腐食性ガスは、例えば、ＨＢｒガスまたはＣｌガス、もしくは、これらの混合ガスである。その後、図４の（ｂ）に示すように、高周波電源６によってステージ３へ高周波電圧を印加すると共に、高周波電源７からアンテナコイル４へ高周波電圧を印加し、腐食性ガスをプラズマ化させて腐食性プラズマを発生させる。

そして、本処理では、発生した腐食性プラズマ中の陽イオンを処理対象基板Ｗ４のレジストマスク１１によって被覆されていない部分に衝突させることによってＲＩＥを行い、その後、レジストマスク１１をアッシングして除去し、本処理を終了する。これにより、図４の（ｃ）に示すように、処理対象基板Ｗ４の表面には、ＳＴＩ用のトレンチが形成される。

このように、本処理では、チャンバ２の内周面に付着している金属汚染物質８は、ハイドロカーボン膜１０によって被覆されて封止されているため、ＲＩＥ中にチャンバ２の内周面から剥離して処理対象基板Ｗ４に付着することがない。

上述したように、実施形態に係る半導体装置の製造方法では、ドライエッチングを行うチャンバ内へハイドロカーボンガスを導入してプラズマ化させ、チャンバの内周面をハイドロカーボン膜によって被覆する。そして、ハイドロカーボン膜によって内周面が被覆されたチャンバ内において半導体基板に対してドライエッチングを行う。

これにより、実施形態に係る半導体装置の製造方法では、チャンバの内周面に金属汚染物質が付着していても、金属汚染物質をハイドロカーボン膜によって被覆して封止することができる。

したがって、実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、ドライエッチングを行う工程において、金属汚染物質が半導体基板に付着することを抑制することによって、金属汚染物質に起因した半導体装置の特性劣化を低減することができる。

しかも、実施形態に係る半導体装置の製造方法では、チャンバへガスを導入する配管などの金属と反応しないハイドロカーボンガスを使用してハイドロカーボン膜を形成するので、ハイドロカーボン膜の形成時に新たな金属汚染物質の発生を予防することができる。

また、実施形態に係る半導体装置の製造方法では、ハイドロカーボンガスを導入する前のチャンバ内へ酸素を含む腐食性ガスを導入して酸素を含む腐食性ガスをプラズマ化させる。これにより、実施形態に係る半導体装置の製造方法では、金属汚染物質を２元化合物よりも蒸気圧の高い３元化合物へ変化させることができる。

そして、実施形態に係る半導体装置の製造方法では、酸素を含む腐食性ガスのプラズマ化を終了してから、チャンバ内へハイドロカーボンガスの導入を開始するまでの期間に、チャンバ内の雰囲気を排気する。これにより、実施形態に係る半導体装置の製造方法では、蒸発しやすい物質に変化させた金属汚染物質をチャンバの外部へ排出させることができる。

実施形態に係る半導体装置の製造方法では、ドライエッチングを終了したチャンバ内へクリーニングガスを導入してプラズマ化させる。これにより、実施形態に係る半導体装置の製造方法では、ドライエッチングによってチャンバの内周面に付着した反応生成物をアッシングすることができる。

また、実施形態に係る半導体装置の製造方法では、一般に広く流通しているメタンガスまたはエチレンガスを使用することによって、容易にハイドロカーボン膜を成膜することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ ドライエッチング装置、 ２ チャンバ、 ３ ステージ、 ４ アンテナコイル、 ５ ブロッキングコンデンサ、 ６，７ 高周波電源、 ８ 金属汚染物質、 ９ 反応生成物膜、 １０ ハイドロカーボン膜、 １１ マスク、 Ｗ１ クリーニング用基板、 Ｗ２ 第１シーズニング用基板、 Ｗ３ 第２シーズニング用基板、 Ｗ４ 処理対象基板

Claims (5)

1. ドライエッチングを行うチャンバ内へハイドロカーボンガスを導入する工程と、
   前記チャンバ内の前記ハイドロカーボンガスをプラズマ化させて前記チャンバの内周面をハイドロカーボン膜によって被覆する工程と、
   前記ハイドロカーボン膜によって内周面が被覆された前記チャンバ内において半導体基板に対してドライエッチングを行う工程と
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記ハイドロカーボンガスを導入する前の前記チャンバ内へ酸素を含む腐食性ガスを導入する工程と、
   前記チャンバ内の前記酸素を含む腐食性ガスをプラズマ化させる工程と
   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製造方法。
3. 前記酸素を含む腐食性ガスのプラズマ化を終了してから、前記チャンバ内へ前記ハイドロカーボンガスの導入を開始するまでの期間に、前記チャンバ内の雰囲気を排気する工程
   をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記ドライエッチングを終了した前記チャンバ内へクリーニングガスを導入する工程と、
   前記チャンバ内のクリーニングガスをプラズマ化させる工程と
   をさらに含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記ハイドロカーボンガスは、
   メタンガスまたはエチレンガス
   を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。

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