JP4896861B2 - 半導体製造方法および半導体製造装置 - Google Patents

半導体製造方法および半導体製造装置 Download PDF

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Description

本発明は、例えば平行平板タイプのプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)など、プラズマによる処理を用いた半導体製造方法および半導体製造装置に関する。
一般に、半導体の製造工程において、成膜、エッチングなどの工程に、平行平板タイプのプラズマ処理装置が用いられている。平行平板タイプのプラズマ処理装置は、真空チャンバ内に対向して設けられた二つの電極の間に、高周波を印加して成膜ガス、エッチングガスなどのプロセスガスを流すことにより、プラズマを発生させてウェハを処理するものである。
このような平行平板タイプのプラズマ処理装置において、処理されるウェハ上で、発生したプラズマの電位、電子密度、電子温度などの空間的な不均一が存在すると、プラズマからウェハに入り込む電子温度とイオン電流の平衡状態が局所的に崩れるため、チャージアップが生じる。このとき、例えば先にウェハ上に形成されたトランジスタの電極に電荷が蓄積され、ゲート絶縁膜に高電界が印加されることにより、トンネル電流が流れ、酸化膜の劣化を生じたり、最悪の場合、酸化膜の破壊に至ることがある。そして、このようなプラズマダメージにより、トランジスタの性能不良や、製品歩留りの劣化を起こすという問題がある。
近年、デバイスの微細化が進むと同時に、性能向上のため、トランジスタのゲート絶縁膜の薄化が進んでおり、よりプラズマ分布の影響を受けやすくなることから、プラズマダメージの問題が顕在化している。また、例えば、デバイス性能を向上させるために用いられる低誘電率膜などの成膜工程において、プラズマCVDが用いられているが、さらに、配線の信頼性を向上させるために、Cu配線上の酸化物を除去するためのプラズマ処理が行われたり、積層構造の層間絶縁膜を形成するために、多数の成膜処理が繰り返し行われるため、プラズマダメージは増大する。また、Cu配線上にプラズマCVD膜を形成する場合、Cu配線へのチャージは、トランジスタゲートに電荷がかかるため、より顕著に問題が発生する。また、成膜途中で積極的にプロセス条件を変更し、成膜途中より膜質を変化させる場合があるが、その際も、プラズマ分布が不均一となり、プラズマダメージが増大するという問題が生じる。
一方、これまで、プラズマエッチングにおける均一性の改善については、プラズマ処理中に継続して電極間全体に磁場を印加するなどの手法が用いられている(例えば特許文献1、2参照)。
特開平11−204297号公報([請求項1]、[0011]など) 特開2000−40695号公報([0010]、[0013]など)
本発明は、プラズマの不均一を改善することにより、プラズマダメージを抑え、得られる半導体素子の性能や製品歩留りの劣化を抑えることが可能な半導体製造方法と半導体製造装置を提供することを目的とするものである。
本発明の一態様によれば、反応室内に設けられた下部電極にウェハを載置し、前記反応室内にプロセスガスを導入し、前記ウェハの被処理面と離間するように磁場を印加し、前記下部電極と、前記下部電極と対向配置された上部電極間に高周波電圧を印加してプラズマを発生させ、前記プラズマが安定化した後、前記磁場を除去し、前記ウェハをプラズマ処理することを特徴とする半導体製造方法が提供される。
また、本発明の一態様によれば、ウェハをプラズマ処理するための反応室と、それぞれ前記反応室内に配置され、プロセスガス導入口を有する上部電極、および前記上部電極と対向配置され、ウェハを載置するための載置面を有する下部電極と、前記上部電極および前記下部電極間に高周波電圧を印加するための高周波電源と、前記上部電極および前記下部電極間の前記上部電極側に、前記ウェハの被処理面と離間するように磁場を印加するための磁場印加機構と、前記上部電極および前記下部電極の間に前記高周波電圧が印加される前に前記磁場を印加し、前記上部電極および前記下部電極の間に前記高周波電圧を印加することにより発生したプラズマが安定化した後に前記磁場を除去するように、前記磁場印加機構を制御するための磁場制御機構と、を備えることを特徴とする半導体製造装置が提供される。
本発明の一実施態様によれば、プラズマの不均一を改善し、プラズマダメージを抑え、得られる半導体素子の性能や製品歩留りの劣化を抑えることが可能となる。
以下本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
(実施形態1)
図1に本実施形態の半導体製造装置であるプラズマ処理装置の断面図を示す。図に示すように、ウェハwをプラズマ処理するための反応室11には、上部電極12と、これと対向配置される下部電極13が設置されている。
反応室11は、気密性を有しており、真空ポンプなどと接続され、真空に排気することが可能な排気口14が設けられている。排気口14には、排気量調整バルブ15が接続されており、反応室11内を所定の圧力に制御することが可能となっている。
上部電極12は、反応室11の上蓋に支持される円盤状のシャワー電極であり、上方より所定のガス種、流量のプロセスガスが導入されるプロセスガス導入口16と、プロセスガス導入口16より接続され、下面まで貫通してウェハwの被処理面にプロセスガスを噴射するための微小孔17が設けられている。下部電極13は、反応室11下部より支柱18により支持され、上面にウェハwが載置されるサセプタ19を有している。サセプタ19内には、サセプタ温度を一定に保つために冷却材を循環させるための冷却パイプ(図示せず)と抵抗加熱ヒータなどのヒータ20が内蔵されている。支柱18には上下駆動機構(図示せず)が設けられており、サセプタ19を昇降することにより上部電極12、下部電極13間の距離を変動させることが可能となっている。
これら上部電極12、下部電極13には、それぞれ上部電極12、下部電極13間に高周波電圧を印加するための高周波電源21、22が接続されるが、バイアスが印加されないプロセスでは、下部電極13は接地される。
反応室11の外側面には、上部電極12、下部電極13間の上部電極12側に、ウェハw面と離間して磁場を印加するための2段の電磁石23、24が設けられている。電磁石23、24には、例えばダイポールリングマグネットなど、水平磁場を発生することが可能なものが用いられる。そして、それぞれウェハwの被処理面に平行な磁場を発生させるとともに、磁場印加タイミングおよび強度を制御することが可能な制御機構を備えた電磁石電源25、26が設けられている。
このようなプラズマ処理装置を用いて、例えば以下のようにプラズマによる処理が行われる。ここでは、メッキ法などによりCuダマシン配線が形成され、表面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により平坦化されたSiウェハ上に、SiCNH組成を有する低誘電率膜(以下SiCNH膜と記す)をプラズマCVD法により堆積させる工程に適用した場合について説明する。
成膜にあたり、ウェハの前処理としてプラズマエッチング処理を行う。Cuダマシン配線の表面には酸化物(CuOx)が存在するため、成膜前にこれを除去し、配線信頼性の劣化を防ぐためである。
そこで、先ず、搬送室(図示せず)および反応室11内を、排気口14より真空排気し、ウェハwを搬送室(図示せず)より反応室11に搬送して、サセプタ19上に載置する。次いで、プラズマ処理が行われる温度、例えば350℃となるように、ヒータ20により加熱する。そして、例えばCuダマシン配線表面の酸化物を除去するためのNHガスが500sccm、これを希釈するためのNガスが10000sccmとなるように流量制御されたプロセスガスを、プロセスガス導入口16より導入し、微小孔17よりウェハw上に噴射する。
このとき、反応室11内の圧力は、排気量調整バルブ15により、5Torrとなるように自動調圧される。そして、上部電極12と下部電極13の電極間距離が例えば30mmとなるように、支柱18によりサセプタ19を昇降させる。
このような状態で、高周波電源21より上部電極12に例えば13.56MHzの高周波電圧を、下部電極13は接地し、500Wで放電を行う。このような高周波を印加すると、特に放電開始時(プラズマイグナイト時)は、ガスフロー中にプラズマが形成されるため、分子であったガスの乖離により体積膨張を生じ、一時的に反応室11内の圧力が増加する。そこで、圧力増加を補正するために、排気量調整バルブ15により排気量が自動的に調整されるが、このとき圧力変動が生じるため、図2に模式図を示すように、プラズマ27が不安定になり、ウェハw上のプラズマが不均一になる。この状態でプラズマ処理を行うと、図3に模式図を示すように、プラズマ28の不均一よりウェハw上にチャージアップ29が形成され、プラズマダメージを生じさせる。また、プラズマがウェハw上で均一でないことにより、チャージアップの不均一も生じる。それが加速要因となり、プラズマダメージが発生しやすくなる。
そこで、例えば放電を行う5秒前に、それぞれ電磁石電源25、26より電磁石23、24に電流を流し、上段の電磁石23より、磁場200Gauss、下段の電磁石24より磁場100Gaussを発生させる。そして、磁場が発生した状態で、放電を開始することにより、図4に模式図を示すように、放電開始時にプラズマ30を上部電極12側に集中させる。
このように、磁場が発生した状態で放電を開始し、例えば3秒経過して上部電極12側でプラズマが安定化した状態で、それぞれ電磁石電源25、26からの電磁石23、24への電流を止め、磁場を除去する。これにより、上部電極12側に集中されていたプラズマ30が、図5に模式図を示すように、ウェハw上にプラズマ31が均一に暴露される。このとき、磁場の除去を段階的に1/2、1/3とすることで、さらにプラズマ31を均一に暴露することも可能である。具体的には、電磁石23は、例えば一秒毎に200Gauss、100Gauss、50Gaussとし、電磁石24は、例えば一秒毎に100Gauss、50Gauss、25Gaussとする。
磁場を除いた後、ウェハwに対して例えば30秒間プラズマ処理を行うことにより、Cuダマシン配線上のCuOxが除去される。そして、同様に、それぞれ電磁石電源25、26より電磁石23、24に電流を流し、上段の電磁石23に、磁場200Gauss、下段の電磁石24に磁場100Gaussを発生させ、磁場が発生した状態で、高周波電圧を止め、放電を停止する。放電停止時には、ガスの乖離が止まるため、一時的に圧力が減少し、圧力変動が生じるため、プラズマが不安定になるが、放電停止時にプラズマを上部電極12側に集中させる。
そして、それぞれ電磁石電源25、26からの電磁石23、24への電流を止め、磁場を除去した後、プロセスガス導入口16からのNHガス、Nガスの導入を停止し、排気量調整バルブ15を開いて排気口14より真空排気することにより、反応室11内のガスを除去する。
次いで、CuOxが除去され清浄化されたCuダマシン配線上に、プラズマCVDによりSiCNH膜を成膜するために、今度はプロセスガスを成膜ガスに替えてプロセスガス導入口16より反応室11内に導入する。例えば、TMS(トリメチルシラン)ガスが400sccm、NH3ガスが800sccm、Heガスが2000sccmとなるように流量制御されたプロセスガスを、プロセスガス導入口16より導入し、微小孔17よりウェハw上に噴射する。このときウェハwは、350℃となるように、ヒータ20により加熱制御を行う。
このとき、CuOx除去の際と同様に、反応室11内の圧力は、排気量調整バルブ15により、5Torrとなるように自動調圧される。そして、上部電極12と下部電極13の電極間距離が30mmとなるように、支柱18によりサセプタ19を昇降させる。
このような状態で、高周波電源21より上部電極12に例えば13.56MHzの高周波電圧を印加し、下部電極13は接地し、今度は1000Wで放電を行う。そして、CuOx除去の際と同様に、例えば放電を行う5秒前に、それぞれ電磁石電源25、26より電磁石23、24に電流を流し、上段の電磁石23より、磁場200Gauss、下段の電磁石24より磁場100Gaussを発生させる。そして、磁場が発生した状態で、放電を開始することにより、放電開始時にプラズマを上部電極12側に集中させる。
このように、磁場が発生した状態で放電を開始し、成膜される堆積膜(SiCNH膜)の膜質変動を抑えるために、例えば1秒経過して上部電極12側でプラズマが安定化した状態で、それぞれ電磁石電源25、26からの電磁石23、24への電流を止め、磁場を除去する。これにより、CuOx除去の際と同様に、上部電極12側に集中されていたプラズマが、ウェハw上に均一に暴露される。
磁場を除いた後、ウェハwに対して、例えば20秒間プラズマ処理を行うことにより、例えば50nmのSiCNH膜が成膜される。そして、同様に、それぞれ電磁石電源25、26より電磁石23、24に電流を流し、上段の電磁石23より、磁場200Gauss、下段の電磁石24より磁場100Gaussを発生させ、磁場が発生した状態で、高周波電圧を止め、放電を停止する。放電停止時には、ガスの乖離が止まるため、一時的に圧力が減少し、圧力変動が生じるため、プラズマが不安定になるが、放電停止時にプラズマを上部電極12側に集中させる。そして、それぞれ電磁石電源25、26からの電磁石23、24への電流を止め、磁場を除去した後、プロセスガス導入口16からのTMS(トリメチルシラン)ガス、NH3ガスが、Heガスの導入を停止し、排気量調整バルブ15を開いて排気口14より真空排気することにより、反応室11内のガスを除去する。
このようにして、CuOxのプラズマエッチングによる除去、およびSiCNH膜のプラズマCVDによる成膜において、放電開始時、放電終了時において、ウェハ上にプラズマ不均一を形成することなく、プラズマ処理を行うことが可能となる。特に、放電開始時においては、プラズマ放電の基点が存在し、プラズマの不均一が生じやすくなるため、より効果的である。
ここでは、高周波電源の周波数を13.56MHzとしたが、近年、膜質向上のため、より高周波(例えば60MHz)が利用されることがある。また、下部電極には、バイアスコントロールとして高周波が印加させる場合もある。この場合、よりプラズマの不均一が発生しやすくなり、プラズマダメージが起こりやすくなる。しかしながら、本実施形態によれば、膜質向上のために印加周波数を増大させても、プラズマ不均一によるデバイスダメージを抑制することができる。従って、形成されるトランジスタの性能不良や、製品歩留りの劣化を抑えることが可能となる。
また、例えば、ここで形成されたSiCNH膜は、低誘電率膜として用いられるが、デバイスダメージを生じることなく膜質を向上させることが可能であるため、配線間容量の低減など、デバイス性能の向上を図ることが可能となる。さらに、プロセス上も、Cuダマシン配線を形成する際に用いられるCuブロック膜、エッチングストッパー膜としても機能するものであるため、膜質の向上により、プロセスの安定化、歩留りの向上を図ることが可能となる。
また、プラズマが安定化された後、それぞれ電磁石電源25、26からの電磁石23、24への電流を止め、磁場を除去することにより、磁場によりプラズマの挙動が抑制されることがないため、メインプロセスへの磁場の影響を抑えることが可能となる。磁場を引き続き印加すると、例えば、CVD膜がウェハw上ではなく、上部電極周辺に形成されてしまい、ダストの発生要因となってしまう。さらに、成膜時間中、磁場の方向が一定で継続されると、磁場方向によりプラズマ高密度部分が発生し、成膜膜質の面内依存が顕著になってしまう。従って、プラズマ安定後の磁場除去により、品質の安定、歩留りの向上を図ることが可能となる。
さらに、プラズマ処理装置においても、プラズマ不均一によるアーキングを抑制することができるため、プラズマ処理装置の劣化、メンテナンスコストを抑え、生産性を向上させることが可能となる。
(実施形態2)
本実施形態は、実施形態1と同様に図1に示したプラズマ処理装置を用いてSiCNH膜を形成するが、成膜中に膜質、具体的には膜組成を変える点で異なっている。
実施形態1と同様に、CuOxが除去され清浄化されたCuダマシン配線上に、プラズマCVDによりSiCNH膜を成膜する。例えば、実施形態1と同様に、TMS(トリメチルシラン)ガスが400sccm、NH3ガスが800sccm、Heガスが2000sccmとなるように流量制御されたプロセスガスを、プロセスガス導入口16より導入し、微小孔17よりウェハw上に噴射する。
このとき、実施形態1と同様に、反応室11内の圧力を、5Torrとなるように自動調圧するとともに、上部電極12と下部電極13の電極間距離を例えば30mmとする。
このような状態で、実施形態1と同様に、高周波電源21より上部電極12に例えば13.56MHzの高周波電圧を印加し、下部電極13を接地し、1000Wで放電を行う。そして、例えば放電を行う5秒前に、それぞれ電磁石電源25、26より電磁石23、24に電流を流し、上段の電磁石23より、磁場200Gauss、下段の電磁石24より磁場100Gaussを発生させる。そして、磁場が発生した状態で、放電を開始することにより、放電開始時にプラズマを上部電極12側に集中させる。
このように、磁場が発生した状態で放電を開始し、成膜される堆積膜(SiCNH膜)の膜質変動を抑えるために、例えば1秒経過して上部電極12側でプラズマが安定化した状態で、それぞれ電磁石電源25、26からの電磁石23、24への電流を止め、磁場を除去する。これにより、実施形態1と同様に、上部電極12側に集中されていたプラズマが、ウェハw上に均一に暴露される。
磁場を除去した後、ウェハwに対して、例えば20秒間プラズマ処理を行うことにより、例えば50nmのSiCNH膜が成膜される。
次いで、それぞれ電磁石電源25、26より電磁石23、24に電流を流し、上段の電磁石23より、磁場200Gauss、下段の電磁石24より磁場100Gaussを発生させ、磁場が発生した状態で、例えば、DMPS(ジメチルフェニルシラン)ガスが1000mg/min、キャリアガスHeが2000sccm、Heガスが1000sccmとなるように流量制御されたプロセスガスを変動させ、プロセスガス導入口16より導入し、微小孔17よりウェハw上に噴射する。
このとき、同様に、反応室11内の圧力を、5Torrとなるように自動調圧するとともに、上部電極12と下部電極13の電極間距離を20mmとする。
このような状態で、同様に高周波電源21より上部電極12に例えば13.56MHzの高周波電圧を印加し、下部電極13を接地し、今度は500Wで放電を行う。そして、1秒ほど経過し、プラズマ放電が安定したところで、それぞれ電磁石電源25、26からの電磁石23、24への電流を止め、磁場を除去する。
磁場を除去した後、ウェハwに対して、例えば20秒間プラズマ処理を行うことにより、例えば下層のSiCH膜と膜質の異なるSiCH膜が50nm成膜される。そして、同様に、それぞれ電磁石電源25、26より電磁石23、24に電流を流し、上段の電磁石23に、磁場200Gauss、下段の電磁石24に磁場100Gaussを発生させ、磁場が発生した状態で、高周波電圧を止め、放電を停止した後、それぞれ電磁石電源25、26からの電磁石23、24への電流を止め、磁場を除去する。そして、プロセスガス導入口16からのガスの導入を停止し、排気量調整バルブ15を開いて排気口14より真空排気することにより、反応室11内のガスを除去する。このようにして、SiCNH/SiCH膜の積層構造が形成される。
本実施形態において、成膜中に膜質を変動させる場合においても、プロセスガスなどの条件の変動により、プラズマ不均一が生じるが、実施形態1と同様に、ウェハ上にプラズマ不均一を形成することなく、プラズマ処理を行うことが可能となるなど、実施形態1と同様の効果を得ることができる。
さらに、磁場が発生した状態で放電を開始し、プラズマが安定した状態で磁場を除去するため、新たに成膜される堆積膜(SiCH膜)の膜質変動を抑えることが可能となる。
また、本実施形態において、SiCNH/SiCH膜の積層構造を形成しているが、一般に、SiCH膜はSiCNH膜に比べ、Cuブロック性能、エッチングストッパー性能は低いが、誘電率の低減を図ることができるため、多層配線の絶縁膜形成においては魅力的である。本実施形態において、このようなSiCNH/SiCH膜の積層構造をプラズマダメージなく、形成することが可能となる。
これら実施形態において、磁場を印加する時間、磁場の印加位置、磁場強度を所定の値としたが、例えば所定の条件で処理されたウェハにおける酸化膜などの劣化、破壊などのダメージなどを評価することにより、適宜最適化することができる。
また、これら実施形態において、磁場を印加するための手段として、ダイポールリングマグネットを用いたが、特に限定されるものではなく、リング状のものであっても、複数の電磁石から構成されていてもよい。また、磁場はウェハwの被処理面から離間するように印加されていればよく、上部電極と下部電極の間に印加されることが好ましい。さらに、上下電極間距離の1/2より上部電極側に印加されることがより好ましい。
また、磁場の向きは、ウェハwの被処理面と平行であることが好ましいが、必ずしも一軸方向に形成されている必要はない。さらに、磁場の向きが処理中に変動しても、同様の効果を得ることが可能である。
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。その他要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
本発明の一態様によるプラズマ処理装置の断面図。 本発明の一態様におけるプラズマ不均一の状態を示す模式図。 本発明の一態様におけるプラズマ不均一の状態を示す模式図。 本発明の一態様における磁場により安定化したプラズマの状態を示す模式図。 本発明の一態様における安定化したプラズマの状態を示す模式図。
符号の説明
w…ウェハ、11…反応室、12…上部電極、13…下部電極、14…排気口、15…排気量調整バルブ、16…プロセスガス導入口、17…微小孔、18…支柱、19…サセプタ、20…ヒータ、21、22…高周波電源、23、24…電磁石、25、26…電磁石電源、27、28、30、31…プラズマ、29…チャージアップ。

Claims (5)

  1. 反応室内に設けられた下部電極にウェハを載置し、
    前記反応室内にプロセスガスを導入し、
    前記ウェハの被処理面と離間するように磁場を印加し、
    前記下部電極と、前記下部電極と対向配置された上部電極間に高周波電圧を印加してプラズマを発生させ、
    前記プラズマが安定化した後、前記磁場を除去し、
    前記ウェハをプラズマ処理することを特徴とする半導体製造方法。
  2. 前記ウェハがプラズマ処理された後、
    前記磁場を印加し、
    前記高周波電圧の印加を止めた後、前記磁場を除去することを特徴とする請求項1に記載の半導体製造方法。
  3. 前記磁場を印加し、
    プロセス条件を変動させ、
    前記磁場を除去することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体製造方法。
  4. さらに前記磁場の強度を変動させることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の半導体製造方法。
  5. ウェハをプラズマ処理するための反応室と、
    それぞれ前記反応室内に配置され、プロセスガス導入口を有する上部電極、および前記上部電極と対向配置され、ウェハを載置するための載置面を有する下部電極と、
    前記上部電極および前記下部電極間に高周波電圧を印加するための高周波電源と、
    前記上部電極および前記下部電極間の前記上部電極側に、前記ウェハの被処理面と離間するように磁場を印加するための磁場印加機構と、
    前記上部電極および前記下部電極の間に前記高周波電圧が印加される前に前記磁場を印加し、前記上部電極および前記下部電極の間に前記高周波電圧を印加することにより発生したプラズマが安定化した後に前記磁場を除去するように、前記磁場印加機構を制御するための磁場制御機構と、
    を備えることを特徴とする半導体製造装置。
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