JP5642427B2 - プラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体製造装置のプロセスにかかわり、特に、通常high-k/メタルゲートと呼ばれるトランジスタをドライエッチングするドライエッチング装置のクリーニング方法に関する。

従来からドライエッチング装置のプラズマクリーニングには、Si系のエッチング装置ではSF₆,CF₄,NF₃などのフッ素を含むガスが用いられ、Alなどの金属のエッチング装置ではCl₂などの塩素を含むガスが用いられてきた。

非特許文献１には、HfOやZrOなどのhigh-k材料をBCl₃と塩素の混合ガスでエッチングする技術が記載されている。

また、特許文献１には、難エッチング材料を含む被エッチング材のエッチングする場合において、効果的なプラズマクリーニングとして、塩素を含むガスを供給してプラズマを生成する第１のプラズマクリーニング処理及びフッ素を含むガスを供給してプラズマを生成する第２のプラズマクリーニング処理を施すプラズマクリーニング技術が開示されている。

特開２００９−１６６１１号公報

Journal of Vacuum Science and Technology A 22巻 88頁 2004年

近年、トランジスタの高速化のためにhigh-k/メタルゲートと呼ばれる構造のトランジスタが提案されている。この素子の代表的な構造は、poly Si電極の下にTiNやTaNなどの金属を含む導体層があり、その下にHfOなどの高誘電体の絶縁膜を有する。また、CMOS（complementary metal oxide semiconductor ）で必要となるP型MOSとN型MOSの閾値制御のために、メタルゲート中にAlが添加されることが多い。

このようなメタルゲートを備えたトランジスタ等の半導体デバイスを製造するために、ドライエッチング装置の真空チャンバ内でウエハを連続処理した場合、例えば、100枚程度で真空チャンバに堆積物が生じ異物となる不都合が生じる。この堆積物は、従来のクリーニング方法では除去が困難である。すなわち、Siと金属が混在するような構造の材料をエッチングするドライエッチング装置の、プラズマクリーニング方法はまだ確立されていないのが現状である。

例えば、特許文献１に開示されたプラズマクリーニング技術は、high-k/メタルゲートを含む試料をエッチングするドライエッチング装置における、クリーニングの課題に関して充分には検討されていない。

本発明の目的は、high-k/メタルゲートを処理するドライエッチング装置における、クリーニングの課題を解決することにある。

本発明の代表的なものの一例を示すと、次の通りである。本発明のプラズマクリーニング処理方法は、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜と、前記ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の下方に配置されたメタルゲート層と、前記メタルゲート層の下方に配置されたＨｉｇｈ−ｋ膜とを有し前記Ｈｉｇｈ−ｋ膜が表面に堆積されたＳｉ基板を真空容器内でプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、前記ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜をプラズマエッチングする第一の工程と、前記第一の工程後、フッ素を含まないガスを用いて前記メタルゲート層と前記Ｈｉｇｈ−ｋ膜をプラズマエッチングする第二の工程と、前記第二の工程後、Ｃｌ _２ ガス、ＨＣｌガス、ＣＨ _２ Ｃｌ _２ ガス、またはＳｉＨ _２ Ｃｌ _２ ガスを用いて前記真空容器内をプラズマクリーニングする第三の工程と、前記第三の工程後、前記フッ素を含むガスを用いて前記真空容器内をプラズマクリーニングする第四の工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、真空チャンバにプラズマクリーングを困難にする堆積物、すなわち、蒸気圧が低くエッチングされにくいAlFが生成されるのを防止できるので、プラズマクリーングが容易になるという効果がある。

本発明の第１の実施例における、処理の対象であるhigh-kメタルゲート構造の断面図。 本発明の第１の実施例におけるプロセス流れ図。 本発明を実施するためのドライエッチング装置の一例を示す縦断面図。 本発明の作用、効果を説明するための、ドライエッチング装置の真空チャンバの内壁近傍の模式図。 本発明を実施するためのドライエッチング装置の、他の構成例を示す平面図。

本発明では、high-k/メタルゲート構造のドライエッチング後にフッ素を含まずCl₂やBCl₃などの塩素を含むガスのプラズマクリーニングを行い、引き続いてSF₆,CF₄,NF₃などのフッ素を含むガスのプラズマクリーニングを行う。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１〜図４に基づき、本発明の第１の実施例を説明する。図1に、high-kメタルゲートの代表的な構造、図２にこの構造のエッチングを含めたクリーニングプロセスの流れ図を示す。
high-kメタルゲート構造は、Si基板（ウエハ）101上にHfOなどの高誘電体の絶縁膜102が堆積され、その上にメタルゲートとしてAlO、TiNの各層103、104、及びpoly-Siの層105が堆積される。poly Si の層105の上には微細加工をするためのマスク106が堆積される。マスク106は、図２では1層に表示されているが、実際はアモルファスカーボン/SiN/反射防止膜/ホトレジストなどの多層からなり、その構成は各様である。また、AlOの層103とTiNの層104は、熱処理を行うと相互拡散してAlとTiが混在した層となる。またメタルゲートの層103、104に相当するものとして、最初からTiAlNなどの材料を堆積させることもある。

本発明では、このウエハのhigh-kメタルゲート構造を、ドライエッチング装置の真空チャンバにおいて、図２に示すフローで、ドライエッチングおよびクリーニングする。まず、マスク106のエッチング（S21）の後に、poly Si の層105をエッチングする（S22）が、ここでは通常CF₄,SF₆,NF₃などのフッ素を含むガスを用いる。また、poly Siのエッチングは、ブレークスルー/メインエッチ/オーバエッチというような数ステップに分かれることもある。

次に、その下のメタルゲート層103、104のエッチングを行う（S23）が、ここでは、Cl₂あるいはCl₂と窒素、希ガスの混合ガスなどを用いてエッチングを行う。フッ素が含まれるガスは用いない。
次の、HfO層102のエッチングにも、BCl₃/Cl₂のようなフッ素を含まないガス系を用いる。エッチングが終了して真空チャンバからウエハ搬出後（S24）に、真空チャンバに対してCl₂、BCl₃あるいはこれらの混合ガスによる一次のプラズマクリーニングを行う（S25）。また、Cl₂の代替ガスとして、SiCl₄、HCl、CH₂Cl₂、SiH₂Cl₂ガスを用いても良い。引き続いてSF₆,NF₃,CF₄などのフッ素ガスによる二次のプラズマクリーニングを行う（S26）。

図３に、本発明を実施するためのドライエッチング装置の全体図を示す。この装置は電子サイクロトロン共鳴（ECR）式と呼ばれる方式であり、プラズマ電源201から放出された電磁波がアンテナ202から石英などの電磁波を透過する窓203を通して真空チャンバ（真空容器）204中へ放出される。ドライエッチングのプロセス（S21-S23）においては、チャンバ204内はエッチングガスが一定の圧力で保持されており、電磁波によりガスがプラズマ化して反応性イオンがウエハ206に入射することでエッチングが進行する。ウエハ206を保持する試料台205には、入射イオンを加速するためのバイアス電源207が接続されている。この装置では電磁コイル208により真空チャンバ204内に磁場を発生する。プラズマ中の電子サイクロトロン周波数と、プラズマ電源201の周波数が一致するように磁場強度を設定すると、電力が効率よくプラズマに吸収されて、低圧にて高いプラズマ密度を維持することができる。

次に、図４に、本発明によるプラズマクリーニングの効果を表すために、真空チャンバ204の内壁301の模式図を示す。

まず、図４の（Ａ）は、high-k/メタルゲートウエハのエッチング直後の真空容器の内壁の模式図である。内壁301には、被エッチング物質であるSi ,C ,Al ,Ti ,Hf ,Oなどが付着している。図４の（Ｂ）は、一次のクリーニング時（S25）にBCl₃プラズマに晒されている真空チャンバ204の内壁301の模式図である。塩素と蒸気圧が高い反応生成物をつくるAlやHfが、AlCl₄やHfCl₄の形で蒸発して、クリーニングされる。一次のクリーニングガスはCl₂単独でも効果はあるが、Cl₂にBCl₃を混合すると、金属が酸化している場合はBが酸素を引き抜きBOとなるので、Al、Hfはより効率的にクリーニングされる。

次の、図４の（Ｃ）は、図４の（Ｂ）に引き続き、二次のクリーニング時（S26）にFを含むプラズマに晒されている内壁301の模式図を表している。このクリーニングでは、SiやCなどのFと蒸気圧が高い反応生成物を作る物質が除去される。

以上の手順において、最初に塩素ガスを含む一次のクリーニングを行わず、従来のpoly Siゲートのドライエッチングで用いるフッ素ガスを含むガスによるプラズマクリーニングを行うと、ウエハを連続処理した場合に100枚程度で真空チャンバ204に堆積物が生じ異物となる不都合が生じた。これは、Alを除去する前にフッ素プラズマに晒したために、蒸気圧が低くエッチングされにくいAlFが生じたためと推定する。AlFが生成されると、塩素プラズマでもほとんど除去されないので、プラズマクリーングが困難になる。

このためにも、エッチング時にAlが内壁301に付着している状態で、フッ素を含むガスのプラズマに晒すことを避ける必要がある。すなわち、図１の半導体構造では、poly Siエッチング後は、フッ素を用いない必要がある。例えば、TiN/AlOを塩素にてドライエッチングした後にHfOをBCl₃/SF₆などでエッチングしてしまうと、内壁301に付着しているAlがAlFとなり、プラズマクリーニングが困難になる。

プラズマクリーニングは、1枚エッチングごとに行うとスループットが低下する問題がある。したがって、プラズマクリーニングは例えば5枚エッチング処理後に1回行うという運用でもよい。この場合は、AlFの発生を許してウエットクリーニングの周期が短くなるが、実際の量産現場では、スループットとウエットクリーニング周期の両者を比較して、量産性がもっとも高くなるようなプラズマリーニング頻度を決定すればよい。

また、high-k/メタルゲート構造を加工するドライエッチング装置は、poly Si,メタル、HfOなど従来にない材料の組み合わせをエッチングするために、用いるガスもフッ素、塩素、BCl₃と多様になる。このため、真空チャンバの内壁材料が、従来多く用いられている表面をアルマイト（Al₂O₃）処理したAlチャンバの場合は、アルマイトがBCl₃にて酸素を引き抜かれ、フッ素ガスによりAlFが発生して、クリーニングを工夫しても異物発生が抑えられなくなる。このために、真空チャンバの材料はY₂O₃コートしたAl、石英、ステンレスなどの材料で構成され、プラズマが接する部分にAlを用いないことが望ましい。

以上述べたように、本実施例によれば、high-k/メタルゲート構造のドライエッチング後にフッ素を含まずCl₂やBCl₃などの塩素を含むガスのプラズマクリーニングを行い、引き続いてSF₆,CF₄,NF₃などのフッ素を含むガスのプラズマクリーニングを行うので、真空チャンバにプラズマクリーングを困難にする堆積物、すなわち、蒸気圧が低くエッチングされにくいAlFが生成されるのを防止できるので、プラズマクリーングが容易になる。

次に、本発明の第２の実施例を説明する。
図５に、真空チャンバを複数（ここでは２個）有するドライエッチング装置の構成図を示す。このように真空チャンバ（真空容器）が２個ある装置では、poly-Siをエッチングする第１の真空チャンバと、メタルゲート/high-kをエッチングする第２の真空チャンバを分けて運用するのがよい。すなわち、カセット設置部404又は405から被処理ウエハを第１の真空チャンバ401に搬送し、この第１の真空チャンバ401にて被処理ウエハのマスク106とpoly Si 105をエッチングし、次に、真空搬送室403を介して第１の真空チャンバ401から第２の真空チャンバ402に被処理ウエハを搬送して、ここで、TiN 104,AlO 103, HfO 102をフッ素を用いないでエッチングする。処理済のウエハは元のカセット設置部404又は405に戻す。そして、第１の真空チャンバ401をフッ素を含むガスでプラズマクリーニングし、第２の真空チャンバ402を塩素を含むガスでクリーニングする。この方法でも、Alを含むメタルゲート層のエッチング後に両真空チャンバがフッ素に晒されることがないので、AlFの発生を防ぎ、両真空チャンバのウエットクリーニング周期を延長できる。

また、第２の真空チャンバ402にてTiN 104,AlO 103, HfO 102のエッチング後に、マスク106のアッシングも同じ第２の真空チャンバ内で行う場合は、塩素を含むガスのプラズマクリーニングに続いてフッ素を含むガスのクリーニングを行えば、炭素を多く含むマスク材料も効率よく除去できる。

101：Si基板、102：HfO、103：AlO, 104:TiN、105：poly-Si、106：マスク、201：プラズマ電源、202：アンテナ、203:窓、204:真空チャンバ（真空容器）、205:試料台、206:ウエハ、207:バイアス電源、208：電磁コイル、301：内壁、410，402：真空チャンバ（真空容器）、403：真空搬送室、404、405：カセット設置部。

Claims (4)

1. ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜と、前記ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の下方に配置されたメタルゲート層と、前記メタルゲート層の下方に配置されたＨｉｇｈ−ｋ膜とを有し前記Ｈｉｇｈ−ｋ膜が表面に堆積されたＳｉ基板を真空容器内でプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、
   前記ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜をプラズマエッチングする第一の工程と、
   前記第一の工程後、フッ素を含まないガスを用いて前記メタルゲート層と前記Ｈｉｇｈ−ｋ膜をプラズマエッチングする第二の工程と、
   前記第二の工程後、Ｃｌ _２ ガス、ＨＣｌガス、ＣＨ _２ Ｃｌ _２ ガス、またはＳｉＨ _２ Ｃｌ _２ ガスを用いて前記真空容器内をプラズマクリーニングする第三の工程と、
   前記第三の工程後、前記フッ素を含むガスを用いて前記真空容器内をプラズマクリーニングする第四の工程とを有することを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
   前記メタルゲート層は、ＴｉＮ膜とＡｌＯ膜を有し、Ｃｌ _２ ガスを用いてプラズマエッチングされ、
   前記Ｈｉｇｈ−ｋ膜は、ＨｆＯ膜であり、ＢＣｌ _３ ガスとＣｌ _２ ガスの混合ガスを用いてプラズマエッチングされ、
   前記第三の工程は、所望の枚数のＳｉ基板がプラズマエッチングされた後に行われることを特徴とするプラズマ処理方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理方法において、
   前記真空容器の内面は、Ｙ _２ Ｏ _３ コートされたＡｌ、Ｙ _２ Ｏ _３ コートされた石英またはＹ _２ Ｏ _３ コートされたステンレスの材料で構成されていることを特徴とするプラズマ処理方法。
4. ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜と、前記ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の下方に配置されたメタルゲート層と、前記メタルゲート層の下方に配置されたＨｉｇｈ−ｋ膜とを有し前記Ｈｉｇｈ−ｋ膜が表面に堆積されたＳｉ基板をプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、
   前記ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を第一の真空容器内でプラズマエッチングする第一の工程と、
   前記第一の工程後、フッ素を含まないガスを用いて前記メタルゲート層と前記Ｈｉｇｈ−ｋ膜を第二の真空容器内でプラズマエッチングする第二の工程と、
   フッ素を含むガスを用いて前記第一の真空容器内をプラズマクリーニングする第三の工程と、
   Ｃｌ _２ ガス、ＨＣｌガス、ＣＨ _２ Ｃｌ _２ ガス、またはＳｉＨ _２ Ｃｌ _２ ガスを用いて前記第二の真空容器内をプラズマクリーニングする第四の工程とを有することを特徴とするプラズマ処理方法。

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