JP7414593B2 - 基板処理方法及び基板処理装置 - Google Patents

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Description

本開示は、基板処理方法及び基板処理装置に関する。
特許文献１には、半導体装置の製造方法であって、基板の表面においてトランジスタを覆うように成膜されたＳｉＮ膜を、ハロゲン元素を含むガスを用いてエッチングすることが開示されている。特許文献１に記載の方法によれば、ハロゲン元素を含むガスを供給する初期の段階で、塩基性ガスを含むガスを混合して供給する。これによりＳｉＮ膜の表面を覆うように形成されたＳｉＮＯ膜が反応生成物の膜に変化され、これにより、ハロゲン元素を含むガスによりＳｉＮ膜のエッチングが行われる。
国際公開第２０１２／０６３９０１号
本開示にかかる技術は、シリコン層とシリコンゲルマニウム層が交互に積層された基板の処理において、絶縁膜としてのスペーサ膜の除去を適切に行う。
本開示の一態様は、シリコン膜とシリコンゲルマニウム膜が交互に積層された基板の処理方法であって、少なくとも前記シリコン膜及び前記シリコンゲルマニウム膜の側面には低誘電率のスペーサ膜が形成され、リモートプラズマを使用してプラズマ化された酸素含有ガスにより前記スペーサ膜の表層に酸化膜を形成する工程と、形成された前記酸化膜をエッチング除去する工程と、を含む。
本開示によれば、シリコン層とシリコンゲルマニウム層が交互に積層された基板の処理において、絶縁膜としてのスペーサ膜の除去を適切に行う。
従来のウェハ処理の様子を模式的に示す説明図である。 本実施形態にかかるウェハ処理の主な工程を示すフロー図である。 本実施形態にかかるウェハ処理の様子を模式的に示す説明図である。 プラズマ処理装置の構成の一例を示す縦断面図である。 プラズマ酸化処理の時間と酸化量の関係を示すグラフである。 エッチング処理装置の構成の一例を示す縦断面図である。 本実施形態にかかるウェハ処理の結果の一例を示す説明図である。
半導体デバイスにおいて、シリコンを含有する膜は、広範で様々な用途に適用される。例えばシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）膜やシリコン（Ｓｉ）膜は、ゲート電極やチャネル材料などに用いられている。そして従来、ナノシートまたはナノワイヤといったＧＡＡ（Ｇａｔｅ ａｌｌ ａｒｏｕｎｄ）トランジスタの製造工程では、図１に示すように、（ａ）基板（ウェハＷ）へのＳｉＧｅ膜とＳｉ膜の積層、（ｂ）ＳｉＧｅ膜の選択エッチング、（ｃ）絶縁膜としてのスペーサ膜ＩＳ（Ｉｎｎｅｒ Ｓｐａｃｅｒ）の埋め込み、（ｄ）余分なスペーサ膜ＩＳのエッチング、が順次行われている。なお、（ｃ）において埋め込まれる絶縁膜は、この後の工程において埋め込まれるメタルゲートとソース・ドレインとの間の寄生容量を低減するための絶縁膜として構成される。また、（ｄ）におけるスペーサ膜ＩＳのエッチングは、少なくとも積層されたＳｉ膜の側面が露出するように行われ。露出したＳｉ膜の側面（以下、「露出側面」という）には、後の工程において、例えば結晶シリコン薄膜がエピタキシャル成長される。
上述した特許文献１に開示された技術は、この（ｄ）余分なスペーサ膜ＩＳのエッチングを行うための方法である。具体的には、トランジスタを覆うように成膜された窒化シリコン（ＳｉＮ）膜（スペーサ膜ＩＳ）を、ハロゲン元素を含むガスを用いてエッチングし、当該ＳｉＮ膜を所望の厚みに形成することを図っている。
ところで、近年、ナノシート構造の次世代トランジスタのスペーサ膜ＩＳの材料候補として、従来のＳｉＮ膜よりも低誘電率を有する材料、例えば炭素含有シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ膜）、シリコン炭窒化膜（ＳｉＯＮ膜）、シリコン酸炭窒化膜（ＳｉＯＣＮ膜）やシリコン硼炭窒化膜（ＳｉＢＣＮ膜）が注目されている。しかしながら、これらＳｉＯＣ膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＯＣＮ膜やＳｉＢＣＮ膜は化学的な安定性を有しており、従来のエッチング方法（例えばウェットエッチングやドライエッチング）によっては所望のエッチング量を得ることができない。すなわち、スペーサ膜ＩＳとしてこれら材料を用いた場合、前述の（ｄ）におけるスペーサ膜ＩＳのエッチングを適切に行うことができず、チャネルにダメージなく等方的なエッチングを行うことに困難性があった。
本開示にかかる技術は上記事情に鑑みてなされたものであり、シリコン層とシリコンゲルマニウム層が交互に積層された基板の処理において、特に、ＳｉＯＣ膜等の低誘電率のスペーサ膜の除去を適切に行う。以下、本実施形態にかかる基板処理方法としてのウェハ処理について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図２は、本実施形態にかかるウェハ処理方法として、スペーサ膜ＩＳ（以下の説明においては例えばＳｉＯＣ膜）の除去にかかる主な工程を示したフロー図である。また図３は、スペーサ膜ＩＳの除去にかかる主な工程を示した説明図である。
図２及び図３に示すように本実施形態にかかるスペーサ膜ＩＳの除去においては、ウェハＷ上に積層されたＳｉ層及びＳｉＧｅ層の少なくとも側面を覆うように形成されたスペーサ膜ＩＳの表層に酸化膜Ｏｘを形成する工程（図２のステップＴ１）と、形成された酸化膜Ｏｘをエッチング除去する工程（図２のステップＴ２）とを行う。これらステップＴ１及びステップＴ２は、スペーサ膜ＩＳのエッチング除去により、図３（ｅ）に示すように少なくともＳｉ膜の側面が露出して露出側面が形成されるまで繰り返し行われる（図２の分岐Ｃ１）。
以下、図２及び図３に示す各工程の詳細な方法について説明する。
＜ステップＴ１：スペーサ膜への酸化膜の形成＞
図２のステップＴ１においては、プラズマ処理部としてのプラズマ処理装置１を用いてスペーサ膜ＩＳを酸化し、スペーサ膜ＩＳの表層、すなわち表面から深さ方向に対して酸化膜Ｏｘを形成する。図４はかかるプラズマ酸化処理を行うためのプラズマ処理装置１の構成の概略を示す縦断面図である。
図４に示すようにプラズマ処理装置１は、ウェハＷを収容する密閉構造の処理容器１０を備えている。処理容器１０は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、上端が開放され、処理容器１０の上端は天井部となる蓋体１０ａにより閉塞されている。処理容器１０の側面にはウェハＷの搬入出口（図示せず）が設けられ、この搬入出口を介してプラズマ処理装置１の外部と接続されている。搬入出口はゲートバルブ（図示せず）により開閉自在に構成されている。
処理容器１０の内部は、仕切板１１によって上方のプラズマ生成空間Ｐと、下方の処理空間Ｓとに仕切られている。すなわち、本実施形態にかかるプラズマ処理装置１は、プラズマ生成空間Ｐが処理空間Ｓと分離されたリモートプラズマ処理装置として構成されている。
仕切板１１は、プラズマ生成空間Ｐから処理空間Ｓに向けて間を空けて重ね合わせられるように配置される少なくとも２つの板状部材１２、１３を有している。板状部材１２、１３は、重ね合わせ方向に貫通して形成されるスリット１２ａ、１３ａをそれぞれ有している。そして、各スリット１２ａ、１３ａは平面視において重ならないように配置され、これにより仕切板１１は、プラズマ生成空間Ｐでプラズマが生成する際にプラズマ中のイオンが処理空間Ｓへ透過することを抑制する、いわゆるイオントラップとして機能する。より具体的には、スリット１２ａ及びスリット１３ａが重ならないように配置されるラビリンス構造により、異方的に移動するイオンの移動を阻止する一方、等方的に移動するラジカルを透過させる。
プラズマ生成空間Ｐは、処理容器１０内に処理ガスを供給する給気部２０と、処理容器１０内に供給される処理ガスをプラズマ化するプラズマ生成部３０と、を有している。
給気部２０には複数のガス供給源（図示せず）が接続され、酸素含有ガス（例えばＯ２ガス）、及び希釈ガス（例えばＡｒガス）を含む処理ガスを処理容器１０の内部にそれぞれ供給する。なお、スペーサ膜ＩＳの表層に酸化膜Ｏｘを形成することができれば、給気部２０に供給される酸素含有ガス、希釈ガスの種類はこれに限定されない。
また、給気部２０には、プラズマ生成空間Ｐに対する処理ガスの供給量を調節する流量調節器（図示せず）が設けられている。流量調節器は、例えば開閉弁及びマスフローコントローラを有している。
プラズマ生成部３０は、ＲＦアンテナを用いる誘導結合型の装置として構成されている。処理容器１０の蓋体１０ａは、例えば石英板により形成され、誘電体窓として構成される。蓋体１０ａの上方には、処理容器１０のプラズマ生成空間Ｐに誘導結合プラズマを生成するためのＲＦアンテナ３１が形成されている。ＲＦアンテナ３１は、電源側と負荷側のインピーダンスの整合をとるための整合回路を有する整合器３２を介して、プラズマの生成に適した一定周波数（通常は１３．５６ＭＨｚ以上）の高周波電力を任意の出力値で出力する高周波電源３３に接続されている。
処理空間Ｓは、処理容器１０内でウェハＷを載置する載置台４０と、処理容器１０内の処理ガスを排出する排気部５０と、を有している。
載置台４０は、ウェハＷを載置する上部台４１と、処理容器１０の底面に固定され、上部台４１を支持する下部台４２を有している。上部台４１の内部には、ウェハＷの温度を調節する温度調節機構４３が設けられている。
排気部５０は、処理容器１０の底部に設けられた排気管を介して、例えば真空ポンプ等の排気機構（図示せず）に接続されている。また排気管には、自動圧力制御弁（ＡＰＣ）が設けられている。これら排気機構と自動圧力制御弁により、処理容器１０内の圧力が制御される。
以上のプラズマ処理装置１には、制御部としての制御装置６０が設けられている。制御装置６０は、例えばＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータであり、プログラム格納部（図示せず）を有している。プログラム格納部には、プラズマ処理装置１におけるウェハＷの処理を制御するプログラムが格納されている。また、プログラム格納部には、上述の各種処理装置や搬送装置などの駆動系の動作を制御して、プラズマ処理装置１における後述のウェハ処理を実現させるためのプログラムも格納されている。なお、上記プログラムは、コンピュータに読み取り可能な記憶媒体Ｈに記録されていたものであって、当該記憶媒体Ｈから制御装置６０にインストールされたものであってもよい。
本実施形態にかかるプラズマ処理装置１は、以上のように構成されている。次に、プラズマ処理装置１を用いて行われるプラズマ酸化処理（酸化膜Ｏｘの形成）について説明する。なお、プラズマ処理装置１に搬入されるウェハＷには、あらかじめ前述のＳｉ層とＳｉＧｅ層が交互に積層して形成され、また、Ｓｉ層とＳｉＧｅ層の少なくとも側面にはスペーサ膜ＩＳが形成されている。
先ず、図３（ａ）に示すようにＳｉ層、ＳｉＧｅ層及びスペーサ膜ＩＳが形成されたウェハＷを、載置台４０へと載置する。プラズマ処理装置１に搬入されたウェハＷには、Ｓｉ層とＳｉＧｅ層の側面に形成されたスペーサ膜ＩＳの酸化により、図３（ｂ）に示すようにスペーサ膜ＩＳの表層に酸化膜Ｏｘが形成される。
具体的には、載置台４０上にウェハＷが載置されると、プラズマ生成空間Ｐに給気部２０から酸素含有ガス（Ｏ２ガス）、及び希釈ガス（Ａｒガス）を供給するとともに、ＲＦアンテナ３１に高周波電力を供給し、誘導結合プラズマである酸素を含有するプラズマを生成する。換言すれば、生成されたプラズマは酸素ラジカル（Ｏ＊）を含有している。この時、処理空間Ｓ内の圧力を例えば５０ｍＴｏｒｒ～１０００ｍＴｏｒｒ程度、載置台４０上のウェハＷの温度を例えば６０℃～１５０℃程度に制御する。また、処理空間Ｓ内に供給されるＯ２ガス、及びＡｒガスの流量を、例えばそれぞれ１００ｓｃｃｍ～１５００ｓｃｃｍ、１０ｓｃｃｍ～５００ｓｃｃｍ程度に制御する。
プラズマ生成空間Ｐにおいて生成されたプラズマは、仕切板１１を介して処理空間Ｓへと供給される。ここで、仕切板１１には前述のようにラビリンス構造が形成されているため、プラズマ生成空間Ｐにおいて生成されたラジカルのみが、処理空間Ｓへと透過する。そして、処理空間Ｓへと供給されたラジカルを、スペーサ膜ＩＳの表面に作用させることにより当該表面が酸化され、スペーサ膜ＩＳの表層に酸化膜Ｏｘを形成する。より具体的には、例えばスペーサ膜ＩＳがＳｉＯＣ膜から成る場合、酸素ラジカルの作用により当該ＳｉＯＣ膜を改質（Ｃに代わりＯが結合）し、酸化膜ＯｘとしてのＳｉＯ２膜を形成する。
なお、本プラズマ酸化処理においては、上述のように等方的に移動するラジカルのみが処理空間Ｓに透過されるため、酸化膜Ｏｘは等方的に形成される。より具体的にはウェハＷの面内において均一、かつ、積層されたＳｉ膜及びＳｉＧｅ膜の高さ方向において均一に酸化膜Ｏｘが形成される。
ここで、本実施形態にかかるプラズマ酸化処理は、当該プラズマ酸化処理の処理時間でスペーサ膜ＩＳの酸化量、換言すれば形成される酸化膜Ｏｘの厚みが飽和するプロセスである。そして本実施形態においては、一度のプラズマ酸化処理により形成される酸化膜Ｏｘの厚みは、図５に示すように２ｎｍ以下（例えば１ｎｍ～１．５ｎｍ程度）である。
＜ステップＴ２：酸化膜Ｏｘのエッチング除去＞
スペーサ膜ＩＳの表層に酸化膜Ｏｘが形成されると、次に、エッチング処理部としてのエッチング処理装置１０１を用いて、ステップＴ１において形成された酸化膜Ｏｘのエッチング除去が行われる。図６はかかるエッチング除去処理を行うためのエッチング処理装置１０１の構成の概略を示す縦断面図である。
図６に示すようにエッチング処理装置１０１は、ウェハＷを収容する密閉構造の処理容器１１０を備えており、処理容器１１０の内部には処理空間Ｓが形成されている。処理容器１１０の側面にはウェハＷの搬入出口（図示せず）が設けられ、この搬入出口を介してエッチング処理装置１０１の外部と接続されている。搬入出口はゲートバルブ（図示せず）により開閉自在に構成されている。またエッチング処理装置１０１には、処理容器１１０内でウェハＷを載置する載置台１２０、処理空間Ｓ内にエッチングガスを供給する供給部１３０、及び処理容器１１０内のエッチングガスを排出する排気部１４０が設けられている。
載置台１２０は、平面視において略円形をなしており、処理容器１１０の底部に固定されている。載置台１２０の内部には、載置台１２０、及び当該載置台１２０上に保持されたウェハＷの温度を調節する温度調節機構１２１が設けられている。
供給部１３０は、処理容器１１０の内部にエッチングガスとしてのフッ素含有ガス（例えばＨＦガス）、アンモニア（ＮＨ３）ガス、希釈ガス（例えばＡｒガス）、及び不活性ガス（例えばＮ２ガス）をそれぞれ供給する複数のガス供給源１３１と、処理容器１１０の天井部に設けられ、処理空間Ｓ内に処理ガスを吐出させる複数の吐出口を有するシャワーヘッド１３２とを有している。ガス供給源１３１は、シャワーヘッド１３２に接続された供給管を介して処理容器１１０の内部と接続されている。
また、供給部１３０には、処理容器１１０の内部に対するエッチングガスの供給量を調節する流量調節器１３３が設けられている。流量調節器１３３は、例えば開閉弁及びマスフローコントローラを有している。
排気部１４０は、処理容器１１０の底部に設けられた排気管を介して、例えば真空ポンプ等の排気機構（図示せず）に接続されている。また排気管には、自動圧力制御弁（ＡＰＣ）が設けられている。これら排気機構と自動圧力制御弁により、処理容器１１０内の圧力が制御される。
以上のエッチング処理装置１０１には、制御部としての制御装置１５０が設けられている。制御装置１５０は、例えばＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータであり、プログラム格納部（図示せず）を有している。プログラム格納部には、エッチング処理装置１０１におけるウェハＷの処理を制御するプログラムが格納されている。また、プログラム格納部には、上述の各種処理装置や搬送装置などの駆動系の動作を制御して、エッチング処理装置１０１における後述のウェハ処理を実現させるためのプログラムも格納されている。なお、上記プログラムは、コンピュータに読み取り可能な記憶媒体Ｈに記録されていたものであって、当該記憶媒体Ｈから制御装置１５０にインストールされたものであってもよい。
なお、エッチング処理装置１０１に設けられる制御装置１５０は、プラズマ処理装置１に設けられる制御装置６０と共通のものであってもよい。すなわちエッチング処理装置１０１は、制御装置１５０に代えて、プラズマ処理装置１に設けられた制御装置６０と接続されてもよい。
本実施形態にかかるエッチング処理装置１０１は、以上のように構成されている。次に、エッチング処理装置１０１を用いて行われるエッチング除去処理（酸化膜Ｏｘの除去）について説明する。なお、エッチング処理装置１０１に搬入されるウェハＷには、あらかじめ前述のステップＴ１において、スペーサ膜ＩＳの表層に酸化膜Ｏｘが形成されている。
先ず、図３（ｂ）に示すようにスペーサ膜ＩＳの表層に酸化膜Ｏｘが形成されたウェハＷを、載置台１２０へと載置する。エッチング処理装置１０１に搬入されたウェハＷには、形成された酸化膜Ｏｘにエッチングガスを作用することにより、図３（ｃ）に示すように酸化膜Ｏｘのガスエッチングが行われる。
具体的には、載置台１２０上にウェハＷが載置されると、密閉された処理容器１１０の内部に希釈ガス（Ａｒガス）、及び不活性ガス（Ｎ２ガス）が供給する。この時、処理容器１１０内の圧力が大気圧よりも低圧状態（例えば１０ｍＴｏｒｒ～３０００ｍＴｏｒｒ程度）、載置台１２０上のウェハＷが所望の温度（例えば０℃～１２０℃、望ましくは０℃～６０℃℃）に制御する。
処理容器１１０内の圧力、及びウェハＷの温度が所望の低圧低温状態となると、次に、処理容器１１０の内部にフッ素含有ガス（ＨＦガス）、及びＮＨ３ガスを更に供給する。この時、処理空間Ｓ内に供給されるＨＦガス、ＮＨ３ガス、及びＡｒガスの流量を、例えばそれぞれ１０ｓｃｃｍ～５００ｓｃｃｍ、１０ｓｃｃｍ～５００ｓｃｃｍ、１０ｓｃｃｍ～５００ｓｃｃｍ程度に制御する。そして、このように処理容器１１０の内部にＨＦガス及びＮＨ３ガスを供給することで、スペーサ膜ＩＳの表層に形成された酸化膜Ｏｘのガスエッチングを開始する。
ここで、本実施形態においてスペーサ膜ＩＳの材料として使用されるＳｉＯＣ膜は、上述のように化学的な安定性を有する材料であり、エッチングレート（ＥＲ：Ｅｔｃｈｉｎｇ Ｒａｔｅ）が、酸化膜Ｏｘ（ＳｉＯ２膜）と比較して非常に小さい。すなわち本実施形態にかかるエッチング除去処理では、ステップＴ１において酸化膜Ｏｘが形成されないスペーサ膜ＩＳの内部においてはエッチング除去があまり進行せず、スペーサ膜ＩＳの表層に形成された酸化膜Ｏｘが選択的にエッチング除去される。換言すれば、スペーサ膜ＩＳを残して酸化膜Ｏｘのみを選択的にエッチング除去できるため、スペーサ膜ＩＳのエッチング制御が容易である。
また図５に示したように、一度のプラズマ酸化処理により形成される酸化膜Ｏｘの厚みは、例えば１ｎｍ～１．５ｎｍ程度で飽和する。また上述のように、酸素ラジカルを利用した本実施形態にかかるプラズマ酸化処理では、酸化膜Ｏｘが等方的に形成される。そしてステップＴ２おけるエッチング除去処理では、このように等方的に１ｎｍ～１．５ｎｍ程度の厚みで形成された酸化膜Ｏｘを除去することによりスペーサ膜ＩＳがエッチングされるため、スペーサ膜ＩＳのエッチング除去を等方的に行うことができる。
また更に、本実施形態においてはステップＴ２のエッチング除去処理を低圧低温の条件下において行う。ここで、エッチング除去処理が高温高圧の条件下において行われた場合、スペーサ膜ＩＳのＥＡが上昇し、酸化膜Ｏｘの選択的なエッチング除去が適切に行われず、スペーサ膜ＩＳを所望の形状に形成できなくなるおそれがある。この点、本実施形態におけるエッチング除去処理は低圧低温の条件下、例えばウェハＷの温度が０℃～１２０℃、望ましくは０℃～６０℃℃で行われるため、酸化膜Ｏｘの選択的なエッチング除去を適切に行うことができる。
＜分岐Ｃ１：プラズマ酸化処理、及びエッチング除去処理の繰り返し＞
本実施形態にかかるプラズマ酸化処理（ステップＴ１）及びエッチング除去処理（ステップＴ２）は、以上のようにして行われる。ここで上述したように、本実施形態にかかる一連のウェハ処理（プラズマ酸化処理及びエッチング除去処理）では、１ｎｍ～１．５ｎｍ程度の厚みの酸化膜Ｏｘ（スペーサ膜ＩＳ）のみが除去され、すなわち、一度のウェハ処理のみではＳｉ層の側面を露出させることができない。そこで本実施形態においては、この一連のウェハ処理のサイクル（ステップＴ１及びステップＴ２）を繰り返し行うことにより、図５に示したように総エッチング量（酸化量）を増加させる。そしてこれにより、スペーサ膜ＩＳを所望の厚みまで、具体的には、少なくともＳｉ層の側面が露出して露出側面が形成される厚みまでエッチング除去することができる。
換言すれば、本実施形態において繰り返されるウェハ処理のサイクル数は、Ｓｉ層及びＳｉＧｅ層を覆うように形成されたスペーサ膜ＩＳの形成厚みに応じて決定される。
このようにウェハ処理のサイクルを繰り返し行う場合であっても、一度のプラズマ酸化処理おいては２ｎｍ以下の厚みの酸化膜Ｏｘが等方的に形成され、また、一度のエッチング除去処理においてはこのように形成された酸化膜Ｏｘが選択的に除去される。すなわち、一度にエッチング除去されるスペーサ膜ＩＳの厚みは一定に制御されるとともに、スペーサ膜ＩＳのエッチング量の面内均一性を制御することが容易である。
そして、このようにウェハ処理のサイクルを繰り返し行うことで所望のエッチング量が得られると、すなわち、Ｓｉ層に露出側面が形成されると、本実施形態にかかるウェハ処理が終了する。
なお、Ｓｉ層の露出側面が形成されたウェハＷは次工程に搬送され、かかる露出側面に対して、例えば結晶シリコン薄膜がエピタキシャル成長される。この時、図３（ｅ）にも示すようにＳｉＧｅ膜の側面にはスペーサ膜ＩＳが残存しているため、当該ＳｉＧｅ膜の側面に対する結晶シリコン薄膜のエピタキシャル成長は抑制される。
＜本実施形態にかかるウェハ処理の効果＞
本実施形態によれば、従来のＳｉＮ膜よりも低誘電率を有し、化学的に安定な材料により形成されるスペーサ膜ＩＳ（例えばＳｉＯＣ膜、ＳｉＯＮ膜、又はＳｉＯＣＮ膜）の表層を、リモートプラズマを使用してプラズマ化された酸素含有ガスを用いることにより酸化させ、適切に酸化膜Ｏｘ（ＳｉＯ２膜）を形成できる。そして、形成された酸化膜Ｏｘは、フッ素含有ガス（例えばＨＦガス）及びアンモニア（ＮＨ３）ガスを用いることにより、適切にエッチング除去できる。すなわち本実施形態によれば、絶縁膜としてのスペーサ膜ＩＳの除去を適切に行うことできる。
また本実施形態にかかるウェハ処理によれば、上述のように化学的な安定性を有するスペーサ膜ＩＳそのものについてはエッチング除去が行われず、上述のように形成された酸化膜Ｏｘのみを選択的にエッチング除去できる。すなわち、スペーサ膜ＩＳのエッチング制御を適切に行うことができとともに、エッチング対象である酸化膜Ｏｘ以外にエッチングによるダメージが与えられることが適切に抑制される。またこの時、酸化膜Ｏｘはスペーサ膜ＩＳの表層において等方的に形成されるため、スペーサ膜ＩＳのエッチング除去が等方的に行われる。
また更に、本実施形態によれば、１サイクルのウェハ処理によっては２ｎｍ以下（例えば１ｎｍ～１．５ｎｍ程度）のスペーサ膜ＩＳのみがエッチング除去され、かかるウェハ処理を繰り返し行うことにより、所望のエッチング量が得られる。この時、エッチング除去されるスペーサ膜ＩＳの厚み、換言すれば形成される酸化膜Ｏｘの厚みは、図５に示したようにプラズマ酸化処理の時間で飽和する。すなわち、一度に除去されるスペーサ膜ＩＳの厚みを容易に制御できるため、ウェハ処理におけるスペーサ膜ＩＳの総エッチング量を適切に制御できる。すなわち、所望の総エッチング量を超過することが適切に抑制される。
ここで図７に、本実施形態にかかるウェハ処理のサイクルを繰り返し行った場合における処理結果の一例を示す。図７（ａ）はウェハ処理を行う前のスペーサ膜ＩＳの状態、図７（ｂ）は１０サイクルのウェハ処理を行った後のスペーサ膜ＩＳの状態、図７（ｃ）は１０サイクルのウェハ処理を行った後のスペーサ膜ＩＳの状態をそれぞれ示している。なお、図７の下方の図は、上方の図の要部（Ｓｉ層、ＳｉＧｅ層、及びスペーサ膜ＩＳ）を拡大して示す要部拡大図である。
図７（ａ）に示すようにＳｉ層及びＳｉＧｅ層の側面に形成されたスペーサ膜ＩＳは、７サイクルのウェハ処理を施されることにより、図７（ｂ）に示すように厚みが減少、すなわちエッチング除去された。そして更に処理サイクルを重ね、１０サイクルのウェハ処理が施されることにより、図７（ｃ）に示すようにＳｉ層に露出側面が形成された。この時、ＳｉＧｅ層の側面にはスペーサ膜ＩＳが残存している。
また図７（ｂ）、図７（ｃ）に示されるように、Ｓｉ層及びＳｉＧｅ層の側面に残存するスペーサ膜ＩＳの厚みはウェハＷの面内で均一であり、かつ、積層されたＳｉ層及びＳｉＧｅ層の高さ方向においても均一であることがわかる。換言すれば、本実施形態にかかるウェハ処理においては、スペーサ膜ＩＳのエッチング除去が、ウェハＷの面方向、及び高さ方向で均一的に進行していることがわかる。
このように本実施形態にかかるプラズマ酸化処理、及びエッチング除去処理によれば、絶縁膜としてのスペーサ膜ＩＳのエッチング除去を等方的に行うことができる。また、図７（ｂ）、図７（ｃ）にも示されるようにウェハ処理の繰り返しサイクル数を制御することによりスペーサ膜ＩＳの総エッチング量を容易に制御することが可能であり、所望のエッチング量を超過してエッチング除去が行われることが抑制される。
なお、本実施形態にかかるプラズマ酸化処理とエッチング除去処理は、異なるチャンバ内で行われてもよいし、同一チャンバ内で行われてもよい。
また、以上の実施形態では酸化膜Ｏｘとスペーサ膜ＩＳのエッチングレートの差を利用することで酸化膜Ｏｘを選択的に除去し、これによりスペーサ膜ＩＳのエッチング除去処理を行ったが、スペーサ膜ＩＳのエッチング方法はこれに限られるものではない。
具体的には、例えば、酸化膜Ｏｘとスペーサ膜ＩＳのインキュベーションタイム（エッチング除去が開始されるまでの時間）の差を利用して酸化膜Ｏｘを選択的に除去し、これによりスペーサ膜ＩＳのエッチング除去処理を行ってもよい。かかる場合、エッチング除去処理においてはエッチング処理装置１０１において酸化膜Ｏｘの除去が開始され、スペーサ膜ＩＳの除去が開始されるよりも前にエッチングガスを処理容器１１０の内部から排出する。これにより、酸化膜Ｏｘのみを選択的に除去することができる。
なお、上述のように酸化膜Ｏｘとスペーサ膜ＩＳのエッチングレートの差を利用する場合、エッチング除去装置によるエッチング除去処理は低圧低温の条件下で行った。これは、低温低圧の条件下においてはスペーサ膜ＩＳのエッチングレートが低下し、より適切に酸化膜Ｏｘの選択的除去を行うことができることに起因する。この一方、このようにインキュベーションタイムの差を利用する場合、エッチング除去処理は高温高圧の条件下（例えば８０～１３０℃の温度条件）で行うことができる。すなわち、酸化膜Ｏｘとスペーサ膜ＩＳのインキュベーションタイムの差は高温高圧の条件下においてより顕著になる。
ここで、エッチングレートの差を利用し、エッチング除去処理を低圧低温の条件下で行う場合、プラズマ処理装置１によるプラズマ酸化処理は、上述のように、エッチング除去処理の温度条件よりも高温、例えば６０℃～１５０℃で行われる。すなわち、プラズマ酸化処理からエッチング除去処理に移行するにあたり、ウェハＷを冷却する必要がある。この一方、インキュベーションタイムの差を利用し、エッチング除去処理を高温高圧の条件下で行う場合、エッチング除去処理の温度条件はプラズマ酸化処理の温度条件とほぼ同程度である。すなわち、プラズマ酸化処理からエッチング除去処理に移行するにあたり、ウェハＷの温度制御を行う必要がないため、一連のウェハ処理を効率的に行うことができる。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）シリコン膜とシリコンゲルマニウム膜が交互に積層された基板の処理方法であって、少なくとも前記シリコン膜及び前記シリコンゲルマニウム膜の側面には低誘電率のスペーサ膜が形成され、リモートプラズマを使用してラジカル化された酸素含有ガスにより前記スペーサ膜の表層に酸化膜を形成する工程と、形成された前記酸化膜をエッチング除去する工程と、を含む基板処理方法。
前記（１）によれば、プラズマ化された酸素含有ガスを使用して低誘電率のスペーサ膜の表層に酸化膜を形成し、さらに、形成された当該酸化膜をエッチング除去することにより、スペーサ膜の除去を行うことができる。低誘電率のスペーサ膜は化学的に安定性を有しており、従来のエッチング手法においてはエッチング除去を行うことが困難であった。しかしながら、このようにプラズマ化された酸素含有ガスを用いることで適切に酸化膜を形成することができ、これにより、形成された酸化膜としてスペーサ膜を適切に除去できる。
また、プラズマ化された酸素含有ガスによるスペーサ膜酸化は基板の面方向、及び高さ方向において等方的に進行するため、すなわち、スペーサ膜のエッチング除去をウェハＷの面方向、及び高さ方向に等方的に行うことができる。
（２）前記スペーサ膜は、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＣＮ、又はＳｉＢＣＮのいずれかにより形成される、前記（１）に記載の基板処理方法。
（３）形成される前記酸化膜の厚みは前記スペーサ膜の表面から２ｎｍ以下である、前記（１）または前記（２）に記載の基板処理方法。
（４）形成される前記酸化膜の厚みは、前記酸化膜を形成する工程の処理時間により制御される、前記（１）～前記（３）のいずれかに記載の基板処理方法。
（５）前記酸化膜をエッチング除去する工程は、少なくともＨＦガス及びＮＨ３ガスを含む処理ガスによるエッチングにより行われる、前記（１）～前記（４）のいずれかに記載の基板処理方法。
（６）前記酸化膜をエッチング除去する工程は低温低圧の条件下において行われ、当該エッチング除去が行われる温度条件は、０℃～１２０℃、望ましくは０℃～６０℃である、前記（５）に記載の基板処理方法。
（７）前記酸化膜を形成する工程と、前記酸化膜をエッチング除去する工程と、を含むサイクルを繰り返し行うことで前記スペーサ膜を除去し、少なくとも前記シリコン膜の側面を露出させる、前記（１）～前記（６）のいずれかに記載の基板処理方法。
前記（７）によれば、スペーサ膜の除去を繰り返し行うことで、所望のエッチング量を適切に得ることができる。特に、前記（３）に記載のように一度のウェハ処理におけるスペーサ膜の酸化量（スペーサ膜のエッチング量）は２ｎｍ以下で飽和するため、スペーサ膜の総エッチング量を容易に制御することができる。また、このようにスペーサ膜の酸化量（エッチング量）は２ｎｍ以下と微小であるため、スペーサ膜の総エッチング量は更に容易に制御ができる。
（８）シリコン膜とシリコンゲルマニウム膜が交互に積層された基板を処理する基板処理装置であって、少なくとも前記シリコン膜及び前記シリコンゲルマニウム膜の側面には低誘電率のスペーサ膜が形成され、リモートプラズマを使用してラジカル化された酸素含有ガスにより前記スペーサ膜の表面を酸化して酸化膜を形成するプラズマ処理部と、形成された前記酸化膜をエッチング除去するエッチング処理部と、前記プラズマ処理部及び前記エッチング処理部の動作を制御する制御部と、を備える基板処理装置。
（９）前記スペーサ膜は、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＣＮ、又はＳｉＢＣＮのいずれかにより形成される、前記（８）に記載の基板処理装置。
（１０）前記制御部は、前記酸化膜を前記スペーサ膜の表面から２ｎｍ以下の厚みで形成するように前記プラズマ処理部の動作を制御する、前記（８）または前記（９）に記載の基板処理装置。
（１１）前記制御部は、形成される前記酸化膜の厚みを、前記プラズマ処理部における処理時間により制御する、前記（８）～前記（１０）のいずれかに記載の基板処理装置。
（１２）前記制御部は、前記酸化膜のエッチング除去を、少なくともＨＦガス及びＮＨ３ガスを含む処理ガスによるエッチングにより行うように、前記エッチング処理部の動作を制御する、前記（８）～前記（１１）のいずれかに記載の基板処理装置。
（１３）前記制御部は、前記酸化膜のエッチング除去を低温低圧の条件下において行うように前記エッチング処理部の動作を制御し、当該エッチング除去が行われる温度条件が、０℃～１２０℃、望ましくは０℃～６０℃である、前記（１２）に記載の基板処理装置。
（１４）前記制御部は、前記プラズマ処理部における前記酸化膜を形成と、前記エッチング処理部における前記酸化膜の除去と、を含むサイクル繰り返し行うことで前記スペーサ膜を除去し、少なくとも前記シリコン膜の側面を露出させるように、前記プラズマ処理部及び前記エッチング処理部の動作を制御する、前記（８）～前記（１３）のいずれかに記載の基板処理装置。
ＩＳ スペーサ膜
Ｏｘ 酸化膜
Ｓｉ シリコン
ＳｉＧｅ シリコンゲルマニウム
Ｗ ウェハ

Claims (14)

  1. シリコン膜とシリコンゲルマニウム膜が交互に積層された基板の処理方法であって、
    少なくとも前記シリコン膜及び前記シリコンゲルマニウム膜の側面には低誘電率のスペーサ膜が形成され、
    リモートプラズマを使用してラジカル化された酸素含有ガスにより前記スペーサ膜の表層に酸化膜を形成する工程と、
    形成された前記酸化膜をエッチング除去する工程と、を含む基板処理方法。
  2. 前記スペーサ膜は、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＣＮ、又はＳｉＢＣＮのいずれかにより形成される、請求項１に記載の基板処理方法。
  3. 形成される前記酸化膜の厚みは前記スペーサ膜の表面から２ｎｍ以下である、請求項１または２に記載の基板処理方法。
  4. 形成される前記酸化膜の厚みは、前記酸化膜を形成する工程の処理時間により制御される、請求項１～３のいずれか一項に記載の基板処理方法。
  5. 前記酸化膜をエッチング除去する工程は、少なくともＨＦガス及びＮＨ３ガスを含む処理ガスによるエッチングにより行われる、請求項１～４のいずれか一項に記載の基板処理方法。
  6. 前記酸化膜をエッチング除去する工程は低温低圧の条件下において行われ、
    当該エッチング除去が行われる温度条件は、０℃～１２０℃である、請求項５に記載の基板処理方法。
  7. 前記酸化膜を形成する工程と、前記酸化膜をエッチング除去する工程と、を含むサイクルを繰り返し行うことで前記スペーサ膜を除去し、少なくとも前記シリコン膜の側面を露出させる、請求項１～６のいずれか一項に記載の基板処理方法。
  8. シリコン膜とシリコンゲルマニウム膜が交互に積層された基板を処理する基板処理装置であって、
    少なくとも前記シリコン膜及び前記シリコンゲルマニウム膜の側面には低誘電率のスペーサ膜が形成され、
    リモートプラズマを使用してラジカル化された酸素含有ガスにより前記スペーサ膜の表層に酸化膜を形成するプラズマ処理部と、
    形成された前記酸化膜をエッチング除去するエッチング処理部と、
    前記プラズマ処理部及び前記エッチング処理部の動作を制御する制御部と、を備える基板処理装置。
  9. 前記スペーサ膜は、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＣＮ、又はＳｉＢＣＮのいずれかにより形成される、請求項８に記載の基板処理装置。
  10. 前記制御部は、前記酸化膜を前記スペーサ膜の表面から２ｎｍ以下の厚みで形成するように前記プラズマ処理部の動作を制御する、請求項８または９に記載の基板処理装置。
  11. 前記制御部は、形成される前記酸化膜の厚みを、前記プラズマ処理部における処理時間により制御する、請求項８～１０のいずれか一項に記載の基板処理装置。
  12. 前記制御部は、前記酸化膜のエッチング除去を、少なくともＨＦガス及びＮＨ３ガスを含む処理ガスによるエッチングにより行うように、前記エッチング処理部の動作を制御する、請求項８～１１のいずれか一項に記載の基板処理装置。
  13. 前記制御部は、前記酸化膜のエッチング除去を低温低圧の条件下において行うように前記エッチング処理部の動作を制御し、
    当該エッチング除去が行われる温度条件は、０℃～１２０℃である、請求項１２に記載の基板処理装置。
  14. 前記制御部は、
    前記プラズマ処理部における前記酸化膜を形成と、前記エッチング処理部における前記酸化膜の除去と、を含むサイクル繰り返し行うことで前記スペーサ膜を除去し、
    少なくとも前記シリコン膜の側面を露出させるように、前記プラズマ処理部及び前記エッチング処理部の動作を制御する、請求項８～１３のいずれか一項に記載の基板処理装置。
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