TW201324575A - 電漿處理方法 - Google Patents

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Abstract

本發明目的在於提供電漿處理方法，其針對磁性膜進行電漿蝕刻，進行可抑制具有磁性膜的晶圓之腐蝕之同時，可以有效除去磁性膜被實施電漿蝕刻後的蝕刻處理室內之沈積物的電漿潔淨。本發明之電漿處理方法，係於蝕刻處理室針對具有磁性膜的被處理基板進行電漿蝕刻者，其特徵為：使用含氯的第一氣體以外之氣體對磁性膜進行電漿蝕刻；將磁性膜已被實施電漿蝕刻的被處理基板，由蝕刻處理室搬出後，對蝕刻處理室實施電漿潔淨；電漿潔淨係具備：第一電漿潔淨，其使用含氯的第二氣體進行電漿潔淨；及第二電漿潔淨，其係於第一電漿潔淨後使用含氫的氣體進行電漿潔淨。

Description

電漿處理方法
本發明關於使用電漿處理裝置的電漿處理方法，特別是關於對磁性膜實施電漿蝕刻的電漿處理方法。
伴隨箸近年之資訊量之增加，電子機器成為低消費電力，記憶體成為高速動作之同時被期待著非揮發性。現在使用的記憶體例如有利用電荷之儲存的DRAM(隨機存取記憶體，Dynamic Random Access Memory)及快閃記憶體等。DRAM係作為電腦之主記憶體使用，但是電源切斷後其記憶會消失，而為揮發性記憶體。又，動作中為保持資料而需要每隔一定時間進行再寫入，導致消費電力變大。另外，快閃記憶體雖為非揮發性記憶體，但資訊之寫入時間為較遲的μ秒等級。因此MRAM(Magnetic Random Access Memory)被期待著作為不具備彼等缺點，低消費電力而且能高速動作的非揮發性記憶體。
MRAM乃利用磁化之方向引起的電阻值之變化的記憶體，於其之製造中，需要使用微影成像技術所形成的遮罩，對基板上被形成的包含Fe、Co、Ni等元素之磁性膜進行乾蝕刻而進行微細加工。
作為對磁性膜之乾蝕刻之方法，例如有使用離子射束蝕刻的方法及使用電漿蝕刻的方法，特別是電漿蝕刻被廣泛應用於半導體元件之製造，因為可對大口徑基板實施均 勻的電漿蝕刻而具有優異之量產性。
作為使用電漿蝕刻進行磁性膜之蝕刻法，例如有使用實施Cl2氣體之電漿化引起之的Cl2電漿，來產生磁性膜之氯化物的方法，及藉由實施CO氣體與NH3氣體之混合氣體或CH3OH氣體等含有CO的氣體之電漿化而引起之CO含有電漿，來產生磁性膜之金屬碳基化合物(metal carbonyl)之方法。
另外，關於電漿潔淨方法，於專利文獻1揭示對鋁(Al)與氮化鈦(TiN)之積層膜進行蝕刻處理後，使用三氯化硼(BCl3)氣體與氯(Cl2)氣體之混合氣體或三氯化硼(BCl3)氣體與氯化氫(HCl)氣體之混合氣體作為潔淨氣體，而減少腔室內之沈積物，防止異物之發生的潔淨方法。
又，專利文獻2揭示使用氟化二酮氣體針對附著於電漿處理室內面的鐵(Fe)、銅(Cu)等之金屬實施電漿潔淨予以除去，之後，藉由氧(O2)系電漿潔淨除去附著於電漿處理室內面的有機物之方法。
[習知技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]特開2000-12515號公報[專利文獻2]特開2002-359234號公報
但是，於專利文獻1揭示的電漿潔淨方法，潔淨處理 後於蝕刻處理室內會殘留氯，接著對磁性膜實施蝕刻時，蝕刻處理室內殘留的氯成分會被植入被蝕刻材料、亦即磁性膜，導致磁氣特性劣化問題。又，蝕刻處理室內殘留的氯滯留在具有磁性膜的晶圓之狀態下，蝕刻處理後暴露於大氣時，於具有磁性膜的晶圓表面，因為具有磁性膜的晶圓上滯留的氯與大氣中之水分起反應而產生鹽酸，導致具有磁性膜的晶圓表面被腐蝕之問題。
又，於專利文獻2揭示的電漿潔淨方法，因為潔淨氣體含有氟(F)，蝕刻處理室內壁之母材、亦即鋁(Al)或蝕刻處理室內壁之保護膜、亦即氧化鋁膜(aluminium alumite)與氟(F)起反應而產生低揮發性的氟化鋁，彼等沈積於蝕刻處理室內，而產生該氟化鋁之沈積異物之問題。
因此，本發明目的在於提供電漿處理方法，其針對磁性膜進行電漿蝕刻，進行可抑制具有磁性膜的晶圓之腐蝕之同時，可以有效除去磁性膜被實施電漿蝕刻後的蝕刻處理室內之沈積物的電漿潔淨。
本發明之電漿處理方法，係於蝕刻處理室針對具有磁性膜的被處理基板進行電漿蝕刻者，其特徵為：使用含氯的第一氣體以外之氣體對上述磁性膜進行電漿蝕刻；將上述磁性膜已被實施電漿蝕刻的被處理基板，由上述蝕刻處理室搬出後，對上述蝕刻處理室實施電漿潔淨；上述電漿潔淨，係具備：第一電漿潔淨，其使用含氯的第二氣體進 行電漿潔淨；及第二電漿潔淨，其係於上述第一電漿潔淨後使用含氫的氣體進行電漿潔淨。
又，本發明之電漿處理方法，係使用具備法拉第屏蔽的感應耦合型電漿蝕刻裝置，於蝕刻處理室針對具有磁性膜的被處理基板進行電漿蝕刻者，其特徵為：使用含氯的第一氣體以外之氣體對上述磁性膜進行電漿蝕刻；將上述磁性膜已被實施電漿蝕刻的被處理基板，由上述蝕刻處理室搬出後，對上述蝕刻處理室實施電漿潔淨；上述電漿潔淨，係具備：第一電漿潔淨，其使用含氯的第二氣體進行電漿潔淨；及第二電漿潔淨，其係於上述第一電漿潔淨後使用含氫的氣體進行電漿潔淨；上述第二電漿潔淨，係使較上述第一電漿潔淨時施加於上述法拉第屏蔽之電壓更低的電壓，施加於上述法拉第屏蔽之同時實施電漿潔淨。
又，本發明之磁性膜材料之蝕刻處理方法，其特徵為具有：藉由未包含含氯的第一氣體之處理氣體，對磁性膜材料之被處理基板進行蝕刻的第一工程；搬出被處理基板的第二工程；於蝕刻處理室內產生含氯的第二氣體之電漿的第三工程；及於蝕刻處理室內產生含氫的氣體之電漿的第四工程；依序進行上述第一工程至上述第四工程為止之各工程，或重複進行上述第一工程與上述第二工程之後，進行上述第三工程與上述第四工程。
依據本發明之上述之構成，可對磁性膜進行電漿蝕刻 ，可進行電漿潔淨，其可以抑制具有磁性膜之晶圓之腐蝕之同時，可有效除去磁性膜被實施電漿蝕刻後的蝕刻處理室內之沈積物。
[發明之實施形態]
本發明係使用電漿蝕刻裝置，使用含氯氣體以外針對磁性膜進行電漿蝕刻，將磁性膜之電漿蝕刻完了後的晶圓由蝕刻處理室搬出之後，對上述蝕刻處理室內實施電漿潔淨的電漿處理方法，構成本發明的電漿潔淨，係具有：藉由使用氯氣體之電漿來除去包含磁性膜之沈積物的工程；及藉由使用含氫氣體之電漿，而除去殘留於上述蝕刻處理室之氯的工程。
以下說明本發明之各實施形態。
[實施例1]
最初，使用圖1說明本發明適用的電漿蝕刻裝置。
蝕刻處理室，係由以下構成：放電部2，其由形成電漿產生部的石英(SiO2)或陶瓷(Al2O3)之非導電性材料構成；及電漿處理部3，其配置有用於載置被處理基板之晶圓12、被供給高頻偏壓電力的電極6。又，電漿處理部3被接地，電極6係透過絕緣材配置於電漿處理部3。於放電部2之外側，設置有由第一感應天線1a與第二感應天線1b構成之感應天線1；配置於感應天線1與放電部2之間 的容量耦合天線的法拉第屏蔽9；及經由匹配器4將電漿產生用之高頻電力供給至感應天線1的第一高頻電源10。
本電漿蝕刻裝置，係經由匹配器4由第一高頻電源10對法拉第屏蔽9施加高頻電壓，而可以抑制、除去反應產生物對放電部2之附著。
於蝕刻處理室內部，係由氣體供給裝置5供給處理氣體，另外，藉由排氣裝置8實施減壓排氣成為特定之壓力。
藉由氣體供給裝置5對蝕刻處理室內部供給處理氣體，針對該處理氣體藉由感應天線1所產生的感應磁場之作用而於蝕刻處理室內產生電漿7。又，為使電漿7中之離子被引入晶圓12，而由第二高頻電源11對電極6施加高頻偏壓電壓。
接著，本發明使用的晶圓12之膜之構造係如圖2所示。於矽基板13上被形成鎳鐵(NiFe)之磁性膜14。又，於磁性膜14之上被實施圖案化而形成作為遮罩之鉭(Ta)膜15。
又，本實施例中雖使用鎳鐵(NiFe)作為磁性膜，但不限定於此，亦可為鐵(Fe)、鈷鐵(CoFe)、鎳鐵鈷(NiFeCo)等。亦即，至少含有鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)之1種的材料即可。
又，本實施例中雖使用鉭(Ta)作為遮罩，但本發明不限定於鉭(Ta)，亦可使用鉭(Ta)以外之硬質遮罩，阻劑遮罩，或阻劑遮罩與硬質遮罩積層而成的遮罩。
接著，使用圖3所示電漿處理流程說明本發明之電漿處理方法。
首先，使圖2所示晶圓12藉由搬送裝置(未圖示)而被載置於蝕刻處理室內之電極6(S1)。
接著，使用鉭(Ta)膜15作為遮罩，在表1所示CO氣體之氣體流量設為60ml/min，處理壓力設為0.3Pa，電漿產生用高頻電力設為1200W，供給至電極6之高頻偏壓電力設為500W，施加於法拉第屏蔽9之高頻電壓(以下稱FSV)設為100V的電漿蝕刻條件下，對晶圓12之磁性膜14進行電漿蝕刻(S2)。於此，本實施例中，磁性膜14之蝕刻用之氣體雖設為CO氣體，但亦可使用CO氣體與NH3氣體之混合氣體，CO2氣體，CH3OH氣體，C2H5OH氣體，C3H7OH氣體，CH3COCH3氣體。亦即，本發明只要是含氯氣體以外之氣體即可。
接著，藉由搬送裝置(未圖示)將磁性膜14之電漿蝕刻已實施完了的晶圓12由蝕刻處理室予以搬出，將虛擬晶圓載置於蝕刻處理室內之電極6(S3)。但是，本發明中，磁性膜14之電漿蝕刻已實施完了的晶圓12由蝕刻處理室 被搬出乃必要者，但是將虛擬晶圓搬入蝕刻處理室內則非一定必要。
接著，如表2所示Cl2氣體之氣體流量設為100ml/min，處理壓力設為1.0Pa，電漿產生用高頻電力設為1800W，供給至電極6的高頻偏壓電力設為100W，FSV設為600V之第一電漿潔淨條件下，針對蝕刻處理室內沈積之包含鎳、鐵的沈積物實施電漿潔淨(S4)。
藉由第一電漿潔淨可以除去蝕刻處理室內所沈積的包含鎳、鐵、鉭之沈積物之理由如下。
磁性膜14之電漿蝕刻中，被蝕刻材料之磁性膜14之鎳(Ni)、鐵(Fe)會和CO氣體之激發活性種反應，而產生蒸氣壓高的金屬碳基化合物之Ni(CO)x或Fe(CO)x。又，藉由高離子射入能量使鎳(Ni)、鐵(Fe)及遮罩材料之鉭(Ta)亦以單體形式被彈出。因此，如圖4所示於陶瓷(Al2O3)製之放電部2之內壁及其之周邊附著含有鎳、鐵、鉭之沈積物。
該附著之沈積物變多時，會由蝕刻處理室之內壁剝落而成為異物。又，較多沈積物附著於放電部2之內壁時造 成電漿狀態之變化，導致蝕刻速度或均一性、蝕刻形狀等之蝕刻性能隨時間而變化。因此，欲獲得安定之蝕刻性能時需要除去該沈積物。
該沈積物之除去，藉由氯氣體之電漿對蝕刻處理室內實施電漿潔淨，則如圖5所示，附著於蝕刻處理室之內壁之含有鎳(Ni)、鐵(Fe)、鉭(Ta)之沈積物，會合氯(Cl2)自由基反應而成為氯化物，被除去。
又，上述之沈積物，係由被蝕刻材料之磁性膜14構成，因此作為第一電漿潔淨，在使用磁性膜14之電漿蝕刻所使用的一氧化碳(CO)氣體之電漿亦可將蝕刻處理室內之沈積物予以除去。
但是，氯含有氣體以外之氣體對於磁性材料之電漿蝕刻之速度非常慢，難於短時間進行反應產生物之有效除去。例如，比較氯氣體與一氧化碳氣體對於磁性膜之電漿蝕刻速度，則如表3所示，和氯氣體比較，一氧化碳氣體對磁性膜之電漿蝕刻速度非常慢。該特性之理由可推測如下。鐵或鎳之氯化物(FeClx，NiClx)之蒸氣壓非常高、容易揮發。另外，金屬碳基化合物之蒸氣壓高、容易揮發，但是因為碳系之蝕刻阻害物同時產生，因此磁性膜之蝕刻速度變慢。
基於此一理由，本發明之第一電漿潔淨係使用含氯氣體之電漿。
又，本實施例之第一電漿潔淨用之氣體係使用氯(Cl2)氣體，但使用三氯化硼(BCl3)氣體、氯(Cl2)氣體與三氯化 硼(BCl3)氣體之混合氣體亦可獲得和本實施例同樣之效果。亦即，第一電漿潔淨用之氣體只要是含氯的氣體即可。
接著，第一電漿潔淨完了之後，針對次一晶圓12之磁性膜14在第一電漿潔淨後之蝕刻處理室實施電漿蝕刻時，例如放電部2之材料所包含的鋁(Al)與第一電漿潔淨後殘留於蝕刻處理室內的氯起反應產生的鋁之氯化物(AlxClx)，或者蝕刻處理室內殘留的微量之氯會附著於蝕刻處理室之內壁，氯成分會植入被蝕刻材料之磁性膜，由晶圓12製造的半導體元件之磁氣特性會劣化。又，在磁性膜14之電漿蝕刻已實施完了的晶圓12上殘留著上述氯成分之狀態下暴露於大氣時，在上述晶圓12表面因為大氣中之水分與殘留氯成分起反應而產生鹽酸造成上述晶圓12之腐蝕。
因此，本發明中，在第一電漿潔淨完了後，為除去第一電漿潔淨引起之蝕刻處理室內殘留的氯，而如表4所示，在CH3OH氣體之氣體流量設為100ml/min，處理壓力設為1.0Pa，電漿產生用高頻電力設為1800W，供給至電極6的高頻偏壓電力設為100W，FSV設為100V之第二電漿 潔淨條件對蝕刻處理室內進行電漿潔淨(S5)。
針對已實施第一電漿潔淨的蝕刻處理室實施第二電漿潔淨時，如圖6所示由甲醇(CH3OH)氣體電漿發生的氫成分會和已實施第一電漿潔淨的蝕刻處理室之內部殘留的氯起反應而產生容易揮發的氯化氫(HCl)，因此可以除去已實施第一電漿潔淨的蝕刻處理室內部殘留的氯成分。
又，第二電漿潔淨之FSV較第一電漿潔淨時之FSV低，因此不僅放電部2之內壁，可以更廣範圍形成電漿。因此，蝕刻處理室內全域殘留的氯成分之除去成為可能。
又，本實施例中，第二電漿潔淨用之氣體雖使用甲醇(CH3OH)，但使用氫(H2)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、乙醇(C2H5OH)、丙醇(C3H7OH)、丙酮(CH3COCH3)、氨(NH3)、水(H2O)亦可獲得同樣效果。換言之，第二電漿潔淨用氣體只要使用氫含有氣體即可。
接著，第二電漿潔淨後，藉由搬送裝置(未圖示)將載置於電極6的虛擬晶圓由蝕刻處理室搬出，藉由搬送裝置(未圖示)將次一晶圓12載置於蝕刻處理室內之電極6(S6)。
接著，對載置於電極6的晶圓12之磁性膜於表1所示條件下進行電漿蝕刻(S2)。
以後，在特定片數之晶圓12之磁性膜14之電漿蝕刻完了為止，重複上述流程。
以上，依據上述本實施例，在使用含氯氣體以外之氣體實施磁性膜之電漿蝕刻中，由磁性膜已被實施電漿蝕刻的晶圓所製造的半導體元件之磁氣特性不會有劣化之情況，磁性膜之電漿蝕刻所產生的反應產生物引起之蝕刻處理室內壁之沈積物可以被有效除去，磁性膜之電漿蝕刻已實施完了的晶圓之腐蝕可以被防止。又，可抑制異物之發生，可抑制電漿蝕刻性能之隨時間變化。
[實施例2]
於實施例1說明之本發明之電漿處理方法，當磁性膜之電漿蝕刻中碳系之沈積物變多時，S4步驟之第一電漿潔淨之負擔變大，第一電漿潔淨之處理時間增加。此乃因為第一電漿潔淨用之氣體係使用含氯的氣體，碳系之沈積物之除去速度慢。
因此，本實施例中說明可獲得和實施例1同樣之效果，另外，磁性膜之電漿蝕刻後之蝕刻處理室內沈積的碳系之沈積物變多時，亦不會增加第一電漿潔淨之處理時間，可有效除去碳系之沈積物的電漿處理方法。
本實施例之本發明中，如圖7所示，其和實施例1之不同僅在於，S3之步驟後進行的第三電漿潔淨係於蝕刻 處理室被進行(S7)。又，圖7所示S1至S6之各步驟，係和實施例1之S1至S6之各步驟同樣之處理，因此省略本實施例S1至S6之各步驟之說明。又，本實施例之電漿處理使用的電漿蝕刻裝置與晶圓12，係和實施例1同樣，因此省略說明。
本發明之電漿處理方法，S1至S3之各步驟實施之後，在磁性膜14之電漿蝕刻之際，為除去蝕刻處理室沈積的碳系之沈積物，而如表5所示，在O2氣體之氣體流量設為100ml/min，處理壓力設為1.0Pa，電漿產生用高頻電力設為1800W，供給至電極6的高頻偏壓電力設為100W，FSV設為600V與第三電漿潔淨條件下進行蝕刻處理室內之電漿潔淨(S7)。
對蝕刻處理室實施第三電漿潔淨時，如圖8所示，氧(O2)氣體電漿所產生的氧自由基會和碳系之沈積物反應，而產生一氧化碳(CO)或二氧化碳(CO2)等之容易揮發之化合物，可除去碳系之沈積物。
接著，第三電漿潔淨實施之後，進行S4至S6之各步驟。在特定片數之晶圓12之磁性膜14之電漿蝕刻完了為止，依據S2，S3，S7，S4，S5，S6之順序重複進行各步 驟。
以上，依據上述本實施例，不僅可獲得和實施例1同樣之效果，另外，即使磁性膜之電漿蝕刻後之蝕刻處理室內沈積之碳系之沈積物多之情況，亦不會增加第一電漿潔淨之處理時間，可有效除去碳系之沈積物。
於實施例1及實施例2，電漿蝕刻裝置係說明感應耦合型電漿蝕刻裝置之例，但本發明不限定於此，亦適用微波電漿蝕刻裝置，容量耦合型電漿蝕刻裝置，螺旋型電漿蝕刻裝置等。
1‧‧‧感應天線
1a‧‧‧第一感應天線
1b‧‧‧第二感應天線
2‧‧‧放電部
3‧‧‧電漿處理部
4‧‧‧匹配器
5‧‧‧氣體供給裝置
6‧‧‧電極
7‧‧‧電漿
8‧‧‧排氣裝置
9‧‧‧法拉第屏蔽
10‧‧‧第一高頻電源
11‧‧‧第二高頻電源
12‧‧‧晶圓
13‧‧‧矽基板
14‧‧‧磁性膜
15‧‧‧鉭(Ta)膜
[圖1]本發明之電漿蝕刻裝置之斷面圖。
[圖2]本發明使用的晶圓12之膜之構造圖。
[圖3]本發明之電漿處理流程圖。
[圖4]磁性膜之電漿蝕刻中之蝕刻處理室內之狀態圖。
[圖5]第一電漿潔淨中之蝕刻處理室內之狀態圖。
[圖6]第二電漿潔淨中之蝕刻處理室內之狀態圖。
[圖7]本發明之電漿處理流程圖。
[圖8]第三電漿潔淨中之蝕刻處理室內之狀態圖。

Claims (7)

  1. 一種電漿處理方法，係於蝕刻處理室針對具有磁性膜的被處理基板進行電漿蝕刻者，其特徵為：使用含氯的第一氣體以外之氣體對上述磁性膜進行電漿蝕刻；將上述磁性膜已被實施電漿蝕刻的被處理基板，由上述蝕刻處理室搬出後，對上述蝕刻處理室實施電漿潔淨；上述電漿潔淨，係具備：第一電漿潔淨，其使用含氯的第二氣體進行電漿潔淨；及第二電漿潔淨，其係於上述第一電漿潔淨後使用含氫的氣體進行電漿潔淨。
  2. 如申請專利範圍第1項之電漿處理方法，其中，上述電漿潔淨，係於上述第一電漿潔淨前使用氧氣體進行電漿潔淨。
  3. 如申請專利範圍第1項之電漿處理方法，其中，上述第二氣體為氯氣體或三氯化硼氣體或者氯氣體與三氯化硼氣體之混合氣體。
  4. 如申請專利範圍第1項之電漿處理方法，其中，上述含氫的氣體係甲醇氣體。
  5. 如申請專利範圍第1項之電漿處理方法，其中，上述磁性膜，係至少含有鐵、鈷(Co)、鎳(Ni)之其中之一的膜。
  6. 一種電漿處理方法，係使用具備法拉第屏蔽的感應耦合型電漿蝕刻裝置，於蝕刻處理室針對具有磁性膜的被處理基板進行電漿 蝕刻者，其特徵為：使用含氯的第一氣體以外之氣體對上述磁性膜進行電漿蝕刻；將上述磁性膜已被實施電漿蝕刻的被處理基板，由上述蝕刻處理室搬出後，對上述蝕刻處理室實施電漿潔淨；上述電漿潔淨，係具備：第一電漿潔淨，其使用含氯的第二氣體進行電漿潔淨；及第二電漿潔淨，其係於上述第一電漿潔淨後使用含氫的氣體進行電漿潔淨；上述第二電漿潔淨，係使較上述第一電漿潔淨時施加於上述法拉第屏蔽之電壓更低的電壓，施加於上述法拉第屏蔽之同時實施電漿潔淨。
  7. 一種磁性膜材料之蝕刻處理方法，其特徵為具有：藉由未包含含氯的第一氣體之處理氣體，對磁性膜材料之被處理基板進行蝕刻的第一工程；搬出被處理基板的第二工程；於蝕刻處理室內產生含氯的第二氣體之電漿的第三工程；及於蝕刻處理室內產生含氫的氣體之電漿的第四工程；依序進行上述第一工程至上述第四工程為止之各工程，或重複進行上述第一工程與上述第二工程之後，進行上述第三工程與上述第四工程。
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