TWI612580B - 電漿處理方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係針對使用鹵素氣體而對金屬材料進
行電漿蝕刻之電漿處理方法及真空處理裝置，提供可以抑制金屬材料表面氧化，並且可以除去試料上之殘留鹵素成分之電漿處理方法。
本發明係屬於對配置含有金屬之膜的試
料進行電漿處理，該電漿處理方法之特徵為：使用含鹵素氣體和氮氣之混合氣體對上述試料進行電漿處理，對被進行上述電漿處理之試料照射僅使用氧氣和氮氣之混合氣體而生成的電漿。
Description
本發明係關於電漿處理方法，尤其關於製造半導體元件之電漿處理方法。
在半導體製造工程中，一面進行使用電漿的乾蝕刻，降低成為良率下降之主要原因的異物成為重要的課題。再者，伴隨著裝置之高積體化，元件成為微細化，會引起良率下降之異物的粒徑也變小，減少異物的要求越來越高。
就以在上述真空處理裝置內附著於試料上之異物而言，可舉出附著於真空裝置內壁等者或藉由真空裝置內壁材之腐蝕等從內壁本身產生之異物在資料之搬運或真空排氣等之過程中，掉落在晶圓上，或藉由電漿蝕刻處理所生成之殘留反應生成物等。
就以後者之要因而言，可舉出試料上之殘留鹵素成分。試料上之殘留鹵素成分一般所知的有在試料之搬運過程中引起處理室之外的裝置內壁之腐蝕。再者，知道藉由與其他氣體混合在試料上產生由反應生成物所造成
的異物。
例如，所知的有藉由在處理中混合氮(N2)氣和氯(Cl2)氣或溴化氫(HBr)氣體等之含鹵素氣體和氮氣，在試料表面生成成為異物之鹵化氨，阻礙下一個工程之蝕刻處理之情形，再者，例如，知道殘留的溴(Br)在大氣中搬運後在基板上增加而掩埋所形成的圖案。
就以搬運系統中之腐蝕防止方法而言，在專利文獻1中，揭示有對腔室內之被處理體進行電漿處理之電漿處理方法，至少包含藉由使含鹵素元素之氣體電漿化而所生成的第1電漿，對被處理體進行處理之第1電漿處理，和對第1電漿處理後，對該腔室內供給含氧之氣體，使第2電漿生成而對上述腔室及對被處理體進行處理之第2電漿處理，和藉由使至少含氟之氣體電漿化而所生成第3電漿，對第2電漿處理後之被處理體進行處理的第3電漿處理。
再者，就以用以從基板除去揮發性殘渣之方法而言，在專利文獻2中，揭示著從基板除去揮發性殘渣之方法包含準備持有真空氣密平台之處理系統的步驟，和在平台之處理腔室內以含鹵素之化學來處理基板之步驟，和在平台內處理已被處理之基板，從被處理之基板釋放出揮發性殘渣之步驟。
〔專利文獻1〕日本特開2006-270030號公報
〔專利文獻2〕日本特開2008-109136號公報
近年來，就以半導體元件之材料而言，例如在high-k/金屬閘極之電晶體構造等中，使用金屬材料。如此之金屬材料儘管因曝露於氧(O2)電漿使得金屬材料之表面氧化，且會使裝置之特性受損等之問題，在專利文獻1所揭示之電漿處理方法中，也未考量到金屬材料表面氧化的對策。
本發明係針對使用鹵素氣體而對金屬材料進行電漿蝕刻之電漿處理方法，提供可以抑制金屬材料表面氧化，並且除去試料上之殘留鹵素成分之電漿處理方法。
本發明係屬於對配置含有金屬之膜的試料進行電漿處理，該電漿處理方法之特徵為：使用含鹵素氣體和氮氣之混合氣體對上述試料進行電漿處理，對被進行上述電漿處理之試料照射僅使用氧氣和氮氣之混合氣體而生成的電漿。
藉由本發明，在使用鹵素氣體而對金屬材料
進行電漿蝕刻之電漿處理方法中，提供可以抑制金屬材料表面氧化，並且除去試料上之殘留鹵素成分。
100‧‧‧真空處理裝置
101‧‧‧真空側區
102‧‧‧大氣側區
103(a)、103(b)‧‧‧真空處理室
104(a)、104(b)‧‧‧電漿後處理室
105‧‧‧裝載鎖定室
106‧‧‧卸載鎖定室
107‧‧‧真空搬運機械手臂
108‧‧‧大氣搬運容器
109‧‧‧大氣搬運機械手臂
110(a)、110(b)、110(c)‧‧‧晶圓卡匣
111‧‧‧對準單元
112‧‧‧真空搬運容器
113‧‧‧遠端電漿裝置
114‧‧‧試料
201‧‧‧真空容器
202‧‧‧試料台
203‧‧‧噴淋板
204‧‧‧排氣裝置
205‧‧‧可動閥
206‧‧‧氣體擴散器
207‧‧‧排氣用閥
208‧‧‧調節器
209‧‧‧排氣用氣體
210‧‧‧質量流量控制器
211‧‧‧氣閥
212‧‧‧製程氣體供給裝置
220‧‧‧大氣側閘閥
221‧‧‧真空側閘閥
圖1為與本發明有關之真空處理裝置之概略圖。
圖2為與本發明有關之卸載鎖定室之剖面圖。
圖3為表示藉由HBr氣體所產生之異物數和藉由Cl2氣體所產生之異物數的圖示。
圖4為表示氮化鈦膜表面殘留的元素組成之圖示。
圖5為表示殘留在氮化鈦膜表面之氧元素對氧之稀釋率的比率之依存性。
針對本發明之實施例，以下使用圖面詳細說明。
首先，使用圖1說明實施本發明之真空處理裝置100之概略。圖1所示之真空處理裝置100大致可分別具備真空側區101和大氣側區102。大氣側區102具有擁有大氣搬運機械手臂109之大氣搬運容器108和對準單元111，在該大氣搬運容器108之前面側具備可收容複數片成為在真空處理裝置100被處理之對象的半導體晶圓等之試料的晶圓匣盒110(a)、110(b)、110(c)。
真空側區101係在內部具備真空搬運機器手
臂107之真空側搬運容器112之側壁面的周圍，具備有試料114被搬運至內部被減壓的其內部且被進行蝕刻處理的真空處理室103(a)、103(b)，和試料被搬運至內部被減壓的其內部且被進行灰化等之後處理的電漿後處理室104(a)、104(b)，和在大氣側和真空側之間交換試料114之裝載鎖定室105和卸載鎖定室106。
本實施例中，被配置在圖1所示之真空處理裝置100之真空處理室103(a)、103(b)具備真空容器(無圖示)，和連接於上述真空容器之氣體供給裝置(無圖示)，和將真空容器內之壓力維持在期待值之真空排氣系統(無圖示)，和載置作為半導體基板的試料114之試料台(無圖示)，和用以使真空處理室103(a)、103(b)內產生電漿之電漿生成手段(無圖示)。再者，真空處理室103(a)、103(b)係藉由電漿產生手段，使從與上述試料台相向之噴淋板(無圖示)以下向流被供給至真空處理室103(a)、103(b)之處理氣體成為電漿狀態，依此進行被載置在試料台上之試料的電漿處理。
再者，就以本實施例之電漿生成手段而言，使用藉由被導入至真空處理室103(a)、103(b)內之微波和被配置在真空處理室103(a)、103(b)之周邊的螺線管線圈所生成之磁場的電子迴旋共振(Electron Cyclotron Resonance：ECR，以下略稱為ECR)，有效率地在真空處理室103(a)、103(b)形成反應性氣體之電漿的微波ECR方式的電漿生成手段。
被配置在圖1所示之真空處理裝置100之電漿後處理室104(a)、104(b)具備真空容器(無圖示)，和連接於上述真空容器之氣體供給裝置(無圖示)，和將真空容器內之壓力維持在期待值之真空排氣系統(無圖示)，和載置作為半導體基板的試料114之試料台(無圖示)，和用以使產生電漿之電漿生成手段(無圖示)。
再者，電漿後處理室104(a)、104(b)係藉由電漿生成手段，使從與上述試料台相向之噴淋板(無圖示)以下向流被供給至電漿後處理室104(a)、104(b)內之處理氣體成為電漿狀態，依此進行被載置在試料台上之試料的電漿處理。並且，上述電漿生成手段為用以生成與在真空處理室103(a)、103(b)內所生成之電漿不同的電漿的電漿生成手段。再者，因促進藉由灰化處理的脫離反應，故上述試料台在內部具有加熱器。再者，就以本實施例之電漿後處理室104(a)、104(b)之電漿生成手段而言，使用感應耦合型電漿源之電漿生成手段。
並且，在卸載鎖定室106搭載遠端電漿裝置113。本實施例中之遠端電漿裝置113係生成電漿的裝置，不用遠端電漿裝置113對試料114進行電漿處理。再者，遠端電漿裝置113具備有例如與配置試料114之卸載鎖定室106不同的以耐蝕性優良之石英或被氧化處理等之表面處理的鋁等之材料為內壁材料的電漿生成室(無圖
示)。上述電漿生成室藉由被供給既定之流量的既定氣體，在既定之壓力被供給既定的高頻電力，生成電漿。
在上述電漿生成室所生成之電漿經真空配管(無圖示)而被輸送至配置有試料之卸載鎖定室106，為自由基之被活性化的反應性氣體到達試料114上。該係因為雖然在上述電漿生成室所生成之電漿中，存在離子和自由基，但在上述電漿生成室所生成之電漿經真空配管而被輸送至卸載鎖定室之過程中，為帶電粒子之離子藉由與真空配管之壁衝突等大致消失，故自由基主要到達至卸載鎖定室106。
再者，藉由將上述電漿生成室之壓力設為例如100Pa以上之比較高的壓力而生成電漿，容易降低離子到達至卸載鎖定室106，可效率佳地將自由基輸送至卸載鎖定室106。再者，就以上述電漿生成室之電漿生成手段而言，雖然可使用直流放電、電容耦合型高頻放電、感應耦合型高頻放電或微波放電等之各種電漿源，但是從藉由放電引起雜質混入比較低的觀點來看，以像感應耦合型高頻放電或微波放電的在電漿生成室內無電極之無電極放電形式為佳。
並且，在上述電漿生成室中之電漿生成時之壓力雖然可在從1Pa以下之低壓至大氣壓等的所謂壓力範圍生成，但是如上述般，以降低自由基產生率及離子朝卸載鎖定室106之到達率的觀點來看，以成為100Pa以上之比較高壓力區域之壓力為佳。
接著，如圖2所示般，表示具備遠端電漿裝置113之卸載鎖定室106之剖面和其周邊之構成。卸載鎖定室106配置有鋁或表面被氧化處理之鋁製之真空容器201、配置成與載置為被處理物之試料的試料台202相向的石英製之噴淋板203。並且，噴淋板203即使由鋁或表面被氧化處理之鋁製作亦可。
再者，在卸載鎖定室106具備用以減壓真空容器201之排氣裝置204，藉由被設置在排氣裝置204和卸載鎖定室106之間的可動閥205，控制排氣裝置204之排氣速度，並控制真空容器201之內的壓力。在此，在本實施例中，排氣裝置204為乾式泵。
並且，在卸載鎖定室106經氣體擴散器206、排氣用閥207及調節器208，被導入排氣用氣體209。再者，卸載鎖定室106藉由閉鎖大氣搬運容器108和大氣側閘閥220，並且閉鎖真空側搬運容器112和真空側閘閥221而可密閉。
再者，遠端電漿裝置113被搭載在卸載鎖定室106上部，並且在遠端電漿裝置113，經質量流量控制器210及氣閥211，從製程氣體供給裝置212被導入製程氣體而生成電漿，主要到達至卸載鎖定室106。在遠端電漿裝置113內所生成之自由基經上述噴淋板203被照射在試料上。在本實施例中，雖然說明遠端電漿裝置113被搭載在卸載鎖定室106之例，但是即使遠端電漿裝置113被搭載在電漿後處理室104(a)、104(b)，亦可以取得
與本實施例相同之效果。
接著，針對本發明之電漿處理方法予以說明。以混合溴化氫(HBr)或氯(Cl2)等之含鹵素氣體和惰性氣體之氮(N2)及氬(Ar)之蝕刻條件，對測量到事先附著的異物數之處理對象的試料(本實施例為矽)，進行處理之後，再次測量異物數，確認有無異物發生。蝕刻處理後之異物數測量進行處理後即刻測量和24小時後測量的共計兩次。
在本實施例中，例如將上述溴化氫(HBr)或氯(Cl2)之含鹵素氣體之流量設為150ml/min，將惰性氣體之氬(Ar)及氮(N2)之流量設為50ml/min。圖3表示進行在溴化氫(HBr)及氯(Cl2)混合惰性氣體之氮(N2)及氬(Ar)之蝕刻後的異物數測量結果。在含鹵素氣體和氮(N2)之組合中，處理後即刻成為溢流(無法測量)。
再者，在含鹵素氣體和氬(Ar)之組合中，雖然氯(Cl2)不產生異物，但是溴化氫(HBr)在處理後即刻的測量中，增加數十個左右，在24小時後之測量中，成為溢流(無法測量)，可知依鹵素種類不同，發生傾向不同。再者，雖然省略說明，但可知所產生之異物粒型不同。針對上述異物，前者應係在真空處理室103(a)產生以作為溴(Br)或氯(Cl)和氮(N2)所產生的反應生成物，又後者應係附著於試料之殘留溴(Br)吸附水分等之大氣中之成分而以異物生長。
可知上述鹵(Br、Cl等)和氮(N2)所產生之反應生成物不僅在相同步驟使用之時，對於殘留在真空處理室103(a)內或試料上之極少的殘留鹵素，即使使用氮(N2)也發生。並且，蝕刻條件由一個步驟或複數步驟所構成。再者，可知上述異物不僅矽，不管例如矽氧化膜或矽氮化膜、氮化鈦膜等被蝕刻處理的試料所具有之各膜之材料如何而產生。
即是，當使用含鹵素氣體和氮氣之混合氣體而在真空處理室103(a)被電漿處理之試料不進行後處理等且曝露於大氣時，產生生長性異物。並且，於使用含鹵素氣體和氮氣之混合氣體而被電漿處理之試料具有含有金屬之膜時，必須注意不使上述金屬氧化。針對該些，接下來說明抑制因殘留鹵素所導致之生長性異物，並且抑制金屬氧化之本發明之一連串之電漿處理程序。
圖1所示之真空處理裝置100中，大氣搬運機械手臂109係將具有氮化鈦(TiN)膜之試料114從晶圓卡匣110(a)、110(b)、110(c)中之搬出，搬出至對準單元111，並於實施試料114之對準後，搬送至裝載鎖定室105。被搬入至裝載鎖定室105之試料114被載置在鎖定室105內之試料台(無圖示)上，裝載鎖定室105之內部被減壓之後，真空機械手臂107經真空搬運容器112，搬運至真空處理室103(a)。試料114係在真空處理室103(a)使用含鹵素氣體和氮氣之混合氣體而被蝕刻處理。
之後，藉由真空機械手臂107經真空搬運容器112，被搬運至搭載遠端電漿裝置113之卸載鎖定室106。在遠端電漿裝置113藉由氧氣和氮氣之混合氣體生成電漿，進行主要將氧自由基暴露於被載置於卸載鎖定室之試料114的後處理。並且，上述氧氣和氮氣之混合氣體中之氧氣比例為1%，氮氣用以稀釋氧氣。
接著，於對卸載鎖定室106進行排氣之後，藉由大氣搬運機械手臂109，從卸載鎖定室106返回至最初被設置之晶圓卡匣。藉由進行如此之本發明之電漿處理，可以抑制金屬表面之氧化。此由圖4之(d)表示殘留於進行本發明之電漿處理之時之金屬表面的元素組成，圖4之(d)之氧的比例與表示殘留在不施予任何電漿處理之氮化鈦膜表面之元素組成的圖4之(a)之氧比例幾乎同程度而可理解。
在此，圖4之(b)表示僅在真空處理室103(a)使用含鹵素氣體和氮氣之混合氣體的蝕刻之時的殘留在氮化鈦膜表面之元素組成，圖4之(c)表示於圖4之(b)之時又在電漿後處理室104(a)使用氧氣被稀釋成1%之氧氣和氮氣之混合氣體而進行後處理之時的殘留在氮化鈦表面之元素組成。於圖4之(b)之時，雖然對抑制氮化鈦膜之氧化具有效果，但對生長性異物的抑制不見效果。再者，於圖4之(c)之時，雖然對抑制氮化鈦膜之氧化不見效果，但對生長性異物的抑制可見效果。
以上之結果，在使用電漿後處理室104
(a)、104(b)之氧(O2)氣體電漿的後處理中，藉由離子等之帶電粒子所產生之濺鍍效果(物理性能量)，切斷氮化鈦(TiN)之鈦(Ti)和氮(N)之結合，進行氮(N)和氧(O)之置換，結果應可促進表面之氧化反應。依此，在遠端電漿中，因自由基主要到達至試料表面，故不會促進試料表面之氧化，應可以僅去除附著於表面之殘留物。
在本實施例中，雖然於卸載鎖定室106之後處理使用將氧氣稀釋至1%之氧氣和氮氣之混合氣體，但是本發明之氧氣之稀釋率並不限定於1%，即使如圖5所示般從1%至10%之範圍的稀釋率亦可。再者，在本實施例中，雖然使用氮氣當作氧氣之稀釋用氣體，但本發明即使為氦氣、氬氣、氙氣、氪氣等之惰性氣體亦可。
以上，如同上述般，雖然在本實施例中，藉由導入至感應耦合型電漿或微波電漿之遠端電漿裝置和遠端電漿裝置的氣體比率，控制到達至試料表面之離子和自由基之量，但本發明即使在電容耦合型電漿源中，不使離子達至試料表面(促進消失)，並且藉由採用有效率地將自由基輸送至試料表面之處理條件、構造，亦可以取得與本實施例同等的效果。
再者，藉由將用以在上述遠端電漿處理裝置進行電漿生成的壓力設為例如100Pa~1kPa左右之高壓，可以促進離子之消失。並且，藉由使將自由基輸送至試料上之路徑的路徑長、輸送路徑之剖面之剖面積或縱橫比等
設為不對自由基之輸送造成影響之最低限度的尺寸，或輸送路徑之壁的材質使用例如氧自由基衝突時之消滅率低之材質的石英或表面被氧化處理之鋁等，可以有效率地將自由基輸送至試料。
並且，當考慮試料表面之殘留成分和自由基之反應性時，在卸載鎖定室106中之後處理的試料溫度，以20℃以上，並且在試料之材料特性變化的轉移溫度(例如，玻璃轉移溫度Tg等)以下進行為佳。該係因為當20℃以下之時，自由基和含鹵素異物之反應下降，以高於轉移溫度之溫度處理試料反而促進氧化之故。
再者，本實施例雖然以使用ECR方式之情形說明真空處理室103(a)、103(b)之電漿生成手段，但本發明即使使用感應耦合型電漿、電容耦合型電漿當作電漿生成手段亦可。
再者，本實施例雖然說明在卸載鎖定室106上搭載遠端電漿裝置之例，但本發明即使在裝載鎖定室105上搭載遠端電漿裝置，使用遠端電漿當作電漿後處理室104(a)、104(b)之電漿源亦可。
以上，如同上述般，本發明係屬於對具有含金屬之膜的試料進行電漿處理的電漿處理方法，使用含鹵素氣體和氮氣之混合氣體而對上述試料進行電漿處理，在與對被進行了上述電漿處理之試料施予後處理的後處理室不同的電漿生成室，藉由氧氣和惰性氣體之混合氣體生成電漿，一面經被配置在上述電漿生成室和上述後處理室之
間的輸送路徑而將所生成之電漿輸送至後處理室，一面對上述試料進行後處理。
113‧‧‧遠端電漿裝置
201‧‧‧真空容器
202‧‧‧試料台
203‧‧‧噴淋板
204‧‧‧排氣裝置
205‧‧‧可動閥
206‧‧‧氣體擴散器
207‧‧‧排氣用閥
208‧‧‧調節器
209‧‧‧排氣用氣體
210‧‧‧質量流量控制器
211‧‧‧氣閥
212‧‧‧製程氣體供給裝置
220‧‧‧大氣側閘閥
221‧‧‧真空側閘閥
Claims (4)
- 一種電漿處理方法，對配置含有金屬之膜的試料進行電漿處理，該電漿處理方法之特徵為：使用含鹵素氣體和氮氣之混合氣體對上述試料進行電漿處理，對被進行上述電漿處理之試料，照射藉由僅使用氧氣和氮氣之混合氣體而生成的電漿所產生之自由基，上述氧氣對上述氧氣和氮氣之混合氣體的比例為1%~10%之範圍內的比例。
- 如申請專利範圍第1項所記載之電漿處理方法，其中藉由輸送僅使用上述氧氣和氮氣之混合氣體而生成的電漿，將上述自由基照射至被進行上述電漿處理之試料。
- 如申請專利範圍第1項所記載之電漿處理方法，其中僅使用上述氧氣和氮氣之混合氣體而生成的電漿係使用遠端電漿裝置而生成的電漿。
- 如申請專利範圍第1項所記載之電漿處理方法，其中將對被進行上述電漿處理之試料照射上述自由基之時的被進行上述電漿處理之試料的溫度，設為從20℃至上述試料之材質固有之移轉溫度為止之範圍內的溫度。
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