(57)【要約】【課題】半導体処理装置のチャンバ内に付着した高誘電率酸化物からなる付着物をクリーニングする際、あるいは基板上に形成された高誘電率酸化膜をエッチングする際、付着物または高誘電率酸化膜を効率よく除去またはエッチングすることができるようにし、かつリモートプラズマ発生装置を構成する部材の劣化を抑えることができるようにする。【解決手段】アルゴンなどの非反応性ガス、酸素などの酸素原子供給性ガスおよび窒素酸化物などの酸化性ガスの少なくとも１種をリモートプラズマ発生装置１２において活性化して、活性種を含むガスとし、このガスを三塩化ホウ素などのハロゲン系ガスとともチャンバ１に導入する。【選択図】図１
2006339523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体処理装置のチャンバ内に生成した高誘電率酸化物からなる付着物を除去するクリーニング方法において、
非反応性ガス、酸素原子供給性ガスおよび酸化性ガスの少なくとも１種をリモートプラズマ発生装置において活性化して活性種を含むガスとし、このガスをハロゲン系ガスとともチャンバに導入することを特徴とする半導体処理装置のクリーニング方法。
【請求項２】
活性種を含むガスとハロゲン系ガスとを混合してチャンバに導入することを特徴とする請求項１記載の半導体処理装置のクリーニング方法。
【請求項３】
活性種を含むガスとハロゲン系ガスをそれぞれ別個にチャンバに導入することを特徴とする請求項１記載の半導体処理装置のクリーニング方法。
【請求項４】
半導体処理装置は、ＣＶＤ法または原子層堆積法のいずれかの方法で成膜がなされるものであることを特徴とする請求項１記載の半導体処理装置のクリーニング方法。
【請求項５】
基板に成膜された高誘電率酸化膜をエッチングする方法において、
非反応性ガス、酸素原子供給性ガスおよび酸化性ガスの少なくとも１種をリモートプラズマ発生装置において活性化して活性種を含むガスとし、このガスをハロゲン系ガスとともチャンバに導入することを特徴とする高誘電率酸化膜のエッチング方法。
【請求項６】
活性種を含むガスとハロゲン系ガスとを混合してチャンバに導入することを特徴とする請求項５記載の高誘電率酸化膜のエッチング方法。
【請求項７】
活性種を含むガスとハロゲン系ガスをそれぞれ別個にチャンバに導入することを特徴とする請求項５記載の高誘電率酸化膜のエッチング方法。
【請求項８】
半導体処理装置は、ＣＶＤ法または原子層堆積法のいずれかの方法で成膜がなされるものであることを特徴とする請求項５記載の高誘電率酸化膜のエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高誘電率酸化膜を成膜する半導体処理装置のチャンバー内をクリーニングする方法及びシリコン基板上の高誘電率膜をエッチングする方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電界効果トランジスタのゲート絶縁膜として、従来の酸化ケイ素膜よりも比誘電率の高い高誘電率膜を用い、ゲート絶縁膜の厚さを薄くし、駆動電流を低減しようとする試みがなされている。
このようなゲート絶縁膜としては、具体的には、主としてＳｉＯＮが広く使用されてきた。しかし、トランジスタの高性能化のためにデバイスの加工サイズの微細化が進んでおり、それに伴いゲート絶縁膜の厚さが薄くなっている。現在ゲート絶縁膜の膜厚は数ナノメートル以下になっており、絶縁性を保持する限界の膜厚になっている。最近有力な高誘電率絶縁膜としては、ＨｆＯ２、ＨｆＳｉｘＯｙ、ＨｆＡｌｘＯｙ、ＨｆＳｉＡｌｙＯｚなどのハフニウムを含むものをあげることができる。
【０００３】
これらの高誘電率膜は、化学気相成長（ＣＶＤ）法、原子層堆積（ＡＬＤ）法などにより基板上に成膜される。しかし、半導体処理装置のチャンバの所定箇所に配置されている基板上にのみ高誘電率膜が成膜されれば良いが、実際にはチャンバー内壁面や基板を戴置する基板ホルダの周辺等に高誘電率膜が付着あるいは堆積してしまう。
【０００４】
その結果、この付着物がガス流れ等による巻き上がりによって剥離しパーティクルとなって成膜中の基板上に付着することになり、デバイス製品の欠陥あるいは半導体装置の故障原因につながってしまう。
そのため、半導体処理装置のチャンバーにあっては、これを周期的にクリーニングしなければならない。
【０００５】
このためのクリーニング方法としては、堆積物を擦り取るような方法もあるが、手間と時間がかかるだけでなくチャンバー内壁面に損傷を与えてしまう可能性があり好ましくない。
そこで、特開２００４−１４６７８７号公報には、以下のようなチャンバのクリーニング方法が開示されている。
【０００６】
すなわち、この先行発明では、半導体処理装置のチャンバから離れた位置にリモートプラズマ発生装置を置き、このリモートプラズマ発生装置にＯ２などの酸素原子供給性ガスと、ＢＣｌ３などの塩素系ガスを導入し、プラズマにより活性種を生成させ、この活性種を含んだガスをチャンバ内に送り込んで、チャンバ内に付着している付着物を除去する方法が示されている。
【０００７】
しかしながら、リモートプラズマ発生装置において発生した活性種がチャンバ内に到着するまでの間にその多くが失活して活性種が減少し、付着物の除去効率が不十分である問題がある。
また、リモートプラズマ発生装置に塩素系ガスを導入して活性化しているため、リモートプラズマ発生装置の反応管などの部材がこの塩素系ガスの活性種によって劣化する恐れもあった。
【０００８】
一方、基板上に形成した高誘電率酸化膜をエッチングする際にも同様に、リモートプラズマ発生装置にＯ２などの酸素原子供給性ガスと、ＢＣｌ３などの塩素系ガスを導入し、プラズマにより活性種を生成させ、この活性種を含んだガスをチャンバ内に送り込んで、高誘電率酸化膜をエッチングするが、この場合にもエッチング効率が不十分で、リモートプラズマ発生装置が劣化する恐れがあった。
【特許文献１】特開２００４−１４６７８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
よって、本発明における課題は、半導体処理装置のチャンバ内に付着した高誘電率酸化物からなる付着物をクリーニングする際、あるいは基板上に形成された高誘電率酸化膜をエッチングする際、付着物または高誘電率酸化膜を効率よく除去またはエッチングすることができるようにし、かつリモートプラズマ発生装置を構成する部材の劣化を抑えることができるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、半導体処理装置のチャンバ内に生成した高誘電率酸化物からなる付着物を除去するクリーニング方法において、
非反応性ガス、酸素原子供給性ガスおよび酸化性ガスの少なくとも１種をリモートプラズマ発生装置において活性化して活性種を含むガスとし、このガスをハロゲン系ガスとともチャンバに導入することを特徴とする半導体処理装置のクリーニング方法である。
【００１１】
請求項２にかかる発明は、活性種を含むガスとハロゲン系ガスとを混合してチャンバに導入することを特徴とする請求項１記載の半導体処理装置のクリーニング方法である。
請求項３にかかる発明は、活性種を含むガスとハロゲン系ガスをそれぞれ別個にチャンバに導入することを特徴とする請求項１記載の半導体処理装置のクリーニング方法である。
【００１２】
請求項４にかかる発明は、半導体処理装置は、ＣＶＤ法または原子層堆積法のいずれかの方法で成膜がなされるものであることを特徴とする請求項１記載の半導体処理装置のクリーニング方法である。
【００１３】
請求項５にかかる発明は、基板に成膜された高誘電率酸化膜をエッチングする方法において、
非反応性ガス、酸素原子供給性ガスおよび酸化性ガスの少なくとも１種をリモートプラズマ発生装置において活性化して活性種を含むガスとし、このガスをハロゲン系ガスとともチャンバに導入することを特徴とする高誘電率酸化膜のエッチング方法である。
【００１４】
請求項６にかかる発明は、活性種を含むガスとハロゲン系ガスとを混合してチャンバに導入することを特徴とする請求項５記載の高誘電率酸化膜のエッチング方法である。
請求項７にかかる発明は、活性種を含むガスとハロゲン系ガスをそれぞれ別個にチャンバに導入することを特徴とする請求項５記載の高誘電率酸化膜のエッチング方法である。
【００１５】
請求項８にかかる発明は、半導体処理装置は、ＣＶＤ法または原子層堆積法のいずれかの方法で成膜がなされるものであることを特徴とする請求項５記載の高誘電率酸化膜のエッチング方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、リモートプラズマ発生装置に非反応性ガス、酸素原子供給性ガスおよび酸化性ガスのいずれかを導入することで、活性寿命の長い活性種が発生する。このため、この活性寿命の長い活性種をチャンバに導入する途中での活性の低下が少なくなる。そして、チャンバ内またはその直前において活性の高い状態でハロゲン系ガスと接触させてハロゲン系ガスを活性することになり、活性種の濃度が高い状態で付着物あるいは酸化膜に接することになる。したがって、付着物のクリーニングあるいはエッチングを効率よく実施できる。
【００１７】
さらに、リモートプラズマ発生装置には、ハロゲン系ガスを導入しないのでリモートプラズマ発生装置の構成部材が劣化することもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明のクリーニング方法に用いられる装置の一例を示すものである。図１において、符号１は、半導体処理装置のチャンバ（反応室）を示す。
このチャンバ１内には、回転軸２によって回転されるサセプタ３が設けられており、サセプタ３上にはウエハトレイ４が設けられている。ウエハトレイ４上にはシリコンなどの基板５が置かれるようになっている。サセプタ３内には、ヒータ６が内蔵されており、これにより基板５が所定の温度に加熱されるようになっている。
【００１９】
チャンバ１上部には、チャンバ１内に成膜用ガス、活性種を含むガスおよびハロゲン系ガスを送り込む供給部７が設けられている。この供給部７は、これらのガスが均一にチャンバ１内送られるように、ラッパ管状に拡がった形状の供給口８を備えている。
【００２０】
また、チャンバ１の側壁には、管９の一端が接続され、他端はハロゲン系ガス供給源１０に接続され、ハロゲンガス供給源１０からのハロゲン系ガスがチャンバ１内に送り込まれるようになっている。
供給部７には、管１１の一端が接続され、他端はリモートプラズマ発生装置１２に接続されている。
【００２１】
このリモートプラズマ発生装置１２には、励起ガス供給源１３から非反応性ガス、酸素原子供与性ガス、酸化性ガスが管１４から送り込まれ、ここでプラズマ励起され、活性種が発生し、この活性種を含むガスが管１１を通ってチャンバ１内に流れ込むようになっている。
【００２２】
リモートプラズマ発生装置１２は、例えば特開２００４−１６５３４５号公報などに開示されているものなどが用いられ、例えばセラミック製の反応管の外周に高周波コイルを巻回した放電管を用い、反応管内に励起ガスを流し、高周波コイルに高周波電力を印加して、反応管内にプラズマを発生させて、活性種を生じさせるものなどが用いられる。
【００２３】
さらに、チャンバ１の供給部７には、管１５を介して成膜用ガス供給源１６が接続され、この成膜用ガス供給源１６から供給される成膜用ガスがチャンバ１内に送られるようになっている。
また、チャンバ１には、その内部の圧力を所定の圧力に保つための図示しない排気装置が接続されている。
【００２４】
次に、この装置を用いたクリーニング方法について説明する。
クリーニングに先だって、基板５上に高誘電率酸化膜を形成する。この酸化膜の形成は、ＣＶＤ法またはＡＬＤ法（原子層堆積法）によって行われる。
ＣＶＤ法では、基板５を例えば４５０〜６００℃に加熱し、成膜用ガス供給源１６から、Ｈｆ（ＤＰＭ）４、Ｈｆ（ＭＭＰ）４などの原料ガスとアルゴン、酸素とを所定の圧力とされたチャンバ１内に導入し、ＣＶＤ反応によりＨｆＯ２などの酸化膜を形成する。
【００２５】
また、ＡＬＤ法では、基板５を例えば３５０〜５００℃に加熱し、成膜用ガス供給源１６から［（ＣＨ３）２Ｎ］Ｈｆ、ＨｆＣｌ４などの加水分解性ハフニウム化合物と水とを微量ずつ交互にチャンバ１内供給して１原子層ずつ成膜する。この成膜の際に、チャンバ１内壁部分、ウエハトレイ４などに酸化膜が同時に付着物として付着する。
【００２６】
この付着物をなす高誘電率酸化物は、例えばＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＳｉｘＯｙ、ＨｆＡｌｘＯｙ、ＺｒＳｉｘＯｙ、ＺｒＡｌｘＯｙ（式中、ｘ、ｙは０より大きい数字）およびこれらの化合物の窒素含有物（例えばＨｆＯｘＮｙ、ＨｆＳｉｘＯｙＮｚ、ＨｆＡｌｘＯｙＮｚ）（式中、ｘ、ｙ、ｚは０より大きい数字）などであり、これらの酸化物は、また、基板５上に絶縁膜として成膜されたものでもある。
【００２７】
次いで、基板５をチャンバ１から取り出し、上記付着物をクリーニングする。
まず、励起ガス供給源１３から非反応性ガス（Ａｒ、Ｎ２、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｘｅ）、酸素原子供与性ガス（Ｏ２、Ｏ３、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、ＣＯｘ、ＳＯｘ、ＮＯｘ）、酸化性ガス（ＮＦ３、Ｎ２Ｏ等）（式中、Ｘは０より大きい数字）の少なくとも１種もしくは２種以上の混合ガスを管１４を介してリモートプラズマ発生装置１２に送り、活性種を発生させる。この活性種は、その活性寿命が長いもので、チャンバ１へ送る途中において失活することが少ないものである。
【００２８】
活性種が含まれるガスは、管１１からチャンバ１内に送られるが、これと同時にハロゲン系ガス供給源１０から管９を介してＢＣｌ３、ＨＣｌ、Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４、ＨＢｒ、ＢＢｒ、Ｂｒ２の少なくとも１種または２種以上の混合ガスからなるハロゲン系ガスがチャンバ１内に送り込まれる。
【００２９】
チャンバ１内では、リモートプラズマ発生装置１２からの活性種とハロゲン系ガスが反応し、ハロゲン系ガスが活性化して活性種となり、このハロゲン系ガスの活性種が直ちに付着物と反応し、付着物を揮発性化合物として除去する。この揮発性化合物は系外に排出される。この時、チャンバ１を加熱して反応を促進してもよい。
【００３０】
ところで、ハロゲン系ガスの活性種は、本来高誘電率酸化物とよく反応して、揮発性化合物とし、良好なクリーニング効果を発揮するものであるが、活性寿命が短い特性がある。
このため、本発明のクリーニング方法では、活性寿命が短いハロゲン系ガスの活性種をチャンバ１内（イン−サイチュ）で発生させるようにして、その活性を有効に利用するようにしている。
【００３１】
また、リモートプラズマ発生装置に供給する非反応性ガス、酸素原子供与性ガス、酸化性ガスに、さらにＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ６等のＣＦ系ガス、ＣｌＦ３、Ｆ２、ＳＦ６、ＣＯＦ２のＰＦＣガスを添加することもできる。
特に、これらのガスを添加することにより、ＨｆＳｉｘＯｙ、ＺｒＳｉｘＯｙ、これらの窒素含有化合物のようなシリコンを含む高誘電率酸化膜のクリーニング、エッチングに非常に効果的となる。
【００３２】
図２は、本発明のクリーニング方法に用いられる装置の他の例を示すもので、図１に示したものと同一構成要素には同一符号を付してその説明を省略する。
この例では、ハロゲン系ガス供給源１０からのハロゲン系ガスを流す管９をリモートプラズマ発生装置１２からの活性種を含むガスを流す管１１の途中に接続し、ここで両者を合流した後、チャンバ１内に導入している点が先の例と異なるところである。
【００３３】
この場合、合流点はチャンバ１の供給部に近いとことが好ましいことは言うまでもなく、供給部７で合流するようにしてもよい。
【００３４】
本発明のエッチング方法は、基本的には上述のクリーニング方法と同じであり、基板５上にＣＶＤ法、ＡＬＤ法により高誘電率酸化膜を成膜したのち、この基板５上に所定のパターンが描かれたレジスト膜を形成し、これをエッチングマスクとして同様の操作をおこなうものである。
【００３５】
以下、具体例を示す。
（例１）
図２に示した装置を用いてクリーニング効果を確認した。
チャンバ１内にＨｆＯ２膜が成膜されたシリコン基板５を置いた。リモートプラズマ発生装置１２に酸素原子供与性ガスとして酸素を導入し、周波数２．４５ＧＨｚ、６００Ｗの高周波電力を印加して酸素プラズマを発生させ、チャンバ１に流した。管９からハロゲン系ガスとしてＢＣｌ３を流し、酸素プラズマと合流してチャンバ１内に導入した。
【００３６】
チャンバ１内の圧力を５ｍｍＴｏｒｒ、基板５の温度を常温とし、酸素とＢＣｌ３との合計流量を４０ｓｃｃｍとした。
基板上にＨｆＯ２膜のエッチレートをエリプソメトリーにて求めたところ、３０ｎｍ／分であった。
【００３７】
比較のため、酸素とＢＣｌ３とを混合してリモートプラズマ発生装置に送って活性化したものをチャンバ１に導入したところ、エッチングレートは１０ｎｍ／分であった。
これにより、本発明の方法が先行発明に比べてエッチング作用が優れていることが判明した。
【００３８】
（例２）
例１において、基板５を載置しているウエハトレイ４を２００〜６００℃に加熱して同様の実験を行い、加熱によるエッチングレートの促進効果を確認した。
結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
2006339523.tif 000003
【００４０】
表１の結果から、基板５を加熱することにより、エッチング効率が大幅に増加することがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明のクリーニング方法に用いられる装置の例を示す概略構成図である。
【図２】本発明のクリーニング方法に用いられる装置の他の例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１・・チャンバ、５・・基板、１０・・ハロゲン系ガス供給源、１２・・リモートプラズマ発生装置、１３・・励起ガス供給源
【図１】
2006339523.tif 000004
【図２】
2006339523.tif 000005