(57)【要約】【課題】本発明の目的は、製品ウエハの連続処理において、金属系化合物の発生を抑制できるプラズマ処理方法を提供する。【解決手段】本発明は、金属製の処理室にて試料をプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、プラズマを用いて前記試料をエッチングし、前記試料のエッチング後、前記処理室をプラズマクリーニングし、前記プラズマクリーニング後、ＳとＯを含有する単ガスを用いて前記処理室をプラズマ処理することを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の処理室にて試料をプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、
プラズマを用いて前記試料をエッチングし、
前記試料のエッチング後、前記処理室をプラズマクリーニングし、
前記プラズマクリーニング後、ＳとＯを含有する単ガスを用いて前記処理室をプラズマ処理することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
前記ＳとＯを含有する単ガスは、ＣＯＳガスまたはＳＯ２ガスであることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項３】
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
前記試料のエッチング前に前記ＳとＯを含有する単がスを用いたプラズマ処理をさらに行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項４】
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
前記プラズマクリーニングは、シリコンを含有する膜を除去するプラズマクリーニング、炭素を含有する膜を除去するプラズマクリーニング、金属を含有する膜を除去するプラズマクリーニングを含むことを特徴とするプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置のプロセスに係り、特に、プラズマエッチングのプラズマ処理方法に関する。 
【背景技術】
【０００２】
ＭＯＳ(Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ)トランジスタのゲート電極となるＰｏｌｙ−Ｓｉ膜、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜をパターニングする際に使用するハードマスクとなるＳｉＯ２、ＳｉＯＮ膜またはＣ系の膜をプラズマエッチングする場合、Ｃ系やＳｉ系の反応生成物が真空容器（処理室内）に堆積してエッチング性能の経時変化を引き起こす。
【０００３】
この経時変化を抑制するため、ＳＦ６、ＮＦ３、ＣＦ４等のＦ系ガス、酸素を含む混合ガスプラズマを用いて堆積した反応生成物を除去するプラズマクリーニングが一般的に用いられる。また、このプラズマクリーニング時は、ウエハステージの上にダミーウエハを載置しない状態で行われるウエハレスクリーニングという手法が一般的に行われている。このウエハレスクリーニングを実施した場合、ウエハ戴置電極上にウエハを設置していないため、電極のウエハ戴置面がプラズマの照射によって消耗し、ウエハ戴置面を構成している金属元素がチャンバー内に拡散して金属汚染を引き起こすことがある。
【０００４】
例えば、電極のウエハ戴置面の材料がアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分とする場合、電極表面の消耗によってＡｌ汚染が引き起こされる恐れがある。
【０００５】
この問題を解決する手段として特許文献１に記載のように、プラズマ処理装置におけるステージ電極の被処理体の戴置面を構成する材料がＡｌ２Ｏ３を主成分とする材料であり、被処理体のエッチング処理方法として、エッチング処理用のガスにＢＣｌ３を用い、クリーニング放電手段による、Ｎ枚目の被処理体への所定のプラズマ処理とN＋１枚目の被処理体への所定の処理の間に行うクリーニング放電において、クリーニングガスとしてＯ２を用いた放電により、エッチング処理用のガスに含まれる金属元素であるBと反応して揮発性の反応成生物Ｂ−ＣｌデポからＣｌを選択的に除去する第１のクリーニング放電と、クリーニングガスとしてＳＦ６またはＣｘＦｙガスを用いた放電により、還元性の元素Bを除去する第２のクリーニング放電の少なくとも２つのクリーニング放電を行うことで、被処理体へのエッチング処理における金属汚染の量を低減する技術が開示されている。
【０００６】
また、メタルを有するウエハをプラズマエッチングした場合のプロセス性能の変動を抑制する技術として特許文献２にコーティング処理後にウエハをプラズマエッチングし、プラズマエッチングにメタルクリーニング及びフッ素含有ガスによるプラズマクリーニングを行うことが開示されている。 
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−３２７８０号公報
【特許文献２】特開２０１１−１９２８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、３Ｄ−ＮＡＮＤ等の３次元構造デバイス開発において、深穴、深溝エッチングが使用され、製品ウエハのプラズマ処理が長時間化してきている。この結果、処理室やウエハステージへの堆積物の付着量も増加するため、処理室のクリーニング工程も長時間化してきた。この長時間化に伴い、付着物が除去されたある部分のアルミナ表面やアルマイト表面等の金属表面がプラズマに露出される時間が多くなるほどフッ素と金属表面が反応してＡｌＦｘ等の金属系の化合物が新たに発生してしまう。この金属系化合物の発生により次の製品ウエハのプラズマ処理時にＡｌＦ等の異物として付着して歩留まり低下やデバイス特性の劣化という問題が生じる。
【０００９】
このように特許文献１に開示された方法では、長時間のクリーニングを実施した場合のＡｌＦｘ等の金属系の化合物の除去に対し十分に考慮されていなかった。
【００１０】
また、特許文献２に開示されたコーティングステップを用いた場合でも、特許文献１と同様に長時間のクリーニングを実施した場合のＡｌＦｘ等の金属系の化合物の除去に対し十分に考慮されていなかった。
【００１１】
このような問題を解決するため、本発明の目的は、製品ウエハの連続処理において、金属系化合物の発生を抑制できるプラズマ処理方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、金属製の処理室にて試料をプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、プラズマを用いて前記試料をエッチングし、前記試料のエッチング後、前記処理室をプラズマクリーニングし、前記プラズマクリーニング後、ＳとＯを含有する単ガスを用いて前記処理室をプラズマ処理することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、製品ウエハの連続処理において、金属系化合物の発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施例のプラズマ処理方法において使用したプラズマ処理装置の縦断面図である。
【図２】本発明の一実施例のプラズマ処理方法を示すフローチャートである。
【図３】Ａｌ汚染量を示す図である。
【図４】Ａｌ２Ｏ３基板表面をＸＰＳ分析した結果を示す図である。
【図５】ＳｉＯ２基板表面をＸＰＳ分析した結果を示す図である。
【図６】本発明の一実施例のプラズマ処理方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
最初に本発明の一実施例のプラズマ処理において使用するプラズマ処理装置であるプラズマエッチング装置について説明する。図１は、平行平板型の有磁場ＶＨＦ（Ｖｅｒｙ  Ｈｉｇｈ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）プラズマエッチング装置の縦断面図である。このプラズマエッチング装置は、処理室１０６とＶＨＦ放射アンテナ１１１と真空ポンプ(図示せず)及び圧力制御バルブ（図示せず）とを備えている。尚、処理室１０６は、アルミニウムまたはステンレス等の金属からなり、処理室１０６の内壁の表面材料としては、石英やイットリア含有膜とともにアルミアルマイト被膜が用いられている。
【００１６】
エッチング用ガスは、マスフローコントローラ(図示せず)とストップバルブ（図示せず）を経由してガス導入口１０７を通過することにより、シャワープレート１１２の同心円状の孔からそれぞれ処理室１０６内に導入される。そして、処理室１０６の下部に設けられた排気口(図示せず)からターボポンプ(図示せず)及びドライポンプ（図示せず）により排気される。このように導入されたエッチング用ガスは、プラズマ発生手段により照射された電磁波のエネルギーにより解離されてプラズマが生成、維持される。
【００１７】
プラズマの発生手段は、２００ＭＨｚのＶＨＦ波のプラズマ生成用高周波電源１０１と、第一の整合器１０２と、電磁石１０４から成る磁場発生手段とを有している。試料であるウエハ１１３を載置する試料台であるウエハステージ１１６は、複数の温度制御手段等（図示せず）を用いてウエハステージ１１６の複数部分を異なる所定の温度に制御することが可能である。
【００１８】
このとき、ウエハ１１３とウエハステージ１１６との熱的な接触を向上させるため、静電気でウエハを吸着させる、いわゆる静電吸着（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｓｔａｔｉｃ Ｃｈｕｃｋ）方式を採用しており、ウエハステージ１１６のウエハ側表面は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主とするセラミック膜で構成されている。
【００１９】
ウエハステージ１１６には、プラズマ中からウエハ１１３にイオンを引き込み、そのイオンエネルギーを制御するための４ＭＨｚのＲＦバイアス電源１１９と、第二の整合器１１７が接続されている。
次に本発明の一実施例であるプラズマ処理方法について図２を参照しながら説明する。
【００２０】
図２は、本発明の一実施例であるプラズマ処理方法のフローチャートである。プラズマ処理開始に伴い、ステップＳ２０１において、搬送手段(図示せず)により製品ウエハを処理室１０６に搬入してウエハステージ１１６に載置する。続いてステップＳ２０２において、ウエハステージに載置された製品ウエハを所定のプラズマ処理条件によりプラズマエッチングする。尚、本実施例の所定のプラズマ処理条件は、３次元メモリ製造用のプラズマ処理条件とした。次にステップＳ２０３において、プラズマエッチングされた製品ウエハを処理室１０６から搬送手段(図示せず)により搬出する。
【００２１】
次にステップＳ２０４において、ウエハステージ１１６のウエハの載置面が露出した状態(ウエハステージ１１６にウエハが載置されていない状態)で処理室１０６内をプラズマクリーニングする。このプラズマクリーニングに使用されるガスは、処理室１０６の堆積物の組成やその反応生成物の揮発性に応じて適切なガス種が選択される。例えば、堆積物がＳｉを主に含む場合は、その反応生成物の揮発性が高い、ＳＦ６、ＮＦ３、ＣＦ４、ＣＨＦ３などのＦ元素を含有するガス、このＦ元素を含有するガスとＯ２との混合ガスまたは、このフッ素元素を含有するガスとＮ２との混合ガス系を用いる。
【００２２】
また、堆積物が炭素を主に含む場合には、Ｏ２またはＮ２とＦ元素を含有するガスとの混合ガスを用いる。また、堆積物が金属を主に含む場合は、Ｃｌ２ガス、Ｃｌ２とＢＣｌ３の混合ガスを用いる。
【００２３】
よって、本実施例のステップＳ２０４のプラズマクリーニングとしては、堆積物がＳｉを主に含む場合のプラズマクリーニング、堆積物が炭素を主に含む場合のプラズマクリーニング、または堆積物が金属を主に含む場合のプラズマクリーニングのいずれかを少なくとも実施すれば良いが、本実施例では、Ｏ２ガスとＳＦ６ガスとの混合ガスによるプラズマを用いて炭素系堆積物を除去し、ＳＦ６ガスとＡｒガスとの混合ガスによるプラズマを用いてＳｉ系堆積物除去した。
【００２４】
このステップＳ２０４のプラズマクリーニングを実施することにより、ステップＳ２０２における製品ウエハのプラズマエッチング処理中に処理室１０６内表面に付着した反応生成物やデポ性ガスに起因したＳｉやＣを含む堆積物を除去することができ、このことによりエッチング性能を安定化させることができる。
【００２５】
さらにメタルゲート構造を持つ製品ウエハを処理した後に処理室１０６等に付着するＴｉ、Ｔａ、Ｈｆ等の金属を含む堆積物を除去する場合、ステップＳ２０４の処理の最終ステップにＳｉＣｌ４ガスを用いてシリコン酸化膜系の被膜を処理室内１０６表面に堆積させるステップを挿入することにより、処理室内１０６やウエハステージ１１６表面（アルミナ）起因の製品ウエハへの金属汚染を低減させることができる。
【００２６】
次にステップＳ２０５において、トリートメント工程としてＣＯＳガスまたはＳＯ２ガス等のＳ元素とＯ元素を含有するガスを用いて処理室１０６内をプラズマ処理する。このＣＯＳガスまたはＳＯ２ガス等のＳ元素とＯ元素を含有するガスを用いたプラズマ処理によって、後述する理由により処理室１０６内に堆積しているＡｌＦｘ等の金属系の化合物を除去することができる。尚、本実施例では、ＣＯＳガスとＯ２ガスの混合ガスを用いた。ここで、図２に示すようにステップＳ２０４のプラズマクリーニングとステップＳ２０５のトリートメント工程を合わせた工程を「枚葉後処理」と称することとする。
【００２７】
続いてステップＳ２０６において、未処理の製品ウエハの有無を判断する。未処理の製品ウエハがある場合は、ステップＳ２０１からステップＳ２０６を順次、実施し、未処理の製品ウエハが無い場合は、ステップＳ２０７に進む。ステップＳ２０７においては、汚染・異物検査を実施するかどうかを予め決められた基準に基づいて判定する。汚染・異物検査を実施すると判定した場合は、ステップＳ２０８において、汚染・異物検査を実施し、汚染・異物検査を実施しないと判定した場合は、プラズマ処理を終了する。尚、本実施例では、ステップＳ２０８の汚染・異物検査において、ウエハをウエハステージ１１６に載置して１０秒間のＡｒガスによるプラズマ処理を実施して金属の汚染量を測定した。
【００２８】
Ａｌの汚染量に対して本実施例のプラズマ処理方法と比較例としてのプラズマ処理方法を比較した実験結果を図３に示す。尚、比較例としてのプラズマ処理方法は、図２に示すフローチャートのプラズマ処理方法のステップＳ２０１からステップＳ２０４を実施し、図２のステップＳ２０４のプラズマクリーニングにＯ２ガスのみによるプラズマクリーニングを追加したものである。
【００２９】
図３に示すように本実施例のステップＳ２０５のトリートメント工程を実施することにより、Ａｌの金属汚染量を２２．０Ｅ１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２から４．６Ｅ１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２に減少させることができた。また、Ａｌ以外の金属の汚染量に対して本実施例のプラズマ処理方法と従来のプラズマ処理方法を比較した実験結果を表１に示す。表１に示すようにＭｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕの金属の汚染量も本実施例のプラズマ処理方法の方が従来のプラズマ処理方法より汚染量が減少する結果となった。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
さらに、ＳＦ６ガスによるプラズマクリーニング及びＣＯＳガスとＯ２ガスの混合ガスによるトリートメントをＡｌ２Ｏ３の小片を貼り付けたウエハにて実施した場合のＡｌ２Ｏ３の小片を貼り付けたウエハの組成並びにプラズマ処理を実施しなかった場合のＡｌ２Ｏ３の小片を貼り付けたウエハ(リファレンス)をＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析器により測定した結果を図４に示す。尚、おＡｌ２Ｏ３の小片は、ＡｌＦｘ等の金属系の化合物の代用として使用した。
【００３２】
また、ＳＦ６ガスによるプラズマクリーニング及びＣＯＳガスとＯ２ガスの混合ガスによるトリートメントをＳｉＯ２の小片を貼り付けたウエハにて実施した場合のＳｉＯ２の小片を貼り付けたウエハの組成並びにプラズマ処理を実施しなかった場合のＳｉＯ２の小片を貼り付けたウエハ(リファレンス)をＸＰＳ分析器により測定した結果を図５に示す。
【００３３】
図４は、Ａｌ２Ｏ３上にＳとＯの成分が付着し、Ａｌの成分が減少している結果を示す。一方、図５は、ＳｉＯ２表面上にＳとＯがほとんど付着していない結果を示す。これらの結果は、Ａｌ２Ｏ３表面に選択的にＳとＯが付着していることを示しており、Ａl表面がＳＯ３またはＳＯ４２−とＡｌ２（ＳＯ４）３等に硫化してＡｌ表面が表面改質していると考えられる。また、ＡｌとＡｌＦｘ等の金属系の化合物は同様の傾向を示すと考えられるため、ＡｌＦｘ等の金属系の化合物に対しても図４及び５と同様の結果となると考えられる。
【００３４】
このようなことから、処理室をＳ元素及びＯ元素を含むガスにより処理室をプラズマ処理するトリートメント工程(ステップＳ２０６)を有する本実施例のプラズマ処理を実施することによって、プラズマエッチング装置の処理室の側壁に付着、または露出したＡｌの表面がＳＯｘ化してウエハへの再付着を防止することによりＡｌ汚染量が低減したと考えられる。このＡｌ汚染量低減によりＡｌＦに起因した異物低減とデバイス性能劣化を抑制できたと考える。
【００３５】
以上、本実施例のプラズマ処理を行うことにより、３次元メモリ製造等に要求されるプラズマ処理後の枚葉クリーニングが長時間化されても、異物が発生せず、かつ真空容器内からの金属汚染（特にＡｌ）を抑制でき、歩留まり低下やデバイス性能の劣化を抑制することか可能となる。
【００３６】
また、本実施例のプラズマ処理方法において、製品ウエハを処理室に搬入する前にトリートメント工程(ステップＳ２０５)を追加しても良い。具体的には図６に示すように製品ウエハを処理室１０６に搬入するステップＳ２０１の前にトリートメント工程のステップＳ６０１を実施する。尚、図６に示すフローチャートの各ステップの中で図２に示すフローチャートの各ステップと同符号のステップは、同じステップ内容のため、説明を省略する。また、図６のステップＳ６０１のトリートメント工程と図６のステップＳ２０５のトリートメント工程は同一のステップ内容である。図６に示すプラズマ処理を行うことにより、膜構造や開口率が異なる製品ウエハを処理履歴に影響を受けることなく、同じ処理室１０６において、最初の製品ウエハでも２枚目以降の製品ウエハと同様に金属汚染や異物を低減することが可能となる。
【００３７】
さらに本実施例のステップＳ２０４において、ウエハステージ１１６にウエハが載置されていない状態として説明したが、本件発明の課題であるＡｌＦｘ等の金属系化合物の「Ａｌ」は、ウエハステージ１１６の載置面からの析出だけを対象としているわけではなく、処理室内壁から析出される「Ａｌ」も対象とするため、ウエハステージ１１６にウエハが載置されていても本実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３８】
また、本実施例のステップＳ２０２は、３次元メモリ製造用のプラズマ処理条件のプラズマ処理として説明したが、メタルゲート電極加工、ｆｉｎ−ＦＥＴ製造等のプラズマ処理条件でも本実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３９】
また、図２に示すプラズマ処理方法では、ウエハ搬入（ステップＳ２０１）の前に実施されるエージング処理を省略しているが、エージング処理をウエハ搬入(ステップＳ２０１)の前に実施することにより、処理室１０６内の各パーツを洗浄したりすることによって堆積物の付着具合や処理室１０６内パーツの温度等が製品処理時と大きく異なる場合でも本実施例と同様に金属汚染及び異物の発生を抑制できる。
【００４０】
また、本発明の実施例として図１に示したＶＨＦドライエッチング装置に適用した場合で説明したが、容量結合プラズマや誘導結合プラズマ、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマといった他のプラズマ源を用いるプラズマエッチング装置においても、それぞれのプラズマ源に適したガス混合比、ガス流量、圧力、プラズマ生成用高周波電力が調整されたトリートメント工程を用いることにより、本実施例と同様な効果を得ることができる。さらに、ＣＶＤ等他のプラズマ処理装置においてもＳやＯを含むガス、またはそれぞれの混合ガスをＣＶＤ等他のプラズマ処理装置に導入して図２または図６のフローチャートのようなプラズマ処理を行うことにより、Ａｌ等の金属汚染を低減することが可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
１０１：プラズマ生成用高周波電源      １０２：第一の整合器
１０４：電磁石                        １０６：処理室
１０７：ガス導入                      １１１：ＶＨＦ放射アンテナ
１１２：シャワープレート              １１３：ウエハ
１１６：ウエハステージ                １１７：第二の整合器
１１９：ＲＦバイアス電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年10月26日(2016.10.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
【表１】
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