(57)【要約】【課題】各ウエハ間の処理室の清掃工程を必要とせずに、複数のウエハを処理できる方法を提供すること。【解決手段】高密度プラズマ処理室内の半導体ウエハ堆積工程の処理量を改善する方法は、処理室内のフオロ珪酸塩ガラス残留物を焼き尽くすのに十分な高出力を含む工程を用いて、高密度プラズマ処理室内で第１のウエハを処理する工程を含む。この方法は第１のウエハを除去し、かつウエハ間で処理室内を清掃することなく同じ工程を用いてさらなるウエハを処理する工程をさらに含む。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高密度プラズマ処理室内に第１のウエハを設置する工程と、
前記第１のウエハに第１の電気的バイアスを印加する工程と、
第１の出力レベルの高密度プラズマに前記第１のウエハを曝露する工程と、
前記第１の出力レベルの高密度プラズマに前記第１のウエハを曝露する間に、前記処理室内にフルオロ珪酸塩ガラスを堆積させて誘電体層を堆積させる工程と、
前記第１の電気的バイアスよりも小さい第２の電気的バイアスを前記第１のウエハに印加する工程と、
第２の出力レベルが先行する堆積工程の間に処理室内で堆積されたフッ素残留物を焼き尽くすのに十分高くなるように、前記第１の出力レベルよりも大きい第２の出力レベルの高密度プラズマに前記第１のウエハを曝露する工程と、
前記第１のウエハを除去する工程と、
前記高密度プラズマ処理室内に第２のウエハを設置する工程と、
前記第２のウエハに前記第１の電気的バイアスを印加する工程と、
前記第１の出力レベルの前記高密度プラズマに前記第２のウエハを曝露する工程と、
前記高密度プラズマに前記第２のウエハを曝露する間に前記処理室内にフルオロ珪酸塩ガラスを堆積させる工程と、
前記誘電体層の堆積の間に前記第１の出力レベルの前記高密度プラズマに前記第２のウエハを曝露する前に、珪酸ガラスを導入する工程と
を含む高密度プラズマ処理室内の半導体ウエハ堆積工程の処理量を改善する方法。
【請求項２】
前記珪酸ガラスは未ドープの珪酸ガラスである請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の前記高密度プラズマに前記第２のウエハを曝露する前に、前記処理室内にフッ素バリアを堆積させる工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記フッ素バリアは珪素を豊富に含有する酸化物層を含む請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第２のウエハを除去する工程、および
前記処理室を清掃する工程
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
高密度プラズマ処理室内に第１のウエハを設置する工程と、
高密度プラズマに前記第１のウエハを曝露する工程と、
前記高密度プラズマに前記第１のウエハを曝露する間に、前記処理室内にフルオロ珪酸塩ガラスを導入して誘電体層を堆積する工程と、
前記第１のウエハを除去する工程と、
前記高密度プラズマ処理室内に第２のウエハを設置する工程と、
前記第２のウエハを加熱することなく前記処理室内にフッ素バリアを堆積させる工程と、
前記処理室内に無酸素環境を作る工程と、
前記第２のウエハを加熱する工程と、
高密度プラズマに前記第２のウエハを曝露する工程と、
前記高密度プラズマに前記第２のウエハを曝露する間に、前記処理室内にフルオロ珪酸塩ガラスを導入する工程と
を含む高密度プラズマ処理室内の半導体ウエハ堆積工程の処理量を改善する方法。
【請求項７】
前記フッ素バリアは珪素を豊富に含有する酸化物層を含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記珪素を豊富に含有する酸化物層はＳｉＯ１．９を含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記無酸素環境を作る工程は、前記処理室にアルゴンを導入する工程を含む請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２のウエハを除去する工程、および
前記処理室を清掃する工程
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記処理室内のフルオロ珪酸塩ガラス残留物を焼き尽くすのに十分な高出力含む工程を用いて、前記高密度プラズマ処理室内で第１のウエハを処理する工程と、
前記第１のウエハを除去し、かつウエハ間で前記処理室を清掃することなく同じ工程を用いてさらなるウエハを処理する工程とを含む高密度プラズマ処理室内の半導体ウエハ堆積工程の処理量を改善する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体素子に関し、特に、半導体素子製造工程で発生する半導体素子汚染問題を低減する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は２００４年２月５日に出願された米国仮出願第６０／５４２，００６号の利益を主張するものである。
汚染は半導体素子製造工程において遭遇する一般的な問題である。ある半導体素子製造工程では、多層半導体ウエハの表面上にフルオロ珪酸塩ガラス（ＦＳＧ）を堆積させて、珪素およびフッ素を含有する前駆物質から成る高密度プラズマ（ＨＤＰ）にそのウエハを曝露させることによってウエハ内の導体間に中間層誘電体を形成する工程を含む。ＨＤＰ工程には、スパッタリング蒸着および典型的には約１６０００Åの誘電体層を半導体ウエハ上に形成するのに使用される化学組成を含むことがある。ＦＳＧのスパッタリングはウエハに電気的バイアスを印加することによって制御できる。ウエハに高いバイアスを印加する場合、スパッタリングが堆積物の一部を除去するので堆積速度は低くなる。一旦誘電体がウエハの導体ラインの間を充填すると、堆積速度を上昇できるように印加されたバイアスは低減または停止してよい。これはバイアスをより低くしても、表面上のイオン衝突が高速にならず、スパッタリングが低減するためである。導体ライン間の空隙を充填するためには、スパッタリングにこのバイアスが必要となる場合がある。この工程ではＦＳＧを用いて化学的エッチングを行うこともできる。
【０００３】
堆積工程に用いられる典型的な誘電体はＳｉＨ４＋Ｏ２、および時にはアルゴンである。このガス混合物にＳｉＦ４を添加すると、実際の誘電体はＳｉｘＯｘＦ２になる。ＦＳＧはそのような半導体の電気的特性を改善する誘電体の誘電率を低下させる。例えば、ＦＳＧを使用すれば、誘電率を約４から約３．７まで下げることができる。ＨＤＰ工程では、約４００℃までウエハを加熱するように設計された酸素および／またはアルゴン・プラズマが典型的には導入される。このＨＤＰ工程は酸素のみ、アルゴンのみ、あるいはこの２つの混合物を用いて行ってもよい。
【０００４】
誘電体としてＦＳＧを用いることにより生じる問題の１つは、ＦＳＧは、誘電体の外に拡散しかつ半導体の金属層あるいはその他の層を攻撃するフッ素を放出し得ることにある。このフッ素は堆積処理室内に堆積した副産物の表面上または副産物内にも存在するので、処理室内の次のウエハ処理がこのフッ素によって結果的に汚染される恐れがある。この問題の１つの解決策は、処理室内のウエハ表面を、フッ素拡散に対する拡散バリアとして機能するＳｉＯ１．９などの珪素を豊富に含有した酸化物層で被覆することである。別の解決策は、堆積されるＦＳＧ層のフッ素含有量を低減することであろうが、この方法は層の誘電率を所望の値まで低下させるＦＳＧの能力を制限すると思わるために望ましくないであろう。
【０００５】
処理室内で処理されるウエハへのフッ素汚染を防ぐ、示されてきた別の解決策は、フッ素汚染が除去されるようにエッチング・ガスを用いてＨＤＰ処理室を清掃することである。清掃後、残留フッ素を除去するためにシラン・ガスを用いて処理室が一掃され得、処理室壁を保護し、かつ壁および処理キット上のその他の残留フッ素化合物を覆うために、次に処理室壁が二酸化珪素で被覆され得る。
【０００６】
上記のように処理室が清掃された後、汚染に晒されることなくウエハを処理室内で処理することができる。時間を節約するために、第１のウエハを処理した後に処理室の清掃を行わずに第２のウエハが処理されてよい。しかし、清掃せずに処理された第２のウエハはフッ素で汚染され、その結果として第２のウエハの電気的欠陥率が高くなるかもしれないということが明らかとなっている。この問題はフッ素を含有する処理室壁および処理室の部品と反応する高密度プラズマから生じて、ＦＳＧを堆積させる前に好ましくないフッ素を含有する材料をウエハ上に堆積させることになると考えられている。例えば、プラズマを導入して清掃していない処理室内で第２のウエハを加熱した後、その処理室を用いて、ＦＳＧ内の活性フッ素から金属を保護するように設計されたであろうウエハの金属上に珪素を豊富に含有する層が堆積される。しかし、最初の加熱工程が処理室内のフッ素を金属上に堆積させたかもしれないので、珪素を豊富に含有する層が既に金属上に存在するフッ素をちょうどオーバーコートしたかもしれない。
【０００７】
図１は高密度プラズマ工程中に第２のウエハ１０上に発生する、珪素を豊富に含有する層の下に形成されたフッ素を豊富に含有する膜によって引き起こされた汚染１２の結果を示す。図２は珪素を豊富に含む酸化物のエッチ・アウトによって引き起こされる別の形態の汚染１２を示す。汚れた処理室内で処理される第２のウエハの欠陥を分析したところ、ウエハの欠陥はウエハ上に均一に広がるものではなく、ウエハの端部を囲む最初の円形パターン内に発生したことが分かった。このパターンは、汚染が処理室壁以外の源に由来しているかもしれないということを示唆している。
【０００８】
この問題をさらに分析したところ、処理室壁はアルミニウムおよび酸化アルミニウムなどの金属およびセラミック材料であり、それぞれ、ウエハを処理室内に設置したとき、ウエハはウエハを支持する固定具上に置かれ、固定具のそのような露出部分は酸化アルミニウムのセラミック・リングによってプラズマから保護されていることが分かった。セラミックで被覆された固定具の部分は円形であり、かつ処理室内に設置されたウエハの端部を越えて延びているので、出願者らはウエハ表面上の欠陥のパターンは、汚染材料は処理室壁から引き出されたフッ素ではなく、セラミック製の固定具から引き出されたフッ素であったかもしれないと仮定した。さらに詳細には、出願者らはウエハ用のそのセラミック製支持用固定具または処理キットの表面積は凹凸のために大きくなり、キットが使用されるにしたがってウエハ上に堆積され得るフッ素をさらに捕らえると判断した。図３〜６は高密度プラズマ処理室内でウエハを支持するのに使用される処理キット１４の写真であり、フッ素に汚染された材料の剥離によって生じた汚染物１２の様々な量を示している。図７は、ウエハが処理される処理室１６を示す写真であり、汚染がセラミック製処理キットに局限していることが分かる。
【特許文献１】米国仮出願第６０／５４２，００６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように、処理室を完全に清掃する前に第２または他のウエハを処理室内で処理する場合に問題が生じる。しかし、処理量を増大し、ウエハの製造コストを低減するためには、前もって清掃する工程が必要である。本発明は各ウエハ間の処理室の清掃工程を実行する必要なく複数のウエハを処理できるこの問題の解決方法に向けられたものである。
【００１０】
以下の詳細な説明は単に例示的かつ説明的なものであって、主張されるような本発明を制限するものとして解釈されるべきではないことを理解するべきである。本発明のこれらおよび他の態様、特徴、ならびに利点は、好適な実施形態の以下の説明および添付の特許請求の範囲を読めば明白となろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、特に、第１のウエハが処理された後にＨＤＰ処理室内で処理される第２またはさらなるウエハのために、ウエハ汚染を低減させることにより、フッ素酸化物堆積工程における高密度プラズマ処理室内の半導体ウエハ堆積工程の処理量を改善する、革新的な解決策を開発した。本発明の一実施形態では、汚染を低減させる工程は、第２のウエハを処理室内に設置する前に処理室を酸素プラズマに曝露させる工程を含む。この方法は処理室内の材料内に捕らえられた任意のＦＳＧまたは遊離フッ素を除去するか、あるいはそれと反応してもよく、この工程は処理室の製造工程の処理量に影響を及ぼす可能性がある。これはその方法が各ウエハの処理の後に処理室の清掃を必要とするためである。
【００１２】
別の実施形態では、汚染を低減させる工程は、第２のウエハを処理室内に設置する前に未ドープ二酸化珪素膜を堆積させる工程を含む。この工程は、一旦第１のウエハを除去した後に、処理室を遮断して、未ドープの酸化珪素を、それが堆積し、処理室内の他の材料のすべてを「乾燥して」保護膜を提供し、かつフッ素または他の汚染物質がＦＳＧ堆積工程などの次の高密度プラズマ操作中に放出されるのを防ぐように、プラズマ処理室に導入することを必要とするのみである。
【００１３】
図８に示した別の実施形態では、汚染を低減させる工程は、二段階ＦＳＧ工程を用いることを含む。特に、この工程はＨＤＰを用いた第１の工程にＦＳＧを導入する工程、および次にウエハに印加される電気的バイアスを低減して、未ドープの珪素ガラスまたはＦＳＧを導入する第２の工程を含む。第２の工程は、高出力が工程の第１の部分においてＦＳＧから処理室内にある残留物を焼き尽くすのに十分になるように、より高出力、より低い電気的バイアスで実施して汚染を除去してよい。この二段階ＦＳＧ工程を用いれば、全体的な半導体製造工程を中断する必要がなく、全体的な工程にさらなる時間を加える必要もない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図８に示すように、本方法は第１のウエハを高密度プラズマ処理室１８内に設置し、第１のウエハ２０に第１の電気的バイアスを印加し、次いでこの第１のウエハを第１の出力レベル２２の高密度プラズマに曝露する工程を含む。この方法は第１のウエハを第１の出力レベルで高密度プラズマに曝露する間にフルオロ珪酸塩ガラスを処理室内に堆積させて誘電体層２４を堆積させ、第１の電気的バイアスよりも低い第２の電気的バイアスを第１のウエハ２６に印加し、かつ第２の出力レベルが先行する堆積工程の間に処理室内で堆積されたフッ素残留物を焼き尽くすのに十分高くなるように、第１の出力レベル２８よりも高い第２の出力レベルの高密度プラズマに第１のウエハを曝露する工程をさらに含む。
【００１５】
フッ素残留物を焼き尽くした後、本方法は第１のウエハ３０を除去し、第２のウエハを高密度プラズマ処理室３２内に設置する工程を含む。次に本方法は第２のウエハ３４に第２の電気的バイアスを印加し、第１の出力レベル３６の高密度プラズマに第２の第２のウエハを曝露し、かつ誘電体層３８を堆積させる間に、第１の出力レベルの高密度プラズマに第２のウエハを曝露する間にフルオロ珪酸塩ガラスを処理室内に堆積させる工程を含む。所望の堆積時間間隔の後、本方法は、誘電体層４０を堆積させる間に、第２の出力レベルの高密度プラズマに第２のウエハを曝露する間にフルオロ珪酸塩ガラスを導入する工程を含む。
【００１６】
図９に示した別の実施形態では、処理量を改善し、かつ汚染を低減させる工程は、フルオロ珪酸塩ガラスを用いた堆積前などの、第２のウエハを処理室内に設置した直後でかつＨＤＰ工程においてウエハを加熱する前に、フッ素バリアを堆積させる工程を含む。このフッ素バリアはＳｉＯ１．９などの珪素を豊富に含有する層であってよく、高密度プラズマ工程を用いて堆積されてよい。この工程の後、珪素を豊富に含有する層を酸化させず、かつそのフッ素拡散バリア特性を変成させないように、ウエハの加熱は無酸素プラズマ内で行われるべきである。例えば、この加熱工程はアルゴン・プラズマ内で行われてよい。上記の二段階ＦＳＧ工程を実行する前に、このフッ素保護工程を用いてもよい。
【００１７】
図９に示すように、本方法は、高密度プラズマ処理室４２内に第１のウエハを設置し、高密度プラズマ４４に第１のウエハを曝露し、高密度プラズマに第１のウエハを曝露している間に処理室内にフルオロ珪酸塩ガラスを導入して誘電体層４６を堆積させ、かつ所望の堆積が完了した後に第１のウエハ４８を除去する工程を含む。
【００１８】
本方法は、高密度プラズマ処理室５０内に第２のウエハを設置し、第２のウエハ５２をを加熱せずに処理室内にフッ素バリアを堆積させ、かつ処理室５４内に無酸素環境を作る工程をさらに含む。本方法は、第２のウエハ５６を加熱し、高密度プラズマ５８に第２のウエハを曝露し、かつ誘電体層６０を堆積させる間に高密度プラズマに第２のウエハを曝露する間に処理室内にフルオロ珪酸塩ガラスを導入する工程をさらに含む。
【００１９】
本発明のいくつかの実施形態およびその利点を詳細に説明してきたが、本発明の教示、添付の特許請求の範囲に定めた本発明の精神および範囲から逸脱することなく、変形、変更、置換、変換、修正、変化、および改変が本発明になされてよいことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】高密度プラズマ工程において第２のウエハ上に行われる珪素を豊富に含有する層の下に形成されるフッ素を豊富に含有する膜によって生じる汚染の結果を示す写真である。
【図２】珪素を豊富に含有する酸化物のエッチ・アウトによって生じる汚染の別の形態を示す写真である。
【図３】ウエハ・チャックの露出部分を被覆するのに使用される処理キットを示す写真であり、フッ素で汚染された材料の剥離によって生じた汚染物の様々な量を示す。
【図４】ウエハ・チャックの露出部分を被覆するのに使用される処理キットを示す写真であり、フッ素で汚染された材料の剥離によって生じた汚染物の様々な量を示す。
【図５】ウエハ・チャックの露出部分を被覆するのに使用される処理キットを示す写真であり、フッ素で汚染された材料の剥離によって生じた汚染物の様々な量を示す。
【図６】ウエハ・チャックの露出部分を被覆するのに使用される処理キットを示す写真であり、フッ素で汚染された材料の剥離によって生じた汚染物の様々な量を示す。
【図７】ウエハが処理される処理室を示す写真であり、汚染がセラミック製処理キットに局限していることが分かる。
【図８】フッ素酸化物堆積工程においてウエハ汚染を低減させる工程を示すフローチャートである。
【図９】フッ素酸化物堆積工程においてウエハ汚染を低減させる工程を示すフローチャートである。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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