JP2006339523A - Cleaning method for semiconductor processing apparatus and etching method for high dielectric constant oxide film - Google Patents
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Abstract
【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1When cleaning a deposit made of a high dielectric constant oxide deposited in a chamber of a semiconductor processing apparatus or etching a high dielectric constant oxide film formed on a substrate, the deposit or the high dielectric constant oxidation is performed. The film can be efficiently removed or etched, and deterioration of members constituting the remote plasma generator can be suppressed.
At least one of a non-reactive gas such as argon, an oxygen atom supply gas such as oxygen, and an oxidizing gas such as nitrogen oxide is activated in a remote plasma generator 12 to obtain a gas containing active species. This gas is introduced into the chamber 1 together with a halogen-based gas such as boron trichloride.
[Selection] Figure 1
Description
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。 The present invention relates to a method for cleaning a chamber of a semiconductor processing apparatus for forming a high dielectric constant oxide film and a method for etching a high dielectric constant film on a silicon substrate.
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。
An attempt has been made to reduce the driving current by using a high dielectric constant film having a higher relative dielectric constant than a conventional silicon oxide film as a gate insulating film of a field effect transistor, and reducing the thickness of the gate insulating film. .
Specifically, SiON has been widely used as such a gate insulating film. However, miniaturization of device processing size is progressing for higher performance of transistors, and accordingly, the thickness of the gate insulating film is reduced. At present, the thickness of the gate insulating film is several nanometers or less, which is a limit film thickness that maintains the insulating property. Recently, examples of high-permittivity insulating films that are effective include those containing hafnium such as HfO 2 , HfSi x O y , HfAl x O y , and HfSiAl y O z .
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。 These high dielectric constant films are formed on the substrate by chemical vapor deposition (CVD), atomic layer deposition (ALD), or the like. However, it is sufficient that a high dielectric constant film is formed only on a substrate disposed at a predetermined position in a chamber of a semiconductor processing apparatus. Actually, however, the inner wall surface of the chamber or the periphery of a substrate holder on which the substrate is placed, etc. High dielectric constant film adheres or deposits.
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。
As a result, the deposits are peeled off by rolling up due to gas flow or the like and become particles, which adheres to the substrate during film formation, leading to defects in the device product or failure of the semiconductor device.
For this reason, the chamber of the semiconductor processing apparatus must be periodically cleaned.
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。
As a cleaning method for this purpose, there is a method of scraping off deposits, which is not preferable because it takes time and labor and may damage the inner wall surface of the chamber.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-146787 discloses the following chamber cleaning method.
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。 That is, in this prior invention, a remote plasma generator is placed at a position away from the chamber of the semiconductor processing apparatus, and an oxygen atom supply gas such as O 2 and a chlorine-based gas such as BCl 3 are introduced into the remote plasma generator. In this method, active species are generated by plasma, and a gas containing the active species is sent into the chamber to remove deposits adhering to the chamber.
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。
However, there is a problem that the active species generated in the remote plasma generator are inactivated until the active species arrive in the chamber, the active species are reduced, and the deposit removal efficiency is insufficient.
In addition, since the chlorine-based gas is introduced into the remote plasma generator and activated, members such as a reaction tube of the remote plasma generator may be deteriorated by the active species of the chlorine-based gas.
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。
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。 Therefore, an object of the present invention is to remove deposits when cleaning deposits made of high dielectric constant oxide deposited in a chamber of a semiconductor processing apparatus or etching a high dielectric constant oxide film formed on a substrate. Alternatively, the high dielectric constant oxide film can be efficiently removed or etched, and deterioration of members constituting the remote plasma generator can be suppressed.
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。
To solve this problem,
The invention according to
It is characterized in that at least one of a non-reactive gas, an oxygen atom supply gas and an oxidizing gas is activated in a remote plasma generator to be a gas containing active species, and this gas is introduced into a chamber together with a halogen-based gas. A method for cleaning a semiconductor processing apparatus.
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。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a cleaning method for a semiconductor processing apparatus according to the first aspect, wherein a gas containing active species and a halogen-based gas are mixed and introduced into the chamber.
According to a third aspect of the present invention, there is provided the semiconductor processing apparatus cleaning method according to the first aspect, wherein the gas containing the active species and the halogen-based gas are separately introduced into the chamber.
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。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the semiconductor processing apparatus cleaning method according to the first aspect, wherein the semiconductor processing apparatus is formed by a CVD method or an atomic layer deposition method. It is.
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。
The invention according to
It is characterized in that at least one of a non-reactive gas, an oxygen atom supply gas and an oxidizing gas is activated in a remote plasma generator to be a gas containing active species, and this gas is introduced into a chamber together with a halogen-based gas. This is a method for etching a high dielectric constant oxide film.
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。
The invention according to
The invention according to claim 7 is the method of etching a high dielectric constant oxide film according to
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。 According to an eighth aspect of the present invention, in the semiconductor processing apparatus, the high dielectric constant oxide film according to the fifth aspect is formed by a CVD method or an atomic layer deposition method. This is an etching method.
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。 In the present invention, an active species having a long active life is generated by introducing any one of a non-reactive gas, an oxygen atom supply gas, and an oxidizing gas into the remote plasma generator. For this reason, the decrease in activity during the introduction of the active species having a long active lifetime into the chamber is reduced. Then, in the chamber or immediately before it, the halogen-based gas is activated in contact with the halogen-based gas in a highly active state, and the deposit or the oxide film comes into contact with the active species at a high concentration. Therefore, the deposit cleaning or etching can be efficiently performed.
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。 Furthermore, since no halogen-based gas is introduced into the remote plasma generator, the components of the remote plasma generator are not deteriorated.
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。
FIG. 1 shows an example of an apparatus used in the cleaning method of the present invention. In FIG. 1,
A
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。
In the upper part of the
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。
Further, one end of a tube 9 is connected to the side wall of the
One end of a
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。
The
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。
As the
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。
Further, a film forming
The
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。
Next, a cleaning method using this apparatus will be described.
Prior to cleaning, a high dielectric constant oxide film is formed on the
In the CVD method, the
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。
In the ALD method, the
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。
The high dielectric constant oxide forming this deposit is, for example, HfO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , HfSi x O y , HfAl x O y , ZrSi x O y , ZrAl x O y (where, x, y Is a number greater than 0) and nitrogen content of these compounds (eg HfO x N y , HfSi x O y N z , HfAl x O y N z ) (where x, y, z are numbers greater than 0) These oxides are also formed on the
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。
Next, the
First, non-reactive gas (Ar, N 2 , He, Kr, Xe), oxygen atom donating gas (O 2 , O 3 , H 2 O, H 2 O 2 , CO x , SO x, NO x), oxidizing
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。
The gas containing the active species is sent into the
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。
In the
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。
By the way, the active species of the halogen-based gas reacts well with the high dielectric constant oxide to form a volatile compound and exhibits a good cleaning effect, but has a short active life.
For this reason, in the cleaning method of the present invention, active species of a halogen-based gas having a short active lifetime is generated in the chamber 1 (in-situ) so that the activity is effectively used.
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。
In addition, non-reactive gas, oxygen atom donating gas, oxidizing gas supplied to the remote plasma generator, and CF gas such as CF 4 , C 2 F 6 , C 3 F 8 , C 4 F 6 , A PFC gas of ClF 3 , F 2 , SF 6 , COF 2 can also be added.
In particular, by adding these gases, it becomes very effective for cleaning and etching of high dielectric constant oxide films containing silicon such as HfSi x O y , ZrSi x O y , and these nitrogen-containing compounds.
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。
FIG. 2 shows another example of an apparatus used in the cleaning method of the present invention. The same components as those shown in FIG.
In this example, a tube 9 for flowing a halogen-based gas from a halogen-based
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。
In this case, it goes without saying that the joining point is preferably close to the supply unit of the
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。
The etching method of the present invention is basically the same as the above-described cleaning method. After a high dielectric constant oxide film is formed on the
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。
Specific examples are shown below.
(Example 1)
The cleaning effect was confirmed using the apparatus shown in FIG.
A
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。
The pressure in the
When the etch rate of the HfO 2 film on the substrate was determined by ellipsometry, it was 30 nm / min.
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。
For comparison, when oxygen and BCl 3 were mixed and sent to a remote plasma generator and activated to be introduced into the
As a result, it has been found that the method of the present invention has an etching action superior to that of the prior invention.
(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。
(Example 2)
In Example 1, the
The results are shown in Table 1.
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。
From the results in Table 1, it can be seen that heating the
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
1 .... Chamber, 5 .... Substrate, 10 .... Halogen gas supply source, 12 .... Remote plasma generator, 13 .... Excitation gas supply source
Claims (8)
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。 In a cleaning method for removing deposits made of a high dielectric constant oxide generated in a chamber of a semiconductor processing apparatus,
It is characterized in that at least one of a non-reactive gas, an oxygen atom supply gas and an oxidizing gas is activated in a remote plasma generator to be a gas containing active species, and this gas is introduced into a chamber together with a halogen-based gas. A method for cleaning a semiconductor processing apparatus.
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。 In a method of etching a high dielectric constant oxide film formed on a substrate,
It is characterized in that at least one of a non-reactive gas, an oxygen atom supply gas and an oxidizing gas is activated in a remote plasma generator to be a gas containing active species, and this gas is introduced into a chamber together with a halogen-based gas. A method of etching a high dielectric constant oxide film.
6. The method for etching a high dielectric constant oxide film according to claim 5, wherein the semiconductor processing apparatus is formed by a CVD method or an atomic layer deposition method.
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