JP3566522B2 - Plasma cleaning method in plasma processing apparatus - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，半導体装置の製造工程において，ＣＶＤ等の成膜やエッチング装置等の半導体製造装置の処理室内のドライクリーニング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程において，塵埃（異物）が基板に付着すると，目的のデバイスのパターン欠陥を引き起こし，製造工程における歩留まりを低下させる。一方，近年の製造工程の微細加工においては，プラズマを利用するドライエッチングプロセスが重要になっている。すなわち，各種ガスを半導体製造装置内に導入し，導入したガスのプラズマの反応を利用してエッチングを行うものである。このようなプロセスでは，エッチングにともなって発生する生成物が半導体製造装置内壁のいたるところに堆積膜となって付着する。すなわちドライエッチングおいてはエッチングガスがプラズマ中で分解や結合されること，また，エッチングにより生成されるエッチング副生成物により装置内壁に堆積膜が付着する。このような堆積膜は，処理枚数が増加し膜厚が厚くなると部分的に剥離して塵埃となる。
【０００３】
そこで，これらの付着堆積物を定期的に除去する必要が生じる。
【０００４】
従来，このような付着堆積物の除去方法としては，半導体製造装置を大気開放してアルコールや純水等の溶媒を用いて拭き取る，いわゆるウェットクリーニングと，クリーニング用のプラズマを用いてクリーニングするプラズマクリーニングが知られている。プラズマクリーニング方法の例としては，特表平７−５０８３１３号に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来のクリーニング方法は以下に示す課題がある。
【０００６】
まず，ウェットクリーニングに関しては，半導体製造装置を大気開放し分解する必要があるためウェットクリーニング後の真空排気が必要となる。したがって，クリーニング毎に長時間半導体製造装置を停止させることとなり，著しい装置稼働率の低下，スループットの低下を引き起こす。
【０００７】
これらのウェットクリーニングの欠点を改善する方法として，特表平７−５０８３１３号に示されたように，処理チャンバを大気開放せずにプラズマを用いて行うプラズマクリーニングが知られている。
【０００８】
プラズマクリーニングは，除去対象である堆積物に対して，堆積物と反応して蒸気圧の高い化合物し，結果的には蒸発・真空排気して除去することにより行われる。例えば堆積物が炭素化合物であれば，Ｏ２ガスのプラズマと反応させ，気体であるＣＯ，ＣＯ２にして除去するというように行われる。ドライエッチング装置における残留堆積物は，エッチング対象が多種類の金属の積層膜の連続エッチングによるもの，マスク材料であるフォトレジストによる有機物，エッチングガスの重合物からなる複雑な混合物であり，どのようなプラズマを選択しクリーニングを行うかで，残留堆積膜を除去できるかどうかが決まる。特表平７−５０８３１３号では，酸素ガスと塩素ガスを含む混合ガスをプラズマ化しクリーニングを行うものであり，有機物除去を酸素ガスプラズマに，金属化合物除去を塩素ガスプラズマにより行うことでクリーニング効果を向上させることを狙いとしている。
【０００９】
しかしながら，本願の発明者の分析によれば，アルミ合金，あるいはアルミ合金を含む金属の積層膜を，三塩化ホウ素と塩素の混合ガスでエッチングした場合，装置内壁に残留する堆積膜は，アルミ合金と塩化ホウ素の混合物となっている。アルミ合金は金属配線としては最も一般的であり多く用いられており，またこれをエッチングするために三塩化ホウ素と塩素の混合ガスは最も一般的であり多く用いられる。先に示した従来例は，有機物と金属との混合物からなる残留堆積膜のクリーニングには有効であると考えられるが，このような塩化物と金属との混合物には有効性が低いと考えられる。
【００１０】
本発明の目的は，半導体素子の金属配線として最も一般的であり多く用いられるアルミ合金のエッチング装置に有効であるプラズマクリーニング方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的は，プラズマクリーニングに，少なくとも酸素ガスプラズマによるクリーニングと，塩素と三塩化ホウ素の混合ガスのプラズマによるクリーニングの工程とを有するクリーニングを実施することにより達成される。
【００１２】
また，酸素ガスプラズマによるクリーニングは，塩素と三塩化ホウ素の混合ガスのプラズマによるクリーニングよりも前に行われることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明のプラズマクリーニング方法の実施例について図に従って詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係るドライクリーニング方法に使用されたマイクロ波エッチング装置の処理室を示す。また，図２には処理室内に残留した堆積膜の組成を示す模式図を，図３には残留堆積膜が除去されていく様子を表わす模式図を示す。
【００１５】
図１において１は，微細加工を施すシリコンウエハ（基板），２，３は各々，石英ベルジャー，メインチャンバーであり，真空雰囲気を作る。４は真空排気のための排気口，５はエッチング，あるいはプラズマクリーニングのためのガス導入口である。６は，ウエハを固定保持する基板ステージであり，７はウエハをクランプするメカクランパーである。ウエハをステージに支持する手段は，静電吸着手段を用いても良い。８はアース板であり，９はウエハステージ６にＲＦバイアスを印加するための高周波電源である。
【００１６】
マイクロ波エッチング装置は，まず，高真空排気後にプラズマ生成用のガスを導入する。そして，マイクロ波１０をマグネトロン（図示しない）から発振，導波管１１を通して石英ベルジャ３（処理室）内に導入して，処理室の周囲に配置されたソレノイドコイル１２により形成する磁場との共鳴（ＥＣＲ）により，処理室のガスをプラズマ化し，そのプラズマ１４を利用してエッチングを行う。アース８とウエハステージ６との間には，イオンを引き込むことにより異方性エッチングを行う目的で，高周波電源９によりＲＦバイアス電力が印加される。
【００１７】
ところで，半導体素子の金属配線材料としては，アルミニウムもしくはアルミニウムに銅やシリコンなどが添加された合金が最も一般的であり多く用いられている。最近ではマイグレーション耐性の向上やリソグラフィでの反射防止のために，アルミニウム配線の下や上に窒化チタンＴｉＮを敷き多重金属層とすることが多くなっている。
【００１８】
これらをエッチングするためには，塩素Ｃｌ２と三塩化ホウ素ＢＣｌ３の混合ガスが最も一般的であり多く使われている。エッチングはエッチング対象である膜材料に対して，膜材料と反応して蒸気圧の高い化合物になるガスのプラズマが用いられる。すなわち，プラズマを発生させ物理的に叩くだけではなく化学的に反応させ，最終的には蒸発・真空排気してエッチングを進行させる。例えばアルミニウム合金に対しては，Ｃｌ２ガスプラズマにより蒸気圧の高い三塩化アルミニウムＡｌＣｌ３を生成させてエッチングを進行させる。この際，アルミニウム合金の表面にはアルミニウムの酸化層ができており，これを貫き易くするために塩素Ｃｌ２ガスに三塩化ホウ素ＢＣｌ３を混合させるのが一般的である。
【００１９】
本願の発明者の分析によれば，アルミニウム合金単膜，あるいは窒化チタン／アルミ合金／窒化チタンの積層膜を，塩素Ｃｌ２と三塩化ホウ素ＢＣｌ３の混合ガスでエッチングした場合，装置内壁に残留する堆積膜１３は，アルミニウムと塩化ホウ素ＢＣｌｘの混合物となっており，特に塩化ホウ素の割合が多いことが明らかになった。処理室内に残留した堆積膜の組成を示す模式図を図２に示す。
【００２０】
アルミニウムの残留堆積物に対しては，エッチングの場合と同様にＣｌ２ガスプラズマにより蒸気圧の高いＡｌＣｌ３を生成して除去することが行われる。ただし，残留堆積物は純粋にアルミニウムだけから成るのではなく，マスク材料であるフォトレジストからの有機物やエッチングガスの重合物からなる複雑な混合物であり，塩素ガスによるプラズマクリーニングをいかに有効に働かせるかが，残留堆積膜除去の決め手となる。残留堆積物は，図２の模式図に示したように塩素がアルミニウムを包み込むような形となるために塩素によるプラズマクリーニングは有効に働かず，残留堆積物の除去はできない。
【００２１】
本発明のプラズマクリーニングの働きを表わす模式図を図３に示す。本発明によれば，一連のプラズマクリーニングの工程の中に，酸素Ｏ２ガスプラズマによるクリーニング工程と，塩素Ｃｌ２と三塩化ホウ素ＢＣｌ３の混合ガスのプラズマによるクリーニングの工程が含まれている。Ｏ２ガスプラズマを塩化物に当てると酸素と塩素は置換され，塩素が気化される。すなわち，ＢＣｌｘ ＋ Ｏ２ → ＢＯ ＋ Ｃｌ２の反応がおこり，Ｃｌ２ガスとしてメインチャンバ３から除去・真空排気される。さらに，ＢＣｌｘの形の堆積物はＣｌ分子が取れることによりＢＣｌ３となり除去され，残留堆積膜中に含まれるＡｌもその一部がＡｌＣｌ３となり除去される。
【００２２】
このようなＯ２ガスプラズマによる酸素と塩素の置換によって，アルミニウムを囲んでいた塩素がなくなる。この時，酸素のプラズマが当てられるたためにアルミニウムの表面は酸化される。ここで，塩素Ｃｌ２と三塩化ホウ素ＢＣｌ３の混合ガスのプラズマによるクリーニングを行うことによって，残ったアルミ酸化物の除去を行うことができる。アルミニウムが酸化物になっている場合には，Ａｌ−Ｃｌの原子間結合エネルギーよりもＡｌ−Ｏの原子間結合エネルギーの方が大きいために，Ｃｌ２単独のプラズマではＡｌＣｌ３が生成できずクリーニングによる除去はできない。そこで，Ａｌ−Ｏの原子間結合エネルギーよりも， 酸素に対する原子間結合エネルギーが大きいＢを含むガス，Ｂｃｌ３をＣｌ２ガスに混ぜたプラズマを用いることにより，Ａｌ−ＯからＯを引き抜き，Ｃｌ２によるクリーニングを有効にすることができる。
【００２３】
したがって，酸素ガスプラズマによるクリーニングは，少なくとも塩素と三塩化ホウ素の混合ガスのプラズマによるクリーニングよりも前に行われることが必要である。この場合，酸素ガスプラズマによるクリーニングと塩素と三塩化ホウ素の混合ガスのプラズマによるクリーニングは連続して行われてもよいし，その間に例えばフッ素系ガスのプラズマクリーニング等，他のプラズマクリーニング工程が入ってもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば，プラズマ処理装置の内壁に付着した残留堆積膜を効率的に除去することができる。これにより，堆積膜厚の増加（処理枚数の増加）にともなう，堆積膜の剥離，これによる塵埃の発生を防止することが可能となり，製造工程における歩留まりの向上，製造装置の稼働率向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したプラズマ処理装置を示す図である。
【図２】処理室内に残留した堆積膜の組成を示す模式図である。
【図３】本発明のプラズマクリーニングにより残留堆積膜が除去されていく様子を表わす模式図である。
【符号の説明】
１…ウエハ、２…石英ベルジャー、３…メインチャンバー、４…真空排気口、５…ガス導入口、６…ウエハステージ、７…ウエハクランパ、８…アース、９…高周波電源、１０…マイクロ波、１１…導波管、１２…ソレノイドコイル、１３…残留堆積物、１４…プラズマ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a dry cleaning method in a processing chamber of a semiconductor manufacturing apparatus such as a film forming apparatus such as CVD or an etching apparatus in a semiconductor device manufacturing process.
[0002]
[Prior art]
When dust (foreign matter) adheres to a substrate in a semiconductor device manufacturing process, a pattern defect of a target device is caused, and the yield in the manufacturing process is reduced. On the other hand, in microfabrication in a manufacturing process in recent years, a dry etching process using plasma has become important. That is, various gases are introduced into the semiconductor manufacturing apparatus, and etching is performed by utilizing the reaction of the plasma of the introduced gases. In such a process, products generated by the etching are deposited as deposited films everywhere on the inner wall of the semiconductor manufacturing apparatus. That is, in dry etching, the etching gas is decomposed or combined in the plasma, and a deposited film adheres to the inner wall of the device due to an etching by-product generated by the etching. When the number of processed films increases and the film thickness increases, such a deposited film partially peels off and becomes dust.
[0003]
Therefore, it is necessary to periodically remove these deposits.
[0004]
Conventionally, methods for removing such deposits include so-called wet cleaning, in which a semiconductor manufacturing apparatus is opened to the atmosphere and wiped using a solvent such as alcohol or pure water, and plasma cleaning in which cleaning is performed using a cleaning plasma. It has been known. An example of the plasma cleaning method is disclosed in JP-T-7-508313.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional cleaning method has the following problems.
[0006]
First, with respect to wet cleaning, it is necessary to open the semiconductor manufacturing apparatus to the atmosphere and disassemble the semiconductor manufacturing apparatus, so that evacuation after wet cleaning is required. Therefore, the semiconductor manufacturing apparatus is stopped for a long time for each cleaning, which causes a remarkable decrease in the operation rate of the apparatus and a decrease in throughput.
[0007]
As a method of improving these disadvantages of the wet cleaning, a plasma cleaning using plasma without opening a processing chamber to the atmosphere is known as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-508313.
[0008]
The plasma cleaning is performed by removing a deposit to be removed by reacting with the deposit to form a compound having a high vapor pressure and, as a result, evaporating and evacuating the deposit. For example, if the deposit is a carbon compound, it is reacted with plasma of O2 gas to remove CO and CO2 as gases, and then removed. Residual deposits in dry etching equipment are complex mixtures consisting of a series of multi-layered metal films etched continuously, organic materials based on photoresist as a mask material, and polymers of etching gas. Whether cleaning can be performed by selecting the plasma determines whether the residual deposited film can be removed. In Japanese Patent Publication No. Hei 7-508313, cleaning is performed by converting a mixed gas containing oxygen gas and chlorine gas into plasma and performing cleaning by removing organic substances with oxygen gas plasma and removing metal compounds with chlorine gas plasma. It aims to improve.
[0009]
However, according to the analysis of the inventor of the present application, when an aluminum alloy or a laminated film of a metal containing an aluminum alloy is etched with a mixed gas of boron trichloride and chlorine, the deposited film remaining on the inner wall of the apparatus is an aluminum alloy. And boron chloride. Aluminum alloys are the most common and widely used metal wiring, and a mixed gas of boron trichloride and chlorine is most commonly used for etching the metal wiring. The above-mentioned conventional example is considered to be effective for cleaning residual deposited films composed of a mixture of an organic substance and a metal, but is considered to be less effective for such a mixture of a chloride and a metal. .
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a plasma cleaning method which is effective for an aluminum alloy etching apparatus which is most commonly used as a metal wiring of a semiconductor element and is often used.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The above object can be achieved by performing at least plasma cleaning including oxygen gas plasma cleaning and cleaning using a plasma of a mixed gas of chlorine and boron trichloride.
[0012]
Further, it is preferable that the cleaning by the oxygen gas plasma is performed before the cleaning by the plasma of the mixed gas of chlorine and boron trichloride.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the plasma cleaning method of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0014]
FIG. 1 shows a processing chamber of a microwave etching apparatus used in the dry cleaning method according to the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram showing the composition of the deposited film remaining in the processing chamber, and FIG. 3 is a schematic diagram showing a state in which the remaining deposited film is being removed.
[0015]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a silicon wafer (substrate) to be subjected to fine processing, and reference numerals 2 and 3 denote a quartz bell jar and a main chamber, respectively, which create a vacuum atmosphere. Reference numeral 4 denotes an exhaust port for evacuation, and 5 denotes a gas introduction port for etching or plasma cleaning. Reference numeral 6 denotes a substrate stage for fixedly holding the wafer, and reference numeral 7 denotes a mechanical clamper for clamping the wafer. The means for supporting the wafer on the stage may use electrostatic attraction means. Reference numeral 8 denotes a ground plate, and reference numeral 9 denotes a high-frequency power supply for applying an RF bias to the wafer stage 6.
[0016]
The microwave etching apparatus first introduces a gas for plasma generation after high-vacuum evacuation. Then, the microwave 10 is oscillated from a magnetron (not shown), introduced into the quartz bell jar 3 (processing chamber) through the waveguide 11, and resonated with a magnetic field formed by a solenoid coil 12 disposed around the processing chamber. By (ECR), the gas in the processing chamber is turned into plasma, and etching is performed using the plasma 14. An RF bias power is applied between the ground 8 and the wafer stage 6 by a high frequency power supply 9 for the purpose of performing anisotropic etching by drawing ions.
[0017]
By the way, as a metal wiring material of a semiconductor element, aluminum or an alloy obtained by adding copper, silicon, or the like to aluminum is most commonly used. Recently, in order to improve migration resistance and prevent reflection in lithography, titanium nitride TiN is laid below and above aluminum wiring to form a multi-metal layer.
[0018]
For etching these, a mixed gas of chlorine Cl2 and boron trichloride BCl3 is most commonly used. For etching, a plasma of a gas that reacts with the film material to be a compound having a high vapor pressure is used for the film material to be etched. That is, the plasma is generated and not only physically struck, but also chemically reacted, and finally evaporated and evacuated to progress the etching. For example, for an aluminum alloy, etching is advanced by generating aluminum trichloride AlCl3 having a high vapor pressure by Cl2 gas plasma. At this time, an aluminum oxide layer is formed on the surface of the aluminum alloy, and in general, boron trichloride BCl3 is mixed with chlorine Cl2 gas in order to easily penetrate the aluminum oxide layer.
[0019]
According to the analysis of the inventor of the present application, when an aluminum alloy single film or a laminated film of titanium nitride / aluminum alloy / titanium nitride is etched with a mixed gas of chlorine Cl2 and boron trichloride BCl3, the deposit remaining on the inner wall of the apparatus is obtained. The film 13 was a mixture of aluminum and boron chloride BClx, and it was revealed that the ratio of boron chloride was particularly large. FIG. 2 is a schematic diagram showing the composition of the deposited film remaining in the processing chamber.
[0020]
With respect to the residual deposit of aluminum, AlCl3 having a high vapor pressure is generated and removed by Cl2 gas plasma as in the case of etching. However, the residual deposit is not only pure aluminum, but also a complex mixture of organic matter from the photoresist used as the mask material and a polymer of the etching gas. How can plasma cleaning with chlorine gas work effectively? This is a decisive factor in removing the residual deposited film. As shown in the schematic diagram of FIG. 2, the residual deposit has a form in which chlorine surrounds aluminum, so that plasma cleaning with chlorine does not work effectively, and the residual deposit cannot be removed.
[0021]
FIG. 3 is a schematic diagram showing the function of the plasma cleaning of the present invention. According to the present invention, a series of plasma cleaning steps include a cleaning step using oxygen O2 gas plasma and a cleaning step using plasma of a mixed gas of chlorine Cl2 and boron trichloride BCl3. When O2 gas plasma is exposed to chloride, oxygen and chlorine are replaced, and chlorine is vaporized. That is, a reaction of BClx + O2 → BO + Cl2 occurs, and is removed from the main chamber 3 as a Cl2 gas and evacuated. Further, the deposit in the form of BClx is removed as BCl3 by removing Cl molecules, and part of Al contained in the residual deposited film is removed as AlCl3.
[0022]
The replacement of oxygen and chlorine by the O2 gas plasma eliminates chlorine surrounding aluminum. At this time, the surface of the aluminum is oxidized due to the application of the oxygen plasma. Here, the remaining aluminum oxide can be removed by performing cleaning using plasma of a mixed gas of chlorine Cl2 and boron trichloride BCl3. When aluminum is an oxide, the interatomic bond energy of Al—O is larger than the interatomic bond energy of Al—Cl, so that ClCl alone cannot generate AlCl3 and is removed by cleaning. Can not. Therefore, O is extracted from Al-O by using a plasma in which Bcl3, which is a gas containing B having a larger interatomic bond energy to oxygen than the interatomic bond energy of Al-O, is mixed with Cl2 gas, and cleaning is performed with Cl2. Can be enabled.
[0023]
Therefore, cleaning by oxygen gas plasma needs to be performed at least before cleaning by plasma of a mixed gas of chlorine and boron trichloride. In this case, the cleaning with oxygen gas plasma and the cleaning with plasma of a mixed gas of chlorine and boron trichloride may be performed continuously, or another plasma cleaning step such as plasma cleaning of fluorine-based gas may be performed between them. You may.
[0024]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the residual deposited film adhered to the inner wall of the plasma processing apparatus can be efficiently removed. As a result, it is possible to prevent the separation of the deposited film and the generation of dust due to the increase in the thickness of the deposited film (increase in the number of processed sheets), thereby improving the yield in the manufacturing process and improving the operation rate of the manufacturing apparatus. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a plasma processing apparatus to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a composition of a deposited film remaining in a processing chamber.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a state where a residual deposited film is removed by the plasma cleaning of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Wafer, 2 ... Quartz bell jar, 3 ... Main chamber, 4 ... Vacuum exhaust port, 5 ... Gas inlet, 6 ... Wafer stage, 7 ... Wafer clamper, 8 ... Ground, 9 ... High frequency power supply, 10 ... Microwave, 11: waveguide, 12: solenoid coil, 13: residual deposit, 14: plasma.

Claims (1)

塩素と三塩化ホウ素の混合ガスのプラズマを用いて基板上のアルミニウム膜，アルミニウムを含む金属化合物からなる膜，またはアルミニウムを含む膜を有する積層膜のエッチング処理するエッチング処理工程と，
該エッチング処理工程に際してプラズマ処理装置の内部に残留する残留物を除去するプラズマクリーニング工程を備え，
プラズマクリーニング工程は，酸素ガスプラズマにより塩化物を除去するクリーニング工程と，該工程に連続して行われる，塩素と三塩化ホウ素の混合ガスのプラズマによりアルミニウム酸化物を除去するクリーニング工程とを有することを特徴とするプラズマ処理装置内のプラズマクリーニング方法。 An etching step of etching an aluminum film, a film made of a metal compound containing aluminum, or a laminated film having a film containing aluminum using a plasma of a mixed gas of chlorine and boron trichloride;
A plasma cleaning step for removing residues remaining in the plasma processing apparatus during the etching step;
The plasma cleaning process includes a cleaning process for removing chlorides by oxygen gas plasma and a cleaning process for removing aluminum oxide by plasma of a mixed gas of chlorine and boron trichloride, which is performed continuously to the process. A plasma cleaning method in a plasma processing apparatus, characterized in that:

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