JP2010177480A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】性能の変動を抑制したプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】真空容器内に配置された処理室と、この処理室内に配置された試料台上に載せられたウエハを該処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置であって、前記ウエハ上に配置された金属の物質を有する膜およびこの下方に配置された酸化膜又は高誘電率を有する材料から構成された膜層をエッチングする処理の前に、予め前記金属の物質と同種の金属を含む膜を表面に備えた別のウエハを処理してこの金属から構成された粒子を堆積させてから前記ウエハ上の前記膜層を処理する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、真空容器内の処理室内部に配置された半導体ウエハ等の基板状の試料表面に配置された複数の膜層を処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法に係り、特に、プラズマを用いて半導体基板等の表面処理を行うのに好適なプラズマ処理方法に関する。

近年の半導体素子は微細化により、リソグラフィーにより形成されたマスクを下層膜に転写するエッチング工程にはより高い精度の寸法精度、つまりＣＤ（Critical Dimension）精度が要求されている。量産現場において高いＣＤ制御性に加えて、ＣＤの再現性を確保することが重要な課題である。一般にエッチング工程でＣＤが変動する要因としては、エッチングチャンバー内壁に被処理材から発生した反応生成物が付着する、チャンバー内部材が長期的な使用により消耗する、チャンバー内部材の温度等が変動し、チャンバー内内壁等へのラジカルの付着確率が変化し、エッチング性能へ影響するプラズマ状態が変動する等の要因が挙げられる。

次に微細トランジスタでは、短チャンネル効果を制御する上で、ゲート絶縁膜の容量を増加させる必要があり、従来ゲート酸化膜の厚みを低減することで、本課題を達成してきた。しかしゲート酸化膜の薄膜化によりリーク電流が増加することから、ゲート絶縁膜としてより高い誘電率を持つ材料（High−ｋ）が導入された。酸化膜を置き換えるHigh−ｋ材として、ハフニウム酸化膜（ＨｆＯ₂）が挙げられる。しかしながら従来のポリシリコン（Poly−Ｓｉ）電極とＨｆＯ₂間では材料の不適合が存在することから、適正な仕事関数を持つ金属（メタル）膜を有する構造が必要である。メタル材料としては種々挙げられるが、Semiconductor International ２００８／１号（非特許文献１）記載のようにＴｉＮ，Ｌａなどが用いられている。

従来、プラズマ処理装置はウエハ毎、又は、ロット毎にプラズマを用いたクリーニングが実施され、カーボン（Ｃ），酸化膜，Poly−Ｓｉ，窒化膜等を対象としたプロセスには、主にフッ素（Ｆ），塩素（Ｃｌ），酸素（Ｏ）を含むプラズマでのクリーニングが用いられてきた。またエッチングチャンバー内壁部材が消耗することにより発生する金属等（例えばＡｌ）等がチャンバー内に付着等する場合は、プラズマでのクリーニングだけで除去することは困難なため、予め製品用ウエハのエッチング処理前にシーズニング等の処理を行って、チャンバー内雰囲気を一定に保つ等の技術が検討されている。

このような従来の技術としては、特開２００４−０３１３０８号公報（特許文献１）に記載のものが知られている。この従来技術では、真空容器内の処理室内部で被エッチング対象であるシリコンウエハをこの処理室内で形成したプラズマを用いてエッチングする際に、予め、処理室内にＳｉを組成として含む反応生成物を処理室の内壁面に付着させるシーズニングを行う技術が開示されている。例えば、半導体デバイスのゲートを形成するためのポリシリコン膜を処理するエッチングにおいて、シリコンウエハをＨＢｒとＣｌ₂，Ｏ₂の単独または混合したガスを用いてプラズマを形成してシーズニングするもの、さらには、処理室をウエットクリーニングした直後に、Ａｌ膜が堆積しているウエハをＳＦ₆ガスとＣｌ₂ガスとを混合したガスを用いてプラズマを形成して該ウエハをエッチング処理し処理室内の石英部材の表面にＡｌＦ被膜を形成する処理を行うものが開示されている。

また、J. Vac. Sci. Technol. B24, 2191(2006)（非特許文献２）記載のように、メタル材料（例えばＴｉＮ）をエッチングすると、このメタル材がチャンバー内壁に付着し前記ガス系を用いたプラズマによるクリーニングでは十分にこれを除去することが困難な場合があることが知られていた。

特開２００４−０３１３８０号

Semiconductor International 日本版2008.1 pp. 20-27 Journal of Vacuum Science and Technology 2191, B 24 (2006)

上記の従来技術では、次の点について考慮が不十分であり、問題が生じていた。すなわち、上記高誘電率の材料から構成された膜層をエッチングする場合に、このような材料に含まれるメタル材料が処理室内に残留し、この残留物により、この処理の後に実施される処理の結果、形状，ＣＤの値等の性能が処理中あるいはウエハの枚数が増加するに伴って変動してしまい、ひいては歩留まりが低下してしまうという虞が有った。

本発明の目的は、性能の変動を抑制したプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法を提供することにある。

上記目的は、金属を有する膜およびHigh−ｋの材料を有する膜の膜層の構造を有する被処理材を備えたウエハの処理の実施前に、このような層構造に含まれる金属の材料と同種のメタルの膜を表面に備えたウエハを処理することにより達成される。このことによって処理室内のメタル残留量を安定化させ、プロセス変動が抑制される。また、処理室内のメタル物質の残留の量をプラズマ発光をモニターすることにより監視，処理条件を調節してもよい。

より具体的には、上記目的は、真空容器内に配置された処理室と、この処理室内に配置された試料台上に載せられたウエハを該処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置であって、前記ウエハ上に配置された金属の物質を有する膜およびこの下方に配置された酸化膜又は高誘電率を有する材料から構成された膜層をエッチングする処理の前に、予め前記金属の物質と同種の金属を含む膜を表面に備えた別のウエハを処理してこの金属から構成された粒子を堆積させてから前記ウエハ上の前記膜層を処理するプラズマ処理装置によって達成される。

または、真空容器内に配置された処理室内の試料台上に載せられたウエハを該処理室内にプラズマを形成して処理するプラズマ処理方法であって、前記ウエハ上に配置された金属の物質を有する膜およびこの下方に配置された酸化膜又は高誘電率を有する材料から構成された膜層をエッチングする処理の前に、予め前記金属の物質と同種の金属を含む膜を表面に備えた別のウエハを処理してこの金属から構成された粒子を堆積させてから前記ウエハ上の前記膜層を処理するステップを備えたプラズマ処理方法により達成される。

さらには、前記別のウエハの処理の際に前記処理室内の発光を用いて前記金属の物質の量を検出した結果に基づいてこの別のウエハの処理を調節することにより達成される。

さらには、前記別のウエハの処理は、少なくとも２つのステップ以上からなり、前記ウエハの膜層をエッチングする際に用いられるガスと同等のガスにより処理されることにより達成される。

さらにまた、それぞれのステップのステップ時間比は前記ウエハの膜層をエッチングする際のエッチング時間比の±２０％以内にされることにより達成される。

さらにまた、前記予めに行われる別のウエハの処理が前記処理室内をウエットクリーニングした後に行われることにより達成される。

さらにまた、前記金属の物質はＴｉＮを有し、前記高誘電率を有する材料はＨｆＯ₂であってそのエッチングには少なくともＢＣｌ₃ガスが用いられることにより達成される。

本発明の一実施例であるマイクロ波ＥＣＲエッチング装置の縦断面図である。 図１に示す本実施例が処理を行う被処理材の構造を模式的に示す縦断面図である。 従来の技術によりメタル／High−ｋ積層構造の被処理材を処理した際の、ウェット処理後のPoly−Ｓｉのエッチングレートの測定の結果を示すグラフである。 処理室内部に処理室内壁と同種部材のテストサンプルを設置し、メタル膜２０３を含む膜層と含まない膜層を処理した場合の、それぞれのサンプル表面をＸＰＳ（X-ray photo-electron spectroscopy）を用いて測定した結果を示すグラフである。 ウエハの上の図２に示す膜層のメタル膜とHigh−ｋ膜とのエッチング処理の時間をパラメータとして複数枚連続してエッチング処理を行って後別ウエハのPoly−Ｓｉ膜のエッチング処理のレートを測定した結果を示すグラフである。 図１に示す実施例においてＢＣｌ₃を含む処理用ガスを用いてプラズマを生成した場合のＴｉに起因する発光強度の時間変化を示すグラフである。 図１に示す実施例において、製品用のウエハ１１２表面の被処理材の処理前に上記シーズニング処理を行わなかった場合及びＴｉＮのエッチングステップのみの処理を行った場合、ＴｉＮ膜とHigh−ｋ材料による膜の上記シーズニング処理を行い且つプラズマ発光によりシーズニングの終点判定を行った後にPoly−Ｓｉ膜２０３をエッチング処理した際のエッチングレートの変化を示すグラフである。

本発明の実施の形態について、以下図面を用いて説明する。

以下、本発明の実施例を図１乃至図７を用いて説明する。図１は、本発明の実施例に係るマイクロ波によるＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）を用いてプラズマを形成してウエハを処理するプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。本図では、真空容器及びこの内部に配置された処理室と処理室内に配置された試料台，電極，真空容器の外周及び上部に配置された電界，磁界の供給手段、これらに電力を供給する電源を模式的に示している。これら以外の機器，装置は、本実施例に係る技術分野の通常の知識を有する者により、本実施例に係る発明の作用，効果を著しく損なわないように、求められる性能或いは仕様に応じて配置または削除可能である。

本図に示すプラズマ処理装置では、上部が開放された円筒形状を有した真空容器１０１の上部に、真空容器１０１内の円筒形状を有する処理室１０４内部にエッチング処理用のガスを導入するための円板形状のシャワープレート１０２（例えば石英製またはイットリア製で該ガスが通流する複数の貫通孔を少なくとも中心部に備えたもの）及び誘電体窓１０３（例えば石英製）を設置し、これらの内外を密封することによりこれらにより天井部を構成し処理室１０４を構成する。シャワープレート１０２と誘電体窓１０３との間の空間にはエッチングガスを流すためのガス供給装置１０５が連通されてこれより上記ガスが供給される。

また、真空容器１０１の下部には、処理室１０４の底面に面した真空排気口１０６を介し真空排気装置が接続され、処理室１０４の内部を排気して減圧可能に構成されている（図示省略）。処理室１０４内にプラズマを生成するための電界を処理室１０４に伝送するため、誘電体窓１０３の上方には電磁波（本実施例ではマイクロ波）を伝送する導波管１０７が配置されている。導波管１０７の下端部は円板状の誘電体窓１０３の上面に面して円筒形状を有した空間に連結されている。

導波管１０７（またはアンテナ）へ伝送される電界は、電界発生用電源１０９によって発振されて形成される。処理室１０４内に供給される電波の周波数は、本実施例の作用・効果によって特に限定されないが、本実施例では２.４５ＧＨｚのマイクロ波が使用される。このマイクロ波が電界発生用電源１０９により形成されて導波管１０７内部を伝播して誘電体窓１０３の上面から該部材及び下方のシャワープレート１０２を透過してこの下方の処理室１０４内部に配置された試料台である外形がおよそそれと見倣せる程度の円筒形状を備えたウエハ載置用電極１１１の略円形の上面上方から処理室１０４内部に導入される。

処理室１０４の側周囲及び上方の外周には、処理室１０４内部に磁場を形成する磁場発生コイル１１０が配置されている。電界発生用電源１０９より発振されて処理室１０４内部に供給された電界は、同様に処理室１０４内部に供給された磁場と相互作用を及ぼして、処理用ガスを励起して処理室１０４内にプラズマを生成する。上記の通り、シャワープレート１０２に対向して真空容器１０１内部の処理室１０４の下部にはウエハ載置用電極１１１が配置され、その上部表面は誘電体の材料が溶射されて形成された誘電体膜（図示省略）で被覆され、誘電体膜内部に配置されたタングステン等の金属製の導電性の膜には高周波フィルター１１５を介して直流電源１１６が接続されている。

さらに、ウエハ載置用電極１１１には内部にアルミやＴｉ等の導電性金属により構成された円板状の部材が配置され、これにマッチング回路１１３を介して高周波電源１１４が接続されている。また、このウエハ載置用電極１１１の金属製の部材の内部は、ら旋状または同心円状の多重の冷媒用流路１１７が配置され、この冷媒用流路１１７は冷媒用配管と連結されている。冷媒用の配管は温調器１１８に連結されているとともに、ヒーター１１９とも連結され、ヒーター１１９は、ヒーター制御器１２０に接続されている。またウエハ載置用電極１１１には、温度センサー１２１が設置され、その信号はヒーター制御器１２０に伝送され、ウエハ１１２温度を所望の温度になるように、ヒーター１１９出力および冷媒の温度を制御する温調器１１８の設定温度を制御する。このような構成によって内部の冷媒の温度、ひいてはウエハ載置用電極１１１の調節が行われる。

また、処理室１０４を構成する真空容器１０１の外壁には、処理室１０４内部の発光を測定可能な発光分光器１２３が連結され、該発光分光器１２３は発光データ処理装置１２４に接続されている。処理に伴って生じるプラズマ等の発光は、真空容器１０１側壁に配置された石英等の部材による窓を通り発光分光器１２３に供給され、発光データ処理装置１２４によりそのデータの数値的な解析が可能に構成されている。

処理室１０４内に搬送されたウエハ１１２は、ウエハ載置用電極１１１上面の誘電体膜上に載せられて、直流電源１１６から内部の膜状の電極に印加される直流電圧によって生成された静電気力によりウエハ載置用電極１１１上に吸着される。この状態で温度の調節がされ、ガス供給装置１０５から所望のエッチング用のガスが処理室１０４内部にシャワープレート１０２を介して供給され、かつ真空排気口１０６から処理室１０４内のガスが真空排気装置により排気されて真空容器１０１内が所定の圧力に調節される。処理室１０４内に供給された電界，磁界によってガスが励起されて処理室１０４内にプラズマが形成される。プラズマが形成されると、ウエハ載置用電極１１１に接続された高周波電源１１４から高周波電力を印加することにより、ウエハ１１２上面にバイアス電位を形成して、プラズマからウエハ１１２上面にへイオンを引き込み、ウエハ１１２のエッチング処理が開始される。

図２に、図１に示す本実施例が処理を行う被処理材の構造を模式的に示す。本図における被処理材は、ウエハ１１２の上面に積層され配置された膜層を有しており、本図は処理後のその膜層の一部の形状を模式的に示している。

本図の膜層は、複数の膜から構成され、下地であるウエハ１１２のシリコン２０５の上面に例として４つの層からなっている。これらはレジスト（ＰＲ）又はハードマスク（ＳｉＯ₂，ＳｉＮまたはＳｉＯＮなど）等のマスク２０１、その下方のPoly−Ｓｉ（ポリシリコン）膜２０２、金属の物質から構成された材料を含む膜（例えばＴｉＮ、以下メタル膜）２０３、High−ｋ（例えばＨｆＯ₂）膜２０４の積層構造を有している。

このような膜層の構造は、半導体デバイスのゲート構造を形成するためのものであって、エッチング処理の前に所定の処理によって成膜，リソグラフィー処理によりマスク２０１の不要部分の除去が行われている。本図のこれらの各膜は、単一の層から構成されているが、複数の層から構成されていてもよく、特にメタル膜２０３は上下に各々が異なる材料からなる複数の層から構成されていても良い。また、メタル膜２０３の材料の種類および積層数、厚みは製造される半導体デバイスの仕様に応じＮＭＯＳ部分，ＰＭＯＳ部分によって異なる。

それぞれの積層膜はそれぞれ条件、ガスの組成，供給量，圧力，処理時間等の少なくとも１部が異なる所定のエッチングレシピにより処理される。またマスク２０１は、近年の微細加工に対応したＰＲだけでは、膜厚，エッチング耐性が不十分であることから、ＰＲの下層にアモルファスカーボン（ＡＣＬ）や、ＳｉＮまたはＳｉＯＮおよびＳｉＯ₂のハードマスクを配置して、それらをマスクに更に下層のPoly−Ｓｉ膜２０２やメタル膜２０３をエッチングしてもよい。ここではマスク２０１のエッチング工程についての説明は省略する。

Poly−Ｓｉ膜２０２のエッチングの処理用ガスとしては、Ｃｌ₂とフッ素（Ｆ）（例えばＣＦ₄）の混合ガス又はＣｌ₂とＨＢｒの混合ガス等が用いられる。また必要に応じてＯ₂等のガスも用いられる。

次にメタル膜２０３（例えばＴｉＮ）の層のエッチング工程では、最初にメタル膜２０３の層の界面（上下の膜層の間でこれらの材料としての表面同士の間に形成された面であり、単一または数原子層程度の別の部材の膜が存在する場合を含めた境界部分）に形成された自然酸化膜等を除去するため、相対的に高いウエハバイアスの値にしてイオンエネルギーを増加させる。処理用のガスとしてはＨＢｒやＡｒ等が用いられるが、他のガス系であっても良い。

この自然酸化膜除去の工程の後、メタル膜２０３のエッチングの為に、処理用ガスとして主にＣｌ₂またはＣｌ₂とＨＢｒの混合ガスが用いられる。本実施例で用いられるメタル膜２０３のエッチングは、メタル２０３の層が相対的に他の膜の層より薄膜であるため、比較的低いイオンエネルギーとなるように高周波電源１１４からの電力によるウエハバイアスの値が調整される。

次に、高誘電率材料であるHigh−Ｋ（例えばＨｆＯ₂）膜のエッチングにはＢＣｌ₃又はＢＣｌ₃とＣｌ₂の混合ガスが用いられる。本ステップでは相対的に低いイオンエネルギー条件を使用することにより、良好なエッチング特性（形状，選択比）等が達成される。

従来は、エッチング処理したウエハの枚数が所定の枚数になると、処理室１０４内部のウェットクリーニング等のクリーニングを実施した後、処理室１０４内部を馴染ませるため、Ｓｉ，ＰＲ又は酸化膜ウエハ等の非メタル系ウエハを用いたエッチングを実施して処理室１０４内部の部材表面のシーズニング処理を実施した後に製品用のウエハの処理を実施していた。図３は、従来の技術によりメタル／High−ｋ積層構造の被処理材が表面に配置されたウエハを複数枚処理した際の、ウェット処理後のPoly−Ｓｉのエッチングレートの測定の結果を示すグラフである。

本従来技術では、複数枚のウエハの処理の枚数が増大するに伴ってエッチングレートが変化している。特に、処理開始から極初期にエッチングレートが急激に増加し、その後安定となっている。このため、クリーニングしてエッチング処理を開始した直後の製品用のウエハでの処理結果とその後所定の枚数を経て安定した結果が得られたウエハのその処理結果との間で形状に著しい差異が生じていた。

発明者らは、この原因を明らかにするため、処理室内部に処理室内壁と同種部材のテストサンプルを設置し、メタル膜２０３を含む膜層と含まない膜層を処理した場合の、それぞれのサンプル表面をＸＰＳ（X-ray photo-electron spectroscopy）を用いて測定した。その結果のグラフを図４として示す。この図に示すように、メタル膜２０３を有する膜層を処理したサンプルからはＴｉが検出された。更に、メタル２０３を含む膜層を処理したサンプルからは、フッ素（Ｆ）の増加が検出された。

図５は、メタル膜２０３とHigh−ｋ膜２０４とのエッチング処理の時間をパラメータとして複数枚（本例では１０枚程度）連続してエッチング処理を行って後別のウエハ１１２の図２に示す膜層のPoly−Ｓｉ膜２０２のエッチング処理のレートを測定した結果を示すグラフである。図中点線は、ウエハ１１２を長期間処理した際の安定するPoly−Ｓｉ膜２０２のエッチングレートである。

本図に示すようにHigh−ｋ膜２０４のエッチング処理の時間が少ないほどエッチングレートが高く、多いと減少する。また、ある一定以上のHigh−ｋ膜２０４のエッチング処理の時間ではエッチングレートが飽和している。本実施例は、メタル膜２０３の材料としてＴｉＮエッチングしたものであり、ＨＢｒ／Ｃｌ₂を含む処理用ガスを使用した。さらに、High−ｋ膜２０４のエッチングとしてＢＣｌ₃／Ｃｌ₂を含む処理用ガスを使用した。また、この膜層を処理した後、Ｓｉウエハを電極上に設置し、Ａｒ放電に暴し、その後Ｓｉウエハ表面をＴＲＸＦ（Total reflection X-ray Fluorescence）により測定したものである。それぞれ検出されたＴｉ量を右軸に示す。

本例において、検出された金属の物質であるＴｉは処理室１０４内に粒子として残留したＴｉが、処理中にＡｒのスパッタリングにより飛散し、ウエハ１１２上に堆積したものに起因すると考えられ、すなわち、処理室１０４内に残留したＴｉの量を示していると考えられる。従って、Poly−Ｓｉ膜２０２のエッチング処理のレートと処理室１０４内に残留するＴｉ量の間には相関があると考えられる。

さらに、図４にも示したように、Ｔｉが処理室１０４内に残留することによりＦも同時に増加している。この原因を調べるため、ＸＰＳの測定結果を詳細に見ると（図示省略）、Ｔｉ２ｐピークにはＴｉ−Ｏの結合の他にＴｉ−Ｆのピークが観測されること、またＦ１ｓのピークには低束縛エネルギー方向へのエネルギーシフトが見られることから、Ｆが何らかの金属と結合していると考えられ、この場合Ｔｉ−Ｆの結合を有していると発明者らは考えた。このことは、処理室１０４内に残留するＴｉにより処理室１０４の内壁表面を構成する材料の物質がフッ化され、更にはプラズマ中のＦが増加することによりPoly−Ｓｉ膜の処理のレートが増加していることについても説明が可能となる。

一方、一般にＴｉ−Ｆ，Ｔｉ−Ｏの結合は安定であり従来の技術によるプラズマを用いたクリーニングでは除去することが難しいと考えられる。そこで、本実施例では、製品用のウエハ１１２の被処理材の処理前に、予め、この被処理材に含まれるメタル（例えばＴｉＮ）膜２０３の材料と同じ物質を表面に有するウエハを処理して、同じ金属（メタル）の物質（例えばＴｉ）を処理室１０４内部に付着させるシーズニングを行っている。このことにより、処理室１０４内部の処理中のガスの組成を安定化することができる。本実施例のこのような事前のクリーニングは、処理室１０４内部の部材の表面をウエットクリーニングした後、製品用のウエハ１１２を処理する前に行われる。

本実施例のシーズニングは、複数枚のＴｉＮを表面に配置したウエハ１１２を用いても良い。つまり、繰り返して事前のシーズニングを行っても良い。この際、各々異なる膜層を有する複数枚のウエハを連続して処理しても良い。処理室１０４内部に残留するメタル物質（Ｔｉ）の量は、シーズニングに用いるウエハ１１２上又はウエハ１１２なしの状態にて、プラズマを生成し、そのプラズマの発光を用いて検出することが可能である。図６を用いて、このメタル物質の検出について説明する。

図６は、図１に示す実施例においてＢＣｌ₃を含む処理用ガスを用いてプラズマを生成した場合のＴｉに起因する発光強度の時間変化を示すグラフである。本実施例では、この発光強度を発光データ処理装置１２４を用いて解析する。特に、その内部に配置された演算装置が同様に内部に配置された記憶装置内に格納された上記メタル物質を表面に配置したウエハ１１２をエッチング処理する間に検出した発光データを読み出して、所定のメタル物質に対応する波長の発光のデータを積分する処理を含む特定の演算を行って処理室１０４内に残留するＴｉの量を示す結果を算出し信号として出力することでＴｉの量が検出される。

上記のように、このようなウエハ１１２の処理によって処理室１０４内部の表面に堆積する、あるいは処理室１０４内部に残留するＴｉの量が大きくなるに伴って、この後に行われる被処理材を有するウエハ１１２のエッチング処理のレートは変化するのであるが、Ｔｉの量が特定の値を越えると処理のレートが所定値に漸近する、飽和状態となる。このような飽和状態になるＴｉの量は、飽和状態となるだけ長い時間に渡りメタル物質を含む膜を表面にウエハ１１２の該膜のエッチング処理を行った場合の処理室１０４内からの発光のデータを予め取得して解析しておいて、ウエットクリーニングを行った直後に行うメタル物質（Ｔｉ）を有する膜を表面に配置されたウエハの事前のエッチング処理を行った差異の発光強度と比較して、上記レートが飽和状態となるまでのシーズニングの終点を検出する。また、本実施例ではＢＣｌ₃を含むガス系を使用したが、Ａｒ等希ガスを用いたガス系でも同様の測定が可能である。

図７は、図１に示す実施例において、製品用のウエハ１１２表面の被処理材の処理前に上記シーズニング処理を行わなかった場合及びＴｉＮのエッチングステップのみの処理を行った場合、ＴｉＮ膜とHigh−ｋ材料による膜の上記シーズニング処理を行い且つプラズマ発光によりシーズニングの終点判定を行った後にPoly−Ｓｉ膜２０３をエッチング処理した際のエッチングレートの変化を示すグラフである。ＴｉＮ膜とHigh−ｋ材料による膜との処理を行った場合には、３例のなかで最もレートの変動が小さく安定な処理が実施されている。前述のようにHigh−ｋの材料を含む膜の処理は、ＢＣｌ₃を組成として含む処理用ガスを使用しており、このガスを用いた処理ではＢＣｌ₃が処理室１０４内部に残留したＴｉを除去する特性がある。

このことから、処理室１０４内部の残留したＴｉの量を調節するためには、事前のシーズニングの処理においてＴｉＮ膜のエッチングの工程とHigh−ｋ材料による膜のエッチングの工程との時間比又は放電条件をプラズマの発光を検出した結果得られる信号を基に調整することが重要である。このことにより事前のシーズニングの処理によって処理室１０４内部に残留、あるいは堆積させる金属の物質（Ｔｉ）の量を所望の量に調節することができる。

また、処理室１０４内部の残留したＴｉの量を制御する際、このような膜層の構造を有する被処理材を備えたウエハ１１２をエッチングする際のメタル膜２０３とHigh−ｋ膜２０４との処理に要する時間の比と等しいか２０％以内の比にて、Ｔｉシーズニング中のＴｉＮ膜／High−ｋ材料から構成された膜の処理の時間比で処理を行うことで、シーズニング中に蓄積する処理室１０４内のＴｉの残留の分布も、実際の被処理材を処理する時と同等とする。このことは、事前のシーズニングの処理におけるＴｉＮ膜／High−ｋ材料から構成された膜の構成を被処理材のものと同等にし、ＴｉＮ膜／High−ｋ材料から構成された膜の処理で処理室１０４内部のプラズマ中の金属の物質の発光の強度を被処理材を有する製品用のウエハ１１２の処理の際、特に、そのエッチングレート等の処理の条件が安定した状態となって得られるプラズマの発光強度と等しくなるように、事前のシーズニングでのウエハ１１２の処理を行うことによっても得られる。さらにまた、事前のシーズニングの処理においてＴｉＮ膜／High−ｋ材料から構成された膜の各々を処理する際に用いられる処理用ガスの組成を含む処理の条件を被処理材を有するウエハ１１２の処理の条件と同じか実質的に同じと見倣せる程度に同等にすることによっても得られる。

上記のような事前のシーズニングの処理は、２つ以上のステップから構成されていることになる。このような処理を行うことにより、処理室１０４内に残留するＴｉの量或いは分布をより高精度に調節することができ、プロセスの安定性を向上できる。

以上のように、上記実施例では、メタル膜２０３およびHigh−ｋ膜２０４の積層構造を有する被処理材の処理の実施前に、該被処理材に含まれるメタル膜２０３を構成する材料と同種のメタル物質を含む膜を表面に有するウエハを処理して当該膜をエッチング処理することで、更には、処理室１０４内の上記メタル物質が残留している量を、処理室内の発光をモニターすることにより検出する、或いは検出結果を用いて処理の条件を調節することにより、処理室１０４内のメタル物質の残留の量を安定化させ、処理の結果得られる形状の変動を抑制することが可能となる。ひいては、加工後のＣＤ値の安定性を向上でき、処理の歩留りの低下、及び経時変化が少ないエッチング処理の装置または方法を提供することができる。

また、処理室１０４内部のメタル物質の残留の量が安定化されるため、メタル物質を起因としたプロセスの変動が抑制され、ＣＤの変動抑制が可能であるという効果がある。

上記の本実施例では、特にＥＣＲプラズマ装置についての実施例を述べたが、本発明は他のプラズマ生成装置または方法、例えば誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ），容量結合型プラズマ（ＣＣＰ）を用いても同様の効果がある。

１０１ 真空容器
１０２ シャワープレート
１０３ 誘電体窓
１０４ 処理室
１０５ ガス供給装置
１０６ 真空排気口
１０７ 導波管
１０８ 空洞共振器
１０９ 電界発生用電源
１１０ 磁場発生コイル
１１１ ウエハ載置用電極
１１２ ウエハ
１１３ マッチング回路
１１４ 高周波電源
１１５ フィルター
１１６ 直流電源
１１７ 冷媒用流路
１１８ 温調器
１１９，１２２ ヒーター
１２０ ヒーター制御器
１２１ 温度センサー
１２３ 発光分光器
１２４ 発光データ処理装置

Claims (12)

1. 真空容器内に配置された処理室と、この処理室内に配置された試料台上に載せられたウエハを該処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置であって、
   前記ウエハ上に配置された金属の物質を有する膜およびこの下方に配置された酸化膜又は高誘電率を有する材料から構成された膜層をエッチングする処理の前に、予め前記金属の物質と同種の金属を含む膜を表面に備えた別のウエハを処理してこの金属から構成された粒子を堆積させてから前記ウエハ上の前記膜層を処理するプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、前記別のウエハの処理の際に前記処理室内の発光を用いて前記金属の物質の量を検出した結果に基づいてこの別のウエハの処理を調節するプラズマ処理装置。
3. 請求項２に記載のプラズマ処理装置において、前記別のウエハの処理は、少なくとも２つのステップ以上からなり、前記ウエハの膜層をエッチングする際に用いられるガスと同等のガスにより処理されるプラズマ処理装置。
4. 請求項３に記載のプラズマ処理装置であって、それぞれのステップのステップ時間比は前記ウエハの膜層をエッチングする際のエッチング時間比の±２０％以内にされるプラズマ処理装置。
5. 請求項１乃至４に記載のプラズマ処理装置であって、前記予めに行われる別のウエハの処理が前記処理室内をウエットクリーニングした後に行われるプラズマ処理装置。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載のプラズマ処理装置において、前記金属の物質はＴｉＮを有し、前記高誘電率を有する材料はＨｆＯ₂であってそのエッチングには少なくともＢＣｌ₃ガスが用いられるプラズマ処理装置。
7. 真空容器内に配置された処理室内の試料台上に載せられたウエハを該処理室内にプラズマを形成して処理するプラズマ処理方法であって、
   前記ウエハ上に配置された金属の物質を有する膜およびこの下方に配置された酸化膜又は高誘電率を有する材料から構成された膜層をエッチングする処理の前に、予め前記金属の物質と同種の金属を含む膜を表面に備えた別のウエハを処理してこの金属から構成された粒子を堆積させてから前記ウエハ上の前記膜層を処理するステップを備えたプラズマ処理方法。
8. 請求項７に記載のプラズマ処理方法であって、前記別のウエハの処理の際に前記処理室内の発光を用いて前記金属の物質の量を検出した結果に基づいてこの別のウエハの処理を調節するプラズマ処理方法。
9. 請求項８に記載のプラズマ処理方法であって、前記別のウエハの処理は、少なくとも２つのステップ以上からなり、前記ウエハの膜層をエッチングする際に用いられるガスと同等のガスにより処理されるプラズマ処理方法。
10. 請求項９に記載のプラズマ処理方法であって、前記各ステップのステップ時間比は前記ウエハの膜層をエッチングする際のエッチング時間比の±２０％以内にされるプラズマ処理方法。
11. 請求項７乃至１０に記載のプラズマ処理方法であって、前記予めに行われる別のウエハの処理が前記処理室内をウエットクリーニングした後に行われるプラズマ処理方法。
12. 請求項７乃至１１の何れかに記載のプラズマ処理方法において、前記金属の物質はＴｉＮを有し、前記高誘電率を有する材料はＨｆＯ₂であってそのエッチングには少なくともＢＣｌ₃ガスが用いられるプラズマ処理方法。

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