JP2004095909A - Method and device for plasma treatment - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に係り、特に半導体ウエハやLCD用基板等の被処理基板にプラズマエッチング処理等を施すプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、プラズマによって、半導体ウエハやLCD用基板等の被処理基板の処理を行うプラズマ処理方法が多用されている。例えば、半導体装置の製造工程においては、被処理基板、例えば半導体ウエハに、微細な電気回路を形成するための技術として、半導体ウエハ上に形成された薄膜等を、プラズマを用いてエッチングして除去するプラズマエッチング処理が多用されている。
【0003】
かかるプラズマエッチング処理を行うエッチング装置では、例えば、内部を気密に閉塞可能に構成された処理チャンバー(エッチングチャンバー)内でプラズマを発生させるようになっている。そして、このエッチングチャンバー内に設けたサセプタ上に半導体ウエハを載置して、エッチングを行う。
【0004】
また、上記プラズマを発生させる手段については、種々のタイプが知られている。そのうち、上下に対向するように設けられた一対の平行平板電極に高周波電力を供給してプラズマを発生させるタイプの装置では、平行平板電極のうちの一方、例えば、下部電極がサセプタを兼ねている。そして、この下部電極上に半導体ウエハを配置し、平行平板電極間に高周波電圧を印加してプラズマを発生させ、エッチングを行う。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなエッチング装置では、エッチング中に、半導体ウエハの表面で、雷状の異常放電が生じる所謂表面アーキングが生じることがある。
【0006】
上記表面アーキングは、例えば、導体層の上に絶縁体層が形成され、かかる絶縁体層をエッチングするような場合、例えば、シリコン酸化膜からなる絶縁体層をエッチングして、下層のメタル層からなる導体層に通じるコンタクトホールを形成する場合等に、エッチングによって膜厚が減少したシリコン酸化膜を破壊するように生じる場合が多い。
【0007】
そして、かかる異常放電が生じると、半導体ウエハ中のシリコン酸化膜の多くの部分が破壊されてしまうため、その半導体ウエハの大部分の素子が不良となってしまう。また、これとともに、エッチングチャンバー内に金属汚染が生じ、そのまま続けてエッチング処理を行うことができず、エッチングチャンバー内のクリーニングが必要となる。このため、生産性が著しく低下してしまうという問題があった。
【0008】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、被処理基板に生じる表面アーキングの発生を防止して、従来に較べて生産性の向上を図ることのできるプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供しようとするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、被処理基板にプラズマを作用させてプラズマ処理を行うにあたり、前記プラズマ処理を行う前に、当該プラズマ処理に使用するプラズマよりも弱いプラズマを前記被処理基板に作用させて、当該被処理基板の電荷の状態を一定の状態とし、この後、前記プラズマ処理を行うことを特徴とする。
【0010】
請求項2の発明は、請求項1記載のプラズマ処理方法において、前記弱いプラズマを前記被処理基板に所定時間作用させ、この後、前記被処理基板を吸着保持するための静電チャックに直流電圧を印加することを特徴とする。
【0011】
請求項3の発明は、請求項2記載のプラズマ処理方法において、前記弱いプラズマを消す前に、前記静電チャックに対する直流電圧の印加を開始することを特徴とする。
【0012】
請求項4の発明は、請求項1〜3いずれか1項記載のプラズマ処理方法において、前記弱いプラズマが、Arガス、又はO2 ガス、又はCF4 ガス、又はN2 ガスによって形成されたプラズマであることを特徴とする。
【0013】
請求項5の発明は、請求項1〜4いずれか1項記載のプラズマ処理方法において、前記弱いプラズマが、0.15〜1.0W/cm2の高周波電力によって形成されることを特徴とする。
【0014】
請求項6の発明は、請求項1〜5いずれか1項記載のプラズマ処理方法において、前記弱いプラズマを、5〜20秒の間前記被処理基板に作用させることを特徴とする。
【0015】
請求項7の発明は、請求項1〜6いずれか1項記載のプラズマ処理方法において、前記プラズマ処理の開始時に、プラズマを発生するための高周波電力の印加を開始した後、前記静電チャックに対する直流電圧の印加を開始し、前記プラズマ処理の終了時に、前記静電チャックに対する直流電圧の印加を停止した後、前記高周波電力の印加を停止することを特徴とする。
【0016】
請求項8の発明は、請求項1〜6いずれか1項記載のプラズマ処理方法において、前記被処理基板を前記静電チャックの上方に導体で接地された支持棒により支持した状態で、前記静電チャックに対する直流電圧の印加を開始し、この後、前記被処理基板を下降させて前記静電チャックの上に載置することを特徴とする。
【0017】
請求項9の発明は、請求項1〜8いずれか1項記載のプラズマ処理方法において、前記プラズマ処理がエッチング処理であり、当該エッチング処理を行う処理チャンバー内で、前記被処理基板に前記弱いプラズマを作用させることを特徴とする。
【0018】
請求項10の発明は、被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理機構を具備したプラズマ処理装置であって、前記プラズマ処理機構を制御し、請求項1〜9いずれか1項記載のプラズマ処理方法を行う制御部を具備したことを特徴とする。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施の形態について説明する。
【0020】
図1は、本発明の実施の形態に使用するプラズマ処理装置(エッチング装置)全体の概略構成を模式的に示すもので、同図において、符号1は、材質が例えばアルミニウム等からなり、内部を気密に閉塞可能に構成され、処理チャンバーを構成する円筒状の真空チャンバーを示している。
【0021】
上記真空チャンバー1は、接地電位に接続されており、真空チャンバー1の内部には、導電性材料、例えばアルミニウム等からブロック状に構成され、下部電極を兼ねた載置台2が設けられている。
【0022】
この載置台2は、セラミックなどの絶縁板3を介して真空チャンバー1内に支持されており、載置台2の半導体ウエハW載置面には、静電チャック4が設けられている。この静電チャック4は、静電チャック用電極4aを、絶縁性材料からなる絶縁膜4b中に介在させた構成とされており、静電チャック用電極4aには直流電源5が接続されている。静電チャック用電極4aは、例えば銅等から構成されており、絶縁膜4bはポリイミド等から構成されている。
【0023】
また、載置台2の内部には、温度制御のための熱媒体としての絶縁性流体を循環させるための熱媒体流路6と、ヘリウムガス等の温度制御用のガスを半導体ウエハWの裏面に供給するためのガス流路7が設けられている。
【0024】
そして、熱媒体流路6内に所定温度に制御された絶縁性流体を循環させることによって、載置台2を所定温度に制御し、かつ、この載置台2と半導体ウエハWの裏面との間にガス流路7を介して温度制御用のガスを供給してこれらの間の熱交換を促進し、半導体ウエハWを精度良くかつ効率的に所定温度に制御することができるようになっている。
【0025】
また、載置台2の上方の外周には導電性材料または絶縁性材料で形成されたフォーカスリング8が設けられており、さらに、載置台2のほぼ中央には、高周波電力を供給するための給電線9が接続されている。この給電線9には整合器10を介して、高周波電源(RF電源)11が接続され、高周波電源11からは、所定の周波数の高周波電力が供給されるようになっている。
【0026】
また、上述したフォーカスリング8の外側には、環状に構成され、多数の排気孔が形成された排気リング12が設けられており、この排気リング12を介して、排気ポート13に接続された排気系14の真空ポンプ等により、真空チャンバー1内の処理空間の真空排気が行われるよう構成されている。
【0027】
一方、載置台2の上方の真空チャンバー1の天壁部分には、シャワーヘッド15が、載置台2と平行に対向する如く設けられており、このシャワーヘッド15は接地されている。したがって、これらのシャワーヘッド15と載置台2は、一対の電極(上部電極と下部電極)として機能するようになっている。
【0028】
上記シャワーヘッド15は、その下面に多数のガス吐出孔16が設けられており、且つその上部にガス導入部17を有している。そして、その内部にはガス拡散用空隙18が形成されている。ガス導入部17にはガス供給配管19が接続されており、このガス供給配管19の他端には、ガス供給系20が接続されている。このガス供給系20は、ガス流量を制御するためのマスフローコントローラ(MFC)21と、例えばエッチング用の処理ガス等を供給するための処理ガス供給源22、及び、Arガスを供給するためのArガス供給源23等から構成されている。
【0029】
一方、真空チャンバー1の外側周囲には、真空チャンバー1と同心状に、環状の磁場形成機構(リング磁石)24が配置されており、載置台2とシャワーヘッド15との間の処理空間に磁場を形成するようになっている。この磁場形成機構24は、回転機構25によって、その全体が、真空チャンバー1の回りを所定の回転速度で回転可能とされている。
【0030】
また、半導体ウエハWにプラズマ処理を施すための上記直流電源5、高周波電源11、ガス供給系20等のプラズマ処理機構は、制御部40によって制御されるよう構成されている。
【0031】
次に、上記のように構成されたエッチング装置によるエッチング処理の手順について説明する。
【0032】
(第1実施例)
まず、真空チャンバー1に設けられた図示しないゲートバルブを開放し、このゲートバルブに隣接して配置されたロードロック室(図示せず)を介して、搬送機構(図示せず)により半導体ウエハWを真空チャンバー1内に搬入し、載置台2上に載置する。そして、搬送機構を真空チャンバー1外へ退避させた後、ゲートバルブを閉じる。なお、この時点では、静電チャック4の静電チャック用電極4aへの直流電源5からの直流電圧(HV)の印加は、行っていない。
【0033】
この後、排気系14の真空ポンプにより排気ポート13を通じて真空チャンバー1内を所定の真空度に排気しつつ、まず、Arガス供給源23から、真空チャンバー1内にArガスを供給し、この状態で、図2に示すように、まず高周波電源11から下部電極としての載置台2に、例えば、300W等の比較的パワーの低い高周波電力(周波数例えば13.56MHz)を供給して、弱いプラズマを発生させ、この弱いプラズマを半導体ウエハWに作用させる。
【0034】
このように、弱いプラズマを半導体ウエハWに作用させるのは、以下のような理由による。
【0035】
すなわち、処理を行う半導体ウエハWは、前工程(例えばCVD等の成膜工程)における処理の状態等によって、その状態が一様でなく、例えば、半導体ウエハWの内部に電荷が蓄積されている場合がある。そして、このように半導体ウエハWの内部に電荷が蓄積された状態で、強いプラズマを作用させると、表面アーキング等を生じさせる可能性が高いため、かかる強いプラズマを作用させる前に、弱いプラズマを作用させて、半導体ウエハWの内部に蓄積された電荷の状態等を一様に調整する(初期化する)ためである。
【0036】
そして、このような半導体ウエハWの内部に蓄積された電荷の状態を調整するに当たり、半導体ウエハWの内部から電荷が移動し易くするために、静電チャック4の静電チャック用電極4aへの直流電圧(HV)の印加を行わない状態で、かかる弱いプラズマにより半導体ウエハの調整(初期化)を行う。
【0037】
なお、このような弱いプラズマを発生させるための高周波印加電力は、0.15W/cm2〜1.0W/cm2程度、例えば、100〜500W程度であり、弱いプラズマを半導体ウエハWに作用させる時間は、例えば、5〜20秒程度である。
【0038】
また、上記では、Arガスを用い、Arガスのプラズマを作用させる場合について説明しているが、ガス種はこれに限るものではなく、例えば、O2 ガス、CF4 ガス、N2 ガス等のガスも使用することができる。但し、このガス種の選択に当たっては、発生させるガスのプラズマが、半導体ウエハWに対して、及び、真空チャンバー1の内壁に対して、エッチング等の不所望な作用を起こす程度の少ないものを選択する必要があり、かつ、プラズマが着火し易いものを選択する必要がある。さらに、処理を行う半導体ウエハWが、前工程でどのような処理を施されたものであるかによっても、最適なガス種が変わる場合があり、これらを考慮して適宜選択することが好ましい。
【0039】
そして、上記のようにして半導体ウエハWに弱いプラズマを作用させた後、図2に示すように、静電チャック用電極4aへの直流電源5からの直流電圧(HV)の印加を行い、この後、処理ガス供給源22から真空チャンバー1内に所定の処理ガス(エッチングガス)を供給し、高周波電源11から下部電極としての載置台2に、例えば、2000W等の通常の処理用のパワーの高い高周波電力(周波数例えば13.56MHz)を供給して、強いプラズマを発生させ、通常のプラズマ処理(エッチング処理)を行う。なお、図2において、横軸は時間を表し、縦軸は静電チャックHVの場合には電圧値、RF出力の場合には電力値を表す。
【0040】
この時、下部電極である載置台2に高周波電力が印加されることにより、上部電極であるシャワーヘッド15と下部電極である載置台2との間の処理空間には高周波電界が形成されるとともに、磁場形成機構24による磁場が形成され、この状態でプラズマによるエッチングが行われる。
【0041】
そして、所定のエッチング処理が実行されると、高周波電源11からの高周波電力の供給を停止することによって、エッチング処理を停止し、上述した手順とは逆の手順で、半導体ウエハWを真空チャンバー1外に搬出する。
【0042】
上記のようにして、まず、半導体ウエハWに弱いプラズマを作用させ、この後、半導体ウエハWのエッチング処理を行ったところ、半導体ウエハWに表面アーキングが生じる割合を、ロットによらず、略ゼロ(1%以下)とすることができた。一方、上記のような弱いプラズマを作用させずに処理を開始した場合は、半導体ウエハWに表面アーキングが生じる割合がロットによっては、80%程度となる場合があった。エッチングより前の工程において、半導体ウエハWが帯電してしまったことが原因であり、このような表面アーキングは、前工程が、CVDによって所謂Low−K膜を形成する工程の場合に、特に発生する確率が高かった。
【0043】
したがって、通常の処理を開始する前に、上記のように半導体ウエハWに弱いプラズマを作用させることによって、半導体ウエハWに表面アーキングが生じる割合を大幅に低下できることが確認できた。
【0044】
ところで、上記の実施形態では、図1に示すように、下部電極である載置台2にのみ高周波電力が印加される構成の装置を使用した場合について説明したが、例えば、図3に示すように、上部電極としてのシャワーヘッド15にも、整合装置30を介して高周波電源31から高周波電力を印加するように構成された所謂上下部印加型のプラズマ処理装置についても、適用することができる。
【0045】
この場合、例えば、図4に示すように、まず、下部電極である載置台2に、低いパワーの高周波電力の印加を開始し、その後に上部電極であるシャワーヘッド15に低いパワーの高周波電力の印加を開始し、ここで一旦下部電極である載置台2に対する高周波電力の印加を停止する。そして、この状態で所定期間半導体ウエハWに弱いプラズマを作用させた後、上部電極であるシャワーヘッド15に対する高周波電力の印加も停止して、一旦プラズマを消す。
【0046】
しかる後、静電チャック4の静電チャック用電極4aへの直流電圧(HV)の印加、下部電極である載置台2に対する処理用の通常の高周波電力(高パワーの高周波電力)の印加、上部電極であるシャワーヘッド15に対する処理用の通常の高周波電力(高パワーの高周波電力)の印加を、この順で開始し、半導体ウエハWの通常の処理を開始する。
【0047】
このようにして、上下部印加型のプラズマ処理装置についても、本発明は適用することができる。
【0048】
なお、上記のように弱いプラズマを作用させるのに加えて、または、単独で、処理を開始する前に、半導体ウエハWに例えば、イオナイザーを作用させて、その内部の電荷を低減させることも好ましい。このようなイオナイザーの作用によって、表面アーキングの発生を抑制することもできる。このイオナイザーは、チャンバー内に設置してもよく、あるいはチャンバー外の別の場所に設置してもよい。
【0049】
ところで、図2に示したプラズマ処理方法では、下部電極である載置台2に弱い高周波電力を印加して弱いプラズマをたてた後の高周波電力が印加されていない状態で、静電チャック4の静電チャック用電極4aへの直流電圧(HV)の印加を開始している。このように、弱い高周波電力を印加して弱いプラズマをたてた後の高周波電力が印加されていない状態で、チャック用電極4aへの直流電圧(HV)の印加を開始すると、この直流電圧(HV)の印加を開始した際に、雷状の放電を発生させ基板に損傷を与える可能性がある。このような場合は、図5に示すように、載置台2に高周波電力が印加されている状態(弱いプラズマが生起されている状態)で、静電チャック用電極4aへの直流電圧(HV)の印加を開始すれば、放電の発生を、抑制することができる。
【0050】
以上、第1実施例において、エッチング等のプラズマ処理前にArガスを用いて弱いプラズマをたてる方法、及びその際の静電チャック用電極4aへの直流電圧印加のタイミングについて説明した。
【0051】
(第2実施例)
次にエッチング処理等のプラズマ処理を行う際の高周波電力印加のタイミング及び静電チャック用電極4aへの直流電圧印加のタイミングとの関係について、好適な例を説明する。
【0052】
なお、上記の静電チャック4には、双極型と単極型があり、また、これらのタイプに夫々クーロン型とジョンソンラーベック型とがある。このうち、単極型でクーロン型の静電チャック4を使用した場合、次のようなシーケンスで半導体ウエハWの吸着を行うことが好ましい。図6にそのシーケンスを表す。横軸は時間、縦軸は点線については印加高周波電力値(W)、実線については印加直流電圧値(V)を表している。
【0053】
すなわち、半導体ウエハWを載置台2(静電チャック4)上に載置した後、真空チャンバー1内にガスの導入を開始する。そして、この後、図6に点線で示すように、まず、載置台2に高周波電力の印加を開始してプラズマを発生させ、この後、同図に実線で示すように、静電チャック用電極4aへの直流電圧(HV)の印加を行う。
【0054】
なお、静電チャック用電極4aへの直流電圧(HV)の印加開始前は、半導体ウエハWが静電チャック4に吸着されていないため、その温度制御が充分に行われてはいない。このため、最初にプラズマを発生させる際に載置台2に印加する高周波電力は、処理を行う時に比べて低いパワーの高周波電力(例えば500W程度)とし、プラズマの作用によって、半導体ウエハWの温度が上昇しないようにすることが好ましい。
【0055】
そして、半導体ウエハWを静電チャック4から取り外す際も、同図に示すように、プラズマ処理が終了した後、まず、印加高周波電力値を、処理を行う時に比べて低いパワーの電力値(0Wではない)に下げる。この後、静電チャック用電極4aへの直流電圧(HV)の印加を停止し、しかる後、高周波電力の印加を停止してプラズマを消す。なお、静電チャック用電極4aへの直流電圧(HV)の印加を停止する際に、一旦吸着時とは逆極性の電圧(例えば−2000V程度)を静電チャック用電極4aへ印加して、電荷を除去し、半導体ウエハWを外し易くする。このような逆極性の電圧の印加は、必要に応じて行われ、かかる逆極性の電圧の印加を行わなくとも半導体ウエハWを静電チャック4から簡単に取り外すことができる場合は、逆極性の電圧の印加は行わない。
【0056】
図7は、上記のような静電チャック4による半導体ウエハWの吸着のシーケンスの際の、静電チャック(ESC)の銅製の電極部(Cu)及びポリイミド製の絶縁膜部(PI)と、多層半導体ウエハ(Multi Layer Wafer )の裏面酸化膜部(B.S.Ox)及びシリコン基板部(Si sub )及び酸化膜部(Ox)と、真空チャンバー内の処理空間部(Space )及び上部電極部(Wall)の各部の電位の変化を示すものである。
【0057】
同図に示すように、まず、載置台2に設けられたウエハ支持用のピンを降下させて半導体ウエハWを載置台2上に載置すると、図中▲1▼で示すように、各部の電位はゼロの状態であり、この後、真空チャンバー1内にガスの導入を開始した際も図中▲2▼で示すように、各部の電位はゼロの状態である。
【0058】
この後、高周波電力の印加を開始してプラズマを発生させると、図中▲3▼で示すように、半導体ウエハWの電位が、プラズマの状態で決まるマイナス数100V程度の電位となる。
【0059】
そして、この状態で、静電チャック用電極4aへの直流電圧(HV)の印加を開始すると、図中▲4▼で示すように、静電チャック用電極4aの電位が、印加した直流電圧(HV)の電位(例えば、1.5KV程度)となり、絶縁膜部(PI)に電位差が生じて半導体ウエハWの吸着が行われる。
【0060】
このように、上記のような静電チャック4による半導体ウエハWの吸着のシーケンスによれば、半導体ウエハWの表面に、静電チャック用電極4aへの直流電圧(HV)の印加に伴なう高い電圧がかからないので、半導体ウエハWの表面に不所望な異常放電が生じることを防止することができる。
【0061】
なお、第2の実施例において説明してきた、高周波電力を印加した後に直流電圧を印加するシーケンスについて、以下に説明するような効果がある。
【0062】
図9に示すようなシーケンス、すなわちプラズマ処理開始時における静電チャック用電極4aへの直流電圧印加後の下部電極(または上部電極)への高周波電力印加、及びプラズマ処理終了後における高周波電力OFF後の直流電圧OFFを行うと、半導体ウエハWを吸着又は離脱させる際に、図10に示すように半導体ウエハWに大きな電圧がかかる。それにより、半導体ウエハW表面に損傷、具体的には直径数十μm程度の欠けが発生する可能性があり、その欠けが発生する場所によってはエッチング中にアーキングを引き起こし、製品不良を起こしてしまう。また、欠けたものがパーティクルとなり、半導体ウエハW表面に付着してしまうこともある。
【0063】
しかし、本実施例において説明してきた、処理開始時にRF ON→HV ON、処理終了時にHV OFF→RF OFFというシーケンスの場合には、半導体ウエハWに高電圧がかからないので、半導体ウエハWへの損傷がなくなるとともに、半導体ウエハW表面のパーティクルを防ぐことができる。
【0064】
また、図9のようなシーケンスで、半導体ウエハW表面に損傷が起こらない場合であっても、静電チャック用電極4aへの直流電圧の印加により半導体ウエハWが帯電してしまうため、その静電気力により処理室内に通常浮遊している帯電パーティクルが、半導体ウエハWに付着してしまう可能性がある。
【0065】
しかし、処理開始時にRF ON→HV ON、処理終了時にHV OFF→RF OFFというシーケンスの場合には、静電チャックへの直流電圧の印加前に高周波放電が維持されているため、浮遊している帯電パーティクルはイオンシース中にトラップされることになり、結果的にパーティクルの半導体ウエハW表面への付着を減少させることができる。このような効果もある。
【0066】
以下に、イオンシース中トラップの効果を検証した結果を示す。
【0067】
図11は、半導体ウエハWを吸着するための静電チャックの直流印加電圧の大きさの相違による付着パーティクル数の相違を調べた結果を示すものである。
【0068】
すなわち、まず、プラズマ処理装置の処理チャンバー内にパーティクル発生源となるCF系の反応物を付着させ(シーズニング)、この後、処理チャンバー内に半導体ウエハWを搬入して静電チャック上に載置して一定時間処理ガスを流通させ、しかる後、半導体ウエハWの除電を行って処理チャンバー内から搬出し、半導体ウエハWに付着したパーティクル数を、パーティクルの大きさを3種類に分けて、この3種類の大きさごとにカウントしたもので、静電チャックの直流電圧を、0V、1.5kV、2.0kV、2.5kVとして、夫々の場合について調べた結果を示すものである。
【0069】
同図に示すように、静電チャックの直流印加電圧を高めると、半導体ウエハWに付着するパーティクルの数が、増加することが分かる。すなわち、静電チャックへの直流電圧の印加が、半導体ウエハWに対するパーティクルの付着に影響を与えることが分かる。
【0070】
なお、上記シーズニング工程の処理条件は、圧力:6.65Pa、高周波電力:3500W、使用ガス:C4 F8 /Ar/CH2 F2 =13/600/5sccm、ウエハ裏面圧力(中央/周縁):1330/3990Pa、温度(天井/側壁/底部):60/60/60℃、高周波印加時間:3分である。
【0071】
また、半導体ウエハWを静電チャック上に配置してガスを流通させる際の圧力、使用ガス、ウエハ裏面圧力、温度の条件は、上記と同じであり、高周波電力=0、ガス流通時間は60秒である。
【0072】
さらに、上記除電工程は、半導体ウエハWの除電を、圧力:26.6Pa、印加電圧:−1.5kV、電圧印加時間:1秒、及び、圧力:53.2Pa、N2 :1000sccm、時間:15秒の条件で行い、静電チャックの除電を、印加電圧:−2.0kV、電圧印加時間:1秒で行った。なお、このように除電を行うのは、プロセス終了後の半導体ウエハWを搬送する際に半導体ウエハWが跳ねてしまうと余計なパーティクルの再付着を招く恐れがあるため、つまり、除電により、このような半導体ウエハWの跳ねが起きないようにするためである。
【0073】
また、図12は、上記のシーズニング工程の後、半導体ウエハWを処理チャンバー内に配置し、この状態でO2 ドライクリーニングを行ってシーズニング工程で付着した反応物から多数のパーティクルを発生させ、半導体ウエハWに付着したパーティクルの数を、処理開始時にRF ON→HV ON、処理終了時にHV OFF→RF OFFというシーケンスの場合と、処理開始時にHV ON→RF ON、処理終了時にRF OFF→HV OFFというシーケンスの場合とについて測定した結果を示すものである。なお、かかる測定において、シーズニング工程及び除電工程は、前述した場合と同様であり、O2 ドライクリーニング工程は、圧力:13.3Pa、高周波電力:1000W、使用ガス:O2 =1000sccm、ウエハ裏面圧力(中央/周縁):1330/3990Pa、温度(天井/側壁/底部):60/60/60℃、高周波印加時間:30秒である。
【0074】
同図に示すように、処理開始時にRF ON→HV ON、処理終了時にHVOFF→RF OFFというシーケンスを採用することによって、付着するパーティクルの数を大幅に減少させることができる。
【0075】
なお、図8に示すシーケンスのように、半導体ウエハWを載置台2に設けられたウエハ支持用のピン(支持棒)で支持した状態で静電チャック用電極4aへの直流電圧 (HV)の印加を開始し(▲2▼)、この後、ウエハ支持用のピンを下降させて半導体ウエハWを載置台2上に載置し(▲3▼、▲4▼)、半導体ウエハWを吸着させる場合も、半導体ウエハWの表面が印加した直流電圧(HV)の電位となることがない。したがって、このような吸着シーケンスによっても、半導体ウエハWの表面に不所望な異常放電が生じることを防止することができる。但し、このようなシーケンスは、ウエハ支持用のピンが導電性であり、このピンから半導体ウエハWに電荷が供給される構成となっていなければ行うことができない。
【0076】
また、上記のような静電チャックによる吸着の際に生じる異常放電は、同じクーロン型の静電チャックであっても、双極型の静電チャックを使用すれば、防止することができる。
【0077】
なお、以上の例では、平行平板型のエッチング装置を使用したエッチング処理の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、あらゆるプラズマ処理に使用できることは勿論である。また、上記の実施形態では、エッチング処理を行うエッチング装置の真空チャンバー内で弱いプラズマを作用させる場合について説明したが、処理を行う装置とは別の場所で弱いプラズマを作用させ、半導体ウエハWを初期化することもできる。
【0078】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、被処理基板に生じる表面アーキングの発生を防止して、従来に較べて生産性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に使用する装置の概略構成を模式的に示す図。
【図2】本発明の一実施形態に係るプラズマ処理方法を説明するための図。
【図3】本発明の他の実施形態に使用する装置の概略構成を模式的に示す図。
【図4】本発明の他の実施形態に係るプラズマ処理方法を説明するための図。
【図5】図2に示す実施形態の変形例に係るプラズマ処理方法を説明するための図。
【図6】静電チャックによるチャック方法を説明するための図。
【図7】図6のチャック方法における各部の電位の変化を説明するための図。
【図8】他のチャック方法における各部の電位の変化を説明するための図。
【図9】静電チャックによるチャック方法の比較例を説明するための図。
【図10】図9のチャック方法における各部の電位の変化を説明するための図。
【図11】静電チャックの印加電圧とパーティクルの数との関係を示す図。
【図12】シーケンスの相違によるパーティクルの数の相違を示す図。
【符号の説明】
W……半導体ウエハ、1……真空チャンバー、2……載置台(下部電極)、4……静電チャック、5……直流電源、11……高周波電源、15……シャワーヘッド(上部電極)。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma processing method and a plasma processing apparatus, and more particularly, to a plasma processing method and a plasma processing apparatus for performing a plasma etching process or the like on a substrate to be processed such as a semiconductor wafer or an LCD substrate.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a plasma processing method for processing a substrate to be processed such as a semiconductor wafer or an LCD substrate using plasma has been frequently used. For example, in a semiconductor device manufacturing process, as a technique for forming a fine electric circuit on a substrate to be processed, for example, a semiconductor wafer, a thin film or the like formed on the semiconductor wafer is removed by etching using plasma. The plasma etching process is frequently used.
[0003]
In an etching apparatus for performing such a plasma etching process, for example, plasma is generated in a processing chamber (etching chamber) configured so that the inside can be hermetically closed. Then, a semiconductor wafer is placed on a susceptor provided in the etching chamber, and etching is performed.
[0004]
Various types of means for generating the plasma are known. Among them, in an apparatus of a type in which high-frequency power is supplied to a pair of parallel plate electrodes provided so as to face each other vertically to generate plasma, one of the parallel plate electrodes, for example, a lower electrode also serves as a susceptor. . Then, a semiconductor wafer is arranged on the lower electrode, a high frequency voltage is applied between the parallel plate electrodes to generate plasma, and etching is performed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such an etching apparatus, during etching, so-called surface arcing in which a lightning-like abnormal discharge occurs on the surface of the semiconductor wafer may occur.
[0006]
In the surface arcing, for example, when an insulator layer is formed on a conductor layer and such an insulator layer is etched, for example, an insulator layer made of a silicon oxide film is etched and a lower metal layer is formed. For example, when a contact hole leading to a conductive layer is formed, a silicon oxide film whose thickness has been reduced by etching is often destroyed.
[0007]
When such abnormal discharge occurs, many parts of the silicon oxide film in the semiconductor wafer are destroyed, so that most elements of the semiconductor wafer become defective. At the same time, metal contamination occurs in the etching chamber, so that the etching process cannot be continuously performed, and the inside of the etching chamber needs to be cleaned. For this reason, there has been a problem that productivity is significantly reduced.
[0008]
The present invention has been made in view of such conventional circumstances, and a plasma processing method and a plasma processing method capable of preventing the occurrence of surface arcing occurring on a substrate to be processed and improving the productivity as compared with the related art. It is intended to provide a device.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In the invention of
[0010]
According to a second aspect of the present invention, in the plasma processing method according to the first aspect, the weak plasma is applied to the substrate to be processed for a predetermined time, and thereafter, a DC voltage is applied to an electrostatic chuck for suction-holding the substrate to be processed. Is applied.
[0011]
According to a third aspect of the present invention, in the plasma processing method according to the second aspect, before the weak plasma is extinguished, application of a DC voltage to the electrostatic chuck is started.
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, in the plasma processing method according to any one of the first to third aspects, the weak plasma is Ar gas or O gas. 2 Gas or CF 4 Gas or N 2 It is characterized by being a plasma formed by a gas.
[0013]
The invention according to
[0014]
According to a sixth aspect of the present invention, in the plasma processing method according to any one of the first to fifth aspects, the weak plasma is applied to the substrate to be processed for 5 to 20 seconds.
[0015]
According to a seventh aspect of the present invention, in the plasma processing method according to any one of the first to sixth aspects, at the start of the plasma processing, the application of high-frequency power for generating plasma to the electrostatic chuck is started. The method is characterized in that application of a DC voltage is started, and at the end of the plasma processing, application of the DC voltage to the electrostatic chuck is stopped, and then application of the high-frequency power is stopped.
[0016]
The invention according to
[0017]
According to a ninth aspect of the present invention, in the plasma processing method according to any one of the first to eighth aspects, the plasma processing is an etching processing, and the weak plasma is applied to the substrate to be processed in a processing chamber for performing the etching processing. Is made to act.
[0018]
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a plasma processing apparatus provided with a plasma processing mechanism for performing a plasma processing on a substrate to be processed, wherein the plasma processing mechanism is controlled. And a control unit for performing the following.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0020]
FIG. 1 schematically shows the overall configuration of a plasma processing apparatus (etching apparatus) used in an embodiment of the present invention. In FIG. A cylindrical vacuum chamber which is configured to be airtightly closable and constitutes a processing chamber is shown.
[0021]
The
[0022]
The mounting table 2 is supported in the
[0023]
Further, inside the mounting table 2, a heat
[0024]
Then, the mounting table 2 is controlled to a predetermined temperature by circulating an insulating fluid controlled at a predetermined temperature in the heat
[0025]
A
[0026]
Outside the
[0027]
On the other hand, a
[0028]
The
[0029]
On the other hand, an annular magnetic field forming mechanism (ring magnet) 24 is arranged around the outside of the
[0030]
The plasma processing mechanism such as the
[0031]
Next, the procedure of the etching process performed by the etching apparatus configured as described above will be described.
[0032]
(First embodiment)
First, a gate valve (not shown) provided in the
[0033]
Thereafter, while the inside of the
[0034]
The reason why the weak plasma is applied to the semiconductor wafer W is as follows.
[0035]
That is, the state of the semiconductor wafer W to be processed is not uniform due to the processing state in a previous step (for example, a film forming step such as CVD), and, for example, electric charges are accumulated inside the semiconductor wafer W. There are cases. If strong plasma is applied in the state where charges are accumulated inside the semiconductor wafer W, surface arcing or the like is likely to occur, so that weak plasma is applied before the strong plasma is applied. This is for uniformly adjusting (initializing) the state and the like of the electric charge accumulated inside the semiconductor wafer W.
[0036]
Then, in adjusting the state of the electric charge accumulated inside the semiconductor wafer W, the electric charge is applied to the electrostatic chuck electrode 4a of the
[0037]
The high frequency applied power for generating such weak plasma is 0.15 W / cm. 2 ~ 1.0W / cm 2 For example, about 100 to 500 W, and the time for applying weak plasma to the semiconductor wafer W is, for example, about 5 to 20 seconds.
[0038]
In the above description, the case where Ar gas is used and plasma of Ar gas is applied is described. However, the gas type is not limited to this. 2 Gas, CF 4 Gas, N 2 A gas such as a gas can also be used. However, in selecting this gas type, a gas type that causes an undesired effect such as etching on the semiconductor wafer W and the inner wall of the
[0039]
Then, after the weak plasma is applied to the semiconductor wafer W as described above, as shown in FIG. 2, a DC voltage (HV) from the
[0040]
At this time, by applying high-frequency power to the mounting table 2 as the lower electrode, a high-frequency electric field is formed in the processing space between the
[0041]
When the predetermined etching process is performed, the supply of the high-frequency power from the high-
[0042]
As described above, first, a weak plasma is applied to the semiconductor wafer W, and then, when the semiconductor wafer W is subjected to the etching process, the rate at which surface arcing occurs on the semiconductor wafer W is substantially zero regardless of the lot. (1% or less). On the other hand, when the process is started without applying the weak plasma as described above, the rate at which surface arcing occurs on the semiconductor wafer W may be about 80% depending on the lot. This is due to the fact that the semiconductor wafer W has been charged in a process prior to the etching. Such surface arcing occurs particularly when the previous process is a process of forming a so-called Low-K film by CVD. The probability of doing was high.
[0043]
Therefore, it was confirmed that the rate at which surface arcing occurs on the semiconductor wafer W can be significantly reduced by applying weak plasma to the semiconductor wafer W as described above before starting the normal processing.
[0044]
By the way, in the above-described embodiment, as shown in FIG. 1, a case where a device having a configuration in which high-frequency power is applied only to the mounting table 2 serving as the lower electrode is described, for example, as shown in FIG. The so-called upper and lower application type plasma processing apparatus configured to apply high frequency power from the high
[0045]
In this case, for example, as shown in FIG. 4, first, the application of low-power high-frequency power to the mounting table 2 serving as the lower electrode is started, and then the low-power high-frequency power is applied to the
[0046]
Thereafter, a DC voltage (HV) is applied to the electrostatic chuck electrode 4 a of the
[0047]
In this manner, the present invention can be applied to a plasma processing apparatus of the upper and lower application type.
[0048]
In addition, in addition to applying weak plasma as described above, or alone, it is also preferable that, for example, an ionizer is applied to the semiconductor wafer W before the processing is started to reduce the charge inside the semiconductor wafer W. . By the action of such an ionizer, the occurrence of surface arcing can be suppressed. The ionizer may be located within the chamber or at another location outside the chamber.
[0049]
By the way, in the plasma processing method shown in FIG. 2, a weak high-frequency power is applied to the mounting table 2 as the lower electrode, and after the weak plasma is applied, the high-frequency power is not applied. The application of the DC voltage (HV) to the electrostatic chuck electrode 4a has started. As described above, when the application of the DC voltage (HV) to the chucking electrode 4a is started in a state where the high-frequency power after the application of the weak high-frequency power and weak plasma is not applied, the DC voltage ( When the application of HV) is started, a lightning-like discharge may be generated to damage the substrate. In such a case, as shown in FIG. 5, in a state where high-frequency power is applied to the mounting table 2 (a state in which weak plasma is generated), a DC voltage (HV) to the electrostatic chuck electrode 4a is applied. , The occurrence of discharge can be suppressed.
[0050]
In the above, in the first embodiment, the method of generating a weak plasma using Ar gas before plasma processing such as etching and the timing of applying a DC voltage to the electrostatic chuck electrode 4a at that time have been described.
[0051]
(Second embodiment)
Next, a preferred example will be described with respect to the relationship between the timing of applying high-frequency power and the timing of applying a DC voltage to the electrostatic chuck electrode 4a when performing plasma processing such as etching.
[0052]
The
[0053]
That is, after the semiconductor wafer W is mounted on the mounting table 2 (the electrostatic chuck 4), introduction of gas into the
[0054]
Before the start of the application of the DC voltage (HV) to the electrostatic chuck electrode 4a, the temperature of the semiconductor wafer W is not sufficiently controlled because the semiconductor wafer W is not attracted to the
[0055]
Also, when the semiconductor wafer W is removed from the
[0056]
FIG. 7 illustrates a copper electrode portion (Cu) and a polyimide insulating film portion (PI) of the electrostatic chuck (ESC) during the sequence of chucking the semiconductor wafer W by the
[0057]
As shown in the figure, first, when the semiconductor wafer W is mounted on the mounting table 2 by lowering the wafer supporting pins provided on the mounting table 2, as shown by (1) in the figure, The potential is zero, and thereafter, when the introduction of gas into the
[0058]
Thereafter, when the application of high-frequency power is started to generate plasma, the potential of the semiconductor wafer W becomes a potential of minus several hundred volts determined by the state of the plasma, as indicated by (3) in the figure.
[0059]
Then, in this state, when the application of the DC voltage (HV) to the electrostatic chuck electrode 4a is started, as shown by (4) in the figure, the potential of the electrostatic chuck electrode 4a changes to the applied DC voltage ( HV) (for example, about 1.5 KV), causing a potential difference in the insulating film portion (PI), and the semiconductor wafer W is attracted.
[0060]
As described above, according to the sequence of the suction of the semiconductor wafer W by the
[0061]
Note that the sequence described in the second embodiment for applying the DC voltage after the application of the high-frequency power has the following effects.
[0062]
A sequence as shown in FIG. 9, that is, a high-frequency power is applied to the lower electrode (or upper electrode) after the DC voltage is applied to the electrostatic chuck electrode 4a at the start of the plasma processing, and after the high-frequency power is turned off after the plasma processing is completed When the DC voltage is turned OFF, a large voltage is applied to the semiconductor wafer W as shown in FIG. As a result, the surface of the semiconductor wafer W may be damaged, specifically, a chip having a diameter of about several tens of μm may occur. Depending on a place where the chip occurs, arcing occurs during etching, resulting in a defective product. . In addition, the chipped particles may become particles and adhere to the surface of the semiconductor wafer W.
[0063]
However, in the case of the sequence described in the present embodiment where RF ON → HV ON at the start of processing and HV OFF → RF OFF at the end of processing, no high voltage is applied to the semiconductor wafer W. Is eliminated, and particles on the surface of the semiconductor wafer W can be prevented.
[0064]
Further, even if the surface of the semiconductor wafer W is not damaged in the sequence as shown in FIG. 9, the semiconductor wafer W is charged by the application of the DC voltage to the electrostatic chuck electrode 4a. There is a possibility that charged particles that normally float in the processing chamber due to force will adhere to the semiconductor wafer W.
[0065]
However, in the case of the sequence of RF ON → HV ON at the start of the process and HV OFF → RF OFF at the end of the process, since the high frequency discharge is maintained before the DC voltage is applied to the electrostatic chuck, it is floating. The charged particles are trapped in the ion sheath, and as a result, adhesion of the particles to the surface of the semiconductor wafer W can be reduced. There is also such an effect.
[0066]
The result of verifying the effect of the trap in the ion sheath is shown below.
[0067]
FIG. 11 shows the result of examining the difference in the number of attached particles due to the difference in the magnitude of the DC applied voltage of the electrostatic chuck for attracting the semiconductor wafer W.
[0068]
That is, first, a CF-based reactant serving as a particle generation source is attached to the processing chamber of the plasma processing apparatus (seasoning), and then the semiconductor wafer W is loaded into the processing chamber and placed on the electrostatic chuck. Then, the processing gas is circulated for a certain period of time. Thereafter, the semiconductor wafer W is discharged and taken out of the processing chamber, and the number of particles attached to the semiconductor wafer W is divided into three types of particle size. The count is performed for each of the three types of magnitudes, and the results are shown for each case where the DC voltage of the electrostatic chuck is 0 V, 1.5 kV, 2.0 kV, and 2.5 kV.
[0069]
As shown in the figure, it is understood that the number of particles adhering to the semiconductor wafer W increases as the DC applied voltage of the electrostatic chuck increases. That is, it is understood that the application of the DC voltage to the electrostatic chuck affects the adhesion of the particles to the semiconductor wafer W.
[0070]
The processing conditions of the seasoning step are as follows: pressure: 6.65 Pa, high-frequency power: 3500 W, gas used: C 4 F 8 / Ar / CH 2 F 2 = 13/600/5 sccm, wafer back pressure (center / periphery): 1330/3990 Pa, temperature (ceiling / sidewall / bottom): 60/60/60 ° C, high-frequency application time: 3 minutes.
[0071]
The conditions of the pressure, the gas used, the pressure on the wafer back surface, and the temperature when the semiconductor wafer W is placed on the electrostatic chuck and the gas is circulated are the same as those described above. Seconds.
[0072]
Further, in the above-described static elimination step, static elimination of the semiconductor wafer W is performed at a pressure of 26.6 Pa, an applied voltage of -1.5 kV, a voltage application time of 1 second, and a pressure of 53.2 Pa, N 2 : 1000 sccm, time: 15 seconds, and static elimination of the electrostatic chuck was performed at an applied voltage of -2.0 kV and a voltage application time of 1 second. It should be noted that such static elimination is performed because the semiconductor wafer W may jump when transporting the semiconductor wafer W after the process, which may cause extra particles to adhere again. This is to prevent such a jump of the semiconductor wafer W from occurring.
[0073]
FIG. 12 shows that after the above-described seasoning step, the semiconductor wafer W is placed in the processing chamber. 2 A dry cleaning is performed to generate a large number of particles from the reactant adhered in the seasoning process, and the number of particles adhered to the semiconductor wafer W is determined by a sequence of RF ON → HV ON at the start of the process and HV OFF → RF OFF at the end of the
[0074]
As shown in the figure, by adopting the sequence of RF ON → HV ON at the start of the process and HVOFF → RF OFF at the end of the process, the number of particles attached can be significantly reduced.
[0075]
As shown in the sequence of FIG. 8, the DC voltage (HV) applied to the electrostatic chucking electrode 4a in a state where the semiconductor wafer W is supported by the wafer supporting pins (supporting rods) provided on the mounting table 2. The application is started ((2)), and thereafter, the semiconductor wafer W is mounted on the mounting table 2 by lowering the wafer supporting pins ((3), (4)), and the semiconductor wafer W is sucked. Also in this case, the surface of the semiconductor wafer W does not reach the potential of the applied DC voltage (HV). Therefore, even by such a suction sequence, occurrence of undesired abnormal discharge on the surface of the semiconductor wafer W can be prevented. However, such a sequence cannot be performed unless the pins for supporting the wafer are conductive and a charge is supplied to the semiconductor wafer W from the pins.
[0076]
In addition, abnormal discharge that occurs at the time of suction by the electrostatic chuck as described above can be prevented by using a bipolar electrostatic chuck even with the same Coulomb-type electrostatic chuck.
[0077]
In the above example, the embodiment of the etching process using the parallel plate type etching apparatus has been described. However, the present invention is not limited to such an embodiment, and it is needless to say that the present invention can be used for any plasma processing. . Further, in the above-described embodiment, the case where the weak plasma is applied in the vacuum chamber of the etching apparatus for performing the etching process has been described. It can also be initialized.
[0078]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to prevent surface arcing from occurring on a substrate to be processed, and to improve productivity as compared with the related art.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a schematic configuration of an apparatus used in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a plasma processing method according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram schematically showing a schematic configuration of an apparatus used in another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a view for explaining a plasma processing method according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a view for explaining a plasma processing method according to a modification of the embodiment shown in FIG. 2;
FIG. 6 is a view for explaining a chucking method using an electrostatic chuck.
FIG. 7 is a diagram for explaining a change in potential of each part in the chucking method of FIG. 6;
FIG. 8 is a diagram for explaining a change in potential of each part in another chucking method.
FIG. 9 is a view for explaining a comparative example of a chucking method using an electrostatic chuck.
FIG. 10 is a diagram for explaining a change in potential of each part in the chucking method of FIG. 9;
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the voltage applied to the electrostatic chuck and the number of particles.
FIG. 12 is a diagram illustrating a difference in the number of particles due to a difference in a sequence.
[Explanation of symbols]
W ... Semiconductor wafer, 1 ... Vacuum chamber, 2 ... Placement table (lower electrode), 4 ... Electrostatic chuck, 5 ... DC power supply, 11 ... High frequency power supply, 15 ... Shower head (upper electrode) .
Claims (10)
前記プラズマ処理を行う前に、当該プラズマ処理に使用するプラズマよりも弱いプラズマを前記被処理基板に作用させて、当該被処理基板の電荷の状態を一定の状態とし、この後、前記プラズマ処理を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。In performing plasma processing by applying plasma to the substrate to be processed,
Before performing the plasma processing, a plasma that is weaker than the plasma used for the plasma processing is applied to the processing target substrate to make the state of charge of the processing target substrate constant, and thereafter, the plasma processing is performed. Performing a plasma processing method.
前記弱いプラズマを前記被処理基板に所定時間作用させ、この後、前記被処理基板を吸着保持するための静電チャックに直流電圧を印加することを特徴とするプラズマ処理方法。The plasma processing method according to claim 1,
A plasma processing method, wherein the weak plasma is applied to the substrate to be processed for a predetermined time, and thereafter, a DC voltage is applied to an electrostatic chuck for suction-holding the substrate to be processed.
前記弱いプラズマを消す前に、前記静電チャックに対する直流電圧の印加を開始することを特徴とするプラズマ処理方法。The plasma processing method according to claim 2,
A plasma processing method characterized by starting application of a DC voltage to the electrostatic chuck before extinguishing the weak plasma.
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