JP2007081208A - プラズマ処理方法及び処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 半導体デバイスを製造する際のプラズマ処理工程において、ウエハに付着する異物を大幅に低減し、歩留まりを向上させる。
【解決手段】 プラズマ分布を制御可能なプラズマ源を備えたプラズマ処理装置において、プラズマＯｎ／Ｏｆｆ時に、ウエハ上のシース／バルク境界面の形状を凸型に制御する。プラズマＯｎ／Ｏｆｆ時に、低めのソース電力とウエハバイアス電力を印加し、プラズマ分布を外高に制御するステップを入れることにより、ウエハの中心付近では厚いシースが、外周付近ではそれより薄いシースが形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体デバイスの製造工程において、酸化シリコン、窒化シリコン、低誘電率膜（ｌｏｗ−ｋ膜）、ポリシリコン、アルミニウム等の材料に対し、プラズマを用いてエッチング等の処理を行うのに好適なプラズマ処理方法及び処理装置に係る。
半導体デバイスの製造において、成膜やエッチング等の工程にプラズマ処理装置が広く用いられている。これらプラズマ処理装置には、微細化するデバイスに対応した高精度処理性能と、量産性とが求められている。ここで、量産時に大きな問題となってくるのが、プラズマ処理の際にウエハに付着する異物による歩留まり低下である。
プラズマ処理中にウエハに異物が付着すると、配線の断線やショート等、デバイスにとって致命的な欠陥を与えることになる。また、デバイスの微細化が進展するにつれ、これまで問題にならなかった微小な異物の影響も大きくなってくる。これら異物をプラズマ処理後にウエット処理で除去する事も可能であるが、これは工程数が増大し、デバイスの製造コストが上昇するため好ましくない。したがってプラズマ処理を行う際に、異物の発生自体の低減や、発生した異物を除去すること、異物をウエハに落下させない事に注意が払われている。
プラズマ処理中の異物を除去する技術の例としては、例えば、特許文献１がある。該公報には、「上方向に発散している磁力線Ｂを発生し、磁力線Ｂに沿って異物を半導体ウエハの上部領域外に移動して排除し」と記載されている。
また、プラズマ処理中の異物を除去する別の技術の例としては、例えば、特許文献２がある。これは、「下部電極の周囲に、第二プラズマ発生用電極を設置」し、「プラズマ放電停止直前に、第二プラズマ発生用電極に高周波電圧を印加し、下部電極の外周に高密度の副プラズマを形成することにより、処理室内に、半導体ウエハの主面近傍に滞留する負に帯電した異物を半導体ウエハの外側に押し出すような副ポテンシャル分布を形成する」ことにより、異物低減を図るものである。
また、プラズマ中の異物がウエハ上に落下するのは、プラズマ処理中ではなく、プラズマをオン・オフする時であることは古くから知られている。例えば、非特許文献１には、プラズマ処理の最中、即ちウエハにＲＦバイアスが印加されている最中は、異物はウエハ直上に形成されるシースとバルクプラズマとの境界にトラップされ、ウエハ上にはあまり落下しないことが示されている。
一方、非特許文献２には、プラズマ中でウエハにＲＦバイアスが印加された際，ウエハ直上に形成されるＲＦシースのシース厚さｄｓに関する式が記載され、また、非特許文献３には、静止している異物が、周りのガス流れから受ける力Ｆｇについて記載されている。
特開平１１−１６２９４６号公報 特開平５−４７７１２号公報 H.H.Hwang, Appl.Phys.Lett. 68, p.3716, 1996 Journal of Applied Physics 97,043306, 2005 クリーンテクノロジ，２００４年１月号，Ｐ．９
特許文献１に記載の技術は、プラズマ中の異物が帯電していることを利用している。一般的にバルクプラズマ中に異物が進入すると、電子の拡散係数の方が正イオンの拡散係数より遥かに大きいため異物は負に帯電する。
よく知られているように、磁場中の運動している電荷は、磁場からローレンツ力を受け、磁場に巻き付く様に運動するため、磁力線によりその運動方向を拘束されることになる。電子の様に質量が小さければ（正確に言えば比電荷ｅ／ｍが大きければ。ここで、ｅは電荷量、ｍは質量）、プラズマ処理装置に用いられるような数Ｇａｕｓｓから数百Ｇａｕｓｓの磁場で、その運動を十分拘束し得る。しかるに、イオン程度の質量（電子の数千倍）のものはもはやその運動を数Ｇａｕｓｓから数百Ｇａｕｓｓ程度の磁場で拘束することは出来ない。
例えば、一般的にプラズマ処理に用いられるプラズマ中では、７５Ｇａｕｓｓの磁場をかけた場合、電子のラーマー半径は１ｍｍ以下であるが、イオンのラーマー半径は２０〜３０ｍｍ程度となり、ガスの平均自由行程(数mm程度)よりも一桁大きい値となる。これは、電子はガス分子との衝突の前に磁力線の回りを何回か旋回できる、即ち磁場でその運動を拘束できるのに対し、イオンは磁力線の回りを旋回する前にガス分子と衝突し運動の向きが変化するため、磁場により運動を拘束できないことを意味している。ましてや、０．１μｍの小径の異物でさえ、その質量はイオンよりも８桁ほど大きいため、いくら電荷をもっているとはいえ、その運動を磁場で拘束することは不可能である。また、異物の質量は異物半径の３乗に比例するのに対し、異物の帯電量は異物表面積、つまり半径の２乗に比例するため、異物径が大きくなればなるほど、比電荷ｅ／ｍは小さくなる。つまり特許文献１に開示されている技術では、ウエハ上から異物を排除することは事実上不可能である。
また、特許文献２に記載の技術は、まず実用化という点で現実的ではない。というのは、下部電極の外周に高密度の副プラズマを生成するための第二プラズマ発生用電極や、該電極に電力を印加するための電源を設置する必要があるために、装置構成が複雑になり、相当なコスト高になる、といった大きな欠点がある。また、第二プラズマ発生用の電極自体が消耗し、異物源や汚染源になる可能性も大きい。さらには、本来の目的の異物低減効果も思ったほどは期待できない。
まず、ウエハからプラズマ生成部が見込めない位置である電極外周部にて副プラズマを生成しているために、異物を除去したいウエハ上での副ポテンシャル形成が十分に成されない。つまり、副プラズマを生成しても、その影響がウエハ上まで届かないのである。これは、特に、プラズマの拡散速度が遅い高圧領域で顕著になる。一方、圧力を低くし、プラズマの拡散速度が速くなったとしても、今度は拡散速度が速いが故にウエハ上での副プラズマ密度分布が均一に近づき、やはり所望の副ポテンシャル形状が十分には形成されない。したがって、特許文献２に記載の技術では、異物除去効果自体にも疑問が残る。
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、プラズマ処理中にウエハに付着する異物の量を大幅に低減することのできるプラズマ処理方法ならびにプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
プラズマ処理においてウエハに落下する異物を低減することは、プラズマをオン・オフする際の非定常時に、いかに異物を落下させないかにかかっている。そこで、本発明者らは異物がトラップされているシース（正イオンの空間電荷を持つ層）／バルク（正負電荷が等しく分布するプラズマ層）の境界の形状を制御することにより異物をウエハ外に排除することができないかと考えた。その結果、プラズマをＯｎ，Ｏｆｆする際に、ウエハ直上に形成されるシースを凸形状にすることにより、重力でウエハ上から異物を排除できることを見出したのである。さらには、プラズマをＯｎ，Ｏｆｆする際に、ウエハ直上に形成されるシースの平均厚さを厚くすることで、ガス流れの力によりウエハ上から異物を排除できることを見出したのである。
本発明は、所望のガスを流せる減圧可能な反応容器内に、ウエハを載置するステージを設け、反応容器内にプラズマを生成・維持するための高周波電力を印加する第一の高周波電源と、プラズマからのイオンをウエハに引き込むための第二の高周波電源と、を備えたプラズマ処理装置において、プラズマをＯｎ及びＯｆｆさせる際に、ウエハ上に凸型の厚いシースを形成させることを特徴とする。
また、所望のガスを流せる減圧可能な反応容器内に、ウエハを載置するステージを設け、反応容器内にプラズマを生成・維持するための高周波電力を印加する第一の高周波電源と、プラズマからのイオンをウエハに引き込むための第二の高周波電源と、を備えたプラズマ処理装置において、第一の高周波電源をＯｎ及びＯｆｆさせる際に常に第二の高周波電力を印加していることを特徴とする。
本発明によれば、プラズマＯｎ／Ｏｆｆ時に、低めのソース電力とウエハバイアス電力を印加し、プラズマ分布を外高に制御するステップを入れることで、ウエハの中心付近では厚いシースが、外周付近ではそれより薄いシースが形成され、シース／バルク境界にトラップされている異物を、重力及びガス流れの効果でウエハ外に排出できる。これにより、ウエハに付着する異物を１／１０以下に低減でき、半導体デバイスの製造における歩留まり向上が見込める。さらに、本発明は、今後のデバイスの微細化で大きく問題になってくる粒径０．１μｍ以下の異物除去には、さらに絶大なる効果を発揮する。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
図１に、本発明の実施例１を示す。本発明の実施例１では、ガス導入手段１０を有する真空排気された真空処理室１の内部にウエハ載置用ステージ２を設け、該ステージに対向する面にステージに平行に略円形のアンテナ７を設け、第一の整合器１２を介し第一の高周波電源１１より該アンテナに高周波電力を印加し、該アンテナから放射される電磁波と外部コイル６．１、６．２及びヨーク５により形成される磁場との相互作用によりプラズマを生成し、ステージ２に接続された第二の高周波電源１３と第二の整合器１４により被処理ウエハ３に高周波バイアスを印加することによりプラズマ処理を行う構成になっている。
第一の高周波電源１１の周波数は、５０ＭＨｚから５００ＭＨｚの間で選定される。該周波数帯を用いることにより、微細処理に好適な低、中圧力領域（０．２〜５０Ｐａ程度）で、ウエハ上に効率良く、均一性の良いプラズマを生成可能となる。本実施例１においては、第一の高周波電源の周波数は２００ＭＨｚとした。
また、ウエハに高周波バイアスを印加するための第二の高周波電源１３の周波数は、第一の高周波電力により生成したプラズマに影響を与えず、かつ効率よくイオンをウエハに引き込むように、好ましくは１００ｋＨｚから２０ＭＨｚの間で、さらに好ましくは４００ｋＨｚから１３．５６ＭＨｚの間で選定される。本実施形態においては、４ＭＨｚの周波数を用いた。
また、２系統の外部コイル６．１、６．２にそれぞれ所定の電流を流すことにより、磁場を発生させるようになっている。アンテナ７から処理室内に放射される電磁波と該磁場との相互作用により、さらに効率よくプラズマを生成する事、換言すると、より低いソースパワーで処理に最適な中密度のプラズマを生成可能となる。さらに、コイル６．１と６．２に流す電流値を調整し、磁場強度と磁力線形状を調整することにより、プラズマ密度分布の形状を制御できる。
また、本実施例１ではアンテナ７の表面には、シャワープレート９が備えられている。シャワープレート９には、直径が０．３乃至０．８ｍｍ程度の微細な穴が数百個開けられている。さらに該シャワープレートとアンテナ本体７の間には、直径が０．３乃至１．５ｍｍ程度の微細な穴が数百個程度開けられたガス分散板８が設置されている。ガス分散板８とアンテナ７との間は処理用ガスのバッファ室となっており、ガス供給系１０より供給された処理用ガスは分散板８とシャワープレート９を介し処理室に均一に導入される。
また、上記したガスバッファ室は、アンテナ中央部とアンテナ外周部との２つの領域に分割されており、中央部と外周部にそれぞれ独立に処理用のガスを供給できる構造となっている。内側に流すガスと外側に流すガスの流量比やガス組成を変えることにより、より精密な処理を均一に施すことができる。
また、これまで記載してきた各高周波電源や、ガス導入系、コイル電源等は、全てコンピュータ制御されており、専用の制御ソフトを介してオペレータが制御できるようになっている。また、一連のプラズマ処理を行うための、複数のステップからなる処理条件（各高周波電力値やコイル電流値、ガス流量値等）を定めた処理レシピを保存するための記憶媒体も備えている。
以下に、これまでは異物の挙動に対し影響が微小であると思われていた重力やガス流れが、実際は異物の挙動に十分影響を与え得るという本発明の根拠を示す。
まず、異物がシース／バルク境界にトラップされている際に、異物にかかっている力について説明する。まず、ここでは、重力の影響のみを考えるために処理用ガスの流れは無視する。
通常のプラズマ処理中は、処理速度の面内均一性の観点から、ウエハ上のプラズマ密度は概ね均一となっており、ウエハ上に形成されるシースの厚さもウエハ上で概ね一定、即ちシース／バルク境界は水平になっている。帯電量ｑに負に帯電した質量Ｍの異物には、図２（ａ）に示したようにシース電界Ｅから受けるクーロン力ｑＥと、シース電界により加速された正イオンから受ける力であるイオンドラッグフォースＦｉｄと、重力Ｍｇの３つの力がかかっており（ｇは重力速度）、これら３つの力がつりあう位置であるシース／バルク境界にトラップされている。ここで、３つの力の大きさの関係は、
Ｆｉｄ ＋ Ｍｇ ＝ ｑＥ （１）
となっている。
図２（ｂ）には、シース／バルク境界が、何らかの要因により水平面より微小な角度θ傾いた際に異物にかかる力を示している。図から見て分かるように、クーロン力ｑＥとイオンドラッグフォースFid とはいずれもシース電界Ｅに平行な方向にかかり、シース電界Ｅの方向と重力ｍｇの方向はθの角度をなす。したがって、電界Ｅに平行な向きの力のバランスは、
Ｆｉｄ ＋ Ｍｇ ｃｏｓ（θ） ＝ ｑＥ （２）
となる。つまり異物には電界とは垂直な向きに、
Ｍｇ ｓｉｎ（θ） （３）
なる力が作用することになる。
一般的に、プラズマ処理中に問題となる０．０５μｍ〜５μｍ オーダーの異物の質量、プラズマによる異物への帯電量、シース電界の強さを考えると、クーロン力、イオンドラッグフォースに対し重力の大きさは無視できるほど小さく、異物の挙動に殆ど影響を与えないと言われている。例えば、プラズマ密度１×１０１０（ｃｍ−３），電子温度３（ｅＶ）のプラズマで、シース／バルク境界に直径１μｍ、密度２．４ｇ／ｃｍ３の異物が浮遊していたとすると、異物にかかるクーロン力、イオンドラッグフォースは１×１０−１３（Ｎ）程度のオーダーであるのに対し、重力は１×１０−１４（Ｎ）と一桁小さい値になっている。しかし、これはシース／バルク境界が水平であり、クーロン力、イオンドラッグフォース、重力が、全て同じ向きに働いている状況下での話である。
ここで、仮に何らかの影響でシース／バルク境界と水平面に角度θがついたとすると、異物には（３）式による重力の分力が作用し、これが異物の挙動に影響を与える。例えば、シース厚さをウエハ外周部で薄くし、異物が存在する位置でのシース／バルク境界面を水平面からθ傾けることができれば、シースの厚い部分から薄い部分に向かって、（３）式に示す力が異物にかかることになる。
ここで、（３）式に示した力が現実的な時間スケールで異物をウエハ外に排除できるかどうかを見積もる。０ｓにおける異物の初速度を０とすると、ｔ秒後に異物が移動できる距離ｒは、
ｒ ＝ １／２ ｇ ｓｉｎ（θ） ｔ２ （４）
となる。ここで、ある角度θ１，θ２…のとき、ｔ＝１ｓ，２ｓで異物が移動できる距離ｒ１，ｒ２を表１に纏めた。
Figure 2007081208
これより、ウエハの中心でのシース厚さを最大にし、ウエハエッジでのシース厚を最も薄くするようにし、シース／バルク境界と水平面とのなす角度θを２°つけることができれば、１ｓの間にウエハ半径（ｒ＝１５ｃｍ）から異物を排除できることがわかる。また、θが０．５°であっても、２秒ほどかければ異物を排除できることもわかる。さらに、（４）式に異物の質量Ｍが入っていないことから、上記したシース形状を制御し異物を排除する方法は、シース／バルク境界にトラップされている全ての粒子径の異物に有効な手段であることもわかる。
つぎに、シース／バルク境界と水平面のなす角度を制御することが現実的に可能かどうかを見積もった。プラズマ中でウエハにＲＦバイアスが印加された際，ウエハ直上に形成されるＲＦシースのシース厚さｄｓは、以下の式（５）で表されることが非特許文献２に記載されている。
Figure 2007081208
 ここで、ｅは電荷素量、Ｖｓはシースを横切る際の電位差、ｋＢはボルツマン定数、Ｔｅは電子温度である。また、λＤはデバイ長であり、電子密度をＮｅ，真空の誘電率をε０とすると、以下の式で表される。
λＤ＝（ε０ ｋＢ Ｔｅ ／ Ｎｅ ｅ２ ）１／２ （６）
（５）式、（６）式中でウエハ面内である程度制御可能であるパラメータは電子密度分布Ｎｅ（＝プラズマ密度分布）であり、これを制御すればよい。
図３には、シース電圧Ｖｓをパラメータとした際のシース厚さｄｓの電子密度依存性を示す。プラズマ密度が低いほど、また、シース電圧が高いほど、プラズマ密度分布の変化に対し、シース厚の変化が大きくなることが分かる。また、本図は、一般的に半導体製造に用いられるプラズマ処理装置で通常実現可能なプラズマ密度、シース電圧でのグラフを示している。例えば、Ｖｓ＝３００ＶとなるようにＲＦバイアスを印加した状態で、中心部（ｒ＝０ｍｍ）でのプラズマ密度を１×１０9ｃｍ−３，外周部（ｒ＝１５０ｍｍ）でのプラズマ密度を２×１０９ｃｍ−３とした場合、中心部と外周部のシース厚さの差が約５ｍｍ程度となり、シース／バルク界面と水平面のなす角度θは１．９°となり、１ｓ以内にウエハ上にトラップされている異物をウエハ外に十分排除できることになる。
上記議論は極めて単純化された系での論議であるが、重力が異物の挙動に影響を与えること、シース形状を凸型にし、重力を利用することで異物排除が可能な事がわかる。また、シース形状を凸型にするためのプラズマ密度分布やシース電圧が十分実現可能なものであることが分かる。
また、上記論議に用いたシース電圧Ｖｓや、電子密度Ｎｅ（≒プラズマ密度）と、プラズマ処理装置の制御パラメータとの一般的な関係を補足しておく。まず、電子密度Ｎｅは、ソース電力Ｐｓ（第一の高周波電力）を大きくすると高くなるが、バイアス電力Ｐｂ（第二の高周波電力）にはあまり依存しない。つまり、非常におおまかに表現すると、
Ｎｅ ∝ Ｐｓ （７）
なる関係が成り立っている。これはプラズマ密度と、ウエハに入射するイオンエネルギーを独立に制御するために、ソース周波数は数十ＭＨｚから数百ＭＨｚの比較的高い周波数を用い、バイアス周波数は数百ＫＨｚから１４ＭＨｚ程度までの比較的低い周波数を用いているためである。バイアス電力Ｐｂはプラズマ密度に影響を与えず、イオンエネルギー、即ちＶｓを制御している。ここで、バイアス電力Ｐｂを大きくするとシース電圧Ｖｓが高くなることは言うまでもない。つまり、おおまかに言うと、
Ｖｓ ∝ Ｐｂ （８）
なる関係が成り立っている。一方で、ソース電力Ｐｓを大きくするとシース電圧Ｖｓは逆に低くなる。これは、ソース電力の増加に伴いプラズマ密度が上昇し、プラズマを介して流れるバイアス電流Ｉｂが増加するためである。つまり、バイアス電力Ｐｂは、おおまかに表現すると、
Ｐｂ ＝ ＩｂＶｓ ∝ ＮｅＶｓ ∝ ＰｓＶｓ （９）
となるため、バイアス電力Ｐｂを固定した状態でソース電力Ｐｓを増加させると、シース電圧Ｖｓは低下することが分かる。
次に、ガス流れの影響を見積もる。まず、ガス流速がシース／バルク境界でどの程度なのかを見積もるために、一般的な流体計算コードにより処理室内のガス流速分布を計算した。処理ガス流量２００ｓｃｃｍ，圧力５Ｐａの場合のガス流速ベクトルの計算結果及び、計算体系の概略を図４に示す。ウエハ直上では、処理用ガスの速度ベクトルは、ウエハ面に垂直な成分Ｖｚに対し大きな径方向成分Ｖｒを持っていることが分かる。
図６には、各高さ位置における流速ベクトルのＶｒ成分の径方向依存性を示す。Ｖｒは中心部ｒ＝０ｍｍでは０ｍ／ｓであり、外周部に行くにしたがってリニアに増加していく。ここで、ｚ＝１ｍｍにおけるガス速度の径方向成分Ｖｒの径方向位置での平均値は、本計算結果では０．１１ｍ／ｓとなった。
静止している異物が、周りのガス流れから受ける力Ｆｇは、非特許文献３によると、
Ｆｇ ＝ Ｎ Ｖ２ ｍ πｒｐ ２ （１０）
と表せる。ここで、Ｎはガス密度、Ｖはガス流速、ｍはガス粒子の質量、ｒｐは異物の半径である。（１０）式は、静止した異物が周囲のガス流れから受ける力を示している。異物が流れに沿って動き出し、ガス流れの速度に近づくにつれ、異物が流れから受ける力は小さくなってゆく。即ち、異物の速度も考慮した場合、異物がガス流れから受ける力は、以下の（１１）式のように示される。
Ｆｇ ＝ Ｎ （Ｖ−Ｖｐ）２ ｍ πｒｐ ２ （１１）
ここでＶｐは異物の速度である。（１１）式は、異物にかかる力が異物の断面積と、ガス密度に比例し、また、異物とガスの相対速度の２乗に比例することを意味している。
今、ガス粒子の質量がＡｒと同等、異物直径が１μｍ、ガス流速が０．１１ｍ／ｓであったとすると、異物が静止している際のＦｇですら、２×１０−１４（Ｎ）程度となり、先に述べたイオンドラッグフォースやクーロン力と比べると一桁小さい値となっている。しかるに、ガス流れによる力Ｆｇが働く方向は、図５に示したように、イオンドラッグフォースとクーロン力がバランスしている向きに概ね垂直であるため、異物の運動にはガス流れによる力Ｆｇが影響することになる。
ここで、質量Ｍの異物がＦｇを受けた際の加速度αｇは、
αｇ ＝ Ｍ ／ Ｆｇ （１２）
となる。異物の密度を２．４ｇ／ｃｍ３とすると、粒子径より異物質量Ｍが求まる。今、ｔ＝０において、異物の初期位置をｒ０＝０．０１（ｍ），異物の初速度をＶｐ（０）＝０ｍ／ｓとすると、図６の結果と式（１１）、（１２）を用いることにより、異物の位置の時間進展が計算できる。
ここで、シース／バルク境界がｚ＝１ｍｍにあった場合の異物の径方向位置の時間依存性を図７に示す。本図から分かるように、ガスに流され移動していく異物の位置には、異物径依存性がある。（１１）式の異物質量Ｍは異物粒径の３乗に比例し、ガスによる力Ｆｇは（１０）式より異物断面積、即ち異物粒径の２乗に比例することから、異物粒径が小さいほど、ガス流れの影響を受けやすい。ガス流れによる異物排除は、今後、問題になるであろう粒子径０．１μｍ以下の異物除去に大きな効果を発揮する。
図７からは、異物径０．１μｍのものは、２ｓ以内にウエハ範囲外（ｒ＞０．１５ｍ）に排除されるが、異物径１μｍ，１０μｍのものはいずれもｒ＜０．１５ｍの範囲に入っており、ウエハ外には排除できないことが分かる。しかし、ガス流量を大流量化すれば、ウエハ近傍でのガス流速も速くなり、異物除去効果が高まることは明らかである。但し、ガス流量を一定で圧力を下げた場合は、ガス流速は速くなるものの、ガス密度が小さくなるために、（１０）式におけるＦｇは変化しないため、異物除去効果は変わらないことになる。
また、図８にｒ＝１００ｍｍにおける径方向速度成分Ｖｒの高さ依存を示す。本図から分かるように、ウエハ近傍でのガス流速は、ウエハから離れるに従い急激に大きくなっている。即ち、プラズマ密度を下げる、もしくは、シース電圧を上げ、異物がトラップされているｚ方向の位置を高くすることにより、ガス流れによる異物排除をより効果的に行うことができる。
以上を纏めると、シース形状を凸型に制御することにより、ウエハ上のシース／バルク境界にトラップされている異物を重力によりウエハより外側の領域に排除することができる。また、シースの平均厚さを厚く制御することにより、ウエハ上のシース／バルク境界にトラップされている異物を、処理用のガス流れによる力により、ウエハより外側の領域に排除することができる。また、両者を併用すれば、さらなる効果が見込めることは言うまでもない。これらの異物排除ステップを、プラズマＯｎ，Ｏｆｆ時に実行することにより、歩留まり低下の原因である異物を低減することができる。
次に、本プラズマ処理装置を用いた際の異物の低減方法について述べる。まず、図９に基本的な概念図を示す。通常のウエハ処理時（メインステップ時）には、図９（ａ）に示したように、ウエハ上に均一なプラズマを生成する。この状態では、ウエハ上のシース幅も均一であり、シース／バルク境界面は水平になっている。この場合、処理中に発生した異物はシース／バルク境界にトラップされ、ウエハ上に滞在している。また、通常は処理速度の観点から中密度（１×１０１０〜１×１０１１ ｃｍ−３）程度のプラズマを用いることが多いため、ウエハ上に形成されるシース厚さは薄くなっており、異物にはガス流れの力はあまり作用していない。
ウエハ処理時の条件は、処理性能や処理速度、選択比、均一性等の要因で決められるため、異物低減の観点から変更する訳にはいかないが、先にも述べたように、プラズマ処理中は異物がトラップされているため、ウエハ上に落下してくることは少ない。
そこで、図９（ｂ）に示したように、プラズマをＯｆｆする直前に、ソース電力（第一の高周波電源の電力）を下げ、プラズマ密度を下げると共に、コイル電流を大きくし、プラズマ密度分布がウエハ外周部上で高く、ウエハ中央部上で低くなる（いわゆる、外高になる）ような制御を行い、ウエハ上に形成されるシースの厚さを厚くし、またシース形状を凸型になるようにする（異物除去ステップ）。処理用のガス流速はウエハから離れるにつれ大きくなるため、シース厚さを厚くすることにより、異物はガス流れからより大きな力を受けるようになり、ウエハ外に排除される。また、シース形状を凸型にすることにより、異物に作用している重力が、異物をウエハ外に排除する方向に働くことになる。かくして、ガス流れと重力の作用により、ウエハ上にトラップされていた異物はウエハ外に排除され、プラズマをＯｆｆしてもウエハ上に落下することはなくなる。ここで、上記したプラズマをＯｆｆする直前のステップで、処理ガス流量を大きくすることは異物除去の観点から望ましいことは言うまでもない。
また、図９（ｂ）に示した異物除去ステップをプラズマＯｎ時に実行する事も異物低減に効果がある。プラズマ処理が始まり、ウエハ上に安定にシースが形成されるまでの間にウエハ上に飛来する異物を、ウエハ上に落下させないで済むからである。通常の処理シーケンスでは、まずソース電力（第一の高周波電力）を印加し、プラズマが着いた後にバイアス電力（第二の高周波電力）を印加するが、本発明においては、ソース電力によりプラズマが着火する前からバイアス電力を印加しておくことにより、プラズマが着火したときにはウエハ上に所望のシースを形成しておくことが可能となる。また、着火時における異物除去ステップもプラズマ密度を低く抑えているために、メインステップの処理結果に影響を与えることはない。
以下、実際のプラズマ処理シーケンスについて、図１０を用いて詳しく述べる。
まず、第一のステップとして、プラズマをＯｎする暫く前（通常、１〜５ｓ程度前）までに、コイルに電流を印加し、処理室にガスを導入し、処理圧力となるように調圧を完了しておく。この際、外高プラズマを生成するために、コイル６．１には、例えば７Ａの電流を印加しておく。また、内側と外側の２系統あるガス導入系のうち、内側ガス導入系に、例えば８００ｍｌ／ｍｉｎの処理用ガスを導入しておく。内側からガスを導入することにより、ガス流れによる異物排除効果をより高めることができるからである。
次に、第二のステップとして、第一の高周波電源からソース電力の供給を開始する直前（０〜１ｓ程度前）までに、第二の高周波電源から５Ｗから１００Ｗ程度のバイアス電力、例えば３０Ｗの電力を印加しておく。バイアス電力の周波数は４ＭＨｚを用いたため、この程度の電力ではプラズマを生成することはない。また、ソース電力よりも先にバイアス電力を印加しておく理由は、次ステップでソース電力を印加し、プラズマをＯｎさせた際に、ウエハ上に直ちにシースを形成しておくためである。
次に、第三のステップとして、ソース電力を１００Ｗ〜４００Ｗ程度印加し、プラズマを生成させる。この際、プラズマ密度は極力低く抑えたいため、ソース電力の値はプラズマが安定してＯｎできる下限値付近、例えば２００Ｗ程度が望ましい。このステップで発生するプラズマは、ソース電力が低いために低密度であり、また磁場制御により外高分布となっており、また、予めバイアスが印加されているために、プラズマＯｎの瞬間からウエハ上に厚い凸形状のシースが形成されている。このステップが、先に説明をした異物除去ステップとなる。また、本ステップは、通常０．５〜１ｓ程度である。
次に、第四のステップとして、実際のウエハをプラズマ処理するステップが入る。本ステップの開始時に、ソース電力、バイアス電力、コイル電流、内／外側ガス流量等を、通常のプラズマ処理を行う条件に変更する。通常の処理条件は、異物除去ステップに比べ、ソース電力は通常大きく、例えば１０００Ｗ程度、バイアス電力も大きく、例えば８００Ｗ程度、またプラズマ処理が均一となる磁場条件は、例えばコイル電流４Ａ、プラズマ処理が均一となる内／外ガス流量は、例えば内側流量４００ｍｌ／ｍｉｎ，外側流量４００ｍｌ／ｍｉｎとする。また、本ステップに要する時間は、処理の内容に依存し、通常１０ｓ〜３００ｓ程度である。
次に、第五のステップとして、異物除去ステップが入る。本ステップの開始時に、第三のステップと同様な条件に各放電パラメータを変化させ、１〜５秒間放電を継続する。第三のステップでは、プラズマＯｎ時のごく短時間に飛来する異物をウエハに付着させないのが目的であるため短時間で済むが、第五のステップでは、ウエハ上に滞在している異物をウエハ外に排除するため、多少長めの時間をかける必要がある。そして、本ステップの最後で、ソース電力を０とし、プラズマをＯｆｆする。この際、ウエハバイアスは印加したままである。
次に、第六のステップで、ウエハバイアスをＯｆｆし、第七のステップで、コイル電流をＯｆｆし、ガスの導入を停止する。
以上に説明してきたプラズマ処理装置、及び、プラズマ処理方法を用いることにより、プラズマ処理の際にウエハに落下する異物の大幅な低減を図れる。ここで、説明の際に用いてきた各高周波電力の値や、コイル電流値、ガス流量、ステップ時間等は、あくまで一例であり、本発明を何ら制限するものではないことを挙げておく。
次に、図１１に、図１０に示したプラズマ処理シーケンスを若干変更したものを示す。プラズマのＯｎ／Ｏｆｆ時に異物除去ステップである第三のステップと第五のステップを入れている点は図１０の場合と変わりない。図１０に示したプラズマ処理シーケンスとの違いは、異物除去ステップにおいて、ソース電力、バイアス電力、コイル電流を徐々に変化させている点である。このような制御を行うことにより、プラズマ状態の急激な変化を抑制することができ、より高い異物除去効果が期待できる。
次に、本発明によるシース形状制御を行った場合の、異物低減効果を示す結果を、図１２〜図１４にて説明する。これらの図中の異物増加数は、異物評価用のＳｉウエハ表面に付着している異物を、ウエハをプラズマに曝す前後に測定し、プラズマ暴露後の計測値から暴露前の計測値を差し引いた値を示している。
まず、図１２は、シース形状を変化させた場合にどの程度の異物低減効果が見込めるかを調べたものである。図１２において、◆と実線で示したプロットは、異物の粒径が０．１６μｍより大きいものについての調査結果であり、▲と点線で示したプロットは、異物の粒径が０．３μｍより大きいものについての調査結果を示している。共通条件は、ソース電力（第一の高周波電力）が１０００Ｗ，コイル電流４Ａ、Ａｒ／ＣＨＦ３／Ｎ２の混合ガスの総流量が８００ｍｌ／ｍｉｎ，圧力４Ｐａであり、バイアス電力（第二の高周波電力）を６００Ｗ，１３００Ｗ，２０００Ｗと変化させた際の異物数の変化を示している。この際、ウエハＶｐｐ（Ｖｐｐ∝Ｖｓ）は夫々、６５５Ｖ，１１７２Ｖ，１６０５Ｖであった。図１２から、バイアス電力を上昇させるにつれ、異物数は減少していくことが分かる。この理由の一つは、バイアス電力の上昇に伴いＶｐｐも上昇するためにシース電圧Ｖｓも増加し、図３に示したようにシース厚さが厚くなり、ガス流れによる異物排除効果が上がったことである。
もう一つの理由は、バイアス電力の増加により、プラズマ分布が外高分布になったためにシース形状が凸型になり、重力による異物排除効果が出たためである。（ウエハバイアスの値により同一コイル電流でもプラズマ分布は変化し、プラズマ分布の均一性は、バイアス６００Ｗの場合は若干の中高分布５％，１３００Ｗでは外高１０％、２０００Ｗの場合は外高分布２０％程度であることは予め計測されていた。）また、本結果から、プラズマ分布を外高にし、シース厚さを厚くすることで、異物数を１／３程度に低減できることが分かる。
図１３は、プラズマをＯｆｆする際に他の条件は変えずにガス流量のみを変化させた場合の結果を示している。図１３において、◆と実線で示したプロットは、異物の粒径が０．１０μｍより大きいものについての調査結果であり、▲と点線で示したプロットは、異物の粒径が０．２μｍより大きいものについての調査結果を示している。共通条件は、ソース電力１０００Ｗ，バイアス電力２００Ｗ，コイル電流５Ａ，Ｏ２流量８００ｍｌ／ｍｉｎ，圧力４Ｐａであり、プラズマをＯｆｆする１ｓ前にＯ２流量を２００ｍｌ／ｍｉｎ、または１６００ｍｌ／ｍｉｎへと変化させた際の結果である。図中８００ｍｌ／ｍｉｎのプロットは、ガス流量を変化させなかった場合の結果である。本図から、プラズマＯｆｆ時にガス流量を１６００ｍｌ／ｍｉｎまで増加させると、異物数は１／３〜１／５程度まで低減されることが分かる。本結果が、ガス流量の増加に伴い、ガス流れによる異物除去効果が上がった事を示していることは言うまでもない。逆に、Ｏ２流量を２００ｍｌ／ｍｉｎまで下げると、異物数は２倍程度に増加してしまう。
図１４は、プラズマをＯｎする際に、ソース電力とバイアス電力を印加するタイミングを変えた場合の結果を示している。図１４において、◆と実線で示したプロットは、異物の粒径が０．１０μｍより大きいものについての調査結果であり、▲と点線で示したプロットは、異物の粒径が０．２μｍより大きいものについての調査結果を示している。横軸の「時間」は、ソース電力を印加してから、バイアス電力を印加するまでの時間差を示している。つまり、０．５ｓのプロットは、ソースを印加し、プラズマが着火して０．５ｓ後にバイアスが印加された際の結果を示している。また、０ｓのプロットは、予めバイアス電力を３０Ｗ印加しておいた上で、ソース電力を印加し、プラズマを着火させたときの結果である。本結果から、プラズマＯｎ時に予めバイアスを印加し、ウエハ上にシースを形成しておくことにより、他の場合と比較して異物が１／３程度に低減されていることがわかる。
以上、図１２〜図１４に示した結果から、プラズマＯｎ時、及びプラズマＯｆｆ時に、ウエハ上にシースを形成しておく事、シース形状を凸型にしておく事、ガス流量を増加させる事で、異物低減が図れることが分かる。また、上記した夫々の手段を全て併用することにより、ウエハ上に付着する異物を１／１０以下に低減することも期待できる。さらに、ガス流れによる異物除去は、異物粒子径が小さいものほど効果が見込めるため、今後のデバイスの微細化で大きく問題になってくる粒径０．１μｍ以下の異物除去には、さらに絶大なる効果を発揮する。
次に、本発明の実施例２を、図１５に示す。基本的な装置構成で実施例１と共通する部分の説明は省略する。実施例２では、プラズマ分布を制御するために、アンテナ部を絶縁体により内側と外側に分離し、内側アンテナと外側アンテナに、夫々第一の高周波電源１１と、第三の高周波電源１６を接続している。本実施例においては、第一の実施例とはプラズマ分布の制御方法が異なっている。即ち、外側アンテナに印加する電力を大きくすることにより、外高プラズマを実現できる。これにより、プラズマＯｎ及びＯｆｆの際に、シース形状を凸型に制御可能となっている。
次に、本発明の実施例３を、図１６に示す。これまでに示してきた実施例と共通する部分の説明は省略する。本実施例においては、プラズマを生成、維持するためのアンテナが、誘導タイプのアンテナになっている点が異なっている。真空処理室１の上部には、真空を保持し、誘導電界を通過させる誘電体板１９が備えられており、該誘電体板の上部には、２系統の誘導アンテナ７，２１が具備されている。内側の誘導アンテナには、第一の高周波電源１１が、外側の誘導アンテナには第二の高周波電源１６が接続されている。本実施例においても、外側アンテナ２１に印加する電力を大きくすることにより、外高プラズマを実現できる。これにより、プラズマＯｎ及びＯｆｆの際に、シース形状を凸型に制御可能となっている。
次に、実施例２、もしくは、実施例３を用いた際の異物低減方法を図１７に示す。基本的な考え方は、第一の実施例と同様であり、プラズマをＯｎ、Ｏｆｆする際に、プラズマ分布が外高になるように、第三の高周波電力を印加する点が異なっている。
本発明によるプラズマ処理装置の実施例１を示す断面図である。 シース／バルク境界にトラップされている異物にかかる重力を示す模式図である。 プラズマ密度及びシース電圧を変化させた場合のシース厚さの計算結果を示すグラフである。 リアクタ内のガス流速ベクトルの計算結果を示す図である。 シース／バルク境界にトラップされている異物がガス流れから受ける力を示す模式図である。 リアクタ内のガス流速の径方向成分Ｖｒの、径方向位置依存性を示すグラフである。 シース／バルク境界がｚ＝１ｍｍにあった場合の異物の径方向位置の時間依存性を示すグラフである。 ｒ＝１００ｍｍにおける径方向速度成分Ｖｒの高さ依存性である。 シース形状制御による異物排除を示す模式図である。 本発明によるプラズマ処理装置の第一の実施形態による放電シーケンスの一例を示す模式図である。 本発明によるプラズマ処理装置の第一の実施形態による放電シーケンスの別の一例を示す模式図である。 異物増加数の第二の高周波電力依存性である。 異物増加数のＯ２流量依存性である。 プラズマをＯｎする際、ソース電力とバイアス電力を印加するタイミングを変えた場合の異物増加数である。 本発明によるプラズマ処理装置の実施例２を示す断面図である。 本発明によるプラズマ処理装置の実施例３を示す断面図である。 本発明によるプラズマ処理装置の実施例２及び実施例３による放電シーケンスの一例を示す模式図である。
符号の説明
１ 真空処理室
２ ウエハ載置用ステージ
３ ウエハ
５ ヨーク
６．１ コイル１
６．２ コイル２
７ アンテナ
８ ガス分散板
９ シャワープレート
１０ ガス供給系
１１ 第一の高周波電源
１２ 第一の整合器
１３ 第二の高周波電源
１４ 第二の整合器
１６ 第三の高周波電源
１７ 第三の整合器
１９ アンテナ外周絶縁リング
２０ 蓋部
２１ 第一の直流電源
２２ 第二の直流電源

Claims (8)

  1. 所望のガスを流せる減圧可能な反応容器内に、ウエハを載置するステージを設け、反応容器内にプラズマを生成・維持するための高周波電力を印加する第一の高周波電源と、プラズマからのイオンをウエハに引き込むための第二の高周波電源と、を備えたプラズマ処理装置において、プラズマをＯｎ及びＯｆｆさせる際に、ウエハ上に凸型のシースを形成させる事を特徴としたプラズマ処理方法。
  2. 所望のガスを流せる減圧可能な反応容器内に、ウエハを載置するステージを設け、反応容器内にプラズマを生成・維持するための高周波電力を印加する第一の高周波電源と、プラズマからのイオンをウエハに引き込むための第二の高周波電源と、を備えたプラズマ処理装置において、第一の高周波電源をＯｎ及びＯｆｆさせる際に、第二の高周波電力を印加していることを特徴とするプラズマ処理方法。
  3. 所望のガスを流せる減圧可能な反応容器内に、ウエハを載置するステージを設け、反応容器内にプラズマを生成・維持するための高周波電力を印加する第一の高周波電源と、プラズマからのイオンをウエハに引き込むための第二の高周波電源と、プラズマ分布を制御するための手段と、を備えたプラズマ処理装置において、第一の高周波電源をＯｎ及びＯｆｆさせる際に、第二の高周波電力を印加しており、かつ、前記プラズマ分布の制御手段によりプラズマ分布を外高分布にすることを特徴とするプラズマ処理方法。
  4. 所望のガスを流せる減圧可能な反応容器内に、ウエハを載置するステージを設け、反応容器内にプラズマを生成・維持するための高周波電力を印加する第一の高周波電源と、プラズマからのイオンをウエハに引き込むための第二の高周波電源と、プラズマ分布を制御するための磁場発生手段と、を備えたプラズマ処理装置において、第一の高周波電源をＯｎ及びＯｆｆさせる際に、第二の高周波電力を印加しており、かつ、前記磁場発生手段によりプラズマ分布を外高分布にすることを特徴とするプラズマ処理方法。
  5. 所望のガスを流せる減圧可能な反応容器内に、ウエハを載置するステージを設け、反応容器内にプラズマを生成・維持するための高周波電力を印加する第一の高周波電源と、プラズマからのイオンをウエハに引き込むための第二の高周波電源と、プラズマ分布を制御するための第三の高周波電源と、を備えたプラズマ処理装置において、第一の高周波電源をＯｎ及びＯｆｆさせる際に、第二の高周波電力を印加しており、かつ、前記第三の高周波電源による高周波電力によりプラズマ分布を外高分布にすることを特徴とするプラズマ処理方法。
  6. 請求項１〜５に記載のプラズマ処理方法において、第一の高周波電力をＯｎ及びＯｆｆさせる際に、処理用ガスの流量を４００ｍｌ／ｍｉｎ以上流すことを特徴としたプラズマ処理方法。
  7. 請求項１〜５に記載のプラズマ処理方法を行う機能を具備したことを特徴とするプラズマ処理装置。
  8. 請求項１〜５に記載のプラズマ処理方法を記録し、保存できる媒体を具備したことを特徴とするプラズマ処理装置。
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