JP3592878B2

JP3592878B2 - プラズマクリーニング方法

Info

Publication number: JP3592878B2
Application number: JP03591597A
Authority: JP
Inventors: 智行田村; 誠縄田; 守薬師寺
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-02-20
Filing date: 1997-02-20
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2017-02-20
Also published as: JPH10233388A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理装置の処理室のクリーニング方法に関し、特に処理室内部の清浄化に有効なプラズマクリーニング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板のプラズマ処理においては、処理室の壁面上に反応生成物の堆積がおこるプロセスが多くある。この堆積物が剥離して異物となり、処理される基板上に付着すると微細構造に不良を生じさせ、大きな問題となる。
【０００３】
堆積物はプラズマクリーニングによって除去することができる。しかし、クリーニング速度の問題やプラズマの広がりの制約などがあるため、現状では完全に除去するほどの時間をかけてプラズマクリーニングを行うことは難しい。プラズマクリーニングは、通常、２５枚や１００枚といった、あるプラズマ処理枚数毎または１日毎などに行われ、堆積物が蓄積することを抑制し、堆積物起因の異物の発生を遅らせている。
【０００４】
また、堆積物除去方法として、処理室を大気開放して水などを用いて堆積物を拭きとることもあるが、この方法は装置の復帰までに非常に時間がかかる。
【０００５】
このため、処理室を大気開放しないプラズマクリーニングによって除去したいという要望がある。
【０００６】
また、半導体ウエハ以外にも、マイクロマシンや微細構造の製作に際して使われるプラズマエッチングやプラズマＣＶＤにおいても、プラズマクリーニングによって堆積物を除去したいという要望がある。
【０００７】
プラズマクリーニングに使用されるガスは、堆積物と反応して揮発性の化合物を形成するガスを用いて行われている。除去を促進する方法については、特開平７−１５３７５１号に見られるように、処理室内に非ガス状の反応性化学種発生材料源を配置する特許が提案されている。また、特開平７−２３０９５４号に見られるように、処理室を外部から加熱することによって昇華、分解除去する方法も提案されている。
【０００８】
希ガスは、特開平３−２１９０８０号に見られるように堆積物のプラズマクリーニングにおいて、反応性ガスを単に希釈するガスの一つとしてあげられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
半導体基板等の被処理物をプラズマ処理する装置において、プラズマ処理中に処理室内に堆積した物質を除去するためにプラズマクリーニングを行っている。プラズマ処理装置の稼働率を向上するため、このプラズマクリーニングの効率を上げ、時間を短縮したいという要求がある。プラズマクリーニングでは、イオンの加速によるスパッタリング効果とラジカルの化学反応を利用して、プラズマに接する堆積物を除去することができる。しかし、通常クリーニングの対象となる処理室壁面は、イオンの加速をシース電界任せにするしかないことがほとんどなので、スパッタリング効果は小さく、化学的な反応をどのように促進させるかが課題であった。
【００１０】
また、上記特開平３−２１９０８０号に記載のように、希ガスと反応性ガスとを混合すると、後述する反応工程と、脱離工程の双方を効率的に実行できない課題がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
発明者は、堆積物の除去において、単に堆積物と反応して揮発性物質を生成するガスのみによるプラズマクリーニングでは、生成物の一部は効率的に表面から除去されないことを発見し、生成物を処理室や堆積物表面から積極的に脱離させるプラズマ脱離工程を設けることにより、クリーニング速度が飛躍的に向上することを見出した。
【００１２】
反応性化学種によるプラズマ処理（以下プラズマ反応工程と称する）を実施すると、揮発性物質の一部が処理室内に付着し、単なる高真空排気ではその除去に非常に長い時間を要す。そこで、プラズマ脱離工程をプラズマ反応工程の後に追加することにより、処理室内表面に残留した揮発性物質を気相中に脱離させ、短時間で多く除去されるようにした。
【００１３】
プラズマ脱離工程は、処理室内壁と処理室内壁に付着した物質にエネルギーを効率よく供給し、付着している揮発性物質の脱離を促進することを目的として行われる。また、脱離した物質をすばやく排気する条件で行うとさらに良い。
【００１４】
また、プラズマ脱離工程後は、未反応の汚染堆積物表面が現われる。このため、次のプラズマ反応工程を行う場合に、反応性化学種が堆積物と結合しやすくなるため反応を促進する。
【００１５】
通常のプラズマクリーニングでは、同一条件で数十秒から数分程度、プラズマクリーニングを行う。プラズマクリーニング中に生成する揮発物質のなかには、吸着してなかなか除去されない生成物もあり、徐々に堆積物表面を覆いプラズマクリーニングを阻害し始める。
【００１６】
したがって、単一条件により数分間連続してクリーニングを行うより、本発明にしたがって、プラズマ反応工程とプラズマ脱離工程を適度な時間毎に交互に実施することにより、堆積物は効率よく処理室内から除去される。
【００１７】
また、プラズマ脱離工程やプラズマ反応工程の処理時間を限定するものではないが、プラズマ脱離工程は脱離および排気が有利な条件を用いてなるべく短時間で行うのが望ましい。たとえば、プラズマ反応工程を数秒から数十秒間実施し、プラズマ脱離工程を数百ミリ秒から数秒行うということを交互に繰り返してプラズマ処理を実施する。
【００１８】
堆積物の組成によって適切な反応性化学種は異なるが、プラズマ脱離工程を設けることによるクリーニング効果の向上は、どの堆積物の場合にも得られる。
【００１９】
このプラズマ脱離工程に最適なガスとしては、希ガスがあげられる。
【００２０】
希ガスは反応性がないので他の化合物を生成することで，再び堆積物を生成したりするということがない。このため、希ガスが処理室内壁などに衝突した場合，吸着ガス（プラズマ反応工程で生じた揮発性のガスであり、処理室内壁表面に残っているガスをいう）の脱離のみを引き起こし、排気することができる。
【００２１】
希ガスの持つエネルギにより揮発性物質の脱離を実行することができる。
【００２２】
プラズマ発生装置の出力を上げ、プラズマを起こすために入力するエネルギーを多くすることは、装置により限界がある。希ガスを用いることにより、限られたエネルギーを効率よく利用することができる。
【００２３】
また、希ガスに反応性ガスを３０％以下程度加えて、脱離させるのに有効な希ガスの特性を生かしながら、脱離した物質の再解離を抑制することもできる。
【００２４】
また、プラズマ脱離工程は、脱離に有利な条件で、希ガス以外のプラズマ処理により行うこともでき、反応性化学種を用いた、より低圧の条件でのプラズマ処理を行うこともできる。プラズマ反応工程に比べて低圧（５ｍｔｏｒｒ程度）にすることで壁面に付着した揮発性生成物の脱離と排気を促進することができる。
【００２５】
また、プラズマ脱離工程は、以下のように、条件を最適化することができる。
【００２６】
プラズマ脱離工程では、プラズマ反応工程に比べて高速排気、大流量のプラズマ条件が排気に有利である。特に流量を多くした場合、脱離した揮発性物質を再吸着させずに速やかに排気できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
ここでは、エッチング処理室のクリーニングに関して実施例を示すが、これに限定するものではなく、アッシング処理室、プラズマＣＶＤ処理室にも適用できる。また、真空の処理室内にプラズマを発生する手段を備えていれば、スパッタ装置や熱ＣＶＤ装置でも、本クリーニング方法は適用できる。
【００２８】
以下、半導体基板のアルミ配線をＥＣＲマイクロ波エッチング装置でエッチング処理する際のプラズマクリーニングについて、発明の実施例を図面を用いて説明する。アルミ配線のための被エッチング膜は、主に有機ポリマーのレジスト、アルミ合金、酸化シリコンの３種の膜の積層構造である。まず、適用する装置の構成を図１を用いて説明し、次に本発明のプラズマクリーニング方法を適用したプラズマ処理を図２のフローチャートを用いて説明する。
【００２９】
（構成の説明）
図１において、プラズマ処理室１（以下、単に処理室と称す）には、被エッチング処理基板２（以下、単に基板と称す）を載置するステージ３がある。
【００３０】
また、処理室には、ヘリウム、塩素、３塩化ホウ素、酸素が供給できるように配管され、それらはガス流量コントローラ４により、ガス種やガス流量をすばやく制御できる。また、マグネトロン５から発生したマイクロ波を導波管６により処理室に導き、コイル７に電流を流して磁場をかけ、高密度プラズマを発生できる。また、被処理基板へのイオンの入射の仕方を操作するために，ステージ３には高周波（ＲＦ）を印加できる。また、処理室には、圧力計８と圧力を調節するために排気速度を調節できる排気系９が繋がっている。例えば、排気系は一定排気量のターボ分子ポンプと、ガス流れのコンダクタンスを調節するバタフライバルブ（図示せず）からなる。また、処理室には、隣接する真空室１０ａ、１０ｂに通じる、開閉できるゲート１１ａ、１１ｂがある。上記ゲート１１ａ、１１ｂを通して、真空搬送機器１２ａ、１２ｂにより処理室と隣接する真空室１０ａ、１０ｂの間で基板の出し入れを行う。図ではこのゲート１１ａ、１１ｂおよび真空室１０ａ、１０ｂは、基板を処理室に入れる時と処理室から出す時で別々の場合を示したが、兼用でもよい。また、真空室１０ａおよび１０ｂは、それぞれ大気圧下にある未処理基板を真空下に搬入するロード室１３と処理済み基板を真空中から大気圧下に搬出するアンロード室１４にゲート１５ａおよび１５ｂを介して繋がっている。また、数十ステップからなるプラズマ処理（プラズマクリーニング）条件を設定でき、装置は、その設定にしたがって、装置の駆動部分を制御できる制御系１６をもつ。
【００３１】
図２に、本発明のプラズマクリーニング方法を適用したプラズマ処理のフローチャートを示した。
【００３２】
プラズマ処理は、大まかには、処理室への未処理基板の搬入と基板のプラズマ処理と、処理室からの処理済み基板の搬出の繰り返しから構成され、処理室をプラズマクリーニングするタイミングは１枚の基板をプラズマ処理した後（Ａ及びＢ）と、基板を数十から数百枚処理した後（Ｃ）があり、基板を１枚処理した後は、処理済み基板が処理室にある状態の時（Ａ）と処理済み基板を搬出した後（Ｂ）にプラズマクリーニングをすることができる。
【００３３】
以下に述べる実施例ではまず、実施例Ｉ，ＩＩで（Ａ）および（Ｂ）のタイミングのプラズマクリーニングのプラズマ処理を示し、実施例ＩＩＩで（Ｃ）のタイミングのプラズマクリーニングを行う場合について示す。
【００３４】
（実施例Ｉ）
実施例Ｉでは、基板を１枚処理した後に、処理済み基板がある状態のタイミング（Ａ）に本発明のプラズマクリーニングを実施し、処理済み基板を搬出した後のプラズマクリーニング（Ｂ）は行わない場合について示した。
【００３５】
表１に、（Ａ）のプラズマクリーニングの各ステップの条件を示した。
【００３６】
【表１】

【００３７】
各ステップの目的を説明する。
【００３８】
基板のプラズマ処理後、Ｎｏ．１のプラズマ脱離工程で、処理室表面に吸着しているエッチングガスとエッチング反応により生成した揮発性物質とを処理室表面から脱離し排気する。Ｎｏ．２のＯ２の反応ステップで、炭素成分を除去する。炭素成分はフォトレジストがエッチングされて生成したものである。Ｏ２によるプラズマクリーニングでは、揮発性生成物が多量に処理室内に付着するので、Ｎｏ．３でＨｅのプラズマ脱離工程を行う。Ｎｏ．３でＨｅのプラズマ脱離工程によって、処理室内の揮発性物質を減少させるので、基板搬出のためゲートを開く時に、処理室から真空室１０ａ、１０ｂに反応生成物が拡散する量が減り、処理室外の汚染を抑制できる。
【００３９】
これらのステップでのプラズマ発生は、それぞれ最適化すれば良いが、プラズマ発生機器の最大許容出力で行うことにより、クリーニング速度を速めることができる。
【００４０】
またクリーニング時間を短くするために、各ステップの切り替えは、プラズマ放電を継続しながら供給ガスを切り替えることにより行うと良い。
【００４１】
クリーニングの終了時は，次のように行う。Ｎｏ．３のヘリウムのプラズマ脱離工程が終わるまでに，未処理基板を処理室に搬入できる状態にしておく。Ｎｏ．３のヘリウムのプラズマ脱離工程が終了し、高真空に達した後、すばやくゲート１１ａ、１１ｂを開け、プラズマ処理済み基板を搬出し、未処理基板を搬入し、ゲート１１ａ、１１ｂを閉め、未処理基板のエッチングを開始する。また，搬出した処理済み基板を移動し、次の処理済み基板が処理室から搬出する際の妨げにならないようにする。
【００４２】
通常は、プラズマ処理が終了して高真空に達した後、数秒の追加真空排気を行うが、本発明では、残留物を脱離・排気するヘリウムのプラズマ脱離工程を行うので、追加真空排気は、時間節約のために省くことができる。
【００４３】
本実施例の他に，次のような方法をとることができる。
【００４４】
プラズマ処理後に、まず反応性ガスステップを行い、次に、プラズマ脱離工程を行ってもよい。また、プラズマ反応工程は、反応性ガス種や条件を変えた２ステップ以上の構成でもよい。
【００４５】
また、プラズマ脱離工程のガスとしては、Ｈｅ以外に、Ｎｅ、Ａｒ、Ｘｅであってもよいし、脱離に有利な条件で行えば、プラズマ処理済み基板に悪影響がない希ガス以外のガスであってもよい。また、Ｎｏ．２のプラズマ反応工程もプラズマ処理済み基板に悪影響がないガスを用いて行うことができる。
【００４６】
（実施例ＩＩ）
処理済み基板を処理室から搬出後（Ｂ）に、処理室に基板がない状態でクリーニングする場合について示す。表２に、この場合のプラズマクリーニングステップを示した。
【００４７】
【表２】

【００４８】
この場合は、まず表２のＮｏ。１に示したプラズマ脱離工程のみを、処理済み基板が処理室にある状態の時（Ａ）に行う。ここでは、プラズマ処理中に生成した揮発性物質の除去を行う。
【００４９】
次に、処理済み基板を処理室から搬出後（Ｂ）、Ｎｏ。２以降のステップを行う。
【００５０】
また、ステージに高周波（ＲＦ）を印加し、基板がないときにステージ上に付着する揮発性物質を効果的に除去する。
【００５１】
（Ｂ）のタイミングのプラズマ反応工程で使用するガスは、処理基板が処理室内にないため、Ｏ２ガスに限らず、他の反応性ガスを用いてもよい。このプラズマ反応工程も他のプラズマ反応工程と同様、２ステップ以上から構成してもよい。
【００５２】
（実施例ＩＩＩ）
実施例ＩＩＩでは、基板を数十から数百枚処理した後のタイミング（Ｃ）に本発明のプラズマクリーニングを実施した例を示す。ここでは、１００枚毎にプラズマクリーニングする場合について示す。基板を１００枚処理したとき、最後の基板の搬出を行う時までに、シリコン基板を処理室に搬入できる状態にしておく。最後の基板のプラズマ脱離工程終了後、処理室にシリコン基板を搬入し、プラズマクリーニングを行う。
【００５３】
プラズマクリーニングは、アルミ配線のエッチング処理をＥＣＲマイクロ波エッチング装置を用いて行う場合には、たとえば表３に示したように構成する。
【００５４】
【表３】

【００５５】
本表には、ステップ毎に使用するガス、流量、圧力、ステップのプラズマ処理時間、ステップの目的を示した。
【００５６】
Ｎｏ。２、４、６、８、１０のステップは、その前の反応性化学種によるクリーニングで発生し、処理室や堆積物上に付着した反応生成物を効率良く除去するためのプラズマ脱離工程である。
【００５７】
例に示したように、反応性化学種のプラズマでは、反応性化学種を多く供給するために、圧力を高く、流量を少なくする。また、プラズマ脱離工程は、揮発性生成物を効率よく加熱して壁面から脱離させることに加えて、速く排気するために、圧力を低くし、流量を大きくする。
【００５８】
本実施例では、表２に示した１０ステップのクリーニングを、８セット（９分）繰り返した後、被処理基板をプラズマ処理する条件と同じガス種でプラズマ処理を行い、その後、再び被処理基板のプラズマ処理を繰り返し行う。
【００５９】
本実施例のように基板のプラズマ処理１００枚毎にクリーニングを行うこともできるが、２５枚毎に、本表１の１０ステップを１セット行うようにしてもよい。
【００６０】
本例は、３から１０秒で１ステップを構成しているが、１ステップを十数秒や数十秒で構成し、繰り返し回数を少なくすることもできる。本例のようにステップ数が多い場合は、特に、放電を継続し、流量の切り替えは即座に行なう必要がある。
【００６１】
また、本例のように堆積物が混合物と予想される場合は、ステップ毎に反応性ガスを変えることができる。また、例えば、ＢＣｌ３とＯ２のように、反応性ガス同士で固形物を生成するような反応性ガスによるプラズマをステップ毎にかえて行う場合には、ステップ間にプラズマ脱離工程を設けることにより、反応性ガス同士で固形物を生成する量を少なくできる。
【００６２】
また、本実施例はアルミ配線工程の場合を示したが、これに限定するものではなく、プラズマ反応工程とプラズマ脱離工程からなる本発明のプラズマクリーニング方法による効果は、シリコン酸化膜、ポリシリコン、Ｓｉ３Ｎ４、Ｗ、ＷＳｉ、ＴｉＮ、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｐｔなどのエッチング工程の場合にも期待できる。
【００６３】
上記実施例では、プラズマ源がＥＣＲマイクロ波の場合について説明したが、高周波誘導タイプのプラズマ源、マイクロ波プラズマ源を用いても本発明が適用できる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プラズマ処理室内のプラズマクリーニングにおいて、処理室表面および堆積物上に残留した揮発性物質を効果的に除去することによって、プラズマ処理室表面を効率良く清浄化できる方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体基板のエッチングに用いられるドライエッチング装置の簡略構成図である。
【図２】本発明の一実施例を示すプラズマクリーニングのフロー図である。
【符号の説明】
１…プラズマ処理室、２…被エッチング処理基板、３…ステージ、４…ガス流量コントローラ、５…マグネトロン、６…導波管、７…コイル、８…圧力計、９…排気系、１０ａ，１０ｂ…真空室、１１ａ，１１ｂ…ゲート、１２ａ，１２ｂ…真空搬送機器、１３…ロード室、１４…アンロード室、１５ａ，１５ｂ…ゲート。

Claims

処理室内に搬入した被処理物をプラズマにより処理するプラズマ処理工程を実施した後、処理室内にガスを導入し、ガスプラズマによりクリーニングする方法において、処理室内の被クリーニング物質を該ガスプラズマにより揮発性物質に変化させるプラズマ反応工程と、前記処理室内に希ガスを前記プラズマ反応工程時よりも低圧かつ大流量でかつ短時間導入し、処理室内容器および構成部品の表面に付着している揮発性物質を該ガスプラズマにより脱離させるプラズマ脱離工程とを有し、
プラズマ脱離工程は、被処理物にプラズマ処理工程を実施した後、被処理物を処理室から搬出する前に施し、その後処理室から被処理物を搬出してプラズマクリーニングを施すことを特徴とするプラズマクリーニング方法。
請求項１記載のプラズマクリーニング方法において、プラズマ反応工程とプラズマ脱離工程を交互に２回以上行うことを特徴とするプラズマクリーニング方法。
請求項１記載のプラズマクリーニング方法において、プラズマ反応工程およびプラズマ脱離工程の少なくとも何れか一方が２段階以上のステップからなることを特徴とするプラズマクリーニング方法。