JP3594759B2 - プラズマ処理方法 - Google Patents

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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,基板上に微細加工,もしくは成膜を施すのに使用される半導体製造装置内のドライクリーニングするプラズマ処理方法に関する。
【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。
【0003】
これに対して,近年の製造工程においては,プラズマを利用するドライエッチングやCVD等のプロセスが重要になっている。すなわち,各種ガスを装置内に導入し,導入したガスのプラズマの反応を利用して,成膜,エッチング等の微細加工を行うものである。これらのプロセスでは,微細加工を施そうとする基板以外にも,すなわち,製造装置内壁にも堆積膜が付着する。例えば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り,デバイスのパターン欠陥の原因となる。したがって,これらの付着堆積物を定期的に除去する必要がある。
【0004】
従来,このような付着堆積物の除去方法としては,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,例えば,特開平3−62520に開示されている塩素系ガスとフッ素系ガスの組み合わせによるものや,特開平7−508313に開示されている酸素ガスと塩素ガスの混合ガスのプラズマによるドライクリーニングが知られている。
【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問題がある。
【0006】
まず,ウェットクリーニングに関しては,定期的に装置を大気開放し,分解する必要があり,さらにはウェットクリーニング後の真空排気も必要となる。したがって,クリーニング毎に長時間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】
次に,特開平3−62520開示例では,被エッチング材がAl,およびWを含む合金であり,Alのエッチング生成物,Wのエッチング生成物を除去するために,すなわち複数のエッチング対象物に対するクリーニングが組み合わされていることが特徴となっている。また,特開平7−508313開示例に代表される従来のドライクリーニングは,被エッチング材料とエッチングガス,もしくはエッチングの際のマスク材料であるフォトレジスト(カーボン)とエッチングガス,もしくはエッチングガスの重合体によるいわゆる反応生成物を除去するが特徴である。
【0008】
これら従来の開示例では,被エッチング材料やマスク材料等のウエハ基板上の材料とエッチングガスとの生成物に関するクリーニングについては考慮されているものの,装置内部材材料のイオンスパッタ物,あるいは装置内部材材料とエッチングガスとの化合物に対するクリーニングに関しては,全く考慮されていない。
【0009】
エッチング装置においては,エッチングガスによるプラズマが被エッチング対象である基板表面をエッチングする他,装置内部材料をも叩き,その結果,エッチング反応生成物ばかりではなく,装置内部材材料のイオンスパッタ物,あるいは装置内部材材料とエッチングガスとの化合物を装置内壁に付着,堆積させる。
【0010】
すなわち従来のドライクリーニング方法では,装置内部材材料のイオンスパッタ物,あるいは装置内部材材料とエッチングガスとの化合物が除去しきれずに堆積し,異物を発生させてしまうという大きな問題があった。
【0011】
本発明の目的は,これらの問題を解決することにあり,製造装置内壁に付着した堆積膜を効果的に除去できる,すなわち,塵埃の発生源を取り去ることのできるドライクリーニング方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的は,ドライクリーニング工程の中に,エッチング反応生成物を除去する工程と、処理装置内部の材料のイオンスパッタ物,もしくは装置内部材材料とエッチングガスとの化合物を除去する工程とを有することにより達成される。
【0013】
また上記目的は,ドライクリーニングを施す工程に,エッチング,及びクリーニングを施す工程において使用されるガスを構成する元素に対する原子間結合エネルギーの値が,被エッチング材料を構成する元素とエッチング,及びクリーニングを施す工程において使用されるガスを構成する元素の原子間結合エネルギーの値よりも,大きな値である物質を含むガスを用いることにより達成される。
【0014】
また上記目的は,ドライクリーニングを施す工程に,エッチング,及びクリーニングを施す工程において使用されるガスを構成する元素に対する原子間結合エネルギーの値が,装置内部材材料を構成する元素とエッチング,及びクリーニングを施す工程において使用されるガスを構成する元素の原子間結合エネルギーの値よりも,大きな値を持つ物質を含むガスを用いることにより達成される。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下本発明のドライ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。
【0016】
図1に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構成図を示す。図において1は,微細加工を施すシリコンウエハ(基板),3,4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。10は真空排気のための排気口,15はエッチング,あるいはドライクリーニングのためのガス導入部である。9は,ウエハを固定保持する基板ステージであり,8はウエハをクランプするクランパーである。このクランパーは一般的に,例えばアルミナセラミックス等のセラミックスで製作されることが多い。ウエハを基板ステージ9に固定保持する方式として静電吸着力を利用した方式を使っても良い。7はアース板であり,11はアース7とウエハステージ9との間にRFバイアスを印加するための高周波電源である。
【0017】
マイクロ波エッチング装置は,まず,高真空排気後プラズマを生成するためのガスを導入する。そして,マイクロ波14をマグネトロン(図示しない)から発振,導波管5を通して石英ベルジャ3(処理室)内に導入して,処理室周囲に配置されたソレノイドコイル6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,そのプラズマを利用してエッチングを行う。アース7とウエハステージ9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11によりRFバイアスが印加される。
【0018】
この際,エッチング処理の副産物としてできる反応生成物が,石英ベルジャ3,メインチャンバー4,ガス導入部の出口15,クランパー8等の処理室の構成部品に付着,堆積膜13を形成する。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り,デバイスのパターン欠陥の原因となる。
【0019】
ここでは一例として,図2に示すような絶縁膜に用いられるシリコン酸化膜(SiO2膜)17をフルオロカーボン系ガス,例えばここではCF4ガスのプラズマと添加ガスAr, O2ガスのプラズマによりエッチングする場合を挙げて説明する。この図のように,例えば基板16上にSiO2膜17が形成され,その上にフォトレジストからなるマスクパターン18が形成され,これを図1に示したようなエッチング装置でエッチング処理を施す。このときエッチングガスはプラズマ中で解離し,ウエハを叩くことによってエッチングを進行させる。この際に,エッチング対象物が原因で装置内壁に付着する不要堆積物は,シリコンを含む酸化物,有機物を含む化合物となる。
【0020】
ところで,ドライクリーニングの際のガスは,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になる狙いで行われ,結果的には蒸発・真空排気して除去する。例えば堆積物が炭素化合物であれば,O2ガスのプラズマを当て,気体であるCO,CO2にして除去するというように行われる。前記特開平7−508313に開示した例では,塩素系ガスに酸素系ガスを混合したクリーニングガスのを用いている。酸素を混合することにより,金属,塩素,有機物を含む化合物から炭素を切り放し,同時に塩素により金属をクリーニングすることにより,全体としての効果を向上を狙いとている。
【0021】
本実施例に挙げたようなSiO2膜をエッチングする場合には,フッ素系ガスと酸素系ガスの混合,あるいは組み合わせによるクリーニングが一般的である。しかし,すでに述べたようにエッチングガスによるプラズマは被エッチング対象である基板表面17,18をエッチングする他,装置内部材料,例えばクランパ8,アース7等をも叩き,その結果,被エッチング材料に対する反応生成物ばかりではなく,装置内部材材料のイオンスパッタ物,あるいは装置内部材材料とエッチングガスとの化合物もエッチング処理の副産物として堆積膜13の構成元素となる。
【0022】
一般的に,エッチング装置等のプラズマ応用半導体製造装置にはアルミナ部品が良く用いられる。本実施例(図2の例)においては,装置内壁に付着する不要堆積物は,まずエッチング対象物が原因である,被エッチング材のSiO2,レジスト材の有機化合物の他,装置内のアルミナ部品であるクランパ8がプラズマに叩かれ,イオンスパッタされてアルミナの形で装置内壁に付着・堆積している。この一部はエッチングの際にフッ素によってフッ化アルミの形で付着・堆積する。従来のドライクリーニングでは,SiO2,レジスト材の有機化合物に対するクリーニングしか行われていない。すなわち,装置内部材材料のイオンスパッタ物,あるいは装置内部材材料とエッチングガスとの化合物が堆積するということが考慮に入れられておらず,したがってこれらのに対するクリーニングも考えられていない。よって,これらが最終的に異物の発生原因として残ることになる。
【0023】
本発明によれば,ドライクリーニング工程の中に,エッチング反応生成物を除去する工程に加えて,装置内部材材料のイオンスパッタ物,および装置内部材材料とエッチングガスとの化合物を除去する工程が付加されるために,従来のドライクリーニングでは見逃されてきた装置内部材材料の化合物からなる堆積物も除去でき,クリーニング効果の向上,異物の発生の抑制効果の向上を図ることが可能である。
【0024】
本実施例では,具体的にBcl3とCl2の混合ガスによるクリーニングを,装置内部材料のクリーニングとして付加した。アルミニウムの付着物に対しては,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有効である。しかし,アルミニウムが酸化物,もしくはフッ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,Al−F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,及びAl−Fの原子間結合エネルギーよりも,フッ素,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ガスに混ぜることにより,Al−O,およびAl−FからO,Fを引き抜き,Cl2によるクリーニングを有効にする。これにより,エッチング反応生成物に加えて,装置内部材材料のイオンスパッタ物をも除去可能となる。
【0025】
ここでは,O2と六フッ化硫黄(SF6)のクリーニング,BCl3とCl2の混合ガスによるクリーニングを順番に行うことにより,装置内のクリーニング効果,および異物の抑制効果を著しく向上することができる。
【0026】
このように,被エッチング材料に対する反応生成物を除去するドライクリーニングに加えて装置内部材材料のイオンスパッタ物,あるいは装置内部材材料とエッチングガスとの化合物を除去するためのドライクリーニングを行うことにより装置内のクリーニング効果を著しく向上させることができる。ここでは,エッチング反応生成物に対するドライクリーニングと装置内部材材料に対するクリーニングを順番に行ったが,両者のクリーニングガスを混合しても良い。
【0027】
次に,タングステン配線に適用した例について,図3を用いて説明する。図3のように,例えば基板16上にタングステン配線19が形成され,その上にフォトレジストからなるマスクパターン18が形成され,これを図1に示したようなエッチング装置でエッチング処理を施す。タングステンに対してはSF6ガスのプラズマによりエッチングを進行させる。
【0028】
この際に,装置内壁に付着する不要堆積物は,タングステン,フッ素,有機物を含む化合物と,装置内のアルミナ部品であるクランパ8がプラズマに叩かれ,イオンスパッタされてアルミ酸化物の形で装置内壁に付着・堆積している。この一部はエッチングの際のSF6ガスのプラズマによりフッ化アルミの形になっている。ここでは,SF6によるクリーニング,とBCl3とCl2の混合ガスによるクリーニングを順番に行った。SF6は,タングステン,および有機化合物に関してもクリーニング効果がある。BCl3とCl2の混合ガスによるクリーニングは第一の実施例で説明した通り,アルミ酸化物,アルミフッ化物に対してクリーニング効果を発揮する。このクリーニングにより,異物の抑制効果を著しく向上した。第一の実施例と同様,このようにエッチング材料に対する反応生成物を除去するドライクリーニングと,装置内部材材料に対するドライクリーニングを行うこれにより,クリーニング効果が著しく向上する。
【0029】
次に本発明を利用した別の実施例について説明する。ここでは,図3に示すようなアルミ積層配線をエッチングする場合に本発明を適用した場合について説明する。
【0030】
最近のメタル配線は,アルミ単層膜ではなく図3に示すようなバリアメタル21を伴った積層膜となっており,複数のエッチングガスがエッチング工程に用いられる。耐エレクトロマイグレーション性や拡散バリア性を得ることが目的である。ここでは,アルミ配線20,チタンタングステン(TiW)バリアメタル21の積層膜をエッチングする例を挙げる。すでに述べたように,エッチングを行う場合,被エッチング材料に対して蒸気圧の高い化合物を形成してエッチングを進行させる。この場合,第一層目のアルミ20はCl2ガスを用いて蒸気圧の高いAlCl3にしてエッチングを進行させる。このとき,装置内壁,例えば石英ベルジャ3,メインチャンバー4,ガス導入口15,クランパー8等の処理室の構成部品にAl,もしくはAlClxが付着,堆積する。この後,第二層目のTiW20はSF6プラズマにより行われ,このとき装置内壁や処理室の構成部品にTi,もしくはタングステン(W)が付着,堆積する。
【0031】
通常,Al,もしくはAlClxをクリーニングする場合,Tiをクリーニングする場合には,Cl2プラズマにより蒸気圧の高いAlCl3,TiClにして除去する。また,Wをクリーニングする場合にはフッ素系ガス,例えばSF6のプラズマにより蒸気圧の高いWF6にして除去を行う。
【0032】
しかし,配線を構成する膜が単層膜でなく積層膜の場合は,複数のエッチングガスのプラズマを使用するために,また,複数のクリーニングガスを使用するために,装置内壁や処理室の構成部品に付着している堆積膜は単純な形ではなく,これらのガスとの化合物の形となる。
【0033】
すなわち,付着物は,
1)第一層目のエッチングの際にAl,もしくはAlClxが付着,堆積する。その堆積物が第二層目のTiWエッチングの際に,SF6プラズマによりアルミフッ化物になる。この後,第二層目のTiW20はSF6プラズマにより行われ,このとき装置内壁や処理室の構成部品にTi,もしくはWが付着,堆積する。
【0034】
2)第一層目のエッチングの際に堆積するAl,AlClxは,第二層目のTiWエッチングの際の堆積物であるWを除去するクリーニング工程,SF6プラズマによりさらにアルミフッ化物が促進される。
【0035】
3)エッチングガス,もしくはクリーニングガスによるプラズマは,装置内部材料,一般的に装置内部品に使用されているアルミナ部品を叩き,イオンスパッタ作用によりアルミ酸化物の形で装置内壁に付着・堆積する。
【0036】
4)プラズマのイオンスパッタ作用により装置内壁に付着・堆積したアルミ酸化物は,第二層目のTiWエッチングの際のSF6プラズマにより一部アルミフッ化物となる。
【0037】
5)プラズマのイオンスパッタ作用により装置内壁に付着・堆積したアルミ酸化物は,Wクリーニングの際のSF6プラズマにより一部アルミフッ化物となる。
【0038】
このように,多層配線をエッチングする場合には,ある配線層をエッチングしている間にエッチング用ガスのプラズマが,別の配線層をエッチングした際に装置内に付着した堆積物を除去しずらい化合物にする。さらに,ある元素の堆積物をクリーニングしている間にクリーニングガスのプラズマが,別の元素の堆積物を除去しずらい化合物にする。これらにより,目的としたクリーニングを阻害することが起こる。
【0039】
さらには,エッチングガス,クリーニングガスによるプラズマは,装置内部材料も叩き,その結果,装置内部材材料のイオンスパッタ物を装置内に付着させる。また,これらはエッチングガス,クリーニングガスとの化合物にもなる。これらにより,目的としたクリーニングを阻害することが起こる。
【0040】
本発明によれば,ドライクリーニングの工程の中に,被エッチング材料とエッチングガスを構成する元素との原子間結合エネルギーよりも,エッチングガス元素との原子間結合エネルギーが大きな値を持つ物質を含むガスによるクリーニングを付加する。これにより,前記1)の堆積物が除去可能となる。すなわち,第一層目のエッチングの際に堆積したAlが第二層目のTiWエッチングの際のSF6プラズマによりアルミフッ化物になったものを除去可能となる。
【0041】
また本発明によれば,ドライクリーニング工程の中に,エッチング反応生成物を除去する工程に加えて,装置内部材材料のイオンスパッタ物を除去する工程が付加されるために,前記3)の堆積物が除去可能となる。すなわち,装置内部品に使用されているアルミナ部品のイオンスパッタ物が除去可能となる。
【0042】
さらに,ドライクリーニングの工程の中に,被エッチング材料,および装置構成材料と他の工程のクリーニングガスを構成する元素との原子間結合エネルギーよりも,上記クリーニング工程のガス元素との原子間結合エネルギーが大きな値を持つ物質を含むガスによるクリーニングを付加する。これにより,前記2),4),5)の堆積物が除去可能となる。すなわち,Wクリーニングの際のSF6プラズマによりアルミフッ化物となった堆積物が除去可能となる。
【0043】
具体的には,エッチング,およびクリーニング時に用いられるSF6プラズマにより,アルミニウムがフッ化物になっているために,Cl2単独のプラズマではクリーニングによる除去はできない。ドライクリーニングを施す工程の中に,エッチング,およびクリーニング時に用いられるフッ素と被エッチング材料であるアルミとの原子間結合エネルギーの値よりも,フッ素との原子間結合エネルギーが大きな値を持つ物質Bを含むガス,Bcl3をCl2ガスに混ぜるてクリーニングガスとすることにより,Al−FからF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。
【0044】
またBは,装置内部材材料のイオンスパッタ物でるアルミ酸化物Al−Oに対して,B−Oの原子間結合エネルギーの方が大きい。したがって,Bを含むガス,Bcl3をCl2ガスに混ぜることにより,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。すなわち,装置内部材材料のイオンスパッタ物をも除去可能である。
【0045】
このような,積層膜であるがために次工程のエッチングガスやクリーニングガスと反応して堆積した膜に対するクリーニング行程は,エッチング反応生成物単独のクリーニング工程の後,もしくは前,もしくは両方に入れてよい。
【0046】
なお,本発明の実施例は,マイクロ波エッチング装置に適用した例で説明したが,これに限定されるものではなく,平行平板型のエッチング装置,誘導結合型のエッチング装置,またCVD装置であっても,プラズマにより装置内壁の堆積物をクリーニングする装置であれば効果が得られる。
【0047】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば,製造装置内壁に付着した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】本発明を適用した半導体製造製造装置を示す図。
【図2】本発明の第一の実施例を適用した半導体ウエハの横断面図。
【図3】本発明の第二の実施例を適用した半導体ウエハの横断面図。
【図4】本発明の第三の実施例を適用した半導体ウエハの横断面図。
【符号の説明】
1…ウエハ、2…プラズマ、3…石英ベルジャー、4…、メインチャンバー、5…導波管、6…ソレノイドコイル、7,12…アース、8…ウエハクランパ、9…ウエハステージ、10…真空排気口、11…高周波電源、13…堆積物、14…マイクロ波、15…ガス導入口、16…半導体基板、18…フォトレジストマスクパターン、19…タングステン配線、20…アルミ配線膜、21…TiWバリアメタル。

Claims (4)

  1. プラズマエッチング装置を用いてウエハのエッチング処理及び前記エッチング装置内部のドライクリーニング処理を行うプラズマ処理方法において、
    前記ドライクリーニング処理は、前記エッチング装置の内部構成材料表面に付着したエッチング反応生成物を除去する第1クリーニング工程、及び前記エッチング装置の内部構成材料表面に付着した、該内部構成材料のイオンスパッタ物を除去する第2クリーニング工程を備え、
    前記エッチング処理用のガスはフッ素(F)を含むガスであり、第2クリーニング工程用の処理ガスはホウ素(B)を含むガスであり、被エッチング材料はアルミニウム(Al)またはチタンタングステン(TiW)であることを特徴とするプラズマ処理方法。
  2. 請求項1記載のプラズマ処理方法において、
    前記エッチング装置の内部構成材料はアルミニウム(Al)であることを特徴とするプラズマ処理方法。
  3. プラズマエッチング装置を用いてウエハのエッチング処理及び前記エッチング装置内部のドライクリーニング処理を行うプラズマ処理方法において、
    前記ドライクリーニング処理は、前記エッチング装置の内部構成材料表面に付着したエッチング反応生成物を除去する第1クリーニング工程、及び前記エッチング装置の内部構成材料表面に付着した、該内部構成材料のイオンスパッタ物を除去する第2クリーニング工程を備え、
    前記第1クリーニング工程用の処理ガスはフッ素(F)を含むガスであり、第2クリーニング工程用の処理ガスはホウ素(B)を含むガスであり、被エッチング材料はアルミニウム(Al)またはチタンタングステン(TiW)であることを特徴とするプラズマ処理方法。
  4. 請求項3記載のプラズマ処理方法において、
    前記エッチング装置の内部構成材料はアルミニウム(Al)であることを特徴とするプラズマ処理方法。
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