JP3727312B2

JP3727312B2 - プラズマ処理装置のプラズマ処理方法

Info

Publication number: JP3727312B2
Application number: JP2003033405A
Authority: JP
Inventors: 茂白米
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: JP2004247388A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置にかかり、特に半導体基板等の被処理基板を、プラズマを用いてエッチング処理を行うのに好適なプラズマ処理装置およびプラズマ処理装置のプラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造プロセスでは、一般にプラズマを用いたドライエッチングが行われている。ドライエッチングを行うためのプラズマ処理装置として、種々の方式の装置が使用されている。
【０００３】
一般に、プラズマ処理装置は、真空容器と、これに接続されたガス供給系、処理室内圧力を所定の値に保持する排気系、基板を搭載する電極、真空容器内にプラズマを発生させるためのアンテナ、真空容器内へ処理ガスを均等に供給するためのシャワープレートなどから構成されている。前記アンテナに高周波電力が供給されることによりシャワープレートから処理室内に供給された処理ガスが解離してプラズマが発生し、基板搭載電極上に設置された基板のエッチングが進行する。
【０００４】
このようなプラズマエッチング処理装置では、基板のエッチングにより発生した反応生成物の一部が排気されずに処理室内壁などに付着するため、その反応生成物が剥れてパーティクルとなったり、内壁の状態が変化することによりプラズマ密度・組成が変動し、このためエッチング性能の変化などを引き起こすという問題がある。
【０００５】
処理室内壁へ付着した反応生成物を除去する方法として、プラズマを用いたドライクリーニングがある。これは、例えば処理室内壁に付着したのがシリコン系の反応生成物ならば、フッ素系のガス（例えば六フッ化硫黄）を用いてプラズマを生成することにより、処理室内壁に付着したシリコン系反応生成物はプラズマにより生成したフッ素と反応してフッ化ケイ素となり、処理室内壁から除去され、処理室外へ排気される。このような反応生成物除去をウエハ間、あるいはロット間など適当な時間間隔で実施することにより、処理室内壁を反応生成物が付着していない状況に保つことができる。
【０００６】
しかしながら、アルミニウム系の反応生成物あるいは処理室内の部材からスパッタされたアルミニウムが処理室内壁に付着した場合、従来のプラズマ処理装置では、処理室内のドライクリーニングができないため、処理室を大気開放してからアルコールなどを用いて処理室内壁を清掃する必要があった。そのため、処理室の大気開放・アルコールによる清掃・真空排気といった時間が必要になる（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
アルミニウム系反応生成物などを除去する方法として、一般にアルミニウムのエッチングで使用される塩素ガスを用いたプラズマでドライクリーニングをすることが考えられる。しかしながら、アルミニウム系反応生成物などは、その一部がフッ化アルミニウムになっていることがあり、その場合は塩素ガスプラズマによるドライクリーニングでは除去することができない。
【０００８】
【特許文献１】
特開平０６−３０６６４８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記問題に鑑み、本発明は、処理室内部に付着したアルミニウム系反応生成物や処理室内の部材からスパッタされたアルミニウムなどを、処理室を大気開放することなく、真空中でドライクリーニングして除去することが可能なプラズマ処理装置またはプラズマ処理装置のプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、プラズマ処理装置において、少なくとも臭化水素ガスと酸素ガスの混合ガスを用いたプラズマを採用し、また基板搭載電極にシリコンウエハを搭載し、さらにこのシリコンウエハに高周波電力を印加してドライクリーニングを実施する。酸素ガスがシリコンウエハから供給されるシリコンの２倍以上存在する場合、下記（１）式のような反応により、フッ化アルミニウムを揮発性物質として除去することができる。
【００１１】
【数１】

【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を、図１のプラズマエッチング処理装置を用いて説明する。この実施例は、処理室内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、被処理材に高周波電力を印加する手段と、真空排気装置が接続され、内部を減圧可能な処理室と、前記処理室内へのガス供給装置からなるプラズマ処理装置において、少なくとも臭化水素ガスを処理室内に導入してプラズマを発生させて、処理室内にあるシリコン（Ｓｉ）および酸素（Ｏ）と反応させることにより、処理室内部に付着したアルミニウム系堆積物を除去するプラズマ処理装置およびプラズマ処理装置のプラズマ処理方法である。
【００１３】
図１を用いて本発明を適用したプラズマエッチング処理装置の構成を示す。本発明の第１の実施の形態にかかるプラズマエッチング処理装置は、処理室１、処理室側壁２、シャワープレート３、基板搭載電極４、石英板５、真空計６、排気系７、高周波電源８、マッチング回路９、アンテナ１０、誘電体１１、アンテナカバー１２、コイル１３，１４，１５、ヨーク１６、非処理板１７、高周波電源１８、マッチング回路１９、ヒータ２０、Ｏリング２１，２２とを具備して構成される。
【００１４】
さらに、このプラズマエッチング処理装置は、臭化水素ガスを処理室１内に導入する図示を省略した臭化水素ガス導入手段を有している。
【００１５】
第１の実施例のプラズマエッチング処理装置の処理室１は、処理室側壁２や石英製のシャワープレート３、基板搭載電極４などから構成されている。図には明示していないガス供給系からシャワープレート３と石英板５の間に供給された処理ガスは、シャワープレート３に設けられた多数の穴を通って処理室１に供給される。処理室内の圧力は真空計６で計測され、所定の圧力になるように圧力制御手段を有する排気系７で排気される。プラズマを発生させるための高周波電力は、高周波電源８からマッチング回路９を介してアンテナ１０に供給される。アンテナ１０の周囲には、電磁波の導波路を構成する誘電体１１およびアンテナカバー１２が設けられている。
【００１６】
また、処理室外周部には、処理室１内部に磁場を生成するためのコイル１３、１４、１５があり、磁場が外部に漏れないようにヨーク１６が設けてある。
【００１７】
さらに、基板搭載電極４上にある被処理基板１７にバイアス電圧を印加するため高周波電源１８が、マッチング回路１９を介して接続されている。
【００１８】
処理室側壁２の大気側には処理室側壁を加熱するためのヒータ２０が設けられている。
【００１９】
第１の実施例では、処理ガスとして、例えばＡｒ（１００ｍｌ／ｍｉｎ）、ＣＦ_４（５０ｍｌ／ｍｉｎ）をシャワープレート３を通して処理室１内に導入し、真空計６が１（Ｐａ）を示すように排気系７で圧力を制御しながら処理室１内を排気する。アンテナ１０に接続されている高周波電源８として４５０（ＭＨｚ）の高周波が発生可能な電源を使用し、４００（Ｗ）の高周波電力をアンテナ１０に供給し、またコイル１３−１５を用いて処理室内に０．０１６（Ｔ）の等磁場面を形成すると、この等磁場面上で電子サイクロトロン共鳴が起こり、処理室１内にプラズマが効率よく発生する。
【００２０】
被処理基板１７としてシリコンウエハを用いた場合、処理室１内に発生したプラズマによって被処理基板１７はエッチングされる。このとき基板搭載電極４に接続されている高周波電源１８は４００ｋＨｚで、１００（Ｗ）の高周波電力を被処理基板１７に印加している。
【００２１】
この処理態様において、処理室１を構成している材料にアルミニウム系の材料がある場合、このアルミニウム系材料は処理ガスとして使用したＡｒによってスパッタされ、処理室１内の例えば石英製のシャワープレート３に付着する。この付着したアルミニウム系堆積物は、処理ガスとして使用したＣＦ_４により、その一部がフッ化されてフッ化アルミニウム（ＡｌＦ_３）になる。
【００２２】
処理室１内に付着したアルミニウム、あるいはフッ化アルミニウムなどの堆積物は、パーティクルやプラズマ変動の要因となる。特にシャワープレート３が被処理基板１７と対向して設けられている場合、パーティクルあるいはプラズマ変動に対する影響は顕著である。また、シャワープレート３に反応生成物が付着すると、シャワープレート３から吹き出すガスの流れに乗って、剥れた反応生成物がウエハに到達してパーティクルとなる。このためこれら処理室１内に付着したフッ化アルミニウムなどの堆積物を除去することが必要である。
【００２３】
堆積物を除去する方法としては、処理室１内を大気開放して、その表面に付着した堆積物をアルコールなどで除去する方法がある。しかし、この方法を採用すると、処理室１の大気開放、堆積物の除去、さらに処理室１の真空排気と多くの時間がかかるため、効率的ではない。また、人手で作業するため、作業員による堆積物除去の違いなどが発生する可能性がある。
【００２４】
そこで、本発明の第１の実施例においては、被処理基板１７としてシリコンウエハを基板搭載電極４に搭載して、臭化水素ガスを含む処理ガスを処理室１内に導入し、臭化水素ガスの存在下でプラズマを発生させ、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ_３）を処理室内にあるシリコンおよび酸素と反応させ、ドライクリーニングを実施する。
【００２５】
具体的には、処理ガスとして、臭化水素（ＨＢｒ）ガス（１００ｍｌ／ｍｉｎ）、塩素（Ｃｌ_２）ガス（５０ｍｌ／ｍｉｎ）、酸素（Ｏ_２）ガス（５０ｍｌ／ｍｉｎ）をシャワープレート３を通して処理室１内に導入し、真空計６が１．０（Ｐａ）を示すように排気系７で圧力を制御しながら処理室１内を排気する。高周波電源８から４５０（ＭＨｚ）、５００（Ｗ）の高周波電力をアンテナ１０に供給、コイル１３〜１５を適当な値に設定して、処理室１内部にプラズマを発生させる。
【００２６】
すると、処理室１内に付着したフッ化アルミニウム（ＡｌＦ_３）は、水素（Ｈ）および臭素（Ｂｒ）の存在下で、シリコン（Ｓｉ）および酸素（Ｏ_２）と、前記（１）式のような反応が進行する。
【００２７】
この反応により生成されたＡｌＯＦ_２とＳｉＦ_４は共に気体であり、処理室内に付着したフッ化アルミニウムなどのアルミニウム系堆積物は揮発性の物質となって処理室１から排気されるため、アルミニウム系堆積物を除去することが可能になる。式（１）には臭化水素を構成している水素（Ｈ）および臭素（Ｂｒ）が明示されていないが、触媒として作用しているために式（１）には表現されていない。しかし、臭化水素が存在しないと式（１）の反応は進まないため、臭化水素は必要不可欠である。
【００２８】
本発明の具体例は、図１に示したプラズマエッチング処理装置およびプラズマ処理方法において、被処理材搭載電極４にシリコンウエハからなる被処理体１７を搭載してドライエッチングを行う場合である。この例では、シリコンを含有するウエハから多くのシリコンがプラズマ中に供給されるので、式（１）の反応が進みやすくなる。
【００２９】
本発明の他の具体例を、図２を用いて説明する。図２は、水晶振動式膜厚計を用いて、フッ化アルミニウムの除去速度を測定した結果を示す図であり、バイアスが０Ｗ，３０Ｗ，４５Ｗ，６０Ｗの場合を示している。図２から明らかなように、図１の装置構成でシリコンウエハに高周波電力を印加した場合に、高周波電力が大きいほどフッ化アルミニウム系堆積物の除去速度が速くなることが理解できる。このように、シリコンウエハに印加するバイアス高周波電力が大きくなるほど堆積物の除去速度を高めることができる。
【００３０】
本発明の参考例を図１を用いて説明する。このプラズマエッチング処理装置は、図１に示したプラズマエッチング処理装置において、シャワープレート３をシリコンを含有する石英（ＳｉＯ_２）を用いて構成し、処理室１内にシリコンを含有する部品を存在させたことを特徴とする。
【００３１】
このプラズマエッチング処理装置は、処理ガス導入用のシャワープレート３としてシリコンを含有する石英（ＳｉＯ_２）を用いているので、ドライエッチング処理時には、基板搭載電極４上にはシリコンウエハを搭載しなくてよい。このような処理室１室内でプラズマを発生することにより、石英製のシャワープレート３からシリコンが処理室内に供給される。したがってシリコンウエハを使用することなく、処理室内に付着したアルミニウム系堆積物を除去することができるため、クリーニング用のシリコンウエハが必要ない、あるいはクリーニング用ウエハの搬送時間を省略できるなどの利点がある。
【００３２】
本発明のプラズマエッチング処理装置およびプラズマ処理用法の他の具体例を図３を用いて説明する。プラズマエッチング処理装置は、基本的な構成は図１と同等だが、処理室１がガス配管２３を介して酸素（Ｏ_２）ガスボンベ２４に接続されている点に特徴を有している。図３では省略してあるが、臭化水素ガスやアルゴンガスも同様に処理室１内に供給される。
【００３３】
被処理材搭載電極４上にシリコンウエハを搭載した処理室１内に臭化水素と酸素ガスを導入し、プラズマを発生させることにより、式（１）の反応が起こり、処理室内のアルミニウム系堆積物を除去することができる。
【００３４】
本発明の参考例を、図１を用いて説明する。基本的な構成は第１の実施例と同等であるが、処理室内壁２の材料に酸化アルミニウムを用いた点に特徴を有している。図１では省略されているが臭化水素ガスを処理室１に導入してプラズマを発生させ、被処理材搭載電極４にシリコンウエハ１７を搭載する。式（１）の反応で必要な酸素（Ｏ）は処理室内壁２の材料である酸化アルミニウムから供給されるので、式（１）の反応が進み、処理室内のフッ化アルミニウム系堆積物を除去することができる。
【００３５】
本発明の他の具体例を、図４を用いて説明する。
【００３６】
図４は、処理温度と化合物量の関係を示す図であり、図４（Ａ）は酸素とシリコンが同量の場合を、図４（Ｂ）は酸素がシリコンの４倍ある場合の図である。図１に示したプラズマエッチング処理装置を使用した場合、処理室１内に酸素（Ｏ）がシリコン（Ｓｉ）の四倍以上存在する場合は、図４に示すようにほぼ４００℃で処理することによって、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ_３）はすべて気体に変化し、排気によって処理室外に除去することが可能になる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、プラズマ処理室内を大気にさらすことなく堆積したアルミニウム系堆積物を除去することが可能になる。これは処理室内洗浄に要する時間を大幅に短縮することが可能となるばかりでなく、処理室内部のアルミニウム系堆積物量を一定に以下に保つことが可能になるため、プラズマ及びプロセス性能を一定に保つことができる、パーティクル量を一定量以下に抑制することができる等の効果がある。また一定の処理条件で堆積物を除去することが可能であるため、作業員の違いによる除去量や除去場所の違いがなくなくなるという長所もある。
【００３８】
以上の実施例では、ＵＨＦ−ＥＣＲ方式を使用したドライエッチング装置を例に説明したが、他の放電（容量結合放電、誘導結合放電、マグネトロン放電、表面波励起放電、ＴＣＰ放電等）を利用したドライエッチング装置においても同様の作用効果がある。また上記実施例では、Ａｒ／ＣＦ_４を用いたドライエッチング装置について述べたが、他のガス系と被処理材の組合せでも同様の作用効果がある。また本発明ではクリーニングガスとしてＨＢｒ＋Ｃｌ_２の混合ガスを用いたが、他の還元作用を有するガス、Ａｌをエッチングするガス（例えばＢＣｌ_３）およびこれを含む混合ガスを用いても同様の作用効果がある。さらにドライエッチング装置ばかりでなく、その他のプラズマ処理装置、例えばプラズマＣＶＤ装置、アッシング装置、表面改質装置においても同様の作用効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すプラズマ処理装置の概略図。
【図２】シリコンウエハにかける高周波電力を変化させた場合のアルミニウム系反応生成物除去速度の違いを示す図。
【図３】処理室内に酸素ガスを導入する場合の実施例を示すプラズマ処理装置の概略図。
【図４】処理室内のシリコンと酸素の比がＳｉ：Ｏ＝１：４の場合、フッ化アルミニウムを完全に除去できることを示した図。
【符号の説明】
１…処理室、２…処理室内壁、３…シャワープレート、４…基板搭載電極、５…石英板、６…真空計、７…排気系、８…高周波電源、９…マッチング回路、１０…アンテナ、１１…誘電体、１２…アンテナカバー、１３〜１５…コイル、１６…ヨーク、１７…被処理基板、１８…高周波電源、１９…マッチング回路、２０…ヒータ、２１〜２２…Ｏリング、
２３…配管、８４…ガスボンベ

Claims

処理室内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段および被処理材に高周波電力を印加する手段を備え、真空排気装置が接続され、内部を減圧可能なアルミニウム系材料を用いた処理室と、前記処理室内へのガス供給装置からなるプラズマ処理装置のプラズマ処理方法において、
処理室内の被処理材搭載電極上にシリコンウエハを存在させるとともに処理室内に酸素（Ｏ）を導入し、
少なくとも臭化水素ガスを処理室内に導入してプラズマを発生させて、処理室内にあるシリコン（Ｓｉ）および酸素（Ｏ）と反応させることにより、処理室内部に付着したフッ化アルミニウム系堆積物を除去することを特徴とするプラズマ処理装置のプラズマ処理方法。
請求項１に記載のプラズマ処理装置のプラズマ処理方法において、
被処理材搭載電極上に存在させたシリコンウエハに高周波電力を印加することを特徴とするプラズマ処理装置のプラズマ処理方法。
請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置のプラズマ処理方法において、
処理室内にある酸素（Ｏ）として処理室外から処理室内に酸素ガスを導入することを特徴とするプラズマ処理装置のプラズマ処理方法。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置のプラズマ処理方法において、
処理室内にある酸素（Ｏ）がシリコン（Ｓｉ）の四倍以上あることを特徴とするプラズマ処理装置のプラズマ処理方法。