JP3807957B2

JP3807957B2 - Plasma processing method

Info

Publication number: JP3807957B2
Application number: JP2001213002A
Authority: JP
Inventors: 満片本; 博宣川原; 稔空岡; 強志梅本; 秀樹木原; 勝義工藤; 亨行正; 裕文角谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2001-07-13
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2021-08-09
Also published as: JP2002124511A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理方法に係り、特にプラズマを生成し、半導体素子基板等の試料にエッチング処理，成膜処理等のプラズマ処理を施す装置に好適なプラズマ処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のマイクロ波プラズマ処理装置は、例えば特開平４−１３３３２２号公報に記載のように、導波管の形状を略円筒形とし、気密に設けたマイクロ波透過窓を介して導波管につながる放電室を、マイクロ波の進行方向にテーパ状に拡大された中空円筒の導電材料で形成された放電ブロックで形成し、放電ブロックの外側に設けた空心コイルにより放電室内に発生させた磁界と、導波管を介して放電室内に導入したマイクロ波の電界との相互作用を用いて、密度の高いプラズマを生成し、処理の均一性を向上させるようにしたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、放電室内へのさらなるマイクロ波の導入効率の点，放電室の耐プラズマ性の点および試料の安定処理の点等において配慮されていなかった。すなわち、導波管内を伝播するマイクロ波の電気力線に対し、放電室への導入形状について十分配慮されておらず、プラズマの均一性，発生効率が十分なものでなかった。また、従来技術では放電ブロックが非磁性導電材料、例えば、アルミニウムで形成されており、エッチング処理における被処理材がＡｌまたはＡｌ合金等の場合には、エッチングガスとしてハロゲンガスが用いられ、このようなガスがプラズマ化された場合、被処理材とともに放電室を構成する放電ブロックの内壁面もプラズマ中の活性種によってエッチングされてしまうという問題がある。さらに、プラズマ処理中のプラズマ発生室の温度上昇およびプラズマ処理中に発生する反応性生物の付着等による処理の経時変化が生じるという問題がある。
【０００４】
さらに、本発明の目的は、処理性能の良い状態を継続させ安定したプラズマ処理が行えるようにするためのプラズマ処理方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、静電吸着式の試料台が設けられたプラズマ処理室内でプラズマの生成とは別に前記試料台に高周波電圧を印加して被処理基板を処理するプラズマ処理方法において、試料台に被処理基板を静電吸着して被処理基板のプラズマ処理を実行し、該被処理基板のプラズマ処理が終了した段階で、前記プラズマ処理室内からプラズマ処理終了後の被処理基板を搬出し、その後、プラズマクリーニング用のガスを前記プラズマ処理室内に導入し試料台に被処理基板がない状態で試料台への高周波電圧の印加を行わずに前記プラズマ処理室内を短時間プラズマクリーニングする第１のプラズマクリーニングを実行し、前記被処理基板のプラズマ処理と前記被処理基板なしの前記第１のプラズマクリーニングとを被処理基板１枚毎に行い、該被処理基板のプラズマ処理と第１のプラズマクリーニングとを繰り返した後に、前記試料台にダミー基板を配置した状態で前記プラズマ処理室内を長時間プラズマクリーニングする第２のプラズマクリーニングを実行し、前記第１のプラズマクリーニングと前記第２のプラズマクリーニングとを組み合わせて繰り返した後に、前記プラズマ処理室内を大気開放してウエットクリーニングを実行することにより、達成される。
【０００６】
円形導波管内を通って伝播するマイクロ波は、その空間内でインピーダンス整合に対して最適形状に設定されたチューニング手段によってチューニングされ、均一で最も効率の良い状態でマイクロ波導入窓を介して放電ブロック内に導入され、ガス供給手段および真空排気手段によって所定圧力に制御された処理ガスが、効率良く導入されたマイクロ波の電界とソレノイドコイルによる磁界との相互作用によって、さらに均一かつ高密度にプラズマ化される。これにより、処理性能がさらに向上する。
【０００７】
また、放電ブロックの内壁面に保護部材を形成することにより、放電ブロック内に生成されたプラズマに対して、放電ブロックと同材質の被処理材を処理する場合でも放電ブロック自体がエッチングされることがなく、被処理材の材質に関係なく処理性能の良いプラズマ処理が行える。
【０００８】
さらに、放電ブロックに温度調整可能な加熱器を設け、プラズマ発生室を所定の温度で一定に保持したまま、被処理基板をプラズマ処理し、被処理基板がプラズマ処理され処理室から搬出された後、試料台に被処理基板がない状態で処理室内をプラズマクリーニングし、プラズマクリーニングが終了して新たな被処理基板を処理室に搬入し、新たな被処理基板を処理することにより、処理性能の良い状態を継続させることができ、安定したプラズマ処理を継続して行うことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１および図２により説明する。
図１は、マイクロ波プラズマ処理装置の構成図を示し、この場合、プラズマ処理としてエッチング処理に適用した場合について説明する。
【００１０】
処理室１は、例えば、ステンレス鋼で形成され、内部に空間を有する容器で形成されている。処理室１は、上部に円形の開口部を有し、下部に排気口１１が設けられている。排気口１１には、真空排気手段が接続されている。真空排気手段は、この場合、圧力制御バルブ１２，ターボ分子ポンプ１３，ホットバルブ１４およびロータリーポンプ１５で構成され、排気口１１に配管を介して順次接続されて成る。また、排気口１１には圧力制御バルブ１２の前で、バルブ１６を介して高真空を検出するための圧力検出器１７（この場合、ペニング真空計）が取り付けられている。また、排気口１１に圧力制御バルブ１２の前で処理中の圧力を検出する隔膜真空計（図示省略）が取り付けられている。処理室１は、この場合、ベーローズを用いた仕切弁１８によって内部空間が仕切られる構造となっている。仕切弁１８には、昇降駆動装置１９が連結されている。
【００１１】
処理室１上部の開口部にはサポートが設けられ、サポート上にウエハ押え１９を載置して保持している。処理室１上部の開口部には、リング状のベースフランジ２を介して中空円筒の放電ブロック３が気密に取り付けられている。放電ブロック３は、内面が下方（図面上）に向けて軸方向に向けて約２０°の角度でテーパ状に拡大された形状をなし、上部（図面上）内面の円周上に、この場合、２４ヶ所のガス吹出口３２が均等に設けてある。放電ブロック３内面のテーパ形状はプラズマの均一拡散を行わせ、被処理基板を均一に処理させるためのものであるが、テーパの角度は放電ブロック３内でマイクロ波が進行する際に電界モードが変化または他の電界モードが増加して混入しないようにゆるやかな角度とするのが良い。このテーパ角度の寸法は、例えば、マイクロ波の電界モードＴＥ１１もしくは近似モードの場合、被処理基板の径をＤとすると、被処理基板の位置で１.５〜２.０Ｄ，マイクロ波導入窓の位置で０.５〜１.５Ｄ，その間の高さを１.０〜１.５Ｄとすることが望ましい。放電ブロック３は、アルミニウム，非磁性ステンレス等の非磁性導電材料により形成されている。放電ブロック３の内面には、耐プラズマ部材である保護部材が形成されている。該耐プラズマ部材とはプラズマ中の活性種によってエッチングされにくい材料をいう。例えば、アルミナ，ムライト(Ａｌ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂），石英等を用いる。この場合は、保護部材として保護膜３１が形成してある。放電ブロック３の外周面には、ヒータ３３および熱電対（図示省略）が接触させて取り付けてあり、ヒータ３３および熱電対に接続された制御装置３４によって放電ブロック３が１２０℃程度の温度に加温制御される。放電ブロック３の上部開口部には、石英，アルミナ等のマイクロ波を透過可能な材料で形成された円板状のマイクロ波導入窓４が気密に取り付けてあり、処理室１およびこれに連通した放電ブロック３内のプラズマ生成空間が気密に保持される。
【００１２】
マイクロ波導入窓４には円形導波管５が接続してある。円形導波管５の他端には、矩形−円形変換導波管５１および矩形導波管５２が順次接続してあり、矩形導波管５２端部にマイクロ波発振器６が取り付けてある。円形導波管５内には、マイクロ波のチューニングを行うチューニング手段が設けられている。ここでチューニング手段とはマイクロ波の反射量を少なくする手段をいう。この場合、リング状の円板でなるマイクロ波チューニング板５３であり、この場合、マイクロ波導入窓４の上部に取り付けてある。チューニング手段は、マイクロ波が連通する開口を有する板であって、該開口の形状はマイクロ波の電界モードによってその最適形状が異なる。例えば、ＴＥ１１モードおよびこれに近いモードの場合には、楕円等の非円形の形状が好ましい。このようなマイクロ波モードに合わせた最適形状にすると、マイクロ波が吸収されるプラズマ部の電界形状分布（被処理面に平行な面内での分布）が均一となるから、試料処理の均一性が図られる。
【００１３】
円形導波管５および放電ブロック３の外周部には、ソレノイドコイル９１およびソレノイドコイル９２が位置するようにコイルケース９に取り付けて配置してある。ソレノイドコイル９１はソレノイドコイル９２よりも強い磁場を発生できるものとしてあり、ソレノイドコイル９１，９２に接続された制御装置９３によってそれぞれ磁場強度を制御可能になっている。コイルケース９は円形導波管５と放電ブロック３とに取付け固定してあり、放電ブロック３から上部を一体として、ベースフランジ２から分離可能に構成してある。放電ブロック３から上部は図示を省略した昇降手段によって取付け取外しされる。コイルケース９の下部には冷却ガス供給口９４を設け、円形導波管５の下部には通気孔５４を設けて、コイルケース９内部に窒素ガス，空気等の冷却ガスを供給可能にしてあり、コイルケース５内に供給された冷却ガスが通気孔５４を介して導波管５，５１，５２を通って大気に放出されるようにしてある。
【００１４】
ベースフランジ２には、処理ガスのガス供給口２１が設けてあり、放電ブロック３との嵌合部に設けたガス連絡通路および放電ブロック３に設けたガスパイプを介してガス吹き出し口３２につながるガス供給路が形成してある。さらに、例えば、石英板でなるマイクロ波導入窓４の下に、ガス吹き出し用孔を有する石英板を設置し、該石英板とマイクロ波導入窓４との間に処理ガスを導入し、処理ガスを放電ブロック３の上部から吹き出させることもできる（図示省略）。これらのようにすると、放電ブロック３内面のテーパ形状と相まって放電ブロック３内での新旧処理ガスの置換が促進される。このため、反応生成物の放電ブロック３外への排出が容易となり、エッチング速度および均一性等の向上が伺われる。ベースフランジ２と放電ブロック３との嵌合部に設けたガス連絡通路は、それぞれが組み合わされたときに形成される。
【００１５】
処理室１の底部には、上部に設けた放電ブロック３の軸心と一致させて、被処理基板であるウエハ１０が配置される試料台８が絶縁材７を介して設けられる。試料台８には図示を省略した高周波電源が接続されており、バイアス電圧が印加可能になっている。試料台８の中央部には、ウエハ１０を試料台８上に配置する、または試料台８から取り除く際に図示を省略した公知の搬送手段、例えば、ロボットアームとの間でウエハ１０を遣り取りするためのウエハ押上８１が設けてある。ウエハ押上８１の下端には昇降駆動装置８２が設けてあり、ウエハ押上８１を昇降させる。昇降駆動装置８２は試料台８下部に連結して取り付けた支持部材８３によって固定支持される。さらに、支持部材８３の下部には昇降駆動装置８４が設けてあり、試料台８を昇降させる。昇降駆動装置８４は処理室８下部に取り付けた支持部材８５によって固定支持される。試料台８内には、渦巻状の冷媒流路８６が形成してあり、冷媒流路８６は配管を介して支持部材８５に設けた冷媒供給口８７と冷媒回収口８８につながる。
【００１６】
上記のように構成されたマイクロ波プラズマエッチング装置では、公知の技術によりロードロック室（図示省略）にウエハが導入され真空に保持された状態で、昇降駆動装置１９によって仕切弁１８が下げられ、搬送アーム（図示省略）によって処理室１内へ搬入される。このとき、試料台８は、昇降駆動装置８４によって下げられている。また、ウエハ押上８１も昇降駆動装置８２によって下げられている。試料台上部でウエハを載置した搬送アームが停止したら、昇降駆動装置８２によってウエハ押上８１が上昇し、搬送アーム上からウエハ押上８１上にウエハを受け取る。ウエハがウエハ押上８１上に移ったら、搬送アームは退避位置に戻り、その後、仕切弁１８が上げられ処理室１内部が密閉空間に仕切られ、真空排気手段によって処理室１内が真空排気される。
【００１７】
また、搬送アームが退避した後、ウエハ押上８１が下げられ、ウエハ１０を試料台８上面に配置する。その後、試料台８は昇降駆動装置８４によってプラズマ処理されるのに必要な所定の位置まで上昇する。この際、試料台８が上昇する途中で、処理室１のサポート状に載置されたウエハ押え１９に、上昇して来たウエハ１０の外周上面が当接し、そのままウエハ押え１９を持ち上げる。これにより、ウエハ１０はウエハ押え１９の自重（またはバネ力を利用した押し付け）により試料台８上面に支持される。なお、ウエハ１０の試料台８上面への支持は、ウエハ押えの他に静電吸着力を利用したものでも良い。また、試料台８の冷媒流路８６には、冷媒供給口８７から冷却水等の冷却媒体が供給され、試料台８が所定温度に維持されている。冷却媒体は、冷却する試料台の温度によって使い分けられる。
【００１８】
処理ガス供給前の真空排気手段による処理室１内の真空排気において、圧力検出器１７によって所定の圧力を検出したなら、バルブ１６を閉じ処理室１内雰囲気から圧力検出器１７を隔離する。これにより、処理ガスおよび処理中の反応生成物から圧力検出器１７を保護することができ、必要なときに常に正確な検出を行うことができる。次に、ガス供給口２１から処理ガスを供給し、複数個均等に設けられたガス吹出口３２から放電ブロック３内に処理ガスを均一に導入しながら、隔膜真空計（図示省略）によって処理室１内の圧力を検出し、圧力制御バルブ１２によって処理室１内を所定の圧力に制御する。このとき、放電ブロック３内では、放電ブロック３の上部で中心に向けて均等に処理ガスが導入され、上部から下方に向けてテーパ状の放電ブロック３内の空間で均一に拡散されながら排気されるので、生成されるプラズマの均一性向上に効果を与えることができる。
【００１９】
処理室１内が処理のための所定の圧力になったら、マイクロ波発振器６からマイクロ波を発振し、円形導波管５およびマイクロ波導入窓４を介して、放電ブロック３内にマイクロ波を導入する。この際、矩形導波管５２および矩形−円形変換導波管５１を介して円形導波管５内に導かれたマイクロ波は、拡大された円形導波管５内の空間とマイクロ波チューニング板５３とによって、インピーダンスの整合が行われ均一で強い電界が形成され、マイクロ波導入窓４を介して放電ブロック３内に導入される。なお、このとき放電ブロック３は、ヒータ３３によって加温され、図示省略した温度検出手段（熱電対）により温度検出しながら制御装置３４によって所定温度で保持される。一方、ソレノイドコイル９１および９２には制御装置９３によってそれぞれ所定強度の磁場が発生されるように電力が供給され、放電ブロック３内に平面状のＥＣＲ面を形成するように磁場が発生される。放電ブロック３内へのマイクロ波の導入と磁場の形成により、放電ブロック３内の処理ガスがＥＣＲ作用を受けてプラズマ化される。このとき生成されるプラズマは、マイクロ波チューニング板５３の作用によって均一に強められた円形導波管５からの電界によって、均一かつ高密度に生成される。マイクロ波チューニング板５３は、円形導波管５内のマイクロ波のインピーダンスの整合を行うのに最適な形状に設定され、円形導波管５内のマイクロ波を均一にし、効率良く放電ブロック３内へ導く。
【００２０】
放電ブロック３内に生成された均一かつ高密度のプラズマによって、ウエハ１０が均一性良くプラズマ処理される。例えば、被エッチング材として、アルミニウム合金(この場合、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ）をＢＣｌ₃＋Ｃｌ₂＋ＣＨ₂Ｆ₂(流量比約６：７：１で２００sccm）のエッチングガスを用いて、処理圧力を０.０１２Torrとし、マイクロ波電力を１０００Ｗ(２.４５ＧＨｚ）として処理した場合、マイクロ波チューニング板５３を用いた場合、均一性が約４％となり、マイクロ波チューニング板５３を使用しなかったときの均一性約９％に対し、約倍の均一性向上を得ることができた。なお、この場合は、試料台８に高周波電圧を印加しない、プラズマ中の活性種だけによる均一性についての評価結果である。
【００２１】
また、このようにしてウエハ１０をプラズマ処理するときに、ソレノイドコイル９１，９２への電力供給量をそれぞれ制御してＥＣＲ面のできる位置を、ウエハ１０に対して近付ける、または、遠ざけることにより、ウエハ１０へのプラズマ中のイオンの入射量が変わり、これにより、処理時の低ダメージ処理，高速エッチング処理，選択エッチング等の処理を選択することができる。
【００２２】
また、このようにしてウエハ１０をプラズマ処理するときに、例えば、上記のような処理の場合、反応生成物としてＡｌＣｌ₃ が生成され、プラズマ生成室である放電ブロック３の内壁面に付着しようとするが、放電ブロック３をヒータ３３によって、この場合、約１２０℃に加温することにより、放電ブロック３の内壁面に付着しようとした反応生成物は、昇温して帰化するので、放電ブロック３の内壁面には付着せず排気される。これにより、プラズマ処理の経時変化を抑制することができる。このように、プラズマ処理中は、反応生成物が帰化する温度に放電ブロック３を加温する。
【００２３】
また、プラズマに晒される放電ブロック３の内壁面には耐プラズマ材料としてアルミナ，ムライト，石英等の保護部材、この場合、保護膜３１が形成してあるので、この場合、アルミニウムで形成された放電ブロック３が、アルミニウム合金でなる被処理材料と同系であっても、被処理材料をエッチング処理するプラズマから放電ブロック３を保護することができる。
【００２４】
ウエハ１０のエッチング処理はこのようにして行われ、処理が終了すると、エッチング用の処理ガスの供給，マイクロ波電力の供給，高周波電力の供給等が停止され、試料台８を下降させて、ウエハの搬入時と逆の工程によりウエハを搬出する。ウエハ搬出後は、エッチング処理用の処理ガスに替え、例えば、Ｏ₂ またはＯ₂＋ＳＦ₆等のプラズマクリーニング用のガスを放電ブロック３内に導入し、試料台８にウエハ１０またはダミーウエハ等を配置しないまま、試料台８への高周波電圧の印加は行わずに、エッチング処理時と同様にしてプラズマを発生させる。このプラズマクリーニングを１０数秒実施した後、前述と同様にして新たなウエハをエッチング処理する。ウエハなしのこのプラズマクリーニングは、ウエハの１枚処理毎に実施するのが一番効果的であるが、処理装置を制御する制御装置を、全体のスループットと兼ね合わせて２枚毎または３枚毎とｎ枚毎に設定できるようにしておき、処理装置が自動的にクリーニングするようにしておく。これにより、従来から行われていたダミーウエハを用いた長時間、例えば、３０分程度の本格的なプラズマクリーニングの処理サイクルを、例えば、１ロット毎に行っていたものを４倍ないし１０倍以上に延ばせるとともに、さらに、例えば、１日掛かりで１週間毎に行っていた処理装置内を大気開放してのウェットクリーニングを２ないし３週間以上の処理サイクルにすることができ、大幅なスループット向上を図ることができる。なお、基板なしのプラズマクリーニングでも、処理時間が短いことおよび試料台８のウエハ配置面にアルマイト加工等の保護加工を施すことにより、試料台８に影響なく行うことができる。
【００２５】
また、クリーニング時には、ウエハ押上８１の設けられた隙間に試料台８の下方から上方に向けて不活性ガス、例えば、Ｎ₂ ，Ｈｅ等のプロセスに影響を与えないガスを流し、ウエハ押上８１の設けられた隙間に溜った埃を吹き飛ばすクリーニングを行うと、さらにクリーニング効果があがる。
【００２６】
また、ソレノイドコイル９１，９２および制御装置９３を除いた場合及び他のプラズマを用いる処理装置の場合でも、スループット向上に関しては同様にこれら上述の作用効果が生じる。
【００２７】
また、放電ブロック３内の大気開放に当たっては、放電ブロック３とベースフランジ２との間でのガス流路の構成により、ガス配管等の接続，取外し作業がなく、また、コイルケース９により一体に構成された放電ブロック３，ソレノイドコイル９１および９２を一体でベースフランジ２から取り外すことができ、クリーニング作業の準備および点検，補修作業を容易にすることができる。
【００２８】
さらに、真空排気手段のターボ分子ポンプ１３等の高真空ポンプとロータリーポンプ等の補助ポンプとの間のバルブを加温可能なホットバルブとすることにより、高真空ポンプの排出側で圧力が高くなり反応性生物等が付着しやすくなるのを防止でき、真空排気手段の信頼性を向上させることができる。
【００２９】
このように、本実施例によれば、種々の作用・効果があり、均一かつ高密度プラズマの生成によりウエハのプラズマ処理における均一性等の処理性能をさらに向上させることができ、また、被処理材料に関係なく処理性能の良いプラズマ処理が行え、さらに、処理性能の良い状態で安定したプラズマ処理を継続して行うことができる。
【００３０】
なお、本実施例では、Ａｌ合金のエッチング処理を例に説明したが、被エッチング材の対象としてはこれに限られるものでなく、メタル，ゲート，酸化膜等種々の被エッチング材料に対して適用できる。また、エッチング処理だけでなく、成膜処理等他のプラズマ処理に適用しても良いことはいうまでもない。
【００３１】
また、図１でソレノイドコイル９１，９２および制御装置９３を除いた場合でも、均一性に関しては本実施例と同様の作用が生じ、処理の均一性の向上を図れる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、処理性能の良い状態を継続させ安定したプラズマ処理を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるマイクロ波プラズマ処理装置を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…処理室、３…放電ブロック、４…マイクロ波導入窓、５…円形導波管、８…試料台、１０…ウエハ、１３…ターボ分子ポンプ、３１…保護膜、３３…ヒータ、５３…マイクロ波チューニング板、９１，９２…ソレノイドコイル。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma processing method , and more particularly to a plasma processing method suitable for an apparatus that generates plasma and performs plasma processing such as etching processing and film formation processing on a sample such as a semiconductor element substrate.
[0002]
[Prior art]
A conventional microwave plasma processing apparatus has a substantially cylindrical shape as described in JP-A-4-133322, for example, and is connected to the waveguide through an airtight microwave transmission window. The discharge chamber is formed by a discharge block formed of a hollow cylindrical conductive material tapered in the direction of microwave travel, and a magnetic field generated in the discharge chamber by an air core coil provided outside the discharge block; There is a technique in which high-density plasma is generated by using an interaction with a microwave electric field introduced into a discharge chamber via a waveguide, thereby improving processing uniformity.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The above prior art has not been considered in terms of the efficiency of introducing microwaves further into the discharge chamber, the plasma resistance of the discharge chamber, the stability of the sample, and the like. That is, with respect to the microwave electric lines of force propagating in the waveguide, the shape introduced into the discharge chamber is not sufficiently considered, and the uniformity and generation efficiency of the plasma are not sufficient. Further, in the prior art, when the discharge block is formed of a nonmagnetic conductive material, for example, aluminum, and the material to be processed in the etching process is Al or Al alloy, a halogen gas is used as an etching gas. When such a gas is turned into plasma, there is a problem that the inner wall surface of the discharge block that constitutes the discharge chamber together with the material to be processed is also etched by the active species in the plasma. Furthermore, there is a problem in that the temperature of the plasma generation chamber during the plasma processing rises, and the processing changes with time due to the attachment of reactive organisms generated during the plasma processing.
[0004]
Furthermore, an object of the present invention is to provide a plasma processing method for allowing a stable plasma processing to be performed while maintaining a good processing performance state.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
An object of the present invention is to provide a plasma processing method for processing a substrate to be processed by applying a high frequency voltage to the sample table separately from the generation of plasma in a plasma processing chamber provided with an electrostatic adsorption type sample table. The substrate to be processed is electrostatically attracted to perform plasma processing of the substrate to be processed, and at the stage where the plasma processing of the substrate to be processed is completed, the substrate to be processed after the plasma processing is completed is unloaded from the plasma processing chamber. A first plasma cleaning that introduces a plasma cleaning gas into the plasma processing chamber and performs a plasma cleaning in the plasma processing chamber for a short time without applying a high-frequency voltage to the sample table in a state where there is no substrate to be processed in the sample table. And performing the plasma processing of the substrate to be processed and the first plasma cleaning without the substrate to be processed for each substrate to be processed. After repeating the plasma treatment of physical substrate and the first plasma cleaning, perform a second plasma cleaning for a long time plasma cleaning the plasma processing chamber in the state in which the dummy substrate to the sample stage, wherein the first This is achieved by repeating the combination of the plasma cleaning and the second plasma cleaning, and then performing wet cleaning by opening the plasma processing chamber to the atmosphere.
[0006]
The microwave propagating through the circular waveguide is tuned by tuning means set to the optimum shape for impedance matching in the space, and is discharged through the microwave introduction window in a uniform and most efficient state. The processing gas introduced into the block and controlled to a predetermined pressure by the gas supply means and the vacuum evacuation means is made more uniform and dense by the interaction between the efficiently introduced microwave electric field and the magnetic field by the solenoid coil. It is turned into plasma. This further improves the processing performance.
[0007]
In addition, by forming a protective member on the inner wall surface of the discharge block, the discharge block itself is etched even when processing the same material as the discharge block against the plasma generated in the discharge block. Therefore, plasma processing with good processing performance can be performed regardless of the material of the material to be processed.
[0008]
Further, a heater capable of adjusting the temperature is provided in the discharge block, the substrate to be processed is plasma-treated while the plasma generation chamber is kept constant at a predetermined temperature, and the substrate to be processed is plasma-treated and carried out of the processing chamber. The processing chamber is plasma-cleaned without the substrate to be processed on the sample stage, the plasma cleaning is completed, a new substrate to be processed is carried into the processing chamber, and the new substrate to be processed is processed. A good state can be continued, and stable plasma treatment can be continued.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a configuration diagram of a microwave plasma processing apparatus. In this case, a case where the plasma processing is applied to an etching process will be described.
[0010]
The processing chamber 1 is formed of, for example, stainless steel and a container having a space inside. The processing chamber 1 has a circular opening at the top and an exhaust port 11 at the bottom. A vacuum exhaust means is connected to the exhaust port 11. In this case, the vacuum evacuation means is composed of a pressure control valve 12, a turbo molecular pump 13, a hot valve 14 and a rotary pump 15, and is sequentially connected to the exhaust port 11 via a pipe. In addition, a pressure detector 17 (in this case, a Penning vacuum gauge) for detecting high vacuum is attached to the exhaust port 11 via a valve 16 in front of the pressure control valve 12. Further, a diaphragm vacuum gauge (not shown) for detecting the pressure being processed in front of the pressure control valve 12 is attached to the exhaust port 11. In this case, the processing chamber 1 has a structure in which the internal space is partitioned by a gate valve 18 using a bellows. An elevator drive device 19 is connected to the gate valve 18.
[0011]
A support is provided in the opening at the top of the processing chamber 1, and a wafer presser 19 is placed and held on the support. A hollow cylindrical discharge block 3 is airtightly attached to an opening at the top of the processing chamber 1 via a ring-shaped base flange 2. The discharge block 3 has a shape whose inner surface is enlarged in a tapered shape at an angle of about 20 ° in the axial direction downward (on the drawing), and in this case on the circumference of the upper (on the drawing) inner surface. 24 gas outlets 32 are evenly provided. The taper shape on the inner surface of the discharge block 3 is for uniformly diffusing the plasma and processing the substrate to be processed uniformly. The taper angle depends on the electric field mode when the microwave advances in the discharge block 3. The angle should be gentle so that changes or other electric field modes do not increase and mix. For example, in the case of the microwave electric field mode TE11 or the approximate mode, the taper angle is 1.5 to 2.0 D at the position of the substrate to be processed, where D is the diameter of the substrate to be processed. It is desirable that the position is 0.5 to 1.5 D, and the height between them is 1.0 to 1.5 D. The discharge block 3 is made of a nonmagnetic conductive material such as aluminum or nonmagnetic stainless steel. A protective member which is a plasma-resistant member is formed on the inner surface of the discharge block 3. The plasma-resistant member refers to a material that is not easily etched by active species in plasma. For example, alumina, mullite (Al ₂ O ₃ + SiO ₂ ), quartz or the like is used. In this case, a protective film 31 is formed as a protective member. A heater 33 and a thermocouple (not shown) are attached to the outer peripheral surface of the discharge block 3 in contact with each other, and the discharge block 3 is heated to a temperature of about 120 ° C. by a controller 34 connected to the heater 33 and the thermocouple. Temperature controlled. A disk-shaped microwave introduction window 4 made of a material capable of transmitting microwaves, such as quartz and alumina, is airtightly attached to the upper opening of the discharge block 3, and communicates with the processing chamber 1 and this. The plasma generation space in the discharge block 3 is kept airtight.
[0012]
A circular waveguide 5 is connected to the microwave introduction window 4. A rectangular-circular conversion waveguide 51 and a rectangular waveguide 52 are sequentially connected to the other end of the circular waveguide 5, and the microwave oscillator 6 is attached to the end of the rectangular waveguide 52. A tuning means for tuning microwaves is provided in the circular waveguide 5. Here, the tuning means refers to means for reducing the amount of reflected microwaves. In this case, the microwave tuning plate 53 is a ring-shaped disk, and in this case, is attached to the upper part of the microwave introduction window 4. The tuning means is a plate having an opening through which microwaves communicate, and the shape of the opening differs depending on the electric field mode of the microwave. For example, in the TE11 mode and a mode close thereto, a non-circular shape such as an ellipse is preferable. When the optimum shape is adapted to such a microwave mode, the electric field shape distribution (distribution in a plane parallel to the surface to be processed) of the plasma portion where the microwave is absorbed becomes uniform, so that the sample processing uniformity Is planned.
[0013]
On the outer periphery of the circular waveguide 5 and the discharge block 3, the solenoid coil 91 and the solenoid coil 92 are attached to the coil case 9 so as to be positioned. The solenoid coil 91 can generate a stronger magnetic field than the solenoid coil 92, and the control device 93 connected to the solenoid coils 91 and 92 can control the magnetic field intensity. The coil case 9 is fixedly attached to the circular waveguide 5 and the discharge block 3, and the upper part is integrated with the discharge block 3 so as to be separable from the base flange 2. The upper part of the discharge block 3 is attached and detached by lifting means (not shown). A cooling gas supply port 94 is provided in the lower part of the coil case 9 and a vent hole 54 is provided in the lower part of the circular waveguide 5 so that a cooling gas such as nitrogen gas or air can be supplied into the coil case 9. The cooling gas supplied into the coil case 5 is discharged to the atmosphere through the waveguides 5, 51 and 52 through the vent hole 54.
[0014]
The base flange 2 is provided with a gas supply port 21 for processing gas, and is connected to a gas outlet 32 through a gas communication passage provided in a fitting portion with the discharge block 3 and a gas pipe provided in the discharge block 3. A supply path is formed. Further, for example, a quartz plate having a gas blowing hole is installed under the microwave introduction window 4 made of a quartz plate, and a processing gas is introduced between the quartz plate and the microwave introduction window 4, thereby processing gas. Can be blown out from the top of the discharge block 3 (not shown). By doing so, the replacement of the old and new processing gas in the discharge block 3 is promoted in combination with the tapered shape of the inner surface of the discharge block 3. For this reason, discharge of the reaction product to the outside of the discharge block 3 is facilitated, and an improvement in etching rate, uniformity, etc. is expected. The gas communication passage provided in the fitting portion between the base flange 2 and the discharge block 3 is formed when they are combined.
[0015]
At the bottom of the processing chamber 1, a sample stage 8 on which a wafer 10, which is a substrate to be processed, is arranged via an insulating material 7 so as to coincide with the axis of the discharge block 3 provided at the top. A high frequency power source (not shown) is connected to the sample stage 8 so that a bias voltage can be applied. At the center of the sample stage 8, the wafer 10 is transferred to or from a known transfer means (not shown) such as a robot arm when the wafer 10 is placed on the sample stage 8 or removed from the sample stage 8. A wafer push-up 81 is provided for this purpose. A lift driving device 82 is provided at the lower end of the wafer push-up 81 and moves the wafer push-up 81 up and down. The elevating drive device 82 is fixedly supported by a support member 83 connected to and attached to the lower part of the sample stage 8. Further, an elevating drive device 84 is provided below the support member 83 to elevate and lower the sample stage 8. The elevating drive device 84 is fixedly supported by a support member 85 attached to the lower part of the processing chamber 8. A spiral refrigerant channel 86 is formed in the sample stage 8, and the refrigerant channel 86 is connected to a refrigerant supply port 87 and a refrigerant recovery port 88 provided in the support member 85 through a pipe.
[0016]
In the microwave plasma etching apparatus configured as described above, the gate valve 18 is lowered by the elevating drive device 19 in a state where the wafer is introduced into the load lock chamber (not shown) and kept in vacuum by a known technique, It is carried into the processing chamber 1 by a transfer arm (not shown). At this time, the sample stage 8 is lowered by the elevating drive device 84. The wafer push-up 81 is also lowered by the lift drive device 82. When the transfer arm on which the wafer is placed on the upper part of the sample table is stopped, the lift driving device 82 raises the wafer push-up 81 and receives the wafer from the transfer arm onto the wafer push-up 81. When the wafer moves onto the wafer push-up 81, the transfer arm returns to the retracted position, and then the gate valve 18 is raised to partition the inside of the processing chamber 1 into a sealed space, and the inside of the processing chamber 1 is evacuated by the vacuum evacuation means. .
[0017]
After the transfer arm is retracted, the wafer push-up 81 is lowered and the wafer 10 is placed on the upper surface of the sample table 8. Thereafter, the sample stage 8 is raised to a predetermined position necessary for plasma processing by the elevating drive device 84. At this time, while the sample stage 8 is being raised, the upper surface of the outer periphery of the wafer 10 that has been raised comes into contact with the wafer holder 19 placed like a support in the processing chamber 1 and lifts the wafer holder 19 as it is. As a result, the wafer 10 is supported on the upper surface of the sample table 8 by its own weight (or pressing using spring force) of the wafer holder 19. Note that the wafer 10 may be supported on the upper surface of the sample stage 8 by using an electrostatic adsorption force in addition to the wafer presser. In addition, a cooling medium such as cooling water is supplied to the refrigerant flow path 86 of the sample stage 8 from the refrigerant supply port 87, and the sample stage 8 is maintained at a predetermined temperature. The cooling medium is properly used depending on the temperature of the sample stage to be cooled.
[0018]
When a predetermined pressure is detected by the pressure detector 17 in the evacuation of the processing chamber 1 by the evacuation means before supplying the processing gas, the valve 16 is closed to isolate the pressure detector 17 from the atmosphere in the processing chamber 1. Thereby, the pressure detector 17 can be protected from the processing gas and the reaction product being processed, and accurate detection can always be performed when necessary. Next, a processing gas is supplied from the gas supply port 21 and a processing chamber is introduced by a diaphragm vacuum gauge (not shown) while the processing gas is uniformly introduced into the discharge block 3 from a plurality of gas outlets 32 provided uniformly. 1 is detected, and the inside of the processing chamber 1 is controlled to a predetermined pressure by the pressure control valve 12. At this time, in the discharge block 3, the processing gas is uniformly introduced toward the center at the upper part of the discharge block 3, and exhausted while being uniformly diffused in the space in the tapered discharge block 3 from the upper part to the lower part. Therefore, it is possible to improve the uniformity of the generated plasma.
[0019]
When the inside of the processing chamber 1 reaches a predetermined pressure for processing, the microwave is oscillated from the microwave oscillator 6, and the microwave is radiated into the discharge block 3 through the circular waveguide 5 and the microwave introduction window 4. Introduce. At this time, the microwave guided into the circular waveguide 5 through the rectangular waveguide 52 and the rectangular-circular conversion waveguide 51 is transmitted to the enlarged space in the circular waveguide 5 and the microwave tuning plate. 53, impedance matching is performed and a uniform and strong electric field is formed and introduced into the discharge block 3 through the microwave introduction window 4. At this time, the discharge block 3 is heated by the heater 33 and held at a predetermined temperature by the control device 34 while detecting the temperature by a temperature detecting means (thermocouple) (not shown). On the other hand, power is supplied to the solenoid coils 91 and 92 so that a magnetic field having a predetermined intensity is generated by the controller 93, and a magnetic field is generated so as to form a planar ECR surface in the discharge block 3. By introducing microwaves into the discharge block 3 and forming a magnetic field, the processing gas in the discharge block 3 is subjected to ECR action and is turned into plasma. The plasma generated at this time is generated uniformly and at high density by the electric field from the circular waveguide 5 that is uniformly strengthened by the action of the microwave tuning plate 53. The microwave tuning plate 53 is set to an optimum shape for matching the impedance of the microwave in the circular waveguide 5, makes the microwave in the circular waveguide 5 uniform, and efficiently in the discharge block 3. Lead to.
[0020]
The wafer 10 is plasma-processed with good uniformity by the uniform and high-density plasma generated in the discharge block 3. For example, the etching pressure of an aluminum alloy (in this case, Al—Si—Cu) is BCl ₃ + Cl ₂ + CH ₂ F ₂ (200 sccm at a flow ratio of about 6: 7: 1) is used as the material to be etched. When processing is performed at 0.012 Torr and the microwave power is 1000 W (2.45 GHz), when the microwave tuning plate 53 is used, the uniformity is about 4%, and when the microwave tuning plate 53 is not used. A uniformity improvement of about twice was obtained with respect to the uniformity of about 9%. In this case, the evaluation result is the uniformity of only the active species in the plasma without applying a high frequency voltage to the sample stage 8.
[0021]
Further, when plasma processing is performed on the wafer 10 in this way, by controlling the amount of power supplied to the solenoid coils 91 and 92, the position where the ECR surface can be formed is brought close to or away from the wafer 10, The incident amount of ions in the plasma on the wafer 10 changes, so that it is possible to select processing such as low damage processing, high speed etching processing, and selective etching during processing.
[0022]
Further, when plasma processing is performed on the wafer 10 in this way, for example, in the case of the above processing, AlCl ₃ is generated as a reaction product and tries to adhere to the inner wall surface of the discharge block 3 which is a plasma generation chamber. However, since the discharge block 3 is heated to about 120 ° C. by the heater 33 in this case, the reaction product which has attempted to adhere to the inner wall surface of the discharge block 3 is heated and naturalized. 3 is exhausted without adhering to the inner wall surface. Thereby, the time-dependent change of plasma processing can be suppressed. Thus, during the plasma treatment, the discharge block 3 is heated to a temperature at which the reaction product is naturalized.
[0023]
Further, since a protective member made of alumina, mullite, quartz or the like as a plasma-resistant material, in this case, a protective film 31 is formed on the inner wall surface of the discharge block 3 exposed to plasma, in this case, a discharge formed of aluminum. Even if the block 3 is of the same type as the material to be processed made of an aluminum alloy, the discharge block 3 can be protected from the plasma for etching the material to be processed.
[0024]
The etching process of the wafer 10 is performed in this manner. When the process is completed, the supply of the etching process gas, the supply of the microwave power, the supply of the high frequency power, etc. are stopped, the sample stage 8 is lowered, and the wafer is removed. The wafer is unloaded by the reverse process of loading. After carrying out the wafer, instead of the processing gas for the etching process, a plasma cleaning gas such as O ₂ or O ₂ + SF ₆ is introduced into the discharge block 3 and the wafer 10 or a dummy wafer is placed on the sample stage 8. Without application of the high frequency voltage to the sample stage 8, plasma is generated in the same manner as in the etching process. After performing this plasma cleaning for 10 seconds, a new wafer is etched in the same manner as described above. This plasma cleaning without a wafer is most effective when each wafer is processed. However, a controller for controlling the processing apparatus is used every two or three wafers in combination with the overall throughput. And every n sheets can be set, and the processing apparatus automatically performs cleaning. As a result, a full-time plasma cleaning processing cycle using a dummy wafer, which has been conventionally performed, for example, about 30 minutes, is performed four times to ten times or more, for example, what is performed for each lot. In addition, for example, the wet cleaning by opening the inside of the processing apparatus, which has been performed every week for one day, to the atmosphere can be made into a processing cycle of 2 to 3 weeks or more, and the throughput is greatly improved. be able to. Note that plasma cleaning without a substrate can be performed without affecting the sample stage 8 by having a short processing time and performing a protective process such as anodizing on the wafer placement surface of the sample stage 8.
[0025]
Further, at the time of cleaning, an inert gas, for example, a gas that does not affect the process such as N ₂ and He is flowed from the lower side to the upper side of the sample table 8 through the gap provided in the wafer push-up 81, When cleaning is performed by blowing off dust accumulated in the provided gap, a further cleaning effect is obtained.
[0026]
Further, even when the solenoid coils 91 and 92 and the control device 93 are excluded and in the case of a processing apparatus using other plasma, the above-described operational effects are similarly generated with regard to throughput improvement.
[0027]
Further, when the discharge block 3 is opened to the atmosphere, there is no connection or removal work of gas piping or the like due to the configuration of the gas flow path between the discharge block 3 and the base flange 2, and the coil case 9 is integrated. The constructed discharge block 3 and solenoid coils 91 and 92 can be integrally removed from the base flange 2 to facilitate the preparation, inspection and repair work of the cleaning work.
[0028]
Furthermore, the pressure on the discharge side of the high vacuum pump is increased by making the valve between the high vacuum pump such as the turbo molecular pump 13 of the vacuum exhaust means and the auxiliary pump such as the rotary pump a heatable hot valve. It is possible to prevent reactive organisms or the like from adhering, and to improve the reliability of the vacuum exhaust means.
[0029]
As described above, according to the present embodiment, there are various actions and effects, and it is possible to further improve the processing performance such as uniformity in the plasma processing of the wafer by generating uniform and high-density plasma. Plasma processing with good processing performance can be performed regardless of the material, and stable plasma processing can be continuously performed with good processing performance.
[0030]
In this embodiment, the etching process of the Al alloy has been described as an example. However, the object of the material to be etched is not limited to this, and can be applied to various materials to be etched such as metal, gate, and oxide film. it can. Needless to say, the present invention may be applied not only to the etching process but also to other plasma processes such as a film forming process.
[0031]
Further, even when the solenoid coils 91 and 92 and the control device 93 are omitted in FIG. 1, the same operation as that of the present embodiment occurs with respect to the uniformity, and the processing uniformity can be improved.
[0032]
【The invention's effect】
According to the present invention, there is an effect that stable plasma processing can be performed while maintaining a good processing performance state.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a microwave plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Processing chamber, 3 ... Discharge block, 4 ... Microwave introduction window, 5 ... Circular waveguide, 8 ... Sample stand, 10 ... Wafer, 13 ... Turbo molecular pump, 31 ... Protective film, 33 ... Heater, 53 ... Microwave tuning plate, 91, 92 ... solenoid coil.

Claims

In a plasma processing method for processing a substrate to be processed by applying a high frequency voltage to the sample table separately from the generation of plasma in a plasma processing chamber provided with an electrostatic adsorption type sample table,
The substrate to be processed is electrostatically attracted to the sample stage, and plasma processing of the substrate to be processed is performed.
At the stage where the plasma processing of the substrate to be processed is completed, the substrate to be processed after the plasma processing is unloaded from the plasma processing chamber,
After that, a plasma cleaning gas is introduced into the plasma processing chamber, and the plasma processing chamber is plasma-cleaned for a short time without applying a high-frequency voltage to the sample table without a substrate to be processed in the sample table. Perform plasma cleaning,
Performing plasma processing of the substrate to be processed and the first plasma cleaning without the substrate to be processed for each substrate to be processed;
After repeating the plasma processing and the first plasma cleaning of the substrate to be processed, a second plasma cleaning is performed in which the plasma processing chamber is plasma cleaned for a long time with a dummy substrate placed on the sample stage,
Wherein said first plasma cleaning after the second repeat in combination with plasma cleaning, plasma processing method characterized by performing a wet cleaning the plasma processing chamber opened to the atmosphere.