JP4052477B2 - プラズマ処理装置のクリーニング方法 - Google Patents

Description

本発明はプラズマ処理装置におけるクリーニング方法であって、フッ素系ガスのプラズマで当該プラズマ処理装置のチャンバのクリーニングを行う技術に関するものである。

プラズマＣＶＤ装置は、図３に示すように、真空引きした密閉容器であるチャンバ１内にノズル２を介して原料ガスを供給するとともに、給電アンテナ３を介してＲＦ周波数の電磁波を入射し、前記原料ガスのプラズマ４を形成することにより基板であるウェハー５上に所定の薄膜６を形成する装置である。ここで、チャンバ１は、円筒状の筒部１ａと、この筒部１ａの上端部を閉塞して給電アンテナ３を載置している絶縁部である天井板１ｂとを有している。筒部１ａは通常Ａｌで形成してあり、天井板１ｂは通常Ａｌ₂Ｏ₃で形成してある。

かかるプラズマ処理装置において、例えばＳｉＯ₂等のＳｉＯ_x膜を形成する場合、原料ガスとしては一般にＳｉＨ₄が用いられる。成膜にＳＨ₄のガスプラズマ４を用いた場合、チャンバ１の内周面等にはＳｉＯ_x膜が付着する。このＳｉＯ_x膜がある程度の厚さになると剥離してパーティクルとなり、ウェハー５上に落下し、成膜中の薄膜６に混入して製品膜質を劣化させる等の不都合を生起する。

そこで、一回乃至数回の成膜毎にクリーニングを行ってチャンバ１の内周面等に付着するＳｉＯ_x膜を除去している。具体的には原料ガスの代わりにクリーニングガスであるフッ素系ガス（例えばＮＦ₃）をチャンバ１内に供給するとともに、これをＲＦ周波数の電磁波でプラズマ化し、チャンバ１の内周面等に付着するＳｉＯｘ膜に反応させて除去している。ＳｉＯｘ膜にフッ素プラズマを作用させることによりＳｉＦ₄のガスとして外部に排出している。

かかるクリーニング時のプロセス条件は、ＲＦ周波数が１ＭＨｚ以下の場合、チャンバ１１内の処理圧力を１Ｔｏｒｒ以上としている。これはクリーニング効率（処理圧力が高い程効率が良い。）を考慮したものである。

ところが、上述の如きプラズマＣＶＤ装置のクリーニングにおいては、フッ素系ガスのプラズマを用いており、しかも製品である半導体等に対する金属汚染の影響が最も小さい点等を考慮してチャンバ１の筒部１ａはＡｌで、また天井板１ｂはＡｌ₂Ｏ₃で形成しているので、Ｆ^-（フッ素の−イオン）で前記筒部１ａのＡｌ及び天井板１ｂのＡｌ₂Ｏ₃がフッ化され、筒部１ａの内周面乃至天井板１ｂの内面が部分的ＡｌＦとなってしまう。

この場合のＡｌＦは紛状乃至薄膜状のものであるので、剥離し易く、剥離した場合には、パーティクルとなって成膜中の薄膜に混入する虞がある。

そこで、かかる不都合を未然に除去するため、ＡｌＦが数μｍになった時点で、成膜を中断し、天井板１ｂを外して筒部１ａ及び天井板からＡｌＦを除去するクリーニングを別途行っている。すなわち、分解クリーニングを行っている。

なお、この種のクリーニング技術を開示する公知技術として下記の特許文献１が存在する。

特開２００２−１５８１８０号公報

上述の如き従来技術に係るプラズマＣＶＤ装置においては、チャンバのクリーニングによって発生するＡｌＦのパーティクルを除去すべくチャンバの分解を伴う別のクリーニングを行う必要があるので、メンテナンスに伴うスループットの低下が問題となっている。ちなみに、このクリーニングは、プラズマＣＶＤ装置においての基板の処理枚数が、例えば２０００乃至３０００回になる毎に実施している。

本発明は、上記従来技術に鑑み、フッ素系ガスを用いるクリーニングにおいてフッ素によるチャンバの内周面等の損傷を可及的に低減し得るプラズマ処理装置におけるクリーニング方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の構成は次の点を特徴とする。

１） チャンバの上端部を閉塞する純度が９９．９％以上のＡｌ ₂ Ｏ ₃ からなる平板状の天井板と、天井板の上部に給電アンテナとを設け、フッ素系のクリーニングガスを前記チャンバ内に供給し、給電アンテナを用いＲＦ周波数の電磁波を密閉空間を形成するチャンバ内に入射することにより、前記チャンバ内に供給されたクリーニングガスをプラズマ化することで誘導結合型のプラズマ処理装置をクリーニングする方法であって、
クリーニングの際の前記ＲＦ周波数を１０ＭＨｚ以上１５ＭＨｚ以下とし、チャンバ内の処理圧力を１００ｍＴｏｒｒ以上１Ｔｏｒｒ以下とし、ＲＦ周波数の高周波電力を１Ｗ／ｓｃｃｍ以上５Ｗ／ｓｃｃｍ以下とし、
まず希ガスのプラズマを形成し、その後フッ素系のガスのプラズマを形成することでフッ素の＋イオンを発生させ、フッ素の−イオンを低減させてクリーニングを行うこと。

上記構成の本発明によれば、次の様な効果を得る。
請求項１に記載する発明は、上記１）の如き構成を有するので、従来技術で使用しているＲＦ周波数及びこの近傍の周波数で処理圧力を低下させれば良く、極めて容易にＡｌＦの発生を防止するクリーニングを実現し得るという効果を奏する。これによりチャンバを構成するＡｌ乃至Ａｌ₂Ｏ₃がフッ化され、ＡｌＦが形成されることはなかった。すなわち、従来の装置においてチャンバの分解を伴う別のクリーニングを行う必要があるウェハ処理枚数を上回る５，０００枚のウェハーに成膜処理を行った後、チャンバを分解してＡｌ乃至Ａｌ₂Ｏ₃部分を観察したが、ＡｌＦの発生は認められなかった。また、パーティクルカウンタで０．２μｍ以上のパーティクルの数をカウントしたが、数十個であり、問題にならない数であった。
これは、当該クリーニング条件では、フッ素ガスプラズマ中のフッ素イオンの運動エネルギーが低減され、筒部１ａのＡｌ及び天井板１ｂのＡｌ₂Ｏ₃のフッ化が抑制されたと考えられる。
この結果、チャンバの内面に付着する堆積膜をフッ素系ガスのプラズマでクリーニングするだけで、チャンバを分解してのＡｌ除去のためのクリーニングは実施する必要がない。このため、当該プラズマ処理装置のメンテナンスが極めて容易になるばかりでなく、その稼働効率を飛躍的に向上させることができる。
又、希ガス雰囲気中で誘導結合プラズマが発生した状態で、フッ素系ガスを供給するので、フッ素系ガスを含む雰囲気で誘導ガスプラズマを安定に発生することができるという固有の効果を奏する。ちなみに、最初からフッ素系ガスを供給した場合には、プラズマを形成するのが困難であったり、確実性がなかったりするという問題を有しており、特にこの問題点は誘導プラズマ結合（ＩＣＰ）装置で誘導結合プラズマを形成する際に顕著である。本発明ではかかる問題点をも解消し得る。
又、フッ素系ガス流量に対するＲＦパワーが高い程、クリーニング効果は顕著になるのに対し、ＲＦパワーが高すぎるとフッ化反応が発生し易いという背反する要件のバランスを採って両要件を同時に十分満足し得るという固有の効果を奏する。
又、チャンバのＡｌ₂Ｏ₃部分のフッ化反応を抑制して、この点でもＡｌＦの発生を抑制し得るという固有の効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置を概念的に示す説明図である。同図に示すように、当該プラズマＣＶＤ装置は、真空引きした密閉空間であるチャンバ１１内にノズル（図示せず。）を介して原料ガスを供給するとともに、給電アンテナ１３を介してＲＦ周波数の電磁波を入射し、前記原料ガスのプラズマ１４を形成することにより基板であるウェハー１５上に所定の薄膜を形成する装置である。ここで、チャンバ１１は、円筒状の筒部１１ａと、この筒部１１ａの上端部を閉塞して給電アンテナ１３を載置している絶縁部である天井板１１ｂとを有しており、その内部が成膜室１２となっている。筒部１１ａはＡｌで形成してあり、天井板１１ｂはＡｌ₂Ｏ₃で形成してある。

前記給電アンテナ１３にはインピーダンスマッチングを行うための整合器１７を介してプラズマ発生用高周波電源１8が接続されている。このプラズマ発生用高周波電源１８から給電アンテナ１３へ高周波電力を供給することにより、給電アンテナ１３から天井板１１ｂを透過して成膜室１２内に電磁波１９を入射し、この電磁波１９のエネルギー（高周波パワー）によって成膜室１２内に供給する各種のガスをプラズマ状態にする。このプラズマを利用してウェハー１５上に所定の薄膜を成膜する等の処理を行う。

成膜質１２にはウェハー１５の支持台である静電チャック２０が配設してある。この静電チャック２０はウェハー１５を載置するための円盤状の部材であるテーブル２０ａを有しており、支持台２３を介して支持軸２６に支持されている。ここで、テーブル２０ａは、通常Ａｌ₂ Ｏ₃ やＡｌＮなどのセラミック材料（絶縁材料）で形成してある。

静電チャック２０のテーブル２０ａの内部には、ウェハー１５を静電的に吸着保持する静電チャック用電極２０ｂが埋設してある。この静電チャック用電極２０ｂには、ローパスフィルタ２１を介して直流電源２２の出力電圧である所定の直流電圧が印加され、このことにより発生するウェハー１５と静電チャック用電極２０ｂとの間の電位差に基づくクーロン力によりウェハー１５を静電チャック２０のテーブル２０ａの表面に吸着する。

また、静電チャック２０を一体的に支持している支持台２３の内部には、ウェハー１５を所定の温度に保持するための加熱手段であるヒータ２４を埋設するとともに、冷却手段として冷媒を流通させるための冷媒通路２５を形成してある。ここで、ヒータ２４による加熱は、当該プラズマＣＶＤ装置による成膜工程の立ち上げ時においてウェハー１５の温度を所定の温度迄加熱する際に主に利用され、冷媒通路２５に冷媒を流通させての冷却は、成膜中のプラズマにより加熱されるウェハー１５の温度を所定の温度に維持する際に主に利用される。

かかるプラズマ処理装置においは原料ガスとしてＳｉＨ₄を用いてＳｉＯ_xの薄膜を形成している。このように成膜にＳｉＨ₄のガスプラズマ１４を用いた場合、チャンバ１１の内周面等にはＳｉＯ_x膜が付着するので、これをクリーニングにより除去しなければならない。このため、一回乃至数回の成膜毎にクリーニングを行ってチャンバ１の内周面等に付着するＳｉＯ_x膜を除去している。

具体的には原料ガスの代わりにクリーニングガスであるフッ素系ガス（例えばＮＦ₃）をチャンバ１内に供給するとともに、これをＲＦ周波数の電磁波でプラズマ化し、チャンバ１の内周面等に付着するＳｉＯｘ膜に反応させて除去している。すなわち、ＳｉＯｘ膜にフッ素プラズマを作用させることによりＳｉＦ₄のガスとして外部に排出する。

本形態に係るプラズマＣＶＤ装置の高周波電源の出力周波数は１３．５６ＭＨｚであるので、クリーニング時のＲＦ周波数も１３．５６ＭＨｚとしており、フッ素ガスプラズマ中のフッ素は１３．５６ＭＨｚの周波数に追従できないために運動エネルギーが小さく、イオンボンバードが生じにくい。チャンバ１１の内部の処理圧力は従来のクリーニング時の処理圧力（５．０Ｔｏｒｒ）よりも低圧として、フッ素系ガス（例えばＮＦ₃）のプラズマ１４中のフッ素の−イオン量が減少するような圧力に調整している。

本形態にかかるクリーニングによれば、チャンバ１１を構成する筒部１１ａ及び天井板１１ｂの内面にＡｌＦが形成されることはなかった。すなわち、５，０００枚のウェハー１５に成膜処理を行い、チャンバ１１を分解して筒部１１ａ及び天井板１１ｂの内面を観察したがＡｌＦの発生は認められなかった。また、パーティクルカウンタで０．２μｍ以上のパーティクルの数をカウントしたが、数十個であり、問題にならない数であった。

これは、本形態におけるクリーニング条件では、フッ素ガスプラズマ中のフッ素イオンの運動エネルギーが小さく、しかも高周波エネルギーは励起に寄与する方向となりＡｌとの反応の強い−イオンよりも、Ａｌと反応しない＋イオンが多く存在し、筒部１ａのＡｌ及び天井板１ｂのＡｌ₂ Ｏ₃のフッ化が抑制されたと考えられる。

さらに具体的なクリーニング条件は種々考えられるが、これらを各実施例として示す。これらの各実施例の条件でも同様にＡｌＦの発生は認められなかった。

本実施例ではＲＦ周波数を１０．０ＭＨｚ乃至１５．０ＭＨｚ、チャンバ１１内の処理圧力を１００ｍＴｏｒｒ乃至１Ｔｏｒｒとした。

本実施例によれば従来技術で使用しているＲＦ周波数より高い周波数を用い、処理圧力を低下させることで、極めて容易にＡｌＦの発生を防止するクリーニングを実現し得る。また、チャンバ１１の構成部材等に対するプラズマダメージ（プラズマ１４によるエッチング等の物理的な損傷）を抑制することもできる。

本実施例における処理圧力等のクリーニング条件は、第１実施例と同様であるが、本実施例では、クリーニング処理の開始の際、Ａｒガス（希ガスであれば他のガスでも良い。）をチャンバ１１内に供給してこれのプラズマ１４を形成し、その後クリーニングガスであるフッ素系ガスをチャンバ１１内に供給してこれのプラズマ１４を形成した。

本実施例によれば、Ａｒガス雰囲気中で誘導結合プラズマが発生した状態で、フッ素系ガスを供給するので、フッ素系ガスを含む雰囲気で誘導ガスプラズマを安定に発生することができる。ちなみに、最初からフッ素系ガスを供給した場合には、プラズマ１４を形成するのが困難であったり、確実性がなかったりするという問題を有しており、特にこの問題点は誘導プラズマ結合（ＩＣＰ）装置で誘導結合プラズマ１４を形成する際に顕著である。本実施例ではかかる問題点をも解消し得る。

さらに、本実施例によれば、先行してＡｒプラズマ１４を発生させない場合に較べてフッ素系ガスのプラズマ１４による発光強度が顕著に大きくなっており、プラズマ１４は励起状態となっておりフッ素の＋イオンとなっているものと推定される。このことによってもＡｌＦを発生するフッ素の−イオンを低減し得ると考えられる。

本実施例における処理圧力等のクリーニング条件は、第１実施例又は第２実施例と同様であるが、本実施例ではさらにＲＦ周波数の高周波電力を１Ｗ／ｓｃｃｍ乃至５Ｗ／ｓｃｃｍとした。

ＲＦパワーが低すぎると十分なクリーニング効果が得られず、高すぎると１３．５６ＭＨｚであってもプラズマダメージを発生させるが、本実施例によれば両者を同時に満足させることができる。

本実施例における処理圧力等のクリーニング条件は、第１実施例乃至第３実施例と同様であるが、さらに本実施例では、チャンバ１１のＡｌ部分である筒部１１ａの内面温度を４００°Ｃ以下に保持してクリーニングを行った。

チャンバ１１の内面の温度が高い程、クリーニング効果は顕著になる一方、温度が高すぎるとフッ化反応が発生し易いが、本実施例では両者のバランスを採って両条件と同時に十分満足し得る。

本実施例における処理圧力等のクリーニング条件は、第１実施例乃至第４実施例と同様であるが、本実施例においては、フッ素系ガスとしてＮＦ３を用いた。このことにより、ＣＦ４等に較べクリーニング速度の向上を図ることができる。

本実施例におけるプラズマＣＶＤ装置は、図１に示すプラズマＣＶＤ装置の絶縁部である天井板１１ｂを９９．９％以上の純度のＡｌ₂Ｏ₃とした。このことにより、天井板１１ｂのフッ化反応を抑制し得る。したがって、この点でもＡｌＦの発生を抑制し得る。なお、この点は実験により確認した。すなわち、図２は、図１に示すプラズマ処理装置の天井板１１ｂの材料であるＡｌ₂Ｏ₃の純度とクリーニング時におけるパーティクルの個数との関係を示すグラフであるが、９９．９以上であればパーティクルの数が十分許容範囲となるとことが分かる。

本発明はプラズマＣＶＤ装置をはじめとするプラズマ処理装置に適用して有用なものである。

本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の全体を概念的に示す説明図である。 図１に示すプラズマ処理装置の天井板の材料であるＡｌ₂Ｏ₃の純度とクリーニング時におけるパーティクルの個数との関係を示すグラフである。 従来技術に係るプラズマ処理装置の主要部を抽出して概念的に示す説明図である。

符号の説明

１１ チャンバ
１１ａ 筒部
１１ｂ 天井板
１３ 給電アンテナ
１４ プラズマ
１５ ウェハー

Claims (1)

1. チャンバの上端部を閉塞する純度が９９．９％以上のＡｌ ₂ Ｏ ₃ からなる平板状の天井板と、天井板の上部に給電アンテナとを設け、フッ素系のクリーニングガスを前記チャンバ内に供給し、給電アンテナを用いＲＦ周波数の電磁波を密閉空間を形成するチャンバ内に入射することにより、前記チャンバ内に供給されたクリーニングガスをプラズマ化することで誘導結合型のプラズマ処理装置をクリーニングする方法であって、
   クリーニングの際の前記ＲＦ周波数を１０ＭＨｚ以上１５ＭＨｚ以下とし、チャンバ内の処理圧力を１００ｍＴｏｒｒ以上１Ｔｏｏｒ以下とし、ＲＦ周波数の高周波電力を１Ｗ／ｓｃｃｍ以上５Ｗ／ｓｃｃｍ以下とし、
   まず希ガスのプラズマを形成し、その後フッ素系のガスのプラズマを形成することでフッ素の＋イオンを発生させ、フッ素の−イオンを低減させてクリーニングを行うことを特徴とするプラズマ処理装置のクリーニング方法。

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