JP4224374B2 - プラズマ処理装置の処理方法およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム系反応生成物を生じるプラズマ処理装置の処理方法に係り、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の処理方法に関する。

さらに、本発明は、プラズマ処理方法に係り、特にプラズマを用いて半導体ウェハ等の試料をエッチング処理あるいは試料に膜を堆積させるプラズマ処理装置において、真空容器を清掃する方法にかかわる。

本発明は、半導体素子の製造に用いられているプラズマを利用したプラズマ処理装置に適用する。ここではＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）方式と呼ばれるプラズマ処置装置を例に、従来技術を説明する。この方式では、外部より磁場を印加した真空容器中でマイクロ波帯からＵＨＦ帯の電磁波によりプラズマを発生する。磁場により電子はサイクロトロン運動し、この周波数と電磁波の周波数を共鳴させることで効率良くプラズマを発生できる。この装置でウェハをエッチングする場合にはプラズマとなるガスには塩素やフッ素などのハロゲンガスが用いられる。また、ウェハに入射するイオンを加速するために、ウェハには高周波電圧が印加される。この構成で半導体素子製造に必要な、ウェハに垂直なエッチングができる。以後、ウェハに印加する電力をバイアス電力と呼ぶ。また、ウェハ上に膜の堆積を行う場合はＳｉＨ_４などの原料ガスを用いてウェハ上に多結晶Ｓｉ膜を堆積できる。

この装置では、ある程度の処理時間がたつと容器内に原料ガスや反応生成物の堆積が生じる。堆積物が生じるとプラズマの状態が変化して、エッチング特性が経時変化したり、あるいは堆積物が剥がれてウェハ上に落ちて異物となり歩留まり低下の原因となる。したがって、ある期間経過すると真空容器内壁の清掃が必要となる。

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は、種々の方式の装置が使用されている。

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、さらに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。

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るプラズマ密度・組成の変動、さらには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。

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が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ェハ間、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。

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（ＡｌＦ）になっていることがあり、塩素ガスプラズマによるドライクリーニングではアルミニウム系反応生成物（ＡｌＦ）などを除去することができない。

すなわち、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、塩素ガスを用いてプラズマを発生させる従来のドライクリーニングによって、プラズマ処理装置の処理室内を洗浄してもＡｌＦを除去することができないので、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。この清掃方法は、処理室を大気開放した後、アルコールによって清掃し、その後処理室を真空排気するといった時間が必要になるという問題を有している。さらに、アルミニウム系反応生成物などは処理室内壁に徐々に堆積するので、清掃処理前にその反応生成物などが剥れてパーティクルとなって製品を汚染したり、内壁の状態が変化することによるプラズマ密度・組成の変動、さらにはエッチング性能の変化などを引き起こし、製品の画一性を保持できなくなるという問題がある（例えば、特許文献１参照）。

真空容器を清掃する公知技術としては、例えば、Ａｌを含む堆積物をＢＣｌ_３とＣｌ_２あるいはＢＣｌ_３とＨＣｌのプラズマを用いて除去する方法が提案されている（例えば、特許文献２、および特許文献３参照）。また、Ａｌを含む堆積物をＨ_２Ｏ、Ｃｌ_２、Ｏ_２のプラズマを順に用いて除去する方法が提案されている（例えば、特許文献４参照）。他にもＳｉを含む堆積物はＳＦ_６やＣＦ_４などのＦを含むプラズマで除去する方法が知られている。

さらに、プラズマ処理時にフッ素を含むガスを用いると、蒸気圧が低く安定な化合物であるフッ化アルミニウムが形成されて、除去しにくいことが知られている。フッ化アルミニウムの除去方法としては、以下の手法が知られている。Ｃｌ_２ガスを用いてＡｌＦ_３をＡｌＣｌ_３に分解する方法が提案されている（例えば、特許文献５参照）。また、Ｈ_２ＯとＣｌ_２にてＡｌＦ_３を分解除去する方法が提案されている（例えば、特許文献６参照）。また、酸素によりフッ化アルミニウムを除去する方法が提案されている（例えば、特許文献７参照）。また、酸素を含まない、塩素あるいはフッ素のプラズマでクリーニングすることで、フッ化アルミニウムの生成が抑えられることが提案されている（例えば、特許文献８参照）

これらのプラズマクリーニング方法は、真空容器を大気に戻すことが無いので、短時間で清掃が済むことが利点である。また、例えば、ウェハを数千枚処理した後は真空を大気に戻して内部を水や酸などを用いて湿式に清掃する。

近年、半導体素子の多様化に伴い、ウェハの材料あるいはプラズマプロセスで用いるガスも多様化してきた。すると従来のプラズマを用いた清掃では除去しにくい堆積物の問題がさらに顕著になる。真空容器の材料としてアルミニウム（Ａｌ）／アルマイトなどＡｌを含む材料を用いて、塩素系ガスとフッ素系ガスを混合あるいは切り替えて用いると、フッ素がＡｌあるいはアルミナと反応してフッ化アルミニウム（ＡｌＦ_３）が生じる。フッ化アルミニウムは蒸気圧が低くプラズマクリーニングでは除去が困難であるが、プロセスの複雑化に伴い今まで以上にフッ化アルミニウムの堆積が深刻な問題となっている。スループット向上のためにさらに効率良いクリーニング方法が必要となっている。

前述の公知技術によってもある程度のクリーニング速度は得られるが、特許文献５に記載のＣｌ_２ガスを用いるだけの技術ではクリーニング速度が小さい、特許文献６に提案されている技術ではＨ_２ＯによりＡｌＦ_３を加水分解するが、これは液相では反応速度が大きいが、気相では反応速度が小さく、やはりクリーニング速度が十分でない、という問題を有している。
特開平６−３０６６４８号公報 特開平１１−１８６２２６号公報 特開２０００−１２５１５号公報 特開平９−１７１９９９号公報 特開平７−１３０７０６号公報 特許文献特開２００１−３０８０６８号公報 特開２００３−１９７６０５号公報 特開平９−１８６１４３号公報

そこで本発明は、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処理方法を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、プラズマ処理装置において、効率良くフッ化アルミニウムを除去するクリーニング方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、塩素ガスと臭化水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ェハを搭載し、さらにこのシリコンウェ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ことにより、処理室内壁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を、揮発性の成分として除去することが可能になる。

上記目的を達成するために、本発明は、ＳｉなどのＦと反応して気体になる物質を供給すると同時に塩素あるいはＢｒなどのフッ素以外のハロゲンガスプラズマを発生させる。この方法によりフッ化アルミニウムを分解除去できる。

以下、本発明の実施例を図により説明する。

本発明の第１の実施例を、図１に示すプラズマエッチング処理装置を用いて説明する。図１は、本発明にかかる処理方法が適用されるプラズマエッチング処理装置の構成の概要を示す説明図である。第１の実施例にかかるプラズマエッチング装置の処理室１は、処理室側壁２、石英製のシャワープレート３、基板搭載電極４、排気系７、アンテナ１０などを有して構成される。さらにプラズマエッチング処理装置は、石英板５、真空計６、高周波電源８、マッチング回路９、誘電体１１、アンテナカバー１２、コイル１３，１４，１５、ヨーク１６、高周波電源１９、マッチング回路１９、ヒータ２０、Ｏリング２１，２２を有して構成される。基板搭載電極４上には、シリコンウェハなどの被処理基板１７が載置固定される。

図示を省略したガス供給系からシャワープレート３と石英板５の間にＯリング２２によって形成された空間内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図示を省略した圧力制御手段を有する排気系７で排気される。

処理室１内に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。また、処理室１の外周部には、処理室１内部に磁場を生成するためのコイル１３，１４，１５が設けられ、このコイルによって形成された磁場が外部に漏れないようにヨーク１６が設けてある。

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。

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。シャワープレート３の下面端部と処理室側壁上端部間にＯリング２１が、シャワープレート３の上面端部と石英板５の下面端部間にＯリング２２が介在している。

このような構成を有するプラズマエッチング処理装置において、被処理物をエッチング処理する場合を説明する。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。

被処理基板１７としてＳｉウェハを用いた場合、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。

この場合、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が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、その一部がフッ素化されてフッ化アルミニウム（ＡｌＦ）になる。

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が被処理基板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、シャワープレートに反応生成物が付着すると、シャワープレート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ェ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。

堆積物を除去する処理方法として、既述のように処理室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。

そこで、本発明による処理方法は、被処理基板１７としてＳｉウェハを用いて、これを基板搭載電極４に搭載する。さらに処理ガスとして、臭化水素（ＨＢｒ）ガス（１００ｍｌ／ｍｉｎ）および塩素（Ｃｌ_２）ガス（１００ｍｌ／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。

すると、被処理基板１７であるＳｉはエッチングされると同時に、処理室１内部では次のようなプラズマ反応が進行する。
ＨＢｒ → Ｈ＋Ｂｒ …（１）
Ｃｌ_２ → ２Ｃｌ …（２）

処理室内部に付着したフッ化アルミニウム（ＡｌＦ）上では上記プラズマとの間で次のような反応が進行する。
ＡｌＦ＋Ｈ → Ａｌ＋ＨＦ …（３）
Ａｌ＋３Ｃｌ → ＡｌＣｌ_３↑ …（４）
Ａｌ＋３Ｂｒ → ＡｌＢｒ_３↑ …（５）
４ＨＦ＋Ｓｉ → ４Ｈ＋ＳｉＦ_４↑ …（６）

このような反応により、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が揮発性の物質（ＨＦ，ＡｌＣｌ_３，ＡｌＢｒ_３、ＳｉＦ_４）となって処理室１から排気されるので、アルミニウム系堆積物を除去することが可能になる。

請求項２に記載された本発明の第２の実施例を、図１および図２を用いて説明する。実施例１で示したように、被処理基板１７としてＳｉウェハを、処理ガスとしてＨＢｒとＣｌ_２ガスを採用することにより、処理室１内のアルミニウム系堆積物を除去できる。しかし、基板搭載電極４上の被処理基板１７であるＳｉウェハに、高周波電源１８を用いて４００（ｋＨｚ）の高周波電力を印加すると、被処理基板１７に印加する高周波電力が大きくなるにつれて、アルミニウム系堆積物の除去速度が大きくなる。

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０（Ｗ）の場合は第一の実施例の場合を示し、３０，４５，６０（Ｗ）は第二の実施例の場合を示している。この図から明らかなように、バイアスをかけなかったときのフッ化アルミニウムの除去速度は１ｎｍ／ｍｉｎであるのに対し、３０（Ｗ）バイアスでは２．６ｎｍ／ｍｉｎ、４５０（Ｗ）バイアスでは３．９ｎｍ／ｍｉｎ、６０（Ｗ）バイアスでは４．７ｎｍ／ｍｉｎの除去速度となり、極めて顕著な効果を奏することができる。

一般に、被処理基板１７に高周波電圧を印加すると、高周波電圧の正電圧側の変動に応じてプラズマ電位が変動する。一方、設置された処理室側壁（実効的なアース部分）の前面にはプラズマに応じてイオンシースが形成される。このイオンシース中の電界により、イオンが加速され、処理室側壁に衝突することによるイオンアシスト効果により、アルミニウム系堆積物の除去速度が増加する。

被処理基板１７に印可される高周波電圧が増加するほど、プラズマ電位の変動が大きくなり、イオンアシスト効果が増加する。

したがって、装置で使用可能な限りＳｉウェハに印加する高周波電力を大きくすることにより、処理室内のアルミニウム系堆積物除去速度が高くなり、効果的なドライクリーニングが可能になる。

ちなみに、ドライクリーニングガスとして、臭化水素（ＨＢｒ）ガス単体、または塩素（Ｃｌ_２）ガス単体を用いて処理したところ、ＡｌＦを効率的に除去することはできなかった。

以上の説明では、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、上記の説明では、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を達成することができる。

以上の説明では、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を達成することができる。さらに、本発明は、プラズマ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、表面改質装置に適用することによって同様の作用効果を達成することができる。

さらに、例えば石英のようにシリコンを含む材料が処理室内に存在する場合、シリコンウェハを処理室内に搭載しない場合でも、同様の効果を奏することができる。

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量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。

次に、本発明の第３の実施例を図３を用いて説明する。図３はプラズマエッチング装置の全体構成図で、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を利用した装置の例である。ＵＨＦ電源１０１から整合器１０２と導波路１０３、アンテナ１０５を介して４５０ＭＨｚの電磁波が真空容器１０９に導入される。真空容器の材質は金属あるいは内面に絶縁膜コーティングした金属であり、電磁波導入部は石英の導入窓１１０となっている。真空容器１０９中にはガスが導入され、ＵＨＦ帯の電磁波でプラズマ１０８が生成される。電磁石１０４の磁場強度は電磁波の周波数と共鳴を起こすように設定されており、４５０ＭＨｚでは磁場強度は約０．０１６Ｔである。この磁場強度でプラズマ中の電子サイクロトロン運動が電磁波の周波数と共鳴するために、効率よく電磁波のエネルギーがプラズマに供給され、高密度のプラズマができる。

ウェハ１０６は、試料台１０７の上に設置される。ウェハに入射するイオンを加速するために、ｒｆ帯の電磁波を発生するバイアス電源１１２が試料台１０７に接続されている。バイアス電源１１２の周波数に特に制限はないが、ここでは周波数４００ｋＨｚを用いている。バイアス電源１１２に対するアースとしてＡｌ上に高周波電磁波を透過する程度の厚さのアルマイトが形成されたアース部材１１１が試料台１０７の周囲に設置されている。また、真空容器の側壁一部には石英内筒１１４が設置されている。

このような構成を有するプラズマエッチング処理装置において、被処理物をエッチング処理する場合を説明する。処理ガスとして、例えばＡｒ（１００ｍｌ／ｍｉｎ）とＣＦ_４（５０ｍｌ／ｍｉｎ）を真空容器１０９内に導入し、圧力が１（Ｐａ）を示すように真空容器１０９内を排気する。

アンテナ１０５に接続されているＵＨＦ電源１０１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１０５に供給し、また電磁石１０４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、真空容器１０９内にプラズマが効率よく発生する。

ウェハ１０６として直径２００ｍｍのＳｉウェハを用いた場合、真空容器１０９内に発生したプラズマによってウェハ１０６はエッチングされる。このとき試料台１０７に接続されているバイアス電源１１２は４００ｋＨｚで、１００（Ｗ）の高周波電力をウェハに印加している。

真空容器１０９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が処理ガスとして使用したＡｒによってスパッタされ、真空容器１０９内の例えば石英製部品に付着する。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、その一部がフッ素化されてフッ化アルミニウム（ＡｌＦ）になる。

真空容器１０９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。特にガス導入に石英板に噴出孔を開けたシャワープレートをウェハと対向して用いると、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、シャワープレートに反応生成物が付着すると、シャワープレート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ェハに到達してパーティクルとなる。このためこれら真空容器１０９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。

堆積物を除去する処理方法として、既述のように真空容器１０９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、真空容器１０９の大気開放、堆積物の除去、さらに真空容器１０９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。

そこで、本発明による処理方法は、ウェハ１０６としてＳｉウェハを用いて、これを料台１０７に搭載する。さらに処理ガスとして、臭化水素（ＨＢｒ）ガス（１００ｍｌ／ｍｉｎ）および塩素（Ｃｌ_２）ガス（１００ｍｌ／ｍｉｎ）を真空容器１０９内に導入し、圧力が１．０（Ｐａ）を示すように排気系７で圧力を制御しながら真空容器１０９内を排気する。ＵＨＦ電源１０１から４５０（ＭＨｚ）、５００（Ｗ）の高周波電力をアンテナ１０５に供給、電磁石１０４を適当な値に設定して、真空容器１０９内部にプラズマを発生させる。

すると、ウェハ１０６であるＳｉはエッチングされると同時に、真空容器１０９内部では次のようなプラズマ反応が進行する。
ＨＢｒ → Ｈ＋Ｂｒ …（１）
Ｃｌ_２ → ２Ｃｌ …（２）

処理室内部に付着したフッ化アルミニウム（ＡｌＦ）上では上記プラズマとの間で次のような反応が進行する。
ＡｌＦ＋Ｈ → Ａｌ＋ＨＦ …（３）
Ａｌ＋３Ｃｌ → ＡｌＣｌ_３↑ …（４）
Ａｌ＋３Ｂｒ → ＡｌＢｒ_３↑ …（５）
４ＨＦ＋Ｓｉ → ４Ｈ＋ＳｉＦ_４↑ …（６）

このような反応により、真空容器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が揮発性の物質（ＨＦ，ＡｌＣｌ_３，ＡｌＢｒ_３、ＳｉＦ_４）となって真空容器１０９から排気されるので、アルミニウム系堆積物を除去することが可能になる。

次に、ウェハに高周波電力を印加した場合を説明する。先に示したように、ウェハ１０６としてＳｉウェハを、処理ガスとしてＨＢｒとＣｌ_２ガスを採用することにより、真空容器１０９内のアルミニウム系堆積物を除去できる。さらに、試料台１０７上のウェハ１０６であるＳｉウェハに、バイアス電源１１２を用いて４００（ｋＨｚ）の高周波電力を印加すると、ウェハ１０６に印加する高周波電力が大きくなるにつれて、アルミニウム系堆積物の除去速度が大きくなる。

図４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る。この図から明らかなように、バイアスをかけなかったときのフッ化アルミニウムの除去速度は１ｎｍ／ｍｉｎであるのに対し、３０（Ｗ）バイアスでは２．６ｎｍ／ｍｉｎ、４５（Ｗ）バイアスでは３．９ｎｍ／ｍｉｎ、６０（Ｗ）バイアスでは４．７ｎｍ／ｍｉｎの除去速度となり、極めて顕著な効果を奏することができる。

一般に、ウェハ１０６に高周波電圧を印加すると、高周波電圧の正電圧側の変動に応じてプラズマ電位が変動する。一方、設置された処理室側壁（実効的なアース部分）の前面にはプラズマに応じてイオンシースが形成される。このイオンシース中の電界により、イオンが加速され、処理室側壁に衝突することによるイオンアシスト効果により、アルミニウム系堆積物の除去速度が増加する。

ウェハ１０６に印可される高周波電圧が増加するほど、プラズマ電位の変動が大きくなり、イオンアシスト効果が増加する。したがって、装置で使用可能な限りＳｉウェハに印加する高周波電力を大きくすることにより、処理室内のアルミニウム系堆積物除去速度が高くなり、効果的なドライクリーニングが可能になると推定する。

次に、本発明でより詳細に条件を変えた場合を述べる。ここでは、フッ化アルミニウムの真空容器１０９内へ堆積の度合いを直接測定するために、以下の試験を行った。Ｓｉウェハ（直径３００ｍｍ）１３枚をＣＦ_４＋Ｃｌ_２放電で連続エッチングして、導入窓１１０上に堆積物を生じさせる。その後、各種プラズマを発生させて堆積物１１３の除去を試みた後に、導入窓上の堆積物中のフッ化アルミニウムを蛍光Ｘ線分析法により定量分析した。結果を表１に示す。

表１ではウェハ１３枚処理後のフッ化アルミニウム堆積量を１００として、相対値でフッ化アルミニウムの残留量すなわちのクリーニング効果を表している。クリーニングは３６０Ｓ間行った。表１から、ＳＦ_６ではフッ化アルミニウムはクリーニングできないことがわかる。また塩素を用いても試料台にＳｉＯ_２ウェハ（表面をＳｉＯ_２で被ったＳｉウェハ）を設置しているとクリーニングできない。また試料台にＳｉウェハ（表面にパタンなど何もついていないウェハ）を設置してもウェハにバイアス電力を印加しないとクリーニング効果は小さい。Ｓｉウェハを設置してバイアス電力を２０Ｗ印加するとフッ化アルミニウムは半減してクリーニングされていることがわかる。Ｓｉにバイアスを印加してクリーニング効果が大きくなる理由は、先に述べた壁のスパッタ効果のほかに以下がある。Ｓｉウェハのエッチング速度はバイアス０Ｗではほとんど削れないが２０Ｗでは約３０ｎｍ／分になる。すなわち、バイアスの印加によりＳｉの供給量が増加して、クリーニングの効果も大きくなる。さらにＣｌ_２にＨＢｒを添加するとクリーニング効果が大きくなった。

Ｓｉを供給するとフッ化アルミニウムが除去できる理由は、先に述べたようにフッ化アルミニウム（ＡｌＦ_ｘ）からＳｉがＦを引き抜きＳｉＦ_ｘの形で気化し、残ったＡｌがＣｌあるいはＢｒと反応してＡｌＣｌやＡｌＢｒの形で気化するためである。ＨＢｒを混合するとなぜクリーニング効果が上がるかは明確ではないが、Ｈが上記反応を助ける効果があると推定できる。

以上のように、Ｓｉを供給しながらＣｌあるいはＢｒを含むプラズマを発生させることにより、従来では除去が困難であったフッ化アルミニウムを高速で除去できる。

Ｓｉを供給するためにバイアス電力を高くしすぎるとアースの削れ速度も速くなってしまうという問題が生じる。通常クリーニングはＳｉの除去を目的としているので、従来技術ではクリーニング中はＳｉウェハを試料台に設置しないかもしくは設置してもＳｉの放出とアース削れを抑えるためにバイアスを印加しない。この問題点を以下のように回避した。まず、必要最小限のＳｉ放出量を求めた。実験によりダミーウェハに印加するバイアスは３００ｍｍウェハで２０Ｗ（０．０２８Ｗ／ｃｍ^２）から８０Ｗ（０．１１Ｗ／ｃｍ^２）で十分なクリーニング効果を得られることを発見した。バイアス電力をこの値範囲に設定することで、必要以上のアース削れを抑え、かつ過剰なＳｉを供給することなくフッ化アルミニウムを除去できる。Ｓｉウェハの面積が異なる場合には単位面積当りのバイアス電力を合わせる。

エッチング中のＡｌ堆積量はフッ素ガス圧力（フッ素原子の数）やバイアス電力で異なるために、クリーニング中に必要なＳｉは上記バイアス電力（８０Ｗ）では不足する場合もある。この点を回避するためにアース面積の拡大を行った。アース１１１は真空容器１０９の内壁でプラズマ１０８に接してかつバイアスの高周波電力が通過できるインピーダンスを持つ導体を意味する。プラズマは通常試料台１０７と導入窓１１０の間で発生する。アース面積拡大は石英内筒１１４を調整して行った。その結果アース面積をプラズマ接触面積の４０％以上にすることで、クリーニング時のバイアス電力を８０Ｗ以上に設定しても、アース削れ量を問題無いレベルに抑えることができた。石英内筒はアルミニウムやアルマイトに微量に含まれるＦｅなどの重金属汚染の拡散を防ぐ目的で入っている。したがって、石英内筒の縮小は重金属汚染拡大の問題があるが、アルマイト中の重金属量を０．１％以下に抑えることで、この問題を回避した。また図３に示す装置ではアースとしてアルミニウム表面にアルマイト加工した材料を用いている。アルマイトの厚さはバイアス電力周波数が４００ｋＨｚの場合には２００μｍ以下にする必要がある。周波数がｆ（ｋＨｚ）の場合厚さは０．５ｆ（μｍ）以下にする必要がある。またアルマイト以外の物質で金属をコーティングする場合は上記アルマイト容量のインピーダンスに相当する厚さ以下にする必要がある。

また、アース削れを抑える方法として、クリーニングの最初にブレークスルーと呼ばれるバイアス電力が高い（たとえば８０Ｗ以上）期間を５〜２０秒程度設けて、その後バイアス電力を８０Ｗ以下に落としてもよい。ブレークスルーはダミーウェハの表面にできる自然酸化膜層など低バイアス電力では取れにくい表面層を取り除いて、その後バイアス電力が低くてもＳｉ表面をエッチングして、Ｓｉを供給できるようにする働きがある。また、クリーニングガスに酸素を２〜１０％程度混合してアースを酸化させながらクリーニングしても良い。

以上述べたクリーニング方法はフッ化アルミニウムを取ることを目的としているが、エッチングガスとしてたとえばＣＦ_４のような、炭素を含むガスを使用していると炭素を含む堆積物も同時に生じる。この場合にはフッ化アルミニウムをクリーニングする前に炭素をクリーニングするとフッ化アルミニウムのクリーニング速度が上がる。炭素をクリーニングするにはＳＦ_６あるいはＳＦ_６と酸素の混合ガスを用いるのが有効である。このガス系を用いるとＣＳあるいはＣＯの化合物で炭素が除去される。

次に、Ａｌと反応するハロゲンガスの詳細を述べる。Ｃｌ_２単体あるいはＨＢｒ単体でも使えるが、Ｃｌ_２中のＨＢｒの混合比は３０％〜８０％が最もフッ化アルミニウムの除去効果が大きかった。また圧力は表２に示すように２Ｐａ以上で効果が大きくなる。

また、ウェハからＳｉを供給する場合はクリーニングしたい場所とウェハとの距離を近づけるとクリーニング効率が上がる。図３に示す装置では主に導入窓１１０にフッ化アルミニウムが堆積するので、導入窓とＳｉウェハの距離を近づける。実験では表３のように両者の距離を１３５ｍｍ以下にすると良いことがわかった。

Ｓｉを供給する別方法を述べる。まずＳｉＣｌ_４などのガスを用いてＳｉを供給しても良い。図５には真空容器一部にＳｉを含む材質を用いた例を示す。ＳｉあるいはＳｉＣ製のリング２０１を用いてＳｉを供給する。この装置でクリーニング時にＣｌ_２あるいはＨＢｒの放電を行うことでフッ化アルミニウムを除去できる。

図６は、誘導結合型のプラズマ処理装置の全体構成図である。この装置では１３．５６ＭＨｚの高周波電源３０１から整合機３０２とループ状アンテナ３０３と導入窓３０５を介して、真空容器３０９に電磁波が供給される。アンテナはシールド３０４で被われている。ループ状アンテナ３０３からの誘導結合により真空容器３０９にプラズマ３１０が発生する。試料台３０７には１２ＭＨｚのバイアス電力が印加され、ウェハ３０６が処理される。この装置では真空容器３０９がアルミニウム表面をアルマイト加工した材料でできており、アースの役目を果たす。もちろん内壁をＡｌ／アルマイトの内筒で被ってもかまわない。この装置でもフッ素ガスを用いてウェハをエッチングすると、処理枚数の増加に伴いＡｌとＦが主成分の堆積物３０９が生じる。この堆積物も実施例２と同じ方法で除去できるが、バイアス電力の周波数が異なると同じＳｉウェハのエッチング速度を得るために必要な電力が異なってくる。バイアス周波数１２ＭＨｚでは電力３００Ｗ以上１２００Ｗ以下でアース削れを抑えてかつＳｉをウェハから供給することで、導入窓３０９に堆積したフッ化アルミニウムを除去できた。プラズマの発生には高周波電源３０１の出力１ｋＷで塩素２Ｐａの放電を行った。

バイアスの周波数が異なった場合に、等価なＳｉエッチング速度を得るのに必要な電力は、次の経験式から求めることができる。バイアス周波数４００ｋＨｚにおける電力をＰ（Ｗ）とすると、バイアス周波数ｆ（ｋＨｚ）にて、４００ｋＨｚで得られるＳｉエッチング速度と等しいＳｉエッチング速度を得るために必要な電力Ｐｆ（Ｗ）はＰＸ（０．００１１６ｆ＋０．５３８）でも留る。この式は周波数４００ｋＨｚから１５ＭＨｚの範囲で用いることができる。

このクリーニングでは、フッ化アルミニウムのＡｌをアルミ塩化物（ＡｌＣｌ_ｘ）、アルミ臭化物（ＡｌＢｒ_ｘ）の形で気化すると同時に、残ったＦも安定な化合物として気化することが特徴である。Ｓｉ以外で、この条件を満たす物質の例を述べる。

Ｃｌ_２とＮ_２の混合ガスを用いるとＡｌＣｌ_ｘとＮＦ_３の形でフッ化アルミニウムを除去できる。ＧｅウェハからＧｅを供給しながら塩素でクリーニングするとＡｌＣｌ_ｘとＧｅＦ_４の形でフッ化アルミニウムを除去できる。Ｃｌ_２とＳＯ_２の混合ガスを用いるとＡｌＣｌ_ｘとＳＦ_６の形でフッ化アルミニウムを除去できる。Ｃｌ_２とＣＯ_２を用いるとＡｌＣｌ_ｘとＣＦ_４の形でフッ化アルミニウムを除去できる。Ｃｌ_２とＨ_２あるいはＨＣｌを用いるとＡｌＣｌ_ｘとＨＦの形でフッ化アルミニウムを除去できる。

本発明によれば、真空装置の内部を大気に曝すことなく内壁に堆積したフッ化アルミニウムを除去、清掃できるので、堆積物の異物に起因する素子作成の歩留まりを向上できる。また、真空を大気開放しておこなう清掃の周期を延ばして装置の稼働率を向上できる。

以上のように、本発明は、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高周波電力印加手段と、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とからなるプラズマ処理装置の処理方法において、被処理材搭載電極上にＳｉウェハを搭載し、臭化水素（ＨＢｒ）ガスと塩素（Ｃｌ_２）ガスを処理室内に導入してプラズマを発生させて、処理室内部に付着したアルミニウム系堆積物を除去する。さらに、本発明は、上記プラズマ処理装置の処理方法において、被処理材搭載電極上に搭載したＳｉウェハに、高周波電力を印加して処理室内に付着したアルミニウム系堆積物を除去する。

本発明は、真空容器内にプラズマを発生させるとともに前記真空容器内に設けられた試料台に配置された試料を処理するプラズマ処理方法において、ウエハ処理毎、あるいは複数ウエハ処理の後または前後に、フッ素以外のハロゲンガス、およびフッ素と反応して気相の反応生成物をつくる元素を含むプラズマを発生させる期間を設けた。

本発明は、真空容器内にプラズマを発生させるとともに前記真空容器内に設けられた試料台に配置された試料を処理するプラズマ処理方法において、ウエハ処理毎、あるいは複数ウエハ処理の後または前後に、フッ素以外のハロゲンガスとＳｉ元素を含むプラズマを発生させる期間を設けた。また、本発明は、上記プラズマ処理方法において、真空容器を構成する材料の一部はＡｌあるいはＡｌの安定化合物を含み、かつ、ウエハをプラズマ処理するガスにフッ素を含むガスを用いる。さらに、本発明は、上記プラズマ処理方法において、フッ素以外のハロゲンガスはＣｌ原子とＢｒ原子のどちらかひとつあるいは両方を含み、Ｃｌ_２、ＨＣｌ、ＨＢｒ、ＢＣｌ_３、ＣｌＦ_３のいずれかあるいは複数個を含んでＣｌ原子とＢｒ原子のどちらかひとつあるいは両方を含ませる。

本発明は、上記プラズマ処理方法において、Ｓｉ原子を供給する方法は、ハロゲンプラズマ放電中に試料台にＳｉウエハを、特にパタンのついていないＳｉウエハを載せておきかつＳｉウエハに試料台を介して高周波電力を印加することによってなされる。さらに、Ｓｉウエハに試料台を介して印加する高周波電力は、周波数４００ｋＨｚ相当でＳｉウエハ単位面積（１ｃｍ^２）あたり０．０２８Ｗ以上、好ましくは０．１１Ｗ以上である。また、真空容器内壁のプラズマが接触する部分に占めるアース面積の割合は、４０％以上である。

本発明は、上記プラズマ処理方法において、Ｓｉ原子を供給する方法は、真空容器を構成する材料の一部にＳｉを含ませること、ＳｉＣｌ_４ガスを供給することである。また、上記プラズマ処理方法において、Ｆと気相の反応生成物をつくる元素を供給する手段は、フッ素以外のハロゲンと同時にＮ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、ＳＯ_２を供給することである。

本発明は、上記プラズマ処理方法において、フッ素以外のハロゲンガスのプラズマを発生させる期間の前にＳＦ_６を含むプラズマを発生させる期間を設けた。

本発明の実施例を示すプラズマ処理装置の概略図。 本発明の高周波電力印加の効果を示すグラフ。 本発明の一実施例であるプラズマ処理装置を示す全体構成図。 バイアス電力とクリーニング速度の関係を示すグラフ。 本発明の他の実施例であるプラズマ処理装置を示す全体構成図。 本発明のさらに他の実施例であるプラズマ処理装置を示す全体構成図。

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、１０１…ＵＨＦ電源、１０２…整合器、１０３…導波路、１０４…電磁石、１０５…アンテナ、１０６…ウェハ、１０７…試料台、１０８…プラズマ、１０９…真空容器、１１０…導入窓、１１１…アース、１１２…バイアス電源、１１３…堆積物、１１４…石英内筒、２０１…ＳｉＣ内筒、３０１…高周波電源、３０２…整合器、３０３…ループアンテナ、３０４…シールド、３０５…導入窓、３０６…ウェハ、３０７…試料台、３０８…バイアス電源、３０９…真空容器、３１０…プラズマ。

Claims (11)

1. 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高周波電力印加手段と、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とからなるプラズマ処理装置の処理方法において、
   被処理材搭載電極上にＳｉウェハを搭載し、臭化水素ガスと塩素ガスを処理室内に導入してプラズマを発生させて、処理室内部に付着した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処理方法。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置の処理方法において、
   被処理材搭載電極上に搭載したＳｉウェハに、高周波電力を印加して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を特徴とするプラズマ処理装置の処理方法。
3. 真空容器内にプラズマを発生させるとともに前記真空容器内に設けられた試料台に配置された試料を処理するプラズマ処理方法において、
   ウェハ処理毎、あるいは複数ウェハ処理の後または前後に、フッ素以外のハロゲンガスとＳｉ元素を含むプラズマを発生させる期間を設けたことを特徴とするプラズマ処理方法。
4. 請求項３に記載のプラズマ処理方法において、
   真空容器を構成する材料の一部はＡｌあるいはＡｌの安定化合物を含み、かつ、ウェハをプラズマ処理するガスにフッ素を含むガスを用いることを特徴とするプラズマ処理方法。
5. 請求項３に記載のプラズマ処理方法において、
   フッ素以外のハロゲンガスはＣｌ原子とＢｒ原子のどちらかひとつあるいは両方を含むことを特徴とするプラズマ処理方法。
6. 請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法において、
   フッ素以外のハロゲンガスにＣｌ原子とＢｒ原子のどちらかひとつあるいは両方を含み、その手段は、Ｃｌ _２ 、ＨＣｌ、ＨＢｒ、ＢＣｌ _３ 、ＣｌＦ _３ のいずれかあるいは複数個を含むガスのプラズマを発生させることであるプラズマ処理方法。
7. 請求項３ないし請求項６のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法において、
   Ｓｉ原子を供給する方法は、ハロゲンプラズマ放電中に試料台にＳｉウェハを、特にパタンのついていないＳｉウェハを載せておきかつＳｉウェハに試料台を介して高周波電力を印加することを特徴とするプラズマ処理方法。
8. 請求項３ないし請求項７のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法において、
   Ｓｉ原子を供給する方法は、ハロゲンプラズマ放電中に試料台にＳｉウェハを、特にパタンのついていないＳｉウェハを載せておきかつＳｉウェハに試料台を介して高周波電力を印加し、その高周波電力の印加量は、周波数４００ｋＨｚ相当でＳｉウェハ単位面積（１ｃｍ ^２ ）あたり０．０２８Ｗ以上、好ましくは０．１１Ｗ以上であることを特徴とするプラズマ処理方法。
9. 請求項３ないし請求項８のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法において、
   真空容器内壁のプラズマが接触する部分に占めるアース面積の割合が４０％以上であることを特徴とするプラズマ処理方法。
10. 請求項３に記載のプラズマ処理方法において、
    Ｓｉ原子を供給する方法は真空容器を構成する材料の一部にＳｉを含ませることを特徴とするプラズマ処理方法。
11. 請求項３に記載のプラズマ処理方法において、
    Ｓｉ原子を供給する方法はＳｉＣｌ _４ ガスを供給することであるプラズマ処理方法。

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