JP4678688B2

JP4678688B2 - プラズマ処理終了方法

Info

Publication number: JP4678688B2
Application number: JP2006049497A
Authority: JP
Inventors: 和博古賀; 忠義長谷部; 和浩大河内
Original assignee: 次世代半導体材料技術研究組合
Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2026-02-27
Also published as: JP2007227816A

Description

本発明は、プラズマを用いた成膜、プラズマエッチングやその他のプラズマ表面処理の技術、中でもプラズマ薄膜形成やＨｅ，Ａｒ，Ｏ_２等のプラズマガスを用いて表面処理を行った後のプラズマ処理終了方法に関する。

プラズマＣＶＤによって半導体基板上に薄膜を形成する技術は、今日、広く用いられている。すなわち、図２に示される如くの装置を用いて薄膜形成が行われている。尚、図２中、１はＳｉウェハ、２はＳｉウェハ１が載置されている電極、３は反応ガスの供給用シャワーを兼ねた電極、４は高周波（ＲＦ）電源、５はマッチングボックス、６ａ，６ｂはプラズマ反応室内に電極３を介して供給する反応ガスを制御する流量計である。そして、電極２上にＳｉウェハ１が置かれた後、先ず、プラズマ反応室内が真空排気される。この後、主反応ガスが流量計６ａで制御されながらプラズマ反応室内に供給されると共に、副反応ガスが流量計６ｂで制御されながらプラズマ反応室内に供給される。そして、高周波電源４のスイッチがオンされ、一対の平行平板型の電極２，３間に所定の電圧が印加されてプラズマが形成される。これによって、Ｓｉウェハ１上に薄膜が形成されたり、或いはＳｉウェハ１表面がエッチングを受けたりする。すなわち、所定のプラズマ表面処理が行われる。そして、所望の表面処理が完了すると、高周波電源４のスイッチがオフにされる。この後、Ｓｉウェハ１がリフトピンで持ち上げられ、下部電極２から取り外され、プラズマ反応室から搬出される。

上記一連の工程における電力条件、ガス流量、Ｓｉウェハ１におけるチャージ電荷の時系列変化が図３に示される。この図３から判る通り、反応ガス（プロセスガス）は、高周波電源４のスイッチオン（時刻ｔ_１）前（時刻ｔ_０）から供給されているものの、高周波電源４のスイッチオフ（時刻ｔ_２）と同時に供給は停止される。そして、Ｓｉウェハ１表面の電位はプラズマ放電の開始に伴って高くなり、一定時間後には一定の値となる。この所定値が続いた後のプラズマ放電終了時（時刻ｔ_２）からは、Ｓｉウェハ１にチャージした電荷はプラズマ反応室内のプロセスガスを介して自然放電する。しかしながら、放電し難い為、放電終了までには時間が掛かる。この放電が完了するまでは、Ｓｉウェハ１は下部電極２に静電吸着された状態である。従って、下部電極２に静電吸着されたＳｉウェハ１をリフトピンで突き上げて剥離させようとしても、中々、簡単には行えない。すなわち、無理矢理に突き上げる為、Ｓｉウェハ１に割れ・欠けが起きたり、又、Ｓｉウェハ１の搬送トラブルが起きたりしている。

そこで、このような問題点を解決する為、例えばＲＦ電力を遮断するに際して、（１）ＲＦ電力を急激に下げないで、徐々に低下させる手法や、（２）急激にＲＦ電力を０にした後、成膜時印加電力の５０％以下の電力を、再度、投入すると言った手法が提案（特開平３−４４４７２号公報）されている。
特開平３−４４４７２号公報

上記提案の技術によれば、Ｓｉウェハ１表面のチャージ電荷を放電プラズマを介してアース側であるプラズマ反応室（反応容器）に逃がすことが出来、一定の効果が奏されるようである。

しかしながら、上記（１）の手法では、ＲＦ電力の降下時間が短い場合、帯電した電荷が十分には除去されず、静電吸着による搬送トラブルの発生が依然として認められた。又、ＲＦ電力降下速度が速い為、放電プラズマのインピーダンスマッチングが追随できず、絶えず収束動作を繰り返し、マッチングが取れない状態が発生する。この為、プラズマ放電が不安定になり、Ｓｉウェハ１上にアーキングが発生する問題が認められた。

さて、従来では、プラズマ処理が終了した時点では、例えば膜形成用の主反応ガスの導入を停止し、副反応ガスのみのプラズマにて処理している。この為、放電インピーダンスが成膜時とは違う状態になり、インピーダンスマッチングが取り難くなっている。従って、チャージ電荷の除去を完全にする為、電力値の降下時間を十分に長く取る必要が有った。ところで、プラズマインピーダンスマッチングが追随できる降下速度としては、通常の作業条件では、１５Ｗ／秒程度が考えられる。この為、ＲＦ電源４を、例えば３００Ｗから０Ｗまで下げるのに約２０秒程度は掛かってしまう。これでは、処理時間が長くなり、短ＴＡＴ（Turn Around Time）化を進めるには不利である。

ところで、上記特許文献１の技術における（１）の手法は、ＲＦ電力を連続的に徐々に下げることを内容とするが、ステップ状に電力を下げることが考えられる。この場合も、放電のインピーダンスマッチングを確実に取り、放電を安定化させる為には、１ステップに、通常の作業条件では、３秒以上が必要で有る。従って、例えば３００ＷのＲＦ電力から５０Ｗずつ３秒間のステップで降下させた場合、６ステップで１８秒も掛かる。すなわち、短時間で終了させることが出来ない。更には、連続的ないしはステップ状にＲＦ電力を下げて行くと、プラズマ放電が続いている為、インピーダンスマッチングが取れない不安定な条件で成膜が進行して行く。そして、このような不安定な状況下でのプラズマ処理の続行が好ましくないことは容易に理解される。例えば、プラズマ放電による成膜において、印加電力と膜厚・膜質とは密接な関係が有り、前記のような不安定状況下での成膜は膜質を低下せしめてしまう。尚、本件の場合のＳｉウェハ１にチャージした電荷の放電特性などが図（４）に図示される。

一方、上記特許文献１の技術における（２）の手法は、一旦、電力を０Ｗにしてプラズマ放電を停止させ、再度、放電を低電力で発生させるものである。しかしながら、再度の放電の為の投入電力は小さく、かつ、一旦、既に、放電を停止している為、ＲＦマッチングを取り難く、放電させるステップを５秒間程度の短時間にすると、放電が発生しないまま、そのステップが終了し、当初の目的であるチャージ電荷の除去が出来ないことになる。従って、ＲＦ電力を０Ｗに降下させるステップと、再投入してプラズマ放電を発生させて安定化するステップとの操作を要する為、やはり、１０〜１５秒以上が必要となり、時間短縮の効果がなくなる。更に、一旦、ＲＦ電力を遮断しているので、再開する為には、最低電力ではプラズマの発生が不安定になるから、最低電力より高めの電力値でスタートせざるを得ない。そして、この場合も、前記（１）の場合と同様に不安定な条件でのプラズマ処理が進行してしまう。尚、本件の場合のＳｉウェハ１にチャージした電荷の放電特性などが図（５）に図示される。

更に、特許文献１の（１），（２）の手法は、共に、膜成長をさせない副反応ガスのみを流しながらＲＦ電力を印加している為、耐プラズマ性が弱い膜ではダメージを受ける問題も有る。
このようなことから、特許文献１の技術は満足できるものでは無い。

従って、本発明が解決しようとする課題は、被処理物にチャージした電荷を短時間の中に除去でき、そして被処理物の損傷や搬送トラブル等が無く、かつ、安定したプラズマ処理が行われるプラズマ処理終了技術を提供することである。

前記の課題は、一対の電極間に電圧を印加して供給反応ガスのプラズマを被処理物に作用させてプラズマ処理を行った後にプラズマ処理を終了させるプラズマ処理終了方法であって、
プラズマ処理を終了させようとする時点において、プラズマ処理中の供給電力Ｗ_１よりも小さく、しかしながらプラズマ放電が安定して維持される条件を満たす電力Ｗ_２に下げる電力低下ステップと、
前記電力低下ステップで低下させられた電力Ｗ_２条件で、所定時間ｔの間、プラズマ放電を安定して行わしめる放電ステップと、
前記放電ステップの後、電力供給を停止する停止ステップ
とを具備し、
前記プラズマ処理中から前記放電ステップに掛けての間は前記反応ガスを同様に供給する
ことを特徴とするプラズマ処理終了方法によって解決される。

特に、一対の電極間に電圧を印加して供給反応ガスのプラズマを被処理物に作用させてプラズマ処理を行った後にプラズマ処理を終了させるプラズマ処理終了方法であって、
プラズマ処理を終了させようとする時点において、プラズマ処理中の供給電力Ｗ_１よりも小さく、しかしながらプラズマ放電が安定して維持される条件を満たす電力Ｗ_２の中でも最も小さい電力Ｗ_２０に下げる電力低下ステップと、
前記電力低下ステップで低下させられた電力Ｗ_２０条件で、所定時間ｔの間、プラズマ放電を安定して行わしめる放電ステップと、
前記放電ステップの後、電力供給を停止する停止ステップ
とを具備し、
前記プラズマ処理中から前記放電ステップに掛けての間は前記反応ガスを同様に供給する
ことを特徴とするプラズマ処理終了方法によって解決される。

尚、上記のプラズマ処理終了方法における放電ステップは、好ましくは、該放電ステップによって被処理物にチャージした静電気が実質上消失するまで維持される。

又、上記のプラズマ処理終了方法における電力低下ステップにおいて、好ましくは、その電力低下速度は可能な限り大きなもので行われる。

上記のようにしてプラズマ処理の終了を行わせると、インピーダンスマッチングが取り易い放電が安定している状態の下で電力値を下げることになり、又、低い電力値でプラズマが維持される時間が設けられたので、短時間で被処理物を取り出せるようになった。

すなわち、ＲＦ電力を０Ｗでは無い小さな電力まで下げた場合、放電プラズマのインピーダンスマッチングが上手く取れないことがあるものの、ＲＦ電力以外のプラズマ条件を変えずに電力変化を一瞬に生じさせると、却って、安定したプラズマが維持できることが見出され、そのような状況下のプラズマ放電が確保された後では、被処理物にチャージした電荷を上手く放電させることが出来、被処理物を速やかに取り外すことが出来るようになったのである。

そして、小電力での印加にも拘らず、プラズマは安定したものであるから、膜形成の場合には劣悪な膜が付け加わるような恐れは無く、又、膜に損傷を与える恐れも無い。

本発明になるプラズマ処理終了方法は、一対の電極間に電圧を印加して一方の電極に載せた被処理物に供給反応ガスに基づくプラズマを作用させてプラズマ処理を行った後にプラズマ処理を終了させる方法である。そして、プラズマ処理を終了させようとする時点において、プラズマ処理中の供給電力Ｗ_１よりも小さく、しかしながらプラズマ放電が安定して維持される条件を満たす電力Ｗ_２に下げる電力低下ステップを有する。特に、プラズマ処理を終了させようとする時点において、プラズマ処理中の供給電力Ｗ_１よりも小さく、しかしながらプラズマ放電が安定して維持される条件を満たす電力Ｗ_２の中でも最も小さい電力Ｗ_２０に下げる電力低下ステップを有する。又、電力低下ステップで低下させられた電力Ｗ_２（中でも、Ｗ_２０）条件で、所定時間ｔの間、プラズマ放電を安定して行わしめる放電ステップを有する。前記放電ステップの後、電力供給を停止する停止ステップを有する。そして、前記プラズマ処理中から前記放電ステップに掛けての間は前記反応ガスを同様に供給するものである。上記のプラズマ処理終了方法における放電ステップは、好ましくは、該放電ステップによって被処理物にチャージした静電気が実質上消失するまで維持される。又、上記のプラズマ処理終了方法における電力低下ステップにおいて、好ましくは、その電力低下速度は可能な限り大きなもので行われる。
以下、更に詳しく説明する。

図１は、プラズマＣＶＤ装置を用いてプラズマ処理が行われる場合のＲＦ電力・プロセスガス・Ｓｉウェハにチャージした電荷のタイムチャートを示したものである。

本発明は図２に示されたプラズマＣＶＤ装置を用いることが出来る。
先ず、Ｓｉウェハ１をプラズマ反応室内に搬送して３００〜４００℃に保持された電極２上に載置する。そして、プラズマ反応室内を０．４Ｐａ以下の真空度に排気した後、所定量の反応ガス（主反応ガス及び副反応ガス：プロセスガス）を導入し、高周波電源４のスイッチを入れてＲＦ電力を印加する。これによって、所定のプラズマ処理が行われる。例えば、所定の膜がＳｉウェハ１上に形成される。

この後、プラズマ処理を終えてＳｉウェハ１をプラズマ反応室内から取り出す。その為、先ず、ＲＦ電力を、プラズマ放電が安定して維持できる程度の最低電力に下げる。そして、この状態下で数秒間維持する。尚、この間、プロセスガス、即ち、主反応ガスも副反応ガスも共に、流量や圧力を維持する。つまり、ＲＦ電力を低下させる以外は条件を変更しない。

上記工程によって、Ｓｉウェハ１にチャージしていた電荷は放電してしまうことになるので、ＲＦ電力を遮断し、又、プロセスガスの供給を停止する。

上記ステップの状況が示されている図１から判る通り、膜形成時のＲＦ電力から最低電力値に下げた時点では、Ｓｉウェハ１表面には未だ電荷が残留している。しかしながら、プラズマ放電が安定して維持できる程度の最低電力に下げて放電を維持している間に、プラズマを通して、電荷が、アース（プラズマ反応室を構成する容器）側に放電されるようになる。その結果、残留電荷は、短時間の中に、極微量ないしは無くなる。従って、この段階にて、Ｓｉウェハ１をリフトピンで持ち上げると、下部電極２からＳｉウェハ１が簡単に取り外されるようになる。そして、スムーズにプラズマ反応室外に搬出できる。

因みに、上記プラズマ放電が安定して維持できる程度の最低電力は、例えば５０Ｗ程度である。しかしながら、電極形状、高周波の周波数、電極間距離（ＲＦ電力を印加するカソード電極とアース間、又はバイアス印加電極間との距離）により多少の違いが有る。従って、プロセスガスの流量、圧力や電極間距離等をプラズマ処理（例えば、成膜）時と同じ条件にし、ＲＦ電力のみを成膜時の値から徐々に下げ、反射波出力が成膜時の値以下でプラズマ放電状態が安定しているか否かを目視で確認しながら探索すれば良い。

又、最低電力にてプラズマ放電を維持する時間は、Ｓｉウェハ１表面にチャージした電荷をプラズマを介して逃がすのに必要な時間であるが、放電が安定していれば、一瞬の間で済む。しかしながら、プラズマ放電のインピーダンスマッチングが確実に取れ、かつ、放電が安定維持できるか否かに依存することを考慮すると、一般的には、２〜５秒程度、特に３秒程度を要する。但し、放電が不安定になると、プラズマ内に電位の勾配が形成され、Ｓｉウェハ表面のチャージ電荷が逆に増える現象や、プラズマインピーダンスが変わり、放電による除電が出来ない状態も発生する。従って、最終的には、目視による放電の確認、及び反射波出力が所定の値以下であることを確認して、最低電力の放電時間を決めるようにすれば良い。

以下、更に詳しい具体例を挙げて説明する。
先ず、ＳｉＯＣ等の膜形成における実施例を図２のＣＶＤ装置を参照しながら説明する。

Ｓｉウェハ１をプラズマ反応室内に搬送し、３００〜４００℃に保持された下部電極２上に載せた。そして、プラズマ反応室内を０．４Ｐａ以下に真空排気し、時刻（ｔ_０）に、８００ｓｃｃｍのＴＭＳ(トリメチルシラン)，２０００ｓｃｃｍのＯ_２，４００ｓｃｃｍのＨｅを導入した。

その後、時刻（ｔ_１）に、例えば３００ＷのＲＦ電力（１３．５６ＭＨｚ）を印加した。

そして、所定時間が経過した時刻（ｔ_２）において、瞬時に、ＲＦ電力を５０Ｗ（予め調べているプラズマ放電が安定して維持できる最低ＲＦ電力値）に下げた。この状態にて、３秒間維持する。尚、この３秒間の間も、プロセスガスを同様に供給する。

前記３秒経過後の時刻（ｔ_３）において、ＲＦ電力を遮断すると共に、プロセスガス（ＴＭＳ，Ｏ_２，Ｈｅ）の導入を停止した。

このようにした結果、Ｓｉウェハ表面にチャージした電荷は、アース側に流れ込み、極微量若しくは無くなった。従って、Ｓｉウェハ１をスムーズに問題なく取り出せた。そして、除電の為に要する３秒間程度の時間は短時間である為、放電を維持している間に成膜される膜は僅かで、問題にならない。かつ、成膜時と同じガス雰囲気条件で除電処理を行う為、膜を成長させないＯ_２やＮ_２等の副反応ガスのイオンによるＳｉウェハへの衝撃が無く、Ｓｉウェハにダメージを与えることも無い。

上記実施例は膜形成の場合を説明したが、本実施例では、膜成長を伴わないプラズマ表面処理の場合について説明する。尚、例えばＨｅ，Ａｒ，Ｏ_２等を用いたプラズマ表面処理の場合、ＣＦ_４，ＣＨＣｌ_３等を用いたプラズマエッチングの場合にも適用できるが、以下ではＨｅを用いた場合で説明する。

先ず、Ｓｉウェハ１をプラズマ反応室内に搬送し、３００〜４００℃に保持された下部電極２上に載せた。そして、プラズマ反応室内を０．４Ｐａ以下に真空排気し、２８００ｓｃｃｍのＨｅを導入し、８００Ｐａの圧力にした。
その後、例えば３００ＷのＲＦ電力（１３．５６ＭＨｚ）を印加した。

そして、所定時間が経過して所望の表面処理が行われた時刻において、瞬時に、ＲＦ電力を５０Ｗ（予め調べているプラズマ放電が安定して維持できる最低ＲＦ電力値）に下げ、この状態にて、３秒間維持した。尚、この３秒間の間もＨｅを同様に供給する。

前記３秒経過後の時刻において、ＲＦ電力を遮断する（０にする）と共に、プロセスガス（Ｈｅ）の導入を停止した。

このようにした結果、ＨｅプラズマでもＳｉウェハ１表面に電荷が蓄積されるが、低電力（５０Ｗ）に維持している間にチャージ電荷はプラズマを介してアース側に流れ、チャージ電荷が無くなる。従って、ＲＦ電力を０にしてＳｉウェハを取り外す場合に、下部電極２に吸着することなく、簡単に取り外すことが出来る。

本発明のプラズマ処理のタイムチャートプラズマＣＶＤ装置の概略図従来のプラズマ処理のタイムチャート特開平３−４４４７２号の技術のタイムチャート特開平３−４４４７２号の技術のタイムチャート

符号の説明

１Ｓｉウェハ
２，３電極
４高周波電源
５ＲＦマッチングボックス
６ａ主反応ガスの流量計
６ｂ副反応ガスの流量計

特許出願人次世代半導体材料技術研究組合
代理人宇高克己

Claims

一対の電極間に電圧を印加して供給反応ガスのプラズマを被処理物に作用させてプラズマ処理を行った後にプラズマ処理を終了させるに際して該被処理物にチャージした静電気を実質上消失させるプラズマ処理終了方法であって、
プラズマ処理を終了させようとする時点において、プラズマ処理中の供給電力Ｗ_１よりも小さく、しかしながらプラズマ放電が安定して維持される条件を満たす電力Ｗ_２に下げる電力低下ステップと、
前記電力低下ステップで低下させられた電力Ｗ_２条件で、本ステップによって被処理物にチャージした静電気が実質上消失する所定時間ｔ（ｔ＜１０秒）の間に亘って、プラズマ放電を安定して行わしめる放電ステップと、
前記放電ステップの後、電力供給を停止する停止ステップ
とを具備し、
前記プラズマ処理中から前記放電ステップに掛けての間、ＲＦ電力以外のプラズマ条件に変更を加えることなく、かつ、供給量に実質的な変更を加えることなく反応ガスを供給する
ことを特徴とするプラズマ処理終了方法。
電力低下ステップで低下させられる電力Ｗ_２は、プラズマ放電が安定して維持される電力の中でも最も小さい電力Ｗ_２０であることを特徴とする請求項１のプラズマ処理終了方法。