JP4682218B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置や液晶表示装置等を製造する際に用いるプラズマ処理装置に係り、特に、還元性プラズマを用いたプラズマ処理装置の機能低下の防止と装置部材の長寿命化を図る技術に関する。
近年、半導体集積回路のなかで、素子数が１０００を超えるＬＳＩ（Large Scale Integration、大規模集積回路）のうち、１チップに収められた素子数が１００万を超えるＵＬＳＩなどでは、１チップ上に１億個以上の素子が形成されるまでになった。
このようなＵＬＳＩでは、従来のような平面的な素子の微細化では対応ができないため、配線を多層に積み上げる多層配線構造が不可欠となった。ここで、多層配線構造は、層間容量を増大させ、素子の信号遅延時間の増大をもたらすことから、層間容量を低減させるべく、層間絶縁膜として低誘電率層間絶縁膜（以下、Ｌｏｗ−Ｋ膜という）が用いられるようになってきている。
一方、Ｌｏｗ−Ｋ膜のパターニング後、Ｌｏｗ−Ｋ膜が露出しているウェーハ上の不要となったレジストマスクをプラズマを用いて除去するアッシング工程では、アッシングの際に起こるＬｏｗ−Ｋ膜の比誘電率の増加を抑えるべく、アッシングガスとして還元性ガスである水素を含んだガスが用いられるようになってきている。
また、前記の場合以外にも、半導体製造装置の製造工程では、水素プラズマを代表とする還元性プラズマによる処理が以前より行われており（例えば、特許文献１及び２参照。）、液晶表示装置の製造工程においても水素プラズマによる処理が行われている（例えば、特許文献３及び４参照。）
特開平６−１４０３６８号公報
特開２００３−１２４３１１号公報
特開平５−１５２３３３号公報
特開平６−３３０２８３号公報
特開２００４−１１１７３１号公報
しかしながら、本発明者の独自の実験の結果、このような水素プラズマによる処理を行えば、プラズマ発生室部材が還元性プラズマにより還元されてしまうため、アッシングレートが低下するという問題があることが判明した。また、水素ガスを用いた成膜工程や還元性プラズマでエッチングを行うような場合にも同様な不具合が生じることとなっていた。
また、プラズマエッチング処理後に反応室内の反応物を除去する方法として、例えば、特許文献５に示すように、放電室等の内部を酸素プラズマでクリーニングする方法が知られている。しかしながら、このようなクリーニング方法は、付着物質を酸化分解して除去する技術であって、還元されたプラズマ発生室部材の再生を行うものではなかった。
本発明は、かかる課題の認識に基づいて提案されたものであり、その目的は、還元性プラズマによってプラズマ発生室部材が還元されることによるプラズマ処理装置としての機能の低下を防止し、プラズマ発生室部材をはじめとする還元性プラズマに接する部材の長寿命化を実現するプラズマ処理装置を提供することにある。
上記の目的を達成するため、本発明は、少なくとも一部が誘電体で形成され、その内部にガスを励起させてプラズマを生起するプラズマ発生室と、前記プラズマ発生室に前記ガスを導入するガス制御部と、内部に前記プラズマ発生室を有し、端部に前記ガス制御部が接続されたプラズマ発生室部材とを備えたプラズマ処理装置であって、前記ガス制御部には、還元性ガスを収納する還元性ガス供給部と、再酸化処理ガスを収納する再酸化処理ガス供給部とが接続され、前記プラズマ発生室部材近傍に設けられ、前記還元性プラズマに接する部材が、前記還元性ガスを励起させることにより生起された還元性プラズマにより還元されたことを検出する第１の検出部を備え、前記ガス制御部は、前記第１の検出部による検出結果に基づいて、前記還元性ガスを励起させることにより生起された還元性プラズマに接する部材が還元された場合に、前記還元性ガスに換えて再酸化処理ガスを前記プラズマ発生室に導入するものであることを特徴とする。
本発明は、また、少なくとも一部が誘電体で形成され、その内部にガスを励起させてプラズマを生起するプラズマ発生室と、前記プラズマ発生室に前記ガスを導入するガス制御部と、内部に前記プラズマ発生室を有し、端部に前記ガス制御部が接続されたプラズマ発生室部材と、前記プラズマ発生室部材に設けられたアプリケータと、前記プラズマ発生室内にマイクロ波を印加するため前記アプリケータに供給管を介して接続されたマイクロ波発生器とを備えたプラズマ処理装置であって、前記ガス制御部には、還元性ガスを収納する還元性ガス供給部と、再酸化処理ガスを収納する再酸化処理ガス供給部とが接続され、前記供給管には、放電時のマッチング安定位置、入射又は反射、効率における変化を検知し、前記還元性プラズマに接する部材が前記還元性ガスを励起させることにより生起された還元性プラズマにより還元されたことを検出する第２の検出部を備え、前記ガス制御部は、前記第２の検出部による検出結果に基づいて、前記還元性ガスを励起させることにより生起された還元性プラズマに接する部材が還元された場合に、前記還元性ガスに換えて再酸化処理ガスを前記プラズマ発生室に導入するものであることを特徴とする。
以上の態様では、プラズマ発生室を形成する誘電体が還元された場合には、ガス制御部から再酸化処理ガスを導入することによって、還元された誘電体に対して再酸化処理ガスプラズマによる再酸化を行うことができ、還元性プラズマに接する部材が還元されることによるプラズマ処理装置としての機能の低下を防止することができる。また、プラズマ発生室部材をはじめとする還元性プラズマの接する部材の交換頻度を低減させるとともに、その長寿命化を図ることが可能となる。ここで、還元性プラズマに接する部材としては、プラズマ処理装置を構成するものであって還元性プラズマの導入によってこれと接する部材であれば如何なるものも含む。具体的には、プラズマ発生室を形成するプラズマ発生室部材、被処理物にプラズマ処理を行うプロセス室の内壁や拡散板、あるいは載置台等が含まれる。
また、検出部によってプラズマ発生室部材が還元されたかあるいは再酸化されたかを検出し、自動的にガス切換えを行うことができるので、プラズマ発生室部材が還元されることを防止することができ、プラズマ処理装置としての機能の安定を図ることが可能となる。
また、好ましい態様では、再酸化ガスは酸素を含むものであり、誘電体は石英、アルミナ、サファイア又は窒化アルミニウムのいずれかにより構成される。
以上のような本発明では、還元性プラズマによってプラズマ発生室部材が還元されることによるプラズマ処理装置としての機能の低下を防止し、プラズマ発生室部材をはじめとする還元性プラズマに接する部材の長寿命化を実現することができる。
次に、本発明の実施の形態（以下、実施形態と呼ぶ）について、いわゆるケミカルドライエッチング装置を例にとって具体的に説明する。
［構成］
本実施形態のプラズマ処理装置は、プロセスガスを励起させて生成したラジカルによって被処理物Ｓの表面を処理する装置であり、図１に示すように排気口１ａ，１ｂを介して内部を真空排気できるプロセス室１と、このプロセス室１の内部には被処理物Ｓを載置する載置台２とを備えている。
本実施形態のプラズマ処理装置は、プロセスガスを励起させて生成したラジカルによって被処理物Ｓの表面を処理する装置であり、図１に示すように排気口１ａ，１ｂを介して内部を真空排気できるプロセス室１と、このプロセス室１の内部には被処理物Ｓを載置する載置台２とを備えている。
この載置台２と対置して被処理物Ｓ表面全体にラジカルを均一に供給するためのシャワーノズル３が設けられている。また、プロセス室１上部には、ガス導入口４が設けられ、このガス導入口４に対してガス導入管５が取り付けられている。この被処理物としては、半導体装置製造用のシリコンウェーハ、液晶表示装置用のガラス基板等が想定される。
プロセス室１外部に取り付けられたガス導入管５には、内部にプラズマ発生室６ａを備えたプラズマ発生室部材６が接続され、このプラズマ発生室部材６の端部にはガス制御部７が設けられている。また、このガス制御部７には、還元性ガスとして例えば水素を含むガスを収納したボンベ８と、再酸化処理ガスとして例えば酸素を含むガスを収納したボンベ９とが接続されている。そして、このガス制御部７は、この水素あるいは酸素を含むガスをプラズマ発生室６ａ内に適宜導入するように制御している。
また、プラズマ発生室部材６の中央にはアプリケータ１０が設けられるとともに、上部に設けられたマイクロ波発生器１２からマイクロ波供給管１１を介してプラズマ発生室６ａ内にマイクロ波を印加するように構成されている。これにより、プラズマ発生室６ａ内部にグロー放電が生じてプラズマが発生し、ラジカルが生成される。そして、このラジカルがガス導入管５及びガス導入口４を介してプロセス室１に流入するように構成されている。なお、プラズマ発生室部材６を形成する誘電体としては、石英（ＳｉＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、サファイア、窒化アルミニウム等を使用することができる。
［作用］
以上のような構成からなる本実施形態のプラズマ処理装置では、上記のような誘電体で形成されたプラズマ発生室部材６が水素を含むガスから生成される還元性プラズマで還元された場合に、ガス制御部７により水素を含んだガスに換えて酸素を含んだガスをプラズマ発生室６ａに導入し、プラズマ発生室６ａで酸素を含むガスを励起させ酸素プラズマを生成し、この酸素プラズマにより誘電体の再酸化による再生を行う。
以上のような構成からなる本実施形態のプラズマ処理装置では、上記のような誘電体で形成されたプラズマ発生室部材６が水素を含むガスから生成される還元性プラズマで還元された場合に、ガス制御部７により水素を含んだガスに換えて酸素を含んだガスをプラズマ発生室６ａに導入し、プラズマ発生室６ａで酸素を含むガスを励起させ酸素プラズマを生成し、この酸素プラズマにより誘電体の再酸化による再生を行う。
ここで、プラズマ発生室部材６が還元されたか否かの判断は、以下に示す時間管理による方法により行うことができる。例えば、ガス制御部７において水素を含んだガスに換えて酸素を含んだガスを導入するタイミングを、所定の処理ロットごとに交互に行ったり、あるいは所定の時間間隔で交互に導入するようにすることが可能である。
また、もちろん作業者がプラズマ発生室部材６の内面を目視して確認し、作業者の判断に基づいて、プラズマ発生室６ａに対して適宜酸素を含んだガスを導入するようにすることも可能である。なお、本実施形態においては、時間管理による方法又は作業者の目視による確認方法を想定している。
また、例えば、図５に示すように、プラズマ発生室部材６の上部に、発光検知センサ１３ａ及び発光スペクトルモニタ１３ｂを設け、これらでプラズマ発生室６ａ内で生ずるプラズマ光あるいは水素ラジカル量を検知することにより放電室部材６が還元されたか否かの判断をすることができる。
より具体的には、プラズマ光の全体発光光量の変化（低下）を発光検知センサ１３ａによって検知し、また、発光スペクトルモニタ１３ｂによって、波長３００〜８００ｎｍなどの発光スペクトルの全体強度の低下を検知する。そして、この検知結果をガス制御部７の制御にフィードバックする。また、水素の発光スペクトルである波長４３４ｎｍ、４８６ｎｍ、６５６ｎｍの発光強度の低下を検知しても良い。なお、この場合、酸素プラズマを導入して行う再酸化処理の終了タイミングについても、上記と同様に、発光スペクトルモニタ１３ｂによって、酸素プラズマの発光光量の変化を検出して判断することができる。
また、例えば、図６に示すように、マイクロ波供給管１１に取り付けられたマイクロ波マッチング装置１４によって、マイクロ波供給管１１の放電時のマッチング安定位置、入射又は反射、効率などの変化を検知し、この検知結果をガス制御部７にフィードバックすることも可能である。ただし、上記いずれの場合においても、還元を検知した後は、被処理物Ｓの処理中にはガス制御部７による酸素プラズマの導入は行われず、当該時点の被処理物の処理を中止するかあるいは処理が終了した後に導入するようにする。
次に、プラズマ発生室部材６をＳｉＯ2（石英）とした場合の本実施形態の作用について、半導体装置のアッシング工程における水素プラズマ処理を例にとって説明する。プラズマ発生室部材６をＳｉＯ2で構成した場合、ガス制御部７から水素を含むガスが供給されて、プラズマ発生室６ａで水素プラズマが励起され、この放電時間が数十時間となるとプラズマ発生室部材６であるＳｉＯ2が還元されてＳｉとなる。水素プラズマによる還元で、ＳｉＯ2がＳｉとなると、図３に示すように、アッシングに必要な水素ラジカルの失活が著しくなる。そのため、図４（ｂ）にしめすように通常は数十時間でアッシングレートの低下が起こる。
そこで、ガス制御部７によってプラズマ発生室６ａに対して酸素を含むガスを導入することによってプラズマ発生室６ａで酸素プラズマを励起させ、Ｓｉの再酸化を行う。これにより、一度還元されてＳｉとなったプラズマ発生室部材６が再酸化され再生するため、アッシングレートの低下を防止することができる。また、再酸化によるプラズマ発生室部材６の再生により、部材の交換頻度を減らすことや、部材の長寿命化を図ることができるようになる。なお、ガス制御部７からプラズマ発生室６ａに対しての酸素を含むガスの導入タイミングは、上述したいずれかの方法で行うことができる。
上記作用を実施例に即して具体的に説明する。図２は、ＳｉＯ2からなるプラズマ発生室部材６に対して、処理ロットごとに酸素プラズマによるＳｉ再酸化処理を行った場合と、再酸化処理を行わなかった場合のアッシングレート（Ａ／Ｒ）を示すグラフである。なお、処理条件としては、プロセスガスとしてＨ2を３５０ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分） 、Ｈｅを６６５０ｓｃｃｍ、圧力１００Ｐａ（パスカル）、マイクロ波パワー１０００Ｗ（ワット）、載置台の温度３５０℃であり、また、再酸化ガスとしてＯ2を７０００ｓｃｃｍｍ、圧力１００Ｐａ、マイクロ波パワー１０００Ｗ、載置台の温度３５０℃とした。
また、この処理条件下における再酸化処理の時間は、「Ｈ2添加プロセスの被処理物１枚当たりの処理時間×処理枚数×Ｈ2濃度（％）」から算出する。例えば、Ｈ2(５％)／Ｈｅ(９５％)＝３５０ｓｃｃｍ／６６５０ｓｃｃｍのプロセスでの被処理物１枚当たりの処理時間を１２０ｓｅｃ，処理枚数を２５枚（１ＬＯＴ）とすると、再酸化処理の時間は、「１２０ｓｅｃ×２５枚（１ＬＯＴ）×５％＝１５０ｓｅｃ」となる。
また、ある程度長い期間をおいたり、短期間で再酸化処理を行うような場合は、その時点までの処理時間、処理枚数、Ｈ2濃度等を考慮して再酸化処理時間を調整する。なお、上記の場合は、水素プラズマと酸素プラズマがプラズマ発生室６ａ内表面等に接触する度合いを同等にするため、圧力、マイクロ波パワー、載置台の温度等を同じ設定値としているが、これらも適宜調整することとしても良い。
次に再酸化処理の効果について説明する。図２（ｂ）に示すように、プラズマ発生室部材６に対して再酸化処理を行わない場合には、放電時間１０時間程度でプラズマ発生室部材６のアッシングレートが１０００ｎｍ／ｍｉｎから５００ｎｍ／ｍｉｎまで低下し、３０時間程度で交換する必要が生じる。一方、図２（ａ）に示すように、プラズマ発生室部材６に対して処理ロット間隔で酸素プラズマによるＳｉ再酸化処理を行った場合には、アッシングレートが低下することなく、当初の値付近で推移し、アッシングレートの安定を図ることが可能となる。
ここで、上述の通り、このようなアッシングレートの変化は、レジストアッシング反応に寄与する水素ラジカルの失活の度合いが影響している。図３に示すように、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ａｌの各材料に対して、Ｓｉでは水素ラジカルの失活の度合いが大きい。したがって、上述のように処理ロットごとに酸素プラズマによるＳｉ再酸化処理を行うことでアッシングレートの低下を防ぐ効果は高い。
次に、プラズマ発生室部材６をアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）で構成した場合の作用について説明する。図４からも明らかなように、プラズマ発生室部材６をＡｌ2Ｏ3で構成したほうが、ＳｉＯ2で構成した場合よりも還元しにくく、アッシングレートが比較的長い間維持することができることがわかる（図中では、約７５時間程度）。また、還元によりＡｌ2Ｏ3の一部がＡｌとなっても、図３に示すように、水素ラジカルの失活に関しては、ほとんど差がないのもその要因である。しかしながら、長時間放電を行うことによりＡｌ2Ｏ3の大部分が還元され、Ａｌとなると急激にアッシングレートが低下する。これは、プラズマ発生室部材６が誘電体（Ａｌ2Ｏ3）から金属（Ａｌ）に変わったことによりマイクロ波が遮断され、プラズマが発生できなくなるためである。
上記作用を実施例に即して具体的に説明すると、プラズマ発生室部材６をアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）で構成し、処理条件として、プロセスガスとしてＨ2を３５０ｓｃｃｍ 、圧力１００Ｐａ、マイクロ波パワー１０００Ｗ、載置台の温度３５０℃とした。また、再酸化ガスとしてＯ2を７０００ｓｃｃｍ、圧力１００Ｐａ、マイクロ波パワー１０００Ｗ、載置台の温度３５０℃とした。
この点、図４（ａ）に示すように、プラズマ発生室部材６をＡｌ2Ｏ3で構成した場合には、上述の通り、図中（ｂ）に示すＳｉＯ2で構成した場合に比して、再酸化処理を行わない場合であっても、アッシングレートは比較的長い間維持することができる。
しかしながら、Ａｌ2Ｏ3の場合、さらに、長時間の放電（７５時間以上）を行うことにより大部分が還元されＡｌ化すると、急激にアッシングレートが低下する。そこで、Ａｌ2Ｏ3からなるプラズマ発生室部材６に対しても酸素プラズマによる再酸化処理を併用することで、さらに長時間の安定した処理作業ができ、少なくとも１５０時間以上のレート安定が可能となる。
［他の実施の形態］
なお、本発明は上記実施形態には限定されず、以下に例示するような他の実施形態にも適用が可能である。上記実施形態では、いわゆるケミカルドライエッチング（ＣＤＥ）型のプラズマ処理装置について説明したが、本発明のプラズマ処理は、これに限定されることなく、水素を代表とする還元ガスのプラズマで処理を行う装置にも適用可能である。例えば、図７に示すようなドライエッチングのための、いわゆるダウンフロー型プラズマ処理装置、図８に示すような反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置、あるいは上記特許文献４に記載されているような装置にも適用可能である。
なお、本発明は上記実施形態には限定されず、以下に例示するような他の実施形態にも適用が可能である。上記実施形態では、いわゆるケミカルドライエッチング（ＣＤＥ）型のプラズマ処理装置について説明したが、本発明のプラズマ処理は、これに限定されることなく、水素を代表とする還元ガスのプラズマで処理を行う装置にも適用可能である。例えば、図７に示すようなドライエッチングのための、いわゆるダウンフロー型プラズマ処理装置、図８に示すような反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置、あるいは上記特許文献４に記載されているような装置にも適用可能である。
また、再酸化処理の対象は、プラズマ発生室部材に限られるものではなく、還元性プラズマ処理により還元されるような部材であれば如何なるものも含まれる。プラズマ発生室、プロセス室の内壁、拡散板、載置台付近の部材等であっても、還元されれば水素ラジカルの失活度合いが増し、処理レートが低下してしまうからである。本発明は、このような部材に対しても再酸化処理を行うことで、水素ラジカルの失活を防止し、高い処理レートを維持できる効果を有する。
また、上述の実施形態では、還元性プラズマ処理に使用されるガスの代表例として水素ガスとＨｅガスの混合ガスについて説明した。しかしながら、本発明の還元性プラズマ処理に使用されるガスはこれに限られることはなく、例えば、水素ガス単体の場合、他の還元性ガス（例えば、アンモニアガス等）単体の場合、あるいはこれら還元性ガスと不活性ガス（例えば、ＨｅやＡｒ等）や窒素ガスとの混合ガスであって良い。同様に、上述の実施形態では、再酸化処理に使用されるガスとして、酸素ガス単体の場合を説明したが、本発明の再酸化処理に使用されるガスもこれに限られるものではなく、不活性ガス（例えば、ＨｅやＡｒ等）、窒素ガス、Ｈ2Ｏ等との混合ガスであっても良い。
１…プロセス室
１ａ…排気口
２…載置台
３…シャワーノズル
４…ガス導入口
５…ガス導入管
６…プラズマ発生室部材
６ａ…プラズマ発生室
７…ガス制御部
８，９…ボンベ
１０…アプリケータ
１１…マイクロ波供給管
１２…マイクロ波発生器
１３ａ…発光検知センサ
１３ｂ…発光スペクトルモニタ
１４…マイクロ波マッチング装置
Ｓ…被処理物
１ａ…排気口
２…載置台
３…シャワーノズル
４…ガス導入口
５…ガス導入管
６…プラズマ発生室部材
６ａ…プラズマ発生室
７…ガス制御部
８，９…ボンベ
１０…アプリケータ
１１…マイクロ波供給管
１２…マイクロ波発生器
１３ａ…発光検知センサ
１３ｂ…発光スペクトルモニタ
１４…マイクロ波マッチング装置
Ｓ…被処理物
Claims (4)
- 少なくとも一部が誘電体で形成され、その内部にガスを励起させてプラズマを生起するプラズマ発生室と、前記プラズマ発生室に前記ガスを導入するガス制御部と、内部に前記プラズマ発生室を有し、端部に前記ガス制御部が接続されたプラズマ発生室部材とを備えたプラズマ処理装置であって、
前記ガス制御部には、還元性ガスを収納する還元性ガス供給部と、再酸化処理ガスを収納する再酸化処理ガス供給部とが接続され、
前記プラズマ発生室部材近傍に設けられ、前記還元性プラズマに接する部材が、前記還元性ガスを励起させることにより生起された還元性プラズマにより還元されたことを検出する第１の検出部を備え、
前記ガス制御部は、前記第１の検出部による検出結果に基づいて、前記還元性ガスを励起させることにより生起された還元性プラズマに接する部材が還元された場合に、前記還元性ガスに換えて再酸化処理ガスを前記プラズマ発生室に導入するものであることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 少なくとも一部が誘電体で形成され、その内部にガスを励起させてプラズマを生起するプラズマ発生室と、前記プラズマ発生室に前記ガスを導入するガス制御部と、内部に前記プラズマ発生室を有し、端部に前記ガス制御部が接続されたプラズマ発生室部材と、前記プラズマ発生室部材に設けられたアプリケータと、前記プラズマ発生室内にマイクロ波を印加するため前記アプリケータに供給管を介して接続されたマイクロ波発生器とを備えたプラズマ処理装置であって、
前記ガス制御部には、還元性ガスを収納する還元性ガス供給部と、再酸化処理ガスを収納する再酸化処理ガス供給部とが接続され、
前記供給管には、放電時のマッチング安定位置、入射又は反射、効率における変化を検知し、前記還元性プラズマに接する部材が前記還元性ガスを励起させることにより生起された還元性プラズマにより還元されたことを検出する第２の検出部を備え、
前記ガス制御部は、前記第２の検出部による検出結果に基づいて、前記還元性ガスを励起させることにより生起された還元性プラズマに接する部材が還元された場合に、前記還元性ガスに換えて再酸化処理ガスを前記プラズマ発生室に導入するものであることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記再酸化処理ガスは、酸素を含むことを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理装置。
- 前記誘電体は、石英、アルミナ、サファイア又は窒化アルミニウムのいずれかにより構成されることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理装置。
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