JP6305087B2 - プラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造に好適なプラズマ処理方法に関する。

半導体装置の製造におけるプラズマ処理方法の一つにプラズマエッチングがある。このプラズマエッチングでは、半導体基板（以下、ウェハと記載する）上に積層された各種の膜を、プラズマ内のイオンおよびラジカルを用いて、揮発性の物質に変化させることで除去する。エッチング処理には、通常、ステップと呼ばれる処理単位があり、エッチング対象とする膜に応じて、ステップ毎にガス種、ガス流量、圧力、電力等の処理条件が定められている。異なる膜種を連続で処理する場合には、ステップの切り替えが必要であるが、このステップ切り替えは、異なるステップのガスが混在した状態でのエッチングを防ぐため、プラズマ放電を中断させて行われるのが一般的である。上記の様にステップ切り替えのために、ステップ間においてプラズマ放電を中断させると、プラズマシースにトラップされていた塵埃（以下、異物と記載する）がプラズマ放電中断に伴いウェハに付着する場合がある。ステップ間におけるウェハへの異物付着を防止するための背景技術として、例えば特開２００７−２８７９２４号公報（特許文献１）が挙げられる。特許文献１には、各処理ステップの間において真空処理室内に試料をエッチングせずかつプラズマ放電を継続可能なガスを導入してプラズマ放電を継続する移行ステップを設けるという手法が開示されている。

特開２００７−２８７９２４号公報

特許文献１記載の手法では、ステップ間にプラズマ放電を行うことによる異物の発生量増加については取り扱っていない。しかし、発明者等が検討した結果、ステップ間にプラズマ放電を行うことで、真空処理室壁面はプラズマから熱的、電気的影響を受け、その結果異物の発生量がプラズマ放電中断時よりも増加する場合のあることが分かった。また、プラズマ放電時には、真空処理室壁面は負に帯電する。その結果、壁面近傍にはシースと呼ばれる領域が形成され、プラズマは、真空処理室壁面に対して少なくとも浮遊電位程度（１０〜２０Ｖ程度）電位が高くなる。真空処理室壁面から発生した異物は、壁面同様負に帯電し、壁面とプラズマ間の電位差により加速されプラズマ中にある程度の速度を持って放出されることになる。つまり、ステップ間にプラズマ放電を行うと、ステップ間にプラズマ放電を中断する場合よりも、高速の異物が大量に発生することが起こりうる。

また、特許文献１では、ステップ間におけるプラズマ放電時には、ウェハに高周波電力を印加しないことが開示されている。しかし、高周波電力を印加しない場合には、ウェハへの異物付着を防ぐ効果は高周波電力を印加した場合と比べて低いことが分かった。これは、ウェハ上にできるシースによるウェハとプラズマ間の電位差が、高周波電力を印加した場合の一般的な値と比較して１０％程度以下となるためである。ウェハとプラズマ間の電位差により異物の付着を防止するためには、異物の帯電量とウェハとプラズマ間の電位差の積が、異物の運動エネルギーよりも大きくなる必要があるため、ウェハとプラズマ間の電位差が小さい場合には、高速の異物の付着を防ぐことが困難となる。

上記の様に、特許文献１記載の方法でステップ間にプラズマ放電を行うと、ステップ間にプラズマ放電を中断した時よりも多くの高速の異物が発生し、その異物がウェハに付着することを抑制出来ず、プラズマ放電を中断した時よりもウェハへの異物付着が増加する場合の有ることが分かった。

上記のようにステップ間において異物がウェハに付着すると、次に行われる処理において、異物がマスクの代わりとなりエッチングが阻害されエッチング不良が起こる。

本発明は、ステップ間における被処理物（ウェハ）への異物の付着を低減・防止し、エッチング不良等の処理不良を低減することが可能なプラズマ処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための一実施形態として、プラズマにより被エッチング膜をエッチングするプラズマ処理方法において、
前記被エッチング膜をエッチングする第一の工程と、
プラズマ処理が行われる処理室内に配置されたアースの電位よりも前記被エッチング膜を有する試料の電位を低くする第二の工程と、を有することを特徴とするプラズマ処理方法とする。

また、アースされたプラズマ処理室に被処理基板を搬入する第一の工程と、
第１反応ガスにより生成したプラズマを用い、前記被処理基板に高周波バイアスを印加しながら前記被処理基板をプラズマ処理する第二の工程と、
引き続き、前記被処理基板に高周波バイアスを印加しプラズマを生成している状態で、前記第１反応ガスを希ガスにより置換する第三の工程と、
引き続き、前記被処理基板に高周波バイアスを印加しプラズマを生成している状態で、第２反応ガスにより前記希ガスを置換し、前記第２反応ガスにより生成したプラズマを用いて前記被処理基板に高周波バイアスを印加しながら前記被処理基板をプラズマ処理する第四の工程と、
その後、前記プラズマ処理室から前記被処理基板を搬出する第五の工程と、を有することを特徴とするプラズマ処理方法とする。

本発明のプラズマ処理方法によれば、ステップ間におけるウェハへの異物付着を低減・防止し、エッチング不良等の処理不良を低減することができる。

本発明の実施例１に係るプラズマ処理方法を実施するために用いたプラズマ処理装置（プラズマエッチング装置）の縦断面模式図である。 本発明の実施例１に係るプラズマ処理方法を適用したウェハの断面図であり、左図はプラズマ処理前、右図はプラズマ処理後である。 本発明の実施例１に係るプラズマ処理方法における異物低減効果を説明するための異物数の高周波電力依存性を示すグラフである。 アース壁面、プラズマ、ウェハの電位分布および異物の帯電量、異物の速度を説明する概念図であり、（ａ）はウェハへのバイアス無の場合（従来）、（ｂ）はウェハへのバイアス有の場合（本発明）である。 ウェハへ異物が到達し得る速度と、アース壁面から発生する異物の放出速度と、上記二つの速度の差の高周波電力依存性（計算結果）を示すグラフである。

以下、本発明を実施例により説明する。

本発明の実施例に係るプラズマ処理方法を適用するプラズマ処理装置として電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance、以下ＥＣＲと記載する）型エッチング装置を用いた。本装置の構成を、図１を用いて説明する。なお、本プラズマ処理方法を適用する装置としては、上記装置に限らない。

ＥＣＲ型エッチング装置は、真空処理室１０９、試料台１１４、アース壁１１２、ソレノイドコイル１１１ならびに高周波電源１１５を備える。また、ガス供給系として、ガス供給源１０１、マスフローコントローラ１０２、ガス配管１０３およびガスバルブ１０４を備える。また、排気系として、可変バルブ１１６、ターボ分子ポンプ１１７および排気配管１１８を備える。またマイクロ波供給系として、マイクロ波電源１０５、導波路１０６、マイクロ波電力整合器１０７および導波路１０８を備える。

このＥＣＲ型エッチング装置において、ガス供給源１０１から供給される処理ガスは、マスフローコントローラ１０２により流量が制御されながら、ガス配管１０３およびガスバルブ１０４を介して、真空処理室１０９に導入される。マイクロ波電源１０５より出力される電力は、導波路１０６、マイクロ波電力整合器１０７および導波路１０８を介して真空処理室１０９内に導入される。ソレノイドコイル１１１により真空処理室内に磁場を形成し、マイクロ波電力と磁場との相互作用により、ガスをプラズマ化する。真空処理室内の圧力は、可変バルブ１１６を用いて調整することができる。試料台１１４上にエッチング加工用のウェハ１１３を設置し、ガス流量、処理圧力、マイクロ波電力値および磁場を所望の値に設定し、プラズマ１１０を発生させ、試料台１１４に設置したウェハ１１３に高周波電源１１５から高周波電力を印加することによりウェハをエッチングすることができる。なお、本実施例で用いたウェハ１１３は直径３００ｍｍのものであるが、ウェハの直径は３００ｍｍ以上でも以下でもよい。

本実施例でのプロセス条件を表１に示す。なお、ステップ１の前にアースされたプラズマ処理室にウェハ（被処理基板）を搬入するステップが、又ステップ５の後にプラズマ処理室からウェハ（被処理基板）を搬出するステップがあることは言うまでもない。

実施例１のプロセス条件は、５つのステップからなる。この内反応ガスから生成したプラズマによるエッチングを目的としているのはステップ１、ステップ３およびステップ５であり、ステップ１ではシリコン酸窒化膜のエッチングが、ステップ３ではアモルファスカーボン膜のエッチングが、ステップ５ではシリコン窒化膜のエッチングがそれぞれ行われる。また、ステップ２およびステップ４は、エッチング対象が異なるステップの間において、プラズマ放電を継続するステップである。以下エッチングを目的としたステップを、プロセスステップ、継続を目的としたステップを、継続ステップと記載する。上記ステップを経てウェハが加工される様子を、図２を用いて説明する。図２の左側が、処理前のウェハ断面図、右側が処理後のウェハ断面の様子を示す。エッチング処理をされるウェハ１１３は、シリコン基板２０１の上に、シリコン窒化膜（以下ＳｉＮと記載する）２０２、アモルファスカーボン膜（以下ＡＣＬと記載する）２０３、シリコン酸窒化膜（以下ＳｉＯＮと記載する）２０４、フォトレジスト膜２０５を有する。まず、ステップ１では、ＳｉＯＮがエッチングされる。ＳｉＯＮのエッチング終了後、プロセスガスの置換のためにステップ２の継続ステップが開始されるが、本実施例では、この継続ステップにおいて２００Ｗの高周波電力がウェハに印加される。真空処理室内のプロセスガスが継続ステップで使用されるＡｒガスに置換されるのに十分な時間が経過した後、継続ステップが終了し、ステップ３が開始され、ＡＣＬがエッチングされる。ＡＣＬのエッチング終了後、ステップ４の継続ステップが実施され、上記の様にガス置換完了後、ステップ５に移行し、ＳｉＮがエッチングされる。

本実施例では、ステップ数が５ステップであるが、ステップ数は５ステップ以上でも以下でもよい。

継続ステップの数が２ステップ以上ある場合、異なる継続ステップのＡｒガス流量、マイクロ波電力、高周波電力などの処理条件の値は、同じものを使用しても、前後のプロセスステップに応じて変化させてもよい。

本実施例では、継続ステップは各プロセスステップ間に１ステップ設けられているが、継続ステップが、それぞれ処理条件が異なる連続する複数ステップからなっていてもよい。

本実施例では、継続ステップの時間は１０秒であるが、継続ステップの時間はプロセスガスがＡｒガスに置換されるのに十分な時間であれば、任意の時間でよい。

本実施例では、ステップ間にプラズマ放電を継続するためのガスとして、希ガスであるＡｒを用いたが、他の希ガスを用いることも可能である。例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅなどの希ガスを用いてもよい。

本実施例の効果について図３を用いて説明する。図３は継続ステップの高周波電力に対するウェハ付着異物数の依存性を黒丸および破線でプロットしている。なお異物数は、継続ステップを放電中断にした場合の異物数で規格化されている。また、四角（□）のプロットは、継続ステップを高周波電力なしの放電にした場合、すなわち、表１の高周波電力を０Ｗにした場合の結果である。

図３より、高周波電力を増加させることにより、ウェハへの異物付着が低減することが明らかであり、実施例１がウェハへの異物付着防止に効果があることが示された。なお、従来手法である継続ステップを放電中断にした場合と比較し、異物低減効果が得られたのは、高周波電力が８５Ｗ程度以上の領域であった。また、継続ステップを高周波電力なしの放電にした場合、異物数は放電中断の場合と比較し増加することも同時に確認された。

本実施例では、高周波電力８５Ｗ以上の領域でウェハへの異物付着が低減する効果が得られたが、後述する様に、より低い高周波電力での運用でも効果が得られる場合があり、より低い高周波電力での運用を行ってもよい。

図４に示すのは、装置内のアース壁１１２、プラズマ１１０、ウェハ１１３間の電位の関係およびアース壁面から発生する異物４０１の帯電量、速度である。図４（ａ）にはウェハに高周波電力が印加されていない場合、図４（ｂ）にはウェハに高周波電力が印加されている場合を示す。

プラズマを発生させると、アース壁面およびウェハ面には、プラズマからの電子流入によりシースが形成され、プラズマ側から見て負の電位が発生する。この電位は、高周波電力が印加されていない場合には、浮遊電位程度となる。浮遊電位はプラズマの電子温度で決定されるため、アース壁面とプラズマ間の電位差Ｖ_ｄｃ１と、ウェハとプラズマ間の電位差Ｖ_ｄｃ２には図４（ａ）の“電位”の図に示す様に大きな差は現れない。

プラズマが発生した状態で、ウェハに高周波電力を印加すると、ウェハとプラズマ間に大きな電位差が発生する。この際、アース壁面とプラズマ間にも、大きな電位差が発生するが、高周波電力が印加されるウェハ面積がアース壁面面積と比較し小さい場合、ウェハとプラズマ間の電位差Ｖ_ｄｃ２は、図４（ｂ）に示す様に、アース壁面とプラズマ間の電位差Ｖ_ｄｃ１よりも大きくなる。

上記アース壁面とプラズマ間の電位差Ｖ_ｄｃ１は、アース壁面から発生する異物に対して、異物を加速しプラズマ中に引き出す効果を持つ。対して、ウェハとプラズマ間の電位差Ｖ_ｄｃ２は、ウェハに飛来する異物に対して、異物を減速し、プラズマ中に押し戻すことでウェハへの付着を防止する効果を持つ。

ウェハに高周波電力が印加された場合の、アース壁面とプラズマ間の電位差Ｖ_ｄｃ１およびウェハとプラズマ間の電位差Ｖ_ｄｃ２と、アースの面積Ｓ_１およびウェハの面積Ｓ_２の間の公知の関係式を式（１）に示す。

アース面積Ｓ_１に対するウェハ面積Ｓ_２の比が小さいほど、ウェハとプラズマ間の電位差Ｖ_ｄｃ２はアース壁面とプラズマ間の電位差Ｖ_ｄｃ１に対して大きくなる。Ｖ_ｄｃ１に対するＶ_ｄｃ２の比を１より大きくするには、Ｓ_１に対するＳ_２の比が、１より小さい必要がある。

上記理由で、ウェハに高周波電力を印加した場合には、本発明の特徴である、アース壁面とプラズマ間の電位差Ｖ_ｄｃ１よりも、ウェハとプラズマ間の電位差Ｖ_ｄｃ２が大きいという電位状態を実現することができる。

アース壁面から発生した異物は、図４（ａ）および図４（ｂ）中の“異物帯電量”の図に示されるように、プラズマからの電子流入により負に帯電する。負に帯電した異物は、同じく図４（ａ）および図４（ｂ）中の“異物速度”の図に示されるように、アース壁面とプラズマ間の電位差Ｖ_ｄｃ１によって加速され、異物の帯電量およびアース壁面とプラズマ間の電位差で決まる運動エネルギーに応じた速度を持ってプラズマ中に放出される。

異物は、図４（ａ）および図４（ｂ）中の“異物帯電量”の図に示されるように、プラズマ中において浮遊電位程度の電位を満たす様に負に帯電している。この負の帯電を持ったまま、異物がウェハ１１３に向かっていくと、異物はウェハ面にある電位勾配によりクーロン斥力を受ける。しかし、ウェハ１１３に高周波電力が印加されていない場合、この斥力はウェハへの異物付着を防ぐのに十分ではない。それは、上記の様にウェハとプラズマ間の電位差がアース壁面とプラズマ間の電位差とほぼ同程度であるので、図４(a)中の“異物速度”の図に示す様に、異物は十分に減速することなく、ウェハ１１３へと到達することができるためである。以上の理由から、ウェハ１１３に高周波電力が印加されていない場合には、異物付着を防止する効果は低い。

一方、ウェハ１１３に高周波電力が印加されている場合、上記の様にウェハとプラズマ間の電位差Ｖ_ｄｃ２はアース壁面とプラズマ間の電位差Ｖ_ｄｃ１と比較し大きくなり、図４（ｂ）中の“異物速度”の図に示す様に、ウェハ１１３に向かって飛来した異物は、ウェハに到達する前に速度を失い、ウェハに到達することが出来ない。以上の理由から、ウェハ１１３に高周波電力を印加した場合には、異物付着を防止することができる。

本実施例においては、アース面積Ｓ_１に対するウェハ面積Ｓ_２の比は、０．５程度で、上記の様にウェハ１１３に高周波電力を印加することで、アース壁面とプラズマ間の電位差Ｖ_ｄｃ１に対して十分大きいウェハとプラズマ間の電位差Ｖ_ｄｃ２を作り、異物の付着を防ぐことができる。

図５に、異物帯電量を定数とした場合の、プラズマ中に放出される異物の速度と、ウェハへ異物が到達し得る速度の高周波電力依存性の計算結果を示す。グラフ中の実線は、ウェハへ異物が到達し得る速度と放出速度との差となる。この速度差が大きいほど、ウェハへの異物付着防止効果が高いと言える。なお、この計算にあたり、異物の半径は１００ｎｍとし、異物の帯電量は、電子温度３ｅＶのプラズマ中での浮遊電位となる帯電量である７．８４×１０^−１７［Ｃ］とし、高周波電力Ｐ_ＲＦとＶ_ｄｃ２の関係は、実験にて確認した式（２）を用いて見積もった。

理想的には、上記速度差が０より大きくなれば異物付着を防止できるが、実際は、電子温度の分布や、帯電のばらつきなど、様々な要因で速度差にはマージンが必要になる。異物低減効果を得るのに必要となるマージンは、実験結果を元に以下の様に決定した。

実施例１の実験にて、継続ステップを放電中断した場合よりも異物が少なくなる高周波電力は８５Ｗ以上であったが、図５の高周波電力が８５Ｗの場合、上記速度差は２５ｍ／ｓである。この速度差を達成するために必要なＶ_ｄｃ２、すなわち高周波電力は、Ｓ_１に対するＳ_２の比が小さくなると小さくなる。図５に示すモデル計算において、２５ｍ／ｓの速度差を達成するのに必要とされるＶ_ｄｃ２は、数３にて決定することができる。

なお、式（３）のＣ_１に含まれるｍ_ｐは異物の質量で、Ｑ_ｐは異物の帯電量である。また、本実施例の体系においてアース壁面面積が変化した場合に必要とされる高周波電力は、式（３）で得られたＶ_ｄｃ２を式（２）に代入することにより見積もりが可能である。

本実施例においてはＳ_１に対するＳ_２の比は、１より小さければよい。また、式（２）、式（３）に示す様に、Ｓ_１に対するＳ_２の比が本実施例より小さい場合には、本実施例よりも低いＶ_ｄｃ２、すなわち、低い高周波電力で異物低減効果が得られる。

なお、本実施例ではプラズマエッチングを例に説明したが、プラズマデポジッションにも適用できる。プラズマデポジッションの場合には、異物起因の堆積膜表面の凹凸発生を低減・防止することができる。

以上本実施例によれば、式（３）の条件を満たすようにウェハとプラズマ間の電位差Ｖ_ｄｃ２を設定することにより、プロセスステップ間の継続ステップにおける被処理物（ウェハ）への異物の付着を低減・防止し、エッチング不良を低減することが可能なプラズマ処理方法を提供することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１０１…ガス供給源、１０２…マスフローコントローラ、１０３…ガス配管、１０４…ガスバルブ、１０５…マイクロ波電源、１０６…導波路、１０７…マイクロ波電力整合器、１０８…導波路、１０９…真空処理室、１１０…プラズマ、１１１…ソレノイドコイル、１１２…アース壁、１１３…ウェハ、１１４…試料台、１１５…高周波電源、１１６…可変バルブ、１１７…ターボ分子ポンプ、１１８…排気配管、２０１…シリコン基板、２０２…シリコン窒化膜、２０３…アモルファスカーボン膜、２０４…シリコン酸窒化膜、２０５…フォトレジスト膜、４０１…異物。

Claims (5)

1. 処理室内にて被エッチング膜をプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、
   前記被エッチング膜をプラズマエッチングする第一の工程と、
   プラズマ処理が行われる処理室内に配置されたアースの電位よりも前記被エッチング膜を有する試料の電位を低くする第二の工程と、を有し、
   前記試料の電位とプラズマの電位との電位差を第一の値以上とし、
   前記第一の値は、前記アースの面積に対する前記試料の面積の比の二乗を１から減じた値により第二の値を除した値の二乗であり、
   前記第二の値は、異物の質量により前記異物の帯電量の２倍を除した値の平方根によって２５を除した値であり、
   前記比は、１より小さいことを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
   前記第二の工程は、前記試料に高周波電力を供給しながら行われることを特徴とするプラズマ処理方法。
3. 請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
   前記第二の工程のプラズマは、希ガスを用いて生成されることを特徴とするプラズマ処理方法。
4. 請求項２に記載のプラズマ処理方法において、
   前記第二の工程のプラズマは、希ガスを用いて生成されることを特徴とするプラズマ処理方法。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法において、
   前記第一の工程と前記第二の工程を繰り返すことを特徴とするプラズマ処理方法。

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