JP6558901B2

JP6558901B2 - プラズマ処理方法

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Publication number: JP6558901B2
Application number: JP2015000694A
Authority: JP
Inventors: 貴光高山; 彰俊原田; 薬師寺　秀明; 秀明薬師寺
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2015-01-06
Filing date: 2015-01-06
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2035-01-06
Also published as: US20160196957A1; KR102427971B1; JP2016127173A; KR20160084802A; TWI698928B; TW201637091A; US10192719B2

Description

本発明は、プラズマ処理方法に関する。

プラズマ処理装置は、プラズマの作用により基板にエッチング等の微細加工を行う装置である。例えば、平行平板電極を有する容量結合型のプラズマ処理装置は、プラズマ処理装置の一例であり、チャンバ内の対向位置に設けられた一対の電極に高周波電力を印加して、チャンバ内に供給したガスからプラズマを発生させ、基板をプラズマ処理する。

プラズマ処理装置では、プラズマ処理中に基板の表面に雷状の異常放電、所謂アーキングが生じることがある。そこで、基板の表面に生じるアーキングの発生を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００４−９５９０９号公報

載置台上に基板を静電吸着する静電チャックが設けられている場合、基板を静電チャックに吸着する際に直流電圧ＨＶを印加すると、載置台とその周辺の部材との間に電位差が生じてチャンバ内のパーティクルが電気的に基板周辺に集まり易い状態となる。この状態で、プラズマ励起用の高周波電力を載置台に印加すると、基板と静電チャックとの間の電荷がプラズマ側に放電され、基板と静電チャックとの間の電位差に起因するクーロン力が低下して吸着力が下がる。これにより、基板と静電チャックとの密着力が低下し、基板と静電チャックとの隙間が大きくなりパーティクルがより入り込み易くなる。

上記課題に対して、一側面では、本発明は、直流電圧ＨＶを印加する際の基板周辺へのパーティクルの引き込みを抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、一の態様によれば、プラズマ処理が行われるチャンバ内に基板を搬入する工程と、基板を載置する載置台に、プラズマ励起用の高周波電力の周波数よりも低い周波数のバイアス用の高周波電力を印加する工程と、前記載置台上の基板を静電吸着する静電チャックに直流電圧を印加する工程と、を含み、前記直流電圧を印加する工程は、前記バイアス用の高周波電力を印加する工程の後に実行される、プラズマ処理方法が提供される。

一の側面によれば、直流電圧ＨＶを印加する際の基板周辺へのパーティクルの引き込みを抑制することができる。

一実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面を示す図。第１実施形態に係るプラズマ処理の一例を示すフローチャート。第１〜第３実施形態に係るＬＦの印加とパーティクルの低減を説明するための図。第２実施形態に係るプラズマ処理の一例を示すフローチャート。第２実施形態に係るプラズマ処理によりＨＶを段階的に印加した結果の一例を示す図。第３実施形態に係るプラズマ処理の一例を示すフローチャート。第３実施形態に係る事前ＬＦの印加とパーティクルの低減を説明するための図。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

［プラズマ処理装置の全体構成］
まず、本発明の一実施形態にかかるプラズマ処理装置１０の全体構成について、図１を参照しながら説明する。プラズマ処理装置１０は、アルミニウム等からなり、内部を密閉可能な筒状のチャンバ１１を有している。チャンバ１１は、接地電位に接続されている。チャンバ１１の内部には、導電性材料、例えばアルミニウム等から構成された載置台１２が設けられている。載置台１２は、半導体ウェハ（以下、「ウェハＷ」ともいう。）を載置する円柱状の台であり、下部電極を兼ねている。

チャンバ１１の側壁と載置台１２の側面との間には、載置台１２の上方のガスをチャンバ１１外へ排出する経路となる排気路１３が形成されている。排気路１３の途中には排気プレート１４が配置される。排気プレート１４は多数の孔を有する板状部材であり、チャンバ１１を上部と下部とに仕切る仕切り板として機能する。排気プレート１４によって仕切られたチャンバ１１の上部は、プラズマ処理が実行される反応室１７である。また、チャンバ１１下部の排気室（マニホールド）１８には、チャンバ１１内のガスを排出する排気管１５が接続されている。排気プレート１４は反応室１７にて生成されるプラズマを捕捉又は反射して排気室１８への漏洩を防止する。排気管１５は、ＡＰＣ（Adaptive Pressure Control：自動圧力制御）バルブ１６を介して排気装置と接続されている。排気装置は、チャンバ１１内を減圧し、所定の真空状態に維持する。

第１の高周波電源１９は、整合器２０を介して載置台１２に接続され、例えば４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚのバイアス用の高周波電力（以下、「ＬＦ」（Low Frequency）とも表記する。）を載置台１２に供給する。整合器２０は、載置台１２からの高周波電力の反射を抑え、バイアス用の高周波電力ＬＦの載置台１２への供給効率を最大にする。

載置台１２の上部には、静電電極板２１を内部に有する静電チャック２２が配置されている。静電チャック２２は下部円板状部材の上に、下部円板状部材より直径の小さい上部円板状部材を重ねた形状を有する。なお、静電チャック２２はアルミニウムからなり、上面にはセラミック等が溶射されている。載置台１２にウェハＷを載置するとき、ウェハＷは静電チャック２２の上部円板状部材の上に置かれる。

静電電極板２１には、直流電源２３が接続されている。静電電極板２１に正の直流電圧（以下、「ＨＶ」（High Voltage）とも表記する。）が印加されると、ウェハＷの裏面（静電チャック２２側の面）に負電位が発生して静電電極板２１とウェハＷの裏面との間に電位差が生じる。ウェハＷは、この電位差に起因するクーロン力又はジョンソン・ラーベック力により、静電チャック２２における上部円板状部材上に静電吸着され、保持される。

また、静電チャック２２には、ウェハＷの周縁部を囲うように、円環状のフォーカスリング２４が載置される。フォーカスリング２４は、導電性部材、例えば、シリコンからなり、反応室１７においてプラズマをウェハＷの表面に向けて収束し、エッチング処理の効率を向上させる。

また、載置台１２の内部には、例えば、円周方向に延在する環状の冷媒室２５が設けられる。この冷媒室２５には、冷媒用配管２６を介してチラーユニットから低温の冷媒、例えば、冷却水やガルデン（登録商標）が循環供給される。該低温の冷媒によって冷却された載置台１２は静電チャック２２を介してウェハＷ及びフォーカスリング２４を冷却する。

静電チャック２２における上部円板状部材上のウェハＷが吸着する面（吸着面）には、複数の伝熱ガス供給孔２７が開口している。これら複数の伝熱ガス供給孔２７には、伝熱ガス供給ライン２８を介してヘリウム（Ｈｅ）ガス等の伝熱ガスが供給される。伝熱ガスは、伝熱ガス供給孔２７を介して静電チャック２２の吸着面とウェハＷの裏面との間隙に供給される。その間隙に供給された伝熱ガスは、ウェハＷの熱を静電チャック２２に伝達する。

チャンバ１１の天井部には、載置台１２と対向するようにシャワーヘッド２９が配置されている。第２の高周波電源３１は、整合器３０を介してシャワーヘッド２９に接続され、例えば４０ＭＨｚ程度のプラズマ励起用の高周波電力（以下、「ＨＦ」（High Frequency）とも表記する。）をシャワーヘッド２９に供給する。このようにしてシャワーヘッド２９は上部電極としても機能する。なお、整合器３０は、シャワーヘッド２９からの高周波電力の反射を抑え、プラズマ励起用の高周波電力ＨＦのシャワーヘッド２９への供給効率を最大にする。なお、第２の高周波電源３１及び整合器３０は設けられていなくてもよい。

シャワーヘッド２９は、多数のガス穴３２を有する天井電極板３３と、天井電極板３３を着脱可能に釣支するクーリングプレート３４と、クーリングプレート３４を覆う蓋体３５とを有する。また、クーリングプレート３４の内部にはバッファ室３６が設けられ、バッファ室３６にはガス導入管３７が接続されている。シャワーヘッド２９は、ガス導入管３７からバッファ室３６へ供給されたガスを、多数のガス穴３２を介して反応室１７内へ供給する。

シャワーヘッド２９はチャンバ１１に対して着脱自在であり、チャンバ１１の蓋としても機能する。チャンバ１１からシャワーヘッド２９を離脱させれば、作業者はチャンバ１１の壁面や構成部品に直接触れることができる。これにより、作業者はチャンバ１１の壁面や構成部品の表面をクリーニングすることができ、チャンバ１１の壁面等に付着した付着物を除去することができる。

プラズマ処理装置１０では、バイアス用の高周波電力ＬＦが載置台１２に印加される。プラズマ励起用の高周波電力ＨＦは印加されてもよいし、印加されなくてもよい。反応室１７内に少なくともバイアス用の高周波電力を印加することにより、シャワーヘッド２９から供給されたガスからプラズマが生成され、そのプラズマによってウェハＷにエッチング等のプラズマ処理が施される。なお、プラズマ処理装置１０の各構成部品の動作は、プラズマ処理装置１０の全体を制御する制御装置によって制御される。制御装置のＣＰＵが、プラズマ処理の手順を設定するレシピに従いエッチング等のプラズマ処理を制御する。

＜第１実施形態＞
［プラズマ処理方法］
次に、本発明の第１実施形態にかかるプラズマ処理方法について、図２のフローチャートを参照しながら説明する。第１実施形態にかかるプラズマ処理では、まず、プラズマ処理が行われるチャンバ１１内にウェハＷを搬入する工程が実行される（ステップＳ１０）。

載置台１２にバイアス用の高周波電力ＬＦを印加する工程が実行される（ステップＳ１２）。次に、静電チャック２２の静電電極板２１に直流電圧ＨＶを印加する工程が実行される（ステップＳ１４）。これにより、ウェハＷは、静電チャック２２に静電吸着される。

次に、エッチングガスを供給することでチャンバ１１内を所定の圧力に維持しつつ、プラズマ励起用の高周波電力ＨＦをチャンバ１１内に印加する工程が実行される（ステップＳ１６）。これにより、プラズマが発生される。次に、ウエハＷの裏面と静電チャック２２の表面との間に伝熱ガスが供給され（ステップＳ１８）、その状態で生成されたプラズマによりエッチング処理工程が実行される（ステップＳ２０）。エッチング処理後、エッチングガスの供給を停止し、プラズマ励起用の高周波電力ＨＦ及びバイアス用の高周波電力ＬＦの印加を停止する工程が実行される（ステップＳ２２）。

次に、直流電圧（ＨＶ）の印加を停止する工程が実行される（ステップＳ２４）。これにより、ウェハＷは、静電チャック２２上に吸着されている状態から解除される。次に、ウェハＷをチャンバ１１外に搬出する工程が実行され（ステップＳ２６）、本処理は終了する。以上の工程は、ウェハＷ毎に実行される。

ウェハＷの表面に生じるアーキング(異常放電)は、直流電圧ＨＶを印加してウェハＷを静電チャック２２に吸着させるとき（チャック）に生じ易い。

そこで、本実施形態にかかるプラズマ処理では、直流電圧ＨＶを印加する前にバイアス用の高周波電力ＬＦが印加される（ＬＦによる「前囲い込み」とも表記する）。これにより、プラズマを生成し、そのプラズマによって直流電圧ＨＶを印加する際にチャンバ１１内のパーティクルがウエハＷ側へ引き込まれることをブロックすることができる。

具体的には、直流電圧ＨＶが静電チャック２２に印加される際、ウェハＷの電位状態が変わる。ウェハの電位状態が変わると、高周波電力が印加されている載置台１２とその周辺部材との間に電位差が発生する。この結果、電気的にウェハＷの近傍にパーティクルが引き込まれ易い状態になる。

図３の（ａ）の上図に示すように直流電圧ＨＶを印加してウェハＷを静電吸着（Chuck On）する前に、プラズマ励起用の高周波電力ＨＦを印加する場合と比較する（ＨＦによる「前囲い込み」）。この場合、プラズマ励起用の高周波電力ＨＦはバイアス用の高周波電力ＬＦよりも高いパワーを有する。このため、バイアス用の高周波電力ＬＦを印加した場合よりも高い密度のプラズマが生成される。これにより、ウェハＷの裏面と静電チャック２２の表面との間に蓄えられた電荷がプラズマ側に放電し易くなり、ウェハＷの裏面と静電チャック２２の表面との間の電荷が除電され易くなり、ウェハＷの裏面と静電チャック２２の表面との吸着力が減ってウェハＷが静電チャック２２から浮いた状態になる。

さらに、図３の（ｃ）を参照すると、プラズマ励起用の高周波電力ＨＦが０Ｗ→３５０Ｗ→７００Ｗと高くなる程ウェハＷの裏面と静電チャック２２の表面との間のトルクが低下し、ウェハＷが静電チャック２２上により浮いた状態になることがわかる。これにより、ウェハＷの裏面と静電チャック２２の表面との間にて隙間放電（アーキング）が生じ、パーティクルが発生する。また、ウェハＷの裏面と静電チャック２２の表面との隙間にパーティクルが入り込み易くなる。

これに対して、本実施形態では、図３の（ａ）の下図に示すように、ウェハＷの静電吸着の前にバイアス用の高周波電力ＬＦが印加される（ＬＦによる「前囲い込み」）。この場合、生成されたプラズマの密度はプラズマ励起用の高周波電力ＨＦを印加した場合よりも低く、ウェハＷの裏面と静電チャック２２の表面との間に蓄えられた電荷は、プラズマ励起用の高周波電力ＨＦを印加した場合よりも放電し難い。よって、ウェハＷが静電チャック２２に貼り付いた状態になる。この結果、ウェハＷの裏面と静電チャック２２の表面との隙間が殆ど生じないため、ウェハＷの近傍にはパーティクルが引き込まれ難い。これにより、本実施形態にかかるプラズマ処理によれば、ウェハＷを静電チャック２２に吸着する際にウェハＷの周囲にパーティクルが引き込まれることを低減することができる。

また、図３の（ｂ）を参照すると、バイアス用の高周波電力ＬＦが０Ｗ→３５０Ｗ→７００Ｗと高くなる程ウェハＷ及び静電チャック２２間のトルクが増大することがわかる。

この結果、バイアス用の高周波電力ＬＦが高いパワーを有する程、ウェハＷの裏面と静電チャック２２の表面との間の吸着力が増して好ましいことがわかる。これにより、ウェハＷの裏面と静電チャック２２の表面との間で隙間放電（アーキング）がより生じ難くなり、パーティクルの発生がより低減される。また、ウェハＷの裏面と静電チャック２２の表面との隙間（ギャップ）が狭いため、パーティクルが隙間により引き込まれ難くなる。

以上から、本実施形態に係るプラズマ処理方法によれば、直流電圧ＨＶを印加する前にＬＦの高周波電力を印加することにより、アーキングを抑制でき、ウェハＷの近傍のパーティクルを低減することができる。

＜第２実施形態＞
［プラズマ処理方法］
次に、本発明の第２実施形態にかかるプラズマ処理方法について、図４のフローチャートを参照しながら説明する。第２実施形態にかかるプラズマ処理においても、まず、プラズマ処理が行われるチャンバ１１内にウェハＷを搬入する工程が実行される（ステップＳ１０）。

次に、載置台１２にバイアス用の高周波電力ＬＦを印加した後（ステップＳ１２）、静電チャック２２の静電電極板２１に直流電圧ＨＶを印加し、そのパワーを段階的に大きくする工程が実行される（ステップＳ３０）。これにより、ウェハＷは、静電チャック２２に静電吸着される。

次に、直流電圧（ＨＶ）の印加を停止する工程が実行される（ステップＳ２４）。これにより、ウェハＷは、静電チャック２２上に吸着されている状態から解除される。次に、ウェハＷをチャンバ１１外に搬出する工程が実行され（ステップＳ２６）、本処理は終了する。

以上に説明したように、第２実施形態に係るプラズマ処理方法によれば、ウェハＷの静電吸着の前にバイアス用の高周波電力ＬＦが印加される。これにより、生成されたプラズマによって直流電圧ＨＶを印加する際にチャンバ１１内のパーティクルがウエハＷ側へ引き込まれることをブロックすることができる。

また、本実施形態に係るプラズマ処理方法によれば、直流電圧ＨＶが段階的に大きくなるように制御される。これにより、載置台１２にかかる電界の強度を徐々に高めることができる。この結果、載置台１２とその周辺部材との電位差が急激に大きくならずに、直流電圧ＨＶが段階的に印加される際に電位差を小さいまま維持することができる。この結果、直流電圧ＨＶをオンしたことによりパーティクルがウェハＷの近傍に引き込まれる力を低下させることができ、ウェハＷ近傍のパーティクルをより低減することができる。

例えば、図５の（ａ）の比較例に示すように、直流電圧ＨＶの印加が急峻である場合、載置台１２とその周辺部材との電位差が大きくなり、ウェハＷ周辺においてパーティクルが発生する結果となった（ＮＧ）。

図５の（ｂ）及び（ｃ）も同様に、直流電圧ＨＶの印加は、図５の（ａ）の場合よりも緩やかであるが、尚急峻であるため、載置台１２とその周辺部材との電位差が大きくなり、パーティクルが電気的にウェハＷ周辺に誘引され、ウェハＷ周辺におけるパーティクルの発生は抑制されなかった（ＮＧ）。

図５の（ｄ）及び（ｆ）では、直流電圧ＨＶの印加は緩やかであるが、プラズマ励起用の高周波電力ＨＦの印加の停止のタイミングが早く、前囲い込みが不十分であるため、ウェハＷ周辺におけるパーティクルの発生は抑制されなかった（ＮＧ）。

図５の（ｅ）では、プラズマ励起用の高周波電力ＨＦによる前囲い込みが十分であり、かつ、直流電圧ＨＶの印加が段階的で緩やかであるため、載置台１２とその周辺部材との電位差が小さくなり、ウェハＷ周辺にてパーティクルの発生が抑制された（ＯＫ）。

よって、第２実施形態に係るプラズマ処理方法によれば、前囲い込み制御に加えて直流電圧ＨＶを段階的に大きくするように制御することで、ウェハＷのチャックの際にウェハＷの周辺にて発生しやすいパーティクルをより効果的に低減することができる。

なお、図５の実験例では、プラズマ励起用の高周波電力ＨＦによる前囲い込みを行ったが、バイアス用の高周波電力ＬＦによる前囲い込みでも同様な効果を有することが可能である。つまり、図４のステップＳ１２では、バイアス用の高周波電力ＬＦ及びプラズマ励起用の高周波電力ＨＦの少なくともいずれかを印加すればよい。

＜第３実施形態＞
［プラズマ処理方法］
次に、本発明の第３実施形態にかかるプラズマ処理方法について、図６のフローチャートを参照しながら説明する。第３実施形態にかかるプラズマ処理においても、まず、プラズマ処理が行われるチャンバ１１内にウェハＷを搬入する工程が実行される（ステップＳ１０）。

次に、載置台１２にバイアス用の高周波電力ＬＦを所定時間だけ印加し、所定時間経過後にバイアス用の高周波電力ＬＦの印加を停止する工程が実行される（ステップＳ４０：事前のＬＦ印加）。

次に、再び載置台１２にバイアス用の高周波電力ＬＦを印加する工程が実行される（ステップＳ１２）。次に、静電チャック２２の静電電極板２１に直流電圧ＨＶを印加する工程が実行される（ステップＳ１４）。高周波電力ＬＦの印加方法は、段階的に大きくなるように印加してもよいし、急峻に印加してもよい。

以上に説明したように、第３実施形態に係るプラズマ処理方法によれば、図７の（ａ）に示すように、直流電圧ＨＶを印加する前にバイアス用の高周波電力ＬＦが印加される（前囲い込み）。これにより生成されたプラズマによって、ウェハＷのチャックの際にアーキングの発生を防止することができる。これにより、生成されたプラズマによって直流電圧ＨＶを印加する際にチャンバ１１内のパーティクルがウエハＷ側へ引き込まれることをブロックすることができる。

これに加えて、本実施形態では、前囲い込みのバイアス用の高周波電力ＬＦを印加する前に、ウェハＷが静電吸着されていない状態で３５０Ｗ程度のバイアス用の高周波電力ＬＦを所定時間印加する。図７（ａ）では、所定時間は数秒であるが、これに限らず、例えば数十秒であってもよい。これにより、ウェハＷの裏面と静電チャック２２の表面との間にトルクがかかるため、ウェハＷの裏面と静電チャック２２の表面との間の吸着力がより増大する。この結果、ウェハＷと静電チャック２２との隙間（ギャップＧ）が、プラズマ励起用の高周波電力ＨＦを印加した場合と比較して小さくなる（図７の（ｂ）の右図の「事前にＬＦを印加」）。

次に、再度前囲い込み用のバイアス用の高周波電力ＬＦが印加されると、ウェハＷの裏面と静電チャック２２の表面との間の吸着力が更に増大し、ウェハＷが静電チャック２２に貼りついた状態になる（図７の（ｂ）の右図の「ＬＦを印加」）。これにより、ウェハＷの裏面と静電チャック２２の表面との間で生じる隙間放電（アーキング）をより効果的に抑制することができ、パーティクルの発生をより低減することができる。

以上、プラズマ処理方法を上記実施形態により説明したが、本発明にかかるプラズマ処理方法は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。

例えば、第１〜第３実施形態にかかるプラズマ処理方法では、囲い込みのためにバイアス用の高周波電力ＬＦを印加した。しかしながら、本発明にかかるプラズマ処理方法では、囲い込みのためにバイアス用の高周波電力ＬＦとプラズマ励起用の高周波電力ＨＦとを印加してもよい。

また、本発明に係るプラズマ処理方法は、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ:Capacitively Coupled Plasma)装置だけでなく、その他のプラズマ処理装置に適用可能である。その他のプラズマ処理装置としては、誘導結合型プラズマ(ＩＣＰ:Inductively Coupled Plasma)、ラジアルラインスロットアンテナを用いたＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置、ヘリコン波励起型プラズマ（ＨＷＰ：Helicon Wave Plasma）装置、電子サイクロトロン共鳴プラズマ（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Ｒesonance Plasma）装置等であってもよい。

また、本発明にかかるプラズマ処理装置により処理される基板は、ウェハに限られず、例えば、フラットパネルディスプレイ（Flat Panel Display)用の大型基板、ＥＬ素子又は太陽電池用の基板であってもよい。

１０：プラズマ処理装置
１１：チャンバ
１２：載置台
１６：ＡＰＣ
１７：反応室
１８：排気室
１９：第１の高周波電源
２１：静電電極板
２２:静電チャック
２３:直流電源
２４:フォーカスリング
２５:冷媒室
２７:伝熱ガス供給孔
２９:シャワーヘッド
３１:第２の高周波電源

Claims

プラズマ処理が行われるチャンバ内に基板を搬入する工程と、
基板を載置する載置台に、プラズマ励起用の高周波電力の周波数よりも低い周波数のバイアス用の高周波電力を印加する工程と、
前記載置台の上の基板を静電吸着する静電チャックに直流電圧を印加する工程と、
を含み、
前記直流電圧を印加する工程は、
前記バイアス用の高周波電力を印加する工程の後に実行され、
前記直流電圧を印加する工程の後に実行される、プラズマ励起用の高周波電力を印加する工程を含む、プラズマ処理方法。
印加する前記直流電圧を段階的に大きくする、
請求項１に記載のプラズマ処理方法。
前記バイアス用の高周波電力を印加する工程の前に該バイアス用の高周波電力を所定時間印加する、
請求項１又は２に記載のプラズマ処理方法。
前記バイアス用の高周波電力は、４００ｋＨｚ以上１３．５６ＭＨｚ以下である、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。