TWI744782B - 電漿處理方法及電漿處理裝置 - Google Patents

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Abstract

具有在腔室內蝕刻晶圓的蝕刻工程，及可以在短時間內除去腔室內之殘留鹵素等，改善生產量的電漿處理方法，該電漿處理方法具有：藉由對腔室內導入包含鹵素元素的氣體，來除去前述腔室之內壁之異物的電漿潔淨工程；在前述腔室內，藉由交替重複包含氧的電漿之on狀態與off狀態，而將前述電漿潔淨工程中殘留於前述腔室內的鹵素元素進行除去的殘留鹵素除去工程。

Description

電漿處理方法及電漿處理裝置
本發明關於電漿處理方法及電漿處理裝置。
半導體元件之製造工程中，要求對應於包含於半導體裝置的零件之微細化或集積化。例如積體電路或奈米電氣機械系統中，構造物之奈米級進一步被推進。 通常，半導體元件之製造工程中，使用微影成像技術來形成微細圖案。該技術係在阻劑層之上適用元件構造之圖案，藉由阻劑層之圖案選擇性蝕刻露出的基板而予以除去者。在之後之處理工程中，於蝕刻區域內沈積其他之材料即可形成積體電路。
但是，近年來，伴隨著積體電路等半導體製造中的微細化進展，在腔室內為了更精細控制蝕刻反應，而進行使腔室內之氛圍穩定化之潔淨技術之開發。
但是，若於潔淨後立即進行蝕刻，則腔室內殘留的氣體反而使蝕刻速率變為不穩定之問題存在。又，潔淨造成腔室內存在之異物附著於基板上，對配線形成等帶來不良影響之問題亦存在。特別是，附著於基板上的異物會顯著降低半導體元件之良率。
作為該異物之原因，主要可以舉出，(a)腔室側壁之腐蝕或副生成物之附著，及(b)腔室內殘留的由鹵素形成的化合物之生成。(a)引起的異物之對策，可以使用藉由基於六氟化硫(SF6 )或三氟化氮(NF3 )、氧(O2 )的電漿潔淨使腔室內氛圍穩定的手法。針對(b)引起的異物及蝕刻速率之變動，可以進行基於氧電漿的潔淨。
專利文獻1中揭示基於三氟化氮(NF3 )的潔淨，及之後將腔室內殘留的氟除去之技術。又，專利文獻2中揭示藉由交替重複電漿生成狀態與電漿非生成狀態，對腔室內進行電漿潔淨之技術。 先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：特開2016-225567號公報 專利文獻2：特開2010-140944號公報
[發明所欲解決之課題]
專利文獻1揭示的技術中，將殘留的氮或氟完全除去為止需要長時間，因此每一單位時間之製品處理片數(生產量)少生產性不佳。又，專利文獻2揭示的電漿潔淨，不是進行腔室內的殘留氮或殘留鹵素之除去者。
本發明目的在於提供可以在短時間內除去腔室內之殘留鹵素等，改善潔淨處理之生產量的電漿處理方法及電漿處理裝置。 [用以解決課題的手段]
為了解決前述課題，代表性的本發明之電漿處理方法，在處理室內對試料進行電漿處理的電漿處理方法中，具有：對前述試料進行電漿處理的第一工程；在前述第一工程後，使用含氟氣體對前述處理室內進行電漿潔淨之第二工程；及在前述第二工程後，使用脈衝調變的高頻電力及藉由氧氣體生成的電漿對前述處理室內進行電漿潔淨之第三工程。 發明效果
依據本發明，可以在短時間內除去腔室內之殘留鹵素等，可以改善潔淨處理之生產量。 前述以外之課題、構成及效果可以藉由以下之實施形態之說明理解。
以下對本發明的電漿處理方法之具體的實施形態進行說明。 首先，參照圖面說明實施電漿處理方法之電漿蝕刻裝置(電漿處理裝置)之一例。圖1係電漿生成手段使用微波與磁場的Electron Cyclotron Resonance(以下稱為ECR)型電漿蝕刻裝置之概略剖面圖。
ECR型電漿蝕刻裝置具備：電漿處理室且內部可以進行真空排氣的腔室101；用於載置試料亦即晶圓102的試料台103；設置於腔室101之上面的石英製之微波透過窗104；設置於其上方的導波管105；震盪生成微波的磁控管106；對磁控管106供給高頻電力的第一高頻電源110；設置於腔室101之周圍的螺線管107；將製程氣體導入腔室內的氣體供給配管109；及對第一高頻電源110進行控制的控制裝置CONT。控制裝置CONT具有儲存執行後述之第一工程、第二工程、第三工程之程式的記憶部。
第一高頻電源110具備依據控制裝置CONT之控制對磁控管106震盪的微波進行脈衝調變之功能。於此，將重複微波之震盪(on)與中斷(off)的週期之逆數設為脈衝頻率，將該震盪時間除以脈衝週期獲得之值設為工作比。
接著，對電漿蝕刻裝置之動作進行說明。晶圓102從晶圓搬入口108搬入腔室101內之後，藉由靜電吸附電源(未圖示)被靜電吸附於試料台103。接著，製程氣體從氣體供給配管109被導入腔室101內。
腔室101內藉由真空泵(未圖示)實施減壓排氣，調整成為規定之壓力(例如0.1Pa~50Pa)。接著，從高頻電源110對磁控管106供給高頻電力，從磁控管106震盪產生頻率2.45GHz之微波，透過導波管105傳輸至腔室101內。
藉由螺線管107產生的磁場與微波之相互作用來激發製程氣體，而在晶圓102上部之空間生成電漿111。另一方面，藉由第二高頻電源(未圖示)對試料台103施加偏壓，使電漿111中之離子加速並垂直入射至晶圓102上。
又，第二高頻電源(未圖示)可以對試料台103施加連續性偏壓電力或已實施時間調變的偏壓電力。藉由來自電漿111之自由基與離子之作用，使晶圓102被實施各向異性蝕刻。
接著，參照圖面說明包含使用圖1所示電漿蝕刻裝置的潔淨處理工程之一連串之製程。圖2係表示控制裝置CONT依據前述程式執行之一連串製程的流程。
步驟201中，係以被處理批次之第1片晶圓102之蝕刻後之形狀，相比於第2片以後蝕刻的晶圓102不會大幅變化的方式，依據事先設定的條件進行晶圓之電漿處理。將其稱為陳化工程。
接著，於步驟202中，進行晶圓102之蝕刻(第一工程)。此時，腔室101內壁附著有副生成物(異物)。
之後，於步驟203中，將混合有氬氣體與三氟化氮氣體的氣體(含氟氣體)導入腔室101，進一步產生電漿111，藉此而進行腔室101之電漿潔淨。此時之處理壓力為15Pa，微波之工作比100%(連續震盪亦即連續放電)。藉由步驟203進行步驟202中附著於腔室101內壁的副生成物之除去(第二工程)。
之後，為了除去步驟203中產生的殘存於腔室101內的氮及氟而進行步驟204。於步驟204中，係對腔室101內供給脈衝調變的高頻電力之同時，使用導入氬氣體與氧氣體而生成的電漿，進行殘留的氮及氟之除去(電漿潔淨)(第三工程)。此時之處理壓力為0.4Pa，例如微波之工作比為50%，脈衝頻率為1000Hz。
進一步，於步驟205中，若被處理批次內乃有未處理之晶圓之情況下，再度返回步驟202，進行蝕刻等。另一方面，若批次內無未處理之晶圓之情況下，結束1批次之處理。乃有次一批次之情況下，返回步驟201進行陳化工程，開始次一批次之晶圓之蝕刻。
接著，論述藉由步驟204對腔室101內殘留的氮及氟之除去效果。
(實施例)
於前述條件下，步驟204對腔室101內之潔淨結束之後，針對搬入腔室101內之晶圓102上所附著的氮及氟引起的異物進行了確認，未檢測出氮及氟引起的異物。相對於此，將步驟204之條件之中之微波之工作比設為100%，進行了同樣之確認，結果，觀察到氮及氟引起的異物。
關於異物產生之理由可以如下說明。
圖3係示意表示步驟203結束後之腔室101側壁的圖。黑色圈圈係表示腔室101側壁之構成元素。
於步驟204中，生成的電漿111中之離子對腔室101側壁進行濺鍍或是氧使側壁氧化，藉此而將殘留的氟元素及氮元素除去。
另一方面，在步驟204中，響應於高頻電源110之高頻電力，並藉由從磁控管106震盪的微波而使電漿111成為on(生成)狀態，或是藉由微波之中斷而成為off(非生成)狀態，彼等交替重複而成為脈衝波形狀。當電漿111成為off狀態時，電子溫度急速變低，電漿111或是被存在於電漿中之分子吸附，或是朝腔室101側壁擴散而減少。
因此流入腔室101側壁的電子通量減少，帶負電的腔室101側壁之電位上升。另一方面，由於存在電漿111中之氧具有高的電子親和力，因此其之大多數以負離子形式而存在於電漿111中。因此，在電漿111處於on狀 態時負的氧離子被推回到腔室101側壁之電位，並且僅有少量可以存在於腔室101側壁附近。
但是，藉由將電漿111設為off狀態，則腔室101側壁之電位逐漸上升。藉此，更多的以氧作為元素而持有的粒子流入腔室101側壁。藉此，使腔室101側壁被氧化，可以將殘留於腔室101側壁的氮與氟除去。因此，電漿被設為off(非生成)之時間，亦即中斷微波之震盪的時間，只要設定成為流入腔室101側壁的負的氧離子通量變為大於流入腔室101側壁的電子通量之時間以上即可。換言之，只要將脈衝之(中斷)時間設定成為，和流入腔室101側壁的負的氧離子通量變為大於流入腔室101側壁的電子通量時的電漿之off(非生成)時間相等，或者比電漿之off時間長即可。
圖4係表示支持前述理論的電漿111中存在之持有負的電荷的氧離子之數量與電位之關係之圖。但是，縱軸表示粒子數N，橫軸表示腔室101側壁之電位-V，粒子數係遵循波茲曼分布。Von為微波震盪時之腔室101側壁之電位，Voff為微波之震盪中斷後，經過規定時間時之該側壁之電位。
由圖4可以理解，將電漿111設為off狀態時，可以存在於腔室101側壁附近的離子數會增加。由以上可以理解，相較於微波之連續震盪，對微波實施脈衝調變的方式可以提高異物之除去性。微波之脈衝之週期較好是1毫秒以下。
但是，若電漿111之off時間較電漿111中之離子消失的時間長，則電漿111熄滅。因此，關於電漿111之最大off時間，較好是設為電漿111中之離子消失的時間以下，具體言之，將脈衝調變的1週期中的微波之震盪中斷時間設為10毫秒以下為較佳。
又，圖5係表示本實施例中的殘留氮及殘留氟之除去性之效果的曲線圖。於此，表示在前述實施例之步驟204中僅變化第一高頻電源110之最大輸出及工作比，在步驟204之後於腔室101內進行僅基於氬氣體的連續放電，其中之氟之發光量之時間平均。
具體言之，將微波之震盪時間相對於微波之脈衝調變之週期設為工作比(工作比20意味著，按照脈衝調變之週期之20%時間進行微波之震盪)。又，氟之發光量越高表示殘存的氟之量越多。
由圖5之結果可以理解，即使將第一高頻電源110之最大輸出按照300W、600W、1000W變化時，異物除去效果之趨勢幾乎不變。又，工作比100時異物除去效果最低，相對於此，隨著工作比降低異物除去效果變高，特別是可以理解將某一工作比設為臨界值，異物除去效果會有變高之趨勢。因此，電漿111之on時間，亦即微波之震盪時間，以能夠確保餘裕度之同時將脈衝之工作比設為50%以下為較佳。
又，本發明亦適用於不限定圖2之製程的實施形態。例如至少包含步驟203之任何實施形態都可以適用本發明。
又，前述實施形態中具有搬入晶圓102之工程，但亦適用不限定於此之實施形態。例如進行步驟201、步驟203及步驟204時，晶圓102不搬入腔室101內亦可。
又，本實施形態中示出腔室101內殘留的氮及氟之除去之例，但亦適用不限定於此之實施形態。例如本發明亦適用殘留的氟以外之鹵素元素之除去。
又，本發明不限定於前述實施形態，可以包含各種變形例。例如前述實施形態係為了容易理解本發明而進行說明之詳細說明者，但不限定於必須具備說明的全部構成者。又，可以將某一實施形態中的構成之一部分替換為其他實施形態之構成，又，可以在某一實施形態之構成添加其他實施形態之構成。又，針對各實施形態中的構成之一部分進行其他構成之追加･削除･替換亦可。
101:腔室 102:晶圓 103:試料台 104:微波透過窗 105:導波管 106:磁控管 107:螺線管 108:晶圓搬入口 109:氣體供給配管 110:第一高頻電源
[圖1]圖1係表示本發明之實施形態的電漿處理裝置之模式的構造之一例的剖面圖。 [圖2]圖2係表示使用圖1所示電漿處理裝置的電漿處理方法之順序之一例的流程圖。 [圖3]圖3係表示圖1所示電漿處理裝置中在腔室側壁殘留有氟的狀態之一例的剖面圖。 [圖4]圖4係表示本發明之實施形態的壁附近存在的粒子數與腔室側壁之電位之曲線圖。 [圖5]圖5係表示本發明之實施形態的本發明效果之圖。

Claims (6)

  1. 一種電漿處理方法，係在處理室內對試料進行電漿處理者，其特徵為該電漿處理方法具有：對前述試料進行電漿處理的第一工程；在前述第一工程後，使用含氟氣體對前述處理室內進行電漿潔淨之第二工程；及在前述第二工程後，使用實施了脈衝調變的高頻電力及藉由氧氣體生成的電漿對前述處理室內進行電漿潔淨之第三工程；而且，前述實施了脈衝調變的脈衝波形是重複單一矩形的波形。
  2. 如請求項1之電漿處理方法，其中前述第二工程之電漿為連續放電之電漿。
  3. 如請求項2之電漿處理方法，其中相比流入前述處理室之內壁的負離子之通量變為大於流入前述處理室之內壁的電子之通量時的電漿之off時間，更加長前述脈衝調變中的脈衝之off時間，或是將前述脈衝之off時間設為與前述電漿之off時間相等。
  4. 如請求項3之電漿處理方法，其中前述含氟氣體為三氟化氮(NF3)氣體。
  5. 如請求項4之電漿處理方法，其中將前述脈衝之工作比設為50%以下，將前述脈衝之週期設為1ms。
  6. 一種電漿處理裝置，係具備：處理室， 對試料進行電漿處理；高頻電源，供給用於生成電漿之高頻電力；及載置前述試料的試料台；其特徵為：還具備控制裝置，該控制裝置係依據規定之程式執行以下工程：對前述試料進行電漿處理的第一工程；在前述第一工程後，使用含氟氣體對前述處理室內進行電漿潔淨之第二工程；及在前述第二工程後，使用實施了脈衝調變的高頻電力及藉由氧氣體生成的電漿對前述處理室內進行電漿潔淨之第三工程；而且，前述實施了脈衝調變的脈衝波形是重複單一矩形的波形。
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