WO2020012693A1 - プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents

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Abstract

チャンバ内でウェハをエッチングするエッチング工程と、短時間でチャンバ内の残留ハロゲンなどを除去し、スループットを改善するプラズマ処理方法は、チャンバ内にハロゲン元素を含んだガスを導入することにより、前記チャンバの内壁の異物を除去するプラズマクリーニング工程と、前記チャンバ内において、酸素を含んだプラズマのオン状態とオフ状態とを交互に繰り返すことにより、前記プラズマクリーニング工程にて前記チャンバ内に残留したハロゲン元素を除去する残留ハロゲン除去工程と、を有する。

Description

プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置
　本発明は、プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に関する。
　半導体デバイスの製造工程においては、半導体装置に含まれるコンポーネントの微細化や集積化への対応が求められている。例えば、集積回路やナノ電気機械システムにおいて、構造物のナノスケール化がさらに推進されている。
　通常、半導体デバイスの製造工程において、微細パターンを成形するためにリソグラフィ技術が用いられる。この技術は、レジスト層の上にデバイス構造のパターンを適用し、レジスト層のパターンによって露出した基板を選択的にエッチング除去するものである。その後の処理工程において、エッチング領域内に他の材料を堆積させれば、集積回路を形成できる。
　ところで、近年、集積回路など半導体製造における微細化が進んでいることに伴い、チャンバ内でエッチング反応をより精微にコントロールするため、チャンバ内の雰囲気を安定化させるクリーニング技術の開発が進んでいる。
　しかしながら、クリーニング直後にエッチングを行うと、チャンバ内に残留したガスにより、エッチングレートが逆に不安定になってしまうという問題もある。また、クリーニングによりチャンバ内に存在する異物が基板上に付着し、配線形成などに悪影響を与えるという問題もある。特に、基板上に付着する異物は、半導体デバイスの歩留まりを著しく低下させる。
　この異物の原因として、主に、(a)チャンバ側壁の腐食や、副生成物の付着、及び(b)チャンバ内に残留したハロゲンからなる化合物の生成が挙げられる。(a)に起因する異物の対策としては、６フッ化硫黄(ＳＦ６)や３フッ化窒素(ＮＦ３)、酸素(Ｏ２)によるプラズマクリーニングによりチャンバ内雰囲気を安定させる手法が用いられる。(b)に起因する異物及びエッチングレートの変動に対しては、酸素プラズマによるクリーニングがなされている。
　特許文献１では、３フッ化窒素(ＮＦ３)によるクリーニングと、その後にチャンバ内に残留するフッ素を除去する技術が開示されている。また、特許文献２では、プラズマ生成状態とプラズマ非生成状態とを交互に繰り返すことにより、チャンバ内をプラズマクリーニングする技術が開示されている。
特開２０１６－２２５５６７号公報 特開２０１０－１４０９４４号公報
　特許文献１に開示された技術では、残留する窒素やフッ素を完全に除去するまでに長時間を要するため、単位時間当たりの製品処理枚数(スループット)が少なく生産性が悪い。また、特許文献２に開示されたプラズマクリーニングは、チャンバ内における残留窒素や残留ハロゲンの除去を行うためのものではない。
　本発明は、短時間でチャンバ内の残留ハロゲンなどを除去し、クリーニング処理のスループットを改善することができるプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、代表的な本発明のプラズマ処理方法は、処理室内にて試料をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、前記試料をプラズマ処理する第一の工程と、前記第一の工程後、フッ素含有ガスを用いて前記処理室内をプラズマクリーニングする第二の工程と、前記第二の工程後、パルス変調された高周波電力および酸素ガスにより生成されたプラズマを用いて前記処理室内をプラズマクリーニングする第三の工程とを有する。
　本発明によれば、短時間でチャンバ内の残留ハロゲンなどを除去し、クリーニング処理のスループットを改善することができる。
　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
図１は、本発明の実施の形態にかかる、プラズマ処理装置の模式的な構造の一例を示す断面図である。 図２は、図１に示すプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法の手順の一例を示すフロー図である。 図３は、図１に示すプラズマ処理装置においてチャンバ側壁にフッ素が残留した状態の一例を示す断面図である。 図４は、本発明の実施形態にかかる、壁付近に存在しうる粒子数と、チャンバ側壁のポテンシャルのグラフである。 図５は、本発明の実施形態にかかる、本発明の効果を表した図である。
　本発明に係るプラズマ処理方法の具体的な実施形態を以下に説明する。
　最初に、プラズマ処理方法を実施するためのプラズマエッチング装置（プラズマ処理装置）の一例を、図面を参照しながら説明する。図１は、プラズマ生成手段にマイクロ波と磁場を利用したＥｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ(以下、ＥＣＲと称する)型プラズマエッチング装置の概略断面図である。
　ＥＣＲ型プラズマエッチング装置は、プラズマ処理室であって内部を真空排気可能なチャンバ１０１と、試料であるウェハ１０２を載置する試料台１０３と、チャンバ１０１の上面に設けられた石英製のマイクロ波透過窓１０４と、その上方に設けられた導波管１０５と、マイクロ波を発振するマグネトロン１０６と、マグネトロン１０６に高周波電力を供給する第一の高周波電源１１０と、チャンバ１０１の周りに設けられたソレノイドコイル１０７と、チャンバ内にプロセスガスを導入するガス供給配管１０９と、第一の高周波電源１１０を制御する制御装置ＣＯＮＴを備える。制御装置ＣＯＮＴは、後述する第一の工程と、第二の工程と、第三の工程とを実行するプログラムが格納された記憶部を有する。
　第一の高周波電源１１０は、制御装置ＣＯＮＴの制御に従い、マグネトロン１０６から発振するマイクロ波をパルス変調する機能を備えている。ここで、マイクロ波の発振（オン）と中断（オフ）を繰り返す周期の逆数をパルス周波数、その発振時間をパルス周期で除した値をデューティー比とする。
　次に、プラズマエッチング装置の動作を説明する。ウェハ１０２は、ウェハ搬入口１０８からチャンバ１０１内に搬入された後、静電吸着電源(図示せず)によって試料台１０３に静電吸着される。次にプロセスガスが、ガス供給配管１０９からチャンバ１０１内に導入される。
　チャンバ１０１内は、真空ポンプ(図示せず)により減圧排気され、所定の圧力(例えば、０．１Ｐａ～５０Ｐａ)に調整される。次に高周波電源１１０よりマグネトロン１０６に高周波電力を供給することにより、マグネトロン１０６から周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が発振され、導波管１０５を介してチャンバ１０１内に伝播される。
　ソレノイドコイル１０７によって発生された磁場と、マイクロ波との相互作用によってプロセスガスが励起され、ウェハ１０２上部の空間にプラズマ１１１が生成される。一方、試料台１０３には、第二の高周波電源(図示せず)によってバイアスが印加され、プラズマ１１１中のイオンがウェハ１０２上に垂直に加速され入射する。
　また、第二の高周波電源(図示せず)は、連続的なバイアス電力、または時間変調されたバイアス電力を試料台１０３に印加することができる。プラズマ１１１からのラジカルとイオンの作用によって、ウェハ１０２が異方的にエッチングされる。
　次に、図１に示したプラズマエッチング装置を用いたクリーニング処理工程を含む一連のプロセスを、図面を参照しながら説明する。図２は、制御装置ＣＯＮＴが前記プログラムに従って実行する、一連のプロセスを示すフローチャートである。
　ステップ２０１において、被処理ロットの１枚目のウェハ１０２のエッチング後の形状が、２枚目以降にエッチングされるウェハ１０２と比べて、大きく変わらないよう、あらかじめ設定された条件により、ウェハのプラズマ処理を行う。これをシーズニング工程という。
　次に、ステップ２０２において、ウェハ１０２のエッチングを行う（第一の工程）。このとき、チャンバ１０１内壁に副生成物（異物）が付着する。
　その後、ステップ２０３では、アルゴンガスと三フッ化窒素ガスを混合したガス（フッ素含有ガス）をチャンバ１０１に導入し、更にプラズマ１１１を発生させることにより、チャンバ１０１のプラズマクリーニングを行う。この時の処理圧力は１５Ｐａ、マイクロ波のデューティー比１００％（連続発振すなわち連続放電）である。ステップ２０３により、ステップ２０２においてチャンバ１０１内壁に付着した副生成物の除去を行う（第二の工程）。
　その後、ステップ２０３で生じた、チャンバ１０１内に残留する窒素及びフッ素を除去するため、ステップ２０４を行う。ステップ２０４ではチャンバ１０１内に、パルス変調された高周波電力を供給するとともにアルゴンガスと酸素ガスを導入して生成されたプラズマを用いて、残留する窒素及びフッ素の除去（プラズマクリーニング）を行う（第三の工程）。この時の処理圧力は０．４Ｐａ、例えばマイクロ波のデューティー比は５０％、パルス周波数は１０００Ｈｚである。
　更にステップ２０５で、被処理ロット内に未処理のウェハがある場合には、再度ステップ２０２に戻って、エッチング等を行う。一方、ロット内に未処理のウェハがない場合は、１ロットの処理が終了となる。次のロットがある場合、ステップ２０１に戻りシーズニング工程を行って、次のロットのウェハのエッチングを開始する。
　次に、ステップ２０４によるチャンバ１０１内に残留した窒素及びフッ素の除去効果について述べる。
（実施例）
　上記の条件で、ステップ２０４によるチャンバ１０１内のクリーニングが完了した後、チャンバ１０１内に搬入されたウェハ１０２上に付着した窒素及びフッ素起因の異物の確認を行ったが、窒素及びフッ素起因の異物は検出できなかった。これに対し、ステップ２０４の条件の内、マイクロ波のデューティー比を１００％にし、同様の確認を行ったところ、窒素及びフッ素起因の異物が観察された。
　異物発生の理由について、以下のように説明できる。
　図３は、ステップ２０３終了後のチャンバ１０１側壁を模式的に示した図である。黒塗りで示したサークルは、チャンバ１０１側壁の構成元素を示している。
　ステップ２０４において、生成されたプラズマ１１１中のイオンが、チャンバ１０１側壁をスパッタリングする、若しくは酸素が壁を酸化させることで、残留しているフッ素元素及び窒素元素を除去する。
　一方、ステップ２０４において、プラズマ１１１は、高周波電源１１０からの高周波電力に応じて、マグネトロン１０６から発振されたマイクロ波によりオン状態となり、またマイクロ波の中断によりオフ状態となり、これらをパルス波形状に交互に繰り返している。プラズマ１１１がオフ状態となった時、電子温度が急激に低くなり、プラズマ１１１はプラズマ中に存在する分子に吸着し、またはチャンバ１０１側壁に拡散して減少する。
　そのため、チャンバ１０１側壁へ流入する電子フラックスが減少し、負に帯電していたチャンバ１０１側壁の電位が上がる。一方で、プラズマ１１１中に存在する酸素は電子親和力が高いため、プラズマ１１１中ではその多くが負イオンとして存在している。そのため、負の酸素イオンは、プラズマ１１１がオン状態である時はチャンバ１０１側壁の電位に押し返され、チャンバ１０１側壁付近で少量しか存在できない。
　しかし、プラズマ１１１をオフ状態にすることで、チャンバ１０１側壁の電位が徐々に上がる。これにより、酸素を元素に持つ粒子がチャンバ１０１側壁により多く流入するようになる。これにより、チャンバ１０１側壁を酸化し、チャンバ１０１側壁に残留した窒素とフッ素を除去することができる。よって、プラズマをオフしている時間、すなわちマイクロ波の発振を中断する時間は、チャンバ１０１側壁へ流入する負の酸素イオンフラックスが、チャンバ１０１側壁へ流入する電子フラックスより大きくなる時間以上とすればよい。換言すれば、チャンバ１０１側壁へ流入する負の酸素イオンフラックスが、チャンバ１０１側壁へ流入する電子フラックスより大きくなるプラズマのオフ時間と同等、もしくはそれよりパルスのオフ時間を長くすればよい。
　図４は、上記理論の裏付けとなる、プラズマ１１１中に存在する負の電荷を持つ酸素イオンの数と電位の関係を表した図である。ただし、縦軸は粒子数Ｎ、横軸はチャンバ１０１側壁の電位-Ｖであり、粒子数はボルツマン分布に従うとした。Ｖｏｎはマイクロ波が発振されている時のチャンバ１０１側壁の電位であり、Ｖｏｆｆはマイクロ波の発振を中断した後、所定時間経過した時の該側壁の電位である。
　図４から分かる通り、プラズマ１１１をオフ状態にすると、チャンバ１０１側壁付近に存在できるイオン数が増加する。以上より、マイクロ波は、連続発振させるよりもパルス変調させた方が、異物の除去性が高くなることが分かる。マイクロ波のパルスの周期は、１ミリ秒以下であると好ましい。
　ただし、プラズマ１１１のオフ時間が、プラズマ１１１中のイオンが消失する時間より長くなると、プラズマ１１１が失火してしまう。そのため、プラズマ１１１の最大オフ時間については、プラズマ１１１中のイオンが消失する時間以下にすること、具体的には、パルス変調における１周期でのマイクロ波の発振中断時間を１０ミリ秒以下にすることが望まれる。
　また、図５は、本実施例における残留窒素及び残留フッ素の除去性の効果を表すグラフである。ここでは、上記実施例のステップ２０４において第一の高周波電源１１０の最大出力及びデューティー比のみを変え、ステップ２０４の後にチャンバ１０１内でアルゴンガスのみによる連続放電を行い、その中でのフッ素の発光量の時間平均を示している。
　具体的には、マイクロ波のパルス変調の周期に対するマイクロ波の発振時間をデューティー比とする（デューティー比２０であれば、パルス変調の周期の２０％の時間でマイクロ波が発振されることを意味する）。またフッ素の発光量が高いほど、残存するフッ素の量が多いことを示す。
　図５の結果から、第一の高周波電源１１０の最大出力を３００Ｗ，６００Ｗ，１０００Ｗと変化させても、異物除去効果の傾向は殆ど変わらないことがわかる。また、デューティー比１００が最も異物除去効果が低いのに対し、デューティー比が下がるにつれて異物除去効果が高くなり、特にあるデューティー比を閾値として、異物除去効果が高くなる傾向があることがわかる。したがって、プラズマ１１１のオン時間、つまりマイクロ波の発振時間は、マージンを確保しつつパルスのデューティー比を５０％以下とするのが望まれる。
　尚、本発明は、図２のプロセスに限定されない実施形態でも適用可能である。例えば、少なくともステップ２０３を含むいかなる実施形態でも、本発明を適用可能である。
　また、上記実施形態ではウェハ１０２を搬入する工程を有するが、これに限定されない実施形態でも適用可能である。例えば、ステップ２０１、ステップ２０３及びステップ２０４を行う際に、ウェハ１０２はチャンバ１０１内に搬入されなくても構わない。
　また、本実施形態ではチャンバ１０１内に残留した窒素及びフッ素の除去例を示したが、これに限定されない実施形態でも適用可能である。例えば、残留したフッ素以外のハロゲン元素の除去にも、本発明を適用可能である。
　なお、本発明は上記した実施の形態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、上記した実施の形態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。また、ある実施の形態における構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態における構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
　１０１：チャンバ、１０２：ウェハ、１０３：試料台、１０４：マイクロ波透過窓、１０５：導波管、１０６：マグネトロン、１０７：ソレノイドコイル、１０８：ウェハ搬入口、１０９：ガス供給配管、１１０：第一の高周波電源

Claims (6)

  1. 　処理室内にて試料をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、
    　前記試料をプラズマ処理する第一の工程と、
    　前記第一の工程後、フッ素含有ガスを用いて前記処理室内をプラズマクリーニングする第二の工程と、
    　前記第二の工程後、パルス変調された高周波電力および酸素ガスにより生成されたプラズマを用いて前記処理室内をプラズマクリーニングする第三の工程とを有する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、
    　前記第二の工程のプラズマは、連続放電のプラズマであることを特徴とするプラズマ処理方法。
  3. 　請求項２に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記処理室の内壁へ流入する負イオンのフラックスが前記処理室の内壁へ流入する電子のフラックスより大きくなるプラズマのオフ時間より前記パルス変調におけるパルスのオフ時間を長くする、または前記パルスのオフ時間を前記プラズマのオフ時間と同等にすることを特徴とするプラズマ処理方法。
  4. 　請求項３に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記フッ素含有ガスは、三フッ化窒素(ＮＦ３)ガスであることを特徴とするプラズマ処理方法。
  5. 　請求項４に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記パルスのデューティー比を５０％以下とし、
    　前記パルスの周期を１ｍｓとすることを特徴とするプラズマ処理方法。
  6. 　試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波電源と、前記試料が載置される試料台とを備えるプラズマ処理装置において、
    　前記試料をプラズマ処理する第一の工程と、前記第一の工程後、フッ素含有ガスを用いて前記処理室内をプラズマクリーニングする第二の工程と、前記第二の工程後、パルス変調された高周波電力および酸素ガスにより生成されたプラズマを用いて前記処理室内をプラズマクリーニングする第三の工程とが規定されたプログラムを実行する制御装置をさらに備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
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