JP2012109472A - プラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、処理室内壁や処理室内のパーツのＹ₂Ｏ₃表面の変質層に起因した異物の抑制または低減するプラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】本発明は処理室内壁面を構成する材料、または処理室内パーツの材料がイットリアからなるプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、前記処理室内に試料を配置し、前記試料をエッチングする工程と、前記エッチング工程により前記処理室内に堆積した堆積物を、フッ素または塩素を含むガスを用いたプラズマにより除去する堆積物除去工程と、前記堆積物除去工程後の前記処理室内を、希ガスのプラズマに曝す工程とを有することを特徴とするプラズマ処理方法である。
【選択図】 図４

Description

本発明は、プラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法に関する。特にプラズマ処理方法におけるプラズマクリーニングに関する。

半導体処理の分野では生産性向上のため、プラズマエッチングにおいて、ウエハ上に加工される微細構造上への微粒子の落下を可能な限り少なくすることが要求されている。微粒子の発生機構として、ウエハ処理中に処理室の壁面または処理室内のパーツに堆積する膜がウエハに再入射することや、処理室表面を構成する材料自体が処理室中へ放出され、ウエハ表面へ落下することが挙げられる。そのため微粒子の発生を抑制する手段として、堆積膜を除去するプラズマクリーニング方法や微粒子が出にくい材料が処理室内壁として用いられている。

微粒子の発生を抑制する従来の技術として、ウエハ処理後に堆積膜をプラズマクリーニングする方法がある。特許文献１では、この堆積膜除去に加え、処理室中に放出された壁材料と処理ガスとの化合物を化学的に分解，除去可能なプラズマを用いることで微粒子の発生を抑制している。また、特許文献２では堆積膜を除去するステップの後に、処理室内壁をプラズマに曝す数百ミリ秒から数秒の短いステップを加え、内壁表面に吸着することで残存しているガス状の反応生成物を処理室へ放出することで微粒子の発生を抑制している。

デバイスの量産時においては、ウエハの連続処理時間の増加に伴って、堆積物や処理室内壁材料とガスの化合物が増加することで、微粒子の数が増加するという問題がある。これに対処するために、装置を分解し、処理室内壁部品の洗浄または交換作業が実施されている。これら作業の後、ウエハ処理を再開するためには数時間から１日程度の装置立ち上げ作業が必要であり、デバイスの生産性は低下する。よって、より長時間に渡って微粒子の少ない状態で処理を継続できるプラズマ処理装置またはプラズマ処理の運用方法が要求されている。

ウエハ上の表面には微細構造が高密度に加工される部分と微細構造が少ない部分がある。微細構造が少ない場所に微粒子が落下した場合には、微粒子がその構造に対して十分小さい場合にはデバイスの歩留り低下への影響は小さい。一方で、微細構造を高密度に加工する部分に微粒子が落下した場合、エッチング形状の悪化により、歩留りが低下する可能性が高くなる。また微粒子の大きさに比例して、エッチング形状が悪化する面積も広くなるため、歩留りが低下する。従って、近年の半導体加工における高微細化の進展に伴い、ウエハへ落下する微粒子の数を少なくし、かつその粒径もできる限り小さなものにすることが要求されている。

特開平１０−２６１６２３号公報 特開平１０−２３３３８８号公報

前述の通り、微粒子の発生要因の一つは処理室内壁材料がプラズマによってスパッタリングされ、処理室内へ放出されることである。従って、処理室内壁材料にはプラズマスパッタリングに対する耐性が極めて高い材料を採用すれば良い。そのため、近年では新しい材料としてイットリア（以下Ｙ₂Ｏ₃と称す）の溶射物や焼結体，耐性向上を目的としてジルコニア等の各種の微量元素を添加したＹ₂Ｏ₃やアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）材等の採用が進められている。

これらの新しい材料を用いた処理室内壁はその高いプラズマ耐性によって、微粒子を非常に少なく抑えた状態でウエハの量産処理を開始できる。しかしながら、ウエハの処理枚数が増加するにつれて、少しずつではあるが、処理室内壁表面から材料原子や分子がスパッタされて放出される。Ｙ₂Ｏ₃等の材料には、材料表面形成時にできる結晶界面やラメラ構造のような境界があり、材料表面からの原子，分子の放出が続くと、この境界に沿った数十ｎｍ以上の大きさの微粒子が処理室へ放出され、ウエハに落下する。さらに、ウエハ処理枚数の増加に従い微粒子の数は徐々に増加する。ウエハ処理枚数とウエハへ落下する微粒子の数とその組成を調査することで、ウエハ処理用の反応性ガスが壁材料へ接触し、反応することによって壁材料表面が変質することが微粒子増加の原因であることが判明した。加えて、この変質領域がウエハ処理枚数の増加に伴い拡大することで、微粒子の発生数が増加するということも判明した。また、この変質領域の拡大は前述の材料内部に存在する境界に沿った形で発生する微粒子の放出を増大させることも判明した。壁材料に対して反応性をもつガスの密度が高い場合や、この反応性ガスと材料表面の接触時間が長いほど変質領域は拡大し、図１に示すように材料内部へ変質層が広がっていく。この変質層は比較的プラズマに対する耐性は高い場合が多いが、変質前のもともとの材料と比較すると、プラズマ耐性が低いため、微粒子化し易い。また、この変質層を化学的に分解除去できるプラズマが無い場合が多い。変質層を化学的に分解可能なガス種がある場合でも、ウエハ処理用の試料台材料等に対する反応性が高すぎることで、変質層以外の装置内のパーツへのダメージが大きくなり使用困難な場合がある。

以上の現象は、壁材料にＹ₂Ｏ₃を用い、変質を起こすガスとしてフッ素（Ｆ）や塩素（Ｃｌ）を含むガスをエッチングガスまたはプラズマクリーニングに用いた場合であり、以下、具体的に説明する。Ｙ₂Ｏ₃は高いプラズマ耐性をもっており、ウエハ処理中に発生する微粒子を抑制できる。しかし、ウエハ処理枚数が増えるにつれて処理ガス中のフッ素や塩素によってＹ₂Ｏ₃の酸素が徐々に置換されていき、ＹＦ，ＹＯＦ，ＹＣｌ，ＹＯＣｌとなりフッ化や塩化が進む。つまり壁材料中のフッ素，塩素原子密度が増加することで、元々のＹ₂Ｏ₃材料は変質する。このフッ化や塩化によるＹ₂Ｏ₃の変質層は前述の通り微粒子増加の原因となり、またフッ素，塩素ガスとの接触頻度が増加することで変質領域がより広く、深くなっていく（図１参照）。

以上より、ウエハ処理枚数の増加に伴う微粒子の増加を抑制するためには、処理室内壁や処理室内のパーツのＹ₂Ｏ₃表面の変質層の影響を取り除くことが必要となる。そこで、本発明では、処理室内壁や処理室内のパーツのＹ₂Ｏ₃表面の変質層に起因した異物の抑制または低減するプラズマ処理方法を提供する。

本発明は、処理室内壁面を構成する材料、または処理室内パーツの材料がイットリアからなるプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、前記処理室内に試料を配置し、前記試料をエッチングする工程と、前記エッチング工程により前記処理室内に堆積した堆積物を、フッ素または塩素を含むガスを用いたプラズマにより除去する堆積物除去工程と、前記堆積物除去工程後の前記処理室内を、希ガスのプラズマに曝す工程とを有することを特徴とするプラズマ処理方法である。

本発明のプラズマ処理方法を適用することにより、Ｙ₂Ｏ₃を処理室内に使用したプラズマ処理装置において、Ｙ₂Ｏ₃表面の変質層に起因した異物の抑制または低減することができる。

量産処理時間と変質領域拡大の相関関係を示した図である。 本発明を適用したプラズマ処理装置の処理室の概断面図である。 従来のプラズマ処理方法の手順を示した図である。 本発明のプラズマ処理方法の手順を示した図である。 本発明のプラズマ処理方法適用時の装置内壁材料表面の概要を示した図である。

以下、本発明の一実施例を添付図面を用いて説明する。図２は本発明を適用したプラズマエッチング装置の処理室の概断面図である。前記処理室はアンテナ，ソレノイドコイルや導波路等のプラズマを生成するためのプラズマ生成手段を備えており（図示せず）、処理室内部においてプラズマは生成される。また、処理室内にウエハを載置する試料台９が設置され、試料台周辺におけるプラズマに曝される箇所として、試料台表面，サセプタ６，試料台カバー１０等がある。これらの箇所にはプラズマ耐性を向上させるために、Ｙ₂Ｏ₃が用いられる。処理室は内壁３と天板２により真空に封止され、処理室内へのガス導入用穴が設けられたシャワープレート１を介してガスが処理室内へ導入される。処理室内に導入されたガスとプラズマ生成手段により供給された高周波電力によりプラズマが発生する。上記の内壁３とシャワープレート１は、プラズマに曝されるため、内壁３とシャワープレート１の少なくとも一方は表面をＹ₂Ｏ₃でコーティングされているか、またはＹ₂Ｏ₃の材料で製作されている。また、内壁３にはプラズマに曝される箇所をカバーし、交換可能な内筒（図示せず）またはライナー（図示せず）等のパーツが用いられても良い。この場合には前記の内筒またはライナーの表面にＹ₂Ｏ₃がコーティングされている。また、内筒またはライナーがＹ₂Ｏ₃の材料から製作されても良い。内筒またはライナーを用いる場合は、内筒またはライナーでカバーされる内壁箇所は必ずしもＹ₂Ｏ₃を用いる必要はない。その他の処理室内でプラズマに曝される箇所として、プラズマを閉じ込めるための隔壁板４，ウエハ搬送用ゲート５，プラズマの拡散を防止するためのバッフル板７，圧力制御バルブ８等の表面がある。本実施例では、隔壁板４とバッフル板７は表面にＹ₂Ｏ₃のコーティングが施されているか、またはＹ₂Ｏ₃の材料から製作されているが、ウエハ搬送用ゲート５や圧力制御バルブ８の表面にＹ₂Ｏ₃のコーティングは施されていない。しかし、ウエハ搬送用ゲート５や圧力制御バルブ８の表面にもＹ₂Ｏ₃のコーティングを施した方が、微粒子による異物低減の効果が更に向上する。

次に前記プラズマエッチング装置におけるプラズマ処理方法について説明する。先ず、従来のウエハのプラズマ処理方法の手順を図３に示す。前述の通り、処理室内のプラズマに曝される箇所にはプラズマに対する耐性が高いＹ₂Ｏ₃等の材料が用いられており、例えば内壁表面にはウエハ処理中（図３（ｃ））に生成される堆積物が付着する。この堆積膜はウエハから放出される反応生成物，処理ガスから発生する堆積性ラジカル，スパッタで処理室へ放出される内壁材料と反応性ガスとの化合物等からなる。これらの堆積膜は微粒子発生の原因となるため、ウエハを処理室外へ搬送した後（図３（ｄ））、堆積膜を除去するプラズマクリーニング処理を実施する（図３（ｅ））。典型的な堆積膜の除去方法として、化学反応を利用したプラズマクリーニングが用いられる。

一方、本発明のプラズマ処理方法は、図４に示されるように、変質層を除去するステップ（図４（ｅ））を従来のプラズマ処理方法（図３）に追加したものである。この変質層除去ステップでは、変質層下の元の材料に対して、化学的な反応性を持たないガス（例えば希ガス）または変質層を増加させないガスを用いてプラズマを生成し、壁表面に３秒以上照射する。３秒以下だと希ガスプラズマによるＹ₂Ｏ₃のエッチングレートが非常に遅いため、変質層は除去できない。また、変質層の上にウエハ処理中に発生した堆積膜がない場合は、堆積膜を除去するクリーニングステップ（図４（ｃ））は無くても良い。

次に本発明の原理を本発明適用時における装置内壁の表面状態の概要を示した図５を用いて説明する。図５では、壁材料をＹ₂Ｏ₃とし、変質を起こすガスを少なくともフッ素（以下Ｆと称す）を含むガスまたは少なくとも塩素（以下Ｃｌと称す）を含むガスとし、変質層除去用のガスはアルゴン（以下Ａｒと称す）とした。また、変質層除去ステップの条件としてＡｒガス流量：２４０ｃｃｍ、処理室内圧力：０.５Ｐａ、プラズマ生成用電源出力：１０００Ｗを用いた。

近年ではプラズマエッチング装置の生産性向上のため、同一処理室にてウエハ上の複数の膜が積層された積層膜を一貫してエッチングすることが主流となっている。上記積層膜の各膜において最適なエッチング形状を得るため、各膜毎に最適なエッチングステップにてエッチングを行う。また、同じ膜のエッチングにおいても、エッチング開始時のブレークスルーステップ，残余膜の大半をエッチングするメインエッチングステップ，前記メインエッチングステップ後の残余膜除去用のオーバーエッチングステップといったように複数のステップが使用される。これらの各エッチングステップの中で、堆積物の発生しないエッチングステップにおいて、プラズマ中にＦ，Ｃｌの反応性ガスがある場合には、Ｙ₂Ｏ₃材料の表面層がＹＦ，ＹＣｌ等に変質する（図５（ｂ））。その後のエッチングステップにて堆積物が発生する場合には変質層の上に堆積膜が形成される（図５（ｃ））。さらにその後のステップにおいてＦ，Ｃｌを含む反応性プラズマが使用され、堆積膜が除去されると、再び変質層の形成が進行することになる。従って、複数のエッチングステップを使用する場合において、内壁表面では変質層の形成（図５（ｂ））と堆積膜の形成（図５（ｃ））が繰り返されることになる。

積層膜の一貫のエッチング完了後には、処理室の内壁３の全体または一部分に堆積膜が残存する場合が多く、これを除去するために、ウエハを処理室より搬出した後、プラズマクリーニングが実施される。このプラズマクリーニングステップでは、まず化学クリーニングによって堆積膜を除去する（図５（ｄ））。通常、この堆積膜は装置内の場所によって厚さが異なる。その一方で装置内全面の堆積膜を除去するため、最も堆積膜の厚い部分のクリーニングが完了するまでの処理時間が必要となる。従って堆積膜の薄い部分の材料表面は過剰にクリーニングされることになる（図５（ｅ））。また、堆積膜の除去完了時間の正確な確認が困難な場合のプラズマクリーニングは、堆積膜除去に必要だと推定される時間に所定の時間を追加した時間だけ行われる。尚、追加した時間分のプラズマクリーニングをオーバークリーニングと称する。化学クリーニングではＦ，Ｃｌ等の反応性ガスを含むプラズマを頻繁に使用するため、オーバークリーニング時にも変質層が形成される。本発明では、化学クリーニングの次のステップとして、変質層下の元の材料に対して、化学的な反応性を持たないＡｒガスプラズマを変質層に照射する。またＡｒガスは他の希ガスでも良い。Ａｒガスプラズマによって変質層をスパッタクリーニングすることで、変質層をＹＦ，ＹＣｌとして処理室中に放出し、処理室外へ排気することにより、変質層の除去が可能となる。変質層を除去した後のＡｒガスプラズマによるオーバークリーニングではＹ₂Ｏ₃材料がスパッタリングされるが、ＹＦ，ＹＣｌ等の変質層が形成されることはない。一方、Ｙ₂Ｏ₃等のプラズマ耐性の高い材料を処理室内に用いたプラズマ処理装置において従来のプラズマ処理方法（図３）を適用すると、ウエハの量産処理の初期では、微粒子を抑制した状態で処理が可能となるが、ウエハの処理枚数が増加するに従って、微粒子の数は増加する。この微粒子が増加するメカニズムは以下の通りである。従来のプラズマ処理方法のウエハ処理手順（図３）にて、処理を続けた場合には、図５（ｂ）〜（ｅ）が繰り返されるため、堆積膜が生成されないエッチングステップと化学クリーニング中のオーバークリーニング時に、徐々に材料表面を構成する原子が反応性ガスによって置換され、変質層となる。さらに処理時間が増加することで、この変質領域の面積が増加し、材料の深さ方向にも変質部が増加していく（図１参照）。

以上より、ウエハ処理枚数の増加に伴う微粒子の増加を抑制するためには、処理室内に生成された変質層を可能な限り取り除けば良い。本発明では図５に示すように変質層除去のためのクリーニングを実施するため、ウエハ処理枚数増加による微粒子発生を抑制できる。

さらに、本発明では変質層除去の処理中に新たな変質層の拡大を防ぐことができるため、処理時間を微粒子低減に必要な時間に合わせて自由に伸ばすことが可能である。従って、変質層の除去をウエハ１枚毎や所定枚数後にまとめて長時間実施することができる。加えて、装置のアイドリング時間に本発明の処理を適用し、生産性を向上することもできる。

変質層に照射するプラズマ中の正イオンは高密度かつ高エネルギーとすることが望ましい。よって、処理室内の変質層の変質の度合いの大きい部分に高い密度のプラズマを生成する構造を持っていても良い。具体的には、処理室内の磁場分布を制御できるコイルや、処理室内壁表面の一部に高周波電力を印加する構造が使用できる。

また、変質層の除去時にヒータ，温媒，赤外線等の加熱機構（図示せず）を用いて、変質層表面の温度を上昇させて、除去速度を上げることができる。ただし、処理室内壁温度を大きく上下させ過ぎると、熱応力によって表面材料にクラックや欠け部分が発生し、微粒子が増加する。よって、壁材料の表面の熱応力に対する耐性を考慮して、変質層除去ステップでの加熱時の到達温度を決定する必要がある。

また、ウエハ処理が複数のステップで構成される場合において、特定のステップ直後に微粒子の発生が増大する場合には、該当のステップ後にウエハを処理室外へ搬出し、本発明でのクリーニングを実施し、再度、該ウエハを処理室内へ搬送し、続きのステップを処理することで、微粒子の発生を抑制することができる。ここでのクリーニングは、化学クリーニング及び変質層除去用クリーニングまたは、変質層除去用クリーニングである。

クリーニング時間は可能な限り短い方が良いが、クリーニング完了時間の正確な確認が困難な場合には、オーバークリーニングを長く実施する必要がある。しかしその一方で、前述の通り、オーバークリーニングの時間に比例して変質層は増加し、微粒子の発生数も増加する。本発明における変質層の除去を適用することで、長いオーバークリーニングを適用しながら、微粒子の発生を抑制し、異物を抑制することができる。

さらに、本発明は処理室製作直後の微粒子数の抑制にも適用可能である。処理室内を構成するパーツは製作後に表面の付着物を落とすために洗浄される。しかし、洗浄後でも完全に除去できない付着物が残留する場合があり、ウエハ処理時に微粒子の原因となる。また、これらパーツの表面はパーツ製作時の材料自体の微小な破片や表面の研磨傷や面荒れがあり、これらも微粒子発生の原因となる。加えて、洗浄処理自体によってパーツの表面の変質が発生する場合がある。このため、量産処理開始時における微粒子発生の要因を取り除くために、処理室製作後，ウエハ処理開始前の立ち上げ処理として、まず反応性ガスを用いたプラズマによる化学クリーニングによって付着物の除去ステップを実施し、次に処理室内をスパッタクリーニングするために希ガス等を用いたプラズマで照射すれば良い。付着物は主にカーボンや金属元素で構成される場合が多く、化学クリーニングによって効率良く除去可能である。ただし、化学クリーニングに用いるガスは内壁表面の変質を引き起こさないガスが望ましく、もし変質層の原因となるガスを含む場合は処理時間をできるだけ短時間にした方が良い。希ガス等によるプラズマを内壁表面へ照射することによって、ウエハ処理開始後に処理室内に放出されやすい材料表面の面荒れ部位や微小片を除去し、ウエハ処理初期の微粒子を少なくすることができる。また洗浄処理や化学クリーニング時に処理室内に変質層が発生した場合でも、変質層の除去が可能である。処理室内の洗浄は、長期間のウエハ処理後にも実施される。このような処理室の洗浄をウェットクリーニングと称する。このウェットクリーニング後にも本発明を適用することで、量産処理開始直後の微粒子発生を抑制することができる。このため、変質層除去処理にプラズマ処理装置のアイドリング時間を利用することで、変質層を除去するステップを追加しつつ、生産性を維持することが可能である。また、本実施例では変質層の除去処理はウエハ１枚毎であるが、規定のウエハ枚数に達するごとに実施しても良い。また、本実施例では、主に処理室の内壁３に使用されているＹ₂Ｏ₃に関して説明したが、他にシャワープレート１，隔壁板４，サセプタ６，バッフル板７，試料台カバー１０，内筒，ライナー等の処理室内のパーツに使用されるＹ₂Ｏ₃にも本発明を適用することにより、上述した同様の効果が得られる。また、処理室内の内壁３、上述の処理室内のパーツ等の少なくとも１カ所でもＹ₂Ｏ₃が用いられていれば、本発明と同様な効果を得ることができる。

また、本発明により、ウエハ処理枚数の増加に伴う微粒子増加の抑制や解消が可能となる。これにより、ウエハ１枚から生産できるデバイス数が向上し、さらに微粒子増加に対応するためのパーツ洗浄の時間と回数の削減が可能となりプラズマ処理装置１台当たりの生産性が向上する。さらに、本発明では変質層下の元の材料に対して、化学的な反応性を持たないガス（例えば希ガス）または変質層を増加させないガスを用いるため、微粒子の原因となる変質層の除去をしている最中に、変質層を拡大させることがない。このため、除去処理の時間を微粒子低減に必要な時間に合わせて自由に伸ばせるため、ウエハ処理前数に合わせて除去処理時間を変更できる。

１ シャワープレート
２ 天板
３ 内壁
４ 隔壁板
５ ウエハ搬送用ゲート
６ サセプタ
７ バッフル板
８ 圧力制御バルブ
９ 試料台
１０ 試料台カバー

Claims (5)

1. 処理室内壁面を構成する材料、または処理室内パーツの材料がイットリアからなるプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、
   前記処理室内に試料を配置し、前記試料をエッチングする工程と、
   前記エッチング工程により前記処理室内に堆積した堆積物を、フッ素または塩素を含むガスを用いたプラズマにより除去する堆積物除去工程と、
   前記堆積物除去工程後の前記処理室内を、希ガスのプラズマに曝す工程とを有することを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 処理室内壁面を構成する材料、または処理室内パーツの材料がイットリアからなるプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、
   前記処理室内に試料を配置し、前記試料をエッチングする工程と、
   前記エッチング工程により前記処理室内に堆積した堆積物を、フッ素または塩素を含むガスを用いたプラズマにより除去する堆積物除去工程と、
   前記堆積物除去工程後の前記処理室の表面層を、希ガスを用いたプラズマにより除去する表面層除去工程とを有することを特徴とするプラズマ処理方法。
3. 請求項２記載のプラズマ処理方法において、
   前記表面層除去工程は、前記堆積物除去工程の後であって、前記堆積物除去工程の際に変質した前記処理室の表面層を、希ガスを用いたプラズマにより除去することを特徴とするプラズマ処理方法。
4. 請求項２記載のプラズマ処理方法において、
   前記表面層除去工程は、前記堆積物除去工程の後であって、次のエッチングする工程の前に、前記堆積物除去工程の際に変質した前記処理室の表面層を、希ガスを用いたプラズマにより除去することを特徴とするプラズマ処理方法。
5. 内壁面がイットリアで構成された処理室内または処理室内バーツがイットリアで構成された処理室内に試料を配置して該試料をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、
   前記試料が複数膜からなる積層膜を有し、前記試料の所定の膜までプラズマエッチング処理した後に、前記処理室内に希ガスを供給し、前記処理室内を前記希ガスのプラズマに晒し、その後、残余膜をプラズマエッチングすることを特徴とするプラズマ処理方法。

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