JP2009260091A - プラズマ処理装置のシーズニング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
真空処理室の大気開放を行いウェットクリーニング後のシーズニングにかかる時間を短縮し、量産現場でのコスト削減に寄与できるプラズマ処理装置のシーズニング方法を提供する。
【解決手段】
ウェットクリーニング後のシーズニング方法において、前記ウェットクリーニング後、処理ガスにフッ素系ガスを含むガスを使用し、かつ処理室内壁アース部に到達するイオンのエネルギーが処理室内壁アース部に使用した材料のスパッタ率の閾値を超えるように制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、プラズマ処理装置のシーズニング方法に係り、特に半導体製造工程において、ウェットクリーニング後の立ち上げを早期に行えるプラズマ処理装置のシーズニング方法に関する。

近年、デバイスの高集積化に伴って、プラズマ処理中に発生する異物及び汚染物質は、微細なものであっても製品不良を引き起こすため重要な問題となっている。また、被処理体の大型化に伴い、プラズマ処理における面内均一性も重要な課題となっている。

このような課題に対処するため、異物及び汚染に関しては、処理室内壁アース部を、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃），酸化イットリビウム（Ｙｂ₂Ｏ₃）又はフッ化イットリウム（ＹＦ₃）を主成分としたイットリウム（Ｙ）を含む耐プラズマ性材料の使用あるいはこれらの混合材で被覆されている。

また、面内均一性に関しては、プラズマの均一性を制御する目的で、処理室内の一部にシリコン（Ｓｉ）を含む材料を使用した部品が設置されている。

上記のように構成されたプラズマ処理装置においても、試料のプラズマ処理数の増加に伴って、プラズマ処理中に生じた不揮発性の反応生成物が、処理室内壁アース部に付着し、次第に剥離して異物として被処理体表面に付着することがある。こうした異物が、製品不良を引き起こし、半導体製造における歩留まりの低下を招いている。

そこで、これらを防ぐために、定期的に処理室内を大気に開放して、消耗部品の交換や、処理室内の付着物の除去といった、所謂ウェットクリーニングと呼ばれる処理を行う。しかし、ウェットクリーニングを行った直後の処理室内の雰囲気は、量産安定時の雰囲気とは異なるため、結果として、ウェットクリーニング前後でプラズマ処理性能を変化させていた。

そこで、これらを解決するために、一般的には、量産時のプラズマ処理を模擬したプラズマ処理（以下、シーズニングと呼ぶ）を行い、処理室内の状態を量産安定時に近づけていた。シーズニングには、製品用の被処理体とは異なる被処理体（以下、ダミーと呼ぶ）を用いてプラズマ処理することで、量産時のプラズマ処理を模擬することが多い。

ここで、シーズニングが終了したか否かを判断する方法として、エッチングレート（エッチング速度）およびレート分布（エッチング速度の面内分布）ならびに処理室内の異物個数が量産安定時と一致しているかどうかで判断する方法があり、例えば、特許文献１のように、プラズマの発光を解析することでエッチングレート及びレート分布の均一性を算出し、シーズニングの終了を判断する方法がある。

特開２００４−２３５３４９号公報

しかしながら、上記従来技術は、エッチングレートおよびレート分布ならびに処理室内の異物個数が量産安定時と一致していた場合においても、ＣＤ（Critical Dimension）が量産安定時と異なる場合がある。

特に、エッチングガスとしてフッ素系ガス（ＣＦ₄，Ｃ₄Ｆ₈，ＣＨＦ₃，ＳＦ₆，ＮＦ₃などのフッ素を含むガス）を含むガスを使用した際のポリシリコン（Poly−Ｓｉ）のＣＤが量産安定時より大きくなるという課題が発生している。

上記の課題は、シーズニングに要する時間を延ばすことで解決することができたが、これでは時間がかかりすぎてしまうという課題がある。つまり、量産現場においては、コスト削減の観点から、シーズニングに要する時間の短縮が求められている。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、シーズニングに要する時間を短縮できるプラズマ処理装置のシーズニング方法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、本発明は、処理室内壁アース部にイットリウム（Ｙ）を含む耐プラズマ性材料を使用し、かつ処理室内にシリコン（Ｓｉ）を含む材料を使用した部品を有し、エッチング及びシーズニング時に、フッ素系ガス（ＣＦ₄，Ｃ₄Ｆ₈，ＣＨＦ₃，ＳＦ₆，ＮＦ₃などのフッ素を含むガス）を含む処理ガスを使用したプラズマ処理装置におけるウェットクリーニング後のシーズニング条件において、前記ウェットクリーニング後、前記処理室内壁アース部に到達するイオンのエネルギーが、前記処理室内壁アース部に使用したイットリウムを含む耐プラズマ性材料でのスパッタ率（入射したイオンの個数と、入射イオンによって放出された粒子の個数との割合）の閾値を超えるように制御する。

一般に、スパッタ率は、入射イオンのエネルギーがある値以上でないと粒子が放出されないという閾値をもつことが知られており、閾値は入射するイオンとスパッタリングされる材料の種類によって異なる。また、本発明者らは、ウェットクリーニング直後のＣＤが量産安定時より大きくなる原因を検討していく中で、以下のことを見出した。

量産安定時において、処理室内に設置されたシリコンを含む部品表面の付着物を解析したところ、イットリウムもしくはイットリウムを含む反応生成物が多数検出された。

以上の点より、処理室内に設置されたシリコンを含む部品表面にイットリウムもしくはイットリウムを含む反応生成物を十分に付着させることで、ＣＤを量産安定時と一致させることができる。

しかし、従来使用していたシーズニング条件では、イットリウムを含む耐プラズマ性材料でのスパッタ率の閾値を超えないエネルギー領域を使用していた。そのため、イットリウムの発生源は、偶発した高エネルギーのイオンによるスパッタリングのみとなるため、イットリウムもしくはイットリウムを含む反応生成物を付着させるのに多くの時間を必要とし、効率的ではない。

そこで、本発明では、イットリウムを含む耐プラズマ性材料でのスパッタ率の閾値を超えるエネルギー領域を使用することで、効率的にイットリウムを放出させることができ、処理室内のシリコンを含む部品表面に十分にイットリウムもしくはイットリウムを含む反応生成物を付着させることができる。

以下、本発明の一実施例を、図１乃至図６を用いて説明する。

図１は、本発明を適用するプラズマ処理装置の一例であるプラズマエッチング装置の断面図を図示したものである。図１において、プラズマエッチングが行われる処理室１０１は、１０^-5Ｐａ程度の真空度を達成できる円柱形の真空容器であり、処理室１０１内は、下部に設置された真空排気手段及び調圧手段を備えた真空排気装置１０３により、高真空状態もしくは所定の圧力に保持されうる。

また、処理室１０１内壁部は接地されており、さらに、図示しない温度制御手段により２０〜１００℃の温度範囲で制御可能である。加えて、処理室１０１内壁部には上部に石英製のリング１０８、下部にイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）で被覆された部品１０９が設置されている。処理室１０１の上部には、マイクロ波を発生するためのマイクロ波発振器１０６が設置されており、処理室１０１内にマイクロ波を供給することができる。処理室１０１の上部には、処理室１０１外周を囲むようにコイル１０４が設置されており、処理室１０１内に磁場を発生させることができる。

処理室１０１内の上部には、処理ガスを供給するための多数の孔を備えた誘電体（例えば石英）製のガス導入板１０７が設置されている。処理ガスは、外部に設置されたガス供給手段及びガス流量制御手段を備えたガス供給装置１０５により、ガス配管を通して処理室１０１内に処理ガスを供給することができる。

また、処理室１０１内の下部には、被処理体である半導体ウェハを載置し、保持できるステージ１１０が設置されている。さらに、ステージ１１０には、被処理体を囲むように石英製のサセプタ１１２が設置されている。また、ステージ１１０には、ＲＦバイアス電力（周波数４００ｋＨｚ）を供給できるバイアス電源１１１が同軸線路で接続されている。

上記のように構成されたプラズマエッチング装置において、プラズマエッチングを行う手順を以下に記す。まず、予め高真空状態に保持された処理室１０１において、半導体ウェハをステージ１１０に載置し保持する。

次に、ガス供給装置１０５より処理ガスを処理室１０１内に供給する。供給された処理ガスは、発振器１０６により発生させたマイクロ波（周波数２.４５ＧＨｚ）とコイル１０４により発生させた磁場（磁場８.７５×１０^-2Ｔ）との共鳴現象（電子サイクロトロン共鳴）により、処理ガスを効率よくプラズマ化する。この間、処理室１０１内の圧力は真空排気装置１０３によって、所定の圧力に制御されている。

上記のようなプラズマエッチングを繰り返すうちに、処理室１０１内部には反応生成物が次第に堆積していき、堆積物が剥離するなどして、異物等が発生するようになる。そこで、処理室１０１を大気開放してウェットクリーニングを行うことが必要となる。

次に、ウェットクリーニング後のシーズニング条件を説明する。従来でのシーズニングに使用する条件は、量産安定時を模擬する目的から、量産時に半導体ウェハをプラズマ処理するエッチング条件と同じ条件（以下、量産条件と呼ぶ）を使用している。

一方、本一実施例においては、量産条件の直後に、処理室内壁のイットリウム（Ｙ）を放出させるための条件（以下、デポ条件と呼ぶ）を追加している。デポ条件は、処理ガスにＮＦ₃流量２５ｍｌ／min，Ｏ₂流量１５ｍｌ／min，Ｎ₂流量４５ｍｌ／minを使用し、ＲＦバイアス電力の値を４００Ｗとした。このＲＦバイアス値は量産条件の２倍の値である。

ここで、本一実施例でのスパッタ率とイオンエネルギーとの関係を図２に示す。図２は、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）をフッ素イオン（Ｆ⁺）でスパッタリングした時の特性図である。

図２において、Ｅ_thは閾値であり、量産条件でのイオンエネルギーはＥ_A、デポ条件はＥ_Bである。本一実施例では、ＲＦバイアス値を高パワーに設定することで、閾値を超えるエネルギーＥ_Bを得ている。また、イオンエネルギーの増加に伴い、スパッタ率は次第にある一定値に落ち着く傾向がある。このときのイオンエネルギーはＥ_C程度に相当する。本一実施例では、スパッタ率の閾値を超える全ての領域でその効果が得られるが、特にスパッタ率が一定値に落ち着くＥ_C程度の領域で使用するとより効果が高い。

以下に、本一実施例で行ったシーズニングの手順を図３を用いて説明する。図３は従来のシーズニング手順と本一実施例のシーズニング手順を表すフローチャート図である。図３において、本一実施例では、まず、ダミーを処理室１０１内のステージ１１０に載置し、量産条件でプラズマ処理する。その後ダミーは取り出さず、続けてデポ条件でプラズマ処理した後にダミーを処理室１０１より取り出す。このようなプラズマ処理を繰り返し行うことで、図４に示すような効果が得られる。

図４は、シーズニング後のＣＤ（Critical Dimension）差と、シーズニングに要する時間との関係を示す特性図である。ここで、ＣＤ差とは、量産安定時のＣＤとの差を示し、ＣＤ差が０の時に量産安定時のＣＤと一致したと判定する。図４より、従来のシーズニングでの結果と比較して、本一実施例での結果の方が、量産安定時と一致するまでに要する時間が大幅に短縮されていることがわかる。

本発明者らは、図４のような効果が起こるメカニズムを、以下の図５および図６のように推定する。図５は、従来のシーズニングを行った後に、半導体ウェハをプラズマ処理した場合に想定される処理室１０１内の化学的および物理的反応をモデル化したモデル図である。

図５において、プラズマ中のフッ素（Ｆ）は、シリコン（Ｓｉ）を含む部品であるガス導入板１０７，リング１０８，サセプタ１１２と反応して、フッ化シリコン（ＳｉＦ₄）となってガス化し、真空排気装置１０３より排気される。結果として、半導体ウェハ２０１のエッチングに寄与するフッ素（Ｆ）の割合が低下することになる。そのため、ＣＤが目標値に収まるのに多くの時間を要していた。

図６は、本発明のシーズニングを行った後に、半導体ウェハをプラズマ処理した場合に想定される処理室１０１内の化学的および物理的反応をモデル化したモデル図である。

図６において、追加したデポ条件において、ＲＦバイアス電力を高パワーに設定し、スパッタ率の閾値を超えることで、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）で被覆された部品１０９をプラズマ１１３中のイオンがスパッタリングし、イットリウム（Ｙ）が放出される。イットリウム（Ｙ）は雰囲気中のフッ素（Ｙ）と反応し、フッ化イットリウム（ＹＦ₃）となってシリコン（Ｓｉ）を含む部品であるガス導入板１０７，リング１０８，サセプタ１１２の表面に付着し、プラズマ中のフッ素（Ｆ）から保護する保護膜の役割を果たす（保護膜２０２）。

このような反応によって、ガス導入板１０７，リング１０８，サセプタ１１２のシリコン（Ｓｉ）とプラズマ中のフッ素（Ｆ）との反応が抑制されるため、結果として半導体ウェハ２０１のエッチングに寄与するフッ素（Ｆ）の割合が高くなる。以上のことから、ＣＤが量産安定時と一致するのに要する時間が短縮されると推定する。

なお、本一実施例では、シーズニング条件に量産条件とデポ条件との２条件を使用したが、必ずしもシーズニング条件に複数の条件を使用する必要はない。即ち、スパッタ率の閾値を超えていれば、１条件のみのシーズニング処理でも本発明の効果が得られる。

また、本一実施例では、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）方式のプラズマ処理装置を使用したが、本発明はこの装置に限定されるものではなく、例えば、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）方式やＣＣＰ（Capacitively Coupled Plasma)方式などのプラズマの発生方式にも適用可能である。

本発明によれば、ウェットクリーニング後のシーズニングにかかる時間を短縮でき、量産現場でのコスト削減に寄与できるプラズマ処理装置のシーズニング方法を提供することができる。

本発明の一実施例のプラズマ処理装置を説明する図である。 本発明の一実施例のフッ素イオンのエネルギーとイットリアのスパッタ率との関係を示す特性図である。 本発明の一実施例のシーズニング手順と従来のシーズニング手順とを表す説明図である。 本発明の一実施例の効果を示すＣＤ差とシーズニング時間との関係を示す特性図である。 従来のシーズニングを行った後に、半導体ウェハをプラズマ処理した場合に想定される処理室内の反応をモデル化した説明図である。 本発明のシーズニングを行った後に、半導体ウェハをプラズマ処理した場合に想定される処理室の反応をモデル化した説明図である。

符号の説明

１０１ 処理室
１０２ 処理室内壁
１０３ 真空排気装置
１０４ コイル
１０５ ガス供給装置
１０６ 発振器
１０７ ガス導入板
１０８ リング
１０９ イットリアで被覆された部品
１１０ ステージ
１１１ バイアス電源
１１２ サセプタ
１１３ プラズマ
２０１ 半導体ウェハ
２０２ 保護膜

Claims (2)

1. 処理室内に導入された処理ガスをプラズマ化し、該プラズマを用いて試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置のウェットクリーニング後のシーズニング方法において、
   前記ウェットクリーニング後、前記処理ガスにフッ素系ガスを含むガスを使用し、かつ処理室内壁アース部に到達するイオンのエネルギーが前記処理室内壁アース部に使用した材料でのスパッタ率の閾値を超えるように制御することを特徴とするプラズマ処理装置のシーズニング方法。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置のシーズニング方法において、前記処理室内壁アース部分にイットリウムを含む耐プラズマ性材料を使用し、かつ処理室内部にシリコンを含む材料を使用した部品を有し、エッチング時にフッ素系ガスを含む処理ガスを使用してプラズマ処理を行うことを特徴とするプラズマ処理装置のシーズニング方法。

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