JP6727068B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを用いてエッチング等の処理を行うのに好適なプラズマ処理装置おおよびプラズマ処理方法に関する。

半導体デバイスの製造において、成膜やプラズマエッチング等の工程にプラズマ処理装置が広く用いられている。これらプラズマ処理装置には、デバイスの微細化に対応した高精度な処理性能と量産性の両立が求められている。また、デバイスの量産において、大きな問題となるのがプラズマ処理時にウェハに付着した異物による歩留まりの低下である。

プラズマ処理中に異物がウェハに付着した場合、配線の断線や短絡等により半導体デバイスにとって致命的な欠陥となる可能性がある。また、デバイスの微細化の進展とともにこれまで問題にならなかった微小な異物の影響も大きくなってくる。これらの異物をプラズマ処理後にウェット処理などで除去することは可能であるが、デバイスの製造工程数が増加し、デバイスの製造コストが増大することになり好ましくない。したがって、プラズマ処理を行う際、異物の発生そのものの低減や、発生した異物の除去、そして異物をウェハ上に落下させないこと等のウェハへの異物付着低減に関する技術が重要となる。

例えば、特許文献１には、ウェハの静電吸着による異物付着を防止するプラズマ処理方法としてエンドポイントディテクタ（ＥＰＤ）が終点を検出すると、高周波電源１２からのＲＦパワー（Ｂｏｔｔｏｍ ＲＦ）をオフするとともに、ウェハＷ裏面へのＨｅガス１４の供給を停止し、エッチングが進行せず、かつ、プラズマ放電を維持可能な範囲に、高周波電源１１からのＲＦパワー（Ｔｏｐ ＲＦ）を制御した状態で、高圧直流電源１３（ＨＶ）をオフするプラズマ処理方法が開示されている。

また、特許文献２には、真空処理室１１５と、該真空処理室内に配置され試料台１０１と、前記真空処理室内に高周波電力を供給してプラズマを生成するアンテナ電極１０５を備え、前記生成されたプラズマにより前記試料台上に配置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記試料台１０１は、試料載置面に絶縁された静電吸着用の電極を備え、前記アンテナ電極に高周波電力を供給してプラズマを生成させる前の所定期間に、前記静電吸着用の電極に所定の直流電圧を供給して充電してプラズマの着火性を向上させることが開示されている。

さらに特許文献３には、真空容器内部に配置され減圧された内側でプラズマが形成される処理室と、この処理室内の下部に配置されその上面に前記プラズマを用いた処理の対象の試料が載置される試料台と、この試料台上部の前記試料がその上に載せられる載置面を構成する誘電体製の誘電体膜と、この誘電体膜の内部に配置され前記試料をこの誘電体膜上に吸着して保持するための電力が供給される複数の電極とを備え、前記試料が前記試料台上に載置された状態で前記複数の電極のうちの少なくとも１つに電力を供給して前記試料の一部分を吸着して所定の温度になるまで前記試料の温度を加熱した後前記複数の電極のうちの他の電極に電力を供給してこの試料を広い範囲で吸着した後に前記プラズマを用いてこの試料の処理を開始するプラズマ処理装置が開示されている。また、特許文献４には、プラズマの分布を外高に制御することにより異物捕獲を行うプラズマ処理方法が開示されている。

特開２００２−２７０５７６号公報 特開２００９−１４１０１４号公報 特開２０１４−１１２１５号公報 特開２００７−８１２０８号公報

ウェハの外周端部には様々な生産工程を経ることによって異物が付着しており、そのウェハがプラズマ処理装置に持ち込まれた場合、付着していた異物が飛散し、ウェハ上に付着するという問題があった。

このため、ウェハ外端部及び裏面に付着した異物が飛散する問題を鋭意検討した結果、ウェハ処理の初期において、ウェハに急激な温度変化が生じるタイミングでウェハ上に異物が付着することが判明した。このことから初期異物の付着抑制には、ウェハへの急激な温度変化を抑制することが必要であることがわかった。

しかしながら、特許文献１ないし３では、プラズマ放電時に発生する異物については十分に配慮されておらず、十分に異物を低減することができない。また、特許文献４では、実際に異物が飛散するタイミングが明確ではなく、処理シーケンスの検討が不十分で異物低減に十分な効果が発揮できない。さらに特許文献１ないし４には、上述した「初期異物の付着抑制には、ウェハへの急激な温度変化抑制が重要である」点についての記載も示唆もない。

以上のことから本発明は、ウェハの外周端部に付着している初期異物をウェハ上に付着することを抑制することができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供する。

本発明は、プラズマを用いて試料が処理される処理室と、前記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、２つの電極を具備し前記試料が載置される試料台と、前記試料を前記試料台に静電吸着させるための直流電圧を前記電極に印可する直流電源とを備えるプラズマ処理装置において、負の前記直流電圧が前記電極の一方に印加された後、正の前記直流電圧が前記電極の他方に印加され、前記正の前記直流電圧が前記電極の他方に印加され後、プラズマが生成され、前記プラズマが生成された後、前記試料の温度を調整するための伝熱ガスが前記試料の裏面に供給される制御が行われる制御部をさらに備え、前記負の直流電圧と前記正の直流電圧の各々は、前記負の直流電圧による電位と前記正の直流電圧による電位の平均値が負の値となるように各々規定された値であることを特徴とする。

また、本発明は、プラズマを用いて試料を処理するプラズマ処理方法において、前記試料を静電吸着させるための直流電圧が印可される電極の一方に負の前記直流電圧を印加した後、正の前記直流電圧を前記電極の他方に印加する第一の工程と、前記第一の工程後、プラズマを生成する第二の工程と、前記第二の工程後、前記試料の温度を調整するための伝熱ガスを前記試料の裏面に供給する第三の工程とを有し、前記負の直流電圧による電位と前記正の直流電圧による電位の平均値は、負の値であることを特徴とする。

本発明は、ウェハの外周端部に付着している初期異物をウェハ上に付着することを抑制することができる。

本発明に係わるプラズマ処理シーケンスを示す図である。 本発明に係るプラズマ処理装置の断面概略図である。 第１の実施形態のプラズマ処理シーケンスを示す図である。 第２の実施形態のプラズマ処理シーケンスを示す図である。 異物数の測定結果を示す図である。 比較例１のプラズマ処理シーケンスを示す図である。 比較例２のプラズマ処理シーケンスを示す図である。

初期異物の付着抑制には、前述した通り、ウェハへの急激な温度変化抑制が重要である。また、ウェハに急激な温度変化が生じるタイミングは、ウェハが試料台に静電吸着されるタイミング、プラズマが放電開始されるタイミング及びウェハ裏面に伝熱ガスが供給されるタイミングである。よって、ウェハへの急激な温度変化を抑制するためには、ウェハが試料台に静電吸着されるタイミング、プラズマが放電開始されるタイミング及びウェハ裏面に伝熱ガスが供給されるタイミングのそれぞれが図１に示すような相互関係になっている必要がある。

このため、本発明は、ウェハが試料台に静電吸着されるタイミング、プラズマが放電開始されるタイミング及びウェハ裏面に伝熱ガスが供給されるタイミングのそれぞれの相互関係が図１に示すように規定されることを特徴とする。すなわち本発明は、「ウェハを前記試料台に静電吸着させるための直流電圧が前記試料台に配置された２つの電極の各々に印加された後、プラズマが生成され、前記プラズマが生成された後、前記ウェハの温度を調整するための伝熱ガスが前記ウェハの裏面に供給される」ことを技術的思想とする発明である。尚、図１のｔ１−１は、ウェハが試料台に静電吸着するタイミングを示し、図１のｔ２−１は、プラズマが放電開始するタイミングを示し、図１のｔ３−１は、ウェハ裏面に伝熱ガスが供給されるタイミングを示す。以下、本発明の具体的な実施形態について説明する。

最初に本発明を実施するためのプラズマ処理装置について説明する。本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の構成の概略断面図を図２に示す。本実施例に用いるプラズマ処理装置では、プロセスガス導入部１０１と真空排気部１０２を有する真空処理室１０３の内部に試料台であるステージ１０４を配置する。また、本発明に係るプラズマ処理装置は、プラズマ放電用のアンテナ１０５をステージ１０４と対向するように配置し、第一の整合器１０６を介して第一の高周波電源１０７よりアンテナ１０５に２００ＭＨｚの高周波電力を供給する。

ここで、本実施例での第一の高周波電源１０７の周波数を２００ＭＨｚとしたが、本発明としては、第一の高周波電源１０７の周波数を５０ＭＨｚから２．４５ＧＨｚの範囲内の周波数としても良い。この周波数帯を用いることにより、微細加工処理に好適な０．２〜５０Ｐａ程度の圧力領域において、ウェハ上に高効率で均一性の良好なプラズマを生成可能となる。

また、本発明に係るプラズマ処理装置は、アンテナ１０５から放射される電磁波並びに第一の外部コイル１０８、第二の外部コイル１０９及びヨーク１１０により形成される磁場との相互作用によりプラズマ１１１を生成し、ステージ１０４に接続された第二の整合器１１２を介して第二の高周波電源１１３から供給された４ＭＨｚの高周波電力により試料であるウェハ１１４に高周波バイアスを印加することによってプラズマ処理を行う構成となっている。

ここで、本実施例での第二の高周波電源１１３の周波数を４ＭＨｚとしたが、本発明としては、第二の高周波電源１１３の周波数を１００ｋＨｚから２０ＭＨｚの範囲内の周波数としても良い。この周波数帯の高周波とすることにより第一の高周波電源１０７の高周波電力により生成されたプラズマとは独立に効率よくイオンをウェハに引き込むことができる。

さらに、第一の直流電源１１６と第二の直流電源１１７よりそれぞれの直流電圧をステージ１０４に配置された外側の静電吸着用電極１２０と内側の静電吸着用電極１１９にそれぞれ印加することによりウェハ１１４はステージ１０４に静電吸着させられ、ウェハ１１４の裏面とステージ１０４の間に伝熱ガス導入手段１１５により伝熱ガスを導入することによってウェハ１１４の温度をステージ１０４と概ね同じ温度に保つことが可能となっている。ここで、図２に示すように第一の直流電源１１６が外側の静電吸着用電極１２０に接続され、第二の直流電源１１７が内側の静電吸着用電極１１９に接続されているが、本発明としては、第一の直流電源１１６が内側の静電吸着用電極１１９、第二の直流電源１１７が外側の静電吸着用電極１２０に接続されてもよい。

二系統の第一の外部コイル１０８と第二の外部コイル１０９にそれぞれ所定の電流を流すことにより、第一の外部コイル１０８、第二の外部コイル１０９及びヨーク１１０によって静磁場が真空処理室１０３内に形成される。この磁場とアンテナ１０５から放射される電磁波との相互作用により、高密度なプラズマ生成が可能となる。言い換えると、第一の外部コイル１０８、第二の外部コイル１０９のそれぞれに流す電流値によって磁場強度と磁力線ベクトルが変化し、プラズマ密度分布を制御することが可能となる。

以上、上述した第一の高周波電源１０７、第二の高周波電源１１３、第一の外部コイル１０８、第二の外部コイル１０９等のアクチュエータが制御部１１８において制御されることによりプラズマ処理が行われる。

次に上述したプラズマ処理装置を用いた本発明について図３を用いながら具体的に説明する。尚、図３は、本発明に係わるプラズマ処理シーケンスを示す図である。また、図３中の「S-RF power」は、第一の高周波電源１０７の高周波電力であり、「W-RF power」は、第二の高周波電源１１３の高周波電力であり、「Back He pressure」は、伝熱ガス導入部１１５からウェハ１１４とステージ１０４との間に供給される伝熱ガスの圧力であり、「ESC(-) voltage」は、第一の直流電源１１６から印加される負の電圧であり、「ESC(+) voltage」は、第二の直流電源１１７から印加される正の電圧であり、「Coil current」は、第一の外部コイル１０８及び第二の外部コイル１０９の電流値であり、「Process pressure」は、真空処理室１０３内部の圧力である。

本実施では、プラズマ処理を行う際のｔ１−３より前に、まず、ウェハ１１４を処理室である真空処理室１０３に搬入し、ステージ１０４上に載置し、真空処理室１０３内にＡｒガスを供給して所定の圧力に調整する。尚、本実施例での圧力は４Ｐａとした。

次に、ｔ１−３のタイミングで第一の直流電源１１６により−１６００Ｖの負の電圧をステージ１０４に印加し、続けてｔ２−３のタイミングで第二の直流電源１１７により＋１２００Ｖの正の電圧をステージ１０４に印加してウェハ１１４をステージ１０４に静電吸着させる。この時、静電吸着の負の電圧と正の電圧の平均値が負の電圧値となるようにする。一般に異物は負電荷に帯電しやすいため、正の電圧よりも前に負の電圧をステージ１０４に印加してウェハ１１４の電位を負とし、かつ、正の電圧をステージ１０４に印加した後もウェハの電位を負に維持することによって、ウェハへの異物の付着を大幅に低減することができる。尚、静電吸着の負の電圧と正の電圧の平均値は、静電吸着力と異物低減の両立の観点から−５００Ｖ〜―１Ｖの範囲内の値とすることが望ましい。

次にｔ３−３のタイミングで第一の高周波電源１０７より５００Ｗの高周波電力を供給すると共に第一の外部コイル１０８、第二の外部コイル１０９のそれぞれに２アンペア、１アンペアの電流を流すことによって、真空処理室１０３内にプラズマ１１１を生成させる。このようにプラズマが生成される前にウェハ１１４の電位が負となっていることにより、プラズマ生成直後の異物がウェハ上に付着することを大幅に低減することができる。

続いてｔ４−３のタイミングでウェハ１１４の裏面とステージ１０４の間に１ｋＰａのＨｅガスの伝熱ガスを所定の圧力になるまで供給する。このようにＨｅガスの供給前に安定したプラズマが生成されていることにより、Ｈｅガスの供給時にウェハ外周部から発生する異物がプラズマ中に捕獲され、ウェハ上への付着を大幅に低減することができる。また、伝熱ガスの圧力は、静電吸着力と温度の伝熱性の両立の観点から１ｋＰａ以下とすることが望ましい。

次にｔ５−３のタイミングで第一の高周波電源１０７から供給されていた高周波電力を０Ｗに変更し、プラズマの放電を停止する。続けてプラズマ生成のために真空処理室１０３内に供給されたていたＡｒガスの供給も停止し、真空処理室１０３の圧力を低下させる。ここで、本実施例では、プラズマ生成用ガスとしてＡｒガスを用いたが、本発明としては、Ｈｅガス、Ｎ_２ガス、Ｎｅガス、Ｘｅガス、Ｋｒガス等の不活性ガスを用いても良い。

次にｔ６−３のタイミングでＣｌ_２ガスをプロセスガスとして真空処理室１０３に供給し、所定の圧力(例えば、６Ｐａ)に調整する。続いてｔ７−３のタイミングで第二の高周波電源１１３よりステージ１０４に１０００Ｗの高周波電力を供給し、ウェハバイアスを印加する。続けてｔ８−３のタイミングで第一の高周波電源１０７よりアンテナ１０５に高周波電力を供給し、アンテナ１０５から放射された電磁波と、第一の外部コイル１０８、第二の外部コイル１０９およびヨーク１１０から形成された磁場と、の相互作用によりプラズマ１１１を生成し、ステージ１０４に静電吸着されたウェハにプラズマエッチング等のプラズマ処理を実施する。

以上が本発明に係るプラズマ処理シーケンスの一実施例(実施例１)であり、このようなプラズマ処理シーケンス(実施例１)を実施することによって図５に示すように従来技術である比較例１及び２より異物数を大幅に低減できた。尚、図５は、各プラズマ処理シーケンスにおける０．３μｍ以上の大きさの異物数の測定結果を示す。また、比較例１及び２は、それぞれ図６及び７に示すプラズマ処理シーケンスであり、各々のプラズマ処理シーケンスの説明については後述する。

次に前述した本発明に係るプラズマ処理シーケンスのｔ３−３〜ｔ５−３の期間において生成されたプラズマ密度分布を変化させるプラズマ処理シーケンス(実施例２)について図４を用いながら説明する。尚、図４のｔ３−４以前の期間及び図４のｔ５−４以降の期間における各パラメータの動作は、前述した本発明に係るプラズマ処理シーケンス(図３)のｔ３−３以前の期間及びｔ５−３以降の期間における各パラメータの動作と同様であるため、説明を省略する。

図４に示すようにｔ４−４とｔ５−４の間のあるｔａ−４のタイミングで、ｔ３−３のタイミングにおける第一の外部コイル１０８の電流値である２アンペアから１アンペアへ変更する。同様にｔａ−４のタイミングでｔ３−４のタイミングにおける第二の外部コイル１０９の電流値である１アンペアから９アンペアへ変更する。このような第一の外部コイル１０８及び第二の外部コイル１０９のそれぞれの電流値を変更することにより、ウェハ外周部よりウェハ中心部のプラズマ密度が高い分布からウェハ中心部よりウェハ外周部のプラズマ密度が高い分布へ変化させることができる。

このようにｔ４−４とｔ５−４の間の期間において生成されたプラズマの密度分布を変化させる図４に示すプラズマ処理シーケンスによって図５に示すように図３に示すプラズマ処理シーケンスよりさらに異物を低減できる。これは、プラズマ消失前に第一の外部コイル１０８及び第二の外部コイル１０９のそれぞれの電流値の変化によるプラズマ密度分布が変化することにより、プラズマ中に捕獲された異物がウェハ外へ移動したためと考えられる。

次に比較例１及び２のプラズマ処理シーケンスについて説明する。比較例１は、図６に示すように実施例２のプラズマ処理シーケンスに対して伝熱ガスの供給タイミングをＡｒガスによるプラズマ生成タイミングより前にしたプラズマ処理シーケンスであり、特許文献２の図３に示された処理シーケンスと同様である。

また、比較例２は、図７に示すようにｔ１−７においてＡｒガスを用いたプラズマを生成し、ｔ２−７において静電吸着のための負の電圧をステージ１０４へ印加し、ｔ３−７において静電吸着のための正の電圧をステージ１０４へ印加し、ｔ４−７において伝熱ガスの供給と共に真空処理室内へ磁場を形成し、ｔａ−７以降の期間は実施例２のプラズマ処理シーケンスのｔａ−４以降の期間と同じプラズマ処理シーケンスであり、特許文献３の図５に示されたタイミングチャートと同様である。

本発明に係るプラズマ処理は、実施例１及び２において説明したプラズマ処理シーケンスに基づいて制御部１１８において第一の高周波電源、第二の高周波電源、第一の直流電源、第二の直流電源、第一の外部コイル、第二の外部コイル及び伝熱ガス導入部が制御されることにより実施される。

本発明は、正の電圧よりも前に負の電圧をステージ１０４に印加してウェハ１１４の電位を負とし、かつ、正の電圧をステージ１０４に印加した後もウェハの電位を負に維持することによって、ウェハへの異物の付着を大幅に低減することができる。また、プラズマを生成する前にウェハの電位を負とすることにより、プラズマ生成時に飛散する異物の付着を低減することができる。さらにプラズマ生成後にウェハ裏面に伝熱ガスを供給することにより、伝熱ガスによって飛散する異物をプラズマで捕獲してウェハへの付着を防ぐことができる。これらの効果の相乗効果として本発明は、異物のウェハ上への付着を防止し、デバイス製造の歩留まりを向上させることができる。

上述した本発明の効果は、急激なウェハの温度変化を抑制できたことによるものである。特許文献１の図２(ｂ)に「プラズマ生成前に静電吸着のための直流高電圧が静電チャックに印加されるシーケンス」が開示されている点は、本発明の一部の構成と同様であるが、この構成だけでは、本発明の効果が得られないだけでなく、本発明も成り立たない。つまり、「プラズマ生成前に静電吸着のための直流高電圧が静電チャックに印加される」点の構成だけでは本発明として不十分である。このことは、図５に示すように実施例１と比較例１との比較または実施例２と比較例１との比較より実証されている。

このため、本発明は、ウェハが試料台に静電吸着するタイミング、プラズマが放電開始するタイミング及びウェハ裏面に伝熱ガスが供給されるタイミングのそれぞれの相互関係が図１に示すように規定されることにより成立し、急激なウェハの温度変化を抑制できる。

１０１…プロセスガス導入部
１０２…真空排気部
１０３…真空処理室
１０４…ステージ
１０５…アンテナ
１０６…第一の整合器
１０７…第一の高周波電源
１０８…第一の外部コイル
１０９…第二の外部コイル
１１０…ヨーク
１１１…プラズマ
１１２…第二の整合器
１１３…第二の高周波電源
１１４…ウェハ
１１５…伝熱ガス導入部
１１６…第一の直流電源
１１７…第二の直流電源
１１８…制御部
１１９…内側の静電吸着用電極
１２０…外側の静電吸着用電極

Claims (8)

1. プラズマを用いて試料が処理される処理室と、前記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、２つの電極を具備し前記試料が載置される試料台と、前記試料を前記試料台に静電吸着させるための直流電圧を前記電極に印可する直流電源とを備えるプラズマ処理装置において、
   負の前記直流電圧が前記電極の一方に印加された後、正の前記直流電圧が前記電極の他方に印加され、
   前記正の前記直流電圧が前記電極の他方に印加され後、プラズマが生成され、
   前記プラズマが生成された後、前記試料の温度を調整するための伝熱ガスが前記試料の裏面に供給される制御が行われる制御部をさらに備え、
   前記負の直流電圧と前記正の直流電圧の各々は、前記負の直流電圧による電位と前記正の直流電圧による電位の平均値が負の値となるように各々規定された値であることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記制御部は、前記平均値を−５００Ｖ〜―１Ｖの範囲内の電位とすることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記制御部は、前記直流電圧が２つの電極の各々に印加された後のプラズマを中心のプラズマ密度が外周より高いプラズマから中心のプラズマ密度が外周より低いプラズマに変更した後、前記中心のプラズマ密度が外周より低いプラズマを生成した高周波電力の供給を停止することを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記制御部は、前記伝熱ガスの圧力を１ｋＰａ以下の圧力とすることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. プラズマを用いて試料を処理するプラズマ処理方法において、
   前記試料を静電吸着させるための直流電圧が印可される電極の一方に負の前記直流電圧を印加した後、正の前記直流電圧を前記電極の他方に印加する第一の工程と、
   前記第一の工程後、プラズマを生成する第二の工程と、
   前記第二の工程後、前記試料の温度を調整するための伝熱ガスを前記試料の裏面に供給する第三の工程とを有し、
   前記負の直流電圧による電位と前記正の直流電圧による電位の平均値は、負の値であることを特徴とするプラズマ処理方法。
6. 請求項５に記載のプラズマ処理方法において、
   前記平均値は、−５００Ｖ〜―１Ｖの範囲内の電位であることを特徴とするプラズマ処理方法。
7. 請求項５に記載のプラズマ処理方法において、
   前記直流電圧を２つの電極の各々に印加した後のプラズマを中心のプラズマ密度が外周より高いプラズマから中心のプラズマ密度が外周より低いプラズマに変更した後、前記中心のプラズマ密度が外周より低いプラズマを生成した高周波電力の供給を停止する工程をさらに有することを特徴とするプラズマ処理方法。
8. 請求項５に記載のプラズマ処理方法において、
   前記伝熱ガスの圧力は、１ｋＰａ以下の圧力であることを特徴とするプラズマ処理方法。

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