プラズマ処理方法
【課題】磁気中性線放電（ＮＬＤ）プラズマエッチング装置のクリーニングの終点を制度良く検出することが可能なプラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】磁気中性線放電（ＮＬＤ）プラズマエッチング装置において、チャンバクリーニング処理の際に磁気コイルに流す電流値を、基板エッチング処理の際に前記磁気コイルに流す電流値よりも小さくすることにより、プラズマ中の分子種の時間変化をアンテナコイル電圧Ｖｐｐの変化に反映させ易くして監視し、クリーニングの終点を検出する。
【解決手段】磁気中性線放電（ＮＬＤ）プラズマエッチング装置において、チャンバクリーニング処理の際に磁気コイルに流す電流値を、基板エッチング処理の際に前記磁気コイルに流す電流値よりも小さくすることにより、プラズマ中の分子種の時間変化をアンテナコイル電圧Ｖｐｐの変化に反映させ易くして監視し、クリーニングの終点を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クリーニング処理を含むプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造用途等に用いられる基板処理プロセスの一つにプラズマエッチング法がある。この方法では、処理室内に導入されたエッチングガスがプラズマ化されて処理対象基板（以下、基板）に衝突し、あるいは基板と反応してエッチング処理が行われる。エッチングガスをプラズマ化する方法には様々な種類がある。
【０００３】
ＮＬＤ（磁気中性線放電：magnetic Neutral Loop Discharge）プラズマエッチング法は、磁気中性線を利用してエッチングガスをプラズマ化し、基板処理に利用する方法である。特許文献１には、この磁気中性線を利用する「放電プラズマ処理装置」が開示されている。
【０００４】
プラズマエッチング法では、エッチングにより形成された生成物が処理室の内壁等に堆積する場合がある。この堆積物は、剥がれ落ちて基板に付着し、基板の品質が低下する原因となる。そのため、プラズマによりこの堆積物を除去するクリーニング処理が行われる。
ここで、プラズマにより基板あるいは処理室内の構造にダメージが生じることを防ぐため、堆積物が除去された時点でプラズマを停止することが望まれる。
【０００５】
特許文献２には、「プラズマクリーニング処理の終点検出方法及び終点検出装置」が開示されている。特許文献２に記載の方法及び装置では、プラズマを発生させるアンテナ（高周波電力が印加されるコイル）の電圧等の時間的変化がモニタされ、クリーニング処理の終点が検出される。これは、プラズマを構成する分子種の濃度比がアンテナの電圧に影響を与えることを利用したものであり、除去すべき堆積物に由来するプラズマの濃度の減少がアンテナ電圧の時間変化として得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】第２７０５８９７号公報
【特許文献２】特開２００６−７３７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＮＬＤプラズマエッチング法において、特許文献２に記載の方法によりクリーニング処理の終点を検出することは困難である。磁気中性線放電は磁気中性線と誘導電場との間の相関が強く、除去すべき堆積物の減少に伴うアンテナ電圧の時間変化を精度よく測定できないからである。本発明者らは、アンテナの電圧の時間的変化が、磁気中性線の強度に依存することを見出し、クリーニング処理の終点検出に利用可能であると考えた。
【０００８】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、クリーニングの終点を検出することが可能なプラズマ処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一形態に係るプラズマ処理方法は、チャンバに第１のガスが導入される。
第１の基板処理は、上記チャンバの周囲に巻回されたアンテナコイルに高周波電位を印加し、かつ、上記チャンバの周囲に巻回された磁気コイルに電流を印加することで生成された第１のガスのプラズマにより実行される。
第２のガスは、上記第１のガスに代えて導入される。
上記第１の基板処理でチャンバの内壁に付着した堆積物を除去するクリーニング処理は、上記アンテナコイルに高周波電位を印加し、かつ、上記磁気コイルに上記第１の基板処理の際に印加した電流より小さい電流を印加することで生成された第２のガスのプラズマにより実行される。
上記アンテナコイルの電圧は、上記クリーニング処理の実行中に測定される。
上記クリーニング処理は、上記電圧の変化の度合いが所定の値に達した時に終了される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態において用いられるプラズマエッチング装置の概略構成図である。
【図２】図１に示したプラズマエッチング装置の動作例を説明するタイミングチャートである。
【図３】従来技術の問題点であるエッチングレートの低下の原因を説明する図である。
【図４】ガス種の磁場強度依存性を示すグラフである。
【図５】酸素放電時間に対するピーク電位差を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施形態において用いられるプラズマエッチング装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施形態に係るプラズマ処理方法は、チャンバに第１のガスが導入される。
第１の基板処理は、上記チャンバの周囲に巻回されたアンテナコイルに高周波電位を印加し、かつ、上記チャンバの周囲に巻回された磁気コイルに電流を印加することで生成された第１のガスのプラズマにより実行される。
第２のガスは、上記第１のガスに代えて導入される。
上記第１の基板処理でチャンバの内壁に付着した堆積物を除去するクリーニング処理は、上記アンテナコイルに高周波電位を印加し、かつ、上記磁気コイルに上記第１の基板処理の際に印加した電流より小さい電流を印加することで生成された第２のガスのプラズマにより実行される。
上記アンテナコイルの電圧は、上記クリーニング処理の実行中に測定される。
上記クリーニング処理は、上記電圧の変化の度合いが所定の値に達した時に終了される。
【００１２】
上記プラズマ処理方法においては、クリーニング処理の際に磁気コイルに印加する電流値を第１の基板処理の際に磁気コイルに印加する電流値よりも小さくすることで、プラズマの分子種の時間変化をアンテナコイルの電圧変化に反映させ易くする。これにより、アンテナコイルの電圧を測定することで、クリーニング処理の終点を精度よく検出することが可能となる。
【００１３】
ここで、チャンバの内壁には、真空槽の内壁面、真空槽の内部に配置されたターゲット、防着板、基板を支持するステージなど、処理室に臨む各種構造面あるいは構造体を含む。
定期的なクリーニングを実施することで、これら構造面あるいは構造体に付着した堆積物の剥離を抑制して、膜質の向上と安定したプラズマ処理を実現することが可能となる。
なお、電圧の変化の度合いとは、電圧測定値の時間変化量、変化割合等、電圧測定値から算出される各種情報を含む。
【００１４】
また、クリーニング処理の際に磁気コイルに印加する電流の大きさは、第１の基板処理の際に磁気コイルに印加する電流の大きさよりも小さければよく、磁気コイルの電流値がゼロである場合も含まれる。
【００１５】
上記第１の基板処理は、エッチングであってもよい。
上記プラズマ処理方法によれば、エッチングによって生成された堆積物をクリーニングすることが可能である。
【００１６】
上記プラズマ処理方法は、上記第１のガスに代えて第３のガスを導入し、上記アンテナコイルに高周波電位を印加し、かつ、上記磁気コイルに電流を印加することで生成された第３のガスのプラズマにより、上記チャンバ内に設けられたターゲットをスパッタし、上記基板上に成膜する第２の基板処理を実行する工程をさらに具備していてもよい。
上記プラズマ処理方法によれば、エッチングによって生成されたターゲット上の堆積物がスパッタにより基板に付着することを防止することが可能である。
【００１７】
上記クリーニング処理は、上記第１の基板処理と上記第２の基板処理を交互に複数回繰り返した後実行されてもよい。
上記プラズマ処理方法によれば、第１の基板処理と第２の基板処理が複数回実行されたことにより堆積した堆積物を除去することが可能である。
【００１８】
上記基板はシリコンまたは石英基板であり、上記第１のガスはフッ素系ガスであり、上記第２のガスは酸素系ガスであってもよい。
上記プラズマ処理方法によれば、シリコンまたは石英基板はフッ素系ガスによりエッチングされ、その反応物を酸素系ガスによりクリーニングすることが可能である。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態によるプラズマエッチング方法に適用されるプラズマエッチング装置２０の概略構成図である。図示するプラズマエッチング装置２０は、ＮＬＤ（磁気中性線放電：magnetic Neutral Loop Discharge）型のプラズマエッチング装置として構成されており、基板表面のエッチング機能と、基板表面のエッチングパターンの側壁部に保護膜を形成する機能とを兼ね備えている。
【００２１】
図１において、２１は真空槽であり、内部にプラズマ形成空間２１ａを含む真空チャンバ（プラズマチャンバ）が形成されている。真空槽２１にはターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）等の真空ポンプが接続され、真空槽２１の内部が所定の真空度に真空排気されている。
【００２２】
プラズマ形成空間２１ａの周囲には、真空槽２１の一部を構成する筒状壁２２によって区画されている。筒状壁２２は石英等の透明絶縁材料で構成されている。筒状壁２２の外周側には、第１高周波電源ＲＦ１に接続されたプラズマ発生用の高周波コイル（アンテナ）２３と、この高周波コイル２３の外周側に配置された三つの磁気コイル２４（２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ）（磁場形成手段）がそれぞれ配置されている。
【００２３】
磁気コイル２４Ａと磁気コイル２４Ｃにはそれぞれ同一方向に電流が供給され、磁気コイル２４Ｂには他の磁気コイル２４Ａ，２４Ｃと逆方向に電流が供給される。その結果、プラズマ形成空間２１ａにおいて、磁場ゼロとなる磁気中性線２５が環状に連続して形成される。そして、高周波コイル２３により磁気中性線２５に沿った誘導電場（高周波電場）が形成されることで、放電プラズマが形成される。
【００２４】
特に、ＮＬＤ方式のプラズマエッチング装置においては、磁気コイル２４Ａ〜２４Ｃに流す電流の大きさによって、磁気中性線２５の形成位置および大きさを調整することができる。すなわち、磁気コイル２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃに流す電流をそれぞれＩＡ，ＩＢ，ＩＣとしたとき、ＩＡ＞ＩＣの場合は磁気中性線２５の形成位置は磁気コイル２４Ｃ側へ下がり、逆に、ＩＡ＜ＩＣの場合は磁気中性線２５の形成位置は磁気コイル２４Ａ側へ上がる。また、中間の磁気コイル２４Ｂに流す電流ＩＢを増していくと、磁気中性線２５のリング径は小さくなると同時に、磁場ゼロの位置での磁場の勾配が緩やかになる。これらの特性を利用することで、プラズマ密度分布の最適化を図ることができる。
【００２５】
高周波コイル２３には電圧プローブ３３（測定手段）が接続され、電圧プローブ３３には制御ユニット３４（制御手段）が接続されている。電圧プローブ３３は高周波コイル２３の電圧を測定し、その測定結果を制御ユニット３４に出力する。制御ユニット３４は、この出力に基づき、ＲＦ１、ＲＦ２、ＲＦ３、真空ポンプ及びガス流量等のスパッタ条件を制御する。
【００２６】
一方、真空槽２１の内部には、半導体ウエハ（シリコン（Ｓｉ）基板）Ｗを支持するステージ２６が設置されている。ステージ２６は、コンデンサ２７を介して第２高周波電源ＲＦ２に接続されている。なお、ステージ２６には、基板Ｗを所定温度に加熱するためのヒータ等の加熱源や、静電チャック等の基板保持機構が内蔵されていてもよい。
【００２７】
プラズマ形成空間２１ａの上部には、天板２９が設置されている。天板２９は、ステージ２６の対向電極として構成されており、コンデンサ２８を介して第３高周波電源ＲＦ３に接続されている。天板２９のプラズマ形成空間２１ａ側の面には、スパッタにより基板を成膜するためのターゲット（スパッタリングターゲット）３０が取り付けられている。ターゲット３０は、本実施形態では、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂が用いられているが、これ以外の合成樹脂材料、あるいは珪素材、炭素材、炭化珪素材、酸化珪素材、窒化珪素材等が適用可能である。
【００２８】
天板２９の近傍には、真空槽２１の内部にプロセスガスを導入するためのガス導入管３１が設置されている。本実施形態において、プロセスガスは、エッチング工程用のガス、スパッタ工程用のガス、そして、後述するアッシング工程用のガスが含まれる。
【００２９】
エッチングガスとしては、ＳＦ６、ＮＦ３、ＳｉＦ４、ＸｅＦ２の少なくとも何れか一種又は不活性ガスとの混合ガスが用いられる。本実施形態では、エッチングガスとして、ＳＦ６とＡｒの混合ガスが用いられる。スパッタ用のプロセスガスとしては、例えば、アルゴン（Ａｒ）や窒素（Ｎ２）などの希ガスあるいは不活性ガスを用いることができる。
【００３０】
本実施形態のプラズマエッチング装置２０においては、ステージ２６上に載置された基板Ｗに対してエッチング工程と保護膜形成工程を交互に繰り返し行うことで、基板Ｗの表面に高アスペクト比の孔またはディープトレンチ等からなるビアを形成する。
【００３１】
図２は、本実施形態のプラズマエッチング装置２０の一動作例を示すタイミングチャートである。図２において、Ａは、高周波コイル２３に供給される第１高周波電源ＲＦ１の電力印加タイミング、Ｂは、ステージ２６に供給される第２高周波電源ＲＦ２の電力印加タイミング、Ｃは、天板２９に供給される第３高周波電源ＲＦ３の電力印加タイミング、Ｄは、真空槽２１の内部における圧力変化をそれぞれ示している。この例では、エッチング工程の処理圧力（プロセスガス導入量）は、保護膜形成工程のそれよりも高く設定されている。
【００３２】
基板Ｗの表面にはあらかじめ、マスクパターンが形成されている。このマスクパターンには、有機レジストやメタルマスク等のエッチングマスクが含まれる。エッチング工程および保護膜形成工程では、プラズマ形成空間２１ａに、磁気コイル２４による環状磁気中性線２５が形成され、更に、第１高周波電源ＲＦ１から高周波コイル２３への電力投入により、環状磁気中性線２５に沿って誘導結合プラズマが形成される。
【００３３】
エッチング条件の一例として、以下とすることができる。
・高周波電力 ＲＦ１：１５００［Ｗ］ １３．５６［ＭＨｚ］
ＲＦ２： ６０［Ｗ］ １２．５０［ＭＨｚ］
ＲＦ３： ０［Ｗ］
・磁気コイル電流 磁気コイル２４Ａ：３０．６［Ａ］
磁気コイル２４Ｂ：５４．０［Ａ］
磁気コイル２４Ｃ：３０．６［Ａ］
【００３４】
エッチング工程において、真空槽２１の内部に導入されたエッチングガス（ＳＦ６とＡｒの混合ガス）は、プラズマ形成空間２１ａでプラズマ化し、生成されたイオンとラジカルによりステージ２６上の基板Ｗをエッチング処理する。このとき、第２高周波電源ＲＦ２からの電力投入で基板バイアスがＯＮとなり、イオンをステージ２６側へ加速させ、基板Ｗ上のラジカル生成物をスパッタ除去してエッチング性を高める。すなわち、フッ素ラジカルがシリコンと反応してラジカル生成物を形成し、これをプラズマ中のイオンによるスパッタ作用で除去することで、シリコン基板Ｗのエッチング処理が進行する。
【００３５】
一方、エッチング処理を所定時間行った後、真空槽２１の内部に残留するエッチングガスが排気される。そして、保護膜形成用のプロセスガス（Ａｒ）が真空槽２１の内部に導入されることで保護膜形成工程が開始される。導入されたプロセスガスは、プラズマ形成空間２１ａでプラズマ化される。このとき、基板バイアス（ＲＦ２）はＯＦＦとなり、代わりに、第３高周波電源（ＲＦ３）からの電力投入で天板バイアスがＯＮとなる。その結果、天板２９に設置されたターゲット３０はプラズマ中のイオンによりスパッタされ、そのスパッタ物が基板Ｗの表面および上述のエッチング工程で形成されたエッチングパターンに付着する。以上のようにして、エッチングパターンの底部および側壁部に、保護膜として機能するポリマー層が形成される。
【００３６】
スパッタ条件の一例として、以下とすることができる。
・高周波電力 ＲＦ１：３０００［Ｗ］ １３．５６［ＭＨｚ］
ＲＦ２： ０［Ｗ］
ＲＦ３： ５００［Ｗ］ １２．５０［ＭＨｚ］
・磁気コイル電流 磁気コイル２４Ａ：３０．６［Ａ］
磁気コイル２４Ｂ：４９．３［Ａ］
磁気コイル２４Ｃ：３０．６［Ａ］
【００３７】
ここで、ターゲット３０から叩き出されたスパッタ粒子は、プラズマ形成空間２１ａに形成されているＮＬＤプラズマを通過して基板へ到達する。このとき、スパッタ粒子は、環状磁気中性線２５が形成される高密度プラズマ領域で分解、再励起されることにより、化学的蒸着法（ＣＶＤ法）に類似する成膜形態で、基板の表面に対して等方的に入射する。したがって、本実施形態によって得られるエッチングパターンの段差被膜（保護膜）は、カバレッジ性が高く、面内均一性に優れる。
【００３８】
なお、保護膜形成工程のプロセスガスとして、例えば、Ａｒとフロロカーボン系ガス（Ｃ４Ｆ８、ＣＨＦ３等）の混合ガスを用いることで、プロセスガス中の反応ガスがプラズマ形成空間２１ａにおいてプラズマ化し、そのラジカル生成物が基板表面に堆積することによって、保護膜として機能するポリマー層を形成する。更に、プロセスガスとして上記混合ガスを用いることで、Ａｒガスのみをプロセスガスとして用いる場合に比べてスパッタレートの向上を図ることができる。
【００３９】
保護膜形成工程を所定時間行った後、再び上述したエッチング工程が行われる。このエッチング工程の初期段階は、エッチングパターンの底部を被覆する保護膜の除去作用に費やされる。その後、保護膜の除去により露出したエッチングパターンの底部のエッチング処理が再開される。このとき、プラズマ中のイオンは、基板バイアス作用によって基板に対して垂直方向に入射する。このため、エッチングパターンの側壁部を被覆する保護膜に到達するイオンは、エッチングパターンの底部に到達するイオンに比べて少ない。したがって、エッチング工程の間、エッチングパターンの側壁部を被覆する保護膜は完全に除去されることなく残留する。これにより、エッチングパターンの側壁部とフッ素ラジカルとの接触が回避され、エッチングパターンの側壁部のエッチングによる侵食が防止される。
【００４０】
以後、上述のエッチング工程と保護膜形成工程が交互に繰り返し行われることで、基板表面に対して垂直方向の異方性エッチングが実現される。以上のようにして、基板Ｗの内部に高アスペクト比のビア（コンタクトホール、トレンチ）が作製される。
【００４１】
次に、本発明に係るターゲット３０の表面のアッシング工程について説明する。
【００４２】
基板のエッチング処理および保護膜の成膜処理を続けると、プラズマ形成空間２１ａ内で生成されるエッチングガス（ＳＦ６／Ａｒ）、ターゲット材（ＰＴＦＥ）、基板材料（シリコン）等に関連する反応生成物がターゲット３０の表面及びチャンバ内壁に堆積する。この種の堆積膜は、プラズマの照射を受けてスパッタされて、基板の表面に形成されたエッチングパターンに付着する。エッチング工程の際に上記堆積膜のスパッタ物がエッチングパターンの開口部に堆積することによってエッチングの進行を妨げる。
【００４３】
図３は、エッチングパターンの開口部に堆積した上記スパッタ物の影響でエッチングレートが低下する様子を模式的に示している。図において、Ｗは基板、Ｈはエッチングパターン（孔）、Ｍは基板表面に形成されたエッチングマスク、Ｐはエッチングパターンの側壁部に形成された保護膜、Ｄはエッチングパターンの開口部に付着したスパッタ物である。
【００４４】
基板Ｗの表面にはあらかじめエッチングマスクＭが形成されている。時刻ｔ０でエッチングが開始される。このとき、ターゲット３０の表面は、清浄な状態とされる。エッチング開始（時刻ｔ０）から時刻ｔ１の間は、上述したエッチング工程と保護膜形成工程が交互に行われることで、図示するように安定したエッチングレートで基板の深掘り工程が実現される。
【００４５】
一方、時刻ｔ１を経過した後は、エッチングレートが徐々に低下する。これは、エッチング工程の継続によりターゲット３０の表面が反応生成物の付着で徐々に汚染され、パターン開口部に、ターゲット表面でスパッタされた反応生成物のスパッタ物Ｄが付着して、開口部の開口面積を減少させるからである（時刻ｔ２）。このスパッタ物Ｄの堆積は、エッチング工程および保護膜形成工程においても進行する。このため、エッチング工程では除去できないスピードで開口部に堆積し、最終的に、当該開口部を閉塞する（時刻ｔ３）。
【００４６】
そこで本実施形態では、エッチング工程の途中またはエッチング後に、真空槽２１内の雰囲気ガスを酸素系ガスに置換して、ターゲット３０の表面及びチャンバ内壁を清浄化するためのクリーニング工程が実施される。このクリーニング工程では、真空槽２１内でＲＦ２及びＲＦ３に高周波電力を印加し、酸素系ガスのプラズマを発生させて、ターゲット３０の表面に付着した反応生成物をアッシングによって除去する。このクリーニング工程により、ターゲット３０の表面及びチャンバ内壁に付着した反応生成物の堆積物の剥離を抑制して、膜室の向上と安定したプラズマ処理を実現することが可能となる。
【００４７】
このアッシング工程で用いられるプロセスガスとしては、Ｏ２、Ｏ３、ＣＯｘ、ＮＯｘ、Ｈ２Ｏ、ＳＯｘの何れか又はこれらの混合ガスが用いられる。また、これら酸素系ガスと希ガスとの混合ガスを用いてもよい。プロセス圧力は、エッチング工程と同程度に設定され、例えば１．０Ｐａ〜６．０Ｐａである。酸素系ガスのプラズマは、第１高周波電源ＲＦ１に接続された高周波コイル２３を用いて発生される。
【００４８】
アッシング（クリーニング）条件の一例として、以下とすることができる。
・高周波電力 ＲＦ１：１０００［Ｗ］ １３．５６［ＭＨｚ］
ＲＦ２： ６０［Ｗ］ １２．５０［ＭＨｚ］
ＲＦ３： ５００［Ｗ］ １２．５０［ＭＨｚ］
・磁気コイル電流 磁気コイル２４Ａ：０［Ａ］
磁気コイル２４Ｂ：０［Ａ］
磁気コイル２４Ｃ：０［Ａ］
【００４９】
図２では、ターゲット３０のクリーニング（アッシング）工程を、基板Ｗの深掘り加工の途中で実施する例を示している。エッチング工程と保護膜形成工程を所定サイクル（例えば５０〜１００サイクル）実施する毎に、ターゲット３０の表面のクリーニング処理が実行される。
【００５０】
ここで、上述したクリーニング工程は、基板を処理する毎に適宜のタイミングで実行されてもよいし、基板を複数枚処理する毎に実行されてもよい。クリーニング工程の実施周期は、プロセスの種類に応じて適宜設定することが可能である。
【００５１】
クリーニング工程の終点検出について説明する。
図４は、プラズマ生成時における高周波コイル２３の電圧の磁場強度依存性を示すグラフである。縦軸の電圧は、高周波コイル２３に印加される高周波電力の電位波形の上ピークと下ピーク間の大きさ（以下、アンテナ電圧ともいう。）を示している。横軸の磁場強度は、磁気コイル２４に印加される電流の大きさを示し、上段が磁気コイル２４Ａ、中段が磁気コイル２４Ｂ、下段が磁気コイル２４Ｃの電流値である。
【００５２】
図４から、アンテナ電圧は、ガス種によって異なる値を示すものの、何れのガス種においても磁場強度が高くなるに従い、電圧値が小さくなる傾向が認められる。従って、磁気中性線放電に関しては電場と磁場との間に強い相関があることがわかる。
【００５３】
また、同図から、アンテナ電圧の大きさは、磁気コイル２４への印加電流が比較的小さい場合にはガスの種類の違いによる差が明確であるが、磁気コイル２４への印加電流が比較的大きい場合にはガスの種類の違いによる差は小さくなることがわかる。
【００５４】
さらに、図４において各プラズマガス（Ａｒ、Ｏ２、ＣＦ４）のアンテナ電圧は、そのガスのプラズマのみがチャンバ内に存在している場合に、電圧プローブ３３により測定される高周波コイル２３の電位波形についてのものである。したがって、例えば、チャンバ内にＯ２プラズマのみが存在している場合に比べ、Ｏ２プラズマ及びＣＦ４プラズマが混在している場合には、アンテナ電圧は減少する（Ｏ２とＣＦ４の値の間の値をとる）ことになる。
【００５５】
図５は、ＣＦ４系の堆積物の存在下で酸素ガスプラズマを用いたクリーニング処理を実施したときのアンテナ電圧の時間変化を示すグラフである。このときの磁気コイルへの印加電流はゼロとし、高周波コイルのみで酸素ガスプラズマを発生させた。
縦軸は電圧プローブ３３により測定されたコイル電圧を示し、横軸はクリーニング処理の開始時点からの経過時間を示す。
【００５６】
Ｏ２ガスのプラズマがターゲット３０及びチャンバ内壁に堆積していた堆積物をアッシングすると、反応物がプラズマ化してＯ２プラズマ中に拡散する。例えば、反応物の堆積物がＣＦ４系である場合、アッシングによりＣＦ４のプラズマが発生する。このため、クリーニング開始直後のコイル電圧は、上述のように、Ｏ２プラズマのコイル電圧とＣＦ４プラズマのコイル電圧の間の値をとる。クリーニング効果により堆積物は徐々に減少し、従ってＯ２プラズマ中のＣＦ４プラズマの濃度は減少する。その結果、測定されるコイル電圧は、図５に示すように、クリーニング処理の進行に伴ってコイル電圧が上昇し、一定時間経過後に定常状態をとる。この定常状態の電圧値は、Ｏ２単体時のコイル電圧の大きさに相当する。
【００５７】
以上のように、コイル電圧を監視することで、堆積物の消失、即ちクリーニング処理の終了を判断することが可能である。
【００５８】
ところで、このクリーニング工程の実施に際して、酸素プラズマの生成に磁気中性線放電を利用すると、磁気コイルに印加する電流値の大きさによっては、クリーニング処理中におけるコイル電圧の変化を精度よく測定することが困難となる。図４を参照して説明したように、磁気コイルに印加する電流の大きさ、すなわち、形成する磁気中性線の磁気勾配の大きさによっては、酸素プラズマ発生時のコイル電圧と、酸素／ＣＦ４の混合ガスのプラズマ発生時とのコイル電圧との間に大きな差が得られなくなるからである。例えば、上述した基板のエッチング処理または保護膜の成膜処理の際に適用した磁気コイルへの印加電流値をクリーニング処理条件として適用した場合、クリーニング処理中におけるコイル電圧の時間変化を精度よく測定することはほぼ不可能となる。
【００５９】
そこで本実施形態では、クリーニング処理の実行時は、磁気コイルへ印加する電流の大きさを、上記エッチング処理時及び成膜処理時に磁気コイルへ印加する電流値よりも小さくする。これにより、クリーニングガス由来のプラズマ生成に必要なコイル電圧と堆積物由来のプラズマ生成に必要なコイル電圧との間の差分（マージン）が拡大する。したがって、本実施形態によれば、プラズマの分子種の時間変化を高周波コイル２３の電圧変化に反映させ易くなるため、コイル電圧の測定精度が向上し、クリーニング処理の終点を精度よく検出することが可能となる。
【００６０】
特に、クリーニング処理の実行時は、磁気コイルへの通電を遮断する（磁気コイルへ印加する電流値をゼロとする）ことで、プラズマ生成時におけるコイル電圧の磁場依存性をなくすことができる。これにより、コイル電圧の時間変化に基づいて、クリーニング工程の終了タイミングを高精度に検出することが可能となる。
【００６１】
ここで、クリーニング工程の終了タイミングは、コイル電圧の変化の度合いに基づいて判定することができる。コイル電圧の変化の度合いは、上述のように、コイル電圧が定常状態となる時点を基準とする例に限られない。例えば、図５に示したようにクリーニング処理中のコイル電圧の変化率が時間の経過とともに減少する傾向にある場合は、当該コイル電圧の時間変化率が所定の値にまで減少したことをもってクリーニング終了の基準としてもよい。この場合、堆積物の完全除去は難しいが、クリーニング処理の早期終了を図ることができる。また、上記所定の値は、エッチング処理や成膜処理などの基板処理に影響を与えない程度の堆積物残存量を基準として決定することができる。同様に、クリーニング処理開始時のコイル電圧を基準としてその値から所定割合（例えば数１０％）変化したことをもってクリーニング処理の終了を判定するようにしてもよい。
【００６２】
なお、クリーニング処理時の磁気コイルの通電量はゼロに限られず、上述のように基板処理時に磁気コイルに印加される電流値よりも小さければよい。磁気コイル２４への印加電流は、プラズマ密度を最適化する磁気中性線２５の強度を左右するため、小さくし過ぎるとクリーニングの効果が弱くなり、所要時間が増大する可能性がある。堆積物の構成物質、量等を勘案することにより、最適な（クリーニング所要時間と、終点検出精度のバランスがとれた）印加電流量を決定することが可能である。
【００６３】
制御ユニット３４は、クリーニング処理の終点を判定すると、チャンバ内への酸素ガスの導入を停止し、高周波電力ＲＦ２及びＲＦ３の印加を解除する。これにより、チャンバのクリーニング処理が完了する。
【００６４】
以上のように、本実施形態によれば、クリーニング工程の際に磁気コイル２４に印加される電流値を、エッチング及びスパッタリング工程の際に印加される電流値よりも小さくすることにより、クリーニング処理の終点を精度よく検出することが可能となる。
【００６５】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態によるプラズマエッチング方法に適用されるプラズマエッチング装置の概略構成図である。なお、図において上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００６６】
本実施形態では、基板Ｗは石英基板で構成され、ターゲット３２はシリコン（Ｓｉ）プレートで構成されている。また、天板２９は、コンデンサ２８を介して、高周波コイル２３用の第１高周波電源ＲＦ１と接続される。これにより、プラズマ形成空間２１ａ内でプラズマが形成されている間、天板２９にもバイアス電力が印加される。
【００６７】
石英からなる基板Ｗのエッチングガスには、Ｃ３Ｆ８やＣＦ４、ＣＨＦ３等のフロロカーボン系ガスが用いられる。プラズマ形成空間２１ａでエッチングガスのプラズマを発生させて、表面にマスクパターンが形成された基板Ｗをエッチングする。エッチング時、ターゲット３２に高周波電力が印加されることで、プラズマ中のイオンが天板２９へ引き込まれ、ターゲット３２をスパッタする。スパッタされたシリコン粒子はエッチングガスの一部と反応し、チャンバ内におけるエッチャント濃度を調整する機能を果たす。これにより、基板Ｗの適切なエッチング処理が可能となり、形状制御性に優れたパターン加工を実現する。
【００６８】
このような構成のプラズマ処理装置においても、エッチング中に生じた各種反応物がターゲット３２の表面に付着、堆積する場合がある。この場合、上述した効果が安定して得られなくなるため、定期的にターゲット３２のクリーニング処理（アッシング処理）が実行される。ターゲット３２のクリーニングは、上述の第１の実施形態と同様にして行われる。これによりクリーニング処理の終点時間を最適なものとすることが可能である。
【００６９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００７０】
例えば、以上の実施形態では、堆積物の例としてＣＦ系の物質を例に挙げて説明したが、堆積物の材料組成は上記の例に限定されない。クリーニングガス単体のプラズマ生成電圧（コイル電圧）よりも高いプラズマ生成電圧（コイル電圧）を有する堆積物に対しても、勿論本発明は適用可能である。この場合、クリーニング処理の経過に伴って減少するコイル電圧の変化の度合いに基づいた、クリーニングの終点検出が可能となる。
【符号の説明】
【００７１】
２０ プラズマエッチング装置
２１ 真空槽
２２ 筒状壁
２３ 高周波コイル
２４ 磁気コイル
２５ 磁気中性線
２６ ステージ
３０、３２ ターゲット材
３１ ガス導入管
３３ 電圧プローブ
３４ 制御手段
Ｗ 基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クリーニング処理を含むプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造用途等に用いられる基板処理プロセスの一つにプラズマエッチング法がある。この方法では、処理室内に導入されたエッチングガスがプラズマ化されて処理対象基板（以下、基板）に衝突し、あるいは基板と反応してエッチング処理が行われる。エッチングガスをプラズマ化する方法には様々な種類がある。
【０００３】
ＮＬＤ（磁気中性線放電：magnetic Neutral Loop Discharge）プラズマエッチング法は、磁気中性線を利用してエッチングガスをプラズマ化し、基板処理に利用する方法である。特許文献１には、この磁気中性線を利用する「放電プラズマ処理装置」が開示されている。
【０００４】
プラズマエッチング法では、エッチングにより形成された生成物が処理室の内壁等に堆積する場合がある。この堆積物は、剥がれ落ちて基板に付着し、基板の品質が低下する原因となる。そのため、プラズマによりこの堆積物を除去するクリーニング処理が行われる。
ここで、プラズマにより基板あるいは処理室内の構造にダメージが生じることを防ぐため、堆積物が除去された時点でプラズマを停止することが望まれる。
【０００５】
特許文献２には、「プラズマクリーニング処理の終点検出方法及び終点検出装置」が開示されている。特許文献２に記載の方法及び装置では、プラズマを発生させるアンテナ（高周波電力が印加されるコイル）の電圧等の時間的変化がモニタされ、クリーニング処理の終点が検出される。これは、プラズマを構成する分子種の濃度比がアンテナの電圧に影響を与えることを利用したものであり、除去すべき堆積物に由来するプラズマの濃度の減少がアンテナ電圧の時間変化として得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】第２７０５８９７号公報
【特許文献２】特開２００６−７３７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＮＬＤプラズマエッチング法において、特許文献２に記載の方法によりクリーニング処理の終点を検出することは困難である。磁気中性線放電は磁気中性線と誘導電場との間の相関が強く、除去すべき堆積物の減少に伴うアンテナ電圧の時間変化を精度よく測定できないからである。本発明者らは、アンテナの電圧の時間的変化が、磁気中性線の強度に依存することを見出し、クリーニング処理の終点検出に利用可能であると考えた。
【０００８】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、クリーニングの終点を検出することが可能なプラズマ処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一形態に係るプラズマ処理方法は、チャンバに第１のガスが導入される。
第１の基板処理は、上記チャンバの周囲に巻回されたアンテナコイルに高周波電位を印加し、かつ、上記チャンバの周囲に巻回された磁気コイルに電流を印加することで生成された第１のガスのプラズマにより実行される。
第２のガスは、上記第１のガスに代えて導入される。
上記第１の基板処理でチャンバの内壁に付着した堆積物を除去するクリーニング処理は、上記アンテナコイルに高周波電位を印加し、かつ、上記磁気コイルに上記第１の基板処理の際に印加した電流より小さい電流を印加することで生成された第２のガスのプラズマにより実行される。
上記アンテナコイルの電圧は、上記クリーニング処理の実行中に測定される。
上記クリーニング処理は、上記電圧の変化の度合いが所定の値に達した時に終了される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態において用いられるプラズマエッチング装置の概略構成図である。
【図２】図１に示したプラズマエッチング装置の動作例を説明するタイミングチャートである。
【図３】従来技術の問題点であるエッチングレートの低下の原因を説明する図である。
【図４】ガス種の磁場強度依存性を示すグラフである。
【図５】酸素放電時間に対するピーク電位差を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施形態において用いられるプラズマエッチング装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施形態に係るプラズマ処理方法は、チャンバに第１のガスが導入される。
第１の基板処理は、上記チャンバの周囲に巻回されたアンテナコイルに高周波電位を印加し、かつ、上記チャンバの周囲に巻回された磁気コイルに電流を印加することで生成された第１のガスのプラズマにより実行される。
第２のガスは、上記第１のガスに代えて導入される。
上記第１の基板処理でチャンバの内壁に付着した堆積物を除去するクリーニング処理は、上記アンテナコイルに高周波電位を印加し、かつ、上記磁気コイルに上記第１の基板処理の際に印加した電流より小さい電流を印加することで生成された第２のガスのプラズマにより実行される。
上記アンテナコイルの電圧は、上記クリーニング処理の実行中に測定される。
上記クリーニング処理は、上記電圧の変化の度合いが所定の値に達した時に終了される。
【００１２】
上記プラズマ処理方法においては、クリーニング処理の際に磁気コイルに印加する電流値を第１の基板処理の際に磁気コイルに印加する電流値よりも小さくすることで、プラズマの分子種の時間変化をアンテナコイルの電圧変化に反映させ易くする。これにより、アンテナコイルの電圧を測定することで、クリーニング処理の終点を精度よく検出することが可能となる。
【００１３】
ここで、チャンバの内壁には、真空槽の内壁面、真空槽の内部に配置されたターゲット、防着板、基板を支持するステージなど、処理室に臨む各種構造面あるいは構造体を含む。
定期的なクリーニングを実施することで、これら構造面あるいは構造体に付着した堆積物の剥離を抑制して、膜質の向上と安定したプラズマ処理を実現することが可能となる。
なお、電圧の変化の度合いとは、電圧測定値の時間変化量、変化割合等、電圧測定値から算出される各種情報を含む。
【００１４】
また、クリーニング処理の際に磁気コイルに印加する電流の大きさは、第１の基板処理の際に磁気コイルに印加する電流の大きさよりも小さければよく、磁気コイルの電流値がゼロである場合も含まれる。
【００１５】
上記第１の基板処理は、エッチングであってもよい。
上記プラズマ処理方法によれば、エッチングによって生成された堆積物をクリーニングすることが可能である。
【００１６】
上記プラズマ処理方法は、上記第１のガスに代えて第３のガスを導入し、上記アンテナコイルに高周波電位を印加し、かつ、上記磁気コイルに電流を印加することで生成された第３のガスのプラズマにより、上記チャンバ内に設けられたターゲットをスパッタし、上記基板上に成膜する第２の基板処理を実行する工程をさらに具備していてもよい。
上記プラズマ処理方法によれば、エッチングによって生成されたターゲット上の堆積物がスパッタにより基板に付着することを防止することが可能である。
【００１７】
上記クリーニング処理は、上記第１の基板処理と上記第２の基板処理を交互に複数回繰り返した後実行されてもよい。
上記プラズマ処理方法によれば、第１の基板処理と第２の基板処理が複数回実行されたことにより堆積した堆積物を除去することが可能である。
【００１８】
上記基板はシリコンまたは石英基板であり、上記第１のガスはフッ素系ガスであり、上記第２のガスは酸素系ガスであってもよい。
上記プラズマ処理方法によれば、シリコンまたは石英基板はフッ素系ガスによりエッチングされ、その反応物を酸素系ガスによりクリーニングすることが可能である。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態によるプラズマエッチング方法に適用されるプラズマエッチング装置２０の概略構成図である。図示するプラズマエッチング装置２０は、ＮＬＤ（磁気中性線放電：magnetic Neutral Loop Discharge）型のプラズマエッチング装置として構成されており、基板表面のエッチング機能と、基板表面のエッチングパターンの側壁部に保護膜を形成する機能とを兼ね備えている。
【００２１】
図１において、２１は真空槽であり、内部にプラズマ形成空間２１ａを含む真空チャンバ（プラズマチャンバ）が形成されている。真空槽２１にはターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）等の真空ポンプが接続され、真空槽２１の内部が所定の真空度に真空排気されている。
【００２２】
プラズマ形成空間２１ａの周囲には、真空槽２１の一部を構成する筒状壁２２によって区画されている。筒状壁２２は石英等の透明絶縁材料で構成されている。筒状壁２２の外周側には、第１高周波電源ＲＦ１に接続されたプラズマ発生用の高周波コイル（アンテナ）２３と、この高周波コイル２３の外周側に配置された三つの磁気コイル２４（２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ）（磁場形成手段）がそれぞれ配置されている。
【００２３】
磁気コイル２４Ａと磁気コイル２４Ｃにはそれぞれ同一方向に電流が供給され、磁気コイル２４Ｂには他の磁気コイル２４Ａ，２４Ｃと逆方向に電流が供給される。その結果、プラズマ形成空間２１ａにおいて、磁場ゼロとなる磁気中性線２５が環状に連続して形成される。そして、高周波コイル２３により磁気中性線２５に沿った誘導電場（高周波電場）が形成されることで、放電プラズマが形成される。
【００２４】
特に、ＮＬＤ方式のプラズマエッチング装置においては、磁気コイル２４Ａ〜２４Ｃに流す電流の大きさによって、磁気中性線２５の形成位置および大きさを調整することができる。すなわち、磁気コイル２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃに流す電流をそれぞれＩＡ，ＩＢ，ＩＣとしたとき、ＩＡ＞ＩＣの場合は磁気中性線２５の形成位置は磁気コイル２４Ｃ側へ下がり、逆に、ＩＡ＜ＩＣの場合は磁気中性線２５の形成位置は磁気コイル２４Ａ側へ上がる。また、中間の磁気コイル２４Ｂに流す電流ＩＢを増していくと、磁気中性線２５のリング径は小さくなると同時に、磁場ゼロの位置での磁場の勾配が緩やかになる。これらの特性を利用することで、プラズマ密度分布の最適化を図ることができる。
【００２５】
高周波コイル２３には電圧プローブ３３（測定手段）が接続され、電圧プローブ３３には制御ユニット３４（制御手段）が接続されている。電圧プローブ３３は高周波コイル２３の電圧を測定し、その測定結果を制御ユニット３４に出力する。制御ユニット３４は、この出力に基づき、ＲＦ１、ＲＦ２、ＲＦ３、真空ポンプ及びガス流量等のスパッタ条件を制御する。
【００２６】
一方、真空槽２１の内部には、半導体ウエハ（シリコン（Ｓｉ）基板）Ｗを支持するステージ２６が設置されている。ステージ２６は、コンデンサ２７を介して第２高周波電源ＲＦ２に接続されている。なお、ステージ２６には、基板Ｗを所定温度に加熱するためのヒータ等の加熱源や、静電チャック等の基板保持機構が内蔵されていてもよい。
【００２７】
プラズマ形成空間２１ａの上部には、天板２９が設置されている。天板２９は、ステージ２６の対向電極として構成されており、コンデンサ２８を介して第３高周波電源ＲＦ３に接続されている。天板２９のプラズマ形成空間２１ａ側の面には、スパッタにより基板を成膜するためのターゲット（スパッタリングターゲット）３０が取り付けられている。ターゲット３０は、本実施形態では、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂が用いられているが、これ以外の合成樹脂材料、あるいは珪素材、炭素材、炭化珪素材、酸化珪素材、窒化珪素材等が適用可能である。
【００２８】
天板２９の近傍には、真空槽２１の内部にプロセスガスを導入するためのガス導入管３１が設置されている。本実施形態において、プロセスガスは、エッチング工程用のガス、スパッタ工程用のガス、そして、後述するアッシング工程用のガスが含まれる。
【００２９】
エッチングガスとしては、ＳＦ６、ＮＦ３、ＳｉＦ４、ＸｅＦ２の少なくとも何れか一種又は不活性ガスとの混合ガスが用いられる。本実施形態では、エッチングガスとして、ＳＦ６とＡｒの混合ガスが用いられる。スパッタ用のプロセスガスとしては、例えば、アルゴン（Ａｒ）や窒素（Ｎ２）などの希ガスあるいは不活性ガスを用いることができる。
【００３０】
本実施形態のプラズマエッチング装置２０においては、ステージ２６上に載置された基板Ｗに対してエッチング工程と保護膜形成工程を交互に繰り返し行うことで、基板Ｗの表面に高アスペクト比の孔またはディープトレンチ等からなるビアを形成する。
【００３１】
図２は、本実施形態のプラズマエッチング装置２０の一動作例を示すタイミングチャートである。図２において、Ａは、高周波コイル２３に供給される第１高周波電源ＲＦ１の電力印加タイミング、Ｂは、ステージ２６に供給される第２高周波電源ＲＦ２の電力印加タイミング、Ｃは、天板２９に供給される第３高周波電源ＲＦ３の電力印加タイミング、Ｄは、真空槽２１の内部における圧力変化をそれぞれ示している。この例では、エッチング工程の処理圧力（プロセスガス導入量）は、保護膜形成工程のそれよりも高く設定されている。
【００３２】
基板Ｗの表面にはあらかじめ、マスクパターンが形成されている。このマスクパターンには、有機レジストやメタルマスク等のエッチングマスクが含まれる。エッチング工程および保護膜形成工程では、プラズマ形成空間２１ａに、磁気コイル２４による環状磁気中性線２５が形成され、更に、第１高周波電源ＲＦ１から高周波コイル２３への電力投入により、環状磁気中性線２５に沿って誘導結合プラズマが形成される。
【００３３】
エッチング条件の一例として、以下とすることができる。
・高周波電力 ＲＦ１：１５００［Ｗ］ １３．５６［ＭＨｚ］
ＲＦ２： ６０［Ｗ］ １２．５０［ＭＨｚ］
ＲＦ３： ０［Ｗ］
・磁気コイル電流 磁気コイル２４Ａ：３０．６［Ａ］
磁気コイル２４Ｂ：５４．０［Ａ］
磁気コイル２４Ｃ：３０．６［Ａ］
【００３４】
エッチング工程において、真空槽２１の内部に導入されたエッチングガス（ＳＦ６とＡｒの混合ガス）は、プラズマ形成空間２１ａでプラズマ化し、生成されたイオンとラジカルによりステージ２６上の基板Ｗをエッチング処理する。このとき、第２高周波電源ＲＦ２からの電力投入で基板バイアスがＯＮとなり、イオンをステージ２６側へ加速させ、基板Ｗ上のラジカル生成物をスパッタ除去してエッチング性を高める。すなわち、フッ素ラジカルがシリコンと反応してラジカル生成物を形成し、これをプラズマ中のイオンによるスパッタ作用で除去することで、シリコン基板Ｗのエッチング処理が進行する。
【００３５】
一方、エッチング処理を所定時間行った後、真空槽２１の内部に残留するエッチングガスが排気される。そして、保護膜形成用のプロセスガス（Ａｒ）が真空槽２１の内部に導入されることで保護膜形成工程が開始される。導入されたプロセスガスは、プラズマ形成空間２１ａでプラズマ化される。このとき、基板バイアス（ＲＦ２）はＯＦＦとなり、代わりに、第３高周波電源（ＲＦ３）からの電力投入で天板バイアスがＯＮとなる。その結果、天板２９に設置されたターゲット３０はプラズマ中のイオンによりスパッタされ、そのスパッタ物が基板Ｗの表面および上述のエッチング工程で形成されたエッチングパターンに付着する。以上のようにして、エッチングパターンの底部および側壁部に、保護膜として機能するポリマー層が形成される。
【００３６】
スパッタ条件の一例として、以下とすることができる。
・高周波電力 ＲＦ１：３０００［Ｗ］ １３．５６［ＭＨｚ］
ＲＦ２： ０［Ｗ］
ＲＦ３： ５００［Ｗ］ １２．５０［ＭＨｚ］
・磁気コイル電流 磁気コイル２４Ａ：３０．６［Ａ］
磁気コイル２４Ｂ：４９．３［Ａ］
磁気コイル２４Ｃ：３０．６［Ａ］
【００３７】
ここで、ターゲット３０から叩き出されたスパッタ粒子は、プラズマ形成空間２１ａに形成されているＮＬＤプラズマを通過して基板へ到達する。このとき、スパッタ粒子は、環状磁気中性線２５が形成される高密度プラズマ領域で分解、再励起されることにより、化学的蒸着法（ＣＶＤ法）に類似する成膜形態で、基板の表面に対して等方的に入射する。したがって、本実施形態によって得られるエッチングパターンの段差被膜（保護膜）は、カバレッジ性が高く、面内均一性に優れる。
【００３８】
なお、保護膜形成工程のプロセスガスとして、例えば、Ａｒとフロロカーボン系ガス（Ｃ４Ｆ８、ＣＨＦ３等）の混合ガスを用いることで、プロセスガス中の反応ガスがプラズマ形成空間２１ａにおいてプラズマ化し、そのラジカル生成物が基板表面に堆積することによって、保護膜として機能するポリマー層を形成する。更に、プロセスガスとして上記混合ガスを用いることで、Ａｒガスのみをプロセスガスとして用いる場合に比べてスパッタレートの向上を図ることができる。
【００３９】
保護膜形成工程を所定時間行った後、再び上述したエッチング工程が行われる。このエッチング工程の初期段階は、エッチングパターンの底部を被覆する保護膜の除去作用に費やされる。その後、保護膜の除去により露出したエッチングパターンの底部のエッチング処理が再開される。このとき、プラズマ中のイオンは、基板バイアス作用によって基板に対して垂直方向に入射する。このため、エッチングパターンの側壁部を被覆する保護膜に到達するイオンは、エッチングパターンの底部に到達するイオンに比べて少ない。したがって、エッチング工程の間、エッチングパターンの側壁部を被覆する保護膜は完全に除去されることなく残留する。これにより、エッチングパターンの側壁部とフッ素ラジカルとの接触が回避され、エッチングパターンの側壁部のエッチングによる侵食が防止される。
【００４０】
以後、上述のエッチング工程と保護膜形成工程が交互に繰り返し行われることで、基板表面に対して垂直方向の異方性エッチングが実現される。以上のようにして、基板Ｗの内部に高アスペクト比のビア（コンタクトホール、トレンチ）が作製される。
【００４１】
次に、本発明に係るターゲット３０の表面のアッシング工程について説明する。
【００４２】
基板のエッチング処理および保護膜の成膜処理を続けると、プラズマ形成空間２１ａ内で生成されるエッチングガス（ＳＦ６／Ａｒ）、ターゲット材（ＰＴＦＥ）、基板材料（シリコン）等に関連する反応生成物がターゲット３０の表面及びチャンバ内壁に堆積する。この種の堆積膜は、プラズマの照射を受けてスパッタされて、基板の表面に形成されたエッチングパターンに付着する。エッチング工程の際に上記堆積膜のスパッタ物がエッチングパターンの開口部に堆積することによってエッチングの進行を妨げる。
【００４３】
図３は、エッチングパターンの開口部に堆積した上記スパッタ物の影響でエッチングレートが低下する様子を模式的に示している。図において、Ｗは基板、Ｈはエッチングパターン（孔）、Ｍは基板表面に形成されたエッチングマスク、Ｐはエッチングパターンの側壁部に形成された保護膜、Ｄはエッチングパターンの開口部に付着したスパッタ物である。
【００４４】
基板Ｗの表面にはあらかじめエッチングマスクＭが形成されている。時刻ｔ０でエッチングが開始される。このとき、ターゲット３０の表面は、清浄な状態とされる。エッチング開始（時刻ｔ０）から時刻ｔ１の間は、上述したエッチング工程と保護膜形成工程が交互に行われることで、図示するように安定したエッチングレートで基板の深掘り工程が実現される。
【００４５】
一方、時刻ｔ１を経過した後は、エッチングレートが徐々に低下する。これは、エッチング工程の継続によりターゲット３０の表面が反応生成物の付着で徐々に汚染され、パターン開口部に、ターゲット表面でスパッタされた反応生成物のスパッタ物Ｄが付着して、開口部の開口面積を減少させるからである（時刻ｔ２）。このスパッタ物Ｄの堆積は、エッチング工程および保護膜形成工程においても進行する。このため、エッチング工程では除去できないスピードで開口部に堆積し、最終的に、当該開口部を閉塞する（時刻ｔ３）。
【００４６】
そこで本実施形態では、エッチング工程の途中またはエッチング後に、真空槽２１内の雰囲気ガスを酸素系ガスに置換して、ターゲット３０の表面及びチャンバ内壁を清浄化するためのクリーニング工程が実施される。このクリーニング工程では、真空槽２１内でＲＦ２及びＲＦ３に高周波電力を印加し、酸素系ガスのプラズマを発生させて、ターゲット３０の表面に付着した反応生成物をアッシングによって除去する。このクリーニング工程により、ターゲット３０の表面及びチャンバ内壁に付着した反応生成物の堆積物の剥離を抑制して、膜室の向上と安定したプラズマ処理を実現することが可能となる。
【００４７】
このアッシング工程で用いられるプロセスガスとしては、Ｏ２、Ｏ３、ＣＯｘ、ＮＯｘ、Ｈ２Ｏ、ＳＯｘの何れか又はこれらの混合ガスが用いられる。また、これら酸素系ガスと希ガスとの混合ガスを用いてもよい。プロセス圧力は、エッチング工程と同程度に設定され、例えば１．０Ｐａ〜６．０Ｐａである。酸素系ガスのプラズマは、第１高周波電源ＲＦ１に接続された高周波コイル２３を用いて発生される。
【００４８】
アッシング（クリーニング）条件の一例として、以下とすることができる。
・高周波電力 ＲＦ１：１０００［Ｗ］ １３．５６［ＭＨｚ］
ＲＦ２： ６０［Ｗ］ １２．５０［ＭＨｚ］
ＲＦ３： ５００［Ｗ］ １２．５０［ＭＨｚ］
・磁気コイル電流 磁気コイル２４Ａ：０［Ａ］
磁気コイル２４Ｂ：０［Ａ］
磁気コイル２４Ｃ：０［Ａ］
【００４９】
図２では、ターゲット３０のクリーニング（アッシング）工程を、基板Ｗの深掘り加工の途中で実施する例を示している。エッチング工程と保護膜形成工程を所定サイクル（例えば５０〜１００サイクル）実施する毎に、ターゲット３０の表面のクリーニング処理が実行される。
【００５０】
ここで、上述したクリーニング工程は、基板を処理する毎に適宜のタイミングで実行されてもよいし、基板を複数枚処理する毎に実行されてもよい。クリーニング工程の実施周期は、プロセスの種類に応じて適宜設定することが可能である。
【００５１】
クリーニング工程の終点検出について説明する。
図４は、プラズマ生成時における高周波コイル２３の電圧の磁場強度依存性を示すグラフである。縦軸の電圧は、高周波コイル２３に印加される高周波電力の電位波形の上ピークと下ピーク間の大きさ（以下、アンテナ電圧ともいう。）を示している。横軸の磁場強度は、磁気コイル２４に印加される電流の大きさを示し、上段が磁気コイル２４Ａ、中段が磁気コイル２４Ｂ、下段が磁気コイル２４Ｃの電流値である。
【００５２】
図４から、アンテナ電圧は、ガス種によって異なる値を示すものの、何れのガス種においても磁場強度が高くなるに従い、電圧値が小さくなる傾向が認められる。従って、磁気中性線放電に関しては電場と磁場との間に強い相関があることがわかる。
【００５３】
また、同図から、アンテナ電圧の大きさは、磁気コイル２４への印加電流が比較的小さい場合にはガスの種類の違いによる差が明確であるが、磁気コイル２４への印加電流が比較的大きい場合にはガスの種類の違いによる差は小さくなることがわかる。
【００５４】
さらに、図４において各プラズマガス（Ａｒ、Ｏ２、ＣＦ４）のアンテナ電圧は、そのガスのプラズマのみがチャンバ内に存在している場合に、電圧プローブ３３により測定される高周波コイル２３の電位波形についてのものである。したがって、例えば、チャンバ内にＯ２プラズマのみが存在している場合に比べ、Ｏ２プラズマ及びＣＦ４プラズマが混在している場合には、アンテナ電圧は減少する（Ｏ２とＣＦ４の値の間の値をとる）ことになる。
【００５５】
図５は、ＣＦ４系の堆積物の存在下で酸素ガスプラズマを用いたクリーニング処理を実施したときのアンテナ電圧の時間変化を示すグラフである。このときの磁気コイルへの印加電流はゼロとし、高周波コイルのみで酸素ガスプラズマを発生させた。
縦軸は電圧プローブ３３により測定されたコイル電圧を示し、横軸はクリーニング処理の開始時点からの経過時間を示す。
【００５６】
Ｏ２ガスのプラズマがターゲット３０及びチャンバ内壁に堆積していた堆積物をアッシングすると、反応物がプラズマ化してＯ２プラズマ中に拡散する。例えば、反応物の堆積物がＣＦ４系である場合、アッシングによりＣＦ４のプラズマが発生する。このため、クリーニング開始直後のコイル電圧は、上述のように、Ｏ２プラズマのコイル電圧とＣＦ４プラズマのコイル電圧の間の値をとる。クリーニング効果により堆積物は徐々に減少し、従ってＯ２プラズマ中のＣＦ４プラズマの濃度は減少する。その結果、測定されるコイル電圧は、図５に示すように、クリーニング処理の進行に伴ってコイル電圧が上昇し、一定時間経過後に定常状態をとる。この定常状態の電圧値は、Ｏ２単体時のコイル電圧の大きさに相当する。
【００５７】
以上のように、コイル電圧を監視することで、堆積物の消失、即ちクリーニング処理の終了を判断することが可能である。
【００５８】
ところで、このクリーニング工程の実施に際して、酸素プラズマの生成に磁気中性線放電を利用すると、磁気コイルに印加する電流値の大きさによっては、クリーニング処理中におけるコイル電圧の変化を精度よく測定することが困難となる。図４を参照して説明したように、磁気コイルに印加する電流の大きさ、すなわち、形成する磁気中性線の磁気勾配の大きさによっては、酸素プラズマ発生時のコイル電圧と、酸素／ＣＦ４の混合ガスのプラズマ発生時とのコイル電圧との間に大きな差が得られなくなるからである。例えば、上述した基板のエッチング処理または保護膜の成膜処理の際に適用した磁気コイルへの印加電流値をクリーニング処理条件として適用した場合、クリーニング処理中におけるコイル電圧の時間変化を精度よく測定することはほぼ不可能となる。
【００５９】
そこで本実施形態では、クリーニング処理の実行時は、磁気コイルへ印加する電流の大きさを、上記エッチング処理時及び成膜処理時に磁気コイルへ印加する電流値よりも小さくする。これにより、クリーニングガス由来のプラズマ生成に必要なコイル電圧と堆積物由来のプラズマ生成に必要なコイル電圧との間の差分（マージン）が拡大する。したがって、本実施形態によれば、プラズマの分子種の時間変化を高周波コイル２３の電圧変化に反映させ易くなるため、コイル電圧の測定精度が向上し、クリーニング処理の終点を精度よく検出することが可能となる。
【００６０】
特に、クリーニング処理の実行時は、磁気コイルへの通電を遮断する（磁気コイルへ印加する電流値をゼロとする）ことで、プラズマ生成時におけるコイル電圧の磁場依存性をなくすことができる。これにより、コイル電圧の時間変化に基づいて、クリーニング工程の終了タイミングを高精度に検出することが可能となる。
【００６１】
ここで、クリーニング工程の終了タイミングは、コイル電圧の変化の度合いに基づいて判定することができる。コイル電圧の変化の度合いは、上述のように、コイル電圧が定常状態となる時点を基準とする例に限られない。例えば、図５に示したようにクリーニング処理中のコイル電圧の変化率が時間の経過とともに減少する傾向にある場合は、当該コイル電圧の時間変化率が所定の値にまで減少したことをもってクリーニング終了の基準としてもよい。この場合、堆積物の完全除去は難しいが、クリーニング処理の早期終了を図ることができる。また、上記所定の値は、エッチング処理や成膜処理などの基板処理に影響を与えない程度の堆積物残存量を基準として決定することができる。同様に、クリーニング処理開始時のコイル電圧を基準としてその値から所定割合（例えば数１０％）変化したことをもってクリーニング処理の終了を判定するようにしてもよい。
【００６２】
なお、クリーニング処理時の磁気コイルの通電量はゼロに限られず、上述のように基板処理時に磁気コイルに印加される電流値よりも小さければよい。磁気コイル２４への印加電流は、プラズマ密度を最適化する磁気中性線２５の強度を左右するため、小さくし過ぎるとクリーニングの効果が弱くなり、所要時間が増大する可能性がある。堆積物の構成物質、量等を勘案することにより、最適な（クリーニング所要時間と、終点検出精度のバランスがとれた）印加電流量を決定することが可能である。
【００６３】
制御ユニット３４は、クリーニング処理の終点を判定すると、チャンバ内への酸素ガスの導入を停止し、高周波電力ＲＦ２及びＲＦ３の印加を解除する。これにより、チャンバのクリーニング処理が完了する。
【００６４】
以上のように、本実施形態によれば、クリーニング工程の際に磁気コイル２４に印加される電流値を、エッチング及びスパッタリング工程の際に印加される電流値よりも小さくすることにより、クリーニング処理の終点を精度よく検出することが可能となる。
【００６５】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態によるプラズマエッチング方法に適用されるプラズマエッチング装置の概略構成図である。なお、図において上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００６６】
本実施形態では、基板Ｗは石英基板で構成され、ターゲット３２はシリコン（Ｓｉ）プレートで構成されている。また、天板２９は、コンデンサ２８を介して、高周波コイル２３用の第１高周波電源ＲＦ１と接続される。これにより、プラズマ形成空間２１ａ内でプラズマが形成されている間、天板２９にもバイアス電力が印加される。
【００６７】
石英からなる基板Ｗのエッチングガスには、Ｃ３Ｆ８やＣＦ４、ＣＨＦ３等のフロロカーボン系ガスが用いられる。プラズマ形成空間２１ａでエッチングガスのプラズマを発生させて、表面にマスクパターンが形成された基板Ｗをエッチングする。エッチング時、ターゲット３２に高周波電力が印加されることで、プラズマ中のイオンが天板２９へ引き込まれ、ターゲット３２をスパッタする。スパッタされたシリコン粒子はエッチングガスの一部と反応し、チャンバ内におけるエッチャント濃度を調整する機能を果たす。これにより、基板Ｗの適切なエッチング処理が可能となり、形状制御性に優れたパターン加工を実現する。
【００６８】
このような構成のプラズマ処理装置においても、エッチング中に生じた各種反応物がターゲット３２の表面に付着、堆積する場合がある。この場合、上述した効果が安定して得られなくなるため、定期的にターゲット３２のクリーニング処理（アッシング処理）が実行される。ターゲット３２のクリーニングは、上述の第１の実施形態と同様にして行われる。これによりクリーニング処理の終点時間を最適なものとすることが可能である。
【００６９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００７０】
例えば、以上の実施形態では、堆積物の例としてＣＦ系の物質を例に挙げて説明したが、堆積物の材料組成は上記の例に限定されない。クリーニングガス単体のプラズマ生成電圧（コイル電圧）よりも高いプラズマ生成電圧（コイル電圧）を有する堆積物に対しても、勿論本発明は適用可能である。この場合、クリーニング処理の経過に伴って減少するコイル電圧の変化の度合いに基づいた、クリーニングの終点検出が可能となる。
【符号の説明】
【００７１】
２０ プラズマエッチング装置
２１ 真空槽
２２ 筒状壁
２３ 高周波コイル
２４ 磁気コイル
２５ 磁気中性線
２６ ステージ
３０、３２ ターゲット材
３１ ガス導入管
３３ 電圧プローブ
３４ 制御手段
Ｗ 基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバに第１のガスを導入し、
前記チャンバの周囲に巻回されたアンテナコイルに高周波電位を印加し、かつ、前記チャンバの周囲に巻回された磁気コイルに電流を印加することで生成された第１のガスのプラズマにより前記チャンバ内の基板に対して第１の基板処理を実行し、
前記第１のガスに代えて第２のガスを導入し、
前記アンテナコイルに高周波電位を印加し、かつ、前記磁気コイルに前記第１の基板処理の際に印加した電流より小さい電流を印加することで生成された第２のガスのプラズマにより、前記第１の基板処理でチャンバの内壁に付着した堆積物を除去するクリーニング処理を実行し、
前記クリーニング処理の実行中に前記アンテナコイルの電圧を測定し、
前記電圧の変化の度合いが所定の値に達した時に前記クリーニング処理を終了させる
プラズマ処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
前記第１の基板処理は、エッチングである
プラズマ処理方法。
【請求項３】
請求項２に記載のプラズマ処理方法であって、
前記第１のガスに代えて第３のガスを導入し、
前記アンテナコイルに高周波電位を印加し、かつ、前記磁気コイルに電流を印加することで生成された第３のガスのプラズマにより、前記チャンバ内に設けられたターゲットをスパッタし、前記基板上に成膜する第２の基板処理を実行する工程をさらに具備する
プラズマ処理方法。
【請求項４】
請求項３に記載のプラズマ処理方法であって、
前記クリーニング処理は、前記第１の基板処理と前記第２の基板処理を交互に複数回繰り返した後実行される
プラズマ処理方法。
【請求項５】
請求項４に記載のプラズマ処理方法であって、
前記基板はシリコンまたは石英基板であり、
前記第１のガスはフッ素系ガスであり、
前記第２のガスは酸素系ガスである
プラズマ処理方法。
【請求項１】
チャンバに第１のガスを導入し、
前記チャンバの周囲に巻回されたアンテナコイルに高周波電位を印加し、かつ、前記チャンバの周囲に巻回された磁気コイルに電流を印加することで生成された第１のガスのプラズマにより前記チャンバ内の基板に対して第１の基板処理を実行し、
前記第１のガスに代えて第２のガスを導入し、
前記アンテナコイルに高周波電位を印加し、かつ、前記磁気コイルに前記第１の基板処理の際に印加した電流より小さい電流を印加することで生成された第２のガスのプラズマにより、前記第１の基板処理でチャンバの内壁に付着した堆積物を除去するクリーニング処理を実行し、
前記クリーニング処理の実行中に前記アンテナコイルの電圧を測定し、
前記電圧の変化の度合いが所定の値に達した時に前記クリーニング処理を終了させる
プラズマ処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
前記第１の基板処理は、エッチングである
プラズマ処理方法。
【請求項３】
請求項２に記載のプラズマ処理方法であって、
前記第１のガスに代えて第３のガスを導入し、
前記アンテナコイルに高周波電位を印加し、かつ、前記磁気コイルに電流を印加することで生成された第３のガスのプラズマにより、前記チャンバ内に設けられたターゲットをスパッタし、前記基板上に成膜する第２の基板処理を実行する工程をさらに具備する
プラズマ処理方法。
【請求項４】
請求項３に記載のプラズマ処理方法であって、
前記クリーニング処理は、前記第１の基板処理と前記第２の基板処理を交互に複数回繰り返した後実行される
プラズマ処理方法。
【請求項５】
請求項４に記載のプラズマ処理方法であって、
前記基板はシリコンまたは石英基板であり、
前記第１のガスはフッ素系ガスであり、
前記第２のガスは酸素系ガスである
プラズマ処理方法。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１４２４９６（Ｐ２０１２−１４２４９６Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７４０（Ｐ２０１１−７４０）
【出願日】平成２３年１月５日（２０１１．１．５）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月５日（２０１１．１．５）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
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