プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法
【課題】基板に対してプラズマ処理を行う装置についてダミー基板を用いずにプラズマによりクリーニングするにあたり、載置台表面の損傷を抑制することのできる技術を提供すること。
【解決手段】プラズマエッチング処理後に、サセプタ３の表面を露出した状態でプラズマエッチング装置の真空容器１の内部をプラズマＰによりクリーニングし真空容器１の内部に付着した反応生成物Ａを除去する。このとき、プラズマＰに直流電圧を印加する。これにより、高密度なプラズマＰを得ながらそのプラズマＰのイオンエネルギーを低減させることができるため、良好なクリーニングを行いつつサセプタ３の表面の損傷を抑えることができる。
【解決手段】プラズマエッチング処理後に、サセプタ３の表面を露出した状態でプラズマエッチング装置の真空容器１の内部をプラズマＰによりクリーニングし真空容器１の内部に付着した反応生成物Ａを除去する。このとき、プラズマＰに直流電圧を印加する。これにより、高密度なプラズマＰを得ながらそのプラズマＰのイオンエネルギーを低減させることができるため、良好なクリーニングを行いつつサセプタ３の表面の損傷を抑えることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置の真空容器内をプラズマによりクリーニングする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造工程における半導体ウエハ表面に対して行われるプラズマ処理では、処理の回数が増えるにつれて真空容器の内壁や載置台などに付着する反応生成物の付着量が増加する。付着量が多くなると処理環境が変わるため、ウエハ間での処理の均一性が悪くなることがあり、またパーティクルの発生要因となる。このため、例えば定期的にクリーニングガスをプラズマ化させたプラズマにより真空容器内をクリーニングすることが行われ、例えばフッ化炭素（ＣＦ）系のガスをプラズマ化させてプラズマエッチングを行う装置にあっては、クリーニングガスとして酸素（Ｏ２）ガスを用いて、ＣＦ系の反応生成物をアッシングするようにしている。この場合、載置台の表面の損傷を防止するため、通常載置台にダミーウエハを載置した上でプラズマによるクリーニングが行われる。しかし、この方法では真空容器へのダミーウエハの搬入、搬出ステップが必要になるのでスループットの低下の要因になるし、またダミーウエハのコストが高いため、製造コストが高くなる不利益がある。そこでダミーウエハを用いずにクリーニングを行う場合もあるが、載置台の表面がプラズマに曝されるため、当該表面が荒れてしまい、その荒れの程度が大きくなると載置台とウエハとの熱伝達の状態が変わり、ウエハのプロセス温度が設定温度から外れてしまうことから、結果として静電チャックの交換頻度が多くなってしまう。
【０００３】
特許文献１には、プラズマエッチング時に直流電力を重畳することが記載されているが、本発明のようにプラズマエッチング装置内部の洗浄工程にて適用している訳ではない。特許文献２には、基板処理室の洗浄方法が記載されているが、直流電力の重畳の記載は見られない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１８０３５８号公報
【特許文献２】特開２００７−２１４５１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこのような背景の下になされたものであり、その目的は基板に対してプラズマ処理を行う装置についてダミー基板を用いずにプラズマによりクリーニングするにあたり、載置台表面の損傷を抑制することのできる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のプラズマ処理装置は、
真空容器内に設けられた第１の電極を兼用する載置台に基板を載置し、この第１の電極と第２の電極との間に高周波電力を印加して処理ガスをプラズマ化し、得られたプラズマにより基板に対してプラズマ処理を行う平行平板型のプラズマ処理装置において、
前記プラズマに晒される領域に設けられた直流電圧印加用の電極と、
この電極に直流電圧を印加する直流電圧電源部と、
前記真空容器内をクリーニングするためのクリーニングガスを供給するためのクリーニングガス供給部と、
前記載置台に基板が存在しない状態で処理容器内にクリーニングガスを供給するステップと、前記第１の電極及び第２の電極間に高周波電力を印加してクリーニングガスをプラズマ化するステップと、クリーニングガスをプラズマ化する間、前記電極に直流電圧を印加するステップと、を実行するように制御信号を出力する制御部と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のプラズマ処理方法は、
真空容器内に設けられた第１の電極を兼用する載置台に基板を載置し、この第１の電極と当該第１の電極に対向する第２の電極との間に高周波電力を印加して処理ガスをプラズマ化し、得られたプラズマにより基板に対してプラズマ処理を行う工程と、
前記載置台に基板が存在しない状態で処理容器内にクリーニングガスを供給し、前記第１の電極及び第２の電極間に高周波電力を印加してクリーニングガスをプラズマ化する工程と、
この工程を行っているときに、前記プラズマに晒される領域に設けられた直流電圧印加用の電極に直流電圧を印加する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、プラズマ処理装置の真空容器内部に付着した反応生成物を、載置台に基板が存在しない状態でプラズマによりクリーニングするにあたって、プラズマに直流電圧を印加することにより、プラズマの高い電子密度を維持しつつ、プラズマのイオンエネルギーを低下させることができる。これにより、良好なクリーニングを行うことができ、またプラズマによるスパッタ作用が低下するので載置台表面の損傷を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態におけるプラズマエッチング装置を示す縦断側面図である。
【図２】前記プラズマエッチング装置における制御部を示すブロック図である。
【図３】前記実施形態におけるエッチング処理及びクリーニング処理の工程を説明するフロー図である。
【図４】前記実施形態における付着物のクリーニング処理を説明する模式図である。
【図５】本発明の作用を説明する模式図である。
【図６】本発明における他の実施形態を示す模式図である。
【図７】本発明の実施例に係わる静電チャックの表面の形状を説明する模式図である。
【図８】本発明の実施例における試験結果である。
【図９】本発明の実施例における試験結果である。
【図１０】本発明の実施例における試験結果である。
【図１１】本発明の実施例における試験結果である。
【図１２】本発明の実施例における試験結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明のプラズマ処理装置の一実施形態であるプラズマエッチング装置について図１を参照しながら説明する。エッチング装置は、容量結合型平行平板プラズマエッチング装置として構成されている。
【００１１】
真空容器１の底部には、セラミックス等からなる絶縁層２１を介して支持台２が配置され、この支持台２上には例えばアルミニウムからなり下部電極を構成するサセプタ３が設けられている。サセプタ３の上部には周縁に沿って段部３１が形成されており、サセプタ３の上部中央の凸部３２には、ウエハＷを静電力で吸着保持する静電チャック３３が設けられており、チャック電極には直流電源３４がスイッチ３５を介して電気的に接続されている。下部電極であるサセプタ３には、整合器３６を介してプラズマ生成用の第１の高周波電源３７が電気的に接続されており、また整合器３８を介してイオン引き込み用のバイアス電力を供給するための第２の高周波電源３９が接続されている。
【００１２】
静電チャック３３を囲うように サセプタ３上部に形成された前記段部３１の上には、エッチングの均一性を向上させるための、フォーカスリングなどと呼ばれているリング部材２２が配置されている。
【００１３】
支持台２の内部には、例えば支持台２の周方向に沿って冷媒室２３が設けられている。この冷媒室２３には、外部に設けられた図示しないチラーユニットより配管２４、２５を介して所定温度の冷媒例えば冷却水が循環供給され、冷媒の温度によってサセプタ３上のウエハＷの処理温度を制御することができる。また図示しない伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス例えばヘリウム（Ｈｅ）ガスがガス供給ラインを介して静電チャック３３の上面とウエハＷの裏面との間に供給される。
【００１４】
下部電極であるサセプタ３の上方には、サセプタ３と対向するようにガスシャワーヘッドを兼用する上部電極４が設けられており、上部電極４及び下部電極（サセプタ）３の間の空間がプラズマ生成空間となる。この上部電極４は、本体部４１と電極板をなす上部天板４２とを備えており、絶縁性遮蔽部材１１を介して、真空容器１の上部に支持されている。本体部４１は導電性材料例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなり、その下部に前記上部天板４２を着脱自在に支持できるように構成されている。
【００１５】
本体部４１の内部には、本体部４１の上部のガス導入口４３に連通するガス拡散室４４が設けられ、このガス拡散室４４からは例えば多数のガス吐出孔４５が均等に分散されるように形成されている。ガス拡散室４４に供給された処理ガスは、ガス吐出孔４５を介して処理雰囲気にシャワー状に分散されて供給される。
【００１６】
本体部４１の上部のガス導入口４３には、ガス供給管５が接続され、その基端側は分岐管５１、６１、８１に分岐されている。第１の分岐管５１には、処理ガス供給源５２が第１のガス供給系５３を介して接続されている。この処理ガスとしては、炭素元素（Ｃ）及びフッ素元素（Ｆ）が有効成分として含まれるガス、例えばＣＦ系ガスやＣＨＦ系のガスあるいはこれらの混合ガスなどが挙げられる。ＣＦ系ガスには例えばＣ４Ｆ８ガス、Ｃ４Ｆ６ガス及びＣ５Ｆ８ガスなどがあり、ＣＨＦ系ガスとしては例えばＣＨＦ３ガス及びＣＨ２Ｆ２ガスなどが挙げられる。第２の分岐管６１には、クリーニングガス供給源６が第２のガス供給系６２を介して接続されている。クリーニングガスには例えば酸素（Ｏ２）ガスを用いて、真空容器１内のポリマーからなる付着物をＯ２ガスのプラズマによりアッシングし除去する。第３の分岐管８１には、アルゴン（Ａｒ）ガス供給源８が第３のガス供給系８２を介して接続されている。このＡｒガスは、プラズマの安定化のためにクリーニングガスと混合して用いる。これらのガス供給系５３、６２、８２には、バルブ５４、５５、６３、６４、８３、８４及び流量調節部５６、６５、８５などが含まれ、後述の制御部７からの制御信号によりガスの給断、流量調整などが行われる。
【００１７】
前記上部電極４には、スイッチ４６を介して可変直流電源４７が電気的に接続されており、この可変直流電源４７はオン、オフスイッチ４６により給電のオン、オフが可能となっている。後述で裏付けられているように、上部電極４に適切な大きさの直流電圧を印加することにより、プラズマの電子密度を低下させることなくプラズマのイオンエネルギーを低減させることができる。このため、ダミーウエハを用いずにプラズマクリーニングを行った場合でも、プラズマイオンによる静電チャック３３の表面の損傷を抑えながら真空容器１内の付着物をアッシングし除去することができる。この印加する直流電圧の適切な大きさは例えば−２００Ｖ〜−３２０Ｖ、より好ましくは−２００Ｖ〜−３００Ｖである。
【００１８】
真空容器１の底部には排気ポート１２が設けられており、この排気ポート１２には排気管１３により圧力調整部１４を介して真空排気機構１５が接続されている。これにより、真空容器１内を所望の真空圧まで減圧可能となっている。また、真空容器１の側壁にはゲートバルブ１７により開閉可能なウエハＷの搬入出口１６が設けられている。また真空容器１の底部における真空容器１の側壁と支持台２との間には、バッフル板１８が設けられている。
【００１９】
本プラズマエッチング装置には、制御部７が設けられている。この制御部７は、図２に示すように、ＣＰＵ７１とレシピ記憶部７２とを備えており、このレシピ記憶部７２には、エッチング処理における例えば処理条件の運転パラメータのデータなどからなる処理レシピ７３や、真空容器１内のクリーニング処理における例えば処理条件の運転パラメータのデータなどからなるクリーニングレシピ７４が、例えばＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−Ｒなどの記憶媒体を介して格納されている。第１の高周波電源３７、第２の高周波電源３９、可変直流電源４７、オン、オフスイッチ４６、第１のガス供給系５３及び第２のガス供給系６２等は、処理レシピ７３及びクリーニングレシピ７４に基づき制御部７により制御される。７５は、バスである。
【００２０】
次に本実施形態の作用について説明する。今、真空容器１内をクリーニングし、本装置の運用を再開したとすると、制御部７では図３のステップＳ１にて処理回数を「１」にセットし（ｎ＝１とし）、エッチング処理を開始する（ステップＳ２）。先ずゲートバルブ１７を開状態とし、真空容器１の外部に設けられた図示しない搬送アームにより搬入出口１６を介してエッチング対象の被処理基板であるウエハＷを真空容器１内に搬入し、図示しない昇降ピンを介してサセプタ３上に載置し、静電チャック３３に静電吸着する。ゲートバルブ１７を閉じた後、処理ガス供給源５２から炭素及びフッ素を含む化合物のガスを含む処理ガスを所定の流量でガスシャワーヘッド（上部電極）４を介して真空容器１内へ供給しつつ、真空容器１内の圧力を例えば０．１Ｐａ〜１５０Ｐａの真空雰囲気とする。また下部電極であるサセプタ３に第１の高周波電源３７からプラズマ生成用の高周波電力を所定のパワーで印加するとともに、第２の高周波電源３９よりイオン引き込み用の高周波電力を所定のパワーで印加する。これにより処理ガスがプラズマ化し、生成されたプラズマ中のラジカルやイオンによってウエハＷの被処理面がエッチングされる。エッチング処理を完了したウエハＷは、搬入動作と逆の動作で真空容器１の外部に搬出される。続いて後続のウエハＷに対してエッチング処理が行われ（ステップＳ３、Ｓ４、Ｓ２）、ウエハＷの処理枚数が予め設定された設定枚数に達すると、真空容器１内部のクリーニング処理を行う工程（ステップＳ５）に移る。
【００２１】
クリーニング工程開始時点では、図４に示すように、サセプタ３の表面がプラズマ処理領域に対して露出した状態であり、真空容器１の内壁、リング部材２２等の、サセプタ３におけるウエハＷの載置領域周辺には、エッチング処理により生成した反応生成物Ａが付着している。この例では、処理ガスとしてはＣＦ系やＣＨＦ系のガスが用いられていることから、エッチングによりポリマーを主成分とする反応生成物Ａが真空容器１内に付着している。この状態で、即ちダミーウエハをサセプタ３上に載置することなく、ウエハＷの載置領域が露出したまま、クリーニングガス供給源６からクリーニングガス例えばＯ２ガスを所定の流量例えば７００ｓｃｃｍ（standard cc/min.）で真空容器１内へ供給すると共に、Ａｒガス供給源８からＡｒガスを所定の流量例えば７００ｓｃｃｍで真空容器１内へ供給する。そして真空容器１内の圧力を例えば４００ｍＴｏｒｒに設定した後、プラズマ生成用の４０ＭＨｚの高周波電力を例えば８００Ｗで印加する。そして可変直流電源４７から上部電極４に例えば−２００Ｖ〜−３２０Ｖの直流電圧を印加する。クリーニングガス（Ｏ２ガス）は、高周波電力によりプラズマ化し、真空容器１内に付着した付着物であるポリマーＡは、酸素ラジカルやイオンによってアッシング（灰化）されて、真空容器１の外に排出される。クリーニング処理は例えば１分間行われる。
【００２２】
ここで、プラズマクリーニングの処理中に起こる作用の詳細について、直流電圧の印加による効果を含めて図５を用いて説明する。直流電圧を上部電極に印加しない場合には、図５（ａ）に示すように、高周波電圧Ｖａｐが下部電極に印加されることにより、プラズマポテンシャルＶｐのプラズマが発生する。このときのプラズマポテンシャルＶｐと高周波電圧Ｖａｐとの差分電圧が、プラズマ中のイオンエネルギーとなる。
【００２３】
上部電極３に直流電圧を印加してプラズマに直流電圧を加えると、高周波電圧Ｖａｐの振幅が小さくなる。このことは、後述の実施例にて、高周波電圧ＶａｐのＶｐｐ（上側ピーク値と下側ピーク値との差分）の測定結果から裏付けられている。また直流電圧の印加によりサセプタ３及びリング部材２２等の直流電位Ｖｄｃが下がる（負電圧の絶対値が大きくなる）。高周波電圧Ｖａｐの振幅が小さくなるとプラズマポテンシャルＶｐも低下するため、結果としてイオンエネルギーの最大値Ｖｍが小さくなる。
【００２４】
一方、イオンエネルギーは、プラズマ中のアルゴンイオンや酸素イオンによる物理的なスパッタ作用の強さと深く関係しており、特にこのイオンエネルギーの最大値Ｖｍ、即ちプラズマポテンシャルＶｐ及び高周波電圧Ｖａｐが最小の時点でのイオンエネルギーが大きいと、サセプタ３表面に対するスパッタ作用が大きくなり、表面の荒れが大きくなる。この表面荒れの程度によりウエハＷの処理状態は左右される。従って、プラズマに直流電圧を加えることでイオンエネルギーの最大値Ｖｍが低下することから、サセプタ３におけるウエハＷの載置領域の表面荒れが抑えられた状態で真空容器１内のクリーニングが達成される。なおプラズマ生成用のイオンエネルギーを小さくするためだけであれば、第１の高周波電源３７のパワーを小さくすればよいが、そうするとガスの解離の度合が小さくなってプラズマ密度（詳しくはプラズマの活性種の密度）が低下し、効果的なクリーニングを行うことができない。従って、本実施形態のクリーニング手法は、十分なプラズマ密度を確保しつつイオンエネルギーを低下させて、過度なスパッタ作用を抑制しているということができる。
【００２５】
上述の実施形態によれば、プラズマエッチング処理後に、サセプタ３の表面を露出した状態でプラズマＰにより真空容器１内部をクリーニングし、クリーニング時のプラズマＰに直流電圧を印加している。従って、高密度なプラズマを得ながらイオンエネルギーを低減させることができ、良好なクリーニングを行いつつ、サセプタ３の表面の損傷を抑えることができる。既述のように、サセプタ３の表面荒れの程度によりサセプタ３とウエハＷとの間の熱伝達性が変わることから、通常ウエハレスクリーニングでは、クリーニング回数が増えるにつれてウエハＷ間の処理の均一性が低下する。これを避けるために、静電チャック３３の交換等の定期的なメンテナンスが必要になるが、サセプタ３の表面の損傷が抑えられることで、メンテナンスサイクルを長くできる（メンテナンスの頻度を低くできる）効果がある。ウエハレスクリーニングは、ダミーウエハを用いない点で有利であるが、サセプタ３の表面の損傷の課題があることから、上述の実施形態は有効な技術である。
【００２６】
上述の実施形態では、直流電圧をガスシャワーヘッドを兼ねる上部電極４に印加していたが、図６に示すように、プラズマ処理領域の側面に臨むように電極９ａを配置し、この電極９ａに直流電圧を印加してもよい。なお図６中、上述の実施形態と同様の機能を果たす機構については、上述の実施形態における符号に「ａ」を付してその説明を省略した。また本発明は、上下２周波のプラズマ処理装置（上部電極にプラズマ発生用の高周波電力を供給し、下部電極にバイアス用の高周波電力を供給する装置）において上部電極に直流電圧を印加してもよいし、先の実施形態と同様の下部２周波のプラズマ処理装置においてフォーカスリングと呼ばれる、プラズマの状態調整用のリング部材２２に直流電圧を印加してもよい。
上述の実施形態では、クリーニングガスとしてＯ２ガスを用いているが、クリーニングガスは、除去対象の付着物の組成に応じたガスを選択すればよい。例えば、ポリシリコン薄膜をエッチングするときのガスとしてＯ２ガスが含まれる場合にエッチングにより生成する生成物である酸化ケイ素系付着物に対しては、例えばフッ素ガスを用いてもよい。またクリーニングガスは、例えば他種のクリーニングガスと混合して用いてもよい。
上述の実施形態では、プラズマエッチング処理後のクリーニングを対象としているが、本発明はそれに限らず、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）処理後に、真空容器内に付着した薄膜に対して例えばＣＦ系のクリーニングガスあるいはフッ素ガスをプラズマ化してクリーニングを行う場合に適用してもよい。
【実施例】
【００２７】
ここからは、本発明に関して行った実験について述べる。
（実験１： 静電チャック表面の損傷試験）
静電チャック３３ｂの表面には、図７に示すように、無数の微小な円柱状の島状部分９１ｂが表面全体に亘って形成されており、ウエハＷ載置時にはこの島状部分９１ｂの平らな上面においてウエハＷと接触する。このため、プラズマクリーニングの前後で島状部分９１ｂの形状が変わらないことが重要である。ダミーウエハを用いずにプラズマクリーニングを行うと、この島状部分９１ｂの形状が変化し、ウエハＷとの接触面積も減少することが懸念される。ウエハＷと島状部分９１ｂとの接触面積が減少すると、ウエハＷとサセプタとの間の熱伝達の挙動が変わってしまい、半導体デバイスの品質を一定に保つことが難しくなる。そこで、ある一定の処理条件の下、ダミーウエハを用いずに静電チャック３３ｂの表面を処理領域に露出した状態で、プラズマクリーニング処理を行い、直流電圧の印加の有無による島状部分９１ｂの形状変化について調査した。プラズマ処理前の検体を参考例１とし、直流電圧を印加してプラズマ処理を行った場合及び直流電圧を印加しなかった場合の検体を夫々、実施例１及び比較例１とした。処理条件は、以下の通りである。
・真空容器内の圧力： ５３．３Ｐａ（４００ｍＴｏｒｒ）
・第１の高周波電力： ８００Ｗ
・クリーニングガスの種類及び流量： Ｏ２ガス、７００ｓｃｃｍ
・プラズマ処理時間： ５０時間
・印加直流電圧： ０Ｖ（比較例１）、−３００Ｖ（実施例１）
プラズマ処理の後、ウエハＷの中央部及び周縁部夫々における島状部分９１ｂの上面の損傷状態を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ；Scanning Electron Microscope）により観察すると共に、ウエハＷの中央部及び周縁部夫々における島状部分９１ｂの上面の表面粗さ（算術平均粗さＲａ）及び島状部分９１ｂの上面の直径を測定して、プラズマ処理前の値と比較した。この試験結果のうち、島状部分９１ｂの上面の表面粗さ及び直径について表１に示す。なお表１には、プラズマ処理前との差分の値を記載している。
実施例１は、島状部分９１ｂの表面粗さ及び直径共に参考例１と略同等であるが、比較例１は、実施例１よりも表面粗さが増加し直径は減少していた。このことから、ダミーウエハを用いないプラズマクリーニング処理において、直流電圧を印加することにより、静電チャック３３ｂの表面の損傷を軽減できることが確認された。
【００２８】
（実験２： プラズマのスパッタ作用による浸食試験）
印加直流電圧の大きさにより、プラズマによるスパッタ作用の強さがどのように変化するかを定量するために、内部が清浄な真空容器にポリシリコンのチップを載置してプラズマ処理を行い、そのポリシリコンチップの厚さ、表面粗さ（Ｒａ）及びＳＥＭによる表面の観察を行った。処理条件は、以下の通りである。
・真空容器内の圧力： ５３．３Ｐａ（４００ｍＴｏｒｒ）
・第１の高周波電力： ８００Ｗ
・クリーニングガスの種類及び流量： Ｏ２ガス、７００ｓｃｃｍ
・プラズマ処理時間： ５時間
・印加直流電圧： ０Ｖ（比較例２）、−３００Ｖ（実施例２）
本実験のパラメータである印加直流電圧の大きさは０Ｖ及び−３００Ｖとして、その検体を夫々比較例２、実施例２とし、処理前の検体を参考例２とした。その結果を図８に示す。
まず比較例２については、参考例２と比較して表面粗さが減少しＳＥＭ観察においても表面が滑らかになっていることがわかる。またチップの厚さも減少している。これは、プラズマのスパッタ作用によるものと考えられる。実施例２については、チップの厚さ、表面粗さ及びＳＥＭ観察のいずれにおいても参考例２と略同等の結果であった。従って、プラズマに直流電圧を加えることでプラズマによるスパッタ作用を軽減できることが確認された。
【００２９】
（実験３： プラズマのスパッタ作用による浸食試験）
印加直流電圧の有無により、プラズマによるスパッタ作用の力の強さ（以下、スパッタ力という）がどのように変化するかを定量するために、熱酸化（Ｔｈ−ＳｉＯ２）膜が形成されたウエハに対してプラズマ処理を行い、ウエハの径方向位置におけるスパッタレートを測定した。処理条件は、以下の通りである。
・真空容器内の圧力： ５３．３Ｐａ（４００ｍＴｏｒｒ）
・第１の高周波電力： ８００Ｗ
・クリーニングガスの種類及び流量： アルゴン（Ａｒ）ガス、７００ｓｃｃｍ
・プラズマ処理時間： １分間
・印加直流電圧： ０Ｖ（比較例３）、−３００Ｖ（実施例３）
−３００Ｖの直流電圧を印加した検体を実施例３とし、印加しなかったものを比較例３とした。その結果を図９に示す。
比較例３では、ウエハの中央部から周縁部まで略均一に０．２ｎｍ／ｍｉｎ〜０．３ｎｍ／ｍｉｎのスパッタレートであった。一方、実施例３では、ウエハのどの位置においても全くスパッタされなかった。このことから、直流電圧を印加することにより、プラズマによるスパッタ作用を抑えられることが確認された。
【００３０】
（実験４： 印加直流電圧とＶｐｐとの関係）
既述のように、プラズマのスパッタ力は、プラズマのイオンエネルギーの最大値Ｖｍの大きさと大いに関係があるが、このイオンエネルギーの最大値Ｖｍは高周波電圧ＶａｐのＶｐｐ（上側ピーク値と下側ピーク値との差分）と深く関係している。従って、このＶｐｐを測定することにより、プラズマのスパッタ力を推測することができる。この実験４では、印加する直流電圧の大きさを変えてそのときのＶｐｐを測定して、スパッタ力を低く抑えることが可能な適切な印加直流電圧の大きさを調査した。運転条件は、以下の通りである。
・真空容器内の圧力： ５３．３Ｐａ（４００ｍＴｏｒｒ）
・第１の高周波電力： ８００Ｗ
・クリーニングガスの種類及び流量： Ｏ２ガス、７００ｓｃｃｍ
・印加直流電圧： ０Ｖ、−３００Ｖ
この結果を図１０に示す。
−３００Ｖの印加直流電圧を印加することによりＶｐｐが低下した。このことから、直流電圧を印加することによりプラズマによるスパッタ力を軽減できることが示唆された。
【００３１】
（実験５： 印加直流電圧とイオンエネルギーとの関係）
イオンエネルギーの最大値ＶｍはプラズマポテンシャルＶｐと深く関係している。従って、このプラズマポテンシャルＶｐを測定することにより、プラズマのスパッタ力を推測することができる。この実験５では、印加する直流電圧の大きさを変えてそのときのプラズマポテンシャルＶｐを測定して、スパッタ力を低く抑えることが可能な適切な印加直流電圧の大きさを調査した。運転条件は、以下の通りである。
・真空容器内の圧力： ５３．３Ｐａ（４００ｍＴｏｒｒ）
・第１の高周波電力： ８００Ｗ
・クリーニングガス中のイオンの種類： Ａｒ＋イオン、ＣＦ＋イオン、ＣＦ３＋イオン
・印加直流電圧： ０Ｖ、−３００Ｖ
この結果を図１１に示す。
いずれのガス種においても−３００Ｖの直流電圧を印加することにより、プラズマポテンシャルＶｐが低下した。このことから、様々な種類のプラズマガスにおいて、直流電圧の印加により、イオンエネルギーが低下することが示唆された。
【００３２】
（実験６： 印加直流電圧とアッシュレート及びメモリ効果との関係）
印加直流電圧の大きさを変えながら、プラズマ処理におけるアッシュレート及びメモリ効果を測定した。メモリ効果については、真空容器内に通常のエッチング処理では起こり得ないくらいに大量のＣＦ系付着物を事前に生成、付着させておいた上で、プラズマ処理を行い調査した。アッシュレート及びメモリ効果共に、ウエハの周縁部において測定した。処理条件は、以下の通りである。
・真空容器内の圧力： ５３．３Ｐａ（４００ｍＴｏｒｒ）
・第１の高周波電力： ８００Ｗ
・クリーニングガスの種類及び流量： Ｏ２ガス、７００ｓｃｃｍ
・プラズマ処理時間： １分間
・印加直流電圧： ０Ｖ、−１５０Ｖ、−３００Ｖ
その結果を図１２に示す。
アッシュレートについては、印加直流電圧が０Ｖから−１５０Ｖにかけては横ばいであったが、−３００Ｖではアッシュレートは増加した。一方、メモリ効果については、０Ｖから−３００Ｖにかけては減少し続けた。このことから、直流電圧をかけることにより、真空容器内のクリーニング効果を高めることができ、またその際のメモリ効果についても低減できることが確認された。
【００３３】
【表１】
【符号の説明】
【００３４】
Ｗ ウエハ
１ 真空容器
３ サセプタ（下部電極）
３７ 第１の高周波電源
３９ 第２の高周波電源
４ ガスシャワーヘッド（上部電極）
４６ オン、オフスイッチ
４７ 可変直流電源
５３ 第１のガス供給系
６２ 第２のガス供給系
７ 制御部
８２ 第３のガス供給系
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置の真空容器内をプラズマによりクリーニングする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造工程における半導体ウエハ表面に対して行われるプラズマ処理では、処理の回数が増えるにつれて真空容器の内壁や載置台などに付着する反応生成物の付着量が増加する。付着量が多くなると処理環境が変わるため、ウエハ間での処理の均一性が悪くなることがあり、またパーティクルの発生要因となる。このため、例えば定期的にクリーニングガスをプラズマ化させたプラズマにより真空容器内をクリーニングすることが行われ、例えばフッ化炭素（ＣＦ）系のガスをプラズマ化させてプラズマエッチングを行う装置にあっては、クリーニングガスとして酸素（Ｏ２）ガスを用いて、ＣＦ系の反応生成物をアッシングするようにしている。この場合、載置台の表面の損傷を防止するため、通常載置台にダミーウエハを載置した上でプラズマによるクリーニングが行われる。しかし、この方法では真空容器へのダミーウエハの搬入、搬出ステップが必要になるのでスループットの低下の要因になるし、またダミーウエハのコストが高いため、製造コストが高くなる不利益がある。そこでダミーウエハを用いずにクリーニングを行う場合もあるが、載置台の表面がプラズマに曝されるため、当該表面が荒れてしまい、その荒れの程度が大きくなると載置台とウエハとの熱伝達の状態が変わり、ウエハのプロセス温度が設定温度から外れてしまうことから、結果として静電チャックの交換頻度が多くなってしまう。
【０００３】
特許文献１には、プラズマエッチング時に直流電力を重畳することが記載されているが、本発明のようにプラズマエッチング装置内部の洗浄工程にて適用している訳ではない。特許文献２には、基板処理室の洗浄方法が記載されているが、直流電力の重畳の記載は見られない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１８０３５８号公報
【特許文献２】特開２００７−２１４５１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこのような背景の下になされたものであり、その目的は基板に対してプラズマ処理を行う装置についてダミー基板を用いずにプラズマによりクリーニングするにあたり、載置台表面の損傷を抑制することのできる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のプラズマ処理装置は、
真空容器内に設けられた第１の電極を兼用する載置台に基板を載置し、この第１の電極と第２の電極との間に高周波電力を印加して処理ガスをプラズマ化し、得られたプラズマにより基板に対してプラズマ処理を行う平行平板型のプラズマ処理装置において、
前記プラズマに晒される領域に設けられた直流電圧印加用の電極と、
この電極に直流電圧を印加する直流電圧電源部と、
前記真空容器内をクリーニングするためのクリーニングガスを供給するためのクリーニングガス供給部と、
前記載置台に基板が存在しない状態で処理容器内にクリーニングガスを供給するステップと、前記第１の電極及び第２の電極間に高周波電力を印加してクリーニングガスをプラズマ化するステップと、クリーニングガスをプラズマ化する間、前記電極に直流電圧を印加するステップと、を実行するように制御信号を出力する制御部と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のプラズマ処理方法は、
真空容器内に設けられた第１の電極を兼用する載置台に基板を載置し、この第１の電極と当該第１の電極に対向する第２の電極との間に高周波電力を印加して処理ガスをプラズマ化し、得られたプラズマにより基板に対してプラズマ処理を行う工程と、
前記載置台に基板が存在しない状態で処理容器内にクリーニングガスを供給し、前記第１の電極及び第２の電極間に高周波電力を印加してクリーニングガスをプラズマ化する工程と、
この工程を行っているときに、前記プラズマに晒される領域に設けられた直流電圧印加用の電極に直流電圧を印加する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、プラズマ処理装置の真空容器内部に付着した反応生成物を、載置台に基板が存在しない状態でプラズマによりクリーニングするにあたって、プラズマに直流電圧を印加することにより、プラズマの高い電子密度を維持しつつ、プラズマのイオンエネルギーを低下させることができる。これにより、良好なクリーニングを行うことができ、またプラズマによるスパッタ作用が低下するので載置台表面の損傷を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態におけるプラズマエッチング装置を示す縦断側面図である。
【図２】前記プラズマエッチング装置における制御部を示すブロック図である。
【図３】前記実施形態におけるエッチング処理及びクリーニング処理の工程を説明するフロー図である。
【図４】前記実施形態における付着物のクリーニング処理を説明する模式図である。
【図５】本発明の作用を説明する模式図である。
【図６】本発明における他の実施形態を示す模式図である。
【図７】本発明の実施例に係わる静電チャックの表面の形状を説明する模式図である。
【図８】本発明の実施例における試験結果である。
【図９】本発明の実施例における試験結果である。
【図１０】本発明の実施例における試験結果である。
【図１１】本発明の実施例における試験結果である。
【図１２】本発明の実施例における試験結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明のプラズマ処理装置の一実施形態であるプラズマエッチング装置について図１を参照しながら説明する。エッチング装置は、容量結合型平行平板プラズマエッチング装置として構成されている。
【００１１】
真空容器１の底部には、セラミックス等からなる絶縁層２１を介して支持台２が配置され、この支持台２上には例えばアルミニウムからなり下部電極を構成するサセプタ３が設けられている。サセプタ３の上部には周縁に沿って段部３１が形成されており、サセプタ３の上部中央の凸部３２には、ウエハＷを静電力で吸着保持する静電チャック３３が設けられており、チャック電極には直流電源３４がスイッチ３５を介して電気的に接続されている。下部電極であるサセプタ３には、整合器３６を介してプラズマ生成用の第１の高周波電源３７が電気的に接続されており、また整合器３８を介してイオン引き込み用のバイアス電力を供給するための第２の高周波電源３９が接続されている。
【００１２】
静電チャック３３を囲うように サセプタ３上部に形成された前記段部３１の上には、エッチングの均一性を向上させるための、フォーカスリングなどと呼ばれているリング部材２２が配置されている。
【００１３】
支持台２の内部には、例えば支持台２の周方向に沿って冷媒室２３が設けられている。この冷媒室２３には、外部に設けられた図示しないチラーユニットより配管２４、２５を介して所定温度の冷媒例えば冷却水が循環供給され、冷媒の温度によってサセプタ３上のウエハＷの処理温度を制御することができる。また図示しない伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス例えばヘリウム（Ｈｅ）ガスがガス供給ラインを介して静電チャック３３の上面とウエハＷの裏面との間に供給される。
【００１４】
下部電極であるサセプタ３の上方には、サセプタ３と対向するようにガスシャワーヘッドを兼用する上部電極４が設けられており、上部電極４及び下部電極（サセプタ）３の間の空間がプラズマ生成空間となる。この上部電極４は、本体部４１と電極板をなす上部天板４２とを備えており、絶縁性遮蔽部材１１を介して、真空容器１の上部に支持されている。本体部４１は導電性材料例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなり、その下部に前記上部天板４２を着脱自在に支持できるように構成されている。
【００１５】
本体部４１の内部には、本体部４１の上部のガス導入口４３に連通するガス拡散室４４が設けられ、このガス拡散室４４からは例えば多数のガス吐出孔４５が均等に分散されるように形成されている。ガス拡散室４４に供給された処理ガスは、ガス吐出孔４５を介して処理雰囲気にシャワー状に分散されて供給される。
【００１６】
本体部４１の上部のガス導入口４３には、ガス供給管５が接続され、その基端側は分岐管５１、６１、８１に分岐されている。第１の分岐管５１には、処理ガス供給源５２が第１のガス供給系５３を介して接続されている。この処理ガスとしては、炭素元素（Ｃ）及びフッ素元素（Ｆ）が有効成分として含まれるガス、例えばＣＦ系ガスやＣＨＦ系のガスあるいはこれらの混合ガスなどが挙げられる。ＣＦ系ガスには例えばＣ４Ｆ８ガス、Ｃ４Ｆ６ガス及びＣ５Ｆ８ガスなどがあり、ＣＨＦ系ガスとしては例えばＣＨＦ３ガス及びＣＨ２Ｆ２ガスなどが挙げられる。第２の分岐管６１には、クリーニングガス供給源６が第２のガス供給系６２を介して接続されている。クリーニングガスには例えば酸素（Ｏ２）ガスを用いて、真空容器１内のポリマーからなる付着物をＯ２ガスのプラズマによりアッシングし除去する。第３の分岐管８１には、アルゴン（Ａｒ）ガス供給源８が第３のガス供給系８２を介して接続されている。このＡｒガスは、プラズマの安定化のためにクリーニングガスと混合して用いる。これらのガス供給系５３、６２、８２には、バルブ５４、５５、６３、６４、８３、８４及び流量調節部５６、６５、８５などが含まれ、後述の制御部７からの制御信号によりガスの給断、流量調整などが行われる。
【００１７】
前記上部電極４には、スイッチ４６を介して可変直流電源４７が電気的に接続されており、この可変直流電源４７はオン、オフスイッチ４６により給電のオン、オフが可能となっている。後述で裏付けられているように、上部電極４に適切な大きさの直流電圧を印加することにより、プラズマの電子密度を低下させることなくプラズマのイオンエネルギーを低減させることができる。このため、ダミーウエハを用いずにプラズマクリーニングを行った場合でも、プラズマイオンによる静電チャック３３の表面の損傷を抑えながら真空容器１内の付着物をアッシングし除去することができる。この印加する直流電圧の適切な大きさは例えば−２００Ｖ〜−３２０Ｖ、より好ましくは−２００Ｖ〜−３００Ｖである。
【００１８】
真空容器１の底部には排気ポート１２が設けられており、この排気ポート１２には排気管１３により圧力調整部１４を介して真空排気機構１５が接続されている。これにより、真空容器１内を所望の真空圧まで減圧可能となっている。また、真空容器１の側壁にはゲートバルブ１７により開閉可能なウエハＷの搬入出口１６が設けられている。また真空容器１の底部における真空容器１の側壁と支持台２との間には、バッフル板１８が設けられている。
【００１９】
本プラズマエッチング装置には、制御部７が設けられている。この制御部７は、図２に示すように、ＣＰＵ７１とレシピ記憶部７２とを備えており、このレシピ記憶部７２には、エッチング処理における例えば処理条件の運転パラメータのデータなどからなる処理レシピ７３や、真空容器１内のクリーニング処理における例えば処理条件の運転パラメータのデータなどからなるクリーニングレシピ７４が、例えばＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−Ｒなどの記憶媒体を介して格納されている。第１の高周波電源３７、第２の高周波電源３９、可変直流電源４７、オン、オフスイッチ４６、第１のガス供給系５３及び第２のガス供給系６２等は、処理レシピ７３及びクリーニングレシピ７４に基づき制御部７により制御される。７５は、バスである。
【００２０】
次に本実施形態の作用について説明する。今、真空容器１内をクリーニングし、本装置の運用を再開したとすると、制御部７では図３のステップＳ１にて処理回数を「１」にセットし（ｎ＝１とし）、エッチング処理を開始する（ステップＳ２）。先ずゲートバルブ１７を開状態とし、真空容器１の外部に設けられた図示しない搬送アームにより搬入出口１６を介してエッチング対象の被処理基板であるウエハＷを真空容器１内に搬入し、図示しない昇降ピンを介してサセプタ３上に載置し、静電チャック３３に静電吸着する。ゲートバルブ１７を閉じた後、処理ガス供給源５２から炭素及びフッ素を含む化合物のガスを含む処理ガスを所定の流量でガスシャワーヘッド（上部電極）４を介して真空容器１内へ供給しつつ、真空容器１内の圧力を例えば０．１Ｐａ〜１５０Ｐａの真空雰囲気とする。また下部電極であるサセプタ３に第１の高周波電源３７からプラズマ生成用の高周波電力を所定のパワーで印加するとともに、第２の高周波電源３９よりイオン引き込み用の高周波電力を所定のパワーで印加する。これにより処理ガスがプラズマ化し、生成されたプラズマ中のラジカルやイオンによってウエハＷの被処理面がエッチングされる。エッチング処理を完了したウエハＷは、搬入動作と逆の動作で真空容器１の外部に搬出される。続いて後続のウエハＷに対してエッチング処理が行われ（ステップＳ３、Ｓ４、Ｓ２）、ウエハＷの処理枚数が予め設定された設定枚数に達すると、真空容器１内部のクリーニング処理を行う工程（ステップＳ５）に移る。
【００２１】
クリーニング工程開始時点では、図４に示すように、サセプタ３の表面がプラズマ処理領域に対して露出した状態であり、真空容器１の内壁、リング部材２２等の、サセプタ３におけるウエハＷの載置領域周辺には、エッチング処理により生成した反応生成物Ａが付着している。この例では、処理ガスとしてはＣＦ系やＣＨＦ系のガスが用いられていることから、エッチングによりポリマーを主成分とする反応生成物Ａが真空容器１内に付着している。この状態で、即ちダミーウエハをサセプタ３上に載置することなく、ウエハＷの載置領域が露出したまま、クリーニングガス供給源６からクリーニングガス例えばＯ２ガスを所定の流量例えば７００ｓｃｃｍ（standard cc/min.）で真空容器１内へ供給すると共に、Ａｒガス供給源８からＡｒガスを所定の流量例えば７００ｓｃｃｍで真空容器１内へ供給する。そして真空容器１内の圧力を例えば４００ｍＴｏｒｒに設定した後、プラズマ生成用の４０ＭＨｚの高周波電力を例えば８００Ｗで印加する。そして可変直流電源４７から上部電極４に例えば−２００Ｖ〜−３２０Ｖの直流電圧を印加する。クリーニングガス（Ｏ２ガス）は、高周波電力によりプラズマ化し、真空容器１内に付着した付着物であるポリマーＡは、酸素ラジカルやイオンによってアッシング（灰化）されて、真空容器１の外に排出される。クリーニング処理は例えば１分間行われる。
【００２２】
ここで、プラズマクリーニングの処理中に起こる作用の詳細について、直流電圧の印加による効果を含めて図５を用いて説明する。直流電圧を上部電極に印加しない場合には、図５（ａ）に示すように、高周波電圧Ｖａｐが下部電極に印加されることにより、プラズマポテンシャルＶｐのプラズマが発生する。このときのプラズマポテンシャルＶｐと高周波電圧Ｖａｐとの差分電圧が、プラズマ中のイオンエネルギーとなる。
【００２３】
上部電極３に直流電圧を印加してプラズマに直流電圧を加えると、高周波電圧Ｖａｐの振幅が小さくなる。このことは、後述の実施例にて、高周波電圧ＶａｐのＶｐｐ（上側ピーク値と下側ピーク値との差分）の測定結果から裏付けられている。また直流電圧の印加によりサセプタ３及びリング部材２２等の直流電位Ｖｄｃが下がる（負電圧の絶対値が大きくなる）。高周波電圧Ｖａｐの振幅が小さくなるとプラズマポテンシャルＶｐも低下するため、結果としてイオンエネルギーの最大値Ｖｍが小さくなる。
【００２４】
一方、イオンエネルギーは、プラズマ中のアルゴンイオンや酸素イオンによる物理的なスパッタ作用の強さと深く関係しており、特にこのイオンエネルギーの最大値Ｖｍ、即ちプラズマポテンシャルＶｐ及び高周波電圧Ｖａｐが最小の時点でのイオンエネルギーが大きいと、サセプタ３表面に対するスパッタ作用が大きくなり、表面の荒れが大きくなる。この表面荒れの程度によりウエハＷの処理状態は左右される。従って、プラズマに直流電圧を加えることでイオンエネルギーの最大値Ｖｍが低下することから、サセプタ３におけるウエハＷの載置領域の表面荒れが抑えられた状態で真空容器１内のクリーニングが達成される。なおプラズマ生成用のイオンエネルギーを小さくするためだけであれば、第１の高周波電源３７のパワーを小さくすればよいが、そうするとガスの解離の度合が小さくなってプラズマ密度（詳しくはプラズマの活性種の密度）が低下し、効果的なクリーニングを行うことができない。従って、本実施形態のクリーニング手法は、十分なプラズマ密度を確保しつつイオンエネルギーを低下させて、過度なスパッタ作用を抑制しているということができる。
【００２５】
上述の実施形態によれば、プラズマエッチング処理後に、サセプタ３の表面を露出した状態でプラズマＰにより真空容器１内部をクリーニングし、クリーニング時のプラズマＰに直流電圧を印加している。従って、高密度なプラズマを得ながらイオンエネルギーを低減させることができ、良好なクリーニングを行いつつ、サセプタ３の表面の損傷を抑えることができる。既述のように、サセプタ３の表面荒れの程度によりサセプタ３とウエハＷとの間の熱伝達性が変わることから、通常ウエハレスクリーニングでは、クリーニング回数が増えるにつれてウエハＷ間の処理の均一性が低下する。これを避けるために、静電チャック３３の交換等の定期的なメンテナンスが必要になるが、サセプタ３の表面の損傷が抑えられることで、メンテナンスサイクルを長くできる（メンテナンスの頻度を低くできる）効果がある。ウエハレスクリーニングは、ダミーウエハを用いない点で有利であるが、サセプタ３の表面の損傷の課題があることから、上述の実施形態は有効な技術である。
【００２６】
上述の実施形態では、直流電圧をガスシャワーヘッドを兼ねる上部電極４に印加していたが、図６に示すように、プラズマ処理領域の側面に臨むように電極９ａを配置し、この電極９ａに直流電圧を印加してもよい。なお図６中、上述の実施形態と同様の機能を果たす機構については、上述の実施形態における符号に「ａ」を付してその説明を省略した。また本発明は、上下２周波のプラズマ処理装置（上部電極にプラズマ発生用の高周波電力を供給し、下部電極にバイアス用の高周波電力を供給する装置）において上部電極に直流電圧を印加してもよいし、先の実施形態と同様の下部２周波のプラズマ処理装置においてフォーカスリングと呼ばれる、プラズマの状態調整用のリング部材２２に直流電圧を印加してもよい。
上述の実施形態では、クリーニングガスとしてＯ２ガスを用いているが、クリーニングガスは、除去対象の付着物の組成に応じたガスを選択すればよい。例えば、ポリシリコン薄膜をエッチングするときのガスとしてＯ２ガスが含まれる場合にエッチングにより生成する生成物である酸化ケイ素系付着物に対しては、例えばフッ素ガスを用いてもよい。またクリーニングガスは、例えば他種のクリーニングガスと混合して用いてもよい。
上述の実施形態では、プラズマエッチング処理後のクリーニングを対象としているが、本発明はそれに限らず、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）処理後に、真空容器内に付着した薄膜に対して例えばＣＦ系のクリーニングガスあるいはフッ素ガスをプラズマ化してクリーニングを行う場合に適用してもよい。
【実施例】
【００２７】
ここからは、本発明に関して行った実験について述べる。
（実験１： 静電チャック表面の損傷試験）
静電チャック３３ｂの表面には、図７に示すように、無数の微小な円柱状の島状部分９１ｂが表面全体に亘って形成されており、ウエハＷ載置時にはこの島状部分９１ｂの平らな上面においてウエハＷと接触する。このため、プラズマクリーニングの前後で島状部分９１ｂの形状が変わらないことが重要である。ダミーウエハを用いずにプラズマクリーニングを行うと、この島状部分９１ｂの形状が変化し、ウエハＷとの接触面積も減少することが懸念される。ウエハＷと島状部分９１ｂとの接触面積が減少すると、ウエハＷとサセプタとの間の熱伝達の挙動が変わってしまい、半導体デバイスの品質を一定に保つことが難しくなる。そこで、ある一定の処理条件の下、ダミーウエハを用いずに静電チャック３３ｂの表面を処理領域に露出した状態で、プラズマクリーニング処理を行い、直流電圧の印加の有無による島状部分９１ｂの形状変化について調査した。プラズマ処理前の検体を参考例１とし、直流電圧を印加してプラズマ処理を行った場合及び直流電圧を印加しなかった場合の検体を夫々、実施例１及び比較例１とした。処理条件は、以下の通りである。
・真空容器内の圧力： ５３．３Ｐａ（４００ｍＴｏｒｒ）
・第１の高周波電力： ８００Ｗ
・クリーニングガスの種類及び流量： Ｏ２ガス、７００ｓｃｃｍ
・プラズマ処理時間： ５０時間
・印加直流電圧： ０Ｖ（比較例１）、−３００Ｖ（実施例１）
プラズマ処理の後、ウエハＷの中央部及び周縁部夫々における島状部分９１ｂの上面の損傷状態を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ；Scanning Electron Microscope）により観察すると共に、ウエハＷの中央部及び周縁部夫々における島状部分９１ｂの上面の表面粗さ（算術平均粗さＲａ）及び島状部分９１ｂの上面の直径を測定して、プラズマ処理前の値と比較した。この試験結果のうち、島状部分９１ｂの上面の表面粗さ及び直径について表１に示す。なお表１には、プラズマ処理前との差分の値を記載している。
実施例１は、島状部分９１ｂの表面粗さ及び直径共に参考例１と略同等であるが、比較例１は、実施例１よりも表面粗さが増加し直径は減少していた。このことから、ダミーウエハを用いないプラズマクリーニング処理において、直流電圧を印加することにより、静電チャック３３ｂの表面の損傷を軽減できることが確認された。
【００２８】
（実験２： プラズマのスパッタ作用による浸食試験）
印加直流電圧の大きさにより、プラズマによるスパッタ作用の強さがどのように変化するかを定量するために、内部が清浄な真空容器にポリシリコンのチップを載置してプラズマ処理を行い、そのポリシリコンチップの厚さ、表面粗さ（Ｒａ）及びＳＥＭによる表面の観察を行った。処理条件は、以下の通りである。
・真空容器内の圧力： ５３．３Ｐａ（４００ｍＴｏｒｒ）
・第１の高周波電力： ８００Ｗ
・クリーニングガスの種類及び流量： Ｏ２ガス、７００ｓｃｃｍ
・プラズマ処理時間： ５時間
・印加直流電圧： ０Ｖ（比較例２）、−３００Ｖ（実施例２）
本実験のパラメータである印加直流電圧の大きさは０Ｖ及び−３００Ｖとして、その検体を夫々比較例２、実施例２とし、処理前の検体を参考例２とした。その結果を図８に示す。
まず比較例２については、参考例２と比較して表面粗さが減少しＳＥＭ観察においても表面が滑らかになっていることがわかる。またチップの厚さも減少している。これは、プラズマのスパッタ作用によるものと考えられる。実施例２については、チップの厚さ、表面粗さ及びＳＥＭ観察のいずれにおいても参考例２と略同等の結果であった。従って、プラズマに直流電圧を加えることでプラズマによるスパッタ作用を軽減できることが確認された。
【００２９】
（実験３： プラズマのスパッタ作用による浸食試験）
印加直流電圧の有無により、プラズマによるスパッタ作用の力の強さ（以下、スパッタ力という）がどのように変化するかを定量するために、熱酸化（Ｔｈ−ＳｉＯ２）膜が形成されたウエハに対してプラズマ処理を行い、ウエハの径方向位置におけるスパッタレートを測定した。処理条件は、以下の通りである。
・真空容器内の圧力： ５３．３Ｐａ（４００ｍＴｏｒｒ）
・第１の高周波電力： ８００Ｗ
・クリーニングガスの種類及び流量： アルゴン（Ａｒ）ガス、７００ｓｃｃｍ
・プラズマ処理時間： １分間
・印加直流電圧： ０Ｖ（比較例３）、−３００Ｖ（実施例３）
−３００Ｖの直流電圧を印加した検体を実施例３とし、印加しなかったものを比較例３とした。その結果を図９に示す。
比較例３では、ウエハの中央部から周縁部まで略均一に０．２ｎｍ／ｍｉｎ〜０．３ｎｍ／ｍｉｎのスパッタレートであった。一方、実施例３では、ウエハのどの位置においても全くスパッタされなかった。このことから、直流電圧を印加することにより、プラズマによるスパッタ作用を抑えられることが確認された。
【００３０】
（実験４： 印加直流電圧とＶｐｐとの関係）
既述のように、プラズマのスパッタ力は、プラズマのイオンエネルギーの最大値Ｖｍの大きさと大いに関係があるが、このイオンエネルギーの最大値Ｖｍは高周波電圧ＶａｐのＶｐｐ（上側ピーク値と下側ピーク値との差分）と深く関係している。従って、このＶｐｐを測定することにより、プラズマのスパッタ力を推測することができる。この実験４では、印加する直流電圧の大きさを変えてそのときのＶｐｐを測定して、スパッタ力を低く抑えることが可能な適切な印加直流電圧の大きさを調査した。運転条件は、以下の通りである。
・真空容器内の圧力： ５３．３Ｐａ（４００ｍＴｏｒｒ）
・第１の高周波電力： ８００Ｗ
・クリーニングガスの種類及び流量： Ｏ２ガス、７００ｓｃｃｍ
・印加直流電圧： ０Ｖ、−３００Ｖ
この結果を図１０に示す。
−３００Ｖの印加直流電圧を印加することによりＶｐｐが低下した。このことから、直流電圧を印加することによりプラズマによるスパッタ力を軽減できることが示唆された。
【００３１】
（実験５： 印加直流電圧とイオンエネルギーとの関係）
イオンエネルギーの最大値ＶｍはプラズマポテンシャルＶｐと深く関係している。従って、このプラズマポテンシャルＶｐを測定することにより、プラズマのスパッタ力を推測することができる。この実験５では、印加する直流電圧の大きさを変えてそのときのプラズマポテンシャルＶｐを測定して、スパッタ力を低く抑えることが可能な適切な印加直流電圧の大きさを調査した。運転条件は、以下の通りである。
・真空容器内の圧力： ５３．３Ｐａ（４００ｍＴｏｒｒ）
・第１の高周波電力： ８００Ｗ
・クリーニングガス中のイオンの種類： Ａｒ＋イオン、ＣＦ＋イオン、ＣＦ３＋イオン
・印加直流電圧： ０Ｖ、−３００Ｖ
この結果を図１１に示す。
いずれのガス種においても−３００Ｖの直流電圧を印加することにより、プラズマポテンシャルＶｐが低下した。このことから、様々な種類のプラズマガスにおいて、直流電圧の印加により、イオンエネルギーが低下することが示唆された。
【００３２】
（実験６： 印加直流電圧とアッシュレート及びメモリ効果との関係）
印加直流電圧の大きさを変えながら、プラズマ処理におけるアッシュレート及びメモリ効果を測定した。メモリ効果については、真空容器内に通常のエッチング処理では起こり得ないくらいに大量のＣＦ系付着物を事前に生成、付着させておいた上で、プラズマ処理を行い調査した。アッシュレート及びメモリ効果共に、ウエハの周縁部において測定した。処理条件は、以下の通りである。
・真空容器内の圧力： ５３．３Ｐａ（４００ｍＴｏｒｒ）
・第１の高周波電力： ８００Ｗ
・クリーニングガスの種類及び流量： Ｏ２ガス、７００ｓｃｃｍ
・プラズマ処理時間： １分間
・印加直流電圧： ０Ｖ、−１５０Ｖ、−３００Ｖ
その結果を図１２に示す。
アッシュレートについては、印加直流電圧が０Ｖから−１５０Ｖにかけては横ばいであったが、−３００Ｖではアッシュレートは増加した。一方、メモリ効果については、０Ｖから−３００Ｖにかけては減少し続けた。このことから、直流電圧をかけることにより、真空容器内のクリーニング効果を高めることができ、またその際のメモリ効果についても低減できることが確認された。
【００３３】
【表１】
【符号の説明】
【００３４】
Ｗ ウエハ
１ 真空容器
３ サセプタ（下部電極）
３７ 第１の高周波電源
３９ 第２の高周波電源
４ ガスシャワーヘッド（上部電極）
４６ オン、オフスイッチ
４７ 可変直流電源
５３ 第１のガス供給系
６２ 第２のガス供給系
７ 制御部
８２ 第３のガス供給系
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に設けられた第１の電極を兼用する載置台に基板を載置し、この第１の電極と第２の電極との間に高周波電力を印加して処理ガスをプラズマ化し、得られたプラズマにより基板に対してプラズマ処理を行う平行平板型のプラズマ処理装置において、
前記プラズマに晒される領域に設けられた直流電圧印加用の電極と、
この電極に直流電圧を印加する直流電圧電源部と、
前記真空容器内をクリーニングするためのクリーニングガスを供給するためのクリーニングガス供給部と、
前記載置台に基板が存在しない状態で処理容器内にクリーニングガスを供給するステップと、前記第１の電極及び第２の電極間に高周波電力を印加してクリーニングガスをプラズマ化するステップと、クリーニングガスをプラズマ化する間、前記電極に直流電圧を印加するステップと、を実行するように制御信号を出力する制御部と、を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記プラズマ処理は、ＣＦ系のガスを用いて基板をエッチングする処理であり、前記クリーニングガスは、酸素ガスであることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記電極に印加する直流電圧は、−２００Ｖ〜−３２０Ｖであることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
真空容器内に設けられた第１の電極を兼用する載置台に基板を載置し、この第１の電極と当該第１の電極に対向する第２の電極との間に高周波電力を印加して処理ガスをプラズマ化し、得られたプラズマにより基板に対してプラズマ処理を行う工程と、
前記載置台に基板が存在しない状態で処理容器内にクリーニングガスを供給し、前記第１の電極及び第２の電極間に高周波電力を印加してクリーニングガスをプラズマ化する工程と、
この工程を行っているときに、前記プラズマに晒される領域に設けられた直流電圧印加用の電極に直流電圧を印加する工程と、を含むことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１】
真空容器内に設けられた第１の電極を兼用する載置台に基板を載置し、この第１の電極と第２の電極との間に高周波電力を印加して処理ガスをプラズマ化し、得られたプラズマにより基板に対してプラズマ処理を行う平行平板型のプラズマ処理装置において、
前記プラズマに晒される領域に設けられた直流電圧印加用の電極と、
この電極に直流電圧を印加する直流電圧電源部と、
前記真空容器内をクリーニングするためのクリーニングガスを供給するためのクリーニングガス供給部と、
前記載置台に基板が存在しない状態で処理容器内にクリーニングガスを供給するステップと、前記第１の電極及び第２の電極間に高周波電力を印加してクリーニングガスをプラズマ化するステップと、クリーニングガスをプラズマ化する間、前記電極に直流電圧を印加するステップと、を実行するように制御信号を出力する制御部と、を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記プラズマ処理は、ＣＦ系のガスを用いて基板をエッチングする処理であり、前記クリーニングガスは、酸素ガスであることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記電極に印加する直流電圧は、−２００Ｖ〜−３２０Ｖであることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
真空容器内に設けられた第１の電極を兼用する載置台に基板を載置し、この第１の電極と当該第１の電極に対向する第２の電極との間に高周波電力を印加して処理ガスをプラズマ化し、得られたプラズマにより基板に対してプラズマ処理を行う工程と、
前記載置台に基板が存在しない状態で処理容器内にクリーニングガスを供給し、前記第１の電極及び第２の電極間に高周波電力を印加してクリーニングガスをプラズマ化する工程と、
この工程を行っているときに、前記プラズマに晒される領域に設けられた直流電圧印加用の電極に直流電圧を印加する工程と、を含むことを特徴とするプラズマ処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２０４６４４（Ｐ２０１２−２０４６４４Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６８３７０（Ｐ２０１１−６８３７０）
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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