(57)【要約】【課題】  本発明は、プラズマ処理装置のクリーニング方法であり、プラズマ処理室表面を効率良く清浄化し、スループットを向上できるプラズマ処理装置のクリーニングの方法を提供する。また、クリーニング中にウエハを設置する電極表面がプラズマに曝されないので電極の劣化を防止することができる。更に、クリーニングと同時に被処理体である低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）上に形成されたレジストマスクを除去する方法を提供する。【解決手段】  スループットを向上させる手法として、ＣｘＦｘ系ガスを用いてエッチングされた低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）を、そのまま下部電極に載置した状態でＣＯ2ガスによりプラズマクリーニングを行い、プラズマ処理室表面に付着したデポ物を除去する。この時、同時にＬｏｗ−ｋ膜上にパターニングされたレジストマスクを除去できるため、処理時間の大幅な短縮化が可能となる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室と、該処理室内にプラズマを形成のための高周波電源と、前記処理室内の下方に設けられ被処理基板を載置し得る基板電極と、前記被処理基板にバイアスを印加する基板バイアス電源とを具備し、前記被処理基板にＡｒＦレジストを用いた多層膜を、エッチングガスとしてＣｘＦｘ系ガスを用いてエッチング処理するプラズマ処理装置のクリーニング方法において、
前記被処理基板をエッチング処理後、前記処理室内にＣＯ2ガスを導入してクリーニングを行い、前記処理室内表面に付着した反応生成物を除去することを特徴とするプラズマ処理装置のクリーニング方法。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理装置のクリーニング方法において、
前記被処理基板は、第１の膜にＡｒＦレジスト，第２の膜にシリコン酸化膜，第３の膜に無機膜（Ｌｏｗ−ｋ膜），第４の膜にＳｉ基板から構成されたパターン付きウエハ（製品ウエハ）で構成されたことを特徴とするプラズマ処理装置のクリーニング方法。
【請求項３】
請求項２記載のプラズマ処理装置のクリーニング方法において、
前記エッチングガスは、ＣとＦで構成されたガスを主成分としたプラズマによりエッチング処理し、該処理したウエハを搬出することなく連続してクリーニングを行うことを特徴とするプラズマ処理装置のクリーニング方法。
【請求項４】
請求項２記載のプラズマ処理装置のクリーニング方法において、
前記プラズマクリーニングを行いながら、同時に第１の膜であるＡｒＦレジストマスクの除去（アッシング）を行うことを特徴とするプラズマ処理装置のクリーニング方法。
【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に係わり、特にプラズマ処理室内のプラズマクリーニング方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体素子のデバイス構造は益々複雑となり、これらの製造工程において高速処理化，少工程化が要求されている。すなわち、半導体集積デバイスは、微細化、例えば配線間の幅０.１μｍ程度あるいはそれ以下とする要求に伴い、配線部では隣接する配線間の静電容量が相対的に大きくなっている。このようなデバイスの配線間の絶縁材料として従来のシリコン酸化膜を用いると、微細化によって得られたトランジスタの高速化の恩恵を享受することが出来なくなる。このため配線間絶縁材料として誘電率（ｋ値）の低い材料、例えばＳｉＯＣ、が採用されている。
【０００３】
これら誘電率（ｋ値）の低い材料は主に配線材の銅と組み合わせて使用され、デュアルダマシンという方法で形成されるため、絶縁膜をエッチング加工する工程が必要となる。デュアルダマシン形成過程には、たとえば、前工程で穴形状が加工されたサンプルに、ハードマスクを用いてポーラス絶縁膜に溝形状を加工転写して所定の形状を得る工程が含まれる。このような技術は、たとえば、特許文献１に開示されている。
【０００４】
半導体基板のプラズマ処理においては、プラズマ処理室（以下、処理室と呼ぶ）内の表面に反応生成物の堆積（デポ物ともいう）がおこるプロセスが多くある。例えば、上記に示す膜種等をエッチング加工する際には、ＣｘＦｘ系のガスが用いられ、処理室内の表面には反応生成物であるＣＦ系のデポ物が付着・堆積する。この堆積物が剥離して異物となり、処理される基板上に付着すると微細構造に不良を生じさせ、大きな問題となる。
【０００５】
この不具合を防止するため、プラズマクリーニングは、例えば、１枚，２５枚，１００枚といった、あるプラズマ処理枚数毎または１日毎などに行われ、堆積物が蓄積することを抑制し、堆積物起因の異物の発生を遅らせている。
【０００６】
また、堆積物除去方法として、処理室を大気開放して水などを用いて堆積物を拭きとることもあるが、この方法は装置の復帰までに非常に時間がかかる。
【０００７】
このため、プラズマ処理室を大気開放しないプラズマクリーニングによって除去したいという要望がある。このプラズマクリーニングについては、特許文献２に開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平９−１１５８７８号公報
【特許文献２】特開平８−３１９５８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来、半導体基板等の被処理物をプラズマ処理する装置において、プラズマ処理中に処理室内に堆積した物質を除去するためにプラズマクリーニングを行っているが、プラズマ処理装置の稼働率を向上するため、このプラズマクリーニングの効率を上げ、時間を短縮したいという要求があった。
【００１０】
プラズマクリーニングには、ダミーウエハ（Ｓｉ基板）を用いる方法と、ダミーウエハを用いないウエハレスにて行う方法がある。前者の方法では、パターン付ウエハ（例えば、半導体製品ウエハ）を処理した後、ダミーウエハを搬送する時間が掛かるため、スループットが低下する問題がある。
【００１１】
また、後者の方法では、ウエハを載置しない状態で下部電極上にプラズマを生成し、処理室内の表面をクリーニングするため、下部電極へのダメージが懸念される。例えば、電極の抵抗値・表面状態の変化により吸着力低下が発生する。
【００１２】
そこで、ダミーウエハ（Ｓｉ基板）を用いないウエハレスクリーニングにより下部電極へのダメージが無いプラズマクリーニングを実用化した。
【００１３】
本発明の目的は、プラズマ処理室の処理室表面を効率良く清浄化し、スループットを向上できるプラズマ処理装置のクリーニング方法を提供することにある。また、クリーニングと同時に被処理体である低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）上に、パターニングされたレジストマスクの除去（アッシング）ができるプラズマ処理装置のクリーニング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
スループットを向上させる手法として、ＣｘＦｘ系ガスを用いてエッチングされた低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）の試料を、そのまま下部電極に載置した状態でプラズマクリーニングを行い、プラズマ処理室表面に付着したデポ物を除去する。
【００１５】
従来プラズマクリーニングとして用いられてきたＯ2ガスでは、エッチングされた低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）に含まれるＣ（炭素原子）と反応し、脱離するため膜質が変化し誘電率が高くなる（膜ダメージともいう）問題が発生する。
【００１６】
そこで、炭素を含むＣＯ2ガスをクリーニングガスとして選択することにより、低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）との反応を抑制し、膜ダメージを低減できるとともに、Ｌｏｗ−ｋ膜上にパターニングされたレジストマスクの除去が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施例について説明する。まず、本発明の試料の表面処理を適用するプラズマエッチング装置の構成につてい説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明に使用した枚葉式マルチチャンバを有するプラズマエッチング装置の平面図面である。図１において本装置は、搬送ロボット２１を配備した真空搬送室２０と、ゲート２４ａ，２４ｂで介設された２個以上の処理室１ａ，１ｂと、ロードロック室２２ａ，２２ｂと、大気ローダ部２５とウェハカセット２６を載置するカセット載置部２３から構成される。処理室１ａ，１ｂで実施する同一プロセスを並列に処理することも、処理室１ａと処理室１ｂでの異種プロセスを逐次に処理できるように構成されている。
【００１９】
本装置の処理室１ａと処理室１ｂは、ほぼ同一の構造であるため、処理室１ａにつき図２を参照してその詳細を説明する。
【００２０】
本装置は、ＵＨＦ（Ultra High Frequency）と磁界を利用してプラズマを形成するＵＨＦプラズマエッチング装置である。
【００２１】
図２において処理室１ａは、真空容器となっており周囲に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）用磁場を発生させるためのコイル９が設置され、内壁は例えば３０℃に、温調器（図省略）にて温度制御されている。被処理基板１３は、静電チャック７を配設した基板電極１８に載置される。静電チャック７には、直流電源（図省略）が接続され、被処理基板１３を静電チャック７に吸着可能となっている。基板電極１８には整合器１０を介して基板バイアス電源１１が接続され、被処理基板１３に高周波バイアスを印加可能となっている。
【００２２】
従来の主なエッチングガスであるＣＦ4，ＣＨＦ3，ＣＨ2Ｆ2等のフロンガス，Ｃ2Ｆ6，Ｃ3Ｆ8，Ｃ4Ｆ6，Ｃ4Ｆ8，Ｃ5Ｆ8等のＣ／Ｆ比の高い添加ガス，Ａｒ，Ｘｅ，Ｋｒ等の不活性ガスは各々のガスボンベ１９−１，１９−２，１９−３より供給され、マスフローコントローラー１２でそれぞれ流量制御し、プロセスガス源に接続されたガス供給管１４を介して、穴が多数設けられたシリコンあるいはガラス状炭素からなるガス供給板８から処理室１ａへ導入される。
【００２３】
ガス供給板８の上部にはアンテナ電極２が配設され、高周波電源３及び高周波電源５から、整合回路４ならびに整合回路６を介して、同軸端子１６からアンテナ電極２に給電される。高周波はアンテナ電極２の周囲の誘電体窓１５から放射されるとともに、共振電界がガス供給板８を介して処理室１ａ内に導入され、プラズマの生成によって被処理基板１３にエッチング加工が施される。
【００２４】
処理室１ａの下方に、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）からなる真空排気手段（図省略）とオートプレッシャーコントローラー（ＡＰＣ）からなる調圧手段（図省略）が配設され、所定圧力に保持しながら、処理後のエッチング用ガスを処理室１ａより排出する。
【００２５】
次に、図３において、膜構成，デバイス工程及びエッチングフローを説明する。
【００２６】
図３（ａ）は初期の膜構造であり、膜構成は上からＡｒＦレジストマスク３０２，シリコン酸化膜３０３，無機膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）３０４，Ｓｉ基板３０５から構成されている。次に、エッチングフローについて説明する。図３（ｂ）、及び（ｃ）はＡｒＦレジストマスク３０２をマスクにしてシリコン酸化膜３０３，無機膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）３０４をエッチング処理する。その際、マスクとの選択比を上げるため、ＣｘＦｘなどのＣ／Ｆ比の高い添加ガスを用いることが多い。図３（ｄ）はＡｒＦレジストマスク３０２の除去（アッシング）の工程となっており、エッチング処理後に同一装置内の別の真空処理室や、他の装置を用いてＡｒＦレジストマスク３０２の除去（アッシング）を行っている。
【００２７】
次に、図４を用いて、膜ダメージ発生メカニズムについて説明する。
【００２８】
図４（ａ）はエッチング処理後の加工形状を示す。図４（ａ）において、膜構成は、上からＡｒＦレジストマスク４０２，シリコン酸化膜４０３，無機膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）４０４，Ｓｉ基板４０５から構成されている。
【００２９】
また、図４（ｂ）は、デバイス工程の短縮を図るため、エッチング処理後に処理室から被処理基板を搬出すること無くＡｒＦレジストマスク４０２の除去（アッシング）までを一貫して処理を行った場合の、膜ダメージ発生メカニズムである。ガス種として、例えば、プラズマクリーニングで用いられているＯ2ガスの場合で考えると、Ｏラジカルは（１）処理室内の表面に付着したＣＦ系デポ物と反応（プラズマクリーニング）、（２）ＡｒＦレジストマスク４０２と反応（アッシング）、（３）エッチング処理後の無機膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）４０４側面と反応（膜ダメージ）する。
【００３０】
上記（３）について説明すると、無機膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）４０４側面に付着したＯラジカルにて無機膜（Ｌｏｗ−ｋ膜、例えばＳｉＯＣ膜）４０４中のＣ系成分が引き抜かれＳｉＯ2化し誘電率が高くなることで、デバイス特性を変化させる要因となる。
【００３１】
本評価では、このＳｉＯ2化した膜厚を膜ダメージ量とし、ガス種を検討した。膜ダメージ量の測定方法を説明する。ＨＦ洗浄（フッ酸洗浄）をすると膜質が良好な無機膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）４０４（ＳｉＯＣ膜）は削れないがＣ成分が引き抜かれＳｉＯ2化した部分はＨＦと反応し、削れてしまう。この特性を利用して、ＡｒＦレジストマスク４０２除去後の被処理基板を０.１０％のＨＦに２０ｓ浸した前後で比較し断面ＳＥＭ写真から無機膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）４０４の膜ダメージ量（式（１））を算出する。
【００３２】
つまり、図４（ｂ）において、
膜ダメージ量＝Ｄ−Ｃ          …（１）
（Ｃ：エッチング処理後寸法  Ｄ：ＨＦ洗浄後寸法）
となる。
【００３３】
次に、図５を用いて、膜ダメージ量のガス種比較を説明する。従来プラズマクリーニングで用いられているＯ2ガスで処理した場合の膜ダメージ量は２２.７nmに対し、本願発明のＣＯ2ガスで処理した膜ダメージ量は１２.３nmであった。この結果から、ＣＯ2ガスはＯ2ガスに比べて膜ダメージを抑制でき、且つＡｒＦレジストマスク４０２の除去（アッシング）が可能であることが分かる。
【００３４】
そこで、実際にプラズマクリーニングとしての効果を確認するため、処理室内の表面に付着したＣＦ系デポ物と、クリーニングガスとで反応してできるプラズマ中の反応生成物Ｃ2（波長：５１６.５nm）の発光をモニタリングし、処理室内の表面に付着したデポ物の堆積状態を確認した。ここで、Ｃ2の発光レベルが安定する（変動がなくなる）ことで、処理室内に付着したＣＦ系デポ物は除去できていると仮定する。
【００３５】
図６に、各条件下でのＣ2発光強度比較を示す。図６において、従来方法でのエッチング後のＯ2ガスプラズマクリーニングでのＣ2発光は、放電開始から３ｓで安定している。これは、エッチング処理中に処理室内表面へ付着したデポ物が除去され、エッチング処理前の状態に戻っていることを表している。
【００３６】
次に、Ｏ2ガスを用いてレジスト付ウエハ有りで放電した場合を説明する。レジスト除去に必要な時間は、ＡｒＦレジストマスク４０２の残膜と別途測定しているＯ2ガスのＡｒＦレジストレート（アッシング速度）から算出した結果から１６ｓ必要であるが、Ｃ2発光の変化は、放電開始から８ｓで安定している。また、レジスト除去後にＯ2プラズマクリーニングを行った結果、Ｃ2発光に変化は見られなかった。このことから、レジスト除去所要時間内で処理室内の付着デポは除去できておりプラズマクリーニングが行えていると言える。しかし、Ｏ2ガスをアッシングで用いた際、先述したようにＳｉＯＣに膜ダメージが生じる。
【００３７】
次に、ＣＯ2ガスを用いてレジスト付ウエハ有りで放電した場合を説明する。レジスト除去時間は、ＡｒＦレジストマスク４０２の残膜と別途測定しているＣＯ2ガスのＡｒＦレジストレート（アッシング速度）から算出した結果から２３ｓ必要であり、Ｃ2発光の変化は、放電開始から１５ｓで安定している。また、ＣＯ2ガスでのレジスト除去後に、Ｏ2プラズマクリーニングを行った際、Ｃ2発光変化は見られなかった。このことから、レジスト除去所要時間内で処理室内の付着デポは除去できておりプラズマクリーニングが行えていると言える。更に先述のようにＣＯ2ガス放電では膜ダメージを低減できることがわかっている。
【００３８】
以上の結果から、ＣＯ2ガスにてレジスト付ウエハ有りで放電を実施することで膜ダメージを抑制しながら処理室内のプラズマクリーニングが可能であることがわかる。
【００３９】
図７に、各条件下での処理時間比較を示す。図７において、従来方法では、製品ウエハをエッチング処理後、一旦チャンバから搬出し、チャンバ内クリーニングを行う。エッチング処理が完了した製品ウエハは、エッチング処理装置から回収され、レジスト除去（アッシング）処理装置へ搬送後、アッシング処理を行う。この従来方法での、製品ウエハ処理における所要時間を１００％とした場合、Ｏ2ガスクリーニングを適用した場合には５０％、ＣＯ2ガスクリーニングでは５５％と製品１枚辺りの所要時間を短縮することができる。
【００４０】
これは、一つは同一チャンバでレジスト除去することで、エッチング処理後のウエハを搬出することなく下部電極に載置状態でプラズマクリーニングが行えることで、エッチング処理後のウエハの搬送時間を省略できること、一つはレジスト付ウエハ有りで処理室クリーニングを行うことで、その後のレジスト除去処理が省略できるためである。
【００４１】
また、従来方法ではアッシング工程を他チャンバ（他装置）で行っていたためウエハの搬送、及びレジスト除去処理の時間が必要であったが、本発明によるとレジスト除去工程も同一チャンバ内で、且つプラズマクリーニング中に平行して処理が可能となり、大幅な処理時間の短縮が図れる。
【００４２】
更に本発明の特徴の１つは、パターン付ウエハ（Ｌｏｗ−ｋ膜）を処理した後、連続してウエハを下部電極に載置した状態でプラズマクリーニングすることが可能なことである。そのため、下部電極はプラズマに曝されること無く、プラズマポテンシャル等により発生するイオンによる物理的な劣化及びガス等による化学的な反応による下部電極表面の劣化を防ぎ、電極交換周期の長期化が可能となる。このことにより、下部電極の交換周期を延命化可能で、装置のメンテナンスコスト低減にも効果があると言える。
【００４３】
以上、本一実施例によれば、ウエハの入れ替えを省略してプラズマクリーニングが実施できるため、スループットを向上することが可能となり、同時にウエハを設置する下部電極がクリーニング時にプラズマに曝されないことで下部電極の劣化を抑制することができる。
【００４４】
また、低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）上に、パターニングされたレジストマスクの除去も可能となるので、デバイス工程を短縮化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明におけるプラズマエッチング装置の構成を説明する図面である。
【図２】本発明における処理室の構成を説明する断面図である。
【図３】本一実施例におけるデバイス工程及びエッチングフロー図である。
【図４】本一実施例における膜ダメージ発生メカニズム図である。
【図５】本一実施例における膜ダメージ量のガス種比較図である。
【図６】本一実施例における各状況下でのＣ2発光強度比較図である。
【図７】本一実施例における各状況下でのスループット比較図である。
【符号の説明】
【００４６】
１ａ，１ｂ  処理室
２  アンテナ電極
３，５  高周波電源
４，６  整合回路
７  静電チャック
８  ガス供給板
９  コイル
１０  整合器
１１  基板バイアス電源
１２  マスフローコントローラー
１３  被処理基板
１４  ガス供給管
１５  誘電体窓
１６  同軸端子
１７  フォーカスリング
１８  基板電極
１９  ガスボンベ
２０  真空搬送室
２１  搬送ロボット
２２ａ，２２ｂ  ロードロック室
２３  カセット載置部
２４ａ，２４ｂ  ゲート
２５  大気ローダ部
２６  ウェハカセット
３０２，４０２  ＡｒＦレジストマスク
３０３  シリコン酸化膜
３０４，４０４  無機膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）
３０５，４０５  Ｓｉ基板
４０３  シリコン酸化膜
【図１】
2010118418.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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