(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ生成部を形成し材質がアルミナである真空容器に処理ガスを供給し、前記真空容器の外周に設けられ高周波電力を印加可能なアンテナ及びファラデーシールドを用いてプラズマを生成し、前記真空容器内に設けられ被エッチング材料が少なくともＰｔ，Ａｕ，Ｆｅ，Ｔａ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｈｆの不揮発性材料を含む試料をエッチングするプラズマ処理方法において、
前記エッチング処理後に、前記ファラデーシールドに少なくとも５００Ｖ以上の電圧を印加し、少なくとも三塩化ホウ素及び塩素を含む混合ガスを用いて、前記真空容器内壁に付着した反応生成物をクリーニングすることを特徴とす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において、前記混合ガスの割合は、三塩化ホウ素が２０％、塩素が８０％となるようにガスを供給しクリーニングすることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項３】
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、大気開放を伴う洗浄を実施した後に、ダミーウエハを試料台上へ搬送し、前記ファラデーシールドに少なくとも５００Ｖ以上の電圧を印加し、塩素を中心としたガスを用いたプラズマによって、真空容器内の異物を除去するエージング処理を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項４】
請求項１または３に記載のプラズマ処理方法において、前記ファラデーシールドに少なくとも１５００Ｖ以上の電圧を印加してクリーニングをすることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項５】
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、前記真空容器の材質であるアルミナの発光波長を検出する終点判定検出手段を用いることにより、前記真空容器内壁のクリーニングの終点を検出することを特徴とするプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマにより試料のエッチング及び真空容器内壁のクリーニングを行うプラズマ処理方法及び処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイス製造分野においては、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ
Ｍｅｍｏｒｙ）やＬＯＧＩＣ等の被エッチング材料として用いられてきたＳｉ，Ａｌ，ＳｉＯ２  等の材料に加えて、ＦＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）やＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）などでは不揮発性の材料が被エッチング材料として使用されつつある。不揮発性の材料は、エッチング時の反応生成物の融点が高いためエッチングされにくい。また、エッチング後の反応生成物の蒸気圧が低く真空容器内壁への付着係数が高いため、数枚〜数百枚の試料を処理することにより真空容器内壁が堆積物によって覆われ、後に剥がれ落ちることによって異物多発の原因になっている。また、堆積物によって誘導アンテナと反応容器内プラズマとの結合状態が変わり、エッチング速度や均一性，エッチング垂直性，エッチング側壁へのサイドウオール付着状況等の経時変化を引き起こしたりする。不揮発性材料の具体的な例としては、ＭＲＡＭや磁気ヘッドに用いられる強磁性，反強磁性材料のＦｅ，ＮｉＦｅ，ＰｔＭｎ，ＩｒＭｎ。また、ＤＲＡＭのキャパシタ部やゲート部，ＦＲＡＭのキャパシタ部，ＭＲＡＭのＴＭＲ
（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子部に用いられる貴金属材料のＰｔ，Ｉｒ，Ａｕ，Ｔａ，Ｒｕ。その他にも、高誘電体材料のＡｌ２Ｏ３，ＨｆＯ３，Ｔａ２Ｏ３  ，強誘電体材料のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛），ＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム），ＳＢＴ（タンタル酸ストロンチウムビスマス）等が挙げられる。
【０００３】
従来のプラズマ処理方法及び処理装置の一つとして、真空容器外周に設けたコイル状のアンテナによる誘導型のプラズマ処理装置やマイクロ波を導入するプラズマ処理装置等があった。いずれの装置においても不揮発性材料をエッチングする際に、真空容器内壁への堆積物の対策が十分でなかったために大気開放を伴った洗浄を繰り返し行っていた。一度洗浄を行うと次の試料の処理着工までに６〜１２時間も要すことから装置の稼動効率の低下につながっていた。
【０００４】
その一方では、アンテナとプラズマとの間にファラデーシールドを設け、このファラデーシールドに高周波電源を接続し電力を供給することで、真空容器内壁への反応生成物の付着を抑制し、かつ真空容器内壁のクリーニングを可能とした装置が提案されている。その一例として、特開平１０−２７５６９４号公報，特開２０００−３２３２９８号公報がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、具体的なエッチング方法及びクリーニング方法については、十分な検討が行われていなかった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、このような問題点に鑑みてなされたもので、誘導アンテナとプラズマとの間にファラデーシールドを設けたプラズマ処理装置において、試料処理中に真空容器内壁への反応生成物の付着を抑制する、または付着した反応生成物を効率良く除去することのできるプラズマ処理方法及び処理装置を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決する為に次のような手段を採用した。
プラズマ生成部を形成する真空容器に処理ガスを供給し、前記真空容器の外周に設けられ高周波電力を印加可能なアンテナ及びファラデーシールドを用いてプラズマを生成し処理を行うプラズマ処理方法において、前記ファラデーシールドに少なくとも５００Ｖ以上の電圧を印加し、前記真空容器内に設けられ被エッチング材料が不揮発性材料である試料をエッチングすることとした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。図１は本発明のプラズマ処理装置の断面図を示す。真空容器２は内部にプラズマ生成部を形成する絶縁材料（例えば、石英，セラミック等の非導電性材料）で成る放電部２ａと、被処理物である試料１２，試料１２を配置するための電極５が配置された処理部２ｂとから成る。処理部２ｂはアースに設置されており、電極５は絶縁材を介して処理部２ｂに取り付けられる。放電部２ａの外周にはコイル状の誘導結合アンテナ１が配置されている。また、放電部２ａ外側には、プラズマ６と静電容量的に結合する円盤状のファラデーシールド８が設けられている。誘導結合アンテナ１とファラデーシールド８は、整合器（マッチングボックス）３を介して第一の高周波電源１０に直列に接続されている。また、ファラデーシールド８と並列に、インピーダンスの大きさが可変可能な回路がアースに接地してある。真空容器２内にはガス供給装置４から処理ガスが供給される一方で、排気装置７によって所定の圧力に減圧排気される。ガス供給装置４より真空容器２内に処理ガスを供給し、該処理ガスを誘導結合アンテナ１とファラデーシールド８により発生する電界の作用によってプラズマ化する。電極５には第二の高周波電源１１が接続されている。また、第一の高周波電源１０により発生する、例えば、１３．５６ＭＨｚ，２７．１２ＭＨｚ，４０．６８ＭＨｚ等のＨＦ帯や、更に周波数が高いＶＨＦ帯等の高周波電力を誘導結合アンテナ１とファラデーシールド８に供給することによりプラズマ生成用の電界を得ているが、電力の反射を抑えるために整合器（マッチングボックス）３を用いて、誘導結合アンテナ１のインピーダンスを第一の高周波電源１０の出力インピーダンスに一致させている。整合器（マッチングボックス）３は、一般的に逆Ｌ型と呼ばれる、静電容量を可変可能な可変コンデンサ９を２個用いたものを使用している。また、プラズマ６中に存在するイオンを試料１２上に引き込むために電極５に第二の高周波電源１１によりバイアス電圧を印加する。
【０００９】
次に、ファラデーシールド８について詳しく説明する。図２に示すように、たて縞状のスリットを有する金属導体からなり、真空容器に重なる形で配置される。ファラデーシールド８への電圧印加は、図１のＶＣ３で表される可変コンデンサ９ｃで調節可能としている。ファラデーシールド８への電圧印加は、試料の処理レシピによって所定の値に設定可能とした。
【００１０】
次に、ファラデーシールド８の印加電圧の最適化を図るために、ファラデーシールド８に印加された電圧と真空容器内壁にかかるシース電圧との関係をシミュレーションにより算出した。
【００１１】
ファラデーシールド８に高周波電圧Ｖｆｓを印加したとき、真空容器内壁には直流電圧Ｖｓｈが印加される。このため、プラズマ中のイオンが真空容器内壁に向かって加速され壁を叩くことになる。このイオン加速電圧Ｖｓｈは、
Ｖｓｈ＝Ｖｆｓ／２＊Ｄｓｈ／（（Ｄｆｓ＋Ｄｃｈ／ε）＋Ｄｓｈ）＋Ｖｓ…（１式）
で与えられる。ここでＤｓｈは真空容器内壁にできるシース厚みであり、Ｄｃｈは真空容器の厚み、εは真空容器の比誘電率、Ｖｓはプラズマ空間電位（通常約１５Ｖ程度）である。また、真空容器内壁に形成されるシース厚みＤｓｈは、
0003630666.tif 000002
で与えられる。ここでＩＣＦはプラズマの飽和電流密度、Ｍｉはイオン質量である。上式、ＶｓｈとＤｓｈの式は連立しており、非線形な依存性を持っている。
【００１２】
図３は、厚みが１０ｍｍ，１５ｍｍのアルミナ真空容器、また、厚みが１０ｍｍの石英真空容器である場合の、ファラデーシールド８への印加電圧Ｖｆｓとシース電圧Ｖｓｈとの関係を求めた結果を示す。ここでは、プラズマは塩素プラズマ、飽和イオン電流は４ｍＡ／ｃｍ２  とした。１０ｍｍのアルミナ真空容器においては、ファラデーシールド８に５００Ｖの電圧を印加した場合はシース電圧が約６０Ｖとなり、１５００Ｖの電圧を印加した場合はシース電圧が約３６０Ｖとなることが分かる。また、１５ｍｍのアルミナ真空容器や１０ｍｍの石英真空容器においては、シース電圧が１０ｍｍのアルミナ真空容器に比べ、それぞれ約７割，４割に低下しており、同等の効果を得るためには、より高い電圧を印加する必要があることが分かる。
【００１３】
図４は、１０ｍｍのアルミナ真空容器において、試料上の被エッチング材料の
Ｐｔをエッチングした時の、真空容器内壁に堆積する反応生成物堆積速度とファラデーシールド８に電圧を印加することで真空容器内壁に付着した反応生成物を除去する反応生成物クリーニング速度を示す。図４から、ファラデーシールド電圧約５００Ｖにて、反応生成物堆積速度と反応生成物クリーニング速度がほぼ釣り合うことが分かる。すなわち、Ｐｔを処理する際に、約５００Ｖのファラデーシールド電圧を印加することで、真空容器内壁には反応生成物が堆積しないことが分かる。また、真空容器内壁は過剰にクリーニングされることもないため、真空容器内壁のアルミナを損傷することなく、長期にわたって安定した処理が可能である。これにより、エッチング中に反応生成物が真空容器内壁に付着することを抑制することができる。
【００１４】
次に、図５を用いて様々なプラズマ処理方法について説明する。
Ａに示す処理方法は、試料をエッチングする際に真空容器内壁への反応生成物の付着を抑制するために、ファラデーシールド電圧を印加しつつ処理を行う方法である。この方法では反応生成物の真空容器内壁への付着を低減できるため、安定した放電を得ることが可能である。また、洗浄やクリーニングの回数を低減できるため装置の稼動効率が良い。
【００１５】
Ｂに示す処理方法は、試料をｎ枚エッチングする毎にクリーニングを行う方法である。ファラデーシールドに電圧を印加しながらエッチングを行っても完全に反応生成物を除去できない場合や、ファラデーシールドに電圧を印加せずにエッチング速度を優先した処理等に用いる処理方法である。この方法であれば、クリーニングする時は、試料のエッチングガスとは異なるガスを用いることができる。よって、クリーニング効果の高いガスを選択すれば、完全に反応生成物を除去することもできる。また、クリーニング時間を短縮することも可能である。
【００１６】
Ｃに示す処理方法は、Ａの処理方法の前にエージング処理を実施する方法である。大気開放を伴う洗浄を実施した後に、いち早く安定した装置状態を得るために用いる方法である。洗浄後の装置は真空容器内壁に様々な物質が付着しており異物が発生し易い。そのため、電極５にダミーウエハを搬送しファラデーシールドに少なくとも５００Ｖ以上の電圧を印加しながら塩素ガスを中心としたプラズマ放電を発生させることにより、真空容器内の異物を低減させる処理を行う。その後に、エッチングを行うことにより異物による影響を低減することができる。
【００１７】
Ｄに示す処理方法は、Ｃで説明したエージング処理方法とＢで説明したクリーニングとの組み合わせである。異物の発生や放電状態の変化，プロセスの経時変化が特に問題となる場合に適した処理方法である。従来、頻繁に大気開放を伴う洗浄を実施しなければならなかったプロセスにおいても、この処理方法を用いることにより、異物低減を図れると共に、安定したエッチング性能が得ることができ、装置の稼働効率を向上させることができる。
【００１８】
以下、種々の不揮発性材料を本発明の処理方法にて、エッチングした例について述べる。
【００１９】
図６は、ファラデーシールドに約６００Ｖの電圧を印加して１ロット（８枚）連続してＡｕを処理した時のエッチング速度を示す。ファラデーシールド電圧を印加せずに処理を行うと、処理ウエハ８枚目で反応生成物の影響によりプラズマが消失しエッチングの続行が不可能であったが、ファラデーシールドに電圧を印加した処理を行うことで、エッチング速度のロット内均一性が２．６％  という安定した処理が実施できることが分かる。ロット内均一性とは、１ロット（例えば、ウエハ８枚，１２枚，２５枚毎の単位）内のウエハ毎のエッチング速度のバラツキを示し、数値が低い程、安定したエッチングが行われたことになる。また、ＮｉＦｅのエッチングにおいてもＡｕと同様に、安定したエッチング速度が得られ、ロット内均一性が１．３％  であった。また、ＦｅＮのエッチングにおいても、ロット内均一性は約３％となり安定したエッチングを得ることができる。
【００２０】
図７は、ファラデーシールドに電圧を印加せずに１ロット（８枚）連続して
Ｔａを処理した時のエッチング速度を示す。Ｔａの処理においては、経時変化よりもエッチング速度を優先するため、ファラデーシールド電圧は印加せずに処理を行う。その後で、真空容器内壁に付着した反応生成物を除去するために、１ロット処理後にクリーニングを行った。ロット内の均一性は約４．８％程度であり、クリーニング実施によるロット間均一性は約１．７％となった。ロット間均一性とは、例えば、各ロット１枚目のウエハのエッチング速度のバラツキを示し、数値が低い程、安定したクリーニングが行われたことになる。
【００２１】
図８は、ファラデーシールドに約７００Ｖの電圧を印加してＰｔを処理した時のエッチング速度を示す。１ロット（２５枚）処理後に、ファラデーシールドに１５００Ｖの電圧を印加するクリーニングを約１０分行った結果、ロット内均一性，ロット間均一性共に約１．３％の安定した処理が実施することができる。また、Ｉｒにおいても、ファラデーシールドに約６００Ｖの電圧を印加して処理を行い、１ロット（２５枚）処理後に、上記クリーニングを行えば、ロット内均一性は約２．９％  、ロット間均一性は約３％を得ることができる。
【００２２】
次に、ファラデーシールドを用い真空容器内壁に付着した反応生成物を適切な時間でクリーニングするためのクリーニング時間の終点を検出する終点判定方法について図９，図１０を用いて説明する。横軸はクリーニング時間、縦軸は発光強度を示す。
【００２３】
図９は、反応生成物の波長を観測した場合の終点判定方法である。ファラデーシールドに電圧を印加することで、真空容器内壁に付着した反応生成物が除去され始める。これにより、反応生成物が電離し真空容器内を漂うため、反応生成物の発光強度が強くなる。徐々に真空容器内の反応生成物が除去され始めると発光強度も下がり、２次差分も減少する。次第に２次差分が上昇し始め０を横切るところが終点となる。
【００２４】
図１０は、真空容器自体から発生する生成物の波長を観測した場合の終点判定方法である。例えば、真空容器がアルミナ製であれば発光波長は３０８ｎｍ（Ａｌ），３９６ｎｍ（Ａｌ）等であり、石英製であれば３９１ｎｍ（ＳｉＣｌ），４３７ｎｍ（ＳｉＦ）等である。ファラデーシールドに電圧を印加することで、真空容器内壁に付着した反応生成物が除去され始めるが、反応生成物が真空容器内壁を覆っているため発光強度は低い。徐々に真空容器内壁に付着した反応生成物が減少するため、真空容器の表層部が現れる。これにより、発光強度が上昇し、２次差分も上昇する。次第に２次差分が下降し始め０を横切るところが終点となる。
【００２５】
このような方法を用いることにより、真空容器内壁に反応生成物を残すこと無く、また過剰なクリーニングにより真空容器内壁を損傷することが無いため、長期に渡って安定した処理を行うことが可能となり真空容器の寿命も延ばすことができる。
【００２６】
次に、異物モニタを用いた真空容器内壁のクリーニング間隔の最適化について説明する。従来は、不安定なエッチングによる製品不良を防止するために、予め設定した間隔、例えば、１ロット毎にクリーニングを強制的に実施していた。本実施例では、試料の処理中にリアルタイムに異物の測定を行い、予め定めておいた上限値（例えば、エッチングに支障をきたす恐れのある異物個数）及び下限値（例えば、試料処理前の異物個数）に基づいて、クリーニング間隔の最適化を図る。図１１は、処理時間と異物個数との関係を示す。試料の処理を重ねるに従いプラズマ中の異物個数は上昇する。ｎ枚目の試料の処理中に所定の異物個数の上限を超えた場合、ｎ枚目の試料の処理後、次のｎ＋１枚目の試料の処理は行わず、ここで、ファラデーシールドに電圧を印加したクリーニングを実施する。このクリーニングは自動的に実施できるように設定しておくほうが望ましい。このクリーニングにおいても、異物個数のモニタを行い、異物個数が所定の下限を超えたらクリーニングを中止し、ｎ＋１枚目の試料の処理を開始する。これを繰り返すことにより、クリーニング間隔の最適化が図られ、装置の稼動効率が向上する。
【００２７】
次に、三塩化ホウ素と塩素の混合ガスによるクリーニングについて説明する。図１２の（ａ）は、Ｒｕをエッチングする前のアルミナ製真空容器の放電部２ａの内側を表す。また、（ｂ）はエッチング後の様子を表す。黒く見える部分が反応生成物が堆積している箇所である。この反応生成物を除去するために、クリーニングガスとして塩素と酸素の混合ガスを使用して約３０分間クリーニングを行った結果を（ｃ）に表す。反応生成物を完全に取り除くことができなかった。次に同じ条件においてエッチングを行い、後に三塩化ホウ素と塩素の混合ガスを使用して約３０分間のクリーニングを行った結果を（ｄ）に表す。ほぼ完全に反応生成物を除去することができた。
【００２８】
また図１３の（ａ）は、Ａｕをエッチングする前のアルミナ製真空容器の放電部２ａの内側を表す。また、（ｂ）はファラデーシールドに電圧を印加せずにエッチングしたため、反応生成物が全面に付着している様子が分かる。この反応生成物を除去するために、三塩化ホウ素と塩素の混合ガスを使用して約１０分間のクリーニングを行ったところ、（ｃ）のように、ほぼ完全に反応生成物を除去することができた。
【００２９】
上述のように、クリーニングガスは、三塩化ホウ素と塩素の混合ガスが効率が良く、特に三塩化ホウ素＝２０％，塩素＝８０％に設定し、クリーニングした時が最も有効である。また、三塩化ホウ素と塩素の混合ガスは様々な不揮発性材料のエッチングによって発生する反応生成物に対してもクリーニングの効果があることが分かった。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、何れの不揮発性材料の試料においても、最適なファラデーシールド電圧を印加することで、試料処理中に真空容器内壁への反応生成物の付着を抑制でき、また、真空容器内壁に堆積した反応生成物を効率良く取り除くことができるプラズマ処理方法及び処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いたプラズマ処理装置の断面図である。
【図２】本発明に用いたファラデーシールドの概略図である。
【図３】ファラデーシールド電圧とシース電圧との関係を示す図である。
【図４】ファラデーシールド電圧と反応生成物クリーニング速度及び反応生成物堆積速度との関係を示す図である。
【図５】本発明のプラズマ処理方法を示す図である。
【図６】処理枚数とＡｕのエッチング速度との関係を示す図である。
【図７】処理枚数とＴａのエッチング速度との関係を示す図である。
【図８】処理枚数とＰｔのエッチング速度との関係を示す図である。
【図９】本発明の終点判定方法を示す図である。
【図１０】本発明の終点判定方法を示す図である。
【図１１】本発明のプラズマ処理方法を示す図である。
【図１２】本発明のクリーニング結果を示す図である。
【図１３】本発明のクリーニング結果を示す図である。
【符号の説明】
１…誘導結合アンテナ、２…真空容器、２ａ…放電部、２ｂ…処理部、３…整合器（マッチングボックス）、４…ガス供給装置、５…電極、６…プラズマ、７…排気装置、８…ファラデーシールド、９…可変コンデンサ、１０，１１…高周波電源、１２…試料。
【図１】
0003630666.tif 000003
【図２】
0003630666.tif 000004
【図３】
0003630666.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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