JP2009065170A - 希ガスクリーニングステップの追加によって改善したプラズマチャンバ壁のクリーニング - Google Patents
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Abstract
【課題】適用が容易で、標準のクリーニング手順との組合せが可能である、希ガスプラズマ反応を用いて水の残留物を除去する、改善した反応チャンバクリーニング処理を提供する。
【解決手段】水分子を破壊して電子励起した酸素原子を形成できる高エネルギーのＥＵＶフォトン（Ｅ＞２０ｅＶ）を放射する希ガスプラズマ（例えば、Ｈｅ）が、吸着された水を除去するために用いられる。該方法は、材料に吸収された水分子の光分解を引き起こすのに充分なエネルギーを有する、極端紫外及び／又は真空紫外のフォトンを放射して、酸素、水素及び／又は水酸基のラジカルを放出させることが可能である希ガスプラズマに対して該表面を露出することと、反応チャンバからラジカルを除去することとを含む。
【選択図】図２
【解決手段】水分子を破壊して電子励起した酸素原子を形成できる高エネルギーのＥＵＶフォトン（Ｅ＞２０ｅＶ）を放射する希ガスプラズマ（例えば、Ｈｅ）が、吸着された水を除去するために用いられる。該方法は、材料に吸収された水分子の光分解を引き起こすのに充分なエネルギーを有する、極端紫外及び／又は真空紫外のフォトンを放射して、酸素、水素及び／又は水酸基のラジカルを放出させることが可能である希ガスプラズマに対して該表面を露出することと、反応チャンバからラジカルを除去することとを含む。
【選択図】図２
Description
本発明は、反応性イオンエッチングチャンバなどの処理チャンバをクリーニングして、装置の内面に蓄積した、前回の堆積チャンバ残留物を除去する方法に関する。特に、本発明は、処理チャンバの内壁での残留物または処理チャンバ内部の他の成分の実質的な除去のための、最適化したウエハ無しプラズマクリーニング方法に関する。本発明の実施形態に係る方法は、反応チャンバの内部に蓄積された水の残留物を除去するために使用できる。好ましくは、本発明の方法は、希ガスプラズマ反応を用いるプラズマ反応チャンバにおいて使用される。
半導体プロセスにおいて、例えば、低誘電率(low-k)材料などの多孔性材料の集積化での重大な問題は、プラズマエッチング及び／又はレジスト剥離の際、これらの性質、例えば、誘電率ｋで表される誘電特性の劣化である。多孔性の低誘電率(low-k)材料は、従来の誘電体材料、例えば、二酸化シリコンと比べてより敏感である。多孔性の低誘電率(low-k)材料の開放空隙率は、水の拡散率を著しく増加させる。その結果、極性の水基が多孔性構造の中に取り込まれ、材料の誘電率またはｋ値を増加させることがある。これは、多孔性材料のｋ値の増加をもたらし、本来は疎水性である低誘電率(low-k)材料を親水性材料へ変換する。
その後、湿気、例えば、水の吸収、または水素結合が介在する、高い分極率を持つ他の極性分子の吸収は、材料の有効ｋ値を著しく、例えば、ｋ値＞＞８０にまで増加させることがある。
ドライエッチングチャンバ内で低誘電率(low-k)材料のパターニングの際、水または水ラジカルの低誘電率(low-k)材料の孔への吸収を回避するためには、処理チャンバ内の環境が清浄であって、水の残留物を避けることがかなり重要になる。
先行技術で知られているように、半導体プロセスで実行される多くのプロセスが、処理チャンバの内面に堆積物を残す。低温動作チャンバ（２０℃〜７５℃）で、現在用いられているチャンバ壁のクリーニング方法は、チャンバ壁に水を導入する（チャンバ壁におけるポリマーとのクリーニング化学の副産物反応として）。チャンバ壁に結合した水は、プラズマ処理の際に放出される。放出された水は、図１に示すように、使用するプラズマ混合物において追加のＯ＊およびＨ＊のラジカルの供給源である。処理中にチャンバ壁から放出される追加の種の存在（例えば、Ｈ＊およびＯ＊のラジカル）は、材料のプラズマ処理に影響を及ぼす。さらに、従来のクリーニングの後、プラズマチャンバ壁に結合した、ある量の粒子が依然として残留する。
典型的なプラズマクリーニング化学反応は、ＳＦ６およびＯ２をベースとした化学反応である。ＳＦ６プラズマは、チャンバ壁でのポリマーを除去し、Ｏ２は残留カーボンを除去するが、これらのプラズマクリーニング化学反応は、水の残留物を除去しない。
従って、（前回の反応性プラズマクリーニング後に）プラズマチャンバ壁から水の残留物および残留した粒子の一部を除去するニーズが存在する。
本発明の目的は、プラズマチャンバ（壁）から水の残留物を除去するのが容易で迅速なクリーニング方法を提供することである。
希ガスプラズマ反応を用いて水の残留物を除去する、改善した反応チャンバクリーニング処理が開示される。
本発明の方法は、容易に適用可能であり、標準的なクリーニング手順と組み合せてもよい。水分子を破壊して電子励起した酸素原子を形成できる高エネルギーのＥＵＶフォトン（Ｅ＞２０ｅＶ）を放射する希ガスプラズマ（例えば、Ｈｅ）が、吸着された水を除去するために用いられる。
この目的は、プラズマチャンバ壁から残留する水および残留粒子の一部を除去する追加の希ガスプラズマクリーニングステップを導入する（好ましくは、前回の反応性プラズマクリーニング後）ことによって達成される。
本発明の方法は、既存のウエハ無し自動クリーニング（ＷＡＣ: Waferless Auto Cleaning）法の変更とすることができる。この変更は、追加の希ガスプラズマクリーニングステップを追加することによって実現できる。
プラズマチャンバ壁において結合した水および分子（例えば、ポリマーなど）は、追加の希ガスプラズマクリーニングステップによって除去可能である。
本発明の好ましい実施形態によれば、希ガスプラズマクリーニングステップは、ＨｅまたはＡｒのプラズマを用いて実施される。紫外線のエネルギーおよび希ガスからの準安定(metastable)原子は、前回の反応性プラズマクリーニング後に、プラズマチャンバ壁に結合した水および残留分子の一部を除去するのに充分である。
本発明の実施形態に係る方法は、光学発光分光法（ＯＥＳ:optical Emission Spectroscopy）と組み合わせて、汚染物の除去を監視することができる。
最も広範な形態において、本発明は、プラズマチャンバから水の残留物を除去するための方法を提供する。該方法は、下記ステップを含む。
・プラズマチャンバを希ガスプラズマに露出する。希ガスプラズマは、反応チャンバに吸着された水分子の光分解を引き起こすのに充分なエネルギーを有するフォトンを放射して、これらの吸着された分子のラジカルを放出させることが可能である。
・反応チャンバから放出されたラジカルを除去する。
・反応チャンバから放出されたラジカルを除去する。
一実施形態では、本発明は、さらにプラズマチャンバ内の水の汚染を監視するための方法を提供する。該方法は、下記ステップを含む。
・プラズマチャンバを希ガスプラズマに露出する。希ガスプラズマは、チャンバに吸着された水分子の光分解を引き起こすのに充分なエネルギーを有する、極端紫外及び／又は真空紫外のフォトンを放射して、酸素、水素及び／又は水酸基のラジカルを放出させることが可能である。
・放出された酸素、水素及び／又は水酸基のラジカル量を検出する。
・放出された酸素、水素及び／又は水酸基のラジカル量から、プラズマチャンバの水の汚染を定量化する。
・放出された酸素、水素及び／又は水酸基のラジカル量を検出する。
・放出された酸素、水素及び／又は水酸基のラジカル量から、プラズマチャンバの水の汚染を定量化する。
放出された酸素、水素及び／又は水酸基のラジカル量を測定することは、光学発光分光法、レーザ誘起蛍光法または質量分析法によって行ってもよい。
本発明の実施形態によれば、放出された酸素、水素及び／又は水酸基のラジカル量を検出することは、光学発光分光法を用いて、所定の波長、例えば、７７７ｎｍで酸素ラジカルを検出することによって行ってもよい。
本発明の実施形態に係る、希ガスプラズマクリーニング方法は、ＨｅまたはＡｒのプラズマを用いて反応性イオンエッチングチャンバ内の水の残留物を除去するのに適している。
本発明の実施形態によれば、該方法は、例えば、Ｏ２／ＳＦ６プラズマまたはＯ２／Ｃｌ２プラズマを用いたウエハ無し自動クリーニング（ＷＡＣ: Waferless Auto Cleaning）など、既存のプラズマチャンバクリーニング手順との組合せで実施してもよい。これらの先行技術のクリーニング手順は、主に有機ポリマー残留物からなる汚染物を除去するのに適している。
本発明の特定の好ましい態様は、添付の独立および従属請求項に記述されている。従属請求項からの特徴は、請求項に明示的に記述されたものだけでなく適切に、独立請求項の特徴および他の従属請求項の特徴と組み合わせてもよい。
本発明の上記および他の特性、特徴および利点は、本発明の原理を例として示す添付図面と関連して下記の詳細な説明から明らかとなろう。この説明は、例示のためだけであり、本発明の範囲を限定するものでない。下記の参照図面は、添付図面を参照する。
本発明は、特定の実施形態に関して一定の図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されず、請求項によってのみ限定される。記載した図面は、概略的かつ非限定的なものである。図面において、幾つかの要素のサイズは、説明目的のために誇張したり、縮尺どおり描写していないことがある。寸法および相対寸法は、本発明の実際の具体化に対応していない。
請求項で使用した用語「備える、含む(comprising)」は、それ以降に列挙された手段に限定されるものと解釈すきべきでなく、他の要素またはステップを除外していないことに留意すべきである。参照したように、記述した特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を特定するものと解釈され、１つ又はそれ以上の他の特徴、整数、ステップまたは構成要素、あるいはこれらのグループの存在や追加を排除するものでない。そして「手段Ａ，Ｂを備えるデバイス」という表現の範囲は、構成要素Ａ，Ｂだけからなる素子に限定すべきでない。本発明に関して、デバイスの関連した構成要素だけがＡ，Ｂであることを意味する。
本明細書を通じて「一実施形態」または「実施形態」の言及とは、該実施形態に関連して説明した特定の特徴、構造または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。
こうして本明細書を通じて種々の箇所での「一実施形態では」または「実施形態では」の文言の出現は、必ずしも全て同じ実施形態を参照していないが、そうであってもよい。さらに、特定の特徴、構造または特性は、１つ又はそれ以上の実施形態でのこの開示から当業者にとって明らかなように、何れか適切な方法で組み合わせてもよい。
同様に、本発明の例示の実施形態の説明において、本発明の種々の特徴は、種々の発明態様の１つ又はそれ以上の開示を簡素化し、その理解を支援する目的で、単一の実施形態、図面または説明においてときどき一緒にグループ化されていると理解すべきである。しかしながら、この開示方法は、請求項の発明が、各請求項で明白に記載されたものより多くの特徴を必要とするという意図を反映するものと解釈するものでない。むしろ下記請求項を見た場合、発明態様は、単一の先に開示した実施形態の全ての特徴より少ない。こうして詳細な説明に続く請求項は、この詳細な説明に明白に組み込まれており、各請求項は、本発明の別々の実施形態としてそれ自体を基礎としている。
さらに、ここで説明した幾つかの実施形態は、他の実施形態に含まれる幾つかの他の特徴を含むとともに、異なる実施形態の特徴の組合せは、本発明の範囲内にあり、当業者によって理解されるものとして異なる実施形態を形成することを意味する。例えば、下記の請求項において、請求項の実施形態の何れかは何れの組合せで使用できる。
ここで提示した説明では、数多くの具体的な詳細が記述されている。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの具体的な詳細なしで実用化してもよい。他の例では、周知の方法、構造および技術は、この説明の理解を不明確にしないため、詳細には示していない。
下記の用語は、本発明の理解を助けるために設けている。
用語「静電チャック止め(chucking)」と「静電チャック外し(de-chucking)」は、ウエハなどのサンプルを、プラズマエッチングキャンバ内でウエハホルダに固定したり、そこから取り外したりするために用いるステップを参照する。「静電チャック止め」と「静電チャック外し」を行うために、ウエハは、Ｈｅプラズマなどのプラズマに短時間露出して、ウエハなどのサンプルを帯電または除電することがあり、これによりウエハなどのサンプルをサンプルホルダに固定したり、ここから取り外したりする。
本発明は、本発明の幾つかの実施形態の詳細な説明によって説明する。本発明の他の実施形態は、当業者の知識に従って、本発明の技術的教示から逸脱することなく構成可能であることは明らかであり、本発明は、添付した請求項の用語によってのみ限定される。
本発明は、表面から水の残留物を除去する方法を提供する。好ましくは、該方法は、希ガスプラズマを用いて、プラズマ反応チャンバの表面から水の残留物を除去するために用いられる（希ガスプラズマクリーニングと称する）。
この方法は、下記ステップを含む。
・表面を希ガスプラズマに露出する。希ガスプラズマは、表面に吸着された水分子の光分解を引き起こすのに充分なエネルギーを有する、極端紫外及び／又は真空紫外のフォトンを放射して、酸素、水素及び／又は水酸基のラジカルを放出させることが可能である。
・酸素、水素及び／又は水酸基のラジカル量を反応チャンバから除去して、表面での再堆積を回避する。
・酸素、水素及び／又は水酸基のラジカル量を反応チャンバから除去して、表面での再堆積を回避する。
本発明の実施形態によれば、放出された酸素、水素及び／又は水酸基のラジカル量は、光学発光分光法（ＯＥＳ）を用いて監視してもよい。
図１は、空のチャンバで記録した、純粋のＨｅプラズマの光学発光スペトクルを概略的に示す。Ｏ＊（７７７ｎｍ）およびＨ＊（６５７ｎｍ）のラジカルに関連した発光を観測している。
本発明の実施形態に係る方法は、迅速で、容易に適用可能である。
本発明の実施形態に係る方法は、例えば、Ｏ２／ＳＦ６プラズマまたはＯ２／Ｃｌ２プラズマを用いたウエハ無し自動クリーニング（ＷＡＣ）など、先行技術のクリーニング処理との組合せで使用できる。好ましくは、ＷＡＣクリーニングステップの後、希ガスプラズマクリーニングステップを実施する。
本発明の実施形態によれば、反応チャンバ壁の表面への水の吸着は、材料の露出の際、例えば、Ｏ２プラズマ等を用いて多孔性で有機の低誘電率(low-k)材料のプラズマエッチング（パターニング）の際、有機の疎水基の反応の結果または副産物でもよい。
本発明の実施形態に係る方法は、材料に吸収された水分子を解離するのに充分なエネルギーを有する、ＥＵＶ（極端紫外）及び／又はＶＵＶ（遠紫外または真空紫外）のフォトンを放射可能なプラズマへの材料の露出をベースとしており、酸素、水素及び／又は水酸基のラジカルを放出させている。プラズマは、例えば、約１００ワット（バイアス印加なし）の最小パワーを持つ低圧プラズマであってもよい。
本発明の実施形態によれば、プラズマは、Ｘｅより少ない原子量を持つ希ガスのグループから選択された少なくとも１つの化合物、例えば、ＨｅやＡｒなどを含んでもよい。より重い希ガスは、水を解離するのに不充分なエネルギーを持つ放射を発することになる。希ガスプラズマへの露出は、水の光分解を生じさせ、Ｏ＊，ＯＨ＊及び／又はＨ＊のラジカルを形成することが判明している。
本発明の実施形態に係る方法は、化学ルミネセンスを利用してもよい。化学ルミネセンスまたは、換言すると、光の放出は、分子または原子の励起状態から低エネルギーレベルへの減衰の結果である。理論では、１個の光のフォトンが各分子または原子ごとに放出され、低エネルギーレベルに戻る。化学ルミネセンスは、光学発光分光法（ＯＥＳ）を用いて監視できる。
上述の希ガスプラズマクリーニング反応の生成物、即ち、Ｏ＊，ＯＨ＊及び／又はＨ＊のラジカルは、例えば、光学発光分光法（ＯＥＳ）を用いて検出できる。そして、特定の波長での放射強度の分析は、水の汚染レベルに関する情報を明らかにできる。例えば、Ｏ＊ラジカルに関して、７７７ｎｍの波長での放射強度の分析は、残留物汚染に関する情報を提供できる。さらに、Ｈ＊ラジカルは、６５６ｎｍの波長で監視でき、ＯＨ＊ラジカルは、３０９ｎｍの波長で監視できる。希ガスプラズマクリーニングの際、同時に、ＯＥＳを実施したり、スペクトルを監視してもよい。
本発明の実施形態によれば、希ガスプラズマクリーニングは、反応チャンバから水の残留物を除去するために用いられ、ウエハがウエハホルダ（チャック）の上に戴置され、希ガスプラズマへの露出の際、ウエハホルダを保護する。
本発明の実施形態によれば、希ガスプラズマクリーニング手順は、２．５ｎｍのスペクトル分解能を持つＯＥＳ（光学発光分光法）分析器を装備したＬＡＭ Ｖｅｒｓｙｓ ２３００ ＳＴＡＲプラズマチャンバにおいて実行してもよい。スペクトルは、２５０ｎｍ〜８５０ｎｍの範囲で記録した。
本発明の実施形態によれば、希ガスプラズマクリーニング手順は、希ガス（例えば、Ｈｅ）プラズマ露出の際、３０ｍＴｏｒｒ、４００Ｗ（コイルパワー）、バイアスパワー０Ｗで実行してもよい。希ガス（例えば、Ｈｅ）の流量は、４００ｓｃｃｍでもよい。希ガスプラズマクリーニング時の温度は、好ましくは、室温から７０℃、例えば、３０℃、に近い。Ｈｅプラズマ露出時間は、それぞれプラズマチャック外しの間は６秒、チャンバクリーニングの間は２０秒でもよい。図３に示すように、チャンバをクリーニングするのに必要な希ガス（例えば、Ｈｅ）露出の最短時間（上述のパラメータで）は、１５秒である（Ｈｅプラズマチャック外しより２．５倍長い）。
本発明の実施形態によれば、希ガスプラズマクリーニング手順は、３ｍＴｏｒｒ（０．３９Ｐａ）〜８０ｍＴｏｒｒ（１０．６６Ｐａ）の範囲の希ガス圧力を用いて実行してもよい。
本発明の実施形態によれば、希ガスプラズマクリーニング手順は、１５秒〜１００秒の時間で実行してもよい。この露出時間はさらに、コイルパワーやガス圧力などの他のパラメータに依存する。
本発明の実施形態によれば、希ガスプラズマクリーニング手順は、１００ｓｃｃｍ〜１５００ｓｃｃｍの範囲の（希）ガス流量を用いて実行してもよい。
本発明の実施形態によれば、希ガスプラズマクリーニング手順は、４００Ｗ〜２０００Ｗの範囲のコイルパワーを用いて実行してもよい。
本発明の実施形態によれば、希ガスプラズマクリーニング手順は、０Ｗ〜２０００Ｗの範囲のバイアスパワーを用いて実行してもよい。好ましくは、バイアスパワーは、不要なイオン注入の影響を避けるために、約０ワットである。
本発明の実施形態によれば、希ガスプラズマクリーニング手順は、先行するＷＡＣクリーニングステップとともに、あるいはそれ無しで、それぞれ処理した基板（ウエハ）の後、あるいは１バッチの処理ウエハの後、プラズマチャンバで実施してもよい。
図２Ａは、Ｏ２／ＳＦ６プラズマを用いたＷＡＣクリーニング手順を用いた、先行技術のプラズマチャンバクリーニング手順を示すフローチャートを示す。図２Ｂは、希ガスプラズマクリーニングステップを含む、改善したプラズマチャンバクリーニング手順を示す。最初に、Ｏ２／ＳＦ６プラズマを用いたＷＡＣクリーニング手順を実施し、続いて、希ガスプラズマクリーニングステップを適用する（例えば、Ｈｅ及び／又はＡｒプラズマを用いて）。
図３は、Ｏ＊ラジカルに関連した、７７７ｎｍ強度信号を示す（５Ｐ−５Ｓ遷移）。時間軌跡は、ＨｅプラズマＯＥＳスペクトルから計算し直した。提示したカーブは、図３に示すように、７７７ｎｍ強度の最大値に続いている。全てのステップでは、同じＨｅプラズマ方法を使用した。この方法は、安定化ステップを含む。このステップでは、チャンバがＨｅで充填され、必要な圧力にしている。そして、Ｈｅプラズマは、２０秒間点火する。これに続いて、他のプラズマ安定化ステップを８秒間行い、そして、６秒間のプラズマステップを行う。この追加の６秒間のＨｅプラズマステップは、標準のチャック外しステップである。チャック外しステップは、ウエハをチャックから取り外すために用いる。
図３Ａは、ＷＡＣクリーニング方法および、Ｈｅプリクリーニングステップと称されるＨｅプラズマ（空のチャンバ）への露出の実施後、プラズマ反応チャンバでの７７７ｎｍ強度信号を示す。この場合、Ｈｅプリクリーニングステップは、標準のＯ２／ＳＦ６ベースのＷＡＣステップに続く。Ｏ２／ＳＦ６化学作用は、文献で記載したように、チャンバ壁クリーニングの目的で用いられる。我々は、ＷＡＣの後、次のＨｅプラズマ処理の際、Ｏ＊がチャンバ壁から放出されることを見出した。これは、７７７ｎｍ強度の時間軌跡に反映される。１５秒後、時間軌跡は、一定強度の１５００に到達する。これは、チャンバ壁が、Ｏ＊から一掃されていることを意味する。
図３Ｂは、チャンバ内部にＳｉウエハを有するプラズマチャンバでの７７７ｎｍ強度信号を表す。７７７ｎｍ信号は、空のチャンバより高い。これは、裸のＳｉを覆う固有のＳｉ酸化物の親水性と関連付けできる。Ｏ＊は、結合したＳｉ−ＯＨ基から放出される。
図３Ｃは、Ｓｉウエハを処理し、Ｈｅプラズマクリーニングステップ（Ｈｅポストクリーニングステップ）を用いた後の７７７ｎｍ強度信号を示す。７７７ｎｍ強度は、一定のままであり、Ｏ＊ラジカルが壁に存在しないことを示す。
図３Ｄ、図３Ｅ、図３Ｆは、上記の図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃに示したのと同じ処理ステップを示すが、図３Ａに示したようなプリクリーニングステップを実施する前のＷＡＣクリーニングステップが無い。
本発明に係るデバイスについて、ここでは、好ましい実施形態、特定の構成および構造や材料について説明したが、請求項によって定義される本発明の範囲を逸脱することなく、形態や詳細での種々の変化や変更が可能であると理解すべきである。
Claims (7)
- プラズマチャンバ内の材料表面から水の残留物を除去するための方法であって、
・材料に吸収された水分子の光分解を引き起こすのに充分なエネルギーを有する、極端紫外及び／又は真空紫外のフォトンを放射して、酸素、水素及び／又は水酸基のラジカルを放出させることが可能である希ガスプラズマに対して、該表面を露出すること、
・再堆積を回避するために、反応チャンバからラジカルを除去すること、を含む方法。 - 希ガスプラズマに表面を露出するステップは、０．３９Ｐａ〜１０．６６Ｐａの範囲の希ガス圧力、１００〜１５００ｓｃｃｍの範囲の希ガス流量、および４００Ｗ〜２０００Ｗの範囲のプラズマパワーを用いて実施する請求項１記載の方法。
- 希ガスプラズマに表面を露出する際、光学発光分光法、レーザ誘起蛍光法または質量分析法によって、放出された酸素、水素及び／又は水酸基のラジカル量を検出することをさらに含む請求項１記載の方法。
- 放出された酸素、水素及び／又は水酸基のラジカル量を検出することは、光学発光分光法を用いて波長７７７ｎｍで酸素ラジカルを検出することによって行うようにした請求項２記載の方法。
- 希ガスプラズマに表面を露出するステップの前に、Ｏ２／ＳＦ６プラズマまたはＯ２／Ｃｌ２プラズマを用いたウエハ無し自動クリーニング手順を実施するステップをさらに含む請求項１〜３の何れかに記載の方法。
- 該方法は、ＨｅまたはＡｒのプラズマを用いて、反応性イオンエッチングチャンバの内壁から水の残留物を除去するために用いられる請求項１〜５の何れかに記載の方法。
- 該方法は、その場(in-situ)で実施するようにした請求項１〜６の何れかに記載の方法。
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