JP5227367B2 - Plasma processing method - Google Patents
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Description
本発明は、半導体デバイスの製造工程において、酸化シリコン、窒化シリコン、低誘電率膜(low−k膜)、ポリシリコン、アルミニウム等の材料に対し、プラズマを用いてエッチング等の処理を行うのに好適なプラズマ処理方法に係る。 In the manufacturing process of a semiconductor device, the present invention performs processing such as etching using plasma on materials such as silicon oxide, silicon nitride, low dielectric constant film (low-k film), polysilicon, and aluminum. The present invention relates to a suitable plasma processing method.
半導体デバイスの製造において、成膜やエッチング等の工程にプラズマ処理装置が広く用いられている。これらプラズマ処理装置には、微細化するデバイスに対応した高精度処理性能と、量産性とが求められている。ここで、量産時に大きな問題となってくるのが、プラズマ処理の際にウエハに付着する異物による歩留まり低下である。 In the manufacture of semiconductor devices, plasma processing apparatuses are widely used in processes such as film formation and etching. These plasma processing apparatuses are required to have high-precision processing performance corresponding to devices to be miniaturized and mass productivity. Here, a major problem during mass production is a decrease in yield due to foreign matter adhering to the wafer during plasma processing.
プラズマ処理中にウエハに異物が付着すると、配線の断線やショート等、デバイスにとって致命的な欠陥を与えることになる。また、デバイスの微細化が進展するにつれ、これまで問題にならなかった微小な異物の影響も大きくなってくる。これら異物をプラズマ処理後にウエット処理で除去する事も可能であるが、これは工程数が増大し、デバイスの製造コストが上昇するため好ましくない。したがってプラズマ処理を行う際に、異物の発生自体の低減や、発生した異物を除去すること、異物をウエハに落下させない事に注意が払われている。 If foreign matter adheres to the wafer during plasma processing, it will cause fatal defects for the device such as wire breakage or short circuit. In addition, as device miniaturization progresses, the influence of minute foreign matter that has not been a problem until now increases. These foreign substances can be removed by wet treatment after the plasma treatment, but this is not preferable because the number of steps increases and the manufacturing cost of the device increases. Therefore, when performing the plasma treatment, attention is paid to reducing the generation of foreign matter itself, removing the generated foreign matter, and preventing the foreign matter from dropping onto the wafer.
プラズマ処理中の異物を除去する技術の例としては、例えば、特許文献1がある。該公報には、「上方向に発散している磁力線Bを発生し、磁力線Bに沿って異物を半導体ウエハの上部領域外に移動して排除し」と記載されている。
An example of a technique for removing foreign matter during plasma processing is, for example,
また、プラズマ処理中の異物を除去する別の技術の例としては、例えば、特許文献2がある。これは、「下部電極の周囲に、第二プラズマ発生用電極を設置」し、「プラズマ放電停止直前に、第二プラズマ発生用電極に高周波電圧を印加し、下部電極の外周に高密度の副プラズマを形成することにより、処理室内に、半導体ウエハの主面近傍に滞留する負に帯電した異物を半導体ウエハの外側に押し出すような副ポテンシャル分布を形成する」ことにより、異物低減を図るものである。
Moreover, as another example of the technique for removing foreign matters during plasma processing, for example,
また、プラズマ中の異物がウエハ上に落下するのは、プラズマ処理中ではなく、プラズマをオン・オフする時であることは古くから知られている。例えば、非特許文献1には、プラズマ処理の最中、即ちウエハにRFバイアスが印加されている最中は、異物はウエハ直上に形成されるシースとバルクプラズマとの境界にトラップされ、ウエハ上にはあまり落下しないことが示されている。
Further, it has been known for a long time that foreign matters in plasma fall on a wafer not during plasma processing but when plasma is turned on and off. For example, in
一方、非特許文献2には、プラズマ中でウエハにRFバイアスが印加された際,ウエハ直上に形成されるRFシースのシース厚さdsに関する式が記載され、また、非特許文献3には、静止している異物が、周りのガス流れから受ける力Fgについて記載されている。
On the other hand, Non-Patent
特許文献1に記載の技術は、プラズマ中の異物が帯電していることを利用している。一般的にバルクプラズマ中に異物が進入すると、電子の拡散係数の方が正イオンの拡散係数より遥かに大きいため異物は負に帯電する。
The technique described in
よく知られているように、磁場中の運動している電荷は、磁場からローレンツ力を受け、磁場に巻き付く様に運動するため、磁力線によりその運動方向を拘束されることになる。電子の様に質量が小さければ(正確に言えば比電荷e/mが大きければ。ここで、eは電荷量、mは質量)、プラズマ処理装置に用いられるような数Gaussから数百Gaussの磁場で、その運動を十分拘束し得る。しかるに、イオン程度の質量(電子の数千倍)のものはもはやその運動を数Gaussから数百Gauss程度の磁場で拘束することは出来ない。 As is well known, a moving electric charge in a magnetic field receives a Lorentz force from the magnetic field and moves so as to be wound around the magnetic field, so that the direction of movement is restricted by the magnetic lines of force. If the mass is small like an electron (specifically, if the specific charge e / m is large, where e is the amount of charge and m is the mass), the number of Gauss to several hundred Gauss as used in the plasma processing apparatus. The magnetic field can sufficiently restrain the movement. However, the mass of ions (thousands of times that of electrons) can no longer be constrained by a magnetic field of several Gauss to several hundred Gauss.
例えば、一般的にプラズマ処理に用いられるプラズマ中では、75Gaussの磁場をかけた場合、電子のラーマー半径は1mm以下であるが、イオンのラーマー半径は20〜30mm程度となり、ガスの平均自由行程(数mm程度)よりも一桁大きい値となる。これは、電子はガス分子との衝突の前に磁力線の回りを何回か旋回できる、即ち磁場でその運動を拘束できるのに対し、イオンは磁力線の回りを旋回する前にガス分子と衝突し運動の向きが変化するため、磁場により運動を拘束できないことを意味している。ましてや、0.1μmの小径の異物でさえ、その質量はイオンよりも8桁ほど大きいため、いくら電荷をもっているとはいえ、その運動を磁場で拘束することは不可能である。また、異物の質量は異物半径の3乗に比例するのに対し、異物の帯電量は異物表面積、つまり半径の2乗に比例するため、異物径が大きくなればなるほど、比電荷e/mは小さくなる。つまり特許文献1に開示されている技術では、ウエハ上から異物を排除することは事実上不可能である。
For example, in a plasma generally used for plasma processing, when a magnetic field of 75 Gauss is applied, the electron Larmor radius is 1 mm or less, but the ion Larmor radius is about 20 to 30 mm, and the mean free path of gas ( The value is an order of magnitude larger than a few millimeters). This is because electrons can swirl around the magnetic field lines several times before collision with gas molecules, that is, their movement can be constrained by the magnetic field, whereas ions collide with gas molecules before swirling around the magnetic field lines. Since the direction of motion changes, it means that the motion cannot be restrained by a magnetic field. Furthermore, even a foreign substance having a small diameter of 0.1 μm has a mass that is about eight orders of magnitude larger than that of ions, so that it is impossible to constrain its movement with a magnetic field, although it has a certain amount of charge. Further, since the mass of the foreign matter is proportional to the cube of the foreign matter radius, the charge amount of the foreign matter is proportional to the foreign matter surface area, that is, the square of the radius. Therefore, as the foreign matter diameter increases, the specific charge e / m becomes smaller. Get smaller. That is, with the technique disclosed in
また、特許文献2に記載の技術は、まず実用化という点で現実的ではない。というのは、下部電極の外周に高密度の副プラズマを生成するための第二プラズマ発生用電極や、該電極に電力を印加するための電源を設置する必要があるために、装置構成が複雑になり、相当なコスト高になる、といった大きな欠点がある。また、第二プラズマ発生用の電極自体が消耗し、異物源や汚染源になる可能性も大きい。さらには、本来の目的の異物低減効果も思ったほどは期待できない。
Moreover, the technique described in
まず、ウエハからプラズマ生成部が見込めない位置である電極外周部にて副プラズマを生成しているために、異物を除去したいウエハ上での副ポテンシャル形成が十分に成されない。つまり、副プラズマを生成しても、その影響がウエハ上まで届かないのである。これは、特に、プラズマの拡散速度が遅い高圧領域で顕著になる。一方、圧力を低くし、プラズマの拡散速度が速くなったとしても、今度は拡散速度が速いが故にウエハ上での副プラズマ密度分布が均一に近づき、やはり所望の副ポテンシャル形状が十分には形成されない。したがって、特許文献2に記載の技術では、異物除去効果自体にも疑問が残る。
First, since the secondary plasma is generated at the electrode outer peripheral portion where the plasma generating portion cannot be expected from the wafer, the formation of the secondary potential on the wafer from which foreign matter is to be removed is not sufficiently achieved. That is, even if the secondary plasma is generated, the effect does not reach the wafer. This is particularly noticeable in a high-pressure region where the plasma diffusion rate is low. On the other hand, even if the pressure is lowered and the plasma diffusion rate is increased, the secondary plasma density distribution on the wafer approaches to be uniform due to the high diffusion rate, and the desired subpotential shape is sufficiently formed. Not. Therefore, in the technique described in
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、プラズマ処理中にウエハに付着する異物の量を大幅に低減することのできるプラズマ処理方法ならびにプラズマ処理装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a plasma processing method and a plasma processing apparatus capable of greatly reducing the amount of foreign matter adhering to a wafer during plasma processing.
プラズマ処理においてウエハに落下する異物を低減することは、プラズマをオン・オフする際の非定常時に、いかに異物を落下させないかにかかっている。そこで、本発明者らは異物がトラップされているシース(正イオンの空間電荷を持つ層)/バルク(正負電荷が等しく分布するプラズマ層)の境界の形状を制御することにより異物をウエハ外に排除することができないかと考えた。その結果、プラズマをOn,Offする際に、ウエハ直上に形成されるシースを凸形状にすることにより、重力でウエハ上から異物を排除できることを見出したのである。さらには、プラズマをOn,Offする際に、ウエハ直上に形成されるシースの平均厚さを厚くすることで、ガス流れの力によりウエハ上から異物を排除できることを見出したのである。 The reduction of foreign matter falling on the wafer in plasma processing depends on how foreign matter is not dropped at the non-stationary time when the plasma is turned on / off. Therefore, the present inventors control the shape of the boundary of the sheath (layer having positive ion space charge) / bulk (plasma layer in which positive and negative charges are equally distributed) in which the foreign substance is trapped to remove the foreign substance from the wafer. I thought it could be eliminated. As a result, it has been found that when the plasma is turned on and off, foreign matters can be removed from the wafer by gravity by making the sheath formed immediately above the wafer convex. Furthermore, when turning on and off the plasma, it has been found that by increasing the average thickness of the sheath formed immediately above the wafer, foreign substances can be removed from the wafer by the force of gas flow.
本発明は、真空排気された処理室内のステージ上に配置された半導体ウエハをこの処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理方法であって、前記ステージに接続された高周波電源から前記プラズマを発生させることのないバイアス電力を印加した後、当該バイアス電力を印加した状態で前記処理室内に前記半導体ウエハ上方からガスを導入しつつ前記処理室内にその密度分布が前記半導体ウエハの外周部で高く中央部で低いプラズマを発生し前記半導体ウエハ直上のシース層を前記半導体ウエハの外周部での厚さより前記中央部での厚さが大きい凸形状に形成する第一の異物除去ステップと、この異物除去ステップの後に所定の条件で前記処理室に前記プラズマを形成して前記半導体ウエハを処理するウエハ処理ステップとを備えたことを特徴とする。
また、前記ウエハ処理ステップの後に、前記ステージに前記高周波電源からバイアス電力を印加するとともに、前記処理室内にガスを導入しつつ前記処理室内にその密度分布が前記半導体ウエハの外周部で高く中央部で低いプラズマを発生し前記半導体ウエハ直上のシース層を前記半導体ウエハの外周部での厚さより前記中央部での厚さが大きい凸形状に形成するステップであって、前記第一の異物除去ステップより前記プラズマを長時間発生させた後に前記プラズマを発生させることのない前記バイアス電力を印加した状態で前記プラズマを消火する第二の異物除去ステップとを備えたことを特徴とする。
The present invention is a plasma processing method for processing a semiconductor wafer disposed on a stage in a processing chamber that has been evacuated by using plasma formed in the processing chamber, wherein the plasma is supplied from a high-frequency power source connected to the stage. After applying a bias power that does not cause the generation of gas, a gas is introduced into the processing chamber from above the semiconductor wafer with the bias power applied, and the density distribution in the processing chamber is increased at the outer periphery of the semiconductor wafer. A first foreign matter removing step for generating a high and low plasma at the central portion and forming a sheath layer immediately above the semiconductor wafer in a convex shape having a thickness at the central portion larger than the thickness at the outer peripheral portion of the semiconductor wafer; A wafer processing step for processing the semiconductor wafer by forming the plasma in the processing chamber under a predetermined condition after the foreign matter removing step; Characterized by comprising.
In addition, after the wafer processing step, bias power is applied to the stage from the high-frequency power source, and a gas is introduced into the processing chamber, and the density distribution in the processing chamber is high at the outer peripheral portion of the semiconductor wafer. Generating a low plasma at a step, and forming a sheath layer directly above the semiconductor wafer into a convex shape having a thickness at the central portion larger than a thickness at an outer peripheral portion of the semiconductor wafer, the first foreign matter removing step And a second foreign matter removing step of extinguishing the plasma while applying the bias power without generating the plasma after generating the plasma for a long time .
本発明によれば、プラズマOn/Off時に、低めのソース電力とウエハバイアス電力を印加し、プラズマ分布を外高に制御するステップを入れることで、ウエハの中心付近では厚いシースが、外周付近ではそれより薄いシースが形成され、シース/バルク境界にトラップされている異物を、重力及びガス流れの効果でウエハ外に排出できる。これにより、ウエハに付着する異物を1/10以下に低減でき、半導体デバイスの製造における歩留まり向上が見込める。さらに、本発明は、今後のデバイスの微細化で大きく問題になってくる粒径0.1μm以下の異物除去には、さらに絶大なる効果を発揮する。 According to the present invention, when plasma on / off is applied, a low source power and wafer bias power are applied, and a step of controlling the plasma distribution to an external height is added. A thinner sheath is formed, and foreign matter trapped at the sheath / bulk boundary can be discharged out of the wafer by the effects of gravity and gas flow. Thereby, the foreign matter adhering to a wafer can be reduced to 1/10 or less, and the yield improvement in manufacture of a semiconductor device can be expected. Furthermore, the present invention exerts a tremendous effect in removing foreign matters having a particle size of 0.1 μm or less, which will be a major problem in future device miniaturization.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に、本発明の実施例1を示す。本発明の実施例1では、ガス導入手段10を有する真空排気された真空処理室1の内部にウエハ載置用ステージ2を設け、該ステージに対向する面にステージに平行に略円形のアンテナ7を設け、第一の整合器12を介し第一の高周波電源11より該アンテナに高周波電力を印加し、該アンテナから放射される電磁波と外部コイル6.1、6.2及びヨーク5により形成される磁場との相互作用によりプラズマを生成し、ステージ2に接続された第二の高周波電源13と第二の整合器14により被処理ウエハ3に高周波バイアスを印加することによりプラズマ処理を行う構成になっている。
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. In
第一の高周波電源11の周波数は、50MHzから500MHzの間で選定される。該周波数帯を用いることにより、微細処理に好適な低、中圧力領域(0.2〜50Pa程度)で、ウエハ上に効率良く、均一性の良いプラズマを生成可能となる。本実施例1においては、第一の高周波電源の周波数は200MHzとした。
The frequency of the first high
また、ウエハに高周波バイアスを印加するための第二の高周波電源13の周波数は、第一の高周波電力により生成したプラズマに影響を与えず、かつ効率よくイオンをウエハに引き込むように、好ましくは100kHzから20MHzの間で、さらに好ましくは400kHzから13.56MHzの間で選定される。本実施形態においては、4MHzの周波数を用いた。
The frequency of the second high-
また、2系統の外部コイル6.1、6.2にそれぞれ所定の電流を流すことにより、磁場を発生させるようになっている。アンテナ7から処理室内に放射される電磁波と該磁場との相互作用により、さらに効率よくプラズマを生成する事、換言すると、より低いソースパワーで処理に最適な中密度のプラズマを生成可能となる。さらに、コイル6.1と6.2に流す電流値を調整し、磁場強度と磁力線形状を調整することにより、プラズマ密度分布の形状を制御できる。
A magnetic field is generated by flowing predetermined currents through the two external coils 6.1 and 6.2. Plasma can be generated more efficiently by the interaction between the electromagnetic wave radiated from the
また、本実施例1ではアンテナ7の表面には、シャワープレート9が備えられている。シャワープレート9には、直径が0.3乃至0.8mm程度の微細な穴が数百個開けられている。さらに該シャワープレートとアンテナ本体7の間には、直径が0.3乃至1.5mm程度の微細な穴が数百個程度開けられたガス分散板8が設置されている。ガス分散板8とアンテナ7との間は処理用ガスのバッファ室となっており、ガス供給系10より供給された処理用ガスは分散板8とシャワープレート9を介し処理室に均一に導入される。
In the first embodiment, a
また、上記したガスバッファ室は、アンテナ中央部とアンテナ外周部との2つの領域に分割されており、中央部と外周部にそれぞれ独立に処理用のガスを供給できる構造となっている。内側に流すガスと外側に流すガスの流量比やガス組成を変えることにより、より精密な処理を均一に施すことができる。 The gas buffer chamber described above is divided into two regions, an antenna central portion and an antenna outer peripheral portion, so that a processing gas can be supplied independently to the central portion and the outer peripheral portion. By changing the flow rate ratio and gas composition of the gas flowing inside and the gas flowing outside, more precise processing can be performed uniformly.
また、これまで記載してきた各高周波電源や、ガス導入系、コイル電源等は、全てコンピュータ制御されており、専用の制御ソフトを介してオペレータが制御できるようになっている。また、一連のプラズマ処理を行うための、複数のステップからなる処理条件(各高周波電力値やコイル電流値、ガス流量値等)を定めた処理レシピを保存するための記憶媒体も備えている。 In addition, each of the high-frequency power sources, gas introduction systems, coil power sources, and the like described so far are all computer-controlled, and can be controlled by an operator via dedicated control software. In addition, a storage medium for storing a processing recipe that defines processing conditions (each high-frequency power value, coil current value, gas flow rate value, etc.) including a plurality of steps for performing a series of plasma processings is also provided.
以下に、これまでは異物の挙動に対し影響が微小であると思われていた重力やガス流れが、実際は異物の挙動に十分影響を与え得るという本発明の根拠を示す。
まず、異物がシース/バルク境界にトラップされている際に、異物にかかっている力について説明する。まず、ここでは、重力の影響のみを考えるために処理用ガスの流れは無視する。
Below, the grounds of the present invention will be shown that gravity and gas flow, which until now have been considered to have a very small influence on the behavior of foreign matter, can actually sufficiently affect the behavior of foreign matter.
First, the force applied to the foreign material when the foreign material is trapped at the sheath / bulk boundary will be described. First, here, the flow of processing gas is ignored in order to consider only the influence of gravity.
通常のプラズマ処理中は、処理速度の面内均一性の観点から、ウエハ上のプラズマ密度は概ね均一となっており、ウエハ上に形成されるシースの厚さもウエハ上で概ね一定、即ちシース/バルク境界は水平になっている。帯電量qに負に帯電した質量Mの異物には、図2(a)に示したようにシース電界Eから受けるクーロン力qEと、シース電界により加速された正イオンから受ける力であるイオンドラッグフォースFidと、重力Mgの3つの力がかかっており(gは重力速度)、これら3つの力がつりあう位置であるシース/バルク境界にトラップされている。ここで、3つの力の大きさの関係は、
Fid + Mg = qE (1)
となっている。
During normal plasma processing, the plasma density on the wafer is generally uniform from the viewpoint of in-plane uniformity of processing speed, and the thickness of the sheath formed on the wafer is also substantially constant on the wafer, that is, the sheath / The bulk boundary is horizontal. As shown in FIG. 2 (a), a foreign substance having a mass M negatively charged to the charge amount q is applied to an ion drag that is a Coulomb force qE received from the sheath electric field E and a force received from positive ions accelerated by the sheath electric field. Three forces of force Fid and gravity Mg are applied (g is the velocity of gravity), and trapped at the sheath / bulk boundary where these three forces are balanced. Here, the relationship between the magnitudes of the three forces is
F id + Mg = qE (1 )
It has become.
図2(b)には、シース/バルク境界が、何らかの要因により水平面より微小な角度θ傾いた際に異物にかかる力を示している。図から見て分かるように、クーロン力qEとイオンドラッグフォースFid とはいずれもシース電界Eに平行な方向にかかり、シース電界Eの方向と重力mgの方向はθの角度をなす。したがって、電界Eに平行な向きの力のバランスは、
Fid + Mg cos(θ) = qE (2)
となる。つまり異物には電界とは垂直な向きに、
Mg sin(θ) (3)
なる力が作用することになる。
FIG. 2B shows the force applied to the foreign matter when the sheath / bulk boundary is inclined by a minute angle θ from the horizontal plane due to some factor. As can be seen from the figure, the Coulomb force qE and ion drag force F id relates to a direction parallel to both the sheath electric field E, the direction of the direction of gravity mg of the sheath electric field E is an angle of theta. Therefore, the balance of forces parallel to the electric field E is
F id + Mg cos (θ) = qE (2)
It becomes. In other words, the foreign object has a direction perpendicular to the electric field,
Mg sin (θ) (3)
Will be applied.
一般的に、プラズマ処理中に問題となる0.05μm〜5μm オーダーの異物の質量、プラズマによる異物への帯電量、シース電界の強さを考えると、クーロン力、イオンドラッグフォースに対し重力の大きさは無視できるほど小さく、異物の挙動に殆ど影響を与えないと言われている。例えば、プラズマ密度1×1010(cm−3),電子温度3(eV)のプラズマで、シース/バルク境界に直径1μm、密度2.4g/cm3の異物が浮遊していたとすると、異物にかかるクーロン力、イオンドラッグフォースは1×10−13(N)程度のオーダーであるのに対し、重力は1×10−14(N)と一桁小さい値になっている。しかし、これはシース/バルク境界が水平であり、クーロン力、イオンドラッグフォース、重力が、全て同じ向きに働いている状況下での話である。
In general, considering the mass of foreign matter in the order of 0.05 μm to 5 μm, which is a problem during plasma processing, the amount of charge on the foreign matter caused by plasma, and the strength of the sheath electric field, the magnitude of gravity against Coulomb force and ion drag force is large. It is said to be negligibly small and hardly affects the behavior of foreign matter. For example, if a plasma with a plasma density of 1 × 10 10 (cm −3 ) and an electron temperature of 3 (eV) and a foreign substance having a diameter of 1 μm and a density of 2.4 g /
ここで、仮に何らかの影響でシース/バルク境界と水平面に角度θがついたとすると、異物には(3)式による重力の分力が作用し、これが異物の挙動に影響を与える。例えば、シース厚さをウエハ外周部で薄くし、異物が存在する位置でのシース/バルク境界面を水平面からθ傾けることができれば、シースの厚い部分から薄い部分に向かって、(3)式に示す力が異物にかかることになる。 Here, if the angle θ is attached to the sheath / bulk boundary and the horizontal plane due to some influence, the gravitational force according to the equation (3) acts on the foreign matter, which affects the behavior of the foreign matter. For example, if the sheath thickness is reduced at the outer periphery of the wafer and the sheath / bulk interface at the position where the foreign substance exists can be tilted by θ from the horizontal plane, the equation (3) The indicated force is applied to the foreign object.
ここで、(3)式に示した力が現実的な時間スケールで異物をウエハ外に排除できるかどうかを見積もる。0sにおける異物の初速度を0とすると、t秒後に異物が移動できる距離rは、
r = 1/2 g sin(θ) t2 (4)
となる。ここで、ある角度θ1,θ2…のとき、t=1s,2sで異物が移動できる距離r1,r2を表1に纏めた。
r = 1/2 g sin (θ) t 2 (4)
It becomes. Here, Table 1 summarizes distances r1 and r2 at which the foreign matter can move at t = 1 s and 2 s at a certain angle θ1, θ2,.
これより、ウエハの中心でのシース厚さを最大にし、ウエハエッジでのシース厚を最も薄くするようにし、シース/バルク境界と水平面とのなす角度θを2°つけることができれば、1sの間にウエハ半径(r=15cm)から異物を排除できることがわかる。また、θが0.5°であっても、2秒ほどかければ異物を排除できることもわかる。さらに、(4)式に異物の質量Mが入っていないことから、上記したシース形状を制御し異物を排除する方法は、シース/バルク境界にトラップされている全ての粒子径の異物に有効な手段であることもわかる。 Thus, if the sheath thickness at the center of the wafer is maximized, the sheath thickness at the wafer edge is minimized, and the angle θ formed by the sheath / bulk boundary and the horizontal plane can be set to 2 °, the interval is 1 s. It can be seen that foreign matter can be excluded from the wafer radius (r = 15 cm). It can also be seen that even if θ is 0.5 °, foreign matter can be eliminated if it takes about 2 seconds. Furthermore, since the foreign substance mass M is not included in the equation (4), the above-described method for controlling the sheath shape and eliminating the foreign substance is effective for foreign substances having all particle diameters trapped at the sheath / bulk boundary. It turns out that it is a means.
つぎに、シース/バルク境界と水平面のなす角度を制御することが現実的に可能かどうかを見積もった。プラズマ中でウエハにRFバイアスが印加された際,ウエハ直上に形成されるRFシースのシース厚さdsは、以下の式(5)で表されることが非特許文献2に記載されている。
λD=(ε0 kB Te / Ne e2 )1/2 (6)
(5)式、(6)式中でウエハ面内である程度制御可能であるパラメータは電子密度分布Ne(=プラズマ密度分布)であり、これを制御すればよい。
Next, it was estimated whether it was practically possible to control the angle between the sheath / bulk boundary and the horizontal plane.
λ D = (ε 0 k B T e / N e e 2) 1/2 (6)
The parameters that can be controlled to some extent within the wafer surface in the equations (5) and (6) are the electron density distribution Ne (= plasma density distribution), which may be controlled.
図3には、シース電圧Vsをパラメータとした際のシース厚さdsの電子密度依存性を示す。プラズマ密度が低いほど、また、シース電圧が高いほど、プラズマ密度分布の変化に対し、シース厚の変化が大きくなることが分かる。また、本図は、一般的に半導体製造に用いられるプラズマ処理装置で通常実現可能なプラズマ密度、シース電圧でのグラフを示している。例えば、Vs=300VとなるようにRFバイアスを印加した状態で、中心部(r=0mm)でのプラズマ密度を1×109cm−3,外周部(r=150mm)でのプラズマ密度を2×109cm−3とした場合、中心部と外周部のシース厚さの差が約5mm程度となり、シース/バルク界面と水平面のなす角度θは1.9°となり、1s以内にウエハ上にトラップされている異物をウエハ外に十分排除できることになる。 FIG. 3 shows the electron density dependence of the sheath thickness ds when the sheath voltage Vs is used as a parameter. It can be seen that the lower the plasma density and the higher the sheath voltage, the greater the change in sheath thickness with respect to the change in plasma density distribution. In addition, this figure shows a graph of plasma density and sheath voltage that can be normally realized by a plasma processing apparatus generally used for semiconductor manufacturing. For example, with an RF bias applied so that Vs = 300 V, the plasma density at the center (r = 0 mm) is 1 × 10 9 cm −3 , and the plasma density at the outer periphery (r = 150 mm) is 2 In the case of × 10 9 cm −3 , the difference in the sheath thickness between the central portion and the outer peripheral portion is about 5 mm, and the angle θ formed by the sheath / bulk interface and the horizontal plane is 1.9 °, which is on the wafer within 1 s. The trapped foreign matter can be sufficiently removed outside the wafer.
上記議論は極めて単純化された系での論議であるが、重力が異物の挙動に影響を与えること、シース形状を凸型にし、重力を利用することで異物排除が可能な事がわかる。また、シース形状を凸型にするためのプラズマ密度分布やシース電圧が十分実現可能なものであることが分かる。 Although the above discussion is a discussion in a very simplified system, it can be seen that gravity influences the behavior of foreign matter, and that foreign matter can be eliminated by making the sheath shape convex and using gravity. It can also be seen that the plasma density distribution and the sheath voltage for making the sheath shape convex can be sufficiently realized.
また、上記論議に用いたシース電圧Vsや、電子密度Ne(≒プラズマ密度)と、プラズマ処理装置の制御パラメータとの一般的な関係を補足しておく。まず、電子密度Neは、ソース電力Ps(第一の高周波電力)を大きくすると高くなるが、バイアス電力Pb(第二の高周波電力)にはあまり依存しない。つまり、非常におおまかに表現すると、
Ne ∝ Ps (7)
なる関係が成り立っている。これはプラズマ密度と、ウエハに入射するイオンエネルギーを独立に制御するために、ソース周波数は数十MHzから数百MHzの比較的高い周波数を用い、バイアス周波数は数百KHzから14MHz程度までの比較的低い周波数を用いているためである。バイアス電力Pbはプラズマ密度に影響を与えず、イオンエネルギー、即ちVsを制御している。ここで、バイアス電力Pbを大きくするとシース電圧Vsが高くなることは言うまでもない。つまり、おおまかに言うと、
Vs ∝ Pb (8)
なる関係が成り立っている。一方で、ソース電力Psを大きくするとシース電圧Vsは逆に低くなる。これは、ソース電力の増加に伴いプラズマ密度が上昇し、プラズマを介して流れるバイアス電流Ibが増加するためである。つまり、バイアス電力Pbは、おおまかに表現すると、
Pb = IbVs ∝ NeVs ∝ PsVs (9)
となるため、バイアス電力Pbを固定した状態でソース電力Psを増加させると、シース電圧Vsは低下することが分かる。
Further, a general relationship between the sheath voltage Vs and the electron density Ne (≈plasma density) used in the above discussion and the control parameters of the plasma processing apparatus will be supplemented. First, the electron density Ne increases as the source power Ps (first high frequency power) increases, but does not depend much on the bias power Pb (second high frequency power). In other words, when expressed very roughly,
Ne ∝ Ps (7)
The relationship is established. In order to control the plasma density and the ion energy incident on the wafer independently, the source frequency is a relatively high frequency of several tens of MHz to several hundreds of MHz, and the bias frequency is a comparison from several hundred KHz to about 14 MHz. This is because a low frequency is used. The bias power Pb does not affect the plasma density and controls the ion energy, that is, Vs. Here, it goes without saying that increasing the bias power Pb increases the sheath voltage Vs. In other words, roughly speaking,
Vs ∝ Pb (8)
The relationship is established. On the other hand, when the source power Ps is increased, the sheath voltage Vs is decreased. This is because as the source power increases, the plasma density increases and the bias current Ib flowing through the plasma increases. In other words, the bias power Pb is roughly expressed as follows:
Pb = IbVs∝NeVs∝PsVs (9)
Therefore, it can be seen that when the source power Ps is increased while the bias power Pb is fixed, the sheath voltage Vs decreases.
次に、ガス流れの影響を見積もる。まず、ガス流速がシース/バルク境界でどの程度なのかを見積もるために、一般的な流体計算コードにより処理室内のガス流速分布を計算した。処理ガス流量200sccm,圧力5Paの場合のガス流速ベクトルの計算結果及び、計算体系の概略を図4に示す。ウエハ直上では、処理用ガスの速度ベクトルは、ウエハ面に垂直な成分Vzに対し大きな径方向成分Vrを持っていることが分かる。 Next, the effect of gas flow is estimated. First, in order to estimate the gas flow rate at the sheath / bulk boundary, the gas flow rate distribution in the processing chamber was calculated using a general fluid calculation code. FIG. 4 shows the calculation result of the gas flow velocity vector and the outline of the calculation system when the processing gas flow rate is 200 sccm and the pressure is 5 Pa. It can be seen that immediately above the wafer, the velocity vector of the processing gas has a large radial component Vr with respect to the component Vz perpendicular to the wafer surface.
図6には、各高さ位置における流速ベクトルのVr成分の径方向依存性を示す。Vrは中心部r=0mmでは0m/sであり、外周部に行くにしたがってリニアに増加していく。ここで、z=1mmにおけるガス速度の径方向成分Vrの径方向位置での平均値は、本計算結果では0.11m/sとなった。 FIG. 6 shows the radial dependence of the Vr component of the flow velocity vector at each height position. Vr is 0 m / s at the central portion r = 0 mm, and increases linearly toward the outer peripheral portion. Here, the average value at the radial position of the radial component Vr of the gas velocity at z = 1 mm is 0.11 m / s in this calculation result.
静止している異物が、周りのガス流れから受ける力Fgは、非特許文献3によると、
Fg = N V2 m πrp 2 (10)
と表せる。ここで、Nはガス密度、Vはガス流速、mはガス粒子の質量、rpは異物の半径である。(10)式は、静止した異物が周囲のガス流れから受ける力を示している。異物が流れに沿って動き出し、ガス流れの速度に近づくにつれ、異物が流れから受ける力は小さくなってゆく。即ち、異物の速度も考慮した場合、異物がガス流れから受ける力は、以下の(11)式のように示される。
Fg = N (V−Vp)2 m πrp 2 (11)
ここでVpは異物の速度である。(11)式は、異物にかかる力が異物の断面積と、ガス密度に比例し、また、異物とガスの相対速度の2乗に比例することを意味している。
According to
F g = N V 2 m πr p 2 (10)
It can be expressed. Here, N is the gas density, V is the gas flow velocity, m is the mass of the gas particles, and rp is the radius of the foreign matter. Equation (10) represents the force that a stationary foreign object receives from the surrounding gas flow. As the foreign object begins to move along the flow and approaches the velocity of the gas flow, the force that the foreign object receives from the flow decreases. That is, when the speed of the foreign matter is also taken into consideration, the force that the foreign matter receives from the gas flow is expressed by the following equation (11).
F g = N (V−Vp) 2 m πr p 2 (11)
Here, Vp is the speed of the foreign matter. The expression (11) means that the force applied to the foreign matter is proportional to the cross-sectional area of the foreign matter and the gas density, and is proportional to the square of the relative velocity between the foreign matter and the gas.
今、ガス粒子の質量がArと同等、異物直径が1μm、ガス流速が0.11m/sであったとすると、異物が静止している際のFgですら、2×10−14(N)程度となり、先に述べたイオンドラッグフォースやクーロン力と比べると一桁小さい値となっている。しかるに、ガス流れによる力Fgが働く方向は、図5に示したように、イオンドラッグフォースとクーロン力がバランスしている向きに概ね垂直であるため、異物の運動にはガス流れによる力Fgが影響することになる。 Now, assuming that the mass of the gas particles is the same as Ar, the foreign matter diameter is 1 μm, and the gas flow rate is 0.11 m / s, even the Fg when the foreign matter is stationary is about 2 × 10 −14 (N) Thus, it is an order of magnitude smaller than the ion drag force and Coulomb force described above. However, the direction in which the force Fg due to the gas flow acts is generally perpendicular to the direction in which the ion drag force and the Coulomb force are balanced, as shown in FIG. Will be affected.
ここで、質量Mの異物がFgを受けた際の加速度αgは、
αg = Fg/ M (12)
となる。異物の密度を2.4g/cm3とすると、粒子径より異物質量Mが求まる。今、t=0において、異物の初期位置をr0=0.01(m),異物の初速度をVp(0)=0m/sとすると、図6の結果と式(11)、(12)を用いることにより、異物の位置の時間進展が計算できる。
Here, the acceleration αg when a foreign substance of mass M receives Fg is:
αg = Fg / M (12)
It becomes. When the density of the foreign matter is 2.4 g /
ここで、シース/バルク境界がz=1mmにあった場合の異物の径方向位置の時間依存性を図7に示す。本図から分かるように、ガスに流され移動していく異物の位置には、異物径依存性がある。(11)式の異物質量Mは異物粒径の3乗に比例し、ガスによる力Fgは(10)式より異物断面積、即ち異物粒径の2乗に比例することから、異物粒径が小さいほど、ガス流れの影響を受けやすい。ガス流れによる異物排除は、今後、問題になるであろう粒子径0.1μm以下の異物除去に大きな効果を発揮する。 Here, FIG. 7 shows the time dependence of the radial position of the foreign material when the sheath / bulk boundary is z = 1 mm. As can be seen from this figure, the position of the foreign substance that is moved by the gas has a foreign substance diameter dependency. The foreign material mass M in the equation (11) is proportional to the third power of the particle size of the foreign material, and the force Fg by the gas is proportional to the cross-sectional area of the foreign material, that is, the square of the particle size of the foreign material from the equation (10). Smaller is more susceptible to gas flow. The removal of foreign matters by gas flow will exert a great effect on removing foreign matters having a particle diameter of 0.1 μm or less, which will become a problem in the future.
図7からは、異物径0.1μmのものは、2s以内にウエハ範囲外(r>0.15m)に排除されるが、異物径1μm,10μmのものはいずれもr<0.15mの範囲に入っており、ウエハ外には排除できないことが分かる。しかし、ガス流量を大流量化すれば、ウエハ近傍でのガス流速も速くなり、異物除去効果が高まることは明らかである。但し、ガス流量を一定で圧力を下げた場合は、ガス流速は速くなるものの、ガス密度が小さくなるために、(10)式におけるFgは変化しないため、異物除去効果は変わらないことになる。 From FIG. 7, the foreign matter diameter of 0.1 μm is excluded outside the wafer range (r> 0.15 m) within 2 s, but the foreign matter diameters of 1 μm and 10 μm are both in the range of r <0.15 m. It can be seen that it cannot be excluded outside the wafer. However, if the gas flow rate is increased, it is clear that the gas flow rate in the vicinity of the wafer is increased and the foreign matter removal effect is enhanced. However, when the gas flow rate is kept constant and the pressure is lowered, the gas flow rate is increased, but the gas density is decreased, so that the Fg in the equation (10) does not change, so the foreign matter removal effect does not change.
また、図8にr=100mmにおける径方向速度成分Vrの高さ依存を示す。本図から分かるように、ウエハ近傍でのガス流速は、ウエハから離れるに従い急激に大きくなっている。即ち、プラズマ密度を下げる、もしくは、シース電圧を上げ、異物がトラップされているz方向の位置を高くすることにより、ガス流れによる異物排除をより効果的に行うことができる。 FIG. 8 shows the height dependence of the radial velocity component Vr at r = 100 mm. As can be seen from this figure, the gas flow velocity in the vicinity of the wafer increases rapidly as the distance from the wafer increases. That is, foreign matter removal by gas flow can be more effectively performed by lowering the plasma density or raising the sheath voltage and raising the position in the z direction where the foreign matter is trapped.
以上を纏めると、シース形状を凸型に制御することにより、ウエハ上のシース/バルク境界にトラップされている異物を重力によりウエハより外側の領域に排除することができる。また、シースの平均厚さを厚く制御することにより、ウエハ上のシース/バルク境界にトラップされている異物を、処理用のガス流れによる力により、ウエハより外側の領域に排除することができる。また、両者を併用すれば、さらなる効果が見込めることは言うまでもない。これらの異物排除ステップを、プラズマOn,Off時に実行することにより、歩留まり低下の原因である異物を低減することができる。 In summary, by controlling the sheath shape to be convex, the foreign matter trapped at the sheath / bulk boundary on the wafer can be removed to the region outside the wafer by gravity. Further, by controlling the average thickness of the sheath to be thick, foreign substances trapped at the sheath / bulk boundary on the wafer can be excluded to a region outside the wafer by the force of the processing gas flow. Needless to say, if both are used in combination, further effects can be expected. By executing these foreign substance removal steps at the time of plasma On and Off, foreign substances that cause a decrease in yield can be reduced.
次に、本プラズマ処理装置を用いた際の異物の低減方法について述べる。まず、図9に基本的な概念図を示す。通常のウエハ処理時(メインステップ時)には、図9(a)に示したように、ウエハ上に均一なプラズマを生成する。この状態では、ウエハ上のシース幅も均一であり、シース/バルク境界面は水平になっている。この場合、処理中に発生した異物はシース/バルク境界にトラップされ、ウエハ上に滞在している。また、通常は処理速度の観点から中密度(1×1010〜1×1011 cm−3)程度のプラズマを用いることが多いため、ウエハ上に形成されるシース厚さは薄くなっており、異物にはガス流れの力はあまり作用していない。 Next, a method for reducing foreign matter when the plasma processing apparatus is used will be described. First, FIG. 9 shows a basic conceptual diagram. During normal wafer processing (main step), uniform plasma is generated on the wafer as shown in FIG. In this state, the sheath width on the wafer is also uniform and the sheath / bulk interface is horizontal. In this case, the foreign matter generated during processing is trapped at the sheath / bulk boundary and stays on the wafer. Moreover, since a plasma with a medium density (1 × 10 10 to 1 × 10 11 cm −3 ) is usually used from the viewpoint of processing speed, the sheath thickness formed on the wafer is thin. There is not much gas flow force acting on the foreign material.
ウエハ処理時の条件は、処理性能や処理速度、選択比、均一性等の要因で決められるため、異物低減の観点から変更する訳にはいかないが、先にも述べたように、プラズマ処理中は異物がトラップされているため、ウエハ上に落下してくることは少ない。 Wafer processing conditions are determined by factors such as processing performance, processing speed, selection ratio, and uniformity, so it cannot be changed from the standpoint of reducing foreign matter. Since foreign matter is trapped, it is unlikely to fall on the wafer.
そこで、図9(b)に示したように、プラズマをOffする直前に、ソース電力(第一の高周波電源の電力)を下げ、プラズマ密度を下げると共に、コイル電流を大きくし、プラズマ密度分布がウエハ外周部上で高く、ウエハ中央部上で低くなる(いわゆる、外高になる)ような制御を行い、ウエハ上に形成されるシースの厚さを厚くし、またシース形状を凸型になるようにする(異物除去ステップ)。処理用のガス流速はウエハから離れるにつれ大きくなるため、シース厚さを厚くすることにより、異物はガス流れからより大きな力を受けるようになり、ウエハ外に排除される。また、シース形状を凸型にすることにより、異物に作用している重力が、異物をウエハ外に排除する方向に働くことになる。かくして、ガス流れと重力の作用により、ウエハ上にトラップされていた異物はウエハ外に排除され、プラズマをOffしてもウエハ上に落下することはなくなる。ここで、上記したプラズマをOffする直前のステップで、処理ガス流量を大きくすることは異物除去の観点から望ましいことは言うまでもない。 Therefore, as shown in FIG. 9B, immediately before the plasma is turned off, the source power (the power of the first high-frequency power supply) is lowered, the plasma density is lowered, the coil current is increased, and the plasma density distribution is increased. The height of the sheath formed on the wafer is increased by controlling the height on the wafer outer peripheral portion and lowering on the wafer central portion (so-called outer height), and the sheath shape becomes convex. (Foreign matter removal step). Since the gas flow rate for processing increases as the distance from the wafer increases, the thickness of the sheath increases, so that the foreign matter receives a greater force from the gas flow and is removed from the wafer. Further, by making the sheath shape convex, gravity acting on the foreign substance acts in the direction of removing the foreign substance outside the wafer. Thus, the foreign matter trapped on the wafer is removed out of the wafer by the action of the gas flow and gravity, and even if the plasma is turned off, it does not fall on the wafer. Here, it goes without saying that increasing the processing gas flow rate in the step immediately before turning off the plasma is desirable from the viewpoint of removing foreign matter.
また、図9(b)に示した異物除去ステップをプラズマOn時に実行する事も異物低減に効果がある。プラズマ処理が始まり、ウエハ上に安定にシースが形成されるまでの間にウエハ上に飛来する異物を、ウエハ上に落下させないで済むからである。通常の処理シーケンスでは、まずソース電力(第一の高周波電力)を印加し、プラズマが着いた後にバイアス電力(第二の高周波電力)を印加するが、本発明においては、ソース電力によりプラズマが着火する前からバイアス電力を印加しておくことにより、プラズマが着火したときにはウエハ上に所望のシースを形成しておくことが可能となる。また、着火時における異物除去ステップもプラズマ密度を低く抑えているために、メインステップの処理結果に影響を与えることはない。 In addition, it is also effective for reducing foreign matter to execute the foreign matter removing step shown in FIG. This is because it is not necessary for foreign matter flying on the wafer to fall on the wafer between the start of the plasma processing and the stable formation of the sheath on the wafer. In a normal processing sequence, source power (first high-frequency power) is first applied, and bias power (second high-frequency power) is applied after plasma has arrived. In the present invention, plasma is ignited by source power. By applying a bias power before this, a desired sheath can be formed on the wafer when the plasma is ignited. In addition, the foreign matter removal step during ignition also suppresses the plasma density, so that the processing result of the main step is not affected.
以下、実際のプラズマ処理シーケンスについて、図10を用いて詳しく述べる。
まず、第一のステップとして、プラズマをOnする暫く前(通常、1〜5s程度前)までに、コイルに電流を印加し、処理室にガスを導入し、処理圧力となるように調圧を完了しておく。この際、外高プラズマを生成するために、コイル6.1には、例えば7Aの電流を印加しておく。また、内側と外側の2系統あるガス導入系のうち、内側ガス導入系に、例えば800ml/minの処理用ガスを導入しておく。内側からガスを導入することにより、ガス流れによる異物排除効果をより高めることができるからである。
Hereinafter, an actual plasma processing sequence will be described in detail with reference to FIG.
First, as a first step, current is applied to the coil and gas is introduced into the processing chamber before the plasma is turned on (usually about 1 to 5 seconds before), and the pressure is adjusted so as to become the processing pressure. Complete it. At this time, for example, a current of 7 A is applied to the coil 6.1 in order to generate an outer high plasma. Of the two gas introduction systems, the inner and the outer, for example, a processing gas of 800 ml / min is introduced into the inner gas introduction system. It is because the foreign substance removal effect by a gas flow can be heightened more by introduce | transducing gas from an inner side.
次に、第二のステップとして、第一の高周波電源からソース電力の供給を開始する直前(0〜1s程度前)までに、第二の高周波電源から5Wから100W程度のバイアス電力、例えば30Wの電力を印加しておく。バイアス電力の周波数は4MHzを用いたため、この程度の電力ではプラズマを生成することはない。また、ソース電力よりも先にバイアス電力を印加しておく理由は、次ステップでソース電力を印加し、プラズマをOnさせた際に、ウエハ上に直ちにシースを形成しておくためである。 Next, as a second step, a bias power of about 5 to 100 W from the second high-frequency power source, for example, 30 W, immediately before starting the supply of source power from the first high-frequency power source (about 0 to 1 s before) Apply power. Since 4 MHz is used as the frequency of the bias power, plasma is not generated with this level of power. The reason why the bias power is applied before the source power is that a sheath is immediately formed on the wafer when the source power is applied in the next step to turn on the plasma.
次に、第三のステップとして、ソース電力を100W〜400W程度印加し、プラズマを生成させる。この際、プラズマ密度は極力低く抑えたいため、ソース電力の値はプラズマが安定してOnできる下限値付近、例えば200W程度が望ましい。このステップで発生するプラズマは、ソース電力が低いために低密度であり、また磁場制御により外高分布となっており、また、予めバイアスが印加されているために、プラズマOnの瞬間からウエハ上に厚い凸形状のシースが形成されている。このステップが、先に説明をした異物除去ステップとなる。また、本ステップは、通常0.5〜1s程度である。 Next, as a third step, a source power of about 100 W to 400 W is applied to generate plasma. At this time, in order to keep the plasma density as low as possible, the value of the source power is preferably near the lower limit value at which the plasma can be stably turned on, for example, about 200 W. The plasma generated in this step has a low density due to a low source power, and has an outer high distribution due to magnetic field control. Since a bias is applied in advance, the plasma is generated on the wafer from the moment of plasma On. A thick convex sheath is formed. This step is the foreign matter removal step described above. Moreover, this step is usually about 0.5 to 1 s.
次に、第四のステップとして、実際のウエハをプラズマ処理するステップが入る。本ステップの開始時に、ソース電力、バイアス電力、コイル電流、内/外側ガス流量等を、通常のプラズマ処理を行う条件に変更する。通常の処理条件は、異物除去ステップに比べ、ソース電力は通常大きく、例えば1000W程度、バイアス電力も大きく、例えば800W程度、またプラズマ処理が均一となる磁場条件は、例えばコイル電流4A、プラズマ処理が均一となる内/外ガス流量は、例えば内側流量400ml/min,外側流量400ml/minとする。また、本ステップに要する時間は、処理の内容に依存し、通常10s〜300s程度である。 Next, as a fourth step, there is a step of plasma processing an actual wafer. At the start of this step, the source power, bias power, coil current, inner / outer gas flow rate, and the like are changed to conditions for performing normal plasma processing. The normal processing condition is that the source power is usually larger than that of the foreign substance removal step, for example, about 1000 W, the bias power is also large, for example, about 800 W, and the magnetic field conditions for uniform plasma processing are, for example, coil current 4A The uniform inner / outer gas flow rate is, for example, an inner flow rate of 400 ml / min and an outer flow rate of 400 ml / min. Further, the time required for this step depends on the content of the process and is usually about 10 s to 300 s.
次に、第五のステップとして、異物除去ステップが入る。本ステップの開始時に、第三のステップと同様な条件に各放電パラメータを変化させ、1〜5秒間放電を継続する。第三のステップでは、プラズマOn時のごく短時間に飛来する異物をウエハに付着させないのが目的であるため短時間で済むが、第五のステップでは、ウエハ上に滞在している異物をウエハ外に排除するため、多少長めの時間をかける必要がある。そして、本ステップの最後で、ソース電力を0とし、プラズマをOffする。この際、ウエハバイアスは印加したままである。 Next, as a fifth step, a foreign matter removal step is entered. At the start of this step, each discharge parameter is changed to the same conditions as in the third step, and the discharge is continued for 1 to 5 seconds. The purpose of the third step is to prevent foreign matter flying in a very short time during plasma on from adhering to the wafer, so that the time is short. However, in the fifth step, the foreign matter staying on the wafer is removed from the wafer. In order to eliminate it outside, it is necessary to spend a little longer time. At the end of this step, the source power is set to 0 and the plasma is turned off. At this time, the wafer bias is still applied.
次に、第六のステップで、ウエハバイアスをOffし、第七のステップで、コイル電流をOffし、ガスの導入を停止する。 Next, in the sixth step, the wafer bias is turned off, in the seventh step, the coil current is turned off, and the introduction of gas is stopped.
以上に説明してきたプラズマ処理装置、及び、プラズマ処理方法を用いることにより、プラズマ処理の際にウエハに落下する異物の大幅な低減を図れる。ここで、説明の際に用いてきた各高周波電力の値や、コイル電流値、ガス流量、ステップ時間等は、あくまで一例であり、本発明を何ら制限するものではないことを挙げておく。 By using the plasma processing apparatus and the plasma processing method described above, it is possible to significantly reduce foreign substances that fall on the wafer during the plasma processing. Here, it is mentioned that the value of each high-frequency power, the coil current value, the gas flow rate, the step time, and the like used in the description are merely examples and do not limit the present invention.
次に、図11に、図10に示したプラズマ処理シーケンスを若干変更したものを示す。プラズマのOn/Off時に異物除去ステップである第三のステップと第五のステップを入れている点は図10の場合と変わりない。図10に示したプラズマ処理シーケンスとの違いは、異物除去ステップにおいて、ソース電力、バイアス電力、コイル電流を徐々に変化させている点である。このような制御を行うことにより、プラズマ状態の急激な変化を抑制することができ、より高い異物除去効果が期待できる。 Next, FIG. 11 shows a slightly modified plasma processing sequence shown in FIG. The third step and the fifth step, which are foreign matter removal steps, are performed when plasma is turned on / off, which is the same as in the case of FIG. The difference from the plasma processing sequence shown in FIG. 10 is that the source power, bias power, and coil current are gradually changed in the foreign substance removal step. By performing such control, a rapid change in the plasma state can be suppressed, and a higher foreign matter removal effect can be expected.
次に、本発明によるシース形状制御を行った場合の、異物低減効果を示す結果を、図12〜図14にて説明する。これらの図中の異物増加数は、異物評価用のSiウエハ表面に付着している異物を、ウエハをプラズマに曝す前後に測定し、プラズマ暴露後の計測値から暴露前の計測値を差し引いた値を示している。 Next, the result which shows the foreign material reduction effect at the time of performing the sheath shape control by this invention is demonstrated in FIGS. 12-14. The number of foreign particles increased in these figures was measured before and after exposing the wafer to the plasma for the foreign material adhering to the Si wafer surface for foreign material evaluation, and the measured value before exposure was subtracted from the measured value after plasma exposure. The value is shown.
まず、図12は、シース形状を変化させた場合にどの程度の異物低減効果が見込めるかを調べたものである。図12において、◆と実線で示したプロットは、異物の粒径が0.16μmより大きいものについての調査結果であり、▲と点線で示したプロットは、異物の粒径が0.3μmより大きいものについての調査結果を示している。共通条件は、ソース電力(第一の高周波電力)が1000W,コイル電流4A、Ar/CHF3/N2の混合ガスの総流量が800ml/min,圧力4Paであり、バイアス電力(第二の高周波電力)を600W,1300W,2000Wと変化させた際の異物数の変化を示している。この際、ウエハVpp(Vpp∝Vs)は夫々、655V,1172V,1605Vであった。図12から、バイアス電力を上昇させるにつれ、異物数は減少していくことが分かる。この理由の一つは、バイアス電力の上昇に伴いVppも上昇するためにシース電圧Vsも増加し、図3に示したようにシース厚さが厚くなり、ガス流れによる異物排除効果が上がったことである。 First, FIG. 12 shows how much foreign matter reduction effect can be expected when the sheath shape is changed. In FIG. 12, the plots indicated by ◆ and the solid line are the results of investigation on the foreign particles having a particle size larger than 0.16 μm, and the plots indicated by ▲ and dotted lines have the foreign particle size larger than 0.3 μm. It shows the survey results about things. Common conditions are: source power (first high frequency power) is 1000 W, coil current is 4 A, the total flow rate of the mixed gas of Ar / CHF3 / N2 is 800 ml / min, pressure is 4 Pa, bias power (second high frequency power) The change in the number of foreign objects is shown when V is changed to 600 W, 1300 W, and 2000 W. At this time, the wafers Vpp (Vpp∝Vs) were 655V, 1172V, and 1605V, respectively. From FIG. 12, it can be seen that the number of foreign matters decreases as the bias power is increased. One of the reasons is that the sheath voltage Vs increases as the bias power increases, so the sheath voltage Vs increases, and the sheath thickness increases as shown in FIG. It is.
もう一つの理由は、バイアス電力の増加により、プラズマ分布が外高分布になったためにシース形状が凸型になり、重力による異物排除効果が出たためである。(ウエハバイアスの値により同一コイル電流でもプラズマ分布は変化し、プラズマ分布の均一性は、バイアス600Wの場合は若干の中高分布5%,1300Wでは外高10%、2000Wの場合は外高分布20%程度であることは予め計測されていた。)また、本結果から、プラズマ分布を外高にし、シース厚さを厚くすることで、異物数を1/3程度に低減できることが分かる。
Another reason is that due to the increase of the bias power, the plasma distribution becomes an outer height distribution, so that the sheath shape becomes convex and the effect of removing foreign matters by gravity appears. (Plasma distribution changes depending on the value of wafer bias even with the same coil current, and the uniformity of plasma distribution is slightly medium /
図13は、プラズマをOffする際に他の条件は変えずにガス流量のみを変化させた場合の結果を示している。図13において、◆と実線で示したプロットは、異物の粒径が0.10μmより大きいものについての調査結果であり、▲と点線で示したプロットは、異物の粒径が0.2μmより大きいものについての調査結果を示している。共通条件は、ソース電力1000W,バイアス電力200W,コイル電流5A,O2流量800ml/min,圧力4Paであり、プラズマをOffする1s前にO2流量を200ml/min、または1600ml/minへと変化させた際の結果である。図中800ml/minのプロットは、ガス流量を変化させなかった場合の結果である。本図から、プラズマOff時にガス流量を1600ml/minまで増加させると、異物数は1/3〜1/5程度まで低減されることが分かる。本結果が、ガス流量の増加に伴い、ガス流れによる異物除去効果が上がった事を示していることは言うまでもない。逆に、O2流量を200ml/minまで下げると、異物数は2倍程度に増加してしまう。 FIG. 13 shows the result when only the gas flow rate is changed without changing other conditions when the plasma is turned off. In FIG. 13, the plots indicated by ◆ and the solid line are the results of investigation on the foreign particles having a particle size larger than 0.10 μm, and the plots indicated by ▲ and dotted lines are the foreign particles having a particle size larger than 0.2 μm. It shows the survey results about things. The common conditions were a source power of 1000 W, a bias power of 200 W, a coil current of 5 A, an O2 flow rate of 800 ml / min, and a pressure of 4 Pa. The O2 flow rate was changed to 200 ml / min or 1600 ml / min 1 s before turning off the plasma. Result. The plot of 800 ml / min in the figure is the result when the gas flow rate is not changed. From this figure, it can be seen that when the gas flow rate is increased to 1600 ml / min when the plasma is turned off, the number of foreign matters is reduced to about 1/3 to 1/5. It goes without saying that this result shows that the effect of removing foreign matters by the gas flow has increased with an increase in the gas flow rate. Conversely, if the O2 flow rate is lowered to 200 ml / min, the number of foreign matters will increase by a factor of about two.
図14は、プラズマをOnする際に、ソース電力とバイアス電力を印加するタイミングを変えた場合の結果を示している。図14において、◆と実線で示したプロットは、異物の粒径が0.10μmより大きいものについての調査結果であり、▲と点線で示したプロットは、異物の粒径が0.2μmより大きいものについての調査結果を示している。横軸の「時間」は、ソース電力を印加してから、バイアス電力を印加するまでの時間差を示している。つまり、0.5sのプロットは、ソースを印加し、プラズマが着火して0.5s後にバイアスが印加された際の結果を示している。また、0sのプロットは、予めバイアス電力を30W印加しておいた上で、ソース電力を印加し、プラズマを着火させたときの結果である。本結果から、プラズマOn時に予めバイアスを印加し、ウエハ上にシースを形成しておくことにより、他の場合と比較して異物が1/3程度に低減されていることがわかる。 FIG. 14 shows a result when the timing of applying the source power and the bias power is changed when the plasma is turned on. In FIG. 14, the plots indicated by ◆ and the solid line are the results of investigation on the foreign particles having a particle size larger than 0.10 μm, and the plots indicated by ▲ and dotted lines have the foreign particle size larger than 0.2 μm. It shows the survey results about things. “Time” on the horizontal axis indicates the time difference from the application of the source power to the application of the bias power. That is, the plot of 0.5 s shows the result when a source is applied, a plasma is ignited, and a bias is applied after 0.5 s. Further, the plot of 0 s is a result when the plasma power is ignited by applying the source power after applying the bias power of 30 W in advance. From this result, it can be seen that by applying a bias in advance at the time of plasma On and forming a sheath on the wafer, foreign matter is reduced to about 1/3 compared with other cases.
以上、図12〜図14に示した結果から、プラズマOn時、及びプラズマOff時に、ウエハ上にシースを形成しておく事、シース形状を凸型にしておく事、ガス流量を増加させる事で、異物低減が図れることが分かる。また、上記した夫々の手段を全て併用することにより、ウエハ上に付着する異物を1/10以下に低減することも期待できる。さらに、ガス流れによる異物除去は、異物粒子径が小さいものほど効果が見込めるため、今後のデバイスの微細化で大きく問題になってくる粒径0.1μm以下の異物除去には、さらに絶大なる効果を発揮する。 As described above, from the results shown in FIGS. 12 to 14, it is possible to form a sheath on the wafer at the time of plasma on and plasma off, to keep the sheath shape convex, and to increase the gas flow rate. It can be seen that foreign matter can be reduced. Further, by using all of the above-mentioned means together, it can be expected that the foreign matter adhering to the wafer is reduced to 1/10 or less. Furthermore, the removal of foreign matter by gas flow is expected to be effective as the particle size of the foreign matter is smaller, so it will be even more effective for removing foreign matter with a particle size of 0.1 μm or less, which will be a major problem in future device miniaturization. Demonstrate.
次に、本発明の実施例2を、図15に示す。基本的な装置構成で実施例1と共通する部分の説明は省略する。実施例2では、プラズマ分布を制御するために、アンテナ部を絶縁体により内側と外側に分離し、内側アンテナと外側アンテナに、夫々第一の高周波電源11と、第三の高周波電源16を接続している。本実施例においては、第一の実施例とはプラズマ分布の制御方法が異なっている。即ち、外側アンテナに印加する電力を大きくすることにより、外高プラズマを実現できる。これにより、プラズマOn及びOffの際に、シース形状を凸型に制御可能となっている。
Next,
次に、本発明の実施例3を、図16に示す。これまでに示してきた実施例と共通する部分の説明は省略する。本実施例においては、プラズマを生成、維持するためのアンテナが、誘導タイプのアンテナになっている点が異なっている。真空処理室1の上部には、真空を保持し、誘導電界を通過させる誘電体板19が備えられており、該誘電体板の上部には、2系統の誘導アンテナ7,21が具備されている。内側の誘導アンテナには、第一の高周波電源11が、外側の誘導アンテナには第二の高周波電源16が接続されている。本実施例においても、外側アンテナ21に印加する電力を大きくすることにより、外高プラズマを実現できる。これにより、プラズマOn及びOffの際に、シース形状を凸型に制御可能となっている。
Next,
次に、実施例2、もしくは、実施例3を用いた際の異物低減方法を図17に示す。基本
的な考え方は、第一の実施例と同様であり、プラズマをOn、Offする際に、プラズマ分布が外高になるように、第三の高周波電力を印加する点が異なっている。
Next, FIG. 17 shows a foreign matter reduction method when Example 2 or Example 3 is used. The basic idea is the same as in the first embodiment, except that the third high-frequency power is applied so that the plasma distribution becomes an external height when the plasma is turned on and off.
1 真空処理室
2 ウエハ載置用ステージ
3 ウエハ
5 ヨーク
6.1 コイル1
6.2 コイル2
7 アンテナ
8 ガス分散板
9 シャワープレート
10 ガス供給系
11 第一の高周波電源
12 第一の整合器
13 第二の高周波電源
14 第二の整合器
16 第三の高周波電源
17 第三の整合器
19 アンテナ外周絶縁リング
20 蓋部
21 第一の直流電源
22 第二の直流電源
DESCRIPTION OF
6.2
7
Claims (2)
前記ステージに接続された高周波電源から前記プラズマを発生させることのないバイアス電力を印加した後、当該バイアス電力を印加した状態で前記処理室内に前記半導体ウエハ上方からガスを導入しつつ前記処理室内にその密度分布が前記半導体ウエハの外周部で高く中央部で低いプラズマを発生し前記半導体ウエハ直上のシース層を前記半導体ウエハの外周部での厚さより前記中央部での厚さが大きい凸形状に形成する第一の異物除去ステップと、
この異物除去ステップの後に所定の条件で前記処理室に前記プラズマを形成して前記半導体ウエハを処理するウエハ処理ステップとを備えたプラズマ処理方法。 A pulp plasma processing method to process using a plasma formed in the processing chamber of a semiconductor wafer disposed in the vacuum evacuated processed on chamber stage,
After applying a bias power that does not generate the plasma from a high-frequency power source connected to the stage, a gas is introduced from above the semiconductor wafer into the processing chamber while the bias power is applied, and the processing chamber the thickness of the outer peripheral portion generates a low plasma with high Ku Chuo unit sheet over scan layer directly the semiconductor wafer at the central portion than the thickness at the outer peripheral portion of the semiconductor wafer of the density distribution of the semiconductor wafer A first foreign matter removing step formed into a large convex shape,
Plasma processing method and a wafer processing step of processing the semiconductor wafer to form the plasma in the processing chamber under a predetermined condition after the foreign matter removing step.
前記ウエハ処理ステップの後に、前記ステージに前記高周波電源からバイアス電力を印加するとともに、前記処理室内にガスを導入しつつ前記処理室内にその密度分布が前記半導体ウエハの外周部で高く中央部で低いプラズマを発生し前記半導体ウエハ直上のシース層を前記半導体ウエハの外周部での厚さより前記中央部での厚さが大きい凸形状に形成するステップであって、前記第一の異物除去ステップより前記プラズマを長時間発生させた後に前記プラズマを発生させることのない前記バイアス電力を印加した状態で前記プラズマを消火する第二の異物除去ステップとを備えたプラズマ処理方法。 The plasma processing method according to claim 1,
After the wafer processing step, bias power is applied to the stage from the high-frequency power source, and the density distribution in the processing chamber is high in the outer peripheral portion of the semiconductor wafer and low in the central portion while introducing gas into the processing chamber. Generating a plasma and forming a sheath layer directly above the semiconductor wafer in a convex shape having a thickness at the central portion larger than a thickness at an outer peripheral portion of the semiconductor wafer, A plasma processing method comprising: a second foreign matter removing step of extinguishing the plasma in a state where the bias power that does not generate the plasma is applied after the plasma is generated for a long time .
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