JP2021147635A - クリーニング方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

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孝一 中嶋
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智 千田
悟 千野
Satoru Chino
悟 千野
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Abstract

【課題】静電チャックの表面へのダメージを抑制しつつ、静電チャック上に付着する付着物を除去できる技術を提供する。【解決手段】本開示の一態様によるクリーニング方法は、静電チャックをプラズマに曝し、前記静電チャックの電位と前記プラズマの電位の関係を、前記プラズマから前記静電チャックに向けて電子電流が流れ込む関係に保つことにより、静電チャックをクリーニングする。【選択図】図１

Description

本開示は、クリーニング方法及び半導体装置の製造方法に関する。
プラズマ放電により生じるアルゴンイオンを静電チャックに衝突させることにより、静電チャック上に付着した汚染物質をプラズマエッチングする技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２８０３６５号公報
本開示は、静電チャックの表面へのダメージを抑制しつつ、静電チャック上に付着する付着物を除去できる技術を提供する。
本開示の一態様によるクリーニング方法は、静電チャックをプラズマに曝し、前記静電チャックの電位と前記プラズマの電位の関係を、前記プラズマから前記静電チャックに向けて電子電流が流れ込む関係に保つことにより、静電チャックをクリーニングする。
本開示によれば、静電チャックの表面へのダメージを抑制しつつ、静電チャック上に付着する付着物を除去できる。
実施形態の成膜装置の一例を示す概略図 実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示すフローチャート
以下、添付の図面を参照しながら、本開示の限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一又は対応する部材又は部品については、同一又は対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。
〔成膜装置〕
図１を参照し、実施形態の成膜装置の一例について説明する。図１は、実施形態の成膜装置の一例を示す概略図である。以下の実施形態では、成膜装置がプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition）によって基板上にチタン（Ｔｉ）膜を形成するプラズマＣＶＤ装置である場合を例示して説明する。
成膜装置１は、気密に構成された略円筒状の処理容器により構成される処理室１１を備える。処理室１１内には基板の一例である半導体ウエハ（以下「ウエハＷ」という。）を水平に吸着保持するためのステージ１２がその中央の下部に設けられた略円筒状の支持部材１３により支持された状態で配置されている。
ステージ１２は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の導電性セラミックスにより形成される。ステージ１２の外縁部には、ウエハＷをガイドするためのガイドリング１４が設けられている。
ステージ１２には、ヒータ１５が埋め込まれている。ヒータ１５は、ヒータ電源４０から給電されることによりウエハＷを所定の温度に加熱する。本実施形態において、ヒータ電源４０は、交流電源４０ａ、サイリスタ４０ｂ及びノイズフィルタ（ＮＦ）４０ｃを含む。
ステージ１２には、下部電極１６がヒータ１５の上に埋設されている。下部電極１６には後述するチャック制御機構７０が接続されており、ステージ１２及び下部電極１６は静電チャックとして機能する。本実施形態において、静電チャックは、ジョンソン・ラーベック型（ＪＲ型：Johnsen-Rahbek型）である。
処理室１１の天壁１１Ａには、絶縁部材１９を介してシャワーヘッド２０が設けられている。シャワーヘッド２０は、上方のベース部材２１と、ベース部材２１の下方に取り付けられたシャワープレート２２と、を含む。ベース部材２１には、シャワーヘッド２０を加熱するヒータ２３が埋設されている。ヒータ２３は、ヒータ電源４１から給電されることによりシャワーヘッド２０を所定の温度に加熱する。
シャワープレート２２には、処理室１１内にガスを吐出する多数の吐出孔２４が形成されている。各吐出孔２４は、ベース部材２１とシャワープレート２２の間に形成されるガス拡散空間２５に連通している。ベース部材２１の中央部には、処理ガスをガス拡散空間２５に供給するためのガス導入ポート２６が設けられている。ガス導入ポート２６は、後述するガス供給部３０の混合ガス供給ライン３８に接続されている。
ガス供給部３０は、Ｔｉ化合物ガスであるＴｉＣｌ４ガスを供給するＴｉＣｌ４ガス供給源３１、Ａｒガスを供給するＡｒガス供給源３２及び還元ガスであるＨ２ガスを供給するＨ２ガス供給源３３を含む。
ＴｉＣｌ４ガス供給源３１にはＴｉＣｌ４ガス供給ライン３１Ｌが接続されており、Ａｒガス供給源３２にはＡｒガス供給ライン３２Ｌが接続されており、Ｈ２ガス供給源３３にはＨ２ガス供給ライン３３Ｌが接続されている。各ガスライン３１Ｌ〜３３Ｌには、それぞれマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３１Ｃ〜３３Ｃ及びマスフローコントローラ３１Ｃ〜３３Ｃを挟んで２つのバルブ３１Ｖ〜３３Ｖが設けられている。
ガス混合部３７は、上記のプロセスガスを混合してシャワーヘッド２０に供給する機能を有する。ガス混合部３７におけるガスが流入する側には、各ガスライン３１Ｌ〜３３Ｌを介してＴｉＣｌ４ガス供給源３１、Ａｒガス供給源３２及びＨ２ガス供給源３３が接続されている。ガス混合部３７におけるガスが流出する側には、混合ガス供給ライン３８を介してシャワーヘッド２０が接続されている。
プロセス時には、ＴｉＣｌ４ガス、Ａｒガス及びＨ２ガスの中から選択された一種類のガス又は複数のガスの混合ガスが、シャワーヘッド２０のガス導入ポート２６とガス拡散空間２５を経由して、複数の吐出孔２４から処理室１１内に導入される。
このように本実施形態において、シャワーヘッド２０は、プロセスガスを予め混合して処理室１１内に供給するいわゆるプリミックス型で構成されているが、各プロセスガスを独立して処理室１１内に供給するポストミックス型で構成されるようにしてもよい。
シャワーヘッド２０には、整合器４２を介して高周波電源４３が接続されている。処理室１１内にプロセスガスを供給した状態で、高周波電源４３からシャワーヘッド２０に例えば４５０ｋＨｚの高周波電力を供給することにより、シャワーヘッド２０と下部電極１６との間にプラズマが生成される。このように、シャワーヘッド２０は、下部電極と対向配置される上部電極として機能する。ステージ１２の上面とシャワープレート２２の下面との間の距離（一対の電極間の距離）は、後述するクリーニング処理において効率よく電子を静電チャックの側に引き込むことができるという観点から、８０ｍｍ以下であることが好ましい。なお、高周波電力は４５０ｋＨｚに限られたものではなく、例えば２ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、２７ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、１００ＭＨｚなど適宜使用が可能である。
処理室１１の底壁１１Ｂの中央部には円形の開口１７が形成されており、底壁１１Ｂには開口１７を覆うように下方に向けて突出する排気室５０が設けられている。排気室５０の側面には排気配管５１が接続されており、排気配管５１には排気装置５２が接続されている。排気装置５２は、処理室１１内を所定の真空圧力まで減圧する。
ステージ１２には、ウエハＷを支持して昇降させるための複数（例えば３本）の昇降ピン６０がステージ１２の表面に対して突没可能に設けられている。昇降ピン６０は、支持板６１に固定されている。昇降ピン６０は、エアシリンダ等の駆動機構６２により支持板６１を介して昇降される。処理室１１の側壁１１Ｃには、ウエハＷの搬入及び搬出を行うための搬入出口１８と、搬入出口１８を開閉するゲートバルブＧが設けられている。
昇降ピン６０は、ウエハＷを処理室１１に搬出入するときに昇降させる。具体的には、ウエハＷを処理室１１内に搬入するときには、昇降ピン６０を上昇させる。そして、搬送アーム（図示せず）によってウエハＷを搬入出口１８から搬入して昇降ピン６０に載せる。次いで昇降ピン６０を下降してウエハＷをステージ１２上に載置する。また、ウエハＷを処理室１１から搬出するときには、昇降ピン６０を上昇させてウエハＷを持ち上げる。そして、搬送アーム（図示せず）によってウエハＷを受け取り、搬入出口１８から搬出する。
成膜装置１は、制御部９０を有する。制御部９０は、成膜装置１の各部の動作を制御する。制御部９０は、例えばコンピュータである。制御部９０は、プログラム、メモリ、ＣＰＵからなるデータ処理部等を備えている。プログラムには、制御部９０から成膜装置１の各部に制御信号を送り、後述の静電チャックのクリーニング方法を実行させるように命令（各ステップ）が組み込まれている。プログラムは、例えばフラッシュメモリ、ハードディスク、光ディスク等の記憶媒体に格納されて制御部９０にインストールされる。
〔チャック制御機構〕
チャック制御機構７０は、下部電極１６と電気的に接続されている。チャック制御機構７０は、電源７１、接地箱７２、可変インピーダンス装置７３及び電流センサ７４を含む。
電源７１は、下部電極１６を介してステージ１２に陽極電圧を印加する。本実施形態において、電源７１は高圧（ＨＶ：High Voltage）電源であり、下部電極１６を介してステージ１２に例えば４００〜６００Ｖの高電圧を印加する。陽極電圧を例えば４００〜６００Ｖに設定することにより、ステージ１２の電位とプラズマの電位の関係を、プラズマからステージ１２に向けて電子電流が流れ込む関係に保つことができる。また、電源７１は、ステージ１２側から電源７１へ流れ込む高周波電力を遮断するＲＦフィルタ（図示せず）を含んでいてもよい。
接地箱７２は、電源７１と下部電極１６との間に設けられる。接地箱７２は、下部電極１６を接地する状態と接地しない状態とを切り替え可能に構成される。本実施形態において、接地箱７２は、スイッチ７２ａ及びスイッチ７２ｂを含む。スイッチ７２ａは、電源７１と下部電極１６との電気的な接続の状態を切り替える。スイッチ７２ａをオンすることにより電源７１と下部電極１６とが電気的に接続され、スイッチ７２ａをオフすることにより電源７１と下部電極１６との電気的な接続が遮断される。スイッチ７２ｂは、下部電極１６の接地の状態を切り替える。スイッチ７２ｂをオンすることにより下部電極１６が接地される。
可変インピーダンス装置７３は、電源７１と接地箱７２との間に設けられる。可変インピーダンス装置７３は、ステージ１２側のインピーダンスを調整する。本実施形態において、可変インピーダンス装置７３は、直列接続されたコンデンサ７３ａ及び可変コイル７３ｂを含み、可変コイル７３ｂのインダクタンスを調整することによりステージ１２側のインピーダンスを調整する。また、可変インピーダンス装置７３は、電流センサ７３ｃを含む。電流センサ７３ｃは、例えばＣＴ（Current Transformer）方式電流センサ等の交流電流センサである。
電流センサ７４は、下部電極１６から電源７１に向けて流れる電流を検出する。言い換えると、電流センサ７４は、プラズマ空間から静電チャックに向けて流れ込む電子電流を検出する。電流センサ７４は、例えばＣＴ方式電流センサ等の交流電流センサである。
〔半導体装置の製造方法〕
図２を参照し、実施形態のクリーニング方法を含む半導体装置の製造方法の一例について説明する。図２は、実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示すフローチャートである。なお、以下では、半導体装置の製造方法の開始時において、処理室１１内が排気装置５２により真空雰囲気とされているものとして説明する。
まず、制御部９０は、処理室１１内にウエハＷを搬入する（ステップＳ１）。本実施形態において、制御部９０は、搬送アーム（図示せず）により処理室１１内にウエハＷを搬入し、昇降ピン６０にウエハＷを受け渡し、ステージ１２上に載置する。続いて、制御部９０は、ゲートバルブＧを閉じる。続いて、制御部９０は、排気装置５２を制御して、処理室１１内を所定の圧力に減圧する。また、制御部９０は、交流電源４０ａ及びヒータ電源４１を制御して、ステージ１２及びシャワーヘッド２０を所定の温度に加熱する。
続いて、制御部９０は、ステージ１２上に吸着保持されたウエハＷに対して成膜処理を実行する（ステップＳ２）。本実施形態において、制御部９０は、ガス供給部３０を制御して、処理室１１内にＴｉＣｌ４ガス及びＨ２ガスを供給する。また、制御部９０は、電源７１及び接地箱７２を制御して、下部電極１６に電圧を印加すると共に、高周波電源４３によりシャワーヘッド２０に所定の周波数の高周波電力を供給する。これにより、ウエハＷがステージ１２（静電チャック）上に吸着保持させ、静電チャックとシャワーヘッド２０との間にプラズマが生成され、ＴｉＣｌ４ガスとＨ２ガスとが反応してウエハＷ上にＴｉ膜が形成される。
成膜処理が終了すると、制御部９０は、Ｔｉ膜が形成されたウエハＷを処理室１１内から搬出する（ステップＳ３）。本実施形態において、制御部９０は、接地箱７２を制御して、下部電極１６を接地することによりウエハＷのステージ１２への吸着を解除する。続いて、制御部９０は、ゲートバルブＧを開く。続いて、搬送アーム（図示せず）により処理室１１内のウエハＷを搬出する。
処理室１１内からウエハＷを搬出した後、制御部９０は、静電チャックのクリーニングが必要であるか否かを判定する（ステップＳ４）。静電チャックのクリーニングが必要であるか否かは、例えば成膜処理を実行した回数、時間に基づいて判定される。
ステップＳ４において静電チャックのクリーニングが必要でないと判定された場合、制御部９０は、処理をステップＳ１へ戻す。すなわち、制御部９０は、静電チャックのクリーニング処理を実行することなく、次に処理するウエハＷを処理室１１内に搬入し、成膜処理を実行する。
一方、ステップＳ４において静電チャックのクリーニングが必要であると判定された場合、制御部９０は、静電チャックに対してクリーニング処理（クリーニング方法）を実行する（ステップＳ５）。クリーニング処理では、静電チャックの上にウエハＷがない状態で、静電チャックをプラズマに曝し、静電チャックの電位とプラズマの電位の関係を、プラズマから静電チャックに向けて電子電流が流れ込む関係に保つことにより、静電チャックをクリーニングする。本実施形態において、制御部９０は、スイッチ７２ａをオン、スイッチ７２ｂをオフに切り替え、電源７１を制御して下部電極１６に例えば４００Ｖ〜６００Ｖの陽極電圧を印加する。また、制御部９０は、ガス供給部３０を制御して処理室１１内にＡｒガスを供給すると共に、高周波電源４３を制御してシャワーヘッド２０に例えば４５０ｋＨｚの高周波電力を供給してプラズマを生成する。また、制御部９０は、可変インピーダンス装置７３を制御して静電チャックの側のインピーダンスを調整することにより、対向配置される一対の電極間に生成されたプラズマを安定化させる。
このように静電チャックの電位とプラズマの電位の関係を、プラズマから静電チャックに向けて電子電流が流れ込む関係に保つことにより、静電チャックの表面が正（＋）に帯電するため、プラズマに含まれる電子が静電チャックの表面に引き込まれる。すなわち、プラズマから静電チャック（下部電極１６）に向けて電子電流が流れ込む。これにより、静電チャックの表面において電子の衝突が生じ、静電チャック上に付着した付着物が除去される。このとき、静電チャックの表面が正に帯電しているため、静電チャックの表面において高いエネルギーの陽イオン（例えばＡｒ＋）の衝突が生じにくい。このように高いエネルギーの陽イオンが静電チャックの表面に衝突することを抑制しつつ、低いエネルギーの電子を静電チャックの表面に選択的に衝突させることができる。その結果、静電チャックの表面へのダメージを抑制しつつ、静電チャック上に付着する付着物を除去できる。
クリーニング処理が終了すると、制御部９０は、処理を終了させる。
以上に説明したように、実施形態によれば、静電チャックをプラズマに曝し、静電チャックの電位とプラズマの電位の関係を、プラズマから静電チャックに向けて電子電流が流れ込む関係に保つ。これにより、プラズマ空間から静電チャックの側に電子が引き込まれ、引き込まれた電子が静電チャックの表面に衝突することで、静電チャック上に付着した付着物を除去できる。このように実施形態によれば、主として静電チャックの表面に対する電子の衝突を利用するため、陽イオン（例えば、Ａｒ＋）の衝突を利用するよりも静電チャックの表面へのダメージが少ない。例えば、陽イオンの衝突を利用する場合には、陽イオンの衝撃により静電チャックの誘電層最表面（例えば、焼結助剤）がエッチングされてパーティクル等の不純物が生じやすい。
また、実施形態によれば、プラズマを用いて静電チャック上に付着した付着物を除去できるので、静電チャックを成膜装置１から取り外して行う静電チャックの再生（リペア）の頻度を低減でき、生産性が向上する。
また、実施形態によれば、一対の電極間の距離が８０ｍｍ以下の比較的狭い空間にプラズマを生成し、該プラズマにより静電チャックに対してクリーニング処理を実行する。これにより、効率よく電子を静電チャックの側に引き込むことができるため、静電チャック上の付着物を除去する能力が高まる。
また、実施形態によれば、静電チャックに接続された可変インピーダンス装置を用いて静電チャックのインピーダンスを調整できる。これにより、下部電極１６に印加する陽極電圧を変化させた場合であっても、静電チャックの側のインピーダンスを調整できるので、安定したプラズマを生成できる。
〔実施例〕
実施例では、前述の成膜装置１において、表面に付着物が付着した静電チャックに対して前述のクリーニング処理を実行した。また、クリーニング処理の前及び後に静電チャックの表面抵抗を測定した。なお、クリーニング処理の条件及び表面抵抗の測定条件は以下である。
（クリーニング処理の条件）
一対の電極間の距離：１０〜５０ｍｍ
高周波電源４３の出力：４５０ｋＨｚ、５００Ｗ
電源７１の出力：５００Ｖ
処理室１１内の圧力：５Ｔｏｒｒ（６６７Ｐａ）
処理時間：６０秒×１０サイクル
（表面抵抗の測定条件）
印加電圧：１０００Ｖ
クリーニング処理の前後における静電チャックの表面抵抗を比較した結果を以下の表１に示す。なお、表１において、測定位置は、静電チャックの面内における異なる位置を意味する。
Figure 2021147635
表１に示されるように、クリーニング処理を実行する前の静電チャックの表面抵抗は２．８ＭΩ〜１３２ＭΩであるのに対し、クリーニング処理を実行した後の静電チャックの表面抵抗は測定上限値（２ＴΩ）以上であることが分かる。この結果から、静電チャックに対して前述のクリーニング処理を実行することにより、静電チャック上の付着物が除去され、静電チャックの表面抵抗が高くなったと考えられる。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
１２ ステージ
１６ 下部電極
２０ シャワーヘッド
７３ 可変インピーダンス装置
Ｗ ウエハ

Claims (9)

  1. 静電チャックをプラズマに曝し、前記静電チャックの電位と前記プラズマの電位の関係を、前記プラズマから前記静電チャックに向けて電子電流が流れ込む関係に保つことにより、静電チャックをクリーニングするクリーニング方法。
  2. 前記静電チャックは、ジョンソン・ラーベック型である、
    請求項１に記載のクリーニング方法。
  3. 前記プラズマは、対向配置される一対の電極間に形成される、
    請求項１又は２に記載のクリーニング方法。
  4. 前記一対の電極間の距離は、８０ｍｍ以下である、
    請求項３に記載のクリーニング方法。
  5. 前記一対の電極の一方に高周波電力を印加し、他方に陽極電圧を印加する、
    請求項３又は４に記載のクリーニング方法。
  6. 前記静電チャックの上に基板がない状態で実行される、
    請求項１乃至５のいずれか一項に記載のクリーニング方法。
  7. 前記静電チャックには、インピーダンスを調整する可変インピーダンス装置が接続されている、
    請求項１乃至６のいずれか一項に記載のクリーニング方法。
  8. 前記静電チャックに向けて流れ込む電子電流に基づいて陽極電圧を制御する、
    請求項１乃至７のいずれか一項に記載のクリーニング方法。
  9. 静電チャックに基板を吸着保持して成膜を行う工程と、
    前記静電チャックの上に基板がない状態で前記静電チャックをプラズマに曝す工程と、
    を有する半導体装置の製造方法であって、
    前記プラズマに曝す工程は、前記静電チャックの電位と前記プラズマの電位との関係を、前記プラズマから前記静電チャックに向けて電子電流が流れ込む関係に保つステップを含む、
    半導体装置の製造方法。
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