JP4558285B2 - Plasma cleaning method and substrate processing method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に半導体装置の製造方法に係り、特にプラズマを使ったクリーニング方法および基板処理方法に関する。
【0002】
プラズマ発生装置は半導体装置や液晶表示装置の製造において広く使われている。例えばプラズマ発生装置を使うことにより、半導体基板中に形成された不純物元素の濃度分布が変化しないような低温において成膜処理あるいはエッチング処理を実行することができる。またプラズマ発生装置は、基板処理を行った後、処理容器内部をクリーニングするのに使われている。
【0003】
【従来の技術】
図1は、従来の典型的な枚葉式CVD装置10の構成を示す。
【0004】
図1を参照するに枚葉式CVD装置10は、加熱機構(図示せず)を含み被処理基板12Aを保持するサセプタ12を含み、真空ポンプ13により遮断バルブ13Aおよびコンダクタンスバルブ13Bを介して排気される処理容器11を含み、前記処理容器11中には、原料ガス供給系15からラインL1およびバルブV1を介して原料ガスを供給されるシャワーヘッド14が、前記サセプタ12上の被処理基板12Aに対面するように設けられている。
【0005】
前記原料供給系15は原料ガス源15A〜15Cを含み、前記原料ガス源15A中の原料ガスは前記ラインL1にバルブ15VAを介して、前記原料ガス源15B中の原料ガスは前記ラインL1にバルブ15VBを介して、また前記原料ガス源15C中の原料ガスは前記ラインL1にバルブ15VCを介して、供給される。
【0006】
前記ラインL1を通して供給された原料ガスは前記処理容器11中のプロセス空間に、前記シャワーヘッド14を介して放出され、前記被処理基板12Aの表面における分解反応により、前記被処理基板12の表面に所望の成膜が生じる。
【0007】
図1の枚葉式CVD装置10では、前記処理容器11には、図示を省略したゲートバルブ構造が前記被処理基板12Aの出し入れのために設けられており、前記ゲートバルブ構造は基板搬送室に結合されている。前記枚葉式CVD装置10は、前記基板搬送室に結合された他の処理装置と共に、枚葉式基板処理システムを構成する。
【0008】
このような枚葉式処理システムを構成する枚葉式CVD装置10では、成膜処理の際に基板温度をサセプタ12中に形成した加熱装置により制御しており、処理容器10の壁面は、比較的低い、例えば室温〜150℃程度の温度に保持される(コールドウォール)。
【0009】
このようなコールドウォール型のCVD装置では、被処理基板12A上への成膜時に処理容器11の内壁面あるいはサセプタ側壁面への反応生成物の堆積が生じるのが避けられず、このため一又は複数の被処理基板の成膜処理が終了するごとに、前記処理容器11内部にエッチング性のクリーニングガスを流し、堆積物を除去するクリーニング工程が行われる。
【0010】
このため、図1のCVD装置では、前記処理容器11の外部に、エッチングガス源16Aおよびプラズマガス(希釈ガス)源16B、さらにリモートプラズマ源16Cよりなるクリーニングモジュール16を設け、前記リモートプラズマ源16Cにより形成された反応性の高いエッチングガスをラインL2およびバルブ16VCを解して前記処理容器11内部のプロセス空間へと供給するようにしている。このようにプラズマ源を処理容器11の外部に設けることにより、高エネルギのプラズマによる処理容器11内壁の損傷が回避され、安定なクリーニングを行うことが可能になる。またプラズマ中に形成されるイオンはリモートプラズマ源16Cから処理容器11へ輸送される途中に電子と再結合するため、図1の構成では反応を促進するラジカルのみが処理容器11中に供給される。
【0011】
なお図1において前記エッチングガス源16AはNF3などのフッ素系エッチングガスをクリーニングガスとして、前記リモートプラズマ源16Cにバルブ16VAを介して供給し、また前記プラズマガス源16BはArなどの希ガスを前記リモートプラズマ源16Cに、バルブ16VBを介して供給する。
【0012】
なお、前記フッ素系クリーニングガスとしてはNF3などハロゲン化合物が一般に使われるが、他にCH3COOHなど、非ハロゲン化合物を使うことも可能である。また前記プラズマガス源16Bからの希釈ガスとしてはAr以外にHe,Ne,Kr,Xeなどが使われることもあり、さらに前記希釈ガスとして、希ガス以外にH2O,O2,H2,N2,C2F6などを使うことも可能である。
【0013】
このようなリモートプラズマ源16Cとしては、従来、図2(A)に示す誘導結合(ICP)型プラズマ発生装置20、図2(B)に示す電子サイクロトロン共鳴(ECR)型プラズマ発生装置30、図2(C)に示すヘリコン波励起型プラズマ発生装置40、図2(D)に示すマイクロ波共振器型プラズマ発生装置50、図2(E)に示すトロイダル型プラズマ発生装置60などが知られている。また処理容器11の内部に設けられるプラズマ源として、図3に示す平行平板(CCP)型プラズマ発生装置70が使われている。
【0014】
図2(A)のICP型プラズマ発生装置20では、内部でプラズマが発生されるプラズマ容器21の周囲に高周波コイル22を巻回し、これを高周波電源23により駆動することで、前記プラズマ容器内にプラズマを形成する。
【0015】
さらに図2(B)のECR型プラズマ発生装置30では、内部でプラズマが発生されるプラズマ容器31内部の空間に、前記プラズマ容器31の周囲に磁石32を配置することにより磁界を印加し、さらにこの状態で前記容器31内部のガスにマイクロ波電源33からマイクロ波を供給することにより、前記容器31内部のガスに電子サイクロトロン共鳴を誘起する。
【0016】
図2(C)のヘリコン波型プラズマ発生装置40では、内部でプラズマが発生されるプラズマ容器41に磁石44が近接して設けられ、さらに前記プラズマ容器41に近接してループアンテナ42が設けられる。このループアンテナを高周波電源43からの高周波電力で駆動し、前記プラズマ容器41内にヘリコン波を伝播させることにより、高密度プラズマを形成する。
【0017】
図2(D)のマイクロ波共振器型プラズマ発生装置50では、内部でププラズマが形成されるプラズマ容器51がマイクロ波共振器を形成し、このマイクロ波共振器にマイクロ波電源52からのマイクロ波を電界により駆動することにより、プラズマを形成する。
【0018】
図2(E)のトロイダル型プラズマ発生装置60では、ガス入口61Aとガス出口61Bとを設けられた循環的なガス通路61が設けられており、前記ガス通路61の外側には、高周波コイル62が巻回されている。
【0019】
そこで前記ガス入口61Aに導入されたArなどの希ガスは、前記循環ガス通路61中を周回するが、その際に前記高周波コイル62をマイクロ波により駆動することにより、前記希ガス中にプラズマを誘起する。このようにして誘起されたプラズマが前記ガス通路61中を高速で周回するにつれて前記ガス通路61中には周回的な電流路が形成され、さらに前記高周波コイルが形成する磁力線がかかる電流路に一致した経路に絞り込まれる。このように磁力線がガス通路61に沿って絞り込まれるとプラズマ中の電子やイオンが前記磁力線経路に一致する電流路に絞り込まれ、前記電流路中の電流密度がさらに増大するが、このような電流密度の増大は前記磁力線経路へのさらなる磁力線の絞込みを生じる。
【0020】
図2(E)のトロイダル型のプラズマ発生装置60では、このように高密度プラズマは前記循環ガス通路61を画成する壁面から離れた位置に形成されるため、特に高エネルギに加速された電子による壁面のスパッタが少なく、汚染の少ないプラズマの形成が可能になる。またこのような汚染の少ないプラズマは安定に維持される。
【0021】
さらに図3のCCP型プラズマ発生装置70では、内部でプラズマが発生されるプラズマ容器71内に一対の平行平板電極71A,71Bを配置しており、これを高周波電源72により駆動することで、前記電極間にプラズマを形成する。すなわち図2(F)のプラズマ発生装置70はそれ自体がプラズマ処理装置を構成し、前記プラズマ容器71が処理容器として使われる。この場合、前記下部電極71Bがサセプタとなり、この上に被処理基板が載置される。
【0022】
【特許文献1】
米国特許6374831号公報
【0023】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来より半導体装置の製造工程においては様々なプラズマ発生装置が使われているが、特にプラズマクリーニング工程やプラズマエッチング工程では、反応性の高いF(フッ素)やCl(塩素)など、ハロゲンを含む化合物がクリーニングガスあるいはエッチングガスとして使われ、従ってこれらのガスをプラズマ中に導入して励起する必要がある。その際、処理容器中に導入されるクリーニングガスあるいはエッチングガスの濃度ないし分圧が高ければ高いほど、効率的な処理が可能になる。
【0024】
一方、このようなハロゲンは電気陰性度が大きく、従って、プラズマクリーニングガスあるいはプラズマエッチングガスとして使われるハロゲン化合物は、プラズマ励起が困難な、あるいはプラズマを励起および維持するのに高いパワーを必要とする一般的な特徴を有している。
【0025】
特に図2(E)に示すトロイダル型のプラズマ発生装置では、NF3など、ハロゲンを含むガスをわずかでも導入するとプラズマの着火が生じなくなるため、プラズマ着火時には前記ガス通路71中に導入されるクリーニングガスをパージし、前記ガス通路71中に電離電圧の低いArなどの希ガス100%の雰囲気を形成していた。この場合、プラズマが着火した後、プラズマを維持しながらプラズマ発生装置に供給されるガスの組成を変化させ、所望の濃度までクリーニングガスの濃度を増大させていた。
【0026】
しかし、このようにプラズマクリーニングプロセスあるいはプラズマエッチングプロセスにおいて、特に図1に示すような枚葉式の基板処理装置を使う場合には、枚葉処理に伴って頻繁にプラズマ着火を行う必要があり、そのたびに長時間パージを行うと、基板処理のスループットが低下する問題が生じていた。特に最近の超微細化半導体装置の製造工程では、1枚の基板を処理するたびに処理容器内部を初期化するためにプラズマクリーニング工程を行うのが望ましいが、このように基板を1枚処理するたびにプラズマクリーニング工程を行うと、基板1枚ごとに着火工程が必要になり、そのたびにパージを行った場合には基板処理スループットは著しく低下してしまう。
【0027】
また従来、ハロゲン系クリーニングガスをプラズマ発生装置に供給した状態でプラズマを着火しようとすると、いずれの形式のプラズマ発生装置であっても、先に述べたようにプラズマ着火が困難になるため、高い駆動電圧を印加せざるを得ないが、このように高い駆動電圧を印加していると、プラズマが着火した瞬間にコイルや電極を含む駆動系のインピーダンスが大きく変化し、オーバーシュートした駆動電圧が前記駆動系や高周波電源を破損させる恐れがある。
【0028】
そこで本発明は上記の問題点を解決した、新規で有用なプラズマクリーニング方法を提供することを概括的課題とする。
【0029】
本発明のより具体的な課題は、低電圧においてプラズマを着火でき、もって高電圧による電源やコイル、電極などの損傷を回避できるプラズマクリーニング方法を提供することにある。
【0030】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、
処理容器内部を、プラズマ励起されたクリーニングガスのラジカルにより、第1の圧力帯でクリーニングするプラズマクリーニング方法であって、
プラズマ発生装置に希釈ガスとクリーニングガスの混合ガスを導入する工程と、
前記第1の圧力帯よりも低く、6.65Paから66.5Paの範囲である第2の圧力帯に前記プラズマ発生装置内の圧力を調整する工程と、
前記プラズマ発生装置内の圧力を前記第2の圧力帯に調整する工程の後、前記プラズマ発生装置を駆動させて前記混合ガスにプラズマを着火する工程と、
前記処理容器内部の圧力を、前記第2の圧力帯から前記第1の圧力帯まで、前記着火したプラズマを維持しながら増大させる工程を含み、
前記クリーニングガスはNF3またはF2よりなるハロゲン化合物を含み、
前記混合ガスは、5%以上、45%以下の前記ハロゲン化合物のガスを含むArガスと前記ハロゲン化合物のガスの混合ガスであり、
前記希釈ガスはArガスであることを特徴とするプラズマクリーニング方法により、解決する。
また本発明は上記の課題を、
処理容器中において被処理基板表面を、プラズマ励起されたエッチングのラジカルにより、第1の圧力帯でエッチングする基板処理方法であって、
プラズマ発生装置に希釈ガスとエッチングガスの混合ガスを導入する工程と、
前記第1の圧力帯よりも低く、6.65Paから66.5Paの範囲である第2の圧力帯に前記プラズマ発生装置内の圧力を調整する工程と、
前記プラズマ発生装置を駆動させて前記混合ガスにプラズマを着火する工程と、
前記処理容器内部の圧力を、前記第2の圧力帯から前記第1の圧力帯まで、前記着火したプラズマを維持しながら増大させる工程を含み、
前記エッチングガスはNF3またはF2よりなるハロゲン化合物を含み、
前記混合ガスは、5%以上、45%以下の前記ハロゲン化合物のガスを含むArガスと前記ハロゲン化合物のガスの混合ガスであり、
前記希釈ガスは、Arであることを特徴とする基板処理方法により、解決する。
また本発明は上記の課題を、
処理容器内部を、プラズマ励起されたクリーニングガスのラジカルにより、第1の流量帯でクリーニングするプラズマクリーニング方法であって、
プラズマ発生装置に希釈ガスとクリーニングガスの混合ガスを導入する工程と、
前記第1の流量帯よりも低く、3sccmから20sccmの範囲である第2の流量帯に前記クリーニングガスの流量を調整する工程と、
前記クリーニングガスの流量を前記第2の流量帯に調整する工程の後、前記プラズマ発生装置を駆動させてプラズマを着火する工程と、
前記混合ガスの流量を、前記第2の流量帯から前記第1の流量帯まで、前記着火したプラズマを維持しながら増大させる工程を含み、
前記クリーニングガスはNF3またはF2よりなるハロゲン化合物を含み、
前記混合ガスは、5%以上、45%以下の前記ハロゲン化合物のガスを含むArガスと前記ハロゲン化合物のガスの混合ガスであり、
前記希釈ガスは、Arであることを特徴とするプラズマクリーニング方法により、解決する。
また本発明は上記の課題を、
処理容器中において被処理基板表面を、プラズマ励起されたエッチングのラジカルにより、第1の流量帯でエッチングする基板処理方法であって、
プラズマ発生装置に希釈ガスとエッチングガスの混合ガスを導入する工程と、
前記第1の流量帯よりも低く、3sccmから20sccmの範囲である第2の流量帯に前記エッチングガスの流量を調整する工程と、
前記プラズマ発生装置を駆動させて前記混合ガスにプラズマを着火する工程と、
前記混合ガスの流量を、前記第2の流量帯から前記第1の流量帯まで、前記着火したプラズマを維持しながら増大させる工程を含み、
前記エッチングガスはNF3またはF2よりなるハロゲン化合物を含み、
前記混合ガスは、5%以上、45%以下の前記ハロゲン化合物のガスを含むArガスと前記ハロゲン化合物のガスの混合ガスであり、
前記希釈ガスは、Arであることを特徴とする基板処理方法により、解決する。
また本発明は上記の課題を、
処理容器内部を、プラズマ励起されたクリーニングガスのラジカルにより、第1の圧力帯でクリーニングする基板処理装置であって、
前記処理容器に接続されたプラズマ発生装置と、
前記プラズマ発生装置に希釈ガスとクリーニングガスの混合ガスを供給するガス供給手段と、
高周波電力またはマイクロ波電力により駆動され前記混合ガスにプラズマを着火するプラズマ着火装置と、を備え、
前記プラズマ着火装置は、前記第1の圧力帯よりも低く、6.65Paから66.5Paの範囲の第2の圧力帯でプラズマを着火し、
前記ガス供給手段は、前記処理容器内部の圧力を、前記第2の圧力帯から前記第1の圧力帯まで、前記着火したプラズマを維持しながら増大させ、前記処理容器内部に前記混合ガスを供給し、
前記基板処理装置はトロイダル型プラズマ処理装置であり、
前記クリーニングガスはNF3またはF2よりなるハロゲン化合物を含み、
前記混合ガスは、5%以上、45%以下の前記ハロゲン化合物のガスを含むArガスと前記ハロゲン化合物のガスの混合ガスであり、
前記希釈ガスは、Arであることを特徴とする基板処理装置により、解決する。
【0031】
本発明によれば、プラズマ着火工程を通常のプロセス圧よりも低い圧力下で実行することにより、プラズマ着火を低い電圧で行うことが可能になる。これに伴い、プラズマが着火した瞬間にインピーダンス変化が生じても、プラズマ発生装置を破損させるような大きな印加電圧のオーバーシュートの発生が回避される。
【0032】
【発明の実施の形態】
このように従来のプラズマ発生装置では、プラズマの着火の際、ハロゲン化合物を含むクリーニングガスあるいはエッチングガスを供給するとプラズマ着火が困難になり、あるいはプラズマ着火に高い電圧を印加する必要があるなどの問題が生じていた。
【0033】
これに対し本発明の発明者は、減圧環境下においては電子の平均自由工程が長くなることに着目し、通常のクリーニングやエッチングに使われるよりも低圧の減圧環境下において高周波電界を印加した場合、電子が電界により大きく加速される結果、大きなエネルギを獲得するであろうこと、およびこのように電子が大きなエネルギを有する場合、Arガス中にNF3など、電気陰性度の高いハロゲン化合物を含むガスが添加されていても、低い駆動電圧でプラズマが着火する可能性があることを着想するに至った。
【0034】
そこで本発明の発明者は、本発明の基礎となる研究において、図2(E)に示すトロイダル型のプラズマ発生装置60(ASTRONi,MKS製、米国特許第6150628号公報)を使い、このガス通路61中にAr/NF3混合ガスを供給し、前記Ar/NF3混合ガス中におけるNF3濃度を様々に変化させ、さらに全圧力を様々に変化させながらプラズマ着火条件を探索する実験を行った。
図4は、かかる探索の結果を示す。
【0035】
図4を参照するに、●はプラズマ着火が生じなかった点を示しており、前記NF3濃度が2.5%以上では、実験したいずれの圧力においてもプラズマ着火は生じなかったが、NF3濃度を1.7%とした場合、図中に○で示すように、全圧を69Pa(520mTorr)まで低減した場合にプラズマ着火が生じることを見出した。ただし図3の実験では、前記Ar/NF3混合ガスの全流量を500SCCMとしており、1.7kWの高周波電力を印加している。
【0036】
そこで、図2(E)のトロイダル型プラズマ発生装置60について、このようにして発見された着火点を出発点として、前記Ar/NF3混合ガスの全圧力、流量および前記混合ガス中におけるNF3濃度を様々に変化させてプラズマ着火点を探索したところ、図5に示すような結果を得た。ただし図5の実験では、周波数が400kHzの高周波を、1500Wのパワーで供給している。
【0037】
図5を参照するに、縦軸は前記Ar/NF3混合ガス中におけるNF3の濃度(=NF3/(Ar+NF3))を、横軸は前記ガス通路21中の全圧を示しており、影を付した範囲がプラズマの着火が可能であった条件を示している。
【0038】
すなわち前記ガス通路21中の全圧が減少するにつれてプラズマ着火が可能なNF3濃度範囲が増大し、また前記Ar/NF3混合ガスの全流量が減少するにつれてプラズマ着火が可能なNF3濃度範囲が増大するのがわかる。
【0039】
一方、前記ガス通路21中の全圧が低くなりすぎると、加速された電子がAr原子あるいはNF3分子に衝突する確率が低減し、プラズマの着火は困難になる。
【0040】
図5より、プラズマ着火時における前記ガス通路61中の全圧を66.5Pa(0.5Torr)以下で6.65Pa(0.05Torr)以上に減少させることにより、NF3を5%以上含むAr/NF3混合ガス中においてプラズマ着火が可能であり、特にAr/NF3混合ガス中におけるNF3の濃度が45%に達しても、プラズマ着火が可能な場合があることがわかる。
【0041】
また図5は、プラズマ着火時に前記トロイダル型プラズマ発生装置に供給されるAr/NF3混合ガスの流量を低減させることにより、プラズマ着火が生じるNF3濃度範囲が増大する傾向を示している。例えば前記Ar/NF3混合ガスのガス流量が80SCCMの場合、プラズマ着火は生じるが、プラズマ着火が生じるNF3濃度範囲あるいは圧力範囲は限られているのに対し、前記ガス流量を20SCCM,5SCCM,3SCCMと減少させるにつれて、プラズマ着火が生じるNF3濃度範囲および圧力範囲は拡大するのがわかる。なお、プラズマ着火は前記Ar/NF3混合ガスのガス流量が100SCCM以下であれば、前記混合ガスが5%程度のNF3を含んでいても、生じることが確認されている。
【0042】
同様な関係は、Ar/F2混合ガスを使った場合にも確認されている。
【0043】
図6は、図2(E)のトロイダル型プラズマ発生装置60にAr/F2混合ガスを供給した場合のプラズマ着火可能領域を示している。ただし図6では前記Ar/F2混合ガスの全ガス流量を100SCCMに設定し、周波数が400kHzの高周波プラズマを1300Wのパワーで供給している。
【0044】
図6を参照するに、全ガス流量を100SCCMに設定した場合、プラズマはF2ガスを添加しない場合には6.65〜79.8Pa(0.05〜0.6Torr)の圧力範囲において着火するのに対し、前記Ar/F2混合ガスがF2を5%含む場合には、プラズマが着火する圧力範囲は、6.65〜66.5Pa(0.05〜0.5Torr)まで減少するのがわかる。
【0045】
前記Ar/F2混合ガス中のF2濃度をさらに増大させた場合、プラズマが着火可能な圧力範囲はさらに減少するが、約45%のF2濃度までは約16.0Pa(0.12Torr)の圧力においてプラズマが着火可能であることがわかる。
【0046】
図7は、図4,5の結果に対応した、図2(E)のトロイダル型プラズマ発生装置60におけるプラズマ着火電圧と全圧との関係を示す。
【0047】
図7を参照するに、図示の例は前記Ar/NF3混合ガス中にNF3が5%含まれている場合についてのものであるが、プラズマ着火電圧は全圧の減少およびこれに伴う電子の平均自由工程の増大に伴って低下し、図4の○で示した着火点に略対応する圧力において最小になる。これよりも圧力が低下すると電子と原子あるいはガス分子との衝突確率が減少する結果、プラズマ着火電圧は急激に上昇する。
【0048】
図7の関係からは、前記混合ガスの全圧が非常に高い場合あるいは非常に低い場合であっても、前記混合ガスに対して図7の曲線を超える十分な電圧を与えればプラズマを着火することが可能であることがわかるが、このような高い電圧を印加した場合、先にも説明したように、プラズマ着火の瞬間に系のインピーダンスが急減し、これに伴う大きな電圧オーバーシュートが高周波電源やコイル、電極などを破損させる恐れがある。
【0049】
図7の関係、すなわちプラズマ着火電圧は低圧側において減少し、ある最小値に対応する圧力を過ぎると急増する傾向は、トロイダル型のプラズマ発生装置に限らず、図2(A)〜(E)あるいは図3に示すプラズマ発生装置20〜70において、希ガスの種類およびハロゲン含有エッチングガスあるいはクリーニングガスの種類によらず普遍的に成立する傾向であると考えられる。
【0050】
そこで本発明は、ハロゲン化合物を含むガスを使って処理容器内部をプラズマクリーニングする際に、あるいはハロゲン化合物を含むガスを使って被処理基板表面をプラズマエッチングする際に、希ガスと前記ハロゲン化合物を含むガスの混合ガスに、図7に示す着火電圧が最小となる条件あるいはその近傍の条件を使ってプラズマを着火する。本発明ではプラズマの着火が低電圧で生じるため、プラズマ発生装置の電極やコイルに高電圧が印加されることがなく、プラズマ着火に伴って瞬間的に大きなインピーダンスが変化が生じても、高周波電源や電極、コイルなどが破損することがない。
【0051】
一方、先にも説明したように、プラズマクリーニングあるいはプラズマエッチングでは、NF3やF2などクリーニング/エッチングガスの濃度あるいは分圧は高ければ高いほど、プロセスの効率が向上する。勿論、図5あるいは図6の着火領域内においてもプラズマが着火すれば、プラズマ中に前記クリーニング/エッチングガスが含まれるため、クリーニング工程やエッチング工程は開始されるが、クリーニング/エッチングガスの濃度が不十分であるため、十分な効率は達成できない。
【0052】
そこで、本発明では、以下の実施例に説明するように、プラズマが着火した後、前記希ガスとクリーニング/エッチングガスの混合ガスの全圧を、所望のプロセス圧まで徐々に増大させる。
【0053】
図8は、上記の結果に基づいた本発明の一実施例によるクリーニングあるいはエッチングプロセスで使われるガスおよびRFパワーの供給シーケンスを示す。
【0054】
図8を参照するに、本実施例においては最初に少量のArガスおよびNF3ガスを図2(A)〜(E)あるいは図3のいずれかのプラズマ発生装置に供給し、図7の最小着火電圧に略対応した全圧P1下においてRFパワーを供給し、プラズマを着火させる。
【0055】
プラズマが着火した後、前記ArガスおよびNF3ガスの流量は徐々に増大され、所定のプロセス圧P2に達したところで所望のクリーニングあるいはエッチングプロセスを実行した後、RFパワーを遮断する。
【0056】
図9は、プラズマ発生装置として図2(E)のトロイダル型装置60を、図1のCVD装置10においてリモートプラズマ源16Cとして使った場合について、図8の圧力P1から圧力P2まで、前記プラズマ発生装置60に供給されるAr/NF3混合ガスの流量と図1のCVD装置10におけるコンダクタンスバルブ13Bとを制御して、前記ガス通路61中の全圧、従って前記処理容器11中の内圧を変化させた例を示す。
【0057】
図9の例では、図8の圧力P1に対応する着火ポイント(1)から実際のクリーニングプロセスが行われる図8の圧力P2に対応するプロセスポイント(2)まで、前記Ar/NF3混合ガスの全圧および流量を様々な経路で変化されており、ポイント(1)からポイント(2)までプラズマが維持されるかどうかが検証されている。ただしこの実験では図1のCVD装置10において前記バルブ16Vcは全開されており、前記リモートプラズマ源16Cとして使われる図2(E)のトロイダル型プラズマ発生装置60のガス通路61における圧力と前記処理容器11内部に圧力は実質的に等しくなっている。
【0058】
図9の実験では、着火ポイント(1)における全圧P1を約11Pa(0.08Torr)に、また前記Ar/NF3混合ガスの全流量を3SCCMに設定し、プロセスポイント(2)における全圧P2を1330Pa(10Torr)に、また前記Ar/NF3混合ガスの全流量を3SLMに設定している。
【0059】
図9を参照するに、経路Aでは前記着火ポイント(1)から前記約11Pa(0.08Torr)の圧力を維持したままガス流量を増加させ、ポイント(4)に到達する。すなわちポイント(1)からポイント(4)までは、図1のCVD装置10において前記処理容器11中の圧力が、前記Ar/NF3混合ガスの流量が増大しても一定に維持されるように、排気系のコンダクタンスバルブ13Bを徐々に開いており、前記ポイント(4)においては前記コンダクタンスバルブ13Bは全開状態になっている。このように、前記ポイント(4)は前記コンダクタンスバルブ13Bおよびこれに協働する真空ポンプ13の能力により決定される。
【0060】
この状態で前記Ar/NF3混合ガスの流量を前記プロセスポイント(2)に対応した所定のプロセス流量まで徐々に増大させると前記処理容器11内部の圧力、従って前記ガス通路21中の全圧は増大し、ポイント(5)に到達する。この時点から前記Ar/NF3混合ガス流量を一定に保持したまま、前記コンダクタンスバルブ13Bを徐々に閉じることにより、前記処理容器11内部の圧力、従って前記ガス通路21中の圧力は前記プロセスポイント(2)まで徐々に増大する。
【0061】
一方図9の経路Bでは、前記Ar/NF3混合ガス流量を一定に保持したまま前記コンダクタンスバルブ13Bを徐々に閉じることにより前記処理容器11内部の圧力、従って前記ガス通路21中の全圧は徐々に増大し、全閉状態において前記ポイント(6)に到達する。すなわち前記ポイント(6)は前記コンダクタンスバルブ13Bの全閉状態におけるガスリーク量および真空ポンプ13の能力により決定される。
【0062】
前記経路Bでは前記ポイント(6)から、前記コンダクタンスバルブ13Bを全閉状態に保持したまま前記Ar/NF3混合ガスの流量を増大させることにより、前記処理容器11内部の圧力、従って前記ガス通路21中の全圧は徐々に増大し、前記プロセスポイント(2)のプロセス圧に対応したポイント(7)に到達する。さらに前記ポイント(7)からAr/NF3混合ガスの流量を前記プロセスポイント(2)まで徐々に増大させる。その際、前記コンダクタンスバルブ13Bを徐々に閉じることにより、前記処理容器11内部の圧力、従って前記ガス通路21中の全圧を前記プロセス圧に維持する。
【0063】
さらに図9の経路Cでは、前記着火ポイント(1)でプラズマを着火させた後、前記コンダクタンスバルブ13Bの開度を保持したまま前記Ar/NF3混合ガスの流量を所定のプロセス流量に対応したポイント(3)まで増加させ、さらにその後前記コンダクタンスバルブ13Bを徐々に絞ることにより、前記プロセスポイント(2)まで前記処理容器11内部の圧力、従って前記ガス通路21中の全圧を増大させる。
【0064】
このように、前記着火ポイント(1)からプロセスポイント(2)まで様々な経路でガス流量および全圧を変化する実験を行った結果、図9中、前記ポイント(1)〜(7)で囲まれた領域においては、前記全圧およびガス流量を変化させても、いったん着火されたプラズマは消滅することがないのが確認されている。
【0065】
なお、先にも説明したように、ポイント(4)およびポイント(6)、従ってポイント(4)からポイント(5)までの経路、およびポイント(6)からポイント(7)までの経路は、使われるCVD装置のコンダクタンスバルブ13Bの設計および真空ポンプ13の能力により決定されるもので、前記コンダクタンスバルブ13Bの最大コンダクタンスを増大させ、あるいは真空ポンプ13の能力を増大させると前記ポイント(4)からポイント(5)への経路は大流量側にシフトする。また前記コンダクタンスバルブ13Bの最小コンダクタンスを減少させ、あるいは真空ポンプ13の能力を低下させると前記ポイント(6)からポイント(7)への経路は高圧側にシフトする。
【0066】
また前記プロセスポイント(2)は、効率よくプラズマクリーニングが実行できる既知の条件のいずれかに設定することが可能である。
【0067】
すなわち、前記プロセスポイント(2)において、例えば前記Ar/NF3混合ガス中のNF3濃度を80%まで増大させることにより、熱酸化膜に対して毎分2000nmのクリーニング速度を実現することが可能である。この場合には、前記着火ポイント(1)からプロセスポイント(2)までの間に前記Ar/NF3混合ガス中におけるNF3濃度を変化させる必要がある。このような場合であっても、いったんプラズマが着火するとプラズマは維持されることが確認されている。
【0068】
このようにしてプロセスポイント(2)に到達した後は、通常のクリーニング工程を行うことが可能である。なお、図1のCVD装置10ではクリーニングは、前記リモートプラズマ源16Cとして使われるトロイダル型のプラズマ発生装置20においてプラズマ着火が生じた時点から開始されていることに注意すべきである。
【0069】
図9において着火ポイント(1)からプロセスポイント(2)へ移行する場合に、前記Ar/NF3混合ガス中のArガスとNF3ガスの混合比は固定しても変化させてもよい。その際、本発明ではプラズマ着火が生じた直後からクリーニングが開始されているため、前記Ar/NF3混合ガス中のNF3濃度を着火ポイント(1)からプロセスポイント(2)へ移行する間に増加させるのみならず、必要に応じて低減させることも可能である。
【0070】
また、図1のCVD装置10において、前記トロイダル型プラズマ発生装置20をリモートプラズマ源16Cとして使い、前記処理容器11中において熱酸化膜やCVD酸化膜など絶縁膜のプラズマエッチング、あるいはW膜やTi膜などの金属膜のプラズマエッチング、さらにはTiN膜など導電性窒化膜のプラズマエッチングやポリシリコン膜のプラズマエッチングを行うことができる。
【0071】
さらに本実施例においては図1のCVD装置10において、図10に示すように前記NF3ガス源16Aに能力の異なる複数の質量流量コントローラ16a,16bを設け、これらをバルブにより切り替えて使うことも可能である。図10では、同様に、Arガス源16Bにも、能力の異なる複数の質量流量コントローラ16c,16dが設けられており、これらがバルブにより切り替えて使われる。
【0072】
そこで、例えば図9の着火ポイント(1)から最初に質量流量コントローラ16aによりAr/NF3混合ガス流量が経路Cに沿って増大しており、前記経路C上のポイント(8)において質量流量コントローラ16aからより大容量の質量流量コントローラ16bに切り替える場合を考えると、前記質量流量コントローラの切り替えに伴って一時的に流量および全圧がポイント(9)まで低下する場合があるが、より大容量の質量流量コントローラ16bを駆動することにより、経路C上のポイント(10)に戻ることができる。その際、本実施例によれば、前記ポイント(9)が図9中に示したプラズマ維持領域内位置している限り、ポイント(1)で着火したプラズマが消滅することはない。
【0073】
さらに前記復帰後のポイント(10)は前記経路C上に限定されるものではなく、前記ポイント(8)よりも流量が大きい範囲内で前記プラズマ維持領域内の任意の点に選ぶことができる。
【0074】
以上本発明を、トロイダル型プラズマ発生装置にAr/NF3混合ガスあるいはAr/F2混合ガスを供給してプラズマを形成する場合を例に説明したが、本発明においてプラズマ発生装置はトロイダル型プラズマ発生装置に限定されるものではなく、本発明は図2(A)〜(E)あるいは図3に示した他のプラズマ発生装置においても適用可能である。また本発明において、プラズマ形成のために供給される希釈ガスはArに限定されるものではなく、本発明はHe,Ne,Kr,Xeなどの希ガス、あるいはH2O,O2,H2,N2,C2F6などを使った場合でも成立する。さらに本発明で使われるクリーニング/エッチングガスはNF3あるいはF2に限定されるものではなく、他のハロゲン化合物ガス、さらにはCH3COOHなど、CH3COO基を含む化合物を使うことも可能である。
【0075】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【0076】
【発明の効果】
本発明によれば、プラズマ着火時にガス圧を低減させることにより、ハロゲン化合物を含んだガスであっても低い電圧でプラズマ着火をすることが可能になる。これにより、これにより、プラズマ着火の瞬間の大きなインピーダンス変化に起因して生じる大きな電圧オーバーシュートの発生、およびこれによる駆動電源あるいは電極、コイルなどの破損が回避される。本発明では、このようにしてプラズマが着火した後、プラズマを維持したまま、所定のプロセス条件までガス圧を増大させることにより、所望のクリーニングプロセスあるいはエッチングプロセスを効率よく実行することが可能になる。
【0077】
本発明によれば、ハロゲン化合物を含んだガスに対してプラズマが着火されるため、特に枚葉処理工程のように、プラズマを頻繁に断続する工程の場合、プラズマを着火するたびにハロゲン化合物を含むガスをパージする必要がなくなり、クリーニングあるいは基板処理のスループットが大きく向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】リモートプラズマ発生装置を備えた従来のCVD装置の構成を示す図である。
【図2】(A)〜(E)は、様々なリモートプラズマ源の例を示す図である。
【図3】基板処理装置の処理容器中に組み込まれる平行平板型プラズマ源の例を示す図である。
【図4】本発明におけるプラズマ着火条件の探索例を示す図である。
【図5】本発明において発見された、NF3ガスを含むプラズマの着火領域を示す図である。
【図6】本発明において発見された、F2ガスを含むプラズマの着火領域を示す図である。
【図7】本発明の原理を示す図である。
【図8】本発明によるプラズマクリーニングプロセスを示す図である。
【図9】図8における着火工程からクリーニング工程までの移行経路の例を示す図である。
【図10】本発明のプラズマクリーニングプロセスで使われる、ガス源における質量流量制御装置の切り替え構成を示す図である。
【符号の説明】
10 CVD装置
11 処理容器
12 サセプタ
13 真空ポンプ
13A 遮断バルブ
13B コンダクタンスバルブ
14 シャワーヘッド
15 原料ガス供給系
15A〜15C 原料ガス源
15VA〜15VC バルブ
16 クリーニングモジュール
16A クリーニングガス源
16B Arガス源
16a〜16d 質量流量コントローラ
16C リモートプラズマ源
16VA〜16VC バルブ
20 ICP型プラズマ発生装置
21 プラズマ容器
22 コイル
23 高周波電源
30 ECR型プラズマ発生装置
31 プラズマ容器
32 磁石
33 マイクロ波電源
40 ヘリコン波型プラズマ発生装置
41 プラズマ容器
42 ループアンテナ
43 高周波電源
44 磁石
50 マイクロ波共振器型プラズマ発生装置
51 マイクロ波共振器
52 マイクロ波電源
60 トロイダル型プラズマ発生装置
61 ガス通路
61A ガス入口
61B ガス出口
62 高周波コイル
70 平行平板型プラズマ発生装置
71 プラズマ容器
71A,71B 電極
72 高周波電源
L1 原料ガスライン
L2 クリーニングガスライン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention generally relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a cleaning method and a substrate processing method using plasma.
[0002]
Plasma generators are widely used in the manufacture of semiconductor devices and liquid crystal display devices. For example, by using a plasma generator, a film forming process or an etching process can be performed at a low temperature so that the concentration distribution of the impurity element formed in the semiconductor substrate does not change. The plasma generator is used to clean the inside of the processing container after the substrate processing.
[0003]
[Prior art]
FIG. 1 shows a configuration of a conventional typical single
[0004]
Referring to FIG. 1, a single wafer
[0005]
The raw
[0006]
The source gas supplied through the line L1 is discharged into the process space in the processing vessel 11 through the
[0007]
In the single
[0008]
In the single
[0009]
In such a cold wall type CVD apparatus, deposition of reaction products on the inner wall surface or the susceptor side wall surface of the processing vessel 11 is inevitable during film formation on the substrate 12A to be processed. Each time a film forming process for a plurality of substrates to be processed is completed, a cleaning process is performed in which an etching cleaning gas is supplied into the processing container 11 to remove deposits.
[0010]
Therefore, in the CVD apparatus of FIG. 1, a
[0011]
In FIG. 1, the
[0012]
The fluorine-based cleaning gas is NF Three Halogen compounds such as Three It is also possible to use non-halogen compounds such as COOH. In addition to Ar, He, Ne, Kr, Xe, or the like may be used as the dilution gas from the
[0013]
As such a
[0014]
In the ICP
[0015]
Further, in the ECR
[0016]
In the helicon wave type
[0017]
In the microwave resonator
[0018]
In the toroidal
[0019]
Therefore, a rare gas such as Ar introduced into the
[0020]
In the toroidal
[0021]
Further, in the CCP
[0022]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 6,374,831
[0023]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, various plasma generators are conventionally used in the manufacturing process of semiconductor devices. Particularly in the plasma cleaning process and the plasma etching process, such as highly reactive F (fluorine) and Cl (chlorine), etc. Halogen-containing compounds are used as cleaning gas or etching gas, and therefore these gases must be introduced into the plasma and excited. At that time, the higher the concentration or partial pressure of the cleaning gas or etching gas introduced into the processing container, the more efficient the processing becomes possible.
[0024]
On the other hand, such halogens have a high electronegativity, and therefore halogen compounds used as plasma cleaning gas or plasma etching gas are difficult to excite plasma or require high power to excite and maintain plasma. Has general characteristics.
[0025]
In particular, in the toroidal type plasma generator shown in FIG. Three Since even a slight amount of halogen-containing gas is introduced, plasma ignition does not occur. Therefore, when the plasma is ignited, the cleaning gas introduced into the
[0026]
However, in such a plasma cleaning process or plasma etching process, particularly when using a single-wafer type substrate processing apparatus as shown in FIG. 1, it is necessary to frequently perform plasma ignition along with the single-wafer processing. When purging for a long time each time, there is a problem that the throughput of the substrate processing is lowered. In particular, in recent manufacturing processes of ultra-fine semiconductor devices, it is desirable to perform a plasma cleaning process in order to initialize the inside of the processing container every time a single substrate is processed. If the plasma cleaning process is performed each time, an ignition process is required for each substrate, and if the purge is performed each time, the substrate processing throughput is significantly reduced.
[0027]
Conventionally, when plasma is ignited in a state where a halogen-based cleaning gas is supplied to the plasma generator, since any type of plasma generator is difficult to ignite plasma as described above, it is high. The drive voltage must be applied, but when such a high drive voltage is applied, the impedance of the drive system including the coil and electrode changes greatly at the moment when the plasma ignites, and the overshoot drive voltage The drive system and the high frequency power supply may be damaged.
[0028]
Accordingly, it is a general object of the present invention to provide a new and useful plasma cleaning method that solves the above problems.
[0029]
A more specific object of the present invention is to provide a plasma cleaning method capable of igniting plasma at a low voltage and thereby avoiding damage to a power source, a coil, an electrode and the like due to the high voltage.
[0030]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves the above problems.
A plasma cleaning method for cleaning the inside of a processing container with a radical of a cleaning gas excited in a first pressure band,
Introducing a mixed gas of a dilution gas and a cleaning gas into the plasma generator;
Adjusting the pressure in the plasma generator to a second pressure zone that is lower than the first pressure zone and in the range of 6.65 Pa to 66.5 Pa;
After adjusting the pressure in the plasma generator to the second pressure zone, driving the plasma generator to ignite plasma in the mixed gas;
Increasing the pressure inside the processing vessel from the second pressure zone to the first pressure zone while maintaining the ignited plasma;
The cleaning gas is NF Three Or F 2 A halogen compound consisting of
The mixed gas is a mixed gas of Ar gas containing a halogen compound gas of 5% or more and 45% or less and a gas of the halogen compound,
The dilution gas is Ar gas, which is solved by the plasma cleaning method.
The present invention also solves the above problems.
A substrate processing method for etching a surface of a substrate to be processed in a processing vessel in a first pressure zone by plasma-excited etching radicals,
Introducing a mixed gas of a dilution gas and an etching gas into the plasma generator;
Adjusting the pressure in the plasma generator to a second pressure zone that is lower than the first pressure zone and in the range of 6.65 Pa to 66.5 Pa;
Driving the plasma generator to ignite plasma in the mixed gas;
Increasing the pressure inside the processing vessel from the second pressure zone to the first pressure zone while maintaining the ignited plasma;
The etching gas is NF Three Or F 2 A halogen compound consisting of
The mixed gas is a mixed gas of Ar gas containing a halogen compound gas of 5% or more and 45% or less and a gas of the halogen compound,
The dilution gas is Ar, which is solved by the substrate processing method.
The present invention also solves the above problems.
A plasma cleaning method for cleaning the inside of a processing container with a radical of a plasma-excited cleaning gas in a first flow rate zone,
Introducing a mixed gas of a dilution gas and a cleaning gas into the plasma generator;
Adjusting the flow rate of the cleaning gas to a second flow rate range that is lower than the first flow rate range and in the range of 3 sccm to 20 sccm;
After the step of adjusting the flow rate of the cleaning gas to the second flow rate zone, driving the plasma generator to ignite plasma;
Increasing the flow rate of the mixed gas from the second flow rate zone to the first flow rate zone while maintaining the ignited plasma;
The cleaning gas is NF Three Or F 2 A halogen compound consisting of
The mixed gas is a mixed gas of Ar gas containing a halogen compound gas of 5% or more and 45% or less and a gas of the halogen compound,
The dilution gas is Ar, which is solved by a plasma cleaning method.
The present invention also solves the above problems.
A substrate processing method for etching a surface of a substrate to be processed in a processing vessel in a first flow rate zone by plasma-excited etching radicals,
Introducing a mixed gas of a dilution gas and an etching gas into the plasma generator;
The second flow rate zone is lower than the first flow rate zone and ranges from 3 sccm to 20 sccm. etching Adjusting the flow rate of the gas;
Driving the plasma generator to ignite plasma in the mixed gas;
Increasing the flow rate of the mixed gas from the second flow rate zone to the first flow rate zone while maintaining the ignited plasma;
The etching gas is NF Three Or F 2 A halogen compound consisting of
The mixed gas is a mixed gas of Ar gas containing a halogen compound gas of 5% or more and 45% or less and a gas of the halogen compound,
The dilution gas is Ar, which is solved by the substrate processing method.
The present invention also solves the above problems.
A substrate processing apparatus for cleaning the inside of a processing container with a radical of a cleaning gas excited by a first pressure band,
A plasma generator connected to the processing vessel;
Gas supply means for supplying a mixed gas of a dilution gas and a cleaning gas to the plasma generator;
A plasma ignition device that is driven by high-frequency power or microwave power and ignites plasma in the mixed gas;
Plasma Ignition The apparatus ignites the plasma in a second pressure zone lower than the first pressure zone and in the range of 6.65 Pa to 66.5 Pa;
The gas supply means increases the pressure inside the processing vessel from the second pressure zone to the first pressure zone while maintaining the ignited plasma, and supplies the mixed gas into the processing vessel. And
The substrate processing apparatus is a toroidal plasma processing apparatus,
Said cleaning Gas is NF Three Or F 2 A halogen compound consisting of
The mixed gas is a mixed gas of Ar gas containing a halogen compound gas of 5% or more and 45% or less and a gas of the halogen compound,
The dilution gas is Ar, which is solved by a substrate processing apparatus.
[0031]
According to the present invention, it is possible to perform plasma ignition at a low voltage by executing the plasma ignition step under a pressure lower than a normal process pressure. Accordingly, even if an impedance change occurs at the moment when the plasma is ignited, the occurrence of a large applied voltage overshoot that damages the plasma generator is avoided.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As described above, in the conventional plasma generating apparatus, when a cleaning gas or an etching gas containing a halogen compound is supplied when the plasma is ignited, it becomes difficult to ignite the plasma, or a high voltage needs to be applied to the plasma ignition. Has occurred.
[0033]
In contrast, the inventor of the present invention pays attention to the fact that the mean free path of electrons becomes longer in a reduced pressure environment, and when a high frequency electric field is applied in a lower pressure reduced pressure environment than that used for normal cleaning and etching , That the electrons will be greatly accelerated by the electric field, so that they will gain large energy, and if the electrons thus have large energy, NF in Ar gas Three Even when a gas containing a halogen compound having a high electronegativity is added, the inventors have come up with the idea that plasma may be ignited at a low driving voltage.
[0034]
Therefore, the inventor of the present invention uses a toroidal type plasma generator 60 (manufactured by ASTRONi, MKS, US Pat. No. 6,150,628) shown in FIG. 61 / Ar / NF Three Supply mixed gas, Ar / NF Three NF in mixed gas Three Experiments were conducted to search for plasma ignition conditions while varying the concentration and further varying the total pressure.
FIG. 4 shows the result of such a search.
[0035]
Referring to FIG. 4, ● indicates that plasma ignition did not occur, and the NF Three When the concentration was 2.5% or more, plasma ignition did not occur at any pressure tested, but NF Three It has been found that when the concentration is 1.7%, plasma ignition occurs when the total pressure is reduced to 69 Pa (520 mTorr) as indicated by a circle in the figure. However, in the experiment of FIG. 3, the Ar / NF Three The total flow rate of the mixed gas is 500 SCCM, and a high-frequency power of 1.7 kW is applied.
[0036]
Therefore, with respect to the
[0037]
Referring to FIG. 5, the vertical axis represents the Ar / NF. Three NF in mixed gas Three Concentration (= NF Three / (Ar + NF Three )), The horizontal axis indicates the total pressure in the
[0038]
That is, NF capable of plasma ignition as the total pressure in the
[0039]
On the other hand, if the total pressure in the
[0040]
From FIG. 5, the total pressure in the
[0041]
FIG. 5 shows Ar / NF supplied to the toroidal plasma generator during plasma ignition. Three NF causing plasma ignition by reducing the flow rate of the mixed gas Three The concentration range tends to increase. For example, Ar / NF Three When the gas flow rate of the mixed gas is 80 SCCM, plasma ignition occurs but NF in which plasma ignition occurs Three While the concentration range or pressure range is limited, plasma ignition occurs as the gas flow rate is reduced to 20 SCCM, 5 SCCM, or 3 SCCM. Three It can be seen that the concentration range and pressure range expand. In addition, plasma ignition is the Ar / NF Three If the gas flow rate of the mixed gas is 100 SCCM or less, the mixed gas is about 5% NF. Three Even if it contains, it has been confirmed that it occurs.
[0042]
A similar relationship is Ar / F 2 It has also been confirmed when mixed gas is used.
[0043]
FIG. 6 shows an Ar / F in the
[0044]
Referring to FIG. 6, when the total gas flow rate is set to 100 SCCM, the plasma is F 2 In the case where no gas is added, ignition occurs in a pressure range of 6.65 to 79.8 Pa (0.05 to 0.6 Torr), whereas the Ar / F 2 The mixed gas is F 2 When 5% is included, it can be seen that the pressure range in which the plasma ignites decreases to 6.65 to 66.5 Pa (0.05 to 0.5 Torr).
[0045]
Ar / F 2 F in mixed gas 2 When the concentration is further increased, the pressure range that the plasma can ignite further decreases, but about 45% F 2 It can be seen that the plasma can be ignited at a pressure of about 16.0 Pa (0.12 Torr) up to the concentration.
[0046]
FIG. 7 shows the relationship between the plasma ignition voltage and the total pressure in the
[0047]
Referring to FIG. 7, the example shown is the Ar / NF. Three NF in mixed gas Three However, the plasma ignition voltage decreases as the total pressure decreases and the mean free process of electrons increases, and the ignition point indicated by the circle in FIG. Minimizes at corresponding pressure. If the pressure is further reduced, the collision probability between electrons and atoms or gas molecules decreases, and as a result, the plasma ignition voltage rises rapidly.
[0048]
From the relationship of FIG. 7, even if the total pressure of the mixed gas is very high or very low, the plasma is ignited if a sufficient voltage exceeding the curve of FIG. 7 is applied to the mixed gas. However, when such a high voltage is applied, the impedance of the system suddenly decreases at the moment of plasma ignition as described above, and the large voltage overshoot accompanying this is high frequency power supply. There is a risk of damaging the coil, electrode, etc.
[0049]
The relationship shown in FIG. 7, that is, the plasma ignition voltage decreases on the low pressure side, and the tendency to rapidly increase when the pressure corresponding to a certain minimum value is exceeded is not limited to the toroidal type plasma generator, and is not limited to FIGS. Alternatively, in the
[0050]
Therefore, the present invention provides a rare gas and the halogen compound when plasma-cleaning the inside of a processing container using a gas containing a halogen compound or plasma etching the surface of a substrate to be processed using a gas containing a halogen compound. Plasma is ignited in the mixed gas containing the gas using the conditions that minimize the ignition voltage shown in FIG. In the present invention, plasma ignition occurs at a low voltage, so that a high voltage is not applied to the electrodes and coils of the plasma generator, and even if a large impedance changes instantaneously due to plasma ignition, The electrode, coil, etc. will not be damaged.
[0051]
On the other hand, as described above, in plasma cleaning or plasma etching, NF Three Or F 2 The higher the cleaning / etching gas concentration or partial pressure, the more efficient the process. Of course, if the plasma is ignited even in the ignition region of FIG. 5 or FIG. 6, since the cleaning / etching gas is included in the plasma, the cleaning process and the etching process are started. Insufficient efficiency cannot be achieved.
[0052]
Therefore, in the present invention, as described in the following embodiments, after the plasma is ignited, the total pressure of the mixed gas of the rare gas and the cleaning / etching gas is gradually increased to a desired process pressure.
[0053]
FIG. 8 shows a gas and RF power supply sequence used in a cleaning or etching process according to an embodiment of the present invention based on the above result.
[0054]
Referring to FIG. 8, in this embodiment, first, a small amount of Ar gas and NF are used. Three Gas is supplied to the plasma generator shown in FIGS. 2A to 2E or FIG. 3, and RF power is supplied under the total pressure P1 substantially corresponding to the minimum ignition voltage shown in FIG. 7 to ignite the plasma. .
[0055]
After the plasma is ignited, the Ar gas and NF Three The gas flow rate is gradually increased, and when a predetermined process pressure P2 is reached, a desired cleaning or etching process is performed, and then the RF power is shut off.
[0056]
9 shows a case where the
[0057]
In the example of FIG. 9, from the ignition point (1) corresponding to the pressure P1 in FIG. 8 to the process point (2) corresponding to the pressure P2 in FIG. 8 where the actual cleaning process is performed, the Ar / NF Three It has been verified whether the plasma is maintained from point (1) to point (2) by changing the total pressure and flow rate of the mixed gas through various paths. However, in this experiment, the valve 16Vc is fully opened in the
[0058]
In the experiment of FIG. 9, the total pressure P1 at the ignition point (1) is about 11 Pa (0.08 Torr), and the Ar / NF Three The total flow rate of the mixed gas is set to 3 SCCM, the total pressure P2 at the process point (2) is set to 1330 Pa (10 Torr), and the Ar / NF Three The total flow rate of the mixed gas is set to 3 SLM.
[0059]
Referring to FIG. 9, in the path A, the gas flow rate is increased from the ignition point (1) while maintaining the pressure of about 11 Pa (0.08 Torr) to reach the point (4). That is, from point (1) to point (4), the pressure in the processing vessel 11 in the
[0060]
In this state, the Ar / NF Three When the flow rate of the mixed gas is gradually increased to a predetermined process flow rate corresponding to the process point (2), the pressure inside the processing vessel 11 and thus the total pressure in the
[0061]
On the other hand, in the route B of FIG. 9, the Ar / NF Three By gradually closing the
[0062]
In the path B, from the point (6), the Ar / NF is kept while the
[0063]
Further, in the path C of FIG. 9, after the plasma is ignited at the ignition point (1), the Ar / NF is maintained while maintaining the opening degree of the
[0064]
As described above, as a result of the experiment of changing the gas flow rate and the total pressure through various paths from the ignition point (1) to the process point (2), the points (1) to (7) in FIG. 9 are surrounded. In this region, it has been confirmed that the plasma once ignited does not disappear even if the total pressure and the gas flow rate are changed.
[0065]
As described above, the points (4) and (6), and therefore the route from point (4) to point (5) and the route from point (6) to point (7) are used. It is determined by the design of the
[0066]
Further, the process point (2) can be set to any of known conditions that allow efficient plasma cleaning.
[0067]
That is, at the process point (2), for example, the Ar / NF Three NF in mixed gas Three By increasing the concentration to 80%, it is possible to achieve a cleaning rate of 2000 nm per minute for the thermal oxide film. In this case, the Ar / NF between the ignition point (1) and the process point (2). Three NF in mixed gas Three It is necessary to change the concentration. Even in such a case, it has been confirmed that once the plasma is ignited, the plasma is maintained.
[0068]
After reaching the process point (2) in this way, a normal cleaning process can be performed. In the
[0069]
In the case of shifting from the ignition point (1) to the process point (2) in FIG. 9, the Ar / NF Three Ar gas and NF in mixed gas Three The mixing ratio of gas may be fixed or changed. At that time, in the present invention, since the cleaning is started immediately after the plasma ignition occurs, the Ar / NF Three NF in mixed gas Three Not only can the concentration be increased during the transition from the ignition point (1) to the process point (2), but it can also be reduced if necessary.
[0070]
Further, in the
[0071]
Further, in this embodiment, in the
[0072]
Therefore, for example, from the ignition point (1) in FIG. Three Considering the case where the mixed gas flow rate increases along the path C and the
[0073]
Further, the point (10) after the return is not limited to the path C, and can be selected at any point in the plasma maintenance region within a range where the flow rate is larger than the point (8).
[0074]
As described above, the present invention is applied to a toroidal plasma generator with Ar / NF. Three Mixed gas or Ar / F 2 The case where the mixed gas is supplied to form plasma has been described as an example. However, in the present invention, the plasma generator is not limited to the toroidal plasma generator, and the present invention is not limited to FIGS. 2 (A) to (E). Alternatively, the present invention can be applied to other plasma generators shown in FIG. Further, in the present invention, the dilution gas supplied for plasma formation is not limited to Ar, and the present invention is a rare gas such as He, Ne, Kr, Xe, or H 2 O, O 2 , H 2 , N 2 , C 2 F 6 Even if it is used. Further, the cleaning / etching gas used in the present invention is NF. Three Or F 2 It is not limited to other halogen compound gas, and further CH Three COOH, CH Three It is also possible to use compounds containing a COO group.
[0075]
Although the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims.
[0076]
【The invention's effect】
According to the present invention, by reducing the gas pressure during plasma ignition, it is possible to perform plasma ignition at a low voltage even for a gas containing a halogen compound. As a result, the occurrence of a large voltage overshoot caused by a large impedance change at the moment of plasma ignition and the damage of the drive power supply, electrode, coil or the like due to this are avoided. In the present invention, after the plasma is ignited in this way, it is possible to efficiently perform a desired cleaning process or etching process by increasing the gas pressure to a predetermined process condition while maintaining the plasma. .
[0077]
According to the present invention, since the plasma is ignited with respect to the gas containing the halogen compound, the halogen compound is added each time the plasma is ignited particularly in the process of frequently interrupting the plasma, such as the single wafer processing process. There is no need to purge the contained gas, and the throughput of cleaning or substrate processing is greatly improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a conventional CVD apparatus provided with a remote plasma generator.
FIGS. 2A to 2E are diagrams showing examples of various remote plasma sources. FIGS.
FIG. 3 is a view showing an example of a parallel plate type plasma source incorporated in a processing container of a substrate processing apparatus.
FIG. 4 is a diagram showing a search example of plasma ignition conditions in the present invention.
FIG. 5 shows NF discovered in the present invention. Three It is a figure which shows the ignition area | region of the plasma containing gas.
FIG. 6 shows F found in the present invention. 2 It is a figure which shows the ignition area | region of the plasma containing gas.
FIG. 7 is a diagram showing the principle of the present invention.
FIG. 8 shows a plasma cleaning process according to the present invention.
9 is a diagram showing an example of a transition path from an ignition process to a cleaning process in FIG.
FIG. 10 is a diagram showing a switching configuration of a mass flow control device in a gas source used in the plasma cleaning process of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 CVD equipment
11 Processing container
12 Susceptor
13 Vacuum pump
13A shut-off valve
13B conductance valve
14 Shower head
15 Source gas supply system
15A-15C Source gas source
15V A ~ 15V C valve
16 Cleaning module
16A Cleaning gas source
16B Ar gas source
16a to 16d Mass flow controller
16C remote plasma source
16V A ~ 16V C valve
20 ICP type plasma generator
21 Plasma container
22 coils
23 High frequency power supply
30 ECR type plasma generator
31 Plasma container
32 magnets
33 Microwave power supply
40 Helicon wave type plasma generator
41 Plasma container
42 Loop antenna
43 High frequency power supply
44 Magnet
50 Microwave resonator type plasma generator
51 Microwave resonator
52 Microwave power supply
60 Toroidal plasma generator
61 Gas passage
61A Gas inlet
61B Gas outlet
62 High frequency coil
70 Parallel plate plasma generator
71 Plasma container
71A, 71B electrode
72 High frequency power supply
L1 raw material gas line
L2 cleaning gas line
Claims (13)
プラズマ発生装置に希釈ガスとクリーニングガスの混合ガスを導入する工程と、
前記第1の圧力帯よりも低く、6.65Paから66.5Paの範囲である第2の圧力帯に前記プラズマ発生装置内の圧力を調整する工程と、
前記プラズマ発生装置内の圧力を前記第2の圧力帯に調整する工程の後、前記プラズマ発生装置を駆動させて前記混合ガスにプラズマを着火する工程と、
前記処理容器内部の圧力を、前記第2の圧力帯から前記第1の圧力帯まで、前記着火したプラズマを維持しながら増大させる工程を含み、
前記クリーニングガスはNF3またはF2よりなるハロゲン化合物を含み、
前記混合ガスは、5%以上、45%以下の前記ハロゲン化合物のガスを含むArガスと前記ハロゲン化合物のガスの混合ガスであり、
前記希釈ガスはArガスであることを特徴とするプラズマクリーニング方法。A plasma cleaning method for cleaning the inside of a processing container with a radical of a cleaning gas excited in a first pressure band,
Introducing a mixed gas of a dilution gas and a cleaning gas into the plasma generator;
Adjusting the pressure in the plasma generator to a second pressure zone that is lower than the first pressure zone and in the range of 6.65 Pa to 66.5 Pa;
After adjusting the pressure in the plasma generator to the second pressure zone, driving the plasma generator to ignite plasma in the mixed gas;
Increasing the pressure inside the processing vessel from the second pressure zone to the first pressure zone while maintaining the ignited plasma;
The cleaning gas contains a halogen compound composed of NF 3 or F 2 ,
The mixed gas is a mixed gas of Ar gas containing a halogen compound gas of 5% or more and 45% or less and a gas of the halogen compound,
The plasma cleaning method, wherein the dilution gas is Ar gas.
プラズマ発生装置に希釈ガスとエッチングガスの混合ガスを導入する工程と、
前記第1の圧力帯よりも低く、6.65Paから66.5Paの範囲である第2の圧力帯に前記プラズマ発生装置内の圧力を調整する工程と、
前記プラズマ発生装置を駆動させて前記混合ガスにプラズマを着火する工程と、
前記処理容器内部の圧力を、前記第2の圧力帯から前記第1の圧力帯まで、前記着火したプラズマを維持しながら増大させる工程を含み、
前記エッチングガスはNF3またはF2よりなるハロゲン化合物を含み、
前記混合ガスは、5%以上、45%以下の前記ハロゲン化合物のガスを含むArガスと前記ハロゲン化合物のガスの混合ガスであり、
前記希釈ガスは、Arであることを特徴とする基板処理方法。A substrate processing method for etching a surface of a substrate to be processed in a processing vessel in a first pressure zone by plasma-excited etching radicals,
Introducing a mixed gas of a dilution gas and an etching gas into the plasma generator;
Adjusting the pressure in the plasma generator to a second pressure zone that is lower than the first pressure zone and in the range of 6.65 Pa to 66.5 Pa;
Driving the plasma generator to ignite plasma in the mixed gas;
Increasing the pressure inside the processing vessel from the second pressure zone to the first pressure zone while maintaining the ignited plasma;
The etching gas contains a halogen compound composed of NF 3 or F 2 ,
The mixed gas is a mixed gas of Ar gas containing a halogen compound gas of 5% or more and 45% or less and a gas of the halogen compound,
The substrate processing method, wherein the dilution gas is Ar.
プラズマ発生装置に希釈ガスとクリーニングガスの混合ガスを導入する工程と、
前記第1の流量帯よりも低く、3sccmから20sccmの範囲である第2の流量帯に前記クリーニングガスの流量を調整する工程と、
前記クリーニングガスの流量を前記第2の流量帯に調整する工程の後、前記プラズマ発生装置を駆動させてプラズマを着火する工程と、
前記混合ガスの流量を、前記第2の流量帯から前記第1の流量帯まで、前記着火したプラズマを維持しながら増大させる工程を含み、
前記クリーニングガスはNF3またはF2よりなるハロゲン化合物を含み、
前記混合ガスは、5%以上、45%以下の前記ハロゲン化合物のガスを含むArガスと前記ハロゲン化合物のガスの混合ガスであり、
前記希釈ガスは、Arであることを特徴とするプラズマクリーニング方法。A plasma cleaning method for cleaning the inside of a processing container with a radical of a plasma-excited cleaning gas in a first flow rate zone,
Introducing a mixed gas of a dilution gas and a cleaning gas into the plasma generator;
Adjusting the flow rate of the cleaning gas to a second flow rate range that is lower than the first flow rate range and in the range of 3 sccm to 20 sccm;
After the step of adjusting the flow rate of the cleaning gas to the second flow rate zone, driving the plasma generator to ignite plasma;
Increasing the flow rate of the mixed gas from the second flow rate zone to the first flow rate zone while maintaining the ignited plasma;
The cleaning gas contains a halogen compound composed of NF 3 or F 2 ,
The mixed gas is a mixed gas of Ar gas containing a halogen compound gas of 5% or more and 45% or less and a gas of the halogen compound,
The plasma cleaning method, wherein the dilution gas is Ar.
プラズマ発生装置に希釈ガスとエッチングガスの混合ガスを導入する工程と、
前記第1の流量帯よりも低く、3sccmから20sccmの範囲である第2の流量帯に前記エッチングガスの流量を調整する工程と、
前記プラズマ発生装置を駆動させて前記混合ガスにプラズマを着火する工程と、
前記混合ガスの流量を、前記第2の流量帯から前記第1の流量帯まで、前記着火したプラズマを維持しながら増大させる工程を含み、
前記エッチングガスはNF3またはF2よりなるハロゲン化合物を含み、
前記混合ガスは、5%以上、45%以下の前記ハロゲン化合物のガスを含むArガスと前記ハロゲン化合物のガスの混合ガスであり、
前記希釈ガスは、Arであることを特徴とする基板処理方法。A substrate processing method for etching a surface of a substrate to be processed in a processing vessel in a first flow rate zone by plasma-excited etching radicals,
Introducing a mixed gas of a dilution gas and an etching gas into the plasma generator;
Adjusting the flow rate of the etching gas to a second flow rate zone that is lower than the first flow rate zone and in the range of 3 sccm to 20 sccm;
Driving the plasma generator to ignite plasma in the mixed gas;
Increasing the flow rate of the mixed gas from the second flow rate zone to the first flow rate zone while maintaining the ignited plasma;
The etching gas contains a halogen compound composed of NF 3 or F 2 ,
The mixed gas is a mixed gas of Ar gas containing a halogen compound gas of 5% or more and 45% or less and a gas of the halogen compound,
The substrate processing method, wherein the dilution gas is Ar.
前記処理容器に接続されたプラズマ発生装置と、
前記プラズマ発生装置に希釈ガスとクリーニングガスの混合ガスを供給するガス供給手段と、
高周波電力またはマイクロ波電力により駆動され前記混合ガスにプラズマを着火するプラズマ着火装置と、を備え、
前記プラズマ着火装置は、前記第1の圧力帯よりも低く、6.65Paから66.5Paの範囲の第2の圧力帯でプラズマを着火し、
前記ガス供給手段は、前記処理容器内部の圧力を、前記第2の圧力帯から前記第1の圧力帯まで、前記着火したプラズマを維持しながら増大させ、前記処理容器内部に前記混合ガスを供給し、
前記基板処理装置はトロイダル型プラズマ処理装置であり、
前記クリーニングガスはNF3またはF2よりなるハロゲン化合物を含み、
前記混合ガスは、5%以上、45%以下の前記ハロゲン化合物のガスを含むArガスと前記ハロゲン化合物のガスの混合ガスであり、
前記希釈ガスは、Arであることを特徴とする基板処理装置。A substrate processing apparatus for cleaning the inside of a processing container with a radical of a cleaning gas excited by a first pressure band,
A plasma generator connected to the processing vessel;
Gas supply means for supplying a mixed gas of a dilution gas and a cleaning gas to the plasma generator;
A plasma ignition device that is driven by high-frequency power or microwave power and ignites plasma in the mixed gas;
The plasma ignition device ignites plasma in a second pressure band that is lower than the first pressure band and in a range of 6.65 Pa to 66.5 Pa,
The gas supply means increases the pressure inside the processing vessel from the second pressure zone to the first pressure zone while maintaining the ignited plasma, and supplies the mixed gas into the processing vessel. And
The substrate processing apparatus is a toroidal plasma processing apparatus,
The cleaning gas contains a halogen compound composed of NF 3 or F 2 ,
The mixed gas is a mixed gas of Ar gas containing a halogen compound gas of 5% or more and 45% or less and a gas of the halogen compound,
The substrate processing apparatus, wherein the dilution gas is Ar.
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