JP4673025B2

JP4673025B2 - プラズマエッチングにおけるチャンバークリーニング方法

Info

Publication number: JP4673025B2
Application number: JP2004265058A
Authority: JP
Inventors: 秀武緒方; 洋之嶋; 允稲葉
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-09-13
Filing date: 2004-09-13
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2024-09-13
Also published as: JP2006080421A

Description

この発明は、半導体製造装置に適用可能であり、特に、プラズマエッチング後のチャンバークリーニング方法に関する。

従来、半導体装置の電極配線形成工程においては、種々の金属薄膜の選択的エッチングが行なわれている。ところが、このエッチングの際に、エッチングガスと被エッチング材との反応生成物の一部がチャンバー内に付着することが避けられない。この付着物の量が多くなると、チャンバー内の雰囲気の不安定性の要因となり、エッチングの再現性の低下を引き起こす。また、チャンバー内のクリーン度の低下の原因にもなって、エッチング時にパーティクルの発生を招き、ひいては、エッチングの不良につながってしまう。

塩素系又は臭素系のガスを用いた金属薄膜のエッチングでは、チャンバー内に、金属と塩素又は臭素とを含む反応生成物が付着する場合が多く、この付着物は、従来の酸素（Ｏ２）ガスのプラズマや三弗化窒素（ＮＦ３）などの弗素を含むガスのプラズマを用いたクリーニングでは、除去することが困難であるので、エッチング後、チャンバーの真空を破って洗浄することにより、付着物の除去を行なっていた。真空を破っての洗浄では、（１）チャンバーを再び真空に戻し、残留空気の影響をなくすために一定時間のダミー放電を行なう必要があり、エッチング装置の再立ち上げに非常に時間がかかる、（２）洗浄作業に時間がかかる、（３）エッチングに使用するガスが反応性の高い有毒ガスであるため、作業者の安全に対して危険が伴う、という問題がある。そこで、少なくとも水素を含むガスのプラズマ、或いは、少なくとも水酸基を含むガスのプラズマを用いることが提案されている（特許文献１）。付着した反応生成物中の塩素又は臭素が水素と結合して除去され、また金属は、前記の有機化合物から水素が脱離したものとの間で蒸気圧の高い化合物を形成できるため、付着した反応生成物は通常のプラズマクリーニング方法により真空を破ることなく容易に除去することができる。
特開平６−３０２５６５号公報（段落［００１５］〜［００１８］、図１）

また、本出願人は、プラズマエッチング方法に関するものであって、特に、複数回のプラズマエッチング工程の間に反応室のクリーニングを実施する工程を有するプラズマエッチング方法を提案している。即ち、半導体装置の生産工場では、クリーンルームの面積、製造装置数、薄膜被着基板の数量等の制限より、一つのドライエッチング装置で異なる材質（例えば、金属薄膜と絶縁性薄膜等）の薄膜被着基板をエッチングする場合がある。この場合、反応室内には薄膜をエッチングして生じた付着物の影響が大きいので、一旦反応室の真空を常圧に戻して、反応室内をアルコール等によりクリーニングしダミー放電、ダミーエッチングを実施した後に、次の薄膜被着基板を処理する方法を採用している。この方法では、装置の再立上げにはウォーミングアップ時間を要するために、装置稼働率の低下をきたす。

そこで、同一の製造装置を用いて、膜質が異なる或いは被エッチング面積が異なるパターンで薄膜のエッチングする場合に、付着した反応生成物を効率的に除去し装置稼働率と生産性の向上を図るため、第１回目と第２回目のプラズマエッチング工程の間に、放電クリーニング工程と不活性ガスパージ工程を設けて、反応室のクリーニングを行うことを提案している（特許文献２）。第１の膜のパターン形成に用いたガスによりプラズマ放電クリーニングを行い、反応室内の付着した反応生成物を除去し、次に不活性ガスパージにより反応生成物の除去及び反応室内の雰囲気を安定させる。次に膜質や被エッチング面積の異なる膜のドライエッチングを行っても、終点検出を可能とすることを図っている。この方法によれば、設備稼動率が向上し生産性が高まり、切替時に放電クリーニングと不活性ガスパージを導入しているため膜エッチング時の終点検出の精度が向上する。特に、液晶表示装置としてアクティブマトリクス型液晶基板を作製した場合には、コンタクト不良に起因する液晶表示装置でのライン欠陥の発生や点灯不良を防ぐことが可能となる等の優れた効果がある。
特開２００２−１９０４６８号公報（段落［００１６］〜［００１８］、図１〜図３）

図２には、上記特許文献２に開示されているプラズマエッチング装置の一例が概略図示されている。プラズマエッチング装置の反応室であるチャンバー１０内には、下部電極８が配置され、下部電極８に対向するようにチャンバー１０の上端に上部電極７が取付けられている。チャンバー１０にはガス導入口１１が接続され、チャンバー１０への各種ガスの供給については、マスフローコントローラ１４によって供給停止を含めて所望のガス流量になるように流量制御が行われる。ガス導入口１１は上部電極７に接続され、上部電極７に形成されているシャワ状に形成された多数のガス噴射孔１５（孔径、約１ｍｍ）を通じて、ガスがチャンバー１０内に噴出される。

チャンバー１０に関しては、上部電極７、モノクロメータ５、下部電極８及びガス導入口１１に加えて、終点検出器１、温度調節機構３、終点検出用窓４、圧力計６、排気口９、ＲＦ電源１２が設けられている。下部電極８には、ＲＦ電源１２からマッチング回路１３を介して高周波電力が印加され、上部電極７は接地されている。なお、チャンバー１０、上部電極７及び下部電極８は、温度調節機構３によって温度制御されている。アルミニウム等の金属薄膜が被着された薄膜形成基板２が下部電極８上に載置される。ドライエッチング時に終点検出用窓４からプラズマ発光をモノクロメータ５でとらえ、終点検出器１で終点検出を行う。

しかしながら、上記２件のプラズマエッチング方法では、反応容器内のクリーニングを未処理基板の入れ替えの合間に行うことを前提としており、クリーニングに特化したプラズマ処理を行うことで、反応容器内に堆積した物質を除去し、エッチングもしくは、エッチングの終点検出が不安定になったり、堆積物が発塵減となることを防いだりする目的で行うものである。

エッチング処理では、複数回のプラズマ処理を組み合わせることがしばしば行われ、例えばエッチング処理後に引き続いて、エッチング時においてマスク材料として使用したレジスト材料を剥離するためのアッシング処理を同一処理室内で行う場合がある。塩素ガスを用いて、アルミニウムをエッチングした場合にはアフターコロージョンの発生を防ぐために、エッチング処理の後に残留塩素を取り除くためのアフタートリートメント処理を行う。また、被エッチング材料が複数種類から成る積層膜の場合、それぞれの薄膜に対して適した条件でエッチングを実施するため、積層膜種に合わせて、異なるガス種を用いた複数回のプラズマ処理を組み合わせることが行われる。上記、複数回の処理を実施する場合、先の処理が終わった後、処理室内を一旦排気した後に、後に続く処理を行う方法が一般的である。

ガラス基板上に形成したアルミニウム薄膜をエッチングして微細な配線を形成するには、アルミニウム薄膜上に配線パターンに従ってレジスト樹脂を施した基板のチャンバー内への搬入、チャンバー内の真空化、塩素ガスのチャンバー内への供給およびプラズマ放電という従来工程が行われることで、レジスト樹脂で覆われていない部分のアルミニウムが蒸発し排気ポンプでチャンバー外に排出されその後、フルオロカーボンと酸素の混合ガスのチャンバーへの供給およびプラズマ放電を行うことで腐食のない配線を形成することができる。
特開昭５８−８７２７６号公報（第２頁上左欄第４行〜上右欄第２０行、図１、図２）

しかしながら、最近における装置の大型化に伴い、前のステップが後のステップに与える影響が大きくなっている。即ち、装置の大型化に伴って前のステップで生じた微量のアルミニウムおよびアルミニウムとハロゲン系ガスとの化合物がチャンバーの内壁等に残る量が多くなっており、エッチング後のチャンバー容器内の排気だけでは、上記反応容器内の残留物質と、後に続くフルオロカーボンを含む混合ガスによるプラズマから生じるフッ素とが結合してチャンバーの内壁に析出物として付着しやすい。たとえば、フッ化アルミニウムが生成した場合、この物質は蒸気圧が低いため、チャンバー外に排出するのが容易でない。この物質が上部電極に形成されているガス噴出孔内に詰まると、上部電極が使用に耐えなくなる現象が見受けられる。現状では、基板のエッチング処理数が１００枚程度に達すると、上部電極のガス噴出孔が目詰まりし、上部電極を交換する必要がある。

一旦生成してしまうと、チャンバー外に排出することが困難な物質が生成した場合（たとえば上記例のエッチング手順を使用した場合に生じるフッ化アルミニウム）には、たとえクリーニングプラズマを用いてもそうした物質をチャンバー外へ排出することが困難であり、結果として、生成させないことが肝心である。そこで、プラズマドライエッチング装置を用いて基板にエッチング等のプラズマ処理を行う場合に、例えば上部電極のガス噴出孔の目詰まりの原因となったり、チャンバー内で堆積することで発塵源となったりする物質による影響を排除する点において解決すべき課題がある。

この発明の目的は、基板のエッチングに際して生じる金属薄膜からの析出物がエッチング装置の上部電極に形成される多数のガス噴出孔を詰まらせる、または、処理室内の駆動部に付着することで動作不具合を起こす、付着した物質がはがれ、発塵源となる等の不具合を解消することができるプラズマエッチングにおけるチャンバークリーニング方法を提供することである。

上記の課題を解決するため、この発明によるプラズマエッチングにおけるチャンバークリーニング方法は、薄膜がアルミニウム薄膜もしくはアルミニウムを含む積層膜である薄膜形成基板が順次搬入されるプラズマエッチング装置のチャンバー内で前記薄膜形成基板に対してその枚葉毎に行われるプラズマエッチングにおいて、前記薄膜形成基板へのプラズマ処理の度毎に前記チャンバーをガスでパージし、前記チャンバーのパージの後、同じ前記チャンバーにおいて、前記プラズマ処理が行われた前記薄膜形成基板に対してフッ素系の混合ガス下でのプラズマ処理によって前記基板上に残留塩素ガスを取り除くアフタートリートメントを行うことを特徴としている。

このプラズマエッチング方法によれば、薄膜形成基板のプラズマ処理の毎に、チャンバー内をパージしているので、エッチングで飛び出たアルミニウムを含む膜質素材がエッチングに関して用いられるガス成分と結合して生じる生成物がチャンバー内に付着することがないので、そうした析出物による装置及び処理基板への不具合を防止することができる。チャンバーのパージをした後に、同じチャンバーにおいて、プラズマ処理が行われた薄膜形成基板に対してフッ素系の混合ガス下でのプラズマ処理によって、エッチングガスに含まれていて基板上に残留する塩素ガスを取り除くアフタートリートメントを行うので、アフタートリートメントにはそのための処理ガスを用いる場合でも、エッチングで生じた膜質素材がそうした処理ガスと反応する機会を可能な限り少なくすることができる。また、薄膜形成基板のアフタートリートメントのために、別の処理室を用意する、及びそうした別の処理室へ搬送する必要もなく、高い作業効率でチャンバークリーニングを行うことができる。

このプラズマエッチングにおけるチャンバークリーニング方法において、パージ用のガスは、プラズマ処理で用いられる混合ガスに含まれるガスとする場合は、プラズマ処理の段階から供給を停止することなくチャンバーへの供給を継続させることもできる。この場合には、チャンバーへのパージ用のガスの供給が途絶えることなく継続して行われるので、膜質素材とガス成分との生成物がガス供給途上に逆流することがなく、ガス供給経路のクリーニングを確実に且つ短時間で行うことができる。ここで、パージ用のガスは、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス等の不活性ガスとすることができる。

上記プラズマエッチングにおけるチャンバークリーニング方法において、プラズマエッチング装置はプラズマ発生用としてシャワ状のガス噴射孔が形成された上部電極と当該上部電極に対向配置される下部電極とを備えており、パージ用のガスは、ガス噴射孔を通してチャンバー内に供給することができる。このようにする場合には、パージ用のガスの供給は、通常のエッチングに関連したガスの供給路をそのまま利用することができる。更に、上部電極に形成されたシャワ状のガス噴射孔は微細な噴射孔であるために膜質素材とガス成分との生成物が析出して目詰まりを生じやすいが、当該噴出孔を通してチャンバー内に噴出供給してチャンバー内をパージしているので、パージ用のガス流れによって、上記生成物が上部電極のガス噴出孔内に付着するのを防止することができる。

このプラズマエッチングにおけるチャンバークリーニング方法において、エッチングガスは塩素ガスを含むガスとすることができる。エッチングで生じた反応生成物である塩化アルミニウムは揮発性があって蒸発するが、アルミニウムはアフタートリートメントに用いられるフッ素系のガスと反応すると付着して取り除きが困難な析出物となる。したがって、アフタートリートメントの前に膜質素材をパージガスでチャンバーの内部やガス供給経路から取り除いておくのが好ましい。

この発明によるプラズマエッチングにおけるチャンバークリーニング方法は、上記のように、薄膜がアルミニウム薄膜もしくはアルミニウムを含む積層膜である薄膜形成基板のプラズマ処理の毎にチャンバー内をパージしているので、エッチングで飛び出たアルミニウム又はアルミニウムを含む膜質素材がエッチングに関して用いられる塩素ガスのようなガス成分と結合して生じる生成物がチャンバー内に付着することがなく、そうした析出物による装置及び処理基板への不具合を防止することができる。また、チャンバーのパージをした後に、同じチャンバーにおいて、プラズマ処理が行われた薄膜形成基板に対してフッ素系の混合ガス下でのプラズマ処理によってエッチングガスに含まれていて基板上に残留する塩素ガスを取り除くアフタートリートメントを行うので、アフタートリートメントのために薄膜形成基板の搬送を行う必要がなく、またアフタートリートメントにはそのためのフッ素系の処理ガスを用いる場合でも、エッチングで生じた膜質素材がそうしたフッ素系の処理ガスと反応する機会を可能な限り少なくすることができる。更に、基板のエッチングに際して生じる薄質素材がチャンバー内に残留するフッ素系の処理ガスと反応して生じる生成物がチャンバーの内部、特にエッチング装置の上部電極に形成されるシャワ状のガス噴出孔を詰まらせる等の析出物となって、エッチング処理上の不具合の原因となるのを防止することができる。特に、上部電極に形成されるガス噴出孔の詰まりを防止することで、上部電極の使用期間を長期化することができ、プラズマエッチング装置の稼働率を飛躍的に向上することができる。

以下、添付した図面に基づいて、この発明によるプラズマエッチングにおけるチャンバークリーニング方法の実施例を説明する。図１はこの発明によるプラズマエッチングにおけるチャンバークリーニング方法の工程の一例を説明するフローチャート図である。図１に示すフローチャートは、エッチング処理をすべき基板枚葉毎の処理フローを示している。なお、エッチング装置としては、既に説明した図２に記載の型式のものを用いることができ、装置の要素や部位については、図２に用いた符号をそのまま用いる。図１は本発明の実施において使用した反応性イオンエッチング装置の概略構成図である。

基板に対するエッチング処理が開始される（ステップ１、Ｓ１と略す。以下同様）と、先ず、処理対象となる基板が搬入経路を通じてエッチング装置のチャンバー１０内に搬入される（Ｓ２）。搬入経路は、既に知られている型式のもの、例えば、外気とチャンバー１０とにそれぞれ通じる出入り口にゲートバルブを備えた搬入室を備えるものでよい。

未処理基板がチャンバー１０内に搬入されると、マスフローコントローラ１４を制御することによって、エッチングガスとしての塩素ガスと、不活性ガスとしてのアルゴンガスとがチャンバー１０内に導入開始される（Ｓ３）。塩素ガスとアルゴンガスとの雰囲気中でプラズマ放電が行われ、基板のレジストで覆われていないアルミニウム薄膜部分が塩素ガスと反応して揮発性の高い物質（塩化アルミニウム）となり、チャンバー外へ排気されることでエッチング処理が行われる（Ｓ４）。

Ｓ４のエッチング工程が終了すると、マスフローコントローラ１４を制御して塩素ガスの供給を停止するが、アルゴンガスについては、約３０秒間、供給継続される（Ｓ５）。したがって、前工程からガス導入口１１に流れ続けるアルゴンガスが、上部電極７に形成されている多数のガス噴出孔１５からチャンバー１０内に噴出され続ける。Ｓ４のエッチング工程において、アルミニウム薄膜から発生した、アルミニウムもしくはアルミニウムを含む物質は、アフタートリートメント等で使用されその後チャンバー内に残留するフッ素等と結合して、チャンバー１０内、例えば上部電極７のガス噴出孔１５内に析出・付着する可能性がある。しかしながら、アルゴンガスを後述するようにパージ完了時まで供給継続していて、ガス噴出孔１５内でのガスの流れが絶えることがないので、アルミニウム化合物がガス噴出孔１５内に付着して目詰まりを生じることを極力防止することができる。チャンバー１０内に噴射されたアルゴンガスは、チャンバー内に残る塩素ガスやアルミニウムと塩素の化合物等を排気口９を通じてパージする。

チャンバー内に残る塩素ガスやアルミニウムと塩素の化合物等が十分パージされたころ、アルゴンガスの供給を停止する。その後も真空ポンプを駆動して、約３０秒間、チャンバー１０内を真空引き（Ｓ６）することで、なおも残留しようとする塩素ガスやアルミニウムと塩素の化合物等を外部に排出する。

次に、エッチング処理済みの基板に対するアフタートリートメントのステップの開始として、ＣＦ４ガスとＯ２ガスとをチャンバー内に約３０秒間導入する（Ｓ７）。ＣＦ４は安定なガスであるので、そのままではトリートメントができない。そこでＣＦ４とＯ２との混合ガスの環境下で、約４０秒間のプラズマ放電を行ってＣＦ４ガスを活性化する。チャンバー１０内には反応性の高いフッ素（Ｆ）が発生して、処理済み基板の表面に残留する塩素ガス（Ｃｌ２）を取り除くアフタートリートメントを行うことができる（Ｓ８）。その後、アフタートリートメントが施された基板２をチャンバー１０から搬出し（Ｓ９）、当該基板２についてのエッチング処理を終了する（Ｓ１０）。次の枚葉の基板をエッチング処理するには再度、Ｓ１から処理が実行される。

上記の説明において、基板はアルミニウム薄膜が形成された基板として説明したが、同じ膜質の基板で同じ装置を用いて繰り返し処理をするものであれば、同様にして適用可能である。また、不活性ガスとしては、アルゴン（Ａｒ）ガスを例に挙げて説明したが、これに代えて、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、窒素（Ｎ２）ガスであってもよい。また、上記フローにおいて、上部電極７の管理を行うのであれば、エッチング処理基板の枚数をカウントし、所定の枚数に到達したときに装置の運転を中断して、上部電極の交換等のメンテナンスを実行すればよい。

本発明によれば、上部電極は基板処理数２０００枚まで交換することなく同じ電極板で継続使用することができた。その結果、上部電極の交換のために装置を停止する頻度が大幅に改善され、装置の稼働率を向上して、製品のコスト低減に寄与することができる。

この発明によるプラズマエッチングにおけるチャンバークリーニング方法の一例を示すフローチャート。この発明によるプラズマエッチングにおけるチャンバークリーニング方法が実施されるプラズマエッチング装置の一例を示す概略断面図。

符号の説明

１終点検出器２薄膜形成基板
３温度調節機構４終点検出用窓
５モノクロメータ６圧力計
７上部電極８下部電極
９排気口１０チャンバー
１１ガス導入口１２ＲＦ電源
１４マスフローコントローラ
１５ガス噴射孔

Claims

薄膜がアルミニウム薄膜もしくはアルミニウムを含む積層膜である薄膜形成基板が順次搬入されるプラズマエッチング装置のチャンバー内で前記薄膜形成基板に対してその枚葉毎に行われるプラズマエッチングにおいて、前記薄膜形成基板へのプラズマ処理の度毎に前記チャンバーをガスでパージし、前記チャンバーのパージの後、同じ前記チャンバーにおいて、前記プラズマ処理が行われた前記薄膜形成基板に対してフッ素系の混合ガス下でのプラズマ処理によって前記基板上に残留する塩素ガスを取り除くアフタートリートメントを行うことを特徴とするプラズマエッチングにおけるチャンバークリーニング方法。
パージ用の前記ガスは、前記プラズマ処理で用いられる混合ガスに含まれるガスであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチングにおけるチャンバークリーニング方法。
パージ用の前記ガスは、前記プラズマ処理の段階から供給を停止することなく前記チャンバーへの供給が継続されることを特徴とする請求項２に記載のプラズマエッチングにおけるチャンバークリーニング方法。
パージ用の前記ガスは、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス等の不活性ガスであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマエッチングにおけるチャンバークリーニング方法。
前記プラズマエッチング装置はプラズマ発生用としてシャワ状のガス噴射孔が形成された上部電極と前記上部電極に対向配置される下部電極とを備えており、前記パージ用のガスは、前記ガス噴射孔を通して前記チャンバー内に供給されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマエッチングにおけるチャンバークリーニング方法。
エッチングガスは塩素ガスを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のプラズマエッチングにおけるチャンバークリーニング方法。