KR102035585B1 - 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

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요시토 가마지
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가부시키가이샤 히다치 하이테크놀로지즈
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Abstract

본 발명은 플라즈마 에칭에 있어서의 프로세스 변동을 억제하는 것을 과제로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 플라즈마 처리 방법은, 처리실 내에 제 1 플라즈마를 생성해서 규소를 성분으로 하는 퇴적막을 처리실 내에 형성하는 공정(S201)과, 금속을 포함하는 막이 형성된 시료를 처리실 내에서 플라즈마 에칭하는 공정(S202)과, 환원성을 갖는 원소와 할로겐을 포함하는 제 2 플라즈마를 생성해서 메탈계 반응 생성물을 제거하는 공정(S203)을 갖는다. 또한, 불소 원소를 포함하는 가스를 이용하여 생성한 제 3 플라즈마에 의해 상기 퇴적막을 제거하는 공정(S204)과, 잔류한 가스를 제 4 플라즈마에 의해 제거하는 공정(S205)을 갖는다.

Description

플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSING METHOD}
본 발명은 플라즈마를 이용한 클리닝 등의 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.
최근, 대규모 집적 회로의 미세화에 따라 디바이스 구조의 복잡화가 진행되고 있으며, 에칭 공정에 있어서의 가공 정밀도나 안정성에 대한 요구는 엄격해지고 있다. 에칭 공정에 있어서의 프로세스 변동의 요인으로서는, 챔버 내의 부재 등의 온도 변화나 에칭 처리에서 발생한 반응 생성물의 축적 등을 들 수 있다.
또한, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)에서는 그 미세화에 따라, 게이트 전극에 메탈 재료, 게이트 절연막에 High-k 재료(하프늄 산화막 등)을 이용한 메탈 게이트/High-k 구조가 주류로 되고 있다. 이 메탈 게이트/High-k 구조의 등장에 따라, 다종의 메탈 에칭이 요구된다. 그리고, 메탈 에칭에서 발생하는 메탈계 반응 생성물의 축적은, 프로세스 변동 및 메인터넌스 주기의 저하의 원인이 된다.
또, 챔버 분위기를 일정하게 유지하는 기술로서, 특허문헌 1(일본국 특개2016-72264호 공보) 및 특허문헌 2(미국특허 제7767584호 명세서) 등이 알려져 있다. 이들 기술에서는, 챔버 내벽에 규소나 산소, 탄소 등으로 구성된 막을 형성하고, 제품 웨이퍼 처리 후에 제거함으로써, 챔버 내벽의 상태를 제품 웨이퍼 처리마다 리세트한다. 그리고, 상기 특허문헌 1에는, 이들 기술에 더하여 메탈계 반응 생성물을 클리닝하는 기술이 기재되어 있다.
일본국 특개 2016-72264호 공보 미국 특허 제7767584호 명세서
상기 특허문헌 1에서는, 에칭에 의해 발생한 메탈계 반응 생성물의 클리닝이 고려되어 있는 한편, 플라즈마 클리닝에 기인한 잔류 가스에 대한 고려는 되어 있지 않다. 이러한 플라즈마 클리닝에 기인한 잔류물(잔류 가스)의 챔버 내의 퇴적에 의해, 에칭에 있어서의 프로세스 변동(챔버 내 분위기의 변동)이 생기는 것이 과제이다.
본 발명의 목적은, 플라즈마 에칭에 있어서의 프로세스 변동을 억제할 수 있는 기술을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 상기한 목적과 신규한 특징은, 본 명세서의 기술 및 첨부 도면으로부터 명백해질 것이다.
본원에 있어서 개시되는 실시형태 중, 대표적인 것의 개요를 간단하게 설명하면, 다음과 같다.
일 실시형태에 있어서의 플라즈마 처리는, 금속을 함유하는 막을 가진 시료에 플라즈마 처리가 행해지는 처리실 내에 생성한 플라즈마를 이용하여 규소를 성분으로 하는 퇴적막을 상기 처리실 내에 형성하는 퇴적막 형성 공정과, 상기 퇴적막 형성 공정 후, 상기 시료를 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 공정을 갖는다. 또한, 상기 플라즈마 처리 공정 후, 플라즈마를 이용하여 상기 처리실 내의 금속 원소를 함유하는 퇴적물을 제거하는 금속 제거 공정과, 상기 금속 제거 공정 후, 불소 원소를 함유하는 가스를 이용하여 생성된 플라즈마에 의해 상기 처리실 내의 상기 퇴적막을 제거하는 퇴적막 제거 공정과, 상기 퇴적막 제거 공정 후, 상기 처리실 내에 잔류하는 불소 원소를 플라즈마를 이용하여 제거하는 불소 원소 제거 공정을 갖는다.
본원에 있어서 개시되는 발명 중, 대표적인 것에 의해 얻어지는 효과를 간단하게 설명하면 다음과 같다.
플라즈마 클리닝에 기인한 잔류물을 제거할 수 있고, 챔버 내의 분위기를 안정화시켜서 플라즈마 에칭에 있어서의 프로세스 변동을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 따른 플라즈마 처리 장치의 모식적인 구조의 일례를 나타내는 단면도.
도 2는 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치를 사용한 플라즈마 처리 방법의 수순의 일례를 나타내는 흐름도.
도 3은 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치에 있어서 챔버 내벽에 퇴적막이 형성된 상태의 일례를 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명의 실시형태 1의 플라즈마 처리 방법에 있어서의 질소 및 불소의 제거 효과의 일례를 나타내는 그래프 도면.
도 5는 본 발명의 실시형태 1에 따른 플라즈마 처리 압력의 의존성의 일례를 나타내는 그래프 도면.
도 6은 본 발명의 실시형태 1에 따른 플라즈마 처리에 의한 질소 및 불소 제거 효과의 일례를 나타내는 그래프 도면.
도 7은 본 발명의 실시형태 2에 따른 플라즈마 처리 방법의 수순의 일례를 나타내는 흐름도.
도 8은 본 발명의 실시형태 2의 플라즈마 처리 방법에 있어서의 붕소 제거 효과를 나타내는 그래프 도면.
(실시형태 1)
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 따른 플라즈마 처리 장치의 모식적인 구조의 일례를 나타내는 단면도이다.
이하, 본 실시형태 1의 플라즈마 처리 장치에 대해 설명한다. 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치는, 그 일례인 마이크로파 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마 에칭 장치이다. 여기서는, 처리실(101)의 내부에 설치된 전극, 챔버 외부에 설치된 전계, 자계의 공급 장치, 및 전원 등이 모식적으로 나타나 있다.
도 1에 나타내는 본 실시형태 1의 플라즈마 처리 장치의 구성에 대해 설명하면, 반도체 기판 등의 시료(110)에 대하여 플라즈마 에칭 처리가 행해지는 챔버를 포함하며, 또한 상부가 개방된 처리실(101)을 구비하고 있다. 이 처리실(101)의 개방 상부에는, 에칭 가스를 도입하기 위한 복수의 관통공을 갖는 원판 형상의 샤워 플레이트(102) 및 유전체창(103)이 설치되어 있다. 즉, 플라즈마 에칭을 실시할 때의 에칭 가스는 샤워 플레이트(102)의 복수의 관통공을 통해서 도입된다.
또한, 처리실(101)의 상부에는 유전체창(103)이 마련되며, 이 유전체창(103)에 의해 챔버 내는 기밀하게 밀봉되어 있다. 또, 처리실(101) 내에 도입되는 가스는 가스 공급 장치(104)에 의해 유량이 제어되어, 샤워 플레이트(102)의 복수의 관통공을 통해 도입된다.
또한, 처리실(101)의 외주(外周) 및 상부에 마련되어진 솔레노이드 코일(105)에 의해, 처리실(101) 내에 자장을 형성한다. 그리고, 플라즈마 처리 장치의 상부에는 전자파 발생 장치(106)가 마련되어 있고, 전자파 발생 장치(106)에서 발생한 전자파는, 도파관(107)을 전파해서 유전체창(103)을 투과하고, 처리실(101)에 공급된다. 또한, 처리실(101)의 하부에는, 진공 배기관(108)을 통해 진공 배기 펌프(도시 생략)가 접속되어 있다. 이에 따라, 진공 배기관(108)을 통해서, 처리실(101)에 도입된 가스나 에칭 처리에 의해 발생한 반응 생성물을 배기할 수 있다.
또한, 처리실(101)의 상부에는 샤워 플레이트(102)가 설치되며, 이 샤워 플레이트(102)에 대향하여, 처리실(101) 내에 시료대(109)가 설치되어 있다. 이 시료대(109)는, 처리실(101)의 하부에 설치된 기판 전극이기도 하다. 그리고, 시료대(109) 상에 로봇암 등의 반송 장치(도시 생략)에 의해 제품 처리되는 시료(110)가 반송된다. 또, 시료대(109)에 놓여진 시료(110)는, 직류 전원(111)을 인가함으로써 시료대(109)에 의해 정전 흡착된다. 그 때, 고주파 전원(112)은 고주파 정합기(113)를 통해, 시료대(109)에 고주파 전압을 인가할 수 있다. 여기서, 본 실시형태에서 이용되는 시료(110)는, 예를 들면 금속을 함유하는 막이 형성된 반도체 기판이다.
또한, 처리실(101)의 내벽의 일부는, 석영제의 내통(114)에 의해 덮여 있다. 또한, 처리실(101)의 측면부에는, 발광 분광기(115)가 탑재되고, 발광 데이터는, 발광 데이터 처리 장치(116)에서 처리된다.
상기 플라즈마 처리 장치(에칭 장치)에서는, 이하의 순서로 에칭이 실시된다. 먼저, 처리실(101) 내에 가스 공급 장치(104)로부터 가스가 공급되어, 처리실(101) 내가 원하는 압력으로 제어된다. 다음으로, 전자파 발생 장치(106)로부터 발생한 전자파 및 솔레노이드 코일(105)에 의해 형성된 자장에 의해, 공급된 가스는 전자 사이클로트론 공명에 의해 여기되어, 처리실(101) 내에 플라즈마가 생성된다. 또한, 고주파 전원(112)에 의해 고주파 전압이 인가되어, 기판 전극인 시료대(109)에 재치되어 있는 금속을 함유하는 막이 형성된 시료(110)에 플라즈마의 이온이 끌어 들여져, 플라즈마 에칭 처리가 실시된다.
다음으로, 본 실시형태 1의 플라즈마 처리 장치를 사용한 플라즈마 처리 방법에 대해 설명한다. 도 2는 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치를 사용한 플라즈마 처리 방법의 수순의 일례를 나타내는 흐름도, 도 3은 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치에 있어서 챔버 내벽에 퇴적막이 형성된 상태의 일례를 나타내는 단면도이다.
본 실시형태 1에 따른 플라즈마 처리 방법은, 이하에 나타내는 (1)∼(5)의 5가지 요소(스텝)로 구성되며, 도 2에 나타내는 수순에 따라 처리한다. 즉, (1) 플라즈마를 이용하여 규소를 성분으로 하는 퇴적막의 형성, (2) 금속을 함유하는 막을 가진 시료의 플라즈마 에칭, (3) 환원성을 갖는 원소와 할로겐을 함유하는 플라즈마에 의한 클리닝이다. 또한, (4) 불소를 주체로 한 플라즈마에 의한 클리닝, (5) 잔류 가스 제거를 목적으로 한 플라즈마에 의한 클리닝이다.
이하, 도 2에 나타내는 본 실시형태 1의 플라즈마 처리 방법을 기초로 각 구성요소에 대해 설명한다. 먼저, 도 3에 나타나 있는 바와 같이, 처리실(101) 내에 생성한 제 1 플라즈마를 이용하여 규소(Si)를 성분으로 하는 퇴적막(120)을 형성한다(S201, 퇴적막 형성 공정). 여기서는, 상기 제 1 플라즈마에 의해 규소를 성분으로 하는 퇴적막(120)을 처리실(101)의 내벽(챔버 내벽)의 일부 및 시료대(109)의 일부에 각각 형성한다. 즉, 퇴적막(120)은, 주로, 처리실(101)에 있어서의 내벽의 시료대(109)와 동일한 높이 부근의 개소(箇所), 및 그보다 상방의 높이의 개소에 형성된다. 또한, 퇴적막(120)은, 시료대(109)의 상면 및 측면에도 형성된다. 이에 따라, 처리실(101)의 내벽의 일부와 시료대(109)의 일부가 퇴적막(120)에 의해 덮어진 상태가 된다.
이 규소를 성분으로 하는 퇴적막(120)의 형성예로서는, 규소를 함유하는 가스와 탄소(C)를 함유하는 가스의 혼합 가스에 의해 형성되는 규소와 탄소를 함유하는 막이다. 또는, 규소를 함유하는 가스와 질소(N)를 함유하는 가스의 혼합 가스에 의해 형성되는 규소와 질소를 함유하는 막이다. 또한, 규소를 함유하는 가스와 산소(O)를 함유하는 가스의 혼합 가스에 의해 형성되는 규소와 산소를 함유하는 막이다. 본 실시형태에서는, 사염화규소 가스와 산소 가스의 혼합 가스에 의한 산화 규소를 성분으로 하는 막을 형성했을 경우에 관하여 설명한다.
다음으로, 플라즈마 에칭되는 시료(110)를 처리실(101)에 삽입하고, 기판 전극인 시료대(109) 상에 배치한 후, 금속을 함유하는 막이 형성된 시료(110)를 플라즈마 에칭한다(S202, 플라즈마 처리 공정). 그리고, 플라즈마 에칭 종료 후, 시료(110)를 처리실(101)의 밖으로 반출한다. 이 금속을 함유하는 막이 형성된 시료(110)를 플라즈마 에칭한 것에 의해, 메탈계 반응 생성물 및 넌메탈계 반응 생성물이 발생된다. 이들 메탈계 반응 생성물 및 넌메탈계 반응 생성물의 각각의 일부는 처리실(101) 내에 형성된 퇴적막(120) 상에 퇴적된다.
에칭 후에는, 환원성을 갖는 원소와 할로겐을 함유하는 제 2 플라즈마를 이용하여 퇴적막(120) 상에 잔류한 메탈계 반응 생성물(금속 원소를 함유하는 퇴적물)을 제거한다(S203, 금속 제거 공정). 즉, 환원성을 갖는 원소와 할로겐을 함유하는 제 2 플라즈마를 생성하고, 이 제 2 플라즈마를 이용하여 (S202) 공정에서 발생한 상기 메탈계 반응 생성물을 제거한다. 상기 메탈계 반응 생성물은, 산화 혹은 불화한 상태에서 퇴적되어 있어, 할로겐 단일 가스에 의해 생성된 플라즈마에 의해서는 충분하게 제거하는 것이 어렵다.
그래서, 본 실시형태 1에서는, 규소, 붕소, 질소, 수소 또는 탄소 등 환원성을 갖는 원소를 포함하는 가스를 할로겐 가스에 첨가한 혼합 가스를 이용하여 제 2 플라즈마를 생성하고, 이 제 2 플라즈마에 의해 상기 메탈계 반응 생성물을 제거한다. 본 실시형태 1에서는, 일례로서, 삼염화붕소 가스와 염소 가스의 혼합 가스를 이용하여 생성한 제 2 플라즈마를 이용하여 클리닝했을 경우에 관하여 설명한다. 삼염화붕소 가스를 이용한 플라즈마 처리에 의해 상기 메탈계 반응 생성물을 제거할 수 있다.
다음으로, 불소 원소를 함유하는 가스를 이용하여 생성된 제 3 플라즈마에 의해 규소를 성분으로 하는 퇴적막(120)과, 그 퇴적막(120) 상에 퇴적한 상기 메탈계 반응 생성물을 제거한다(S204, 퇴적막 제거 공정). 즉, 불소를 함유하는 가스를 이용하여 생성한 제 3 플라즈마에 의해, (S202) 공정에서 처리실(101) 내에 형성된 퇴적막(120)을 제거한다. 즉, 상기 메탈계 반응 생성물은, (S202) 공정에서, 금속을 함유하는 막이 형성된 시료(110)를 에칭했을 때에 생긴 반응 생성물이다.
그리고, 제 3 플라즈마의 생성에는, 불소 원소를 함유하는 가스(예를 들면, 삼불화질소 가스나 육불화유황 가스 등)를 사용할 수 있다. 이러한 불소 원소를 함유하는 플라즈마 처리를 실시하면, 처리실(101) 내에, 불소 원소를 함유하는 가스의 구성 원소가 잔류한다. 본 실시형태 1에서는, 불소 원소를 함유하는 가스의 일례로서, 삼불화질소 가스를 이용했을 경우에 관하여 설명한다. 삼불화질소 가스를 이용했을 경우에는, 처리실(101) 내에 질소 및 불소가 잔류한다.
그래서, 제 4 플라즈마를 생성하고 이 제 4 플라즈마를 이용해서, 처리실(101) 내에 잔류하는 질소 및 불소 등의 잔류 원소를 제거한다(S205, 불소 원소 제거 공정). 이 제 4 플라즈마의 생성에는, 희가스(rare gas)(헬륨 가스(He), 네온 가스(Ne), 아르곤 가스(Ar), 크립톤 가스(Kr), 크세논 가스(Xe))나 산소 가스 등을 이용할 수 있다. 이들 가스는, 플라즈마 생성 시에 생기는 이온 스퍼터링에 의해 처리실(101)의 벽면(챔버 내벽)에 잔류하는 원소를 제거하는 효과를 기대할 수 있다.
여기서, 도 4는 본 발명의 실시형태 1의 플라즈마 처리 방법에 있어서의 질소 및 불소의 제거 효과의 일례를 나타내는 그래프 도면이다. 구체적으로는, (S205) 공정에 있어서, 제 4 플라즈마에 의한 잔류 질소 및 잔류 불소의 제거 효과를 나타내는 것이며, 각각, 이하의 3가지 경우에 있어서의 아르곤 방전중의 질소 및 불소의 시간 평균 발광 강도를 나타내고 있다. 상세하게는, 삼불화질소 가스를 이용한 클리닝 후에 아르곤 방전(플라즈마 발광을 검출하기 위한 방전)을 실시했을 경우(클리닝 없음), 삼불화질소 가스를 이용한 클리닝 후에 아르곤 가스를 이용한 클리닝을 실시하고, 아르곤 방전(플라즈마 발광을 검출하기 위한 방전)을 실시했을 경우(아르곤 클리닝)이다. 또한, 삼불화질소 가스를 이용한 클리닝 후에 산소 가스를 이용한 클리닝을 실시하고, 아르곤 방전(플라즈마 발광을 검출하기 위한 방전)을 실시했을 경우(산소 클리닝)이다. 이들 3가지 경우에 있어서의 아르곤 방전중의 질소 및 불소의 시간 평균 발광 강도를 나타내고 있으며, 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 아르곤 또는 산소 클리닝을 행함으로써, 잔류한 질소량 및 불소량을 저감할 수 있다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 5는 본 발명의 실시형태 1에 따른 플라즈마 처리 압력의 의존성의 일례를 나타내는 그래프 도면이다. 상세하게는, 도 4에서 나타낸 결과와 마찬가지의 평가 방법에 의해 평가한 잔류 질소 및 불소의 클리닝 효과에 대한 산소 플라즈마의 압력 의존성의 결과를 나타내고 있다. 도 5에 나타나 있는 바와 같이, 생성되는 산소 플라즈마의 처리 압력을 3Pa 이하로 함으로써, 아르곤 방전중의 질소 및 불소의 발광 강도가 보다 낮아진다. 즉, 생성되는 산소 플라즈마의 압력 조건을 3Pa 이하로 함으로써, 플라즈마 클리닝에 의한 효과를 향상시킬 수 있다. 이것은, 저압에 의해 플라즈마가 처리실(101) 내에 확산했기 때문으로 생각된다. 즉, (S205) 공정에 있어서의 제 4 플라즈마를 이용한 클리닝의 처리 압력은, 0.01Pa 이상 3Pa 이하인 것이 바람직하고, (S204) 공정에 있어서의 제 3 플라즈마를 이용한 클리닝의 처리 압력보다 작은(낮은) 것이 바람직하다. 즉, 상기 불소 원소 제거 공정의 제 4 플라즈마를 생성하기 위한 압력은, 상기 퇴적막 제거 공정의 제 3 플라즈마를 생성하기 위한 압력보다 작은 것이 바람직하다.
또한, (S204) 공정에서 삼불화질소 가스를 이용한 제 3 플라즈마에 의한 클리닝을 실시한 후, (S205) 공정에서 육불화유황 가스를 이용하여 생성한 제 4 플라즈마에 의한 클리닝을 실시한다. 또한, 제 4 플라즈마로 하여 실시한 산소 가스를 이용한 클리닝을 실시함으로써, 잔류 질소 및 잔류 불소의 제거 시간을 단축할 수 있다.
또한 도 6은, 본 발명의 실시형태 1에 따른 플라즈마 처리에 의한 질소 및 불소의 제거 효과의 일례를 나타내는 그래프 도면이며, 이하의 3가지 경우에 있어서의 아르곤 방전중의 질소 및 불소의 시간 평균의 발광 강도를 나타내는 것이다.
상세하게는, 도 6은, 산소를 이용한 클리닝을 T초 실시해서 아르곤 방전(플라즈마 발광을 검출하기 위한 방전)을 실시했을 경우, 산소를 이용한 클리닝을 4T초 실시해서 아르곤 방전(플라즈마 발광을 검출하기 위한 방전)을 실시했을 경우, 육불화유황을 이용한 클리닝을 0.75T초 실시하고, 산소를 이용한 클리닝을 T초 실시해서 아르곤 방전(플라즈마 발광을 검출하기 위한 방전)을 실시했을 경우의 각각에 있어서의 아르곤 방전중의 질소 및 불소의 시간 평균의 발광 강도를 나타내고 있다. 또, 도 6에 있어서의 파선은, 백그라운드의 수치를 나타내고 있고, 상기 파선 이하의 수치가 되면, 아르곤 방전중의 질소 및 불소의 발광 강도가 충분히 저하되어 있는 것으로 판단할 수 있다.
도 6에 나타나 있는 바와 같이, 삼불화질소 가스를 이용한 플라즈마 처리에 의해 잔류하는 질소 및 불소의 발광 강도는, 산소에 의한 클리닝을 4T초 실시함으로써 충분히 저하되는 것을 알 수 있었다. 한편, 육불화유황에 의해 생성한 플라즈마 처리 후에 산소 클리닝을 실시함으로써, 1.75T초에서 충분히 발광 강도가 저하되는 것을 알 수 있었다. 실험에서는, 육불화유황을 이용한 클리닝을 산소 클리닝의 이전에 삽입함으로써, 56.25% 처리 시간을 단축할 수 있었다. 또한, 육불화유황 가스를 이용한 플라즈마 클리닝의 시간보다, 산소 가스를 이용한 플라즈마 클리닝의 시간쪽이 긴 편이 바람직하다.
또, 도 2에 나타나 있는 바와 같이, (S201) 내지 (S205)의 일련의 플라즈마 처리는, 시료(110)의 플라즈마 처리마다 반복 실시된다. 즉, (S201) 내지 (S205)의 일련의 플라즈마 처리는, 시료(110)의 연속 처리 매수만큼 반복하여 실시한다.
본 실시형태 1의 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 의하면, 플라즈마 클리닝에 기인한 잔류물을 제거할 수 있고, 챔버 내벽의 상태를 안정화시켜서 처리실(101) 내의 분위기를 안정화시키며, 이에 따라 플라즈마 에칭에 있어서의 프로세스 변동을 억제할 수 있다.
즉, 처리실(101) 내의 퇴적막(120)을, 불소 원소를 포함하는 가스로 제거한 후, 처리실(101) 내의 불소 원소를 포함하는 가스(잔류 가스)를 제거함으로써, 처리실(101)의 내벽(챔버 내벽)의 상태를 안정화할 수 있다. 이에 따라, 처리실(101) 내(챔버 내)의 분위기의 변동(프로세스 변동)을 억제할 수 있으며, 그 결과, 반도체 제조에 있어서의 양산 안정 성능을 향상시킬 수 있다.
더 구체적으로는, 메탈 에칭 공정에 있어서 처리실(101) 내에 있어서의 메탈계 반응 생성물의 축적을 방지할 수 있다. 또한, 플라즈마 처리중에 불소나 질소 등의 잔류물을 효과적으로 제거할 수 있고, 처리실(101)의 내벽(챔버 내벽)의 상태를 안정화할 수 있다. 이에 따라, 처리실(101) 내(챔버 내)의 분위기의 변동을 억제할 수 있으며, 그 결과, 반도체 제조에 있어서의 양산 안정 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 시료(110)를 플라즈마 에칭한 후에, 삼염화붕소 가스와 염소 가스와의 혼합 가스를 이용하여 생성한 제 2 플라즈마에 의해 처리실(101) 내를 플라즈마 클리닝함으로써, 처리실(101) 내의 퇴적막(120) 상에 퇴적한 메탈계 반응 생성물을 제거할 수 있다.
또한, 불소 원소를 함유하는 가스를 이용한 제 3 플라즈마에 의한 클리닝으로 처리실(101) 내의 퇴적막(120)을 제거한 후, 제 4 플라즈마를 이용하여 처리실(101) 내에 잔류하는 잔류 가스를 제거할(불소 원소 제거 공정) 때에, 제 4 플라즈마의 생성에, 헬륨 가스, 네온 가스, 아르곤 가스, 크립톤 가스 또는 크세논 가스 등의 희가스나 산소 가스를 이용함으로써, 처리실(101) 내에 잔류하는 적어도 불소 원소(잔류 가스)를 제거할 수 있다. 이에 따라, 처리실(101) 내의 클린(clean) 효과를 높일 수 있다.
또한, 상기 제 4 플라즈마에 의한 처리로서, 삼불화질소 가스를 이용한 클리닝 후에 아르곤 가스를 이용한 클리닝을 실시하거나(아르곤 클리닝), 또는, 삼불화질소 가스를 이용한 클리닝 후에 산소 가스를 이용한 클리닝을 실시하는(산소 클리닝) 것에 의해서, 잔류한 질소량 및 불소량을 저감할 수 있다.
또한, 상기 제 4 플라즈마에 의한 클리닝에 있어서, 처리실(101)의 처리 압력을 0.01Pa 이상 3Pa 이하로 함으로써, 저압에 의해 제 4 플라즈마를 처리실(101) 내에 확산시킬 수 있고, 플라즈마 클리닝에 의한 효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 삼불화질소 가스를 이용한 제 3 플라즈마에 의해 처리실(101) 내의 퇴적막(120)을 제거하는 클리닝을 실시한 후, 육불화유황 가스를 이용하여 생성한 제 4 플라즈마에 의한 클리닝을 실시한다. 그 때, 육불화유황 가스에 의한 플라즈마 클리닝 후, 산소 가스를 이용한 플라즈마 클리닝을 실시함으로써, 처리실(101) 내에 있어서의 잔류 질소 및 잔류 불소의 제거 시간을 단축할 수 있다.
또, 산소 가스를 이용한 플라즈마 클리닝을 실시하기 이전에 육불화유황을 이용한 플라즈마 클리닝을 실시함으로써, 클리닝의 처리 시간을 대폭 단축할 수 있다.
(실시형태 2)
도 7은 본 발명의 실시형태 2에 따른 플라즈마 처리 방법의 수순의 일례를 나타내는 흐름도이다.
본 실시형태 2의 플라즈마 처리 장치는, 실시형태 1에서 설명한 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치와 마찬가지이기 때문에, 그 구조에 관한 중복 설명은, 생략한다.
다음으로, 본 실시형태 2의 플라즈마 처리 방법에 대해 도 7을 사용하여 설명한다.
본 실시형태 2에 따른 플라즈마 처리 방법은, 이하에 나타내는 (1)∼(6)의 6가지 요소(스텝)로 구성되며, 도 7에 나타내는 수순에 따라서 처리한다. 즉, (1) 플라즈마를 이용하여 규소를 성분으로 하는 퇴적막의 형성, (2) 금속을 함유하는 막을 가진 시료의 플라즈마 에칭, (3) 환원성을 갖는 원소와 할로겐을 함유하는 플라즈마에 의한 클리닝이다. 또한, (4) 환원성을 갖는 잔류 원소 제거를 목적으로 한 플라즈마에 의한 클리닝, (5) 불소를 주체로 한 플라즈마에 의한 클리닝, (6) 잔류 가스 제거를 목적으로 한 플라즈마에 의한 클리닝이다.
이하, 도 7에 나타내는 본 실시형태 2의 플라즈마 처리 방법을 기초로 각 구성요소에 대해 설명한다. 먼저, 실시형태 1과 마찬가지로, 도 3에 나타나 있는 바와 같이, 처리실(101) 내에 생성한 제 1 플라즈마를 이용하여 규소(Si)를 성분으로 하는 퇴적막(120)을 형성한다(S201, 퇴적막 형성 공정). 여기서는, 상기 제 1 플라즈마에 의해 규소를 성분으로 하는 퇴적막(120)을 처리실(101)의 내벽(챔버 내벽)의 일부 및 시료대(109)의 일부에 각각 형성한다. 즉, 퇴적막(120)은, 주로, 처리실(101)에 있어서의 내벽의 시료대(109)와 동일한 높이 부근의 개소, 및 그것보다 상방의 높이의 개소에 형성된다. 또한, 퇴적막(120)은, 시료대(109)의 상면 및 측면에도 형성된다. 이에 따라, 처리실(101)의 내벽의 일부와 시료대(109)의 일부가 퇴적막(120)에 의해 덮어진 상태가 된다.
이 규소를 성분으로 하는 퇴적막(120)의 형성예로서는, 규소를 함유하는 가스와 탄소(C)를 함유하는 가스의 혼합 가스에 의해 형성되는 규소와 탄소를 함유하는 막이다. 또는, 규소를 함유하는 가스와 질소(N)를 함유하는 가스의 혼합 가스에 의해 형성되는 규소와 질소를 함유하는 막이다. 또한, 규소를 함유하는 가스와 산소(O)를 함유하는 가스의 혼합 가스에 의해 형성되는 규소와 산소를 함유하는 막이다. 본 실시형태에서는, 사염화규소 가스와 산소 가스의 혼합 가스에 의한 산화 규소를 성분으로 하는 막을 형성했을 경우에 관하여 설명한다.
다음으로, 플라즈마 에칭되는 시료(110)를 처리실(101)에 삽입하고, 기판 전극인 시료대(109) 상에 배치한 후, 금속을 함유하는 막이 형성된 시료(110)를 플라즈마 에칭한다(S202, 플라즈마 처리 공정). 그리고, 플라즈마 에칭 종료 후, 시료(110)를 처리실(101) 밖으로 반출한다. 이 금속을 함유하는 막이 형성된 시료(110)를 플라즈마 에칭한 것에 의해, 메탈계 반응 생성물 및 넌메탈계 반응 생성물이 발생한다. 이들 메탈계 반응 생성물 및 넌메탈계 반응 생성물의 각각의 일부는 처리실(101) 내에 형성한 퇴적막(120) 상에 퇴적된다.
에칭 후에는, 환원성을 갖는 원소와 할로겐을 함유하는 제 2 플라즈마를 이용하여 퇴적막(120) 상에 잔류한 메탈계 반응 생성물(금속 원소를 함유하는 퇴적물)을 제거한다(S203, 금속 제거 공정). 즉, 환원성을 갖는 원소와 할로겐을 함유하는 제 2 플라즈마를 생성하고, 이 제 2 플라즈마를 이용하여 (S202) 공정에서 발생한 상기 메탈계 반응 생성물을 제거한다. 상기 메탈계 반응 생성물은, 산화 혹은 불화한 상태에서 퇴적되어 있어, 할로겐 단일 가스에 의해 생성된 플라즈마로는 충분하게 제거하는 것이 어렵다.
그래서, 본 실시형태 2에 있어서도, 규소, 붕소, 질소, 수소 또는 탄소 등 환원성을 갖는 원소를 포함하는 가스를 할로겐 가스에 첨가한 혼합 가스를 이용하여 제 2 플라즈마를 생성하고, 이 제 2 플라즈마에 의해 상기 메탈계 반응 생성물을 제거한다. 본 실시형태 2에 있어서도, 일례로서, 삼염화붕소 가스와 염소 가스와의 혼합 가스를 이용하여 생성한 제 2 플라즈마를 이용하여 클리닝했을 경우에 관하여 설명한다. 삼염화붕소 가스를 이용한 플라즈마 처리에 의해 상기 메탈계 반응 생성물을 제거할 수 있다. 한편, 붕소는 처리실(101)의 벽면(내벽)에 퇴적하는 것이 실험에 의해 알고 있다.
그래서, 환원성을 갖는 잔류 원소의 제거를 목적으로 한 제 5 플라즈마를 이용하여, 잔류 붕소를 제거한다(S204, 환원성 원소 제거 공정). 즉, 처리실(101) 내에 잔류하며, 또한 환원성을 갖는 원소를 제 5 플라즈마를 이용하여 제거한다. 본 실시형태 2에서는, 잔류 붕소의 제거로서, 염소 가스를 이용하여 생성한 플라즈마에 의해 클리닝할 경우에 관하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시형태 2의 플라즈마 처리 방법에 있어서의 붕소의 제거 효과를 나타내는 그래프 도면이다. 구체적으로는, 염소 가스를 이용하여 생성한 제 5 플라즈마에 의해 붕소를 제거했을 때의 클리닝중의 처리실(101) 내의 염화 붕소의 발광 강도의 경시 변화를 나타내는 것이다. 처리실(101) 내에 잔류한 붕소는 염소 플라즈마에 의해 염화 붕소로서 처리실(101) 밖으로 배기된다. 도 8에 나타나 있는 바와 같이, 플라즈마 클리닝 시간의 증가에 따라 처리실(101) 내의 염화 붕소의 발광 강도가 저하되고, 잔류 붕소의 양이 감소하고 있는 것을 알 수 있다.
다음으로, 불소 원소를 함유하는 가스를 이용하여 생성된 제 3 플라즈마에 의해 규소를 성분으로 하는 퇴적막(120)과, 그 퇴적막(120) 상에 퇴적한 상기 메탈계 반응 생성물을 제거한다(S205, 퇴적막 제거 공정). 즉, 불소를 함유하는 가스를 이용하여 생성한 제 3 플라즈마에 의해, (S202) 공정에서 처리실(101) 내에 형성된 퇴적막(120)을 제거한다. 즉, 상기 메탈계 반응 생성물은, (S202) 공정에서, 금속을 함유하는 막이 형성된 시료(110)를 에칭했을 때에 생긴 반응 생성물이다.
그리고, 제 3 플라즈마의 생성에는, 불소 원소를 함유하는 가스(예를 들면, 삼불화질소 가스나 육불화유황 가스 등)를 이용할 수 있다. 이러한 불소 원소를 함유하는 플라즈마 처리를 실시하면, 처리실(101) 내에, 불소 원소를 함유하는 가스의 구성 원소가 잔류한다. 본 실시형태 2에 있어서도, 불소 원소를 함유하는 가스의 일례로서, 삼불화질소 가스를 이용했을 경우에 관하여 설명한다. 삼불화질소 가스를 이용했을 경우에는, 처리실(101) 내에 질소 및 불소가 잔류한다.
그래서, 제 4 플라즈마를 생성하고 이 제 4 플라즈마를 이용해서, 처리실(101) 내에 잔류하는 질소 및 불소 등의 잔류 원소를 제거한다(S206, 불소 원소 제거 공정). 이 제 4 플라즈마의 생성에는, 희가스(헬륨 가스(He), 네온 가스(Ne), 아르곤 가스(Ar), 크립톤 가스(Kr), 크세논 가스(Xe))나 산소 가스 등을 이용할 수 있다. 이들 가스는, 플라즈마 생성 시에 생기는 이온 스퍼터링에 의해 처리실(101)의 벽면(챔버 내벽)에 잔류하는 원소를 제거하는 효과를 기대할 수 있다.
구체적으로는, (S206) 공정에 있어서, 제 4 플라즈마에 의한 잔류 질소 및 잔류 불소의 제거 효과를 나타내는 것이며, 각각, 이하의 3가지 경우에 있어서의 아르곤 방전중의 질소 및 불소의 시간 평균 발광 강도를 나타내고 있다. 상세하게는, 삼불화질소 가스를 이용한 클리닝 후에 아르곤 방전(플라즈마 발광을 검출하기 위한 방전)을 실시했을 경우(클리닝 없음), 삼불화질소 가스를 이용한 클리닝 후에 아르곤 가스를 이용한 클리닝을 실시하고, 아르곤 방전(플라즈마 발광을 검출하기 위한 방전)을 실시했을 경우(아르곤 클리닝)이다. 또한, 삼불화질소 가스를 이용한 클리닝 후에 산소 가스를 이용한 클리닝을 실시하고, 아르곤 방전(플라즈마 발광을 검출하기 위한 방전)을 실시했을 경우(산소 클리닝)이다. 이들 3가지 경우에 있어서의 아르곤 방전중의 질소 및 불소의 시간 평균 발광 강도를 나타내고 있으며, 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 아르곤 또는 산소 클리닝을 행함으로써, 잔류한 질소량 및 불소량을 저감할 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 도 5에 나타나 있는 바와 같이, 생성되는 산소 플라즈마의 처리 압력을 3Pa 이하로 함으로써 아르곤 방전중의 질소 및 불소의 발광 강도가 보다 낮아진다. 즉, 생성되는 산소 플라즈마의 압력 조건을 3Pa 이하로 함으로써, 플라즈마 클리닝에 의한 효과를 향상시킬 수 있다. 이것은, 저압에 의해 플라즈마가 처리실(101) 내에 확산했기 때문으로 생각된다. 즉, (S206) 공정에 있어서의 제 4 플라즈마를 이용한 클리닝의 처리 압력은, 0.01Pa 이상 3Pa 이하인 것이 바람직하고, (S205) 공정에 있어서의 제 3 플라즈마를 이용한 클리닝의 처리 압력보다 작은(낮은) 것이 바람직하다. 즉, 상기 불소 원소 제거 공정의 제 4 플라즈마를 생성하기 위한 압력은, 상기 퇴적막 제거 공정의 제 3 플라즈마를 생성하기 위한 압력보다 작은 것이 바람직하다.
또한, (S205) 공정에서 삼불화질소 가스를 이용한 제 3 플라즈마에 의한 클리닝을 실시한 후, (S206) 공정에서 육불화유황 가스를 이용하여 생성한 제 4 플라즈마에 의한 클리닝을 실시한다. 또한, 제 4 플라즈마로서 실시한 산소 가스를 이용한 클리닝을 실시함으로써, 잔류 질소 및 잔류 불소의 제거 시간을 단축할 수 있다.
또한, 도 6에서는, 산소를 이용한 클리닝을 T초 실시해서 아르곤 방전(플라즈마 발광을 검출하기 위한 방전)을 실시했을 경우, 산소를 이용한 클리닝을 4T초 실시해서 아르곤 방전(플라즈마 발광을 검출하기 위한 방전)을 실시했을 경우, 육불화유황을 이용한 클리닝을 0.75T초 실시하고, 산소를 이용한 클리닝을 T초 실시해서 아르곤 방전(플라즈마 발광을 검출하기 위한 방전)을 실시했을 경우의 각각에 있어서의 아르곤 방전중의 질소 및 불소의 시간 평균의 발광 강도를 나타내고 있다. 또, 도 6에 있어서의 파선은, 백그라운드의 수치를 나타내고 있으며, 상기 파선 이하의 수치가 되면, 아르곤 방전중의 질소 및 불소의 발광 강도가 충분히 저하되어 있는 것으로 판단할 수 있다.
도 6에 나타나 있는 바와 같이, 삼불화질소 가스를 이용한 플라즈마 처리에 의해 잔류하는 질소 및 불소의 발광 강도는, 산소에 의한 클리닝을 4T초 실시함으로써 충분히 저하되는 것을 알 수 있었다. 한편, 육불화유황에 의해 생성한 플라즈마 처리 후에 산소 클리닝을 실시함으로써, 1.75T초에서 충분하게 발광 강도가 저하되는 것을 알 수 있었다. 실험에서는, 육불화유황을 이용한 클리닝을 산소 클리닝의 이전에 삽입함으로써 56.25% 처리 시간을 단축할 수 있었다. 또한, 육불화유황 가스를 이용한 플라즈마 클리닝의 시간보다, 산소 가스를 이용한 플라즈마 클리닝의 시간쪽이 긴 편이 바람직하다.
또, 도 7에 나타나 있는 바와 같이, (S201) 내지 (S206)의 일련의 플라즈마 처리는, 시료(110)의 플라즈마 처리마다 반복 실시된다. 즉, (S201) 내지 (S206)의 일련의 플라즈마 처리는, 시료(110)의 연속 처리 매수만큼 반복해서 실시한다.
본 실시형태 2의 플라즈마 처리 방법에 의하면, 환원성을 갖는 원소와 할로겐을 함유하는 플라즈마에 의한 클리닝을 실시한 후, 불소를 주체로 한 플라즈마에 의한 클리닝을 실시하기 이전에, 환원성을 갖는 잔류 원소 제거를 목적으로 한 플라즈마에 의한 클리닝을 실시함으로써, 환원성을 갖는 잔류 원소를 제거할 수 있다.
구체적으로는, 규소나 붕소 등의 처리실(101)의 벽면에 부착된 환원성 원소를 제거할 수 있다.
본 실시형태 2의 플라즈마 처리 방법에 의해 얻어지는 그 밖의 효과에 대해서는, 실시형태 1의 플라즈마 처리 방법과 마찬가지이기 때문에 그 중복 설명은, 생략한다.
이상, 본 발명자에 의해 이루어진 발명을 실시형태에 의거하여 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 상기한 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들면, 상기한 실시형태는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해서 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것이 아니다.
또한, 임의의 실시형태의 구성의 일부를 다른 실시형태의 구성으로 대체하는 것이 가능하며, 또한 임의의 실시형태의 구성에 다른 실시형태의 구성을 더하는 것도 가능하다. 또한, 각 실시형태의 구성의 일부에 대해서, 다른 구성의 추가, 삭제, 치환을 하는 것이 가능하다. 또, 도면에 기재한 각 부재나 상대적인 사이즈는, 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해서 간소화·이상화하고 있으며, 실장 상에는 보다 복잡한 형상이 된다.
또, 상기 실시형태 1, 2에서 설명한 구조나 방법에 대해서는, 상기 실시형태 1, 2의 것에 한정되는 것이 아니며, 다양한 응용예가 포함된다. 예를 들면, 상기 실시형태 1, 2에서는, 플라즈마 처리 장치의 일례로서, 전자 사이클로트론 공명 플라즈마 에칭 장치(ECR)에 관해서 설명했지만, 유도 결합형 플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma)나 용량 결합형 플라즈마(CCP: Capacitively Coupled Plasma) 등의 플라즈마 처리 장치에 있어서도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
101: 처리실 102: 샤워 플레이트
103: 유전체창 104: 가스 공급 장치
105: 솔레노이드 코일 106: 전자파 발생 장치
107: 도파관 108: 진공 배기관
109: 시료대 110: 시료
111: 직류 전원 112: 고주파 전원
113: 고주파 정합기 114: 내통
115: 발광 분광기 116: 발광 데이터 처리 장치
120: 퇴적막

Claims (8)

  1. 금속을 함유하는 막을 가진 시료에 플라즈마 처리가 행해지는 처리실 내에 생성한 플라즈마를 이용하여 규소를 성분으로 하는 퇴적막을 상기 처리실 내에 형성하는 퇴적막 형성 공정과,
    상기 퇴적막 형성 공정 후, 상기 시료를 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 공정과,
    상기 플라즈마 처리 공정 후, 플라즈마를 이용하여 상기 처리실 내의 금속 원소를 함유하는 퇴적물을 제거하는 금속 제거 공정과,
    상기 금속 제거 공정 후, 불소 원소를 함유하는 가스를 이용하여 생성된 플라즈마에 의해 상기 처리실 내의 상기 퇴적막을 제거하는 퇴적막 제거 공정과,
    상기 퇴적막 제거 공정 후, 산소 가스를 이용하여 생성된 플라즈마에 의해 상기 처리실 내에 잔류하는 불소 원소를 제거하는 불소 원소 제거 공정
    을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 불소 원소 제거 공정의 플라즈마를 생성하기 위한 압력은, 상기 퇴적막 제거 공정의 플라즈마를 생성하기 위한 압력보다 작은 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 제거 공정 후, 상기 처리실 내에 잔류해 환원성을 갖는 원소를 플라즈마를 이용하여 제거하는 환원성 원소 제거 공정을 더 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 환원성 원소 제거 공정의 플라즈마는, 염소 가스를 이용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 환원성을 갖는 원소는, 규소, 붕소, 질소, 수소 또는 탄소인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  6. 금속을 함유하는 막을 가진 시료에 플라즈마 처리가 행해지는 처리실 내에 생성한 플라즈마를 이용하여 규소를 성분으로 하는 퇴적막을 상기 처리실 내에 형성하는 퇴적막 형성 공정과,
    상기 퇴적막 형성 공정 후, 상기 시료를 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 공정과,
    상기 플라즈마 처리 공정 후, 플라즈마를 이용하여 상기 처리실 내의 금속 원소를 함유하는 퇴적물을 제거하는 금속 제거 공정과,
    상기 금속 제거 공정 후, 불소 원소를 함유하는 가스를 이용하여 생성된 플라즈마에 의해 상기 처리실 내의 상기 퇴적막을 제거하는 퇴적막 제거 공정과,
    상기 퇴적막 제거 공정 후, 산소 가스와 헬륨 가스의 혼합 가스, 산소 가스와 네온 가스의 혼합 가스, 산소 가스와 아르곤 가스의 혼합 가스, 산소 가스와 크립톤 가스의 혼합 가스, 또는 산소 가스와 크세논 가스의 혼합 가스를 이용하여 생성된 플라즈마에 의해 상기 처리실 내에 잔류하는 불소 원소를 제거하는 불소 원소 제거 공정
    을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 퇴적막 형성 공정의 플라즈마는, 사염화규소 가스와 산소 가스의 혼합 가스를 이용하여 생성되고,
    상기 금속 제거 공정의 플라즈마는, 삼염화붕소 가스와 염소 가스의 혼합 가스를 이용하여 생성되고,
    상기 환원성 원소 제거 공정의 플라즈마는, 염소 가스를 이용하여 생성되고,
    상기 퇴적막 제거 공정의 플라즈마는, 삼불화질소 가스를 이용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  8. 삭제
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