KR102245903B1 - 플라즈마 처리 장치의 클리닝 방법 및 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

플라즈마 처리 장치의 클리닝 방법 및 플라즈마 처리 장치 Download PDF

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Abstract

처리 챔버의 상부에 설치된 환상의 전자석으로서, 동심 형상으로 설치된 복수의 환상의 코일을 가지는 전자석을 구비한 플라즈마 처리 장치의 상부 전극에 퇴적된 퇴적물을 제거하는 플라즈마 처리 장치의 클리닝 방법으로서, 처리 챔버 내에 정해진 클리닝 가스를 도입하고, 상부 전극과 하부 전극과의 사이에 고주파 전력을 인가하여 클리닝 가스의 플라즈마를 발생시키고, 또한 복수의 코일에 통전하여 자계를 발생시키고, 또한 상부 전극에 퇴적된 퇴적물의 직경 방향에 있어서의 퇴적 두께의 분포에 따라 복수의 코일에 통전하는 통전량을 코일마다 변경한다.

Description

플라즈마 처리 장치의 클리닝 방법 및 플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING DEVICE CLEANING METHOD AND PLASMA PROCESSING DEVICE}
본 발명은 플라즈마 처리 장치의 클리닝 방법 및 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
종래부터, 반도체 장치의 제조 공정 등에서는, 가스를 플라즈마화하여 피처리 기판(예를 들면, 반도체 웨이퍼)에 작용시켜, 피처리 기판에 에칭 처리 등을 실시하는 플라즈마 처리 장치가 이용되고 있다. 또한, 이러한 플라즈마 처리 장치로서는, 처리 챔버 내에 상부 전극과 하부 전극이 대향하도록 배치되고, 이들 전극 사이에 고주파 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시키는 소위 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치가 알려져 있으며, 또한 이러한 구조의 플라즈마 처리 장치에 있어서 자계를 이용하여 플라즈마 밀도를 제어하는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
상기한 플라즈마 처리 장치에서는, 플라즈마 에칭 등의 플라즈마 처리를 반복하여 행하면 폴리머 등의 퇴적물(소위 데포(deposit))이 처리 챔버 내에 퇴적되어, 플라즈마 처리에 악영향을 줄 가능성이 있다. 이 때문에, 정기적으로 처리 챔버 내에 퇴적된 퇴적물을 제거하는 클리닝을 행하고 있다. 이러한 클리닝 방법으로서는, 처리 챔버 내에 클리닝 가스의 플라즈마를 발생시켜 플라즈마에 의해 퇴적물을 에칭하여, 제거하는 방법이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 2 참조).
일본특허공개공보 2013-149722호 일본특허공개공보 2009-099858호
상기와 같이 종래의 플라즈마 처리 장치에서는, 폴리머 등의 퇴적물을 제거 하기 위하여, 처리 챔버 내의 클리닝이 행해지고 있다. 여기서, 최근 메모리 등의 반도체 디바이스의 미세화, 고집적화는 한계에 가까워져 있어, 적층에 의해 용량을 늘리는 3 차원 NAND 메모리 등이 주류가 되어 있다. 이러한 3 차원 NAND 메모리는, 적층수를 늘림으로써 용량을 늘릴 수 있지만, 적층수가 증가하는 만큼, 플라즈마 에칭 공정의 처리 시간도 늘어나기 때문에, 처리 챔버 내에 대량의 퇴적물이 퇴적된다. 이 때문에, 상기한 클리닝을 빈번하게 행해야 하므로, 클리닝을 효율적으로 단시간에 행하는 방법의 개발이 요구되고 있었다.
또한, 예를 들면 상부 전극과 하부 전극이 대향하도록 처리 챔버 내에 설치된 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치에서는, 플라즈마 처리에 있어서의 플라즈마 밀도의 분포 상태 등에 따라 상부 전극에 퇴적되는 퇴적물의 두께(양)가 불균일해지는 경우가 있다. 이러한 경우, 두껍게 퇴적된 부분의 퇴적물을 제거하고자 하면, 퇴적물의 두께가 얇은 부분에서는, 퇴적물이 제거된 후에도 클리닝이 계속되기 때문에, 상부 전극이 에칭되어, 소모된다고 하는 문제도 있다.
본 발명은, 상기의 사정에 대처하여 이루어진 것으로, 클리닝 시에 있어서의 상부 전극의 소모를 억제할 수 있고, 또한 종래에 비해 클리닝을 효율적으로 단시간에 행할 수 있어, 생산 효율의 향상을 도모할 수 있는 플라즈마 처리 장치의 클리닝 방법 및 플라즈마 처리 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 클리닝 방법의 일태양은, 피처리 기판을 수용하는 처리 챔버와, 상기 처리 챔버 내에 설치되고, 상기 피처리 기판이 배치되는 하부 전극과, 상기 처리 챔버 내에 설치되고, 상기 하부 전극과 대향하는 상부 전극과, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극과의 사이에 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원과, 상기 처리 챔버의 상부에 설치된 환상(環狀)의 전자석으로서, 동심 형상으로 설치된 복수의 환상의 코일을 가지는 전자석을 구비한 플라즈마 처리 장치의 상기 상부 전극에 퇴적된 퇴적물을 제거하는 플라즈마 처리 장치의 클리닝 방법으로서, 상기 처리 챔버 내에 정해진 클리닝 가스를 도입하고, 상기 고주파 전원으로부터 상기 상부 전극과 상기 하부 전극과의 사이에 고주파 전력을 인가하여 상기 클리닝 가스의 플라즈마를 발생시키고, 또한 복수의 상기 코일에 통전하여 자계를 발생시키고, 또한 상기 상부 전극에 퇴적된 퇴적물의 직경 방향에 있어서의 두께의 분포에 따라 복수의 상기 코일의 통전량을 상기 코일마다 조정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 일태양은, 피처리 기판에 플라즈마를 작용 시켜 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치로서, 상기 피처리 기판을 수용하는 처리 챔버와, 상기 처리 챔버 내에 설치되고, 상기 피처리 기판이 배치되는 하부 전극과, 상기 처리 챔버 내에 설치되고, 상기 하부 전극과 대향하는 상부 전극과, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극과의 사이에 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원과, 상기 처리 챔버의 상부에 설치된 환상의 전자석으로서, 동심 형상으로 설치된 복수의 환상의 코일을 가지는 전자석과, 상기 상부 전극에 퇴적된 퇴적물을 제거하는 클리닝 시, 상기 처리 챔버 내에 정해진 클리닝 가스를 도입하고, 상기 고주파 전원으로부터 상기 상부 전극과 상기 하부 전극과의 사이에 고주파 전력을 인가하여 상기 클리닝 가스의 플라즈마를 발생시키고, 또한 복수의 상기 코일에 통전하여 자계를 발생시키고, 또한 상기 상부 전극에 퇴적된 퇴적물의 직경 방향에 있어서의 두께의 분포에 따라 복수의 상기 코일의 통전량을 상기 코일마다 조정하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 클리닝 시에 있어서의 상부 전극의 소모를 억제할 수 있고, 또한 종래에 비해 클리닝을 효율적으로 단시간에 행할 수 있어, 생산 효율의 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 모식적으로 나타내는 도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치의 주요부 개략 구성을 모식적으로 나타내는 도이다.
도 3은 전자석에 의해 발생하는 자계의 예를 나타내는 도이다.
도 4는 상부 전극 및 커버 링에 대한 퇴적물의 두께의 분포의 예를 나타내는 그래프이다.
도 5는 상부 전극 및 커버 링에 대한 퇴적물의 두께의 분포의 예를 나타내는 그래프이다.
도 6은 상부 전극의 직경 방향 위치와 에칭 레이트와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 상부 전극의 직경 방향 위치와 에칭 레이트와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 상부 전극의 직경 방향 위치와 에칭 레이트와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 실드 링의 상하 방향 위치와 에칭 레이트와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 실드 링의 상하 방향 위치와 에칭 레이트와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 EPD에 있어서의 미분 파형의 예를 나타내는 그래프이다.
이하에, 본 발명의 실시의 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 단면 구성을 모식적으로 나타내는 도이다. 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치(10)는 기밀하게 구성되고, 직경이 예를 들면 300 mm인 반도체 웨이퍼(W)를 수용하는 원통 형상의 처리 챔버(12)를 구비하고 있다.
처리 챔버(12) 내의 하방에는 반도체 웨이퍼(W)를 배치하는 원판 형상의 배치대(14)가 설치되어 있다. 배치대(14)는 기대(14a) 및 정전 척(14b)을 포함하고 있다. 기대(14a)는 알루미늄 등의 도전성의 부재로 구성되어 있다.
기대(14a)의 상면의 주연의 영역에는, 반도체 웨이퍼(W)의 주위를 둘러싸도록 환상의 포커스 링(26)이 마련되어 있다. 또한, 기대(14a)의 상면의 중앙의 영역에는 정전 척(14b)이 마련되어 있다. 정전 척(14b)은 원판 형상으로 되어 있고, 절연막의 내측에 마련된 전극막을 가지고 있다. 정전 척(14b)의 전극막에는 직류 전원(도시하지 않음)으로부터 직류 전압이 공급되고, 정전력을 발생하여, 피처리 기판으로서의 반도체 웨이퍼(W)를 흡착한다.
정전 척(14b) 상에 반도체 웨이퍼(W)가 배치된 상태에서는, 반도체 웨이퍼(W)의 중심을 상하 방향으로 통과하는 중심 축선(Z)은 기대(14a) 및 정전 척(14b)의 중심 축선에 대략 일치한다.
기대(14a)는 하부 전극을 구성하고 있다. 이 기대(14a)에는 플라즈마 생성용의 고주파 전력을 발생하는 제 1 고주파 전원(18)이 제 1 정합기(22)를 개재하여 접속되어 있다. 제 1 고주파 전원(18)은, 예를 들면 주파수 100 MHz의 고주파 전력을 발생한다. 또한, 제 1 정합기(22)는 당해 제 1 고주파 전원(18)의 출력 임피던스와 부하측(하부 전극측)의 입력 임피던스를 정합시키기 위한 회로를 가지고 있다. 또한, 제 1 고주파 전원(18)을 상부 전극(16)에 접속한 구성으로 할 수도 있다.
본 실시 형태에서는, 제 1 고주파 전원(18)은 원하는 주파수(예를 들면 90 kHz) 및 원하는 듀티비(예를 들면 50 %)로 플라즈마 생성용의 고주파 전력을 펄스 형상으로 인가할 수 있도록 되어 있다. 이에 의해, 플라즈마 생성 기간과 플라즈마 비생성 기간을 마련하고, 반도체 웨이퍼(W) 상의 특정의 부위에 전하의 축적이 발생하는 것을 경감할 수 있도록 되어 있다. 즉, 플라즈마 생성 기간 중에는, 플라즈마 중의 전자 밀도의 불균일에 따라 전자 밀도가 높은 부분에 전하의 축적이 발생해 버리지만, 플라즈마 비생성 기간을 마련함으로써, 이 기간 중에 축적된 전하를 주위로 분산시킬 수 있어, 전하의 축적을 해소할 수 있다. 이에 의해 절연막의 파괴 등이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한 기대(14a)에는, 이온 인입용의 고주파 바이어스 전력을 발생하는 제 2 고주파 전원(20)이 제 2 정합기(24)를 개재하여 접속되어 있다. 제 2 고주파 전원(20)은 제 1 고주파 전원(18)보다 주파수가 낮은(예를 들면, 주파수 3.2 MHz) 고주파 전력을 발생한다. 또한, 제 2 정합기(24)는 당해 제 2 고주파 전원(20)의 출력 임피던스와 부하측(하부 전극측)의 입력 임피던스를 정합시키기 위한 회로를 가지고 있다. 또한, 포커스 링(26)의 하방의 배치대(14)의 주위는 실드 링(28)에 의해 둘러싸여 있다.
배치대(하부 전극)(14)의 상방에는, 처리 공간(S)을 개재하여 배치대(14)와 대향하도록 상부 전극(16)이 설치되어 있다. 상부 전극(16)은 원판 형상으로 이루어져 있고, 처리 공간(S)을 그 상방으로부터 구획 형성하고 있다. 상부 전극(16)은 그 중심 축선이, 배치대(14)의 중심 축선과 대략 일치하도록 배치되어 있다. 본 실시 형태에 있어서, 상부 전극(16)의 배치대(14)와의 대향면을 구성하는 부재는 석영제로 이루어져 있다. 이 석영제의 상부 전극(16)의 주위에는 도시하지 않은 커버 링이 설치되어 있다. 또한, 상부 전극(16)은 석영제인 것에 한정되지 않으며, 실리콘제인 것이어도 된다. 또한, 처리 공간(S)에 면한 표면에, 예를 들면 산화 이트륨 Y2O3, 또는 YF3를 함유하는 불화 화합물 등의 용사막이 형성되어 있어도 된다. 또한, 상부 전극(16)이 실리콘제의 것인 경우, 상부 전극(16)에 직류 전압을 인가하는 구성이어도 된다.
상부 전극(16)은 정해진 처리 가스를 샤워 형상으로 처리 공간(S)에 도입하는 샤워 헤드의 기능을 겸하고 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 상부 전극(16)에는 버퍼 실(16a), 가스 라인(16b) 및 복수의 가스홀(16c)이 형성되어 있다. 버퍼실(16a)에는 가스 라인(16b)의 일단이 접속되어 있다. 또한, 버퍼실(16a)에는 복수의 가스홀(16c)이 접속되어 있고, 이들 가스홀(16c)은 하방으로 연장되어, 처리 공간(S)을 향해 개구되어 있다. 한편, 처리 챔버(12)의 저부에는, 도시하지 않은 TMP(Turbo Molecular Pump) 및 DP(Dry Pump) 등의 배기 기구가 접속되어 있고, 처리 챔버(12) 내의 압력을 정해진 감압 분위기로 유지할 수 있도록 되어 있다.
상부 전극(16)의 상부에는 전자석(30)이 설치되어 있다. 전자석(30)은 코어 부재(50) 및 코일(61 ~ 64)을 구비하고 있다. 코어 부재(50)는 기둥 형상부(51), 복수의 원통부(52 ~ 55) 및 베이스부(56)가 일체로 형성된 구조를 가지고 있고, 자성 재료로 구성되어 있다. 베이스부(56)는 대략 원판 형상을 가지고 있고, 그 중심 축선은 중심 축선(Z)을 따르도록 마련되어 있다. 베이스부(56)의 하면으로부터는, 기둥 형상부(51), 복수의 원통부(52 ~ 55)가 하방으로 돌출되도록 설치되어 있다. 기둥 형상부(51)는 대략 원주(円柱) 형상을 가지고 있고, 그 중심 축선이 중심 축선(Z)을 따르도록 마련되어 있다. 이 기둥 형상부(51)의 반경(L1)(도 2 참조)은 예를 들면 30 mm이다.
원통부(52 ~ 55)의 각각은 축선(Z) 방향으로 연장되는 원통 형상을 가지고 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 원통부(52 ~ 55)는 각각, 중심 축선(Z)을 중심으로 하는 복수의 동심원(C2 ~ C5)을 따라 마련되어 있다. 구체적으로, 원통부(52)는 반경(L1)보다 큰 반경(L2)의 동심원(C2)을 따라 설치되어 있고, 원통부(53)는 반경(L2)보다 큰 반경(L3)의 동심원(C3)을 따라 설치되어 있고, 원통부(54)는 반경(L3)보다 큰 반경(L4)의 동심원(C4)을 따라 설치되어 있고, 원통부(55)는 반경(L4)보다 큰 반경(L5)의 동심원(C5)을 따라 설치되어 있다.
일례에 있어서는, 반경(L2, L3, L4, L5)은 각각 76 mm, 127 mm, 178 mm, 229 mm이다. 이 경우, L4, L5는 반도체 웨이퍼(W)의 반경 150 mm보다 크다. 따라서, 코일(64)은 반도체 웨이퍼(W)보다 외측의 포커스 링(26)의 상방에 위치한 구성으로 되어 있다. 또한, 코일(61, 62, 63, 64)의 중심의 위치는 각각 중심 축선(Z)으로부터 대략 50 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm로 되어 있다.
기둥 형상부(51)와 원통부(52)의 사이에는 홈이 구획 형성되어 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 이 홈에는 기둥 형상부(51)의 외주면을 따라 감겨진 코일(61)이 수용되어 있다. 원통부(52)와 원통부(53)의 사이에도 홈이 구획 형성되어 있고, 당해 홈에는 원통부(52)의 외주면을 따라 감겨진 코일(62)이 수용되어 있다. 또한, 원통부(53)와 원통부(54)의 사이에도 홈이 구획 형성되어 있고, 당해 홈에는, 원통부(53)의 외주면을 따라 감겨진 코일(63)이 수용되어 있다. 또한, 원통부(54)와 원통부(55)의 사이에도 홈이 구획 형성되어 있고, 당해 홈에는, 원통부(54)의 외주면을 따라 감겨진 코일(64)이 수용되어 있다. 이들 코일(61 ~ 64)의 각각의 양단은 도시하지 않은 전원에 접속되어 있다. 코일(61 ~ 64)의 각각에 대한 전류의 공급 및 공급 정지, 그리고 전류의 값은 제어부(Cnt)로부터의 제어 신호에 의해 제어된다.
상기 구성의 전자석(30)에 의하면, 코일(61 ~ 64) 중 1 개 이상의 코일에 전류를 공급함으로써, 중심 축선(Z)에 대하여 직경 방향을 따른 수평 자계 성분(BH)을 가지는 자계(B)를 처리 공간(S)에 있어서 형성할 수 있다. 도 3에 전자석(30)에 의해 형성되는 자계의 예를 나타낸다.
도 3의 (a)에는, 중심 축선(Z)에 대하여 반 평면 내에 있어서의 전자석(30)의 단면 및 코일(62)에 전류가 공급되었을 때의 자계(B)가 나타나 있고, 도 3의 (b)에는, 코일(62)에 전류가 공급되었을 때의 수평 자계 성분(BH)의 강도 분포가 나타나 있다.
또한 도 3의 (c)에는, 중심 축선(Z)에 대하여 반 평면 내에 있어서의 전자석(30)의 단면 및 코일(64)에 전류가 공급되었을 때의 자계(B)가 나타나 있고, 도 3의 (d)에는, 코일(64)에 전류가 공급되었을 때의 수평 자계 성분(BH)의 강도 분포가 나타나 있다. 도 3의 (b) 및 도 3의 (d)에 나타내는 그래프에 있어서는, 횡축은 중심 축선(Z)의 위치를 0 mm로 했을 때의 직경 방향의 위치를 나타내고 있고, 종축은 수평 자계 성분(BH)의 강도(자속 밀도)를 나타내고 있다.
전자석(30)의 코일(62)에 전류를 공급하면, 도 3의 (a)에 나타내는 것과 같은 자계(B)가 형성된다. 즉, 기둥 형상부(51) 및 원통부(52)의 처리 공간(S)측의 단부로부터 원통부(53 ~ 55)의 처리 공간(S)측의 단부를 향하는 자계(B)가 형성된다. 이러한 자계(B)의 수평 자계 성분(BH)의 직경 방향의 강도 분포는, 도 3의 (b)에 나타내는 바와 같이, 코일(62)의 중심의 하방에 있어서 피크를 가지는 강도 분포가 된다. 일례에 있어서는, 코일(62)의 중심의 위치는 축선(Z)으로부터 약 100 mm의 위치이며, 직경 300 mm의 웨이퍼(W)가 처리되는 경우에는, 직경 방향에 있어서 웨이퍼(W)의 중심과 엣지의 중간 위치이다.
또한, 전자석(30)의 코일(64)에 전류를 공급하면, 도 3의 (c)에 나타내는 것과 같은 자계(B)가 형성된다. 즉, 기둥 형상부(51) 및 원통부(52 ~ 54)의 처리 공간(S)측의 단부로부터 원통부(55)의 처리 공간(S)측의 단부를 향하는 자계(B)가 형성된다. 이러한 자계(B)의 수평 자계 성분(BH)의 직경 방향의 강도 분포는, 도 3의 (d)에 나타내는 바와 같이, 코일(64)의 중심의 하방에 있어서 피크를 가지는 강도 분포가 된다. 일례에 있어서는, 코일(64)의 중심의 위치는 축선(Z)으로부터 약 200 mm의 위치이며, 직경 300 mm(반경 150 mm)의 웨이퍼(W)가 처리되는 경우에는, 직경 방향에 있어서 웨이퍼(W)의 엣지의 외측, 즉 포커스 링(26)의 위치이다.
플라즈마 처리 장치(10)에서는, 가스 공급계로부터의 처리 가스를, 샤워 헤드를 구성하는 상부 전극(16)으로부터 처리 공간(S)으로 공급하고, 제 1 고주파 전원(18)으로부터의 고주파 전력을 하부 전극으로서의 배치대(14)에 부여하여 상부 전극(16)과 배치대(14)의 사이에 고주파 전계를 발생시킨다. 이에 의해, 처리 공간(S)에 있어서 처리 가스의 플라즈마가 생성된다. 그리고, 플라즈마 중에서 해리된 처리 가스를 구성하는 분자 또는 원자의 활성종에 의해, 반도체 웨이퍼(W)를 처리할 수 있다. 또한, 제 2 고주파 전원(20)으로부터 하부 전극으로서의 배치대(14)에 부여하는 고주파 바이어스 전력을 조정함으로써, 이온의 인입의 정도를 조정하는 것이 가능하다.
또한, 플라즈마 처리 장치(10)는 제어부(Cnt)를 가진다. 제어부(Cnt)는 프로그램 가능한 컴퓨터 장치 등으로 구성되어 있다. 제 1 고주파 전원(18)이 발생하는 고주파 전력, 제 2 고주파 전원(20)이 발생하는 고주파 전력, 배기 장치의 배기량, 가스 공급계로부터 공급하는 가스 및 당해 가스의 유량, 그리고 전자석(30)의 코일(61 ~ 64)에 공급하는 전류의 값 및 전류의 방향을 제어한다. 이 때문에, 제어부(Cnt)는 그 메모리에 저장되거나, 또는 입력 장치에 의해 입력되는 레시피에 따라, 제 1 고주파 전원(18), 제 2 고주파 전원(20), 배기 장치, 가스 공급계의 각 구성 요소, 전자석(30)에 접속된 전류원에 대하여 제어 신호를 송출한다.
본 실시 형태에 있어서, 제어부(Cnt)는 상부 전극(16)에 퇴적된 퇴적물을 제거하는 클리닝 시에, 처리 챔버(12) 내에 정해진 클리닝 가스를 도입하고, 제 1 고주파 전원(18) 및 필요에 따라 제 2 고주파 전원(20)으로부터 하부 전극으로서의 배치대(14)에 고주파 전력을 인가하여 클리닝 가스의 플라즈마를 발생시키고, 또한 전자석(30)의 코일(61 ~ 64)에 통전하여 자계를 발생시키고, 또한 상부 전극(16)에 퇴적된 퇴적물의 직경 방향에 있어서의 두께의 분포에 따라 코일(61 ~ 64)의 통전량을 코일마다 조정한다.
상기 구성의 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 반도체 웨이퍼(W)의 주위에 포커스 링(26)을 배치함으로써, 반도체 웨이퍼(W)의 외주부에 있어서의 플라즈마의 상태를, 반도체 웨이퍼(W)의 상부와 동일하게 하고, 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 있어서의 에칭 상태의 변동을 억제하여 반도체 웨이퍼(W)의 면내에 있어서의 처리의 균일성을 향상시키고 있다.
플라즈마 처리 장치(10)에 의해, 반도체 웨이퍼(W)의 플라즈마 에칭을 행하면, 처리 챔버(12)의 내벽, 또는 석영제의 상부 전극(16) 등에 퇴적물(소위 데포(deposit))이 퇴적된다. 이 때문에, 정해진 타이밍, 예를 들면 정해진 시간 반도체 웨이퍼(W)의 처리를 행한 타이밍에 클리닝을 실시한다.
이 클리닝은, 처리 챔버(12) 내에 상부 전극(16)을 개재하여 정해진 클리닝 가스(예를 들면 CF4 ＋ O2)를 도입하고, 제 1 고주파 전원(18) 및 필요에 따라 제 2 고주파 전원(20)으로부터, 하부 전극으로서 배치대(14)에 고주파 전력을 인가함으로써, 클리닝 가스를 플라즈마화하여, 플라즈마의 작용에 의해 퇴적물을 제거한다. 여기서, 석영제의 상부 전극(16)의 배치대(14)와의 대향면에는 퇴적물이 퇴적되어 있지만, 이 퇴적물의 두께(양)가 상부 전극(16)의 직경 방향의 위치에 따라 상이한 경우가 있다.
도 4, 5는 종축을 퇴적물의 두께로서, 상부 전극(16)의 중심으로부터의 거리가 0 mm(상부 전극 중심부), 120 mm(상부 전극 중간부), 180 mm(상부 전극 주연부), 240 mm(커버 링)의 위치에 있어서의 퇴적물의 두께를 측정한 예를 나타내고 있다. 도 4에 나타내는 퇴적물의 두께의 예에서는, 상부 전극(16)의 중심으로부터의 거리가 0 mm의 위치에서는 2555 nm, 120 mm의 위치에서는 2865 nm, 180 mm의 위치에서는 2227 nm, 240 mm의 위치에서는 1600 nm가 되어 있다.
도 5에 나타내는 퇴적물의 두께의 예에서는, 상부 전극(16)의 중심으로부터의 거리가 0 mm의 위치에서는 824 nm, 120 mm의 위치에서는 815 nm, 180 mm의 위치에서는 661 nm, 240 mm의 위치에서는 506 nm가 되어 있다.
도 4, 5에 나타내는 바와 같이, 상부 전극(16)에 퇴적되는 퇴적물의 두께는 일정하지 않고, 직경 방향 위치에 따라 그 두께가 상이하다. 또한, 처리의 종류에 따라서도 퇴적물의 두께가 변화하는 경향이 상이하며, 도 4에 나타내는 예에서는, 상부 전극(16)의 중심으로부터의 거리가 120 mm의 위치에서 가장 두껍고, 도 5에 나타내는 예에서는, 상부 전극(16)의 중심으로부터의 거리가 0 mm의 위치에서 가장 두꺼워져 있다.
또한 도 4는, C4F8 / HBr / SF6로 이루어지는 가스계를 이용하여 플라즈마 에칭을 실시한 경우를 나타내고 있다. 또한 도 5는, CH2F2 / HBr / NF3로 이루어지는 가스계를 이용하여 플라즈마 에칭을 실시한 경우를 나타내고 있다.
상기와 같이, 상부 전극(16)의 직경 방향 위치에 따라 퇴적물의 두께가 상이한 경우, 각 부에서 균일한 클리닝 속도로 클리닝을 행하면, 퇴적물의 두께가 얇은 부분에서 먼저 상부 전극(16)이 노출되고, 이 상태에서 클리닝이 계속됨으로써, 퇴적물의 두께가 두꺼운 부분의 퇴적물이 제거된다. 이에 의해, 먼저 상부 전극(16)이 노출된 부분에 있어서, 상부 전극(16)이 에칭되어 소모되게 된다.
따라서 본 실시 형태에서는, 전자석(30)의 각 코일(61 ~ 64)에 전류를 흘려 자계를 형성한 상태에서 클리닝을 행한다. 또한, 상부 전극(16)의 직경 방향 위치에 있어서의 퇴적물의 두께의 상이에 따라 클리닝 속도를 조정하여, 퇴적물의 두께가 두꺼운 부분에서는 상대적으로 클리닝 속도가 빨라지고, 퇴적물의 두께가 얇은 부분에서는 상대적으로 클리닝 속도가 느려지도록 자계의 상태를 제어한다.
도 6, 7은 클리닝 가스로서 CF4 / O2 = 200 / 200 sccm의 가스계를 사용하고, 압력 26.6 Pa(200 mTorr), 제 1 고주파 전원(18)의 고주파 전력 2000 W, 제 2 고주파 전원(20)의 고주파 전력 150 W의 조건으로 클리닝을 행한 경우의 상부 전극(16)의 직경 방향 위치에 있어서의 에칭 레이트(클리닝 속도)를 측정한 결과를 나타내고 있다. 도 6, 7에 있어서, 검은색 마름모 마크의 플롯은, 전자석(30)의 각 코일(61 ~ 64)에 1 G의 자계를 발생시킨 경우(Low), 흰색의 정방형의 마크의 플롯은, 전자석(30)의 각 코일(61 ~ 64)에 18 / 26 / 27 / 28 G의 자계를 발생시킨 경우(High)를 나타내고 있다.
또한, 도 6은 유기계의 퇴적물을 상정하여 포토 레지스트의 에칭 레이트를 측정한 결과를 나타내고 있고, 도 7은 실리콘계의 퇴적물을 상정하여 실리콘 산화막의 에칭 레이트를 측정한 결과를 나타내고 있다. 실제의 측정에 있어서는, 정해진 막 두께의 포토 레지스트막을 형성한 직사각형 형상의 웨이퍼 칩, 및 정해진 막 두께의 실리콘 산화막을 형성한 직사각형 형상의 웨이퍼 칩을 상부 전극(16)의 각 부에 부착하여 클리닝을 실시하고, 이 후 이들 직사각형 형상의 웨이퍼 칩의 잔막량을 측정하여 에칭 레이트를 산출했다.
도 6, 7에 나타나는 바와 같이, 포토 레지스트에 대해서도 실리콘 산화막에 대해서도, 전자석(30)의 각 코일(61 ~ 64)에 의해, 보다 강한 자계를 형성한 상태에서 클리닝을 실시하면, 전체적으로 에칭 레이트(클리닝 속도)가 상승했다. 이에 의해, 클리닝에 요하는 시간을 종래에 비해 단축할 수 있어, 생산성의 향상을 도모할 수 있다. 또한 자계를 형성한 경우, 전자의 체재 시간이 길어져 플라즈마 밀도가 높아지기 때문에 에칭 레이트(클리닝 속도)가 상승한다고 상정된다.
또한, 전자석(30)의 각 코일(61 ~ 64)에 의해 보다 강한 자계를 형성한 경우, 약한 자계를 형성한 경우에 비해 중심 부근의 에칭 레이트(클리닝 속도)가 상승하는 경향이 있다. 한편, 주연부에 있어서의 에칭 레이트(클리닝 속도)는, 약한 자계를 형성한 경우와 동등 혹은 낮아지는 경향이 있다. 이와 같이, 전자석(30)의 각 코일(61 ~ 64)에 의해 어떠한 강도의 자계를 형성하는가에 따라, 상부 전극(16)의 직경 방향 위치에 있어서의 에칭 레이트(클리닝 속도)를 조정할 수 있다.
도 8은 클리닝 가스를 변경하여, O2 / He = 950 / 900 sccm의 가스계를 사용하고, 압력 106.4 Pa(800 mTorr), 제 1 고주파 전원(18)의 고주파 전력 2000 W, 제 2 고주파 전원(20)의 고주파 전력 0 W의 조건으로 클리닝을 행한 경우의 상부 전극(16)의 직경 방향 위치에 있어서의 에칭 레이트(클리닝 속도)를 포토 레지스트에 대하여 측정한 결과를 나타내고 있다. 도 8에 나타나는 바와 같이, 클리닝 가스를 O2 / He 로 변경한 경우에 있어서도, 도 6에 나타낸 CF4 / O2의 가스계를 사용한 경우와 동일한 경향이 보여졌다.
따라서, 전자석(30)의 각 코일(61 ~ 64)에 통전하는 전류의 양을 조정하여 전자석(30)에 의해 형성되는 자계의 상태를 변경함으로써, 상부 전극(16)에 대한 퇴적물의 퇴적량이 많은(퇴적물의 두께가 두꺼운) 부분에 대해서는, 에칭 레이트가 높아(클리닝 속도가 빨라)지고, 퇴적물의 퇴적량이 적은(퇴적물의 두께가 얇은) 부분에 대해서는, 에칭 레이트가 낮아(클리닝 속도가 느려)지도록 에칭 레이트(클리닝 속도)를 제어할 수 있다. 이에 의해, 퇴적량이 적은(퇴적물의 두께가 얇은) 부분에 있어서, 전체의 클리닝이 종료되기 이전에 조기에 상부 전극(16)의 표면이 노출되어, 상부 전극(16)이 에칭되어 소모되는 것을 억제할 수 있다.
도 9, 10은, 클리닝 가스로서 CF4 / O2 = 200 / 200 sccm의 가스계를 사용하고, 압력 26.6 Pa(200 mTorr), 제 1 고주파 전원(18)의 고주파 전력 2000 W, 제 2 고주파 전원(20)의 고주파 전력 150 W의 조건으로 클리닝을 행한 경우의 실드 링(28)의 상하 방향 위치에 있어서의 에칭 레이트(클리닝 속도)를 측정한 결과를 나타내고 있다. 도 9는 유기계의 퇴적물을 상정하여 포토 레지스트의 에칭 레이트를 측정한 결과를 나타내고 있고, 도 10은 실리콘계의 퇴적물을 상정하여 실리콘 산화막의 에칭 레이트를 측정한 결과를 나타내고 있다. 또한 전술한 바와 같이, 실드 링은 도 1에 나타낸 배치대(14)의 측방에 설치된 부재이며, 그 하단부를 0 mm로 하고, 상방향 100 mm의 위치까지의 에칭 레이트(클리닝 속도)를 측정했다. 이들 도 9, 10에 나타나는 바와 같이, 보다 강한 자계를 형성함으로써, 실드 링(28)의 부위에 있어서의 에칭 레이트(클리닝 속도)를 향상시킬 수 있다. 또한, 자계의 강도의 변화에 따라서는, 실드 링(28)의 부위에 있어서의 에칭 레이트(클리닝 속도)의 분포의 변화는 거의 발생하지 않았다.
도 11은 EPD(종점 검출 장치)에 의해, 카본계의 데포(deposit) 조건으로 포토 레지스트를 형성한 블랭킷 웨이퍼를 처리한 후, 클리닝에 있어서의 파장 440 nm(CO)의 미분 파형을 측정한 결과를 나타내는 것으로, 횡축은 시간(초), 종축은 발광 강도를 나타낸다. 도면 중의 실선은 전자석(30)의 각 코일(61 ~ 64)에 1 G의 자계를 발생시킨 경우(Low), 점선은 전자석(30)의 각 코일(61 ~ 64)에 18 / 26 / 27 / 28 G의 자계를 발생시킨 경우(High)를 나타내고 있다. 도 11에 나타나는 바와 같이, 강한 자계를 발생시킨 경우, 약한 자계를 발생시킨 경우보다 미분 파형이 빠르게 수렴되고 있어, 에칭 레이트(클리닝 속도)가 빠른 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명은 상기의 실시 형태에 한정되지 않으며, 각종의 변형이 가능한 것은 물론이다. 예를 들면, 클리닝 가스는 CF4 / O2, O2 / He에 한정되지 않고, 예를 들면 NF3 / O2 등의 각종의 가스계를 사용할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 클리닝 방법 및 플라즈마 처리 장치는 반도체 장치의 제조 분야 등에서 이용할 수 있다. 따라서, 산업상의 이용 가능성을 가진다.
10 : 플라즈마 처리 장치
12 : 처리 챔버
14 : 배치대
16 : 상부 전극
18 : 제 1 고주파 전원
20 : 제 2 고주파 전원
22 : 제 1 정합기
24 : 제 2 정합기
26 : 포커스 링
30 : 전자석
61 ~ 64 : 코일
Cnt : 제어부
S : 처리 공간
W : 반도체 웨이퍼

Claims (5)

  1. 피처리 기판을 수용하는 처리 챔버와,
    상기 처리 챔버 내에 설치되고, 상기 피처리 기판이 배치되는 하부 전극과,
    상기 처리 챔버 내에 설치되고, 상기 하부 전극과 대향하는 상부 전극과,
    상기 상부 전극과 상기 하부 전극과의 사이에 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원과,
    상기 처리 챔버의 상부에 설치된 환상의 전자석으로서, 동심 형상으로 설치된 복수의 환상의 코일을 가지는 전자석
    을 구비한 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치의 상기 상부 전극에 퇴적된 퇴적물을 제거하는 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치의 클리닝 방법으로서,
    상기 처리 챔버 내에 정해진 클리닝 가스를 도입하고, 상기 고주파 전원으로부터 상기 상부 전극과 상기 하부 전극과의 사이에 고주파 전력을 인가하여 상기 클리닝 가스의 플라즈마를 발생시키고, 또한,
    복수의 상기 코일에 통전하여 자계를 발생시키고, 또한 상기 상부 전극에 퇴적된 퇴적물의 직경 방향에 있어서의 두께의 분포에 따라 복수의 상기 코일의 통전량을 상기 코일마다 조정하는
    것을 특징으로 하는 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치의 클리닝 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자석은 상기 코일을 4 개 구비하고, 4 개의 상기 코일의 통전량을 상기 코일마다 조정하는 것을 특징으로 하는 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치의 클리닝 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 상부 전극에 퇴적된 퇴적물의 두께가 상대적으로 두꺼운 부분에서 클리닝 속도가 빠르고, 상기 상부 전극에 퇴적된 퇴적물의 두께가 상대적으로 얇은 부분에서 클리닝 속도가 느려지도록 복수의 상기 코일의 통전량을 상기 코일마다 조정하는 것을 특징으로 하는 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치의 클리닝 방법.
  4. 피처리 기판에 플라즈마를 작용시켜 처리를 행하는 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 피처리 기판을 수용하는 처리 챔버와,
    상기 처리 챔버 내에 설치되고, 상기 피처리 기판이 배치되는 하부 전극과,
    상기 처리 챔버 내에 설치되고, 상기 하부 전극과 대향하는 상부 전극과,
    상기 상부 전극과 상기 하부 전극과의 사이에 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원과,
    상기 처리 챔버의 상부에 설치된 환상의 전자석으로서, 동심 형상으로 설치된 복수의 환상의 코일을 가지는 전자석과,
    상기 상부 전극에 퇴적된 퇴적물을 제거하는 클리닝 시, 상기 처리 챔버 내에 정해진 클리닝 가스를 도입하고, 상기 고주파 전원으로부터 상기 상부 전극과 상기 하부 전극과의 사이에 고주파 전력을 인가하여 상기 클리닝 가스의 플라즈마를 발생시키고, 또한 복수의 상기 코일에 통전하여 자계를 발생시키고, 또한, 상기 상부 전극에 퇴적된 퇴적물의 직경 방향에 있어서의 두께의 분포에 따라 복수의 상기 코일의 통전량을 상기 코일마다 조정하는 제어부
    를 구비한 것을 특징으로 하는 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전자석은 상기 코일을 4 개 구비하고, 상기 제어부는 4 개의 상기 코일의 통전량을 상기 코일마다 조정하는 것을 특징으로 하는 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치.
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