KR102506311B1 - 플라스마 처리 방법 - Google Patents
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Abstract
로트 처리 1장째에 있어서의 프로세스 변동의 저감을 실현할 수 있는 플라스마 처리 방법은, 가스를 상기 처리실에 공급하는 제1 공정과, 상기 제1 공정 후, 플라스마를 이용해서 상기 시료를 에칭하는 제2 공정을 갖고, 상기 가스는, 탄소 원소와 수소 원소를 함유하는 가스, 염소 원소를 함유하는 가스 또는, 상기 제2 공정에 이용되는 가스의 모두를 포함하는 혼합 가스이다.
Description
본 발명은, 플라스마 처리 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서는, 반도체 장치에 포함되는 컴포넌트의 미세화나 집적화에의 대응이 요구되고 있다. 예를 들면, 집적 회로나 나노 전기기계 시스템에 있어서, 구조물의 나노 스케일화가 더 추진되고 있다.
통상적으로, 반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서, 미세 패턴을 성형하기 위하여 리소그래피 기술이 이용된다. 이 기술은, 레지스트층의 위에 디바이스 구조의 패턴을 적용하고, 레지스트층의 패턴에 의해서 노출된 기판을 선택적으로 에칭 제거하는 것이다. 그 후의 처리 공정에 있어서, 에칭 영역 내에 다른 재료를 퇴적시키면, 집적 회로를 형성할 수 있다.
특히 최근에는, 반도체 가공의 미세화·삼차원 구조화의 추진에 수반하여, 반도체 디바이스의 양산 플라스마 에칭 처리에서는, 원자 레벨의 고정밀도의 이물 저감과 가공 재현성이 요구되고 있다. 그리고, 이들의 실현에 있어서는, 처리실 표면 상태의 제어가 중요하게 되고 있다.
저감해야 할 이물은, 이하의 사상에 기인해서 발생한다. 예를 들면 제품 에칭에 의해 발생하는 처리실 표면에의 반응 생성물, 즉 퇴적물에 대해서 적절한 케어가 이루어지지 않을 경우, 어느 퇴적물이 성장해서 웨이퍼 상에 낙하하는 이물로 될 수 있다. 또한, 불휘발성의 리액터 처치실 표면 부재가 플라스마 에칭 중에 데미지를 받아서 파티클로 되고, 웨이퍼 상에 낙하하는 이물로 되는 경우도 있다.
이들 이물의 발생을 억제하기 위하여, 플라스마 에칭 장치의 세라믹 재료의 고내성화 및 저이물화를 실현하는 개량이 검토되어 왔다. 그러나, 플라스마에서 발생하는 라디칼이나 이온 에너지가 비교적 크므로, 처리실 표면 부재의 개량에 의해 에칭 데미지를 전혀 발생시키지 않는 것은 극히 어려운 것을 알 수 있었다.
그래서, 제품 처리 전에 플라스마 에칭을 이용해서 처리실 표면에 Si계나 C계 등의 퇴적물을 부착시킨 후에, 제품 가공 처리를 개시하는 대책이 실시되고 있다. 이 퇴적막에 의해, 처리실 표면 부재의 데미지 보호를 도모하고, 이물의 방출을 저감하는 것이 가능하게 된다.
한편, 가공 재현성에 관해서는, 처리실 표면의 물리화학 상태가 변동할 경우, 처리실 표면에서 라디칼의 표면 재결합 확률이나 소비량이 변하기 때문에, 라디칼 밸런스가 변화하는 것에의 대응이 필요하게 된다. 예를 들면, Cl2 플라스마 중의 Cl 라디칼양이 처리실 표면의 SiClx 퇴적물의 유무에 따라서 수배 다른 것이 명백해져 있다. 이 때문에, Cl2 플라스마 중의 Cl 라디칼양의 제어가 중요하다.
또한, 처리실 표면 온도에 따라 라디칼과 처리실의 반응 레이트나 퇴적물의 부착 계수가 서로 다르기 때문에, 로트 내나 로트 사이에서 처리실 내의 온도를 일정하게 할 필요가 있다. 따라서, 에칭의 양산 장치에서는, 표면 온도를 포함해서 처리실 내벽의 상태를 일정하게 유지하는 기술이 요구된다.
또한 가공 재현성을 높이기 위하여, 프로세스 변동 억제가 중요하게 된다. 프로세스 변동 억제를 위하여, 제품 처리 전에 플라스마 에칭을 이용해서 처리실 표면에 Si계나 C계 등의 퇴적물을 부착시키고 나서, 제품 가공 처리를 진행하는 기술이 개발되어 있다(특허문헌 1, 2). 이 퇴적막에 의해, 처리실 표면 상태를 웨이퍼마다 항상 일정화시키는 것이 가능하게 되고, 프로세스 변동을 저감하는 것이 가능하게 된다.
이와 같이, 프로세스 변동 억제나 이물 저감을 위하여, 제품 처리 전에 처리실 내벽에 Si계나 C계 등의 퇴적물을 부착시키는 코팅 공정이 실시되고 있었다. 그러나, 플라스마 에칭 장치에 있어서 제품 에칭을 처리하지 않은 비가동 상태인 아이들링이 발생했을 경우에, 로트 처리 1장째에 있어서 프로세스 변동이 관측되었다. 이는, 소위 퍼스트 웨이퍼 효과라 불리는 사상이지만, 이와 같은 프로세스 변동에 의해 가공 정밀도가 허용 범위 외로 악화되고, 이것이 디바이스의 수율 저하의 한 요인으로 되고 있었다.
상기한 바와 같이, 종래의 코팅 공정을 이용한 기술에 의하면, 이물 저감에 관해서 일정한 효과를 발휘하지만, 로트 처리 1장째의 프로세스 변동을 억제할 수 없다는 과제를 갖고 있었다. 이 프로세스 변동은, 처리실 표면 온도나 퇴적물의 상태 등의 처리실 내 환경이, 로트 처리 1장째의 웨이퍼와, 2매째 이후의 웨이퍼 사이에서 상위(相違)하는 것에 기인해서 발생한다.
이에 대하여, 처리실 온도에 기인하는 프로세스 변동을 억제하는 기술로서, 로트 처리 1장째의 제품 에칭 공정의 착공 전에, 플라스마를 이용해서 처리실 내벽 온도를 양산 처리 중의 온도로 승온시키는 플라스마 히팅 기술(이후, 히팅 공정이라 한다)이나, 히터에 의해 내벽 온도를 제어하는 것 등의 대책이 있다. 그러나, 본 발명자들은, 예의 연구한 결과, 처리실 내벽 온도 이외의 요인으로 퍼스트 웨이퍼 효과가 일어날 수 있음을 알아냈다. 이 때문에, 처리실 내벽 온도를 제어하는 것 이외의 방법으로, 프로세스 변동을 억제할 필요가 발생했다.
본 발명은, 이러한 문제를 감안해서 이루어진 것이고, 로트 처리 1장째에 있어서의 프로세스 변동의 저감을 실현하는 플라스마 처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 대표적인 본 발명에 관한 플라스마 처리 방법의 하나는, 플라스마를 이용해서 시료를 처리실에서 처리하는 플라스마 처리 방법에 있어서,
가스를 상기 처리실에 공급하는 제1 공정과,
상기 제1 공정 후, 플라스마를 이용해서 상기 시료를 에칭하는 제2 공정을 갖고,
상기 가스는, 탄소 원소와 수소 원소를 함유하는 가스, 염소 원소를 함유하는 가스 또는, 상기 제2 공정에 이용되는 가스의 모두를 포함하는 혼합 가스이면서, 플라스마를 생성하는데 사용되지 않는 것에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 로트 처리 1장째에 있어서의 프로세스 변동의 저감을 실현하는 플라스마 처리 방법을 제공할 수 있다.
상기한 것 이외의 과제, 구성 및 효과는, 이하의 실시형태의 설명에 의해 명백해진다.
도 1은, 본 실시형태에 관한 마이크로파 ECR 에칭 장치의 개략 단면도.
도 2는, 참고예로서 나타내는 에칭 처리 플로를 나타내는 도면.
도 3은, 도 2의 처리 플로에 의해서 얻어진 제품 에칭 공정 중의 웨이퍼 바이어스 전압(Vpp)과 처리 시간의 관계를 나타내는 도면.
도 4는, 실시형태 1에 관한 에칭 처리 플로를 나타내는 도면.
도 5는, 도 4의 처리 플로에 의해 얻어진 제품 에칭 공정 중의 웨이퍼 바이어스의 전압(Vpp)과 처리 시간의 관계를 나타내는 도면.
도 6a는, 제1 처리 플로를 이용해서 챔버 내에 잔류하는 가스를 질량 분석한 평가 플로를 나타내는 도면.
도 6b는, 제2 처리 플로를 이용해서 챔버 내에 잔류하는 가스를 질량 분석한 평가 플로를 나타내는 도면.
도 6c는, 제3 처리 플로를 이용해서 챔버 내에 잔류하는 가스를 질량 분석한 평가 플로를 나타내는 도면.
도 7은, 도 6a, 6b, 6c의 3종류의 처리 플로에 의해 얻어진 질량수 36의 잔류물 강도의 시간 추이를 나타내는 도면.
도 8a는, 질량수 36의 잔류물 변화가 원인으로 되는 코팅막 공정의 코팅 조성 상태를 모식적으로 나타내는 추정 모델의 개략도.
도 8b는, 질량수 36의 잔류물 변화가 원인으로 되는 코팅막 공정의 코팅 조성 상태를 모식적으로 나타내는 추정 모델의 개략도.
도 9는, 도 2의 참고예의 처리 플로와, 도 4의 본 실시형태의 처리 플로를, 가스 인 공정에서 1로트 처리했을 때의 어느 라인의 치수로 나타내는 CD값의 추이를 나타내는 도면.
도 10은, 본 실시예의 가스 인 공정에 있어서의 레시피 설정의 예.
도 11은, 퍼스트 웨이퍼 효과를 더 저감하는 다른 실시형태의 처리 플로를 나타내는 도면.
도 12a는, 도 6c의 평가 플로에 있어서, 가스 인 공정(S401)의 조건으로서 Cl2 가스를 200cc/min으로 공급한 경우의 질량수 36의 잔류물과 처리 시간의 관계를 나타낸 도면.
도 12b는, 도 6c의 평가 플로에 있어서, 가스 인 공정(S401)의 조건으로서 Cl2 가스를 30초간 공급한 경우의 질량수 36의 잔류물과 가스 유량의 관계를 나타낸 도면.
도 2는, 참고예로서 나타내는 에칭 처리 플로를 나타내는 도면.
도 3은, 도 2의 처리 플로에 의해서 얻어진 제품 에칭 공정 중의 웨이퍼 바이어스 전압(Vpp)과 처리 시간의 관계를 나타내는 도면.
도 4는, 실시형태 1에 관한 에칭 처리 플로를 나타내는 도면.
도 5는, 도 4의 처리 플로에 의해 얻어진 제품 에칭 공정 중의 웨이퍼 바이어스의 전압(Vpp)과 처리 시간의 관계를 나타내는 도면.
도 6a는, 제1 처리 플로를 이용해서 챔버 내에 잔류하는 가스를 질량 분석한 평가 플로를 나타내는 도면.
도 6b는, 제2 처리 플로를 이용해서 챔버 내에 잔류하는 가스를 질량 분석한 평가 플로를 나타내는 도면.
도 6c는, 제3 처리 플로를 이용해서 챔버 내에 잔류하는 가스를 질량 분석한 평가 플로를 나타내는 도면.
도 7은, 도 6a, 6b, 6c의 3종류의 처리 플로에 의해 얻어진 질량수 36의 잔류물 강도의 시간 추이를 나타내는 도면.
도 8a는, 질량수 36의 잔류물 변화가 원인으로 되는 코팅막 공정의 코팅 조성 상태를 모식적으로 나타내는 추정 모델의 개략도.
도 8b는, 질량수 36의 잔류물 변화가 원인으로 되는 코팅막 공정의 코팅 조성 상태를 모식적으로 나타내는 추정 모델의 개략도.
도 9는, 도 2의 참고예의 처리 플로와, 도 4의 본 실시형태의 처리 플로를, 가스 인 공정에서 1로트 처리했을 때의 어느 라인의 치수로 나타내는 CD값의 추이를 나타내는 도면.
도 10은, 본 실시예의 가스 인 공정에 있어서의 레시피 설정의 예.
도 11은, 퍼스트 웨이퍼 효과를 더 저감하는 다른 실시형태의 처리 플로를 나타내는 도면.
도 12a는, 도 6c의 평가 플로에 있어서, 가스 인 공정(S401)의 조건으로서 Cl2 가스를 200cc/min으로 공급한 경우의 질량수 36의 잔류물과 처리 시간의 관계를 나타낸 도면.
도 12b는, 도 6c의 평가 플로에 있어서, 가스 인 공정(S401)의 조건으로서 Cl2 가스를 30초간 공급한 경우의 질량수 36의 잔류물과 가스 유량의 관계를 나타낸 도면.
(실시형태 1)
본 발명의 실시형태가 적용되는 에칭 장치(플라스마 처리 장치)의 예로서, 도 1에 나타내는 마이크로파 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 에칭 장치를 이용할 수 있다. 에칭 장치는, 처리 용기 내에 피처리재로서의 웨이퍼(시료)(110)를 재치(載置)하는 전극(111)과, 가스 공급 장치(132)와, 천판(天板)(140)과 석영제 샤워 플레이트(101)와, 석영제 내통(內筒)(102)과, 어스(103)와, 전자석(142)과, 플라스마를 발생시키는 고주파 도파관(150)과, RF 바이어스 전원(161)과 정합기(162)와, 처리실의 진공 배기 밸브(171)를 갖고 있다. 본 실시형태에서는, RF 바이어스는 전력 고정으로 제어했다.
본 실시형태의 에칭 장치는, 처리 용기 내부에 형성된 처리실 내에 도입되는 마이크로파의 전계를 이용해서, 처리 가스의 원자 또는 분자 등의 입자를 여기(勵起)해서 플라스마화하고, 그리고 전극(111)에 재치된 웨이퍼(110)의 상면에 미리 형성된 막구조를 에칭하는 플라스마 에칭 공정을 실시할 수 있는 것이다. 단, 본 실시형태의 플라스마 처리 방법은 마이크로파 ECR 에칭 장치로 한정하지 않고 적용 가능하다. 또한, 퍼스트 웨이퍼 효과의 메커니즘을 해명하기 위하여, 사중극형 질량 분석 장치(180)를 이용해서 챔버(처리실) 내의 잔류 가스에 대하여 조사했다.
(참고예의 처리)
우선, 본 실시형태의 효과를 설명하기 위하여, 도 2에 참고예의 처리 플로를, 그리고 참고예의 처리 플로에 의해서 얻어진 제품 에칭 공정 중의 웨이퍼 바이어스 전압(고주파 RF 바이어스의 피크·투·피크 전압, Vpp)과 처리 시간의 관계를 도 3에 나타냈다. 먼저 도 2의 참고예의 처리 플로에 대하여 설명한다.
참고예의 처리 플로는, 에칭 장치를 가동시키고 있지 않는(처리를 휴지하고 있는) 아이들 시간으로서 5분 경과하고 개시했다. 또한, 제품 에칭의 조건은, Cl2 가스/NF3 가스를 공급해서 에칭을 실행하는 스텝과, HBr 가스/CH4 가스/Ar 가스를 공급해서 에칭을 실행하는 스텝의 구성으로 했다. 즉, 제품 에칭 공정에 있어서 처리실 내부에 공급되는 처리 가스는, C와 H, 또는 Cl의 원소를 포함하고 있다.
도 2의 참고예의 처리 플로에는, 제품 에칭 공정의 전에 히팅 공정(S201)과, 제1 클리닝 공정(S202)과, 제1 코팅 공정(S203)이 포함되어 있다. 히팅 공정(S201)은, 챔버 내벽 온도를 제어하기 위하여 이용하고, 양산 처리 중의 온도를 실현하기 위해서 조건과 시간이 설정되어 있다. 여기에서는, 히팅 공정(S201)은, 도 1의 에칭 장치에 있어서, 가스 공급 장치(132)로부터 Ar 가스를 180cc/min으로 공급하고, 마이크로파 파워를 1000w로 설정하고, 처리 시간 120초로 실시했다.
제1 클리닝 공정(S202)은, 챔버 내벽의 Si계 퇴적물이나 C계 퇴적물을 제거하기 위하여 실시되었다. 또한 제1 코팅 공정(S203)은, 제품 에칭 공정에 있어서의 내벽 데미지 보호나 이물원을 덮기 위해서 Si계 퇴적물이나 C계 퇴적물을 내벽에 부착시켰다.
다음으로, 웨이퍼(110)를 에칭 장치의 처리실 내에 반송해서, 제품 에칭 공정(S204)을 실시하고, 처리가 완료된 후, 웨이퍼(110)를 처리실 내로부터 반송해서 취출했다.
다음으로, 메탈 반응 생성물을 제거하는 메탈 클리닝 공정(S205)을 실시하고, 다음으로 제1 코팅 공정(S203)에서 퇴적시킨 막이나 제품 에칭 공정(S204)에서 발생한 반응 생성물을 제거하는 제2 클리닝 공정(S206)을 실시하고, 다음으로 다시 제2 코팅 공정(S207)을 실시했다.
제2 코팅 공정(S207)의 실시 후에는, 다시 제품 에칭 공정(S204)으로 이행했다. 여기에서는 제품 에칭 공정(S204), 메탈 클리닝 공정(S205), 제2 클리닝 공정(S206), 제2 코팅 공정(S207)을 1세트로 해서 25회 반복하고, 마지막으로 포스트 클리닝 공정(S208)에서 챔버 내벽의 Si계 퇴적물이나 C계 퇴적물이나 코팅막을 제거해서 1로트의 에칭 처리를 완료했다.
이 예에서는, 메탈 클리닝 공정(S205)에서, BCl3 가스/Cl2 가스를 이용해서 처리했다. 또한, 제1 클리닝 공정(S202), 제2 클리닝 공정(S206) 및 포스트 클리닝 공정(S208)에서, NF3 가스/Ar 가스를 이용해서 처리했다. 또한, 제1 코팅 공정(S203), 제2 코팅 공정(S207)에서, SiCl4 가스/O2 가스를 이용해서 처리했다.
도 3은, 제품 에칭 공정에 있어서, 로트 내의 최초의 3매에 있어서의 웨이퍼 바이어스 전압(Vpp)과 처리 시간의 관계를 나타내는 도면이다. 도 3에 의하면, 제품 로트 1매째(최초)의 웨이퍼 바이어스 전압과, 제품 2매째 및 3매째의 웨이퍼 바이어스 전압에서 상위가 있고, 이에 의해 1매째만 제품 에칭이 불안정해지는 것을 알 수 있었다.
(본 실시형태의 처리)
도 4는, 본 실시형태의 플라스마 처리 방법에 있어서의 처리 플로를 나타내는 도면이다. 참고예의 처리 플로와의 상위는, 히팅 공정(S201) 전에 가스 인 공정(제1 공정)(S401)을 추가한 것이다. 즉 본 실시형태에서는, 가스 인 공정(S401) 후에, 처리실을 승온시키는 히팅 공정(S201)과, 플라스마를 이용해서 처리실 내의 퇴적물을 제거하는 제1 클리닝 공정(S202)과, 처리실에 퇴적막을 퇴적시키는 제1 코팅 공정(S203)이 실시되고, 그 후에 제품 에칭 공정(제2 공정)(S204)이 실시된다. 또한, 제품 에칭 공정(S204)의 후에, 금속을 함유하는 퇴적물을 제거하는 메탈 클리닝 공정(S205)과, 플라스마를 이용해서 처리실 내의 퇴적물을 제거하는 제2 클리닝 공정(S206)과, 처리실에 퇴적막을 퇴적시키는 제2 코팅 공정(S207)이 실시되고, 그 후에 포스트 클리닝 공정(S208)이 실시된다. 참고예와 공통되는 공정에 대해서는, 상세한 설명을 생략한다.
도 4에 나타내는 본 실시형태의 처리 플로에 대하여 설명한다. 본 실시형태의 처리 플로에 있어서도, 참고예의 처리 플로와 마찬가지로, 에칭 장치를 가동시키지 않는 아이들 시간으로서 5분 경과하고 개시했다. 가스 인 공정(S401)의 조건으로서, 잔류 조정 가스로서 처리실 내에, Cl2 가스를 300cc/min으로 15초간 공급했다.
도 5는, 본 실시형태의 처리 플로에 의해 얻어진, 제품 에칭 공정 중의 웨이퍼 바이어스 전압(Vpp)과 처리 시간의 관계를 나타내는 도면이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 제품 로트 1매째(최초)의 웨이퍼 바이어스 전압이, 제품 로트 2매째 및 3매째의 웨이퍼 바이어스 전압과 일치하고 있다.
또, 참고예에 있어서, 제품 로트 1매째와, 제품 로트 2매째 이후에 웨이퍼 바이어스 전압에 차가 있는 것을 나타냈지만, Si 발광 강도 등 플라스마 스펙트럼에도 변화가 발생하고 있는 것도, 발명자들에 의해 확인되어 있다.
이와 같은 퍼스트 웨이퍼 효과는, 라디칼 밸런스나 이온 밸런스를 변화시키는 챔버 환경의 변화에 기인해서 발생하고, 그것은 가스 인 공정의 도입에 의해 개선 가능하게 된다. 또, 가스 인 공정(S401)에서 공급되는 가스는, 탄소 원소와 수소 원소를 함유하는 가스, 염소 원소를 함유하는 가스 또는, 제품 에칭(S204)에 이용되는 가스의 모두를 포함하는 혼합 가스이다. 가스의 유량은, 혼합 가스를 구성하는 각 가스의 플라스마 처리 조건으로 규정된 유량과 소정의 비율의 곱에 의해 구해진 유량이면 바람직하다.
다음으로, 이와 같은 퍼스트 웨이퍼 효과의 개선 효과를 검증하기 위하여, 사중극형 질량 분석 장치(180)를 이용해서 잔류 가스의 분석을 행했다.
도 6a∼6c는, 메커니즘 해명을 위하여, 3종류의 처리 플로를 이용해서 챔버 내에 잔류하는 가스를 질량 분석한 평가 플로를 나타내는 도면이다. 이들 평가 플로에서는, 아이들링의 영향을 가능한 한 크게 끌어내는 것 및 잔류 가스의 영향을 피하는 것을 위해서, 개시 전에 아이들 시간을 12시간 이상 두고 실시했다. 이하, 각각의 처리 플로를 설명한다.
도 6a는, 도 2의 참고예에 상당하며, 로트 착공 전(前)공정(히팅 공정(S201)과, 제1 클리닝 공정(S202)과, 제1 코팅 공정(S203))을 실시한 후, 제품 에칭 공정(S204), 메탈 클리닝 공정(S205), 제2 클리닝 공정(S206), 제2 코팅 공정(S207)을 1세트로 해서 25회 반복하고, 양산 처리 중의 잔류 가스를 질량 분석(S601)한 평가 플로의 도면이다.
도 6b는, 로트 착공 전공정(히팅 공정(S201)과, 제1 클리닝 공정(S202)과, 제1 코팅 공정(S203))을 실시 직후에, 잔류 가스를 질량 분석(S602)한 평가 플로의 도면이다.
도 6c는, 도 4의 실시형태 1에 상당하며, 가스 인 공정을 포함하는 로트 착공 전공정(가스 인 공정(S401)과, 히팅 공정(S201)과, 제1 클리닝 공정(S202)과, 제1 코팅 공정(S203))을 실시 직후에, 잔류 가스를 질량 분석(S603)한 평가 플로의 도면이다.
가스 인 공정(S401)에서는, Cl2 가스를 300cc/min으로 15초간 공급했다. 여기에서, 도 6a의 평가 플로에서 평가된 양산 처리 중의 질량 분석(S601)의 결과와, 도 6b의 평가 플로에서 평가된 질량 분석(S602)의 결과가 서로 다르면 프로세스 변동이 발생하고 있는 것이 입증되고, 퍼스트 웨이퍼 효과가 발생하는 것이 확인된다.
발명자들은, 이들 잔류 가스를 해석한 결과, 현저히 강도 변화하는 질량수로서, 질량수 36의 잔류물이 존재하는 것을 확인했다. 도 7은, 도 6a∼6c의 3종 평가 플로에 의해 얻어진 질량수 36의 잔류물의 강도의 시간 추이이다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 양산 처리 중(도 6a의 평가 플로에 대응)에 있어서, 질량수 36의 잔류물의 매우 높은 강도가 확인되고, 그것은 장시간에 걸쳐서 감쇠하는 것이 확인되었다. 한편, 가스 인 공정이 없는 처리 실시(도 6b의 평가 플로에 대응)에 있어서, 질량수 36의 잔류물의 강도는 양산 처리 중보다도 매우 낮은 레벨인 것이 판명되었다.
따라서, 에칭 장치의 비가동 시간인 아이들링 시간이 증가할 때, 질량수 36의 잔류물의 감소가 원인으로 되는 처치실 표면 상태의 변화로, 퍼스트 웨이퍼 효과가 발생하고 있는 것으로 추인된다.
한편, 본 실시형태의 가스 인 공정을 갖고 처리 실시(도 6c의 평가 플로에 대응)함에 의해, 질량수 36의 잔류물의 강도는, 1매째의 제품 처리 공정 전에 양산 처리 중의 레벨을 실현했다.
또, 질량수 36의 잔류물의 예로서는, HCl이 있다. 이번 가스 인 공정에서는, Cl2 가스를 도입했기 때문에, 가스 인 공정을 갖고 처리 실시함에 의해 증가한 질량수 36의 분자종은, HCl로 추정된다.
또한 H는, 제품 웨이퍼에 사용되는 가스로서 포함되어 있으므로, 챔버 내에 H의 흡착물이 잔존하고 있고, 그와 반응해서 HCl이 생성되어 있는 것으로 추인된다.
도 8a, 8b는, 이와 같은 질량수 36의 잔류물의 변화가 원인으로 되는 코팅막 공정의 코팅 조성 상태를 모식적으로 나타내는 추정 모델을 나타내는 개략도이다. 도 8a는 가스 인 공정이 없이 개시하는 처리의 경우, 도 8b는 가스 인 공정을 갖고 개시하는 처리 또는 양산 처리 중의 경우이다.
가스 인 공정을 갖고 개시하는 처리 또는 양산 처리 중에서는, 가스 인 공정이 없이 개시하는 처리와 비교해서, 처리실 내의 잔류 Cl이 많은 것을 질량 분석의 결과로부터 알 수 있었다. 이 때문에, SiCl4 가스/O2 가스를 도입해서 플라스마를 이용한 코팅막 공정에서는, 가스 인 공정을 갖고 개시하는 처리 또는 양산 처리 중에 있어서, Cl 리치(rich)의 Si 코팅막이 생성되게 된다(도 8b).
한편, 가스 인 공정이 없이 개시하는 처리에서는, O 리치의 Si 코팅막이 생성되게 된다(도 8a). 그리고, 제품 에칭 공정은, 이들 코팅막의 조성 상태에 영향을 받아서, 라디칼 밸런스가 변화한 것으로 추정된다.
따라서, 퍼스트 웨이퍼 효과를 개선하기 위해서는, 제품 에칭 공정에 영향을 미치는 이들 코팅막의 조성 상태가 항상 일정하게 되도록 안정화시킬 필요가 있다. 즉, 로트 착공 전공정 중의 코팅 공정 후에 있어서의 질량수 36의 잔류물의 잔류량을 양산 처리 중의 레벨에 맞출 필요가 있다.
도 9는, 도 2의 참고예의 처리 플로와, 도 4의 본 실시형태의 처리 플로에서, 가스 인 공정에서 Cl2 가스를 300cc/min으로 15초간 공급하는 조건의 유무에 따라, 제품 에칭을 1로트 처리했을 때의 어느 라인의 치수로 나타내는 CD(Critical Dimension)값의 추이를 나타내는 도면이다. 도 9 중, 로트에 있어서 최초로 처리하는 웨이퍼를 1로 하고, 이어서 처리하는 웨이퍼를 2로 하는 바와 같이, 순차 번호를 부여해서 웨이퍼 번호로 하고 있다.
처리 전의 아이들 시간은 각각 12시간으로 하고 있다. CD의 목표 치수값이 10㎚이지만, 참고예에 있어서 제품 로트 처리 1매째의 웨이퍼에 있어서의 CD값이 약 8㎚로 변동이 있다. 이에 대하여, 본 실시형태의 가스 인 공정을 도입함에 의해, 제품 로트 처리 1매째의 웨이퍼에 있어서도, 그 이후의 웨이퍼와 마찬가지로 약 10㎚의 CD값을 실현하는 것이 가능하게 되었다.
이상으로부터, 피처리재를 플라스마 가공하는 제품 에칭 공정 전에 내벽에 Si계 퇴적물 또는 C계 퇴적물을 부착시키는 코팅 공정과, 제품 에칭 공정 후에 처리실의 내벽에 잔류하는 금속을 제거하는 메탈 클리닝 공정과, 상기 Si와 상기 C계 퇴적물을 제거하는 클리닝 공정과, 그 후 다시 처리실의 내벽에 상기 Si계 또는 상기 C계 퇴적물을 부착시키는 코팅 공정을 갖고, 상기 제품 에칭 공정과 상기 클리닝 공정과 상기 코팅 공정을 반복하는 플라스마 에칭의 양산 처리 방법에 있어서, 로트 처리 1매째의 제품 에칭 공정 전의 상기 코팅 공정보다 전에 플라스마를 발생시키지 않고 처리실 내에 가스를 흘려보내는 가스 인 공정을 포함함에 의해, 로트 처리 1매째의 제품 에칭 공정 전에 챔버 내의 가스 잔류량을 양산 처리 중과 같게 하는 것이 가능하게 되고, 로트 처리 1매째의 제품 에칭 공정의 퍼스트 웨이퍼 효과의 개선이 가능하다.
본 실시형태에서는, HCl이 챔버 내에 잔류하기 때문에, 가스 인 공정의 가스로서, Cl2의 가스를 300cc/min으로 공급하는 예를 나타냈지만, CH계 가스를 주체로 하는 다른 제품 에칭 프로세스에 있어서는, 챔버 내에 C3이 잔류했다. C3도 챔버 내에 머물기 쉬운 가스로서 고려가 필요하다. 이와 같은 제품 에칭 프로세스에서는, 가스 인 공정의 가스로서, CH4 가스/Ar 가스가 유효한 것을 확인했다.
또한, 본 실시형태에서는 제품 웨이퍼에 Ti나 Al 등의 메탈이 포함되는 것을 상정해서 메탈 클리닝 공정(S205)을 실시하고 있지만, 메탈이 포함되지 않는 경우는 메탈 클리닝 공정(S205)을 생략하는 것이 가능하다.
또한, 본 실시형태에서는, 로트 착공 전공정에 있어서 처리실 표면 온도를 승온시키는 기술로서 히팅 공정(S201)을 실시했지만, 하드웨어나 프로세스 등 다른 기술에 의해 승온시키는 것이 가능한 경우에는, 반드시 히팅 공정(S201)을 포함하는 구성으로 하지 않아도 된다. 또한, 클리닝 공정도 반드시 실시하지 않아도 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 제1 코팅 공정(S203), 제2 코팅 공정(S207)에 있어서, SiCl4 가스/O2 가스를 이용해서 설명했지만, CHF3, CH4, CH3F, C4F8 등 카본계의 가스를 이용한 경우에도, 본 가스 인 공정의 기술이 유효하다. 또한, 제1 클리닝 공정(S202), 제2 클리닝 공정(S206)에 있어서, 본 실시형태에서는 NF3 가스/Ar 가스를 이용했지만, Si계나 C계막의 제거에 유효한 F계 또한 O계 가스로 대용 가능하다.
또한, 본 실시형태에서는, 히팅 공정(S201)의 전에 가스 인 공정(S401)을 실시했다. 그러나, 발명자들은 질량 분석기로 가스 인 공정(S401)의 실시 타이밍과 잔류 가스량의 관계를 조사한 결과, 가스 인 공정(S401)은, 히팅 공정(S201)의 직후, 제1 클리닝 공정(S202)의 직후, 제1 코팅 공정(S203)의 직후의 언제여도 질량수 36의 잔류 레벨에 큰 차는 없고, 퍼스트 웨이퍼 효과의 저감에 유효한 것을 확인했다. 또한, 도 4에 나타낸 로트 착공 전공정에 포함되는 공정은, 모두 웨이퍼리스로(전극(111)에 웨이퍼를 유지하지 않고) 실시되는 것이 바람직하다. 또한, 가스 인 공정에 있어서, 플라스마를 발생시키지 않는 이유의 하나는, 전극에의 데미지를 주지 않는 것에 있다.
(실시형태 2)
실시형태 2에 관한, 퍼스트 웨이퍼 효과를 더 저감하는 시퀀스 플로에 대하여 설명한다. 상기한 실시형태 1에서는, 가스 인 공정(S401)의 가스로서, 질량수 36의 분자종을 갖는 가스를 이용했다. 실시형태 1의 프로세스에서는, 질량수 36의 가스 잔류가 주성분이었지만, 제품 에칭 공정(S204)에서 이용되는 가스의 종류에 따라서는, 질량수 36의 가스 이외의 가스 잔류를 고려해야만 하는 경우가 있다. 이 경우, 가스 인 공정(S401)에 제품 에칭 공정(S204)에서 이용되는 가스의 일부 혹은 모두를 이용하면 효과가 있다.
또한, 에칭 장치의 아이들링 시간이 길 경우, 즉 장시간 가스를 사용하지 않을 경우에, 매스 플로 컨트롤러(MFC)의 내부 배관에 가스 체류가 발생하는 경우가 있다. 이 가스 체류는, 다음에 가스를 흘려보낼 경우에, 초기 가스 유량을 수초 정도 증가시켜 버리는 경우가 있다. 이것이 제품 에칭 공정에 있어서의 프로세스 변동을 발생시킬 가능성이 있다.
따라서, MFC 내부 배관의 가스 체류에 의한 프로세스 변동은, 제품 에칭 공정(S204)에서 이용되는 가스의 일부 혹은 모두에 의해 발생한다. 이를 개선하기 위해서는, 제품 에칭 공정(S204)에서 이용되는 가스의 일부 혹은 모두를 포함한 가스 인 공정(S401)을, 제품 에칭 공정(S204)의 처리 전에 실시할 필요가 있다. 이하, 퍼스트 웨이퍼 효과를 더 저감하는 실시형태 2의 구체예를 나타낸다.
도 10은, 본 실시예의 가스 인 공정에 있어서의 레시피 설정의 예이다. 제품 에칭 레시피(S1001)가, 스텝 1의 가스종과 유량이 각각 Cl2/NF3/Ar : 300/100/50ccm, 스텝 2의 가스종과 유량이 각각 CH4/Ar : 10/250ccm으로 구성되는 경우를 예로 해서, 그 설정예를 설명한다. 가스 체류가 발생할 가능성이 있는 제품 에칭에서 사용되는 가스는, 가스 인 공정(S401)에서 미리 흘려보내 둘 필요가 있다.
발명자들은, 제품 에칭 중의 각 가스 최대 유량의 10% 정도를 가스 인 공정에서 약 5초 이상 흘려보내면, 이를 충분히 해소할 수 있는 것을 확인했다. 이때, 가스 인 스텝의 레시피(S1002)는, 예를 들면, 제품 에칭 레시피의 전(全)스텝 중(본 실시형태에서는 스텝 1과 스텝 2) 각 가스의 최대 유량의 10%를 설정하고, 가스종과 유량이 각각 Cl2/NF3/CH4/Ar : 30/10/1/25ccm으로 된다. 여기에서, MFC 최소 유량(S1004)의 제한을 고려할 필요가 있으며, 예를 들면, 그 제한이 Cl2/NF3/CH4/Ar : 30/20/10/20ccm의 가스종과 유량이었을 경우, MFC 유량 제한을 고려한 가스 인 스텝의 레시피(S1003)는, 가스종과 유량이 각각 Cl2/NF3/CH4/Ar : 30/20/10/25ccm으로 된다.
상기와 같이 설정한 가스 인 공정(S401)의 실시에 의해, MFC 내부 배관의 가스 체류에 의한 프로세스 변동을 억제할 수 있다. 또한, 제품 에칭 공정(S204) 중의 일부 혹은 모든 가스를 흘려보냄으로써, 실시형태 1이나 모두(冒頭)에서 설명한 잔류 가스에 의한 프로세스 변동도 저감 가능하게 된다.
(실시형태 3)
또한, 프로세스 변동을 일으키는 다른 하나의 과제와 그 저감 방법을 설명한다. 도 11은 퍼스트 웨이퍼 효과를 더 저감하는 실시형태 3의 처리 플로이다. 도 4에 나타낸 실시형태 1의 처리 플로의 히팅 공정(S201)과 가스 인 공정(S401)의 시간적 순서를 반대로 하고 있다. 또한, 가스 인 공정(S401)의 전에, 새롭게 메탈 클리닝 공정(S1100)과, 제3 클리닝 공정(S1101)과, 제3 코팅 공정(S1102)을 추가하고, 가스 인 공정(S401) 후에 메탈 클리닝 공정(S1103)을 추가했다.
메탈 클리닝 공정(S1100)은, 가스 인 공정(S401)의 후의 메탈 클리닝 공정(S1103)과 같은 조건이고, 제3 클리닝 공정(S1101)은 가스 인 공정(S401) 후에 있어서의 제1 클리닝 공정(S202)과 같은 조건이고, 제3 코팅 공정(S1102)은 가스 인 공정(S401) 후에 있어서의 제1 코팅 공정(S203)과 같은 조건인 것이 바람직하다.
본 처리 플로의 효과를 이하에 설명한다. 아이들 시간이 발생했을 경우, 제3 코팅 공정(S1102)에 의해 얻어지는 막질이 변화하는 경우가 있고, 퍼스트 웨이퍼 효과가 발생한다. 이 때문에, 1회째의 클리닝 공정(S1101)과, 제3 코팅 공정(S1102)과, 제품 에칭 공정을 모의하는 가스 인 공정(S401)을 이용함에 의해, 마치 1회째의 제품 에칭 공정을 완료한 것과 같은 처리실 벽면 상태를 확보할 수 있다.
이상으로부터, 피처리재를 플라스마 가공하는 제품 에칭 공정 전에, 처리실의 내벽에 Si 퇴적물 또는 C계 퇴적물을 부착시키는 코팅 공정과, 제품 에칭 공정 후에 처리실의 내벽에 잔류하는 금속을 제거하는 메탈 클리닝 공정과, 상기 Si 퇴적물이나 C계 퇴적물을 제거하는 클리닝 공정을 갖는 플라스마 에칭의 양산 처리 방법에 있어서, 로트 처리 1매째의 제품 에칭 공정 전에, 1회째의 메탈 클리닝 공정(S1100)과, 제3 클리닝 공정(S1101)과, 제3 코팅 공정(S1102)(1회째 트리트먼트 공정)과, 2회째의 메탈 클리닝 공정(S1103)과, 제1 클리닝 공정(S202)과, 제1 코팅 공정(S203)(2회째 트리트먼트 공정)과, 1회째 트리트먼트 공정과 2회째 트리트먼트 공정 사이에, 플라스마를 발생시키지 않고 처리실 내에 가스를 흘려보내는 가스 인 공정(S401)을 포함함에 의해, 로트 처리 1매째의 제품 에칭 공정 전에 챔버 내의 가스 잔류량을 양산 처리 중과 같게 하는 것이 가능하게 되고, 로트 처리 1매째의 제품 에칭 공정의 퍼스트 웨이퍼 효과의 개선을 실현 가능하다.
단, 본 처리 플로에서는 클리닝 공정과 코팅 공정을 2회 실시하기 때문에, 스루풋이 저하한다. 이 때문에, 상황에 따라서 실시형태 1과 실시형태 2의 처리를 구분해서 사용하는 것이 좋다. 또한, 메탈 반응 생성물을 클리닝할 필요가 없는 프로세스이면, 각 메탈 클리닝 공정(S1100, S1103, S205)의 일부 혹은 모두를 생략하는 것이 가능하다.
(실시형태 4)
실시형태 4에 관한, 가스 인 공정의 최적화 방법에 대하여 설명한다.
도 12a는, 도 6c의 평가 플로에 있어서, 가스 인 공정(S401)의 조건으로서 Cl2 가스를 200cc/min으로 공급한 경우의 질량수 36의 잔류물과 처리 시간의 관계를 나타낸 도면이다. 질량수 36의 잔류물의 강도는, 처리 시간의 증가에 따라서 증가했다.
또한, 도 12b는, 도 6c의 평가 플로에 있어서, 가스 인 공정(S401)의 조건으로서 Cl2 가스를 30초간 공급한 경우의 질량수 36의 잔류물과 가스 유량의 관계를 나타낸 도면이다. 질량수 36의 잔류물의 강도는, 가스 유량의 증가에 따라서 증가했다.
이들 결과로부터, 양산 처리 중의 질량수 36의 잔류물 강도를 조기에 안정화시키기 위해서는, 가스 유량과 처리 시간이 제어 노브(제어 인자)로 되는 것을 알 수 있었다. 환언하면, 이들 제어 노브를 이용해서, 양산 처리 중의 질량수 36의 잔류물 강도를 조기에 안정화 가능하게 하는 가스를 가스 인 공정에서 흘려보내면 된다. 가스 인 공정에서 처리실에 공급되는 가스는, 제품 에칭 공정 사이에 처리실에 공급되는 가스 중 적어도 일부의 가스를 포함하면 바람직하다. 또한, 추가로, 실시형태 2에서 설명한 가스 체류의 영향을 없애기 위해서, 제품 에칭 공정(S204) 중의 일부 혹은 모든 가스를 가스 인 공정(S401)에서 설정하는 것을 기본으로 해서, 질량수 36의 잔류물 강도를 맞추도록 가스 유량이나 시간을 조정하는 것이 바람직하다.
110 : 웨이퍼
111 : 전극
132 : 가스 공급 장치
140 : 천판
101 : 석영제 샤워 플레이트
102 : 석영제 내통
103 : 어스
142 : 전자석
150 : 플라스마를 발생시키는 고주파 도파관
161 : RF 바이어스 전원
162 : 정합기
171 : 처리실의 진공 배기 밸브
180 : 사중극형 질량 분석 장치
S201 : 히팅 공정
S202 : 제1 클리닝 공정
S203 : 제1 코팅 공정
S204 : 제품 에칭 공정
S205 : 메탈 클리닝 공정
S206 : 제2 클리닝 공정
S207 : 제2 코팅 공정
S208 : 포스트 클리닝 공정
S401 : 가스 인 공정
S601 : 질량 분석
S602 : 질량 분석
S603 : 질량 분석
S1001 : 제품 에칭 레시피
S1002 : 가스 인 스텝의 레시피
S1003 : MFC 유량 제한을 고려한 가스 인 스텝의 레시피
S1004 : MFC 최소 유량
S1100 : 메탈 클리닝 공정
S1101 : 제3 클리닝 공정
S1102 : 제3 코팅 공정
S1103 : 메탈 클리닝 공정
111 : 전극
132 : 가스 공급 장치
140 : 천판
101 : 석영제 샤워 플레이트
102 : 석영제 내통
103 : 어스
142 : 전자석
150 : 플라스마를 발생시키는 고주파 도파관
161 : RF 바이어스 전원
162 : 정합기
171 : 처리실의 진공 배기 밸브
180 : 사중극형 질량 분석 장치
S201 : 히팅 공정
S202 : 제1 클리닝 공정
S203 : 제1 코팅 공정
S204 : 제품 에칭 공정
S205 : 메탈 클리닝 공정
S206 : 제2 클리닝 공정
S207 : 제2 코팅 공정
S208 : 포스트 클리닝 공정
S401 : 가스 인 공정
S601 : 질량 분석
S602 : 질량 분석
S603 : 질량 분석
S1001 : 제품 에칭 레시피
S1002 : 가스 인 스텝의 레시피
S1003 : MFC 유량 제한을 고려한 가스 인 스텝의 레시피
S1004 : MFC 최소 유량
S1100 : 메탈 클리닝 공정
S1101 : 제3 클리닝 공정
S1102 : 제3 코팅 공정
S1103 : 메탈 클리닝 공정
Claims (11)
- 플라스마를 이용해서 시료를 처리실에서 처리하는 플라스마 처리 방법에 있어서,
가스를 상기 처리실에 공급하는 제1 공정과,
상기 제1 공정 후, 플라스마를 이용해서 상기 시료를 에칭하는 제2 공정을 갖고,
상기 가스는, 탄소 원소와 수소 원소를 함유하는 가스, 염소 원소를 함유하는 가스 또는, 상기 제2 공정에 이용되는 가스의 모두를 포함하는 혼합 가스이면서, 플라스마를 생성하는데 사용되지 않는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 방법. - 제1항에 있어서,
상기 처리실에 퇴적막을 퇴적시키는 코팅 공정과, 플라스마를 이용해서 상기 처리실 내의 퇴적물을 제거하는 클리닝 공정을 더 갖고,
상기 코팅 공정은, 상기 제1 공정과 상기 제2 공정 사이에 행해지고,
상기 클리닝 공정은, 상기 제2 공정 후에 행해지는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 방법. - 제1항에 있어서,
상기 가스는, 탄소 원소와 수소 원소를 함유하는 가스 또는 염소 원소를 함유하는 가스인 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 방법. - 제1항에 있어서,
상기 가스는, 탄소 원소와 수소 원소를 함유하는 가스인 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 방법. - 제1항에 있어서,
금속을 함유하는 퇴적물을 제거하는 메탈 클리닝 공정을 더 갖고,
상기 메탈 클리닝 공정은, 상기 제2 공정과 상기 클리닝 공정 사이에 행해지는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 방법. - 제2항에 있어서,
상기 제2 공정 전, 상기 처리실을 승온하는 히팅 공정이 행해지거나, 또는, 상기 클리닝 공정이 상기 제2 공정 전에도 행해지는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 방법. - 제1항에 있어서,
상기 처리실에 퇴적막을 퇴적시키는 코팅 공정과, 플라스마를 이용해서 상기 처리실 내의 퇴적물을 제거하는 클리닝 공정을 더 갖고,
상기 코팅 공정 및 상기 클리닝 공정은, 상기 제2 공정 전에 행해짐과 함께 상기 제1 공정의 전후에 행해지는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제2 공정에 이용되는 가스는, 탄소 원소와 수소 원소를 함유하는 가스 또는 염소 원소를 함유하는 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 방법. - 제1항에 있어서,
상기 가스는, 염소 가스인 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 방법. - 제1항에 있어서,
상기 가스는, 메탄 가스인 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 방법. - 제1항에 있어서,
상기 가스의 유량은, 상기 혼합 가스를 구성하는 각 가스의 플라스마 처리 조건으로 규정된 유량과 소정의 비율의 곱에 의해 구해진 유량인 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 방법.
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