JP2002534796A - エッチング速度を安定化させる方法および装置 - Google Patents

エッチング速度を安定化させる方法および装置

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ノーマン ウィリアムズ,
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Abstract

(57)【要約】 エッチング速度の変化を最少限にしながら、一連の半導体基板を連続的に処理する方法である。この方法は、(a)半導体基板をプラズマエッチングチャンバー内の基板支持体に設置し、(b)チャンバーを真空に維持し、(c)エッチングガスをチャンバーに導入し、このエッチングガスを励起してチャンバー内でプラズマを形成することによって基板の露出表面をエッチングし、(d)この基板をチャンバーから外し、(e)ステップ(a−d)を繰り返すことによってさらなる基板を連続して処理するステップを有し、これらの処理ステップは、一定量の反応性ガスを基板の露出表面に、ステップ(c)の間において処理されるそれぞれの基板に対して再現性のあるエッチング速度を得るために充分なレベルで接触させ続けることにより実行される。この方法を実行するために有用な装置は、内部に基板支持体および基板支持体に面する誘電体部材を有するプラズマエッチングチャンバー、チャンバー内部にエッチングガスを供給するガス供給部、RFエネルギーを誘電体部材経由で通過させるアンテナ、調節可能なゲートバルブによりチャンバー内部から分離された真空ポンプ、および一定量の反応性ガスを基板の露出表面に、チャンバー内で処理されるそれぞれの基板にとって基板バッチが連続的に1枚1枚の基板エッチングをされる間において再現性のあるエッチング速度を得るために充分なレベルで接触させ続ける制御装置を含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 (発明の分野) 本発明は、プラズマ処理チャンバーにおける改良および半導体ウェハーのよう
な基板上の金属、ポリシリコンまたは誘電体層をプラズマエッチングする方法に
関する。
【0002】 (発明の背景) 無線周波数(RF)電源に接続されたアンテナが処理チャンバー内においてガ
スをプラズマ状態に励起するプラズマ処理システムは米国特許第4,948,4
58号、第5,198,718号、第5,241,245号、第5,304,2
79号、第5,401,350号、および第5,571,366号に開示されて
いる。このようなシステムにおいて、アンテナは処理チャンバーの外側に配置さ
れ、RFエネルギーは誘電性の壁またはウィンドウを通ってチャンバー内に供給
される。このような処理システムは、エッチング、堆積、レジスト剥離、その他
さまざまな半導体処理に応用することができる。このようなシステムが連続的に
処理される半導体基板のバッチをプラズマエッチングするために使用されるとき
、そのエッチング速度は基板のバッチをエッチングする過程の間に変化する可能
性がある。エッチング速度のこのような変動は、基板にエッチングされる形状が
許容可能な製品パラメータから外れる可能性があるので、好ましくないものであ
る。
【0003】 したがって、当該技術において、連続処理される半導体基板がより良く制御さ
れたエッチング速度で処理できるようなプラズマ処理チャンバーおよびプラズマ
エッチング法が必要とされている。
【0004】 (発明の概要) 本発明は、一連の半導体基板を最少限のエッチング速度変動で連続的に処理す
る方法を提供するものである。この方法は、(a)半導体基板をプラズマエッチ
ングチャンバー内の基板支持体に設置し、(b)チャンバーを真空に維持し、(
c)エッチングガスをチャンバーに導入し、このエッチングガスを励起してチャ
ンバー内でプラズマを形成することによって基板を処理し、(d)この基板をチ
ャンバーから外し、(e)ステップ(a−d)を繰り返すことによってさらなる
基板を連続してチャンバー内で処理するステップを有し、これらの処理ステップ
は、一定量の反応性ガスを基板の露出表面に、ステップ(c)の間において処理
されるそれぞれの基板に対して再現性のあるエッチング速度を得るために充分な
レベルで接触させ続けることにより実行される。
【0005】 本発明の好ましい特色によると、半導体基板はステップ(c)の間においてH
BrおよびCl2でエッチングされるポリシリコン層を含むことが可能であり、
および/またはチャンバーはステップ(c)の間において100mTorrより
も低い真空圧力に維持される。このチャンバーは、好ましくは、ステップ(c)
の間において固定位置に保持される調節可能なゲートバルブによってチャンバー
内部から隔絶された真空ポンプにより真空排気される。ステップ(c)の間にお
いて、基板支持体によって基板にRFバイアスをかけることが可能であり、およ
び/またはエッチングガスの少なくとも1つの成分の流量は、ステップ(c)が
繰り返されるとき、増大される。例えば、エッチングガスの少なくとも1つの成
分の流量はステップ(c)の間においてチャンバー内部の圧力を一定に維持する
ように調節されることが可能であり、および/またはエッチングガスの少なくと
も1つの成分の流量はステップ(c)の間においてチャンバー内部における1つ
または複数の反応種のリアルタイム分析に基づいて調節可能である。
【0006】 好ましい実施形態では、チャンバーの内側から誘電体部材により分離された平
面または非平面のアンテナによってエッチングガスはプラズマ状態へと励起され
、この誘電体部材は基板支持体と同じ広がりを有し、この基板支持体はグラウン
ドに対して約600pFまたはそれより小さい静電容量を有している。さらに好
ましくは、この誘電体部材は基板支持体に面する部分にポリテトラフルオロエチ
レンの被覆を有しており、基板支持体のグラウンドに対する静電容量は約200
pFまたはそれ未満である。
【0007】 本発明はまた、内部に基板支持体および基板支持体に面する誘電体部材を有す
る処理チャンバーと、チャンバー内にエッチングガスを供給するガス供給部と、
RFエネルギーを誘電体部材経由で通過させてエッチングガスをプラズマ状態に
励起するアンテナと、調節可能なゲートバルブによりチャンバー内部とは分離さ
れ、かつチャンバー内部を真空排気する真空ポンプと、一定量の反応性ガスを基
板の露出表面に、チャンバー内で処理されるそれぞれの基板に対して基板バッチ
の1枚1枚が連続的にエッチングをされる間において再現性のあるエッチング速
度を得るために充分なレベルで接触させ続ける制御装置を含むプラズマエッチン
グ装置を提供するものである。
【0008】 この装置の好ましい実施形態では、制御装置はエッチングガスの少なくとも1
つの成分のチャンバー内への流入量を連続的に調節し、および/または制御装置
はチャンバー内で処理されるそれぞれの基板のエッチングの間においてゲートバ
ルブをある固定位置に保持する。基板支持体は、基板バッチの1枚1枚が連続的
にエッチングをされる間においてそれぞれの基板に対するRFバイアスを調節す
る制御装置とともにRFバイアスを印加する電極を含むこともあり得る。例えば
、この制御装置はエッチングガスの1つまたは複数の成分の流量を、前の基板グ
ループよりも後の基板グループに対して大きくなるように調節することができる
【0009】 本発明の1つの実施形態によると、制御装置はエッチングガスの1つまたは複
数の成分の流量を、基板エッチングの間においてチャンバー内の真空圧力を一定
にするように調節する。例えば、この制御装置はエッチングガスの1つまたは複
数の成分の流量を、基板エッチングの間におけるチャンバー内の1つまたは複数
の反応種のリアルタイム分析に基づいて調節することが可能である。調節可能な
流量でチャンバー内に供給されるHBrおよびCl2によりエッチングされるポ
リシリコン層を有する個々の基板をエッチングする間において、制御装置は固定
された排気速度を維持するように真空ポンプを制御し、固定位置を維持するよう
にゲートバルブを制御し、HBrの流量を一定流量に維持するようにガス供給部
を制御し、Cl2の流量を、エッチングガスの反応種のチャンバー内壁による吸
着を補償するに十分な量に変化させるようにガス供給部を制御することが可能で
ある。
【0010】 本発明を、添付の図面を参照してより詳細に説明する。
【0011】 (好ましい実施形態の詳細な説明) 本発明は、連続的に処理される半導体基板のバッチをエッチングするときに、
より一層再現性のある結果を提供することが可能な改良されたプラズマ処理反応
器およびプラズマエッチング方法を提供するものである。特に、半導体ウェハー
のバッチをエッチングする過程においてエッチング速度の変化は突然30%もの
増大または減少の形をとること、または数時間にわたる緩やかな変化の形をとる
ことがあり得る。エッチング速度の変化はプラズマエッチングチャンバーの履歴
および、特に、その前に処理された基板のタイプに依存して現れる。
【0012】 フィルムのエッチング速度を安定化させるために共通して採用される方法は、
実際の製品ウェハーを処理した後に25(またはそれ以上)のダミーウェハー(
概して無地のシリコン)を処理することである。この技術はある程度初期的な安
定化につながるが、しかし多様なタイプの製品ウェハーを処理すると、エッチン
グ速度はすぐに実際変動し得るものになる。加えて、このようにしてダミーウェ
ハーを処理することは時間の浪費であり、ツールの所有コストを増大させること
につながる。生産環境では、プラズマエッチングツールのユーザはすべての処理
ステップが特定の処理ウィンドウ内にあることをより確実にすることができるよ
うな安定した再現性のある性能を優先する。
【0013】 フォトレジスト被覆したウェハーを処理した後では、Cl2またはCl2/HB
rガスによるポリシリコンのエッチングは顕著なエッチング速度の低下を示す。
このエッチング速度の低下は本来の速度の20−30%にもなり得るものである
。SiO2を被覆したウェハーをエッチングした後では、ポリシリコンのエッチ
ング速度は通常数%のポイントで増加する。いずれのケースにおいても、エッチ
ング速度を再現するためにいくつかの調整ウェハーのエッチングが必要となり、
これはツールの時間損失およびウェハー生産量の低下につながる。
【0014】 これらの効果を定量化するために複数の実験が計画され、標準化された。代表
的な処理順序は5枚(またはそれ以上)の無地のシリコンの調整ウェハー、ポリ
シリコン被覆したウェハー、5枚のフォトレジスト被覆したウェハーおよびさら
に1枚のポリシリコン被覆したウェハーをエッチングすることから成る。最初の
ポリシリコン被覆ウェハーのエッチング速度を後のポリシリコン被覆ウェハーの
エッチング速度と比較したときの違いは明らかであり、処理の支障の目安となる
。エッチング速度が同じになることを優先させることが理想的である。以下のテ
ストの間において、基板支持体(すなわち機械的または静電的なクランプを有す
るチャック)上のより低いRFバイアス整合ネットワークは無線周波数プローブ
を装備され、これが処理チャンバーにおけるRF信号の電圧、電流および位相を
測定した。これらの測定は負荷(チャンバーとプラズマ)インピーダンスおよび
チャンバーに分配される負荷パワーを算出するために使用された。エッチング速
度の変化の源を識別するために評価した他の変数はプラズマにより発光される光
信号(二波長)およびターボポンプとチャンバーとの間に配置されたゲートバル
ブ(例えば、スイスのVATによって製造された可変ゲートバルブで、以降は"
VATバルブ"と称する)の位置により示されるチャンバーにおける排気量であ
る。
【0015】 本発明の方法および装置は、個々の基板が連続的に処理されるどのようなプラ
ズマエッチング反応器においても実施可能である。好ましいプラズマエッチング
反応器は図1に示したような誘導結合型プラズマ反応器である。本発明によると
、このプラズマエッチング反応器は個々の半導体基板のバッチ処理の間において
エッチング速度の安定化を達成するために適した制御装置を含むように改良され
ている。この反応器は、チャンバー内でプラズマを発生させるために適したあら
ゆる電源、およびチャンバー内にエッチングガスを分配するために適したあらゆ
るガス供給部(例えば、ガスリング、シャワーヘッド、誘電体のウィンドウを通
って延びる開口に装着したガスインジェクタ、その他)を含むことが可能である
【0016】 図1に示した実施形態では、真空処理チャンバー10は、その上に支持された
基板へのRFバイアスと、基板13への静電的クランプ力とを供給する基板ホル
ダー12およびHeで冷却されている間プラズマを基板の上方のエリアに限定す
るためのフォーカスリング14を含んでいる。平面アンテナ18のようなチャン
バー内でプラズマを高密度(例えば、1011〜1012イオン/cm3)に維持す
るためのエネルギー源は適切なRF電源によって電力供給され、付随したRFイ
ンピーダンス整合回路19がRFエネルギーをチャンバー10内に誘導結合させ
て高密度のプラズマを供給する。このチャンバーは、チャンバー内部を所望の圧
力(例えば、50mTorr以下で、代表的には1〜20mTorr)に維持す
るために、出口15に接続された調節可能なゲートバルブ(図示せず)を含む真
空ポンプ装置を含む。
【0017】 図1に示した反応器はアンテナ18と処理チャンバー10の内部との間に均一
な厚さを有する実質的に平面状の誘電体ウィンドウ20を含む。しかしながら、
非平面のアンテナおよび/または非平面の誘電体ウィンドウのような他のアンテ
ナおよび/またはウィンドウの構造も使用可能である。さらに、どのようなガス
供給装置でも使用可能であるが、示した実施形態においてはフォーカスリング1
4を取り巻くガス分配リング22がガス供給部23によって処理チャンバー10
へと供給される処理ガスを分配するための円形孔(図示せず)のような複数のガ
ス出口(例えば、円周上で間隔をおいた18個の出口)を含む。基板ホルダー1
2は、基板13を持ち上げるためのリフトピン装置(図示せず)のような従来の
特徴を含むことも可能である。
【0018】 通常の動作条件の下では、チャンバーへのガス流入は固定され、チャンバー圧
力はコンピュータ制御されたVATバルブの開口を連続的に調整することによっ
て一定(代表的には約10mTorr)に保たれる。例えば、40枚の調整ウェ
ハーを処理する間に、ポリシリコンのエッチング速度が徐々に増加し、VATバ
ルブの開口がゆっくりと開いていくのが観察された。図2は最初の10枚の調整
ウェハーおよび最初のポリシリコン被覆ウェハーによって調整している間にVA
Tバルブがゆっくりと開いていく様子を示すものである。しかしながら、フォト
レジストを被覆したウェハーをエッチングすると、バルブは急速に閉じ、ポリシ
リコンのエッチング速度は低下する。表1に2つの異なるチャンバー構造、すな
わちLAM9400TMおよびLAM9600TMにおいて5枚のポリシリコン被覆
したウェハーを処理した後のポリシリコンエッチング速度の減衰を要約する。
【0019】
【表1】
【0020】 これらの実験の解析から、ポリシリコンのエッチング速度の変化についての以
下のような説明が導かれた。レジスト被覆したウェハーを処理した後のエッチン
グ速度の低下はチャンバー壁がエッチングされたフォトレジスト片で被覆される
結果による。この被覆物はその後、この壁が完全に被覆されるまで多量の流入ガ
スを吸着する。このことは、ウェハーをエッチングするのに使用される塩素が殆
どなくなることを意味し、チャンバー圧力の低下をも引き起こす。翻って、この
ことはポリシリコンのエッチング速度の低下、およびチャンバー圧力を一定に保
つためのVATバルブのいくらかの閉鎖を意味する。図3に示したように、エッ
チングされたシリコン種の光信号もまたかなり減少する。引き続いて起こる塩素
および他の分子残留物の放出は、レジスト被覆したウェハーを処理しなくなって
もそれから数時間かかることがあり得る。もしも不純物汚染されたチャンバーを
一晩真空排気すると、大部分のエッチングガスは壁から放出され、処理を再開し
たときにエッチングガスは再び壁の残留物によって強力に吸着され、エッチング
速度は再び低下する。もしも酸化物被覆したウェハーを塩素中でエッチングした
場合、シリコンはおそらく遊離の酸素を放出しながらSiCl4の形で離脱する
。酸素はチャンバー壁からフォトレジスト片を、急激にクリーニングし、チャン
バー壁は塩素によってそれほど被覆される必要がなくなり、それゆえにその後の
ポリシリコンのエッチング速度は上昇する。
【0021】 これらの効果を評価する1つの方法は3つのポンプと3つのガス源を有するチ
ャンバーを考えることである。これらのポンプはターボポンプ、ウェハーおよび
チャンバー壁に対応する。ガス源は入り口流量制御器、ウェハーおよびチャンバ
ー壁に対応する。ガスが多様なポンプメカニズムによって異なるスピードで消費
されるときの分圧およびエッチング速度を計算するためにこれらの系に沿ったM
athcadモデルが開発された。その結果は、流入ガスの多くの部分はチャン
バー壁がレジスト残留物で被覆されているときにチャンバー壁による"ポンプ作
用"を受けるが分子の放出ははるかに遅いペースで生じることを示している。こ
のようにして、壁の正味のポンプ効果は存在し、VATバルブは補償するために
閉じる。酸化物ウェハーが処理されたとき、壁への堆積物は除去され、ガス状生
成物の純粋な発生が生じる。このケースでは、VATバルブはウェハーが処理さ
れるときにわずかに開くことが観察される。
【0022】 上述した化学的およびポンプの効果はエッチング速度の問題のほんの一部分で
ある。LAM9400TMというツールを使用し、基板をシリコンウェハーからレ
ジスト被覆したウェハーに換えるとき、負荷抵抗および負荷パワー(この特殊な
チャンバー設計による大きなチャンバー静電容量のせいで正確には測定できない
)は低下することが観察される。負荷抵抗の低下はフォトレジストがエッチング
されるゆえに生じるチャンバー内の化学的組成の変化からの結果である。抵抗の
この低下は動作点をパワー効率曲線の下に移動させ、供給パワーが低下する。こ
れは上述した化学的およびポンプ効果の大きさと比較してポリシリコンのエッチ
ング速度がさらに低下する結果となる。LAM9600TMツールにおけるパワー
の低下は、チャンバーの静電容量がより小さく、動作点が効率曲線上で高く、そ
こでは負荷抵抗に対する負荷パワーの依存性が少ないので、少なくなる。図4は
フォトレジスト被覆したウェハーが負荷抵抗および通電パワーに与える効果およ
び効率曲線上の相対位置を示すものである。表1に示したように、2つのチャン
バー構造について通電パワーの低下が存在する。
【0023】 第3の効果は処理の間において上昇するチャンバーの温度である。しかしなが
ら、温度の効果は化学的およびRFパワーの効果と比較して小さいと考えられて
いる。
【0024】 化学的およびRFパワーによる効果を明らかにする試みとして実験を行った。
第1の実験(LAM9400TMツールにて実施)はサーボループをVATバルブ
の位置調節から一定ガス流入量における一定圧力維持への変更である。新しいル
ープにおいて、VATバルブの位置は固定され、チャンバー壁のポンプ作用を補
償するために塩素の流量を変化させることによってチャンバー内での圧力を一定
に維持した。表1に示したように、これはポリシリコンのエッチング速度が12
.9%変化する(標準のサーボループでの22.5%と比較)結果となったが、
それでも5枚のレジスト被覆したウェハーを処理した後の通電パワーの低下〜1
5%を伴なった。この結果は、化学的な効果は補償されたがRFの効果は補償さ
れなかったことを示唆するものであった。その後、RFパワーの低下を最少限に
する企てとして、小さいチャンバー静電容量(LAM9400TMツールの〜60
0pFに対して〜200pF)を有するLAM9600SETMツールにチャンバ
ー構成を変更した。実験を繰り返したところ、5枚のレジスト被覆したウェハー
を処理した後の通電パワーの低下は約4%を示し、ポリシリコンのエッチング速
度は1.1%という若干の増加を示した。これは化学的およびRFの両方の効果
が殆ど補償されたことを示している。図5は、フォトレジスト被覆したウェハー
を処理するとHBrの流量を100sccmの一定に維持したときに塩素流量が
2倍以上となることを示している。塩素流量のこの上昇はトータルガス流量の約
21%の増加に対応している。
【0025】 前述のテストは、ウェハーが(上述の条件においては)全体のエッチング処理
のほんの小さな部分しか表わしていなくて、生じているいくつかの効果を理解す
るためにはチャンバーを全体論として見るべきであると示唆している。テストデ
ータは、チャンバー壁への反応性成分の吸着効果を考慮に入れてエッチングプロ
セスを変更することによってエッチングの再現性の改善が可能であること、およ
びツール所有コストの低減が可能であることを示唆するものである。
【0026】 エッチング速度の再現性を改善する手段として、ポリシリコンのエッチングの
間においてCl2およびHBrの流量を制御することの実行可能性を調べるため
にいくつかの実験を行った。エッチング処理の間において多様なチャンバー状態
を考慮に入れた本発明による方法を使用することによってエッチング速度の再現
性の改善が実現可能である。純粋Cl2およびHBrのガス流とこれらのガスの
混合物について、シリコンおよびフォトレジストをエッチングする間における発
光スペクトル(OES)を分析した。12枚のウェハーによる標準化した順序を
使用して、4枚の無地のシリコン(blank silicon)の調整ウェハ
ーの処理前後、5枚のフォトレジスト被覆ウェハー(blanket phot
oresist wafers)の処理前後におけるエッチング速度の変化を定
量化した。ガス流量を固定して圧力を一定に保つためにチャンバーの排気スピー
ドを変化させる従来の制御条件の下では、LAM9400PTXTMツールにおい
てフォトレジスト被覆ウェハー処理後に、ポリシリコンのエッチング速度は〜2
5%低下する。しかしながら、この低下のパーセンテージは、グラウンドに対し
て約200pFの静電容量を有するチャンバーで処理する(例えば、グラウンド
に対する静電容量〜600pFを有する9400ツールよりもLAM9600S
TMツールで処理する)ことによっておよそ半分にすることが可能である。この
理由は、9400PTXTMツールではフォトレジスト被覆したウェハーを処理し
た後にチャンバーへのRFパワーの通電が〜15%低下したが、9600SETM チャンバーにおいてはわずかに0〜4%であったことにある。パワーの低下は負
荷抵抗の低下が理由となって生じるものであり、翻るとプラズマの抵抗が上昇す
る結果である。後者はおそらく、フォトレジストウェハーが処理されたときのプ
ラズマ中の化学的変化および電子温度の低下から上昇するのであろう。
【0027】 石英TCPTMウィンドウおよび静電チャック周囲のセラミックのガスリングを
有するLAMツールにおいて測定を行った。グラウンドに対するチャックの静電
容量は〜200pFであった。それぞれの実験について、同じ順序のウェハーで
測定を行い、ポリシリコンのエッチング速度を測定した。表2はウェハーの順序
および測定を行った基準の処理パラメータを示すものである。それぞれを実行す
る前に、チャンバーはSF6およびO2供給ガスを使用してプラズマによりエンド
ポイントまでクリーニングした。3つのエッチング速度のウェハーそれぞれにお
ける開始時のポリシリコンの厚さはPrometrix FT−650を使用し
て判定した。12枚のウェハーを処理した後、残っているポリシリコンの厚さを
測定してエッチング速度を判定した。
【0028】 負荷に対するRFパワーは、RFバイアス整合ネットワーク内に配置したRF
プローブからのフィードバックループによって非能動的に制御した。負荷抵抗の
変化の結果として生じるパワー効率の低下が大きくなり過ぎることを防止するた
めに、実験は低いチャンバー静電容量のものに依存した。それぞれの実験の間に
おいてVATバルブは固定位置に保ち、チャンバー圧力を一定の10mTorr
に維持するために1つまたは複数の供給ガス流量を変化させた。RFをオンに切
りかえる前およびそれぞれのウェハーをエッチングしている間のガスの流量を記
録した。RFプローブからのRFパラメータ(電圧、電流、位相、通電パワー、
負荷抵抗および負荷リアクタンス)もまた記録した。RFパワーをオンに切り換
えた後、最初は減少するのが普通であるガス流量が、フォトレジスト被覆したウ
ェハーのケースでは、残りのエッチングにおいて着実に増加した。ガス流量およ
びRFパラメータの値はエッチングのおよそ中間の時間、すなわちRFパワーを
オンに切り換えた後の約30秒後、に対応する。
【0029】 5つのテストを行い、そこではチャンバー内を一定の圧力10mTorrにし
ながら一方または両方の供給ガス流量を変化させた。これら5つのテストは以下
の通りである、 (i)HBrとCl2の比率を5:1にして両方の流量を変化 (ii)Cl2流量を20sccmに維持してHBr流量だけを変化 (iii)HBr流量を100sccmに維持してCl2流量だけを変化 (iv)より高い排気スピードでの第3の実験の繰り返し (v)HBrを0sccmに維持してCl2流量だけを変化 上記のテストを実施する前に、清浄なチャンバーにおいてポリシリコンのエッ
チング速度を、チャンバー圧力を10mTorrに維持するために排気スピード
を変化させたこと以外は処理条件を同様にして、Cl2(HBrのプラス100
sccm)流量の関数として測定した。その結果は図6に示されている。ポリシ
リコンのエッチング速度は、HBrだけのときの1750A/分からCl2を5
0sccmで加えたときの〜2650A/分へと上昇する。わずかにCl2を使
用したエッチング速度はHBrだけを使用したときのおよそ2倍である。これら
のエッチング速度はテスト(i)〜(v)の結果を解釈するうえで有用である。
【0030】 表3は5つの実験の結果を要約するものである。最初の2つのテストは、両方
のガスを5:1の比率で一緒に変化させ、その結果としてCl2流量の変化はほ
んのわずかで実効的にはHBrの流量だけが変化するので、同じ様な結果を示し
ている。4枚のシリコンの調整ウェハーの前後におけるポリシリコンのエッチン
グ速度はHBr流量を変化させたときに非常に類似(0.5%以内)している。
しかしながら、5枚のフォトレジスト被覆したウェハーのエッチングはエッチン
グ速度が12〜15%低下する結果をもたらした。この状況は、HBr流量を1
00sccmに固定してCl2流量を変化させる第3の実験結果と対比すること
ができる。ここで、反対の効果が生じている。エッチング速度は、調整ウェハー
を処理した後では12%近く低下するがフォトレジスト被覆したウェハーを処理
した後では殆どそのまま(+3.5%)である。チャンバー壁およびウェハー状
態は、調整ウェハーがエッチングされるときにHBrのドーター生成物(すなわ
ちH、Br)が優先的に消費され、レジスト被覆したウェハーのエッチングの間
ではCl2の生成物(Cl)が優先的に消費されるようになることが明らかであ
る。RFパワーをオンに切り換える前のトータルガス流量はそれぞれ12枚のウ
ェハーの順序を通じて殆ど一定である。このことは、流量はチャンバー壁の状態
とは関係がなく、分子の解離が生じるまでは化学反応は殆どまたはまったく生じ
ないことを意味している。同様に、チャンバーを調整しているときのBr2およ
びH2の役割りも小さいと考えられる。
【0031】 第3の実験は、4枚の調整ウェハーに引き続くCl2の流量が非常に少ないの
で、より高い排気スピード(VATバルブ260カウントvs.230カウント
)にて繰り返した。このケース(テスト(iv))では、HBrの実質的な量が
チャンバー壁とポンプへと失われるため、Cl2流量を55sccmにして開始
する。多量のCl2流量は相当に高いポリシリコンのエッチング速度2500A
/分につながる。チャンバー壁がHBrの生成物によって飽和すると、Cl2
量は補償のために13sccmまで低下し、ポリシリコンのエッチング速度は2
1%低下する。対照的に、フォトレジスト被覆ウェハーのエッチングの間では、
Cl2の生成物が主として消費され、Cl2の流量は再び42sccmへと増加す
る。ポリシリコンのエッチング速度は適度の5%上昇する。エッチング速度の過
度の補償はおそらく、フォトレジストのエッチングの間および直後においてHB
r生成物もまたいくらか消費される事実に起因し、これはより速いエッチング塩
素により仕上げられる。塩素流量を増加させることによる消費されたエッチング
用生成物の補償(おそらくHBr流量のわずかな増加を伴なう)はある程度の動
作範囲にわたって実行可能なエッチング速度安定化技術を提供することができる
が、調整ウェハーの後のエッチング速度の変化が示しているようにそれは普遍的
な解決法ではない。また、高い排気スピードにおいてはエッチング速度の過度の
補償が生じ得るので、排気スピードの選択は注意深く決定すべきである。ウェハ
ーおよびチャンバー壁は、ウェハーのタイプおよびチャンバーの状態に依存して
多様な割合で根本的な種のドーター生成物をポンピングするので、チャンバー内
部のガス状成分をリアルタイムで測定することによって正確な補償が達成可能と
なろう。例えば、適切な分析技術(例えば発光スペクトル)による測定がこの目
的のために使用可能となろう。差動排気型RGAを使用することもまた所望の結
果を達成することを可能にするだろうが、製造プロセスのコストを上げることと
なろう。経済的見地からすると、Cl2流量の補償は製造プロセスに装備するう
えで最も安価で最も簡単なものとなり得る。
【0032】 第5の実験は塩素だけを使用して実行した。これは製造のためには実行可能な
オプションではないが、流量補償のテストを完全なものにするために行った。単
一のガスといった状況は、その生成物が消費されるときにその流量が損失補償の
ために増加するので直接的である。表3から、調整ウェハーの後にポリシリコン
のエッチング速度が1.8%増加し、フォトレジストウェハーの後に0.8%低
下することが判る。塩素流量のわずかな変化は以前の実験と比較すると驚異的で
ある。HBrとCl2とを一緒に使用するとき、流量は10〜30sccmと変
えられるが、塩素だけであって、エッチング速度を補償するためには10scc
m未満の変化で充分である。
【0033】 5つのテストにおけるエッチングの均一性は概して非常に良好であり、標準偏
差は約2.5%であった。エッチング後のポリシリコンウェハーのエッチングプ
ロファイルは最初の3つのテストの間ではエッジでわずかに速く、テスト(iv
)では特に均一であったが、これはおそらくガス流量がより大きくなったためで
あろう。テスト(v)では中央がわずかに速くエッチングされる結果となった。
【0034】 解離した分子の密度をプラズマ中に存在するイオンの密度と比較することは興
味深いことである。10mTorrでは1cm3当たり約1014個の原子および
分子が存在する。もしも電子密度が〜5×1010であるならば、2000個のう
ちのわずか1粒子がイオン化されたことになる。解離に起因するガス圧力の変化
およびこれに付随する流量の変化は1つの粒子が2つになったようなものが解離
片であることを示唆している。解離した原子の強い反応性は急速な消費につなが
り、それゆえに流量が顕著に変化する。
【0035】 図7はテスト(i)における負荷電圧、負荷パワー、Cl2流量およびHBr
流量の変化を示すものである。エッチングされたポリシリコンウェハーのエッチ
ング速度は図8に示されている。SiO2またはフォトレジストの塩素エッチン
グのようなより物理的なプロセスにおいて負荷電圧がエッチング速度を制御する
上でより多くの効果を及ぼすのに対して、ポリシリコンのエッチング速度を制御
する上で負荷電圧はあまり効果を及ぼさないことが判る。残りのテストについて
の同様のプロットを上述した効果を示した図9〜16に示す。
【0036】 塩素流量の範囲はウェハーを処理している間においてかなり変化する可能性が
ある。図17はテスト(iv)の3枚目のウェハーについて塩素流量およびチャ
ンバー圧力をエッチング時間の関数として示すものである。左部分では、固定し
たHBr流量がチャンバーの圧力8mTorrを与えており、3秒後に塩素がオ
ンになって圧力を10mTorrまで変化させている。12秒後に、RFがオン
に切り換えられ、圧力は最初に上昇してそれから10mTorrに戻る。塩素流
量は長い間減少し、エッチング終了時でさえ充分に安定しない。先行する調整ウ
ェハーは同一のゆっくりした流量低下を有するが、引き続く調整ウェハーはより
急速に流量が安定する。流量のこの低下は図18に示した最初のフォトレジスト
ウェハー(テスト(iv)の#7)と対比可能である。ここでは、かなり急速に
流量が安定化した後、後者はエッチングの間を通じて、および引き続くフォトレ
ジストウェハーすべてを通して増加している。この過程はウェハーをフォトレジ
ストからシリコンに換えたときのみ逆行する。図19はRFをオンに切り換える
前の塩素流量およびテスト(iv)のそれぞれのウェハーについて(圧力安定後
)の塩素流量の範囲を示すものである。これらの流量変化は複雑な消費メカニズ
ムおよびエッチング処理に対するチャンバー状態の重要性を指摘している。
【0037】 本発明の一実施形態によると、HBrおよび/またはCl2の流量はチャンバ
ーの状態およびウェハーのタイプによって制御される必要がある。本発明による
エッチング安定化を得られるように1つまたは複数の処理ガス流量を制御するた
めに、発光信号はチャンバーのガス状成分についての必要な情報を提供すること
ができる。そのような発光信号をモニターするための評価技術では、塩素のみ、
HBrのみ、およびHBr/Cl2の5:1の混合物を使用して240〜850
nmの波長範囲にわたってスペクトルを調べた。図20は塩素ガス中でベアシリ
コンウェハーをエッチングする間においてとったスペクトルを示すものである。
700nm以上の波長におけるすべてのラインは原子状塩素によるものであり、
300〜400nmおよび500〜600nmの間のラインとバンドはおそらく
塩化珪素エッチング生成物によるものであろう。HBrだけを使用したときには
図21に示すスペクトルが得られ、そこではすべてのラインは原子状臭素で識別
可能なものである。水素によるラインは、その分離エネルギーが大きいので現れ
ていない。図22はCl2とHBrの混合物を使用して得たスペクトルを示すも
のである。やはり、シリコンウェハーからのエッチング生成物は認められるが、
図20の純塩素スペクトルにおいて顕著に形成された837.6nmにあるそれ
を除いて原子状塩素のラインは存在しない。たとえチャンバーに流入するHBr
:Cl2の比率が5:1であっても原子状塩素の発光は抑制されていることは明
らかである。この結果に対する1つの可能な説明は、Cl2がチャンバー壁に、
吸着したHおよびBrによって消費され、これがその後に排気されるという可能
性である。これらのテストはHBr/Cl混合物におけるCl2のラインの不在
を明らかにし、その結果ここに述べたOES技術がBr/Clの比率を測定する
のに不適切なようであるが、リアルタイムの基板エッチングの間において成分ガ
スのガス比率を得るために適切な他の測定技術が、連続的にエッチングされるウ
ェハーのバッチ処理の間においてエッチング速度変化の低減化を得るための本発
明の方法に使用可能であることが考えられる。
【0038】 フォトレジストウェハーがエッチングされるとき、観察されるラインは原子状
臭素のスペクトルだけである。しかしながら、5枚のウェハーをエッチングした
後ではこれらのラインの強度は因数4で低下する。これはプラズマ中にレジスト
エッチング生成物が存在することによる電子温度の低下に起因する可能性がある
。これらの大きな破片は多くの低いエネルギー準位を有すると予想され、これが
プラズマ電子が有意な量のエネルギーを得ることを妨害することになる。そのよ
うにして、装置および実際のエッチングプロセスに依存して、OESはプラズマ
成分のモニターを所望の程度で提供できない可能性がある。
【0039】 チャンバー壁(側壁、ライナー、シャワーヘッド、誘電体ウィンドウ、その他
)のエッチング速度の変化に及ぼす効果は、チャンバー壁を処理被覆材料で被覆
することにより調べた。例えば、チャンバー壁をセラミックまたは有機材料のよ
うな種々の材料で被覆することが可能である。セラミック材料はポリシリコンの
エッチング速度安定化にとって殆ど有益にはならないが、ポリテトラフルオロエ
チレン(すなわちTEFLONTM)のような有機材料は驚異的に良好な結果を提
供することが判明した。本発明によるエッチング速度安定化の目的のために1つ
または複数の処理ガス流量制御と組み合わせると、連続的に10枚以上のウェハ
ー(例えば、フォトレジスト、酸化物、ポリシリコンおよびダミーウェハー)の
バッチをエッチングするときのエッチング速度の変化は5%未満、好ましくは2
%未満までに低下させることができる。そのようなエッチング速度安定化は従来
のプロセスと比較して50%のオーダーの改善に符合する。安定化被覆があろう
となかろうと、エッチング速度の安定化は500pF未満、好ましくは300p
F未満、さらに好ましくは200pF未満の低いチャンバー静電容量を有するチ
ャンバー構造を使用して向上させることも可能である。本発明により得ることの
できる改善によって、製品ウェハーの生産稼動を開始する前にプラズマチャンバ
ーを通すシリコン調整ウェハーの稼動を必要としないでエッチング処理を実施で
きることが予測される。
【0040】
【表2】
【0041】
【表3】
【0042】 ここまでに本出願の原理、好ましい実施形態および動作モードを説明してきた
。しかしながら、本発明は検討した特定の実施形態に限定されると解釈されるべ
きでない。したがって上述した実施形態は制限としてではなく、むしろ例証と見
なすべきであって、当該技術に従事する者であれば記載の特許請求の範囲に規定
した本発明の範囲を逸脱することなく、それらの実施形態に変形をなすことが可
能であると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による方法を実行するために使用することのできるプラズマエッチング
チャンバーの断面図である。
【図2】 プラズマエッチングチャンバー内で処理される一連の18枚のウェハーのウェ
ハー数と調節可能なゲートバルブの位置との関係のグラフを示した図である。
【図3】 10mTorr、アンテナへのパワー350ワット、チャックへ100ワット
、Cl2量20sccm、HBr量100sccm、チャック温度60℃にてL
AM9400SETMプラズマエッチングチャンバーを運転してポリシリコンをエ
ッチング処理する場合のエンドポイント信号と時間との関係を表わすグラフを示
した図である。
【図4】 LAM9600TMチャンバー構成と比較した場合のLAM9400TMチャンバ
ー構成の負荷抵抗と効率との関係を表わすグラフを示した図である。
【図5】 一連の12枚のウェハーを処理する場合のCl2流量とウェハー数との関係を
表わすグラフを示した図である。
【図6】 10mTorr、アンテナへのパワー350ワット、チャックへ100ワット
、Cl2流量可変、HBr量100sccmにて運転してポリシリコンをエッチ
ングしたときのポリシリコンエッチング速度とCl2流量との関係を表わすグラ
フを示した図である。
【図7】 HBr:Cl2の比率を5:1に維持してHBrとCl2のトータル流量を変化
させ、12枚の一連のウェハーを処理するときのウェハー数に対する電圧、パワ
ー、およびHBrとCl2の流量の関係を表わすグラフを示した図である。
【図8】 HBr:Cl2の比率を5:1にしてHBrとCl2を変化させながらポリシリ
コンをエッチングしたときのウェハー数とポリシリコンエッチング速度との関係
を調べたグラフを示す図である。
【図9】 Cl2流量を20sccmに固定してHBr流量を変化させながら12枚の一
連のウェハーを処理したときのウェハー数に対する電圧、パワー、およびHBr
とCl2の流量の関係を表わすグラフを示した図である。
【図10】 Cl2流量を20sccmに固定してHBrを変化させながらポリシリコンを
エッチングしたときのウェハー数に対するポリシリコンエッチング速度の関係を
表わすグラフを示した図である。
【図11】 HBr流量を100sccmに固定してCl2流量を変化させながら12枚の
一連のウェハーを処理したときのウェハー数に対する電圧、パワー、およびHB
rとCl2の流量の関係を表わすグラフを示した図である。
【図12】 HBr流量を100sccmに固定してCl2流量を変化させながらポリシリ
コンをエッチングしたときのウェハー数に対するポリシリコンエッチング速度の
関係を表わすグラフを示した図である。
【図13】 HBr流量を100sccmに固定してCl2流量を変化させながらポンプ排
気速度を増大させ、12枚の一連のウェハーを処理したときのウェハー数に対す
る電圧、パワー、およびHBrとCl2の流量の関係を表わすグラフを示した図
である。
【図14】 HBr流量を100sccmに固定してCl2流量を変化させながらポンプ排
気速度を増大させ、ポリシリコンをエッチングしたときのウェハー数に対するポ
リシリコンエッチング速度の関係を表わすグラフを示した図である。
【図15】 HBrをチャンバーに供給せずにCl2流量を変化させながら12枚の一連の
ウェハーを処理したときのウェハー数に対する電圧、パワー、およびCl2流量
の関係を表わすグラフを示した図である。
【図16】 HBrを供給せずにCl2流量を変化させながらポリシリコンをエッチングし
たときのウェハー数に対するポリシリコンエッチング速度の関係を表わすグラフ
を示した図である。
【図17】 HBr流量を100sccmに固定してCl2流量を変化させながらポンプ排
気速度を増大させ、シリコンの調整ウェハーを処理したときの時間に対するチャ
ンバー内圧力および塩素流量の関係を表わすグラフを示した図である。
【図18】 HBr流量を100sccmに固定してCl2流量を変化させながらポンプ排
気速度を増大させ、フォトレジストを被覆したウェハーを処理したときの時間に
対するチャンバー内圧力および塩素流量の関係を表わすグラフを示した図である
【図19】 HBr流量を100sccmに固定してCl2流量を変化させながらポンプ排
気速度を増大させ、12枚の一連のウェハーを処理したときのウェハー数に対す
る塩素流量の関係を表わすグラフを示した図である。
【図20】 10mTorr、アンテナへのパワー350ワット、チャックへのパワー10
0ワット、Cl2量100sccmにて運転してチャンバー内でベアシリコンウ
ェハーをエッチングしたときの発光スペクトル(OES)を示した図である。
【図21】 10mTorr、アンテナへのパワー350ワット、チャックへのパワー10
0ワット、HBr量100sccmにて運転してチャンバー内でベアシリコンウ
ェハーをエッチングしたときの発光スペクトルを示した図である。
【図22】 10mTorr、アンテナへのパワー350ワット、チャックへのパワー10
0ワット、Cl2量20sccm、HBr量100sccmにて運転してチャン
バー内でポリシリコン被覆したウェハーをエッチングしたときの発光スペクトル
を示した図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ボールドウィン, スコット, ケー., ジュニア アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95121, サン ホセ, コルネス コー ト 2562 Fターム(参考) 4G075 AA30 BC06 BD14 CA47 CA62 CA65 EB01 EC21 FC13 5F004 AA01 BA20 BB29 BB32 BC02 BC03 CA02 CA03 DA00 DA04 DB02 【要約の続き】 ンバー内部から分離された真空ポンプ、および一定量の 反応性ガスを基板の露出表面に、チャンバー内で処理さ れるそれぞれの基板にとって基板バッチが連続的に1枚 1枚の基板エッチングをされる間において再現性のある エッチング速度を得るために充分なレベルで接触させ続 ける制御装置を含んでいる。

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 最少限のエッチング速度変動で個々の半導体基板を連続的に
    処理する方法であって、 (a)半導体基板をプラズマエッチングチャンバー内の基板支持体の上に設置
    するステップと、 (b)チャンバー内を真空に維持するステップと、 (c)エッチングガスをチャンバーに供給し、このエッチングガスを励起して
    チャンバー内でプラズマを形成して基板の露出表面をエッチングするステップ、 (d)基板をチャンバーから取り出すステップと、 (e)ステップ(a〜d)を繰り返すことによって追加の基板を連続的にエッ
    チングするステップとを有し、 ステップ(c)を繰り返す間に、エッチングされるそれぞれの基板に対して再
    現性のあるエッチング速度を得るに充分なレベルで所定量の反応性ガスを基板の
    露出表面に接触させ続けることによりエッチングステップが実行されることを特
    徴とする方法。
  2. 【請求項2】 半導体基板が、ステップ(c)の間にHBrとCl2でエッ
    チングされるポリシリコンの層を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】 ステップ(c)の間に、チャンバーが100mTorrより
    も低い真空圧力に維持され、このチャンバーは、ステップ(c)の間において固
    定位置に維持される調節可能なゲートバルブによってチャンバー内部と分離され
    る真空ポンプにより排気されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  4. 【請求項4】 ステップ(c)の間に、RFバイアスが基板支持体によって
    基板に印加されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  5. 【請求項5】 エッチングガスの少なくとも1つの成分の流量がステップ(
    c)の繰り返し時に増加されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  6. 【請求項6】 ステップ(c)の間に、エッチングガスの少なくとも1つの
    成分の流量がチャンバー内の一定の圧力を維持するために調節されることを特徴
    とする請求項1に記載の方法。
  7. 【請求項7】 ステップ(c)の間に、エッチングガスの少なくとも1つの
    成分の流量がチャンバー内の1つまたは複数の反応種のリアルタイム分析に基づ
    いて調節されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  8. 【請求項8】 誘電体部材によりチャンバー内側から分離された平面または
    非平面のアンテナによってエッチングガスがプラズマ状態へと励起され、この誘
    電体部材は基板支持体と少なくとも同じ広がりを有し、チャンバーは約600p
    F以下のチャンバー静電容量を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  9. 【請求項9】 誘電体部材が基板支持体に面するポリテトラフルオロエチレ
    ンの被覆を含み、チャンバーは約200pF以下のチャンバー静電容量を有する
    ことを特徴とする請求項8に記載の方法。
  10. 【請求項10】 内部に基板支持体を有し、この基板支持体に面する誘電体
    部材を含むプラズマエッチングチャンバーと、 チャンバー内部にエッチングガスを供給するガス供給部と、 誘電体部材によってチャンバー内部から分離され、誘電体部材経由でRFエネ
    ルギーを通してエッチングガスをプラズマ状態へと励起するアンテナと、 チャンバー内部を排気し、調節可能なゲートバルブによってチャンバー内部か
    ら分離される真空ポンプと、 基板バッチの連続的な1枚1枚の基板エッチングの間に、チャンバー内で処理
    されるそれぞれの基板に対して再現性のあるエッチング速度を得るに充分なレベ
    ルで、所定量の反応性ガスを基板の露出表面に接触させ続ける制御装置とを有す
    ることを特徴とするプラズマエッチング装置。
  11. 【請求項11】 制御装置がエッチングガスの少なくとも1つの成分のチャ
    ンバー内への流量を連続的に調節することを特徴とする請求項10に記載のプラ
    ズマエッチング装置。
  12. 【請求項12】 真空ポンプがチャンバー内部を100mTorrよりも低
    い真空圧力に維持し、制御装置が基板バッチの連続的な1枚1枚の基板エッチン
    グの間に、チャンバー内で処理されるそれぞれの基板がチャンバー内でエッチン
    グされる間、ゲートバルブを固定位置に維持することを特徴とする請求項10に
    記載のプラズマエッチング装置。
  13. 【請求項13】 基板支持体がRFバイアスを印加する電極を含み、制御装
    置が基板バッチの連続的な1枚1枚の基板エッチングの間にチャンバー内で処理
    されるそれぞれの基板に対するRFバイアスを調節することを特徴とする請求項
    10に記載のプラズマエッチング装置。
  14. 【請求項14】 制御装置がエッチングガスの1つまたは複数の成分の流量
    を、基板バッチの連続的な1枚1枚の基板エッチングの間において、前の基板グ
    ループよりも後の基板グループに対して大きくなるように調節することを特徴と
    する請求項10に記載のプラズマエッチング装置。
  15. 【請求項15】 制御装置が基板のエッチングの間において、チャンバー内
    に一定の真空圧力を供給するために、エッチングガスの1つまたは複数の成分の
    流量を調節することを特徴とする請求項10に記載のプラズマエッチング装置。
  16. 【請求項16】 制御装置が基板のエッチングの間において、チャンバー内
    の1つまたは複数の反応種のリアルタイム分析に基づいて、エッチングガスの1
    つまたは複数の成分の流量を調節することを特徴とする請求項10に記載のプラ
    ズマエッチング装置。
  17. 【請求項17】 誘電体部材が基板支持体と少なくとも同じ広がりを有し、
    チャンバーが約600pF以下のチャンバー静電容量を有することを特徴とする
    請求項10に記載のプラズマエッチング装置。
  18. 【請求項18】 誘電体部材が基板支持体に面するポリテトラフルオロエチ
    レンの被覆を含み、チャンバーが約200pF以下のチャンバー静電容量を有す
    ることを特徴とする請求項17に記載のプラズマエッチング装置。
  19. 【請求項19】 個々の基板のエッチングの間において、制御装置が真空ポ
    ンプの固定排気スピードでチャンバー内の一定圧力を維持することを特徴とする
    請求項10に記載のプラズマエッチング装置。
  20. 【請求項20】 ポリシリコン層を有する基板が基板支持体に保持され、ガ
    ス供給部が調節可能な流量でHBrとCl2をチャンバー内に供給し、制御装置
    が固定排気速度を維持するための真空ポンプの制御と、固定位置に維持するため
    のゲートバルブの制御と、HBrの流量を一定速度に維持するためのガス供給部
    の制御と、チャンバー内壁によるエッチングガスの反応種の吸着を補償するのに
    充分な量にCl2の流量を変化させるためのガス供給部の制御とを行うことを特
    徴とする請求項10に記載のプラズマエッチング装置。
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