JP2004509464A - シリコンのエッチング及びチャンバのクリーニングプロセスの一体化 - Google Patents

Abstract

ソース電力を有する基板処理チャンバに配置された基板を処理する方法は、基板を基板処理チャンバヘ移送するステップを含む。ソース電力装置からＲＦエネルギーを供給し、プラズマを基板に向けてバイアスすることによって、第１のエッチャントガスから形成されたプラズマに基板を曝すことによって、トレンチが基板にエッチングされる。バイアス電力を加えることなく、又は最小のバイアス電力を加えて、基板処理チャンバにハロゲン源を含む第２のエッチャントガスから形成されるプラズマを点弧することによって、基板処理チャンバの内面に付着している副産物が除去される。その後、基板はチャンバから取出される。チャンバでドライクリーニング又はウエットクリーニング動作を行う前に、トレンチをエッチングするステップ及びエッチング副産物を除去するステップによって、少なくとも１００枚以上の基板が処理される。

Description

【０００１】
（発明の属する技術分野）
本発明は、シリコンのエッチング方法に関し、特に、本発明は、シリコンのエッチング及びチャンバのクリーニングプロセスを一体化する方法に関する。
【０００２】
シリコンのエッチングプロセスは、多くの集積回路を製造する場合の基本ステップである。各処理される基板は正確な設計仕様に一致する実質的に同一のエッチングプロフィールを有さなければならないので、エッチングプロセスにおいて重要なことは反復性である。しかし、シリコンのエッチングプロセスは、一般にエッチングチャンバの内面に付着する副産物、例えば二酸化シリコンシリコンを生成する“ダーティーな（汚れた）”プロセスであるために、エッチングプロセスの反復性は悪化させられる。この内面上の付着は各々の連続するシリコンエッチングプロセスと共に累積し、チャンバ条件を変えてしまう。チャンバが規則的にクリーニングされない限り、実際に、チャンバは汚れ、好ましくない反復性を導く。例えば、初期の段階で処理された基板は、チャンバが汚れた後に処理された基板とは異なったエッチングプロフィールを有するかもしれない。
【０００３】
副産物の累積に関連したこれらの、及び他の問題を解決するために、チャンバのクリーニングプロセスがエッチングプロセス間に規則的に行われる。例えば、各々のカセットが約２５枚の基板を有している場合に、１つから３つのカセットを処理した後にドライクリーニングプロセスが行われる。このドライクリーニングプロセスは、一般に、ダミーのカセットをチャンバへ挿入するステップとチャンバ内でクリーニングガスの混合物からプラズマを点弧するステップを含む。プラズマは、チャンバの内面に付着している副産物を除去し、チャンバを比較的きれいな状態に戻す。
【０００４】
ドライクリーニングプロセスは、一般にチャンバ全体を効果的にきれいにすることができないので、ドライクリーニングプロセスに加えて、例えば、１５００枚の基板を処理するごとにウエットクリーニングプロセスが周期的に行われる。ウエットクリーニングプロセスは、チャンバを開けて、溶剤を用いてチャンバを人手でクリーニングするステップを有する。このプロセスは、一般に４時間から８時間かかる。ウエットクリーニングプロセスの後、エッチングチャンバは良好な反復性を得るために乾燥される。チャンバは、ダミーの基板をチャンバに挿入することによって乾燥され、次いでクリーニングガスの混合物からプラズマを点弧する。
【０００５】
容易に理解することができるように、上述のクリーニングプロセス、特にウエットクリーニングプロセスは、エッチングシステムを生産から離すので、スループットを減少する。従って、ウエットクリーニングステップ間に多くの基板を処理することができるシリコンエッチングプロセスを開発し、それによってチャンバの停止時間を最小にすることが望まれる。
【０００６】
（本発明の概要）
本発明は、シリコンをエッチングする改良された方法を提供する。本発明の実施の形態は、シリコンエッチングプロセスをその場所で（ｉｎ−ｓｉｔｕ）のクリーニングプロセスと一体化し、その結果分離したドライクリーニングプロセスを行う必要がない。本発明は、チャンバのクリーニングプロセス間で多くのトレンチエッチングプロセスを実行することを可能にする。本発明はあらゆるシリコンのエッチングプロセスのために使用することができる。
【０００７】
本発明の実施の形態において、ソース電力を有する形式の基板プロセスチャンバに配置されたシリコン基板を処理する方法は、基板を基板処理チャンバに移送するステップを有する。ソース電力装置からＲＦエネルギーを与え、基板に向かってプラズマをバイアスすることによって第１のエッチャントガスから形成されるプラズマに基板を曝すことによってトレンチが基板上にエッチングされる。基板のプロセスチャンバの内面に付着する副産物は、バイアス電力を加えることなく、又は最小のバイアス電力を加えて、基板のプロセスチャンバにハロゲンソースを含む第２のエッチャントガスから形成されるプラズマを点弧することによって除去される。その後、基板はチャンバから取出される。チャンバについてドライクリーニング動作又はウエットクリーニング動作のいずれかを行う前に、少なくとも１００以上の基板がトレンチをエッチングするステップ及びエッチング副産物を除去するステップによって処理される。
【０００８】
他の実施の形態において、基板を処理し、チャンバをクリーニングするステップを一体化する方法は、基板をプロセスチャンバヘ移送するステップを含む。基板は、バイアス電力をプロセスチャンバに加えることによって基板をエッチングするために第１のプロセスガスから点弧されたプラズマに曝される。プロセスチャンバに付着するエッチング副産物は、プロセスチャンバへバイアス電力を加えることなく、又は最小のバイアス電力を加えることによって、ハロゲンソースを含む第２のエッチャントガスから形成される第２のプラズマ中に解離したイオン及びラジカルにチャンバを曝すことによって除去される。その後、処理された基板はチャンバから取出される。チャンバについてドライクリーニング動作又はウエットクリーニング動作のいずれかを行う前に、少なくとも３００以上の基板が基板を曝すステップ及びエッチング副産物を除去するステップによって処理される。
【０００９】
他の実施の形態において、ソース電力を有する形式の基板プロセスチャンバに配置されたシリコン基板を処理する方法は、ソース電力装置からＲＦエネルギーを加えることによって第１のエッチャントガスから形成されるプラズマに基板を曝すステップを有する。このプラズマは、トレンチをエッチングするためにバイアス電力を基板プロセスチャンバへ加えることによって基板に向かってバイアスされる。プラズマは、バイアス電力を加えることなく、又は最小のバイアス電力を加えることによって基板プロセスチャンバに本質的にＣＦ_４、Ｏ_２およびＡｒからなっている第２のエッチャントガスから点弧されて、基板プロセスチャンバの内面に付着しているエッチング副産物を除去する。
【００１０】
本発明のこれらの、及び他の実施の形態ばかりでなく、その利点及び特徴は、以下のテキスト及び添付された図面と共により詳細に説明される。
【００１１】
（特定な実施の形態の詳細な説明）
Ｉ．模範的なチャンバ
図１は、本発明の方法が実施される適例の半導体ウエハ処理装置１００の概略図を示す。この装置１００は、プロセスチャンバ１０１、ソース電源１０５、バイアス電源１０６、及び制御装置１４０を有する。プロセスチャンバ１０１は、ドーム１０３、円筒上の側壁１１１及び底部１１３によって画定された処理容積１０４を有する。ドーム１０３は、誘電体材料、例えばセラミック又はクォーツから一般に作られる。側壁１１１と底部１１３は金属、例えばアルミニウム又はステンレススチールから一般に作られる。ソース電源１０５は、ＲＦ信号（例えば、１２．５６ＭＨｚ）をアンテナ１０２に結合する。アンテナ１０２は、上部１０３近くに配置された複数の巻線を有し、プラズマ１３０を形成し及び／又は維持するために容積１０４内にプロセスガスを励起するＲＦ電磁界を発生する。
【００１２】
鎖線で示されたロボットアーム１１２は、スリットバルブ１１４を通してプロセスチャンバ１０１内に、及びプロセスチャンバからウエハ１１０を移送する。基板の処理中に、部分的に形成された集積回路構造を含むことができる半導体ウエハ１１０がペデスタル（静電チャック）１０７上に支持される。ウエハ１１０は、処理を容易にするためにプラズマに曝される。プラズマ１３０からのイオン及び電子がウエハ１１０に衝突する。電子はイオンよりよく移動するので、イオンより多くの電子がウエハに衝突する。その結果、ウエハ１１０は負にバイアスされる。負のバイアスはプラズマからの正のイオンをウエハ１１０に向けて加速させる。ペデスタル１０７、従ってウエハは、バイアス電源１０６によってペデスタル１０７に供給されたＲＦ信号（例えば、４００ＫＨｚ又は１３．５６ＭＨｚ）によってバイアスされる。プラズマ１３０のイオン密度は、アンテナ１０２に与えられた信号によって主に制御され、一方、イオンのエネルギーは、ペデスタル１０７に供給された信号によって主に制御される。
【００１３】
チャンバ１０１内の温度は、チャンバの側壁１１１及びドーム１０３内の離れた熱交換路（図示せず）を通して流体（例えば、水をベースとしたエチレングリコール）を循環することによって部分的に制御される。エッチングされている基板の温度は、ペデスタル１０７内の通路（図示せず）を通して基板の裏側に与えられるガスの組合せによって、及びペデスタル内の熱交換路（図示せず）を通して流体を循環することによって制御される。プロセスモニター１０８はプロセスチャンバ内の状態を監視する。プロセスモニターは、チャンバ１０１で行うプロセスに依存する状態を測定するための如何なるセンサであってもよく、又はそれらの組合わせであってもよい。一例として、プロセスモニター１０８は、発光分光計（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＯＥＳ）を挙げることができる。このＯＥＳは、プラズマ１３０からの放射を監視する。このような放射は、プロセスチャンバ１０１において行なうプロセスの進行に依存する。代わりに、プロセスモニター１０８は、高さ、例えば、ウエハ１１０の表面へエッチングされたトレンチの深さを測定するための干渉計を有することができる。このような干渉計は、トレンチの上部及び底部から反射した光の干渉によってトレンチの深さを測定する。プロセスモニター１０８がＯＥＳ又は干渉計である場合、チャンバ１０１内からの放射は透明な開口、例えばさファイや又はクォーツの上部１０３を通してプロセスモニターに結合される。代わりに、この目的のために上部１０３又は側壁１１１に別の窓を設けることができる。
【００１４】
プロセスモニター１０８及びシステム１００のいろいろな要素が制御装置１４０に結合される。制御装置１４０は、プロセスチャンバ１０１において行うプロセスを開始し、監視し、調整し、及び停止するために必要な信号を与えるハードウェアを有する。例えば、プロセスチャンバ１０１は、カリフォルニア州サンタクララにあるアプライドマテリアルズ社によって製造された減結合プラズマソース（ＤＰＳ）エッチングチャンバである。チャンバ１０１は、半導体ウエハを処理するのに必要な素子を含んでいる。
【００１５】
チャンバ１０１の外部は一般に大気圧にあり、チャンバ１０１の内部は処理の間減圧されている。排気装置１０９は、チャンバ１０１内の圧力を調整する。ガスパネル１２０は、ガスライン１２２及びバルブ１２４を介してプロセスガスをチャンバへ供給する。プロセス、例えばエッチングプロセスにおいて、プラズマ１３０は、ＲＦ電力をプロセスガスに加えることによってチャンバ内に形成される。ＲＦ電源１０５は、アンテナを励振してチャンバ内にプラズマを点弧し、維持する。この分野の当業者は、複数のステップがプロセスチャンバにおいてプラズマを励起する、即ち、プロセスガスを供給し、ソース電力をアンテナに与え、バイアス電力をペデスタルに与えるなどに必要であることを理解するであろう。これらのステップは、さらに説明するまでもなくこの分野の当業者が実施することができる。
【００１６】
本発明の方法は、プロセッサベースのシステム制御装置、例えば図１Ａの制御装置によって制御されるシステムにおいて実現される。図１Ｂは、このような場合に用いられるシステム制御装置１４０を有する、図１Ａに示される処理装置１００のブロック図を示す。システム制御装置１４０は、コンピュータ読取可能なメモリ１６２、大容量記憶装置１６４、入力制御装置１６６、及び表示装置１６８と共に動作可能なプログラム可能な中央処理装置（ＣＰＵ）１６０を有する。システム制御装置は、更に、よく知られた支援回路、例えば電源１７４、クロック装置１７６、キャッシュ１７８、入出力（Ｉ／Ｏ）回路等を含む。また、制御装置１４０は、チャンバ１０１においてセンサ１８１によって処理するウエハを監視するためのハードウエアを有する。これらのセンサは、システムパラメータ、例えばウエハ温度、チャンバ圧力などを測定する。上記の素子の全ては、制御システムバス１７０に結合されている。
【００１７】
メモリ１６２は、ＣＰＵ１６０が処理システム１５８の動作を制御するために実行する命令を含んでいる。メモリ１６２におけるこれらの命令は、プログラムコード、例えば本発明の方法を実行するプログラム１９０の形式である。このプログラムコードは、多くのいろいろなプログラム言語のいずれか１つであることができる。例えば、プログラムコードは、Ｃ、Ｃ＋＋、ベーシック、パスカル、又は他の多くの言語で書かれることができる。コンピュータプログラム１９０は、多くの異なるサブルーチンを有する。例えば、１つの特定な実施の形態において、プログラム１９０は、マルチチャンバシステムにおける各チャンバ用のプロセス選択サブルーチン、プロセスシーケンササブルーチン及びチャンバ管理サブルーチンを有する。プログラム１９０は、又、例えばとりわけ、基板位置決めサブルーチン、プロセスガス制御サブルーチン、圧力制御サブルーチン、温度制御サブルーチン及びプラズマ制御サブルーチンを含む各チャンバ１０１の個々の要素を制御するサブルーチンをも有する。この分野の当業者は、どんなプロセスがプロセスチャンバ１０１において行われるかに依存して、他のチャンバ制御サブルーチンを含むことができることを容易に理解するであろう。
【００１８】
プロセス選択サブルーチンは、（ｉ）所望のプロセスチャンバ（チャンバ１０１がマルチチャンバ処理システムの一部である場合）及び（ｉｉ）所望のプロセスを行うためのプロセスチャンバを動作するのに必要とされたプロセスパラメータの所望の組を識別する。特定のプロセスを行うためのプロセスパラメータは、プロセス条件、例えばプロセスガスの混合物及び流速、温度、圧力、プラズマ状態、例えばＲＦ電力レベル及び低いＲＦ周波数、冷却がス、及びチャンバ壁の温度に関する。これらのパラメータは、レシピの形式でユーザに提供され、入力制御インタフェース１６６を用いて入力することができる。
【００１９】
プロセスシーケンササブルーチンは、識別されたプロセスチャンバ及びプロセス選択サブルーチンからのプロセスパラメータの組を受けるため、及びマルチチャンバシステムにおけるいろいろなプロセスチャンバの動作を制御するためののプログラムコードを有する。多くのユーザがプロセスセット数及びプロセスチャンバ数を入力することができるか、又は一人のユーザが多数のプロセスセット数及びプロセスチャンバ数を入力することができるので、シーケンサルーチンは、所望のシーケンスにおいて選択されたプロセスをスケジュールするために動作する。好ましくは、シーケンササブルーチンはプログラムコードを有し、（ｉ）チャンバが用いられているか否かを判断するためにプロセスチャンバの動作を監視し、（ｉｉ）使用されているチャンバでどんなプロセスが実行されているかを判断し、及び（ｉｉｉ）実行されるべきプロセスチャンバの能力及びプロセスの形式に基づいて所望のプロセスを実行する。プロセスチャンバを監視する従来の方法は、例えばポーリングを用いることができる。どのプロセスが実行されるべきかをスケジュールする場合、シーケンササブルーチンは、選択されたプロセスのための所望されたプロセス条件、または各特定のユーザが入力した要求の“エージ（ａｇｅ）”と比較して、使用されているプロセスチャンバの現在の条件を考慮することができるか、またはスケジューリング特性を決めるために含むようにシステムプログラマーが要求する他の全ての関連したファクタを考慮することができる。
【００２０】
シーケンササブルーチンが、どのプロセスチャンバとプロセスセットの組合わせが次ぎに行われるべきかを判断すると、シーケンササブルーチンは、特定のプロセスセットパラメータを、シーケンササブルーチンによって判断されたプロセスセットに従って特定のプロセスチャンバにおけるマルチ処理タスクを制御する特定のチャンバ管理サブルーチンへ渡すことによってプロセスセットの実行を開始する。動作において、チャンバ管理サブルーチンは、実行されている特定のプロセスセットに従ってプロセス要素サブルーチンを選択的にスケジュールしたり、または呼び出したりする。一般に、チャンバ管理サブルーチンは、いろいろなチャンバ要素を監視し、どの要素が実行されるべきプロセスセットに対するプロセスパラメータに基づいて動作される必要があるかを判断し、そして監視及び判断ステップに応答する個々のチャンバ要素サブルーチンの実行を開始する。
【００２１】
当業者は、特定のチャンバ要素サブルーチンの各々をどのように実現するかを理解するであろう。例えば、基板の位置決めサブルーチンは、基板をペデスタル１０７上にロードするために、そして任意に、ペデスタル及び基板を基板処理用のチャンバ１０１において所望の高さに上昇するために使用されるチャンバ要素を制御するためのプログラムコードを有する。
【００２２】
大容量記憶装置１６４は、データ及び命令を記憶し、プロセッサの読取可能な記憶媒体、例えば磁気ディスクまたは磁気テープからのデータ及びプログラムコード命令を検索する。例えば、大容量記憶装置１６４は、ハードディスク駆動装置、フレキシブルディスク駆動装置、テープ駆動装置、または光ディスク駆動装置である。大容量記憶装置１６４は、それがＣＰＵ１６０から受取った命令に応答して、命令を記憶し、検索する。大容量記憶装置１６４によって記憶され、検索されたデータ及びプログラムコード命令は、処理装置１００を動作するためのプロセッサユニット１６０によって用いられる。これらのデータ及びプログラムコード命令は、先ず媒体から大容量記憶装置１６４によって検索され、その後ＣＰＵ１６０によって使用するためにメモリ１６２へ転送される。
【００２３】
入力制御装置１６６は、チャンバオペレータの入力の受信に応じるために、データ入力装置、例えばキーボード、マウス、またはライトペンをプロセッサユニット１６０に接続されている。表示装置１６８は、情報をＣＰＵ１６０の制御の下で、グラフィック表示及び英数字の形態でチャンバオペレータに提供する。
【００２４】
制御システムバス１７０は、制御システムバス１７０に接続されている全ての装置間でデータ及び制御信号の転送に応じる。制御システムバスは、ＣＰＵ１６０における装置を直接接続する単一バスとして示されているけれども、制御システムバス１７０はバスの集合であることもできる。例えば、表示装置１６８、入力制御装置１６６及び大容量記憶装置１６４は入力−出力周辺バスに接続することができるが、一方、ＣＰＵ１６０及びメモリ１６２は、ローカルプロセッサバスに接続される。このローカルプロセッサバス及び入力−出力周辺バスは、制御システムバスを形成するために、共に接続される。
【００２５】
システム制御装置１４０は、処理装置１００の素子に接続され、システムバス１７０及びＩ／Ｏ回路１８０を介して本発明によるエッチングプロセスに用いられる。これらの素子は、複数のバルブ１８２（例えば図１Ａのバルブ１２４）、プロセスモニター１０８、排気装置１０９、ソース電源１０５、バイアス電源１０６、スリットバルブ１１４、ガスパネル１２０、ロボットアーム１１２、チャンバセンサー１８１及び任意のミキサーブロック１８４（図１には示されていないが、ガスパネル１２０またはチャンバ１０１のいずれかに接続されることができる）を有する。
【００２６】
システム制御装置１４０は、チャンバ１０１において所望のプロセスを行うために、これらの素子に所望の動作を行わせるいろいろなチャンバ素子に信号を送る。
【００２７】
本発明は、ソフトウェアによって実行され、汎用コンピュータで実施されるように説明されたが、当業者は、本発明がハードウェア、例えば特定用途の集積回路（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ：ＡＳＩＣ）または他のハードウェア回路を用いて実行されることができることを理解するであろう。このように、本発明は、全体としてまたは部分的に、ソフトウェア、ハードウェア又はその両方で実行されることできることを理解すべきである。また、当業者は、基板処理装置１００を制御するために、適当なコンピュータシステムを選択することは慣用技術であることを理解するであろう。
【００２８】
ＩＩ．本発明によるシリコン処理
本発明の方法は、適切な基板処理チャンバ、例えば上述した適例のチャンバにおいていろいろな用途のためシリコンをエッチングするために用いることができる。しかし、例示目的のために、本発明は、浅いトレンチ分離プロセスのためのシリコン基板においてトレンチをエッチングすることに関連して、以下に説明される。以下の説明における参照番号は、図１Ａと図１Ｂに示された適例のチャンバの要素を参照するために用いられる。
【００２９】
図２Ａ−図２Ｃ及び図３を参照すると、プロセス２００（図３）は、プロセスチャンバ１０１のペデスタル１０７上に基板５０（図２Ａ）を配置するステップを含む（ステップ２０１）。基板は、パターン化されたパッドの酸化物層５２及びよく知られた技術によってその上に設けられたパターン化されたハードマスク層５３、例えば窒化リコン層を有する。パッドの酸化物層は基板上に形成されてハードマスク層に対して良好な接着表面を与える。本来の酸化物層５４は、基板の空気への露出の結果として基板５０の露出した部分上に形成される。本来の酸化物層５４は、先ず、よく知られたエッチング技術のいわゆるブレークスルーステップ（ステップ２０２）を用いて除去される。次いで、トレンチが、図２Ｂに示されるように、よく知られた異方性エッチング技術（ステップ２０４）を用いてエッチングされる。異方性エッチング技術は、基板に向かって垂直にイオンを指向するためにバイアス電力を加えるステップ及びトレンチがエッチングされるにしたがってトレンチの壁上に不動態層５６を形成するために、ポリマー形成ガス、例えば酸素及び窒素を基板１０１へ流すステップを有する。一般に、、プラズマは、基板に向かって垂直にイオンを加速するために、少なくとも２５０ワット（０．８０ワット／ｃｍ^２）でバイアスされる。不動態層は、一般にトレンチの底部コーナー５８において少なくなる。即ち、不動態層は、下部の側壁におけるよりも上部側壁において厚くなる。
【００３０】
４０００Åのトレンチをエッチングするために、Ｃｌ_２、Ｎ_２およびＯ_２からなるエッチャントガスを用いるトレンチエッチングプロセスを実行するためのプロセスレシピが表１に示される。表１において、Ｗ_ｂはバイアス電源１０６によって供給されたバイアス電力を表し、Ｗ_ｓはソース電源１０５によって供給されたソース電力を表し、そして圧力はエッチングプロセス中のチャンバ内の圧力を表す。
【００３１】
【表１】
表１：プロセスレシピ

【００３２】
図３の異方性エッチングプロセスにおいて、ポリマー化及びイオン衝突はチャンバ１０１の内面に付着する副産物を生成するので、ステップ２０４は、汚れた（ダーティ）プロセスと呼ばれる。これらの副産物は、チャンバ内に累積し、それらが定期的に除去されない限りチャンバ状態を変えてしまう。さらに、イオン衝突は、基板の外面における結晶構造を損傷し、とりわけ基板の電気的特性を変化する２０〜１００Åの厚さを有する損傷された層（図２Ｂには示されず）を生成する。また、イオン衝突は、ステップ、表面反射及びクラックの可能性を増加する基板表面を粗くする。
【００３３】
トレンチが形成された後に、ソフトクリーニングステップ（ステップ２０６）が行われて、主なトレンチプロフィール、即ちトレンチの幅、深さ及び傾斜を殆ど変えることなくチャンバの内面に付着している副産物を除去する。半導体製造プロセスの従来例の下では、技術者は、エッチングされたプロフィールを変え、基板を損傷すると言う恐怖のために、チャンバから処理された基板を取出した後にのみチャンバのクリーニングステップを行っていた。しかし、本発明者は、ソフトクリーニングステップをシリコンのエッチングプロセスに統合すること、即ちチャンバに基板を入れたままソフトクリーニングステップを行なうことが多くの予期しない利点を与えることを発見した。例えば、本発明者によって発見された統合されたエッチングプロセスは、従来の方法におけるよりもウエットクリーニングステップ間で非常に多くの基板が処理されることを可能にする。さらに、幾つかの例ではソフトクリーニングステップは、ドライクリーニングステップのための必要性を軽くさえする。
【００３４】
ソフトクリーニングステップは、主に化学プロセス、即ち副産物を生成する更なる物理的エッチングを除くか少なくとも最小にするために、バイアス電力を止めるか、または最小のバイアス電力（２０ワット、即ち０．０６ワット／ｃｍ^２より多くない）をチャンバに供給するステップを含む。不動態層５６はトレンチの上方部分を保護するので、主なトレンチプロファイルはソフトクリーニングステップによって殆ど変化しない。しかし、不動態層は底部のコーナで次第に弱くなるので、ソフトクリーニングステップは図２Ｃに示されるようにトレンチの底部コーナを丸くする。トレンチの底部コーナーを丸くすることは、ステップカバーレッジを改善し、デバイス性能を向上する。また、ソフトクリーンステップは、それが副産物を取り除き底部コーナーを丸くするに従って基板の表面における損傷された層を取り除く。
【００３５】
ソフトクリーンステップの化学作用は、異方性エッチングステップの化学作用とは異なる。このソフトクリーニングステップは、１つまたはそれ以上のハロゲン源、例えばＳＦ_６、ＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_４Ｆ_８、ＮＦ_３およびＣＨＦ_３を有するプロセスガスを流すステップを有する。好ましくは、プロセスガスはハロゲン源の解離を増進するソース（例えば、酸素源）またはプラズマ分布パターンを変える不活性ガス（例えば、アルゴン）、または両方を有する。酸素源等は、ハロゲン源の解離を増進するが、副産物も生成する。したがって、特定のプロセスガスに対する酸素源等の最適な量は、用いられる特定のプロセスガスに対して決められなければならない。例えば、プロセスガスがハロゲン源として実質的にＣＦ_４からなる場合の１つの特定のソフトクリーンプロセスに対して、発明者は、Ｏ_２に対する最適なガス流の範囲はＣＦ_４のガスの流速の約１０％から約４０％の間にあり、好ましくは、Ｏ_２に対するガスの流速はＣＦ_４のガスの流速の約２０％であると定めた。アルゴンのような不活性ガスは、チャンバ内でハロゲン源をより一様に分布するためにプロセスガス中に含むことができる。例えば、ソフトクリーニングステップは、より多くの副産物を生成するエッチングプロセスに対して長い時間実行する必要がある。
【００３６】
ソフトクリーニングステップ後に、基板はチャンバから取出される（ステップ２０７）。副産物の累積によりウエットクリーニングプロセスを用いてチャンバをクリーニングする必要があるか否かについての判断がなされる（ステップ２０８）。この判断は多くのいろいろな方法で行われる。本発明の１つの実施の形態では、プロセス２００を行う前に、チャンバがｎ回のプロセスラン毎にクリーニングされるべきであると決められている。ここでｎは全ての整数である。特定のプロセスに対してｎの適切な数は経験によって定めることができる。１つの実施の形態によると、チャンバは１０，０００回のプロセスの実行後でさえもウエットクリーニングする必要はないので、ｎは１０，０００より大きな数である。これは、一般に１５００回程度のプロセスの実行ごとにウエットクリーニングを必要とする従来の方法に対して劇的な改善である。さらに、この改善された結果は、ウエットクリーニングプロセス間に何らドライクリーニングステップを行なうことなく得られる。再び、ステップ２０８を参照すると、チャンバをクリーニングする必要がない場合（即ち、ｎ回より少ないプロセスが実行された場合）、他の基板はチャンバにロードされ、ステップ２０１−２０７が繰返される。一方、チャンバをクリーニングする必要がある場合（即ち、ｎ回のプロセスが実行された場合）、チャンバは、ドライクリーニングステップかウエットクリーニングのいずれかで、またはその両方でクリーニングされる（ステップ２１２）。
【００３７】
ここで使用されているように、ドライクリーニングステップまたはドライクリーニングは、クリーニングガス混合物から点弧されたプラズマがエッチングシステムの内面に付着している副産物を除去するために用いられるチャンバから処理された基板を取出した後に行われるクリーニングプロセスをいう。一般に、“クリーニングプラズマ”を点弧する前にダミーのウエハがチャンバに挿入される。ウエットクリーニングステップまたはウエットクリーニングは、チャンバが空にされ、クリーニング液がエッチングシステムの内面に付着している副産物を除去するために用いられるクリーニングプロセスを言う。
【００３８】
再び、ソフトクリーニングステップを参照すると、表２は、本発明の１つの実施の形態によるソフトクリーニングステップに対するチャンバの圧力、バイアス電力、ソース電力などの許容範囲を示す。
【００３９】
【表２】
表２：プロセスレシピ

【００４０】
１つの実験では、プロセス２００が８インチ（２０．３２ｃｍ）のウエハ用に装備が施されたアプライドマテリアルズ社によって製造されたＤＰＳ＋チャンバにおいて以下のプロセスレシピを有するソフトクリーニングステップを用いて実施された。このソフトクリーニングステップは２０秒間行われた。チャンバの圧力は低圧、例えば１０ｍＴに保たれた。プロセスガスは、ＣＦ_４が６０ｓｃｃｍ、Ｏ_２が１２ｓｃｃｍ、及びＡｒが１２０ｓｃｃｍの流速でチャンバに流された。ソース電源１０５は、プロセスガスからプラズマを点弧するために、１２．５６ＭＨｚの周波数で１２００ワットのＲＦ電力をアンテナ１０２へ供給するように制御された。バイアス電源１０６は、基板に対して高速イオン衝突を最小にするために接地された。プロセス２００は、如何なるドライまたはウエットクリーニングステップも行なうことなく３０００回実施された。チャンバは３０００回のプロセスを実行した後でさえもきれいなままであった。この実験は、基板の供給が使い果たされたので、３０００回のエッチングプロセスを実行した後停止された。３０００回のエッチングプロセスを実行した後、チャンバのきれいな状態に基づいて、発明者は、プロセス２００が如何なるドライまたはウエットクリーニングステップも行なうことなくさらに５０００−１０，０００回実行することができたと考えている。それにひきかえ、ソフトクリーニングステップを行なわない一般的なエッチングプロセスは、前述したように、一般に、２５−７５回のプロセスごとにドライクリーニングし、約１５００回のプロセスごとにウエットクリーニングする必要がある。
【００４１】
図４Ａ及び図４Ｂは、上述のプロセス２００を用いて基板の拡大されたランに対する粒子のパフォーマンスを示すグラフである。このグラフのｘ軸は、行われた基板の実行数を示し、ｙ軸はテスト基板上に見つかった粒子アダー（ｐａｒｔｉｃｌｅ ａｄｄｅｒ）の数を示す。この粒子アダーは、以下のテストを行った結果テスト基板上に見つかった幅が０．２μｍより大きな粒子または副産物である。図４Ａは、発明者によって行われた機械的粒子のパーフォーマンステストを示す。テストは、プロセス２００を用いて拡大された基板の実行を行ったステップを含んでいる。５０枚の基板が実行した後ごとに、Ｎ数の粒子を有するきれいな基板がチャンバへ挿入され、チャンバから取出された。機械的な運動は、チャンバの内部に付着した幾らかの副産物をテスト基板上に落下させた処理を含んでいる。０．２μｍより大きな幅を有するＮより大きい副産物は、機械的運動の結果加えられた粒子の数（即ち、粒子アダーの数）とみなされた。このテストは、３０００枚の基板が処理されるまで、５０回のプロセスの実行ごとに繰返された。図４Ａに示されるように、粒子数は、３０００回のプロセスの実行を通して際だったピークを示さず、チャンバが拡大された基板のランを通してきれいなままであることを示している。
【００４２】
図４Ｂを参照すると、よく知られた実験であるＲＦをオンした粒子のパフォーマンステストも３００枚のプロセスランの後きれいなままであったことを示している。このテストは、プロセス２００を用いて拡大されたプロセスの実行を行った。５０回ごとのプロセスの実行後、Ｎ数の粒子を有するテスト基板がチャンバに挿入された。ソース電力が短い期間チャンバ内でプラズマを点弧するためにチャンバに与えられ、その後ターンオフされた。テスト基板はチャンバから取出され、テスト基板上の粒子アダーが数えられた。この処理は、３０００枚の基板を実行するまで繰返された。図４Ｂに示されるように、粒子の数にピークがなく、３０００枚の基板の実行を通してチャンバがきれいなままであったことを示している。
【００４３】
上記に加えて、実験は、プロセス２００が優れた反復性を与えることを示した。図５Ａ及び図５Ｂは、処理された最初の基板のトレンチプロフィールを示している。図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ基板の中央と端において形成されたプロフィールを示している。図６Ａ及び図６Ｂは、処理された３０００枚目の基板のトレンチプロフィールを示しており、ここで図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ基板の中央と端において形成されたプロフィールを示している。中央に形成されたトレンチプロフィールは、最初の基板と３０００枚目の基板とでは実質的に同じである。同様に、端に形成されたトレンチプロフィールは、最初の基板と３０００枚目の基板とでは実質的に同じである。
【００４４】
発明者は、また、ソフトクリーニングステップの上記実現化は滑らかな表面を有するトレンチを得ることを発見した。プロセスガス中のＡｒは、イオン衝突を使用するトレンチエッチングステプによって粗くされた表面を磨くと考えられる。即ち、ゼロまたは最小のバイアス電力を有するＡｒは、それが比較的遅い速度で基板上を流れるにしたがって、基板の表面を磨く。図７Ａは、従来のエッチングプロセスで形成されたトレンチの写真のスケッチを示す。図７Ｂは、上述のソフトクリーニングステップを含むプロセス２００で形成されたトレンチの写真のスケッチを示す。図７Ｂのトレンチの表面は、図７Ａのトレンチの表面よりかなり滑らかであるようである。
【００４５】
他の実施の形態において、上述のソフトクリーニングステップは、その場所で（ｉｎ−ｓｉｔｕ）の狭いトレンチ分離の形成に関連して使用されることができる。図８及び図９Ａ、Ｂを参照すると、プロセス３００（図８）は、プロセスチャンバ１０１のペデスタル１０７上に基板７０を配置するステップを有する（ステップ３０１）。この基板は、基板上に設けられたパッド酸化物層７２、このパッド酸化物層上に設けられた窒化物層７４、及びこの窒化物層上に設けられたパターン化されたホトレジスト７６を有する。窒化物層及び酸化物層は、よく知られたエッチング技術を用いて順次開けられる（ステップ３０２及び３０４）。トレンチ７８は、異方性エッチング技術を用いてエッチングされる（ステップ３０６）。ソフトクリーニングステップが行われて、チャンバの内面に付着している副産物を除去する（ステップ３０８）。代わりに、ソフトクリーニングステップは、副産物を除去するために、順番に、例えば窒化物層の除去ステップの前か、後のいずれかにおいて行われる。しかし、ソフトクリーニングステップは、トレンチ７８の側壁上の損傷されたシリコン層の除去したり、トレンチの底部の丸めのような更なる利点を得るために、トレンチエッチングステップ後に行われるのが好ましい。
【００４６】
ソフトクリーニングステップ後に、基板はチャンバから取出される（ステップ３１０）。その後、累積された副産物を除去するために、チャンバをきれいにするか否かが判断される（ステプ３１２）。この判断はいろいろな方法で行うことができるが、そのうちの１つの方法が以下に記載される。この方法によると、プロセス３００を行なう前に経験に基づいて、チャンバがｎ回ごとのプロセスラン（例えば、１０００回のプロセスラン）後にきれいにされるべきであることが決められる。ステップ３１２において、プロセスランがｎ回より少なく行われた場合は、他の基板がチャンバへロードされ、ステップ３０１−３０９が繰返される。一方、ｎ回のプロセスランが行われた場合は、チャンバは、ドライクリーニングステップまたはウエットクリーニングステップ、またはその両方できれいにされる（ステップ３１４）。
【００４７】
ここに説明されたガスの流速及びＲＦ電力レベルは、８インチウエハに対する装備を有するアプライドマテリアルズ社によって製造されたＤＰＳ＋チャンバにおけるエッチングプロセスランに基づいている。この分野の当業者は、これらの値は部分的に特定のチャンバであり、また他の設計及び／または容積のチャンバが用いられる場合には変わることを理解するであろう。
【００４８】
以上は、本発明のある好適な実施の形態について説明されたけれども、本発明の他の、及び更なる実施の形態を本発明の基本的な範囲から逸脱することなく考えることができる。例えば、１つの代替例は、トレンチエッチングステップ前にソフトエッチングステップを用いることができる。他の実施の形態において、ソフトクリーニングステップは、深いトレンチエッチングプロセス、または他のシリコンエッチングプロセスと共に用いることができる。他の代替例及び均等物と共にこれらの代替例は、本発明の範囲内に含まれることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】
本発明の方法が実行される適例の半導体ウエハ処理装置の部分断面図を示す。
【図１Ｂ】
図１Ａの半導体上は処理装置のブロック図を示す。
【図２Ａ】
パターン化されたハードマスクを有する半導体基板の簡単化された断面図を示す。
【図２Ｂ】
トレンチが基板上にエッチングされた後の図２Ａの半導体基板の簡単化された断面図を示す。
【図２Ｃ】
ソフトクリーニングステップが行われた後の図２Ｂの半導体基板の簡単化された断面図を示す。
【図３】
本発明の１つの実施の形態による適例のプロセスのフローチャートを示す。
【図４Ａ】
図３において行われる模範的なプロセスを用いて拡張された基板をランするための粒子のパーフォーマンスを示す。
【図４Ｂ】
図３において行われる適例のプロセスを用いて拡張された基板を実行するための粒子のパーフォーマンスを示す。
【図５Ａ】
図３において行われるプロセスによって処理された１枚目の基板上に作られたトレンチプロフィールのＳＥＭ写真のスケッチである。
【図５Ｂ】
図３において行われるプロセスによって処理された１枚目の基板上に作られたトレンチプロフィールのＳＥＭ写真のスケッチである。
【図６Ａ】
図３において行われるプロセスによって処理された３０００枚目の基板上に作られたトレンチプロフィールのＳＥＭ写真のスケッチである。
【図６Ｂ】
図３において行われるプロセスによって処理された３０００枚目の基板上に作られたトレンチプロフィールのＳＥＭ写真のスケッチである。
【図７Ａ】
従来のトレンチエッチングプロセスによって形成されたトレンチ表面のＳＥＭ写真のスケッチである。
【図７Ｂ】
図３において行われたプロセスによって形成されたトレンチ表面のＳＥＭ写真のスケッチである。
【図８】
本発明の他の実施の形態による適例のプロセスのフローチャートを示す。
【図９Ａ】
パターン化されたホトレジストを有する半導体基板の簡単化された断面図を示す。
【図９Ｂ】
その場所で狭いトレンチ分離プロセスが行われた後に図９Ａの半導体基板の簡単化された断面図を示す。

Claims (23)

1. ソース電源装置及びバイアス電源装置を有する形式の基板処理チャンバに配置されたシリコン基板を処理する方法であって、
   前記基板を基板処理チャンバヘ移送するステップと、
   前記ソース電源装置からＲＦエネルギーを供給し、プラズマを基板に向けてバイアスすることによって、第１のエッチャントガスから形成されるプラズマへ基板を曝すことによって基板上にトレンチをエッチングするステップと、
   バイアス電力を加えることなく、または最小のバイアス電力を加えて前記基板処理チャンバ内にハロゲン源を含む第２のエッチャントガスから形成されるプラズマを点弧することによって前記基板処理チャンバの内面に付着しているエッチング副産物を除去するステップと、
   その後、前記基板をチャンバから取出すステップと、
   を有することを特徴とする方法。
2. 前記基板上にトレンチをエッチングするために、前記基板は前記第１のエッチャントガスから形成されるプラズマに曝されるステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ハロゲン源は、ＳＦ_６、ＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_４Ｆ_８、ＣＨＦ_３およびＮＦ_３のグループから選択される弧とを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記第２のエッチャントガスは、前記第２のエッチャントガスに含まれるハロゲン源の解離を増進するソースを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記第２のエッチャントガスは不活性ガスを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記不活性ガスはアルゴンであることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記第２のエッチャントガスは、ＣＦ_４及びＯ_２を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. Ｏ_２のガス流は、ＣＦ_４のガス流の約２０％であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記第２のエッチャントガスは、さらにＡｒを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 前記最小のバイアス電力は、約０．０６ワット／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記除去するステップは、前記エッチングステップ前に行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. さらに、ドライクリーニングまたはウエットクリーニング動作のいずれかをチャンバで行なう前に、前記トレンチをエッチングするステップ及びエッチング副産物を除去するステップで少なくとも１００枚の基板を処理するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 少なくとも１０００枚以上の基板がドライクリーニングまたはウエットクリーニング動作のいずれかをチャンバで行なう前に、前記トレンチをエッチングするステップ及びエッチング副産物を除去するステップで処理されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 少なくとも３０００枚以上の基板がドライクリーニングまたはウエットクリーニング動作のいずれかをチャンバで行なう前に、前記トレンチをエッチングするステップ及びエッチング副産物を除去するステップで処理されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. ソース電源装置及びバイアス電源装置を有する形式の基板処理チャンバに配置されたシリコン基板にトレンチを処理する方法であって、
    （ａ）前記基板を基板処理チャンバヘ移送するステップと、
    （ｂ）異方性プラズマエッチングを用いて前記基板上にトレンチをエッチングするステップと、
    （ｃ）その後、プラズマを基板に向けてバイアスすることなく、実質的に酸素源、ハロゲン源、及び不活性ガスからなるエッチャントガスから形成されるプラズマにエッチングされたトレンチを曝すステップと、
    （ｄ）前記基板をチャンバから移送するステップと、
    （ｅ）ドライまたはウエットクリーニングステップのいずれも行うことなく前記（ａ）−（ｄ）のステップを用いて少なくとも１００枚以上の基板を処理するステップと、を有することを特徴とする方法。
16. 前記ドライクリーニングステップ又はウエットクリーニングステップを行なうことなく、少なくとも１０００以上の基板がステップ（ａ）−（ｄ）を用いて処理されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記異方性プラズマエッチングプロセスは、
    前記基板に向かってプラズマをバイアスするために、バイアス電力をチャンバに加えるステップと、
    実質的にＣｌ_２、Ｎ_２、及びＯ_２からなるガスの混合物を前記チャンバへ流すステップと、
    前記ガスの混合物からプラズマを点弧するステップと、
    を有することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. 前記ステップ（ｃ）は、チャンバへ供給されたバイアス電力をターンオフするステップと、
    実質的にＣＦ_４、Ｏ_２及びＡｒからなるエッチャントガスを流すステップと、
    前記エッチャントガスからプラズマを点弧するステップと、
    を有することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
19. 基板をエッチングするために前記基板がプロセスチャンバに配置され、基板の処理及びチャンバのクリーニングステップを一体化する方法であって、
    基板をプロセスチャンバヘ移送するステップと、
    バイアス電力を前記プロセスチャンバへ加えることによって、前記基板を第１のプロセスガスから点弧されたプラズマに曝して、前記基板をエッチングするステップと、
    プロセスチャンバへバイアス電力を加えることなく、または最小のバイアス電力を加えて、ハロゲンガスを含む第２のプロセスガスから形成された第２のプラズマにおいて解離されたイオン及びラジカルへ前記チャンバを曝することによって、前記プロセスチャンバに付着しているエッチング副産物を除去するステップと、
    その後、処理された基板をチャンバから取出すステップと、
    ドライクリーニング又はウエットクリーニングステップで前記チャンバをクリーニングする前に、前記基板を曝すステップ及びエッチング副産物を除去するステップで少なくとも３０００枚以上の基板を処理するステップと、
    を有することを特徴とする方法。
20. 前記第２のプラズマは、前記プロセスチャンバから離れて点弧されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 前記最小の電力は、約０．０６ワット／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
22. 基板処理チャンバに配置されたシリコン基板上にトレンチを形成する方法であって、
    ソース電力装置からＲＦエネルギーを供給し、前記トレンチをエッチングするためにバイアス電力を基板処理チャンバへ加えることによって基板に向けてプラズマをバイアスすることによって、第１のエッチャントガスから形成されるプラズマに前記基板を曝すステップと、
    基板処理チャンバの内面に付着しているエッチング副産物を除去するために、バイアス電力を加えることなく、又は最小のバイアス電力を加えることによって前記基板処理チャンバに実質的にＣＦ_４、Ｏ_２及びＡｒからなる第２のエッチャントガスから形成されるプラズマを点弧するステップと、
    を有することを特徴とする方法。
23. 基板処理システムであって、
    基板処理チャンバと、
    前記基板処理チャンバへガスを流すように構成されたガス分配システムと、
    前記基板処理チャンバ内に存在するガスから、前記基板処理チャンバ内にプラズマを形成するように構成されたプラズマ生成システムと、
    バイアス電力をペデスタルへ供給するように構成されたバイアス電力発生システムと、
    前記基板処理チャンバへ、及び基板処理チャンバから基板を移送するように構成された基板移送システムと、
    前記ガス分配システム、前記プラズマ生成システム、前記バイアス電力発生システム及び前記基板移送システムを制御するための制御装置と、
    前記制御装置に結合されたメモリであって、前記基板処理システムの動作を命令するため前記メモリに組込まれたコンピュータ読取可能なプログラムを有するコンピュータ読取可能な媒体を有するメモリと、
    前記コンピュータ読取可能なプログラムは、
    （ｉ）基板を前記基板処理チャンバヘ移送するために前記基板移送システムを制御するコンピュータ命令と、
    （ｉｉ）第１のプロセスガスを前記基板処理チャンバへ流すために前記ガス分配システムを制御するコンピュータ命令と、
    （ｉｉｉ）前記第１のプロセスガスから前記基板処理チャンバ内に第１のプラズマを点弧して、前記基板をエッチングするために前記プラズマ生成システム及び前記バイアス電力発生システムを制御するコンピュータ命令と、
    （ｉｖ）ハロゲン源を含む第２のプロセスガスを前記基板処理チャンバへ流すために前記ガス分配システムを制御するコンピュータ命令と、
    （ｖ）前記基板に向けて第２のプラズマをバイアスすることなく、又は前記基板に向けて第２のプラズマを最小にバイアスして、第２のプロセスガスから前記基板処理チャンバ内に前記第２のプラズマを点弧することによって前記基板処理チャンバの内壁に付着している粒子を除去するために、前記プラズマ生成システム及び前記バイアス電力発生システムを制御するコンピュータ命令と、
    とを備え、
    前記コンピュータ命令（ｉ）−（ｖ）は、前記チャンバをクリーニングする前に少なくとも９９枚以上の基板を処理するために、前記基板移送システム、ガス分配システム、プラズマ生成システム、及びバイアス電力発生システムを制御することを特徴とする基板処理システム。

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