JP2008544514A - 処理チャンバ内の圧力を制御する方法 - Google Patents

Abstract

１つのエッチングステップおよびパッシベーション化ステップを交番に含む、弁を介して真空ラインに連結された処理チャンバ内で半導体基板をプラズマ処理する方法に関する。（ａ）処理を行いたい基準圧力Ｐ_ｒｅｆが規定されるステップと、（ｂ）第１のエッチングステップ中に弁の位置が固定されるステップと、（ｃ）処理チャンバ内の圧力を、ｎ回のサイクル中に安定化させることを可能にするステップと、（ｄ）２であるｍ回のサイクル中のエッチングステップ中に処理チャンバ内の圧力が測定され、平均圧力値Ｐ_ｃが行われる測定から計算されるステップと、（ｅ）ｎ＋ｍ回のサイクルの後に、弁の位置が基準圧力値Ｐ_ｒｅｆに近接する処理チャンバ内の圧力を得るように調整されるステップと、（ｆ）計算された平均圧力Ｐ_ｃが基準圧力値Ｐ_ｒｅｆとほぼ同じになり、弁の位置を調整する必要がなくなるまでステップ（ｃ）から（ｅ）が繰り返される。

Description

本発明は、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）またはマイクロ光電気機械システム（ＭＯＥＭＳ）の製造のために半導体基板をマイクロ機械加工する分野に関する。より詳細には、交番（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ）プラズマエッチング技術による半導体部品の製造の異なるステップ中の処理チャンバ内の気体圧力の制御および調整、より詳細には利用されるプロセスに関する。

極めて低い圧力で処理気体が供給されたエンクロージャ内で生成品を製造または処理するための工業的プロセスでは、エンクロージャ内の圧力を調整する必要がある。これは例えば、半導体およびマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）を製造および処理する方法の場合である。

基板は、プラズマ生成手段によってイオン化された活性気体を含む真空エンクロージャ内に配置されている。処理は普通、プラズマを確立および維持することを可能にする低圧環境の処理チャンバ内で起こる連続したステップを含んでいる。

特定の応用例では、異なる気体の交番の流れを利用する処理が使用される。例えばシリコンをエッチングする場合、ＳＦ_６などのフッ素を含む気体または気体混合物の導入を含むエッチングステップと、例えばＣ_４Ｆ_８などの気体Ｃ_ｘＦ_ｙの導入を含む表面上へのパッシベーション被膜の蒸着ステップの２つのステップをそれぞれ含む連続したサイクルを使用することは普通の方法である。中性または洗浄気体の導入を含む１つまたはいくつかの補足ステップを加えることもできる。各ステップは、処理チャンバ内への気体の同時注入を含み、各ステップでは、一定の気体流量が規定されている。しかし、気体の性質および流量はステップ毎に変わり、それによって各ステップで処理チャンバ内の圧力の変化が生じる。この圧力は、処理ステップの性能の制御および再現性にとって重要なパラメータである。したがって、各ステップは、最適に制御および調整する必要がある処理チャンバ内の気体圧力を特徴としている。

異なる処理ステップに必要な適当な真空は、処理チャンバに連結された真空ポンプを備えた真空ラインによって生成および維持される。ポンプラインの入口に配置された絞り弁を使用して、処理チャンバ内の圧力を調節することが可能である。しかし、各ステップの持続時間は可変であり比較的短い（数ミリ秒から数秒まで）ので、弁の応答時間が圧力の正確な制御を妨げる。したがって、処理全体を通して一定であり、圧力を大体制御するのを可能にする位置に弁を位置付ける選択肢が普通行われる。

時間にしたがった圧力の変化がまた、同じプロセスで観察される。弁の同じ位置に対して、処理チャンバ内の圧力は炉の状態によって変化する可能性があることが知られており、他のものは全て同一である。観察した圧力ドリフトは、例えば処理中に発生する劣化の生成物の堆積があることによる、炉の清浄度の状態の変化によるものである可能性がある。この変化はまた、絞り弁のタイプに左右される。したがって、各装置に対して、炉の状態の変化に応じて、行われる処理の各ステップに対して弁の異なる位置を規定する必要がある。

国際特許出願公開第ＷＯ−２００４／０９３１６５号は、エッチングおよびパッシベーション化ステップの交番中の圧力を制御する方法を提案している。この方法は、処理の最初に、各ステップとは無関係にターボポンプに処理チャンバを連結させる弁の位置を固定するステップからなる。弁の開始位置は、同じタイプの１つまたは複数の前のステップ中に取得されるデータに応じて決定される（これは、「位置」モード制御と呼ばれる）。その位置でのステップの少なくとも一部の後に、圧力はその後、制御アルゴリズムにより弁の位置を変えることによって調整される（これは、「圧力」モード制御と呼ばれる）。

処理チャンバ内の圧力はプラズマエッチング処理の性能の制御および再現性に重要なパラメータであるので、このパラメータを正確に調整することが必要である。

本発明の目的は、処理チャンバ内の圧力を制御および調整する方法を提案することによって、処理中の圧力ドリフトを最小限に抑えることである。

本発明の主題は、弁を介して真空ラインに連結された処理チャンバ内での半導体基板のプラズマ処理方法であり、前記処理は、エッチング気体が導入されて、パッシベーション気体が前記チャンバ内に案内される少なくとも１つのパッシベーション化ステップと交番する少なくとも１つのエッチングステップを含む複数のサイクルを含んでおり、（ａ）処理を行いたい基準圧力Ｐ_ｒｅｆが規定されるステップと、（ｂ）第１のエッチングステップ中に弁の位置が固定されるステップと、（ｃ）処理チャンバ内の圧力を、ｎ回のサイクル中に安定化させることを可能にするステップと、（ｄ）少なくとも２であるｍ回のサイクル中のエッチングステップ中に処理チャンバ内の圧力が測定され、平均圧力値Ｐ_ｃが行われる測定から計算されるステップと、（ｅ）ｍ＋ｎ回のサイクルの後に、弁の位置が基準圧力値Ｐ_ｒｅｆに近似する処理チャンバ内の圧力を得ることを望んで補正されるステップと、（ｆ）計算された平均圧力Ｐ_ｃが基準圧力値Ｐ_ｒｅｆとほぼ同じになり、それによって弁の位置を補正する必要がなくなるまでステップ（ｃ）から（ｅ）が繰り返されるステップとを含んでいることを特徴とする。

「ほぼ同じ」という表現は、測定した圧力から計算された平均圧力が±１％から±５％までの基準値として規定された圧力値のあたりの許容範囲領域内にあることを意味している。

圧力の測定は有利には、安定した圧力を得るために、エッチングステップの合計時間の約３分の１の時間Δｔの後に行われる。

圧力の測定はより有利には、エッチングステップ中に処理チャンバ内の平均圧力を示す値を得るために、エッチングステップの合計時間の約３分の１の時間Δｔ_ｍの間に行われる。

弁の初期位置は、前に行われるキャリブレーション、または処理で得られる経験に基づき決定される。実際の条件では、弁の位置は段階的に修正される。例えば、各ステップは弁の合計開度の１％を示すことができる。この場合、弁の位置はいずれかの方向に多くても１０ステップによって修正することができる。もちろん、あらゆる他のステップ値を同様に選択することもできる。

測定は、少なくとも３であるｍ回のサイクルで行われることが好ましい。

パッシベーション被膜の蒸着のステップ中に、弁の位置はすぐ前のエッチングステップと同じである。弁の位置は、蒸着ステップ中には変わらない。

本発明の他の特性および利点は、もちろん、例示的であり非限定的な例として与えられた一実施形態の以下の説明を読み、添付の図面により明らかになるだろう。

図１に示す装置は、プラズマエッチングによってシリコン基板をマイクロ機械加工するのに従来から使用されている装置である。基板１は、移動可能である支持体２上に配置され、処理チャンバ３内に配置されている。

処理中、ＳＦ_６などのフッ素化気体のプラズマで基板１をエッチングするステップは、例えばＣ_４Ｆ_８などの気体Ｃ_ｘＦ_ｙのプラズマを使用して表面パッシベーション化ステップと交番する。また、中性または洗浄気体Ｇの導入を行うこともできる。処理気体は、弁４を含む吸気装置によって処理チャンバ３内に導入される。処理チャンバ３内の圧力は、ポンプを備えた真空ライン６の入口に配置され、コンピュータ８によって制御された制御装置７に関連付けられた絞り弁５により制御される。処理チャンバ３内の圧力は、マノメータなどの装置９によって測定される。

エッチングステップ中に、活性気体が励起されて、アダプタネットワーク１２を介して高周波発生装置１１によって電力が供給された巻線１０によりプラズマを形成する。生成されるイオンは、アダプタネットワーク１４に取り付けられ、衝撃方向に垂直である基板１の表面を衝撃する高周波または低周波発生装置１３による基板の分極化の効果によって基板１に向かって加速される。基板１は、フッ素原子、および基板１の表面で化学反応するエッチング気体の励起により得られる中性種によって等方的に攻撃される。

パッシベーション化ステップ中に、気体または気体混合物は、高周波発生システム１０、１１、１２によって同じ方法で励起され、プラズマに曝された基板１の表面全てにわたってポリマーフィルムの形で蒸着される重合可能種を生成する。垂直表面および水平表面は、このようにして覆われている。

その後のエッチングステップ中に、基板の負分極化のために得られる垂直イオン衝撃の組み合わせた動作によって、ポリマーフィルムは水平表面上に噴霧され取り除かれ、基板の垂直エッチングを続けることができるが、垂直表面上に残っているポリマーは一時的にこれらの垂直表面上のプラズマの動作に対抗する。フッ素化気体プラズマでのエッチングステップ、および気体Ｃ_ｘＦ_ｙのプラズマを使用したパッシベーション化ステップをこのように繰り返すことによって、基板の等方性エッチングが得られる。

サイクルはまた、中性または洗浄気体を使用して、パッシベーション化ステップでもエッチングステップでもない補助的ステップを含むことができる。

２つのステップを含む処理サイクル中、図２に示すように大まかに言えば圧力が変化する。

エッチングステップの開始ｔ_０では、フッ素化気体は曲線２０によって示される分圧で処理チャンバ内に導入される。曲線２０の部分２１は、圧力値Ｐ_ｇまで上昇する。パッシベーション化気体は、曲線２４の部分２３によって示される分圧Ｐ’_ｄを有する（図２Ｂ）。

エッチングステップの終了ｔ_ｆでは、エッチング気体の導入が停止し、圧力曲線２０の部分２２は、エッチング気体の分圧が値Ｐ’_ｇまで低下することを示している（図２Ａ）。同時に、パッシベーション化気体は曲線２４によって示される分圧で導入される。曲線２４の部分２５は、パッシベーション化気体の分圧が圧力値Ｐ_ｄまで上昇することを示している（図２Ｂ）。

図３は、本発明の方法を略図的に示している。エッチングステップの開始ｔ_０では、エッチング気体は弁４を介して処理チャンバ３内に導入される。絞り弁５はその後、ポンプ速度を調節するために、任意の位置Ｖ_０内に配置されている。弁の位置Ｖ_０は、圧力を安定化させることができるように、数サイクル中に一定に維持されている。さらに、作動したいと望む基準圧力Ｐ_ｒｅｆが画定される。

エッチングステップの開始ｔ_０の後に、弁の位置Ｖ_０はエッチングステップの合計持続時間の約３分の１に対応することが好ましい時間間隔Δｔだけ維持される。時間ｔ_ｍ１＝ｔ_０＋Δｔの後、処理チャンバ内の平均圧力が時間Δｔ_ｍの間測定され、値Ｐ_１を有する。したがって、平均圧力の値Ｐ_ｃはここでは、考えられる時間間隔で測定された平均圧力の値Ｐ１である。

処理チャンバ内の圧力は、図４の曲線４０によって示されるように変化する。エッチング気体の導入中、絞り弁５は固定位置に維持されているので、圧力は時間間隔Δｔに対応する曲線４０の部分４１によって示されるように上昇する。基板のエッチングによる気体の消費はその後減少し、圧力はその後安定化される（曲線４０の部分４２）。平均圧力が測定されるのはこの期間Δｔ_ｍの間である。測定時間Δｔ_ｍは、このステップの合計持続時間の３分の１に達する可能性がある。エッチングステップの終了において、エッチング気体の吸気が停止し、圧力はパッシベーション気体の吸気により再び上昇する前に、短い期間の間低下する（曲線４０の部分４３）。

次のサイクルのエッチングステップの間、次のサイクルのエッチングステップの開始ｔ_１から同じ時間間隔Δｔの後、圧力測定が繰り返される。時間ｔ_ｍ２＝ｔ_１＋Δｔの後、処理チャンバ内の平均圧力が時間Δｔ_ｍの間測定され、値Ｐ_２を有する。平均圧力の計算した値Ｐ_ｃはその後、２つの測定の平均値（Ｐ_１＋Ｐ_２）／２となるように再び規定される。

次のサイクルのエッチングステップの開始ｔ_２から時間ｔ_ｍ３＝ｔ_２＋Δｔの後、処理チャンバ内の平均圧力の測定を図３に示すように繰り返すことができる。計算した平均圧力Ｐ_ｃの値は、３つの測定の平均値（Ｐ_１＋Ｐ_２＋Ｐ_３）／２となるように再び規定される。

Ｐ_１、Ｐ_２およびＰ_３の値は普通、０．５Ｐａから３０Ｐａまでである。この測定は、必要に応じた数のサイクルにわたって行うことができる。

計算した平均圧力Ｐ_ｃが基準圧力Ｐ_ｒｅｆの値と異なる場合、処理チャンバ内の計算した平均圧力Ｐ_ｃと基準圧力Ｐ_ｒｅｆの値の観察した差Ｐ_ｃ−Ｐ_ｒｅｆを小さくするように、絞り弁５は位置Ｖ_０から位置Ｖ_１まで移動される。

弁の位置が修正された場合、ちょうど説明したのと同様の一連の測定を繰り返す前に、圧力を安定化させることを可能にするように数サイクルの待機がある。基準圧力Ｐ_ｒｅｆの値は必要に応じて再び規定され、弁５の位置はそれに応じて変えられる。基準値Ｐ_ｒｅｆと測定により計算された平均圧力値Ｐ_ｃの間の１％から５％までの差は、許容範囲である。

特定の数のサイクルの終了後、圧力は安定化する。絞り弁の位置を変更する必要がなくなる。計算した平均圧力Ｐ_ｃの値が一定であり、基準圧力Ｐ_ｒｅｆの値とほぼ同じである場合、弁の位置は測定後に変更されない。その後、必要に応じてより少ない頻度での圧力検査を行うことができる。

基準圧力Ｐ_ｒｅｆの値と比べてエッチングステップ中に処理チャンバ内で計算された平均圧力Ｐ_ｃ内のドリフトが時間の経過と共に観察される場合、再び測定を行うことができ、絞り弁５の位置を再び調整することができる。

図５は、処理時間ｔ中の処理チャンバ内の圧力Ｐの変化に関する本発明の方法の効果を示している。ｎ回のサイクル中（ここでは３回のサイクルが示されている）、圧力は弁の初期位置によって維持されている。次のｍ回のサイクル中、圧力測定が行われ、平均圧力は各サイクル後に再び計算される。（ｎ＋ｍ）回のサイクルの後に、弁の位置が変えられる（図のＶによって示される）。与えられた例では、測定した圧力は高すぎ、弁の位置は圧力を僅かに低くするように変更されていた。

圧力はその後、ｎ’回のサイクルにわたって安定化することが可能であり、その後、ｍ’回のサイクルにわたって測定が再び行われる。必要に応じて、弁の位置を再び変えることができる。

本発明は、明示的に説明した実施形態に限るものではなく、当業者に自明である様々な変更形態および一般形態を含んでいる。

半導体部品を製造するための装置を示す略図である。 エッチング気体または気体混合物分圧のステップを含む処理サイクル中の時間ｔの関数として分圧Ｐの理論的変化を示す図である。 パッシベーション気体または気体混合物分圧のステップを含む処理サイクル中の時間ｔの関数として分圧Ｐの理論的変化を示す図である。 本発明の圧力制御および調整方法を示す略図である。 本発明の方法が適用される場合の２つのステップを含む、処理サイクル中の時間ｔの関数として処理チャンバ内の合計圧力Ｐの変化を示す図である。 本発明の方法が使用される場合の処理時間の関数としての処理チャンバ内の合計圧力Ｐの変化を示す図である。図５は、従来技術の条件下における処理と、本発明を適用した場合の処理チャンバ内の合計圧力の変化との比較である。

Claims (7)

1. 弁を介して真空ラインに連結された処理チャンバ内での半導体基板のプラズマ処理方法であって、前記処理はエッチング気体が導入されて、パッシベーション気体が前記チャンバ内に案内される少なくとも１つのパッシベーション化ステップと交番する少なくとも１つのエッチングステップを含む複数のサイクルを含んでいる方法であって、
   （ａ）処理を行いたい基準圧力Ｐ_ｒｅｆが規定されるステップと、
   （ｂ）第１のエッチングステップ中に弁の位置が固定されるステップと、
   （ｃ）処理チャンバ内の圧力を、ｎ回のサイクル中に安定化させることを可能にするステップと、
   （ｄ）少なくとも２であるｍ回のサイクル中のエッチングステップ中に処理チャンバ内の圧力が測定され、平均圧力値Ｐ_ｃが行われる測定から計算されるステップと、
   （ｅ）ｎ＋ｍ回のサイクルの後に、弁の位置が基準圧力値Ｐ_ｒｅｆに近似する処理チャンバ内の圧力を得ることを望んで補正されるステップと、
   （ｆ）計算された平均圧力Ｐ_ｃが基準圧力値Ｐ_ｒｅｆとほぼ同じになり、それによって弁の位置を補正する必要がなくなるまでステップ（ｃ）から（ｅ）が繰り返されるステップとを含んでいることを特徴とする、方法。
2. 圧力の測定が、エッチングステップの合計時間の約３分の１の時間Δｔの後に行われる、請求項１に記載の方法。
3. 圧力の測定が、エッチングステップの合計時間の約３分の１の時間Δｔ_ｍの間に行われる、請求項１および２のいずれかに記載の方法。
4. ｍが、少なくとも３である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. ｎが、少なくとも２である、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 弁の位置が各一連の測定の後に１ステップだけ修正され、各ステップは弁の合計開度の１％を示す、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 弁の位置が、処理の間に両方の方向に最大１０ステップだけ修正される、請求項６に記載の方法。

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