JP2889100B2 - プラズマの生成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、エッチング薄膜フィル
ムの堆積およびクリーニング等の半導体産業において用
いられるプラズマの生成を制御する方法に関する。
ムの堆積およびクリーニング等の半導体産業において用
いられるプラズマの生成を制御する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】プラズマを用いたプロセスは集積回路の
ような半導体素子の製造にとって、極めて重要である。
低圧グロー放電プラズマが、細線のパターンの異方性エ
ッチングに用いられ、また窒化シリコンのような絶縁層
およびパシベーション層の低温堆積に通常用いられてい
る。
ような半導体素子の製造にとって、極めて重要である。
低圧グロー放電プラズマが、細線のパターンの異方性エ
ッチングに用いられ、また窒化シリコンのような絶縁層
およびパシベーション層の低温堆積に通常用いられてい
る。
【０００３】半導体に適応する一般的なプラズマの反応
容器は、低圧室と、プラズマに変換されるべきガス源
と、このガスをプラズマに変換するエネルギー源とを有
する。新たなプラズマ生成器で、最もポピュラーなもの
は、電子サイクロトロン共鳴加熱を利用している。この
電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）反応容器において、
外部源からのマイクロ波は、誘電体製の窓を介して、低
圧室内に放出され、この低圧室内のガスを励起させ、プ
ラズマを生成している。このようなプラズマ生成装置
は、プラズマの生成とイオンの伝播とを別々に制御して
いる。かくして、例えば、エッチングプロセスにおい
て、イオンフラックスおよびイオンエネルギーを別個に
制御して、全体の効率を最適化し、選択性と異方性とを
増加させ、且つイオンに起因する原子転移損失を最小に
している。
容器は、低圧室と、プラズマに変換されるべきガス源
と、このガスをプラズマに変換するエネルギー源とを有
する。新たなプラズマ生成器で、最もポピュラーなもの
は、電子サイクロトロン共鳴加熱を利用している。この
電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）反応容器において、
外部源からのマイクロ波は、誘電体製の窓を介して、低
圧室内に放出され、この低圧室内のガスを励起させ、プ
ラズマを生成している。このようなプラズマ生成装置
は、プラズマの生成とイオンの伝播とを別々に制御して
いる。かくして、例えば、エッチングプロセスにおい
て、イオンフラックスおよびイオンエネルギーを別個に
制御して、全体の効率を最適化し、選択性と異方性とを
増加させ、且つイオンに起因する原子転移損失を最小に
している。
【０００４】しかし、プラズマの挙動は十分には解明さ
れておらず、その挙動は一見ランダムに変化して、その
有効な特性に影響を及ぼす。特に、その非線形特性によ
り、プラズマは、不安定、双安定、ヒステリシスとなり
やすく、半導体製造のプロセスの再現性を損なってい
る。圧力を一定に維持することにより、プラズマを制御
することだけでは、プラズマを利用する半導体製造プロ
セスにおいて、エッチングの速度、堆積の速度等の変動
を抑えるには十分ではない。
れておらず、その挙動は一見ランダムに変化して、その
有効な特性に影響を及ぼす。特に、その非線形特性によ
り、プラズマは、不安定、双安定、ヒステリシスとなり
やすく、半導体製造のプロセスの再現性を損なってい
る。圧力を一定に維持することにより、プラズマを制御
することだけでは、プラズマを利用する半導体製造プロ
セスにおいて、エッチングの速度、堆積の速度等の変動
を抑えるには十分ではない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、半
導体産業に用いられるプラズマの反応を制御して、その
不安定さを取り除く方法を提供することである。
導体産業に用いられるプラズマの反応を制御して、その
不安定さを取り除く方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の方法によれば、
半導体産業において用いられるプラズマ閉じ込め室内で
生成されたプラズマは、ガス圧Ｐとガス温度Ｔの両方を
モニタすることによって制御される。このプロセスパラ
メータＰとＴは、Ｐ／Ｔnを制御するよう調整される。
好ましい実施例においては、圧力をＰ／Ｔを一定にする
ために、ガスの流速あるいは出力ポンプスピードを調整
することによって調節している。その結果、長時間にわ
たって、安定した特性を示すプラズマが得られる。
半導体産業において用いられるプラズマ閉じ込め室内で
生成されたプラズマは、ガス圧Ｐとガス温度Ｔの両方を
モニタすることによって制御される。このプロセスパラ
メータＰとＴは、Ｐ／Ｔnを制御するよう調整される。
好ましい実施例においては、圧力をＰ／Ｔを一定にする
ために、ガスの流速あるいは出力ポンプスピードを調整
することによって調節している。その結果、長時間にわ
たって、安定した特性を示すプラズマが得られる。
【０００７】
【実施例】図１は、浮遊電位対代表的なＥＣＲ生成器の
温度平衡時の圧力とのグラフである。圧力が増加する
と、約６０秒後平衡に達成し、その後、反応容器の浮遊
電位が測定される。同図から分かるように、浮遊電位
は、約１ｍトールと約３．０ｍトールの圧力点で急激な
遷移を示す。特に、１ｍトールにおける双安定は十分に
大きく、イオンフラックスの素子ウェーハに対する２倍
以上の変化となる。さらに圧力がゆっくり変化すると、
ヒステリシスが観測され、遷移圧力は圧力変化の方向に
依存する。
温度平衡時の圧力とのグラフである。圧力が増加する
と、約６０秒後平衡に達成し、その後、反応容器の浮遊
電位が測定される。同図から分かるように、浮遊電位
は、約１ｍトールと約３．０ｍトールの圧力点で急激な
遷移を示す。特に、１ｍトールにおける双安定は十分に
大きく、イオンフラックスの素子ウェーハに対する２倍
以上の変化となる。さらに圧力がゆっくり変化すると、
ヒステリシスが観測され、遷移圧力は圧力変化の方向に
依存する。
【０００８】この双安定をさらに解析するために、ＥＣ
Ｒプラズマ生成器の低圧室（図３に示す）内にサーモカ
ップルを配置して、水晶ライナーの温度により表される
ガスの温度を測定した。その後、０．９ｍトールの圧力
での代表的な動作条件における時間の関数として、温度
と浮遊電位とを測定した。これらの測定は図２に示さ
れ、温度は点線で、電位は実線で表されている。同図か
ら分かるように、この等圧条件下で、最初の４７℃から
数１００秒後１２０℃まで温度が上昇する。この浮遊電
位は、最初はほぼ一定であるが、温度が約７０℃に到達
すると、浮遊電位が突然増加する。さらに実験を重ねる
と、等圧条件および等温条件の両方において、この遷移
状態は、圧力対温度の比、すなわちＰ／Ｔが同一比率で
起こった。この実験に基づいて、圧力のみによるプラズ
マ生成器の従来の制御方法は、不十分であることが結論
付けられる。
Ｒプラズマ生成器の低圧室（図３に示す）内にサーモカ
ップルを配置して、水晶ライナーの温度により表される
ガスの温度を測定した。その後、０．９ｍトールの圧力
での代表的な動作条件における時間の関数として、温度
と浮遊電位とを測定した。これらの測定は図２に示さ
れ、温度は点線で、電位は実線で表されている。同図か
ら分かるように、この等圧条件下で、最初の４７℃から
数１００秒後１２０℃まで温度が上昇する。この浮遊電
位は、最初はほぼ一定であるが、温度が約７０℃に到達
すると、浮遊電位が突然増加する。さらに実験を重ねる
と、等圧条件および等温条件の両方において、この遷移
状態は、圧力対温度の比、すなわちＰ／Ｔが同一比率で
起こった。この実験に基づいて、圧力のみによるプラズ
マ生成器の従来の制御方法は、不十分であることが結論
付けられる。
【０００９】図１と２に示されるプラズマの不安定性の
問題を解決するために、本発明のプラズマの制御方法
は、ＰとＴのべき乗との間に比例関係を維持することで
ある。すなわち、Ｐは、Ｔn（ｎ≠０）に比例する。一
定のイオンフラックスが望ましい単純なケースにおいて
は、この関係は線形である。すなわちＰはＴに比例す
る。アルミのエッチングのように、一定の中性フラクス
が望ましい場合には、Ｐは、Ｔ1/2に比例する。さらに
複雑なモデルの場合には、ｎは、別の値を用いる。
問題を解決するために、本発明のプラズマの制御方法
は、ＰとＴのべき乗との間に比例関係を維持することで
ある。すなわち、Ｐは、Ｔn（ｎ≠０）に比例する。一
定のイオンフラックスが望ましい単純なケースにおいて
は、この関係は線形である。すなわちＰはＴに比例す
る。アルミのエッチングのように、一定の中性フラクス
が望ましい場合には、Ｐは、Ｔ1/2に比例する。さらに
複雑なモデルの場合には、ｎは、別の値を用いる。
【００１０】図３は、Ｐ／Ｔnの値の制御に適したプラ
ズマ生成装置のブロック図である。図３において、この
装置は、従来のＥＣＲプラズマ反応容器に、温度プロー
ブ１を取り付けて、プラズマの温度Ｔを制御し、システ
ム制御装置２が、Ｐ／Ｔnの値を制御するために、Ｐと
Ｔに応答する。この制御は、Ｐ／Ｔnをほぼ一定に維持
するように、ガスの圧力Ｐを変化させることによって行
っている。好ましい実施例においては、例えば、ポリシ
リコンをエッチングするに際して、この制御装置は、Ｐ
／Ｔがプラズマの不安定を表すような値から、少なくと
も５％（何れかの方向に）離された値に維持するよう
に、ガスの圧力を変える。
ズマ生成装置のブロック図である。図３において、この
装置は、従来のＥＣＲプラズマ反応容器に、温度プロー
ブ１を取り付けて、プラズマの温度Ｔを制御し、システ
ム制御装置２が、Ｐ／Ｔnの値を制御するために、Ｐと
Ｔに応答する。この制御は、Ｐ／Ｔnをほぼ一定に維持
するように、ガスの圧力Ｐを変化させることによって行
っている。好ましい実施例においては、例えば、ポリシ
リコンをエッチングするに際して、この制御装置は、Ｐ
／Ｔがプラズマの不安定を表すような値から、少なくと
も５％（何れかの方向に）離された値に維持するよう
に、ガスの圧力を変える。
【００１１】本発明のプラズマ反応容器１０は、従来の
ＥＣＲ反応容器で、水晶製ウィンドウ２１を有する低圧
室２０と、水晶製プラズマライナー２２と、エッチング
または堆積により処理されたプラズマとなるようなワー
クピース（図示せず）を支持する電極２３とを有する。
この低圧室２０は、ガス入口開口２４を具備し、中性ガ
スの導入を行い、さらにガス出口開口２５を有して、ガ
スとプラズマ生成物をを取り除く。
ＥＣＲ反応容器で、水晶製ウィンドウ２１を有する低圧
室２０と、水晶製プラズマライナー２２と、エッチング
または堆積により処理されたプラズマとなるようなワー
クピース（図示せず）を支持する電極２３とを有する。
この低圧室２０は、ガス入口開口２４を具備し、中性ガ
スの導入を行い、さらにガス出口開口２５を有して、ガ
スとプラズマ生成物をを取り除く。
【００１２】このプラズマ生成装置は、マイクロ波源３
０と電磁マグネット３１とを有する。このマイクロ波源
３０は水晶製ウィンドウ２１を介して、電磁マグネット
３１の磁界によって決定される電子サイクロトロン共鳴
周波数でもって、マイクロ波を放射する。水晶製プラズ
マライナー２２は、磁界線の形状に合わせるように設計
して、プラズマによる二重のスパッタリングを阻止す
る。
０と電磁マグネット３１とを有する。このマイクロ波源
３０は水晶製ウィンドウ２１を介して、電磁マグネット
３１の磁界によって決定される電子サイクロトロン共鳴
周波数でもって、マイクロ波を放射する。水晶製プラズ
マライナー２２は、磁界線の形状に合わせるように設計
して、プラズマによる二重のスパッタリングを阻止す
る。
【００１３】このシステム制御装置は、低圧室２０内に
流れるガスの流速を制御するガス入力制御器４０と、ガ
スとプラズマ生成物がポンプ４２により低圧室２０から
取り除かれるような速度を制御するガス出力制御器４１
と、低圧室２０内の圧力Ｐを測定する圧力センサ４３
と、プラズマの温度Ｔを測定する温度プローブ１とを有
する。好ましくはこの温度プローブは、水晶製プラズマ
ライナー２２によりプラズマから保護される後壁の上に
配置されるのがよい。圧力センサ４３と温度プローブ１
とはシステム制御装置２にＰとＴとを表す信号を提供
し、この制御装置２は、制御信号をガス入力制御器４０
とガス出力制御器４１とに送信し、Ｐ／Ｔnをほぼ一定
に維持している。
流れるガスの流速を制御するガス入力制御器４０と、ガ
スとプラズマ生成物がポンプ４２により低圧室２０から
取り除かれるような速度を制御するガス出力制御器４１
と、低圧室２０内の圧力Ｐを測定する圧力センサ４３
と、プラズマの温度Ｔを測定する温度プローブ１とを有
する。好ましくはこの温度プローブは、水晶製プラズマ
ライナー２２によりプラズマから保護される後壁の上に
配置されるのがよい。圧力センサ４３と温度プローブ１
とはシステム制御装置２にＰとＴとを表す信号を提供
し、この制御装置２は、制御信号をガス入力制御器４０
とガス出力制御器４１とに送信し、Ｐ／Ｔnをほぼ一定
に維持している。
【００１４】この動作において、低圧室２０内にガス入
口開口２４を介して導入されるガスは、マイクロ波ＥＣ
Ｒ加熱によりイオン化されている。このプラズマは、電
磁マグネット３１からの磁界によって保持され、室壁は
水晶製プラズマライナー２２により保護されている。プ
ラズマ処理用のイオンは、適当なバイアスを電極にかけ
ることによって、電極２３の上のワークピースのほうに
向けられる。ＰとＴが測定され、この圧力ＰがＴnに比
例して変化させて、Ｐ／Ｔnを一定に保持している。好
ましくは、Ｐは入り口流速および／または出力ポンプス
ピードを調整することにより、Ｔ1に比例するよう維持
する。化学反応システムにおいては、流速を調整するこ
とにより、圧力を調整し、平均ガス滞留時間がほぼ一定
となるように維持することが好ましい。Ｔは絶対温度
で、このＴはガスと熱的に平衡状態の材料を測定するこ
とによって得られる。
口開口２４を介して導入されるガスは、マイクロ波ＥＣ
Ｒ加熱によりイオン化されている。このプラズマは、電
磁マグネット３１からの磁界によって保持され、室壁は
水晶製プラズマライナー２２により保護されている。プ
ラズマ処理用のイオンは、適当なバイアスを電極にかけ
ることによって、電極２３の上のワークピースのほうに
向けられる。ＰとＴが測定され、この圧力ＰがＴnに比
例して変化させて、Ｐ／Ｔnを一定に保持している。好
ましくは、Ｐは入り口流速および／または出力ポンプス
ピードを調整することにより、Ｔ1に比例するよう維持
する。化学反応システムにおいては、流速を調整するこ
とにより、圧力を調整し、平均ガス滞留時間がほぼ一定
となるように維持することが好ましい。Ｔは絶対温度
で、このＴはガスと熱的に平衡状態の材料を測定するこ
とによって得られる。
【００１５】具体的な実施例においては、本発明のプラ
ズマ反応容器１０は、ＡｓｔｅｘＳ−１５００ＥＣＲソ
ースを有する。ガス入力制御器４０は、ＭＫＳ Ｍｕｌ
ｔｉｇａｓ１４７の制御装置で、ガス出力制御器４１
は、ＶＡＴ ＰＭ−５の適用型圧力制御装置である。ポ
ンプ４２は、Ｂａｌｚｅｒｓ ＴＣＰ５０００であり、
圧力センサ４３は、ＭＫＳ３９０ＨＡで、温度プローブ
１は、オメガタイプＥのサーモカップルで、一般的な動
作パラメータは次の通りである。
ズマ反応容器１０は、ＡｓｔｅｘＳ−１５００ＥＣＲソ
ースを有する。ガス入力制御器４０は、ＭＫＳ Ｍｕｌ
ｔｉｇａｓ１４７の制御装置で、ガス出力制御器４１
は、ＶＡＴ ＰＭ−５の適用型圧力制御装置である。ポ
ンプ４２は、Ｂａｌｚｅｒｓ ＴＣＰ５０００であり、
圧力センサ４３は、ＭＫＳ３９０ＨＡで、温度プローブ
１は、オメガタイプＥのサーモカップルで、一般的な動
作パラメータは次の通りである。
【００１６】 プロセスパラメータ 代表値 ---------------------------------------------------------------------- マイクロ波周波数 ２．４５ＧＨｚ マイクロ波パワー ０．３〜１．５ＫＷ ガス圧力 ０．１〜１０ｍトール 磁界 ０〜１０００ガウス（図３の装置において は１８０Ａの電流で生成されるＥＣＲ条件 値は８７５ガウス） ガス流速 １〜１００ｓｃｃｍ ポンプスピード １００〜１５００リットル／秒 ＲＦバイアス ０〜１００Ｖ
【００１７】図４と５は、Ｐ／Ｔを制御することによ
り、プラズマの安定性が改良されたことを表すグラフで
ある。図４は、浮遊電位（と温度）対シミュレートした
製造プロセスのシーケンスにおける時間とのグラフで、
マイクロ波入力パワーは、オン時間（６０秒）で、オフ
時間（３０秒）である。オン時間は、処理状態に相当
し、オフ時間は、処理済みのウェーハを低圧室から取り
除き、新たな未処理ウェーハを搭載するに必要な時間で
ある。図４は、圧力のみが一定時間に保たれた状態の処
理を表す。特に、温度が増加すると、５番目のサイクル
で、不安定性が現れる。図５はＰ／Ｔを一定に維持した
プロセスを表す。温度が増加しても、４８サイクルでは
不安定性は発生しない。
り、プラズマの安定性が改良されたことを表すグラフで
ある。図４は、浮遊電位（と温度）対シミュレートした
製造プロセスのシーケンスにおける時間とのグラフで、
マイクロ波入力パワーは、オン時間（６０秒）で、オフ
時間（３０秒）である。オン時間は、処理状態に相当
し、オフ時間は、処理済みのウェーハを低圧室から取り
除き、新たな未処理ウェーハを搭載するに必要な時間で
ある。図４は、圧力のみが一定時間に保たれた状態の処
理を表す。特に、温度が増加すると、５番目のサイクル
で、不安定性が現れる。図５はＰ／Ｔを一定に維持した
プロセスを表す。温度が増加しても、４８サイクルでは
不安定性は発生しない。
【００１８】
【発明の効果】以上述べたように、本発明はプラズマの
生成方法は、低圧室内のガスの圧力をＰ、ガスの絶対温
度をＴするときに、Ｐ／Ｔnの値を一定値にしながら、
前記ステップを実行することによりプラズマを安定化す
ることが出来る。またほん発明は、ＥＣＲプラズマ生成
装置に例として説明したが、プラズマ生成装置の他の形
式の反応容器の制御にも応用できるものである。
生成方法は、低圧室内のガスの圧力をＰ、ガスの絶対温
度をＴするときに、Ｐ／Ｔnの値を一定値にしながら、
前記ステップを実行することによりプラズマを安定化す
ることが出来る。またほん発明は、ＥＣＲプラズマ生成
装置に例として説明したが、プラズマ生成装置の他の形
式の反応容器の制御にも応用できるものである。
【図１】イオン電流密度と圧力の関係とを表すグラフで
ある。
ある。
【図２】浮遊電位とガスの圧力だけにより制御されたプ
ラズマの時間の関数としての壁温度とを表すグラフであ
る。
ラズマの時間の関数としての壁温度とを表すグラフであ
る。
【図３】本発明のプラズマ生成装置の断面図である。
【図４】ガスの圧力のみにより制御されたプラズマによ
って、シミュレートされた製造プロセスサイクルを表す
グラフである。
って、シミュレートされた製造プロセスサイクルを表す
グラフである。
【図５】Ｐ／Ｔの比率を一定に維持することにより制御
されたプラズマでもって、同一のシミュレートされた製
造プロセスサイクロを表すグラフである。
されたプラズマでもって、同一のシミュレートされた製
造プロセスサイクロを表すグラフである。
１ 温度プローブ ２ システム制御装置 １０ プラズマ反応容器 ２０ 低圧室 ２１ 水晶製ウィンドウ ２２ 水晶製プラズマライナー ２３ 電極 ２４ ガス入口開口 ２５ ガス出口開口 ３０ マイクロ波源 ３１ 電磁マグネット ４０ ガス入力制御器 ４１ ガス出力制御器 ４２ ポンプ ４３ 圧力センサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リチャード アレン ゴトショ アメリカ合衆国 07040，ニュージャー ジー メイプルウッド、ルイス ドライ ブ、７ (72)発明者 ジェフリー アレン グレックス アメリカ合衆国 07920，ニュージャー ジー バス キング リッジ、ペンズ ウェイ、465 (72)発明者 マーク アンドリュー ジャンク アメリカ合衆国 07922，ニュージャー ジー バークレイ ハイツ、スプリング フィールド アベニュー、200 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H05H 1/30 H01L 21/205 H01L 21/3065
Claims (8)
- 【請求項１】 （Ａ）低圧室にガスを供給するステップ
と、 （Ｂ）このガスをイオン化するためにエネルギーを供給
するステップと、 （Ｃ）前記低圧室からガス状物質を除去するステップ
と、 からなるプラズマの生成方法において、 前記低圧室内のガスの圧力をＰ、ガスの絶対温度をＴと
するときに、 （Ｄ）Ｐ／Ｔn（ｎ≠０）の値を一定値にしながら、当
該方法を実行することによりプラズマを安定化させるこ
とを特徴とするプラズマの生成方法。 - 【請求項２】 前記ガスのガス圧Ｐをガスの温度Ｔに比
例させて変化させることによりＰ／Ｔの値を一定にし
て、前記プロセスを実行することを特徴とする請求項１
の方法。 - 【請求項３】 前記ガス圧の変化において、前記低圧室
内へ供給するガスの流速を変化させることを特徴とする
請求項２の方法。 - 【請求項４】 前記ガス圧の変化において、前記低圧室
内からガス状物質を除去する速度を変えることを特徴と
する請求項２の方法。 - 【請求項５】 前記低圧室内からガス状物質を除去する
速度は、前記低圧室内のガス滞留時間を一定に維持する
よう選択することを特徴とする請求項４の方法。 - 【請求項６】 前記ガスをイオン化するエネルギーは、
電子サイクロトロン共鳴周波数を有するマイクロ波エネ
ルギーであることを特徴とする請求項１の方法。 - 【請求項７】 （Ａ）低圧室にガスを供給するステップ
と、 （Ｂ）このガスをイオン化するためにエネルギーを供給
するステップと、 （Ｃ）前記低圧室からガス状物質を除去するステップ
と、 からなるプラズマの生成方法において、低圧室内のガス
の圧力をＰ、ガスの絶対温度をＴとし、生成されるプラ
ズマは１もしくは複数個の比Ｐ／Ｔの値に対して不安定
性を有し、 （Ｄ）（ａ）プラズマの不安定性に関連づけられる１も
しくは複数個の比Ｐ／Ｔの値を決め、そして、（ｂ）プ
ラズマの不安定性に関連づけられる比Ｐ／Ｔの前記値の
いずれとも少なくとも５％少ない比Ｐ／Ｔの値で当該方
法を実行することにより、プラズマの安定性を強化する
ことを特徴とするプラズマの生成方法。 - 【請求項８】 前記ガスの圧力Ｐを、前記ガスの温度Ｔ
に比例して変化させることを特徴とする請求項７の方
法。
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| US963150 | 2001-09-25 |
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|---|---|
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|---|---|
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-
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