JP4721516B2 - 半導体基板を処理する処理チャンバ、及び、処理する方法 - Google Patents
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Description
(技術分野)
本発明は、半導体基板を処理する処理チャンバに関し、特に処理ガスを処理チャンバに散布するガス分配器に関する。
【0002】
(背景技術)
処理チャンバ内に均一でない処理ガスを散布する処理ガス分配器は、処理速度や、チャンバ内で処理される基板平面全体の均一性を大きく変動させることがある。半導体製造において、処理ガスはチャンバ内に導入され、処理ガスからプラズマが形成され、エッチングしたり基板上に材料を堆積したりする。しかし、現在の半導体基板は直径が100mm(4インチ)から300mm(12インチ)にまで大きくなっている。これに比例してチャンバの容積も増え、処理ガスの均一な散布や、基板の処理平面全体のプラズマ種を得るのがより困難になる。その結果、処理速度や、基板の中央から周縁にかけての処理の均一性に大幅な変動がよく見られる。
【0003】
処理チャンバに均一に処理ガスを散布するためのガスノズルを内部に貫通させた貫通部を備えるセラミック部材を作成することが難しいので、セラミックの壁や天井を有する処理チャンバでは、均一な処理ガスの散布を得ることが特に問題になる。セラミック壁は、酸化アルミニウムやシリコン等の多結晶質セラミック材料で形成するが、これらはもろい材料であり、セラミック部材を破壊又は破損しないでガス貫通を維持する穴を加工することは難しい。また、セラミック壁に近接するRF活性化コイル等の他の部材は、壁を貫通するガスノズルを配置できるスペースをさらに制限する。したがって、セラミック部材をドリルで貫通して設けられた穴や他の貫通部を必要とせずにセラミックの壁や天井を有する処理チャンバ内で、処理ガスを均一に散布するガス分配器が必要となる。
【0004】
現在の処理チャンバの別の問題は、基板全体に均一な処理速度で処理するためには、基板の処理の間に実際に消費される処理ガス量に比べて、相対的に大きな処理ガス量が必要とされる点である。従来の処理チャンバは、半導体基板を完全に確実に処理するのに大量の処理ガスを必要とする。例えば、一般的なCVD処理は30%から68%効率であり、すなわち、70%から32%の処理ガスが未使用のまま排気ガス中に排出されてしまう。典型的なエッチング処理は、さらに非効率的であり、処理ガス全体量の10%しか使用しないことも多い。処理ガス利用におけるこうした非効率性により、特に処理ガスが高価な場合、基板当たりの処理コストが高くなる。また、未使用の処理ガスの過剰な排出は、排気処理ガス中の有毒なつまり環境に有害な化合物を減少させる何らかの形式の排気低減装置を必要とし、これもまた高価である。
【0005】
したがって、特に直径の大きい基板のためのチャンバ内で、処理ガスを均一に散布するガス分配器を備えた処理チャンバが必要である。さらに、チャンバ内の処理ガスの利用効率を高め、それによって環境に有害な排出物を低減するガス分配器が必要である。また、チャンバ内で均一にガスを散布するのにセラミックの壁に穴や貫通部を必要としないガス分配器が必要である。
【0006】
(発明の概要)
本発明によれば、半導体基板を処理する処理チャンバは、支持装置と、基板平面に対して所定の傾斜角度で処理ガスを処理チャンバに噴射するようになっているガス分配器(ディストリビュータ)と、ガス励起装置(エナジャイザ)と、排気装置とで構成される。支持装置に保持された基板は、ガス分配器により散布され、ガス励起装置により活性化され、排気装置により排出される処理ガスによって処理される。より好ましくは、ガス分配器は、2つ又はそれ以上の処理ガス流を発生させて、それらを互いに衝突させて、処理チャンバ内に循環ガス流を形成するのに十分大きい傾斜角度で処理ガスを噴射する複数のガスノズルを含む。
【0007】
別の実施形態において、ガス分配器は処理チャンバに処理ガスを供給する複数のガスノズルと、ガスノズル間の処理ガス流れを交互にするガス流制御装置とを備える。好ましくは、ガス分配器は、処理チャンバに処理ガスを噴射する第1及び第2ガスノズルと、コンピュータ制御システムと、ガス分配器を操作するコンピュータプログラムコードを含むコンピュータ利用可能媒体を備え、(1)一定時間、第1ガスノズルを通して処理ガスを流し、その後第1ガスノズルを通しての処理ガス流れを停止し、(2)別の一定時間、第2ガスノズルを通して処理ガスを流し、その後第2ガスノズルを通しての処理ガスの流れを停止する。
【0008】
また別の実施形態において、処理チャンバは支持装置上のドーム天井と、ドーム天井に近接する誘導アンテナとを備え、処理チャンバ内でRFエネルギーを処理ガスと結合させる。ガス分配器は、基板平面に対して所定の傾斜角度で処理ガスを処理チャンバに噴射する、互いに向かい合うガスノズルと、処理チャンバから処理ガスを排出する排気装置とを含む。好ましくは、ドーム天井は、RFエネルギーを誘電コイルからその内部に透過し得る十分低い電気感受性を備えた半導体材料を含む。
【0009】
他の態様において、本発明は半導体基板を処理する方法に関し、基板は処理チャンバ内で支持装置上に位置決めされ、処理ガス流は基板平面に対して所定の傾斜角度で処理チャンバに噴射される。処理ガスは、処理ガスを処理チャンバに導入する前と後のいずれかにおいて、基板を処理するよう活性化できる。好ましくは、本発明の方法はさらに、基板に対向する湾曲面を維持するステップを含み、湾曲面は、処理ガス流を下向きに、また基板の周縁に沿って方向づけるのに十分大きい曲率半径を有する。
【0010】
また別の態様においては、本発明は処理方法に関し、基板は処理チャンバ内で支持されている。処理ガスの第1バーストは、第1ガスノズルを通して処理チャンバに噴射され、処理ガスが活性化される。その後、処理ガスを活性化し続けながら、処理チャンバに処理ガスの第2バーストが第2ガスノズルを通して噴射される。好ましくは、これらのステップを少なくとも1度繰り返す。
ここに述べるまたその他の本発明の特徴、態様及び利点は、以下の説明、請求の範囲及び本発明の好ましい実施形態を示す添付の図面により明らかになる。
【0011】
(実施の形態)
本発明の処理チャンバは、処理チャンバ内に処理ガスをより均一に散布することができるガス散布システムを利用して半導体基板を処理する。図1に概略的に示す本発明の例示的な装置20は、本発明を例示することを目的としており、本発明の範囲を限定するものではない。装置20は、全体的に側壁30、底壁35及び天井40を有する密閉チャンバ25を備える。チャンバ25は、金属、セラミック、ガラス、ポリマー等の種々の材料、及び複合材料から作られている。処理チャンバ25を作るのに一般的に用いられる金属としては、例えば陽極酸化アルミニウム、ステンレス鋼、インコネル(商標)等があるが、陽極酸化アルミニウムが好ましい。チャンバ25を作るのに用いることができるセラミックや半導体材料は、例えば、シリコン、炭化ホウ素、酸化アルミニウムなどがある。
【0012】
処理チャンバ25は、チャンバ25の底部に受台つまり支持装置45を含み、その上の基板50を支持する。好ましくは、支持装置45の上に設けた誘電部材55は、基板を受容する受容面60を有する。誘電部材55は、セラミック又はポリマー、例えば酸化アルミニウムや窒化アルミニウムの単一モノリシック構成であり、誘電部材55に埋め込まれた電極65を有している。好ましくは、電極65は、導電性があり溶融点が高い耐火性金属、例えばタングステン、タンタル、モリブデンから作られている。図1に示すように、誘電部材55は、ヘリウムなどの伝熱ガスを基板下の受容面60に供給するガス貫通孔70を有する。一般的に、一連のガス貫通孔70は、誘電部材55の円周に設けられており、基板下の部分に伝熱ガスを均一に散布する。
【0013】
誘電部材55内の電極65は2つの機能を備えており、その機能は、チャンバ25の電気的バイアス面又は接地面に静電的に結合させることによって、チャンバ25の処理ガスからプラズマを活性化し持続するガス励起装置72即ちプラズマジェネレータと、また基板50を静電的に保持する静電電荷を発生する静電チャックとである。電極電源75は、電極65と、天井40などのチャンバ25の表面の間の電位を維持する。好ましくは、DCチャック電圧とRFバイアス電圧の両方は、電気コネクタを介して電極に付与される。RFバイアス電圧は、13.56MHZから400KHZの1つ又はそれ以上の周波数で、約50から約3000ワットの電力レベルを有する。DC電圧は、一般的に250ボルトから2000ボルトであり、基板50を保持する静電電荷を発生するために電極65に印加される。
【0014】
装置20は、天井40に隣接する誘導アンテナ80から伝導されるRF誘導電界と結合するための窓の役割を果たすドーム型の天井40を備え、チャンバ内で処理ガスを活性化する。ドーム型というのは、単一又は複数の半径ドーム、平面、円錐、切頭円錐、円筒、複数の側面を有する多面形天井部材、又はこれらを組み合わせたものである。好ましくは、誘導アンテナ80は、円形対称で、処理チャンバ25の縦軸と中心軸が同軸で、基板50の平面に垂直な複数のコイルで構成される。円形対称の複数のコイルは、対称の中心軸に沿ってゼロ又は最小の誘導電界ベクトル成分を空間的に分布して、基板50の中心の電子数を減らすようになっており、本明細書に参考文献として組み込まれている米国特許出願番号08/648,254に説明されている。各コイルは約1から約10巻を備えており、より典型的には約2から約6巻であることが好ましい。
【0015】
1つの例において、天井40は、誘導アンテナ80のRF誘導電界に対するインピーダンスが低く、天井40を介して誘導アンテナ80によって最小限の電力ロスで発生するRF誘導電界を伝導するのに十分低い電界感受性をもつ誘電又は半導体材料で作られている。例えば、天井は、RF誘導電界に対して透過性の酸化アルミニウムで作ることができる。また、天井40は金属又は半導体材料で作ることができ、ある電位又は電気接地に維持することができる。一般的に、RF供給電源85は誘導アンテナ80に電力を供給し、電極電源75は天井40に対して電極65をバイアスする。電極65や誘導アンテナ80の代わりに、ガス励起装置72が、処理チャンバに噴射する前又は後の処理ガスを活性化することができるマイクロ波や、他の電離放射線の供給源を含んでもよい。
【0016】
処理ガスと、基板の処理の間に生成される処理ガスの副産物は、排気ライン中にスロットルバルブ125を有する排気ポンプ120(一般的に1000リットル/秒のターボ分子ポンプと荒引きポンプとを有する)を備える排気システム115により排出されて、チャンバ25内の処理ガスの圧力を制御する。好ましくは、チャンバ25の下部を取り囲む環帯が、非対称ポンピングチャンネル130を形成して、チャンバ25の外にガスをポンプで押し出し、基板平面の周縁のガス種をより均一に散布する。非対称ポンピングチャンネル130の内部には、交換可能な金属ライナー135を打たれており、環帯に形成された残留物を取り除いてクリーニングするのを容易にする。
【0017】
基板を処理するには、処理ガスは、本発明のガス分配器90(即ちガス散布システム)を介してチャンバ25に導入され、このガス分配器は、処理ガス供給部95と、ガス供給管110を通るガスの流れを制御する質量流量制御装置(MFC)105を操作するガス流制御装置100と、処理ガスの流れをチャンバ25に向ける1つ又はそれ以上のガス噴射ノズル140とを一般的に含む。処理ガス供給部95は、圧縮された処理ガスのタンク等の従来のガス供給部を備える。ガス流制御装置100は、処理ガスの流れを制御し、一般的に、コンピュータ制御システム145と、各ガス供給管110内の質量流量制御装置105及び/又は特定のガスノズル140に延びる空気圧弁又は電磁弁150を操作するコンピュータプログラムを備える。好ましくは、天井40を貫通して孔又は他の貫通部を加工する必要がないよう、ガス供給管110はチャンバ25の側壁30を貫通して延びる。
【0018】
ガスノズル140は、単一のガスノズルか、より好ましくは複数のガスノズル140a、b、c、dを備えている。好ましくは、複数のガスノズルの場合、チャンバ25の直径にわたって互いに対向する1組のガスノズル140a、bを備えている。1組の構成の場合、第1ガスノズル140aは基板の平面に対して所定の傾斜角度で第1のガス流をチャンバ25に噴射し、第2ガスノズル140bは第1ガスノズル140aに対向し、基板50の平面に対して同様に所定の傾斜角度で第2のガス流をチャンバ25に噴射する。一対の対向傾斜ガスノズル140a、bを用いることもできるが、図1に示すように複数対のガスノズル140a、bと140c、dを用いることが好ましい。より好ましくは、複数対の対向するガスノズル140a、b、c、dは、間隔を空けて基板50の周縁に配置した、1つ又はそれ以上のグループのガスノズル140を備え、基板50の周縁からチャンバ25に入る処理ガスが均一に流動するようにする。好ましい実施形態において、ガス分配器90は少なくとも4つから8つのガスノズル140を、チャンバ25の周囲に90度又は45度の間隔で離間して対称的に配置し、処理チャンバ全体に均一に処理ガスを噴射する。
【0019】
好ましくは、少なくとも1つのグル−プの第1及び第2ガスノズル140a、bが基板50の平面に対して所定の傾斜角度で第1及び第2ガス流を噴射する。ガス流が噴射される角度は、第1及び第2ガス流を発生させるのに十分大きいものにして、図2aと図2bのガス流路線で示すように、互いに衝突し、基板50の中央より上の天井まで上昇し、基板50の周縁に沿って下降するる循環ガス流を形成する。好ましくは、ガスノズル140は環状カラー148の傾斜面あるいはチャンバ25の側壁30に配置される。ガスノズル140の各出口は、基板50の平面に対して上向きの傾斜角を形成する中央軸を有する縦チャンネルを備えており、それがチャンバ25の天井40に向けてガス流を押し上げる。チャンバに流入するガス流の中心軸の傾斜角度を決定する縦チャンネルの好ましい傾斜角度は、約30度から約80度で、より好ましくは約40度から60度であることが分かっている。これらの角度において、ガスノズル140からのガス流は、基板50の平面にわたっての処理ガスを均一に散布し、基板の生産高を大幅に向上する循環ガス流パターンを形成することが分かっている。
【0020】
好ましい実施形態において、ガス分配器90は、基板50の平面に対して所定の傾斜角度でガス流を噴射する互いに向かい合う傾斜ガスノズル140a、bの第1グループと、基板50の平面にほぼ平行な面にガス流を噴射する互いに向かい合う非傾斜のガスノズル140c、dの第2グループを備えている。好ましい構成では、ガスノズル140は、チャンバ25の外周に沿って延びる環状カラー148に取り付けられる。カラー148は、チャンバに所定の傾斜角度でガスを噴射する傾斜ガスノズル140a、bのグループを含む傾斜面と、基板50の面に平行にガスを噴射する直接対向するガスノズル140c、dのグループを含む垂直面とを有する。環状カラー148は、残留物の堆積を簡単にクリーニングできるガスノズルを含むなめらかで平らな面を備え、基板についての処理ガスを含むようになっている。環状カラー148は、セラミック材質又は金属材料のブロック又は分割したブロックから加工することができ、ガスノズル140の導管と出口とを有する。
【0021】
動作において、傾斜ガスノズル140a、bはガス流を所定の傾斜角度で噴射して、傾斜ガス流を発生させて互いを衝突させ、合体させ、基板50の中心の真上に上昇し、対向する天井40又はチャンバ25の他の表面に突き当たり、基板50の周縁に沿って下降する混合ガス流を形成する。ガス流を直接相手に対して噴射する対向ガスノズル140c、dは、合体ガス流の一部が基板50の中心に下降し、ガス流の別の一部が基板50の中心の真上に上昇するように、基板50の中心の真上で直接ガス流を衝突させる。基板の中心及び周縁にわたって上昇したり下降したりする混合ガス流は、チャンバ25全体にガスを散布し、結果的に基板50の平面全体にわたって均一な処理速度を得られる。傾斜ガスノズル140a、bの数と傾斜角、及び対向するガスノズル140c、dの数は、処理チャンバの大きさと、ガスノズル140を通る処理ガスの容積流量に左右される。2つのグループのガスノズルとして説明したが、ガス分配器90は、複数グループの傾斜及び非傾斜ガスノズル140を備え、各グループのガスノズルを基板50の平面に対して、又は天井40の表面の形状に対して異なる角度に傾斜させることもできる。ガスノズル140のグループはチャンバ25内で相互に対称的に配置し、チャンバに沿って等間隔で配置し、傾斜ガスノズル140a、bと非傾斜ガスノズル140c、dを交互に配置することが好ましい。
【0022】
向かい合うガスノズル140によって供給される循環ガス流は、例えば基板50の処理表面に向かい合い対向するドーム型天井40等の、湾曲したチャンバ表面と組み合わされて特に効果的に作用する。この例において、基板50の中心の真上で上向きに移動するガス流がチャンバ天井40と衝突し、湾曲した天井40により、基板50の周縁に向かって円形の流路に方向づけられる。湾曲した天井40は、上向きに上昇するガス流を下向きで基板50の周縁に向けるのに十分大きい平均曲率半径を有するのが好ましい。ドーム型天井40は好ましくは、中間又は平均の曲率半径が少なくとも150mmである複数の曲率半径を有する多半径ドームを備えている。例えば、円錐や他の半径方向に対称な形状、又は同軸形状など、頂点を有する他の向かい合う湾曲した面も、チャンバ25内で処理ガスを方向づけるのに用いることができる。湾曲した天井40によって方向づけられた処理ガスの流路は、基板50の平面全体に処理ガス種をより均一に散布し、基板平面全体に、より均一なエッチングや堆積処理をもたらす。
【0023】
基板を処理するために、処理チャンバ25は排気されて所定の減圧状態に維持される。その後、ロボットアームとリフトピンシステム(図示せず)によって、基板50が支持装置45上に置かれる。電極65は、所定電圧だけ基板50に対して電気的にバイアスされる。ガスノズル140を通って処理チャンバ25に導入される処理ガスは、コイル及び/又は電気的にバイアスされた処理電極を用いて、RFエネルギーをチャンバ25に結合して維持することによって活性化された処理ガス即ちプラズマを形成するよう活性化される。図2aと2bは、処理チャンバ25内のガス流線を示し、処理ガスは天井40に向かって上昇して基板50の周縁に沿って下向きに流れ、排気システム115の非対称チャンネル130に流れ込む。外気処理ガスは、傾斜した又は対向し互いに向かい合うガスノズル140を通って処理チャンバ25に入り、半径方向に対称なガス流路を循環する。ガスノズル140はチャンバ25の側壁30の周囲に沿って配置されているが、結果として生じる円形の又は長円形のガス流路は、チャンバ内部のガス流の少なくとも一部がチャンバの上部からチャンバ壁の側部に向かって下へ流れるので、天井を貫通してガスノズルが延びているガス分配器から生じるガス流を模擬したものになる。また、ガス流路はチャンバ25の上部から基板に向かって下向きであるため、エッチング液の残留物、また基板の周りやガスノズル140からはがれ落ちる微粒子による基板50の汚染が少ない。結果的に基板50の真上のガス相対圧力が高くなり、基板50全体の処理速度の均一性が高まり、基板50を処理するのに使用する処理ガスが低減する。その結果、ガス排気中に放出される処理ガスがより少なくなり、より環境に安全な処理が行われる。
【0024】
ここで説明した装置20は、化学的蒸気膜形成等の基板50上に材料を堆積したり、基板からの材料をエッチングしたり、あるいはチャンバ25内の壁や部材に堆積した汚染堆積物をきれいにするのに用いることもできる。基板25上に皮膜を堆積する一般的な化学的蒸気膜形成処理は、Sze監修「VLSI Technology第2版」第9章、McGraw-Hill Publishing Co., New Yorkに全体的に説明されており、参考文献として本明細書に組み込まれている。例えば、SiO2は、(i)SiH4又はSiCl2H2などのシリコン系ガスと、CO2、H2O、N2Oなどの酸素系ガス、あるいは(ii)Si(OC2H5)4などのシリコンと酸素の両方を含む単独のガスで構成される処理ガスによって堆積される。他の従来のCVD処理ガスには、NH3、N2、AsH3、B2H6、KCl、PH3、WF6及びSiH4などがある。装置20は、その他のエッチング処理にも使用することができ、これはS.M.Sze監修「VLSI Technology第2版」第5章、McGraw-Hill Publishing Co., New York(1988年)に全体的に説明されており、参考文献として本明細書に組み込まれている。一般的な処理やエッチング金属層は、BCl3、Cl2、SF6、CF4、CFCl3、CF2Cl2、CF3Cl、CHF3、C2ClF5などの処理ガスを使用する。レジストエッチング処理は、一般的に酸素ガスを使用して基板50上にポリメリックレジストをエッチングする。
【0025】
また、本明細書で説明するすべての実施形態において、処理ガスは、約20から80体積%、より好ましくは40から70体積%の体積百分率比で反応ガスに加えられる中性又は無反応キャリヤーガスを含む。キャリヤーガスはさらに基板50を処理するのに使用される処理ガスの体積を減少させ、またさらに排出物中の有害又は有毒なガスの排出を低減する。キャリヤーガスは基板平面を通過した活発なガス種を搬送する役目を果たし、基板50に反応するキャリヤーガス量を最大にする。キャリヤーガスは、反応ガス種をチャンバ25の全体にわたって基板50の処理表面を均一に通過させて効率よく搬送することにより、特にガス分配器90と共に作用して効率よく作動する。
【0026】
本発明の処理チャンバ25は、処理の均一性を大幅に改良するものである。従来技術で一般的に考えられているような理論上の散布ガス流が低いチャンバ圧力で作動するすべてのチャンバに発生しないのでこのような結果が得られると考えられている。ある領域において処理ガスはチャンバ中に散布し、別の領域では処理の間に処理ガスの安定状態の流れパターンが発生することが分かっている。安定状態の流れパターンは、ガス種の散布と基板平面の処理の均一性とに影響する。本発明のガス流分配器90は、安定状態のガス流をもたらし、その結果チャンバ25内のガス種がより均一に散布し、処理の均一性が向上する。ガス流はガスよどみ部分を減らし、チャンバ壁と基板50上に処理残留物が余分に堆積するのを防ぐ。基板50平面を横切るガス流はまた、処理ガスをより効率良く利用し、これにより排出ガス中の有害ガス又は有毒ガスが減少する。
【0027】
本発明の別の態様において、チャンバ25への処理ガスの流れは、チャンバ25への処理ガスのパルス化されたバースト(噴射)をもたらすよう調整される。この態様において、基板50の処理の間に、処理ガスのガスノズル140への流れが始まりその後停止されて、チャンバ25へ短いパルス化バーストがもたらされる。ガス流制御装置100は、単一のガスノズル140又はガスノズル群140a、b、c、dを通過する処理ガスの流れを所定の時間調整し、その後ガスノズルを通過する処理ガスの流れを止める。その後ガス流制御装置100は、他のガスノズル(又はガスノズル群)を通過する処理ガスの流れを所定の時間調整し、その後ガスノズルを通過する処理ガスの流れを止める。ガスノズル140を通過するガスの流れを開始して停止することを基板50の処理の間に少なくとも1度、より好ましくは複数回繰り返す。例えばガス流制御装置100は、1つのガスノズルのガス流バルブ150を作動させて、約1秒から約50秒チャンバ25へガスを流し、フローバルブを1秒から50秒遮断し、そして再び約1秒から約50秒作動させることを繰り返す。好ましくは、チャンバへの処理ガスのパルス化バーストは、基板50の周縁に配置された独立した又は一連のガスノズル140を通して供給され、ガスノズルの適切な数は、チャンバ25内で等間隔に配置される2個から8個、より好ましくは4個から6個である。
【0028】
チャンバ25の周囲に配置される種々のガスノズル140へのガス流を、連続して又は重複して開始させたり停止したりすることにより、チャンバ25内の処理ガス種の散布と流れパターンとは所定の方法で制御される。さらに、チャンバ内のガスの散布の制御は、各ガスノズル140を通して噴射される処理ガスの流量と、処理ガスが特定のガスノズル140を通過する時間と、チャンバ内のガスノズルの位置に関連して一連のガスノズル140を通過する処理ガス流れのタイミングシーケンスとを変化させることにより可能である。一連のガスノズル140を通過する処理ガス流れの各々の順序は、処理サイクルを形成し、単一の基板50を処理する間、処理サイクルは複数回繰り返される。一般的に、各処理サイクルにおいて、約1秒から約10秒間、より好ましくは約1秒から約5秒間ガスノズルを通して処理ガスが噴射される。サイクル数は所望の処理時間の合計に基づく。例えば、処理ガスが各ガスノズルに2秒だけ導入される場合、完了するための基板処理時間は計40秒で、合計約5サイクル繰り返され、各サイクルで約8秒間処理ガスがチャンバ25に噴射される。
【0029】
図3aから3cはチャンバ25内の一連のガスノズル140を作動させる、異なる処理ガス流のタイミングシーケンスを例示的に示すものである。これらの図はタイミングシーケンス、つまりチャンバ25の側壁に沿って周囲に配置された、4つののガスノズル140の1つに処理ガスを供給する各々のバルブ150の開閉時間をグラフで示すものである。特定のガスノズル140のガス流バルブ150は所定の時間、例えば10秒間開放されて処理ガス源をチャンバ25に供給し、その後ガス流バルブは遮断され、他のガス流バルブが作動されてチャンバ内に他の処理ガス源を供給する。図3aのガス流の時間サイクルは、処理ガスをまず第1ガスノズル140を通して導入し、その後連続して第2、第3、第4ガスノズルのそれぞれを通して流入してサイクルを終了する4段階で構成される第1サイクルを有する。ガス流バルブ150の作動タイミングシーケンスにより、チャンバ25へのガス流が、処理チャンバの周囲に沿ってチャンバ25の中央縦軸の回りを回転するように見える。隣接するガスノズル140は作動したり停止したりして、外見上時計回り又は反時計回りに移動する回転するガス源が得られる。又は、処理ガスの流れは、チャンバ25の周囲で1つのガスノズルから他のガスノズルへと、ガスノズルの順序を変えたり、ガスノズルの順序を重複させてパルス化することもできる。例えば、一般的に順序を重複させるものでは、処理ガスがチャンバ25に流れるようにガスノズル1を開放し、ガスノズル1が閉まる前に、隣接するガスノズル2を開放し、所定の重複時間ガスノズル2を開放した後でガスノズル1を遮断する。その後、ガスノズル2がまだ開放している間にガスノズル3を開放して、その後ガスノズル2を遮断する等、チャンバ25の周囲のまわりにパルス化ガス源のタイミングシーケンスを回転させたり重複させたりする。
【0030】
他の好ましい実施形態において、図3bに示すように、ガス流制御装置100は、処理チャンバ25内の1箇所で互いに向かい合う一対の対向ガスノズル140と、処理チャンバガス25の他の位置で互いに向かい合う別の一対の対向ガスノズル140との間で、第1及び第2処理ガス流の流れを交互に切り替える。この例では、ガス流はまず、互いに向かい合う第1の対の第1及び第2ガスノズル140a、bを通して供給される。第1の対のガスノズル140a、bを通過するガスの流れを止める前後に、第2の対のガスノズル140c、dを通過するガス流を開始させ、チャンバ25内の他の位置に設けた他の対のガス噴射ノズル140c、dからチャンバ25に処理ガスを流入する。好ましくは、ガス分配器90は、チャンバ25の周囲に沿って90度間隔を空けて設けた少なくとも2対のノズルで構成して、それぞれの対のノズルを対向させて互いに向かい合うようにする。第1及び第2ガス流が、向かい合う一対のガスノズル140a、bを通して噴射されるように、一対の向かい合うノズルのそれぞれのガスノズル140a、bを同時に作動し、その後停止させる。その後、第2の対の向かい合うガスノズルの各ガスノズル140c、dを作動し、その後停止させる。つまり、2対のガスノズル140a、bと140c、dを連続して作動させて、チャンバ25を横切って互いに直交する2本の線上に設けた処理ガス源から処理ガスのパルス化バーストを供給する。例えば、図3bに示すように、約0<T<10秒の第1時間Tの間に、ガスノズル1と3が同時に開放し、約10<T<20秒の第2時間Tの間に、ガスノズル2と4が同時に開放する。もしくは、図3cに示すように、90度間隔を空けて設けられた2つの隣接するガスノズル140を同時に開放して、互いに向かい合う対のガスノズルを通じてではなく、隣接する対のガスノズルを通じて処理ガスを供給することもできる。その他の互いに向かい合う又は隣接するガスノズルをどのように組み合わせて作動させても本発明の範囲内であり、当業者には明らである。
【0031】
処理ガスを種々のガスノズル140に通過させるタイミングシーケンスを調節して、チャンバ内のガス流路又は流れパターンを制御できる。チャンバ25の回りに配置された一連のガスノズル140を作動させたり停止させたりすることは、チャンバ25へのガスの進入位置を、チャンバ25の周囲に沿った別の位置に効果的に変える。例えば、ガス流は、チャンバ25内の1箇所に設けた1つ又はそれ以上のノズル140を通して噴射され、その後ガス流は、チャンバ25内の異なる位置に設けた他のガスノズル140を通して噴射される。互いに向かい合う対のガスノズル140a、bを通して噴射されるガス流は、互いに衝突し、合体して上向きのガス流を形成し、ドーム型天井40に当たると基板50の周縁に向かって方向づけられる。チャンバ25の中心に沿って、また処理チャンバ25の側壁に沿って垂直上向きに移動するガス流は、特にチャンバ25の周囲に沿ってガス流が異なる位置の回りを回転する場合、エッチング処理の均一性を大幅に向上させることが分かっている。
【0032】
基板50の平面により均一なエッチング速度をもたらすので、ガスのパルス化流は、基板50をエッチングするエッチングガスをエッチングチャンバ25に導入するのに特に適している。特に、回転するガス入口源が、エッチング処理の均一性を大幅に向上させることが分かっている。例えば、基板50の周りの4つのガスノズル140で行われるエッチング処理のためのガス流パルスの好ましいシーケンスは、次のようなステップを含む。(i)ガスノズル1を2秒間作動し、停止する。(ii)ガスノズル2を2秒間作動し、停止する。(iii)ガスノズル3を2秒間作動し、停止する。(iv)ガスノズル4を2秒間作動し、停止する。(v)これらのステップを基板が処理されるまで1回又はそれ以上の回数随意に繰り返す。他のガス流のシーケンスは、処理の種類とガスノズルの数によって、0.1秒から2.5秒のパルス化ガスバーストを利用できる。
【0033】
前述の実施形態において、コンピュータ制御システム145が、処理チャンバ25とガスノズル140を操作することが好ましい。コンピュータ制御システムは、周辺制御機器でメモリーシステムに相互接続された1つ又はそれ以上の中央演算ユニット(CPU)、例えばカリフォルニア州サンタクララのインテル社から市販されているPentiumマイクロプロセッサを含むコンピュータを制御するコンピュータプログラムコードプロダクトを有する。コンピュータ制御システム145のCPUは、チャンバ25の特定の構成要素、例えばガスノズル140を操作するASIC(特定用途向け集積回路)を含むこともできる。オペレータとコンピュータシステム145間のインターフェイスは、一般的にビデオモニター155とライトペン160である。特定のスクリーンや機能を選択するために、オペレータはCRTモニター155に表示された画面の指定された部分をライトペン160で触れて、ペンのボタンを押す。触れられた部分の色が変わるか、あるいは新しいメニューやスクリーンが表示されて、ライトペン160とCRTモニター155間の通信が確認される。その他の装置、例えばキーボード、マウス、ポインティング通信装置も、ユーザーがコンピュータ制御システム145と通信することができるよう用いることができる。
【0034】
コンピュータ制御システムのCPUや他の装置を操作するコンピュータプログラムコードは、例えばアセンブリ言語、C、C++、パスカルなど、従来のコンピュータで読み取り可能なプログラム言語で書き込みすることができる。適当なプログラムコードは、従来のテキストエディターを利用して単独のファイル又は複数のファイルに入力され、コンピュータ制御システム145のメモリーシステムなど、コンピュータに利用可能な媒体に保存又は組み込まれる。入力されたコードテキストが高次元の言語であれば、コードは、プリコンパイルされたウインドウズライブラリ手順のオブジェクトコードにリンクされたコンパイラーコードにコンパイルされる。リンクされコンパイルされたオブジェクトコードを実行するために、システムユーザーは、オブジェクトコードを呼び出して、コンピュータにメモリーシステムのコードをロードさせてコンピュータプログラムコードで認識されたタスクを実行する。
【0035】
コンピュータプログラムコードは、タイミング、処理ガス成分、チャンバ圧力、基板温度、RF電力レベル及び他の処理チャンバ25内で実行される処理方法(レシピ)のパラメータを操作する一組又はそれ以上のコンピュータ命令を含む。コンピュータプログラムコードは、ガスノズル作動/停止操作、ガスノズルのタイミングシーケンス制御、ガスノズル140を通る処理ガスの流量を制御するガス流制御装置100の作動制御を含む、ガス流分配器システム90を操作するコンピュータ命令コードを有する。
【0036】
コンピュータプログラムコードの好ましい例は、図4に示すように、複数のプログラムコード、例えばオペレータが処理方法を入力したり選択したりでき、また選択された処理チャンバ25内で処理方法の操作を実行するプログラムコード175、処理チャンバ25内のチャンバ構成要素の優先順位を操作し管理するチャンバ管理プログラムコード180、ガスノズル140を操作するガス流制御装置プログラムコード185を備えている。一連のタスクを実行する別々のプログラムコードとして例示したが、これらのプログラムコードが統合化できること、あるいは1つのプログラムコードのタスクを他のプログラムコードのタスクと統合して所望の一連のタスクを得ることができることを理解されたい。つまり、ここで説明したコンピュータ制御システム145とコンピュータプログラムコードは、ここに説明するプログラムコードの特定の実施形態に限定されるものではなく、また等価の機能セットを果たす別のプログラムコードセット(集合)やコンピュータ命令セットは本発明の範囲にある。
【0037】
操作において、ライトペン160とCRTモニター155によりユーザーは処理セットと処理チャンバ数を処理選択プログラムコード175に入力する。処理セットは、チャンバ25内で特定の処理方法を実行するのに必要な処理パラメータからなり、処理セットは予め定義されたセット番号により認識される。処理選択プログラムコード175は、所望の処理チャンバ25と処理パラメータのセットを認識して、特定の処理を実行する処理チャンバを制御する。処理パラメータは、例えばチャンバ温度や圧力などの処理条件で、ガス励起装置のパラメータは、マイクロ波又はRFバイアス電力レベル、磁界力レベル、冷却ガス圧力、チャンバ壁温度を含む。処理条件はまた、ガス成分、流量、ガスノズル140のフローバルブ150のタイミングを設定するガスバルブタイミングシーケンスを含む。タイミングシーケンスは、オペレータが入力したタイミングインターバルを一覧表にしたタイミング命令の表に保存されるか、あるいは所定の操作の順序でフローバルブ150の作動(ターンオン)と停止(ターンオフ)のタイミングのアルゴリズムを含む。
【0038】
処理選択プログラムコード175によって決定された処理セットに基づいて、特定の処理セットパラメータを、複数の処理タスクを異なる処理チャンバで制御するチャンバ管理プログラムコード180に与えることによって、処理選択プログラムコード175は、処理セットを実行する。例えば、チャンバ管理プログラムコード180は、基板をエッチングしたり、チャンバ25内で基板に材料を堆積したりするプログラムコードを有する。チャンバ管理プログラムコード180は、チャンバ構成要素の作動を制御するコード命令セットを通して、様々なチャンバ構成要素の実行を制御する。チャンバ構成要素コード命令セットの例としては、支持装置30aの上の基板を取り込み取り除くロボット構成要素を制御する、基板位置決め命令セットと、チャンバ25に供給する処理ガスの成分と流量とを制御する処理ガス制御命令セット195と、スロットルバルブ80の開度を制御する圧力制御命令セット200と、ガス励起装置72の電力レベルを制御するガス励起装置制御命令セット205を挙げることができる。さらに、ガス流制御装置プログラムコード185は、ガス分配器90を操作して、処理チャンバへの処理ガスの流れを制御する。操作において、チャンバ管理プログラムコード180は、実行されている特定の処理セットにしたがって、選択的にチャンバ構成要素命令セットを呼び出し、チャンバ構成要素命令セットの一覧表を作り、様々なチャンバ構成要素の作動を監視し、実行される処理セットの処理パラメータに基づいて、どの構成要素が操作されるべきかを決定し、監視と決定ステップに反応してチャンバ構成要素命令セットの実行を行う。
【0039】
ガス流制御装置プログラムコード185は、ガスノズル140へのガス導管内で各フローバルブ150を制御するフローバルブ命令セット210と、フローバルブ150を開閉する順序のタイミングを合わせるタイミングシーケンス命令セット215を含む。一連のタスクを行う別々の命令セットして説明したが、これらの命令セットはそれぞれ互いに統合化でき、あるいは一連のプログラムコードのタスクを他のタスクと統合して所望の一連のタスクを実行することができることを理解されたい。つまり、ここに説明するコンピュータシステム145とコンピュータプログラムコードは、ここに説明する機能ルーチンの特定の実施形態に限定されるものではなく、等価の機能セットを実行する他のルーチンセットや結合されたプログラムコードセットも同様に本発明の範囲内にある。
【0040】
フローバルブ命令セット210は、単一のガスノズル140のガス流バルブ150を作動させ(スイッチオン)てその中にガスを流すか、より好ましくは、互いに向かい合う一対のガスノズル140a、bを同時に作動させて、互いに向かい合うガスノズルの両方から同時にガスを流す。好ましくは、フローバルブ命令セット210は、特定のガスノズル140のガス流バルブ150を、チャンバ25内の特定の基板50を処理するのに必要な時間よりも短い時間作動させて、チャンバ25内の処理ガスのパルス化バーストを流す。より好ましくは、前述のように、フローバルブ命令セット210は、一対の互いに向かい合うガスノズル140a、bのフローバルブを短時間同時に作動させて、チャンバ25内の1箇所に配置された一対の互いに向かい合うガスノズルを通してガスの第1バーストを流し、その後、チャンバの別の位置に配置した別の一対のガスノズル140c、dを通してガスの第2バーストを流す。
【0041】
タイミングシーケンス命令セット215は、オペレータが処理選択プログラムコードに入力したタイミングシーケンス命令とタイミングインターバルの一覧から、あるいは、各バルブの作動の望ましい所定の順番でフローバルブ150の作動(ターンオン)と停止(ターンオフ)の順序のタイミングをとるアルゴリズムからをフローバルブ150のタイミングを設定する。特定のガスノズル140に供給する各々のガス流バルブ150は、オペレータがプログラムする所定のタイミング順序の特定の番号により識別可能である。タイミングシーケンス命令セット215は、(i)第1対のガスノズル140a、bを通して処理ガスを所定の時間流し、その後、第1対のガスノズルによる処理ガスの流れを停止し、(ii)第2対のガスノズル140c、dを通してガスを所定の時間流し、その後、第2対のガスノズルによる処理ガスの流れを停止するようなコードを含む。タイミングシーケンス命令セット215は、(i)と(ii)のステップを少なくとも1度繰り返して、所望の所定シーケンスでガス流バルブ150の作動時間を調節する。
【0042】
(実施例)
図5aから7bで示す以下の実施例は、本発明の処理チャンバ25とガス流分配器90が、ガス種の均一な散布と、基板平面にわたる均一なガス流パターンをもたらすことを示すものである。これらの実施例において、チャンバ25は、チャンバ25の側壁30に沿って互いに90度、等間隔に配置された4つのガスノズル140を備えている。これらのテストにおいて、基板上に約10,000Åの厚さで堆積されたアルミニウムのブランケット層がエッチングされた。図5aから図7bは、3つの別々のテスト結果を示し、基板50の平面に対するガスノズル140の角度を、それぞれ45度、60度、75度に保持した。エッチングガスはCl2、BCl3、N2を含み、チャンバ25の圧力は−10mTorr、チャンバ25の温度を80℃に維持した。エッチングガスをガスノズル140を通じて以下のシーケンスでパルス化した。(i)互いに向かい合うガスノズル1と3を2秒間作動してその後停止し、(ii)互いに向かい合うガスノズル2と4を2秒間作動してその後停止する。その後、ステップ(i)と(ii)を合計20処理回数繰り返して、約40秒の累積処理時間を得た。
【0043】
図5aは、傾斜角45度でチャンバにガスを噴射するガスノズル140を有する処理チャンバ25内で処理されるアルミニウムブランケット層の表面のエッチング量の等高線(エッチング勾配を表現する)を示す、基板平面の等高線地図である。各等高線は、エッチング後に残る残留アルミニウムの特定の厚さを表し、2823Åから3276Åの範囲である。エッチングされたアルミニウムの平均厚さは約3093Åであった。45度の傾斜ガスノズル140を有するチャンバにおいて、基板50にわたって標準偏差1σでエッチング速度変動が10.8%は、従来技術に比べると基板のエッチング速度の均一性が大幅に向上したことを示す。図5bは、図5aの等高線地図の3次元断面図で、Z軸は基板50平面のエッチング速度を表し、基板の周縁に沿って少し高いエッチング速度を示す。
【0044】
図6aの等高線地図は、チャンバ25内のエッチング均一性がますます向上していることを示しており、ガスノズル140は、処理ガス流を基板50の平面に対して傾斜角60度で湾曲天井40の方向に向いている。エッチング後に残る残留アルミニウムの範囲は3243Åから3899Åで、平均厚さは3590Åである。エッチング速度は基板50にわたって標準偏差1σで変化し、エッチング速度の百分率変動は約4.831%であったが、水平あるいは垂直流路においてガスを流すガスノズルを有する従来のチャンバ設計では1σでエッチング均一性は20%である。図6bは図6aの3次元図であり、Z軸は基板50にわたるエッチング速度を示す。図6bの中央の凹みから、基板50周縁で少し高いエッチング速度が得られているのが分かる。
【0045】
図7aの等高線地図は、チャンバ25内のアルミニウム層ブランケット層のエッチングトポロジー面のエッチング勾配線を示し、ガスノズル140は75度で傾斜されている。エッチング後に残る残留アルミニウム層の厚さは、3051Åから3699Åで、平均厚さ約3386Åであった。1σでエッチング均一性3.578%が得られたことが分かる。図7bは、図7aの3次元図で、Z軸は基板50にわたるエッチング速度を示し、優れた均一性とエッチング速度を示している。
【0046】
基板50のアルミニウム層のエッチング処理から明らかなように、本発明のガス分配器90とチャンバは非常に改良された処理をもたらす。この新規なガス流分配器は、方向付けられたガス流を提供し、その結果チャンバ25内でガス種がより均一に散布し、これにより処理の均一性が大幅に向上した。さらに、基板50とチャンバ壁を横切る処理ガス流は、ガスよどみ部分と、好ましくない種のガス相核形成と、側壁30とチャンバ25の構成要素上の余分なエッチング液残留物の堆積とを低減する。チャンバ内のガス流は、より効果的にチャンバ25内の処理ガスを利用することも分かっており、そのため基板50を処理するのに用いられるガスの量が低減し、排出物の好ましくないガスや有害及び有毒なガス種の濃度が低くなる。
【0047】
本発明は好ましい例についてはかなり詳細に説明したが、他の例も可能である。例えば、ガスノズル140の位置を変えることは当業者には明らかである。例えば、ガスノズル140は、天井40を貫通して延びてもよく、底壁から基板周縁に延びてもよい。また、基板50とチャンバ25との相対的大きさによりガスノズル140の数と位置を変えて、所望のチャンバ25内のガス流パターンを得ることもできる。さらに、上部、下部、中央、天井40、基部、床等の空間的な方向や構造も、本発明の範囲に影響を与えることなく同等又は反対の方向に変更できる。したがって、請求項は本明細書に含まれる好ましい例の説明に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の処理チャンバと処理ガス分配器の概略側面断面図である。
【図2a】 ガス流路を示す本発明の処理チャンバと処理ガス分配器の概略側面断面図である。
【図2b】 図2aの処理チャンバの概略平面図である。
【図3a】 処理ガスをガスノズルに供給するフロー制御装置を作動させるガス流タイミングシーケンスのグラフ表示である。
【図3b】 処理ガスをガスノズルに供給するフロー制御装置を作動させるガス流タイミングシーケンスのグラフ表示である。
【図3c】 処理ガスをガスノズルに供給するフロー制御装置を作動させるガス流タイミングシーケンスのグラフ表示である。
【図4】 本発明におけるコンピュータプログラムプロダクトを説明するブロック図である。
【図5a】 45度の角度に傾斜したガスノズルを有するチャンバ内でエッチングした、基板上のアルミニウムブランケット層のエッチング速度の等高線地図である。
【図5b】 図5aの等高線地図におけるエッチング速度の3次元グラフである。
【図6a】 60度の角度に傾斜したガスノズルを有するチャンバ内でエッチングした、基板上のアルミニウムブランケット層のエッチング速度の等高線地図である。
【図6b】 図6bは、図6aの等高線地図におけるエッチング速度の3次元グラフである。
【図7a】 75度の角度に傾斜したガスノズルを有するチャンバ内でエッチングした、基板上のアルミニウムブランケット層のエッチング速度の等高線地図である。
【図7b】 図7aの等高線地図におけるエッチング速度の3次元グラフである。
Claims (7)
- 半導体基板を処理する処理チャンバであって、前記処理チャンバは、
(a)支持装置と、
(b)基板の周縁に配置され向かい合って傾斜する対のガスノズルを含み、処理ガスを基板平面に対して所定の傾斜角度で前記基板の周縁から噴射するガス分配器であって、向かい合う対のガスノズルから処理ガス流を生成して互いに衝突させ、処理チャンバ内に循環ガス流を形成する該ガス分配器と、
(c)ガス励起装置と、
(d)排気装置と、
(e)1対の向かい合うガスノズルと他対の向かい合うガスノズルとの間で前記処理ガスの流れを交互にするガス流制御装置と、
を備えており、前記支持装置上で保持された基板は、前記ガス分配器によって前記処理チャンバに噴射され、前記ガス励起装置によって活性化され、前記排気装置によって排出される処理ガスによって処理されることを特徴とする処理チャンバ。 - 前記ガス分配器は、前記基板平面に対して約30度から約80度の傾斜角で処理ガスを噴射するようになっていることを特徴とする請求項1に記載の処理チャンバ。
- 前記ガス分配器は、前記基板上方の処理チャンバ表面に向かって前記処理ガスを噴射するようになっていることを特徴とする請求項1に記載の処理チャンバ。
- 処理チャンバ内で半導体基板を処理する方法であって、
(a)前記処理チャンバ内で前記基板を支持する段階と、
(b)一対の向かい合って傾斜するガスノズルを通して、前記基板平面に対して所定の傾斜角度で前記基板の周縁から処理ガス流を噴射し、少なくとも2つの処理ガス流を生成して互いに衝突させ、前記処理チャンバ内に循環させ、前記処理ガス流の進入位置を、前記処理チャンバの周囲に沿って異なる位置に移動させる段階と、
(c)(b)の段階の前又は後に、前記基板を処理するために前記処理ガス流を活性化する段階と、
(d)前記処理チャンバからの前記処理ガス流を排出する段階と、
を含むことを特徴とする方法。 - 処理チャンバ内で半導体基板を処理する方法であって、
(a)前記処理チャンバ内で前記基板を支持する段階と、
(b)一対の向かい合って傾斜するガスノズルを通して、前記基板平面に対して所定の傾斜角度で前記基板の周縁から処理ガス流を噴射し、少なくとも2つの処理ガス流を生成して互いに衝突させ、前記処理チャンバ内に循環させ、その後前記処理ガス流を他対の向かい合うガスノズルを通して噴射する段階と、
(c)(b)の段階の前又は後に、前記基板を処理するために前記処理ガス流を活性化する段階と、
(d)前記処理チャンバからの前記処理ガス流を排出する段階と、
を含むことを特徴とする方法。 - 約30度から約80度の傾斜角度で前記処理ガス流を噴射する段階を含むことを特徴とする請求項4又は5に記載の方法。
- 段階(b)が、さらに前記基板に対向する湾曲面を維持し、前記湾曲面は、前記処理ガス流を前記基板周縁に沿って下向きに方向づけるのに十分大きい曲率半径を有していることを特徴とする請求項4又は5に記載の方法。
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