(57)【要約】本発明は、時分割多重方式のプロセスの間の真空チャンバ内の圧力の制御方法を提供する。スロットル・バルブを、事前に位置決めして、所定の時間の間保持する。プロセス・ガスを、シリコン・ウェハの関連するプラズマ・ステップ（堆積またはエッチング）の間に、真空チャンバ内に導入する。所定の時間の終了時に、スロットル・バルブを設定位置から解放して、プロセス・ガスを流し続ける。この時点で、スロットル・バルブを、関連するプラズマ・ステップの残りの時間だけ続く時間の間、比例微分積分制御によって調整する。
2006523041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板内のフィーチャを異方性エッチングするための方法であって、
基板を、プラズマ・チャンバ内の交互の周期的プロセスにさらすステップであって、前記交互の周期的プロセスは、エッチング・ステップおよび堆積ステップを有するステップと、
前記プラズマ・チャンバ内に、前記交互の周期的プロセスの堆積ステップの間に基板に膜を堆積するための第１のプロセス・ガスを導入するステップと、
前記プラズマ・チャンバ内に、前記交互の周期的プロセスのエッチング・ステップの間に基板をエッチングするための第２のプロセス・ガスを導入するステップと、
前記交互の周期的プロセスの少なくとも１つのステップの間にスロットル・バルブを所定の位置設定点に所定の時間の間設定することによって前記プラズマ・チャンバの圧力を調整するステップと、
前記交互の周期的プロセスの堆積ステップおよび前記交互の周期的プロセスのエッチング・ステップに対するレシピ時間の間、プラズマを点火するステップと、
前記所定の時間が満了した後でクローズド・ループの圧力制御アルゴリズムを有効にするステップと、
ステップの残りの時間だけ続く時間の間、クローズド・ループの圧力制御によって、前記プラズマ・チャンバ内のレシピ指定の圧力設定点に圧力を制御するステップと、を含む方法。
【請求項２】
所定の位置設定点を、前記交互の周期的プロセスの先行する同様のステップのスロットル・バルブ位置に設定する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
所定の位置設定点を、前記交互の周期的プロセスの先行する同様のステップのスロットル・バルブ位置から導出する請求項１に記載の方法。
【請求項４】
所定の位置設定点を、前記交互の周期的プロセスの複数の先行する同様のステップの平均のスロットル・バルブ位置から導出する請求項３に記載の方法。
【請求項５】
所定の位置設定点を、事前の校正実験から導出する請求項３に記載の方法。
【請求項６】
所定の位置設定点を、前記交互の周期的プロセスの前記先行する同様のステップの前記スロットル・バルブ位置からのオフセットによって調整する請求項３に記載の方法。
【請求項７】
オフセットが、前記交互の周期的プロセスの前記先行する同様のステップの前記スロットル・バルブ位置からの約０．５〜２の位置変化である請求項６に記載の方法。
【請求項８】
所定の位置設定点が、前記所定の時間の継続時間の間、所定の関数を用いて変化する請求項１に記載の方法。
【請求項９】
所定の位置設定点を、前記交互の周期的プロセスの先行する同様のステップの圧力性能に基づいて変更する請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
所定の位置設定点への変更が、前記レシピ指定の圧力設定点に到達する時間を最小限にすることに基づく請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
所定の位置設定点への変更が、前記レシピ指定の圧力設定点からのずれを最小限にすることに基づく請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記所定の時間を、前記交互の周期的プロセスの先行する同様のステップの圧力性能に基づいて変更する請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
所定の時間への変更が、前記レシピ指定の圧力設定点に到達する時間を最小限にすることに基づく請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
所定の時間への変更が、前記レシピ指定の圧力設定点からのずれを最小限にすることに基づく請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記所定の時間が、約０．０５〜０．５秒の長さである請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１のプロセス・ガスが、オクトフルオロシクロブタンである請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記第２のプロセス・ガスが、六フッ化硫黄である請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
時分割多重方式のプロセスにおける圧力制御の方法であって、
時分割多重方式のプロセスの少なくとも１つのステップにおいて、スロットル・バルブを所定の位置設定点に所定の時間の間設定することによって、真空チャンバ内のプロセス圧力を調整するステップと、
前記真空チャンバ内に少なくとも１つのプロセス・ガスを導入するステップと、
前記所定の時間が満了した後でクローズド・ループの圧力制御アルゴリズムを有効にするステップと、
時分割多重方式のプロセスの前記ステップの残りの時間だけ続く時間の間、クローズド・ループの圧力制御によって、レシピ指定の圧力設定点に圧力を制御するステップと、を含む方法。
【請求項１９】
所定の位置設定点を、前記時分割多重方式のプロセスの先行する同様のステップのスロットル・バルブ位置に設定する請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
所定の位置設定点を、前記時分割多重方式のプロセスの先行する同様のステップのスロットル・バルブ位置から導出する請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
所定の位置設定点を、前記時分割多重方式のプロセスの複数の先行する同様のステップの平均のスロットル・バルブ位置から導出する請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
所定の位置設定点を、事前の校正実験から導出する請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
所定の位置設定点を、時分割多重方式のプロセスの前記先行する同様のステップの前記スロットル・バルブ位置からのオフセットによって調整する請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
オフセットが、時分割多重方式のプロセスの前記先行する同様のステップの前記スロットル・バルブ位置の約０．５〜２の位置変化である請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
所定の位置設定点が、前記所定の時間の継続時間の間、所定の関数を用いて変化する請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
所定の位置設定点を、時分割多重方式のプロセスの先行する同様のステップの圧力性能に基づいて変更する請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
所定の位置設定点への変更が、前記レシピ指定の圧力設定点に到達する時間を最小限にすることに基づく請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
所定の位置設定点への変更が、前記レシピ指定の圧力設定点からのずれを最小限にすることに基づく請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記所定の時間を、時分割多重方式のプロセスの先行する同様のステップの圧力性能に基づいて変更する請求項１８に記載の方法。
【請求項３０】
所定の時間への変更が、前記レシピ指定の圧力設定点に到達する時間を最小限にすることに基づく請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
所定の時間への変更が、前記レシピ指定の圧力設定点からのずれを最小限にすることに基づく請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記所定の時間が、約０．０５〜０．５秒の長さである請求項１８に記載の方法。
【請求項３３】
真空チャンバ内の圧力の制御方法であって、
スロットル・バルブを所定の位置設定点に所定の時間の間設定することによって、真空チャンバ内のプロセス圧力を調整するステップと、
前記真空チャンバ内にガスを導入するステップと、
前記所定の時間が満了した後でクローズド・ループの圧力制御アルゴリズムを有効にするステップと、
クローズド・ループの圧力制御によって、前記真空チャンバ内のレシピ指定の圧力設定点に、圧力を制御するステップと、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願のクロスリファレンス）
本出願は、共通所有の米国仮出願第１０／４６０，９３２号明細書（２００３年４月７日出願）、発明の名称「時分割多重方式（ＴＤＭ）エッチング・プロセスにおけるプロセス制御のための方法および装置」からの優先権を主張するとともに、この仮出願に関する。なおこの仮出願は、参照により取り入れられている。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は一般的に、半導体ウェハ処理の分野に関する。より詳細には、本発明は、時分割多重方式のエッチングおよび堆積プロセスの間の反応チャンバ圧力を制御するための方法および装置に向けられている。
【背景技術】
【０００３】
シリコン内に高アスペクト比のフィーチャを作製することは、マイクロ電気機械（ＭＥＭＳ）装置の製造において広く用いられている。このようなフィーチャは多くの場合、深さが数１０〜１００マイクロメータである。製造性を保証するためには、エッチング・プロセスを高エッチ・レートで行なって、妥当なスループットとともに他の要求性能たとえば滑らかなエッチング・プロファイルを維持しなければならない。
【０００４】
従来の単一ステップのプラズマ・エッチング・プロセスでは、これらの要求を同時に満足させることはできないため、時分割多重方式のエッチング・プロセスが開発されてきた。シリコンをエッチングするための時分割多重方式（ＴＤＭ）のアプローチは、以下の文献に記載されている。鈴木（Ｓｕｚｕｋｉ）ら（米国特許第４，５７９，６２３号明細書）、川崎（Ｋａｗａｓａｋｉ）ら（米国特許第４，７９５，５２９号明細書）、およびラエマ（Ｌａｅｒｍｅｒ）ら（米国特許第５，５０１，８９３号明細書）。ＴＤＭエッチング・プロセスは通常、交互のエッチング・ステップおよび堆積ステップを用いる。たとえば、シリコン（Ｓｉ）基板のエッチングの場合には、エッチング・ガスとして六フッ化硫黄（ＳＦ６）が用いられ、堆積ガスとしては、オクトフルオロシクロブタン（Ｃ４Ｆ８）が用いられる。エッチング・ステップでは、ＳＦ６によって、シリコン（Ｓｉ）の自発的および等方性のエッチングが促進される。堆積ステップでは、Ｃ４Ｆ８によって、エッチングされた構造の側壁とともに底面への保護ポリマー・パッシベーションが促進される。その後のエッチング・ステップでは、高エネルギーおよび指向性のイオン衝撃を受けると、エッチングされた構造の底面に先行する堆積ステップによってコーティングされたポリマー膜が取り除かれて、シリコン表面が露出し、さらにエッチングを受ける。側壁上のポリマー膜は残り、横方向のエッチングが抑制される。ＴＤＭプロセスは周期的に、エッチング・プロセス・ステップと堆積プロセス・ステップとの間で交互に行なわれて、マスキングされたシリコン基板内に、高アスペクト比構造が高エッチ・レートで規定され得る。
【０００５】
各プロセス・ステップでは、ガス（たとえば、ＳＦ６およびＣ４Ｆ８）が、ガス入口を通して反応チャンバ内に、プロセス・レシピにおいて指定される流量で導入される。ＴＤＭエッチング・プロセスは通常、高密度プラズマ反応器（たとえば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）など）において行なわれる。
【０００６】
ＴＤＭプロセス・レシピは、一連のプロセス・ループおよびステップからなる。各ループは、プロセス変数（たとえば、ガス流量、チャンバ圧力、ＲＦパワー、プロセス・ステップ時間、チャンバ温度、ウェハ温度など）を制御する２つ以上のプロセス・ステップからなる。プロセス・レシピ全体において、ループ内のステップは、次のステップまたはループを実行する前に何回か繰り返される。エッチング性能を改善するために、ループが繰り返す際にプロセス・ステップのパラメータを変化させることが知られている。これは、当該技術分野において、プロセス・モーフィングとして知られている（テイクセイラ（Ｔｅｉｘｅｉｒａ）らによる米国特許第６，４１７，０１３号明細書を参照）。
【０００７】
圧力制御は、エッチングおよび堆積プロセスの重要な構成要素である。チャンバ内に存在するプロセス・ガスの流量および圧力は、再現性のある製造プロセスに対する所望の堆積およびエッチング特性が得られるように、注意深く制御しなければならない。
【０００８】
ＴＤＭプラズマ反応器の排気システムは通常、スロットル・バルブによって反応チャンバから隔てられたターボ・ポンプを備えている。圧力コントローラは、マノメータからの反応器チャンバ圧力データを用いて、スロットル・バルブを制御する。コントローラは、スロットル・バルブを開くかまたは閉じて、ターボ・ポンプから反応チャンバに供給される真空を増加または減少させる。このように、コントローラは、反応チャンバ内の所望の圧力を維持する。ＴＤＭプロセスの間、チャンバ圧力設定点およびガス流量が、プロセス・ループ内で周期的に交互に変わる。ガス流は、単一成分とすることもできるし、複数成分の混合とすることもできる。圧力コントローラは、これらの変化する流量および圧力条件を補償するように、スロットル・バルブ位置を調整しなければならない。理想的には、圧力コントローラは、圧力設定点のオーバー・シュートまたはアンダーシュートを起こさずに圧力設定点を即座に実現するように、スロットル・バルブ位置を調整する。
【０００９】
現時点で利用可能なスロットル・バルブおよびコントローラは通常、圧力制御モードまたは位置制御モードで動作する。圧力制御モードでは、コントローラは、反応チャンバ内の圧力をモニタし、スロットル・バルブの位置を調整することによって設定点圧力を維持する（すなわち、クローズド・ループの圧力制御）。位置制御モードでは、コントローラは、チャンバ圧力をモニタリングすることなく、スロットル・バルブの位置を設定点位置にする（すなわち、オープン・ループの圧力制御）。
【００１０】
いくつかのグループが、プラズマ・チャンバ内のプロセス制御手段について調べている。ケッセル（Ｋｅｓｓｅｌ）ら（米国特許第４，２５３，４８０号明細書）では、調整可能なソレノイド・バルブを用いて圧力を制御する圧力レギュレータについて説明している。ケッセルは、真空チャンバ内で使用される多くのスロットル・バルブの操作を決定する基本的なメカニズムについて教示している。容器内の実際の圧力は、測定されて、電気的な信号に変換される。コンパレータによって、実際の圧力とコマンド圧力との間の差を表わす調整信号が生成される。レギュレータでは、調整信号を用いて、バルブを、バルブ部材がバルブの開位置と閉位置との間の範囲内の中間位置間で調整できるように、方向付ける。実際、ＴＤＭプロセス・ツールにおいて使用されるスロットル・バルブは、このような原理に従って操作される。しかし、前述したように、常に交互に行なわれるＴＤＭプロセス・ステップの移行中に圧力は制御できないことが実際の問題であり、これは、ケッセルの技術では対処できない。
【００１１】
カベー（Ｋａｖｅｈ）ら（米国特許第５，７５８，６８０号明細書）およびマクミリン（ＭｃＭｉｌｌｉｎ）ら（米国特許第６，１４２，１６３号明細書）では、排気システム内にガスを投入するためのバラスト・ポートを用いて反応チャンバ内の圧力変動を補償することによって、異なるプロセス・ステップ間のスロットル・バルブ動作を最小限にすることが、記載されている。彼らはさらに、真空チャンバ内でガスを安定化させるための時間を短くする方法を開示している。スロットル・バルブは最初に、所望の位置に事前に位置決めされている。所望の位置は、事前に決定された推定曲線を用いて推定される。そして指定された時間の間、比例微分（ＰＤ）制御が、スロットル・バルブ動作を制御することが可能となる。次に比例積分微分（ＰＩＤ）制御が、スロットル・バルブ動作を調整することが可能になる。開示において教示される実施例では、圧力安定化のための時間が、〜２０秒から少なくとも３〜５秒に、短くなっていることが示されている。カベーおよびマクミリンは、プロセス・ステップがあるステップから次のステップへ変化するときのガス流量および圧力の変化について検討しているが、周期的な交互のＴＤＭプロセスで用いることについては教示していない。さらに、多くのＴＤＭプロセスでは、使用する交互のプロセス・ステップの持続時間は数秒以下であり、開示された技術を用いる圧力制御は非現実的である。
【００１２】
ブラウン（Ｂｒｏｗｎ）ら（米国特許第６，１１９，７１０号明細書）では、調整可能なガス流を反応チャンバ内に用いることによって、チャンバ内の圧力変動を補償することが説明されている。しかし多くのＴＤＭプロセスにおいて、プロセス・ステップの間にプロセス・ガス流量を変えることは望ましくない。
【００１３】
ベイヤ（Ｂｅｙｅｒ）ら（米国特許第５，９４４，０４９号明細書）では、真空ポンプの排気側における排気圧力、または第１の真空ポンプの圧縮ステージにおける内部圧力を制御することによって、チャンバ圧力を調整することが記載されている。真空ポンピング速度を調整すること、または真空ポンプの排気側もしくは圧縮ステージ内への不活性ガスの注入を調整することを用いて、反応チャンバ圧力を制御する。ベイヤは、ＴＤＭプロセスにおいてこの技術をどのように使用するのかについては教示していない。
【００１４】
ピュエシュ（Ｐｕｅｃｈ）（米国特許出願第２００２０１６８４６７号明細書）では、排気ポート付近の領域内へ相補的な流量でパッシブ制御ガスを注入することによって圧力を制御する方法について説明している。制御されたパッシブ・ガスの流量を調整して、真空エンクロージャ内への全ガス流が実質的に一定の流量に維持されるようにする。ピュエシュは、１秒のオーダでプロセス・ステップを用いるＴＤＭプロセスでの圧力制御について教示しているが、この方法では、圧力制御においてスロットル・バルブを積極的に調整することを用いることは、教示されていない。
【００１５】
ＴＤＭプロセスに対する現在の圧力制御方法、すなわち圧力制御および位置制御には、限界がある。ＴＤＭプロセスにおける圧力制御モードに関連する問題の１つは、実際には、速い圧力応答時間を達成する一方で設定点のずれを最小限にすることの間には、通常はトレード・オフが存在することである。速い応答時間は、圧力設定点オーバー・シュートの時間を犠牲にすれば可能である。利用可能な圧力制御モード・アルゴリズムを最適化して設定点オーバー・シュートを最小限にすると、応答時間は遅くなる。ＴＤＭステップの継続時間が短くなるにつれて、レシピ指定の設定点への到達を試みるために費やされる時間は、処理時間のかなりの部分になる。
【００１６】
ＴＤＭプロセスにおける位置制御モードの現在の方法に関連する問題は、圧力応答時間が、受け入れがたいほど長いことである。位置モードでは、プロセス・オーバー・シュートが最小限になるが、その一方で応答時間が遅くなるために、要求される設定点値にチャンバ圧力が近づくことに、プロセス時間の大きな部分が費やされる（すなわち、レシピ指定の設定点に従わない）。
【００１７】
位置制御モード方法に関連する他の問題は、それが、オープン・ループの圧力制御アルゴリズムであるということである。したがって、ガス流またはポンピング効率の乱れが起きたとしても、それに対する補正は何ら存在しない。これらの乱れが起きると、プロセス圧力およびその後のプロセス性能が、時間とともに変化する傾向がある。
【００１８】
したがって、ＴＤＭプロセスに対する、好ましくは継続時間が数秒以下のプロセス・ステップを用いるプロセスに対する圧力制御手段が求められている。
【００１９】
従来技術には、本発明に付随する利益が得られるものはない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
したがって本発明の目的は、従来技術の装置の不十分さを打開し、および半導体処理技術の進歩に対する著しい寄与となるような改善を、実現することである。
【００２１】
本発明の他の目的は、基板内のフィーチャを異方性エッチングするための方法であって、基板を、プラズマ・チャンバ内の交互の周期的プロセスにさらすステップであって、前記交互の周期的プロセスは、エッチング・ステップおよび堆積ステップを有するステップと、前記プラズマ・チャンバ内に、前記交互の周期的プロセスの堆積ステップの間に基板に膜を堆積するための第１のプロセス・ガスを導入するステップと、前記プラズマ・チャンバ内に、前記交互の周期的プロセスのエッチング・ステップの間に基板をエッチングするための第２のプロセス・ガスを導入するステップと、前記交互の周期的プロセスの少なくとも１つのステップの間にスロットル・バルブを所定の位置設定点に所定の時間の間設定することによって前記プラズマ・チャンバの圧力を調整するステップと、前記交互の周期的プロセスの堆積ステップおよび前記交互の周期的プロセスのエッチング・ステップに対するレシピ時間の間、プラズマを点火するステップと、前記所定の時間が満了した後でクローズド・ループの圧力制御アルゴリズムを有効にするステップと、ステップの残りの時間だけ続く時間の間、クローズド・ループの圧力制御によって、前記プラズマ・チャンバ内のレシピ指定の圧力設定点に、圧力を制御するステップと、を含む方法を、提供することである。
【００２２】
本発明のさらに他の目的は、時分割多重方式のプロセスにおける圧力制御の方法であって、時分割多重方式のプロセスの少なくとも１つのステップにおいて、スロットル・バルブを所定の位置設定点に所定の時間の間設定することによって、真空チャンバ内のプロセス圧力を調整するステップと、前記真空チャンバ内に少なくとも１つのプロセス・ガスを導入するステップと、前記所定の時間が満了した後でクローズド・ループの圧力制御アルゴリズムを有効にするステップと、時分割多重方式のプロセスの前記ステップの残りの時間だけ続く時間の間、クローズド・ループの圧力制御によって、レシピ指定の圧力設定点に圧力を制御するステップと、を含む方法を提供することである。
【００２３】
本発明のさらに他の目的は、真空チャンバ内の圧力の制御方法であって、スロットル・バルブを所定の位置設定点に所定の時間の間設定することによって、真空チャンバ内のプロセス圧力を調整するステップと、前記真空チャンバ内にガスを導入するステップと、前記所定の時間が満了した後でクローズド・ループの圧力制御アルゴリズムを有効にするステップと、クローズド・ループの圧力制御によって、前記真空チャンバ内のレシピ指定の圧力設定点に圧力を制御するステップと、を含む方法を提供することである。
【００２４】
前述では、本発明の関連する目的のいくつかについて概説した。これらの目的は、意図される発明のより顕著な特徴および応用例の一部を単に例示するものであると、解釈されなければならない。他の多くの有益な結果を、開示される発明を異なる仕方で適用すること、または開示の範囲内で本発明を変更することによって、達成することができる。したがって本発明の他の目的およびより十分な理解が、本発明の概要、および好ましい実施形態の詳細な説明、さらに請求項によって規定される本発明の範囲を、添付の図面とともに参照することによって、得られる。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
（発明の概要）
本発明を要約すると、本発明には、ＴＤＭプロセスの間に真空チャンバ内の圧力を制御するための方法および装置が含まれる。
【００２６】
本発明の特徴は、基板におけるフィーチャを異方性エッチングするための方法を提供することである。本方法には、以下のステップが含まれる。基板を、プラズマ・チャンバ内に配置して、エッチング・ステップおよび堆積ステップを有する交互の周期的プロセスにさらす。チャンバ圧力が所望の動作レベルをオーバー・シュートもアンダーシュートもしない一方で、設定点値への到達に必要な時間が最小限になることを保証するように、スロットル・バルブを所定の位置設定点に所定の時間の間設定することによって、プラズマ・チャンバの圧力を調整する。交互の周期的プロセスの堆積ステップの間に基板上に膜を堆積するために、第１のプロセス・ガス（たとえばオクトフルオロシクロブタン）をプラズマ・チャンバ内に導入する。交互の周期的プロセスの堆積ステップに対するレシピ時間の間、プラズマを点火する。所定の時間が満了した後で、クローズド・ループの圧力制御アルゴリズムを有効にする。そして、プラズマ・チャンバの圧力を、クローズド・ループの圧力制御によって、堆積ステップの残りの時間の間、レシピ指定の圧力設定点に制御する。次に、チャンバ圧力が所望の動作レベルをオーバー・シュートもアンダーシュートもしない一方で、設定点値への到達に必要な時間が最小限になることを保証するように、スロットル・バルブを所定の位置設定点に所定の時間の間設定することによって、プラズマ・チャンバの圧力を再び調整する。交互の周期的プロセスのエッチング・ステップの間に基板をエッチングするために、第２のプロセス・ガス（たとえば六フッ化硫黄）をプラズマ・チャンバ内に導入する。交互の周期的プロセスのエッチング・ステップに対するレシピ時間の間、プラズマを点火する。所定の時間が満了した後で、クローズド・ループの圧力制御アルゴリズムを有効にする。そして、プラズマ・チャンバの圧力を、クローズド・ループの圧力制御によって、エッチング・ステップの残りの時間の間、レシピ指定の圧力設定点に制御する。
【００２７】
所定の位置設定点を、以下から設定するかまたは導出することができる。
１．交互の周期的プロセスの先行する同様のステップのスロットル・バルブ位置、
２．交互の周期的プロセスの複数の先行する同様のステップの平均のバルブ位置、または、
３．事前の校正実験。
【００２８】
所定の位置設定点は、交互の周期的プロセスの先行する同様のステップのスロットル・バルブ位置の約０．５から２のオフセットによって、調整することができる。所定の位置設定点は、所定の時間の継続時間の間、所定の関数を用いて変化することができる。所定の位置設定点は、交互の周期的プロセスの先行する同様のステップの圧力性能に基づいて、たとえばレシピ指定の圧力設定点に到達する時間を最小限にすること、またはレシピ指定の圧力設定点からのずれを最小限にすることに基づいて、変更することができる。
【００２９】
所定の時間は、約０．０５〜０．５秒の長さである。所定の時間は、交互の周期的プロセスの先行する同様のステップの圧力性能に基づいて、たとえばレシピ指定の圧力設定点に到達する時間を最小限にすること、またはレシピ指定の圧力設定点からのずれを最小限にすることに基づいて、変更することができる。
【００３０】
本発明のさらに他の特徴は、時分割多重方式のプロセスにおける圧力制御の方法を提供することである。本方法には、以下のステップが含まれる。時分割多重方式のプロセスの少なくとも１つのステップにおいて、チャンバ圧力が所望の動作レベルをオーバー・シュートもアンダーシュートもしない一方で、設定点値への到達に必要な時間が最小限になることを保証するように、スロットル・バルブを所定の位置設定点に所定の時間の間設定することによって、真空チャンバ内のプロセス圧力を調整する。時分割多重方式のプロセスに従って基板を処理するために、少なくとも１つのプロセス・ガスを真空チャンバ内に導入する。所定の時間が満了した後で、クローズド・ループの圧力制御アルゴリズムを有効にする。そして、真空チャンバの圧力を、クローズド・ループの圧力制御によって、時分割多重方式のプロセスの処理ステップの残りの時間だけ続く時間の間、レシピ指定の圧力設定点に制御する。
【００３１】
本発明のさらに他の特徴は、真空チャンバ内の圧力の制御方法を提供することである。本方法には、以下のステップが含まれる。チャンバ圧力が所望の動作レベルをオーバー・シュートもアンダーシュートもしない一方で、設定点値への到達に必要な時間が最小限になることを保証するように、スロットル・バルブを所定の位置設定点に所定の時間の間設定することによって、真空チャンバのプロセス圧力を調整する。真空チャンバ内にガスを導入する。所定の時間が満了した後で、クローズド・ループの圧力制御アルゴリズムを有効にする。そして圧力を、クローズド・ループの圧力制御によって、真空チャンバ内のレシピ指定の圧力設定点に制御する。
【００３２】
前述において、本発明のより関連する重要な特徴を、以下の本発明の詳細な説明の理解がより良好になり、したがって技術に対する本寄与の理解がより十分になるような順番で、やや大まかに概説した。本発明の請求項の主題を形成する本発明のさらなる特徴について、以下に説明する。開示される着想および特定の実施形態に容易に基づいて、本発明の同じ目的を行なうための他の構造を変更またはデザインできることが、当業者によって理解されるはずである。このような均等な構成が、添付の請求項で述べる本発明の趣旨および範囲から逸脱しないことも、当業者によって理解されるはずである。
【００３３】
図面の複数の図の全体を通して、同様の参照文字は、同様の部分を指す。
【００３４】
（発明の詳細な説明）
ＴＤＭまたは任意の交互のステップ・プロセスにおける圧力を、「保持および解放」方法によって制御する手段を開示する。プロセス・ステップを次のプロセス・ステップに切り換えるときに、スロットル・バルブを事前に位置決めする。制御システムは、スロットル・バルブが事前に位置決めされた位置の値を自動的に設定するように、実施される。設定位置は、同じタイプの先行するプロセス・ステップにおけるスロットル・バルブ位置から導出する。スロットル・バルブを、事前に決定された時間の間、設定位置に保持する。保持時間の後で、スロットル・バルブを解放し、クローズド・ループのフィードバック制御アルゴリズム（たとえば、ＰＩＤループ）を有効にして、スロットル・バルブが真空チャンバ内の圧力を、圧力制御モードで調整することができる。本制御システムおよび方法を、開示する。
【００３５】
図１に、本発明によるプラズマ・エッチング・システムを示す。ＩＣＰ反応器において、ＲＦ発生器１００から、反応チャンバ１１０の上部のコイル１０５に、パワーが送出される。このパワーは、プロセス・ガスをイオン化するためにガス入口（図示せず）を通って導入される１つまたは複数のプロセス・ガスに伝達されて、プラズマ１２０を形成する。第２のＲＦ発生器１１５から、ウェハ支持台１３０にパワーが送出されて、ウェハ１２５上にＤＣバイアスが誘導され、ウェハ１２５の表面に対するイオン衝撃の方向およびエネルギーが制御される。排気システムは、ガス種（すなわち、未反応ガス、揮発性副生成物など）を、排気マニフォールド１５０を通して、反応チャンバ１１０から連続的に取り除く。反応チャンバ１１０内の圧力は、スロットル・バルブ１４５によって調整される。スロットル・バルブ１４５は、スロットル・バルブ・コントローラ１４０によって操作される。反応チャンバ１１０圧力は、マノメータ１３５によって測定される。マノメータ１３５の出力信号は、スロットル・バルブ・コントローラ１４０に、入力として供給される。
【００３６】
図２に、２ステップＴＤＭプロセスに対する複数のループ２２５の望ましい圧力応答２００を例示する。第１のステップ２０５に対する圧力設定点２３０に対しては、第２のステップ２１０に対する圧力設定点２３５とは異なるスロットル・バルブ位置が、必要である。ＴＤＭプロセスでは迅速な圧力応答が望ましい。と言うのは、ステップ間の急速な立ち上がり時間２１５が得られるとともに、プロセス・ステップ中の設定点２２０からのずれが最小限になるからである。
【００３７】
図３に、スロットル・バルブ・コントローラが圧力制御モードである従来技術の解決方法を、図式的に例示する。この図では、２ステップＴＤＭプロセスに対して、圧力応答３００対時間のプロットを、対応するスロットル・バルブ位置３０５とともに示す。この制御方法では、ＴＤＭプロセスの間に、レシピ指定の設定点３２０から圧力オーバー・シュート３２５が生じる。ＴＤＭステップ３１０継続時間が短くなるにつれて、圧力制御性能はさらに低下する。加えて、対応するスロットル・バルブ位置３１５が、定常状態位置を実現することはない。
【００３８】
図４に、スロットル・バルブ・コントローラが位置制御モードにある代替的な従来技術の解決方法を、図式的に例示する。この図では、２ステップＴＤＭプロセスに対して、圧力応答４００対時間のプロットを、対応するスロットル・バルブ位置４０５とともに示す。この制御方法では、スロットル・バルブ位置設定点４１０＆４１５を用いてスロットル・バルブを駆動して、ＴＤＭプロセスの間の位置を設定する。この例では、位置設定点の変化に対して圧力応答４２０が遅れていることが分かり、所望の圧力４０２が実現されることはない。
【００３９】
図５に、位置制御モードを用いて反応チャンバ圧力を制御するときに直面されるさらに他の問題を図式的に例示する。この図では、２ステップＴＤＭプロセスに対する圧力応答対時間のプロットとして、スロットル・バルブ位置が固定され、対応するステップにおいて２つの異なるガス流を用いる場合を示している。長いプロセス・ラン（１００回の繰り返し）に渡る圧力ドリフト５００が、観察される。この圧力ドリフト５００の原因は、反応チャンバ壁における温度増加の場合がある。その結果、プロセス性能の信頼性および反復性を維持するためには、さらに測定を行なわなければならない。
【００４０】
図６に、２ステップＴＤＭプロセスに対して、圧力応答６０５対時間のグラフを、対応するスロットル・バルブ位置６００とともに示す。すでに示したように、プロセス・ステップ間を移行する間の圧力制御は、圧力オーバー・シュートが起こる場合があるために、難しいことが分かっている。本発明の一実施形態によれば、ステップ６１０の第１のセグメント６３０において、位置制御モードを適用する。スロットル・バルブを、事前に位置決めして、ステップの以前の実行からのスロットル・バルブ位置６２０から導出される設定位置６３５に保持する。第１のセグメント６３０の後で、スロットル・バルブを、位置制御モードから解放する。その時点で、クローズド・ループのフィードバック制御アルゴリズムを有効にして、ステップ６１０の残りの部分に対して、圧力制御モードを適用する。
【００４１】
ステップ６１０が終了した後に、プロセス・ステップを、次のステップ６１５に切り換える。このステップ６１５の第１のセグメント６５０の間に、スロットル・バルブを、位置モードに切り換える。スロットル・バルブを、そのステップの以前の実行の既知のスロットル・バルブ位置６４０から導出される他の設定位置６５５に保持する。位置制御モードを、設定時間６５０の間、適用して、スロットル・バルブを、この時間全体の間、設定位置６５５に保持する。保持時間６５０が満了した後で、スロットル・バルブを解放し、およびスロットル・バルブに対してクローズド・ループの圧力フィードバック制御アルゴリズムを有効にすることによって、ステップ６１５の残りの部分に対して、圧力制御モードを適用する。あるいは、前述したステップにおいて、以前の同じ種類の多くのステップで測定されたスロットル・バルブ位置の平均値から導出される位置に、スロットル・バルブを事前に位置決めすることができる。この場合、ステップ間の変動が取り除かれるという優位性がある。
【００４２】
多くのＴＤＭプロセスにおいて、保持時間６３０、６５０に対して異なる時間長さを指定することは有益である（図６を参照）。また、単に以前のプロセス・ステップからスロットル・バルブの最後の位置を採用するのではなくて、事前位置６３５、６５５をフレキシブルに調整することも、有益である。本発明の他の実施形態によれば、堆積ステップおよびエッチング・ステップにおける保持時間を独立に決定し、および保持時間におけるスロットル・バルブに対する事前位置の値を独立に調整する。事前位置６３５、６５５に対する調整値を導出する１つの方法は、そのステップの以前の実行からのスロットル・バルブの最後の位置に対して、乗数を適用することである。図６に示したように、この乗数によって、以前のステップ値の位置６２０、６４０から、事前位置の値６３５、６５５のオフセット６２５、６４５が求まる。このように、事前に位置決めされたスロットル・バルブ位置を、以前のステップからの位置よりも大きくなるようにオフセットすることもできるし、小さくなるようにオフセットすることもできる。
【００４３】
図７ａおよび７ｂに、この実施形態に対するブロック・ダイアグラムの説明図を、２ステップＴＤＭシリコン・エッチング・プロセスに対して示す。図７ａでは、保持時間は、「ｔエッチング保持」（ｔｅｔｃｈ  ｈｏｌｄ）６３０として、および「ｔ堆積保持」（ｔｄｅｐ  ｈｏｌｄ）６５０として示されている。ステップ時間は、「ｔエッチング」（ｔｅｔｃｈ）６１０として、および「ｔ堆積」（ｔｄｅｐ）６１５として示されている。これらの時間長さは、プロセスの実行開始時にプロセス・レシピの一部とすることができる。さらに、以前のステップからのスロットル・バルブ位置は、「エッチング位置」６２０として、および「堆積位置」６４０として示されている。エッチング時間６３０においてスロットル・バルブを保持するための事前位置は、先行するエッチング・ステップから採用され、因子αによって調整される。同様に、堆積時間６５０においてスロットル・バルブを保持するための事前位置は、先行する堆積ステップから採用され、因子βによって調整される。αおよびβの値の設定は、プロセス・レシピにおいて手動で、またはフィードバック制御ループ（たとえばＰＩＤ）によって自動的に行なうことができる。フィードバック制御ループでは、圧力を測定し、その情報を用いて事前位置の値を調整することで、プロセスの進行とともにオーバー・シュートを最小限にしおよび設定点に到達する時間を最小限にする。パラメータαおよびβの値は通常、０．５〜２．０であり、言い換えれば、事前位置の５０パーセント〜２００パーセントである。たとえば、αおよびβを１．０に設定した場合、本発明では、エッチング・ステップの以前の実行からのスロットル・バルブ位置の値６２０を、エッチング保持時間の間の事前位置の値として用いる。
【００４４】
圧力制御方式を、ＴＤＭプロセス・ループ内のすべてのステップに適用することは必要ではないことが、当業者には明らかである。エッチング保持長さの時間６３０の値をゼロに設定すれば、本方法は、従来技術のクローズド・ループの圧力フィードバック制御の方法に戻ることができる。同様に、αおよびβを１に設定して、エッチング保持時間６３０の長さをエッチング・ステップ時間６１０に設定すれば、本方法は、従来技術の位置制御モード（オープン・ループの圧力制御モード）の方法に戻ることができる。
【００４５】
（圧力制御の実施例）
本発明を用いるＴＤＭプロセスにおける任意のステップに対して、２つのパラメータをスロットル・バルブに対して指定する必要がある。すなわち、保持時間の継続時間およびオフセットの大きさである。
【００４６】
図８に、本発明のプロセス制御方法を実施した場合の実験例を図式的に示す。エッチング保持時間の種々の長さの効果が、表示されている。図に示すように、エッチング保持時間が約０．１秒の長さよりも短い場合、堆積−エッチングの移行の間に圧力オーバー・シュートが起こる。保持時間が約０．２〜０．３秒の長さであれば、オーバー・シュートはほぼ取り除かれて、圧力設定点８０５からのずれは最小限になる。エッチング保持時間が長くなると、実験の範囲において圧力オーバー・シュートが再び現れる。この結果によって、本発明の保持および解放方法によって確かに圧力制御能力が著しく向上することが、実証される。
【００４７】
本発明の他の実施形態においては、事前位置保持時間を、プロセスの進行とともに自動的に調整して、設定点オーバー・シュートを最小限にすることができる。図９に、２ステップＴＤＭシリコン・エッチング・プロセスに対する図８のデータからの、圧力設定点オーバー・シュート対事前位置保持時間のグラフを示す。フィードバック制御ループ（たとえばＰＩＤ）が、圧力オーバー・シュートを測定する場合には、その情報を用いて事前位置保持時間を調整することで、プロセスの進行とともにオーバー・シュートを最小限にすることができる。同様に、フィードバック制御ループ（たとえばＰＩＤ）が、設定点に到達する時間を測定する場合には、その情報を用いて事前位置保持時間を調整することで、プロセスの進行とともに、設定点に到達する時間を最小限にすることができる。
【００４８】
図１０に、本発明のプロセス制御方法を実施した場合の実験例を図式的に示す。固定された継続時間に対する事前位置決めオフセットの種々の値の効果を、表示する。負の５％のエッチング保持位置調整（ａ＝０．９５）において、圧力オーバー・シュートは最小限になる。この結果によって、本発明の保持および解放方法によって確かに圧力制御能力が著しく向上することが、実証される。
【００４９】
説明した実施形態を、ループ当たり２つ以上のプロセス・ステップを含むマルチ・ステップ・ルーピング・プロセスに適用できることは、当業者には明らかである。また本発明は、圧力設定点または他のレシピ指定のステップ・パラメータを、プロセスの間にループ内で変化させるループド・プロセス（たとえば、モーフィングされたＴＤＭプロセス）に適用することができる。
【００５０】
なお本発明は、交互プロセス内の各ステップ・タイプに対して保持時間および位置オフセットが必要というわけではないことに注意することは重要である。本発明の他の実施形態では、ＴＤＭプロセス内の少なくとも１つのステップ・タイプに対して、位置保持時間を導入することが含まれる。
【００５１】
図１１に、２ステップＴＤＭシリコン・エッチング・プロセスにおける圧力の最適制御を試みた実施例を図式的に示す。図１１では、「ｔエッチング保持」は０．２５秒、「ｔ堆積保持」は０．４秒、α＝０．８８、およびβ＝１．２５である。以前の実施例（図３、４、および５を参照）と比較して、周期的なＴＤＭプロセス操作の間の結果としての圧力プロファイルは、ほとんど「四角形」であり、したがって著しく改善されている。圧力は設定点値にもっと急速に近づき、圧力オーバー・シュートおよびアンダーシュートはほとんど取り除かれている。
【００５２】
本開示には、前述した説明の開示だけでなく、添付の請求項に含まれる開示が含まれる。本発明を、その好ましい形態において、ある程度の個別性を持って説明してきたが、好ましい形態についての本開示は、一例としてのみなされており、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、部品の構成および組み合わせおよび配置の詳細において多数の変形を用いても良いことが理解される。
【００５３】
以上、本発明について説明した。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】プラズマ処理装置の主要なアセンブリを示す側面図である。
【図２】圧力制御モードで操作される２ステップＴＤＭプロセスに対する所望の圧力対時間応答を示すグラフである。
【図３】圧力制御モードで操作される２ステップＴＤＭプロセスに対する従来技術の圧力対時間応答を示すグラフである。
【図４】位置制御モードで操作されるＴＤＭプロセスに対する従来技術の圧力対時間応答を示すグラフである。
【図５】より長い時間スケールに渡って位置制御モードで操作されるＴＤＭプロセスに対する従来技術の圧力対時間応答を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態の制御システムを説明するグラフである。
【図７ａ】本発明の実施形態の制御システムを説明するブロック・ダイアグラムである。
【図７ｂ】本発明の実施形態の制御システムを説明する図７のブロック・ダイアグラムの続きを示す図である。
【図８】本発明のプロセス制御方法が種々の入力値に対して実施されるときの実験例に対する圧力対時間のグラフである。
【図９】本発明の入力値の１つの最適化を示すグラフである。
【図１０】本発明のプロセス制御方法が種々の入力値に対して実施されるときの実験例に対する圧力対時間のグラフである。
【図１１】本発明のプロセス制御方法が実施されるときの実験例に対する圧力対時間のグラフであり、エッチング保持時間が０．２５秒に保持され、堆積保持時間が０．４０秒に保持され、およびエッチング・ステップに対する一定の位置オフセットがα＝０．８８であり、堆積ステップに対する一定の位置オフセットがβ＝１．２５の場合である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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