(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フッ素を含むガスを用いたクリーニング及びプラズマエッチングチャンバのシーズニングの少なくとも一方の後に、プラズマエッチング速度の変動を最小限にして、個々の半導体基板を連続的に処理する方法であって、
（ａ）プラズマエッチングチャンバ内の基板支持部材上に半導体基板を配置する工程と、
（ｂ）前記チャンバ内を真空に保つ工程と、
（ｃ）前記チャンバにＨＢｒを含むエッチングガスを供給し、前記チャンバ内でプラズマを形成する前記エッチングガスを活性化することによって、前記基板の露出したポリシリコン表面をエッチングする工程と、
（ｄ）前記チャンバから前記基板を取り除く工程と、
（ｅ）工程（ａ〜ｄ）を繰り返すことによって、前記チャンバ内において追加の基板を連続的にエッチングする工程とを含み、前記エッチング工程は、前記基板を取り囲むシリコンカーバイドエッジリング上のＨとＢｒとの再結合速度を、前記基板に渡ってＢｒが消費される速度分が相殺され基板のエッチングを均一にするのに十分な速度にするように実行され、
プラズマにさらされる前記シリコンカーバイドエッジリングは前記ポリシリコン面に平行な平面において前記基板の各側に幅を有し、前記幅は前記平面において前記基板の最大の大きさの少なくとも１０%であることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記半導体基板は、工程（ｃ）中に純粋なＨＢｒを用いてエッチングされるポリシリコン層を有するシリコンウェハであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記チャンバは、工程（ｃ）中に100mTorr以下の真空圧力に維持されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ＲＦバイアスがエッジリング上の堆積物の堆積を最小限にするように、前記基板支持部材によって前記ＲＦバイアスが前記基板に印加されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記エッチング工程は、前記チャンバをインサイチュークリーニング及びシーズニングの少なくとも一方の工程によって先行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記エッチングは、前記エッジリングの上部表面が前記露出したポリシリコン表面の上に配置された誘導結合プラズマ反応装置内で行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記エッチングガスは、誘電部材によって前記チャンバの内部から分離された平面アンテナ又は非平面アンテナによってプラズマ状態に活性化され、前記誘電部材の幅は、前記基板支持部材の幅以上であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記エッチングガスは、前記誘電部材内の少なくとも１つの吸気口を通して、前記チャンバの内部に供給されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
プラズマエッチング装置であって、
内部に基板支持部材を有するプラズマエッチングチャンバであって、前記基板支持部材と向かい合う誘電部材を含むプラズマエッチングチャンバと、
前記チャンバの内部にＨＢｒを含むエッチングガスを供給するガス供給器と、
前記誘電部材によって前記チャンバの内部から分離されたアンテナであって、前記誘電部材を通してＲＦエネルギを通過させて前記エッチングガスをプラズマ状態に活性化するアンテナと、
前記チャンバの内部を真空にする真空ポンプと、
前記基板支持部材の外周の周りのシリコンカーバイドエッジリングと、
エッチングされるポリシリコン層を含む基板であって、前記基板が前記エッジリングの内側周辺に接触しないで前記基板支持部材の上に下ろされて、前記基板支持部材から離されるのに十分に大きな隙間によって、前記エッジリングが前記基板から分離されるように前記基板支持部材上に配置される基板とを備え、
プラズマにさらされる前記シリコンカーバイドエッジリングは前記ポリシリコン面に平行な平面において前記基板の各側に幅を有し、前記幅は前記平面において前記基板の最大の大きさの少なくとも１０%であることを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項１０】
前記真空ポンプは、100mTorr以下の真空圧力に前記チャンバ内を維持することを特徴とする請求項９に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項１１】
前記基板支持部材は、前記基板に500ワット以下のＲＦバイアスを印加する電極を含むことを特徴とする請求項９に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項１２】
前記エッジリングは、CVD SiCで構成されていることを特徴とする請求項９に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項１３】
前記エッジリングは、CVD SiCで覆われた焼結SiCを含むことを特徴とする請求項９に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項１４】
前記エッジリングは、前記基板支持部材の外側周辺から前記基板の外側エッジに伸びることを特徴とする請求項９に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項１５】
前記誘電部材の幅は、前記基板支持部材の幅以上であることを特徴とする請求項９に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項１６】
前記誘電部材は、前記チャンバの内部に供給される前記エッチングガスを通す少なくとも１つの吸気口を含むことを特徴とする請求項１５に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項１７】
前記基板は、ポリシリコン層を有するシリコンウェハと、前記チャンバにＨＢｒ及びＣｌ２を供給するガス供給器とを含むことを特徴とする請求項９に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項１８】
前記エッジリングは、前記基板のエッジでの電界効果を補償するために前記基板の上に十分に間隔の空いた上部表面を有することを特徴とする請求項９に記載のプラズマエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
発明の属する分野
本発明は、ＨＢｒを用いたポリシリコンのプラズマエッチングの方法及びプラズマエッチングの均一性を向上させるための装置に関する。
従来技術の説明
その中で、高周波（ＲＦ）源に結合されたアンテナが、プロセスチャンバ内でガスをプラズマ状態に活性化させるプラズマ処理システムが、U.S. Patent Nos.4,948,458、5,198,718、5,241,245、5,304,279、5,401,350、及び 5,571,366 に開示されている。このようなシステムでは、アンテナは、プロセスチャンバの外部に設置され、ＲＦエネルギが誘電体壁又はウインドを通して、チャンバ内に供給される。このような処理システムは、エッチング、デポジション、レジスト剥離等の種々の半導体処理アプリケーションに用いられうる。このようなシステムが１バッチ分連続して処理される半導体基板をエッチングするプラズマに用いられる場合、１バッチ分の基板をエッチングする過程において、エッチング速度及び／又は均一性が変化しうる。そのようなエッチング速度／均一性の変動は、基板中でエッチングされた形状が許容し得る製品パラメータの範囲を超える可能性があるので、望ましくない。
【０００２】
ポリシリコンのエッチング技術は、U.S. Patent Nos. 5,242,536、5,314,573、5,336,365、5,368,684、及び 5,763,327 に開示されている。これらのうちで、'536特許は、Cl2及びＨeと共にＨＢｒガスを用いた平行平板プラズマエッチャーにおける異方性のポリシリコンエッチングを開示している。'573特許は、HCl2及びCl2と共にＨＢｒガスを用いた平行平板プラズマエッチャーにおける異方性のポリシリコンエッチングを開示している。'365特許は、第１工程でCl2と共にＨＢｒガスを、第２工程でＨＢｒとＨeを用いた電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマエッチャーにおける異方性のポリシリコンエッチングを開示している。'684特許は、ＨＢｒガス、ＨＢｒとCl2の混合ガス、又は、ＨＢｒとHClの混合ガスを用いたマグネトロンプラズマエッチャーにおける異方性のポリシリコンエッチングを開示している。'327特許は、Cl2、Ｂｒ2又はＨＢｒ、Ｈe及びO2を用いたプラズマエッチャーにおけるポリシリコンエッチングを開示している。
【０００３】
ＨＢｒ単独で、又は、他のガスと組み合わせて用いたポリシリコンのエッチング技術は、U.S. Patent Nos. 5,160,407、5,180,464、5,560,804、5,591,664、5,665,203、5,670,018、5,792,692、5,801,077、5,804,489、5,861,343、5,932,115、及び5,994,234 に開示されている。
【０００４】
U.S. Patent Nos. 6,022,809は、プラズマエッチングチャンバに用いられるコンポジットシャドーリング（composite shadow ring）を開示している。このコンポジットシャドーリングは、フッ素を含むプラズマのような気体プラズマが照射された場合に、汚染となる酸素ガスを発生させない挿入部を含む。シャドーリングは、ウエハが静電チャックに取り付けられたり、取り外されたり、及び、プラズマがチャンバのサイドウォールを取り囲むコイルアンテナによってチャンバ内にプラズマが生じるように、真空チャンバの底に移動可能に取り付けられる。シャドーリングは、二酸化珪素で作られた外側本体部と、シリコンで作られた内側リング状挿入部とを含む。スピンオングラス（ＳＯＧ）層のビア・エッチングの間に、挿入部は、ビアオープニング内の高分子サイドウォール保護層を抑制し、又は、攻撃しうる酸素ガスの発生を抑えるものであり、それによってウエハの周辺端部近傍のタングステンプラグの損失を減少させる。
【０００５】
従来技術には、ポリシリコンのエッチングプロセスを改善するための提案がなされており、純粋なシリコン材料を用いることによって、エッチング中の酸素の発生を抑える試みもなされているが、従来技術では、ポリシリコンのエッチング均一性を改善する必要がある。
発明の概要
本発明は、フッ素を含むガスを用いたクリーニング及びプラズマエッチングチャンバのシーズニング少なくとも一方の後に、プラズマエッチング速度の変動を最小限にして、一連の半導体基板を連続的に処理する方法を提供する。本発明に係る方法は、（ａ）プラズマエッチングチャンバ内の基板支持部材上に半導体基板を配置する工程と、（ｂ）前記チャンバ内を真空に保つ工程と、（ｃ）前記チャンバにＨＢｒを含むエッチングガスを供給して、前記チャンバ内でプラズマを形成する前記エッチングガスを活性化することによって前記基板を処理する工程と、（ｄ）前記チャンバから前記基板を取り除く工程と、（ｅ）工程（ａ〜ｄ）を繰り返すことによって、前記チャンバ内に追加された基板を連続的に処理する工程であって、当該エッチング工程は、前記基板を渡ってＢｒが消費される速度を相殺するのに十分な速度で、前記基板を取り囲む部材上のＨとＢｒとの再結合速度を維持することによって、実行されるエッチング工程と、を含む。
【０００６】
本発明の好適な形態によれば、前記半導体基板は、工程（ｃ）中にＨＢｒを用いてエッチングされたポリシリコン層を含んでもよく、及び／又は、前記チャンバは、工程（ｃ）中に100mTorr以下の真空圧力に保たれる。工程（ｃ）中に500ワット以下のＲＦバイアスが前記基板支持部材によって前記基板に印加されうる。
【０００７】
好適な実施の形態によれば、前記エッチングガスは、誘電部材によって前記チャンバの内部から分離された平板アンテナ又は非平板アンテナによってプラズマ状態に活性化される。好適には、前記誘電部材は、前記基板支持部材と少なくとも同延であり、前記エッチングガスは、前記誘電部材内の少なくとも１つのガス吸気口によって、前記チャンバに供給される。
【０００８】
本発明は、添付図面を参照してより詳細に示される。
好適な実施の形態の詳細な説明
本発明は、連続して処理される１バッチ分の半導体基板をエッチングする場合に、より再現性の高い結果を提供することができる改良型プラズマエッチング方法を提供する。特に、１バッチ分の半導体ウエハをエッチングする過程において、エッチング速度は、エッチングがインサイチューチャンバクリーニングによって先行されるか、或いは、製造ウエハを処理する前にチャンバを通して１つ以上の条件ウエハを流すことによってチャンバをシーズニングするかによって大きく変動しうる。本発明によれば、クリーニング又はシーズニング後のエッチング速度は、ウエハを取り囲むエッジリングの材料として炭化ケイ素を用いることによって、より均一化されることが驚いたことに明らかになった。
【０００９】
本発明の方法は、個々の基板が連続して処理される、いかなる適当なプラズマエッチング反応装置でも実行されうる。好適なプラズマエッチング反応装置は、図１に示すような誘導結合プラズマ反応装置である。図に示すように、この装置は、チャンバ２、基板支持部材４、基板８を取り囲むエッジリング６、誘電ウインド１０、誘導結合プラズマ源１２、真空ポンプに通じる排気口１４を備える。更に、誘電ウインド１０内のガス吸気口１８を通して、エッチングガスがチャンに供給される。プラズマ源は、適当なＲＦ発生器２０からのＲＦエネルギが供給される螺旋コイルのようなプレーナアンテナであるのが好ましく、基板支持部材は、基板に適当なＲＦバイアスを印加するＲＦエネルギが供給される電極を含むのが好ましい。エッジリング６は、全てCVD SiCであるか、焼結SiCのような混合材料であるか、又はSiCで覆われた他の材料であってもよい。しかしながら、チャンバ中のプラズマに晒されるエッジリングの全表面は、シリコンカーバイドで作られるのが好ましい。更に、電界効果を最小限にするために、エッジリング６は、基板８の露出表面の上に配置された上部表面を持つことができる。例えば、エッジリングの上端は、基板表面より１〜２ｍｍ上であってもよい。
【００１０】
本発明によれば、シリコンカーバイドで作られたエッジリングによって、個々の半導体基板のバッチ処理中にエッチング速度を安定化することができる。更に、エッジリングは、ＲＦバイアスによって生じるイオン照射に起因するデポジションビルドアップが起こらない状態に保たれうる。このようなセルフクリーニングは、エッジリング上のデポジションがエッチング速度ドリフトを生じさせるＨとＢｒの再結合を変化させうるので、エッチング速度の安定性を維持するのに好適である。反応装置は、チャンバ内にプラズマを発生させるためのあらゆる適当な発生源（例えば、平行平板、誘導結合、ＥＣＲ，マグネトロン、ヘリコン等）、及び、チャンバ内にエッチングガスを供給するためのあらゆる適当なガス供給器（例えば、ガスリング、シャワーヘッド、誘電ウインドを通して伸びるオープニングに搭載されたガスインジェクタ等）を備えうる。
【００１１】
図１に示す実施形態では、真空処理チャンバは、基板に静電的に締め付ける力を提供する基板ホルダと、後ろがＨeで冷却される間に基板の上部にプラズマを閉じ込めるエッジリングとを備えるのが好ましい。適当なＲＦ源によって動作するプレーナアンテナのように、チャンバ内の高密度（例えば、少なくとも109ions/cm3）プラズマを維持するためのエネルギ源と、対応したＲＦインピーダンスマッチング回路とが、高密度プラズマを提供するようにチャンバ内への誘導結合ＲＦエネルギに用いられうる。真空ポンプは、チャンバ内部を適当な圧力（例えば、50mTorr以下、典型的には１〜20mTorr）に保つのが好ましい。
【００１２】
図１に示す反応装置は、アンテナ１２とプロセスチャンバの内部との間に、均一な厚さで作られた実質的に平面の誘電ウインド１０を備える。しかしながら、平面ではないアンテナ及び／又は平面ではない誘電ウインドのような、他のアンテナ及び／又はウインド構造が用いられてもよい。更に、実施形態では中央に配置されたガス吸気口１８が誘電ウインド内に提供されているが、いかなる適当なガス供給機構が用いられてもよい。吸気口１８は、１つ以上のガス供給器２２からガスが供給されてもよい。基板ホルダは、基板を持ち上げるためのリフトピン機構（不図示）のような従来の機能を備えてもよい。
【００１３】
本発明によれば、シリコンカーバイドエッジリングを用いることによって、ＨＢｒ のエッチング均一性を改善しうることが分かっている。シリコンカーバイドエッジリングを他の材料と比較するために、水晶、窒化シリコン、及びアルミナを用いて、試験が行われた。これらの他の材料と比較すると、シリコンカーバイドエッジリングによって、フッ素ベースのガスの化学反応を用いたチャンバクリーニングの後、又は、製造ウエハをエッチングする前に条件ウエハが処理されるチャンバシーズニングの後に、より再現性の高いエッチング速度を提供する。ポリシリコンエッチングの間のＨＢｒの解離率を計測するためにダイオードレーザが用いられた。試験は、チャンバシーズニング（６では、製造ウエハを処理する前にベアシリコンウェハが処理された）の後、及び、チャンバ（ここではチャンバは基板支持部材が取り外された間にフッ素ベースのクリーニングガスを用いてクリーニングされた）のウエハを用いないクリーニング（ＷＡＣ）の後に、行われた。試験に用いられたプラズマエッチングチャンバは、ＬＡＭ2300TMであり、水晶（quartz）、アルミナ（alumina）、及びシリコンカーバイド（silicon carbide）がエッジリング材料として用いられた。解離率は、以下の表に示される。
【００１４】
【表１】
0004907827.tif 000002
【００１５】
ＨＢｒを用いてポリシリコンをプラズマエッチングする間、シリコンは、Ｂｒと結合して、ガスとして除去される。従って、エッチングされるウエハの内側部分でのＨＢｒの解離速度は、ウエハの外側周辺部と同じ速度を維持することが好ましい。しかしながら、異なるエッジリング材料によって、ＨとＢｒとが異なる速度で再結合するので、ＨとＢｒとの高い再結合率を提供するエッジリング材料がウエハの外側周辺部でのエッチング速度がウエハの中心でのエッチング速度と同じ速度を提供するために用いられうる。一方、エッジリングでの再結合率が低い場合は、ウエハの内側部分と比べて、ウエハの外側部分をエッチングするためにより多くのＢｒが利用可能であるので、結果として不均一なエッチングが生じる。
【００１６】
本発明によれば、ポリシリコンエッチングの均一性は、ウエハのエッジでの再結合率を増加させることによって、改善されうる。特に、エッジリング材料は、再結合率を増加させるように選択され、エッジリングの幅は、この効果を高めるために増加されうる。例えば、200mmウエハをエッチングするために設計されたチャンバ内では、エッジリング幅は、ウエハ直径の少なくとも10%、即ち、200mmウエハの場合には、少なくとも20mm、好ましくは25mm又はそれ以上に選択されうる。
【００１７】
本発明に係るシリコンカーバイドエッジリングによって、更なる利点を得ることができる。例えば、アルミニウム汚染源となりうるアルミナエッジリングと比べて、化学的に堆積されたSiC（CVD SiC）のように高純度のシリコンカーバイドで作られたエッジリングは、このような汚染の問題を生じない。フッ素ベースのクリーニングガスの化学反応によって化学的に腐食される水晶エッジリングと比べて、シリコンカーバイドエッジリングは、より化学的に安定である。更に、ＷＡＣ又はチャンバシーズニングの後に、目標エッチング速度でポリシリコンエッチングを行うように望まれる場合は、シリコンカーバイドエッジリングは、水晶エッジリング、窒化シリコンエッジリング、又はアルミナエッジリングと比べて、少なくとも影響を受けたポリシリコンエッチング速度を提供する。
【００１８】
本発明に係るプロセスは、純粋なＨＢｒ又は他のガスと混合したＨＢｒを用いて行われうる。例えば、ポリシリコンのエッチングは、メインエッチングの間に、ＨＢｒを単独か、又は１つ以上の他のガスと混合して用いて行われ、ガスの化学反応は、オーバーエッチングの間に変化されうる。適当なガスの化学反応の例は、以下に示される。
【００１９】
マスクされたシリサイド／ポリシリコン層のようなポリシリコンをエッチングする第１の実施形態によれば、メインエッチングは、アルゴン、ヘリウム、又は窒素のようにエッチング性のないガスと共に或いはこれらを用いないで、ＨＢｒ及びCl2を用いて行われうる。必要に応じて、Cl2は、HClのような別のCl源と置き換えてもよい。プラズマ源への電力、ウエハ温度、ＲＦバイアス、チャンバ真空度等のようなプロセスパラメータは、用いられるプラズマ反応装置のタイプに応じて設定されうる。誘導結合プラズマ源に対しては、アンテナ電力は200〜1000ワット、ウエハ温度は10〜100℃、チャンバ圧力は５〜50mTorr、ＲＦバイアスは500ワット以下の範囲となりうる。オーバーエッチング工程では、ガスは、酸素とヘリウムを含むように変更されうる。例えば、オーバーエッチングは、ＨＢｒ、Cl2、Ｈe及びO2を用いて行われうる。代わりに、オーバーエッチング工程中にCl2を止める。
【００２０】
第２の実施形態によれば、ポリサイド薄膜は、ドープされたポリシリコンの下部層と、タングステンシリサイトの上部層とを含み、ＨＢｒとSF2を用いてエッチングされ、SF6を止めてHBrの流量を所望のレベルに調節することによってオーバーエッチングが行われうる。SF6に加えて、他のフッ素ガスを用いてもよく、このようなガスには、NF3、ClF3、F2、HF、C2F6、CHF3、CF4、CH2F6、C3F8、C4F8等が含まれる。更に、N2及び／又はO2は、サイドウォールの保護のために加えられ、アルゴン及び／又はヘリウム等のガスがスパッタリング、希釈又は冷却効果のために加えられうる。
【００２１】
第３の実施形態によれば、ポリシリコンエッチングは、ポリシリコン層の上のいかなる表面酸素をも取り除く工程によって先行される。例えば、リソグラフィ用のマスクを剥す等の前工程の間にポリシリコン層の上に形成された表面酸素は、CF4のような適当なガスを用いて除去されうる。次に、300mmウエハ上のポリシリコンは、50〜300sccmのＨＢｒ、20〜150sccmのCl2、1〜20sccmのＨe／O2混合物（例えば、70%Heと30%O2等）の混合物を用いてエッチングされうる。次の工程では、Cl2を止めて、第３の工程でオーバーエッチングを実現するために、Cl2を含まないＨＢｒとＨe／O2とのガス混合物を用いる間に、電力とチャンバ圧力とが減少されうる。
【００２２】
第４の実施形態では、タングステンシリサイド層がCl2／O2混合物を用いてエッチングされ、タングステンシリサイド膜の下のドープされたポリシリコン層がＨＢｒ単独か、又はＨＢｒ／O2の混合物を用いてエッチングされうる。エッチング工程中は、プラズマ源の電力は、所望のプラズマ密度を提供するために調整されうる。例えば、プラズマ密度は、1x1010cm-3程度に調整されうる。しかしながら、1x109cm-3程度よりも低いプラズマ密度、或いは、少なくとも1x1011cm-3程度よりも高いプラズマ密度が用いられてもよい。
【００２３】
前述のものは本願の原理、好適な実施形態、及び動作の方式について述べたものである。しかしながら、本発明は、前述の特定の実施形態に限られるように解釈されるべきではない。従って、上述の実施形態は、限定的なものではなく例示的なものとみなされるべきであり、請求項によって定義されるように、本願の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者によってこれらの実施形態が改良されえることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明の方法を実施するために用いられるプラズマエッチングチャンバの断面図を示す図である。
【図１】
0004907827.tif 000003