JPH10510389A - プラズマ反応器およびその作動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 プラズマ反応器、たとえば平行板反応器またはＩＣＰ反応器はなかんずくプラズマ励起のために少なくとも２つの互いに無関係に駆動可能な部分装置を含んでいる装置を含んでおり、これらの部分装置を介してプラズマが少なくとも２つの異なる個所において相い異なって励起可能である。プラズマ反応器内のプロセスの際、たとえば層の析出の際またはエッチングの際の不均一性が部分装置の相応の駆動により平衡される。

Description

【発明の詳細な説明】 プラズマ反応器およびその作動方法 集積回路の製造の際に、特にシリコンプロセス技術の際に、しばしばプラズマ 反応器が使用される。プラズマ反応器内では低圧プラズマが発生され、このプラ ズマには反応器内にある基板の表面にエッチング反応または析出反応をトリガす る反応性イオンが存在している。プラズマ反応器では絶縁体、金属層、半導体層 などのエッチングプロセスも層の析出も実行される。 プラズマは種々のプラズマ反応器で相い異なって励起される。たとえばヴェー ・ベーメほか著「米国電気電子学会論文集・プラズマ科学編」第２２巻、第１１ ０〜１１５頁に記載されているようないわゆる平行板反応器では、プラズマは、 一方は接地され他方は静電容量的に高周波電圧と接続されている２つの電極の間 で励起される。処理すべき基板は平行板反応器内で接地された電極の上に配置さ れる。 エフ・シンガー著「セミコンダクター・インターナショナル」１９９２年７月 、第５２〜５７頁から、専門分野でＩＣＰ反応器と呼ばれるプラズマ反応器が知 られている。ＩＣＰ反応器ではプラズマが電気的エネルギーの誘導的入結合によ り点弧される。そのためにＩＣＰ反応器は、処理すべき基板を受け入れるための 、たとえば接地されているウェハホルダを含んでいる。ウェハホルダの対向側に は、ＩＣＰ反応器の内壁と向かい合ってたとえば絶縁性の層により絶縁されてい るアンテナが配置されている。アンテナを介して誘導的に高周波磁界が反応器に 入結合される。 プラズマエッチングの際ならびにプラズマにより助成される層の析出の際にし ばしば反応器の中心と縁との間のエッチングまたは析出率に不均一性が観察され る。大きい直径を有する基板ウェハの処理の際にこれらの不均一性は層の形成お よび層の構造化の際に有害に作用する。このことは、０．３５μｍおよび０．２ ５μｍ世代の回路構造の製造の際に予定されるような８インチまたはそれ以上の 直径を有するシリコンウェハの場合に特に重大である。 エッチング率の不均一性を避けるため、構造化すべき層の基台に対して高い選 択性をもってエッチング・プロセスが進行するプロセスガスを選ぶことが提案さ れている（たとえばエス・バトラーほか著「米国制御会議論文集」１９９３年、 第３００３〜３００７頁参照）。基台は選択性に基づいてエッチングプロセスに より浸食されないかまたはほとんど浸食を受けない。従ってエッチング時間は、 エッチング率が不均一性に基づいて最も低い反応器の範囲内でも構造化すべき層 が確実に均一にエッチングされるように選ばれる。高い選択性を有するエッチン グプロセスはエッチング率およびエッチングの異方性に関してしばしば不十分で あるので、多段のエッチングプロセスを使用することが提案されている。個々の エッチングプロセスのコーディネートにより選択性、エッチング率および異方性 の最適な組み合わせが得られる。 本発明の課題は、プロセス率の均一性がプラズマ反応器の直径にわたり従来の 技術にくらべて改善されているプラズマ反応器を提供することにある。さらに本 発明の課題はこのようなプラズマ反応器の作動方法を提供することにある。 この課題は、本発明によれば、請求項１によるプラズマ反応器ならびに請求項 ７によるその作動方法により解決される。本発明の他の実施態様は従属請求項に 記載されている。 本発明によるプラズマ反応器ではプラズマが処理すべき基板の上側の種々の位 置において相い異なって励起される。それにより、一方ではプラズマ自体の不均 一性にまた他方では反応性ガス分子の不均一な消費に原因を帰せられるプロセス 率の不均一性を平衡することができる。 プラズマ反応器はそのために電気的エネルギーの入結合によるプラズマ励起の ための装置を含んでおり、この装置は少なくとも２つの互いに無関係に駆動可能 な部分装置を含んでいる。一実施態様によれば、プラズマ励起のための装置は基 準電位と接続されている少なくとも１つの電極および対向電極装置を含んでいる 。対向電極装置はその際に少なくとも２つまたはそれ以上の互いに無関係に駆動 可能な対向電極要素を有する。さらに、プラズマ励起装置は各対向電極要素に対 して高周波電圧源を含んでおり、この電圧源はそれぞれの対向電極要素と静電容 量的に接続されている。基準電位と接続されている電極と各対向電極要素との間 で プラズマの励起が行われる。各対向電極要素と、これに付設されている高周波電 圧源と、基準電位に接続されている電極とはプラズマ励起のための部分装置を形 成する。 処理すべき基板を受け入れるためのウェハホルダはこの実施態様では、基準電 位に接続されている電極と対向電極装置との間に配置されている。ウェハホルダ は基準電位に接続されている電極の上にもまた対向電極装置の上に配置されてい てもよい。 シリコンプロセス技術では一般に円板状の基板が使用されるので、対向電極要 素の１つを円状に構成し、また１つまたは複数個の別の対向電極要素をリング状 に構成すると有利である。円状の対向電極要素および１つまたは複数個のリング 状の対向電極要素は同心に一平面内に配置される。これらの円／リング状の対向 電極要素により、円板状の基板の使用の際に存在するような円筒形状における不 均一性が最適に平衡される。 プラズマ反応器および／または処理すべき基板が他の対称性を有する場合には 、他の形状、たとえば扇形の対向電極要素を使用することは本発明の範囲内にあ る。 他の実施態様によれば、プラズマ反応器はプラズマ励起装置として２つまたは それ以上のアンテナを有するアンテナ装置を含んでおり、この装置を介してプラ ズマ励起が誘導的に行われる。各アンテナには交流電流源が接続されている。ア ンテナおよび交流電流源はそれぞれ部分装置を形成する。プラズマ反応器はこの 実施態様ではＩＣＰ反応器として知られている形式に相当する。 円筒対称性の際の不均一性を平衡するため、この場合に、アンテナを相い異な る半径を有するほぼリング状に構成し、かつ同心に一平面内に配置すると有利で ある。 プラズマ励起のための部分装置の駆動は最も簡単には、較正測定を介して個々 の部分装置に対するパラメータを求めることにより行われる。そのために部分装 置の駆動のための種々のパラメータ設定により一連の試みが行われる。 プラズマ励起のための部分装置の駆動をその場で最適化することは本発明の範 囲内にある。そのためにプラズマ反応器には、プロセスに関与する量の測定をウ ェハホルダ上に配置されている基板の多数の個所で行うための手段が設けられて いる。測定結果に関係して制御ユニットにより部分装置が制御される。プロセス 量を測定するためにはたとえばエリプソメータが適している。層の析出の場合に は、層の析出の際に厚みのコントロールのために使用されるような多数の個所に 設けられている水晶振動子を使用することもできる。 最後に、基板の種々の個所において測定された量をプラズマ反応器の数値シミ ュレーションの相応の値と比較することによりプラズマ励起のための部分装置の 駆動のための最適パラメータを反復して求め、またこれらの最適パラメータによ りプロセスを実行することは本発明の範囲内にある。 以下、図面および実施例により本発明を一層詳細に説明する。 図１は２つの対向電極要素を有するプラズマ反応器を示す。 図２は一方の対向電極要素に固定電圧を、他方の対向電極要素に可変電圧を与 えられている図１に示されているプラズマ反応器における析出率を示す。 図３は一方の対向電極要素に可変電圧を、他方の対向電極要素に固定電圧を与 えられている図１に示されているプラズマ反応器における析出率を示す。 図４は３つの対向電極要素とプロセスに関与する量を測定するための手段と対 向電極要素の駆動を調節するための手段とを有する平行板反応器を示す。 図５は３つのアンテナを有するＩＣＰ反応器を示す。 プラズマ反応器は反応チャンバ１１、ポンプ短管１２ならびにプロセスガスの 供給用のガス供給管１３を有する（図１参照）。反応チャンバ１１は基準電位、 たとえば接地電位に接続されている。 反応チャンバ１１内に、同じく基準電位に接続されているウェハホルダ１４が 設けられている。ウェハホルダ１４はたとえば円筒状で２００ｍｍの直径を有す る。プラズマ反応器内ではウェハホルダ１４は、基準電位に接続されている電極 を形成している。 ウェハホルダ１４と向かい合って対向電極装置１５が設けられている。対向電 極装置１５は第１の対向電極要素１５１および第２の対向電極要素１５２を含ん でいる。第１の対向電極要素１５１はたとえば２００ｍｍの直径を有する円状で ある。第２の対向電極要素１５２はリング状であり、その際にリングの幅はたと えば３０ｍｍである。第２の対向電極要素１５２は第１の対向電極要素１５１と 同心に一平面内に配置されている。第１の対向電極要素１５１と第２の対向電極 要素１５２との間にはたとえば１ｍｍの幅の間隙１５０がある。対向電極装置１ ５とウェハホルダ１４との間の間隔はたとえば４１ｍｍである。 対向電極要素１５１、１５２の各々は静電容量的にそれぞれ高周波電圧源１６ １、１６２と接続されている。高周波電圧源１６１、１６２は互いに無関係に調 節可能である。特に第１の対向電極要素１５１および第２の対向電極要素１５２ において、電極駆動の振幅または位相が互いに無関係に変更され得る。さらに駆 動周波数または直流電流成分の独立した変更が可能である。 このプラズマ反応器では実行されるプロセスの均一性はウェハホルダ１４の上 に配置されている基板ウェハ１７の直径にわたり第１の対向電極要素１５１およ び第２の対向電極要素１５２の互いに無関係な駆動により設定可能である。 最適化されたパラメータはたとえば前もって実行される一連の実験により求め られる。その際にプロセスの均一性は実験的に処理されたウェハを介して対向電 極要素１５１、１５２に与えられるパラメータに関係して求められる。 これらのパラメータを求める際に、測定されたデータをシミュレーション計算 の結果と比較すると有利である。プラズマ反応器に対して解析的フィット関数を 用いてモデル記述が可能であれば、簡単な計算式および複数個の経験的に適合さ れたパラメータを用いて最適な電極駆動が決定され得る。さらに、最適化された プロセスパラメータを求めるため反復的な措置が可能である。 図１により説明されたプラズマ反応器はたとえば無定形シリコンの析出のため に適している。この場合、プロセスガスとして５０ｓｃｖｍの流量率を有するＳ ｉＨ₄が使用される。反応器チャンバには２０Ｐａの圧力ｐが設定される。反応 器内の温度は析出の際に３５０°Ｃである。析出の際に第１の対向電極要素１５ １および第２の対向電極要素１５２は互いに無関係に駆動される。 図２は半径方向の間隔ｒに関係しての析出率Ｒに対する無定形シリコンの析出 の例に対するシミュレーション計算の結果を示す。第１の対向電極要素に印加さ れる電圧はその都度１００ボルトであり、他方において第２の対向電極要素１５ ２における電圧は６０ボルトと１６０ボルトとの間を変化する。詳細には下記の 値である。 図３は中心点からの半径方向の間隔ｒの関数としての析出率Ｒに対する無定形 シリコンの析出に対するシミュレーション計算の相応の結果を示す。その際に第 １の対向電極要素に印加される電圧は変化しており、他方において第２の対向電 極要素１５２に印加される電圧は固定である。詳細には下記の値である。 これらのシミュレーション計算は、本発明によるプラズマ反応器における絶対 的な析出率が第１の対向電極要素１５１の駆動により決定され、他方において析 出の均一性がリング状の第２の対向電極要素の駆動により影響されることを示す 。 他の実施例によれば、プラズマ反応器はポンプ短管４２およびプロセスガスの 取り入れ用のガス供給管４３をを設けられている反応チャンバ４１を有する（図 ４参照）。反応チャンバ４１は基準電位、たとえば接地電位に接続されている。 反応チャンバ４１内には、同じく基準電位に接続されているウェハホルダ４４ が設けられている。ウェハホルダ４４はたとえば円筒状であり、また２００ｍｍ の直径を有する。プラズマ反応器の作動中にウェハホルダ４４は、基準電位に接 続されている電極として使用される。 ウェハホルダ４４と向かい合って対向電極装置４５が配置されている。この装 置は第１の対向電極要素４５１、第２の対向電極要素４５２および第３の対向電 極要素４５３を含んでいる。すべての３つの対向電極要素４５１、４５２、４５ ３は一平面内に配置されている。第１の対向電極要素４５１は円状であり、また たとえば１００ｍｍの直径を有する。第２の対向電極要素４５２はリング状であ り、またたとえば２００ｍｍの直径を有する。第３の対向電極要素４５３もリン グ状であり、またたとえば２５０ｍｍの直径を有する。第１の対向電極要素４５ １と第２の対向電極要素４５２との間ならびに第２の対向電極要素４５２と第３ の対向電極要素４５３との間にそれぞれ２ｍｍの幅を有する間隙４５０が設けら れている。対向電極装置４５とウェハホルダ４４との間の間隔は８０ｍｍである 。 対向電極要素４５１、４５２、４５３の各々は静電容量的に、それぞれ互いに 無関係に駆動可能である高周波電圧源４６１、４６２、４６３と接続されている 。高周波電圧源４６１、４６２、４６３を介して対向電極要素４５１、４５２、 ４５３は互いに無関係に駆動される。 反応器チャンバ４１には、プラズマ反応器の作動中にウェハホルダ４４の上に 配置されている基板ウェハ４７の表面のたとえば３つの点に取付けられている測 定装置４８１、４８２、４８３が設けられている。測定装置４８１、４８２、４ ８３は、プラズマ反応器のプロセスに関与する量を測定する。プラズマ反応器が エッチングのために使用される場合には、測定装置４８１、４８２、４８３を介 してそれぞれの測定点における残留層厚が記録される。それに対して、プラズマ 反応器で析出が実行されるならば、測定点における現在の層厚が記録される。そ のために測定装置４８１、４８２、４８３はたとえば水晶振動子またはエリプソ メーターとして構成されている。 測定装置４８１、４８２、４８３は制御ユニット４９の入力端と接続されてい る出力端を有する。制御ユニット４９はさらに、それぞれ高周波電圧源４６１、 ４６２、４６３の入力端と接続されている出力端を有する。制御ユニット４９は たとえばマイクロプロセッサを含んでおり、このプロセッサで測定装置４８１、 ４８２、４８３から受け取ったデータの評価が行われる。この評価に関係して高 周波電圧源４６１、４６２、４６３には、制御信号が与えられ、電極駆動を直ち に再調節する。 図４により説明されたプラズマ反応器はたとえばポリシリコンのエッチングの ために使用され得る。そのためには７０ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分 ）の流量率を有する下記のプロセスガスが使用される。反応器チャンバ内の圧力 は１２０ｍＴｏｒｒ、温度は３００Ｋである。対向電極装置には下記の電力が与 えられる。 第１の対向電極要素４５１ ：２００Ｗ 第２の対向電極要素４５２ ：２５０Ｗ 第３の対向電極要素４５３ ：３００Ｗ 交流電圧はそれぞれ１３．５６ＭＨｘの高周波数を有する。 別の実施例では、プラズマ反応器はポンプ短管５２およびプロセスガスに対す るガス供給管５３を設けられている反応チャンバ５１を含んでいる（図５参照） 。反応チャンバ５１は基準電位、たとえば零電位に接続されている。 反応チャンバ５１内には、２００ｍｍまでの直径を有する基板ウェハ５７を受 け入れるのに適したウェハホルダ５４が配置されている。ウェハホルダ５４は同 じく基準電位に接続されている。 反応チャンバ内にはアンテナ装置５５が設けられている。アンテナ装置５５は 、たとえば水晶から成る絶縁構造５５０に埋込まれている互いに無関係なアンテ ナ５５１、５５２、５５３を含んでいる。アンテナ５５１、５５２、５５３の各 々は交流電流源５６１、５６２、５６３に接続されている。アンテナ５５１、５ ５ ２、５５３はそれぞれほぼリング状に構成されており、また同心に一平面内に配 置されている。その際に第１のアンテナ５５１はたとえば１００ｍｍの直径を有 し、第２のアンテナ５５２はたとえば２００ｍｍの直径を有し、また第３のアン テナ５５３はたとえば２５０ｍｍの直径を有する。 プラズマ反応器の作動中、アンテナ装置５５を介して誘導的にプラズマがアン テナ装置５５と基板ウェハ５７との間に励起される。アンテナ５５１、５５２、 ５５３は互いに無関係に交流電流源５６１、５６２、５６３を介して駆動される ので、基板ウェハ５７の上の相い異なる個所において相い異なって励起される。 それにより全基板ウェハ５７にわたって均一な反応率が実現される。 図５により説明されるプラズマ反応器はＩＣＰ反応器に相当する。それはエッ チングのためにも層の析出のためにも適している。 このプラズマ反応器でたとえばポリシリコンがエッチングされる。そのために は２００ｓｃｃｍの流量率を有する下記のプロセスガスＣｌ₂が使用される。プ ラズマ反応器５１内の圧力は１０ｍＴｏｒｒ、温度は３００Ｋである。アンテナ ５５１、５５２、５５３は下記の電気データにより駆動される。 アンテナ５５１：１ｋＷ アンテナ５５２：１．２ｋＷ アンテナ５５３：１．４ｋＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．基準電位に接続されているウェハホルダ（１４）を有し、 ポンプ短管（１２）を有し、 ガス供給管（１３）を有し、 電気エネルギーの入結合によりプラズマを励起するための装置（１５）を有し 、 この装置が少なくとも２つの互いに無関係に駆動可能な部分装置（１５１、１５ ２）を含んでおり、これらの部分装置を介してプラズマがウェハホルダ（１４） の上の少なくとも２つの異なる個所において相い異なって励起可能である ことを特徴とするプラズマ反応器。 ２．ウェハホルダ（４４）の上に配置されている基板（４７）の多数の個所にお いてプロセスに関与する量を測定することによりプラズマ反応器内で進行するプ ロセスを評価するための手段（４８１、４８２、４８３）が設けられており、 この測定に関係して部分装置（４５１、４５２、４５３）を駆動するための手 段（４９）が設けられている ことを特徴とする請求項１記載のプラズマ反応器。 ３．プラズマ励起装置が、基準電位に接続されている少なくとも１つの電極（１ ４）および対向電極装置（１５）を含んでおり、その際に対向電極装置（１５） が少なくとも２つの互いに無関係に駆動可能な対向電極要素（１５１、１５２） を含んでおり、 プラズマ励起のための装置が、さらに、それぞれ対向電極要素（１５１、１５ ２）の１つと静電容量的に接続されている少なくとも２つの高周波電圧源（１６ １、１６２）を含んでおり、 ウェハホルダ（１４）が接地された電極と対向電極装置（１５）との間に配置 されている ことを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ反応器。 ４．対向電極要素の１つ（１５１）が円状に構成されており、別の対向電極要素 の少なくとも１つ（１５２）がリング状に構成されており、また 円状の対向電極要素（１５１）およびリング状の対向電極要素（１５２）が同 心に一平面内に配置されている ことを特徴とする請求項３記載のプラズマ反応器。 ５．プラズマ励起装置が、少なくとも２つのアンテナ（５５１、５５２、５５３ ）を有するアンテナ装置を含んでおり、それを介してプラズマ励起のための電気 エネルギーが誘導的に入結合され、 プラズマ励起装置が、アンテナ（５５１、５５２、５５３）の１つに接続され ている少なくとも２つの交流電流源（５６１、５６２、５６３）を含んでいるこ とを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ反応器。 ６．アンテナ（５５１、５５２、５５３）がそれぞれ相い異なる半径を有するほ ぼリング状に構成されており、また同心に一平面内に配置されていることを特徴 とする請求項５記載のプラズマ反応器。 ７．プラズマ励起のための部分装置が相い異なって駆動されることを特徴とする 請求項１記載のプラズマ反応器の作動方法。 ８．プラズマ反応器内で進行するプロセスの間にプロセスに関与する量がウェハ ホルダの上に配置されている基板の多数の個所において測定され、また プラズマ励起のための部分装置が測定された量に関係して駆動される ことを特徴とする請求項７記載の方法。 ９．測定された量とプラズマ反応器の数値シミュレーションの相応の値との比較 により反復的に、プラズマ励起のための部分装置を駆動するためのパラメータが 求められることを特徴とする請求項８記載の方法。