JP2004214630A - 事前ロードしたプラズマリアクタ装置およびその適用 - Google Patents

Abstract

【課題】 気相反応物の反応性およびウエハ表面化学反応を有効に分離させるシステムを提供する。
【解決手段】 事前ロードしたプラズマに基づく処理システムは、予備反応プラズマ処理チャンバと、この予備反応プラズマ処理チャンバと動作可能に連通して配置された電力源と、予備反応プラズマ処理チャンバと流体連通して配置されたウエハプラズマ処理チャンバとを具備する。予備反応プラズマ処理チャンバは、反応物質のプラズマに基づく化学反応を行って反応基を生成するように構成されている。ウエハプラズマ処理チャンバは、ウエハプラズマ処理チャンバ内に配置されたウエハの表面において反応基を種と反応させるように構成されている。他の実施例は、プラズマ環境においてウエハを処理し、反応性気体流を事前ロードしてウエハマスクまたはエッチングストップ層の浸食を防ぐ方法を含む。
【選択図】 図１

Description

この開示は、一般に、プラズマに基づく処理に関し、さらに特定すれば、適用のために反応物が事前ロードされた予備反応チャンバを有するプラズマに基づく装置に関する。

半導体の製造において、半導体ウエハのシリコン基板またはウエハ上に配置された構成要素に悪影響を及ぼすことなく、パターン形成および堆積のための反応性の高い種を発生させる手段として、プラズマに基づく処理が用いられている。このプロセスの性能は、気相反応性および表面相化学反応の双方の協調処理によって決まる。気相における高エネルギ電子化学反応は、電磁界におけるプラズマ電子の励起から成る。表面相化学反応は、プラズマからウエハ表面への粒子束から成る。プラズマに基づく処理において必要とされる加熱の程度は、プラズマ環境が存在しない場合に必要とされるものよりも数桁小さいが、ウエハ表面への粒子束によってウエハが著しく加熱されることが多い。更に、ウエハが加熱された場合、ウエハ表面上またはウエハ物質内に配置されたドーパントの外方拡散のために、ウエハ上の構成要素のその後の性能が劣化する恐れがある。

ウエハ表面へのイオン電流は、部分的にプラズマパワーによって決定する。従って、これを調節して、中性反応物または帯電した種のウエハ表面への流れを増大または低減させる。基板のプラズマエッチングの間、１つの重要な測定基準は、マスク層およびストップ層に対するエッチングプロセスの選択性である。プラズマチャンバ内に供給された気相供給材料は、電離して中性反応物およびイオン種を形成する。気相プラズマ化学反応は、反応物生成のための最適条件および露出したウエハ表面への悪影響を回避するための最適条件の双方を満足させなければならない。例えば、ウエハ処理プラズマにおいて、等方性および過剰なイオン衝突または中性束によるエッチングストップを防ぐために、低い動作圧が望ましい場合がある。一方、低い動作圧は、供給材料との電子衝突の頻度が低いために、気相電離の程度を低下させる一因となる場合がある。かかる低下により、プラズマ反応環境において、ある反応種の他の種に対する電離活性化エネルギのため、それらの種の形成が制限される恐れがある。

低圧プラズマ動作チャンバは、気体の反応混合物を電離し、イオン化し、励起する。一般に、気相反応性および表面相化学反応は結合されている。ウエハ表面への気体反応物粒子束は、ウエハ上に配置された層をエッチングするように制御される。理想的には、かかる粒子束は、エッチングされる表面に対して垂直である。しかしながら、実際に行う場合、帯電が局所的であることおよび層上に選択的に配置されたマスク材料の側壁の立体角が排除されることによって生じる電子シェージングの結果として、イオンの軌跡は通常ゆがんでいる。無線周波数電界の印加、および、電子とこれよりも大きく重いイオンと中性粒子との間の運動量の乏しい移動によって、粒子束が選択的に励起されるので、電子の速度分布は、正に帯電したイオンの速度分布よりも等方性である。かかる速度分布の不一致によって、マスク物質の側壁は負に帯電することになるが、これに隣接して位置するエッチング対象の表面は正に帯電する。隣接して位置する表面における電荷蓄積の不均衡は、結果として、誤った粒子束パターンおよび表面の界面へのイオン束の偏りを引き起こし、これによって、望ましくない不均一なエッチングが生じ、更に、パターニングされた層またはエッチングストップ層内のパンチスルーにおいて微小トレンチを形成する可能性がある。

これらの問題に対処するための現在の試みには、表面相化学反応の正確なパラメータ（例えば、プラズマパワー、圧力等）を操作し、プロセス展開から最終生成物結果を決定する解決策が含まれる。しかしながら、表面相化学反応は、気相反応性と結合している。かかる表面相化学反応および気相反応性の結合によって、プラズマプロセスのウエハ上性能が劣化する。多数の電力源を用いることまたは多数の無線周波数を印加することによって気相および表面相化学反応を実際に分離させるためのこれまでの試みは、化学反応を部分的にしか分離していない。必要とされるのは、気相反応物の反応性およびウエハ表面化学反応を有効に分離させるシステムである。

ここに、事前ロードプラズマリアクタ装置およびそのプラズマに基づく処理システムへの適用の例示的な実施例を開示する。この装置は、予備反応プラズマ処理チャンバと、この予備反応プラズマ処理チャンバと動作可能に連通して配置された電力源と、予備反応プラズマ処理チャンバと流体連通して配置されたウエハプラズマ処理チャンバとを具備する。予備反応プラズマ処理チャンバは、反応物質のプラズマに基づく化学反応を行って反応基を生成するように構成されている。ウエハプラズマ処理チャンバは、ウエハプラズマ処理チャンバ内に配置されたウエハの表面において反応基を種と反応させるように構成されている。他の実施例は、プラズマ環境においてウエハを処理する方法を含む。

図面において、同様の要素は同様の番号を付ける。

予備反応チャンバは、表面相反応から気相反応を分離することによって、ウエハ表面における電荷の影響から独立して、プラズマに基づく処理装置の化学反応を制御する。予備反応チャンバは、ウエハの表面相化学反応には一般的に望ましくない（例えば、高温、高プラズマパワー、高圧等）が、ウエハ処理のための好適な反応物の気相形成には望ましい動作可能環境を提供する。

図１を参照すると、予備反応プラズマ処理チャンバを組み込んだプラズマに基づく処理装置の例示的な一実施例が１０として示されており、以降これを「装置１０」と呼ぶ。装置１０は、吸気マニホルド１４と流体連通するように配置された予備反応プラズマ処理チャンバ１２（以降これを「予備反応チャンバ１２」と呼ぶ）、予備反応チャンバ１２と動作可能に連通するように配置された電力源１６、予備反応チャンバ１２と流体連通するように配置されたウエハプラズマ処理チャンバ１８を備える。ウエハプラズマ処理チャンバ１８に、静電結合チャック１９を介して、ウエハ１７が配置されている。吸気マニホルド１４と流体連通するように配置された反応物源（例えば容器２０）から、吸気マニホルド１４内に、供給物質の気相反応物が受容される。予備反応チャンバ１２内に、反応物質２２が配置されている。予備反応チャンバ１２とウエハプラズマ処理チャンバ１８との間に、気体分散プレート２４が配置されていると好ましい。好ましくは、電力源１６は、マイクロ波放射源である。

容器２０から吸気マニホルド１４への気相反応物の流れは、一般に、予備反応チャンバ１２の動作を決定する。吸気マニホルド１４からの放出は、予備反応チャンバ１２によって受け取られる。ウエハプロセスの所望の生成物に従った反応供給物質を供給するために、３つの容器２０が吸気マニホルド１４と流体連通して配置されているものとして示すが、いかなる数の容器でも、装置１０のためのいかなる数の反応供給物質も提供することができる。

予備反応チャンバ１２は、装置１０のエクスシチューモジュールであり、反応物質２２を配置するプラズマ環境を維持することができる加圧可能な容器から成る。反応物質２２は、気相反応物の分子によって吸収され、その後ウエハ表面上に配置された場合に、ウエハ物質のエッチングを防ぐことができる物質から成る。反応物質２２は、更に、エッチングストップ層を含み、好ましくは、フォトレジスト、酸化物、窒化シリコン、または他のストップ層、前述の物質の組み合わせ等を含む。予備反応チャンバ１２内のプラズマ環境を維持し、気相反応物を反応物質２２の犠牲膜と接触させることによって、気相反応物の事前ロードを行う。

事前ロードした気相反応物に、電力源１６から得たエネルギを印加すると、その後のウエハプラズマ処理チャンバ１８のプラズマに基づくプロセスにおいて用いる反応基の供給物質が発生する。一般に、反応基は、事前ロードした気相反応物に高パワーマイクロ波放射を加えることにより発生させる。発生した反応基は、好ましくは、フッ素、炭素、窒素、および酸素の基であり、これらは、以下の式に従って生成される。
ＣＨＦ₃→ＣＨＦ₂*＋Ｆ*
Ｏ₂→２Ｏ*
ＣＯ＋ＣＨＦ₃→ＣＯＦ₂＋ＣＨＦ*
Ｎ₂→Ｎ₂ ^*またはＮ₂ ^＋
上に列挙した反応種（および列挙していない他のもの）は、ウエハ基板が耐えることができるプラズマエネルギよりも高いプラズマエネルギで生成される。予備反応システムによって、ウエハへの高電子束も、ウエハの静電的な帯電も、高電子束および静電的な帯電に関連した悪影響も生じることなく、アグレッシブ上流プラズマリアクタにおいてかかる反応種を形成することができる。

気相反応物は、反応物質２２との接触によって事前ロードされるので、予備反応チャンバ１２内の反応物の実際の分圧が実質的に表す分圧は、ウエハプラズマ処理チャンバ１８内の気体を飽和させ、ウエハプラズマ処理チャンバ１８内のウエハ上に配置された物質からの揮発性物質の生成を妨げるものである。ウエハプラズマ処理チャンバ１８は、ウエハ処理要件を満足させるいかなる状況でも動作可能であるので、気相基の発生に関する動作パラメータは無関係である。このため、ウエハプラズマ処理チャンバ１８への気相反応物の供給を犠牲にして、ウエハ上の性能は劣化しない。例えば、マスク材料としてＳｉＯ₂を用いている場合、予備反応チャンバ１２において以下のタイプの反応を用いて、ＳｉＯＦによって飽和した混合物を形成し、次いでこれをウエハプラズマ処理チャンバ１８内に供給することができる。
ＳｉＯ₂＋２Ｆ→ＳｉＯＦ₂＋Ｏ
ウエハプラズマ処理チャンバでは、ＳｉＯＦの分圧は、ウエハプラズマ処理チャンバ１８内のＳｉＯ₂の浸食を制限するために適切なものとすることができる。

装置１０は、単一の予備反応チャンバ１２のモジュールを備えるものとして示すが、装置１０は、予備反応チャンバである場合もあるしそうでない場合もある多数の気相反応物チャンバを備えることがあり得ることは理解されよう。多数の気相チャンバによって気相化学反応を提供する装置において、各々を独立して制御して、気相および表面相の化学反応の分離レベルを高めることによって、ウエハ表面における表面相化学反応の制御を増すことができる。特に、制御量の増大（分離度の増大）は、装置の調整を向上させ、半導体物質の最も効率的な使用を可能とする。

予備反応チャンバ１２からの放出は、事前ロードした基の流れであり、これは、気体分散プレート２４によって受け取られる。気体分散プレート２４は、事前ロードした基を混合し、それらをウエハプラズマ処理チャンバ１８に均一に分散させることができる。予備反応チャンバ１２において気相反応物を事前ロードし基を発生させるので、ウエハプラズマ処理チャンバ１８内に気体を導入する前に、生成物成分の分圧が確立される。気体分散プレート２４に設けられる制御（図示せず）によって、ウエハの加熱から生じる不利点、過剰なプラズマ物質の堆積、プラズマの過剰な帯電、または同様の問題を生じることなく、事前ロード気相反応物のウエハプラズマ処理チャンバ１８への流れが変わる。ウエハの特定のプラズマに基づく処理の所望の生成物に従って、必要に応じて、源（例えば容器２１）から気体分散プレート２４に、追加の反応供給物質を追加することも可能である。

次いで、ウエハプラズマ処理チャンバ１８に、事前ロードした気相反応物を供給し、これによって、気相反応物の分子の電離、イオン化、および励起を行う。以下の式によって、その後のウエハ構造内への注入のために、低パワー反応でＣＦ₂を発生させる。
Ｃ₄Ｆ₈→ＣＦ₂
予備反応チャンバ１２内の気相電子化学反応は、ウエハプラズマ処理チャンバ１８におけるウエハ条件とは無関係であるので、気相反応は、表面相反応（ウエハ化学反応）から有効に分離される。（ウエハ上での）表面相反応は、予備反応チャンバ１２では行われないので、予備反応チャンバ１２における表面束または表面化学反応は制限されない。従って、ウエハには、過剰な帯電も熱流速も生じない。

装置１０を用いて気相および表面相反応を分離することによって、異なる供給物質気体のための基／イオン密度も独立して調節して、帯電の差異の問題を軽減することができる。基またはイオンの異なる帯電量を無くすか、または少なくとも最小限に抑えることにより、有向空間電荷層の衝撃に関連する異方性を制御し、結果として、プラズマを利用してウエハ表面に自己整合コンタクトをエッチングする有効なプロセスが得られる。ここで図２を参照すると、ウエハの例示的な一実施例が３０として示されている。ウエハ３０は、自己整合コンタクト３２、自己整合コンタクト３２上に配置された窒化物ライナ３４、窒化物ライナ３４上に配置された酸化物層３６、各コンタクト要素に面する角に酸化物層３６上に配置された誘電ポリマコーティング３８、酸化物層３６に配置された抵抗層４０を備える。図１を参照して説明したような装置を利用して、気相および表面相反応の分離を起こすことによって、抵抗層４０と酸化物層３６との間の電荷の蓄積を最小限に抑えることができ、これによって、入来する異方性イオン束（矢印４２によって示す）から各コンタクト要素の面する角への正に帯電したイオンの偏向を最小限とする。各コンタクト要素３２の角の衝撃を最小限に抑えることによって、角の浸食およびゲート（コンタクト３２間の空間）が先細になることが最小限となり、これによって、誘電ポリマコーティング３８の完全性が保たれ、コンタクト抵抗およびウエハに配置された構成要素の短絡の発生を最小限に抑える。

ウエハ層の帯電の差異の最小化を更に利用して、ウエハ表面上のトレンチプロファイルのゆがみ量を小さくする。ある種のトレンチプロファイルのゆがみは、エッチングしたフィーチャの角の方向にイオン束が偏ることから生じる。ここで図３を参照すると、トレンチ構造が５０として示されている。酸化物層５４上に抵抗層５２が配置されている。図１を参照して上述した装置を用いて反応物の気相および表面相反応を分離させることによって、抵抗層５２と酸化物層５４との間の電荷の蓄積を最小限に維持する。このため、トレンチ構造５０の角５６へのイオン束の偏向（矢印４２によって示す）は、回避されるかまたは少なくとも最小限に抑えられ、これによって、トレンチ構造５０の底面５８（例えば窒化物層）の構造的な完全性を維持することができる。

前述のことからわかるように、気相反応性および表面相化学反応の分離によって、全体的なプラズマに基づくプロセスの２つの相を独立して調節することができ、これによって、プロセスパラメータにより大きなゆとりを持たせて装置を動作させることが可能とする。装置を独立して調節することができる機能によって、装置の電力要件において妥協することなく、低電力反応および高電力反応の双方を有効に実行することができる。更に、所望の最終生成物によって更にアグレッシブなプラズマ状況が必要とされるシステムでは、それに応じて、主プラズマ処理チャンバ内の高感度または高価なウエハ物質に悪影響を及ぼすことなく、予備反応チャンバにおいて気相反応物を処理することができる。

好適な実施例を図示し説明してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更および置換が可能である。従って、本発明は、限定ではなく例示として説明したことは理解されよう。

まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。

（１）プラズマに基づく処理装置であって、
反応物質およびエッチングストップ物質のプラズマに基づく化学反応を行うように構成された予備反応プラズマ処理チャンバと、
前記予備反応プラズマ処理チャンバと動作可能に連通して配置され、前記反応物質および前記エッチングストップ物質の生成物を反応基に変換させるように構成された電力源と、
前記予備反応プラズマ処理チャンバと流体連通して配置されたウエハプラズマ処理チャンバであって、該ウエハプラズマ処理チャンバ内に配置されたウエハの表面において前記反応基を種と反応させるように構成されたウエハプラズマ処理チャンバと、
を具備する、装置。
（２）更に、前記予備反応プラズマ処理チャンバと流体連通して配置され、反応供給物質源と流体連通して配置されている吸気マニホルドを具備する、（１）のプラズマに基づく処理装置。
（３）前記エッチングストップ物質は、フォトレジスト、酸化物、窒化シリコン、および前述の物質の組み合わせから成る群から選択された物質であることを特徴とする、（１）のプラズマに基づく処理装置。
（４）更に、前記予備反応プラズマ処理チャンバおよび前記ウエハプラズマ処理チャンバと流体連通して配置され、前記予備反応プラズマ処理チャンバから前記反応基を受け取り、該反応基を前記ウエハプラズマ処理チャンバに放出するように構成された気体分散プレートを具備する、（１）のプラズマに基づく処理装置。
（５）前記気体分散プレートは、反応供給物質源と流体連通して配置されていることを特徴とする、（４）のプラズマに基づく処理装置。
（６）前記電力源はマイクロ波放射源であることを特徴とする、（１）のプラズマに基づく処理装置。
（７）低パワープラズマ環境においてウエハを処理する方法であって、
気相反応物を事前ロードするステップと、
前記事前ロードした気相反応物から反応基を発生するステップと、
前記低パワープラズマ環境において前記反応基を種と反応させるステップと、
を具備する方法。
（８）前記気相反応物の前記事前ロードは、
高パワープラズマ環境に前記気相反応物を維持するステップと、
前記気相反応物を、フォトレジストの機能またはエッチングストップの機能を有する反応物質に接触させるステップと、
を具備する、請求項７の方法。
（９）前記反応基の前記発生は、前記事前ロードした気相反応物にマイクロ波放射を加えるステップを具備する、（７）の方法。
（１０）更に、前記低パワープラズマ環境においてウエハ表面をエッチングするステップを具備する、（７）の方法。
（１１）前記エッチングするステップは、前記低パワープラズマ環境において、前記ウエハ表面を、前記反応基および前記種の反応生成物によって衝撃を与えるステップを具備する、（１０）の方法。

プラズマに基づく処理システムのための予備反応装置の概略図である。 ウエハ上のコンタクトによって規定されるゲートの断面図である。 ウエハ上に配置されるトレンチ構造の断面図である。

Claims (11)

1. プラズマに基づく処理装置であって、
   反応物質およびエッチングストップ物質のプラズマに基づく化学反応を行うように構成された予備反応プラズマ処理チャンバと、
   前記予備反応プラズマ処理チャンバと動作可能に連通して配置され、前記反応物質および前記エッチングストップ物質の生成物を反応基に変換させるように構成された電力源と、
   前記予備反応プラズマ処理チャンバと流体連通して配置されたウエハプラズマ処理チャンバであって、該ウエハプラズマ処理チャンバ内に配置されたウエハの表面において前記反応基を種と反応させるように構成されたウエハプラズマ処理チャンバと、
   を具備する、装置。
2. 更に、前記予備反応プラズマ処理チャンバと流体連通して配置され、反応供給物質源と流体連通して配置されている吸気マニホルドを具備する、請求項１のプラズマに基づく処理装置。
3. 前記エッチングストップ物質は、フォトレジスト、酸化物、窒化シリコン、および前述の物質の組み合わせから成る群から選択された物質である、請求項１のプラズマに基づく処理装置。
4. 更に、前記予備反応プラズマ処理チャンバおよび前記ウエハプラズマ処理チャンバと流体連通して配置され、前記予備反応プラズマ処理チャンバから前記反応基を受け取り、該反応基を前記ウエハプラズマ処理チャンバに放出するように構成された気体分散プレートを具備する、請求項１のプラズマに基づく処理装置。
5. 前記気体分散プレートは、反応供給物質源と流体連通して配置されている、請求項４のプラズマに基づく処理装置。
6. 前記電力源はマイクロ波放射源である、請求項１のプラズマに基づく処理装置。
7. 低パワープラズマ環境においてウエハを処理する方法であって、
   気相反応物を事前ロードするステップと、
   前記事前ロードした気相反応物から反応基を発生するステップと、
   前記低パワープラズマ環境において前記反応基を種と反応させるステップと、
   を具備する方法。
8. 前記気相反応物の前記事前ロードは、
   高パワープラズマ環境に前記気相反応物を維持するステップと、
   前記気相反応物を、フォトレジストの機能またはエッチングストップの機能を有する反応物質に接触させるステップと、
   を具備する、請求項７の方法。
9. 前記反応基の前記発生は、前記事前ロードした気相反応物にマイクロ波放射を加えるステップを具備する、請求項７の方法。
10. 更に、前記低パワープラズマ環境においてウエハ表面をエッチングするステップを具備する、請求項７の方法。
11. 前記エッチングするステップは、前記低パワープラズマ環境において、前記ウエハ表面を、前記反応基および前記種の反応生成物によって襲撃を与えるステップを具備する、請求項１０の方法。

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