JP2006511059A - 半導体チャンバ、及びプラズマ処理チャンバ内のプラズマの制御方法 - Google Patents

半導体チャンバ、及びプラズマ処理チャンバ内のプラズマの制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
【解決手段】
プラズマを制御するシステム及び方法。本システムは作動電極２０２、別の電極２５２及び可調整接地連結回路２０８を含む半導体チャンバ２００を含んでいる。作動電極２０２はウェハーあるいは基板を受領するように設計されている。作動電極２０２との電気接続を発生させるように設計された少なくとも１つの接地電極２０６が存在する。少なくとも１つの接地電極２１２は可調整接地連結回路２０８に電気連結されている。可調整接地連結回路２０８は接地電極２０６のインピーダンスを修正するように設計されている。プラズマのイオンエネルギーは可調整接地連結回路２０８によって制御される。

Description

本発明は半導体製造に関する。特に、本発明は半導体製造時のプラズマ処理に関する。
半導体利用装置（例えば、集積回路やフラットパネル表示装置）の製造において、材料層はウェハーや基板面に積層され、エッチング加工される（例えば、半導体ウェハーやガラスパネル）。よく知られているように、積層エッチングは様々な技術で実施される。それには、プラズマエッチングが含まれる。プラズマエッチングにおいては、ウェハーや基板の実際のエッチングはプラズマ処理チャンバ内部で実行される。エッチングプロセス時にプラズマはエチャントガス源から形成され、マスクで保護されていないウェハーや基板の部分をエッチングし、望むパターンを提供する。
プラズマエッチングで利用されるプラズマには２種類が存在する。拘束型プラズマと非拘束型プラズマである。非拘束型プラズマはプラズマ処理チャンバ壁と接触し、チャンバ壁から発生する原子でウェハーや基板を汚染することがある。典型的には、プラズマ処理チャンバ壁はウェハーや基板と両立しない材料で成る。拘束型プラズマではほとんど汚染がない。なぜなら、プラズマはチャンバー壁に到達しないように工夫が施されているからである。よって、拘束型プラズマは非拘束型プラズマでは提供されない清浄性を提供する。
従来技術では、様々な電気的または磁性的反発界を発生させてチャンバ壁へのプラズマ到達を妨害した。例えば、プラズマはチャンバ壁内側に提供された複数の拘束リングと、拘束リング内限に到達する直前のプラズマからの排電荷手段で拘束される。拘束リングは絶縁材料で製造されているため、それらはプラズマの電位に匹敵する電位に荷電されるであろう。その結果、反発電界はそれぞれの拘束リングの先端から発生し、プラズマをチャンバ壁方向にそれ以上は突出させないであろう。
図１は静電結合したＲＦプラズマを発生させる処理チャンバを有した従来技術のシステム１００を示す。例えば、ＥＸＥＬＡＮシステムであり、ラムリサーチコーポレーション製である。システム１００はリアクタ１００のごとき平行プレートプラズマリアクタを含んでいる。リアクタ１００は、リアクタ壁に設けられた出口に連結された真空ポンプ１０４で望む真空度に維持される内部１０２を有したチャンバを含む。エッチングガスはガス供給部１０６からプラズマリアクタに供給できる。
例えば、中程度密度のプラズマを双周波数アレンジによりリアクタ内にて発生させることができる。ＲＦ源１０８からのＲＦエネルギーは適合ネットワーク１１０を介して作動電極１１２に供給される。ＲＦ源１０８は２７ＭＨｚと２ＭＨｚのＲＦ電力を供給するように設計されている。電極１１４は接地電極である。ウェハーまたは基板１１６は作動電極１１２で支持され、エッチングガスをプラズマ状態にまでエネルギー付加することで発生させたプラズマでエッチング処理される。複数の拘束リング１２０aと１２０bはプラズマを拘束する。他の静電結合リアクタでも利用可能である。例えば、米国特許６０９０３０４で解説される双周波数プラズマエッチングリアクタのごときＲＦ電力が両電極へ供給されるリアクタが利用できる。
図２はプラズマ処理チャンバ１００の内部１０２の断面を示す。内部１０２は拘束リング１２０aと１２０bを含む。２つの拘束リングのみが図示されているが、その数は限定されない。プラズマ処理チャンバの内部１０２ではウェハーまたは基板１２４を受領するように設計された作動電極１２２が示されている。作動電極１２４には適した掴持システムが提供される。例えば、静電気式、機械式、挟持式、真空式等が利用でき、水晶焦点リング等の絶縁体１２６で包囲される。エッチング時に、ＲＦ電力供給部１２８は約２ＭＨｚから２７ＭＨｚの周波数を有したＲＦ電力を作動電極１２２に伝達できる。ウェハーや基板１２４の上方には接地電極１３０が提供され、拘束リング１２０aと１２０bに連結される。別の接地電極１３２は絶縁リング１２６と隣接し、作動電極１２２近辺に設置される。利用に際して、ＲＦ電力供給部１２８はＲＦ電力を、接地電極１３０と電気的に連結された作動電極１２２に伝達する。
本発明はプラズマを発生させるように設計されたチャンバ内でイオンエネルギーとプラズマ密度を制御するシステムと方法に関する。実施例ではプラズマは静電結合放電で発生する。この半導体チャンバは作動電極、電力供給部、複数の接地電極、及び可調整接地連結回路を含む。作動電極はウェハーまたは基板を受領するように設計されている。電力供給部は作動電極に作動式に連結されている。複数の接地電極は作動電極との電気接続を発生させるように設計されている。少なくとも１つの接地電極は可調整接地連結回路と電気的に連結されている。可調整接地連結回路は接地電極のインピーダンスを修正するように設計されている。イオンエネルギーは可調整接地連結回路で制御される。プラズマ密度は電力供給部で制御される。
可調整接地連結回路はキャパシタまたはインダクタあるいはそれらの組み合わせを含んでいる。１実施例ではキャパシタは可変キャパシタである。別実施例ではキャパシタは固定キャパシタンスを有することができる。固定及び可変キャパシタとインダクタとの組み合わせも可能である。別実施例では、可変インダクタンスを有したインダクタのごときインダクタがキャパシタの代用で使用される。さらに別な実施例ではキャパシタとインダクタの組み合わせが可調整接地連結回路として使用される。
図示チャンバは複数の拘束リングで拘束された拘束型プラズマを発生させるように設計されている。図示の実施例では可調整接地連結回路に電気的に連結された第１接地電極が存在する。可調整接地連結回路は第１インピーダンスを有した第１接地電極を提供する。第１接地電極の第１インピーダンスは可調整接地連結回路で使用されるキャパシタまたはインダクタに依存する。第２接地電極と第３接地電極は直接的に接地連結される。図示実施例では第１接地電極の第１インピーダンスは他の電極に関連するインピーダンスよりも大きい。接地電極のインピーダンス修正の結果、プラズマのイオンエネルギーが制御できる。相対的に高いインピーダンスを有した第１接地電極はイオンエネルギーを第１接地電極から他の接地電極に移す。
さらに、プラズマ処理チャンバにおいてプラズマを制御する方法が提供される。この方法はプラズマ処理チャンバでガスを受領する第１ステップを含んでいる。作動電極はウェハーや基板を受領し、電力供給部から電力を受領するように設計されている。プラズマは作動電極を第１接地電極及び第２接地電極に電気的に連結させことで発生される。接地電極のインピーダンスはイオンエネルギーの制御に使用される。電力供給部はプラズマ密度の制御に使用される。
図３は本発明の第１実施例による可調整接地連結回路を有したプラズマ処理チャンバを示す。図３は静電結合放電を発生させるように設計された処理チャンバ２００の断面図である。このプラズマ処理チャンバ２００をシステムとも呼称する。プラズマ処理チャンバ２００はプラズマに変換されるガスを受領するように設計されている。例えば、相対的に高いガス量がプラズマ処理チャンバ内に送り込まれる。
プラズマ処理チャンバ２００は作動電極２０２、電力供給部２０４及び可調整接地連結回路２０８を有した第１接地電極２０６を含んでいる。作動電極２０２はウェハーまたは基板を受領するように設計されている。作動電極２０２はＲＦ電力を発生させるように設計さた電力供給部２０４に作動式に連結されている。例えば、第１接地電極は作動電極２０２の面積よりも小さい面積を有する。さらに、電力供給部２０４はＲＦ電源である。
水晶焦点リング２１０は作動電極２０２を包囲する。さらに、第２接地電極リング２１２は第１接地電極２０６を包囲する。第２接地電極リング２１２は電気的に接地されており、可調整接地連結回路を有していない。第３接地電極２１４は水晶焦点リング２１０の下側に提供されている。第３接地電極２１４も可調整接地連結回路を含まない。
プラズマ処理チャンバ２００は拘束型プラズマを発生させるように設計されている。拘束リング２１６aと２１６bはプラズマを拘束するように設計されている。典型的には、プラズマ処理チャンバ壁はウェハーや基板とは両立しない材料で提供されている。拘束型プラズマは処理チャンバ壁からの汚染物を発生させない。それが非拘束型プラズマとの大きな相違である。
可調整接地連結回路２０８は第１接地電極２０６と電気的に連結されている。可調整接地連結回路２０８は第１接地電極２０６のインピーダンスを修正するように設計されている。拘束型プラズマのイオンエネルギーとプラズマ密度は可調整接地連結回路２０８で制御される。可調整接地連結回路２０８はキャパシタ２１８を含んでいる。キャパシタ２０８は典型的には１０００ｐｆ以下の固定キャパシタンスを有する。しかし、キャパシタ２１８は可変キャパシタであってもよい。
可調整接地連結回路２０８のキャパシタ２１８とレジスタ２２０は第１インピーダンスを発生させる。これは第２接地電極２１２や第３接地電極２１４のインピーダンスとは異なる。接地電極内のインピーダンス変化によってプラズマのイオンエネルギーとプラズマ密度は制御できる。第１実施例においては、可調整接地連結回路２０８を有した第１接地電極２０６は第２接地電極２１２と第３接地電極２１４よりも高いインピーダンスを有する。第１接地電極からのさらに高いインピーダンスはイオンエネルギーとプラズマ密度を第１接地電極から移動させ、イオンエネルギーとプラズマ密度をさらに低いインピーダンスを有した接地電極に移す。
従来技術では双周波数ＲＦ電力供給部（例えば２７ＭＨｚと２ＭＨｚ）がプラズマ密度とイオンエネルギーの独立した制御に利用される。処理チャンバ２００は１つのＲＦ源でプラズマ密度とイオンエネルギーの個別の制御を実行させる。接地電極との組み合わせによる可調整接地連結電極２０８は１つのＲＦ源によるイオンエネルギーの個別制御を実行させる。プラズマ密度は主として電力供給部２０４により供給される全電力で制御される。
数学モデルが使用され、イオンエネルギーとプラズマ密度の制御能力が確認された。図１と図２の従来の処理チャンバで１２００Ｖ（ピーク・ピーク）と２７ＭＨｚのＲＦ電力が底部電極１２２に適用された。得られたＤＣバイアスは約３０２Ｖであり、プラズマ電極電圧は-８５８Ｖである。図３の可調整接地連結回路は２ｐＦのキャパシタンスを有したキャパシタと３μΩの抵抗を有したレジスタを含んでいる。
処理チャンバ２００に対しては、１１００Ｖで２７ＭＨｚのＲＦ電力が作動電極２０２に適用され、処理チャンバ１００で発生されたものと類似したプラズマ密度とプラズマ分布が達成される。さらに、第１接地電極のインピーダンス変化により、ＤＣバイアスは-２００Ｖ程度になり、プラズマ電極電圧は６５９Ｖである。この実施例は、処理チャンバ２００内のプラズマ密度とイオンエネルギーがＲＦ電力を調整して可調整接地連結回路で制御できることを示している。
図４はイオンエネルギーとプラズマ密度を制御する別処理チャンバ２５０を図示する。作動電極２５２は電力供給部２５４に作動式に連結されている。水晶焦点リング２５６は作動電極２５２を包囲する。プラズマは処理チャンバ２５６内で形成され、拘束リング２５８で拘束される。第１接地電極２６０は第１作動電極２５２よりも大きな表面積を有する。第１接地電極２６０は可調整連結を接地させる可変キャパシタ２６２に電気的に連結されている。可変キャパシタ２６２は５ｐＦから１０００ｐＦのキャパシタンス範囲を有している。第２接地電極２６４は第１接地電極２６０を包囲する接地リングを有している。第２接地電極２６４は別可変キャパシタ２６６に作動式に連結されている。第３接地電極２６８は水晶焦点リング２５６の下側に提供されている。
処理チャンバ２５０は処理チャンバ２００よりも高性能のイオンエネルギー制御を提供する。改良された制御は接地回路への２つの可調整接地連結回路によって提供される。第１接地電極２６０と第２接地電極２６４はそれぞれのインピーダンスを調整する能力を有する。その結果、拘束プラズマの“上部”のさらに効果的な制御が可能になる。
図５は可調整接地連結を有した別処理チャンバ３００を示す。この処理チャンバ３００は図４の処理チャンバ２５０と多くの共通点を有している。例えば、拘束リング、焦点リング、作動電極及び電力供給部である。両者の違いは接地電極周囲である。処理チャンバ３００は可変キャパシタ３０４に作動式に連結した第１接地電極３０２を含む。第２接地電極３０４は第１接地電極３０２を包囲するリングである。第３接地電極３０８は作動電極３０９に隣接して提供されている。可変キャパシタ３１０は第３接地電極に電気的に連結されている。
処理チャンバ３００内の接地電極の組み合わせは拘束型プラズマの上部と拘束型プラズマの側部のイオンエネルギーの制御を可能にする。第２接地電極３０６もインピーダンスを制御するように可調整接地連結回路を有することができる。
図６は４つの接地電極を有した処理チャンバ３５０を示す。第１接地電極３５２は接地されており、作動電極３５３よりも小さい面積を有している。第２接地電極３５４は第１接地電極３５２を包囲するリングである。第２接地電極３５４は可変キャパシタ３５６と電気的に連結され、可変インピーダンスを有する。第３接地電極３５８は第２接地電極３５４を包囲する別リングである。第３接地電極３５８は可変キャパシタ３６０と作動式に連結され、可変インピーダンスを有する。第４接地電極３６２は電力電極３５３近くに設置され、可変キャパシタ３６４と作動式に連結されている。この処理チャンバ３５０は拘束型プラズマの側部でイオンエネルギーを制御させる。
図７は双周波数電力供給部４０２を有した処理チャンバ４００を示す。双周波数電力供給部は２７ＭＨｚと２ＭＨｚのＲＦ電力を発生させる。作動電極４０４は双周波数電力供給部４０２と作動式に連結されている。第１接地電極４０６は可調整接地連結回路４０８と電気的に連結されている。この可調整接地連結回路４０８は可変キャパシタ４１０、インダクタ４１２及びレジスタ４１４を含んでいる。
可調整接地連結回路４０８は、第１接地電極４０６のインピーダンスの制御に加えて高パスフィルタまたは低パスフィルタとして作用するように設計されている。第２接地電極４１６は第１接地電極４０６を包囲する。第２接地電極４１６は可調整接地連結回路を含まない。３接地電極４１８は作動電極４０４に隣接する。第３接地電極はインダクタ４２０と電気的に連結されている。
第３接地電極のインピーダンスはキャパシタの代わりにインダクタ４１８を使用して制御できる。このインダクタは可変インダクタでも構わず、制御可能な様々な異なるインダクタンスを発生させることができる。
さらに、第１接地電極４１０のインピーダンスは可調整接地連結回路の可変キャパシタ４１０、インダクタ４１２及びレジスタ４１４で制御できる。さらに、可調整接地連結回路４０８は双周波数電力供給部４０２の２７ＭＨｚのＲＦ電力または２ＭＨｚのＲＦ電力をフィルタ排除できる。
図８は、上述の様々なシステムを使用して処理チャンバのプラズマを制御する方法のフロー図を示す。この方法は処理ステップ４５２で開始され、プラズマ処理チャンバの操作パラメータが設定される。この操作パラメータは処理対象のタイプによって決定される。エッチング処理においてはガスの種類が選択され、それぞれのガスの流量が決定される。続いて、特定処理対象の作業圧が機械に入力される。さらに、適用されるＲＦ電力量も決定される。加えて、エッチング時間が決定される。あるいは、上述のシステムはプラズマ補助化学蒸着においても利用できる。この方法は処理ステップ４５４に進み、処理ブロック１５２で特定された例示的制御パラメータは安定状態となり、望むセットポイントに到達する。
方法は処理ブロック４５６に進み、ＲＦ電力を作動電極に伝達させる。このシステムは１つの作動電極に関して説明するが、複数の作動電極を有する処理チャンバにも適用できる。
処理ブロック４５８で拘束型プラズマが発生する。プラズマが発生すると、イオンエネルギーとプラズマ密度を修正すべきか決定される。この決定は決定ブロック４６０で行われる。拘束型プラズマのイオンエネルギーを修正する決定であれば、処理ブロック４６２に進み、可調整連結回路が修正される。もしプラズマ密度を修正する必要があれば、方法はブロック４６３に進み、電力を修正してプラズマ密度を制御する。接地電極のインピーダンスを修正することで可調整連結回路はイオンエネルギーを制御する。プラズマ密度は
電力供給部で制御される。
決定ブロック４６０での決定がプラズマの特性を受け容れるとするなら、方法は処理ブロック４６４に進み、基板またはウェハーが処理される。可調整接地連結回路は、拘束型プラズマが望むイオンエネルギーとプラズマ密度を有するように設計できる。
以上、種々な実施例を利用して本発明を解説した。本発明の範囲内でのそれら実施例の変更は可能である。
図１は静電結合プラズマを発生させる処理チャンバを有した従来システムである。 図２は図１のプラズマ処理チャンバの内部の断面図である。 図３は本発明の第１実施例による可調整接地連結回路を有したプラズマ処理チャンバの断面図である。 図４は本発明の第２実施例による可調整接地連結回路を有したプラズマ処理チャンバの断面図である。 図５は本発明の第３実施例による可調整接地連結回路を有したプラズマ処理チャンバの断面図である。 図６は本発明の第４実施例による可調整接地連結回路を有したプラズマ処理チャンバの断面図である。 図７は本発明の第５実施例による可調整接地連結回路を有したプラズマ処理チャンバの断面図である。 図８は処理チャンバ内でプラズマを制御する方法のフロー図である。
符号の説明
２００ プラズマ処理チャンバ（半導体チャンバ）
２０２ 作動電極
２０４ 電力供給部
２０６ 第１接地電極
２０８ 可調整接地回路
２１２ 第２接地電極
２５８ 拘束リング
２６２ 可変キャパシタ
４１２ インダクタ

Claims (22)

  1. プラズマを発生させるように設計された半導体チャンバであって、
    ウェハーまたは基板を受領するように設計された作動電極と、
    該作動電極との電気接続を発生させるよう設計された可変インピーダンスを有する少なくとも１つの電極と、
    前記少なくとも１つの電極に電気的に連結され、該少なくとも１つの電極の前記可変インピーダンスを修正するように設計された可調整接地連結回路と、
    を含んでいることを特徴とする半導体チャンバ。
  2. プラズマを拘束するための少なくとも１つの拘束リングをさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の半導体チャンバ。
  3. 可調整接地連結回路は少なくとも１つのキャパシタを含んでいることを特徴とする請求項１記載の半導体チャンバ。
  4. 少なくとも１つのキャパシタは可変キャパシタを含んでいることを特徴とする請求項１記載の半導体チャンバ。
  5. 可調整接地連結回路は少なくとも１つのインダクタを含んでいることを特徴とする請求項１記載の半導体チャンバ。
  6. 少なくとも１つのインダクタは可変インダクタを含んでいることを特徴とする請求項１記載の半導体チャンバ。
  7. 可調整接地連結回路は少なくとも１つのインダクタ及び少なくとも１つのキャパシタを含んでいることを特徴とする請求項１記載の半導体チャンバ。
  8. プラズマを発生させるように設計された半導体チャンバであって、
    ウェハーあるいは基板を受領する作動電極と、
    該作動電極との電気接続を発生させるように設計された第１インピーダンスを有する第１電極と、
    前記作動電極との別の電気接続を発生させるように設計された第２インピーダンスを有する第２電極と、
    を含んでいることを特徴とする半導体チャンバ。
  9. 第１インピーダンスは第２インピーダンスと異なることを特徴とする請求項８記載の半導体チャンバ。
  10. プラズマを拘束するように設計された少なくとも１つの拘束リングをさらに含んでいることを特徴とする請求項９記載の半導体チャンバ。
  11. 第１電極と電気連結された第１インピーダンスを決定するように設計された第１可調整接地連結回路をさらに含んでいることを特徴とする請求項１０記載の半導体チャンバ。
  12. 可調整接地連結回路は少なくとも１つのキャパシタを含んでいることを特徴とする請求項１１記載の半導体チャンバ。
  13. 少なくとも１つのキャパシタは可変キャパシタを含んでいることを特徴とする請求項１２記載の半導体チャンバ。
  14. 可調整接地連結回路は少なくとも１つのインダクタを含んでいることを特徴とする請求項１１記載の半導体チャンバ。
  15. 少なくとも１つのインダクタは可変インダクタを含んでいることを特徴とする請求項１４記載の半導体チャンバ。
  16. 可調整接地連結回路は少なくとも１つのインダクタと少なくとも１つのキャパシタを含んでいることを特徴とする請求項１１記載の半導体チャンバ。
  17. プラズマ処理チャンバ内のプラズマの制御方法であって、
    電力供給部に電気連結された作動電極にウェハーあるいは基板を受領させるステップと、
    可調整接地連結回路を有する少なくとも１つの他の電極と前記作動電極を電気連結させることでイオンエネルギーとプラズマ密度を有するプラズマを発生させるステップと、
    前記イオンエネルギーを前記可調整接地連結回路と共に制御するステップと、
    を含んでいることを特徴とする方法。
  18. イオンエネルギーの制御は可調整接地連結回路へのインピーダンスを修正することによって処理されることを特徴とする請求項１７記載の方法。
  19. 電力供給部と共にプラズマ密度を制御するステップを含んでいることを特徴とする請求項１７記載の方法。
  20. 可調整接地連結回路はキャパシタを含んでいることを特徴とする請求項１８記載の方法。
  21. 可調整接地連結回路はインダクタを含んでいることを特徴とする請求項１８記載の方法。
  22. 可調整接地連結回路はキャパシタとインダクタを含んでいることを特徴とする請求項１８記載の方法。
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