JP2022032996A - 装置および方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体基板をエッチングするためのプラズマエッチング装置を提供する。【解決手段】このプラズマエッチング装置６００はプラズマチャンバと、プラズマチャンバ内にプラズマを維持するためのプラズマ発生装置と、半導体基板を支持するためにプラズマチャンバ内に配置された基板支持体であって、導電性構造体を含む基板支持体と、ＲＦ電力を有するＲＦ電気信号を導電性構造体に供給するための電源と、裏側表面を含む環状誘電体リング構造体とを含み、裏側表面は導電性コーティングを含み、導電性構造体は、導電性コーティングから離間して前記導電性コーティングの下に延在し、ＲＦ電力が導電性構造に供給されると、ＲＦ電力が導電性コーティングに結合するようになっている。【選択図】図６Ａ

Description

本発明は、基板を、特に半導体基板をエッチングするためのプラズマエッチング装置に関するものである。また、本発明は、プラズマエッチングの関連する方法に関するものである。
産業用アプリケーションにおいて、シリコンウェハなどの半導体基板をエッチングする場合、基板全体にわたってエッチングプロファイルが均一であることが要求される。好ましくは、基板の周辺領域、例えば露出した基板エッジから３ｍｍ以内の領域で良好なエッチングの均一性を維持し、基板のより広い領域を利用できるようにする。
しかし、いくつかのパラメータ（ガス流量、温度、プラズマ密度など）のうち１つの不連続性や変動により、基板の全領域、特に基板の周辺部で良好なプラズマエッチングの均一性を維持することは困難である。さらに、エッチングプロセス中にプロセス条件が変化すると（例えば、基板支持体に印加されるＲＦ電力、ＲＦ周波数、および圧力）、それに応じてプラズマの均一性が変化し、特に基板の周辺部において、エッチングの均一性に悪影響を及ぼす可能性がある。さらに、ウェハの周辺部におけるＲＦの不連続性やトポロジーの変化も、エッチングされたフィーチャのプロファイルに悪影響を及ぼす可能性がある。
既知のプラズマエッチング法では、基板エッジで、または基板エッジに向かってエッチングされたフィーチャ（例えばトレンチ）がエッチチルトを有することになる。図１（Ａ）および１（Ｂ）は、公知の方法でシリコンウェハ１２にエッチングされたトレンチ１０の断面のＳＥＭ画像である。ウェハの周辺領域にあるエッチングされたトレンチ１０は、垂直からの外向きのチルトが７．８°になっている。エッチチルト角とは、エッチングされたフィーチャが垂直から逸脱する角度のことである。「外向きのチルト」は、フィーチャのトップ１４がフィーチャのベース１６よりも半径方向外側にある（すなわち、フィーチャ１０がウェハのエッジに向かって傾いている）エッチングされたフィーチャに対応する。「内向きのチルト」は、フィーチャの上部がフィーチャの基部よりも半径方向内側にある（すなわち、フィーチャがウェハの中心に向かって傾いている）エッチングされたフィーチャに対応する。いずれの場合も、大きなチルト（例えば、図１（Ａ）および１（Ｂ）に示すような）があると、一般的な均一性の仕様から外れるため、これらの領域では歩留まりが低下することになる。そのため、特に基板の周辺領域において、エッチングの傾きと均一性を改善し、基板のより多くの部分に許容できる品質のエッチングされたフィーチャを含むようにできるプラズマエッチング装置を開発することが望ましい。これにより、歩留まりの向上、廃棄物の削減、処理コストの低減が期待できる。
エッチチルト角は、プラズマ中の種が基板に衝突する角度（すなわち、入射角）によって決まる。ＲＦ給電ウェハ支持体を備えたプラズマエッチングツール（例えば、異方性プラズマが使用される場合）では、関連するプラズマシースの形状が、プラズマ中の種（例えば、イオン）の入射角を決定する。一般に、プラズマ中の種（例えばイオン）は、プラズマシース境界層に対して実質的に垂直に移動する。エッチチルト角が約ゼロの垂直形状をエッチングするためには、プラズマシースが基板の露出面と実質的に平行であることが一般的に好ましい。しかし、プラズマシースは、エッチングされる基板エッジで、またはエッジに向かって曲率を備えるのが一般的であり、この領域では不要なエッチチルトが発生する。
あくまでも例として、図２は、ＲＦ給電基板支持体２０のエッジにおけるプラズマシース境界層の形状を、ＲＦ電力の関数として（他のパラメータは一定のままで）近似的に示している。ＲＦ給電基板支持体は、静電チャック（ＥＳＣ）セラミック２２と、ＲＦ給電が可能な金属プラテン２４と、セラミックプラテンカバー２６とを含む。基板２１２を包囲するように環状の均一性リング２８が設けられている。
図２（Ａ）は、基板支持体に１３．５６ＭＨｚの高周波（ＨＦ）ＲＦ信号を印加した状態を示している。低ＲＦ電力では、プラズマ中の種は半径方向外側に向けられた軌道を有し、これにより内向きのチルトを有するエッチングされたフィーチャが得られる。一方、高ＲＦ電力の場合、プラズマ中の化学種は半径方向内側に向かう軌道を描き、外側に傾いた形状のエッチングが行われる。ＲＦ電力を制御することでエッチングのチルトをある程度制御することは可能であるが、他のエッチングパラメータに悪影響を及ぼしたり、制御が困難なプロセスウィンドウを提供したりする可能性がある。
図２（Ｂ）は、３８０ｋＨｚの低周波（ＬＦ）ＲＦ信号を基板支持体に印加した状態を示している。ＬＦＲＦ電力を使用すると、基板エッジのプラズマシースの落ち込みが急激になる。その結果、低ＲＦ電力でもプラズマ中の化学種は半径方向内側に向けられた軌道を描き、その結果、エッチングされたフィーチャは外向きのチルトを有する。ＲＦ電力を上げると（ＬＦの場合）、プラズマ中の化学種の内向きの軌道がさらに大きくなり、外向きのチルトが大きくなる。ＬＦＲＦ電力を使用する場合、基板支持体に印加する電力を調整するだけでは、基板の周辺領域で満足のいくエッチングの均一性を得ることはできないだろう。
ＨＦまたはＬＦＲＦ電力を基板支持体に印加した場合に、エッチの均一性とエッチプロファイルの改善（例えば、エッチチルトの改善）が可能な装置の開発が望まれている。
さらに、一部のエッチングアプリケーション（例えば、ＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａエッチングなど）では、基板のエッジをプラズマ処理条件から保護する必要がある。このようなプロセスでは、均一性リングの代わりにウェハエッジプロテクション（ＷＥＰ）構造体を使用することができる。ＷＥＰ構造体は、典型的には、基板の周辺領域を覆うが接触しない絶縁性の環状リングである。例えば、ＷＥＰ構造体は、基板エッジから約１～２ｍｍの周辺領域を覆うことができる。しかし、ＷＥＰ構造体を使用すると、プラズマシースの形状に悪影響を及ぼし、ウェハのエッジに向かってエッチチルト角が大きくなる。特に、ＲＦ電力をＬＦにした場合、外向きのチルトがより顕著になる。そこで、ＬＦまたはＨＦＲＦ電力が適用されるか否かに関わらず、ＷＥＰ構造体の近傍におけるエッチチルトの不均一性を最小限に抑えることができる装置の開発が望まれている。
米国特許出願公開第２０１９／０００６１５５号 米国特許出願公開第２０１０／０２０３７３６号
本発明は、その実施形態の少なくともいくつかにおいて、上述の問題、要望、およびニーズの少なくともいくつかに対処しようとするものである。特に、本発明は、均一性リングまたはＷＥＰ構造体を使用するエッチングアプリケーションのために、広い範囲のプロセスウィンドウにわたって、特に基板の周辺領域におけるエッジチルトの不均一性を低減しようとするものである。また、本発明は、ＨＦおよびＬＦの偏光が基板支持体に印加された場合両方で、基板の周辺領域におけるプラズマシース境界層の曲率を最小化することも目的としている。また、本発明は、ＨＦ偏光とＬＦ偏光の両方で良好なエッチチルト制御を実現し、これにより、異なるエッチアプリケーション間のエッチ装置のダウンタイムを短縮することを目的とする。
本発明の第１の態様により、半導体基板をエッチングするためのプラズマエッチング装置が提供され、このプラズマエッチング装置は、
プラズマチャンバと、
前記プラズマチャンバ内にプラズマを維持するためのプラズマ発生装置と、
前記プラズマチャンバ内に配置され、前記半導体基板を支持する基板支持体であって、導電性構造を有する基板支持体と、
ＲＦ電力を有するＲＦ電気信号を前記導電性構造体に供給するための電源装置と、
裏側表面を備えた環状誘電体リング構造であって、前記裏側表面は導電性コーティングを含む、環状誘電体リング構造と、を備え、
前記導電性構造体は、前記導電性コーティングから離間して前記導電性コーティングの下に延在し、前記導電性構造体にＲＦ電力が供給されると、前記ＲＦ電力が前記導電性コーティングに結合するようになっていることを特徴とする。
本発明者らは、環状リングの裏側表面に導電性コーティング（例えば、金属コーティング）を用いることで、基板の周辺領域でのエッチチルトを抑制できることを見出した。エッチングの均一性の向上とエッチチルトの抑制は、高周波（ＨＦ）または低周波（ＬＦ）のＲＦ電気信号を基板支持体に印加したときに観察される。しかし、ＬＦＲＦ電力を基板支持体に印加した場合には、エッチ制御の大幅な改善が得られるため、特に有利な効果が得られる。
さらに、本発明では、マイクロマスキングの大幅な改善（低減）を実現している。マイクロマスキングは、基板支持体にＲＦ電力を印加した結果、プラズマ条件に曝された環状誘電体リング構造（または他の絶縁部品）がスパッタリングされることで発生する。マイクロマスキングは、導電性構造の幅が環状誘電体リング構造の下にまで及んでおり、エッチングプロセス中にＨＦＲＦ電力が使用される場合に特に顕著に見られる。環状誘電体リング構造の裏側表面に導電性コーティングを施すことで、マイクロマスキングの程度を大幅に低減することができる。
環状誘電体リング構造は、ＷＥＰ（Ｗａｆｅｒ Ｅｄｇｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）構造体を含み得る。ＷＥＰ構造体は、典型的には、基板の周辺領域上に延在し、周辺領域がプラズマチャンバ内で維持されているプラズマから遮蔽されるようになっている。ＷＥＰ構造体は、プラズマエッチングの間、基板から離間されている。ＷＥＰ構造体は、プラズマエッチング領域を画定する内周を含み得る。ＷＥＰ構造体の内周の直径は、典型的には基板の直径よりも小さく、例えば、最大で約３ｍｍ、任意で約１～２ｍｍである。導電性構造体は、ＷＥＰ構造体の内周を超えて延在してもよく、したがって、プラズマエッチング領域を超えて延在することができる。ＷＥＰ構造体の使用を必要とするエッチングプロセスは、特に、基板の露出した周辺領域におけるエッチングの不均一性や、マイクロマスキングが発生しやすい。しかし、本発明では、これらのプロセスにおけるエッチチルトおよびエッチ均一性の制御を大幅に改善することができ、また、マイクロマスキングの程度も低減することができる。
環状誘電体リング構造体は均一性リングを含み得る。均一性リングは、プラズマエッチング中の基板の外周の周りに延在してもよい。例えば、均一性リングは、基板を包囲してもよい。均一性リングは、内周を有し得る。均一性リングの内周の直径は、典型的には、基板の直径よりも大きく、例えば、約１～５ｍｍ、任意に約２～３ｍｍである。
環状誘電体リング構造体は、均一性リングとＷＥＰ構造体を含み得る。均一性リングは、ＷＥＰ構造体上に配置されて、環状誘電体リングのスタックを形成してもよい。誘電体リングのスタックは、プラズマチャンバ内で持続するプラズマの均一性をよりよく安定させることができる。
本装置は、基板支持体上に配置された半導体基板を含み得る。均一性リングは、１～５ｍｍ、任意に２～４ｍｍ、任意に約３ｍｍの範囲の距離だけ半導体基板の直径よりも大きい内径を含み得る。例えば、直径２００ｍｍの半導体基板の場合、均一性リングの内径は、２０１～２０５ｍｍ、任意に２０２～２０４ｍｍ、任意に約２０３ｍｍの範囲であり得る。
環状誘電体リング構造体はセラミック材料製であってよい。セラミック材料はＡｌ２Ｏ３であり得る。セラミック材料はＳｉＯ２、ＡｌＮ、Ｅｒ２Ｏ３であり得る。
環状誘電体リング構造体の裏側表面は、プラズマチャンバ内で維持されるプラズマから遠ざかる方向を向いている。したがって、裏側表面、ひいては導電性コーティングは、プラズマに曝されない。導電性コーティングは、金属製または金属合金製であり得る。金属は、アルミニウムまたはチタンであり得る。導電性コーティングは、複数の金属層など、複数の導電性層を含み得る。これにより、機能性を向上させることができ、例えば、セラミックとの密着性を向上させ、抵抗率を低下させることができる。誘電体パッシベーション層を導電性コーティングの表面に施して、金属コーティングをチャンバ環境への露出から保護できる。
導電性コーティングは、約５０μｍ未満、任意に３０μｍ未満、任意に２０μｍ未満、または任意に約１０μｍの厚さを有し得る。
導電性コーティングは、半径方向内側の領域および半径方向外側の領域を含み得る。半径方向外側領域は、半径方向内側領域よりも小さい距離だけ導電性構造体から離間し得る。裏側表面は、環状の段差を含み得る。段差は、導電性コーティングの半径方向内側の領域および半径方向外側の領域を区分けすることができる。
導電性コーティングは、電気的に浮いている電位を有し得る。導電性コーティングは、典型的には、導電性構造体から電気的に絶縁されている。典型的には、導電性構造体に供給されるＲＦ電力は、導電性コーティングに容量的に結合する、すなわち、容量性結合によって結合する。
環状誘電体リング構造体は、基板支持体から遠ざかる方向を向いた正面側表面を含み得る。正面側表面は、半径方向内向きのチルト部分を含み得る。正面側表面は、プラズマチャンバ内で維持されているプラズマの方を向いている（そして、典型的には、プラズマに曝されている）。半径方向内向きのチルト部分は、直線状、曲線状、またはそれらの組み合わせであり得る。例えば、半径方向内向きのチルト部分は、凹状であり得る。
導電性構造体の幅は、ＲＦ電力を有するＲＦ電気信号を提供することができる領域（以下、「ＲＦ給電エリア」と称する）を画定できる。導電性構造体は、典型的には、処理される基板の直径よりも大きい幅を有する。その結果、ＲＦ給電エリアは、典型的には、処理される基板のエッジを超えて（すなわち、半径方向外側に）延在する。いかなる理論や推測にも拘束されることなく、ＲＦ給電エリアを基板のエッジを超えて拡張することにより、ＲＦ給電エリアと周囲の非駆動部品（例えば、環状誘電体リング構造体）との間の界面におけるプラズマシースの落ち込みが、ウェハのエッジからさらに半径方向外側に移動すると考えられる。これにより、露出した基板の周辺領域におけるプラズマシースの曲率が小さくなり、その結果、エッチングされたフィーチャの外向きのチルトが小さくなる。そのため、特に基板の周辺領域でのエッチチルト角が極減され得る。例えば、直径２００ｍｍの基板を処理する際に、ＲＦ給電エリアの幅を基板エッジを超えて、例えば２００ｍｍ超、任意に２１０ｍｍ以上、任意に２２１ｍｍ程度まで広げると、基板の露出したエッジから約２ｍｍまでのエッチチルトが改善される。
導電性構造体は、導電性コーティングの半径方向内側の部分の下に延在する。例えば、導電性構造体の半径方向外側のエッジは、導電性コーティングの下に実質的に垂直に存在し得る、あるいは、導電性コーティングの半径方向外側に存在し得る。導電性構造体は、導電性コーティングの半径方向外側に延在し得る。導電性構造体は、２００ｍｍ超、任意に２１０ｍｍ以上、任意に約２２１ｍｍの幅を有し得る。驚くべきことに、導電性構造体が環状誘電体リング構造体の下に延在するにもかかわらず、環状誘電体リング構造体の裏側に導電性コーティングが存在すると、特にＨＦＲＦ電力が基板支持体に印加されたときに、マイクロマスキングの程度が大幅に低減される。
導電性構造体は電極を含み得る。導電性構造体は導電体（例えば、電極）を含み得る。導電性構造体は、導電性本体を包囲する導電性リングを含み得る。導電性本体および導電性リングのそれぞれに、ＲＦ電力を有するＲＦ電気信号が供給され得る。導電性本体と導電性リングは、総合してＲＦ給電エリアを画定することができる。導電性本体は、金属または金属合金を含む金属材料製であり得る。導電性リングは、金属または金属合金を含む金属材料製であり得る。有利には、導電性リングを既存の基板支持体に後付けして、導電性構造体の幅を広げ、それによってＲＦ給電エリアの幅を広げることができる。これにより、既存の装置を変更して、本発明の技術的効果を達成できる。
基板支持体は静電チャック（ＥＳＣ）を含み得る。導電性リングはＥＳＣを包囲し得る。
ＲＦ電気信号は、低ＲＦ周波数を有し得る。例えば、ＲＦ電気信号は、約２ＭＨｚ未満、任意に約１ＭＨｚ未満、任意に約５００ｋＨｚ未満、または任意に約３８０ｋＨｚの周波数を有し得る。
ＲＦ電気信号は、高ＲＦ周波数を有し得る。例えば、ＲＦ電気信号は、約２ＭＨｚ以上、任意に約１３．５６ＭＨｚの周波数を有し得る。
ＲＦ電力は、５～５００Ｗの範囲の電力、任意に３３～４００Ｗの範囲の電力、または任意に５０～３００Ｗの範囲の電力であり得る。基板支持体にＲＦ電力を供給することにより、プラズマチャンバ内で持続されるプラズマは異方性を有する。例えば、適切なＲＦバイアス電力が基板支持体に印加されると、プラズマ中の種（イオンやラジカルなど）は、高アスペクト比の特徴を製造できるように、（プラズマシースの形状に依存して）実質的に類似した入射軌道で概ね基板に向けられる。
半導体基板は、シリコンウェハであり得る。シリコンウェハは、約１５０ｍｍ、約２００ｍｍ、または約３００ｍｍの直径を有し得る。
プラズマエッチング装置は、誘導結合プラズマエッチング装置であり得る。プラズマ発生装置は、コイルであり得る。
本発明の第２の態様により、第１の態様の装置を用いて半導体基板をプラズマエッチングする方法が提供され、この方法は、
基板支持体上に半導体基板を配設するステップと、
プラズマチャンバ内でプラズマを維持するステップと、
ＲＦ電力が導電性コーティングに結合するように、導電性構造体にＲＦ電力を供給するステップを含む。
以上、本発明について説明したが、本発明は、上記、または以下の説明、図面、特許請求の範囲に記載された特徴の任意の発明的な組み合わせにも適用される。例えば、本発明の一態様に関連して開示された任意の特徴は、本発明の他の態様のいずれかに関連して開示された任意の特徴と組み合わせてもよい。
次に、本発明の実施形態を、あくまでも例示として、添付の図面を参照して説明する。
既知のエッチングプロセス後のシリコンウェハのエッジのＳＥＭ画像の図である。 既知のエッチングプロセス後のシリコンウェハのエッジのＳＥＭ画像の、高倍率での図である。 プラズマシースの境界層を、基板支持体に印加された（Ａ）ＨＦ電力と（Ｂ）低ＨＦ電力の関数として表した図である。 ＲＦ給電エリアの幅が（Ａ）１９８ｍｍ、（Ｂ）２１０ｍｍ、（Ｃ）２２１ｍｍである基板支持体の断面図である。 高周波電力の周波数が（Ａ）１３．５６ＭＨｚ、（Ｂ）３８０ｋＨｚの場合の、基板エッジからの距離に応じたエッチチルト角（°）のプロットである。 ＲＦ電力の周波数が（Ａ）１３．５６ＭＨｚおよび（Ｂ）３８０ｋＨｚの場合の、基板エッジからの距離に応じたエッチチルト角（°）のプロットである。 環状誘電体リングのスタックを含む装置の断面図である。 環状誘電体リングのスタックを含む装置の断面図である。 ２つの均一性リング／ＷＥＰ構成における、基板エッジからの距離に応じたエッチチルト角（°）のプロットである。 ２つの均一性リング／ＷＥＰ構成における、基板エッジからの距離に応じたエッチチルト角（°）のプロットである。 基板エッジからの距離に応じたエッチチルト角（°）のプロットである。 エッチングプロセス後の基板のＳＥＭ画像の図である。 エッチングプロセス後の基板のＳＥＭ画像の図である。 エッチングプロセス後の基板のＳＥＭ画像の図である。 エッチングプロセス後の基板のＳＥＭ画像の図である。
以下の説明では、比較例は、英国サウスウェールズ州ニューポートのＳＰＴＳ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ社から市販されているＩＣＰベースのＳＰＴＳ Ｒａｐｉｅｒ（ＲＴＭ）プラズマエッチングツールで行った。比較例では、２００ｍｍのシリコンウェハを使用し、既知の「ボッシュプロセス」のＳｉエッチングを実行した。以下に詳述するように、本発明の実施形態は、既存のプラズマエッチング装置に後付けしてもよい。
同じ参照数字が異なる図および／または実施形態で使用されている場合、その参照数字が関連する特徴は、実質的に同一の特徴に対応するものである。
本発明の実施形態によるプラズマエッチング装置は、プラズマチャンバと、チャンバ内にプラズマを持続させるためのプラズマ発生装置とを備えている。プラズマエッチング装置は、プラズマエッチングプロセス中に、半導体基板などの基板をその上に支持するための基板支持体をさらに備えている。基板支持体は、導電性の構造体を含む。基板支持体は、ＥＳＣおよび／または金属プラテンを含み得る。基板支持体は、適切な電源からＲＦバイアス電力を有するＲＦ電気信号を供給されるように構成されている。
図３（Ａ）は、プラズマエッチング装置の一部を示しており、直径２００ｍｍの基板３０が基板支持体３２Ａに支持されている。基板支持体３２Ａは、導電性の構造体として、金属製のプラテン３４Ａを備えている。金属プラテン３４Ａは１９８ｍｍの幅を有しており、したがって、基板３０の外縁よりも半径方向内側で終端している。導電性構造体の幅は、ＲＦ電力で駆動可能な領域（以下、「ＲＦ給電エリア」または「駆動エリア」と呼ぶ）を画定する。
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）と同様のプラズマエッチング装置を示しているが、金属プラテン３４Ｂが２１０ｍｍの幅を有しており、したがって、基板３０の外縁の半径方向外側で終端していることを除いては、図３（Ａ）と同様である。
図３（Ｃ）は、基板支持体３２Ｃが、金属製のプラテン３４Ｃと、プラテン３４Ｃの一部を包囲する追加の導電性リング３６とを含むことを除いては、図３（Ａ）と同様のプラズマエッチング装置である。金属プラテン３４Ｃと導電性リング３６は電気的に接続されており、導電性構造体３２ＣにＲＦ電力が供給されると、金属プラテン３２Ｃと導電性リング３６の両方にＲＦ電力が供給される。その結果、導電性リング３６によって、ＲＦ給電エリア（「駆動エリア」（ＤＡ）とも呼ばれる）が拡張される。図３（Ｃ）に示すＲＦ給電エリアは、２２１ｍｍの幅を有している。金属製のリングなどの導電性リング３６は、既存のプラズマエッチング装置に後付けすることで、ＲＦ給電エリアを広げることができる。
図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のそれぞれにおいて、基板は、セラミック製の均一性リング３８によって包囲されている。環状の均一性リング３８は、約２０２ｍｍの内径（すなわち、基板の直径よりも約２ｍｍ大きい）を有する。図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す環状均一性リング３８は、プラズマエッチングプロセスの際に基板３０を包囲する。この環状均一性リング３８を用いて、プラズマエッチングプロセス中のプラズマの均一性を向上させる。
プラズマエッチングプロセスは、図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す装置を用いて行われ、エッチチルト角は、基板エッジからの距離の関数として測定された。正のチルト角は外側への傾斜に、負のチルト角は内側への傾斜に相当する。
図４（Ａ）は、基板支持体に印加されたＲＦ電気信号の、高周波（ＨＦ）が１３．５６ＭＨｚ、電力が３００Ｗの場合の、基板エッジからの距離に応じたエッチチルト角のプロットである。図４（Ｂ）は、基板支持体に印加されるＲＦ電気信号の、低周波数（ＬＦ）を３８０ｋＨｚ、電力をこの場合も３００Ｗとした場合の、基板エッジからの距離に応じたエッチチルト角のプロットである。いずれの場合も、ＲＦ給電エリアの幅が大きくなるにつれて、外向きのチルトの度合いが小さくなっている。例えば、図４（Ｂ）を参照すると、ＲＦ給電エリアの幅が１９８ｍｍから２２１ｍｍになるにつれて、ウェハのエッジから２ｍｍ離れた位置での外向きのチルトの度合いが１０°未満から４°未満に減少している。
いかなる理論や推測にも拘束される意図はないが、ＲＦ給電エリアを拡張することで、ＲＦ給電エリアと周囲の非駆動環状誘電体リング（例えば均一性リング）との間の界面におけるプラズマシースの落ち込みを、半径方向外側に、基板エッジからより離れる方向に移動させると考えられる。その結果、基板エッジ部におけるプラズマシースの曲率が小さくなり、基板の周辺領域におけるエッチングされたフィーチャの外向きのチルトの度合いが小さくなる。この効果は、高周波数のＲＦ電力でより顕著になる。繰り返しになるが、いかなる理論や推測にも拘束される意図なく、ＬＦＲＦ電力を使用した場合、プラズマシースがウェハのエッジを超えて延在する程度が少なくなる（したがって、より高い曲率を持つ）と考えられる。
一部のエッチングアプリケーションでは、過酷なプラズマエッチング条件から基板のエッジ領域を保護するために、均一性リングではなくＷＥＰ（Ｗａｆｅｒ Ｅｄｇｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）構造体が必要になる。ＷＥＰ構造体は、基板のエッジ領域をプラズマから保護するために、基板に接触せずにカバーする。ＷＥＰ構造体は、約１９７ｍｍの内径（すなわち、基板の直径よりも３ｍｍ小さい）を有し得る。この例では、ＷＥＰ構造体は、基板の外周の周りの約１．５ｍｍ幅のエッジ領域をカバーすることになる。
図５（Ａ）は、図３（Ｃ）に示した基板支持体を用いて、１３．５６ＭＨｚの高ＲＦ周波数において、基板エッジからの距離の関数としてのエッチチルト角のプロットを示している。ＷＥＰ構造体５８（均一性リング３８の代わりに）を使用すると、２ｍｍのエッジを除外して内向きのチルトの大きさが１°未満から３°未満に増加した。
図５（Ｂ）は、図３（Ｃ）に示す基板支持体を用いて、３８０ｋＨｚの低ＲＦ周波数における基板エッジからの距離の関数としてのエッチチルト角のプロットを示している。均一性リング３８の代わりにＷＥＰ構造体５８を使用すると、外向きのチルトの大きさが４°未満から１４°未満に増加した。
いかなる理論や推測にも拘束される意図はないが、ＷＥＰ構造体の直径が小さいため（均一性リングと比較して）、プラズマシースの曲率は基板エッジに近づくほど大きくなる。その結果、ＷＥＰ構造体を使用した場合、チルトの大きさが大きくなる。これらの効果は、ＬＦＲＦ電力ではより顕著である。
エッジチルト効果をさらに低減するために、本発明者らは、環状誘電体リング（均一性リングやＷＥＰ構造体など）の裏側表面に導電性のコーティングを施すことで、特に基板のエッジで、またはエッジに向かって、エッチチルト角を大幅に低減できることを見出した。
図６（Ａ）は、一般に６００として示される、プラズマエッチング装置の一部の第１の実施形態を示す。本実施形態では、プラズマエッチング装置６００は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング装置であるが、他のタイプのプラズマエッチング装置も使用され得る。装置６００は、プラズマチャンバ６０２と、コイルなどのプラズマ発生装置（図示せず）と、半導体基板６１２などの基板を支持するための基板支持体６２０と、ＲＦ電力を有するＲＦ電気信号を基板支持体６２０に供給するための電源（図示せず）とを備えている。
基板支持体６２０は導電性構造体６２４を含んでいる。基板支持体は、ＥＳＣおよび／または金属プラテンなどのプラテンを含み得る。導電性構造体６２４は、基板６１２の半径方向外縁部を超えて延在する幅を有する。基板支持体６２０は、適切な電源からＲＦバイアス電力を供給されるように構成されている。ＲＦ電力で給電可能な領域（すなわち、ＲＦ給電エリア）は、基板６１２の半径方向外縁を超えて延在する。図６（Ａ）の例では、基板支持体６２０は、金属製のプラテン６２６と、プラテン６２６の一部を包囲する追加の導電性リング（例えば、金属製のリング）６２８を含む。プラテン６２６の幅は約１９８ｍｍであり得る。環状の導電性リング６２８はプラテン６２６のＲＦ給電エリアを拡張するように構成されている。ＲＦ給電エリアの幅は約２２１ｍｍである。
環状誘電体リング構造体６３０は、基板の周囲に延在するように配置される。環状誘電体リング構造体は、セラミック材料などの誘電体材料製である。第１の実施形態では、環状誘電体リング構造体６３０は、ＷＥＰ構造体６３４の上に積層された均一性リング６３２（すなわち、誘電体環状リングのスタック）を含む。しかし、他の実施形態では、環状誘電体リング構造体は、均一性リング６３２またはＷＥＰ構造体６３４であり得る。環状誘電体リング構造体６３０は、基板６１２のエッジ領域を覆うとともにエッジ領域から離間しており、エッジ領域をエッチングプロセス中のプラズマ条件から保護するようになっている。
環状誘電体リング構造体６３０は、プラズマエッチングプロセス中にプラズマの方を向く（そして典型的にはプラズマに曝される）正面側表面６３６を有する。図示の例では、正面側表面６３６は、プラズマエッチングプロセス中にプラズマの方を向く均一性リング６３２の表面である。均一性リング６３６に設けられた切断部６３８により、正面側表面６３６は、半径方向内側に向いた傾斜部を含む。図示の例では、半径方向内向きのチルト部分は凹状である。しかし、本発明は、正面側表面６３６の形状によって限定されるものではない。
環状誘電体リング構造体６３０は、プラズマエッチングプロセス中にプラズマから遠ざかる方向を向く（すなわち、基板支持体の方を向く）裏側表面６４６を含む。図６（Ａ）の例では、ＷＥＰ構造体６３４は、裏側表面６４６を含む。裏側表面６４６は、基板支持体６２０上に載せることができるが、カバー６２９などの絶縁性（例えばセラミック）部品によって導電性構造体６２４から離間している。
図６（Ａ）の例では、裏側表面は、段差６５４によって隔てられた半径方向内側領域６５０と半径方向外側領域６５２とを含む。半径方向外側領域６５２は、半径方向内側領域６５０よりも導電性構造体６２４に近い位置に配置されている。半径方向内側領域６５０は、基板６１２のエッジ領域上に延在するとともにエッジ領域から離間して配置されている。
裏側表面６４６は、金属コーティングのような導電性コーティング６５８を含んでいる。金属コーティング６５８は、アルミニウム、チタン、またはプラズマ処理条件で使用するのに適した他の導電性金属または金属合金製であり得る。この例では、導電性コーティングは、約１０μｍの厚さを有する。他の実施形態では、導電性コーティングは、約５０μｍ未満の厚さを有し得る。導電性コーティング６５８の少なくとも一部は、導電性構造体６２４の上に配置されており、ＲＦ電力が導電性構造体６２４に供給されると、ＲＦ電力が導電性コーティング６５８に結合するようになっている。別の言い方をすると、導電性構造体は、導電性コーティング６５８の下に延在する。これにより、（上述したように）エッチングプロセス中の基板の周辺領域でのエッチチルトに関連する問題を大幅に低減することができる。図６（Ａ）に示す実施形態では、半径方向内側領域６５０、半径方向外側領域６５２、および段差６５４の実質的に垂直な表面のそれぞれが、導電性コーティング６５８を含む。
図６（Ｂ）は、環状誘電体リング構造体６３０Ｂの裏側表面が導電性コーティング６５８を含んでいないことを除いて、装置６００と同一の比較用装置６００Ｂを示す。
図７（Ａ）および（Ｂ）は、エッチプロセス中に３８０ｋＨｚのＬＦＲＦ電力が基板支持体に供給されたときの、金属コーティング付きＷＥＰ構造体および金属コーティングなしのＷＥＰ構造体上の２つの異なる均一性リング構成についての、基板エッジからの距離の関数としてのエッチチルト角（°）のプロットを示す。正のエッチチルト角は外向きのチルトに相当する。図７（Ａ）は、ＷＥＰ構造体の上に積層された第１の均一性リングからなる環状誘電体リング構造体の第１のスタックを使用した。図７（Ａ）のライン７０２（メタライズド環状誘電体リング構造体６３０）および７０４（非メタライズド環状誘電体リング構造体６３０Ｂ）を得るために使用されたプロセス条件は同一であった。図７（Ｂ）は、ＷＥＰ構造体上に積層された第２の均一性リングを含む環状誘電体リング構造体の第２のスタックを使用した。図７（Ｂ）のライン７１２（メタライズド環状誘電体リング構造体６３０）および７１４（非メタライズド環状誘電体リング構造体６３０Ｂ）を得るために使用したプロセス条件は同一であった。基板支持体６２０に印加される電力は、３３～３００Ｗの範囲であった。
いずれの場合も（すなわち、環状誘電体リング構造体のスタックにおける均一性リングの形状とは無関係に）、環状誘電体リング構造体６３０の裏側表面に導電性コーティング６５８を設けることで、エッチチルト角の大きさが減少した。例えば、図７（Ａ）を参照すると、外向きのチルトは、６°未満から１°未満に減少した（３ｍｍのエッジを除外して）。驚くべきことに、最適化された条件で導電性コーティング６５８が存在すると、内向きのチルトを達成することができ、これは、基板のエッジにおけるプラズマシースの平坦化を助けるために、プラテン電力を適宜変化させることによってさらに調整され得る。
図８は、エッチングプロセス中に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を基板支持体に供給したときの、基板エッジからの距離の関数としてのエッチチルト角（°）のプロットである。正のエッチチルト角は外向きのチルトに相当する。環状誘電体リング構造体６３０の裏側（例えば、ＷＥＰ６３４の裏側）に導電性コーティング６５８を設けると、基板の周辺領域でのエッチチルト角がより内向きになる。内向きのエッチチルト角は、プラテン電力を微調整することで最適化され得る。一般的には、プラテンの出力が高いほど、エッチの角度は外向きに傾くことになる。したがって、（ハードウェアの変更ではなく）わずかなプロセスの変更で、基板の周辺領域のエッチチルト角を最適化し、プロセス制御を改善することができる。
いかなる理論や推測にも拘束される意図はなく、容量性インピーダンスが周波数に反比例するため、ＲＦ周波数が低いほどＲＦカップリングの効率は低下すると考えられる。
Figure 2022032996000002
式中、Ｚはインピーダンス、θはＲＦ周波数、Ｃはキャパシタンスを表している。繰り返しになるが、いかなる理論や推測にも拘束されずに、絶縁環状誘電体リング（例えばＷＥＰ構造体）の裏側表面に導電性コーティングが存在すると、高周波数（例えば１３．５６ＭＨｚ）に比べて元の結合が著しく弱い低周波数（例えば２ｋＨｚ未満、または３８０ｋＨｚ未満）において、特にＲＦ結合効率が向上すると考えられる。導電性コーティング６５８によってもたらされた結合の改善により、基板エッジにおけるプラズマシースの曲率が減少し、その結果、基板の周辺領域におけるエッチチルト角が減少する。
さらに、環状誘電体構造体６３０の裏側表面６４６に導電性コーティング６５８を設けることで、基板６１２の周辺領域で発生するマイクロマスキングの程度を低減できることも分かった。マイクロマスキングは、ＲＦ給電エリアが基板６１２のエッジを超えて延在するときに発生し、特にＲＦ給電エリアが環状誘電体リング構造体６３０の下に延在するときに発生し、周囲のセラミック部品（環状誘電体リング構造体６３０を含む）が偏るようになる。この偏りの結果、セラミック部品は、イオンボンバードメントによって物理的にスパッタリングされ、スパッタリングされた材料は、基板６１２の周辺領域を含む近隣の表面に再堆積される。再蒸着された（絶縁性の）材料は、一般に不揮発性であるため、基板６１２上にマイクロマスキングが生じる。この結果、エッチングプロセスの最後に不要な粗面が生じる。図９は、１３．５６ＭＨｚのＨＦ ＲＦ電力を基板支持体６２０に印加したエッチングプロセス後の、直径２００ｍｍの基板の周辺部分を示している。ＲＦ電力が印加された領域の幅は２２１ｍｍであり、環状誘電体リング構造体は、内径１９７ｍｍのＷＥＰ構造体を含んでいた。非メタライズドＷＥＰ構造体（例えば６３０Ｂ）を用いた場合には、マイクロマスキングにより、基板６１２の表面に、エッチングされていない大きなストランドが残った（図９（Ａ））。一方、メタライズド環状誘電体リング構造体（例えば６３０や６３４）を用いた場合には、完全には改善されないまでも、マイクロマスキングの程度は著しく減少した（図９（Ｂ））。
図１０は、直径２００ｍｍの基板の周辺部を示したもので、基板支持体６２０に約３８０ｋＨｚ未満のＬＦ ＲＦ電力を印加してエッチングプロセスを行った後のものである。その他のプロセス条件は、図９について説明したものと同じである。低ＲＦ周波数では、非メタライズド環状誘電体リング構造体（例えば６３０Ｂ）またはメタライズド誘電体リング（例えば６３０）のいずれかを使用した場合、マイクロマスキングの程度は軽微である。いかなる理論や推測にも拘束されることなく、マイクロマスキングの程度は、固有のＲＦ結合に関連しており、セラミック部品のスパッタリング収率に影響を与える可能性があると考えられる。注目すべきことに、環状誘電体リング構造体の裏側表面６４６に導電性コーティングを含めることで、特にエッチングプロセス中にＨＦ ＲＦ電力が基板支持体に印加される場合に、マイクロマスキングを大幅に低減することができる。
環状誘電体リング構造体６３０（例えば均一性リングおよび／またはＷＥＰ構造）の裏側表面に導電性コーティングが存在すると、基板の周辺領域におけるエッチング均一性およびエッチチルト角制御を著しく改善することができ（これはＬＦ ＲＦ電力において特に有益である）、また、マイクロマスキングの程度を著しく低減することができる（これはＨＦ ＲＦ電力において特に有益である）。本発明の装置（および関連する使用方法）は、したがって、エッチングプロセスの制御を改善し、基板支持体に印加されるＨＦまたはＬＦＲＦ電力を使用したエッチング中に、より広い範囲の動作およびプロセス条件を可能にするものである。

Claims (20)

  1. 半導体基板をエッチングするためのプラズマエッチング装置であって、
    プラズマチャンバと、
    前記プラズマチャンバ内にプラズマを維持するためのプラズマ発生装置と、
    前記プラズマチャンバ内に配置され、前記半導体基板を支持する基板支持体であって、導電性構造体を有する基板支持体と、
    ＲＦ電力を有するＲＦ電気信号を前記導電性構造体に供給するための電源装置と、
    裏側表面を含む環状誘電体リング構造体であって、前記裏側表面は導電性コーティングを含む環状誘電体リング構造体と、を備え、
    前記導電性構造体は、前記導電性コーティングから離間して前記導電性コーティングの下に延在し、前記導電性構造体に供給される前記ＲＦ電力が前記導電性コーティングに結合するようになっていることを特徴とするプラズマエッチング装置。
  2. 前記環状誘電体リング構造体は、ＷＥＰ（Ｗａｆｅｒ Ｅｄｇｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 前記環状誘電体リング構造体が均一性リングを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
  4. 前記均一性リングがＷＥＰ構造上に配置されて、環状誘電体リングのスタックを形成することを特徴とする、請求項２に従属する場合の請求項３に記載の装置。
  5. 前記基板支持体上に配置された半導体基板をさらに備え、前記均一性リングは、１～５ｍｍ、任意に２～４ｍｍ、または任意に約３ｍｍの範囲の距離だけ前記半導体基板の直径よりも大きい内径を有することを特徴とする請求項３または４に記載の装置。
  6. 前記環状誘電体リング構造体が、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＡｌＮまたはＥｒ２Ｏ３などのセラミック材料製であることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の装置。
  7. 前記導電性コーティングが、金属または金属合金製であることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の装置。
  8. 前記金属がアルミニウムまたはチタンであることを特徴とする請求項７に記載の装置。
  9. 前記導電性コーティングが、約５０μｍ未満、任意に３０μｍ未満、任意に２０μｍ未満、または任意に約１０μｍの厚さを有することを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の装置。
  10. 前記導電性コーティングが、半径方向内側の領域と半径方向外側の領域とを備え、前記半径方向外側の領域が、前記半径方向内側の領域よりも小さい距離だけ前記導電性構造体から離間していることを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載の装置。
  11. 前記導電性コーティングが、電気的に浮いている電位を有することを特徴とする請求項１～１０のいずれか１項に記載の装置。
  12. 前記環状誘電体リング構造体は、前記基板支持体から遠ざかる方向を向いた正面側表面を有し、前記正面側表面は、半径方向内側を向いた傾斜部分を含んでいることを特徴とする請求項１～１１のいずれか１項に記載の装置。
  13. 前記導電性構造体は、導電性本体と、前記導電性本体を包囲する導電性リングとを含むことを特徴とする請求項１～１２のいずれか１項に記載の装置。
  14. 前記基板支持体は、静電チャック（ＥＳＣ）を含むことを特徴とする請求項１～１３のいずれか１項に記載の装置。
  15. 前記ＲＦ電気信号は、約２ＭＨｚ未満、任意に約１ＭＨｚ未満、任意に約５００ｋＨｚ未満、または任意に約３８０ｋＨｚの周波数を有することを特徴とする請求項１～１４のいずれか１項に記載の装置。
  16. 前記ＲＦ電気信号は、約１３．５６ＭＨｚの周波数を有することを特徴とする請求項１～１５のいずれか１項に記載の装置。
  17. 前記ＲＦ電気信号が、５～５００Ｗの範囲の電力、任意に３３～４００Ｗの範囲の電力、または任意に５０～３００Ｗの範囲の電力を有することを特徴とする請求項１～１６のいずれか１項に記載の装置。
  18. 前記半導体基板がシリコンウェハであることを特徴とする請求項１～１７のいずれか１項に記載の装置。
  19. 前記プラズマ発生装置が誘導結合型プラズマ発生装置であることを特徴とする請求項１～１８のいずれか１項に記載の装置。
  20. 請求項１～１９のいずれかに記載の装置を用いて半導体基板をプラズマエッチングする方法であって、
    前記基板支持体上に半導体基板を配設するステップと、
    前記プラズマチャンバ内でプラズマを維持するステップと、
    ＲＦ電力が前記導電性コーティングに結合するように、ＲＦ電力を有するＲＦ電気信号を前記導電性構造体に提供するステップと、を含む方法。
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