JP5148043B2 - プラズマ処理チャンバにおける単周波ｒｆ電力を用いたウェハ処理システム、処理装置、および処理方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造に関連する。詳しくは、ＲＦ電力を用いて半導体ウェハを処理するプラズマ処理システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体処理システムは、集積回路を形成する半導体ウェハを処理するために用いられるシステムである。特に、プラズマベースの半導体処理は、エッチング処理、酸化処理、化学気相反応法（ＣＤＶ法）等に用いられる処理としてよく知られている。プラズマベースの半導体処理は、典型的に、プラズマ処理チャンバの内部に制御された設定を提供するための平行平板型リアクタを含むプラズマ処理システムによって実行される。この種のプラズマ処理システムでは、等方性エッチング処理に必要なプラズマ密度と、異方性エッチング処理に必要なイオン衝突エネルギを生成するために、平行平板型リアクタは２種類の異なるＲＦ周波数を用いる。
【０００３】
図１は、２種類の異なるＲＦ周波数を用いて半導体ウェハ１０２の処理を行う、従来のプラズマ処理システム１００である。プラズマ処理システム１００は、プラズマ処理チャンバ１０４、２つの整合回路１０６、１０８、２つのＲＦ発生器１１０、１１２から構成される。プラズマ処理チャンバ１０４は、静電チャック１１４とシャワーヘッド１２０を備えている。シャワーヘッド１２０は上側電極１２２を備え、ソースガスをチャンバ１０４内に放出してウェハ１０２上にプラズマを発生させることができる。静電チャック１１４は下部電極１２４を備え、ウェハ１０２を処理位置に保持する機能を持つ。ガス１２６、例えばヘリウムは、ウェハ１０２の温度を制御するためにポート１２８を通して送られる。プラズマ処理システム１００はまた、静電チャック１１４に電力を供給するための静電チャック電力伝達部（図示せず）を備えることもできる。静電チャックは、従来の技術としてよく知られ、例えば、Ｆｒａｎｃｏｉｓ Ｇｕｙｏｔ によるＵＳＰ ５，７８９，９０４、「Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｃｈｕｃｋ Ｃｏｎｔａｃｔ（ハイパワー静電チャックコンタクト）」、Ｊｏｎｅｓ ｅｔ ａｌ．によるＵＳ ０８／６２４，９８８、「Ｄｙｎａｍｉｃ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｗａｆｅｒ Ｃｈｕｃｋ（動的フィードバック静電ウェハチャック）」、および、Ｋｕｂｌｙ ｅｔ ａｌ．によるＵＳＰ５，７９３，１９２、「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｃｌａｍｐｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｃｌａｍｐｉｎｇ ａ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｗａｆｅｒ ｉｎ ａ Ｗａｆｅｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ（ウェハ処理システムにおける半導体ウェハのクランプ・デクランプ方法および装置）」において詳述されている。
【０００４】
ＲＦ発生器１１０、１１２はそれぞれ、静電チャック１１４の下側電極１２４に送出する高周波ＲＦ電力と低周波のＲＦ電力を発生させるよう構成されている。ＲＦ発生器１１０から送られる高周波ＲＦ電力のほとんどは、シャワーヘッド１２２とウェハ１０２間の空間に、プラズマ（すなわち、プラズマ密度）を生成するために用いられる。一方、ＲＦ発生器１１２からの低周波ＲＦ電力のほとんどは、ウェハ１０２に異方性エッチング処理もしくは指向性エッチング処理を行うためのイオン衝突エネルギの生成を制御する。しかしながら、これら両周波数は単独でプラズマに作用するのではなく、それぞれの周波数がプラズマを生成し、イオン衝突エネルギ生成の要因ともなる。
【０００５】
ＲＦ整合回路１０６、１０８は、それぞれＲＦ発生器１１０、１１２からのＲＦ電力を静電チャック１１４に送出するよう結合されている。一般に、整合回路１０６、１０８は、それぞれ同軸ケーブル１１６、１１８によってＲＦ発生器１１０、１１２に接続されている。ＲＦ整合回路１０６、１０８はそれぞれ、プラズマ処理チャンバ１０４からのＲＦ電力の反射波を最小限にするために、ＲＦ発生器１１０、１１２とプラズマ処理チャンバ１０４間に配置される。ＲＦ整合回路１１０は概して、一種類あるいはそれ以上の可変インピーダンス素子（例えばコンデンサ、インダクター等）を備えている。ＲＦ整合回路１０６、１０８の可変インピーダンス素子は、それぞれＲＦ発生器１１０、１１２のインピーダンスに整合するインピーダンスを提供するように調整されてもよい。ＲＦ整合回路を用いた回路は、従来の技術でよく知られ、例えば、Ｃｏｌｌｉｎｓ ｅｔ ａｌ．によるＵＳＰ ５，１８７，４５４や、Ａｒｔｈｕｒ Ｍ． Ｈｏｗａｌｄ によるＵＳ ０９／２１８，５４２、１９９８年１２月２２日出願、に説明される。
【０００６】
ＲＦ発生器１１０、１１２からの高周波ＲＦ電力と低周波ＲＦ電力の両方を用いることにより、確実にプラズマとイオン衝突エネルギを十分供給できるように設計されている。具体的には、ソースガス１３０がプラズマ処理チャンバ１０４内に導入された後、ＲＦ発生器１１０、１１２が作動され、ＲＦ発生器１１０、１１２からの高周波電力と低周波電力が、ウェハ１０２を処理するためのプラズマ１３２とイオン衝突エネルギの生成を促す。ＲＦ発生器１１０から送られる高周波ＲＦ電力は、概して４ＭＨｚから６０ＭＨｚの範囲であり、ソースガスからのプラズマ１３２の生成を大幅に促進する。一方、ＲＦ発生器１１２からの低周波ＲＦ電力は、概して１００ＫＨｚから４ＭＨｚの範囲内にあり、イオン衝突エネルギを増大させることにより、ウェハに対するイオン衝突を大幅に促進する。
【０００７】
ＲＦ電力が供給されると、いわゆる「シース電圧」とよばれるバイアス電圧が電極１２２、１２４の周辺で生成される。図２Ａは、電極１２２、１２４の表面付近にそれぞれ生成されるプラズマシース２０２、２０４の概略図である。この構成では、シース２０２、２０４全域で降下するシース電圧は、プラズマの浮動電位と対応しており、ＲＦ電力がない場合におけるプラズマ電子温度の４倍から５倍となる。低周波ＲＦ電力および高周波ＲＦ電力を用いると、ＲＦ電流iは、下部電極１２４から上部電極１２２へと流れる。シース電圧は、ピークＲＦエネルギ付近まで上昇する。その結果、シースが広がり、プラズマと電極１２２、１２４の間の平均電圧降下が増大する。次に、電圧降下の増大によって、電極１２２、１２４へのイオン衝突エネルギが増大する。
【０００８】
しかしながら、都合の悪いことに、２種類の周波数を用いる従来のプラズマ処理システム１００では、低周波ＲＦ電力に関連するウェハのエッチングレートが均一とならない欠点があった。一般に、高周波ＲＦ電力のみの使用は、ウェハの全表面に実質的に均一なエッチングレートを生成する。しかしそのような場合、エッチングレートが低くなり過ぎる傾向があり、イオン衝突エネルギが不十分なためパターンプロファイルの制御が困難となる。一方、低周波ＲＦ電力を利用すれば、イオン衝突エネルギは増大する。
【０００９】
しかしながら、プラズマ処理システムにおいて、高周波ＲＦ電力と同時に低周波ＲＦ電力を使用すると、ウェハの表面上に不均一なエッチングをもたらす傾向がある。例えば、図２Ｂは、エッチングレートとウェハの中心からの距離を関数で表したグラフ２００を示す。図示のとおり、ウェハの中心から離れるほど、ウェハのエッチングレートは減少する。したがって、ウェハの端部付近のエッチングレートは設計仕様に一致しないことがあり、歩留まりが低くなる。
【００１０】
以上の点から、ウェハのエッチングレートを減少させることなくウェハ処理の均一性を向上させるために、プラズマ処理システムにおいて、低周波ＲＦ電力発生器を単独で使用せずにウェハの表面処理を行うためのシステムや方法が必要となる。
【００１１】
【発明の概要】
概して、本発明は、プラズマ処理チャンバにおいて単周波ＲＦ電力を利用してウェハを処理するシステム、装置および方法を提供することによって、上述の要求を満たす。本発明は、プロセス、装置、システム、デバイス、方法、コンピュータ読み取り可能媒体を含む種々の形態で実施され得ることが理解されるべきである。以下では、本発明の実施例をいくつか説明する。
【００１２】
本発明の一つの実施例によると、本発明は、単周波ＲＦ電力を用いてウェハを処理するプラズマ処理システムを提供する。プラズマ処理システムは、変調ＲＦ電力発生器、プラズマ処理チャンバおよび整合回路から構成される。変調ＲＦ電力発生器は変調ＲＦ電力（例えば、エネルギ等）を発生する。プラズマ処理チャンバは、ウェハを処理するための変調ＲＦ電力を受け取り、プラズマ処理過程の内部インピーダンスによって特徴づけられる。プラズマ処理チャンバは、ウェハを処理位置に保持する静電チャックを有し、静電チャックはウェハの下に、変調ＲＦ電力を受け取るための第１の電極を有する。プラズマ処理システムはさらに、ウェハ上に設置された第２の電極を備える。変調ＲＦ電力によって、ウェハを処理するためのプラズマとイオン衝突エネルギが生成される。整合回路は、変調ＲＦ発生器とプラズマ処理チャンバとの間に結合され、変調ＲＦ電力発生器からの変調ＲＦ電力をプラズマ処理チャンバに送る。ＲＦ整合回路はさらに、変調ＲＦ電力発生器のインピーダンスとプラズマ処理チャンバの内部インピーダンスの整合をとる。
【００１３】
別の実施例において、本発明は、ウェハにエッチング処理を行うためのプラズマ処理装置を実装する。プラズマ処理装置は、変調ＲＦ電力発生器、プラズマ処理チャンバおよび整合回路から構成される。変調ＲＦ電力発生器は、変調高周波ＲＦ電力を発生する。プラズマ処理チャンバは、ウェハにエッチング処理を行うための変調高周波ＲＦ電力を受け取る。プラズマ処理チャンバは、インピーダンスによって特徴づけられ、ウェハを処理位置に保持するための静電チャックを備える。静電チャックは、変調高周波ＲＦ電力を受け取るためにウェハの下に設置された、第１の電極を有する。プラズマ処理チャンバはさらに、ウェハ上に設置された第２の電極を備える。変調高周波ＲＦ電力によって、ウェハにエッチング処理を施すためのプラズマとイオン衝突エネルギが生成される。整合回路は、変調ＲＦ電力発生器とプラズマ処理チャンバとの間に結合され、変調ＲＦ電力発生器からの変調ＲＦ電力をプラズマ処理チャンバに送る。整合回路はさらに、変調ＲＦ電力発生器のインピーダンスとプラズマ処理チャンバとのインピーダンスの整合をとる。
【００１４】
さらに別の実施例において、単周波ＲＦ電力を用い、プラズマ処理チャンバでウェハ処理するための処理方法が開示される。方法は、(a)単変調ＲＦ電力を発生し、(b)プラズマ処理チャンバ内の静電チャック上にウェハを供給し、静電チャックはウェハの下に配置されている変調ＲＦ電力を受け取るための第１の電極を有し、プラズマ処理チャンバはさらにウェハ上に配置されている第２の電極を有し、(c)変調ＲＦ電力をプラズマ処理チャンバを介して受け取り、(d)変調ＲＦ電力に応じて、ウェハを処理するためのプラズマ処理チャンバ内において、プラズマおよびイオン衝突エネルギを生成すること、が含まれる。
【００１５】
変調ＲＦ電力は、高い等方性エッチングレートを実現する平均ＲＦ電力、イオン衝突エネルギを高めるためのピークＲＦ電力およびイオン衝突エネルギからエッチングレートを切り離す（decouple）ために適合された変調周波数を含む高周波ＲＦ電力であることが好ましい。変調ＲＦ電力を利用することにより、エッチングプロフィールの制御精度が高まると同時に、高いエッチングレートを実現することが可能となる。したがって、本発明のプラズマ処理システム４００によって、等方性エッチング処理および異方性エッチング処理の両方にとって最適な処理を、同時にウェハに施すことが可能となる。さらに、高周波ＲＦ電力の変調により、イオン衝突エネルギのイオンフラックスへの影響を効果的に個別に制御できるため、より正確なエッチングプロフィールの制御が可能となり、端部までプラズマ密度を制御できる。加えて、変調高周波ＲＦ電力を用いることにより、エンハンズドプラズマ処理のための誘導性エッチング処理の処理領域を拡張することができる。例えば、本プラズマ処理システムは、良好なエッチングプロフィールの制御によって、0.18μmまたはそれ以下で酸化皮膜にエッチング処理を施すことが可能となる。本発明の上述の利点およびその他の利点は、以下の詳細な説明および種々の図面から明らかになる。
【００１６】
【好ましい実施例の詳細な説明】
プラズマ処理チャンバにおける、単周波ＲＦ電力を用いたウェハ処理システム、装置および方法に関する発明が、以下で説明される。以下の説明では、本発明の完全な理解を促すために、数々の具体例が示されている。しかしながら、当業者には明らかなように、本発明は、これらの具体例の一部または全てを伴うことなく実施され得る。そのほか、本発明が不必要に不明瞭となるのを避けるため、周知の工程動作の説明は省略した。
【００１７】
本発明は、従来の二重周波数システムでの制限を排除するために、プラズマ処理チャンバに変調高周波ＲＦ電力を供給する。単一の高周波ＲＦの振幅を変調することにより、プラズマに供給される平均ＲＦ電力によるプラズマ密度の制御が可能となり、これによってウェハへのイオンフラックスも制御できる。一方、変調の深さで決定されるピークＲＦ電力は、イオン衝突エネルギを制御する。このように、単変調ＲＦ電力発生器は、プラズマ処理チャンバ内のプラズマ密度とイオン衝突エネルギの両方を制御するために用いることが可能であり、これによりウェハ処理結果の均一性が向上する。
【００１８】
図３は、本発明の一つの実施例における、ＲＦ電力をプラズマ処理チャンバへ送出するための例示的な方法のフローチャートである。この方法は、動作３０２において、プラズマ処理チャンバ内の並行平板型リアクタ（例えば電極など）間にウェハを設置する。高周波ＲＦ電力の変調過程において、種々のＲＦ電力、例えば平均ＲＦ電力、ピークＲＦ電力およびＲＦ電力変調周波数などが変調され、最適なプラズマ密度とイオンフラックスを得ることができる。次に、動作３０４では、プラズマ処理チャンバで使用するために変調高周波ＲＦ電力が発生する。高周波ＲＦ電力は、所望するプラズマ密度とイオン衝突エネルギの生成が可能となるように変調されるのが好ましい。次に動作３０６において、整合回路を介して変調ＲＦ電力がプラズマ処理チャンバに供給される。本動作において、整合回路はＲＦ電力を受け、変調ＲＦ電力発生器のインピーダンスと動作２０６のプラズマ処理チャンバとを整合するインピーダンスを生成する。変調ＲＦ電力が供給されると、動作３０８において所望のプラズマ密度とイオン衝突エネルギが生成され、ウェハに高周波ＲＦ電力を用いた処理が施される。動作３１０において上述の処理は終了する。
【００１９】
図４は、本発明の実施例における、単変調高周波ＲＦ電力を用いて半導体ウェハ４０２に処理を行うプラズマ処理システム４００を示す。プラズマ処理システム４００は、プラズマ処理チャンバ４０４、整合回路４０６および変調高周波ＲＦ電力発生器４０８を含む。プラズマ処理システム４０４は、静電チャック４１４とシャワーヘッド４２０を有する。シャワーヘッド４２０は、好ましくは接地されている上側電極４２２を有し、ウェハ４０２上にプラズマ４２６を生成するためのソースガス４２４をチャンバ４２２に放出するために配置されている。静電チャック４１４は下部電極４２８を備え、ウェハ４０２を処理位置に保持する機能を備える。例えばヘリウム等のガス４３０は、ウェハ４０２の温度を制御するために、ポート４３２を介して導入される。プラズマ処理システム４００はまた、静電チャック４１４に電力を供給するための静電電力供給部（図示せず）を有してもよい。
【００２０】
変調ＲＦ電力発生器４０８は、高周波ＲＦ電力発生器４１０と変調制御部４１２を備えている。高周波ＲＦ電力発生器４１０は、好ましくは１３ＭＨｚ以上、より好ましくは４ＭＨｚ〜６０ＭＨｚの間の範囲にある高周波ＲＦ電力を発生させるために配置されている。しかし、ウェハの処理を行うために十分なプラズマ密度の生成に適したその他の周波数もまた発生され得る。変調制御部４１２は、変調信号を高周波ＲＦ電力発生器４１０に供給するために接続されている。一つの実施例において、変調制御部４１２は、平均ＲＦ電力、ピークＲＦ電力およびＲＦ電力変調周波を変調するためにＲＦ電力発生器４１０に信号を供給する。変調制御部４１２からの変調信号に対応して、ＲＦ電力発生器４１０は、同軸ケーブル４４０を介して整合回路に供給される変調高周波ＲＦ電力を発生させる。
【００２１】
ＲＦ整合回路４０６は、発生されたＲＦ電力を変調ＲＦ電力発生器４０８から静電チャック４１４の電極４２８に供給するために結合されている。ＲＦ整合回路４０６は、プラズマ処理チャンバ４０４からのＲＦ電力の反射波を最小限にするために、変調高周波ＲＦ電力発生器４０８とプラズマ処理チャンバ４０４との間に備えられている。ＲＦ整合回路４０６は、当業界においてよく知られており、一般にコンデンサ、インダクタ等複数の可変インピーダンス素子を含む。ＲＦ整合回路４０６のこれらの可変インピーダンス素子は、変調ＲＦ電力発生器４０８のインピーダンスをプラズマ処理チャンバ４０４のインピーダンスに一致するように整合されてもよい。ＲＦ整合回路４０６は、変調ＲＦ電力発生器４０８からの変調高周波ＲＦ電力を調整するために、増大された帯域幅を供給するように構成されていることが好ましい。
【００２２】
ＲＦ整合回路４０６は変調高周波ＲＦ電力をプラズマ処理チャンバ４０４に送出し、電流ｉはプラズマ４２６を通過して下側電極４０２から上側電極４２２に流れる。これに応じて、電極４２８はプラズマイオンを、エッチング処理、酸化処理、化学気相反応法処理（ＣＶＤ）等を含むプラズマ処理のためのウェハ４０２の方へ引きつける。時間（ｔ）は、イオンがプラズマ領域の中心から電極４２２もしくは４２８のいずれか一方へと移動する時間に対応する。本発明の効果の理解を容易にするために、本明細書中ではプラズマ処理システム４００が詳細に説明される。しかしながら、本発明自体は、特定の形式のウェハ処理装置やシステムに限定されることなく、堆積、酸化（ドライエッチング、プラズマエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、マグネトロン型反応イオンエッチング、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を含む）、エッチング処理等を含むがこれらに限定されない、任意の形式のウェハ処理システムにおける使用にも適用され得る。
【００２３】
本構成において、変調制御部４１２は、プラズマ処理チャンバ４０４に送出される高周波ＲＦ電力の所望の変調パラメータを設定する。例えば、変調制御部４１２は、平均ＲＦ電力、ピークＲＦ電力および送出されるＲＦ電力のＲＦ電力変調周波数を設定する。プラズマ４２６に送出される変調高周波ＲＦ電力の平均電力は、プラズマ密度を決定し、それによってプラズマ処理チャンバ４０４におけるウェハ４０２へのイオンフラックスを決定する。一方、変調高周波ＲＦ電力の変調の深さによって決定されるピークＲＦ電力は、バイアス電圧（具体的には、シース電圧）を制御する。従来の周波数変調とは異なるＲＦ電力変調周波は、プラズマ密度が変調ピーク間でほぼ一定し、好適には１００ＫＨｚを超える周波数帯域となるように選択される。電子温度が同様に一定となる場合は、変調周波数は１ＭＨｚを超える帯域に増大されるのが好ましい。
【００２４】
変調ＲＦ電力発生器４０８からの変調高周波ＲＦ電力は同時に、プラズマ処理チャンバ４０４内における十分な量のプラズマ密度とイオン衝突エネルギを確実にする。具体的には、ソースガス１３０がプラズマ処理チャンバ４０４内へ導入された後、変調ＲＦ電力発生器４０８が作動されると、変調高周波ＲＦ電力の平均ＲＦ電力によってソースガス４２４からの高プラズマ密度の生成を促進する。高密度のプラズマの発生により、ウェハ４０２の等方性エッチング処理を行うための、高いエッチングレートを実現することができる。
【００２５】
一方、変調高周波ＲＦ電力のピークＲＦ電力は、電極４２８のバイアス電圧もしくはシース電圧を高め、ウェハ４０２に対して、最適なイオン衝突エネルギを供給する。したがって、変調高周波ＲＦ電力のピークＲＦ電力は、ウェハ４０２上における異方性エッチング処理または指向性エッチング処理を促進する。ピークＲＦ電力の使用によって、高精度のエッチングプロフィール制御が可能となる。したがって、本発明のプラズマ処理システム４００は、等方性エッチング処理および異方性エッチング処理の両方においてウェハ４０２の最適な処理を可能にする。
【００２６】
また、高周波ＲＦ電力の変調は、イオン衝突エネルギからイオンフラックスを効果的に個別に制御できるため、より正確なエッチングプロフィールおよびプラズマ密度全体の制御を可能にする。さらに、変調高周波ＲＦ電力の使用は、エンハンズドプラズマ処理のための誘導性エッチング処理の処理領域を拡張することができる。具体例を挙げると、プラズマ処理システム４００は、良好なエッチングプロフィールの制御によって、０．１８μmまたはそれ以下で酸化皮膜にエッチング処理を施すことが可能となる。
【００２７】
図５Ａは、本発明の一つの実施例における、プラズマ処理チャンバ４０４に送出される変調高周波ＲＦ電力信号５０２のグラフ５００を示す。グラフ５００において、高周波ＲＦ電力信号５０２は１００パーセント変調正弦波である。したがって、信号５０２の山と谷の間の距離として定義される信号５０２の変調の深さ５０４は、１００パーセントとなる。一方変調周波数は、１／（Ｔ2−Ｔ1）もしくは１／Ｔと定義される。図５Ｂは、別の実施例における、５０パーセント正弦変調の高周波ＲＦ電力信号５３２のグラフ５３０を示す。同様に、図５Ｃは、他の実施例における、デューティサイクル２０パーセントの変調高周波ＲＦ電力信号５５２のグラフ５５０を示す。これら例示的変調ＲＦ電力信号の他にも、本発明は、十分なプラズマ密度とイオン衝突エネルギを供給可能な任意の高周波変調を用い得ることは、当業者に理解される。
【００２８】
図６は、本発明の一つの実施例における高周波ＲＦ電力を変調する方法のフローチャートを示す。この方法は、所定の等方性エッチングレートを達成するために、供給される平均ＲＦ電力が決定されると共に、設定される動作６０２から始まる。この動作における平均ＲＦ電力は、プラズマに供給されるＲＦ電力の絶対的な大きさとして定義される。一旦このように平均ＲＦ電力が設定されると、プラズマ密度はプラズマ処理の過程を通じて一定に維持される。
【００２９】
動作６０４では、シース電圧を高めてイオン衝突エネルギを増大させるために、所定の異方性エッチングプロフィールを可能にするために送出されるピークＲＦ電力（例えば振幅）が決定されると共に設定される。一つの実施例によると、ピークＲＦ電力は、図５Ａに示される変調の深さという語彙で定義され得る。動作６０６では、イオン衝突エネルギからイオンフラックスを切り離す（decouple）ために、図５ＡのＲＦ電力変調周波数が決定され、設定され得る。この変調周波数は、イオンフラックスとイオン衝突エネルギをそれぞれ個別に制御することを可能にする。イオンがプラズマ領域の中心から電極に移動するイオン移動時間が、変調周波数を超えるよう、変調周波数は十分に高いことが好ましい。こうすれば、プラズマ密度は実質的に一定のままである。平均ＲＦ電力、ピークＲＦ電力および変調周波数は、変調制御部４１２において手動または自動で設定されてもよい。本方法は、動作６０８において終了する。
【００３０】
以上、本発明を種々の好ましい実施例に従って説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲での種々の変更物、置換物、および等価物が存在する。また本発明の方法および装置を実現する種々の態様が数多く存在することはいうまでもない。したがって、以下に示す特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨およびその範囲内に含まれる代替物、置換物、および等価物の全てを含むものとして解釈される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のプラズマ処理システムの一例を示し、２種類の異なるＲＦ周波数を用いて半導体ウェハの処理をおこなうシステムである。
【図２Ａ】 プラズマの側面で電極表面付近に生成されたシース電圧の概略図である。
【図２Ｂ】 エッチングレートを、ウェハの中心からの距離関数で示したグラフである。
【図３】 本発明の一つの実施例における、ＲＦ電力をプラズマ処理チャンバへ送出するための例示的な方法のフローチャートである。
【図４】 本発明の実施例における、単変調高周波ＲＦ電力を用いて半導体ウェハに処理を行うプラズマ処理システムである。
【図５Ａ】 本発明の一つの実施例における、プラズマ処理チャンバに送信される変調高周波ＲＦ電力信号のグラフである。
【図５Ｂ】 本発明の一つの実施例における、５０パーセント正弦変調の高周波ＲＦ電力のグラフである。
【図５Ｃ】 本発明の別の実施例における、デューティサイクル２０パーセントの高周波ＲＦ電力のグラフである。
【図６】 本発明の一つの実施例における、高周波ＲＦ電力を変調する方法のフローチャートである。
【符号の説明】
１００…プラズマ処理システム
１０２…ウェハ
１０４…プラズマ処理チャンバ
１０６、１０８…整合回路
１１０、１１２…ＲＦ発生器
１１４…静電チャック
１１６、１１８…同軸ケーブル
１２０…シャワーヘッド
１２２…上側電極
１２４…下側電極
１２６…ガス
１２８…ポート
１３０…ソースガス
１３２…プラズマ
２０２、２０４…プラズマシース
４００…プラズマ処理システム
４０２…ウェハ
４０４…プラズマ処理チャンバ
４０６…整合回路
４０８…変調高周波ＲＦ電力発生器
４１０…高周波ＲＦ電力発生器
４１２…変調制御部
４１４…静電チャック
４２０…シャワーヘッド
４２２…上側電極
４２４…ソースガス
４２６…プラズマ
４２８…下側電極
４３０…ガス
４３２…ポート
５００、５３０、５５０…グラフ
５０２、５３２、５５２…高周波ＲＦ電力信号
５０４…変調の深さ
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造に関連する。詳しくは、ＲＦ電力を用いて半導体ウェハを処理するプラズマ処理システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体処理システムは、集積回路を形成する半導体ウェハを処理するために用いられるシステムである。特に、プラズマベースの半導体処理は、エッチング処理、酸化処理、化学気相反応法（ＣＤＶ法）等に用いられる処理としてよく知られている。プラズマベースの半導体処理は、典型的に、プラズマ処理チャンバの内部に制御された設定を提供するための平行平板型リアクタを含むプラズマ処理システムによって実行される。この種のプラズマ処理システムでは、等方性エッチング処理に必要なプラズマ密度と、異方性エッチング処理に必要なイオン衝突エネルギを生成するために、平行平板型リアクタは２種類の異なるＲＦ周波数を用いる。
【０００３】
図１は、２種類の異なるＲＦ周波数を用いて半導体ウェハ１０２の処理を行う、従来のプラズマ処理システム１００である。プラズマ処理システム１００は、プラズマ処理チャンバ１０４、２つの整合回路１０６、１０８、２つのＲＦ発生器１１０、１１２から構成される。プラズマ処理チャンバ１０４は、静電チャック１１４とシャワーヘッド１２０を備えている。シャワーヘッド１２０は上側電極１２２を備え、ソースガスをチャンバ１０４内に放出してウェハ１０２上にプラズマを発生させることができる。静電チャック１１４は下部電極１２４を備え、ウェハ１０２を処理位置に保持する機能を持つ。ガス１２６、例えばヘリウムは、ウェハ１０２の温度を制御するためにポート１２８を通して送られる。プラズマ処理システム１００はまた、静電チャック１１４に電力を供給するための静電チャック電力伝達部（図示せず）を備えることもできる。静電チャックは、従来の技術としてよく知られ、例えば、Ｆｒａｎｃｏｉｓ Ｇｕｙｏｔ によるＵＳＰ ５，７８９，９０４、「Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｃｈｕｃｋ Ｃｏｎｔａｃｔ（ハイパワー静電チャックコンタクト）」、Ｊｏｎｅｓ ｅｔ ａｌ．によるＵＳ ０８／６２４，９８８、「Ｄｙｎａｍｉｃ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｗａｆｅｒ Ｃｈｕｃｋ（動的フィードバック静電ウェハチャック）」、および、Ｋｕｂｌｙ ｅｔ ａｌ．によるＵＳＰ５，７９３，１９２、「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｃｌａｍｐｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｃｌａｍｐｉｎｇ ａ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｗａｆｅｒ ｉｎ ａ Ｗａｆｅｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ（ウェハ処理システムにおける半導体ウェハのクランプ・デクランプ方法および装置）」において詳述されている。
【０００４】
ＲＦ発生器１１０、１１２はそれぞれ、静電チャック１１４の下側電極１２４に送出する高周波ＲＦ電力と低周波のＲＦ電力を発生させるよう構成されている。ＲＦ発生器１１０から送られる高周波ＲＦ電力のほとんどは、シャワーヘッド１２２とウェハ１０２間の空間に、プラズマ（すなわち、プラズマ密度）を生成するために用いられる。一方、ＲＦ発生器１１２からの低周波ＲＦ電力のほとんどは、ウェハ１０２に異方性エッチング処理もしくは指向性エッチング処理を行うためのイオン衝突エネルギの生成を制御する。しかしながら、これら両周波数は単独でプラズマに作用するのではなく、それぞれの周波数がプラズマを生成し、イオン衝突エネルギ生成の要因ともなる。
【０００５】
ＲＦ整合回路１０６、１０８は、それぞれＲＦ発生器１１０、１１２からのＲＦ電力を静電チャック１１４に送出するよう結合されている。一般に、整合回路１０６、１０８は、それぞれ同軸ケーブル１１６、１１８によってＲＦ発生器１１０、１１２に接続されている。ＲＦ整合回路１０６、１０８はそれぞれ、プラズマ処理チャンバ１０４からのＲＦ電力の反射波を最小限にするために、ＲＦ発生器１１０、１１２とプラズマ処理チャンバ１０４間に配置される。ＲＦ整合回路１１０は概して、一種類あるいはそれ以上の可変インピーダンス素子（例えばコンデンサ、インダクター等）を備えている。ＲＦ整合回路１０６、１０８の可変インピーダンス素子は、それぞれＲＦ発生器１１０、１１２のインピーダンスに整合するインピーダンスを提供するように調整されてもよい。ＲＦ整合回路を用いた回路は、従来の技術でよく知られ、例えば、Ｃｏｌｌｉｎｓ ｅｔ ａｌ．によるＵＳＰ ５，１８７，４５４や、Ａｒｔｈｕｒ Ｍ． Ｈｏｗａｌｄ によるＵＳ ０９／２１８，５４２、１９９８年１２月２２日出願、に説明される。
【０００６】
ＲＦ発生器１１０、１１２からの高周波ＲＦ電力と低周波ＲＦ電力の両方を用いることにより、確実にプラズマとイオン衝突エネルギを十分供給できるように設計されている。具体的には、ソースガス１３０がプラズマ処理チャンバ１０４内に導入された後、ＲＦ発生器１１０、１１２が作動され、ＲＦ発生器１１０、１１２からの高周波電力と低周波電力が、ウェハ１０２を処理するためのプラズマ１３２とイオン衝突エネルギの生成を促す。ＲＦ発生器１１０から送られる高周波ＲＦ電力は、概して４ＭＨｚから６０ＭＨｚの範囲であり、ソースガスからのプラズマ１３２の生成を大幅に促進する。一方、ＲＦ発生器１１２からの低周波ＲＦ電力は、概して１００ＫＨｚから４ＭＨｚの範囲内にあり、イオン衝突エネルギを増大させることにより、ウェハに対するイオン衝突を大幅に促進する。
【０００７】
ＲＦ電力が供給されると、いわゆる「シース電圧」とよばれるバイアス電圧が電極１２２、１２４の周辺で生成される。図２Ａは、電極１２２、１２４の表面付近にそれぞれ生成されるプラズマシース２０２、２０４の概略図である。この構成では、シース２０２、２０４全域で降下するシース電圧は、プラズマの浮動電位と対応しており、ＲＦ電力がない場合におけるプラズマ電子温度の４倍から５倍となる。低周波ＲＦ電力および高周波ＲＦ電力を用いると、ＲＦ電流iは、下部電極１２４から上部電極１２２へと流れる。シース電圧は、ピークＲＦエネルギ付近まで上昇する。その結果、シースが広がり、プラズマと電極１２２、１２４の間の平均電圧降下が増大する。次に、電圧降下の増大によって、電極１２２、１２４へのイオン衝突エネルギが増大する。
【０００８】
しかしながら、都合の悪いことに、２種類の周波数を用いる従来のプラズマ処理システム１００では、低周波ＲＦ電力に関連するウェハのエッチングレートが均一とならない欠点があった。一般に、高周波ＲＦ電力のみの使用は、ウェハの全表面に実質的に均一なエッチングレートを生成する。しかしそのような場合、エッチングレートが低くなり過ぎる傾向があり、イオン衝突エネルギが不十分なためパターンプロファイルの制御が困難となる。一方、低周波ＲＦ電力を利用すれば、イオン衝突エネルギは増大する。
【０００９】
しかしながら、プラズマ処理システムにおいて、高周波ＲＦ電力と同時に低周波ＲＦ電力を使用すると、ウェハの表面上に不均一なエッチングをもたらす傾向がある。例えば、図２Ｂは、エッチングレートとウェハの中心からの距離を関数で表したグラフ２００を示す。図示のとおり、ウェハの中心から離れるほど、ウェハのエッチングレートは減少する。したがって、ウェハの端部付近のエッチングレートは設計仕様に一致しないことがあり、歩留まりが低くなる。
【００１０】
以上の点から、ウェハのエッチングレートを減少させることなくウェハ処理の均一性を向上させるために、プラズマ処理システムにおいて、低周波ＲＦ電力発生器を単独で使用せずにウェハの表面処理を行うためのシステムや方法が必要となる。
【００１１】
【発明の概要】
概して、本発明は、プラズマ処理チャンバにおいて単周波ＲＦ電力を利用してウェハを処理するシステム、装置および方法を提供することによって、上述の要求を満たす。本発明は、プロセス、装置、システム、デバイス、方法、コンピュータ読み取り可能媒体を含む種々の形態で実施され得ることが理解されるべきである。以下では、本発明の実施例をいくつか説明する。
【００１２】
本発明の一つの実施例によると、本発明は、単周波ＲＦ電力を用いてウェハを処理するプラズマ処理システムを提供する。プラズマ処理システムは、変調ＲＦ電力発生器、プラズマ処理チャンバおよび整合回路から構成される。変調ＲＦ電力発生器は変調ＲＦ電力（例えば、エネルギ等）を発生する。プラズマ処理チャンバは、ウェハを処理するための変調ＲＦ電力を受け取り、プラズマ処理過程の内部インピーダンスによって特徴づけられる。プラズマ処理チャンバは、ウェハを処理位置に保持する静電チャックを有し、静電チャックはウェハの下に、変調ＲＦ電力を受け取るための第１の電極を有する。プラズマ処理システムはさらに、ウェハ上に設置された第２の電極を備える。変調ＲＦ電力によって、ウェハを処理するためのプラズマとイオン衝突エネルギが生成される。整合回路は、変調ＲＦ発生器とプラズマ処理チャンバとの間に結合され、変調ＲＦ電力発生器からの変調ＲＦ電力をプラズマ処理チャンバに送る。ＲＦ整合回路はさらに、変調ＲＦ電力発生器のインピーダンスとプラズマ処理チャンバの内部インピーダンスの整合をとる。
【００１３】
別の実施例において、本発明は、ウェハにエッチング処理を行うためのプラズマ処理装置を実装する。プラズマ処理装置は、変調ＲＦ電力発生器、プラズマ処理チャンバおよび整合回路から構成される。変調ＲＦ電力発生器は、変調高周波ＲＦ電力を発生する。プラズマ処理チャンバは、ウェハにエッチング処理を行うための変調高周波ＲＦ電力を受け取る。プラズマ処理チャンバは、インピーダンスによって特徴づけられ、ウェハを処理位置に保持するための静電チャックを備える。静電チャックは、変調高周波ＲＦ電力を受け取るためにウェハの下に設置された、第１の電極を有する。プラズマ処理チャンバはさらに、ウェハ上に設置された第２の電極を備える。変調高周波ＲＦ電力によって、ウェハにエッチング処理を施すためのプラズマとイオン衝突エネルギが生成される。整合回路は、変調ＲＦ電力発生器とプラズマ処理チャンバとの間に結合され、変調ＲＦ電力発生器からの変調ＲＦ電力をプラズマ処理チャンバに送る。整合回路はさらに、変調ＲＦ電力発生器のインピーダンスとプラズマ処理チャンバとのインピーダンスの整合をとる。
【００１４】
さらに別の実施例において、単周波ＲＦ電力を用い、プラズマ処理チャンバでウェハ処理するための処理方法が開示される。方法は、(a)単変調ＲＦ電力を発生し、(b)プラズマ処理チャンバ内の静電チャック上にウェハを供給し、静電チャックはウェハの下に配置されている変調ＲＦ電力を受け取るための第１の電極を有し、プラズマ処理チャンバはさらにウェハ上に配置されている第２の電極を有し、(c)変調ＲＦ電力をプラズマ処理チャンバを介して受け取り、(d)変調ＲＦ電力に応じて、ウェハを処理するためのプラズマ処理チャンバ内において、プラズマおよびイオン衝突エネルギを生成すること、が含まれる。
【００１５】
変調ＲＦ電力は、高い等方性エッチングレートを実現する平均ＲＦ電力、イオン衝突エネルギを高めるためのピークＲＦ電力およびイオン衝突エネルギからエッチングレートを切り離す（decouple）ために適合された変調周波数を含む高周波ＲＦ電力であることが好ましい。変調ＲＦ電力を利用することにより、エッチングプロフィールの制御精度が高まると同時に、高いエッチングレートを実現することが可能となる。したがって、本発明のプラズマ処理システム４００によって、等方性エッチング処理および異方性エッチング処理の両方にとって最適な処理を、同時にウェハに施すことが可能となる。さらに、高周波ＲＦ電力の変調により、イオン衝突エネルギのイオンフラックスへの影響を効果的に個別に制御できるため、より正確なエッチングプロフィールの制御が可能となり、端部までプラズマ密度を制御できる。加えて、変調高周波ＲＦ電力を用いることにより、エンハンズドプラズマ処理のための誘導性エッチング処理の処理領域を拡張することができる。例えば、本プラズマ処理システムは、良好なエッチングプロフィールの制御によって、0.18μmまたはそれ以下で酸化皮膜にエッチング処理を施すことが可能となる。本発明の上述の利点およびその他の利点は、以下の詳細な説明および種々の図面から明らかになる。
【００１６】
【好ましい実施例の詳細な説明】
プラズマ処理チャンバにおける、単周波ＲＦ電力を用いたウェハ処理システム、装置および方法に関する発明が、以下で説明される。以下の説明では、本発明の完全な理解を促すために、数々の具体例が示されている。しかしながら、当業者には明らかなように、本発明は、これらの具体例の一部または全てを伴うことなく実施され得る。そのほか、本発明が不必要に不明瞭となるのを避けるため、周知の工程動作の説明は省略した。
【００１７】
本発明は、従来の二重周波数システムでの制限を排除するために、プラズマ処理チャンバに変調高周波ＲＦ電力を供給する。単一の高周波ＲＦの振幅を変調することにより、プラズマに供給される平均ＲＦ電力によるプラズマ密度の制御が可能となり、これによってウェハへのイオンフラックスも制御できる。一方、変調の深さで決定されるピークＲＦ電力は、イオン衝突エネルギを制御する。このように、単変調ＲＦ電力発生器は、プラズマ処理チャンバ内のプラズマ密度とイオン衝突エネルギの両方を制御するために用いることが可能であり、これによりウェハ処理結果の均一性が向上する。
【００１８】
図３は、本発明の一つの実施例における、ＲＦ電力をプラズマ処理チャンバへ送出するための例示的な方法のフローチャートである。この方法は、動作３０２において、プラズマ処理チャンバ内の並行平板型リアクタ（例えば電極など）間にウェハを設置する。高周波ＲＦ電力の変調過程において、種々のＲＦ電力、例えば平均ＲＦ電力、ピークＲＦ電力およびＲＦ電力変調周波数などが変調され、最適なプラズマ密度とイオンフラックスを得ることができる。次に、動作３０４では、プラズマ処理チャンバで使用するために変調高周波ＲＦ電力が発生する。高周波ＲＦ電力は、所望するプラズマ密度とイオン衝突エネルギの生成が可能となるように変調されるのが好ましい。次に動作３０６において、整合回路を介して変調ＲＦ電力がプラズマ処理チャンバに供給される。本動作において、整合回路はＲＦ電力を受け、変調ＲＦ電力発生器のインピーダンスと動作２０６のプラズマ処理チャンバとを整合するインピーダンスを生成する。変調ＲＦ電力が供給されると、動作３０８において所望のプラズマ密度とイオン衝突エネルギが生成され、ウェハに高周波ＲＦ電力を用いた処理が施される。動作３１０において上述の処理は終了する。
【００１９】
図４は、本発明の実施例における、単変調高周波ＲＦ電力を用いて半導体ウェハ４０２に処理を行うプラズマ処理システム４００を示す。プラズマ処理システム４００は、プラズマ処理チャンバ４０４、整合回路４０６および変調高周波ＲＦ電力発生器４０８を含む。プラズマ処理システム４０４は、静電チャック４１４とシャワーヘッド４２０を有する。シャワーヘッド４２０は、好ましくは接地されている上側電極４２２を有し、ウェハ４０２上にプラズマ４２６を生成するためのソースガス４２４をチャンバ４２２に放出するために配置されている。静電チャック４１４は下部電極４２８を備え、ウェハ４０２を処理位置に保持する機能を備える。例えばヘリウム等のガス４３０は、ウェハ４０２の温度を制御するために、ポート４３２を介して導入される。プラズマ処理システム４００はまた、静電チャック４１４に電力を供給するための静電電力供給部（図示せず）を有してもよい。
【００２０】
変調ＲＦ電力発生器４０８は、高周波ＲＦ電力発生器４１０と変調制御部４１２を備えている。高周波ＲＦ電力発生器４１０は、好ましくは１３ＭＨｚ以上、より好ましくは４ＭＨｚ〜６０ＭＨｚの間の範囲にある高周波ＲＦ電力を発生させるために配置されている。しかし、ウェハの処理を行うために十分なプラズマ密度の生成に適したその他の周波数もまた発生され得る。変調制御部４１２は、変調信号を高周波ＲＦ電力発生器４１０に供給するために接続されている。一つの実施例において、変調制御部４１２は、平均ＲＦ電力、ピークＲＦ電力およびＲＦ電力変調周波を変調するためにＲＦ電力発生器４１０に信号を供給する。変調制御部４１２からの変調信号に対応して、ＲＦ電力発生器４１０は、同軸ケーブル４４０を介して整合回路に供給される変調高周波ＲＦ電力を発生させる。
【００２１】
ＲＦ整合回路４０６は、発生されたＲＦ電力を変調ＲＦ電力発生器４０８から静電チャック４１４の電極４２８に供給するために結合されている。ＲＦ整合回路４０６は、プラズマ処理チャンバ４０４からのＲＦ電力の反射波を最小限にするために、変調高周波ＲＦ電力発生器４０８とプラズマ処理チャンバ４０４との間に備えられている。ＲＦ整合回路４０６は、当業界においてよく知られており、一般にコンデンサ、インダクタ等複数の可変インピーダンス素子を含む。ＲＦ整合回路４０６のこれらの可変インピーダンス素子は、変調ＲＦ電力発生器４０８のインピーダンスをプラズマ処理チャンバ４０４のインピーダンスに一致するように整合されてもよい。ＲＦ整合回路４０６は、変調ＲＦ電力発生器４０８からの変調高周波ＲＦ電力を調整するために、増大された帯域幅を供給するように構成されていることが好ましい。
【００２２】
ＲＦ整合回路４０６は変調高周波ＲＦ電力をプラズマ処理チャンバ４０４に送出し、電流ｉはプラズマ４２６を通過して下側電極４０２から上側電極４２２に流れる。これに応じて、電極４２８はプラズマイオンを、エッチング処理、酸化処理、化学気相反応法処理（ＣＶＤ）等を含むプラズマ処理のためのウェハ４０２の方へ引きつける。時間（ｔ）は、イオンがプラズマ領域の中心から電極４２２もしくは４２８のいずれか一方へと移動する時間に対応する。本発明の効果の理解を容易にするために、本明細書中ではプラズマ処理システム４００が詳細に説明される。しかしながら、本発明自体は、特定の形式のウェハ処理装置やシステムに限定されることなく、堆積、酸化（ドライエッチング、プラズマエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、マグネトロン型反応イオンエッチング、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を含む）、エッチング処理等を含むがこれらに限定されない、任意の形式のウェハ処理システムにおける使用にも適用され得る。
【００２３】
本構成において、変調制御部４１２は、プラズマ処理チャンバ４０４に送出される高周波ＲＦ電力の所望の変調パラメータを設定する。例えば、変調制御部４１２は、平均ＲＦ電力、ピークＲＦ電力および送出されるＲＦ電力のＲＦ電力変調周波数を設定する。プラズマ４２６に送出される変調高周波ＲＦ電力の平均電力は、プラズマ密度を決定し、それによってプラズマ処理チャンバ４０４におけるウェハ４０２へのイオンフラックスを決定する。一方、変調高周波ＲＦ電力の変調の深さによって決定されるピークＲＦ電力は、バイアス電圧（具体的には、シース電圧）を制御する。従来の周波数変調とは異なるＲＦ電力変調周波は、プラズマ密度が変調ピーク間でほぼ一定し、好適には１００ＫＨｚを超える周波数帯域となるように選択される。電子温度が同様に一定となる場合は、変調周波数は１ＭＨｚを超える帯域に増大されるのが好ましい。
【００２４】
変調ＲＦ電力発生器４０８からの変調高周波ＲＦ電力は同時に、プラズマ処理チャンバ４０４内における十分な量のプラズマ密度とイオン衝突エネルギを確実にする。具体的には、ソースガス１３０がプラズマ処理チャンバ４０４内へ導入された後、変調ＲＦ電力発生器４０８が作動されると、変調高周波ＲＦ電力の平均ＲＦ電力によってソースガス４２４からの高プラズマ密度の生成を促進する。高密度のプラズマの発生により、ウェハ４０２の等方性エッチング処理を行うための、高いエッチングレートを実現することができる。
【００２５】
一方、変調高周波ＲＦ電力のピークＲＦ電力は、電極４２８のバイアス電圧もしくはシース電圧を高め、ウェハ４０２に対して、最適なイオン衝突エネルギを供給する。したがって、変調高周波ＲＦ電力のピークＲＦ電力は、ウェハ４０２上における異方性エッチング処理または指向性エッチング処理を促進する。ピークＲＦ電力の使用によって、高精度のエッチングプロフィール制御が可能となる。したがって、本発明のプラズマ処理システム４００は、等方性エッチング処理および異方性エッチング処理の両方においてウェハ４０２の最適な処理を可能にする。
【００２６】
また、高周波ＲＦ電力の変調は、イオン衝突エネルギからイオンフラックスを効果的に個別に制御できるため、より正確なエッチングプロフィールおよびプラズマ密度全体の制御を可能にする。さらに、変調高周波ＲＦ電力の使用は、エンハンズドプラズマ処理のための誘導性エッチング処理の処理領域を拡張することができる。具体例を挙げると、プラズマ処理システム４００は、良好なエッチングプロフィールの制御によって、０．１８μmまたはそれ以下で酸化皮膜にエッチング処理を施すことが可能となる。
【００２７】
図５Ａは、本発明の一つの実施例における、プラズマ処理チャンバ４０４に送出される変調高周波ＲＦ電力信号５０２のグラフ５００を示す。グラフ５００において、高周波ＲＦ電力信号５０２は１００パーセント変調正弦波である。したがって、信号５０２の山と谷の間の距離として定義される信号５０２の変調の深さ５０４は、１００パーセントとなる。一方変調周波数は、１／（Ｔ2−Ｔ1）もしくは１／Ｔと定義される。図５Ｂは、別の実施例における、５０パーセント正弦変調の高周波ＲＦ電力信号５３２のグラフ５３０を示す。同様に、図５Ｃは、他の実施例における、デューティサイクル２０パーセントの変調高周波ＲＦ電力信号５５２のグラフ５５０を示す。これら例示的変調ＲＦ電力信号の他にも、本発明は、十分なプラズマ密度とイオン衝突エネルギを供給可能な任意の高周波変調を用い得ることは、当業者に理解される。
【００２８】
図６は、本発明の一つの実施例における高周波ＲＦ電力を変調する方法のフローチャートを示す。この方法は、所定の等方性エッチングレートを達成するために、供給される平均ＲＦ電力が決定されると共に、設定される動作６０２から始まる。この動作における平均ＲＦ電力は、プラズマに供給されるＲＦ電力の絶対的な大きさとして定義される。一旦このように平均ＲＦ電力が設定されると、プラズマ密度はプラズマ処理の過程を通じて一定に維持される。
【００２９】
動作６０４では、シース電圧を高めてイオン衝突エネルギを増大させるために、所定の異方性エッチングプロフィールを可能にするために送出されるピークＲＦ電力（例えば振幅）が決定されると共に設定される。一つの実施例によると、ピークＲＦ電力は、図５Ａに示される変調の深さという語彙で定義され得る。動作６０６では、イオン衝突エネルギからイオンフラックスを切り離す（decouple）ために、図５ＡのＲＦ電力変調周波数が決定され、設定され得る。この変調周波数は、イオンフラックスとイオン衝突エネルギをそれぞれ個別に制御することを可能にする。イオンがプラズマ領域の中心から電極に移動するイオン移動時間が、変調周波数を超えるよう、変調周波数は十分に高いことが好ましい。こうすれば、プラズマ密度は実質的に一定のままである。平均ＲＦ電力、ピークＲＦ電力および変調周波数は、変調制御部４１２において手動または自動で設定されてもよい。本方法は、動作６０８において終了する。
【００３０】
以上、本発明を種々の好ましい実施例に従って説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲での種々の変更物、置換物、および等価物が存在する。また本発明の方法および装置を実現する種々の態様が数多く存在することはいうまでもない。したがって、以下に示す特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨およびその範囲内に含まれる代替物、置換物、および等価物の全てを含むものとして解釈される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のプラズマ処理システムの一例を示し、２種類の異なるＲＦ周波数を用いて半導体ウェハの処理をおこなうシステムである。
【図２Ａ】 プラズマの側面で電極表面付近に生成されたシース電圧の概略図である。
【図２Ｂ】 エッチングレートを、ウェハの中心からの距離関数で示したグラフである。
【図３】 本発明の一つの実施例における、ＲＦ電力をプラズマ処理チャンバへ送出するための例示的な方法のフローチャートである。
【図４】 本発明の実施例における、単変調高周波ＲＦ電力を用いて半導体ウェハに処理を行うプラズマ処理システムである。
【図５Ａ】 本発明の一つの実施例における、プラズマ処理チャンバに送信される変調高周波ＲＦ電力信号のグラフである。
【図５Ｂ】 本発明の一つの実施例における、５０パーセント正弦変調の高周波ＲＦ電力のグラフである。
【図５Ｃ】 本発明の別の実施例における、デューティサイクル２０パーセントの高周波ＲＦ電力のグラフである。
【図６】 本発明の一つの実施例における、高周波ＲＦ電力を変調する方法のフローチャートである。
【符号の説明】
１００…プラズマ処理システム
１０２…ウェハ
１０４…プラズマ処理チャンバ
１０６、１０８…整合回路
１１０、１１２…ＲＦ発生器
１１４…静電チャック
１１６、１１８…同軸ケーブル
１２０…シャワーヘッド
１２２…上側電極
１２４…下側電極
１２６…ガス
１２８…ポート
１３０…ソースガス
１３２…プラズマ
２０２、２０４…プラズマシース
４００…プラズマ処理システム
４０２…ウェハ
４０４…プラズマ処理チャンバ
４０６…整合回路
４０８…変調高周波ＲＦ電力発生器
４１０…高周波ＲＦ電力発生器
４１２…変調制御部
４１４…静電チャック
４２０…シャワーヘッド
４２２…上側電極
４２４…ソースガス
４２６…プラズマ
４２８…下側電極
４３０…ガス
４３２…ポート
５００、５３０、５５０…グラフ
５０２、５３２、５５２…高周波ＲＦ電力信号
５０４…変調の深さ
Claims (9)
- 単周波ＲＦ電力を用いてウェハを処理するためのプラズマ処理システムであって、
単一周波数の高周波電力を発生し、変調させる単一のＲＦ電力発生器と、
平均ＲＦ電力と変調の深さで決定されるピークＲＦ電力とを含む高周波の変調ＲＦ電力を発生させるために前記単一のＲＦ電力発生器に対して振幅変調信号を送信する変調制御部と、前記変調制御部からの振幅変調信号によって設定される前記変調ＲＦ電力は、ウェハ上における等方性エッチング処理を実行するためのプラズマ密度を制御する前記平均ＲＦ電力およびウェハ上における異方性エッチング処理を実行するためのイオン衝突エネルギを制御するシース電圧を発生させる前記ピークＲＦ電力を含み、
前記ウェハを処理するための前記変調ＲＦ電力を受け取るプラズマ処理チャンバであって、そのプラズマ処理チャンバは前記プラズマ処理における内部インピーダンスによって特徴づけられ、前記ウェハを処理位置に保持するための静電チャックを有し、その静電チャックは前記ウェハの下に配置された前記変調ＲＦ電力を受け取るための第１の電極を含み、前記プラズマ処理チャンバはさらに、前記ウェハ上に第２の電極を有し、プラズマおよびイオン衝突エネルギが、前記変調ＲＦ電力に応じて前記ウェハを処理するために生成される平行平板型のプラズマ処理チャンバと、
前記変調ＲＦ電力発生器と前記プラズマ処理チャンバの間に接続され、前記変調ＲＦ電力発生器から前記変調ＲＦ電力を受け取り、前記プラズマ処理チャンバへ送出するための整合回路であって、さらに、前記変調ＲＦ電力発生器のインピーダンスと、前記プラズマ処理チャンバの内部インピーダンスの整合をとる整合回路とを備え、
前記高周波電力の変調は、前記平均ＲＦ電力を決定し、変調深さを決定することにより前記ピークＲＦ電力を決定し、前記プラズマ密度と前記イオン衝突エネルギとを個別に制御するために、プラズマ密度が変調ピーク間でほぼ一定となるように且つその周期がイオンがプラズマ領域の中心からいずれかの電極に移動するまでの時間よりも小さい周期となるように変調周波数を決定し、前記決定された変調周波数および変調深さを有する振幅変調信号を前記単一のＲＦ電力発生器に対して送信することによって実行される、
プラズマ処理システム。 - 請求項１に記載のプラズマ処理システムであって、前記プラズマ処理チャンバは、前記変調高周波ＲＦ電力の前記平均ＲＦ電力に応じて、一定のプラズマ密度を維持するプラズマ処理システム。
- 請求項１に記載のプラズマ処理システムであって、前記変調ＲＦ電力の周波数は４ＭＨｚより大きいプラズマ処理システム。
- ウェハにエッチング処理を行うためのプラズマ処理装置であって、
単一周波数の高周波電力を発生し、変調させる単一のＲＦ電力発生器と、
平均ＲＦ電力と変調の深さで決定されるピークＲＦ電力とを含む高周波の変調ＲＦ電力を発生させるために前記単一のＲＦ電力発生器に対して振幅変調信号を送信する変調制御部と、前記変調制御部からの振幅変調信号によって設定される前記変調ＲＦ電力は、ウェハ上における等方性エッチング処理を実行するためのプラズマ密度を制御する前記平均ＲＦ電力およびウェハ上における異方性エッチング処理を実行するためのイオン衝突エネルギを制御するシース電圧を発生させる前記ピークＲＦ電力を含み、
前記ウェハにエッチング処理を行うために前記変調高周波ＲＦ電力を受け取るためのプラズマ処理チャンバを備え、そのプラズマ処理チャンバはインピーダンスによって特徴づけられ、前記ウェハを処理位置に保持するための静電チャックを有し、その静電チャックは前記ウェハの下に配置された前記変調ＲＦ電力を受け取るための第１の電極を含み、前記プラズマ処理チャンバはさらに、前記ウェハ上に第２の電極を有し、プラズマおよびイオン衝突エネルギが、前記変調ＲＦ電力に応じて前記ウェハを処理するために生成される平行平板型のプラズマ処理チャンバと、
前記変調ＲＦ電力発生器と前記プラズマ処理チャンバの間に接続され、前記変調ＲＦ電力発生器から前記変調高周波ＲＦ電力を受け取り、前記プラズマ処理チャンバへ送出するための整合回路であって、さらに、前記変調ＲＦ電力発生器のインピーダンスと前記プラズマ処理チャンバとのインピーダンスの整合をとる整合回路とを備え、
前記高周波電力の変調は、前記平均ＲＦ電力を決定し、変調深さを決定することにより前記ピークＲＦ電力を決定し、前記プラズマ密度と前記イオン衝突エネルギとを個別に制御するために、プラズマ密度が変調ピーク間でほぼ一定となるように且つその周期がイオンがプラズマ領域の中心からいずれかの電極に移動するまでの時間よりも小さい周期となるように変調周波数を決定し、前記決定された変調周波数および変調深さを有する振幅変調信号を前記単一のＲＦ電力発生器に対して送信することによって実行される、
プラズマ処理装置。 - 請求項４に記載のプラズマ処理装置であって、前記プラズマ処理チャンバは、前記変調高周波ＲＦ電力の前記平均ＲＦ電力に応じて、一定のプラズマ密度を維持するプラズマ処理装置。
- 請求項４に記載のプラズマ処理装置であって、前記変調ＲＦ電力の周波数は４ＭＨｚより大きいプラズマ処理装置。
- 単周波ＲＦ電力を用いた平行平板型のプラズマ処理チャンバにおいて、ウェハを処理するためのプラズマ処理制御方法であって、
単一周波数の高周波電力を発生し、変調させる単一のＲＦ電力発生器に対して変調制御部から振幅変調信号を送信することによって、ウェハ上における等方性エッチング処理を実行するためのプラズマ密度を制御する平均ＲＦ電力およびウェハ上における異方性エッチング処理を実行するためのイオン衝突エネルギを制御するシース電圧を発生させるピークＲＦ電力を含む高周波の変調ＲＦ電力を単一のＲＦ電力発生器により発生し、
プラズマ処理チャンバ内の静電チャック上にウェハを供給し、前記静電チャックは、前記ウェハの下に配置された前記変調ＲＦ電力を受け取るための第１の電極を含み、前記プラズマ処理チャンバはさらに前記ウェハ上に配置されている第２の電極を有し、
前記変調ＲＦ電力を、プラズマ処理チャンバを介して受け取り、
前記変調ＲＦ電力に応じて、前記ウェハを処理するためのプラズマ処理チャンバ内において、プラズマおよびイオン衝突エネルギを生成することを備え、
前記高周波電力の変調は、前記平均ＲＦ電力を決定し、変調深さを決定することにより前記ピークＲＦ電力を決定し、前記プラズマ密度と前記イオン衝突エネルギとを個別に制御するために、プラズマ密度が変調ピーク間でほぼ一定となるように且つその周期がイオンがプラズマ領域の中心からいずれかの電極に移動するまでの時間よりも小さい周期となるように変調周波数を決定し、前記決定された変調周波数および変調深さを有する振幅変調信号を前記単一のＲＦ電力発生器に対して送信することによって実行される、
プラズマ処理制御方法。 - 請求項７記載のプラズマ処理制御方法であって、前記プラズマ処理チャンバは、前記変調高周波ＲＦ電力の前記平均ＲＦ電力に応じて、一定のプラズマ密度を維持するプラズマ処理制御方法。
- 請求項７記載のプラズマ処理制御方法であって、前記変調ＲＦ電力の周波数は４ＭＨｚより大きいプラズマ処理制御方法。
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