JP5492070B2 - ウエハに面する電極に直流電圧を誘導するための方法およびプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

プラズマ処理の発展によって半導体産業の成長が促進されている。プラズマ処理には異なるプラズマ生成技術が含まれ、例えば誘導結合プラズマ処理システム、容量結合プラズマ処理システム、マイクロ波によるプラズマ処理システム等が含まれる。半導体デバイスを製造するための材料のエッチングおよび／または堆積に関わる処理において製造業者は容量結合プラズマ処理システムを用いることが多い。

新しく開発された材料、異種材料の複雑な積層、薄膜、小型化、厳しい精度要件により製造される次世代の半導体デバイスでは、プラズマ処理パラメータのより正確な制御ならびにより広い操作窓（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗ）を備えたプラズマ処理システムが要求される。よって、基板のプラズマ処理において考慮すべき重要なものには、プラズマに関する複数の処理パラメータを制御することができる容量結合プラズマ処理システムがある。プラズマに関する処理パラメータを制御する従来の方法においては、外部の高周波（ＲＦ）発生器または外部の直流電源が含まれる。

説明を容易にするために、図１に、上部電極１０４に結合された外部の高周波発生器１２４を備える従来のプラズマ処理システム１００の簡略図を示す。プラズマ処理システム１００は、単周波、二重周波または三重周波の高周波容量放出システムであり得る。一例において、用いられる周波数は２ＭＨｚ、２７ＭＨｚ、および６０ＭＨｚである（これらに限定されない）。プラズマ処理システム１００は、下部電極１０６上に配置された基板１０８を含むように構成される。

ここで、例えば基板１０８が処理されていると仮定する。プラズマ処理の間、アースへの経路（以下、接地経路）を備えた高周波発生器１２０は、高周波整合器１１８を通して下部電極１０６に高周波低バイアス電力を供給することができる。一例において、高周波整合器１１８はプラズマシステムへの電力供給が最大になるように用いられる。高周波発生器１２０からの電力は上部電極１０４と下部電極１０６との間のプラズマ（ガスおよびプラズマは図面を簡略化するために示されていない）を点火するためにガスと相互作用する。プラズマは基板１０８上の材料をエッチングし、および／または材料を堆積するために用いられる。

図１の例において、下部電極１０６は下部絶縁体１１６によって下部接地延長部材１１４から電気的に隔離されている。上部電極１０４は上部絶縁体１１２によって上部外側接地電極１１０から電気的に隔離されている。

ここで、例えば、製造業者がプラズマ処理の間にプラズマ処理パラメータを付加的に制御するために上部電極１０４の電圧を調整したいとする。上部電極１０４の電圧は、接地経路を備える高周波整合器１２２を介して外部高周波発生器１２４によって調整される。図１の例において、外部高周波発生器１２４は電力を供給された高出力の高周波発生器である。

更に、図２は、上部電極１０４に連結された外部直流電源２２４を備える、従来技術のプラズマ処理システム２００の簡略図を示している。図２のプラズマ処理システム２００は上述した図１の多周波の容量結合プラズマ処理システム１００と同様のものである。

図２の例において、外部直流電源２２４は、接地経路を備える高周波フィルタ２２２を介して上部電極１０４に結合されている。一般的に、高周波フィルタ２２２は、直流電源２２４に損失を生じさせることなく、望ましくない高調波の高周波エネルギーの減衰をなすために用いられる。望ましくない高調波の高周波エネルギーがプラズマ放電において発生して高周波フィルタ２２２によって直流電源に戻るのを妨げられる。

ここで、例えば、製造業者がプラズマ処理の間にプラズマ処理パラメータを付加的に制御するために上部電極１０４の電圧を調整したいとする。図２の例において、外部直流電源２２４を用いることによって上部電極１０４の直流電位が調整される。

残念ながら、上述のプラズマ処理システムでは、プラズマに関するパラメータを付加的に制御するために、上部電極の電圧を変更するための外部高周波電源と、上部電極の直流電位を変更するための外部直流電源とが必要とされる。外部電源が必要なため、実施が高価となり、デバイスの製造業者に望ましくない運転費用を付加するのである。

一実施例において、本発明は基板を加工・処理するための方法に関する。

この方法は、第１の電極および第２の電極を備えて構成されたプラズマ処理チャンバ内で基板を支持することを含む。この方法は、高周波受動回路を第２の電極に結合することを含んでおり、高周波受動回路は、第２の電極上の高周波インピーダンス、高周波電位、直流バイアス電位の一または複数を調節するように構成される。

上記の概要は、本明細書に開示される発明の多くの実施形態の一つを示すのみであって、特許請求の範囲に記載された発明の範囲を限定することを意図しない。本発明のこれらのまたは他の特徴は、以下の発明の詳細な説明において添付の図面と共に更に詳細に記載される。

本発明は添付の図面において例示の目的で記載されており、限定の目的ではなく、同じ符号は同じ要素を指している。

上部電極に結合された外部高周波発生器を備えた従来技術のプラズマ処理システムの簡略図を示している。 上部電極に連結された外部直流電源を備えた従来技術のプラズマ処理システムの簡略図を示している。 本発明の一実施形態における、プラズマ処理システム内で直流接地（DC グラウンド）経路を備える上部電極に結合される高周波結合回路装置の簡略図を示している。 本発明の一実施形態における、高周波結合回路装置の簡略図を示している。 本発明の一実施形態における、プラズマ処理システムのプラズマに関して、二つの異なる容量値でのパラメータの高周波結合回路装置の測定された効果を示すデータを示すグラフである。

本発明は添付の図面に示されたいくつかの実施形態を参照にして以下に詳細に記載される。以下の記載において、本発明の十分な理解のために多くの具体的な詳細を記載する。しかしながら、これらの具体的な詳細のいくつかまたは全てがなくても当業者であれば本発明を実施することができることは明らかであろう。それ以外の例では、本発明が不必要に不明瞭になることを避けるために、周知の方法工程および／または周知の構成は詳細に記載していない。

以下に様々な実施形態（方法および技術を含む）記載する。本発明は、本発明の実施形態を実施するためのコンピュータ可読の命令が記憶されるコンピュータ可読媒体を含む製品もカバーし得ることを留意すべきである。コンピュータ可読媒体は、例えば、コンピュータ可読コードを記録するための半導体、磁気、光学磁気、光学の形態、またはコンピュータ可読媒体の他の形態が含まれる。更に、本発明は、本発明の実施形態を実施するための装置もカバーし得る。係る装置は、本発明の実施形態に関するタスクを実行するための専用回路および／またはプログラム可能な回路を含んでいてもよい。係る装置の例としては、適切にプログラムされた汎用コンピュータおよび／または専用計算機が含まれ、本発明の実施形態に関する様々なタスクに適合されたコンピュータ／計算機と専用回路／プログラム可能な回路が含まれてもよい。

本発明の実施形態において、プラズマ処理パラメータを制御するためのプラズマ処理システムにおける高周波接地結合回路（ＲＦ ｇｒｏｕｎｄ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ）のための方法および装置が提供される。高周波接地結合回路は直流接地（DC グラウンド）経路を備える上部電極に連結されている。本発明の実施形態では、高周波接地結合回路によって、上部電極の高周波電位および／または直流バイアス電圧の調整が可能となる。

本発明の一または複数の実施形態において、高周波接地結合回路は、プラズマ処理パラメータ（例えば、プラズマ密度、イオンエネルギー、および化学的性質）を制御するために用いられる。この高周波接地結合回路は受動回路である。制御は例えば可変インピーダンス出力を生成することによってなされる。別の例においては、制御は可変抵抗を生成することによってもなされる。

一実施形態において、上部電極からアースに戻る直流電流のための経路を提供するために導電結合部材（ｃｏｎｄｕｃｉｖｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｍｅｍｂｅｒ）がプラズマ処理チャンバに設けられる。一例において、プラズマ処理チャンバは、高周波接地結合回路に結合された上部電極を含んでいる。この高周波接地結合回路は、上部電極に連結されており、アースに戻る直流電流のための経路を備え、これにより、高周波接地結合回路が上部電極の高周波電圧および／または直流バイアスを制御することを可能にしている。別の実施形態において、導電結合部材は環状（リング状）の形状を有しており、プラズマ処理チャンバの底部において直流電流がアースに戻るための均一的な放射状を形成している。一例において、プラズマ処理チャンバは直流電流がアースに戻るための均一的な放射状となる導電結合部材（例えば下部延長リング上に配置されるシリコンリング）を含んでいる。

別の実施形態において、高周波接地結合回路装置は、上部電極の高周波電圧の調整を可能にするために可変インピーダンス出力を提供するように構成される。一例において、コンデンサおよび／またはインダクタが可変インピーダンス出力を生成するために用いられる。しかしながら、可変インピーダンスを生成するための同一および／または異なる要素を含む他の装置を用いることもできる。従来技術とは異なり、高周波電圧は外部高周波発電機がなくても制御されることができる。よって、高周波接地結合回路装置（すなわち受動回路）は、高価な外部電源を実装することなく高周波電圧を介してプラズマ処理パラメータを制御することができる。

一実施形態において、高周波接地結合回路装置は、上部電極の直流電位の調整を可能にするために可変抵抗器を備えて構成される。一実施形態において、この高周波接地結合回路装置は外部直流電源を持たない。本発明の一実施形態において、上部電極の直流バイアスは可変抵抗器を介して抵抗値を調整することによって制御される。従って、プラズマパラメータは上部電極の直流バイアスの変化によって影響を受ける。

本発明の特徴および利点は、図面を参照にし、かつ以下の記載によってより理解されよう。図３は、本発明の実施形態における、プラズマ処理システム３００内において直流接地（DC グラウンド）経路を備える上部電極３０４に結合された高周波結合回路装置３２４の簡略図を示している。プラズマ処理システム３００は単周波、二重周波、または三重周波の高周波容量放出システムであり得る。一例において、この周波数は２ＭＨｚ，２７ＭＨｚおよび６０ＭＨｚを含む（しかしこれらに限定されない）。プラズマ処理システム３００は、下部電極３０６上に配置される基板を含むように構成される。

ここで、例えば、基板３０８が処理されると仮定する。プラズマ処理の間、接地経路を備えた高周波発生器３２２は、高周波整合器３２０を通して下部電極３０６に高周波低接地電力を供給する。高周波発生器３２２からの高周波電力は、上部電極３０４と下部電極３０６との間にプラズマを点火するためにガスと相互作用する（ガスおよびプラズマは図面を簡略化するために示されていない）。プラズマは、電子デバイスを製造するために基板３０８上の材料をエッチングし、および／または堆積するために使用される。

図３の態様では、上部電極３０４は絶縁体３１２によって上部接地延長リング３１０から電気的に絶縁されている。上部接地延長リング３１０は、その表面が石英層で覆われた導電性アルミニウム材料からなる。

図３に示されるように、下部電極３０６は、絶縁体３１８によって、直流接地（DC グラウンド）した下部電極延長リング３１４（プラズマ処理チャンバの底部に位置する）から電気的に絶縁されている。図３の態様において、下部延長リング３１４は、その表面が石英層で覆われた導電性アルミニウム材料からなる。他の導電性材料を下部延長リング３１４の形成に用いてもよい。

従来技術において、上部電極のための高周波結合および直流バイアスは外部電源を用いることによって達成される。従来の方法とは異なり、高周波結合および直流バイアスは、アースに戻る直流電流と、高周波結合回路装置とを提供することによって達成される。

本発明の実施形態において、導電結合部材３１６は、下部電極延長リング３１４のアルミニウム部分上に配置され、アースに戻る直流電流のための経路を提供する。導電結合部材３１６はシリコンから形成される。あるいは、導電結合部材３１６は他の導電材料から形成されてもよい。図３の態様において、導電結合部材３１６の形状は環状である。この環状の形状の有利な点は、プラズマ処理チャンバの底部でアースに戻る直流電流のために放射状の均一性を提供することである。しかしながら、導電結合部材３１６は、アースに戻る直流電流のために不均一となり得る適切な形状（例えば円盤状、ドーナツ状など）に形成されてもよい。

一実施例において、上部電極３０４は、アースへの高周波結合を制御する高周波結合回路装置３２４を備えて設けられる。従来技術とは対照的に、高周波結合回路装置３２４は外部電源（すなわち受動回路）を必要としない。高周波結合回路装置３２４は、上部電極３０４の高周波電位および／もしくは直流バイアス電位を変更するためにインピーダンスならびに／または抵抗を変更するために回路を備えて構成される。

図４は、本発明の一実施形態において、高周波結合回路装置４００の簡略図を示す。図４の高周波結合回路装置４００は図３の高周波結合回路装置３２４の詳細を示している。従って、図４は図３の理解を助けるものとして記載される。

本発明の一実施形態において、可変インピーダンス出力を生成するために例えばコンデンサおよび／またはインダクタによって可変インピーダンス回路が設けられる。しかしながら、可変インピーダンスを生成するための同一および／または異なる要素を含む他の装置を用いてもよい。図４の態様において、高周波結合回路装置４００は、可変インピーダンス出力を生成するための接地経路を備えた可変コンデンサ（Ｃ）４０４と直列のインダクタ（Ｌ）４０２を備えて構成される。いくつかの実施形態において、コンデンサ４０４は、周波数が約２ＭＨｚの場合には約２０ピコファラド（ｐＦ）〜約４，０００ピコファラドの値を有する（しかしこれに限定されない）。いくつかの実施形態において、インダクタ４０２は約１４ナノヘンリーの値を有する（しかしこれに限定されない）。

本発明の実施形態において、高周波結合回路装置４００は、可変抵抗器（Ｒ）４０８に連結された高周波フィルタ４０６と、可変抵抗出力を生成するためのスイッチ４１０とを更に備えて構成される。スイッチ４１０が開放状態にされた場合、上部電極はグラウンドから絶縁され（フローティング）、電流は回路を通して流れない。

本発明の一実施形態において、スイッチ４１０が閉状態にされた場合、電流路は、上部電極３０４からプラズマ（図示せず）を通して図３の導電結合部材３１６を介して、直流接地（DC グラウンド）された下部延長リング３１４に流れる。可変コンデンサ４０４およびインダクタ４０２は電流路に配置されることによってインピーダンスを備える。高周波結合回路装置４００のインピーダンスは可変コンデンサ４０４の値を変更することによって調整される。図３の上部電極３０４の高周波電位は、高周波結合回路装置４００のＬＣ部を介してインピーダンスを変更することによって制御される。従来技術の例とは対照的に、高周波結合回路装置４００は外部電源を必要としない。

更に、抵抗を与えるために可変抵抗器４０８が電流路内に配置されてもよい。一例において、高周波結合回路装置４００の抵抗は可変抵抗器４０８の値を変更することによって調整される。よって、図３の上部電極３０４の直流電位はグラウンドから絶縁されている状態（フローティング）（図４のスイッチ４１０は開いている）と直流接地の状態（図４のスイッチ４１０は閉じている）との間の直流電流値に段調を与えるように制御される。

図５は、本発明の一実施形態において、プラズマ処理システムのプラズマに関して、二つの異なる容量値でのパラメータの高周波結合回路装置の測定された効果を示すデータを示すグラフ５００である。図５は理解を容易にするために図３および４に関して記載されている。

図５に記載されるように、横軸は上部電極の状態（DC セットアップ）を示している。点線５０２はグラウンドから絶縁された状態（トップ DC フロートセットアップ）を示しており、図４のスイッチ４１０は開いている。点線５０４は接地された状態（トップ DC グラウンド）を示しており、図４のスイッチ４１０は閉じている。

図５において、縦軸の左側は、ウエハの直流バイアスと、上部電極直流電位を電圧（Ｖ）で示している。図５には、縦軸の左側の電圧値に対応する実線からなるプロット線（５０６，５０８，５１０，よび５１２）が示されている。加えて、縦軸の右側は上部電極の直流電流測定値をアンペア（Ａ）で示している。図５には、縦軸の右側の電流値に対応する破線からなるプロット線（５１４および５１６）が更に示されている。

例えば、図４の高周波結合回路装置４００においてスイッチ４１０はプラズマ処理の間は開いていると仮定する。図３の上部電極３０４はグラウンドから絶縁されており（フローティング）、直流電流路は存在しない。一例において、図５のプロット線５１４および５１６のための点５１８にて示されているように、上部電極３０４上の直流電流の測定値は、スイッチ４１０が開いている場合実質的にゼロである。

本発明の一実施形態において、スイッチ４１０が閉じている場合、例えば図３の上部電極３０４は接地しており、直流電流路が存在する。直流電流は上部電極３０４からプラズマを介して導電結合リング３１６に向かい、アースに戻る。従来技術とは対照的に、上部電極３０４との高周波結合は外部発電機を用いることなく達成される。

プラズマ処理の間、図４のスイッチ４１０は閉じており、例えば図４の高周波結合回路装置４００の可変コンデンサ４０４はインピーダンス値を変化させるために調整される。同時にもしくは代わりに、図４の可変抵抗器４０８は抵抗値を変化させるために調整される。

一例において、可変コンデンサ４０４は第１の容量値である０．８ナノファラド（ｎＦ）または第２の容量値である１０ナノファラドに設定される。容量値が０．８ナノファラドおよび１０ナノファラドの設定における測定した上部電極の直流電位の値は、それぞれプロット線５０６および５０８で示されている。図５で示されるように、０．８ナノファラドの低い容量値のプロット線５０６は、１０ナノファラドの大きな容量値の曲線５０８と比較して、直流電位においてより大きな変化（すなわち勾配がより急である）を示している。

加えて、上部電極直流電位の値は可変抵抗器４０８の抵抗値を変化させることによって調整することができる。例えば、プロット線５０６の０．８ナノファラドの容量値の設定における直流電位は、可変抵抗器４０８の値を変化させることによってプロット線５０６に沿って任意の値に調整することができる。

別の例において、０．８ナノファラドまたは１０ナノファラドの容量値の設定におけるウエハの直流バイアス値が図５のプロット線５１０および５１２によってそれぞれ示されている。本発明の一実施形態において、図４のスイッチ４１０が閉じている場合にプラズマ処理の間、０．８ナノファラドの低い容量値のプロット線５１０は、１０ナノファラドの大きな容量値の曲線５１２と比較して、直流バイアスにおいてより大きな変化（すなわち勾配がより急である）を示している。

よって、ウエハの直流バイアスの値は、可変抵抗器４０８の抵抗値を変化させることによって調整することができる。例えば、プロット線５１０の０．８ナノファラドの容量設定におけるウエハの直流バイアス値は、可変抵抗器４０８の値を変更することによってプロット線５１０に沿って任意の値に調整することができる。

別の実施形態において、０．８ナノファラドまたは１０ナノファラドの容量設定における上部電極の直流電流値が図５のプロット線５１４および５１６によってそれぞれ示されている。０．８ナノファラドの低い容量値のプロット線５１４は、１０ナノファラドの大きな容量値の曲線５１６と比較して、直流バイアスにおいてより大きな変化（すなわち勾配がより急である）を示している。

上記から分かるように、本発明の実施形態は、アースへの直流電流路を備える高周波結合回路を用いて、上部電極上の高周波インピーダンスおよび／または直流バイアス電位を調整することによってプラズマ処理パラメータ（例えば、プラズマ密度、イオンエネルギー、および化学的性質）を制御するための方法および装置を提供する。この高周波結合回路および直流接地（DC グラウンド）経路は実装が比較的単純である。更に、外部の直流電源を用いることなく制御を行うことができる。外部の電源の必要性を無くすことで、コストの削減ができる一方、容量結合プラズマ処理チャンバ内のプラズマ処理の制御を維持することができる。

本発明がいくつかの好ましい実施形態に関して記載されてきたが、変更、置換および均等物も本発明の範囲内である。また、便宜上本願に含まれる発明の名称および要約ならびに要約書は、特許請求の範囲を解釈するために使用されるべきではない。また、本発明の方法および装置を実施する多くの代替的な方法および装置があることも留意すべきである。様々な実施例が本明細書において記載されたが、これらの実施例は例示の目的であって、本発明を限定するものではない。更に、本願において、「ｎ」は０以上の数を表す。従って、添付の請求の範囲は、係る全ての変更、置換および均等物を含み、これらは本発明の真の精神および範囲に含まれると解されるべきである。

Claims (8)

1. プラズマ処理チャンバにおいて基板を処理するための方法であって、
   第１の電極および第２の電極を備えて構成された前記プラズマ処理チャンバ内で前記基板を支持し、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間でプラズマを点火するための少なくとも一つの電源を構成し、
   高周波受動回路を前記第２の電極に結合し、
   前記高周波受動回路が、高周波フィルタ装置と、可変抵抗器と、可変コンデンサと、インダクタと、スイッチと、を含むように構成され、
   前記可変コンデンサと前記インダクタとは直列に接続されて、可変インピーダンス回路を構成し、
   前記可変抵抗器は、前記スイッチを介して接地されると共に、前記高周波フィルタ装置を介して、前記可変インピーダンス回路に接続されており、
   前記高周波受動回路は、前記第２の電極上の、高周波インピーダンス、高周波電位、および直流バイアス電位の一または複数を調整するように構成され、
   さらに、前記スイッチが閉じた場合に、前記第２の電極と導電結合部材との間の前記プラズマを通して直流接地が構成されていることを特徴とする方法。
2. 前記導電結合部材が、シリコンからなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記導電結合部材の形状が、環状であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記インダクタが、可変インダクタであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. プラズマ処理システムであって、
   第１の電極と、
   第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間にプラズマを点火するように構成された少なくとも一つの電源と、
   前記第２の電極に結合された高周波受動回路と、
   さらに、前記高周波受動回路は、高周波フィルタ装置と、可変抵抗器と、可変コンデンサと、インダクタと、スイッチと、を含み、
   前記可変コンデンサと前記インダクタとは直列に接続されて、可変インピーダンス回路を構成し、
   前記可変抵抗器は、前記スイッチを介して接地されると共に、前記高周波フィルタ装置を介して、前記可変インピーダンス回路に接続されており、
   さらに、前記スイッチが閉じた場合に、前記第２の電極と導電結合部材との間の前記プラズマを通して構成される直流接地を含み、
   前記高周波受動回路は、前記第２の電極上の、高周波インピーダンス、高周波電位、および直流バイアス電位の一または複数を調整するように構成されていることを特徴とするプラズマ処理システム。
6. 前記導電結合部材が、シリコンからなることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理システム。
7. 前記導電結合部材が、環状であることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理システム。
8. 前記インダクタが、可変インダクタであることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理システム。

Images