JP2010532549A - 強化された電荷中和及びプロセス制御を具えたプラズマ処理 - Google Patents

強化された電荷中和及びプロセス制御を具えたプラズマ処理 Download PDF

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Abstract

プラズマ処理装置は、プラズマ処理のために基板を支持するプラテンを含む。ＲＦ電源が第１の電力レベルを有する第１の期間及び第２の電力レベルを有する第２の期間を有する複数レベルのＲＦ電力波形を出力端子に発生する。前記ＲＦ電源の出力端子に電気的に接続された電気入力端子を有するＲＦプラズマ源が、前記第１の期間の間前記第１のＲＦ電力レベルで第１のＲＦプラズマを発生し、前記第２の期間の間前記第２のＲＦ電力レベルで第２のＲＦプラズマを発生する。前記プラテンに電気的に接続された出力端子を有するバイアス電圧源がプラズマ処理のためにプラズマ中のイオンを基板に引き付けるのに十分なバイアス電圧波形を発生する。

Description

本発明はプラズマ処理に関する。
プラズマ処理は数十年に亘り半導体やその他の産業において広く使用されている。プラズマ処理は清浄化、エッチング、ミリング及び堆積などの作業に使用されている。多くのプラズマ処理システムにおいては、処理中の基板に電荷が蓄積しやすい。この電荷蓄積は基板上に比較的高い電圧を発生し、プラズマ処理の不均一性、アーク放電及び基板損傷を生じ得る。例えば、プラズマエッチングシステムにおける電荷蓄積は不均一なエッチング深さ及びピッチを生じ、また基板の表面への損傷を生じ、歩留まりを低減し得る。更に、堆積システムにおける電荷蓄積は不均一な堆積及び堆積膜層への損傷を生じ得る。
最近、プラズマ処理はドーピングに使用されている。プラズマドーピングはＰＬＤＡ又はプラズマイマージョンイオン注入（ＰＩＩＩ）とも呼ばれている。プラズマドーピングシステムはいくつかの最新の電子及び光学デバイスのドーピング要件を満たすために開発された。プラズマドーピングは、イオンを電界で加速し、次にイオンをそれらの質量対電荷比に従ってフィルタ処理して注入用に所望のイオンを選択する慣例のビームラインイオン注入システムと基本的に相違する。対照的に、プラズマドーピングシステムはドーパントイオンを含むプラズマ内にターゲットを入れ、ターゲットを一連の負電圧パルスでバイアスする。プラズマシース内の電界がイオンをターゲットに向け加速し、イオンをターゲットの表面に注入する。
半導体産業用のプラズマドーピングシステムは一般に極めて高度のプロセス制御を必要とする。半導体産業に広く使用されている従来のビームラインイオン注入システムは優秀なプロセス制御を有し、優秀なラン・ツー・ラン均一性も有する。従来のビームラインイオン注入システムは最先端の半導体基板の全表面に高度に均一なドーピングを提供する。
一般に、プラズマドーピングシステムのプロセス制御は従来のビームラインイオン注入システムほどよくない。多くのプラズマドーピングシステムでは、電荷がプラズマドーピング中の基板に蓄積する傾向がある。この電荷蓄積が基板上に比較的高い電圧を発生し、許容し得ないドーピングの不均一性及びアーク放電を生じさせ、デバイスを損傷する結果になり得る。
明細書において、「一実施例」又は「実施例」への言及は、この実施例と関連して記載された特定の特徴、構造又は特性が本発明の一つ以上の実施例に含まれることを意味する。明細書の種々の個所に見られる「一実施例においては」は必ずしもすべて同じ実施例に関係するとは限らない。
本発明の方法の個々のステップは、本発明が実施可能である限り、任意の順序及び／又は同時に実行することができる。更に、本発明の装置及び方法は、本発明が実施可能である限り、記載された実施例の任意のいくつか又は全部を含むことができる。
本発明の教えが添付の図面に示される模範的な実施例を参照して詳細に説明される。本発明の教えが種々の実施例及び用例と関連して記載されるが、本発明の教えはこれらの実施例に限定されない。対照的に、本発明の教えは当業者に理解されるように種々の代替例、変更例、等価例を包含する。本発明の教えにアクセスできる当業者は開示の範囲内において追加の実装、変更及び実施並びに他の利用分野を認識し得る。例えば、本発明によるプラズマ処理システムにおける電荷中和方法は任意のタイプのプラズマ源とともに使用することができる。
多くのプラズマ処理システムは、一連のパルスをプラズマ源に供給してパルスプラズマを発生させるパルス動作モードで動作する。また、プラズマ源パルスのオン期間中に一連のパルスをプラズマ処理中の基板に供給することによって基板をバイアスして、注入、エッチング又は堆積のためにイオンを引き付けることもできる。パルス動作モードでは、プラズマ源パルスのオン期間中に電荷がプラズマ処理中の基板に蓄積する傾向がある。プラズマ源パルスのデューティサイクルを比較的低くすると（即ちプロセスパラメータに応じて約２５％未満、時には２％未満）、電荷はプラズマ中の電子により効率よく中和され、ごく僅かの帯電効果になる。
しかし、現在のところパルス動作モードのプラズマ処理は比較的高いデューティサイクル（即ち約２％より大きいデューティサイクル）で実行する必要がある。このような高いデューティサイクルは、所望のスループットを達成するため及びいくつかの最新のデバイスに必要とされるエッチング速度、堆積速度及びドーピングレベルを維持するために必要とされる。例えば、いくつかの最先端デバイスのポリゲートドーピング及びカウンタドーピングは２％より大きいデューティサイクルのプラズマドーピングによって行うのが望ましい。更に、プロセススループットを許容レベルに高めるためには２％より大きいデューティサイクルで多くのプラズマエッチング及び堆積処理を実行するのが望ましい。
デュイーティサイクルが約２％より大きくなると、プラズマ処理中の基板上の電荷をプラズマ源のパルスオフ期間中に中和することができる時間が相対的に短くなる。従って、電荷蓄積又は累積がプラズマ処理中の基板上に生じ、プラズマ処理中の基板上に比較的高い電位を発生し、プラズマ処理の不均一性、アーク放電及び基板損傷を生じ得る。例えば、薄いゲート絶縁層を含む基板は過大な電荷蓄積によって容易に損傷され得る。
本発明はプラズマ処理中に電荷を中和する方法及び装置に関する。本発明の方法及び装置は、帯電効果に起因する損傷の可能性を低減することによってプラズマ処理を高いデュイーティサイクルで実行することができる。特に、本発明によるプラズマ処理装置は、プラズマ源に供給されるＲＦ電力を、プラズマ処理中に電荷蓄積を少なくとも部分的に中和するように変化させるＲＦ電源を含む。加えて、プラズマ処理中の基板へのバイアス電圧も電荷蓄積を少なくとも部分的に中和するように変化させることができる。更に、本発明のある実施例においては、プラズマ源に供給されるＲＦ電力パルス及び基板に供給されるバイアス電圧を時間的に同期させ、プラズマ源に供給されるＲＦ電力パルスとプラズマ処理中の基板に供給されるバイアス電圧との相対的タイミングを基板上の電荷蓄積を少なくとも部分的に中和するように及び／又は所定のプロセス目標を達成するように変化させることができる。
更に具体的にいうと、種々の実施例においては、プラズマ処理中に電荷を少なくとも部分的に中和するように独立にプラズマ源を給電するとともにプラズマ処理中の基板をバイアスするために単一又は複数のＲＦ電源が用いられる。また、種々の実施例においては、プラズマ処理中にプラズマ源に供給されるＲＦ電力及び基板に供給されるバイアス電圧はプラズマ処理中に電荷を少なくとも部分的に中和するように相対的時間で供給される。
電荷の中和に加えて、本発明の方法及び装置は、所定のプロセス目標を達成するために、プラズマ処理が終了する期間（即ちパルスオフ期間）の間ＲＦ源への電力及び基板に供給されるバイアスの少なくとも一つを精密に制御することができる。例えば、本発明の方法及び装置は、基板の表面で化学反応を生起させるために、パルスオフ期間の間ＲＦ源への電力及び基板に供給されるバイアスの少なくとも一つを精密に制御することができる。このような性能はスループットを高めることができるとともにいくつかのエッチング及び堆積プロセスにおいてより多くのプロセス制御を与えることができる。
更に、プラズマドーピングのための本発明の方法及び装置は、プラズマドーピング中に残留ドーズを向上させるために、パルスオフ期間の間ＲＦ源への電力及び基板に供給されるバイアスの少なくとも一つを精密に制御することができる。残留ドーズの得られる向上は注入時間を短縮し、従ってプラズマドーピングのスループットを増大する。電荷の中和に加えて、本発明の方法及び装置は、本明細書に記載されるように、改善された側壁プラズマドーピングプロファイル及びレトログレードドーピングプロファイルを達成するノックオン型イオン注入メカニズムを達成するために、プラズマドーピングの終了期間の間ＲＦ源への電力及び基板に供給されるバイアスの少なくとも一つを精密に制御することができる。
本発明による電荷中和手段を具えたプラズマ処理システムの一実施例を示す。 本発明による電荷中和手段を具えたプラズマ処理システムの別の実施例を示す。 いくつかの条件の下で基板上に電荷蓄積を生じ得る単一の振幅を有する、ＲＦ源により発生される従来の波形を示す。 プラズマ中のイオンを引き付けるためにプラズマプロセス中に基板に負電圧を供給する、バイアス電圧源により発生される従来の波形を示す。 基板上の電荷蓄積を少なくとも部分的に中和する複数の振幅を有する、本発明によるＲＦ源により発生されるＲＦ電力波形を示す。 イオンを引き付けるためにプラズマプロセス中に基板に負電圧を供給する、本発明によるバイアス電圧源により発生されるバイアス電圧波形を示す。 イオンを引き付けるためにプラズマプロセス中に基板に負電圧を供給するとともに、基板上の電荷の中和を助けるためにプラズマ処理の終了後に基板に正電圧を供給する本発明によるバイアス電圧源により発生されるバイアス電圧波形を示す。 図４Ａ−４Ｃは図３Ａ−３Ｃと関連して記載された波形に類似するが、第１及び第２のパワーレベルＰRF1，ＰRF2でプラズマ処理を実行するように時間的に変位されている、本発明によるＲＦ源により発生されるＲＦ電力波形及びバイアス電圧源により発生されるバイアス電圧波形を示す。 図５Ａ−５Ｃは本発明の別の実施例による、可変周波数を有するＲＦ源により発生されるＲＦ電力波形及びバイアス電圧源により発生される対応するバイアス電圧波形を示す。 本発明の一実施例において測定されたマルチセットポイントのＲＦ電力及び制御信号の波形を示す。
本発明は、添付図面と関連して、好ましい模範的な実施例に基づいて、その更なる利点とともに、以下に詳細に説明される。図面は必ずしも一定の寸法比ではなく、一般に本発明の原理を図解することに重点が置かれている。
図１Ａは、本発明による電荷中和手段を備えるプラズマ処理システム１００の一実施例を示す。これは、本発明による電荷中和手段を備えた、イオン注入、堆積及びエッチング等のプラズマ処理を実行し得る装置の多くの可能な設計の一つにすぎない。特に、本発明のプラズマ処理システムに使用できる多くのプラズマ源があることに留意されたい。図１に示すプラズマ源は平面ＲＦコイルと螺旋ＲＦコイルの両方を含む。他の実施例は一つの平面コイル又は螺旋コイルを含む。更に他の実施例は容量結合プラズマ源又は電子サイクロトロン共鳴プラズマ源を含む。多くのタイプの等価なプラズマ源があることは当業者に理解されてよう。
プラズマ処理システム１００は、平面ＲＦコイルと螺旋ＲＦコイルの両方及び導電性トップを有する誘導結合プラズマ源１０１を含む。同様のＲＦ誘導結合プラズマ源が、２００４年１２月２０日に出願された「RF Plasma Source with Conductive Top Section」というタイトルの米国特許出願第１０／９０５，１７２号に記載されている。この米国特許出願第１０／９０５，１７２号の明細書全体は参照することにより本書に組み込まれる。プラズマ処理システム１００に示されるプラズマ源１０１は、極めて均一なイオンフラックスを供給できるため、高度に均一な処理を必要とするプラズマドーピング及び他の精密プラズマ処理応用に適している。更に、プラズマ源１０１は、二次電子放出により発生される熱を効率よく消散するため、高出力プラズマ処理に有用である。
更に具体的に言うと、プラズマ処理システム１００は、外部ガス源１０４により供給されるプロセスガスを含むプラズマチャンバ１０２を含む。外部ガス源１０４は比例弁１０６を介してプラズマチャンバ１０２に結合され、プロセスガスをチャンバ１０２に供給する。いくつかの実施例においては、ガスをプラズマ源１０１内へ分散させるためにガスバッフルが使用される。圧力計１０８がチャンバ１０２内の圧力を測定する。チャンバ１０２の排気ポート１１０はチャンバ１０２を排気する真空ポンプ１１２に結合される。排気弁１１４は排気ポート１１０の排気コンダクタンスを制御する。
ガス圧力コントローラ１１６は比例弁１０６、圧力計１０８及び排気弁１１４に電気的に接続される。ガス圧力コントローラ１１６は、排気コンダクタンス及びプロセスガス流量を圧力計１０８に応答して帰還制御することによって、プラズマチャンバ１０２内に所望の圧力を維持する。排気コンダクタンスは排気弁１１４で制御される。プロセスガス流量は比例弁１０６で制御される。
いくつかの実施例においては、プロセスガスに対する希ガス種の比率制御が主ドーパント種を供給するプロセスガスとインライン結合された質量流量計によって与えられる。また、いくつかの実施例においては、現場調整種のために別個の注入手段が使用される。更に、いくつかの実施例においては、基板横断変化をもたらす中性の化学効果を生じるガスを供給するためにマルチポートガス注入が使用される。
チャンバ１０２は水平方向に延在する誘電体材料からなる第１部分１２０を含むチャンバトップ１１８を有する。チャンバトップ１１８の第２部分１２２は第１部分１２０からほぼ垂直方向に高さに亘って延在する誘電体材料からなる。第１及び第２部分は本書では一般に誘電体窓ということもある。チャンバトップ１１８の多くの変形例があることを理解すべきである。例えば、第１部分１２０は、全体的に湾曲して延長し、第１及び第２部分が米国特許出願第１０／９０５，１７２号に記載されているように直交しない誘電体材料で形成することができる。他の実施例においては、チャンバトップ１１８は平坦表面を有するのみとする。
第１及び第２部分１２０，１２２の形状及び寸法は所定の性能を達成するように選択することができる。例えば、チャンバトップ１１８の第１及び第２部分１２０，１２２の寸法はプラズマの均一性を高めるように選択することができることは当業者に理解されよう。一実施例においては、第２部分１２２の垂直方向の高さと第２部分１２２を水平方向に横切る長さとの比が一層均一なプラズマを達成するように選択される。例えば、一つの特定の実施例においては、第２部分１２２の垂直方向の高さと第２部分１２２を水平方向に横切る長さとの比は１．５〜５．５の範囲内にする。
第１及び第２部分１２０，１２２の誘電体材料はＲＦアンテナからのＲＦ電力をチャンバ１０２内のプラズマへ転送する媒体を提供する。一実施例においては、第１及び第２部分１２０，１２２の形成に使用する誘電体材料は、プロセスガスに対して化学的に耐性であるとともに良好な熱特性を有する高純度のセラミック材料とする。例えば、いくつかの実施例においては、誘電体材料は９９．６％Ａｌ２Ｏ３又はＡｌＮとする。他の実施例においては、誘電体材料はイットリア及びＹＡＧとする。
チャンバトップ１１８の蓋１２４は第２部分を水平方向に横切る長さに亘って延在する導電材料からなる。多くの実施例においては、蓋２４の形成に使用する材料の導電率は、熱負荷を消散するとともに二次電子放出に起因する帯電効果を最小にするのに十分な高さにする。典型的には、蓋２４の形成に使用する導電材料はプロセスガスに対して化学的に耐性であるものとする。いくつかの実施例においては、導電材料はアルミニウム又はシリコンとする。
蓋２４はフルオロカーボンポリマからなるハロゲン耐性のＯリング、例えばChemrz及び／又はKalrexからなるＯリングで第２部分１２２に結合することができる。蓋１２４は、第２部分１２２への圧力を最小にしつつ蓋１２４を第２部分に封止するに足る圧力を与える方法で第２部分１２２の上に装着される。いくつかの動作モードでは、蓋１２４は図１に示されるようにＲＦ及びＤＣ接地される。
いくつかの実施例においては、チャンバ１０２は金属汚染を阻止する又は大幅に低減するように配置されたライナ１２５を含み、このライナはプラズマチャンバ１０２の内部金属壁に衝突するプラズマ中のイオンによりスパッタされた金属を遮蔽するプラズマチャンバ１０２の内面の見通し遮蔽（line-of-sight-shielding）を与える。このようなライナは、２００７年１月１６日に出願された「Plasma Source with Liner for Reducing Metal Contamination」というタイトルの米国特許出願第１０／９０５，１７２号に記載されており、この特許出願は本出願人に譲渡されている。この米国特許出願の明細書全体は参照することにより本書に組み込まれる。
種々の実施例においては、ライナはワンピース又は単一のプラズマチャンバライナ又は分割されたプラズマチャンバライナとする。多くの実施例においては、プラズマチャンバライナ１２５はアルミニウムのような金属基材からなる。これらの実施例においては、プラズマチャンバライナ１２５の内部表面１２５’はプラズマチャンバライナ基材のスパッタリングを防止する硬い皮膜材料を含む。
プラズマドーピングプロセスなどのいくつかのプロセス処理は、二次電子放出のためにプラズマ源１０１の内面に不均一に分布した多量の熱を発生する。いくつかの実施例においては、プラズマチャンバライナ１２５は温度制御プラズマチャンバライナ１２５である。更に、いくつかの実施例においては、蓋１２４は、処理中に発生した熱負荷を消散させるために蓋１２４及び周囲区域の温度を調整する冷却システムを備える。冷却システムは、蓋１２４中に冷却通路を含み、冷却剤源からの液体冷却剤を循環させる流体冷却システムとすることができる。
ＲＦアンテナは、チャンバトップ１１８の第１部分１２０および第２部分１２２の少なくとも一つに隣接して設けられる。図１のプラズマ源１０１は、互いに電気的に絶縁された２つの別個のＲＦアンテナを有する。しかし、他の実施例においては、この２つの別個のＲＦアンテナは電気的に接続される。図１に示す実施例においては、複数ターンを有する平面コイルＲＦアンテナ１２６（平面アンテナあるいは水平アンテナということもある）は、チャンバトップ１１８の第１部分１２０に隣接して設けられる。さらに、複数ターンを有する螺旋コイルＲＦアンテナ１２８（螺旋アンテナあるいは垂直アンテナということもある）は、チャンバトップ１１８の第２部分１２２を取り囲む。
いくつかの実施例においては、平面コイルＲＦアンテナ１２６及び螺旋コイルＲＦアンテナ１２８の少なくとも一つは実効アンテナコイル電圧を低減するキャパシタ１２９で終端される。用語「実効アンテナコイル電圧」は本書ではＲＦアンテナ１２６，１２８の両端間の電圧降下を意味すると定義する。換言すれば、実効コイル電圧は「イオンが見る」電圧であり、プラズマ中のイオンが経験する電圧と等価である。
また、いくつかの実施例においては、平面コイルＲＦアンテナ１２６及び螺旋コイルＲＦアンテナ１２８の少なくとも一つは、Ａｌ２Ｏ３の誘電体窓材料の誘電率に比較してかなり低い誘電率を有する誘電体層１３４を含む。比較的低い誘電率の誘電体層１３４は同様に実効アンテナコイル電圧を低減する容量分圧器を実効的に形成する。更に、いくつかの実施例においては、平面コイルＲＦアンテナ１２６及び螺旋コイルＲＦアンテナ１２８の少なくとも一つは同様に実効アンテナコイル電圧を低減するファラデイシールド１３６を含む。
ＲＦ電源のようなＲＦ源１３０は、平面コイルＲＦアンテナ１２６および螺旋コイルＲＦアンテナ１２８の少なくとも一つに電気的に接続される。多くの実施例においては、ＲＦ源１３０は、ＲＦ源１３０からＲＦアンテナ１２６、１２８に伝達される電力を最大にするために、ＲＦ源１３０の出力インピーダンスをＲＦアンテナ１２６、１２８のインピーダンスに整合させるインピーダンス整合ネットワーク１３２によりＲＦアンテナ１２６、１２８に結合される。インピーダンス整合ネットワーク１３２の出力から平面コイルＲＦアンテナ１２６および螺旋コイルＲＦアンテナ１２８への破線は、インピーダンス整合ネットワーク１３２の出力から平面コイルＲＦアンテナ１２６および螺旋コイルＲＦアンテナ１２８のいずれか一方又は両方に電気接続し得ることを示す。
いくつかの実施例においては、平面コイルＲＦアンテナ１２６および螺旋コイルＲＦアンテナ１２８の少なくとも一つは液体冷却されるように形成される。平面コイルＲＦアンテナ１２６および螺旋コイルＲＦアンテナ１２８の少なくとも一つを冷却することによってＲＦアンテナ１２６，１２８を伝播するＲＦ電力により生じる温度勾配が低減する。
いくつかの実施例においては、プラズマ源１０１はプラズマイグナイタ１３８を含む。多くのタイプのプラズマイグナイタがプラズマ源１０１とともに使用できる。一実施例においては、プラズマイグナイタ１３８は、プラズマの点弧を助ける、アルゴン（Ar）のような高イオン化ガスであるストライクガスの貯槽１４０を含む。貯槽１４０は高いコンダクタンスのガス接続でプラズマチャンバ１０２に結合される。バースト弁１４２が貯槽１４０を処理チャンバ１０２から分離する。別の実施例においては、ストライクガス源が低コンダクタンスガス接続で直接バースト弁１４２につながれる。いくつかの実施例においては、貯槽１４０の一部が限定コンダクタンスのオリフィスあるいは計測弁で分離され、安定した流量のストライクガスが最初の高流量バーストの後に供給される。
プラテン１４４が、プロセスチャンバ１０２内に、プラズマ源１０１のトップ１１８より下に配置される。プラテン１４４は基板１４６をプラズマ処理のために保持する。多くの実施例では、基板１４６はプラテン１４４に電気的に接続される。図１に示す実施例においては、プラテン１４４はプラズマ源１０１に平行である。しかし、本発明の一実施例においては、プラテン１４４は種々のプロセス目標を達成するためにプラズマ源１０１に対して傾けられる。
プラテン１４４は基板１４６又は他の加工片を処理のために支持するのに用いられる。いくつかの実施例においては、プラテン１４４は基板１４６を少なくとも一方向に並進、走査、あるいは振動させる可動ステージに機械的に結合される。一実施例においては、可動ステージは、基板１４６をディザあるいは振動させるディザ生成器あるいはオシレータである。並進、ディザ、および／または振動運動はシャドー効果を低減あるいは除去し、基板１４６の表面を衝撃するイオンビームフラックスの均一性を向上することができる。
バイアス電圧源１４８がプラテン１４４に電気的に接続される。バイアス電圧源１４８は、プラズマ中のイオンがプラズマから抽出され基板１４６を衝撃するようにプラテン１４４をバイアスするのに使用される。種々の実施例においては、イオンはプラズマドーピング用のドーパントイオンとすることができ、またエッチング及び堆積用の不活性又は反応性イオンとすることができる。種々の実施例においては、バイアス電圧源１４８はＤＣ電源、パルス電源又はＲＦ電源である。本発明によるプラズマ処理装置の一実施例においては、バイアス電圧源１４８は平面コイルＲＦアンテナ１２６及び螺旋コイルＲＦアンテナ１２８の少なくとも一つを給電するＲＦ源１３０の波形と独立の出力波形を有する。本発明によるプラズマ処理装置の別の実施例においては、バイアス電圧源１４８は平面コイルＲＦアンテナ１２６及び螺旋コイルＲＦアンテナ１２８の少なくとも一つを給電するＲＦ源１３０の波形と同期する出力波形を有する。バイアス電圧源１４８及びＲＦ源１３０は、物理的に、２つの異なる出力を有する同一の電源又は別個の電源にすることができる。
本発明によれば、コントローラ１５２は、プラズマを発生するように且つプラズマ処理中に電荷蓄積を少なくとも部分的に中和するように基板１４６をバイアスするように、ＲＦ電源１３０及びバイアス電圧源１４８を制御するのに使用される。コントローラ１５２は電源１３０，１４８の一部分とすることができ、また電源１３０，１４８の制御入力端子に電気的に接続された別個のコントローラとすることができる。コントローラ１５２は、平面コイルＲＦアンテナ１２６及び螺旋コイルＲＦアンテナ１２８の何れか一方又は両方に少なくとも２つの異なる振幅を有するパルスが供給されるようにＲＦ電源１３０を制御する。更に、本発明によれば、コントローラ１５２は、平面コイルＲＦアンテナ１２６及び螺旋コイルＲＦアンテナ１２８の少なくとも一つ及び基板１４６にも、プラズマ処理中に電荷蓄積を少なくとも部分的に中和する相対的時間でパルスが供給されるように、ＲＦ電源１３０及びバイアス電圧源１４８を制御する。
当業者は、本発明の特徴とともに使用できるプラズマ源１０１の多くの種々の可能な変形を理解されよう。例えば、「Tilted plasma doping」というタイトルで２００５年４月２５日に出願された米国特許出願第１０／９０８，００９号に記載されたプラズマ源の説明を参照されたい。また、「Conformal Doping Apparatus and Method」というタイトルで２００５年１０月１３日に出願された米国特許出願第１１／１６３，３０３号に記載されたプラズマ源の説明を参照されたい。また、「Conformal Doping Apparatus and method」というタイトルで２００５年１０月１３日に出願された米国特許出願第１１／１６３，３０７に記載されたプラズマ源の説明を参照されたい。さらに、「Plasma Doping with Electronically controllable Implant Angle」というタイトルで２００６年１２月４日に出願された米国特許出願第１１／５６６，４１８号に記載されたプラズマ源の説明を参照のこと。米国特許出願第１０／９０８，００９号、第１１／１６３，３０３号、第１１／１６３，３０７号、第１１／５６６，４１８号の明細書全体は参照することにより本書に組み込まれる。
動作中、コントローラ１５２は、ＲＦアンテナ１２６、１２８の少なくとも一つにＲＦ電流を生成するようにＲＦ源１３０に命令する。つまり、平面コイルＲＦアンテナ１２６および螺旋コイルＲＦアンテナ１２８の少なくとも一つをアクティブアンテナにする。「アクティブアンテナ」という用語は、ここでは電源により直接駆動されるアンテナと定義される。本発明のプラズマ処理装置の多くの実施例では、ＲＦ源１３０はパルスモードで動作する。しかし、ＲＦ源１３０は連続モードで動作してもよい。
いくつかの実施例においては、平面コイルアンテナ１２６および螺旋コイルアンテナ１２８の一つは寄生アンテナである。「寄生アンテナ」という用語は、ここではアクティブアンテナと電磁通信を行うが、電源に直接接続されていないアンテナを意味するものと定義される。つまり、寄生アンテナは、直接電源により励起されるのではなく、むしろ近接するアクティブアンテナにより励起され、図１Ａに示される装置ではＲＦ源１３０により給電される平面コイルアンテナ１２６及び螺旋コイルアンテナ１２８の何れかである。本発明のいくつかの実施例においては、寄生アンテナの一端はアンテナチューニング能力を与えるために接地電位に電気的に接続される。本実施例においては、寄生アンテナは、寄生アンテナコイルの有効巻き数を変更するのに使用されるコイル調節器１５０を含む。短絡メタルなどの様々な異なる種類のコイル調節器を使用しうる。
ＲＦアンテナ１２６，１２８を流れる電流はチャンバ１０２内に電流を誘導する。チャンバ１０２内のＲＦ電流はプロセスガスを励起し、イオン化してチャンバ１０２内にプラズマを生成する。プラズマチャンバライナ１２５はプラズマ中のイオンによりスパッタされた金属が基板１４６に到達しないように遮蔽する。
コントローラ１５２は、更に、プラズマ中のイオンを基板に向け引き付ける負電圧パルスで基板１４６をバイアスするようにバイアス電圧源１４８に命令する。負電圧パルスの間、プラズマシース内の電界はプラズマ処理のためにイオンを基板１４６に向け加速する。例えば、プラズマシース内の電界は、イオンを基板１４６の表面に注入するために、基板１４６の表面をエッチングするために、エッチングもしくは堆積のために基板１４６の表面上で化学反応を生じさせるために、又は基板１４６の表面上に薄膜を成長させるために、イオンを基板１４６に向け加速することができる。いくつかの実施例においては、イオンのエネルギーを高めるためにプラズマ中のイオンを基板に向け抽出するためにグリッドが使用される。
ＲＦ源１３０及びバイアス電圧源１４８がある処理条件の下で、例えば比較的高いデューティサイクルで、パルスモードで動作される場合、電荷が基板１４６に蓄積し得る。基板１４６上の電荷蓄積はプラズマ処理中の基板１４６に比較的高い電圧を発生し、処理の不均一性、アーク放電及びデバイス損傷を生じ得る。基板上の電荷蓄積は、本発明に従ってＲＦ源１３０で複数レベルのＲＦ波形を発生させるとともに基板１４６をバイアスすることによって大きく低減することができる。更に、本発明に従ってＲＦ源１３０で複数レベルのＲＦ波形を発生させるとともに基板１４６をバイアスすることによって、プロセス速度及びプロセスプロファイルなどの所定の目標を達成することができる。
図１Ｂは本発明による電荷中和手段を具えたプロセス処理システム１７０の別の実施例を示す。プラズマ処理システム１７０は容量ＲＦ放電システムである。容量ＲＦ放電プラズマ処理システムは当業界において良く知られている。プラズマ処理システム１７０はプロセスガス入り口１７４を有するプロセスチャンバ１７２を含み、質量流コントローラから供給ガスを受け入れプラズマ領域を経て流す。プラズマチャンバ１７２は真空ポンプに結合された排気ポート１７５も含み、排ガスを排出する。典型的には、チャンバ１７２内の圧力を制御するために、真空ポンプに結合された排気ポート１７５内にスロットル弁が設けられる。
プラズマ処理システム１７０はしばしば平行平板電極１７６と呼ばれる２つの平面電極を含む。平行平板電極１７６はＲＦ源１７８により駆動される。平行平板電極１７６は２−１０ｃｍの範囲の空隙で分離されている。阻止キャパシタ１８０がＲＦ源１７８の出力と平行平板電極１７６との間に電気的に接続される。阻止キャパシタ１８０は駆動信号から直流及び低周波数信号を除去するために使用される。ＲＦ駆動信号は典型的には１００−１０００Ｖの範囲である。平行平板電極１７６は典型的には１３．５ＭＨｚの信号で駆動されるが、他の周波数も適切である。
従来の容量ＲＦ放電プラズマ処理システムにおいては、基板は直接下部平行平板上に置かれる。しかし、プラズマ処理システム１７０は下部平板と基板１８４との間に設置された絶縁体１８２を含む。絶縁体１８２は基板１８４をＲＦ源１７８により駆動される平行平板電極１７６と無関係にバイアスすることを可能にする。別個の基板バイアス電圧源１８６が基板１８４をバイアスするために使用される。基板バイアス電圧源１８６の出力は絶縁体１８２上に位置する基板１８４に電気的に接続される。
本発明によれば、コントローラ１８８は、プラズマを発生するように且つプラズマ処理中に電荷蓄積を少なくとも部分的に中和するように基板１４６をバイアスするように、ＲＦ電源１８６及びバイアス電圧源１８６を制御するのに使用される。コントローラ１８８は電源１７８，１８６の一部分にすることができ、また電源１７８，１８６の制御入力端子に電気的に接続された別個のコントローラとすることができる。コントローラ１８８は、平行平板電極１７６に少なくとも２つの異なる振幅を有するマルチレベルパルスが供給されるようにＲＦ電源１７８を制御する。更に、本発明によれば、コントローラ１８８は、プラズマ処理中に電荷蓄積を少なくとも部分的に中和する相対的時間でＲＦパルスが平行平板電極１７６に供給されるように、ＲＦ電源１７８及びバイアス電圧源１８６を制御する。
プラズマ処理システム１７０の動作はプラズマ処理システム１００の動作に類似する。コントローラ１８８は、平行平板電極１７６の間で供給ガスからプラズマを生成するために、平行平板電極１７６間を伝播するＲＦ電流を発生するようにＲＦ源１７８に命令する。コントローラ１８８は、更に、プラズマ中のイオンを基板１８４の方へ引き付けるように負電圧パルスで基板１８４をバイアスするようにバイアス電圧源１８６に命令する。負電圧パルスの間、プラズマシース中の電界がプラズマ処理のためにイオンを基板１８４に向け加速する。例えば、プラズマシース中の電界はイオンを基板１８４に向け加速して、イオンを基板１８４の表面に注入する、又は基板１８４の表面をエッチングする、又はエッチング又は堆積のために基板１８４の表面上で化学的反応を発生する、又は基板１８４の表面上に薄膜を成長することができる。
ＲＦ源１７８及びバイアス電圧源１８６がある処理条件の下で動作する場合、電荷が基板１８４に蓄積し得る。基板１８４上の電荷蓄積はプラズマ処理中の基板１８４に比較的高い電圧を発生し、処理の不均一性、アーク放電及びデバイス損傷を生じ得る。基板１８４上の電荷蓄積は、本発明に従ってＲＦ源１７８で複数レベルのＲＦ波形を発生させるとともに基板１４６をバイアスすることによって大きく低減することができる。更に、本発明に従ってＲＦ源１７８で複数レベルのＲＦ波形を発生させるとともに基板１８４をバイアスすることによって、プロセス速度及びプロセスプロファイルなどの所定の目標を達成することができる。
本発明の方法及び装置は多くの他のタイプのプラズマ処理システムに適用することができる。例えば、本発明の方法及び装置は、ＥＣＲプラズマ処理システム、ヘリコンプラズマ処理システム及びヘリコン共鳴プラズマ処理システムに適用することができる。これらのシステムの各々においては、ＲＦ源が少なくとも２つのＲＦ電力レベルを有するマルチ振幅パルスＲＦ波形を発生する。更に、多くの実施例では、基板はバイアス電圧波形を発生するバイアス電圧源によりバイアスされ、このバイアス電圧波形はプラズマ源を駆動するＲＦ波形とコントローラで同期させることができる。
図２Ａは、ある条件の下で基板１４６（図１）に電荷蓄積を生じ得る、ＲＦ源１３０により発生される単一振幅を有する従来の波形２００を示す。波形２００は電力レベルＰRF２０２を有するパルスでプラズマが発生するまで接地電位にある。電力レベルＰRF２０２はプラズマドーピング及び多くのプラズマエッチング及びプラズマ堆積処理に適するように選択されている。パルスはパルス期間ＴP２０４後に終了し、接地電位に戻る。波形は周期的に繰り返す。
図２Ｂはプラズマ中のイオンを引き付けるためプラズマ処理中に基板１４６（図１）に負電圧２５２を供給する、バイアス電圧源１４８により発生される従来の波形を示す。負電圧２５２は、ＲＦ源１３０により発生される波形２００が電力レベルＰRF２０２に等しい電力を有する期間Ｔ１２５４の間供給される。波形２００は、プラズマ処理が終了する期間Ｔ２２５６の間接地電位にある。比較的高いデューティサイクル（即ち約２５％より大きい、場合によっては２％より大きい）においては、ＲＦ源１３０により発生される波形２５０が電力レベルＰRF２０２に等しい電力を有する期間Ｔ１２５４の間に基板１４６に電荷が蓄積する傾向がある。
本発明の方法及び装置は、電荷蓄積により生じる損傷の可能性を低減することによってプラズマドーピング、プラズマエッチング及びプラズマ堆積などのプラズマ処理を高いデューティサイクルで実行可能にする。プラズマ源１０１を給電するとともに処理中の基板を基板１４６上の電荷蓄積を少なくとも部分的に中和するようにバイアスする本発明による多くの方法がある。
図３Ａは、本発明によるＲＦ源１３０（図１）により発生される、基板１４６（図１）上の電荷蓄積を少なくとも部分的に中和するための複数の振幅を有するＲＦ電力波形３００を示す。波形３００はパルス状であって、それぞれＰRF1及びＰRF2で示される第１の電力レベル３０２及び第２の電力レベル３０４を有する。しかし、本発明の方法では基板１４６上の電荷蓄積を中和するために３つ以上の振幅を有する波形を用いることもできる。また、これらの波形は離散振幅を有するものであってもなくてもよいことも理解すべきである。例えば、これらの波形は連続的に変化させることができる。即ち、いくつかの実施例においては、これらの波形は正又は負の勾配で傾斜するものとすることができる。また、これらの波形は線形又は非線形レートで傾斜するものとすることもできる。
第１の電力レベルＰRF1３０２は、基板１４６がプラズマ処理のためにバイアスされていないとき、基盤１４６上の電荷蓄積を少なくとも部分的に中和するのに十分なＲＦ電力を供給するように選択する。第２の電力レベルＰRF2３０４は、プラズマドーピング、プラズマエッチング及びプラズマ堆積などのプラズマ処理に適するように選択する。種々の実施例においては、ＲＦ源１３０により発生される第１及び第２の電力レベルＰRF1３０２及びＰRF2３０４を有する波形３００を平面コイルＲＦアンテナ１２６及び螺旋コイルＲＦアンテナ１２８（図１）の一方又は両方に供給する。一つの特定の実施例においては、ＲＦ源１３０により発生される波形３００を、それが第１の電力レベルＰRF1３０２であるとき、平面コイルＲＦアンテナ１２６及び螺旋コイルＲＦアンテナ１２８の一方に供給し、それが第２の電力レベルＰRF2３０４であるとき、平面コイルＲＦアンテナ１２６及び螺旋コイルＲＦアンテナ１２８の他方に供給する。別の特定の実施例においては、図５Ａ−５Ｃと関連して説明するように、ＲＦ源１３０により発生される波形３００を、それが第１の周波数であるとき、平面コイルＲＦアンテナ１２６及び螺旋コイルＲＦアンテナ１２８の一方に供給し、それが第１の周波数と異なる第２の周波数であるとき、平面コイルＲＦアンテナ１２６及び螺旋コイルＲＦアンテナ１２８の他方に供給する。
図３Ａに示す波形３００は、第１の電力レベルＰRF1３０２が第２の電力レベルＰRF2３０４より大きいことを示している。しかし、他の実施例においては、第１の電力レベルＰRF1３０２は第２の電力レベルＰRF2より小さよい。また、いくつかの実施例においては、波形３００は、図６と関連して説明するように、基板１４６がプラズマ処理のためにバイアスされない場合にゼロもしくは比較的低い電力レベルの第３の電力レベルを含む。
波形３００は、第１のパルス期間ＴP1は波形３００が第１の電力レベルＰRF1３０２に等しい電力を有する期間に対応し、第２のパルス期間ＴP2は波形３００が第２の電力レベルＰRF2３０２に等しい電力を有する期間に対応することを示している。波形３００の総マルチ振幅パルス期間ＴTotal３１０は第１のパルス期間ＴP1３０６と第２のパルス期間ＴP2３０８の和である。例えば、一実施例においては、第１及び第２のパルス期間ＴP1３０６，ＴP2３０８はともに３０−５０μｓであり、総パルス期間ＴTotal３１０は６０μｓ−１ｍｓである。他の実施例においては、総パルス期間ＴTotal３１０は１ｍｓ程度もしくはそれより大きくすることができる。
図３Ａは、第１のパルス期間ＴP1３０６中の波形３００の周波数は第２のパルス期間ＴP2３０８中の波形３００の周波数と同一であることを示している。しかし、種々の実施例においては、第１のパルス期間ＴP1３０６中の波形３００の周波数は、図５Ａ−５Ｃと関連して説明するように第２のパルス期間ＴP2３０８中の波形３００の周波数と相違させることができる。更に、波形３００の周波数は第１及び第２のパルス期間ＴP1３０６，ＴP2３０８の少なくとも一つ期間内で変化させることもできる。
このように、いくつかの実施例においては、波形３００は、プラズマ処理中の電荷蓄積を少なくとも部分的に中和するように選択された複数の周波数及び複数の振幅の両方を含む。更に、いくつかの実施例においては、波形３００は、プラズマドーピングのための残留ドーズのようなプロセスパラメータを高めるように選択された複数の周波数及び複数の振幅の両方を含む。更に、いくつかの実施例においては、波形３００は、所定のプロセス目標の達成を助けるように選択された複数の周波数及び複数の振幅の両方を含む。例えば、波形３００は、プロセス制御を高めプロセスレートを増大するために複数の周波数及び複数の振幅の両方を含むことができる。
更に、波形３００は、ノックオンイオン注入を達成してレトログレードドーピングプロファイルを形成するために複数の周波数及び複数の振幅の両方を含むことができる。また、波形３００は、所定のエッチングプロファイル及びエッチングプロセス目標、例えば高いアスペクト比のエッチングプロファイルを達成するために複数の周波数及び複数の振幅の両方を含むこともできる。更に、波形３００は、所定の堆積プロファイル及びプロセス目標、例えば高いアスペクト比構造への材料堆積、コンフォーマル又は略コンフォーマルコーティングの堆積及びトレンチ及び他のデバイス構造内のギャップ充填を達成するために複数の周波数及び複数の振幅の両方を含むこともできる。
図３Ｂは、プラズマ処理中にイオンを引き付けるために基板１４６に負電圧３５２を供給する、本発明によるバイアス電圧源１４８(図１)により発生されるバイアス電圧波形３５０を示す。バイアス電圧波形３５０はＲＦ電力波形３００と同期化される。しかし、バイアス電圧波形３５０のパルスはＲＦ電力波形３００のパルスと必ずしも整列する必要はないことを理解されたい。負電圧３５２は、ＲＦ源１３０により発生される波形３００が第２の電力レベルＰRF2３０４に等しい電力を有する第２のパルス期間ＴP2の間供給される。波形３５０は、波形３００が第１の電力レベルＰRF1３０２に等しい電力を有しプラズマ処理が終了する第１のパルス期間ＴP1３０６の間接地電位にある。
バイアス電圧源１４８（図１）により発生される波形３５０が接地電位にある期間ＴP1の間第１の電力レベルＰRF1３０２がＲＦ源１３０により供給されるようにプラズマ源１０１（図１）に２つの異なる電力レベルを有する波形を供給することは、基板１４６（図１）に蓄積された電荷の中和を助ける。対応するプラズマ中の電子が基板１４６に蓄積された電荷の少なくとも一部分を中和する。
図３Ｃは、プラズマ処理中イオンを引き付けるために基板に負電圧を供給し、プラズマ処理の終了後に基板１４６上の電荷の中和を支援するために基板１４６に正電圧３６４を供給する本発明によるバイアス電圧源１４８（図１）により発生される波形３６０を示す。負電圧３６２は、ＲＦ源１３０により発生される波形３００が第２の電力レベルＰRF2３０４に等しい電力を有する第２のパルス期間ＴP2の間供給される。波形３６０は、ＲＦ源１３０により発生される波形３００が第１の電力レベルＰRF1に等しい電力を有する第１のパルス期間ＴP1の間正電位３６４にある。
バイアス電圧源１４８（図１）により発生される波形３６０が正電位３６４にある第１の期間ＴP1の間第１の電力レベルＰRF1３０２がＲＦ源１３０により供給されるようにプラズマ源１０１（図１）に２つの異なる電力レベルを有する波形を供給することは、基板１４６（図１）に蓄積された電荷の中和を助ける。対応するプラズマ中の電子が基板１４６に蓄積された電荷の少なくとも一部分を中和する。更に、基板１４６に供給される正電圧３６４も基板１４６に蓄積された電荷の少なくとも一部分を中和する。
図４Ａ−４Ｃは、図３Ａ−３Ｃと関連して説明した波形３００，３５０及び３６０に類似するが、第１及び第２の電力レベルＰRF1３０２，ＰRF2３０４の両方でプラズマ処理を実行するように波形３００，３５０及び３６０に対して時間的に変位された、本発明によるＲＦ源１３０により発生されるＲＦ電力波形４００及びバイアス電圧源１４８（図１）により発生されるバイアス電圧波形４０２，４０４を示す。この実施例においては、ＲＦ電力波形４００及びバイアス波形４０２，４０４は同期するが、ＲＦ電力波形４００内のパルスはバイアス電圧波形４０２及び４０４内のパルスと整列しない。
プラズマ処理中にＲＦ源１３０により発生される電力を変化させることによってユーザはプロセス処理中に基板１４６に蓄積する電荷の量を一層精密に制御し、所定のプロセス目標及び効果を達成することが可能になる。例えば、第２のパルス期間ＴP2３０８の終了近くの電力を増大することによって基板１４６に蓄積された電荷の中和が高まる。
図５Ａ−５Ｃは、本発明の別の実施例による、可変周波数を有するＲＦ源１３０（図１）により発生されるＲＦ電力波形及びバイアス電圧源１４８（図１）により発生される対応するバイアス電圧波形５０２，５０４を示す。波形５００は図３及び図４と関連して説明した波形３００，４００に類似する。しかし、第１及び第２のパルス期間ＴP1３０６，ＴP2３０８におけるＲＦ電力は同じであり、第１及び第２のパルス期間ＴP1３０６，ＴP2３０８における周波数が相違する。波形５００の周波数を変化させると、イオン／電子密度が変化し、その結果電荷の中和効率が変化する。
従って、一つの実施例においては、第１のパルス期間ＴP1３０６における波形３００の周波数は第２のパルス期間ＴP2における波形５００の周波数と相違し、これらの周波数はプラズマ処理中の電荷蓄積を少なくとも部分的に中和するように選択される。波形５０２，５０４は図３に関連して説明した波形３５０，３６０に類似する。他の実施例においては、波形５０２，５０４は、図４と関連して説明した波形４０２，４０４の変位と同様に、波形５００に対して時間的に変位される。
更に、本発明の一つの態様においては、ＲＦ源１３０により発生される複数の電力レベル、第１及び第２のパルス期間ＴP1３０６，ＴP2３０８における波形５００の周波数及びバイアス電圧源１４８（図１）により発生される波形に対する波形５００の相対的タイミングなどのパラメータが、所定のプロセス目標を達成するように選択される。例えば、ＲＦ源１３０が複数の電力レベルを発生し、バイアス電圧が接地電位にあるとき一つの電力レベルがＲＦ源１３０により発生されると、バイアス電圧が接地電位にあるときいくらかのプラズマ処理が起こるため、ユーザはプラズマ処理中の使用電力を少なくすること及び／又はプロセス時間を短縮することが可能になる。
また、本発明の一実施例においては、ＲＦ源１３０（図１）により発生される複数の電力レベルの少なくとも一つ、第１及び第２のパルス期間ＴP1３０６，ＴP2３０８の少なくとも一つにおける波形５００の周波数及びバイアス電圧源１４８（図１）により発生される波形に対する波形５００の相対的タイミングが、プラズマドーピング実行中の基板１４６（図１）上の残留ドーズを高めるように選択される。例えば、プラズマ処理中に少ない電力を使用すると堆積が少なくなるため、基板内の残留ドーズが一層高くなる。この方法で残留ドーズを更に高めるためには動作温度、ガス流量、希釈ガスのタイプ及びプラズマ源の電力を選択することもできる。
本発明の別に実施例においては、ＲＦ源１３０（図１）により発生される複数の電力レベルの少なくとも一つ、第１及び第２のパルス期間ＴP1３０６，ＴP2３０８の少なくとも一つにおける波形５００の周波数及びバイアス電圧源１４８（図１）により発生される波形に対する波形５００の相対的タイミングが、プラズマ処理中の側壁カバレッジを向上させるように選択される。ここでは、「側壁カバレッジを向上させる」は、側壁上の材料の堆積速度とイオンフラックスに垂直の基板表面上の材料の堆積速度との比に関連する。良好な側壁カバレッジの達成はコンフォーマルドーピング及びコンフォーマル堆積応用などの多くの応用に重要である。例えば、多くの３次元及び他の最先端デバイスはコンフォーマルドーピング及びコンフォーマル堆積を必要としている。
また、本発明の別の実施例においては、ＲＦ源１３０（図１）によって所定の複数の電力レベル、所定の複数の周波数及びバイアス電圧源１４８（図１）により発生される波形に対する所定の相対的タイミングを有する波形が、プラズマドーピングのためのノックオンイオン注入を生成するために発生される。ここでは、「ノックオンイオン注入」は、イオンを基板１４６の表面層を通して注入してドーパント材料を基板１４６内に押し込むリコイルイオン注入と定義される。
ノックオンイオン注入のために使用するイオンはＨｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ及びＸｅなどの不活性イオン種とすることができ、これらは不活性供給ガスから形成することができる。いくつかの実施例においては、ノックオンイオンの質量は所望のドーパントイオンの質量に同等に選択する。ＲＦ源１３０（図１）は、ノックオンイオンを十分なエネルギーで基板１４６（図１）に向け供給し、衝突時に堆積されているドーパント材料を基板１４６（図１）のプレーナ及び非プレーナフィーチャ内に物理的に叩き込むのに十分なＲＦ電力を発生する。また、チャンバ圧力、ガス流量、プラズマ源電力、ガス希釈度及びパルスバイアス電圧源のデューティサイクルなどの動作パラメータを、ノックオンイオン注入を高めるように選択することもできる。
ノックオンイオン注入はレトログレードドーピングプロファイルを形成するために使用することができる。ＲＦ源１３０（図１）によって、所定の複数の電力レベル、所定の複数の周波数及びバイアス電圧源１４８により発生される波形に対する所定の相対的タイミングを有する波形が、レトログレードプロファイル、例えばレトログレードドーピングプロファイル又はレトログレード堆積膜プロファイルを生成するように発生される。ここでは、「レトログレードプロファイル」は、プロファイルのピーク濃度が基板の表面下にあるものと定義される。例えば、本出願人に譲渡されている、「A Method of Forming a Retrograde Material Profile Using Ion Implantation」というタイトルの米国特許出願第１２／０４４，６１９号参照。この米国特許出願の明細書全体は参照することによりここに含まれる。
プラズマドーピングにおいては、イオン注入層の深さを精密に制御することが多くの理由で困難であるため、時にはレトログレードイオン注入ドーパントプロファイルを形成するのが望ましい。例えば、プラズマドーピング中に、物理的スパッタリング及び化学的エッチングに起因する基板表面の意図しないエッチングが起こり得る。更に、多数のイオン種の存在、イオン間の衝突、プラズマシース内の不均一性、二次電子放出の存在、寄生インピーダンスにより形成される変位電流及び非理想的バイアスパルスの印加などの多くの要因により大きなイオン注入エネルギー分布が生じ得る。
更に、堆積された又は注入された材料の最大ピーク濃度の大部分が基板表面又はその近くに位置するために表面ピークドーパントプロフィルがポスト堆積又はポスト注入に極めて敏感であるために、時にはレトログレードイオン注入ドーパントプロファイルを形成するのが望ましい。特に、典型的には注入後に実行されるフォトレジストストリッププロセスは表面近くのドーパント材料のかなりの量を除去し得る。
他の実施例においては、ＲＦ源１３０（図１）によって所定の複数の電力レベル、所定の複数の周波数及びバイアス電圧源１４８（図１）により発生される波形に対する所定の相対的タイミングを有する波形が、所定のプロセス目標又はエッチングプロファイルのようなプロセスプロファイルを達成するために発生される。例えば、複数の電力レベル、複数の周波数及びバイアス電圧源１４８（図１）により発生される波形に対する相対的タイミングを高いアスペクト比のエッチングプロファイル又は所定のタイプの堆積プロファイルを達成するように選択することができる。
当業者は、本発明によるＲＦ源１３０（図１）により発生される波形は複数の振幅及び複数の周波数の両方を有することができるとともにバイアス電圧源１４８（図１）により発生される波形に対して種々の相対的タイミングを有することができることを十分よく理解されよう。実際上、電荷を少なくとも部分的に中和し得る及び／又はここに記載されたプロセス目標を達成し得る、ＲＦ源１３０（図１）により発生し得る複数の電力レベル及び複数の周波数並びにバイアス電圧源１４８（図１）により発生される波形に対して相対的タイミングを有する波形が無限に存在する。
図６は、本発明の一実施例において測定されたマルチセットポイントＲＦ電力及び制御信号波形を示す。波形６００は時刻ｔ０で始まる時間の関数としてのＲＦ電力及び制御信号波形を含む。波形６００はイオン注入期間６０２、電荷中和期間６０４及びパワーオフ期間６６０を示す。
図１及び６を参照すると、時刻ｔ０において、コントローラ１５２（図１）は、プラズマ中のイオンを基板１４６（図１）の方へ引き付ける負電圧パルスで基板１４６をバイアするようにバイアス電圧源１４８（図１）に命令する注入パルス６０８を発生する。注入パルス６０２の立ち上がり時間は約３０マイクロ秒である。更に、時刻ｔ０において、コントローラ１５２は、第１の電力レベルを有するＲＦ電力波形６１０を開始するＲＦパルス制御信号を発生する。イオン注入期間６０２において、コントローラ１５２は、ＲＦ電流をＲＦアンテナ１２６及び１２８（図１）の少なくとも一つに流れさせる第１のＲＦパルス制御信号６１２を発生する。第１のＲＦパルス制御信号６１２の立ち上がり時間は約３０マイクロ秒である。
第１のＲＦパルス制御信号６１２及び注入パルス信号６０８が両方とも零に戻るとき、電荷中和期間６０４が開始する。第１のＲＦパルス制御信号および注入制御信号の立ち下がり時間は約２０マイクロ秒である。電荷中和期間６０４において、コントローラ１５２は、ＲＦ電力波形６１０を第２の電力レベルに上昇させる第２のＲＦパルス制御信号を発生する。多くの実施例においては、第２の電力レベルは図６に示すように第１の電力レベルより大きい。しかし、他の実施例においては、第２の電力レベルは第１の電力レベルより低い電力レベルを含む任意の電力レベルにすることができる。第２のＲＦパルス信号の立ち上がり時間は約３０マイクロ秒である。電荷中和期間６０において、基板１４６上の電荷の少なくとも一部分がプラズマ中の電子により効率よく中和される。この部分的又は完全な電荷の中和は基板への望ましくない帯電効果を低減する。
第２のＲＦパルス制御信号６１４が零にもどるとき、パワーオフ期間６０６が開始する。第２のパルス制御信号６１４の立ち下がり時間は約２０マイクロ秒である。パワーオフ期間６０６において、ＲＦ電力は消失し、プラズマは終了する。本発明による強化された電荷中和ステップを備えるプラズマ処理の方法は多くの異なるマルチセットポイントＲＦ電力及び制御信号波形６００で使用することができる。
本発明による電荷中和方法は多数の他のタイプのプラズマ処理装置とともに使用できる。例えば、本電荷中和方法は誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源、ヘリコン共鳴プラズマ源、マイクロ波プラズマ源、ＥＣＲパルス源及び容量結合プラズマ源とともに使用できる。実際には、本発明の方法を実行するためにパルスモードで動作し得る任意のタイプのプラズマ源を使用することができる。
等価例
本発明の教えを種々の実施例及び用例と関連して記載したが、本発明の教えはこれらの実施例に限定されるものではない。それどころか、本発明の教えは、当業者によく理解されるように、本発明の精神及び範囲から離れることなく成し得る種々の代替例、変更例及び等価例も含むものである。

Claims (25)

  1. （ａ）プラズマ処理のために基板を支持するプラテンと、
    （ｂ）第１の電力レベルを有する第１の期間及び第２の電力レベルを有する第２の期間を有する複数レベルのＲＦ電力波形を出力端子に発生するＲＦ電源と、
    （ｃ）前記ＲＦ電源の出力端子に電気的に接続された電気入力端子を有し、少なくとも、前記第１の期間の間前記第１のＲＦ電力レベルで第１のＲＦプラズマを発生し、前記第２の期間の間前記第２のＲＦ電力レベルで第２のＲＦプラズマを発生するＲＦプラズマ源と、
    （ｄ）前記プラテンに電気的に接続された出力端子を有し、プラズマ処理のために前記プラズマ中のイオンを基板に引き付けるのに十分なバイアス電圧波形を発生するバイアス電圧源と、
    を備えるプラズマ処理装置。
  2. 前記プラズマ処理装置はプラズマエッチング装置を含む、請求項１記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記プラズマ処理装置はプラズマ堆積装置を含む、請求項１記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記プラズマ処理装置はプラズマドーピング装置を含む、請求項１記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記第１及び第２の電力レベルの少なくとも一つは前記第１及び第２の期間の対応するそれぞれの期間中ほぼ一定である、請求項１記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記第２のＲＦ電力レベルが、前記第２の期間におけるプラズマが前記第２の期間中に基板に蓄積する電荷を少なくとも部分的に中和するのに十分な電子を有するように選択され、よって基板への帯電効果が低減される、請求項１記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記ＲＦ電力波形と前記バイアス電圧波形の相対的タイミングが、基板に蓄積する電荷を少なくとも部分的に中和するように選択される、請求項１記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記バイアス電圧波形が前記複数レベルのＲＦ電力波形に実質的に同期化される、請求項１記載のプラズマ処理装置。
  9. （ａ）プラズマ処理のために基板を支持するプラテンと、
    （ｂ）第１の電力レベルを有する第１の期間及び第２の電力レベルを有する第２の期間を有する複数レベルのＲＦ電力波形を出力端子に発生するＲＦ電源と、
    （ｃ）前記ＲＦ電源の出力端子に電気的に接続された電気入力端子を有し、少なくとも、前記第１の期間の間前記第１のＲＦ電力レベルで第１のＲＦプラズマを発生し、前記第２の期間の間前記第２のＲＦ電力レベルで第２のＲＦプラズマを発生するＲＦプラズマ源と、
    （ｄ）前記プラテンに電気的に接続された出力端子を有し、前記ＲＦ電力波形に同期化され、第１の期間の間プラズマ中のイオンをプラズマ処理のために基板に引き付けるのに十分な電位を有する第１のバイアス電圧及び第２の期間の間第２のバイアス電圧を少なくとも有するバイアス電圧波形を発生するバイアス電圧源と、
    を備えるプラズマ処理装置。
  10. 前記第１及び第２のＲＦ電力レベルの少なくとも一つが前記第１及び第２の期間の対応するそれぞれの期間中ほぼ一定である、請求項９記載のプラズマ処理装置。
  11. 前記第１及び第２のＲＦ電力レベル、前記第１及び第２のバイアス電圧及び前記第１及び第２の期間の少なくとも一つが、所定のプロセス速度及び所定のプロセスプロファイルの少なくとも一つを達成するように選択される、請求項９記載のプラズマ処理装置。
  12. 前記第２のバイアス電圧が基板に蓄積する電荷の中和を助ける電位を有する、請求項９記載のプラズマ処理装置。
  13. 前記第２の電力レベルが、前記第２の期間におけるプラズマが前記第２の期間中に基板に蓄積する電荷を少なくとも部分的に中和するのに十分な電子を有するように選択され、よって基板への帯電効果が低減される、請求項９記載のプラズマ処理装置。
  14. 前記第２のバイアス電圧がほぼ接地電位にある、請求項９記載のプラズマ処理装置。
  15. 前記バイアス電圧波形が前記複数レベルのＲＦ電力波形に同期化される、請求項９記載のプラズマ処理装置。
  16. 前記ＲＦ電力波形内のパルスが前記バイアス電圧波形内のパルスと時間的にほぼ整列する、請求項１５記載のプラズマ処理装置。
  17. 前記ＲＦ電力波形内のパルスが前記バイアス電圧波形内のパルスに対して時間的に変位される、請求項１５記載のプラズマ処理装置。
  18. 前記ＲＦ電力波形と前記バイアス電圧波形との相対的タイミングが基板に蓄積する電荷を少なくとも部分的に中和するように選択される、請求項９記載のプラズマ処理装置。
  19. 前記ＲＦ電力波形の前記第１の期間内の周波数が前記ＲＦ電力波形の前記第２の期間内の周波数と相違する、請求項９記載のプラズマ処理装置。
  20. （ａ）プラズマ処理のために基板を支持するプラテンと、
    （ｂ）第１の期間の間第１の電力レベルを有し、第２の期間の間第２の電力レベルを有し、第３の期間の間第３の電力レベルを有する複数振幅のＲＦ電力波形を出力端子に発生するＲＦ電源と、
    （ｃ）前記パルス電源の出力端子に電気的に接続された電気入力端子を有し、少なくとも、前記第１の期間の間前記第１のＲＦ電力レベルで第１のＲＦプラズマを発生し、前記第２の期間の間前記第２のＲＦ電力レベルで第２のＲＦプラズマを発生し、前記第３の期間の間前記プラズマをほぼ消失するＲＦプラズマ源と、
    （ｄ）前記プラテンに電気的に接続された出力端子を有し、第１の期間の間第１の電圧及び第２の期間の間第２の電圧を有するバイアス電圧波形を発生し、前記第１の電圧がプラズマ内のイオンをプラズマ処理のために基板に引き付けるのに十分である、バイアス電圧源と、
    を備えるプラズマ処理装置。
  21. 前記バイアス電圧波形が前記複数振幅のＲＦ電力波形にほぼ同期化される、請求項２０記載のプラズマ処理装置。
  22. 前記第２のＲＦ電力レベルが、前記第２の期間中に蓄積する電荷を少なくとも部分的に中和するのに十分な電子を有するプラズマを維持するに十分であり、よって基板への帯電効果が低減される、請求項２０記載のプラズマ処理装置。
  23. 前記ＲＦ電力波形と前記バイアス電圧波形との相対的タイミングが基板に蓄積する電荷を少なくとも部分的に中和するように選択される、請求項２０記載のプラズマ処理装置。
  24. （ａ）プラズマ処理のために基板を支持するプラテンと、
    （ｂ）少なくとも第１の期間及び第２の期間を有するＲＦ電力波形を出力端子に発生するＲＦ電源と、
    （ｃ）前記ＲＦ電源の出力端子に電気的に接続された電気入力端子を有し、第１の期間の間第１のＲＦプラズマを発生し、前記第２の期間の間第２のＲＦプラズマを発生するＲＦプラズマ源と、
    （ｄ）前記プラテンに電気的に接続された出力端子を有し、前記ＲＦ電力波形に同期化され、第１の期間の間プラズマ中のイオンをプラズマ処理のために基板に引き付けるのに十分な第１のバイアス電圧及び第２の期間の間第２のバイアス電圧を有するバイアス電圧源と、
    を備えるプラズマ処理装置。
  25. （ａ）プラズマ処理期間の間第１の電力レベルを有し、電荷中和期間の間第２の電力レベルを有するパルスプラズマを発生する手段と、
    （ｂ）前記プラズマ処理期間の間プラズマからイオンを抽出する第１の電圧を有し、第２の期間の間プラズマ中の電子がプラズマ処理中に基板に蓄積する電荷を少なくとも部分的に中和することができる第２の電圧を有するバイアス電圧波形を発生する手段と、
    を備えるプラズマ処理装置。
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