JP2011034971A

JP2011034971A - 切替可能なバイアス周波数を有するプラズマ処理チェンバー及び切替可能なマッチングネットワーク

Info

Publication number: JP2011034971A
Application number: JP2010174470A
Authority: JP
Inventors: 金元 ▲陳▼; Jinyuan Chen; Zhiyao Yin; 志▲蕘▼ 尹
Original assignee: Advanced Micro Fabrication Equipment Inc; Advanced Micro Fabrication Equipment Inc Asia
Current assignee: Advanced Micro Fabrication Equipment Inc; Advanced Micro Fabrication Equipment Inc Asia
Priority date: 2009-08-05
Filing date: 2010-08-03
Publication date: 2011-02-17
Also published as: US20110030900A1; CN101989525A; KR101164531B1; KR20110014520A

Abstract

【課題】プラズマソース周波数に重畳されると共にカソードに印加される切替可能なバイアス周波数を有するプラズマ処理チェンバーを提供する。
【解決手段】マルチＲＦバイアス周波数が生成できるパワーサプライヤーはスイッチを介して一つのマッチングネットワークに結合される。前記マッチングネットワークは前記バイアス周波数の中の一つを前記カソードに結合させる。もう一つのマッチングネットワークはソースRFのパワーを前記カソードに印加させる。可変シャントコンデンサと固定コンデンサの一つの並列接続はグランドとスイッチの入力の間に設置され、可変シャントコンデンサと固定コンデンサのもう一つの接続はグランドと前記ソースRFのマッチングネットワークの入力の間に設定される。
【選択図】図２

Description

本発明はプラズマ処理チェンバーに応用されるRFパワーサプライヤー（RF power suppliers ）とマッチングネットワーク（matching network）に関し、特にマルチ周波数のRFパワー（multiple-frequency RF power）が実現できるRFパワーサプライヤーとマッチングネットワークに関する。

本分野では、デュアルまたはマルチＲＦ周波数を利用するプラズマ処理チェンバーは幅広く知られている。一般的に、デュアル周波数のプラズマ処理チェンバーが受信するＲＦバイアスパワー（RF bias power）は約１５MHzより低い周波数を有し、それが受信するＲＦソースパワー（RF source power ）はより高い周波数を有し、通常には２７〜２００MHZである。本文では、ＲＦバイアスパワー（RF bias power）とはイオンエネルギーとイオンのエネルギー分布を制御するRFパワーを指す。また、ＲＦソースパワー（RF source power ）とはプラズマのイオン解離（ion dissociation ）やプラズマ密度を制御するためのRFパワーを指す。具体的な実施例においては、通常にエッチングを実行するプラズマ処理チェンバーのバイアス周波数は、例え100KHz、2MHz、2.2MHz、13.56MHzであり、ソース周波数は、例え13.56MHz、27MHz、60MHz、100MHzであり、またはもっと高い周波数である。

最近、業界では一つのバイアス周波数と二つのソース周波数でプラズマ処理チェンバーを運転することが提出された。例えば、２MHzのバイアス周波数とそれぞれ２７MHzと６０MHzである二つのソース周波数でプラズマエッチング室を運転することが提出された。この方法によって、各種イオンの解離は上述の二つのソースRF周波数で制御することができる。構造に関係なく、既存技術では、各周波数はいずれも一つの独立のRFパワーサプライヤーにより提供され、各独立のパワーサプライヤーは一つの独立のマッチングネットワークに結合される。

図１は既存技術のマルチ周波数プラズマ処理チェンバーの構造の模式図であり、前記プラズマ処理チェンバーは一つのバイアスＲＦパワージェネレータと二つのソースＲＦパワージェネレータを含む。更に具体的に、図１に示すようなプラズマ処理チェンバー１００は一つの上電極１０５、下電極１１０と上述の二つの電極の間で生成されたプラズマ１２０を含む。周知のように、上電極１０５は普通に反応チェンバーの天井に嵌め込まれ、下電極１１０は普通に下のカソードコンポーネントに嵌め込まれ、前記カソードコンポーネントの上面は、半導体ウェハのような、処理しようとする半導体プロセス部品（work piece）を置くのに使用される。図１に示すように、一つのバイアスRFパワーサプライヤー１２５はマッチングネットワーク１４０を介してプラズマ処理チェンバー１００にRFパワーを提供する。ＲＦバイアスの周波数はf1で、それは通常に２MHzか１３MHz（もっと正確的には１３.５６MHz）であり、下電極１１０に印加される。図１にも二つのRFソースパワーサプライヤー１３０と１３５を示し、その動作周波数はそれぞれf2とf3である。例えば、f2は２７MHzに設定することができ、f3は６０MHzに設定することができる。前記ＲＦソースパワーサプライヤー１３０と１３５はそれぞれマッチングネットワーク１４５と１５０を介してプラズマ処理チェンバー１００へパワーを提供する。ＲＦソースパワーは下電極１１０または上電極１０５に印加することができる。特に、本文のすべての図面では、前記のマッチングネットワークの出力はいずれも反応チェンバーへ向く一つのシングル矢印に示される。これは一種の象徴的な示しであり、すべてのマッチングネットワークとプラズマとの結合を包括するのに使用され、下電極、天井の電極、或は誘導結合コイル（inductive coupling coil）を介して行われるなどの方式は問わない。例えば、バイアスパワーは下部のカソードを介して結合することができ、ソースパワーはガスシャワーヘッドの電極或いは誘導コイルを介して結合することができる。逆に、バイアスパワーとソースパワーは下部のカソードを介して結合してもよい。

発明の開示の部分では本発明のいくつかのアスペクトと特徴の基本的な理解を提供するもので、本発明全体の概括ではなく、特に、本発明のキーまたは主要な原理を確定するかまたは本発明の範囲を限定するものではなく、その唯一の目的は、後の部分におけるより詳細な説明の序文とするように、簡略化された形式で本発明のいくつかの概念を提示することである。

本発明の各アスペクトで提供されるプラズマ処理チェンバーはプラズマソース周波数に重畳される切替可能なバイアス周波数を有し、それをカソードに印加させる。本発明の一つの実施形態によれば、マルチＲＦバイアス周波数が生成できるパワーサプライヤーはスイッチを介して一つのマッチングネットワークに結合される。前記マッチングネットワークは前記バイアス周波数の中の一つをカソードに結合させる。もう一つのマッチングネットワークはソースRFパワーを前記カソードに印加させる。可変シャントコンデンサ（variable shunt capacitor）と固定コンデンサの一つの並列接続はグランドとスイッチの入力の間に設置され、可変シャントコンデンサと固定コンデンサの他の並列接続はグランドとソースRFのマッチングネットワークの入力の間に接続される。固定コンデンサ(fixed capacitor)はそれと並列接続される可変シャントコンデンサへの保護を提供する。

本発明の一つのアスペクトによれば、二つのバイアス周波数のうちの一つとソース周波数をカソードに切替可能に結合させるRFマッチング回路を提供する。前記回路は、入力と第一出力と第二出力を含むスイッチと、１０MHzより低い第一バイアス周波数で動作するように同調され、前記スイッチの第一出力に結合される入力と前記カソードに結合される出力を有する第一マッチングネットワークと、前記第一バイアス周波数より高いかつ１５MHzより低い第二バイアス周波数で動作するように同調され、前記スイッチの第二出力に結合される入力と前記カソードに結合される出力を有する第二マッチングネットワークと、前記第二バイアス周波数より高いソース周波数で動作するように同調され、前記カソードに結合される出力を有する第三マッチングネットワークとを含む。前記回路は、中心周波数が前記第二バイアス周波数と同じ周波数になるように同調され、前記第三マッチングネットワークの出力と前記カソードの間に結合される並列共振回路（resonance circuit）と、グランドと前記スイッチの入力の間に結合される可変シャントコンデンサと、グランドと前記第三マッチングネットワークの入力の間に結合される第二可変シャントコンデンサと、グランドと前記スイッチの入力の間に結合される固定コンデンサと、及び/又はグランドと前記第三マッチングネットワークの入力の間に結合される第二固定コンデンサと、を更に含む。

本発明の一つのアスペクトによれば、二つのバイアス周波数のうちの一つをカソードに切替可能に結合させるRFマッチング回路を提供する。前記回路は、入力と第一出力と第二出力を有するスイッチと、１０MHzより低い第一バイアス周波数で動作するように同調され、前記スイッチの第一出力に結合される入力と前記カソードに結合される出力を有する第一マッチングネットワークと、前記第一バイアス周波数より高いかつ１５MHzより低い第二バイアス周波数で動作するように同調され、前記スイッチの第二出力に結合される入力と前記カソードに結合される出力を有する第二マッチングネットワークと、グランドと前記スイッチの入力の間に結合される可変シャントコンデンサと、グランドと前記スイッチの入力の間に結合される固定コンデンサと、を含む。

本発明のもう一つのアスペクトによれば、二種の切替可能なRFバイアスパワーで動作するプラズマ処理チェンバーを提供し、それは、真空内側室でプラズマを生成するための反応チェンバーと、RFエネルギーをプラズマに結合させるためのカソードと、１０MHzより低い第一バイアス周波数或は前記第一バイアス周波数より高いかつ１５MHzより低い第二バイアス周波数を選択的に生成することができる第一RFパワージェネレータと、第一出力と第二出力を含む、第一RFパワージェネレータに結合されるスイッチと、第一バイアス周波数で動作するように同調され、前記スイッチの第一出力に結合される入力と前記カソードに結合される出力を有する第一マッチングネットワークと、第二バイアス周波数で動作できるように同調され、前記スイッチの第二出力に結合される入力と前記カソードに結合される出力を有する第二マッチングネットワークと、１５MHzより高い周波数のRFソースパワーが生成できる第二RFパワージェネレータと、前記第二RFパワージェネレータに結合される入力と前記記カソードに結合される出力を有する第三マッチングネットワークと、を含む。一つの実施例において、前記第一バイアス周波数は大体２MHzであり、前記第二バイアス周波数は大体１３MHzであり、前記ソースパワー周波数は大体２７MHzと６０MHzと１００MHzのいずれかである。前記回路は前記第三マッチングネットワークの出力と前記カソードの間に結合される並列共振回路を更に含んでもよい、前記並列共振回路はその中心周波数が大体１３MHzになるように同調され、その帯域幅（band）は２MHzである。前記回路はグランドと前記スイッチの入力の間に結合される可変シャントコンデンサと固定コンデンサの並列接続を更に含むことができる。前記回路はグランドと前記第三マッチングネットワークの前記入力の間に結合される可変シャントコンデンサと固定コンデンサの並列接続を更に含むことができる。

本明細書に含まれる図面は、本明細書の一部として、本発明の実施方式を例示で示し、明細書と一緒に本発明の原理の説明に使用される。図面は図示して前記実施例の主要な特徴を説明することである。図面の目的は実際の実施形態の各特徴と描画された部品の相対的なサイズの説明ではないし、前記の部品はスケールで描いたものではない。

図１は既存技術のマルチ周波数プラズマ処理チェンバーの構造の模式図であり、前記プラズマ処理チェンバーは一つのバイアスＲＦパワージェネレータと二つのソースＲＦパワージェネレータを含む。図２は本発明の第一実施例によるマルチ周波数プラズマ処理チェンバーの構造の模式図であり、前記プラズマ処理チェンバーは二つのバイアスＲＦパワージェネレータと一つのソースＲＦパワージェネレータを含む。図３はRFパワーマッチング回路を模式的に示す図である。

図２は本発明の一つの具体的な実施例によるマルチ周波数プラズマ処理チェンバーの構造の模式図を示し、前記プラズマ処理チェンバーは一つのマッチングネットワークに結合される二つの切替可能なRFバイアスパワーサプライヤーを含む。図２において、二つのRFバイアスパワーサプライヤー２２５、２５５はスイッチ２３２を介して反応チェンバー２００に切替可能なＲＦバイアス周波数f１とf2を提供し、前記スイッチ２３２はマッチング回路２４０と２４５にそれぞれ結合される。前記ＲＦバイアス周波数f１は通常２MHz或は2.2 MHzであり、ＲＦバイアス周波数f2は通常１３MHz（もっと正確には13.56 MHz）である。二つのＲＦバイアス周波数は通常に下電極210に印加する。この方式で、本発明は一種の改善されたイオンエネルギー制御を実現した。例えば、もっと高い衝撃エネルギーの応用が必要する場合に、例えばフロントエンドエッチング（front-end etch）の応用は、２MHzのソースを利用することができ、比較的に軟らかい衝撃の応用が必要する場合に、例えばバックエンドエッチング（back-end etch）の応用は、１３MHzのバイアスを利用することができる。図２にも例えば２７MHz、６０MHz、１００MHzなどの、周波数f3で動作するＲＦソースパワーサプライヤー２３５を示した。前記ＲＦソースパワーサプライヤー２３５はマッチングネットワーク２５０を介して反応チェンバー２００へ伝送され、且つ下電極２１０に印加される。前記ソースパワーはプラズマ密度の制御に使用され、即ちプラズマのイオン解離である。

図２で示した構造は反応チェンバーのデュアル周波数（f1/f3またはf２/f３）の応用を実現した。例えば、f1は４００KHzから５MHzとすることができ、f2は１０MHzから２０MHzとすることができるが、通常は１５MHzより低く、f3は２７MHzから１００MHzまでまたはもっと高い周波数とすることができる。一つの特別な例の中で、f1は２MHz、f2は13.56MHz、f3は６０MHzである。このような構造はプロセスに低周波のバイアスパワーと高周波のバイアスパワーとに切り替える必要があるレシピ（recipes）の実行が非常に簡単になるようにした。

図3は例をとしてマッチング回路を示し、その中の三つの利用できる周波数のうちの二つはプラズマ処理チェンバーのカソードに切替可能に印加させられた。高周波f3はマッチング回路334を介して並列共振回路３３０と前記カソードに結合され、二つの比較的な低い周波数f1とf2はスイッチ３３２と接続され、前記スイッチ３３２はマッチング回路３２０または３２２を介して切替可能にf1とf２を前記カソードに結合させる。本実施例において、前記RF周波数f1/f2は周波数f1とf2で切替可能に動作できることを実現するように一つの単独のRFパワージェネレータより提供される。各前記マッチング回路は直列接続されたコンデンサとインダクタンスより構成される。一つの実施例において、マッチング回路３２０は２００〜５００pＦのコンデンサと大体２０〜５０ｍHのインダクタンスを含み、マッチング回路３２２は５０〜５２００pＦのコンデンサと大体0.5〜５ｍHのインダクタンスを含み、マッチング回路３２０は大体２５pＦのコンデンサと大体０．２〜０．３ｍHのインダクタンスを含む。

前記並列共振回路３３０はエネルギーが13.56 MHzパワーサプライヤーから６０MHzソースへ入るのを防ぐのに用いられる。つまり、スイッチ332が２MHzのバイアスソースに結合される時に、バイアス周波数は６０MHzのプラズマソース周波数より三十倍低く、よってマッチング回路334をジャンプできない。しかし、前記スイッチ３３２が13.56 MHzのバイアスパワーに結合される時に、バイアス周波数はプラズマソース周波数f3にもっと近づいており、前記マッチング回路334をジャンプする可能性がある。それで、本発明はコンデンサとインダクタンスが並列接続される一種の並列共振回路を提供する。本実施例において、f1＝２MHZ、f2＝13.56MHz、f3＝６０MHzである時に、前記並列共振回路３３０の中心周波数は１３MHzであり、その変動量或は帯域幅は△f＝２MHZである。これは13.56MHzのバイアス周波数がリークして（leak into）ソースパワー源f3へ入るのを防ぐ。前記共振回路は６０MHzでショットするためのもの（short circuit）となる。

図3で示す実施例のように、一つの可変シャントコンデンサ305はスイッチ332の前で結合され、したがって、それはマッチング回路320と322にとって、共通である（マッチング回路320と322の何れかがスイッチ332と接続されることを問わず）。もう一つの可変シャントコンデンサ315は周波数f3とマッチング回路334と協力して動作する。本実施例において、二つのシャントコンデンサは可変真空コンデンサ（variable vacuum capacitors）を利用して実施する。また、本実施例において、特別な保護措置を採用して前記可変シャントコンデンサを保護することができる。固定コンデンサ300は平行にシャントコンデンサ305に結合される。固定コンデンサ300は低容量値に設定された時に高いRF電流の影響を受けないようにシャントコンデンサ305を保護する。逆に、固定コンデンサ３１０は平行に可変シャントコンデンサ３１５に結合される。固定コンデンサ３１０は低容量値に設定された時に高いRF電流の影響を受けないようにシャントコンデンサ３１５を保護する。本実施例において、可変シャントコンデンサ305は大体３０pFから１５００pFまでの間で変化することができ、固定コンデンサ300は大体１００pFに設定される。類似に、本実施例において、可変シャントコンデンサ３１５は大体１０pFから１５０pFまでの間で変化することができ、固定コンデンサ３１０は大体１２０pFに設定される。

任意の上述の具体的な実施形態はいずれもプラズマ処理チェンバーに使用することができ、第一バイアス周波数で動作する第一周期と第二バイアス周波数で動作する第二周期を含む一種のプロセスを提供する。例えば、前記反応チェンバーは低いバイアス周波数で動作することができ、例えば、主なエッチングステップに大体２MHzに設定されるが、エッチングの終わっている期間でソフトランディング（soft landing）を実現するために、システムはもっと高い周波数バイアス、例えば大体１３MHzで動作するように切替えられる。

最後に、理解すべきことは、上で述べたプロセスや技術は固定的に特定の装置に関連するものではなく、複数の部品の任意の適切な組合せに適用するべきである。更に、各種の汎用装置は本文で教えた内容によって応用されることができる。専用装置を製造して本文で述べた方法のプロセスを実現するのも有利である。本発明は具体的な実施例を参照して述べられ、そのすべてのアスペクトは例示的なもので限定性のものではない。当業者は、ハードウェア、ソフトウェアとファームウェアのいろんな組合せが本発明の実施に適用できることを理解すべきである。例えば、前記ソフトウェアは様々なプログラムとスクリプト言語、例えアセンブラー、C/C++、perl、shell、PHP、Java（登録商標）などで実行できる。

本発明は具体的な実施例を参照して述べられ、そのすべてのアスペクトは例示的なもので限定性のものではない。また、本文で述べた本発明の具体的な実施例と実施方法を通して、本発明の他の実施形態は当業者にとっては明らかなことである。前記実施形態の異なるアスペクト及び/又は部品はプラズマ処理チェンバーで単独に或は任意の組合せで使用することができる。上述の具体的実施例はただ例示的なものとされるべきであり、本発明の範囲と精神は特許請求の範囲によるものである。

２００反応チェンバー
２２５、２５５ RFバイアスパワーサプライヤー
２３２スイッチ
２３５ＲＦソースパワーサプライヤー
２４０、２４５マッチング回路
２５０マッチングネットワーク

Claims

二つのバイアス周波数のうちの一つとソース周波数をカソードに切替可能に結合させるRFマッチング回路であって、
入力と第一出力と第二出力を含むスイッチと、
１０MHzより低い第一バイアス周波数で動作するように同調され、前記スイッチの第一出力に結合される入力と前記カソードに結合される出力を有する第一マッチングネットワークと、
前記第一バイアス周波数より高いかつ１５MHzより低い第二バイアス周波数で動作するように同調され、前記スイッチの第二出力に結合される入力と前記カソードに結合される出力を有する第二マッチングネットワークと、
前記第二バイアス周波数より高いソース周波数で動作するように同調され、前記カソードに結合される出力を有する第三マッチングネットワークと、
中心周波数が前記第二バイアス周波数と同じ周波数になるように同調され、前記第三マッチングネットワークの出力と前記カソードの間に結合される並列共振回路と、
を含む、RFマッチング回路。
グランドと前記スイッチの前記入力の間に結合される可変シャントコンデンサを更に含む請求項1に記載のRFマッチング回路。
グランドと前記第三マッチングネットワークの前記入力の間に結合される第二可変シャントコンデンサを更に含む、請求項2に記載のRFマッチング回路。
グランドと前記スイッチの前記入力の間に結合される固定コンデンサを更に含む、請求項３に記載のRFマッチング回路。
グランドと前記第三マッチングネットワークの前記入力の間に結合される第二固定コンデンサを更に含む、請求項4に記載のRFマッチング回路。
二つのバイアス周波数のうちの一つをカソードに切替可能に結合させるRFマッチング回路であって、
入力と第一出力と第二出力を有するスイッチと、
１０MHzより低い第一バイアス周波数で動作するように同調され、前記スイッチの第一出力に結合される入力と前記カソードに結合される出力を有する第一マッチングネットワークと、
前記第一バイアス周波数より高いかつ１５MHzより低い第二バイアス周波数で動作するように同調され、前記スイッチの第二出力に結合される入力と前記カソードに結合される出力を有する第二マッチングネットワークと、
グランドと前記スイッチの前記入力の間に結合される可変シャントコンデンサと、
グランドと前記スイッチの前記入力の間に結合される固定コンデンサと、
を含む、RFマッチング回路。
二つの切替可能なRFバイアスパワーサプライヤーで動作するプラズマ処理チェンバーであって、
真空に引かれている内部でプラズマを生成する反応チェンバーと、
RFエネルギーを前記プラズマに結合させるカソードと、
１０MHzより低い第一バイアス周波数或は前記第一バイアス周波数より高いかつ１５MHzより低い第二バイアス周波数を選択的に生成する第一RFパワージェネレータと、
前記第一RFパワージェネレータに結合される入力と第一出力と第二出力を含むスイッチと、
前記第一バイアス周波数で動作するように同調され、前記スイッチの第一出力に結合される入力と前記カソードに結合される出力を有する第一マッチングネットワークと、
前記第二バイアス周波数で動作するように同調され、前記スイッチの第二出力に結合される入力と前記カソードに結合される出力を有する第二マッチングネットワークと、
１５MHzより高いのRFソースパワーを生成する第二RFパワージェネレータと、
前記第二RFパワージェネレータに結合される入力と前記カソードに結合される出力を有する第三マッチングネットワークと、
を含むプラズマ処理チェンバー。
前記第一バイアス周波数は大体２MHzであり、前記第二バイアス周波数は大体１３MHzであり、前記RFソースパワーの周波数は大体２７MHzと６０MHzと１００MHzのいずれかである、請求項７に記載のプラズマ処理チェンバー。
前記第三マッチングネットワークの前記出力と前記カソードの間に結合される並列共振回路を更に含み、前記並列共振回路はその中心周波数が大体１３MHzになるように同調され、その帯域幅は２MHzである、請求項8に記載のプラズマ処理チェンバー。
グランドと前記スイッチの前記入力の間に結合され、並列接続されている可変シャントコンデンサと固定コンデンサ、を更に含む請求項９に記載のプラズマ処理チェンバー。
グランドと前記第三マッチングネットワークの前記入力の間に結合され、並列接続されている可変シャントコンデンサと固定コンデンサをさらに含む、請求項10に記載のプラズマ処理チェンバー。