JP2016054159A - プラズマ処理システムを制御するための方法および装置 - Google Patents

プラズマ処理システムを制御するための方法および装置 Download PDF

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Abstract

【課題】多重RF周波数を使用してプラズマ処理システムの動作を制御するための方法および装置の提供。
【解決手段】高インピーダンス経路を介してRF検出機構からRF電圧信号を所得し、多重RF周波数のそれぞれに対応する少なくとも個々の信号を含む複数の信号を取得するために、前記RF電圧信号を処理し、前記複数の信号を伝達関数に入力し、前記伝達関数の出力を制御信号として提供し、プラズマ処理システムの少なくとも1つのサブシステムを制御する。
【選択図】図5A

Description

半導体産業では、シリコンウェハを製造するためのRF駆動プラズマチャンバの使用がよく見られる。このような用途では、シース電圧、特にどのようにシース電圧がウェハ自体のDCバイアス電位に関わるかを監視する必要性が一般に存在している。
現在、ウェハ電位ならびにシース電位およびバルクプラズマ電位を確認する技術がいくつか存在している。ウェハDCバイアス電位に関して、一監視方法は、ウェハと静電チャック(ESC)との間のリーク電流を、印加されたDC電圧がESCに変化する間に検知することによってウェハの自己バイアス電圧を測定することを含む。この技術が、いくつかの現行の生産環境内で使用される際、比較値はリーク電流の量に大きく依存し、リーク電流の量はシステムのESCの種類に連動する。また、ウェハを介したESCへのリーク電流を検知する方法は、さまざまな種類のウェハ裏面のフィルムに大きく依存する。
ウェハバイアス電位を確認するための別の方法は、ESCの外縁部に取り付けられ、プラズマに接触する炭化ケイ素ピンの使用によるものである。しかし、このようなピンは、消耗品であり、生産環境内で頻繁に取り替える必要がある。
ウェハのDCバイアスを検知するための第3の方法は、ESCのRF電圧プローブと、ピーク間RF電圧からウェハ電圧を計算する信号処理部とによる。この方法は、較正された利得オフセットの使用によってESCのRF電圧をDC値に合わせて調整することによって、プローブがプラズマに直接接触せずにウェハDCバイアス電圧を検知するための手段を備える。この方法は、ウェハのRFピーク間電圧とおよびDC電位との純直線関係を前提とし、多周波数プラズマの場合とは異なる。図1は、RF Vppに対するウェハバイアスの相関性を示す。図1では、直線近似が適用される場合、Rの2乗値は1よりかなり小さくなる[たとえばR−sq:0.90]。
添付の図面では、本発明を一例として示すが、限定することを目的とせず、同じ符号は同じ要素を示す。
RF Vppに対するウェハバイアスの相関性を示す図である。
開示するRF電圧伝達関数の出力に対するウェハバイアスの相関性を示し、Rの2乗値が1にかなり近似していることを示す図である。
Siカーバイドピンによって見られるプラズマ電位と配線されたウェハ(ワイヤードウェハ)によって測定されるウェハ電位との関係を確認する試験を説明する図である。
Lam DFC2300 Flex45プラットフォームで2MHz、27MHzおよび60MHzを使用してHARC(高アスペクト比コンタクト)処理時にSi HER(ホットエッジリング)によって見られる電圧に対するSiカーバイドピンによって見られる電圧を示す図である。
3つのRF発生器によるESC電源から成るRF駆動プラズマを有するシステムを示す図である。
開示する発明の実施形態を示し、電圧プローブは容量分圧器ネットワークから成り、ESC基板にごく接近しているRFロッドと、信号調節および信号処理装置とに取り付けられることを示す図である。
デジタル信号処理部を有するアナログのRF電圧信号調節ネットワークの実施形態を示す図である。
周波数依存性のRF電圧信号に基づいてウェハ電位を計算するための高インピーダンスのRF電圧プローブを示す図である。 周波数依存性のRF電圧信号に基づいてウェハ電位を計算するための高インピーダンスのRF電圧プローブを示す図である。 周波数依存性のRF電圧信号に基づいてウェハ電位を計算するための高インピーダンスのRF電圧プローブを示す図である。 周波数依存性のRF電圧信号に基づいてウェハ電位を計算するための高インピーダンスのRF電圧プローブを示す図である。 周波数依存性のRF電圧信号に基づいてウェハ電位を計算するための高インピーダンスのRF電圧プローブを示す図である。
ここで、本発明を、添付の図面に示すいくつかの実施形態を参照して詳細に説明する。以下の説明では、本発明の理解を深めるために多数の具体的な詳細を記載している。しかし、本発明はこれらの具体的な詳細の一部または全部がなくても実施することが可能であることは、当業者にとって明らかであろう。他の例では、本発明が不必要に曖昧とならないように、周知の処理工程および/または構造は詳細に説明していない。
方法および技術を含めてさまざまな実施形態を本願明細書の以下に説明する。本発明は、本発明の技術に関する実施形態を実施するためのコンピュータ可読命令を保存するコンピュータ可読媒体を含む製品に及ぶことにも留意する必要がある。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ可読コードを保存するために、たとえば、半導体、磁気、光磁気、光学またはその他の形態のコンピュータ可読媒体を含んでもよい。さらに、本発明は本発明の実施形態を実施するための装置にも及んでもよい。このような装置は、本発明の実施形態に関するタスクを実施するための専用回路および/またはプログラマブル回路を含んでもよい。このような装置の例は、適切にプログラムされる場合、汎用計算機および/または専用計算機を含み、コンピュータ/計算機と、発明の実施形態に関するさまざまなタスクに適した専用/プログラマブル回路との組合せを含んでもよい。
開示する発明の実施形態は、ESCのRF電圧を適切にフィルタリングして調整し、ウェハにバイアスをかける際に多重RF周波数の寄与を示す伝達関数を利用することによって、ウェハバイアス電位を測定する能力をエンドユーザに提供する。図2は、開示するRF電圧伝達関数の出力に対するウェハバイアスの相関性を示し、Rの2乗値が1にかなり近似している[たとえばR−sq:0.97]ことを示す。
本発明は、炭化ケイ素ピンでDCバイアス電位を測定する既存の方法を改善しようと試みる間に着想した。このピンの摩耗率およびピンを収容したクォーツ絶縁材の摩耗率は、製造スループットの制限因子であることがわかった。多周波数プラズマのRF電圧とウェハ電位との間に非線形関係が存在したが、伝達関数はプラズマを駆動する個々の周波数それぞれの寄与に基づいてウェハ電位を誘導するために使用できたことがわかった。
図3に示すように、Siカーバイドピンによって見られるプラズマ電位とワイヤードウェハによって測定されるウェハ電位との関係を確認するために試験を実施した。そこで、開示する伝達関数は、既存のSiカーバイドピンによって見られる電圧信号との相関性が高いことを示した。
図4は、Lam DFC2300 Flex45プラットフォーム(カリフォルニア州フレモント、Lam Research社製)で2MHz、27MHzおよび60MHzを使用してHARC(高アスペクト比コンタクト)処理時にSi HER(ホットエッジリング)によって見られる電圧に対するSiカーバイドピンによって見られる電圧を示す。ワイヤードウェハに対するSiカーバイドピンの上記の相関性を考慮すると、可換性は、プラズマを駆動する個々のRF電圧に関わる伝達関数がウェハ界面のプラズマシース電圧も有効に表現するという意見に信頼性を与える。1または複数の実施形態では、伝達関数を誘導するためにRF電圧に状態空間解析を実行してもよい。状態空間モデリングはよく知られており、本願明細書では詳しく説明しない。1または複数の実施形態は、頑健性を改善するために、知られている過度的な取扱技術を適用してもよい。
図面および以下の説明を参照して発明の実施形態の特徴および利点をさらに良く理解することができる。
一般的に言えば、RF駆動プラズマ内でプラズマシース電位のDC成分を間接的に測定する能力は、ESCにごく接近しているRFロッドに接続される電圧プローブに依存する。図5Aは、インピーダンス整合回路網506を介した3つのRF発生器504A、504Bおよび504CによるESC502電源から成るRF駆動プラズマを有するシステムを示す。これらのRF発生器は、図に示すように異なるRF周波数を提供し、周波数の数が用いられているが、用途に応じて、用いられる正確な周波数と用いられるRF発生器の数とを変えてもよい。基板508(またはESCを伴う別の非プラズマ曝露要素)にごく近接する(すなわち、RF電圧を感知できるほど十分近い)RFロッドまたは別の好適なRF検出機構は、RF電圧を容量分圧器ネットワーク530に提供する。容量分圧器530は、図5Bと共に本願明細書にさらに詳細に説明する。次に、容量分圧器ネットワーク530の出力は、信号調整および処理ブロック532に提供され、図5Cと共に本願明細書の以下にさらに詳細に説明する。
図5Bは、開示する本発明の例示的実施形態を示し、電圧プローブは容量分圧器ネットワーク530を含み、ESC基板にごく接近しているRFロッド(または他の好適なRF感知機構)に連結され、信号調節および信号処理装置に連結されることを示す。図5Bの例では、キャパシタC1はキャパシタC2に直列であり、並列なキャパシタC3/C4と直列である。図5Bに示すように電圧信号が得られる。容量分圧器の電圧プローブは、プラズマを駆動するRF電力を過度に摂動することなく、感知されるRF電圧に対して高インピーダンス経路をもたらす。
容量分圧器の特定の性質は、プラズマを駆動するRF発生器に依存し、最も周波数の高い高周波発生器が支配的要因である。また、容量分圧器は、信号調整および信号処理装置に電圧信号を伝達するのに関与する50オームの同軸ケーブルと平行して、接地に低インピーダンス経路を提供することによって電圧信号を十分減衰させる。これらの値は、参照目的で例として与えられ、限定するものではないことに留意する。図5Bの例では、入力インピーダンスはかなり高く[Z=1/(ω*C)であり、ω=60MHz、C=0.5pFの場合、Z≒33Kオーム]、接地に対するインピーダンスは低い(60Mhzで約31オーム)。
そこで、RF電圧信号はアナログフィルタまたはデジタルフィルタのネットワークによって調整される。図5Cは図5Aのブロック532で実装される種類のアナログRF電圧信号調節ネットワークの例示的実施形態である。アナログRF電圧信号調節ネットワークの入力では、信号は多くの別個のチャネル(図5Cの例では4つ)に分割され、プラズマの駆動に関与する特定のRF周波数のRFフィルタリングを可能にする。この実施形態では、RF発生器の周波数は、2MHz、27MHz、60MHzである。1つのチャネルはフィルタリングされず、広帯域電圧の周波数スペクトルを維持する。この実施形態では、4つのチャネルはパッシブピーク検出器[たとえばIN5711ダイオード]によってDC信号に変換されるが、アクティブピーク検出器も使用可能である。
そこで、DC信号は、デジタル信号プロセッサによって処理されるようにデジタル信号に変換され、個々の信号は、ウェハバイアス伝達関数に較正され、入力される。その後、伝達関数の出力はバイアス補償ネットワークに戻る。開示するアナログ信号調節ネットワークは、デジタルドメイン内で完全に達成することが可能であることに留意する必要がある。この場合、単にアナログデジタルコンバータ(ADC)および信号処理部(DSP、FPGAまたはCPLDなど)があれば、信号スプリッタまたはアナログフィルタは必要ではないと考えられ、信号処理部は、フィルタリング、ピーク検出、較正および伝達関数計算すべてに関与する。
1または複数の実施形態では、各電圧チャネルの較正は、各チャネルに利得およびオフセットを適用することによって実行される。各チャネル(図5A〜5Cの例の2MHz、27MHz、60MHzおよびフィルタリングされていない広帯域電圧)に対する利得オフセットは、所定のチャネルの信号応答とウェハバイアスとのその相関性とによって求められる。フィルタリングされたチャネルに関して、これは、所定のフィルタリングされたチャネルのその一意の単一周波数に対するウェハバイアスへの応答を特徴化することによって達成される。たとえば、2MHzのチャネルの応答は、2MHz駆動のプラズマに対するウェハバイアスと相関し、次の利得オフセットは、このチャネルを較正するために使用されるということになる。これは、27MHzおよび60MHzに対して繰り返される。広帯域信号は、3つの周波数すべてと次の変化形(2MHzのみ、2MHzと27MHz、60MHzのみ、27MHzと60MHzなど)とによって駆動されるプラズマに対してウェハバイアスを相関させることによって較正される。
また、較正に考慮される重要な要素は、容量分圧器の電圧プローブ530の応答である。容量分圧器は、各周波数に対して特有の信号応答を有する傾向がある。提案する解決法として、容量分圧器の電圧センサの応答を特徴化するためにネットワーク分析器を使用できることから、この応答は、上記の較正係数を変更するために使用することができる。これは、正確かつ繰り返し可能な機器を製造する際の重要な要素である。
ウェハバイアスを計算するための伝達関数は4つの入力、2MHz、27MHzおよび60MHzに対して較正されたDC電圧信号ならびにフィルタリングされていない広帯域信号で構成される。そこで、電圧信号は一連の係数を乗じる。各係数は、プラズマを駆動する所定の周波数の混合に依存する。係数は、たとえば、ウェハバイアスと4つの電圧信号(2MHz、27MHz、60MHzおよび広帯域)から成るマトリクスの主成分分析(PCA)によって得られる。次に、係数を乗じた個々の結果が加算され、ウェハバイアス値を求める。また、条件命題および重み係数は、係数を最適化するために使用できることから、伝達関数の結果を最適化する。
さらに、図6〜10は、周波数依存性のRF電圧信号に基づいてウェハ電位を計算するための高インピーダンスのRF電圧プローブを示す。図6では、線形伝達関数が生成され、例示的フローチャートは、どのようにこの線形伝達関数が用いられ、ウェハバイアス値を得ることができるかということを示す。図7は、ウェハバイアス値を得るための非線形伝達関数の使用を示すフローチャートである。非線形伝達関数は、大部分ではないとしても一部の状況でRF電圧からウェハバイアス値にさらに近似させることがさらに良好にできると考えられている。図8、9および10は、各方法(線形対非線形)の利点に関して詳細に説明している。これら両方の方法は、発明の実施形態に従って、特に多周波数の用途で、感知されたRF電圧をウェハバイアス電圧に相関させる方法を提供する。したがって、ウェハバイアス電圧は、ESC電源および/またはバイアス補償ネットワークおよび/またはプラズマ処理システムの他のサブシステムのフィードバック信号または制御信号として使用してもよい。
いくつかの好ましい実施形態に関して本発明を記載したが、変形例、置換例および均等物があり、これらは本発明の範囲内である。また、本発明の方法および装置を実装する多くの他の方法があることに留意する必要がある。本願明細書にさまざまな例を記載しているが、これらの例は説明目的であり、本発明に関して限定しないことを意図している。
ウェハのDCバイアスを検知するための第3の方法は、ESCのRF電圧プローブと、ピーク間RF電圧からウェハ電圧を計算する信号処理部とによる。この方法は、較正された利得オフセットの使用によってESCのRF電圧をDC値に合わせて調整することによって、プローブがプラズマに直接接触せずにウェハDCバイアス電圧を検知するための手段を備える。この方法は、ウェハのRFピーク間電圧とおよびDC電位との純直線関係を前提とし、多周波数プラズマの場合とは異なる。図1は、RF Vppに対するウェハバイアスの相関性を示す。図1では、直線近似が適用される場合、Rの2乗値は1よりかなり小さくなる[たとえばR−sq:0.90]。
こうした前提を踏まえた本発明の実施形態は、高インピーダンス経路を介してRF検出機構から高周波(RF)電圧信号を所得し、前記RF電圧信号は多重RF発生器に関連する多重周波数を有し、前記多重周波数は第1の周波数および第2の周波数を含み、前記RF検出機構はRFロッドであり、前記RFロッドは静電チャック(ESC)サブシステムの要素に近く、前記要素はプラズマチャンバにおいて形成される場合はプラズマを有する領域の外にあり、前記RFロッドは前記RF電圧信号を検出するために使用され、前記RFロッドは前記RF電圧信号を容量分圧器ネットワークに提供し、複数の信号を生成するために前記RF電圧信号を処理し、前記複数の信号における信号の1つは前記第1の周波数を有し、前記複数の信号における信号の別の1つは前記第2の周波数を有し、伝達関数を前記第1の周波数を有する信号および前記第2の周波数を有する他の信号に適用させてウェハ電位を誘導し、前記ウェハ電位を制御信号として提供しプラズマ処理システムの少なくとも1つのサブシステムを制御することを要旨としている。
いくつかの好ましい実施形態に関して本発明を記載したが、変形例、置換例および均等物があり、これらは本発明の範囲内である。また、本発明の方法および装置を実装する多くの他の方法があることに留意する必要がある。本願明細書にさまざまな例を記載しているが、これらの例は説明目的であり、本発明に関して限定しないことを意図している。本発明は、例えば以下の適用例としても実現可能である。
[適用例1]多重RF周波数を使用してプラズマ処理システムの動作を制御するための方法であって、
高インピーダンス経路を介してRF検出機構からRF電圧信号を所得し、
前記多重RF周波数のそれぞれに対応する少なくとも個々の信号を含む複数の信号を取得するために、前記RF電圧信号を処理し、
前記複数の信号を伝達関数に入力し、
前記伝達関数の出力を制御信号として提供し、前記プラズマ処理システムの少なくとも1つのサブシステムを制御する
方法。
[適用例2]前記RF検出機構は、前記RF電圧信号を得るために前記ESCサブシステムの非プラズマ曝露構成要素に十分近い適用例1に記載の方法。
[適用例3]前記非プラズマ曝露構成要素は基板である適用例2に記載の方法。
[適用例4]前記RF検出機構はRFロッドである適用例3に記載の方法。
[適用例5]前記高インピーダンス経路は、少なくとも容量分圧器ネットワークによって実装される適用例1に記載の方法。
[適用例6]前記複数の信号は、前記RF電圧信号のフィルタリングされていない広帯域型に対応する少なくとも1つの信号も含む適用例1に記載の方法。
[適用例7]前記処理は前記複数の信号を較正することを含む適用例1に記載の方法。
[適用例8]前記伝達関数は線形伝達関数である適用例1に記載の方法。
[適用例9]前記線形伝達関数は多変数分析を使用して得られる適用例8に記載の方法。
[適用例10]前記伝達関数は非線形伝達関数である適用例1に記載の方法。
[適用例11]前記非線形関数は電力方程式を使用して得られる適用例10に記載の方法。
[適用例12]前記処理は少なくともアナログフィルタリングを含む適用例1に記載の方法。
[適用例13]前記処理は少なくともデジタル信号処理を含む適用例1に記載の方法。
[適用例14]静電チャック(ESC)に配置される少なくとも1つのウェハを処理するように構成されるプラズマ処理システムであって、
RF電圧信号を得るために前記ESCの非プラズマ曝露構成要素に十分近く配置されたRF検出機構と、
前記RF検出機構に接続され、前記プラズマ処理システムでプラズマを駆動するRF電力の摂動を減少させて前記RF電圧信号の取得を容易にする高インピーダンス装置と、
前記RF電圧信号を受信し、伝達関数出力を取得するために、デジタルまたはアナログの前記RF電圧信号のいずれかを、伝達関数に適用するように構成される信号処理装置と、
前記少なくとも1つのウェハの処理時に、前記プラズマ処理システムを制御するためのフィードバック信号として、前記伝達関数出力を受信するように構成されるESC電力供給サブシステムとを
備えたプラズマ処理システム。
[適用例15]前記非プラズマ曝露構成要素は基板である適用例14に記載のプラズマ処理システム。
[適用例16]前記RF検出機構はRFロッドである適用例14に記載のプラズマ処理システム。
[適用例17]前記高インピーダンス経路は、少なくとも容量分圧器ネットワークによって実装される適用例14に記載のプラズマ処理システム。
[適用例18]前記RF電圧信号は、前記信号処理装置によって、前記RF電圧信号のフィルタリングされていない広帯域型に対応する少なくとも1つの信号を含む複数の信号に処理される適用例14に記載のプラズマ処理システム。
[適用例19]前記処理は前記複数の信号を較正することを含む適用例18に記載のプラズマ処理システム。
[適用例20]前記伝達関数は線形伝達関数である適用例14に記載のプラズマ処理システム。
[適用例21]前記伝達関数は非線形伝達関数である適用例14に記載のプラズマ処理システム。

Claims (21)

  1. 多重RF周波数を使用してプラズマ処理システムの動作を制御するための方法であって、
    高インピーダンス経路を介してRF検出機構からRF電圧信号を所得し、
    前記多重RF周波数のそれぞれに対応する少なくとも個々の信号を含む複数の信号を取得するために、前記RF電圧信号を処理し、
    前記複数の信号を伝達関数に入力し、
    前記伝達関数の出力を制御信号として提供し、前記プラズマ処理システムの少なくとも1つのサブシステムを制御する
    方法。
  2. 前記RF検出機構は、前記RF電圧信号を得るために前記ESCサブシステムの非プラズマ曝露構成要素に十分近い請求項1に記載の方法。
  3. 前記非プラズマ曝露構成要素は基板である請求項2に記載の方法。
  4. 前記RF検出機構はRFロッドである請求項3に記載の方法。
  5. 前記高インピーダンス経路は、少なくとも容量分圧器ネットワークによって実装される請求項1に記載の方法。
  6. 前記複数の信号は、前記RF電圧信号のフィルタリングされていない広帯域型に対応する少なくとも1つの信号も含む請求項1に記載の方法。
  7. 前記処理は前記複数の信号を較正することを含む請求項1に記載の方法。
  8. 前記伝達関数は線形伝達関数である請求項1に記載の方法。
  9. 前記線形伝達関数は多変数分析を使用して得られる請求項8に記載の方法。
  10. 前記伝達関数は非線形伝達関数である請求項1に記載の方法。
  11. 前記非線形関数は電力方程式を使用して得られる請求項10に記載の方法。
  12. 前記処理は少なくともアナログフィルタリングを含む請求項1に記載の方法。
  13. 前記処理は少なくともデジタル信号処理を含む請求項1に記載の方法。
  14. 静電チャック(ESC)に配置される少なくとも1つのウェハを処理するように構成されるプラズマ処理システムであって、
    RF電圧信号を得るために前記ESCの非プラズマ曝露構成要素に十分近く配置されたRF検出機構と、
    前記RF検出機構に接続され、前記プラズマ処理システムでプラズマを駆動するRF電力の摂動を減少させて前記RF電圧信号の取得を容易にする高インピーダンス装置と、
    前記RF電圧信号を受信し、伝達関数出力を取得するために、デジタルまたはアナログの前記RF電圧信号のいずれかを、伝達関数に適用するように構成される信号処理装置と、
    前記少なくとも1つのウェハの処理時に、前記プラズマ処理システムを制御するためのフィードバック信号として、前記伝達関数出力を受信するように構成されるESC電力供給サブシステムとを
    備えたプラズマ処理システム。
  15. 前記非プラズマ曝露構成要素は基板である請求項14に記載のプラズマ処理システム。
  16. 前記RF検出機構はRFロッドである請求項14に記載のプラズマ処理システム。
  17. 前記高インピーダンス経路は、少なくとも容量分圧器ネットワークによって実装される請求項14に記載のプラズマ処理システム。
  18. 前記RF電圧信号は、前記信号処理装置によって、前記RF電圧信号のフィルタリングされていない広帯域型に対応する少なくとも1つの信号を含む複数の信号に処理される請求項14に記載のプラズマ処理システム。
  19. 前記処理は前記複数の信号を較正することを含む請求項18に記載のプラズマ処理システム。
  20. 前記伝達関数は線形伝達関数である請求項14に記載のプラズマ処理システム。
  21. 前記伝達関数は非線形伝達関数である請求項14に記載のプラズマ処理システム。
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