JP2021108378A - 周期的かつ選択的な材料の除去及びエッチングのための処理チャンバ - Google Patents

周期的かつ選択的な材料の除去及びエッチングのための処理チャンバ Download PDF

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Abstract

【課題】半導体基板を処理するための装置及び方法において周期的かつ選択的な材料の除去及びエッチングのための処理チャンバを提供する。【解決手段】プラズマ処理チャンバ１００は、ソースモジュール１０２と、処理モジュール１０４と、フローモジュール１０６と、排気モジュール１０８と、を含む。ＲＦ電源１２４がチャンバに連結される。遠隔プラズマがソースモジュール内で生成され、直流プラズマが処理モジュール内で生成される。周期エッチングプロセスは、基板１１６をエッチングするためにラジカルと直流プラズマとを交互に使用する。【選択図】図１

Description

本開示の実施形態は、半導体基板を処理するための装置及び方法に関する。より具体的には、本開示の実施形態は、周期エッチングプロセスを実施するよう構成されたラジカルプラズマ源と直流プラズマ源とを有する、処理チャンバに関する。
関連技術の説明
フラットパネルディスプレイや集積回路などの電子デバイスは、通常、層が基板上に堆積され、堆積された材料が所望のパターンにエッチングされる、一連のプロセスによって製造される。これらのプロセスは、通常、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、及び他のプラズマ処理を含む。具体的には、プラズマ処理は、混合処理ガスを真空チャンバに供給することと、無線周波数電力（ＲＦ電力）を印加して、処理ガスをプラズマ状態に励起することとを含む。プラズマは、混合ガスを、所望の堆積プロセス又はエッチングプロセスを実施するイオン種に分解する。
プラズマ処理中に遭遇する問題の１つは、処理中に基板表面全体に均一なプラズマ密度を確立することに関連する困難であり、この困難は、基板の中央領域とエッジ領域との間での不均一な処理につながる。均一なプラズマ密度の確立が困難であることの一因は、物理的な処理チャンバ設計における非対称性による、電流、ガス流、及び熱分布の自然発生的な歪みでありうる。かかる歪みは、不均一なプラズマ密度をもたらすだけでなく、プラズマの均一性を制御するための他の処理変数を使用することも困難にする。ゆえに、様々な処理工程を十分に履行するために、複数の処理チャンバが必要になりうる。
加えて、一部の基板処理システムでは、プラズマは、一又は複数の基板が処理されるのと同じ場所で生成される。他の例では、プラズマは、１つの場所で生成され、基板（複数可）が処理される別の場所に移動する。発生したプラズマは、多くの場合、高エネルギーかつ／又は腐食性の種、及び／又は、高エネルギー電子を内包しており、そのため、プラズマを発生させる設備は、時に、エネルギー種及び／又はエネルギー電子との接触により劣化する。例えば、高エネルギーの種及び／又は電子に曝露される材料は、エッチング及び／又はスパッタリングされることがあり、エッチング及び／又はスパッタリングされた材料であって、あちこち動き回り、かつ、チャンバ構成要素の様々な表面上で反応しうるか、又はかかる表面上に堆積し、それによって、チャンバを損傷しうるか、又は、チャンバの保守休止期間の増大を要する、材料を生成しうる。
既存のドライエッチングチャンバは、高アスペクト比構造物のエッチングのための高イオンエネルギーを伴う異方性エッチング向けに、実装される。しかし、高イオンエネルギーのボンバードにより、基板がプラズマに損傷されることがあり、このことはデバイス漏電をもたらす。また、副生成物の再堆積は異方性エッチングを困難にする。
テクノロジーノードが進むにつれて、より細かく、選択的にエッチングする能力に対するニーズが高まっている。したがって、より進んだテクノロジーノードのために実装されうる、可変処理量、フローコンダクタンスの改善、及び処理均一性の改善を可能にする、処理チャンバが必要とされている。加えて、材料選択性の改善を提供するエッチング方法が必要である。
一実施形態では、処理チャンバ装置が提供される。この装置は、処理領域を画定し、かつ、内部で直流プラズマを生成するよう構成された、チャンバ本体を含み、静電チャックを備える基板支持アセンブリが、処理領域の中に配置されうる。プレートスタックを備えるソースモジュールがチャンバ本体に連結されてよく、プレートスタックは、処理領域を更に画定し、かつ、内部で遠隔プラズマを生成するよう構成されうる。フローモジュールがチャンバ本体に連結されてよく、対称フローバルブ及び対称ターボ分子ポンプを備える排気モジュールが、フローモジュールに連結されうる。チャンバ本体、ソースモジュール、フローモジュール、及び排気モジュールは、基板を対称に処理するよう構成されうる。
別の実施形態では、処理チャンバ装置が提供される。この装置は、処理領域を画定するチャンバ本体を含み、静電チャックを備える基板支持アセンブリが、処理領域の中に配置されうる。プレートスタックを備えるソースモジュールが、同様にチャンバ本体に連結されうる。プレートスタックは、第１ディフューザーと、面板と、セラミックリングと、第２ディフューザーと、ガス分配デバイスと、プラズマ遮断スクリーンとを含みうる。フローモジュールがチャンバ本体に連結されてよく、排気モジュールがフローモジュールに連結されうる。
更に別の実施形態では、基板を処理する方法が提供される。この方法は、処理チャンバの処理領域内で直流プラズマを生成することと、基板の層を改質するために、処理領域内の基板支持アセンブリ上に配置された基板を直流プラズマにより生成されたイオンに曝露することとを含む。遠隔プラズマが処理チャンバに連結されたソースモジュール内で生成されてよく、基板の改質された層は、改質された層を基板から除去するために、遠隔プラズマにより生成されたラジカルに曝露されうる。基板をイオンに曝露すること、及び、基板をラジカルに曝露することは、反復されることもある。
本開示の上述の特徴を詳しく理解しうるように、上記で簡単に要約されている本開示の、より詳細な説明が、実施形態を参照することによって得られる。一部の実施形態は付随する図面に示されている。しかし、付随する図面は例示的な実施形態のみを示すものであり、従って、本開示の範囲を限定すると見なすべきではなく、その他の等しく有効な実施形態も許容されうることに、留意されたい。
本発明の一実施形態による、プラズマ処理チャンバの概略断面図である。 本開示の一実施形態によるプラズマ処理システムの主な要素の断面を、概略的に示す。 本書に記載の実施形態による図２に示すプラズマ処理の一部分の拡大図を概略的に示す。 本書に記載の実施形態による処理チャンバを概略的に示す。
理解を容易にするために、図面に共通する同一の要素を指し示すのに、可能な限り同一の参照番号を使用した。一実施形態の要素及び特徴は、更なる記述がなくとも、他の実施形態に有益に組み込まれうると想定される。
本開示は概して、遠隔プラズマ源及び直流プラズマ源を有するチャンバに関する。遠隔プラズマ源はラジカルを生成するよう構成されてよく、直流プラズマ源はイオンを生成するよう構成されうる。加えて、チャンバは、基板のプラズマ処理中の対称性の改善をもたらすための様々な装置を含む。加えて、周期エッチングプロセスための方法が開示される。
図１は、本開示の一実施形態による、プラズマ処理チャンバ１００の概略断面図である。プラズマ処理チャンバ１００は、プラズマエッチングチャンバ、プラズマ化学気相堆積チャンバ、物理的気相堆積チャンバ、プラズマトリートメントチャンバ、イオン注入チャンバ、又は、他の好適な真空処理チャンバでありうる。
プラズマ処理チャンバ１００は、複数のモジュールから組み立てられうる。このモジュール式設計は、プラズマ処理チャンバ１００が様々な処理要件を満たすことを可能にする。図１に示しているように、プラズマ処理チャンバ１００は、ソースモジュール１０２と、処理モジュール１０４と、フローモジュール１０６と、排気モジュール１０８とを含みうる。ソースモジュール１０２、処理モジュール１０４、及びフローモジュール１０６は、集合的に、処理領域１１２を囲んでいる。ソースモジュール１０２のより詳細な説明は、図２及びそこに記載されたソースモジュールを参照して得られる。処理モジュール１０４、フローモジュール１０６、及び排気モジュール１０８は、ある種の実施形態では、集合的にチャンバモジュール１１０と見なされうる。
工程において、基板１１６は基板支持アセンブリ１１８上に位置付けられ、処理領域１１２内で生成されたプラズマなどの処理環境に曝露されうる。プラズマ処理チャンバ１００内で実施されうる例示的なプロセスは、エッチング、化学気相堆積、物理気相堆積、注入（ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）、プラズマアニール処理、プラズマトリートメント、軽減（ａｂａｔｅｍｅｎｔ）、又は、その他のプラズマ処理を含みうる。フローモジュール１０６により画定された排出チャネル１１４を通じて排気モジュール１０８から吸引を行うことによって、処理領域１１２内に真空が維持されうる。
処理領域１１２及び排出チャネルは、対称な電流、ガス流、及び熱流を提供して、均一な処理条件を確立するために、中心軸１１１の周囲で実質的に対称である。
一実施形態では、図１に示しているように、ソースモジュール１０２は、一又は複数のプラズマを生成するよう構成された容量結合プラズマ源であってよく、生成されたプラズマのうち、少なくとも１つは遠隔プラズマと見なされ、かつ、１つは直流プラズマと見なされうる。ソースモジュール１０２は、電極（すなわちアノード）として機能しうるプレートスタック１０１であって、アイソレータ１２２によって処理モジュール１０４から隔離され、かつ、処理モジュール１０４によって支持されている、プレートスタック１０１を含みうる。プレートスタック１０１は、積み重ね配向で配置された、様々なシャワーヘッド、ディフューザー、及び、スクリーン／ブロッカプレートを含みうる。プレートスタック１０１は、ガス入口チューブ１２６を通じてガス源１３２に接続されうる。プレートスタック１０１及びガス入口チューブ１２６は全て、アルミニウム又はステンレス鋼などの高周波（ＲＦ）導電性材料から製造されうる。プレートスタック１０１は、導電性のガス入口チューブ１２６を介して、ＲＦ電源１２４に連結されうる。ＲＦマッチングネットワーク１２５もＲＦ電源１２４に連結されうる。導電性のガス入口チューブ１２６は、ＲＦ電力と処理ガスの両方が対称に提供されるように、プラズマ処理チャンバ１００の中心軸１１１と同軸でありうる。
上記では容量性プラズマ源が説明されているものの、ソースモジュール１０２は、処理要件に準じた任意の好適なガス／プラズマ源でありうる。例えば、ソースモジュール１０２は、誘導結合プラズマ源、遠隔プラズマ源、又はマイクロ波プラズマ源でありうる。
処理モジュール１０４は、ソースモジュール１０２に連結される。処理モジュール１０４は、処理領域１１２を囲むチャンバ本体１４０を含みうる。チャンバ本体１４０は、アルミニウム又はステンレス鋼などの、処理環境に対して抵抗性を有する導電性材料から製造されうる。基板支持アセンブリ１１８は、チャンバ本体１４０内の中央に配置され、かつ、中心軸１１１の周囲で対称になるように、処理領域１１２内で基板１１６を支持するよう、位置付けられうる。
スリットバルブ開口部１４２が、基板１１６の通過を可能にするために、チャンバ本体１４０を通って形成されうる。スリットバルブ１４４が、スリットバルブ開口部１４２を選択的に開閉するよう、チャンバ本体１４０の外側に配置されうる。
一実施形態では、上部ライナアセンブリ１４６が、チャンバ本体１４０の上部内に配置され、チャンバ本体１４０を処理環境から保護しうる。上部ライナアセンブリ１４６は、チャンバ本体１４０内に形成されたスリットバルブ開口部１４２に対応する開口部１４８を含みうる。一実施形態では、上部ライナアセンブリ１４６は、スリットバルブ開口部１４２によってもたらされるチャンバ本体１４０の非対称性を補償するために中心軸１１１の周囲に対称に形成された２つ以上の開口部１４８を含み、それゆえ、プラズマ処理チャンバ１００の中の処理領域１１２の対称性を創出しうる。例えば、上部ライナアセンブリ１４６は、互いから１２０度離間して形成された同一の３つの開口部１４８を有する、円筒形の壁でありうる。上部ライナアセンブリ１４６は、アルミニウム、ステンレス鋼、及び／又はイットリアなどの、導電性の処理適合材料（例えばイットリアでコーティングされたアルミニウム）から作られうる。
一実施形態では、チャンバ本体１４０及び上部ライナアセンブリ１４６に温度制御をもたらして、プラズマ処理チャンバ１００の中の熱対称性、及び、処理領域１１２内に提供されるプラズマの対称性を強化するために、冷却チャネル１５０がチャンバ本体１４０内に形成されうる。
フローモジュール１０６は、処理モジュール１０４に取り付けられる。フローモジュール１０６は、処理モジュール１０４内に画定された処理領域１１２と排気モジュール１０８との間に、流路を提供する。フローモジュール１０６は、基板支持アセンブリ１１８とプラズマ処理チャンバ１００の外部の大気環境との接合境界も提供する。
フローモジュール１０６は高さ１０７を有する高さ１０７は、処理要件によって決まる垂直移動量又は空間可変の程度に準じて、選択されうる。したがって、特定のプロセスのために処理チャンバを作製する際に、好適な高さを有するフローモジュールが、処理要件を満たすよう選択されうる。別のプロセスのための処理チャンバを構成する場合、フローモジュールは、異なる高さを有する別のフローモジュールに交換されうる。
フローモジュール１０６は、外壁１６０と、内壁１６２と、内壁１６２と外壁１６０との間を接続する径方向壁１６４の２つ以上の対と、内壁１６２及び径方向壁１６４の２つ以上の対に取り付けられた底部壁１６６とを含む。外壁１６０は、径方向壁１６４の各対の間に形成された２つ以上の貫通孔１７０を含みうる。シャーシ１５４が、内壁１６２及び径方向壁１６４の２つ以上の対の上を密封して配置されうる。貫通孔１７０は、内壁１６２によって画定された大気空間１６８を外部環境に接続し、ひいては、電気接続、ガス接続、冷却流体接続などのユーティリティ接続を収容する。シャーシ１５４は、基板支持アセンブリ１１８を受容するための中央開口部１５８を含みうる。
フローモジュール１０６の外壁１６０は、処理モジュール１０４のチャンバ本体１４０に合致するよう形作られる。一実施形態では、外壁１６０は、チャンバ本体１４０のフランジに対応するフランジを含みうる。フランジを固定して、フローモジュール１０６を処理モジュール１０４に連結するために、複数のボルトが使用されうる。一実施形態では、密封材１５２がチャンバ本体１４０のフランジと外壁１６０のフランジとの間に配置されて、それらの間に真空密封を形成しうる。密封材１５２は、Ｏリング又は他の種類の密封材でありうる。一実施形態では、ＲＦ接地ガスケット１７２がフローモジュール１０６と処理モジュール１０４との間に配置されて、それらの間に、均一かつ対称なＲＦ接地リターン経路のための強固な接触を提供しうる。
内壁１６２、底部壁１６６、径方向壁１６４、及びシャーシ１５４は、外壁１６０の内部の空間を、排出チャネル１１５と大気空間１６８とに分割する。排出チャネル１１４は、処理モジュール１０４の処理領域１１２に接続している。排出チャネル１１４と大気空間１６８との間に真空密封を提供するために、密封材１５６が溝１５４ｂ、１６４ｂの中に配置されうる。密封材１５６は、弾性密封材などの、Ｏリング又は他の種類の密封材でありうる。
外壁１６０と内壁１６２とは、同心に配置された円筒形の壁でありうる。組み立てられると、外壁１６０及び内壁１６２の中心軸は、プラズマ処理チャンバ１００の中心軸１１１と重なる。径方向壁１６４の２つ以上の対が、内壁１６２と外壁１６０との間に配置されて、それらの間の空間を排出チャネル１１５と貫通孔１７０とに分割する。一実施形態では、径方向壁１６４の２つ以上の対は、排出チャネル１１４が中心軸１１１の周囲で対称になるように配置される。フローモジュール１０６は、互いから１２０度離間して配置された径方向壁１６４の３つの対を含み、中心軸に対して対称な３つの排出チャネル１１４を形成しうる。排出チャネル１１４の対称配置は、処理領域１１２からのガスの対称な除去を促進し、基板１１６全体で対称なガスの流れをもたらす。加えて、排出チャネル１１４及び径方向壁１６４を対称に位置付けることで、プラズマ処理チャンバ１００内の熱分布及び電気伝導の対称性が向上する。
排気モジュール１０８は、対称フローバルブ１８０と、対称フローバルブ１８０に取り付けられた真空ポンプ１８２とを含む。真空ポンプ１８２は、ある種の実施形態では、対称ターボ分子ポンプでありうる。対称フローバルブ１８０は、プラズマ処理チャンバ１００内に対称かつ均一な流れを提供するよう、排出チャネル１１４に接続している。
基板支持アセンブリ１１８は、基板１１６を中心軸１１１の周囲に対称に位置付けるために、中心軸１１１に沿って位置付けられる。基板支持アセンブリ１１８はシャーシ１５４によって支持される。基板支持アセンブリ１１８は、処理領域１１２内に配置されている支持プレート１７４と基部プレート１７６、及び、シャーシ１５４の中央開口部１５８を通って配置された中空シャフト１７８を含む。ベローズ１８４が、基部プレート１７６とシャーシ１５４との間を接続し、かつ、中空シャフト１７８を取り囲みうる。ベローズ１８４は、基板支持アセンブリ１１８が中心軸１１１に沿って垂直に動くことを可能にし、フローモジュール１０６内の大気空間１６８と処理モジュール１０４内の処理領域１１２との間に真空密封を提供する。
支持プレート１７４は、チャック電極１８６を有する静電チャック（ＥＳＣ）でありうる。チャック電極１８６は、単極の４ゾーンＥＳＣ、双極の４ゾーンＥＳＣ、又は高温ＥＳＣでありうる。双極ＥＳＣは、基板１１６のデチャック中にＲＦ接地のためのプラズマへの曝露を必要としないことがあると、想定される。４ゾーンＥＳＣは、処理中に、チャック電極１８６上に配置された基板の加熱プロファイルを中央からエッジへと変調させて、温度均一性の改善を提供するために、４つの同心加熱ゾーン（すなわち加熱素子１８８）を利用しうる。高温ＥＳＣは、最高で約６００oＣの温度を伴う利用に適しうる。チャック電極１８６によって生成される温度は、高次の材料選択性を維持するための、エッチングされた基板層の副生成物の昇華に適しうる。
支持プレート１７４は、処理中に基板１１６を加熱するための加熱素子１８８も含みうる。基部プレート１７６は、内部に形成された冷却チャネル１９０を含みうる。チャック電極１８６は、中空シャフト１７８、大気空間１６８、及び、１つの貫通孔１７０を通じて、バイアス電源１８７に接続されうる。加熱素子１８８は、中空シャフト１７８、大気空間１６８、及び、１つの貫通孔１７０を通じて、加熱電源１８９に接続されうる。冷却チャネル１９０は、中空シャフト１７８、大気空間１６８、及び、１つの貫通孔１７０を通じて、冷却流体源１９１に接続されうる。
一実施形態では、基板支持アセンブリ１１８を垂直に動かすために、アクチュエータアセンブリ１９２が中空シャフト１７８に連結されうる。アクチュエータアセンブリ１９２は、基板支持アセンブリ１１８が処理領域１１２の中で動き、基板１１６の処理位置を変えることを、可能にしうる。例えば、アクチュエータアセンブリ１９２は、基板支持アセンブリ１１８を、プレートスタック１０１から約０．５インチ〜約６インチの距離だけ離して位置付けうる。従来型のプラズマ処理装置と比較した場合、プレートスタック１０１と基板支持アセンブリ１１８との間の距離が減少することで、低圧状態（例としては２０ｍＴｏｒｒ未満、例えば約１ｍＴｏｒｒ）において、より多くの容量結合プラズマ（ＣＣＰ）を生成するウインドウが提供される。したがって、ＲＦ電極（すなわちプレートスタック１０１）とＲＦ接地との間の間隙が増大して、ＣＣＰの降伏電圧（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ）の低減による低圧ＣＣＰ放電が可能になりうる。ＣＣＰを生成する実施形態において、基板支持アセンブリ１１８は、所望の実行形態に応じて、電極（すなわちカソード）又は接地ガスケット１７２を介する接地としても機能しうる。アクチュエータアセンブリ１９２は、大気空間１６８内に配置されうる。リフトピンアクチュエータ１９４が、リフトピン１９６を動かすために大気空間１６８内に配置されうる。
プラズマスクリーン１９８が、プラズマを処理領域１１２の中に留めるために、処理領域１１２と排出チャネル１１４との間に配置されうる。基板支持アセンブリ１１８を処理の化学作用から保護するために、基板支持ライナ１９９が基板支持アセンブリ１１８の周囲に配置されうる。
工程において、ガス源１３２からの一又は複数の処理ガスが、プレートスタック１０１を通って処理領域１１２に進入しうる。低圧状態における利用に適した処理ガスは、Ｈ２、Ｈｅ、Ａｒ、Ｏ２、ＮＦ３、ＮＨ３、Ｎ２、Ｎ２Ｏ、Ｈ２Ｏ、ＳｉＦ４、ＳｉＨ４、ＳｉＣｌ４、及び、様々なフッ化炭素前駆体を含む。ＲＦ電力が、直流プラズマ（イオン生成）を点弧させ、処理領域１１２内に維持するために、プレートスタック１０１と基板支持アセンブリ１１８との間に印加されうる。ＲＦ電力はガス入口チューブ１２６を介してプレートスタック１０１にも印加されてよく、遠隔プラズマ（ラジカル生成）が、プレートスタック１０１の中に生成されうる。同期ＲＦパルシング又はステップＲＦパルシングが、イオンエネルギー及びラジカルの濃度を制御するために利用されうる。ゼロＤＣバイアスが、利用されてよく、粒子発生の低減を可能にしうるイオンボンバードの低減を提供しうる。多重ＲＦ周波数（すなわち、４００ｋＨｚ、２ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、２７ＭＨｚ、４０ＭＨｚ、６０ＭＨｚ）が、プラズマ密度及びイオンエネルギーを変調させるために利用されうる。カスタマイズされた波形位相角度変調が、イオンエネルギー分配を制御するために利用されうる。ＲＦ電源１２４及びＲＦマッチングネットワーク１２５は、約５Ｗに等しいほど低い電力で作動するよう構成されうると同時に、安定的なプラズマ放電を維持しうると、想定される。
基板支持アセンブリ１１８上に配置された基板１１６は、直流プラズマと遠隔プラズマの両方によって処理される。例えば、処理領域１１２内で生成される直流プラズマは、基板１１６の表面上の材料をイオンに曝露することによって、この材料を改質するために利用されうる。プレートスタック１０１内の遠隔プラズマから生成されるラジカルは、基板１１６上の未改質材料に対する高選択性を伴って、改質された材料を除去するために、遠隔プラズマから抽出されうる。したがって、エッチングされるフィーチャの、上部平坦化の改善、並びに、フッティング（ｆｏｏｔｉｎｇｓ）及びボウイング（ｂｏｗｉｎｇｓ）の低減又は消去を提供する、高選択性材料除去プロセスが実現しうる。この除去プロセスは、所望のフィーチャ形状が実現するまで、一連続プロセスにおいてイオン改質プロセスとラジカル除去プロセスとが反復される、周期プロセスでありうる。
粒子を発生させ、金属を汚染する動作を低減し、かつ、処理安定性を改善するために、インシトゥ（その場）のチャンバシーズニングプロセスも実装されうる。ＳｉＦ４、ＳｉＨ４、ＳｉＣｌ４などのシリコン源化学物質は、ＣＣＰ又は誘導結合プラズマのもとで解離された酸素と反応して、チャンバ表面上に酸化ケイ素層を形成しうる。チャンバシーズニングプロセスは、前述の周期エッチングプロセスにおける安定性の改善をもたらしうる。
プラズマを生成するために利用される一又は複数の処理ガスが、処理領域１１２又はプレートスタック１０１に連続的に供給されてよく、真空ポンプ１８２は、基板１１６の近隣に対称かつ均一なプラズマプロファイルを生成するために、対称フローバルブ１８０及びフローモジュール１０６を通じて作動しうる。処理領域１１２と排出チャネル１１４とを別々のモジュール内に画定することによって、本開示の実施形態は、単純なチャンバ構造を伴う均一で対称な処理環境を提供し、ひいては、製造コストを低減し、かつ、プラズマ損傷がなく高度の材料選択性を有するエッチングプロセスを可能にする。
図２は、一実施形態による、ソースモジュール１０２の詳細断面図を概略的に示している。ソースモジュール１０２は図１に示すプラズマ源モジュール１０２の一例であり、他の様々なプラズマ源モジュール設計が有利に実装されうると想定される。ソースモジュール１０２は、プラズマ源２１０と、後述するように、同じくプラズマを生成しうる処理領域１１２とを含む。図２の配向では、ガス及び／又はプラズマ生成物の流れの概括的な方向は下向きであり、この方向は、本書では「下流（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」と称されうる。一方、図２の配向における上向きの反対方向は、「上流（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」と称されうる。また、図２に示す装置のかなりの部分は、中心軸２０１の周囲で円筒形に対称であってよく、関連方向は、径方向２０７及び方位角方向２０３と定義されている。本書では方向についてのこの慣例が使用されうるが、本書に記載の原理の多くは円筒形に対称なシステムに限定されないことが、当業者には理解されよう。
図２に示しているように、プラズマ源２１０は、ＲＦ電極２１５を通じて、プラズマ源ガス２１２として、ガス及び／又は上流の遠隔プラズマ源によってイオン化されているガスを、導入しうる。ガスマニホールド２０２が、ＲＦ電極２１５に連結され、かつ／又は、ＲＦ電極２１５の近隣に配置されうる。処理ガスは、ガス源１３２からガスマニホールド２０２に提供されうる。ガス源３１２からの処理ガスは、フィードスルー部材２０８を通ってガスマニホールド２０２に進入しうる。一実施形態では、フィードスルー部材２０８は、ポリテトラフルオロエチレンなどのポリマー材料から形成されうる。フローセンタリングインサート２０４が、ガス入口チューブ１２６の中の、ガスマニホールド２０２の近隣に配置されうる。フローセンタリングインサート２０４は、内側に形成された開口部２０６を有するリング状の装置でありうる。開口部２０６は、インサート２０４の中央を通って形成されてよく、単一の開孔でありうるか、又は、複数の開孔でありうる。単一開孔の実施形態では、開口部２０６の直径は約０．１２５インチでありうる。フローセンタリングインサート２０４は、プラズマ源モジュール１０２のプレートスタック１０１内での処理ガスの同心フロー分配を改善しうる。
ＲＦ電極２１５は、プラズマ源２１０全体でガス流が均一に（図２の図では左から右へと均一に）なるように源ガスの流れを方向付けし直すよう作用する、第１ガスディフューザー２２０及び面板２２５に、電気的に連結されうる。本書のディフューザー又はスクリーンのいずれもが、特定の電位に関連付けられうることから、かかるディフューザー又はスクリーンは全て、電極として特徴付けられうることに留意すべきである。絶縁体２３０が、電気的接地に保持されている第２ディフューザー２３５から、面板２２５を含むＲＦ電極２１５を電気的に絶縁する。第２ディフューザー２３５は、ＲＦ電極２１５の面板２２５に対向している第２電極として作用する。
面板２２５、第２ディフューザー２３５、及び絶縁体２３０の表面が、第１プラズマ生成キャビティを画定する。プラズマ源ガス２１２が存在しており、かつ、ＲＦエネルギーがＲＦ電極２１５を通じて面板２２５に提供された時に、この第１プラズマ生成キャビティ２４５で、第１プラズマ２４５（すなわち遠隔プラズマ）が作り出されうる。ＲＦ電極２１５、面板２２５、及び第２ディフューザー２３５は、任意の導体で形成されてよく、実施形態では、アルミニウム（又は、既知の「６０６１」合金種などのアルミニウム合金）で形成されている。
第１プラズマ２４５に直接面している面板２２５及び第２ディフューザー２３５の表面は、プラズマ２４５内で生成されるエネルギープラズマ生成物よるボンバードに対する耐性のために、例えばイットリア（Ｙ２Ｏ３）又はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）のセラミック層でコーティングされうる。セラミックコーティングは、電子ビームコーティングプロセス、陽極酸化プロセス、及び／又は、無孔性陽極酸化プロセスによって、形成されうる。他の好適なコーティングは、例えば濃縮ＨＮＯ３溶液への曝露によるニッケルめっきコーティング及び表面酸化プロセスを含む。プラズマに必ずしも直接曝露されないが、反応性ガス及び／又はプラズマにより生成されたラジカルに曝露される、面板２２５及び第２ディフューザー２３５のその他の表面は、化学的耐性のために、セラミック層（例えばイットリア、アルミナ）で、若しくは、好適なパッシべート層（例えば被陽極酸化層、又は化学作用により生成されたアルミナ層）で、コーティングされうる。絶縁体２３０は、任意の絶縁体であってよく、ある種の実施形態では、セラミック材料から形成される。
プラズマ２４５内で生成されたプラズマ生成物は、第２ディフューザー２３５を通過する。第２ディフューザー２３５は、プラズマ生成物の均一分散を向上させることにも役立ち、電子温度制御を支援しうる、プラズマ生成物は、第２ディフューザー２３５を通過してから、均一性を向上させるガス分配デバイス２６０を通過する。ガス分配デバイス２６０は、更に、電気的接地に保持されている。ガス分配デバイス２６０を貫通している開孔の直径は、第２ディフューザー２３５内の開孔の直径の少なくとも３倍である。また、ガス分配デバイス２６０は、一又は複数の更なるガス１５５（２）が処理領域１１２に進入する際にそれらのガスをプラズマ生成物に導入するために使用されうる、更なるガスチャネル２５０を含む（つまり、ガス１５５（２）は、ガス分配デバイス２６０の第２ディフューザー２３５から遠い側からだけ出てくる）。ガス分配デバイス２６０は、更に、アルミニウム又はアルミニウム合金で作られてよく、上述の面板２２５及び第２ディフューザー２３５と同様に、少なくとも、化学的耐性のためにパッシべート層でコーティングされうるか、又は、セラミック層でコーティングされうる。
加熱素子２６２が、プラズマ源モジュール１０２のプレートスタック１０１内に配置されうる。加熱素子２６２は、例えば抵抗性ヒータなどの、螺旋形状のヒータでありうる。加熱素子２６２は、図示しているように、ガス分配デバイス２６０の中に形成された溝内に配置されうるか、又は、第２ディフューザー２３５の中に形成された溝内に配置されうる。代替的には、加熱素子２６２は、ガス分配デバイス２６０の中に形成された溝内に、プラズマ遮断スクリーン２７０に面して配置されうる。別の実施形態では、加熱素子２６２は、プラズマ遮断スクリーン２７０の中に形成された溝内に、ガス分配デバイス２６０に面して配置されうる。加熱素子２６２は、プレートスタック１０１全体で熱分布の対称性を改善し、かつ、第１プラズマ２５６及び／又はプラズマ生成物（すなわちラジカル）の維持を容易にするよう、構成されうる。
ガス１５５（１）、１５５（２）、及び／又は、第１プラズマ２４５からのプラズマ生成物が、プレナムキャビティ２６５に進入し、次いで、プラズマ遮断スクリーン２７０を通過して、処理領域１１２に至る。ＳＰＩシャワーヘッドとしても既知であるプラズマ遮断スクリーン２７０は、約０．０１インチ〜約１．０インチの範囲内の厚さを有してよく、上流のソースからのガス及びプラズマ生成物が通過して処理領域１１２に入ることを可能にするよう構成されている多数の小開孔が、プラズマ遮断スクリーン２７０内に形成されうる。プラズマ遮断スクリーン２７０の開孔は、概括的に、高アスペクト比の孔であり、開孔の孔直径は、約０．０１インチ〜約０．２５インチでありうる。プラズマ遮断スクリーン２７０は、詳細に後述するように、上流の構成要素から下流のプラズマ及びプラズマ生成物を実質的に遮断する。実施形態において、プラズマ遮断スクリーン２７０は、有利には、その中央領域に平方インチあたり少なくとも１０の開孔が形成されてよく、ある種の実施形態では、平方インチあたり３０以上の開孔が形成されうる。
ガス分配デバイス２６０と同様にプラズマ遮断スクリーン２７０も、電気的接地に保持されている。上述の面板２２５及び第２ディフューザー２３５と同様に、プラズマ遮断スクリーン２７０のプラズマに直接曝露される表面が、有利には、セラミック（例えばアルミナ又はイットリア）でコーティングされると共に、プラズマに直接曝露されない表面も、セラミックでコーティングされてよく、有利には、少なくとも、反応性ガス及び活性種に対する化学的耐性のためにパッシべート層でコーティングされる。一実施形態では、コーティングが損傷を受けるか、又はコーティングの作動効率が低下した場合に、コーティングの欠陥性を低減し、かつ、効率的な置換を可能にするために、シリコン材料を含有する分離可能コーティングが、プラズマ遮断スクリーン２７０上に配置されうる。
上述のように生成される全てのガス及び／又はプラズマ生成物が、処理領域１１２の中で基板１１６と相互作用し、第２プラズマ２７５（すなわち直流プラズマ）が処理領域１１２の中で生成されうる。処理領域１１２の中でプラズマが求められる場合、第２ディフューザー２３５が電気的接地に保持されていることから、第２プラズマ２７５を作り出すためのＲＦ電力は、基板支持アセンブリ１１８に印加される。基板１１６の方向性（異方性）エッチングを容易にするよう第２プラズマ２７５内で生成されるイオンを誘導するために、ＤＣバイアスも基板支持アセンブリ１１８に印加されうる。一実施形態では、バイアスの印加から恩恵を得ない他の様々な処理パラメータが用いられる場合にはバイアスが不必要でありうることから、０ＤＣバイアスも利用されうる。基板支持アセンブリ１１８は、選択された時に処理領域１１２の中でプラズマを生成し、それ以外の時には生成しないように、ＲＦ及び／又はＤＣのバイアス源にスイッチ可能に接続されうる。基板支持アセンブリ１１８は、面板２２５と第２ディフューザー２３５との間で第１プラズマ２４５を作り出すために使用されるのと同じＲＦ電源（電源１２４）に接続されうるか、又は、異なるＲＦ電源（図示せず）に接続されうる。
プラズマ遮断スクリーン２７０の使用、ＲＦ電力及び／又はＤＣバイアスを基板ホルダ１３５に提供することによりプラズマを生成するか、又はかかるプラズマを生成しないかを選ぶ能力、及び、本書に記載のその他の特徴により、プラズマ源モジュール１０２を利用する場合の応用適応性が提供される。例えば、一度目に、（チャンバ１００で実装され、チャンバ１００に接続されている）プラズマ源モジュール１０２は、処理領域１１２の中でプラズマが生成されないモードで運転されうる。この一度目に、プラズマ源モジュール１０２の上流部分によって提供されるガス及び／又はプラズマ生成物は異方性エッチングを提供してよく、基板支持アセンブリ１１８は、ＤＣ接地に保持されうる（ただし、基板１１６の静電チャックを提供するために、基板支持アセンブリ１１８の立体的（ｓｐａｔｉａｌ）部分全体にＤＣオフセットが提供されうる。）。二度目には、プラズマ源モジュール１０２は、処理領域１１２の中でプラズマが生成されるモードで運転されてよく、そのプラズマ生成物は、プラズマ遮断スクリーン２７０と基板支持アセンブリ１１８との間にＤＣバイアスによって誘導されうる。この二度目では、ＤＣバイアスによって誘導されるプラズマ生成物が、例えば、基板１１６上の広範囲の表面堆積物を除去しつつ側壁を残すため、又は、基板１１６の中の深いトレンチ内の材料を取り除くために、異方性エッチングを提供しうる。上記の説明はバイアスすることを含んでいるが、本書に記載の実施形態は、ある種の実施形態においてはＤＣバイアスを利用しないことがあることに、留意されたい。プラズマ遮断スクリーン２７０の特徴を、図３に詳細に示されている、図２のＡと記載された部分の拡大図に、より詳しく示す。
図３は、図２に記載の領域Ａを概略的に示している。図２と同じく、基板１１６は、処理領域１１２の中の基板支持アセンブリ１１８上に図示されている。ガス１５５及び／又は既に生成されているプラズマ生成物が流れて、プラズマ遮断スクリーン２０７を通り、第２プラズマ２７５が生成される処理領域１１２に入る。上記のように、プラズマ遮断スクリーン２７０は電気的接地に保持されている。ＲＦエネルギー及びオプションのＤＣバイアスが、第２プラズマ２７５にエネルギーを提供するために、基板支持アセンブリに印加される。処理領域１１２の中に反応種とイオンボンバードの両方のソースが存在することにより、処理領域１１２の内表面には、かかるソースによる腐食に抗することが可能な材料（概括的にはセラミックであるが、それに限定されない）が提供される。材料は、更に、ＤＣとＡＣの両方の点で電界分布をうまく処理して、第２プラズマ２７５へのＲＦ電力の供給を最大化するよう、選ばれうる。
例えば、基板支持アセンブリ１１８はアルミナ又は窒化アルミニウムでコーティングされてよく、プラズマ遮断スクリーン２７０は、アルミナ又はイットリアでコーティングされうる。オプションのセラミックスペーサ３５０及び／又はオプションのセラミックポンプライナ３７０が、基板支持アセンブリ１１８のエッジにおける横電界を低減するために使用されうる。セラミックスペーサ３５０及びセラミックポンプライナ３７０は、処理領域１１２の外周の周囲に延在するが、処理領域１１２の中央領域にはアクセスしないように、リング形状であり、かつ、有利には、高純度のアルミナ、窒化ケイ素、及び／又は炭化ケイ素などの低損失正接材料から製造される。０．１〜０．０００１の範囲内の損失正接を有する材料が有用な結果を提供すると同時に、０．００５〜０．００１の範囲内の損失正接を有する材料は、妥当なコストで一連の優れた性能を示す。
図示しているように、プラズマ遮断スクリーン２７０とセラミックスペーサ３５０は両方とも部分的に、接地されたリフトプレート３９０の一部分の上に配置され、それによる機械的支持を得うる。リフトプレート３９０は、プラズマ遮断スクリーン２７０、セラミックスペーサ３５０、及び、上方の他の構造物の全てが、組み立て及び／又は保守のために、基板支持アセンブリ１１８の付近から上昇することを可能にするように、かかる構造物に機械的に接続されうる。プラズマ遮断スクリーン２７０は、リフトプレート３９０との接触を通じて、電気的に接地される。処理領域１１２の外周の周囲での、プラズマ遮断スクリーン２７０とリフトプレート３９０との方位角方向の継続的な接触をセラミックスペーサ３５０が妨害しないことを確実にするために、セラミックスペーサ３５０の厚さは、プラズマ遮断スクリーン２７０とセラミックスペーサ３５０との間に間隙３６０を保つよう、制御される。
低損失正接誘電体材料でセラミックスペーサ３５０及びセラミックポンプライナ３７０を形成することは、（例えば、かかるアイテムをセラミックコーティングを有するアルミニウムから製造することと比べて）比較的高価であるが、第２プラズマ２７４が処理領域１１２の中で生成される時の、基板支持アセンブリ１１８のエッジにおける電界効果を低減し、かつ、反射ＲＦ電力を低減する。セラミックスペーサ３５０及びセラミックポンプライナ３７０を置き替えることで、更に、同じ場所で使用される同等のアルミニウム部品と比較して、イオンボンバード関連の汚染が低減される。ゆえに、セラミックスペーサ３５０及びセラミックポンプライナ３７０の使用は、プラズマ及びプロセスの安定性を向上させ、かつ、汚染を低減する。
基板支持アセンブリ１１８／基板１１６とプラズマ遮断スクリーン２７０との間の電界が異方性エッチングに関与するイオンを誘導することから、その電界が強く、かつ方向が均一であることは有利である。つまり、垂直トレンチの底部の材料を取り除くために、電界が誘導するイオンは、対応して垂直になるよう構成される。基板支持アセンブリ１１８と接地されたリフトプレート３９０との間に、セラミックスペーサ３５０及びセラミックポンプライナ３７０を通る、より弱い電界が存在する。これらの電界は、セラミックスペーサ３５０及びセラミックポンプライナ３７０の誘電体材料が基板支持アセンブリ１１８とリフトプレート３９０との間に入ることによって、弱められる。基板支持アセンブリ１１８のエッジにおける横電界を弱めることには、（１）電界の方向性、ひいてはエッチングの方向性が、基板１１６のエッジまで維持されること、及び、（２）弱い電界によって生成されるスパッタリング損傷は、高い電界によるものよりも少なくなること、という２つの利点がある。
図４は、本書に記載の実施形態による処理チャンバ１００を概略的に示している。チャンバ１００は、プラズマ源モジュール１０２と、チャンバモジュール１１０とを含む。プラズマ源モジュール１０２は、図２に関して説明しているように、ラジカルプラズマ源でありうる。一実施形態では、第１プラズマ２４５は、チャンバ１００のプラズマ源モジュール１０２内で生成されうる。チャンバ１００は、図１に関して説明しているように、他の構成要素の中でも特に、直流プラズマ源でありうるチャンバモジュール１１０も含む。一実施形態では、第２プラズマ２７５は、チャンバモジュール１１０の処理モジュール１０４内で生成されうる。プラズマ源モジュール１０２内で生成された第１プラズマ２４５によるラジカルは、チャンバモジュール１１０に運ばれ、チャンバモジュール１１０内で生成される第２プラズマ２７５により生成されたイオンと組み合わされて利用されうると、想定される。図示しているように、基板１１６は、チャンバモジュール１１０内に位置付けられてよく、第１プラズマラジカルと第２プラズマイオンの一方又は両方を利用する周期エッチングプロセスが実施されうる。
本書に記載の装置によって可能になる方法は、周期エッチングプロセスを含む。一実施形態では、イオンを含む直流プラズマ（すなわち第２プラズマ２７５）が、第１工程において、基板上の一又は複数の材料層を改質するために利用されうる。第２工程では、改質された材料層が、遠隔プラズマ（すなわち第１プラズマ２４５）により生成されたラジカルによって除去されうる。第１及び第２の工程は、所望のエッチング形状が実現するまで、一回又は複数回反復されうる。
以上の説明は本開示の実施形態を対象としているが、本開示の基本的な範囲を逸脱することなく本開示の他の実施形態及び更なる実施形態が考案されてよく、本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲によって定められる。

Claims (15)

  1. 処理領域を画定し、かつ、内部で直流プラズマを生成するよう構成された、チャンバ本体と、
    静電チャックを備え、前記処理領域の中に配置された、基板支持アセンブリと、
    プレートスタックを備え、前記チャンバ本体に連結されたソースモジュールであって、前記プレートスタックが、前記処理領域を更に画定し、かつ、内部で遠隔プラズマを生成するよう構成されている、ソースモジュールと、
    前記チャンバ本体に連結されたフローモジュールと、
    対称フローバルブ及び対称ターボ分子ポンプを備え、前記フローモジュールに連結された、排気モジュールとを備える、処理チャンバ装置であって、前記チャンバ本体、前記ソースモジュール、前記フローモジュール、及び前記排気モジュールが、基板を対称に処理するよう構成される、装置。
  2. 前記ソースモジュールが、
    ＲＦ電源と、
    ＲＦ電極と、
    ガス源と、
    ガスマニホールドと、
    ガス入口チューブとを更に備える、請求項１に記載の装置。
  3. フローセンタリングインサートが、前記ガス入口チューブの中の、前記ガスマニホールドの近隣に配置される、請求項２に記載の装置。
  4. 前記プレートスタックが、
    第１ディフューザーと、
    面板と、
    セラミックリングと、
    第２ディフューザーと、
    ガス分配デバイスと、
    プラズマ遮断スクリーンとを備える、請求項１に記載の装置。
  5. 遠隔プラズマが、前記面板と前記第２ディフューザーとの間で生成される、請求項４に記載の装置。
  6. 前記プラズマ遮断スクリーンが、直流プラズマ生成物が前記プレートスタックへと流れることを防止するよう構成される、請求項４に記載の装置。
  7. 前記第１ディフューザー、前記面板、前記セラミックリング、前記第２ディフューザー、前記ガス分配デバイス、及び前記プラズマ遮断スクリーンの各々が、イットリア又はアルミナを含有するセラミックコーティングでコーティングされる、請求項４に記載の装置。
  8. 処理領域を画定するチャンバ本体と、
    静電チャックを備え、前記処理領域の中に配置された、基板支持アセンブリと、
    プレートスタックを備え、前記チャンバ本体に連結された、ソースモジュールとを備える、処理チャンバ装置であって、前記プレートスタックが、
    第１ディフューザー、
    面板、
    セラミックリング、
    第２ディフューザー、
    ガス分配デバイス、及び、
    プラズマ遮断スクリーンを備え、更に、
    前記チャンバ本体に連結されたフローモジュールと、
    前記フローモジュールに連結された排気モジュールとを備える、装置。
  9. 前記ソースモジュールが、ＲＦ源及びガス源を更に備える、請求項８に記載の装置。
  10. 前記ＲＦ源が、前記プレートスタックの中で第１プラズマを生成するよう構成される、請求項９に記載の装置。
  11. 前記ＲＦ源が、前記処理領域内で第２プラズマを生成するよう構成される、請求項１０に記載の装置。
  12. 前記ガス源が、前記プレートスタック又は前記処理領域のいずれかに一又は複数の処理ガスを供給するよう構成される、請求項９に記載の装置。
  13. 前記処理ガスは、Ｈ２、Ｈｅ、Ａｒ、Ｏ２、ＮＦ３、ＮＨ３、Ｎ２、Ｎ２Ｏ、Ｈ２Ｏ、ＳｉＦ４、ＳｉＨ４、ＳｉＣｌ４、フッ化炭素前駆体、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１２に記載の装置。
  14. 前記排気モジュールが対称フローバルブ及びターボ分子ポンプを備える、請求項８に記載の装置。
  15. 基板を処理する方法であって、
    処理チャンバの処理領域内で直流プラズマを生成することと、
    基板の層を改質するために、前記処理領域内の基板支持アセンブリ上に配置された前記基板を前記直流プラズマにより生成されたイオンに曝露することと、
    前記処理チャンバに連結されたソースモジュール内で遠隔プラズマを生成することと、
    前記基板から改質された前記層を除去するために、前記基板の前記改質された層を前記遠隔プラズマにより生成されたラジカルに曝露することと、
    前記基板をイオンに曝露すること、及び、前記基板をラジカルに曝露することを、反復することとを含む、方法。
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