JP2023022086A - イオンエネルギー分布関数（ｉｅｄｆ）の生成 - Google Patents

イオンエネルギー分布関数（ｉｅｄｆ）の生成 Download PDF

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Abstract

【課題】整形パルスバイアスを用いて任意形状のイオンエネルギー分布関数を生成するためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】一実施形態では、方法は、ポジティブジャンプ電圧を処理チャンバの電極に印加してウエハ表面を中和することと、ネガティブジャンプ電圧を電極に印加してウエハ電圧を設定することと、ウエハ電圧の振幅を変調して所定数のパルスを生成しイオンエネルギー分布関数を決定することとを含む。別の実施形態では、方法は、ポジティブジャンプ電圧を処理チャンバの電極に印加してウエハ表面を中和することと、ネガティブジャンプ電圧を電極に印加してウエハ電圧を設定することと、ウエハ上のイオン電流を過補償するランプ電圧を電極に印加すること、又はウエハ上のイオン電流を不足補償するランプ電圧を電極に印加することとを含む。【選択図】図７

Description

本開示の実施形態は、一般に、基板を処理するためのシステム及び方法に関し、特に、基板をプラズマ処理するためのシステム及び方法に関する。
背景
典型的な反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プラズマ処理チャンバは、高周波（ＲＦ）電圧を「パワー電極」に供給するＲＦバイアス発生器と、より一般的には「カソード」と呼ばれる「静電チャック」（ＥＳＣ）に埋め込まれた金属ベースプレートとを含む。図１（ａ）は、典型的な処理チャンバ内のパワー電極に供給される典型的なＲＦ電圧のプロットを示す。パワー電極は、ＥＳＣアセンブリの一部であるセラミック層を介して処理システムのプラズマと容量結合される。プラズマシースの非線形でダイオードの様な性質により、印加されたＲＦ電場の整流が行われ、カソードとプラズマとの間に直流（ＤＣ）電圧降下、すなわち「自己バイアス」が現れる。この電圧降下により、カソードに向かって加速されるプラズマイオンの平均エネルギー、従ってエッチング異方性が決定される。
より具体的には、イオンの指向性、フィーチャプロファイル、及びマスクと停止層の選択性はイオンエネルギー分布関数（ＩＥＤＦ）によって制御される。ＲＦバイアスを有するプラズマでは、ＩＥＤＦは、通常、低エネルギーと高エネルギーにおいて２つのピークを有し、中間にイオン群を有する。ＩＥＤＦの２つのピークの中間にイオン群が存在することは、カソードとプラズマの間の電圧降下がバイアス周波数で振動するという事実を反映している。より低い周波数、例えば２ＭＨｚのＲＦバイアス発生器を使用してより高い自己バイアス電圧を得る場合、これら２つのピーク間のエネルギー差はかなり大きくなる可能性があり、低エネルギーピークにあるイオンによるエッチングはより等方的であり、フィーチャ壁の湾曲につながる可能性がある。高エネルギーイオンと比較して、低エネルギーイオンは（例えば、帯電効果により）フィーチャ底部の角に到達するという点で効果は少ないが、マスク材料のスパッタリングは少なくなる。これは、高アスペクト比エッチング用途（例えば、ハードマスク開口部等）において重要である。
フィーチャサイズが縮小し続けてアスペクト比が増大するにつれて、フィーチャプロファイル制御要件がより厳しくなる一方で、処理中に基板表面において適切に制御されたＩＥＤＦを有することがより望ましくなる。単一ピークＩＥＤＦを使用して、独立して制御されたピーク高さとピークエネルギーを有する２ピークＩＥＤＦを含め任意のＩＥＤＦを構成することができ、このことは高精度プラズマ処理にとって非常に有益である。単一ピークＩＥＤＦを生成するには、プラズマに対して基板表面の電圧がほぼ一定であること、すなわちイオンエネルギーを決定するシース電圧を有することが必要である。プラズマ電位（処理プラズマにおいては、通常、ゼロか接地電位に近い）が時間的に一定であると仮定すると、接地に対する基板における電圧、すなわち基板電圧をほぼ一定に維持することが必要である。イオン電流は基板表面を常に帯電させているので、単にＤＣ電圧をパワー電極に印加することによってこれを達成することはできない。結果として、印加された全ＤＣ電圧は、プラズマシース（すなわち、シース容量）ではなく、基板とＥＳＣのセラミック部分（すなわち、チャック容量）の両端で降下することになる。これを打開するために、印加電圧がチャック容量とシース容量との間で分担されるようになる特別整形パルスバイアス方式が開発された（通常、基板容量はシース容量よりはるかに大きいので、本発明者らは基板での電圧降下を無視している）。この方式ではイオン電流に対する補償が行われており、これにより各バイアス電圧サイクルの最大９０％までの間、シース電圧及び基板電圧を一定に保つことが可能になる。より正確には、このバイアス方式により特定の基板電圧波形の維持が可能になり、この波形は負の直流オフセットの上に一連の周期的な短い正のパルスとして説明することができる（図１（ｂ））。各パルスの間、基板電位はプラズマ電位に達してシースは短時間で崩壊するが、各サイクルの～９０％の間、シース電圧は一定かつ各パルスの終端におけるネガティブ電圧ジャンプに等しいままなので、平均イオンエネルギーが決定される。図１（ａ）は、この特定の基板電圧波形を生成し、それによってシース電圧をほぼ一定に保つことを可能にするために開発された特別整形パルスバイアス電圧波形のプロットを示す。図２に示されるように、整形パルスバイアス波形は、（１）補償フェーズの間にチャック容量に蓄積された余分な電荷を除去するためのポジティブジャンプ、（２）シース電圧（ＶＳＨ）値を設定するためのネガティブジャンプ（ＶＯＵＴ）－すなわち、ＶＯＵＴは直列に接続されたチャック容量とシース容量の間で分担されるので、基板電圧波形におけるネガティブジャンプが決定される（但し、ＶＯＵＴは、一般的に、基板電圧波形におけるネガティブジャンプよりも大きい）、（３）イオン電流を補償し、この長い「イオン電流補償フェーズ」の間、シース電圧を一定に保つためのネガティブ電圧ランプ、を含む。本発明者らは、図１（ｂ）に示す特定の基板電圧波形（ほぼ一定のシース電圧によって特徴付けられる）を維持することもできる、従って単一エネルギーＩＥＤＦを生成することができる他の整形パルスバイアス波形が存在し得ることを強調しておく。例えば、静電チャック容量がシース容量よりもはるかに大きい場合、上記の（３）で説明したネガティブ電圧ランプフェーズを定電圧フェーズで置き換えることができる。これら他の整形パルスバイアス波形を用いても以下で提案するシステム及び方法のいくつかを実施することができ、該当する場合には、本発明者らはそのことについて特筆することになるだろう。
単一ピークＩＥＤＦは、選択性及びフィーチャプロファイルの改善をもたらす、非常に望ましいＩＥＤＦ形状であると広く考えられているが、幾つかのエッチング用途では、異なる形状（より幅の広い形状のＩＥＤＦ等）を有するＩＥＤＦが必要とされる。
概要
本明細書で、整形パルスバイアスを用いて任意形状のイオンエネルギー分布関数を生成するためのシステム及び方法が提供される。
幾つかの実施形態では、方法は、所定のやり方で、整形パルスバイアスを処理チャンバの電極に印加すること、及びネガティブ電圧ジャンプの振幅（ＶＯＵＴ）、従ってシース電圧（ＶＳＨ）を変調することを含み、特定の振幅における相対パルス数がこの振幅に対応するイオンエネルギーにおける相対イオン分率を決定する。本発明者らは、図１（ｂ）に示す（ほぼ一定のシース電圧によって特徴付けられる）特定の基板電圧波形を維持することができる、従って単一エネルギーＩＥＤＦを生成することができる、任意の整形パルスバイアス波形（必ずしも図１（ａ）に示される波形ではない）を用いて本方式を実施できることを強調しておく。
幾つかの別の実施形態では、方法は、図１（ａ）に示す電圧波形の整形パルスバイアスを印加すること、及び基板電圧を一定に維持するために必要とされるよりも大きい負の勾配（ｄＶ／ｄｔ）を有する、すなわちイオン電流を過補償する、イオン補償フェーズ中に電圧ランプを生成することを含む。幾つかの別の実施形態では、方法は、図１（ａ）に示す電圧波形の整形パルスバイアスを印加すること、及び基板電圧を一定に維持するために必要とされるよりも小さい負の勾配（ｄＶ／ｄｔ）を有する、すなわちイオン電流を不足補償する、イオン補償フェーズ中に電圧ランプを生成することを含む。
本開示の他の及び更なる実施形態を以下に説明する。
上記で簡潔に要約し、以下でより詳細に説明する本開示の実施形態は、添付図面に示された本開示の例示的な実施形態を参照することによって理解することができる。しかしながら、添付図面は本開示の典型的な実施形態を示しているに過ぎず、従って範囲を制限していると解釈されるべきではなく、本開示は他の等しく有効な実施形態を含み得る。
シース電圧を一定に保つことを可能にするために開発された特別整形パルスのプロットを示す。 各バイアス電圧サイクルの最大９０％までの間、シース電圧及び基板電圧を一定に保つことが可能になる、図１（ａ）のバイアス方式から生ずる特定の基板電圧波形のプロットを示す。 図１（ａ）のバイアス方式から生ずる単一ピークＩＥＤＦのプロットを示す。 本原理による実施形態を適用することができる基板処理システムを示す。 本原理の一実施形態による、基板電圧の値を設定する電圧パルスのプロットを示す。 本原理の一実施形態による、図３の選択された電圧パルスに対して、結果として生じるＩＥＤＦの図形を示す。 本原理の一実施形態による、イオン電流を過補償及び不足補償するように修正された、図１の特別整形パルスのプロットを示す。 図５の特別整形パルスから生じるウエハ上での誘導電圧パルスのプロットを示す。 本原理の一実施形態による、図６の電圧パルスに対して、結果として生じるＩＥＤＦの図形を示す。 本原理の一実施形態による、任意形状のイオンエネルギー分布関数を生成する方法の流れ図を示す。 本原理の別の実施形態による、任意形状のイオンエネルギー分布関数を生成する方法の流れ図を示す。 本原理の別の実施形態による、任意形状のイオンエネルギー分布関数を生成する方法の流れ図を示す。
理解を促進するために、図面に共通する同一の要素を示す際には、可能な限り同一の参照番号を使用している。図面は、比例して描かれているわけではなく、明確にするために簡素化されている場合もある。一実施形態の要素及び構成は、更なる説明なしに他の実施形態に有益に組み込むことができる。
詳細な説明
整形パルスバイアスを用いて任意形状のイオンエネルギー分布関数を生成するためのシステム及び方法が本明細書で提供される。本発明のシステム及び方法により、整形パルスバイアス波形の振幅変調による任意形状のイオンエネルギー分布関数（ＩＥＤＦ）の生成が有利に促進される。本発明の方法の実施形態は、電圧波形の整形を有利に行い、任意のＩＥＤＦ形状、例えばより幅広いプロファイルを有するＩＥＤＦを提供することができる。本明細書での説明において、ウエハ及び基板という用語は交換可能に使用される。
図２は、本原理による実施形態を適用することができる基板処理システム２００の高レベルの概略図を示す。図２の基板処理システム２００は、例示的に、基板支持アセンブリ２０５、及びバイアス電源２３０を含む。図２の実施形態では、基板支持アセンブリ２０５は、基板支持台座２１０、パワー電極２１３、及びパワー電極２１３を基板支持アセンブリ２０５の表面２０７から分離するセラミック層２１４を含む。様々な実施形態では、図２のシステム２００は、プラズマ処理チャンバ（例えば、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｉｎｃ．から入手可能なＳＹＭ３（登録商標）、ＤＰＳ（登録商標）、ＥＮＡＢＬＥＲ（登録商標）、ＡＤＶＡＮＴＥＤＧＥ（商標）及びＡＶＡＴＡＲ（商標）処理チャンバ、又はその他の処理チャンバ）のコンポーネントを含むことができる。
幾つかの実施形態では、バイアス電源２３０は、制御プログラムを記憶するためのメモリと、制御プログラムを実行するためのプロセッサを含み、当該制御プログラムは、バイアス電源２３０によってパワー電極２１３に供給される電圧を制御し、ウエハ電圧の振幅を少なくとも変調して所定数のパルスを生成し、代替的に、又は追加して、ネガティブジャンプ電圧を電極に印加してウエハ用のウエハ電圧を設定し、又は本明細書に記載の本原理の実施形態により、ウエハ上のイオン電流を過補償又は不足補償するランプ電圧を電極に印加する。代替の実施形態では、図２の基板処理システム２００は、制御プログラムを記憶するためのメモリと、バイアス電源２３０と通信するために制御プログラムを実行するためのプロセッサとを含む任意のコントローラ２２０を備え、当該制御プログラムは、バイアス電源２３０によってパワー電極２１３に供給される電圧を少なくとも制御するために、ウエハ電圧の振幅を少なくとも変調して所定数のパルスを生成し、代替的に、又は追加して、ネガティブジャンプ電圧を電極に印加してウエハ用のウエハ電圧を設定し、又は本明細書に記載の本原理の実施形態によりウエハ上のイオン電流を過補償又は不足補償するランプ電圧を電極に印加する。
オペレーション中、処理されるべき基板は、基板支持台座２１０の表面上に配置される。図２のシステム２００では、バイアス電源２３０からの電圧（整形パルスバイアス）がパワー電極２１３に供給される。プラズマシースの非線形でダイオードの様な性質により、印加されたＲＦ電場が整流され、カソードとプラズマとの間に直流（ＤＣ）電圧降下、すなわち「自己バイアス」が現れる。この電圧降下は、カソードに向かって加速されるプラズマイオンの平均エネルギーを決定する。イオンの指向性とフィーチャプロファイルは、イオンエネルギー分布関数（ＩＥＤＦ）によって制御される。本明細書に記載の本原理の実施形態により、バイアス電源２３０は特別整形パルスバイアスをパワー電極２１３に供給することができる。このバイアス方式により、負のＤＣオフセットの上に周期的な一連の短い正のパルスとして記述できる特定の基板電圧波形を維持することができる（図１（ｂ））。各パルスの間、基板電位はプラズマ電位に達してシースは短時間で崩壊するが、各サイクルの～９０％の間、シース電圧は一定かつ各パルスの終端におけるネガティブ電圧ジャンプに等しいままなので、平均イオンエネルギーが決定される。
図１（ａ）に戻って参照すると、整形パルスバイアス信号の振幅、従ってウエハ電圧はＶｏｕｔで表される。本発明者らは、本原理による少なくとも幾つかの実施形態では、ＩＥＤＦの形状を整形パルスバイアス信号の振幅と周波数を変調することによって制御できると判断した。この方法は、所定のやり方で、整形パルスバイアスを処理チャンバの電極に印加すること、及びネガティブ電圧ジャンプの振幅（ＶＯＵＴ）、従ってシース電圧（ＶＳＨ）を変調することを含み、特定の振幅における相対パルス数がこの振幅に対応するイオンエネルギーにおける相対イオン分率を決定する。各振幅におけるパルス数は、１つのシース電圧から次のシース電圧への移行を構成するのに十分でなければならず、その間にそれぞれのＥＳＣ電荷が確立される。その後、所与の振幅を有するパルス列を含むバースト（図３）は、処理ステップ期間に亘って何度も繰り返される。アクティブバースト（オンフェーズ）は、無音期間（オフフェーズ）と交互に配置することができる。バーストの全持続時間（オンフェーズとオフフェーズの組合せ）に対する各オンフェーズの持続時間はデューティサイクルによって決まり、バーストの全持続時間（周期）はバースト周波数の逆数に等しい。代替的に、各バーストは所与の（かつ同一の）振幅を有する一連のパルスから構成されてもよく、次いで、異なる振幅を有するバースト列を使用してＩＥＤＦが定義される。所与の振幅を有する（列内の）バーストの相対数が、特定のエネルギーにおけるイオンの相対量を決定し、これらのバースト内のパルスのネガティブジャンプ振幅（ＶＯＵＴ）がイオンエネルギーを決定する。その後、レシピステップの間、定義済みのバースト列が何度も繰り返される。例えば、低エネルギーピークに２５％のイオンが含まれ、高エネルギーピークに７５％のイオンが含まれる２ピークＩＥＤＦを生成するには、バースト列を、高イオンエネルギーに対応するネガティブジャンプ振幅のパルスが３バースト、低イオンエネルギーに対応する振幅のパルスが１バーストで構成する必要がある。このような列は、「ＨＨＨＬ」と表わすことができる。次に、同じ高さの３つのエネルギーピーク（高（Ｈ）、中（Ｍ）、低（Ｌ））を持つＩＥＤＦを生成するには、Ｈ、Ｍ、Ｌのイオンエネルギーに対応する異なる振幅の３バーストの列が必要であり、「ＨＭＬ」と表わすことができる。単一ピークＩＥＤＦは、定義済みのネガティブジャンプ振幅を持つパルスの単一バースト（オンフェーズとオフフェーズの両方を含む）で構成される列によって生成される。本発明者らは、図１（ｂ）に示す（ほぼ一定のシース電圧によって特徴付けられる）特定の基板電圧波形を維持することができる、従って単一エネルギーＩＥＤＦを生成することができる、任意の整形パルスバイアス波形（必ずしも図１（ａ）に示される波形ではない）を用いて本方式を実施できることを強調しておく。
例えば、図３は、本原理の一実施形態により、基板電圧の値を設定するために、電源が処理チャンバの電極に供給すべき電圧パルスのプロットを示す。図３の実施形態では、ウエハ電圧のフルジャンプがイオンエネルギーを決定し、電圧ジャンプに対応するパルス数（例えば、全持続時間）がこのエネルギーでの相対イオン分率（すなわちＩＥＤＦ）を決定する。
図４は、本原理の一実施形態による、図３の選択された電圧パルスに対して、結果として生じるＩＥＤＦの図形を示す。図４に示すように、図３の多数の電圧パルスにより、より幅広いＩＥＤＦがもたらされ、これはより幅広いイオンエネルギー分布を必要とするハードマスク開口部の高アスペクト比エッチングのような用途において有効であり得る。
本原理に従って、電源が処理チャンバの電極に供給する電圧パルスの振幅と周波数の制御により、特定のエッチング処理及び用途に必要とされる適切に制御され明確に定義されたＩＥＤＦ形状を得ることができる。
本原理による別の実施形態では、方法は、図１（ａ）に示す電圧波形の整形パルスバイアスを印加すること、及び基板電圧を一定に維持するために必要とされるよりも大きい負の勾配（ｄＶ／ｄｔ）を有する、すなわちイオン電流を過補償する、イオン補償フェーズ中に電圧ランプを生成することを含む。これにより、結果的に図６に示す基板電圧波形が生じ、イオン電流補償フェーズ中に基板電圧の大きさ（従って、シース電圧及び瞬間的なイオンエネルギー）が増加する。これにより、ＩＥＤＦ幅は印加された整形パルスバイアス波形の負の勾配によって制御されて、図７に示すイオンエネルギー幅の広がりと非単一エネルギーＩＥＤＦが生成される。例えば、図５は、本原理の一実施形態による、ウエハを帯電させるイオン電流を過補償するように修正された図１（ａ）の特別整形パルスのプロットを示す。図５に示すように、ウエハを帯電させるイオン電流の補償を目的とした図１（ａ）の電圧ランプは、本原理の図５の特別整形パルスの中で、ウエハを帯電させるイオン電流を過補償するように修正される。図５に示すように、ウエハ表面の中和を目的とした図１のポジティブジャンプは、本原理の図５の特別整形パルスの中で、もはやウエハ表面を中和しない。
図６は、図５の特別整形パルスから生じるウエハ上での誘導電圧パルスのプロットを示す。図６に示されるように、電圧ジャンプはイオンエネルギーを決定し、エネルギー幅はサイクル中の最小及び最大のウエハ電圧ジャンプによって決定される。
図７は、本原理の一実施形態により、図６の電圧パルスに対して、結果として生じるＩＥＤＦの図形を示す。図７に示すように、図５の過補償特別整形パルスの印加から得られるＩＥＤＦはより幅広い二重ピークのプロファイルを含むが、ＩＥＤＦ幅を決定するＶｍｉｎ及びＶｍａｘは当該プロファイルにおけるエネルギーピークと必ずしも一致しない。本原理による過補償により、２つのＲＦ周波数（例えば、２ＭＨｚと１３．５６ＭＨｚ）を混合することによって達成できる精度よりも高い精度の制御が可能になる。
本原理による別の実施形態では、方法は、図１（ａ）に示す電圧波形の整形パルスバイアスを印加すること、及び基板電圧を一定に維持するために必要とされるよりも小さい負の勾配（ｄＶ／ｄｔ）を有する、すなわちイオン電流を不足補償する、イオン補償フェーズ中に電圧ランプを生成することを含む。これにより、結果的に図６に示す基板電圧波形が生じ、イオン電流補償フェーズ中に基板電圧の大きさ（従って、シース電圧及び瞬間的なイオンエネルギー）が減少する。これにより、ＩＥＤＦ幅は印加された整形パルスバイアス波形の負の勾配によって制御されて、図７に示すイオンエネルギー幅の広がりと非単一エネルギーＩＥＤＦが生成される。例えば、図５に戻って参照すると、図５は、本原理の一実施形態による、ウエハを帯電させるイオン電流を不足補償するように修正された図１の特別整形パルスのプロットを示す。図５に示すように、ウエハを帯電させるイオン電流の補償を目的とした図１の電圧ランプは、本原理の図５の特別整形パルスの中で、ウエハを帯電させるイオン電流を不足補償するように修正される。図５に示すように、ウエハ表面の中和を目的とした図１のポジティブジャンプは、本原理の図５の特別整形パルスの中で、ウエハ表面をもはや中和しない。
図７に戻って参照すると、本原理の一実施形態の不足補償に対して、結果として生じるＩＥＤＦの図形が示されている。図７に示すように、図５の不足補償特別整形パルスの印加から生じるＩＥＤＦは、より幅広い単一ピークのプロファイルを含む。
図８は、本原理の一実施形態による、任意形状のイオンエネルギー分布関数を生成する方法の流れ図を示す。方法８００は８０２から開始することができ、８０２の間、ネガティブジャンプ電圧が電極に印加されてウエハ電圧が設定される。次に、方法８００は８０４に進むことができる。
８０４で、ウエハ電圧の振幅は所定数のパルスを生成するように変調され、イオンエネルギー分布関数が決定される。
次に、方法８００は終了することができる。
図９は、本原理の別の実施形態による、任意形状のイオンエネルギー分布関数を生成する方法の流れ図を示す。方法９００は、９０２から開始することができ、９０２の間、ポジティブジャンプ電圧が処理チャンバの電極に印加されてウエハ表面が中和される。次に、方法９００は９０４に進むことができる。
９０４で、ネガティブジャンプ電圧が電極に印加されてウエハ電圧が設定される。次に、方法９００は９０６に進むことができる。
９０６で、ウエハ上のイオン電流を過補償するランプ電圧が電極に印加される。次に、方法９００は終了することができる。
図１０は、本原理の別の実施形態による、任意形状のイオンエネルギー分布関数を生成する方法の流れ図を示す。方法１０００は、１００２から開始することができ、１００２の間、ポジティブジャンプ電圧が処理チャンバの電極に印加されてウエハ表面が中和される。次に、方法１０００は１００４に進むことができる。
１００４で、ネガティブジャンプ電圧が電極に印加されてウエハ電圧が設定される。
次に、方法１０００は１００６に進むことができる。
１００６で、ウエハ上のイオン電流を不足補償するランプ電圧が電極に印加される。
次に、方法１０００は終了することができる。
上記は本開示の実施形態を対象としているが、本開示の他の及び更なる実施形態は本開示の基本的な範囲を逸脱することなく創作することができる。

Claims (1)

  1. ネガティブジャンプ電圧を処理チャンバの電極に印加してウエハ用のウエハ電圧を設定するステップと、
    前記ウエハ電圧の振幅を変調して所定数のパルスを生成するステップであって、特定の振幅における相対パルス数が前記特定の振幅に対応するイオンエネルギーにおける相対イオン分率を決定するステップとを含む、方法。
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