JP2023100944A - プラズマ処理中に基板における電圧波形を制御するためのシステム及び方法 - Google Patents

プラズマ処理中に基板における電圧波形を制御するためのシステム及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】プラズマ処理中に基板における電圧波形を制御するためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】整形パルスバイアス波形を基板支持アセンブリ３０５に印加することを含み、プラズマ処理中に基板における電圧波形を制御するためのシステム３００であって、基板支持アセンブリは、静電チャック３１１と、チャッキングポール３１２と、基板支持面３０７と、誘電体層３１４によって基板支持面から分離されたパワー電極３１３と、を含む。方法は、基板支持面上に配置された基板における電圧を表す電圧を捕捉することと、捕捉信号に基づいて整形パルスバイアス波形を反復的に調整することと、を含む。プラズマ処理システムでは、電極と基板支持面を分離する誘電体層の厚さ及び組成は、電極と基板支持面との間の容量が基板支持面とプラズマ面との間の容量より少なくとも１桁大きいように選択することができる。【選択図】図３

Description

分野
本開示の実施形態は、一般に、基板のプラズマ処理のためのシステム及び方法に関し、特に、基板のプラズマ処理中に基板における電圧波形を制御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、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を含む。図１Ａ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、したがってエッチング異方性が決定される。
より具体的には、イオンの方向性、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。図１Ｂは、イオンエネルギー分布対イオンエネルギーとして描かれた典型的なＩＥＤＦのプロットを示す。図１Ｂに示す通り、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(図１Ａ)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、帯電効果のために）フィーチャ底部の角に到達するという点で効果が少ないが、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など）において重要である。
フィーチャサイズが縮小し続け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、基板表面においてプラズマに対してほぼ一定な電圧、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（通常は、処理プラズマにおいてゼロか接地電位に近い）が時間的に一定であることを仮定すると、接地に対してほぼ一定な基板における電圧、すなわち基板電圧を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、単にパワー電極にＤＣ電圧を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）に亘って降下することになる。これを打開するために、結果として印加電圧がチャック容量とシースの容量との間で分担され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）。この方式はイオン電流に対する補償を行い、これにより各バイアス電圧サイクルの最大９０％までの間、シース電圧と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、この波形はネガティブ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。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わりでネガティブ電圧ジャンプに等しいままであるので、平均イオンエネルギーが決定される。図２Ａ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２Ａ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２０５、（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２１０（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（が、一般的にはそれよりも大きい）。（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負電圧ランプ２１５、を含む。図２Ａの特別整形パルスバイアス電圧波形が処理チャンバにバイアスとして印加されると、上記の通り、また図２Ｂに示される通り、単一ピークＩＥＤＦが得られる。
しかしながら、特別整形パルスバイアス方式は、その有用性を制限し、市販のエッチングチャンバでの使用を複雑化させるいくつかの欠点を有する。具体的には、イオン電流補償が機能するためには、整形パルスバイアス供給部は、ＥＳＣ容量（ＣＣＫ）と浮遊容量（ＣＳＴＲ）の値に関する情報を必要とし、後者はチャンバの状態によって決定されるので多数の要因（例えば、部品の熱膨張など）による影響を受けやすい。更に、パワー電極に供給されるパルス電圧波形におけるネガティブジャンプの値ＶＯＵＴは、直列に接続された２つのコンデンサ間でのように、ＥＳＣセラミックプレートとプラズマシースとの間で分担されているので、シース電圧を正確に設定するためにはシース容量（ＣＳＨ）の値を知る必要がある。シース容量は、ガスの化学組成、ＲＦ源の周波数及び出力（プラズマ密度及び温度を介して）、ガス圧力、及びエッチングされる基板の材料など多数のパラメータに依存するので、シース容量の評価は特に困難である。現在、実際の処理の前に、一組のプラズマ条件におけるシース容量を集計して完全なシステム較正を実施しなければならない。この方法は時間がかかり煩雑であるだけでなく、プラズマは完全に再現可能ではないので正確には機能しない。単一ピークＩＥＤＦを生成するには、基板において所定の電圧波形を維持することが必要であり、ネガティブ電圧ジャンプはほぼ一定なシース電圧、したがって平均イオンエネルギーを表す。ＣＳＨ及びＣＳＴＲの正確な決定が必要であることから、現実の市販のエッチングチャンバにおいては、現在の整形パルスバイアス方式は非効率的である。
概要
基板を処理するためのシステム及び方法は、例えばプラズマエッチング処理中に、基板において所定の電圧波形を維持することによって、適切に制御された単一ピークのイオンエネルギー分布関数を効果的に提供する。本原理の様々な実施形態により、基板における電圧波形は、処理中の基板における電圧を表す（すなわち、同じ波形形状を有する）信号を捕捉し（すなわち、接地に対する電圧を測定し）、捕捉された信号に基づいて、それぞれのプロセスチャンバに印加されている整形パルスバイアス波形を反復的に調整することによって維持される。これは、捕捉された信号（及び、したがって基板電圧）の所望のパルス電圧波形が達成されるまで行われる。いくつかの実施形態では、各パルスの終わりでのネガティブジャンプの値は標的イオンエネルギーに等しく、パルス間の電圧は一定である。いくつかの実施形態では、基板における電圧を表す信号は、基板と接触している伝導性リード線を使用して捕捉することができる。代替的に又は追加的に、基板に近接する容量性回路を使用して、処理中の基板における電圧を表す信号を捕捉することができる（なぜならば、必要な全ての情報は、ＤＣオフセットの中ではなく、捕捉されたパルス波形の形状に含まれるからである）。
他の実施形態では、基板における電圧を表す信号は、基板を取り囲む伝導体のリングと接触している伝導性リード線を使用して捕捉することができる。代替的又は追加的に、伝導性リングに近接する容量性回路を使用して、処理中の基板における電圧を表す信号を捕捉することができる。
本原理の実施形態により、基板における目標電圧波形は、（１）バイアス電圧波形及び基板電圧波形のネガティブジャンプ（シース形成）フェーズの間、チャック容量ＣＣＫに起因する電圧降下の変化をシース容量ＣＳＨに起因する電圧降下の変化と比較して無視できるようにすること、（２）バイアス電圧波形のイオン電流補償フェーズの間、ＣＳＴＲを流れる電流をＣＣＫを流れる電流と比較して無視できるようにすることによって維持される。これは、パワー電極と基板との間の容量をシース容量及び浮遊容量よりもはるかに大きくすることによって達成されるので、正確な決定の要件が軽減される。いくつかの実施形態では、これは、電極と基板支持面との間の誘電体層の容量がそれぞれの処理チャンバ内の基板表面とプラズマの間の容量より少なくとも１桁大きいように、誘電体層の厚さ及び組成を選択することによって達成される。ＣＣＫに亘る電圧降下の変化はＣＳＨに亘るそれに比べて無視できるので、パワー電極に印加される信号のパルス電圧波形（すなわちバイアス電圧波形）の形状は、ネガティブジャンプフェーズの間、基板電圧波形の形状をほぼ再現する。したがって、上記の実施形態で説明したように、電極電圧波形は基板電圧波形を表す信号として使用することができる。すなわち、電極電圧波形におけるネガティブジャンプは基板電圧波形におけるネガティブジャンプとほとんど等しいので、目標シース電圧降下及びイオンエネルギーを達成するために整形パルスバイアス供給部へのフィードバック信号として使用することができる。
代替的に又は追加的に、上記段落０００８の条件（１）、（２）を満たすために、パワー電極ではなく静電チャックのチャッキング電極に電圧（バイアス）を印加することによって、シース容量ＣＳＨ及び浮遊容量ＣＳＴＲはチャック容量ＣＣＫと比較して無視できるようになる。バイアス電圧波形の形状がシース形成（ネガティブジャンプ、ＶＯＵＴ）フェーズの間だけでなくイオン電流補償フェーズの間にも基板電圧波形の形状を再現するためには、イオン電流に起因するＣＣＫ両端の電圧降下の変化がバイアス電圧のネガティブジャンプ、ＶＯＵＴと比較して無視できる必要があると理解される。チャッキング電極と基板支持面との間の容量は非常に大きいので、多くの実際的な状況（処理で使用される典型的なイオン電流の場合）ではそうなると予想される。以下では、上記の方法及び実施形態、ならびに他の可能な実施形態について更に詳細に説明する。
一実施形態では、プラズマ処理チャンバ内でのプラズマ処理中に基板における電圧波形を制御する方法は、プラズマ処理チャンバ内の基板支持体に整形パルスバイアス波形を印加し、ここで基板支持体は静電チャック、チャッキングポール、基板支持面及び電極を含み、基板支持面上に配置された基板における電圧を表す信号を捕捉し、捕捉信号に基づいて整形パルスバイアス波形を反復的に調整することを含む。
一実施形態では、基板における電圧を表す信号は、基板の少なくとも一部と接触している伝導性リード線を使用して捕捉される。別の実施形態では、基板支持体は電極の上方に配置された伝導体リングを含み、基板における電圧を表す信号は伝導体リングの少なくとも一部と接触している伝導性リード線を使用して捕捉される。別の実施形態では、基板における電圧を表す信号は、伝導体リングに近接する、又は基板に近接する結合回路を使用して捕捉される。
本原理による別の実施形態では、プラズマ処理システムは、処理される基板を支持するための表面を画定する基板支持体を備え、ここで基板支持体は静電チャック、チャッキングポール、及び電極を含み、更に基板支持面上に配置された基板における電圧を表す信号を捕捉するセンサと、基板支持体に整形パルスバイアス波形を供給するバイアス供給部と、センサから捕捉信号を受信し、捕捉信号に基づいて整形パルスバイアス波形を調整するためにバイアス供給部に通信される制御信号を生成するコントローラとを備える。
一実施形態では、センサは、基板の少なくとも一部と接触している伝導性リード線を含む。別の実施形態では、センサは電極の上方に配置された伝導体リングを含む。別の実施形態では、センサは基板に近接する結合回路を含む。
別の実施形態では、システムは伝導体リングの少なくとも一部と接触している伝導性リード線を含む。別の実施形態では、システムは捕捉信号をコントローラに送信するために伝導体リングに近接する結合回路を含む。
別の実施形態では、整形パルスバイアス波形は基板支持体の電極に印加される。別の実施形態では、整形パルスバイアス波形はチャッキングポールに印加される。
一実施形態では、プラズマ処理システムは、基板支持体を含み、当該基板支持体は、静電チャック、チャッキングポール、及び電極を含み、処理される基板を支持する表面を画定し、ここで当該電極は誘電体層によって基板支持面から分離されている。システムは、基板支持面の上方に配置されたプラズマと、整形パルスバイアス波形を電極に印加する整形パルスバイアス波形発生器とを更に含み、ここで誘電体層の厚さ及び組成は、電極と基板支持面との間の誘電体層の容量が基板支持面とプラズマとの間の容量より少なくとも１桁大きいように選択される。
一実施形態では、誘電体層は約３～５ミリメートルの厚さを有する窒化アルミニウムを含む。少なくとも一実施形態では、整形パルスバイアス波形が基板支持体の電極に印加され、別の実施形態では、整形パルスバイアス波形が基板支持体のチャッキングポールに印加される。いくつかの実施形態では、プラズマ処理システムは整形パルスバイアス波形及びクランプ電圧を基板支持体に結合するための結合回路を含む。
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、したが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。
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。 処理チャンバに供給されているＲＦバイアスにより生じる典型的なイオンエネルギー分布関数のプロットを示す。 処理チャンバのシース電圧を一定に保つために開発された以前に決定された特別整形パルスバイアスのプロットを示す。 処理チャンバに供給されている特別整形パルスバイアスにより生じる単一ピークイオンエネルギー分布関数のプロットを示す。 本原理の様々な実施形態によるプラズマ処理中に基板電圧波形を制御するのに適したシステムの高レベルの概略図を示す。 本原理の一実施形態による図３のシステムでの使用に適したデジタイザ／コントローラの高レベルのブロック図を示す。 本原理の一実施形態による図３のシステムでの使用に適したエッジリングの平面図を示す。 本原理の一実施形態によるプラズマ処理を制御する方法の機能ブロック図を示す。 本発明の原理の一実施形態により維持される、結果として得られた基板電圧波形のグラフ表現を示す。 本原理の一実施形態による、クランプ電圧及びバイアス電圧をチャッキングポールに結合するための変圧器結合回路の概略図を示す。
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フィーチャは、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
プラズマ処理中に基板電圧波形を制御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は、例えばプラズマエッチング処理中に、基板において所定の電圧波形を維持することによって、適切に制御された単一ピークのイオンエネルギー分布関数を効果的に提供する。実施形態は、プラズマシース容量の複雑なモデル化又は正確な推定を必要とせずに単一エネルギーイオンを供給するために電圧波形の整形を効果的に提供する。本原理の実施形態は、主に特定の整形パルスバイアスに関して説明されるであろうが、本原理による実施形態は、実質的に任意のバイアスに適用され、それで動作することができる。
図３は、本原理の様々な実施形態による基板処理での使用に適したシステム３００の高レベルの概略図を示す。図３のシステム３００は、例示的に、基板支持アセンブリ３０５、デジタイザ／コントローラ３２０、及びバイアス供給部３３０を含む。図３の実施形態では、基板支持アセンブリ３０５は、支持台３０２と、静電チャック（ＥＳＣ）３１１とを含み、ＥＳＣはＥＳＣに埋め込まれた金属製のベースプレート又はメッシュであり得るチャッキング電極３１２（通常、チャッキングポールと呼ばれる）を含む。ＥＳＣは基板支持面３０７を有する。チャッキング電極３１２は、通常、電圧が印加されると、基板を支持面３０７に静電的にクランプするチャッキング電源（図示せず）に結合される。チャッキング電極３１２は誘電体層３１４内に埋め込まれている。支持アセンブリ３０５は、パワー電極３１３と基板支持アセンブリ３０５の基板支持面３０７を分離している誘電体層３１４内に、パワー電極３１３を更に含む。様々な実施形態では、誘電体層３１４は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のようなセラミック材料により形成され、約５～７ｍｍの厚さを有するが、他の誘電体及び／又は異なる層厚を使用してもよい。図３の基板支持アセンブリ３０５は、通常、基板処理の際に使用されるプラズマを閉じ込めるため、又は基板をプラズマによる侵食から保護するために備えられるエッジリング３５０を更に含む。
様々な実施形態では、図３のシステム３００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）処理チャンバなど）のコンポーネントを含むことができる。図３のシステム３００では、基板支持アセンブリ３０５は、例示的に、基板を支持するための静電チャック３１１を含むが、例示された実施形態は限定的であると解釈されるべきではない。より具体的には、本原理による他の実施形態において、本原理による基板支持アセンブリ３０５は、処理のために基板を支持する真空チャック、基板保持クランプなど（図示せず）を含むことができる。
オペレーション中、処理されるべき基板は基板支持アセンブリ３０５の表面上に配置される。図３に戻って参照すると、バイアス供給部３３０から電圧（例えば、整形パルスバイアス）がパワー電極３１３に供給される。上記の通り、プラズマシースの非線形性により、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。イオンの方向性とフィーチャプロファイルは、適切に制御された単一ピークを有する（図２Ｂ）イオンエネルギー分布関数（ＩＥＤＦ）によって制御される。このような単一ピークＩＥＤＦを提供するために、バイアス供給部３３０が特別整形パルスバイアス（図２Ａ参照）をパワー電極３１３に供給すると、印加電圧はチャック容量とシース容量との間で分担され、カソード３１１の表面を絶えず帯電させているイオン電流を補償する。特別整形パルスバイアスにより、パルスサイクルの最大９０％までの間、シース電圧を一定に保つことが可能になる。
しかしながら、特別整形パルスバイアスが意図した通りに機能するためには、現在、いくつかの容量値は既知であるか、又はある程度の精度で推定されなければならず、達成するのは非常に困難である可能性がある。特に、整形パルスバイアス波形（図２Ａ）は、パワー電極３１３に供給される全電圧がＥＳＣチャック３１１とシース電荷（「空間電荷シース」又は「シース」と呼ばれる）との間で分担されることを必要としており、ここで当該シース電荷はプラズマとＥＳＣ支持面又はその上に配置された基板との間の空間に形成される。ＥＳＣ容量ＣＣＫは容易に確認することができるが、浮遊容量（ＣＳＴＲ）及びシース容量（ＣＳＨ）の値は予測できないほどに時間変化することが分かっている。例えば、浮遊容量ＣＳＴＲは、プラズマ処理チャンバ内の条件によって決定されるので、処理チャンバコンポーネントなどの熱膨張などの要因から影響を受ける。
機能的には、ＥＳＣとシースは直列に接続された２つのコンデンサとして作用し、ＥＳＣコンデンサの一方の電極に印加される入力電圧波形が制御されるので、全印加電圧がコンデンサ間でどのように分担されるか、どれ程の電圧がシースにかかるかを決定するために、両方の容量値を知る必要がある。
したがって、整形パルス波形を得るためにシース電圧降下の正確な推定値を得る能力は、シース容量ＣＳＨを正確に決定する能力に影響される。シース容量は印加電圧とプラズマパラメータ（例えば、種の密度や温度など）の複雑な関数であるので、解析的に予測することは困難である。
本発明者らは、処理チャンバ内で持続されるバルクプラズマの性質も、印加されたパルスに対するプラズマの応答に影響を及ぼし得ると判断した。例えば、プラズマ密度はシースに注入される電荷の割合を制限する。上記の考察を考慮して、シース容量ＣＳＨの適切な評価では、少なくともガスの化学組成、ＲＦ源の周波数及び出力（プラズマ密度及び温度を介して）、ガス圧力、及び処理される基板の組成を考慮しなければならない。少なくとも上記の理由から、シース容量の評価は、特にプラズマ条件が完全に再現可能ではないと考えられるときに、特に困難である。
本原理の様々な実施形態により、上記の欠点を克服するために、本発明者らは、基板の処理中にイオンエネルギーをほぼ一定に維持するために、基板電圧波形を表すフィードバック信号を使用することを提案する。本発明者らは、プラズマ電位が非常に低くかつほぼ一定であることから、シース電圧の適切な推定は基板でのパルス電圧波形のネガティブジャンプによって代表され得ると判断した。より正確には、基板電圧波形はシース電圧波形をほぼ再現するが、基板電圧波形はプラズマ電位に等しい正の直流オフセットを有する。したがって、本原理によるいくつかの実施形態では、本発明者らは、基板の処理中に基板電圧を表す信号をモニタし、基板電圧を表す信号をデジタイザ／コントローラ３２０に通信することを提案する。次に、デジタイザ／コントローラ３２０は、整形パルスバイアスサイクルの最大９０％までの間（ネガティブ電圧ジャンプに続くイオン電流補償フェーズの間）、基板電圧によって代表されるシース電圧が一定に及び／又は所定の電圧レベルの許容範囲内に維持されるように、バイアス供給部３３０からパワー電極３１３に供給される整形パルスバイアスを調整するために、補正信号を決定しバイアス供給部３３０へ通信する。本発明者らは、様々な実施形態ではイオンエネルギー又はシース電圧をノイズレベル内で一定に保つことができ、そして一実施形態ではイオンエネルギー又はシース電圧を、一定と見なされる、所定レベルの１～５％以内に保つことができると判断した。
図４は、図３のシステム３００での使用に適したデジタイザ／コントローラ３２０の高レベルのブロック図を示す。図４のデジタイザ／コントローラ３２０は、例示的には、本原理によるプラズマ処理を制御するための工業的設定内で使用できる汎用コンピュータプロセッサを含む。デジタイザ／コントローラ３２０のメモリすなわちコンピュータ可読媒体４１０は、１つ以上の直ちに利用可能なメモリ（例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、フロッピーディスク、ハードディスク、又はその他の形式のローカル又はリモートのデジタルストレージなど）であってもよい。従来の方法でプロセッサをサポートするために、サポート回路４２０はＣＰＵ４３０に結合される。これらの回路は、キャッシュ、電力供給部、クロック回路、入力／出力回路及びサブシステムなどを含む。
様々な実施形態では、本明細書に開示される本発明の方法は、一般に、Ｉ／Ｏ回路４５０のアシストを受けてＣＰＵ４３０によって実行される場合、プロセスデジタイザ／コントローラ３２０に本原理のプロセスを実行させるソフトウェアルーチン４４０としてメモリ４１０に記憶されてもよい。ソフトウェアルーチン４４０はまた、ＣＰＵ４３０によって制御されているハードウェアから離れて設置される第２のＣＰＵ（図示せず）によって記憶及び／又は実行されてもよい。本開示の方法の一部又は全てもハードウェアで実行されてもよい。したがって、本開示はソフトウェアで実行されてもよいし、特定用途向け集積回路又は他の種類のハードウェア実施例としての、又はソフトウェアとハードウェアの組合せとしてのハードウェアで、コンピュータシステムを使用して実行されてもよい。ソフトウェアルーチン４４０は、ＣＰＵ４３０によって実行される場合、本明細書に開示された方法が実行されるように、汎用コンピュータを、プラズマ処理チャンバを制御する特定用途コンピュータ（デジタイザ／コントローラ）３２０に転換する。
本原理による一実施形態では、図３に戻って参照すると、処理中の基板における電圧を表す信号を捕捉するために、図３の基板支持アセンブリ３０５に任意の伝導性リード線（例えばワイヤ）３５２を設けることができる。基板支持アセンブリ３０５内の任意の伝導性リード線３５２は、処理される基板が支持台３１０上に配置される場合に、伝導性リード線３５２が基板の少なくとも一部（例えば、背面）と接触するように構成される。伝導性リード線３５２を使用して、処理中に基板で捕捉される電圧を表す信号をデジタイザ／コントローラ３２０に通信することができる。
デジタイザ／コントローラ３２０は伝導性リード線３５２から受信した信号を評価し、基板電圧が変化した場合及び／又は所定の電圧レベルの許容範囲内にない場合、デジタイザ／コントローラ３２０はバイアス供給部３３０に通信すべき制御信号を決定し、バイアス供給部はバイアス供給部３３０からパワー電極３１３に供給されている電圧を調整し、基板電圧を一定に、及び／又は所定の電圧レベルの許容範囲内に保つ。
例えば、図７は、本原理の一実施形態により維持される、結果として得られた基板電圧波形のグラフ表現を示す。図７の実施形態で示される通り、本発明の原理により、例えば、プラズマエッチング処理中に、基板における電圧波形を時間的に一定に維持することができる。すなわち、図７に示される通り、本明細書に記載の本原理の実施形態により、基板の処理中、イオンエネルギーは一定に維持される。
一実施形態では、デジタイザ／コントローラ３２０は反復プロセスを実施し、バイアス供給部と通信するための制御信号を決定する。例えば、一実施形態では、受電電圧の調整が必要であると判断すれば、デジタイザ／コントローラ３２０は、信号をバイアス供給部３３０に通信し、バイアス供給部３３０からパワー電極３１３に供給されている電圧を調整する。調整後、デジタイザ／コントローラ３２０は基板電圧を再度、評価する。基板で捕捉された電圧がより一定になるか、又は所定の電圧レベルの許容範囲に近づいているが更なる調整が必要な場合、デジタイザ／コントローラ３２０は別の制御信号をバイアス供給部３３０に通信して、バイアス供給部３３０からパワー電極３１３に供給されている電圧を同一方向に調整する。調整後、基板で捕捉された電圧が一定でなくなるか、又は所定の電圧レベルから更に乖離している場合、デジタイザ／コントローラ３２０は別の制御信号をバイアス供給部３３０に通信して、バイアス供給部３３０からパワー電極３１３に供給されている電圧を反対方向に調整する。このような調整は、基板電圧が一定に及び／又は所定の電圧レベルの許容範囲内に保たれるまで、継続して行うことができる。一実施形態では、デジタイザ／コントローラ３２０は、伝導性リード線３５２からの電圧信号をデジタル化し、デジタル化電圧信号をバイアス供給部に通信して、整形パルスバイアス波形を定期的に調整し、基板電圧を一定に及び／又は所定の電圧レベルの許容範囲内に保つ。
本原理による他の実施形態では、処理中の基板における電圧を表す信号を、図３の基板支持アセンブリ３０５のエッジリング３５０を用いて捕捉することができる。例えば、一実施形態では、図３に戻って参照すると、システム３００では、エッジリング３５０を使用して、処理中の基板における電圧を表す電圧測定値を感知する。本原理による一実施形態では、エッジリング３５０はパワー電極３１３の真上に配置され、パワー電極３１３の端部と重なるのに十分なほど大きい。エッジリング３５０の組成及び位置の理由で、エッジリング３５０は、処理中の基板における電圧を表す信号、例えば基板における実際の電圧の５～７パーセント以内にある信号を感知するように、処理中の基板と電気的又は容量的に結合することができる。
本発明者らは、処理中の基板としての役割を果たす金属ウェハをＥＳＣ３１１上に配置し、金属ウェハにおける電圧を測定し、当該金属ウェハにおける電圧測定値と、同一条件の間にエッジリング３５０を使用して得られた電圧測定値とを比較することによって、これを実験的に決定した。測定値は５～７パーセント以内にあった。
図５は、本原理の一実施形態により、図３のシステム３００での使用に適したエッジリング３５０の平面図を示す。図５の実施形態では、エッジリング３５０は、例示的には、基板支持アセンブリ３０５の基板支持面３０７を取り囲む。エッジリング３５０は、例示的には、環状伝導体層５５１を含む。エッジリング３５０は、任意に、環状誘電体層（図示せず）を更に含むことができ、その上に環状伝導体層５５１が配置される。図５に示される通り、基板支持誘電体層の外周縁部及び／又は基板の外周縁部（図示せず）とエッジリング３５０の伝導体層５５１の内周縁部面及び、任意に、その下にある誘電体層（図示せず）との間に、Ｇで示す小さなギャップがある。したがって、エッジリング３５０と処理される基板との間のどの結合も、ガルバニックではなく容量性である。
このような一実施形態では、図３に戻って参照すると、任意の伝導性リード線３５３は、エッジリング３５０の少なくとも一部（例えば、背面）と接触するように構成される。伝導性リード線３５３を使用して、処理中の基板における電圧を表す信号をデジタイザ／コントローラ３２０に通信することができ、当該信号はエッジリング３５０によって電気的及び／又は容量的に感知される。
デジタイザ／コントローラ３２０はエッジリング３５０から受信した基板電圧を示す信号を評価し、当該電圧が変化した場合及び／又は所定の電圧レベルの許容範囲内にない場合、上記の通り、デジタイザ／コントローラ３２０は制御信号をパルスバイアス供給部３３０に通信し、パルスバイアス供給部はパルスバイアス供給部３３０からパワー電極３１３に供給されている電圧を調整し、処理中の基板における電圧を一定に及び／又は所定の電圧レベルの許容範囲内に保つ。
本原理による他の実施形態では、上記の通り、伝導性リード線を使用する代わりに、電気結合回路又は容量結合回路（図示せず）を設けることによって、処理中の基板における電圧又はエッジリングにおける感知電圧を捕捉することができる。このような実施形態では、伝導性リード線（例えば、伝導性リード線３５２、３５３）は、それぞれの電圧信号を捕捉するために処理中の基板又はエッジリング３５０と接触している必要はない。その代わりに、電気結合回路又は容量結合回路（図示せず）を使用して、処理中の基板から直接に基板電圧を表す信号、あるいは代替的又は追加的に、処理中の基板における電圧を電気的又は容量的に感知するエッジリングから捕捉された基板電圧を表す信号を捕捉することができる。このような実施形態では、上記の通り、伝導性リード線を使用して、それぞれの結合回路からのそれぞれの信号をデジタイザ／コントローラ３２０に通信することができる。
図６は、本原理の一実施形態による、プラズマ処理中に基板電圧波形を制御するための方法６００の機能ブロック図を示す。プロセスは６０２で開始することができ、その間に整形パルスバイアス波形がプラズマ処理チャンバ内の基板支持体に印加される。上記の通り、本原理による一実施形態では、整形パルスバイアス波形が基板支持アセンブリのパワー電極に印加される。次に、プロセス６００は６０４に進むことができる。
６０４で、プラズマ処理チャンバの基板支持アセンブリ上に配置された基板における電圧を表す信号が捕捉される。上記の通り、一実施形態では、処理中の基板における電圧は処理中の基板の一部に接触する伝導性リード線を使用して捕捉される。他の実施形態では、上記の通り、エッジリングは、例えば電気結合及び／又は容量結合を介して、処理中の基板における電圧を表す信号を感知する。エッジリングの一部に接触する伝導性リード線は、処理中の基板における電圧を表す信号を捕捉する。次に、プロセス６００は６０６に進むことができる。
６０６で、整形パルスバイアス波形は捕捉された信号に基づいて反復的に調整される。上記の通り、一実施形態では、処理中の基板における電圧を表す捕捉信号はデジタイザ／コントローラに通信される。デジタイザ／コントローラは、受信した電圧信号に応答して制御信号をバイアス供給部に提供し、基板電圧が一定に及び／又は所定の電圧レベルの許容範囲内に保たれるようにバイアス供給部にバイアス波形を調整させることにより、バイアス供給部によって例えばパワー電極に印加される整形パルスバイアス波形を反復的に調整する。次に、プロセス６００を終了することができる。
本原理の他の実施形態により、プラズマシース容量ＣＳＨ、チャンバ浮遊容量ＣＳＴＲの複雑なモデル化又は正確な推定の必要性を克服するために、本発明者らは、（１）バイアス電圧波形及び基板電圧波形のネガティブジャンプ（シース形成）フェーズの間、チャック容量ＣＣＫに起因する電圧降下の変化をシース容量ＣＳＨに起因する電圧降下の変化と比較して無視できるようにすること、（２）バイアス電圧波形のイオン電流補償フェーズの間、ＣＳＴＲを流れる電流をＣＣＫを流れる電流と比較して無視できるようにすることを提案する。これは、パワー電極と基板との間の容量をシース容量及び浮遊容量よりもはるかに大きくすることによって達成されるので、正確な決定という要件が軽減される。バイアス電圧波形と基板電圧波形のネガティブジャンプフェーズの間、ＣＣＫ両端の電圧降下の変化はＣＳＨ両端の電圧降下と比較して無視できるので、パワー電極に印加される信号のパルス電圧波形のネガティブジャンプ（すなわちバイアス電圧波形）は、基板電圧波形のネガティブジャンプ（すなわちシース電圧降下及び平均イオンエネルギーの値）にほぼ等しい。したがって、シース電圧降下の目標値をもたらすバイアス電圧波形のネガティブジャンプの値を設定するために、ＣＳＨの正確な決定は必要ではない。更に、イオン電流補償フェーズの間、ＣＳＴＲを流れる電流はＣＣＫを流れる電流よりはるかに小さいので、整形パルスバイアス供給部を流れる全電流、基板電流ＩＳは、ＣＣＫを流れる電流にほぼ等しい（基板へ流れるイオン電流Ｉｉに等しい）。したがって、イオン電流補償フェーズの間、一定な基板電圧をもたらすバイアス電圧ランプの勾配を設定するために、ＣＳＴＲの正確な決定は必要ではない。この勾配は常にＩＳ／（ＣＣＫ＋ＣＳＴＲ）に等しく、ＣＣＫ＞＞ＣＳＴＲであれば、この勾配はＩＳ／ＣＣＫにほぼ等しい。本原理による一実施形態では、パワー電極と基板支持面との間の誘電体層の組成及び厚さは、パワー電極と基板支持面との間の誘電体層のチャック容量ＣＣＫが浮遊容量ＣＳＴＲ及びシース容量ＣＳＨに比較して非常に大きく（すなわち、少なくとも１桁大きく）なるように選択される。例えば、図３に戻って参照すると、整形パルスバイアスがパワー電極に印加された状態で、パワー電極３１３と基板支持面との間のセラミックの厚さを約０．３ｍｍに選択することができる。代替的に、整形パルスバイアスがチャッキング電極に印加された状態で、パワー電極３１３と基板支持面との間のセラミックの厚さを約３～５ｍｍに選択することができ、チャッキング電極３１２と基板支持面３０７との間のセラミックの厚さを約０．３ｍｍに選択することができる。
バイアス電圧波形の形状はシース形成（ネガティブジャンプ、ＶＯＵＴ）フェーズの間だけでなくイオン電流補償フェーズの間にも基板電圧波形の形状を再現するために、イオン電流に起因するＣＣＫ両端の電圧降下の変化がバイアス電圧のネガティブジャンプ、ＶＯＵＴと比較して無視できる必要がある。このフェーズの間、基板電圧は一定に保たれているので、ＣＣＫ両端の電圧降下の変化率は、イオン電流を補償するために必要とされるバイアス電圧の変化率Ｉｉ／ＣＣＫに等しく、ＣＣＫ＞＞ＣＳＴＲの場合はほぼＩＳに等しい。したがって、バイアス電圧波形のイオン電流補償フェーズの間、バイアス電圧の全変化は、Ｉｉ ＊Ｔ／ＣＣＫに等しく、ここで、Ｔはイオン電流補償フェーズの継続時間である。Ｉｉ ＊Ｔ／ＣＣＫがバイアス電圧波形のネガティブジャンプＶＯＵＴよりはるかに小さい場合、バイアス電圧波形の補償フェーズの間、電圧ランプは無視でき、パルス波形要件が単純化される。このような実施形態では、上記のいくつかの実施形態で説明したように、パワー電極に印加される信号のパルス電圧波形（すなわちバイアス電圧波形）の形状は基板電圧波形の形状を完全に再現し、かつ、イオン電流補償フェーズの間、所定の（ほぼ一定な）基板電圧波形を維持するためのフィードバック信号として当該形状を使用することができるので、条件ＣＣＫ ＞＞ ＣＳＴＲを必ずしも満たす必要はない。
本原理による別の実施形態では、チャック容量ＣＣＫと比較してシース容量ＣＳＨ及び浮遊容量ＣＳＴＲを無視できるようにすることによって上記段落００４４の条件（１）及び（２）を満たすために、バイアス供給部からの電圧がパワー電極ではなくチャッキングポール（例えば、静電チャックに埋め込まれた金属製のベースプレート又はメッシュ）に供給される。
例えば、図３のシステム３００に戻って参照すると、本原理による一実施形態では、チャック容量ＣＣＫに起因する電圧降下をシース容量ＣＳＨに起因する電圧降下と比較して無視できるようにするために、バイアス供給部３３０からの電圧（バイアス）がパワー電極３１３ではなく静電チャック３１１のチャッキング電極３１２に印加される。バイアス（例えば、特別な波形バイアス（図２Ａ））をパワー電極３１３ではなくチャッキング電極３１２に印加することによって、チャック容量両端の電圧降下は非常に小さいので、基板表面において測定可能な電圧振幅は、バイアスパルスの印加中いつでも、パルスの電圧振幅を実質的に近似している（すなわち、０～５％を超えて変化しない）。
このような実施形態では、チャッキング電極と基板支持面との間のセラミックの厚さをパワー電極と基板支持面との間のセラミックの厚さよりも少なくとも１桁小さい値に維持することが重要である。例えば、図３のシステム３００に戻って参照すると、誘電体層３１４が窒化アルミニウムを含む一実施形態では、チャッキング電極３１２と基板支持面３０７との間のセラミックの厚さは約０．３ｍｍであるが、ベースプレートとウェハの間のセラミックの厚さは約３～５ｍｍである。したがって、容量は少なくとも１０倍増加する。
本原理によりバイアス電圧がチャッキングポールに供給されるプラズマ処理システムの実施形態では、－２ｋＶオーダーのＤＣクランプ電圧もまた、通常は、チャッキングポールに供給されることを考慮すべきである。必要とされるクランプ電流は極めて小さいので、いくつかの実施形態では、本発明者らは、コンデンサ付きの大きな抵抗器（例えば、１Ｍオーム）を用いて高電圧ＤＣ供給部を絶縁することを提案する。バイアス（例えば、整形パルス波形）は、ブロッキングコンデンサ又はパルス変圧器を使用してチャッキングポールに結合することができる。例えば、図８は、本原理の一実施形態によるクランプ電圧及びバイアス電圧をチャッキングポールに結合するための変圧器結合回路８００の概略図を示す。図８の変圧器結合回路８００は、例示的に、電圧バイアス源８０２と、クランプ電圧源８０４と、２つの抵抗器Ｒ１及びＲ５と、３つのコンデンサＣ２、Ｃ３及びＣ４とを備える。すなわち、図８は、整形パルスバイアスとチャッキング電圧の両方を同時に印加するためにチャッキングポールの使用が可能となる回路例を示す。他の実施形態（図示せず）では、バイアス電源及びクランプ電源を、所望の積算波形を出力できる１つの電源に統合することができる。
本原理による上記の実施形態は相互に排他的ではない。より具体的には、一実施形態では、本原理による基板支持台のチャック容量ＣＣＫは、上記の通り、シース容量ＣＳＨより実質的に大きくすることができ、シース電圧を表す信号は、イオン電流補償フェーズの間、シース電圧を表す信号が一定に及び／又は所定の電圧レベルの許容範囲内に保たれるように、バイアス供給部によって供給される整形パルスバイアス波形を調整するためのフィードバック信号として使用することができる。
このような一実施形態では、本原理により、バイアス供給部からの整形パルスバイアス波形が基板支持台の静電チャックの金属ベースプレート又はメッシュに供給される。次いで、処理中の基板における電圧が捕捉され、コントローラに通信される。コントローラは、イオン電流補償フェーズの間、基板において捕捉された電圧が一定に及び／又は所定の電圧レベルの許容範囲内に保たれるように、バイアス供給部によって静電チャックの金属製のベースプレート又はメッシュに供給される整形パルスバイアス波形を調整するために、バイアス供給部に通信する制御信号を決定する。
別のこのような実施形態では、パワー電極と基板支持面を分離する誘電体層の厚さ及び組成は、誘電体層の容量（チャック容量）が浮遊容量及びシース容量に比較して非常に大きくなるように選択される。次いで、処理中の基板を取り囲むエッジリングにおいて電圧が捕捉されて、コントローラに通信される。コントローラは、イオン電流補償フェーズの間、基板において捕捉された電圧が一定に及び／又は所定の電圧レベルの許容範囲内に保たれるように、バイアス供給部によって基板支持体のパワー電極に供給される整形パルスバイアス波形を調整するために、バイアス供給部に通信する制御信号を決定する。
別のこのような実施形態では、パワー電極と基板支持面を分離する誘電体層の厚さ及び組成は、上記の通り、誘電体層の容量（チャック容量）が浮遊容量及びシース容量に比較して非常に大きくなるように選択される。次いで、処理中の基板において電圧が捕捉されて、コントローラに通信される。コントローラは、イオン電流補償フェーズの間、基板において捕捉された電圧が一定に及び／又は所定の電圧レベルの許容範囲内に保たれるように、バイアス供給部によって基板支持台のパワー電極に供給される整形パルスバイアス波形を調整するために、バイアス供給部に通信する制御信号を決定する。
別のこのような実施形態では、本原理により、バイアス供給部からの整形パルスバイアス波形が基板支持台の静電チャックの金属製のベースプレート又はメッシュに供給される。処理中の基板を取り囲むエッジリングにおいて電圧が捕捉されて、コントローラに通信される。コントローラは、イオン電流補償フェーズの間、基板において捕捉された電圧が一定に及び／又は所定の電圧レベルの許容範囲内に保たれるように、バイアス供給部によって静電チャックの金属製のベースプレート又はメッシュに供給される整形パルスバイアス波形を調整するために、バイアス供給部に通信する制御信号を決定する。
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. プラズマ処理チャンバ内でプラズマ処理中に基板における電圧波形を制御する方法であって、
    前記プラズマ処理チャンバ内の基板支持体に整形パルスバイアス波形を印加するステップであって、前記基板支持体は静電チャック、チャッキングポール、基板支持面及び電極を含むステップと、
    前記基板支持面上に配置された基板における電圧を表す信号を捕捉するステップと、
    前記捕捉された信号に基づいて前記整形パルスバイアス波形を反復的に調整するステップとを含む方法。
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