JP4750359B2 - エッチング速度の均一性を改善する装置及び方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

（関連出願に対する相互参照）
本明細書は、同じ発明者の名前で２００１年１１月１３日に出願された米国特許仮出願連続番号第６０／３３８，０３４号に基づく利益を主張するものである。

（技術分野）
本発明は、基板支持体に関する。より具体的には、本発明は、プラズマ処理中に、基板上に均一なプラズマ分散を達成する方法及び装置に関する。

（背景技術）
典型的なプラズマエッチング装置は、反応ガスが流れるチャンバをもつ反応器を備える。チャンバ内で、ガスは、典型的には、無線周波エネルギによりイオン化されてプラズマになる。プラズマガスの高度に反応性のあるイオンは、処理されて集積回路（ＩＣ）になる半導体ウエハの表面上のポリマーマスクのような材料と反応することができる。エッチング前に、ウエハはチャンバ内に置かれて、チャック又はホルダにより適当な位置に保持され、該ウエハの上面をプラズマガスに曝す。幾つかの種類のチャックが当業者に周知である。チャックは、等温表面を形成し、ウエハのためのヒートシンクとして働くものとなる。１つの種類においては、半導体ウエハは、機械的クランピング手段によりエッチングのための所定の位置に保持される。別の種類のチャックにおいては、半導体ウエハは、チャックとウエハとの間の電界により生成された静電力により所定の位置に保持される。本発明は、両方の種類のチャックに適用することができる。

半導体処理においては、各々のエッチング処理中のウエハにわたるエッチング速度又は溶着速度の均一性は、直接、装置の収率に影響する。このことは、処理反応器のための主要な資格条件となってきており、したがって、この設計及び開発において非常に重要なパラメータとして考えられている。ウエハ直径の大きさが増加する毎に、益々大きくなるウエハからのＩＣの各バッチの均一性を確保することは、一層困難になる。例えば、ウエハの大きさが２００ｍｍから３００ｍｍに増加し、ウエハ当たりの大きさがより小さくなると、縁の除外は、例えば、２ｍｍにまで小さくなる。したがって、ウエハの縁から２ｍｍまでの全体において、均一なエッチング速度、特性、及び限界寸法を維持することは非常に重要なことになった。

プラズマエッチング反応器においては、エッチングパラメータ（エッチング速度、特性、ＣＤなど）の均一性は、幾つかのパラメータにより影響される。均一なプラズマの放電、したがって、ウエハ上にプラズマ化学物質を維持することは、均一性を改善するのに非常に重要なものとなった。ウエハの均一性を改善するために、シャワーヘッドを通るガス流噴射を操作すること、シャワーヘッドの設計を修正すること、及び縁リングをウエハの周りに置くことによる多くの試みが考えられた。

異なる大きさの電極を有する容量結合エッチング反応器における問題は、特にウエハの縁の周りに、均一なＲＦ結合がないことである。図１は、通常の容量結合プラズマ結合チャンバ１００を示し、基板をエッチングするのに典型的に用いられる種類の例示的なプラズマ処理チャンバを表す。ここで図１を参照すると、チャック１０２は加工物ホルダを表し、エッチング中に、該チャックの上にウエハ１０４のような基板が位置させられる。チャック１０２は、例えば、静電的、機械的、クランピング、真空などのような好適なチャッキング技術のいずれかにより設けることができる。エッチング中、チャック１０２には、典型的には、二重周波数源１０６により、例えば２Ｍｈｚ及び２７Ｍｈｚのような二重のＲＦ周波数（低周波数（ＬＦ）及び高周波数（ＨＦ））が同時に供給される。

上方電極１０８は、ウエハ１０４の上に配置される。上方電極１０８は、接地される。図１は、上方電極１０２の表面がチャック１０２及びウエハ１０４の表面より大きいエッチング反応器を示す。エッチング中、プラズマ１１０は、ガスライン１１２により供給されたエッチング剤源のガスから形成されて、排気ライン１１４を通って外に送出される。

閉じ込めリング１１６は、上方電極１０８と図２においてはチャック１０２のような下方電極との間に置くことができる。一般には、閉じ込めリング１１６は、エッチングプラズマ１１０をウエハ１０４の上の領域に閉じ込めて、処理制御を改善して反復性を確実にすることを助ける。

ＲＦ電源１０６からＲＦ電力がチャック１０２に供給されると、等電位力線が、該ウエハ１０４の上にもたらされる。等電位力線は、ウエハ１０４とプラズマ１１０との間のプラズマシースを横切る電気力線である。プラズマ処理中、陽イオンが等電位力線を横切って加速してウエハ１０４の表面に当たり、これによりエッチングの方向性が改善されるというような所望のエッチング効果がもたらされる。上方電極１０８及びチャック１０２の幾何学的形状に起因して、力線はウエハ表面にわたって均一でないことがあり、ウエハ１０４の縁においては著しく異なることがある。したがって、ウエハ表面全体にわたり処理の均一性が改善されるように、合焦リング１１８を設けることが普通である。図１を参照すると、ウエハ１０４は、セラミック、石英、プラスチックなどのような好適な誘電材料で形成することができる合焦リング１１８内に配設された状態で示されている。したがって、合焦リング１１８の存在は、等電位力線をウエハ１０４の表面全体の上にほぼ均一に配設できるようにする。

導電性シールド１２０は、合焦リング１１８を実質的に取り囲む。導電性シールド１２０は、プラズマ処理チャンバ内で実質的に接地されるように構成される。シールド１２０は、合焦リング１１８の外側の不要な等電位力線の存在を阻む。

上方電極１０８が下方電極１０４より大きいために、ウエハ１０４と該上方電極１０８との間でＲＦ電流が移動する経路は、該ウエハ１０４の縁で特に増加する。したがって、ウエハ１０４におけるエッチング速度は、該ウエハ１０４の外縁において降下して、均一性が少ないエッチングされたウエハをもたらすことになる。

したがって、ウエハ上でのプラズマ放電の均一性を改善する方法及び装置の存在が必要とされる。本発明の主な目的は、これらの要求を満たして、さらに関連する利点を提供することである。

（発明の開示）
第１の電極、第２の電極、閉じ込めリング、合焦リング、及びシールドを囲むチャンバを有するエッチング装置。第１の電極は、一定電位の源に結合される。第２の電極は、二重周波数ＲＦ電源に結合される。閉じ込めリングは、第１の電極と第２の電極との間に配設される。チャンバは、源に結合された導電性材料で形成される。合焦リングは、実質的に、第２の電極を取り囲み、該第２の電極を電気的に絶縁する。シールドは、実質的に、合焦リングを取り囲む。第２の電極の縁とシールドの縁との間の距離は、少なくとも、該第２の電極の縁と第１の電極の縁との間の距離より少ない。シールドは、一定電位の源に結合された導電性材料で形成される。

（発明を実施するための最良の形態）
本明細書に組み入れられかつ本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の１つ又はそれ以上の実施形態を示し、詳細な説明と併せて、本発明の原理及び実装を説明するものとなる。

本発明の実施形態は、ここでは、二重周波数プラズマエッチング反応器におけるエッチング速度の均一性を改善する内容について述べられる。当業者であれば、本発明の以下の詳細な説明は例示的なものに過ぎず、如何なる形ででも制限的なものではないと意図されていることを理解するであろう。この開示の利点を有する当業者であれば、本発明の他の実施形態が容易に心に浮かぶであろう。ここで、添付の図面に示されるように、本発明の実施について詳細に参照する。図面及び以下の詳細な説明の全体にわたり、同じであるか又は同様な部分を意味するために、同じ参照表示が用いられる。

明確さのために、ここに述べられる実施におけるすべての通常の特徴が図示されて述べられるわけではない。もちろん、いずれのこのような実際の実装の開発においても、用途関連及びビジネス関連の制約との適合性のような開発者の特定の目標を達成するために、幾多の実施形態特有の決定をしなければならず、これらの特定の目標は実施によって、及び開発者によって異なることが分かる。さらに、このような開発努力は複雑で時間のかかるものであるが、この開示の利点を得た当業者にとっては、通常の技術であることが理解されるであろう。

図２は、容量結合プラズマ処理チャンバ２００を示し、基板をエッチングするのに典型的に用いられる種類の例示的なプラズマ処理チャンバを表す。ここで図２を参照すると、チャック２０２は加工物ホルダを表し、エッチング中に、該チャックの上にウエハ２０４のような基板が位置させられる。チャック２０２は、例えば、静電的、機械的、クランピング、真空などのような好適なチャッキング技術のいずれかにより実施することができる。エッチング中、チャック２０２には、典型的には、二重周波数源２０６により、例えば２Ｍｈｚ及び２７Ｍｈｚのような二重のＲＦ周波数が同時に供給される。

上方電極２０８は、ウエハ２０４の上に配置される。上方電極２０８は、接地されるか（図２の場合におけるように）又は、エッチング中に、別のＲＦ電源により、電力が与えられることになる。上方電極２０８に電力が与えられた場合には、該上方電極２０８を接地から浮かすように、反応器の残りから絶縁することができる。図２は、上方電極２０８の表面がチャック２０２の表面より大きいエッチング反応器を示す。エッチング中、ガスライン２１２により供給されたエッチング剤源からのガスによりプラズマ２１０が形成されて、排気ライン２１４を通って外に送出される。

閉じ込めリング２１６は、上方電極２０８と図２においてはチャック２０２のような下方電極との間に置くことができる。一般には、閉じ込めリング２１６は、エッチングプラズマ２１０をウエハ２０４の上の領域に閉じ込めて、処理制御を改善して反復性を確実にすることを助ける。図２においては３つの閉じ込めリング２１６だけが示されているが、閉じ込めリングは幾つあってもよいことを理解されたい。

二重ＲＦ電源２０６からＲＦ電力がチャック２０２に供給されると、等電位力線(equipotential field line)（ウエハ２０４とプラズマ２１０との間のプラズマシースを横切る電気力線(electric field line)）が、該ウエハ２０４の上にもたらされる。プラズマ処理中、陽イオンが等電位力線を横切って加速してウエハ２０４の表面に当たり、これによりエッチングの方向性が改善されるというような所望のエッチング効果がもたらされる。上方電極２０８及びチャック２０２の幾何学的形状に起因して、力線はウエハ表面にわたって均一でないことがあり、ウエハ２０４の縁においては著しく異なることがある。したがって、ウエハ表面全体にわたり処理の均一性が改善されるように、合焦リング２１８を設けることが普通である。図２を参照すると、ウエハ２０４は、セラミック、石英、プラスチックなどのような好適な誘電材料で形成することができる合焦リング２１８内に配設された状態で示されている。したがって、合焦リング２１８によってウエハ２０４及びチャック２０２を実質的に取り囲むことにより、等電位力線が、該ウエハ２０４の表面全体の上にほぼ均一に配設される。

導電性シールド２２０は、合焦リング２１８を実質的に取り囲む。導電性シールド２２０は、プラズマ処理チャンバ内で実質的に接地されるように構成される。シールド２２０は、合焦リング２１８の外側の不要な等電位力線の存在を阻み、該等電位力線の所望の方向性をもたらす。

ウエハの縁の周りのＲＦ結合を高めるため、及びこれにより該ウエハの縁の均一性を改善するために、シールド２２０により形成される接地戻り路(ground return)をウエハ２０４の縁の近くに導き、したがって、チャック２０２の外縁の近くに導いて、該チャック２０２の縁と該シールド２２０の縁との間の距離が、少なくとも上方電極２０８の縁と該チャック２０２の縁との間の距離より小さくなるようにする。このようにして、シールド２２０は、チャック２０２の縁とウエハ２０４から出る電流のための好ましい接地戻り路を形成する。

図３は、容量結合プラズマ処理チャンバ３００の別の実施形態を示す。図３を参照すると、チャック３０２は加工物ホルダを表し、エッチング中に、該チャックの上にウエハ３０４のような基板が位置させられる。チャック３０２は、例えば、静電的、機械的、クランピング、真空などのような好適なチャッキング技術のいずれかにより形成することができる。エッチング中、チャック３０２には、典型的には、二重周波数源３０６により、例えば２Ｍｈｚ及び２７Ｍｈｚのような二重のＲＦ周波数が同時に供給される。

上方電極３０８は、ウエハ３０４の上に配置される。上方電極３０８は、図３の場合におけるように、接地することができる。図３は、上方電極３０８の表面がチャック３０２の表面より大きいエッチング反応器を示す。エッチング中、ガスライン３１２により供給されたエッチング剤源からのガスによりプラズマ３１０が形成されて、排気ライン３１４を通って外に送出される。

閉じ込めリング３１６は、上方電極３０８と下方電極（図３においてはチャック３０２）との間に置くことができる。一般には、閉じ込めリング３１６は、エッチングプラズマ３１０をウエハ３０４の上の領域に閉じ込めて、処理制御を改善して反復性を確実にすることを助ける。図２においては３つの閉じ込めリング３１６だけが示されているが、閉じ込めリングは幾つあってもよいことを理解されたい。

ＲＦ電源３０６からＲＦ電力がチャック３０２に供給されると、等電位力線が、該ウエハ３０４の上にもたらされる。プラズマ処理中、陽イオンが等電位力線を横切って加速してウエハ３０４の表面に当たり、これによりエッチングの方向性が改善されるというような所望のエッチング効果がもたらされる。上方電極３０８及びチャック３０２の幾何学的形状に起因して、力線はウエハ表面にわたって均一でないことがあり、ウエハ３０４の縁においては著しく異なることがある。したがって、ウエハ表面全体にわたり処理の均一性が改善されるように、合焦リング３１８を設けることが普通である。図３を参照すると、ウエハ３０４は、セラミック、石英、プラスチックなどのような好適な誘電材料で形成することができる合焦リング３１８内に配設された状態で示されている。したがって、合焦リング３１８の存在は、等電位力線をウエハ３０４の表面全体の上にほぼ均一に配設できるようにする。

導電性シールド３２０は、合焦リング３１８を実質的に取り囲む。導電性シールド３２０は、プラズマ処理チャンバ内で実質的に接地されるように構成される。シールド３２０は、合焦リング３１８の外側の不要な等電位力線の存在を阻む。

ウエハの縁の周りのＲＦ結合を高めるため、及びこれにより該ウエハの縁の均一性を改善するために、シールド３２０により形成される接地戻り路は、図３に示されるように、ウエハの縁の近くに導かれかつ誘電性合焦リング３１８により離間される。シールド３２０は、例えば、合焦リング３１８を実質的に取り囲む管形状とすることができる。誘電性シールド３２０は、例えば、アルミニウムを含むことができる。誘電性シールド３２０をウエハ３０４の縁の近くに導くために、該シールド３２０をシリコン層３２２で被覆することができる。シリコン被覆の層３２２をさらに部分的に延ばして、図３に示されるように、誘電性合焦リング３１８の上を被覆することができる。シリコン被覆３２２の内縁とウエハ３０４の縁との間の距離は、少なくとも上方電極３０８の縁とチャック３０２の縁との間の距離より少ないものである。誘電性合焦リング３１８は、ウエハとシリコン被覆３２２を電気的に絶縁する。

図４は、従来技術により達成されたエッチング速度と本発明により達成されたエッチング速度とを比較するグラフである。１５ミリメートルの石英の合焦リングが、ウエハの縁とシリコン被覆されたアルミニウムの接地シールドとの間の絶縁体として用いられた。図４におけるグラフを生成する試験は、平らな電極間に１．３５ｃｍの間隙がある容量結合チャンバにおいて行われた。均一性をチェックするために、ブランケット酸化ウエハがエッチングされた。プロット線４０２は、従来技術おける通常のプラズマエッチング反応器により生成されたものである。プロット線４０４は、現在特許請求されている構成を用いるプラズマエッチング反応器により生成されたものである。

図４に示されるように、エッチング速度の均一性は、通常の構成に比べて、現在特許請求されている構成を用いることにより著しく改善された。図４のグラフは、このように、より均一に処理されたウエハを生み出す現在特許請求されている構成を用いて、ウエハにおける、特に該ウエハの縁におけるより均一なエッチング速度を示す。

図５は、本発明の一実施形態による上方電極及び下方電極を有するプラズマエッチング装置においてエッチング速度の均一性を改善する方法を示す。ステップ５０２において、電気的絶縁リングすなわち合焦リングが下方電極の縁の周りに置かれる。下方電極はウエハを支持し、二重周波数ＲＦ電源に結合することができる。ステップ５０４において、接地されたシールドが電気的絶縁リングの周りに置かれて、該電気的絶縁リング及び下方電極の両方を実質的に取り囲む。下方電極又はウエハの縁と接地されたシールドの縁との間の距離は、少なくとも該下方電極又はウエハの縁と上方電極の縁との間の距離より少ないものである。本発明の別の実施形態においては、接地されたシールドと上方電極との間の距離を、さらに、ステップ５０６で調整することができる。ウエハにわたるエッチング速度の均一性は、さらに、ステップ５０６において、接地されたシールドと上方電極との間の距離を調整することにより最適化することができる。

本発明の実施形態及び適用例が図示され述べられたが、この開示の利点を有する当業者であれば、本発明の内容から離れることなく、上述されたものよりさらに多くの修正が可能であることを理解するであろう。したがって、本発明は、特許請求の範囲の精神以外に制限されるものではない。

従来技術におけるエッチング装置の概略図である。 本発明の特定の実施形態におけるエッチング装置の概略図である。 本発明の別の特定の実施形態におけるエッチング装置の概略図である。 従来技術により達成されたエッチング速度と本発明の一実施形態により達成されたエッチング速度とを比較したグラフである。 本発明の一実施形態においてエッチング速度の均一性を改善する方法を示すフロー図である。

Claims (8)

1. 一定電位の源に結合された第１の電極と、
   二重周波数ＲＦ電源に結合され、ウエハを支持する第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に配設された複数の閉じ込めリングと、
   前記の第１の電極と、前記第２の電極と、前記複数の閉じ込めリングとを囲み、前記一定電位の前記源に結合された導電性材料で形成されたチャンバと、
   前記第２の電極を実質的に取り囲み、前記第２の電極を電気的に絶縁する合焦リングと、
   前記合焦リングを実質的に取り囲むシールドと、
   を備え、前記第２の電極の縁と前記シールドの縁との間の距離は、少なくとも前記第２の電極の縁と前記第１の電極の縁との間の距離より小さく、前記シールドが前記一定電位の前記源に結合された導電性材料で形成され、
   前記シールドは、前記第２の電極の縁と前記ウエハから出る電流の戻り路を形成する、ことを特徴とするエッチング装置。
2. 前記合焦リングが石英を含む請求項１に記載のエッチング装置。
3. 前記シールドがアルミニウムを含む請求項１に記載のエッチング装置。
4. 前記シールド上に被覆されたシリコン層をさらに含む請求項３に記載のエッチング装置。
5. 一定電位の源に結合された第１の電極と、
   二重周波数ＲＦ電源に結合され、ウエハを支持する第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に配設された複数の閉じ込めリングと、
   前記の第１の電極と、前記第２の電極と、前記複数の閉じ込めリングとを囲み、前記一定電位の前記源に結合された導電性材料で形成されたチャンバと、
   前記第２の電極を実質的に取り囲み、前記第２の電極を電気的に絶縁する合焦リングと、
   前記合焦リングを実質的に取り囲むシールドと、
   を備え、前記第２の電極の縁と前記シールドの縁との間の距離は、少なくとも前記第２の電極の縁と前記第１の電極の縁との間の距離より小さく、前記シールドが前記一定電位の前記源に結合された導電性材料で形成され、
   前記シールド上に被覆されたシリコン層をさらに含み、
   前記シリコン層が、前記合焦リングの上に、部分的に内側に延びることを特徴とするエッチング装置。
6. 前記第１の電極の表面が前記第２の電極の表面より大きい請求項１に記載のエッチング装置。
7. 請求項１に記載のエッチング装置におけるエッチング速度の均一性を改善する方法であって、
   前記合焦リングを、前記二重周波数ＲＦ電源に結合された前記第２の電極の縁の周りに置き、
   接地されたシールドを前記合焦リングの周りに置く、
   ステップを備え、前記第２の電極の縁と前記接地されたシールドの縁との間の距離が、少なくとも、前記第２の電極の縁と前記第１の電極の縁との間の距離より小さい、
   ことを特徴とする方法。
8. 前記接地されたシールドの前記縁と前記第１の電極の前記縁との間の距離を調整することをさらに含む請求項７に記載の方法。

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