JP4794449B2 - ナローギャップ容量結合リアクタのｒｆパルシング技術 - Google Patents

Description

本発明は、基板上のレイヤをエッチングすることによって半導体ウェーハ上に構造を提供する方法および装置に関する。

半導体プラズマエッチングの応用例において、プラズマエッチャは、マスクパターンをウェーハ上の所望の薄膜および／または薄膜積層体（filmstack、フィルムスタック）（導体または誘電体絶縁物）の回路およびラインパターンに転写するのにふつう用いられる。これは、マスクパターンの開放された領域におけるマスク材料の下の薄膜（および薄膜積層体）をエッチングして除去することによって達成される。このエッチング反応は、リアクタまたはプロセスチャンバとも呼ばれる真空容器中に含まれる反応物質混合物からプラズマを発生することによって、化学的に活性な種および電気的に帯電した粒子（イオン）によって開始されえる。加えて、このイオンは、ガス混合物およびウェーハ材料の間に作られた電界を通してウェーハ材料に向かって加速されえ、異方性エッチングと呼ばれるやり方で、イオンの軌跡の向きに沿ったエッチング材料の方向性除去を行う。エッチングシーケンスの最後に、マスキング材料は、それらを剥離することによって除去されえ、その場所には元々意図されたマスクパターンの水平パターンのレプリカが残る。

誘導的に結合されたプラズマ装置において、パルス化された、または変調されたＲＦ電源を用いることが知られている。そのようなパルス化は、パルスのオフ部分のあいだに電子温度を急激に下げることを許し、それは平均電子温度を下げる。ＲＦオフ期間のあいだ、電子温度は急激に下がるとき、プラズマイオン密度はずっと遅い速度で減少するが、これはイオンが電子より質量が大きいために、電子より遅く移動するからである。したがって、このプロセスは、平均電子温度を大きく下げえるが、一方、平均プラズマ密度をほぼ変えずに維持する。これは電子シェーディング効果を低減し、半導体デバイスの微細形状に対する電子ダメージを低減しえる。そのようなプロセスは、単一のＲＦ周波数をパルス化しえる。

前述のことを達成するために、本発明の目的によれば、ウェーハ上のレイヤのプラズマエッチングを行う装置が提供される。容量的に結合されたプロセスチャンバが提供される。ガス源は、前記容量的に結合されたプロセスチャンバに流体的に連通する。前記プロセスチャンバ内に第１電極が提供される。前記第１電極から間隔が置かれ対向する第２電極が提供される。第１高周波電源は、前記第１および第２電極のうちの少なくとも１つに電気的に接続され、前記第１高周波電源は１５０ｋＨｚおよび１０ＭＨｚの間の高周波電力を供給する。第２高周波電源は、前記第１および第２電極のうちの少なくとも１つに電気的に接続され、前記第２高周波電源は１２ＭＨｚおよび２００ＭＨｚの間の高周波電力を供給する。第１変調制御器は、前記第１高周波電源に接続され、１ｋＨｚから１００ｋＨｚの間の周波数において前記第１高周波電源の制御された変調を提供する。

本発明の他の実施形態において、ウェーハ上のレイヤのプラズマエッチングを行う装置が提供される。容量的に結合されたプロセスチャンバが提供される。ガス源は、前記容量的に結合されたプロセスチャンバに流体的に連通する。前記プロセスチャンバ内に第１電極が提供される。前記第１電極から間隔が置かれ対向する第２電極であって、前記第２電極は前記第１電極からギャップを形成するよう離れて置かれ、前記ウェーハは、前記第１および第２電極の間にマウント可能であり、ウェーハの直径のギャップサイズに対する比は６：１から６０：１の間である、第２電極が提供される。第１周波数における電力信号を供給する第１高周波電源は、前記第１および第２電極のうちの少なくとも１つに電気的に接続される。第２周波数における電力信号を供給する第２高周波電源は、前記第１および第２電極のうちの少なくとも１つに電気的に接続され、前記第１高周波は前記第２高周波と異なる。１ｋＨｚから１００ｋＨｚの間の周波数において前記第１高周波電源の制御された変調を提供する第１変調制御器は、前記第１高周波電源に接続される。１ｋＨｚから１００ｋＨｚの間の周波数において前記第２高周波電源の制御された変調を提供する第２変調制御器は、前記第２高周波電源に接続される。

本発明の他の実施形態において、ウェーハ上のレイヤをエッチングする方法が提供される。容量的に結合されたプロセスチャンバ内に前記ウェーハが置かれる。前記プロセスチャンバ内にエッチングガスが供給される。前記プロセスチャンバ内に容量的に結合された第１高周波信号が供給される。前記第１高周波信号が変調される。前記プロセスチャンバ内に容量的に結合された第２高周波信号が供給される。前記第２高周波信号が変調される。

本発明のこれらおよび他の特徴は、本発明の詳細な説明において、添付の図を参照して以下により詳細に説明される。

本発明は、添付図面の図中で限定によってではなく例示によって示され、同様の番号は同様の要素を示す。

本発明は、添付の図面に示されるように、そのいくつかの好ましい実施形態を参照して詳細に説明される。以下の記載において、本発明の完全な理解を提供するために多くの具体的な詳細が述べられる。しかし当業者には、本発明はこれら具体的な詳細の一部または全てがなくても実施できることが明らかだろう。他の場合には、本発明の趣旨を不必要にぼかさないために、よく知られたプロセスステップおよび／または構成は詳細に記載されていない。

エッチングプロセスのあいだ、エッチャント混合物ガスは、さまざまな種に解離する。例えばＣ₄Ｆ₈およびＯ₂の化学反応を用いれば、Ｃ₄Ｆ₈はエッチングプラズマ中でＣＦ₂ ⁺およびＦ⁺のイオンに解離しえる。Ｆ⁺は、フォトレジストをエッチングする傾向にありえる。したがってエッチング選択性を増すためには、Ｃ₄Ｆ₈を解離させてより多くのＣＦ₂ ⁺およびより少ないＦ⁺を生むようにすることが望ましいかもしれない。したがって、プラズマ中で発生する、結果として生じる種の比を制御することができることが望ましい。

図１は、本発明の好ましい実施形態において用いられえる容量性結合されたプロセスチャンバ１００の概略図である。この実施形態において、プラズマ処理チャンバ１００は、閉じ込めリング１０２、上側電極１０４、下側電極１０８、ガス源１１０、および排気ポンプ１２０を備える。プラズマ処理チャンバ１００内で、基板ウェーハ１８０は、下側電極１０８上に配置される。下側電極１０８は、基板ウェーハ１８０を保持するための適切な基板チャッキングメカニズム（例えば静電、機械的クランピングなど）を組み込んでいる。プロセスチャンバ上部１２８は、下側電極１０８にすぐに対向して配置される上側電極１０８を組み込んでいる。上側電極１０４、下側電極１０８、および閉じ込めリング１０２は、閉じ込めプラズマ空間（confined plasma volume）１４０を定義する。ガスは、この閉じ込めプラズマ空間にガス源１１０によってガス吸気口１４３を通して供給され、閉じ込めプラズマ空間から排気ポンプ１２０によって閉じ込めリング１０２および排気口を通して排気される。排気ポンプ１２０は、プラズマ処理チャンバのガス排気口を形成する。

第１ＲＦ源１４４および第２ＲＦ源１４８は、下部電極１０８に電気的に接続される。第１ＲＦ源１４４は、１５０ｋＨｚから１０ＭＨｚの間の周波数を持つ高周波電力を供給する。好ましくは、この周波数は約２ＭＨｚである。第２ＲＦ源１４８は、１２ＭＨｚおよび２００ＭＨｚの間の周波数を持つ高周波電力を供給する。好ましくは、この周波数は約２７ＭＨｚである。好ましくは、第２ＲＦ源１４８からの周波数は、第１ＲＦ源１４４からの周波数の少なくとも１０倍である。第１パルス変調器１３３は、第１ＲＦ源１４４に制御可能に接続される。第１パルス変調器１３３は、第１ＲＦ源信号を１ｋＨｚから１００ｋＨｚの間の周波数において変調することができる。第２パルス変調器１３５は、第２ＲＦ源１４８に制御可能に接続される。第２パルス変調器１３５は、第２ＲＦ源信号を１ｋＨｚから１００ｋＨｚの間の周波数において変調することができる。この実施形態において、上側電極１０４は接地されている。コントローラ１３７は、第１パルス変調器１３３、第２パルス変調器１３５、排気ポンプ１２０、およびガス源１１０に制御可能に接続されえる。コントローラ１３７は、第１および第２ＲＦ源１４４、１４８のような他の装置にも制御可能に接続されえる。チャンバ壁１５２は、閉じ込めリング１０２、上側電源１０４、および下側電極１０８が配置されるプラズマ容器を定義する。

好ましい実施形態において、３００ｍｍウェーハを処理するために、上側および下側電極１０４、１０８の間のギャップは、約２ｃｍである。したがって、この実施形態において、下部電極１０８の直径にほぼ等しい、処理されるべきウェーハ１８０の直径の、上側電極および下側電極間の距離に対するアスペクト比は、３００ｍｍ：２ｃｍ、すなわち１５：１である。好ましくは、処理されるウェーハの直径および電極ギャップの間のアスペクト比は、６：１から６０：１の間である。より好ましくは、アスペクト比は、１０：１から４０：１の間である。その結果、このプロセスチャンバは、電極間に非常に狭いギャップを有する。このようなアスペクト比は、シース（sheath）がバルクプラズマの実質的にほんの一部であることを可能にするギャップを用いる。好ましくは、上側電極および下側電極間のギャップは８ｃｍ未満である。より好ましくは、上側電極および下側電極間のギャップは、約０．５および４ｃｍの間である。最も好ましくは、上側電極および下側電極間のギャップは、約２ｃｍである。

図２は、本発明の好ましい実施形態を用いえるプロセスのフロー図である。操作のあいだ、パターン付きマスクを持つウェーハ１８０は、プロセスチャンバ１００内に置かれる（ステップ２０４）。この実施形態において、ウェーハ１８０は、下部電極１０８によって支持される。エッチャントガス混合物は、ガス源１１０によってプラズマ空間１４０に供給される（ステップ２０６）。この例では、ウェーハ上の、フォトレジストマスクの下の誘電体レイヤをエッチングするために、アルゴン、Ｃ₄Ｆ₈、酸素、および他の成分ガスのエッチャントガス化学物質が用いられえる。変調された第１および第２ＲＦ電力がそれから供給されて（ステップ２０８）、エッチャントガスから形成されたプラズマを作り、維持する。このプラズマは、マスクの下のレイヤをエッチングする（ステップ２１０）ために用いられる。

理論によって束縛されることを望むのではないが、容量性結合されたプロセスチャンバ内のＲＦ電力の変調は、プラズマのシースの変化を起こすと考えられる。そのような変化はシステムによっては、プラズマ空間の一部に影響するだけかもしれない。本発明のプロセスチャンバは、薄い電極ギャップおよび高いアスペクト比によって規定される薄いプラズマ空間を有するので、その結果、この変調によって影響されるシースは、プラズマ空間の大部分を占める。その結果、変調は、種の解離およびプラズマ空間の大部分についての生成比（generation ratios）の損失を独立して制御するのに用いられえる。

図３は、より高い周波数のＲＦ源の変調周波数に対するＦ⁺／ＣＦ₂ ⁺の濃度比のグラフである。このグラフは、変調周波数が増すと、ＣＦ₂ ⁺に対するＦ⁺の比が減り、変調周波数がこの比を制御するために用いられえることを概略的に示す。これは、プラズマ空間の大部分においてガスの解離比を制御するために本発明がどのように用いられえるかの例である。

生成比（generation ratio）に対するプラズマ損失は、イオンおよび電子の個数およびそれらのエネルギーのようなさまざまなファクタに依存する。変調は、これらさまざまなファクタを変えるのに用いられえる。上述のように、そのような変調は、主にシース領域に影響しえる。本発明は、この空間の大部分を占めるシース領域を提供するので、この変調は、プラズマの大部分の空間に影響を与えるために用いられえる。

プラズマバルクの体積が大きな量で変化されるとき、プラズマ中の生成−損失バランス（generation-loss balance）が変えられる。バランスの変化は、電子温度（およびそれによってプラズマ種の断片化／解離）のようなプラズマパラメータを変えるとわかっている。

本発明は、エッチングをエッチングのタイプに従って調整するために用いられえるさらなる制御も提供する。例えば、高アスペクト比のコンタクトをエッチングするとき、エッチングのためにより高いエネルギーのイオンを提供するために多くのシース（sheath）が望まれる。パルス変調器は、高いシースポテンシャルに有利な変調周波数を有し、連続波動作のあいだに達成可能であるよりも、パルスオンのあいだに増加された瞬時のより低い周波数の電力を可能にさえする。もし代わりに低ｋ誘電体中にトレンチがエッチングされるべきなら、イオン衝突は低減されなければならず、したがってシースは低減されなければならない。これは、ウェーハシースを典型的に制御する、より低い周波数を変調することによって、低いイオンエネルギーをさらに微調整することを可能にすることによって達成されえる。

変調は、シースによって影響される空間のパーセンテージを変えるためにも用いられえる。したがって、本発明は、エッチングバイアス、シース、および解離化学反応を制御するために追加の制御を提供することができる。このコントローラは、ＲＦ電源の変調が互いに同期して、または互いに独立して変調されることを可能にする。

他の実施形態において、他のＲＦ電源および電極構成が用いられえる。例えば、他の実施形態は、第１および第２ＲＦ源を上側電極に接続しえる。

他のエッチングの効果が、狭いプラズマ空間を有し、２つのＲＦ源の変調を可能にする本発明の装置から見いだされえる。

本発明はいくつかの好ましい実施形態について説明されてきたが、本発明の範囲に入る変更、組み合わせ、改変物およびさまざまな代替の等価物が存在する。本発明の方法および装置を実現する多くの代替のやり方が存在ことに注意されたい。したがって以下の添付の特許請求の範囲は、全てのそのような改変物、組み合わせ、変更、およびさまざまな代替の等価物を本発明の真の精神および範囲に入るよう含むと解釈されるべきであると意図される。

本発明の好ましい実施形態において用いられえる容量性結合されたプロセスチャンバの概略図である。 本発明の好ましい実施形態を用いえるプロセスのフロー図である。 変調周波数に対するＦ⁺／ＣＦ₂ ⁺の濃度比のグラフである。

Claims (12)

1. ウェーハ上のレイヤにプラズマエッチングを施す装置であって、
   流体の移動が可能にガス源と連通し容量的に結合されたプロセスチャンバと、
   前記プロセスチャンバ内に設けられた第１電極と、
   前記ウェーハを保持する基板チャッキングメカニズムを形成し、前記第１電極から間隔を置いて対向する第２電極と、
   前記第２電極に電気的に接続され、約１５０ｋＨｚから約１０ＭＨｚの間の第１高周波電力を供給する第１高周波電源と、
   前記第２電極に電気的に接続され、約１２ＭＨｚから約２００ＭＨｚの間の第２高周波電力を供給する第２高周波電源と、
   前記第１高周波電源に制御可能に接続され、前記第１高周波電源の供給電力を約１ｋＨｚから約１００ｋＨｚの間の周波数に変調する制御を行う第１変調制御器と、
   前記第２高周波電源に制御可能に接続され、前記第２高周波電源の供給電力を約１ｋＨｚから約１００ｋＨｚの間の周波数に変調する制御を行う第２変調制御器と
   を備え、
   前記第１変調制御器および前記第２変調制御器は、前記第２電極に供給される前記第１高周波電力および前記第２高周波電力の各周波数を変調させ、
   前記第２電極は、前記第１電極と前記第２電極との間の間隔と、前記ウェーハの直径との比が１：１５から１：６０との間になるように、前記第１電極から間隔を置いて対向する、装置。
2. 前記第１電極と前記第２電極との間の間隔は、８ｃｍ未満である請求項１に記載の装置。
3. 前記第２高周波電源の周波数は、前記第１高周波電源の周波数の１０倍より大きい請求項１または請求項２に記載の装置。
4. 更に、前記プロセスチャンバ内に設けられ、前記ウェーハの周囲にプラズマ空間を画定する閉じ込めリングを備える請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の装置。
5. 更に、前記第１変調制御器および前記第２変調制御器に制御可能に接続されたコントローラを備える請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の装置。
6. ウェーハ上のレイヤにプラズマエッチングを施す装置であって、
   流体の移動が可能にガス源と連通し容量的に結合されたプロセスチャンバと、
   前記プロセスチャンバ内に設けられた第１電極と、
   前記第１電極から間隔を置いて対向し、前記第１電極との間に前記ウェーハをマウント可能な第２電極であって、前記第１電極と前記第２電極との間の間隔に対する前記ウェーハの直径のアスペクト比は、１５：１から４０：１の間である第２電極と、
   前記第２電極に電気的に接続され、第１周波数で第１電力信号を供給する第１高周波電源と、
   前記第２電極に電気的に接続され、前記第１高周波と異なる第２周波数で第２電力信号を供給する第２高周波電源と、
   前記第１高周波電源に制御可能に接続され、前記第１電力信号を約１ｋＨｚから約１００ｋＨｚの間の周波数に変調する制御を行う第１変調制御器と、
   前記第２高周波電源に制御可能に接続され、前記第２電力信号を約１ｋＨｚから約１００ｋＨｚの間の周波数に変調する制御を行う第２変調制御器と
   を備え、
   前記第２電極は、前記ウェーハを保持する基板チャッキングメカニズムを形成し、
   前記第１変調制御器および前記第２変調制御器は、前記第２電極に供給される前記第１電力信号および前記第２電力信号の各周波数を変調させる、装置。
7. 前記第１電極と前記第２電極との間の間隔は、８ｃｍ未満である請求項６に記載の装置。
8. 前記第２高周波電源の周波数は、前記第１高周波電源の周波数の１０倍より大きい請求項６または請求項７に記載の装置。
9. 更に、前記プロセスチャンバ内に設けられ、前記ウェーハの周囲にプラズマ空間を画定する閉じ込めリングを備える請求項６ないし請求項８のいずれか一項に記載の装置。
10. 更に、前記第１変調制御器および前記第２変調制御器に制御可能に接続されたコントローラを備える請求項６ないし請求項９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記第１の電極は接地される請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記第１変調制御器および前記第２変調制御器による変調によって、前記第１電極と前記第２電極との間のギャップに占めるプラズマのシース領域を増加させる、請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の装置。

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