JP4828755B2 - プラズマリアクタシステム、プラズマリアクタに供給する電力を制御する方法およびプラズマ処理システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の分野】
本発明は、プラズマ処理システムに関し、特に、電気パラメータ、とりわけピーク電圧のモニタリングおよびフィードバックを通じてプラズマリアクタ内での高周波の伝達を制御するための方法および装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
イオン化ガスまたはプラズマは、半導体デバイスの処理および製造において広く使用される。たとえば、プラズマは、半導体集積回路ウェーハから材料をエッチングまたは除去するために、あるいは半導体、導体、または絶縁面に材料をスパッタリングまたは堆積させるために使用可能である。
【０００３】
図１Ａに示されるように、製造または生産プロセスで使用するプラズマの生成は通常、一般に１２のように設計されるプラズマリアクタのプラズマチャンバ１０に様々なプロセスガスを導入することで開始される。こうしたガスは吸気口１３を通じてチャンバ１０内に入り、排気口１５を通じて外に出る。集積回路ウェーハ等のワークピース１４はチャンバ１０内に配置され、ウェーハホルダ１６上に保持される。リアクタ１２は、さらにプラズマ密度生成機構１８（ＴＣＰコイル等）を含む。プラズマ誘導電源２０によって供給されるプラズマ誘導信号がプラズマ密度生成機構１８に加えられる。このプラズマ誘導信号は、好ましくは高周波（ＲＦ）信号である。セラミックまたは石英等の高周波放射を伝達可能な材料で作成された誘電窓２２は、チャンバ１０の上部表面に組み込まれ、ＴＣＰコイル１８から接地されたチャンバ１０内部への第１の高周波信号の効率的な伝達を可能にする。次に、この第１の高周波信号は、チャンバ内のガス分子を励起させてプラズマ２４を生成する。
【０００４】
チャンバ１０内で生成されたプラズマ２４には、電子と正電荷粒子とが含まれる。この電子は、正電荷粒子よりも軽く、より容易に移動する傾向にあり、これによりチャンバ１０の表面にシースが形成される。セルフバイアス効果により、チャンバの内部表面に正味の負電荷が発生する。この正味の負電荷、またはＤＣシース電位は、重い正電荷粒子を壁面に引き寄せる働きをする。ワークピース１４の位置におけるＤＣバイアスの強さは、主として正電荷粒子がワークピース１４に衝突する際のエネルギを決定し、これに対応して望ましいプロセス（エッチング速度または付着速度等）に影響を与える。
【０００５】
本発明は、ＤＣバイアスとＤＣシースの区分に留意することでさらに容易に理解されよう。ＤＣバイアスは、チャンバ１０内の表面と接地との間の電位の差として定義される。一方、ＤＣシースは、プラズマ電位とプラズマシース全体で測定されるチャンバ内部の表面の電位との差として定義される。
【０００６】
ワークピースは、チャック１６上に保持され、このチャック１６はチャンバ１０の底部に位置し、チャック電極２６を構成する。バイアス高周波電源２８は、バイアス高周波信号をチャック電極１６に供給する。代わりに、一部のシステムにおいて、プラズマ密度信号およびバイアス信号の両方は、実際には単一の電源によって生成される単一の信号となる。
【０００７】
この第２の電極での第２の励起信号は、好ましくは高周波信号の形態であり、チャンバ１０内の高周波電場の配置に応じて、ワークピースの位置でのＤＣバイアスを増加させ、これは荷電粒子がワークピースに衝突する際のエネルギを増加させる。第２の電極１６に供給される高周波信号の変化は、ワークピースのＤＣバイアスでの対応する変化を生み出し、これはプロセスに影響を与える。
【０００８】
さらに図１Ａに示されるように、上で説明したバイアス高周波電源２８は、高周波信号をチャック電極２６に供給する。この信号は、バイアス高周波電源２８とチャック電極２６との間に配置されたマッチングネットワーク３０を通過する。このマッチングネットワーク３０は、高周波信号のインピーダンスをプラズマが示す負荷と一致させる。同様のマッチングネットワーク３０は、電源２０を含む電源とＴＣＰコイル１８との間に設けられる。上で説明したように、チャック電極２６での高周波信号の制御および伝達は、プラズマ処理において根本的な重要性を有する。実際の電力伝達における大幅な変動は、プロセス速度を予想外に変化させる可能性がある。残念なことに、マッチングネットワーク３０により、高周波信号の大きな損失が発生する。さらに、こうした損失は変化しやすく、予測できない部分がある。そのため、事前に定められた高周波信号電力を高周波電源２８から供給するだけでは、予測可能で一貫した高周波信号が電極２６に伝達される状態を確保できない。
【０００９】
さらに図１Ａから分かるように、ワークピース１４をチャック１６に取り付けるために使用されてきた１つの方法は、ワークピースのエッジに沿ってワークピースの表面に接触し、ワークピースをチャックに保持するクランプ３２をチャックに設けることである。こうしたチャック１６を使用することで（ワークピースに多少の伝導性がある範囲では）、ピックアップ３３を電極２６に設置し、電圧センサ３４に電圧信号を伝送することで、ＤＣバイアスを直接測定することができる。その後、電源がフィードバック制御され、一定の測定ＤＣバイアスが維持される。しかしながら、ワークピース１４をチャック１６に取り付けるためにこうしたクランプ３２を使用することで、複数の問題が発生する。一つには、クランプ３２とのかみ合わせにより、ワークピース上で貴重な表面エリアが無駄になる可能性がある。加えて、クランプ３２とワークピース１４とのこうした接触は、ワークピース１４に損傷を与えるリスクがあり、粒子の生成が起きるため、望ましくない。
【００１０】
図１Ｂに示されるように、ワークピースを電極上に保持するために使用されてきた別の方法は、静電チャック３６の形態で電極を設けることである。非常に一般的な意味において、静電チャックは絶縁体４０に覆われた電極３８を含む。一般に半導体である導電性のワークピース１４は、この絶縁材料の上に存在する。電極３８にＤＣ電圧が加えられる時、この電極およびワークピース１４は静電結合状態となり、それぞれにおいて反対の電荷が発生し、ワークピース１４と電極３８は互いに引き合う。これによりワークピースはチャック３６に保持される。
【００１１】
さらに詳しくは、静電チャック３６は、図１Ｂに加えて図１Ｃを参考にして理解することができる。このバイポーラでの実施において、静電チャック３６の電極３８は、第１および第２の導電部分４２および４４を含み、これらは互いに電気的に分離されている。ＤＣ電原４６からのＤＣ電圧は、電極３８の第１および第２の部分４２および４４の間に加えられる前に、フィルタ４７を通過する。これにより、電極３８とワークピース１４との間に望ましい静電気引力が発生し、ワークピースがチャック３６に保持される。
【００１２】
図１Ｄには、簡素化された静電チャックが例示されている。この簡素化された形態の静電チャックは、単極チャック３７と呼ばれ、１Ｄに平面図が表示されている。ワークピース１４とチャックとの間にＤＣ電位を加えることで、それぞれの帯電によりワークピースがチャックに保持される。当業者に理解されるように、静電チャックは他の多数の形態でも可能である。
【００１３】
しかしながら、こうした静電チャック３６を使用することで、ワークピースのＤＣバイアスを直接測定することは実際的でなくなる。エンドユーザは、傷つきやすい半導体製品に何らかの機械的なプローブまたは電圧センサ等の導電物を接触させることを嫌う。加えて、プラズマ環境においてセンサの精度および寿命を維持するのは困難となる。電極１６での高周波信号の電力を測定してＤＣ電圧を相関させることも困難であり、電極とワークピースとの静電結合が原因の一部となり、ＤＣシース電位の正確な測定結果が得られない。
【００１４】
そのため、一定のＤＣシース電位を維持するために電極での高周波電力を制御するシステムの必要性が依然として存在する。こうしたシステムは、好ましくはワークピースとの接触が伴わず、プラズマチャンバのプラズマ環境にセンサを配置する必要がなく、変化しやすく予測不可能なマッチングネットワークによる電力の損失に対応したものとなる。
【００１５】
【発明の概要】
本発明は、チャンバとチャンバ内でワークピースを支持するチャックとを有するプラズマリアクタを提供する。このチャックは、バイアス高周波（ＲＦ）信号をバイアス高周波電源から受信するチャック電極を含む。この電極の高周波信号はプラズマに影響を与え、詳しくはＤＣバイアスに影響を与える。センサがプラズマのパラメータを測定し、このパラメータはたとえば、電極への高周波信号のピーク電圧であり、このピーク電圧は望ましい目標値と比較され、これにより誤差信号が生じる。その後、この誤差信号は増幅され、高周波電源の制御に使用される。
【００１６】
通常は、バイアス高周波電源とチャックとの間に配置されたマッチングネットワークが、プラズマ負荷のインピーダンスを高周波電源の電力のインピーダンス（通常は５０オーム）と一致させる。電極での一定の高周波信号を維持することは、ワークピースでの一定のＤＣバイアスと、これに対応する一定のプロセスとを維持する上で重要である。たとえば高周波伝達システムでは、プロセスの結果を予測不可能で一定でないものにするような損失が生じやすい。たとえばマッチングネットワークでは、高周波信号において大きな電力の損失が発生し、こうした損失は変化しやすく、予測不可能な範囲がある。電極近くの高周波ピーク電圧を検知し、検知した電圧を使用して対応する誤差信号を生成し、電源を制御することで、たとえばマッチングネットワークによって生成されるような伝達の変化が存在しても、ワークピースでの一定のＤＣバイアスを維持することが可能である。
【００１７】
詳しくは、本発明は、好ましくはトランス結合プラズマ（ＴＣＰ）リアクタコイルを有する誘導プラズマリアクタにおいて実施される。このコイルはプラズマチャンバの外部に配置することが可能であり、チャンバ壁に設けたセラミック窓によってプラズマから分離される。プラズマ生成高周波電源はＴＣＰコイルに高周波信号を供給する。ガスはチャンバを貫流し、ＴＣＰコイルから誘導された高周波電流によってイオン化される。この高周波電流は、主に誘導窓を通じた磁気誘導によって、プラズマに結合される。ＴＣＰコイルと、これに供給される信号との根本的な目的は、プラズマ密度を生成することである。
【００１８】
プラズマが生成されると、陽イオンよりも容易に移動する傾向にある電子は、チャンバの内部表面上、およびチャック上で支持されるワークピース上で、正味の負電荷を生み出す。この正味の負電荷は正電荷粒子がワークピースの表面に衝突する際のエネルギを決定するＤＣバイアスを生成し、これによりプロセスの結果を決定する主な要因となる。
【００１９】
電極に接続されたピックアップは、この電極に伝達された高周波信号を受信する。その後、この信号は、リード線を通じて、センサとチャック電極との間でアーク放電するリスクがない状態で可能な限りチャック電極に近く配置された高周波センサに伝達される。このセンサを電極の近くに配置することで、センサに高周波信号を伝送するのに必要なリード線の長さは最短となるため、リード線が信号に与える誘導および抵抗の影響は最小となる。
【００２０】
センサ内では、高周波信号はＡＣおよびＤＣの成分に分けて離される。望ましい場合、ＤＣ成分は、静電チャックの機能をモニタするために使用できる。しかしながら、これは本発明に必要な成分ではない。ＡＣ信号成分は、その後、サージ保安回路を通過し、平衡検出器回路に供給される。この平衡回路は、ゼロボルト軸線に関して対称にＡＣ信号の負荷がかかるようにして、システムに誤差を発生させるスプリアスのＤＣ成分を信号が生成しない状態を確保する。このＡＣ信号は次に、フィードバック回路を含み、整流およびピークホールド回路を組み込んだ増幅回路を通過し、高周波ピーク電圧に等しい等価ＤＣを発生させる。この増幅回路の両アームのマッチングダイオードは、平衡回路のダイオードと共に、任意の非線形性が大部分補正された状態、あるいは増幅器の電力でＤＣ等価信号に存在する状態を確保する。
【００２１】
このＤＣ等価信号は、その後、差動緩衝器と増幅器を通過し、利得およびオフセット調節された後、電力信号として伝達される。この同じ信号は、その後、望ましい目標値と比較され、誤差信号が発生し、この誤差信号は高利得増幅器を通過し、電極をサージによる損傷から保護する電力制限回路を通過する。この信号は発電器に移動し、生成される電力を制御するコマンドの通りに高周波発電器を提供する。
【００２２】
あるいは、本発明は静電結合プラズマリアクタで使用することができる。この場合、チャック電極と静電結合する電極が、上で説明したＴＣＰコイルの代わりとなる。加えて、本発明は、プラズマ環境内にセンサを配置する必要性が除去される静電チャックではなく、機械チャックで使用することができる。
【００２３】
電極に伝達される高周波ピーク電圧を検知することで、本発明はチャック電極に伝達される高周波信号を正確かつ効率的に制御し、一定のＤＣバイアスの維持を可能にする。これにより、プラズマリアクタは高品質で均一なワークピースを常に生産することができる。
【００２４】
本発明について、電極に伝達される高周波ピーク電圧を使用する形で説明したが、他のプロセスパラメータをモニタし、プロセスを制御するフィードバックシステムでも使用できると理解されるべきである。たとえば、コイルに供給される電流をモニタし、フィードバックシステムで使用することができる。
【００２５】
本発明の前記その他の利点は、本発明の以下の説明を読み、図面のいくつかの図を検討することにより、当業者には明らかとなろう。
【００２６】
【好適な実施例の詳細な説明】
本発明は、同様の参照符号が同様の要素を示す添付図面と併せて、以下の詳細な説明により容易に理解されよう。図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃについては、背景技術に関連させて説明した。
【００２７】
図２Ａに示されるように、本発明は、全体を２００で示したプラズマリアクタシステムにおいて実施される。このプラズマリアクタ２００は、プラズマチャンバ２０２と、プラズマチャンバ２０２外側の上に配置されたトランス結合プラズマ（ＴＣＰ）コイル２０４を含む。このプラズマチャンバ２０２は、さらにガス吸気口２０３とガス排気口２０５とを含む。ＴＣＰコイル２０４は、プラズマ生成高周波（ＲＦ）信号を供給するプラズマ生成電源２０６に結合される。マッチングネットワーク２０７は、プラズマ生成電源２０６とＴＣＰコイル２０４との間に備えられる。ＴＣＰコイル２０４の付近に配置された、チャンバ２０２の上部壁のセラミック窓２０８により、プラズマ生成高周波信号をプラズマチャンバ２０２内に効率的に伝達することができる。チャンバ２０２底部に位置する静電チャック２１０はワークピース２１２を支持する。
【００２８】
引き続き図２Ａに示されるように、この静電チャックは電極２１４を含む。チャック電極２１４は、第１および第２の導電部分２１６ａ、２１６ｂを含み、これらは電気的に互いに分離される。チャック電極２１４は絶縁体２１７に囲まれる。従来技術に関して説明したように導電部分にＤＣ電圧を加えることで、この部分２１６とワークピースとの間に静電結合が形成される。この結合によってワークピース２１２が引きつけられ、チャック２１０に固定される。
【００２９】
バイアス高周波電源２１８はマッチングネットワーク２２０に結合され、マッチングネットワーク２２０はチャック電極２１４に結合される。ピックアップ２２２はチャック２１０の内部まで延び、チャック電極２１４と電気的に接続する。このピックアップ２２２は、リード線２２４を介して高周波ピーク電圧センサ２２６に結合される。この高周波ピーク電圧センサはモニタ信号を生成し、このモニタ信号は加算回路２２８の目標値と組み合わされ、バイアス生成電源２１８を制御するためにその後随意的に使用することが可能な制御信号が生成される。
【００３０】
動作においては、イオン化可能なガスがガス吸気口２０３を通じてチャンバ２０２内に流入し、ガス排気口２０５を通じてチャンバから出る。プラズマ生成高周波信号が高周波電源２０６によって生成され、ＴＣＰコイル２０４に伝達される。このプラズマ生成高周波信号はコイル２０４から、窓２０８を通じて、チャンバ２０２内に放射され、これによりチャンバ内２０２のガスはイオン化され、チャンバ内でプラズマ２３０が形成される。
【００３１】
さらに図２Ａに示されるように、このプラズマは、チャンバ２０２の壁に沿ってシースを生成する。チャンバ２０２内で生成されたプラズマは、電子と正電荷粒子とを含む。この電子は、正電荷イオンよりも遥かに軽く、容易に移動する傾向があり、チャンバ２０２の表面でＤＣシース電位を生成する。このシース電位は負であり、正電荷イオンを引きつける傾向があり、他の電子を跳ね返して、これらを包含する。ワークピース２１２の位置での平均ＤＣシース電位は、主として正電荷イオンがワークピースに衝突する際のエネルギを決定するため、プロセスパラメータの主要な決定因となる。たとえば、これはエッチング換言すれば堆積の速度に影響する。
【００３２】
ワークピースでのＤＣバイアスの量と、対応するプロセス条件は、チャック電極に高周波信号を加えることで変更可能であり、たとえば速度を高めることができる。この目的で、高周波電源２１８によって高周波信号が生成される。この高周波信号は、その後、通常は５０Ωである高周波発電器のインピーダンスを、プラズマ負荷２３０が示すインピーダンスと一致させるマッチングネットワーク２２０を通過する。このマッチ済み信号は、その後、チャック電極２１４に伝達され、このチャック電極２１４はワークピースと静電結合しており、チャック２１０の絶縁体２１７を通じて、この信号をワークピースに伝える。
【００３３】
引き続き図２Ａに示されるように、この信号がマッチングネットワーク２２０を通過する際には大きな電力の損失が発生する。さらに、本発明の背景において説明したように、この損失は変化しやすく予測が困難である。こうした変化しやすく予測不可能な電力の損失を補正するために、ピックアップ２２２はチャック電極での高周波信号のピーク電圧を集め、リード線２２４を通じて、この電圧を電圧センサ２２６に伝える。図２Ｂに関して、リード線の長さは、ピックアップ信号の伝送に対する誘導および抵抗の影響を最小化するために、可能な限り短くするべきであると同時に、センサ２２６とチャック２１０との間に十分な距離「ｄ」をおいて、チャックとセンサとの間でのアーク放電を防ぐ。
【００３４】
図３Ａに示されるように、フィードバック回路３０１について説明する。センサ回路２２６はリード線２２４から高周波信号を受信する。センサ回路２２６は、ＥＳＣクランプモニタリングのためのＤＣ分配器（本発明と無関係）と、クランプ保護回路３０４が付いた別個のＡＣ分配器との両方を含み、ＡＣ分配器の出力は入ってくる高周波の一部分であり、これは平衡回路３０６へ送られる。平衡回路３０６は、この高周波信号がゼロボルト軸線に関して対称に平衡となる状態を確保し、ＤＣオフセットエラーがシステムに入るのを防止する。この平衡ＡＣ信号はその後、増幅回路３０８に送られ、これは整流およびフィードバック回路を含み、これは高周波信号を高周波ピーク値に対応するＤＣ信号に変換する。センサ回路２２６は、ＤＣモニタ信号３１０を生成する。センサ回路によって生成されたこのＤＣモニタ信号３１０は、電極２１４での高周波ピーク値を正確に示す。さらに図３Ａに関して、このＤＣモニタ信号３１０はその後、差動接地補償バッファアンプ３１４に送られ、次に利得およびオフセット調節段階３１６を通過し、ここで電極２１４での高周波ピーク値を表すように適切に増減されたＤＣ信号３１９が出力される。このＤＣ出力信号３１９には、下でさらに詳細に説明するように、目標値加算回路２２８において、適切な位相でＤＣ目標値コマンド信号３３０が加算され、発電器コマンド信号３２６が生成される。
【００３５】
図３Ｂに示されるように、ＡＣ分配器およびクランプ保護回路３０４は、入力３０２を通じて高周波信号を受信する。この信号は、互いに直列に配置された相対的に低いキャパシタンスおよび高電圧のコンデンサを通過する。この信号は、接地につながる相対的に大きなコンデンサ３３６に接続されるため電位分配器を形成する接合器を通過する。相対的に小さなコンデンサ３３２および相対的に大きなコンデンサ３３６は、分配器の比率が１００／１台となるように選択される。中間点３３８は、コンデンサ３４０ａ、３４０ｂ）を通じて接地へと分離する電圧供給レールにつながるそれぞれの側の逆バイアス保護ダイオード３４４ａ、３４４ｂを接続する。この信号は次に、電流制限レジスタ３４７を通過し、その後、平衡回路３０６へ送られる。
【００３６】
図３Ｃに示されるように、この平衡回路についてさらに詳細に説明する。この平衡回路は、ＡＣ分配器およびクランプ保護回路３０４からの信号を、入力３４８で受信する。この信号は、第１のタイプマッチド平衡ダイオード３５４と、コンデンサ３５６と、レジスタ３５８とを含む第１の回路３５２を一方の側に有する接合器３５０に送られ、接地への接続は表示のように行われる。第１の回路３５２の反対側には第２の回路がある。第２の回路３６２は、第２のタイプマッチド検出ダイオード３６４と、レジスタ３６６、３６８と、コンデンサとを含む。
【００３７】
図３Ｄに示されるように、平衡回路３０６（図３Ｃ）の第２の回路３６２を通過した後、この信号は入力３７１を通じて増幅回路３０８に送られる。増幅回路３０８はプレシジョンオペアンプ３７２を含み、プレシジョンオペアンプ３７２はこれに加えられる正および負の電圧のソース３７４、３７６を有する。この増幅回路は、さらにフィードバックループ３７７を含み、これは第３のマッチンドタイプ補償ダイオード３７８と、レジスタ３８０と、コンデンサ３８２とを含み、これらはすべて互いに並列になっている。レジスタ３８０は、ＤＣフィードバックを提供し、接地につながるレジスタ３８４と組み合わされて、特に低信号レベルでＤＣ利得を設定する。コンデンサ３８２は、レジスタ３８０と共にフィルタ時定数を形成して安定性を確保する。
【００３８】
図３Ｃおよび図３Ｄに示されるように、二つのマッチドタイプダイオード３５４および３６４（図３Ｃ）は、互いにまったく同じ性能特性を有するように、同じ熱パッケージ内の同じチップ上で製造され、もう一つのマッチドタイプダイオード３７８（図３Ｄ）は、検出ダイオード３６４での順方向電圧の低下の影響を最小化する働きを行う。
【００３９】
この信号は、図３Ａに関して説明したＤＣモニタ信号３１０の形態で、出力３８６を通じて増幅回路３０８から出る。このモニタ信号３１０は、差動接地オフセット補償バッファアンプ３１４と、利得およびオフセット調節段階３１６とに送られ、その後、上で説明したように目標値加算回路２２８に送られる。
【００４０】
図３Ｅに示されるように、目標値加算回路２２８は、図２Ｂに示すように電極２１４での高周波ピーク値を表す、適切に増減されたＤＣ出力信号３１９を受信する。このＤＣ出力信号には、ＤＣ目標値コマンド信号３３０が適切な位相で加算されるため、加算接合器３８８の出力において、フィードバック制御のための誤差信号が生成される。この３８８からの出力信号は、その後、高利得増幅器３９０と電力目標値制限回路３９２とを通過する。この電力制限回路は、バイアス電源２１８が電圧制御に切り替えられた時、あるいは電圧制御ループが何らかの理由で不安定または開ループとなった時のサージ電力を防止することで、システムの損傷を防ぐ。この信号は次に、最終フィルタ／緩衝増幅器３９４を通過し、スイッチ３９６を通過した後、高周波発電器コマンド信号３２６の形態で電源２１８（図２Ａ）に送られ、この高周波発電器コマンド信号３２６は、説明したようなフィードバック回路によって、あるいは望ましい場合にはコマンド信号３３０を単純な順方向電力目標値として使用することによって、制御することができる。
【００４１】
図６に示されるように、図３Ａに示す回路２２６は、プロセス６００に従って動作し、このプロセスは高周波ピーク電圧を検出するステップ６０２によって開始される。次に、ステップ６０４において、高周波ピーク電圧信号を表すＤＣが、接地の回復、利得、およびオフセットに関して処理され、モニタ信号３１９が生じる。ステップ６０６において、モニタ信号３１９にはコマンド目標値信号３３０が適切な位相で加算され、誤差信号３１８（図３Ｅ）が生成される。ステップ６０７において、誤差信号３１８は、さらに増幅され、その後発電器コマンド信号の出力として安全なレベルに制限される。最後にステップ６０８において、ＤＣ電力または電圧フィードバックモードの選択後、直接または修正コマンド信号にそれぞれ従って高周波電源２１８が駆動される。図６に例示したように、方法６００は、負のフィードバック制御形式で実施される時、望ましい検出パラメータを維持する機能を果たし、この例において、このパラメータはチャックに加えられる高周波ピーク電圧となる。
【００４２】
図４および図５に示されるように、ワークピース２１２のバイアス電圧と伝達される信号のピーク電圧との関係を決定するために、最初にプラズマリアクタシステム２００の較正を行う必要がある。図５は、リアクタシステム２００を較正するプロセス５００を表している。プロセス５００は、ステップ５０２で開始され、ここでワークピースは通常の方法でチャンバ内に配置される。較正に使用されるウェーハは、消耗可能で、多少の導電性があり、生産を意図しないものにするべきであり、この理由は後で明らかとなる。ステップ５０４において、電気プローブ４０２（図４）がワークピース２１２の上部表面に固定される。このプローブをワークピースの上部表面に直接取り付けることで、プラズマリアクタ２００動作中の高周波誘導ＤＣセルフバイアスを直接測定することができる。しかしながら、ワークピースの上部表面との直接接触により、半導体ワークピースに損傷を与えるリスクがあり、この理由から、このワークピースは生産ではなく較正の目的のみで使用するべきである。次に、ステップ５０６において、プラズマプロセスが実行され、この間にワークピース２１２でＤＣバイアスが形成される。このＤＣバイアスはその後、プローブでの検出により直接測定し、ピックアップ２２２から検出されたものとして測定された高周波ピーク電圧と相関させることができる。次に、ステップ５０８において、このＤＣバイアスと高周波ピーク値とをいくつかの電力設定で比較し、これらの間にある関係を決定することができる。最後に、ステップ５１０において、プラズマリアクタシステム２００の較正が実行される。
【００４３】
使用において、プラズマリアクタ２００では、増幅器３２０で十分に増幅された誤差信号３１８を生成することで、自動調節の設定を行うことが可能であり、高周波電源２１８の電力を継続的に調節することで、電極２１４での高周波ピーク電圧が維持される。
【００４４】
未表示である本発明の代替実施例においては、このプラズマリアクタは、チャンバ内でプラズマを生成するために静電結合電極を使用する。本発明のこの実施例は、チャック電極でのバイアス高周波信号の高周波ピーク電圧を検出し、バイアス高周波信号を制御するためにバイアス生成高周波電源に信号をフィードバックすることで、上で説明した実施例とほぼ同様の動作を行う。同様に、適切なセンサにより、伝達される電流または電力等の別のパラメータを、フィードバック体系の制御パラメータとして選択することが可能で、ただしシースバイアスとの関係は変化することになる。特に、電流の実質部分はプラズマ密度に関係することになる。
【００４５】
同じく未表示である本発明のさらに別の実施例においては、本発明の背景において説明したように、機械チャックがクランプを使用してワークピースを保持する。本発明のこの実施例も、上で説明した実施例とほぼ同様に動作し、チャック電極で高周波ピーク電圧をモニタし、バイアス高周波電源に制御信号をフィードバックすることで、一定のプラズマパラメータを維持する。
【００４６】
簡単に言えば、本発明は、一定で予測可能なＤＣバイアスによりプラズマプロセスを実行する効果的で正確な方法を提供する。この一定のＤＣバイアスにより、エッチング速度等のプロセスパラメータが予測可能で一貫した状態が確保され、結果として、高品質の半導体ウェーハおよび改善された製品歩留まりが得られる。
【００４７】
本明細書では、本発明を好適な実施例に関して説明したが、本明細書の考察と、図面の検討と、本発明の実施とにより、本明細書で説明した実施例の代替、変更、置換、および均等物を含め、本発明の他の実施例も当業者には明らかとなろう。上で説明した実施例および好適な特徴は、例示的なものと做されるべきであり、本発明は前記特許請求の範囲によって画定され、本発明の本来の趣旨および範囲に属する全ての代替、変更、置換、および均等物を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 従来技術のプラズマリアクタシステムを示す概略図。
【図１Ｂ】 従来技術の別のプラズマリアクタを示す概略図。
【図１Ｃ】 図１Ｂの線１Ｃ−１Ｃから見た、従来技術の静電チャックを示す拡大図。
【図１Ｄ】 従来技術の単極チャックを示す平面図。
【図２Ａ】 本発明のプラズマリアクタシステムを示す概略図。
【図２Ｂ】 図２Ａの範囲２Ｂを拡大して示す図。
【図３Ａ】 図２Ｂのセンサ２２６内の回路を示すブロック図。
【図３Ｂ】 ＡＣ分配器およびクランプ保護回路を示す図。
【図３Ｃ】 平衡回路を示す図。
【図３Ｄ】 増幅回路を示す図。
【図３Ｅ】 目標値加算回路を示す図。
【図４】 較正モードにある本発明の図２Ｂの範囲４を示す図。
【図５】 本発明のプラズマリアクタを較正する方法を示すプロセス図。
【図６】 本発明によって生成された高周波信号を制御する方法を示すプロセス図。
【符号の説明】
１０…プラズマチャンバ
１２…リアクタ
１３…吸気口
１４…ワークピース
１５…排気口
１６…ウェーハホルダ
１８…プラズマ密度生成機構
２０…プラズマ誘導電源
２２…誘電窓
２４…プラズマ
２６…チャック電極
２８…バイアス高周波電源
３０、２０７、２２０…マッチングネットワーク
３２…クランプ
３３…ピックアップ
３４…電圧センサ
３６…静電チャック
３７…単極チャック
３８…電極
４０…絶縁体
４２…導電部分
４６…ＤＣ電原
４７…フィルタ
２００…プラズマリアクタシステム
２０２…プラズマチャンバ
２０３…ガス吸気口
２０４…ＴＣＰコイル
２０５…ガス排気口
２０６…高周波電源
２０８…セラミック窓
２１０…静電チャック
２１２…ワークピース
２１４…チャック電極
２１６…導電部分
２１７…絶縁体
２１８…バイアス高周波電源
２２２…ピックアップ
２２４…リード線
２２６…センサ回路
２２８…加算回路
２３０…プラズマ
３０１…フィードバック回路
３０４…クランプ保護回路
３０６…平衡回路
３０８…増幅回路
３１０…モニタ信号
３１４…差動接地補償バッファアンプ
３１６…オフセット調節段階
３１８…誤差信号
３１９…直流電力信号
３２０…増幅器
３２６…高周波発電器コマンド信号
３３０…コマンド信号
３３２、３３６、３５６、３８２…コンデンサ
３４７…電流制限レジスタ
３５０…接合器
３５４…タイプマッチド平衡ダイオード
３５８…レジスタ
３６４…タイプマッチド検出ダイオード
３６６…レジスタ
３７２…プレシジョンオプアンプ
３７４…ソース
３７７…フィードバックループ
３７８…マッチドタイプダイオード
３８０、３８４…レジスタ
３８６…電力
３８８…加算接合器
３９０…高利得増幅器
３９２…制限回路
３９４…最終フィルタ／緩衝増幅器
３９６…スイッチ
４０２…電気プローブ
【発明の分野】
本発明は、プラズマ処理システムに関し、特に、電気パラメータ、とりわけピーク電圧のモニタリングおよびフィードバックを通じてプラズマリアクタ内での高周波の伝達を制御するための方法および装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
イオン化ガスまたはプラズマは、半導体デバイスの処理および製造において広く使用される。たとえば、プラズマは、半導体集積回路ウェーハから材料をエッチングまたは除去するために、あるいは半導体、導体、または絶縁面に材料をスパッタリングまたは堆積させるために使用可能である。
【０００３】
図１Ａに示されるように、製造または生産プロセスで使用するプラズマの生成は通常、一般に１２のように設計されるプラズマリアクタのプラズマチャンバ１０に様々なプロセスガスを導入することで開始される。こうしたガスは吸気口１３を通じてチャンバ１０内に入り、排気口１５を通じて外に出る。集積回路ウェーハ等のワークピース１４はチャンバ１０内に配置され、ウェーハホルダ１６上に保持される。リアクタ１２は、さらにプラズマ密度生成機構１８（ＴＣＰコイル等）を含む。プラズマ誘導電源２０によって供給されるプラズマ誘導信号がプラズマ密度生成機構１８に加えられる。このプラズマ誘導信号は、好ましくは高周波（ＲＦ）信号である。セラミックまたは石英等の高周波放射を伝達可能な材料で作成された誘電窓２２は、チャンバ１０の上部表面に組み込まれ、ＴＣＰコイル１８から接地されたチャンバ１０内部への第１の高周波信号の効率的な伝達を可能にする。次に、この第１の高周波信号は、チャンバ内のガス分子を励起させてプラズマ２４を生成する。
【０００４】
チャンバ１０内で生成されたプラズマ２４には、電子と正電荷粒子とが含まれる。この電子は、正電荷粒子よりも軽く、より容易に移動する傾向にあり、これによりチャンバ１０の表面にシースが形成される。セルフバイアス効果により、チャンバの内部表面に正味の負電荷が発生する。この正味の負電荷、またはＤＣシース電位は、重い正電荷粒子を壁面に引き寄せる働きをする。ワークピース１４の位置におけるＤＣバイアスの強さは、主として正電荷粒子がワークピース１４に衝突する際のエネルギを決定し、これに対応して望ましいプロセス（エッチング速度または付着速度等）に影響を与える。
【０００５】
本発明は、ＤＣバイアスとＤＣシースの区分に留意することでさらに容易に理解されよう。ＤＣバイアスは、チャンバ１０内の表面と接地との間の電位の差として定義される。一方、ＤＣシースは、プラズマ電位とプラズマシース全体で測定されるチャンバ内部の表面の電位との差として定義される。
【０００６】
ワークピースは、チャック１６上に保持され、このチャック１６はチャンバ１０の底部に位置し、チャック電極２６を構成する。バイアス高周波電源２８は、バイアス高周波信号をチャック電極１６に供給する。代わりに、一部のシステムにおいて、プラズマ密度信号およびバイアス信号の両方は、実際には単一の電源によって生成される単一の信号となる。
【０００７】
この第２の電極での第２の励起信号は、好ましくは高周波信号の形態であり、チャンバ１０内の高周波電場の配置に応じて、ワークピースの位置でのＤＣバイアスを増加させ、これは荷電粒子がワークピースに衝突する際のエネルギを増加させる。第２の電極１６に供給される高周波信号の変化は、ワークピースのＤＣバイアスでの対応する変化を生み出し、これはプロセスに影響を与える。
【０００８】
さらに図１Ａに示されるように、上で説明したバイアス高周波電源２８は、高周波信号をチャック電極２６に供給する。この信号は、バイアス高周波電源２８とチャック電極２６との間に配置されたマッチングネットワーク３０を通過する。このマッチングネットワーク３０は、高周波信号のインピーダンスをプラズマが示す負荷と一致させる。同様のマッチングネットワーク３０は、電源２０を含む電源とＴＣＰコイル１８との間に設けられる。上で説明したように、チャック電極２６での高周波信号の制御および伝達は、プラズマ処理において根本的な重要性を有する。実際の電力伝達における大幅な変動は、プロセス速度を予想外に変化させる可能性がある。残念なことに、マッチングネットワーク３０により、高周波信号の大きな損失が発生する。さらに、こうした損失は変化しやすく、予測できない部分がある。そのため、事前に定められた高周波信号電力を高周波電源２８から供給するだけでは、予測可能で一貫した高周波信号が電極２６に伝達される状態を確保できない。
【０００９】
さらに図１Ａから分かるように、ワークピース１４をチャック１６に取り付けるために使用されてきた１つの方法は、ワークピースのエッジに沿ってワークピースの表面に接触し、ワークピースをチャックに保持するクランプ３２をチャックに設けることである。こうしたチャック１６を使用することで（ワークピースに多少の伝導性がある範囲では）、ピックアップ３３を電極２６に設置し、電圧センサ３４に電圧信号を伝送することで、ＤＣバイアスを直接測定することができる。その後、電源がフィードバック制御され、一定の測定ＤＣバイアスが維持される。しかしながら、ワークピース１４をチャック１６に取り付けるためにこうしたクランプ３２を使用することで、複数の問題が発生する。一つには、クランプ３２とのかみ合わせにより、ワークピース上で貴重な表面エリアが無駄になる可能性がある。加えて、クランプ３２とワークピース１４とのこうした接触は、ワークピース１４に損傷を与えるリスクがあり、粒子の生成が起きるため、望ましくない。
【００１０】
図１Ｂに示されるように、ワークピースを電極上に保持するために使用されてきた別の方法は、静電チャック３６の形態で電極を設けることである。非常に一般的な意味において、静電チャックは絶縁体４０に覆われた電極３８を含む。一般に半導体である導電性のワークピース１４は、この絶縁材料の上に存在する。電極３８にＤＣ電圧が加えられる時、この電極およびワークピース１４は静電結合状態となり、それぞれにおいて反対の電荷が発生し、ワークピース１４と電極３８は互いに引き合う。これによりワークピースはチャック３６に保持される。
【００１１】
さらに詳しくは、静電チャック３６は、図１Ｂに加えて図１Ｃを参考にして理解することができる。このバイポーラでの実施において、静電チャック３６の電極３８は、第１および第２の導電部分４２および４４を含み、これらは互いに電気的に分離されている。ＤＣ電原４６からのＤＣ電圧は、電極３８の第１および第２の部分４２および４４の間に加えられる前に、フィルタ４７を通過する。これにより、電極３８とワークピース１４との間に望ましい静電気引力が発生し、ワークピースがチャック３６に保持される。
【００１２】
図１Ｄには、簡素化された静電チャックが例示されている。この簡素化された形態の静電チャックは、単極チャック３７と呼ばれ、１Ｄに平面図が表示されている。ワークピース１４とチャックとの間にＤＣ電位を加えることで、それぞれの帯電によりワークピースがチャックに保持される。当業者に理解されるように、静電チャックは他の多数の形態でも可能である。
【００１３】
しかしながら、こうした静電チャック３６を使用することで、ワークピースのＤＣバイアスを直接測定することは実際的でなくなる。エンドユーザは、傷つきやすい半導体製品に何らかの機械的なプローブまたは電圧センサ等の導電物を接触させることを嫌う。加えて、プラズマ環境においてセンサの精度および寿命を維持するのは困難となる。電極１６での高周波信号の電力を測定してＤＣ電圧を相関させることも困難であり、電極とワークピースとの静電結合が原因の一部となり、ＤＣシース電位の正確な測定結果が得られない。
【００１４】
そのため、一定のＤＣシース電位を維持するために電極での高周波電力を制御するシステムの必要性が依然として存在する。こうしたシステムは、好ましくはワークピースとの接触が伴わず、プラズマチャンバのプラズマ環境にセンサを配置する必要がなく、変化しやすく予測不可能なマッチングネットワークによる電力の損失に対応したものとなる。
【００１５】
【発明の概要】
本発明は、チャンバとチャンバ内でワークピースを支持するチャックとを有するプラズマリアクタを提供する。このチャックは、バイアス高周波（ＲＦ）信号をバイアス高周波電源から受信するチャック電極を含む。この電極の高周波信号はプラズマに影響を与え、詳しくはＤＣバイアスに影響を与える。センサがプラズマのパラメータを測定し、このパラメータはたとえば、電極への高周波信号のピーク電圧であり、このピーク電圧は望ましい目標値と比較され、これにより誤差信号が生じる。その後、この誤差信号は増幅され、高周波電源の制御に使用される。
【００１６】
通常は、バイアス高周波電源とチャックとの間に配置されたマッチングネットワークが、プラズマ負荷のインピーダンスを高周波電源の電力のインピーダンス（通常は５０オーム）と一致させる。電極での一定の高周波信号を維持することは、ワークピースでの一定のＤＣバイアスと、これに対応する一定のプロセスとを維持する上で重要である。たとえば高周波伝達システムでは、プロセスの結果を予測不可能で一定でないものにするような損失が生じやすい。たとえばマッチングネットワークでは、高周波信号において大きな電力の損失が発生し、こうした損失は変化しやすく、予測不可能な範囲がある。電極近くの高周波ピーク電圧を検知し、検知した電圧を使用して対応する誤差信号を生成し、電源を制御することで、たとえばマッチングネットワークによって生成されるような伝達の変化が存在しても、ワークピースでの一定のＤＣバイアスを維持することが可能である。
【００１７】
詳しくは、本発明は、好ましくはトランス結合プラズマ（ＴＣＰ）リアクタコイルを有する誘導プラズマリアクタにおいて実施される。このコイルはプラズマチャンバの外部に配置することが可能であり、チャンバ壁に設けたセラミック窓によってプラズマから分離される。プラズマ生成高周波電源はＴＣＰコイルに高周波信号を供給する。ガスはチャンバを貫流し、ＴＣＰコイルから誘導された高周波電流によってイオン化される。この高周波電流は、主に誘導窓を通じた磁気誘導によって、プラズマに結合される。ＴＣＰコイルと、これに供給される信号との根本的な目的は、プラズマ密度を生成することである。
【００１８】
プラズマが生成されると、陽イオンよりも容易に移動する傾向にある電子は、チャンバの内部表面上、およびチャック上で支持されるワークピース上で、正味の負電荷を生み出す。この正味の負電荷は正電荷粒子がワークピースの表面に衝突する際のエネルギを決定するＤＣバイアスを生成し、これによりプロセスの結果を決定する主な要因となる。
【００１９】
電極に接続されたピックアップは、この電極に伝達された高周波信号を受信する。その後、この信号は、リード線を通じて、センサとチャック電極との間でアーク放電するリスクがない状態で可能な限りチャック電極に近く配置された高周波センサに伝達される。このセンサを電極の近くに配置することで、センサに高周波信号を伝送するのに必要なリード線の長さは最短となるため、リード線が信号に与える誘導および抵抗の影響は最小となる。
【００２０】
センサ内では、高周波信号はＡＣおよびＤＣの成分に分けて離される。望ましい場合、ＤＣ成分は、静電チャックの機能をモニタするために使用できる。しかしながら、これは本発明に必要な成分ではない。ＡＣ信号成分は、その後、サージ保安回路を通過し、平衡検出器回路に供給される。この平衡回路は、ゼロボルト軸線に関して対称にＡＣ信号の負荷がかかるようにして、システムに誤差を発生させるスプリアスのＤＣ成分を信号が生成しない状態を確保する。このＡＣ信号は次に、フィードバック回路を含み、整流およびピークホールド回路を組み込んだ増幅回路を通過し、高周波ピーク電圧に等しい等価ＤＣを発生させる。この増幅回路の両アームのマッチングダイオードは、平衡回路のダイオードと共に、任意の非線形性が大部分補正された状態、あるいは増幅器の電力でＤＣ等価信号に存在する状態を確保する。
【００２１】
このＤＣ等価信号は、その後、差動緩衝器と増幅器を通過し、利得およびオフセット調節された後、電力信号として伝達される。この同じ信号は、その後、望ましい目標値と比較され、誤差信号が発生し、この誤差信号は高利得増幅器を通過し、電極をサージによる損傷から保護する電力制限回路を通過する。この信号は発電器に移動し、生成される電力を制御するコマンドの通りに高周波発電器を提供する。
【００２２】
あるいは、本発明は静電結合プラズマリアクタで使用することができる。この場合、チャック電極と静電結合する電極が、上で説明したＴＣＰコイルの代わりとなる。加えて、本発明は、プラズマ環境内にセンサを配置する必要性が除去される静電チャックではなく、機械チャックで使用することができる。
【００２３】
電極に伝達される高周波ピーク電圧を検知することで、本発明はチャック電極に伝達される高周波信号を正確かつ効率的に制御し、一定のＤＣバイアスの維持を可能にする。これにより、プラズマリアクタは高品質で均一なワークピースを常に生産することができる。
【００２４】
本発明について、電極に伝達される高周波ピーク電圧を使用する形で説明したが、他のプロセスパラメータをモニタし、プロセスを制御するフィードバックシステムでも使用できると理解されるべきである。たとえば、コイルに供給される電流をモニタし、フィードバックシステムで使用することができる。
【００２５】
本発明の前記その他の利点は、本発明の以下の説明を読み、図面のいくつかの図を検討することにより、当業者には明らかとなろう。
【００２６】
【好適な実施例の詳細な説明】
本発明は、同様の参照符号が同様の要素を示す添付図面と併せて、以下の詳細な説明により容易に理解されよう。図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃについては、背景技術に関連させて説明した。
【００２７】
図２Ａに示されるように、本発明は、全体を２００で示したプラズマリアクタシステムにおいて実施される。このプラズマリアクタ２００は、プラズマチャンバ２０２と、プラズマチャンバ２０２外側の上に配置されたトランス結合プラズマ（ＴＣＰ）コイル２０４を含む。このプラズマチャンバ２０２は、さらにガス吸気口２０３とガス排気口２０５とを含む。ＴＣＰコイル２０４は、プラズマ生成高周波（ＲＦ）信号を供給するプラズマ生成電源２０６に結合される。マッチングネットワーク２０７は、プラズマ生成電源２０６とＴＣＰコイル２０４との間に備えられる。ＴＣＰコイル２０４の付近に配置された、チャンバ２０２の上部壁のセラミック窓２０８により、プラズマ生成高周波信号をプラズマチャンバ２０２内に効率的に伝達することができる。チャンバ２０２底部に位置する静電チャック２１０はワークピース２１２を支持する。
【００２８】
引き続き図２Ａに示されるように、この静電チャックは電極２１４を含む。チャック電極２１４は、第１および第２の導電部分２１６ａ、２１６ｂを含み、これらは電気的に互いに分離される。チャック電極２１４は絶縁体２１７に囲まれる。従来技術に関して説明したように導電部分にＤＣ電圧を加えることで、この部分２１６とワークピースとの間に静電結合が形成される。この結合によってワークピース２１２が引きつけられ、チャック２１０に固定される。
【００２９】
バイアス高周波電源２１８はマッチングネットワーク２２０に結合され、マッチングネットワーク２２０はチャック電極２１４に結合される。ピックアップ２２２はチャック２１０の内部まで延び、チャック電極２１４と電気的に接続する。このピックアップ２２２は、リード線２２４を介して高周波ピーク電圧センサ２２６に結合される。この高周波ピーク電圧センサはモニタ信号を生成し、このモニタ信号は加算回路２２８の目標値と組み合わされ、バイアス生成電源２１８を制御するためにその後随意的に使用することが可能な制御信号が生成される。
【００３０】
動作においては、イオン化可能なガスがガス吸気口２０３を通じてチャンバ２０２内に流入し、ガス排気口２０５を通じてチャンバから出る。プラズマ生成高周波信号が高周波電源２０６によって生成され、ＴＣＰコイル２０４に伝達される。このプラズマ生成高周波信号はコイル２０４から、窓２０８を通じて、チャンバ２０２内に放射され、これによりチャンバ内２０２のガスはイオン化され、チャンバ内でプラズマ２３０が形成される。
【００３１】
さらに図２Ａに示されるように、このプラズマは、チャンバ２０２の壁に沿ってシースを生成する。チャンバ２０２内で生成されたプラズマは、電子と正電荷粒子とを含む。この電子は、正電荷イオンよりも遥かに軽く、容易に移動する傾向があり、チャンバ２０２の表面でＤＣシース電位を生成する。このシース電位は負であり、正電荷イオンを引きつける傾向があり、他の電子を跳ね返して、これらを包含する。ワークピース２１２の位置での平均ＤＣシース電位は、主として正電荷イオンがワークピースに衝突する際のエネルギを決定するため、プロセスパラメータの主要な決定因となる。たとえば、これはエッチング換言すれば堆積の速度に影響する。
【００３２】
ワークピースでのＤＣバイアスの量と、対応するプロセス条件は、チャック電極に高周波信号を加えることで変更可能であり、たとえば速度を高めることができる。この目的で、高周波電源２１８によって高周波信号が生成される。この高周波信号は、その後、通常は５０Ωである高周波発電器のインピーダンスを、プラズマ負荷２３０が示すインピーダンスと一致させるマッチングネットワーク２２０を通過する。このマッチ済み信号は、その後、チャック電極２１４に伝達され、このチャック電極２１４はワークピースと静電結合しており、チャック２１０の絶縁体２１７を通じて、この信号をワークピースに伝える。
【００３３】
引き続き図２Ａに示されるように、この信号がマッチングネットワーク２２０を通過する際には大きな電力の損失が発生する。さらに、本発明の背景において説明したように、この損失は変化しやすく予測が困難である。こうした変化しやすく予測不可能な電力の損失を補正するために、ピックアップ２２２はチャック電極での高周波信号のピーク電圧を集め、リード線２２４を通じて、この電圧を電圧センサ２２６に伝える。図２Ｂに関して、リード線の長さは、ピックアップ信号の伝送に対する誘導および抵抗の影響を最小化するために、可能な限り短くするべきであると同時に、センサ２２６とチャック２１０との間に十分な距離「ｄ」をおいて、チャックとセンサとの間でのアーク放電を防ぐ。
【００３４】
図３Ａに示されるように、フィードバック回路３０１について説明する。センサ回路２２６はリード線２２４から高周波信号を受信する。センサ回路２２６は、ＥＳＣクランプモニタリングのためのＤＣ分配器（本発明と無関係）と、クランプ保護回路３０４が付いた別個のＡＣ分配器との両方を含み、ＡＣ分配器の出力は入ってくる高周波の一部分であり、これは平衡回路３０６へ送られる。平衡回路３０６は、この高周波信号がゼロボルト軸線に関して対称に平衡となる状態を確保し、ＤＣオフセットエラーがシステムに入るのを防止する。この平衡ＡＣ信号はその後、増幅回路３０８に送られ、これは整流およびフィードバック回路を含み、これは高周波信号を高周波ピーク値に対応するＤＣ信号に変換する。センサ回路２２６は、ＤＣモニタ信号３１０を生成する。センサ回路によって生成されたこのＤＣモニタ信号３１０は、電極２１４での高周波ピーク値を正確に示す。さらに図３Ａに関して、このＤＣモニタ信号３１０はその後、差動接地補償バッファアンプ３１４に送られ、次に利得およびオフセット調節段階３１６を通過し、ここで電極２１４での高周波ピーク値を表すように適切に増減されたＤＣ信号３１９が出力される。このＤＣ出力信号３１９には、下でさらに詳細に説明するように、目標値加算回路２２８において、適切な位相でＤＣ目標値コマンド信号３３０が加算され、発電器コマンド信号３２６が生成される。
【００３５】
図３Ｂに示されるように、ＡＣ分配器およびクランプ保護回路３０４は、入力３０２を通じて高周波信号を受信する。この信号は、互いに直列に配置された相対的に低いキャパシタンスおよび高電圧のコンデンサを通過する。この信号は、接地につながる相対的に大きなコンデンサ３３６に接続されるため電位分配器を形成する接合器を通過する。相対的に小さなコンデンサ３３２および相対的に大きなコンデンサ３３６は、分配器の比率が１００／１台となるように選択される。中間点３３８は、コンデンサ３４０ａ、３４０ｂ）を通じて接地へと分離する電圧供給レールにつながるそれぞれの側の逆バイアス保護ダイオード３４４ａ、３４４ｂを接続する。この信号は次に、電流制限レジスタ３４７を通過し、その後、平衡回路３０６へ送られる。
【００３６】
図３Ｃに示されるように、この平衡回路についてさらに詳細に説明する。この平衡回路は、ＡＣ分配器およびクランプ保護回路３０４からの信号を、入力３４８で受信する。この信号は、第１のタイプマッチド平衡ダイオード３５４と、コンデンサ３５６と、レジスタ３５８とを含む第１の回路３５２を一方の側に有する接合器３５０に送られ、接地への接続は表示のように行われる。第１の回路３５２の反対側には第２の回路がある。第２の回路３６２は、第２のタイプマッチド検出ダイオード３６４と、レジスタ３６６、３６８と、コンデンサとを含む。
【００３７】
図３Ｄに示されるように、平衡回路３０６（図３Ｃ）の第２の回路３６２を通過した後、この信号は入力３７１を通じて増幅回路３０８に送られる。増幅回路３０８はプレシジョンオペアンプ３７２を含み、プレシジョンオペアンプ３７２はこれに加えられる正および負の電圧のソース３７４、３７６を有する。この増幅回路は、さらにフィードバックループ３７７を含み、これは第３のマッチンドタイプ補償ダイオード３７８と、レジスタ３８０と、コンデンサ３８２とを含み、これらはすべて互いに並列になっている。レジスタ３８０は、ＤＣフィードバックを提供し、接地につながるレジスタ３８４と組み合わされて、特に低信号レベルでＤＣ利得を設定する。コンデンサ３８２は、レジスタ３８０と共にフィルタ時定数を形成して安定性を確保する。
【００３８】
図３Ｃおよび図３Ｄに示されるように、二つのマッチドタイプダイオード３５４および３６４（図３Ｃ）は、互いにまったく同じ性能特性を有するように、同じ熱パッケージ内の同じチップ上で製造され、もう一つのマッチドタイプダイオード３７８（図３Ｄ）は、検出ダイオード３６４での順方向電圧の低下の影響を最小化する働きを行う。
【００３９】
この信号は、図３Ａに関して説明したＤＣモニタ信号３１０の形態で、出力３８６を通じて増幅回路３０８から出る。このモニタ信号３１０は、差動接地オフセット補償バッファアンプ３１４と、利得およびオフセット調節段階３１６とに送られ、その後、上で説明したように目標値加算回路２２８に送られる。
【００４０】
図３Ｅに示されるように、目標値加算回路２２８は、図２Ｂに示すように電極２１４での高周波ピーク値を表す、適切に増減されたＤＣ出力信号３１９を受信する。このＤＣ出力信号には、ＤＣ目標値コマンド信号３３０が適切な位相で加算されるため、加算接合器３８８の出力において、フィードバック制御のための誤差信号が生成される。この３８８からの出力信号は、その後、高利得増幅器３９０と電力目標値制限回路３９２とを通過する。この電力制限回路は、バイアス電源２１８が電圧制御に切り替えられた時、あるいは電圧制御ループが何らかの理由で不安定または開ループとなった時のサージ電力を防止することで、システムの損傷を防ぐ。この信号は次に、最終フィルタ／緩衝増幅器３９４を通過し、スイッチ３９６を通過した後、高周波発電器コマンド信号３２６の形態で電源２１８（図２Ａ）に送られ、この高周波発電器コマンド信号３２６は、説明したようなフィードバック回路によって、あるいは望ましい場合にはコマンド信号３３０を単純な順方向電力目標値として使用することによって、制御することができる。
【００４１】
図６に示されるように、図３Ａに示す回路２２６は、プロセス６００に従って動作し、このプロセスは高周波ピーク電圧を検出するステップ６０２によって開始される。次に、ステップ６０４において、高周波ピーク電圧信号を表すＤＣが、接地の回復、利得、およびオフセットに関して処理され、モニタ信号３１９が生じる。ステップ６０６において、モニタ信号３１９にはコマンド目標値信号３３０が適切な位相で加算され、誤差信号３１８（図３Ｅ）が生成される。ステップ６０７において、誤差信号３１８は、さらに増幅され、その後発電器コマンド信号の出力として安全なレベルに制限される。最後にステップ６０８において、ＤＣ電力または電圧フィードバックモードの選択後、直接または修正コマンド信号にそれぞれ従って高周波電源２１８が駆動される。図６に例示したように、方法６００は、負のフィードバック制御形式で実施される時、望ましい検出パラメータを維持する機能を果たし、この例において、このパラメータはチャックに加えられる高周波ピーク電圧となる。
【００４２】
図４および図５に示されるように、ワークピース２１２のバイアス電圧と伝達される信号のピーク電圧との関係を決定するために、最初にプラズマリアクタシステム２００の較正を行う必要がある。図５は、リアクタシステム２００を較正するプロセス５００を表している。プロセス５００は、ステップ５０２で開始され、ここでワークピースは通常の方法でチャンバ内に配置される。較正に使用されるウェーハは、消耗可能で、多少の導電性があり、生産を意図しないものにするべきであり、この理由は後で明らかとなる。ステップ５０４において、電気プローブ４０２（図４）がワークピース２１２の上部表面に固定される。このプローブをワークピースの上部表面に直接取り付けることで、プラズマリアクタ２００動作中の高周波誘導ＤＣセルフバイアスを直接測定することができる。しかしながら、ワークピースの上部表面との直接接触により、半導体ワークピースに損傷を与えるリスクがあり、この理由から、このワークピースは生産ではなく較正の目的のみで使用するべきである。次に、ステップ５０６において、プラズマプロセスが実行され、この間にワークピース２１２でＤＣバイアスが形成される。このＤＣバイアスはその後、プローブでの検出により直接測定し、ピックアップ２２２から検出されたものとして測定された高周波ピーク電圧と相関させることができる。次に、ステップ５０８において、このＤＣバイアスと高周波ピーク値とをいくつかの電力設定で比較し、これらの間にある関係を決定することができる。最後に、ステップ５１０において、プラズマリアクタシステム２００の較正が実行される。
【００４３】
使用において、プラズマリアクタ２００では、増幅器３２０で十分に増幅された誤差信号３１８を生成することで、自動調節の設定を行うことが可能であり、高周波電源２１８の電力を継続的に調節することで、電極２１４での高周波ピーク電圧が維持される。
【００４４】
未表示である本発明の代替実施例においては、このプラズマリアクタは、チャンバ内でプラズマを生成するために静電結合電極を使用する。本発明のこの実施例は、チャック電極でのバイアス高周波信号の高周波ピーク電圧を検出し、バイアス高周波信号を制御するためにバイアス生成高周波電源に信号をフィードバックすることで、上で説明した実施例とほぼ同様の動作を行う。同様に、適切なセンサにより、伝達される電流または電力等の別のパラメータを、フィードバック体系の制御パラメータとして選択することが可能で、ただしシースバイアスとの関係は変化することになる。特に、電流の実質部分はプラズマ密度に関係することになる。
【００４５】
同じく未表示である本発明のさらに別の実施例においては、本発明の背景において説明したように、機械チャックがクランプを使用してワークピースを保持する。本発明のこの実施例も、上で説明した実施例とほぼ同様に動作し、チャック電極で高周波ピーク電圧をモニタし、バイアス高周波電源に制御信号をフィードバックすることで、一定のプラズマパラメータを維持する。
【００４６】
簡単に言えば、本発明は、一定で予測可能なＤＣバイアスによりプラズマプロセスを実行する効果的で正確な方法を提供する。この一定のＤＣバイアスにより、エッチング速度等のプロセスパラメータが予測可能で一貫した状態が確保され、結果として、高品質の半導体ウェーハおよび改善された製品歩留まりが得られる。
【００４７】
本明細書では、本発明を好適な実施例に関して説明したが、本明細書の考察と、図面の検討と、本発明の実施とにより、本明細書で説明した実施例の代替、変更、置換、および均等物を含め、本発明の他の実施例も当業者には明らかとなろう。上で説明した実施例および好適な特徴は、例示的なものと做されるべきであり、本発明は前記特許請求の範囲によって画定され、本発明の本来の趣旨および範囲に属する全ての代替、変更、置換、および均等物を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 従来技術のプラズマリアクタシステムを示す概略図。
【図１Ｂ】 従来技術の別のプラズマリアクタを示す概略図。
【図１Ｃ】 図１Ｂの線１Ｃ−１Ｃから見た、従来技術の静電チャックを示す拡大図。
【図１Ｄ】 従来技術の単極チャックを示す平面図。
【図２Ａ】 本発明のプラズマリアクタシステムを示す概略図。
【図２Ｂ】 図２Ａの範囲２Ｂを拡大して示す図。
【図３Ａ】 図２Ｂのセンサ２２６内の回路を示すブロック図。
【図３Ｂ】 ＡＣ分配器およびクランプ保護回路を示す図。
【図３Ｃ】 平衡回路を示す図。
【図３Ｄ】 増幅回路を示す図。
【図３Ｅ】 目標値加算回路を示す図。
【図４】 較正モードにある本発明の図２Ｂの範囲４を示す図。
【図５】 本発明のプラズマリアクタを較正する方法を示すプロセス図。
【図６】 本発明によって生成された高周波信号を制御する方法を示すプロセス図。
【符号の説明】
１０…プラズマチャンバ
１２…リアクタ
１３…吸気口
１４…ワークピース
１５…排気口
１６…ウェーハホルダ
１８…プラズマ密度生成機構
２０…プラズマ誘導電源
２２…誘電窓
２４…プラズマ
２６…チャック電極
２８…バイアス高周波電源
３０、２０７、２２０…マッチングネットワーク
３２…クランプ
３３…ピックアップ
３４…電圧センサ
３６…静電チャック
３７…単極チャック
３８…電極
４０…絶縁体
４２…導電部分
４６…ＤＣ電原
４７…フィルタ
２００…プラズマリアクタシステム
２０２…プラズマチャンバ
２０３…ガス吸気口
２０４…ＴＣＰコイル
２０５…ガス排気口
２０６…高周波電源
２０８…セラミック窓
２１０…静電チャック
２１２…ワークピース
２１４…チャック電極
２１６…導電部分
２１７…絶縁体
２１８…バイアス高周波電源
２２２…ピックアップ
２２４…リード線
２２６…センサ回路
２２８…加算回路
２３０…プラズマ
３０１…フィードバック回路
３０４…クランプ保護回路
３０６…平衡回路
３０８…増幅回路
３１０…モニタ信号
３１４…差動接地補償バッファアンプ
３１６…オフセット調節段階
３１８…誤差信号
３１９…直流電力信号
３２０…増幅器
３２６…高周波発電器コマンド信号
３３０…コマンド信号
３３２、３３６、３５６、３８２…コンデンサ
３４７…電流制限レジスタ
３５０…接合器
３５４…タイプマッチド平衡ダイオード
３５８…レジスタ
３６４…タイプマッチド検出ダイオード
３６６…レジスタ
３７２…プレシジョンオプアンプ
３７４…ソース
３７７…フィードバックループ
３７８…マッチドタイプダイオード
３８０、３８４…レジスタ
３８６…電力
３８８…加算接合器
３９０…高利得増幅器
３９２…制限回路
３９４…最終フィルタ／緩衝増幅器
３９６…スイッチ
４０２…電気プローブ
Claims (22)
- ワークピースの処理と製造とにおいて使用するプラズマリアクタシステムであって、
前記ワークピースの支持とプラズマ処理とのために構成された内部構造を有し、プラズマを中に封止するためのプラズマチャンバと、
少なくとも一部が前記プラズマチャンバ内に配置されるワークピース支持電極と、
前記電極に高周波信号を供給する可変電源と、
フィードバック回路と、
を備え、
前記フィードバック回路は、前記電極に接続され、前記高周波信号のピーク電圧を集め、目標値と組み合わされたモニタ信号を生成し、前記高周波信号の前記ピーク電圧の変化に対応する誤差信号を生成するセンサ回路を有し、
前記誤差信号は、加算増幅器により生成され、
前記誤差信号は、前記高周波信号を前記電極に供給する前記可変電源に供給され、
前記ワークピース支持電極は、前記ワークピースを支持する絶縁体の内部に設けられる、プラズマリアクタシステム。 - 請求項１記載のプラズマリアクタシステムであって、
前記センサは、ピックアップを介して前記電極に接続される、プラズマリアクタシステム。 - 請求項２記載のプラズマリアクタシステムであって、
前記ピックアップの少なくとも一部が前記電極内に配置されている、プラズマリアクタシステム。 - 請求項１記載のプラズマリアクタシステムであって、
前記高周波信号は、前記電極のプラズマシースにおけるＤＣバイアス電圧を誘起し、
前記センサによって検知される前記高周波信号の前記ピーク電圧は、前記ＤＣバイアス電圧と相関関係にある、プラズマリアクタシステム。 - 請求項１記載のプラズマリアクタシステムであって、さらに、
前記可変電源と前記電極との間に接続されるマッチングネットワークを備える、プラズマリアクタシステム。 - 請求項５記載のプラズマリアクタシステムであって、
前記センサ回路は、前記マッチングネットワークと前記電極との間に結合されている、プラズマリアクタシステム。 - 請求項１記載のプラズマリアクタシステムであって、
前記センサ回路は、クランプ保護回路と平衡回路と増幅回路とを含む、プラズマリアクタシステム。 - 請求項７記載のプラズマリアクタシステムであって、
前記平衡回路は、前記高周波信号がゼロボルト軸線に関して対称に平衡となる状態となり、ＤＣオフセットエラーが前記システムに入るのを防止する、プラズマリアクタシステム。 - 請求項７記載のプラズマリアクタシステムであって、
前記増幅回路は、前記高周波信号を前記ピーク電圧に対応するＤＣ信号に変換する整流およびフィードバック回路を含む、プラズマリアクタシステム。 - 請求項１記載のプラズマリアクタシステムであって、
前記センサ回路は、
前記高周波信号がゼロボルト軸線に関して対称に平衡となる状態となり、ＤＣオフセットエラーが前記システムに入るのを防止する平衡回路と、
前記高周波信号を前記ピーク電圧に対応するＤＣ信号に変換する整流およびフィードバック回路を含む増幅回路と、を含む、プラズマリアクタシステム。 - 封止されたプラズマとの反応によるワークピースの処理と製造とに使用するプラズマリアクタに供給する電力を制御する方法であって、
高周波信号を生成する工程と、
前記高周波信号をプラズマリアクタ内の前記ワークピースを支持する電極に送給する工程と、
前記プラズマを生成する際の前記電極のピーク電圧を検知する工程と、
検知された前記ピーク電圧に対応する誤差信号とコマンド信号とを生成する工程と、
前記誤差信号に基づいて前記高周波信号を調整し、前記電極への望ましいピーク電圧の供給を維持することにより、前記ワークピースにおける一定のＤＣバイアス供給する工程と、
を備え、
前記高周波信号は、自動的にかつ継続的に調整され、
前記ワークピースを支持する電極は、前記ワークピースを支持する絶縁体の内部に設けられる、制御方法。 - 請求項１１記載の電力制御方法であって、さらに、
プラズマによる負荷を前記高周波信号と一致させる工程を含む、制御方法。 - 請求項１１記載の電力制御方法であって、
前記高周波信号が、プラズマが示す負荷とほぼ一致する信号を提供する低インピーダンス電源によって提供される、制御方法。 - 請求項１１記載の電力制御方法であって、さらに、
前記高周波信号の前記ピーク電圧と相関関係にあるＤＣバイアスを形成するプラズマを生成する工程を備える、制御方法。 - 請求項１１記載の電力制御方法であって、
前記ピーク電圧は、少なくとも一部が前記電極内に位置するピックアップから検知される、制御方法。 - 請求項１１記載の電力制御方法であって、
前記誤差信号を生成する工程は、前記高周波信号の前記ピーク電圧を有効に表すＤＣ信号を生成する工程を含む、制御方法。 - 請求項１１記載の電力制御方法であって、
前記高周波信号を調整する工程は、自動で実行される、制御方法。 - 半導体ウェーハを処理するプラズマ処理システムであって、
内部にプラズマを含むチャンバと、
少なくとも一部が前記チャンバ内に配置されたウェーハ支持電極と、
前記電極に高周波信号を供給する電源と、
前記電極に接続され、前記高周波信号のピーク電圧を集め、ＤＣ目標値コマンド信号と加算されて前記高周波信号の前記ピーク電圧の変化に対応する誤差信号を生成するモニタ信号を生成するセンサ回路と、を備え、
前記誤差信号は、処理中に一定のＤＣバイアスを前記電極に供給するために、前記高周波信号を前記電極に供給する前記電源に供給され、
前記ウェーハ支持電極は、前記ウェーハを支持する絶縁体の内部に設けられる、プラズマ処理システム。 - 請求項１８記載のプラズマ処理システムであって、
前記センサ回路は、クランプ保護回路と平衡回路と増幅回路とを含む、プラズマ処理システム。 - 請求項１９記載のプラズマ処理システムであって、
前記平衡回路は、前記高周波信号がゼロボルト軸線に関して対称に平衡となる状態となり、ＤＣオフセットエラーが前記システムに入るのを防止する、プラズマ処理システム。 - 請求項１９記載のプラズマ処理システムであって、
前記増幅回路は、前記高周波信号を前記ピーク電圧に対応するＤＣ信号に変換する整流およびフィードバック回路を含む、プラズマ処理システム。 - 請求項１８記載のプラズマ処理システムであって、
前記センサ回路は、
前記高周波信号がゼロボルト軸線に関して対称に平衡となる状態となり、ＤＣオフセットエラーが前記システムに入るのを防止する平衡回路と、
前記高周波信号を前記ピーク電圧に対応するＤＣ信号に変換する整流およびフィードバック回路を含む増幅回路と、を含む、プラズマ処理システム。
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