JP4970434B2 - プラズマリアクタ及びプラズマリアクタの使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体プロセスに関する。より詳細には、本発明は、プラズマエッチング装置に関する。

通常のプラズマエッチング装置は、反応ガス、すなわちガスが流れるチャンバを含むリアクタを備える。チャンバ内では、通常、無線周波数エネルギーにより、ガスがイオン化されてプラズマになる。プラズマの高反応性イオンは、インターコネクト間の誘電体や半導体ウェーハの表面のポリマーマスクなどの材料が集積回路（ＩＣ）に加工される間、これに反応することができる。エッチングに先立って、ウェーハをチャンバ内に配置し、チャックや保持部により、ウェーハの上面をプラズマに暴露する適切な位置に保持される。

半導体処理においては、各プロセスにおけるウェーハ全体のエッチ速度または蒸着速度の均一性は、デバイスの歩留まりに直接影響を与える。これはプロセスリアクタの主要な資格条件の１つとなっており、したがって、その設計および開発の際の非常に重要なパラメータと考えられている。ウェーハ直径の寸法が増加する毎に、一バッチ分の集積回路の均一性を確保することがより難しくなるという問題がある。例えば、ウェーハサイズが２００ｍｍから３００ｍｍに増加して、ウェーハ毎の回路のサイズが減少すると、端部の除去が例えば２ｍｍに縮小する。したがって、均一なエッチ速度、プロファイル、および限界寸法をウェーハ端部から２ｍｍに維持することは、極めて重要になっている。

プラズマエッチングリアクタにおいて、エッチングパラメータ（エッチ速度、プロファイル、ＣＤ、など）の均一性は、複数のパラメータの影響を受ける。均一なプラズマ放電を維持すること、ひいてはウェーハ上のプラズマ化学は、均一性の向上に重要な意味を持つ。シャワーヘッドを介してガス流の注入を操作する、シャワーヘッドの設計を修正する、ウェーハ周囲に端部リングを配するといった、ウェーハの均一性を向上させる多くの試みが考えられてきた。

大きさの異なる電極を有する容量結合エッチングリアクタにおける１つの問題として、特にウェーハ端部周囲において、均一な高周波結合がないことがあげられる。図１に、基板のエッチングに通常用いられるタイプの代表的なプラズマ処理チャンバを表す、従来の容量結合プラズマ処理チャンバ１００を示す。プラズマリアクタ１００は、チャンバ１０２と、下部電極１０４と、上部電極１０６とを備える。下部電極１０４は、中央下部電極１０８と端部下部電極１１０とを含む。上部電極１０６は、中央上部電極１１２と端部上部電極１１４とを含む。端部上部電極１１４および端部下部電極１１０は、それぞれ、中央上部電極１１２および中央下部電極１０８を取り囲むリング形状をして、単一の面を形成する。

中央下部電極１０８はＲＦパワーソース１１８と接続し、上部電極１０６と端部下部電極１１０とは上部電極１０６と下部電極１０４の間に生成されるプラズマ１１６からの電荷を排出するために接地されている。図１に示すように、グロー放電領域（プラズマ１１６）の形状は、接地した端部下部電極１１０のために、中央下部電極１０８の端部近傍で歪んでいる。この歪みが、中央下部電極１０８に配置した基板（不図示）上のエッチ速度を不均一なものとしている。

プラズマ処理の間、陽イオンが等電位場線を横切って加速して基板表面に衝突し、これによりエッチングの指向性の向上など、所望のエッチング効果が得られる。上部電極１０６および下部電極１０４のジオメトリにより、等電位場線はウェーハ表面全体で均一とならず、ウェーハ１０４の端部で極めて大きく変化することがある。したがって、接地したリング１１０が、通常、ウェーハ表面全体にわたってプロセスの均一性を向上させるために備えられる。

上部電極１０６のパーツが固定であるため、ウェーハの中央部と端部とでエッチ速度を個別に制御することができない。エッチング処理時の不均一性は、中央部と端部でサイズの違いをもたらし、ウェーハ毎の信頼性のあるデバイスの歩留まりを低くすることがある。

したがって、ウェーハの中央部と端部とでエッチ速度を独立して制御する方法および装置が求められている。本発明は、これらの課題を解決し、さらに関連する利点を提供することを主な目的とする。

プラズマリアクタは、チャンバと、上部電極と、下部電極と、下部電極に隣接し、下部電極をほぼ取り囲む下部接地拡張部と、を含む。上部接地拡張部は、上部電極に隣接し、上部電極にほぼ平行である。上部電極はまた接地されている。上部接地拡張部は、下部接地拡張部の上方の領域を延伸して、独立して上昇または下降可能である。

本願明細書に組み込まれ、本願明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の一または複数の実施の形態を例示し、詳細な説明とともに、本発明の原理および実装を説明する。

以下、本発明の実施形態のプラズマリアクタについて説明する。当業者は、以下の本発明の詳細な説明が例示のみを目的としており、いかなる形であれ限定することを意図するものではないことを理解するであろう。本開示の利益を受ける当業者には、本発明のこの他の実施の形態も容易に想到可能であろう。以下、添付の図面に例示するような本発明の各種実施について詳細に説明する。図面ならびに以下の詳細な説明において、同様の構成要素には、同様の参照番号を用いる。

明確にするため、本明細書に記載する実装において通常用いられる特徴については全てを図示または説明しない。実際の実装などの開発においては、開発者の具体的な目標を達成するために、当然のことながら、用途およびビジネスに関わる制約との整合性など、実装毎に個別の判断が数多く必要とされ、さらにこれらの個別の目標は実装および開発者ごとに異なるということが理解される。このような開発作業は複雑かつ時間を要するものであるが、本開示の利益を受ける当業者にとって日常的に行われる技術的な作業であるということが理解されよう。

図２に、チャンバ２０２と、下部電極２０８と、下部電極拡張部２１０と、上部電極２１２と、上部電極拡張部２１４とを備える、一実施の形態のプラズマリアクタ２００を示す。一実施形態によれば、下部電極拡張部２１０は、下部電極２０８に平行かつ隣接して、下部電極２０８を取り囲む接地リング２１０を含む。上部電極拡張部２１４は、上部電極２１２に平行かつ隣接して、上部電極２１２を取り囲む調整可能な接地リング２１４を含む。

下部電極２０８は、ＲＦパワーソース２１８と接続し、上部電極２１２、上部電極拡張部２１４と下部電極拡張部２１０は、上部電極２１２と下部電極２０８の間に生成されるプラズマ２１６からの電荷を排出するために接地されている。一例として、下部電極拡張部２１０および上部電極拡張部２１２は、アルミニウムなどの導電材料から構成してもよい。図２に示すように、プラズマ２１６は、上部電極拡張部２１４の位置（高さ）に応じてプラズマ密度の異なる２つの領域２２０および２２２を含む。

下部電極２０８は、ワークピースを受けるように構成され、ワークピースを受けるよう構成された関連する下部電極領域を含む。下部電極２０８は、少なくとも１つのパワーソース２１８に連結している。パワーソース２１８は、下部電極２０８に伝達されるＲＦパワーを生成するよう構成される。例示のみを目的とするが、二重周波数パワーソース２１８を用いて、プラズマ２１６を生成するガスに印加する高電位を生成してもよい。より具体的には、図示のパワーソース２１８は、ラムリサーチ社製のエッチングシステムに含まれる、２ＭＨｚおよび２７ＭＨｚで動作する二重パワー周波数パワーソースである。当業者には、処理チャンバ２０２内でプラズマを生成することが可能なその他のパワーソースを用いてもよいことは、明らかである。当業者には、本発明は２ＭＨｚおよび２７ＭＨｚの無線周波数に限定されるものではなく、広い範囲の周波数に適用可能であることは明らかである。本発明は、二重周波数パワーソースに限定されるものではなく、広い様々な周波数を有する３以上のＲＦパワーソースを有するシステムに適用することもできる。

上部電極２１２は、下部電極２０８の上方に所定の距離離間して配設されている。上部電極２１２と上部電極拡張部２１４は、接地拡張部２１０とともに、下部電極２０８から送られてくるＲＦパワーの電気回路を閉じる構成されている。上部電極拡張部２１４は、上部電極２１２から独立して上昇または下降して、下部電極２０８の端部−プラズマ領域２２２−におけるプラズマ密度を操作できるようになっている。下部電極２０８の端部でプラズマ密度を変化させて、その領域のエッチ速度をプラズマ領域２２０のエッチ速度から独立して（より早い速度または遅い速度に）制御することができる。当業者には、さまざまな方法を用いて、上部電極拡張部２１４を上昇および下降できることは、明らかである。例えば、機械式または電動式のつまみを用いて、チャンバ２０２を開いてチャンバ２０２の内部で作業する必要のないように、上部電極拡張部２１４を上昇または下降させてもよい。

プラズマ処理の間、陽イオンが等電位場線を横切って加速して基板表面に衝突し、これによりエッチングの指向性の向上など、所望のエッチング効果が得られる。上部電極２１２および下部電極２０８のジオメトリにより、等電位場線はウェーハ表面全体で均一とならず、ウェーハ端部で著しく変化することがある。したがって、ウェーハ表面全体にわたってプロセスの均一性を向上させるため、上部および下部電極拡張部２１４、２１０を設けている。

プラズマリアクタ２００は、プラズマリアクタ２００によりプラズマ２１６に変換されるガス（不図示）を受け入れるよう構成されている。一例であり、限定するものではないが、チャンバ２０２に送り込む比較的高いガス流速とは、１５００ｓｃｃｍとする。１５００ｓｃｃｍ未満のガス流速およびこれを超えるガス流速を用いてもよい。

プラズマ２１６をチャンバ２０２内に生成するためには、パワーソース２１８を作動して、下部ＲＦ電極２０４と上部接地電極２０６の間にＲＦパワーを伝達する。次に、ガスをワークピースまたは半導体基板の処理に用いるプラズマ２１６に変換する。一例であり、限定するものではないが、プラズマ体積１ｃｍ^３毎に２ＷのＲＦパワーレベルを印加してもよい。また、プラズマ体積１ｃｍ^３毎に２Ｗ未満のＲＦパワーレベルを印加してもよい。

例示のため、図２に示すプラズマリアクタ２００は、容量結合を用いて処理チャンバ２０２内にプラズマ２１６を生成するものとする。当業者には、本装置および方法を、誘導結合プラズマを用いるよう構成してもよいことは明らかである。

当業者にとって、図２に示す上述の構成が、限定を意図するものではなく、ここに開示する本発明の概念から逸脱することなく、その他の構成を用いてもよいことは明らかである。例えば、少なくとも２つ以上の隣接する上部電極拡張部２１４を配置して、さらに、下部電極２０８の端部のエッチ速度を制御するようにしてもよい。

図３に、図２に示すプラズマリアクタの使用方法を示す。３０２において、上部電極拡張部２１４の位置（上昇位置または下降位置）を選択する。上部電極拡張部２１４は、下部電極拡張部の上部の領域に延伸して上昇または下降可能である。３０４において、プラズマリアクタ２００は、下部電極２０８に支持されるウェーハを処理する。３０６において、ウェーハを検査してウェーハ表面全体のエッチング均一性を判定する。３０８において、上部電極拡張部２１４の位置を、３０６で行った分析に基づいてウェーハ表面全体のエッチ速度の均一性をさらに向上するように、調整する。

本発明の実施の形態および用途を図示して説明したが、本開示の利益を受ける当業者には、本明細書に記載した発明の概念から逸脱することなく、前述した以外の数多くの変形例が可能であることは明らかである。このため、本発明は、添付の請求の範囲の趣旨以外によって限定されることはない。

従来技術のプラズマリアクタの概略図である。 一実施形態のプラズマリアクタの概略図である。 図２に示すプラズマリアクタの動作方法を説明する概略フロー図である。

Claims (6)

1. チャンバを規定しているボディと、
   前記チャンバ内に配置され、ワークピースを受け入れるように構成され、第１の面に位置する下部電極と、
   前記チャンバ内に配置され、前記下部電極から所定距離で離間し、前記第１の面と平行な第２の面に位置する上部電極と、
   前記下部電極に近接し、前記下部電極と同心であり、前記第１の面に位置する下部接地拡張部と、
   前記上部電極に近接し、前記上部電極と同心である上部接地拡張部であって、前記上部接地拡張部は、前記上部電極から独立して上昇又は下降するように構成されると共に、前記下部電極から上昇する又は前記下部電極へ向かって下降するように構成され、かつ周辺の電界強度を制御するように構成され、それにより前記チャンバ内の周辺のプラズマ密度を変化させ、さらに前記第１及び第２の面に平行な第３の面内に配置される、上部接地拡張部と、
   前記上部電極とグランドとの接続を維持したままで、前記下部電極と接続される無線周波数ソースと、
   を備えるプラズマリアクタ。
2. 前記上部接地拡張部は、リングを含む、請求項１記載のプラズマリアクタ。
3. 前記下部接地拡張部は、リングを含む、請求項１記載のプラズマリアクタ。
4. 前記無線周波数ソースは、前記下部電極に複数の周波数を生成する、請求項１記載のプラズマリアクタ。
5. 互いに所定距離で離間した一対の離間した下部電極プレート及び上部電極プレートを備えたチャンバを規定しているボディを有し、前記下部電極プレートは、第１の面に位置し、前記上部電極プレートは、前記第１の面に平行な第２の面に位置したままであり、互いに離間した第１の接地電極リング及び第２の接地電極リングは、前記チャンバ内に配置され、かつ前記第１の面及び前記第２の面に平行に配置される、プラズマリアクタの使用方法であって、
   前記下部電極プレート及び上部電極プレートを互いに一致させ、前記チャンバの一部が処理領域を規定する前記下部電極プレート及び上部電極プレート間に配置されるように設置するステップと、
   前記下部電極プレートを前記第１の面に設置し、かつ前記下部電極プレートから離間するように、前記下部電極プレートを前記第１の接地電極リングで囲むステップと、
   前記上部電極プレートとグランドとの接続を維持したままで、前記下部電極プレートに無線周波数電力を供給するステップと、
   前記処理領域を囲み、かつ前記第１の面及び前記第２の面の両方から離間するように前記第２の接地電極リングを設置することにより、周辺電界強度を制御して、それにより前記チャンバ内の周辺のプラズマ密度を変化させるステップと、を備える方法。
6. さらに、前記下部電極プレートに複数の周波数を生成するステップを有する、請求項５記載の方法。

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