JP5566982B2

JP5566982B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP5566982B2
Application number: JP2011225071A
Authority: JP
Inventors: ハオ・ファングリ; レンズ・エリック; モレル・ブルノ
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 2000-08-11
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2021-07-31
Also published as: JP2012015552A; KR20030066595A; JP4868693B2; DE60140766D1; WO2002015236A2; AU2001280949A1; JP2004511085A; TWI235403B; KR100807133B1; EP1362362B1; CN1489778A; WO2002015236A3; CN1269178C; EP1362362A2; US6433484B1

Description

本発明は、半導体ベースのデバイスの製造に関している。より具体的には本発明は、プラズマ処理チャンバ内の圧力を制御する改善された技術に関する。

半導体ベースのデバイス（例えば集積回路やフラットパネルディスプレイ）の製造においては、材料の層が交互に堆積され、基板表面（例えば半導体ウェハやガラスパネル）からエッチングされる。当該技術においてよく知られるように、堆積層のエッチングは、プラズマエッチングを含む様々な技術によって実現されうる。プラズマエッチングにおいて、基板の実際のエッチングは、プラズマ処理チャンバ内で行われる。エッチング中、プラズマは、適当なエッチング用原料ガスから形成され、マスクによって保護されていない基板領域に至り、所望のパターンをあとに残す。

いろいろな種類のプラズマエッチングシステムの中で、閉じ込めリングを利用するものは、ますます小さくなる基板のパターンを形成効率的に製造し、かつ／または形成するのに非常に適していることがわかっている。そのようなシステムの例としては、共通に譲渡されている米国特許第５，５３４，７５１号があり、これはここで参照によって援用される。閉じ込めリングの使用は、プラズマ処理システムの性能を大きく改善するに至ったが、現在の実現例はまだ改善されうる。特に、プラズマ処理システム中の圧力が制御されるように改善されうることがわかる。

議論をすすめるために図１は、現在実現されている、閉じ込めリング１０２を含むプラズマ処理チャンバ１００の例を示す。プラズマ処理チャンバ１００内には、基板ホルダを表すチャック１０４が示され、この上に基板１０６がエッチング中に位置する。チャック１０４は、例えば静電的、機械的クランプ、真空などの適当なチャッキング技術によって実現されうる。エッチング中、ＲＦ電源１１０が、例えば約２ＭＨｚから約２７ＭＨｚの周波数を持つＲＦ電力をチャック１０４に供給する。基板１０６の上方には、リアクター上部１１２が設けられて、これがＲＦ電源１２６を持つ上部電極１２４を支持する。エッチング用ガス源１２０は、閉じ込めリング１０２内の領域にガスを供給する。上部電極１２４は、エッチング用ガスを励起してプラズマにし、プラズマを維持する。ガスおよびプラズマは、閉じ込めリング１０２の外の領域へと排気され、排気口１２２へと向かう。

ここで参照により援用される、Eric H. Lenzによる共通に譲渡された「プラズマ処理チャンバ内で閉じ込めリングを位置づけるカムベースの機構」と題される２０００年２月１日に付与された米国特許第６，０１９，０６０号は、図１に示すようにｘ、ｙ、およびｚが閉じ込めリング間の距離であるときに、閉じ込めリングの両端での圧力降下は、ほぼ１／（ｘ²＋ｙ²＋ｚ²）であることを教示する。Lenzは、単一の可動閉じ込めリングおよび静止閉じ込めリングを設けた。単一の可動閉じ込めリングを移動させることで閉じ込めリング１０２間の距離を調節することによって、Lenzによって教示されるように、１７から３０％の圧力制御範囲が得られる。３０％を超える圧力制御の場合、プラズマはリング間の大きなギャップにより閉じこめられないようになるかもしれない。閉じ込めリングの両端での圧力降下を制御することによって、閉じ込めリング、ウェハ領域内の圧力が制御されうる。

閉じ込めリングの両端での圧力降下をよりよく制御することが望まれる。

上述の、および他の目的を達成するため、かつ本発明の目的にしたがって、プラズマ処理装置が提供される。真空チャンバと流体的に接続された排気口と、真空チャンバと流体的に接続されたガス源とを持つ真空チャンバが設けられる。真空チャンバ内には、ウェハ領域の圧力制御を４０％より大きくする閉じ込め装置が設けられる。

これらおよびその他の本発明の特徴は以下に添付の図面を参照して詳細に説明される。

従来技術によるプラズマ処理チャンバの概略図である。本発明のある実施形態によるプラズマ処理チャンバの概略図である。図２の閉じ込めリングおよび垂直制限リングの断面の拡大図である。調節可能な閉じ込めリングがその最も低い位置に下げられているときの、調節可能な閉じ込めリングおよび垂直制限リングの断面の拡大図である。本発明の第２実施形態によるプラズマ処理チャンバの概略図である。図５の閉じ込めリングおよび外垂直制限リングの断面の拡大図である。調節可能な閉じ込めリングがその最も低い位置に下げられているときの、調節可能な閉じ込めリングおよび外垂直制限リングの断面の拡大図である。本発明の第３実施形態によるプラズマ処理チャンバの概略図である。図８の閉じ込めリングの断面の拡大図である。距離が最大にされる閉じ込めリング構成の例を示す図である。

本発明は、限定的にではなく、例示によって説明されており、添付図面の図においては同じ参照番号は同じ要素を示す。

添付の図面に示されるように本発明の２、３の好ましい実施形態を参照して、本発明が以下に詳細に記載される。以下の記載において、本発明を完全に理解するために多くの具体的な詳細事項が説明される。しかし本発明はこれらの具体的な詳細事項の一部またはすべてを伴うことなく実施されうることが当業者にはわかるだろう。他の場合には、本発明のポイントを不必要にぼかさないために、よく知られた方法ステップおよび／または構造の詳細は記載されていない。

説明をわかりやすくするために、図２はプラズマ処理チャンバ２００の概略図であり、本発明のある実施形態によれば、これは調節可能な閉じ込めリング２０２および固定された内部垂直制限リング２０３を含む。内部垂直制限リングは、プラズマ処理チャンバ２００の上部２１２に連結された固定端と、閉じ込めリング２０２に隣接する自由端とを有する。本明細書および特許請求の範囲において、調節可能な閉じ込めリングは、ウェハ領域圧力を調節可能に制御するために、プラズマ処理プロセス中に軸方向（上下）に調節または移動されうる閉じ込めリングとして定義される。閉じ込めリング２０２に連結されたコントローラ２５２は、プラズマ処理プロセス中に閉じ込めリング２０２を調節することを可能にする。プラズマ処理チャンバ２００内には、基板ホルダを表すチャック２０４が示され、この上に基板２０６がエッチング中に位置する。チャック２０４は、例えば静電的、機械的クランプ、真空などの適当なチャッキング技術によって実現されうる。エッチング用ガス源２２０および排気口２２２は、処理チャンバ２００に連結されている。上述したものや図１に示されるような他のプラズマ発生装置もこのプラズマ処理チャンバに設けられるが、簡明にするため図示されていない。そのようなプラズマ発生装置は、図１に示されるように容量的であるか、または誘導的であるか、あるいは他のプラズマ発生装置であってもよい。

エッチング中、エッチング用ガス源２２０は、ガスを閉じ込めリング２０２内の領域に供給する。ガスは閉じ込めリング２０２の外の領域から排気口２２２へと排気される。基板２０６（ウェハ）の上方の領域の圧力は、エッチング用ガスが閉じ込めリング２０２内においてエッチング用ガス源２２０から基板２０６の上方の領域へと導かれる速度、閉じ込めリング２０２の外の排気口２２２を通るガスの流れの速度、および閉じ込めリング２０２の両端における圧力降下によって決定される。閉じ込めリング２０２の両端の圧力降下は、閉じ込めリング２０２を通ったガスの流れに依存する。

図３は、図２の閉じ込めリング２０２および垂直制限リング２０３の断面の拡大図である。閉じ込めリング２０２を通るガスの流れは、閉じ込めリング２０２および処理チャンバの下部２２８の間を流れる第１成分３０２と、閉じ込めリング２０２および垂直制限リング２０３の間を流れる第２成分３０４とを有する。閉じ込めリング２０２および処理チャンバの下部２２８の間の距離は「ｘ」として示される。閉じ込めリング２０２および垂直制限リング２０３の間の距離は「ｙ」として示され、これはこの実施形態では実質的に一定である。閉じ込めリングの両端における圧力降下は、式1/(x² + y²)にほぼ比例する。調節可能な閉じ込めリング２０２がその最も高い位置にあるとき、閉じ込めリング２０２および下部２２８の間の距離「ｘ」は最大であり、よって1/(x² + y²)は最小であり、その結果、閉じ込めリングの両端における圧力降下は最小になる。そのような構成においては、第１成分３０２はガスフローの９５％でありえ、第２成分３０４はガスフローの５％でありえる。

図４は、調節可能な閉じ込めリング２０２がその最も低い位置に下げられているときの、調節可能な閉じ込めリング２０２および垂直制限リング２０３の断面の拡大図である。閉じ込めリングの両端における圧力降下は、やはり式1/(x² + y²)にほぼ比例する。調節可能な閉じ込めリング２０２がその最も低い位置にあるとき、閉じ込めリング２０２および下部２２８の間の距離「ｘ」は最小であり、よって1/(x² + y²)は最大であり、その結果、閉じ込めリングの両端における圧力降下は最大になる。そのような構成においては、第１成分３０２はガスフローの９０％でありえ、第２成分３０４はガスフローの１０％でありえる。調節可能な閉じ込めリング２０２が図２および図３に示す最高位置から図４に示す最低位置へと動くとき、閉じ込めリングの両端における圧力の変化は約９０％であり、よってウェハ領域圧力制御は９０％になる。

図５は、本発明の第２実施形態による調節可能な閉じ込めリング５０２および固定された外垂直制限リング５０３を含むプラズマ処理チャンバ５００の概略図である。固定された外垂直制限リング５０３は、プラズマ処理チャンバ５００の上部５１２に連結された固定端と、閉じ込めリング５０２に隣接する自由端とを有する。閉じ込めリング５０２に結合されたコントローラ５５２は、プラズマ処理プロセス中に閉じ込めリング５０２を調節することを可能にする。プラズマ処理チャンバ５００内には、基板ホルダを表すチャック５０４が示され、この上に基板５０６がエッチング中に位置する。チャック５０４は、例えば静電的、機械的クランプ、真空などの適当なチャッキング技術によって実現されうる。エッチング用ガス源５２０および排気口５２２は、処理チャンバ５００に連結されている。上述したものや図１に示されるような他のプラズマ発生装置もこのプラズマ処理チャンバに設けられるが、簡明にするため図示されていない。そのようなプラズマ発生装置は、図１に示されるように容量的であるか、または誘導的であるか、あるいは他のプラズマ発生装置であってもよい。

エッチング中、エッチング用ガス源５２０は、ガスを閉じ込めリング５０２内の領域に供給する。ガスは閉じ込めリング５０２の外の領域から排気口５２２へと排気される。基板５０６（ウェハ）の上方の領域の圧力は、エッチング用ガスが閉じ込めリング２０２内においてエッチング用ガス源５２０から基板５０６の上方の領域へと導かれる速度、閉じ込めリング５０２の外の排気口５２２を通るガスの流れの速度、および閉じ込めリング５０２の両端における圧力降下によって決定される。閉じ込めリング５０２の両端の圧力降下は、閉じ込めリング５０２を通ったガスの流れに依存する。

図６は、図５の閉じ込めリング５０２および外垂直制限リング５０３の断面の拡大図である。閉じ込めリング５０２を通るガスの流れは、閉じ込めリング５０２および処理チャンバの下部５２８の間を流れる第１成分６０２と、閉じ込めリング５０２および外垂直制限リング５０３の間を流れる第２成分６０４とを有する。閉じ込めリング５０２および処理チャンバの下部５２８の間の距離は「ｘ」として示される。閉じ込めリング５０２および外垂直制限リング５０３の間の距離は「ｙ」として示され、これはこの実施形態では実質的に一定である。閉じ込めリングの両端における圧力降下は、式1/(x² + y²)にほぼ比例する。調節可能な閉じ込めリング５０２がその最も高い位置にあるとき、閉じ込めリング５０２および下部５２８の間の距離「ｘ」は最大であり、よって1/(x² + y²)は最小であり、その結果、閉じ込めリングの両端における圧力降下は最小になる。そのような構成においては、第１成分６０２はガスフローの９５％でありえ、第２成分６０４はガスフローの５％でありえる。

図７は、調節可能な閉じ込めリング５０２がその最も低い位置に下げられているときの、調節可能な閉じ込めリング５０２および外垂直制限リング５０３の断面の拡大図である。閉じ込めリングの両端における圧力降下は、やはり式1/(x² + y²)にほぼ比例する。調節可能な閉じ込めリング５０２がその最も低い位置にあるとき、閉じ込めリング５０２および下部５２８の間の距離「ｘ」は最小であり、よって1/(x² + y²)は最大であり、その結果、閉じ込めリングの両端における圧力降下は最大になる。そのような構成においては、第１成分６０２はガスフローの９０％でありえ、第２成分６０４はガスフローの１０％でありえる。調節可能な閉じ込めリング５０２が図５および図６に示す最高位置から図７に示す最低位置へと動くとき、閉じ込めリングの両端における圧力の変化は約１００％であり、よってウェハ領域圧力制御は１００％になる。

この実施形態においては、閉じ込めリング５０２は、閉じ込めリング５０２の外側表面の周りから突出したリップ７０４上に先端７０２を有する。同様に外垂直制限リング５０３は、外垂直制限リング５０３の内側表面の周りから突出したリップ７０８上に先端７０６を有する。先端７０２および７０６の間の距離が閉じ込めリング５０２および垂直制限リング５０３の間の距離「ｙ」を決定する。そのような先端７０２、７０６は、閉じ込めリング５０２および垂直制限リング５０３の間のより均一で正確な距離をつくるために用いられうる。そのようなリップおよび先端は、先の実施形態においても用いられうる。

図８は、本発明の第３実施形態による３つの調節可能な閉じ込めリング８０２を含むプラズマ処理チャンバ８００の概略図である。３つの調節可能な閉じ込めリング８０２のそれぞれに結合されたコントローラ８５２は、プラズマ処理プロセス中に３つの調節可能な閉じ込めリング８０２を調節することを可能にする。コントローラ８５２は、それぞれが単一の閉じ込めリングを制御する３つの小さいコントローラを含んでもよく、あるいはすべての３つの閉じ込めリングを制御する単一の大きなコントローラを含んでもよい。プラズマ処理チャンバ８００内には、基板ホルダを表すチャック８０４が示され、この上に基板８０６がエッチング中に位置する。チャック８０４は、例えば静電的、機械的クランプ、真空などの適当なチャッキング技術によって実現されうる。エッチング用ガス源８２０および排気口８２２は、処理チャンバ８００に連結されている。上述したものや図１に示されるような他のプラズマ発生装置もこのプラズマ処理チャンバに設けられるが、簡明にするため図示されていない。そのようなプラズマ発生装置は、図１に示されるように容量的であるか、または誘導的であるか、あるいは他のプラズマ発生装置であってもよい。

エッチング中、エッチング用ガス源８２０は、処理チャンバ８００の上部８１２に近い閉じ込めリング８０２内の領域にガスを供給する。ガスは閉じ込めリング８０２の外の領域から排気口８２２へと排気される。基板８０６（ウェハ）の上方の領域の圧力は、エッチング用ガスが閉じ込めリング８０２内においてエッチング用ガス源８２０から基板８０６の上方の領域へと導かれる速度、閉じ込めリング８０２の外の排気口８２２を通るガスの流れの速度、および閉じ込めリング８０２の両端における圧力降下によって決定される。閉じ込めリング８０２の両端の圧力降下は、閉じ込めリング８０２を通ったガスの流れに依存する。

図９は、図８の閉じ込めリング８０２の断面の拡大図である。閉じ込めリングの両端における圧力降下は、式1/(w² + x² + y² + z²)にほぼ比例し、ここでｗ、ｘ、ｙおよびｚは、図９に示す閉じ込めリングの間の距離である。この例では、ｗ≒ｘ≒ｙ≒ｚである。そのため1/(w² + x² + y² + z²)は最大になり、これは圧力降下を最大にする。全ての３つの閉じ込めリング８０２は独立に調節可能なので、閉じ込めリング８０２は距離ｘ、ｙ、ｚ、またはｗのうちの一つを最大にしつつ、残りの距離を最小にするように動かしうる。図１０は、距離ｚが最大にされ、ｙが最小にされる閉じ込めリング構成の例を示す。その結果、閉じ込めリング８０２の両端における圧力降下は1/(w² + x² + y² + z²)にほぼ比例し、最小になる。これら二つの両極端の場合の圧力降下の差は、ウェハ領域圧力制御を４０％にすることが計算されている。

複数の閉じ込めリングを持つ他の実施形態においては、より多くの閉じ込めリングを用いることができ、その場合、閉じ込めリングのうちの少なくとも２つが調節可能である。好ましくは閉じ込めリングのうちの少なくとも３つが調節可能である。内垂直制限リングまたは外垂直制限リングを持つ他の実施形態においては、より多くの閉じ込めリングを用いることができ、その場合、閉じ込めリングのうちの少なくとも一つが調節可能である。

全ての実施形態は、従来技術よりも、ウェハ領域圧力制御をより広範にしつつ、閉じ込めを行うことができる。

内垂直制限リングを持つ実施形態の効果は、プラズマがより狭い領域に閉じ込められ、より小さい表面積で接触することである。接触がより狭い表面積になることは、より狭い表面積だけをきれいにすればよいことを意味する。内垂直制限リングの短所は、内垂直制限リング上への堆積がコンタミネーションを起こしうることであり、これは内垂直制限リングがウェハ処理領域に近いためである。この実施形態は、改善されたＷＡＰ制御を提供する。

外垂直制限リングを持つ実施形態の効果は、それが最もよいＷＡＰ制御を提供するかもしれないことである。さらには、垂直制限リングがウェハ領域からさらに遠ざかっているので、垂直制限リングはより少ない量しかコンタミネーションを発生しない。しかしこの実施形態は、より大きな表面積をプラズマに曝すので、より広い表面積をきれいにしなければならない。改善されたＷＡＰ制御を提供する他に、垂直制限リングを用いる実施形態は双方ともより簡単な制御を提供する。

３つの調節可能な閉じ込めリングを用いることの効果は、閉じ込めわくが拡張されることである。そのような実施形態は、制御特性に大きな変化をきたすまでに、より大きい部品摩耗に耐えることができる。

本発明はいくつかの好ましい実施形態に基づいて説明されてきたが、本発明の範囲に含まれる変更、組み合わせ、代替等価物が存在する。また本発明の方法および装置を実現する多くの代替方法が存在することに注意されたい。よって添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神および範囲に含まれるそのような変更、組み合わせ、代替等価物を包含するように解釈されるものと意図されている。

Claims

プラズマ処理装置であって、
真空チャンバと、
前記真空チャンバと流体的に連通する排気口と、
前記真空チャンバと流体的に連通するガス源と、
閉じ込め装置であって、
前記真空チャンバ内の垂直制限リングであって、前記プラズマ処理装置に連結された第１端と、自由端であって、前記垂直方向に調節可能な閉じ込めリングに隣接する第２端とを有する垂直制限リングと、
前記真空チャンバ内の垂直方向に調節可能な閉じ込めリングと、
を有する前記閉じ込め装置と、
を備えるプラズマ処理装置。
請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、前記プラズマ処理チャンバ内でプラズマ処理中に前記閉じ込めリングを垂直方向に調節する、前記垂直方向に調節可能な閉じ込めリングに結合されたコントローラをさらに備えるプラズマ処理装置。
請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置であって、前記垂直制限リングは前記閉じ込めリングの外側に位置するプラズマ処理装置。
請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置であって、前記垂直制限リングが前記閉じ込めリングの内側に位置するプラズマ処理装置。
請求項１から請求項４のうちのいずれかに記載のプラズマ処理装置であって、前記垂直制限リングの前記自由端がリップを有するプラズマ処理装置。
請求項１から請求項５のうちのいずれかに記載のプラズマ処理装置であって、前記閉じ込めリングがリップを有するプラズマ処理装置。
請求項１から請求項６のうちのいずれかに記載のプラズマ処理装置であって、前記真空チャンバ内に、前記真空チャンバ内で基板を保持するチャックを備えるプラズマ処理装置。