JP5728482B2 - 誘導結合プラズマリアクタ内での高効率ガス解離のための方法及び装置 - Google Patents

誘導結合プラズマリアクタ内での高効率ガス解離のための方法及び装置 Download PDF

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Description

背景
（分野）
本発明の実施形態は、概して、エッチング／蒸着（堆積）プロセスなどの基板処理システム及び関連する基板処理に関する。より具体的には、本発明の実施形態は、改良されたプラズマ解離効率を備えたプロセスチャンバに処理ガスを供給するための方法及び装置に関する。
（関連技術の説明）
マイクロ電子デバイスの製造は、多くの異なるステージを含み、その各々は多様なプロセスを含む。１つのステージの間、ある特定のプロセスは、基板の物理特性及び材料特性を変えるために、シリコン基板などの基板の表面にプラズマを付与する工程を含む場合がある。このプロセスは、穴、ビア、及び／又はその他の開口（以下、「トレンチ」と称する）を基板内に形成するために物質の除去を含むことができるエッチングとして知られているかもしれない。
プラズマエッチングリアクタは、一般に半導体基板内でトレンチをエッチングするために使用される。これらのリアクタは、基板を内部で支持するチャンバを含む。少なくとも１つの反応性ガスがチャンバに供給され、プラズマを形成するために、高周波信号が反応性ガスに結合される。プラズマは、リアクタ内に配置されている基板をエッチングする。基板は、エッチング性能及びトレンチプロファイルを増進するために、エッチングプロセス中に基板にバイアスを掛ける高周波信号に結合することもできる。
これらのトレンチプロファイルは、しばしば異なるクリティカルディメンジョンを要求する。クリティカルディメンジョンは、幅、深さ、アスペクト比、レジスト選択性、側壁の表面粗さ、及び側壁の平坦度を含む。これらのクリティカルディメンジョンは、様々な要因によって制御されることができ、その中の２つはエッチング時間とエッチング速度であり、更にこれらはエッチングされる材料と使用されるエッチングシステムのタイプに依存する。
特に重要な１つの材料はシリコンである。スルーシリコンビア（「ＴＳＶ」）エッチングは、シリコン基板に深いトレンチを形成するために低周波バイアスと低温環境を要求する優れたアプリケーションである。しかしながら、製造中に、シリコンは、一般的にシリコン上に堆積された酸化物層や金属層などの他の材料の複数の層で覆われている。酸化物及び金属は、高周波バイアスなどのシリコンとは異なるエッチング要件を含む。更に、蒸着プロセスの間、エッチングプロセスの前にトレンチの側壁を保護するために、トレンチを形成しながら、薄膜ポリマー層が基板の層上に堆積される場合がある。このポリマー層は、酸化物、金属、又はシリコン層と異なるエッチング要件を更に含む可能性がある。これらの異なる要件は、使用するエッチングシステムのタイプの複雑さに影響を与え、複雑さを増加させる。
エッチング装置の１つのタイプは、インサイチュー（ｉｎ ｓｉｔｕ）プラズマエッチングを含むことができる。この第１タイプのエッチングシステムを使用して、除去用プラズマと堆積用プラズマを備えた単一のリアクタ内で、基板上に材料の除去と堆積を交互に行うことによって、トレンチを形成することができる。エッチングシステムのもう１つのタイプは、リモートプラズマエッチングを含むことができる。この第２タイプのエッチングシステムを使用することによって、プラズマが主リアクタ内に配置された基板上に導入される前にリモートリアクタ内で生成されることが可能であることを除いて、インサイチューシステムと同様にトレンチを形成できる。エッチングシステムのタイプに加えて、各システムによるエッチングプロセスが変わる場合もある。いくつかのエッチングプロセスでは、エッチング・蒸着プロセス又はエッチング・フラッシュ・蒸着プロセスなどのいくつかのレシピプロセスを含む時間多重化ガスモジュレーション（「ＴＭＧＭ」）システム又はボッシュ（Ｂｏｓｃｈ）システムなどのマルチプロセスのアプローチが採用されている。ＴＭＧＭプロセスは、ある時間の間、材料をエッチングし、その後、更なるエッチングから表面を、通常はトレンチの側壁を保護するために、以前にエッチングされた表面上に保護フィルムを堆積する。より一層深いトレンチが形成されるように、これら２つのプロセスが繰り返される。エッチングシステム及びプロセスの異なるタイプは、異なる材料層で異なるトレンチプロファイルを形成する場合、特定の利点及び欠点を有する。
エッチングシステムの材料エッチング速度は、多くの場合、ソース（供給）電力の関数となる。より高いソース電力は、処理ガスのより高い解離速度につながるため、より高いエッチング速度は、より高いソース電力で達成可能である。
本発明の実施形態は、ソース電力を増加させずに処理ガスのより高い解離速度を得ることによってエッチング速度を上げるので、したがってエッチングシステムの効率を高める。
概要
本発明の実施形態は、概してエッチング又は蒸着プロセスなどの基板処理システム及び関連する基板処理に関する。より具体的には、本発明の実施形態は、改良されたプラズマ解離効率を備えたプロセスチャンバに処理ガスを供給するための方法及び装置に関する。
内側容積を画定する外側本体であって、前記外側本体は、前記内側容積に開放する第１入口チャンネルを有し、ガス供給源に接続するように適合され、前記外側本体は出口を有する外側本体と、前記内側容積内に配置され、前記内側容積を第１容積及び第２容積に分割する入口バッフルであって、前記第１入口チャンネルは、前記第１容積の第１端部近くに開放し、１以上の開口が前記第１容積の第２端部近くに配置され、前記１以上の開口は前記第１及び第２容積に接続される入口バッフルと、前記外側本体の前記出口の上方に配置される出口バッフルであって、前記出口バッフルは前記内側容積の前記第２容積に開放する１以上の第１貫通穴を有し、前記出口バッフルは前記第１貫通穴からのガス流をリダイレクトする（出力先を変更する）出口バッフルを含むバッフルノズルアセンブリを、本発明の一実施形態は提供する。
本発明の別の一実施形態において、処理容積を画定するチャンバ本体を含む基板処理システムが提供され、チャンバ本体は、側壁と、処理容積へ処理ガスを導入するように適合された中央開口を有する蓋を含む。基板処理システムは、蓋の上方でチャンバ本体の外側に配置された第１ソレノイドコイルアンテナを更に含み、第１ソレノイドコイルアンテナは中央開口及び蓋の中央開口に結合されたバッフルノズルアセンブリと同心である。バッフルノズルアセンブリは、蓋の中央開口を覆う蓋の上方に配置されたチャンバエクステンションであって、第１ソレノイドコイルアンテナは、チャンバエクステンションを取り囲み、チャンバエクステンションは、蓋の中央開口を介して処理容積と流体結合する拡張容積を画定し、チャンバエクステンションは、拡張容積に開放し、ガス供給源に接続するように適合される第１入口チャンネルを有するチャンバエクステンションと、拡張容積内に配置され、拡張容積を第１容積及び第２容積に分割するガスバッフルノズルであって、第１入口チャンネルは、第１容積の第１端部近くに開放し、１以上の開口が、第１容積の第２端部近くに位置し、１以上の開口は第１及び第２容積に接続するガスバッフルノズルと、蓋の中央開口内に配置されるプラズマバッフルであって、拡張容積の第２容積に開放する１以上の第１貫通穴を有し、第１貫通穴からのガス流をリダイレクトするプラズマバッフルを含む。
本発明の更なる別の一実施形態は、処理チャンバの処理容積内に基板を位置決めする工程を含み、処理チャンバは、側壁と、処理容積、チャンバ本体の外側に配置されるソレノイドコイルアンテナ、及び蓋の上方に配置され、ソレノイドコイルアンテナによって取り囲まれるチャンバエクステンションを画定する蓋とを含み、チャンバエクステンションは、バッフルノズルアセンブリを介して処理容積と流体結合する拡張容積を画定する基板を処理するための方法を提供する。この方法は、拡張容積を介して第１処理ガスを処理容積に流し、同時にプラズマ電源をソレノイドコイルアンテナに印加し、これによって拡張容積と処理容積の両方の中で第１処理ガスのプラズマを生成する工程を更に含む。
本発明の実施形態の上述した構成を詳細に理解することができるように、上記に簡単に要約した本発明の実施形態のより具体的な説明を、実施形態を参照して行う。実施形態のいくつかは添付図面に示されている。しかしながら、添付図面は本発明の典型的な実施形態を示しているに過ぎず、したがってこの範囲を制限していると解釈されるべきではない。
本発明の一実施形態に係るプラズマ処理システムを概略的に示す。 本発明の一実施形態に係る基板エッチングシステム用のチャンバエクステンションの概略上面図である。 本発明の一実施形態に係るノズルバッフルアセンブリを示す図２Ａのチャンバエクステンションの概略側断面図である。 本発明の一実施形態に係るガスバッフルノズルの模式断面図である。 図３Ａのガスバッフルノズルの概略断面図である。 本発明の別の一実施形態に係るガスバッフルノズルの概略断面図である。 本発明の一実施形態に係るプラズマバッフルの概略上面図である。 図４Ａのプラズマバッフルの概略断面図である。 本発明の別の一実施形態に係るチャンバエクステンション及びノズルバッフルアセンブリの概略側断面図である。 本発明の別の一実施形態に係るチャンバエクステンション及びノズルバッフルアセンブリの概略側断面図である。 本発明の一実施形態に係るチャンバエクステンション及びノズルバッフルアセンブリの概略側断面図である。
理解を促進するために、図面に共通する同一の要素を示す際には可能な限り同一の参照番号を使用している。一実施形態に開示される要素を特別な説明なしに他の実施形態において有益に使用してもよいと理解される。
詳細な説明
本発明の実施形態は、概してエッチング／蒸着プロセスなどの基板処理システム及び関連する基板処理に関する。より具体的には、本発明の実施形態は、改良されたプラズマ解離効率を備えたプロセスチャンバに処理ガスを供給するための方法及び装置に関する。
本発明の実施形態は、コイルアンテナへ曝露した中で処理ガスの経路を拡張し、これによって処理ガスは解離する反応時間が増加する。この結果として、ソース電力を増加させることなく、より高い解離率が得られる。
本発明の一実施形態は、ノズルを介してプラズマリアクタの処理容積と流体接続する拡張容積を画定するチャンバエクステンションを有するプラズマリアクタを提供する。拡張容積は、処理容積の外側に配置されたコイルアンテナの内側に位置する。処理ガスは、処理される基板が配置される処理容積に到達する前に、拡張容積を通って流れる。処理ガスは、処理容積に入る前に、チャンバエクステンション内で解離することができ、したがって解離するためのより長い時間を有することができる。
一実施形態では、ノズルは、処理ガスに拡張された経路を提供する拡張容積内に配置されたガスバッフルノズルを含む。
一実施形態では、ノズルは、処理容積内に配置されたプラズマバッフルを含む。プラズマバッフルは、ノズル近傍の高プラズマ密度を避けるために、チャンバエクステンションから処理ガスの流れをリダイレクトする。
別の一実施形態では、ノズルは、処理ガスがチャンバエクステンションを通過することなく、処理容積に入ることができる迂回路を有する。一実施形態では、処理ガスは、チャンバエクステンションを介して迂回路と拡張路の両方を通って供給されてもよい。別の一実施形態では、第１処理ガスが、チャンバエクステンションを介して拡張路を通って供給され、第２の処理ガスが、チャンバエクステンションを通過することなく迂回路を通って供給される。例えば、エッチングガスと蒸着ガスを交互に処理チャンバに流されるシリコンエッチングプロセスの間、増加したプラズマ密度を得るために拡張路を通してエッチングガスを流すことができ、一方、蒸着ガスが処理容積内でのみ解離するように迂回路を通して流すことができる。
図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理システム１００を概略的に示している。図１は、様々な基板を処理し、様々な基板サイズに対応するためのプラズマ処理システム１００の断面図を示している。
一実施形態では、プラズマ処理システム１００は、処理容積４１を画定するチャンバ２５を含む。一実施形態では、チャンバ２５は、側壁２６及び蓋４３を含むことができる。プラズマ処理システム１００は、チャンバ２５の蓋４３上に配置されたアンテナアセンブリ７０を更に含む。電源１５及びマッチングネットワーク１７がアンテナアセンブリ７０に結合され、これによってプラズマ生成のためのエネルギーを提供する。一実施形態では、アンテナアセンブリ７０は、プラズマ処理システム１００の対称軸７３と同軸に配置された１以上のソレノイドインターリーブコイルアンテナを含むことができる。図１に示されるように、プラズマ処理システム１００は、蓋４３上に配置された外側コイルアンテナ７１及び内側コイルアンテナ７２を含む。一実施形態では、コイルアンテナ７１、７２は独立して制御することができる。プラズマ処理システム１００には２つの同軸アンテナが記載されているが、１つのコイルアンテナや３つ以上のコイルアンテナ構成などの他の構成が意図され得ることに注意すべきである。
一実施形態では、内側コイルアンテナ７２は、小さなピッチで螺旋のように巻かれ、内側アンテナ容積７４を形成する１以上の導電体を含む。電流が、１以上の導電体を通過するとき、内側コイルアンテナ７２の内側アンテナ容積７４内に磁界が確立される。後述するように、本発明の実施形態は、内側コイルアンテナ７２の内側アンテナ容積７４内にチャンバエクステンション容積を提供し、内側アンテナ容積７４内で磁界を用いることによってプラズマを生成する。
内側コイルアンテナ７２及び外側コイルアンテナ７１は、例えば、チャンバ壁の特定の形状に合わせて、又は処理チャンバ内で対称又は非対称を達成するように、アプリケーションに応じて他の形状を有してもよいことに注意すべきである。一実施形態では、内側コイルアンテナ７２及び外側コイルアンテナ７１は、直方体の形状に内側アンテナ容積を形成することができる。
プラズマ処理システム１００は、処理容積４１に配置された基板支持体４０を更に含む。基板支持体４０は、処理中に基板１０１を支持する。一実施形態において、基板支持体４０は、静電チャックである。バイアス電源２０及びマッチングネットワーク２１が、基板支持体４０に接続されてもよい。バイアス電源２０は、処理容積４１内で生成されたプラズマにバイアス電位を提供する。
一実施形態では、蓋４３は、１以上の処理ガスの進入を可能にする開口４４を有する。一実施形態では、開口４４は、プラズマ処理システム１００の中心軸付近に配置され、処理される基板１０１の中心に対応することができる。
一実施形態では、プラズマ処理システム１００は、開口４４を覆う蓋４３上に配置されたチャンバエクステンション５１を含む。一実施形態では、チャンバエクステンション５１は、アンテナアセンブリ７０のコイルアンテナの内側に配置される。チャンバエクステンション５１は、開口４４を介して処理容積４１と流体連結する拡張容積４２を画定する。
一実施形態では、プラズマ処理システム１００は、処理容積４１及び拡張容積４２内の開口４４を通して配置されたバッフルノズルアセンブリ５５を更に含む。バッフルノズルアセンブリ５５は、拡張容積４２を通って処理容積４１内に１以上の処理ガスを向ける。一実施形態では、バッフルノズルアセンブリ５５は、拡張容積４２を通過することなく、処理ガスが処理容積４１に入ることを可能にする迂回路を有する。
拡張容積４２は内側アンテナ容積７４内にあるため、拡張容積４２内の処理ガスは、処理容積４１に入る前に内側コイルアンテナ７２の磁界に曝露される。拡張容積４２の使用は、内側コイルアンテナ７２又は外側コイルアンテナ７１に印加される電力の増加なしに、処理容積４１内のプラズマ強度を増加させる。
一実施形態では、内側コイルアンテナ７２又はチャンバエクステンション５１のサイズは、所望のプラズマ均一性及び／又は解離効率を得るように調整することができる。例えば、処理容積４１内のプラズマ密度の均一性は、内側コイルアンテナ７２のサイズ（例えば、直径）を増加させることによって、又は拡張容積４２のサイズ（例えば、直径）を減少させることによって、又はこれら両方によって、増加可能である。しかしながら、内側コイルアンテナ７２のサイズが増加又は拡張容積４２のサイズが減少すると、ガス解離効率は低下する。一実施形態では、内側コイルアンテナ７２の直径は、拡張容積４２の直径の約２倍〜約４倍である。
別の一実施形態では、処理ガスの解離速度は、内側コイルアンテナ７２の電流などの電力レベルを調整することによって調整可能である。内側コイルアンテナ７２に供給される電流を増やすと、処理ガスの解離速度を高めることができる。一実施形態では、処理容積４１内のプラズマの均一性及び／又は強度は、内側コイルアンテナ７２の電流レベルを調整することによって調整可能である。一実施形態では、拡張容積４２及び内側アンテナ容積７４の相対的なサイズは、内側コイルアンテナ７２の電流レベル調整における要因となる。
プラズマ処理システム１００は、ポンプ３０及びバルブ３５を含み、これによって処理容積４１に真空及び排気を提供する。プラズマ処理システム１００は、プラズマ処理システム１００の温度を制御するチラー４５を更に含んでもよい。
プラズマ処理システム１００はガス供給システム１０２を更に含み、これによって処理容積４１に１以上の処理ガスを提供する。一実施形態では、ガス供給システム１０２は、チャンバ２５に直接隣接して、例えばチャンバ２５の下に配置されたハウジング１０５内に位置する。ガス供給システム１０２は、チャンバ２５にプロセスガスを提供するために、１以上のガスパネル１０４内に位置する１以上のガス供給源をバッフルノズルアセンブリ５５に選択的に結合する。一実施形態では、ガス供給システム１０２は、チャンバエクステンション５１を介してバッフルノズルアセンブリ５５に接続できる。一実施形態では、ハウジング１０５は、ガスを変更したときにガス遷移時間を短縮し、ガス使用量を最小限に抑え、排ガス量を最小限に抑えるために、チャンバ２５に近接して配置される。
プラズマ処理システム１００は、チャンバ２５内に基板１０１を支持する基板サポート４０を昇降するためのリフト２７を更に含むことができる。
チャンバ２５は、下部ライナー２２と、上部ライナー２３と、スリットバルブドア２４を有する側壁２６を更に含む。バルブ３５は、ポンプ３０とチャンバ２５との間に配置されてもよく、チャンバ２５内の圧力を制御するように動作可能であってもよい。
ガス供給システム１０２は、更に後述するように、チャンバ２５に少なくとも２つの異なる混合ガスを瞬間的な速度で供給するために使用することができる。任意選択の実施形態では、プラズマ処理システム１００は、トレンチがチャンバ２５内に形成されているとき、エッチングされたトレンチの深さ及び堆積された膜厚を測定するように動作可能なスペクトルモニタを含むのみならず、リアクタの状態を判断するために他のスペクトル機能も使用することができる。プラズマ処理システム１００は、例えば、基板直径が約３００ｍｍまでの様々な基板サイズに対応可能である。
基板上に酸化物層及び金属層を配置したシリコン基板内に、深いトレンチ及びスルーシリコンビア（ＴＳＶ）などのプロファイルをエッチングするための方法及び装置であって、エッチングサイクルが、単独で完全に自動化されたリアクタ内でインサイチューに実行される複数のプラズマプロセスを含む方法及び装置が提供される。このような各エッチングサイクルは、蒸着プロセス、第１エッチングプロセス、及び第２エッチングプロセスを含む。各プロセスは、基板が支持されるリアクタのチャンバ内に供給されるガス混合物の組成によって画定される個々のプラズマプロセスである。ガス混合物の異なる組成は、個々の各プロセス間でチャンバに供給可能である。リアクタは、一般的に、プラズマを生成し維持するための電力源（以下、「ソース電源」という。）及び基板にバイアスを掛けるための電力源（以下、「バイアス電源」という。）を含み、夫々は独立して制御される。
一実施形態では、プラズマ処理システム１００は、約８５度〜約９２度の範囲のテーパ角を有する側壁プロファイルと、約１０マイクロメートル〜約５００マイクロメートルの範囲の深さを有するエッチングされた基板トレンチを生成することができる。一実施形態では、プラズマ処理システム１００は、金属エッチングリアクタと、オプションでポスト金属エッチングパッシベーションチャンバを含むシステムに結合可能である。
一実施形態では、プラズマプロセスを生成し維持するための電源１５は、チャンバ２５の上方に配置され、ハウジング１１に収納された発電装置を介してチャンバ２５に結合される。電源１５は、パルス機能と約１０ワット〜約５０００ワットの範囲内の電力を有する約１２ＭＨｚ〜約１３．５ＭＨｚの範囲内の高周波を生成するように動作可能であってもよく、動的なマッチングネットワーク１７を更に含んでもよい。一実施例では、電源１５は、パルス機能を有した１３ＭＨｚの高周波を生成するように動作可能であってもよい。
電源１５は、高周波をエッチングサイクル中に変更可能なように、調節可能なデュアル電源を含むことができる。一実施形態では、電源１５は、プラズマ処理システム１００に搭載可能な高いプラズマ解離レベルを生成することができるリモートプラズマ電源を含むことができる。
リモートプラズマ電源を使用するとき、プラズマ処理システム１００は、基板にプラズマを分散させるのを助長するために、チャンバ２５内に配置された１つ又は一連のプラズマ分散板を更に含むことができる。一実施形態では、プラズマ処理システム１００は、インサイチューソース電源及びリモートプラズマソース電源の両方を含み、リモートプラズマソース電源を用いてリモートプラズマチャンバ内でプラズマを生成し、リアクタチャンバ２５へ送り、生成されたプラズマをインサイチュー電源１５がチャンバ２５内に維持してもよい。一実施形態では、電力範囲、すなわち電源１５のワット数は、エッチングサイクル中に増加又は減少可能なエッチングサイクルを実行することができる。電源１５は、エッチングサイクルの間、パルス化してもよい。
一実施形態において、基板１０１にバイアスを掛けるためのバイアス電源２０は、チャンバ２５及び基板支持体４０に結合される。バイアス電源２０は、パルス機能と約１０ワット〜約５００ワットの低電力範囲を有した約２ＭＨｚの高周波を生成するように動作可能であってもよく、動的なマッチングネットワーク２１を更に含んでもよい。一実施形態では、バイアス電源２０は、パルス機能と約１０ワット〜約５００ワットの低電力範囲を有した、約４００ｋＨｚ〜約２ＭＨｚ、約１００ｋＨｚ〜約２ＭＨｚ、及び約１００ｋＨｚ〜約１３．５６ＭＨｚの選択可能な高周波範囲を生成可能であってもよく、動的なマッチングネットワーク又は固定されたマッチングネットワーク及び周波数チューナーを更に含んでもよい。一実施形態では、電源範囲、すなわちバイアス電源２０のワット数は、エッチングサイクル中に増加又は減少可能なエッチングサイクルを実行することができる。一実施形態では、エッチングサイクルは、蒸着プロセス、第１エッチングプロセス、及び第２エッチングプロセスを含み、バイアス電源２０は第１エッチングプロセスの間に使用され、バイアス電源２０は第２エッチングプロセスの間に減少又は増加される。例えば、バイアス電源の高周波は、第１エッチングプロセスから第２エッチングプロセスまで減少又は増加されてもよい。
バイアス電源２０は、エッチングサイクルの間、パルス化できる。バイアス電源２０をパルス化するために、高周波電源は、エッチングサイクルの間、オンとオフを切り替えられる。バイアス電源２０のパルス周波数は、約１０Ｈｚ〜約１０００Ｈｚまでの範囲であってもよく、約５０Ｈｚ〜約１８０Ｈｚの範囲であってもよい。一実施形態では、電源のオンとオフの切り替えは、エッチングサイクル全体に亘る時間内で一様に分布している。一実施形態では、パルスのタイミングプロファイルは、エッチングサイクルを通して変えることができ、基板の組成に依存してもよい。バイアス電源２０がオンになっている時間割合、すなわち上記のようなデューティサイクルは、パルス周波数に直接関連している。一実施形態では、パルス周波数が約１０Ｈｚ〜約１０００Ｈｚの範囲のとき、デューティサイクルは約２％〜約４０％の範囲である。一実施形態では、パルス周波数が約５０Ｈｚ〜約１８０Ｈｚの範囲のとき、デューティサイクルは約５％〜約３０％の範囲である。バイアス電源の周波数及びパルス周波数は、処理される基板材料に応じて調整することができる。
一実施形態では、チラー４５は、チャンバ２５内及びチャンバ２５内に位置する基板の温度を制御するように動作可能であるかもしれない。チラー４５は、チャンバ２５の近くに配置され、チャンバ２５に結合できる。チラー４５は、サブゼロ点を用いた熱電チラーなどの低温チラーを含むことができ、超低温用の直接冷却機構を更に含むことができる。チラー４５は、摂氏約−２０度〜約８０度の範囲の温度を生成するように動作可能であり、チャンバ２５の近くに位置し、これによってより速い反応時間を達成し、エッチング速度の改善を助長するためにいくつかの制御レベルを可能にするランプ機能を含むことができる。一実施形態では、チラー４５は、摂氏約−１０度〜約６０度の範囲の温度を生成することができ、チャンバ２５の近くに位置することができ、これによってより速い反応時間を達成する。一実施形態では、チラー４５は、チャンバ２５内で摂氏約−１０度から摂氏約−２０度まで温度を下げるように動作可能であるかもしれない。
一実施形態では、プラズマ処理システム１００は、チャンバ２５に連結されるポンプ３０及びバルブ３５によって、約１０ｍＴｏｒｒ〜約１０００ｍＴｏｒｒのチャンバ圧力範囲を維持するように動作可能である。トレンチプロファイルを更に改善するために、エッチングサイクルの間、チャンバ圧力を調整することができる。例えば、蒸着プロセスからエッチングプロセスに切り替えるとき、チャンバ圧力は急速に減少又は増加する可能性がある。ポンプ３０は、チャンバ２５を通して約１００ｓｃｃｍ〜約１０００ｓｃｃｍの範囲内で流れを処理するように動作可能なターボポンプ、例えば２６００Ｌ／ｓのターボポンプを含むことができる。ポンプ３０と共に、バルブ３５は、プロセスフロー及び圧力変化の制御を助長するために、高速反応時間を有するスロットルゲートバルブを含むことができる。プラズマ処理システム１００は、チャンバ２５内の圧力を測定するための二重の圧力計（デュアルマノメータ）を更に含むことができる。一実施形態では、プラズマ処理システム１００は、エッチングサイクルの間、約１０ｍＴｏｒｒ〜約２５０ｍＴｏｒｒの範囲内に動的圧力を維持するように動作可能である。オプションとして、自動スロットルゲートバルブ制御や規定の制御点を持つバルブを利用することもでき、フローパラメータを変化させながら、動的圧力を設定点に維持することもできる。
ソース電源は連続的に印加されることができる一方、バイアス電源はパルス化することができ、例えば、繰り返しエネルギーを放出する。特に、バイアス電源は、「デューティサイクル」と呼ばれる電源がオンになっている時間の割合を提供するために、制御システムによって設定される発電機のパルス機能を使用してパルス化することができる。一実施形態では、パルス化されたバイアス電源のオン時間とオフ時間は、エッチングサイクル全体に亘って均一にすることができる。例えば、電源が約３ミリ秒間オンで、約１５ミリ秒間オフの場合、デューティサイクルは約１６．６７％になるだろう。サイクル毎秒又はヘルツ（Ｈｚ）単位のパルス周波数は、秒単位で１．０をオン及びオフ時間の合計で割った値に等しい。例えば、バイアス電源が約３ミリ秒間オン、約１５ミリ秒間オフで、合計約１８ミリ秒間の場合、サイクル毎秒単位のパルス周波数は、約５５．５５Ｈｚである。一実施形態では、エッチングサイクル中にオン／オフタイミングが変化する特殊なパルスプロファイルを使用することができる。一実施形態では、基板に印加するバイアス電力を変化させることにより、蒸着プロセス及び／又はエッチングプロセスの間でエッチングサイクルを切り替えることができる。トレンチ側壁のスカラッピングを減少させ、レジストの選択性を向上させ、エッチング速度を向上させ、材料界面のアンダーカットを防止するのを助長するために、バイアス電力はパルス化される。
しかしながら、本発明の態様は、シリコンエッチングでの使用に限定されず、他のタイプの材料のエッチングにも適用できることに留意すべきである。
上述のように、本発明の実施形態は、ノズルを介してプラズマリアクタの処理容積と流体接続する拡張容積を画定するチャンバエクステンションを有するプラズマリアクタを提供する。図２〜４は、本発明の一実施形態に係るチャンバエクステンション及びバッフルノズルアセンブリを概略的に示している。
図２Ａは、本発明の一実施形態に係る基板処理システム用のチャンバエクステンション及びバッフルノズルアセンブリ２０１の概略上面図である。図２Ｂは、チャンバエクステンション及びバッフルノズルアセンブリ２０１の概略側断面図である。
チャンバエクステンション及びバッフルノズルアセンブリ２０１は、処理ガスの全部又は一部のプラズマ生成用電源への曝露を増加させるために、図１のプラズマ処理システム１００などのプラズマ処理チャンバ用のガス入口内に配置することができる。図２Ａに示されるように、チャンバエクステンション及びバッフルノズルアセンブリ２０１は、内側コイルアンテナ７２内の蓋４３の開口４４に配置される。
チャンバエクステンション及びバッフルノズルアセンブリ２０１は、蓋４３の外側に配置され、開口４４を覆い、内部に拡張容積２１１を画定するチャンバエクステンション２１０を含む。拡張容積２１１は、内側コイルアンテナ７２によって取り囲まれ、拡張容積内の任意の処理ガスは、内側コイルアンテナ７２に印加されるソース電力の影響を受けて解離することができる。
一実施形態では、チャンバエクステンション２１０は、実質的に円筒状であってもよい。チャンバエクステンション２１０は、円筒状の側壁２１８と上部２１９を含むことができる。円筒状の側壁２１８及び上部２１９は、拡張容積２１１を画定する。チャンバエクステンション２１０は、側壁２１８に接続された入口エクステンション２１７を有する。ガス入口チャンネル２１３及び２１４は、入口エクステンションを通して形成され、拡張容積２１１に開放することができる。ガス入口チャンネル２１３、２１４は、ガス供給システムに接続され、拡張容積２１１に１つ又は２つの混合ガスを導入することができる。チャンバエクステンション２１０はまた、拡張容積２１１内で処理ガス用出口を提供する底部開口２１５を有する。チャンバエクステンション２１０は、開口２１５が、蓋４３の開口４４と同軸になるように配置することができる。
チャンバエクステンション及びバッフルノズルアセンブリ２０１は、拡張容積２１１内に配置されたガスバッフルノズル２２０を更に含む。ガスバッフルノズル２２０は、チャンバエクステンション２１０に入るガスのための経路を制限するチャンバエクステンション２１０用入口バッフルである。ガスバッフルノズル２２０は、ガス入口チャンネル２１３、２１４からチャンバエクステンション２１０を介して開口２１５へ処理ガスを導く。一実施形態では、ガスバッフルノズル２２０は、電源への曝露を増加させるために、少なくとも１つの処理ガス用拡張経路を作成する。
一実施形態では、ガスバッフルノズル２２０は、垂直バッフルであってもよい。一実施形態では、ガスバッフルノズル２２０は、拡張容積２１１内に垂直方向に配置された中空円筒である。図２Ｂに示されるように、ガスバッフルノズル２２０は、拡張容積２１１を外側容積２２７と内側容積２２８に分割する。外側容積２２７は、チャンバエクステンション２１０の側壁２１８とガスバッフルノズル２２０の外面との間で画定される。内側容積２２８は、ガスバッフルノズル２２０の内面とチャンバエクステンション２１０の上部２１９によって画定される。
図３Ａは、本発明の一実施形態に係るガスバッフルノズル２２０の概略断面図である。図３Ｂは、ガスバッフルノズル２２０の概略断面図である。一実施形態では、ガスバッフルノズル２２０は、上端２２４に形成された複数のスロット２２１を有することができる。スロット２２１は、外側容積２２７から内側容積２２８までの流体連結を可能にする。一実施形態では、ガスバッフルノズル２２０は、下端２２３の近くに形成されたフランジ２２２を有することができる。図２Ｂに示されるように、ガスバッフルノズル２２０が、チャンバエクステンション２１０内に配置されている場合、フランジ２２２は、外側容積２２７から迂回容積２２６を分離する。
一実施形態では、入口チャンネル２１３は、外側容積２２７の下端付近に開放される。入口チャンネル２１３からの処理ガスは、下端近くの外側容積２２７に入り、外側容積２２７内を上昇し、複数のスロット２２１を通過し、その後、処理チャンバの処理容積４１に入る前に内側容積２２８に入る。入口チャンネル２１３からの処理ガス経路は、電源に長時間曝露されるために、ガスバッフルノズル２２０によって拡張されている。
図３Ｃは、本発明の別の一実施形態に係るガスバッフルノズル２２０ａの概略断面図である。ガスバッフルノズル２２０ａは、外側に溝２２５があること以外は、ガスバッフルノズル２２０と同様である。一実施形態では、溝２２５は外側容積２２７に渦流路を提供する１以上の螺旋状の溝である。渦流路は、チャンバエクステンション２１０内の処理ガス経路を更に長く拡張する。
図２Ｂに戻って参照すると、入口チャンネル２１４からの処理ガスは迂回容積２２６に入り、その後、迂回チャンネル２３６を通って処理容積の４１に入る。したがって、この構成によって、チャンバエクステンション２１０の迂回は、電源への長時間の曝露を避けることができる。この経路は、シリコンエッチングプロセスの間の蒸着ガスで使用することができ、これによって効率的に蒸着ガスを使用することができる。
チャンバエクステンション及びバッフルノズルアセンブリ２０１は、開口４４内に配置されたプラズマバッフル２３０を更に含む。プラズマバッフル２３０は、チャンバエクステンション２１０を出るガス用の経路を制限するためのチャンバエクステンション２１０用出口バッフルである。一実施形態では、プラズマバッフル２３０は、プラズマバッフル２３０が開口４４内に形成された凹部内に位置することを可能にするフランジ２３７を有することができる。プラズマバッフル２３０は、内側容積２２８と、処理チャンバ内の処理容積４１への迂回容積２２６の両方の中に、処理ガス用経路を提供する。プラズマバッフル２３０はまた、チャンバエクステンション２１０からのガス流をリダイレクトする、特に、開口４４付近でプラズマ密度の集中を避けるために、任意のプラズマ流をリダイレクトするバッフルプレート２３３を提供する。
図４Ａは、本発明の一実施形態に係るプラズマバッフル２３０の概略上面図である。図４Ｂは、プラズマバッフル２３０の概略断面図である。図４Ｂに示されるように、プラズマバッフル２３０は、ブロッカープレート２３１、ブロッカープレート２３１から延在するステム２３２、ステム２３２の末端に配置されたバッフルプレート２３３を含むことができる。
ブロッカープレート２３１は、蓋４３の開口４４内にある。一実施形態では、複数の貫通穴２３４がブロッカープレート２３１内に形成される。貫通穴２３４は、内側容積２２８から処理容積４１へのガス流を可能にする。バッフルプレート２３３は、貫通孔２３４からの流れが、開口４４の下方に配置された基板に直接到達することを防ぐことができる。バッフルプレート２３３は、流れを横に向ける。
一実施形態では、プラズマバッフル２３０は、ステム２３２及びバッフルプレート２３３内に形成された中央チャンネル２３５を有する。中央チャンネル２３５は、処理容積４１に対してバッフルプレート２３３で開放する。一実施形態では、中央チャンネル２３５は、ブロッカープレート２３１を通過しない。一実施形態では、複数の迂回チャンネル２３６が、迂回容積２２６と中央チャンネル２３５を接続するブロッカープレート２３１内に形成されている。図２Ｂを参照すると、入口チャンネル２１４からの処理ガスは、迂回容積２２６に入ることができ、迂回チャンネル２３６を通過して中央チャンネル２３５へと進み、その後、処理チャンバの処理容積４１へと進む。
一実施形態では、プラズマバッフル２３０は、一体で形成することができる。別の一実施形態では、プラズマバッフル２３０は、簡単な組み立てを可能にするためにいくつかの部品で形成することができる。特に、ブロッカープレート２３１は、バッフルプレート２３３が開口４４よりも大きい場合に据え付け可能なように、２部品に分割されたステム２３２を含んでもよい。別の一実施形態では、バッフルプレート２３３は、ステム２３２及びブロッカープレート２３１から分離した部品であってもよい。
図５は、本発明の別の一実施形態に係るチャンバエクステンション及びバッフルノズルアセンブリ３０１の概略側断面図である。
チャンバエクステンション及びバッフルノズルアセンブリ３０１は、図２Ａ〜２Ｂのチャンバエクステンション及びバッフルノズルアセンブリ２０１と同じチャンバエクステンション２１０及びガスバッフルノズル２２０を含む。チャンバエクステンション及びバッフルノズルアセンブリ３０１は、複数の部品を含むプラズマバッフル３３０を含む。プラズマバッフル３３０は、ステム３３２の周りにクランプを形成する２以上のブロッカープレート３３１を含む。バッフルプレート３３３は、ステム３３２の末端に形成されている。バッフルプレート３３３は、蓋４３内の開口４４よりも大きい。貫通穴３３４は、チャンバエクステンション２１０からのガス流用にブロッカープレート３３１を貫通して形成されている。迂回チャンネル３３６ａ、３３６ｂは、ブロッカープレート３３１及びステム３３２内に夫々形成されている。迂回チャンネル３３６ｂは、ステム３３２及びバッフルプレート３３３内に形成された中央チャンネル３３５に開放する。
図６は、本発明の別の一実施形態に係るチャンバエクステンション及びバッフルノズルアセンブリ４０１の概略側断面図である。チャンバエクステンション及びバッフルノズルアセンブリ４０１は、バッフルプレート４３３及びブロッカープレート４３１を含むプラズマバッフル４３０を含む。チャンバエクステンション及びバッフルノズルアセンブリ４０１は、チャンバエクステンション２１０内のガスの一部がバッフルプレート４３３によってリダイレクトされることなく処理チャンバに向かって直接流れることを可能にするプラズマバッフル４３０を貫通して中央チャンネル４３５が形成されていることを除き、チャンバエクステンション及びバッフルノズルアセンブリ３０１と同様である。一実施形態では、クロスチャンネル４３７と４３６が、バッフルプレート４３３によってリダイレクトされることなく、処理ガスの一部を入口チャンネル２１４からチャンネル４３６及び中心チャンネル４３５を通して指向させ、処理ガスの別の一部を入口チャンネルからチャンネル４３７を通して指向させ、その後バッフルプレート４３３によってリダイレクトされるブロッカープレート４３１内に形成されてもよい。
図７は本発明の別の一実施形態に係るチャンバエクステンション及びバッフルノズルアセンブリ５０１の概略側断面図である。チャンバエクステンション及びバッフルノズルアセンブリ５０１は、チャンバエクステンション５１０と、ブロッカープレート５３１及びバッフルプレート５３３を含むプラズマバッフル５３０を含む。チャンバエクステンション及びバッフルノズルアセンブリ５０１は、ブロッカープレート５３１内に迂回チャンネルが形成されていないことを除いて、チャンバエクステンション及びバッフルノズルアセンブリ４０１と同様である。すべての処理ガスは、チャンバエクステンション２１０を通過し、長時間の電源への曝露の影響を受ける。処理ガスの一部は、複数の貫通穴５３４を通過し、バッフルプレート５３３によってリダイレクトされ、処理ガスの別の一部は、リダイレクトされることなく、中央チャンネル５３５を通過する。
上述のように、本発明の実施形態は、エッチングガス及び蒸着ガスの混合物が交互にプラズマチャンバに供給されるスルーシリコンビア（ＴＳＶ）のためのエッチングプロセスなどの様々なプラズマプロセスを実行するために使用可能である。
ＴＳＶエッチングプロセスの間、処理される基板は、図１の処理システム１００などのプラズマリアクタ内に配置できる。基板は、処理容積４１内の基板支持体４０上に配置することができる。
次に、エッチングガスの混合物が、チャンバエクステンション５１を介して処理容積４１に流れ、同時に電源がソレノイドコイルアンテナ７１及び７２に印加され、これによって拡張容積４２及び処理容積４１の両方の中でエッチングガスのプラズマを生成する。一実施形態では、アンテナ７１及び７２の電源は、プラズマ生成用に個別に制御することができる。一実施形態では、エッチングガスは、処理容積４１内でプラズマと非解離エッチングガスの特定の混合物を得るために、バイパス通路を介して同時に流すことができる。
エッチングガスの流れを止めた後で、蒸着プロセスのために、蒸着ガスを処理容積４１へ流して、アンテナ７１、７２に電源を印加することができる。一実施形態では、アンテナ７１、７２に印加される電源の配分は、処理容積４１内でプラズマの均一性を得るために、エッチングプロセスから調整することができる。一実施形態では、蒸着ガスの早期解離及び無駄を避けるために、蒸着ガスはチャンバエクステンション５１を通過させることなく迂回路を通して流してもよい。別の一実施形態では、蒸着ガスは、迂回路とチャンバエクステンション５１の両方を通して流してもよい。
一実施形態では、エッチング及び蒸着プロセスは、ビアが形成されるまでを繰り返すことができる。
上記は本発明の実施形態を対象としているが、本発明の他の及び更なる実施形態は本発明の基本的範囲を逸脱することなく創作することができ、その範囲は以下の特許請求の範囲に基づいて定められる。

Claims (15)

  1. 内側容積を画定する外側本体であって、前記外側本体は、前記内側容積に開放する第１入口チャンネルを有し、前記外側本体は出口を有する外側本体と、
    前記内側容積内に配置され、前記内側容積を第１容積及び第２容積に分割する入口バッフルであって、前記第１入口チャンネルは、前記第１容積の第１端部近くに開放し、１以上の開口が前記第１容積の第２端部近くに配置され、前記１以上の開口は前記第１容積及び第２容積に接続される入口バッフルと、
    前記外側本体の前記出口の上方に配置される出口バッフルであって、前記出口バッフルは前記内側容積の前記第２容積に開放する１以上の第１貫通穴を有し、前記出口バッフルは前記第１貫通穴から流れ出るガス流の方向を変える出口バッフルを含むバッフルノズルアセンブリ。
  2. 前記出口バッフルは、前記外側本体の前記出口の上方に配置されたブロッカープレートであって、前記１以上の第１貫通穴が前記ブロッカープレート内に形成されているブロッカープレートと、
    前記外側本体の反対側で前記ブロッカープレートから延在するステムと、
    前記ステムの末端上に、前記ブロッカープレートと実質的に平行にあるバッフルプレートを含む請求項１記載のバッフルノズルアセンブリ。
  3. 前記外側本体は、前記内側容積に開放する第２入口チャンネルを有し、前記入口バッフルは前記内側容積を第３容積に更に分割し、前記第２入口チャンネルは前記第３容積に開放する請求項２記載のバッフルノズルアセンブリ。
  4. 前記出口バッフルは、前記ステム内に前記バッフルプレートを貫通して形成された中央ガスチャンネルを有し、１以上の迂回チャンネルが前記中央ガスチャンネルを前記第３容積に接続する請求項３記載のバッフルノズルアセンブリ。
  5. 前記中央ガスチャンネルは、前記出口バッフル内の貫通穴であり、前記第２容積と流体連結している請求項４記載のバッフルノズルアセンブリ。
  6. 前記外側本体は、前記内側容積を画定する側壁及び上部を含み、前記出口は前記上部と対向する開口であり、前記入口バッフルは、前記外側本体の前記側壁と実質的に平行な側壁を含み、前記入口バッフルの前記側壁は、前記内側容積を前記第１容積及び前記第２容積に分割し、前記第１容積は前記外側本体の側壁及び前記入口バッフルの側壁によって画定され、前記第２容積は前記入口バッフルの前記側壁及び前記外側本体の前記上部によって画定される請求項１記載のバッフルノズルアセンブリ。
  7. 前記入口バッフルの前記側壁は、上側に形成された複数のスロットを有し、前記複数のスロット及び前記外側本体の前記上部は、前記第１容積及び第２容積に接続する前記１以上の開口を形成する請求項６記載のバッフルノズルアセンブリ。
  8. 前記内側容積は実質的に円筒形であり、前記入口バッフルは外側に螺旋状の溝を形成した円筒状の側壁であり、前記螺旋状の溝は前記第１容積内に渦流れを可能にする請求項６記載のバッフルノズルアセンブリ。
  9. 処理容積を画定するチャンバ本体であって、
    側壁と、
    前記処理容積へ処理ガスを導入するように適合された中央開口を有する蓋を含むチャンバ本体と、
    前記蓋の上方で前記チャンバ本体の外側に配置されたソレノイドコイルアンテナであって、前記ソレノイドコイルアンテナは内側アンテナ容積を形成し、前記中央開口と同心であるソレノイドコイルアンテナと、
    前記蓋の中央開口に結合され、前記内側アンテナ容積内に部分的に配置された請求項１〜８のいずれか１項記載のバッフルノズルアセンブリを含む基板処理システム。
  10. 前記ソレノイドアンテナは、螺旋状に巻かれた１以上の導体を含み、前記内側アンテナ容積は実質的に円筒形である請求項９記載の基板処理システム。
  11. 請求項９又は１０のいずれか１項記載の処理システムの処理容積内に基板を位置決めする工程と、
    前記外側本体を通して第１処理ガスを前記処理容積に流す工程と同時に、
    プラズマ電源を前記ソレノイドコイルアンテナに印加し、これによって前記外側本体の前記内側容積と前記処理容積の両方の中で前記第１処理ガスのプラズマを生成する工程を含む基板を処理する方法。
  12. 前記内側容積を通して前記第１処理ガスを前記処理容積に流す工程は、
    前記内側容積内に配置された入口バッフルを通して前記第１処理ガスを流す工程と、
    前記処理容積内の前記蓋の前記中央開口の下に配置された出口バッフルを用いて前記内側容積から流れ出る前記第１処理ガスの向きを変える工程を含む請求項１１記載の方法。
  13. 前記内側容積を通して前記第１処理ガスを前記処理容積に流しながら、前記内側容積を通過することなく、迂回チャンネルを通して前記第１処理ガスを前記処理容積に流す工程を更に含む請求項１２記載の方法。
  14. プラズマ電源を前記ソレノイドコイルアンテナに印加し、これによって前記内側容積と前記処理容積の両方の中で前記第１処理ガスのプラズマを生成する工程は、前記ソレノイドコイルアンテナのサイズを増大させることによって、又は前記プラズマ電源の電力レベルを増加させることによって、前記第１処理ガスの解離速度を減少させる工程を含む請求項１１記載の方法。
  15. プラズマ電源を前記ソレノイドコイルアンテナに印加し、これによって前記内側容積と前記処理容積の両方の中で前記第１処理ガスのプラズマを生成する工程は、前記ソレノイドコイルアンテナのサイズを増大させることによって、前記処理容積内のプラズマ均一性を向上させる工程を含む請求項１１記載の方法。
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