JP5950831B2 - イオン発生と処理ガスの解離の独立制御を有するプラズマエッチングのためのシステム、方法、および装置 - Google Patents

イオン発生と処理ガスの解離の独立制御を有するプラズマエッチングのためのシステム、方法、および装置 Download PDF

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Description

本発明は一般にプラズマエッチングのシステムおよび方法に関し、より具体的には、イオン発生と処理ガスの解離の独立制御を有するプラズマエッチングのためのシステムおよび方法に関するものである。
典型的なプラズマエッチングのプロセスを簡単に説明すると、処理ガスが中に入ったプラズマ室である。このプロセスは、処理ガスに電気的に結合されるＲＦ信号またはマイクロ波信号により励起される。処理ガスの励起によって、処理ガス内でイオンとラジカルの生成が引き起こされる。そのとき、イオンとラジカルは、エッチング対象の表面に向けられる。イオンとラジカルは、ガス流、およびプラズマ室内のいくつかの面の電気的バイアスを用いて、エッチング対象の表面に向けることが可能である。イオンおよびラジカルは、エッチング対象の表面において材料と反応する。
エッチングプラズマの密度を高める（増加させる）ことは、エッチング表面をエッチングする速度（例えば、通常、オングストローム毎分で表されるエッチング速度）を高める１つの方法である。エッチングプラズマの密度を高めると、イオンの濃度が高くなり、これにより、処理ガス、イオンおよびエッチング表面の間における反応性が向上する。しかしながら、プラズマ密度を高めることで、最適な解離度を超えて、処理ガス混合物の構成元素または分子への過剰解離を引き起こす可能性もある。
例えば、増加したプラズマ密度によって、一般に、フッ化炭素処理ガス混合物からのフッ素原子ラジカルの解離が生じる。解離したフッ素は、エッチングマスクの、フィーチャ側壁の、またはエッチング対象の層の下にあるエッチング停止層の、望ましくないエッチングを加速させることがある。さらには、フッ化炭素原料ガスの過剰解離は、過剰なフッ素と同様の作用を持つ、プラズマ中のフッ化炭素ラジカル種の非最適な組成につながる可能性がある。
処理ガスが過度に解離する場合に生じ得る他の問題として、均一性および制御がやはり望ましい程度より低い、または望ましい程度に達しないということがある。上記のことから、イオン発生と処理ガスの解離の独立制御を有するプラズマエッチングのためのシステムおよび方法への要求がある。
大まかに言えば、本発明は、イオン発生と処理ガスの解離の独立制御を有するプラズマエッチングのためのシステムおよび方法を提供することにより、これらの要求を満たす。当然のことながら、本発明は、数多くの方法で実施することが可能であり、それには、プロセス、装置、システム、コンピュータ読み取り可能な媒体、またはデバイスが含まれる。本発明のいくつかの発明的実施形態について以下で説明する。
一実施形態は、半導体ウェハをエッチングする方法を提供し、この方法は、処理室内に原料ガス混合物を注入することであって、処理室の上部電極における複数の中空陰極キャビティ内に原料ガス混合物を注入すること、中空陰極キャビティの各々においてプラズマを発生させることを含む。中空陰極キャビティにおいてプラズマを発生させることは、中空陰極キャビティに第１のバイアス信号を印加することを含む。発生されたプラズマは、中空陰極キャビティの各々の対応する出口から処理室内のウェハ処理領域に出力される。ウェハ処理領域は、中空陰極キャビティの出口と、エッチング対象の表面との間に配置されている。エッチャントガス混合物が、ウェハ処理領域に注入される。チャントガス混合物が、中空陰極キャビティの出口から出力されるプラズマと混ざり合うように、エッチャントガス混合物は上部電極の中の複数の注入ポートを介して注入される。中空陰極キャビティの出口内へのエッチャントガス混合物の流入は、中空陰極キャビティの出口から流出するプラズマと原料ガスによって実質的に阻止される。エッチャントガス混合物とプラズマを混合することによって、ウェハ処理領域内で所望の化学種のセットが生成され、これが、エッチング対象の表面における最適なエッチング結果につながる。
中空陰極キャビティの各々においてプラズマを発生させることは、上部電極を冷却することを含み得る。中空陰極キャビティにバイアスをかけることは、上部電極の第２の導電層に第１のバイアス信号を印加することを含むことができ、中空陰極キャビティは第２の導電層に形成される。第１のバイアス信号は、ＲＦバイアス信号を含み得る。第１のバイアス信号は、約１ＭＨｚから約１５ＭＨｚの範囲内のＲＦ信号を含み得る。
複数の注入ポートは、上部電極のウェハ処理領域表面にわたって実質的に分散され得る。中空陰極キャビティは、上部電極のウェハ処理領域表面にわたって実質的に分散され得る。複数の中空陰極キャビティおよび複数の注入ポートは、上部電極のウェハ処理領域表面にわたって、ほぼ均等に散在され得る。
発生したプラズマを中空陰極キャビティの各々の対応する出口から出力することは、下部電極に第２のバイアス信号を印加することを含み得る。中空陰極キャビティの各々においてプラズマを発生させることは、中空陰極キャビティの出口に第３のバイアス信号を印加することを含み得る。第３のバイアス信号は接地電位とすることができる。
プラズマ発生と、中空陰極キャビティから流出するプラズマによって提供されるウェハ・イオン衝撃を増加させるため、エッチング対象の表面をエッチングすることは、ウェハ支持電極に、またはウェハ処理領域に接続された別の電極に、第４のバイアス信号を印加することを含み得る。
エッチング対象の表面をエッチングすることは、ウェハ処理領域からエッチング副生成物を除去することを含み得る。さらに、上部電極の第１の導電層に接地電位を印加することもできる。中空陰極キャビティは、複数の中空陰極トレンチを含むことができる。上部電極の中の複数の注入ポートは、複数の注入トレンチを含むことができる。原料ガス混合物は不活性ガスとすることができる。エッチャントガス混合物は、フッ化炭素含有ガスを含むことができる。中空陰極キャビティの各々の出口は、プラズマシース厚の２倍よりも大きい幅を有することができる。
別の実施形態は、エッチング種を発生させるためのシステムを提供し、このシステムは、原料ガス混合物源と、エッチャントガス源と、処理室とを備える。処理室は、上部電極と下部電極とを有している。上部電極は、複数の中空陰極キャビティを含み、中空陰極キャビティの各々の入口には、上記原料ガス混合物源が接続されている。上部電極は、さらに、中空陰極キャビティの各々に接続された第１のバイアス信号源と、中空陰極キャビティの各々の対応する出口とを含む。それらの対応する出口は、処理室内のウェハ処理領域に対して開口している。ウェハ処理領域は、中空陰極キャビティの各々の出口とエッチング対象の表面との間に配置されている。上部電極は、さらに、上記エッチャントガス源に接続された複数の注入ポートを含む。これらの注入ポートは、ウェハ処理領域内にエッチャントガスを注入することができる。下部電極は、エッチング対象の表面を含む半導体ウェハを支持することができる。
上記対応する出口の各々は、プラズマシース厚の２倍よりも大きい幅を有し得る。あるいは、上記対応する出口の各々は、プラズマシース厚の２倍以下の幅を有し得る。
別の実施形態は、半導体ウェハをエッチングする方法を提供し、この方法は、処理室内に原料ガス混合物を注入することであって、原料ガス混合物を、処理室の上部電極の中の複数の中空陰極キャビティ内に注入すること、複数の中空陰極キャビティに第１のバイアス信号を印加することを含む処理室内に原料ガス混合物を注入すること、中空陰極キャビティの各々においてプラズマを発生させること、中空陰極キャビティにおいて活性種を発生させること、発生された活性種を、中空陰極キャビティの各々の対応する出口から処理室内のウェハ処理領域に出力すること、を含む。ウェハ処理領域は、中空陰極キャビティの各々の出口と、エッチング対象の表面との間に配置されている。エッチャントガス混合物は、ウェハ処理領域に注入される。ウェハ支持電極に、またはウェハ処理領域に電気的に接続されている別の電極に、第２のバイアス信号を接続することにより、ウェハ処理領域においてプラズマが発生される。エッチャントガス混合物が、中空陰極キャビティの出口から出力される活性種と混ざり合うように、エッチャントガス混合物は、上部電極の中の１つまたは複数の注入ポートを介して注入され、さらに、ウェハ処理領域において所望の化学種を発生させることを含む。中空陰極キャビティの各々の出口から流出する活性種によって、エッチャントガス混合物の中空陰極キャビティの各々の出口内への流入が実質的に阻止される。中空陰極キャビティの各々の出口は、プラズマシース厚の２倍未満の幅を有している。そして、エッチング対象の表面が、エッチングされる。
本発明の他の態様および効果は、発明の原理を例によって示す添付の図面を併用して行われる以下の詳細な説明から、明らかになるであろう。
本発明は、添付の図面を併用して行われる以下の詳細な説明によって容易に理解されるであろう。
図１は、本発明の実施形態により上部電極に複数の中空陰極プラズマキャビティを有するプラズマ処理室システムの概略図である。 図２は、本発明の実施形態による複数の中空陰極プラズマキャビティのうちの１つの、より詳細な図である。 図３は、本発明の実施形態による、上部電極のＤＣまたはＲＦ駆動の中空陰極（ＨＣ）キャビティの２次元配列の概略図である。 図４は、本発明の実施形態による、上部電極のＤＣまたはＲＦ駆動の中空陰極トレンチの２次元配列の概略図である。 図５は、本発明の一実施形態により、解離の増加を伴うことなく、より高いプラズマ密度を発生させる際に実行される方法オペレーションを示すフローチャートである。
イオン発生と処理ガスの解離の独立制御を有するプラズマエッチングのためのシステムおよび方法のいくつかの例示的な実施形態について以下で説明する。本明細書に記載の具体的詳細の一部またはすべてがなくても本発明を実施できることは、当業者には明らかであろう。
誘電体ウェハの膜をエッチングするための標準的なプラズマ室は、共通の問題を抱えている。ターゲット材のエッチング速度は、多くの場合、表面に到達するイオン流束によって制限される。より高いエッチング速度を得ることで、より効率的なエッチング・プロセスを得るため、イオン流束を増加させることができる。エッチング対象のウェハ表面への比較的高いイオン流束を発生させるように、プロセス制御パラメータが調整されると、それに応じたプラズマ密度の増加が、処理ガスの解離の増加につながる。これによって、プラズマ中に存在する化学種の組み合わせが変化する。より具体的には、ウェハへのイオン流束を増加させるパラメータの変化は、一般に、プラズマの電子密度も増加させる。電子密度は、プラズマにおける処理ガス化学の分子解離速度に直接影響を与えるプラズマ条件であり、それによってプラズマの化学組成（例えば、異なるラジカル、処理ガスの親分子、エッチング副生成物の間の比率）が変化する。プラズマ密度の増加によって、それに応じた変化がプラズマ化学全体に生じるため、解離がより多くなる。
一般に、ＳｉＯ2、ＳｉＮｘ、ＳｉＯＣＨｘ、および他のシリコン系誘電体のエッチングに、フッ化炭素（またはハイドロフルオロカーボン）原料ガス（ＦＣガス）が用いられる。過剰解離は、好ましくないプラズマ条件につながり、また、最適な処理結果に達しないことにつながる。具体的には、過剰解離によって“片寄り”すぎたプラズマ化学作用が生じ、これは、表面をエッチングする傾向が強すぎる一方、フッ化炭素（ＦＣ）薄膜を形成することにより表面を不動態化する傾向が弱すぎることを意味している。過剰解離によって、ＣｘＦｙ（ｘ＝２，３，４）などの中性重合種が、ＣＦｘ（ｘ＝１，２，３）およびＦなどの中性エッチング種に変換されて、その結果、表面上での原料ガスの重合が低減する。過剰解離と、その結果としての原料ガスの低重合とによって、マスクおよび基板膜に対するエッチング選択性の低下が生じるだけではなく、望ましくない側壁エッチングが生じる。
プラズマ化学においてガス混合物を調整することで、過剰解離を少なくとも部分的に補償することができる場合がある。しかしながら、ガス混合物を調整することで、高密度プラズマによる低重合の制限を完全に克服することはできない。この問題の極端な例が、高密度誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源をＦＣガスと共に用いる場合に見られる。その結果は、有機マスク材に対する低選択性である。
イオン流束と電子密度の間の密結合は、高いイオン流束と最適なフッ化炭素プラズマ化学とを組み合わせたプラズマ条件を得ることを困難にする。この密結合によって、高エッチング速度と高選択性の間のトレードオフを余儀なくされる。このトレードオフは、一般に、高アスペクト比（ＨＡＲ）コンタクトまたはセルエッチングにおいて見られ、この場合、比較的厚い膜のため高エッチング速度が望ましく、厚いマスク膜を供給するコストと複雑さのため高選択性が望ましい。
解離を増加させることなくプラズマ密度の増加を可能にするための１つのアプローチは、ＨＡＲ誘電体エッチングのための一般的な条件と比較して、より低い電子温度で高密度プラズマを発生させることである。これによって、高いイオン流束がウェハ表面に到達することが可能であるが、処理ガスの解離を誘発するのに十分なエネルギーを持つ電子の割合は低減される。これは、ウェハ処理領域へのプラズマと処理ガスの両方の均一な注入を可能にする方法で、プラズマの励起または生成を、処理ガスの解離から空間的に分離することによって実現することができる。このようにすると、処理ガスから分離された領域で、プラズマが生成されるか、またはガスが予め励起されるので、被処理基板と相互作用するプラズマは、低解離であるが高プラズマ密度であるという利点を得ることになる。
解離を増加させることなくプラズマ密度を高めるための１つのアプローチとして、プラズマをプラズマ源からウェハ処理領域に直接注入することが挙げられる。ウェハ処理領域におけるプラズマ密度は、電子温度ひいては処理ガス解離速度を高めることがないように、注入されるプラズマによって提供および／または増加される。
解離の増加なしでプラズマ密度を高める別のアプローチとして、プラズマ源からウェハ領域に活性種を注入することが挙げられる。これらの種として、電子的に励起された準安定原子および分子、振動励起された分子、または分子解離により発生するラジカルを含むことができ、これらの種は、原料ガス混合物中に存在する親原子および分子よりも実質的に低いイオン化エネルギーを有する。プラズマは、プラズマ源の励起とは別の電気的励起によって、ウェハ処理領域で生成される。例として、下部電極１０４にＲＦバイアス信号Ｓ２を印加することができ（例えば、２７ＭＨｚ）、上部電極の第３の導電層１１２に接地電位Ｓ３を印加することができる。活性種の一部は、ウェハ処理領域においてプラズマによりイオン化される。活性種を特徴付ける、活性化されていない原料ガス混合物に比較して低下したイオン化ポテンシャルによって、より低い電子エネルギーでプラズマ平衡が達成され、これにより、ウェハ処理領域のプラズマは、より低い電子温度に調整されることになる。この低い電子温度によると、同じプラズマ密度で発生するエッチャントガス混合物の解離がより少なくなるか、または、より高いプラズマ密度で発生する解離が同じである傾向がある。両方の場合において、ウェハ処理領域におけるプラズマ密度の増加は、ウェハ処理領域における処理ガスの解離速度から大体は切り離されて、プラズマ源（複数の場合もある）に供給される電力によって制御することができる。
図１は、本発明の実施形態により上部電極１０３に複数の中空陰極プラズマキャビティ１０８を有するプラズマ処理室システム１００の概略図である。図２は、本発明の実施形態による複数の中空陰極プラズマキャビティ１０８のうちの１つの、より詳細な図である。システム１００は、プラズマ処理室１０１とコントローラ１２５とを備えている。プラズマ処理室１０１は、上部電極１０３と下部電極１０４とを有している。下部電極１０４は、ウェハ１０２を支持すると共に、このウェハに電気的に接続されたチャックを含んでいる。プラズマ処理室１０１は、さらに、上部電極１０３と下部電極１０４との間にウェハ処理領域１０６を有している。ウェハ処理領域は、約１６ｍｍから約３６ｍｍの間のギャップＤｌｌを有することができる。
複数のガス源１２９、１４１が、プラズマ処理室１０１に接続されている。２つのガス源１２９、１４１を図示しているが、システム１００には、２つよりも多くのガス源を含むか、または接続することもできる。また、ガス源１２９、１４１は、ガスの流量と混合を制御するためのサブシステム（例えば、バルブ、マニホールド、フローモニタ、およびフローコントローラ）も備えている。ガス源１２９、１４１は、さらに、その中に入っているガスのガス圧力を制御するためのサブシステムを備えている。
システム１００には、さらに、複数のバイアス（ＲＦおよび／またはＤＣ）信号源Ｓ１〜Ｓ５が含まれている。バイアス信号源Ｓ１≡Ｓ５は、以下でより詳細に説明するように、上部電極１０３および下部電極１０４の部分に接続されている。
上部電極１０３は、上部電極の温度を制御するための温度制御システム１２２Ａを備えている。上部電極１０３は、さらに、複数の中空陰極プラズマキャビティ１０８を備えている。上部電極１０３は、以下でより詳細に説明するように、それぞれのガス源１２９、１４１からのそれぞれのガス１２８、１４０をそれぞれの使用場所に分配するための供給プレナム１２４および１２６をさらに備えている。
上部電極１０３は、複数の層に形成することができる。例として、温度制御層１２２は、金属（アルミニウム、ステンレス鋼、他の適当な熱伝導性材料または材料の組み合わせ）、炭化ケイ素など、良好な熱伝導性を有する材料とすることができる。温度制御層１２２は、いずれかの適当な寸法の厚さＤ１０を有している。例えば、厚さＤ１０は、約３ｍｍ未満から約１００ｍｍ超の間とすることができる。
ＨＣキャビティ１０８の上方に、第１の導電層１２０を形成することができる。第１の導電層１２０には、以下でより詳細に説明するように、ＨＣキャビティ１０８内で生成されるプラズマ１４０Ａの方向づけを助けるためのバイアスをかけることができる。第１の導電層１２０は、約３ｍｍから約１０ｍｍの間の厚さＤ９を有している。温度制御層１２２と第１の導電層１２０との間に、オプションとして電気絶縁層（図示せず）を含むことができる。
第２の導電層１１６は、ＨＣキャビティ１０８を含んでいる。以下でより詳細に説明するように、導電層内にＨＣキャビティ１０８を形成することによって、ＨＣキャビティにバイアス信号Ｓ１を印加するための比較的単純な構造が可能となる。第１の絶縁層１１８は、第２の導電層１１６を第１導電層１２０から電気的に絶縁している。第１の絶縁層１１８は、約１ｍｍから約６ｍｍの間の厚さＤ８を有している。
第２の絶縁層１１４は、第２の導電層１１６を第３の導電層１１２から電気的に絶縁している。第２の絶縁層１１４は、約１ｍｍから約６ｍｍの間の厚さＤ７を有している。第３の導電層１１２には、以下でより詳細に説明するように、ＨＣキャビティ１０８内で生成されるプラズマ１４０Ａの方向づけを助けるためのバイアスをかけることができる。第３の導電層１１２は、約３ｍｍから約１０ｍｍの間の厚さＤ６を有している。
コントローラ１２５は、論理回路、ソフトウェア、プロセッサ（複数の場合もある）、ハードウェア、入力／出力サブシステム、表示サブシステム、データ記憶システム、メモリシステム、通信およびネットワーキングサブシステムを含むコントローラ・サブシステムを備えている。コントローラ１２５は、プラズマ室システム１００の所望の動作を規定するレシピを有している。コントローラ１２５は、プラズマ処理システム内での処理を監視するために、プラズマ処理システム１００内の様々なセンサ系（例えば、電気、光学、圧力、温度など）に接続されている。コントローラ１２５は、さらに、バイアス信号源Ｓ１〜Ｓ５の制御入力および／またはフィードバック出力、ガス源１２９、１４１、温度制御システム１２２Ａと、また、様々なアクチュエータにも接続されており、これらは、プラズマ処理システム１００内の様々な構成要素と、さらに実施形態によってはウェハ１０２を動かす（例えば、上昇、下降、側方移動、開閉など）ためのものである。
図３は、本発明の実施形態による、上部電極１０３のＤＣまたはＲＦ駆動の中空陰極（ＨＣ）キャビティの２次元配列の概略図である。図４は、本発明の実施形態による、上部電極１０３のＤＣまたはＲＦ駆動の中空陰極トレンチの２次元配列の概略図である。図１、２、および３では、上部電極１０３の表面に、複数の個別のＨＣ１０８と個別の注入ポート１２７を示している。図４に示す実施形態では、上部電極１０３の表面において、個別のＨＣ１０８と個別の注入ポート１２７の少なくとも一部が、それぞれトレンチ１０８’および１２７’で置き換えられている。トレンチ１０８’および１２７’によって、製造および組み立てを単純化することができる。当然のことながら、実施形態は簡略図の形で示されており、必ずしも縮尺通りに描かれてはいない。
ＨＣキャビティ１０８は、高エネルギー電子が陰極壁の間で捕獲される中空陰極効果によってプラズマを発生させる。ＨＣキャビティ１０８は、約３ｍｍから約２５ｍｍの間の幅Ｄ４を有している。ＨＣキャビティ１０８は、約３ｍｍから約２５ｍｍの間の高さＤ５を有している。
個別のＨＣ１０８、個別の注入ポート１２７、およびトレンチ１０８’、１２７’は、上部電極１０３の表面に略均等に分布するように図示されている。しかし、当然のことながら、個別のＨＣ１０８、個別の注入ポート１２７、およびトレンチ１０８’、１２７’の分布は、図示のように均等に分布していなくてもよい。また、個別のＨＣ１０８、個別の注入ポート１２７、およびトレンチ１０８’、１２７’は、当然のことながら、図１〜４に示されているような相対的大きさではなくてもよい。
図５は、本発明の一実施形態により、解離の増加を伴うことなく、より高いプラズマ密度を発生させる際に実行される方法オペレーション５００を示すフローチャートである。ここで示すオペレーションは一例であって、当然のことながら、一部のオペレーションはサブオペレーションを含むことがあり、他の例では、図示のオペレーションが、ここで記載する一部のオペレーションを含んでいないことがある。この点を念頭に置いて、方法およびオペレーション５００について以下で説明する。
オペレーション５０５において、原料ガス１４０が供給プレナム１２６を介してＨＣキャビティ１０８および／またはトレンチに供給される。オペレーション５１０では、第１の信号Ｓ１がＨＣキャビティ１０８に印加され、これにより、その中でプラズマ１４０Ａおよび／または活性種を発生させる。高密度プラズマ１４０Ａは、約２０〜約５０００ｍＴの適度な圧力で、より具体的には約５０〜１０００ｍＴの圧力で、発生させることができる。オペレーション５１５において、プラズマ１４０Ａおよび／または活性種は、エッチング対象の表面１０２ＡとＨＣキャビティ１０８の出口１０８Ａとの間に配置されたウェハ処理領域１０６に供給される。
原料ガス１４０は、ＨＣキャビティ１０８の頂部から供給されて、ＨＣキャビティ内を最適な圧力にする。原料ガス１４０は、純ガス、または２種以上のガスのガス混合物とすることができる。原料ガス１４０は、実質的に不活性であって、エッチング対象の表面と反応しない。例として、原料ガス１４０は、アルゴン、キセノン、さらにはＮ2またはＯ2などの分子ガスのうちの１つ、または混合物を含むものとすることができる。Ｎ2およびＯ2は、通常、不活性とはみなされないが、本例では、原料ガス、Ｎ2およびＯ2とそれらの解離が、ＨＣキャビティ１０８またはトレンチの内面に大きな変化を引き起こすものではなく、また低解離度であることを意味するフッ化炭素ガスなどのガスを含んでいなければ、原料ガスは不活性とみなすことができる。
ウェハ処理領域１０６内に活性種が注入される場合には、原料ガスは、そのような所望の種を発生させるように選択される。例えば、アルゴンおよびキセノンなどの希ガス原子は、電子的に励起された準安定原子を、標準的なプラズマ条件の下で発生させることが知られている。これらの準安定原子は、基底状態の原子よりも遥かに低いイオン化ポテンシャルを有していることがある。同様に、Ｎ2分子も、標準的なプラズマ条件の下で準安定電子状態とするのに比較的効率的である。また他の例として、ＣＯ分子も有効であり、これはソース領域で解離して、ＣＯ分子より低いイオン化ポテンシャルを有するＣ原子ラジカルを発生させることができる。
フッ化炭素または他のハロゲン化物含有のエッチャントガス１２８は、ＨＣキャビティ１０８の内面およびエッチング対象の表面１０２Ａへのエッチングまたは堆積物の形成が生じ得るので、不活性とみなされない。また、フッ化炭素または他のハロゲン化物含有のエッチャントガス１２８の解離は、上記のようにエッチング結果に大きな影響を与える可能性もある。このため、フッ化炭素または他のハロゲン化物含有のエッチャントガス１２８は、ＨＣキャビティ１０８を通しては、注入されない。しかし、それでも、フッ化炭素または他のハロゲン化物含有のエッチャントガス１２８は、エッチング対象の表面１０２Ａに対するエッチング／化学反応のために必要である。
フッ化炭素または他のハロゲン化物含有のエッチャントガス１２８は、さらにガスの混合物を含むこともできる。エッチャントガス混合物中の一部のガスは不活性のものとすることができ、混合物中の一部のガスは反応性の高いものとすることができる。エッチャントガス混合物中のガスの比率を、所望の比率を得るように調整してもよい。エッチャントガス１２８は、エッチング対象の表面１０２Ａにおいて化学エッチャントとして作用する化学種またはその前駆体を含む単一ガスまたはガス混合物とすることができる。例として、エッチャントガス１２８は、ＳｉＯ2エッチング用のフッ化炭素、またはＳｉエッチング用のＣｌ２を含むことができる。側壁パッシベーションまたは他の有効な効果を得るため、Ｏ２、ＣＨ４、またはＨＢｒといった他のガスを、フッ化炭素含有ガスと混合してもよい。
オペレーション５２０において、フッ化炭素または他のハロゲン化物含有のエッチャントガス１２８を含む第２のガスを、ウェハ処理領域１０６内に注入する。第２のガスは、ＨＣキャビティ１０８を迂回し、注入ポート１２７を介してウェハ処理領域１０６に直接注入される。注入ポート１２７は、ＨＣキャビティ１０８の出口１０８Ａ間に配置されている。エッチャントガス１２８を注入することは、エッチャントガス源１２９からのエッチャントガスを、１つまたは複数の供給プレナム１２４に供給することを含み得る。供給プレナム１２４によって、エッチャントガス１２８は注入ポート１２７に分配される。エッチャントガス１２８は、注入ポート１２７からウェハ処理領域１０６内に注入される。このように、フッ化炭素または他のハロゲン化物含有のエッチャントガス１２８は、ＨＣキャビティ１０８を迂回して、ウェハ処理領域１０６内に直接注入される。
オペレーション５３０で、エッチャントガス１２８は、ウェハ処理領域１０６において、ＨＣ出口１０８Ａから出力されるプラズマ１４０Ａおよび／または活性種と混ざり合う。ＨＣ出口１０８Ａから活性種が出力される際に、下部電極１０４にバイアス信号Ｓ２を印加し、上部電極の第３の導電層１１２に接地電位信号Ｓ３を印加することにより、ウェハ処理領域１０６においてプラズマを発生させることができる。原料ガス１４０の選択された流量と、出口１０８Ａの幅Ｄ２、および出口１０８Ａの縦の長さＤ６＋Ｄ７の組み合わせによって、プラズマ１４０Ａおよび／または活性種がＨＣ１０８の出口１０８Ａから流れる際の圧力降下が決まる。出口１０８Ａの幅Ｄ２は、約１．０ｍｍから約１５ｍｍの間とすることができ、出口１０８Ａの長さＤ６＋Ｄ７は、約１．０ｍｍから約１２ｍｍの間とすることができる。アパーチャを通るガス流の場合、面積に対する正味流量の比は流束を表し、そしてこのパラメータを、望ましくない逆方向のガス輸送を防ぐための正味ガス流の能力を決定づけるように、調整することができる。ウェハ処理領域１０６内にあるガス種が開口部１０８Ａを通ってＨＣ１０８に入ることが、出口１０８Ａを通るガス１４０およびプラズマ１４０Ａの流束によって実質的に阻止される。このようにして、エッチャントガス１２８とその解離および反応の生成物がＨＣ１０８内部の面と相互作用することは、実質的に阻止される。
原料ガス１４０の選択された流量と、ポート（複数の場合もある）１４０Ｂの幅Ｄ３、およびポート１４０Ｂの縦の長さＤ１２の組み合わせによって、ＨＣ１０８の中にガス１４０が流れ込む際の圧力降下が決まる。プラズマが原料ガス供給プレナム１２６内へ広がることが、ポート１４０Ｂを通るガス１４０の流束と幅Ｄ３とによって実質的に阻止される。ポート１４０Ｂは、名目上、プラズマシース厚の約２倍よりも小さい幅Ｄ３を有している。例として、幅Ｄ３は、約０．１ｍｍから約０．７ｍｍの間とすることができる。アパーチャ１４０Ｂの長さＤ１２は、約１ｍｍから約１２ｍｍの間とすることができる。
エッチャントガス１２８の選択された流量と、アパーチャ１２７Ｂの幅Ｄ１および長さＤ１３の組み合わせによって、ウェハ処理領域１０６内に入るエッチャントガス１２８の圧力降下が決まる。アパーチャ１２７Ｂの幅Ｄ１は、約０．３ｍｍから約０．８ｍｍの間とすることができ、アパーチャの長さＤ１３は、約２．０ｍｍから約２０．０ｍｍの間とすることができる。ウェハ処理領域１０６にあるガス種が注入ポート１２７に入ることが、エッチャントガス１２８の流束とアパーチャ１２７Ｂの幅Ｄ１とによって実質的に阻止される。それぞれのガス源１２９、１４１の圧力を変えるなどして、原料ガス１４０とエッチャントガス１２８の流量比を選択的に制御することができる。
例として、ウェハ処理領域１０６内に入る総ガス流のより大きな部分が、ＨＣ１０８から流出する原料ガス１４０とプラズマイオン１４０Ａであるように、原料ガス１４０とエッチャントガス１２８の流量比を選択的に制御することができる。同様に、ウェハ処理領域１０６内に入る総ガス流のより大きな部分が、注入ポート１２７から流出するものであるように、原料ガス１４０とエッチャントガス１２８の流量比を選択的に制御することができる。また同様に、ウェハ処理領域１０６内に入る総ガスが、注入ポート１２７から流出するエッチャントガス１２８と、ＨＣ１０８から流出する原料ガス１４０およびプラズマイオン１４０Ａに略均等に分かれるように、原料ガス１４０とエッチャントガス１２８の流量比を選択的に制御することもできる。
エッチャントガス１２８がウェハ処理領域１０６からＨＣキャビティ内に流れることが、ＨＣキャビティ１０８の開口部１０８Ａの幅Ｄ２によって実質的に阻止される。幅Ｄ２は、ＨＣ１０８から出力することが望まれるプラズマおよび／または活性種の選択によって、さらにはその特定のプラズマ１４０Ａのダイナミクスによって、決定される。例として、プラズマが開口部１０８Ａを通ってウェハ処理領域１０６内に確実に輸送されるように、幅Ｄ２は、プラズマシース厚の２倍よりも大きくされる。逆に、活性種のみがウェハ処理領域１０６内に注入されて、プラズマ１４０Ａは注入されないことを目的とする場合は、開口部１０８Ａ内でプラズマが確実に消滅するように、幅Ｄ２は、プラズマシース厚の２倍よりも小さくされることになる。
エッチャントガス１２８およびプラズマイオン１４０Ａの略均一な流れの混合物２０８が、ウェハ処理領域１０６全体に供給されるように、そしてエッチング対象の表面１０２Ａに供給されるように、ＨＣ１０８および／またはトレンチ１０８’は、上部電極１０３の表面全体に分散している。オペレーション５４０では、ウェハ処理領域１０６において、プラズマ１４０Ａの電子がエッチャントガス１２８と相互作用することで、制御された解離が引き起こされて、表面１０２Ａとのエッチング反応および関連するパッシベーションのために必要な所望の化学種２０８が生成される。プラズマ源（複数の場合もある）１０８の遠隔性、およびＨＣ１０８からウェハ処理領域１０６内へのプラズマ１４０の拡散によって、または、より低いイオン化ポテンシャルを持つ活性種のＨＣ１０８からウェハ処理領域１０６内への輸送によって、ウェハ処理領域における電子温度が、現在の標準的なＨＡＲ誘電体エッチングの場合の通常の電子温度よりも大幅に低くなる。
オペレーション５５０において、プラズマ１４０Ａおよび所望の化学種２０８の一部がエッチング対象の表面１０２Ａに供給されて、そのエッチング対象の表面がエッチングされる。表面１０２Ａをエッチングすることによって、エッチング副生成物が発生する。オペレーション５６０では、エッチング副生成物がウェハ処理領域１０６から除去される。また、エッチング対象の表面１０２Ａにプラズマ１４０Ａおよび所望の化学種２０８を供給することは、信号源からの信号Ｓ２を下部電極１０４に印加することも含んでいる。信号Ｓ２は、イオン衝撃エネルギーを制御するためのＲＦバイアスとすることができる。ＲＦバイアスは、周知のようにＤＣバイアスよりも優れており、ＲＦバイアスは、最小限の電位降下で誘電体膜（例えば、ウェハ表面の酸化膜、またはＥＳＣのセラミック層）を通して印加することができる。当然のことながら、信号Ｓ２は、下部電極１０４にバイアスをかけるためのＲＦ信号とＤＣ信号の両方を含むことができる。また、下部電極１０４に印加されるバイアス信号Ｓ２は、ウェハ処理領域１０６内でプラズマ密度を発生および／または増加させることもできる。
ＨＣキャビティからのプラズマ１４０Ａの供給を向上させるため、バイアス信号Ｓ３、Ｓ４はＨＣキャビティ１０８の上部１２０と下部１１２にそれぞれ供給され得る。バイアス信号Ｓ３、Ｓ４は、接地電位とすることができる。温度制御層１２２には、第１導電層１２０と同じバイアス信号Ｓ４によってバイアスをかけることができる。あるいはこれに代えて、上記のようにオプションの絶縁層によって、温度制御層１２２を第１の導電層１２０から電気的に絶縁することができ、この場合、温度制御層には、第１の導電層に印加されるバイアス信号Ｓ４とは異なる信号Ｓ５を用いてバイアスをかけることが可能である。
原料ガス１４０は、幅Ｄ３を有する１つまたは複数のポートの１４０Ｂを通って、ＨＣキャビティ１０８の頂部に注入される。複数の小さいポート１４０Ｂは、プラズマ１４０ＡがＨＣキャビティ１０８から上方に漏れて供給プレナム１２６に入ることを実質的に阻止する。一方で、最小限のガス伝導でプラズマ輸送および／または活性種の輸送を可能にするために、ＨＣ１０８の出口１０８Ａにおけるプラズマ注入は単一の開口である。
例示的な一実施形態では、電極表面上のＤＣフローティング表面膜に伴って生じ得る問題を回避するため、信号Ｓ１は、１〜１５ＭＨｚの範囲のＲＦとされる。原料ガス１４０はアルゴンとされ、また、エッチャントガス１２８は、フッ化炭素、ハイドロフルオロカーボン、および／またはＯ２の混合物とされることになる。
多くの代替的実施形態が可能である。例として、ＨＣキャビティ１０８の陰極信号および接地信号Ｓ１、Ｓ３、Ｓ４は、ＨＣキャビティの上に広がるオプションの導電層１１６Ａに信号Ｓ１が印加され得るように配することができる。また、２種の別々のガス１２８、１４０が実質的にアレイ上の交互の点でウェハ処理領域１０６に供給されるガス供給ジオメトリにおいても、他の形態が可能である。
温度制御層１２２は、温度制御システム１２２Ａによって能動的に冷却することができる。温度制御層１２２を冷却することによって、ＨＣキャビティ１０８から熱を奪う。例として、温度制御層１２２は、上部電極１０３から奪った熱を外部の放熱システム（図示せず）に運ぶため、温度制御システム１２２Ａ中を流れる冷媒を含むことができる。温度制御システム１２２Ａは、当技術分野で周知であるような、上部電極１０３の温度を制御する他のシステムおよび方法を含むことができる。例として、温度制御システム１２２Ａは、ヒートシンク、熱電冷却、加熱、いずれかの適当な冷却媒体を含むことができる。
エッチャントガスがＣ4Ｆ8とＯ2で構成される一例において、Ｃ4Ｆ8分子は解離して、より小さい様々な原子および分子となり、それらの一部は化学反応性の高いラジカルある。特に、Ｃ2Ｆ4、Ｃ3Ｆ4、および他の多炭素種は、マスク、側壁、および停止層をポリマー堆積により不動態化する重合プロセスの一端を担う。一方で、ＣＦ３およびＦラジカル種は、イオン衝撃と相まって、エッチング対象のＳｉＯ2系膜をエッチングするように作用する。Ｏ2の解離によって、Ｏラジカルが発生する。Ｏラジカルは、特にイオン衝撃と相まって、ポリマーをエッチングし、この場合、正味重合度を制御可能とすることができる。通常のプロセスよりも低い解離度を可能とすることにより、本プロセスでは、エッチャントに対するパッシバントの比率がより大きくなり、これは、選択エッチングのために、より好ましい。
上記実施形態を念頭に置いて、当然のことながら、本発明は、コンピュータにより実現される、コンピュータシステムに記憶されたデータに関する様々なオペレーションを採用することができる。これらのオペレーションは、物理量の物理的操作を必要とするものである。必ずではないが、これらの量は、通常、記憶、伝達、結合、比較、および他の操作が可能な電気または磁気信号の形をとるものである。また、実行される操作は、しばしば、生成、識別、判断、または比較といった用語で呼ばれる。
また、本発明は、コンピュータ読み取り可能な媒体上のコンピュータ読み取り可能なコードとして具現化することができる。コンピュータ読み取り可能な媒体は、データを保存することができるデータ記憶装置であって、後にコンピュータシステムによりそのデータを読み出すことが可能なものである。コンピュータ読み取り可能な媒体の例には、ハードドライブ、ネットワーク接続ストレージ（ＮＡＳ）、読み取り専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、ＣＤ‐ＲＯＭ、ＣＤ‐Ｒ、ＣＤ‐ＲＷ、ＤＶＤ、フラッシュ、磁気テープ、および他の光学式および非光学式のデータ記憶装置が含まれる。コンピュータ読み取り可能な媒体は、コンピュータシステムに接続されたネットワーク上に分散させることもでき、これにより、コンピュータ読み取り可能なコードは分散的に記憶および実行される。
本明細書に記載の、本発明の一部をなすオペレーションは、いずれも有用なマシンオペレーションである。また、本発明は、これらのオペレーションを実行するためのデバイスまたは装置に関するものである。装置は、所要の目的のために特別に構築されたものとすることができ、あるいはコンピュータに格納されたコンピュータプログラムによって選択的に起動または設定される汎用コンピュータとすることができる。特に、様々な汎用機を、本明細書の教示に従って書かれたコンピュータプログラムと共に用いることができ、あるいは所要のオペレーションを実行するために、より特化した装置を構築するほうが、利便性が高い場合がある。
上記の発明は、明確な理解を目的として、ある程度詳細に記載したが、添付の請求項の範囲内でいくらかの変更および変形を実施することができることは明らかであろう。よって、本実施形態は例示とみなされるべきであって、限定するものではなく、また、本発明は、本明細書で提示した詳細に限定されるものではなく、添付の請求項の範囲内および均等物の範囲内で変更することができる。

Claims (20)

  1. 半導体ウェハをエッチングする方法であって、
    原料ガス混合物を処理室内に注入することであって、
    原料ガス混合物を前記処理室の上部電極であって、第１の導電層と前記第１の導電層の下側に配置されている第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層の下方に配置され複数の中空陰極キャビティを含む第２の導電層と、前記第２の導電層の下方に配置されている第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層の下方に配置されている第３の導電層とを有する上部電極における前記複数の中空陰極キャビティ内に注入すること、
    前記複数の中空陰極キャビティに第１のバイアス信号を印加することおよび前記上部電極において前記第１の導電層の上側に配置されている温度制御層によって前記上部電極を冷却することを含む、前記複数の中空陰極キャビティの各々においてプラズマを発生させること、
    前記発生させたプラズマを、前記複数の中空陰極キャビティの各々の対応する出口から、前記処理室内のウェハ処理領域に出力すること、ウェハ処理領域は前記複数の中空陰極キャビティの各々の前記出口とエッチング対象の表面との間に配置されていることと
    を含む、原料ガス混合物を処理室内に注入すること、
    エッチャントガス混合物を前記ウェハ処理領域内に注入することと、前記エッチャントガス混合物は前記複数の中空陰極キャビティの前記出口から出力される前記プラズマと混ざり合うように、前記上部電極における複数の注入ポートを介して注入され、前記ウェハ処理領域において所望の化学種を発生させることを含むエッチャントガス混合物を前記ウェハ処理領域に注入すること、前記複数の中空陰極キャビティの各々の前記出口から流出する前記原料ガス混合物と前記プラズマによって、前記エッチャントガス混合物が前記複数の中空陰極キャビティの各々の前記出口内に流入することが実質的に阻止され、
    前記エッチング対象の表面をエッチングすること、
    とを備える、半導体ウェハをエッチングする方法。
  2. 前記複数の中空陰極キャビティにバイアスをかけることは、前記第２の導電層に前記第１のバイアス信号を印加することを含み、前記複数の中空陰極キャビティは前記第２の導電層に形成される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記第１のバイアス信号は、ＲＦバイアス信号を含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記第１のバイアス信号は、約１ＭＨｚから約１５ＭＨｚの範囲内のＲＦ信号を含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記複数の注入ポートは、前記上部電極の前記ウェハ処理領域表面にわたって実質的に分散されている、請求項１に記載の方法。
  6. 前記複数の中空陰極キャビティは、前記上部電極の前記ウェハ処理領域表面にわたって実質的に分散されている、請求項１に記載の方法。
  7. 前記複数の中空陰極キャビティおよび前記複数の注入ポートは、前記上部電極の前記ウェハ処理領域表面にわたって、ほぼ均等に散在している、請求項１に記載の方法。
  8. 前記発生したプラズマを前記複数の中空陰極キャビティの各々の対応する前記出口から出力することは、前記上部電極に第２のバイアス信号を印加することを含む、請求項１に記載の方法。
  9. 前記複数の中空陰極キャビティの各々においてプラズマを発生させることは、前記複数の中空陰極キャビティの前記出口に第３のバイアス信号を印加することを含む、請求項１に記載の方法。
  10. 前記複数の中空陰極キャビティの各々においてプラズマを発生させることは、前記複数の中空陰極キャビティの前記出口に第３のバイアス信号を印加することを含み、前記第３のバイアス信号は接地電位である、請求項１に記載の方法。
  11. 前記エッチング対象の表面をエッチングすることは、前記ウェハ処理領域からエッチング副生成物を除去することを含む、請求項１に記載の方法。
  12. 前記複数の中空陰極キャビティは、複数の中空陰極トレンチを含む、請求項１に記載の方法。
  13. 前記上部電極の中の複数の注入ポートは、複数の注入トレンチを含む、請求項１に記載の方法。
  14. 前記原料ガス混合物は不活性ガスである、請求項１に記載の方法。
  15. 前記エッチャントガス混合物は、フッ化炭素含有ガスを含む、請求項１に記載の方法。
  16. 前記複数の中空陰極キャビティの各々の前記出口は、プラズマシース厚の２倍よりも大きい幅を有する、請求項１に記載の方法。
  17. 原料ガス混合物源と、
    エッチャントガス源と、
    処理室と、
    を備える、エッチング種を発生させるためのシステムであって、
    前記処理室は、
    上部電極であって、
    前記上部電極を冷却するための温度制御層と、
    前記温度制御層の下側に配置されている第１の導電層と、
    前記第１の導電層の下側に配置されている第１の絶縁層と、
    その各々の入口に前記原料ガス混合物源が接続されている複数の中空陰極キャビティを含み、前記第１の絶縁層の下方に配置されている第２の導電層と、
    前記第２の導電層の下方に配置されている第２の絶縁層と、
    前記第２の絶縁層の下方に配置されている第３の導電層と、
    前記複数の中空陰極キャビティの各々に接続されている第１のバイアス信号源と、
    前記複数の中空陰極キャビティの各々に対応する出口であって、前記処理室内のウェハ処理領域に対して開口している対応する出口と、前記複数の中空陰極キャビティの各々の前記出口とエッチング対象の表面との間に前記ウェハ処理領域が配置され、
    前記エッチャントガス源に接続されている複数の注入ポートであって、前記ウェハ処理領域に前記エッチャントガスを注入することができる、前記複数の注入ポートと、を含む、上部電極と、
    前記エッチング対象の表面を含む半導体ウェハを支持するための下部電極と、
    を含む、システム。
  18. 前記対応する出口の各々は、プラズマシース厚の２倍よりも大きい幅を有する、請求項１７に記載のシステム。
  19. 前記対応する出口の各々は、プラズマシース厚の２倍以下の幅を有する、請求項１７に記載のシステム。
  20. 半導体ウェハをエッチングする方法であって、
    原料ガス混合物を処理室内に注入することであって、
    前記原料ガス混合物を前記処理室の上部電極であって、第１の導電層と前記第１の導電層の下側に配置されている第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層の下方に配置され複数の中空陰極キャビティを含む第２の導電層と、前記第２の導電層の下方に配置されている第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層の下方に配置されている第３の導電層とを有する上部電極における前記複数の中空陰極キャビティ内に注入すること、
    前記複数の中空陰極キャビティに第１のバイアス信号を印加することおよび前記上部電極において前記第１の導電層の上側に配置されている温度制御層によって前記上部電極を冷却することを含む、前記複数の中空陰極キャビティの各々においてプラズマを発生させること、
    前記中空陰極キャビティにおいて活性種を発生させること、
    前記発生させた活性種を、前記複数の中空陰極キャビティの各々の対応する出口から、前記処理室内のウェハ処理領域に出力すること、前記ウェハ処理領域は前記複数の中空陰極キャビティの各々の前記出口とエッチング対象の表面との間に配置されていること
    を含む、前記処理室内に前記原料ガス混合物を注入することと、
    エッチャントガス混合物を前記ウェハ処理領域に注入することであって、エッチャントガス混合物は前記複数の中空陰極キャビティの前記出口から出力される前記活性種と混ざり合うように、前記上部電極における複数の注入ポートを介して注入され、前記ウェハ処理領域内でプラズマを発生させることを含むエッチャントガス混合物を前記ウェハ処理領域に注入すること、
    前記ウェハ処理領域内で所望の化学種を発生させることと、前記複数の中空陰極キャビティの各々の前記出口はプラズマシース厚の２倍未満の幅を有し、前記複数の中空陰極キャビティの各々の前記出口から流出する前記活性種によって、前記エッチャントガス混合物が前記複数の中空陰極キャビティの各々の前記出口内に流入することが、実質的に阻止され、
    前記エッチング対象の表面をエッチングすること
    とを含む、半導体ウェハをエッチングする方法。
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