JP7263676B2 - Method for controlling ion energy distribution in process plasma - Google Patents
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Description
本出願は、2018年4月13日に出願されたYoshidaらによる「Apparatus and Method for Controlling Ion Energy Distribution in Process Plasmas」という名称の米国特許出願第62/657,301号明細書及び2018年4月13日に出願されたYoshidaらによる「Method for Ion Mass Separation and Ion Energy Control in Process Plasmas」という名称の米国特許出願第62/657,272号明細書に関連するものであり、これらの米国特許出願の開示は、参照によりその全体が明示的に組み込まれる。 No. 62/657,301 entitled "Apparatus and Method for Controlling Ion Energy Distribution in Process Plasmas" by Yoshida et al. No. 62/657,272 entitled "Method for Ion Mass Separation and Ion Energy Control in Process Plasmas" by Yoshida et al. the disclosure of which is expressly incorporated by reference in its entirety.
本開示は、プラズマプロセス装置における基板の処理に関する。特に、本開示は、プラズマ処理装置で生成されたプラズマを制御する装置及び方法を提供する。 The present disclosure relates to substrate processing in a plasma processing apparatus. In particular, the present disclosure provides apparatus and methods for controlling plasma generated in a plasma processing apparatus.
基板の処理にプラズマシステムを使用することは、かなり以前から知られている。例えば、半導体ウェハのプラズマ処理がよく知られている。プラズマシステムは、通常、プラズマエッチングプロセス及び/又はプラズマ堆積プロセスに利用され得る。プラズマ処理には多くの技術的課題があり、基板上の構造及び層の形状が縮小し続けるにつれて、プラズマの制御が一層重要になる。一般に、プラズマは、プラズマを周囲の環境から隔てるチャンバ内でガス混合物に高周波電力を供給することによって生成される。プラズマプロセスの性能は、イオン種、イオンの密度、イオンの運動エネルギー、反応性中性粒子などを含む多くの因子、変量の影響を受ける。 The use of plasma systems for processing substrates has been known for some time. For example, plasma processing of semiconductor wafers is well known. Plasma systems are typically utilized for plasma etching processes and/or plasma deposition processes. Plasma processing presents many technical challenges, and control of the plasma becomes more important as features and layer geometries on substrates continue to shrink. Generally, a plasma is generated by applying radio frequency power to a gas mixture in a chamber that separates the plasma from the surrounding environment. The performance of plasma processes is affected by many factors and variables, including ion species, ion density, ion kinetic energy, reactive neutrals, and the like.
所望のプロセス性能を実現するために、プラズマ処理装置の可変設定を調整して、プラズマ特性を変更できる。これらの設定としては、当技術分野でいずれも周知のようにガス流量、ガス圧力、プラズマ励起用の電力、バイアス電圧などが挙げられるが、これらに限定されない。所望の性能を実現するための課題の1つは、プラズマ特性の制御性である。可変設定は、プラズマの特性に直接関係しないため、制御には限界がある。基板処理の要件の難易度が一層高まるにつれて、プラズマ特性のより良い制御性が必要とされる。 Variable settings of the plasma processing apparatus can be adjusted to alter plasma characteristics to achieve desired process performance. These settings include, but are not limited to, gas flow rates, gas pressures, power for plasma excitation, bias voltages, etc., all of which are well known in the art. One of the challenges in achieving desired performance is the controllability of plasma properties. The variable settings have limited control since they are not directly related to plasma properties. As substrate processing requirements become more challenging, better controllability of plasma properties is required.
1つの例示的な実施形態では、プラズマ励起のために複数の高調波周波数成分を用いることにより、プラズマ中のイオンエネルギーの制御を利用する革新的なプラズマ処理方法及びシステムが本明細書で説明される。より具体的には、異なる周波数成分間の相対振幅及び/又は位相シフトは、所望のイオンエネルギープラズマ特性を提供するように制御される。相対振幅及び/又は位相シフトは、直接及び/又は手動のイオンエネルギー測定なしで制御され得る。むしろ、プラズマ内のイオンエネルギーは、例えば、インピーダンスレベル、高周波(RF)発生器の電気信号、整合回路の電気信号及びプラズマ処理装置の他の回路の電気信号など、プラズマ装置内の1つ又は複数の電気的特性を監視することによって動的に制御され得る。したがって、通常、基板を大量生産するためのプラズマ装置では、イオンエネルギーを直接測定できないため、プラズマプロセスシステムでイオンエネルギー分布を迅速且つ正確に制御する技法が提供される。イオンエネルギーの監視及び制御は、所望のイオンエネルギー分布を維持するために、プラズマプロセス中に動的に実現され得る。したがって、本明細書で説明される技法は、例えば、イオンエネルギーセンサを用いることなく、複数の高調波周波数システムにおけるその場でのイオンエネルギー最適化を有利に提供でき、また例えばプロセス中のイオンエネルギー分布の最適な動作条件を維持する動的制御機能を提供できる。本明細書で提供される本開示の利益を有する他の利点も認識されるであろう。 In one exemplary embodiment, innovative plasma processing methods and systems are described herein that utilize control of ion energy in a plasma by using multiple harmonic frequency components for plasma excitation. be. More specifically, the relative amplitudes and/or phase shifts between different frequency components are controlled to provide desired ion energy plasma characteristics. Relative amplitudes and/or phase shifts can be controlled without direct and/or manual ion energy measurements. Rather, the ion energy within the plasma is determined by one or more of the parameters within the plasma device, such as, for example, impedance levels, radio frequency (RF) generator electrical signals, matching circuit electrical signals, and other circuit electrical signals of the plasma processing device. can be dynamically controlled by monitoring the electrical properties of Therefore, since ion energy cannot be measured directly in plasma equipment for mass production of substrates, a technique is provided to quickly and accurately control ion energy distribution in a plasma processing system. Ion energy monitoring and control can be implemented dynamically during the plasma process to maintain the desired ion energy distribution. Thus, the techniques described herein can advantageously provide in-situ ion energy optimization in multiple harmonic frequency systems, e.g., without the use of ion energy sensors, and e.g. A dynamic control function can be provided to maintain optimum operating conditions of the distribution. Other advantages will be recognized with the benefit of the disclosure provided herein.
一実施形態では、基板をプラズマ処理することができるプラズマ処理システムが提供される。本システムは、プロセスチャンバと、プロセスチャンバに結合され、且つ少なくとも基本周波数における基本周波数電圧及び第2の周波数における第2の周波数電圧を通してRF電力をプロセスチャンバに提供するように構成された1つ又は複数のRF電源であって、第2の周波数は、基本周波数の第二次高調波周波数又はより高次の高調波である、1つ又は複数のRF電源とを含み得る。本システムは、基板のプラズマ処理中にプラズマ処理システムの少なくとも1つの電気的特性を受け取るためにプラズマ処理システムの少なくとも1つの他のコンポーネントに結合された制御回路をさらに含む。本システムは、1つ又は複数のRF電源の少なくとも1つに結合された制御回路の少なくとも1つの出力であって、1つ又は複数のRF電源は、基板のプラズマ処理中に所望のイオンエネルギー分布を得ることができるように、基本周波数電圧及び/又は第2の周波数電圧の特性を調整するように構成される、少なくとも1つの出力も含む。 In one embodiment, a plasma processing system is provided that is capable of plasma processing a substrate. a process chamber, coupled to the process chamber and configured to provide RF power to the process chamber through at least a fundamental frequency voltage at a fundamental frequency and a second frequency voltage at a second frequency; and one or more RF power sources, wherein the second frequency is a second harmonic frequency or a higher harmonic of the fundamental frequency. The system further includes control circuitry coupled to at least one other component of the plasma processing system for receiving at least one electrical characteristic of the plasma processing system during plasma processing of the substrate. The system comprises at least one output of a control circuit coupled to at least one of the one or more RF power sources, the one or more RF power sources providing a desired ion energy distribution during plasma processing of the substrate. It also includes at least one output configured to adjust characteristics of the fundamental frequency voltage and/or the second frequency voltage so as to obtain a .
別の実施形態では、基板をプラズマ処理するための方法が提供される。本方法は、プロセスチャンバを提供することと、少なくとも基本周波数における基本周波数電圧及び第2の周波数における第2の電圧を通してRF電力をプロセスチャンバに提供するために、プロセスチャンバに1つ又は複数のRF電源を結合することであって、第2の周波数は、基本周波数の第二次高調波周波数又はより高次の高調波である、結合することとを含み得る。本方法は、基板のプラズマ処理中にプラズマ処理システムの少なくとも1つの電気的特性を監視することも含む。本方法は、基板のプラズマ処理中に所望のイオンエネルギー分布を得るために、基本周波数電圧と第2の周波数電圧との間の位相差及び/又は基本周波数電圧と第2の周波数電圧との振幅比をプラズマ処理中に調整することをさらに含む。 In another embodiment, a method is provided for plasma processing a substrate. The method includes providing a process chamber and one or more RF power sources to the process chamber to provide RF power to the process chamber through at least a fundamental frequency voltage at the fundamental frequency and a second voltage at a second frequency. Coupling the power source, wherein the second frequency is a second harmonic frequency or a higher harmonic of the fundamental frequency. The method also includes monitoring at least one electrical characteristic of the plasma processing system during plasma processing of the substrate. The method includes adjusting the phase difference between the fundamental frequency voltage and the second frequency voltage and/or the amplitude of the fundamental frequency voltage and the second frequency voltage to obtain a desired ion energy distribution during plasma processing of the substrate. Further comprising adjusting the ratio during plasma processing.
また別の実施形態では、基板を処理するための方法が提供される。本方法は、プロセスチャンバを提供することと、少なくとも基本周波数における基本周波数電圧及び第2の周波数における第2の電圧を通してRF電力をプロセスチャンバに提供するために、プロセスチャンバに1つ又は複数のRF電源を結合することであって、第2の周波数は、基本周波数の第二次高調波周波数又はより高次の高調波である、結合することとを含み得る。本方法は、プロセスチャンバと1つ又は複数のRF電源との間に整合回路を結合することも含む。本方法は、基板のプラズマ処理中に整合回路によって見られるプロセスチャンバのインピーダンスを少なくとも監視することをさらに含む。本方法は、基板のプラズマ処理中に所望のイオンエネルギー分布を得るために、少なくとも基本周波数電圧と第2の周波数電圧との間の位相差をプラズマ処理中に調整することも含む。 In yet another embodiment, a method is provided for processing a substrate. The method includes providing a process chamber and one or more RF power sources to the process chamber to provide RF power to the process chamber through at least a fundamental frequency voltage at the fundamental frequency and a second voltage at a second frequency. Coupling the power source, wherein the second frequency is a second harmonic frequency or a higher harmonic of the fundamental frequency. The method also includes coupling a matching circuit between the process chamber and one or more RF power sources. The method further includes monitoring at least the impedance of the process chamber seen by the matching circuit during plasma processing of the substrate. The method also includes adjusting the phase difference between at least the fundamental frequency voltage and the second frequency voltage during plasma processing to obtain a desired ion energy distribution during plasma processing of the substrate.
別の例示的な実施形態では、印加されるRF電力の印加、具体的には基本RF周波数と高調波周波数との間の関係を制御することにより、質量の異なるイオンのイオンエネルギー分布が同時に制御される、プラズマ内のイオンエネルギー分布を制御するための技法が本明細書で説明される。したがって、本技法により、質量の異なるイオンに対するイオンエネルギー制御が可能になる。2つの周波数間のRF電力分布を制御することにより、プラズマプロセスの特性が変化され得る。例えば、エッチングを支配するイオンは、イオンが他のイオンより軽いか又は重いかに選択的に基づき得る。同様に、原子層エッチングプロセスは、プロセスがRF周波数の調整によって層改質工程と層エッチング工程との間で切り替わり得るように制御され得る。このような切り替えを、プラズマプロセスの同じ気相内で行うことができる。したがって、RF電源の調整を用いて、システムを層改質工程又は層エッチング工程にしながら、層改質工程と層エッチング工程との両方にプラズマの共通の気相を使用できる。一実施形態では、RF電力の制御は、基本RF周波数と高調波周波数との間の位相差及び/又は振幅比を制御することを含む。さらに、位相差及び/又は振幅比の制御は、例えば、インピーダンスレベル、高周波(RF)発生器の電気信号、整合回路の電気信号及びプラズマ処理装置の他の回路の電気信号など、プラズマ装置内の1つ又は複数の電気的特性の検出に依拠し得る。 In another exemplary embodiment, by controlling the application of the applied RF power, specifically the relationship between the fundamental RF frequency and the harmonic frequency, the ion energy distribution of ions of different masses is simultaneously controlled. Techniques for controlling the ion energy distribution within a plasma are described herein. Thus, the technique allows ion energy control for ions of different masses. By controlling the RF power distribution between the two frequencies, the characteristics of the plasma process can be changed. For example, the ions that dominate etching can be selectively based on whether the ions are lighter or heavier than other ions. Similarly, the atomic layer etch process can be controlled such that the process can be switched between layer modification and layer etch steps by adjusting the RF frequency. Such switching can be done within the same gas phase of the plasma process. Thus, a common gas phase of the plasma can be used for both the layer modification and layer etch steps while the system is in the layer modification or layer etch step with adjustment of the RF power supply. In one embodiment, controlling RF power includes controlling phase differences and/or amplitude ratios between the fundamental RF frequency and the harmonic frequencies. In addition, the control of the phase difference and/or the amplitude ratio can be controlled within the plasma device such as, for example, impedance levels, radio frequency (RF) generator electrical signals, matching circuit electrical signals and other circuit electrical signals of the plasma processing device. Detection of one or more electrical properties may be relied upon.
一実施形態では、基板をプラズマ処理するための方法が提供される。本方法は、プロセスチャンバを提供することと、少なくとも基本周波数における基本周波数電圧及び第2の周波数における第2の周波数電圧を通してRF電力をプロセスチャンバに提供するために、プロセスチャンバに1つ又は複数のRF電源を結合することであって、第2の周波数は、基本周波数の第二次高調波周波数又はより高次の高調波である、結合することとを含み得る。本方法は、プロセスチャンバ中に少なくとも第1のタイプのイオン及び第2のタイプのイオンを提供することであって、第1のタイプのイオンは、第1の質量を有し、及び第2のタイプのイオンは、第2の質量を有し、第1の質量と第2の質量とは、異なる質量である、提供することをさらに含む。本方法は、第1の質量及び第2の質量に基づくイオンエネルギー分布の選択的な制御を可能にするために、基本周波数電圧と第2の周波数電圧との間の関係を調整することにより、第1のタイプのイオン及び第2のタイプのイオンのイオンエネルギー分布を制御することも含む。 In one embodiment, a method is provided for plasma processing a substrate. The method includes providing a process chamber and one or more RF power to the process chamber through at least a fundamental frequency voltage at a fundamental frequency and a second frequency voltage at a second frequency. Coupling the RF power source, wherein the second frequency is a second harmonic frequency or a higher harmonic of the fundamental frequency. The method comprises providing at least a first type of ions and a second type of ions in the process chamber, the first type of ions having a first mass and a second type of The type of ions has a second mass, and the first mass and the second mass are different masses. By adjusting the relationship between the fundamental frequency voltage and the second frequency voltage to allow selective control of the ion energy distribution based on the first mass and the second mass, the method comprises: It also includes controlling the ion energy distribution of the first type of ions and the second type of ions.
別の実施形態では、基板をプラズマエッチングするための方法が提供される。本方法は、プロセスチャンバを提供することと、少なくとも基本周波数における基本周波数電圧及び第2の周波数における第2の周波数電圧を通してRF電力をプロセスチャンバに提供するために、プロセスチャンバに1つ又は複数のRF電源を結合することであって、第2の周波数は、基本周波数の第二次高調波周波数又はより高次の高調波である、結合することとを含み得る。本方法は、プロセスチャンバ中に少なくとも第1のタイプのイオン及び第2のタイプのイオンを提供することであって、第1のタイプのイオンは、第1の質量を有し、及び第2のタイプのイオン、第2の質量を有し、第1の質量と第2の質量とは、異なる質量である、提供することをさらに含む。本方法は、第1の質量及び第2の質量に基づくイオンエネルギー分布の選択的な制御を可能にするために、基本周波数電圧と第2の周波数電圧との間の関係を調整することにより、第1のタイプのイオン及び第2のタイプのイオンのイオンエネルギー分布を制御することも含む。イオンエネルギー分布を制御することは、第1のタイプのイオン及び第2のタイプのイオンの少なくとも一方のエッチングの影響を選択的に制御することを可能にする。 In another embodiment, a method is provided for plasma etching a substrate. The method includes providing a process chamber and one or more RF power to the process chamber through at least a fundamental frequency voltage at a fundamental frequency and a second frequency voltage at a second frequency. Coupling the RF power source, wherein the second frequency is a second harmonic frequency or a higher harmonic of the fundamental frequency. The method comprises providing at least a first type of ions and a second type of ions in the process chamber, the first type of ions having a first mass and a second type of The type of ion has a second mass, the first mass and the second mass being different masses. By adjusting the relationship between the fundamental frequency voltage and the second frequency voltage to allow selective control of the ion energy distribution based on the first mass and the second mass, the method comprises: It also includes controlling the ion energy distribution of the first type of ions and the second type of ions. Controlling the ion energy distribution allows for selectively controlling the etching effects of at least one of the first type of ions and the second type of ions.
また別の実施形態では、基板をプラズマエッチングするための方法が提供される。本方法は、プロセスチャンバを提供することと、少なくとも基本周波数における基本周波数電圧及び第2の周波数における第2の周波数電圧を通してRF電力をプロセスチャンバに提供するために、プロセスチャンバに1つ又は複数のRF電源を結合することであって、第2の周波数は、基本周波数の第二次高調波周波数又はより高次の高調波である、結合することとを含み得る。本方法は、プロセスチャンバ中に少なくとも第1のタイプのイオン及び第2のタイプのイオンを提供することであって、第1のタイプのイオンは、第1の質量を有し、及び第2のタイプのイオンは、第2の質量を有し、第1の質量は、第2の質量より重い、提供することをさらに含む。本方法は、基本周波数電圧と第2の周波数電圧との間の位相差及び/又は基本周波数電圧と第2の周波数電圧との振幅比を調整することにより、第1のタイプのイオン及び第2のタイプのイオンのイオンエネルギー分布を制御することをさらに含む。イオンエネルギー分布を制御することは、第1のタイプのイオン又は第2のタイプのイオンの少なくとも一方の非対称のイオンエネルギー分布を生成し、及び非対称のイオンエネルギー分布は、第1のタイプのイオンに対する第2のタイプのイオンのエッチングの影響を調整するために使用される。 In yet another embodiment, a method is provided for plasma etching a substrate. The method includes providing a process chamber and one or more RF power to the process chamber through at least a fundamental frequency voltage at a fundamental frequency and a second frequency voltage at a second frequency. Coupling the RF power source, wherein the second frequency is a second harmonic frequency or a higher harmonic of the fundamental frequency. The method comprises providing at least a first type of ions and a second type of ions in the process chamber, the first type of ions having a first mass and a second type of The type of ion has a second mass, the first mass being heavier than the second mass, further comprising providing. The method includes adjusting the phase difference between the fundamental frequency voltage and the second frequency voltage and/or the amplitude ratio between the fundamental frequency voltage and the second frequency voltage to obtain the first type of ions and the second frequency voltage. and controlling the ion energy distribution of ions of the type Controlling the ion energy distribution produces an asymmetric ion energy distribution of at least one of the first type of ions or the second type of ions, and the asymmetric ion energy distribution for the first type of ions It is used to adjust the etching effect of the second type of ions.
本発明及びその利点のより詳細な理解は、同様の参照番号が同様の特徴を示す添付の図面と併せて以下の説明を参照することによって得ることができる。しかしながら、添付の図面は、開示された概念の例示的な実施形態のみを示し、したがって範囲を限定するものと見なされるべきではなく、開示された概念に対して他の同等に効果的な実施形態を認め得ることに留意されたい。 A more detailed understanding of the invention and its advantages can be obtained by reference to the following description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which like reference numerals indicate like features. However, the accompanying drawings depict only exemplary embodiments of the disclosed concepts and are therefore not to be considered limiting of scope, but rather other equally effective embodiments of the disclosed concepts. Note that it is possible to allow
基本周波数RF電力と、基本周波数の高調波周波数のRF電力との印加を制御することにより、プラズマ処理結果が改善され得ることが判明した。1つの例示的な実施形態では、プラズマ励起のために複数の高調波周波数成分を用いることにより、プラズマ中のイオンエネルギーの制御を利用する革新的なプラズマ処理方法が本明細書で説明される。より具体的には、異なる周波数成分間の相対振幅及び/又は位相シフトは、所望のイオンエネルギープラズマ特性を提供するように制御される。相対振幅及び/又は位相シフトは、直接及び/又は手動のイオンエネルギー測定なしで制御され得る。むしろ、プラズマ内のイオンエネルギーは、例えば、インピーダンスレベル、高周波(RF)発生器の電気信号、整合回路の電気信号及び/又はプラズマ処理装置の他の回路の電気信号など、プラズマ処理システムの1つ又は複数の電気的特性を監視することによって動的に制御され得る。したがって、通常、基板を大量生産するためのプラズマ装置では、イオンエネルギーを直接測定できないため、プラズマプロセスシステムでイオンエネルギー分布を迅速且つ正確に制御する技法が提供される。イオンエネルギーの監視及び制御は、所望のイオンエネルギー分布を維持するために、プラズマプロセス中に動的に実現され得る。したがって、本明細書で説明される技法は、例えば、イオンエネルギーセンサを用いることなく、複数の高調波周波数システムにおけるその場でのイオンエネルギー最適化を有利に提供でき、また例えばプロセス中のイオンエネルギー分布の最適な動作条件を維持する動的制御機能を提供できる。本明細書で提供される本開示の利益を有する他の利点も認識されるであろう。 It has been found that plasma processing results can be improved by controlling the application of fundamental frequency RF power and RF power at harmonic frequencies of the fundamental frequency. In one exemplary embodiment, innovative plasma processing methods are described herein that utilize control of ion energy in a plasma by using multiple harmonic frequency components for plasma excitation. More specifically, the relative amplitudes and/or phase shifts between different frequency components are controlled to provide desired ion energy plasma characteristics. Relative amplitudes and/or phase shifts can be controlled without direct and/or manual ion energy measurements. Rather, the ion energy within the plasma is a function of one of the plasma processing system, such as, for example, the impedance level, the electrical signal of a radio frequency (RF) generator, the electrical signal of a matching circuit, and/or the electrical signals of other circuits of the plasma processing apparatus. Or it can be dynamically controlled by monitoring multiple electrical properties. Therefore, since ion energy cannot be measured directly in plasma equipment for mass production of substrates, a technique is provided to quickly and accurately control ion energy distribution in a plasma processing system. Ion energy monitoring and control can be implemented dynamically during the plasma process to maintain the desired ion energy distribution. Thus, the techniques described herein can advantageously provide in-situ ion energy optimization in multiple harmonic frequency systems, e.g., without the use of ion energy sensors, and e.g. A dynamic control function can be provided to maintain optimum operating conditions of the distribution. Other advantages will be recognized with the benefit of the disclosure provided herein.
別の例示的な実施形態では、印加されるRF電力の印加、具体的には基本RF周波数と高調波周波数との間の関係を制御することにより、質量の異なるイオンのイオンエネルギー分布が同時に制御される、プラズマ内のイオンエネルギー分布を制御するための技法が本明細書で説明される。したがって、本技法により、質量の異なるイオンに対するイオンエネルギー制御が可能になる。RF電力周波数を制御することにより、プラズマプロセスの特性が変化され得る。例えば、エッチングを支配するイオンは、イオンが他のイオンより軽いか又は重いかに選択的に基づき得る。同様に、原子層エッチングプロセスは、プロセスがRF周波数の調整によって層改質工程と層エッチング工程との間で切り替えられ得るように制御され得る。このような切り替えは、プラズマプロセスの同じ気相内で行うことができる。一実施形態では、RF電力の制御は、基本RF周波数と高調波周波数との間の位相差及び/又は振幅比を制御することを含む。さらに、位相差及び/又は振幅比の制御は、例えば、インピーダンスレベル、高周波(RF)発生器の電気信号、整合回路の電気信号及びプラズマ処理装置の他の回路の電気信号など、プラズマ装置内の1つ又は複数の電気的特性の検出に依拠し得る。 In another exemplary embodiment, by controlling the application of the applied RF power, specifically the relationship between the fundamental RF frequency and the harmonic frequency, the ion energy distribution of ions of different masses is simultaneously controlled. Techniques for controlling the ion energy distribution within a plasma are described herein. Thus, the technique allows ion energy control for ions of different masses. By controlling the RF power frequency, the characteristics of the plasma process can be changed. For example, the ions that dominate etching can be selectively based on whether the ions are lighter or heavier than other ions. Similarly, the atomic layer etch process can be controlled such that the process can be switched between layer modification and layer etch steps by adjusting the RF frequency. Such switching can take place within the same gas phase of the plasma process. In one embodiment, controlling RF power includes controlling phase differences and/or amplitude ratios between the fundamental RF frequency and the harmonic frequencies. In addition, the control of the phase difference and/or the amplitude ratio can be controlled within the plasma device such as, for example, impedance levels, radio frequency (RF) generator electrical signals, matching circuit electrical signals and other circuit electrical signals of the plasma processing device. Detection of one or more electrical properties may be relied upon.
本明細書で説明される技法は、多様なプラズマ処理システムで利用され得る。例えば、本技法は、プラズマエッチングプロセスシステム、プラズマ堆積プロセスシステム又は任意の他のプラズマプロセスシステムで利用され得る。図1は、単に例示を目的として1つの例示的なプラズマ処理システム100を示す。他のプラズマプロセスシステムも、本明細書に説明される概念を同様に実施できることが理解されるであろう。例えば、プラズマ処理システム100は、容量結合プラズマ処理装置、誘導結合プラズマ処理装置、マイクロ波プラズマ処理装置、ラジアルラインスロットアンテナ(RLSA)マイクロ波プラズマ処理装置、電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマ処理装置などであり得る。このように、本明細書で説明される技法は、多様なプラズマ処理システムのいずれかで利用され得ることが当業者に理解されるであろう。プラズマ処理システム100は、エッチング、堆積、洗浄、プラズマ重合、プラズマ化学気相堆積法(PECVD)、原子層堆積法(ALD)などを含むが、これらに限定されない多様な操作に使用され得る。プラズマ処理システム100の構造は、周知であり、本明細書で提示される特定の構造は、単なる例示である。
The techniques described herein may be utilized in various plasma processing systems. For example, the techniques may be utilized in plasma etch processing systems, plasma deposition processing systems, or any other plasma processing system. FIG. 1 shows one exemplary
図1の例示的なシステムに示されているように、プラズマ処理システム100は、プロセスチャンバ105を含み得る。当技術分野で知られているように、プロセスチャンバ105は、圧力制御されたチャンバであり得る。基板110(一例では半導体ウェハ)は、ステージ又はチャック115上に保持され得る。上部電極120及び下部電極125は、図示のように設けられ得る。上部電極120は、上部整合回路155を通して上部RF電源130に電気的に結合され得る。上部RF電源130は、上部周波数fUにおいて上部周波数電圧135を提供し得る。下部電極125は、下部整合回路157を通して下部RF電源140に電気的に結合され得る。下部RF電源140は、複数の下部周波数電圧を提供し得る。例えば、第1の下部周波数電圧145は、第1の下部周波数f1で提供され得、第2の下部周波数電圧150は、第2の下部周波数f2で提供され得る。以下でより詳細に論じるように、第2の下部周波数f2は、第1の下部周波数f1の第二次高調波又はより高次の高調波であり得る。したがって、f2は、n×f1に等しく、nは、1より大きい整数であり得る。したがって、第1の下部周波数電圧145は、基本周波数電圧として動作でき、第2の下部周波数電圧150は、第2の周波数における第2の電圧として動作でき、第2の周波数は、基本周波数の第二次高調波又はより高次の高調波である。
As shown in the exemplary system of FIG. 1,
フィードバック回路165が設けられ得る。図示のように、フィードバック回路165は、下部整合回路157と下部RF電源140との間でフィードバックを提供する。具体的には、図示の例では、フィードバック回路165は、下部整合回路157から入力を受け取り、下部RF電源140に結合される出力を提供する。このようなフィードバックの使用は、単なる例示であり、以下で説明するように、後述するように高調波周波数の振幅及び位相シフトを制御するためにフィードバックを使用することは、下部整合回路157からのフィードバックに限定されないため、フィードバックは、プラズマ処理システム100の多様な他のコンポーネントのいずれかから下部RF電源140に提供され得ることが理解されるであろう。利用されるプラズマ処理システム100のタイプに応じて、多くの他のコンポーネント(図示せず)がプラズマ処理システム100に含められ得るか、又は示されたコンポーネントが除外され得ることが当業者に理解されるであろう。
A
プラズマ処理システム100のコンポーネントは、対応するメモリストレージユニット及びユーザインターフェース(いずれも図示せず)に接続され得る制御ユニット170に接続され、制御ユニット170によって制御され得る。様々なプラズマ処理操作がユーザインターフェースを介して実行され得、様々なプラズマ処理レシピ及び操作がストレージユニットに格納され得る。したがって、所与の基板は、様々な微細加工技法を用いてプラズマ処理チャンバ内で処理され得る。制御ユニット170は、プラズマ処理システム100の様々なコンポーネントに結合されて様々なコンポーネントから入力を受け取り、様々なコンポーネントに出力を提供できるため、一実施形態では、フィードバック回路165の機能は、追加のフィードバック回路165を必要とすることなく制御ユニット170内に直接組み込まれ得ることが理解されるであろう。
The components of
制御ユニット170は、様々に実施され得る。例えば、制御ユニット170は、コンピュータであり得る。別の例では、制御ユニットは、本明細書で説明される機能を提供するようにプログラムされた1つ又は複数のプログラム可能な集積回路から構成され得る。例えば、1つ又は複数のプロセッサ(例えば、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、中央処理装置など)、プログラマブルロジックデバイス(例えば、コンプレックスプログラマブルロジックデバイス(CPLD))、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)など)及び/又は他のプログラム可能な集積回路をソフトウェア又は他のプログラミング命令でプログラムして、禁止されたプラズマプロセスレシピの機能を実装できる。ソフトウェア又は他のプログラミング命令は、1つ又は複数の非一時的コンピュータ可読媒体(例えば、メモリストレージデバイス、フラッシュメモリ、DRAMメモリ、再プログラム可能なストレージデバイス、ハードドライブ、フロッピーディスク、DVD、CD-ROMなど)に格納され得、ソフトウェア又は他のプログラミング命令は、プログラム可能な集積回路によって実行されると、本明細書で説明されるプロセス、機能及び/又は能力をプログラム可能な集積回路に実行させることにさらに留意されたい。他の変形形態も実施され得る。フィードバック回路165は、制御ユニットに見られるものと同様の回路で構成され得る。代替的に、フィードバック回路165は、下部RF電源140の出力において見られる位相シフト及び振幅比を制御するために、プラズマ処理システム100で監視される特定の電気的特性の測定に基づいてRF電源に入力を提供するように設計されることにより、RF電源の特定のフィードバック制御を実現するように設計された特定の回路であり得る。
動作中、プラズマ処理装置は、上部RF電源130及び下部RF電源140からシステムに電力を印加するとき、上部及び下部電極を使用して、プロセスチャンバ105内にプラズマ160を生成する。さらに、当技術分野で知られているように、プラズマ160中に生成されたイオンは、基板110に引き寄せられ得る。生成されたプラズマは、プラズマエッチング、化学気相堆積、半導体材料、ガラス材料並びに薄膜太陽電池、他の太陽電池及びフラットパネルディスプレイのための有機/無機プレートなどの大型パネルの処理などの様々な種類の処理でのターゲット基板(基板110又は処理対象の任意の材料など)の処理に使用され得る。
In operation, the plasma processing apparatus uses the upper and lower electrodes to generate
電力を印加すると、上部電極120と下部電極125との間に高周波電場が発生する。次に、プロセスチャンバ105に送達された処理ガスは、解離されてプラズマに変換され得る。図1に示すように、説明される例示的なシステムは、上部RF電源及び下部RF電源の両方を利用する。例えば、例示的な容量結合プラズマシステムの場合、約3MHz~150MHzの範囲の高周波電力が上部RF電源130から印加され得、約0.2MHz~40MHzの範囲の低周波電力が下部RF電源から印加され得る。本明細書で説明される技法は、様々な他のプラズマシステムで利用され得ることが理解されるであろう。1つの例示的なシステムでは、電源が切り替えられ得る(下部電極においてより高い周波数が印加され、上部電極においてより低い周波数が印加される)。さらに、二重電源システムは、単に例示的なシステムとして示され、本明細書で説明される技法は、周波数電源が一方の電極にのみ提供されるか、直流(DC)バイアス電源が利用されるか、又は他のシステムコンポーネントが利用されるなどの他のシステムで利用され得ることが理解されるであろう。
When power is applied, a high frequency electric field is generated between the
図1に示されているように、下部RF電源140は、第1の下部周波数電圧及び第2の下部周波数電圧の両方をそれぞれ第1の周波数f1及び高調波周波数f2で提供する。下部RF電源140は、2つ以上の周波数を提供する単一のRF電源と見なされ得るか、又は代替的に、下部RF電源140は、それぞれがRF電圧を提供する複数のRF電源を有するシステムと見なされ得ることが理解されるであろう。したがって、下部RF電源140は、1つ又は複数のRF電源から構成され得る。さらに、上述したように、上部電源及び下部電源としての各電源の使用を入れ替え得、したがって、高調波の使用は、下部電極への印加のみに限られるだけでなく、上部電極への印加にも利用され得る。
As shown in FIG. 1, lower
プラズマシステムにおける従来のイオンエネルギー分布は、多くの場合、二峰性のイオンエネルギー分布の形をとることが当技術分野で知られている。例えば、図2は、プラズマエッチングシステムで生じ得る従来の二峰性のイオンエネルギー分布のプロット200を示す。さらに、例えば、U.Czarnetzki et al,Plasma Sources Sci.Technol.,vol.20,no.2,p.024010に示されているように、電源において高調波周波数を印加することにより、プラズマ中のイオンエネルギー分布を制御できることが当技術分野において知られている。より具体的には、異なる高調波周波数間の振幅比及び相対位相シフトの制御は、イオンエネルギー分布に影響を与え得る。したがって、例えば、図1に示すようなプラズマ処理システム100では、第1の下部周波数電圧145及び第2の下部周波数電圧150は、イオンエネルギー分布に影響を与えるために、周波数間で所望の振幅比及び相対位相シフトを与えるように制御され得る。図3は、第1の下部周波数電圧145及び第2の下部周波数電圧150の例示的な振幅A1及びA2を示す。図3は、第1の下部周波数電圧145と第2の下部周波数電圧150との間の例示的な位相シフトθも示す。
It is known in the art that conventional ion energy distributions in plasma systems often take the form of bimodal ion energy distributions. For example, FIG. 2 shows a conventional bimodal ion
したがって、例えば図4に示すように、従来の(図2に示すような)二峰性のイオンエネルギー分布は、高調波周波数の使用及び制御により、プロット400を得るように変更され得る。図4に示すように、イオンエネルギー分布は、振幅比及び相対位相シフトの制御によって調整されている。図5は、3つの例示的なイオンエネルギー分布を示す。プロット505は、単一の下部周波数RF電源(例えば、13.5MHz)を使用した場合のイオンエネルギー分布を示す。プロット510は、13.5MHzのRF電源に加えて、第2の(高調波)周波数のRF電源を使用することの影響を示す。プロット510は、2つの電源の位相シフトが0度であるときに生じるイオンエネルギー分布を示す。プロット515は、13.5MHzのRF電源に加えて第2の(高調波)周波数のRF電源を使用することの影響も示すが、この場合、位相シフトは、180度である。図からわかるように、高調波を使用すること及び位相シフトを変えることは、イオンエネルギー分布に影響を与え得る。図に示すように、イオンエネルギー分布は、単位表面積上に単位時間あたりに到達する特定のエネルギーのイオンの数である単位イオンエネルギー分布f(E)としてグラフ化される。
Thus, for example, as shown in FIG. 4, a conventional bimodal ion energy distribution (as shown in FIG. 2) can be modified to obtain
特定のプラズマプロセスに依存して、イオンエネルギー分布が変化することにより、プラズマプロセスのエッチング、堆積などの特性において対応する変化が生じ得る。図6及び図7は、例示的な変化を示す。図6及び図7では、総バイアス電力は、基本周波数と高調波周波数との両方の電力の和である。示されている例では、各周波数が電力の50%を提供する。したがって、例えば、400Wの総バイアス電力は、13.56MHzにおける200W及び27.12MHzにおける200Wによって提供され得る。電力の特定のパーセンテージ配分及び選択された特定の周波数は、単なる例示であり、本明細書で開示される技法は、そのような例に限定されないことが理解されるであろう。図6に示すように、エッチング量が総バイアス電力に対してグラフ化されている。より具体的には、基本周波数に対して0度シフト及び180度シフトで追加の高調波周波数を使用した場合の酸化物及び窒化ケイ素のエッチング速度が示されている。したがって、プロット605は、0度シフトにおける酸化ケイ素のエッチング量を示し、プロット610は、180度シフトにおける酸化ケイ素のエッチング量を示す。同様に、プロット615は、0度シフトにおける窒化ケイ素のエッチング量を示し、プロット620は、180度シフトにおける窒化ケイ素のエッチング量を示す。上記の位相シフトにおける酸化ケイ素と窒化ケイ素との間の選択性の結果が図7に示され、プロット705は、0度の位相シフトでの選択性であり、プロット710は、180度の位相シフトでの選択性である。図5~図7は、単なる例示であり、プラズマ処理システムにおけるRF電源の高調波制御の使用は、多様なプラズマプロセスで利用され得ることが理解されるであろう。
Depending on the particular plasma process, changes in the ion energy distribution can result in corresponding changes in the etch, deposition, etc. properties of the plasma process. 6 and 7 show exemplary variations. In Figures 6 and 7, the total bias power is the sum of power at both the fundamental and harmonic frequencies. In the example shown, each frequency contributes 50% of the power. Thus, for example, a total bias power of 400W can be provided by 200W at 13.56MHz and 200W at 27.12MHz. It will be appreciated that the particular percentage distribution of power and particular frequencies selected are merely exemplary, and the techniques disclosed herein are not limited to such examples. As shown in FIG. 6, etch rate is plotted against total bias power. More specifically, oxide and silicon nitride etch rates are shown using additional harmonic frequencies at 0 degree shifts and 180 degree shifts relative to the fundamental frequency. Thus,
プラズマプロセスの特性をよりよく制御するために、そのようなイオンエネルギー分布をその場且つリアルタイムで制御することが望ましいことが判明した。より具体的には、プラズマプロセスで利用される複数の周波数における位相シフト及び/又は振幅比などの最適な動作条件は、動作条件又はプラズマ条件が変化すると変化し得る。しかしながら、上述のように、イオンエネルギー分布の直接測定は、一般に、市販の大量生産プラズマ装置では利用できない。本明細書で説明するように、最適な位相シフト及び/又は振幅比は、他のシステム特性を監視し、それらの他のシステム特性の監視に応じてイオンエネルギー分布をリアルタイムで調整できるようにプラズマ処理システムにフィードバックを提供することによって選択され得る。 It has been found desirable to control such ion energy distribution in situ and in real time in order to better control the properties of the plasma process. More specifically, optimal operating conditions, such as phase shifts and/or amplitude ratios at multiple frequencies utilized in a plasma process, may change as the operating or plasma conditions change. However, as noted above, direct measurement of ion energy distribution is generally not available in commercial mass-produced plasma equipment. As described herein, the optimal phase shift and/or amplitude ratio can be determined by monitoring other system characteristics and adjusting the ion energy distribution in real time in response to monitoring those other system characteristics. Selection can be made by providing feedback to the processing system.
監視される他のシステム特性は、多様な特性のいずれかであり得る。一例では、図1を参照すると、下部整合回路157によって見られるプロセスチャンバのインピーダンスは、フィードバック回路165及び/又は制御ユニット170によって監視され得る。次に、検出されたインピーダンス条件は、フィードバック回路165及び/又は制御ユニット170により、第1の下部周波数電圧145と第2の下部周波数電圧150との間の相対振幅比及び位相シフトを調整するために下部RF電源140に入力を提供するために利用され得る。したがって、制御回路(フィードバック回路又は制御ユニットのいずれか)を使用して、所望の調整を行うことができる。このようにして、プラズマ処理中、プラズマ処理中に所望のイオンエネルギー分布形状を実現するために下部RF電源140がその場で調整され得る。整合回路によって見られるインピーダンスに関して説明したが、他の電気信号が監視され得ることが理解されるであろう。例えば、整合回路内の電気信号が監視され得るか、DCバイアス電圧が監視され得るか、RF電源の様々な電圧レベルが監視され得るか、又はシステム内の様々な電圧及び電流の電圧及び電流レベルが監視され得る(例えば、ACピークツーピーク電圧(Vpp)レベル又は電圧及び互いの電流位相シフト)などである。
Other system characteristics that are monitored can be any of a variety of characteristics. In one example, referring to FIG. 1 , the impedance of the process chamber seen by
一実施形態では、振幅比及び相対位相シフトが特定の範囲内でスキャンされ得、プラズマ処理システム100の電気信号(例えば、限定されないが、インピーダンスなど)が収集される。次に、プラズマ処理システム100は、イオンエネルギー分布の所望の形状に応じて、収集されたデータ及びイオンエネルギー分布と電気信号との間の相関のモデルに基づいて、複数の周波数間の最適な振幅比及び相対位相シフトを計算し得る。モデルは、理論的、実験的又は2つの組み合わせのいずれかであり得る。したがって、監視された電気信号と、得られた実現されたイオンエネルギー分布との相関は、実験的使用、理論計算又はそれらの組み合わせから得られる相関テーブル又はグラフの形成からもたらされ得ることが理解されるであろう。同様に、理論的及び/又は実験的な統計的相関を得ることができる。同様に、相関のためのシミュレーションされた及び/又は実験的な関数又はモデルを得ることができる。したがって、システムの1つ又は複数の特性(例えば、電気的特性)と、そのような特性の結果として得られるイオンエネルギー分布との間に様々な方法で相関を得ることができることが理解されるであろう。このようにして、例えばシステムの電気的測定(例えば、一実施形態ではプロセスチャンバのインピーダンス)に応じて振幅比及び/位相シフトをリアルタイムで調整することにより、所望のイオンエネルギー分布を実現するために、下部RF電源140にリアルタイムの変更を加えることができる。
In one embodiment, amplitude ratios and relative phase shifts may be scanned within a specified range and electrical signals (eg, but not limited to impedance, etc.) of the
このようにして、製造プロセス中にイオンエネルギーセンサを使用する必要なしに、複数の高調波周波数システムにおけるその場でのイオンエネルギー最適化を可能にするシステムが提供され得る。さらに、動的制御機能は、動作条件(例えば、圧力、電源電力、プロセス化学など)が処理中に所望のイオンエネルギー分布の形状を変化させるように作用する場合でも、所望のイオンエネルギー分布を所望の形状に維持することを可能にする。上記の例は、1つの基本周波数電圧(第1の下部周波数電圧145)及び1つの高調波周波数電圧(第2の下部周波数電圧150)に関してなされているが、本明細書で説明される概念は、1つの基本周波数電圧と2つ以上の高調波周波数電圧とを用いて利用され得ることが理解されるであろう。 In this way, a system can be provided that allows in-situ ion energy optimization in multiple harmonic frequency systems without the need to use ion energy sensors during the manufacturing process. In addition, the dynamic control feature provides the desired ion energy distribution even when operating conditions (e.g., pressure, source power, process chemistry, etc.) act to change the shape of the desired ion energy distribution during processing. allows it to maintain its shape. Although the above examples were made with one fundamental frequency voltage (first lower frequency voltage 145) and one harmonic frequency voltage (second lower frequency voltage 150), the concepts described herein are , may be utilized with one fundamental frequency voltage and two or more harmonic frequency voltages.
イオンエネルギー分布を制御する機能は、質量の異なる複数のイオンを利用するプラズマプロセスで特に役立ち得る。図8は、異なる質量の2つの異なるイオンを用いるプラズマエッチングシステムで生じ得る従来の二峰性のイオンエネルギー分布を示す。例えば、プロット805は、イオンM2のイオンエネルギー分布のプロットを示し、プロット810は、イオンM1のイオンエネルギー分布を示し、イオンM1の質量は、イオンM2の質量より大きい。上述のように、RF高調波周波数並びに位相シフト及び振幅比の制御を使用することは、イオンエネルギー分布のピークの1つを強調又は強化するように、従来の二峰性のイオンエネルギー分布を調整するために用いられ得る。例えば、高調波周波数の制御は、軽イオンM2が重イオンM1と比較してより高いエネルギーを有するように、イオンM1及びM2のイオンエネルギー分布を提供し得る。したがって、図9からわかるように、プロット905は、軽イオンM2のイオンエネルギー分布を示し、プロット910は、重イオンM1のイオンエネルギー分布を示す。図9では、軽イオンM2が重イオンM1よりも高いエネルギーを有することがわかる。図9は、それを超えるとイオンM1のエネルギーがエッチング作用を行う必要がある閾値である例示的なエッチング閾値915を含み、またそれを超えるとイオンM2のエネルギーがエッチング作用を行う必要があるエッチング閾値920を含む。エッチング閾値は、利用される特定のプラズマ化学及び条件に依存することが理解されるであろう。同様に、高調波周波数の制御は、軽イオンM2が重イオンM1と比較してより低いエネルギーを有するように、イオンM1及びM2のイオンエネルギー分布を提供し得る。したがって、図10からわかるように、プロット1005は、軽イオンM2のイオンエネルギー分布を示し、プロット1010は、重イオンM1のイオンエネルギー分布を示す。図10では、軽イオンM2が重イオンM1よりも低いエネルギーを有することがわかる。図10は、それを超えるとイオンM1のエネルギーがエッチング作用を行う必要がある閾値である例示的なエッチング閾値1015を含み、またそれを超えるとイオンM2のエネルギーがエッチング作用を行う必要があるエッチング閾値1020を含む。エッチング閾値は、利用される特定のプラズマ化学及び条件に依存することが理解されるであろう。したがって、図に示すように、質量が異なる2つの異なるイオンを含むプロセスのイオンエネルギー分布は、各イオンに対して少なくとも2つのピークを呈し得、本明細書で説明される技法は、プラズマプロセスの性能特性を変えるために、イオンの少なくとも1つのピーク、例えばイオンの第1のピーク又は第2のピークを強化し得る。
The ability to control ion energy distribution can be particularly useful in plasma processes that utilize ions of different masses. FIG. 8 shows a conventional bimodal ion energy distribution that can occur in a plasma etching system using two different ions of different masses. For example,
したがって、図に示すように、非対称のイオンエネルギー分布を得ることができる。このような非対称性は、質量の異なる2つ以上のイオンを利用するプラズマプロセスにおいて有利に利用され得る。例えば、より軽いイオンM2及びより重いイオンM1並びに図9のエッチング閾値を用いるプラズマエッチングプロセスでは、図9に見られるような非対称のイオンエネルギー分布は、より軽いイオンM2による支配的なエッチングとなる。逆に、図10に見られるような非対称のイオンエネルギー分布及びエッチング閾値は、より重いイオンM1による支配的なエッチングとなる。1つの例示的なプラズマエッチングプロセスは、塩素(Cl2)/ヘリウム(He)ベースのエッチングであり得る。そのような場合、より軽いイオンであるHe+は、図9の条件で支配的な除去メカニズムを実行し得、より重いイオンであるCl2 +又はCl+は、図10の条件で支配的な除去メカニズムを実行し得る。したがって、図9及び図10に示すように、あるイオンのイオンエネルギー分布のピークは、プラズマの処理特性に影響を与えるように、一方のピーク又は他方のピークで非対称に強化され得る。このようにして、イオンエネルギー分布の制御は、利用されるプラズマプロセスの処理特性(例えば、限定されないが、エッチング特性)に影響を与えるように利用され得る。さらに、上で説明したように、高調波周波数の位相シフト及び振幅比の制御は、図9及び図10に示すようなイオンエネルギー分布のこのような変動を実現するために利用され得る。位相シフト及び振幅のリアルタイムのその場制御は、上で論じたように、プラズマ処理システムの電気的特性にさらに基づき得る。 Therefore, an asymmetric ion energy distribution can be obtained, as shown in the figure. Such asymmetry can be advantageously used in plasma processes that utilize two or more ions of different masses. For example, in a plasma etch process using lighter ions M2 and heavier ions M1 and the etch thresholds of FIG. 9 , the asymmetric ion energy distribution as seen in FIG. becomes. Conversely, an asymmetric ion energy distribution and etch threshold as seen in FIG. 10 results in dominant etching by the heavier ions M1 . One exemplary plasma etch process can be a chlorine (Cl 2 )/helium (He) based etch. In such cases, the lighter ions, He + , may perform the dominant removal mechanism at the conditions of FIG. 9, while the heavier ions, Cl 2 + or Cl + A removal mechanism may be implemented. Thus, as shown in FIGS. 9 and 10, the peaks of the ion energy distribution for some ions can be asymmetrically enhanced with one peak or the other to affect the processing characteristics of the plasma. In this way, control of the ion energy distribution can be used to affect processing characteristics (eg, but not limited to etching characteristics) of the plasma process utilized. Further, as explained above, control of the phase shift and amplitude ratio of harmonic frequencies can be utilized to achieve such variations in ion energy distribution as shown in FIGS. 9 and 10. FIG. Real-time in-situ control of phase shift and amplitude may be further based on the electrical properties of the plasma processing system, as discussed above.
このようにして、特定のイオン種による選択的エッチングは、プラズマ処理システムにおいて、高調波周波数と、プラズマプロセスチャンバに電力が提供される基本周波数との間に位相シフト及び/又は振幅比の調整を適用することに基づいて、その場で制御され得る。さらに、プラズマプロセスシステムの監視された電気的特性からのフィードバックは、位相シフト及び/又は振幅比の調整を制御するために利用され得る。 In this way, selective etching with specific ion species can be achieved in plasma processing systems by adjusting phase shifts and/or amplitude ratios between harmonic frequencies and the fundamental frequency at which power is provided to the plasma processing chamber. It can be controlled in situ based on the application. Additionally, feedback from monitored electrical characteristics of the plasma processing system can be utilized to control phase shift and/or amplitude ratio adjustments.
異なる質量のイオンを利用及び制御するための上記の技法は、原子層エッチング(ALE)プロセスにおいて特に有用であり得る。ALEプロセスは、一般に、1つ又は複数の自己律速型反応を通じて薄層を順次除去するプロセスを含むことが知られている。そのようなプロセスは、多くの場合、一連の周期的な層の改質工程及びエッチング工程を含む。改質工程は、露出した表面を改質でき、エッチング工程は、改質された層を除去できる。このようにして、一連の自己律速型反応が生じ得る。本明細書で使用される場合、ALEプロセスは、Quasi-ALEプロセスを含み得る。このようなプロセスでは、一連の改質工程及びエッチング工程の周期を引き続き使用できるが、改質された層を除去した後、エッチングが完全に停止することはないが、大幅に遅くなるため、除去工程は、純粋に自己律速型ではない。いずれの場合でも、ALEベースのプロセスは、一連の周期的な改質工程及びエッチング工程を含む。 The above techniques for utilizing and controlling ions of different masses can be particularly useful in atomic layer etching (ALE) processes. ALE processes are generally known to involve the sequential removal of thin layers through one or more self-limiting reactions. Such processes often involve a series of cyclical layer modification and etching steps. The modifying step can modify the exposed surface and the etching step can remove the modified layer. In this way a series of self-limiting reactions can occur. As used herein, an ALE process may include a Quasi-ALE process. Such a process can still use a cycle of series of modification and etching steps, but after removing the modified layer, the etching does not stop completely, but slows down considerably, so the removal is not required. The process is not purely self-limiting. In either case, the ALE-based process includes a series of cyclical modification and etching steps.
本明細書で説明される技法の使用は、層改質工程とエッチング工程との間でプラズマ処理を選択的に変更するために原子層エッチングプロセスで利用され得る。1つの例示的なプロセスでは、原子層エッチングプロセスは、層改質プロセスにおいてより重いイオンM1を、層除去プロセスにおいてより軽いイオンM2を利用し得る。例えば、シリコン表面で使用する場合、イオンM1は、シリコン表面改質のためのCl2
+又はCl+であり得、イオンM2は、不活性ガスイオン又は希ガスイオン、例えばHeなどであり得る。代替的に、関与する材料及びイオンに応じて、プロセスは、層の除去プロセスにおいてより重いイオンM1を使用し得、層の改質プロセスにおいてより軽いイオンM2を使用し得る。別の実施形態では、シリコン反射防止コーティング表面で使用する場合、高エネルギーのH+イオンをシリコン反射防止コーティング表面改質に使用でき、フッ素系化学物質がその選択的除去に使用され得る。また別の例では、C4F8/Heプラズマが利用され得る。このような場合、Heイオンが低エネルギーであるときに表面にCF膜が形成され得、高エネルギーにされたHeイオンによりCF膜が除去され得る。C4F8/Heプラズマの例では、イオンエネルギー分布の形状を変更しない場合、高いバイアス電圧が必要になり、CFエネルギーイオンによる表面の損傷及び/又はエッチングが生じる。図11A及び図11Bは、示されているように異なるエッチング閾値1105及び1110が追加されていることを除いて、図9及び図10のM1及びM2のイオンエネルギー分布に対応する。エッチング閾値1105は、それを超えるとイオンM2がエッチング作用を提供し、それを下回るとイオンM2がエッチング作用を提供しないイオンエネルギー閾値を示す。エッチング閾値1110は、それを超えるとイオンM1がエッチング作用を提供し、それを下回るとイオンM1がエッチング作用を提供しないイオンエネルギー閾値を示す。イオンのそのようなエネルギーがエッチングの生じる閾値を下回る場合、エッチングは、実質的に生じず、イオンM1の層改質プロセスが支配することになる。したがって、図11Aに示すイオンエネルギー分布は、主に、エッチング閾値を上回るより高いイオンエネルギーでエッチングイオン(より軽いイオンM2)を提供し、原子層エッチングプロセスのエッチング又は除去作用を提供する。図11Bに示すイオンエネルギー分布は、主に、プロセスがより重いイオンM1又はプラズマ中のラジカルの改質プロセスによって支配されるように、エッチング閾値を下回るより低いイオンエネルギーでエッチングイオン(より軽いイオンM2)を提供する。図12A及び図12Bは、また別の原子層エッチングプロセスを示す。このプロセスでは、表面改質は、より軽いイオンM2によって実現され、改質された表面のエッチング又は除去は、より重いイオンM1又はプラズマ中のラジカルによって行われる。図12Aに示すように、それを下回ると、より軽いイオンM2がエッチング又は除去に参加しないエッチング閾値1205が提供される。エッチング閾値1210は、それを上回ると、より重いイオンM1が改質された表面をエッチング又は除去するエッチング閾値を示す。
Use of the techniques described herein can be utilized in atomic layer etch processes to selectively change plasma processing between layer modification and etching steps. In one exemplary process, an atomic layer etch process may utilize heavier ions M1 in a layer modification process and lighter ions M2 in a layer removal process. For example, for use on silicon surfaces, ions M 1 can be Cl 2 + or
図11Aと図11Bとの状態間及び図12Aと図12Bとの状態間において原子層エッチングプロセスが交互になるように、基本電力周波数及び高調波電力周波数の使用を制御できる。このようにして、基本周波数と高調波周波数との関係の制御を用いることにより、改質工程及びエッチング/除去工程を分離して交互に行うことができる。さらに、そのような制御は、プラズマの同じ気相内で利用され得る。様々な周波数の位相シフト及び振幅比を制御することにより、周波数の制御を上述のようにその場で得ることができることが理解されるであろう。さらに、位相シフト及び振幅比のそのような制御は、上でより詳細に説明されているようなプラズマ処理システムの電気的特性に基づき得る。したがって、RF電源の制御により、イオンエネルギー分布は、原子層エッチングプロセスの層改質工程又は層エッチング工程を選択的に制御する。 The use of fundamental and harmonic power frequencies can be controlled such that the atomic layer etch process alternates between the states of FIGS. 11A and 11B and between the states of FIGS. 12A and 12B. Thus, by using control of the relationship between the fundamental frequency and the harmonic frequency, the modification and etching/removal steps can be separated and alternated. Moreover, such control can be utilized within the same gas phase of the plasma. It will be appreciated that frequency control can be obtained in situ as described above by controlling the phase shift and amplitude ratio of the various frequencies. Moreover, such control of phase shift and amplitude ratio may be based on the electrical characteristics of the plasma processing system as described in more detail above. Therefore, by controlling the RF power supply, the ion energy distribution selectively controls the layer modification step or the layer etching step of the atomic layer etching process.
このようにして、異なる質量のイオンに対するイオンエネルギーの同時制御が達成され得る。さらに、制御は、制御が原子層エッチングの高速処理を実施するために使用され得るように、ターゲットのイオン質量の選択的なエネルギー変調を可能にするように実施され得る。そのような原子層エッチング制御は、プラズマプロセスの気相内でさえ実現され得る。 In this way, simultaneous control of ion energies for ions of different masses can be achieved. Further, the control can be implemented to allow selective energy modulation of the ion mass of the target, such that the control can be used to implement high speed atomic layer etching. Such atomic layer etch control can be achieved even within the gas phase of plasma processes.
上述の用途は、単なる例示であり、他の多くのプロセス及び用途は、本明細書に開示された技法を有利に利用され得ることが理解されるであろう。図13~図17は、本明細書で説明されるプラズマ処理技法を使用するための例示的な方法を示す。図13~図17の実施形態は、単なる例示であり、さらなる方法は、本明細書に説明された技術を利用できることが理解されるであろう。さらに、説明されたステップは、排他的であることを意図されていないため、図13~図17に示す方法にさらなる処理ステップを追加することができる。さらに、ステップの順序は、異なる順序が生じ得、且つ/又は様々なステップが組み合わされるか若しくは同時に実行され得るため、図面に示す順序に限定されない。 It will be appreciated that the applications described above are exemplary only, and that many other processes and applications may benefit from the techniques disclosed herein. 13-17 illustrate exemplary methods for using the plasma processing techniques described herein. It will be appreciated that the embodiments of FIGS. 13-17 are merely exemplary and that additional methods can utilize the techniques described herein. Moreover, the steps described are not intended to be exclusive, and further processing steps can be added to the methods shown in FIGS. 13-17. Additionally, the order of the steps is not limited to the order shown in the figures, as different orders may occur and/or various steps may be combined or performed simultaneously.
図13に示すように、基板をプラズマ処理するための方法が提供される。ステップ1305は、プロセスチャンバを提供することを含む。ステップ1310は、少なくとも基本周波数における基本周波数電圧及び第2の周波数における第2の周波数電圧を通してRF電力をプロセスチャンバに提供するために、プロセスチャンバに1つ又は複数のRF電源を結合することであって、第2の周波数は、基本周波数の第二次高調波周波数又はより高次の高調波である、結合することを含む。ステップ1315は、基板のプラズマ処理中にプラズマ処理システムの少なくとも1つの電気的特性を監視することを含む。ステップ1320は、基板のプラズマ処理中に所望のイオンエネルギー分布を得るために、基本周波数電圧と第2の周波数電圧との間の位相差及び/又は基本周波数電圧と第2の周波数電圧との振幅比をプラズマ処理中に調整することを含む。
As shown in FIG. 13, a method is provided for plasma processing a substrate.
図14に示すように、基板をプラズマ処理するための方法が提供される。ステップ1405は、プロセスチャンバを提供することを含む。ステップ1410は、少なくとも基本周波数における基本周波数電圧及び第2の周波数における第2の周波数電圧を通してRF電力をプロセスチャンバに提供するために、プロセスチャンバに1つ又は複数のRF電源を結合することであって、第2の周波数は、基本周波数の第二次高調波周波数又はより高次の高調波である、結合することを含む。ステップ1415は、プロセスチャンバと1つ又は複数のRF電源との間に整合回路を結合することを含む。ステップ1420は、基板のプラズマ処理中に整合回路によって見られるプロセスチャンバのインピーダンスを少なくとも監視することを含む。ステップ1425は、基板のプラズマ処理中に所望のイオンエネルギー分布を得るために、少なくとも基本周波数電圧と第2の周波数電圧との間の位相差をプラズマ処理中に調整することを含む。
As shown in FIG. 14, a method is provided for plasma processing a substrate.
図15に示すように、基板をプラズマ処理するための方法が提供される。ステップ1505は、プロセスチャンバを提供することを含む。ステップ1510は、少なくとも基本周波数における基本周波数電圧及び第2の周波数における第2の周波数電圧を通してRF電力をプロセスチャンバに提供するために、プロセスチャンバに1つ又は複数のRF電源を結合することであって、第2の周波数は、基本周波数の第二次高調波周波数又はより高次の高調波である、結合することを含む。ステップ1515は、プロセスチャンバ中に少なくとも第1のタイプのイオン及び第2のタイプのイオンを提供することであって、第1のタイプのイオンは、第1の質量を有し、及び第2のタイプのイオンは、第2の質量を有し、第1の質量と第2の質量とは、異なる質量である、提供することを含む。ステップ1520は、第1の質量及び第2の質量に基づくイオンエネルギー分布の選択的な制御を可能にするために、基本周波数電圧と第2の周波数電圧との間の関係を調整することにより、第1のタイプのイオン及び第2のタイプのイオンのイオンエネルギー分布を制御することを含む。
As shown in FIG. 15, a method is provided for plasma processing a substrate.
図16に示すように、基板をプラズマエッチングするための方法が提供される。ステップ1605は、プロセスチャンバを提供することを含む。ステップ1610は、少なくとも基本周波数における基本周波数電圧及び第2の周波数における第2の周波数電圧を通してRF電力をプロセスチャンバに提供するために、プロセスチャンバに1つ又は複数のRF電源を結合することであって、第2の周波数は、基本周波数の第二次高調波周波数又はより高次の高調波である、結合することを含む。ステップ1615は、プロセスチャンバ中に少なくとも第1のタイプのイオン及び第2のタイプのイオンを提供することであって、第1のタイプのイオンは、第1の質量を有し、及び第2のタイプのイオンは、第2の質量を有し、第1の質量と第2の質量とは、異なる質量である、提供することを含む。ステップ1620は、第1の質量及び第2の質量に基づくイオンエネルギー分布の選択的な制御を可能にするために、基本周波数電圧と第2の周波数電圧との間の関係を調整することにより、第1のタイプのイオン及び第2のタイプのイオンのイオンエネルギー分布を制御することを含む。ステップ1620に示すように、イオンエネルギー分布を制御することは、第1のタイプのイオン及び第2のタイプのイオンの少なくとも一方のエッチングの影響を選択的に制御することを可能にする。
As shown in FIG. 16, a method is provided for plasma etching a substrate.
図17に示すように、基板をプラズマ処理するための方法が提供される。ステップ1705は、プロセスチャンバを提供することを含む。ステップ1710は、少なくとも基本周波数における基本周波数電圧及び第2の周波数における第2の周波数電圧を通してRF電力をプロセスチャンバに提供するために、プロセスチャンバに1つ又は複数のRF電源を結合することであって、第2の周波数は、基本周波数の第二次高調波周波数又はより高次の高調波である、結合することを含む。ステップ1715は、プロセスチャンバ中に少なくとも第1のタイプのイオン及び第2のタイプのイオンを提供することであって、第1のタイプのイオンは、第1の質量を有し、及び第2のタイプのイオンは、第2の質量を有し、第1の質量は、第2の質量より重い、提供することを含む。ステップ1720は、基本周波数電圧と第2の周波数電圧との間の位相差及び/又は基本周波数電圧と第2の周波数電圧との振幅比を調整することにより、第1のタイプのイオン及び第2のタイプのイオンのイオンエネルギー分布を制御することを含む。ステップ1725に示すように、イオンエネルギー分布を制御することは、第1のタイプのイオン又は第2のタイプのイオンの少なくとも一方の非対称のイオンエネルギー分布を生成する。ステップ1730に示すように、非対称のイオンエネルギー分布は、第1のタイプのイオンに対する第2のタイプのイオンのエッチングの影響を調整するために使用される。
As shown in FIG. 17, a method is provided for plasma processing a substrate.
本発明のさらなる修正形態及び代替的な実施形態は、この説明を考慮して当業者に明らかであろう。したがって、この説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実施する方法を当業者に教示する目的のためのものである。本明細書に示され且つ記載された本発明の形態及び方法は、現在好ましい実施形態として解釈されるべきであることを理解されたい。本明細書に例示及び説明されたものの代わりに均等な技術を使用することができ、且つ本発明の特定の特徴は、他の特徴の使用とは無関係に利用することができ、これらは、全て本発明のこの説明の利益を享受した後に当業者に明らかになるであろう。 Further modifications and alternative embodiments of the invention will be apparent to those skilled in the art in view of this description. Accordingly, this description is to be construed as illustrative only and is for the purpose of teaching those skilled in the art how to carry out the invention. It is to be understood that the forms and methods of the invention shown and described herein are to be construed as presently preferred embodiments. Equivalent techniques may be substituted for those illustrated and described herein, and certain features of the invention may be utilized independently of the use of other features, all It will become apparent to those skilled in the art after having the benefit of this description of the invention.
Claims (17)
プロセスチャンバを提供することと、
少なくとも基本周波数における基本周波数電圧及び第2の周波数における第2の周波数電圧を通してRF電力を前記プロセスチャンバに提供するために、前記プロセスチャンバに1つ又は複数のRF電源を結合することであって、前記第2の周波数は、前記基本周波数の第二次高調波周波数又はより高次の高調波である、結合することと、
前記プロセスチャンバ中に少なくとも第1のタイプのイオン及び第2のタイプのイオンを提供することであって、前記第1のタイプのイオンは、第1の質量を有し、及び前記第2のタイプのイオンは、第2の質量を有し、前記第1の質量と前記第2の質量とは、異なる質量である、提供することと、
前記第1の質量及び前記第2の質量に基づくイオンエネルギー分布の選択的制御を可能にするために、前記基本周波数電圧と前記第2の周波数電圧との間の関係を調整することにより、前記第1のタイプのイオン及び前記第2のタイプのイオンの前記イオンエネルギー分布を制御することと
を含む方法。 A method for plasma treating a substrate, comprising:
providing a process chamber;
coupling one or more RF power sources to the process chamber to provide RF power to the process chamber through at least a fundamental frequency voltage at a fundamental frequency and a second frequency voltage at a second frequency; combining, wherein the second frequency is a second harmonic frequency or a higher harmonic of the fundamental frequency;
providing at least a first type of ions and a second type of ions in the process chamber, the first type of ions having a first mass and the second type of ions; the ions of have a second mass, wherein the first mass and the second mass are different masses;
by adjusting the relationship between the fundamental frequency voltage and the second frequency voltage to enable selective control of the ion energy distribution based on the first mass and the second mass; and controlling said ion energy distribution of ions of a first type and said second type of ions.
プロセスチャンバを提供することと、
少なくとも基本周波数における基本周波数電圧及び第2の周波数における第2の周波数電圧を通してRF電力を前記プロセスチャンバに提供するために、前記プロセスチャンバに1つ又は複数のRF電源を結合することであって、前記第2の周波数は、前記基本周波数の第二次高調波周波数又はより高次の高調波である、結合することと、
前記プロセスチャンバ中に少なくとも第1のタイプのイオン及び第2のタイプのイオンを提供することであって、前記第1のタイプのイオンは、第1の質量を有し、及び前記第2のタイプのイオンは、第2の質量を有し、前記第1の質量と前記第2の質量とは、異なる質量である、提供することと、
前記第1の質量及び前記第2の質量に基づくイオンエネルギー分布の選択的制御を可能にするために、前記基本周波数電圧と前記第2の周波数電圧との間の関係を調整することにより、前記第1のタイプのイオン及び前記第2のタイプのイオンの前記イオンエネルギー分布を制御することと
を含み、
前記イオンエネルギー分布は、前記第2のタイプのイオンについて少なくとも2つのピークを有し、第1のピークは、前記第1のタイプのイオンについての少なくとも1つのピークより低いエネルギーにあり、第2のピークは、前記第1のタイプのイオンについての前記少なくとも1つのピークより高いエネルギーにあり、前記イオンエネルギー分布を前記制御することは、前記第2のタイプのイオンの前記第2のピークを強化するために使用され、
前記イオンエネルギー分布を前記制御することは、前記第1のタイプのイオン及び前記第2のタイプのイオンの少なくとも一方のエッチングの影響を選択的に制御することを可能にする、方法。 A method for plasma etching a substrate, comprising:
providing a process chamber;
coupling one or more RF power sources to the process chamber to provide RF power to the process chamber through at least a fundamental frequency voltage at a fundamental frequency and a second frequency voltage at a second frequency; combining, wherein the second frequency is a second harmonic frequency or a higher harmonic of the fundamental frequency;
providing at least a first type of ions and a second type of ions in the process chamber, the first type of ions having a first mass and the second type of ions; the ions of have a second mass, wherein the first mass and the second mass are different masses;
by adjusting the relationship between the fundamental frequency voltage and the second frequency voltage to enable selective control of the ion energy distribution based on the first mass and the second mass; controlling the ion energy distribution of the first type of ions and the second type of ions;
The ion energy distribution has at least two peaks for the second type of ions, a first peak at a lower energy than the at least one peak for the first type of ions, and a second A peak is at a higher energy than the at least one peak for the first type of ions, and the controlling the ion energy distribution enhances the second peak for the second type of ions. used for
The method, wherein said controlling said ion energy distribution enables selectively controlling an etching effect of at least one of said first type of ions and said second type of ions.
プロセスチャンバを提供することと、
少なくとも基本周波数における基本周波数電圧及び第2の周波数における第2の周波数電圧を通してRF電力を前記プロセスチャンバに提供するために、前記プロセスチャンバに1つ又は複数のRF電源を結合することであって、前記第2の周波数は、前記基本周波数の第二次高調波周波数又はより高次の高調波である、結合することと、
前記プロセスチャンバ中に少なくとも第1のタイプのイオン及び第2のタイプのイオンを提供することであって、前記第1のタイプのイオンは、第1の質量を有し、及び前記第2のタイプのイオンは、第2の質量を有し、前記第1の質量は、前記第2の質量より重い、
提供することと、
前記基本周波数電圧と前記第2の周波数電圧との間の位相差及び/又は前記基本周波数電圧と前記第2の周波数電圧との振幅比を調整することにより、前記第1のタイプのイオン及び前記第2のタイプのイオンのイオンエネルギー分布を制御することと
を含み、
前記イオンエネルギー分布は、前記第2のタイプのイオンについて少なくとも2つのピークを有し、第1のピークは、前記第1のタイプのイオンについての少なくとも1つのピークより低いエネルギーにあり、第2のピークは、前記第1のタイプのイオンについての前記少なくとも1つのピークより高いエネルギーにあり、前記イオンエネルギー分布を前記制御することは、前記第2のタイプのイオンの前記第2のピークを強化するために使用され、
前記イオンエネルギー分布を前記制御することは、前記第1のタイプのイオン又は前記第2のタイプのイオンの少なくとも一方の非対称のイオンエネルギー分布を生成し、
前記非対称のイオンエネルギー分布は、前記第1のタイプのイオンに対する前記第2のタイプのイオンのエッチングの影響を調整するために使用される、方法。 A method for plasma etching a substrate, comprising:
providing a process chamber;
coupling one or more RF power sources to the process chamber to provide RF power to the process chamber through at least a fundamental frequency voltage at a fundamental frequency and a second frequency voltage at a second frequency; combining, wherein the second frequency is a second harmonic frequency or a higher harmonic of the fundamental frequency;
providing at least a first type of ions and a second type of ions in the process chamber, the first type of ions having a first mass and the second type of ions; the ions of have a second mass, said first mass being heavier than said second mass;
to provide;
By adjusting the phase difference between the fundamental frequency voltage and the second frequency voltage and/or the amplitude ratio between the fundamental frequency voltage and the second frequency voltage, the ions of the first type and the controlling the ion energy distribution of the second type of ions;
The ion energy distribution has at least two peaks for the second type of ions, a first peak at a lower energy than the at least one peak for the first type of ions, and a second A peak is at a higher energy than the at least one peak for the first type of ions, and the controlling the ion energy distribution enhances the second peak for the second type of ions. used for
said controlling said ion energy distribution produces an asymmetric ion energy distribution of at least one of said first type of ions or said second type of ions;
The method, wherein the asymmetric ion energy distribution is used to adjust the etching effect of the second type of ions on the first type of ions.
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