JP7313387B2 - プラズマ点源のアレイによってワークピースを処理するためのプラズマリアクタ - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、カーティク・ラマスワミー（Ｋａｒｔｉｋ Ｒａｍａｓｗａｍｙ）らによって２０１５年９月２８日に出願され、「プラズマ点表面のアレイによってワークピースを処理するためのプラズマリアクタ（A PLASMA REACTOR FOR PROCESSING A WORKPIECE WITH AN ARAY OF PLASMA POINT SURFACES）」と題された米国特許出願第１４／８６７，２４０号の優先権を主張する。

背景

（技術分野）
本開示は、半導体ウェハ等のワークピースのプラズマ処理、及び処理の不均一性の低減に関する。

（背景議論）
従来のプラズマ処理では、処理されるウェハは、異なるエッチング環境に起因する局所的な非均一性（まさに、非均一な応力、（堆積プロセスに対する）非均一な膜組成、非均一なＣＤ（構造のクリティカルディメンジョン））に苦しむ可能性がある。これは、入ってくるウェハ間の違い又は（例えば、回転するウェハが前縁部と後縁部の半径方向の滞留時間差又は異なる局所的温度を見るカルーセルスタイルの処理チャンバ内において）処理チャンバの特性の違いに起因する可能性がある。

概要

プラズマリアクタは、処理チャンバ及び処理チャンバ内のワークピース支持体であって、チャンバはワークピース支持体に対向する下側天井を含む処理チャンバ及びワークピース支持体と、下側天井の上にあり下側天井に対向する上側天井と、上側天井の上にあるガス分配器と、上側天井と下側天井との間で複数のキャビティを画定する複数のキャビティ壁であって、ガス分配器は、複数のキャビティのうちのそれぞれ１つまでの複数のガス流路を含む複数のキャビティ壁と、複数のキャビティのうちのそれぞれ１つと整列された下側天井内の複数の出口孔と、複数のキャビティのうちのそれぞれ１つに隣接するそれぞれの電力アプリケータと、電源と、電力アプリケータのそれぞれ１つに結合された複数の電力導体と、電源と複数の電力導体の間に結合された電力分配器とを含む。

一実施形態では、複数のキャビティ壁は、誘電体キャビティ壁を含む。

更なる一実施形態では、電源は、ＲＦ電力発生器を含み、それぞれの電力アプリケータのうちのそれぞれ１つは、複数のキャビティ壁のうちの対応する１つの内部から複数のキャビティ壁のうちの対応する１つによって分離されている。

一実施形態では、電力アプリケータは、複数のキャビティのうちの対応する１つにＲＦ電力を結合するための電極を含む。本実施形態では、各電極は、複数のキャビティの対応する１つの一部を取り囲む。

別の一実施形態では、電力アプリケータは、複数のキャビティのうちの対応する１つにＲＦ電力を誘導結合するためのコイルアンテナを含む。本実施形態では、コイルアンテナは、複数のキャビティのうちの対応する１つの一部の周りでらせん状に巻かれた導体を含むことができる。

更に別の一実施形態では、電源は、直流電力発生器であり、電力アプリケータのうちのそれぞれ１つは、直流放電用の電極を含み、誘電体キャビティ壁のうちのそれぞれ１つは、対応する電極を複数のキャビティのうちの対応する１つの内部に露出させるように構成される。

一実施形態では、電力分配器は、電力発生器の出力と電力導体のうちのそれぞれ１つとの間で結合された複数のスイッチを含む。

一実施形態では、プラズマリアクタは、ユーザが定義した命令に応じて複数のスイッチを個別に制御するプロセッサを更に含む。

一実施形態では、プラズマリアクタは、処理ガス源と、処理ガス源と複数のキャビティのうちのそれぞれ１つとの間に結合された複数のバルブを含むガス分配器とを含む。処理ガス源は、異なるガス種の複数のガス源を含むことができ、複数のバルブのうちのそれぞれ１つは、複数のガス源のうちのそれぞれ１つと複数のキャビティのうちのそれぞれ１つとの間に結合される。一実施形態では、プラズマリアクタは、ユーザが定義した命令に応じて複数のバルブを個別に制御するプロセッサを含む。

一実施形態では、プラズマリアクタは、プラズマの副生成物を複数のキャビティに送るために結合されたリモートプラズマ源を更に含む。

一実施形態では、処理チャンバは、円筒形の側壁を更に含み、リアクタは、円筒形の側壁の周りに巻かれたコイルアンテナを含む誘導結合プラズマ源と、インピーダンス整合器を介してコイルアンテナに結合されたＲＦ電力発生器を更に含む。

一実施形態では、プラズマリアクタは、処理チャンバ及び前記処理チャンバ内のワークピース支持体と、ワークピース支持体の上にあるガス分配器と、ガス分配器の下にある複数のキャビティを画定する複数のキャビティ壁であって、ガス分配器は、複数のキャビティのうちのそれぞれ１つまでの複数のガス流路を含む複数のキャビティ壁と、複数のキャビティのうちのそれぞれ１つに隣接するそれぞれの電力アプリケータと、電源と、電力アプリケータのそれぞれ１つに結合された複数の電力導体と、電源と複数の電力導体の間に結合された電力分配器と、処理ガス源と、処理ガス源と複数のキャビティのうちのそれぞれ1つとの間に結合された複数のバルブを含むガス分配器とを含む。

更なる一実施形態では、ワークピースの表面上に分布したプラズマ点源のアレイを含むプラズマリアクタ内でワークピースを処理する方法は、ワークピース上でプラズマ処理を実行する工程と、ワークピースの表面全域に亘って処理速度の空間分布の不均一性を観察する工程と、（ａ）プラズマの点源のアレイの中で、プラズマ源の電力レベルの配分を調整する工程、又は、（ｂ）プラズマの点源のアレイの中で、ガス流の配分を調整する工程のうちの少なくとも１つを実行することによって不均一性を低減する工程とを含む。

本発明の例示的な実施形態が達成される方法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より具体的な説明を、その実施形態を参照して行うことができる。実施形態は添付図面に示されている。特定の周知のプロセスは、本発明を不明瞭にしないために、本明細書で説明されていないことを理解すべきある。
プラズマ点源のアレイを有する第１実施形態の簡略図である。 図１Ａの実施形態におけるプラズマ点源の拡大平面図である。 ～ プラズマ点源のアレイの異なる配置を示す。 プラズマ点源がプラズマ直流放電を使用する一実施形態を示す。 プラズマ点源が誘導結合を使用する一実施形態を示す。 リモートプラズマ源を使用する図１Ａの実施形態の変形例を示す。 リモートプラズマ源を使用する図４の実施形態の変形例を示す。 プラズマ点源のアレイに加えて、チャンバ幅の誘導結合源を有する図１Ａの実施形態の変形例を示す。

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。一実施形態の要素及び構成を更なる説明なしに他の実施形態に有益に組み込んでもよいと理解される。しかしながら、添付図面は本発明の例示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く、本発明は他の等しく有効な実施形態を含み得ることに留意すべきである。

詳細な説明

（序論）
プラズマ源は、独立して制御される多数の局所的プラズマ点源又は局所的プラズマ点源のアレイからなり、これはユーザ定義の領域上で荷電粒子種（電子、負イオン及び正イオン）の空間的及び時間的な制御を可能にする。

空間的及び時間的制御を可能にするプラズマ源の使用は、局所的不均一性の補正を可能にする。これは、荷電粒子及びラジカルが生成される異なるプラズマ点源においてプラズマ生成をスイッチＯＮ又はＯＦＦすることによって達成することができる。その代わりに又は更に、これは、異なるプラズマ点源への処理ガスの流れを変化させることによって達成することができる。例えば、ガス流をスイッチＯＮ又はＯＦＦすることができる、及び／又は各プラズマ点源に対するガス混合物を変更することができる。ユーザは、局所的プラズマ点源でイオン化又は分解されるガスを選択することができる。ユーザは更に、放電の時間又は持続時間を選択することができる。

異なる同時局所的ガス放電で異なるガス化学物質を並行して操作すること（空間的制御）によって、又は同じ局所的放電で局所的にガス化学物質を変更することによって、局所的な放電化学物質を変更することができる。

ワークピース（ウェハ）全体を一定の負のＤＣバイアスにするが、局所的にイオンを引きつけて、注入、又はエッチング又は堆積させることができる。

プラズマ点源のアレイは、従来の非局所的プラズマ源（例えば、容量結合大型電極プラズマ源又は誘導結合プラズマ源）と組み合わせることができ、リアルタイムにプラズマ生成の局所的不均一性を修正することができる。

プラズマ点源のアレイは、リモートプラズマ源（例えば、リモートラジカル源）と組み合わせることができる。ラジカル処理工程は、組成及び局所的滞留時間を変化させることができるプラズマ処理工程が続くことができる。過去の解決策は、基板ホルダ内の局所加熱素子を流れる電流を変化させることによる温度の局所的変化に集中してきた。本明細書に記載の実施形態は、既存の解決策に追加して、局所的な化学物質を有効にし、反応を高速化するために温度のみに依存するのではなく、荷電粒子及びラジカルの生成に影響を与える。

（実施形態）
図１Ａ及び図１Ｂは、ＲＦ周波数を使用して容量結合された複数のプラズマ点源９０を有する一実施形態を示す。点源９０は、様々な構成（例えば、円形（図２Ａ）又はパイ形状（図２Ｂ））で配置することができる。図１Ａの実施形態は、円筒形の側壁１０２、下部天井１０４、及び床部１０６によって囲まれる処理ゾーン９２を有する処理チャンバ本体１００を含む。ワークピース支持体９４は、処理ゾーン９２内でワークピース９６を支持する。真空ポンプ１０８は、床部１０６を介して処理ゾーン９２に結合することができる。上部円筒側壁１２６上に支持される上部天井１１０は、下部天井１０４の上にあり、ガス分配器１１２を支持する。下部天井１０４は、ガス出口孔１１４のアレイを含む。図１Ａの実施形態では、点源９０は、誘電体円筒形キャビティ壁１１６に囲まれた円筒形キャビティ１１５のアレイであり、誘電体円筒形キャビティ壁１１６は、各々が円筒形側壁１０２の対称軸に対して平行で、ガス出口孔１１４のそれぞれ１つの誘電体と整列されている。円筒形キャビティ壁１１６は、それぞれの円筒形電極１１８によって囲まれている。

各プラズマ点源９０は局所的であり、その中において、各ガス出口孔１１４の面積は、下部天井１０４又は上部天井１１０の面積に対して、又はチャンバ本体１００の直径に対して小さい。一実施形態では、各ガス出口孔１１４の面積は、下部天井１０４又は上部天井１１０の面積、又はチャンバ本体１００の面積の５％を超えない。

図１Ａ及び図１Ｂに図示の実施形態では、各ガス出口開口部１１４の形状は、円形であり、円筒形キャビティ１１５の形状に適合する。しかしながら、他の実施形態では、各ガス出口孔１１４は、任意の形状であってもよく、円筒形キャビティ１１５の形状に適合しなくてもよい。例えば、各ガス出口孔１１４は、非円形（例えば、楕円形）であってもよく、多角形又は直線状のスロット形状又はこれらの形状のいくつかの組み合わせであってもよい。ガス出口孔１１４の形状が、円筒形キャビティ１１５に適合しない場合、アダプタ（図示せず）が、一実施形態では、ガス出口孔１１４と円筒形キャビティ１１５との間にガスシールを提供するために導入されてもよい。

上部天井１１０は、各々が円筒形キャビティ１１５のうちのそれぞれ１つと整列されるガス導入口１１９のアレイを有する。ガス分配器１１２は、ガス導入口１１９を介して円筒形キャビティ１１５内に処理ガスを供給する。個々の電力導体１２０は、それぞれの円筒形電極１１８のうちの個々の１つに電力を伝える。電力分配器１２２は、電源１２４からの電力導体１２０に電力を分配する。一実施形態では、電源１２４は、交流（ＡＣ）電力発生器、又はＲＦインピーダンス整合器を有する高周波（ＲＦ）電力発生器である。関連する実施形態では、電源１２４の周波数は、例えば、直流からＵＨＦまでのいずれであってもよい。一実施形態では、プラズマは、円筒形電極１１８から誘電体円筒形キャビティ壁１１６を介して円筒形キャビティ１１５内へのＲＦ電力の容量結合によって、円筒形キャビティ１１５内に生成される。下部天井１０４は、円筒形電極１１８をプラズマから分離する。

ガス分配器１１２は、複数のガス供給源２５０から異なるガス種を受け取り、異なる円筒形キャビティ１１５に対する異なるユーザ指定のガスレシピに応じて、それぞれのガス導入口１１９を通して円筒形キャビティ１１５のそれぞれ１つに異なるガス混合物を配分する。例えば、ガス分配器１１２は、個々の円筒形キャビティ１１５に対してガス混合物を定義するユーザ定義の命令に応じてプロセッサ２５４によって個別に制御されたガスバルブ２５２のアレイを含むことができる。ガスバルブ２５２のアレイは、複数のガス供給源２５０と円筒形キャビティ１１５へのガス導入口１１９との間に結合される。

電力分配器１２２は、一実施形態では、各電力導体１２０に供給される電力を個別に制御する。例えば、電力分配器１２２は、ユーザ定義の命令に応じてプロセッサ２５４によって個別に制御される電気スイッチ２６２のアレイを含むことができる。電力は、パルス幅変調によって制御されてもよく、ユーザ定義の命令は、個々の円筒形キャビティ１１５に対する電力のオン／オフ持続時間（又はデューティサイクル）を定義することができる。電気スイッチ２６２のアレイは、電源１２４と電力導体１２０との間に結合される。

第１の実施形態では、下部天井１０４は、誘電材料で形成され、一方、上部天井１１０は、導電性材料で形成される。第２の実施形態では、下部天井１０４は、導電性材料で形成された下部プレート１９０に隣接しており、下部プレート１９０と上部天井１１０の両方は接地されている。このように、プラズマ源は、２つの接地されたプレート、すなわち下部プレート１９０と上部天井１１０との間に配置される。

図３は、プラズマが直流放電によって生成される実施形態を示し、電源１２４は、直流電力発生器である。誘電体円筒形キャビティ壁１１６の各々は、円筒形電極１１８の対応する１つの上方で終端を迎える。この構成は、各円筒形電極１１８をプラズマに直接曝露させ、これによって直流放電を促進することができる。

図４は、図１Ａの実施形態の変形例を示す。その中で、円筒形電極１１８は、個々の誘導コイル２１０によって置き換えられ、これによって各円筒形キャビティ１１５内に誘導結合プラズマを生成する。各誘導コイル２１０は、図４に示されるように、対応する円筒形誘電体壁１１６の底部の周りに巻き付けられる。図４の実施形態では、変化する磁場は、円筒形キャビティ１１５内に変化する電界を発生させ、これは次いで閉じた一巻きの発振するプラズマ電流を生成する。

図５は、リモートプラズマ源２２０及びラジカル分配プレート２８０を含む図１Ａの実施形態の他の変形例を示す。ラジカル分配プレート２８０は、ラジカルをリモートプラズマ源２２０から個々の円筒形キャビティ１１５内へ向ける。リモートプラズマ源２２０は、電源２２４によって駆動されるプラズマ源電力アプリケータ２２２を含むことができる。リモートプラズマ源２２０は、所望のラジカル種の前駆体を含む制御されたガス源２２６を更に含むことができる。遠隔で生成された化学的活性ラジカルが、ウェハの処理において重要な役割を果たすいくつかの処理がある。しかしながら、プラズマ処理工程でラジカル処理をフォローする必要があるかもしれない。空間的及び時間的に制御可能なプラズマ源を有することは、ラジカルの不均一性に対処するのに役立つ。短い寿命の（再結合して不活性の中性になる）ラジカルの場合、制御可能なプラズマ密度を有することは、重要なラジカルを再生成するのを助けることができる。

図６は、リモートプラズマ源２２０及びラジカル分配プレート２８０を含む図４の実施形態の変形例を示す。図６の実施形態では、リモートプラズマ源２２０は、図４の誘導結合プラズマ源（すなわち、誘導結合コイル２１０）と組み合わされている。誘導結合プラズマ源（コイル２１０）は、図１の実施形態の容量結合プラズマ源と比較して、異なる（より低い）圧力レジーム（例えば、２５ミリトール以下）での動作を可能にする。

図７は、プラズマ点源９０のアレイは、より大きな非局所的誘導結合プラズマ源を組み合わされた、図１Ａの実施形態の変形例を示す。図７の非局所的誘導結合プラズマ源は、円筒形側壁１０２を取り囲む螺旋状に巻かれたコイルアンテナ２４０を含む。螺旋状に巻かれたコイルアンテナ２４０は、ＲＦインピーダンス整合器２４４を介してＲＦ電力発生器２４２によって駆動される。図７の実施形態では、円筒形側壁１０２は、非金属材料から形成され、これによって円筒形側壁１０２を介してＲＦ電力の誘導結合を可能にする。下部プレート１９０は、（螺旋状に巻かれたコイルアンテナ２４０に対応する）より大きな誘導結合プラズマ源から、（個々の円筒形キャビティ１１５に対応する）個々のプラズマ点源を保護する。

（個々の円筒形キャビティ１１５に対応する）個々のプラズマ点源９０は、個別に制御可能である。これは、プラズマ分布の空間的及び時間的制御を可能にする。このような制御は、プラズマ分布の不均一性を低減するように実施することができる。

（制御モード）
電源１２４は、異なるモードで各プラズマ点源９０に電力を供給することができる。第１のモードでは、各プラズマ点源９０は、電力の一定量を消費し、制御システムは、電気スイッチ２６２のアレイを用いてプラズマ点源に供給される電力をスイッチオン又はオフする。一例では、各点源は、それがオンのとき、約３ワットの一定量を消費する。電気スイッチ２６２のアレイは、基本的に命令で個々のプラズマの点源９０に電力を印加する。プラズマ密度は、いくつのプラズマ点源９０がオンされているかの関数である。このように、各プラズマ点源９０へ送出される正味の電力は、パルス幅の変更によって制御することができる。

第２のモードでは、制御されるものは、各プラズマ点源９０に送出される電力のレベルである。また、個々のプラズマ点源９０（又はプラズマ点源９０のグループ）へのガス組成は、ガス分配器１１２によって変えることができる。このように、異なるプラズマ点源９０は、同一のガス放電組成を有する必要はない。各プラズマ点源９０は、固定のアドレスを有する。各プラズマ点源９０への電力及び／又はガス流は、個別にオン又はオフすることを目的とすることができる。

１つの方法によれば、ワークピースの表面全域に亘って処理速度の空間分布が測定される。処理速度分布の不均一性は、測定された処理速度空間分布の事実上逆であるプラズマ点源９０のアレイに供給される電力のＯＮ／ＯＦＦデューティサイクルの空間分布を確立することによって補償される。換言すれば、ＯＮ／ＯＦＦ電力デューティサイクルの分布は、測定された処理速度分布が最小値を有する場所で最大値を有し、測定された処理速度分布が最大値を有する場所で最小値を有する。

別の方法によれば、処理速度分布の不均一性は、測定された処理速度空間分布の事実上逆であるプラズマ点源９０のアレイに供給される処理ガス流のＯＮ／ＯＦＦデューティサイクルの空間分布を確立することによって補償される。換言すれば、ＯＮ／ＯＦＦガス流デューティサイクルの分布は、測定された処理速度分布が最小値を有する場所で最大値を有し、測定された処理速度分布が最大値を有する場所で最小値を有する。

（利点）
主な利点は、荷電粒子及び高エネルギーラジカルの生成の空間的・時間的における完全なる制御である。これは、局所的な荷電粒子及び高エネルギーラジカルの分布に対する空間的及び時間的制御を可能にする。

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 (10)

1. プラズマリアクタであって、
   対称軸を有する下部処理部と、下部処理部から上方へ延びるキャビティのアレイとを有する処理チャンバであって、
   各キャビティは細長く、下部処理部の対称軸に平行に延び、
   各キャビティは他の各キャビティの外側に配置されており、
   下部処理部から上方へ延びるキャビティのアレイを画定する複数の誘電体キャビティ壁と、複数の誘電体キャビティ壁の下縁に固定され、下部処理部の天井となる導電性下部プレートを備えている処理チャンバと、
   処理チャンバの下部処理部内のワークピース支持体と、
   異なるガス種の複数のガス源と、
   複数のガス入口であって、各ガス入口はそれぞれのキャビティに開口している複数のガス入口と、
   複数のガス源を複数のガス入口に結合するガス分配器であって、
   ガス分配器は、それぞれのガス入口のためのそれぞれのバルブを有する複数のバルブを備え、
   それぞれのバルブは、それぞれのガス入口を複数のガス源のうちの１つに選択的に接続しているガス分配器と、
   電源と、
   それぞれのキャビティごとにそれぞれの導体を備える導体のアレイであって、
   それぞれの導体はキャビティのアレイのそれぞれの単一のキャビティに隣接して囲んでいる導体のアレイと、
   電源と導体のアレイとの間に結合された電力分配器であって、
   電力分配器は、電源の出力と導体のアレイとの間に結合された複数のスイッチを備え、
   複数のスイッチはそれぞれの導体ごとにスイッチを備えている電力分配器と、
   ユーザ定義の指示に従って、複数のバルブを個別に制御し、複数のスイッチを個別に制御して、処理チャンバの下部処理部から上方へ延びる複数のキャビティの各々においてガス種及びプラズマ生成の独立した制御を提供するプロセッサとを備えるプラズマリアクタ。
2. 処理チャンバは、複数の誘電体キャビティ壁の上縁に固定され、キャビティのアレイの天井となる導電性上部プレートを備えている、請求項１に記載のプラズマリアクタ。
3. 電源はＲＦ電力発生器を備え、それぞれの導体は、対応するそれぞれのキャビティの内部から、誘電体キャビティ壁のうちの対応するそれぞれの１つによって分離されている、請求項１に記載のプラズマリアクタ。
4. 導体のアレイは、ＲＦ電力をキャビティのアレイに容量結合するための電極のアレイである、請求項３に記載のプラズマリアクタ。
5. 電極のアレイの各電極は円筒を形成し、円筒は対称軸に平行な軸を有し、それぞれのキャビティを囲んでいる、請求項４に記載のプラズマリアクタ。
6. 導体のアレイは、ＲＦ電力をキャビティのアレイに誘導結合するためのコイルアンテナのアレイである、請求項３に記載のプラズマリアクタ。
7. コイルアンテナのアレイの各コイルアンテナは、対称軸に平行な軸を有する円筒の形に巻かれたコイルを形成している、請求項６に記載のプラズマリアクタ。
8. 処理チャンバは、下部処理部から上方へ延びるキャビティのアレイの一部を画定する複数の導電性キャビティ壁を備え、
   導電性キャビティ壁は導体のアレイを提供している、請求項３に記載のプラズマリアクタ。
9. 電源は直流電力発生器であり、
   導体のアレイの各導体は直流放電用の電極である、請求項８に記載のプラズマリアクタ。
10. 処理チャンバは複数の誘電体キャビティ壁を備え、誘電体キャビティ壁は導電性キャビティ壁の上と下に配置されている、請求項８に記載のプラズマリアクタ。