JP7328720B1

JP7328720B1 - プラズマエッチングシステム

Info

Publication number: JP7328720B1
Application number: JP2022067995A
Authority: JP
Inventors: ヒョンチェ、ウ; ウイ、サン
Original assignee: アダプティブプラズマテクノロジーコーポレーション
Priority date: 2022-04-18
Filing date: 2022-04-18
Publication date: 2023-08-17
Anticipated expiration: 2042-04-18
Also published as: JP2023158266A

Abstract

【課題】プラズマエッチングシステムを提供すること。【解決手段】上部電極１５にＲＦ電力を印加する電源電力モジュール１１；下部電極にＲＦ電力を印加するバイアス電力モジュール１２；及びウェーハ１８にバイアス直流電力を印加するバイアスＤＣ電力モジュール１３；を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマエッチングシステムに係り、具体的に、直流電力の印加によってエッチング効率性を向上させたプラズマエッチングシステムに関する。

半導体製造工程のうち、エッチング工程は、要求される膜質の特性に適するように化学的エッチング方式または物理的エッチング方式で進行しうる。一般的に、物理的及び化学的エッチング作用が混用されて使われるが、酸化（Ｏｘｉｄｅ）膜質のような堅い膜質のエッチングのために、化学的作用に比べて物理的にイオン（Ｉｏｎ）の衝撃によるエッチング作用に有利である。堅い膜質を深くエッチングするために、イオン衝撃（ＩｏｎＢｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ）作用時に、直進性に優れ、エネルギーが高い必要がある。物理的エッチング方式で高周波を印加してプラズマを生成する容量結合プラズマ（ＣａｐａｃｉｔｉｖｅＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ：ＣＣＰ）方式または誘導結合プラズマ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ：ＩＣＰ）方式が適用可能である。半導体製造工程で酸化膜質のような堅固な膜質のエッチングが必要な場合、エッチング装置は、ＣＣＰ構造からなる。このようなＣＣＰ構造の場合、上部電極に高周波ＲＦ電力（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＰｏｗｅｒ）を印加し、下部電極に低周波ＲＦ電力（Ｐｏｗｅｒ）を印加して、高密度のプラズマを生成させる。上部及び下部電極によってプラズマが生成されれば、発生したプラズマによってウェーハ表面に自己ＤＣバイアス電圧（ＳｅｌｆＤＣＢｉａｓＶｏｌｔａｇｅ）が生成され、それを制御してエッチング工程が進行する。

プラズマによるエッチング工程と関連して、特許文献１は、ウェーハに層のエッチングを行う過程または層を形成する過程で均一なウェーハプロセッシングを提供するようにプラズマ密度を制御する技術について開示する。特許文献２は、プラズマエッチング装置及び半導体基板をプラズマエッチングを行う工程について開示する。ＲＦ電力によってウェーハに生成される自己ＤＣバイアス電圧は、エネルギー使用効率が低く、これにより、半導体工程が微細化されて相対的に小さな面積がさらに大きな深さにエッチングされなければならない方向に発展する場合、適用が難しいという問題点を有する。このような問題点を解決するために、より大きなＲＦ電力が使われるが、このような場合、アーク（ａｒｃｉｎｇ）が発生し、耐久性の確保が難しく、部分的にプラズマ密度が不均一になる付随的な問題が発生しうる。したがって、このような問題を解決することができる技術が作られる必要がある。

ＷＯ２００５／０５９９６０（ラムリサーチコーポレーション、２００６．０６．３０．公開）均一性制御のための分割型無線周波数電極装置及び方法ＷＯ２０２０／０３５４７８（エヴァテックアクチエンゲゼルシャフト、２０２０．０２．２０．公開）低粒子プラズマエッチングのための方法及び装置

本発明は、先行技術の問題点を解決するためのものであって、以下のような目的を有する。
本発明は、プラズマによるエッチング過程でウェーハに直流電力（ＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔＰｏｗｅｒ）を印加してエッチング工程効率を向上させるプラズマエッチングシステムを提供することである。

本発明の適切な実施形態によれば、プラズマエッチングシステムは、上部電極にＲＦ電力を印加する電源電力モジュール；下部電極にＲＦ電力を印加するバイアス電力モジュール；及びウェーハにバイアス直流電力を印加するバイアスＤＣ電力モジュール；を含む。

本発明の他の適切な実施形態によれば、バイアスＤＣ電力モジュールによってパルス電力が印加される。
本発明のさらに他の適切な実施形態によれば、バイアス直流電力は、静電チャックに配される多数個のＤＣ電極ピンによって供給される。
本発明のさらに他の適切な実施形態によれば、多数個のＤＣ電極ピンのそれぞれは、静電チャックの上側表面を垂直方向に貫通して突出する。
本発明のさらに他の適切な実施形態によれば、多数個のＤＣ電極ピンのそれぞれは、上下に弾性移動が可能である。
本発明のさらに他の適切な実施形態によれば、ＤＣパルス電力の周波数は、１Ｈｚ～１，０００ｋＨｚになる。
本発明のさらに他の適切な実施形態によれば、バイアスＤＣ電力モジュールによってエッジリングにＤＣ電力が印加される。
本発明のさらに他の適切な実施形態によれば、静電チャックの上側表面に突出しながら円周に沿って配列される多数個のＤＣ電極ピンをさらに含む。
本発明のさらに他の適切な実施形態によれば、多数個のＤＣ電極ピンは、互いに絶縁されながら１～１，０００個になる。

エッチング工程過程で酸化膜質のように堅い膜質のエッチングのために、直進性に優れ、衝撃エネルギーが高い状態のイオン衝撃作用の利用のために、上部電極に２０～６０ＭＨｚの高周波のＲＦＰｏｗｅｒ印加して密度が高いプラズマが生成される必要がある。また、下部電極に４００ｋＨｚ～２ＭＨｚの低周波のＲＦ電力が印加されてウェーハ方向に直進性があるイオン衝撃作用が誘導される必要がある。工程が微細化されながら狭くて深いエッチング作用が要求され、これにより、さらに高い下部のエネルギーが要求されて、さらに低い周波数とさらに高い電力とが使われなければならない。しかし、高いＲＦ電力は、多様な付随的な問題を発生させる。例えば、高い電力の印加によるアーク発生（ａｒｃｈｉｎｇｉｓｓｕｅ）、部品耐久性の減少、装備ノイズの発生または高いエネルギーの使用による電力量の増加による生産コストの増加問題が発生しうる。本発明によるプラズマエッチングシステムは、下部電極にＤＣ電力、望ましくは、ＤＣパルス電力を印加して相対的に低い高周波電力が使われても、直進性に優れ、衝撃エネルギーが大きなイオン衝撃作用が誘導されて、高い効率を有したエッチング装備の設計を可能にする。本発明によるプラズマエッチングシステムは、半導体工程を含めて、ＬＥＤ、ＯＬＥＤまたはＬＣＤ工程のようにプラズマの適用が要求される多様な分野に適用可能であり、これにより、本発明は制限されるものではない。

本発明によるプラズマエッチングシステムの実施形態を示した図面である。本発明によるプラズマエッチングシステムのための静電チャックの実施形態を示した図面である。本発明によるプラズマエッチングシステムの他の実施形態を示した図面である。本発明によるプラズマエッチングシステムによってエッチング工程が進行する過程の実施形態を示した図面である。

以下、本発明は、添付図面に提示された実施形態を参照して詳細に説明されるが、実施形態は、本発明の明確な理解のためのものであって、本発明は、これに制限されるものではない。下記の説明で、互いに異なる図面で同じ図面符号を有する構成要素は、類似した機能を有するので、発明の理解のために、不要であれば、反復説明はせず、公知の構成要素は、簡略に説明されるか、省略されるが、本発明の実施形態から除外されない。

図１は、本発明によるプラズマエッチングシステムの実施形態を図示したものである。
図１を参照すれば、プラズマエッチングシステムは、上部電極１５にＲＦ電力を印加する電源電力モジュール１１；下部電極にＲＦ電力を印加するバイアス電力モジュール１２；及びウェーハ１８にバイアス直流電力を印加するバイアスＤＣ電力モジュール１３；を含む。

工程チャンバ１４の内部にプラズマが生成され、プラズマは、互いに対向する上部電極１５及び下部電極によって生成される容量結合プラズマ（ＣＣＰ）方式で生成されうる。工程チャンバ１４の内部に配された静電チャックの上側表面にウェーハ１７が固定されて生成されたプラズマによってエッチング工程が進行しうる。工程チャンバ１４の上側部分に円板状の上部電極１５が配され、上部電極１５と対向するように工程チャンバ１４の下側部分に静電チャックが配され、静電チャックに下部電極が配置される。静電チャックは、胴体１９の上側に形成され、例えば、アルミニウムのような金属素材からなるベースブロック１６、及びベースブロック１６の上側に形成される、例えば、セラミックのような素材からなる絶縁層１７からなりうる。胴体１９は、静電チャックを支えることができる多様な構造からなり、ベースブロック１６は、全体として円板状になりうる。また、絶縁層１７は、ベースブロック１６の上側に結合される円板状になるか、ベースブロック１６の上面と周面とを取り囲む形状になりうる。絶縁層１７は、接着層によってベースブロック１６と結合され、絶縁層１７の下側部分に下部電極が形成されうる。このような構造を有する静電チャックの上面にウェーハ１８が固定されれば、プラズマが生成されてエッチング工程が進行しうる。プラズマの発生のために、上部電極１５にＲＦ電力が電源電力モジュール１１によって印加される。ＲＦ電力は、２０～１５０ＭＨｚの周波数及び１～２０ｋＷの電力で印加される。上部電極１５にＲＦ電力が印加されながら、これと共に絶縁層１７の下側に配される下部電極にバイアスＲＦ電力モジュール１２によってバイアスＲＦ電力が印加される。バイアスＲＦ電力は、例えば、１００ｋＨｚ～２０ＭＨｚの周波数及び１０～２０ｋＷの電力で印加される。このように、上部電極１５及び下部電極に印加されるＲＦ電力及びバイアスＲＦ電力によってプラズマが生成されてエッチング工程が進行しうる。しかし、このような方法でエッチング工程が進行する場合、ウェーハ表面に対するイオン衝撃効果が弱く、これにより、堅固な膜に対して深い厚さのエッチングが難しいという短所を有する。

本発明の一実施形態によれば、バイアスＤＣ電力モジュール１３によって直流電流がウェーハ１８に印加されてウェーハ表面に対するイオン衝撃が誘導される。バイアスＤＣ電力モジュール１３は、ウェーハに、ウェーハと静電チャックの上側表面との間、またはプラズマに直流電圧を印加する機能を有しうる。バイアスＤＣ電力モジュール１３は、パルス状の電力を印加することができ、例えば、１Ｈｚ～２０ｋＨｚの周波数を有する５～２０ｋＷの電力を印加して、－５ｋＶｓｏｗ－２０ｋＶの電圧が発生するようにＤＣ電力を印加することができる。バイアスＤＣ電力モジュール１３によって、例えば、１～９９％のデューティーサイクル（ｄｕｔｙｃｙｃｌｅ）を有したＤＣパルス電力が印加され、これにより、イオン衝撃効果が上昇しうる。このようなバイアスＤＣ電力の印加のために、静電チャックにＤＣ電極が配置される。ＤＣ電極は、多様な構造からなり、以下、このようなＤＣ電極が配された静電チャックについて説明される。

図２は、本発明によるプラズマエッチングシステムのための静電チャックの実施形態を図示したものである。
図２を参照すれば、工程チャンバまたはエッチングチャンバにおいて、下部電極は、静電チャック（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｃｈｕｃｋ：ＥＳＣ）に形成され、これにより、ＥＳＣは、ウェーハ固定機能（ｃｈｕｃｋｉｎｇ）と下部電極機能とを有しうる。ＥＳＣは、ウェーハが固定される上側平面を形成するセラミックプレート形態の絶縁層１７及び絶縁層１７の下側に接着層によって結合されたベースブロック１６を含みうる。絶縁層１７は、全体として円板状になり、絶縁層１７の内部にウェーハの固定のためのＤＣ電極が配置される。ベースブロック１６は、全体としてドラム状になり、アルミニウムのような熱伝導性素材からなりながら少なくとも１つの冷却流路２３を含みうる。このような静電チャックの構造で下部電極に印加されるＲＦ電力は、ＥＳＣの下部構造であるベースブロック１６に印加されてエッチングチャンバの上部電極に印加された電源ＲＦ電力によって点火（ｉｇｎｉｔｉｏｎ）されたプラズマとエネルギーカップリングされてエッチング工程が進行しうる。このような過程において、ＤＣパルス電力は、多様な方法で印加され、例えば、ＤＣパルス電力は、ＥＳＣの下部構造に該当するアルミニウム素材のベースブロック１６にＲＦ電力と共に印加される。このようなＤＣパルス電力印加構造でＲＦ電力は、キャパシタを通過してエネルギーの伝達が可能であるが、ＤＣ電力は、ベースブロック１６、絶縁層１７及びウェーハからなるキャパシタを通過してエネルギーをウェーハの表面及びプラズマに伝達しにくいか、伝達効率が極度に低くなるという短所を有する。したがって、ウェーハに対するＤＣ電力エネルギーの伝達効率を高め、これにより、エッチング効率を向上させる方法が作られる必要がある。

本発明の一実施形態によれば、静電チャックにＤＣパルス電力の伝達のためのバイアスＤＣ電極が配され、バイアスＤＣ電極によってウェーハに、またはプラズマにバイアスＤＣ電力が印加される。図２に示されたように、バイアスＤＣ電極は、少なくとも１つのＤＣ電極ピン２１＿１ないし２１＿Ｎになりうる。多数個のＤＣ電極ピン２１＿１ないし２１＿Ｎが円板状の静電チャックの上側表面に均一に配置される。例えば、ＤＣ電極ピン２１－＿１ないし２１＿Ｎは、互いに異なる半径に該当する円周方向に沿って同じ間隔で分離されて配置される。ＤＣ電極ピン２１＿１ないし２１＿Ｎは、例えば、１～１，０００個になり、望ましくは、５～１００個、最も望ましくは、５～３０個になりうるが、これに制限されるものではない。それぞれのＤＣ電極ピン２１＿１ないし２１＿Ｎは、ベースブロック１６及び絶縁層１７を貫通して静電チャックの上面または絶縁層１７の上面を垂直方向に突出する。また、多数個の電極ピン２１＿１ないし２１＿Ｎのそれぞれは、上下に弾性移動が可能である。それぞれのＤＣ電極ピン２４＿Ｋは、固定経路２１１の内部に配されたコイルバネ、板バネ、弾性パッドまたはこれと類似した弾性ユニット２１２、及び弾性ユニット２１２に結合されて上下移動が可能な接触ピン２１３からなりうる。接触ピン２１３の上側端部は、曲面部位２１４で形成されながら選択的に伸縮性を有するように形成されうる。少なくとも接触ピン２１３が導体になり、例えば、接触ピン２１３は、金属素材からなりながら白金または金でコーティングされる。接触ピン２１３の少なくとも一部は、絶縁層１７の上側に、例えば、０．５～３mmの長さに突出し、ウェーハによって圧力が加えられれば、弾性によって下側に移動することができる。ＥＳＣにウェーハが固定されれば、多数個のＤＣ電極ピン２１＿Ｋがウェーハの下面に接触される。ＤＣ電極ピン２１＿Ｋは、前述したバイアスＤＣ電力モジュールから供給されるパルス状の直流電力をウェーハに印加することができ、これにより、イオン衝撃効果が上昇しうる。多様な形態でＤＣ電極ピン２１＿１ないし２１＿ＮによってウェーハまたはプラズマにＤＣ電力が印加され、これにより、本発明は制限されるものではない。また、ＤＣ電力印加手段は、前述したようなピンは多様な構造からなり、これにより、本発明は制限されるものではない。

図３は、本発明によるプラズマエッチングシステムの他の実施形態を図示したものである。
図３を参照すれば、エッチング過程でプラズマは、ウェーハの表面を基準に均一に分布される必要があり、イオン衝撃作用が、またウェーハ全体表面にわたって均一に発生する必要がある。例えば、ウェーハの中心部分とウェーハの縁部との間にプラズマの密度が均一でありながら、これと共にイオン衝撃効果が同様に発生する必要がある。これにより、工程結果の均一性が確保されながらウェーハの縁部領域のパターンプロファイル傾斜（ｐａｔｔｅｒｎｐｒｏｆｉｌｅｔｉｌｔｉｎｇ）問題の発生が防止される。そのために、エッジリング３２にＤＣパルス電力が印加される。バイアスＤＣ電力モジュール１３から前述した多数個のＤＣ電極ピンに電力を供給するための配線経路が形成され、これと共にエッジリング３２に直流パルス電力が印加される。具体的に、バイアスＤＣ電力モジュール１３の電力供給経路に配分回路３１が形成されてエッジリング３２に供給されるＤＣパルス電力が調節される。エッジリング３２は、例えば、ＳｉまたはＳｉＣのような素材からなり、このような素材からなるエッジリング３２が位置する部分に前述したＤＣ電極ピンまたはこれと類似した構造のバイアスＤＣ電力印加電極が形成されうる。エッジリング３２に供給されるＤＣパルス電力は、ウェーハに供給されるＤＣパルス電力と同一または類似した特性を有しうるが、必要に応じて互いに異なる特性を有したＤＣパルス電力が印加される。プラズマの密度またはこれと類似したエッチング条件によって多様な特性を有したＤＣパルス電力がエッジリング３２に印加され、これにより、本発明は制限されるものではない。

図４は、本発明によるプラズマエッチングシステムによってエッチング工程が進行する過程の実施形態を図示したものである。
図４を参照すれば、ウェーハに対するエッチング工程過程は、ＥＳＣにバイアスＤＣ電力印加のためのＤＣ電極を配置する段階（Ｐ４１）、ＥＳＣにウェーハが固定されれば、上部電極及び下部電極にＲＦ高周波が印加されてプラズマが発生する段階（Ｐ４２）、プラズマが発生すれば、ウェーハに接触されるＤＣ電極にバイアスＤＣ電力が印加される段階（Ｐ４３）、及びエッジリングが位置する部分に配されたＤＣ電極にバイアスＤＣ電力が印加される段階（Ｐ４４）を含む。

エッジリングが位置する部分を含むＥＳＣに配されるバイアスＤＣ電極は、前述したようなＤＣ電極ピン構造になりうるが、これに制限されるものではない。ＤＣ電極ピンは、ウェーハ及びエッジリングが固定される位置を基準に均一に配置される（Ｐ４１）。上部電極に印加されるＲＦ電力の周波数は、例えば、２７ＭＨｚ、４０ＭＨｚまたは１００ＭＨｚになりうるが、これに制限されるものではない。また、下部電極に印加されるＲＦ電力の周波数は、１３，５６ＭＨｚ、２ＭＨｚまたは４００ｋＨｚになりうるが、これに制限されるものではない。上部電極及び下部電極にＲＦ高周波電力が印加されながらエッチングチャンバの内部にプラズマが発生してエッチング工程が進行しうる。このような過程で要求されるレベルのエッチング工程が進行するようにウェーハと接触されるＤＣ電極ピンにバイアスＤＣ電力が印加され、バイアスＤＣ電力は、ＤＣパルス電力になりうる。例えば、ＤＣパルス電力は、１～１，０００Ｈｚの周波数を有しながら１～９９％のデューティーサイクルを有したパルス電力になりうるが、これに制限されるものではない。ウェーハと接触されるＤＣ電極ピンにＤＣパルス電力が印加されながら、これと共にエッジリングが位置する部分に配されたＤＣ電極にＤＣパルス電力が印加される（Ｐ４４）。エッジリングに印加されるＤＣパルス電力は、ウェーハに印加されるＤＣパルス電力と同一または類似しているが、プラズマの密度状態によって互いに異なりうる。エッチングチャンバの内部のプラズマの状態が探知され、該探知されたプラズマ密度に基づいてエッジリングに印加されるＤＣパルス電力の特性が適切に調節される。ウェーハまたはエッジリングに対するＤＣパルス電力の印加は、多様な方法からなり、これにより、本発明は制限されるものではない。

以上、本発明は、提示された実施形態を参照して詳細に説明されたが、当業者は、提示された実施形態を参照して、本発明の技術的思想を外れない範囲で多様な変形及び修正発明を作ることができる。本発明は、このような変形及び修正発明によって制限されず、但し、下記特許請求の範囲によって制限される。

１１：電源電力モジュール
１２：バイアス電力モジュール
１３：バイアスＤＣ電力モジュール
１４：工程チャンバ
１５：上部電極
１６：ベースブロック
１７：絶縁層
１８：ウェーハ
２１＿１ないし２１＿Ｎ：ＤＣ電極ピン
３２：エッジリング

Claims

上部電極１５にＲＦ電力を印加する電源電力モジュール１１と、
下部電極にＲＦ電力を印加するバイアス電力モジュール１２と、
ウェーハ１８にバイアス直流電力を印加するバイアスＤＣ電力モジュール１３と、を含み、
前記バイアスＤＣ電力モジュール１３によって印加される１Ｈｚ～１，０００ｋＨｚの周波数のバイアス直流電力は、静電チャックに配される多数個のＤＣ電極ピン２１＿１ないし２１＿Ｎによって供給されると同時に、前記バイアスＤＣ電力モジュール１３の電力供給経路に形成される配分回路３１を通じてエッジリング３２に供給され、
前記下部電極が形成される静電チャックは、熱伝導性素材からなるベースブロック１６及びセラミックプレート形態の絶縁層１７を含み、
前記多数個のＤＣ電極ピン２１＿１ないし２１＿Ｎは、前記静電チャックの上側表面を垂直方向に貫通して突出し互いに異なる半径に該当する円周方向に沿って分離されて配置され、
前記多数個のＤＣ電極ピン２１＿１ないし２１＿Ｎのそれぞれは、
前記ベースブロック１６及び前記絶縁層１７を貫通して形成される固定経路２１１の内部に配された弾性ユニット２１２と、
前記弾性ユニット２１２に結合されて上下移動が可能であり、上側端部が前記絶縁層１７の上側に突出する曲面部位２１４で形成される導体になる接触ピン２１３と、を含む
ことを特徴とするプラズマエッチングシステム。
前記多数個のＤＣ電極ピン２１＿１ないし２１＿Ｎは、互いに絶縁されながら２～１，０００個になる
請求項１に記載のプラズマエッチングシステム。