JPH09129621A - Pulse corrugated bias electric power - Google Patents

Pulse corrugated bias electric power

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JPH09129621A
JPH09129621A JP25348196A JP25348196A JPH09129621A JP H09129621 A JPH09129621 A JP H09129621A JP 25348196 A JP25348196 A JP 25348196A JP 25348196 A JP25348196 A JP 25348196A JP H09129621 A JPH09129621 A JP H09129621A
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JP
Japan
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plasma
pedestal
pulse
voltage
substrate
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Application number
JP25348196A
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Japanese (ja)
Inventor
H Satoh Arthur
エイチ. サトウ アーサー
N Todorov Valentine
エヌ. トドロフ ヴァレンティン
Yuu Chan Shu
チャン シュー−ユー
Zuii In Gerald
ズィー. イン ジェラルド
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Applied Materials Inc
Original Assignee
Applied Materials Inc
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  • ing And Chemical Polishing (AREA)
  • Drying Of Semiconductors (AREA)
  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent an SiO2 protective layer under polysilicon in a contact hole from being etched when the polysilicon is etched by providing a step in which a bias is given to a pedestal under a first voltage and another step in which a pulse of a prescribed frequency is given to the pedestal. SOLUTION: During plasma treatment, a bias is given to a pedestal 20 supporting a substrate 22 in a plasma chamber 14. For giving the bias to the pedestal 20, a step in which the bias is given under a first voltage which is at least equal to an arbitrary positive voltage VB and another step in which a pulse having a polarity which is opposite to that of the voltage VB and an amplitude which is larger than that of the voltage VB is regularly or intermittently given to the pedestal 20 at a prescribed frequency are provided. For example, the plasma treatment can be performed by plasma etching and the first voltage can be adjusted to a negative voltage. In addition, and a pulse shifting to the positive side can be used as the pulse and the prescribed frequency can be selected from the range of RF frequencies.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ処理シス
テムに関するものであり、特に、高密度プラズマ処理チ
ャンバ内の基板ペデスタルに対するバイアス電力供給に
関するものである。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to plasma processing systems and, more particularly, to bias power supply to a substrate pedestal in a high density plasma processing chamber.

【0002】[0002]

【従来の技術】典型的なエッチングシステムにおいて
は、プロセスチャンバ内のペデスタル上に支持されてい
るウエハの上方の、反応性のガス(例えばSiClx
の雰囲気の中でプラズマを発生する。このプラズマは、
正の電荷を有するイオン(例えばClイオン)を発生す
る。ペデスタルとウエハにある負のDC電圧の自己バイ
アスを生じさせるため、一般に、ペデスタルにRFバイ
アス電力が印加される。このウエハの負のバイアス電圧
は、正の電荷を有するイオンを誘引し、これらを充分な
エネルギーでウエハに衝突させて化学反応を促進し、保
護層でマスクされていない部分をエッチングして取り去
る。衝突するイオンのエネルギーと、即ちエッチング速
度(エッチレイト)は、RFバイアス電力によりウエハ
に生じる負のバイアスによって、一部が決定される。
2. Description of the Related Art In a typical etching system, a reactive gas (eg, SiCl x ) above a wafer supported on a pedestal in a process chamber.
Plasma is generated in the atmosphere. This plasma is
Generates ions having a positive charge (for example, Cl ions). RF bias power is typically applied to the pedestal to cause self-biasing of the negative DC voltage present on the pedestal and the wafer. The negative bias voltage on the wafer attracts the positively charged ions, causing them to strike the wafer with sufficient energy to accelerate the chemical reaction and etch away the unmasked portions of the protective layer. The energy of the bombarding ions and thus the etch rate (etch rate) is determined in part by the negative bias produced on the wafer by the RF bias power.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】図1は、この方法によ
りエッチングを受ける半導体ウエハの一例の断面図であ
る。このウエハはSi製であり、薄い酸化物層2(例え
ば、〜100オングストロームのSiO2 )と、ポリシ
リコン層4と、マスク層6とにより覆われている。マス
ク層6はパターニングされて、ポリシリコン層の選択さ
れた部分、例えばコンタクトホールやバイア等の部分の
みが露出しており、ここがエッチングされることにな
る。衝突する反応性のガスイオンが、露出しているポリ
シリコンと化学反応して、このポリシリコンを除去す
る。しかし、エッチングは、均一に進まないことが多
い。特にコンタクトホールやその他のサブミクロンの大
きさの構造では、コンタクトホールの外側の領域は、コ
ンタクトの中心よりも速くエッチングが進む傾向があ
る。従って、コンタクトホールの外側の領域では、ホー
ルの中心でポリシリコンを全部エッチングにより取り去
る前に、その下のSiO2 保護層をエッチングにより叩
いてしまうことがある。コンタクトホール内に残ってい
るポリシリコンを除去するためにエッチングプロセスを
継続させた場合、SiO2 層の露出部分もエッチングし
てしまうだろう。エッチングプロセスがうまく制御でき
ない場合は、実際にSiO2 層までエッチングが進んで
しまい、製造しようとするデバイスや回路を破壊してし
まうだろう。このようなことが生じる機会を減少させる
ことが望ましい。
FIG. 1 is a cross-sectional view of an example of a semiconductor wafer subjected to etching by this method. The wafer is made of Si and is covered by a thin oxide layer 2 (eg ˜100 Å SiO 2 ), a polysilicon layer 4 and a mask layer 6. The mask layer 6 is patterned to expose only selected portions of the polysilicon layer, such as contact holes and vias, which will be etched. The impinging reactive gas ions chemically react with the exposed polysilicon to remove it. However, the etching often does not proceed uniformly. Particularly in contact holes and other sub-micron sized structures, the regions outside the contact holes tend to etch faster than the center of the contact. Therefore, in the region outside the contact hole, the SiO 2 protective layer thereunder may be hit by etching before the polysilicon is completely removed by etching at the center of the hole. If the etching process is continued to remove the polysilicon remaining in the contact holes, the exposed portions of the SiO 2 layer will also be etched. If the etching process is not well controlled, the etching will actually proceed to the SiO 2 layer and destroy the device or circuit to be manufactured. It is desirable to reduce the chances of this happening.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】概説的に言えば、本発明
は、1つの特徴として、プラズマ処理の間に、プラズマ
チャンバ内で基板を支持するペデスタルにバイアスを与
える方法である。この方法は、ある正の電圧VB よりも
少なくとも大きな第1の電圧でペデスタルにバイアスを
与えるステップと;定期的ないし間欠的に所定の周波数
のパルスをペデスタルに与えるステップであって、この
パルスは、第1の電圧の極性とは反対の極性を有し振幅
がVB よりも大きい、パルスを与えるステップとを有し
ている。
SUMMARY OF THE INVENTION Broadly speaking, the invention, in one aspect, is a method of biasing a pedestal supporting a substrate in a plasma chamber during plasma processing. The method comprises the steps of biasing the pedestal with a first voltage that is at least greater than some positive voltage V B ; periodically or intermittently applying a pulse of a predetermined frequency to the pedestal, which pulse comprises: A pulse having a polarity opposite to that of the first voltage and having an amplitude greater than V B.

【0005】好ましい具体例は、以下の特徴を有してい
る。所定の周波数とは、RF周波数の範囲であり、例え
ば、メガヘルツの範囲であり、あるいは、13.56M
Hzである。第1の電圧は負であり、パルスは、正に移
行するパルス(positive-going pulse)である。各サイク
ルの間は、プロセスは更に、パルスとパルスの間に、第
1の電圧の大きさを、第1の値から第2の値へと増加さ
せる工程を有している。このパルスの振幅と継続時間
は、前のパルスにより基板表面上に蓄積した正イオンが
中和されるに充分である。典型的には、パルス信号は約
30%未満のデューティーサイクル(duty cycle)、例え
ば約15%のデューティーサイクルを有している。例え
ば、13.56MHzの信号に対してパルスの継続時間
は約10ns(ナノ秒)未満であり、1nsのオーダー
の立ち上がり時間(rise time)を有している。
The preferred embodiment has the following features. The predetermined frequency is a range of RF frequency, for example, a range of megahertz, or 13.56M.
Hz. The first voltage is negative and the pulse is a positive-going pulse. During each cycle, the process further comprises increasing the magnitude of the first voltage between pulses from a first value to a second value between pulses. The amplitude and duration of this pulse are sufficient to neutralize the positive ions accumulated on the substrate surface by the previous pulse. Typically, the pulsed signal has a duty cycle of less than about 30%, for example about 15%. For example, for a 13.56 MHz signal, the pulse duration is less than about 10 ns (nanoseconds) and has a rise time on the order of 1 ns.

【0006】概説的に、本発明は、別の特徴として、プ
ラズマエッチングチャンバ内のペデスタル上に支持され
る基板をエッチングする方法である。この方法には、基
板に衝突する正の荷電を有するイオンを発生するプラズ
マを、基板の上方に発生させるステップと;バイアス波
形を基板に印加するステップと;周波数f0 でバイアス
波形を繰り返すステップとを有している。このバイアス
波形は、第1の部分と第2の部分を有している。第1の
部分は、継続時間がt1 であり、負のベースライン電圧
B よりも更に負である電圧V1 より特性が与えられ
る。第2の部分は正に移行するパルスであり、その継続
時間t2 でありベースライン電圧VB よりもV2 だけ上
に伸びており、V2 はベースライン電圧VB の大きさよ
りも大きい。
In general, the invention, in another aspect, is a method of etching a substrate supported on a pedestal in a plasma etching chamber. The method comprises the steps of: generating a plasma above the substrate that produces positively charged ions that impact the substrate; applying a bias waveform to the substrate; repeating the bias waveform at a frequency f 0. have. This bias waveform has a first portion and a second portion. The first part has a duration of t 1 and is characterized by a voltage V 1 that is even more negative than the negative baseline voltage V B. The second part is a pulse of positive transition, it extends upward by V 2 than its a duration t 2 baseline voltage V B, V 2 is greater than the magnitude of the baseline voltage V B.

【0007】好ましい具体例では、プラズマは高密度プ
ラズマであり、例えば、約1011イオン/cm3 よりも
大きなイオン密度を生じさせるような高密度プラズマで
ある。更に、t1<<t2であり、周波数f0 はRF周波
数の範囲にあり、例えば約13.56MHzである。ま
た、この方法は、更に、V1 を波形の第2の部分の間の
時間の関数として変化させるステップを有し、これは例
えばV1 の振幅を時間の関数として増加させるステップ
などである。換言すれば、サイクルの第2の部分の間に
基板表面上に蓄積する正イオンを補償するように、V1
を時間の関数として変化させ、その結果、基板上方のプ
ラズマシース(plasma sheath )の全体(端と端との間)
の電圧降下が実質的に一定になる。
In the preferred embodiment, the plasma is a high density plasma, such as one that produces an ion density greater than about 10 11 ions / cm 3 . Furthermore, t 1 << t 2 and the frequency f 0 is in the range of the RF frequency, for example about 13.56 MHz. Also, the method further comprising the step of changing the V 1 as a function of time during the second part of the waveform, this is like step of increasing as a function of time the amplitude of example V 1. In other words, V 1 to compensate for positive ions accumulating on the substrate surface during the second part of the cycle.
As a function of time, resulting in an overall plasma sheath above the substrate (between the edges).
The voltage drop at is substantially constant.

【0008】概説的に、また別の特徴としては、本発明
は、基板を支持するペデスタルが存在するプロセスチャ
ンバ内で、プラズマ処理を行う方法である。この方法
は、チャンバ内にガスを導入するステップと;チャンバ
内の基板の上方のガスにプラズマを発生させるステップ
であって、プラズマが正の電荷を有するイオンを発生し
これが基板表面に衝突する、プラズマ発生のステップ
と;基板表面に衝突する正電荷イオンのエネルギーを制
御するように、ペデスタルに負の電圧となるようバイア
スを与えるステップと;正に移行するパルスを、RFの
周波数範囲にある所定の周波数fでペデスタルに定期的
ないし間欠的に与えるステップであって、このパルス
は、直前のパルスにより基板表面上に蓄積した正イオン
が中和されるに充分な継続時間を有している、パルスを
与えるステップとを有している。
In general and in another aspect, the invention is a method of performing plasma treatment in a process chamber in which a pedestal supporting a substrate is present. The method comprises the steps of introducing a gas into the chamber; generating a plasma in the gas above the substrate in the chamber, the plasma generating ions of positive charge which impinge on the substrate surface. A step of generating plasma; a step of biasing the pedestal to a negative voltage so as to control the energy of positively charged ions colliding with the surface of the substrate; Periodically or intermittently on the pedestal at a frequency f of, the pulse having a duration sufficient to neutralize the positive ions accumulated on the substrate surface by the immediately preceding pulse, And applying a pulse.

【0009】概説的に、また別の特徴としては、本発明
は、プラズマエッチングシステムであって、動作中にプ
ラズマを形成して正に荷電したイオンを発するガスを有
するプラズマチャンバと;チャンバ内にありプラズマ処
理中に基板がその上に置かれるペデスタルと;ペデスタ
ルに電気的に接続しプラズマ処理中にRFバイアス電力
をペデスタルに供給するRFバイアス供給回路とを有す
るプラズマエッチングシステムである。プラズマ処理中
に基板表面に衝突する正電荷イオンのエネルギーを制御
するよう、RFバイアス供給回路は、ペデスタルにバイ
アスを与えて負の電圧となるようにし、また、RFバイ
アス供給回路は、ペデスタルに正に移行するパルスを所
定の周波数fで定期的ないし間欠的に与えるパルスジェ
ネレータを有しており、fはRF周波数の範囲にあり、
このパルスは、直前のパルスにより基板表面上に蓄積し
た正イオンが中和されるに充分な継続時間を有してい
る。
In general and in another aspect, the invention relates to a plasma etching system having a plasma chamber having a gas that forms a plasma during operation to emit positively charged ions; A plasma etching system having a pedestal on which a substrate is placed during plasma processing; and an RF bias supply circuit electrically connected to the pedestal and supplying RF bias power to the pedestal during plasma processing. An RF bias supply circuit biases the pedestal to a negative voltage to control the energy of the positively charged ions impinging on the substrate surface during plasma processing, and the RF bias supply circuit supplies a positive voltage to the pedestal. Has a pulse generator that periodically or intermittently supplies a pulse that shifts to a predetermined frequency f, where f is in the RF frequency range,
This pulse has sufficient duration to neutralize the positive ions accumulated on the substrate surface by the previous pulse.

【0010】概説的に、また別の特徴としては、本発明
は、プラズマエッチングシステムであって、動作中にプ
ラズマを形成して正に荷電したイオンを発するガスを有
するプラズマチャンバと;チャンバ内にありプラズマ処
理中に基板がその上に置かれるペデスタルと;ペデスタ
ルに電気的に接続するRFバイアス供給回路とを有する
プラズマエッチングシステムである。RFバイアス供給
回路は、正の電圧であるVB と少なくとも同じ大きさの
第1の電圧でペデスタルにバイアスを与え;バイアス供
給回路は、定期的ないし間欠的に所定の周波数で、ペデ
スタルにパルスを与え、このパルスは、第1の電圧の極
性とは逆の極性を有し、VB よりも大きな振幅を有して
いる。
In general and in another aspect, the invention provides a plasma etching system, comprising a plasma chamber having a gas that forms a plasma during operation to emit positively charged ions; A plasma etching system having a pedestal on which a substrate is placed during plasma processing; and an RF bias supply circuit electrically connected to the pedestal. An RF bias supply circuit biases the pedestal with a first voltage that is at least as great as the positive voltage V B ; the bias supply circuit periodically or intermittently pulses the pedestal at a predetermined frequency. Given, this pulse has a polarity opposite to that of the first voltage and has an amplitude greater than V B.

【0011】パルスバイアス波形を用いる本発明によれ
ば、従来のシステムにおいて用いられるような、RFバ
イアス電力信号の正弦波を利用して得ることができるも
のに比べて、はるかに狭いイオンエネルギー分布が得ら
れる。
The present invention, which uses a pulse bias waveform, provides a much narrower ion energy distribution than can be obtained using a sinusoid of the RF bias power signal, as used in conventional systems. can get.

【0012】本発明は、ポリシリコンのエッチングにと
りわけ有効である。このような用途の場合、極めて狭い
イオンエネルギー分布(IED:ion energy distributi
on)(即ち、エネルギーの単一性が高い分布)を生じる
ことが非常に望ましい。また、特定の閾値(例えば、1
0〜20eV)よりも低いイオンエネルギーを有するこ
とが望ましい。換言すれば、ポリシリコンを除去するた
めの化学反応を生じさせるのには十分であるが、スパタ
ッリングでウエハから酸化物を除去できるほど高くない
エネルギーが存在するっだろうということである。
The present invention is particularly effective for etching polysilicon. For such applications, an extremely narrow ion energy distribution (IED: ion energy distributi
on) (ie a distribution with a high degree of unity of energy) is highly desirable. In addition, a specific threshold (for example, 1
It is desirable to have an ion energy lower than 0-20 eV). In other words, there will be energy sufficient to cause the chemical reaction to remove the polysilicon, but not high enough to remove oxide from the wafer by spattering.

【0013】他の利点及び特徴については、望ましい実
施例に関する以下の説明及び請求項から明らかになるで
あろう。
Other advantages and features will be apparent from the following description of the preferred embodiment and the claims.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】図2に概略が示されているプラズ
マエッチングシステム10を参照して、本発明の説明を
行うことにする。プラズマエッチングシステム10は、
金属の真空チャンバ本体14の上部に取り付けられた、
誘電体材料製の円筒体12を有している。円筒体12の
一方の端部には、Oリングに押しつけられこのOリング
によりチャンバ本体14の真空シールを形成するフラン
ジがある。円形頂部プレート16が、円筒体12のもう
一方の端部をシールし、これにより、プラズマ処理が行
われるシールキャビティ18が形成される。プラズマキ
ャビティ18の中には、処理中に基板22(例えば、半
導体ウエハ)を保持するペデスタル20がある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention will be described with reference to a plasma etching system 10 schematically illustrated in FIG. The plasma etching system 10 is
Mounted on the top of the metal vacuum chamber body 14,
It has a cylindrical body 12 made of a dielectric material. At one end of the cylindrical body 12 is a flange that is pressed against the O-ring to form a vacuum seal for the chamber body 14. A circular top plate 16 seals the other end of the cylinder 12 thereby forming a seal cavity 18 in which the plasma treatment takes place. Within the plasma cavity 18 is a pedestal 20 that holds a substrate 22 (eg, a semiconductor wafer) during processing.

【0015】RF電力は、円筒体12の外壁に巻かれ
た、導電性ワイヤ、例えば銅等のワイヤできた円筒コイ
ルアンテナ24を介して、プラズマキャビティに供給さ
れる。円筒体12は誘電体ウィンドウを具備し、そこを
通して、RF電力をチャンバ中に結合することが可能で
ある。
RF power is supplied to the plasma cavity through a cylindrical coil antenna 24, which is wound on the outer wall of the cylindrical body 12 and is made of a conductive wire, such as copper. Cylinder 12 comprises a dielectric window through which RF power can be coupled into the chamber.

【0016】RFジェネレータ30は、コイルアンテナ
24にRF電力を供給する。出力インピーダンス50オ
ームのRFジェネレータ30は、50オーム同軸ケーブ
ル32を介してRF整合部分34に接続される。一般
に、RF整合部分34は、1つ以上の可変リアクタンス
部材(例えば、インダクタまたはコンデンサ)を有して
おり、この部材によってRF整合部のインピーダンスを
調整して、RFケーブル32とコイルアンテナ24との
整合条件を実現することにより、チャンバ内のプラズマ
に供給されるRF電力を最大にすることが可能になる。
RF整合部34内のRF検出回路は、チャンバ内への電
力の伝達をモニタし、これにより制御信号を発生して、
RF整合部34内の可変リアクタンス部材の値を調整し
て、整合条件を実現しこれを維持する。
The RF generator 30 supplies RF power to the coil antenna 24. The RF generator 30 with an output impedance of 50 ohms is connected to the RF matching portion 34 via a 50 ohm coaxial cable 32. In general, the RF matching portion 34 has one or more variable reactance members (for example, inductors or capacitors), and the impedance of the RF matching portion is adjusted by this member so that the RF cable 32 and the coil antenna 24 can be adjusted. Achieving the matching condition allows the RF power delivered to the plasma in the chamber to be maximized.
An RF detection circuit within the RF matching section 34 monitors the transfer of power into the chamber, thereby generating a control signal,
The value of the variable reactance member in the RF matching unit 34 is adjusted to realize and maintain the matching condition.

【0017】プラズマ処理システムに利用可能なRF整
合部の設計及び構成は、当業者にとって周知のところで
ある。適切なRF整合回路については、Collinsらによ
る米国特許第5,392,018号に記載されており、
適切なRF整合制御システムについては、Collinsらに
よる米国特許第5,187,454号に記載されてい
る。
The design and construction of RF matching sections that can be used in plasma processing systems are well known to those skilled in the art. A suitable RF matching circuit is described in US Pat. No. 5,392,018 by Collins et al.
A suitable RF matching control system is described in US Pat. No. 5,187,454 by Collins et al.

【0018】ペデスタル20には、別のRFジェネレー
タ42によって、同軸ケーブル44を介してバイアス電
力が供給される。分路抵抗器Rが、ペデスタルと並列に
大地に接続されている。
Bias power is supplied to the pedestal 20 by another RF generator 42 via a coaxial cable 44. A shunt resistor R is connected to ground in parallel with the pedestal.

【0019】もちろん、図2には示されていないが、完
全なプラズマシステムを構成する他の部材も存在する。
このような部材の2〜3の例を挙げれば、例えば、チャ
ンバを脱気するための真空ポンプ、プロセスガスのソー
ス、質量流量コントローラー及びプログラマブル制御回
路要素がある。これらの部材は、当業者にとって周知の
ところであり、従って、ここでは解説または図示は行わ
ない。しかし、完全な作業システムを与えるための、こ
のような他の部材の存在を想定しておくべきである。
Of course, although not shown in FIG. 2, there are other components that make up the complete plasma system.
A few examples of such members include, for example, vacuum pumps for degassing a chamber, a source of process gas, a mass flow controller and programmable control circuitry. These components are well known to those skilled in the art and therefore will not be discussed or illustrated here. However, the presence of such other components to provide a complete working system should be assumed.

【0020】RFジェネレータ30は、アンテナ24に
13. 56MHzの正弦波信号を供給する。これとは対
称的に、RFジェネレータ42は、図3に示すような特
性を備える13. 56MHzの波形を供給する。すなわ
ち、この波形は、約−VD のベースライン電圧62から
立ち上がる一連の正に移行するパルス60である。この
正に移行するパルスの振幅はV0 より大きいので、この
正に移行するパルスの継続時間の間に、基板にわずかに
正のバイアスを生じることになる。
The RF generator 30 supplies the antenna 24 with a sinusoidal signal of 13.56 MHz. In contrast to this, the RF generator 42 provides a 13.56 MHz waveform with the characteristics shown in FIG. In other words, this waveform is a pulse 60 to move to a series of positive rising from the base line voltage 62 of approximately -V D. Since the amplitude of this positive going pulse is greater than V 0, it will result in a slight positive bias on the substrate during the duration of this positive going pulse.

【0021】チャンバ内の反応性の雰囲気を用いて、エ
ッチングが実施される。反応ガスは、例えば、SiCl
x である。塩素は、ポリシリコン層と反応するが、酸化
物とは自然発生的な反応を生じることはない。当業者に
とって周知の他の反応性の雰囲気を利用してもよい。
Etching is carried out using the reactive atmosphere in the chamber. The reaction gas is, for example, SiCl
x . Chlorine reacts with the polysilicon layer but does not spontaneously react with oxides. Other reactive atmospheres known to those skilled in the art may be utilized.

【0022】このシステムは、高密度プラズマ領域にお
いて動作する。典型的には、高密度プラズマ領域は、イ
オン密度が約1011〜1013イオン/cm3 であること
を特徴とする。比較すれば、従来型の平行平板の放電シ
ステムにおいてプラズマによって得られる典型的なイオ
ン密度は、電力の入力が約1KWでは約109 〜1010
イオン/cm3 の間である。
The system operates in the high density plasma region. Typically, the high density plasma region is characterized by an ion density of about 10 11 -10 13 ions / cm 3 . By comparison, typical ion densities obtained by plasma in a conventional parallel plate discharge system are about 10 9 to 10 10 at a power input of about 1 kW.
Between ions / cm 3 .

【0023】ここに説明するの具体例の場合、アンテナ
24によって導入される誘導結合RF信号を用いて、高
密度プラズマを生じさせる。高密度プラズマ発生のため
の他の既知の代替ソースを利用することも可能である。
高密度プラズマの発生に利用可能な他のソースの例に
は、電子サイクロトン共鳴(ECR:electron cyclotro
n reasonance)及びヘリコンインデューストローンチン
グウェイブ(helicon induced launching waves)があ
る。こうしたソースを利用し、チャンバ圧をわずか数ミ
リトールとすることにより、1011〜1012イオン/c
3 のプラズマ密度を実現することが可能である。比較
のため、ガス1ミリトールが、約3×1013イオン/c
3 を与える点に留意されたい。従って、高密度プラズ
マ相で操作する場合、高度の転換(すなわち、イオン
化)が生じることになる。
In the embodiment described herein, the inductively coupled RF signal introduced by antenna 24 is used to generate a high density plasma. Other known alternative sources for high density plasma generation can also be utilized.
Examples of other sources that can be used to generate high density plasma include electron cyclotron resonance (ECR).
n reasonance) and helicon induced launching waves. By using such a source and setting the chamber pressure to only a few millitorr, 10 11 to 10 12 ions / c
It is possible to achieve a plasma density of m 3 . For comparison, 1 millitorr gas is about 3 × 10 13 ions / c
Note that it gives m 3 . Therefore, when operating in the dense plasma phase, a high degree of conversion (ie, ionization) will occur.

【0024】SiO2 層上のポリシリコンにエッチング
を施すための典型的な電力操作条件は、RFコイルに対
して約500ワット、及び、約20ワットのバイアス電
力である。これによって、約10〜20eVの範囲内の
イオンエネルギーが生じるが、これは、所望の化学エッ
チング反応を生じやすくするのに十分であるが、SiO
2 にスパッタリングまたは損傷を生じさせるエネルギー
よりも低い。
Typical power operating conditions for etching polysilicon on a SiO 2 layer are about 500 watts and about 20 watts bias power for the RF coil. This produces an ion energy in the range of about 10-20 eV, which is sufficient to facilitate the desired chemical etching reaction, but not SiO2.
Less than the energy that causes sputtering or damage to 2 .

【0025】また、ここに説明する具体例の場合、RF
パルスジェネレータ42は、立ち上がり時間が約1ns
で、継続時間が約10ns未満のパルスを発生する。ジ
ェネレータ42は従来の設計であり、当業者にとって周
知の回路構成を利用するものである。
In the case of the specific example described here, RF
The pulse generator 42 has a rise time of about 1 ns
, A pulse having a duration of less than about 10 ns is generated. Generator 42 is of conventional design and utilizes circuitry well known to those skilled in the art.

【0026】図2に示すように、処理実施中、分路抵抗
器Rには電流I0 が流される。Rの値は、この電流I0
がプラズマに流入する電流よりもはるかに多量になるよ
うに選択される。換言すれば、抵抗Rは、RFパルスジ
ェネレータに表れる負荷を支配し、従って、通常こうし
たシステムに生じるプラズマのインピーダンス変動によ
って、パルスジェネレータ42に表れる負荷インピーダ
ンスが大きく影響されるようなことはない。このような
場合、整合回路網を用いて電力をプラズマに結合する必
要はない。
As shown in FIG. 2, a current I 0 is passed through the shunt resistor R during the process. The value of R is the current I 0
Is chosen to be much higher than the current flowing into the plasma. In other words, the resistance R dominates the load presented to the RF pulse generator, and thus the impedance variation of the plasma that normally occurs in such systems does not significantly affect the load impedance presented to the pulse generator 42. In such cases, it is not necessary to use a matching network to couple power to the plasma.

【0027】図4に示すように、整合トランス45を用
いて、パルスジェネレータ42を、Rとプラズマインピ
ーダンスの並列組み合わせによって表されている負荷に
結合するのが望ましい場合もあるだろう。整合トランス
45は、負荷インピーダンスを約50オームに変換し
て、パルスジェネレータ42の出力インピーダンスを整
合させ、これによって、電力とペデスタル20のより有
効な結合が得られるようにする。
As shown in FIG. 4, it may be desirable to use a matching transformer 45 to couple the pulse generator 42 to a load represented by a parallel combination of R and plasma impedance. Matching transformer 45 transforms the load impedance to about 50 ohms to match the output impedance of pulse generator 42, thereby providing a more effective coupling of power and pedestal 20.

【0028】ここに説明したバイアス回路は、基板22
が、導電性であり、 ペデスタル20によってそれとの直
接電気接触が可能であること、すなわち、導電性基板の
背面とペデスタルの上部のいずれにも絶縁層が存在しな
いことを想定したものである。静電チャックの場合のよ
うに、導電性基板の背面とペデスタルの上部のいずれか
に絶縁層が存在する場合には、RFジェネレータ30の
ような一般的なRFジェネレータを用いて、基板に対す
る所望のバイアス電圧を生じさせることが必要になる。
その場合、パルスジェネレータは、直流オフセットを生
じる必要はなく、ゼロボルトのベースライン電圧から立
ち上がるパルスを出力することができるだけである。
The bias circuit described herein is based on the substrate 22.
However, the assumption is that the pedestal 20 is electrically conductive and can make direct electrical contact with it, that is, there is no insulating layer on either the back of the conductive substrate or the top of the pedestal. If an insulating layer is present either on the back side of the conductive substrate or on top of the pedestal, as is the case with an electrostatic chuck, then a conventional RF generator, such as RF generator 30, may be used to create the desired substrate. It is necessary to generate a bias voltage.
In that case, the pulse generator need not produce a DC offset and can only output pulses rising from a baseline voltage of zero volts.

【0029】上述のプラズマシステムが、高密度の状況
で操作され、図3に示すパルス化波形が用いられる場
合、その結果生じるイオンエネルギー分布は、図5に示
すとおりである。水平軸は、プラズマシースを通り、基
板表面に衝撃を与えるイオンのエネルギーを表してお
り、垂直軸は、基板表面に到達するイオン束をイオン/
cm2 /秒で表している。図から分かるように、パルス
化RF波形によって、2つの狭いピーク、すなわち、低
エネルギーE1 における低い振幅ピーク50、及び、高
エネルギーE2 におけるはるかに高い振幅ピーク52を
有するイオンエネルギー分布が得られる。エネルギーE
2 を有するイオンは、行われる化学エッチングプロセス
を助けるが、低すぎて、エッチングプロセスの助けにな
らないエネルギーE1 を有するイオンは、エネルギーの
浪費ということになる。
When the plasma system described above is operated in a high density situation and the pulsed waveform shown in FIG. 3 is used, the resulting ion energy distribution is as shown in FIG. The horizontal axis represents the energy of ions that pass through the plasma sheath and strike the substrate surface, and the vertical axis represents the ion flux that reaches the substrate surface.
It is expressed in cm 2 / sec. As can be seen, the pulsed RF waveform results in an ion energy distribution with two narrow peaks, a low amplitude peak 50 at low energy E 1 and a much higher amplitude peak 52 at high energy E 2 . . Energy E
Ions with 2 help the chemical etching process that takes place, but ions with energy E 1 that is too low to help the etching process is a waste of energy.

【0030】図3のパルス波形がもたらす改良を理解す
るには、図5に示すイオンエネルギー分布と従来の高密
度プラズマエッチングシステムによって得られるイオン
エネルギー分布を比較することが有効である。従来のシ
ステムの場合、ペデスタルにバイアスをかけるために用
いられるRFジェネレータは、図6(a)に示すような
RF波形70を出力し、それによって、図7に示すよう
なイオンエネルギー分布が得られる。図5のIEDのよ
うな、このイオンエネルギー分布は、やはり、2つのピ
ーク、すなわち、低エネルギーピーク54と高エネルギ
ーピーク56を有している。しかし、パルス波形によっ
て得られるIEDと比較すると、高エネルギーイオンの
総数が少なく、低エネルギーイオンの総数が多い。さら
に、両方のピークとも、より大きく広がっており、比較
的裾が長い。要するに、このイオンエネルギー分布は、
本発明によって得られるIEDよりもはるかに集中度が
低い。従来のシステムの場合、一般に、高エネルギーピ
ークを超えるエネルギーを有するイオンは、ポリシリコ
ンを貫通してしまうと、保護酸化物層に多少のスパッタ
リングを生じさせることになりがちである。図1を参照
すると、これによって、保護酸化物に侵食80を生じ、
それがあまりにひどい場合には、侵食によって、製作中
のデバイスが破壊されることになる。高エネルギーピー
クより低いエネルギーを有するイオン、とりわけ、低エ
ネルギーピークのあたりのエネルギーを有するイオン
は、全て、エッチングプロセスにほとんど貢献すること
はなく、実際、大部分はエネルギーの浪費である。
To understand the improvement brought about by the pulse waveform of FIG. 3, it is useful to compare the ion energy distribution shown in FIG. 5 with the ion energy distribution obtained by a conventional high density plasma etching system. In a conventional system, the RF generator used to bias the pedestal outputs an RF waveform 70 as shown in Figure 6 (a), which results in an ion energy distribution as shown in Figure 7. . This ion energy distribution, like the IED of FIG. 5, again has two peaks, a low energy peak 54 and a high energy peak 56. However, the total number of high energy ions is small and the total number of low energy ions is large as compared with the IED obtained by the pulse waveform. In addition, both peaks are much broader and relatively long-tailed. In short, this ion energy distribution is
It is much less concentrated than the IED obtained by the present invention. In conventional systems, ions with energies above the high energy peaks generally tend to cause some sputtering of the protective oxide layer once they penetrate the polysilicon. Referring to FIG. 1, this causes erosion 80 in the protective oxide,
If too terrible, erosion will destroy the device being manufactured. Ions with energies lower than the high energy peaks, especially those with energies around the low energy peaks, all contribute little to the etching process and, in fact, are mostly energy wasted.

【0031】低エネルギーイオンは、ノッチングとして
知られる現象に影響を及ぼすものと考えられている。再
度図1を参照すると、エッチングが接触ホールの底部に
達すると、底部のコーナを優先的に侵食する傾向があ
り、これによって、酸化物に切り込みを生じ、「ノッ
チ」90が形成されるが、これは極めて望ましくない。
ノッチングの原因は、十分に理解されていない。ある理
論では、エッチングプロセス中に除去されるエッチング
生成物が、エッチングされたホール(穴)の側壁に付着
し、この再付着した生成物が側壁を保護する傾向を有す
るものと考えられている。エッチングが底部に達する
と、それ以上エッチングされる材料がなく、側壁にこれ
以上物質が付着することはない。従って、ホールのまさ
しく底部に近い側壁は、保護されないことになる。ま
た、低速のイオン(すなわち、低エネルギーイオン)
は、ノッチを形成する可能性があると考えられている。
一般に、低速のイオンは、より簡単に偏向して側壁にぶ
つかることになるので、これによって、側壁のエッチレ
イトを向上させることが可能である。
Low energy ions are believed to affect a phenomenon known as notching. Referring again to FIG. 1, when the etch reaches the bottom of the contact hole, it tends to preferentially erode the corners of the bottom, which causes a notch in the oxide, forming a "notch" 90, This is highly undesirable.
The cause of notching is not well understood. One theory believes that the etching products that are removed during the etching process adhere to the sidewalls of the etched holes and that these redeposited products tend to protect the sidewalls. When the etching reaches the bottom, there is no more material to be etched and no more material deposits on the sidewalls. Therefore, the sidewalls of the hole that are very close to the bottom will not be protected. Also, slow ions (ie low energy ions)
Are believed to potentially form notches.
This can improve sidewall etch rate, since slower ions will generally deflect more easily and strike the sidewalls.

【0032】上述のRFパルスバイアス波形によって、
低エネルギーすなわち低速のイオン数が大幅に減少し、
従って、ノッチングの一因となると考えられるメカニズ
ムの1つが弱められる。
By the above-mentioned RF pulse bias waveform,
The number of low-energy or slow ions is greatly reduced,
Therefore, one of the mechanisms believed to contribute to notching is weakened.

【0033】このパルス化波形によってエネルギーの単
一度がはるかに高いイオンエネルギー分布が得られる理
由については、基板表面に到達するイオンのエネルギー
を決めるメカニズムを再検討することによって理解する
ことが可能である。チャンバ内にプラズマが発生する
と、基板上方にプラズマシースが形成される。このシー
スは、低速で移動する正荷電イオンが、カソードにおけ
る負のバイアスによって基板からはねのけられた高速移
動電子よりも数多く存在する領域を表している。プラズ
マ中に発生するイオンは、このシースの両端間の電位を
降下させる。従って、イオンに付与されるエネルギー
は、このプラズマシースの両端間の電圧降下に比例す
る。
The reason why this pulsed waveform gives an ion energy distribution having a much higher degree of unity of energy can be understood by reexamining the mechanism that determines the energy of the ions reaching the substrate surface. . When plasma is generated in the chamber, a plasma sheath is formed above the substrate. The sheath represents a region where slow moving positively charged ions are more abundant than fast moving electrons that are repelled from the substrate by the negative bias at the cathode. Ions generated in the plasma reduce the potential across the sheath. Therefore, the energy imparted to the ions is proportional to the voltage drop across this plasma sheath.

【0034】シースの厚さxは、一般に、下記のように
密度に関係する:
The sheath thickness x is generally related to the density as follows:

【数1】 ここで、ηi は、プラズマシースにおけるイオン密度で
あり、Vは、シースの両端間における電圧であり、e
は、電子の電荷であり、ε0 は、自由空間の誘電透過率
である。この式は、シース内における均一な電荷分布を
想定している。この近似から明らかなように、プラズマ
シースは、イオン密度が高くなるにつれて漸次小さくな
る。
(Equation 1) Where η i is the ion density in the plasma sheath, V is the voltage across the sheath, and e
Is the charge of the electron and ε 0 is the dielectric transmittance of free space. This equation assumes a uniform charge distribution within the sheath. As is clear from this approximation, the plasma sheath becomes progressively smaller as the ion density increases.

【0035】13. 56MHz及び低圧で(すなわち、
低圧、低密度プラズマ内で)実行される、従来のRF波
形を用いた平行平板のRF放電の場合、典型的なシース
厚さは、イオンがRFバイアス信号の1周期中に移動す
る距離に比べて厚い。従って、その場合、イオンは、シ
ースを横切るのに多くのRF周期を要することになる。
このため、イオンエネルギーは、シース内における時間
平均電界によって支配される。この結果の1つとして、
低圧低密度による実施の場合、RFカソードにおけるイ
オンエネルギー分布は、裾が長く、特徴的なスパイクを
1つ有する傾向がある。
At 13.56 MHz and low pressure (ie,
For a parallel plate RF discharge with a conventional RF waveform, performed in a low pressure, low density plasma), the typical sheath thickness is compared to the distance ions travel during one period of the RF bias signal. And thick. Therefore, in that case, the ions will take many RF cycles to traverse the sheath.
Therefore, the ion energy is dominated by the time-averaged electric field in the sheath. One of the results is
When implemented at low pressure and low density, the ion energy distribution at the RF cathode tends to have a long tail and one characteristic spike.

【0036】これに対し、低圧高密度プラズマの場合、
シース厚がはるかに薄くなる。密度が十分に高ければ、
RF信号の1周期の長さと比べて、より迅速にイオンが
それを通り抜けることになるほど、シースは薄くなる。
換言すれば、イオンエネルギーは、シース全体の瞬間電
圧降下の例となる傾向がある。従って、電圧降下が変動
するにつれ、シースを通過するイオンのエネルギーも変
動する。
On the other hand, in the case of low pressure and high density plasma,
The sheath thickness is much thinner. If the density is high enough,
The faster the ions pass through it, the thinner the sheath, compared to the length of one period of the RF signal.
In other words, ion energy tends to be an example of the instantaneous voltage drop across the sheath. Therefore, as the voltage drop varies, so does the energy of the ions passing through the sheath.

【0037】これについてより明確に検分するため、従
来のシステムを例示する基板電位70及びプラズマ電位
66をそれぞれ示す図6を参照する。 プラズマ電位66
は、わずかに正の電位で振動し;基板電位70は、VA
ボルトの大きさよりわずかに小さい直流バイアスVDC
近でVA ボルトの振幅で振動する。ある短い期間の間、
ウエハの電位がわずかに正であり、その時間中、プラズ
マシースは完全に崩壊し、電子が基板表面に流入し、そ
れに蓄積されたイオンを中性化する。シースの端から端
の電位降下は、小さい値△V1 から大きい値△V2 に連
続して変化する。任意の所定のエネルギーにおけるイオ
ン数は、そのエネルギーに関連した電位降下の継続時間
によって決まる。シース両端間における瞬間電圧降下の
例となるイオンの場合、相対的電圧降下がある大きい値
からある小さい値まで振動すれば、イオンがさらされる
電圧が連続に広がるため、イオンエネルギーを連続的に
広げることができる。
To see this more clearly, reference is made to FIG. 6, which shows a substrate potential 70 and a plasma potential 66, respectively, which illustrates a conventional system. Plasma potential 66
Oscillates at a slightly positive potential; the substrate potential 70 is V A
It oscillates with an amplitude of V A volts near a DC bias of V DC which is slightly less than the magnitude of the volts. For a short period
The potential of the wafer is slightly positive, during which time the plasma sheath completely collapses and electrons flow to the surface of the substrate, neutralizing the ions stored therein. The potential drop across the sheath changes continuously from a small value ΔV 1 to a large value ΔV 2 . The number of ions at any given energy depends on the duration of the potential drop associated with that energy. In the case of an ion, which is an example of an instantaneous voltage drop across the sheath, if the relative voltage drop oscillates from a large value to a small value, the voltage to which the ion is exposed will spread continuously, thus spreading the ion energy continuously. be able to.

【0038】要するに、高密度による実施の場合、カソ
ードの正弦波RF電圧信号によって、カソードに到達す
るイオンに広範囲にわたる運動エネルギーが生じること
になる。
In summary, for high density implementations, the sinusoidal RF voltage signal at the cathode will produce a wide range of kinetic energy for the ions reaching the cathode.

【0039】これに対し、パルス化波形の場合、プラズ
マシースの端と端の間に連続して変動する電圧降下は生
じない。それどころか、イオンが遭遇する電圧降下は、
2つの値の一方、すなわち、パルスの持続中の小さい値
とサイクルの残りの部分における大きい降下値(例え
ば、〜V0 )の一方を示す。このため、カソードにイオ
ンエネルギーの2つの狭い「帯域」を生じることになり
がちである。
On the other hand, in the case of a pulsed waveform, there is no continuously varying voltage drop between the ends of the plasma sheath. On the contrary, the voltage drop that the ion encounters is
One of two values is shown: a small value for the duration of the pulse and a large drop value for the rest of the cycle (eg ~ V 0 ). This tends to result in two narrow "bands" of ion energy at the cathode.

【0040】波形の高レベルと低レベルの両方の期間中
に、イオンがシースを横切る。カソードに到達する高エ
ネルギーイオンと低エネルギーイオン数は、それぞれ、
低電圧レベルと高電圧レベルの継続時間に比例する。す
なわち、2つのピークの振幅は、波形の2つの位相の相
対的継続時間に比例する。パルスの継続時間をtlow
波形の残りの部分の継続時間をthighと仮定し、また、
2つのピークの高さをそれぞれ、Plow 及びPhighであ
ると仮定すると、下記の関係が適用できる;
Ions cross the sheath during both the high and low levels of the waveform. The number of high energy ions and low energy ions reaching the cathode is
Proportional to the duration of the low and high voltage levels. That is, the amplitude of the two peaks is proportional to the relative duration of the two phases of the waveform. The duration of the pulse is t low ,
Assume the duration of the rest of the waveform is t high, and
Assuming the heights of the two peaks are P low and P high , respectively, the following relationship applies;

【数2】 従って、低エネルギーピークの高さを最低限に抑えるに
は、正に移行するパルスの継続時間tlow をできるだけ
短くすべきである。
(Equation 2) Therefore, to minimize the height of the low energy peaks, the duration t low of the positive going pulse should be as short as possible.

【0041】一般に、正に移行するパルスの継続時間
は、サイクルの残りの部分において連続して脱出するイ
オンによってウエハ表面に伝送される正電荷を相殺する
のに十分な数の電子が、シースを横切るのを可能ならし
めるのに十分な長さでありさえすればよい。電子は、か
なり(すなわち、その質量比の平方根だけ)重いイオン
よりもはるかに速く移動するので、この時間は、極めて
短くなるはずである。バイアス信号として用いられる正
弦波が13. 56MHzの場合(すなわち、従来のシス
テムの場合)、シースは、およそ数ナノ秒で完全に崩壊
するが、電子が電極に到達し、それを中性化するのに必
要なのはそれだけである。従って、ナノ秒のオーダのパ
ルスで、十分な長さのはずである。しかし、こうした立
ち上がりの短くて、速いパルスを発生するのに必要な高
度な回路要素を利用しなくても済むようにするため、実
際には、パルスの継続時間は、10ナノ秒(または20
ナノ秒でさえ)がより実用的かもしれない。パルス繰り
返し数が13. 56MHzで、パルス継続時間が10n
sの場合、全サイクルの長さは約73nsであり、従っ
て、正に移行するデューティーサイクルは、約15%未
満である。
In general, the duration of the positive going pulse is such that there are enough electrons in the sheath to offset the positive charge transferred to the wafer surface by the ions that are continually escaping for the remainder of the cycle. It need only be long enough to allow it to cross. This time should be extremely short, since the electrons move much faster (ie by the square root of their mass ratio) than the heavier ions. If the sine wave used as the bias signal is 13.56 MHz (ie, in conventional systems), the sheath will completely collapse in approximately a few nanoseconds, but the electron will reach the electrode and neutralize it. That's all you need to do it. Therefore, a pulse on the order of nanoseconds should be long enough. However, the pulse duration is actually 10 nanoseconds (or 20 nanoseconds) in order to avoid having to utilize the advanced circuitry necessary to generate these short, fast pulses.
Even nanoseconds) may be more practical. Pulse repetition rate is 13.56MHz, pulse duration is 10n
For s, the total cycle length is about 73 ns, so the positive going duty cycle is less than about 15%.

【0042】パルス波形が低レベル(すなわち、ペデス
タル電圧が−V0 )の間、イオンはカソードに移動し、
低電圧の開始時にポンピングによってカソードに送られ
た負電荷を中性化する。従って、シース電界は、サイク
ルの進行につれて、定電圧からある程度崩壊する。これ
は、波形の低電圧部分(すなわち、パルス外の領域)の
持続中に、負の勾配のランプ(ramp)69(図3参照)を
なすように、ポンピングによってカソードに負電荷を送
ることによって阻止することが可能である。負勾配ラン
プの勾配は、基板表面に正の荷電イオンをゆっくりと集
めようとするこの傾向を補償するように選択される。適
正に選択された場合、負勾配ランプによって、シース電
界がより安定した値に維持され、従って、到達したイオ
ンのエネルギーが一定に保持される(すなわち、よりエ
ネルギー単一性の高いIEDが得られる)。
During the low level of the pulse waveform (ie, the pedestal voltage is -V 0 ), the ions move to the cathode and
It neutralizes the negative charge delivered to the cathode by pumping at the beginning of the low voltage. Therefore, the sheath electric field collapses from the constant voltage to some extent as the cycle progresses. This is done by pumping a negative charge to the cathode so as to create a negative slope ramp 69 (see FIG. 3) during the low voltage portion of the waveform (ie, the region outside the pulse). It is possible to prevent it. The gradient of the negative gradient ramp is selected to compensate for this tendency to slowly collect positively charged ions at the substrate surface. When properly selected, the negative gradient ramp keeps the sheath field at a more stable value, thus keeping the energy of the arriving ions constant (ie, a more energy-unity IED is obtained). ).

【0043】例示のため、最も単純な形態の補償、すな
わち、線形の負勾配ランプが示されたという点に留意さ
れたい。もちろん、より複雑な(例えば、指数関数的に
減衰する)波形を利用して、サイクルのこの期間中にウ
エハ表面に漸次生じるイオンの蓄積をより正確に補償す
ることが可能である。
Note that for illustration, the simplest form of compensation, a linear negative slope ramp, has been shown. Of course, more complex (eg, exponentially decaying) waveforms can be utilized to more accurately compensate for gradual ion accumulation on the wafer surface during this period of the cycle.

【0044】ここに指摘したように、パルスバイアスの
技法は、とりわけ、ポリシリコンエッチングプロセスに
有効である。この技法の恩恵を受けることになる他のエ
ッチングプロセスには、アルミニウム及び酸化物(例え
ば、Si02 )のエッチングがある。実施条件は、こう
した他のプロセスに合わせて適宜調整される。例えば、
反応ガスでアルミニウムにエッチングを施す場合、コイ
ルに対するRF電力は、約100〜200ワットのバイ
アス電力で約1. 5kWの範囲内になる。酸化物エッチ
ングプロセスの場合、コイルに対するRF電力は、約1
kWのバイアス電力で約2kWになる。これらの数字
は、単に許容可能な実施条件の大まかな推定値を示そう
というものであり、また、他の条件は適合しないという
ことを意味するつもりのものではない。
As pointed out herein, the pulse bias technique is particularly useful for polysilicon etching processes. Other etching processes that would benefit from this technique include aluminum and oxide (eg, SiO 2 ) etching. Implementation conditions are adjusted as appropriate for these other processes. For example,
When etching aluminum with a reactive gas, the RF power to the coil is in the range of about 1.5 kW with a bias power of about 100-200 watts. For oxide etch processes, the RF power to the coil is about 1
With a bias power of kW, it is about 2 kW. These numbers are only intended to give a rough estimate of acceptable practice conditions, and are not meant to imply that other conditions are not met.

【0045】無論、当然明らかなように、この技法は、
ウエハ/基板にバイアスをかけて、衝撃を与える荷電粒
子(例えば、イオン)のエネルギーを制御する他のプラ
ズマ処理にも適用することが可能である。
Of course, as is obvious, this technique
It is also applicable to other plasma processes where the wafer / substrate is biased to control the energy of the bombarding charged particles (eg, ions).

【0046】図6(a)から明らかなように、イオンエ
ネルギーは、カソード(より正確にはウエハ表面)の電
位によって決まるだけでなく、カソードシースのもう一
方の側におけるプラズマ電位によっても決まる。従っ
て、安定したプラズマ電位は、イオンエネルギー分布を
さらに改善する(すなわち、より狭くする)ことが可能
である。このプラズマ電位を安定させるための既知の技
法が存在する。例えば、いくつか挙げてみると、ファラ
デーシールディング、絶縁トランス、平衡RF入力、及
び、コイルとカソード間の距離の延長などを利用するこ
とが可能である。
As is apparent from FIG. 6A, the ion energy is determined not only by the potential of the cathode (more accurately, the wafer surface) but also by the plasma potential on the other side of the cathode sheath. Therefore, a stable plasma potential can further improve (ie, narrower) the ion energy distribution. There are known techniques for stabilizing this plasma potential. For example, Faraday shielding, isolation transformers, balanced RF inputs, and extending the distance between the coil and the cathode can be used, to name a few.

【0047】[0047]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、コンタクトホール等のエッチングにおいて、コン
タクトホールの外側の領域で、ホールの中心でポリシリ
コンを全部エッチングにより取り去る前に、その下のS
iO2 保護層をエッチングにより叩いてしまうことが防
止されるようになる。
As described above in detail, according to the present invention, in the etching of a contact hole or the like, before the entire polysilicon is removed by etching in the region outside the contact hole, the polysilicon is removed at the center thereof. Of S
It is possible to prevent the iO 2 protective layer from being hit by etching.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】エッチングを施される半導体構造の略断面図で
ある。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor structure to be etched.

【図2】本発明を具現化した高密度プラズマエッチング
システムのブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram of a high density plasma etching system embodying the present invention.

【図3】図1に示すペデスタルに加えられるRF信号に
関する電圧波形である。
3 is a voltage waveform for an RF signal applied to the pedestal shown in FIG.

【図4】図1に示すペデスタルに接続されたバイアス回
路に関する代替構成を示す図である。
4 is a diagram showing an alternative configuration for a bias circuit connected to the pedestal shown in FIG.

【図5】図2に示す波形を用いた結果生じるイオンエネ
ルギー分布(IED)を示す図である。
5 is a diagram showing an ion energy distribution (IED) resulting from using the waveform shown in FIG.

【図6】(a)は、従来のRFバイアス波形を用いた場
合のプラズマ電位及びペデスタル電位を示す図であり、
(b)は、(a)の従来のRFバイアス波形に関連した
RFパルス波形を示す図である。
6A is a diagram showing a plasma potential and a pedestal potential when a conventional RF bias waveform is used, FIG.
(B) is a figure which shows the RF pulse waveform relevant to the conventional RF bias waveform of (a).

【図7】正弦波RFバイアス波形を用いた従来の高密度
プラズマエッチングシステムに関するイオンエネルギー
分布を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing ion energy distribution for a conventional high density plasma etching system using a sinusoidal RF bias waveform.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2…酸化物層、4…ポリシリコン層、6…マスク層、1
0…プラズマエッチングシステム、12…円筒体、14
…真空チャンバ本体、16…円形上部プレート、18…
密封キャビティ、20…ペデスタル、22…基板、24
…円筒形コイルアンテナ、30…RFジェネレータ、3
2…同軸ケーブル、34…RF整合部、42…RFジェ
ネレータ、44…同軸ケーブル、45…整合トランス、
90…ノッチ。
2 ... Oxide layer, 4 ... Polysilicon layer, 6 ... Mask layer, 1
0 ... Plasma etching system, 12 ... Cylindrical body, 14
... Vacuum chamber body, 16 ... Circular upper plate, 18 ...
Sealed cavity, 20 ... Pedestal, 22 ... Substrate, 24
... Cylindrical coil antenna, 30 ... RF generator, 3
2 ... coaxial cable, 34 ... RF matching section, 42 ... RF generator, 44 ... coaxial cable, 45 ... matching transformer,
90 ... notch.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴァレンティン エヌ. トドロフ アメリカ合衆国, カリフォルニア州, フレモント, ウォルコット コモン 3300, ナンバー202 (72)発明者 シュー−ユー チャン アメリカ合衆国, カリフォルニア州, ミルピタス, ローズ ドライヴ 230 (72)発明者 ジェラルド ズィー. イン アメリカ合衆国, カリフォルニア州, キュパティノ, ビリチ プレイス 10132 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Valentin N. Todorov United States, California, Fremont, Walcott Common 3300, Number 202 (72) Inventor Sue-Uuchan, Milpitas, California, United States, California Rose Drive 230 (72) Inventor Gerald Zie. Inn United States, California, Cupertino, Villich Place 10132

Claims (26)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 プラズマ処理の間に、プラズマチャンバ
内で基板を支持するペデスタルにバイアスを与える方法
であって、 前記ペデスタルに、任意の正の電圧VB と少なくとも等
しい第1の電圧でバイアスを与えるステップと、 前記ペデスタルに、定期的ないし間欠的に所定の周波数
で、前記第1の電圧の極性と逆の極性を有し前記VB
りも大きな振幅を有するパルスを与えるステップと、を
有する方法。
1. A method of biasing a pedestal supporting a substrate in a plasma chamber during plasma processing, the pedestal being biased with a first voltage at least equal to any positive voltage V B. And a step of applying to the pedestal periodically or intermittently at a predetermined frequency, a pulse having a polarity opposite to the polarity of the first voltage and having an amplitude larger than V B. Method.
【請求項2】 前記所定の周波数がRF(radio frequen
cy)周波数の範囲にある請求項1に記載の方法。
2. The predetermined frequency is RF (radio frequency)
cy) The method of claim 1 in the frequency range.
【請求項3】 前記所定の周波数が約13.56MHz
である請求項2に記載の方法。
3. The predetermined frequency is about 13.56 MHz
3. The method according to claim 2, wherein
【請求項4】 前記第1の電圧が負であり、前記パルス
が正に移行するパルスである請求項2に記載の方法。
4. The method of claim 2, wherein the first voltage is negative and the pulse is a positive going pulse.
【請求項5】 各サイクルにおいて、パルスとパルスの
間で前記第1の電圧の大きさを第1の値から第2の値ま
で上昇させるステップを更に有する請求項4に記載の方
法。
5. The method of claim 4, further comprising increasing the magnitude of the first voltage between pulses from a first value to a second value between pulses in each cycle.
【請求項6】 前記パルスの振幅と継続時間が、直前の
パルス以来、基板表面上に蓄積された正イオンを実質的
に中和するに充分である請求項4に記載の方法。
6. The method of claim 4, wherein the pulse amplitude and duration are sufficient to substantially neutralize the positive ions accumulated on the substrate surface since the last pulse.
【請求項7】 前記パルスが、約10ナノ秒(ns)よ
りも短い継続時間を有する請求項4に記載の方法。
7. The method of claim 4, wherein the pulse has a duration of less than about 10 nanoseconds (ns).
【請求項8】 前記パルスが、1何ナノ秒(ns)のオ
ーダーの立ち上がり時間を有する請求項4に記載の方
法。
8. The method of claim 4, wherein the pulse has a rise time on the order of nanoseconds (ns).
【請求項9】 前記パルスの信号が、約30%よりも短
いデューティーサイクルを有する請求項4に記載の方
法。
9. The method of claim 4, wherein the pulsed signal has a duty cycle of less than about 30%.
【請求項10】 前記パルスの信号が、約15%よりも
短いデューティーサイクルを有する請求項9に記載の方
法。
10. The method of claim 9, wherein the pulsed signal has a duty cycle of less than about 15%.
【請求項11】 プラズマエッチングチャンバ内でペデ
スタルに支持された基板をエッチングする方法であっ
て、 基板に衝突することとなる正の電荷を有するイオンを生
じるプラズマを、基板の上方に発生させるステップと、 第1の部分と第2の部分とを有するバイアス波形を基板
に与えるステップであって、前記第1の部分は、継続時
間t1 を有し、負の電圧であるベースライン電圧VB
りも更に負である電圧V1 により特性が与えられ、前記
第2の部分は、継続時間t2 を有し、前記ベースライン
電圧VB の大きさよりも大きなV2 に等しい量だけ前記
ベースライン電圧VB から上に伸びる、前記ステップ
と、 前記バイアス波形を周波数f0 で反復するステップとを
有する方法。
11. A method of etching a pedestal-supported substrate in a plasma etching chamber, the method comprising: generating a plasma above the substrate that produces positively charged ions that will impact the substrate. , A bias waveform having a first portion and a second portion on the substrate, the first portion having a duration t 1 and having a negative baseline voltage V B. Is further characterized by a voltage V 1 which is also negative, said second portion having a duration t 2 and having an amount equal to V 2 greater than the magnitude of said baseline voltage V B said baseline voltage. A method comprising extending above V B and repeating the bias waveform at a frequency f 0 .
【請求項12】 前記プラズマが高密度プラズマである
請求項11に記載の方法。
12. The method of claim 11, wherein the plasma is a high density plasma.
【請求項13】 前記プラズマが、約1011イオン/c
3 よりも大きなイオン密度を発生する請求項12に記
載の方法。
13. The plasma is about 10 11 ions / c.
The method of claim 12 for generating a large ion density than m 3.
【請求項14】 前記プラズマが、約1011〜1012
オン/cm3 の程度のイオン密度を発生する請求項12
に記載の方法。
14. The plasma produces an ion density on the order of about 10 11 to 10 12 ions / cm 3.
The method described in.
【請求項15】 t1<t2、即ち、前記t1 よりも前記
t2が大きい請求項12に記載の方法。
15. The method according to claim 12, wherein t 1 <t 2 , that is, t 2 is greater than t 1 .
【請求項16】 t1<<t2、即ち、前記t1 に比べて
前記t2が非常に大きい請求項12に記載の方法。
16. The method according to claim 12, wherein t 1 << t 2 , that is, t 2 is very large compared to t 1 .
【請求項17】 前記周波数f0 が、RF周波数の範囲
にある請求項11に記載の方法。
17. The method of claim 11, wherein the frequency f 0 is in the range of RF frequencies.
【請求項18】 前記周波数f0 が、メガヘルツの範囲
にある請求項17に記載の方法。
18. The method of claim 17, wherein the frequency f 0 is in the megahertz range.
【請求項19】 前記周波数f0 が、約13.56MH
zである請求項18に記載の方法。
19. The frequency f 0 is about 13.56 MH.
19. The method of claim 18, which is z.
【請求項20】 前記波形の前記第2の部分の間、前記
1 を時間の関数として変化させるステップを更に有す
る請求項11又は12のいずれかに記載の方法。
20. The method according to claim 11, further comprising the step of varying the V 1 as a function of time during the second portion of the waveform.
【請求項21】 前記V1 を時間の関数として変化させ
る前記ステップが、前記波形の前記第2の部分の間、前
記V1 の振幅を時間の関数として増加させる工程を有す
る請求項20に記載の方法。
21. The method of claim 20, wherein the step of varying V 1 as a function of time comprises increasing the amplitude of V 1 as a function of time during the second portion of the waveform. the method of.
【請求項22】 サイクルの前記第2の部分の間に基板
表面上に蓄積する正イオンを補償するように、前記V1
を時間の関数として変化させて、サイクルの前記第2の
の時間の間に、基板の上方のプラズマシースの端から端
までの電圧降下を実質的に一定にする請求項20に記載
の方法。
22. The V 1 to compensate for positive ions accumulating on the substrate surface during the second portion of the cycle.
21. The method of claim 20, wherein V is varied as a function of time to provide a substantially constant voltage drop across the plasma sheath above the substrate during the second time of the cycle.
【請求項23】 実質的に同じエネルギーを有するイオ
ン流入が基板表面に生じるように、前記V1 が時間の関
数として変化される請求項20に記載の方法。
23. The method of claim 20, wherein V 1 is varied as a function of time so that ion influx at the substrate surface having substantially the same energy occurs.
【請求項24】 基板を支持するペデスタルを内部に有
するプラズマプロセスチャンバ内でプラズマ処理を行う
方法であって、 前記チャンバ内にガスを導入するステップと、 基板表面に衝突する正に荷電したイオンを発生させるプ
ラズマを、前記チャンバ内の基板上方の該ガスで発生さ
せるステップと前記ペデスタルに負の電圧となるような
バイアスを与えて基板表面に衝突する正に荷電した該正
イオンのエネルギーを制御するステップと、 所定の周波数fで前記ペデスタルに正に移行するパルス
を定期的ないし間欠的に与えるステップであって、前記
fはRF周波数の範囲にあり、前記パルスは、直前のパ
ルス以来、基板表面上に蓄積された正イオンを実質的に
中和するに充分である継続時間を有する、前記ステップ
とを有する方法。
24. A method of performing plasma treatment in a plasma process chamber having a pedestal for supporting a substrate therein, the method comprising the steps of introducing a gas into the chamber and introducing positively charged ions impinging on the substrate surface. Generating plasma to be generated by the gas above the substrate in the chamber and biasing the pedestal to a negative voltage to control the energy of the positively charged positive ions impinging on the substrate surface. A step of periodically or intermittently applying a positive going pulse to the pedestal at a predetermined frequency f, said f being in the range of RF frequencies, said pulse being the substrate surface since the last pulse. And d. Having a duration that is sufficient to substantially neutralize the cations accumulated above.
【請求項25】 プラズマエッチングシステムであっ
て、 動作中に、正の荷電を有するイオンを発生するプラズマ
を形成するガスを収容するプラズマチャンバと、 前記チャンバ内にありプラズマ処理中は基板がその上に
置かれるペデスタルと、 前記ペデスタルに電気的に接続するRFバイアス供給回
路であって、前記RFバイアス供給回路は、プラズマ処
理中に前記ペデスタルにバイアス電力を供給し、前記バ
イアス電力は前記ペデスタルに負の電圧となるようバイ
アスを与えて、プラズマ処理中に基板表面に衝突する正
の荷電を有するイオンのエネルギーを制御し、前記RF
バイアス供給回路は、所定の周波数fで前記ペデスタル
に正に移行するパルスを定期的ないし間欠的に与えるパ
ルスジェネレータを備え、前記fはRF周波数の範囲に
あり、前記パルスは、直前のパルス以来、基板表面上に
蓄積された正イオンを実質的に中和するに充分である継
続時間を有する、前記RFバイアス供給回路とを備える
プラズマエッチングシステム。
25. A plasma etching system comprising: a plasma chamber containing a gas forming a plasma that, in operation, produces ions having a positive charge; and a substrate above the plasma chamber in the chamber during plasma processing. And an RF bias supply circuit electrically connected to the pedestal, the RF bias supply circuit supplying bias power to the pedestal during plasma processing, the bias power being negative to the pedestal. Bias to control the energy of the positively charged ions that collide with the surface of the substrate during plasma processing.
The bias supply circuit comprises a pulse generator that periodically or intermittently provides a positive going pulse to the pedestal at a predetermined frequency f, said f being in the RF frequency range, said pulse being An RF bias supply circuit having a duration sufficient to substantially neutralize the positive ions accumulated on the substrate surface.
【請求項26】 プラズマエッチングシステムであっ
て、 動作中に、正の荷電を有するイオンを発生するプラズマ
を形成するガスを収容するプラズマチャンバと、 前記チャンバ内にありプラズマ処理中は基板がその上に
置かれるペデスタルと、 前記ペデスタルに電気的に接続するRFバイアス供給回
路であって、前記RFバイアス供給回路は、前記ペデス
タルに、任意の正の電圧VB と少なくとも等しい第1の
電圧でバイアスを与え、前記バイアス供給回路は、前記
ペデスタルに、定期的ないし間欠的に所定の周波数で、
前記第1の電圧の極性と逆の極性を有し前記VB よりも
大きな振幅を有するパルスを与える、前記RFバイアス
供給回路とを備えるプラズマエッチングシステム。
26. A plasma etching system comprising: a plasma chamber containing a gas forming a plasma that, in operation, produces positively charged ions; and a substrate above the plasma chamber in the chamber during plasma processing. And an RF bias supply circuit electrically connected to the pedestal, the RF bias supply circuit biasing the pedestal with a first voltage at least equal to any positive voltage V B. The bias supply circuit applies to the pedestal at a predetermined frequency periodically or intermittently,
A plasma etching system comprising: the RF bias supply circuit for providing a pulse having a polarity opposite to that of the first voltage and having an amplitude larger than V B.
JP25348196A 1995-09-28 1996-09-25 Pulse corrugated bias electric power Withdrawn JPH09129621A (en)

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