プラズマ処理方法および装置におけるセグメント化されてバイアスされる周縁電極
【課題】一様なプラズマ処理を行うこと。
【解決手段】半導体用プラズマ処理装置における非一様性を低減させるためのシステム（４０）であって、基板支持体（１４）を囲み得る寸法のものとされ、かつ、少なくとも３個という複数のセグメントから形成された、リング形状電極（５０）と；この電極の各セグメントに対して接続された電気エネルギー供給源と；この電気エネルギー供給源に対して接続されたコントローラ（６０）と；を具備し、コントローラが、電極の各セグメントを順次的に励起するようにして電気エネルギーを供給するようにプログラムされており、これにより、基板支持体の周縁回りにおける基板の非一様性の処理に影響を与え得るものとされている。
【解決手段】半導体用プラズマ処理装置における非一様性を低減させるためのシステム（４０）であって、基板支持体（１４）を囲み得る寸法のものとされ、かつ、少なくとも３個という複数のセグメントから形成された、リング形状電極（５０）と；この電極の各セグメントに対して接続された電気エネルギー供給源と；この電気エネルギー供給源に対して接続されたコントローラ（６０）と；を具備し、コントローラが、電極の各セグメントを順次的に励起するようにして電気エネルギーを供給するようにプログラムされており、これにより、基板支持体の周縁回りにおける基板の非一様性の処理に影響を与え得るものとされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、特許文献１〜３に関するものである。これら文献の記載内容は、参考のため、ここに組み込まれる。
【０００２】
本発明は、特に半導体ウェハの製造に際し、高密度プラズマを生成するためのデバイスおよびシステムおよびプロセスに関するものである。本発明は、とりわけ、半導体プロセスにおいて使用されるような高密度誘導結合型プラズマ源に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
大きなアスペクト比を有したサブミクロン的な半導体ウェハ上にフィルムを成膜するに際しては、イオン化物理的気相蒸着（ｉＰＶＤ）プロセスおよび装置が有効である。特許文献４〜７に開示されたような特徴点は、連続したあるいは瞬時的な成膜プロセスやエッチングプロセスにおいて、特に好適である。連続的な成膜およびエッチングプロセスは、全く同じプロセスチャンバ内において、基板に対して適用することができる。これにより、真空状態を破壊することがない、すなわち、あるチャンバから他のチャンバへとウェハを移送する必要がない。装置構成に基づき、イオン化ＰＶＤ成膜モードからエッチングモードへと、あるいは、エッチングモードからイオン化ＰＶＤ成膜モードへと、迅速にモードを変更することができる。さらに、装置構成に基づき、成膜モード時におけるイオン化ＰＶＤ成膜プロセス制御パラメータと、エッチングモード時におけるエッチングプロセス制御パラメータとを、同時に最適化することができる。これら利点の結果、金属化およびその後の電気メッキ充填操作に関し、ウェハを、優秀な品質でもってなおかつ高速度で処理することができる。
【０００４】
イオン化ＰＶＤシステムの様々な利点にもかかわらず、最大性能でシステムを使用することには、未だわずかの制約が残されている。例えば、既存のハードウェアでは、幅広いプロセス圧力ウィンドウの全体にわたって同時的に、成膜プロセスとエッチングプロセスとの双方に関して、最適の一様性を得ることができない。環状のターゲットが、フラットフィールドの成膜一様性に関しては、優秀な条件をもたらすけれども、一様なエッチングプロセスのために大きなサイズの低圧プラズマを生成するための大面積誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）の使用は、幾何学的に制限される。基板に対して軸方向に位置合わせされたＩＣＰ源が、ターゲットからスパッタリングされた金属蒸気をイオン化させてウェハの中央の特徴物を充填するに際しては最適なものではあるけれども、多くの場合、成膜プロセスおよびエッチングプロセスにおいてすなわち正味には成膜を行わない（ＮＮＤ）プロセスにおいて一様なエッチングをもたらさないような軸方向にピーク付きの高密度プラズマプロファイル生成する。ウェハ上において、バイアスが増大された領域においては、エッチングが起こる。そのため、成膜された金属（付着およびバリア特性のためには、ＴａＮ／Ｔａ、および／または、シード層としてはＣｕ）が、成膜時にウェハのフィールド領域から同時に除去されるものの、特徴物の側面においては残留する。プロセスの総合的結果として、特徴物の底部に薄膜が残る。
【０００５】
成膜およびエッチングプロセスは、エッチングプロセスおよび成膜プロセスにおける完全に同じ非一様性の寄与を受けるという利点がある、あるいは、高度に一様なプロセスを受けるという利点がある。ウェハのところにおいて被覆率の対称性を改良したりまた非一様性を低減したりし得るよう、ウェハのところにおいて同一条件を生成するために、単一のまたは連続したような、バイアスリングまたは焦点合わせリングが使用されてきた。この場合、軸方向に対称的な手法を使用する。これにより、状況によっては、径方向の一様性を改良することができる。しかしながら、方位的な非一様性を改良することはできない。方位的な非一様性は、例えば、金属源からの静的磁界の相互作用によって、また、ＩＣＰアンテナの幾何形状によって、また、ＲＦ電力の供給位置によって、また、基板ホルダや成膜シールドやガス流れの熱的性能やＲＦ的性能によって、また、他の要因によって、生成され得る。
【０００６】
したがって、単純でありかつ低コストであるようなかつ高密度で一様なプラズマを生成し得るようなＩＣＰ源が要望されている。
【特許文献１】米国特許出願シリアル番号第１０／４５４，３８１号明細書（出願日は、２００３年６月４日。公開番号は、ＵＳ２００５／０１０３４４４。）
【特許文献２】米国特許出願シリアル番号第１０／７１７，２６８号明細書（出願日は、２００３年１１月１９日。公開番号は、ＵＳ２００５／０１０３４４５。）
【特許文献３】米国特許出願シリアル番号第１０／７６６，５０５号明細書（出願日は、２００４年７月２８日。）
【特許文献４】米国特許第６，２８７，４３５号明細書
【特許文献５】米国特許第６，０８０，２８７号明細書
【特許文献６】米国特許第６，１９７，１６５号明細書
【特許文献７】米国特許第６，１３２，５６４号明細書
【特許文献８】米国特許第６，７１９，８８６号明細書
【特許文献９】米国特許第６，７５５，９４５号明細書
【特許文献１０】米国特許出願シリアル番号第１０／８７３，９０８号明細書（出願日は、２００４年６月２２日。）
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の目的は、特に３００ｍｍウェハに関しイオン化ＰＶＤによって高アスペクト比の特徴物に対して使用されるような同時的なあるいは順次的な成膜プロセスおよびエッチングプロセスにおいて一様なプラズマ処理に寄与し得るようなプラズマを生成して制御することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、方位的に対称なプラズマを形成すること、および、そのための制御方法を提供することである。これにより、方位的な非一様性を補償することができる。
【０００９】
本発明の原理においては、プラズマカラムは、ウェハの周囲において様々な態様でもって方位的にオフセットされる。これにより、成膜とエッチングとからなるシステムの一様性（および、一様なカバレージ）を増大させることができる。
【００１０】
本発明のある種の実施形態においては、バイアスされなおかつセグメント化されたデバイスを使用することにより、非一様性を方位的に制御することができる。このデバイスは、プラズマからのフラックスを幾何学的に制御し得るよう、ウェハの周囲において、周縁回りに電気的にバイアスされる複数のセグメントを使用することができる。
【００１１】
本発明のいくつかの実施形態においては、複数にセグメント化されたリング形状電極が使用され、なおかつ、このリング状電極が、基板支持体を取り囲み得る寸法のものとされ、これにより、半導体用プラズマ処理装置の非一様性が低減される。電極の各セグメントには、電気エネルギーが印加され、コントローラが、電極の各セグメントを順次的に励起し得るようにプログラムされている。
【００１２】
電極は、真空処理チャンバと；このチャンバ内に配置されたスパッタリングターゲットと；チャンバに対して連結された高密度プラズマ源と；チャンバ内に配置された基板支持体であるとともに上記電極によって取り囲まれている基板支持体と；を具備している半導体基板処理装置の中に、設けることができる。電極の各セグメントに対しては、電気エネルギー供給源から、順次的に電気エネルギーが印加される。
【００１３】
イオン化物理的気相蒸着（ｉＰＶＤ）プロセスにおけるフィルムの方位的非一様性は、セグメントによって基板支持体を囲み；各セグメントに対して電気的エネルギーを順次的に印加することによって、各セグメントを周期的に励起する；ことにより、改良される。
【００１４】
いくつかの実施形態においては、プラズマに対して露出されるセグメントのバイアス表面積の比を変化させることにより、処理チャンバの内部におけるプラズマカラムの対称性に影響を及ぼすことができる。
【００１５】
図示の実施形態においては、デバイスには、セグメントとして、少なくとも３個のセグメントが設けられる。各セグメントは、動的にバイアスされ、これにより、プラズマカラムに対して、回転的なインパクトを与えることができる。プラズマの一様性を、より効果的に制御し得るよう、より多数のセグメントを使用することができる。実用的な観点からは、６個〜８個が上限である。しかしながら、これよりも多くの数のセグメントを使用することができる。
【００１６】
デバイスのセグメントは、様々なサイクル周波数でもってバイアスすることができ、また、各セグメントのそれぞれごとに様々な負荷サイクルでもってバイアスすることができ、また、セグメントどうしの間に様々な位相差を形成しつつバイアスすることができる。このように、プラズマカラムに対して完全にカスタム化された効果を生成することができ、これにより、特定のプラズマ処理システムにおいて存在し得るようなすべての方位的非一様性を補償することができる。セグメントに対しては、ＲＦパワーあるいはＤＣパワーのいずれかを印加することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の上記のおよび他の目的や利点は、添付図面を参照しつつ、以下の詳細な説明を読むことにより、明瞭となるであろう。
【００１８】
図１は、従来技術によるあるタイプのイオン化物理的気相蒸着装置を示す断面図であって、本発明のある種の実施形態を組み込み得るものである。
【００１９】
図２Ａは、本発明のある種の実施形態に基づく処理システムを簡略化して示す断面図である。
【００２０】
図２Ｂは、図２Ａと同様の断面図であって、本発明の他の実施形態に基づく処理システムを示している。
【００２１】
図３Ａは、図２Ａのシステムにおけるバイアス電極の一実施形態を示す斜視図である。
【００２２】
図３Ｂは、図２Ａのシステムにおけるバイアス電極の他の実施形態を示す斜視図である。
【００２３】
図３Ｃは、図３Ａおよび図３Ｂのバイアス電極の一部を拡大して示す斜視図である。
【００２４】
図４Ａは、図２Ｂのシステムにおけるバイアス電極の一実施形態を示す斜視図である。
【００２５】
図４Ｂは、図２Ｂのシステムにおけるバイアス電極の他の実施形態を示す斜視図である。
【００２６】
図４Ｃは、図４Ａのバイアス電極の一部を拡大して示す斜視図である。
【００２７】
図５Ａ〜図５Ｄは、本発明のある種の実施形態に関し、ある種の交流バイアスシーケンスを適用した結果を示すグラフである。
【００２８】
本発明の技術思想は、例えばスパッタエッチングおよび成膜プロセスを行うためのものとかプラズマ増強ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）プロセスを行うためのものとかイオン化ＰＶＤ（ｉＰＶＤ）プロセスを行うためのものとか反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行うためのものとかといったような、様々なプラズマ処理システムにおいて使用することができる。本発明による技術思想は、例えば図１に示す装置１０を使用するプロセスといったような標準的な熱プロセスを実施するためのｉＰＶＤシステムにおいて好適に適用することができる。ｉＰＶＤタイプの半導体ウェハ処理装置の例は、特許文献４，５，８に開示されている。これら文献の記載内容は、参考のため、ここに組み込まれる。本発明のいくつかの実施形態に関し、図１の装置１０を例として説明する。しかしながら、本発明は、他のタイプのシステムに対して適用することもできる。
【００２９】
図示されているｉＰＶＤ装置１０は、真空処理チャンバ１２と、このチャンバ１２を規定しているチャンバ壁１１と、このチャンバ壁１１の頂部に形成された開口１３と、この開口１３のところに取り付けられたイオン化スパッタ材料源２０と、を備えている。イオン化スパッタ材料源２０は、開口１３をシールしている。これにより、チャンバ１２内の真空と、外部の大気雰囲気と、を隔離している。チャンバ１２の内部には、ウェハ支持体１４が設けられている。ウェハ支持体１４は、開口１３に対向している一方の面上に、処理対象をなす半導体ウェハ１５を保持する。イオン化材料源２０は、マグネトロンカソードアセンブリ２１を備えている。マグネトロンカソードアセンブリ２１は、環状ターゲット２２を有している。環状ターゲット２２は、コーティング材料の供給源であり、限定するものではないけれども、典型的には、金属の供給源である。カソードアセンブリは、さらに、ターゲット２２に対して負のＤＣスパッタ電位を印加するための電源（図示せず）と、ターゲット２２の背面側に配置された永久磁石アセンブリ２３と、を備えている。永久磁石アセンブリ２３は、ターゲット２２の表面全体にわたってＤＣ電位によって励起された電子を拘束し、これにより、一次プラズマを形成し、チャンバ内のガスをイオン化させて、ターゲット２２から材料をスパッタリングする。
【００３０】
イオン化材料源２０においては、ターゲット２２は、環状のものとされていて、誘電体ウィンドウ２５を囲んでいる。誘電体ウィンドウ２５は、典型的には、石英またはアルミナから形成され、中央部分においてターゲット２２に対してシールされている。ターゲット２２およびウィンドウ２５は、チャンバ壁１１と一緒に、チャンバ１２のための真空容器の一部を形成している。ＲＦ ＩＣＰ源２４が、ウィンドウ２５のところに配置されており、チャンバ１２内へとＲＦエネルギーを供給する。これにより、チャンバ１２内には、二次的な高密度誘導結合プラズマが励起される。ＲＦ ＩＣＰ源２４は、ウィンドウ２５の大気雰囲気側に配置されたアンテナすなわちコイル２６と、チャンバ１２の内部においてウィンドウ２５をカバーしている成膜バッフルすなわちシールド２７と、を備えている。ＲＦ電源（図示せず）が、適切なマッチングネットワークを介して、アンテナ２６のリード線に対して、接続されている。典型的には、ＲＦ電源は、１３．５６ＭＨｚという商用周波数で動作する。ｉＰＶＤのためのチャンバ１２の中の圧力は、通常は、１０ｍＴｏｒｒ〜１５０ｍＴｏｒｒという範囲内である。
【００３１】
低いガス圧力および低いガス密度でプロセスが実行されるような標準的なＰＶＤシステムおよびｉＰＶＤシステムにおいては、スパッタリングされた粒子は、ターゲットからある種の運動エネルギーを有して放出され、ほぼ直線的に基板に向けてかつ基板上へと進行する。これら粒子は、基板上へと分散して到着する。すなわち、部分的には、ターゲットおよび基板に関連した幾何形状の関数として、分散して到着する。熱的なシステムにおいては、より大きな圧力およびより大きなガス密度が使用され、これにより、ターゲットと基板との間において、スパッタ材料とガス原子との多数の衝突が起こることとなる。これにより、スパッタ材料は、初期的な運動エネルギーを失い、最終的には、スパッタ材料のエネルギーは、実質的に、背景ガスの熱運動だけに基づくエネルギーとなる。この材料は、プラズマ内においてランダム化され、プラズマシースを横切って基板上へと案内される。チャンバ寸法や他の幾何形状に依存して、熱的プロセスは、３０ｍＴｏｒｒ〜５０ｍＴｏｒｒにおいて開始され、最大でも１００ｍＴｏｒｒにおいて開始される。
【００３２】
図１のシステムを使用したｉＰＶＤの場合には、単一チャンバ内において実行される成膜とエッチングとの連続的プロセスが、有利であることがわかっている。そのようなプロセスの一例は、特許文献９に開示されている。この文献の記載内容は、参考のため、その全体がここに組み込まれる。特許文献９におけるプロセスおよび装置においては、連続的な成膜ステップとエッチングステップとが使用され、これにより、大きなアスペクト比を有したサブミクロン的なデバイスの場合に発生する問題点が克服される。成膜−エッチングプロセスにおいては、まず最初に、例えばタンタル（Ｔａ）や窒化タンタル（ＴａＮ）や銅（Ｃｕ）といったような金属からなる薄層を成膜し、その後に、好ましくは成膜を停止させた後に、好ましくはアルゴン（Ａｒ）等のイオン化したガスを使用することによって、イオンエッチングステップを行う。エッチングステップにおいては、ウェハの上面および底面の双方のフィーエリア上において、成膜ステップ時に成膜した量と比較して、より少ない量の材料を除去する。これにより、プロセスサイクルの終了時点では、合計としては成膜が行われる。成膜−エッチングサイクルは、必要な回数だけ、繰り返すことができる。これにより、所望の結果を得ることができる。成膜時間やエッチング時間や成膜速度やエッチング速度や他の成膜パラメータや他のエッチングパラメータをバランスさせることにより、オーバーハング成長を、除去または最小化することができる。オーバーハング成膜および底部成膜は、エッチングバックされ、少なくとも部分的に、側壁へと再分散される。
【００３３】
例えばシステム１０といったような処理システムは、最大の注意を払ってコンピュータシミュレーションによって構成されている。しかしながら、多くの場合、プラズマを使用した実際のプロセスを実施した場合には、いくつかのハードウェア構成部材が衝撃を受け、それら構成部材とプラズマとの相互作用のために、ウェハのところにおける処理が非一様なものとなってしまう。例えば、非一様性は、プロセス条件を変更した場合に発生し得る。例えば、金属源２０の磁石２３からの静的磁界と相互作用した場合や、ＩＣＰ源２４のアンテナの幾何形状が変化した場合や、ＲＦの供給場所が変化した場合や、基板支持体１４や成膜シールドやガス流れや二次プラズマの不安定さやチャンバ１２内における様々なプラズマプロセスの熱的性能やＲＦ的性能が変化した場合、等に発生し得る。
【００３４】
連続的な成膜プロセスおよびエッチングプロセスにおいては、熱的プラズマが生成される高圧の場合には、サイクルのエッチングの際の材料の再成膜は、低圧の場合と比較して、より大きい。発生する正味のエッチングは、エッチング速度と、再成膜速度と、の差である。この場合、エッチング速度は、かなり一様である。再成膜速度は、ウェハの中央においては、かなり一様なものと考えられるものの、しかしながら、ウェハのエッジ（周縁部）においては、遅いものとなる。ウェハエッジのところにおける効果は、チャンバの周縁回りにおけるチャンバ構造によって影響を受け、ウェハの周縁回りにおいて一定ではなくなり、ウェハ回りにおいて変動する非一様性を引き起こす。周縁焦点合わせリングが、ウェハの半径方向におけるそのような非一様性を変更する。それは、再成膜速度が低下する半径部分を、ウェハエッジを超えた位置にまで、移動させるからである。単純なリングでは、周縁方向のすなわち方位方向の非一様性を修正することができない。
【００３５】
上記の非一様性は、周縁バイアス制御システム４０を使用して、追加的な制御パラメータを導入することにより、最小化される。そのような制御パラメータの一例は、特許文献１０において、既に提案されている。この文献の記載内容は、参考のため、その全体がここに組み込まれる。本発明においては、システム４０は、図２Ａに示すように、バイアス電極５０と、コントローラ６０と、を備えている。ここで、バイアス電極５０は、環状をなすバイアスリング５０ａという態様のものとされている。周縁バイアス制御システム４０は、ウェハ１５のところに、一様な条件を生成し、これにより、ウェハ１５に関する対称性と一様性とを改良することができる。これは、非対称性とか非一様性とかを引き起こす可能性のあるチャンバ構成部材の影響およびプロセスの影響をオフセットし得るからである。バイアス電極５０は、有利には、単一の連続したバイアスリングまたは焦点合わせリングとされ、これにより、軸方向の非対称性を解消することができて、径方向の非一様性を改良することができる。同様の効果は、図２Ｂに示すような、バイアス電極５０の代替構成においても得ることができる。この場合、バイアス電極５０は、円筒状リング５０ｃという態様のものとされている。連続したリングでは、方位的な非一様性を改良し得ないけれども、このバイアス電極５０は、セグメント化された電極である。すなわち、複数のセグメントが、選択的にバイアスされる、つまり、コントローラ６０によって個別的に制御される。これにより、方位的な非一様性に関しての方位的な制御を行うことができる。電極５０をなす複数の周縁セグメントは、ウェハ１５回りにおいて電気的にバイアスされる。これにより、プラズマからのフラックスを制御することができ、プラズマに対して露出されるバイアス表面積の比を変化させることができる。これにより、処理チャンバ１２の内部におけるプラズマカラムの対称性に影響を及ぼすことができる。
【００３６】
電極５０には、電極５０ａとして、少なくとも３つのセグメントが設けられる。図３Ａの例においては、それぞれが９０°をなす４つのセグメント５１が設けられている。これらセグメント５１は、コントローラ６０によって選択的にバイアスされる。これにより、プラズマカラムに対して回転効果を引き起こすことができる。プラズマの一様性をより効果的に制御し得るよう、より多くのセグメントを使用することができる。例えば、図３Ｂに示すように、それぞれが６０°をなす６個のセグメント５２を、電極５０ｂとして使用することができる。同様にして、より多数のセグメントを使用することができる。しかしながら、より多数のセグメントを使用すれば、複雑さが増大し、配線が増大し、鉛直方向軸線から離間したプラズマカラムに対しての有効セグメント面積およびインパクトが減少する。よって、６〜８個のセグメントが、実際的な上限である。
【００３７】
セグメント５１，５２は、様々なサイクル周波数でもって、あるいは、様々な負荷サイクルでもって、あるいは、様々な位相差でもって、あるいは、様々なサイクル周波数と様々な負荷サイクルと様々な位相差との様々な組合せでもって、バイアスされる。このように、プラズマカラムに対して完全にカスタム化された効果を生成することができ、これにより、特定のプラズマ処理システムにおいて存在し得るようなすべての方位的非一様性を補償することができる。セグメント５１，５２に対しては、ＲＦパワー（１〜５０ＭＨｚ）あるいはＤＣパワーのいずれかを印加することができる。これにより、セグメントに対して電力を印加して、１Ｈｚ〜数十ｋＨｚというサイクルで動作させることができる。
【００３８】
プラズマ処理システム２０は、基板ホルダ１４を備えており、この基板ホルダ１４は、マッチングネットワーク３１を介して、ＲＦ電源３２に対して接続されている。図３Ａは、バイアスリング５０ａをなす４つのセグメント５１を示している。これらセグメント５１は、ウェハホルダ１４を囲んでいる。個々のセグメント５１は、ギャップ５３（図３Ｃ参照）によって、互いに電気的に絶縁されている。各セグメント５１は、各セグメント５１に対して均等にＲＦパワーを伝達するパワースプリッター５６を介して、ＲＦ電源５５に対して接続されている。パワースプリッター５６からの出力は、マッチングネットワーク５７およびＲＦスイッチ５８に対して接続され、その後、各セグメント５１に対して接続されている。
【００３９】
図３Ｂは、６個の平面状セグメント５２から構成された同様のデバイスを示している。ホルダ１４上のウェハ１５は、６個の電極セグメント５２によって囲まれている。６個の電極セグメント５２は、幾何形状的には、セグメント化されたリング５０ｂを形成している。個々のセグメント５２は、同様に、図３Ｃのギャップ５３によって、互いに電気的に絶縁されている。各セグメント５２は、各セグメント５２に対して均等にＲＦパワーを伝達するパワースプリッター５６を介して、ＲＦ電源５５に対して接続されている。パワースプリッター５６からの出力は、図３Ａのリング５０ａの場合と同様に、マッチングネットワーク５７およびＲＦスイッチ５８に対して接続され、その後、各セグメント５１に対して接続されている。
【００４０】
図４Ａは、４個の円筒状セグメント６１から構成された同様のデバイス５０ｃを示している。ホルダ１４上のウェハ１５は、４個の電極セグメント６１によって囲まれている。４個の電極セグメント６１は、幾何形状的には、ウェハ回りにおいて、セグメント化された表面領域を形成している。個々のセグメント６１は、ギャップ５４（図４Ｃ参照）によって、互いに電気的に絶縁されている。各セグメントは、各セグメントに対して均等にＲＦパワーを伝達するパワースプリッター５６を介して、ＲＦ電源５５に対して接続されている。パワースプリッター５６からの出力は、マッチングネットワーク５７およびＲＦスイッチ５８に対して接続され、その後、各セグメントに対して接続されている。
【００４１】
セグメント化されたデバイス５０の表面積が、ウェハ１５の表面積と同等であるかあるいはそれよりも大きいことのために、なおかつ、デバイス５０がバイアスされていることのために、デバイス５０の表面の再スパッタリング、すなわち、デバイス５０の表面上に成膜されたコーティング膜の再スパッタリングが、行われる。この再スパッタリングは、ウェハ１５上への再成膜に寄与することができる。セグメント化電極５０ｃからウェハ１５へのこの再スパッタリングを防止し得るようあるいは低減し得るよう、セグメント化デバイス５０ｃは、図４Ｂに示すように、グリッド５０ｄの態様とすることができる。穴開き電極を使用しても、同様の効果を得ることができる。図４Ｂは、ワイヤグリッドの態様とされた４個の円筒形セグメント６２から構成されたデバイス５０ｄを示している。平面状のセグメント化グリッドを使用することができる。あるいは、平面状のセグメント化電極セグメントと、円筒形セグメント化電極セグメントと、の組合せを使用することができる。あるいは、例えばセグメント６１のような連続表面と、例えばセグメント６２のようなグリッド状表面と、のいずれかを使用することができる。
【００４２】
個々のセグメント５１，５２，６１，６２は、例えば図５Ａのグラフに示すようにして、ＲＦパワーによって順次的にバイアスされる。このようなシーケンスは、ウェハ回りに回転する電界を形成し、この電界がプラズマと相互作用して、プラズマカラムをチャンバ１２の内部においてオフセットさせる。サイクル期間７５の長さは、与えられたウェハに関する処理時間の中で複数回の回転が起こり得るように、選択される。このことは、個々のセグメントが、４個のセグメント化リング５０ａ，５０ｃ，５０ｄの場合には、２５％という負荷サイクル７６でもって、少なくとも数Ｈｚのパルスが印加されることを意味している。隣接しているセグメントどうしの間の位相差は、互いに同様である。６個のセグメント構成５０ｂの場合には、１７％という負荷サイクルと、同様の位相差と、が起こる。しかしながら、各セグメントに関する負荷サイクルは、増減させることができる。あるいは、隣接するセグメントの間においてオーバーラップさせることができる。これにより、隣接するセグメントの間に電界を生成して、特定のプロセスにおける方位的な非一様性を補償することができる。負荷サイクルおよびシステムの他の動作は、コントローラ７０によって制御することができる。負荷サイクルの典型的な範囲は、例えば、４個のセグメント５０の場合には、２０％〜５０％であり、６個のセグメントからなるシステムの場合には、１０％〜６０％である。例えば図５Ｂに示すような、４個のセグメント化バイアスリングに関しての、増大させた負荷サイクル７７により、オーバーラップ期間７８を形成することができる。オーバーラップ期間７８においては、互いに隣接する２つのセグメントが同時的にバイアスされており、このため、有効面積を２倍とすることができ、プラズマカラムに対しての効果をより大きなものとすることができる。典型的なサイクル周波数は、１〜１００Ｈｚである。しかしながら、サイクル周波数は、１ｋＨｚとか、数十ｋＨｚとか、にまで増大させることができる。タイミングは、典型的には、すべてのセグメントが１サイクル内において順次的に給電されるように、選択される。しかしながら、これは必須ではない。
【００４３】
セグメントのバイアスは、ＲＦパワーによっても、また、パルス的なＤＣパワーによっても、行うことができる。図５Ｃは、互いに対向して配置されたセグメントどうしに対しての両極性バイアスの例を示している。これにより、プラズマカラムに対して、バイアスセグメントによって決まる径方向に沿っての、協働的な力を印加することができる。
【００４４】
図５Ｄは、各セグメントが変調されたパルス周波数でもってバイアスされるような、他のパルスシーケンスを示している。上記すべての実施形態において、セグメント化バイアスデバイスに対しての供給パワーレベルは、典型的には、１００Ｗ〜数ｋＷという範囲である。周波数範囲は、１ＭＨｚ〜５０ＭＨｚとされる。あるいは、パルス型のＤＣ電源や、単一極性の電源や、両極性の電源、が使用される。
【００４５】
マイクロプロセッサをベースとしたコントローラ７０が、個々のセグメントのパルスシーケンスを制御する。様々なセグメントを、様々な負荷サイクルでもって励起することができる。これにより、非対称性を生成することができ、これにより、方位的な非一様性を補償することができる。
【００４６】
ある種の応用においては、方位的な非一様性を取り扱い得るよう、可変的な角度的長さを有した複数のセグメントを使用したり、ＲＦパワーに対しての様々な結合比率を使用したり、あるいは、これら技術思想の様々な組合せを使用したり、することが有利である。例えば、電源からのＲＦパワーは、２つの主要ラインだけに分離することができ、それぞれのラインに、複数のセグメントを接続することができる。ウェハの周縁回りにおいて、セグメントの角度的な長さを変更することにより、あるいは、各セグメントの面積を変更することにより、あるいは、各セグメントの他の電気的性質を変更することにより、再成膜効果に対する非線形的影響を生成することができる。これにより、プラズマプロセスの方位的プロファイルにおける任意の特定の非一様性を調節することができる。これに代えて、セグメントに対して供給されるエネルギーの電気的特性を変更することにより、例えば電圧値や周波数や波形等を変更することにより、成膜プロファイルや他の処理プロファイルに関して、電極による修正効果を変更することができる。
【００４７】
本発明の例示としてのいくつかの特定の実施形態について詳細に上述したけれども、当業者であれば、本発明の新規な特徴点および利点から実質的に逸脱することなく、上記実施形態を様々に変更可能であることは、理解されるであろう。したがって、そのようなすべての変更は、本発明の範囲内に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】従来技術によるあるタイプのイオン化物理的気相蒸着装置を示す断面図であって、本発明のある種の実施形態を組み込み得るものである。
【図２Ａ】本発明のある種の実施形態に基づく処理システムを簡略化して示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａと同様の断面図であって、本発明の他の実施形態に基づく処理システムを示している。
【図３Ａ】図２Ａのシステムにおけるバイアス電極の一実施形態を示す斜視図である。
【図３Ｂ】図２Ａのシステムにおけるバイアス電極の他の実施形態を示す斜視図である。
【図３Ｃ】図３Ａおよび図３Ｂのバイアス電極の一部を拡大して示す斜視図である。
【図４Ａ】図２Ｂのシステムにおけるバイアス電極の一実施形態を示す斜視図である。
【図４Ｂ】図２Ｂのシステムにおけるバイアス電極の他の実施形態を示す斜視図である。
【図４Ｃ】図４Ａのバイアス電極の一部を拡大して示す斜視図である。
【図５Ａ】本発明のある種の実施形態に関し、ある種の交流バイアスシーケンスを適用した結果を示すグラフである。
【図５Ｂ】本発明のある種の実施形態に関し、ある種の交流バイアスシーケンスを適用した結果を示すグラフである。
【図５Ｃ】本発明のある種の実施形態に関し、ある種の交流バイアスシーケンスを適用した結果を示すグラフである。
【図５Ｄ】本発明のある種の実施形態に関し、ある種の交流バイアスシーケンスを適用した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
１０ ｉＰＶＤ装置
１２ 真空処理チャンバ
１４ ウェハ支持体（基板支持体）
１５ 半導体ウェハ（半導体基板）
２０ イオン化スパッタ材料源
２２ 環状ターゲット
３２ ＲＦ電源
４０ 周縁バイアス制御システム
５０ バイアス電極
５０ａ バイアスリング
５０ｂ 電極
５０ｃ 円筒状リング
５１ セグメント
５２ セグメント
６０ コントローラ
６１ 円筒状セグメント
７０ コントローラ
【技術分野】
【０００１】
本出願は、特許文献１〜３に関するものである。これら文献の記載内容は、参考のため、ここに組み込まれる。
【０００２】
本発明は、特に半導体ウェハの製造に際し、高密度プラズマを生成するためのデバイスおよびシステムおよびプロセスに関するものである。本発明は、とりわけ、半導体プロセスにおいて使用されるような高密度誘導結合型プラズマ源に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
大きなアスペクト比を有したサブミクロン的な半導体ウェハ上にフィルムを成膜するに際しては、イオン化物理的気相蒸着（ｉＰＶＤ）プロセスおよび装置が有効である。特許文献４〜７に開示されたような特徴点は、連続したあるいは瞬時的な成膜プロセスやエッチングプロセスにおいて、特に好適である。連続的な成膜およびエッチングプロセスは、全く同じプロセスチャンバ内において、基板に対して適用することができる。これにより、真空状態を破壊することがない、すなわち、あるチャンバから他のチャンバへとウェハを移送する必要がない。装置構成に基づき、イオン化ＰＶＤ成膜モードからエッチングモードへと、あるいは、エッチングモードからイオン化ＰＶＤ成膜モードへと、迅速にモードを変更することができる。さらに、装置構成に基づき、成膜モード時におけるイオン化ＰＶＤ成膜プロセス制御パラメータと、エッチングモード時におけるエッチングプロセス制御パラメータとを、同時に最適化することができる。これら利点の結果、金属化およびその後の電気メッキ充填操作に関し、ウェハを、優秀な品質でもってなおかつ高速度で処理することができる。
【０００４】
イオン化ＰＶＤシステムの様々な利点にもかかわらず、最大性能でシステムを使用することには、未だわずかの制約が残されている。例えば、既存のハードウェアでは、幅広いプロセス圧力ウィンドウの全体にわたって同時的に、成膜プロセスとエッチングプロセスとの双方に関して、最適の一様性を得ることができない。環状のターゲットが、フラットフィールドの成膜一様性に関しては、優秀な条件をもたらすけれども、一様なエッチングプロセスのために大きなサイズの低圧プラズマを生成するための大面積誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）の使用は、幾何学的に制限される。基板に対して軸方向に位置合わせされたＩＣＰ源が、ターゲットからスパッタリングされた金属蒸気をイオン化させてウェハの中央の特徴物を充填するに際しては最適なものではあるけれども、多くの場合、成膜プロセスおよびエッチングプロセスにおいてすなわち正味には成膜を行わない（ＮＮＤ）プロセスにおいて一様なエッチングをもたらさないような軸方向にピーク付きの高密度プラズマプロファイル生成する。ウェハ上において、バイアスが増大された領域においては、エッチングが起こる。そのため、成膜された金属（付着およびバリア特性のためには、ＴａＮ／Ｔａ、および／または、シード層としてはＣｕ）が、成膜時にウェハのフィールド領域から同時に除去されるものの、特徴物の側面においては残留する。プロセスの総合的結果として、特徴物の底部に薄膜が残る。
【０００５】
成膜およびエッチングプロセスは、エッチングプロセスおよび成膜プロセスにおける完全に同じ非一様性の寄与を受けるという利点がある、あるいは、高度に一様なプロセスを受けるという利点がある。ウェハのところにおいて被覆率の対称性を改良したりまた非一様性を低減したりし得るよう、ウェハのところにおいて同一条件を生成するために、単一のまたは連続したような、バイアスリングまたは焦点合わせリングが使用されてきた。この場合、軸方向に対称的な手法を使用する。これにより、状況によっては、径方向の一様性を改良することができる。しかしながら、方位的な非一様性を改良することはできない。方位的な非一様性は、例えば、金属源からの静的磁界の相互作用によって、また、ＩＣＰアンテナの幾何形状によって、また、ＲＦ電力の供給位置によって、また、基板ホルダや成膜シールドやガス流れの熱的性能やＲＦ的性能によって、また、他の要因によって、生成され得る。
【０００６】
したがって、単純でありかつ低コストであるようなかつ高密度で一様なプラズマを生成し得るようなＩＣＰ源が要望されている。
【特許文献１】米国特許出願シリアル番号第１０／４５４，３８１号明細書（出願日は、２００３年６月４日。公開番号は、ＵＳ２００５／０１０３４４４。）
【特許文献２】米国特許出願シリアル番号第１０／７１７，２６８号明細書（出願日は、２００３年１１月１９日。公開番号は、ＵＳ２００５／０１０３４４５。）
【特許文献３】米国特許出願シリアル番号第１０／７６６，５０５号明細書（出願日は、２００４年７月２８日。）
【特許文献４】米国特許第６，２８７，４３５号明細書
【特許文献５】米国特許第６，０８０，２８７号明細書
【特許文献６】米国特許第６，１９７，１６５号明細書
【特許文献７】米国特許第６，１３２，５６４号明細書
【特許文献８】米国特許第６，７１９，８８６号明細書
【特許文献９】米国特許第６，７５５，９４５号明細書
【特許文献１０】米国特許出願シリアル番号第１０／８７３，９０８号明細書（出願日は、２００４年６月２２日。）
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の目的は、特に３００ｍｍウェハに関しイオン化ＰＶＤによって高アスペクト比の特徴物に対して使用されるような同時的なあるいは順次的な成膜プロセスおよびエッチングプロセスにおいて一様なプラズマ処理に寄与し得るようなプラズマを生成して制御することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、方位的に対称なプラズマを形成すること、および、そのための制御方法を提供することである。これにより、方位的な非一様性を補償することができる。
【０００９】
本発明の原理においては、プラズマカラムは、ウェハの周囲において様々な態様でもって方位的にオフセットされる。これにより、成膜とエッチングとからなるシステムの一様性（および、一様なカバレージ）を増大させることができる。
【００１０】
本発明のある種の実施形態においては、バイアスされなおかつセグメント化されたデバイスを使用することにより、非一様性を方位的に制御することができる。このデバイスは、プラズマからのフラックスを幾何学的に制御し得るよう、ウェハの周囲において、周縁回りに電気的にバイアスされる複数のセグメントを使用することができる。
【００１１】
本発明のいくつかの実施形態においては、複数にセグメント化されたリング形状電極が使用され、なおかつ、このリング状電極が、基板支持体を取り囲み得る寸法のものとされ、これにより、半導体用プラズマ処理装置の非一様性が低減される。電極の各セグメントには、電気エネルギーが印加され、コントローラが、電極の各セグメントを順次的に励起し得るようにプログラムされている。
【００１２】
電極は、真空処理チャンバと；このチャンバ内に配置されたスパッタリングターゲットと；チャンバに対して連結された高密度プラズマ源と；チャンバ内に配置された基板支持体であるとともに上記電極によって取り囲まれている基板支持体と；を具備している半導体基板処理装置の中に、設けることができる。電極の各セグメントに対しては、電気エネルギー供給源から、順次的に電気エネルギーが印加される。
【００１３】
イオン化物理的気相蒸着（ｉＰＶＤ）プロセスにおけるフィルムの方位的非一様性は、セグメントによって基板支持体を囲み；各セグメントに対して電気的エネルギーを順次的に印加することによって、各セグメントを周期的に励起する；ことにより、改良される。
【００１４】
いくつかの実施形態においては、プラズマに対して露出されるセグメントのバイアス表面積の比を変化させることにより、処理チャンバの内部におけるプラズマカラムの対称性に影響を及ぼすことができる。
【００１５】
図示の実施形態においては、デバイスには、セグメントとして、少なくとも３個のセグメントが設けられる。各セグメントは、動的にバイアスされ、これにより、プラズマカラムに対して、回転的なインパクトを与えることができる。プラズマの一様性を、より効果的に制御し得るよう、より多数のセグメントを使用することができる。実用的な観点からは、６個〜８個が上限である。しかしながら、これよりも多くの数のセグメントを使用することができる。
【００１６】
デバイスのセグメントは、様々なサイクル周波数でもってバイアスすることができ、また、各セグメントのそれぞれごとに様々な負荷サイクルでもってバイアスすることができ、また、セグメントどうしの間に様々な位相差を形成しつつバイアスすることができる。このように、プラズマカラムに対して完全にカスタム化された効果を生成することができ、これにより、特定のプラズマ処理システムにおいて存在し得るようなすべての方位的非一様性を補償することができる。セグメントに対しては、ＲＦパワーあるいはＤＣパワーのいずれかを印加することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の上記のおよび他の目的や利点は、添付図面を参照しつつ、以下の詳細な説明を読むことにより、明瞭となるであろう。
【００１８】
図１は、従来技術によるあるタイプのイオン化物理的気相蒸着装置を示す断面図であって、本発明のある種の実施形態を組み込み得るものである。
【００１９】
図２Ａは、本発明のある種の実施形態に基づく処理システムを簡略化して示す断面図である。
【００２０】
図２Ｂは、図２Ａと同様の断面図であって、本発明の他の実施形態に基づく処理システムを示している。
【００２１】
図３Ａは、図２Ａのシステムにおけるバイアス電極の一実施形態を示す斜視図である。
【００２２】
図３Ｂは、図２Ａのシステムにおけるバイアス電極の他の実施形態を示す斜視図である。
【００２３】
図３Ｃは、図３Ａおよび図３Ｂのバイアス電極の一部を拡大して示す斜視図である。
【００２４】
図４Ａは、図２Ｂのシステムにおけるバイアス電極の一実施形態を示す斜視図である。
【００２５】
図４Ｂは、図２Ｂのシステムにおけるバイアス電極の他の実施形態を示す斜視図である。
【００２６】
図４Ｃは、図４Ａのバイアス電極の一部を拡大して示す斜視図である。
【００２７】
図５Ａ〜図５Ｄは、本発明のある種の実施形態に関し、ある種の交流バイアスシーケンスを適用した結果を示すグラフである。
【００２８】
本発明の技術思想は、例えばスパッタエッチングおよび成膜プロセスを行うためのものとかプラズマ増強ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）プロセスを行うためのものとかイオン化ＰＶＤ（ｉＰＶＤ）プロセスを行うためのものとか反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行うためのものとかといったような、様々なプラズマ処理システムにおいて使用することができる。本発明による技術思想は、例えば図１に示す装置１０を使用するプロセスといったような標準的な熱プロセスを実施するためのｉＰＶＤシステムにおいて好適に適用することができる。ｉＰＶＤタイプの半導体ウェハ処理装置の例は、特許文献４，５，８に開示されている。これら文献の記載内容は、参考のため、ここに組み込まれる。本発明のいくつかの実施形態に関し、図１の装置１０を例として説明する。しかしながら、本発明は、他のタイプのシステムに対して適用することもできる。
【００２９】
図示されているｉＰＶＤ装置１０は、真空処理チャンバ１２と、このチャンバ１２を規定しているチャンバ壁１１と、このチャンバ壁１１の頂部に形成された開口１３と、この開口１３のところに取り付けられたイオン化スパッタ材料源２０と、を備えている。イオン化スパッタ材料源２０は、開口１３をシールしている。これにより、チャンバ１２内の真空と、外部の大気雰囲気と、を隔離している。チャンバ１２の内部には、ウェハ支持体１４が設けられている。ウェハ支持体１４は、開口１３に対向している一方の面上に、処理対象をなす半導体ウェハ１５を保持する。イオン化材料源２０は、マグネトロンカソードアセンブリ２１を備えている。マグネトロンカソードアセンブリ２１は、環状ターゲット２２を有している。環状ターゲット２２は、コーティング材料の供給源であり、限定するものではないけれども、典型的には、金属の供給源である。カソードアセンブリは、さらに、ターゲット２２に対して負のＤＣスパッタ電位を印加するための電源（図示せず）と、ターゲット２２の背面側に配置された永久磁石アセンブリ２３と、を備えている。永久磁石アセンブリ２３は、ターゲット２２の表面全体にわたってＤＣ電位によって励起された電子を拘束し、これにより、一次プラズマを形成し、チャンバ内のガスをイオン化させて、ターゲット２２から材料をスパッタリングする。
【００３０】
イオン化材料源２０においては、ターゲット２２は、環状のものとされていて、誘電体ウィンドウ２５を囲んでいる。誘電体ウィンドウ２５は、典型的には、石英またはアルミナから形成され、中央部分においてターゲット２２に対してシールされている。ターゲット２２およびウィンドウ２５は、チャンバ壁１１と一緒に、チャンバ１２のための真空容器の一部を形成している。ＲＦ ＩＣＰ源２４が、ウィンドウ２５のところに配置されており、チャンバ１２内へとＲＦエネルギーを供給する。これにより、チャンバ１２内には、二次的な高密度誘導結合プラズマが励起される。ＲＦ ＩＣＰ源２４は、ウィンドウ２５の大気雰囲気側に配置されたアンテナすなわちコイル２６と、チャンバ１２の内部においてウィンドウ２５をカバーしている成膜バッフルすなわちシールド２７と、を備えている。ＲＦ電源（図示せず）が、適切なマッチングネットワークを介して、アンテナ２６のリード線に対して、接続されている。典型的には、ＲＦ電源は、１３．５６ＭＨｚという商用周波数で動作する。ｉＰＶＤのためのチャンバ１２の中の圧力は、通常は、１０ｍＴｏｒｒ〜１５０ｍＴｏｒｒという範囲内である。
【００３１】
低いガス圧力および低いガス密度でプロセスが実行されるような標準的なＰＶＤシステムおよびｉＰＶＤシステムにおいては、スパッタリングされた粒子は、ターゲットからある種の運動エネルギーを有して放出され、ほぼ直線的に基板に向けてかつ基板上へと進行する。これら粒子は、基板上へと分散して到着する。すなわち、部分的には、ターゲットおよび基板に関連した幾何形状の関数として、分散して到着する。熱的なシステムにおいては、より大きな圧力およびより大きなガス密度が使用され、これにより、ターゲットと基板との間において、スパッタ材料とガス原子との多数の衝突が起こることとなる。これにより、スパッタ材料は、初期的な運動エネルギーを失い、最終的には、スパッタ材料のエネルギーは、実質的に、背景ガスの熱運動だけに基づくエネルギーとなる。この材料は、プラズマ内においてランダム化され、プラズマシースを横切って基板上へと案内される。チャンバ寸法や他の幾何形状に依存して、熱的プロセスは、３０ｍＴｏｒｒ〜５０ｍＴｏｒｒにおいて開始され、最大でも１００ｍＴｏｒｒにおいて開始される。
【００３２】
図１のシステムを使用したｉＰＶＤの場合には、単一チャンバ内において実行される成膜とエッチングとの連続的プロセスが、有利であることがわかっている。そのようなプロセスの一例は、特許文献９に開示されている。この文献の記載内容は、参考のため、その全体がここに組み込まれる。特許文献９におけるプロセスおよび装置においては、連続的な成膜ステップとエッチングステップとが使用され、これにより、大きなアスペクト比を有したサブミクロン的なデバイスの場合に発生する問題点が克服される。成膜−エッチングプロセスにおいては、まず最初に、例えばタンタル（Ｔａ）や窒化タンタル（ＴａＮ）や銅（Ｃｕ）といったような金属からなる薄層を成膜し、その後に、好ましくは成膜を停止させた後に、好ましくはアルゴン（Ａｒ）等のイオン化したガスを使用することによって、イオンエッチングステップを行う。エッチングステップにおいては、ウェハの上面および底面の双方のフィーエリア上において、成膜ステップ時に成膜した量と比較して、より少ない量の材料を除去する。これにより、プロセスサイクルの終了時点では、合計としては成膜が行われる。成膜−エッチングサイクルは、必要な回数だけ、繰り返すことができる。これにより、所望の結果を得ることができる。成膜時間やエッチング時間や成膜速度やエッチング速度や他の成膜パラメータや他のエッチングパラメータをバランスさせることにより、オーバーハング成長を、除去または最小化することができる。オーバーハング成膜および底部成膜は、エッチングバックされ、少なくとも部分的に、側壁へと再分散される。
【００３３】
例えばシステム１０といったような処理システムは、最大の注意を払ってコンピュータシミュレーションによって構成されている。しかしながら、多くの場合、プラズマを使用した実際のプロセスを実施した場合には、いくつかのハードウェア構成部材が衝撃を受け、それら構成部材とプラズマとの相互作用のために、ウェハのところにおける処理が非一様なものとなってしまう。例えば、非一様性は、プロセス条件を変更した場合に発生し得る。例えば、金属源２０の磁石２３からの静的磁界と相互作用した場合や、ＩＣＰ源２４のアンテナの幾何形状が変化した場合や、ＲＦの供給場所が変化した場合や、基板支持体１４や成膜シールドやガス流れや二次プラズマの不安定さやチャンバ１２内における様々なプラズマプロセスの熱的性能やＲＦ的性能が変化した場合、等に発生し得る。
【００３４】
連続的な成膜プロセスおよびエッチングプロセスにおいては、熱的プラズマが生成される高圧の場合には、サイクルのエッチングの際の材料の再成膜は、低圧の場合と比較して、より大きい。発生する正味のエッチングは、エッチング速度と、再成膜速度と、の差である。この場合、エッチング速度は、かなり一様である。再成膜速度は、ウェハの中央においては、かなり一様なものと考えられるものの、しかしながら、ウェハのエッジ（周縁部）においては、遅いものとなる。ウェハエッジのところにおける効果は、チャンバの周縁回りにおけるチャンバ構造によって影響を受け、ウェハの周縁回りにおいて一定ではなくなり、ウェハ回りにおいて変動する非一様性を引き起こす。周縁焦点合わせリングが、ウェハの半径方向におけるそのような非一様性を変更する。それは、再成膜速度が低下する半径部分を、ウェハエッジを超えた位置にまで、移動させるからである。単純なリングでは、周縁方向のすなわち方位方向の非一様性を修正することができない。
【００３５】
上記の非一様性は、周縁バイアス制御システム４０を使用して、追加的な制御パラメータを導入することにより、最小化される。そのような制御パラメータの一例は、特許文献１０において、既に提案されている。この文献の記載内容は、参考のため、その全体がここに組み込まれる。本発明においては、システム４０は、図２Ａに示すように、バイアス電極５０と、コントローラ６０と、を備えている。ここで、バイアス電極５０は、環状をなすバイアスリング５０ａという態様のものとされている。周縁バイアス制御システム４０は、ウェハ１５のところに、一様な条件を生成し、これにより、ウェハ１５に関する対称性と一様性とを改良することができる。これは、非対称性とか非一様性とかを引き起こす可能性のあるチャンバ構成部材の影響およびプロセスの影響をオフセットし得るからである。バイアス電極５０は、有利には、単一の連続したバイアスリングまたは焦点合わせリングとされ、これにより、軸方向の非対称性を解消することができて、径方向の非一様性を改良することができる。同様の効果は、図２Ｂに示すような、バイアス電極５０の代替構成においても得ることができる。この場合、バイアス電極５０は、円筒状リング５０ｃという態様のものとされている。連続したリングでは、方位的な非一様性を改良し得ないけれども、このバイアス電極５０は、セグメント化された電極である。すなわち、複数のセグメントが、選択的にバイアスされる、つまり、コントローラ６０によって個別的に制御される。これにより、方位的な非一様性に関しての方位的な制御を行うことができる。電極５０をなす複数の周縁セグメントは、ウェハ１５回りにおいて電気的にバイアスされる。これにより、プラズマからのフラックスを制御することができ、プラズマに対して露出されるバイアス表面積の比を変化させることができる。これにより、処理チャンバ１２の内部におけるプラズマカラムの対称性に影響を及ぼすことができる。
【００３６】
電極５０には、電極５０ａとして、少なくとも３つのセグメントが設けられる。図３Ａの例においては、それぞれが９０°をなす４つのセグメント５１が設けられている。これらセグメント５１は、コントローラ６０によって選択的にバイアスされる。これにより、プラズマカラムに対して回転効果を引き起こすことができる。プラズマの一様性をより効果的に制御し得るよう、より多くのセグメントを使用することができる。例えば、図３Ｂに示すように、それぞれが６０°をなす６個のセグメント５２を、電極５０ｂとして使用することができる。同様にして、より多数のセグメントを使用することができる。しかしながら、より多数のセグメントを使用すれば、複雑さが増大し、配線が増大し、鉛直方向軸線から離間したプラズマカラムに対しての有効セグメント面積およびインパクトが減少する。よって、６〜８個のセグメントが、実際的な上限である。
【００３７】
セグメント５１，５２は、様々なサイクル周波数でもって、あるいは、様々な負荷サイクルでもって、あるいは、様々な位相差でもって、あるいは、様々なサイクル周波数と様々な負荷サイクルと様々な位相差との様々な組合せでもって、バイアスされる。このように、プラズマカラムに対して完全にカスタム化された効果を生成することができ、これにより、特定のプラズマ処理システムにおいて存在し得るようなすべての方位的非一様性を補償することができる。セグメント５１，５２に対しては、ＲＦパワー（１〜５０ＭＨｚ）あるいはＤＣパワーのいずれかを印加することができる。これにより、セグメントに対して電力を印加して、１Ｈｚ〜数十ｋＨｚというサイクルで動作させることができる。
【００３８】
プラズマ処理システム２０は、基板ホルダ１４を備えており、この基板ホルダ１４は、マッチングネットワーク３１を介して、ＲＦ電源３２に対して接続されている。図３Ａは、バイアスリング５０ａをなす４つのセグメント５１を示している。これらセグメント５１は、ウェハホルダ１４を囲んでいる。個々のセグメント５１は、ギャップ５３（図３Ｃ参照）によって、互いに電気的に絶縁されている。各セグメント５１は、各セグメント５１に対して均等にＲＦパワーを伝達するパワースプリッター５６を介して、ＲＦ電源５５に対して接続されている。パワースプリッター５６からの出力は、マッチングネットワーク５７およびＲＦスイッチ５８に対して接続され、その後、各セグメント５１に対して接続されている。
【００３９】
図３Ｂは、６個の平面状セグメント５２から構成された同様のデバイスを示している。ホルダ１４上のウェハ１５は、６個の電極セグメント５２によって囲まれている。６個の電極セグメント５２は、幾何形状的には、セグメント化されたリング５０ｂを形成している。個々のセグメント５２は、同様に、図３Ｃのギャップ５３によって、互いに電気的に絶縁されている。各セグメント５２は、各セグメント５２に対して均等にＲＦパワーを伝達するパワースプリッター５６を介して、ＲＦ電源５５に対して接続されている。パワースプリッター５６からの出力は、図３Ａのリング５０ａの場合と同様に、マッチングネットワーク５７およびＲＦスイッチ５８に対して接続され、その後、各セグメント５１に対して接続されている。
【００４０】
図４Ａは、４個の円筒状セグメント６１から構成された同様のデバイス５０ｃを示している。ホルダ１４上のウェハ１５は、４個の電極セグメント６１によって囲まれている。４個の電極セグメント６１は、幾何形状的には、ウェハ回りにおいて、セグメント化された表面領域を形成している。個々のセグメント６１は、ギャップ５４（図４Ｃ参照）によって、互いに電気的に絶縁されている。各セグメントは、各セグメントに対して均等にＲＦパワーを伝達するパワースプリッター５６を介して、ＲＦ電源５５に対して接続されている。パワースプリッター５６からの出力は、マッチングネットワーク５７およびＲＦスイッチ５８に対して接続され、その後、各セグメントに対して接続されている。
【００４１】
セグメント化されたデバイス５０の表面積が、ウェハ１５の表面積と同等であるかあるいはそれよりも大きいことのために、なおかつ、デバイス５０がバイアスされていることのために、デバイス５０の表面の再スパッタリング、すなわち、デバイス５０の表面上に成膜されたコーティング膜の再スパッタリングが、行われる。この再スパッタリングは、ウェハ１５上への再成膜に寄与することができる。セグメント化電極５０ｃからウェハ１５へのこの再スパッタリングを防止し得るようあるいは低減し得るよう、セグメント化デバイス５０ｃは、図４Ｂに示すように、グリッド５０ｄの態様とすることができる。穴開き電極を使用しても、同様の効果を得ることができる。図４Ｂは、ワイヤグリッドの態様とされた４個の円筒形セグメント６２から構成されたデバイス５０ｄを示している。平面状のセグメント化グリッドを使用することができる。あるいは、平面状のセグメント化電極セグメントと、円筒形セグメント化電極セグメントと、の組合せを使用することができる。あるいは、例えばセグメント６１のような連続表面と、例えばセグメント６２のようなグリッド状表面と、のいずれかを使用することができる。
【００４２】
個々のセグメント５１，５２，６１，６２は、例えば図５Ａのグラフに示すようにして、ＲＦパワーによって順次的にバイアスされる。このようなシーケンスは、ウェハ回りに回転する電界を形成し、この電界がプラズマと相互作用して、プラズマカラムをチャンバ１２の内部においてオフセットさせる。サイクル期間７５の長さは、与えられたウェハに関する処理時間の中で複数回の回転が起こり得るように、選択される。このことは、個々のセグメントが、４個のセグメント化リング５０ａ，５０ｃ，５０ｄの場合には、２５％という負荷サイクル７６でもって、少なくとも数Ｈｚのパルスが印加されることを意味している。隣接しているセグメントどうしの間の位相差は、互いに同様である。６個のセグメント構成５０ｂの場合には、１７％という負荷サイクルと、同様の位相差と、が起こる。しかしながら、各セグメントに関する負荷サイクルは、増減させることができる。あるいは、隣接するセグメントの間においてオーバーラップさせることができる。これにより、隣接するセグメントの間に電界を生成して、特定のプロセスにおける方位的な非一様性を補償することができる。負荷サイクルおよびシステムの他の動作は、コントローラ７０によって制御することができる。負荷サイクルの典型的な範囲は、例えば、４個のセグメント５０の場合には、２０％〜５０％であり、６個のセグメントからなるシステムの場合には、１０％〜６０％である。例えば図５Ｂに示すような、４個のセグメント化バイアスリングに関しての、増大させた負荷サイクル７７により、オーバーラップ期間７８を形成することができる。オーバーラップ期間７８においては、互いに隣接する２つのセグメントが同時的にバイアスされており、このため、有効面積を２倍とすることができ、プラズマカラムに対しての効果をより大きなものとすることができる。典型的なサイクル周波数は、１〜１００Ｈｚである。しかしながら、サイクル周波数は、１ｋＨｚとか、数十ｋＨｚとか、にまで増大させることができる。タイミングは、典型的には、すべてのセグメントが１サイクル内において順次的に給電されるように、選択される。しかしながら、これは必須ではない。
【００４３】
セグメントのバイアスは、ＲＦパワーによっても、また、パルス的なＤＣパワーによっても、行うことができる。図５Ｃは、互いに対向して配置されたセグメントどうしに対しての両極性バイアスの例を示している。これにより、プラズマカラムに対して、バイアスセグメントによって決まる径方向に沿っての、協働的な力を印加することができる。
【００４４】
図５Ｄは、各セグメントが変調されたパルス周波数でもってバイアスされるような、他のパルスシーケンスを示している。上記すべての実施形態において、セグメント化バイアスデバイスに対しての供給パワーレベルは、典型的には、１００Ｗ〜数ｋＷという範囲である。周波数範囲は、１ＭＨｚ〜５０ＭＨｚとされる。あるいは、パルス型のＤＣ電源や、単一極性の電源や、両極性の電源、が使用される。
【００４５】
マイクロプロセッサをベースとしたコントローラ７０が、個々のセグメントのパルスシーケンスを制御する。様々なセグメントを、様々な負荷サイクルでもって励起することができる。これにより、非対称性を生成することができ、これにより、方位的な非一様性を補償することができる。
【００４６】
ある種の応用においては、方位的な非一様性を取り扱い得るよう、可変的な角度的長さを有した複数のセグメントを使用したり、ＲＦパワーに対しての様々な結合比率を使用したり、あるいは、これら技術思想の様々な組合せを使用したり、することが有利である。例えば、電源からのＲＦパワーは、２つの主要ラインだけに分離することができ、それぞれのラインに、複数のセグメントを接続することができる。ウェハの周縁回りにおいて、セグメントの角度的な長さを変更することにより、あるいは、各セグメントの面積を変更することにより、あるいは、各セグメントの他の電気的性質を変更することにより、再成膜効果に対する非線形的影響を生成することができる。これにより、プラズマプロセスの方位的プロファイルにおける任意の特定の非一様性を調節することができる。これに代えて、セグメントに対して供給されるエネルギーの電気的特性を変更することにより、例えば電圧値や周波数や波形等を変更することにより、成膜プロファイルや他の処理プロファイルに関して、電極による修正効果を変更することができる。
【００４７】
本発明の例示としてのいくつかの特定の実施形態について詳細に上述したけれども、当業者であれば、本発明の新規な特徴点および利点から実質的に逸脱することなく、上記実施形態を様々に変更可能であることは、理解されるであろう。したがって、そのようなすべての変更は、本発明の範囲内に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】従来技術によるあるタイプのイオン化物理的気相蒸着装置を示す断面図であって、本発明のある種の実施形態を組み込み得るものである。
【図２Ａ】本発明のある種の実施形態に基づく処理システムを簡略化して示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａと同様の断面図であって、本発明の他の実施形態に基づく処理システムを示している。
【図３Ａ】図２Ａのシステムにおけるバイアス電極の一実施形態を示す斜視図である。
【図３Ｂ】図２Ａのシステムにおけるバイアス電極の他の実施形態を示す斜視図である。
【図３Ｃ】図３Ａおよび図３Ｂのバイアス電極の一部を拡大して示す斜視図である。
【図４Ａ】図２Ｂのシステムにおけるバイアス電極の一実施形態を示す斜視図である。
【図４Ｂ】図２Ｂのシステムにおけるバイアス電極の他の実施形態を示す斜視図である。
【図４Ｃ】図４Ａのバイアス電極の一部を拡大して示す斜視図である。
【図５Ａ】本発明のある種の実施形態に関し、ある種の交流バイアスシーケンスを適用した結果を示すグラフである。
【図５Ｂ】本発明のある種の実施形態に関し、ある種の交流バイアスシーケンスを適用した結果を示すグラフである。
【図５Ｃ】本発明のある種の実施形態に関し、ある種の交流バイアスシーケンスを適用した結果を示すグラフである。
【図５Ｄ】本発明のある種の実施形態に関し、ある種の交流バイアスシーケンスを適用した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
１０ ｉＰＶＤ装置
１２ 真空処理チャンバ
１４ ウェハ支持体（基板支持体）
１５ 半導体ウェハ（半導体基板）
２０ イオン化スパッタ材料源
２２ 環状ターゲット
３２ ＲＦ電源
４０ 周縁バイアス制御システム
５０ バイアス電極
５０ａ バイアスリング
５０ｂ 電極
５０ｃ 円筒状リング
５１ セグメント
５２ セグメント
６０ コントローラ
６１ 円筒状セグメント
７０ コントローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体用プラズマ処理装置における非一様性を低減させるためのシステムであって、
基板支持体を囲み得る寸法のものとされ、かつ、少なくとも３個という複数のセグメントから形成された、リング形状電極と；
この電極の前記各セグメントに対して接続された電気エネルギー供給源と；
この電気エネルギー供給源に対して接続されたコントローラと；
を具備し、
前記コントローラが、前記電極の前記各セグメントを順次的に励起するようにして電気エネルギーを供給するようにプログラムされており、
これにより、前記基板支持体の周縁回りにおける基板の非一様性の処理に影響を与え得るものとされていることを特徴とするシステム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記コントローラが、前記電極の前記各セグメントに対して印加されるエネルギーの負荷サイクルを変更し得るようにプログラムされていることを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記コントローラが、前記基板支持体の周囲において、複数のサイクルにわたって、複数のセグメントを順次的に励起し得るようにプログラムされていることを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記電気エネルギー供給源が、前記電極の前記各セグメントに対して接続されたＲＦ電源を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記電気エネルギー供給源が、前記電極の前記各セグメントに対して選択的に接続可能とされたＲＦ電源を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記電極が、互いに絶縁されておりかつ前記基板支持体を囲んでいる４個〜６個のセグメントを備えていることを特徴とするシステム。
【請求項７】
請求項６記載のシステムにおいて、
前記電極が、環状ディスクであることを特徴とするシステム。
【請求項８】
請求項６記載のシステムにおいて、
前記電極が、円筒体であることを特徴とするシステム。
【請求項９】
請求項８記載のシステムにおいて、
前記セグメントが、メッシュから形成されていることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
ｉＰＶＤ装置であって、
請求項１記載のシステムを備えていることを特徴とするｉＰＶＤ装置。
【請求項１１】
半導体基板の処理装置であって、
真空処理チャンバと；
このチャンバ内に配置されたスパッタリングターゲットと；
前記チャンバに対して連結された高密度プラズマ源と；
前記チャンバ内に配置された基板支持体と；
この基板支持体を囲んでおり、かつ、少なくとも３個という複数のセグメントから形成された、リング形状電極と；
この電極の前記各セグメントに対して接続された電気エネルギー供給源と；
この電気エネルギー供給源に対して接続されかつ前記電極の前記各セグメントを順次的に励起するように構成されたコントローラと；
を具備していることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の装置において、
前記コントローラが、前記電極の前記各セグメント励起するようにプログラムされ、
これにより、前記基板支持体の周縁回りにおける基板の非一様性の処理に影響を与え得るものとされ、
これにより、基板の処理において方位的な非一様性を低減させ得るものとされていることを特徴とする装置。
【請求項１３】
イオン化物理的気相蒸着プロセスにおいてフィルムの方位的非一様性を改良するための方法であって、
セグメントによって基板支持体を囲み；
各セグメントに対して電気的エネルギーを順次的に印加することによって、各セグメントを周期的に励起する；
ことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の方法において、
前記セグメントとして、少なくとも３個のセグメントを設け、
前記セグメントの前記励起に際しては、複数のサイクルの各々において順次的に各セグメントをバイアスすることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１３記載の方法において、
前記セグメントに対してエネルギーを供給するに際しての負荷サイクルを制御し、
これにより、基板の方位的非一様性を低減させることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の方法において、
前記負荷サイクルの前記制御に際しては、様々なセグメントに対して互いに異なる態様で電気エネルギーを供給し、
これにより、基板の方位的非一様性を低減させることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１３記載の方法において、
基板に対して、一連をなす成膜プロセスとエッチングプロセスとを順次的に行うことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１３記載の方法において、
様々なセグメントに対して互いに異なる態様で電気エネルギーを供給し、
これにより、基板の方位的非一様性を低減させることを特徴とする方法。
【請求項１】
半導体用プラズマ処理装置における非一様性を低減させるためのシステムであって、
基板支持体を囲み得る寸法のものとされ、かつ、少なくとも３個という複数のセグメントから形成された、リング形状電極と；
この電極の前記各セグメントに対して接続された電気エネルギー供給源と；
この電気エネルギー供給源に対して接続されたコントローラと；
を具備し、
前記コントローラが、前記電極の前記各セグメントを順次的に励起するようにして電気エネルギーを供給するようにプログラムされており、
これにより、前記基板支持体の周縁回りにおける基板の非一様性の処理に影響を与え得るものとされていることを特徴とするシステム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記コントローラが、前記電極の前記各セグメントに対して印加されるエネルギーの負荷サイクルを変更し得るようにプログラムされていることを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記コントローラが、前記基板支持体の周囲において、複数のサイクルにわたって、複数のセグメントを順次的に励起し得るようにプログラムされていることを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記電気エネルギー供給源が、前記電極の前記各セグメントに対して接続されたＲＦ電源を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記電気エネルギー供給源が、前記電極の前記各セグメントに対して選択的に接続可能とされたＲＦ電源を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記電極が、互いに絶縁されておりかつ前記基板支持体を囲んでいる４個〜６個のセグメントを備えていることを特徴とするシステム。
【請求項７】
請求項６記載のシステムにおいて、
前記電極が、環状ディスクであることを特徴とするシステム。
【請求項８】
請求項６記載のシステムにおいて、
前記電極が、円筒体であることを特徴とするシステム。
【請求項９】
請求項８記載のシステムにおいて、
前記セグメントが、メッシュから形成されていることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
ｉＰＶＤ装置であって、
請求項１記載のシステムを備えていることを特徴とするｉＰＶＤ装置。
【請求項１１】
半導体基板の処理装置であって、
真空処理チャンバと；
このチャンバ内に配置されたスパッタリングターゲットと；
前記チャンバに対して連結された高密度プラズマ源と；
前記チャンバ内に配置された基板支持体と；
この基板支持体を囲んでおり、かつ、少なくとも３個という複数のセグメントから形成された、リング形状電極と；
この電極の前記各セグメントに対して接続された電気エネルギー供給源と；
この電気エネルギー供給源に対して接続されかつ前記電極の前記各セグメントを順次的に励起するように構成されたコントローラと；
を具備していることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の装置において、
前記コントローラが、前記電極の前記各セグメント励起するようにプログラムされ、
これにより、前記基板支持体の周縁回りにおける基板の非一様性の処理に影響を与え得るものとされ、
これにより、基板の処理において方位的な非一様性を低減させ得るものとされていることを特徴とする装置。
【請求項１３】
イオン化物理的気相蒸着プロセスにおいてフィルムの方位的非一様性を改良するための方法であって、
セグメントによって基板支持体を囲み；
各セグメントに対して電気的エネルギーを順次的に印加することによって、各セグメントを周期的に励起する；
ことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の方法において、
前記セグメントとして、少なくとも３個のセグメントを設け、
前記セグメントの前記励起に際しては、複数のサイクルの各々において順次的に各セグメントをバイアスすることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１３記載の方法において、
前記セグメントに対してエネルギーを供給するに際しての負荷サイクルを制御し、
これにより、基板の方位的非一様性を低減させることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の方法において、
前記負荷サイクルの前記制御に際しては、様々なセグメントに対して互いに異なる態様で電気エネルギーを供給し、
これにより、基板の方位的非一様性を低減させることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１３記載の方法において、
基板に対して、一連をなす成膜プロセスとエッチングプロセスとを順次的に行うことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１３記載の方法において、
様々なセグメントに対して互いに異なる態様で電気エネルギーを供給し、
これにより、基板の方位的非一様性を低減させることを特徴とする方法。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【公開番号】特開２００７−４６１６０（Ｐ２００７−４６１６０Ａ）
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００６−２１１３０１（Ｐ２００６−２１１３０１）
【出願日】平成１８年８月２日（２００６．８．２）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【出願人】（５０５３９０６８０）ト−キョ−・エレクトロン・アメリカ・インコーポレーテッド (64)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１１３０１（Ｐ２００６−２１１３０１）
【出願日】平成１８年８月２日（２００６．８．２）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【出願人】（５０５３９０６８０）ト−キョ−・エレクトロン・アメリカ・インコーポレーテッド (64)
【Ｆターム（参考）】
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