JP5566970B2 - 誘導結合型プラズマエッチング装置のｒｆピークトゥピーク電圧を能動的に制御する装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体の製造に関し、より詳しくは、プラズマエッチングチャンバの内部におけるプラズマの挙動を制御するための装置および方法に関する。

半導体製造プロセスにおいては、絶縁膜形成や拡散工程などとともに、エッチング工程が繰り返し行われる。当業者には周知のように、このエッチング工程としては、ウェットエッチングとドライエッチングの２種類があり、ドライエッチングは、例えば図１Ａに示すような誘導結合型プラズマエッチング装置を用いて実施されるのが通常である。

図１Ａの誘導結合型プラズマエッチング装置では、まず、ガス入口（図示せず）からチャンバ２０内部に反応ガスが注入される。次に、電源部（図示せず）からコイル１７に高周波電力が印加される。半導体ウエハ１１は、チャンバ２０内にあるチャック１９に載置されている。コイル１７は、絶縁体で形成されたスペーサ１３によってチャンバ上部に保持されている。動作中、コイル１７を通過する高周波（ＲＦ）電流がチャンバ２０内に電磁電流を誘導し、その電磁電流が反応ガスに作用してプラズマを発生させる。

プラズマには各種ラジカルが含まれ、正・負イオンの化学反応が、半導体ウエハ１１それ自体や、ウエハ上に形成された絶縁膜などをエッチングするために使用される。エッチング工程中は、コイル１７が変圧器の一次側コイルに、チャンバ２０内のプラズマが変圧器の二次側コイルに相当する機能をそれぞれ果たす。そして、このようなエッチング工程で生成された反応生成物は、排気口１５から排気される。

しかし、近年開発されるようになった新しいデバイス用材料（プラチナ、ルテニウム等）をエッチングする場合は、不揮発性物質（例えばＲｕＯ２）が反応生成物として生成される。このような反応生成物は、ＴＣＰ窓１０の表面１０ａに付着してしまうことがある。そして、反応生成物が導電性の場合は、表面１０ａ上の反応生成物の膜が、チャンバ内の電磁電流を電気的にシールドしてしまう。すると、幾つかのウエハをエッチングした後に、プラズマをうまくヒットさせることが出来なくなり、結果としてエッチング工程を中断せざるをえない。

このような事態を回避するため、プラズマを使用して、ＴＣＰ窓１０の表面１０ａに付着した反応生成物をスパッタリングする方法が開発された。しかしながら、図１Ａに示される誘電結合型プラズマエッチング装置では、ＲＦ電流によって誘導された電磁電流によって、ＴＣＰ窓１０付近に定在波の電圧分布が生じる。これは、反応生成物のデポジションおよびスパッタリングを不均一にするため問題である。

図１Ｂおよび図１Ｃは、図１Ａの誘電結合型プラズマエッチング装置に固有な、ＴＣＰ窓上における不均一なデポジションおよびスパッタリングを示した図である。図１Ｂにおいて、コイル１７は、中に「×」または「●」を有したボックスの形で示されている。中に「×」を有したボックスは、そのコイルが紙面に入る方向に延びていることを示し、中に「●」を有したボックスは、そのコイルが紙面から出てくる方向に延びていることを示す。図１Ｂに示されるように、ＴＣＰ窓１０の表面１０ａには、過度のスパッタリングを受ける部分と、過度のデポジションを受ける部分とがある。過度のスパッタリングは、その位置の定在波による加速電圧の振幅が大きく、プラズマ内のイオンに比較的多量のエネルギが加えられる領域で生じる。図１Ｃ下部のグラフに示されるように、定在波２４の振幅は、図１Ｃ上部に示されるコイル１７の端部１７ａおよび１７ｂにそれぞれ相当する点２４ａおよび２４ｂで大きい。過度のデポジションは、定在波の振幅が小さく、プラズマ内のイオンに比較的少量のエネルギが加えられる領域で生じる。図１Ｃ下部のグラフに示されるように、定在波２４の振幅は、定在波の節である点２２に近い領域で小さい。

ＴＣＰ窓上における不均一なデポジションおよびスパッタリングが望ましくない原因として、多くの理由があげられる。過度のデポジションは、上述したように、ＴＣＰ窓の表面上における導電膜の存在がチャンバ内の電磁電流を電気的にシールドして、エッチング工程を不可能とするため、望ましくない。過度のデポジションはさらに、微粒子問題（微粒子がウエハ上に剥がれ落ちる）をしばしば引き起こし、チャンバがドライおよびウェットの洗浄を受ける際の周波数を増加させる。チャンバを頻繁に洗浄すると、ツールの可能なアップタイム（動作可能時間）が犠牲にされてスループットが低下するため、特に望ましくない。過度のスパッタリングは、通常は石英またはアルミナよりなるＴＣＰ窓が、イオンの照射によって腐食されるため望ましくない。このような腐食は、ＴＣＰ窓のライフタイムを短くするだけでなく、ウエハを汚染し不要な化学種を工程環境に誘導する微粒子も生成する。工程環境における不要な化学種の存在は、工程条件の再現性を低くするため特に望ましくない。

以上からわかるように、導電性の反応生成物が実質的に堆積されるのを、ＴＣＰ窓を過度に腐食することなく回避できるような、誘電結合型プラズマエッチング装置が必要とされている。

概して本発明は、プラズマが発生されるチャンバの壁付近において、プラズマ内のイオンに均一にエネルギを加えるような、誘電結合型プラズマエッチング装置を提供する。

本発明の１つの態様では、第１のタイプの誘電結合型プラズマエッチング装置を提供する。この誘電結合型プラズマエッチング装置は、チャンバと、チャンバ頂部の開口部を封止するための窓とを備える。窓は、チャンバの内部領域に露出した内面を有する。ファラデーシールドとして機能する金属板は、窓の上方に窓から離れて設置される。コイルは、窓の内面がスパッタリングされるのを最適に低減し、それと実質同時に、窓の内面上にエッチング副生成物が堆積されるの防ぐような、ピークトゥピーク電圧を生成するように構成された接続位置において、金属板に導電結合される。

１つの実施形態において、誘電結合型プラズマエッチング装置はさらに、ＲＦ電力を受信するためのコイル入力端と、コイル出力端とを備える。この実施形態では、コイル入力端とコイル出力端のあいだに接続位置が定義されている。１つの実施形態において、接続位置はコイル入力端よりコイル出力端に近い。１つの実施形態において、誘電結合型プラズマエッチング装置はさらに、ＲＦ電源と、ＲＦ電源とコイル入力端のあいだに結合された整合回路網と、接地位置とコイル出力端のあいだに結合された可変コンデンサとを備える。

１つの実施形態において、誘電結合型プラズマエッチング装置はさらに、金属板に結合された発振回路を備える。発振回路は、金属板上のピークトゥピーク電圧を調整できるように制御することが可能である。１つの実施形態において、発振回路は、調波点に沿ってピークトゥピーク電圧を制御するように調整することが可能な可変コンデンサを備える。別の実施形態において、誘電結合プラズマエッチング装置はさらに、金属板に結合された分圧回路を備える。分圧回路は、ピークトゥピーク電圧を調整できるように制御することが可能である。１つの実施形態において、分圧回路は、可変コンデンサの容量の増大にともなってピークトゥピーク電圧を減少させるような点に沿って、ピークトゥピーク電圧を制御するように調整することが可能な、可変コンデンサを備える。

１つの実施形態において、誘電結合型プラズマエッチング装置は、金属板とコイルとが取り付けられて構成されたチャンバの蓋を備える。チャンバの蓋は、その開閉を可能とするヒンジによって取り付けられる。閉位置にあるとき、チャンバの蓋は、操作に備えて金属板を窓の近くに配置する。

本発明の別の態様では、第２のタイプの誘電結合型プラズマエッチング装置を提供する。この誘電結合型プラズマエッチング装置は、チャンバと、チャンバ頂部の開口部を封止するための窓とを備える。窓は、チャンバの内部領域に露出した内面を有する。ファラデーシールドとして機能する金属板は、窓の上方に窓から離れて設置される。コイルは、金属板の上方に金属板から離れて設置される。この装置はまた、金属板に外部からピークトゥピーク電圧を印加するためのコントローラを備える。コントローラは、発振回路と、整合回路と、ＲＦ電源と、印加されたピークトゥピーク電圧をモニタリングするためのフィードバック制御とを備える。

１つの実施形態では、外部から印加されたピークトゥピーク電圧が調整可能であることにより、窓の内面がスパッタリングされるのを低減し、それと実質同時に窓の内面上にエッチング副生成物が堆積されるのを防ぐ。１つの実施形態において、誘電結合型プラズマエッチング装置はさらに、ＲＦ電力を受け入れるためのコイル入力端と、コイル出力端とを備える。１つの実施形態において、誘電結合型プラズマエッチング装置はさらに、ＲＦ電源と、ＲＦ電源とコイル入力端のあいだに結合された整合回路網と、接地位置とコイル出力端のあいだに結合された可変コンデンサとを備える。

１つの実施形態において、金属板は、誘電スペーサによって窓に接続されている。１つの実施形態において、誘電結合型プラズマエッチング装置は、金属板とコイルとが取り付けられて構成されたチャンバの蓋を備える。チャンバの蓋は、チャンバの蓋の開閉を可能とするヒンジによって取り付けられる。閉位置にあるとき、チャンバの蓋は、操作に備えて金属板を窓の近くに配置される。開位置にあるとき、チャンバの蓋は、窓の目視検査およびチャンバの点検に備えて金属板を窓から離して配置する。

本発明のさらに別の態様にしたがって、誘電結合型プラズマエッチング装置の動作を最適化する第１の方法を提供する。この方法では、ウエハをエッチングするためのチャンバが用意される。チャンバ頂部の開口部には、窓が取り付けられる。窓は、外面と、チャンバの内部領域に露出された内面とを備える。コイルは窓の上方に配置され、金属板は窓の外面の上方に配置される。金属板は、コイルと窓の外面とのあいだに両者から離れた状態で配置される。金属板は、コイル上の接続位置に導電接続される。接続位置は、窓の内面の近くにおいて実質的に均一な入射イオンエネルギを生成するように最適に選択された、入力端と出力端のあいだの位置である。実質的に均一な入射イオンエネルギは、窓の内面がスパッタリングされるのを低減し、それと実質同時に窓の内面上にエッチング副生成物が堆積されるのを防ぐように構成される。

本発明のさらにまた別の態様にしたがって、誘電結合型プラズマエッチング装置の動作を最適化する第２の方法を提供する。この方法では、ウエハをエッチングするためのチャンバが用意される。チャンバ頂部の開口部には、窓が取り付けられる。窓は、外面と、チャンバの内部領域に露出された内面とを備える。コイルは窓の上方に配置され、金属板は窓の外面の上方に配置される。金属板は、コイルと窓の外面とのあいだに両者から離れた状態で配置される。制御されたピークトゥピーク電圧を金属板に印加することによって、窓の内面近くに実質的に均一な入射イオンエネルギが生成される。実質的に均一な入射イオンエネルギは、窓の内面がスパッタリングされるのを低減し、それと実質同時に窓の内面上にエッチング副生成物が堆積されるのを防ぐように構成される。

本発明の装置および方法によって、数多くの利点がもたらされる。最も注目に値するのは、本発明の装置および方法によって、誘電結合型プラズマエッチングシステム内で、チャンバの上壁（例えばＴＣＰ窓）の内面上に例えばＲｕＯ₂等の導電性の反応生成物が堆積されるのを、均一に防げることである。この場合、わずか数枚のウエハを処理するたびにプラズマエッチング動作を停止して、チャンバの壁を洗浄する必要がないことから、近年になって開発された例えばＲｕ等のデバイス用材料をプラズマエッチングする際の、スループットを向上させることができる。また、本発明の装置および方法は、誘電結合型プラズマエッチングシステム内で、チャンバの上壁（例えばＴＣＰ窓）の内面がスパッタリングされるのを、均一に防ぐこともできる。この場合、微粒子の生成と、工程環境に不要な化学種の誘導とが回避されるため、工程状態の再現性を向上させることができる。

ここで、上述した発明の概要および以下に続く詳細な説明が、例示および説明のみを目的としており、添付した特許請求の範囲のように本発明の内容を限定するものではないことを、理解しておく必要がある。

従来技術による誘電結合型プラズマエッチング装置を簡単に示した断面図である。 図１Ａの誘電結合型プラズマエッチング装置に固有な、ＴＣＰ窓上の不均一なデポジションおよびスパッタリングを示した概要図である。 図１Ａに示された誘電結合型プラズマエッチング装置におけるコイル上のＶｐｐを、コイルの長さの関数として示したグラフである。 本発明の１つの実施形態にしたがった誘電結合型プラズマエッチング装置を簡単に示した断面図である。 本発明の１つの実施形態にしたがった誘電結合型プラズマエッチング装置におけるプラズマの発生を、簡単に示した断面図である。 本発明の１つの実施形態にしたがった誘電結合型プラズマエッチング装置によって得られる窓の均一なスパッタリングを、簡単に示した断面図である。 本発明の１つの実施形態にしたがった、ファラデーシールドとして機能する金属板および金属板をその場所に保持するためのコンポーネントを示した分解透視図である。 本発明の１つにしたがった、コイルおよびコイルをその場所に保持するためのコンポーネントを示した分解透視図である。 ルテニウム（Ｒｕ）エッチングでファラデーシールド板をコイルに接続する最適な位置を決定するために実施されるテストで使用される、装置および接続位置の概要図である。 図５で示された各接続位置Ａ、Ｂ、Ｃに関して測定されたファラデーシールド板のＶｐｐを、ＴＣＰ電力の関数として示したグラフである。 図５で示された各接続位置Ａ、Ｂ、Ｃに関して測定されたコイル入力端のＶｐｐを、ＴＣＰ電力の関数として示したグラフである。 図５で示された各接続位置Ａ、Ｂ、Ｃに関して測定されたコイル出力端のＶｐｐを、ＴＣＰ電力の関数として示したグラフである。 本発明の１つの実施形態にしたがった、ファラデーシールド板のＶｐｐを外部から制御する発振回路を備えた誘電結合型プラズマエッチング装置の概要図である。 Ｖｐｐを、図７Ａに示された誘電結合型プラズマエッチング装置における可変コンデンサの位置の関数として示したグラフである。 本発明の別の実施形態にしたがった、ファラデーシールド板のＶｐｐを外部から制御する分圧回路を備えた誘電結合型プラズマエッチング装置の概要図である。 Ｖｐｐを、図８Ａに示された誘電結合型プラズマエッチング装置における可変コンデンサの位置の関数として示したグラフである。 本発明のさらに別の実施形態にしたがった、ファラデーシールド板が様々な周波数で駆動される誘電結合型プラズマエッチング装置の概略図である。 Ｖｐｐを、図９Ａに示された誘電結合型プラズマエッチング装置における低周波数ＲＦ電力の関数として示したグラフである。 ルテニウムエッチングのエッチング速度を、従来の誘電結合型プラズマエッチング装置で処理されたウエハ枚数の関数、そして本発明にしたがった、コイルに結合されたファラデーシールド板を有した誘電結合プラズマエッチング装置で処理されたウエハ枚数の関数として、それぞれ示したグラフである。

次に、本発明の代表的な実施形態をいくつか取り上げ、添付した図面を参照にしながら詳細な説明を行なう。図１Ａ〜１Ｃに関しては、発明の背景ですでに議論済みである。

図２Ａは、本発明の１つの実施形態にしたがった誘電結合型プラズマエッチング装置を簡単に示した断面図である。図２Ａに示されるように、半導体ウエハ１１は、ハウジングの壁によって定義されるチャンバ１００内でそのハウジングの低部にある壁の近くに配置されたチャック１９上に載置される。コイル１１７は、絶縁体で形成されてよいスペーサ１３によって、チャンバ１００のＴＣＰ窓１０上に保持される。ＴＣＰ窓１０は石英で形成されることが好ましいが、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリコン窒化物（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、シリコン炭化物（ＳｉＣ）、およびシリコン（Ｓｉ）等の他の材料を使用してもよい。ＴＣＰ窓１０の主な役割は、チャンバを真空封止することである。１つの実施形態において、ＴＣＰ窓１０は、約２インチ（５．０８ｃｍ）〜約８インチ（２０．３２ｃｍ）の距離だけウエハ１１から離れており、約４インチ（１０．１６ｃｍ）〜約５インチ（１２．８ｃｍ）の距離だけ離れていることがより好ましい。動作中は、ガス入口（図示せず）からチャンバ１００の内部に反応ガスが注入される。次に、電源部（図示せず）からコイル１１７に高周波電力が印加される。コイル１１７を通過する高周波（ＲＦ）電流がチャンバ１００内に電磁電流を誘導し、その電磁電流が反応ガスに作用してプラズマを発生させる。

プラズマには各種ラジカルが含まれ、正・負イオンの化学反応が、半導体ウエハ１１それ自体や、ウエハ上に形成された絶縁膜などをエッチングするのに使用される。エッチング工程中は、コイル１１７が変圧器の一次側コイルに、チャンバ１００内のプラズマが変圧器の二次側コイルに相当する機能をそれぞれ果たす。このようなエッチング工程で生成された反応生成物が揮発性である場合は、その反応生成物は排気口１５から排気される。

コイル１１７とチャンバ１００のあいだには、ファラデーシールドとして機能する金属板２１７が設けられる。参照を容易にするため、以下では金属板２１７を「ファラデーシールド板」と称する場合もある。１つの実施形態において、金属板２１７は、コイル１１７とＴＣＰ窓１０のあいだで両者から離れた位置に、ＴＣＰ窓に実質的に平行に配置される。金属板２１７の厚さは約２０μｍ〜約１０ｍｍであることが好ましく、約５０μｍ〜約５ｍｍであることがより好ましい。１つの実施形態において、金属板２１７の厚さは約１．５ｍｍである。コネクタ２０７は、コイルの所定の位置で金属板２１７をコイル１１７に電気的に接続し、金属板２１７に印加される面内ＲＦ電圧（in-plane RF voltage）が均一であることを保証するように機能する。金属板２１７に印加される面内ＲＦ電圧が均一であるため、ＴＣＰ窓１０付近のプラズマには均一なエネルギが加えられる。この均一なエネルギ分布の結果として、反応生成物のデポジションおよびスパッタリングが均一に行われ、そうすることによって、ＴＣＰ窓１０上における反応生成物の望ましくない蓄積を、生じないようにするまたは実質的に排除することができる。

１つの実施形態において、コネクタ２０７は、金属板をコイル１１７の特定の位置に電気的に接続することによって、適切なＶｐｐ（ピークトゥピーク電圧）を金属板に印加する。金属板に均一にＶｐｐを印加して、プラズマ内のイオンを加速し、誘電結合型プラズマエッチング装置のチャンバの真空側壁に均一に衝突させることにより、そこに反応生成物が堆積されるのを防止する。１つの実施形態において、誘電結合型プラズマエッチング装置は、米国カリフォルニア州フリーモント市所在のラム・リサーチ・コーポレーションから入手可能なＴＣＰ ９４００ ＰＴＸプラズマエッチング装置であり、加速されたイオンは、ＴＣＰ窓の真空側壁に均一に衝突することによって、そこに反応生成物が堆積されるのを防止する。代替の実施形態において、コネクタ２０７は、インピーダンス整合ボックスからコイルにいたる導体に、金属板を電気的に接続する。

図２Ｂおよび２Ｃは、本発明の１つの実施形態にしたがった誘電結合型プラズマエッチング装置によって達成される窓の均一なスパッタリングを示した図である。図２Ｂに示されるように、特定の工程にとって最適な位置においてコイル１１７に接続されるコネクタ２０７を通して、金属板２１７に適切なＶｐｐが印加されると、チャンバ１００内で、金属板２１７の表面全体に渡って均一な磁場が生成される。これらの均一な磁場は、チャンバ１００内に均一な電磁電流を誘導し、この誘導電流は、反応ガスに作用してプラズマを発生させる。誘導電流が金属板２１７の表面全体に渡って均一であるため、図２Ｃに示されるように、ＴＣＰ窓１０の表面１０ａに衝突する入射イオンのエネルギも均一である。

図３は、本発明の１つの実施形態にしたがった、ファラデーシールドとして機能する金属板および金属板をその場所に保持するためのコンポーネントの分解透視図である。図３に示されるように、金属板２１７は、ネジ２０５によって表にアタッチメントスペーサ１３が設けられたアタッチメントフレーム２０１の下側に固定される。アタッチメントフレーム２０１、アタッチメントスペーサ１３、およびネジ２０５は、任意の適切な絶縁体で形成されてよい。

外環２１１、内環２１３、および中央ディスク２１５は、ネジ２１９によってアタッチメントフレーム２０１に固定されており、任意の適切な絶縁体によって形成されてよい。外環２１１、内環２１３、および中央ディスク２１５は、誘電結合型プラズマエッチング装置の動作中に金属板２１７の形状を保持する。金属板２１７内には、複数の放射スロット２２１が形成されている。放射スロット２２１は、コイル１１７のセクションを横切るように延びることにより、導体である金属板２１７上に、電流から生成される内部の誘導電力が流れるのを妨げる。これが必要なのは、金属板２１７上を流れる電流が、コイル１１７（例えば図２Ａおよび図４を参照）とチャンバ１００（例えば図２Ａを参照）とを電気的にシールドするためである。

続けて図３を参照すると、コネクタ２０７が、金属板２１７とコイル１１７（例えば図２Ａおよび図４を参照）とを電気的に接続することがわかる。この接続には２つの金属製のネジ２０９が使用され、１つが金属板２１７をコネクタ２０７に接続し、もう１つがコイル１１７をコネクタ２０７に接続する。

図４は、本発明の１つの実施形態にしたがったコイルおよびコイルをその場所に保持するためのコンポーネントの分解透視図である。図４に示されるように、アタッチメントフレーム２０１およびアタッチメントスペーサ１３は、金属板２１７とコイル１１７のあいだに設けられている。十字型のコイル取付板３０５の４端は、支持バネハウジング３０１および金属ネジ３０３によって固定されて、コイル１１７の形状を保持する。図４に示されるように、コイル１１７のターン数は３である。コイル１１７には少なくとも１ターンが必要だが、用途ごとのニーズに合わせて任意の適切なターン数を有してもよい。

図３の説明と関連して上述したように、コネクタ２０７は、金属板２１７をコイル１１７に電気的に接続するものである。図４に示されるように、Ｕ字型スペーサ３０９は、コイル取付板３０５と、コイル１１７と、金属板２１７とを位置付ける。Ｕ字型スペーサ３０９は、金属製のネジ３０７によってコイル１１７に接続されている。１つの金属ネジ２０９が、Ｕ字型スペーサ３０９を通してコネクタ２０７をコイル１１７に電気的に接続し、もう１つの金属ネジ２０９が、コネクタ２０７を金属板２１７に電気的に接続する（図３を参照）。図４に示されるように、コイル１１７は、コイル入力端１１７ａとコイル出力端１１７ｂがともにコイル１１７の中心近くに配置されるように構成されている。特にコイル１１７は、コイル端部１１７ａ−１とコイル出力端１１７ｂとを備える。コイル延長部１１７ａ−２は、コイル端部１１７ａ−１をコイル延長部１１７ａ−４のコイル延長端１１７ａ−３に接続する。コイル入力端１１７ａは、コイル延長部１１７ａ−４のもう一端にある。当業者には明らかなように、このコイルの構成は、コイル入力端とコイル出力端がともにコイル１１７の中心近くに配置される必要がない状況では、図４に示される構成と異なってもよい。

図５は、ルテニウム（Ｒｕ）のエッチングでファラデーシールド板をコイルに接続する最適な位置を決定するために実施されるテストで使用される、装置および接続位置を示した概要図である。図５に示されるように、ＲＦ電源４００と、整合回路網４０２と、ＶＩプローブ４１２ａとが、コイル１１７のコイル入力端１１７ａに結合される。コイル１１７のコイル出力端１１７ｂには、接地された可変コンデンサ４０１およびＶＩプローブ４１２ｂが結合される。テスト中、例えばファラデーシールド板である金属板２１７が、コネクタ２０７によって位置Ａ、Ｂ、Ｃでコイル１１７に結合され、これらの各接続位置に関して、コイル入力端１１７ａおよびコイル出力端１１７ｂにおけるＶｐｐが、ＶＩプローブ４１２ａおよび４１２ｂによってそれぞれ測定される。また、各接続位置Ａ、Ｂ、Ｃに関して、金属板２１７のＶｐｐがＶＩプローブ４１２ｃによって測定される。ＶＩプローブ４１２ａ、４１２ｂ、４１２ｃは、ポリイミド等の誘電材料で分離された金属プローブと銅板等の金属板とを含む、容量性のプローブである。

図６Ａ、６Ｂ、および６Ｃは、図５の各接続位置Ａ、Ｂ、Ｃに関して、金属板２１７、コイル入力端１１７ａ、およびコイル出力端１１７ｂで測定されたＶｐｐを、ＴＣＰ電力（パワー）の関数としてそれぞれ示したグラフである。図６Ａに示されるように、接続位置Ａ（出力の近く）に関して、金属板２１７のＶｐｐはＴＣＰ電力の増加にともなって著しく減少する。接続位置ＢおよびＣに関しては、金属板２１７のＶｐｐはＴＣＰ電力の増加にともなってわずかに増加する。図６Ｂに示されるように、各接続位置Ａ、Ｂ、Ｃに関して、コイル入力端１１７ａにおけるＶｐｐは、ＴＣＰ電力の増加にともなって著しく増加する。図６Ｃに示されるように、接続位置Ａに関して、コイル出力端１１７ｂにおけるＶｐｐは、ＴＣＰ電力の増加にともなってわずかに減少する。接続位置ＢおよびＣに関しては、コイル出力端１１７ｂにおけるＶｐｐは、ＴＣＰ電力の増加にともなって著しく増加する。

再び図６Ａを参照すると、接続位置Ａの場合の金属板２１７では、８００ワットに対して６７６ボルトのＶｐｐが得られたことがわかる。テスト中、ＴＣＰ窓はクリーンな状態で維持されたが、スパッタリングは過度に生じた。破損された石英製の窓にルテニウムのマイクロマスキングが観測されたが、これは、破損された石英製の窓を研磨された窓と取り換えることによって解決された。接続位置Ｂの場合は、８００ワットに対して４６４ボルトのＶｐｐが得られた。テスト中、ほぼ１ロットに相当するウエハがルテニウムエッチングを受けた後も、ＴＣＰ窓上でエッチング副生成物のデポジションは観測されなかった。接続位置Ｃの場合は、８００ワットに対して３７３ボルトのＶｐｐが得られた。テスト中、数枚のウエハをエッチングした後、ＴＣＰ窓上で軽いデポジションが観測された。したがって、上述したテスト結果から、ルテニウムエッチング工程では接続位置Ｂが接続位置ＡおよびＣより優れていることがわかる。

本発明のファラデーシールド板は、ＲＦピークトゥピーク電圧およびＲＦ整合が特定のエッチング方法に最適化されるような、単一工程のエッチング方法によく適している。しかしながら、ＲＦ電力、圧力、およびガス組成が実質的に異なっても良いような、例えば、ブレークスルー工程、バルクエッチング工程、オーバエッチング工程等の複数工程のエッチングを有した、他の多くのエッチング方法にも適している。したがって、所定のエッチング工程でファラデーシールド板上に設定されたＶｐｐの特定の設定値（例えば接続位置）が、他のエッチング工程にとっても最適とは限らない。さらに、エッチング工程ごとにエッチングチャンバのインピーダンスが異なるため、ＲＦを調整して様々なインピーダンスを満足させるのは困難である。複数のエッチング工程を有したエッチング方法では、石英製の窓上における材料のデポジションを実質的に排除する正しい接続点を選択するだけで、独立した各エッチング工程を最適化することが可能である。このような最適化は、図５との関連で上述した接続位置Ｂの選択と同様の方法で達成することができる。この例において、点Ａ、Ｂ、Ｃは、コイル出力端から約２５ｍｍ、コイル出力端から約８０ｍｍ、コイル出力端から約１４０ｍｍの位置でそれぞれ選択されている。当業者にとって当然明らかなように、これらの位置は、所定の材料をエッチングするのに使用される方法と、整合網要素の設定の組み合わせとに依存して変動可能である。

図７Ａは、本発明の１つの実施形態にしたがった、ファラデーシールド板のＶｐｐを外部から制御する発振回路を備えた誘電結合型プラズマエッチング装置の概要図である。図７Ａに示されるように、ＲＦ電源４００と、整合回路網４０２とが、コイル１１７のコイル入力端１１７ａに結合される。コイル１１７のコイル出力端１１７ｂには、接地された可変コンデンサ４０１が結合される。金属板２１７は、コイル１１７と、可変コンデンサ４０８および誘導子４０９を備えた発振回路を定義するシールドボックス４０６とに接続される。可変コンデンサ４０８と誘導子４０９は接地されている。この構成では、金属板２１７のＶｐｐを、発振回路の可変コンデンサの位置を調整することによって制御することができる。図７Ｂに示されるように、調波点では最大のＶｐｐが生じる。

図８Ａは、本発明の１つの実施形態にしたがった、ファラデーシールド板のＶｐｐを外部から制御する分圧回路を備えた誘電結合型プラズマエッチング装置の概要図である。図８Ａに示されるように、ＲＦ電源４００と、整合回路網４０２とが、コイル１１７のコイル入力端１１７ａに結合される。コイル１１７のコイル出力端１１７ｂには、接地された可変コンデンサ４０１が結合される。金属板２１７は、結合コンデンサ４１６ａと可変コンデンサ４１６ｂとを備えた分圧回路４１６を介してコイル１１７に接続される。金属板２１７は、結合コンデンサ４１６ａがコイル１１７と金属板のあいだに配置され、可変コンデンサ４１６ｂが金属板と接地位置のあいだに配置されるように、分圧回路４１６に接続される。この構成では、金属板２１７のＶｐｐを、分圧回路の可変コンデンサの位置を調整することによって制御することができる。図８Ｂに示されるように、Ｖｐｐは分圧回路の分圧比に比例する。

ファラデーシールド板のＶｐｐを外部から制御するための図７Ａおよび８Ａに示される構成は、簡単且つ安価なため望ましい。しかし一方では、これらの構成はＴＣＰの整合に影響を及ぼす可能性がある。この点に関して、図７Ａに示される構成は、図８Ａに示される構成よりＴＣＰ整合に及ぼす影響が少ない。

図９Ａは、本発明のさらに別の実施形態にしたがった、ファラデーシールド板が異なる周波数で駆動される誘電結合型プラズマエッチング装置の概略図である。図９Ａに示されるように、ＲＦ電源４００および整合回路網４０２が、コイル１１７のコイル入力端１１７ａに結合される。コイル１１７のコイル出力端１１７ｂには、接地された可変コンデンサ４０１が結合される。金属板２１７は、接続点４６２においてファラデーシールドドライバ４５０に結合される。ファラデーシールドドライバ４５０は基本的に、様々なＴＣＰ電力設定値において印加されるピークトゥピーク電圧のモニタリングと、コイル１１７の整合回路に依存することなく最適な性能を達成するためのオンザフライ（直接処理）調整と、を可能とするコントローラである。これは、この代表的な実施形態においてコイルと金属板との接続がなされないため真実である。図９Ａに示されるように、ファラデーシールドドライバ４５０は、整合回路４５２と、誘導子４５４および可変コンデンサ４５６を含んだ１３．５６ＭＨｚの発振回路と、ＲＦ電源４５８と、Ｖｐｐフィードバックループ４６０とを備える。

動作中は、接地されたＲＦ電源４５８からのＲＦ電力が金属板２１７に印加される。ＲＦ電力は、約５０ＫＨｚ〜約５０ＭＨｚの範囲にあることが好ましく、約１００ＫＨｚから１３．５６ＭＨｚを僅かに下回る範囲にあることがより好ましい。１つの実施形態において、ＲＦ電力は約２ＭＨｚである。金属板２１７に結合された１３．５６ＭＨｚの発振回路は、１３．５６ＭＨｚの視点から金属板を「接地する」ように機能する。別の言い方をすると、１３．５６ＭＨｚの発振回路は、ＲＦ電源４００によって金属板２１７に印加されたＲＦ電力からの割り込みをシャットアウトする。

Ｖｐｐフィードバック４６０は、外部のＶｐｐ値との比較のためにＲＦ電源４５８に戻されることが好ましい。この比較に基づいてＲＦ電源４５８を調整することにより、ファラデーシールド板に最適なレベルのＶｐｐを印加することができる。好ましい実施形態において、印加されたＶｐｐのモニタリングはコンピュータ制御のステーションによって制御することができる。コンピュータ制御のステーションは、テキスト表示、グラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）、または印刷出力によって、統計的な動作データをユーザに提供することができる。オペレータは、この統計データに基づいてさらなる調整を行うことにより、最適な性能を達成し、例えばＴＣＰ窓の内面等のチャンバ内壁上に副生成物が堆積されるのを、排除することができる。したがって、図９Ａの構成では、金属板に印加される低周波数のＲＦ電力を調整することによって、金属板２１７のＶｐｐを制御することができる。図９Ｂに示されるように、Ｖｐｐは、低周波数ＲＦ電力の増加にともなって増加する。したがって、この代表的な実施形態ではコイル１１７への固定接続点が不要である。

図１０は、ルテニウムエッチングのエッチング速度を、従来の誘電結合型プラズマエッチング装置で処理されたウエハ枚数と、コイルに結合されたファラデーシールド板を有する本発明にしたがった誘電結合プラズマエッチング装置で処理されたウエハ枚数の関数として、それぞれ示したグラフである。図１０に示されるように、従来の誘電結合型プラズマエッチング装置では、１５０枚のウエハが処理された後、ルテニウムエッチングのエッチング速度が約５０％低下する。これに対して、コイルに結合されたファラデーシールドを有する本発明にしたがった誘電結合型プラズマエッチング装置では、１５０枚のウエハが処理された後も、ルテニウムエッチングのエッチング速度は初期のエッチング速度と実質的に同じである。したがって、本発明のファラデーシールド板によって、高再現性のルテニウムエッチング速度がもたらされる。

また、本発明は、誘電結合型プラズマエッチング装置においてプラズマが発生されるチャンバを定義する壁の内面を制御する方法を開示する。この方法では、金属板がコイルに接触しないようにするため、高周波（ＲＦ）電力を受けるためのコイルと、チャンバ内で発生するプラズマとのあいだに、金属板が提供される。金属板には、上述したように、コイルを横切るように延びて且つコイルに電気的に接続された複数の金属スリットが形成されている。プラズマエッチング動作は、誘電結合型プラズマエッチング装置内で実施される。プラズマエッチング動作中は、金属板とプラズマのあいだに配置された壁の内面上における反応生成物のデポジションと、壁の内面からの反応生成物のスパッタリングとが、実質的に均一であるため、プラズマエッチング動作を不可能とするのに充分な量の反応生成物が、壁の内面上に蓄積することはない。１つの実施形態において、金属板とプラズマのあいだに配置される壁は、例えばＴＣＰ窓などのチャンバの上壁である。

本発明はさらに、誘電結合型プラズマエッチング装置の動作を最適化する方法を提供する。これらの方法では、ウエハをエッチングするためのチャンバが用意される。チャンバ頂部の開口部には、窓が取り付けられる。窓は、外面と、チャンバの内部領域に露出された内面とを備える。コイルは窓の上方に配置され、金属板は窓の外面の上方に配置される。金属板は、コイルと窓の外面とのあいだに両者から離れた状態で配置される。第１の最適化方法によると、金属板は、コイル上の接続位置に導電接続される。接続位置は、窓の内面の近くで実質的に均一な入射イオンエネルギを生成するように最適に選択された、入力端と出力端のあいだの位置である。実質的に均一な入射イオンエネルギは、窓の内面がスパッタリングされるのを低減し、それと実質同時に窓の内面上にエッチング副生成物が堆積されるのを防ぐように構成される。第２の最適化方法によると、窓の内面の近くで実質的に均一な入射イオンエネルギを生成するために、制御されたピークトゥピーク電圧が金属板に印加される。再び、実質的に均一な入射イオンエネルギは、窓の内面がスパッタリングされるのを低減し、それと実質同時に窓の内面上にエッチング副生成物が堆積されるのを防ぐように構成される。

本発明の誘電結合型プラズマエッチング装置は、不揮発性且つ導電性の反応生成物（例えばＲｕＯ₂）を生成する最近開発されたデバイス材料（例えばプラチナやルテニウム等）をプラズマエッチングするのによく適している。当業者には明らかなように、本発明の誘電結合型プラズマエッチングは、金属やポリシリコンなどの標準的な材料をプラズマエッチングするのに使用してもよい。金属やポリシリコンのプラズマエッチングでは、デポジションを均一化且つ最小化するようにＶｐｐが調整される。この方法では、クリーニング間の処理枚数（ＭＷＢＣ：mean wafer between clean）とＴＣＰ窓のライフタイムとが改善される。

当業者には明らかなように、本発明の装置および方法によって提供されるＶｐｐの正確な制御、およびその結果として得られるスパッタリングとデポジションとのバランスによって、微粒子および汚染、エッチングプロフィルの制御（プラズマおよびＴＣＰ窓からくる側壁でのデポジションを制御することによる）、エッチング選択性の制御、選択エッチングによる副生成物のデポジション等に関連した問題の低減を含む、他の多くの利点がもたらされる。選択エッチングによる副生成物のデポジションの場合は、ＴＣＰ窓の表面が比較的定温に維持されている状態でＶｐｐを調整することによって、特定の吸着率およびスパッタ率を有した材料をＴＣＰ窓上に捕獲し、エッチングを制御することができる。

まとめると、本発明は、誘電結合型エッチング装置の動作を最適化するための誘電結合型プラズマエッチング装置および方法を提供するものである。以上では、いくつかの実施形態の形で本発明を説明したが、当業者ならば、本発明の説明および実施形態をもとにして他の実施形態を考え出すことが可能である。例えば、ファラデーシールド板がコイルに接続される位置を、特定のエッチング工程を最適化するために本明細書で示され説明された代表的な位置から移動させてもよい。したがって、上述した実施形態および好ましい特徴は、添付された特許請求の範囲およびその等価物によって定義される本発明の範囲内における、例示的なものである。

１０…ＴＣＰの窓
１０ａ…ＴＣＰ窓の表面
１１…半導体ウエハ
１３…スペーサ
１５…排気口
１７…コイル
１７ａ、１７ｂ…コイルの端部
１９…チャック
２０…チャンバ
２２…定在波の節
２４…定在波
２４ａ、２４ｂ…定在波のうちコイルの端部に相当する点
１００…チャンバ
１１７…コイル
１１７ａ…コイル入力端
１１７ａ−１…コイル端部
１１７ａ−２…コイル延長部
１１７ａ−３…コイル延長端
１１７ａ−４…コイル延長部
１１７ｂ…コイル出力端
２０１…アタッチメントフレーム
２０５…ネジ
２０７…コネクタ
２０９…金属製のネジ
２１１…外環
２１３…内環
２１５…中央ディスク
２１７…金属板
２１９…ネジ
２２１…放射スロット
３０１…支持バネハウジング
３０３…金属製のネジ
３０５…コイル取付板
３０９…Ｕ字型スペーサ
４００…ＲＦ電源
４０１…可変コンデンサ
４０２…整合回路網
４０６…シールドボックス
４０８…可変コンデンサ
４０９…誘導子
４１２ａ…ＶＩプローブ
４１２ｂ…ＶＩプローブ
４１２ｃ…ＶＩプローブ
４１６…分圧回路
４１６ａ…結合コンデンサ
４１６ｂ…可変コンデンサ
４５０…ファラデーシールドドライバ
４５２…整合回路
４５４…誘電子
４５６…可変コンデンサ
４５８…ＲＦ電源
４６０…Ｖｐｐフィードバックループ
４６２…接続点

Claims (9)

1. 誘電結合型プラズマエッチング装置であって、
   チャンバと、
   前記チャンバの内部領域に露出された内面を有し、前記チャンバ頂部の開口部を封止するための窓と、
   前記窓の上方に前記窓から離れて配置された金属板と、
   前記金属板の上方に前記金属板から離れて配置され、第１のＲＦ電源と接続されているコイルと、
   前記金属板に接続され、前記金属板に外部からピークトゥピーク電圧を印加するためのコントローラであって、発振回路と、整合回路と、前記発振回路および前記整合回路を介して前記金属板と接続されている第２のＲＦ電源と、前記印加されたピークトゥピーク電圧をモニタリングするためのフィードバックループとを備えるコントローラと
   を備える、誘電結合型プラズマエッチング装置。
2. 請求項１記載の誘電結合型プラズマエッチング装置であって、
   前記外部から印加されるピークトゥピーク電圧は、前記窓の前記内面がスパッタリングされるのを低減すると共に、実質的に同時に前記窓の前記内面上にエッチング副生成物が堆積されるの防ぐように調整することが可能である、誘電結合型プラズマエッチング装置。
3. 請求項２記載の誘電結合型プラズマエッチング装置であって、
   前記コイルはさらに、
   前記第１のＲＦ電源からＲＦ電力を受け入れるためのコイル入力端と、
   コイル出力端と
   を備える、誘電結合型プラズマエッチング装置。
4. 請求項３記載の誘電結合型プラズマエッチング装置であって、さらに、
   前記第１のＲＦ電源と前記コイル入力端のあいだに結合されている整合回路網と、
   接地地点と前記コイル出力端のあいだに結合されている可変コンデンサと
   を備える、誘電結合型プラズマエッチング装置。
5. 請求項３記載の誘電結合型プラズマエッチング装置であって、
   前記金属板は、誘電スペーサによって前記窓に接続されている、誘電結合型プラズマエッチング装置。
6. 請求項１記載の誘電結合型プラズマエッチング装置であって、
   前記チャンバはさらに、前記金属板と前記コイルとが取り付けられて構成されていると共に、その開閉を可能とするヒンジによって取り付けられているチャンバの蓋を備える、誘電結合型プラズマエッチング装置。
7. 請求項６記載の誘電結合型プラズマエッチング装置であって、
   閉位置にある前記チャンバの蓋は、操作に備えて前記金属板を前記窓の近くに配置する、誘電結合型プラズマエッチング装置。
8. 請求項６記載の誘電結合型プラズマエッチング装置であって、
   開位置にある前記チャンバの蓋は、前記窓の目視検査および前記チャンバの点検に備えて前記金属板を前記窓から離して配置する、誘電結合型プラズマエッチング装置。
9. 誘電結合型プラズマエッチング装置の動作を最適化する方法であって、
   ウエハをエッチングするためのチャンバを用意し、
   外面と、前記チャンバの内部領域に露出した内面とを有する窓を、前記チャンバ頂部の開口部に取り付け、
   前記窓の上方にコイルを配置し、第１のＲＦ電源に前記コイルを接続し、
   前記窓の前記外面の上方に金属板を配置し、前記金属板に外部からピークトゥピーク電圧を印加するためのコントローラを介して前記金属板を第２のＲＦ電源に接続し、前記金属板は前記コイルと前記窓の前記上面のあいだに両者から離れた状態で配置され、前記コントローラは、前記印加されたピークトゥピーク電圧をモニタリングするためのフィードバックループを有し、
   前記ピークトゥピーク電圧は、前記窓の前記内面がスパッタリングされるのを低減すると共に、実質的に同時に前記窓の前記内面上にエッチング副生成物が堆積されるのを防ぐように構成される実質的に均一な入射イオンエネルギが前記窓の前記内面近くに生成されるように制御される、
   ことを備える、方法。

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