JP2000507739A - プラズマ処理装置における位相差を制御するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 第１の無線周波数（ＲＦ）信号及び第２のＲＦ信号間の位相差を修正するためのプラズマ処理装置における方法。第１のＲＦ信号は、第１のＲＦ電力源により第１の電極に供給され、第２のＲＦ信号は、第２のＲＦ電力源によりプラズマ処理装置の第２の電極に供給される。第２のＲＦ電力源は、マスタ及びスレーブ形態におけるスレーブＲＦ電力源として前記第１のＲＦ電力源に結合される。方法は、第１のＲＦ信号の位相及び第２のＲＦ信号の位相間の位相差を探知する工程を含む。方法は、さらに、位相差を位相制御設定点信号と比較して、第２のＲＦ電力源に制御信号を出力し、それにより、第２のＲＦ電力源が、制御信号に応答して、第２のＲＦ信号の位相を修正し、位相差を、位相制御設定点信号により表される位相差値に近似させる工程を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 プラズマ処理装置における位相差を制御するための方法及び装置 発明の背景 本発明は、代表的には半導体の製造に用いられる、プラズマ増強（エンハンス ド）処理装置におけるプラズマを誘起するための方法及び装置に関する。特に、 本発明は、所望の処理結果を達成するために、プラズマ処理装置における発生器 間の位相シフトを制御するための方法及び装置に関する。 エッチング、酸化、陽極酸化、または化学蒸着（ＣＶＤ）等のためのプラズマ 増強（エンハンスド）された半導体プロセスは既知である。説明のため、図１は 、プラズマ発生のための誘導コイルを用いたプラズマ発生装置を表す、化学エッ チング炉（リアクタ）１００を示す。炉１００は、コイル装置１０２と、室１２ ４とを含む。コイル装置１０２は、無線周波数発生器１１０によって付勢される コイル素子１０６を含む。コイル素子１０６は、コイル素子１０６のインピーダ ンスを無線周波数発生器１１０のインピーダンスに整合するための整合回路１０ ８に結合される。インピーダンスの整合は、無線周波数発生器１１０が、コイル 素子１０６に電力を効率的に出力するのを許容する。接地路を提供するために、 代表的には、室１２４の室壁が接地される。代替的には、接地路は、プラズマが 閉じ込められたとき、下部の電極、例えば、図１のチャック１２８を通して提供 され得る。 室１２４内には、代表的に、シャワー・ヘッド１２６が存在する。シャワー・ ヘッド１２６は、チャック１２８、及び該チャック１２８により支持されるウェ ハ１３４の上に配置されて示されている。チャック１２８は、第２の電極として 作用し、整合回路網１２２を介してその独立の無線周波数回路１２０により、好 ましくはバイアスされる。図１及び他の図は、代表的には、図示を簡単にするた めに、かつ説明を容易にするだけのために示されているということを留意するべ きである。実際、コイル素子１０６及び整合１０８は、代表的には、室１２４に 近接して配置され、ＲＦ発生器１１０は、任意の合理的な場所に配置され得る。 シャワー・ヘッド１２６は、エッチング液もしくは沈積物質をウェハ１３４に 施す（デスペンシング）ための装置を表す。シャワー・ヘッド１２６は、好まし くは、動作中に、ガス源物質（代表的には、シャワー・ヘッド１２６の周辺エッ ジの回りで）を、それ自身とウェハ１３４との間の、ＲＦ誘起されたプラズマ領 域に解放するための複数個の穴を含む。一実施例では、シャワー・ヘッド１２６ は、水晶で作られるが、他の適切な物質で作られても良いし、電気的に浮遊した ままでも、または接地されても良い。 プラズマ・エッチ装置１００に電力を提供するために、発生器１１０及び１２ ０は、代表的には、与えられたＲＦ周波数で駆動される。双方の発生器が同じ周 波数で電力を出力するのを確実にするために、それらは、マスタ及びスレーブ形 態で、周波数ロックされ得る。例えば、より低い（バイアス）発生器１２０はマ スタとして指定され、より上の（コイル）発生器１１０の周波数は、マスタ発生 器１２０の周波数に対してスレーブとされる(逆も可)。周波数ロックは、例えば 、スレーブ発生器における周波数発生水晶を不能化し、マスタ発生器における周 波数発生水晶を用いてマスタ及びスレーブ発生器の双方を駆動するということを 含む任意の通常の技術によって達成され得る。 マスタ及びスレーブ形態における２つの発生器の形態は、双方の発生器が同じ ＲＦ周波数で電力を出力するのを可能とするが、このような形態は、電力が２つ の発生器によって同じ位相で出力されるということを保証しない。位相差は、発 生器自身の内部の要因により、もしくは発生器をそれぞれの電極に結合するケー ブルの長さにおける差のようなシステム・パラメータに起因して生じ得る。位相 差は、プロセスの結果に不確かな結果をもたらし得る、所望されない、もしくは 予想されないプロセス及び電気的特性を生じ得るということが発見されている。 前述に鑑みて、所望されるのは、プラズマ処理装置に電力を出力するために用 いられるマスタ及びスレーブ形態のＲＦ発生器間の位相差を制御するための方法 及び装置である。 発明の概要 本発明は、一実施例において、半導体の製造で使用するためにプラズマを発生 するためのプラズマ処理装置に関する。プラズマ処理室は、第１のＲＦ信号を第 １の電極に出力するための第１の無線周波数（ＲＦ）電力源と、第２のＲＦ信号 を第２の電極に出力するための第２のＲＦ電力源とを有する。第２のＲＦ電力源 は、マスタ及びスレーブ形態におけるスレーブＲＦ電力源として第１のＲＦ電力 源に結合される。プラズマ処理装置は、制御回路を含み、該制御回路は、第１の ＲＦ信号の位相を検出するために第１の電極に結合される第１のセンサ回路と、 第２のＲＦ信号の位相を検出するために第２の電極に結合される第２のセンサ回 路とを含む。 プラズマ処理装置は、さらに、第１のＲＦ信号及び第２のＲＦ信号間の位相差 を検出するために、かつ位相差を表す第１の信号を出力するために、第１のセン サ回路及び第２のセンサ回路に結合されるミキサ（混合）回路を含む。さらに、 第２のＲＦ電力源及びミキサ回路に結合される位相サーボ回路が含まれる。位相 サーボ回路は、第１の信号と位相制御設定点信号とに応答して、第２のＲＦ電力 源に制御信号を出力して、第２のＲＦ信号の位相を修正し、それにより、位相差 が、位相制御設定点信号によって表される位相差値に近似するようにする。 別の実施例においては、本発明は、第１の無線周波数（ＲＦ）信号と第２のＲ Ｆ信号との間の位相差を修正するためのプラズマ処理装置における方法に関する 。第１のＲＦ信号は、第１のＲＦ電力源によって第１の電極に供給され、第２の ＲＦ信号は、第２のＲＦ電力源によってプラズマ処理装置の第２の電極に供給さ れる。第２のＲＦ電力源は、マスタ及びスレーブ形態におけるスレーブＲＦ電力 源として第１のＲＦ電力源に結合される。当該方法は、第１のＲＦ信号の位相と 第２のＲＦ信号の位相との間の位相差を確かにする工程を含む。該方法はさらに 、位相差を位相制御設定点信号と比較して第２のＲＦ電力源に制御信号を出力し 、それにより、第２のＲＦ電力源が制御信号に応答して第２のＲＦ信号の位相を 修正して、位相差が位相制御設定点信号によって表される位相差値に近似させる 工程を含む。 本発明のこれら及び他の長所は、以下の詳細な説明を読みかつ種々の図面を研 究することにより明らかとなるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、代表的なプラズマ発生装置を示す図である。 図２Ａは、プラズマ処理装置の周波数ロックされた２つのＲＦ発生器間の位相 差を制御するための全制御回路を示す本発明の一実施例における概略図である。 図２Ｂは、図２Ａの制御回路の上部のＴＣＰ整合回路の履行を示す図である。 図２Ｃは、図２Ａの制御回路の下部のＴＣＰ整合回路の履行を示す図である。 図２Ｄは、図２Ａの制御回路の直流バイアス測定回路の履行を示す図である。 図３は、アルミニウム・エッチングのための終点を決定するために用いられる 、２６１ｎｍプラズマ放出の光振幅への位相シフトの影響を示す本発明の一態様 によるグラフである。 図４は、下部の（バイアス）電極のＲＦピークピーク電圧への位相シフトの影 響を示す本発明の一態様によるグラフである。 図５は、ウェハの直流バイアス電圧への位相シフトの影響を示す本発明の一態 様によるグラフである。 図６Ａは、酸化エッチング速度（率）への位相シフトの影響を示す本発明の一 態様によるグラフである。 図６Ｂは、残りの酸化厚さへの位相シフトの影響を示す本発明の一態様による グラフである。 図７は、アルミニウム対酸化選択性への位相シフトの影響を示す本発明の一態 様によるグラフである。 図８は、フォトレジスト・エッチング速度（率）への位相シフトの影響を示す 本発明の一態様によるグラフである。 図９は、アルミニウム対フォトレジスト選択性への位相シフトの影響を示す本 発明の一態様によるグラフである。 図１０及び図１１は、ウェハの中央（図１０）及びウェハの端（図１１）にお ける残りのフォトレジスト厚さへの位相シフトの影響を示す本発明の一態様によ るグラフである。 図１２及び図１３は、それぞれウェハの中央及びウェハの端における臨界寸法 （ＣＤ）への位相シフトの影響を示す本発明の一態様によるグラフである。 図１４は、所望のプロセス結果を達成するために、ＲＦ電力供給間の位相差が 、能動的もしくは受動的のいずれかで、制御される本発明のエッチング・プロセ スに含まれる工程を示す本発明の一態様による図を示す。 好適な実施例の詳細な説明 プラズマ処理装置のＲＦ電力供給源により供給されるＲＦ信号の位相差を制御 することによりプロセス結果を改良するための発明が記載される。以下の説明に おいて、本発明の完全な理解を提供するために、多くの特定の詳細が述べられる 。しかしながら、本発明は、それらの特定の詳細の幾つかまたはすべてが無くて も実行し得るということが、当業者には明白であろう。他の場合においては、本 発 明を不必要に限定しないために、良く知られたプロセス工程は詳細には記載しな かった。 図２Ａは、プラズマ処理装置の２つの周波数ロックされた発生器間の位相差を 制御するための全制御回路を示す本発明の一実施例における概略図である。図２ Ａにおいて、ＲＦ発生器４０２及び４０４はマスタ及びスレーブ形態で配列され 、ＲＦ発生器４０２が基準発生器として働く。プラズマ処理室４０６におけるプ ラズマへの電力は、それぞれ、整合回路４０８及び４１０を通してこれら２つの ＲＦ発生器４０２及び４０４により出力される。チャックＲＦ発生器、例えば、 ＲＦ発生器４０２が図２Ａでマスタ発生器として指定されているが、上部の電極 と関連したＲＦ発生器、例えば、ＲＦ発生器４０４がマスタとして指定される場 合であっても、等しく本発明は適用される。さらに、上部の電極４１２が図２Ａ においてアルキメデス螺旋コイル（Archimedes spiral coil）を有するように示 されているが、プラズマ処理室内でプラズマを発生するように他の適切な電極も 用いられ得る。コイルの一端は、例えば変圧器を通して接地から隔離されても良 いし、接地されても良い。 コイル４１２に供給されるＲＦ信号の位相を探知するために、センサ４１４が コイル４１２の一端に結合される。センサ４１４は好ましくは、インピーダンス 整合のために用いられる調整回路網の影響を避けるために、コイル４１２と整合 回路網４１０との間に配置される。同様に、センサ４１６は好ましくは、チャッ ク電極４１８へ供給されるＲＦ信号の位相を探知するために、チャック電極４１ ８と整合回路４０８との間に結合される。センサ４１４及び４１６の出力は、通 常のミキサ回路設計の任意のものによって履行されて良い、ミキサ回路４２０に 入力される。センサ４１４及び４１６によって検出されるＲＦ信号の位相間の位 相差に比例するフィードバック信号を表すミキサ回路４２０の出力は、次に、位 相サーボ回路４２２に入力される。位相／バイアス選択制御信号４２３が位相制 御に設定されたとき、誤差増幅器もしくは任意の数の既知の位相サーボ回路設計 によって履行され得る位相サーボ回路４２２は、ミキサ回路４２０からのフィー ドバック信号を、位相制御設定点信号４２４と比較して、スレーブ発生器、例え ば、図２ＡのＲＦ発生器４０４に制御信号４３０を出力する。制御信号４３０に 応答して、スレーブ発生器は次にその位相を修正し、それにより、センサ４１４ 及び４１６により検出されるＲＦ信号の位相間の位相差が、位相制御設定点信号 ４２４によって特定される値と実質的に整合するようにする。 一実施例において、位相制御設定点値４２４は、システムの整合を容易にする ために、すなわち、上部の電極及び下部の電極に供給されるＲＦ信号の位相間の 差が機械間で実質的に同じであるのを確実にするために、予め定義された値を表 し得る。位相差が予め定義された値と一致するのを確実にするためのフィードバ ック制御の本発明技術は、ここでは、位相差の受動制御として言及する。位相差 が受動的に制御されるとき、ＲＦ信号の位相間の位相差が、例えば、プラズマ処 理室と相対的なＲＦ発生器の配置のようなシステム・パラメータとは無関係に、 異なったシステムを横切って実質的に一定に留まるのを確実にすることが可能で ある。 別の実施例において、位相制御設定点値４２４は、ＲＦ信号の位相間の位相差 を能動的に制御して所望のプロセス結果を達成するためのユーザ変数値を表し得 る。特定の所望のプロセス結果を達成するために位相差を能動的に修正する本発 明の技術は、ここでは、位相差の能動制御として言及される。例として、ユーザ は、上部の電極に供給されるＲＦ信号が下部に供給されるＲＦ信号を１８０°だ け導いて、アルミニウム・エッチング工程中にアルミニウム対フォトレジストの 選択性を最大にするということを特定し得る(アルミニウム対フォトレジストの 選択性への位相差の影響は、ここでは、引き続く図９に示される)。さらなる例 として、ユーザは、ＲＦ電力供給源が位相の合ったそれらの電力を出力して、酸 化エッチング工程中のエッチング速度（率）を最大にするということを特定し得 る(図６Ａ)。他の例は、ここの図面及び開示を検討すれば、当業者には容易に明 瞭である。 別の実施例において、チャックのＲＦピークピーク交流電圧もしくはウェハの 直流電圧のいずれかが、フィードバック信号として用いられ得、位相差を変更す ることにより、これら２つの値のいずれかの制御を容易にする。図２Ａを参照し て、交流／直流バイアス測定回路４４０は、図示の容易さのために、チャックの ＲＦピークピーク交流電圧もしくは（実施例に依存した）ウェハの直流電圧のい ずれかを測定するための回路を表す。例として、もし、チャックが機械的なクラ ンピングを用いるならば、交流／直流バイアス測定回路４４０は、直流バイアス 測定回路を表し得る。他方、もし、チャックが静電チャックであるならば、交流 ／直流バイアス測定回路４４０は、直流バイアス測定回路か、もしくはチャック のＲＦピークピーク交流電圧を測定するものかのいずれかを表す。 チャックのＲＦピークピーク交流電圧は、電圧プローブもしくは任意の他の通 常の技術を用いて測定され得る。ウェハの直流電圧は、例えば、室４０６内のプ ラズマの状態を感知するために室４０６の内側のプローブを用いることによって 、もしくは、それをチャックのＲＦピークピーク交流電圧自体から推定すること によって、感知され得る。チャックのＲＦピークピーク交流電圧からウェハの直 流バイアスを推定する方法に関するさらなる情報として、双方とも同日付けで提 出され、参照としてここに援用される「動的フィードバック静電チャック」（代 理人の整理番号第Ｐ１６９／ＬＡＭ１Ｐ００６）及びNeil Benjamin，Seyed Jaf ar Jafarian-Tehrani，及びMax Artussiによる「真空プラズマ・プロセッサの静 電チャックのための電圧コントローラ」（代理人の整理番号第２３２８−０１６ ）という名称の通常に譲渡された係属中の特許出願を参照されたい。 交流／直流バイアス測定回路４４０により出力される信号は、次に、ピーク・ バイアス制御回路４４２に入力される。ピーク・バイアス制御回路４４２は、交 流／直流バイアス測定回路４４０によって出力される信号を、ユーザ入力バイア ス設定点信号４４４と比較し、誤差信号４４６を出力する回路を表す。この誤差 信号に応答して、位相サーボ回路４２２は、次に、制御信号４３０を修正し、そ れにより、２つのＲＦ発生器によって供給されるＲＦ信号間の位相差を修正し、 かつそれがバイアス設定点信号４４４と整合するまで、チャックのＲＦピークピ ーク交流電圧もしくはウェハの直流バイアス電圧（交流／直流バイアス測定回路 ４４０の履行に依存する）のいずれかを間接的に修正する。 ユーザが、チャックのＲＦピークピーク交流電圧（もしくはウェハの直流バイ アス電圧）の特定値に帰結する位相差を例えば決定するのを許容するために、交 流／直流バイアス測定回路４４０により出力される信号が、適切な論理回路によ り監視され得るということが意図される。例として、スレーブ発生器の位相は、 例えば最高のもしくは最低のチャックのＲＦピークピーク交流電圧（またはウェ ハの直流バイアス電圧）に帰結する位相差の値を確実にするために、交流／直流 バイアス測定回路４４０により出力される値を監視しつつ修正され得る。チャッ クのＲＦピークピーク交流電圧（またはウェハの直流バイアス電圧）のこれらの 特定値は、直接、特定のプロセス特性に関係するので、ユーザは、次に、探知さ れた位相差を位相サーボ回路４２２への入力として用い得、所望のプロセス結果 が、一層信頼性良くかつ矛盾無く得られ得るのを確実にする。 本発明の制御回路は、図２Ａに示されるずべての構成要素を含む必要はなく、 本質的に、センサ４１４及び４１６、ミキサ回路４２０、並びに位相サーボ回路 ４２２を含み得るということが、当業者には明らかであろう。これらの回路ブロ ックでもって、ＲＦ電力供給源によって供給されるＲＦ信号間の位相差の検出及 びその位相差の修正が容易にされる。特定のＲＦピークピーク交流電圧設定点も しくは特定のウェハ直流電圧設定点を達成するために、位相差を修正することも 望まれるならば、制御回路は、図２Ａのピーク・バイアス制御回路及び交流／直 流バイアス測定回路４４０を含み得る。 センサ４１４は、一つの実施例においては、整合回路４１０及びＲＦ発生器４ ０４間に配置され得ることに留意すべきである。同様に、センサ４１６は、一つ の実施例においては、整合回路４０８及びＲＦ発生器４０２間に配置され得る。 整合回路４０８及び４１０は、任意の数の通常の整合回路により履行され得る。 図２Ｂは、適切であることが分かっている上部のＴＣＰ整合回路４１０の履行を 示す。図２Ｂにおいて、コンデンサＣｓは、ＴＣＰコイルのインダクタンスと共 振する。コンデンサＣｐは、代表的には、約５０ΩであるＲＦ電力源の源（ソー ス）インピーダンスと整合するよう、負荷インピーダンスを変換する。インダク タＬｐ及びＬｓは、整合変圧器の一次及び二次インダクタンスである。これらの インダクタンスＬｐ及びＬｓの値は、コイルの寸法及びコイルとプラズマとの間 の結合係数に依存する。部品番号８５３−０３１６８５−００１によって知られ ている整合回路４１０の１つのバージョンは、上述のＬａｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐ．から入手可能である。 図２Ｃは、下部のＴＣＰ整合回路４０８の履行を示す。図２Ｃにおいて、可変 インダクタＬｓが負荷を共振させるために用いられる。可変結合係数Ｋは、ＲＦ 発生器による電力出力を最大にするために、負荷を適切なインピーダンスに変換 する。部品番号８５３−０１５１３０−００２によって知られている整合回路４ ０８の１つのバージョンは、上述のＬａｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐ．から 入手可能である。 図２Ｄは、交流／直流バイアス測定回路４４０を履行するために適切な直流バ イアス測定回路を示す。図２Ｄにおいて、チャックのＲＦ信号は、引き付けられ たＲＦ電流の量を制限するために接地に対する高インピーダンスを提供する複数 個の抵抗４６０を通して感知される。一実施例において、直流バイアス測定回路 の容量分割効果を減少するために直列に５つの抵抗４６０がある。抵抗４７０及 び４７２は、複数個の抵抗４６０を通して受信される信号を縮小するための抵抗 回路網を形成する。コンデンサ４７４は、抵抗４７０及び４７２と並列に結合さ れて、導体４７６に直流信号を供給し、該導体は、ピーク・バイアス制御回路、 例えば図２のピーク・バイアス制御回路４４２に結合される。部品番号８１０− ０１７０２９−００１によって知られている直流バイアス測定回路の１つのバー ジョンもしくは型は、上述のＬａｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐ．から入手可 能である。 本発明の１つの態様によれば、プロセス特性に関わる位相シフトの効果は、位 相シフトに対する変化が、下部電極のＲＦピークピーク電圧、ウェハ直流バイア ス、エッチング速度、アルミニウム対フォトレジスト選択性、及び他のような或 る臨界プロセス・パラメータに衝撃を与えるか否かを決定するために調査される 。以下の図３から図１３のグラフに示されるように、ＲＦ発生器によって供給さ れるＲＦ信号間の位相シフトにおける変化が、実に、或る臨界プロセス・パラメ ータに衝撃を与えるということが決定される。これらの発見は、位相シフトが受 動的または能動的に制御されるとき、信頼性ある、矛盾の無いプロセス結果を達 成するための能力が高められ得るという結論を支持する。 以下の開示において、開示された発明は、他のもののなかから、金属層、酸化 層、もしくはポリシリコン層をエッチングするために、任意のプラズマ・エッチ ング装置において実行され得るのを留意すべきである。本発明はまた、当業者に 理解され得るように、密度及び／または応力のようなフィルム特性を制御するた めのプラズマＣＶＤ装置において、もしくは陽極酸化（annodization）や酸化等 のために用いられ得る任意のプラズマ処理装置において実行され得る。しかしな がら、本発明をより良く示しかつ１つの特定の例を提供するために、特定のシス テム及び材料に関係した詳細を開示する。引き続く図３−図１３に示される結果 を達成するために、２つの周波数ロックされたアドバンスド・エネルギー（Adva nced Energy）１２５０ワット、１３．５６ＭＨｚのＲＦ発生器がマスタ及びス レーブ形態で構成され、カリフォルニア州フレモントのＬａｍ Ｒｅｓｅａｒｃ ｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＴＣＰ９６００ＴＭエッチング装置 に電力を提供する。この形態において、下部の（バイアス）発生器は、上部の（ ＴＣＰ）スレーブ発生器に対してマスタとして用いられる(しかしながら、本発 明は、上部の発生器がマスタとして働く場合も等しく良く適用される)。 図３−図１３に関係する実験のための必要な位相シフトを発生するために、ニ ューヨーク州ロチェスタのＡｓｔｅｃ Ａｍｅｒｉｃａ Ｉｎｃ．のディビジョ ンであるＥＮＩによるＥＮＩ ＶＬ４００位相シフト・コントローラが双方の発 生器の結合されて、下部の（バイアス）発生器を固定された状態に保ち、かつ下 部の発生器に対して上部の（ＴＣＰ）発生器を位相シフトさせた。エッチング速 度及び選択性を決定するために、テキサス州のオースチンのＳＥＭＡＴＥＣＨか らのパターン化されたウェハが、部分エッチングに対して露出された。このＳＥ ＭＡＴＥＣＨウェハは以下の層を含む：フォトレジスト層、ＴｉＮアーク（無反 射性）層、アルミニウム−シリコン―銅を含む金属層、チタニウムを含む障壁層 、及び酸化層。酸化物エッチング速度を決定するために、その上にパターン化さ れた熱酸化物を有するウェハが用いられる。 ＴＣＰ９６００ＴＭプラズマ処理装置において、図３−図１３に関係した実験 のためのプロセス設定は、略以下のようである： 表１ マスタ及びスレーブ形態のＲＦ発生器により供給されるＲＦ信号間の位相シフ トの衝撃を決定するために、４つの異なった位相シフト設定が用いられた： −９０°（すなわち、頂部の発生器は底部の発生器から９０°だけ遅れる） ０°（すなわち、それらは同相である） ９０°（すなわち、頂部の発生器は底部の発生器より９０°だけ進む） １８０°（すなわち、それらは反対の位相である） 図３は、アルミニウム・エッチングに対する終点を決定するために用いられる ２６１ｎｍプラズマ放出の光振幅への位相シフトの影響を示す本発明の一態様に よるグラフである。適切な光フィルタを通し、発生器が同相で走行しているとき の２６１ｎｍ信号の平均値は、発生器がそれぞれ−９０°、９０°、及び１８０ °の位相ずれで走行していたときの同じ信号の平均値に対して低いように観察さ れた。光信号のより低い平均値は、電力が２つの発生器により同相で出力される とき、相対的に弱い強度のプラズマが存在するということを示唆する。 図４は、下部の（バイアス）電極のＲＦピークピーク電圧への位相シフトの影 響を示す本発明の一態様によるグラフである。図３は、位相シフトにおける変化 が、実に、約３４ボルトから４１ボルトまでの範囲内の下部電極ＲＦピークピー ク電圧における変化に帰結し、発生器が図４に示されるように同相であるときに 、下部電極ＲＦピークピーク電圧がその最大に達するということを示す。例えば 、図２Ａの回路もしくは別の適切な制御回路を用いて、位相シフトを制御するこ とにより、下部の電極のＲＦピークピーク電圧が制御され得て、改善されたプロ セス結果に導く。 図５の直流バイアスは、下部電極のピークピーク電圧に追従し、位相差が図５ に示すように、０°から１８０°にシフトされたにつれて、約−３９ボルトから −２６まで変化する。直流バイアス電圧における変化は、プラズマ特性が位相シ フトにより大いに衝撃を受けるということを示す。直流バイアス電圧は、直流バ イアスが一層高いときに、エッチング・イオンが一層高いエッチング速度及び一 層異方性のエッチングに帰結するよう、より高いエネルギーでウェハに衝撃を与 えそうなので、ウェハに生じるプロセスに直接連結される。半導体装置のための エッチングが化学的かつ物理的プロセスの正確なバランスであり、物理的エッチ ングがウェハ上の直流電位とプラズマ電位との間の差に直接結び付けられるので 、バイアスは、繰り返し可能なプロセス結果が達成され得るということを確実に するためだけではなく、プロセス結果を高めるよう位相シフトを利用するため、 例えばエッチング速度もしくは異方性のエッチング品質を最大もしくは最小にす るためにも、厳格な制御下にあることが必要である。再度、エッチング結果は、 所望のプロセス特性が、ＲＦ電力供給源により供給されるＲＦ信号間の位相差を 受動的もしくは能動的のいずれかで制御することにより達成され得るということ を示唆する。 さらに、ウェハ直流バイアスもしくは下部電極ＲＦピークピーク電圧と位相シ フトとの間に対応があるので、図２Ａと関連して先に述べたように、位相差を受 動的にもしくは能動的に制御するために、すなわち、異なったプラズマ処理装置 を横切って所望の位相差値を維持するか、もしくはプロセス結果を高めるよう位 相差を能動的に制御するかのいずれかのために、位相制御回路へのフィードバッ ク信号として、ウェハ直流バイアスもしくは下部電極ピークピーク電圧のいずれ かを用いることが可能である。 図６Ａは、酸化エッチング率もしくは酸化エッチング速度への位相シフトの影 響を示す本発明の一態様によるグラフである。図６Ａに示されるように、頂部Ｔ ＣＰコイルへのＲＦ電力供給源は、底部電極へのＲＦ電力供給源から９０°（図 ６Ａにおける−９０°）だけ遅れるとき、酸化エッチング速度は、１分につき約 １６００オングストロームである。反対に、これら２つのＲＦ電力供給源が同相 であるとき、酸化エッチング速度は、１分につき約１７５０オングストロームま でである。頂部の電力供給源が底部電力供給源より９０°及び１８０°だけ進ん でいるときの酸化エッチング速度は、それぞれ１分につき約１４００及び１５０ ０オングストロームであり、相当低い。分かるように、酸化エッチング速度にお ける相当の変化は、位相シフトを変更することにより得られ得る。図６Ａを参照 すると、例えば、１分につき約３００オングストロームまでのエッチング速度差 が、位相シフトが０°から９０°まで変化するときに得られ得る。 図６Ｂは、残存酸化厚さへの位相シフトの影響を示す本発明の一態様によるグ ラフである。酸化厚さは、位相差が約９０°であるときにその最低にあり、位相 差が０°もしくは１８０°のいずれかであるときに高い。それ故、位相差に対す る変化は、実に、残存酸化厚さに衝撃を与え、位相差が制御されるときに達成さ れ得る長所をさらに示す。 図７は、アルミニウム対酸化選択性(selectivity)への位相シフトの影響を示 す本発明の一態様によるグラフである。図７に示すように、選択性(selectivity )は、約−９０°、０°、９０°、及び１８０°の位相シフト値に対してそれぞ れ約５．６、５．０、６．５、及び６．０の値を有して、位相シフトに大いに応 答 して変化する。さらに、高いウェハ直流バイアス（図５に示されるように）と低 い選択性との間に相関関係傾向があるように見える。例えば、電力供給源が同相 にあるとき、ウェハ直流バイアスはその最高にあり(図５で)、アルミニウム対酸 化選択性はその最低にある(図７で)。１つの可能な説明は、電力供給源が同相で プラズマに電力を出力しているとき、高い直流バイアスが衝撃イオンのエネルギ ーを増加し得、それによりアルミニウム対酸化の選択性を減少するということで ある。 図８は、フォトレジスト・エッチング速度（率）への位相シフトの影響を示す 本発明の一態様によるグラフである。再度、位相シフトにおける変化は、電力供 給源が同相であるとき、１分につき約３０００オングストローム以上と同程度に 高いエッチング速度でもって、そして電力供給源が約１８０°位相ずれしている とき１分につき約２６００オングストロームのエッチング速度でもって、フォト レジストのエッチング速度に相当に衝撃を与えるように見える。 図９には、アルミニウム対フォトレジスト選択性への位相シフトの影響が示さ れる。図９は、位相シフトを変化させることも、アルミニウム対フォトレジスト 選択性に相当衝撃を与えるということを、本発明の一態様により示す。例えば、 電力供給源がプラズマに同相で（０°位相シフト）電力を出力しているときに、 最低のアルミニウム対フォトレジスト選択性が得られる。電力供給源が約１８０ °で位相ずれして電力を出力しているときに、図９に示すように、最大の選択性 が達成される。これは、幾つかの重要な意味を有する。製造者がより小さい装置 に向かって動くとき、高いアルミニウム対フォトレジスト選択性は高価である。 これは、線が薄くなるにつれ、フォトレジストが薄くなければならないからであ る。より薄いフォトレジスト層は、より高いアルミニウム対フォトレジスト選択 性を必要とし、それ故、保護フォトレジスト層は、下層にある特徴に損傷をもた らす、不注意にエッチングされ去ってしまうということはない。図９は、増加さ れたアルミニウム対フォトレジスト選択性が、ＲＦ電力供給源間の位相シフトを 変えることにより達成され得るということを示唆する。 さらに、図６Ａ、図７、及び図８の傾向が示唆するように、最高のエッチング 速度及び最低の選択性は、電力供給源が同相にあるときに得られる。電力供給源 が位相ずれしてプラズマに電力を出力しているときに、アルミニウム対フォトレ ジスト選択性が改善され得るように見える。例えば、最高のアルミニウム対酸化 選択性は、電力供給源が約９０°位相ずれしている(図７)ときに生じ、最高のア ルミニウム対フォトレジスト選択性は、電力供給源が約１８０°位相ずれしてい る(図９)ときに生じる。 図８及び図９は、また、電力供給源が約１８０°で位相ずれしてプラズマに電 力を出力しているときに最も遅いフォトレジスト・エッチング速度及び最高のア ルミニウム対フォトレジスト選択性が得られるということを示唆する。約１８０ °において、フォトレジストのより多くが残存するであろう、すなわち、エッチ ングされ去ってしまうフォトレジスト層がより少なく、下層にある特徴のより良 い保護をもたらすであろうことが期待され得る。下層にある特徴を保護するよう 与えられたフォトレジスト層の能力を改善するためのハードウエアを調整するた めの能力は、装置が小さく設計されれば小さく設計されるほど、特に高価である 。 図１０及び図１１において、ウェハの中央(図１０)及びウェハの端(図１１)で 、半導体製造においてアルミニウムを通してエッチングするために通常用いられ る手段でもってエッチングした後、０．８ミクロンの特徴上の残存フォトレジス トが測定される。図１０及び図１１に示されるように、最大の残存フォトレジス ト厚さの測定は、電力供給源が約１８０°の位相シフトで電力を出力するときに 生じる。残存フォトレジスト厚さの測定は、同じ位相シフトで、すなわち図１０ 及 び図１１の双方において、ぞれぞれ１８０°の位相シフト及び約９０°の位相シ フトにおいて、最大にされかつ最小にされるということに留意されたい。結局、 位相シフトにおける変化は、大量のプラズマ効果に帰結する、すなわちウェハ端 （エッジ）もしくはウェハ中央のいずれかに局部化されないように見える。従っ て、本発明の一態様によれば、位相差に対する変化が全ウェハを横切るフォトレ ジスト層の保護品質に影響するということが予想される。 図１２及び図１３は、それぞれウェハの中央及びウェハの端における臨界寸法 （ＣＤ）への位相シフトの影響を示す。臨界寸法（ＣＤ）は、線幅のエッチング 後の測定を表す。最大の臨界寸法測定は、発生器が高いバイアスで、同層状態で 、フォトレジスト腐食が最大であったときに得られた。フォトレジスト腐食の高 い量が、腐食に対してアルミニウムを保護するよう、一層大きい程度まで、側壁 を不動態化し、線及び一層大きいＣＤ測定に対して一層大きい保護をもたらす。 発生器が約１８０°の位相シフトで走行していて、図８に示すように、フォトレ ジスト・エッチング速度がその最小値にあるとき、ウェハの中央及びウェハの端 の双方において、最小臨界寸法測定が生じる。より少ないフォトレジスト腐食が あるので、側壁のより少ない不動態化が生じる。図１２及び図１３に示されるよ うに、発生器間の位相シフトにおける変化は、臨界寸法における変化をもたらす 。これらの図は、アルミニウム側壁の下のくりぬきが、発生器間の位相シフトを 変化させることだけにより、本発明の一態様により、最小化され得るということ を示唆する。 図１４は、所望のプロセス結果を達成するために、ＲＦ電力供給源によって供 給されるＲＦ信号間の位相差が、能動的もしくは受動的のいずれかで、制御され る本発明のエッチング・プロセスに含まれる工程を本発明の一態様によって示す 。工程もしくはステップ５００において、ウェハは、通常の前エッチング工程で エッチングするために準備される。前エッチング工程５は、例えば、ウェハをチ ャ ック上にクランプし、プラズマ処理室内の圧力を安定化させ、そして他のものの 中で、ウェハ及びチャック間の熱伝達を容易にするようウェハの背面にヘリウム の冷却ガスを導入する、通常の写真平版術を含み得る。 工程もしくはステップ５０２において、ＲＦ電力供給源により供給されるＲＦ 信号間の位相差は、例えば、図２Ａの回路を用いて制御される。先に述べたよう に、制御は、受動的（すなわち、位相差が予め定義された値から変化しないのを 確実にするように）または能動的（すなわち、ユーザにより特定された位相差の 値と整合するよう位相差を能動的に制御する）であり得る。ステップ５０４にお いて、ウェハ層スタックの１つの層の少なくとも一部が、位相差を制御しつつエ ッチングされる。このステップ５０４はステップ５０２の後に生じるが、位相差 の制御はエッチング中に続けらるのが好ましいことに留意されたい。さらに、ス テップ５０４は、ステップ５０２の開始の前に、それと同時期に、またはそれの 後にのいずれかで開始され得る。 ステップ５０６において、ウェハは、本質的に通常のものである後エッチング 処理工程と同様、所望の構成要素を製造するための追加の処理工程を受け得る。 その後、仕上げられたウェハは、ダイ（ｄｉｅｓ）に切断され得、次に、ＩＣチ ップに作られ得る。結果のＩＣチップ、例えば図１のＩＣチップ１４０は、次に 、電子装置、例えばディジタル・コンピュータを含め、良く知られた商業上のも しくは消費者の電子装置の任意のものに組み込まれ得る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ (72)発明者 ジャファリアン―テラニ、セイド ジャフ ァー アメリカ合衆国 94536 カリフォルニア 州 フリモント イシャウッド プレイス 3487

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． プラズマ処理室が、第１の無線周波数（ＲＦ）信号を第１の電極に出力す るための第１の無線周波数（ＲＦ）電力源、及び第２のＲＦ信号を第２の電極に 出力するための第２のＲＦ電力源を有し、該第２のＲＦ電力源が、マスタ及びス レーブ形態におけるスレーブＲＦ電力源として前記第１のＲＦ電力源に結合され るプラズマ処理装置であって、 制御回路を備え、該制御回路は、 前記第１のＲＦ信号の位相を検出するために前記第１の電極に結合される第１ のセンサ回路と、 前記第２のＲＦ信号の位相を検出するために前記第２の電極に結合される第２ のセンサ回路と、 前記第１のＲＦ信号及び前記第２のＲＦ信号間の位相差を検出し、かつ該位相 差を表す第１の信号を出力するために、前記第１のセンサ回路及び前記第２のセ ンサ回路に結合されるミキサ回路と、 前記第２のＲＦ電力源及び前記ミキサ回路に結合される位相サーボ回路であっ て、前記第１の信号及び位相制御設定点信号に応答して、前記第２のＲＦ電力源 に制御信号を出力し、前記第２のＲＦ信号の位相を修正し、それにより、前記位 相差を、前記位相制御設定点信号により表される位相差値に近似させる前記位相 サーボ回路と、 を含んでいるプラズマ処理装置。 ２． 前記位相制御設定点信号は、予め定められた信号である請求項１に記載の プラズマ処理装置。 ３． 前記位相制御設定点信号は、前記位相差を能動的に制御するためのユーザ 可変信号である請求項１に記載のプラズマ処理装置。 ４． 前記第１の電極は、前記プラズマ処理装置の下部のバイアス電極に相当す る請求項１に記載のプラズマ処理装置。 ５． 前記第１の電極は、前記プラズマ処理装置の上部の電極に相当する請求項 １に記載のプラズマ処理装置。 ６． 前記上部の電極は、コイルである請求項５に記載のプラズマ処理装置。 ７． 前記制御回路は、さらに、 チャックＲＦピークピーク交流電圧を測定するためのバイアス測定回路と、 該バイアス測定回路及びバイアス設定点信号に結合されるピーク・バイアス制 御回路であって、前記位相サーボ回路に誤差信号を出力し、該位相サーボ回路か らの前記制御信号に応答して、前記第２のＲＦ電力源に、前記第２のＲＦ信号の 前記位相を修正させ、それにより、前記チャックＲＦピークピーク交流電圧を、 前記バイアス設定点信号により表されるＲＦピークピーク電圧に近似させる前記 ピーク・バイアス制御回路と、 を備えた請求項１に記載のプラズマ処理装置。 ８． 前記制御回路は、さらに、 前記プラズマ処理装置で処理されているウェハ上の直流電圧を測定するための バイアス測定回路と、 該バイアス測定回路及びバイアス設定点信号に結合されるピーク・バイアス制 御回路であって、前記位相サーボ回路に誤差信号を出力し、該位相サーボ回路か らの前記制御信号に応答して、前記第２のＲＦ電力源に、前記第２のＲＦ信号の 前記位相を修正させ、それにより、前記ウェハ上の前記直流電圧を、前記バイア ス設定点信号により表されるユーザ入力直流電圧に近似させる前記ピーク・バイ アス制御回路と、 を備えた請求項１に記載のプラズマ処理装置。 ９． 第１の無線周波数（ＲＦ）信号及び第２のＲＦ信号間の位相差を修正し、 前記第１のＲＦ信号は、第１のＲＦ電力源により第１の電極に供給され、前記第 ２のＲＦ信号は、第２のＲＦ電力源によりプラズマ処理装置の第２の電極に供給 され、前記第２のＲＦ電力源は、マスタ及びスレーブ形態におけるスレーブＲＦ 電力源として前記第１のＲＦ電力源に結合される制御回路であって、 前記第１のＲＦ信号の位相の検出を容易にするために、前記第１の電極に結合 される第１のセンサ回路と、 前記第２のＲＦ信号の位相の検出を容易にするために、前記第２の電極に結合 される第２のセンサ回路と、 前記第１のセンサ回路及び前記第２のセンサ回路に結合されて、前記第１のＲ Ｆ信号及び前記第２のＲＦ信号間の位相差を検出し、かつ前記位相差を表す第１ の信号を出力するミキサ回路と、 前記第２のＲＦ電力源及び前記ミキサ回路に結合される位相サーボ回路であっ て、前記第１の信号及び位相制御設定点信号に応答して、前記第２のＲＦ電力源 に制御信号を出力し、前記第２のＲＦ信号の位相を修正し、それにより、前記位 相差を、前記位相制御設定点信号により表される位相差値に近似させる前記位相 サーボ回路と、 を備えた制御回路。 １０． 前記位相制御設定点信号は、予め定められた信号である請求項９に記載 の制御回路。 １１． 前記位相制御設定点信号は、前記位相差を能動的に制御するためのユー ザ可変信号である請求項９に記載の制御回路。 １２． 前記第１の電極は、前記プラズマ処理装置の下部のバイアス電極に相当 する請求項９に記載の制御回路。 １３． 前記第１の電極は、前記プラズマ処理装置の上部の電極に相当する請求 項９に記載の制御回路。 １４． 前記上部の電極は、コイルである請求項１３に記載の制御回路。 １５． チャックＲＦピークピーク交流電圧を測定するためのバイアス測定回路 と、 該バイアス測定回路及びバイアス設定点信号に結合されるピーク・バイアス制 御回路であって、前記位相サーボ回路に誤差信号を出力し、該位相サーボ回路か らの前記制御信号に応答して、前記第２のＲＦ電力源に、前記第２のＲＦ信号の 前記位相を修正させ、それにより、前記チャックＲＦピークピーク交流電圧を、 前記バイアス設定点信号により表されるＲＦピークピーク電圧に近似させる前記 ピーク・バイアス制御回路と、 をさらに備えた請求項９に記載の制御回路。 １６． 前記プラズマ処理装置で処理されているウェハ上の直流電圧を測定する ためのバイアス測定回路と、 該バイアス測定回路及びバイアス設定点信号に結合されるピーク・バイアス制 御回路であって、前記位相サーボ回路に誤差信号を出力し、該位相サーボ回路か らの前記制御信号に応答して、前記第２のＲＦ電力源に、前記第２のＲＦ信号の 前記位相を修正させ、それにより、前記ウェハ上の前記直流電圧を、前記バイア ス設定点信号により表されるユーザ入力直流電圧に近似させる前記ピーク・バイ アス制御回路と、 をさらに備えた請求項９に記載の制御回路。 １７． 第１の無線周波数（ＲＦ）信号及び第２のＲＦ信号間の位相差を修正し 、前記第１のＲＦ信号は、第１のＲＦ電力源により第１の電極に供給され、前記 第２のＲＦ信号は、第２のＲＦ電力源によりプラズマ処理装置の第２の電極に供 給され、前記第２のＲＦ電力源は、マスタ及びスレーブ形態におけるスレーブＲ Ｆ電力源として前記第１のＲＦ電力源に結合される、プラズマ処理装置における 方法であって、 前記第１のＲＦ信号の位相及び前記第２のＲＦ信号の位相間の位相差を探知し 、 前記位相差を位相制御設定点信号と比較して、前記第２のＲＦ電力源に制御信 号を出力し、それにより、前記第２のＲＦ電力源が、前記制御信号に応答して、 前記第２のＲＦ信号の前記位相を修正し、前記位相差を、前記位相制御設定点信 号により表される位相差値に近似させるようにした方法。 １８． 前記第２の電極が、前記プラズマ処理装置の下部のバイアス電極に相当 する請求項１７に記載の方法。