JPH09129621A - パルス波形バイアス電力 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 その大きさが少なくともＶ_B （ここで、
Ｖ_B はある正電圧）の第１の電圧で、前記ペデスタルに
バイアスをかけるステップと、定期的ないし間欠的に所
定の周波数で、ペデスタルに対して、第１の電圧と逆の
極性で、その振幅がＶ_B より大きいパルスを加えるステ
ップとを有する、プラズマ処理中にプラズマチャンバ内
において基板を支持するペデスタルにバイアスを与える
方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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ＳｉＣｌ_x ）
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。

【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。

【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Ｖ_B 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Ｖ_B よりも大きい、パルスを与えるステップとを有し
ている。

【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。

【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
Ｖ_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Ｖ_B よりもＶ₂ だけ上
に伸びており、Ｖ₂ はベースライン電圧Ｖ_B の大きさよ
りも大きい。

【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。

【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。

【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。

【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Ｖ_B 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、Ｖ_B よりも大きな振幅を有して
いる。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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−Ｖ_D 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。

【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。

【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。

【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
ｍ³ 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
ｍ³ 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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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：

【数１】 ここで、η_i 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。

【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。

【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。

【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、Ｖ_A
ボルトの大きさよりわずかに小さい直流バイアスＶ_DC附
近でＶ_A 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。

【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。

【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。

【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ｔ_low、
波形の残りの部分の継続時間をｔ_highと仮定し、また、
２つのピークの高さをそれぞれ、Ｐ_low 及びＰ_highであ
ると仮定すると、下記の関係が適用できる；

【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ｔ_low をできるだけ
短くすべきである。

【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。

【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）。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【符号の説明】

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。

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. 【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Ｖ_B 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Ｖ_B よ
   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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。
5. 【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。
6. 【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。
7. 【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。
8. 【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。
9. 【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。
10. 【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。
11. 【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Ｖ_B よ
    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Ｖ_B 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Ｖ_B 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。
12. 【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。
13. 【請求項１３】 前記プラズマが、約１０¹¹イオン／ｃ
    ｍ³ 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。
14. 【請求項１４】 前記プラズマが、約１０¹¹〜１０¹²イ
    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。
15. 【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。
16. 【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。
17. 【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。
18. 【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。
19. 【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。
20. 【請求項２０】 前記波形の前記第２の部分の間、前記
    Ｖ₁ 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。
21. 【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。
22. 【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。
23. 【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。
24. 【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。
25. 【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。
26. 【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Ｖ_B 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Ｖ_B 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。