(57)【要約】【解決手段】電極を有するプラズマ閉じ込め区域を備えたプラズマチャンバを提供する。第１のガスおよび第２のガスを供給するガス分配システムが、プラズマチャンバに接続されており、ガス分配システムは、１秒未満の期間内でプラズマ区域内の一方のガスを他方のガスで実質的に置き換えることができる。第１の周波数帯域で電極に電力を提供するための第１の周波数調整ＲＦ電源が、少なくとも１つの電極に電気的に接続されており、第１の周波数整ＲＦ電源は、反射ＲＦ電力を最小化することができる。第１の周波数帯域の外側の第２の周波数帯域で前記プラズマチャンバに電力を供給するための第２の周波数調整ＲＦ電源が備えられており、第２の周波数調整ＲＦ電源は、反射ＲＦ電力を最小化することができる。【選択図】図１
2010510669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマウエハ処理ツールであって、
体積を有するプラズマ閉じ込め区域と少なくとも１つの電極とを備えたプラズマチャンバと、
第１のガスおよび第２のガスを供給するためのガス分配システムであって、１秒未満の期間内で、前記プラズマ区域内の前記第１のガスおよび前記第２のガスの内の一方を前記第１のガスおよび第２のガスの内の他方で実質的に置き換えることが可能であり、前記プラズマ区域内で前記第１のガスから形成される第１のプラズマが、第１のインピーダンス負荷を提供し、前記プラズマ区域内で前記第２のガスから形成される第２のプラズマが、前記第１のインピーダンス負荷と異なる第２のインピーダンス負荷を提供する、ガス分配システムと、
第１の周波数帯域で前記少なくとも１つの電極に電力を供給するための第１の周波数調整ＲＦ電源であって、反射ＲＦ電力を受信して、前記反射ＲＦ電力を最小化するように出力ＲＦ周波数を調整することができる、第１の周波数調整ＲＦ電源と、
前記第１の周波数帯域の外側の第２の周波数帯域で前記プラズマチャンバに電力を供給するための第２の周波数調整ＲＦ電源であって、反射ＲＦ電力を受信して、前記反射ＲＦ電力を最小化するように出力ＲＦ周波数を調整することができる、第２の周波数調整ＲＦ電源と、
を備える、プラズマウエハ処理ツール。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマウエハ処理ツールであって、前記第１の周波数調整ＲＦ電源は、インピーダンス整合するために前記第１のインピーダンス負荷に対して第１の周波数を提供し、インピーダンス整合するために前記第２のインピーダンス負荷に対して第２の周波数を提供することが可能であり、前記第１の周波数は前記第２の周波数と異なる、プラズマウエハ処理ツール。
【請求項３】
請求項１または２に記載のプラズマウエハ処理ツールであって、前記第２の周波数調整ＲＦ電源は、インピーダンス整合するために前記第１のインピーダンス負荷に対して第３の周波数を提供し、インピーダンス整合するために前記第２のインピーダンス負荷に対して第４の周波数を提供することが可能であり、前記第４の周波数は、前記第１、第２、および、第３の周波数と異なる、プラズマウエハ処理ツール。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のプラズマウエハ処理ツールであって、前記ガス分配システムは、２００マイクロ秒未満の期間内に、前記プラズマ区域内の前記第１のガスまたは前記第２のガスを前記第１のガスまたは前記第２のガスの内の他方で実質的に置き換えることができる、プラズマウエハ処理ツール。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のプラズマウエハ処理ツールであって、前記プラズマチャンバは、さらに、
前記プラズマチャンバ内でウエハを支持するための基板支持体と、
前記基板支持体から３ｃｍ未満離間したチャンバトップと、
を備える、プラズマウエハ処理ツール。
【請求項６】
請求項５に記載のプラズマウエハ処理ツールであって、前記チャンバトップと前記基板支持体との間に離間して配置された閉じ込めリングをさらに備える、プラズマウエハ処理ツール。
【請求項７】
請求項６に記載のプラズマウエハ処理ツールであって、前記閉じ込めリング、前記基板支持体、および、前記チャンバトップの内側が、前記プラズマ区域を規定する、プラズマウエハ処理ツール。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のプラズマウエハ処理ツールであって、前記第１の周波数調整ＲＦ電源および前記第２の周波数調整ＲＦ電源は、１ＭＨｚ未満の範囲にわたって前記出力ＲＦ周波数を調整する、プラズマウエハ処理ツール。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載のプラズマウエハ処理ツールであって、前記ガス分配システムは、
第１のガスラインと流体連通するよう適合された第１のガス流路および第２のガス流路と、
第２のガスラインと流体連通するよう適合された第３のガス流路および第４のガス流路と、
を備え、
前記第１および第３のガス流路は、前記真空チャンバにガスを供給するよう適合されており、前記第２および第４のガス流路は、バイパスラインにガスを供給するよう適合されており、
前記ガス分配システムは、さらに、
前記第１のガス流路に沿って配置された第１の高速切り替えバルブと、
前記第２のガス流路に沿って配置された第２の高速切り替えバルブと、
前記第３のガス流路に沿って配置された第３の高速切り替えバルブと、
前記第４のガス流路に沿って配置された第４の高速切り替えバルブと、
を備え、
前記第１および第４の高速切り替えバルブは、信号を受信して、前記第２のガスが前記第２のガスラインと前記第２および第４のガス流路とを通して前記バイパスラインに供給されている間に前記第１のガスが前記第１のガスラインと第１および第３のガス流路とを通して前記真空チャンバに供給されるように、前記第２および第３の高速切り替えバルブが閉じられている間に開くよう適合されており、
前記第２および第３の高速切り替えバルブは、信号を受信して、前記第１のガスが前記第１のガスラインと前記第２のガス流路とを通して前記バイパスラインに供給されている間に前記第２のガスが前記第２のガスラインと第３のガス流路とを通して前記真空チャンバに供給されるように、前記第１および第４の高速切り替えバルブが閉じられている間に開くよう適合されている、プラズマウエハ処理ツール。
【請求項１０】
請求項９に記載のプラズマウエハ処理ツールであって、前記ガス分配システムは、さらに、
前記第１および第２の高速切り替えバルブの上流に前記第１のガスラインに沿って配置されるよう適合された第１の流量制限器と、 
前記第３および第４の高速切り替えバルブの上流に前記第２のガスラインに沿って配置されるよう適合された第２の流量制限器と、
を備え、
前記第１および第２の流量制限器は、前記第１および第２の流量制限器の上流および近傍の前記第１および第２のガスラインの領域においてほぼ一定のガス圧を維持するよう適合されている、プラズマウエハ処理ツール。
【請求項１１】
請求項１０に記載のプラズマウエハ処理ツールであって、前記第１のガスラインは、前記第１の流量制限器と前記第１および第２の高速切り替えバルブとの間に約１０ｃｍ3未満の容積を有し、前記第２のガスラインは、前記第２の流量制限器と前記第３および第４の高速切り替えバルブとの間に約１０ｃｍ3未満の容積を有する、プラズマウエハ処理ツール。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載のプラズマウエハ処理ツールであって、前記ガス分配システムは、さらに、
前記第１の高速切り替えバルブの下流に前記第１のガス流路に沿って配置されるよう適合された第３の流量制限器と、
前記第２の高速切り替えバルブの下流に前記第２のガス流路に沿って配置されるよう適合された第４の流量制限器と、
前記第３の高速切り替えバルブの下流に前記第３のガス流路に沿って配置されるよう適合された第５の流量制限器と、
前記第４の高速切り替えバルブの下流に前記第４のガス流路に沿って配置されるよう適合された第６の流量制限器と、
を備え、
前記第３、第４、第５、および、第６の流量制限器は、それぞれ前記第１、第２、第３、第４、第５、および、第６の流量制限器の上流および近傍の前記第１、第２、第３、および、第４のガス流路の領域においてほぼ一定のガス圧を維持するよう適合されている、プラズマウエハ処理ツール。
【請求項１３】
請求項９から１２のいずれかに記載のプラズマウエハ処理ツールであって、さらに、前記第１、第２、第３、および、第４の高速切り替えバルブの開閉を制御するよう動作可能な制御部を備える、プラズマウエハ処理ツール。
【請求項１４】
請求項９から１３のいずれかに記載のプラズマウエハ処理ツールであって、前記第１、第２、第３、および、第４の高速切り替えバルブは、信号受信後の約１００マイクロ秒未満の期間内に開かれるおよび／または閉じられることができる、プラズマウエハ処理ツール。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれかに記載のプラズマウエハ処理ツールであって、さらに、互いに流れが遮断された内側区域および外側区域を有するガス分配部材を備える、プラズマウエハ処理ツール。
【請求項１６】
請求項１５に記載のプラズマウエハ処理ツールであって、前記ガス分配システムは、
前記第１のガスおよび前記第２のガスを供給するガス供給システムと、
前記ガス供給システムと流体連通し、前記第１のガスの流れを前記第１のガスの内側区域流および前記第１のガスの外側区域流に分流させると共に、前記第２のガスの流れを前記第２のガスの内側区域流および前記第２のガスの外側区域流に分流させる流量制御システムと、
前記流量制御システムと前記ガス分配部材の前記内側区域および外側区域との間に流体連通する切り替え部と、
を備え、
前記切り替え部は、前記第１のガスの前記内側区域流と前記第２のガスの前記内側区域流との間で前記ガス分配部材の前記内側区域への流れを切り替え、前記第１のガスの前記外側区域流と前記第２のガスの前記外側区域流との間で前記ガス分配部材の前記外側区域への流れを切り替える、プラズマウエハ処理ツール。
【請求項１７】
請求項１６に記載のプラズマウエハ処理ツールであって、さらに、バイパスラインを備え、前記切り替え部は、さらに、前記第１のガスの前記内側区域流、前記第２のガスの前記内側区域流、前記第１のガスの前記外側区域流、および、前記第２のガスの前記外側区域流を、前記バイパスラインに切り替える、プラズマウエハ処理ツール。
【請求項１８】
請求項１７に記載のプラズマウエハ処理ツールであって、前記流量制御システムは、さらに、前記第１のガスの流れが前記第１のガスの前記内側区域流と前記第１のガスの前記外側区域流に分流された後に、前記第１のガスの前記内側区域流または前記第１のガスの前記外側区域流の少なくとも一方に流体接続する調整ガス源を備える、プラズマウエハ処理ツール。
【請求項１９】
プラズマ処理装置であって、 
内側区域および外側区域を有するシャワーヘッド電極アセンブリと、約１／２リットルから４リットルの内部容積とを備えたプラズマ処理チャンバと、
前記シャワーヘッド電極アセンブリの前記内側および外側区域と流体連通し、約１秒未満の期間内に、前記プラズマ閉じ込め区域内の第１の処理ガスまたは第２の処理ガスを前記第１の処理ガスまたは前記第２の処理ガスの内の他方で実質的に置き換えるよう動作可能であるガス分配システムと、
前記第１の処理ガスおよび前記第２の処理ガスを供給するガス供給システムと、
前記ガス供給システムと流体連通し、前記第１の処理ガスの流れを前記第１の処理ガスの内側区域流および前記第１の処理ガスの外側区域流に分流させると共に、前記第２の処理ガスの流れを前記第２の処理ガスの内側区域流および前記第２の処理ガスの外側区域流に分流させる流量制御システムと、
前記流量制御システムと前記ガス分配部材の前記内側区域および外側区域との間に流体連通する切り替え部であって、前記第１の処理ガスの前記内側区域流と前記第２の処理ガスの前記内側区域流との間で前記ガス分配部材の前記内側区域への流れを切り替え、前記第１の処理ガスの前記外側区域流と前記第２の処理ガスの前記外側区域流との間で前記ガス分配部材の前記外側区域への流れを切り替える切り替え部と、 
第１の周波数帯域で前記プラズマ処理装置に電力を供給するための第１の周波数調整ＲＦ電源であって、反射ＲＦ電力を受信して、前記反射ＲＦ電力を最小化するように出力ＲＦ周波数を調整することができる、第１の周波数調整ＲＦ電源と、
前記第１の周波数帯域の外側の第２の周波数帯域で前記プラズマ処理装置に電力を供給するための第２の周波数調整ＲＦ電源であって、反射ＲＦ電力を受信して、前記反射ＲＦ電力を最小化するように出力ＲＦ周波数を調整することができる、第２の周波数調整ＲＦ電源と、
を備える、プラズマ処理装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載のプラズマ処理装置であって、さらに、バイパスラインを備え、前記切り替え部は、さらに、前記第１の処理ガスの前記内側区域流、前記第２の処理ガスの前記内側区域流、前記第１の処理ガスの前記外側区域流、および、前記第２の処理ガスの前記外側区域流を、前記バイパスラインに切り替える、プラズマ処理装置。
【請求項２１】
請求項１９または２０に記載のプラズマ処理装置であって、前記流量制御システムは、さらに、前記第１の処理ガスの流れが前記第１の処理ガスの前記内側区域流と前記第１の処理ガスの前記外側区域流に分流された後に、前記第１の処理ガスの前記内側区域流または前記第１の処理ガスの前記外側区域流の少なくとも一方に流体接続する調整ガス源を備える、プラズマ処理装置。
【請求項２２】
請求項１９ないし２１のいずれかに記載のプラズマ処理装置であって、前記第１の周波数調整ＲＦ電源は、インピーダンス整合するために前記第１の処理ガスから形成されたプラズマの第１のインピーダンス負荷に対して第１の周波数を供給し、インピーダンス整合するために前記第２のプラズマガスから形成されたプラズマに対して第２のインピーダンス負荷に第２の周波数を供給することが可能であり、前記第１の周波数は前記第２の周波数と異なり、
前記第２の周波数調整ＲＦ電源は、インピーダンス整合するために前記第１のインピーダンス負荷に対して第３の周波数を供給し、インピーダンス整合するために前記第２のインピーダンス負荷に対して第４の周波数を供給することが可能であり、前記第４の周波数は、前記第１、第２、および、第３の周波数と異なる、プラズマ処理装置。
【請求項２３】
プラズマ処理チャンバ内で半導体構造を処理する方法であって、
ａ）第１の処理ガスを前記プラズマ処理チャンバ内に供給しつつ、第２の処理ガスをバイパスラインに迂回させる工程であって、前記プラズマ処理チャンバは、少なくとも１つの層と前記層の上に位置するパターニングされたレジストマスクとを備えた半導体基板を収容する、工程と、
ｂ）前記第１の処理ガスを励起して第１のインピーダンス負荷を有する第１のプラズマを生成し、（ｉ）前記層に少なくとも１つのフィーチャをエッチングする、または、（ｉｉ）前記マスク上にポリマ蒸着物を形成する工程と、
ｃ）前記第１のインピーダンス負荷に整合するように第１の周波数に第１のＲＦ電源を周波数同調させる工程と、
ｄ）前記第１のインピーダンス負荷に整合するように前記第１の周波数とは異なる第２の周波数に第２のＲＦ電源を周波数同調させる工程と、
ｅ）前記第１の処理ガスをバイパスラインに迂回させつつ、前記第２の処理ガスが前記プラズマ処理チャンバ内に供給されるように前記第１および第２処理ガスの流れを切り替える工程であって、前記第１の処理ガスは、前記プラズマ処理チャンバのプラズマ閉じ込め区域において、約１秒未満の期間内に前記第２の処理ガスで実質的に置き換えられる、工程と、
ｆ）前記第２の処理ガスを励起して前記第１のインピーダンス負荷とは異なる第２のインピーダンス負荷を有する第２のプラズマを生成し、（ｉｉｉ）前記層に前記少なくとも１つのフィーチャをエッチングする、または、（ｉｖ）前記層および前記マスク上にポリマ蒸着物を形成する工程と、 
ｇ）前記第２のインピーダンス負荷に整合するように前記第１および第２の周波数とは異なる第３の周波数に前記第１のＲＦ電源を周波数同調させる工程と、
ｈ）前記第２のインピーダンス負荷に整合するように前記第１、第２、および、第３の周波数とは異なる第４の周波数に前記第２のＲＦ電源を周波数同調させる工程と、
ｉ）前記第２の処理ガスを前記バイパスラインに迂回させつつ、前記第１の処理ガスが前記プラズマ処理チャンバ内に供給されるように前記第１および第２の処理ガスの流れを切り替える工程であって、前記第２の処理ガスは、前記プラズマ処理チャンバの前記プラズマ閉じ込め区域において、約１秒未満の期間内に前記第１の処理ガスで実質的に置き換えられる、工程と、
ｊ）前記基板に対して前記工程ｂ）ないしｉ）を複数回繰り返す工程と、
を備える、方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法であって、前記約１秒未満の期間は、２００マイクロ秒未満である、方法。
【請求項２５】
請求項２３または２４に記載の方法であって、前記ポリマ蒸着物は、前記基板に対して前記工程ａ）ないしｉ）を複数回繰り返すと、約１００オングストローム未満の最大厚さに形成される、方法。
【請求項２６】
請求項２３ないし２５のいずれかに記載の方法であって、さらに、
前記第１の処理ガスの流れを内側区域流および外側区域流に分流する工程を備え、
前記第１の処理ガスを前記プラズマ処理チャンバ内に供給する工程は、前記内側区域流を前記処理チャンバの内側区域に供給し、前記外側区域流を前記処理チャンバの外側区域に供給する、方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の方法であって、さらに、前記第１の処理ガスの前記内側区域流および前記第１の処理ガスの前記外側区域流の少なくとも一方に調整ガスを供給する工程を備え、
前記調整ガスは、前記第１の処理ガスの流れを分流する工程の後に供給される、方法。
【請求項２８】
請求項２３から２７のいずれかに記載の方法であって、前記第１のプラズマは、前記層に前記少なくとも１つのフィーチャをエッチングし、前記第２のプラズマは、前記層および前記マスク上に前記蒸着物を形成し、前記蒸着は前記マスクにおけるストリエーションを修復する、方法。
【請求項２９】
請求項２３から２８のいずれかに記載の方法であって、前記プラズマ閉じ込め区域は、約１／２リットルから約４リットルの容積を有する、方法。
【請求項３０】
請求項２３から２９のいずれかに記載の方法であって、
前記第１の層はＳｉＯ2であり、
前記マスクはＵＶレジストマスクであり、
前記第１の処理ガスは、Ｃ4Ｆ8、Ｏ2、および、アルゴンの混合物を含み、前記第１のプラズマは前記層をエッチングし、
前記第２の処理ガスは、ＣＨ3Ｆ、アルゴンと、さらに、随意的にＯ2とを含む混合物を含み、
前記第２のプラズマは、前記フィーチャおよび前記マスク上に前記ポリマ蒸着物を形成する、方法。
【請求項３１】
請求項２３から３０のいずれかに記載の方法であって、前記第１のインピーダンス負荷に整合するように前記第１のＲＦ電源を第１の周波数に周波数同調させる工程、および、前記第２のインピーダンス負荷に整合するように前記第１のＲＦ電源を第３の周波数に周波数同調させる工程は、整合器を用いて、前記第１のインピーダンス負荷および第３のインピーダンス負荷への整合を部分的に行い、周波数同調を用いて、前記第１のインピーダンス負荷および前記第２のインピーダンス負荷への最終的な整合を提供する、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
半導体構造は、プラズマ処理チャンバと、処理ガスをチャンバに供給するガス源と、処理ガスからプラズマを生成するエネルギ源とを備えたプラズマ処理装置内で処理される。半導体構造は、かかる装置内で、ドライエッチング処理、蒸着処理（金属、誘導体、および、半導体材料の化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着、または、プラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）など）、および、レジスト剥離処理などの技術によって処理される。これらの処理技術に対して、また、半導体構造における異なる材料の処理に対して、異なる処理ガスが利用される。
【発明の概要】
【０００２】
上記に鑑みて本発明の目的に従い、プラズマウエハ処置ツールが提供される。体積を有するプラズマ閉じ込め区域と少なくとも１つの電極とを備えたプラズマチャンバが準備される。第１のガスおよび第２のガスを供給するためのガス分配システムがプラズマチャンバに接続されており、ガス分配システムは、１秒未満の期間内で、プラズマ区域内の第１のガスおよび第２のガスの内の一方を第１のガスおよび第２のガスの内の他方で実質的に置き換えることが可能であり、プラズマ区域内で第１のガスから形成される第１のプラズマは、第１のインピーダンス負荷を提供し、プラズマ区域内で第２のガスから形成される第２のプラズマは、第１のインピーダンス負荷と異なる第２のインピーダンス負荷を提供する。第１の周波数帯域で前記少なくとも１つの電極に電力を供給するための第１の周波数調整ＲＦ電源が、少なくとも１つの電極に電気的に接続されており、反射ＲＦ電力を受信して、反射ＲＦ電力を最小化するように出力ＲＦ周波数を調整することができる。第１の周波数帯域の外側の第２の周波数帯域でプラズマチャンバに電力を供給するための第２の周波数調整ＲＦ電源が、備えられており、反射ＲＦ電力を受信して、反射ＲＦ電力を最小化するように出力ＲＦ周波数を調整することができる。
【０００３】
本発明の別の態様では、プラズマ処理装置が提供される。内側区域および外側区域を有するシャワーヘッド電極アセンブリと、約１／２リットルから４リットルの内部容積とを備えたプラズマ処理チャンバが準備される。ガス分配システムが、シャワーヘッド電極アセンブリの内側および外側区域と流体連通しており、約１秒未満の期間内に、プラズマ閉じ込め区域内の第１の処理ガスまたは第２の処理ガスを第１の処理ガスまたは第２の処理ガスの内の他方で実質的に置き換えるよう動作可能である。ガス分配システムは、第１の処理ガスおよび第２の処理ガスを供給するガス供給システムと、ガス供給システムと流体連通し、第１の処理ガスの流れを第１の処理ガスの内側区域流および第１の処理ガスの外側区域流に分流させると共に、第２の処理ガスの流れを第２の処理ガスの内側区域流および第２の処理ガスの外側区域流に分流させる流量制御システムと、流量制御システムとガス分配部材の内側区域および外側区域との間に流体連通し、第１の処理ガスの内側区域流と第２の処理ガスの内側区域流との間でガス分配部材の内側区域への流れを切り替え、第１の処理ガスの外側区域流と第２の処理ガスの外側区域流との間でガス分配部材の外側区域への流れを切り替える切り替え部と、を備える。第１の周波数帯域でプラズマ処理装置に電力を供給するための第１の周波数調整ＲＦ電源が備えられており、反射ＲＦ電力を受信して、反射ＲＦ電力を最小化するように出力ＲＦ周波数を調整することができる。第１の周波数帯域の外側の第２の周波数帯域でプラズマ処理装置に電力を供給するための第２の周波数調整ＲＦ電源が備えられており、反射ＲＦ電力を受信して、反射ＲＦ電力を最小化するように出力ＲＦ周波数を調整することができる。
【０００４】
本発明の別の態様では、プラズマ処理チャンバ内で半導体構造を処理する方法が提供される。ａ）第２の処理ガスをバイパスラインに迂回させつつ、第１の処理ガスがプラズマ処理チャンバ内に供給され、プラズマ処理チャンバは、少なくとも１つの層と、その層の上に位置するパターニングされたレジストマスクとを備えた半導体基板を収容する。ｂ）第１の処理ガスは励起されて第１のインピーダンス負荷を有する第１のプラズマを生成し、（ｉ）層に少なくとも１つのフィーチャをエッチングする、または、（ｉｉ）マスク上にポリマ蒸着物を形成する。ｃ）第１のＲＦ電源が、第１のインピーダンス負荷に整合するように第１の周波数に周波数同調される。ｄ）第２のＲＦ電源が、第１のインピーダンス負荷に整合するように第１の周波数とは異なる第２の周波数に周波数同調される。ｅ）第１の処理ガスをバイパスラインに迂回させつつ、第２の処理ガスがプラズマ処理チャンバ内に供給されるように、第１および第２処理ガスの流れが切り替えられ、第１の処理ガスは、プラズマ処理チャンバのプラズマ閉じ込め区域において、約１秒未満の期間内に第２の処理ガスで実質的に置き換えられる。ｆ）第２の処理ガスは励起されて第１のインピーダンス負荷とは異なる第２のインピーダンス負荷を有する第２のプラズマを生成し、（ｉｉｉ）層に少なくとも１つのフィーチャをエッチングする、または、（ｉｖ）層およびマスク上にポリマ蒸着物を形成する。ｇ）第１のＲＦ電源は、第２のインピーダンス負荷に整合するように、第１および第２の周波数とは異なる第３の周波数に周波数同調される。ｈ）第２のＲＦ電源は、第２のインピーダンス負荷に整合するように、第１、第２、および、第３の周波数とは異なる第４の周波数に周波数同調される。ｉ）第２の処理ガスをバイパスラインに迂回させつつ、第１の処理ガスがプラズマ処理チャンバ内に供給されるように、第１および第２処理ガスの流れが切り替えられ、第２の処理ガスは、プラズマ処理チャンバのプラズマ閉じ込め区域において、約１秒未満の期間内に第１の処理ガスで実質的に置き換えられる。ｊ）基板に対して、工程ｂ）ないしｉ）が複数回繰り返される。
【０００５】
添付の図面を参照しつつ行う本発明の詳細な説明において、本発明の上述の特徴およびその他の特徴を詳述する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】ガス分配システムの好ましい実施形態と共に利用できるプラズマ処理装置の一実施形態を示す断面図。
【図２】ガス分配システムの好ましい実施形態を示す図。
【図３】ガス分配システムのガス供給部の好ましい実施形態を示す図。
【図４】ガス分配システムの流量制御部の好ましい実施形態を示す図。
【図５】ガス分配システムのガス切り替え部の第１の好ましい実施形態を示す図。
【図６】ガス分配システムのガス切り替え部の第２の好ましい実施形態を示す図。
【図７】ガス分配システムのガス切り替え部の第３の好ましい実施形態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
半導体基板（例えば、シリコンウエハ）上に形成された半導体デバイスなどの半導体材料を処理するためのプラズマ処理装置は、プラズマ処理チャンバと、プラズマ処理チャンバに処理ガスを供給するガス分配システムとを備える。ガス分配システムは、プラズマ処理中に基板の表面における単一の区域または複数の区域にガスを分配することができる。ガス分配システムは、それらの区域への同一または異なる処理ガス（またはガス混合物）の流量比を制御するための流量制御部を備えてよく、それにより、基板全体でのガス流量およびガス組成の均一性を処理中に調節することができる。
【０００８】
複数区域ガス分配システムは、単一区域システムに比べて、流量制御を改善できるものの、ガス組成および／またはガス流量を短期間で変更できる基板処理動作を可能にする構成を、かかるシステムに備えることが望ましい場合がある。
【０００９】
異なるガス組成および／または流量比をチャンバに供給するガス分配システムが提供されている。好ましい実施形態において、ガス分配システムは、プラズマ処理装置のプラズマ処理チャンバなど、真空チャンバの内部と流体連通し、処理動作中に、異なるガス化学組成および／またはガス流量を真空チャンバに供給することができるよう適合されている。プラズマ処理装置は、ＲＦエネルギ、マイクロ波エネルギ、磁場などを用いてプラズマを生成するエネルギ源を備える低密度、中密度、または、高密度プラズマリアクタであってよい。例えば、高密度プラズマは、誘導結合プラズマリアクタとしても知られるトランス結合プラズマ（ＴＣＰ（商標））リアクタ、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマリアクタ、容量型放電などにおいて生成可能である。ガス分配システムの好ましい実施形態と共に利用できるプラズマリアクタの例としては、カリフォルニア州フレモントにあるラムリサーチ社から入手可能な２３００Ｅｘｃｅｌａｎ（商標）プラズマリアクタなど、Ｅｘｅｌａｎ（商標）プラズマリアクタが挙げられる。プラズマエッチング処理中に、電極と静電チャックとを組み込んだ基板支持体に対して、複数の周波数を印加することができる。あるいは、二重周波数プラズマリアクタにおいて、基板支持体および電極（基板から離間したシャワーヘッド電極など）に対して、異なる周波数を印加することができる。
【００１０】
ガス分配システムの好ましい実施形態は、プラズマ処理チャンバなどの真空チャンバの内部に、単一の区域または複数の区域、好ましくは、少なくとも、処理される基板の露出表面に隣接したガス分配部材の内側区域および外側区域、を通して第１のガスを供給することができる。内側および外側区域は、プラズマ処理チャンバ内で、互いに半径方向に離間しており、互いに流れが遮断されていることが好ましい。ガス分配システムは、同時に、第１のガスとは異なる第２のガスを真空チャンバのバイパスラインに迂回させることができる。バイパスラインは、真空ポンプなどと流体連通してよい。好ましい実施形態において、第１のガスは第１の処理ガスであり、第２のガスは別の処理ガスである。例えば、第１のガスは、第１のエッチングガス化学物質または蒸着ガス化学物質であってよく、第２のガスは、別のエッチングガス化学物質または蒸着ガス化学物質であってよい。ガス分配システムは、第２のガスがバイパスラインに迂回されている間に、異なる流量に制御された第１のガスをそれぞれ内側区域および外側区域に同時に供給することが可能であり、その逆を行うこともできる。ガスの内の一方をバイパスラインに迂回させることによって、真空チャンバに供給されるガスの変更を短時間で行うこができる。
【００１１】
ガス分配システムは、単一の区域または複数の区域を備えた真空チャンバの内部に供給される第１のガスおよび第２のガスの間で、短時間にガス切り替えまたはガス変更を行うことを可能にする切り替え装置を備える。複数区域システムに対して、ガス分配システムは、第２のガスがバイパスラインに迂回されている間に第１のガスを内側区域および外側区域に供給し、その後、第１のガスがバイパスラインに迂回されている間に第２のガスが内側区域および外側区域に供給されるように短時間でガスの分配を切り替えることができる。ガス分配システムは、異なるガス化学物質を用いる異なる処理動作（例えば、半導体デバイスの処理方法において交互に行う工程）の速やかな変更を可能にするために、第１および第２のガスを真空チャンバの内部にそれぞれ所望の期間にわたって交互に供給することができる。好ましい実施形態において、かかる方法の工程は、複数の異なるエッチング工程（例えば、メインエッチングなどの比較的速いエッチング工程およびオーバエッチング工程などの比較的遅いエッチング工程）、エッチング工程および材料蒸着工程、または、基板上に異なる材料を蒸着する複数の異なる材料蒸着工程であってよい。
【００１２】
ガス分配システムの好ましい実施形態では、真空チャンバ内の密閉領域（好ましくはプラズマ閉じ込め区域）内の或る体積のガス組成物が、真空チャンバに導入された別のガス組成物によって短期間で置き換えられる（すなわち、流し出される）ことが可能である。かかるガスの置き換えは、迅速な切り替え能力を有するバルブをガス分配システムに備えることによって、約１秒未満で実行可能であることが好ましく、約２００ミリ秒未満で実行可能であることがより好ましい。プラズマ閉じ込め区域は、２００ｍｍまたは３００ｍｍのウエハを処理するプラズマ処理チャンバについては約１／２リットルから約４リットルのガス容積を有しうる。プラズマ閉じ込め区域は、共同所有の米国特許第５，５３４，７５１号に開示されているものなど、閉じ込めリングのスタックによって規定されることが可能であり、その米国特許は、参照によって本願に全体が組み込まれる。
【００１３】
図１は、ガス分配システム１００の実施形態と共に利用できる半導体材料プラズマ処理装置１０の一例を示す図である。装置１０は、プラズマ処理中に基板１６を支持する基板支持体１４を含む内部を有する真空チャンバすなわちプラズマ処理チャンバ１２を備える。基板支持体１４は、処理中に基板１６を基板支持体１４上に固定するよう動作可能な固定装置（静電チャック１８であることが好ましい）を備える。基板は、フォーカスリングおよび／またはエッジリング、接地延長部またはその他の部品、例えば、共同所有の米国特許出願公開第２００３／００２９５６７号に公開されている部品など、によって取り囲まれてよく、その米国特許出願は、参照によって本願に全体が組み込まれる。
【００１４】
好ましい実施形態において、プラズマ処理チャンバ１２は、約１／２リットルから約４リットル、好ましくは約１リットルから約３リットル、の容積を有するプラズマ閉じ込め区域を備える。例えば、プラズマ処理チャンバ１２は、プラズマ閉じ込め区域を規定するために、共同所有の米国特許第５，５３４，７５１号に開示されているような、閉じ込めリング構成を備えることが可能であり、この米国特許は、参照によって本願に全体が組み込まれる。ガス分配システムは、プラズマ閉じ込め区域内のかかる体積のガスを、約１秒未満、好ましくは約２００マイクロ秒未満の期間内に、実質的な逆拡散なしに、別のガスに置き換えることができる。閉じ込めリング１２０などの閉じ込め機構は、プラズマ体積から、プラズマ処理チャンバ１２の内部におけるプラズマ体積以外の部分への流体の流れを制限することができる。
【００１５】
基板１６は、シリコンウエハなどの基材と、基材の上に配置され、処理（例えば、エッチング）を施される材料の中間層と、中間層の上のマスキング層と、を備えてよい。中間層は、導電体、誘電体、または、半導体材料であってよい。マスキング層は、中間層および／または１以上の他の層に、所望のフィーチャ（例えば、ホール、ビア、および／または、トレンチ）をエッチングするための開口パターンを有するパターニングされたフォトレジスト材料であってよい。基板は、基材上に形成される半導体デバイスのタイプに応じて、基材とマスキング層との間に、導電体、誘電体、または、半導体材料の追加の層を備えることができる。
【００１６】
処理可能な誘電体材料の例としては、例えば、フッ素添加酸化シリコンなどのドープ酸化シリコン、二酸化シリコンなどの非ドープ酸化シリコン、スピンオンガラス、ケイ酸塩ガラス、ドープまたは非ドープ熱酸化シリコン、および、ドープまたは非ドープのＴＥＯＳを蒸着された酸化シリコンが挙げられる。かかる誘導体材料は、多結晶シリコンなどの導電体または半導体層；アルミニウム、銅、チタン、タングステン、モリブデン、および、それらの合金などの金属；窒化チタンなどの窒化物；ケイ化チタン、ケイ化タングステン、ケイ化モリブデンなどの金属ケイ化物、の上に配置されてよい。
【００１７】
図１に示したプラズマ処理装置１０の一例は、プラズマチャンバの壁を形成する支持板２０と、支持板に取り付けられたシャワーヘッド２２とを有するシャワーヘッド電極アセンブリを備える。シャワーヘッドの背面２８に処理ガスを均一に供給するために、バッフルアセンブリがシャワーヘッド２２と支持板２０との間に配置されている。バッフルアセンブリは、１または複数のバッフル板を備えてよい。この実施形態では、バッフルアセンブリは、バッフル板３０Ａ、３０Ｂ、および、３０Ｃを含む。開放プレナム４８Ａ、４８Ｂ、および、４８Ｃが、バッフル板３０Ａ、３０Ｂ、および、３０Ｃの間と、バッフル板３０Ｃおよびシャワーヘッド２２の間とに規定されている。バッフル板３０Ａ、３０Ｂ、および、３０Ｃとシャワーヘッド２２は、プラズマ処理チャンバ１２の内部へ処理ガスを流入させるための貫通流路を備える。
【００１８】
第１の周波数調整ＲＦ電源１０４が、制御部５００に制御可能に接続されており、第１の機械整合器１０６を通してシャワーヘッド電極２２へ電力を供給する。第１の周波数調整ＲＦ電源１０４は、可変周波数を供給し、この実施形態では、可変周波数は、１．７ＭＨｚから２．２ＭＨｚの範囲であるため、２ＭＨｚは可変周波数帯域内に存在する。第１の周波数調整ＲＦ電源は、出力電力および反射ＲＦ電力を受信して測定し、１．７ＭＨｚから２．２ＭＨｚの周波数帯域内で周波数を変化させることで第１の周波数調整ＲＦ電源１０４からの反射ＲＦ電力を最小化するよう形成される。
【００１９】
第２の周波数調整ＲＦ電源１０８が、制御部５００に制御可能に接続されており、第２の機械整合器１１０を通してシャワーヘッド電極２２へ電力を供給する。第２の周波数調整ＲＦ電源１０８は、可変周波数を供給し、この実施形態では、可変周波数は、２６．７ＭＨｚから２７．２ＭＨｚの範囲であるため、２７ＭＨｚは可変周波数帯域内に存在する。第２の周波数調整ＲＦ電源は、出力電力および反射ＲＦ電力を受信して測定し、２６．７ＭＨｚから２７．２ＭＨｚの周波数帯域内で周波数を変化させることで第２の周波数調整ＲＦ電源１０８からの反射ＲＦ電力を最小化するよう形成される。
【００２０】
第３の周波数調整ＲＦ電源１１２が、制御部５００に制御可能に接続されており、第３の機械整合器１１４を通してシャワーヘッド電極２２へ電力を供給する。第３の周波数調整ＲＦ電源１１２は、可変周波数を供給し、この実施形態では、可変周波数は、５９．７ＭＨｚから６０．２ＭＨｚの範囲であるため、６０ＭＨｚは可変周波数帯域内に存在する。第３の周波数調整ＲＦ電源は、出力電力および反射ＲＦ電力を受信して測定し、５９．７ＭＨｚから６０．２ＭＨｚの周波数帯域内で周波数を変化させることで第３の周波数調整ＲＦ電源１１２からの反射ＲＦ電力を最小化するよう形成される。
【００２１】
この例において、第１、第２、および、第３の周波数調整ＲＦ電源は、ＲＦ調整を提供するために、０．５ＭＨｚの範囲で周波数を変化させる。他の実施形態においては、周波数調整ＲＦ電源は、２ＭＨｚ未満の範囲で周波数を変化させる。周波数調整ＲＦ電源は、１ＭＨｚ未満の範囲で周波数を変化させることが、より好ましい。調整帯域は、反射電力を最小化するのに十分大きい上で、高速の調整を可能にするのに十分小さいことが好ましい。
【００２２】
実施形態において、板２０およびバッフル板３０Ａの間のプレナムと、バッフル板３０Ａ、３０Ｂ、および、３０Ｃの間のプレナム４８Ａ、４８Ｂ、および、４８Ｃは、Ｏリングなどのシール３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、および、３８ｄによって内側区域４２および外側区域４６に分割される。内側区域４２および外側区域４６は、好ましくは、制御部５００の制御下で、ガス分配システム１００によって、それぞれ異なるガス化学組成および／または流量を有する処理ガスを供給されることができる。ガスは、内側区域ガス供給部４０から内側区域４２へ供給され、外側区域ガス供給部４４から環状チャネル４４ａおよびその後外側区域４６へ供給される。処理ガスは、バッフル板３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、および、シャワーヘッド２２内の流路を通って、プラズマ処理チャンバ１２の内部へ流れる。
【００２３】
他の好ましい実施形態において、プラズマ処理装置１０は、プラズマ処理チャンバ内に処理ガスを注入するガス注入システムを備えてもよい。例えば、ガス注入システムは、共同所有の米国特許出願第０９／７７８，３６５号、米国特許出願第１０／０２４，２０８号、米国特許第６，０１３，１５５号、または、米国特許第６，２７０，８６２号に開示されているような構成を有してよく、それぞれ、参照によって本願に全体が組み込まれる。
【００２４】
処理ガスは、電極２２を駆動するＲＦ電源または基板支持体１４の電極を駆動する電源などの電源によって、プラズマ処理チャンバ１２内で励起されてプラズマ状態になる。電極２２に印加されたＲＦ電力は、異なるガス組成がプラズマ処理チャンバ１２に供給される時に、好ましくは約１秒未満の期間内で、さらに好ましくは約２００マイクロ秒未満の期間内で、変更されることができる。ガス組成の変化は、ガスからの負荷すなわちインピーダンスを変化させうる。第１のＲＦ電源１０４、第２のＲＦ電源１０８、第３のＲＦ電源１１２は、機械インピーダンス整合器を有してよいが、かかるデバイスは、異なるガス組成が約１秒未満の期間内に供給される時に変化するインピーダンスの整合に十分なほど高速でない場合がある。したがって、第１、第２、および、第３のＲＦ電源は、可変周波数を有しており、出力および反射ＲＦ電力を測定し、周波数を変化させることで反射ＲＦ電力を最小化することができる。反射ＲＦ電力を最小化することで、処理チャンバ内のプラズマからの負荷のインピーダンスを、整合器を通したＲＦ電力に整合させる。
【００２５】
図２は、ガス分配システム１００が、互いに流体連通するガス供給部２００、流量制御部３００、ガス切り替え部４００を備える好ましい実施形態を示す図である。ガス分配システム１００は、さらに、制御部５００（図１）を備えることが好ましく、制御部５００は、ガス供給部２００、流量制御部３００、および、ガス切り替え部４００の動作を制御するよう制御通信に結合している。
【００２６】
ガス分配システム１００において、ガス供給部２００は、第１および第２の処理ガスなど、異なるガスを、それぞれ第１および第２のガスライン２３５および２４５を通して流量制御部３００に供給することができる。第１および第２のガスは、互いに異なる組成および／またはガス流量を有することができる。
【００２７】
流量制御部３００は、切り替え部４００に供給可能な異なるガスの流量の制御、および、随意的に組成の調整、を行うよう動作可能である。流量制御部３００は、異なる流量および／または化学的組成の第１および第２のガスを、それぞれ、ガス流路３２４、３２６、および、ガス流路３６４、３６６を通して、切り替え部４００に供給することができる。さらに、（他方のガスが、ターボポンプと粗引きポンプの間など、真空ポンプシステムと流体連通可能なバイパスライン５０に迂回されている間に）プラズマ処理チャンバ１２に供給される第１のガスおよび／または第２のガスの流量および／または化学的組成は、内側区域４２と外側区域４６に対して異なることができる。したがって、流量制御部３００は、基板１６全体にわたって所望のガス流量および／またはガスの化学的組成を提供することにより、基板処理の均一性を高めることができる。
【００２８】
ガス分配システム１００において、切り替え部４００は、単一の区域または複数の区域（例えば、内側区域４２と外側区域４６など）内で第２のガスによって第１のガスを置き換えることを可能にするために短期間内で第１のガスから第２のガスへ切り替えつつ、同時に第１のガスをバイパスラインに迂回させるように動作可能であり、その逆も可能である。ガス切り替え部４００は、いずれのガス流においても望ましくない圧力サージおよび流量不安定性の発生なしに、第１および第２のガスの間の切り替えを実行できることが好ましい。必要であれば、ガス分配システム１００は、プラズマ処理チャンバ１２を通して第１および第２のガスの実質的に一定の連続的な体積流量を維持することができる。
【００２９】
図３は、ガス分配システム１００のガス供給部２００の好ましい実施形態を示している。ガス供給部２００は、流量制御構成要素（バルブおよび流量制御部など）の動作を制御し、ガス供給部２００によって供給可能な２以上のガスの組成の制御を可能にするように、制御装置５００と接続されていることが好ましい。実施形態において、ガス供給部２００は、それぞれが第１のガスライン２３５および第２のガスライン２４５と流体連通している複数のガス源２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２、２１４、および、２１６を備えている。したがって、ガス供給部２００は、多くの異なる所望のガス混合物をプラズマ処理チャンバ１２に供給することができる。ガス分配システム１００が備えるガス源の数は、ガス源の任意の特定の数に限定されることはないが、少なくとも２つの異なるガス源を備えることが好ましい。例えば、ガス供給部２００が備えるガス源は、図３に示した実施形態に含まれる８つのガス源より多くても少なくてもよい。例えば、ガス供給部２００は、２、３、４、５、１０、１２、１６またはそれ以上のガス源を備えてもよい。それぞれのガス源によって供給可能な異なるガスとしては、Ｏ2、Ａｒ、Ｈ2、Ｃｌ2、Ｎ2など、個々のガスと、ＣＦ4、ＣＨ3Ｆなど、フルオロカーボンおよび／またはフルオロハイドロカーボンのガスと、が挙げられる。好ましい一実施形態において、プラズマ処理チャンバは、エッチングチャンバであり、ガス源２０２−２１６は、Ａｒ、Ｏ2、Ｎ2、Ｃｌ2、ＣＨ3、ＣＦ4、Ｃ4Ｆ8、および、ＣＨ3ＦまたはＣＨＦ3を（任意の適切な順番で）供給することができる。それぞれのガス源２０２−２１６によって供給される特定のガスは、例えば、特定のドライエッチングおよび／または材料蒸着処理など、プラズマ処理チャンバ１２内で実行される所望の処理に基づいて選択可能である。ガス供給部２００は、エッチング処理および／または材料蒸着処理の実行のために供給可能なガスの選択に関して幅広い対応が可能である。
【００３０】
ガス供給部２００は、ガス組成を調整するために、少なくとも１つの調整ガス源をさらに備えることが好ましい。調整ガスは、例えば、Ｏ2、アルゴンなどの不活性ガス、または、フルオロカーボンまたはフルオロハイドロカーボンガスなどの反応性ガス（例えば、Ｃ4Ｆ8）であってよい。図３に示す実施形態において、ガス供給部２００は、第１の調整ガス源２１８および第２の調整ガス源２１９を備えている。以下に述べるように、第１の調整ガス源２１８および第２の調整ガス源２１９は、ガス切り替え部４００に供給される第１および／または第２のガスの組成を調整するために調整ガスを供給することができる。
【００３１】
図３に示したガス供給部２００の実施形態において、流量制御装置２４０が、ガス源２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２、２１４、および、２１６とそれぞれ流体連通するガス流路２２２、２２４、２２６、２２８、２３０、２３２、２３４、および、２３６の各々に配置され、さらに、第１の調整ガス源２１８および第２の調整ガス源２１９にそれぞれ流体連通するガス流路２４２、２４４に配置されていることが好ましい。流量制御装置２４０は、関連するガス源２０２−２１６および２１８、２１９によって供給されるガスの流れを制御するように動作可能である。流量制御装置２４０は、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）であることが好ましい。
【００３２】
図３に示した実施形態では、バルブ２５０および２５２が、ガス流路に沿って各ガス源２０２−２１６の下流に配置されている。バルブ２５０および２５２は、好ましくは制御部５００の制御下で、異なるガス混合物が第１のガスライン２３５および／または第２のガスライン２４５に流されることを可能にするよう選択的に開閉されることができる。例えば、ガス源２０２−２１６の内の１または複数と関連するバルブ２５２を（その他のガス源２０２−２１６と関連する残りのバルブ２５２が閉じられた状態で）開けることによって、第１のガス混合物を第１のガスライン２３５に供給することができる。同様に、他方のガス源２０２−２１６の内の１または複数と関連するバルブ２５０を（その他のガス源２０２−２１６と関連する残りのバルブ２５０が閉じられた状態で）開けることによって、第２のガス混合物を第２のガスライン２４５に供給することができる。したがって、ガス供給部２００の動作を制御することによって、様々な混合および質量流量の第１および第２のガスを、第１のガスライン２３５および第２のガスライン２４５に供給することが可能である。
【００３３】
好ましい実施形態において、ガス供給部２００は、それぞれ、第１のガスライン２３５および第２のガスライン２４５を通して、第１のガスおよび第２のガスの連続的な流れを供給するように動作可能である。第１のガスまたは第２のガスは、他方のガスがバイパスラインに迂回された状態で、プラズマ処理チャンバ１２に流される。バイパスラインは、真空ポンプなどに接続されてよい。第１および第２のガスの両方を連続的に流すことによって、ガス分配システム１００は、ガス流の迅速な変更を実現できる。
【００３４】
図４は、ガス分配システム１００の流量制御部３００の好ましい実施形態を示している。流量制御部３００は、ガス供給部２００からの第１のガスライン２３５と流体連通した第１の流量制御部３０５と、ガス供給部２００からの第２のガスラインと流体連通した第２の流量制御部３１５とを含む。流量制御部３００は、第２のガスがバイパスラインに迂回された状態で、内側区域４２および外側区域４６にそれぞれ供給される第１のガスの比を制御し、第１のガスがバイパスラインに迂回された状態で、内側区域４２および外側区域４６にそれぞれ供給される第２のガスの比を制御するよう動作可能である。第１の流量制御部３０５は、第１のガスライン２３５に導入された第１のガスの流れを、第１のガスの２つの別個の流出に分け、第２の流量制御部３１５は、第２のガスライン２４５に導入された第２のガスの流れを、第２ガスの２つの別個の流出に分ける。第１の流量制御部３０５は、切り替えシステム４００を介して内側区域４２および外側区域４６とそれぞれ流体連通した第１および第２のガス流路３２４および３２６を備え、第２の流量制御部３１５は、切り替えシステム４００を介して内側区域４２および外側区域４６とそれぞれ流体連通した第１および第２のガス流路３６４および３６６を備える。
【００３５】
好ましい構成において、第１の流量制御部３０５および第２の流量制御部３１５は、それぞれ、少なくとも２つの流量制限器を備える。各流量制限器を通るガス流の制限サイズは固定していることが好ましい。流量制限器は、オリフィスであることが好ましい。流量制限器は、ガス流を制限し、オリフィス上流のガス流路の領域とオリフィスの近傍においてほぼ一定のガス圧を維持する。第１の流量制御部３０５および第２の流量制御部３１５の各々は、例えば、２、３、４、５、または、それ以上のオリフィスのネットワークを備えることが好ましく、各オリフィスは、例えば、異なる直径または異なる断面積など、異なる断面制限サイズを有することが好ましい。オリフィスの制限サイズは、ガス分配システム１００のガス流路の他の部分の断面積よりも小さい。オリフィスは、音速オリフィスであることが好ましい。ガス流は、与えられたオリフィスの流れコンダクタンスがその制限サイズおよび上流の圧力だけによって決定されるように、流量制御部３００において臨界流れ様式で操作されることが好ましい。オリフィスの流れコンダクタンスが増大すると、オリフィスを通して所与の流量を実現するためのオリフィスを通しての圧力降下が小さくなる。
【００３６】
図４に示した実施形態において、第１および第２の流量制御部３０５および３１５は各々、５つのオリフィス３３０、３３２、３３４、３３６、および、３３８を備える。例えば、オリフィス３３０、３３２、３３４、３３６、および、３３８は、それぞれ、１、２、４、８、および、１６など相対的な制限サイズ（例えば、直径）を有しうる。これによると、ガス流がすべての５つのオリフィス３３０−３３８で起きる場合、４つのオリフィス３３０−３３６は、単一のオリフィス３３８のコンダクタンスとほぼ同じ総コンダクタンスを有する。あるいは、オリフィス３３８のコンダクタンスに対するオリフィス３３０−３３６の総コンダクタンスの様々な比を提供して、内側区域４２および外側区域４６へ第１のガス流および第２のガス流を異なる比で供給するために、４つのオリフィス３３０−３３６の内の３つまでを開くこともできる。
【００３７】
別の実施形態は、別の数のオリフィスを備えてよく、例えば、オリフィス３３８と、複数のオリフィス３３０−３３６の代わりの第２のオリフィスなど、全部で２つのオリフィスを備えてもよい。第２のオリフィスは、オリフィス３３８と同じ制限サイズを有することが好ましい。かかる実施形態においては、内側区域４２および外側区域４６に供給される第１のガスおよび／または第２ガスの流量比は、約１対１である。
【００３８】
オリフィスへの第１および第２のガスの流れを制御するために、それぞれのオリフィス３３０−３３８の上流に、バルブ３２０が配置されることが好ましい。例えば、第１の流量制御部３０５および／または第２の流量制御部３１５において、バルブ３２０の内の１または複数を開くことで、他のバルブ３２０が、オリフィス３３８に第１のガスおよび／または第２のガスが流れることを可能にするよう開かれている状態で、第１のガスおよび／または第２のガスが、関連するオリフィス３３０−３３６の内の１または複数に流れることを可能にすることができる。
【００３９】
第１の流量制御部３０５において、オリフィス３３０−３３６は、ガス流路３２２と流体連通している。ガス流路３２２は、ガス切り替え部と流体連通している第１および第２のガス流路３２４および３２６に分岐される。第１の流量制御部３０５のオリフィス３３０−３３６の内の１または複数を通して内側区域４２および／または外側区域４６に流される第１のガスの流れを制御するために、一対のバルブ３２０が、第１および第２のガス流路３２４、３２６に配置されている。別の実施形態においては、ガス流路３２４および３２６に沿って配置された一対のバルブ３２０は、１つの四方バルブに置き換えることができる。
【００４０】
第１の流量制御部３０５において、オリフィス３３８は、ガス流路３１９に沿って配置されている。ガス流路３１９は、第１および第２のガス流路３２４、３２６にそれぞれ流体連通するガス流路３３１、３３３に分岐される。オリフィス３３８を通して第１および第２のガス流路３２４、３２６に流される第２のガスの流れを制御するために、一対のバルブ３２０が、ガス流路３３１、３３３に配置されている。別の実施形態においては、ガス流路３３１および３３３に沿って配置された一対のバルブ３２０は、１つの四方バルブに置き換えることができる。
【００４１】
第２の流量制御部３１５においては、オリフィス３３０−３３６の内の１または複数を通してプラズマ処理チャンバの内側区域４２および外側区域４６に流される第２のガスの流量を制御するために、一対のバルブ３２０が、第１および第２のガス流路３６４および３６６に沿って配置されている。別の実施形態においては、ガス流路３６４および３６６に沿って配置された一対のバルブ３２０は、１つの四方バルブに置き換えることができる。
【００４２】
第２の流量制御部３１５において、オリフィス３３８は、ガス流路３５９に沿って配置されている。ガス流路３５９は、第１および第２のガス流路３６４、３６６にそれぞれ流体連通しているガス流路３７２、３７４に分岐される。オリフィス３３８を通して第１のガス流路３６４および／または第２のガス流路３６６に流される第２のガスの流れを制御するために、一対のバルブ３２０が、ガス流路３７２および３７４に配置されている。別の実施形態においては、ガス流路３７２および３７４に沿って配置された一対のバルブ３２０は、１つの四方バルブに置き換えることができる。
【００４３】
オリフィス３３０−３３６は、ガス分配システム１００がプラズマ処理チャンバ１２に流されるガスを第１のガスから第２のガスへ変更する時、および、その逆の変更を行う時に、ガス流における圧力サージおよび流量不安定性を防ぐために、流量制御部３００に備えられている。
【００４４】
図４に示した実施形態において、第１の調整ガス源２１８のガス流路２４２（図３）は、第１のガス組成を調整するために、第１の調整ガスを第１の流量制御部３０５の第１のガス流路３２４および／または第２のガス流路３２６へ供給するよう構成されている。第２の調整ガス源２１９のガス流路２４４（図３）は、第２のガス組成を調整するために、第２の調整ガスを第２の流量制御部３１５の第１のガス流路３６４および／または第２のガス流路３６６へ供給するよう構成されている。第１および第２の調整ガスは、同じ調整ガスであってもよいし異なる調節ガスであってもよい。
【００４５】
流量制御装置３４０（ＭＦＣであることが好ましい）が、ガス流路２４２に沿って配置されている。バルブ３２０が、それぞれ、ガス流路３２６、３２４への第１の調整ガスの流れを制御するために、ガス流路３３７、３３９に沿って配置されている。別の実施形態においては、ガス流路３３７、３３９に沿って配置された一対のバルブ３２０は、１つの四方バルブに置き換えることができる。
【００４６】
流量制御装置３４０（ＭＦＣであることが好ましい）が、ガス流路２４４に沿って配置されている。バルブ３２０が、それぞれ、ガス流路３６６、３６４への第２の調整ガスの流れを制御するために、ガス流路３７６、３７８に沿って配置されている。別の実施形態においては、ガス流路３７６、３７８に沿って配置された一対のバルブ３２０は、１つの四方バルブに置き換えることができる。
【００４７】
図４に示した流量制御部３００の実施形態においては、第１の流量制御部３０５および第２の流量制御部３１５は、同じ構成に配列された同じ構成要素を備えている。しかしながら、ガス分配システム１００の他の好ましい実施形態においては、第１の流量制御部３０５および第２の流量制御部３１５は、互いに異なる構成要素および／または構成を有することができる。例えば、第１の流量制御部３０５および第２流量制御部３１５は、異なる数のオリフィスおよび／または互いに異なる制限サイズのオリフィスを備えてよい。
【００４８】
ガス分配システム１００において、ガス切り替えシステム４００は、流量制御部３００と、真空チャンバの内部と、第１および第２ガスが流されるバイパスラインとに流体連通している。ガス切り替えシステム４００の第１の好ましい実施形態を、図５に示す。ガス切り替えシステム４００は、プラズマ処理チャンバ１２の内側区域４２および外側区域４６の両方に第１および第２のガスを交互に供給することができる。ガス切り替えシステム４００は、第１の流量制御部３０５の第１のガス流路３２４および第２のガス流路３２６と、第２のガス制御部３１５の第１のガス流路３６４および第２のガス流路３６６とに流体連通している。第１および第２のガスの変更の間の望ましくない圧力サージを防止するために、オリフィス４３０が、ガス流路３２４、３２６、３６４、および、３６６の各々に沿って配置されている。
【００４９】
第１の流量制御部３０５の第１のガス流路３２４は、ガス流路４４８、４５０に分岐され、第１の流量制御部３０５の第２のガス流路３２６は、ガス流路４４２、４４４に分岐されており、第２の流量制御部３１５の第１のガス流路３６４は、ガス流路４５２、４５４に分岐され、第２の流量制御部３１５の第２のガス流路３６６は、ガス流路４５６、４５８に分岐されている。実施形態において、ガス流路４４２は、プラズマチャンバ１２の外側区域４６と流体連通しており、ガス流路４４８は、プラズマ処理チャンバ１２の内側区域４２と流体連通しており、ガス流路４４４は、バイパスラインを提供する。ガス流路４５６は、外側区域４６へのガス流路４４２と流体連通している。ガス流路４５２は、内側区域４２へのガス流路４４８と流体連通している。ガス流路４５０、４５４、および、４５８は、バイパスラインにつながるガス流路４４４と流体連通している。
【００５０】
バルブ４４０が、ガス流路４４２、４４４、４４８、４５０、４５２、４５４、４５６、および、４５８の各々に沿って配置されている。別の実施形態においては、ガス流路４４２、４４４、４４８、４５０、４５２、４５４、および、４５６、４５８に沿って配置されたバルブ４４０の各対は、１つの四方バルブに置き換えることができる。バルブ４４０は、第１または第２のガスをチャンバへ供給しつつ、同時に他方のガスをバイパスラインに迂回させるために、好ましくは制御部５００の制御下で、選択的に開閉されることが可能である。
【００５１】
例えば、プラズマ処理チャンバ１２の内側区域４２および外側区域４６に第１のガスを供給しつつ、バイパスラインに第２のガスを迂回させるには、ガス流路４４２、４４８および４５４、４５８に沿ったバルブ４４０が開かれると共に、ガス流路４４０、４５０および４５２、４５６に沿ったバルブ４４０が閉じられる。第１のガスがバイパスラインに迂回されつつ、第２ガスがプラズマ処理チャンバ１２の内側区域４２および外側区域４６に供給されるようにガス流を切り替えるには、ガス流路４４４、４５０および４５２、４５６に沿ったバルブ４４０が開かれると共に、ガス流路４４２、４４８および４５４、４５８に沿ったバルブ４４０が閉じられる。換言すると、プラズマ処理チャンバ１２に第１のガスを提供するには、第１群のバルブ４４０を開くと共に、第２群のバルブ４４０を閉じ、その後、プラズマ処理チャンバに第２のガスを供給するには、ガス流を変更するために、同じ第１群のバルブを閉じると共に、同じ第２群のバルブ４４０を開く。
【００５２】
ガス切り替えシステム４００において、バルブ４４０は高速切り替えバルブである。本明細書では、「高速切り替えバルブ」という用語は、開閉のための制御部５００からの信号を受信した後、短期間内（約１００マイクロ秒未満が好ましく、約５０マイクロ秒未満がより好ましい）内に、開閉されることが可能なバルブを意味することとする。バルブ４４０は、電気的に制御され、制御部５００からの開閉のための信号を受信することで作動されることが好ましい。ガス切り替えシステム４００で利用可能な適切な「高速切り替えバルブ」としては、カリフォルニア州サンタクララにあるフジキンオブアメリカ社から入手可能なバルブ型番ＦＳＲ−ＳＤ−７１−６．３５が挙げられる。
【００５３】
したがって、ガス切り替えシステム４００は、例えば真空チャンバの内部に第１のガスを供給しつつバイパスラインに第２のガスを迂回させ、その後、好ましくは制御部５００の制御下で、速やかにこれらのガス流を切り替えて、第２のガスを真空チャンバに供給しつつ第１のガスをバイパスラインに迂回させることができる。ガスが切り替えられるまでに第１のガスまたは第２のガスが真空チャンバに供給される期間は、制御部５００によって制御可能である。関連するオリフィス４３０およびバルブ４４０の間でのガス流路３２４、３２６、３６４、および、３６６の容積は、約１０ｃｍ3未満であることが好ましい。上述したように、ガス分配システムは、プラズマ閉じ込め区域を備えるプラズマ処理チャンバで利用可能であり、約１秒未満の期間、より好ましくは約２００ｍｓ未満の期間内で、約１／２リットルないし約４リットルのガス体積を置き換えることによってシステムを安定化させることができる。
【００５４】
第２の好ましい実施形態に従ったガス切り替えシステム１４００を、図６に示す。ガス切り替えシステム１４００において、バルブ４４０およびオリフィス４３０（バルブ４４０の下流に位置する）が、ガス流路４４２−４５８の各々に沿って配置されている。それ以外では、ガス切り替えシステム１４００は、ガス切り替えシステム４００と同じ構成を有してよい。オリフィス４３０は、ガス切り替えの間、望ましくない圧力サージを防止する。別の実施形態においては、ガス流路４４２、４４４、４４８、４５０、４５２、４５４、および、４５６、４５８に沿って配置されたバルブ４４０の各対は、１つの四方バルブに置き換えることができる。
【００５５】
第３の好ましい実施形態に従ったガス切り替えシステム２４００を、図７に示す。この実施形態において、ガス切り替えシステム２４００は、第１のガス流路４０５および第２のガス流路４１５と流体連通している。第１のガス流路４０５および第２のガス流路４１５は、例えば、図４に示した流量制御部３００と異なり、内側区域へのガス流出口と外側区域へのガス流出口の両方を含まない流量制御部のそれぞれ第１のガス流出口および第２のガス流出口であることができる。オリフィス４３０が、第１のガス流路４０５および第２のガス流路４１５の各々に沿って配置されている。第１のガス流路４０５は、ガス流路４２２、４２４に分岐され、第２のガス流路４４５は、ガス流路４２６、４２８に分岐されている。ガス流路４２２および４２６は、真空チャンバの内部と流体連通しており、ガス流路４２４および４２８は、バイパスラインと流体連通している。バルブ４４０が、ガス流路４２２、４２４、および、４２６、４２８の各々に沿って配置されている。別の実施形態においては、ガス流路４２２、４２４、および、４２６、４２８に沿って配置されたバルブ４４０の各対は、１つの四方バルブに置き換えることができる。
【００５６】
例えば、真空チャンバに第１のガスを供給しつつ、同時にバイパスラインに第２のガスを送るには、流体流路４２２および４２８に沿ったバルブ４４０を開くと共に、ガス流路４２４および４２６に沿ったバルブ４４０を閉じる。第２のガスが真空チャンバに供給されつつ、第１のガスがバイパスラインに迂回されるようにガス流を切り替えるには、流体流路４２４および４２６に沿ったバルブ４４０を開くと共に、流体流路４２２および４２８に沿ったバルブ４４０を閉じる。
【００５７】
ガス切り替えシステムの別の好ましい実施形態において、図７に示した実施形態は、バルブ４４０の上流の第１のガス流路４０５および第２のガス流路４１５に配置されたオリフィス４３０を取り除き、その代わりに、関連するバルブ４４０の下流のガス流路４２２、４２４、４２６、および、４２８の各々にオリフィスを配置することによって変形されてもよい。
【００５８】
ガス分配システム１００の好ましい実施形態は、様々なエッチングおよび／または蒸着処理を実行するために、異なるガス化学的組成および／または流量をプラズマ処理チャンバ１２に供給するために利用可能である。例えば、ガス分配システム１００は、ＵＶレジストマスクなどの上層のマスクで保護されたＳｉＯ2層などの酸化シリコンにフィーチャをエッチングするために、処理ガスをプラズマ処理チャンバに供給することができる。ＳｉＯ2層は、直径２００ｍｍまたは３００ｍｍの半導体ウエハ（シリコンウエハなど）の上に形成されうる。フィーチャは、例えば、ビアおよび／またはトレンチであってよい。かかるエッチング処理中に、ＳｉＯ2にエッチングされたフィーチャが、例えば、円形断面を持つビアなど、所望の形状を有するよう、マスクにおけるクラックまたは亀裂（fissure）などのストリエーションを修復する（すなわち、ストリエーションを埋める）ために、マスクの部分上にポリマを蒸着することが望ましい。ストリエーションを修復しないと、それらは、最終的にマスクの下にある層に到達し、実際に、エッチングの間にその層にまで及ぶ場合がある。また、フィーチャの側壁上にポリマを蒸着することもできる。
【００５９】
しかしながら、エッチングされるフィーチャの側壁および底面上に蒸着されたポリマの厚さがエッチング速度に影響することが、明らかになった。異方性エッチング処理において、フィーチャの底面上に蒸着されたポリマは、エッチングの間に実質的に除去される。しかしながら、ポリマが側壁および／または底面上で厚くなりすぎると、ＳｉＯ2のエッチング速度は減速され、完全に停止される場合もある。また、ポリマは、厚くなりすぎた場合に、表面からはがれる場合がある。したがって、マスクおよびフィーチャ上へのポリマ蒸着物を形成するためのガス混合物がプラズマ処理チャンバに供給される期間は、マスクの十分な修復および保護を提供しつつＳｉＯ2層上に形成されたポリマ蒸着物の厚さを制御するように制御されることが好ましい。ＳｉＯ2層のエッチングの間、ポリマは定期的にマスクから除去される。したがって、ポリマは、マスクの十分な修復および保護が実現されることを確実にするために、ＳｉＯ2層のエッチング期間の合間に、マスク上に蒸着されることが好ましい。
【００６０】
ガス分配システム１００は、フィーチャ上に蒸着されたポリマの厚さの制御と、マスクの修復および保護とを実現しつつ、上層のマスク（例えば、ＵＶレジストマスク）によって保護されたＳｉＯ2をエッチングするよう、プラズマ処理チャンバに処理ガスを供給するために用いられることができる。ガス分配システム１００のガス切り替えシステムは、ポリマ蒸着物を形成するために用いられる第２のガス混合物がバイパスラインに迂回される第１の期間に、ＳｉＯ2をエッチングするために用いられる第１の処理ガスがプラズマ処理チャンバに供給されることを可能にし、その後、第２ガス混合物がポリマ蒸着物を形成するためにプラズマ処理チャンバに供給される間に第１のガス混合物がバイパスラインに供給されるように、ガス流を速やかに切り替えよう動作可能である。プラズマ処理チャンバのプラズマ閉じ込め区域に供給される第１のガス混合物は、少なくとも実質的に、約１秒未満の期間、より好ましくは約２００マイクロ秒未満の期間内で第２のガス混合物に置き換えられることが好ましい。このプラズマ閉じ込め区域は、約１／２リットルから約４リットルの容積を有することが好ましい。
【００６１】
ＳｉＯ2のエッチングに用いられる第１のガス混合物は、例えば、Ｃ4Ｆ8などのフルオロカーボン種、Ｏ2、および、アルゴンを含みうる。Ｃ4Ｆ8／Ｏ2／アルゴンの流量比は、例えば、２０／１０／５００ｓｃｃｍであってよい。電力が、６０ＭＨｚ、２７ＭＨｚ、２ＭＨｚの周波数の組み合わせで供給され、５０から５０００Ｗの範囲が可能である。ポリマ蒸着物を形成するために用いられる第２のガス混合物は、例えば、ＣＨ3Ｆなどのフルオロハイドロカーボン種、および、アルゴンを含みうる。ＣＨ3Ｆ／アルゴンの流量比は、例えば、１５／５００ｓｃｃｍであってよい。第２のガス混合物は、随意的に、Ｏ2をさらに含んでもよい。電力が、６０ＭＨｚ、２７ＭＨｚ、２ＭＨｚの周波数の組み合わせで供給され、５０から５０００Ｗの範囲が可能である。２００ｍｍまたは３００ｍｍウエハの処理のための容量結合プラズマエッチングリアクタについては、チャンバ圧は、例えば、７０−９０ｍＴｏｒｒであってよい。第１のガス混合物は、（第２のガスがバイパスラインに迂回されている間に）チャンバに導入される毎に、約５秒から約２０秒間プラズマ処理チャンバ内に流されることが好ましく、第２のガス混合物は、（第１のガスがバイパスラインに迂回されている間に）チャンバに導入される毎に、約１秒から約３秒間プラズマ処理チャンバ内に流されることが好ましい。基板上のＳｉＯ2のエッチングの間、エッチング期間および／またはポリマ蒸着期間の長さは、好ましい期間の範囲内で長くまたは短くすることができる。ポリマ蒸着物は、通例は最長約３分まで継続するエッチング処理の間に、約１００オングストローム未満の最大厚さに達することが好ましい。エッチング中に、ストリエーションを修復しマスク保護を提供するために、マスク上にポリマを蒸着することが可能である。したがって、エッチング処理の間、マスクの開口部の形状を維持できることが好ましい。
【００６２】
第１、第２、第３の機械整合器１０６、１１０、１１４は、第１、第２、第３の周波数調整ＲＦ電源１０４、１０８、１１２と、プラズマ処理チャンバ１２内に含まれる負荷との間での総インピーダンスの整合を提供するために用いられる。第１、第２、第３の機械整合器１０６、１１０、１１４は、迅速に変化するレシピによって引き起こされる迅速に変化するインピーダンス負荷を正確に整合することができない。したがって、本発明は、第１、第２、第３の周波数調整ＲＦ電源１０４、１０８、１１２によって提供される周波数調整を用いて、負荷および第１、第２、第３の機械整合器１０６、１１０、１１４の迅速に変化するインピーダンスを、第１、第２、第３の周波数調整ＲＦ電源１０４、１０８、１１２のインピーダンスに迅速かつ正確に整合させる。
【００６３】
プラズマ条件は、蒸着と成形（エッチング）との間にきわめて迅速に切り替わる必要があるため、協働する必要があるいくつかのハードウエア機能がある。処理チャンバにおけるガスの移行時間を短くするには、ガス体積が小さい必要がある。これは、閉じ込めリングを用いて、プラズマ体積をできる限り小さくすることで実現される。また、ＲＦジェネレータは、迅速に変化するプラズマ条件に対して、迅速な周波数の調整を行うことができる必要がある。これは、従来の機械整合装置ではなく、電子的に周波数調整されるジェネレータを利用することで実現される。最適なクリティカルディメンション制御（ＣＤ）および均一性制御のために、主ガスが分流され、中央部のガス流と端部のガス流の比が選択可能になっている。最終的に、主ガスと同じまたは異なるものであってよい調整ガスが、必要であり、ウエハの端部または中心部へ選択可能に流されることができる。したがって、上述のすべてのハードウエアを組み合わせることで、本明細書に記載した応用処理にとって望ましい全体的な性能が実現される。
【００６４】
いくつかの好ましい実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明の範囲内で、種々の代替物、置き換え物、および等価物が存在する。また、本発明の方法および装置を実施する他の態様が数多く存在することにも注意されたい。したがって、以下に示す特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨および範囲内に含まれる代替物、置き換え物、および等価物の全てを網羅するものとして解釈される。
【図１】
2010510669.tif 000003
【図２】
2010510669.tif 000004
【図３】
2010510669.tif 000005
【図４】
2010510669.tif 000006
【図５】
2010510669.tif 000007
【図６】
2010510669.tif 000008
【図７】
2010510669.tif 000009
【国際調査報告】
2010510669.tif 000010
2010510669.tif 000011
2010510669.tif 000012