JPH1197430A - High-density plasma processing chamber - Google Patents

High-density plasma processing chamber

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JPH1197430A
JPH1197430A JP10199184A JP19918498A JPH1197430A JP H1197430 A JPH1197430 A JP H1197430A JP 10199184 A JP10199184 A JP 10199184A JP 19918498 A JP19918498 A JP 19918498A JP H1197430 A JPH1197430 A JP H1197430A
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JP
Japan
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plasma
chamber
electrode
power
substrate
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP10199184A
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Japanese (ja)
Inventor
Shiyamouirian Shiyamouiru
シャモウイリアン シャモウイル
Eichi Kumaaru Ananda
エイチ. クマール アナンダ
Korodenko Aanorudo
コロデンコ アーノルド
Esu Gurimaado Denisu
エス. グリマード デニス
Deii Moon Jiyonasan
ディー. モーン ジョナサン
Jii Chiyafuin Maikeru
ジー. チャフィン マイケル
Esu Korinzu Kenesu
エス. コリンズ ケネス
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Applied Materials Inc
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Applied Materials Inc
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a processing chamber which provides a high-density, highly directive plasma. SOLUTION: A processing chamber 55, which processes a semiconductor substrate 60 in a plasma, has a process-gas distributor 100 for distributing the process gas into the plasma zone of the chamber. By using an inductor antenna 135, an inductive plasma is formed from the process gas in the plasma zone. A primary bias electrode 145 located at a ceiling 140 of the chamber has a conducting surface 150 exposed in the plasma zone 65. A dielectric member 155 having a power electrode embedded inside has the receiving surface for receiving the substrate. A secondary bias electrode 170 under the dielectric member 155 has a conducting surface 175 exposed in the plasma zone. An electrode voltage source 180 maintains the power electrode 165, the primary bias electrode 145 and the secondary bias electrode 170 at the different potentials and provides a high-density, highly directive plasma to the plasma zone of the chamber.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板を処理
するためのプロセスチャンバに関する。
[0001] The present invention relates to a process chamber for processing a semiconductor substrate.

【0002】[0002]

【従来の技術】プロセスチャンバは、プラズマ強化化学
的気相堆積法(CVD)、リアクティブ・イオンエッチ
ング(RIE)、およびイオン注入(ion implantation)
のために、半導体製作プロセスで使用される。図1は、
プロセスガスをチャンバに提供するガス・ディストリビ
ュータ22を有する従来のプロセスチャンバ20を示
す。コイル電源24は、RFエネルギーをプロセスガス
に誘導的に結合してプラズマを形成する、チャンバに隣
接した誘導子コイル26に電力を供給する。RF電力を
プラズマに結合するために使用されるプロセス電極は、
通常、基板の下のカソード28と、カソードを囲むアノ
ード32とを含む。カソード28は、その下とそのまわ
りに延在する一つ以上の石英またはニ酸化ケイ素絶縁体
シールド34によってアノード32から電気的に絶縁さ
れる。電源36はインピーダンス整合RFバイアス電力
をカソードに印加し、アノードはチャンバ20の電気的
に接地された側壁と上部壁によって形成される。カソー
ド28は、その上に置かれた静電チャック38、基板3
0、およびカソードの境界に形成するプラズマシースを
介してアノード32に容量的に結合される。容量結合電
界はプラズマイオンを付勢して基板30の方向に加速す
る。
2. Description of the Related Art Process chambers include plasma enhanced chemical vapor deposition (CVD), reactive ion etching (RIE), and ion implantation.
Used in the semiconductor fabrication process. FIG.
1 shows a conventional process chamber 20 having a gas distributor 22 that provides process gas to the chamber. A coil power supply 24 powers an inductor coil 26 adjacent the chamber that inductively couples RF energy to the process gas to form a plasma. The process electrodes used to couple the RF power to the plasma are:
It typically includes a cathode 28 below the substrate and an anode 32 surrounding the cathode. Cathode 28 is electrically insulated from anode 32 by one or more quartz or silicon dioxide insulator shields 34 extending below and around it. Power supply 36 applies impedance matched RF bias power to the cathode, the anode being formed by the electrically grounded side walls and top wall of chamber 20. Cathode 28 includes an electrostatic chuck 38 placed thereon, substrate 3
0 and capacitively coupled to the anode 32 via a plasma sheath formed at the cathode boundary. The capacitive coupling electric field energizes the plasma ions to accelerate in the direction of the substrate 30.

【0003】従来のチャンバ20はしばしば、低いプラ
ズマイオン密度と、広範囲のエネルギーレベルに拡散し
て多数のエネルギーレベルピークを持ったプラズマイオ
ンエネルギー分布を持つ。プラズマイオン密度とエネル
ギーレベルは、プラズマシースの電子密度またはエネル
ギー分布、電極28、32に印加される容量結合RF電
力の電力と周波数、プロセスガスの組成と圧力、および
チャンバ内部のコンポーネントに依存する。プラズマシ
ースは、プラズマ内の電子と正イオン間のモビリティの
差によって生じる電子不足領域であり、共鳴、インピー
ダンス負荷その他のチャンバの電気的特性によってもた
らされる連合電圧波形を持つ。この電圧波形はプラズマ
シースの高調波成分(harmonic content)によって常態(n
ormal)から摂動を起こされる。RFバイアスおよびイン
ピーダンス整合回路、電力伝達ライン、電極28、32
の構造、およびチャンバ20内部のコンポーネントはす
べて、プラズマシースの高調波の発生をもたらし、これ
が結果として、時間と共にシースの電圧波形を擾乱して
摂動波形(perturbed waveforms) を発生させる。摂動波
形は、プラズマイオンエネルギー分布曲線が2つ以上の
ピークを持つ「二重優勢」多モードプラズマエネルギー
分布を発生させる場合がある。そのような多重ピークエ
ネルギー分布は望ましくない。というのは、プラズマイ
オンエネルギーの大きな広がりは、貧弱なプラズマ性
能、例えば高アスペクト比のトレンチをエッチングする
プロセスでのエッチング停止を招く低い平均プラズマイ
オンエネルギーレベルをもたらすからである。
[0003] Conventional chambers 20 often have a low plasma ion density and a plasma ion energy distribution with a large number of energy level peaks that diffuse to a wide range of energy levels. Plasma ion density and energy level depend on the plasma sheath electron density or energy distribution, the power and frequency of capacitively coupled RF power applied to electrodes 28, 32, process gas composition and pressure, and components inside the chamber. The plasma sheath is an electron deficient region caused by the difference in mobility between electrons and positive ions in the plasma and has an associated voltage waveform caused by resonance, impedance loading, and other electrical properties of the chamber. This voltage waveform is normally (n) due to the harmonic content of the plasma sheath.
ormal). RF bias and impedance matching circuit, power transmission line, electrodes 28, 32
And the components inside the chamber 20 all result in the generation of harmonics of the plasma sheath, which in turn disturbs the sheath voltage waveform over time, producing perturbed waveforms. The perturbation waveform may generate a “double dominant” multi-mode plasma energy distribution where the plasma ion energy distribution curve has more than one peak. Such a multiple peak energy distribution is undesirable. This is because the large spread of plasma ion energy results in poor plasma performance, for example, low average plasma ion energy levels that result in etch stops in the process of etching high aspect ratio trenches.

【0004】低いプラズマ密度は、チャンバ20内の多
数のコンポーネント、例えば誘電体または絶縁体シール
ド34、静電チャック38、焦点リング、およびガスシ
ールに起因する場合もある。これらのコンポーネント
は、コンポーネントを跨いで形成された容量結合の数に
よる大きなチャンバインピーダンス負荷を提供する。例
えば、カソード28の側壁から、隣接する誘電体コンポ
ーネントを介して、まわりのアノード壁32まで延びる
容量結合40は、チャンバにインピーダンス負荷を加え
る個々の「漏出しやすい(leaky) 」コンデンサを形成す
る。これらの寄生(parasitic) キャパシタンスまたは漂
遊(stray) キャパシタンスの結果、漂遊キャパシタンス
のインピーダンス負荷は通常、プラズマのインピーダン
ス負荷よりはるかに大きいので、RFバイアス電源を調
整してプラズマインピーダンスに整合させることは困難
である。また、漂遊キャパシタンスは、プラズマシース
の波形を容量効果の大きさの関数として変化させる場合
がある。かくして、カソード、誘電体構造その他のチャ
ンバ内のコンポーネント間の漂遊キャパシタンスとイン
ピーダンス負荷とを最小にするチャンバを持つことによ
って、より安定した制御可能なプラズマ特性を提供する
ことが望ましい。
[0004] The low plasma density may be due to a number of components within the chamber 20, such as a dielectric or insulator shield 34, an electrostatic chuck 38, a focus ring, and a gas seal. These components provide a large chamber impedance load due to the number of capacitive couplings formed across the components. For example, a capacitive coupling 40 extending from the side wall of the cathode 28, through the adjacent dielectric component, to the surrounding anode wall 32, forms an individual "leaky" capacitor that adds an impedance load to the chamber. As a result of these parasitic or stray capacitances, the impedance loading of stray capacitances is usually much greater than the impedance loading of the plasma, making it difficult to adjust the RF bias supply to match the plasma impedance. is there. Also, stray capacitance may alter the plasma sheath waveform as a function of the magnitude of the capacitive effect. Thus, it is desirable to provide a more stable and controllable plasma characteristic by having a chamber that minimizes stray capacitance and impedance loading between the cathode, dielectric structure and other components within the chamber.

【0005】チャンバ内で互いに容量結合するコンポー
ネントがチャンバ内の電界を大幅に弱めることによっ
て、プラズマイオンのベクトル指向性エネルギーが低く
なる場合もある。プラズマイオンの低指向性エネルギー
は、少なくとも一部は、基板の平面に垂直方向以外の角
度をなす容量結合表面に起因する。特に、カソード28
の垂直外縁部の結合は、基板30の平面に垂直な電界成
分(electric field components) を常態から偏向させ、
カソード28の外縁部の方向に湾曲させる場合がある。
また、チャンバ内で基板を確実に保持するために使用さ
れる静電チャック38は、互いに容量結合する追加の界
面を提供する。プラズマ核種(plasma species)も、基板
30を囲む絶縁体シールド34を跨いで形成される容量
結合の方向に誘引される。これらの容量結合は、基板表
面全体のプラズマイオンエネルギーレベルまたはプラズ
マイオン密度の非対称分布をもたらし、基板の周縁部と
中心部とが異なる速度で処理されることになる。
In some cases, components that are capacitively coupled to each other in the chamber greatly reduce the electric field in the chamber, thereby reducing the vector directional energy of the plasma ions. The low directional energy of the plasma ions is due, at least in part, to capacitively coupled surfaces that make angles other than perpendicular to the plane of the substrate. In particular, the cathode 28
The vertical outer edge coupling deviates from normal the electric field components perpendicular to the plane of the substrate 30,
The cathode 28 may be curved toward the outer edge.
Also, the electrostatic chuck 38 used to securely hold the substrate in the chamber provides an additional interface that is capacitively coupled to each other. Plasma species are also attracted in the direction of capacitive coupling formed across the insulator shield 34 surrounding the substrate 30. These capacitive couplings result in an asymmetric distribution of plasma ion energy levels or plasma ion densities across the surface of the substrate, such that the periphery and center of the substrate are processed at different rates.

【0006】従来のチャンバに伴う別の問題は、カソー
ド28を囲む石英絶縁体シールド34の使用から生じ
る。絶縁体シールド34は、チャンバ内のスペースを占
めることにより、またカソード28がチャンバの幅全体
にわたって延在するのを妨げることによって、カソード
28の表面積対アノード32の表面積の比を減少させ
る。低いアノード対カソードの表面積比率はチャンバ内
のプラズマイオン密度とエネルギーを減少させる。ま
た、カソードの直径が小さくなると、基板の中心部に比
べて基板30の周縁部でのプラズマイオン密度やエネル
ギーを減少させる場合がある。更に、石英絶縁体シール
ド34は形が複雑で製作費か高く、しばしば腐食性プラ
ズマ環境での侵食による交換が必要となる。絶縁体シー
ルド34は、基板に出入りする熱の流れを減少させる、
カソード28を囲む熱絶縁体としても働く。かくして、
カソード28のまわりに絶縁体シールド34が存在せ
ず、実質上チャンバの幅全体にわたってカソード28を
延在させるプラズマプロセスチャンバを持つことが望ま
しい。しかしながら、これは現在のチャンバ設計では不
可能である。というのは、カソード28は通常、プラズ
マに露出されてカソードまわりの絶縁体シールド34の
存在なしにはプラズマ内で電気的に短絡するであろう金
属ベースプレートを備えるからである。
Another problem with conventional chambers arises from the use of a quartz insulator shield 34 surrounding the cathode 28. The insulator shield 34 reduces the ratio of the surface area of the cathode 28 to the surface area of the anode 32 by occupying space in the chamber and preventing the cathode 28 from extending across the width of the chamber. A low anode to cathode surface area ratio reduces plasma ion density and energy in the chamber. Further, when the diameter of the cathode is reduced, the plasma ion density and energy at the peripheral portion of the substrate 30 may be reduced as compared with the central portion of the substrate. Further, the quartz insulator shield 34 is complex in shape and expensive to manufacture, often requiring replacement by erosion in a corrosive plasma environment. The insulator shield 34 reduces the flow of heat into and out of the substrate,
It also acts as a thermal insulator surrounding the cathode 28. Thus,
It is desirable to have a plasma processing chamber in which there is no insulator shield 34 around the cathode 28 and the cathode 28 extends substantially across the width of the chamber. However, this is not possible with current chamber designs. 3 because the cathode 28 typically comprises a metal base plate that is exposed to the plasma and that will short circuit in the plasma without the presence of an insulator shield 34 around the cathode.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】従来のチャンバは、チ
ャンバ20に隣接する誘導子コイル26の配置から生じ
る問題も抱えている。チャンバ20の側壁に平行な誘導
子コイル26は、基板30の中心部では強くて基板30
の周縁部では弱い誘導電界を持つ、基板表面を横切る不
均一な電界を提供する。他方、RF誘導電界を浸透させ
る平らな誘電体天井(図示せず)を介してエネルギーを
誘導結合する誘導子コイルは、天井が不導電性誘電材料
で作られているので、天井を介したエネルギーの容量結
合を許容しない。チャンバ内の容量性と誘導性の両電界
成分が、基板の表面に実質的に垂直で、かつ基板表面全
体にわたって均一に延在する高指向性ベクトル電界成分
を持つことが望ましい。
Conventional chambers also suffer from problems arising from the placement of inductor coil 26 adjacent chamber 20. The inductor coil 26 parallel to the side wall of the chamber 20 has a strong
Provides a non-uniform electric field across the substrate surface with a weak induced electric field at the periphery. On the other hand, an inductor coil that inductively couples energy through a flat dielectric ceiling (not shown) that penetrates the RF induced electric field, because the ceiling is made of a non-conductive dielectric material, Do not allow capacitive coupling. It is desirable that both the capacitive and inductive electric field components within the chamber have a highly directional vector electric field component that is substantially perpendicular to the surface of the substrate and extends uniformly over the entire substrate surface.

【0008】誘導子コイル26用の従来設計に伴う別の
問題は、従来型誘導子コイルから誘導結合プラズマを形
成するためにチャンバ20内に要求される比較的大容積
のスペースから生じる。誘導子コイル26は通常、チャ
ンバ20を取り巻き、チャンバは、コイルからのRF誘
導電界用の大きな浸透厚(skin depth)を提供するだけの
大きな容積を持たなければならない。大きな浸透厚がな
いと、チャンバ20内に形成されるRF誘導電界の大き
さはプラズマを発生させるだけ高くならないだろう。し
かしながら、大きな内部容積を持つプラズマチャンバ2
0は、プラズマイオンを付勢するために比較的大きい電
力レベルのRFバイアス電圧を使用しなければならず、
それが基板の過熱を発生させるので望ましくない。ま
た、大きなプラズマ容積全体に均一なプラズマイオン密
度とエネルギー分布を安定、維持することは一層難し
い。また、大型化したプラズマ容積で発生するエネルギ
ー摂動の増大のために、大容積のスペースを占める高密
度プラズマを精密に調整することも一段と難しい。基板
30の直径よりわずかに大きな直径を持つ小容量チャン
バ内で高密度プラズマを提供するために、新しい誘導子
コイルの設計が必要である。
Another problem with conventional designs for inductor coil 26 arises from the relatively large volume of space required in chamber 20 to form an inductively coupled plasma from conventional inductor coils. The inductor coil 26 typically surrounds the chamber 20, and the chamber must have a large volume to provide a large skin depth for the RF induction field from the coil. Without a large penetration thickness, the magnitude of the RF induced electric field created in the chamber 20 would not be high enough to generate a plasma. However, a plasma chamber 2 having a large internal volume
0 must use a relatively large power level RF bias voltage to energize the plasma ions,
This is undesirable because it causes the substrate to overheat. Also, it is more difficult to stably maintain a uniform plasma ion density and energy distribution over a large plasma volume. In addition, it is more difficult to precisely adjust high-density plasma occupying a large volume of space due to an increase in energy perturbation generated in a large-sized plasma volume. To provide a high density plasma in a small volume chamber having a diameter slightly larger than the diameter of the substrate 30, a new inductor coil design is required.

【0009】かくして、均一なエネルギー分布を持つと
共にイオンエネルギー分布の摂動を少なくした高密度プ
ラズマを提供するプラズマプロセスチャンバのニーズが
存在する。また、基板の全表面にわたって高指向性エネ
ルギーベクトルを持つプラズマイオンの均一な分布を提
供する装置のニーズも存在する。また、チャンバ内に安
定化した制御可能なプラズマを発生させ得るプロセス電
極と誘導子コイルの設計のニーズも存在する。更に、カ
ソードまわりの絶縁体シールドの使用を除去すると共
に、チャンバ内に高いアノード対カソード表面積比を提
供するプラズマ処理チャンバのニーズも存在する。
Thus, there is a need for a plasma process chamber that provides a high density plasma having a uniform energy distribution and less perturbation of the ion energy distribution. There is also a need for an apparatus that provides a uniform distribution of plasma ions having a highly directional energy vector over the entire surface of a substrate. There is also a need for designing process electrodes and inductor coils that can generate a stable and controllable plasma in the chamber. Further, there is a need for a plasma processing chamber that eliminates the use of an insulator shield around the cathode while providing a high anode to cathode surface area ratio within the chamber.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板を
処理するための高密度、高指向性プラズマを提供するプ
ロセスチャンバに関する。プロセスチャンバは、プラズ
マを形成できるプロセスガスをチャンバのプラズマゾー
ンに分配するためのプロセスガス・ディストリビュータ
を備える。チャンバの天井の一次バイアス電極は、プラ
ズマゾーンに露出された導電面を持つ。単体モノリシッ
ク誘電体部材は一次バイアス電極の下に配置される。誘
電体部材はその内部に埋め込まれたパワー電極を備え、
基板を受け入れるための受容面を持つ。二次バイアス電
極は誘電体部材の下にある。電極電圧源は、高密度、高
指向性プラズマをチャンバに提供するために、パワー電
極、一次バイアス電極、および二次バイアス電極を異な
る電位に保つ。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to a process chamber for providing a high density, highly directional plasma for processing semiconductor substrates. The process chamber includes a process gas distributor for distributing a process gas capable of forming a plasma to a plasma zone of the chamber. The primary bias electrode on the ceiling of the chamber has a conductive surface exposed to the plasma zone. A single monolithic dielectric member is located below the primary bias electrode. The dielectric member has a power electrode embedded therein,
It has a receiving surface for receiving a substrate. The secondary bias electrode is below the dielectric member. The electrode voltage source keeps the power, primary and secondary bias electrodes at different potentials to provide a high density, highly directional plasma to the chamber.

【0011】好ましい実施形態では、パワー電極を含む
単体モノリシック誘電体部材は、一次バイアス電極と対
面するように基板を受け入れるための受容面を持つ結合
被覆層を備える。結合層は、電極に印加されるRFとD
C電圧からの電界が、それぞれ、チャンバ内のプラズマ
を付勢するために結合層を介して容量結合して、基板を
静電的に保持するだけ低い電界吸収を有する。非結合層
は、パワー電極のその他の表面を囲み、パワー電極から
周囲のチャンバ壁へのRF電圧の容量結合を実質上排除
するだけ高い電界吸収を持つ。単体モノリシック誘電体
部材が、パワー電極まわりの独立した絶縁体シールドの
ニーズを除去するので、はるかに低い3000ピコファ
ラド以下のチャンバインピーダンスを提供する。これ
は、プラズマインピーダンス負荷に追加されるチャンバ
インピーダンス負荷を削減することによって、チャンバ
プラズマ性能を実質的に改善する。
In a preferred embodiment, a unitary monolithic dielectric member including a power electrode includes a bonding coating having a receiving surface for receiving a substrate to face a primary bias electrode. The tie layer consists of RF and D applied to the electrodes.
The electric fields from the C voltage each have capacitive absorption through the coupling layer to energize the plasma in the chamber and have low enough electric field absorption to hold the substrate electrostatically. The decoupling layer surrounds the other surfaces of the power electrode and has a high electroabsorption to substantially eliminate capacitive coupling of the RF voltage from the power electrode to the surrounding chamber walls. A single monolithic dielectric member provides a much lower chamber impedance of less than 3000 picofarads because it eliminates the need for a separate insulator shield around the power electrode. This substantially improves chamber plasma performance by reducing the chamber impedance load added to the plasma impedance load.

【0012】誘導子アンテナを使ってチャンバ内に誘導
電界を発生させ、プラズマゾーンでプロセスガスから誘
導性プラズマを形成することが望ましい。誘導子アンテ
ナは、(i)RF誘導電界の浸透を許すだけ低い電気的
感受性(electrical susceptibility) と、(ii)プラ
ズマゾーンに露出された導電面とを有する半導体天井に
隣接することが更に望ましい。プロセスチャンバを使っ
て基板を処理する方法は、(1)基板を単体誘電体部材
の表面に置くステップと、(2)誘導子アンテナに電流
を通してチャンバ内に誘導電界を発生させるステップ
と、(3)パワー電極と、一次と二次のバイアス電極と
を異なる電位に保って高密度、高指向性プラズマをチャ
ンバ内に形成するステップとを有する。
It is desirable to generate an inductive electric field in the chamber using an inductor antenna to form an inductive plasma from the process gas in the plasma zone. More preferably, the inductor antenna is adjacent to a semiconductor ceiling having (i) electrical susceptibility low enough to allow penetration of an RF induced electric field, and (ii) a conductive surface exposed to the plasma zone. A method of processing a substrate using a process chamber includes the steps of (1) placing the substrate on a surface of a single dielectric member, (2) generating an induced electric field in the chamber by passing a current through an inductor antenna, and (3) A) forming a high-density, highly directional plasma in the chamber while maintaining the power electrode and the primary and secondary bias electrodes at different potentials.

【0013】内部に電極を埋め込んだ単一の単体誘電体
部材の代わりに、プロセスチャンバは、それぞれの誘電
体部材が内部に埋め込まれた電極を備えた、半導体天井
の下に位置決めされた複数の誘電体部材を備えてもよ
い。第1の誘電体部材は、その上に基板を受け入れるた
めの受容面を備える。電極電圧源を使って半導体天井と
電極とを異なる電位に維持して、チャンバ内のプラズマ
を付勢する。
[0013] Instead of a single unitary dielectric member having electrodes embedded therein, the process chamber comprises a plurality of dielectric members positioned below a semiconductor ceiling with electrodes embedded therein. A dielectric member may be provided. The first dielectric member has a receiving surface for receiving a substrate thereon. The plasma in the chamber is energized by maintaining the semiconductor ceiling and the electrodes at different potentials using an electrode voltage source.

【0014】プロセスチャンバの別の形態では、一次バ
イアス電極は、チャンバの天井に壁を形成する半導体材
料から作られる。半導体壁は導電面を有すると共に、R
F誘導電界の浸透を許容するだけ低い電気的感受性を有
する。一つ以上の誘導子アンテナが半導体壁に隣接して
配置されて、半導体天井を介して伝達されてチャンバ内
にプラズマを形成するRF誘導電界を発生させる。内部
に埋め込まれたパワー電極を備えた単体モノリシック誘
電体部材はチャンバ内にある。誘電体部材は、(i)基
板を受け入れるための基板受容面を持つと共に、パワー
電極に加わるRFとDCの電圧が、それぞれ、チャンバ
内でプラズマを付勢するために容量結合して、基板を静
電的に保持するだけ低い電界吸収を持つ結合層と、(i
i)電極のその他の表面を囲む非結合層であって、それ
を介した容量結合を減少させるだけ高い電界吸収を持つ
非結合層とを備える。電極電圧源を使って一次バイアス
電極とパワー電極とを互いに異なる電位に保ち、それに
よってチャンバに高密度、高指向性プラズマを提供す
る。
In another form of the process chamber, the primary bias electrode is made from a semiconductor material that forms a wall on the ceiling of the chamber. The semiconductor wall has a conductive surface and R
It has low electrical sensitivity to allow penetration of the F-induced electric field. One or more inductor antennas are positioned adjacent to the semiconductor wall to generate an RF induced electric field that is transmitted through the semiconductor ceiling and forms a plasma in the chamber. A single monolithic dielectric member with a power electrode embedded therein is within the chamber. The dielectric member has (i) a substrate receiving surface for receiving the substrate, and the RF and DC voltages applied to the power electrode are capacitively coupled to energize the plasma in the chamber, respectively, and A coupling layer having a low electroabsorption that is only electrostatically held;
i) a non-coupling layer surrounding the other surface of the electrode, the non-coupling layer having high electric absorption so as to reduce capacitive coupling therethrough. An electrode voltage source is used to maintain the primary bias electrode and the power electrode at different potentials, thereby providing a high density, highly directional plasma to the chamber.

【0015】更に別の形態では、プロセスチャンバは、
プロセスガスをチャンバに分配するためのガス分配シス
テムを備える。一次バイアス電極はチャンバの天井にあ
り、プラズマゾーンに露出される導電面を持つ。内部に
埋め込まれたパワー電極を備えた単体モノリシック誘電
体部材は、(i)基板を受け入れるための基板受容面を
持つと共に、電極に印加されるRFとDCの電圧が、そ
れぞれ、チャンバ内でプラズマを付勢するために結合層
を介して容量結合して、基板を静電的に保持するだけ低
い電界吸収を持つ結合層と、(ii)電極のその他の表
面を囲む非結合層であって、それを介した容量結合を減
少させるだけ高い電界吸収を持つ非結合層とを有する。
電極電圧源を使って一次バイアス電極とパワー電極とを
互いに異なる電位に保つ。チャンバに隣接する多指向性
磁界発生器が、時間とともに変化する角方位と大きさを
持つ多指向性磁界をプラズマゾーンに発生させる。磁界
発生器は、チャンバに隣接して位置決めされる複数の電
磁石と、電磁石に印加される電流を変化させる電磁石電
源とを備えてもよい。代替として、磁界発生器は、チャ
ンバに隣接して配置される複数の可動永久磁石と、永久
磁石を動かす手段とを備える。
In yet another form, the process chamber comprises:
A gas distribution system for distributing process gas to the chamber is provided. The primary bias electrode is on the ceiling of the chamber and has a conductive surface exposed to the plasma zone. The monolithic monolithic dielectric member with a power electrode embedded therein has (i) a substrate receiving surface for receiving a substrate, and RF and DC voltages applied to the electrodes are each plasma-enhanced in the chamber. And (ii) a non-bonding layer surrounding the other surface of the electrode, which is capacitively coupled through the bonding layer to bias And a non-coupling layer having high electric absorption only to reduce capacitive coupling therethrough.
The primary bias electrode and the power electrode are maintained at different potentials using an electrode voltage source. A multi-directional magnetic field generator adjacent to the chamber generates a multi-directional magnetic field in the plasma zone having a time-varying angular orientation and magnitude. The magnetic field generator may include a plurality of electromagnets positioned adjacent to the chamber, and an electromagnet power supply that varies a current applied to the electromagnets. Alternatively, the magnetic field generator comprises a plurality of movable permanent magnets arranged adjacent to the chamber and means for moving the permanent magnets.

【0016】本発明のこれらとその他の特徴、局面、お
よび利点は、下記の説明、請求項、および発明の好まし
い実施形態を示す添付の図面に関して、より良く理解さ
れるであろう。
These and other features, aspects, and advantages of the present invention will be better understood with regard to the following description, appended claims, and accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the invention.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】本発明は、プロセスチャンバ55
内で形成される高密度、高指向性プラズマ中で基板30
を処理するために使用されるプラズマ処理装置50に向
けられる。高密度プラズマは、1010イオン/cm3
オーダーの低いイオン密度を持つ従来のプラズマに比べ
て1011イオン/cm3 を超えるイオンエネルギー密度
を持つプラズマである。高指向性とは、帯電したプラズ
マイオンと核種がプラズマゾーン65内で電界ベクトル
成分60によって付勢されて、基板30の平面に実質的
に垂直の方向に加速されることを意味する。高密度で高
指向性のプラズマは、活発に基板30に衝突して基板と
効率的に化学反応したり基板にエネルギーを伝達する大
量の反応性プラズマ核種を提供する。高指向性プラズマ
を使用して、エッチングしたり、注入したり、基板30
上に材料を堆積させることができる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a process chamber 55.
Substrate 30 in a high-density, highly directional plasma
To a plasma processing apparatus 50 used to process the plasma. A high-density plasma is a plasma having an ion energy density exceeding 10 11 ions / cm 3 compared to a conventional plasma having a low ion density on the order of 10 10 ions / cm 3 . High directivity means that charged plasma ions and nuclides are energized in the plasma zone 65 by the electric field vector component 60 and accelerated in a direction substantially perpendicular to the plane of the substrate 30. The high-density, highly directional plasma provides a large amount of reactive plasma nuclides that actively collide with the substrate 30 and efficiently react with the substrate or transfer energy to the substrate. Using a highly directional plasma, etching, implantation,
Material can be deposited thereon.

【0018】本発明の代表的なプラズマ処理装置50を
図2に概略的に示す。図はもっぱら本発明の例を示すた
めに提供されるもので、発明の範囲を制限するために使
用してはならない。装置50は一般に、金属、セラミッ
ク、ガラス、ポリマー、および複合材料を含む各種材料
の任意の一つから製作される側壁70と底部壁75とを
有する閉鎖チャンバ55を備える。プロセスチャンバ5
5を製作するために通常的に使用される金属はアルミニ
ウム、陽極処理アルミニウム、「HAYNES24
2」、「Al−6061」、「SS304」、「SS3
16」、および「INCONEL」を含み、その中では
陽極処理アルミニウムが好ましい。プロセスガスは、ガ
スをチャンバに分配し、プロセスガス源85と、ガス流
量計95を作動させるガス流量制御システム90とを含
むガス・ディストリビュータシステム80を介してチャ
ンバ55に導入される。ガス・ディストリビュータは、
基板30を囲むシリコンリング100を備えることが望
ましい。図3(a)に示すように、シリコンリング10
0は、プロセスガスを保持するための環状通路105
と、プロセスガスを基板30の周辺に分配するための一
連のガス噴射孔110とを備える。シリコンリング10
0は、温度フィードバック用光学的高温計、リングを放
射過熱するためのリングの下の一連のランプ115、お
よび底部壁75への伝導による冷却を使用して、約25
0ないし約600℃の温度範囲で±5℃の精度に温度制
御されることが望ましい。温度制御されたシリコンリン
グ100は、プロセス環境から遊離フッ素イオンとラジ
カルとを掃気するための制御されたシリコンソースとし
ても役立つ。一つ以上の排気ポンプ125(通常100
0リットル/秒の荒引きポンプを含む)とスロットルバ
ルブ130とを備える排気システム120を用いて、使
用済プロセスガスを排気すると共にチャンバ55内のプ
ロセスガスの圧力を制御する。非対称のポンプ排出用チ
ャネル132を使ってガスをチャンバ55から排出し
て、基板30の表面のまわりの気体核種の均一な分布を
もたらすことが望ましい。
FIG. 2 schematically illustrates a typical plasma processing apparatus 50 of the present invention. The figures are provided solely to illustrate examples of the present invention and should not be used to limit the scope of the invention. Apparatus 50 generally comprises a closed chamber 55 having a side wall 70 and a bottom wall 75 made from any one of a variety of materials, including metals, ceramics, glass, polymers, and composites. Process chamber 5
The metals commonly used to fabricate No. 5 are aluminum, anodized aluminum, "HAYNES24
2 "," Al-6061 "," SS304 "," SS3 "
16 ", and" INCONEL ", of which anodized aluminum is preferred. Process gas is introduced into the chamber 55 via a gas distributor system 80 that includes a process gas source 85 and a gas flow control system 90 that operates a gas flow meter 95 to distribute the gas to the chamber. Gas distributors
It is desirable to have a silicon ring 100 surrounding the substrate 30. As shown in FIG.
0 is an annular passage 105 for holding the process gas
And a series of gas injection holes 110 for distributing the process gas around the substrate 30. Silicon ring 10
0 uses an optical pyrometer for temperature feedback, a series of lamps 115 under the ring to radiantly heat the ring, and cooling by conduction to the bottom wall 75, about 25 minutes.
It is desirable that the temperature be controlled with an accuracy of ± 5 ° C. in a temperature range of 0 to about 600 ° C. The temperature controlled silicon ring 100 also serves as a controlled silicon source for scavenging free fluorine ions and radicals from the process environment. One or more pumps 125 (typically 100
An exhaust system 120 including a roughing pump (0 liter / sec.) And a throttle valve 130 is used to exhaust the used process gas and to control the pressure of the process gas in the chamber 55. It is desirable to exhaust gas from chamber 55 using an asymmetric pumping channel 132 to provide a uniform distribution of gaseous nuclides around the surface of substrate 30.

【0019】図2に示す実施形態では、チャンバ55
は、チャンバ内に誘導結合電界を発生させて内部に高密
度誘導プラズマを形成する、チャンバに隣接した誘導子
アンテナ135を備える。誘導子アンテナ135は、R
F電力をチャンバ55に誘導結合するための、チャンバ
天井140に隣接して配置された多重コイルを備えるこ
とが望ましい。複数のプロセス電極は相互に電気的にバ
イアスされると共に、プラズマシースと、電極を分離す
る誘電体層とを介して容量的に結合して、プラズマイオ
ンを付勢する。一次バイアス電極145は、プラズマゾ
ーン65に露出した第1の導電面150を備える。一次
バイアス電極145の直下に配置された単体モノリシッ
ク誘電体部材155は、その上に基板30を受け入れる
ための受容面140を持つ。パワー電極165は、誘電
体材料がパワー電極を完全に囲むように、誘電体部材1
55の中に埋め込まれる。チャンバ55は更に、誘電体
部材155の直下に配置されると共に、なるべくプラズ
マゾーン65に露出した第2の導電面175を持つ第2
バイアス電極170を備える。パワー電極165と、第
1と第2のバイアス電極145、170とを互いに異な
る電位に保つために、電極電圧源180を設ける。3つ
以上の電極の組合せが、垂直方向に整列して積み重ね式
の円筒形電極配置を形成して、チャンバ55内に、高指
向性プラズマイオンを持つ強力なプラズマを提供する。
In the embodiment shown in FIG.
Comprises an inductor antenna 135 adjacent to the chamber for generating an inductively coupled electric field within the chamber to form a high density inductive plasma therein. Inductor antenna 135 has R
It is desirable to have multiple coils located adjacent to the chamber ceiling 140 for inductively coupling F power to the chamber 55. The plurality of process electrodes are electrically biased with respect to each other and capacitively coupled via a plasma sheath and a dielectric layer separating the electrodes to energize the plasma ions. The primary bias electrode 145 has a first conductive surface 150 exposed to the plasma zone 65. A single monolithic dielectric member 155 located directly below the primary bias electrode 145 has a receiving surface 140 for receiving the substrate 30 thereon. The power electrode 165 is provided so that the dielectric material completely surrounds the power electrode.
Embedded inside 55. The chamber 55 further includes a second conductive surface 175 that is disposed directly below the dielectric member 155 and that is preferably exposed to the plasma zone 65.
A bias electrode 170 is provided. An electrode voltage source 180 is provided to keep the power electrode 165 and the first and second bias electrodes 145, 170 at different potentials. A combination of three or more electrodes is vertically aligned to form a stacked cylindrical electrode arrangement to provide an intense plasma with highly directional plasma ions in chamber 55.

【0020】一次バイアス電極145は、実質上基板の
全区域に及ぶだけの大きな面積を持つ、基板30の直上
に配置された導体エレメントを備える。一次バイアス電
極145は、誘電体部材155内のパワー電極165に
容量的に結合されて、基板30の平面に実質的に垂直な
高指向性電界成分60を提供する。好ましい実施形態で
は、一次バイアス電極145は、バイアスされるか接地
されるかしてチャンバ55内に電界を形成できる導体と
して働く半導体天井140を備える。半導体天井140
は、天井の誘導子アンテナ135によって伝達されるR
F誘導電界に低インピーダンスを提供する誘導電界伝達
窓(induction field transmitting window) としても働
く。半導体天井140は、一次バイアス電極145とし
て働くだけの充分な導電性を持つと共に、誘導子アンテ
ナ135によって生成される誘導電界を、天井を介して
最小の電力損失で伝達するだけ低い電界感受性を持つ。
天井140は、他の材料に比べてシリコン基板30を処
理するための汚染源になりにくいシリコンから成ること
が望ましい。しかしながら、炭化ケイ素、ゲルマニウ
ム、またはIII−V族複合半導体、例えばヒ化ガリウ
ムやリン化インジウム、あるいはII−III−V族複
合半導体、例えば水銀カドミウム・テルライド等の他の
周知の半導体材料も使用できる。好ましい実施形態で
は、半導体天井140は、約500Ω−cm(室温)未
満、より好ましくは約10Ω−cmないし約300Ω−
cm、最も好ましくは約20Ω−cmないし約200Ω
−cmの抵抗率を持つ半導体シリコンのスラブから構成
される。
The primary bias electrode 145 comprises a conductive element disposed directly above the substrate 30 with a large area to cover substantially the entire area of the substrate. Primary bias electrode 145 is capacitively coupled to power electrode 165 within dielectric member 155 to provide a highly directional electric field component 60 substantially perpendicular to the plane of substrate 30. In a preferred embodiment, the primary bias electrode 145 includes a semiconductor ceiling 140 that acts as a conductor that can be biased or grounded to create an electric field in the chamber 55. Semiconductor ceiling 140
Is the R transmitted by the ceiling inductor antenna 135
It also acts as an induction field transmitting window that provides a low impedance to the F induction field. The semiconductor ceiling 140 is sufficiently conductive to act as a primary bias electrode 145 and has a low field sensitivity to transmit the induced electric field generated by the inductor antenna 135 through the ceiling with minimal power loss. .
The ceiling 140 is preferably made of silicon, which is less likely to be a source of contamination for processing the silicon substrate 30 than other materials. However, other well-known semiconductor materials such as silicon carbide, germanium, or III-V compound semiconductors, such as gallium arsenide or indium phosphide, or II-III-V compound semiconductors, such as mercury cadmium telluride, can also be used. . In a preferred embodiment, the semiconductor ceiling 140 is less than about 500 Ω-cm (room temperature), more preferably from about 10 Ω-cm to about 300 Ω-cm.
cm, most preferably from about 20 ohm-cm to about 200 ohm
It consists of a slab of semiconductor silicon with a resistivity of -cm.

【0021】シリコン天井140の温度は、半導体材料
が半導体(semiconducting)特性を備えると共に、キャリ
ヤ電子濃度が温度に対してかなり一定になるような温度
範囲に保たれる。シリコンでは、好ましい温度範囲は約
100K(それ以下ではシリコンが誘電体特性を持ち始
める)ないし約600K(それ以上ではシリコンが金属
導体特性を持ち始める)である。この範囲を超える温度
では、シリコンは金属と同様のコンダクタンスを与え、
この温度範囲より上では、非常に低い導電率の誘電体材
料として挙動する。誘導電界窓と電極の両方の働きをさ
せるために、半導体天井140の温度の能動的制御が望
ましい。窓の能動的温度制御は、一貫性のある安定した
プラズマと、プラズマ用の良好な「コールドスタート」
(cold start)条件も提供する。天井140の温度は、タ
ングステンハロゲンランプ115等の複数の放射ヒータ
と、伝熱流体が中を流れる通路(図示せず)を持ったア
ルミニウムか銅製の伝熱プレート185を使用して制御
される。伝熱流体ソースは伝熱流体を通路に供給して、
必要に応じて伝熱プレート185を加熱、冷却すること
によって、チャンバ55を一定温度に維持する。半導体
天井140は、底面が天井140に着座すると共に上面
がプレートを支持する複数の高い熱伝導性リング190
を介して、プレート185と熱的に接触している。伝熱
リング190の下部のまわりに配置されているのは誘導
子アンテナ135である。伝熱リング190の高さは、
プレート185が誘導子アンテナ135の上に少なくと
もアンテナ総高さの1/2だけ離れて支持されるように
選択される。これは、さもなければプレート185の導
電面への接近によって生じるであろう、アンテナ135
とプラズマ間の誘導結合の減少を緩和するか除去する。
The temperature of the silicon ceiling 140 is maintained in a temperature range such that the semiconductor material has semiconducting properties and the carrier electron concentration is fairly constant with temperature. For silicon, the preferred temperature range is from about 100K (below which silicon begins to have dielectric properties) to about 600K (above which silicon begins to have metal conductor properties). At temperatures above this range, silicon gives conductance similar to metals,
Above this temperature range, it behaves as a very low conductivity dielectric material. Active control of the temperature of the semiconductor ceiling 140 is desirable to act as both an induction field window and an electrode. Active temperature control of windows ensures consistent and stable plasma and good "cold start" for plasma
(cold start) condition is also provided. The temperature of the ceiling 140 is controlled using a plurality of radiant heaters, such as a tungsten halogen lamp 115, and a heat transfer plate 185 made of aluminum or copper having a passage (not shown) through which the heat transfer fluid flows. The heat transfer fluid source supplies the heat transfer fluid to the passage,
The chamber 55 is maintained at a constant temperature by heating and cooling the heat transfer plate 185 as needed. The semiconductor ceiling 140 has a plurality of high thermal conductivity rings 190 seated on the ceiling 140 on the bottom surface and supporting the plate on the top surface.
Is in thermal contact with the plate 185. Disposed around the lower portion of the heat transfer ring 190 is an inductor antenna 135. The height of the heat transfer ring 190 is
The plate 185 is selected to be supported on the inductor antenna 135 at least one half of the total antenna height. This would otherwise result from access to the conductive surface of plate 185, antenna 135
To reduce or eliminate the reduction in inductive coupling between the plasma and the plasma.

【0022】単体モノリシック誘電体部材155に埋め
込まれたパワー電極165は一次バイアス電極145か
ら離れて、その直下に配置される。パワー電極165は
2つの機能を持ち、パワー電極から一次バイアス電極1
45まで延在する容量結合電界を形成するためのプラズ
マ電極として役立つと共に、基板30を誘電体部材15
に静電的に保持するための静電荷を発生させる静電部材
としても役立つ。パワー電極165を使って、DCチャ
ック用電圧とRFバイアス電圧の両方を伝えることが望
ましく、両電圧は、パワー電極165に接続する誘電体
材料155を通して挿入されるバナナジャック等の電気
コネクタ195によって印加される。電圧源180は、
パワー電極165にプラズマ発生用RF電圧を提供する
ためのAC電圧源と、電極165にチャック用電圧を提
供するためのDC電圧源とを含む。AC電圧源は、1
3.56MHzから400KHzまでの一つ以上の周波
数を持った、チャンバに容量結合プラズマを形成するた
めのRF発生用電圧を提供する。電極165に印加され
るRFバイアス電流の電力レベルは通常、約50から約
3000Wまでである。独立したDC電圧を電極165
に印加して、基板をチャックに保持する静電荷を形成し
て、DCチャック電源に電気的に接続されたDC阻止コ
ンデンサ回路を構成する。RF電力をブリッジ回路とD
Cコンバータとに連結して、DCチャック用電力を電極
に提供する。電圧源180は、基板30のチャックとチ
ャック解除およびプラズマチャンバ55内でのプラズマ
の発生のためにDC電流とRF電流、またはその両者を
電極に向けることによって電極の動作を制御するための
システムコントローラを含んでもよい。DCチャック電
源は通常、250ないし2000VのDCチャック用電
圧を電極165に提供する。
The power electrode 165 embedded in the single monolithic dielectric member 155 is located apart from and directly below the primary bias electrode 145. The power electrode 165 has two functions, from the power electrode to the primary bias electrode 1.
45 as well as serving as a plasma electrode for forming a capacitively coupled electric field extending to the dielectric member 15.
It also serves as an electrostatic member that generates an electrostatic charge for electrostatically holding the sheet. It is desirable to use the power electrode 165 to carry both the DC chucking voltage and the RF bias voltage, both voltages being applied by an electrical connector 195 such as a banana jack inserted through a dielectric material 155 that connects to the power electrode 165. Is done. The voltage source 180
An AC voltage source for providing an RF voltage for plasma generation to the power electrode 165 and a DC voltage source for providing a chucking voltage to the electrode 165 are included. AC voltage source is 1
An RF generating voltage for forming a capacitively coupled plasma in a chamber having one or more frequencies from 3.56 MHz to 400 KHz is provided. The power level of the RF bias current applied to electrode 165 is typically from about 50 to about 3000W. Independent DC voltage applied to electrode 165
To form a static charge that holds the substrate on the chuck to form a DC blocking capacitor circuit electrically connected to the DC chuck power supply. RF power to bridge circuit and D
Connects to a C converter to provide DC chuck power to the electrodes. The voltage source 180 is a system controller for controlling the operation of the electrodes by directing DC and / or RF currents to the electrodes for chucking and dechucking of the substrate 30 and generation of plasma in the plasma chamber 55. May be included. The DC chuck power supply typically provides a voltage for the DC chuck between 250 and 2000 V to the electrode 165.

【0023】パワー電極165の作用面積は、一次バイ
アス電極145に結合してそれらの間の電界の面積を最
大にするように選択される。チャンバ内には絶縁体シー
ルドは存在しないので、パワー電極の作用面積を増加さ
せてチャンバ底部全体を横切って延在する直径を有する
面積をカバーすることができる。これは従来のカソード
の作用面積よりもはるかに大きいパワー電極作用面積を
提供する。一次バイアス電極145の表面積対パワー電
極165の表面積の比は少なくとも約0.9:1である
ことが望ましい。より好ましくは、パワー電極がチャン
バ内の一次バイアス電極145の面積の少なくとも約9
8%を占めることである。約200mm(8インチ)の
直径を持つ円形基板30では、パワー電極165の適当
な直径は約180から約220mmである。
The active area of the power electrode 165 is selected to couple to the primary bias electrode 145 to maximize the area of the electric field therebetween. Since there is no insulator shield in the chamber, the active area of the power electrode can be increased to cover an area having a diameter that extends across the entire bottom of the chamber. This provides a much larger power electrode active area than the conventional cathode active area. Desirably, the ratio of the surface area of the primary bias electrode 145 to the surface area of the power electrode 165 is at least about 0.9: 1. More preferably, the power electrode is at least about 9% of the area of the primary bias electrode 145 in the chamber.
8%. For a circular substrate 30 having a diameter of about 200 mm (8 inches), a suitable diameter for the power electrode 165 is about 180 to about 220 mm.

【0024】プラズマゾーン65のプラズマイオン密度
は、パワー電極165を基板直径以下の一次バイアス電
極145から短距離の範囲で、基板直径のわずか数分の
一の距離(例えば直径20cmウェーハでは数センチ以
内)に接近して配置することによって高められる。基板
表面近くのプラズマの垂直方向閉じ込めは、パワー電極
を、チャンバ55の側壁に対するよりも頭上の一次バイ
アス電極145に対してはるかに近付けることによっ
て、パワー電極165からチャンバ55の側壁70まで
の寄生キャパシタンスによるエネルギー損失を減少させ
る。2つの電極間の距離は約1ないし20cmであるこ
とが望ましく、より好ましくは約2ないし約10cmで
ある。
The plasma ion density of the plasma zone 65 can be set such that the power electrode 165 is located within a short distance from the primary bias electrode 145 which is smaller than the substrate diameter, and is only a fraction of the substrate diameter (for example, within a few centimeters for a 20 cm diameter wafer). ) By placing them closer to each other. The vertical confinement of the plasma near the substrate surface will result in a parasitic capacitance from the power electrode 165 to the chamber 70 sidewall 70 by making the power electrode much closer to the overhead primary bias electrode 145 than to the chamber 55 sidewall. Reduce energy loss due to Preferably, the distance between the two electrodes is between about 1 and 20 cm, more preferably between about 2 and about 10 cm.

【0025】埋め込まれたパワー電極165を持つ単体
モノリシック誘電体部材155は、従来技術の電極設計
に比べて幾つもの利点を提供する。第1に、プラズマ付
勢用兼チャック用組合せ電極165は、チャンバ70内
の他の電極がパワー電極165に対して電気的接地また
は浮遊電位を含む異なる電位に維持された状態で、「ホ
ット」(hot)なRF電圧が加えられる唯一の導体であ
る。パワー電極165は単体誘電体部材155に埋め込
まれているので、パワー電極は、従来技術のチャンバの
ように絶縁体シールドによって電気的アースから電気的
に絶縁される必要はない。絶縁体シールドがまったく存
在しないことは、パワーおよび二次バイアス電極16
5、170とチャンバ壁70、75間の寄生キャパシタ
ンスの数を減少させる。これが、さもなければパワー電
極165、絶縁体シールド、および接地チャンバ壁間に
生じるであろう寄生チャンバインピーダンス負荷を除去
する。アースに対する寄生RF損失が最小になるので、
RF負荷のインピーダンスを電源のインピーダンスに整
合させる電源180の回路が簡易化され、それによって
電力の、より効率的な移動が可能になる。また、複雑な
形の石英絶縁体シールド34は製作費が高く、多くのプ
ロセス環境で急速に侵食される場合がある。最後に、静
電チャック38とパワー電極165の電極の機能を組み
合せることによって、単独の静電チャックの使用は最
早、必要としない。
The unitary monolithic dielectric member 155 with the embedded power electrode 165 offers several advantages over prior art electrode designs. First, the combined plasma energizing and chucking electrode 165 is "hot" with the other electrodes in the chamber 70 maintained at a different potential, including electrical ground or floating potential, with respect to the power electrode 165. The only conductor to which a (hot) RF voltage is applied. Because the power electrode 165 is embedded in the unitary dielectric member 155, the power electrode need not be electrically isolated from electrical ground by an insulator shield as in prior art chambers. The absence of any insulator shield indicates that the power and secondary bias electrodes 16
5, 170 and the number of parasitic capacitances between the chamber walls 70, 75 are reduced. This eliminates the parasitic chamber impedance load that would otherwise occur between the power electrode 165, the insulator shield, and the ground chamber wall. Since the parasitic RF loss to ground is minimized,
The circuit of the power supply 180 that matches the impedance of the RF load to the impedance of the power supply is simplified, thereby allowing more efficient transfer of power. Also, the complex shape of the quartz insulator shield 34 is expensive to manufacture and can quickly erode in many process environments. Finally, by combining the functions of the electrostatic chuck 38 and the electrode of the power electrode 165, the use of a single electrostatic chuck is no longer required.

【0026】図3(a)と3(b)について説明する
と、誘電体部材155の電気的特性は、約108ないし
1014Ω−cmの低い導電率を得るように選択される。
誘電体部材155は、電極165を電気的に絶縁してチ
ャンバ55内のプラズマの短絡を防ぐと共に基板30を
電極から絶縁するための被覆層200を備える。誘電体
被覆層200は、電極165に印加されるRFバイアス
電圧を、誘電体部材155上に形成するプラズマシース
を通して、一次バイアス電極145に被覆層を介して容
量結合させるだけ低い電界吸収を持つ誘電体材料から形
成される。誘電率、電界感受性、および被覆層200の
厚さは、被覆層を介して一次バイアス電極145への、
パワー電極165に印加されるRF電圧の容量結合を高
めるように選択される。更に、被覆層200は、パワー
電極165に印加されるDC電圧が、クーロンまたはジ
ョンセン・ラーベック静電引力によって基板30を静電
的に保持することを可能にする。被覆層200は少なく
とも約2の誘電率を持つことが望ましい。パワー電極1
65の下の誘電体支持層205は充分に厚く、またパワ
ー電極と、下にくる二次バイアス電極170の間の電気
的結合を減少させるか制限するだけ高い電界吸収を持
つ。チャンバ55の電気的接地側壁70に面するパワー
電極165の周縁部208は、チャンバ側壁70への電
極の結合を妨げるだけ高い電界吸収を持つ側部非結合層
210によって囲まれることが望ましい。支持層205
および側部層210等の、パワー電極165を囲む層の
誘電体材料は、少なくとも約1の誘電率を持つことが望
ましい。
Referring to FIGS. 3 (a) and 3 (b), the electrical properties of the dielectric member 155 are selected to obtain a low conductivity of about 10 8 to 10 14 Ω-cm.
The dielectric member 155 includes a coating layer 200 for electrically insulating the electrode 165 to prevent a short circuit of plasma in the chamber 55 and for insulating the substrate 30 from the electrode. The dielectric covering layer 200 has a low electric absorption enough to capacitively couple the RF bias voltage applied to the electrode 165 to the primary bias electrode 145 through the plasma sheath formed on the dielectric member 155 via the covering layer. Formed from body material. The dielectric constant, field sensitivity, and thickness of the cladding layer 200 may affect the primary bias electrode 145 through the cladding layer.
It is selected to enhance the capacitive coupling of the RF voltage applied to the power electrode 165. Further, the cover layer 200 allows a DC voltage applied to the power electrode 165 to electrostatically hold the substrate 30 by Coulomb or Johnsen-Rahbek electrostatic attraction. Desirably, coating layer 200 has a dielectric constant of at least about 2. Power electrode 1
The dielectric support layer 205 below 65 is sufficiently thick and has high electroabsorption to reduce or limit the electrical coupling between the power electrode and the underlying secondary bias electrode 170. The peripheral edge 208 of the power electrode 165 facing the electrical ground side wall 70 of the chamber 55 is preferably surrounded by a side decoupling layer 210 having a high electric field absorption to prevent coupling of the electrode to the chamber side wall 70. Support layer 205
Desirably, the dielectric material of the layers surrounding the power electrode 165, such as the side layer 210, has a dielectric constant of at least about 1.

【0027】単体誘電体部材155の各層のRFリアク
タンスは、誘電体部材の各部分を通る所望の結合効果ま
たは非結合効果を達成するように調整される。誘電体被
覆層200は約1ないし約500Ω、より好ましくは1
ないし50ΩのRFリアクタンスを持ち、支持層205
は約100ないし約10000Ω、より好ましくは10
0ないし1000ΩのRFリアクタンスを持つことが望
ましい。パワー電極165の上または下の誘電体層の最
小厚さは、公式C=(E0rA)/Lを使って決定でき
る。ここにLは誘電体層の最小厚さ、Aは面積、E0
rは誘電体材料と空気の比誘電率である。誘電体被覆
層200の適当な厚さは約1ないし1000ミクロン
で、誘電体支持層205の適当な厚さは約0.1ないし
約15mmである。約8300ピコファラドのインピー
ダンス負荷を持つ代表的なチャンバ設計では、誘電体被
覆層200の最小厚さは約3.6mmである。約400
ないし600ピコファラドの低いインピーダンス負荷を
持つ本プロセスチャンバでは、誘電体支持層205の最
小厚さは約8.4mmが望ましい。キャパシタンスのこ
の値は約6.4Aの電流負荷を与え、これは従来チャン
バのプラズマに供給される電流の電力レベルの約1/6
で、より電力効率の高い、調整されたプラズマを提供す
る。
The RF reactance of each layer of the unitary dielectric member 155 is adjusted to achieve a desired coupling or decoupling effect through each portion of the dielectric member. Dielectric coating layer 200 has a thickness of about 1 to about 500 ohms, more preferably
Having an RF reactance of 50 to 50 Ω,
Is about 100 to about 10,000 Ω, more preferably 10
It is desirable to have an RF reactance between 0 and 1000Ω. On or dielectric layer minimum thickness of the lower powered electrode 165 can be determined using the formula C = (E 0 E r A ) / L. Here, L is the minimum thickness of the dielectric layer, A is the area, and E 0 and Er are the relative dielectric constants of the dielectric material and air. A suitable thickness for the dielectric cover layer 200 is about 1 to 1000 microns, and a suitable thickness for the dielectric support layer 205 is about 0.1 to about 15 mm. For a typical chamber design with an impedance load of about 8300 picofarads, the minimum thickness of the dielectric coating layer 200 is about 3.6 mm. About 400
For the present process chamber having a low impedance load of ~ 600 picofarads, the minimum thickness of the dielectric support layer 205 is preferably about 8.4 mm. This value of capacitance provides a current load of about 6.4 A, which is about 1/6 of the power level of the current supplied to the plasma of a conventional chamber.
To provide a more power-efficient, conditioned plasma.

【0028】誘電体部材155は、熱溶融セラミックま
たはポリマーからモノリシック構造として製作された、
埋め込みパワー電極165を含む単体の離散構造を備え
ている。モノリシックセラミック構造が好ましいのは、
上記の材料が通常、低多孔性の高度に信頼性のある電気
特性を持ち、パワー電極165を完全に取り囲むのでチ
ャンバ55内の絶縁体シールドのニーズを除去するから
である。稠密なセラミック構造の高い絶縁破壊強さもま
た、通常は比較的低い絶縁破壊強さを持つAl23の薄
い皮膜を有する従来技術の誘電体部材に比べて、パワー
電極165に対する高RF電力レベルの適用を可能にす
る。誘電体部材155は、約10%以下の有孔率を持つ
低有孔性セラミックから製作されることが望ましい。適
切なセラミック材料は一つ以上の酸化アルミニウム、窒
化アルミニウム、炭化ホウ素、ダイヤモンド、酸化ケイ
素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、炭化チタ
ン、酸化イットリウム、および酸化ジルコニウムを含
む。誘電体材料の熱伝導率は、例えばダイヤモンドや窒
化アルミニウムによって提供される約80ないし約24
0W/mKの高伝導率が望ましい。誘電体媒体に埋め込
まれるパワー電極165はアルミニウム、銅、金、モリ
ブデン、タンタル、チタン、タングステン、およびそれ
らの合金等の導電性金属から製作され、より好ましくは
埋め込み電極との誘電体部材の熱焼結を許すタングステ
ン、タンタル、またはモリブデン等の高融点耐熱金属か
ら製作される。埋め込みパワー電極165を持つ誘電体
部材155は、セラミックパウダーと低濃度の有機バイ
ンダー材料の混合体から静水圧プレス成形(isostatic p
ressing)、ホットプレス成形、型鋳造(mold casting)、
またはテープ鋳造(tape casting)によって製作される。
The dielectric member 155 is fabricated as a monolithic structure from hot melt ceramic or polymer.
A single discrete structure including the embedded power electrode 165 is provided. A monolithic ceramic structure is preferred
This is because these materials typically have low porosity, highly reliable electrical properties, and completely surround the power electrode 165, thereby eliminating the need for an insulator shield in the chamber 55. The high breakdown strength of the dense ceramic structure also results in a high RF power level for the power electrode 165 compared to prior art dielectric members having a thin coating of Al 2 O 3 which typically has a relatively low breakdown strength. Enables the application of Preferably, the dielectric member 155 is made from a low porosity ceramic having a porosity of about 10% or less. Suitable ceramic materials include one or more of aluminum oxide, aluminum nitride, boron carbide, diamond, silicon oxide, silicon carbide, silicon nitride, titanium oxide, titanium carbide, yttrium oxide, and zirconium oxide. The thermal conductivity of the dielectric material ranges from about 80 to about 24 provided by, for example, diamond or aluminum nitride.
A high conductivity of 0 W / mK is desirable. The power electrode 165 embedded in the dielectric medium is made of a conductive metal such as aluminum, copper, gold, molybdenum, tantalum, titanium, tungsten, and alloys thereof, and more preferably, heats the dielectric member with the embedded electrode. Manufactured from refractory metals such as tungsten, tantalum, or molybdenum that allow sintering. The dielectric member 155 having the embedded power electrode 165 is formed by isostatic pressing from a mixture of ceramic powder and a low-concentration organic binder material.
ressing), hot press molding, mold casting,
Or it is produced by tape casting.

【0029】単体誘電体部材155は、それを貫通して
延在する、基板30の下の受容面160にヘリウム伝熱
ガスを提供するためのガスフィードスルー孔215を備
えることもできる。ヘリウムガスフィードスルー孔21
5は、孔中のヘリウムのプラズマグロー放電を防止する
だけの小さな直径を持ち、その直径は約1ないし10m
il(ミル、25〜250ミクロン)が望ましく、さも
ないとヘリウムガスは孔の終端部でプラズマグロー放電
や電気的アークを形成する。通常、ガスフィードスルー
孔215は、基板30の下の領域への伝熱ガスの均等な
分配を提供するために、誘電体部材の外周のまわりに設
けられる。
The unitary dielectric member 155 may also include a gas feedthrough hole 215 extending therethrough for providing a helium heat transfer gas to the receiving surface 160 below the substrate 30. Helium gas feed-through hole 21
5 has a diameter small enough to prevent plasma glow discharge of helium in the hole, and the diameter is about 1 to 10 m.
Il (mill, 25-250 microns) is desirable, otherwise helium gas will form a plasma glow discharge or electrical arc at the end of the hole. Typically, gas feedthrough holes 215 are provided around the outer periphery of the dielectric member to provide an even distribution of the heat transfer gas to the area under the substrate 30.

【0030】二次バイアス電極170は、パワー電極1
65の下に配置されるバイアス電極または照合電極とし
て働く。二次バイアス電極170はパワー電極165の
直径または幅と実質上同等かそれ以上の直径または幅を
持つ。二次バイアス電極170がパワー電極165に対
してわずかにマイナスかプラスの電位に保たれるとき
は、二次バイアス電極170は、一次バイアス電極14
5とパワー電極165間のバイアス電場を制御するため
の二次バイアス手段として役立つ。二次バイアス電極は
また、制御可能な電界強度によって上記の容量結合効果
を二次バイアス電極の方向に向け直すパワー電極と二次
電極間の電位差を維持することによって、さもなければ
チャンバ壁70とパワー電極165間に発生するであろ
う漂遊キャパシタンスを削減する働きもする。2つの電
極間の電界強度は、2つの電極に印加される電圧の相対
電位差を調節することによって制御される。
The secondary bias electrode 170 is connected to the power electrode 1
It serves as a bias or reference electrode located below 65. Secondary bias electrode 170 has a diameter or width substantially equal to or greater than the diameter or width of power electrode 165. When the secondary bias electrode 170 is maintained at a slightly negative or positive potential with respect to the power electrode 165, the secondary bias electrode 170
5 serves as a secondary biasing means for controlling the bias electric field between the power electrode 165 and the power electrode 165. The secondary bias electrode also maintains a potential difference between the power electrode and the secondary electrode that redirects the above-described capacitive coupling effect to the secondary bias electrode by a controllable electric field strength; It also serves to reduce stray capacitance that may occur between power electrodes 165. The electric field strength between the two electrodes is controlled by adjusting the relative potential difference of the voltage applied to the two electrodes.

【0031】二次バイアス電極170は、パワー電極1
65を含む誘電体部材155の直下に配置されたアルミ
ニウム等の導電材料の導体エレメントから成る。熱伝導
性接着剤が誘電体部材を二次バイアス電極170に結合
する。接着剤は、それが流れるスリットを持つアルミニ
ウムキャリヤ上に熱伝導性不活性パウダーを装填した感
圧接着剤から成ることが望ましい。接着結合は、均一な
圧力を得るためと結合層内のエアポケットを避けるため
にオートクレーブ内で行なわれる。二次バイアス電極1
70は、図4に示すように、誘電体材料内に埋め込まれ
るか誘電体材料によって被覆される。その他に、二次バ
イアス電極が、一次バイアス電極に印加される電圧に等
しい低電圧に維持されるか電気的に接地されるときは、
二次バイアス電極170は、図5(a)に示すように、
プラズマゾーン65に露出された導電面175、例えば
導体エレメントの側壁225を備える。
The secondary bias electrode 170 is connected to the power electrode 1
And a conductive element made of a conductive material such as aluminum disposed directly under the dielectric member 155 including the first and second dielectric members. A thermally conductive adhesive bonds the dielectric member to the secondary bias electrode 170. Preferably, the adhesive comprises a pressure-sensitive adhesive loaded with a thermally conductive inert powder on an aluminum carrier having a slit through which it flows. Adhesive bonding takes place in an autoclave to obtain a uniform pressure and to avoid air pockets in the bonding layer. Secondary bias electrode 1
70 is embedded in or covered by a dielectric material, as shown in FIG. Alternatively, when the secondary bias electrode is maintained at a low voltage equal to the voltage applied to the primary bias electrode or electrically grounded,
As shown in FIG. 5A, the secondary bias electrode 170
It has a conductive surface 175 exposed in the plasma zone 65, for example a side wall 225 of the conductive element.

【0032】別の機能では、図3(a)に示すように、
二次バイアス電極170は、伝熱流体を循環して、強力
なプラズマイオンによるボンバードによって加熱される
誘電体部材155と埋め込みパワー電極165の温度を
制御するためのチャネル230を備える。この形態で
は、電極電源180は二次バイアス電極170を浮遊電
位に維持することが望ましく、さもなければ、チャネル
230内を循環する通常は水の伝熱流体に対する放電を
避けるために接地される。誘電部材155は二次バイア
ス電極170から完全に電気的に絶縁されているので、
二次バイアス電極とパワー電極215間に追加の電気絶
縁層を必要としない。
In another function, as shown in FIG.
The secondary bias electrode 170 includes a dielectric member 155 that circulates a heat transfer fluid and is heated by bombardment with strong plasma ions, and a channel 230 for controlling the temperature of the embedded power electrode 165. In this configuration, the electrode power supply 180 desirably maintains the secondary bias electrode 170 at a floating potential, or is otherwise grounded to avoid discharge to the normally water circulating fluid circulating in the channel 230. Since the dielectric member 155 is completely electrically insulated from the secondary bias electrode 170,
No additional electrical insulation layer is required between the secondary bias electrode and the power electrode 215.

【0033】電極電圧源180はパワー電極165、一
次バイアス電極145、および二次バイアス電極170
を互いに異なる電位に保つ。電極電圧源180は、図4
のブロック線図に示すように、異なる電圧を異なる電極
に導くための出力端子を有する一つ以上の従来型電圧供
給システムを備えることができる。電極電圧源180は
一次バイアス電極145とパワー電極165とを少なく
とも約1000Vだけ異なる電位に保つことによって、
2つの電極間に強い容量結合の電界を提供してチャンバ
55内のプラズマを付勢することが望ましい。電源18
0はまた、パワー電極165と二次バイアス電極170
とを少なくとも100Vだけ異なる電位に保つことによ
って、両電極間に弱い容量結合を提供して、チャンバ5
5内の漂遊キャパシタンスを減少させる。チャンバ55
内の寄生キャパシタンスは、二次バイアス電極170
を、上にくるパワー電極165とは異なる電位に保つこ
とによって削減される。例えば、パワー電極が、高電圧
が印加した状態で「ホット」であるとき、二次バイアス
電極170を電気的に絶縁、浮遊、または接地してもよ
い。パワー電極165の下に接地バイアス電極を使用す
ると、パワー電極から二次バイアス電極170まで延在
する電界成分にベクトル指向性を与える。二次バイアス
電極170はパワー電極165の直下にあるので、パワ
ー電極とチャンバ壁70,75間の容量結合から生じる
漂遊電界成分はすべて、二次バイアス電極の方向に向き
を変える。その結果、一次バイアス電極145とパワー
電極164間の電界成分60は、電界強度の希釈や漂遊
容量効果を殆ど伴うことなく、両電極の2つの対向面間
で実質上垂直方向に向けられる。このようにして、電源
180は一次と二次のバイアス電極145、170を第
1の低電位に保ち、パワー電極165を第2の高電位に
保つことによって、チャンバ内に高指向性の電界を提供
する。
The electrode voltage source 180 includes a power electrode 165, a primary bias electrode 145, and a secondary bias electrode 170.
Are kept at different potentials from each other. The electrode voltage source 180 is shown in FIG.
One or more conventional voltage supply systems having output terminals for directing different voltages to different electrodes, as shown in the block diagram of FIG. Electrode voltage source 180 maintains primary bias electrode 145 and power electrode 165 at different potentials by at least about 1000 volts,
It is desirable to provide a strong capacitively coupled electric field between the two electrodes to energize the plasma in the chamber 55. Power supply 18
0 is also the power electrode 165 and the secondary bias electrode 170
And at different potentials by at least 100 V, to provide a weak capacitive coupling between the electrodes and
5 to reduce stray capacitance. Chamber 55
The parasitic capacitance in the secondary bias electrode 170
Is maintained at a different potential than the overlying power electrode 165. For example, when the power electrode is “hot” with a high voltage applied, the secondary bias electrode 170 may be electrically insulated, floating, or grounded. The use of a ground bias electrode below the power electrode 165 provides vector directivity to the electric field component extending from the power electrode to the secondary bias electrode 170. Since the secondary bias electrode 170 is directly below the power electrode 165, any stray field components resulting from capacitive coupling between the power electrode and the chamber walls 70, 75 will turn in the direction of the secondary bias electrode. As a result, the electric field component 60 between the primary bias electrode 145 and the power electrode 164 is directed substantially vertically between the two opposing surfaces of both electrodes with little dilution of the electric field strength or little stray capacitance effect. In this manner, the power supply 180 maintains the primary and secondary bias electrodes 145, 170 at the first low potential and the power electrode 165 at the second high potential, thereby creating a highly directional electric field within the chamber. provide.

【0034】垂直に積み重ねた円筒形の多重電極システ
ムの配置は、プロセスチャンバ55の円筒の軸に実質上
平行で、かつ基板30の処理面の平面に実質上垂直な、
強力で垂直の電界成分60を提供する。一次と二次とパ
ワー電極に加わる電気的バイアス電圧の大きさを制御す
ることによって、チャンバ55内の強力なプラズマ核種
のベクトルの大きさと方向を、より正確に制御すること
もできる。これが達成されるのは、3つの電極145、
165、170の各々に加わる相対電位が電極間の電界
成分75の大きさと指向性を制御するからである。例え
ば、一次バイアス電極145とパワー電極165間の高
い電位差は、プラズマ核種を基板30の方向に加速する
2電極間の極めて強力な電界を提供する。しかしなが
ら、パワー電極165と二次バイアス電極170間の電
位差の増加は、パワー電極から下方に、下にくる二次バ
イアス電極の方向に放射する一部の電界成分の向きを変
えることによって、基板30に向けられる電界成分の強
さを低下させるように働くだろう。各電極の相対電位を
制御することによって、プラズマ核種のエネルギーと指
向性を精密に調整して、入射プラズマイオンと中性粒子
(neutrals)の所望のエネルギーレベル分布を達成でき
る。
The arrangement of the vertically stacked cylindrical multi-electrode system is substantially parallel to the axis of the cylinder of the process chamber 55 and substantially perpendicular to the plane of the processing surface of the substrate 30.
It provides a strong vertical electric field component 60. By controlling the magnitude of the electrical bias voltage applied to the primary, secondary and power electrodes, the magnitude and direction of the strong plasma nuclide vector in the chamber 55 can also be controlled more accurately. This is achieved by three electrodes 145,
This is because the relative potential applied to each of 165 and 170 controls the magnitude and directivity of the electric field component 75 between the electrodes. For example, a high potential difference between the primary bias electrode 145 and the power electrode 165 provides a very strong electric field between the two electrodes that accelerates the plasma nuclide in the direction of the substrate 30. However, the increase in potential difference between the power electrode 165 and the secondary bias electrode 170 can be reduced by redirecting some electric field components radiating downward from the power electrode in the direction of the underlying secondary bias electrode. Will work to reduce the strength of the electric field component directed to the By controlling the relative potential of each electrode, the energy and directivity of the plasma nuclide can be precisely adjusted to make incident plasma ions and neutral particles
The desired energy level distribution of (neutrals) can be achieved.

【0035】プラズマイオン密度とプラズマイオンエネ
ルギーは、本プロセスチャンバ55では、誘導子アンテ
ナ135に印加される電流の電源電力レベルと、3つの
積み重ね式電極145、165、170の各々に印加さ
れる電圧のバイアス電力レベルとを個々に制御すること
によって独立して制御できる。従来のチャンバは一般
に、3つ以上のプラズマ電極の使用によるイオンエネル
ギーレベルの独立した制御を行なわない。通常、誘導的
に結合された電力が総合プラズマ特性またはプラズマイ
オン密度を定め、容量的に結合された電力が基板30上
に入射するイオンのイオンエネルギーを定める。プロセ
スチャンバ55の電源およびバイアスの二重制御が、は
るかに低い1010イオン/cm3オーダーのイオン密度
をもたらす従来のRIE(リアクディブ・イオンエッチ
ング)に比べて、1011イオン/cm3を超えるイオン
エネルギーを持つ高密度プラズマを提供すると共に、3
つの電極に加わるバイアス電圧に対するより良い制御を
可能にする。優勢イオン対中性核種密度比とエネルギー
レベル分布もまた、小さなエッチング形状、例えば0.
5ミクロン以下のフィーチャサイズにおける優れたエッ
チング性能を提供することによって、より良好なエッチ
ング異方性(etch anisotropy) 、エッチングプロフィー
ル、およびエッチング選択性を提供する。
In the process chamber 55, the plasma ion density and the plasma ion energy are determined by the power supply power level of the current applied to the inductor antenna 135 and the voltage applied to each of the three stacked electrodes 145, 165, and 170. And the bias power levels are controlled independently. Conventional chambers generally do not provide independent control of ion energy levels through the use of more than two plasma electrodes. Typically, the inductively coupled power determines the overall plasma characteristic or plasma ion density, and the capacitively coupled power determines the ion energy of ions incident on substrate 30. Dual control of the power and bias of the process chamber 55 results in ions in excess of 10 11 ions / cm 3 compared to conventional RIE (reactive ion etching) which results in much lower ion densities on the order of 10 10 ions / cm 3. Providing high-density plasma with energy and 3
Allows better control over the bias voltage applied to the two electrodes. The dominant ion-to-neutral nuclide density ratio and energy level distribution are also small for etched features, such as 0.1.
By providing superior etch performance at sub-5 micron feature sizes, it provides better etch anisotropy, etch profile, and etch selectivity.

【0036】更に、パワー電極165とチャンバ壁7
0、75間の不定の寄生キャパシタンスは、パワー電極
165と二次バイアス電極170間の電位差を、パワー
電極165から延在する補助電界成分が二次バイアス電
極170の方向に優先的に向けられるだけ高く維持する
ことによって、削減または完全に除去できる。チャンバ
55のインピーダンス負荷に対するこれらの漂遊キャパ
シタンス損失の影響は重要な場合がある。実際、寄生キ
ャパシタンス負荷は、プラズマ自体の容量性負荷に比べ
てもはるかに大きいので、電源180のインピーダンス
をはるかに小さいプラズマのインピーダンス負荷に正確
に整合させることは難しい。より効率的で安定したプラ
ズマへの電力移動をもたらすには、プラズマのインピー
ダンスを電源180のインピーダンスに整合させる能力
も必要である。更に、上記の寄生キャパシタンス損失の
大きさは、プロセスチャンバ55に取り付けられるハー
ドウェア、例えば絶縁体シールド、焦点リング、および
ガス分配ノズルの形式と配置に依存する。プロセスハー
ドウェアはプロセスからプロセスへと変更される可能性
があるのでインピーダンス負荷も変更されて、それぞれ
の異なるチャンバ構成のインピーダンス特性を整合させ
ることが難しくなる。しかしながら、単体誘電体部材1
55のパワー電極165の使用は、約3000ピコファ
ラド未満、より一般的には約1000ピコファラド未
満、最も一般的には500ピコファラド未満のチャンバ
インピーダンス負荷を提供するのに対して、従来のチャ
ンバは7000ないし10000ピコファラドのチャン
バインピーダンス負荷を提供する。このようにして、本
発明は漂遊キャパシタンスを削減することによって、従
来のチャンバよりもより効率的で制御可能なプラズマへ
の電力移動と、より一貫したプラズマ負荷特性を提供す
る。
Further, the power electrode 165 and the chamber wall 7
The indeterminate parasitic capacitance between 0 and 75 causes the potential difference between the power electrode 165 and the secondary bias electrode 170 to be changed so that the auxiliary electric field component extending from the power electrode 165 is preferentially directed toward the secondary bias electrode 170. By keeping it high, it can be reduced or completely eliminated. The effect of these stray capacitance losses on the impedance load of the chamber 55 can be significant. In fact, the parasitic capacitance load is much greater than the capacitive load of the plasma itself, making it difficult to accurately match the impedance of the power supply 180 to the impedance load of a much smaller plasma. To provide more efficient and stable power transfer to the plasma, the ability to match the impedance of the plasma to the impedance of the power supply 180 is also needed. Further, the magnitude of the parasitic capacitance loss described above depends on the type and arrangement of hardware mounted on the process chamber 55, such as insulator shields, focus rings, and gas distribution nozzles. As process hardware can change from process to process, the impedance load is also changed, making it difficult to match the impedance characteristics of each different chamber configuration. However, the single dielectric member 1
The use of 55 power electrodes 165 provides a chamber impedance load of less than about 3000 picofarads, more typically less than about 1000 picofarads, and most typically less than 500 picofarads, whereas conventional chambers have 7000 to 5000 picofarads. Provides a chamber impedance load of 10,000 picofarads. In this way, the present invention provides more efficient and controllable power transfer to the plasma and more consistent plasma load characteristics than conventional chambers by reducing stray capacitance.

【0037】ここで、本発明のプロセスチャンバ55の
好ましい特性と局面、および代替のチャンバ設計を説明
する。
A description will now be given of preferred characteristics and aspects of the process chamber 55 of the present invention, as well as alternative chamber designs.

【0038】「誘導子アンテナとシリコン天井」図4と
5(a)は、誘導子アンテナ135とRF電界透過天井
とを有する本プロセスチャンバのバリエーションを示
す。誘導子アンテナ135は、プロセスチャンバ55の
縦軸に一致すると共に基板30の平面に垂直な中心軸を
持つ円対称の誘導子コイルを備えている。しかしなが
ら、誘導子コイルの円対称は、基板30の中心部の上に
生成される電子の数を減少させる、対称の中心軸沿いに
0または最小値を持つ誘導電界ベクトル成分の空間分布
を提供する。かくして、誘導子アンテナ135は、互い
の中に積み重ねられて、それぞれがチャンバ55の縦軸
とほぼ一致する中心軸を持つ非平面ソレノイドコイルを
備えることが望ましい。米国特許出願第08/648,254号に
記載されるように、プロセスチャンバ55は円筒チャン
バであり、誘導子アンテナ135のコイル巻線を2つの
ソレノイド135a、135bの形に垂直に積み重ねる
ことによって天井140近くで電流とアンテナ巻数の積
を増加させて(d/dt)(N・I)、プラズマに密接に結
合した強力な誘導磁束連鎖(inductive flux linkage)
と、従って基板30に隣接するプラズマゾーン65のよ
り大きなプラズマイオン密度を提供する。
"Inductor Antenna and Silicon Ceiling" FIGS. 4 and 5 (a) show a variation of the present process chamber having an inductor antenna 135 and an RF field transparent ceiling. The inductor antenna 135 includes a circularly symmetric inductor coil having a center axis that coincides with the longitudinal axis of the process chamber 55 and is perpendicular to the plane of the substrate 30. However, the circular symmetry of the inductor coil provides a spatial distribution of induced electric field vector components having zero or a minimum along the center axis of symmetry, reducing the number of electrons generated on the center of substrate 30. . Thus, the inductor antennas 135 desirably comprise non-planar solenoid coils stacked within each other, each having a central axis substantially coincident with the longitudinal axis of the chamber 55. As described in U.S. patent application Ser. No. 08 / 648,254, the process chamber 55 is a cylindrical chamber, near the ceiling 140 by stacking the coil windings of the inductor antenna 135 vertically in the form of two solenoids 135a, 135b. To increase the product of the current and the number of turns of the antenna (d / dt) (NI) to produce a strong inductive flux linkage tightly coupled to the plasma
And thus provide a higher plasma ion density in the plasma zone 65 adjacent to the substrate 30.

【0039】図5(b)は好ましいコイル構成を示し、
アンテナ135の巻線は、それぞれ個々の巻きが、水平
巻きから次の水平巻きへの移行部を除いて、基板30の
水平面に平行になるように巻かれているので、アンテナ
135の巻線は基板の平面に実質的に平行である。誘導
子アンテナ135は一つ以上のソレノイドコイルを備
え、各コイルは1ないし10巻き、より一般的には2な
いし6巻きであることが望ましい。好ましい構成では、
誘導子コイルは2つの4巻きソレノイドコイルから成
り、内部コイル135aは約9cm、外部コイル135
bは約25cmの直径を持つ。各コイルは、半導体誘導
子窓145への熱伝達を減少させるために液体冷却され
る。コイル135a、135bは、より高い信頼性で、
より正確なRF電力制御を提供すると共にインピーダン
スの能動的RF整合を除去する3つのチャンネルRF発
振器によって電力を供給される。制御システムは、真供
給電力制御と組み合わせて、各電源コイルとバイアス電
源に対して相互排他的な周波数範囲の周波数同調を使用
する。
FIG. 5B shows a preferred coil configuration,
The windings of the antenna 135 are wound so that each individual winding is parallel to the horizontal plane of the substrate 30 except for the transition from the horizontal winding to the next horizontal winding. Substantially parallel to the plane of the substrate. Preferably, the inductor antenna 135 comprises one or more solenoid coils, each coil having 1 to 10 turns, more typically 2 to 6 turns. In a preferred configuration,
The inductor coil consists of two 4-turn solenoid coils, the inner coil 135a is about 9 cm, the outer coil 135a.
b has a diameter of about 25 cm. Each coil is liquid cooled to reduce heat transfer to the semiconductor inductor window 145. The coils 135a and 135b are more reliable
Powered by a three-channel RF oscillator that provides more accurate RF power control and eliminates active RF matching of impedance. The control system uses frequency tuning in mutually exclusive frequency ranges for each power supply coil and bias power supply in combination with true supply control.

【0040】「電源システム」図4に示す好ましい電源
システムは、周波数同調を用いて誘導子コイル135
a、135bとプロセス電極145、165、170の
両者に電力を供給する合同RF/DC電源180を備え
ている。合同RF/DC電源180は、5つのRFチャ
ンネルと、各チャンネルが真供給電力を制御するための
固定インピーダンス整合ネットワーク235とを持つ。
RF電源電力は2つの独立した出力240、245によ
って内部と外部誘導子アンテナに供給され、RFバイア
ス電力は独立した電極出力250、255、260によ
ってプロセス電極145、165、170に供給され
る。好ましい実施形態では、電極145、165、17
0と各誘導子アンテナ135a、135bは、より正確
なRF電力の制御を提供すると共にプラズマ内のRF相
互作用を最小にするために、個別の相互排他的な周波数
で動作する。合同RF/DCおよびコイル電源180は
各RF出力毎の、個別の固定インピーダンス整合ネット
ワーク235を含む。能動的なRF整合の除去は、より
高い信頼性とプロセスの再現性を提供する。しかしなが
ら、本発明は固定インピーダンス整合回路を持つRF発
振器の使用に限定されず、周波数同調や関連パラメータ
サーボ方法を使用する。実際、本発明は、如何なる種類
のインピーダンス整合回路を使用する場合でも一般的に
適用できる。例えば、インピーダンス整合コンポーネン
トは「固定」でなくて可変でもよく、その場合はRF発
振器の従来のインピーダンス整合コントローラは、プラ
ズマチャンバ負荷インピーダンスの変動に追従するよう
にインピーダンス整合ネットワークの1コンポーネント
(例えばπフィルタの2つのコンデンサの中の一つ)の
リアクタンスを変更することによって動作する。
Power Supply System The preferred power supply system shown in FIG.
a / 135b and a combined RF / DC power supply 180 for supplying power to both the process electrodes 145, 165 and 170. The combined RF / DC power supply 180 has five RF channels and a fixed impedance matching network 235 for each channel to control the true supply power.
RF power is provided to the inner and outer inductor antennas by two independent outputs 240,245, and RF bias power is provided to the process electrodes 145,165,170 by independent electrode outputs 250,255,260. In a preferred embodiment, the electrodes 145, 165, 17
Zero and each inductor antenna 135a, 135b operate at a distinct and mutually exclusive frequency to provide more precise RF power control and minimize RF interactions in the plasma. The combined RF / DC and coil power supply 180 includes a separate fixed impedance matching network 235 for each RF output. Elimination of active RF matching provides higher reliability and process repeatability. However, the present invention is not limited to the use of RF oscillators with fixed impedance matching circuits, but uses frequency tuning and related parameter servo methods. In fact, the present invention is generally applicable where any type of impedance matching circuit is used. For example, the impedance matching component may be variable rather than "fixed," in which case the conventional impedance matching controller of the RF oscillator will adjust one component of the impedance matching network (e.g., a? It operates by changing the reactance of one of the two capacitors.

【0041】RF電圧発振器モジュール265は、基板
30を通って横方向に延在する電界を発生させて基板上
のプラズマを付勢するためのRFエネルギーをパワー電
極165に提供する。パワー電極165に印加される電
圧のRF周波数は、誘導子アンテナ135に印加される
周波数から相互に排他的であり、高調波分離(harmonic
isolation)フィルタ270を持つ固定整合ネットワーク
235を介して印加される。整合ネットワークコンポー
ネントは、RF電圧モジュール256のインピーダンス
をパワー電極165の負荷インピーダンスに選択周波数
範囲でほぼ整合させるように選択される。RF電圧モジ
ュール265をチャンバ55に同調するために、RF周
波数を周波数の選択範囲内で変更して最小反射電力を見
出だす。固定ネットワーク(電源またはバイアス)では
これは近共振状態となるが、必ずしもゼロ反射電力をも
たらすわけではない。設定点電力が順電力と反射電力間
の差と比較され、設定点レベルで一定の供給電力を提供
するように順電力が自動調節されて、インピーダンスの
大きさのミスマッチを補償する。一定の供給電力レベル
を維持するために両制御ループが繰り返される。
The RF voltage oscillator module 265 provides an RF energy to the power electrode 165 to generate an electric field extending laterally through the substrate 30 to energize the plasma on the substrate. The RF frequency of the voltage applied to the power electrode 165 is mutually exclusive from the frequency applied to the inductor antenna 135, and the harmonic separation (harmonic separation)
isolation) applied through a fixed matching network 235 with a filter 270. The matching network components are selected to approximately match the impedance of the RF voltage module 256 to the load impedance of the power electrode 165 over a selected frequency range. To tune the RF voltage module 265 to the chamber 55, the RF frequency is varied within a selected range of frequencies to find the minimum reflected power. In a fixed network (power supply or bias) this is near-resonant, but does not necessarily result in zero reflected power. The set point power is compared to the difference between the forward power and the reflected power, and the forward power is automatically adjusted to provide a constant supply power at the set point level to compensate for the impedance magnitude mismatch. Both control loops are repeated to maintain a constant supply power level.

【0042】電源180のDCチャック用電圧モジュー
ル275は約12から36V DCのDC出力「チャッ
ク用電圧」をパワー電極165に提供して、クーロンま
たはジョンセン・ラーベックの力によって基板30を単
体モノリシック誘電体部材155に静電的に保持できる
静電荷を電極内に発生させる。単極電極では、基板30
はチャンバ内のプラズマイオンによって帯電されて、基
板を誘電体部材155に誘引、保持する反対極性を有す
る残留電荷を形成する。双極電極では、互いに電気的に
絶縁された電極の2つの部分が相互に電気的にバイアス
されて、基板30を誘電体部材155に保持する静電力
を発生させる。
The DC chuck voltage module 275 of the power supply 180 provides a DC output "chuck voltage" of about 12 to 36 V DC to the power electrode 165 to allow the coulomb or Johnsen-Rahbek force to cause the substrate 30 to be a monolithic dielectric. An electrostatic charge that can be electrostatically held by the member 155 is generated in the electrode. For a unipolar electrode, the substrate 30
Is charged by the plasma ions in the chamber to form a residual charge having the opposite polarity that attracts and holds the substrate to the dielectric member 155. In a bipolar electrode, two parts of the electrode that are electrically insulated from each other are electrically biased relative to each other to generate an electrostatic force that holds the substrate 30 to the dielectric member 155.

【0043】シース電圧波形の歪みは、特定のインピー
ダンスをシース電圧と電流の高調波成分(例えば第2と
第3高調波)に与えると同時に基本周波数においてイン
ピーダンス整合ネットワークと協力して所望のインピー
ダンス整合を提供する高調波フィルタ270を、チャン
バ55と、合同RF/DC電源180(またはインピー
ダンス整合ネットワーク)のRF出力250、255、
260の間に設けることによって、防止される。高調波
フィルタ270を選択して、インピーダンス整合ネット
ワーク235によって提供される基本周数でのインピー
ダンス整合に大きく影響することなく、プラズマシース
で生成される高調波の位相と振幅とを、「正規」の半波
整流正弦シース電圧波形を生成するために必要な高調波
に対して調節する。本発明の一実施形態では、これは、
整合ネットワーク235で与えられるよりもはるかに大
きなインピーダンスを所望の高調波(例えば第2の、ま
たは第2と第3の高調波)に与えるように高調波フィル
タを選択することによって、達成される。
The distortion of the sheath voltage waveform provides a specific impedance to the harmonic components of the sheath voltage and current (eg, the second and third harmonics) and at the same time the desired impedance matching at the fundamental frequency in cooperation with the impedance matching network. , A harmonic filter 270 that provides the RF output 250, 255 of the combined RF / DC power supply 180 (or impedance matching network).
By providing between 260, it is prevented. Choosing the harmonic filter 270 allows the phase and amplitude of the harmonics generated in the plasma sheath to be "normal" without significantly affecting the impedance matching at the fundamental frequency provided by the impedance matching network 235. Adjust for harmonics required to generate half-wave rectified sinusoidal sheath voltage waveform. In one embodiment of the invention, this is
This is achieved by selecting a harmonic filter to provide a much higher impedance to the desired harmonic (eg, the second, or second and third harmonics) than provided by the matching network 235.

【0044】別の実施形態では、直列に配置された複数
の高調波フィルタ(図示せず)は、それぞれ、特定イン
ピーダンスの大きさと位相を、正確な性能最適化のため
に、例えば20個の高調波までのRF信号の特定高調波
に対して提供できる。この実施形態が特に有利かもしれ
ないのは、設計変更の要件が、基板にエッチングされる
開口部のアスペクト比を増加させるからである。高調波
フィルタ270を使用する別の利点は、インピーダンス
整合回路235を最適化して、高調波周波数における挙
動に関係なく、基本周波数において広範囲のプラズマ負
荷インピーダンスを整合させる能力である。これが起こ
るのは、高次の第2および/または第3の高調波では高
調波フィルタ270のインピーダンスが整合回路のイン
ピーダンスより大きいからである。かくして、高調波フ
ィルタ270がインピーダンス整合回路とチャンバ55
間に置かれた好ましい実施形態では、整合回路はプラズ
マシースで発生する高調波周波数成分から隔離される。
In another embodiment, a plurality of harmonic filters (not shown) arranged in series may each be used to adjust the magnitude and phase of a particular impedance to, for example, 20 harmonic filters for accurate performance optimization. Up to a specific harmonic of the RF signal. This embodiment may be particularly advantageous because the design change requirements increase the aspect ratio of the openings etched into the substrate. Another advantage of using harmonic filter 270 is the ability to optimize impedance matching circuit 235 to match a wide range of plasma load impedances at the fundamental frequency, regardless of behavior at harmonic frequencies. This occurs because at higher order second and / or third harmonics, the impedance of the harmonic filter 270 is greater than the impedance of the matching circuit. Thus, the harmonic filter 270 is connected to the impedance matching circuit and the chamber 55.
In a preferred embodiment in-between, the matching circuit is isolated from harmonic frequency components generated in the plasma sheath.

【0045】発明の好ましい実施形態では、高調波フィ
ルタ270は、第2の高調波(および第3の高調波も同
様)における必要な位相レスポンスを提供して正規また
は明瞭な半波整流正弦シース電圧波形を発生させるため
に、主として誘導的である。更に、好ましい実施形態に
よれば、第2と第3の高調波でのインピーダンスの大き
さは比較的高く、通常は約50Ωである。好ましい実施
形態は第2の高調波(および/または第3の高調波)で
誘導インピーダンスを使用するが、注意すべきことは、
いずれにしてもRF出力250、255、260のイン
ピーダンスは大きな実成分を持つ一方、チャンバ負荷イ
ンピーダンスは小さい実成分を持ち、従ってほぼ純粋に
リアクティブで±90度のいずれかの位相角を持つこと
である。かくして、いずれの場合も、高調波フィルタ2
70のエレメントは純粋に容量性か誘導性のいずれかで
ある。後者が好まれるが、その理由は、一般にチャンバ
/プラズマ/シースの負荷インピーダンスが主として容
量性だからである。適当な回路は、1997年4月4日
出願のCraig Rodrick 他による米国特許出願第08/832,7
43号、名称「プラズマシースによって発生する高調波を
濾波することによるプラズマプロセス性能の改良」に記
載される。
In a preferred embodiment of the invention, harmonic filter 270 provides the required phase response at the second harmonic (and the third harmonic as well) to provide a normal or sharp half-wave rectified sinusoidal sheath voltage. Primarily inductive for generating waveforms. Further, according to a preferred embodiment, the magnitude of the impedance at the second and third harmonics is relatively high, typically about 50Ω. Although the preferred embodiment uses inductive impedance at the second harmonic (and / or third harmonic), it should be noted that
In any case, the impedance of the RF outputs 250, 255, 260 has a large real component, while the chamber load impedance has a small real component, and therefore is almost purely reactive and has any phase angle of ± 90 degrees. It is. Thus, in each case, the harmonic filter 2
The 70 elements are either purely capacitive or inductive. The latter is preferred because the load impedance of the chamber / plasma / sheath is generally primarily capacitive. A suitable circuit is disclosed in U.S. patent application Ser.
No. 43, entitled "Improvement of Plasma Process Performance by Filtering Harmonics Generated by Plasma Sheath".

【0046】整合回路235と高調波フィルタ270と
を含むシステムの設計では、基本RF周波数でのインピ
ーダンス整合をもたらすために高調波フィルタのインピ
ーダンス整合を考慮しながら、整合回路コンポーネント
値を選択する。この整合は、処理中のプラズマまたはプ
ラズマチャンバ55の負荷インピーダンスの予想変動を
含む全インピーダンス範囲で、反射RF電力を20%以
下、好ましくは10%以下に制限するだけ精密にする。
高調波フィルタ270のコンポーネント値は、第2の高
調波周波数の全範囲で高い誘導インピーダンスを提供す
るように選択される。この範囲は、整合回路235が、
基本RF周波数を変更してプラズマチャンバ負荷インピ
ーダンスの変動に追従するようなRF同調法を使用する
場合は重要となる。
In designing a system that includes a matching circuit 235 and a harmonic filter 270, the matching circuit component values are selected while taking into account the impedance matching of the harmonic filter to provide impedance matching at the fundamental RF frequency. This matching is precise enough to limit the reflected RF power to no more than 20%, and preferably no more than 10%, over the entire impedance range including the expected variation in the load impedance of the plasma or plasma chamber 55 being processed.
The component values of the harmonic filter 270 are selected to provide a high inductive impedance over the entire range of the second harmonic frequency. This range is determined by the matching circuit 235.
This is important when using an RF tuning method that changes the fundamental RF frequency to follow variations in the plasma chamber load impedance.

【0047】「プラズマイオンの磁気的閉じ込めと撹
拌」図2を参照すると、プラズマイオン密度とエネルギ
ー分布は、基板30の平面に実質上垂直な磁界280を
発生させて基板30の表面の直上のプラズマゾーン65
にプラズマを閉じ込めることによって、更に高められ
る。磁界280は通常、永久磁石285、またはチャン
バ55に隣接する電磁アンテナによって生成されるが、
これは、例えば1989年6月27日発行の米国特許第
4,842,683 号に記載され、引用によって本明細書に組み
込まれている。永久磁石285は、プロセスチャンバ5
5内部の取り外し可能なチャンバライナ290内に密封
された、プラズマを半導体窓140、シリコンリング1
00、および基板30間の領域に閉じ込めて内部チャン
バにプラズマゾーン65を画成する二重円形リングから
成ることが望ましい。磁石285は、磁石からの半径方
向距離と共に急速に減衰する強力な局部磁界280を磁
石の近傍に発生させる半径方向に対向する磁界方向を持
つ。通常、磁界の実際成分は基板表面の上で最大10ガ
ウスである。磁気的閉じ込めはプラズマイオン電流を、
通常は少なくとも2桁の大きさだけ減少させると共に、
内部チャンバ領域の外側で25eVより大きいイオンエ
ネルギーを遮断するのに役立つ。基板30の処理面への
プラズマの磁気的閉じ込めは、基板30の汚染を最小に
しながらプラズマイオンの指向性を増加させる。磁気的
閉じ込めは、外部チャンバ領域のチャンバ壁に形成され
る高分子堆積物の量を少なくするので、エッチング後に
要求されるチャンバ処理ステップも削減される。
"Magnetic Confinement and Stirring of Plasma Ions" Referring to FIG. 2, the plasma ion density and energy distribution produce a magnetic field 280 that is substantially perpendicular to the plane of the Zone 65
It is further enhanced by confining the plasma to The magnetic field 280 is typically generated by a permanent magnet 285 or an electromagnetic antenna adjacent the chamber 55,
This is the case, for example, with U.S. Pat.
No. 4,842,683, which is incorporated herein by reference. The permanent magnet 285
5 is sealed in a removable chamber liner 290 inside the plasma, semiconductor window 140, silicon ring 1
00 and preferably comprises a double circular ring confined in the region between the substrates 30 and defining a plasma zone 65 in the internal chamber. Magnet 285 has a radially opposed magnetic field direction that produces a strong local magnetic field 280 near the magnet that decays rapidly with radial distance from the magnet. Typically, the actual component of the magnetic field is up to 10 Gauss above the substrate surface. Magnetic confinement reduces the plasma ion current,
Usually reduced by at least two orders of magnitude,
Helps block ion energy greater than 25 eV outside the inner chamber area. Magnetic confinement of the plasma to the processing surface of substrate 30 increases the directivity of plasma ions while minimizing contamination of substrate 30. Magnetic confinement also reduces the amount of polymer deposits that form on the chamber walls in the outer chamber area, thereby reducing the chamber processing steps required after etching.

【0048】図6と7は、プラズマイオンの分布の均一
性を高める高指向性磁界をプラズマゾーン65内に発生
させるための多指向性磁界システムを概略的に示す。チ
ャンバ55は、内部にパワー電極165を組み込んだ誘
電体部材155の上の一次バイアス電極として働く金属
天井を備える。電磁コイル295、300、305、3
10のアセンブリや永久磁石(図示せず)等のチャンバ
55に隣接するかその内側の磁界発生器292が、各磁
界発生器によって生成される磁界のベクトル和の磁界を
プラズマゾーンに発生させる。磁界はプラズマゾーン6
5に対する磁界発生器292の位置と運転モードに依存
する。磁界発生器292は、経時変化する角方位と大き
さを持つ多指向性磁界を発生させることが望ましい。一
実施形態では、多指向性磁界発生器292は、チャンバ
55の側壁70に隣接して配置される複数の電磁石29
5、300、305、310を備える。電磁石295、
300、305、310は、電磁石のコイルに加わる電
流を変化させてプラズマゾーンに多指向性磁界を発生さ
せる電磁石電源によって電力を供給される。適切なコイ
ル構成は複数のペア導電コイルを備え、各ペアのコイル
は基板30の平面に実質上平行な磁界を発生させる。電
源は、DC磁界を電気的に発生させると共に、各コイル
ペアによって生成される磁界の角方位の大きさを独立に
変更することによって磁界を選択的に動かすために、選
択された順序で複数のペアコイルに通電する。チャンバ
55の側壁70に隣接して配置する代わりに、電磁界発
生器292を、チャンバの天井の上、および/または内
部にパワー電極165を有する単体誘電体部材155の
下に配置することも可能で、これは例えば、引用によっ
て本明細書に組み込まれた米国特許第5,255,024 号に開
示されている。その他に、磁界発生器292は、チャン
バ55の側壁70に隣接して配置された複数の可動永久
磁石を備えることができる(図示せず)。磁石は、円ま
たは楕円軌道で回転、および/または直線的に運動して
プラズマゾーン65に多指向性磁界を発生させるアーマ
チャに装着してもよい。適当な永久磁石は、約35ない
し約100ガウスの磁界強さを持つニッケルフェライ
ト、コバルトフェライト、またはバリウムフェライト等
の強磁性体から構成される。
FIGS. 6 and 7 schematically show a multi-directional magnetic field system for generating a highly directional magnetic field in the plasma zone 65 that enhances the uniformity of the distribution of plasma ions. The chamber 55 has a metal ceiling that acts as a primary bias electrode on a dielectric member 155 with a power electrode 165 incorporated therein. Electromagnetic coils 295, 300, 305, 3
A magnetic field generator 292 adjacent to or within chamber 55, such as an assembly of ten or permanent magnets (not shown), generates a magnetic field in the plasma zone that is the vector sum of the magnetic fields generated by each magnetic field generator. Magnetic field is plasma zone 6
5 depending on the position of the magnetic field generator 292 and the operating mode. It is desirable that the magnetic field generator 292 generates a multidirectional magnetic field having an angular azimuth and magnitude that change over time. In one embodiment, multidirectional magnetic field generator 292 includes a plurality of electromagnets 29 disposed adjacent sidewall 70 of chamber 55.
5, 300, 305, and 310. Electromagnet 295,
300, 305, 310 are powered by an electromagnet power supply that changes the current applied to the electromagnet coil to generate a multi-directional magnetic field in the plasma zone. A suitable coil configuration comprises a plurality of pairs of conductive coils, each pair of coils generating a magnetic field substantially parallel to the plane of the substrate 30. The power supply electrically generates a DC magnetic field and a plurality of paired coils in a selected order to selectively move the magnetic field by independently changing the angular orientation of the magnetic field generated by each coil pair. Turn on electricity. Instead of being located adjacent to the side wall 70 of the chamber 55, the electromagnetic field generator 292 can be located above the ceiling of the chamber and / or below the unitary dielectric member 155 having the power electrode 165 inside. This is disclosed, for example, in US Pat. No. 5,255,024, which is incorporated herein by reference. In addition, the magnetic field generator 292 can include a plurality of movable permanent magnets located adjacent to the side wall 70 of the chamber 55 (not shown). The magnet may be mounted on an armature that rotates and / or moves linearly in a circular or elliptical orbit to generate a multidirectional magnetic field in the plasma zone 65. Suitable permanent magnets comprise a ferromagnetic material such as nickel ferrite, cobalt ferrite, or barium ferrite having a magnetic field strength of about 35 to about 100 Gauss.

【0049】電磁界発生器292は、各コイルまたは磁
石によって生成される磁界のベクトル和の磁界であって
チャンバ55に対するそれらの位置と運転モードに依存
する磁界を発生させる。電磁コイルまたは磁石は、基板
30の表面に実質上平行で基板表面に直交する軸のまわ
りに対称な成分を有する磁界を提供するように構成でき
る。この形態では、プラズマ内の電子に付与されたEX
Bドリフト速度は方位的で、プラズマシース内の電子を
付勢して、基板30の処理面に平行、かつそのすぐ上の
平面内の円形経路をたどって移動させる。別の実施形態
では、コイルまたは磁石は、基板30の平面に実質的に
直交する主成分を有する磁界を提供するように構成され
る。更に別の実施形態では、コイルまたは磁石は、プラ
ズマゾーン65に対してある角度を成すか、そのスペー
スまたは容積を横切って湾曲した、基板30の平面の上
の成分を有する磁界を提供するように構成される。磁界
発生器292の磁界の特定方位は、基板30の処理の均
一性と速度を高めるように選択される。
The electromagnetic field generator 292 generates a magnetic field that is the vector sum of the magnetic fields generated by each coil or magnet and that is dependent on their position with respect to the chamber 55 and the mode of operation. The electromagnetic coils or magnets can be configured to provide a magnetic field having a component substantially parallel to the surface of the substrate 30 and symmetric about an axis orthogonal to the substrate surface. In this embodiment, the EX given to the electrons in the plasma
The B drift velocity is azimuthal and energizes the electrons in the plasma sheath to move along a circular path in a plane parallel to and just above the processing surface of substrate 30. In another embodiment, the coil or magnet is configured to provide a magnetic field having a principal component that is substantially orthogonal to the plane of substrate 30. In yet another embodiment, the coils or magnets are at an angle to the plasma zone 65 or provide a magnetic field having a component above the plane of the substrate 30 that is curved across its space or volume. Be composed. The particular orientation of the magnetic field of the magnetic field generator 292 is selected to increase the uniformity and speed of processing of the substrate 30.

【0050】好ましい実施形態では、磁界発生器29
5、300、305、310は、それぞれ、ペデスタル
/カソードおよび基板にほぼ平行で相互に垂直な磁気ベ
クトルBy 、Bx を形成するが、それについては、通例
的に所有される米国特許第5,215,619 号に開示され、引
用によって本明細書に組み込まれている。図6の例示的
な図では、コンピュータ312がライン315、32
0、325、330を介して従来の電源システム33
5、340、345、350に制御信号を加えることに
よって、導体355、360、365、370を通して
電磁石295、300、305、310にそれぞれ供給
される電流の大きさと方向を制御する。関連電流は、各
コイルペアによって生成される磁界の方向と大きさを決
定する。その他に、コンピュータ312を使って、円/
楕円形に回転するか直線方向に往復運動可能なアーマチ
ャ内に配置された強磁性体製永久磁石のセットを備えた
磁界発生器292の往復運動を制御することもできる。
電磁界発生器292によって生成される垂直磁界ベクト
ルBy 、Bx は、関数Bx =Bcosθ、およびBy =
Bsinθによって定義される。磁界Bとその角方位θ
の所望値または要求値が与えられると、コンピュータ3
12は独立に式を解いて所望の磁界強度と方位を提供す
る関連磁界ベクトルBy 、Bx を得た後、コイルの必要
な電流の適用を制御するか永久磁石の動きを制御するこ
とによって所望の磁界By 、Bx を提供する。
In the preferred embodiment, the magnetic field generator 29
5,300,305,310 respectively form magnetic vectors By, Bx which are substantially parallel and mutually perpendicular to the pedestal / cathode and the substrate, as generally described in commonly owned US Pat. No. 5,215,619. Disclosed and incorporated herein by reference. In the exemplary illustration of FIG. 6, computer 312 has lines 315, 32
0, 325, 330 via a conventional power system 33
By applying control signals to 5, 340, 345, 350, the magnitude and direction of the current supplied to electromagnets 295, 300, 305, 310 through conductors 355, 360, 365, 370, respectively, are controlled. The associated current determines the direction and magnitude of the magnetic field generated by each coil pair. In addition, using computer 312,
It is also possible to control the reciprocation of a magnetic field generator 292 with a set of ferromagnetic permanent magnets arranged in an armature that can rotate in an oval or reciprocate in a linear direction.
The vertical magnetic field vectors By and Bx generated by the electromagnetic field generator 292 are represented by the functions Bx = Bcos θ and By =
B sin θ. Magnetic field B and its angular orientation θ
When a desired value or a required value is given, the computer 3
12 independently solves the equations to obtain the associated magnetic field vectors By and Bx that provide the desired magnetic field strength and orientation, and then control the application of the required current in the coil or the movement of the permanent magnet to control the desired magnetic field. The magnetic fields By and Bx are provided.

【0051】更に、DC磁界の角方位と大きさは、電磁
コイル295、300、305、310の電流を変更す
ることにより、または磁石の回転運動によって、所望す
る通りに急速またはゆっくりと、独立して変更できる。
コンピュータ312の制御を使って、磁界がそれぞれの
角度位置、角ステッピング関数の方向、および磁界の強
さにある時間を変更する。かくして、選ばれた方位と時
間の増分を使って、磁界を基板30のまわりにステップ
させることができる。希望すれば、プロセス条件やチャ
ンバ構成が一定の磁界強さを要求する場合は結果として
の磁界Bθの大きさを変更してもよい。電磁コイルへの
電流を逐次的に変更するか磁石を回転させることによっ
て、磁界を2ないし5秒/回転の遅い速度で回転させる
ことが望ましい。これが磁界を基板30のまわりにステ
ップさせて、基板を横切る一方向ではなく、基板まわり
の360度でエッチングの均一性を増加させる。その結
果、低圧エッチングシステムの場合をも超える指向性と
選択性と均一性で、広範囲の圧力にわたってチャンバ5
5を使用できる。
In addition, the angular orientation and magnitude of the DC magnetic field can be independently changed as quickly or slowly as desired by changing the current in the electromagnetic coils 295, 300, 305, 310, or by rotating the magnets. Can be changed.
The control of the computer 312 is used to change the time the magnetic field is at each angular position, the direction of the angular stepping function, and the strength of the magnetic field. Thus, the magnetic field can be stepped around substrate 30 using the selected orientation and increment of time. If desired, the magnitude of the resulting magnetic field Bθ may be changed if the process conditions or chamber configuration requires a constant magnetic field strength. It is desirable to rotate the magnetic field at a slow rate of 2 to 5 seconds / revolution by sequentially changing the current to the electromagnetic coil or rotating the magnet. This causes the magnetic field to step around the substrate 30 and increase the etch uniformity at 360 degrees around the substrate rather than in one direction across the substrate. As a result, the chamber 5 over a wide range of pressures with directivity, selectivity, and uniformity over even low pressure etching systems.
5 can be used.

【0052】エッチングプロセスでは一般に、磁界の強
さが増すにつれて、プラズマエッチングプロセスで形成
される保護側壁堆積物が厚くなり(酸素ソースが存在す
る場合)、エッチングされたトレンチのプロフィールの
テーパが大きくなって湾曲が小さくなる。磁界を変更す
る能力が、トレンチの深さの大きいエッチングフィーチ
ャ・プロファイルの制御を可能にする。例えば、非常に
狭くて深いトレンチでは、誘電体材料によるトレンチの
充填を容易にするために、より広いトレンチ開口を持つ
ことが望ましいだろう。磁界の調節によってもたらされ
るテーパ制御は、漏斗形で、広口の、胴の狭いトレンチ
を提供する。
In an etching process, generally, as the strength of the magnetic field increases, the protective sidewall deposit formed in the plasma etching process becomes thicker (if an oxygen source is present) and the profile of the etched trench becomes tapered. And the curvature becomes smaller. The ability to change the magnetic field allows for control of the etched feature profile at large trench depths. For example, in very narrow and deep trenches, it may be desirable to have a wider trench opening to facilitate filling of the trench with dielectric material. The taper control provided by the adjustment of the magnetic field provides a funnel-shaped, wide-mouth, narrow-trench trench.

【0053】プロセスチャンバ55用コンピュータ制御
システム312は、例えばカリフォルニア州、Synenerg
y Microsystemsから市販される68040マイクロプロ
セッサ等の周辺制御コンポーネント付き記憶システムに
相互接続された中央処理装置(CPU)を備えた従来の
コンピュータシステムで動作するコンピュータプログラ
ムを使って運用される。コンピュータプログラムコード
は任意の従来型コンピュータ読取り可能プログラム言
語、例えば68000アセンブリ言語、C、C++、パ
スカル等で書ける。適当なプログラムコードは、従来の
テキストエディタを使って単一ファイルまたはマルチフ
ァイルに入力されて、コンピュータの記憶システム等の
コンピュータ使用可能媒体に格納されるか組み込まれ
る。入力されたコードテキストが高レベル言語の場合、
コードがコンパイルされ、結果のコンパイラコードが次
に、プリコンパイルされたウインドウズ・ライブラリ・
ルーチンの目的コードとリンクされる。リンクされたコ
ンパイル済み目的コードを実行するには、システムユー
ザーがその目的コードを呼び出し、それによってコンピ
ュータシステム312がそのコードをメモリにロードし
て、プログラムで識別されたタスクが実行される。
The computer control system 312 for the process chamber 55 may be, for example, Synnerg, Calif.
Operated using a computer program running on a conventional computer system with a central processing unit (CPU) interconnected with a storage system with peripheral control components, such as the 68040 microprocessor available from y Microsystems. The computer program code can be written in any conventional computer readable programming language, for example, 68000 assembly language, C, C ++, Pascal, and the like. Suitable program code is entered into a single file or multiple files using a conventional text editor and stored or incorporated in a computer usable medium, such as a computer storage system. If the entered code text is in a high-level language,
The code is compiled and the resulting compiler code is then compiled into the precompiled Windows Library
Linked to the routine's purpose code. To execute the linked compiled objective code, a system user calls the objective code, which causes the computer system 312 to load the code into memory and perform the tasks identified in the program.

【0054】「湾曲ドーム天井」図8と9は、ドーム形
天井140を持つ円筒形を有するプロセスチャンバ55
の別の実施形態を示す。ドーム天井140は、RF電界
に対して透過する誘電体材料から構成するか、あるいは
シリコンの一体ピース、または湾曲した形状を与えるよ
うに接着剤を使って互いに結合されたシリコンのタイル
から構成できる。天井140は平面、ドーム、円錐、円
錐台、円筒、またはそれらの形の組合せを含む任意の適
切な形状でよい。誘導子アンテナ135は、三次元形状
を画成する天井に対してもチャンバ55の上面が非形状
適合的であること、すなわちアンテナの垂直方向ピッチ
(垂直高さを水平幅で除したもの)がチャンバ55の上
面のピッチより大きいことが望ましい。この構成は、ア
ンテナ135の誘導電界をそれらの各対称の中心軸の近
くに集中させる。また、アンテナ135は、チャンバの
側面のまわりでなくてプロセスチャンバ55の天井14
0の上に配置されるので、必要な誘導浸透厚さを備える
ように要求されるチャンバの容積が小さくなり、プラズ
マゾーン65を、より小さいスペース容積に閉じ込める
ことができる。
"Curved Dome Ceiling" FIGS. 8 and 9 show a process chamber 55 having a cylindrical shape with a domed ceiling 140. FIG.
3 shows another embodiment of the present invention. The dome ceiling 140 can be constructed of a dielectric material that is transparent to the RF electric field, or can be constructed of an integral piece of silicon or silicon tiles bonded together using an adhesive to provide a curved shape. Ceiling 140 may be any suitable shape, including a flat surface, a dome, a cone, a truncated cone, a cylinder, or a combination of these shapes. The inductor antenna 135 has a configuration in which the upper surface of the chamber 55 is not conformable to the ceiling defining a three-dimensional shape, that is, the vertical pitch (the vertical height divided by the horizontal width) of the antenna is low. It is desirable that the pitch be larger than the pitch of the upper surface of the chamber 55. This configuration concentrates the induced electric fields of antennas 135 near their respective symmetry central axes. Also, the antenna 135 is not located around the side of the chamber, but
Being located above zero, the volume of the chamber required to provide the required induced penetration thickness is reduced, and the plasma zone 65 can be confined to a smaller space volume.

【0055】「プラズマイオン密度とエネルギー分布」
チャンバ内の基板表面上のプラズマイオン密度とエネル
ギー密度関数を明らかにするために、本明細書に記載さ
れる様々なチャンバ構成について各種の実験が行なわれ
た。例えば、基板30の表面のイオンエネルギースペク
トルが、本発明のプロセスチャンバ55をシミュレート
した環境で、従来のプロセスチャンバをシミュレートし
た環境と比較して測定された。従来のプロセスチャンバ
20は8300ピコファラドのチャンバ負荷インピーダ
ンスだったが、本設計のチャンバ70ははるかに低い約
450ピコファラド(従来チャンバのインピーダンスの
約1/18)のチャンバ負荷インピーダンスだった。両
チャンバは約358ピコファラドの一定プラズマ負荷イ
ンピーダンスだった。かくして、本発明では、プラズマ
による負荷インピーダンスはチャンバ自体によるインピ
ーダンスよりもはるかに大きく、その結果、RF電圧モ
ジュール265のインピーダンスをプラズマのインピー
ダンスに整合させるように固定整合ネットワーク235
を設計することが可能である。両チャンバで、プラズマ
イオンエネルギースペクトルは、誘電体部材155に内
蔵されてファイバーオプティックで外部環境に連結され
た小型バッテリ駆動静電エネルギー分析器を使って測定
された。誘電体部材155はブランクのシリコンウェー
ハで覆われていたので、ウェーハを通して加工した小孔
が分析器へのプラズマイオンのアクセスを可能にした。
この構成が、チャンバ55内の現状ままの、実際のプロ
セス状態でのプラズマイオンエネルギー分布の測定を可
能にした。
"Plasma ion density and energy distribution"
Various experiments were performed on the various chamber configurations described herein to determine the plasma ion density and energy density function on the substrate surface in the chamber. For example, the ion energy spectrum of the surface of the substrate 30 was measured in a simulated environment of the process chamber 55 of the present invention as compared to a simulated environment of a conventional process chamber. Whereas the conventional process chamber 20 had a chamber load impedance of 8300 picofarads, the chamber 70 of this design had a much lower chamber load impedance of about 450 picofarads (about 1/18 of the impedance of the conventional chamber). Both chambers had a constant plasma load impedance of about 358 picofarads. Thus, in the present invention, the load impedance due to the plasma is much larger than the impedance due to the chamber itself, so that the impedance of the RF voltage module 265 is matched to the impedance of the plasma by the fixed matching network 235.
It is possible to design In both chambers, the plasma ion energy spectrum was measured using a small battery powered electrostatic energy analyzer built into the dielectric member 155 and connected to the external environment with fiber optics. Since the dielectric member 155 was covered with a blank silicon wafer, the small holes machined through the wafer allowed access of the plasma ions to the analyzer.
This configuration makes it possible to measure the plasma ion energy distribution in the actual process state in the chamber 55 as it is.

【0056】図10は、基板の下の「ホット」なカソー
ド電極と、カソードを囲む絶縁体シールドとを有する従
来のプロセスチャンバ20のエネルギー分布を示す。チ
ャンバ20は、絶縁体シールド構造その他のチャンバ内
のコンポーネントから生じる、より高い容量性負荷を持
つ。この、より高い容量性負荷が、特に高次のRFバイ
アス電力レベルでプラズマイオンエネルギー分布に大き
く影響して、多モードまたは多重ピークのイオンエネル
ギー分布をもたらす。異なるエネルギーレベルで中心を
作る多重ピークは、実質的に異なるエネルギーレベルを
持つイオンの大きな分布や広がりを提供すると共に、エ
ネルギー値の低い比較的多数のプラズマイオンをもたら
す。例えば、600WのRFバイアス電力における第1
のカーブは230eVでピークを持ち、これは、図11
に示す本チャンバ設計で同一RF電力レベルに対して得
られたイオンエネルギー分布カーブに比べて約100e
V低い。かくして、同一RFバイアス電力レベルでは、
高次のエネルギーレベルでのイオン総数が、従来のチャ
ンバ設計では本チャンバ55の場合より少なくなる。高
次のRFバイアス電力レベルでは、大小の両ピークを持
つ双モード(bimodal)分布が得られる。そのような双モ
ードエネルギー分布は、基板30の狭いか、高アスペク
ト比の孔を効率的にエッチングせず、しばしば「エッチ
・ストップ」プロセス(この場合、エッチングプロセス
は、必要な深さ全体をエッチングせずにトレンチの中で
停止する)をもたらす。
FIG. 10 shows the energy distribution of a conventional process chamber 20 having a "hot" cathode electrode under the substrate and an insulator shield surrounding the cathode. Chamber 20 has a higher capacitive load resulting from insulator shield structures and other components within the chamber. This higher capacitive load significantly affects the plasma ion energy distribution, especially at higher RF bias power levels, resulting in a multi-mode or multi-peak ion energy distribution. Multiple peaks centered at different energy levels provide a large distribution and spread of ions with substantially different energy levels, and result in a relatively large number of plasma ions having low energy values. For example, the first at 600 W RF bias power
Has a peak at 230 eV, which is shown in FIG.
Approximately 100e compared to the ion energy distribution curve obtained for the same RF power level with this chamber design shown in
V lower. Thus, at the same RF bias power level,
The total number of ions at higher energy levels is lower in the conventional chamber design than in the present chamber 55. At higher RF bias power levels, a bimodal distribution with both large and small peaks is obtained. Such a bimodal energy distribution does not efficiently etch narrow or high aspect ratio holes in substrate 30 and often results in an "etch stop" process (where the etching process etches the entire required depth). Without stopping in the trench).

【0057】それとは対照的に、比較的低い容量性負荷
と多重電極を持つ本発明のプロセスチャンバ55は、チ
ャンバのパワー電極165に加わるRFバイアス電圧に
かかわらず、実質的に単モードのイオンエネルギー分布
を提供した。図11は、一次と二次のバイアス電極14
5、170が電気的に接地され、チャンバ55の上の単
一誘導子コイルが2800Wの一定電力レベルで作動さ
れる状態で、パワー電極165に加わるRFバイアス電
圧の増加の関数としてのエネルギー分布を示す。図で、
x軸は測定されたプラズマイオンエネルギーレベルを示
し、y軸はセンサに達したプラズマイオンの数を、パワ
ー電極165に加わるRFバイアス電圧の増加の関数と
して示す。測定されたプラズマイオンエネルギーレベル
のピークはRF波形の最大負電圧に対応する。約600
WのRFバイアスでの第1のカーブのピークは、330
eVに中心を持つピークを有する単モードのイオンエネ
ルギー分布を示す単一の高強度ピークを構成する。RF
バイアス電圧の増加につれて、単モードイオンエネルギ
ー分布のピークの平均値は右に移動して、800WのR
Fバイアス電力レベルでは400eVでピークを持つ。
RFバイアス電力レベルが1000、1200、140
0、1600Wと増加するにつれて、イオンエネルギー
レベルは右に移動して約600eVでピークとなる。x
軸を横に移動する単モードイオンエネルギー分布は、プ
ラズマに加わるすべての電力が高アスペクト比のトレン
チ、例えば、狭い開口を持つ垂直方向に長いSACエッ
チやコンタクトエッチをエッチングする高指向性イオン
を作るために効率的に使用されることを示している。こ
れらの実験から明らかなのは、単モードイオンエネルギ
ー分布は、イオンエネルギーレベルの広がりが比較的小
さい単一のピークを持ち、電極に加わるRF電圧の増加
と共に、双モードや拡散(spread-out)イオンエネルギー
分布に形を変えることなく、より高いエネルギーレベル
に一様に移動することである。
In contrast, the process chamber 55 of the present invention having a relatively low capacitive load and multiple electrodes provides substantially single mode ion energy regardless of the RF bias voltage applied to the chamber power electrode 165. Provided distribution. FIG. 11 shows the primary and secondary bias electrodes 14.
5, 170 are electrically grounded and the single inductor coil above the chamber 55 is operated at a constant power level of 2800 W, with the energy distribution as a function of the RF bias voltage applied to the power electrode 165 being increased. Show. In the figure,
The x-axis shows the measured plasma ion energy level, and the y-axis shows the number of plasma ions that reached the sensor as a function of increasing RF bias voltage on power electrode 165. The peak of the measured plasma ion energy level corresponds to the maximum negative voltage of the RF waveform. About 600
The peak of the first curve at an RF bias of W is 330
Construct a single high intensity peak that exhibits a monomode ion energy distribution with a peak centered at eV. RF
As the bias voltage increases, the average value of the peak of the single mode ion energy distribution shifts to the right, and the 800 W R
It has a peak at 400 eV at the F bias power level.
RF bias power levels of 1000, 1200, 140
As it increases to 0, 1600 W, the ion energy level moves to the right and peaks at about 600 eV. x
A single-mode ion energy distribution traveling transverse to the axis creates a highly directional ion where all power applied to the plasma etches high aspect ratio trenches, such as vertically long SAC etches with narrow openings and contact etches. To be used efficiently. It is clear from these experiments that the monomode ion energy distribution has a single peak with a relatively small spread of ion energy levels, and that the bimodal and spread-out ion energy increases with increasing RF voltage applied to the electrodes. It is to move uniformly to higher energy levels without changing its shape.

【0058】図12は、RF誘導電界が半導体天井14
0を介して誘導子アンテナ135から伝達されたときの
低誘導電力損失または吸収を表す実験結果を提供する。
この実験では、2つの誘導子アンテナが直径13.5イ
ンチ、厚さ1インチのシリコンスラブの両側に置かれ
た。スラブの一方の側の誘導子アンテナ135は可変周
波数RF電源に接続され、他方の側のアンテナは多チャ
ンネル分析器に接続された。RF電源の周波数は1kH
zから10MHzまで掃引された。結果の多チャンネル
分析器の出力を図13に示す。「大きさ」と表示したカ
ーブでは、垂直軸は受信信号と送信信号の大きさの比
で、スケールの最上部の1の値から0.1の目盛りで下
降するのに対して、水平軸は1kHzから10MHzま
でのRF周波数を示す。「位相」と表示した軸は、受信
信号と送信信号の位相角間の差を表し、スケールの最上
部の20°の値から20°の目盛りで減少する。図13
がはっきり示すように、シリコンスラブを通る誘導結合
RF電力の損失は、約2MHzの周波数まで事実上存在
せず、約2MHzの周波数で誘導結合RF電力の比較的
低い損失がある。
FIG. 12 shows that the RF induction electric field is applied to the semiconductor ceiling 14.
Experimental results are presented that represent low induced power loss or absorption when transmitted from inductor antenna 135 via zero.
In this experiment, two inductor antennas were placed on either side of a 13.5 inch diameter, 1 inch thick silicon slab. The inductor antenna 135 on one side of the slab was connected to a variable frequency RF power supply, and the antenna on the other side was connected to a multi-channel analyzer. RF power frequency is 1kHz
Swept from z to 10 MHz. The output of the resulting multi-channel analyzer is shown in FIG. In the curve labeled "magnitude", the vertical axis is the ratio of the magnitude of the received signal to the transmitted signal, falling from the value of 1 at the top of the scale at a scale of 0.1, while the horizontal axis is Shows RF frequencies from 1 kHz to 10 MHz. The axis labeled "Phase" represents the difference between the phase angle of the received signal and the transmitted signal, decreasing from the 20 ° value at the top of the scale on a 20 ° scale. FIG.
As is evident, there is virtually no loss of inductively coupled RF power through the silicon slab up to a frequency of about 2 MHz, and there is a relatively low loss of inductively coupled RF power at a frequency of about 2 MHz.

【0059】広範囲のプラズマイオン飽和電流とプラズ
マイオン電流の均一性を、基板30の表面を横切る半径
方向位置の関数として図13に示す。この実験では、図
2のプロセスチャンバ55は、アルゴンと酸素ガスが
3:1の割合で600sccmの流量で供給された。シ
リコン天井140の温度は210℃に維持された。プロ
セス電極に供給されたバイアス電力は0Wに保持され、
チャック用電極へのDCバイアスは−100V DCだ
った。総電源電力は1800Wに維持された。第1の最
下部カーブ400は1050Wの外部コイル電力と75
0Wの内部コイル電力に対して得られたもので、第2の
カーブ405は1200/600W、第3のカーブ41
0は1275/525W、第4のカーブ415は135
0/450W、第5のカーブ420は1500/300
W、そして第6のカーブ425は1800/0Wの、そ
れぞれ、外部/内部コイルに対する電力に対して得られ
たものである。図から明らかなように、内部と外部の電
源コイル電力比を変更することによって、イオン飽和電
流が広範囲の電源およびバイアス電力レベルにわたって
一定になる。また、イオン飽和電流はコイル電力レベル
に直線的に依存し、異なる電極に加わるRFバイアス電
力レベルから本質的に独立である。更に、基板DCバイ
アスで電圧とDCRF負ピーク電圧(基板30における
平均およびピークイオンエネルギーの概略指標)はRF
バイアス電力レベルに直線的に依存する。イオン電流の
均一性とパターン加工酸化物イオンエッチング速度の均
一性の間の密接な相関も、代表的なエッチングプロセス
に対して示される。
FIG. 13 shows a wide range of plasma ion saturation currents and plasma ion current uniformity as a function of radial position across the surface of substrate 30. In this experiment, the process chamber 55 of FIG. 2 was supplied with argon and oxygen gas at a ratio of 3: 1 at a flow rate of 600 sccm. The temperature of the silicon ceiling 140 was maintained at 210 ° C. The bias power supplied to the process electrode is maintained at 0 W,
The DC bias applied to the chucking electrode was -100 V DC. Total power supply was maintained at 1800W. The first bottom curve 400 has an external coil power of 1050 W and 75
For the internal coil power of 0 W, the second curve 405 is 1200/600 W, the third curve 41
0 is 1275 / 525W, 4th curve 415 is 135
0 / 450W, fifth curve 420 is 1500/300
W and the sixth curve 425 were obtained for 1800/0 W, respectively, of power to the external / internal coils. As can be seen, by varying the internal to external power coil power ratio, the ion saturation current is constant over a wide range of power and bias power levels. Also, the ion saturation current is linearly dependent on the coil power level and is essentially independent of the RF bias power level applied to the different electrodes. Further, the voltage and the DCRF negative peak voltage (a rough index of the average and peak ion energy in the substrate 30) at the substrate DC bias are RF
It depends linearly on the bias power level. A close correlation between ionic current uniformity and patterned oxide ion etch rate uniformity is also shown for a typical etch process.

【0060】次の実験では、外部と内部のアンテナに加
わる電源電力の比は2:1に保たれ、チャンバ圧力は、
3:1の割合の、100sccmの流量のArとO2
ら成るプロセスガスを使用して5mTorrに保たれ
た。図14から明らかなのは、イオン飽和電流は、誘導
子コイルに加わる電源電力レベルの増加と共に直線的に
変化して、プロセス電極に加わるRF電力から事実上独
立していることである。RFバイアス電力レベルが12
00Wから2倍の2400Wまで増大しても、イオン飽
和電流はわずかしか増加しない。それとは対照的に、イ
オン飽和電流は電源電力レベルの上昇に対して急速に増
加する。しかしながら、図15から分かるように、プロ
セス電極に印加されるRFバイアス電力がウェーハDC
バイアス電圧の線形制御をもたらす。かくして、誘導子
コイルに対する電源電力レベルとプロセス電極に印加さ
れる電力レベルの独立した制御は、プラズマゾーンのプ
ラズマイオン密度とエネルギー分布の最適制御を提供す
る。
In the next experiment, the ratio of the power applied to the external and internal antennas was kept at 2: 1 and the chamber pressure was
The process gas was maintained at 5 mTorr using a process gas consisting of Ar and O 2 at a flow rate of 100 sccm at a ratio of 3: 1. It is clear from FIG. 14 that the ion saturation current varies linearly with increasing power supply power applied to the inductor coil, making it virtually independent of the RF power applied to the process electrode. RF bias power level is 12
Even if the power is increased from 00 W to 2400 W, the ion saturation current increases only slightly. In contrast, ion saturation current increases rapidly with increasing power supply power levels. However, as can be seen from FIG. 15, the RF bias power applied to the process
This results in a linear control of the bias voltage. Thus, independent control of the power supply power level for the inductor coil and the power level applied to the process electrode provides optimal control of the plasma ion density and energy distribution of the plasma zone.

【0061】図16(a)と16(b)は、チャンバ5
5のプラズマゾーン65内のプラズマの磁気的プラズマ
閉じ込めをはっきりと示している。図16(a)は、プ
ラズマゾーン65の内部と外側の、O2+プラズマイオ
ン密度とプラズマイオンエネルギーに対する磁気的プラ
ズマ閉じ込めとバイアス電力の影響を示す。永久磁石2
85の存在はプラズマゾーン65の外側のイオン密度を
二桁の大きさだけ減少させ、25eV以上のイオンエネ
ルギーを遮断する。図16(b)は、チャンバ55の表
面を横切って半径方向に動くラングミュア・プローブで
測定された磁気的プラズマ閉じ込めを示す。これらの実
験では、フルオロカーボン・プロセスガスがチャンバ5
5に導入され、チャンバ圧力は90mTorrに維持さ
れた。1600Wで−100V DCのバイアス電位の
RF電圧がパワー電極165に印加された。3100W
の電力レベルの電流が外部誘導子コイルに印加され、1
800Wの電力レベルの電流が内部誘導子コイルに印加
された。イオン飽和電流とプラズマ浮遊電位は、基板3
0の半径全体にわたって均一だったことが分かる。ま
た、イオン電位は基板60の半径を超えると低下して、
プラズマゾーン65を超えると磁気的閉じ込めのために
急速に低下すること、および浮遊電位は、イオン電流よ
りもゆっくりだが、半径の増加と共に低下することが分
かる。
FIGS. 16A and 16B show the chamber 5
5 clearly shows the magnetic plasma confinement of the plasma in the plasma zone 65 of FIG. FIG. 16A shows the effect of magnetic plasma confinement and bias power on O 2 + plasma ion density and plasma ion energy inside and outside the plasma zone 65. Permanent magnet 2
The presence of 85 reduces the ion density outside the plasma zone 65 by two orders of magnitude and blocks ion energies above 25 eV. FIG. 16 (b) shows the magnetic plasma confinement measured with a Langmuir probe moving radially across the surface of the chamber 55. In these experiments, a fluorocarbon process gas was applied to chamber 5
5 and the chamber pressure was maintained at 90 mTorr. An RF voltage of 1600 W and a bias potential of −100 V DC was applied to the power electrode 165. 3100W
Is applied to the external inductor coil,
A current at a power level of 800 W was applied to the inner inductor coil. The ion saturation current and the plasma floating potential
It can be seen that it was uniform over the entire radius of zero. Further, the ion potential decreases when the radius exceeds the radius of the substrate 60,
It can be seen that beyond the plasma zone 65, it drops rapidly due to magnetic confinement, and the floating potential is slower than the ionic current, but drops with increasing radius.

【0062】[0062]

【発明の効果】本発明を、その好ましい形態に関してか
なり詳細に説明したが、他の形態も可能である。例え
ば、半導体天井140は、誘導電界透過窓上に適用され
た半導体材料の薄い金属層から構成できる。また、異な
るバイアスレベルで作動する追加のプロセス電極も、本
発明の範囲から逸脱することなくチャンバ55の中で使
用できる。更に、上部、下部、中心部、天井、ベース、
床その他の構造の空間方位の上記用語は、本発明の範囲
に影響することなく、同等または反対の方位に変更でき
る。従って、付属の請求項を、発明の説明のために本明
細書に記載された好ましい形態、材料、または空間配置
の記述に限定してはならない。
Although the present invention has been described in considerable detail with respect to its preferred form, other forms are possible. For example, the semiconductor ceiling 140 can be comprised of a thin metal layer of semiconductor material applied over the inductive field transmission window. Also, additional process electrodes operating at different bias levels can be used in the chamber 55 without departing from the scope of the present invention. In addition, top, bottom, center, ceiling, base,
The above terms of spatial orientation of floors and other structures can be changed to equivalent or opposite orientations without affecting the scope of the invention. Therefore, the appended claims should not be limited to the description of the preferred forms, materials, or spatial arrangements described herein for the purpose of describing the invention.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】従来技術のプロセスチャンバの概略部分断面図
であり、カソードまわりの絶縁体シールドとチャンバ内
に形成されたキャパシタンス結合とを示す。
FIG. 1 is a schematic partial cross-sectional view of a prior art process chamber, showing an insulator shield around a cathode and a capacitance coupling formed in the chamber.

【図2】本発明によるプロセスチャンバの概略断面図で
あり、誘導子コイル、一次バイアス電極、パワー電極、
および二次バイアス電極の代表的な配置を示す。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a process chamber according to the present invention, including an inductor coil, a primary bias electrode, a power electrode,
And a typical arrangement of secondary bias electrodes.

【図3】(a)はプロセスチャンバの下部の部分断面斜
視図であり、パワー電極を内部に埋め込んだ単体モノリ
シック誘電体部材と、冷却チャネルを持った下にくる二
次バイアス電極とを示し、(b)は(a)の単体モノリ
シック誘電体部材の概略断面図であり、内部に埋め込ま
れた電極を示す。
FIG. 3 (a) is a partial cross-sectional perspective view of the lower portion of the process chamber, showing a single monolithic dielectric member having a power electrode embedded therein and a lower secondary bias electrode having a cooling channel; (B) is a schematic cross-sectional view of the single-piece monolithic dielectric member of (a), showing an electrode embedded therein.

【図4】プロセスチャンバの概略部分断面図であり、パ
ワー電極、一次と二次のバイアス電極、および誘導子コ
イルに電力を供給するための電源のブロック線図を示
す。
FIG. 4 is a schematic partial cross-sectional view of a process chamber showing a block diagram of a power supply for supplying power to a power electrode, primary and secondary bias electrodes, and an inductor coil.

【図5】(a)はプロセスチャンバの別の実施形態の概
略部分断面図であり、好ましいコイル構成を示し、
(b)は(a)のプロセスチャンバで使用される誘導子
アンテナコイルの斜視図である。
FIG. 5 (a) is a schematic partial cross-sectional view of another embodiment of the process chamber, showing a preferred coil configuration;
(B) is a perspective view of the inductor antenna coil used in the process chamber of (a).

【図6】プロセスチャンバ内に多指向性磁界を発生させ
るための磁界発生システムの概略図である。
FIG. 6 is a schematic diagram of a magnetic field generation system for generating a multi-directional magnetic field in a process chamber.

【図7】図6のプロセスチャンバの概略部分断面図であ
り、多指向性磁界発生器の配置を示す。
FIG. 7 is a schematic partial cross-sectional view of the process chamber of FIG. 6, illustrating an arrangement of a multi-directional magnetic field generator.

【図8】天井がそれに隣接した誘導子コイルを持つ誘電
体材料のドーム形壁を備えた、プロセスチャンバの別の
実施形態による概略断面図である。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view according to another embodiment of a process chamber, wherein the ceiling comprises a dome-shaped wall of dielectric material having an inductor coil adjacent thereto.

【図9】天井がそれに隣接した誘導子コイルを持つ誘電
体材料のドーム形壁を備えた、プロセスチャンバの別の
実施形態による概略断面図である。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view according to another embodiment of a process chamber, wherein the ceiling comprises a dome-shaped wall of dielectric material having an inductor coil adjacent thereto.

【図10】従来のプロセスチャンバで、異なるRFバイ
アス電力レベルに対して得られた双モード・プラズマイ
オンエネルギー分布を示す線図である。
FIG. 10 is a diagram illustrating the bi-mode plasma ion energy distribution obtained for different RF bias power levels in a conventional process chamber.

【図11】本発明のプロセスチャンバで、異なるRFバ
イアス電力レベルに対して得られた単モード・プラズマ
イオンエネルギー分布を示す線図である。
FIG. 11 is a diagram illustrating single mode plasma ion energy distributions obtained for different RF bias power levels in the process chamber of the present invention.

【図12】送信用と受信用のアンテナ間にシリコン半導
体スラブを置いた状態で送信用RF誘導子アンテナから
受信用RF誘導子アンテナへの正規化された順電圧透過
係数(transmission coefficient)を示す線図である。
FIG. 12 shows a normalized forward voltage transmission coefficient from a transmitting RF inductor antenna to a receiving RF inductor antenna with a silicon semiconductor slab placed between the transmitting and receiving antennas. FIG.

【図13】基板表面上の位置と、誘導子アンテナに印加
される電流の電力レベルとの関数としてのイオン飽和電
流を示す線図である。
FIG. 13 is a diagram showing ion saturation current as a function of position on the substrate surface and the power level of the current applied to the inductor antenna.

【図14】誘導子アンテナ電力レベルとRFバイアス電
力レベルとの関数としてのイオン飽和電流を示す図であ
る。
FIG. 14 illustrates ion saturation current as a function of inductor antenna power level and RF bias power level.

【図15】基板に印加されたDCバイアス電位に対する
誘導子アンテナ電力レベルとRFバイアス電力レベルと
の影響を示す線図である。
FIG. 15 is a diagram showing the influence of the inductor antenna power level and the RF bias power level on the DC bias potential applied to the substrate.

【図16】(a)は、プラズマゾーンのO2+プラズマ
イオン密度とイオンエネルギーに対する、磁気的プラズ
マ閉じ込め(plasma confinement)とRFバイアス電力と
の影響を示す線図であり、(b)は、ラングミュアプロ
ーブをチャンバの半径方向に移動させて測定した際の、
イオン飽和電流とプラズマ浮遊電位に対する磁気的プラ
ズマ閉じ込めの影響を示す線図である。
16A is a diagram showing the effect of magnetic plasma confinement and RF bias power on O 2 + plasma ion density and ion energy in the plasma zone, and FIG. When measuring by moving the Langmuir probe in the radial direction of the chamber,
FIG. 3 is a diagram illustrating the effect of magnetic plasma confinement on ion saturation current and plasma floating potential.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

30…基板、34…石英絶縁体シールド、50…プラズ
マ処理装置、55…プロセスチャンバ、60…高指向性
電界成分、65…プラズマゾーン、70…側壁、75…
底部壁、85…プロセスガス源、90…ガス流量制御シ
ステム、100…シリコンリング、105…環状通路、
110…ガス噴射孔、115…タングステンハロゲンラ
ンプ、120…排気システム、125…排気ポンプ、1
30…スロットルバルブ、132…ポンプ排出用チャネ
ル、135…誘導子アンテナ、135a…内部コイル、
135b…外部コイル、140…受容面(半導体天
井)、145…一次バイアス電極、155…誘電体部
材、165…パワー電極、170…第2バイアス電極、
175…導電面、180…電圧源、185…伝熱プレー
ト、200…被覆層、205…誘電体支持層、208…
周縁部、210…側部層、215…ヘリウムガスフィー
ドスルー孔、235…固定インピーダンス整合ネットワ
ーク、250,255,260…電極出力、256…R
F電圧モジュール、265…RF電圧発振器モジュー
ル、270…高調波分離フィルタ、275…DCチャッ
ク用電圧モジュール、280…局部磁界、285…永久
磁石、292…磁界発生器、295,300,305,
310…電磁コイル、312…コンピュータ、315,
320,325,330…ライン、335,340,3
45,350…電源システム、355,360,36
5,370…導体。
Reference Signs List 30 ... substrate, 34 ... quartz insulator shield, 50 ... plasma processing apparatus, 55 ... process chamber, 60 ... high directivity electric field component, 65 ... plasma zone, 70 ... side wall, 75 ...
Bottom wall, 85: process gas source, 90: gas flow control system, 100: silicon ring, 105: annular passage,
110: gas injection hole, 115: tungsten halogen lamp, 120: exhaust system, 125: exhaust pump, 1
30 ... Throttle valve, 132 ... Pump discharge channel, 135 ... Inductor antenna, 135a ... Internal coil,
135b: external coil, 140: receiving surface (semiconductor ceiling), 145: primary bias electrode, 155: dielectric member, 165: power electrode, 170: second bias electrode
175: conductive surface, 180: voltage source, 185: heat transfer plate, 200: coating layer, 205: dielectric support layer, 208:
Perimeter, 210 ... side layer, 215 ... helium gas feedthrough hole, 235 ... fixed impedance matching network, 250, 255,260 ... electrode output, 256 ... R
F voltage module, 265 RF voltage oscillator module, 270 harmonic filter, 275 DC chuck voltage module, 280 local magnetic field, 285 permanent magnet, 292 magnetic field generator, 295, 300, 305,
310 ... electromagnetic coil, 312 ... computer, 315,
320, 325, 330 ... line, 335, 340, 3
45, 350 ... power supply system, 355, 360, 36
5,370 ... conductor.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アナンダ エイチ. クマール アメリカ合衆国, カリフォルニア州, ミルピタス, ノールヴュー ドライヴ 1296 (72)発明者 アーノルド コロデンコ アメリカ合衆国, カリフォルニア州, サン フランシスコ, ユーカリプタス ドライヴ 1747 (72)発明者 デニス エス. グリマード アメリカ合衆国, ミシガン州, アン アーバー, リバティー ポイント 511 (72)発明者 ジョナサン ディー. モーン アメリカ合衆国, カリフォルニア州, サラトガ, パセオ プレサダ 13179 (72)発明者 マイケル ジー. チャフィン アメリカ合衆国, カリフォルニア州, サン ノゼ, マンザニタ ドライヴ 4120 (72)発明者 ケネス エス. コリンズ アメリカ合衆国, カリフォルニア州, サン ノゼ, ナイツヘイヴン ウェイ 165 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Ananda H. Kumar United States, California, Milpitas, Norview Drive 1296 (72) Inventor Arnold Korodenko United States of America, California, San Francisco, Eucalyptus Drive 1747 (72) Inventor Dennis S.S. Grimado United States, Michigan, Ann Arbor, Liberty Point 511 (72) Inventor Jonathan Dee. Morne United States of America, California, Saratoga, Paseo Presada 13179 (72) Inventor Michael G. Chaffin United States, California, San Jose, Manzanita Drive 4120 (72) Inventor Kenneth S.S. Collins United States, California, San Jose, Knights Haven Way 165

Claims (20)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 プラズマ中で半導体基板を処理するため
のプロセスチャンバであって、(a)プラズマを形成で
きるプロセスガスを前記チャンバのプラズマゾーンに分
配するためのプロセスガス・ディストリビュータと、
(b)前記プラズマゾーンに露出した導電面を有する、
前記チャンバの天井にある一次バイアス電極と、(c)
前記一次バイアス電極の下に位置決めされると共に基板
を受け入れるための受容面を有する、内部に埋め込まれ
たパワー電極を備えた単体モノリシック誘電体部材と、
(d)前記誘電体部材の下の二次バイアス電極と、
(e)前記パワー電極、一次バイアス電極、および二次
バイアス電極を異なる電位に維持して前記チャンバの前
記プラズマゾーンに高指向性プラズマを提供するための
電極電圧源とを備えたことを特徴とするプロセスチャン
バ。
1. A process chamber for processing a semiconductor substrate in a plasma, comprising: (a) a process gas distributor for distributing a process gas capable of forming a plasma to a plasma zone of the chamber;
(B) having a conductive surface exposed to the plasma zone,
A primary bias electrode on the ceiling of the chamber; (c)
A unitary monolithic dielectric member with a power electrode embedded therein, the dielectric member positioned below the primary bias electrode and having a receiving surface for receiving a substrate;
(D) a secondary bias electrode below the dielectric member;
(E) an electrode voltage source for providing a highly directional plasma to the plasma zone of the chamber while maintaining the power electrode, the primary bias electrode, and the secondary bias electrode at different potentials. Process chamber.
【請求項2】 前記電極電圧源は、前記パワー電極を前
記一次と二次のバイアス電極の電位より少なくとも約1
000ボルト高い電位に維持することを特徴とする請求
項1に記載のプロセスチャンバ。
2. The method of claim 1, wherein the electrode voltage source causes the power electrode to be at least about one potential below the potential of the primary and secondary bias electrodes.
The process chamber according to claim 1, wherein the potential is maintained at 000 volts higher.
【請求項3】 前記単体モノリシック誘電体部材は、被
覆層を介した前記一次バイアス電極への、前記パワー電
極に印加されるRF電圧の容量結合を許容してチャンバ
内のプラズマを付勢するだけ低い電界吸収を有する、前
記パワー電極上の被覆層、および支持層を介した前記第
二バイアス電極への、前記パワー電極に印加されるRF
電圧の容量結合を実質的に減少させるだけ高い電界吸収
を有する、前記パワー電極の下の支持層を備えたことを
特徴とする請求項1に記載のプロセスチャンバ。
3. The single monolithic dielectric member only energizes the plasma in the chamber by permitting capacitive coupling of the RF voltage applied to the power electrode to the primary bias electrode via a coating layer. RF applied to the power electrode, to the second bias electrode through a coating layer on the power electrode, and a support layer, having low electric field absorption
The process chamber of claim 1, comprising a support layer under the power electrode having a high electrical absorption to substantially reduce capacitive coupling of voltage.
【請求項4】 前記被覆層は約1Ωないし約500Ωの
RFリアクタンスを有し、前記支持層は約100Ωない
し約10000ΩのRFリアクタンスを有することを特
徴とする請求項3に記載のプロセスチャンバ。
4. The process chamber of claim 3, wherein said coating layer has an RF reactance of about 1Ω to about 500Ω, and said support layer has an RF reactance of about 100Ω to about 10,000Ω.
【請求項5】 前記パワー電極が、前記チャンバの電気
的接地側壁に面する周縁部を備えると共に、前記誘電体
部材が、前記パワー電極の前記周縁部を覆う非結合側部
層を備え、前記非結合側部層は、前記プロセスチャンバ
の側壁への前記パワー電極の容量結合を減少させるだけ
高い電界吸収を有するようにしたことを特徴とする請求
項3に記載のプロセスチャンバ。
5. The power electrode includes a peripheral portion facing an electrical ground side wall of the chamber, and the dielectric member includes a non-coupling side layer covering the peripheral portion of the power electrode. 4. The process chamber of claim 3, wherein the uncoupled side layer has a high electrical absorption to reduce capacitive coupling of the power electrode to a sidewall of the process chamber.
【請求項6】 前記二次バイアス電極は、前記プラズマ
に直接露出した表面を有すると共に、周囲の絶縁体シー
ルドを持たない導体エレメントを備えたことを特徴とす
る請求項1に記載のプロセスチャンバ。
6. The process chamber of claim 1, wherein said secondary bias electrode comprises a conductive element having a surface directly exposed to said plasma and having no surrounding insulator shield.
【請求項7】 前記単体モノリシック誘電体部材は、酸
化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化ホウ素、窒化
ホウ素、ダイアモンド、酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒化
ケイ素、酸化チタン、炭化チタン、酸化イットリウム、
酸化ジルコニウムの1つ以上から作られたモノリシック
セラミックを有することを特徴とする請求項1に記載の
プロセスチャンバ。
7. The simple monolithic dielectric member includes aluminum oxide, aluminum nitride, boron carbide, boron nitride, diamond, silicon oxide, silicon carbide, silicon nitride, titanium oxide, titanium carbide, yttrium oxide,
The process chamber of claim 1, comprising a monolithic ceramic made from one or more of zirconium oxide.
【請求項8】 誘導子アンテナが前記チャンバの前記天
井に当接すると共に、前記天井が、前記プラズマゾーン
にプラズマを発生させるために前記天井を介した前記チ
ャンバの前記プラズマゾーンへの、前記誘導子アンテナ
によって生成された誘導電界の誘導結合を許容するだけ
低い電界感受性を有する半導体材料を備えたことを特徴
とする請求項1に記載のプロセスチャンバ。
8. An inductor, wherein an inductor antenna abuts the ceiling of the chamber, and wherein the ceiling passes the inductor to the plasma zone of the chamber through the ceiling to generate plasma in the plasma zone. The process chamber of claim 1, comprising a semiconductor material having a low electric field sensitivity to permit inductive coupling of an induced electric field generated by the antenna.
【請求項9】 請求項8のプロセスチャンバを使って基
板を処理する方法であって、(a)前記単体誘電体部材
の前記受容面に基板を置くステップと、(b)前記誘導
アンテナに電流を通して前記チャンバに誘導電界を発生
させるステップと、(c)前記パワー電極、一次バイア
ス電極、および二次バイアス電極を異なる電位に維持し
てチャンバ内に高密度、高指向性のプラズマを提供する
ステップとを有することを特徴とする方法。
9. A method for processing a substrate using the process chamber of claim 8, wherein: (a) placing the substrate on the receiving surface of the single dielectric member; and (b) applying a current to the inductive antenna. Generating an induced electric field in the chamber through (c) maintaining the power electrode, the primary bias electrode, and the secondary bias electrode at different potentials to provide a high density, highly directional plasma in the chamber. A method comprising:
【請求項10】 前記単体モノリシック誘電体部材に埋
め込まれた前記パワー電極にRFとDCの電圧を加える
ステップと、前記一次と二次のバイアス電極を電気的に
接地するステップとを有することを特徴とする請求項9
に記載の方法。
10. The method according to claim 1, further comprising: applying RF and DC voltages to the power electrode embedded in the single monolithic dielectric member; and electrically grounding the primary and secondary bias electrodes. Claim 9
The method described in.
【請求項11】 プラズマ中で半導体基板を処理するた
めのプロセスチャンバであって、(a)前記チャンバの
プラズマゾーンにプロセスガスを分配するためのプロセ
スガス・ディストリビュータと、(b)RF誘導電界を
透過させるだけ低い電気的感受性と、前記プラズマゾー
ンに露出した導電面とを有する半導体天井に隣接した、
前記プラズマゾーンで前記プロセスガスからプラズマを
形成するための誘導子アンテナと、(c)第1の誘電体
部材が基板を上面に受け入れるための受容面を備え、そ
れぞれが内部に電極を備えた、前記半導体天井の下の複
数の誘電体部材と、(d)前記半導体天井と前記電極と
を異なる電位に維持して前記チャンバ内の前記プラズマ
を付勢するための電極電圧源とを備えたことを特徴とす
るチャンバ。
11. A process chamber for processing a semiconductor substrate in a plasma, comprising: (a) a process gas distributor for distributing a process gas to a plasma zone of the chamber; and (b) an RF induced electric field. Adjacent to a semiconductor ceiling having an electrical sensitivity low enough to transmit and a conductive surface exposed to said plasma zone;
An inductor antenna for forming a plasma from the process gas in the plasma zone, and (c) a first dielectric member having a receiving surface for receiving a substrate on an upper surface, each having an electrode therein. A plurality of dielectric members below the semiconductor ceiling; and (d) an electrode voltage source for energizing the plasma in the chamber while maintaining the semiconductor ceiling and the electrodes at different potentials. A chamber.
【請求項12】 前記電極電圧源は、前記天井と一つ以
上の前記電極とを少なくとも約1000ボルトだけ異な
る電位に維持することによって、前記電極を容量的に結
合して前記チャンバ内の前記プラズマを付勢するように
したことを特徴とする請求項11に記載のプロセスチャ
ンバ。
12. The electrode voltage source capacitively couples the electrodes by maintaining the ceiling and one or more of the electrodes at different potentials by at least about 1000 volts to form the plasma in the chamber. The process chamber according to claim 11, wherein the pressure is applied.
【請求項13】 プラズマ中で基板を処理するためのプ
ロセスチャンバであって、(a)プロセスガスを前記チ
ャンバのプラズマゾーンに分配するためのガス分配シス
テムと、(b)前記プラズマに露出した導電面を有す
る、前記チャンバの天井にある一次バイアス電極と、
(c)内部に埋め込まれたパワー電極を備えた単体モノ
リシック誘電体部材であって、基板を受け入れるための
受容面を形成する結合層と、前記電極のその他の表面を
囲む非結合層とを有し、前記結合層は、前記電極に印加
されるRFとDCの電圧が、それぞれ、前記プラズマを
付勢するために結合層を介して容量結合して、前記基板
を静電的に保持するだけ低い電界吸収を有し、前記非結
合層は、それを介した容量結合を減少させるだけ高い電
界吸収を有するようにした、誘電体部材と、(d)前記
一次バイアス電極とパワー電極とを相互に異なる電位に
維持するための電極電圧源と、(e)経時的に変化する
角度方位と大きさを有する多指向性磁界を前記プラズマ
ゾーンに発生させるための、前記チャンバに隣接する多
指向性磁界発生器とを備えたことを特徴とするプロセス
チャンバ。
13. A process chamber for processing a substrate in a plasma, comprising: (a) a gas distribution system for distributing a process gas to a plasma zone of the chamber; and (b) a conductive film exposed to the plasma. A primary bias electrode on the ceiling of the chamber having a surface;
(C) A monolithic monolithic dielectric member with a power electrode embedded therein, comprising a bonding layer forming a receiving surface for receiving a substrate, and a non-bonding layer surrounding the other surface of the electrode. The coupling layer is configured such that the RF and DC voltages applied to the electrodes are capacitively coupled via the coupling layer to energize the plasma, respectively, and merely hold the substrate electrostatically. A dielectric member having low electric absorption, wherein the non-coupling layer has high electric absorption so as to reduce capacitive coupling therethrough, and (d) the primary bias electrode and the power electrode are interconnected. An electrode voltage source for maintaining different potentials, and (e) a multi-directivity adjacent to the chamber for generating a multi-directional magnetic field having a time-varying angular orientation and magnitude in the plasma zone. Magnetic field generator Process chamber, characterized in that it comprises a.
【請求項14】 前記多指向性磁界は、円形方向に動く
磁界を有することを特徴とする請求項13に記載のプロ
セスチャンバ。
14. The process chamber according to claim 13, wherein the multidirectional magnetic field has a magnetic field moving in a circular direction.
【請求項15】 前記多指向性磁界発生器は、(1)前
記チャンバの側壁に隣接して位置決めされた複数の電磁
石と、(2)前記電磁石に印加される電流を変化させて
前記プラズマゾーンに前記多指向性磁界を発生させる電
磁石電源とを備えたことを特徴とする請求項13に記載
のプロセスチャンバ。
15. The multi-directional magnetic field generator comprises: (1) a plurality of electromagnets positioned adjacent to a side wall of the chamber; and (2) changing a current applied to the electromagnets to change the plasma zone. 14. The process chamber according to claim 13, further comprising an electromagnet power supply for generating the multidirectional magnetic field.
【請求項16】 前記電磁石は、各ペアのコイルが前記
基板の平面に実質的に平行な磁界を発生させる複数のペ
アの導電コイルを備え、前記電源は、磁界を電気的に発
生させるためと、各コイルペアによって生成される前記
磁界の角方位と大きさを独立して変更することによって
前記磁界を選択的に動かすために、選択した順序で前記
ペアコイルに通電するようにしたことを特徴とする請求
項15に記載のプロセスチャンバ。
16. The electromagnet includes a plurality of pairs of conductive coils wherein each pair of coils generates a magnetic field substantially parallel to a plane of the substrate, and wherein the power supply is configured to electrically generate a magnetic field. In order to selectively move the magnetic field by independently changing the angular orientation and magnitude of the magnetic field generated by each coil pair, the pair coils are energized in a selected order. The process chamber according to claim 15.
【請求項17】 前記多指向性磁界発生器は、(1)前
記チャンバに隣接して位置決めされた複数の可動永久磁
石と、(2)前記永久磁石を動かして前記プラズマゾー
ンに前記多指向性磁界を発生させるための手段とを備え
たことを特徴とする請求項13に記載のプロセスチャン
バ。
17. The multidirectional magnetic field generator includes: (1) a plurality of movable permanent magnets positioned adjacent to the chamber; and (2) moving the permanent magnets to provide the multidirectional magnetic field to the plasma zone. 14. The process chamber according to claim 13, further comprising: means for generating a magnetic field.
【請求項18】 プラズマ中で半導体基板を処理するた
めのプロセスチャンバであって、(a)プラズマを形成
できるプロセスガスを前記チャンバのプラズマゾーンに
分配するためのプロセスガス・ディストリビュータと、
(b)前記プラズマゾーンに露出した導電面を有する一
次バイアス電極と、(c)内部に埋め込まれたパワー電
極を備えると共に、前記一次バイアス電極の下に基板を
受け入れるための受容面を有する単体モノリシック誘電
体部材と、(d)前記パワー電極と前記一次バイアス電
極とを相互に異なる電位に維持して前記チャンバの前記
プラズマゾーンに高指向性プラズマを提供するための電
極電圧源とを備え、前記単体モノリシック誘電体部材を
囲む絶縁体シールドが存在しないことを特徴とするプロ
セスチャンバ。
18. A process chamber for processing a semiconductor substrate in a plasma, comprising: (a) a process gas distributor for distributing a process gas capable of forming a plasma to a plasma zone of the chamber;
(B) a monolithic monolithic having a primary bias electrode having a conductive surface exposed to the plasma zone; and (c) having a power electrode embedded therein and having a receiving surface for receiving a substrate below the primary bias electrode. A dielectric member; and (d) an electrode voltage source for providing the highly directional plasma to the plasma zone of the chamber while maintaining the power electrode and the primary bias electrode at mutually different potentials, A process chamber, wherein there is no insulator shield surrounding the single monolithic dielectric member.
【請求項19】 前記電極電圧源は、前記パワー電極を
前記一次バイアス電極の電位よりも少なくとも約100
0ボルトだけ大きい電位に維持するようにしたことを特
徴とする請求項18に記載のプロセスチャンバ。
19. The electrode voltage source may be configured to cause the power electrode to be at least about 100 potentials higher than the potential of the primary bias electrode.
19. The process chamber of claim 18, wherein the potential is maintained at 0 volts.
【請求項20】 前記パワー電極は、前記チャンバの電
気的接地側壁に面する周縁部を備えると共に、前記誘電
体部材は、前記パワー電極の前記周縁部を覆う非結合側
部層を備え、前記非結合側部層は、前記プロセスチャン
バの側壁への前記パワー電極の容量結合を減少させるだ
け高い電界吸収を有するようにしたことを特徴とする請
求項18に記載のプロセスチャンバ。
20. The power electrode includes a peripheral portion facing an electrical ground side wall of the chamber, and the dielectric member includes a non-coupling side layer that covers the peripheral portion of the power electrode. 19. The process chamber of claim 18, wherein the uncoupling side layer has a high electrical absorption to reduce capacitive coupling of the power electrode to a sidewall of the process chamber.
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Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09245993A (en) * 1996-03-04 1997-09-19 Anelva Corp Plasma processing device, and manufacture of antenna
KR20000060416A (en) * 1999-03-15 2000-10-16 윤종용 Plasma etching system
JP2001102365A (en) * 1999-07-29 2001-04-13 Kyocera Corp Vacuum chamber and manufacturing method therefor
JP2004531880A (en) * 2001-03-13 2004-10-14 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド Substrate support with dual electrodes
JP2004535056A (en) * 2000-04-25 2004-11-18 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド Magnetic barrier to plasma in chamber exhaust
JP2007266436A (en) * 2006-03-29 2007-10-11 Tokyo Electron Ltd Plasma treatment apparatus
JP2008270833A (en) * 2006-10-03 2008-11-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd Plasma doping method and apparatus
KR20110033097A (en) * 2009-09-23 2011-03-30 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 Dc and rf hybrid processing system
JP2011511473A (en) * 2008-02-06 2011-04-07 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド Plasma immersion ion implantation method using a seasoning layer of pure or nearly pure silicon on the chamber inner surface
JP5102615B2 (en) * 2005-04-04 2012-12-19 パナソニック株式会社 Plasma processing method and apparatus
JP2018530103A (en) * 2015-09-25 2018-10-11 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッドApplied Materials,Incorporated Remote plasma and electron beam generation system for plasma reactor
CN108987228A (en) * 2017-06-02 2018-12-11 北京北方华创微电子装备有限公司 For handling the plasma reaction device of workpiece
CN110729228A (en) * 2018-07-17 2020-01-24 应用材料公司 Ceramic hybrid insulator plate
US11646179B2 (en) 2020-09-24 2023-05-09 Samsung Electronics Co., Ltd. Plasma processing apparatus and plasma processing method

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09245993A (en) * 1996-03-04 1997-09-19 Anelva Corp Plasma processing device, and manufacture of antenna
KR20000060416A (en) * 1999-03-15 2000-10-16 윤종용 Plasma etching system
JP2001102365A (en) * 1999-07-29 2001-04-13 Kyocera Corp Vacuum chamber and manufacturing method therefor
JP4544700B2 (en) * 1999-07-29 2010-09-15 京セラ株式会社 Vacuum container and method for manufacturing the same
JP2004535056A (en) * 2000-04-25 2004-11-18 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド Magnetic barrier to plasma in chamber exhaust
JP2004531880A (en) * 2001-03-13 2004-10-14 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド Substrate support with dual electrodes
JP5102615B2 (en) * 2005-04-04 2012-12-19 パナソニック株式会社 Plasma processing method and apparatus
JP2007266436A (en) * 2006-03-29 2007-10-11 Tokyo Electron Ltd Plasma treatment apparatus
JP2008270833A (en) * 2006-10-03 2008-11-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd Plasma doping method and apparatus
JP2011511473A (en) * 2008-02-06 2011-04-07 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド Plasma immersion ion implantation method using a seasoning layer of pure or nearly pure silicon on the chamber inner surface
US8168519B2 (en) 2008-02-06 2012-05-01 Applied Materials, Inc. Plasma immersion ion implantation method using a pure or nearly pure silicon seasoning layer on the chamber interior surfaces
KR20110033097A (en) * 2009-09-23 2011-03-30 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 Dc and rf hybrid processing system
JP2018530103A (en) * 2015-09-25 2018-10-11 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッドApplied Materials,Incorporated Remote plasma and electron beam generation system for plasma reactor
CN108987228A (en) * 2017-06-02 2018-12-11 北京北方华创微电子装备有限公司 For handling the plasma reaction device of workpiece
CN108987228B (en) * 2017-06-02 2024-05-17 北京北方华创微电子装备有限公司 Plasma reactor for processing workpieces
CN110729228A (en) * 2018-07-17 2020-01-24 应用材料公司 Ceramic hybrid insulator plate
US11646179B2 (en) 2020-09-24 2023-05-09 Samsung Electronics Co., Ltd. Plasma processing apparatus and plasma processing method

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