JP2007505466A - 均一なプラズマ発生のための適応型プラズマソース - Google Patents

Abstract

【要約書】
プラズマを形成するための反応空間を有した反応チャンバの上部に配置されかつ外部のＲＦ電源からＲＦ（高周波）電力を供給されて反応空間内に電場を形成する適応型プラズマソースが提供される。この適応型プラズマソースは、１つの導電性ブッシングと少なくとも２個の単位コイルを具備する。ブッシングはＲＦ電源に連結されかつ反応チャンバの上部中心部に配置されている。少なくとも２個の単位コイルは、ブッシングから分枝され、ブッシングを螺旋状に取り巻き、そしてａ×（ｂ／ｍ）に等しい巻回数を有しており、ただし、ａ及びｂは正の整数、ｍは単位コイルの個数である。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマ半導体処理に関し、さらに詳細には、プラズマ反応チャンバ内で均一なプラズマを発生するための適応型プラズマソースに関する。

超高集積（ＵＬＳＩ：Ｕｌｔｒａ−Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅ）回路素子の製造技術は、過去２０年間に目覚ましく発展した。これは、カットエッジ技術を用いた半導体製造設備による。それら半導体製造設備のうち一つであるプラズマ反応チャンバは、エッチング工程やデポジション（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）工程で使われ、その適用範囲が広がっている。

プラズマが、プラズマ反応チャンバ内で形成され、エッチング工程、デポジション工程等で用いられる。プラズマソースに基づいて、プラズマ反応チャンバは、電子サイクロトロン共振（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマソース、ヘリコン波励起プラズマ（ＨＷＥＰ：Ｈｅｌｉｃｏｎ−ＷａｖｅＥｘｃｉｔｅｄＰｌａｓｍａ）ソース、容量性結合プラズマ（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）ソース、誘導性結合プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）ソースなど、さまざまな形態に分類される。ＩＣＰソースの場合には、誘導コイルに供給される高周波（ＲＦ）電力によって磁場が発生される。この磁場により誘起された電場によって、チャンバ内部中心に電子が閉じ込められ、低い圧力でも高密度プラズマが生成される。ＩＣＰソースは、ＥＣＲプラズマソースやＨＷＥＰソースと比較し、構成が簡単であり、また大面積のプラズマが容易に得られる。したがって、ＩＣＰソースが広く使われている。

ＩＣＰソースを用いたプラズマチャンバでは、共振回路のインダクタのコイルに大きいＲＦ電流が流れる。このＲＦ電流が、チャンバ内部で生成されるプラズマの分布に大きい影響を及ぼす。インダクタのコイルが自己抵抗を有することは周知である。従って、コイルに沿って電流が流れると、自己抵抗によりエネルギーが消散されて熱に変換される。その結果、コイルに流れる電流量が徐々に減少する。このように、電流量が不均一になれば、チャンバ内部で生成されるプラズマの分布もまた不均一となる。

図１は、プラズマチャンバ内におけるプラズマ密度（ｎｉ）と臨界寸法（ＣＤ）変化分布を示すグラフである。以下においては、その変化を△ＣＤと呼ぶことにする。本明細書では、△ＣＤは、工程前に予想されたＣＤと、工程後に得られたＣＤとの差によって定義される。

図１を参照すると、曲線１２が、プラズマ密度（ｎｉ）を表している。プラズマ密度（ｎｉ）は、ウェーハの中心で最も高く、ウェーハのエッジに行くほど低下する。曲線１４は、△ＣＤを表している。プラズマ密度ｎｉが不均一になることにより、△ＣＤはウェーハの中心からウェーハのエッジに行くほどに低下する。

今までは、プラズマ不均一により発生する問題は、製造工程で解決されていた。しかし、リソグラフィ工程の限界のような要因により、これらの問題を解決するのには限界がある。

本発明は、プラズマ反応チャンバの内部で均一なプラズマを形成する適応型プラズマソースを提供する。

本発明の１つの態様によれば、プラズマを形成するための(反応空間を有する反応チャンバの上部に配置され、外部の高周波電源からのRF（高周波）電力を供給され、前記反応空間内に電場を形成する適応型プラズマソースが提供される。この適応型プラズマソースは、前記RF電源と接続され、前記反応チャンバの上部の中心部に配置された導電性のブッシングと、前記ブッシングから分枝された少なくとも２つの単位コイルを具備しており、それらの単位コイルは螺旋状にブッシングを包囲していて、ａ×（ｂ／ｍ）に等しい巻回数を有しており、この場合、ａ及びｂは正の整数、そして、ｍは単位コイルの個数である。

ブッシングは、所定直径を有した円形の形状を有していてもよく、単位コイルは、ブッシングのエッジで相互対称になる位置から分枝されてもよい。

ブッシングは、多角形の形状を有していてもよく、単位コイルも前記ブッシングと同じ多角形の形状を有し、ブッシングを螺旋状に包囲していてもよい。

この場合、ブッシングと単位コイルは、四角形の形状を有していてもよい。あるいは、ブッシングと単位コイルは、六角形の形状を有していてもよい。

ブッシングは、反応チャンバの上部に配置された単位コイルと同一平面上に配置されてもよい。

ブッシングは、反応チャンバの上部に配置された単位コイルが位置した第１平面上より高くに位置した第２平面上に配置されてもよい。

この場合、単位コイルは、ブッシングから分枝され、第２平面上に配置され、第１平面まで延長され、そして第１平面上に螺旋状に配置されてもよい。

本発明の他の態様によれば、プラズマを形成するための反応空間を有する反応チャンバの上部に配置され、外部のＲＦ電源からのＲＦ（高周波）電力を供給され、反応空間内に電場を形成させる適応型プラズマソースであって、反応チャンバの上部に位置した第１平面上で反応チャンバの上部の中心部に配置された導電性の第１ブッシングと、第１平面上で第１ブッシングから分枝され、第１ブッシングを螺旋状に取り巻き、ａ×（ｂ／ｍ１）に等しい巻回数を有する少なくとも２つの第１単位コイル（ただし、ａ及びｂは正の整数、そして、ｍ１は第１単位コイルの個数である）と、第１平面上より高くに位置した第２平面上に第のブッシングに対応して配置され、第１ブッシングに弾性的に連結された第２導電性ブッシングと、第２平面上で第２ブッシングから分枝され、第２ブッシングを螺旋状に取り巻き、かつａ×（ｂ／ｍ２）に等しい巻回数を有している少なくとも第２単位コイル（ただし、ａ及びｂは正の整数、ｍ２は第２単位コイルの個数である）とを具備している。

第１ブッシングは、第２ブッシングの断面に等しいかあるいはそれより広いより断面を有していてもよい。

この適応型プラズマソースは、第１平面上と第２平面上との間の少なくとも１つの平面上で第１及び第２ブッシングと連結された少なくともつの第３のブッシングと、第３のブッシングから分枝され、第１単位コイル及び第２単位コイルと同じ態様で配置された少なくとも１つの第３の単位コイルとをさらに具備していてもよい。

本発明の適応型プラズマソースによれば、単位コイルは、コイル配置が任意の位置で対称となりうるように所定の規則に基づいてブッシング周囲に螺旋状に配置される。これにより、均一なプラズマ密度が達成できる。また、中心部に配置されたブッシングにより、プラズマ密度が、相対的に強いプラズマ密度を有する中心部で低下して、全体プラズマ密度が全体的に均一に分布される。さらに、ブッシングとび単位コイルが上部と下部に配置されていて、単位コイルの個数と巻回数を規制することによって全体のインピーダンスを微調整できる。

図２は、本発明の１つの実施形態による適応型プラズマソースを用いたプラズマ反応チャンバの断面図であり図３は、図２に示された適応型プラズマソースの平面図である。

図２を参照すると、プラズマ反応チャンバ２００は、チャンバ外壁２０２により画定された所定容積の内部空間２０４を有する。処理しようとする対象物、例えば、半導体ウェーハ２０６は、プラズマ反応チャンバ２００の内部空間２０４の下方部分に配置される。半導体ウェーハ２０６は、プラズマ反応チャンバ２００の下方部分に設置されたサセプター２０８上に載置される。支持部材２０８は、プラズマ反応チャンバ２００の外側から供給されるＲＦ電源２１０に連結される。プラズマ反応チャンバ２００の上部には、ドーム２１２が配置される。ドーム２１２と半導体ウェーハ２０６との間の空間でプラズマ２１４が形成される。

プラズマ２１４のための適応型プラズマソース３００は、ドーム２１２上に配置されかつドーム２１２から所定の距離だけ離間される。適応型プラズマソース３００は、ブッシング３１０と複数の単位コイル３２１を具備しており、ブッシング３１０は単位コイル３２１の中間に配置されている。ブッシング３１０は、ＲＦ電源２１６と連結される。ＲＦ電源２１６からＲＦ電力が単位コイル３２１，３２２，３２３に供給され、そして単位コイル３２１，３２２，３２３が、電場を発生する。この電場は、ドーム２１２を通じて内部空間２０４に誘起される。内部空間２０４に誘起された電場は、内部空間２０４の放電でガスを生じ、それによってプラズマ２１４を形成する。プラズマ２１４が形成されるときに発生した中性のラジカル粒子と電荷を帯びたイオンとが互いに化学反応する。

図３を参照すると、前記プラズマ反応チャンバ２００の内部空間２０４内でプラズマ２１４を発生する適応型プラズマソース３００は、中心部のブッシング３１０から分枝された複数個の単位コイル３２１，３２２，３２３がブッシング３１０を螺旋状に取り巻いた構成を有する。ブッシング３１０は、円形の形状を有しているが、他の形状を有していてもよい。例えば、ブッシング３１０は、三角形のような多角形であることもあり、または、円形や多角形のドーナッツ状であってもよい。ブッシング３１０は、プラズマ反応チャンバの中心部に対応するように配置される。従って、プラズマ反応チャンバの中心部でのプラズマ密度を低下させることができる。

単位コイル３２１，３２２，３２３とブッシング３１０とが連結される分枝点ａ，ｂ，ｃは、互いに対称をなす。単位コイル３２１，３２２，３２３は、ブッシング３１０を通じてＲＦ電源２１６からのＲＦ電力を供給されねばならないので、ブッシング３１０は一部または全部が導電体で作製される。図３は単位コイルの個数と各単位コイルの巻回数がそれぞれ３つと１回であると示しているが、単位コイルの個数は２つまたは４つ以上であってもよい。また、各単位コイルの巻回数は、次の式１で与えられうる。
＜式１＞
ｎ＝ａ×（ｂ／ｍ）
ここで、ｎは各単位コイルの巻回数を表し、ａ及びｂは正の整数値を表し、そして、ｍは単位コイルの個数を表す。

式１によれば、図３に示された単位コイル３２１，３２２，３２３の個数が３であるから、各単位コイルの巻回数ｎは、１／３，２／３，１，１と１／３，１と２／３等々になりうる。これらの条件が満足される場合には、いかなる位置でも単位コイル３２１，３２２，３２３は対称に配置される。従って、均一なプラズマ密度を得ることができす。すなわち、ブッシング３１０の中心点を通過するラインのうち、いずれのラインに沿って切断しても、各単位コイルは両方に対称をなす。しかし、式１の条件が満足されない場合には、各単位コイルは非対称となるであろう。例えば、３個の単位コイルがすべてブッシングの右側に配置されているが、２個の単位コイルだけが左側に配置されてもよい。このような非対称的な配置は、プラズマ反応チャンバ内の内部空間に不均一プラズマ密度を生じさせる要因の１つとなるであろう。

図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の他の実施形態による適応型プラズマソースの図である。詳細には、図４Ａは、適応型プラズマソースがプラズマ反応チャンバに装着される構成の図であり、図４Ｂは、図４Ａに示された適応型プラズマソースを立体図である。図２及び４では同じ参照符号は、同じ要素を表すので、それらの説明は省略する。

図４Ａ及び図４Ｂを参照すると、適応型プラズマソースは、上部に配置されたブッシング４１０と、下部に配置された２個以上の（例えば３個の）単位コイル４２１，４２２，４２３を備えている。単位コイル４２１，４２２，４２３は、プラズマ反応チャンバ２００のドーム２１２上部表面に隣接した第１平面４ａ上に配置される。ブッシング４１０は、ドーム２１２の上部表面から相対的にさらに離間された第２平面４ｂ上に配置される。具体的には、第２平面４ｂ上でブッシング４１０から分枝される単位コイル４２１，４２２，４２３は、第１平面４ａまで垂直方向に延長する。第１平面４ａまで延長した各単位コイル４２１，４２２，４２３は、第１平面４ａ上で螺旋状に配置される。単位コイル４２１，４２２，４２３の螺旋状の構成は、図３で説明したところと同一なので、それの説明は省略する。

図５Ａ及び図５Ｂは、本発明のさらに他の実施形態による適応型プラズマソースの図である。詳細には、図５Ａは、適応型プラズマソースがプラズマ反応チャンバに装着される構成の図であり、図５Ｂは、図５Ａに示された適応型プラズマソースの立体図である。同じ参照符号は、図２及び図５Ａと同じ要素を表すので、それらの説明は省略する。

図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、適応型プラズマソースは、下部に配置された第１ブッシング５１０と、上部に配置された第２ブッシング５３０を具備している。第１ブッシング５１０は、プラズマ反応チャンバ２００のドーム２１２上面上に位置した第１平面５ａ上に配置され、第２ブッシング５３０は、第１平面５ａより所定の距離だけ高くに位置した第２平面５ｂ上に配置される。第１ハウジング５１０の他に、２個以上の（例えば３個の）第１単位コイル５２１，５２２，５２３が第１平面５ａ上に配置される。同様に、第２ブッシング５３０の他に、２個以上の（例えば３個の）第２単位コイル５４１，５４２，５４３が第２平面５ｂ上に配置される。第１ブッシング５１０と第２ブッシング５３０は、連結ロッド５５０により相互連結される。連結ロッド５５０は導電性材料で作製されている。したがって、ＲＦ電力が、第２ブッシング５３０及び連結ロッド５５０を通じて第１ブッシング５１０に供給されうる。

第１単位コイル５２１，５２２，５２３は、第１ブッシング５１０から分枝され、第１平面５ａ上で第１ブッシング５１０を螺旋状に取り巻く。第２単位コイル５４１，５４２，５４３は、第２ブッシング５３０から分枝され、第２平面５ｂ上で第２ブッシング５３０を螺旋状に取り巻く。第１及び第２単位コイルの構造は、図３で説明したように同一であるから、それらの説明は省略する。

一方、図面には示されていないが、第１平面５ａと第２２平面５ｂとの間の所定の面上には、第１ブッシング５１０及び第２ブッシング５３０と同じ態様で配置される少なくとも１つのブッシングが配置される。そのブッシングから少なくとも２個の単位コイル（図示せず）が第１単位コイル及び第２単位コイルと同じ態様で配置されうる。また、第１単位コイルの個数は、第２単位コイルの個数と等しくてもよいし、異なっていてもよい。

図６は、本発明のさらに他の実施形態による適応型プラズマソースの図である。

図６を参照すると、適応型プラズマソースは、下部に配置された第１ブッシング５１０と、上部に配置された第２ブッシング５４０を具備している。図５Ａの適応型プラズマソースとは異なり、図６の適応型プラズマソースは、第１ブッシング５１０の直径ｄ１が、第２ブッシング５４０の直径ｄ２とは相異なることを特徴とする。すなわち、第１平面５ａ上の第１ブッシング５１０の直径ｄ１が第２平面５ｂ上の第２ブッシング５４０の直径ｄ２より大きい。これは、第１ブッシング５１０の断面が第２ブッシング５４０の断面よりさらに広いことを意味する。この構成は、第１ブッシング５１０の直径ｄ１を広げることによって得られるものであり、プラズマ反応チャンバ２００の中心部でのプラズマ密度を低下させるのにさらに効果的である。言い換えれば、第１単位コイル５２１，５２２，５２３と重複されるプラズマ反応チャンバ２００の領域が減少すると、プラズマ密度が低くなる領域が広くなる。

図７は、本発明のさらに他の実施形態による適応型プラズマソースの図である。

図７を参照すると、図５Ａの適応型プラズマソースとの差異は、第１単位コイル５２１，５２２，５２３の個数が、上部の第２単位コイル５４１，５４２，５４３，５４４の個数と等しくないことである。すなわち、下部に配置された第１単位コイル５２１，５２２，５２３の個数が３個であるが、第２単位コイル５４１，５４２，５４３，５４４の個数は４個である。このように、下部の単位コイルの個数と上部の単位コイルの個数とを調節することにより、より微細なインピーダンスを得ることができる。

図８は、図７に示された適応型プラズマコイルのインダクタンス成分の等価回路図である。

図８を参照すると、下部に配置された第１単位コイル５２１，５２２，５２３はすべて第１ブッシング５１０から分枝され回路構成となる。また、上部に配置された第２単位コイル５４１，５４２，５４３，５４４はすべて第２ブッシング５３０から分枝されて、回路構成となる。それぞれの単位コイルが同じインピーダンスＺを有する場合、上部の第２単位コイル回路の第２等価インピーダンスＺ２は、Ｚ／４となる。同様に、第１単位コイル回路の第１等価インピーダンスＺ１は、Ｚ／３となる。従って、全体の等価インピーダンスＺｔは７Ｚ／１２であり、これは第１等価インピーダンスＺ１と第２等価インピーダンスＺ２との和である。すなわち、１つの単位コイルのインピーダンスの７／１２倍に相当する等価インピーダンスを得ることができる。従って、さらに微細な等価インピーダンスを得ることができる。例えば、３個の単位コイルと４個の単位コイルが下部と上部とにそれぞれ配置される場合には、１つの単位コイルの１／１２倍ないし１２／１２倍のインピーダンスが得られる。

図９Ａ及び図９Ｂは、本発明のさらに他の実施形態による角張った形状を有する適応型プラズマソースの図である。

円形のブッシングについて上述したが、ブッシングは、角張った形状として形成されてもよい。図９Ａに図示されているように、ブッシングは、四角形または六角形として形成されてもよい。図９Ａに図示された四角形のブッシング９１０の場合には、２個以上の（例えば４個の）単位コイル９２１，９２２，９２３，９２４は、ブッシング９１０の４つの辺から対称に分枝される。この場合には、ブッシング９１０の各コーナーから分枝されうるということが明らかである。また、単位コイル９２１，９２２，９２３，９２４の巻回数は、上記の式１により決定される。すなわち、４個の単位コイル９２１，９２２，９２３，９２４が使われるので、その巻回数は、１／４、２／４、３／４、１、１と１／４、１と２／４、等となる。図９Ｂに図示されている六角形のブッシング９３０の場合には、２個以上の（例えば６個の）単位コイル９４１，９４２，９４３，９４４，９４５，９４６が、ブッシング９３０の各コーナーから対称に分枝される。単位コイル９４１，９４２，９４３，９４４，９４５，９４６の巻回数は、上記の数式１により決定される。すなわち、６個の単位コイル９４１，９４２，９４３，９４４，９４５，９４６が使われるので、巻回数は１／６、２／６、３／６、４／６、５／６、１、１と１／６、１と２／６、１と３／６、１と４／６等となる。

プラズマ反応チャンバ内のプラズマ密度分布とＣＤ変化分布とを示すグラフである。 本発明の１つの実施形態による適応型プラズマソースを用いたプラズマ反応チャンバの断面図である。 図２に示された適応型プラズマソースの平面図である。 本発明の他の実施形態による適応型プラズマソースを説明するための断面図である。 本発明の他の実施形態による適応型プラズマソースを説明するための図である。 本発明のさらに他の実施形態による適応型プラズマソースを説明するための図である。 本発明のさらに他の実施形態による適応型プラズマソースを説明するための図である。 本発明のさらに他の実施形態による適応型プラズマソースを説明するための図である。 本発明のさらに他の実施形態による適応型プラズマソースを説明するための図である。 図８に示された適応型プラズマソースのインダクタンス成分の等価回路図である。 本発明のさらに他の実施形態による角張った形状を有する適応型プラズマソースを示す図である。 本発明のさらに他の実施形態による角張った形状を有する適応型プラズマソースを示す図である。

符号の説明

２００ プラズマ反応チャンバ
２０４ 内部空間
２１０ ＲＦ（高周波）電源
３００ 適応型プラスマソース
３１０ ブッシング
３２１、３２２、３２３ 単位コイル

Claims (11)

1. プラズマを形成するための反応空間を有する反応チャンバの上部に配置され、外部の高周波電源からのＲＦ（高周波）電力を供給され、前記反応空間内に電場を形成させる適応型プラズマソースであって、
   前記ＲＦ電源と連結され、前記反応チャンバの上部中心部に配置される導電性のブッシングと、
   前記ブッシングから分枝され、前記ブッシングを螺旋状に取り巻いて、ａ×（ｂ／ｍ）に等しい巻回数を有する少なくとも２つの単位コイルとを
   具備し、ａ及びｂは正の整数、そしてｍは上記単位コイルの個数である適応型プラズマソース。
2. 前記ブッシングは、所定の直径を有する円形の形状を有し、前記単位コイルは、前記ブッシングのエッジで相互対称になる位置から分枝される、請求項１に記載の適応型プラズマソース。
3. 前記ブッシングは、多角形の形状を有し、前記単位コイルは前記ブッシングと同じ多角形の形状を有しかつ前記ブッシング周囲を螺旋状に取り巻いている請求項１に記載の適応型プラズマソース。
4. 前記ブッシング及び単位コイルは、四角形の形状を有している請求項３に記載の適応型プラズマソース。
5. 前記ブッシング及び単位コイルは、六角形の形状を有している請求項３に記載の適応型プラズマソース。
6. 前記ブッシングは、前記反応チャンバの上部に配置された前記単位コイルと同一平面上に配置される請求項１に記載の適応型プラズマソース。
7. 前記ブッシングは、前記反応チャンバの上部に配置された前記単位コイルが位置した第１平面上より高くに位置した第２平面上に配置される請求項１に記載の適応型プラズマソース。
8. 前記単位コイルは、前記第２平面上に配置される前記ブッシングから分枝され、前記第１平面上まで延長され、そして前記第１平面上で螺旋状に配置される請求項７に記載の適応型プラズマソース。
9. プラズマを形成するための反応空間を有する反応チャンバの上部に配置され、外部のＲＦ電源からのＲＦ（高周波）電力を供給され、前記反応空間内に電場を形成させる適応型プラズマソースであって、
   前記反応チャンバの上部に位置した第１平面上で前記反応チャンバの上部中心部に配置される導電性の第１ブッシングと、
   前記第１平面上で前記第１ブッシングから分枝され、前記第１ブッシング周囲を螺旋状に取り巻き、ａ×（ｂ／ｍ１）に等しい巻回数を有し、ここで、ａ及びｂは正の整数、そして、ｍ１は単位コイルの個数である少なくとも２個の第１単位コイルと、
   前記第１平面より高くに位置した第２平面上で前記第１ブッシングに対応して配置され、前記第１ブッシングに弾性的に連結される導電性の第２ブッシングと、
   前記第２平面上で前記第２ブッシングから分枝され、前記第２ブッシング周囲を螺旋状に取り巻き、ａ×（ｂ／ｍ２）に等しい巻回数を有し、ここで、ａ及びｂは正の整数、そして、ｍ２は単位コイルの個数である少なくとも２個の第２単位コイルとを具備した適応型プラズマソース。
10. 前記第１ブッシングは、前記第２ブッシングの断面と等しいかそれより広い断面を有する請求項９に記載の適応型プラズマソース。
11. 前記第１平面上と前記第２平面上との間の少なくとも１つの平面で前記第１ブッシング及び第２ブッシングと連結される少なくとも一つ以上の第３ブッシングと、
    前記第３ブッシングから分枝され、前記第１単位コイル及び第２単位コイルと同じ態様で配置される少なくとも１つの第３単位コイルとをさらに具備した請求項９に記載の適応型プラズマソース。

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