JP3017944B2 - 電子的に可変な密度プロファイルを有するプラズマ源 - Google Patents

電子的に可変な密度プロファイルを有するプラズマ源

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JP3017944B2 JP8229208A JP22920896A JP3017944B2 JP 3017944 B2 JP3017944 B2 JP 3017944B2 JP 8229208 A JP8229208 A JP 8229208A JP 22920896 A JP22920896 A JP 22920896A JP 3017944 B2 JP3017944 B2 JP 3017944B2
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dielectric window
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】本発明は、密度プロファイルの制御が可
能なプラズマ源に関する。
【０００２】誘導結合電源は、低エネルギ（Ｔe〜数ｅ
Ｖ）において高密度のプラズマ（ｎe〜１×１０11 −
２×１０12／ｃｍ3）を発生し、材料にエッチングまた
は堆積を行なうのに用いられる。側部または上部コイル
状アンテナ（または、その間の変形）は、真空チャンバ
の境界の１つを形成する誘電体ウインドウに隣接して取
り付けられていて、ＲＦ電流がコイル状アンテナに加え
られる。誘電体ウインドウによって境界づけられた真空
チャンバの周縁にかかるアンテナ電圧によって発生する
静電界が十分に高くなると、プラズマを生じさせること
が可能になる。更にアンテナに加えるＲＦ電流を更に増
大させ、誘導電界がしきい値を超えると、誘導結合によ
る高密度のプラズマを生じさせることが可能になる。
【０００３】典型的に、アンテナの型及び電源の幾何学
的形状（例えば、形及びサイズ）は、特定のプロセス及
び操作形式にあわせて最適化される。しかし、これは、
特定のハードウェア形状に対して、プロセス操作ウイン
ドウを制限する可能性がある。例えば、陽電性プラズマ
内の低圧（＜５ミリトル）での操作に対して最適化され
たプラズマ源は、広い領域にわたって極めて平な(flat)
プラズマ密度プロファイルを示すことが可能であるが、
より高い圧力における操作または陰電性ガスを用いた操
作の場合には、均一性が劣化する可能性がある。
【０００４】均一性の劣化は、アンテナに隣接して電力
が内部に結合される領域から、内側への電子の拡散が不
十分なためである。電子の不十分な拡散は、より高圧の
結果として生じる電子の衝突頻度の増大によるものであ
る。また、大電源による操作の場合に、プラズマの浸透
が不十分になるのは、誘導ＲＦ Ｅ電界の弱い浸透のた
めである（すなわち、プラズマの導電率が高くなるため
浸透厚さが減少する）。これら両方の効果によって、
「中央が中空の」密度プロファイルが生じることにな
る。更に、負電性プラズマ（例えば、フッ素、塩素、ま
たは、酸素を含む雰囲気中におけるプラズマ）も、中央
が中空の密度プロファイルを生じさせることが可能であ
る。
【０００５】特定のプロセス条件に対する、プラズマ密
度の均一性の劣化を阻止するため、さまざまな技法が利
用されている。例えば、プラズマプロセスの中には、丈
の高い電源を用いるものあれば、丈の低い電源を用いる
ものもある。電源の高さの増大は、壁損失を増大する傾
向があり、これが、中空の中央を補う。電源の高さを低
減すると、電極に対する端部損失を増大する傾向を示
し、これが、基板中央におけるプラズマ密度を低下す
る。また、電極の間隔は、プラズマの均一性に多少影響
を及し、より良好な均一性を生み出すために、特定のプ
ロセス及びプロセス条件に合あわせて選択され得る。チ
ャンバ内における流量を調整することにより、均一性に
影響を与えることもできる。ただし、この後者のアプロ
ーチは、プロセスに激烈な影響を及ぼす傾向がある。更
に、実施される特定のプラズマプロセスに合わせて調整
されたこれらの技法の多くは、プロセス条件が変化する
と、所望の結果が得られない。
【０００６】
【発明の概要】一般に、本発明は、１面から見ると、プ
ラズマキャビティを画成するチャンバ本体と、プラズマ
キャビティに関して、操作中に基板上方において中央に
ピークがくるプラズマ密度プロファイルを得るように構
成され、配置された第１のアンテナと、プラズマチャン
バに関して、操作中に基板上方において中央が中空にな
るプラズマ密度プロファイルを得るように構成され、配
置された第２のアンテナを含むプラズマシステムであ
る。
【０００７】好ましい実施例は、下記の特徴を含んでい
る。プラズマシステムは、第１と第２の両方のアンテナ
に接続された電源も含まれている。電源は、操作中に第
１と第２の両方のアンテナに供給電力（例えばＲＦ電
力）を供給し、基板上方において正味(net)プラズマ密
度を作り出す。電源は、ＲＦ発生器を含んでおり、プラ
ズマシステムは、更に、ＲＦ発生器から電力を受け、受
けた電力を第１と第２のアンテナに分配（分割）する電
力スプリッタも含んでいる。代わりに、電源は、第１の
アンテナに電力を送る第１のＲＦ発生器と、第２のアン
テナに電力を送る第２のＲＦ発生器を含むことも可能で
ある。
【０００８】また、好ましい実施例において、第１と第
２のアンテナは、両方ともプラズマキャビティの外側に
位置する。チャンバ本体は第１の誘電体ウインドウと第
２の誘電体ウインドウを含んでおり、第１のアンテナは
プラズマキャビティの外側に位置し且つ第１の誘電体ウ
インドウに隣接しており、第２のアンテナはプラズマキ
ャビティの外側に位置し且つ第２の誘電体ウインドウに
隣接している。第１と第２のアンテナは、コイル状アン
テナである。例えば、第１のアンテナは操作中に基板と
ほぼ平行に位置する平なスパイラルコイル状アンテナと
することが可能であり、第２のアンテナは、石英で作ら
れた誘電体ウインドウの働きをする、円筒形状体に巻き
付けられた円筒形状のコイルである。
【０００９】一般に、本発明は、他の面から見ると、外
側領域によって包囲された中央の内側領域を有するプラ
ズマキャビティを画成するチャンバ本体と、プラズマキ
ャビティに関して、エネルギが外側領域よりも中央領域
により有効に結合されるように構成され且つ配置された
第１のアンテナと、プラズマチャンバに関して、エネル
ギが中央領域よりも外側領域により有効に結合されるよ
うに構成され且つ配置された第２のアンテナを含むプラ
ズマシステムである。
【００１０】好ましい実施例において、チャンバ本体
は、基板上方に位置する誘電体ウインドウを含んでお
り、第１と第２のアンテナは、プラズマキャビティの外
側において誘電体ウインドウに隣接して位置している。
特に、第２のアンテナが第１のアンテナ内において同軸
をなすように位置している。
【００１１】一般に、本発明は、更に他の面から見る
と、プラズマキャビティを画成するチャンバ本体と、操
作中にキャビティ内でプラズマキャビティに関してプラ
ズマにエネルギが結合されるように配置された第１のア
ンテナと、操作中にキャビティ内でプラズマチャンバに
関してプラズマにエネルギが結合されるように配置され
た第２のアンテナと、入力ライン及び第１と第２の出力
ラインを含み、第１の出力ラインが第１のアンテナに結
合され、第２の出力ラインが第２のアンテナに結合され
ている電力スプリッタと、電力スプリッタの入力ライン
に電力を供給する電力発生器を含み、電力スプリッタ
が、電力発生器から受けた電力をその第１と第２の出力
ラインに分配するようになっているプラズマシステムで
ある。
【００１２】一般に、本発明は、更にもう１つの面から
見ると、基板を処理するためのプラズマシステム内にお
いて、プラズマのイオン密度プロファイルを制御する方
法である。その方法は、第１のアンテナを介して第１の
ＲＦ電力をプラズマに結合することと、第２のアンテナ
を介して第２のＲＦ電力をプラズマに結合することと、
プラズマ処理中に基板上方において実質上均一なイオン
密度プロファイルを作り出すように第１のＲＦ電力と第
２のＲＦ電力の比を制御することと、を含む。
【００１３】上述のハードウェアを利用して、上部コイ
ル状アンテナと側部コイル状アンテナの間でＲＦ電流を
分割し、直径の大きいウェーハの全域においてでさえ、
平なプラズマ密度プロファイルを作り出すことが可能で
ある。更に、アンテナにおける電流の位相はある所望の
一定値に維持されてもよく、分割されたＲＦ電力とは関
係なく、アンテナコイルとプラズマの誘導結合関係及び
容量結合関係が一定に保たれる。
【００１４】本発明によれば、多くの利点が得られる。
一般に、プラズマプロセス（例えば、エッチングプロセ
ス）の高圧力及び大電力操作が可能になり、プラズマ密
度プロファイル内の過度の不均一性をもたらすことな
く、陽電性または陰電性プラズマによる操作を可能にす
る。更に、均一密度操作のより広いウインドウを有する
プラズマ源を提供する。また、使用者が、リアルタイム
に、広範囲にわたる処理条件に対して密度プロファイル
を変化させることが可能になる。また、同じか又は異な
るＲＦ電流で、２つ以上のアンテナコイルを駆動するこ
とが可能になり、ユーザが、電流または結果として生じ
るアンテナ電圧間の所望の位相関係を維持しながら２つ
以上のアンテナコイル間において分割されるＲＦ電流を
制御することが可能になる。
【００１５】本発明は、特に、非常に大きい基板のプラ
ズマ処理（例えば、プラズマエッチング）のために、よ
り均一なイオンプラズマ密度プロファイルが得られるよ
うにするのに有効である。
【００１６】他の利点及び特徴については、好ましい実
施例に関する以下の説明及び請求項から明らかになるで
あろう。
【００１７】
【好ましい実施例の説明】図１を参照すると、本発明を
具体化したプラズマエッチングシステムは、金属真空チ
ャンバ本体１２の上部に取り付けられた誘電体材料（す
なわち、水晶またはＡｌ2Ｏ3のようなセラミック）から
作られた円筒体１０を含んでいる。円筒体１０の一方の
端部には、寄り掛かり(abuts)、Ｏリングの助けにより
チャンバ本体１２と真空シールを形成するフランジが設
けられている。円形誘電体プレート１４は、シリンダ１
０のもう一方の端部を密封し、よって、プラズマ処理が
行われる密封キャビティ１６を形成する。円筒体１０と
誘電体プレート１４の両方は、その組み合わせは、一般
にドームとも呼ばれ、ＲＦ電力が後述の適正に配置され
たアンテナによってチャンバ内で結合することを可能に
するウインドウを提供する。
【００１８】プラズマキャビティ１６内には、処理中に
基板２０（例えば、半導体ウェーハ）を保持する静電チ
ャックアセンブリ（Ｅチャック）１８が設けられてい
る。Ｅチャック１８の外周は、プラズマの腐食効果か
ら、及びＥチャック１８を包囲する誘電体カラーリング
２２によるＥチャックとプラズマの間における電流の漏
洩から防護されている。誘電体カラーリング２２の外側
には、環状プレート２４が設けられており、円筒体１０
まで上に延びるプレート２４の外周まわりには、円筒形
のライナ２６が設けられている。環状プレート２４とラ
イナ２６の両方は、チャンバ本体１２の内部表面の残り
の部分を操作中のプラズマから保護する。環状プレート
２４及びライナ２６は、用途及び他の設計考慮事項に基
づいて、誘電体材料（例えば、水晶、Ａｌ2Ｏ3、また
は、セラミック）または導電材料（例えば、シリコン、
炭化珪素、黒鉛、炭素繊維材料、または、アルミニウム
等）から作られる。記載された実施例において、上部プ
レート１４も完全に誘電体材料で作られ、Ｅチャックに
加えられるＲＦバイアスの帰路のために十分な導電領域
が得られるように、プレート２４及びライナ２６の両方
とも導電材料で作られている。更に具体的には、環状プ
レート２４はシリコンまたは炭化珪素で作られ、ライナ
２６はカーボン材料で作られる。
【００１９】Ｅチャック１８には、その上部表面に誘電
体／絶縁層が形成された金属ペデスタル２８が含まれて
いる。その上方に形成するプラズマに関するチャックに
電圧を印加することによって、結果として生じる誘電体
層を横切って形成される静電界が、基板をチャックの上
部に対し、しっかりと保持する。解説の実施例におい
て、冷却ガス（例えば、ヘリウム）が、Ｅチャックの本
体内の導管（不図示）を介して、基板２０の裏側に供給
される。
【００２０】チャンバの底部において可動プラットフォ
ーム３２に接続されたピン３０は、Ｅチャック１８を通
るホール３４を通って上に延びている。それらは、プラ
ズマ処理の前に基板を押し下げてＥチャック内に送り込
み、後で持ち上げてＥチャックから離すために用いられ
る。チャンバの下方に位置している空気圧またはモータ
アセンブリ（図示せず）が、可動プラットフォーム３２
を押し下げる。
【００２１】ＲＦ電力が、２つのアンテナ、すなわち、
上部コイル状アンテナ４０と側部コイル状アンテナ４２
を介してプラズマキャビティに供給される。アンテナ４
０及び４２は、両方とも銅線で作られている。上部コイ
ル状アンテナ４０は、上部誘電体プレート１４の上側に
隣接した平なスパイラル形コイルである。側部コイル状
アンテナ４２は、円筒体１０の側壁に巻き付けられた円
筒形状のコイルである。ＲＦ電力は、２つのアンテナ接
続４４ａ及び４４ｂを介して上部アンテナ４０に供給さ
れ、２つの他のアンテナ接続４６ａ及び４６ｂを介して
側部アンテナに供給される。
【００２２】絶縁体カバープレート４８は、上部アンテ
ナ４０を被っている。それは、底部表面に形成されるグ
ルーブ５０を含み、上部アンテナ４０と同じスパイラル
形状を有し、カバープレート４８が上部プレート１４の
上に配置されると、完全に上部アンテナ４０を収容す
る。カバープレート４８は、チャンバ内においてプラズ
マに関して固定位置に上部アンテナ４０を機械的に保持
し、コイルの旋曲部を互いに電気的に絶縁して、旋曲部
間にアークが生じないようにする。カバープレート４８
は、加熱素子５２を含む。カバープレート４８のすぐ上
に、それとすぐ隣接して、エアギャップ５４及び加熱さ
れたカバープレート４８によって放散される熱のための
ヒートシンクの働きをする水冷式冷却アセンブリ５６が
設けられている。加熱素子５２及び冷却アセンブリ５６
は、操作中に、加熱または冷却を行って、カバープレー
ト４８及び上部プレート１４の温度を所定のレベルに保
つために用いられる。
【００２３】円筒形スリーブ４５は、円筒体１０を包囲
している。そのスリーブの内側表面には、側部コイル状
アンテナ４２の旋曲部を保持するためのグルーブ４３が
形成されている。スリーブ４５は、プラズマに関する旋
回部の位置決めと機械的安定性を提供し、コイルの旋曲
部間を絶縁し、アークの発生を阻止する。
【００２４】スリーブ４５の底部近くには、処理中に円
筒体１０の壁面を間接的に加熱して、プラズマプロセス
を安定化させるために用いられるヒータ４９が設けられ
ている。スリーブ４５の上方に位置していて、接触して
いる伝熱カラー５１は、チャンバの上部における冷却に
適した熱流路を作り出すことによって、加熱されたスリ
ーブの放熱をもたらす。例えば、プロセスによっては、
チャンバ壁を十分な高さの温度まで加熱して（例えば、
約２００゜Ｃまで加熱される）、チャンバ内において発
生するポリマの前駆物質が、ドーム壁ではなく基板上に
おいて終わるようにするのが望ましいものもある。
【００２５】記載された実施例において、誘電体スリー
ブ４５とカバープレート４８は、両方とも、例えばアル
ミナまたはＡｌ2Ｏ3のようなセラミックから作られる。
【００２６】上部アンテナ４０は、中心領域１７ａを包
囲する外周領域１７ｂに比較すると、キャビティ１６の
中心領域１７ａに対して比例した多量のＲＦ電力を供給
する。単独で用いる場合、上部アンテナ４０は基板２０
の表面の上方において中央にピークがくるプラズマ密度
プロファイルを作り出す傾向を有するように構成され、
配置される。これに対し、側部アンテナ４２は、キャビ
ティ１６の外周領域１７ｂに対して比例した多量のＲＦ
電力を供給する。単独で用いる場合、側部アンテナ４２
は、基板２０の表面の上方において中央が中空になるプ
ラズマ密度プロファイルを作り出す傾向を有するように
構成され、配置される。２つのアンテナ４０及び４２を
同時に動作させ、ＲＦ電力をその間で適切に分割する
と、これらは協働して、基板２０の上部全域にわたって
より均一なプラズマ密度プロファイルを生じさせる。
【００２７】図２を参照すると、記載した実施例の場
合、アンテナ４０及び４２は両方とも、好ましい実施例
の場合単一ＲＦ発生器６０を含むＲＦ電源によって駆動
される。５０オームの出力インピーダンスを有するＲＦ
発生器６０は、５０オームの同軸ケーブル６２を介して
ＲＦ整合セクション６４に、更に、電力スプリッタ６６
に接続される。電力スプリッタ６６は、一方が上部コイ
ル４０の端子の一方に接続され、もう一方が側部コイル
４２の端子の一方に接続された２つの出力ライン６８ａ
及び６８ｂを有する。上部アンテナ４０のもう一方の端
子は、コンデンサ(capacitor)Ｃ２を介して接地され、
同様に、側部コイル４２のもう一方の端子は、コンデン
サＣ４を介してアースに接続されている。
【００２８】一般に、ＲＦ整合セクション６４は、ＲＦ
整合セクションのインピーダンスを調整して、ＲＦケー
ブル６２と電力スプリッタ６６の間における整合状態を
実現し、これによって、チャンバ内のプラズマに供給さ
れるＲＦ電力が最大になるようにする１つ以上の可変リ
アクタンス素子（例えば、インダクタまたはコンデン
サ）を含んでいる。ＲＦ整合セクション６４内のＲＦ検
出回路が、チャンバ内への電力伝送をモニタし、モニタ
結果から、整合状態の実現及び維持を行うため、ＲＦ背
号セクション６４内における可変リアクタンス素子の値
を調整する制御信号を発生する。
【００２９】プラズマ処理システムに利用可能なＲＦ整
合セクションの設計及び構成は、等業者にとって周知で
ある。適合するＲＦ整合回路については、Collins他に
よるU.S.5,392,018に記載があり、適合するＲＦ整合制
御システムについては、Collins他によるU.S.5,187,454
に記載があるが、両方とも参照として本明細書に組み込
まれている。
【００３０】電力スプリッタ６６は、前記負荷における
電流または電圧間における所望の位相関係が維持される
ように、単一ＲＦ発生器から２つの負荷へのＲＦ電力を
分割する。電力スプリッタ６６に対する制御信号７０に
よって、ユーザは、２つのアンテナにどのようにＲＦ電
力を分配するかを調整することが可能になり、その結
果、基板上方におけるプラズマ密度プロファイルを制御
することが可能になる。すなわち、制御信号７０によっ
て、電力スプリッタ６６の２つの出力ライン６８ａ及び
６８ｂにおける電圧比が設定される。処理に先立って、
一定の電力分配を設定し、例えば、均一なプロファイル
といった、所望のプラズマ密度プロファイルが得られる
ようすることが典型的に望まれる。代わりに、プラズマ
処理中に電力分配を変更し、それによってリアルタイム
にプラズマ密度プロファイルを変化させたいと思う場合
もある。２つの出力信号間の電圧比が調整されるので、
電力スプリッタの出力信号によって、互いの位相関係が
比較的一定に保たれることになる。更に、電圧分割比
は、２つの負荷のインピーダンスの動的変化に比較的影
響されることがない。適合するＲＦ電力スプリッタにつ
いては、参照として本書に組み込まれた、Collins他に対
する米国特許第5,349,313号に記載がある。
【００３１】ＥチャックへのＲＦバイアス電力は、同軸
ケーブル８２を介してもう１つのＲＦ整合セクション８
４に接続されたもう１つのＲＦ発生器８０によって供給
される。ＲＦ整合セクションの出力は、フィルタ８６に
通され、そこで静電チャッキングのため、電圧ドライバ
８８からの直流電圧とも組み合わせられる。フィルタ８
６からの出力信号は、Ｅチャック１８にバイアスをかけ
る。ＲＦ信号によって、Ｅチャック１８にプラズマに関
する自己誘導バイアスが生じる。ドライバ８８は、Ｅチ
ャック１８に生じる正味直流バイアスの設定に用いられ
る付加直流バイアスを印加する。フィルタ８６は、ＲＦ
信号が、その動作を妨げることになる回路の直流側に入
り込むのを阻止する。
【００３２】図３（ａ）には、電力スプリッタ７０の内
部設計の詳細が示されている。図示のように、電力スプ
リッタ６６は、直列に且つ同相に接続された３つの相互
結合インダクタＬ１、Ｌ２、及び、Ｌ３から構成されて
いる。図３（ａ）における各インダクタの一方の側にお
けるドット(dot)は、他の同様のマーキングが施された
インダクタ端子と共通の位相を有するインダクタ端子を
表している。３つのインダクタ間における結合係数は、
できるだけ高い係数である（例えば、０.８以上）。イ
ンダクタＬ１及びＬ２は、共通ノード(node)９０を共用
し、インダクタＬ２及びＬ３は、共通ノード９２を共用
している。側部アンテナ４２の一方の端子（例えば、上
部端子４６ａ）が、ノード９０に接続され、上部アンテ
ナ４０の一方の端子（例えば、外側端子４４ｂ）が、ノ
ード９２に接続されている。前述のように、側部アンテ
ナ４２及び上部アンテナ４０のもう一方の端子は、それ
ぞれ、コンデンサＣ４及びＣ２を介してアースに接続さ
れている。分路コンデンサＣ３及びＣ１は、それぞれ、
ノード９０及び９２からアースに接続されている。複素
インピーダンスＺを有する可変リアクタンス素子９６
は、さもなくば接続されないＬ３の端子及びアースに接
続されている。
【００３３】ＲＦ電力は、さもなくば接続されないＬ１
端子を介してスプリッタ６６に供給され、アンテナ４０
及び４２の両方に分配される。この形状の場合、ノード
９０及び９２におけるアンテナ４０及び４２に対する出
力信号は、それぞれ、位相が互いに１８０゜ずれてい
る。もちろん、アンテナコイルは、アンテナに対する入
力信号間における１８０゜の位相差を考慮して、それぞ
れ、互いに助け合うＢ電界を生じるように巻かれている
（例えば、チャンバの軸方向に沿った２つのコイルによ
るＢ電界は、同じ方向であり、従って、結合する）。
【００３４】適合する精密なインダクタ及びコンデンサ
値の選択は、プラズマシステムの特性、及び、アンテナ
の形状寸法を含む多くの要素によって決まる。どのよう
に適合する値を選択するかは、当業者にとって周知のと
ころである。これに関して有用なこれ以上の情報につい
ては、参照として本明細書に組み込まれている、Collin
s他に対する米国特許第5,349,313号、及び、Collins他
に対する米国特許第5,392,018号において知ることが可
能である。
【００３５】用途によっては、基板上方においてカスプ
形状(cusp-shaped)の電界（または、カスプ形状のプラ
ズマ密度プロファイル）を発生する逆のＢ電界が得られ
るようにコイルを巻くのが望ましい場合もあり得る。
【００３６】リアクタンス素子９６内における可変イン
ピーダンス素子を変化させることによって、アンテナ電
流と結果生じる誘導磁界及び電界の間の位相関係がほぼ
一定に保たれ、２つのコイル状アンテナ間における電圧
分割比が制御される。
【００３７】図３（ｂ）には、出力電圧の移相が互いに
０゜になるように電圧スプリッタ６６を構成する代替方
法が示されている。これは、上部アンテナ４０及び可変
リアクタンス素子９６に対する接続を取り替えるだけで
実施される。すなわち、可変リアクタンス素子９６がノ
ード９２に接続され、アンテナが、インダクタＬ３のさ
もなくば接続されない側に接続される。
【００３８】図３（ａ）及び３（ｂ）に示す形状には、
両方とも、アンテナ４０及び４２を電力スプリッタに接
続し、アンテナ４０及び４２の端子を電力スプリッタ６
６に接続するためのさまざまな代替組み合わせが存在す
る。例えば、出力ライン６８ａを上部端子４６ａに接続
するのではなく、下部端子４６ｂに接続することが可能
である。同様に、上部アンテナ４０の場合、出力ライン
６８ｂを出力端子４４ｂに接続するのではなく、内部端
子４４ａに接続することも可能である。可能性のある他
の接続方法については、容易に明らかになるはずであ
る。もちろん、チャンバ内において発生するＢ電界が互
いに助け合うように、特定の接続構成を選択することが
望ましい。従って、どの接続が望ましいかを判定する場
合には、アンテナコイルの巻き方向を考慮する必要があ
る。
【００３９】アンテナ電源の幾何学形状は、既述のよう
に円筒形とすることもできるし、あるいは、多種多様な
代替幾何学形状の任意の１つとすることも可能である。
一般に、アンテナの１つは、中央にピークがくるプラズ
マ密度プロファイルが得られるように設計され、もう１
つのアンテナは、中央が中空になるプラズマ密度プロフ
ァイルが得られるように設計されるので、同時に動作さ
せることによって、より均一なプラズマ密度プロファイ
ルを発生することが可能である。代替電源の幾何学形状
の例が、図４（ａ）〜４（ｄ）に示されている。
【００４０】図４（ａ）には、２つのアンテナ１４０及
び１４２が上部プレート１４の上方に位置する、プラズ
マチャンバの形状が示されている。この例の場合、アン
テナ１４０と１４２は両方とも単一巻線を備えた円筒形
状のソレノイドタイプアンテナである。内側アンテナと
も呼ばれるアンテナ１４０はチャンバの中央のＲＦ電力
を供給することによって、中央にピークがくるプラズマ
密度プロファイルが得られるようにする傾向があり、外
側アンテナ１４２はチャンバの外周に電力を供給し、そ
れによって中央が中空になるプラズマ密度プロファイル
を得る傾向がある。両方のアンテナが、チャンバの上方
に位置する場合、ＲＦエネルギをチャンバ内に通すこと
が可能なウインドウを提供する必要がないので、金属で
作ることが可能な円筒体１１を用いることが可能である
という点にも留意されたい。
【００４１】図４（ｂ）には、図４（ａ）に極めてよく
似たもう１つの形状が示されている。これは、２つのア
ンテナ、すなわち、外側アンテナ１５２及び内側アンテ
ナ１５０を有しおり、両方とも上部プレート１４の上方
に位置している。その相違点は、アンテナが、それぞ
れ、複数の同軸をなすように構成された巻線を有すると
いう点である。
【００４２】図４（ｃ）は、２つのアンテナ、すなわ
ち、内側アンテナ１６０と外側アンテナ１６２を含む形
状を示し、両方とも平なスパイラルアンテナであり、両
方とも上部プレート１４の上方に装着され、内側アンテ
ナ１６０が外側アンテナ１６２の内側に位置している。
この形状の場合、上部プレート１４は、チャンバ内に発
生するプラズマにより近くなるように、内側アンテナ１
６０を受けるためのくぼみを、その上部側に含んでい
る。
【００４３】最後に、図４（ｄ）は、上部コイル状アン
テナ１７０がドームの上部近くに位置し、側部コイル状
アンテナ１７２がドームの底部近くに位置している、丸
形誘電体ドーム１６８を示している。
【００４４】上述の例のそれぞれにおいて、２つのアン
テナは、別個に電力を供給され、前述の電力スプリッタ
を介してそれらに接続された単一ＲＦ発生器によって、
同じ周波数で動作する２つの位相ロックＲＦ発生器によ
って、あるいは、周波数が異なる２つのＲＦ発生器によ
って駆動することが可能である。
【００４５】図４（ａ）〜４（ｄ）に示す例から容易に
明らかになるはずであるが、本明細書に記載された本発
明を活用する、誘電体ドーム及びアンテナを作るための
多くの方法が存在する。実際のところ、２つ以上のアン
テナを用いることも可能である。
【００４６】二重コイルを利用するシステムの性能を明
らかにするため、一般的に図５に示すように構成される
プラズマエッチングシステムについて、特定の実験結果
が提示される。チャンバの上部を除けば、システムは、
図１に示すものと同様であり、従って、多くのコンポー
ネントには、図１のシステムにおける対応するコンポー
ネントと同じ番号がついている。ただし、この実施例の
場合、円筒体１０の上に位置するリング２００が存在す
る。リングは、導電材料（例えば、シリコン、ＳｉＣ、
黒鉛等）から作られ、接地されている。リングは、チャ
ンバ内の陽極領域を増して、陽極に隣接して形成された
プラズマシースの両端間に生じる電圧降下が、基板の上
方におけるプラズマシースに比べて少なくなるように
し、従って、陽極材料のスパッタリングが生じないよう
にする働きをする。誘電体プレート２０２は、リング２
００の上に位置し、アンテナ４０のためにチャンバ内に
誘電体ウインドウを提供する。
【００４７】図５に示すシステムの関連寸法は、次の通
りである。
【００４８】 チャンバ： 内径 １２.５インチ 円筒体： 高さ ２.１インチ 上部誘電体プレート２０２： 厚さ ０.５インチ 導電性リング２００： 厚さ ０.５インチ 内径 ８.７インチ 基板： 直径８インチのウェーハ ２つのアンテナは、下記の特性を備えている。
【００４９】 上部アンテナ４０： 巻数 １２ 外径 ８インチ 内径 １インチ インダクタンス 〜１０.９６マイクロヘ ンリ 側部アンテナ４２： 巻数 ５ 外径 １３.５インチ 高さ １.５インチ インダクタンス 〜７.５５マイクロヘンリ 図５に示すコンデンサは、下記の値を備えている。
【００５０】 Ｃ１＝２８９０ｐｆ Ｃ２＝７９５ｐｆ Ｃ３＝５５４５ｐｆ Ｃ４＝１０１１ｐｆ 下記条件下において、システムにプラズマが発生する。
【００５１】無ＲＦバイアス電力 Ａｒ流量 ５０ｓｃｃｍ ０2流量 ５０ｓｃｃｍ サーボ圧 ５ミリトル チャンバ内にプラズマが存在する状態で、ウェーハのす
ぐ上に配置され、−１００ボルトでバイアスが加えられ
た電流プローブによって、イオン飽和電流密度
（Ｊion）が測定された。２つの位置、すなわち、ウェ
ーハの中心とウェーハのエッジ近くにおけるイオン飽和
電流密度である。測定は、複数電力レベル（すなわち、
１ＫＷ、２ＫＷ、及び、３ＫＷ）及び異なるスプリッタ
制御電流で行なわれた。
【００５２】結果として得られたイオン飽和電流密度測
定値が、下記の表１に示されている。
【００５３】
【表１】
【００５４】容易に観察されるように、中心イオン電流
密度に対するエッジ(edge)イオン電流密度の比は、電力
スプリッタ６６の制御電流を調整することによって制御
することが可能である。例えば、電力レベルが２ＫＷ
で、スプリッタの制御電流が３.９アンペアの場合、ウ
ェーハの中心において測定されたイオン電流は、エッジ
近くにおいて測定された電流よりも約１０％少なく、わ
ずかに中央が中空のプラズマ密度プロファイルを示して
いる。スプリッタ制御電流を８.３アンペアまで増大し
たとき、中心近くで測定されたイオン電流密度は、エッ
ジ近くで測定された電流密度を超えたが、これは、中央
が中空のプラズマ密度プロファイルではなかったことを
表している。
【００５５】他の電力レベルにおける測定値も同様の結
果が得られた。
【００５６】また、測定は、各ウェーハ毎に異なるスプ
リッタ制御電流を利用し、３つの酸化物で被われたウェ
ーハにプラズマエッチングを行なうことにより実施され
た。これらの結果が、ウェーハの直径を横切る線形走査
に沿った位置の関数として正味エッチング厚さ（すなわ
ち、除去される酸化物の量の測定値）を示す、図６
（ａ）〜（ｃ）に示されている。これらの実行には、下
記の条件が利用された： 電源電力：２.０ＭＨｚにおいて２８００Ｗ バイアス電力：１.０ＭＨｚにおいて１６００Ｗ ５０ｓｃｃｍのＡｒ流量 ５０ｓｃｃｍのＯ2流量 ５.０ミリトルのサーボ圧 ３分のエッチング時間 図６（ａ）には、側部アンテナと上部アンテナとの電力
分割が約９：１とした、３.９アンペアにスプリッタ制
御電流を設定した場合に得られた、エッチング結果が示
されている。グラフにおいて、下方の水平軸は、ウェー
ハの中心からの位置をインチで示しており、右側の垂直
軸は、正味エッチング厚さ（すなわち、エッチングによ
って除去された相対量の測定値）を示している。左側の
ｙ軸は、基準エッチング量からのパーセントによる偏差
を示している。明らかに、この特定のプラズマエッチン
グプロセスは、ウェーハの中心のほうが少なく、エッチ
ングした。そしてそれは中心が中空のプラズマ密度分布
を表している。
【００５７】図６（ｂ）には、側部アンテナと上部アン
テナとの電力分割が約１：１とした、５.９アンペアに
スプリッタ制御電流を設定した場合に得られた、エッチ
ング結果が示されている。この実行において、エッジよ
り中心におけるエッチング量のほうが多かったが、これ
は、中央が中空のプラズマ密度プロファイルが排除され
たことを表している。実際、この実行によって、プラズ
マ密度プロファイルの中央に多少ピークを生じることに
なったことが分かる。
【００５８】最後に、図６（ｃ）には、側部アンテナと
上部アンテナとの電力分割が約１：４になる、８.３ア
ンペアにスプリッタ制御電流を設定した場合に得られ
た、エッチング結果が示されている。この実行によっ
て、プラズマ密度プロファイルのピークが、図６（ｂ）
に示すデータ結果を生じたものよりも更に中央に集まっ
たことが分かる。
【００５９】より均一なプラズマ密度プロファイルを実
現するには、スプリッタ制御電流を３.９〜５.９アンペ
アの間のある値に設定する必要がある。例えば、チャン
バの縦横比といった幾何学形状、及び、コイル状アンテ
ナの特性を修正することによって、実施される特定のプ
ラズマプロセスの要件に合うように、システムの性能を
より精密に調整できるようにするのも有望である。
【００６０】記載された実施例では、電力スプリッタに
結合された単一ＲＦ電力発生器を含むＲＦ電源の利用が
示されている。代わりに、電源は同じ周波数で動作する
２つの独立したＲＦ電力発生器が含めることができ、そ
の周波数及び位相が互いにロックされた状態を保つこと
を保証するため位相ロック回路要素を与えることができ
る。位相をロックした状態に保つことによって、プラズ
マ処理条件のより強固な安定性及び一貫性が確保され
る。
【００６１】代わりとして、異なる周波数に設定された
２つのＲＦ電力発生器を用いることも可能であるが、こ
の場合、位相ロック(phase locking)は、プロセスの安
定性及び一貫性を実現するのに適切でもなく、必要でも
ないであろう。２つのＲＦ発生器が異なる周波数で用い
られるとき、位相ロックがもはや必要ではなくなる前
に、周波数は少なくとも数キロヘルツだけ分離されれば
よい。各アンテナ毎に整合及び制御回路において必要と
されるフィルタリングの設計を単純化するため、周波数
をもっと大きく分離するほうが望ましい場合もあり得
る。換言すれば、あるＲＦ発生器からの信号が他の発生
器のＲＦ整合及び制御回路の動作を妨げないようにする
ため、フィルタを用いて、他の信号を排除しなければな
らない。２つの周波数が近くなるほど、必然的にフィル
タリングの選択性が増し、従って、フィルタリングの複
雑さが増すことになる。２つのＲＦ発生器のＲＦ周波数
を約１０％だけ分離すると（例えば、２.０ＭＨｚ及び
１.８ＭＨｚ）、必要とされるフィルタリングは、相対
的に実施しやすくなる。
【００６２】上述の実施例は、全て、チャンバ外に位置
するアンテナを有していたが、代わりに、アンテナのど
ちらか一方または両方がチャンバ内に位置することも可
能である。内部環境が特に腐食性のエッチングプロセス
の場合には、上述のように、誘電体ウインドウの外側に
アンテナを配置するほうがおそらく望ましい。しかし、
それほど厳しくない処理環境の場合には、アンテナをチ
ャンバ内に配置して、プラズマとのより有効な結合を実
現するのが望ましいであろう。
【００６３】他の実施例は、付属の請求項に含まれてい
る。例えば、複数の別個に電力供給を受けるアンテナ
は、両方とも、参考までに本書に組み込まれている、１
９９１年６月２７日に提出されたU.S.S.N.07/722,340の
継続出願である、１９９５年５月２４日に提出された米
国特許出願U.S.S.N.08/453,136に記載のプラズマエッチ
ングシステムに用いるのに十分に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマエッチングシステムの断面図である。
【図２】アンテナにＲＦ電力を結合し、ペデスタルにＲ
Ｆバイアスを結合するＲＦ回路のブロック図である。
【図３】（ａ）は電力スプリッタを上部及び側部アンテ
ナに接続するための構成の１つに関する詳細図である。
（ｂ）は電力スプリッタを上部及び側部アンテナに接続
するためのもう１つの構成に関する詳細図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は２つのアンテナ及びチャンバ
に関する代替設計を示す図である。
【図５】実験データを得るために用いられたチャンバの
構成の概要を示す図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は３つの異なるスプリッタ制御
電流に関して、ウェーハの直径を横切る位置の関数とし
て酸化物のエッチング結果を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 テツヤ イシカワ アメリカ合衆国， カリフォルニア州, サンタクララ， ブラッサム ドライ ヴ 873 (56)参考文献 特開 平７−57893（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−161695（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−7100（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−82494（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−235395（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−135096（ＪＰ，Ａ) 特表 平５−507963（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H05H 1/46 H01L 21/3065

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板を処理するためのプラズマシステム
    であって、 内部にメインプラズマキャビティが画成された、処理中
    に前記メインプラズマキャビティ内に基板が保持される
    チャンバ本体と、 第１の周波数を有する電力が送られる第１のアンテナで
    あって、該電力を前記メインプラズマキャビティに誘導
    結合するように、基板上方に、前記メインプラズマキャ
    ビティに関して配置され且つ構成され、もって中央にピ
    ークのくるプラズマ密度プロファイルを操作中に作り出
    すようになっている第１のアンテナと、 第２の周波数を有する電力が送られる第２のアンテナで
    あって、該電力を直接前記メインプラズマキャビティに
    誘導結合するように、基板上方に前記メインプラズマキ
    ャビティに関して配置され且つ構成され、もって中央が
    中空のプラズマ密度プロファイルを操作中に前記基板上
    に作り出すようになっている第２のアンテナと、を備
    え、 前記第１の周波数と前記第２の周波数とが互いに異なっ
    ているシステム。
  2. 【請求項２】前記第１及び前記第２のアンテナがプラズ
    マキャビティの外側に位置する請求項１に記載のプラズ
    マシステム。
  3. 【請求項３】前記チャンバ本体が、第１の誘電体ウイン
    ドウ及び第２の誘電体ウインドウを備え、前記第１のア
    ンテナが前記プラズマキャビティの外側に位置して前記
    第１の誘電体ウインドウに隣接し、前記第２のアンテナ
    が前記プラズマキャビティの外側に位置して前記第２の
    誘電体ウインドウに隣接している請求項２に記載のプラ
    ズマシステム。
  4. 【請求項４】前記第１のアンテナがコイル状アンテナで
    あって前記第２のアンテナがコイル状アンテナである請
    求項３に記載のプラズマシステム。
  5. 【請求項５】前記第１のアンテナが平らな（ｆｌａｔ）
    スパイラルコイル状アンテナであって、操作時に前記基
    板に実質的に平行に位置している請求項３に記載のプラ
    ズマシステム。
  6. 【請求項６】前記チャンバ本体が、基板上方に誘電体ウ
    インドウを備え、前記第１及び前記第２のアンテナがプ
    ラズマキャビティの外側に位置し、前記誘電体ウインド
    ウに隣接している請求項４に記載のプラズマシステム。
  7. 【請求項７】処理中に基板を保持する、外側領域によっ
    て包囲された中央内側領域を有するメインプラズマキャ
    ビティを画成し、前記基板が前記チャンバ本体に支持さ
    れるときに基板と反対側に位置する誘電体ウインドウを
    有するチャンバ本体と、 前記誘電体ウインドウに隣接して、エネルギが前記外側
    領域よりも前記中央領域内に向かってより有効に誘導結
    合されるように構成され且つ配置されている第１のアン
    テナと、 前記誘電体ウインドウに隣接して、エネルギが前記中央
    領域よりも前記外側領域内に向かってより有効に誘導結
    合されるように構成され且つ配置されている第２のアン
    テナと、 操作中に電力を前記第１のアンテナに第１の周波数で分
    配する第１の電源と、 操作中に電力を前記第２のアンテナに第２の周波数で分
    配する第２の電源と、を備える、基板を処理するプラズ
    マシステム。
  8. 【請求項８】前記チャンバ本体が第１の誘電体ウインド
    ウ及び第２の誘電体ウインドウを備え、前記第１のアン
    テナが前記プラズマキャビティの外側に位置し且つ前記
    第１の誘電体ウインドウに隣接し、前記第２のアンテナ
    が前記プラズマキャビティの外側に位置し且つ前記第２
    の誘電体ウインドウに隣接している、請求項７に記載の
    プラズマ装置。
  9. 【請求項９】前記チャンバ本体は、基板が前記チャンバ
    本体に支持されるときに基板に対向するように位置する
    誘電体ウインドウを有しており、前記第１の及び第２の
    アンテナが前記誘電体ウインドウに隣接して位置してい
    る請求項７に記載のプラズマ装置。
  10. 【請求項１０】前記第１のアンテナが第１のソレノイド
    コイルで、前記第２のアンテナが第２のソレノイドコイ
    ルであって、前記第１のソレノイドコイルが前記第２の
    ソレノイドコイルの内部に同心状に配置されている請求
    項９に記載のプラズマ装置。
  11. 【請求項１１】前記第１のソレノイドコイルが、多重の
    ソレノイドコイルである請求項１０記載のプラズマ装
    置。
  12. 【請求項１２】前記第２のソレノイドコイルが、多重の
    ソレノイドコイルである請求項１０記載のプラズマ装
    置。
  13. 【請求項１３】前記第１の及び前記第２のソレノイドコ
    イルが、多重のソレノイドコイルである請求項１０記載
    のプラズマ装置。
  14. 【請求項１４】前記第１の及び前記第２の周波数が、少
    なくとも数キロヘルツ異なる請求項１又は７記載のプラ
    ズマ装置。
  15. 【請求項１５】前記第１の及び前記第２の周波数が、１
    ０％程度互いに異なる請求項１４記載のプラズマ装置。
  16. 【請求項１６】 第１のＲＦ電力を第１の周波数で前記
    プラズマに第１のアンテナを通して結合するステップ
    と、 第２のＲＦ電力を、前記第１の周波数と異なる第２の周
    波数で前記プラズマに第２のアンテナを通して結合する
    ステップと、 実質的に均一なイオン密度プロファイルを前記基板の上
    方にプラズマ処理中に生成するために、前記第１のＲＦ
    電力の前記第２のＲＦ電力に対する比を制御するステッ
    プと、 を備える、基板を処理するための、プラズマ装置内のプ
    ラズマのイオン密度プロファイルを制御する方法。
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