JP3236216B2 - 半導体ウェーハ製造用プラズマ処理装置 - Google Patents
半導体ウェーハ製造用プラズマ処理装置Info
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/20—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy
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- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に半導体ウェーハ
製造用の処理装置にかかり、特にウェーハクリーニン
グ、ウェーハ蒸着、及びウェーハエッチングに対するプ
ラズマ装置の利用に関するものである。
製造用の処理装置にかかり、特にウェーハクリーニン
グ、ウェーハ蒸着、及びウェーハエッチングに対するプ
ラズマ装置の利用に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】例えば、ウェーハのプラズマエッチング
は、これが異方性にできること、化学的に選択できるこ
と、熱力学的平衡から遠く離れた条件でエッチングでき
ること、湿式のエッチング処理に比してエッチング剤の
使用量が少いこと、不良品の製造量が著しく低減するこ
となどの理由から、魅力的なものである。エッチング剤
や不良品の低減は、コストの節約を生ずる。異方性のエ
ッチングは、ほぼ垂直側壁の製造を可能とする。これ
は、エッチングの深さ、形状サイズ、及びスペースをす
べて同程度とし、現在のプロセスで重要となっている。
また、エッチング剤やプロセスパラメータを選択してエ
ッチングの化学的選択性を得る能力によって、所望の材
料を、製造される集積回路の他の部分をほとんどエッチ
ングすることなく、エッチングできるように選択するこ
とが可能になる。熱力学的平衡から遙かに遠いプロセス
条件をつくるプロセスパラメータの選択を用いることに
よってプロセス温度を下げ、これにより、製造中の集積
回路に有害に作用する高温度を避けることができる。図
１は、プラズマリアクタ１０を示したものである。この
リアクタは、アルミニウム壁１１を有し、これがプラズ
マリアクタチャンバ１２を囲んでいる。壁１１は、接地
され、一方のプラズマ電極として作用する。チャンバ１
２へは、ガス源１３からガスが供給されると共に排気シ
ステム１４によって排気され、これによってリアクタか
らガスが排出されて、プラズマプロセスに適した低い圧
力が保持される。またｒｆ電源１５が第２の（パワー）
電極１６に電力を供給し、チャンバ１２内にプラズマを
発生させる。ウェーハ１７は、例えばスリットバルブ１
８のような場所を通過してリアクタチャンバ１２に出し
入れされる。
は、これが異方性にできること、化学的に選択できるこ
と、熱力学的平衡から遠く離れた条件でエッチングでき
ること、湿式のエッチング処理に比してエッチング剤の
使用量が少いこと、不良品の製造量が著しく低減するこ
となどの理由から、魅力的なものである。エッチング剤
や不良品の低減は、コストの節約を生ずる。異方性のエ
ッチングは、ほぼ垂直側壁の製造を可能とする。これ
は、エッチングの深さ、形状サイズ、及びスペースをす
べて同程度とし、現在のプロセスで重要となっている。
また、エッチング剤やプロセスパラメータを選択してエ
ッチングの化学的選択性を得る能力によって、所望の材
料を、製造される集積回路の他の部分をほとんどエッチ
ングすることなく、エッチングできるように選択するこ
とが可能になる。熱力学的平衡から遙かに遠いプロセス
条件をつくるプロセスパラメータの選択を用いることに
よってプロセス温度を下げ、これにより、製造中の集積
回路に有害に作用する高温度を避けることができる。図
１は、プラズマリアクタ１０を示したものである。この
リアクタは、アルミニウム壁１１を有し、これがプラズ
マリアクタチャンバ１２を囲んでいる。壁１１は、接地
され、一方のプラズマ電極として作用する。チャンバ１
２へは、ガス源１３からガスが供給されると共に排気シ
ステム１４によって排気され、これによってリアクタか
らガスが排出されて、プラズマプロセスに適した低い圧
力が保持される。またｒｆ電源１５が第２の（パワー）
電極１６に電力を供給し、チャンバ１２内にプラズマを
発生させる。ウェーハ１７は、例えばスリットバルブ１
８のような場所を通過してリアクタチャンバ１２に出し
入れされる。
【０００３】プラズマは、性質の異なる２つの領域から
構成されており、それは、本質的に中性の導電性プラズ
マ本体１９とプラズマシースと呼ばれる境界層１１０で
ある。プラズマ本体は、実質上同じ密度の正及び負の荷
電粒子と、ラジカル及び安定な中性粒子とから構成され
ている。プラズマシースは、プラズマ本体と全ての対向
面、例えば壁、プラズマリアクタチャンバの電極、及び
ｒｆ電極との間に形成される。半導体製造プロセス用の
プラズマは、ラジオ周波数（ｒｆ）１3.５６MHz の場に
よって作られ、これがチャンバ内の自由電子にエネルギ
を伝え、これら多数の電子に十分なエネルギを与え、こ
れらの電子がガス分子と衝突することによってイオンが
発生できるようにしている。典型的には、リアクタチャ
ンバの壁は、金属（但し多くの場合、薄い絶縁層をコー
チングしている）であり、従ってｒｆ電極の片方として
機能できる。壁が片方の電極として機能しないときで
も、壁は、プラズマを集中させたり、プラズマリアクタ
と容量結合したりすることによってプロセスに影響を与
える。１3.５６MHz の周波数は、プラズマリアクタに対
してほぼ共通に使用されており、これは、この周波数が
ＩＳＭ（工業用、科学用、医療用）標準周波数であり、
これに対する政府指令の放出限界が、非ＩＳＭ周波数、
特に通信帯内の周波数に比して厳しくないからである。
このほぼ共通な１3.５６MHz の使用は、ＩＳＭ標準であ
ることによってこの周波数の装置が多く入手できるの
で、ますます有利になってきている。他のＩＳＭ標準周
波数は、２7.１２及び４0.６８MHz であり、これは、１
3.５６MHz のＩＳＭ標準周波数の一次及び二次の高調波
に相当する。１3.５６MHz 周波数のさらに有利な点は、
この周波数の最低次数の２つの高調波もＩＳＭ標準周波
数であり、従って１3.５６MHz を用いた装置は、その装
置の基本周波数の高調波で許容限界を超えるということ
が少なくなることである。
構成されており、それは、本質的に中性の導電性プラズ
マ本体１９とプラズマシースと呼ばれる境界層１１０で
ある。プラズマ本体は、実質上同じ密度の正及び負の荷
電粒子と、ラジカル及び安定な中性粒子とから構成され
ている。プラズマシースは、プラズマ本体と全ての対向
面、例えば壁、プラズマリアクタチャンバの電極、及び
ｒｆ電極との間に形成される。半導体製造プロセス用の
プラズマは、ラジオ周波数（ｒｆ）１3.５６MHz の場に
よって作られ、これがチャンバ内の自由電子にエネルギ
を伝え、これら多数の電子に十分なエネルギを与え、こ
れらの電子がガス分子と衝突することによってイオンが
発生できるようにしている。典型的には、リアクタチャ
ンバの壁は、金属（但し多くの場合、薄い絶縁層をコー
チングしている）であり、従ってｒｆ電極の片方として
機能できる。壁が片方の電極として機能しないときで
も、壁は、プラズマを集中させたり、プラズマリアクタ
と容量結合したりすることによってプロセスに影響を与
える。１3.５６MHz の周波数は、プラズマリアクタに対
してほぼ共通に使用されており、これは、この周波数が
ＩＳＭ（工業用、科学用、医療用）標準周波数であり、
これに対する政府指令の放出限界が、非ＩＳＭ周波数、
特に通信帯内の周波数に比して厳しくないからである。
このほぼ共通な１3.５６MHz の使用は、ＩＳＭ標準であ
ることによってこの周波数の装置が多く入手できるの
で、ますます有利になってきている。他のＩＳＭ標準周
波数は、２7.１２及び４0.６８MHz であり、これは、１
3.５６MHz のＩＳＭ標準周波数の一次及び二次の高調波
に相当する。１3.５６MHz 周波数のさらに有利な点は、
この周波数の最低次数の２つの高調波もＩＳＭ標準周波
数であり、従って１3.５６MHz を用いた装置は、その装
置の基本周波数の高調波で許容限界を超えるということ
が少なくなることである。
【０００４】電力の供給されるｒｆパワー電極がｒｆ電
源に容量的に結合されていると、この電極に直流セルフ
バイアスＶdcが生じる。この直流バイアスＶdcの値は、
プラズマ内のイオン密度及び電子温度の関数である。パ
ワー電極の負のセルフバイアス直流電圧Ｖdcとして通常
数百ボルトの電圧が発生する。（例えば J.Coburn and
E. Kay, Positive-ion bombardment rf sputtering in
nf diode glow discharge sputtering, J. Appl. phys,
43 p.4965 (1972)参照) 。このセルフバイアス直流電
圧Ｖdcは、パワー電極に対する高エネルギの正イオン束
を発生するのに利用できる。従って、プラズマエッチン
グプロセスでは、エッチングすべきウェーハ１７は、パ
ワー電極１６の上面、または少し離れた上方に置かれ、
この正イオン束がウェーハの上面にほぼ垂直に投射する
ようにしてウェーハの無保護領域をほぼ垂直にエッチン
グする。これらの高い電圧によって、エッチングプロセ
スに必要なエッチング速度が、商業的に魅力のあるもの
となる。今日入手できる微細寸法（ミクロン以下）の素
子は、少しの微粒子でも傷つくので、集積回路（ＩＣ）
プロセスシステムとしては、複数のＩＣプロセスステッ
プを、ウェーハを外気に戻す前に実行できるものが出て
いる（例えば１９８８年１１月２２日、Masato Toshima
に付与されたVacuum Chamber Slit Valveという名称の
米国特許第4,785,962 の中に示されているマルチチャン
バシステム参照）。この微細寸法は、また、単一ウェー
ハプロセスステップ（比較的大きな寸法の素子に共通な
マルチウェーハプロセスステップと異なり）へ移行する
傾向を生じているが、この場合は、ウェーハ全体として
十分に均一な処理が行われ、微細な幾何学パターンは、
ウェーハ全体にわたって作製できる。
源に容量的に結合されていると、この電極に直流セルフ
バイアスＶdcが生じる。この直流バイアスＶdcの値は、
プラズマ内のイオン密度及び電子温度の関数である。パ
ワー電極の負のセルフバイアス直流電圧Ｖdcとして通常
数百ボルトの電圧が発生する。（例えば J.Coburn and
E. Kay, Positive-ion bombardment rf sputtering in
nf diode glow discharge sputtering, J. Appl. phys,
43 p.4965 (1972)参照) 。このセルフバイアス直流電
圧Ｖdcは、パワー電極に対する高エネルギの正イオン束
を発生するのに利用できる。従って、プラズマエッチン
グプロセスでは、エッチングすべきウェーハ１７は、パ
ワー電極１６の上面、または少し離れた上方に置かれ、
この正イオン束がウェーハの上面にほぼ垂直に投射する
ようにしてウェーハの無保護領域をほぼ垂直にエッチン
グする。これらの高い電圧によって、エッチングプロセ
スに必要なエッチング速度が、商業的に魅力のあるもの
となる。今日入手できる微細寸法（ミクロン以下）の素
子は、少しの微粒子でも傷つくので、集積回路（ＩＣ）
プロセスシステムとしては、複数のＩＣプロセスステッ
プを、ウェーハを外気に戻す前に実行できるものが出て
いる（例えば１９８８年１１月２２日、Masato Toshima
に付与されたVacuum Chamber Slit Valveという名称の
米国特許第4,785,962 の中に示されているマルチチャン
バシステム参照）。この微細寸法は、また、単一ウェー
ハプロセスステップ（比較的大きな寸法の素子に共通な
マルチウェーハプロセスステップと異なり）へ移行する
傾向を生じているが、この場合は、ウェーハ全体として
十分に均一な処理が行われ、微細な幾何学パターンは、
ウェーハ全体にわたって作製できる。
【０００５】システムにおけるウェーハのスループット
は、システム内の一連のプロセスステップの中の最も遅
いステップで制限されるので、これらの連続するステッ
プの中に、プロセス内の他のステップよりも著しく時間
のかかるものが無いことが重要であり、そうでないと、
このような遅いステップがシステムのスループットに対
するネットとなる。現在、典型的なシステムのスループ
ットは、１時間当り６０ウェーハのオーダーである。例
えば金属２の蒸着の前の基礎エッチングは、２酸化シリ
コンのエッチング速度２５０オングストローム／分に等
価なレートで行われる。これによってアルミニウム金属
１に接触している約７０オングストロームのアルミニウ
ム酸化物を、非選択式アルゴン単独プロセスを用いて、
約４０秒で除去することができる。これらのエッチング
条件は、ウェーハ製造でルーチン的に使用され、１５０
０〜１６００ボルトのセルフバイアスをパワー電極に発
生する。従来のプラズマリアクタでは、イグナイタ電極
が低圧ガスの内部で、十分なエネルギーを有する高エネ
ルギー電子を発生させ、この高エネルギー電子で衝撃す
ることによってリアクタチャンバ内の原子及び分子をイ
オン化している。この結果として生ずる電子の瀧によっ
て、電子、イオン、ラジカル、及び安定な中性粒子から
成るプラズマが発生する。次いでプラズマは、イグナイ
タ電極よりも低い電圧のパワー電極によって保持され
る。プラズマには十分なｒｆ電力が供給され、所望のイ
オン密度、典型的には１０8 〜１０11cm-3のオーダーの
イオン密度が保持される。典型的には、ｒｆ電力の周波
数は、１０kHz から３０MHz までの範囲にあるが、最も
普通の周波数は、１3.５６MHz であり、これは、適当な
イオン密度を得られるだけの高い周波数であると共に、
通信に妨害を与えないＩＳＭ（工業、科学、医療用）標
準周波数になっているからである。
は、システム内の一連のプロセスステップの中の最も遅
いステップで制限されるので、これらの連続するステッ
プの中に、プロセス内の他のステップよりも著しく時間
のかかるものが無いことが重要であり、そうでないと、
このような遅いステップがシステムのスループットに対
するネットとなる。現在、典型的なシステムのスループ
ットは、１時間当り６０ウェーハのオーダーである。例
えば金属２の蒸着の前の基礎エッチングは、２酸化シリ
コンのエッチング速度２５０オングストローム／分に等
価なレートで行われる。これによってアルミニウム金属
１に接触している約７０オングストロームのアルミニウ
ム酸化物を、非選択式アルゴン単独プロセスを用いて、
約４０秒で除去することができる。これらのエッチング
条件は、ウェーハ製造でルーチン的に使用され、１５０
０〜１６００ボルトのセルフバイアスをパワー電極に発
生する。従来のプラズマリアクタでは、イグナイタ電極
が低圧ガスの内部で、十分なエネルギーを有する高エネ
ルギー電子を発生させ、この高エネルギー電子で衝撃す
ることによってリアクタチャンバ内の原子及び分子をイ
オン化している。この結果として生ずる電子の瀧によっ
て、電子、イオン、ラジカル、及び安定な中性粒子から
成るプラズマが発生する。次いでプラズマは、イグナイ
タ電極よりも低い電圧のパワー電極によって保持され
る。プラズマには十分なｒｆ電力が供給され、所望のイ
オン密度、典型的には１０8 〜１０11cm-3のオーダーの
イオン密度が保持される。典型的には、ｒｆ電力の周波
数は、１０kHz から３０MHz までの範囲にあるが、最も
普通の周波数は、１3.５６MHz であり、これは、適当な
イオン密度を得られるだけの高い周波数であると共に、
通信に妨害を与えないＩＳＭ（工業、科学、医療用）標
準周波数になっているからである。
【０００６】電子は、プラズマイオンよりも、数千倍な
いし数十万倍のオーダーで軽いので、電子は、イオンよ
りもそれだけ速く加速され、従ってイオンが得る運動エ
ネルギーよりも遙かに大きな運動エネルギーを獲得す
る。この結果として、ｒｆ電場からのエネルギーは、ほ
とんどが電子の運動エネルギーとなり、ごく一部だけが
イオンの運動エネルギーとなる。このような高エネルギ
ー電子は、また高温電子と呼ばれることがある。このよ
うな電子とイオンとの大きな質量差によるもう１つの結
果として、高エネルギー電子とイオンとの間に衝突が発
生しても、電子のエネルギーは、あまりイオンに移され
ない。この結果として、プラズマ内の他の粒子は、プラ
ズマリアクタチャンバの壁の温度（0.０３evのオーダ
ー）とほぼ同じになっているのにかかわらず、電子は、
典型的に1.５evのオーダーの温度を獲得し、従って数百
度（摂氏）だけ高温となる。電子は、イオンに比べて遙
かによく運動できるので、電子は、リアクタチャンバの
壁を、イオンよりも速い速度で最初に衝撃する。この結
果として、プラズマ本体は、少し電子不足となるが、境
界層のシースは、実質的に電子不足となる。これは、ま
た、正荷電層を、プラズマ本体とプラズマシースの間の
対向面に発生させる。プラズマ本体及び境界層における
この正味で正の電荷によって、プラズマ本体の電位Ｖp
（通常“プラズマ電位”と呼ばれる）が、電子の平均運
動エネルギーを電子の電荷で割った値の数倍のオーダー
で発生する。プラズマ本体の電位は、ほとんど一定であ
り、電位変動の大部分がシース部に発生する。ｒｆプラ
ズマでは、このシース部の電位変動は、また、リアクタ
チャンバ壁の面積、パワー電極の面積、リアクタチャン
バ内の圧力、及びｒｆ電力入力を含む種々のパラメータ
に関係している。
いし数十万倍のオーダーで軽いので、電子は、イオンよ
りもそれだけ速く加速され、従ってイオンが得る運動エ
ネルギーよりも遙かに大きな運動エネルギーを獲得す
る。この結果として、ｒｆ電場からのエネルギーは、ほ
とんどが電子の運動エネルギーとなり、ごく一部だけが
イオンの運動エネルギーとなる。このような高エネルギ
ー電子は、また高温電子と呼ばれることがある。このよ
うな電子とイオンとの大きな質量差によるもう１つの結
果として、高エネルギー電子とイオンとの間に衝突が発
生しても、電子のエネルギーは、あまりイオンに移され
ない。この結果として、プラズマ内の他の粒子は、プラ
ズマリアクタチャンバの壁の温度（0.０３evのオーダ
ー）とほぼ同じになっているのにかかわらず、電子は、
典型的に1.５evのオーダーの温度を獲得し、従って数百
度（摂氏）だけ高温となる。電子は、イオンに比べて遙
かによく運動できるので、電子は、リアクタチャンバの
壁を、イオンよりも速い速度で最初に衝撃する。この結
果として、プラズマ本体は、少し電子不足となるが、境
界層のシースは、実質的に電子不足となる。これは、ま
た、正荷電層を、プラズマ本体とプラズマシースの間の
対向面に発生させる。プラズマ本体及び境界層における
この正味で正の電荷によって、プラズマ本体の電位Ｖp
（通常“プラズマ電位”と呼ばれる）が、電子の平均運
動エネルギーを電子の電荷で割った値の数倍のオーダー
で発生する。プラズマ本体の電位は、ほとんど一定であ
り、電位変動の大部分がシース部に発生する。ｒｆプラ
ズマでは、このシース部の電位変動は、また、リアクタ
チャンバ壁の面積、パワー電極の面積、リアクタチャン
バ内の圧力、及びｒｆ電力入力を含む種々のパラメータ
に関係している。
【０００７】トランジスタの速度仕様や最近のＭＯＳ集
積回路の高い素子密度によって、浅いジャンクションと
薄いゲート酸化物の使用が必要になっている。都合の悪
いことに、このようなＩＣ構造は、例えば従来の１3.５
６MHz のプラズマエッチング装置に用いられている高エ
ネルギイオンによるイオン衝撃に対して敏感である。従
ってこのようなＩＣ処理においては、非選択式アルゴン
単独プロセスを用いてパワー電極のセルフバイアス電圧
を５００ボルト未満の負セルフバイアスに低減させるの
が有利である。セルフバイアス電圧の低下と共にウェー
ハの傷害も低減するので、３００Ｖに近いセルフバイア
ス電圧で動作させるのが、さらに有利である。しかしな
がら１3.５６MHz では、セルフバイアスを低減させる
と、エッチング速度が非常に遅くなり、これによってプ
ロセスのスループットの著しい低下を招く。
積回路の高い素子密度によって、浅いジャンクションと
薄いゲート酸化物の使用が必要になっている。都合の悪
いことに、このようなＩＣ構造は、例えば従来の１3.５
６MHz のプラズマエッチング装置に用いられている高エ
ネルギイオンによるイオン衝撃に対して敏感である。従
ってこのようなＩＣ処理においては、非選択式アルゴン
単独プロセスを用いてパワー電極のセルフバイアス電圧
を５００ボルト未満の負セルフバイアスに低減させるの
が有利である。セルフバイアス電圧の低下と共にウェー
ハの傷害も低減するので、３００Ｖに近いセルフバイア
ス電圧で動作させるのが、さらに有利である。しかしな
がら１3.５６MHz では、セルフバイアスを低減させる
と、エッチング速度が非常に遅くなり、これによってプ
ロセスのスループットの著しい低下を招く。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記に対する１つの解
決法は、ウェーハ付近のイオンをトラップして、ウェー
ハ面のイオン密度を増大させる拘束磁場を発生するマグ
ネットを用いてエッチング速度を向上する方法である。
この磁場は、エネルギーをもったイオンと電子を、磁場
ラインの回りのヘリカル軌道に沿ってスパイラル状に旋
回させることによって閉じ込める。このようにウェーハ
面のイオン密度を増大させると、セルフバイアス電圧を
増大させることなく、エッチング速度をこれに伴って向
上させ、これによってウェーハを傷めることなく、スル
ープットを１時間当り６０ウェーハのオーダーにするこ
とができる。実際には、電流レベルを、ウェーハのプラ
ズマシースの電圧降下の低減に対抗して増大させること
によって、エッチング速度を維持している。しかし残念
ながら、このような“磁気的に強化した”プラズマエッ
チングシステムでは、磁場の不均一性によってウェーハ
の全表面でのエッチング速度の均一性が低下するという
問題がある。ウェーハの全表面での均一性を向上するの
に、あるシステムでは、ウェーハを、パワー電極の面に
垂直で、かつこの面上に中心のある軸の周りに回転させ
ている。これによって、ウェーハ面に円筒対称で、ウェ
ーハ全体で均一性の向上した時間的に平均化された磁場
が発生し、従ってウェーハ面全体についてエッチングの
均一性を向上できる。しかしながらこのような回転は、
プラズマチャンバ内に好ましくない機械的なモーション
を発生し、微粒子の発生や汚染の増大を招く恐れがあ
る。他の方法として、回転磁場の発生に、位相が９０°
ずれた電流で駆動される２つの電磁コイルを用いること
も可能である。しかしながら、この方式では、制御装置
や電源装置がかなり高価になると共に、エッチングの均
一性が、このようなマグネットを含まないプラズマエッ
チング装置の場合の良好さに達しない。
決法は、ウェーハ付近のイオンをトラップして、ウェー
ハ面のイオン密度を増大させる拘束磁場を発生するマグ
ネットを用いてエッチング速度を向上する方法である。
この磁場は、エネルギーをもったイオンと電子を、磁場
ラインの回りのヘリカル軌道に沿ってスパイラル状に旋
回させることによって閉じ込める。このようにウェーハ
面のイオン密度を増大させると、セルフバイアス電圧を
増大させることなく、エッチング速度をこれに伴って向
上させ、これによってウェーハを傷めることなく、スル
ープットを１時間当り６０ウェーハのオーダーにするこ
とができる。実際には、電流レベルを、ウェーハのプラ
ズマシースの電圧降下の低減に対抗して増大させること
によって、エッチング速度を維持している。しかし残念
ながら、このような“磁気的に強化した”プラズマエッ
チングシステムでは、磁場の不均一性によってウェーハ
の全表面でのエッチング速度の均一性が低下するという
問題がある。ウェーハの全表面での均一性を向上するの
に、あるシステムでは、ウェーハを、パワー電極の面に
垂直で、かつこの面上に中心のある軸の周りに回転させ
ている。これによって、ウェーハ面に円筒対称で、ウェ
ーハ全体で均一性の向上した時間的に平均化された磁場
が発生し、従ってウェーハ面全体についてエッチングの
均一性を向上できる。しかしながらこのような回転は、
プラズマチャンバ内に好ましくない機械的なモーション
を発生し、微粒子の発生や汚染の増大を招く恐れがあ
る。他の方法として、回転磁場の発生に、位相が９０°
ずれた電流で駆動される２つの電磁コイルを用いること
も可能である。しかしながら、この方式では、制御装置
や電源装置がかなり高価になると共に、エッチングの均
一性が、このようなマグネットを含まないプラズマエッ
チング装置の場合の良好さに達しない。
【０００９】ウェーハのプラズマ処理の速度を向させる
もう１つの解決方法は、最近開発された、電子サイクロ
トロン共振の技法である。この技法は、ウェーハクリー
ニング、エッチング、及び蒸着プロセスに適用できる。
この技法では、プラズマは、マイクロ波電源と磁気閉じ
込め構造を用いて発生される。しかしながらこの技法
は、エッチングや化学的蒸着に用いたとき、半径方向の
均一性が悪くなると共にスループットが低下する。さら
にこの技法は、(1) 複雑な真空ポンプシステム、(2) マ
イクロ波電力を極めて正確な周波数と電力レベルで発生
するマイクロ波電源、(3) 大きな電磁マグネットを含む
大きな磁気閉じ込め構造、及び(4) ウェーハ電極に接続
されるｒｆまたは直流電源、などを含む高価なハードウ
ェアを必要とする、という問題がある。本発明の目的
は、上記従来の技術における問題点に鑑み、ウェーハク
リーニング、化学的蒸着、及びプラズマエッチング等を
含んでいるプラズマプロセスに有利な周波数範囲で動作
可能な半導体ウェーハ製造用プラズマ処理装置を提供す
ることである。
もう１つの解決方法は、最近開発された、電子サイクロ
トロン共振の技法である。この技法は、ウェーハクリー
ニング、エッチング、及び蒸着プロセスに適用できる。
この技法では、プラズマは、マイクロ波電源と磁気閉じ
込め構造を用いて発生される。しかしながらこの技法
は、エッチングや化学的蒸着に用いたとき、半径方向の
均一性が悪くなると共にスループットが低下する。さら
にこの技法は、(1) 複雑な真空ポンプシステム、(2) マ
イクロ波電力を極めて正確な周波数と電力レベルで発生
するマイクロ波電源、(3) 大きな電磁マグネットを含む
大きな磁気閉じ込め構造、及び(4) ウェーハ電極に接続
されるｒｆまたは直流電源、などを含む高価なハードウ
ェアを必要とする、という問題がある。本発明の目的
は、上記従来の技術における問題点に鑑み、ウェーハク
リーニング、化学的蒸着、及びプラズマエッチング等を
含んでいるプラズマプロセスに有利な周波数範囲で動作
可能な半導体ウェーハ製造用プラズマ処理装置を提供す
ることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、
ａ）処理すべきウェーハが載せられるパワー電極を有す
るプラズマリアクタと、ｂ）１３．５６ＭＨｚから２０
０ＭＨｚまでの範囲の周波数で電力を発生しかつその範
囲にわたり同調可能であり、該周波数がリアクタにおい
て実行されるべき処理を最適化するために選択される唯
一の電源としてのｒｆ電源と、ｃ）選択された周波数で
ｒｆ信号の反射を実質的に無くすことができる、パワー
電極へのｒｆ電力入力での整合ネットワークと、ｄ）整
合ネットワークが種々の処理に対するプラズマ処理条件
を最適化するように周波数の調整をすることが可能であ
るべく特定の選択された周波数範囲で同調可能な可変コ
ンデンサと、ｅ）ｒｆ電源に反射される電力を最小にす
べく可変コンデンサを自動的に調整する自動化制御回路
と、ｆ）ｒｆ電力入力信号の電流成分と電圧成分の間の
相対位相に関する情報を自動化制御回路に供給する検出
器とを備えている半導体ウェーハ製造用プラズマ処理装
置によって達成される。本発明では、リアクタがｒｆシ
ールドされてもよい。本発明では、周波数が３０〜２０
０ＭＨｚの範囲であってもよい。
ａ）処理すべきウェーハが載せられるパワー電極を有す
るプラズマリアクタと、ｂ）１３．５６ＭＨｚから２０
０ＭＨｚまでの範囲の周波数で電力を発生しかつその範
囲にわたり同調可能であり、該周波数がリアクタにおい
て実行されるべき処理を最適化するために選択される唯
一の電源としてのｒｆ電源と、ｃ）選択された周波数で
ｒｆ信号の反射を実質的に無くすことができる、パワー
電極へのｒｆ電力入力での整合ネットワークと、ｄ）整
合ネットワークが種々の処理に対するプラズマ処理条件
を最適化するように周波数の調整をすることが可能であ
るべく特定の選択された周波数範囲で同調可能な可変コ
ンデンサと、ｅ）ｒｆ電源に反射される電力を最小にす
べく可変コンデンサを自動的に調整する自動化制御回路
と、ｆ）ｒｆ電力入力信号の電流成分と電圧成分の間の
相対位相に関する情報を自動化制御回路に供給する検出
器とを備えている半導体ウェーハ製造用プラズマ処理装
置によって達成される。本発明では、リアクタがｒｆシ
ールドされてもよい。本発明では、周波数が３０〜２０
０ＭＨｚの範囲であってもよい。
【００１１】本発明では、周波数が５０〜７０ＭＨｚの
範囲にあり、これによりプラズマエッチング処理に適す
るように構成してもよい。本発明では、周波数が１３７
ＭＨｚよりも高く、これによりウェーハクリーニング及
びプラズマ強化の化学蒸着に適するように構成してもよ
い。本発明では、周波数がＩＳＭ標準周波数４０．６８
ＭＨｚであってもよい。本発明では、処理装置内に壁面
に平行な磁場を発生する手段を更に備えると共に、この
磁場は、処理速度や均一性に目立った影響を与えないよ
うに十分に弱く、かつ処理装置の内壁からの脱着を実質
的になくすように十分に強い磁場になっているように構
成してもよい。本発明では、磁場は、内壁において、１
〜２０ガウスの範囲にあるように構成してもよい。
範囲にあり、これによりプラズマエッチング処理に適す
るように構成してもよい。本発明では、周波数が１３７
ＭＨｚよりも高く、これによりウェーハクリーニング及
びプラズマ強化の化学蒸着に適するように構成してもよ
い。本発明では、周波数がＩＳＭ標準周波数４０．６８
ＭＨｚであってもよい。本発明では、処理装置内に壁面
に平行な磁場を発生する手段を更に備えると共に、この
磁場は、処理速度や均一性に目立った影響を与えないよ
うに十分に弱く、かつ処理装置の内壁からの脱着を実質
的になくすように十分に強い磁場になっているように構
成してもよい。本発明では、磁場は、内壁において、１
〜２０ガウスの範囲にあるように構成してもよい。
【００１２】
【作用】本発明の半導体ウェーハ製造用プラズマ処理装
置では、プラズマリアクタは、処理すべきウェーハが載
せられるパワー電極を有し、ｒｆ電源は、１３．５６Ｍ
Ｈｚから２００ＭＨｚまでの範囲の周波数で電力を発生
しかつその範囲にわたり同調可能であり、該周波数がリ
アクタにおいて実行されるべき処理を最適化するために
選択され、整合ネットワークは、選択された周波数でｒ
ｆ信号の反射を実質的に無くすことができ、可変コンデ
ンサは、整合ネットワークが種々の処理に対するプラズ
マ処理条件を最適化するように周波数の調整をすること
が可能であるべく特定の選択された周波数範囲で同調可
能であり、自動化制御回路は、ｒｆ電源に反射される電
力を最小にすべく可変コンデンサを自動的に調整し、検
出器は、ｒｆ電力入力信号の電流成分と電圧成分の間の
相対位相に関する情報を自動化制御回路に供給する。
置では、プラズマリアクタは、処理すべきウェーハが載
せられるパワー電極を有し、ｒｆ電源は、１３．５６Ｍ
Ｈｚから２００ＭＨｚまでの範囲の周波数で電力を発生
しかつその範囲にわたり同調可能であり、該周波数がリ
アクタにおいて実行されるべき処理を最適化するために
選択され、整合ネットワークは、選択された周波数でｒ
ｆ信号の反射を実質的に無くすことができ、可変コンデ
ンサは、整合ネットワークが種々の処理に対するプラズ
マ処理条件を最適化するように周波数の調整をすること
が可能であるべく特定の選択された周波数範囲で同調可
能であり、自動化制御回路は、ｒｆ電源に反射される電
力を最小にすべく可変コンデンサを自動的に調整し、検
出器は、ｒｆ電力入力信号の電流成分と電圧成分の間の
相対位相に関する情報を自動化制御回路に供給する。
【００１３】
【実施例】以下に述べる好ましい実施例では、従来のプ
ラズマ装置に用いられている周波数１3.５６MHz より高
い周波数で動作するプラズマ装置が示されている。プラ
ズマプロセスに有利な周波数は、３０〜２００MHz の範
囲にあることが分った。このプロセスとしては、ウェー
ハクリーニング、化学的蒸着、及びプラズマエッチング
を含んでいる。選択される周波数は、どのプロセスを用
いるかに依存しており、さらにこれによって、プラズマ
密度及びイオン衝撃エネルギーの所要の選択が決定され
る。非反応式エッチングプロセスでは、周波数の下限
は、製造中の集積回路を傷めることなく使用できる最大
セルフバイアス電圧で制御される。また周波数の上限
は、ウェーハをエッチングするのに十分なエネルギーを
発生する最小セルフバイアス電圧（非反応式エッチング
プロセスでは約１５０ボルト、反応式イオンエッチング
プロセスでは約５０ボルト）によって制御される。実際
上は、このエッチングプロセスを連続ウェーハ製造シス
テムに用いるときは、この周波数上限は、さらに、この
エッチングが、エッチングステップによって製造スルー
プットにネックが生じないような十分に短い時間で行え
ること、という制約によって低減される。この周波数範
囲があるため、整合ネットワークを変更して、ｒｆ伝送
ラインの５０オームの特性インピーダンスから、遙かに
低いプラズマリアクタチャンバのインピーダンスへの転
移時のｒｆ電力の反射を防止する必要が生ずる。プラズ
マは、整合ネットワークの同調を外し、パワー電極をイ
グナイタとして作用させることによって発生させ、次に
整合ネットワークを同調させてセルフバイアス電圧を、
ウェーハを傷めることなくウェーハをエッチングするの
に適当な電圧レベルまで低減させる。
ラズマ装置に用いられている周波数１3.５６MHz より高
い周波数で動作するプラズマ装置が示されている。プラ
ズマプロセスに有利な周波数は、３０〜２００MHz の範
囲にあることが分った。このプロセスとしては、ウェー
ハクリーニング、化学的蒸着、及びプラズマエッチング
を含んでいる。選択される周波数は、どのプロセスを用
いるかに依存しており、さらにこれによって、プラズマ
密度及びイオン衝撃エネルギーの所要の選択が決定され
る。非反応式エッチングプロセスでは、周波数の下限
は、製造中の集積回路を傷めることなく使用できる最大
セルフバイアス電圧で制御される。また周波数の上限
は、ウェーハをエッチングするのに十分なエネルギーを
発生する最小セルフバイアス電圧（非反応式エッチング
プロセスでは約１５０ボルト、反応式イオンエッチング
プロセスでは約５０ボルト）によって制御される。実際
上は、このエッチングプロセスを連続ウェーハ製造シス
テムに用いるときは、この周波数上限は、さらに、この
エッチングが、エッチングステップによって製造スルー
プットにネックが生じないような十分に短い時間で行え
ること、という制約によって低減される。この周波数範
囲があるため、整合ネットワークを変更して、ｒｆ伝送
ラインの５０オームの特性インピーダンスから、遙かに
低いプラズマリアクタチャンバのインピーダンスへの転
移時のｒｆ電力の反射を防止する必要が生ずる。プラズ
マは、整合ネットワークの同調を外し、パワー電極をイ
グナイタとして作用させることによって発生させ、次に
整合ネットワークを同調させてセルフバイアス電圧を、
ウェーハを傷めることなくウェーハをエッチングするの
に適当な電圧レベルまで低減させる。
【００１４】ウェーハのプラズマクリーニングの場合
は、周波数は、ウェーハをエッチングしない、或いはウ
ェーハにイオンを注入しない電圧で大きな電流密度を発
生するように選択される。プラズマ強化の化学的蒸着の
場合は、衝撃用電圧及び電流は、蒸着の良好な均一性、
高いフィルム純度、及び適当なレベルのフィルムストレ
スに対して両立する必要がある。金属２の蒸着の前の基
礎的な非反応エッチングは、典型的には、２５０オング
ストローム／分のオーダのエッチング速度（２酸化シリ
コンのエッチング速度と同じ）で行われ、このエッチン
グステップが約４０秒以内で完了するようにしている。
この速度では、このエッチングステップの所要時間とウ
ェーハをリアクタに出し入れするためのシステム間接時
間との和が、６０ウェーハ／時間というシステムスルー
プットの要求を満足するものとなる。今日の多くのＩＣ
回路設計は、高エネルギイオンの衝撃によって傷害を受
ける層を持っている。エッチング時間を４０秒オーダー
に保ちながらこのような傷害を防止するために、プラズ
マは、通常用いられている１3.５６MHz にＩＳＭ（工
業、科学、医療用）周波数より高い周波数のｒｆ電場に
よって発生させている。
は、周波数は、ウェーハをエッチングしない、或いはウ
ェーハにイオンを注入しない電圧で大きな電流密度を発
生するように選択される。プラズマ強化の化学的蒸着の
場合は、衝撃用電圧及び電流は、蒸着の良好な均一性、
高いフィルム純度、及び適当なレベルのフィルムストレ
スに対して両立する必要がある。金属２の蒸着の前の基
礎的な非反応エッチングは、典型的には、２５０オング
ストローム／分のオーダのエッチング速度（２酸化シリ
コンのエッチング速度と同じ）で行われ、このエッチン
グステップが約４０秒以内で完了するようにしている。
この速度では、このエッチングステップの所要時間とウ
ェーハをリアクタに出し入れするためのシステム間接時
間との和が、６０ウェーハ／時間というシステムスルー
プットの要求を満足するものとなる。今日の多くのＩＣ
回路設計は、高エネルギイオンの衝撃によって傷害を受
ける層を持っている。エッチング時間を４０秒オーダー
に保ちながらこのような傷害を防止するために、プラズ
マは、通常用いられている１3.５６MHz にＩＳＭ（工
業、科学、医療用）周波数より高い周波数のｒｆ電場に
よって発生させている。
【００１５】システムのスループットを保持することが
重要なので、テストで周波数を種々に変化させたとき、
電力を調整して、２酸化シリコンのエッチング速度に相
当する２５０オングストローム／分が得られるようにし
た。このようなエッチング速度に対して負のセルフバイ
アス電圧を測定し、４０MHz の周波数では５００ボルト
より少し高く、６０MHz の周波数では約３１０ボルトに
なった。これは、適当なスループットをもったソフトエ
ッチング（すなわちセルフバイアスが５００ボルト台ま
たはこれ以下のエッチング）が、これらの周波数で行え
ることを示している。同程度の電力に対する１３７MHz
でのセルフバイアス電圧は、−１２５ボルトである。従
って、ウェーハをその薄い層を傷めることなくエッチン
グするソフトエッチングが得られる有効な周波数範囲
は、３０MHz から２００MHz までにまたがっている。１
３７MHz を超える周波数は、特に、ウェーハクリーニン
グ及びプラズマ強化の化学的蒸着に対して有効である。
特に好ましい周波数範囲は、５０〜７０MHz であり、こ
れは、所要のエッチング速度が非常にソフトな条件（セ
ルフバイアスが約−３００Ｖ）で得られるからである。
周波数ｆの範囲が１3.５６Hz＜ｆ＜２００MHz で、ｒｆ
電力が、２酸化シリコンのエッチング速度に相当する
２５０オングストローム／分が得られる電力であると、
エッチングの均一性は、通常の１3.５６MHz の非磁化プ
ロセスで得られる均一性と同程度である。非反応性のエ
ッチングでは、ガス圧は、１〜２０ミリトールの範囲に
選択される。
重要なので、テストで周波数を種々に変化させたとき、
電力を調整して、２酸化シリコンのエッチング速度に相
当する２５０オングストローム／分が得られるようにし
た。このようなエッチング速度に対して負のセルフバイ
アス電圧を測定し、４０MHz の周波数では５００ボルト
より少し高く、６０MHz の周波数では約３１０ボルトに
なった。これは、適当なスループットをもったソフトエ
ッチング（すなわちセルフバイアスが５００ボルト台ま
たはこれ以下のエッチング）が、これらの周波数で行え
ることを示している。同程度の電力に対する１３７MHz
でのセルフバイアス電圧は、−１２５ボルトである。従
って、ウェーハをその薄い層を傷めることなくエッチン
グするソフトエッチングが得られる有効な周波数範囲
は、３０MHz から２００MHz までにまたがっている。１
３７MHz を超える周波数は、特に、ウェーハクリーニン
グ及びプラズマ強化の化学的蒸着に対して有効である。
特に好ましい周波数範囲は、５０〜７０MHz であり、こ
れは、所要のエッチング速度が非常にソフトな条件（セ
ルフバイアスが約−３００Ｖ）で得られるからである。
周波数ｆの範囲が１3.５６Hz＜ｆ＜２００MHz で、ｒｆ
電力が、２酸化シリコンのエッチング速度に相当する
２５０オングストローム／分が得られる電力であると、
エッチングの均一性は、通常の１3.５６MHz の非磁化プ
ロセスで得られる均一性と同程度である。非反応性のエ
ッチングでは、ガス圧は、１〜２０ミリトールの範囲に
選択される。
【００１６】高い周波数のｒｆ電力を用いるソフトエッ
チングプロセスは、非反応、非選択のエッチングプロセ
ス及び反応性のイオンエッチングプロセスの両方に利用
できる。非反応のイオンプロセスに対しては、電力は、
一般に高く、圧力は、一般に低くなる。例えば、アルゴ
ンイオンを用いたエッチングでは、電力は、３００ワッ
トのオーダーに、圧力は、４ｍトールのオーダーにな
る。反応性のイオンエッチングは、通常、フッ素含有ま
たは塩素含有のガスを用いる。例えば、１０モル％のNF
3 、または５モル％のＢＣl3を含む反応性イオンエッチ
ングでは、電力は、１０〜５０ワットのオーダーに、圧
力は、１０〜４０ｍトールのオーダーにする。クリーニ
ングプロセスでは、圧力は、典型的１〜４０ミリトール
の範囲に選定され、セルフバイアス電圧は、５〜３００
ボルトの範囲に選定される。好ましくは、圧力は、５ｍ
トールのオーダーになり、セルフバイアス電圧は、１５
ボルトのオーダーになる。これらのパラメータ値を得る
ためには、周波数は、１００〜２００ MHz の範囲で選
定される。ウェーハクリーニングに特に有効なガスは、
純アルゴン、水素、及びフッ素含有ガスを含むガス混合
物である。
チングプロセスは、非反応、非選択のエッチングプロセ
ス及び反応性のイオンエッチングプロセスの両方に利用
できる。非反応のイオンプロセスに対しては、電力は、
一般に高く、圧力は、一般に低くなる。例えば、アルゴ
ンイオンを用いたエッチングでは、電力は、３００ワッ
トのオーダーに、圧力は、４ｍトールのオーダーにな
る。反応性のイオンエッチングは、通常、フッ素含有ま
たは塩素含有のガスを用いる。例えば、１０モル％のNF
3 、または５モル％のＢＣl3を含む反応性イオンエッチ
ングでは、電力は、１０〜５０ワットのオーダーに、圧
力は、１０〜４０ｍトールのオーダーにする。クリーニ
ングプロセスでは、圧力は、典型的１〜４０ミリトール
の範囲に選定され、セルフバイアス電圧は、５〜３００
ボルトの範囲に選定される。好ましくは、圧力は、５ｍ
トールのオーダーになり、セルフバイアス電圧は、１５
ボルトのオーダーになる。これらのパラメータ値を得る
ためには、周波数は、１００〜２００ MHz の範囲で選
定される。ウェーハクリーニングに特に有効なガスは、
純アルゴン、水素、及びフッ素含有ガスを含むガス混合
物である。
【００１７】周波数は、また、種々のプラズマ強化の化
学的蒸着プロセスを最適化するように選択することもで
きる。例えば、２酸化シリコンの蒸着では、全体のプロ
セス圧力は、0.５〜２０ｍトールの範囲にある。最適な
圧力は、５ｍトールのオーダーである。またセルフバイ
アス電圧は、典型的には１０〜４００ボルトの範囲にあ
り、好ましくは１５０ボルトのオーダーに選定される。
これらのパラメータ値を得るには周波数は、１００〜２
００MHz の範囲で選択される。プラズマ強化の化学的蒸
着に特に有効なガスは、アルゴン、シラン及びＴＥＯＳ
である。１対の電磁コイル１１４及び１１５、及び対応
する電源１１６が設けられ、これによってプラズマイオ
ンをプラズマリアクタの内壁から偏向させる弱い磁場を
つくる。これは、処理中にウェーハが汚染されるのを防
止するのに重要である。従来の技術の場合と異なり、こ
れらの磁場は、ウェーハ面で均一である必要はなく、こ
れは、プロセスの均一性に顕著な影響を及ぼすほどでな
い弱い磁場（ウェーハ面で１〜２０ガウスのオーダー）
であるからである。しかしながら、この範囲の磁場で
も、プラズマイオンが壁から汚染物を放出させるだけの
エネルギーで壁に衝撃を与える、のを防止するのに十分
である。
学的蒸着プロセスを最適化するように選択することもで
きる。例えば、２酸化シリコンの蒸着では、全体のプロ
セス圧力は、0.５〜２０ｍトールの範囲にある。最適な
圧力は、５ｍトールのオーダーである。またセルフバイ
アス電圧は、典型的には１０〜４００ボルトの範囲にあ
り、好ましくは１５０ボルトのオーダーに選定される。
これらのパラメータ値を得るには周波数は、１００〜２
００MHz の範囲で選択される。プラズマ強化の化学的蒸
着に特に有効なガスは、アルゴン、シラン及びＴＥＯＳ
である。１対の電磁コイル１１４及び１１５、及び対応
する電源１１６が設けられ、これによってプラズマイオ
ンをプラズマリアクタの内壁から偏向させる弱い磁場を
つくる。これは、処理中にウェーハが汚染されるのを防
止するのに重要である。従来の技術の場合と異なり、こ
れらの磁場は、ウェーハ面で均一である必要はなく、こ
れは、プロセスの均一性に顕著な影響を及ぼすほどでな
い弱い磁場（ウェーハ面で１〜２０ガウスのオーダー）
であるからである。しかしながら、この範囲の磁場で
も、プラズマイオンが壁から汚染物を放出させるだけの
エネルギーで壁に衝撃を与える、のを防止するのに十分
である。
【００１８】整合ネットワークは、電力をインピーダン
ス５０オームのｒｆ電力ラインから、はるかに低いイン
ピーダンスのプラズマへ、この整合ネットワークで著る
しい電力反射を生ずることなく伝達するのに用いられ
る。１3.５６MHz より著るしく高い周波数（即ち、４０
MHz を超えるオーダー）に対しては、従来の整合ネット
ワークの設計は、使用できない。ｒｆ周波数では信号の
波長は、十分に短かくなり、ケーブル全長にわたる信号
の位相変化によって、著るしい妨害作用が発生する。こ
の周波数範囲では、ケーブルは、実質的に、４分の１波
長の整数倍にする必要がある。特に、ｒｆ電源１１５か
ら整合ネットワーク１１２へのケーブル１１１、及び整
合ネットワーク１12からパワー電極１６へのケーブル１
１３は、それぞれ、実質的に４分の１波長の整数倍と同
じにする必要がある。ここで“実質的に同じ”というこ
とは、ケーブルの長さが４分の１波長の整数倍プラスマ
イナス0.０５倍に等しいという意味である。この要求
は、４分の１波長が１５フィートのオーダーとなる。１
3.５６MHz については、容易に達成でき、ケーブルの切
断長に少しの誤差があっても著るしい影響を生じない。
しかしながら６０MHz では４分の１波長は、約３フィー
トであり、従ってケーブル長の誤差の影響は、５倍にな
る。特別なコネクタや回路エレメントを追加するだけ
で、このケーブル長の基準を犯す恐れがある。
ス５０オームのｒｆ電力ラインから、はるかに低いイン
ピーダンスのプラズマへ、この整合ネットワークで著る
しい電力反射を生ずることなく伝達するのに用いられ
る。１3.５６MHz より著るしく高い周波数（即ち、４０
MHz を超えるオーダー）に対しては、従来の整合ネット
ワークの設計は、使用できない。ｒｆ周波数では信号の
波長は、十分に短かくなり、ケーブル全長にわたる信号
の位相変化によって、著るしい妨害作用が発生する。こ
の周波数範囲では、ケーブルは、実質的に、４分の１波
長の整数倍にする必要がある。特に、ｒｆ電源１１５か
ら整合ネットワーク１１２へのケーブル１１１、及び整
合ネットワーク１12からパワー電極１６へのケーブル１
１３は、それぞれ、実質的に４分の１波長の整数倍と同
じにする必要がある。ここで“実質的に同じ”というこ
とは、ケーブルの長さが４分の１波長の整数倍プラスマ
イナス0.０５倍に等しいという意味である。この要求
は、４分の１波長が１５フィートのオーダーとなる。１
3.５６MHz については、容易に達成でき、ケーブルの切
断長に少しの誤差があっても著るしい影響を生じない。
しかしながら６０MHz では４分の１波長は、約３フィー
トであり、従ってケーブル長の誤差の影響は、５倍にな
る。特別なコネクタや回路エレメントを追加するだけ
で、このケーブル長の基準を犯す恐れがある。
【００１９】さらにこのような周波数では、従来１3.５
６MHz のプラズマ装置用の整合ネットワークに用いられ
ている、ブレードを組合せたコンデンサや多重コイルの
インダクタのような個別のコンポーネントは、高い周波
数に対して不適当である。このような個別コンポーネン
トのインダクタンスは、４０MHz のオーダーまたはこれ
を超えた周波数では大きくなり過ぎる。選択された周波
数範囲では、インダクタは、導体の単一のストリップと
することができる。同時に、１3.５６MHz 系統の多重ブ
レード形のコンデンサを、テフロンシートのような非導
体で間隔を置いて配置した１対の平行な導体枝で置き換
えることも可能である。図２は、４０MHz を超える周波
数で使用できる整合ネットワークの設計の一例を示した
ものである。接地２０が整合ネットワーク１１２の壁２
２に設けた第１のｒｆコネクタ２１の外部導体に接続さ
れている。また導体２３がコネクタ ２１の内部導体を
入力コンデンサ２７の第１のプレート２４に接続してい
る。このコンデンサは、また、第２のプレート２６及び
誘電体スペーサ２５をもっている。プレート２６は、同
様に誘電体スペーサ２９及び第２のプレート２１０を有
するシャントコンデンサ２１１の第１のプレート２８に
電気的に接続されている。プレート２８もまた同時に誘
電体スペーサ２１３及び第２のプレート２14を有する第
３のコンデンサ２１５の第１のプレート２１２に接続さ
れている。プレート２１４は、インダクタ２１６を介し
てｒｆ電極１６に接続されている。
６MHz のプラズマ装置用の整合ネットワークに用いられ
ている、ブレードを組合せたコンデンサや多重コイルの
インダクタのような個別のコンポーネントは、高い周波
数に対して不適当である。このような個別コンポーネン
トのインダクタンスは、４０MHz のオーダーまたはこれ
を超えた周波数では大きくなり過ぎる。選択された周波
数範囲では、インダクタは、導体の単一のストリップと
することができる。同時に、１3.５６MHz 系統の多重ブ
レード形のコンデンサを、テフロンシートのような非導
体で間隔を置いて配置した１対の平行な導体枝で置き換
えることも可能である。図２は、４０MHz を超える周波
数で使用できる整合ネットワークの設計の一例を示した
ものである。接地２０が整合ネットワーク１１２の壁２
２に設けた第１のｒｆコネクタ２１の外部導体に接続さ
れている。また導体２３がコネクタ ２１の内部導体を
入力コンデンサ２７の第１のプレート２４に接続してい
る。このコンデンサは、また、第２のプレート２６及び
誘電体スペーサ２５をもっている。プレート２６は、同
様に誘電体スペーサ２９及び第２のプレート２１０を有
するシャントコンデンサ２１１の第１のプレート２８に
電気的に接続されている。プレート２８もまた同時に誘
電体スペーサ２１３及び第２のプレート２14を有する第
３のコンデンサ２１５の第１のプレート２１２に接続さ
れている。プレート２１４は、インダクタ２１６を介し
てｒｆ電極１６に接続されている。
【００２０】この整合ネットワークを４０〜１００MHz
の範囲の所定の周波数に同調させるために、コンデンサ
２７及び２１１は、可変コンデンサになっている。この
実施例では、これらのキャパシタンスは、プレート２４
と２６との間隔、及びプレート２８と２１０との間隔を
変えることによって変化させている。これらの間隔の調
整は、回転直線変換形カップリング２２２を介して結合
されたモータ２２１、及び回転直線変換形カップリング
２２４を介して結合されたモータ２２３を用いて行われ
る。また自動制御回路２２５がこれら２つのコンデンサ
を、カプラ ２１から反射される電力量が最小になるよ
うに調整している。この調整を可能とするために、ｒｆ
電源１５とｒｆコネクタ２１との間にセンサ２２６を設
け、ｒｆ電力入力の電流成分と電圧成分との位相差に関
する情報を制御回路２２５に送っており、かつ電流成分
と電圧成分との大きさの比をｒｆ電力入力信号としてい
る。制御回路２２５は、通常のフィードバック制御回路
であり、コンデンサ２７及び２１１のプレート間隔を、
ｒｆ電流及び電圧信号間の位相差及び大きさの比が、ｒ
ｆ電源への電力の反射がほとんどゼロになるように選択
した所定のプリセット値に到達するまで調整する。典型
的には、整合ネットワークが同調されていると、このシ
ステムは、３００ワットの入力信号から反射される電力
は、１０ワット未満になる。
の範囲の所定の周波数に同調させるために、コンデンサ
２７及び２１１は、可変コンデンサになっている。この
実施例では、これらのキャパシタンスは、プレート２４
と２６との間隔、及びプレート２８と２１０との間隔を
変えることによって変化させている。これらの間隔の調
整は、回転直線変換形カップリング２２２を介して結合
されたモータ２２１、及び回転直線変換形カップリング
２２４を介して結合されたモータ２２３を用いて行われ
る。また自動制御回路２２５がこれら２つのコンデンサ
を、カプラ ２１から反射される電力量が最小になるよ
うに調整している。この調整を可能とするために、ｒｆ
電源１５とｒｆコネクタ２１との間にセンサ２２６を設
け、ｒｆ電力入力の電流成分と電圧成分との位相差に関
する情報を制御回路２２５に送っており、かつ電流成分
と電圧成分との大きさの比をｒｆ電力入力信号としてい
る。制御回路２２５は、通常のフィードバック制御回路
であり、コンデンサ２７及び２１１のプレート間隔を、
ｒｆ電流及び電圧信号間の位相差及び大きさの比が、ｒ
ｆ電源への電力の反射がほとんどゼロになるように選択
した所定のプリセット値に到達するまで調整する。典型
的には、整合ネットワークが同調されていると、このシ
ステムは、３００ワットの入力信号から反射される電力
は、１０ワット未満になる。
【００２１】ｒｆ周波数４０〜１００MHz の範囲にわた
って運転するために、各コンポーネント２７、２１１、
２１５、及び２１６は、それぞれ、１０〜１００ｐf 、
５０〜４００ｐf 、１００ｐf 、及び0.５μＨの値にす
る必要がある。コンデンサを可変制御することによっ
て、電極１６は、プラズマを発生するイグナイタ電極と
して動作できると共に、プラズマを保持するパワー電極
としても動作できる。イグナイタ電極として使用すると
きは、コンデンサ２７及び２１１のフィードバック制御
は、不動作にされ、これらのコンデンサは、それぞれ、
１００ｐf 及び４００ｐf に固定される。これによって
電極１６における電場の強さが十分に大きくなって、プ
ラズマを点弧する電子なだれを発生させる。点弧及び同
調の後にはパワー電極のセルフバイアス電圧は、６０MH
z ３００ワットに対して−３００ボルトのオーダーにな
る。このプラズマ装置は、一定の周波数範囲で運転でき
るので、選択された周波数は、一般的にはＩＳＭ（工
業、科学、医療用）周波数になっていない。従ってリア
クタ１０の真空フランジにはすべてｒｆガスケットが用
いられ、チャンバ１２への窓を設けることができず、ま
たチャンバの長い開口は、除去するかシールドするかし
て、リアクタ１０からのｒｆ放出を、ｒｆ放射が米国政
府から許可されている装置からの距離３００ｍで１５μ
Ｖ／ｍのレベルより低くなる程度まで減らしている。こ
れによって、リアクタに近い所にあるテレビや他のｒｆ
通信に対する妨害を防いでいる。テストの結果では、４
０MHz よりも６０MHz の方が、ウェーハに著るしい傷害
を与えることなく、より遅いエッチングができることが
分ったが、それでも４0.６８MHz という周波数は、これ
が放射制約の少いＩＳＭ標準周波数であることによって
魅力のある選択である。なお、この周波数の高調波も問
題であるが、これらの高調波における電力は、一般的に
基本波に比して実質的に小さなものである。
って運転するために、各コンポーネント２７、２１１、
２１５、及び２１６は、それぞれ、１０〜１００ｐf 、
５０〜４００ｐf 、１００ｐf 、及び0.５μＨの値にす
る必要がある。コンデンサを可変制御することによっ
て、電極１６は、プラズマを発生するイグナイタ電極と
して動作できると共に、プラズマを保持するパワー電極
としても動作できる。イグナイタ電極として使用すると
きは、コンデンサ２７及び２１１のフィードバック制御
は、不動作にされ、これらのコンデンサは、それぞれ、
１００ｐf 及び４００ｐf に固定される。これによって
電極１６における電場の強さが十分に大きくなって、プ
ラズマを点弧する電子なだれを発生させる。点弧及び同
調の後にはパワー電極のセルフバイアス電圧は、６０MH
z ３００ワットに対して−３００ボルトのオーダーにな
る。このプラズマ装置は、一定の周波数範囲で運転でき
るので、選択された周波数は、一般的にはＩＳＭ（工
業、科学、医療用）周波数になっていない。従ってリア
クタ１０の真空フランジにはすべてｒｆガスケットが用
いられ、チャンバ１２への窓を設けることができず、ま
たチャンバの長い開口は、除去するかシールドするかし
て、リアクタ１０からのｒｆ放出を、ｒｆ放射が米国政
府から許可されている装置からの距離３００ｍで１５μ
Ｖ／ｍのレベルより低くなる程度まで減らしている。こ
れによって、リアクタに近い所にあるテレビや他のｒｆ
通信に対する妨害を防いでいる。テストの結果では、４
０MHz よりも６０MHz の方が、ウェーハに著るしい傷害
を与えることなく、より遅いエッチングができることが
分ったが、それでも４0.６８MHz という周波数は、これ
が放射制約の少いＩＳＭ標準周波数であることによって
魅力のある選択である。なお、この周波数の高調波も問
題であるが、これらの高調波における電力は、一般的に
基本波に比して実質的に小さなものである。
【００２２】
【発明の効果】本発明の半導体ウェーハ製造用プラズマ
処理装置は、ａ）処理すべきウェーハが載せられるパワ
ー電極を有するプラズマリアクタと、ｂ）１３．５６Ｍ
Ｈｚから２００ＭＨｚまでの範囲の周波数で電力を発生
しかつその範囲にわたり同調可能であり、該周波数がリ
アクタにおいて実行されるべき処理を最適化するために
選択される唯一の電源としてのｒｆ電源と、ｃ）選択さ
れた周波数でｒｆ信号の反射を実質的に無くすことがで
きる、パワー電極へのｒｆ電力入力での整合ネットワー
クと、ｄ）整合ネットワークが種々の処理に対するプラ
ズマ処理条件を最適化するように周波数の調整をするこ
とが可能であるべく特定の選択された周波数範囲で同調
可能な可変コンデンサと、ｅ）ｒｆ電源に反射される電
力を最小にすべく可変コンデンサを自動的に調整する自
動化制御回路と、ｆ）ｒｆ電力入力信号の電流成分と電
圧成分の間の相対位相に関する情報を自動化制御回路に
供給する検出器とを備えているので、ウェーハクリーニ
ング、化学的蒸着、及びプラズマエッチング等を含んで
いるプラズマプロセスに有利な周波数３０〜２００MHz
の範囲で動作することができ、それぞれのプロセスによ
って周波数を選択できると共に、所望のプラズマ密度及
びイオン衝撃エネルギーを決定することができる。
処理装置は、ａ）処理すべきウェーハが載せられるパワ
ー電極を有するプラズマリアクタと、ｂ）１３．５６Ｍ
Ｈｚから２００ＭＨｚまでの範囲の周波数で電力を発生
しかつその範囲にわたり同調可能であり、該周波数がリ
アクタにおいて実行されるべき処理を最適化するために
選択される唯一の電源としてのｒｆ電源と、ｃ）選択さ
れた周波数でｒｆ信号の反射を実質的に無くすことがで
きる、パワー電極へのｒｆ電力入力での整合ネットワー
クと、ｄ）整合ネットワークが種々の処理に対するプラ
ズマ処理条件を最適化するように周波数の調整をするこ
とが可能であるべく特定の選択された周波数範囲で同調
可能な可変コンデンサと、ｅ）ｒｆ電源に反射される電
力を最小にすべく可変コンデンサを自動的に調整する自
動化制御回路と、ｆ）ｒｆ電力入力信号の電流成分と電
圧成分の間の相対位相に関する情報を自動化制御回路に
供給する検出器とを備えているので、ウェーハクリーニ
ング、化学的蒸着、及びプラズマエッチング等を含んで
いるプラズマプロセスに有利な周波数３０〜２００MHz
の範囲で動作することができ、それぞれのプロセスによ
って周波数を選択できると共に、所望のプラズマ密度及
びイオン衝撃エネルギーを決定することができる。
【図１】一般的なプラズマリアクタの構成を示す図であ
る。
る。
【図２】１3.５６ MHz よりも著しく高い周波数のｒｆ
電力をプラズマリアクタに供給するのに適した整合ネッ
トワークの一例を示す図である。
電力をプラズマリアクタに供給するのに適した整合ネッ
トワークの一例を示す図である。
【図３】それぞれ図１及び図２に示すプラズマリアクタ
と整合ネットワークを用いたプロセスの一例を示すフロ
ーダイヤグラムである。
と整合ネットワークを用いたプロセスの一例を示すフロ
ーダイヤグラムである。
１５ ｒｆ電源 １６ パワー電極 ２０ 接地 ２１ ｒｆコネクタ ２２ 壁 ２３ 導体 ２４、２６、２８、２１０、２１２、２１４ プレート ２５、２９、２１３ 誘電体スペーサ ２７、２１１、２１５ コンデンサ ２１６ インダクタ ２２１、２２３ モータ ２２２、２２４ カップリング ２２５ 自動制御回路 ２２６ センサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/316 Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｂ Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｒ Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ (72)発明者 ドナルド エム ミンツ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94087サニーヴェイル サウス マリー アベニュー 1633 (72)発明者 ヒロジ ハナワ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95051サンタ クララ フローラ ヴィ スタ 3427 (72)発明者 サッソン ソメク アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94022ロス アルトス ヒルズ ムーデ ィー ロード 25625 (72)発明者 ダン メイダン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94022ロス アルトス ヒルズ マリエ ッタ レーン 12000 (56)参考文献 特開 昭60−128620（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−32321（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−279609（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−197329（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−94725（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−132158（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−134511（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−27034（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−65514（ＪＰ，Ｕ)
Claims (9)
- 【請求項１】 ａ）処理すべきウェーハが載せられるパ
ワー電極を有するプラズマリアクタと、 ｂ）３０ＭＨｚから２００ＭＨｚまでの範囲の周波数で
電力を発生しかつその範囲にわたり同調可能であり、該
周波数が前記リアクタにおいて実行されるべき処理を最
適化するために選択される前記パワー電極に対する唯一
の電源としてのｒｆ電源と、 ｃ）前記選択された周波数で ＲＦ信号の反射を実質的
に無くすことができる、パワー電極へのｒｆ電力入力で
の整合ネットワークと、 ｄ）前記整合ネットワークは、３つのコンデンサを含
み、第１の端子が共通点に接続され、第１のコンデンサ
の第２の端子が前記ｒｆ電源に接続され、第２のコンデ
ンサの第２の端子が所定の電位に接続され、第３のコン
デンサの第２の端子が前記パワー電極に接続され、該３
つのコンデンサの少なくとも二つのコンデンサが種々の
処理に対するプラズマ処理条件を最適化すべく周波数を
調整することが可能であるように特定の選択された周波
数範囲で同調可能な可変コンデンサであり、 ｅ）前記ｒｆ電源に反射される電力を最小にすべく前記
可変コンデンサを自動的に調整する自動化制御回路と、 ｆ）前記ｒｆ電力入力信号の電流成分と電圧成分の間の
相対位相に関する情報を前記自動化制御回路に供給する
検出器とを備え、 前記共通点と、前記ｒｆ電源及び前記パワー電極のいず
れかとの間にコイルが接続されていないことを特徴とす
る半導体ウェーハ製造用プラズマ処理装置。 - 【請求項２】 前記リアクタがｒｆシールドされている
請求項１に記載のプラズマ処理装置。 - 【請求項３】 周波数が５０〜７０ＭＨｚの範囲にあ
り、これによりプラズマエッチング処理に適する請求項
１に記載のプラズマ処理装置。 - 【請求項４】 周波数が１３７ＭＨｚよりも高く、これ
によりウェーハクリーニング及びプラズマ強化の化学蒸
着に適する請求項１に記載のプラズマ処理装置。 - 【請求項５】 周波数がＩＳＭ標準周波数４０．６８Ｍ
Ｈｚである請求項１に記載のプラズマ処理装置。 - 【請求項６】 処理装置内に壁面に平行な磁場を発生す
る手段を更に備えると共に、この磁場は、処理速度や均
一性に目立った影響を与えないように十分に弱く、かつ
処理装置の内壁からの脱着を実質的になくすように十分
に強い磁場になっている請求項１に記載のプラズマ処理
装置。 - 【請求項７】 前記磁場は、前記内壁において、１〜２
０ガウスの範囲にある請求項５に記載のプラズマ処理装
置。 - 【請求項８】 前記可変コンデンサは、それぞれ第１の
コンデンサプレートと、前記第１のコンデンサプレート
に並行な第２の可動コンデンサプレートと、前記自動化
制御回路によって制御されかつ前記第２の可動コンデン
サプレートを制御可能に移動するモータとを備えている
ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。 - 【請求項９】 前記モータは、前記二つの可変コンデン
サプレートの面に垂直な軸方向に前記第２の可動コンデ
ンサプレートを移動することを特徴とする請求項８に記
載のプラズマ処理装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US41675089A | 1989-10-03 | 1989-10-03 | |
| US416750 | 1989-10-03 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2263689A Division JP2634313B2 (ja) | 1989-10-03 | 1990-10-01 | 半導体ウェーハ製造用プラズマ処理方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09232292A JPH09232292A (ja) | 1997-09-05 |
| JP3236216B2 true JP3236216B2 (ja) | 2001-12-10 |
Family
ID=23651158
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2263689A Expired - Fee Related JP2634313B2 (ja) | 1989-10-03 | 1990-10-01 | 半導体ウェーハ製造用プラズマ処理方法 |
| JP13695196A Expired - Fee Related JP3236216B2 (ja) | 1989-10-03 | 1996-05-30 | 半導体ウェーハ製造用プラズマ処理装置 |
Family Applications Before (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2263689A Expired - Fee Related JP2634313B2 (ja) | 1989-10-03 | 1990-10-01 | 半導体ウェーハ製造用プラズマ処理方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0421430B2 (ja) |
| JP (2) | JP2634313B2 (ja) |
| KR (1) | KR0170387B1 (ja) |
| DE (1) | DE69030347T2 (ja) |
| ES (1) | ES2100859T3 (ja) |
Families Citing this family (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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