JP3642809B2 - 低圧誘導結合プラズマ点火装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体デバイス処理での使用に適した低圧プラズマ発生方法及び装置に関する。更に詳しくは、本発明は、低圧プラズマ放電を点火する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
様々な半導体デバイス処理技術には、半導体ウエハを何らかの形態のプラズマに露出することが含まれている。半導体ウエハのエッチング、パッシベーション、デポジション処理は、典型的には、何らかの適切なプロセス・ガスから形成されるプラズマに、半導体ウエハを露出させることを含む。プラズマは、通常、プラズマ内の励起された電子からの運動エネルギをプロセス・ガスの分子に、電子とガス分子との間の個々の衝突を通じて移転させることにより、低い圧力下で形成される。エネルギは、容量結合又は誘導結合（電磁結合）又はその両者により、電力源から与えられるのが普通である。容量結合はプラズマ内の電場の発生に依存して電子を加速し、誘導結合は振動する磁場を更に使用して電子を励起する。誘導結合は、また、電子の直線運動を制限し、結果として、プラズマ閉じ込め及び密度が改善されるという効果が生じる。
【０００３】
プラズマを用いた半導体ウエハの典型的な処理は、部分的に真空化されたチャンバ内で行われる。プラズマ内の電子からプロセス・ガスの分子へのエネルギ移動を強化するために努力が、半導体ウエハ自体への電子及びイオンの影響を最小に維持しながら、なされてきている。かつては、たとえば、プラズマ・チャンバ内に配置されウエハに対して平行に向けられた２つの平行な電極の間の無線周波数（ＲＦ）電場を用いて容量的なエネルギ移動を形成するのが一般的であった。このアプローチは、しかし、多くの欠点を有している。低い作業圧力では、電場からプラズマに与えられるエネルギのかなりの部分は、典型的には、プラズマ・チャンバの構造物との衝突又は半導体ウエハ自体との衝突を通じて散逸する。このウエハとの衝突のために、半導体の損傷を避ける目的でプロセスの作業条件に制限が加えられている。半導体ウエハは、また、温度が上昇し結果的に電子及びイオンがウエハと更に衝突することによって、悪影響を受ける。ＲＦ電場をプラズマに加えることに依存するプラズマ処理技術は、通常は約０．０１トルより上の、ある範囲の圧力に限定されるのが普通であり、また、典型的には、非常に高い周波数のＲＦ電場の印加と組み合わせにおいてのみ用いられる。
【０００４】
容量結合によるプラズマ発生の効率を向上させるために、２．４５ギガヘルツのオーダーの超高空胴周波数（ｕｌｔｒａ ｈｉｇｈ ｃａｖｉｔｙ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を用いて、マイクロ波共振型のプラズマ発生が開発されてきた。このような高い周波数は、電子の振動経路を減少させることによって、プラズマ・チャンバ又は半導体ウエハではなく、プロセス・ガス分子への電子エネルギの移動の蓋然性を増加させる。電子サイクロトン共鳴と呼ばれる別のアプローチでは、制御された磁場を用いて、プロセス・ガス内の環状の電子フロー経路を誘導する。誘導結合されたプラズマ発生への更に別のアプローチでは、半導体ウエハ表面に平行な方向の大きく均一な磁場を半導体ウエハに対して垂直方向に向けられた高周波ＲＦ電磁場と組み合わせて用いる。これらの２つの電磁場の組み合わせにより、電子に対して、サイクロイド型のフロー経路が与えられ、よって、電子がチャンバ又はウエハに衝突する前に移動する可能性のある距離が増加する。
【０００５】
上述のように、誘導結合プラズマの発生システムは、主に、振動する磁場を用いて、プラズマ・チャンバ内の電子にエネルギを与える。誘導結合型のシステムは典型的には変圧器のように構成されており、変圧器の１つのコイルがプラズマ・チャンバの外部にあり、プラズマ内の電子の流れがプロセス・ガスを通ってほぼ閉じた経路を電子が移動する際に変圧器の第２のコイルを形成する。従来型の誘導結合型プラズマ発生器の１つの形式は、Ｊｏｈｎ Ｏｇｌｅの米国特許第４９４８４５８号（’４５８システム）に開示されている。この発生器は、通常、種々の半導体ウエハ処理方法に適していると考えられるプラズマを与える。’４５８システムは、誘電性ウィンドウを有するチャンバと、このチャンバの外部でウィンドウに隣接して配置された平坦コイルとを含む。共振ＲＦ電流が平坦コイル内に誘導され、これにより、チャンバ内に磁場が生じ回転する電子の流れが発生し、外部のコイルに平行な平面内にプラズマが生じる。このシステムにおけるプラズマの当初の点火は、比較的広範囲の動作圧力にわたる半導体のプラズマ処理に一般的には適していると考えられるが、低いミリトル範囲の圧力では困難であることがある。更に低い処理圧力が要求されるような応用例では、プラズマは、最初により高い圧力で点火されて、より低い動作圧力まで減少させなければならない。しかし、プラズマ発生器が広範囲の動作圧力にわたって高度に均一なプラズマを生じる能力を有するプラズマ発生器に対する必要性が存在する。本発明は、この必要性を満たすものである。
【０００６】
【発明の概要】
広く一般的にいえば、本発明は、５ミリトル未満の低いミリトル範囲での処理圧力を含む広範囲の動作条件にわたって半導体ウエハを処理するのに適したプラズマ発生器を与える。ある実施例では、本発明によるプラズマ発生器は、誘電性ウィンドウを有する真空チャンバと、このウィンドウに隣接してチャンバの外側に配置されたほぼ平坦なコイルと、低圧でチャンバ内にプラズマ放電を開始させる手段と、を含む。発明者らは、プラズマ・チャンバ内のプロセス・ガスの量を増加させてプラズマ放電を開始させるのに十分な高さの圧力とし、その後に圧力を所望の範囲まで低下させるという従来の方法は、ある種の半導体ウエハ処理においては適切ではないことを見いだした。また、発明者らは、ある種の処理においては、半導体ウエハのプラズマへの露出は短時間であることが望ましいことを見いだした。そのような場合には、半導体処理の劣化は、プラズマを高圧で開始させた後に動作圧力を所望の範囲まで低下させるという従来の手順を使用することに起因する。動作圧力をあまり急に減少させると、プラズマは消滅することがあり、結果的にシリコン・ウエハの損傷を生じる。典型的には、プラズマ露出によって行われる化学処理は、許容範囲内で所望の処理を達成するのに十分な精度をもって再度開始させることはできない。しかし、プラズマの損失を回避するのに十分な低速で動作圧力を減少させることによって、半導体ウエハの最適な処理は妨げられ、更に、プラズマ処理ステップの制御も低下する。
【０００７】
本発明によるプラズマ発生装置は、プロセス・ガスとほぼ平坦なコイルとの間の容量性又は誘導性の結合が不十分であっても、低いミリトル範囲の動作圧力で真空チャンバ内にプラズマ放電を開始させるのに適する装置を含む。ある実施例では、本発明によるプラズマ発生器は、真空チャンバの外部に配置された第２のＲＦ電力源に電気的に結合される、真空チャンバ内に配置された二次電極を含んでいる。動作の際には、プラズマ発生器の真空チャンバ内に所望の動作圧力が達成され、ＲＦ電力が真空チャンバ外部に配置された平坦コイルに印加され、チャンバ内に誘電性ウィンドウに隣接して高度に均一で強い磁場が確立される。ＲＦ電力は、第２の電極にも与えられ、既存の自由電子のエネルギを増加させる。この二次電極は、真空チャンバの外部に配置された平坦コイルか、真空チャンバの設置された壁か、又は、半導体ウエハがその上に置かれているサポート・ペデスタルに結合される。また別の実施例では、別の複数のＲＦ電力源をウエハのサポート・ペデスタルと第２の電極との両方に結合して、第２の電極とウエハのサポート・ペデスタルとの間の容量結合を強化する。更に別の実施例では、１つのＲＦ電力源が、電力スプリッタを介して第２の電極とウエハのサポート・ペデスタルとの両方に結合される。位相遅延が、電力スプリッタと、第２の電極とウエハのサポート・ペデスタルとのどちらかとの間に導入され、最適の容量結合を達成する。
【０００８】
更に別の実施例では、本発明によるプラズ発生器は、真空チャンバ内のプロセス・ガスの一部をイオン化するのに適したデバイスを使用し、真空チャンバの外部に配置されたほぼ平坦なコイルによって生じる磁場に誘導結合し得る低い密度のプラズマを与えることを含む。ある実施例では、真空チャンバには、紫外線光等のイオン化放射に透過性であるウィンドウが与えられる。紫外線レーザ等のイオン化光源又はフラッシュ・ランプ等の広帯域の光源が用いられ、真空チャンバ内のプロセス・ガスの一部をイオン化し、低密度のプラズマを与えて真空チャンバの外部に配置された平坦コイルと誘導結合する。また他の実施例では、テスラ・コイルの出力電極が真空チャンバ内に配置される。この実施例では、プロセス・ガスの一部が、テスラ・コイルのロッドと真空チャンバの設置された壁との間のアークの形成によってイオン化される。また別の実施例では、１対の導電性電極が真空チャンバの内部に配置され、チャンバの外部の高電圧源に結合され、この電極間の電気アークの形成により真空チャンバ内のプロセス・ガスの一部を再度イオン化する。
【０００９】
本発明に特有であると考えられる新規な特徴は、以下に続く詳細な説明を添付の図面を参照して読むことにより理解されよう。しかし、図面は単に図解と説明とのためのものであって、本発明を限定しない。
【００１０】
【実施例】
図面、特に図１を参照すると、本発明による低圧プラズマ発生装置１０の好適実施例の側面からの概略図が示されている。図示されているように、装置１０は、ガス入口線１４と真空排気出口線１６とを有する真空チャンバ１２を含む。真空チャンバ１２は、好ましくは、適当に構成された接地線１８によって接地した陽極処理済の金属等の非導電性物質によって構成される。
【００１１】
真空チャンバ１２の内部には、ターゲット・ペデスタル２０が配置され、１つ又は複数の半導体ウエハ２２を支持する。ペデスタル２０に対向しほぼ平行である真空チャンバ１２の１つの表面は、中に誘電性のウィンドウ２４が配置されているアパーチャを定義する。この誘電性ウィンドウ２４は、水晶又は電磁気的な技術において知られている種々の非導電性のセラミック等の何らかの別の適当な誘電物質によって構成され得る。ほぼ平坦なコイル（ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｐｌａｎａｒ ｃｏｉｌ）２６が、更に、真空チャンバ１２の外側に誘電性ウィンドウ２４に隣接して配置される。このコイル２６は、一次的な電力源を与え、誘導結合によって、真空チャンバ１２内にプラズマを維持する。誘電性ウィンドウ２４は、コイル２６によって発生する電磁場に対して一般に透過性を有する真空チャンバ１２に対して雰囲気（アトモスフェリック）シールを与える。真空チャンバ１２内に発生したプラズマの均一性を高めるために、コイル２６はほぼ平坦であり、平坦さの偏差は、必ずではないが好ましくは、コイルの直径の１０分の１から２である。コイル２６は、更に、スパイラル構成を形成し、又は、一連の相互に接続された同心円状のリングを形成する。コイル２６の直径は、典型的には、所望のプラズマの大きさに依存する。ある実施例では、１つの半導体ウエハを処理するのに十分な大きさのプラズマを維持するためのコイル２６は、１３〜１８センチの直径で、５〜８回のスパイラル・ターン又は同心円状のリングを有し、コイル２６の直径全体を実質的に横切って延長する真空チャンバ１２内に比較的均一なプラズマを生じる。好ましくは、コイル２６は、ほぼ３０アンペアまでの電流を供給するのに十分な断面の直径を有する、銅のような導電性の高い金属によって構成されている。
【００１２】
電力は、ＲＦ電力源２８によって、コイル２６に与えられる。電力源２８は、整合回路３０あるいは電気技術分野において知られている他の適切な回路によって、コイル２６に誘導結合され得る。ある実施例では、この整合回路は、ＲＦ電力源２８に結合された一次コイルと、可変コンデンサと直列にコイル２６の内側及び外側端部に結合された二次ループと、を含む。電気技術分野で知られているように、一次コイルと二次ループとは、電力源２８の所望の動作周波数における回路負荷を許容するように、相手側に対して向き付けることができる。二次ループと直列の可変コンデンサとによって、この回路の共振周波数を調節して、電力源２８の周波数出力を整合させることができる。ＲＦ電力源２８は、必ずではないが好ましくは、約７万ボルトの実効値電圧出力を有するメガヘルツの周波数範囲における約５００ワットの電力出力を有する。
【００１３】
典型的には、図１に図解された装置によって維持される以上で説明したプラズマは、真空チャンバ１２内の半導体ウエハ２２の表面にほぼ平行方向の速度ベクトルを有する。半導体ウエハ２２の表面に垂直方向のプラズマ種（ｓｐｅｃｉｅｓ）の速度ベクトルの成分を与えるために、ペデスタル２０は、付加的な整合回路３４を介して別のＲＦ電力源３２に結合され得る。
【００１４】
動作においては、真空チャンバ１２は、プロセス・ガスが入口１４を通って真空チャンバ１２の中に導かれて所望の動作圧までポンプされる。そして、真空チャンバ１２の中でプラズマが開始される。コイル２６とプロセス・ガスとの間の誘導結合は、いったん開始されたプラズマを維持することができる。プラズマの開始は、典型的には、低いミリトルの範囲にある圧力では、コイル２６とプロセス・ガスとの間に誘導結合によって達成され得ない。しかし、本発明の発明者らは、プラズマが最初に高圧で開始された後に例えば２〜３ミリトルの低いミリトル範囲内の所望の動作圧力まで低下した場合には、低いミリトルの範囲での圧力でのプラズマ処理が意図されている半導体ウエハに損傷が生じ得ることを見い出した。真空チャンバ１２内の動作圧力が当初の点火圧力から所望の処理圧力まで減少する際に、プラズマを消滅させないような注意が必要である。これが生じると、ウエハは事実上破壊されてしまい、通常、廃棄されなければならない。発明者らは、半導体ウエハのプラズマ処理は典型的にはダイナミックな性質を有しており完了前に中断されると成功裏には再開し得ないことを発見した。また更に、発明者らは、低いミリトル範囲の圧力でプラズマ反応を最初に点火することによって、プラズマ反応処理を実質的によりよく制御できることも見いだした。本発明の実施例では、３０秒以内の間、２〜３ミリトルの範囲で、半導体ウエハを低圧プラズマに露出する装置が提供される。従来型の装置では、通常は、そのような低圧でそのような短い露出時間でのプラズマ処理は不可能であった。典型的には、従来型の装置では、より高い圧力でのプラズマ点火が要求され、この圧力は、所望の露出時間内には、所望の低いミリトル範囲まで減少させることは不可能であった。これよりも急激に所望の低いミリトル範囲に圧力を低下させると、プラズマ消滅の危険性が増加する可能性があり、その結果、半導体ウエハが損なわれる。
【００１５】
本発明は、コイル２６だけでプラズマを点火できる圧力よりもずっと低いミリトル範囲の圧力で真空チャンバ１２内にプラズマを点火する他のいくつかの機構を提供している。図１に図解した本発明の実施例では、二次電極４０が真空チャンバ１２内に含まれており、整合回路４２によって第２のＲＦ電力源４４に結合される。この二次電極４０は、主に容量結合によってプロセス・ガス内に既に存在している自由電子のエネルギを増加させることを意図したものである。発明者らは、誘電性ウィンドウ２４の極端に高い抵抗特性とそれに伴うこのウィンドウの両側での電圧降下とによって、コイル２６と真空チャンバ１２内に配置されたプロセス・ガスとの間の十分な容量結合が妨げられることを見いだした。しかし、二次電極４０を付加すれば、第２のＲＦ電力源４４から適切なＲＦエネルギが得られることにより十分な容量結合が達成され、低い７ミリトルの範囲、実際は、２〜３ミリトルの所望の動作範囲にある圧力でプラズマ点火が達成される。
【００１６】
本発明の別の実施例では、二次電極４０間の容量結合は、整合回路３４を通じて半導体ウエハのサポート・ペデスタル２０に結合されている別のＲＦ電力源３２を使用することによって、強化され得る。動作の際には、二次電極４０に結合されたＲＦ電力源４４とウエハのペデスタル２０に結合された別のＲＦ電力源３２との両方が付勢される。しかし、これらの２つのＲＦ電力源からのＲＦ出力の相対的な位相は、当初は、相互に１８０度に設定される。この位相の分離は、二次電極４０とペデスタル２０との間の容量結合を最適に強化し、よって、プロセス・ガスの中に既に存在する自由電子に転送されるエネルギを実質的に増加させるように選択することができる。プラズマがいったん真空チャンバ１２の中で開始されると、二次電極４０に結合されたＲＦ電力源４４は消勢され、ウエハのペデスタル２０に結合された別のＲＦ電力源３２の位相は、ペデスタル２０と真空チャンバの外部に配置されたほぼ平坦なコイル２６との間の結合を最適化するために変更され得る。
【００１７】
図２に図解されている本発明の更に別の実施例においては、１つのＲＦ電力源６０が、電力スプリッタ６２を通じてペデスタル２０と二次電極４０との両方に結合され得る。信号遅延６４を、電力スプリッタ６２とペデスタル２０又は二次コイル４０のいずれか一方との間に有効に含め得る。好ましくは、電力スプリッタ６４が可変であることによって、ペデスタル２０と二次電極４０とに与えられるＲＦ電力の相対的比率は変動し得る。動作の際には、プロセス・ガスの所望の動作圧力が真空チャンバ１２内で得られ、真空チャンバ１２の外部に配置されたほぼ平坦なコイル２６が付勢される。ＲＦ電力が次に二次コイル４０とペデスタル２０とに与えられ、プロセス・ガス内にプラズマを点火する。そこで信号遅延４０が好ましくは用いられて、二次コイル４０とペデスタル２０とに印加されつつあるＲＦ電力の相対的位相を変動させ、この２つの要素の間の容量結合を最大化する。プラズマがプロセス・ガス内でいったん開始されると、二次電極へのＲＦ電力の流れが終端され得る。ＲＦ電力源６０の出力は、ほぼ平坦なコイル２６と共働した動作を最適化するように構成され得る。
【００１８】
図３に図解した本発明の別の実施例では、コイル２６単独でのプラズマ点火には不十分な圧力でのプラズマ点火に対して異なるアプローチが用いられている。本発明のこの特徴に従って、プラズマは、もう１つ別のイオン化機構によってプロセス・ガス内に形成される。いったんプロセス・ガスがイオン化されると、一次コイル２６との誘導結合を支持するのに十分なプラズマ種が存在する。図２の実施例では、プロセス・ガスは、当初は、真空チャンバ１２の外部の源４８からのイオン化光ビームの導入によりイオン化される。図解されるように、真空チャンバ１２には、更に、電磁気的スペクトルの紫外線部分を透過するウィンドウ５０が設けられる。真空チャンバ１２に対する所望の動作圧力が実質的に７ミリトルよりも低い場合には、真空チャンバ１２内のプロセス・ガスの更なるイオン化が、イオン化光源を設けることによって達成される。
【００１９】
図３を参照すると、本発明の更に別の実施例が示されている。上で紫外線光源に関して述べたように、プラズマ点火は、誘導結合を通じてプラズマを維持するのに用いられるほぼ平坦なコイル２６とは独立の何らかの機構を用い真空チャンバ１２内のプロセス・ガスの一部を部分的にイオン化することによって達成される。ある実施例では、プロセス・ガスのこの部分的なイオン化は、真空チャンバ１２内に配置された高い電力出力ロッド５４を有するテスラ・コイル５２によって達成される。動作においては、テスラ・コイル５２の動作に起因する出力ロッド５４の端部の高い電圧によって、電極５４と線１８によって接地された真空チャンバ１２の導電性の壁との間のプロセス・ガス内にアークが生じ得る。プロセス・ガス内の電気アーク・ブレークダウンを与えるテスラ・コイルの使用を代替するものとして、間に極端に高い電位を有する１対の電極を、これは例えば図３に更に図解した電極６０、６２を含むスパーク・プラグ５８であるが、適当な高電圧源（図示せず）に結合し、従来型の手段によってスパーク・プラグ５８の電極６０、６２の両端にスパークを達成する。
【００２０】
本発明は、広範囲の動作圧力にわたって高度に均一のプラズマを発生させる能力のある誘導結合されたプラズマ発生装置を動作させる手段を与える。上述のように、本発明は、プロセス・ガスの圧力をプラズマ点火を支持するのに十分な圧力まで上昇させることによってプラズマを開始させた後に徐々に所望の動作範囲まで圧力を低下させるという従来型の方法において見いだされる欠点を回避するものである。本発明の好適実施例に対して、種々の修正や付加をなしうることは当然である。したがって、本発明の範囲は、上述した特定の実施例によって限定されず、冒頭の特許請求の範囲及びその均等の範囲によってのみ画定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】容量結合を通じてプラズマを開始させる本発明によるプラズマ発生器の第１の実施例を図解した側面図である。
【図２】容量結合を通じてプラズマを開始させる本発明によるプラズマ発生器の別の実施例を図解した側面図である。
【図３】プロセス・ガスの一部のイオン化を通じてプラズマを開始させる本発明によるプラズマ発生器の実施例の側面図である。
【図４】プロセス・ガスの一部のイオン化を通じてプラズマを開始させる本発明によるプラズマ発生器の別の実施例の側面図である。

Claims (2)

1. プラズマ発生装置であって、
   ガス入口と真空出口とアパーチャとを含む真空チャンバと、
   前記アパーチャ内に配置され、コンテナに対して実質的に真空のシールを形成する誘電性のウィンドウと、
   前記ウィンドウに隣接して前記真空チャンバの外側に配置されたほぼ平坦なコイルと、
   前記真空チャンバの中で、低い５ミリトル（millitorr）の範囲内の圧力でプラズマ放電を開始させるスタータ手段であって、前記真空チャンバ内のプラズマ放電は、このスタータ手段によって開始され、前記ほぼ平坦なコイルから前記プラズマに与えられるエネルギによって維持される、スタータ手段と、
   を備えており、前記スタータ手段は前記真空チャンバ内に配置され外部電力源に電気的に結合された電極を含んでおり、前記チャンバ内のプラズマ放電は低圧で開始され、このプラズマ発生装置は、更に、
   前記真空チャンバ内に配置され前記外部電力源に電気的に結合されたターゲット・ペデスタルと、
   前記外部電力源と前記ターゲット・ペデスタルと前記スタータ手段の電極との間に配置されたＲＦパワー・スプリッタと、
   を含んでおり、前記パワー・スプリッタと、前記スタータ手段の電極と前記ターゲット・ペデスタルとのいずれかとの間に位相遅れを更に含むことを特徴とするプラズマ発生装置。
2. プラズマを用いて半導体ウエハを処理する装置であって、
   ガス入口と真空排気と誘電性ウィンドウとを含むチャンバと、
   前記誘電性ウィンドウに対しほぼ平行に向くように隣接して配置されたほぼ平坦なコイルと、
   前記ほぼ平坦なコイルに結合された第１の電力源と、
   前記チャンバ内に配置された二次電極と、
   前記二次電極に電気的に接続された第２の電力源と、
   を備えており、プラズマは、前記二次電極とプロセス・ガスとの間を結合することによって前記チャンバ内で開始され、以後は、前記プロセス・ガスとほぼ平坦なコイルとの間を結合することによって維持され、この装置は、更に、
   前記チャンバ内に配置され前記第２の電力源に結合されたターゲット・ペデスタルと、
   前記第２の電力源と前記二次電極と前記ターゲット・ペデスタルとの間のＲＦパワー・スプリッタと、
   前記パワー・スプリッタと、前記電極と前記ターゲット・ペデスタルとのいずれかとの間の位相遅れと、
   を含むことを特徴とする装置。

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