JP3987545B2 - プラズマ処理用高周波誘導プラズマ源装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に高周波誘導によってプラズマを発生する分野、特に高周波共振誘導結合によってプラズマを発生するための改善された方法及び装置に関する。

一般に１ＭＨｚから１００ＭＨｚの間の周波数を有する高周波（略称「ＲＦ」）で発生される誘導結合プラズマ（略称「ＩＰＣ」）は、１０^１１ｃｍ^−３を超える荷電粒子（電子又はイオン）濃度及び５ｍＡ／ｃｍ^２を超えるウェーハ基板への電流を提供する。誘導結合プラズマ源は、したがって、プラズマ発生を必要とする半導体製造プロセスにとって電子サイクロトロン共振（以下、略称：ＥＣＲで表す）プラズマ源に匹敵する。プラズマを使用する半導体製造プロセスは、ウェーハのドライエッチング、プラズマ強化（ｅｎｈａｎｃｅｄ）堆積、ドライクリーニング、紫外線（略称「ＵＶ」）の発生を必要とする応用を含む。

誘導結合高周波プラズマ源装置は、容量結合高周波プラズマ源装置及びＥＣＲプラズマ源装置の双方に優る利点を有する。容量結合高周波プラズマと対照的に、誘導結合高周波プラズマは、実質的に低い真性プラズマ電位（＜５０Ｖ）を有し、かつ実質的に高い電離能率（＞５％）を達成する。また、真性プラズマ電位は、高周波電力に比較的無関係である。低真性プラズマ電位は、高イオンエネルギーがウェーハ上のデバイスを損傷するおそれのあるドライエッチングのような、高イオンエネルギーを許容することのできない応用に有効である。

ＥＣＲプラズマ源装置においては、プラズマイオンは、放電室内の電子衝撃によって生成され、かつ磁界及び（又は）電界を使用して表面に向けて送られる。ＥＣＲシステムの場合におけるように、誘導結合高周波プラズマのイオンエネルギーは、別個の高周波又は直流電源で集積回路ウェーハをバイアスすることによって、そのプラズマ密度に無関係に変動させられる。ＥＣＲプラズマ源の場合、プラズマを有効に発生することができる圧力が、また、関心事である。ＥＣＲプラズマ源は、０．１３Ｐａより低い圧力において最も有効であり、このような圧力はほとんどの半導体プロセス応用にとって低過ぎる。しかしながら、誘導結合プラズマ源は、半導体プロセス要件と遥かに両立性である圧力範囲（０．１３Ｐａから６．６７Ｐａ）にわたり動作するという利点を有する。動作圧力が高いから、所与のガス流量に対するポンピング要件は、誘導結合プラズマ源にとって遥かに緩やかである。加えて、誘導結合プラズマ源は、コンパクトな設計かつＥＣＲプラズマ源より実質的に低いコストにおいて大きな直径（１５ｃｍから３０ｃｍ）、均一プラズマを提供することができる。

高周波誘導結合を採用するプラズマ源装置の１型式は、エネルギーをホイスラー波又はヘリコン波を通してプラズマ源内へ結合する。発生器のこの型式は、ヘリコンプラズマ源と呼ばれる。プラズマ源の軸に沿って向けられた０．０１Ｔから０．１Ｔの範囲の磁界の存在下において、定在ホイスラー波は、高周波電圧をプラズマ源空洞の回りに配置されたループアンテナに印加することによって励磁され得る。これの軸方向磁界は、ＥＣＲプラズマ源に採用された磁界より一般に弱いが、そのプラズマはプラズマ源の直径にわたり一様でない。したがって、プラズマ処理を受けつつあるウェーハは、プラズマから離れて又は「下流」へ、プラズマが充分に一様である領域内へ、配置されなければならない。このことは、この下流位置において充分なプラズマ密度（すなわち、電子及びイオン濃度）を維持するために、プラズマ源の入力電力を増大することを必要とされる。また、軸方向磁界を発生するために、大きいソレノイドコイルが要求される。これらの特徴は、プラズマ源コスト及び複雑性を増大させる。

プラズマ源装置の第２型式は、軸方向磁界を省くことによって総称的ホイスラー波又はヘリコン源装置とは異なる。そのため、プラズマ処理を受けつつあるウェーハは、プラズマ発生領域内に置かれ得る。このようなプラズマ源に対するピークプラズマ密度（５×１０^１１ｃｍ^−３）はホイスラー波源に対するそれよりも１桁低いが、プラズマ源内のプラズマ発生領域へウェーハが近接していることによって、処理速度が良好であるということが保証される。１μｍ／ｍｉｎを上回るウェーハエッチ速度は、注目する多くの材料に対して可能である。このプラズマ源は、簡単で、一層コンパクトであり、かつ、ヘリコンプラズマ源より安価である。

誘導結合プラズマ源装置のこの型式の１別形は、円筒形真空室の頂面に沿って配置された多重巻回パンケーキコイルを採用する。典型的に１．２７ｃｍ厚さの水晶真空窓は、コイルを室から絶縁する。コイルが高周波源によって電力供給されると、大電流がコイル内に循環する。これらの電流はこの室内側に強い電界を誘導し、この電界がプラズマ状態を持続させる。パンケーキコイルによって発生された時変磁界及び電界は、コイル電流に比例し、かつ、コイル直径及びコイル巻回数の二乗に比例して増大する。あるパンケーキコイルからの誘導電界の一様性は、コイル直径及びコイル巻回数を増大することによって向上する。しかしながら、コイルのインダクタンスもまた、コイル巻回数の二乗に比例する。このことは、或る一定コイル電流に対するコイル巻回数の増大でコイル両端間の電圧降下が増大することを暗示する。例えば、１３．５６ＭＨｚにおける２０ＡのＲＭＳ（二乗平均平方根）電流に対する５μＨコイルの両端間の電圧降下は、８．５ｋＶである。このような高電圧は危険であり、コイルとプラズマとの間に容量性エネルギー結合を生じる。容量結合は、もし顕著な量のエネルギーが容量結合を経由して転送されるならば真性プラズマ電位が劇的に増大するので、望ましくない。これらの検討問題は、プラズマ源の頂面に沿って配置された多重巻回パンケーキコイルを備えるこれらの高周波プラズマ源内のコイルの巻回数を約３に制約する。

したがって、ヘリコンプラズマ源装置と誘導結合プラズマ源装置の利点を組合わせ、システム構成要素の数を最少化し、出力電力を効率的に使用し、良好なプラズマ一様性を提供し、かつコイル電圧を安全レベルに維持する高周波プラズマ源装置に対する要望が高まっている。本発明によれば、現存するプラズマ源に関連する欠点及び問題を実質的に除去するプラズマ発生装置及び方法が提供される。

本発明は、プラズマを発生する装置を含む誘導結合プラズマ源装置である。このプラズマ源装置は、プラズマを収容する真空室を含む。室の外側に複数の永久多極磁石が含まれ、これらの磁石は室壁へのプラズマ損失を減少するカスプ磁界を確立し、プラズマ密度を強化（ｅｎｈａｎｃｅ）し、かつこのプラズマ源の動作を定圧へ延長するように使用される得る。このプラズマ源装置は、ホイスラー波の好適伝搬方向を規定する可変軸方向静磁界を発生するために室の外側に配置された少なくとも１組の電磁石を含む。また、ホイスラー波を発生しかつ励磁するために高周波電力の共振誘導結合用アンテナとして働くコイルが、含まれる。励磁されたホイスラー波は、プラズマをプロセスガス中に誘導かつ維持するために充分なエネルギーを転送する。このコイルは、また、時変定在波電磁界を発生する。これらの電磁界は、プラズマ源中のプラズマ密度を強化する。少なくとも１つのコイルが、本発明のプラズマ源の室の内側又は外部のいずれかに配置される。

特に、ホイスラー結合を達成するために、ホイスラー波の励磁に使用される高周波電力の周波数は、プロセスガスのイオンサイクロトロン周波数と電子サイクロトロン周波数との間にあるように選択されるものとし、かつこれらのサイクロトロン周波数はこれらのプロセスガスの電子プラズマ周波数より低いように選択されるものとする。本発明の方法及び装置における高周波電源は、ホイスラー波を確立するために、横方向電磁（以下、略称「ＴＥ」で表す）モード波、横方向磁界（以下、略称「ＴＭ」表す）モード波、又は混合ＴＥ及びＴＭモード波のいずれかを供給することができる。

本発明の技術的利点は、本発明が現存する半導体処理機器内へ統合化され得ることにある。例えば、エッチングを遂行するためにプラズマを必要とするドライエッチ室に、本発明のプラズマ源を取り付けることができる。統合化ドライエッチ／プラズマ源室は、ウエットエッチングシステムに優る強化エッチ能力を提供する。

本発明の重要な技術的利点は、コイル形状配置が単一巻回コイルに比較して遥かに強い磁界を発生することができるということである。本発明の多重巻回コイル形状配置は、アンテナ長さ範囲を有効に提供するという技術的利点を与え、これによってプラズマ放電条件の範囲にわたり共振誘導結合効率を向上する。オフ共振誘導結合は充分には効率的でなく、したがって、長さを変動するアンテナを提供することによって、プラズマ発生器の動作範囲を拡大することができる。また、様々な長さのアンテナは、多重モード動作及び一層均一なプラズマという技術的利点を持たらす。

他の技術的利点は、本発明のプラズマ源の室内に発生された電磁界は一様でかつ室内に集中しているということである。本発明は、プロセス室内に発生された電磁界を全体的に収容する技術的利点を提供する。このことは、室の外側の金属表面を加熱するうず電流を除去し、一層効率的なプラズマ発生を持たらす。また、それらのコイルで以て提供される多極磁石閉込めは、６．６７Ｐａより低い圧力に対してプラズマ密度を強化する。

本発明の他の利点は、もしそのプラズマ放電がホイスラー波への共振誘導結合が起こらない機構内で動作するならば、多重密接パックコイルによって誘導される内部磁界が、誘導結合のみを通してプラズマを持続させるに充分強力なホイスラー波電磁界を発生することができる、ということである。したがって、共振誘導結合が効率的でない又は不可能である条件の下で本発明のプラズマ源内プラズマを得かつ維持することが可能である。

本発明及びその利点の完全な理解のために、付図との関連において行われる次の説明をいまから参照する。

本発明の好適実施例及びそれらの利点は図１から図８を参照することによって最も良く理解され、同様の符号がこれら種々の図面の同様の又は対応する部品に対して使用される。

図１は、プロセスガス中にプラズマ状態を誘導するためにプロセスガスに高周波電力を誘導結合するためにコイル１２を採用するプラズマ源装置１０の部分断面及び部分概略線図を表す。プラズマ源装置１０は、プラズマをより良く収容するように、典型的に水晶のような適当な誘電材料で作られた室１４を含む。室１４は、また、典型的に、真空封止されている。室１４は、これにプロセスガスを導入する入口１６を有する。入口アパーチャ１８は、プロセスガスを一様な制御流量で室１４に導入させる。いったんプラズマ状態がプロセスガス中に達成されると、プラズマは、末端１９によって図１に表現された開口を通して室１４から放出される。図１のプラズマ源装置１０を、処理に当たってプラズマを必要とするどの適当な半導体処理室にも取り付けることができる。ウェーハエッチング室及び堆積室は、プラズマ源装置１０を取り付けることができる半導体処理室の例である。

室１４は、それ内に複数のコイル１２を有することがある。コイル１２は、このコイル配置と同心配置されかつ室１４の輪郭に整合する形状をしている一連のループアンテナである。コイル１２は、どの適当な高周波導電材料で作られてもよい。６．４ｍｍ直径の銅、アルミニウム、又は銅被覆管材は、コイル１２を製造するのに適当な材料であることが証明されている。図１の実施例においては、コイル１２は、室１４の内側に配置され、かつこれらの汚染を防止するために誘電体被覆２２に包まれている。水晶及びエポキシカプセル封止材は、誘電体被覆２２に対する適当な材料であるといえる。コイル１２は、室１４の中心を通って延びる接続線路２４によって一括結合されることがある。接続線路２４は、誘電体被覆２２に同様に包まれている。コイル１２は、また、水入口２６及び水出口２８を配置されることがある。コイル１２及び接続線路２４の温度を、これらのコイル又は被覆を損傷するおそれがある温度より下に維持するためにコイル１２及び線路２４を通して水をポンプすることができる。コイル１２は、また、高周波電源３０及び接地３２に結合される。介在整合回路網（図に明示されていない）が、高周波電力（１ＭＨｚから１００ＭＨｚ）を高周波電源３０からコイル１２に印加するために必要とされる。図１の実施例においては、高周波電源３０は、高周波エネルギーをＴＥモード波の形で供給する。

室１４の外側に多数永久磁石３４が含まれることがあり、これらは同様の極性の磁石が互いに向き合って室１４の全周辺に沿い配置される、図２を参照されたい。注目すべきことは、これらの永久磁石を本発明の創意に影響を及ぼすことなく省いてもよいということである。この室の表面において０．０１Ｔ〜０．０５Ｔの磁界を確立する永久磁石が、適当であることが判っている。図１に表されたプラズマ源装置１０の実施例において、単一組の電磁石３６が室１４の外側に配置されている。室１４の中心において０．０１Ｔ〜０．１Ｔの電磁界を確立するソレノイド電磁石が適当であることが判っている。永久磁石３４及びソレノイド電磁石３６の数及び配置を本発明の創意に影響を及ぼすことなく変動できることが、構想されている。

図２は、図１のプラズマ源装置１０の上面図を表す。この上面図に見られるように、コイル１２は、室１４の内側に配置され、誘電体被覆２２で以て包まれている。コイル１２は、平面図（図４参照）において同心的に形成されているが、なおまた室１４の円形形状に整合するように輪郭を施されている。したがって、図２の上面図はコイル１２を円３８の型式で示す。コイル１２は、事実、スペーサ４０及び４２によって分離されている。図１及び図２の実施例は２つのコイル１２で以て示されているが、いうまでもなく、コイルの数を本発明の創意に影響を及ぼすことなく変動することができる。

図１及び図２に表されたプラズマ源装置１０の動作中、プロセスガス、例えば、アルゴン、六フッ化イオウは入口１６及び入口アパーチャ１８を通して室１４内へ導入される。次から次へ極性を交互して置かれた磁石を備える永久磁石３４の配置は室１４の表面に沿ってカスプ磁界を確立し、これがプラズマの閉じ込めを助援する。電磁石３６は可変軸方向静磁界を発生し、これがコイル１２によって発生されるボイスラー波の伝搬方向を規定する。本実施例においては電磁石３６の１つの組しか表されていないが、電磁石３６の追加の組を使用して軸方向磁界の一様性を向上することができる。プラズマ平等性を向上するために３つ又はそれ以上の電磁石を使用することが必要なこともある。

共振誘導プラズマ発生器においては、空洞の内部又は回りに配置されたアンテナの長さがホイスラー波の波長の１／２に整合するとき、この空洞内のホイスラー波は共振結合によって励磁される。高周波エネルギーの優勢結合が共振誘導を通してホイスラー波になされることを保証するために、最大結合に対して要求されるアンテナの最適長さはプラズマ源内の条件の関数である。ホイスラー波の波長は、等式（１）によって表される。

ここに、 Ｂ_ｏ は１０^−４Ｔで表された磁界、
ｎ_ｅ は１／ｃｍ^３で表された電子濃度、
ｆ はＨｚで表された周波数である。

したがって、一定長さのアンテナに対しては、ホイスラー波の波長が空洞内のアンテナの長さの１／２に等しいように等式（１）内の変数がなっている場合に限り、プラズマ発生を持たらすホイスラー波の共振誘導及び励磁が起こる。ホイスラー波の波長λは磁界Ｂ_ｏ、電子濃度ｎ_ｅ、及び室内の波の周波数ｆに依存するから、単一ループアンテナで以てプロセスガス中にプラズマ状態を達成しかつ維持することは、常に可能であるとは限らない。

図１及び図２に表された本発明の実施例においては、室１４内で磁界Ｂ_ｏ、電子濃度ｎ_ｅ、及び周波数ｆは変化し、これによってホイスラー波の波長λに影響を及ぼすので、コイル１２は、ホイスラー波の変化する波長の１／２に整合するために必要な多重アンテナを提供する。このようにして、コイル１２は、ホイスラー波の共振誘導励磁を可能にするアンテナ長さの範囲を提供し、これによってプラズマ条件の範囲にわたり結合効率を向上する。

コイル１２は、また、室１４内に強い時変電磁界を誘導する。いったん時変電磁界が必要なしきい値に到達すると、プロセスガスは電離され、室１４内にプラズマが確立される。長さを変動するアンテナ、例えば、コイルは、また、多モードホイスラー波発生及び一層均一なプラズマを持たらすことができる。更に、図１及び図２に表されたプラズマ源装置１０の動作中、もし共振誘導が起こらない領域において放電が動作させられるならば、多重コイル１２によって発生される室１４内側の強い時変電磁界がプラズマを維持する。したがって、ホイスラー波発生及び共振誘導を支持しない条件の下においてもプロセスガス中にプラズマ状態を維持することが可能である。また、コイル１２に起因する磁界Ｂの形状配置は、大きな接線方向成分及び半径方向成分を有し、これらはホイスラーモードを励磁するのに望ましい。

また、プラズマ源装置１０内の磁界を論じる規準として使用される点４４が、図２に認められる。点４４は、接続線路２４の上又は下かつコイル１２の上側境界又は下側境界内において面１−１′に沿うどの非固定点としても看なされる。図３に表されたように距離Ｒにおける電線４６の長さｌ内の電流に起因する面１−１′上の点４４における磁界Ｂは、等式（２）によって与えられる。

ここに、 Ｉ は電線４６内の電流、
Ｒ は電線４６からの距離、
ｌ は電線４６の長さ、
μ_０ は波が走行する媒体の透磁率である。

磁界Ｂは、電線４６を中心として囲む円形経路上を走行すると看される。

各コイルは、端と端で取り付けられた電線のいくつかのセグメントであるとして取り扱われる。この構想は、図４に一層明白に図解されている。図４に示されたように４つのループから構成されるコイル１２において、このコイルは、ｌ_１、ｌ_２、ｌ_３、及びｌ_４として識別される電線の４つの長さである。したがって、等式（１）に従う点４４における磁界は、等式（３）によって与えられる。

これから、

もしｌ_１＝２．５４ｃｍ、ｌ_２＝７．６２ｃｍ、Ｉ_３＝１２．７ｃｍ、Ｉ_４＝１７．８ｃｍ、μ_０＝４π×１０^−７Ｈ／ｍ、かつもしコイル１２内の電流Ｉが４０Ａならば、室１４内の磁界Ｂは７．５×１０^−４Ｔである。

室１４内のコイル１２の磁界Ｂは、時変電界Ｅを誘導する。室１４内の時変電界Ｅを推定することが可能である。図２内のコイル１２の境界内の面Ｉ−Ｉ′に沿う閉ループ４８を表す図５を考えよう。図２の面Ｉ−Ｉ′に沿う電界Ｅと磁界Ｂとの間の関係を、図５に示されたように表すことができる。点４９において閉ループ４８内の磁界Ｂは、面Ｉ−Ｉ′を横断して示されている。発生された時変電界Ｅは、磁界Ｂに対して接線方向であり、かつ点４９からの距離ｒ_１に従って変動する。時変電界Ｅは、等式（５）によって表現される。

ここに、 ω は信号の角周波数、
Ｂ は１０^−４Ｔで表された磁界、
ｒ は点４９からのｃｍで表された距離である。

の場合、電界Ｅは８Ｖ／ｃｍである。

電界Ｅのこの値は、電界が室１４の中心に比較して室１４の内面に沿って遥かに強いということが知られているから、過小評価である。平均すると、電界Ｅは室１４の内面に沿い室１４の中心の強さの３倍におそらくなることが確定されている。したがって、電界Ｅは、室１４の内面に沿って約２５Ｖ／ｃｍである。

プロセスガスとしてアルゴンを使用するとき、アルゴン中にプラズマ状態を誘導するために必要な最小電界Ｅは、等式（７）によって表現される。

６．６７Ｐａにおいて、

ここに、Ｎはアルゴンのガス密度であり、かつ
６．６７Ｐａにおいて、

したがって、Ｅ＝（Ｅ／Ｎ）Ｎ＝０．６７ Ｖ／ｃｍ

したがって、等式（７）を適用して、上例におけるプラズマ状態を誘導するために必要とされる電界Ｅは０．６７Ｖ／ｃｍである。図４に表されたコイル１２内の４０Ａの電流が７．５×１０^−４Ｔの磁界Ｂを生じ、これが立ち代わって、等式（５）から８Ｖ／ｃｍの電界Ｅを生じることが上に示されたから、０．６７Ｖの電界Ｅを発生するに必要な電流を、（〔（４０Ａ）（０．６７Ｖ／ｃｍ）〕／（８Ｖ／ｃｍ））と計算することができる。したがって、約３Ａと云う最小コイル電流で以てアルゴン中に高周波放電を持続させることが可能である。

プロセスガスが六フッ化イオウ（ＳＦ_６）の場合、プラズマ状態を誘導するために必要とされる最小電界Ｅは、等式（９）によって表現される。

６．６７Ｐａにおいて、

ここに、Ｎは六フッ化イオウのガス密度であり、かつ
６．６７Ｐａにおいて、

したがって、
Ｎ＝（Ｅ／Ｎ）（Ｎ）＝６．７Ｖ／ｃｍ

したがって、等式（９）を適用して、六フッ化イオウ中にプラズマ状態を誘導するために必要とされる電界Ｅは６．７Ｖ／ｃｍである。それゆえ、六フッ化イオウ中に高周波放電を持続させるために必要とされる最小コイル電流は、約３３Ａ、すなわち、
（〔（４０Ａ）（４．７Ｖ／ｃｍ）〕／（８Ｖ／ｃｍ））である。

これらの条件の下において達成可能のプラズマ密度ｎ_ｅも、また、計算することができる。高周波電源３０によって供給される電力を５００Ｗと仮定しよう。プロセスガスの電離に使用される電力の部分、すなわち、電離能率は、電界Ｅが８Ｖ／ｃｍに等しい場合、０．４である。アルゴンに対する電離しきい値は、１６ｅＶであり、したがって、容量イオン化率は等式（１１）及び（１２）によって表現される。

（数１１）
イオン化率＝全イオン化率／プラズマ源の容積＝６．２ ｘ１０^１５／ｃｍ^３・ｓ（１１）

ここに、
（数１２）
全イオン化率＝電力×電離能率／電離しきい値＝７．８ｘ （１２）

プラズマの損失率は、等式（１３）によって表現される。

ここに、Ｄ_ａは電子及びイオンに対する拡散係数であり、かつ
６．６７Ｐａにおいて、

Λ 拡散の目盛長さでり、かつ
Λ ＝５ｃｍ。

したがって、プラズマ密度ｎ_ｅは、２ｘ１０^１２／ｃｍ^３である。実際の電子密度は、電界Ｅの過小評価が使用されているから、おそらくもっと高いことが認められている。

図１及び図２に示された実施例は、接続線路２４によって一括に接続された２つのコイル１２を使用する。いうまでもなく、スペーサ４０及び４２を伴わないで円３８を提供する単一コイル１２だけでなく、適当に形成された多数のコイルが本発明の創意に反することなく使用される。加えて、これらのコイルの形状は、図４に表されたように正方形である必要はなく、長方形であってもよい。注目されるのは、正方形コイルはこれによって巻かれた円筒形内の磁界をおそらく増大するのに対して、長方形コイルは室軸に沿っての軸方向位置に無関係である磁界Ｂをおそらく生成するということである。室軸に沿う軸方向位置に無関係である磁界Ｂは、共振誘導結合を達成するのに一層良好である。

図６に示された他の実施例においては、本発明のプラズマ源装置４８もまた、プロセスガス中にプラズマ状態を誘導する波を励磁するためにコイルを使用する。プラズマ源装置４８は、プラズマを収容する室５０を有する。室５０は、プラズマを一層良く収容するように、一般に、水晶のような誘電材料で作られている。プラズマ源装置４８は、また、図１及び図２に表された複数のコイルに類似した構成の複数のコイルを含む。コイル５１は、室５０の底を横断しかつその外側を延びる。コイル５２は、室５０の側壁に沿って室５０の頂部を横断しかつその後外へ延びる。

コイル５１は、水入口５６に結合され、コイル５２は水出口５８に結合される。水は、これらのコイルを冷却するためにこれらのコイルを通してポンプされて、熱損傷を防止する。また、コイル５１に接続されて高周波電源６０があり、及びコイル５２は接地されている。介在整合回路網（図に明示されていない）は、高周波電源６０からの高周波電力をコイル５１に印加するのに必要とされる。高周波電源６０は、ＴＭモード波を供給する。図６上の矢印は、これらのコイル内の水の流れ方向及び電流方向の双方を示す。

室５０及びコイル５１、５２の共に外側に配置されて永久磁石６４及びソレノイド電磁石６６がある。図６の永久磁石６４及びソレノイド電磁石６６の配置及び数は、図１及び図２のそれらと一貫している。

プロセスガスは、入口７２及び入口アパーチャ７４を通してプラズマ源装置４８内へ導入される。入口アパーチャ７４は、プロセスガスの室５０への一様な導入を提供する。

図７は、プラズマ源装置４８の上面図を表す。図７に表されたように、コイル５２は、室５０の外部、しかし磁石６４及び６６の内部に配置される。

動作中、図６及び図７に表されるプラズマ源装置４８は、室５０の外側に全体的に配置されたコイル５２及びこの室に全体的に閉じ込められた磁界Ｂと共に誘導結合高周波プラズマを用意する。図７の面Ｉ−Ｉ′に沿う点７２における磁界Ｂは等式（１５）によって表現される。

ここに、
μ_ｏ は波が走行する媒体の透磁率であり、かつ
Ｉ は電線内の電流、
ｒ は電線からの距離である。

ｒ＝５．０８ｃｍかつＩ＝４０Ａの場合、Ｂ＝１．５×１０^−４Ｔである。図６及び図７に表されたプラズマ源装置４８は、したがって、プロセスガス中にプラズマ状態を誘導するために使用される時変電界を誘導するのに充分な磁界を提供することができる。しかしながら、等価な磁界を持続するために必要とされる電流は、図１及び図２のプラズマ源装置１０に必要とされる電流よりも大きい。

図８は、図１のプラズマ源装置１０を組み込んだドライエッチ処理室８０を表す。室８０の内側に半導体ウェーハ８２があり、この上にプラズマ源装置１０のプラズマで以てドライエッチングが遂行される。図８の好適実施例においては、プラズマ源装置１０の動作は、上に説明されたようにプラズマを起こすように配置された電磁石３６で以て、エッチンを遂行するようにウェーハ８２の表面を衝撃することである。図８に表されているが、高周波又は直流電源８４は、ウェーハをバイアスするのに使用される。高周波又は直流電源８４で以てウェーハ８２をバイアスすることは、室８０内でプラズマのイオンエネルギーを独立に変動させる。注目されるのは、プラズマ源装置１０に対するウェーハ８２の配向を本発明の創意に影響を及ぼすことなく反転させることができるということである。また、図６のプラズマ源装置４８はまた室８０内のウェーハ８２をエッチするのに必要なプラズマを誘導することができるから、プラズマ源装置１０をプラズマ源装置４８で置換することもできる。

図１、図２、図４、図６、図７、及び図８に表されたコイルのみが本発明の技術の下に可能な形状配置であると理解すべきではない。最外コイルに沿う形状が多角形、円形、半円形、だ円形のようなどんな形状のコイルでも、本発明の教示の内にある。また、注目されるのは、図１、図２、図４、図６、図７、及び図８のコイルが、１９９２年４月１５日に提出されかつテキサス・インスツルメント社に譲渡された、かつここに参考資料として編入されたことを明示された、「プラズマ源及び製造方法（Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｍａｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）」と題する米国特許出願番号第０７／８６８，８１８によって教示されるように、このコイルのインピーダンスを減少するために隣接セグメント間に設置されたキャパシタで以てセグメント化され得るということである。

本発明が詳細に説明されたが、種々の変形、置換及び変更を添付の特許請求の範囲によって規定された本発明の精神と範囲に反することなく本発明に施すことができることは、いうまでもない。

以上の説明に関し更に以下の項を開示する。

（１）プラズマ発生用プラズマ源装置であって、
前記プラズマとプロセスガスとを閉じ込めるように動作する室と、
前記室内にホイスラー波を発生するように動作するコイルと、
前記室の外側に配置された少なくとも１組の電磁石であって、前記電磁石が前記室内の前記ホイスラー波の好適伝搬方向を規定するように動作する、前記少なくとも１組の電磁石と
を含み、
前記コイルは前記ホイスラー波を励磁するために前記ホイスラー波に高周波電力を誘導結合しかつ前記プロセスガス中にプラズマ状態を誘導するために前記室内の前記プロセスガスに充分な量のエネルギーを転送するように更に動作する、プラズマ源装置。

（２）（１）に記載のプラズマ源装置において、前記コイルは前記ホイスラー波を励磁するために前記ホイスラー波に高周波電力を共振誘導結合するように更に動作する、プラズマ源装置。

（３）（１）に記載のプラズマ源装置において、前記コイルは前記室の内側に配置されかつ前記室の側壁に実質的に平行に位置決めされる、プラズマ源装置。

（４）（１）に記載のプラズマ源装置において、前記コイルは前記室の内側に配置されかつ前記室の側壁に実質的に平行に位置決めされた複数のコイルを含み、前記複数のコイルは前記室の輪郭に整合するように形成されかつ前記室の垂直軸を横切る接続コイルによって接続される、プラズマ源装置。

（５）（１）に記載のプラズマ源装置において、前記コイルは
前記室の底に沿って前記室の外側を通る第１コイルと、
前記室の外側に配置されかつ前記室の側壁に実質的に平行な複数のコイルであって、前記電磁石と前記室との間に配置された前記複数のコイルと
を更に含む、プラズマ源装置。

（６）（１）に記載のプラズマ源装置において、前記高周波電力は前記プロセスガスのイオンサイクロトロン周波数と電子サイクロトロン周波数との間の周波数にあるように選択され、前記イオンサイクロトロン周波数と前記電子サイクロトロン周波数とは前記プロセスガスの電子プラズマ周波数より低い、プラズマ源装置。

（７）（１）に記載のプラズマ源装置において、前記コイルは前記ホイスラー波への前記高周波電力の共振誘導結合を効果させる条件範囲にわたり前記ホイスラー波に前記高周波電力を共振誘導結合するために長さを変動するアンテナを提供するように動作し、前記コイルは前記プロセスガスのプラズマ状態を持続させる時変磁界を発生するように更に動作する、プラズマ源装置。

（８）（１）に記載のプラズマ源装置において、前記室の外側に配置された複数の永久多極磁石を更に含み、前記磁石は前記プラズマを閉じ込めるために前記室の表面に沿って磁界を確立するように動作する、プラズマ源装置。

（９）（１）に記載のプラズマ源装置において、前記コイルは該コイルを冷却するように前記コイルを通して冷却剤を循環させる通路を更に含む、プラズマ源装置。

（１０）（１）に記載のプラズマ源装置において、前記コイルは該コイルのインピーダンスを低下させるように動作するキャパシタであって隣接コイルとの間に配置された前記キャパシタで以てセグメント化される、プラズマ源装置。

（１１）プラズマベースプロセスを遂行するために動作する室において、プロセスガスを収容しかつプラズマ源に対して半導体ウェーハを固定し、前記室は、
前記室の外側に配置された複数の永久多極磁石を有し、該磁石がプラズマを閉じ込めるために前記室の表面に沿って磁界を確立するように動作し、
前記室内にホイスラー波を発生するように動作するコイルを有し、
前記室の外側に配置された１組の電磁石を有し、該電磁石は前記室内の前記ホイスラー波の好適伝搬方向を規定するように動作し、
前記コイルは前記ホイスラー波を励磁するために前記ホイスラー波に高周波電力を誘導結合しかつ前記プロセスガス中にプラズマ状態を誘導するために前記プロセスガスに充分な量のエネルギーを転送するように更に動作する、室。

（１２）室内のプロセスガス中にプラズマ状態を誘導する方法において、
コイルでホイスラー波を発生し、
前記室内のホイスラー波の好適伝搬方向を規定する可変静電磁界を発生し、
前記コイルで前記ホイスラー波に高周波電力を誘導結合することによって前記ホイスラー波を励磁し、前記励磁されたホイスラー波は前記プロセスガス中にプラズマ状態を誘導するように前記プロセスガスに充分なエネルギーを転送する、ステップを含む方法。

（１３）（１２）に記載の方法において、前記プロセスガス中にプラズマ状態を持続させるために前記コイルで時変電磁界を発生するステップを更に含む方法。

（１４）（１２）に記載の方法において、前記時変電磁界を発生するステップは前記室の外側に配置された少なくとも１組の電磁石で完遂される、方法。

（１５）（１２）に記載の方法において、前記プラズマを閉じ込めるために前記室の表面に沿って磁界を発生するステップを更に含む方法。

（１６）（１２）に記載の方法において、前記励磁するステップは前記コイルで前記ホイスラー波に前記高周波電力を共振誘導結合することによって完遂される、方法。

（１７）（１２）に記載の方法において、
前記プロセスガスのイオンサイクロトロン周波数と電子サイクロトロン周波数との間にあるように前記高周波電力の周波数を選択し、
前記プロセスガスの電子プラズマ周波数より低いように前記イオンサイクロトロン周波数と前記電子サイクロトロン周波数とを選択する、ステップを更に含む方法。

（１８）（１２）に記載の方法において、前記室の外側かつ前記室の底に沿って第１コイルを配置し、かつ前記室の外側かつ前記室の側壁に沿って該側壁に実質的に平行に複数のコイルを配置するステップを更に含む方法。

（１９）（１２）に記載の方法において、前記室の内側かつ前記室の側壁に沿って実質的に平行に複数のコイルを配置し、かつ前記室の垂直軸を横切る接続コイルで前記複数のコイルを接続するステップを更に含む方法。

（２０）（１２）に記載の方法において、前記ホイスラー波を励磁するステップは、前記ホイスラー波への前記高周波電力の共振誘導結合を効果させる条件範囲にわたり前記ホイスラー波に前記高周波電力を共振誘導結合するために長さを変動するアンテナを提供するコイルを更に含む、方法。

（２１）プラズマ源１０は、プラズマを収容する室１４と室１４の内側に配置された複数のコイル１２を含む。室１４の外部に配置されて、室１４の軸に沿って前記プラズマ中に磁界を確立するように動作する複数の永久多極磁石３４と室１４の外側に配置された１組の電磁石３６あり、電磁石３６は室１４内のホイスラー波の好適伝搬方向を規定する。コイル１２は、前記プラズマ中にプラズマ状態を誘導するために前記プラズマに充分な量のエネルギーを転送するように前記ホイスラー波に高周波電力を共振誘導結合する。コイル１２は、また、前記プラズマ中にプラズマ状態を持続させる時変電磁界を発生する。

（関連特許とのクロスリファレンス）
本願は、アジト・プラモード・パランジペ（Ａｊｉｔ Ｐｒａｍｏｄ Ｐａｒａｎｊｐｅ）によって、１９９２年、４月１５日に提出され、かつテキサス・インスツルメント社に譲渡された、「プラズマ源及び製造方法（Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）」と題する米国特許出願第０７／８６８，８１８号、（ＴＩ−１５８８６）、現在、米国特許第５，２３１，３３４号、１９９３年７月２７日交付に関連している。

プラズマ源装置室内側に配置されたコイルを備える本発明の実施例のプラズマ源装置の部分断面図及び部分概略線図。 図１のプラズマ源装置の上面図。 電線の長さ内の電流に起因する磁界の説明図。 ４つのループからなるコイルを表す図。 面Ｉ−Ｉ′に沿う図２の断面図。 プラズマ源室外側に配置されたコイルを備える本発明の第２実施例のプラズマ源装置の部分断面図及び部分概略線図。 図６に表されたプラズマ源装置の上面図。 半導体処理室内へ統合化された図１のプラズマ源装置の部分断面図及び部分概略線図。

符号の説明

１０ プラズマ源装置
１２ コイル
１４ 室
２４ 接続線路
３０ 高周波電源
３４ 複数の永久磁石
３６ １組の電磁石
４０、４２ スペーサ
４８ プラズマ源装置
５０ 室
５１、５２ コイル
６０ 高周波電源
６４ 永久磁石
６６ ソレノイド電磁石
８０ ドライエッチ処理室
８２ 半導体ウェーハ
８４ 高周波又は直流電源

Claims (1)

1. プラズマ処理ツールにおいて、
   半導体ウエハー収納場所を有する処理室と、
   前記処理室に磁界を発生するように動作する磁石と、
   前記処理室にホイスラー波を発生するように動作するコイルとを有し
   該コイルは少なくとも３つの異なる長さの複数の平行線部分からなる、
   プラズマ処理ツール。

Images