JP4004083B2 - 容量結合低減のためのフローティングコイルアンテナを有する誘導結合ｒｆプラズマリアクタ - Google Patents

容量結合低減のためのフローティングコイルアンテナを有する誘導結合ｒｆプラズマリアクタ Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導結合の高周波（ＲＦ）プラズマリアクタにおいて、コイルアンテナから半導体ウエハへの容量結合を低減するための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導結合ＲＦプラズマリアクタは、典型的には、リアクタチャンバを有しており、チャンバの内部には半導体ウエハを支持するためのウエハペデスタルを有し、また、チャンバシーリング（天井部）の上方にはＲＦインピーダンス整合回路網を介してＲＦ電源と接続されているコイルインダクタないしコイルアンテナを有している。リアクタチャンバの中へと導入されるガスは、コイルアンテナからリアクタチャンバの中へと結合されているＲＦ電力によってイオン化され、ウエハの上方にプラズマを発生させる。ウエハに対してなされる様々なタイプのプラズマ処理に対して、特定のプロセスパラメータを最適化するためには、プラズマイオンエネルギーを狭い範囲に分布させることが望ましい。例えば、ウエハ上の薄い酸化物層（例えばゲート酸化物層）の上に形成されたポリシリコン層をエッチングするためのＲＦプラズマエッチングプロセスにおいては、エッチングプロセスは、ポリシリコンに対する高い選択性と、高い異方性とを有している必要がある。プラズマイオンエネルギーが狭い範囲の中に分布される場合に、これらの目標が満たされることになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このプラズマイオンエネルギーは、ウエハペデスタルに接続されたバイアスＲＦ電力ジェネレータによって制御される。ウエハペデスタルに印加されるバイアスＲＦ電力はプラズマに容量結合しており、他の容量結合なしでも所望の狭いプラズマイオンエネルギー分布を与えることが可能である。ここで問題となるのは、コイルアンテナからプラズマへの漂遊する容量結合(stray capacitive coupling) がプラズマイオンエネルギー分布を広げ、その結果、ＲＦプロセスの性能を低下させることである。
【０００４】
従って、本発明の主な目的は、コイルアンテナからプラズマへの漂遊する容量結合を低減することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
ＲＦインピーダンス整合回路網を介してＲＦ電源に接続されている誘導コイルアンテナを有する誘導結合ＲＦプラズマリアクタにおいて、絶縁トランスによりコイルアンテナをＲＦ電源から絶縁することによって、アンテナからプラズマへの容量結合が低減され、コイルアンテナは浮動する電位（フローティングポテンシャル）を有することになる。ＲＦインピーダンス整合回路網の出力は、絶縁トランスの１次巻線(primary winding) に接続ないし連絡され、フローティングコイルアンテナが絶縁トランスの２次巻線に接続ないし連絡される。容量結合が２倍以上低下したことが定量的に測定された。これは顕著な利点である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１に示されているように、誘導結合ＲＦプラズマリアクタは、接地されたリアクタチャンバ１０を有し、このリアクタチャンバ１０は、接地された側壁１２とシーリング（天井部）１４とを有し、これらが、処理されるべき半導体ウエハ３０を支持するウエハペデスタル２０を包囲している。ガス流入口４０がチャンバ１０内へ処理ガスを導入する。チャンバ１０のシーリングの上に巻かれた誘導コイルアンテナ５０からプラズマへと誘導結合されたＲＦ電力によって、ガスはイオン化されてウエハ３０の上方にプラズマが発生する。コイルアンテナ５０は、ＲＦインピーダンス整合回路網７０を介してＲＦジェネレータ６０に結合されている。ウエハ表面におけるプラズマイオンエネルギーは、ウエハペデスタル２０と大地との間にバイアスＲＦ電力ジェネレータ７５を接続することにより、制御可能である。
【０００７】
誘導コイルアンテナ５０をＲＦ電力ジェネレータ６０から絶縁するため、整合回路網７０と誘導コイルアンテナ５０との間に絶縁トランス８０が置かれている。具体的には、絶縁トランス８０は、１次巻線８２と２次巻線８４とを有している。図示のような方法で整合回路網７０とＲＦジェネレータ６０とが１次巻線８２に接続ないし連絡され、２次巻線８４には誘導コイルアンテナが接続ないし連絡されている。
【０００８】
絶縁トランス８０がジェネレータ６０と誘導コイルアンテナ５０との間のＤＣ電位を低減又はほぼ排除するため、コイルアンテナ５０の電位はウエハペデスタル２０に関して浮動する（ is floating ）。これによる利点は、コイルアンテナ５０とペデスタル２０／ウエハ３０との間の容量結合も低減されることである。その結果、コイルアンテナ５０は、ウエハ表面におけるプラズマイオンエネルギーの影響をあまり受けなくなり、即ち、プラズマイオンエネルギー分布の広がりが少なくなる。狭いプラズマイオンエネルギー分布は、例えば、プラズマエッチングプロセスに要求されており、それは、高いエッチング選択性と高いエッチング異方性とを得るためである。
【０００９】
絶縁トランス８０はエアギャップを、１次巻線８２と２次巻線８４との間に有していてもよい。あるいは、絶縁トランス８０は、フェライトコア９０を有していてもよく、その周りに、１次巻線８２と２次巻線８４とが巻かれている。
【００１０】
図２に示されているように、フェライトコア９０は、円環状であってもよく、また約３〜約５インチ（約７６〜約１２７ｍｍ）の直径を有していてもよい。１次巻線８２と２次巻線８４は、それぞれ、約５〜１０巻きであってもよい。
【００１１】
図３に示されているように、フェライトコアの代りにエアギャップを採用している場合は、１次巻線８２と２次巻線８４は、相互に近接していてもよい。具体的には、図３に例示されているように、１次巻線８２は、２次巻線８４の連なっているターン８４ａと８４ｂとの間に配置された単一のターン８２ａを有していてもよい。具体例の１つによれば、図３の１次巻線８２と２次巻線８４は全て、約２インチ（約５１ｍｍ）の同一の直径を有し、１次巻線のターン８２ａは、２次巻線のターン８４ａから０．５インチ（約１３ｍｍ）、他方の２次巻線８４ｂから０．５インチ（約１３ｍｍ）離れている。
【００１２】
【実施例】
本発明によって実現される容量結合の低減が定量的に測定された。具体的には、容量結合によって誘導される、プラズマからウエハペデスタルへのＲＦ電流が、２倍以上低減された。
【００１３】
容量結合単独によって誘導されるＲＦ電流（誘導結合単独によって誘導される電流と区別されている）を定量的に測定する方法は、係属中の米国特許出願、標題 "METHOD OF MEASURING THE AMOUNT OF CAPACITIVE COUPLING OF RF POWER IN AN INDUCTIVELY COUPLED PLASMA" 、に記載されている。本質的には、この方法は、プラズマからウエハペデスタルへのＲＦ電流を測定し、これを、この周波数成分は、ＲＦジェネレータ６０の基本周波数（Ｆ）の成分とその２倍の周波数（２Ｆ）の成分とを含む別々の周波数成分に分離する操作を有している。この方法は、周波数Ｆで基本成分の電流を測定することにより容量結合の量を測定する操作を、更に有している。
【００１４】
本発明の試験を行う場合、上記に挙げた米国特許の定量測定の方法では、ウエハペデスタルから大地へ至る（バイアスＲＦ電力ジェネレータはバイパスされる）電流をモニタする電流プローブ１００と、電流プローブ１００の出力側に接続されるオシロスコープ１１０とを用いている。この測定は、１３．５６ＭＨｚの基本周波数で動作しているＲＦ電力ジェネレータ６０を用いて遂行された。電流プローブ１００によって測定された電流の誘導結合成分が、オシロスコープ１１０で２７．１２ＭＨｚ正弦波の軌跡を発生し、他方、電流プローブ１００によって測定された容量結合成分は、オシロスコープ１１０で１３．５６ＭＨｚ正弦波の軌跡を発生した。後者の成分の振幅は、容量結合の量を示しており、また、ジェネレータ６０のＲＦ電力の大きな範囲にわたって観測された。
【００１５】
この結果は、図４のグラフにプロットされ、このグラフでは、プローブ１００を介して得られたＲＦ電流の容量結合成分が縦軸に表され、他方、ＲＦ電力が横軸に示されている。白い四角形のカーブは本発明を用い得られた結果を例示している。比較の結果を得るために行われた第２の試験では、絶縁トランス８０はバイパスされ同じ範囲でＲＦ電力を変化させてて行われ、プローブ１００を介して得られた電流の容量結合成分はオシロスコープ１１０によってモニタされ、その結果は図４に黒い四角形のカーブで表されている。２つのカーブを比較すれば、ウエハペデスタルへのＲＦ電流の容量結合成分が低減されたことが明らかであり、例えば、ＲＦ電力３００ワットにおいて、０．４ｍＡから０．１６ｍＡへと下がっており、これは２倍以上の改善である。
【００１６】
好適な具体例を具体的に参照して本発明を詳細に説明してきたが、本発明の範囲を離れることなく変更や変形を行うことが可能である。
【００１７】
【発明の効果】
以上詳細に説明してきたように、本発明によれば、コイルアンテナからプラズマへの漂遊する容量結合が低減される結果、例えば、プラズマイオンエネルギーを狭い範囲に分布させることが望ましいプロセスにおいては、この狭い範囲のプラズマイオンエネルギー分布が実現されることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を具体化したプラズマリアクタ装置の模式的な構成図である。
【図２】本発明の実施に用いられる絶縁トランスの好ましい具体例の模式的な構成図である。
【図３】本発明の実施に用いられる絶縁トランスの別の好ましい具体例の模式的な構成図である。
【図４】図１の具体例の絶縁トランスを用いた場合と用いない場合との、誘導コイルアンテナからウエハへの容量結合ＲＦ電流を例示するグラフである。
【符号の説明】
１０…リアクタチャンバ、１２…側壁、１４…シーリング、２０…ウエハペデスタル、３０…半導体ウエハ、４０…ガス流入口、５０…コイルアンテナ、６０…ＲＦジェネレータ、７０…ＲＦインピーダンス整合回路網、７５…バイアスＲＦ電力ジェネレータ、８０…絶縁トランス、８２…１次巻線、８４…２次巻線、９０…フェライトコア、１００…電流プローブ、１１０…オシロスコープ。

Claims (17)

  1. ＲＦ周波数Ｆを有するプラズマソース電力ＲＦジェネレータを用いる誘導結合プラズマリアクタであって、
    リアクタチャンバであって、前記チャンバ内に処理ガスを収容することができ、また、前記チャンバの内部に半導体基板を支持するためのペデスタルを収容することができる、前記リアクタチャンバと、
    ＲＦ電力を誘導結合させることにより前記ガスからプラズマを発生させるための、前記チャンバに近接する誘導結合アンテナと、
    基本ＲＦ周波数Ｆを有する、前記アンテナに結合されるプラズマソース電力ＲＦジェネレータと、
    一端と他端を有し、前記ＲＦジェネレータを前記誘導結合アンテナへ結合させる絶縁トランスと、
    前記ジェネレータと前記絶縁トランスとの間に接続されるＲＦインピーダンス整合回路網と、
    を備え、
    前記アンテナの電位は前記ペデスタルに関して浮動している、前記プラズマリアクタ。
  2. 前記絶縁トランスが、前記一端で前記ＲＦジェネレータに結合される１次巻線と、前記誘導結合アンテナに結合される第２の巻線とを備える請求項１に記載のプラズマリアクタ。
  3. 前記絶縁トランスが、前記他端で前記ＲＦインピーダンス整合回路網に接続される１次巻線と、前記誘導結合アンテナに接続される第２の巻線とを備える請求項２に記載のプラズマリアクタ。
  4. 前記誘導結合アンテナが１対の端部を有するコイル導電体を備え前記コイル導電体が前記チャンバの一部の上に巻かれ、前記２次巻線が前記コイル導電体の前記端部の対に接続される請求項３に記載のプラズマリアクタ。
  5. 前記絶縁トランスが、フェライトコアを更に備え、前記フェライトコアの周囲に前記１次巻線と前記２次巻線とが巻かれている請求項２に記載のプラズマリアクタ。
  6. 前記絶縁トランスが前記１次巻線と前記２次巻線との間にエアギャップを有している請求項２に記載のプラズマリアクタ。
  7. 前記２次巻線が連なっているターンの対を備え、前記１次巻線が前記連なっているターンの対と前記２次巻線との間に配置されるターンを備える請求項６に記載のプラズマリアクタ。
  8. 前記プラズマから前記ペデスタルへの電流の容量結合成分を定量的に測定するための装置を更に備える請求項１に記載のプラズマリアクタ。
  9. 前記装置が、前記ペデスタルと大地との間に接続される導電体と、前記導電体に隣接する電流プローブと、前記基本周波数に等しい周波数で前記導電体を通る電流の成分を観測するための手段とを備える請求項８に記載のプラズマリアクタ。
  10. 前記ペデスタルと大地との間に接続されるバイアスＲＦジェネレータを更に備える請求項１に記載のプラズマリアクタ。
  11. ＲＦ周波数Ｆを有するプラズマソース電力ＲＦジェネレータを用いる誘導結合プラズマリアクタであって、
    リアクタチャンバであって、前記チャンバ内へ処理ガスを導入するためのガス流入口と、前記チャンバの内部に半導体基板を支持するためのペデスタルとを有する、前記リアクタチャンバと、
    ＲＦ電力を誘導結合させることにより前記ガスからプラズマを発生させるための、前記チャンバに近接する誘導結合アンテナであって、前記誘導結合アンテナは前記チャンバの一部の上に巻かれるコイルアンテナを備え、前記コイルアンテナは端部の対のところで終了している、前記誘導結合アンテナと、
    基本ＲＦ周波数Ｆを有する、前記アンテナに結合されるプラズマソース電力ＲＦジェネレータと、
    前記ＲＦジェネレータの出力部に接続される入力部を有するＲＦインピーダンス整合回路網と、
    前記ＲＦジェネレータを前記誘導結合アンテナへ結合させる絶縁トランスであって、前記ＲＦインピーダンス整合回路網の出力部に接続される１次巻線と、２次巻線とを有し、前記端部の対が前記２次巻線に接続ないし連絡している、前記絶縁トランスと、
    を備え、
    前記アンテナの電位は前記ペデスタルに関して浮動している、前記プラズマリアクタ。
  12. 前記絶縁トランスが、フェライトコアを更に備え、前記フェライトコアの周囲に前記１次巻線と前記２次巻線とが巻かれている請求項１１に記載のプラズマリアクタ。
  13. 前記絶縁トランスが前記１次巻線と前記２次巻線との間にエアギャップを有している請求項１１に記載のプラズマリアクタ。
  14. 前記２次巻線が連なっているターンの対を備え、前記１次巻線が前記連なっているターンの対と前記２次巻線との間に配置されるターンを備える請求項１１に記載のプラズマリアクタ。
  15. 前記プラズマから前記ペデスタルへの電流の容量結合成分を定量的に測定するための装置を更に備える請求項１１に記載のプラズマリアクタ。
  16. 前記装置が、前記ペデスタルと大地との間に接続される導電体と、前記導電体に隣接する電流プローブと、前記基本周波数に等しい周波数で前記導電体を通る電流の成分を観測するための手段とを備える請求項１５に記載のプラズマリアクタ。
  17. 前記ペデスタルと大地との間に接続されるバイアスＲＦジェネレータを更に備える請求項１１に記載のプラズマリアクタ。
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