JP4553995B2 - リモートマイクロ波プラズマ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波エネルギを用いたプラズマの形成に関し、特に、堆積システムと共に使用するための、効率が良くコンパクトで高出力のプラズマソースに関する。このような堆積システムは、たとえば半導体ウェーハを製造するときに使用される。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマは、正負のイオンおよびラジカルを含む部分的に電離されたガスである。これらのイオンおよびラジカルは、半導体ウェーハを処理する際に用いられる各種の作業で有益な場合がある。そのような作業の例としては、プラズマ促進化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、スパッタリング堆積、スパッタエッチング、反応性イオンエッチング（イオン補助スパッタエッチング）、およびプラズマエッチング（イオン化学）処理または洗浄処理が挙げられる。
【０００３】
プラズマを生成することができる一つの方法は、ガスに電場を印加することである。適切な条件の下では、自由電子（これは、たとえば通過宇宙線、火花放電、紫外光源によって発生する）が十分なエネルギを有するように加速され、電子とガス分子との間の非弾性衝突が分子のイオン化を引き起こすようになる。直流（ＤＣ）場を用いてプラズマを生成することができるが、所望のプラズマ種を生成するためには、高周波（ＲＦ）やマイクロ波周波（ＭＷ）のような高い周波数の場を使用することが望ましい。その理由は、高い周波数の場は多数の非弾性衝突を引き起こすからである。ある種のプラズマは、グロー放電を形成することがある。
【０００４】
グロー放電とは、発光プラズマ領域を持続させるために使用可能な十分な数の自由電子が存在する状態である。電子とガス分子（単原子ガスを含む）またはイオンとの間の非弾性衝突で転移されたエネルギがそのガス分子またはイオンについての電離電位よりも大きいときに、自己持続する多数の自由電子が形成される。この衝突は二次自由電子を生成することがあり、この後、元の電子および二次電子の双方が、二つの新しいイオン化衝突を生成するのに十分なエネルギに加速され、これにより、安定なプラズマを維持するために使用可能な多数の自由電子がカスケードする場合がある。この状態では、電子とガス分子との間の非弾性衝突が自由電子を遊離させるのに十分でない場合、そのような非弾性衝突は電子を容易に高い軌道状態へ励起する。これらの励起電子は、その基底状態に崩壊するとき光子を放出する。この光子放出は、しばしば可視スペクトラムで発生する。
これによりプラズマが発光する。グロー放電の名前は、これに由来する。
【０００５】
多くのプロセスは、所望の作業領域または処理領域に位置するプラズマを、しばしばグロー放電形式で生成する。たとえば、ＰＥＣＶＤは、通常、このようなin situプラズマを使用する。その理由は、プラズマ種の物理的移動は、その化学的活性と同様に、プロセスにとって重要だからである。一部の他のプロセス（たとえば、一部のプラズマエッチングプロセスや洗浄プロセス）は、プロセス領域でプラズマを発生させる必要はない。グロー放電中に作り出された所望のプラズマ種は、中性種に再結合する前に十分な寿命を有していることがあり、プラズマ種をプラズマ活性（グロー放電）領域から離れた場所で使用できるようになっている。
【０００６】
図１は、ある型式の従来技術のリモートプラズマソースを使用する堆積システムを示している。このシステムでは、マイクロ波ソース１００が導波管１１０に接続されている。この導波管１１０は、放電管１２０中のプロセスガスに照射を行ってグロー放電１１１を形成する。放電管は、グロー放電１１１から生じたイオンおよびラジカルをアプリケータ管１２１を通して処理チャンバ１３０へ送る。これは、少なくとも三つの理由から、プラズマを生成する方法として非効率的である。第１に、導波管は、通常、マイクロ波場の特定のモードだけをプラズマ相互作用（グロー放電）領域へ伝送し、多くの異なるモードで電力を生成しうるマイクロ波ソースからの電力を低減する。第２に、多数のイオンがアプリケータ管を下ってプロセス領域へ移動するときに分子に再結合して、プロセスに使用できるイオンの数および／または濃度が減少する場合がある。最後に、プラズマとマイクロ波との相互作用に使用可能な電位容積（potential volume）が導波管の断面および放電管の断面によって制限される場合がある。これは、放電管内におけるイオンおよびラジカルの所与の圧力および流量での生成を制限する。なぜなら、プラズマ活性領域の容積（相互作用容積）は、アプリケータ管の全容積と比較して小さいからである。たとえば、ある設計では、１インチの直径を有する管の２インチの長さのセクションがプラズマ活性領域として使用される。相互作用容積は非常に小さいので、十分に高いマイクロ波結合を得るために、通常は、高電力密度で比較的高価なＤＣマイクロ波電源が使用される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、そのような高電力密度の電源を作動させると、たとえば１００Ｗから７００Ｗのマグネトロンを使用する場合よりも費用がかかる。さらに、高電力マイクロ波エネルギを、導波管を通じて小さな相互作用領域へ伝送するリモートプラズマシステムは、プラズマによって生成された熱をかなり小さな容積に集中させる。したがって、従来のリモートプラズマシステムは、アプリケータ管の過熱を防ぐために冷却システムを使用することが多い。通常、これらは水冷システムであり、初期費用とメンテナンスコストを加算する。さらに、水冷システムは、しばしば水漏れの問題を起こす。そのような水漏れは装置の腐食につながり、処理された基板の品質を低下させる可能性がある。
【０００８】
図１に示されるタイプのリモートプラズマシステムに関する別の種類の問題点は、構造が複雑で大型なことである。これは、チャンバメンテナンスのためにリモートプラズマシステムを切り離すために必要な時間と労力に影響を及ぼすことがある。これは、冷却システムを伴う場合に特に当てはまる。さらに、このマイクロ波システムが後で不適切に再接続されると、マイクロ波エネルギが周囲の部屋へ放射され、操作員の安全を脅かし、電子機器に干渉する可能性がある。
【０００９】
図２は、ウエーハ処理チャンバと共に使用される他の型式のリモートプラズマソースを示すが、これは図１に示されるシステムの欠点の一部を共有している。
図２に示されるシステムでは、マイクロ波アンテナ、すなわち投波器（launcher）２０１が、マイクロ波ソース２００からのエネルギを共振キャビティ（resonator cavity）２４０内に結合する。マイクロ波ソース２００は、たとえば２．４５ＧＨｚマグネトロンとすることができる。図２に示される構成では、図１のシステムと比較して大きな体積のガスにマイクロ波エネルギを照射することができるが、共振キャビティ２４０内の放電管２２０の容積は、放電管２２０およびアプリケータ管２２１の合計容積よりも実質的に小さい。前述したように、処理に望まれるプラズマイオンおよびラジカルの一部がアプリケータ管２２１内で再結合し、処理チャンバ２３０に到達するプラズマ中のイオンおよびラジカルの濃度が減少することがある。
【００１０】
図１および図２に示されるようなプラズマシステムの他の問題点は、プラズマ密度が変化するのに伴ってプラズマによるマイクロ波エネルギの吸収も変化することから生じる。マイクロ波エネルギが最初にアプリケータ管内のガスに伝送されると、前述したように、マイクロ波エネルギは、電子を十分なエネルギに加速して電子がガス分子と衝突するようにする。この衝突は、更なる自由電子および他のイオン種を作り出すことがある。照射の開始時は、ガスはほとんど非導電性である。イオンおよび自由電子の濃度が増加すると、プラズマは導電性を増し、導電率の増加量は２桁以上の大きさまでとなる。プラズマの導電性が非常に高くなるので、プラズマに当たるマイクロ波エネルギの大部分がプラズマによって反射される。ある時点で、プラズマは、もはや追加のエネルギを吸収しない臨界的な密度に達する。これは臨界密度（Ｎ_C）と呼ばれ、２．４５ＧＨｚで約７×１０¹⁰イオン／ｃｍ^-3である。この時点で、プラズマは不安定になって明滅し、プラズマから反射してマイクロ波ソースへ戻された大量のエネルギがマイクロ波ソースにダメージを与えることがある。通常の対応策は、プラズマシステムをＮ_Cよりかなり下で動作させることである。しかし、これは、プラズマ中のイオン密度が最大可能濃度よりもかなり低いことを意味する。マイクロ波ソースへのダメージを防ぐために、一部のシステムでは、整合回路網（たとえば、機械的に同調可能なスタブ）を使用することにより、ソースと負荷（プラズマ）との間の電力転送効率を高めている。しかし、プラズマのインピーダンス（導電率）は非常に広範囲にわたって変化しうるので、プラズマ密度と動作条件の全域にわたって良好な整合を得ることは困難である。
【００１１】
これまでの説明から分かるように、化学気相堆積（ＣＶＤ）装置および他の装置の洗浄を行うために高濃度のイオンを効率良く生成するコンパクトなリモートマイクロ波プラズマシステムが要望されている。このようなシステムは、安定したプラズマから極めて一定のイオン密度を提供する必要があり、グロー放電の潜在的な悪影響を処理チャンバに与えてはならない。さらに、このリモートプラズマシステムは、シンプルで、好ましくは処理チャンバの蓋に合うよう十分に小型であることが望ましい。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、マイクロ波プラズマ発生システム用の装置、およびマイクロ波生成プラズマを形成するプロセスを提供する。マイクロ波プラズマ発生システムは、たとえばＣＶＤシステムの処理チャンバを効率良く洗浄するために使用されるプラズマを提供するように、ＣＶＤシステムと一体化されていてもよい。このマイクロ波プラズマ発生システムからのプラズマは、エッチング、層堆積、その他のプロセスに使用することもできる。
【００１３】
ある態様では、マイクロ波プラズマソースモジュールは、側壁、近端壁、および遠端壁を備える共振キャビティを有している。これらの壁は導電性であって相互に結合されており、共振キャビティの内部容積を定めている。共振キャビティは、流入口および流出口を有するプラズマ放電管を含んでいる。流入口は近端壁の付近に配置され、流出口は遠端壁の付近に配置されている。マイクロ波電源からの電力は、種々の手段（たとえば、導波管内の投波器、アンテナ、開口、または窓）を用いて共振キャビティ内に結合することができる。この電力は、共振キャビティの近端壁に実質的に近接した場所で共振キャビティ内に結合される。ガスフローは、流入口から入る新鮮なプロセスガスがマイクロ波結合器（microwave coupler）の付近でプラズマ密度を薄めるようなものとなっており、これによりプラズマから反射されるマイクロ波エネルギが減少し、マイクロ波エネルギからプラズマへの変換が促進されるようになっている。一部の態様では、プラズマ放電管が実質的に共振キャビティの全容積を占めることにより、共振キャビティ内のマイクロ波エネルギと放電管内のプロセスガスとの間に大きな相互作用容積が与えられる。
【００１４】
マイクロ波プラズマソースモジュールを処理チャンバと共に使用する場合、マイクロ波プラズマソースモジュールのサイズがコンパクトであることから、モジュールを処理チャンバに取り付けたり、処理チャンバの極めて近くに設置することができる。アプリケータ管は、プラズマを放電管から処理チャンバに配送する。このモジュールは処理チャンバに非常に近接しているので、アプリケータ管の容積を放電管の容積よりも実質的に小さくすることができ、これにより、反応性プラズマ種が処理チャンバ内で使用される前のそのような反応種の再結合が低減される。マイクロ波プラズマソースモジュールを処理チャンバと共に使用する場合、光検出器を使用することで、いつグロー放電が放電管およびアプリケータ管から処理チャンバ内にボーイング（bowing）するかを検出することができる。この光検出器を用いると、共振キャビティ内のマイクロ波エネルギの量を制御することができ、これにより、グロー放電の処理チャンバ内への侵入を制限することができる。
【００１５】
本発明の目的および利点は、以下の説明および添付図面を参照することによって、さらに理解することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
プロセスで使用するプラズマをリモート生成することは、多くの理由から望ましい。一つの理由は、プラズマをin situに発生させた場合よりも高い濃度で所望のプラズマ種を得ることができることである。別の理由は、処理領域が高エネルギの粒子によって衝撃されたり、グロー放電によって生成された光や熱に直接にさらされたりしないことである。
【００１７】
Ｉ．好適なＣＶＤシステム
本発明の特定の実施形態は、種々の基板処理システムと共に使用したり、種々の基板処理システムを改良することができる。本発明と共に使用し、または適合させることができる一つの適切なＣＶＤシステムが図３に示されている。図３は、真空チャンバ、すなわち処理チャンバ１５を有するＣＶＤシステム１０の縦断面図である。処理チャンバ１５は、チャンバ壁１５ａおよびチャンバ蓋アセンブリ１５ｂを含んでいる。チャンバ壁１５ａおよびチャンバ蓋アセンブリ１５ｂは、図４および図５の分解斜視図に示されている。
【００１８】
チャンバ蓋アセンブリ１５ｂは、プロセスチャンバ内の中央に位置するヒータペデスタル１２上に載置された基板（図示せず）へプロセスガスを拡散するガス分配マニホールド１１を含んでいる。処理中、基板（たとえば半導体ウェーハ）は、ヒータペデスタル１２の平坦な（または、わずかに凸状の）上面（図示せず）に配置される。ヒータペデスタル１２は、下方の取入れ／取出し位置と上方の処理位置（図示せず）との間を制御自在に移動することができる。センタボード（図示せず）は、ウェーハの位置に関する情報を供給するセンサを含んでいる。
この情報は、システムコントローラ３４によって監視することができる。
【００１９】
システムコントローラ３４は、センサライン（図示せず）および制御ライン３６（一部分のみを図示）を介して堆積システム１０の種々の点（たとえば、ウェーハ位置、ガスフロー、ＲＦまたはマイクロ波電力、チャンバ圧力）を監視および制御するように構成することができる。システムコントローラ３４は、種々のセンサ（たとえば光学センサ、熱電対、マスフローコントローラ、マノメータ）からの制御信号情報を受け取る。プロセッサ３７は、記憶装置３８に格納することのできる処理プログラムに従って、調整が必要であるかどうかを判断することができる。たとえば、リモートプラズマ洗浄中、システムコントローラは、ガスソース７からリモートプラズマシステム９０１に向けてプロセスガスフローを出し、マノメータ（図示せず）を読み取ってステッパモータ（図示せず）でスロットルバルブの位置を調節することによりチャンバ圧力を設定および維持し、次にリモートプラズマシステムのマイクロ波ソース（図示せず）に通電する。他のプロセスも、記憶装置３８に格納された他のプログラムに従ってシステムコントローラにより同様に制御することができる。
【００２０】
堆積ガスおよびキャリヤガスは、平坦な円形ガス分配面板１３ａの穿孔穴１３ｂ（図５）を通ってチャンバ１５内に導入される。より具体的に述べると、堆積プロセスガスは入口マニホールド１１を通り（図３において矢印４０で示す）、従来の孔明きブロッカプレート（blocker plate）４２を通った後、ガス分配面板１３ａの貫通孔１３ｂを通ってチャンバ内に流入する。
【００２１】
マニホールドに到達する前に、堆積ガスおよびキャリヤガスは、ガス供給ライン８（図３）を介してガスソース７からガス混合ブロック９に送り込まれる。これらのガスは、マニホールド１１に流れる前にガス混合ブロック９で混合することができる。一般に、各プロセスガスに対する供給ラインは、（i）チャンバ内へのプロセスガスの流れを自動または手動で遮断するために使用できる数個の安全遮断バルブ（図示せず）、および（ii）供給ラインを通るガスの流れを測定および制御するマスフローコントローラ（これも図示しない）を含んでいる。有毒ガスをプロセスで使用するときは、数個の安全遮断バルブが従来の配置で各ガス供給ライン上に配置される。
【００２２】
リアクタ１０で行われる堆積プロセスは、プラズマ促進プロセスまたは非プラズマ促進プロセスのいずれであってよい。プラズマ促進プロセスでは、ＲＦ電源４４がガス分配面板１３ａとヒータペデスタル１２との間に電界を生成することができ、これによって、面板１３ａとヒータペデスタル１２との間の円筒領域内にプロセスガス混合気からプラズマが形成される。プラズマの成分が反応すると、半導体ウェーハの表面と共にチャンバ表面（たとえばヒータペデスタル１２の露出部分）に膜を形成する場合がある。もちろん、他の基板処理システムは、ＲＦ電源やin situプラズマ形成能力を有していなくてもよい。リモートプラズマ発生装置の組み込みは、in situプラズマ能力を有しない基板処理システムで特に望ましいが、リモートプラズマ発生装置を他の種類のシステム（たとえば、現在説明しているシステム）に組み込んでもよい。
【００２３】
ＲＦ電源４４は、混合周波数ＲＦ電源とすることができる。この混合周波数ＲＦ電源は、１３．５６ＭＨｚの高ＲＦ周波数（ＲＦ１）と低ＲＦ周波数（ＲＦ２）、例えば３６０ＫＨｚ、とで電力を供給して堆積プロセスを促進できることを意味する。もちろん、ＲＦ電源４４は、単一周波数ＲＦ電力または混合周波数ＲＦ電力（または他の所望の電力）のいずれかをガス分配マニホールド１１へ供給し、処理チャンバ１５内に導入された反応種の分解を促進することができる。
【００２４】
熱プロセスではＲＦ電源４４は使用されず、プロセスガス混合気が熱的に反応して、ヒータペデスタル１２上に支持された半導体ウェーハの表面に所望の膜を堆積させる。このヒータペデスタル１２は、反応の進行に必要な熱エネルギを供給するように、電気抵抗ヒータなどの加熱器（図示せず）を用いて加熱することができる。
【００２５】
プラズマ促進堆積プロセス中、プラズマは、排気通路２３および遮断バルブ２４を囲むチャンバ本体の壁１５ａを含めて、リアクタ１０の近隣部分を加熱する。熱堆積プロセス中は、ヒータペデスタル１２がリアクタ１０の各部分へ熱を輻射する。プラズマが発生していないとき、または熱堆積プロセスの間は、温度制御された液体がリアクタ１０の壁１５ａを循環して、チャンバを選択された温度（通常は、周囲温度以上）に維持する。チャンバ壁１５ａの加熱に使用される流体には、通常の流体タイプ、すなわち水ベースのエチレングリコールやオイルベースの熱伝導流体が含まれる。この加熱は、望ましくない反応生成物の凝縮を削減または除去するとともに、プロセスガスの揮発性生成物や汚染物質の除去を促進する。このような揮発性生成物や汚染物質は、除去されないと冷たい真空通路の壁に凝縮し、ガスフローが存在しない時間帯に処理チャンバ内に逆戻りする可能性がある。
【００２６】
ガス混合気のうち層中に堆積しない部分（反応生成物を含む）は、真空装置４５によってチャンバから排気される。具体的には、これらのガスは、反応領域を囲む環状スロット形オリフィス１６を介して排気され、環状排気プレナム１７に入る。環状スロット形オリフィス１６および排気プレナム１７は、チャンバの円筒側壁１５ａ（壁上の上部誘電体ライニング１９を含む）の上部と円形チャンバ蓋２０の底部によって画成されている。環状スロット形オリフィス１６および排気プレナム１７の円対称性および均一性により、ウェーハ上にプロセスガスの均一な流れが達成され、ウェーハ上に均一な膜が堆積されるようになっている。
【００２７】
ガスは、排気プレナム１７の側方延在部分２１の下を流れ、覗き窓（図示せず）を通り越して、下方に延びるガス通路２３を通り、真空遮断バルブ２４（その本体は下部チャンバ壁１５ａと一体化）を過ぎて、排出口２５に入る。スロットルバルブ４６を用いて排気能力を制御することができ、従って特定の入口ガス流量におけるチャンバ圧力を制御することができる。このスロットル弁４６は、ある固定位置に設定してもよいし、マノメータ（図示せず）で測定されコントローラ３４によって制御されるチャンバ圧力に基づき、記憶装置３８に格納されたプログラムに従って設定してもよい。
【００２８】
抵抗ヒータペデスタル１２のウェーハ支持皿（platter）は、平行な同心円の形で完全な２回巻きをなすように構成された埋込みヒータ素子（図示せず）や他の適切なヒータ素子を用いて加熱することができる。ある実施形態では、ヒータ素子の外側部分が支持皿の外周に隣接して延びており、内側部分は、より小さい半径を持つ同心円の経路上を延びている。ヒータ素子への配線は、ヒータペデスタル１２のシャフトを貫通している。ヒータペデスタル１２は、アルミニウム、ステンレス鋼、アルミナ、窒化アルミニウム、または他の同様の材料もしくは複数の材料の組合せを含む材料から構成されていてもよい。
【００２９】
通常、チャンバライニング、ガス入口マニホールド面板、およびその他の各種のリアクタハードウェアのいずれかまたは全部は、アルミニウム、陽極酸化アルミニウム、セラミック等の材料から作られる。このようなＣＶＤ装置の例は、Zhaoらに与えられ一般譲渡された米国特許第5,558,717号「ＣＶＤ処理チャンバ」に開示されている。
【００３０】
上記のリアクタの記述は主として例示のためであり、他の装置、例えば電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマＣＶＤ装置や誘導結合ＲＦ高密度プラズマＣＶＤ装置など、を本発明とともに使用して、より優れた装置を提供することが可能である。また、上記システムの変更、例えばペデスタル設計、ヒータ設計、ＲＦ電力周波数、ＲＦ電力コネクションの配置、その他の変更が可能である。例えば、ウェーハをサセプタによって支持し、石英水銀灯によって加熱してもよい。本発明は、特定装置との使用や特定装置の改良に限定されるものではない。
【００３１】
II．マイクロ波マグネトロンアセンブリを使用する特定の実施形態
本発明の特定の実施形態によれば、リモートマイクロ波プラズマソースを現存のＣＶＤ装置に取り付けるか、マイクロ波プラズマソースを含むように現存のＣＶＤ装置を改良することによって、ＣＶＤ装置を提供することができる。以下の説明は、主としてこれらの特定の実施形態に焦点を置いているが、本発明の範囲内で他の実施形態が可能であることは明らかである。また、図７〜図９に示される構造は、必ずしも実際の寸法比ではない。
【００３２】
図６は、本発明の特定の実施形態に係るリモートマイクロ波プラズマソースモジュール５００の簡単な側断面図である。このモジュール５００は、処理チャンバ５１０に取り付けられている。この特定の実施形態では、リモートマイクロ波プラズマソースモジュール５００の全アセンブリは、マグネトロン５０５を含んでいる。このマグネトロン５０５は、導波管を介在させずに共振キャビティ（resonator cavity）５１５に直接取り付けられている。プラズマ放電管５２０は、共振キャビティ５１５を通して共振キャビティ５１５内に配置されている。共振キャビティ５１５の内面は導電性であり、この共振キャビティは、アルミニウム、銅、ステンレス鋼などの導電性材料から構成されていることが好ましい。この共振キャビティは、側壁５１６、近端壁（near-end wall）５１７、および遠端壁（far-end wall）５１８を有している。特定の実施形態によれば、共振キャビティ５１５は約７インチの長さ（ｌ_R）、約６インチの幅（Ｗ_R）、および約５．１インチの高さ（ｈ_R）を有しており、主モードは、約２．４５ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波のＴＥ₁₀₂モードである。このモードは、当業者に一般的に知られている。放電管５２０の直径は、放電管５２０の長さが少なくとも一つの電子場（electronic field：Ｅフィールド）最大と一致するように、動作マイクロ波周波数の少なくとも約４分の１波長であることが望ましい。放電管５２０の長さ方向は、ガスフロー（矢印で図示）とほぼ平行に縦軸に沿って伸びている。
「ガスフロー」とは、放電管内の乱流が横方向のガスフローを局所的に生成しうる場合であっても、放電管を通る正味のガスフローである。放電管５２０は、マイクロ波エネルギをプラズマ中に送る間、放電管内に形成されたプラズマから共振キャビティ５１５を保護する。プラズマは相当の熱を隣接面に伝達しうるので、放電管５２０は、高温に耐えることのできる材料、たとえば融解石英やアルミナ、から製造される。このような材料は、放電管５２０内のプラズマ中にマイクロ波エネルギを送る誘電体である。
【００３３】
リモートマイクロ波プラズマソースモジュール５００は、共振キャビティ５１５内の放電管５２０中にプラズマを形成するための共振キャビティ５１５へのエネルギのソースとしてマグネトロン５０５を使用する。多数の異なるマイクロ波電源を使用することができるが、マグネトロンに電力を供給するためには、連続波（ＣＷ）電源ではなくパルス電源が使用される。好適な実施形態では、マグネトロン５０５は、低電力パルス６０Ｈｚ半整流電源で動作して約２．４５ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波を供給する低コストのマグネトロン（たとえば、ある種のマイクロ波加熱炉で使用されるタイプのマグネトロン）である。このようなマグネトロン用のパルス低電力電源は、ＣＷ高電力マイクロ波電源やＲＦ電源と比較して、値段を少なくとも２桁は低くすることができる。
【００３４】
マイクロ波アンテナ、すなわち投波器（launcher）５０６は、マグネトロン５０５と共振キャビティ５１５との間でマイクロ波電力を結合する。投波器５０６は、例えばスタブアンテナ、スロットアンテナ、またはマグネトロン５０５から共振キャビティ５１５へマイクロ波を伝えることのできる他の輻射素子であってもよい。ガス流入口５０７は、放電管５２０を通るプロセスガスの流れが投波器５０６に対して横方向ではなく縦方向になるように配置される。これにより、イオン濃度が投波器５０６付近で低くなるようなイオン密度勾配が作り出され、ガスとマイクロ波場との相互作用が高まる。
【００３５】
ガス供給ライン５７５は、プロセスガスを、ガスソース５７６からガス流入口５０７を介して放電管５２０に送る。プロセスガスとしては、ハロゲン化ガスまたは蒸気、たとえばＣＦ₄、ＣｌＦ₃、Ｆ₂、ＮＦ₃、を使用することができる。フッ素は、リモートプラズマ発生装置で使用するプロセスガスの特に望ましい成分である。なぜなら、プラズマ中で形成される自由フッ素ラジカルは、多くの酸化堆積物および窒化堆積物と容易に反応するからである。特定の実施形態では、三フッ化窒素（ＮＦ₃）が望ましい。その理由は、三フッ化窒素は、マイクロ波生成プラズマ中でフッ素ラジカルを容易に生成し、これにより洗浄プロセスが効率的になるからである。ＣＦ₄などのペルフルオロカーボン（ＰＦＣ）は、大気中に放出されてオゾン層を破壊するため、あまり望ましくない。ＣｌＦ₃などの塩素含有ガスは、洗浄プロセスに続くウェーハ処理作業に干渉しうる塩素含有残渣を残す場合があり、Ｆ₂は、マイクロ波プラズマ中で自由フッ素ラジカルに解離して自由フッ素ラジカルとしての状態を維持することが困難な場合があるため、ラジカルの歩留まりが低くなり、洗浄プロセスが遅くなる可能性がある。
【００３６】
ガス供給ライン５７５は、図６に示されるように、投波器５０６とプラズマ流出口５０８との間に配置されたガス流入口５０７にプロセスガスを配送する。あるいは、流入口は、投波器と事実上同一平面にあってもよい。どちらの構成であっても、ガスフローは投波器の長手方向に生成される。投波器５０６からのマイクロ波エネルギは、ガスにエネルギを与えてプラズマを形成する。最初、放電管の全容積は本質的に非導電性のガスで満たされ、マグネトロン５０５に比較的高い負荷インピーダンスを与える。マイクロ波電流は、共振キャビティ５１５の表面に沿って流れ、共振キャビティ５１５内に電磁場を作り出す。この電磁場の一部は、放電管５２０の中で十分な強度に達し、初期電離ソース（たとえば、ＵＶランプやスパーク発生器）の使用を必要とせずにプロセスガスをプラズマに電離する。通常は、入射エネルギと反射エネルギとが結合して高い電磁場ノードを形成するような場所で十分に強い電磁場が生じる。
【００３７】
プラズマの形成が進むにつれて、プラズマの導電性が高まる。これには、いくつかの効果がある。第１に、負荷インピーダンスが低くなる。これにより、ソースから送られる電力の効率を最初に改善することができる。しかしながら、プラズマイオン密度が増加する（ますます導電性となる）につれて、プラズマは、通常、入射マイクロ波エネルギの大部分を反射してソースに戻す。プラズマが臨界イオン密度（Ｎ_C）に到達すると、プラズマによって吸収される電力は、印加される電力が増加しても増加しなくなる。したがって、Ｎ_Cでプラズマに印加されたマイクロ波電力のほとんどすべて（たとえば、キャビティ壁に沿った抵抗損失などは除く）が反射される。第２に、プラズマの導電性が高まるにつれて、プラズマは、電磁場から生じた電流を搬送する能力を高める。したがって、これらの電磁場は、意図された相互作用容積内で高い電磁場ノードを確立するために十分な深さまでプラズマ中に浸透することができない。図１および図２に示されるような従来のシステムでは、プラズマに入射した電力の多くが、プラズマイオンへ変換されずに反射されるので、マイクロ波エネルギからプラズマラジカルへの変換効率が低下し、マイクロ波ソースがダメージを受けることがある。
【００３８】
本発明では、プロセスガスフローが、投波器５０６とプラズマ流出口５０８との間の放電管に入る。これにより、投波器５０６から離れ、プラズマ流出口５０８およびアプリケータ管５０９を通ってプロセスチャンバ５１０に入るガス分子およびプラズマイオンのマスフローが生成される。このフローは、放電管５２０のうち投波器５０６に最も近い部分を実質的な非電離ガス（nonionized gas）で満たす。したがって、マイクロ波ソースに最も近いプラズマは、確実にＮ_C以下となる。というのも、この領域のＮ_Cのプラズマは、実質的な非電離ガスで希釈されるからである。これにより、マイクロ波エネルギの吸収が大きくなり、従って、より多くのイオンおよびラジカルが生成されるようになる。
【００３９】
図６の実施形態では、放電管５２０は、共振キャビティ５１５を通ってその内部に含まれるように配置されており、放電管５２０が共振キャビティ５１５と実質的に同じ空間を共有するようになっている。これにより少なくとも三つの利点が得られるものと考えられる。第１に、プロセスガスからプラズマを形成することのできる幾つかの高電磁場ノードが共振キャビティ内に存在できることである。共振キャビティ内に大きな相互作用容積を設けることによって、プロセスガスは、確実にこれらの高電磁場ノードのうちのより多くから作用を受けることになる。放電管内で作用を受けるプロセスガスが多くなると、プロセスガスからプラズマへの変換がさらに効率的になる。第２に、高電磁場ノードにおいてプロセスガスから形成されたイオンは、相互に反発する傾向にある。放電管内の容積を大きくすることによって、これらのイオンは高電磁場ノードから離れてさらに良好に拡散する。この拡散は、ノード付近のイオンの局所濃度を低くし、その結果、その領域で反射プラズマが少なくなり、プラズマによるマイクロ波エネルギの吸収がいっそう良好になる。第３に、放電管５２０のうち共振キャビティ５１５内に含まれる容積は放電管の全容積（プラズマ流出口５０８を含む）と比較して大きいので、放電管に入るプロセスガスの大部分が照射を受ける。したがって、プラズマイオンがプロセスチャンバ５１０内のプロセス領域５１１へ送られる前に、それらのイオンが再結合して非反応種になることはほとんどない。放電管内でのイオンの再結合が少なくなると、反応領域に送られるプラズマの濃度が高くなり、したがって反応領域に送られるプラズマの効率も良くなる。ある実施形態では、放電管内の相互作用容積は共振キャビティ容積の９０％を超えており、アプリケータ管５０９の容積は放電管の全容積の１０％未満である。放電管内の相互作用容積は、共振キャビティの容積と実質的に同一になるまで、更に増加させることができる。
【００４０】
キャビティおよび放電管は、様々な断面を有していてもよい。特定の実施形態では、放電管５２０は、円形の断面を有するアルミナ管である。共振キャビティ５１５も円形の断面を有していてもよく、これにより、放電管によって満たされないキャビティの内部容積を最小にすることができる。しかしながら、他の構成も可能である。たとえば、放電管を円形（または他の形状）にし、キャビティを方形（または他の形状）にしてもよい。
【００４１】
図７は、本発明の別の実施形態を示している。この実施形態では、融解石英放電管６１５が、その外部表面に導電性被覆６２０、たとえば銀の層、を有している。この構成では、放電管は、共振キャビティと実質的に同一の空間を共有する容積を有している。この他に、プラズマ抵抗被覆を金属キャビティに付けることで、同一の結果を達成することができる。マグネトロン６０５は、放電管６１５の端部に結合される。この端部には、投波器６０６からマイクロ波エネルギを取り入れる窓６０４が導電層内に設けられている。投波器６０６は、マグネトロン６０５の中に組み込むか、あるいは石英管の表面上の導電層内にパターン化することができる（図示せず）。別の実施形態では、窓６０４の代わりに、マイクロ波エネルギをキャビティ内に結合する絞り（図示せず）を用いることができる。
ガス流入口６０７は、窓とプラズマ流出口６０８との間からキャビティに入る。
図６に示される実施形態と同じように、放電管内の相互作用容積は共振キャビティ容積の９０％を超えており、アプリケータ管の容積は放電管の全容積の１０％未満である。
【００４２】
本発明のマグネトロンソースによって作り出されるリモート生成プラズマは、プロセスチャンバの反応領域内で純粋な化学的効果を有するイオンおよびラジカルから構成される。前述したように、物理スパッタリング粒子および高エネルギ粒子には、グロー放電が伴う。このグロー放電は、in situプラズマとともに存在しうる。グロー放電の物理的効果は、処理チャンバ、処理中のウェーハにとって有害となる場合があり、あるいは後続のウェーハ処理作業を汚染することがある。ある状況では、リモートプラズマシステム内で生成されたグロー放電が放電管を越えて広がり、処理チャンバの中へ入り込むことがある。この現象は、一般に「ボーイング（bowing）」と呼ばれ、多くの場合、望ましくない。したがって、リモートプラズマシステムから処理チャンバ内にボーイングするグロー放電を検出し、ボーイングを除去する手段を講じることが望ましい。
【００４３】
図８は、プロセスチャンバ５１０内にグロー放電検出器を組み込んだ本発明の他の実施形態の断面図である。たとえば、フォトダイオード７０９を使用することで、グロー放電７０１がプラズマ出力ポート７０８を介してプロセスチャンバ５１０内にボーイングするときにそのグロー放電によって出射した光子７０２（矢印で図示）を検出することができる。フォトダイオード７０９は電力コントローラ７３４に接続されており、この電力コントローラ７３４は、光子が検出されたときにマグネトロン７０５への電力を低減し、それによってキャビティ７１５へ送られるマイクロ波電力を低減する。マイクロ波電力が減少すると、グロー放電は縮小し、放電管７２０の境界に戻る。電力コントローラ７３４は、マグネトロン７０５のデューティサイクルを低減することにより、マグネトロン７０５への電力を低減することができる。図８は、マグネトロン７０５からキャビティ７１５へエネルギを結合する他の具体例の付加的な態様を示している。マイクロ波伝送ガイド７１０は、マイクロ波エネルギを投波器７０６から窓７０７に結合する。マイクロ波伝送ガイド７１０は、導波管やマルチモード伝送ガイドとすることができる。
【００４４】
図９は、フォトダイオード７０９が導電性可変アパーチャ８０３を制御するグロー放電制御システムの他の実施形態を示している。この技術分野では周知のように、可変アパーチャは、多くの方法で製造することができる。たとえば、同心円状に開閉して中央の開口を定める多数の金属プレートからなる絞りアパーチャ（ある種の写真カメラで使用されているもの）は、導電性可変アパーチャを形成する一つの方法である。可変アパーチャを製造する他の方法は、カーテンアパーチャ（curtain aperture）である。これは、相互にスライドして可変開口を形成する複数の金属プレート、たとえば２枚の方形金属プレート、から作製することができる。導電性可変アパーチャ８０３は、グロー放電領域８０１と吸収媒体８０４との間にある。吸収媒体８０４は、たとえば水や吸収性ガスとすることができ、マイクロ波エネルギを熱へ変換することによってマイクロ波エネルギをキャビティ８１５から除去する。この熱は、この後、他の手段の間でガス抜き（venting）や熱交換を行うことにより、放散させることができる。フォトダイオード７０９が、プロセスチャンバ５１０内にボーイングするグロー放電領域から出射した光子を検出すると、アパーチャコントローラ８３４は、導電性可変アパーチャ８０３を開き、吸収媒体８０４のより多くの表面領域がキャビティ８１５内のマイクロ波エネルギにさらされるようにする。これにより、吸収媒体の中で熱に変換されるマイクロ波エネルギが増加し、熱に変換されない場合に導電性可変アパーチャ８０３から反射されるマイクロ波エネルギが減少し、マグネトロン８０５が一定の電力レベルで動作できるようになる。これらの効果が組み合さって、グロー放電を持続させるために使用可能なマイクロ波エネルギを減少させるので、この後、グロー放電は放電管８２０内に縮小して戻り、プロセスチャンバ５１０内に侵入しなくなる。
【００４５】
図１０は、基板処理システム９１０のチャンバ蓋１５ｂ上にリモートプラズマシステム９０１を設置する実施形態を示している。リモートプラズマシステム９０１によって生成されたプラズマは、矢印で示されるように、プロセスチャンバ１５内に流入する前にガス混合ブロック９０９を通り、その後、ガス分配面板１３ａを通る。このフローパターンは、高濃度の自由フッ素ラジカルを供給し、不要な酸化堆積物および窒化堆積物を面板１３ａおよび拡散プレート９４２、特にガス分配孔１３ｂおよび拡散孔９４２ｂから除去する。
【００４６】
以上、本発明の特定の実施形態について詳細に説明してきたが、種々の変形例、変更例、および置換例を使用することもできる。たとえば、リモートプラズマソースは、プロセスチャンバの上面ではなく側面に取り付けてもよい。他の変更例も、当業者には明らかであろう。このような均等物や置換例が本発明の範囲内に含まれるものと考えている。したがって、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって定められべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】導波管を用いてアプリケータ管に照射を行う従来のリモートプラズマシステムを示す図である。
【図２】キャビティ内で横方向に設置されたアプリケータ管を使用する従来のリモートプラズマシステムを示す図である。
【図３】本発明に係る化学気相堆積装置の一実施形態の断面図である。
【図４】図３に示されるＣＶＤチャンバの一部の分解斜視図である。
【図５】図３に示されるＣＶＤチャンバの一部の分解斜視図である。
【図６】リモートプラズマシステムおよび処理チャンバの一実施形態の断面図である。
【図７】リモートプラズマシステムおよび処理チャンバの他の実施形態であって、金属被覆放電管を使用する実施形態の断面図である。
【図８】リモートプラズマシステムおよび処理チャンバの他の実施形態であって、グロー放電の処理チャンバ内への侵入を制御するフォトダイオードを組み込んだ実施形態の断面図である。
【図９】リモートプラズマシステムおよび処理チャンバの他の実施形態であって、グロー放電検出器および可調節アパーチャ（adjustable aperture）を組み込んだ実施形態の簡単な断面図である。
【図１０】基板処理チャンバの蓋に設置されたリモートプラズマ発生装置の簡単な断面図である。
【符号の説明】
５００…リモートマイクロ波プラズマソースモジュール、５０５…マグネトロン、５０６…投波器、５０７…流入口、５０８…流出口、５０９…アプリケータ管、５１０…処理チャンバ、５１１…プロセス領域、５１５…共振キャビティ、５１６…側壁、５１７…近端壁、５１８…遠端壁、５２０…プラズマ放電管。

Claims (4)

1. 基板処理システムと共に使用するためのリモートマイクロ波プラズマ装置であって、
   少なくとも近端壁、前記近端壁と対向して配置されたマイクロ波吸収材、および前記近端壁と前記マイクロ波吸収材との間に配置された側壁によって形成され、前記側壁が前記近端壁に電気的に結合されている共振キャビティと、
   前記近端壁と前記マイクロ波吸収材との間の前記共振キャビティ内に配置され、前記側壁に電気的に結合された可調節アパーチャと、
   前記共振キャビティ内に配置され、前記可調節アパーチャよりも前記近端壁に近い位置に設けられ、プロセスガスを受け取るよう構成された流入口、および前記近端壁よりも前記可調節アパーチャに近い位置に設けられ、管内で発生したプラズマを放電するよう構成されたプラズマ流出口を有するプラズマ放電管と、
   投波器を有するマイクロ波電源であって、前記投波器が、前記共振キャビティの前記近端壁に配置される、又は前記近端壁に近接して配置される窓を通して前記マイクロ波電源からのマイクロ波エネルギを前記共振キャビティに結合するよう構成されている、マイクロ波電源と、
   前記プラズマ流出口の外側において該プラズマ流出口に近接して配置されたグロー放電検出器と、
   前記可調節アパーチャ及び前記グロー放電検出器に結合され、前記グロー放電検出器がグロー放電の検出時に生成する信号に応答して前記可調節アパーチャを調節するアパーチャコントローラと、
   を備え、
   前記プラズマ放電管の長手方向が前記近端壁から前記可調節アパーチャへ向かって伸びており、前記プラズマ放電管内部において、前記プロセスガスが前記近端壁から離れるように前記プラズマ放電管の前記長手方向に沿って流れる、
   リモートマイクロ波プラズマ装置。
2. 前記可調節アパーチャが絞りまたはカーテンシャッタである、請求項１記載のリモートマイクロ波プラズマ装置。
3. 前記グロー放電検出器が光検出器である、請求項１記載のリモートマイクロ波プラズマ装置。
4. 基板処理システムと共に使用するためのリモートマイクロ波プラズマ装置であって、
   近端壁、前記近端壁と対向して配置された遠端壁、および前記近端壁と前記遠端壁との間に配置された側壁を含み、前記側壁が前記近端壁および前記遠端壁に電気的に結合されている共振キャビティと、
   前記共振キャビティ内に配置され、前記遠端壁よりも前記近端壁に近い位置に設けられ、プロセスガスを受け取るよう構成された流入口、および前記近端壁よりも前記遠端壁に近い位置に設けられ、管内で発生したプラズマを放電するよう構成されたプラズマ流出口を有するプラズマ放電管と、
   投波器を有するマイクロ波電源であって、前記投波器が、前記近端壁に配置される、又は前記近端壁に近接して配置される窓を通して前記マイクロ波電源からのマイクロ波エネルギを前記共振キャビティに結合するよう構成されている、マイクロ波電源と、
   前記プラズマ流出口の外側において該プラズマ流出口に近接して配置されたグロー放電検出器と、
   前記マイクロ波電源および前記グロー放電検出器に結合された電力コントローラと、
   を備え、
   前記プラズマ放電管の長手方向が前記近端壁から前記遠端壁へ向かって伸びており、前記プラズマ放電管内部において、前記プロセスガスが前記近端壁から離れるように前記プラズマ放電管の前記長手方向に沿って流れる、
   リモートマイクロ波プラズマ装置。

Images