JP5519498B2 - 単一の平面アンテナを備えた誘導結合二重ゾーン処理チャンバ - Google Patents

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Description

本発明は、単一の平面アンテナを備えた誘導結合二重ゾーン処理チャンバに関する。
プラズマ処理装置は、エッチング、物理的気相成長(PVD)、化学的気相成長(CVD)、イオン注入、およびレジスト除去を含む技法によって基板を処理するために使用される。プラズマ処理で使用される1つのタイプのプラズマ処理装置は外部誘導アンテナを含む。電磁場がアンテナの下にあるチャンバ内に生成され、処理ガスをプラズマ状態に励起して反応チャンバ内の基板を処理する。
米国特許第4,948,458号 米国特許第6,184,158号 米国特許第6,230,651号 米国特許第5,262,029号 米国特許第5,838,529号 米国特許第6,140,612号
二重ゾーンプラズマ処理チャンバが提供される。プラズマ処理チャンバは、処理チャンバ内で第1の基板を支持するように構成された第1の支持表面を有する第1の基板支持体と、処理チャンバ内で第2の基板を支持するように構成された第2の支持表面を有する第2の基板支持体とを含む。1つまたは複数のガス分配部材と流体連結する1つまたは複数のガス供給源は、第1の基板支持体に隣接する第1のゾーンおよび第2の基板支持体に隣接する第2のゾーンに処理ガスを供給する。高周波(RF)アンテナは、RFエネルギーを処理チャンバの内部に誘導結合し、第1および第2のゾーンにおいて処理ガスにエネルギーを与えてプラズマ状態にするように構成される。アンテナは第1の基板支持体と第2の基板支持体との間に配置される。
プラズマ処理チャンバ内で第1および第2の半導体基板を同時に処理する方法が提供される。二重ゾーンプラズマ処理チャンバにおいて、第1の基板は第1の基板支持体上に配置され、第2の基板は第2の基板支持体上に配置される。1つまたは複数のガス供給源からの処理ガスは、アンテナと第1の基板との間の第1のゾーン、およびアンテナと第2の基板との間の第2のゾーンに送り出される。第1のプラズマは第1の処理ガスから第1のゾーンで生成される。第2のプラズマは第2の処理ガスから第2のゾーンで生成される。第1の基板は第1のプラズマで処理され、第2の基板は第2のプラズマで処理される。
単一の基板を処理するための誘導結合プラズマ処理装置の断面図である。 水平配置の垂直に離間した2つの基板を同じ処理条件下で処理するための誘導結合二重ゾーンプラズマ処理装置の断面図である。 垂直配置の水平に離間した2つの基板を同じ処理条件下で処理するための誘導結合プラズマ処理装置の断面図である。 水平配置の垂直に離間した2つの基板を異なる処理条件下で処理するための誘導結合プラズマ処理装置の断面図である。
誘導結合プラズマ処理チャンバは、一般に、低圧(すなわち50mTorr未満)で真空チャンバに処理ガスを供給し、ガスに高周波(RF)エネルギーを印加することによって、基板上に材料を堆積する(例えば、プラズマ化学気相成長、すなわちPECVD)および基板上の材料をプラズマエッチングするために使用される。基板は、機械的クランプおよび静電クランプ(ESC)を含む基板ホルダによって、処理の間、真空チャンバ内の所定の位置に保持することができる。誘導結合プラズマ(ICP)システムでは、RFアンテナは処理チャンバの外に配置され、RFエネルギーは誘電体窓を通してチャンバに誘導結合される。そのような処理システムは、エッチング、堆積、またはレジスト除去などの様々な半導体処理用途で使用することができる。
図1は、ICPプラズマ処理チャンバ10の実施形態の断面図である。ICPプラズマ処理チャンバの一例は、カリフォルニア州、フリーモントのラム リサーチ社によって製造されたTCP(登録商標)エッチングまたは堆積システムである。ICPプラズマ処理チャンバは、例えば本願の権利者が所有する米国特許第4,948,458号にも記載されており、引用することによってその内容の全体をここに合体する。処理チャンバ10は支持表面14をもつ基板支持体12を含む。支持表面14は基板16を支持するように構成される。真空ポンプ18はポンプポート20に取り付けられ、処理チャンバ10の内部を低圧(例えば約1mTorrから約50mTorrの間)に維持する。ガス供給源22は、ガス分配プレート、シャワーヘッド機構、噴射器、または他の好適な機構を通して処理チャンバ10の内部に処理ガスを供給する。処理ガスは、ガス分配部材24によって基板16に隣接するゾーンに導入することができる。
処理ガスは、処理チャンバ10の内部に導入された後、処理チャンバ10の内部にエネルギーを供給するエネルギー源によってエネルギーを与えられてプラズマ状態になる。好ましくは、エネルギー源は、処理チャンバ10にRFエネルギーを誘導結合するためにRF電源28およびRFインピーダンス整合回路30によって電力供給される外部平面アンテナ26である。RF電力を平面アンテナ26に印加することによって生成された電磁場は処理ガスにエネルギーを与え、基板16の上に高密度プラズマ30(例えば1011〜1012イオン/cm)を形成する。
誘電体窓32は平面アンテナ26の下にあり、プラズマ処理チャンバ10の上部壁を形成する。ガス分配部材24は誘電体窓32の下に配置される。基板16への堆積または基板16のエッチングのために、高密度プラズマ30がガス分配部材24と基板16との間のゾーンに生成される。
所要電力を最小にしながら生産効率を向上させるために、本明細書において、単一の平面アンテナの両側で2つの基板を同時に処理することができる新しい二重ゾーンプラズマ処理チャンバを以下説明する。平面アンテナによって生成される対称的な電磁場を最大にする一手法は、図2の実施形態の二重ゾーン配置である。図2は、ゾーン110、210を含む二重ゾーンICPプラズマ処理チャンバ100の実施形態の断面図である。処理チャンバ100のゾーン110、210は、それぞれ、誘電体窓132、232と、水平支持表面114、214をもつ基板支持体112、212との間の空間を含む。支持表面114、214は、水平位置で基板116、216を支持するように構成される。基板支持体112、212は、チャンバ壁から延びる支持アームによってカンチレバー方式で支持することができ、処理チャンバ100内で互いに全く反対の位置にある。
真空ポンプ118、218はポンプポート120、220に取り付けられ、処理チャンバ100の内部を低圧(例えば約1mTorrから約50mTorrの間)に維持する。ポンプポート120、220は、基板支持体に隣接しており、処理チャンバ100内で互いに全く反対の位置とすることができる。
共通ガス供給源122は、処理チャンバ100の内部のゾーン110、210に処理ガスを供給する。処理ガスは任意の好適なガス分配機構、例えば基板116、216にそれぞれ隣接する二重終端ガス噴射器または分配部材124に導入することができる。共通ガス供給源122およびガス分配部材124を使用すると、ゾーン110および210に同じガス組成が確実に送出される。互いに流体連し、誘電体窓132、232の開口を通して延びる共通通路125によって接続された2つのガス分配部材(例えば、ガス分配リング、ガス分配プレート、またはガス注入ノズル)をガス分配機構は含むことができる。そのようなガス分配部材は、例えば本願の権利者が所有する米国特許第6,184,158号および第6,230,651号にも記載されており、引用することによってそれらの内容の全体をここに合体する。チャンバ100の両端にポンプポート120、220および真空ポンプ118、218を配置することにより、基板116、216の表面の端から端まで処理ガスを一様に分配しやすくなる。
基板116、216は基板支持体112、212の所定の位置に保持される。基板支持体は静電チャック(ESC)、機械的クランプ、または他のクランプ機構を含むことができる。そのような基板支持体は、例えば本願の権利者が所有する米国特許第5,262,029号および第5,838,529号にも記載されており、引用することによってそれらの内容の全体をここに合体する。基板支持体112、212はRFバイアス電極(図示せず)をさらに含むことができる。基板116、216の温度制御のために、基板116、216は基板の下にヘリウムガスを流すことによって冷却することができ、基板支持体112、212は液体で冷却することができる(図示せず)。そのような温度制御は、本願の権利者が所有する米国特許第6,140,612号に記載されており、引用することによってその内容の全体をここに合体する。
処理ガスは、処理ゾーン110、120の内部に導入された後、処理チャンバ100の内部のゾーン110、120の方に反対方向にRFエネルギーを供給する単一の外部平面アンテナ126によってエネルギーを与えられてプラズマ状態になる。外部平面アンテナ126は、単一のRF電源128およびRFインピーダンス整合回路130によって電力供給され、処理チャンバ100にRFエネルギーを誘導結合する。RF電力の印加により平面アンテナ126の上および下に生成された対称的な電磁場は、処理ガスにエネルギーを与え、基板116、216に垂直に隣接するゾーンに高密度プラズマ130、230(例えば1011〜1012イオン/cm)を形成する。処理チャンバ100の構成は、単一の基板の処理で使用されるチャンバの設置面積内で、2つの処理チャンバを運転するのに必要とされる追加のRFエネルギーを消費することなく、基板処理のスループットを2倍にする可能性がある。
単一の外部平面アンテナ126は、1つまたは複数の平面螺旋コイル、または一連の同心リングなどの他の構成を含むことができる。より長い導電要素を利用することによって平面コイルを拡大して、アンテナ直径を増加させ、それによって300mmウェハなどのより大きい基板を収容することができ、または、平面アレイに配置された多数のコイルを使用して平面パネル表示装置処理用などの広い面積に対して均一のプラズマを生成することができる。
外部平面アンテナ126は、環境気圧(すなわち大気圧)である空間134に配置される。空間134は誘電体窓132と誘電体窓232との間にある。誘電体窓132、232は、石英などの、RFエネルギーに対して透明である任意の誘電体材料で構成することができる。誘電体窓132は、平面アンテナ126の下にあり、ゾーン110に関連する上部壁を形成する。同様に、誘電体窓232は、平面アンテナ126の上にあり、ゾーン210に関連する下部壁を形成する。一実施形態では、空間134は、区画の壁として誘電体窓132、232を支持する金属区画に密閉される。
基板116、216が処理チャンバ100内で処理される場合、RF電源128は、好ましくは約100kHz〜27MHzの範囲で、より好ましくは13.56MHzでRF電流をアンテナ126に供給する。
図3は、ゾーン310、410を含む二重ゾーンICPプラズマ処理チャンバ300の別の実施形態の断面図である。処理チャンバ100の方向を除いて、プラズマ処理チャンバ300の構成は図2のプラズマ処理チャンバ100と同様である。処理チャンバ300のゾーン310、410は、それぞれ誘電体窓332、432と、垂直支持表面314、414をもつ基板支持体312、412との間の空間を含む。支持表面314、414は、垂直位置で基板316、416を支持するように構成される。基板支持体312、412は、好ましくは処理チャンバ300内で互いに全く反対の位置にある。真空ポンプ318、418は、ポンプポート320、420に取り付けられ、処理チャンバ300の内部を低圧(例えば約1mTorrから約50mTorrの間)に維持する。ポンプポート320、420は基板支持体312、412に隣接しており、好ましくは処理チャンバ300内で互いに全く反対の位置にある。
共通ガス供給源322は処理チャンバ300の内部に処理ガスを供給する。処理ガスは、任意の好適なガス分配機構、例えばそれぞれ基板316、416に隣接する二重終端ガス噴射器または分配部材324に導入することができる。互いに流体連結し、誘電体窓332、432の開口を通して延びる共通通路325によって接続された2つのガス分配部材(例えば、ガス分配リング、ガス分配プレート、またはガス注入ノズル)をガス分配機構は含むことができる。
基板316、416は基板支持体312、412の所定の位置に保持される。基板支持体は静電チャック(ESC)、機械的クランプ、または他のクランプ機構を含むことができる。基板支持体312、412はRFバイアス電極(図示せず)をさらに含むことができる。基板316、416の温度制御のために、基板316、416は基板の下にヘリウムガスを流すことによって冷却することができ、基板支持体316、416は液体で冷却することができる(図示せず)。
処理ガスは、処理ゾーン310、410の内部に送り出された後、処理チャンバ300の内部にエネルギーを供給する単一のアンテナ機構によってエネルギーを与えられてプラズマ状態になる。好ましくは、エネルギー源は、処理チャンバ300にRFエネルギーを誘導結合するためにRF電源328およびRFインピーダンス整合回路330によって電力供給される外部平面アンテナ326である。RF電力の印加によって平面アンテナ326により生成された対称的な電磁場は処理ガスにエネルギーを与え、基板316、416と横方向に隣接する高密度プラズマ330、430(例えば1011〜1012イオン/cm)を形成する。図2の処理チャンバ100と同様、処理チャンバ300の構成は、追加のRFエネルギーを消費することなく基板処理のスループットを2倍にする可能性がある。
外部平面アンテナ326は、環境気圧の状態で誘電体窓332と誘電体窓432との間にある空間334内に支持される。誘電体窓332、432は、石英などの、RFエネルギーに対して透明である任意の誘電体材料で構成することができる。誘電体窓332は、平面アンテナ326と横方向に隣接しており、ゾーン310に関連する側壁を形成する。同様に、平面アンテナ326とさらに横方向に隣接する誘電体窓432はゾーン410に関連する側壁を形成する。一実施形態では、空間334は、区画の壁として誘電体窓332、432を支持する金属区画に密閉される。
図4は、異なる処理条件下で2つの基板を同時に処理するために、ゾーン510、610を含むサブチャンバ500、600を有する二重ゾーンICPプラズマ処理チャンバの別の実施形態の断面図である。図2の実施形態と同様に、処理サブチャンバ500、600の構成は水平支持表面514、614を含む。
サブチャンバ500、600のゾーン510、610は、それぞれ、誘電体窓532、632と、水平支持表面514、614をもつ基板支持体512、612との間の空間を含む。支持表面514、614は、水平位置で基板516、616を支持するように構成される。基板支持体512、612は互いに全く反対の位置とすることができる。真空ポンプ518、618は、ポンプポート520、620に取り付けられ、処理チャンバ300の内部を低圧(例えば約1mTorrから約50mTorrの間)に維持する。ポンプポート520、620は基板支持体512、612に隣接しており、互いに全く反対の位置とすることができる。
ガス供給源522、622は処理ガスを処理チャンバ300の内部に供給する。処理ガスは基板516、616に隣接するガス分配部材524、624に導入することができる。基板516、616が異なるプラズマ処理条件下にある場合、ガス供給源522、622は異なるガス配合を供給することができる。例えば、基板516はエッチング処理を受けることができ、一方、基板616は化学気相成長処理を受けることができるが、その逆も同様である。エッチング処理の例には、導体エッチング、誘電体エッチング、またはフォトレジストの剥離が含まれる。堆積処理の例には、誘電体膜または導電性膜の化学気相成長が含まれる。ガス分配部材524、624はガス分配リング、ガス分配プレート、またはガス注入ノズルを含むことができる。基板516、616のプラズマ処理のために平面アンテナ526にRFエネルギーを供給し、プラズマ530、630を形成する際に、ゾーン510、610の処理ガスはエネルギーが与えられる。
ガス供給源522、622からの異なる処理ガスがプラズマ530、630を生成するために使用される場合、処理サブチャンバ500、600を仕切り536で分離することが必要となる。仕切り536がない状態では、異なるガス物質がプラズマ530、630を生成するために使用され、異なるガス物質が異なる副産物を生成するので、ガス分配部材524、624から送り出された異なる処理ガスおよび処理の副産物は、基板516、616の表面に対して一様にではなく処理チャンバ500、600の意図しない領域の方に拡散する可能性がある。
基板516、616は、基板支持体512、612の所定の位置に保持される。基板支持体は静電チャック(ESC)、機械的クランプ、または他のクランプ機構を含むことができる。基板支持体512、612はRFバイアス電極(図示せず)をさらに含むことができる。基板516、616の温度制御のために、基板516、616は基板の下にヘリウムガスを流すことによって冷却することができ、基板支持体516、616は液体で冷却することができる(図示せず)。
処理ガスは、処理ゾーン510、610の内部に送り出された後、処理チャンバ500、600の内部にエネルギーを供給する単一のアンテナ機構によってエネルギーを与えられてプラズマ状態になる。好ましくは、エネルギー源は、処理チャンバ500、600にRFエネルギーを誘導結合するためにRF電源528およびRFインピーダンス整合回路530によって電力供給される外部平面アンテナ526である。RF電力の印加によって平面アンテナ526により生成された対称的な電磁場は、処理ガスにエネルギーを与え、基板516、616と横方向に隣接する高密度プラズマ530、630(例えば1011〜1012イオン/cm)を形成する。図2および3の処理チャンバ200、300と同様に、処理チャンバ500、600の構成は、追加のRFエネルギーを消費することなく基板処理のスループットを2倍にする可能性がある。
外部平面アンテナ526は、環境気圧の状態で誘電体窓532と誘電体窓532との間にある空間534内に支持される。誘電体窓532、632は、石英などの、RFエネルギーに対して透明である任意の誘電体材料で構成することができる。誘電体窓532は、平面アンテナ526と横方向に隣接しており、ゾーン510に関連する上部壁を形成する。同様に、平面アンテナ526とさらに横方向に隣接する誘電体窓632はゾーン610に関連する底部壁を形成する。一実施形態では、空間534は、区画の壁として誘電体窓532、632を支持する金属区画に密閉される。
異なる処理条件下で2つの基板を同時に処理するための別の実施形態では、処理サブチャンバの構成は図3の実施形態と同様に垂直支持表面を含むことができる。
本発明はそれの特定の実施形態を参照しながら詳細に説明されたが、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく様々な改変および変更を行うことができ、均等物を使用することができることは当業者にとって明らかである。

Claims (20)

  1. 二重ゾーンプラズマ処理チャンバであって、
    前記処理チャンバ内で第1の基板を支持するように構成された第1の支持表面を有する第1の基板支持体と、
    前記処理チャンバ内で第2の基板を支持するように構成された第2の支持表面を有する第2の基板支持体と、
    前記第1の基板支持体に隣接する第1のゾーンと前記第2の基板支持体に隣接する第2のゾーンとに処理ガスを供給する1つまたは複数のガス分配部材と流体連結する1つまたは複数のガス供給源と、
    高周波(RF)エネルギーを前記処理チャンバの内部に誘導結合し、前記第1のゾーンおよび前記第2のゾーンで前記処理ガスにエネルギーを与えてプラズマ状態にするように構成された高周波(RF)アンテナと、
    を備え、
    前記高周波(RF)アンテナは、前記第1の基板支持体と前記第2の基板支持体との間に配置され、
    前記アンテナは、平面コイルであり、
    第1の誘電体窓が前記平面コイルと前記第1の基板支持体との間に配置され、第2の誘電体窓が前記平面コイルと前記第2の基板支持体との間に配置され、前記第1の誘電体窓は、当該第1の誘電体窓を貫通して延びる第1の開口を有し、前記第2の誘電体窓は、当該第2の誘電体窓を貫通して延びる第2の開口を有し、前記第1の開口および前記第2の開口のそれぞれは、前記処理チャンバ内に処理ガスを提供する、ことを特徴とするプラズマ処理チャンバ。
  2. 前記平面コイルは、環境気圧の区画内の単一の平面螺旋コイルである、ことを特徴とする請求項1に記載のプラズマ処理チャンバ。
  3. 前記平面コイルは、前記第1の誘電体窓と前記第1の支持表面との間の前記第1のゾーンに第1のプラズマを形成するために前記第1の誘電体窓を通して高周波電力を誘導結合し、前記第2の誘電体窓と前記第2の支持表面との間の前記第2のゾーンに第2のプラズマを形成するために前記第2の誘電体窓を通して高周波電力を誘導結合する、ことを特徴とする請求項に記載のプラズマ処理チャンバ。
  4. 前記第1の誘電体窓および前記第2の誘電体窓は、高周波エネルギーに対して透明である、ことを特徴とする請求項に記載のプラズマ処理チャンバ。
  5. 前記1つまたは複数のガス分配部材は、前記第1の誘電体窓内の前記第1の開口および前記第2の誘電体窓内の前記第2の開口を通して延びる二重終端噴射器を含み、前記1つまたは複数のガス供給源は、前記二重終端噴射器に同じ処理ガスを供給する、ことを特徴とする請求項に記載のプラズマ処理チャンバ。
  6. 前記1つまたは複数のガス分配部材は、前記第1の誘電体窓に隣接する第1のガス分配部材と、前記第2の誘電体窓に隣接する第2のガス分配部材とを含み、前記1つまたは複数のガス供給源は、第1のガス供給源と第2のガス供給源とを含み、前記第1のガス供給源は、前記第1の開口を介して前記第1のガス分配部材に第1の処理ガスを供給し、前記第2のガス供給源は、前記第2の開口を介して前記第2のガス分配部材に第2の処理ガスを供給する、ことを特徴とする請求項に記載のプラズマ処理チャンバ。
  7. 前記第1のガス分配部材および前記第2のガス分配部材は、ガス分配リング、ガス分配プレートまたはガス注入ノズルである、ことを特徴とする請求項に記載のプラズマ処理チャンバ。
  8. 前記プラズマ処理チャンバは、別個のサブチャンバを含み、前記第1の基板支持体および前記第2の基板支持体は、前記別個のサブチャンバに配置される、ことを特徴とする請求項に記載のプラズマ処理チャンバ。
  9. 前記第1の支持表面は、前記第2の支持表面と平行である、ことを特徴とする請求項1に記載のプラズマ処理チャンバ。
  10. 前記アンテナは、前記第1の基板支持体と前記第2の基板支持体との間の中間点に配置される、ことを特徴とする請求項1に記載のプラズマ処理チャンバ。
  11. 前記第1の支持表面および前記第2の支持表面は、垂直方向に離間されている、ことを特徴とする請求項1に記載のプラズマ処理チャンバ。
  12. 前記第1の支持表面および前記第2の支持表面は、水平方向に離間されている、ことを特徴とする請求項1に記載のプラズマ処理チャンバ。
  13. 前記第1の基板支持体および前記第2の基板支持体は、静電チャックまたは機械的クランプを含む、ことを特徴とする請求項1に記載のプラズマ処理チャンバ。
  14. 前記第1の基板支持体に隣接する第1のポンプポートと、
    前記第2の基板支持体に隣接する第2のポンプポートと、
    をさらに含み、
    前記第1のポンプポートは、前記第2のポンプポートとは正反対の位置にある、ことを特徴とする請求項1に記載のプラズマ処理チャンバ。
  15. プラズマ処理チャンバ内で第1の半導体基板および第2の半導体基板を同時に処理する方法であって、
    請求項1に記載のプラズマ処理チャンバ内で、前記第1の基板支持体に第1の基板を前記第2の基板支持体に第2の基板を載置する工程と、
    前記1つまたは複数のガス供給源から、前記アンテナと前記第1の基板との間の前記第1のゾーンおよび前記アンテナと前記第2の基板との間の前記第2のゾーンに処理ガスを送り出す工程と、
    前記第1のゾーンで前記処理ガスから第1のプラズマを生成し前記第2のゾーンで前記処理ガスから第2のプラズマを生成する工程と、
    前記第1のプラズマで前記第1の基板を前記第2のプラズマで前記第2の基板を同時に処理する工程と
    を含む、ことを特徴とする方法。
  16. 同じ処理ガスが前記第1のゾーンおよび前記第2のゾーンに送り出される、ことを特徴とする請求項15に記載の方法。
  17. 前記第1の基板および前記第2の基板を処理する工程は、導電性材料または誘電体材料を堆積することを含む、ことを特徴とする請求項15に記載の方法。
  18. 前記第1の基板および前記第2の基板を処理する工程は、高密度プラズマで、金属をエッチングすること、誘電体をエッチングすること、または、フォトレジストを剥離することを含む、ことを特徴とする請求項15に記載の方法。
  19. 第1の処理ガスが前記第1のゾーンに送り出され、第2の処理ガスが前記第2のゾーンに送り出され、前記第1の基板がプラズマエッチングされ、前記第2の基板がプラズマ化学気相成長を施される、ことを特徴とする請求項15に記載の方法。
  20. 前記平面コイルは、面内に複数の、平面コイル又は同心リングを含む、ことを特徴とする請求項1に記載のプラズマ処理チャンバ
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