JP5607699B2 - プラズマ均一性および効果を改良するための誘導結合プラズマ源の設計 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ反応器、特に、誘導結合プラズマ反応器における均一なガスの分布に関する。

従来技術においてプラズマ反応器や反応チャンバは周知であり、半導体集積回路、フラット・パネル・ディスプレイ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、太陽電池などの製造に幅広く使用されている。プラズマチャンバにおいて、通常、ＲＦ電力を印加して、真空チャンバ内でプラズマを発生させ、維持する。ＲＦ電力を印加し得る種々の方法が存在し、各々の設計は異なる特性（例えば、効率、プラズマの解離、均一性など）を有する。本開示に関連する一種の技術は誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）チャンバである。

誘導結合プラズマ処理チャンバにおいて、通常、コイル形状のアンテナがチャンバ内にＲＦ電力を送達するために使用される。アンテナからチャンバ内にＲＦ電力を誘導するために、アンテナが配置される位置に誘電体窓が設けられる。例えば、シリコンウエハーなどの基板を処理するためのチャンバにおいて、該基板はチャック上に配置され、プラズマは基板の上方で発生される。そのため、アンテナをチャンバの天盤の上方に置き、該天盤は誘電材料から作製されるか、または誘電体窓を備える。

プラズマ処理チャンバにおいて、各種ガスがチャンバ内に注入され、イオンと基板との化学的相互作用および／または物理的相互作用が、例えば、エッチング、堆積などによって基板上に様々な特性を形成させるために使用され得る。多くのこのようなプロセスにおいて、非常に重要なパラメーターの１つはウェハー内部の処理（プロセス）の均一性である。即ち、基板の中央で行われる処理は、基板の端部で行われる処理と同じであるか、または非常に類似した特性でなければならない。そのため、例えばエッチングプロセスを実施する際のウェハーの中央におけるエッチング比率は、ウェハーの端部におけるエッチング比率と同じであるはずである。

十分な処理均一性を得るのに役立つ１つのパラメーターは、チャンバ内の処理ガスの均一な分布である。このような均一性を得るために、多くのチャンバの設計は、ウェハー上方に配置されるシャワーヘッドを採用して、処理ガスを均一に注入する。しかし上述のように、ＩＣＰチャンバにおいて、天盤が、アンテナにより送達されるＲＦ電力のための窓を備えなければならない。そのため、このような設計は、ガスを注入するシャワーヘッドの実施には役に立たない。

図１は、従来技術のＩＣＰチャンバの設計の断面図を示している。ＩＣＰチャンバ１００は、全体が円筒形の金属性側壁１０５と、誘電性天盤１０７とを備え、真空ポンプ１２５により空気が排出されることにより真空気密エンクロージャを形成する。台座１１０がチャック１１５を支持し、該チャック１１５が、処理される基板１２０を保持する。ＲＦ電力供給装置１４５からのＲＦ電力はアンテナ１４０に印加され、そのアンテナ１４０は全体的にコイル形状をしている。ガス源１５０から供給される処理ガスは、パイプライン１５５を通してチャンバ内まで供給され、プラズマを発生させ、維持し、これによって基板１２０の処理を行う。標準的なＩＣＰチャンバにおいて、ガスは、周囲の注入装置／ノズル１３０、中央ノズル１３５のいずれか、またはその両方により、真空エンクロージャ内に供給される。

図１から理解され得るように、周囲の注入装置１３０からのガスは、大部分が排出され、効果的に解離されずに、ウェハー１２０の表面に到達する。そのため、周囲の注入装置１３０からの大量のガスは、ウェハーの端部で処理され得るが、ウェハー１２０の中央までほとんど到達せず、不均一性をもたらす。その逆に、中央ノズル１３５から供給されるガスは、ウェハーの中心に集中し、ウェハーの端部で使用されず、これもまた不均一性をもたらす。

したがって当該技術分野において、改良された処理の均一性を提供するために、チャンバ内のガスの分布を改良する、改良されたＩＣＰチャンバの設計についての必要性が存在する。

以下の本発明の概要は、本発明の一部の態様および特徴の基本的な理解を提供するために含められる。この概要は、本発明を広範に概説するものであり、特に本発明の重要な部分または重要な要素を識別し、本発明の範囲を規定することを意図するものではない。以下に提示するより詳細な説明の前置きとして簡略化した形態で本発明の一部の概念を提示することのみを目的とする。

本発明の一態様によれば、エンクロージャと、誘電体窓と、該誘電体窓の上に設けられるＲＦアンテナと、エンクロージャ内にガスを供給するための複数のガス注入装置と、注入装置から排出されるガスの流れを制限および／または再度方向付けるようにエンクロージャ内に配置されるバッフルと、を備える、プラズマ反応器が提供される。

本発明の別の態様によれば、天盤の少なくとも一部が誘電体窓を形成するエンクロージャを有する、プラズマ反応器が提供される。基板支持体が、誘電体窓の下のエンクロージャ内に配置される。ＲＦ電力アプリケータが、誘電体窓を通してエンクロージャ内にＲＦ電力を印加するために誘電体窓の上に配置される。複数のガス注入装置が、処理ガスをエンクロージャ内に供給するために基板支持体の上に均一に分配される。処理ガスの流れを制限するように、円形バッフルが、エンクロージャ内に配置され、基板支持体の上であるが、複数のガス注入装置の下に配置される。

本発明の別の態様によれば、バッフルは、導体または誘電材料から作製されてもよい。例えば、バッフルは、陽極酸化アルミニウム、セラミック、石英などから作製されてもよい。

本発明のさらに別の態様によれば、バッフルは、中央開口部を有する円形の円盤として形成されてもよい。バッフルはまた、中央開口部周囲に分配される二次開口部を有してもよい。バッフルは、中央開口部から延在する延在部を有してもよい。延在部は、円筒形、円錐形などとして形成されてもよい。バッフルはその中にＲＦアンテナを組み込んでもよい。

バッフルは誘電材料にＲＦアンテナを組み込んでもよく、また、バッフルは、片側に導体を有して作製され、誘電体窓の上に配置されるＲＦ電力アプリケータによって生成されるか、またはＲＦアンテナによって生成されるＲＦ電力が導体を通ることを防ぐ。バッフルは、基板支持体の上を上下するように垂直方向に移動可能であり、それにより、基板の上の間隙が変化する。

本発明のさらなる態様によれば、基板上で半導体デバイスを製造する方法が提供され、該方法は、プラズマ反応器内に配置される基板支持体上に基板を配置する工程であって、該プラズマ反応器は、円筒形の側壁を有するエンクロージャと、天盤とを備え、該天盤の少なくとも一部は誘電体窓を形成し、ＲＦ電力アプリケータが、誘電体窓を通してエンクロージャ内にＲＦ電力を印加するために誘電体窓の上に配置され、複数のガス注入装置が基板の上に均一に分配される、工程と、基板の上に間隙を形成するように、基板支持体の上であるが、複数のガス注入装置の下であるように、円形のバッフルをエンクロージャ内に配置する工程と、注入装置に処理ガスを供給する工程と、ＲＦ電力アプリケータにＲＦ電力を印加する工程と、を含む。

本明細書の一部に援用され、本明細書の一部を構成する添付の図面は、詳細な説明と共に本発明の実施形態を例示し、本発明の原理を説明および例示するのに役立つ。図面は概略的に例示的な実施形態の主な特徴を例示することを意図する。図面は、実際の実施形態のすべての特徴を説明するものではなく、図面上の各要素間の相対的寸法を説明するものでもないし、一定の縮尺に従って描いたものでもない。

図１は、従来技術のＩＣＰ処理チャンバの断面図である。 図２は、本発明の実施形態に係るＩＣＰ処理チャンバの断面図である。 図３は、本発明の第二の実施形態に係るＩＣＰ処理チャンバの断面図である。 図４は、本発明の第三の実施形態に係るＩＣＰ処理チャンバの断面図である。 図５は、本発明の第四の実施形態に係るＩＣＰ処理チャンバの断面図である。 図６は、本発明の第五の実施形態に係るＩＣＰ処理チャンバの断面図である。

本発明の実施形態は、改良された均一性、特にガスの分布の均一性を有する誘導結合プラズマチャンバに関する。チャンバ内のガスの分布を改良するように注入装置および／またはノズルにより注入されるガスを再度方向付けることを提供する、本発明の実施形態によって、ウェハー内の均一性が改良される。

ここで、本発明の実施形態を図２を参照して詳細に説明する。図２は、本発明の一実施形態に従ったプラズマ処理装置２００を示す。図２に例示した要素は図１に例示した要素と対応し、２ｘｘの順番で示していることを除いて同様の参照番号を付している。装置２００は単なる例示であり、該装置２００は少しまたは追加の部品を備えてもよく、その部品の配置は図２に例示したものと異なってもよいことは理解される。

図２は、本発明の一実施形態に係るガス転流特性を実施するＩＣＰチャンバの設計の断面図を示す。ＩＣＰチャンバ２００は、金属性の側壁２０５と、誘電性天盤２０７とを備え、真空ポンプ２２５により空気が排出されて真空気密エンクロージャを形成する。誘電性天盤２０７は一例としてのみ設けているが、例えばドーム天盤、誘電体窓を有する金属性天盤などの他の天盤が使用されてもよい。台座２１０はチャック２１５を支持し、そのチャック２１５は処理される基板２２０を保持する。開示されている実施形態と関係がないため、図２には示していないが、バイアス電力がチャック２１５全体に付与される。ＲＦ電力供給装置２４５からのＲＦ電力はアンテナ２４０に印加される。該アンテナ２４０は全体がコイル形状である。

処理ガスが、ガス源２５０からパイプライン２５５を通してチャンバ内に供給されて、プラズマを発生させ、維持し、それによって、基板２２０を処理する。この実施形態において、ガスは、周囲の注入装置またはノズル２３０によって真空エンクロージャ内に供給されるが、必要に応じて追加のガスが中心ノズル２３５を通して注入されてもよい。ガスが注入装置２３０およびノズル２３５の両方から供給される場合、各々から供給されるガスの量は、独立して制御されるように調整されてもよい。ガスを注入するためのこれらの配置のいずれも、プラズマガス注入装置の配置と称される場合がある。図２において、バッフル２７０が、注入装置２３０からから放出されるガスの流れを制限および／または再度方向付けるようにチャンバ内に配置される。付記において示すように、この実施形態において、バッフルは全体が、中心穴または開口部を有する円盤形状である。該バッフルはガス注入点の下に配置されるが、基板の高さの上である。このように、ガスは、点線の矢印で示したように、基板に対して下方に流れ得る前に、チャンバの中心の方へさらに流れるように制限される。

通常、バッフル２７０は、陽極酸化アルミニウムなどの金属性材料から作製され得る。金属性材料からバッフルを製造することは、コイルからのＲＦがバッフルによりブロックされるので、プラズマをバッフルの上の領域に制限するのに有益に利用され得る。他方で、バッフル２７０は、セラミックまたは石英などの誘電材料から製造されてもよい。誘電性バッフルを用いる実施形態において、コイルからのＲＦはバッフルを通過することができ、プラズマは、バッフルの下に到達するガスの量に応じて、バッフルの下（破線で示した）に維持され得る。

一部の状況において、ガス流をさらに制限し、ウェハー上での十分な解離を確実にするためにガスをウェハーの中心に多くの時間留めることを必要としてもよい。このような適用の有益な実施形態を図３に例示する。３ｘｘの順番で示していることを除いて、図２の要素と同様である図３の要素は同様の参照番号を付している。図３および図３の付記において示すように、この実施形態のバッフル３７２は、垂直方向の環状延在部３７３を有する円盤形状で作製され、全体は円筒形の形状である。垂直方向の延在部と基板との間に間隙３７４が形成され、その間隙を通して、ガスは、側方、すなわち、基板の周囲を超えてチャンバの領域に流れることができる。間隙３７４のサイズにより、基板の上のガスの流量、およびプラズマにより解離されるようにガスが基板の上に留まる時間が決定される。

図３に示した実施形態において、環状開口部の直径ｄは、基板の直径と等しくなるように、または基板の直径より大きくもしくは小さくなるようにサイズ合わせされてもよい。開口部の直径は所望の流れの制限に応じて設定されてもよい。また、垂直方向の環状延在部は円盤に対して直角になるように設定され、環状延在部３７３の開口部の直径は環３７２自体の開口部における直径と同じである。

他方で、環から基板の方向へのガスの排出を制限することが望まれることもあるが、一旦、ガスが基板の方向へ流れると、チャンバの周囲の方向へ水平方向に流れを増加させることが望まれることもある。このような状況についての有益な配置を図４に例示する。図４において、バッフル４７５は、円錐形の延在部４７６を有する環から構成される。円錐形の延在部４７６は、上側の開口直径ｄを有し、それは下側の開口直径ｄ’より小さく、下側の開口部は基板に近接している。下側の開口部は間隙４７７を画定するように位置し、その間隙を通して、ガスがチャンバの壁の方向へ水平に流れる。円錐形の側壁は環に対して角度φで形成され、その角度φは９０度未満である。

上述の実施形態のいずれかにおいて、一部のガスがバッフルの中心開口部に到達する前に、それらのガスを流れ出させることが望まれる場合もある。図５は、図２の実施形態をいくらか修飾した実施形態を例示する。図５に示したように、バッフル５７８は、中心開口部を有する円盤形状であり、図２のバッフル２７２といくらか類似している。中心開口部は図２のものと同じまたは異なる直径であってもよい。加えて、一部のガスを中心開口部に到達する前に逃がすことができるように、補助的または二次的開口部５８９が中心開口部の周囲に設けられる。その二次的開口部は中心の開口部より小さい直径であってもよい。補助的開口部は上述の実施形態のいずれかに適用されてもよく、中心開口部の周囲に均一に分配されてもよい。例えば、図５の２つ目の付記は、一部のガスが中心開口部に到達し、延在部に流れる前に流れ出ることを確実にするように、補助的開口部が延在部の周囲に加えられていることを除いて、図３に示したものと類似した修飾されたバッフル５８０を例示する。

上記に開示した実施形態において、バッフルは処理ガスの流れを制御するように使用される。加えて、バッフルはプラズマを受動的に制御するように使用されてもよい。通常、プラズマは、バッフル上の穴を通してチャンバの下側部分まで拡散できる。この穴が大きければ大きいほど、プラズマ密度は高くなる。穴の数および位置を変化させることによって、チャンバ内のプラズマ密度分布も変化されてもよい。バッフルはまた、プラズマを能動的に制御するように使用されてもよい。そのような例を図６に例示する。

図６の実施形態において、バッフル６８０は、プラズマを能動的に制御するように使用される。例示したように、二次アンテナ６８２がバッフル６８０内に埋め込まれる。二次アンテナはコイル形状であってもよい。付記に示した例において、アンテナは単一のループ（破線で示した）の形態であるが、他の設計が利用されてもよい。二次アンテナは、主アンテナと同じ電源６４５を用いて電圧を印加されてもよい（破線の矢印で例示した）か、または異なるＲＦ電力供給装置６４７から電圧を印加されてもよい。使用される電源に関わらず、二次アンテナ６８２に印加される電力の大きさは、主アンテナ６４０に印加される電力と独立して制御されてもよい。

一実施形態によれば、バッフル６８０は誘電材料から作製され、コイルは誘電体内に埋め込まれる。例えば、バッフル６８０は、セラミック内に埋め込まれた金属性コイルを有する焼結セラミック材料により作製されてもよい。このように、二次コイルからの電力が、バッフルの上のプラズマおよびバッフルの下のプラズマに印加される。他方で、別の実施形態によれば、バッフル６８０は、一側で誘電体から作製され、他側で導体から作製され、ＲＦ電力がバッフルの片側にのみ印加される。例えば、バッフル６８０の上部は導体材料から作製され、二次コイル６８２からのＲＦ電力はバッフルの下のプラズマにのみ印加される。このような構成を図６の２つ目の付記に例示し、ここで、コイル６８２はセラミック円盤６８５内に埋め込まれ、コイルからのＲＦエネルギーはバッフルの下のプラズマに印加され得るが、導体円盤６８３がセラミック円盤６８５の上部に設けられ、コイル６８２からのエネルギーはバッフルの上のプラズマに印加され得ない。加えて、このような構成において、バッフルはまた、主アンテナ６４０からのＲＦ電力がバッフル６８０の下のプラズマに印加されることを防ぐ。したがって、主アンテナ６４０に対するＲＦ電力はバッフル６８０の上のプラズマを制御するように調整され得（例えば周波数、電力など）、一方、二次アンテナ６８０に対するＲＦ電力はバッフルの下のプラズマを制御するように調整され得る。

上記の実施形態のいずれかは、可動式のバッフルを作製することによりさらに修飾されてもよい。そのような構成を図６に概略的に例示する。図６において、ステップモータ６９０が、例えばラックおよびピニオンの配置によりバッフル６８０に接続されているので、ステップモータ６９０は、バッフル６８０を上下させるようにそのバッフルを垂直方向に動かすために電圧を供給できので、バッフル６８０と基板６２０との間の間隙が変化され得る。

本明細書に記載されるプロセスおよび技術は、任意の特定の装置のみに関連されるのではなく、構成要素のいずれかの適切な組み合わせにより実施されてもよいことは理解されるべきである。さらに、種々の種類の汎用装置が、本明細書に記載される技術に従って使用されてもよい。本発明は特定の例に関して記載しており、それらは限定するというより全て例示のためであることを意図する。当業者は、本発明を実施するのに好適な多くの異なる組み合わせを理解するだろう。

さらに、本発明の他の実施は、本明細書に開示される本発明を考慮して、および本発明を実施して、当業者に明らかとなるだろう。開示されている実施形態の種々の態様および／または構成要素は単独または任意の組み合わせで使用されてもよい。明細書および実施形態は例示のみと考慮され、本発明の正確な範囲および趣旨は添付の特許請求の範囲により示される。

Claims (19)

1. 誘電体窓を形成する天盤を有するエンクロージャと、
   前記誘電体窓の下のエンクロージャ内に配置される基板支持体と、
   前記エンクロージャ内にＲＦ電力を印加するために前記誘電体窓の上に配置されるＲＦ電力アプリケータと、
   前記エンクロージャ内にプラズマガスを供給するためのプラズマガス注入装置と、
   プラズマガスの流れを制限するために、前記エンクロージャ内に配置され、前記基板支持体の上であるが、前記プラズマガス注入装置の下に配置されるバッフルと、
   を備え、
   前記バッフルは、前記バッフルの中に埋め込まれるＲＦアンテナを備える、
   プラズマ反応器。
2. 前記プラズマガス注入装置は、前記エンクロージャの周囲に均一に分配される複数のノズルを備え、前記バッフルは、前記エンクロージャの中央の方向へ流れを方向付けるように、プラズマガスの流れを制限する、請求項１に記載のプラズマ反応器。
3. 前記バッフルは、中央開口部を有する円盤を備える、請求項２に記載のプラズマ反応器。
4. 前記バッフルは、前記中央開口部から延在する垂直方向の延在部をさらに備える、請求項３に記載のプラズマ反応器。
5. 前記延在部は円錐形の部分を含む、請求項４に記載のプラズマ反応器。
6. 前記バッフルは誘電材料を含む、請求項１に記載のプラズマ反応器。
7. 前記誘電材料はセラミックおよび石英から選択される、請求項６に記載のプラズマ反応器。
8. 前記バッフルは、前記中央開口部の周囲に均一に分配される二次的開口部をさらに備える、請求項３に記載のプラズマ反応器。
9. 前記バッフルは導体材料を含む、請求項１に記載のプラズマ反応器。
10. 前記バッフルは垂直方向に移動可能である、請求項１に記載のプラズマ反応器。
11. 前記プラズマガス注入装置は、前記天盤の中央に設けられる中央ノズルをさらに備える、請求項２に記載のプラズマ反応器。
12. 前記バッフルは、その中に埋め込まれるＲＦアンテナを有する誘電性円盤と、前記バッフルを通すＲＦ放射を遮断するように前記バッフルの片側に設けられた導体円盤とを備える、請求項１に記載のプラズマ反応器。
13. 円筒形の側壁と天盤とを有するエンクロージャであって、前記天盤の少なくとも一部は誘電体窓を形成する、エンクロージャと、
    前記誘電体窓の下の前記エンクロージャ内に配置され、基板を支持する基板支持体と、
    前記誘電体窓を通して、前記エンクロージャ内にＲＦ電力を印加するために前記誘電体窓の上に配置されるＲＦ電力アプリケータと、
    処理ガスを前記エンクロージャ内に供給するための前記基板支持体の上に均一に分配される複数のガス注入装置と、
    処理ガスの流れを制限するように、前記エンクロージャ内に配置され、前記基板支持体の上であるが、前記複数のガス注入装置の下に配置される円形バッフルと、
    を備え、
    前記バッフルは、前記バッフルの中に埋め込まれるＲＦアンテナを備える、
    プラズマ反応器。
14. 前記バッフルは、陽極酸化アルミニウム、セラミック、または石英の１つを含む、請求項１３に記載のプラズマ反応器。
15. 前記バッフルは、中央開口部と、前記基板支持体の方向に対して前記開口部から下方に延在する延在部とを有する平らな円盤を備え、前記バッフルと前記基板との間に間隙を形成する、請求項１３に記載のプラズマ反応器。
16. 前記延在部は、円筒形部分または円錐形部分の１つを含む、請求項１５に記載のプラズマ反応器。
17. 前記間隙は可変である、請求項１５に記載のプラズマ反応器。
18. プラズマ反応器内に配置される基板支持体に基板を配置する工程であって、前記プラズマ反応器は、円筒形の側壁と、天盤とを有するエンクロージャを備え、前記天盤の少なくとも一部は誘電体窓を形成し、ＲＦ電力アプリケータが、前記誘電体窓を通して前記エンクロージャ内にＲＦ電力を印加するために前記誘電体窓の上に配置され、複数のガス注入装置が前記基板の上に均一に分配される、工程と、
    前記基板の上に間隙を形成するように、前記基板支持体の上であるが、前記複数のガス注入装置の下であるように、内部にＲＦアンテナが埋め込まれる円形のバッフルを前記エンクロージャ内に配置する工程と、
    前記注入装置に処理ガスを供給する工程と、
    前記ＲＦ電力アプリケータにＲＦ電力を印加する工程と、
    を含む、半導体基板を製造する方法。
19. 前記間隙を変化させる工程をさらに含む、請求項１８に記載の方法。