JP7264576B2 - 製造プロセスにおける超局所化及びプラズマ均一性制御 - Google Patents

Description

本発明は、製造プロセスにおける超局所化及びプラズマ均一性制御に関する。

パターン転写中のフィルムエッチングプロセスを含む、半導体ウェーハダイ製造プロセスには、ウェーハダイの歩留まり、生産性、信頼性及びコストに影響を及ぼす多くの課題が課せられる場合がある。このような課題は、パターンがより小さくなり、許容差がより制約されるにつれてより顕在化する場合がある。このような許容差は、エッチングパターンのラインの均一性（例えば、幅、深さ、直線性）及び限界寸法（ＣＤ）に関する場合がある。プラズマ製造プロセスでは、全体的なプラズマ非均一性のために問題が生じる場合がある。ウェーハ端における物質的／電気的不連続性のため、端よりもウェーハダイの中央の方に、更なるプラズマ均一性が存在し得る。一実施例として、ウェーハダイの端付近の領域は、ウェーハダイの中央におけるラジカル種及び荷電種のフラックスとは大きく異なるそれらの種のフラックスを有する場合がある。これは、ウェーハ基板の端が、不連続な電気的境界及び材料境界を示すためである。

第１の例示的な実施形態では、プラズマ処理システム内にプラズマを生成するための装置は、複数の構造体のアレイを備える。各構造体は、誘導（Ｌ）要素及び容量（Ｃ）要素を含む。電源はアレイに結合される。誘導要素及び容量要素は、共振回路を形成する。電源は、複数の構造体のうちの１つ以上の構造体の共振周波数で又はその近傍で共振回路に給電するように構成される。

第１の例示的な実施形態の一態様では、電源は構造体に容量結合される。

第１の例示的な実施形態の別の態様では、構造体のそれぞれは、ｋの自由空間波長よりも小さいサイズを有する。

第１の例示的な実施形態の更に別の態様では、アレイの各構造体の誘導要素及び容量要素は同一の寸法を有する。

第１の例示的な実施形態の更に別の態様では、アレイの１つ以上の構造体の誘導要素及び容量要素は異なる寸法を有する。

第１の例示的な実施形態の更に別の態様では、構造体のアレイはセラミック内に封止される。

第１の例示的な実施形態の更に別の態様では、セラミックはアルミナである。

第１の例示的な実施形態の更に別の態様では、装置は、アレイに対向して、又はアレイに隣接して配置された基板チャックを更に備える。

第１の例示的な実施形態の更に別の態様では、装置は、装置内に配置された基板チャックを更に、基板チャックの周辺に配置される。

第１の例示的な実施形態の更に別の態様では、共振周波数は約２～８ＧＨｚである。

第１の例示的な実施形態の更に別の態様では、共振周波数は約１００ＭＨｚ～１５ＧＨｚである。

第１の例示的な実施形態の更に別の態様では、共振周波数は、容量要素及び誘導要素の配列又は寸法によって決定される。

第１の例示的な実施形態の更に別の態様では、容量（Ｃ）要素及び誘導（Ｌ）要素は約４ｍｍ～８ｍｍの幅である。

第１の例示的な実施形態の更に別の態様では、構造体のそれぞれは約１０ｍｍで互いに離間される。

第１の例示的な実施形態の更に別の態様では、装置は、構造体のそれぞれに含まれる局所ガス源を更に備え、ガスは、局所ガス源のそれぞれにおいて導入され、各構造体のそれぞれによって励起される。

第１の例示的な実施形態の更に別の態様では、局所ガス源のそれぞれは、構造体内での不意の点火を防止するガードを含む。

第１の例示的な実施形態の更に別の態様では、装置は、電源と構造体との間に配置された電力分配要素を更に備え、電力分配要素は、構造体に印加される電力又は周波数を構造体のアレイ内で変化させるように構成される。

第１の例示的な実施形態の更に別の態様では、電力分配要素は、少なくとも１つの構造体に電気的に結合された少なくとも１つのトランジスタを含む。

第２の例示的な実施形態では、プラズマプロセスの方法は、１つ以上のプロセスガスをプラズマ室に提供することであって、プラズマ室が、プラズマ室内に配置された構造体のアレイを含み、各構造体が、共振回路を形成する容量（Ｃ）要素及び誘導（Ｌ）要素を含む、提供することと、電源から構造体のアレイに振動電流を提供することであって、振動電流の提供が、共振周波数において容量（Ｃ）要素を荷電して容量要素（Ｃ）に近接した電場を生じさせ、電場が、誘導（Ｌ）要素に近接した磁場を誘起する、提供することと、構造体に関連した電場又は磁場に近接した１つ以上のプロセスガス内でプラズマ相を点弧することと、を含む。

第２の例示的な実施形態の一態様では、振動電流を提供することは、構造体のそれぞれの互いからの位置を決定する電流波を含む。

第２の例示的な実施形態の別の態様では、共振周波数は、構造体の１つ以上の寸法に少なくとも部分的に基づいている。

第２の例示的な実施形態の更に別の態様では、構造体のアレイは、構造体のそれぞれについて同程度の機械的寸法を有する。

第２の例示的な実施形態の更に別の態様では、構造体のアレイは、アレイ内の他の構造体とは異なる機械的寸法を有する少なくとも１つの構造体を含む。

添付図面を参照して詳細な説明を記載する。各図面では、参照番号の左端の（複数の）桁が、その参照番号が最初に現れる図面を識別する。同様の特徴及び構成要素を参照するために、同一の番号が図面全体を通じて用いられる。

本明細書の実施形態にしたがって記載される容量結合プラズマ（ＣＣＰ）処理システムの例示的な概略構成を示す断面図である。 局所化プラズマ源又は共振構造体／素子の例示的な概略構成である。 ガス吸気口及びガードを備えた局所化プラズマ源又は素子の例示的な概略構成である。 局所化プラズマ源又は素子のアレイの例示的な概略構成である。 超局所化プラズマ源及び均一性制御を実装する例示的なプロセスを示す。

ウェーハ製造プロセス中の高密度プラズマ源の局所化のためのアーキテクチャ、プラットフォーム及び方法が本明細書に記載される。このような局所的高密度プラズマ源は、主プラズマ源に対する予備であってもよい。特定の実装は、制御された局所化プラズマ源のアレイを含むことができる。例えば、アレイのプラズマ源もしくは素子のグループをユニットとして制御することができ、又は個々のプラズマ源もしくは素子を制御可能とすることができる。アレイプラズマ源又は素子のグループを単一のユニットとして制御するとき、アレイに割り当てられた全電力がプラズマ源又は素子の間で制御可能なように分けられることを保証するため、一定の相対電力がアレイプラズマ源又は素子に伝達される。プラズマ源のアレイは、リアクタ表面の限られた部分を覆ってそれらの近傍のプラズマ密度を局所的に制御してもよく、又は処理されているウェーハに対面する上面全体などの相当の領域を覆ってもよい。

図１は、本明細書の実施形態にしたがった容量結合プラズマ（ＣＣＰ）処理装置又はプラズマ処理システム１００の実施例の概略断面図を示す。ラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ）及び誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）処理システムなどの他の処理システムを実装できることが理解されるべきである。特定の実施態様では、プラズマ処理システム１００は、ウェーハ製造プロセスのために用いられる。ある実施態様では、装置は、プラズマを生成するとみなされ、プラズマ処理システム１００の一部である。予備の局所化プラズマ源及び分散された局所化プラズマ源を備えた主プラズマ源を用いる実施態様及び変形例が本明細書に記載される。このようなプラズマ源は、ウェーハ製造プロセス中にガスを励起及び分離し、プラズマによって形成されるシースによってウェーハの方に加速されるイオンを生じさせるために用いられる。このような局所化プラズマ源のアレイは、主プラズマ源又は単独のプラズマ源を構成することもできる。このような構造体のアレイは、装置の一部であってもよく、又は装置に含まれてもよい。

プラズマ処理システム１００は、アッシング、エッチング、堆積、クリーニング、プラズマ重合、プラズマ強化型化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、プラズマ強化型原子層堆積（ＰＥＡＬＤ）などを含む複数のオペレーションのために用いられてもよい。プラズマ処理は、プラズマ処理室１０２内で実行することができる。このプラズマ処理室は、アルミニウム又はステンレス鋼などの金属によって作製された真空室とすることができる。プラズマ処理室１０２は、（複数の）グラウンド１０４などに接地される。プラズマ処理室１０２は、プラズマ生成のためのプロセス空間ＰＳ１０６を提供する処理容器を画定する。プラズマ処理室１０２の内壁は、アルミナ、イットリア又は他の保護剤で被覆することができる。プラズマ処理室１０２は、円筒の形にすることができ、又は他の幾何学的構成を有することができる。

プラズマ処理室１０２内の下部の中央領域において、基板保持器又はサセプタ１０８（ディスク形とすることができる）は、例えば、処理されるべき基板Ｗ１１０（半導体ウェーハなど）を上部に装着可能であるマウントテーブルとして機能することができる。基板Ｗ１１０は、ロード／アンロードポート１１２及びゲートバルブ１１４を通してプラズマ処理室１０２内に移動させることができる。サセプタ１０８は、上部に基板Ｗ１１０を装着するためのマウントテーブルとして作用する第２の電極の実施例としての下部電極１１６（下部電極アセンブリ）の一部を形成する。具体的には、サセプタ１０８は、サセプタ支持体１１８上に支持される。この支持体は、実質的に、絶縁板１２０を介してプラズマ処理室１０２の底の中央に設けられる。サセプタ支持体１１８は、円筒とすることができる。サセプタ１０８は、例えば、アルミニウム合金によって形成することができる。サセプタ１０８の上には、基板Ｗ１１０を保持するための静電チャック１２２が（下部電極アセンブリ１１６の一部として）設けられる。静電チャック１２２は、基板チャックとみなされてもよい。静電チャック１２２には、電極１２４が設けられる。電極１２４は、ＤＣ電力源１２６（直流電力源）に電気的に接続される。静電チャック１２２は、ＤＣ電力源１２６からの直流電圧が電極１２４に印加されるときに生成される静電力を介して基板Ｗ１１０を引き付ける。

サセプタ１０８は、整合ユニット１３２を介して高周波電力源１３０と電気的に接続することができる。この高周波電力源１３０（第２の電力源）は、例えば、４ＭＨｚ～１２ＭＨｚの範囲の高周波電圧を出力することができる。高周波バイアス電力を印加することにより、プラズマ処理室１０２内に生成されたプラズマ中のイオンが基板Ｗ１１０に引き付けられる。フォーカスリング１３４は、静電チャック１２２を囲むようにサセプタ１０８の上面に設けられる。

ある実施態様では、局所化プラズマ源について、後述するように、高周波電圧を、ＶＨＦバンド（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）、ＵＨＦバンド（３００ＭＨｚ～１ＧＨｚ）、Ｌバンド（１～２ＧＨｚ）、Ｓバンド（２ＧＨｚ～４ＧＨｚ）、又はＣバンド（４ＧＨｚ～８ＧＨｚ）もしくはＸバンド（８ＧＨｚ～１２ＧＨｚ）で提供することができる。局所化プラズマ源に対する高周波電圧は、ＲＦ又はマイクロ波電力（図示せず）によってプラズマ処理室１０２に提供することができる。

内壁部材１３６が、静電チャック１２２及びサセプタ支持体１１８の外周側に取り付けられる。この内壁部材は、円筒とすることができ、例えば、水晶によって形成することができる。サセプタ支持体１１８は、冷媒流路１３８を含む。冷媒流路１３８は、プラズマ処理室１０２の外側に装備された冷却ユニット（図示せず）と連通する。冷媒流路１３８には、対応するラインを通って循環している冷媒（冷却液又は冷却水）が供給される。したがって、サセプタ１０８の上又は上方に装着された基板Ｗ１１０の温度を正確に制御することができる。サセプタ１０８及びサセプタ支持体１１８を通過するガス供給ライン１４０は、静電チャック１２２の上面に熱伝導ガスを供給するように構成される。ヘリウム（Ｈｅ）などの熱伝導ガス（裏面ガスとしても知られる）を基板Ｗ１１０と静電チャック１２２との間にガス供給ライン１４０を介して供給して、基板Ｗ１１０の加熱を補助することができる。

内壁部材１３６の外周及びプラズマ処理室１０２の内部側壁面に沿って排気経路１４２を形成することができる。排気経路１４２の底部には排気口１４４（又は複数の排気口）が設けられる。ガス排気ユニット１４６が、ガス排気ライン１４８を介して各排気口に接続される。ガス排気ユニット１４６は、所望の真空状態までプラズマ処理室１０２内のプラズマ処理空間の圧力を下げるように構成されたターボ分子ポンプなどの真空ポンプを含むことができる。ガス排気ユニット１４６は、プラズマ処理室１０２の内部を排気することにより、その内圧を所望の真空度に達するまで減圧させる。

上部電極１５０（すなわち上部電極アセンブリ）は、第１の電極の実施例であり、下部電極１１６の垂直上方に位置付けられて、下部電極１１６に平行に対面する。第１のプラズマ源について、プラズマ生成空間又は処理空間ＰＳ１０６が、下部電極１１６と上部電極１５０との間に画定される。上部電極１５０は、ディスク形を有する内側上部電極１５２、及び外側上部電極１５４を含む。この外側上部電極は、環状とすることができ、内側上部電極１５２の周囲を囲むことができる。内側上部電極１５２は、下部電極１１６上に装着された基板Ｗ１１０の上方のプロセス空間ＰＳ１０６内に特定量の処理ガスを噴射するための処理ガス吸気口としても機能する。

より詳しくは、内側上部電極１５２は、ガス噴射開口１５８を有する電極板１５６（通常、円形である）を含む。内側上部電極１５２は、電極板１５６の上側を着脱可能に支持する電極支持体１６０をも含む。電極支持体１６０は、（電極板１５６が円形として具現化されたとき）電極板１５６と実質的に同一の直径を有するディスクの形で形成することができる。代替の実施形態では、電極板１５６は、正方形、長方形、多角形などとすることができる。電極板１５６は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ドープされたＳｉ、アルミニウムなどの、導体又は半導体材料によって形成することができる。電極板１５６は、上部電極１５０と一体化させることができ、又は表面浸食後に所与の板を交換しやすくするために電極支持体１６０によって着脱可能に支持することができる。上部電極１５０は、電極板１５６の温度を制御するための冷却板又は冷却機構（図示せず）をも含むことができる。

電極支持体１６０は、例えば、アルミニウムによって形成することができ、バッファ室１６２を含むことができる。バッファ室１６２は、プロセスガスを拡散するために用いられ、ディスク形の空間を画定することができる。プロセスガス供給システム１６４からの処理ガスは、上部電極１５０にガスを供給する。プロセスガス供給システム１６４は、膜形成、エッチングなどの特定のプロセスを実行するための処理ガスを基板Ｗ１１０上に供給するように構成することができる。プロセスガス供給システム１６４は、処理ガス供給経路を形成するガス供給ライン１６６と接続される。ガス供給ライン１６６は、内側上部電極１５２のバッファ室１６２に接続される。処理ガスは、次いで、バッファ室１６２から、内側上部電極の下面にあるガス噴射開口１５８に移動することができる。バッファ室１６２内に導入される処理ガスの流量は、例えば、マスフローコントローラを用いることによって調整することができる。更に、導入された処理ガスは、電極板１５６（シャワーヘッド電極）のガス噴射開口１５８からプロセス空間ＰＳ１０６まで一様に排出される。内側上部電極１５２は、次いで、シャワーヘッド電極アセンブリを提供するように部分的に機能する。局所化プラズマ源について、個別のガス排気穴が、素子のアレイの局所化プラズマ源又は素子に対して局所的であってもよい。ある実施形態では、アレイは、静電又は基板チャック１２２の周辺に配置される。

内側上部電極１５２と外側上部電極１５４との間には、リング形を有する誘電体１６８を挿入することができる。外側上部電極１５４とプラズマ処理室１０２の内周壁との間には、絶縁体１７０が気密的に挿入される。この絶縁体は、リング形を有し、例えば、アルミナによって形成されているシールド部材とすることができる。

実施態様では、外側上部電極１５４は、給電部１７４、上部給電棒１７６及び整合ユニット１７８を介して高周波電力源１７２（第１の高周波電力源）と電気的に接続される。高周波電力源１７２は、１３ＭＨｚ（メガヘルツ）の、もしくはより高い（例えば６０ＭＨｚ）周波数を有する高周波電圧を出力することができ、又は３０～３００ＭＨｚの周波数を有する超短波（ＶＨＦ）電圧を出力することができる。この電力源１７２は、バイアス電源と比較してメイン電源と称することができる。給電部１７４は、例えば、開いた下面を有する実質的に円筒の形に形成することができる。給電部１７４は、その下端部において外側上部電極１５４に接続することができる。給電部１７４は、その上面の中央部において上部給電棒１７６の下端部と電気的に接続される。上部給電棒１７６は、その上端部において整合ユニット１７８の出力側に接続される。整合ユニット１７８は、高周波電力源１７２に接続され、負荷インピーダンスを高周波電力源１７２の内部インピーダンスと整合させることができる。しかしながら、外側上部電極１５４は省略可能であり、実施形態は単一の上部電極によって機能できることに注意されたい。

給電部１７４は、直径がプラズマ処理室１０２の直径と実質的に同一である側壁を有する円筒とすることができる。グラウンド導体１８０は、その下端部においてプラズマ処理室１０２の側壁の上部に接続される。上部給電棒１７６は、グラウンド導体１８０の上面の中央部を通過する。絶縁部材１８２は、グラウンド導体１８０と上部給電棒１７６との間の接触部に挿入される。

電極支持体１６０は、その上面上で下部給電棒１８４と電気的に接続される。下部給電棒１８４は、コネクタを介して上部給電棒１７６に接続される。上部給電棒１７６及び下部給電棒１８４は、高周波電力源１７２から上部電極１５０に高周波電力を供給するための給電棒を形成する。下部給電棒１８４には可変コンデンサ１８６が設けられる。可変コンデンサ１８６の容量を調整することにより、高周波電力が高周波電力源１６０から印加されるとき、外側上部電極１５４の直下に形成される電界強度と内側上部電極１７２の直下に形成される電界強度との相対比を調整することができる。上部電極１５０の内側上部電極１５２は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１８８と電気的に接続される。ＬＰＦ１８８は、高周波電力源１３０からの低周波をグラウンドに通しつつ高周波電力源１７２からの高周波を遮断する。システムの下部であるサセプタ１０８は、下部電極１２０の一部を形成し、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１９０と電気的に接続される。ＨＰＦ１９０は、高周波電力源１７２からの高周波をグラウンドに通す。

プラズマ処理システム１００の構成要素は、制御ユニット１９２に接続することができ、この制御ユニットによって制御することができる。この制御ユニットは、対応する記憶ユニット１９４及びユーザインタフェース１９６に接続することができる。様々なプラズマ処理オペレーションをユーザインタフェース１９６を介して実行することができ、様々なプラズマ処理法及びオペレーションを記憶ユニット１９４内に記憶させることができる。したがって、所与の基板を、様々な微細加工技術によってプラズマ処理室内で処理することができる。オペレーションの際、プラズマ処理装置は、上部電極及び下部電極を用いて、処理空間ＰＳ１０６内にプラズマを生成する。この生成されたプラズマは、次いで、対象基板（基板Ｗ１１０又は処理されるべき任意の材料など）を、プラズマエッチング、化学気相堆積、ガラス材料の処置、並びに薄膜太陽電池、他の光電池、及びフラットパネルディスプレイのための有機板／無機板などの大パネルの処置などの様々な種類の処置において処理するために用いることができる。

制御ユニット１９２は、１つ以上のプロセッサ、マイクロコンピュータ、コンピューティングユニットなどを含んでもよい。記憶ユニット１９４は、メモリを含んでもよく、本明細書に記載された様々な機能を実行するために制御ユニット１９２によって実行される命令を記憶するための非一時的コンピュータ可読記憶媒体の実施例である。例えば、記憶ユニット１９４は、一般に、揮発性メモリと不揮発性メモリとの両方（例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭなど）を含んでもよい。メモリは、本明細書ではメモリ又はコンピュータ可読記憶媒体と称される場合がある。メモリは、本明細書の実施態様に記載された動作及び機能を実施するために構成された特定の機械としての制御ユニット１９０によって実行され得るコンピュータプログラムコードとして、コンピュータ可読の、プロセッサ実行可能なプログラム命令を記憶することができる。

メモリは、１つ以上のアプリケーション（図示せず）を更に記憶してもよい。アプリケーションは、予め構成された／インストールされたアプリケーション及びダウンロード可能なアプリケーションを含んでもよい。

ある実施態様では、ウェーハ製造プロセスにおける均一性に対処するために局所化（超局所化）プラズマ源１９８が設置される。このような局所化プラズマ源１９８は、基板Ｗ１１０の端の方に置くことができる。特に、局所化プラズマ源１９８、又はこのような構造体のアレイは、プラズマ処理システム又は装置１００のウェーハダイプラットフォームの端に設置される。例えば、局所化プラズマ源１９８、又はこのような構造体のアレイは、ウェーハＷ１１０の端の上方のナローギャップリアクタ内にこのような局所化プラズマ源１９８を設置することにより、プラズマの最端に影響し得る。ある実施態様では、放射状に放射している、プラズマ源１９８の線形又は円周アレイを用いて、空間的に制御可能なプラズマをウェーハＷ１１０全体にわたって発生させることができる。

図２は、局所化プラズマ源又は共振素子１９８の実施例を示す。更に後述するように、プラズマ源又は素子１９８は、プラズマ源又は共振素子のアレイの一部とすることができる。プラズマ源又は素子１９８は、ＲＦもしくはマイクロ波電力又は電流源２００によって駆動される共振構造体とみなすことができる。電力源２００は、共振素子１９８に直接結合されてもよく、又はアンテナ２０２を通じて間接的に結合されてもよい。ある実施態様では、共振素子又は構造体１９８は、電力又は電流源２０００に容量結合される。電力又は電流源２００は、単一の発電装置であってもよい。ある実施形態では、共振素子１９８は、四極対称性を有する。この実施例では、各共振素子１９８を励起しているアンテナ２０２の部分は、整合した四極対称性をも有する。アンテナ２０２は、アンテナのアレイであってもよい。アンテナ又はアンテナのアレイは、連続波（ＣＷ）又はパルス方式のいずれかで動作することができる。パルス方式は、より高いピーク電力を許容することができる。

共振構造体のアレイの一部としてのプラズマ源又は共振素子１９８は、ＶＨＦ（３０～３００ＭＨｚ）、ＵＨＦバンド（３００ＭＨｚ～１ＧＨｚ）、Ｌバンド（１～２ＧＨｚ）、Ｓバンド（２～４ＧＨｚ）、Ｃバンド（４ＧＨｚ～８ＧＨｚ）、Ｘバンド（８ＧＨｚ～１２ＧＨｚ）の電力又は電流源２００によって駆動されてもよい。特に、対象の無線周波数（ＲＦ）は、プラズマ源又は共振素子１９８を荷電し、対象の周波数は、個々の素子の共振周波数によって決定される。この共振周波数は、それらの素子の形状及びそれらの素子を囲む誘電体媒質に依存する。

図２に示した実施態様では、電流源２００は、矩形断面２０４ａ及び２０４ｂを有するレールとしてこの実施態様に示した平行導体に沿って伝達する。この対のレール２０４ａ及びレール２０４ｂは、横電磁（ＴＥＭ）伝送ラインを形成する。ＴＥＭレール２０４ａ及び２０４ｂ内のそれぞれの電流の流れは、矢２０６ａ及び２０６ｂによって表される。

分かりやすくするため、プラズマ源又は共振素子１９８の部分的に示された図を図２の下部に示す。可読性を向上させるために構造体の背面部のみを示す。この実施例では、部分的に示された共振素子１９８は２つのミラー対称面を有するが、他の非対称構成が実装されてもよい。プラズマ源又は素子１９８は、対の磁気結合コイル２０８ａ及び２０８ｂを含む。これらのコイルは、ＴＥＭレール２０４ａ及び２０４ｂによって共振素子１９８をメイン伝送ラインに結合させる。磁気結合コイル２０８ａ及び２０８ｂのそれぞれは、上板２１０ａ及び２１０ｂ、並びに下板２１１ａ及び２１１ｂによって表される対の容量要素で終了する。したがって、各容量素子は、それぞれ、上板２１０ａ及び２１０ｂ、並びに下板２１１ａ及び２１１ｂを含む。この実施例では、２つの容量素子の下板２１１は、それぞれ、誘導要素として作用し、２１２ａ及び２１２ｂとして表される２つの半円ループのそれぞれの一端に接続される。したがって、それらは、２つの誘導ループである。各誘導ループは、全部で２つの端又は４つの端を有する。これら４つの端は、４つの容量素子２１０及び２１１に接続される。

容量素子２１０及び２１１、並びにそれらの対応する誘導要素２１２ａ及び２１２ｂは、ＬＣ回路を形成する。このような共振回路では、蓄積されたエネルギーが、共振周波数においてキャパシタとインダクタとの間で交換される。ある実施態様では、１つのアレイのうちの誘導要素２１２ａ及び誘導要素２１２ｂ、並びに、容量要素２１０及び容量要素２１１は、同一の寸法を有する。ある実施態様では、１つのアレイのうちの誘導要素２１２ａ及び誘導要素２１２ｂ、並びに、容量要素２１０及び容量要素２１１は、異なる寸法を有する。共振素子１９８は、誘導素子２１２ａ及び２１２ｂによって発生した変動磁場が処理領域ＰＳ１０６内に達するように設置される。ファラデーの法則による変動磁場は、変動電場を誘起し、この変動電場はプラズマ内の電子に力を結合させ、それにより、プラズマを生じさせ、持続させることを可能にする。共振構造体の幾何学的サイズは、共振周波数における電磁放射の自由空間波長に等しくてもよく、又はそれより非常に小さくてもよい。誘導素子２１２ａ及び２１２ｂによって形成された下部ループが、付近のプラズマと固体表面との間の界面によって形成された面に平行である面内にある場合、誘起された電界はプラズマ界面に平行であり、したがって、その振幅はプラズマ界面において連続的であり、プラズマ内に侵入することが可能である。

図２に示した実施形態では、電磁力は、上部誘導ループ２０８を通じて共振構造体に誘導的に結合される。しかしながら、電磁力はまた、４つの容量素子２１０ａ、２１０ｂ、２１１ａ及び２１１ｂに直接、容量結合されてもよい。電磁力はまた、容量方式と誘導方式との組み合わせで結合されてもよい。共振素子１９８が四極対称性又は鏡面対称性を有することは必然ではない。

共振構造体１９８は、駆動周波数が他の（複数の）共振構造体１９８の共振周波数に近くなるように駆動することができる。プラズマの存在下では、共振構造体１９８の共振周波数は、元の共振周波数から逸脱し得る。元の共振周波数において電力が継続的に伝達される場合、より少ない電力がプラズマ源又は共振構造体１９８に伝達される。プラズマ密度は無線周波数（ＲＦ）電力に通常は比例するため、素子（すなわち、プラズマ源又は共振構造体１９８）に対する電力が減少すると、結果として、その素子（すなわち、プラズマ源又は共振構造体１９８）によって持続させる密度が減少し得る。プラズマ源又は共振構造体１９８のアレイでは、これにより、プラズマ密度に対する負帰還が確保される。それにより、プラズマ源又は共振構造体１９８のうちの１つがアレイ内の共振構造体又はプラズマ源１９８にわたって支配的にならないようにする。これにより、全ての構造体もしくはプラズマ源１９８又はアレイが作動し、ほぼ同一の電力を各構造体又はプラズマ源１９８に伝達させることが確保される。しかしながら、他の実施形態では、電力分配要素を電源と構造体との間に配置して、構造体のうちの１つ以上に対する電力及び／又は周波数を変化させてもよい。例えば、電力分配要素は、電源によって提供される電力信号の電力及び／又は周波数を変えるように配列された１つ以上のトランジスタを含んでもよい。

共振構造体１９８のサイズは、その共振周波数に影響を及ぼし得る。より小さい構造体は、より高い共振周波数を有する。低周波数端において、共振構造１９８のサイズは、通常は３００ｍｍのウェーハ寸法の何倍かであるリアクタの幾何学的サイズによって制限される。２００ｍｍの範囲を有する共振構造体は、アルミナ内に埋め込まれると５５ＭＨｚの共振周波数を有する。比較として、５５ＭＨｚの半分の自由空間波長は２７２７ｍｍである。ある実施態様では、共振周波数は約２～８ＧＨｚである。ある実施態様では、共振周波数は約１００ＭＨｚ～１５ＧＨｚである。ある実施態様では、共振周波数は、容量要素及び誘導要素の配列及び寸法によって決定される。

位相幾何学的に、このような構造体は、より高い周波数において動作する共振構造体１９８と同一である。このような構造体は２つのループを含むことができ、これらのループのそれぞれは、容量構造体のいずれかの端において終了する。２つのループの間には相互容量結合が存在する。これは、電流循環の方向の重なりを分け、励起の周波数に応じて平行又は反平行のいずれかの電流の流れを可能にする。容量素子の折り畳み構造は、構造体の幾何学的サイズを増大させずに容量を増加させる。円筒形状では、これらの構造体は、円の一部になるように曲げられる。例えば、このような構造体のうちの１つ以上の組は、区分された環を形成する特定の半径でリアクタの対称軸を囲むことができる。半径が異なるこのような区分された環の組は、例えば、リアクタの頂部電極を覆う。自由空間の半波長と比較して構造体のサイズを小さくすることは、これらの構造体が自由空間電磁波に結合しないことを意味することに注目することが重要である。プラズマに結合した場は、電流がインダクタを通ってキャパシタからキャパシタに進むときに発生する近接場である。発明者等は、誘導素子がプラズマに最も近くなるように構造体の方位を選択した。このことは、プラズマ領域に到達する場が、主として、構造体の誘導部分を通過する電流によって発生する変動磁場によって誘起される電場に起因することを意味する。反平行動作モードでは、これらの場は共振素子から急速に消えるが、平行動作モードでは、それらは更に伸びてプラズマ領域内に達する。したがって、励起周波数を変化させることにより、電場の侵入及びしたがってプラズマを生成している領域を変化させることができる。異なる振幅において両方の周波数を同時に励起することにより、励起場の浸入深さを任意に制御することができる。

容量素子がプラズマに最も近くなるように共振構造体１９８を方向付けることができると考えられる。それにより、プラズマに対する結合を、容量素子によって発生した近接場からのものとすることが可能である。これらは、一般に、プラズマ面に対して垂直に分極されるが、図示した形状について上述した誘導場はプラズマ面に平行である。

周波数範囲の上端において、約１０ｍｍより小さいサイズは、より有用性が低い場合がある。これは、プラズマ処理で通常用いられる圧力においてこのような共振構造体によって生じるプラズマは、共振構造体のサイズであるか、又はそれよりも大きいためである。超局所的化プラズマが望まれる用途では、小さい構造体及びしたがって高い周波数が必要とされ得る。超局所化プラズマの場合、プラズマを小さくすることと、プラズマが比較的高いプラズマ密度を有するようにすることとの両方が望ましい場合がある。これは、特に、ウェーハのある部分に計測可能な影響を与えることが可能であるために実施されてもよい。高い周波数において動作することの特定の利益は、小さいサイズの共振構造体１９８が高い周波数において動作することであり、高い周波数は、通常、より高いプラズマ密度を発生させる。これは、より高い周波数が、イオンの加速においてよりも電子の加熱に対して優先的に電力を結合させ、より高い周波数がより高い密度のプラズマ内に伝播することが可能であるためである。

局所化プラズマを有することが望ましい状況では、共振素子が、プラズマと固体壁との間の界面に沿って伝播する表面モードを励起しないことが有益である。このようなモードは、共振素子から離れて伝播し、制御するのが困難である。図（２）に図示した素子は、四極対称性を有し、表面モードに十分に結合しない電場パターンを発生させる。むしろ、この四極共振構造体の形状によって発生する電界パターンは、底の２つの半ループの下に電流環を発生させる。

構造体又はプラズマ源１９８のサイズは、対象の無線周波数（ＲＦ）の約４分の１の波長である、１０ｍｍのオーダーである。容量要素２１０ａ及び２１０ｂ、並びに誘導要素２１２ａ及び２１２ｂは、約４ｍｍ～８ｍｍの幅とすることができる。

図３は、ガス吸気口及びガードを備えた局所化プラズマ源又は素子を示す。ＴＥＭレール２０４ａ及び２０４ｂに接続された構造体又はプラズマ源１９８が示される。ＴＥＭレールの幅は３００と表される。ここで、このような幅３００は約２ｍｍとすることができる。

ガス噴射穴３０２は、プラズマ源１９８によって提供される高密度プラズマ内に局所化ガスを噴射し、したがってラジカルを生じさせることを可能にするために、構造体又はプラズマ源１９８に含まれてもよい。換言すれば、各局所化プラズマ源１９８は、それぞれのプラズマ源１９８において導入される局所化ガスを励起する。ウェーハ製造プロセスでは、作動ガスは、ラジカルを形成するために導入される。ガスは、電子をガス分子と反応させるプラズマを通じて吹き出され、それにより、それらを分離し、反応種を形成する。ガス噴射穴３０２は、ガス供給ライン１４０から反応ガスを受け取ってもよく、上の図１に記載したガス吸気口１５８の一部であってもよい。

ある実施態様では、ガス噴射穴を保護する、ガス穴点火サプレッサ構造体３０４が含まれてもよい。サプレッサ構造体３０４は、構造体又はプラズマ源１９８内での不意の点火を防止するために用いられる。サプレッサ構造体３０４は、ガス噴射穴３０２内での不意の点火の原因となり得る磁場又は電場からのシールドとして効果的に作用することができる。共振構造体が四極対称性を有する場合では、このようなサプレッサ構造体は必要とされない。これは、対称性により、その穴の軸に平行なガス噴射穴内には振動電場が存在しないためである。

図４は、局所化プラズマ源又は素子のアレイを示す。アレイ４００は、１９８ａ、１９８ｂ、１９８ｃ、１９８ｄ、１９８ｅ、１９８ｆ、１９８ｇ、１９８ｈ及び１９８ｉとして識別される複数の構造体又はプラズマ源を含む。ある実施態様では、アレイ４００はセラミック４０２内に封止されてもよい。セラミック４０２はアルミナを含む。セラミック内に封止することにより、アレイがプラズマ親和性であることを保証することができる。セラミック４０２の表面は、局所的な応力集中を回避するために滑らかでなければならない。

図１を参照して上述したように、実施態様では、アレイ４００は、プラズマ処理システム又は装置１００のウェーハダイプラットフォームの端に設置されてもよい。ある実施態様では、アレイ４００（又は複数のアレイ）は、処理システム又は装置１００のウェーハダイプラットフォームの様々な位置に置かれる。

アレイ４００では、共振素子１９８は、対のＴＥＭ伝送ライン２０４ａ及び２０４ｂによって結合される。分岐ネットワークによって電力が共振素子１９８に結合される、他の構成が可能であると考えられる。各共振素子１９８が、それ自体の電源によって駆動されることも可能である。その場合、このような電源は、例えば、対のトランジスタとすることが可能である。構造体又はプラズマ源の間隔４０４は、対象の周波数（ＲＦ）に基づいて決定されてもよい。周波数範囲の選択は、波長に基づいて選択することができる。持続するＲＦ電力の波長がリアクタ又はシステム１００の幾何学的寸法のうちの１つと同等であるか、又はそれよりも小さいとき、プラズマは、プラズマの存在下における電磁波の伝播特性によってモードの形が決定される「モード」を形成する傾向がある。２～８ＧＨｚのマイクロ波範囲では、波長は、通常のＣＣＰリアクタの間隙よりも小さいか、又はそれと同等である。共振素子を共に十分近くに置いてウェーハに対するそれらの効果が連続的となるようにすることが望まれる場合があり、したがって、このより高い周波数範囲が好ましい場合がある。

高周波数では、１つのモードを選択する幾何学的構造体が存在しない限り、一般に、非常に近い周波数を伴う異なるパターンを備えた複数のモードが存在する。場－プラズマ結合の非線形性は、制御するのに困難であり得るこれらのモード間の遷移の原因となる。これらの困難は、２．４５ＧＨｚのリアクタの有用性に対して制約を課す。幾何学的共振構造体が、特定の動作モードにおいて選択されてもよく、したがって、モードホッピングの問題を回避し得る。より高い周波数に移行することにより、共振構造体をより小型にすることが可能となる。

例えば、対象の無線周波数（ＲＦ）が５ＧＨｚであるとき、アルミナ４０２内に封止されたアレイ４００は１０ｍｍの波長を有する。共振構造体又はプラズマ源１９８の間の間隔４０４は約１０ｍｍとなる。ＲＦ／マイクロ波電力／電流源２００からの磁場が、図２において上述したように、正弦波であるため、共振構造体又はプラズマ源１９８は、腹の距離で互いに離間することができる。特に、共振構造体又はプラズマ源１９８は、ＴＥＭレール２０４ａ及び２０４ｂに沿って磁場の腹に置くことができる。

図４に示した構造体は直線形であるが、リアクタにおけるそれらの実施態様は、多くの他の形状を有することができる。例えば、アレイは、図６の弧又は共振素子に沿って配列することができ、これらの素子のうちの１つ以上のアレイが実質的に軸対称であるプラズマを励起できるように、弧又は完全な円の形をとることができる。次いで、より大きい半径の弧に沿って配置された連続アレイを用いて、半導体ウェーハ全体にわたる有効範囲を提供することができる。

共振素子の共振周波数がそれらの形状に依存するため、各共振素子が異なる共振周波数を有することが可能である。それにより、異なる励起周波数を選択することによって共振素子の特定の共振素子又は特定のアレイを選択的に励起することが可能となる。個々の素子又は素子のアレイは、時分割方式又は多重同時周波数方式のいずれかで励起することができる。多重同時周波数による励起の場合、各周波数の振幅を調整してプラズマ空間の均一性を制御することができる。時分割又はパルス式励起の場合、パルスの順序は、下部電極のＲＦバイアス又はプロセスガスの時間依存的噴射などの、他の時間依存的プロセスと協調させることができる。これにより、様々な特性及び特にプラズマの空間プロファイルの制御が可能となる。

図５は、超局所化プラズマ源及び均一性制御を実装する例示的なプロセス５００を示す。特に、このプロセスは、ウェーハエッチングプロセスにおけるパターン転写のために用いることができる。方法が記載された順序は限定として解釈されることを意図したものではなく、任意の数の記載された方法ブロックを、この方法又は代替の方法を実施するための任意の順序で組み合わせることができる。加えて、本明細書に記載された主題の趣旨及び範囲から逸脱することなく、個々のブロックを方法から削除してもよい。更に、本発明の範囲から逸脱することなく、任意の好適なハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせで方法を実装してもよい。

ブロック５０２で、１つ以上のガスがプラズマ室に提供される。プラズマ室は、プラズマ室内に配置された構造体のアレイを含み、各構造体は、共振回路を形成する容量（Ｃ）要素及び誘導（Ｌ）要素を含む。

ブロック５０４で、振動電流が電源から構造体のアレイに提供される。振動電流は、共振周波数において容量（Ｃ）要素を荷電して容量要素（Ｃ）に近接した電場を生じさせ、この電場は、誘導（Ｌ）要素に近接した磁場を誘起する。振動電流は、構造体の互いからの位置を決定する電流波を含むことができる。共振周波数は、構造体の寸法に基づいて決定されてもよい。構造体は、互いに同程度の機械的寸法を有することができる。

ブロック５０６で、構造体に関連した電場又は磁場に近接した１つ以上のプロセスガス内にプラズマ相が満たされる。

Claims (20)

1. プラズマ処理システム内でプラズマを生成するための装置であって、
   内側上部電極及び前記内側上部電極の周囲を取り囲む外側上部電極を含む上部電極であって、前記内側上部電極は処理ガス吸気口及び電極板を含む、上部電極と、
   前記電極板の周辺内に配置された３つ以上の局所化された構造体のアレイであって、前記内側上部電極は前記３つ以上の局所化された構造体のアレイを備える、アレイと、
   上部誘導ループ及び伝送ラインのうちの少なくとも１つを介して前記局所化された構造体のアレイに結合された電源であって、前記局所化された構造体のそれぞれは、空間的に制御可能なプラズマを生成する共振周波数を有する、電源と
   を備え、
   前記局所化された構造体のそれぞれは、第１容量要素及び第２容量要素と、それぞれ２つの下部誘導ループとを備え、前記第１容量要素及び前記第２容量要素は、前記伝送ラインに結合された２つの上板と、２つの下板とを有し、前記第１容量要素及び第２容量要素の前記下板はそれぞれ、前記２つの下部誘導ループのそれぞれの端部に接続されており、前記２つの下部誘導ループは電気的に結合されており、
   前記２つの下部誘導ループと前記第１容量要素及び前記第２容量要素とは共振回路を形成しており、蓄積されたエネルギーが前記共振周波数において前記第１容量要素及び前記第２容量要素と、前記２つの下部誘導ループとの間で交換されるように閉回路として構成されており、
   前記２つの下部誘導ループは２つの半円板であり、
   前記電源は、前記共振回路に給電し前記プラズマを生成するように構成されている、装置。
2. 前記電源は、前記局所化された構造体のアレイに容量結合されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１容量要素の前記上板及び前記下板は内側方向に折り畳まれており、前記第２容量要素の前記上板及び前記下板は内側方向に折り畳まれており、
   前記内側方向は、前記第１容量要素の前記上板の折り畳み方向が前記第２容量要素の前記上板の折り畳み方向に向かう方向である、請求項１に記載の装置。
4. 前記局所化された構造体のアレイのそれぞれの前記下部誘導ループ及び前記第１容量要素及び前記第２容量要素は同一の寸法を有する、請求項１に記載の装置。
5. 前記局所化された構造体のアレイの１つ以上の前記下部誘導ループ及び前記第１容量要素及び前記第２容量要素は異なる寸法を有する、請求項１に記載の装置。
6. 前記局所化された構造体のアレイはセラミック内に封止されている、請求項１に記載の装置。
7. 前記セラミックはアルミナである、請求項６に記載の装置。
8. 前記局所化された構造体のアレイに対向して又は隣接して配置された基板チャックを更に備える、請求項１に記載の装置。
9. 前記装置内に配置された基板チャックを更に備え、前記局所化された構造体のアレイは、前記基板チャックの周辺に配置される、請求項１に記載の装置。
10. 前記共振周波数は、２～８ＧＨｚである、請求項１に記載の装置。
11. 前記共振周波数は、１００ＭＨｚ～１５ＧＨｚである、請求項１に記載の装置。
12. 前記局所化された構造体のアレイの前記第１容量要素及び前記第２容量要素及び前記下部誘導ループは、４ｍｍ～８ｍｍの幅である、請求項１に記載の装置。
13. 前記局所化された構造体のアレイのそれぞれが１０ｍｍで互いに離間されている、請求項１に記載の装置。
14. 前記局所化された構造体のアレイのそれぞれに含まれる局所ガス源を更に備え、ガスは、前記局所ガス源のそれぞれにおいて導入され、前記局所化された構造体のアレイのそれぞれによって励起される、請求項１に記載の装置。
15. 前記局所ガス源のそれぞれは、前記構造体内での不意の点火を防止するガードを含む、請求項１４に記載の装置。
16. 前記電源と前記局所化された構造体のアレイとの間に配置された電力分配要素を更に備え、前記電力分配要素は、前記局所化された構造体のアレイ内の１つ以上の前記構造体に印加される電力又は周波数を変化させるように構成されている、請求項１に記載の装置。
17. 前記電力分配要素は、前記局所化された構造体のアレイのうちの少なくとも１つに電気的に結合された少なくとも１つのトランジスタを含む、請求項１６に記載の装置。
18. 前記局所化された構造体のアレイは、前記局所化された構造体のアレイのそれぞれについて同程度の機械的寸法を有する、請求項１に記載の装置。
19. 前記局所化された構造体のアレイは、前記局所化された構造体のアレイ内の他の構造体とは異なる機械的寸法を有する少なくとも１つの構造体を含む、請求項１に記載の装置。
20. プラズマ処理システム内でプラズマを生成するための装置であって、
    内側上部電極及び前記内側上部電極の周囲を取り囲む外側上部電極を含む上部電極であって、前記内側上部電極は処理ガス吸気口及び電極板を含む、上部電極と、
    前記電極板の外周領域内において、前記外側上部電極の内側エッジに隣り合って配置された３つ以上の局所化された構造体のアレイであって、前記３つ以上の局所化された構造体のアレイは、前記プラズマ処理システムのウェーハダイプラットフォームの端の上方に位置する、アレイと、
    を備え、
    前記局所化された構造体のそれぞれは、第１容量要素及び第２容量要素と、それぞれの容量要素に隣接して配置された対応する誘導ループと、を備え、前記第１容量要素及び前記第２容量要素はそれぞれ、伝送ラインに結合された２つの上板及び２つの下板を備え、前記第１容量要素及び前記第２容量要素の前記下板はそれぞれ、半円形の２つの下部誘導ループのそれぞれの端部に接続されており、前記半円形の２つの下部誘導ループは電気的に結合しており、
    前記２つの下部誘導ループと前記第１容量要素及び前記第２容量要素は共振回路を形成しており、蓄積されたエネルギーが共振周波数において前記第１容量要素及び前記第２容量要素と、前記２つの下部誘導ループとの間で交換されるように閉回路として構成されている、
    装置。

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