DE69421033T2 - RF induktive Plasmaquelle zur Plasmabehandlung - Google Patents

RF induktive Plasmaquelle zur Plasmabehandlung

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Description

    TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Erzeugung von Plasmen durch HF-Induktion und insbesondere auf eine Plasmaprozeßvorrichtung, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert ist.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Induktiv eingekoppelte Plasmen (ICPs), die mit Hochfrequenz-(HF)Wellen mit einer Frequenz, die im allgemeinen zwischen 1 MHz und 100 MHz liegt, erzeugt werden, können geladene Partikel (Elektronen und Ionen) in Konzentrationen von mehr als 10¹¹ cm&supmin;³ und Ionenströme auf Wafersubstrate liefern, die größer als 5 mA/cm² sind. Die ICP-Quelle steht somit im Wettbewerb mit Elektroncyclotronresonanz-(ECR)Plasmaquellen für Halbleiterherstellungsprozesse, die eine Plasmaerzeugung erfordern. Zu den Halbleiterherstellungsprozessen, die Plasma verwenden, gehören das Trockenätzen, die plasmaunterstützte Abscheidung, das Trokkenreinigen von Wafern und Anwendungen, die die Erzeugung von ultraviolettem Licht (UV) erfordern.
  • Induktiv gekoppelte HF-Plasmaquellen besitzen gegenüber kapazitiv gekoppelten HF-Plasmaquellen und ECR-Plasmaquellen Vorteile. Im Gegensatz zu kapazitiv gekoppelten HF-Plasmen besitzen induktiv gekoppelte HF-Plasmen wesentlich geringere intrinsische Plasmapotentiale (< 50 V) und erzielen einen wesentlich größeren Ionisationswirkungsgrad (> 5%). Darüber hinaus ist das intrinsische Plasmapotential von der HF-Leistung relativ unabhängig. Das niedrige intrinsische Plasmapotential ist bei Anwendungen nützlich, bei denen hohe Ionenenergien nicht toleriert werden können, z. B. beim Trockenätzen, bei dem starke Ionenenergien die Bauelemente auf dem Wafer beschädigen können.
  • In ECR-Plasmaquellen werden die Plasmaionen durch Elektronenbombardierung in einer Entladungskammer erzeugt und unter Verwendung von magnetischen und/oder elektrischen Feldern auf die Oberfläche gerichtet. Wie beim Fall der ECR-Systeme kann die Ionenenergie von induktiv gekoppelten HF-Plasmen unabhängig von der Plasmadichte variiert werden, indem der Wafer der integrierten Schaltung mit einer getrennten HF- oder Gleichspannungsversorgung vorgespannt wird. Bei einer ECR-Plasmaquelle ist auch der Druck, bei dem das Plasma effektiv erzeugt werden kann, ein Gesichtspunkt. Eine ECR-Quelle ist bei Drücken unter 1 mTorr am wirkungsvollsten, was für die meisten Halbleiterprozeßanwendungen zu wenig ist. Die ICP-Quelle hat jedoch den Vorteil, daß sie in einem Druckbereich arbeitet, der besser zu den Anforderungen des Halbleiterprozesses paßt (1 mTorr bis 50 mTorr). Da der Betriebsdruck größer ist, sind die Pumpanforderungen für eine bestimmte Gasdurchflußrate moderater für die ICP-Quelle. Darüber hinaus kann die ICP-Quelle einen größeren Durchmesser (15 cm bis 30 cm), ein homogeneres Plasma in einem kompakten Design und bei wesentlich geringeren Kosten als bei einer ECR-Quelle liefern.
  • Eine Art von Plasmaquelle, die eine HF-Induktionskopplung verwendet, koppelt die Energie in das Plasma über Whistler- oder Helikonwellen. Diese Art Generator wird als Helikonplasmaquelle bezeichnet. In Gegenwart eines Magnetfeldes, das von 100 6 bis 1 kG reicht und entlang der Achse der Quelle gerichtet ist, kann eine Whistlerwelle durch Anlegen einer HF-Spannung an eine Schleifenantenne angeregt werden, die um den Quellenhohlraum herum angeordnet ist. Obwohl diese axialen Magnetfelder im allgemeinen schwächer als die in ECR-Quellen verwendeten Magnetfelder sind, ist das Plasma um den Durchmesser der Quelle nicht gleichförmig. So muß ein Wafer, der einen Plasmaprozeß erfährt, von der Quelle weg oder "stromabwärts gerichtet" sein, und zwar in einem Bereich, in dem das Plasma ausreichend homogen ist. Das macht es erforderlich, die Eingangsleistung der Quelle zu erhöhen, um eine ausreichende Plasmadichte (d. h. eine ausreichende Elektronen- und Ionenkonzentration) an der stromabwärtsliegenden Position zu erzielen. Darüber hinaus sind große Magnetspulen erforderlich, um die axialen Magnetfelder zu erzeugen. Diese Merkmale erhöhen die Kosten und die Komplexität.
  • EP-A-0 403 418 beschreibt eine Plasmaprozeßkammer mit einer äußeren Antenne aus zwei gleich großen Schleifen, um eine Whistlerwelle anzuregen, eine Matrix aus Permanentmagneten zum Bilden eines magnetischen Eimers, um das Plasma einzugrenzen, und einen Elektromagneten, um ein magnetisches Feld für die Whistlerwelle zu schaffen.
  • Die Veröffentlichung der internationalen Patentanmeldung WO 91/14258 beschreibt eine entsprechende Plasmaprozeßkammer mit einer äußeren einfachen Schleifenantenne, die dazu dient, eine Whistlerwelle anzuregen, einer Matrix aus Permanentmagneten zum Bilden eines magnetischen Eimers, um das Plasma einzugrenzen, und einem Elektromagneten, um das Magnetfeld für die Whistlerwelle zu liefern.
  • Aus dem US-Patent Nr. 5,225,740 ist es bekannt, mehrere einen gleichen Abstand zueinander aufweisende und gleich große Schleifen zu verwenden, um eine Whistlerwelle innerhalb einer Wellenleiterstruktur anzuregen, bei der das Innere der Wellenleiterstruktur als Plasmakammer fungiert.
  • Das dem Erfinder der vorliegenden Erfindung zugeordnete US-Patent Nr. 5,231,334 zeigt eine spiralförmige Antenne, die in gleiche Längenabschnitte unterteilt ist, wobei die Segmente durch Kondensatoren verbunden sind. Dieses vermindert die Impedanz der spiralförmigen Antenne.
  • Eine zweite Art Plasmaquelle unterscheidet sich von der generischen Whistlerwellen- oder Helikonquelle dadurch, daß sie das axiale Magnetfeld wegläßt. Der einem Plasmaprozeß unterzogene Wafer kann daher in den Plasmaerzeugungsbereich gesetzt werden. Selbst wenn die Spitzenplasmadichten (5 · 10¹¹ cm&supmin;³) für eine solche Quelle um eine Größenordnung unter derjenigen der Whistlerwellenquelle liegen, sichert die Näher des Wafers zu dem Plasmaerzeugungsbereich, daß die Verarbeitungsraten ver gleichbar sind. Waferätzraten von mehr als 1 um/min sind für viele in Frage kommenden Materialien möglich. Diese Quelle ist einfacher, kompakter und billiger als die Helikonplasmaquelle.
  • Eine Version dieser Art von Induktionsplasmaquelle verwendet eine viele Windungen aufweisende Flachspule, die entlang der Oberfläche einer zylindrischen Vakuumkammer liegt. Ein Quarzvakuumfenster, typischerweise 12,5 mm (0,5 Inch) dick, isoliert die Quelle von der Kammer. Wenn die Spule durch eine HF-Quelle mit Energie versorgt wird, zirkulieren starke Ströme in den Spulen. Diese Ströme induzieren starke elektrische Felder in der Kammer, die den Plasmazustand hält. Die zeitveränderlichen magnetischen und elektrischen Felder, die durch die Flachspule erzeugt werden, sind proportional zum Spulenstrom und wachsen proportional zum Quadrat der Anzahl an Spulenwindungen und proportional zum Spulendurchmesser. Die Gleichförmigkeit des induzierten elektrischen Feldes von einer Flachspule wird mit Erhöhung des Spulendurchmessers und der Anzahl an Spulenwindungen zunehmend größer. Jedoch ist auch die Induktivität der Spule proportional zum Quadrat der Anzahl an Spulenwindungen. Das bedingt es, daß die an der Spule abfallende Spannung sich mit steigender Anzahl an Spulenwindungen für einen feststehenden Spulenstrom erhöht. Beispielsweise beträgt der Spannungsabfall an einer 5 uH-Spule für einen RMS-Strom von 20 A bei 13,56 MHz 8,5 kV. Eine so hohe Spannung ist ein Risiko und führt zu einer Kopplung von kapazitiver Energie zwischen der Spule und dem Plasma. Die kapazitive Kopplung ist nicht erwünscht, da das intrinsische Plasmapotential stark zunimmt, wenn ein merklicher Betrag an Energie über die kapazitive Kopplung übertragen wird. Das schränkt die Anzahl an Spulenwindungen auch bei diesen HF-Plasmaquellen mit viele Windungen aufweisenden Flachspulen, die entlang der oberen Fläche der Quelle angeordnet sind, auf ungefähr drei ein.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Daher ist ein Bedarf nach einer HF-Plasmaquelle entstanden, die die Vorteile der Helikon-Plasmaquelle und der ICP- Plasmaquelle kombiniert, die Anzahl an Systemkomponenten mini miert, die Ausgangsleistung in wirksamer Weise nutzt, eine gute Plasmahomogenität liefert und die Spulenspannungen auf sicheren Pegeln hält. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas geschaffen, die die bei bisherigen Plasmaquellen auftretenden Nachteile im wesentlichen beseitigt oder vermindert.
  • Die vorliegende Erfindung ist eine Plasmaprozeßvorrichtung, wie sie anfangs erwähnt wurde, die die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 aufweist. Die Plasmaquelle weist eine Vakuumkammer zum Umfassen des Plasmas auf. Außerhalb der Kammer sind mehrere multipolare Permanentmagneten enthalten, die verwendet werden können, um ein konvexes Magnetfeld zu erzeugen, um die Plasmaverluste an der Kammerwand zu vermindern, die Plasmadichte zu verbessern und den Betrieb der Plasmaquelle auf niedrigere Drücke auszudehnen. Die Quelle umfaßt wenigstens einen Satz aus Elektromagneten, die außerhalb der Kammer zum Erzeugen eines variablen statischen Magnetfelds angeordnet sind, das eine bevorzugte Ausbreitungsrichtung für die Whistlerwelle definiert. Darüber hinaus sind Spulen vorgesehen, die als Antenne für eine resonante induktive Kopplung einer HF- Leistung dienen, um eine Whistlerwelle zu erzeugen und anzuregen. Die angeregte Whistlerwelle überträgt genügend Energie, um ein Plasma in den Prozeßgasen zu induzieren und zu erhalten. Die Spule erzeugt darüber hinaus zeitveränderliche, stehende Wellen aufweisende elektromagnetische Felder. Diese Felder verbessern die Plasmadichte in der Plasmaquelle. Die wenigstens eine Spule sitzt innerhalb der Kammer der Plasmaquelle der vorliegenden Erfindung.
  • Um eine Whistlerwellenkopplung zu erzielen, sollte die zur Anregung der Whistlerwelle verwendete Frequenz der HF-Leistung so gewählt werden, daß sie zwischen den Ionen- und Elektronenzyklotronfrequenzen der Prozeßgase liegt, und die Zyklotronfrequenzen sollten so ausgewählt werden, daß sie kleiner als die Elektronenplasmafrequenz der Prozeßgase sind. Die HF-Leistungsquelle kann bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung entweder transversale elektromagnetische Wellen (TE-Mode), transversale magnetische Wellen (TM-Mode) oder eine Mischung aus Wellen vom TE- und TM-Mode erzeugen, um die Whistlerwelle zu bilden.
  • Ein technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie in bestehende Halbleiterprozeßanlagen integriert werden kann. Zum Beispiel können Trockenätzkammern, die ein Plasma zum Durchführen einer Ätzung erfordern, an der Plasmaquelle der vorliegenden Erfindung angebracht werden. Eine integrierte Trockenätz-/Plasmaquellenkammer liefert im Vergleich zu Naßätzsystemen ein besseres Ätzleistungsverhalten.
  • Ein wichtiger technischer Vorteil der offenbarten Erfindung besteht darin, daß die Spulenkonfiguration im Vergleich zu Spulen mit einfacher Windung intensivere Felder erzeugen kann. Die Spulenkonfiguration mit mehreren Windungen der vorliegenden Erfindung besitzt den technischen Vorteil, daß sie in effektiver Weise einen großen Bereich von Antennenlängen liefert, wodurch die Effizienz der induktiven Resonanzkopplung über einen Bereich von Plasmaentladungsbedingungen verbessert wird. Die neben der Resonanz auftretende Induktionskopplung ist nicht sehr effizient; daher kann das Bereitstellen von Antennen verschiedener Längen den Betriebsbereich des Plasmagenerators vergrößern. Darüber hinaus bringen Antennen unterschiedlicher Längen den technischen Vorteil der Mehrfachmodusoperation und der homogeneren Plasmen mit.
  • Ein weiterer technischer Vorteil besteht darin, daß die in der Kammer der Plasmaquelle der vorliegenden Erfindung erzeugten elektromagnetischen Felder gleichförmig sind und sich in der Kammer konzentrieren. Die vorliegende Erfindung liefert den technischen Vorteil, daß das erzeugte elektromagnetische Feld vollständig in der Prozeßkammer enthalten ist. Das beugt einer Aufheizung von Metalloberflächen außerhalb der Kammer durch Wirbelströme vor und führt zu einer noch wirksameren Plasmaerzeugung. Darüber hinaus verbessert die durch die Spulen geschaffene multipolare Magnetbegrenzung die Plasmadichten für Drücke von weniger als 50 mTorr.
  • Ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß dann, wenn die Plasmaentladung in einem Bereich betrieben wird, in dem die Resonanzinduktionskopplung zu den Whistlerwellen nicht auftritt, die durch die mehreren enggepackten Spulen erzeugten elektromagnetischen Felder das Plasma nur durch induktive Kopplung erhalten. So dürfte es bei der Plasmaquelle der vorliegenden Erfindung möglich sein, ein Plasma unter Bedingungen zu erhalten und aufrechtzuerhalten, bei denen eine Resonanzinduktionskopplung weder wirksam noch möglich ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Um die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile noch besser verstehen zu können, wird nun Bezug auf die nachfolgende Beschreibung genommen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist.
  • Fig. 1 beschreibt ein teilweise im Querschnitt dargestelltes und teilweise schematisches Schaubild der Plasmaquelle, bei der die Spulen in der Kammer angeordnet sind;
  • Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Plasmaquelle der Fig. 1;
  • Fig. 3 zeigt das magnetische Feld, das durch den Strom in einer Drahtlänge erzeugt wird;
  • Fig. 4 zeigt eine Spule, die aus vier Schleifen besteht;
  • Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht der Fig. 2 entlang der Ebene I-I';
  • Fig. 6 beschreibt ein teilweise im Querschnitt dargestelltes und teilweise schematisches Schaubbild einer Plasmaquelle, bei der die Spulen außerhalb der Quellenkammer liegen;
  • Fig. 7 beschreibt eine Draufsicht auf die in der Fig. 6 dargestellte Plasmaquelle; und
  • Fig. 8 zeigt ein teilweise im Querschnitt dargestelltes und teilweise schematisches Schaubild der Plasmaquelle der Fig. 1, die in eine Halbleiterverarbeitungskammer integriert ist.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und ihre Vorteile lassen sich am besten unter Bezug auf die Fig. 1-8 verstehen, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche und sich entsprechende Teile der verschiedenen Zeichnungen beziehen.
  • Die Fig. 1 zeigt ein teilweise im Querschnitt dargestelltes und teilweise schematisches Schaubild einer Plasmaquelle 10, die Spulen 12 verwendet, um in induktiver Weise HF-Leistung an die Prozeßgase zu koppeln, um einen Plasmazustand in den Prozeßgasen zu induzieren. Die Plasmaquelle 10 umfaßt eine Kammer 14, die typischerweise aus einem geeigneten dielektrischen Material wie Quarz hergestellt ist, um das Plasma besser umfassen zu können. Die Kammer 14 ist darüber hinaus vakuumabgedichtet. Die Kammer 14 besitzt einen Einlaß 16 zum Einführen der Prozeßgase in die Kammer. Die Einlaßöffnungen 18 ermöglichen es den Prozeßgasen, in die Kammer 14 mit einer gleichförmig gesteuerten Geschwindigkeit einzutreten. Nachdem der Plasmazustand in den Prozeßgasen erreicht wurde, wird das Plasma von der Kammer 14 durch eine Öffnung, die in der Fig. 1 durch das Ende 19 dargestellt ist, entladen. Die Plasmaquelle 10 der Fig. 1 kann an irgendeine geeignete Halbleiterprozeßkammer angebracht werden, die ein Plasma für den Prozeß benötigt. Waferätz- und Waferabscheidungskammern sind Beispiele von Halbleiterverarbeitungskammern, an die die Plasmaquelle 10 angebracht werden könnte.
  • In der Kammer 14 können sich mehrere Spulen 12 befinden. Die Spulen 12 bestehen aus einer Reihe von Schleifenantennen, die konzentrisch zur Spulenanordnung angeordnet sind und so geformt sind, daß sie sich an die Konturen der Kammer 14 anpassen. Die Spulen 12 können aus einem geeigneten HF-Leitermaterial hergestellt sein. Kupfer, Aluminium oder kupferverkleidete Rohre mit einem Durchmesser von 6,25 mm (1/4 Inch) haben sich als geeignete Materialien für die Herstellung der Spulen 12 erwiesen. Bei der Ausführungsform der Fig. 1 liegen die Spulen 12 in der Kammer 14 und sind von der dielektrischen Deckschicht 22 umgeben, um ihre Kontamination zu verhindern. Quarz- und Epoxidkapselungen gehören zu den geeigneten Materialien für die Dielektrikumsbeschichtung 22. Die Spulen 12 können miteinander durch die Verbindungsleitung 24 verbunden sein, die durch die Mitte der Kammer 14 läuft. Die Verbindungsleitung 24 ist in entsprechender Weise mit einer Dielektrikumsbeschichtung 22 umhüllt. Die Spulen 12 können auch so aufgebaut sein, daß sie einen Wassereinlaß 26 und einen Wasserauslaß 28 aufweisen.
  • Wasser kann durch die Spulen 12 und die Verbindungsleitung 24 gepumpt werden, um die Temperatur der Spulen 12 und der Leitung 24 unter der Temperatur zu halten, bei der die Spulen oder die Beschichtung beschädigt werden könnten. Die Spulen 12 sind darüber hinaus mit der HF-Energiequelle 30 und Masse 32 verbunden. Ein (nicht explizit dargestelltes) dazwischenliegendes Anpassungsnetzwerk ist erforderlich, um die HF-Leistung (1 MHz bis 100 MHz) von der HF-Leistungsquelle 30 an die Spulen 12 anzulegen. Bei der Ausführungsform der Fig. 1 liefert die HF- Energiequelle 30 die HF-Energie in der Form von transversalen elektromagnetischen Wellen (TE-Mode).
  • Außerhalb der Kammer 14 können mehrere Permanentmagneten 34 um den gesamten Umfang der Kammer 14 angeordnet sein, wobei Magneten mit der gleichen Polarität einander gegenüberliegen, was in der Fig. 2 zu erkennen ist. Es ist zu erkennen, daß die Permanentmagneten auch weggelassen werden könnten, ohne von dem erfinderischen Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es hat sich gezeigt, daß Permanentmagneten, die ein magnetisches Feld von 100-500 Gauß an der Oberfläche der Kammer errichten, ausreichend sind. Bei der Ausführungsform der in der Fig. 1 dargestellten Plasmaquelle 10 ist ein einziger Satz an Elektromagneten 36 außerhalb der Kammer 14 angeordnet. Es hat sich gezeigt, daß Elektromagnetspulen, die ein elektromagnetisches Feld von 100-1000 Gauß in der Mitte der Kammer 14 errichten, geeignet sind. Es ist zu erkennen, daß die Anzahl und Anordnung der Permanentmagneten 34 und der Elektromagnetspulen 36 verändert werden kann, ohne von dem erfinderischen Konzept in der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Die Fig. 2 zeigt eine Draufsicht der Plasmaquelle 10 der Fig. 1. Wie bei dieser Ansicht zu erkennen ist, liegen die Spulen 12 innerhalb der Kammer 14 und sind mit einer dielektrischen Beschichtung 22 umgeben. Die Spulen 12, die konzentrisch in einer planaren Ansicht (siehe Fig. 4) gebildet sind, sind darüber hinaus so geformt, daß daß sie an die kreisförmige Form der Kammer 14 angepaßt sind. Darüber hinaus zeigt die Draufsicht der Fig. 2 die Spulen 12 in der Form eines Kreises 38. Die Spulen 12 sind in der Realität durch Zwischenräume 40 und 42 getrennt. Obwohl bei der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 zwei Spulen 12 dargestellt sind, ist zu erkennen, daß die Anzahl der Spulen variiert werden kann, ohne von den erfinderischen Konzepten der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Während des Betriebs der Plasmaquelle 10, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, wird ein Prozeßgas, z. B. Argon oder Schwefelhexafluorid, in die Kammer 14 durch den Einlaß 16 und die Einlaßöffnungen 18 eingeführt. Die Anordnung der Permanentmagneten 34 mit Magneten abwechselnder Polarität, die nebeneinander angeordnet sind, bildet ein konvexes Magnetfeld entlang der Oberfläche der Kammer 14, das dabei hilft, das Plasma zu begrenzen. Die Elektromagneten 36 erzeugen ein veränderliches statisches Magnetfeld, das die Ausbreitungsrichtung für die durch die Spulen 12 erzeugte Whistlerwelle definiert. Es können weitere Sätze von Elektromagneten 36 verwendet werden, um die Homogenität des axialen magnetischen Felds zu verbessern, obwohl bei dieser Ausführungsform nur ein Satz dargestellt ist. Es kann erforderlich sein, drei oder mehr Elektromagneten zu verwenden, um die Plasmahomogenität zu verbessern.
  • Bei Resonanzinduktionsplasmageneratoren wird die Whistlerwelle in dem Hohlraum durch Resonanzkopplung angeregt, wenn die Länge einer in oder um den Hohlraum angeordneten Antenne der Hälfte der Wellenlänge der Whistlerwelle entspricht. Um sicherzustellen, daß der entscheidende Teil der Kopplung der HF-Energie für die Whistlerwellen durch Resonanzinduktion entsteht, ist die optimale Länge der für die maximale Kopplung erforderlichen Antenne eine Funktion der Bedingungen in der Plasmaquelle. Die Wellenlänge der Whistlerwelle kann durch die Gleichung (1) ausgedrückt werden:
  • &lambda;(cm) = 5 · 10&sup9;(B&sub0;/nef)1/2 (1)
  • wobei: B&sub0; das Magnetfeld in Gauß ist;
  • ne die Elektronenkonzentration in 1/cm³ ist; und
  • f die Frequenz in Hz ist.
  • Daher wird bei einer Antenne von feststehender Länge die Resonanzinduktion und -anregung der Whistlerwelle, die zur Plasmaerzeugung führt, nur dann auftreten, wenn die Variablen in der Gleichung (1) so gewählt sind, daß die Wellenlänge der Whistlerwelle der Hälfte der Länge der Antenne in dem Hohlraum entspricht. Da die Wellenlänge &lambda; der Whistlerwelle von dem magnetischen Feld B&sub0;, der Elektronenkonzentration ne und der Frequenz f der Welle in der Kammer abhängt, wird es nicht immer möglich sein, einen Plasmazustand in den Prozeßgasen mit einer nur eine Schleife aufweisenden Antenne aufrechtzuerhalten.
  • Bei der Ausführungform der vorliegenden Erfindung, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, liefert die Spule 12 die mehreren Antennenlängen, die erforderlich sind, um die Hälfte der sich verändernden Wellenlänge &lambda; der Whistlerwelle unter Anpassung zu erreichen, wenn sich das Magnetfeld B&sub0;, die Elektronenkonzentration ne und die Frequenz f in der Kammer 14 verändern, wodurch die Wellenlänge &lambda; der Whistlerwelle verändert wird. Die Spule 12 liefert so in wirksamer Weise einen Bereich an Antennenlängen, der es möglich macht, eine Resonanzinduktionsanregung der Whistlerwelle zu erreichen, wodurch die Kopplungseffizienz in einem Bereich an Plasmabedingungen verbessert wird.
  • Die Spule 12 induziert darüber hinaus intensive zeitveränderliche elektromagnetische Felder in der Kammer 14. Nachdem die zeitveränderlichen elektromagnetischen Felder die notwendige Schwelle erreicht haben, werden die Prozeßgase ionisiert und es wird ein Plasma in der Kammer 14 aufgebaut. Die Antennen veränderlicher Länge, d. h. die Spulen, können darüber hinaus zu einer Multimode-Whistlerwellenerzeugung und zu einem homogeneren Plasma führen. Darüber hinaus ist es so, daß während des Betriebes der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Plasmaquelle 10 dann, wenn die Entladung in einem Bereich betrieben wird, in dem keine Resonanzinduktion auftritt, die intensiven zeitveränderlichen elektromagnetischen Felder, die durch die Mehrfachspulen 12 in der Kammer 14 erzeugt werden, das Plasma aufrechterhalten. So ist es möglich, den Plasmazustand in den Prozeßgasen selbst dann aufrechtzuerhalten, wenn Bedingungen vorliegen, die keine Whistlerwellenerzeugung und Resonanzinduktion unterstützen. Darüber hinaus weist die Konfiguration des magnetischen Feldes B aufgrund der Spulen 12 starke tangentiale und radiale Komponenten auf, die zum Anregen des Whistlermodus wünschenswert sind.
  • Auch ist in der Fig. 2 der Punkt 44 angezeigt, der als Referenz verwendet wird, um die Felder in der Plasmaquelle 10 zu erläutern. Der Punkt 44 sollte als ein beliebiger nicht- fixierter Punkt entlang der Ebene 1-1' über oder unter der Verbindungsleitung 24 und innerhalb der oberen und unteren Grenzen der Spulen 12 betrachtet werden. Das Magnetfeld B am Punkt 44 der Ebene 1-1', das durch den Strom in der Länge 1 des Drahtes 46 in einem Abstand R, dargestellt in der Fig. 3, erzeugt wird, ist durch die folgende Gleichung (2) gegeben:
  • wobei: I der Strom in dem Draht 46 ist;
  • R der Abstand von dem Draht 46 ist;
  • l die Länge des Drahtes 46 ist; und
  • u&sub0; die Permeabilität des Mediums ist, in dem sich die Welle fortbewegt.
  • Das magnetische Feld B sollte so betrachtet werden, als wenn es sich auf einem kreisförmigen Pfad um den Draht 46 herum ausbreitet.
  • Jede Spule kann als eine Anzahl von Drahtsegmenten betrachtet werden, die an ihren Enden verbunden sind. Dieses Konzept ist noch deutlicher in der Fig. 4 dargestellt. Bei einer Spule 12, die aus vier Schleifen besteht, wie das in der Fig. 4 dargestellt ist, weist die Spule vier Drahtlängen auf, die durch 11, 12, 13 und 14 gekennzeichnet sind. Daher ist das magnetische Feld am Punkt 44 gemäß der Gleichung (1) durch die Gleichung (3) gegeben:
  • was
  • ergibt.
  • Wenn l&sub1; = 2 5 mm (2"), l&sub2; = 75 mm (3"), l&sub3; = 125 mm (5"), l&sub4; = 175 mm (7"), u&sub0; = 4 &pi; · 1 V H/m und der Strom I in der Spule 12 40 Ampere ist, dann ist das magnetische Feld B in der Kammer 14 7,5 Gauß stark.
  • Das magnetische Feld B von den Spulen 12 in der Kammer 14 induziert ein zeitveränderliches elektrisches Feld E. Es ist möglich, das zeitveränderliche elektrische Feld E in der Kammer 14 abzuschätzen. Man betrachte die Fig. 5, die eine geschlossene Schleife 48 entlang der Ebene I-I' innerhalb der Grenzen der Spulen 12 in der Fig. 2 darstellt. Die Beziehung zwischen dem elektrischen Feld E und dem magnetischen Feld B entlang der Ebene I-I' der Fig. 2 kann, wie in der Fig. 5 dargestellt, beschrieben werden. Das magnetische Feld B innerhalb der geschlossenen Schleife 48 am Punkt 49 ist so dargestellt, daß es die Ebene I-I' schneidet. Das erzeugte zeitveränderliche elektrische Feld E verläuft tangential zum magnetischen Feld B und verändert sich entsprechend dem Abstand r&sub1; vom Punkt 49. Das zeitveränderliche elektrische Feld E in V/m kann durch die Gleichung (5) dargestellt werden:
  • E = &omega;Br1/2 (5)
  • wobei &omega; die Kreisfrequenz des Signals von 0,15915 Drehungen pro Sekunde ist;
  • B das magnetische Feld in Gauß von 10&supmin;&sup4; Tesla ist; und
  • r der Abstand in Metern (Inches) vom Punkt 49 ist.
  • Für &omega; = 2&pi;f = 8,5 · 10² rad/s; B = 7,5 Gauß und r&sub1; = 25 mm (1 Inch) beträgt das elektrische Feld E 8 V/cm.
  • Dieser Wert des elektrischen Feldes E ist zu klein geschätzt, da es bekannt ist, daß das elektrische Feld entlang der inneren Fläche der Kammer 14 intensiver als in der Mitte der Kammer 14 ist. Im Durchschnitt hat sich herausgestellt, daß das elektrische Feld E wahrscheinlich entlang der inneren Fläche der Kammer 14 im Vergleich zur Mitte der Kammer 14 dreimal so stark ist. Daher beträgt das elektrische Feld E ungefähr 25 V/cm entlang der Innenfläche der Kammer 14.
  • Wenn Argon als Prozeßgas verwendet wird, ist das minimale elektrische Feld E, das zur Induktion eines Plasmazustandes in Argon erforderlich ist, gemäß der Gleichung (6):
  • E/N = 4 · 10&supmin;¹&sup6; Vcm² bei 50 mTorr (6)
  • (1 Torr = 133,32 Pascal)
  • wobei: N die Gasdichte von Argon ist und sich
  • für N = 1,7 · 10¹&sup5;/cm³ bei 50 mTorr,
  • E = (E/N)N = 0,67 V/cm ergibt.
  • Daher ist unter Anwendung der Gleichung (6) das zur Induktion eines Plasmazustandes in dem obigen Beispiel erforderliche elektrische Feld E 0,67 V/cm. Da oben gezeigt wurde, daß ein Strom von 40 Ampere in der in der Fig. 4 dargestellten Spule zu einem Magnetfeld B von 7,5 Gauß führt, was wiederum, wie sich aus der Gleichung (5) ergibt, zu einem elektrischen Feld E von 8 V/cm führt, läßt sich der zur Erzeugung eines elektrischen Feldes E von 0,67 V/cm erforderliche Strom berechnen:
  • ([40 A)(0,67 V/cm)]/(8 V/cm)). Daher ist es möglich, eine HF- Entladung in Argon mit einem minimalen Spulenstrom von ungefähr 3 Ampere aufrechtzuerhalten.
  • Wird als Prozeßgas Schwefelhexafluorid (SF6) verwendet, läßt sich das zur Induzierung eines Plasmazustandes erforderliche minimale elektrische Feld E durch die Gleichung (7) beschreiben:
  • E/N = 4 · 10&supmin;¹&sup5; Vcm² bei 50 mTorr (7)
  • wobei: N die Gasdichte des Schwefelhexafluorids ist und N = 1,7 · 1015/cm³ bei 50 mTorr ist.
  • Daher ergibt sich:
  • N = (E/N)(N) = 6,7 V/cm
  • Daher beträgt unter Anwendung der Gleichung (7) das zur Induzierung eines Plasmazustandes in Schwefelhexafluorid erforderliche elektrische Feld E 6,7 V/cm. So beträgt der minimale, zur Erhaltung einer HF-Entladung in Schwefelhexafluorid erforderliche Spulenstrom ungefähr 33 A, ([(40 A)(4,7 V/cm)]/(8 V/cm)).
  • Die unter diesen Bedingungen erzielbare Plasmadichte ne läßt sich ebenfalls berechnen. Es sei angenommen, daß die durch die HF-Energiequelle 30 gelieferte Leistung 500 Watt beträgt. Es ist bekannt, daß der zur Ionisation des Prozeßgases verwendete Leistungsanteil, d. h. der Ionisationswirkungsgrad, 0,4 beträgt, und zwar bei einem elektrischen Feld E von 8 V/cm. Die Ionisationsschwelle für Argon beträgt 16 Elektronenvolt. Daher kann die Volumenionisationsrate durch die Gleichungen (8) und (9) ausgedrückt werden:
  • Ionisierungsgeschwindigkeit = Gesamtionisierungsgeschwindigkeit/Volumen der Plasmaquelle = 6,2 · 10¹&sup5;/cm³ · s (8)
  • wobei:
  • Gesamtionisierungsgeschwindigkeit = Leistung · Ioniaswirkungsgrad/Ionisationsschwelle = 7,8 · 10¹&sup9;/s (9)
  • Die Verlusträte des Plasmas läßt sich durch die Gleichung (10) ausdrücken:
  • Dane/&Lambda;² = 2,7 · 10³ ne/cm³ · s (10)
  • wobei: Da, der Diffusionskoeffizient für die Elektronen und Ionen,
  • = 7 · 10&sup4; cm²/s bei 50 mTorr ist, wobei
  • &Lambda;, die Bemessungslänge für die Diffusion, = 5 cm ist.
  • Daher beträgt die Plasmadichte ne 2 · 10¹²/cm³. Es ist zu erkennen, daß die tatsächliche Elektronendichte wahrscheinlich größer ist, da das elektrische Feld E zu klein geschätzt wurde.
  • Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform verwendet zwei Spulen 12, die miteinander durch eine Verbindungsleitung 24 verbunden sind. Es ist zu erkennen, daß eine einzige Spule 12, die einen Kreis 38 um die Räume 40 und 42 bildet, sowie eine größere Anzahl an Spulen verwendet werden können, die in geeigneter Weise geformt sind, ohne von den erfinderischen Konzepten der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus muß die Form der Spulen nicht quadratisch sein, wie es in der Fig. 4 dargestellt ist, sondern sie kann auch z. B. rechteckig sein. Es ist zu erkennen, daß eine quadratische Spule mit großer Wahrscheinlichkeit das magnetische Feld in dem durch die quadratische Spule gebundenen Zylinder vergrößert, während eine rechteckig geformte Spule mit großer Wahrscheinlichkeit ein Magnetfeld B erzeugt, das unabhängig von einer Achsposition entlang einer Kammerachse ist. Das magnetische Feld B, das unabhängig von einer Achsposition entlang einer Kammerachse ist, ist zum Erzielen einer resonanten Induktionskopplung besser geeignet.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform, die in der Fig. 6 dargestellt ist, verwendet die Quelle 48 der vorliegenden Erfindung darüber hinaus Spulen, um eine Welle anzuregen, um einen Plasmazustand in Prozeßgasen zu induzieren. Die Plasmaquelle 48 besitzt eine Kammer 50 zum Umschließen des Plasmas. Die Kammer 50 ist im allgemeinen aus einem dielektrischen Material wie Quarz hergestellt, um das Plasma besser umfassen zu können. Die Plasmaquelle 48 umfaßt darüber hinaus mehrere Spulen, deren Aufbau den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Spulen entspricht. Der Spulenabschnitt 51 verläuft entlang und außerhalb des Bodens der Kammer 50. Die Spulenabschnitte 52 verlaufen entlang den Seitenwänden der Kammer 50, über die Decke und zurück aus der Kammer 50 heraus.
  • Die Spule 51 ist mit einem Wassereinlaß 56 verbunden und die Spule 52 ist mit einem Wasserauslaß 58 verbunden. Es wird Wasser durch die Spulen gepumpt, um die Spulen zu kühlen, um einen Schaden durch Überhitzung zu verhindern. Mit der Spule 51 ist darüber hinaus eine HF-Energiequelle 60 verbunden, und die Spule 52 ist an Masse 62 angeschlossen. Ein zwischengeschaltetes (nicht explizit dargestelltes) Anpassungsnetzwerk ist erforderlich, um die HF-Energie von der HF-Energiequelle 60 an die Spule 51 anzulegen. Die HF-Energiequelle 60 liefert transversale magnetische Wellen (TM-Mode). Die Pfeile in der Fig. 6 zeigen sowohl die Wasserfluß- als auch die Stromrichtung in den Spulen an.
  • Sowohl außerhalb der Kammer 50 als auch außerhalb der Spulen 51 und 52 sind Permanentmagneten 64 und Elektromagneten 66 angeordnet. Die Anordnung und Anzahl der Permanentmagneten 64 und der Elektromagneten 66 bei der Ausführungsform der Fig. 6 entspricht denen der Fig. 1 und 2.
  • Die Prozeßgase werden in die Quelle 48 über den Einlaß 42 und durch die Einlaßöffnungen 74 eingeführt. Die Einlaßöffungen 74 liefern einen homogenen Eintritt der Prozeßgase in die Kammer 50.
  • Die Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf die Plasmaquelle 48. Wie in der Fig. 7 dargestellt, sind die Spulen 52 außerhalb der Kammer 50, jedoch innerhalb der Magneten 64 und 66 angeordnet.
  • Während des Betriebs sorgt die in den Fig. 6 und 7 dargestellte Plasmaquelle für ein induktiv gekoppeltes HF-Plasma mit den Spulen 52, die vollkommen außerhalb der Kammer 50 angeordnet sind, und dem Magnetfeld B, das vollkommen auf die Kammer begrenzt ist. Das Magnetfeld B am Punkt 72 entlang der Ebene I- I' in der Fig. 7 läßt sich durch die Gleichung (12) darstellen:
  • B = u&sub0;I/2&pi;r (12)
  • wobei u&sub0; die Permeabilität des Mediums ist, in dem sich die Welle ausbreitet;
  • I der Strom in dem Draht ist; und
  • r der Abstand von dem Draht ist.
  • Für r = 50 mm (2 Inch) und I = 40 A ergibt sich B = 1,5 · 10&supmin;&sup4; Tesla (1,5 Gauß). Die in den Fig. 6 und 7 dargestellte Plasmaquelle 48 kann daher ein Magnetfeld liefern, das ausreichend ist, um zeitveränderliche elektrische Felder zu induzieren, die verwendet werden, um den Plasmazustand in den Prozeßgasen zu induzieren. Jedoch ist der zur Erhaltung eines äquivalenten Feldes erforderliche Strom größer als derjenige, der bei der Plasmaquelle 10 der Fig. 1 und 2 erforderlich ist.
  • Die Fig. 8 zeigt eine Trockenätzkammer 80, in der eine Plasmaquelle 10 der Fig. 1 eingeschlossen ist. Innerhalb der Kammer 80 befindet sich der Halbleiterwafer 82, an dem ein Trockenätzprozeß mit den Plasma der Plasmaquelle 10 durchgeführt wird. Bei der Ausführungsform der Fig. 8 verläuft der Betrieb des Generators 10 wie oben beschrieben, wobei die Elektromagneten 36 so angeordnet sind, daß sie das Plasma dazu bringen, auf die Oberfläche des Wafers 82 aufzutreffen, um die Ätzung durchzuführen. In der Fig. 8 ist die HF- oder DC-Quelle 84 eingezeichnet, die dazu verwendet wird, an den Wafer 82 eine Vorspannung anzulegen. Das Anlegen einer Vorspannung an den Wafer 82 durch die HF- oder DC-Quelle 84 ermöglicht eine unabhängige Variation der Ionenenergie des Plasmas in der Kammer 80. Es ist zu erkennen, daß die Orientierung des Wafers 82 zum Generator 10 umgedreht werden kann, ohne von dem erfinderischen Konzept abzuweichen. Darüber hinaus könnte die Quelle 10 durch die Quelle 48 der Fig. 6 ersetzt werden, da die Quelle 48 darüber hinaus das notwendige Plasma induzieren kann, um den Wafer 82 in der Kammer 80 zu ätzen.
  • Die in den Fig. 1, 2, 4, 6, 7 und 8 dargestellten Spulen sollen nicht die einzig möglichen Konfigurationen, die die Lehre der vorliegenden Erfindung zuläßt, sein. Spulen mit Polygonform oder kreisförmiger, halbkreisförmiger oder elliptischer Form entlang der äußeren Spule liegen innerhalb des Bereichs der Lehre der vorliegenden Erfindung. Es ist darüber hinaus zu erkennen, daß die Spulen der Fig. 1, 2, 4, 6, 7 und 8 mit Kondensatoren unterteilt werden können, die zwischen aneinander angebrachten Segmenten angebracht werden, um die Impedanz der Spule zu vermindern, wie es durch die EP-A-0565960 oder die US- A-5231334 (US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 07/868818, eingereicht am 15. April 1992 und auf Texas Instruments Incorporated übertragen, mit dem Titel "Plasma Source and Method of Manufacturing") gelehrt wird, die ausdrücklich durch diesen Hinweis hierin mit einbezogen wird.
  • Daher wurde ein neuer Aufbau für eine durch HF-Anregung induktiv gekoppelte Plasmaquelle hierin beschrieben. Im Vergleich zu bisherigen Quellen kann diese Quelle Plasmen mit großen Volumen, räumlich homogen und dicht in einem großen Bereich von Betriebsbedingungen erzeugen. Zu den Eigenschaften des Plasmas gehören große Ionenflüsse und niedrige intrinsische Plasmapotentiale. Eine solche Quelle ist z. B. für Anwendungen für das Trockenätzen, die plasmaunterstützte Abscheidung und die UV-Strahlenerzeugung (UV) geeignet.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung im einzelnen beschrieben worden ist, ist zu erkennen, daß verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Modifikationen daran durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert wird, abzuweichen.

Claims (2)

1. Plasmareaktor (10) mit einer zylindrischen Prozeßkammer (14), einer für die Erzeugung von Whistler-Wellen geeigneten Antenne (12), einer Elektromagnetspule (36), die um einen unteren Teil der Kammer (14) herum angeordnet ist, und einer Gruppe von Permanentmagneten (34), die um einen oberen Teil der Kammer (14) herum angeordnet sind, wobei die Magnete dazu dienen, das Plasma innerhalb der Kammer zu begrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Erzeugung von Whistler-Wellen geeignete Antenne (12) aus einer Reihe in etwa rechteckiger Schleifenteile besteht, deren zueinander parallele Seiten unterschiedliche Längen aufweisen, die sich in einer axialen Richtung erstrecken, wobei die Schleifenteile konzentrisch in der Kammer angeordnet sind und so geformt sind, daß sie sich an die Konturen der Kammer anpassen.
2. Plasmareaktor nach Anspruch 1, bei dem aufeinanderfolgende Seiten in einem rechten Winkel zueinander stehen.
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