JP3837171B2 - プラズマ処理用高周波誘導プラズマ源装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に高周波誘導によってプラズマを発生する分野、特に高周波共振誘導結合によってプラズマを発生するための改善された方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に1MHzから100MHzの間の周波数を有する高周波(略称「RF」)で発生される誘導結合プラズマ(略称「IPC」)は、1011cm−3を超える荷電粒子(電子又はイオン)濃度及び5mA/cm2を超えるウェーハ基板への電流を提供する。誘導結合プラズマ源は、したがって、プラズマ発生を必要とする半導体製造プロセスにとって電子サイクロトロン共振(以下、略称:ECRで表す)プラズマ源に匹敵する。プラズマを使用する半導体製造プロセスは、ウェーハのドライエッチング、プラズマ強化(enhanced)堆積、ドライクリーニング、紫外線(略称「UV」)の発生を必要とする応用を含む。
【0003】
誘導結合高周波プラズマ源装置は、容量結合高周波プラズマ源装置及びECRプラズマ源装置の双方に優る利点を有する。容量結合高周波プラズマと対照的に、誘導結合高周波プラズマは、実質的に低い真性プラズマ電位(<50V)を有し、かつ実質的に高い電離能率(>5%)を達成する。また、真性プラズマ電位は、高周波電力に比較的無関係である。低真性プラズマ電位は、高イオンエネルギーがウェーハ上のデバイスを損傷するおそれのあるドライエッチングのような、高イオンエネルギーを許容することのできない応用に有効である。
【0004】
ECRプラズマ源装置においては、プラズマイオンは、放電室内の電子衝撃によって生成され、かつ磁界及び(又は)電界を使用して表面に向けて送られる。ECRシステムの場合におけるように、誘導結合高周波プラズマのイオンエネルギーは、別個の高周波又は直流電源で集積回路ウェーハをバイアスすることによって、そのプラズマ密度に無関係に変動させられる。ECRプラズマ源の場合、プラズマを有効に発生することができる圧力が、また、関心事である。ECRプラズマ源は、0.13Paより低い圧力において最も有効であり、このような圧力はほとんどの半導体プロセス応用にとって低過ぎる。しかしながら、誘導結合プラズマ源は、半導体プロセス要件と遥かに両立性である圧力範囲(0.13Paから6.67Pa)にわたり動作するという利点を有する。動作圧力が高いから、所与のガス流量に対するポンピング要件は、誘導結合プラズマ源にとって遥かに緩やかである。加えて、誘導結合プラズマ源は、コンパクトな設計かつECRプラズマ源より実質的に低いコストにおいて大きな直径(15cmから30cm)、均一プラズマを提供することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
高周波誘導結合を採用するプラズマ源装置の1型式は、エネルギーをホイスラー波又はヘリコン波を通してプラズマ源内へ結合する。発生器のこの型式は、ヘリコンプラズマ源と呼ばれる。プラズマ源の軸に沿って向けられた0.01Tから0.1Tの範囲の磁界の存在下において、定在ホイスラー波は、高周波電圧をプラズマ源空洞の回りに配置されたループアンテナに印加することによって励磁され得る。これの軸方向磁界は、ECRプラズマ源に採用された磁界より一般に弱いが、そのプラズマはプラズマ源の直径にわたり一様でない。したがって、プラズマ処理を受けつつあるウェーハは、プラズマから離れて又は「下流」へ、プラズマが充分に一様である領域内へ、配置されなければならない。このことは、この下流位置において充分なプラズマ密度(すなわち、電子及びイオン濃度)を維持するために、プラズマ源の入力電力を増大することを必要とされる。また、軸方向磁界を発生するために、大きいソレノイドコイルが要求される。これらの特徴は、プラズマ源コスト及び複雑性を増大させる。
【0006】
プラズマ源装置の第2型式は、軸方向磁界を省くことによって総称的ホイスラー波又はヘリコン源装置とは異なる。そのため、プラズマ処理を受けつつあるウェーハは、プラズマ発生領域内に置かれ得る。このようなプラズマ源に対するピークプラズマ密度(5×1011cm−3)はホイスラー波源に対するそれよりも1桁低いが、プラズマ源内のプラズマ発生領域へウェーハが近接していることによって、処理速度が良好であるということが保証される。1μm/minを上回るウェーハエッチ速度は、注目する多くの材料に対して可能である。このプラズマ源は、簡単で、一層コンパクトであり、かつ、ヘリコンプラズマ源より安価である。
【0007】
誘導結合プラズマ源装置のこの型式の1別形は、円筒形真空室の頂面に沿って配置された多重巻回パンケーキコイルを採用する。典型的に1.27cm厚さの水晶真空窓は、コイルを室から絶縁する。コイルが高周波源によって電力供給されると、大電流がコイル内に循環する。これらの電流はこの室内側に強い電界を誘導し、この電界がプラズマ状態を持続させる。パンケーキコイルによって発生された時変磁界及び電界は、コイル電流に比例し、かつ、コイル直径及びコイル巻回数の二乗に比例して増大する。あるパンケーキコイルからの誘導電界の一様性は、コイル直径及びコイル巻回数を増大することによって向上する。しかしながら、コイルのインダクタンスもまた、コイル巻回数の二乗に比例する。このことは、或る一定コイル電流に対するコイル巻回数の増大でコイル両端間の電圧降下が増大することを暗示する。例えば、13.56MHzにおける20AのRMS(二乗平均平方根)電流に対する5μHコイルの両端間の電圧降下は、8.5kVである。このような高電圧は危険であり、コイルとプラズマとの間に容量性エネルギー結合を生じる。容量結合は、もし顕著な量のエネルギーが容量結合を経由して転送されるならば真性プラズマ電位が劇的に増大するので、望ましくない。これらの検討問題は、プラズマ源の頂面に沿って配置された多重巻回パンケーキコイルを備えるこれらの高周波プラズマ源内のコイルの巻回数を約3に制約する。
【0008】
【問題を解決するための手段】
したがって、ヘリコンプラズマ源装置と誘導結合プラズマ源装置の利点を組合わせ、システム構成要素の数を最少化し、出力電力を効率的に使用し、良好なプラズマ一様性を提供し、かつコイル電圧を安全レベルに維持する高周波プラズマ源装置に対する要望が高まっている。本発明によれば、現存するプラズマ源に関連する欠点及び問題を実質的に除去するプラズマ発生装置及び方法が提供される。
【0009】
本発明は、プラズマを発生する装置を含む誘導結合プラズマ源装置である。このプラズマ源装置は、プラズマを収容する真空室を含む。室の外側に複数の永久多極磁石が含まれ、これらの磁石は室壁へのプラズマ損失を減少するカスプ磁界を確立し、プラズマ密度を強化(enhance)し、かつこのプラズマ源の動作を定圧へ延長するように使用される得る。このプラズマ源装置は、ホイスラー波の好適伝搬方向を規定する可変軸方向静磁界を発生するために室の外側に配置された少なくとも1組の電磁石を含む。また、ホイスラー波を発生しかつ励磁するために高周波電力の共振誘導結合用アンテナとして働くコイルが、含まれる。励磁されたホイスラー波は、プラズマをプロセスガス中に誘導かつ維持するために充分なエネルギーを転送する。このコイルは、また、時変定在波電磁界を発生する。これらの電磁界は、プラズマ源中のプラズマ密度を強化する。少なくとも1つのコイルが、本発明のプラズマ源の室の内側又は外部のいずれかに配置される。
【0010】
特に、ホイスラー結合を達成するために、ホイスラー波の励磁に使用される高周波電力の周波数は、プロセスガスのイオンサイクロトロン周波数と電子サイクロトロン周波数との間にあるように選択されるものとし、かつこれらのサイクロトロン周波数はこれらのプロセスガスの電子プラズマ周波数より低いように選択されるものとする。本発明の方法及び装置における高周波電源は、ホイスラー波を確立するために、横方向電磁(以下、略称「TE」で表す)モード波、横方向磁界(以下、略称「TM」表す)モード波、又は混合TE及びTMモード波のいずれかを供給することができる。
【0011】
本発明の技術的利点は、本発明が現存する半導体処理機器内へ統合化され得ることにある。例えば、エッチングを遂行するためにプラズマを必要とするドライエッチ室に、本発明のプラズマ源を取り付けることができる。統合化ドライエッチ/プラズマ源室は、ウエットエッチングシステムに優る強化エッチ能力を提供する。
【0012】
本発明の重要な技術的利点は、コイル形状配置が単一巻回コイルに比較して遥かに強い磁界を発生することができるということである。本発明の多重巻回コイル形状配置は、アンテナ長さ範囲を有効に提供するという技術的利点を与え、これによってプラズマ放電条件の範囲にわたり共振誘導結合効率を向上する。オフ共振誘導結合は充分には効率的でなく、したがって、長さを変動するアンテナを提供することによって、プラズマ発生器の動作範囲を拡大することができる。また、様々な長さのアンテナは、多重モード動作及び一層均一なプラズマという技術的利点を持たらす。
【0013】
他の技術的利点は、本発明のプラズマ源の室内に発生された電磁界は一様でかつ室内に集中しているということである。本発明は、プロセス室内に発生された電磁界を全体的に収容する技術的利点を提供する。このことは、室の外側の金属表面を加熱するうず電流を除去し、一層効率的なプラズマ発生を持たらす。また、それらのコイルで以て提供される多極磁石閉込めは、6.67Paより低い圧力に対してプラズマ密度を強化する。
【0014】
本発明の他の利点は、もしそのプラズマ放電がホイスラー波への共振誘導結合が起こらない機構内で動作するならば、多重密接パックコイルによって誘導される内部磁界が、誘導結合のみを通してプラズマを持続させるに充分強力なホイスラー波電磁界を発生することができる、ということである。したがって、共振誘導結合が効率的でない又は不可能である条件の下で本発明のプラズマ源内プラズマを得かつ維持することが可能である。
【0015】
【実施例】
本発明及びその利点の完全な理解のために、付図との関連において行われる次の説明をいまから参照する。
【0016】
本発明の好適実施例及びそれらの利点は図1から図8を参照することによって最も良く理解され、同様の符号がこれら種々の図面の同様の又は対応する部品に対して使用される。
【0017】
図1は、プロセスガス中にプラズマ状態を誘導するためにプロセスガスに高周波電力を誘導結合するためにコイル12を採用するプラズマ源装置10の部分断面及び部分概略線図を表す。プラズマ源装置10は、プラズマをより良く収容するように、典型的に水晶のような適当な誘電材料で作られた室14を含む。室14は、また、典型的に、真空封止されている。室14は、これにプロセスガスを導入する入口16を有する。入口アパーチャ18は、プロセズガスを一様な制御流量で室14に導入させる。いったんプラズマ状態がプロセスガス中に達成されると、プラズマは、末端19によって図1に表現された開口を通して室14から放出される。図1のプラズマ源装置10を、処理に当たってプラズマを必要とするどの適当な半導体処理室にも取り付けることができる。ウェーハエッチング室及び堆積室は、プラズマ源装置10を取り付けることができる半導体処理室の例である。
【0018】
室14は、それ内に複数のコイル12を有することがある。コイル12は、このコイル配置と同心配置されかつ室14の輪郭に整合する形状をしている一連のループアンテナである。コイル12は、どの適当な高周波導電材料で作られてもよい。6.4mm直径の銅、アルミニウム、又は銅被覆管材は、コイル12を製造するのに適当な材料であることが証明されている。図1の実施例においては、コイル12は、室14の内側に配置され、かつこれらの汚染を防止するために誘電体被覆22に包まれている。水晶及びエポキシカプセル封止材は、誘電体被覆22に対する適当な材料であるといえる。コイル12は、室14の中心を通って延びる接続線路24によって一括結合されることがある。接続線路24は、誘電体被覆22に同様に包まれている。コイル12は、また、水入口26及び水出口28を配置されることがある。コイル12及び接続線路24の温度を、これらのコイル又は被覆を損傷するおそれがある温度より下に維持するためにコイル12及び線路24を通して水をポンプすることができる。コイル12は、また、高周波電源30及び接地32に結合される。介在整合回路網(図に明示されていない)が、高周波電力(1MHzから100MHz)を高周波電源30からコイル12に印加するために必要とされる。図1の実施例においては、高周波電源30は、高周波エネルギーをTEモード波の形で供給する。
【0019】
室14の外側に多数永久磁石34が含まれることがあり、これらは同様の極性の磁石が互いに向き合って室14の全周辺に沿い配置される、図2を参照されたい。注目すべきことは、これらの永久磁石を本発明の創意に影響を及ぼすことなく省いてもよいということである。この室の表面において0.01T〜0.05Tの磁界を確立する永久磁石が、適当であることが判っている。図1に表されたプラズマ源装置10の実施例において、単一組の電磁石36が室14の外側に配置されている。室14の中心において0.01T〜0.1Tの電磁界を確立するソレノイド電磁石が適当であることが判っている。永久磁石34及びソレノイド電磁石36の数及び配置を本発明の創意に影響を及ぼすことなく変動できることが、構想されている。
【0020】
図2は、図1のプラズマ源装置10の上面図を表す。この上面図に見られるように、コイル12は、室14の内側に配置され、誘電体被覆22で以て包まれている。コイル12は、平面図(図4参照)において同心的に形成されているが、なおまた室14の円形形状に整合するように輪郭を施されている。したがって、図2の上面図はコイル12を円38の型式で示す。コイル12は、事実、スペーサ40及び42によって分離されている。図1及び図2の実施例は2つのコイル12で以て示されているが、いうまでもなく、コイルの数を本発明の創意に影響を及ぼすことなく変動することができる。
【0021】
図1及び図2に表されたプラズマ源装置10の動作中、プロセスガス、例えば、アルゴン、六フッ化イオウは入口16及び入口アパーチャ18を通して室14内へ導入される。次から次へ極性を交互して置かれた磁石を備える永久磁石34の配置は室14の表面に沿ってカスプ磁界を確立し、これがプラズマの閉じ込めを助援する。電磁石36は可変軸方向静磁界を発生し、これがコイル12によって発生されるボイスラー波の伝搬方向を規定する。本実施例においては電磁石36の1つの組しか表されていないが、電磁石36の追加の組を使用して軸方向磁界の一様性を向上することができる。プラズマ平等性を向上するために3つ又はそれ以上の電磁石を使用することが必要なこともある。
【0022】
共振誘導プラズマ発生器においては、空洞の内部又は回りに配置されたアンテナの長さがホイスラー波の波長の1/2に整合するとき、この空洞内のホイスラー波は共振結合によって励磁される。高周波エネルギーの優勢結合が共振誘導を通してホイスラー波になされることを保証するために、最大結合に対して要求されるアンテナの最適長さはプラズマ源内の条件の関数である。ホイスラー波の波長は、等式(1)によって表される。
【0023】
【数1】
【0024】
ここに、 Bo は10−4Tで表された磁界、
ne は1/cm3で表された電子濃度、
f はHzで表された周波数である。
【0025】
したがって、一定長さのアンテナに対しては、ホイスラー波の波長が空洞内のアンテナの長さの1/2に等しいように等式(1)内の変数がなっている場合に限り、プラズマ発生を持たらすホイスラー波の共振誘導及び励磁が起こる。ホイスラー波の波長λは磁界Bo、電子濃度ne、及び室内の波の周波数fに依存するから、単一ループアンテナで以てプロセスガス中にプラズマ状態を達成しかつ維持することは、常に可能であるとは限らない。
【0026】
図1及び図2に表された本発明の実施例においては、室14内で磁界Bo、電子濃度ne、及び周波数fは変化し、これによってホイスラー波の波長λに影響を及ぼすので、コイル12は、ホイスラー波の変化する波長の1/2に整合するために必要な多重アンテナを提供する。このようにして、コイル12は、ホイスラー波の共振誘導励磁を可能にするアンテナ長さの範囲を提供し、これによってプラズマ条件の範囲にわたり結合効率を向上する。
【0027】
コイル12は、また、室14内に強い時変電磁界を誘導する。いったん時変電磁界が必要なしきい値に到達すると、プロセスガスは電離され、室14内にプラズマが確立される。長さを変動するアンテナ、例えば、コイルは、また、多モードホイスラー波発生及び一層均一なプラズマを持たらすことができる。更に、図1及び図2に表されたプラズマ源装置10の動作中、もし共振誘導が起こらない領域において放電が動作させられるならば、多重コイル12によって発生される室14内側の強い時変電磁界がプラズマを維持する。したがって、ホイスラー波発生及び共振誘導を支持しない条件の下においてもプロセスガス中にプラズマ状態を維持することが可能である。また、コイル12に起因する磁界Bの形状配置は、大きな接線方向成分及び半径方向成分を有し、これらはホイスラーモードを励磁するのに望ましい。
【0028】
また、プラズマ源装置10内の磁界を論じる規準として使用される点44が、図2に認められる。点44は、接続線路24の上又は下かつコイル12の上側境界又は下側境界内において面1−1′に沿うどの非固定点としても看なされる。図3に表されたように距離Rにおける電線46の長さ1内の電流に起因する面1−1′上の点44における磁界Bは、等式(2)によって与えられる。
【0029】
【数2】
【0030】
ここに、 I は電線46内の電流、
R は電線46からの距離、
l は電線線46の長さ、
μo は波が走行する媒体の透磁率である。
【0031】
磁界Bは、電線46を中心として囲む円形経路上を走行すると看される。
【0032】
各コイルは、端と端で取り付けられた電線のいくつかのセグメントであるとして取り扱われる。この構想は、図4に一層明白に図解されている。図4に示されたように4つのループから構成されるコイル12において、このコイルは、l1、l2、l3、及びl4として識別される電線の4つの長さである。したがって、等式(1)に従う点44における磁界は、等式(3)によって与えられる。
【0033】
【数3】
これから、
【0034】
【数4】
【0035】
もしl1=2.54cm、l2=7.62cm、I3=12.7cm、I4=17.8cm、μo=4π×10−7H/m、かつもしコイル12内の電流Iが40Aならば、室14内の磁界Bは7.5×10−4Tである。
【0036】
室14内のコイル12の磁界Bは、時変電界Eを誘導する。室14内の時変電界Eを推定することが可能である。図2内のコイル12の境界内の面I−I′に沿う閉ループ48を表す図5を考えよう。図2の面I−I′に沿う電界Eと磁界Bとの間の関係を、図5に示されたように表すことができる。点49において閉ループ48内の磁界Bは、面I−I′を横断して示されている。発生された時変電界Eは、磁界Bに対して接線方向であり、かつ点49からの距離r1に従って変動する。時変電界Eは、等式(5)によって表現される。
【0037】
【数5】
【0038】
ここに、 ω は信号の角周波数、
B は10−4Tで表された磁界、
r は点49からのcmで表された距離である。
【数6】
【0039】
の場合、電界Eは8V/cmである。
【0040】
電界Eのこの値は、電界が室14の中心に比較して室14の内面に沿って遥かに強いということが知られているから、過小評価である。平均すると、電界Eは室14の内面に沿い室14の中心の強さの3倍におそらくなることが確定されている。したがって、電界Eは、室14の内面に沿って約25V/cmである。
【0041】
プロセスガスとしてアルゴンを使用するとき、アルゴン中にプラズマ状態を誘導するために必要な最小電界Eは、等式(7)によって表現される。
【0042】
6.67Paにおいて、
【数7】
【0043】
ここに、 Nはアルゴンのガス密度であり、かつ
6.67Paにおいて、
【数8】
したがって、E=(E/N)N=0.67 V/cm
【0044】
したがって、等式(7)を適用して、上例におけるプラズマ状態を誘導するために必要とされる電界Eは0.67V/cmである。図4に表されたコイル12内の40Aの電流が7.5×10−4Tの磁界Bを生じ、これが立ち代わって、等式(5)から8V/cmの電界Eを生じることが上に示されたから、0.67Vの電界Eを発生するに必要な電流を、(〔(40A)(0.67V/cm)〕/(8V/cm))と計算することができる。したがって、約3Aと云う最小コイル電流で以てアルゴン中に高周波放電を持続させることが可能である。
【0045】
プロセスガスが六フッ化イオウ(SF6)の場合、プラズマ状態を誘導するために必要とされる最小電界Eは、等式(9)によって表現される。
【0046】
6.67Paにおいて、
【数9】
【0047】
ここに、 Nは六フッ化イオウのガス密度であり、かつ
6.67Paにおいて、
【数10】
したがって、
N=(E/N)(N)=6.7V/cm
【0048】
したがって、等式(9)を適用して、六フッ化イオウ中にプラズマ状態を誘導するために必要とされる電界Eは6.7V/cmである。それゆえ、六フッ化イオウ中に高周波放電を持続させるために必要とされる最小コイル電流は、約33A、すなわち、
(〔(40A)(4.7V/cm)〕/(8V/cm))である。
【0049】
これらの条件の下において達成可能のプラズマ密度neも、また、計算することができる。高周波電源30によって供給される電力を500Wと仮定しよう。プロセスガスの電離に使用される電力の部分、すなわち、電離能率は、電界Eが8V/cmに等しい場合、0.4である。アルゴンに対する電離しきい値は、16eVであり、したがって、容量イオン化率は等式(11)及び(12)によって表現される。
【0050】
【数11】
【0051】
ここに、
【数12】
プラズマの損失率は、等式(13)によって表現される。
【0052】
【数13】
【0053】
ここに、 Da は電子及びイオンに対する拡散係数であり、かつ
6.67Paにおいて、
【数14】
【0054】
したがって、プラズマ密度neは、2x1012/cm3である。実際の電子密度は、電界Eの過小評価が使用されているから、おそらくもっと高いことが認められている。
【0055】
図1及び図2に示された実施例は、接持線路24によって一括に接続された2つのコイル12を使用する。いうまでもなく、スペーサ40及び42を伴わないで円38を提供する単一コイル12だけでなく、適当に形成された多数のコイルが本発明の創意に反することなく使用される。加えて、これらのコイルの形状は、図4に表されたように正方形である必要はなく、長方形であってもよい。注目されるのは、正方形コイルはこれによって巻かれた円筒形内の磁界をおそらく増大するのに対して、長方形コイルは室軸に沿っての軸方向位置に無関係である磁界Bをおそらく生成するということである。室軸に沿う軸方向位置に無関係である磁界Bは、共振誘導結合を達成するのに一層良好である。
【0056】
図6に示された他の実施例においては、本発明のプラズマ源装置48もまた、プロセスガス中にプラズマ状態を誘導する波を励磁するためにコイルを使用する。プラズマ源装置48は、プラズマを収容する室50を有する。室50は、プラズマを一層良く収容するように、一般に、水晶のような誘電材料で作られている。プラズマ源装置48は、また、図1及び図2に表された複数のコイルに類似した構成の複数のコイルを含む。コイル51は、室50の底を横断しかつその外側を延びる。コイル52は、室50の側壁に沿って室50の頂部を横断しかつその後外へ延びる。
【0057】
コイル51は、水入口56に結合され、コイル52は水出口58に結合される。水は、これらのコイルを冷却するためにこれらのコイルを通してポンプされて、熱損傷を防止する。また、コイル51に接続されて高周波電源60があり、及びコイル52は接地されている。介在整合回路網(図に明示されていない)は、高周波電源60からの高周波電力をコイル51に印加するのに必要とされる。高周波電源60は、TMモード波を供給する。図6上の矢印は、これらのコイル内の水の流れ方向及び電流方向の双方を示す。
【0058】
室50及びコイル51、52の共に外側に配置されて永久磁石64及びソレノイド電磁石66がある。図6の永久磁石64及びソレノイド電磁石66の配置及び数は、図1及び図2のそれらと一貫している。
【0059】
プロセスガスは、入口72及び入口アパーチャ74を通してプラズマ源装置48内へ導入される。入口アパーチャ74は、プロセスガスの室50への一様な導入を提供する。
【0060】
図7は、プラズマ源装置48の上面図を表す。図7に表されたように、コイル52は、室50の外部、しかし磁石64及び66の内部に配置される。
【0061】
動作中、図6及び図7に表されるプラズマ源装置48は、室50の外側に全体的に配置されたコイル52及びこの室に全体的に閉じ込められた磁界Bと共に誘導結合高周波プラズマを用意する。図7の面I−I′に沿う点72における磁界Bは等式(15)によって表現される。
【0062】
【数15】
【0063】
ここに、
μo は波が走行する媒体の透磁率であり、かつ
I は電線内の電流、
r は電線からの距離である。
【0064】
r=5.08cmかつI=40Aの場合、B=1.5×10−4Tである。図6及び図7に表されたプラズマ源装置48は、したがって、プロセスガス中にプラズマ状態を誘導するために使用される時変電界を誘導するのに充分な磁界を提供することができる。しかしながら、等価な磁界を持続するために必要とされる電流は、図1及び図2のプラズマ源装置10に必要とされる電流よりも大きい。
【0065】
図8は、図1のプラズマ源装置10を組み込んだドライエッチ処理室80を表す。室80の内側に半導体ウェーハ82があり、この上にプラズマ源装置10のプラズマで以てドライエッチングが遂行される。図8の好適実施例においては、プラズマ源装置10の動作は、上に説明されたようにプラズマを起こすように配置された電磁石36で以て、エッチンを遂行するようにウェーハ82の表面を衝撃することである。図8に表されているが、高周波又は直流電源84は、ウェーハをバイアスするのに使用される。高周波又は直流電源84で以てウェーハ82をバイアスすることは、室80内でプラズマのイオンエネルギーを独立に変動させる。注目されるのは、プラズマ源装置10に対するウェーハ82の配向を本発明の創意に影響を及ぼすことなく反転させることができるということである。また、図6のプラズマ源装置48はまた室80内のウェーハ82をエッチするのに必要なプラズマを誘導することができるから、プラズマ源装置10をプラズマ源装置48で置換することもできる。
【0066】
図1、図2、図4、図6、図7、及び図8に表されたコイルのみが本発明の技術の下に可能な形状配置であると理解すべきではない。最外コイルに沿う形状が多角形、円形、半円形、だ円形のようなどんな形状のコイルでも、本発明の教示の内にある。また、注目されるのは、図1、図2、図4、図6、図7、及び図8のコイルが、1992年4月15日に提出されかつテキサス・インスツルメント社に譲渡された、かつここに参考資料として編入されたことを明示された、「プラズマ源及び製造方法(Plasma Source and Mathod of Manufacturing)」と題する米国特許出願番号第07/868,818によって教示されるように、このコイルのインピーダンスを減少するために隣接セグメント間に設置されたキャパシタで以てセグメント化され得るということである。
【0067】
【発明の効果】
したがって、高周波励磁誘導結合プラズマ源に対する新規な設計が説明された。現存するプラズマ源装置と比較して、このプラズマ源装置は大きい容積、空間的に一様性、動作条件の広い範囲にわたる高密度のプラズマを発生する能力を有する。このプラズマの特性は、大きいイオン流束及び低真性プラズマ電位を含む。このようなプラズマ源装置は、例えば、ドライエッチング、プラズマ強化堆積、及び紫外線発生のような応用に適している。
【0068】
本発明が詳細に説明されたが、種々の変形、置換及び変更を添付の特請求の範囲によって規定された本発明の精神と範囲に反することなく本発明に施すことができることは、いうまでもない。
【0069】
以上の説明に関し更に以下の項を開示する。
【0070】
(1) プラズマ発生用プラズマ源装置であって、
前記プラズマとプロセスガスとを閉じ込めるように動作する室と、
前記室内にホイスラー波を発生するように動作するコイルと、
前記室の外側に配置された少なくとも1組の電磁石であって、前記電磁石が前記室内の前記ホイスラー波の好適伝搬方向を規定するように動作する、前記少なくとも1組の電磁石と
を含み、
前記コイルは前記ホイスラー波を励磁するために前記ホイスラー波に高周波電力を誘導結合しかつ前記プロセスガス中にプラズマ状態を誘導するために前記室内の前記プロセスガスに充分な量のエネルギーを転送するように更に動作する、プラズマ源装置。
【0071】
(2) 第1項記載のプラズマ源装置において、前記コイルは前記ホイスラー波を励磁するために前記ホイスラー波に高周波電力を共振誘導結合するように更に動作する、プラズマ源装置。
【0072】
(3) 第1項記載のプラズマ源装置において、前記コイルは前記室の内側に配置されかつ前記室の側壁に実質的に平行に位置決めされる、プラズマ源装置。
【0073】
(4) 第1項記載のプラズマ源装置において、前記コイルは前記室の内側に配置されかつ前記室の側壁に実質的に平行に位置決めされた複数のコイルを含み、前記複数のコイルは前記室の輪郭に整合するように形成されかつ前記室の垂直軸を横切る接続コイルによって接続される、プラズマ源装置。
【0074】
(5) 第1項記載のプラズマ源装置において、前記コイルは
前記室の底に沿って前記室の外側を通る第1コイルと、
前記室の外側に配置されかつ前記室の側壁に実質的に平行な複数のコイルであって、前記電磁石と前記室との間に配置された前記複数のコイルと
を更に含む、プラズマ源装置。
【0075】
(6) 第1項記載のプラズマ源装置において、前記高周波電力は前記プロセスガスのイオンサイクロトロン周波数と電子サイクロトロン周波数との間の周波数にあるように選択され、前記イオンサイクロトロン周波数と前記電子サイクロトロン周波数とは前記プロセスガスの電子プラズマ周波数より低い、プラズマ源装置。
【0076】
(7) 第1項記載のプラズマ源装置において、前記コイルは前記ホイスラー波への前記高周波電力の共振誘導結合を効果させる条件範囲にわたり前記ホイスラー波に前記高周波電力を共振誘導結合するために長さを変動するアンテナを提供するように動作し、前記コイルは前記プロセスガスのプラズマ状態を持続させる時変磁界を発生するように更に動作する、プラズマ源装置。
【0077】
(8) 第1項記載のプラズマ源装置であって、前記室の外側に配置された複数の永久多極磁石を更に含み、前記磁石は前記プラズマを閉じ込めるために前記室の表面に沿って磁界を確立するように動作する、プラズマ源装置。
【0078】
(9) 第1項記載のプラズマ源装置において、前記コイルは該コイルを冷却するように前記コイルを通して冷却剤を循環させる通路を更に含む、プラズマ源装置。
【0079】
(10) 第1項記載のプラズマ源装置において、前記コイルは該コイルのインピーダンスを低下させるように動作するキャパシタであって隣接コイルとの間に配置された前記キャパシタで以てセグメント化される、プラズマ源装置。
【0080】
(11) プラズマベースプロセスを遂行するために動作する室であって、プロセスガスを収容しかつプラズマ源に対して半導体ウェーハを固定し、前記室は、
前記室の外側に配置された複数の永久多極磁石であって、前記磁石がプラズマを閉じ込めるために前記室の表面に沿って磁界を確立するように動作する、前記複数の永久多極磁石と、
前記室内にホイスラー波を発生するように動作するコイルと、
前記室の外側に配置された1組の電磁石であって、前記電磁石は前記室内の前記ホイスラー波の好適伝搬方向を規定するように動作する、前記1組の電磁石とを含み、
前記コイルは前記ホイスラー波を励磁するために前記ホイスラー波に高周波電力を誘導結合しかつ前記プロセスガス中にプラズマ状態を誘導するために前記プロセスガスに充分な量のエネルギーを転送するように更に動作する、室。
【0081】
(12) 室内のプロセスガス中にプラズマ状態を誘導する方法であって、
コイルでホイスラー波を発生するステップと、
前記室内のホイスラー波の好適伝搬方向を規定する可変静電磁界を発生するステップと、
前記コイルで前記ホイスラー波に高周波電力を誘導結合することによって前記ホイスラー波を励磁するステップであって、前記励磁されたホイスラー波は前記プロセスガス中にプラズマ状態を誘導するように前記プロセスガスに充分なエネルギーを転送する、ステップと
を含む方法。
【0082】
(13) 第12項記載の方法であって、前記プロセスガス中にプラズマ状態を持続させるために前記コイルで時変電磁界を発生するステップを更に含む方法。
【0083】
(14) 第12項記載の方法において、前記時変電磁界を発生するステップは前記室の外側に配置された少なくとも1組の電磁石で完遂される、方法。
【0084】
(15) 第12項記載の方法であって、前記プラズマを閉じ込めるために前記室の表面に沿って磁界を発生するステップを更に含む方法。
【0085】
(16) 第12項記載の方法において、前記励磁するステップは前記コイルで前記ホイスラー波に前記高周波電力を共振誘導結合することによって完遂される、方法。
【0086】
(17) 第12項記載の方法であって、
前記プロセスガスのイオンサイクロトロン周波数と電子サイクロトロン周波数との間にあるように前記高周波電力の周波数を選択するステップと、
前記プロセスガスの電子プラズマ周波数より低いように前記イオンサイクロトロン周波数と前記電子サイクロトロン周波数とを選択するステップと
を更に含む方法。
【0087】
(18) 第12項記載の方法であって、前記室の外側かつ前記室の底に沿って第1コイルを配置し、かつ前記室の外側かつ前記室の側壁に沿って該側壁に実質的に平行に複数のコイルを配置するステップを更に含む方法。
【0088】
(19) 第12項記載の方法であって、前記室の内側かつ前記室の側壁に沿って実質的に平行に複数のコイルを配置し、かつ前記室の垂直軸を横切る接続コイルで前記複数のコイルを接続するステップを更に含む方法。
【0089】
(20) 第12項記載の方法において、前記ホイスラー波を励磁するステップは、前記ホイスラー波への前記高周波電力の共振誘導結合を効果させる条件範囲にわたり前記ホイスラー波に前記高周波電力を共振誘導結合するために長さを変動するアンテナを提供するコイルを更に含む、方法。
【0090】
(21) プラズマ源10は、プラズマを収容する室14と室14の内側に配置された複数のコイル12を含む。室14の外部に配置されて、室14の軸に沿って前記プラズマ中に磁界を確立するように動作する複数の永久多極磁石34と室14の外側に配置された1組の電磁石36あり、電磁石36は室14内のホイスラー波の好適伝搬方向を規定する。コイル12は、前記プラズマ中にプラズマ状態を誘導するために前記プラズマに充分な量のエネルギーを転送するように前記ホイスラー波に高周波電力を共振誘導結合する。コイル12は、また、前記プラズマ中にプラズマ状態を持続させる時変電磁界を発生する。
【0091】
【関連特許とのクロスリファレンス】
本願は、アジト・プラモード・パランジペ(Ajit Pramod Paranjpe)によって、1992年、4月15日に提出され、かつテキサス・インスツルメント社に譲渡された、「プラズマ源及び製造方法(Plasma Source and Method of Manufacturing)」と題する米国特許出願第07/868,818号、(TI−15886)、現在、米国特許第5,231,334号、1993年7月27日交付に関連している。
【図面の簡単な説明】
【図1】プラズマ源装置室内側に配置されたコイルを備える本発明の実施例のプラズマ源装置の部分断面図及び部分概略線図。
【図2】図1のプラズマ源装置の上面図。
【図3】電線の長さ内の電流に起因する磁界の説明図。
【図4】4つのループからなるコイルを表す図。
【図5】面I−I′に沿う図2の断面図。
【図6】プラズマ源室外側に配置されたコイルを備える本発明の第2実施例のプラズマ源装置の部分断面図及び部分概略線図。
【図7】図6に表されたプラズマ源装置の上面図。
【図8】半導体処理室内へ統合化された図1のプラズマ源装置の部分断面図及び部分概略線図。
【符号の説明】
10 プラズマ源装置
12 コイル
14 室
24 接続線路
30 高周波電源
34 複数の永久磁石
36 1組の電磁石
40、42 スペーサ
48 プラズマ源装置
50 室
51、52 コイル
60 高周波電源
64 永久磁石
66 ソレノイド電磁石
80 ドライエッチ処理室
82 半導体ウェーハ
84 高周波又は直流電源
Claims (2)
- プラズマを発生するプラズマ源装置において、
前記プラズマとプロセスガスとを閉じ込めるように動作する室を有し、
前記室内にホイスラー波を発生するように動作する一連のループ状コイルを有し、該コイルは少なくとも3つの異なる長さの複数平行線部分からなり、
前記室の外側に配置された少なくとも1組の電磁石を有し、該電磁石が前記室内の前記ホイスラー波の好適伝播方向を規定するように動作し、
前記コイルは前記ホイスラー波を励磁するために前記ホイスラー波に高周波電力を誘導結合し、かつ前記プロセスガス中にプラズマ状態を誘導するために前記室内の前記プロセスガスに充分な量のエネルギーを転送するように更に動作する、プラズマ源装置。 - 室内のプロセスガス中にプラズマ状態を誘導する方法において、一連のループ状コイルにより前記室内にホイスラー波を発生し、該コイルは少なくとも3つの異なる長さの複数平行線部分からなり、
前記室内のホイスラー波の伝播方向を規定する可変静電磁界を発生し、
前記コイルで前記ホイスラー波に高周波電力を誘導結合することによって前記ホイスラー波を励磁し、前記励磁されたホイスラー波は前記プロセスガス中にプラズマ状態を誘導するように前記プロセスガスに充分なエネルギーを転送する、ステップを備えた方法。
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