JP4698222B2 - プラズマを径方向に均一に分布する容量結合プラズマリアクタ - Google Patents
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Description
Jang Gyoo Yang,Daniel J.Hoffman,James D.Carducci,Douglas A,Buchberger Jr., Robert B.Hagen,Matthew L.Miller,Kang−Lie Chiang,およびGerado Delgadino
オーバーヘッドコイル用いたプラズマ分布の制御
本発明の方法によれば、特定のリアクタに固有のウェハ表面にわたったプラズマイオン密度分布は、オーバーヘッドコイル60、65によって発生する特定の磁場を選択することによって、特定の方法で適応される。例えば、プラズマ分布は、ウェハ表面にわたってより均一のエッチング速度分布を発生させるように適応されてもよい。このような適応処理は、例えば、オーバーヘッドコイルにおけるDC電流の流れの最適な極性および振幅を選択するようにコントローラ90をプログラミングすることによって達成される。この例は、2つの同心オーバーヘッドコイル(すなわち、コイル60および65)のみを備えたリアクタに関するが、この方法は、3つ以上のコイルを用いて実行可能であり、より多くの数のオーバーヘッドコイルを用いてより正確な結果を出すことができる。磁場は、ウェハ表面にわたってプラズマイオン密度分布を変化させるようにコントローラ90によって適応され、これは、エッチング速度分布に影響を与える。
オーバーヘッドコイルでのプラズマのステアリング
本発明者らは、コイル電流Iiを、天井および/または側壁の方へプラズマを向けたり、ウェハ表面へ向けたりするように選択することができることを発見した。また、コイル電流Iiは、図9の方法に類似した方法で天井表面でのプラズマ密度分布の均一性を高めるように選択されてもよい。その結果、プラズマは、ウェハでの処理中に集束されてもよく、その後、洗浄中に、天井および/または側壁上に集束されてもよい。天井でプラズマを集束することによって、洗浄時間が短縮されてもよい。
VHFオーバーヘッド電極との使用
図24は、固定された調整スタブを介してVHFプラズマソースパワー発生器に接続されたオーバーヘッド電極を有する容量結合リアクタが、どのように内側および外側コイル60、65に組み合わせられてもよいかを示す。2001年12月19日に出願され、本願の譲受人に譲渡された、Daniel Hoffmanらによる「Plasma Reactor with Overhead RF Electrode Tuned to the Plasma」という発明の名称の米国特許出願第10/028,922号に、このようなリアクタが記載されており、同出願の開示を、参照として本願明細書に組み入れる。
電極・プラズマ共振周波数とVHFソースパワー周波数の整合
上記に略述したように、主要な特徴は、電極・プラズマ共振周波数でプラズマと共振し、ソースパワー周波数および電極・プラズマ周波数を整合する(または、ほぼ整合する)ように、オーバーヘッド電極アセンブリ126を構成することである。電極アセンブリ126は、主に容量性リアクタンスを有するのに対して、プラズマリアクタンスは、周波数、プラズマ密度、および他のパラメータの複素関数である。(以下に更に詳細に記載するように、虚数項を伴う複素関数であり、一般的に、負の容量に相当するリアクタンスの点で、プラズマが解析される。)電極・プラズマ共振周波数は、(キャパシタとインダクタのリアクタンスによって決定されるキャパシタ/インダクタ共振回路の共振周波数と同様に)電極アセンブリ126とプラズマのリアクタンスによって決定される。したがって、電極・プラズマ共振周波数は、プラズマ密度に応じて、必ずしもソースパワー周波数でなくともよい。したがって、問題は、特定の範囲のプラズマ密度および電極の寸法に実際的な制限の制約が与えられれば、プラズマリアクタンスが、電極・プラズマ共振周波数がソースパワー周波数に等しいか、またはほぼ等しくなるようなものであるソースパワー周波数を見つけることである。プラズマ密度(プラズマリアクタンスに影響を与える)および電極の寸法(電極の容量に影響を与える)は、ある一定のプロセス制約を満たさなければならないため、問題は、更に困難である。詳しく言えば、誘電体および導体のプラズマエッチングプロセスに対して、プラズマ密度は、109〜1012イオン/ccの範囲内のものでなければならず、これは、プラズマリアクタンスに課せられた1つの制約である。更に、例えば、8インチ直径のウェハを処理するためのより均一なプラズマイオン密度分布が、ウェハから電極までの間のギャップまたは約2インチの高さと、ほぼウェハ直径またはそれ以上の電極直径とによって実現され、これは、電極容量に課せられる1つの制約である。一方で、12インチ直径のウェハには、異なるギャップが利用されてもよい。
オーバーヘッド電極とガス分配プレートの組み合わせ
チャンバ内でガス分配の均一性を高めるために、オーバーヘッド天井からプロセスガスを供給することが望ましい。この目的のために、図24および図25の場合におけるオーバーヘッド電極125は、ガス分配シャワーヘッドであってもよく、したがって、ワークピース支持体105に面する底面に、多数のガス注入口または***300を有する。例示的な場合において、穴300の直径は、0.01〜0.03インチであり、それらの中心は、約3/8インチずつ均一な間隔で設けられる。
図9のリアクタにおけるプラズマステアリング
図9において、図11〜図14を参照しながら上述したようなプラズマステアリングを実行した。−13アンペアの電流を内側コイル60に適用し、+1.4アンペアの電流を外側コイル65に適用することによって、側壁に向いた磁場を発生させた。−13アンペアの電流を内側コイル60に適用し、+5.2アンペアの電流を外側コイル65に適用することによって、天井または電極125の周囲へ向いた磁場を発生させた。−13アンペアの電流を内側コイル60に適用し、+9.2アンペアの電流を外側コイル65に適用することによって、側壁での高密度の磁場を発生させた。本発明者らは、上述したように、天井または電極125の周囲の方に向いた磁場を適用することによって、洗浄中のチャンバ表面のエッチング速度が40%だけ高まることを見出した。
コイル構成
内側および外側コイル60、65を参照しながら、上記の例について記載してきたが、コイルの数は更に多く用いられてもよい。例えば、図40の場合は、5つのオーバーヘッドコイル4060、4062、4064、4066、4068を有し、各々の電流は、コントローラ90によって別々に制御される。コイル4060、4062、4064、4066、4068は、天井125(図40に示すように)の上方の同じ高さにあってもよく、または異なる高さにあってもよい。図41は、オーバーヘッドコイル60、65が、同じ高さにある場合を示す。図41において、各コイル60、65の巻数は、垂直方向および半径方向の両方に積層される。図42および図43は、コイル60、65が、垂直方向および半径方向に延在する巻線を有する異なる場合を示す。
均一な半径方向のプラズマ分布のバイアス回路調整
図53は、VHFソースパワー堆積の均一な径分布と、ワークピース表面付近のHFバイアス電場の均一な径分布を促すための特徴を含むプラズマリアクタを示す。図53のリアクタは、オーバーヘッドVHF電極125を含む、上述した図24のリアクタの要素を含む。更に、図53は、ワークピース支持ペデスタル105の表面を更に詳細に示す。ワークピース支持カソード105は、下側絶縁層5510を支持する金属ペデスタル層5505と、下側絶縁層5510の上にある導電性メッシュ層5515と、導電性メッシュ層5515を被覆する薄い上部絶縁層5520とを含む。半導体ワークピースまたはウェハ110は、上部絶縁層5520の上部に配置した。導電性メッシュ層5515および金属ペデスタル層5505は、モリブデンおよびアルミニウムからそれぞれ形成されてもよい。絶縁層5510および5520は、例えば、窒化アルミニウムまたはアルミナから形成されてもよい。導電性メッシュ層5515は、ウェハ110の表面でイオン衝撃エネルギーを制御するために、RFバイアス電圧を供給する。また、導電性メッシュ5515は、ウェハ110を静電的に吸着および離脱するために使用可能であり、このような場合、既知の方法でチャッキング電圧ソースに接続され得る。したがって、導電性メッシュ5515は、必ずしも接地されるわけではなく、従来の吸着および離脱動作に応じて、浮遊電位または固定DC電位を交互にもち得る。本願明細書において既に参照したように、ウェハ支持カソード105および、特に、金属ペデスタル層5505は、典型的に(必須ではない)、接地に接続され、オーバーヘッド電極125によって放射されたVHFパワーのリターンパスの一部をなす。
プラズマの均一性を高めるためのRF結合リング
本願明細書において先に記したように、電極125などのオーバーヘッドVHF電極を有するリタクタでのプラズマイオン密度分布は、約10%の不均一性で、中心が高くなる傾向がある。この不均一性は、オーバーヘッド電極125からワークピースの周囲の近傍のプラズマへの容量結合を選択的に高めることによって低下する。図60を参照すると、環状RF結合リングが、ウェハ支持カソード105の外周上に配置され、その外周と電気的に接触した状態にある。図60に示すように、上部絶縁層5520は、上面5580aがウェハの上面と同一平面である取り外し可能なリング5580によって取り囲まれる。取り外し可能なリング5580は、例えば、シリコンなどのプロセス適応可能な材料から形成され得る。場合によって、取り外し可能な金属接地リング5585は、取り外し可能なリング5580を取り囲み、その上面5585aは、取り外し可能なリング5580のものと同一平面である。接地リング5585の周囲によって境界が付けられたウェハ支持カソード105の上部にわたって、概して平坦な表面が設けられ、オーバーヘッド電極125の底部の概して平坦な表面に対面する。その結果として、オーバーヘッド電極125およびウェハ支持カソード105によって境界が付けられた処理ゾーン全体にわたった容量結合は、概して均一である。リアクタの中心が高いプラズマイオン密度分布に固有の不均一性を解消するために、オーバーヘッド電極125による容量結合は、取り外し可能なリング5580および接地されたリング5585上にRF結合リング5590を配置することによって、ワークピース110の外側部分付近で高められる。RF結合リング5590は、導体、半導体、または誘電体であってもよい。結合リング5590が誘電体であれば、ウェハ周囲付近のプラズマへの容量結合は、誘電材料が存在することで高められる。RF結合リング5590が導体であれば、実質的に、電極と対極との間隔を狭くし、それによって、ウェハ110の周囲領域付近の容量が高まる。したがって、電極と対極の間隔は、結合リング5590の高さh2だけh1から間隔が狭くなるRF結合リング5590によって占められる周囲を除き、プロセスゾーンにおけるすべての場所でh1である。ソースパワーの容量結合が増大すると、周囲でのイオン密度が高まる。イオン密度の増大は、RF結合リング5590から内向きに延在し、ワークピース110の周囲部分にわたって延在する。したがって、ワークピース110にわたったプラズマイオン密度は、中心が高いものではなく、より均一に近い傾向にあるか、またはわずかに縁部が高い傾向の場合がある。この状態は、RF結合リング5590の高さ(厚み)h2を慎重に選択することによって最適化される。
Claims (37)
- プラズマリアクタであって、
チャンバを画成する側壁およびオーバーヘッド天井と、
半導体ワークピースを支持するための前記天井と対面する作業面を有する前記チャンバ内のワークピース支持カソードと、
プロセスガスを前記チャンバに導入するためのプロセスガス入口と、
バイアスパワー周波数を有するRFバイアスパワー発生器と、
前記作業面にあるバイアスパワー供給点と、
前記RFバイアスパワー発生器と前記作業面にある前記バイアスパワー供給点との間に接続されたRF導体と、
前記RF導体の一部分を取り囲むと共に、前記RF導体に沿った軸方向の長さ(a)、前記RF導体に沿った誘電率(b)および前記RF導体に沿った軸方向の位置(c)を有する誘電スリーブと、を備え、
前記誘電スリーブによって与えられるリアクタンスが、前記バイアスパワー周波数での前記供給点のインピーダンスを、前記RF導体を取り囲む前記ワークピース支持カソードの一部分のインピーダンスに近い値にするように、前記誘電スリーブの前記長さ、前記誘電率および前記位置が選択されており、
前記カソードは、前記供給点から外向きに延在する半径方向の内側部分と、半径方向外側の環状部分とを備え、前記ワークピース支持カソードの一部分は半径方向外側の環状部分を含むプラズマリアクタ。 - 前記カソードが、前記作業面を備える最上面を有する平坦な絶縁層と、前記平坦な絶縁層内の平坦な伝導性層とを備え、
前記RF導体を取り囲む前記ワークピース支持カソードの前記一部分が前記伝導性層を有しており、
前記誘電スリーブによって与えられるリアクタンスが、前記バイアスパワー周波数での前記供給点のインピーダンスを、前記バイアスパワー周波数での前記伝導性層のインピーダンスに近い値にする、請求項1に記載のリアクタ。 - 前記天井が、オーバーヘッド電極を備え、前記リアクタが、
ソース周波数を有するソースパワー発生器と、
前記ソースパワー発生器と前記オーバーヘッド電極との間に接続されたインピーダンス整合要素とを更に備え、
前記供給点が、前記ソースパワー周波数でインピーダンスを有し、
前記誘電スリーブのリアクタンスが、前記ソース周波数での前記供給点のインピーダンスをほぼゼロにする、請求項1又は2に記載のリアクタ。 - 前記誘電スリーブが、軸方向に沿って複数のセクションに分割され、前記セクションの各々の軸方向の長さおよび誘電率が、他のセクションから独立したものである、請求項3に記載のプラズマリアクタ。
- 前記バイアスパワー周波数が、HF周波数であり、前記ソースパワー周波数が、VHF周波数である、請求項4に記載のリアクタ。
- 前記複数のスリーブセクションの少なくとも1つが、アルミナから形成され、前記複数のスリーブの別のものが、ポリテトラフルオロエチレンから形成される、請求項5に記載のリアクタ。
- 前記誘電スリーブの最上部セクションが、第1の誘電材料を備え、前記誘電スリーブの中間セクションが、第2の誘電材料を備え、前記誘電スリーブの底部セクションが、前記第1の誘電材料を備える、請求項5に記載のリアクタ。
- 前記第1の誘電材料が、ポリテトラフルオロエチレンを含み、前記第2の誘電材料が、アルミナを含む、請求項7に記載のリアクタ。
- 前記オーバーヘッド電極が、プラズマ共振周波数で前記チャンバのプラズマとの共振を有し、前記VHFソースパワー周波数が、前記プラズマ共振周波数またはその付近のものである、請求項5に記載のリアクタ。
- 前記ソースパワー発生器と前記オーバーヘッド電極との間に接続されたインピーダンス整合要素が、前記VHFソースパワー周波数またはその付近のスタブ共振周波数を有する固定調整スタブを備える、請求項9に記載のリアクタ。
- 前記天井が、オーバーヘッド電極を備え、
前記リアクタが、ソース周波数を有するソースパワー発生器と、前記ソースパワー発生器と前記オーバーヘッド電極との間に接続されたインピーダンス整合要素と、前記天井の上方の異なる高さにある異なる半径の複数のオーバーヘッドコイルと、前記複数のコイルにそれぞれのDC電流を適用するためのコントローラと、を更に備え、
前記供給点が、前記ソースパワー周波数でインピーダンスを有し、
前記誘電スリーブによって与えられたリアクタンスが、前記ソースパワー周波数で前記供給点のインピーダンスを、前記ソースパワー周波数でほぼゼロにする、請求項2に記載のリアクタ。 - 前記ワークピースの周囲に概して対応する内径を有する環状のRF結合リングを更に備え、前記RF結合リングが、前記ワークピースの周囲付近のプラズマイオン密度を高めるために、前記作業面と前記オーバーヘッド電極との間の距離の十分な部分に延在する、請求項1に記載のリアクタ。
- 前記RF結合リングが、前記作業面に取り付けられ、前記結合リングの厚みだけ、前記作業面の上方に延在する上面を有する、請求項12に記載のリアクタ。
- 前記RF結合リングが、前記天井に取り付けられ、前記結合リングの厚みだけ、前記天井の下方に延在する底面を有する、請求項12に記載のリアクタ。
- 前記第1のRF結合リングの上にあり、前記天井に取り付けられた第2のRF結合リングを更に備える、請求項13に記載のリアクタ。
- 前記天井の上方の異なる高さにある異なる半径の複数のオーバーヘッドコイルと、前記チャンバにおけるプラズマイオン密度分布の均一性を高めるように、前記複数のコイルにそれぞれのDC電流を適用するためのコントローラとを更に備える、請求項12に記載のリアクタ。
- プラズマリアクタであって、
真空チャンバを画成する側壁および天井、平坦なワークピースを支持するための前記天井と対面する作業面を有する前記チャンバ内のワークピース支持体を含む真空包囲体であって、前記ワークピース支持体および前記天井の両方で、前記ワークピース支持体と前記天井との間にある処理領域を画成する前記真空包囲体と、
プロセスガスを前記チャンバに供給するためのプロセスガス入口と、
バイアス周波数を有するRFバイアスパワー発生器と、
前記天井に隣接する少なくとも第1のオーバーヘッドソレノイド電磁石であって、前記オーバーヘッドソレノイド電磁石、前記天井、前記側壁、および前記ワークピース支持体が、共通の対称軸に沿った位置にある、前記第1のオーバーヘッドソレノイド電磁石と、
前記第1のソレノイド電磁石に接続され、前記第1のソレノイド電磁石に第1の電流を供給することによって、前記第1の電流に応じたものである磁場を前記チャンバ内に生成する電流ソースであって、前記第1の電流の値が、前記磁場が前記作業面付近の前記対称軸の周りにあるプラズマイオン密度径分布の均一性を高める、前記電流ソースと、
前記作業面にあるバイアスパワー供給点と、
前記RFバイアスパワー発生器と前記作業面にある前記バイアスパワー供給点との間に接続されたRF導体と、
前記RF導体の一部分を取り囲むと共に、前記RF導体に沿った軸方向の長さ(a)、前記RF導体に沿った誘電率(b)および前記RF導体に沿った軸方向の位置(c)を有する誘電スリーブと、を備え、
前記誘電スリーブによって与えられるリアクタンスが、前記バイアスパワー周波数での前記供給点のインピーダンスを、前記RF導体を取り囲む前記ワークピース支持カソードの一部分のインピーダンスに近い値にするように、前記誘電スリーブの前記長さ、前記誘電率および前記位置が選択されており、
前記カソードは、前記供給点から外向きに延在する半径方向の内側部分と、半径方向外側の環状部分とを備え、前記ワークピース支持カソードの一部分は半径方向外側の環状部分を含むプラズマリアクタ。 - 前記カソードが、前記作業面を備え上面を有する平坦な絶縁層と、前記平坦な絶縁層内の平坦な伝導性層とを備え、
前記RF導体を取り囲む前記ワークピース支持カソードの前記一部分が前記伝導性層を有しており、
前記誘電スリーブによって与えられるリアクタンスが、前記バイアスパワー周波数での前記供給点のインピーダンスを、前記バイアスパワー周波数での前記伝導性層のインピーダンスに近い値にする、請求項17に記載のリアクタ。 - 前記天井が、オーバーヘッド電極を備え、前記リアクタが、
ソース周波数を有するソースパワー発生器と、
前記ソースパワー発生器と前記オーバーヘッド電極との間に接続されたインピーダンス整合要素とを更に備え、
前記供給点が、前記ソースパワー周波数でインピーダンスを有し、
前記誘電スリーブのリアクタンスが、前記ソース周波数での前記供給点のインピーダンスを、ほぼゼロにする、請求項18に記載のリアクタ。 - 前記第1のソレノイド電磁石が、前記チャンバの外側にあり、前記天井の外面と対面する、請求項17に記載のリアクタ。
- 前記ソースパワー発生器が、所望のプラズマイオン密度レベルで前記チャンバ内にプラズマを維持するRFパワーレベルを供給し、
前記オーバーヘッド電極が、前記発生器の前記周波数またはその付近のものである電極・プラズマ共振周波数でプラズマとの共振を形成するリアクタンスを有する、請求項19に記載のリアクタ。 - 前記天井に隣接した複数のオーバーヘッドソレノイド磁石を更に備え、前記磁石が、前記複数のソレノイド磁石のそれぞれによって発生した個々の静磁場の和を備える前記チャンバの組み合わされた静磁場を有し、前記オーバーヘッドソレノイド、前記天井、前記側壁、および前記ワークピース支持体が、共通の対称軸に沿った位置にあり、前記第1のオーバーヘッドソレノイド磁石が、前記複数のオーバーヘッドソレノイド磁石内に備えられ、
前記組み合わされた磁場が、前記ワークピース支持体の表面付近にある前記対称軸の周りのプラズマイオン密度径分布の均一性を高める、請求項17に記載のリアクタ。 - 前記複数のソレノイド磁石が同心のものであり、前記天井の上方で昇順の直径および降順の軸方向の高さの順序に配設された、請求項22に記載のリアクタ。
- 前記磁石のうち最外位置にある磁石が、前記磁石のうち最内位置にある磁石より、より広い半径方向面積にわたって、対応してより大きな半径方向の磁気圧力をプラズマにかけ、
前記磁石のうち最内位置にある磁石が、前記チャンバの中心付近に限定された領域内において、半径方向の磁気圧力をプラズマにかける、請求項23に記載のリアクタ。 - 前記プラズマがリアクタンスを有し、前記電極のリアクタンスが、前記プラズマのリアクタンスに対応する、請求項19に記載のリアクタ。
- 前記電極のリアクタンスが、
前記プラズマのリアクタンスの共役である、請求項25に記載のリアクタ。 - 前記プラズマのリアクタンスが、負の容量を備え、前記電極の容量が、前記プラズマの前記負の容量の大きさと同一の大きさである、請求項25に記載のリアクタ。
- 前記RF発生器の周波数および電極・プラズマ共振周波数が、VHF周波数である、請求項25に記載のリアクタ。
- 前記発生器と前記オーバーヘッド電極との間に接続された固定インピーダンス整合要素を更に備え、前記固定インピーダンス整合要素が、整合要素共振周波数を有する、請求項25に記載のリアクタ。
- 前記整合要素共振周波数および前記電極・プラズマ共振周波数が、互いからずれたものであり、前記発生器の周波数が、前記電極・プラズマ共振周波数と前記整合要素共振周波数との間にある、請求項29に記載のリアクタ。
- 前記発生器の前記周波数、前記プラズマ周波数、および前記整合要素共振周波数がすべて、VHF周波数である、請求項30に記載のリアクタ。
- 前記RFパワー発生器の前記周波数、前記整合要素共振周波数、および前記電極・プラズマ共振周波数がすべて、互いからずれたものであるVHF周波数である、請求項30に記載のリアクタ。
- 前記ワークピースの周囲に概して対応する内径を有する環状のRF結合リングを更に備え、前記RF結合リングが、前記ワークピースの周囲付近のプラズマイオン密度を高めるために、前記作業面と前記オーバーヘッド電極との間の距離の十分な部分に延在する、請求項17に記載のリアクタ。
- 前記RF結合リングが、前記作業面に取り付けられ、前記結合リングの厚みだけ、前記作業面の上方に延在する上面を有する、請求項33に記載のリアクタ。
- 前記RF結合リングが、前記天井に取り付けられ、前記結合リングの厚みだけ、前記天井の下方に延在する底面を有する、請求項33に記載のリアクタ。
- 前記第1のRF結合リングの上にあり、前記天井に取り付けられた第2のRF結合リングを更に備える、請求項34に記載のリアクタ。
- 前記誘電スリーブが、軸方向に沿って複数のセクションに分割され、前記セクションの各々の軸方向の長さおよび誘電率が、他のセクションから独立したものである、請求項19に記載のプラズマリアクタ。
Applications Claiming Priority (3)
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