JP5204941B2

JP5204941B2 - 外部から励磁されるトロイダルプラズマチャンバ

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Publication number: JP5204941B2
Application number: JP2002519385A
Authority: JP
Inventors: ヒロジハナワ; ヤンイエ; ケニスエスコリンズ; カーティックラマスワミー; アンドフューングエン; ツトムタナカ
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2000-08-11
Filing date: 2001-08-13
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2021-08-13
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Description

（発明の属する技術分野）
本発明は、マイクロエレクトロニック回路、フラットパネルディスプレイ等の製造におけるワークピースの処理に用いられるプラズマリアクタ、及び特に、それらのためのプラズマ源に関する。

（技術の背景）
マイクロエレクトロニック回路においては、従来より増大する密度及び小さなフィーチャサイズに向かう傾向が続き、このようなデバイスのプラズマ処理をより困難にしている。例えば、コンタクトホールの直径は減少されるが、一方そのホールの深さは増大している。例えば、シリコンウエハ上の誘電体膜のプラズマ増強エッチング中に、ホトレジストに対する誘電体材料（例えば、二酸化シリコン）のエッチング選択性は、エッチングプロセスがコンタクトホールをエッチングするのに充分でなければならない。コンタクトホールの直径はホールを規定するホトレジストマスクを邪魔することなくその深さの１０倍から１５倍である。細かなホトリソグラフに対してより短い波長の光に向かう最近の傾向は薄いホトレジスト層を必要とし、その結果誘電体とホトレジストのエッチング選択性は、いままで以上に大きくなければならないので、この仕事（タスク）を非常に困難にする。この要求は、比較的遅いエッチング速度を有するプロセス、例えば容量性結合プラズマを用いる誘電体エッチングプロセスを使用することによって容易に受け入れられる。容量性結合プラズマのプラズマ密度は、誘導性結合プラズマの密度より比較的小さく、容量性結合プラズマのエッチングプロセスは、誘電体とホトレジストの良好なエッチング選択性を示す。容量性結合プロセスの問題点は、それが遅く、従って生産性が比較的小さいことである。このようなエッチングプロセスに生じる他の問題は、プラズマが一様に分布しないことである。

生産性、即ちエッチング速度を増加するために、高密度プラズマが用いられている。一般に、高密度プラズマは誘導結合プラズマである。しかし、プロセスの先駆ガスは、フリーなフッ素、即ちホトレジストに対するエッチングの選択性を減少する種の高プラズマを形成して、高密度プラズマにおいて急速に分離する傾向にある。この傾向を減少するために、酸素を含有しない表面、例えばホトレジスト上に累積する傾向にあるフッ素含有エッチャント種及び１つまたはそれ以上のポリマー種において分離するフルオロカーボンプロセスガス、例えばＣＦ₂が用いられる。これはエッチング選択性を増加する傾向にある。酸素を含有する誘電体材料における酸素は、誘電体上にポリマーのピロリゼーションを増進し、その結果誘電体材料がエッチングされてポリマーが除去されるが、一方酸素含有材料（例えば、ホトレジスト）がポリマーによって覆われ続け、従ってエッチャントから保護される。問題は、より進んだデバイス設計を可能にするために、コンタクト開口の深さの増加とホトレジスト厚の減少によって、誘電体のエッチング中にホトレジストを傷つける可能性のある高密度プラズマプロセスが行われたことである。エッチング速度を増進するために、プラズマ密度が増加されるに従って、酸素を含まない材料、例えばホトレジストを保護するために多くのポリマーの豊富なプラズマが用いられなければならないので、酸素を含む誘電体の表面からのポリマー除去の速度は、特に小さな、制限された領域、例えば狭いコンタクト開口の底部においてかなり遅くなる。その結果、ホトレジストはかなり保護されるけれども、コンタクト開口がある深さに達すると、ポリマーの累積によって阻止されるために、エッチングプロセスに対してその可能性は増大される。一般に、エッチングの停止深さは、コンタクト開口の必要な深さより少ないのでデバイスは失敗する。コンタクト開口は、中間を絶縁する酸化シリコン層を介して上部のポリシリコン導体層と下部のポリシリコン導体層間に接続を与える。例えば、エッチングの停止深さが上部と下部のポリシリコン層間の距離より小さい場合、デバイスの失敗が生じる。代わりに、たとえば１０：１または１５：１のアスペクト比のコンタクト開口を有するデバイス設計のようなより進んだデバイス設計への実際のまたは信頼できる応用に対して狭くなりすぎるエッチング停止のない高密度プラズマを達成するためのプロセスウインドウの可能性が起きる。

現在必要なものは、容量結合リアクタの選択性を有し、誘導結合のプラズマリアクタ（高密度プラズマを有する）のエッチング速度を有するリアクタである。単一のマシンリアクタにおいて両方の形式のリアクタの利点を実現することは困難であった。

特に、ウエハまたはワークピースに面するオーバヘッドコイルアンテナを有する形式の高密度誘導結合プラズマリアクタのもつ１つの問題点は、エッチング速度を増大するために、コイルアンテナに供給される電力が増加されるに従って、電力がウエハの充分上方にあるプラズマ領域に吸収されるように、ウエハと天井のギャップが著しく大きくなければならないことである。これによって、強いＲＦ磁界によるウエハ上のデバイス損傷のリスクを避けることができる。さらに、オーバヘッドコイルアンテナに供給されるＲＦ電力の高レベルに対して、ウエハと天井のギャップを比較的大きくしなければならず、従って、小さなギャップの利点を実現することができない。

もし、天井が誘導結合リアクタのＲＦ磁界に対して半導電性のウインドウであるか、または容量結合リアクタの導電性電極であるなら、ウエハと天井の小さなギャップの１つの利点は、天井が比較的小さなギャップ距離（例えば、１または２インチオーダー）にあるウエハの面を横切って与えることができる増大された電位または接地基準である。

したがって、誘導結合リアクタのイオン密度とエッチング速度を有する容量結合リアクタの選択性をもつだけでなく、更に、基本的な制限、例えばプラズマシースの厚さ以外のウエハと天井のギャップ長に関する従来の制限をもたないリアクタを得ることが必要である。さらに、供給されたＲＦプラズマソース電力を必ずしも増加することなくイオン密度とエッチング速度が増大される容量結合リアクタの選択性と誘導結合リアクタのエッチング速度を有するリアクタを得ることが必要である。

（本発明の概要）
ワークピースを処理するためのプラズマリアクタは、エンクロージャを有し、このエンクロージャ内のワークピース支持体は、エンクロージャの上方にある部分に面しており、このワークピース支持体とエンクロージャの上方にある部分はワークピース支持体の直径を横切って広がる、それらの間にプロセス領域を画定する。このエンクロージャは、ワークピース支持体のほぼ反対側の近くにそれらを介して少なくとも第１と第２の開口を有する。プロセス領域の外側にある少なくとも１つの中空導管が第１と第２の開口に接続され、導管を通して延び、プロセス領域を横切る第１のトロイダルパス（通路）を与える。ＲＦ電力を受けるのに適合された第１のコイルアンテナが中空導管の内部に誘導的に結合され、トロイダルパスにプラズマを維持することができる。

（好適な実施の形態の詳細な説明）
プラズマリアクタチャンバの概要
図１を参照すると、円筒上の側壁１０５と天井１１０によって囲まれたプラズマリアクタチャンバ１００が半導体ウエハまたはワークピース１２０を支持するためのウエハペデスタルを有している。プロセスガス源１２５が側壁１０５を通して延びるガス入口ノズル１３０Ａ−１３０Ｄを介してプロセスガスをチャンバ１００へ供給する。真空ポンプ１３５がチャンバ１００内の圧力を制御し、圧力を一般に０．５ミリトル（ｍＴ）以下に保つ。半分のトロイダル中空チューブのエンクロージャまたは導管（コンジット）１５０が半円形状に天井の上に延びている。導管１５０は、天井１１０から外側外方に延びているけれども、それにも拘わらずリアクタの一部であり、チャンバの壁を形成している。内部的には、それはリアクタの他の場所に存在している同じ排気された雰囲気を共有している。実際に、真空ポンプ１３５は、図１に示されたチャンバの主な部分の底部に結合される代わりに、これは好適ではないけれども導管１５０に結合されてもよい。導管１５０は、リアクタの天井１１０における第１の開口１５５の周りにシールされた１つの開口端１５０ａとリアクタの天井１１０における第２の開口１６０の周りにシールされた他の開口端１５０ｂを有する。２つの開口またはポート１５０、１６０は、ウエハ支持ペデスタル１１５のほぼ反対側に配置されている。中空の導管１５０は、それが１つの開口においてチャンバの主な部分を出て、他の開口で再び入る流路を提供している点で、リエントラントである。この明細書において、導管は中空であり、プラズマが流れることができる閉じたパスの一部を与えることおいて、導管１５０は半分のドロイダルとして記載されており、全体の通路はウエハ支持ペデスタル１１５の上にある全体のプロセス領域を横切って流れることによって完成される。用語”Atorroidal”＠の使用にもかかわらず、通路の軌道ばかりでなく通路または導管１５０の断面形状も円形または非円形、正方形、矩形または他のあらゆる形状、即ち規則的な形状または不規則な形状であることができる。

外部の導管１５０は比較的薄い導体、例えばシート状の金属から形成されることができるが、チャンバ内の圧力に耐えるために充分な強度を有している。中空導管１５０のシート金属における渦電流を抑制するために（及びそれによって、導管１５０の内部へのＲＦ誘導性磁界の結合を容易にする）、導管を２つの環状区分に分けるように、絶縁ギャップ１５２が中空の導管１５０を横切って、及び導管を介して伸びている。ギャップ１５２は絶縁性材料、例えばシート金属スキンに代えてセラミックのリング１５４によって満たされているので、ギャップは真空気密である。第２の絶縁ギャップ１５３が設けられており、その結果導管１５０の１つの区分は電気的に浮いている。バイアスＲＦ発生器１６２がインピーダンス整合回路（図面では、Ｚ整合回路として示す）１６４を介してウエハペデスタル１１５とウエハ１２０にＲＦバイアス電力を供給している。

代わりに、中空導管１５０は、導電性シートの金属の代わりに非導電性材料から形成されてもよい。非導電性材料は、例えばセラミックである。このような代替の実施の形態においては、ギャップ１５２または１５３は必要でない。

アンテナ、例えば中空導管１５０の一方の側に配置され、半分のトロイダルチューブの対称軸に平行な軸の周りに巻かれた巻線、即ちコイル１６５は、インピーダンス整合回路１７５を介してＲＦ電源１８０に接続されている。アンテナ１７０は、更に、中空の導管１５０の反対側に配置され、第１の巻線１６５と同方向に巻かれた第２の巻線１８５を有しているので、両方の巻線からの磁界は有利に加わる。

チャンバ１００からのプロセスガスは中空導管１５０を満たす。さらに、分離したプロセスガス源１９０がガス入口１９５を介して中空導管１５０ヘプロセスガスを直接供給する。外部の中空導管１５０におけるＲＦ磁界は、チューブ内のガスをイオン化してプラズマを生成する。円形のコイルアンテナ１７０によって誘導されたＲＦ磁界は、チューブ１５０内に形成されたプラズマがウエハ１２０と天井１１０間の領域を通して到達し、半分のトロイダル中空導管１５０を含むトロイダル通路を完成させるものである。ここで用いられているように、用語Atorroidal＠は、この通路の閉じた、固定した性質を言うが、その断面形状または軌道には言及しないし、限定もしない。それらのいずれもは円形まはた非円形、または正方形又はその他の形状であってもよい。プラズマは、完全なトロイダル通路または閉じたプラズマ回路と考えられる領域を通して循環する。トロイダル領域は、ウエハ１２０の直径を横切って延び、ある実施の形態では、それが全体のウエハ表面を覆うようにウエハの面において充分な幅を有している。

コイルアンテナ１７０からのＲＦ誘導磁界はそれ自体閉じた磁界（全ての磁界である）を有し、従って、ここで説明される閉じたトロイダル通路をに沿ったプラズマ流を含む。ＲＦ誘導性磁界からの電力は、一般に閉じた通路に沿ったあらゆる位置で吸収され、その結果プラズマイオンは、一般に通路に沿って全て生成されると考えられている。ＲＦ電力の吸収及びプラズマイオンの生成速度は、多くのファクタに依存して閉じた通路に沿ったいろいろな位置の間で変わる。しかし、電流の密度は変わるけれども、電流は、一般に閉じた通路の長さに沿って一様である。この電流は、アンテナ１７０に供給されたＲＦ信号の周波数で変化する。しかし、ＲＦ磁界によって誘導される電有は閉じているので、流れは閉じた通路の回路の周りに保全されなければならない。その結果閉じた通路のあらゆる部分に流れる電流量は、一般に通路の他の部分と同様である。以下に説明されるように、この事実は本発明において大きな利点として利用される。

プラズマ流（プラズマカレント）が流れる閉じたトロイダル通路は、その通路を境にするいろいろな導電面に形成されるプラズマシースによって跳ね返される。これらの導電面は、中空導管１５０のシート金属、ウエハ（及び／又はウエハ支持ペデスタル）及びウエハの上方にある天井を含む。これらの導電面上に形成されるプラズマシースは、低質量の負の電子の大きな移動度及び重い質量の正の電子の小さな移動度のために電荷の不均衡の結果として生成される電荷空乏領域である。このようなプラズマシースは、このシースの下にある局部表面に垂直な電界を有する。従って、プロセス領域を通る、またはウエハの上にあるプロセスゾーンを通るＲＦプラズマ流は、ウエハに面する天井の面及びガス分配プレートに面するウエハの面に垂直な２つの電界の間によって制限され、その間を通過する。シースの厚さ（ワークピースまたは他の電極に与えられたＲＦバイアスを有する）は、電界が小さな領域、例えばウエハ上に集中される場合大きく、他の位置、例えば天井を覆うシースや大きな隣接するチャンバ壁の表面で小さい。従って、ウエハ上を覆うプラズマシースは非常に厚くなる。ウエハ及び天井のガス分配プレートシースの電界は互いにほぼ平行であり、プロセス領域のＲＦプラズマ流の流れの方向に垂直である。

最初に、ＲＦ電力がコイルアンテナ１７０に加えられると、放電がギャップ１５２を横切って起き、中空導管１５０内のガスから容量結合されたプラズマを点弧する。その後、中空導管１５０を通るプラズマ流が増加するに従って、ＲＦ磁界の誘導結合がより支配的になるので、プラズマは誘導結合プラズマになる。代わりに、プラズマは他の手段、例えばワークピース支持体または他の電極に印加されたＲＦバイアスによって開始されてもよい。

ウエハ周辺のエッジ効果を避けるために、ポート１５０、１６０はウエハの直径を越える距離だけ離される。例えば、１２インチ直径のウエハに対して、ポート１５０、１６０は約１６〜２０インチ離される。８インチ直径のウエハに対して、ポート１５０、１６０は約１０〜１６インチ離される。

本発明の利点
ＲＦ誘導性磁界が比較的長い閉じたトロイダル通路（即ち、ウエハとリアクタの天井間のギャップ長に対して長い）を通して吸収され、その結果、ＲＦ電力吸収が大きな領域上に分布されることは、大きな利点である。結果的に、ウエハと天井のギャップ（即ち、絶縁ギャップ１５２で混乱されないように、図２に最もよく示されたプロセス領域１２１）の近傍におけるＲＦ電力は比較的小さく、従って、ＲＦ磁界からのデバイスの損傷の可能性を減少する。反対に、従来の誘導結合リアクタにおいて、ＲＦ電力の全ては狭いウエハと天井のギャップ内で吸収されるので、ＲＦ電力はその領域に非常に集中される。更に、この事実は、ウエハと天井のギャップ（他の利点の追求において）を狭くする能力をしばしば制限するし、または代わりに、ウエハの領域にＲＦ電力の大きな集中を必要とする。従って、本発明は、従来技術の長く続いている制限を克服する。この特徴は、上述されたウエハを覆うプロセス領域の大きさの劇的な減少を通して反応性ガスの対流時間を減少することによってプロセス性能を向上する。

コイルアンテナ１７０に供給されたＲＦ電力を増加することなくウエハ表面のプラズマ密度が劇的に増大されることは、関連した、非常に重要な利点である（大きな効率を導く）。これは、トロイダル通路の残りに対してペデスタル面とウエハ面の近傍にあるトロイダル通路の断面積を減少することによって達成される。ウエハ１２０のみの近くにあるプラズマ流のトロイダル通路を非常に制限することによって、ウエハ表面近くのプラズマ密度が比例して増加される。これは、中空導管１５０を通るトロイダル通路のプラズマ流がペデスタルと天井（ウエハと天井）のギャップを通るプラズマ流と少なくともほぼ同じでなければならないからである。

従来技術との著しい相違は、ワークピースから離れたＲＦ磁界ばかりでなく、及びイオン密度が供給されたＲＦ磁界を増加することなくウエハ表面で増加されるばかりでなく、プラズマイオン密度及び／又は供給されたＲＦ磁界もウエハと天井の最小のギャップを増加することなく増大されることである。以前は、プラズマ密度のこのような増加は、ウエハ表面での強い磁界を避けるためにウエハと天井のギャップの増加を必要とした。反対に、本発明においては、増大したプラズマ密度は、ウエハ表面でのＲＦ磁界の付随した増加を避けるために、ウエハと天井のギャップの増加を必要とすることなく実現される。これは、ＲＦ磁界がウエハから離れて供給され、ウエハ表面でのプラズマ密度の増加を実現するために、さらにＲＦ磁界が増加される必要がないからである。その結果、いろいろな利点を達成するために、ウエハと天井のギャップを基本的な限界まで減少することができる。例えば、もし、ウエハ上の天井の面が導電性であるなら、ウエハと天井のギャップを減少することは、導電性の天井面によって与えられた電気的又は接地基準を向上する。ウエハと天井の最小ギャップについての基本的限界は、ウエハ表面と天井表面上のプラズマシースの厚さの合計である。

本発明の更なる利点は、ＲＦ誘導磁界がＲＦプラズマ流の全トロイダル通路に沿って与えられるので、多くの他の誘導的に電力が供給されるリアクタとは異なって、チャンバの天井１１０は、誘導性磁界に対するウインドウとして機能する必要がないことであり、従って所望の材料、例えば大きな導電性と厚い材料から形成され、また例えば、以下に説明されるように導電性のガス分配プレートを有することができることである。結果として、天井はペデスタル、またはウエハ１２０の全面を横切って信頼できる電位または接地基準を容易に与えることができる。

プラズマイオン密度の増加
ウエハ上のプラズマ通路の断面積を減少することによってウエハ表面に近くに高プラズマ密度を実現する１つの方法は、ウエハと天井のギャップ長を減少することである。これは、単に天井の高さを減少することによって、または図２に示されるように、ウエハ上に導電性のガス分配プレート、即ちシャワーヘッドを導入することによって達成される。図２のガス分配シャワーヘッド２１０は、ガス源１２５に接続され、複数のガスノズル開口２３０を通してウエハ１２０上のプロセス領域と連通するガス分配プレナム２２０からなる。導電性シャワーヘッド２１０の利点は、２つある。即ち、第１に、そのウエハへの接近した位置によって、シャワーヘッドはウエハ表面上のプラズマ通路を圧縮し、それによりその近傍でプラズマ流の密度を増大する。第２に、シャワーヘッドはウエハの全表面近く及びウエハ表面を横切って、均一な電位規準または接地面を与える。

好ましくは、開口２３０を横切るアークを避けるために、各々の開口２３０は比較的小さく、ミリメートルのオーダー（好適な孔の直径は約０．５ｍｍ）である。隣り合う開口間の間隔は、数ミリメートルのオーダである。

プラズマシースがプラズマ中に浸されているシャワーヘッドの表面部分の周りに形成されるので、導電性シャワーヘッド２１０は、それ自体を通して短絡回路を与えることなくプラズマ流通路を絞る。このシースは、ウエハ１２０とシャワーヘッド２１０間の空間よりプラズマ流に対して大きなインピーダンスを有し、従って全てのプラズマ流は、導電性シャワーヘッド２１０の周りに流れる。

ウエハ上にあるプロセス領域近傍にトロイダルプラズマ流または通路を絞るために、シャワーヘッド（例えば、シャワーヘッド２１０）を用いることは必要でない。通路の絞り、及びその結果生じる処理領域におけるプラズマイオン密度の増加は、シャワーヘッドを必要とすることなくウエハと天井の高さを単に減少することによって達成される。もし、この方法でシャワーヘッド２１０が除去されるなら、プロセスガスは従来の入口ノズル（図示せず）によってチャンバ内部に供給されることができる。

シャワーヘッド２１０の１つの利点は、例えば、ホトレジスト上のプラズマ効果の不均一性を細かく調整するために、反応性と不活性のプロセスガスのいろいろな混合比が異なる半径の異なる開口部２３０を通して導入されることである。従って、例えば、反応性ガスに対して大きな割合の不活性ガスを中間半径の外側の開口部２３０に供給することができ、これに対し、不活性ガスに対して大きな割合の反応性ガスを中間半径の内側の開口部２３０に供給することができる。

以下に説明されるように、（ウエハ上のプラズマイオン密度を増加するために）トロイダルプラズマ流通路をウエハ上にある処理領域に絞る他の方法は、ウエハ支持ペデスタルに与えられるＲＦバイアス電力を増加することによって、ウエハ上のプラズマシースの厚さを増加することである。前述したように、プロセス領域を横切るプラズマ流は、ウエハ表面にあるプラズマシースと天井（またはシャワーヘッド）にあるプラズマシースの間に閉じ込められるので、ウエハ表面にあるプラズマシースの厚さを増加することは、必然的にプロセス領域内のトロイダルプラズマ流を減少し、それによって、プロセス領域におけるプラズマイオン密度を増加する。従って、本明細書において後でより詳細に説明されるように、ウエハ支持ペデスタルのＲＦバイアス電力が増加されるに従って、ウエハ表面近くのプラズマイオン密度は増加される。

高エッチング速度での高エッチング選択性
本発明は、高密度プラズマを伴って時々生じる好ましくないエッチング選択性の問題を解決する。図１と図２のリアクタは、容量結合プラズマリアクタのエッチング選択性（約７：１）と同程度に高いに酸化シリコンとホトレジストのエッチング選択性を有し、一方、高いエッチング速度を与えることは、誘導結合プラズマリアクタのエッチング速度に近づく。この成功の理由は、図１と図２のリアクタ構造が、ウエハ１２０上のプラズマ領域にフリーなフッ素の発生率を減少するように、反応性プロセスガス、一般にフルオロカーボンガスの分離の程度を減少することであると考えらる。従って、フルオロカーボンガスから分離した他の種に対してプラズマ中のフリーなフッ素の割合が望ましく減少される。これらの他の種は、フルオロカーボンプロセスガスからプラズマ中に形成され、保護的なポリマーコーティングとしてホトレジスト上に堆積される保護的なカーボンの豊富なポリマー先駆種を含む。それらは、更に、フルオロカーボンプロセスガスからプラズマ中に形成される反応性のないエッチャント種、例えばＣＦやＣＦ２を含む。フリーなフッ素は、それが二酸化シリコンを攻撃する程度活発にホトレジスト及びその上に形成される保護的なポリマーコーティングを攻撃する傾向にあり、従って、酸素−ホトレジストのエッチング選択性を減少する。他方、反応性のないエッチング種、例えばＣＦやＣＦ₂は、ホトレジスト及びその上に形成される保護的なポリマーコーティングをよりゆっくり攻撃する傾向にあり、従って優れたエッチング選択性を与える。

フリーなフッ素に対するプラズマ種の分離の減少は、プラズマ中の反応性ガスの滞留時間を減少することによって、本発明において達成されると考えられる。これは、フルオロカーボンプロセスガス、例えばＣＦやＣＦ₂からプラズマ中に初期に分離したより複雑な種がそれ自身フリーなフッ素を含む簡単な種に最後には分離されるからである。この分離の最終ステップの程度は、プラズマ中のガスの滞留時間に依存する。本明細書において用いられる用語“滞留時間”は、プロセスガスの分子及びその分子から分離した種がワークピース又はウエハ上のプロセス領域に存在する平均時間に相当する。この時間または期間は、プロセス領域への分子の最初の注入から分子及び／又はその分離した結果が処理ゾーンを通して延びる上述した閉じたトロイダル通路に沿ってプロセス領域から外へ通過するまで延びる。

上述したように、本発明は、フルオロカーボンのプロセスガスのプロセス領域における滞留時間を減少することによって、エッチングの選択性を増大する。滞留時間の減少は、ウエハ１２０と天井１１０間のプラズマボリューム（体積）を絞ることによって達成される。

ウエハから天井までのギャップ、即ちボリュームの減少は、有益な効果を有する。第１に、それはウエハ上のプラズマ密度を増加して、エッチング速度を上昇する。第２に、ボリュームが減少するに従って、滞留時間が下がる。上述したように、本発明は、小さなボリュームを可能にする。従来の誘導結合リアクタと違って、ＲＦソース電力がウエハの上にあるプロセス領域の閉じ込め内にデポジットされないで、むしろ電力デポジションがプラズマ流の全体の閉じたトロイダル通路に沿って分布される。従って、ウエハ−天井間のギャップは、ＲＦ誘導磁界の表皮深さ以下にすることができ、実際に、プロセス領域へ導入される反応性ガスの滞留時間を著しく減少するように小さくすることができ、これは著しい効果である。

プラズマ通路の断面、従ってウエハ１２０上のボリュームを減少するのに２つの方法がある。１つは、ウエハからシャワーヘッドまでのギャップ距離を減少することである。他は、上に簡単に説明したように、ＲＦバイアス電力発生器１６２によってウエハペデスタルに与えられるバイアスＲＦ電力を増加することによって、ウエハ上のプラズマシースの厚さを増加することである。いずれの方法も、発光分光学（optical emission spectroscopy: ＯＥＳ）技術を用いて観測されるウエハの近傍におけるプラズマ中のフリーなフッ素の含有の減少（結果として、誘電体とホトレジストのエッチング選択性の増加）につながる。

フリーなフッ素の含有を減少してエッチングの選択性を向上するための、本発明による３つの追加方法がある。１つの方法は、化学的非反応性希釈ガス、例えばアルゴンをプラズマに導入することである。好ましくは、第２のプロセスガス源１９０から中空導管１５０ヘアルゴンガスを直接導入することによって、アルゴンガスが外部からプロセス領域上に導入され、一方、化学的反応性プロセスガス（フルオロカーボンガス）は、シャワーヘッド２１０のみを通してチャンバへ入る。この有利な配置の場合、アルゴンイオン、中性子、及び励起された中性子は、トロイダル通路のプラズマ流内を、新しく導入された反応性ガス（フルオロカーボン）を希釈するためにウエハ表面を横切ってプロセス領域を通って伝播し、それにより、ウエハ上のそれらの滞留時間を効果的に減少する。プラズマのフリーなフッ素含有量を減少する他の方法は、チャンバ圧力を減少することである。さらに他の方法は、コイルアンテナ１７０に加えるＲＦソース電力を減少することである。

図３は、ウエハ−シャワーヘッド間のギャップ距離が減少されるに従って、プラズマのフリーなフッ素の含有量が減少する、本発明において観察された傾向を示すグラフである。図４は、ウエハペデスタル１１５に加えられたプラズマバイアス電力を増加することによって、プラズマのフリーなフッ素含有量が減少することを示すグラフである。図５は、コイルアンテナ１７０に加えられるＲＦソース電力を減少することによって、プラズマのフリーなフッ素含有量が減少することを示すグラフである。図６は、チャンバ圧力を減少することによって、プラズマのフリーなフッ素含有量が減少することを示すグラフである。図７は、円筒状エンクロージャ１５０への希釈ガス（アルゴンガス）の流速を増加することによって、プラズマのフリーなフッ素含有量が減少することを示すグラフである。図３−図７のグラフは、いろいろなＯＥＳ観察から判断されるプラズマの振舞いの傾向を単に概略的に示したもので、実際のデータを示したものではない。

本発明の広いプロセスウインドウ
チャンバ圧力は、０．５Ｔ以下であり、そして１ｍＴ程度に低くすることができる。プロセスガスは、約２０ｍＴに維持されるチャンバ圧力を有し、１５０ｃｃ／ｍのアルゴンと共に約１５ｃｃ／ｍの流速でガス分配シャワーヘッドを通してチャンバ１００へ導入されるＣ₄Ｆ₈である。代わりに、アルゴンガスの流速は６５０ｃｃ／ｍに、またチャンバ圧力は６０ｍＴに増加することができる。アンテナ１７０は、１３ＭＨｚで約５００ワットのＲＦ電力で励起される。ウエハーシャワーヘッド間のギャップは、約０．３〜約２インチである。ウエハペデスタルに加えられるバイアスＲＦ電力は、１３ＭＨｚ、２０００ワットである。他の周波数の選択がなされてもよい。コイルアンテナ１７０に加えられるソース電力は、５０ＫＨｚ程度の低さか、または１３ＭＨｚの数倍の高さ、或いはそれより高くてもよい。ウエハペデスタルに加えられるバイアス電力についても同じことである。

図１と図２のリアクタに対するプロセスウインドウは、従来の誘導結合リアクタに対するプロセスウインドウよりはるかに広い。これは、従来の誘導性リアクタ、及び図１と図２のリアクタに対するＲＦソース電力の関数としてフリーなフッ素の特定の中性フラックス(neutral flux)を示す図８のグラフに示されている。従来の誘導結合リアクタに対して、図８は、フリーなフッ素の特定のフラックスは、ソース電力が５０と１００ワット間を越えるに従って、急激に増加し始めることを示している。これに対して、図１と図２のリアクタは、フリーなフッ素の特定なフラックスが急激に増加し始める前に１０００ワットに近かいソース電力レベルを受け入れることができる。従って、本発明のソース電力のプロセスウインドウは、従来の誘導結合リアクタのプロセスウインドウよりも広く、これは著しい利点である。

本発明の二重の利点
ウエハまたはワークピースの近傍のトロイダルプラズマ流路の閉じ込めは、他の性能基準に対し著しいトレードオフのない２つの独立した利点を有する。（１）ウエハ上のプラズマ密度は、プラズマのソース電力の如何なる増加の必要性もなく増加され、（２）ホトレジストまたは他の材料に対するエッチングの選択性は、上述のように増加される。従来のプラズマリアクタにおいて、エッチングの選択性を増加する同じステップによってプラズマイオン密度を増加することは、不可能ではないにしても実用的ではなかった。従って、本発明のトロイダルプラズマソースによって実現される二重の利点は、従来技術からの革新的な出発であるようである。

他の好適な実施の形態
図９は、図１の実施の形態のサイドアンテナ１７０が天井１１０と中空導管１５０の間の空間内に収まった小さなアンテナ９１０によって置き換えられた変形例を示す。好ましくは、このアンテナ９１０は、中空導管１５０に関して中央に置かれた単一巻線である。

図１０と図１１は、図１の実施の形態が天井１１０と中空導管１５０の間の空間を通して延びる閉じた磁気透過性コア１０１５の追加によってどのように増大されることができるかを示す。コア１０１５は、アンテナ１７０から中空導管１５０内のプラズマへの誘導結合を増進する。

図１１を参照して、インピーダンス整合は、同調キャパシタ１１３０の両端に接続された、コア１０１５の周囲に巻かれた二次巻線１１２０を用いることによって、インピーダンス整合回路１７５を用いずに達成するすることができる。同調キャパシタ１１３０の容量は、二次巻線１１２０をＲＦ電源１８０の周波数に共振するように選択される。固定同調キャパシタ１１３０に対して、ダイナミックなインピーダンス整合が周波数同調及び／または順方向動力サーボ制御機構によって設けられてもよい。

図１２は、中空チューブのエンクロージャ１２５０がリアクタの底部の回りにのび、チャンバの底部にある一対の開口１２６０、１２６５を通してチャンバ内部と連通している本発明の実施の形態を示す。コイルアンテナ１２７０は、図１の実施の形態の方法で中空状のエンクロージャ１２５０によって与えられたトロイダル通路と一緒に沿っている。図１２は、主チャンバの底部に結合された真空ポンプ１３５を示しているけれども、それは下にある導管１２５０に結合されてもよい。

図１３は、図１０、図１１の実施の形態の変形例を示し、アンテナ１７０はコア１０１５の上方区分を囲む誘導性巻線１３２０によって置き換えられる。巻線１３２０は、（導管の下部よりむしろ）導管１５０の上部にあるコア１０１５の部分を囲むのが都合よい。しかし、巻線１３２０はコア１０１５のどの部分を囲んでもよい。

図１４は、図１３の概念の拡張を示し、第２の中空チューブ状のエンクロージャ１４５０が第１の中空導管１５０と平行に走っており、第２のトロイダルプラズマ流のための平行トロイダル通路を与える。このチューブ状のエンクロージャ１４５０は、天井１１０にあるそれぞれの開口を介してその各々の端部においてチャンバ内部と連通している。磁気コア１４７０が２つのチューブ状のエンクロージャ１５０、１４５０の下で、コイルアンテナを通って延びている。

図１５は、図１４の概念の拡張を示し、平行な中空チューブ状のエンクロージャ１５ａ、１５ｂ、１５０ｃ、１５０ｄのアレーがリアクタチャンバを通して複数のトロイダルプラズマ流路を提供する。図１５の実施の形態において、プラズマイオン密度は、独立のＲＦ電源１８０ａ-ｄによって駆動される、個々の導管１５０ａ-ｄにおいてそれぞれ独立して制御される。個々の円筒状の開いたコア１５２０ａ-１５２０ｄがそれぞれのコイルアンテナ１７０ａ-１７０ｄ内に分離して挿入される。この実施の形態において、中央からエッジまでの相対的なイオン密度分布が個々のＲＦ電源１８０Ａ-１８０ｄの電力レベルを別々に調整することによって調整される。

図１６は、図１５の実施の形態の変更例を示し、チューブ状のエンクロージャ１５０ａ-ｄのアレーが天井を通さないでリアクタの側壁を通して延びている。図１６に示された他の変更例は、チューブ状のエンクロージャ１５０ａ-ｄの全てに隣接する単一の共通な磁気コア１４７０とその回りを囲むアンテナ１７０を使用しているので、単一のＲＦソースがチューブ状のエンクロージャ１５０ａ-ｄの全てにプラズマを励起する。

図１７Ａは、天井１１０にあるそれぞれのポートを通して延び、それぞれのコイルアンテナ１７０-ａと１７０−ｂによって励起される一対の直交したチューブ状エンクロージャ１５０-１と１５０-２を示す。それぞれのコア１０１５-１と１０１５-２は、それぞれのコイルアンテナ１７０-ａと１７０-ｂ内にある。この実施の形態は、増大した均一性のために、ウエハ１２０上方に２つの相互に直交したトロイダルプラズマ流路を形成する。２つの直交したトロイダルまたは閉じた通路は分離され、図示されるように独立して電力が与えられるが、しかしウエハの上にあるプロセス領域において交差しており、その他の点では交差していない。直交した通路の各々１つに与えられるプラズマソース電力の独立した制御を確実にするために、図１７のそれぞれのＲＦ発生器１８０ａ、１８０ｂの周波数は異なっており、その結果インピーダンス整合回路１７５ａ、１７５ｂの動作は減結合される。例えば、ＲＦ発生器１８０ａは、１１ＭＨｚのＲＦ信号を発生し、ＲＦ発生器１８０ｂは、１２ＭＨｚのＲＦ信号を発生することができる。代わりに、２つのＲＦ発生器１８０ａ、１８０ｂの位相をずらせることによって、独立した動作を達成することができる。

図１７Ｂは、ウエハ支持体の上にある処理領域を通して２つの導管１５０-１、１５０-２の各々のトロイダルプラズマ流を案内するために、どのようにして放射状の羽根（ベイン）１８１が用いられるかを示している。放射状の羽根１８１は、チャンバの横壁近くの各々の導管の開口の問で、ウエハ支持体の端までに延びている。放射状の羽根１８１は、一方のトロイダル通路から他方のトロイダル通路へのプラズマの発散を防止するので、２つのプラズマ流はウエハの上にある処理領域内でのみ交差する。

大きな直径のウエハに適した実施の形態
小さなデバイスサイズ及び高いデバイス密度に向かう最近の傾向に加えて、他の傾向は大きなウエハの直径に向かっている。例えば、最近、１２インチの直径のウエハが製造されるようになっており、将来的には、恐らくさらに大きな直径のウエハになるであろう。その利点は、ウエハ毎の集積回路のダイの数が非常に大きいために、スループットが大きくなることである。この欠点は、プラズマ処理において、大きな直径のウエハを横切って均一なプラズマを維持することが困難なことである。本発明の以下の実施の形態は、特に大きな直径のウエハ、例えば１２インチ直径のウエハの全表面にわたって均一なプラズマイオン密度分布を与えるのに適合されている。

図１８と図１９は、絶縁ギャップ１８５２を有する、図１の中空導管１５０の幅広い扁平な矩形の態様である中空なチューブ状エンクロージャ１８５０を示す。この態様は、大きな直径のウエハ、例えば１２インチ直径のウエハまたはワークピースを一様にカバーするのにより適したプラズマの幅広い“ベルト”を生成する。天井におけるチューブ状エンクロージャ及び一対の開口１８６０、１８６２の幅Ｗは、約５％またはそれ以上ウエハを超えるのが好ましい。例えば、もし、ウエハが１０インチであれば、矩形のチューブ状エンクロージャ１８５０及び開口１８６０、１８６２の幅Ｗは、約１１インチである。図２０は、図１８と図１９の矩形のチューブ状エンクロージャ１８５０の変更態様１８５０’を示し、外部のチューブ状エンクロージャ１８５０の一部１８６４が絞られている。しかし、図１８と図１９の絞られない態様が好ましい。

図２０は、さらに、エンクロージャ１８５０’の絞られない部分と絞られた部分間の移行部に焦点を絞る磁石１８７０の選択的使用を示している。焦点を絞る磁石１８７０は、エンクロージャ１８５０の絞られない部分と絞られた部分間のプラズマの良好な移動を促進し、特に、プラズマがエンクロージャ１８５０の絞られない部分と絞られた部分間の移行部を横切って移動するにしたがって、プラズマからのより均一な広がりを促進する。

図２１は、チューブ状エンクロージャ１８５０によって囲まれた外側領域２１２０を通して、複数の円筒状磁気コア２１１０がどのように挿入されるかを示している。円筒状コア２１１０は、チューブ状エンクロージャの対称軸にほぼ平行である。図２２は、コア２１１０がチューブ状エンクロージャ１８５０によって囲まれた外側領域２１２０を通して完全に延びている図２１の実施の形態の変形例を示し、外側領域２１２０のそれぞれの半分に２対の短くされたコア２２１０、２２２０によって置き換えられている。サイドコイル１６５、１８５（図１）は、それぞれのコア対２２１０、２２２０を囲む一対のコイル巻線２２３０、２２４０によって置きかえれている。この実施の形態において、コア対２２１０、２２２０間の偏移Ｄは、ウエハ周辺のイオン密度に対するウエハ中央近くのイオン密度を調整するために変えることができる。広い偏移Ｄは、ウエハ中央近くの誘導性結合を減少し、従って、ウエハ中央におけるプラズマイオン密度を減少する。従って、ウエハ表面を横切ってイオン密度の空間分布を正確に調整するための追加の制御素子が設けられる。図２３は、図２２の実施の形態の変形例を示し、別々の巻線２２３０、２２４０がコア対２２１０、２２２０に対して中央に置かれた単一の中央巻線によって置き換えられている。

図２４と図２５は、ウエハを横切ってプラズマイオン密度の分布に非常に優れた均一性を与える実施の形態を示す。図２４と図２５の実施の形態において、互いに横切って、好ましくは、相互に直交している２つのプラズマ流の通路が確立される。これは、第１のチューブ状エンクロージャ１８５０に対して横切って、好ましくは直交して延びる第２の幅広い矩形の中空エンクロージャ２４２０を与えることによって達成される。第２のチューブ状エンクロージャ２４２０は、天井１１０を通して一対の開口２４３０、２４４０を通してチャンバの内部と連通しており、そして絶縁ギャップ２４５２を有する。第２のチューブ状エンクロージャ２４２０の側面に沿って一対のサイドコイルの巻線２４５０、２４６０がプラズマを維持し、インピーダンス回路２４８０を介して第２のＲＦ電源２４７０によって励振される。図２４に示されるように、２つの直交プラズマ流がウエハ表面上の空間を同時に占め、ウエハ表面上に均一な範囲のプラズマを与える。この実施の形態は、１０インチ及びそれ以上の直径を有する大きなウエハを処理するために特に有利な使用方法を見出すことが期待されている。

図１７の実施の形態におけるように、図２４の実施の形態は、均一性を高めるためにウエハ上に２つの相互に直交するトロイダルプラズマを形成する。この２つの直交するトロイダル上の、または閉じた通路は、図示されるように分離され、独立して電力が供給されるが、そうしなければ、相互作用を及ぼし、または互いに発散するか、拡散する。直交する通路のそれぞれの１つに供給されるプラズマソース電力の別々の制御を確実にするために、インピーダンス整合回路の動作が減結合されるように、図２４のそれぞれのＲＦ発生器１８０、２４７０の周波数は異なる。例えば、ＲＦ発生器１８０は、１１ＭＨｚのＲＦ信号を発生し、一方、ＲＦ発生器２４７０は、１２ＭＨｚのＲＦ信号を発生することができる。代わりに、２つのＲＦ発生器１８０、２４７０の位相をずらすことによって、独立した動作が達成される。

図２６は、図１８の実施の形態の変形例を示し、絶縁ギャップ２６５８を有する変更された矩形のエンクロージャ２６５０が天井１１０を通ることなくチャンバの側壁１０５を介してチャンバ内部と連通する。この目的のために、矩形のエンクロージャ２６５０は水平な上部区分２６５２、上部区分２６５２のそれぞれの端において一対の下方に延びる脚２６５４、及び一対の水平な、内方に延びる脚２６５６を有し、それぞれが、下方に延びる脚２６５４のそれぞれの１つの下部端から側壁１０５にあるそれぞれの開口２６７０、２６８０に延びている。

図２７は、絶縁ギャップ２７５２を有する第２の矩形チューブ状エンクロージャ２７１０が図２６の実施の形態にどのようにして加えられるかを示している。第２の矩形のチューブ状エンクロージャ２７１０は、矩形のチューブ状エンクロージャ２６５０、２７１０が相互に直交している（または互いに少なくとも横切っている）点を除いて図２６の矩形のチューブ状エンクロージャ２６５０と同一である。第２の矩形のチューブ状エンクロージャは、開口２７２０を有する側壁１０５を通してそれぞれの開口を介してチャンバ内部と連通している。図２５の実施の形態と同様に、チューブ状エンクロージャ２６５０、２７１０は、大きなウエハの直径上に優れた均一性を与えるために、ウエハの表面上に同時に空間を占める相互に直交するトロイダルプラズマ流を生成する。プラズマソース電力は、それぞれ対のサイドコイル巻線１６５、１８５、及び２４５０、２４６０を介してチューブ状エンクロージャの内部に供給される。

図２８Ａは、サイドコイル１６５、１８５、２４５０、２４６０が２つの矩形のチューブ状エンクロージャ２６５０、２７１０によって囲まれる外側領域２８６０内にある一対の相互に直交する内部コイル２８２０、２８４０によってどのように置き換えられる（または、補われる）かを示している。コイル２８２０、２８４０の各々の１つが矩形のチューブ状エンクロージャ２６５０、２７１０の対応する１つにトロイダルプラズマ流を生成する。これらのコイル２８２０、２８４０は異なる周波数で完全に独立して駆動されるか、同じ位相または異なる位相の同一の周波数で駆動されれてもよい。または、それらは、結合されたトロイダルプラズマ流をソース電力周波数で回転させる位相差（即ち、９０度）を有する同一周波数で駆動することができる。この場合、コイル２８２０、２８４０は、それぞれ、図２８Ａに示されるように共通の信号発生器２８８０のサインとコサイン成分で駆動される。この利点は、プラズマ流通路がプラズマイオン周波数を越える回転周波数でウエハ表面を横切って方位角的に回転するので、従来技術の方法、例えば、回転が非常に低い周波数であるＭＥＲＩＥリアクタより不均一性がよく抑制されることである。

図２８Ｂを参照すると、プラズマイオン密度の半径方向の調整は、一般に、コイル２８２０内で互いに向かって、または離れて軸方向に移動される一対の磁気円筒状コア２８９２、２８９４、及びコイル２８４０内で互いに向かって、または離れて軸方向に移動される一対の磁気円筒状コア２８９６、２８９８によって、与えられる。おのおの一対のコアが互いに向う方向に移動されるに従って、直交プラズマ流の各々の中央近くで誘導性結合がこのプラズマ流の端に対して増強されるので、ウエハ中央におけるプラズマ密度は、一般に増強される。従って中央からエッジまでのプラズマイオン密度は、コア２８９２、２８９４、２８９６、２８９８を移動することによって制御される。

図２９は、本発明の他の実施の形態を示し、２つのチューブ状エンクロージャ２６５０、２７１０が単一プレナムを構成するリアクタの中心軸の周りに３６０度広がる単一のエンクロージャ２９１０へ共に合わされている。図２９の実施の形態において、プレナム２１９０は、下方の半ドーム状壁２９２０とこの半ドーム状の下方壁２９２０とほぼ一致する上方の半ドーム状壁２９３０を有している。従って、プレナム２９１０は、下方の半ドーム状壁２９２０と上方の半ドーム状壁２９３０間の空間である。絶縁ギャップ２９２１は、上方のドーム状壁２９２０の周りに広がっており、及び／または絶縁ギャップ２９３１は、下方のドーム状壁２９３０の周りに広がっている。プレナム２９１０は、チャンバの対称軸の周りに３６０度広がる天井１１０にある環状の開口２９２５を介してチャンバ内部と連通している。

プレナム２９１０は、天井１１０の上の領域２９５０を完全に囲んでいる。図２９の実施の形態において、プラズマソース電力は、一対の相互に直交するコイル２９６０、２９６５によってプレナム２９１０の内部に結合される。コイル２９６０、２９６５へのアクセスは、プレナム２９１０の中心を通る垂直の導管２９８０を通して与えられる。好ましくは、コイル２９６０、２９６５は、方位角方向に回転するトロイダルプラズマ流（即ちウエハ面内を回転するプラズマ流）を得るために、図２８の実施の形態におけるように、直角位相(quadrature)で駆動される。回転周波数は、供給されたＲＦ電力の周波数である。代わりに、コイル２９６０、２９６５は、異なる周波数で別々に駆動されてもよい。図３０は、図２９の実施の形態の状部断面図である。図３１Ａと図３１Ｂは、それぞれ図３０に相当する前断面図及び側断面図である。

１対の相互に直交するコイル２９６０、２９６５は、３６０度／ｎ度離れて配置されたそれらの巻線軸を有する別々に駆動されるコイルの数ｎによって置き換えられる。例えば、図３２は、２つのコイル２９６０、２９６５が１２０度間隔で配置された巻線軸を有する３つのコイル３２１０、３２２０、３２３０によって置き換えられ、インピーダンス整合回路３２４１、３２５１、３２６１を介して３つのＲＦ電源３２４０、３２５０、３２６０によって駆動される場合を示す。回転するトロイダルプラズマ流を生成するために、３つの巻線３２１０、３２２０、３２３０は、図３３に示される共通の電源３３１０から１２０度ずれた位相で駆動される。図３２と図３３は、コイル間の相互結合の殆どが垂直導管２９８０を通ることなく周りにあると考えられるから、２つのコイルのみを有する図２９の実施の形態より好適である。

図３４は、３つのコイルが囲まれた領域２９５０の外側にある実施の形態を示し、それらの誘導性インダクタンスは、導管２９８０を通して延びるそれぞれの垂直磁気コア３４１０によって囲まれた領域２９５０に結合される。各々のコア３４１０は、導管２９８０上に延びる一方の端を有し、その周りにコイル３２１０、３２２０、３２３０のそれぞれの１つが巻かれている。各々のコア３４０の底は囲まれた領域２９５０の内部にあり、水平の脚を有する。３つのコア３４１０の水平の脚は、１２０度間隔で開かれ、図３２の囲まれた領域内の３つのコイルによって与えられた誘導性結合と同様なプレナム２９１０の内部に誘導性結合を与える。

図１８−２８の実施の形態の平らな矩形のチューブ状エンクロージャの利点は、チューブ状エンクロージャの広い幅と比較的低い高さがトロイダルプラズマ流を大きな直径のウエハの全表面を容易に覆う、広く薄いベルト状のプラズマにすることである。チューブ状のエンクロージャの全体は最大の幅である必要はない。代わりに、図２０の実施の形態について上述したように、チャンバ内部から最も遠いチューブ状のエンクロージャの他の区分が狭くされてもよい。この場合、狭い部分１８５２を励磁するプラズマ流を広い区分１８５１の全幅を横切って全体的に広げるために、広い部分１８５１と狭い部分１８５２間の移行コーナーにフォーカス磁石１８７０を設けることが望ましい。もし、ウエハ表面にプラズマイオン密度を最大にすることが必要なら、狭い部分１８５２の断面積が広い部分１８５１の断面積と少なくともほぼ同程度に大きいことが望ましい。例えば、狭い部分１８５２は、その高さと幅がほぼ同じ通路であり、広い部分はその幅より小さい高さを有することができる。

磁気コアを用いる代わりに、空気コアのコイル（即ち、磁気コアのないコイル）を有する、ここで述べたいろいろな実施の形態を用いることができ、そしてそれらは、開いた磁気通路型(Arod＠型コア)または添付図面に示された閉じた磁気コア型であることができる。さらに、異なるＲＦ周波数で駆動された２つまたはそれ以上のトロイダル通路を有するここに述べたいろいろな実施の形態は、同じ周波数で駆動されてもよいし、また同じか、または異なる位相で駆動されてもよい。

図３５は、図１７の実施の形態の変形例であり、相互に横切る中空導管が図２０の実施の形態におけるように狭められている。

図３６は、図２４の実施の形態の変形例であるが、それぞれのＲＦ電源に接続するためにコアの周りにそれぞれの巻線３６３０、３６４０を有する１対の磁気コア３６１０、３６２０を用いている。

図３７は、図３５の実施の形態に相当する実施の形態であるが、２つのリエントラント導管に代えて、チャンバへの全体で６つのリエントラントポートを有する３つの導管を有している。（図３７に示されるように）２つより多い対称に配置された導管及びリエントラントポートを有することは、３００ｍｍ及びそれより大きな直径のウエハを処理するために特に有利である。

図３８は、図３５の実施の形態に相当する実施の形態であるが、２つのリエントラント導管に代えて、チャンバへの全体で６つのリエントラントポートを有する３つの導管を有している。

図３９は、図３５の実施の形態に相当する実施の形態であり、外部の導管が共通のプレナム３９１０において一緒に結合している。

図４０は、図３６の実施の形態に相当する実施の形態であり、外部の導管が共通のプレナム４０１０において一緒に結合している。

図４１は、図３７の実施の形態に相当する実施の形態であり、外部の導管が共通のプレナム４１１０において一緒に結合している。

図４２は、図３８の実施の形態に相当する実施の形態であり、外部の導管が共通のプレナム４２１０において一緒に結合している。

図４３は、図１７の実施の形態に相当する実施の形態であり、外部の導管が共通のプレナム４３１０において一緒に結合している。

本発明の有利な特徴
本発明のリアクタは、他の性能の特徴、例えばエッチング速度を犠牲にすることなくエッチングの選択度を増加するためのいろいろな機会を提供する。例えば、ウエハの近傍におけるトロイダルプラズマ流を狭めることは、エッチングの選択度を向上するばかりでなく、同時にプラズマイオン密度を増加することによってエッチング速度を増加する。従来のリアクタは、ワークピース上でエッチング速度またはプラズマイオン密度を増加する同じメカニズムによってエチングの選択度は増加しないと考えられている。

ウエハまたはワークピースの近傍でトロイダルプラズマ流を絞ることによってエッチングの選択度を増加することは、いろいろな方法の１つの本発明において達成することができる。１つの方法は、ペデスタルと天井、即ちウエハと天井の高さを減少することである。他の方法は、トロイダルプラズマイオン流の通路を絞る、ウエハ上にガス分配プレートまたはシャワーヘッドを導入することである。他の方法は、ウエハーまたはワークピースへ供給されるＲＦバイアス電力を増加することである。エッチングの選択度を増加する前述の方法のいずれか１つまたはいずれかの組合せは、本発明を実行する当業者によって選択することができる。

本発明において、エッチングの選択度は、さらに、反応性のプロセスガスを局部的（即ち、ウエハまたはワークピース）に注入し、一方、不活性希ガス（例えば、アルゴン）を遠隔的に（即ち、導管またはプレナム）注入するすることによって向上される。これは、ワークピースの支持体上で支持体に面してガス分配プレートまたはシャワーヘッドを直接設け、シャワーヘッドを介して反応性のプロセスガスを排他的に（または少なくとも支配的に）導入することによって達成されるのが好ましい。同時に、希釈ガスは、ウエハまたはワークピースの上にあるプロセス領域から充分離れた導管に注入される。従って、トロイダルプラズマ流は、ウエハ上の材料の反応性イオンエッチングに対してプラズマイオン源になるばかりでなく、さらに、プラズマを誘起した分離プロセスがフリーなフッ素の望ましくない量を形成する点に到達するる前に反応性プロセスガス種及びそれらのプラズマ分離された結果を一掃するためのエージェント(agent)になる。反応性プロセスガス種の滞留時間のこの減少は、ホトレジストおよび他の材料に対してエッチングの選択度を増大し、これは著しい利点である。

本発明は、ＲＦソース電力の、トロイダルプラズマ流への適用において大きなフレキシビリティを与える。上述したように、電力は、一般にアンテナによってトロイダルプラズマ流に誘導結合される。多くの実施の形態において、アンテナは、導管またはプレナムの隣またはその近くにあることによって外部の導管またはプレナムに主に結合される。例えば、コイルアンテナは、アンテナまたはプレナムに並んで広がることができる。しかし、他の実施の形態では、アンテナは、導管またはプレナム、及び主リアクタのエンクロージャ（例えば、天井）間の囲まれた領域に制限される。後者の場合、アンテナは、導管に並ぶのではなく導管の“下”にあると考えることができる。非常に大きなフレキシビリティは、囲まれた領域（導管と主チャンバのエンクロージャの間）を通して延びる１つの磁気コア（複数のコア）および囲まれた領域を越えた拡張部分を有し、そしてこのアンテナはコアの拡張部分に巻かれている実施の形態によって得られる。この実施の形態において、アンテナは、磁気コアを介して誘導結合され、したがって、導管内のトロイダルプラズマ流に隣接する必要はない。この実施の形態において、閉じた磁気コアが用いられ、アンテナはトロイダルプラズマ流または導管からかなり離れているコア区分の周りに巻かれる。したがって、実際に、磁気コアを介してトロイダルプラズマ流にプラズマチャンバを結合することによって、アンテナは殆んどどこに、例えば、プラズマチャンバから全く離れた位置に、配置されてもよい。

最後に、本発明は、非常に大きな直径のウエハまたはワークピースの表面上にプラズマの均一な範囲を与える。これは、１つの実施の形態では、好ましくは、ウエハの幅を越える幅を有する広いプラズマベルトとしてトロイダルプラズマ流を形成することによって達成される。他の実施の形態では、ウエハ表面を横切るプラズマイオン密度の均一性は、ウエハ上のプロセス領域において２つまたはそれ以上の交差する、相互に横切るかまたは直交するトロイダルプラズマ流を設けることによって得られる。トロイダルプラズマ流の流れは、方向が３６０／ｎだけ互いに離れている。トロイダルプラズマ流の各々の１つは、１つのトロイダルプラズマ流の方向に沿って整列された離れたコイルアンテナによってエネルギーが与えられる。１つの好適な実施の形態においては、均一性は、ウエハの上にあるプロセス領域において回転するトロイダルプラズマ流を得るように、それぞれのアンテナへ異なる位相のＲＦ信号を与えることによって増大される。この好適な実施の形態では、最適な構造は、トロイダルプラズマ流が天井または側壁の円形に連続した環状開口を通して主チャンバ部分と連通する円形に連続したプレナムに流れるものである。この後者の特徴は、全体のトロイダルプラズマ流が連続して方位角的に回転することを可能にする。

本発明は、好適な実施の形態を特に参照して詳細に説明されたけれども、それらの変形及び変更は、本発明の真の精神及び範囲から逸脱することなく作られることを理解すべきである。

オーバヘッドトロイダルプラズマ流路を維持する本発明による第１の実施の形態を示す。図１の実施の形態に相当する実施の形態の側面図である。ウエハと天井のギャップ距離の変化によるプラズマのフリーフッ素濃度の振舞いを示す。ワークピースに供給されるＲＦバイアス電力の変化によるプラズマのフリーなフッ素の濃度の振舞いを示す。コイルアンテナに供給されるＲＦソース電力の変化によるプラズマのフリーなフッ素の濃度の振舞いを示す。リアクタチャンバの圧力の変化によるプラズマのフリーなフッ素の濃度の振舞いを示す。不活性の希釈ガス、例えばアルゴンの部分圧力の変化によるプラズマのフリーなフッ素の濃度の振舞いを示す。誘導結合リアクタ及び本発明のリアクタに対するソース電力の関数としてのプロセスガスの分離の程度を示す。図１の実施の形態の変形を示す。閉じた磁気コアが用いられる図１の実施の形態の変形を示す。閉じた磁気コアが用いられる図１の実施の形態の変形を示す。トロイダルプラズマ流路がリアクタチャンバの下を通る本発明の他の実施の形態を示す。プラズマソース電力が閉じた磁気コアの遠位部分の周りに巻かれたコイルに供給される、図１０の実施の形態の変形を示す。２つの平行なトロイダルプラズマ流を与える実施の形態を示す。複数の個々に制御される平行トロイダルプラズマ流を与える実施の形態を示す。平行なトロイダルプラズマ流が天井よりはむしろ垂直側壁を通してプラズマチャンバに入り、垂直側壁を出る図１５の実施の形態の変形を示す。ワークピースの表面を横切る一対の相互に直交するトロイダルプラズマ流を維持する実施の形態を示す。図１７Ａの実施の形態における複数の放射状のベインの使用を示す。トロイダルプラズマ流が大きなウエハを処理するのに適した広い通路を横切って延びる広いベルトである本発明の実施の形態を示す。トロイダルプラズマ流が大きなウエハを処理するのに適した広い通路を横切って延びる広いベルトである本発明の実施の形態を示す。トロイダルプラズマ流路の外方部分が狭められている図１８の実施の形態の変形を示す。ウエハ表面を横切ってイオン密度分布を調整するために、軸位置を調整することができる円筒状の磁気コアを用いる図１８の実施の形態の変形を示す。一対の巻線が円筒状の磁気コアの一対のグループの周りに巻かれている図２１の変形を示す。単一の共通の巻線がコアの両グループの周りに巻かれている図２２の変形を示す。大きなウエハを処理するのに適した広いベルトである一つにの相互に直交したトロイダルプラズマ流を維持する実施の形態を示す。大きなウエハを処理するのに適した広いベルトである一つにの相互に直交したトロイダルプラズマ流を維持する実施の形態を示す。誘導結合を増大するために、磁気コアが用いられる図２５の実施の形態の変形を示す。直交プラズマベルトが水平な天井を介してよりむしろ垂直な側壁を通してリアクタチャンバに入り、リアクタチャンバからでる図２４の実施の形態の変更を示す。回転トロイダルプラズマ流を発生する図２４の実施の形態の実現例を示す。磁気コアを有する図２８Ａの実施の形態の改変を示す。トロイダル状のプラズマ流を囲むために、連続した円形プレナムが設けられる本発明の好適な実施の形態を示す。図２９に相当する上断面図を示す。図３０に相当する前断面図である。図３０に相当する側断面図である。１２０度の間隔で面する連続したプレナムの下にある３つの独立して駆動されるＲＦコイルを用いる図２９の実施の形態の変形である。方位角的に回転するプラズマを与えるために、３つのＲＦコイルが１２０度の位相で駆動される図３２の実施の形態の変形である。ＲＦ駆動コイルがそれぞれの磁気コアの垂直の外側端部の周りに巻かれ、その反対側は対称的に分布した角度でプレナムの下で水平に延びるている図３３の実施の形態の変形を示す。相互に横切る中空導管が図２０の実施の形態におけるように狭められている図１７の実施の形態の改造例である。それぞれのＲＦ電源に接続するためのそれらの周りにそれぞれの巻線３６３０、３６４０を有する一対の磁気コア３６１０、３６２０を用いる図２４の実施の形態の変形である。図３５の実施の形態に相当する実施の形態であるが、チャンバに全体で６つのリエントラントポートを有する、２つのリエントラント導管の代わりに３つを有している。図３６の実施の形態に相当する実施の形態であるが、チャンバに全体で６つのリエントラントポートを有する、２つのリエントラント導管の代わりに３つを有している。外部の導管が共通のプレナム３９１０において互いに接続する図３５の実施の形態に相当する実施の形態である。外部の導管が共通のプレナム４０１０において互いに接続する図３６の実施の形態に相当する実施の形態である。外部の導管が共通のプレナム４１１０において互いに接続する図３７の実施の形態に相当する実施の形態である。外部の導管が共通のプレナム４２１０において互いに接続する図３８の実施の形態に相当する実施の形態である。外部の導管が共通のプレナム４３１０において互いに接続する図１７の実施の形態に相当する実施の形態である。

Claims

基板を処理するための排気された内部環境を画定するプラズマチャンバであって、
基板支持体と、
前記基板支持体に対して間隔をおいて対面する関係にあり、前記基板支持体に隣接する当該チャンバの前記内部環境にプロセスガスを流すように適合された、開口を有するガス分配プレートを含む天井と、
を具備し、
前記ガス分配プレート及び前記基板支持体がそれらの間に基板処理領域を画定し、
さらに、
前記ガス分配プレートに結合された、少なくとも反応性種のプロセスガス源と、
前記ガス分配プレートの対向する両側において、前記天井の各開口を通って前記基板処理領域に連通する端部を有する中空導管であって、該中空導管は前記ガス分配プレートの上に設けられ、該中空導管の内部が前記内部環境を共有するようになっている、中空導管と、
前記導管の一部の周囲に設けられたコアと、該コアの一部の周囲に設けられた誘導性巻線と、該誘導性巻線に結合されたＲＦ電源と、
を具備し、
前記導管が、該導管内に処理ガスのＲＦ磁界による放射を受けて、該導管の前記内部の周りにかつ前記チャンバの前記内部環境内の前記基板処理領域を横切って延びる通路にプラズマを維持する、ように構成されている、
ことを特徴とするプラズマチャンバ。
前記通路は、再入可能なものであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
前記通路は、トロイダルであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
前記プラズマ流は、前記通路の周りを循環することを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
前記導管の断面積は、基板の処理領域の断面積を実質的に越えることを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
前記プラズマのイオン密度は、全基板支持体を横切って実質的に均一であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
前記プラズマの誘導された電界ラインは、導管の端部の一方から他方へ前記基板のプラズマ処理領域を横切って延びていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
前記電界ラインは、平行であることを特徴とする請求項７に記載のプラズマチャンバ。
前記電界の強さは、前記基板のプラズマ処理領域を横切って一様に分布されていることを特徴とする請求項８に記載のプラズマチャンバ。
前記導管は、それぞれの端部間の中間に絶縁ギャップを有し、導管が前記端部間に連続した導電性通路を生じるのを妨げることを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
前記導管は、前記チャンバの直径より小さな外径を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
前記導管の各端部は、前記基板支持体の横方向の径と少なくとも同程度の大きさの横方向の径を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
さらに、前記基板支持体に結合されるバイアス電源を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
さらに、前記導管へのガス注入入口を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
前記ガス注入入口は、希釈ガスを流すように適合されており、且つ前記ガス分配プレートは、反応性プロセスガスを主に流すように適合されていることを特徴とする請求項１４に記載のプラズマチャンバ。
前記ガス分配プレートは、異なる半径方向の位置において不活性ガス及び反応性プロセスガスのいろいろな混合物を流すように適合されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
前記基板処理領域における前記基板支持体の平面に略垂直な軸に沿った前記通路の高さが、該通路におけるいずれの場所よりも低くなっており、これにより、該通路におけるいずれのプラズマイオン密度に比べて、前記基板処理領域におけるプラズマイオン密度を高くしている、請求項１に記載のプラズマチャンバ。
前記中空導管を横切るように設けられ、前記ガス分配プレートの対向する第２の両側において前記基板処理領域に連通する第２の端部を有する、第２の中空導管、をさらに具備する、請求項１に記載のプラズマチャンバ。