JP6097317B2 - Plasma processing method - Google Patents

Description

本発明は、被処理基板にプラズマ処理を施す技術に係り、特に誘導結合型のプラズマ処理方法に関する。
The present invention relates to a technique for performing plasma processing on a substrate to be processed, and more particularly to an inductively coupled plasma processing method.

半導体デバイスやＦＰＤ（Flat Panel Display）の製造プロセスにおけるエッチング、堆積、酸化、スパッタリング等の処理では、処理ガスに比較的低温で良好な反応を行わせるためにプラズマがよく利用されている。従来より、この種のプラズマ処理には、ＭＨｚ領域の高周波放電によるプラズマが多く用いられている。高周波放電によるプラズマは、より具体的（装置的）なプラズマ生成法として、容量結合型プラズマと誘導結合型プラズマとに大別される。   In processes such as etching, deposition, oxidation, sputtering and the like in the manufacturing process of semiconductor devices and FPDs (Flat Panel Displays), plasma is often used in order to cause a favorable reaction to a processing gas at a relatively low temperature. Conventionally, plasma of high frequency discharge in the MHz region is often used for this type of plasma processing. Plasma by high frequency discharge is roughly classified into capacitively coupled plasma and inductively coupled plasma as more specific (device-like) plasma generation methods.

一般に、誘導結合型のプラズマ処理装置は、処理容器の壁部の少なくとも一部（たとえば天井）を誘電体の窓で構成し、その誘電体窓の外に設けたコイル形状のＲＦアンテナに高周波電力を供給する。処理容器は減圧可能な真空チャンバとして構成されており、チャンバ内の中央部に被処理基板（たとえば半導体ウエハ、ガラス基板等）が配置され、誘電体窓と基板との間に設定される処理空間に処理ガスが導入される。ＲＦアンテナに流れる高周波電流によって、磁力線が誘電体窓を貫通してチャンバ内の処理空間を通過するような高周波数の交流磁界がＲＦアンテナの周りに発生し、この交流磁界の時間的な変化によって処理空間内で方位角方向に誘導電界が発生する。そして、この誘導電界によって方位角方向に加速された電子が処理ガスの分子や原子と電離衝突を起こし、ドーナツ状のプラズマが生成される。   In general, an inductively coupled plasma processing apparatus is configured such that at least a part (for example, a ceiling) of a wall of a processing container is formed of a dielectric window, and a high frequency power is applied to a coil-shaped RF antenna provided outside the dielectric window. Supply. The processing container is configured as a vacuum chamber that can be depressurized, and a processing space is set between the dielectric window and the substrate in which a substrate to be processed (for example, a semiconductor wafer, a glass substrate, etc.) is disposed in the center of the chamber. A processing gas is introduced into the system. The high-frequency current flowing through the RF antenna generates a high-frequency AC magnetic field around the RF antenna so that the magnetic lines of force pass through the dielectric window and pass through the processing space in the chamber. An induced electric field is generated in the azimuth direction in the processing space. Then, the electrons accelerated in the azimuth direction by the induced electric field cause ionization collision with the molecules and atoms of the processing gas, and a donut-shaped plasma is generated.

チャンバ内に大きな処理空間が設けられることによって、上記ドーナツ状のプラズマは効率よく四方（特に半径方向）に拡散し、基板上ではプラズマの密度がかなり均される。しかしながら、通常のＲＦアンテナを用いるだけでは、基板上に得られるプラズマ密度の均一性は大抵のプラズマプロセスにおいて不十分である。プラズマプロセスにおいて、基板上のプラズマ密度の均一性または制御性を向上させることは、プロセスの均一性・再現性ひいては製造歩留まりを左右することから、最重要課題の一つである。   By providing a large processing space in the chamber, the doughnut-shaped plasma is efficiently diffused in all directions (particularly in the radial direction), and the density of the plasma is fairly uniform on the substrate. However, using only a normal RF antenna, the plasma density uniformity obtained on the substrate is insufficient for most plasma processes. In the plasma process, improving the uniformity or controllability of the plasma density on the substrate is one of the most important issues because it affects the uniformity and reproducibility of the process and, in turn, the manufacturing yield.

誘導結合型のプラズマ処理装置においては、チャンバ内の誘電体窓付近で生成されるドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度分布特性（プロファイル）が重要であり、そのコアなプラズマ密度分布のプロファイルが拡散後の基板上に得られるプラズマ密度分布の特性（特に均一性）を左右する。   In the inductively coupled plasma processing apparatus, the plasma density distribution characteristic (profile) in the donut-shaped plasma generated near the dielectric window in the chamber is important, and the core plasma density distribution profile is It affects the characteristics (particularly uniformity) of the plasma density distribution obtained on the substrate.

この点に関し、径方向におけるプラズマ密度分布の均一性を向上させる技法として、ＲＦアンテナをコイル径の異なる複数の円環状コイルに分割する方式が幾つか提案されている。この種のＲＦアンテナ分割方式には、複数の円環状コイルを直列に接続する第１の方式（たとえば特許文献１）と、複数の円環状コイルを並列に接続する第２の方式（たとえば特許文献２）とがある。   In this regard, several methods for dividing the RF antenna into a plurality of annular coils having different coil diameters have been proposed as techniques for improving the uniformity of the plasma density distribution in the radial direction. This type of RF antenna division method includes a first method in which a plurality of annular coils are connected in series (for example, Patent Document 1) and a second method in which a plurality of annular coils are connected in parallel (for example, Patent Documents). 2).

米国特許第５８００６１９号US Pat. No. 5,800,609 米国特許第６１６４２４１号US Pat. No. 6,164,241

上記のような従来のＲＦアンテナ分割方式のうち、上記第１の方式は、ＲＦアンテナの全コイル長が全部のコイルを足し合わせた大きな長さになるため、ＲＦアンテナ内の電圧降下が無視できないほど大きく、さらには波長効果によってＲＦアンテナのＲＦ入力端近くに電流の波節部を有する定在波が形成されやすい。このため、上記第１の方式は、径方向はもちろん周回方向においてもプラズマ密度分布の均一性を得るのは難しく、大口径プラズマを必要とするプラズマプロセスには本質的に適していない。   Among the conventional RF antenna division methods as described above, in the first method, since the total coil length of the RF antenna is a large length obtained by adding all the coils, the voltage drop in the RF antenna cannot be ignored. Further, a standing wave having a current nodal portion is likely to be formed near the RF input end of the RF antenna due to the wavelength effect. For this reason, it is difficult to obtain a uniform plasma density distribution not only in the radial direction but also in the circumferential direction, and the first method is essentially not suitable for a plasma process that requires a large-diameter plasma.

一方、上記第２の方式は、ＲＦアンテナ内の波長効果や電圧降下は並列に分割された個々のコイル毎にその長さに依存するので、アンテナ内の電圧降下が比較的小さいうえ、波長効果を抑制するのにも有利である反面、径方向におけるＲＦアンテナ内の電流分布ひいてはアンテナ直下のプラズマ密度分布を任意に制御するのが難しい。   On the other hand, in the second method, since the wavelength effect and voltage drop in the RF antenna depend on the length of each coil divided in parallel, the voltage drop in the antenna is relatively small, and the wavelength effect However, it is difficult to arbitrarily control the current distribution in the RF antenna in the radial direction and thus the plasma density distribution immediately below the antenna.

このため、上記第２の方式を採る従来のプラズマ処理装置は、ＲＦアンテナを構成する全てのコイルにインピーダンス調整用の可変コンデンサを付加（接続）して、各コイルに流すＲＦ電流の比を調節するようにしている。しかしながら、可変コンデンサは高価であり、ＲＦアンテナ内の全てのコイルに可変コンデンサを充てるのはコスト面で望ましくない。また、可変コンデンサの数が多いと、そのぶん調整対象の静電容量（パラメータ）が多くなって調整作業が面倒である。   For this reason, the conventional plasma processing apparatus adopting the second method adds (connects) variable capacitors for impedance adjustment to all the coils constituting the RF antenna, and adjusts the ratio of the RF current flowing through each coil. Like to do. However, the variable capacitor is expensive, and it is not desirable in terms of cost to fill all the coils in the RF antenna with the variable capacitor. In addition, when the number of variable capacitors is large, the capacitance (parameter) to be adjusted is increased, and the adjustment work is troublesome.

他方で、従来方式は、プラズマの密度が径方向の中心部で相対的に高くなる不所望なプロファイルを効率よく解消できていない。特に、低圧のプロセスでは、プラズマの拡散の影響が効いて、プラズマ密度が径方向の中心部で一層高くなりやすく、その解決が困難になっている。また、大口径用のプラズマ処理装置においては、内側コイルと外側コイルとの間でコイル径の差が大きいため、プラズマ密度が径方向の中心部で相対的に高くなる傾向が強く、従来方式はプラズマ密度分布の均一化を効率よく達成するのが困難であった。   On the other hand, the conventional system cannot efficiently eliminate an undesired profile in which the plasma density is relatively high in the central portion in the radial direction. In particular, in the low-pressure process, the influence of plasma diffusion is effective, and the plasma density tends to be higher at the central portion in the radial direction, making it difficult to solve it. Moreover, in the plasma processing apparatus for large diameter, since the difference in coil diameter is large between the inner coil and the outer coil, the plasma density tends to be relatively high in the central portion in the radial direction. It has been difficult to achieve uniform plasma density distribution efficiently.

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するものであり、ドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度分布を効率的に任意に制御することが可能であり、特に低圧下のプラズマまたは大口径のプラズマに対して径方向のプラズマ密度分布を効率的かつ多様に任意のプロファイルに制御することができる誘導結合型のプラズマ処理方法を提供する。
The present invention solves the problems of the prior art as described above, and can effectively and arbitrarily control the plasma density distribution in the donut-shaped plasma, and in particular, plasma under a low pressure or large aperture An inductively coupled plasma processing method is provided that can control the plasma density distribution in the radial direction to any profile efficiently and diversely.

本発明の第１の観点におけるプラズマ処理方法は、誘電体窓を有する処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を保持する基板保持部と、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理容器内で誘導結合により処理ガスのプラズマを生成するために、前記誘電体窓の外に設けられるＲＦアンテナと、前記処理ガスの高周波放電に適した周波数の高周波電力を前記ＲＦアンテナに供給する高周波給電部とを有するプラズマ処理装置において前記被処理基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、前記ＲＦアンテナを、前記誘電体窓と平行な同一の面上で前記処理容器の中心軸線を中心とする径方向に間隔を開けて相対的に内側、中間および外側にそれぞれ配置され、前記高周波給電部からの高周波給電ラインに接続される第１のノードと接地電位部材に至る帰線ラインに接続される第２のノードとの間で電気的に並列に接続される内側コイル、中間コイルおよび外側コイルに分割し、前記第１のノードと前記第２のノードとの間に、前記中間コイルと電気的に直列に接続される静電容量可変の中間コンデンサと、前記外側コイルと電気的に直列に接続される静電容量可変の外側コンデンサとを設け、前記中間コンデンサの静電容量を直列共振点より低い領域で可変に制御して、前記内側コイルおよび前記外側コイルをそれぞれ流れる電流と逆向きの電流を前記中間コイルに流す。
A plasma processing method according to a first aspect of the present invention includes a processing container having a dielectric window , a substrate holding unit for holding a substrate to be processed in the processing container, and supplying a desired processing gas into the processing container. A high-frequency power having a frequency suitable for high-frequency discharge of the processing gas; a processing gas supply unit; an RF antenna provided outside the dielectric window to generate plasma of the processing gas by inductive coupling in the processing container; A plasma processing method for performing a desired plasma process on the substrate to be processed in a plasma processing apparatus having a high-frequency power supply unit for supplying the RF antenna to the RF antenna, wherein the RF antenna is mounted on the same surface parallel to the dielectric window relatively spaced in a radial direction around the central axis of the processing chamber above the inside, it is arranged intermediate and outer, high-frequency supply from the high frequency power supply portion The first node and the inner coil are electrically connected in parallel between a second node connected to retrace line leading to the ground potential member connected to the line, divided into intermediate coil and the outer coil, wherein between the first node and the second node, the intermediate coil and the electrically capacitance varying intermediate capacitor connected in series, the static coupled to the outer coil and electrically in series An outer capacitor having a variable capacitance, and the capacitance of the intermediate capacitor is variably controlled in a region lower than a series resonance point, so that a current in a direction opposite to a current flowing through the inner coil and the outer coil is intermediated Flow through the coil.

上記第１の観点におけるプラズマ処理方法においては、高周波給電部よりＲＦアンテナに高周波電力を供給すると、ＲＦアンテナの各部つまり内側コイル、中間コイルおよび外側コイルをそれぞれ流れる高周波電流によって各コイルの周りにＲＦ磁界が発生し、処理容器内に処理ガスの高周波放電つまりドーナツ状プラズマの生成に供する誘導電界が形成される。生成されたドーナツ状プラズマは処理容器内で四方に拡散する。
In the plasma processing method according to the first aspect, when high-frequency power is supplied to the RF antenna from the high-frequency power feeding unit, RF is generated around each coil by a high-frequency current flowing through each part of the RF antenna, that is, the inner coil, the intermediate coil, and the outer coil. A magnetic field is generated, and an induction electric field for generating high-frequency discharge of processing gas, that is, generation of donut-shaped plasma, is formed in the processing container. The generated donut-shaped plasma diffuses in all directions in the processing container .

そして、このプラズマ処理方法においては、高周波給電ライン側の第１のノードと帰線ライン側の第２のノードとの間に、中間コイルと電気的に直列に接続される静電容量可変の中間コンデンサと、外側コイルと電気的に直列に接続される静電容量可変の外側コンデンサとを設け、中間コンデンサの静電容量を直列共振点より低い領域で可変に制御して、内側コイルおよび外側コイルをそれぞれ流れる電流と逆向きの電流を中間コイルに流すことにより、処理容器内のプラズマ密度を中間コイルと対向する位置付近で局所的に強制的に下げる方向に制御し、ひいては基板保持部に保持されている被処理基板上で径方向のプラズマ密度分布を自在に制御することができる。In this plasma processing method, a variable capacitance intermediate connected in series with the intermediate coil between the first node on the high frequency power supply line side and the second node on the return line side. A capacitor and an outer capacitor of variable capacitance electrically connected in series with the outer coil are provided, and the inner capacitor and the outer coil are controlled by variably controlling the capacitance of the intermediate capacitor in a region lower than the series resonance point. By passing a current in the opposite direction to the current flowing through each of the intermediate coils, the plasma density in the processing vessel is controlled to be forcibly lowered locally near the position facing the intermediate coil, and then held in the substrate holder. The plasma density distribution in the radial direction can be freely controlled on the substrate to be processed.

このプラズマ処理方法においては、外側コンデンサの静電容量をその可変範囲内の所定値に固定して、中間コンデンサの静電容量を直列共振点より低い領域で可変に制御すると、内側コイルおよび外側コイルをそれぞれ流れる電流の電流量もそれにつられて幾らか増大または減少するが、両コイル電流の比（バランス）は殆ど変化しない。したがって、外側コンデンサの静電容量を固定したままで中間コンデンサの静電容量のみを可変に制御する調整により、径方向のプラズマ密度分布を自在に制御することができる。In this plasma processing method, when the capacitance of the outer capacitor is fixed to a predetermined value within the variable range and the capacitance of the intermediate capacitor is variably controlled in a region lower than the series resonance point, the inner coil and the outer coil The amount of current flowing through each of the coil currents also increases or decreases accordingly, but the ratio (balance) between the two coil currents hardly changes. Therefore, it is possible to freely control the plasma density distribution in the radial direction by adjusting to variably control only the capacitance of the intermediate capacitor while the capacitance of the outer capacitor is fixed.

本発明の第２の観点におけるプラズマ処理方法は、誘電体窓を有する処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を保持する基板保持部と、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理容器内で誘導結合により処理ガスのプラズマを生成するために、前記誘電体窓の外に設けられるＲＦアンテナと、前記処理ガスの高周波放電に適した周波数の高周波電力を前記ＲＦアンテナに供給する高周波給電部とを有するプラズマ処理装置において前記被処理基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、前記ＲＦアンテナを、前記誘電体窓と平行な同一の面上で前記処理容器の中心軸線を中心とする径方向に間隔を開けて相対的に内側、中間および外側にそれぞれ配置され、前記高周波給電部に接続される第１のノードと接地電位部材に至る帰線ラインに接続される第２のノードとの間で電気的に並列に接続される内側コイル、中間コイルおよび外側コイルに分割し、前記第１のノードと前記第２のノードとの間に、前記中間コイルと電気的に直列に接続される静電容量可変の中間コンデンサと、前記外側コイルと電気的に直列に接続される静電容量可変の外側コンデンサとを設け、前記外側コンデンサの静電容量を直列共振点の値よりも低い領域で可変に制御して、前記内側コイルおよび前記中間コイルをそれぞれ流れる電流と逆向きの電流を前記外側コイルに流して、前記処理容器内のプラズマを径方向で前記外側コイルの内側に閉じ込める。A plasma processing method according to a second aspect of the present invention includes a processing container having a dielectric window, a substrate holding unit for holding a substrate to be processed in the processing container, and supplying a desired processing gas into the processing container. A high-frequency power having a frequency suitable for high-frequency discharge of the processing gas; a processing gas supply unit; an RF antenna provided outside the dielectric window to generate plasma of the processing gas by inductive coupling in the processing container; A plasma processing method for performing a desired plasma process on the substrate to be processed in a plasma processing apparatus having a high-frequency power supply unit for supplying the RF antenna to the RF antenna, wherein the RF antenna is mounted on the same surface parallel to the dielectric window The first is connected to the high-frequency power feeding section, which is disposed relatively inside, in the middle, and outside at a radial interval centering on the central axis of the processing container. Are divided into an inner coil, an intermediate coil, and an outer coil that are electrically connected in parallel between the second node connected to the return line leading to the ground potential member, and the first node and the second coil A variable capacitance intermediate capacitor electrically connected in series with the intermediate coil, and a variable capacitance outer capacitor electrically connected in series with the outer coil, between the second node and the second node; The capacitance of the outer capacitor is variably controlled in a region lower than the value of the series resonance point, and a current in a direction opposite to the current flowing through the inner coil and the intermediate coil is passed through the outer coil. The plasma in the processing vessel is confined inside the outer coil in the radial direction.

上記第２の観点におけるプラズマ処理方法においては、高周波給電部よりＲＦアンテナに高周波電力を供給すると、ＲＦアンテナの各部つまり内側コイル、中間コイルおよび外側コイルをそれぞれ流れる高周波電流によって各コイルの周りにＲＦ磁界が発生し、処理容器内に処理ガスの高周波放電つまりドーナツ状プラズマの生成に供する誘導電界が形成される。生成されたドーナツ状プラズマは処理容器内で四方に拡散する。In the plasma processing method according to the second aspect, when high-frequency power is supplied from the high-frequency power feeding unit to the RF antenna, RF is generated around each coil by a high-frequency current flowing through each part of the RF antenna, that is, the inner coil, the intermediate coil, and the outer coil. A magnetic field is generated, and an induction electric field for generating high-frequency discharge of processing gas, that is, generation of donut-shaped plasma, is formed in the processing container. The generated donut-shaped plasma diffuses in all directions in the processing container.
そして、このプラズマ処理方法においては、高周波給電ライン側の第１のノードと帰線ライン側の第２のノードとの間に、中間コイルと電気的に直列に接続される静電容量可変の中間コンデンサと、外側コイルと電気的に直列に接続される静電容量可変の外側コンデンサとを設け、外側コンデンサの静電容量を直列共振点の値よりも低い領域で可変に制御して、内側コイルおよび中間コイルをそれぞれ流れる電流と逆向きの電流を外側コイルに流して、処理容器内のプラズマを径方向で外側コイルの内側に閉じ込めることにより、処理容器の内壁のダメージを防止しつつ、基板保持部に保持されている被処理基板上で径方向全体のプラズマ密度分布を自在に制御することができる。In this plasma processing method, a variable capacitance intermediate connected in series with the intermediate coil between the first node on the high frequency power supply line side and the second node on the return line side. A capacitor and a variable capacitance outer capacitor electrically connected in series with the outer coil are provided, and the inner coil is variably controlled in a region lower than the value of the series resonance point. The substrate is held while preventing damage to the inner wall of the processing vessel by confining the plasma in the processing vessel inside the outer coil in the radial direction by passing a current in the opposite direction to the current flowing through the intermediate coil and the outer coil. The plasma density distribution in the entire radial direction can be freely controlled on the substrate to be processed held by the unit.

本発明のプラズマ処理方法によれば、上記のような構成および作用により、ドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度分布を効率的に制御することが可能であり、特に低圧下のプラズマまたは大口径のプラズマに対して径方向のプラズマ密度分布を効率的かつ多様に任意のプロファイルに制御することができる。 According to the plasma processing method of the present invention , it is possible to efficiently control the plasma density distribution in the donut-shaped plasma by the configuration and operation as described above, particularly for low-pressure plasma or large-diameter plasma. On the other hand, the plasma density distribution in the radial direction can be controlled to an arbitrary profile efficiently and variously.

本発明の一実施形態における誘導結合型プラズマ処理装置の構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure of the inductively coupled plasma processing apparatus in one Embodiment of this invention. 実施形態における可変コンデンサ付きＲＦアンテナのレイアウト構成および電気的接続構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the layout structure and electrical connection structure of RF antenna with a variable capacitor in embodiment. 図２の実施例の作用を示すである。FIG. 3 shows the operation of the embodiment of FIG. 図２のＲＦアンテナからコンデンサを全部省いた場合の電気的接続図およびその作用を示す図である。FIG. 3 is an electrical connection diagram when the capacitor is entirely omitted from the RF antenna of FIG. 実施形態における一実験で用いた可変コンデンサ付きＲＦアンテナのレイアウト構成および電気的接続構成を示す図である。It is a figure which shows the layout structure and electrical connection structure of RF antenna with a variable capacitor used in one experiment in embodiment. 上記実験において中間コンデンサの静電容量を可変して測定されたコイル電流分布および電子密度分布の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the coil current distribution and electron density distribution which were measured by changing the electrostatic capacitance of an intermediate capacitor in the said experiment. 実施形態の一変形例における可変コンデンサ付きＲＦアンテナのレイアウト構成および電気的接続構成を示す図である。It is a figure which shows the layout structure and electrical connection structure of RF antenna with a variable capacitor in one modification of embodiment. 図６Ａの実施例の作用を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the effect | action of the Example of FIG. 6A. 別の実施例における可変コンデンサ付きＲＦアンテナのレイアウト構成および電気的接続構成を示す図である。It is a figure which shows the layout structure and electrical connection structure of RF antenna with a variable capacitor in another Example. 別の実施例における可変コンデンサ付きＲＦアンテナのレイアウト構成および電気的接続構成を示す図である。It is a figure which shows the layout structure and electrical connection structure of RF antenna with a variable capacitor in another Example. 別の実施例における可変コンデンサ付きＲＦアンテナのレイアウト構成および電気的接続構成を示す図である。It is a figure which shows the layout structure and electrical connection structure of RF antenna with a variable capacitor in another Example. 別の実施例における可変コンデンサ付きＲＦアンテナのレイアウト構成および電気的接続構成を示す図である。It is a figure which shows the layout structure and electrical connection structure of RF antenna with a variable capacitor in another Example. 別の実施例における可変コンデンサ付きＲＦアンテナのレイアウト構成および電気的接続構成を示す図である。It is a figure which shows the layout structure and electrical connection structure of RF antenna with a variable capacitor in another Example. 別の実施例における可変コンデンサ付きＲＦアンテナのレイアウト構成および電気的接続構成を示す図である。It is a figure which shows the layout structure and electrical connection structure of RF antenna with a variable capacitor in another Example. 別の実施例における可変コンデンサ付きＲＦアンテナのレイアウト構成および電気的接続構成を示す図である。It is a figure which shows the layout structure and electrical connection structure of RF antenna with a variable capacitor in another Example.

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
［装置全体の構成および作用］ Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[Configuration and operation of the entire device]

図１に、本発明の一実施形態における誘導結合型プラズマ処理装置の構成を示す。   FIG. 1 shows the configuration of an inductively coupled plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention.

このプラズマ処理装置は、平面コイル形のＲＦアンテナを用いる誘導結合型のプラズマエッチング装置として構成されており、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製の円筒型真空チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は、保安接地されている。   This plasma processing apparatus is configured as an inductively coupled plasma etching apparatus using a planar coil type RF antenna, and has a cylindrical vacuum chamber (processing vessel) 10 made of metal such as aluminum or stainless steel. Yes. The chamber 10 is grounded for safety.

先ず、この誘導結合型プラズマエッチング装置においてプラズマ生成に関係しない各部の構成を説明する。   First, the configuration of each part not related to plasma generation in this inductively coupled plasma etching apparatus will be described.

チャンバ１０内の下部中央には、被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷを載置する円板状のサセプタ１２が高周波電極を兼ねる基板保持台として水平に配置されている。このサセプタ１２は、たとえばアルミニウムからなり、チャンバ１０の底から垂直上方に延びる絶縁性の筒状支持部１４に支持されている。   A disc-shaped susceptor 12 on which, for example, a semiconductor wafer W is mounted as a substrate to be processed is horizontally disposed as a substrate holding table that also serves as a high-frequency electrode in the lower center of the chamber 10. The susceptor 12 is made of, for example, aluminum, and is supported by an insulating cylindrical support portion 14 that extends vertically upward from the bottom of the chamber 10.

絶縁性筒状支持部１４の外周に沿ってチャンバ１０の底から垂直上方に延びる導電性の筒状支持部１６とチャンバ１０の内壁との間に環状の排気路１８が形成され、この排気路１８の上部または入口に環状のバッフル板２０が取り付けられるとともに、底部に排気ポート２２が設けられている。チャンバ１０内のガスの流れをサセプタ１２上の半導体ウエハＷに対して軸対象に均一にするためには、排気ポート２２を円周方向に等間隔で複数設ける構成が好ましい。各排気ポート２２には排気管２４を介して排気装置２６が接続されている。排気装置２６は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１０内のプラズマ処理空間を所望の真空度まで減圧することができる。チャンバ１０の側壁の外には、半導体ウエハＷの搬入出口２７を開閉するゲートバルブ２８が取り付けられている。   An annular exhaust path 18 is formed between the conductive cylindrical support section 16 extending vertically upward from the bottom of the chamber 10 along the outer periphery of the insulating cylindrical support section 14 and the inner wall of the chamber 10. An annular baffle plate 20 is attached to an upper portion or an inlet of 18 and an exhaust port 22 is provided at the bottom. In order to make the gas flow in the chamber 10 uniform on the axis of the semiconductor wafer W on the susceptor 12, it is preferable to provide a plurality of exhaust ports 22 at equal intervals in the circumferential direction. An exhaust device 26 is connected to each exhaust port 22 via an exhaust pipe 24. The exhaust device 26 has a vacuum pump such as a turbo molecular pump, and can depressurize the plasma processing space in the chamber 10 to a desired degree of vacuum. Outside the side wall of the chamber 10, a gate valve 28 that opens and closes a loading / unloading port 27 for the semiconductor wafer W is attached.

サセプタ１２には、ＲＦバイアス用の高周波電源３０が整合器３２および給電棒３４を介して電気的に接続されている。この高周波電源３０は、半導体ウエハＷに引き込まれるイオンのエネルギーを制御するのに適した一定周波数（通常１３．５６ＭＨｚ以下）の高周波ＲＦ_Lを可変のパワーで出力できるようになっている。整合器３２は、高周波電源３０側のインピーダンスと負荷（主にサセプタ、プラズマ、チャンバ）側のインピーダンスとの間で整合をとるためのリアクタンス可変の整合回路を収容している。その整合回路の中に自己バイアス生成用のブロッキングコンデンサが含まれている。 A high frequency power source 30 for RF bias is electrically connected to the susceptor 12 via a matching unit 32 and a power feed rod 34. The high-frequency power source 30 can output a high-frequency RF _L having a constant frequency (usually 13.56 MHz or less) suitable for controlling the energy of ions drawn into the semiconductor wafer W with variable power. The matching unit 32 accommodates a reactance variable matching circuit for matching between the impedance on the high frequency power source 30 side and the impedance on the load (mainly susceptor, plasma, chamber) side. A blocking capacitor for generating a self-bias is included in the matching circuit.

サセプタ１２の上面には、半導体ウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック３６が設けられ、静電チャック３６の半径方向外側に半導体ウエハＷの周囲を環状に囲むフォーカスリング３８が設けられる。静電チャック３６は導電膜からなる電極３６ａを一対の絶縁膜３６ｂ，３６ｃの間に挟み込んだものであり、電極３６ａには高圧の直流電源４０がスイッチ４２および被覆線４３を介して電気的に接続されている。直流電源４０より印加される高圧の直流電圧により、静電力で半導体ウエハＷを静電チャック３６上に吸着保持することができる。   On the upper surface of the susceptor 12, an electrostatic chuck 36 for holding the semiconductor wafer W with an electrostatic attraction force is provided, and a focus ring 38 that surrounds the periphery of the semiconductor wafer W in an annular shape is provided radially outward of the electrostatic chuck 36. Provided. The electrostatic chuck 36 is obtained by sandwiching an electrode 36 a made of a conductive film between a pair of insulating films 36 b and 36 c, and a high voltage DC power supply 40 is electrically connected to the electrode 36 a through a switch 42 and a covered wire 43. It is connected. The semiconductor wafer W can be attracted and held on the electrostatic chuck 36 with an electrostatic force by a high-voltage DC voltage applied from the DC power supply 40.

サセプタ１２の内部には、たとえば円周方向に延びる環状の冷媒室または冷媒流路４４が設けられている。この冷媒室４４には、チラーユニット（図示せず）より配管４６，４８を介して所定温度の冷媒たとえば冷却水ｃｗが循環供給される。冷却水ｃｗの温度によって静電チャック３６上の半導体ウエハＷの処理中の温度を制御できる。これと関連して、伝熱ガス供給部（図示せず）からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給管５０を介して静電チャック３６の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。また、半導体ウエハＷのローディング／アンローディングのためにサセプタ１２を垂直方向に貫通して上下移動可能なリフトピンおよびその昇降機構（図示せず）等も設けられている。   Inside the susceptor 12, for example, an annular refrigerant chamber or refrigerant flow path 44 extending in the circumferential direction is provided. A refrigerant having a predetermined temperature, such as cooling water cw, is circulated and supplied to the refrigerant chamber 44 through pipings 46 and 48 from a chiller unit (not shown). The temperature during processing of the semiconductor wafer W on the electrostatic chuck 36 can be controlled by the temperature of the cooling water cw. In this connection, a heat transfer gas such as He gas from a heat transfer gas supply unit (not shown) is supplied between the upper surface of the electrostatic chuck 36 and the back surface of the semiconductor wafer W via the gas supply pipe 50. Is done. Further, for loading / unloading of the semiconductor wafer W, lift pins that can vertically move through the susceptor 12 and a lifting mechanism (not shown) and the like are also provided.

次に、この誘導結合型プラズマエッチング装置においてプラズマ生成に関係する各部の構成を説明する。   Next, the configuration of each part related to plasma generation in this inductively coupled plasma etching apparatus will be described.

チャンバ１０の天井または天板はサセプタ１２から比較的大きな距離間隔を隔てて設けられており、この天板としてたとえば石英板からなる円形の誘電体窓５２が気密に取り付けられている。この誘電体窓５２の上には、チャンバ１０内に誘導結合のプラズマを生成するためのＲＦアンテナ５４を外部から電磁的に遮蔽して収容するアンテナ室５６がチャンバ１０と一体に設けられている。   The ceiling or top plate of the chamber 10 is provided at a relatively large distance from the susceptor 12, and a circular dielectric window 52 made of, for example, a quartz plate is airtightly attached as the top plate. On the dielectric window 52, an antenna chamber 56 for accommodating the RF antenna 54 for generating inductively coupled plasma in the chamber 10 by electromagnetically shielding it from the outside is provided integrally with the chamber 10. .

ＲＦアンテナ５４は、誘電体窓５２と平行で、好ましくは誘電体窓５２の上面に載って、径方向に間隔を開けて内側、中間および外側にそれぞれ配置される内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２を有している。これらのコイル５８、６０，６２は、互いに同軸（より好ましくは同心状）に配置されるとともに、チャンバ１０またはサセプタ１２に対しても同軸に配置されている。   The RF antenna 54 is parallel to the dielectric window 52, preferably on the upper surface of the dielectric window 52, and is arranged with an inner coil 58, an intermediate coil 60, An outer coil 62 is provided. These coils 58, 60, 62 are arranged coaxially (more preferably concentrically) with each other, and are also arranged coaxially with respect to the chamber 10 or the susceptor 12.

なお、本発明において「同軸」とは、軸対称の形状を有する複数の物体間でそれぞれの中心軸線が互いに重なっている位置関係であり、複数のコイル間に関してはそれぞれのコイル面が軸方向で互いにオフセットしている場合だけでなく同一面上で一致している場合（同心状の位置関係）も含む。   In the present invention, the term “coaxial” refers to a positional relationship in which the central axes overlap each other between a plurality of objects having an axially symmetric shape. This includes not only the case where they are offset from each other but also the case where they are coincident on the same plane (concentric positional relationship).

内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２は、電気的には、プラズマ生成用の高周波給電部６６からの高周波給電ライン６８と接地電位部材に至る帰線ライン７０との間（２つのノードＮ_A，Ｎ_Bの間）で並列に接続されている。ここで、帰線ライン７０は接地電位のアースラインであり、電気的に接地電位に保たれる接地電位部材（たとえばチャンバ１０または他の部材）に接続されている。 The inner coil 58, the intermediate coil 60, and the outer coil 62 are electrically connected between the high-frequency power supply line 68 from the high-frequency power supply unit 66 for plasma generation and the return line 70 leading to the ground potential member (two nodes N). _a, are connected in parallel with N between _B). Here, the return line 70 is an earth line having a ground potential, and is connected to a ground potential member (for example, the chamber 10 or another member) that is electrically maintained at the ground potential.

アースライン７０側のノードＮ_Bと中間コイル６０および外側コイル６２との間には、可変のコンデンサ８６，８８がそれぞれ電気的に直列に接続（挿入）されている。これらの可変コンデンサ８６，８８は、主制御部８４の制御の下で容量可変部９０により一定範囲内でそれぞれ独立かつ任意に可変されるようになっている。以下、ノードＮ_A，Ｎ_Bの間で、内側コイル５８と直列に接続されるコンデンサを「内側コンデンサ」と称し、中間コイル６０と直列に接続されるコンデンサを「中間コンデンサ」と称し、外側コイル６２と直列に接続されるコンデンサを「外側コンデンサ」と称する。 Between the node N _B and the intermediate coil 60 and outer coil 62 of the ground line 70 side, the variable capacitor 86 and 88 are electrically connected in series (insert). These variable capacitors 86 and 88 can be varied independently and arbitrarily within a certain range by the capacitance variable section 90 under the control of the main control section 84. Hereinafter, a capacitor connected in series with the inner coil 58 between the nodes N _A and N _B is referred to as an “inner capacitor”, and a capacitor connected in series with the intermediate coil 60 is referred to as an “intermediate capacitor”. A capacitor connected in series with 62 is referred to as an “outer capacitor”.

高周波給電部６６は、高周波電源７２および整合器７４を有している。高周波電源７２は、誘導結合の高周波放電によるプラズマの生成に適した一定周波数（通常１３．５６ＭＨｚ以上）の高周波ＲＦ_Hを可変のパワーで出力できるようになっている。整合器７４は、高周波電源７２側のインピーダンスと負荷（主にＲＦアンテナ、プラズマ）側のインピーダンスとの間で整合をとるためのリアクタンス可変の整合回路を収容している。 The high frequency power supply unit 66 includes a high frequency power source 72 and a matching unit 74. The high frequency power source 72 can output a high frequency RF _H having a constant frequency (usually 13.56 MHz or more) suitable for generating plasma by inductively coupled high frequency discharge with variable power. The matching unit 74 accommodates a reactance variable matching circuit for matching between the impedance on the high frequency power source 72 side and the impedance on the load (mainly RF antenna, plasma) side.

チャンバ１０内の処理空間に処理ガスを供給するための処理ガス供給部は、誘電体窓５２より幾らか低い位置でチャンバ１０の側壁の中（または外）に設けられる環状のマニホールドまたはバッファ部７６と、円周方向に等間隔でバッファ部７６からプラズマ生成空間に臨む多数の側壁ガス吐出孔７８と、処理ガス供給源８０からバッファ部７６まで延びるガス供給管８２とを有している。処理ガス供給源８０は、流量制御器および開閉弁（図示せず）を含んでいる。   A processing gas supply unit for supplying a processing gas to the processing space in the chamber 10 is an annular manifold or buffer unit 76 provided in (or outside) the side wall of the chamber 10 at a position somewhat lower than the dielectric window 52. A plurality of side wall gas discharge holes 78 facing the plasma generation space from the buffer section 76 at equal intervals in the circumferential direction, and a gas supply pipe 82 extending from the processing gas supply source 80 to the buffer section 76. The processing gas supply source 80 includes a flow rate controller and an on-off valve (not shown).

主制御部８４は、たとえばマイクロコンピュータを含み、このプラズマエッチング装置内の各部たとえば排気装置２６、高周波電源３０，７２、整合器３２，７４、静電チャック用のスイッチ４２、可変コンデンサ８６，８８、処理ガス供給源８０、チラーユニット（図示せず）、伝熱ガス供給部（図示せず）等の個々の動作および装置全体の動作（シーケンス）を制御する。   The main control unit 84 includes, for example, a microcomputer. Each unit in the plasma etching apparatus, for example, the exhaust device 26, the high frequency power sources 30, 72, the matching units 32, 74, the electrostatic chuck switch 42, the variable capacitors 86, 88, The individual operations of the processing gas supply source 80, the chiller unit (not shown), the heat transfer gas supply unit (not shown), and the operation (sequence) of the entire apparatus are controlled.

この誘導結合型プラズマエッチング装置において、エッチングを行なうには、先ずゲートバルブ２８を開状態にして加工対象の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック３６の上に載置する。そして、ゲートバルブ２８を閉めてから、処理ガス供給源８０よりガス供給管８２、バッファ部７６および側壁ガス吐出孔７８を介してエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量および流量比でチャンバ１０内に導入し、排気装置２６によりチャンバ１０内の圧力を設定値にする。さらに、高周波給電部６６の高周波電源７２をオンにしてプラズマ生成用の高周波ＲＦ_Hを所定のＲＦパワーで出力させ、整合器７４，ＲＦ給電ライン６８および帰線ライン７０を介してＲＦアンテナ５４の内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２に高周波ＲＦ_Hの電流を供給する。一方、高周波電源３０をオンにしてイオン引き込み制御用の高周波ＲＦ_Lを所定のＲＦパワーで出力させ、この高周波ＲＦ_Lを整合器３２および給電棒３４を介してサセプタ１２に印加する。また、伝熱ガス供給部より静電チャック３６と半導体ウエハＷとの間の接触界面に伝熱ガス（Ｈeガス）を供給するとともに、スイッチ４２をオンにして静電チャック３６の静電吸着力により伝熱ガスを上記接触界面に閉じ込める。 In order to perform etching in this inductively coupled plasma etching apparatus, the gate valve 28 is first opened, and the semiconductor wafer W to be processed is loaded into the chamber 10 and placed on the electrostatic chuck 36. Then, after the gate valve 28 is closed, an etching gas (generally a mixed gas) is supplied from the processing gas supply source 80 through the gas supply pipe 82, the buffer portion 76, and the side wall gas discharge holes 78 at a predetermined flow rate and flow rate ratio. The pressure in the chamber 10 is set to a set value by the exhaust device 26. Further, the high frequency power supply 72 of the high frequency power supply unit 66 is turned on to output a high frequency RF _H for plasma generation at a predetermined RF power, and the RF antenna 54 is connected via the matching unit 74, the RF power supply line 68 and the return line 70. A high frequency RF _H current is supplied to the inner coil 58, the intermediate coil 60 and the outer coil 62. On the other hand, the high frequency power supply 30 is turned on to output a high frequency RF _L for controlling the ion attraction at a predetermined RF power, and this high frequency RF _L is applied to the susceptor 12 via the matching unit 32 and the power feed rod 34. Further, the heat transfer gas (He gas) is supplied from the heat transfer gas supply unit to the contact interface between the electrostatic chuck 36 and the semiconductor wafer W, and the electrostatic chucking force of the electrostatic chuck 36 is turned on by turning on the switch 42. The heat transfer gas is confined in the contact interface.

チャンバ１０内において、側壁ガス吐出孔７８より吐出されたエッチングガスは、誘電体窓５２の下の処理空間に拡散する。ＲＦアンテナ５４の各コイル５８，６０，６２を流れる高周波ＲＦ_Hの電流によってそれらのコイルの周りに発生する磁力線（磁束）が誘電体窓５２を貫通してチャンバ１０内の処理空間（プラズマ生成空間）を横切り、処理空間内で方位角方向の誘導電界が発生する。この誘導電界によって方位角方向に加速された電子がエッチングガスの分子や原子と電離衝突を起こし、ドーナツ状のプラズマが生成される。 In the chamber 10, the etching gas discharged from the side wall gas discharge holes 78 diffuses into the processing space below the dielectric window 52. Magnetic field lines (magnetic flux) generated around the coils due to the high-frequency RF _H current flowing through the coils 58, 60, 62 of the RF antenna 54 penetrate the dielectric window 52 and process space (plasma generation space) in the chamber 10. ), An induced electric field in the azimuth direction is generated in the processing space. Electrons accelerated in the azimuth direction by the induced electric field cause ionization collision with molecules and atoms of the etching gas, and a donut-shaped plasma is generated.

このドーナツ状プラズマのラジカルやイオンは広い処理空間で四方に拡散し、ラジカルは等方的に降り注ぐようにして、イオンは直流バイアスに引っぱられるようにして、半導体ウエハＷの上面（被処理面）に供給される。こうして半導体ウエハＷの被処理面にプラズマの活性種が化学反応と物理反応をもたらし、被加工膜が所望のパターンにエッチングされる。   The radicals and ions of the doughnut-shaped plasma diffuse in all directions in a wide processing space, the radicals flow isotropically, and the ions are pulled by a DC bias, so that the top surface (surface to be processed) of the semiconductor wafer W To be supplied. Thus, the active species of the plasma cause a chemical reaction and a physical reaction on the surface to be processed of the semiconductor wafer W, and the film to be processed is etched into a desired pattern.

ここで「ドーナツ状のプラズマ」とは、チャンバ１０の径方向内側（中心部）にプラズマが立たず径方向外側にのみプラズマが立つような厳密にリング状のプラズマに限定されず、むしろチャンバ１０の径方向内側より径方向外側のプラズマの体積または密度が大きいことを意味する。また、処理ガスに用いるガスの種類やチャンバ１０内の圧力の値等の条件によっては、ここで云う「ドーナツ状のプラズマ」にならない場合もある。   Here, the “doughnut-shaped plasma” is not limited to a strictly ring-shaped plasma in which plasma does not stand on the radially inner side (center portion) of the chamber 10 but only on the radially outer side. This means that the volume or density of plasma on the outer side in the radial direction is larger than the inner side in the radial direction. Further, depending on conditions such as the type of gas used for the processing gas and the pressure value in the chamber 10, the “doughnut-shaped plasma” may not occur.

この誘導結合型プラズマエッチング装置は、ＲＦアンテナ５４をコイル径の異なる内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２に分割してＲＦアンテナ５４内の波長効果や電位差（電圧降下）を効果的に抑制または低減し、さらには内側コイル５８を除いて中間コイル６０および外側コイル６２に可変コンデンサ８６，８８を直列に接続する構成により、半導体ウエハＷ上のプラズマ密度分布を簡単かつ効率的に制御できるようにしている。

［ＲＦアンテナの基本的な構成及び作用］ In this inductively coupled plasma etching apparatus, the RF antenna 54 is divided into an inner coil 58, an intermediate coil 60 and an outer coil 62 having different coil diameters, and the wavelength effect and potential difference (voltage drop) in the RF antenna 54 are effectively suppressed. Alternatively, the configuration in which the variable capacitors 86 and 88 are connected in series to the intermediate coil 60 and the outer coil 62 except for the inner coil 58 can easily and efficiently control the plasma density distribution on the semiconductor wafer W. I have to.

[Basic configuration and operation of RF antenna]

図２および図３に、この誘導結合型プラズマエッチング装置におけるＲＦアンテナ５４のレイアウトおよび電気的接続（回路）の基本構成を示す。   2 and 3 show the basic configuration of the layout and electrical connection (circuit) of the RF antenna 54 in this inductively coupled plasma etching apparatus.

図２に示すように、内側コイル５８は、間隙または切れ目Ｇ_iを挟んで一周する半径一定の単巻き円環状コイルからなり、径方向においてチャンバ１０の中心寄りに位置している。内側コイル５８の一方の端つまりＲＦ入口端５８inは、上方に延びる接続導体９２および第１ノードＮ_Aを介して高周波給電部６６のＲＦ給電ライン６８に接続されている。内側コイル５８の他方の端つまりＲＦ出口端５８outは、上方に延びる接続導体９４および第２ノードＮ_Bを介してアースライン７０に接続されている。 As shown in FIG. 2, the inner coil 58 is a single-turn annular coil with a constant radius that goes around the gap or the cut line G _i , and is located near the center of the chamber 10 in the radial direction. One end, i.e. RF inlet end 58in the inner coil 58 is connected to the RF feed line 68 of the high-frequency power supply portion 66 via the connecting conductor 92 and the first node N _A that extends upward. The other end, i.e. RF outlet end 58out of the inner coil 58 is connected to the earth line 70 via a connecting conductor 94 and the second node N _B extending upward.

中間コイル６０は、間隙または切れ目Ｇ_mを挟んで一周する半径一定の単巻き円環状コイルからなり、径方向において内側コイル５８よりも外側でチャンバ１０の中間部に位置している。中間コイル６０の一方の端つまりＲＦ入口端６０inは、径方向で内側コイル５８のＲＦ入口端５８inに隣接しており、上方に延びる接続導体９６および第１ノードＮ_Aを介して高周波給電部６６のＲＦ給電ライン６８に接続されている。中間コイル６０の他方の端つまりＲＦ出口端６０outは、径方向で内側コイル５８のＲＦ出口部５８outに隣接しており、上方に延びる接続導体９８および第２ノードＮ_Bを介してアースライン７０に接続されている。 Intermediate coil 60 is made constant radius single turn toroidal coils around across the gap or cut G _m, it is located in the middle portion of the chamber 10 at the outer side than the inner coil 58 in the radial direction. One end, i.e. RF inlet end 60in intermediate coil 60 is adjacent to the RF inlet end 58in the inner coil 58 in the radial direction, the high-frequency power supply unit 66 via a connection conductor 96 and the first node N _A that extends upward Are connected to the RF feed line 68. The other end, i.e. RF outlet end 60out of intermediate coil 60 is adjacent to the RF outlet 58out of the inner coil 58 in the radial direction, the earth line 70 via a connecting conductor 98 and the second node N _B extending upward It is connected.

外側コイル６２は、間隙または切れ目Ｇ_oを挟んで一周する半径一定の単巻き円環状コイルからなり、径方向において中間コイル６０よりも外側でチャンバ１０の側壁寄りに位置している。外側コイル６２の一方の端つまりＲＦ入口端６２inは、径方向で中間コイル６０のＲＦ入口端６０inに隣接しており、上方に延びる接続導体１００および第１ノードＮ_Aを介して高周波給電部６６のＲＦ給電ライン６８に接続されている。外側コイル６２の他方の端つまりＲＦ出口端６２outは、径方向で中間コイル６０のＲＦ出口端６０outに隣接しており、上方に延びる接続導体１０２および第２ノードＮ_Bを介してアースライン７０に接続されている。 The outer coil 62 is a single-turn annular coil with a constant radius that goes around the gap or the cut _Go, and is located outside the intermediate coil 60 and closer to the side wall of the chamber 10 in the radial direction. One end, i.e. RF inlet end 62in the outer coil 62 is adjacent to the RF inlet end 60in intermediate coil 60 in the radial direction, the high-frequency power supply unit 66 via the connection conductor 100 and the first node N _A that extends upward Are connected to the RF feed line 68. The other end, i.e. RF outlet end 62out of the outer coil 62 is adjacent to the RF outlet end 60out of intermediate coil 60 in the radial direction, the earth line 70 through the connection conductor 102 and a second node N _B extending upward It is connected.

図２に示すように、ＲＦアンテナ５４の上方に延びる接続導体９２〜１０２は、アンテナ室５６（図１）内で誘電体窓５２から十分大きな距離を隔てて（相当高い位置で）横方向の分岐線または渡り線を形成しており、各コイル５８，６０，６２に対する電磁的な影響を少なくしている。   As shown in FIG. 2, the connecting conductors 92-102 extending above the RF antenna 54 are laterally separated (at a considerably high position) from the dielectric window 52 within the antenna chamber 56 (FIG. 1). A branch line or a jumper line is formed to reduce the electromagnetic influence on the coils 58, 60, 62.

上記のようなＲＦアンテナ５４内のコイル配置および結線構造において、高周波電源７２からＲＦ給電ライン６８、ＲＦアンテナ５４およびアースライン７０を通って接地電位部材まで廻った場合、より端的には第１ノードＮ_Aから第２ノードＮ_BまでＲＦアンテナ５４を構成する各コイル５８，６０，６２の高周波分岐伝送路を廻った場合に、内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２をそれぞれ通るときの向きはいずれも図２で反時計回りであり、周回方向で同じである。 In the coil arrangement and connection structure in the RF antenna 54 as described above, when the high-frequency power source 72 passes through the RF feed line 68, the RF antenna 54, and the ground line 70 to the ground potential member, more specifically, the first node. when traveling around the high-frequency branch transmission path of each coil 58, 60, 62 constituting the RF antenna 54 from N _a to the second node N _B, the orientation when passing through the inner coil 58, the intermediate coil 60 and outer coil 62, respectively Are counterclockwise in FIG. 2 and are the same in the direction of rotation.

この実施形態の誘導結合型プラズマエッチング装置においては、高周波給電部６６より供給される高周波の電流がＲＦアンテナ５４内の各部を流れることにより、ＲＦアンテナ５４を構成する内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２の周りにはアンペールの法則にしたがってループ状に分布する高周波数の交流磁界が発生し、誘電体窓５２の下には比較的内奥（下方）の領域でも処理空間を半径方向に横断する磁力線が形成される。   In the inductively coupled plasma etching apparatus of this embodiment, a high-frequency current supplied from the high-frequency power feeding unit 66 flows through each part in the RF antenna 54, whereby the inner coil 58, the intermediate coil 60, and the Around the outer coil 62, a high-frequency AC magnetic field distributed in a loop according to Ampere's law is generated, and the processing space extends radially in the relatively inner (lower) area below the dielectric window 52. A transverse field line is formed.

ここで、処理空間における磁束密度の半径方向（水平）成分は、チャンバ１０の中心と周辺部では高周波電流の大きさに関係なく常に零であり、その中間の何処かで極大になる。高周波数の交流磁界によって生成される方位角方向の誘導電界の強度分布も、径方向において磁束密度と同様の分布を示す。つまり、径方向において、ドーナツ状プラズマ内の電子密度分布は、マクロ的にはＲＦアンテナ５４内の電流分布にほぼ対応する。   Here, the radial direction (horizontal) component of the magnetic flux density in the processing space is always zero at the center and the peripheral portion of the chamber 10 regardless of the magnitude of the high-frequency current, and becomes a maximum somewhere in the middle. The intensity distribution of the induced electric field in the azimuth direction generated by the high-frequency AC magnetic field also shows the same distribution as the magnetic flux density in the radial direction. That is, in the radial direction, the electron density distribution in the donut-shaped plasma substantially corresponds to the current distribution in the RF antenna 54 in a macro manner.

この実施形態におけるＲＦアンテナ５４は、その中心または内周端から外周端まで旋回する通常の渦巻コイルとは異なり、アンテナの中心部に局在する円環状の内側コイル５８とアンテナの中間部に局在する円環状の中間コイル６０とアンテナの周辺部に局在する円環状の外側コイル６２とからなり、ＲＦアンテナ５４内の電流分布は各コイル５８，６０，６２の位置に対応した同心円状の分布になる。   The RF antenna 54 in this embodiment is different from a normal spiral coil that pivots from the center or the inner peripheral end to the outer peripheral end, and the annular inner coil 58 that is localized in the center of the antenna and the antenna in the middle. A current distribution in the RF antenna 54 is a concentric shape corresponding to the position of each coil 58, 60, 62. Distribution.

ここで、内側コイル５８には、そのループ内で一様または均一な高周波の電流（以下「内側コイル電流」と称する。）Ｉ_iが流れる。中間コイル６０には、そのループ内で一様または均一な高周波の電流（以下「中間コイル電流」と称する。）Ｉ_mが流れる。外側コイル６２には、そのループ内で一様または均一な高周波の電流（以下「外側コイル電流」と称する。）Ｉ_oが流れる。 Here, a uniform or uniform high-frequency current (hereinafter referred to as “inner coil current”) I _i flows through the inner coil 58 in the loop. The intermediate coil 60, within a loop uniform or uniform high frequency current (hereinafter referred to as "intermediate coil current".) I _m flows. A high-frequency current (hereinafter referred to as “outer coil current”) I _{o that} is uniform or uniform in the loop flows through the outer coil 62.

こうして、チャンバ１０の誘電体窓５２の下（内側）に生成されるドーナツ状プラズマにおいては、図３に示すように、内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２のそれぞれの直下の位置付近で電流密度（つまりプラズマ密度）が極大になる。このように、ドーナツ状プラズマ内の電流密度分布は径方向で均一ではなく凹凸のプロファイルとなる。しかし、チャンバ１０内の処理空間でプラズマが四方に拡散することによって、サセプタ１２の近傍つまり基板Ｗ上ではプラズマの密度が均される。   Thus, in the donut-shaped plasma generated below (inside) the dielectric window 52 of the chamber 10, as shown in FIG. 3, in the vicinity of the position immediately below each of the inner coil 58, the intermediate coil 60 and the outer coil 62. The current density (that is, plasma density) is maximized. As described above, the current density distribution in the donut-shaped plasma is not uniform in the radial direction but has an uneven profile. However, the plasma diffuses in all directions in the processing space in the chamber 10, so that the density of the plasma is leveled near the susceptor 12, that is, on the substrate W.

この実施形態においては、内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２のいずれも円環状コイルであり、コイル周回方向で一様または均一な高周波電流が流れるので、コイル周回方向では常にドーナツ状プラズマ内はもちろんサセプタ１２の近傍つまり基板Ｗ上でも略均一なプラズマ密度分布が得られる。   In this embodiment, all of the inner coil 58, the intermediate coil 60 and the outer coil 62 are annular coils, and a uniform or uniform high-frequency current flows in the coil circulation direction. Of course, a substantially uniform plasma density distribution can be obtained in the vicinity of the susceptor 12, that is, on the substrate W.

また、径方向においては、後述するように中間コンデンサ８６および外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ₈₆，Ｃ₈₈を所定の範囲内で適切な値に可変ないし選定することにより、内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６０をそれぞれ流れる電流Ｉ_i，Ｉ_m，Ｉ_oのバランスを調節して、ドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度分布を自在に制御することができる。このことによって、サセプタ１２の近傍つまり基板Ｗ上のプラズマ密度分布を自在に制御することが可能であり、プラズマ密度分布の均一化も高い精度で容易に達成することができる。 Further, in the radial direction, as will be described later, by changing or selecting the capacitances C ₈₆ and C ₈₈ of the intermediate capacitor 86 and the outer capacitor 88 to appropriate values within a predetermined range, the inner coil 58 and the intermediate coil can be selected. The plasma density distribution in the donut-shaped plasma can be freely controlled by adjusting the balance of the currents I _i , I _m , and I _o flowing through the outer coil 60 and the outer coil 60, respectively. Accordingly, the plasma density distribution in the vicinity of the susceptor 12, that is, on the substrate W can be freely controlled, and the uniform plasma density distribution can be easily achieved with high accuracy.

この実施形態においては、ＲＦアンテナ５４内の波長効果や電圧降下は個々のコイル５８，６０，６２毎にその長さに依存する。したがって、個々のコイル５８，６０，６２で波長効果を起こさないように、各コイルの長さを選定することによって、ＲＦアンテナ５４内の波長効果や電圧降下の問題を全て解決することができる。波長効果の防止に関しては、各コイル５８，６０，６２の長さを高周波ＲＦ_Hの１／４波長よりも短くすることが望ましい。 In this embodiment, the wavelength effect and voltage drop in the RF antenna 54 depends on the length of each individual coil 58, 60, 62. Therefore, by selecting the length of each coil so as not to cause the wavelength effect in the individual coils 58, 60, 62, all the problems of the wavelength effect and the voltage drop in the RF antenna 54 can be solved. In order to prevent the wavelength effect, it is desirable to make the length of each coil 58, 60, 62 shorter than a quarter wavelength of the high frequency RF _H.

このコイル長に関する１／４波長未満条件は、コイルの径が小さいほど、巻数が少ないほど、満たされやすい。したがって、ＲＦアンテナ５４内でコイル径の最も小さい内側コイル５８は、複数巻きの構成を容易に採り得る。他方、コイル径の最も大きい外側コイル６２は、複数巻きよりは単巻きの方が望ましい。中間コイル６０は、半導体ウエハＷの口径、高周波ＲＦ_Hの周波数等にも依存するが、通常は外側コイル６２と同様に単巻きが望ましい。

［ＲＦアンテナに付加されるコンデンサの機能］ The condition of less than ¼ wavelength regarding the coil length is more easily satisfied as the coil diameter is smaller and the number of turns is smaller. Therefore, the inner coil 58 having the smallest coil diameter in the RF antenna 54 can easily adopt a multi-turn configuration. On the other hand, the outer coil 62 having the largest coil diameter is preferably a single winding rather than a plurality of windings. Although the intermediate coil 60 depends on the diameter of the semiconductor wafer W, the frequency of the high-frequency RF _H , and the like, normally, like the outer coil 62, a single winding is desirable.

[Function of capacitor added to RF antenna]

この実施形態における主要な特徴は、ＲＦアンテナ５４を径方向においてコイル径の異なる３つのコイル５８，６０，６２に並列に分割するとともに、中間コイル６０および外側コイル６２には可変の中間コンデンサ８６および外側コンデンサ８８をそれぞれ電気的に直列接続する一方で、内側コイル５８にはリアクタンス素子（特にコンデンサ）を一切接続していない構成にある。   The main feature of this embodiment is that the RF antenna 54 is divided in parallel into three coils 58, 60, 62 having different coil diameters in the radial direction, and the intermediate coil 60 and the outer coil 62 are provided with a variable intermediate capacitor 86 and Each of the outer capacitors 88 is electrically connected in series, while no reactance element (particularly a capacitor) is connected to the inner coil 58.

ここで、図４に示すようにＲＦアンテナ５４の何処にもコンデンサを付加しない場合を考える。この場合、内側コイル５８の直下には中間コイル６０および外側コイル６２の直下よりも著しく濃いプラズマが生成される。その理由は、次のとおりである。すなわち、コイル導線の太さ（半径）がａ、コイル径（半径）がｒの単巻き円環状コイルの自己インダクタンスＬは次の式（１）で表わされる。
ただし、μ_oは真空の透磁率である。また、コイル径（半径）ｒは、コイル内周の半径とコイル外周の半径との中間値である。 Here, consider a case where no capacitor is added anywhere in the RF antenna 54 as shown in FIG. In this case, plasma that is significantly darker than that immediately below the intermediate coil 60 and the outer coil 62 is generated immediately below the inner coil 58. The reason is as follows. That is, the self-inductance L of a single-turn annular coil having a coil lead wire with a thickness (radius) of a and a coil diameter (radius) of r is expressed by the following equation (1).
Where μ _o is the vacuum permeability. The coil diameter (radius) r is an intermediate value between the radius of the inner circumference of the coil and the radius of the outer circumference of the coil.

上式（１）から、自己インダクタンスＬはコイル半径ｒに略線形的に比例する。このような円環状コイルのインピーダンスＺは、高周波の周波数をｆとすると、Ｚ＝２πｆＬであり、自己インダクタンスＬに比例する。したがって、内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２のコイル半径をたとえば５０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍとすると、内側コイル５８には中間コイル６０を流れる中間コイル電流Ｉ_mの約２倍、外側コイル６２を流れる外側コイル電流Ｉ_oの約３倍の内側コイル電流Ｉ_iが流れる。円環状コイルによって生成されるプラズマの密度は、半径が小さいほど若干効率は低くなるものの、おおよそ半径に依らずコイル電流の電流量に依存する。このため、内側コイル５８の直下には中間コイル６０や外側コイル６２の直下よりも数倍濃いプラズマが生成される。これによって、サセプタ１２の近傍つまり半導体ウエハＷ上のプラズマ密度分布は、径方向の中心部が突出して高くなるようなプロファイルとなる。 From the above equation (1), the self-inductance L is approximately linearly proportional to the coil radius r. The impedance Z of such an annular coil is Z = 2πfL, where f is a high frequency, and is proportional to the self-inductance L. Accordingly, the inner coil 58, the coil radius for example 50mm of intermediate coil 60 and outer coil 62, 100 mm, when a 150 mm, about twice the intermediate coil current I _m flowing through the intermediate coil 60 to the inner coil 58, the outer coil 62 An inner coil current I _{i that} is about three times the flowing outer coil current I _o flows. The density of the plasma generated by the annular coil is slightly lower in efficiency as the radius is smaller, but it depends on the amount of coil current regardless of the radius. For this reason, plasma several times deeper than that immediately below the intermediate coil 60 and the outer coil 62 is generated immediately below the inner coil 58. As a result, the plasma density distribution in the vicinity of the susceptor 12, that is, on the semiconductor wafer W has a profile in which the central portion in the radial direction protrudes and becomes high.

ところで、コイルは正のリアクタンスを有し、コンデンサは負のリアクタンスを有する。したがって、コイルにコンデンサを接続すると、コイルの正のリアクタンスをコンデンサの負のリアクタンスが打ち消すため、合成リアクタンスはコイルのリアクタンスよりも低くなる。したがって、内側コイル５８にコンデンサを接続して内側コイル電流Ｉ_iの電流量を増やすのは、プラズマ密度分布の均一化には効かず、むしろ逆効果になる。 Incidentally, the coil has a positive reactance, and the capacitor has a negative reactance. Therefore, when a capacitor is connected to the coil, the combined reactance is lower than the reactance of the coil because the negative reactance of the capacitor cancels the positive reactance of the coil. Therefore, connecting the capacitor to the inner coil 58 to increase the current amount of the inner coil current I _i is not effective for making the plasma density distribution uniform, but rather has an adverse effect.

このことは、各コイル５８，６０，６２をそれぞれＮ_i，Ｎ_m，Ｎ_oターンのスバイラル状コイルで構成した場合も同じである。すなわち、各コイルのインダクタンスはターン数（巻数）に比例するため、それぞれのインピーダンスもターン数に比例する。よって、内側コイル５８と外側コイル６２をそれぞれ流れるコイル電流Ｉ_i，Ｉ_oの比は、Ｉ_i：Ｉ_o＝ｒ_o＊Ｎ_o＊Ｎ_i：ｒ_i＊Ｎ_i＊Ｎ_o＝ｒ_o：ｒ_iとなる。一方、両コイル５８，６２の直下にそれぞれ生成されるプラズマの密度ｎ_i，ｎ_oはコイル電流×ターン数で決まる。よって、内側コイル５８および外側コイル６２の直下に生成されるプラズマの密度ｎ_i，ｎ_oの比は、ｎ_i：ｎ_o＝ｒ_o＊Ｎ_o＊Ｎ_i：ｒ_i＊Ｎ_i＊Ｎ_o＝ｒ_o：ｒ_iとなり、この場合も半径の比で決まる。内側コイル５８と中間コイル６０との間でも同様である。このように、内側コイル５８の直下には、中間コイル６０および外側コイル６２の直下よりも常に濃いプラズマが生成される。 This also applies in the case of a configuration using Subairaru shaped coil of each coil 58, 60 and 62 respectively N _i, N _m, N _o turn. That is, since the inductance of each coil is proportional to the number of turns (number of turns), each impedance is also proportional to the number of turns. Therefore, the ratio of the coil currents I _i and I _o flowing through the inner coil 58 and the outer coil 62 is as follows: I _i : I _o = _ro * N _o * N _i : r _i * N _i * N _o = _ro : r _i . On the other hand, the densities n _i and n _o of plasma generated immediately below both coils 58 and 62 are determined by the coil current × the number of turns. Therefore, the ratio of the densities n _i and n _o of the plasma generated immediately below the inner coil 58 and the outer coil 62 is n _i : n _o = _ro * N _o * N _i : r _i * N _i * N _o = r _o: r _i next, also in this case determined by the radius of the ratio. The same is true between the inner coil 58 and the intermediate coil 60. As described above, plasma that is always deeper than that immediately below the intermediate coil 60 and the outer coil 62 is generated immediately below the inner coil 58.

現実には、整合器７４の出口から当該コイルまでの配線のインピーダンスも無視できない。整合器７４の出口からＲＦアンテナ５４までの高さ方向で配線の長さが決まるので、配線の長さは内側・中間・外側の間で同程度と仮定してよく、配線インピーダンスは内側・中間・外側で等しいとする。そうすると、たとえば外側コイル６２および内側コイル５８がそれぞれ７５Ω、２５Ωのインビーダンスを有する場合に、配線インピーダンスをおおよそ１０Ωとすると、Ｉ_i：Ｉ_o＝（７５＋１０）：（２５＋１０）＝８５：３５＝２．４１：１となり、依然として２倍以上の開きがある。 In reality, the impedance of the wiring from the exit of the matching unit 74 to the coil cannot be ignored. Since the length of the wiring is determined in the height direction from the exit of the matching unit 74 to the RF antenna 54, it may be assumed that the length of the wiring is the same between the inside, the middle, and the outside, and the wiring impedance is the inside and the middle.・ Assume that they are equal on the outside. Then, for example, when the outer coil 62 and the inner coil 58 have impedances of 75Ω and 25Ω, respectively, and the wiring impedance is approximately 10Ω, I _i : I _o = (75 + 10) :( 25 + 10) = 85: 35 = It becomes 2.41: 1, and there is still a difference of more than twice.

圧力が比較的高く（通常１００mTorr以上）、プラズマの拡散の影響が効きにくい場合には内側と外側とで上記のようなバランスになるが、圧力が低くなって拡散の影響が効いてくると中心部のプラズマ密度は更に突出して高くなる。   If the pressure is relatively high (usually 100 mTorr or more) and the effect of plasma diffusion is difficult to achieve, the balance between the inside and the outside will be as described above. The plasma density of the portion further protrudes and becomes higher.

このように、どのような条件の下でも、電気的に並列に接続されたコイル径の異なる複数のコイルの間では最も内側のコイルの直下でプラズマ密度が相対的に高くなるという法則が成り立つ。   Thus, under any condition, a law is established that the plasma density is relatively high directly below the innermost coil among the plurality of coils having different coil diameters electrically connected in parallel.

この実施形態では、上記の知見に基づいて、ＲＦアンテナ５４の両端子間（第１および第２ノードＮ_A，Ｎ_B間）で、内側コイル５８にはコンデンサを一切付加（接続）せずに、中間コイル６０および外側コイル６２には可変コンデンサ８６，８８を直列接続し、それら可変コンデンサ８６，８８の静電容量Ｃ₈₆，Ｃ₈₈を合成リアクタンスを下げる方向に調節することにより、中間コイル６０および外側コイル６２をそれぞれ流れるコイル電流Ｉ_m，Ｉ_oの電流量を適度に増やして、コイル電流Ｉ_i，Ｉ_m，Ｉ_oを略同じ大きさに揃えることも、あるいは内側コイル電流Ｉ_iよりも中間コイル電流Ｉ_mおよび／または外側コイル電流Ｉ_oを大きくすることも可能にしている。ここで、可変コンデンサ８６，８８によるコイル電流Ｉ_m，Ｉ_oの増加分はすべて中間コイル６０および外側コイル６２を流れてプラズマ生成に寄与するので、高周波パワーの無駄を生じない。 In this embodiment, based on the above knowledge, no capacitor is added (connected) to the inner coil 58 between both terminals of the RF antenna 54 (between the first and second nodes N _A and N _B ). In addition, variable capacitors 86 and 88 are connected in series to the intermediate coil 60 and the outer coil 62, and by adjusting the capacitances C ₈₆ and C ₈₈ of the variable capacitors ₈₆ and ₈₈ in a direction to lower the combined reactance, the intermediate coil 60 is set. The coil currents I _m , I _o flowing through the outer coil 62 and the outer coil 62 are appropriately increased so that the coil currents I _i , I _m , I _o are substantially equal in magnitude, or from the inner coil current I _i . The intermediate coil current _Im and / or the outer coil current _Io can be increased. Here, since the increments of the coil currents I _m and I _o due to the variable capacitors 86 and 88 all flow through the intermediate coil 60 and the outer coil 62 and contribute to plasma generation, waste of high frequency power does not occur.

通常、径方向中心部でプラズマ密度が突出して高くなるプロファイルを是正するには、大まかには、内側コイル５８を流れる内側コイル電流Ｉ_iと外側コイル６２を流れる外側コイル電流Ｉ_oとの比（バランス）を調節するのが効率的である。この実施形態では、両コイル電流Ｉ_i，Ｉ_oの比を調節するには、外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ₈₈のみを可変すればよい。 In general, in order to correct the profile in which the plasma density protrudes and increases at the central portion in the radial direction, the ratio between the inner coil current I _i flowing through the inner coil 58 and the outer coil current I _o flowing through the outer coil 62 (roughly, It is efficient to adjust the balance. In this embodiment, in order to adjust the ratio between the two coil currents I _i and I _o , only the capacitance C ₈₈ of the outer capacitor 88 needs to be varied.

この場合、様々な条件下でプラズマ密度分布を均一化するうえで、外側コイル電流Ｉ_oと外側コイル６２のターン数ｎ_oの積Ｉ_o＊ｎ_oの可変範囲が内側コイル電流Ｉ_iと内側コイル５８のターン数ｎ_iの積Ｉ_i＊ｎ_iよりも小さい下限値と大きい上限値をもつことが望ましい。内側コイル電流Ｉ_iと外側コイル電流Ｉ_oの比が内側コイル５８のインピーダンス（以下「内側インピーダンス」と称する。）と外側コイル６２および外側コンデンサ８８の合成インピーダンス（以下「外側合成インピーダンス」と称する。）の逆数の比に比例することから、内側インピーダンス（固定値）をＺ_i、外側合成インピーダンス（可変値）の最小値および最大値をそれぞれＺ_o(min)，Ｚ_o(max)とすると、このコイル電流×ターン数に関する上記の条件は、次のように表わされる。
・・・（２） In this case, in order to uniform the plasma density distribution under various conditions, the outer coil current I _o and the variable range of the product I _o * n _o number of turns n _o of the outer coil 62 and inner coil current I _i inside It is desirable to have a lower limit value and a larger upper limit value than the product I _i * n _{i of the} number of turns n _i of the coil 58. The ratio of the inner coil current I _i and the outer coil current I _o is referred to as the impedance of the inner coil 58 (hereinafter referred to as “inner impedance”) and the combined impedance of the outer coil 62 and the outer capacitor 88 (hereinafter referred to as “outer combined impedance”). ), The inner impedance (fixed value) is Z _i , and the minimum and maximum values of the outer composite impedance (variable value) are Z _{o (min)} and Z _{o (max)} respectively. The above-mentioned condition regarding the coil current × the number of turns is expressed as follows.
... (2)

さらに、内側インピーダンスＺ_iおよび外側合成インピーダンスＺ_oは、結線部を除けばそれぞれの平均コイル半径に依存する。結線部の影響は無視できないが支配的な影響ではないので、上記の条件を次のように表わすこともできる。
・・・（３） Further, the inner impedance Z _i and the outer combined impedance Z _o depend on the average coil radius except for the connection portion. Since the influence of the connection part cannot be ignored but is not a dominant influence, the above condition can also be expressed as follows.
... (3)

ここで、Ｃ_o(min)は、調整可能範囲の中で外側合成インピーダンスＺ_oを最小にするときの外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ₈₈の値である。Ｃ_o(max)は、調整可能範囲の中で外側合成インピーダンスＺ_oを最大にするときの外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ₈₈の値である。なお、Ｃ_o(min)，Ｃ_o(max)は、必ずしもＣ₈₈の可変範囲の最小値および最大値に一致するものではない。外側合成インピーダンスＺ_oが最小になるのは、外側コイル６２と外側コンデンサ８８が直列共振を起こすときであり、Ｃ_o(min)はそのときの外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ₈₈の値である。また、外側合成インピーダンスＺ_oが最大になるのは、その直列共振点から外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ₈₈を可変範囲の上限あるいは下限まで離していったときのどちらか一方であり、Ｃ_o(max)はそのときの外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ₈₈の値である。 Here, C _{o (min)} is the value of the capacitance C ₈₈ of the outer capacitor 88 when the outer combined impedance Z _o is minimized within the adjustable range. _{Co (max)} is the value of the capacitance C ₈₈ of the outer capacitor 88 when the outer combined impedance Z _o is maximized within the adjustable range. _{Incidentally, C o (min), C} o (max) does not necessarily match the minimum and maximum values of the variable range of C _88. The outer combined impedance Z _o is minimized when the outer coil 62 and the outer capacitor 88 cause series resonance, and C _{o (min)} is the value of the capacitance C ₈₈ of the outer capacitor 88 at that time. . Further, the outer synthetic impedance Z _o is maximum is at either the time went away from the series resonance point capacitance C ₈₈ of the outer capacitor 88 up to the upper limit or the lower limit of the variable range, C _{o (max)} is the value of the capacitance C ₈₈ of the outer capacitor 88 at that time.

このように、内側コイル５８にはコンデンサを接続しないで、外側コイル６２に外側コンデンサ８８を直列に接続し、外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ₈₈を可変することにより、内側コイル電流Ｉ_iと外側コイル電流Ｉ_oの比を任意に調整し、ＲＦアンテナ５４の直下で生成されるドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度分布の大まかなプロファイル（特に中心部と周辺部のバランス）を任意に制御することができる。 In this way, the inner coil 58 is not connected to the inner coil 58, but the outer capacitor 88 is connected in series to the outer coil 62, and the capacitance C ₈₈ of the outer capacitor ₈₈ is varied, whereby the inner coil current I _i and the outer coil 58 are changed. The ratio of the coil current I _o is arbitrarily adjusted, and the rough profile (particularly the balance between the central portion and the peripheral portion) of the plasma density distribution in the donut-shaped plasma generated immediately below the RF antenna 54 can be arbitrarily controlled. it can.

この実施形態では、更に、内側コイル５８と外側コイル６２との間に中間コイル６０を配置し、この中間コイル６０にも可変の中間コンデンサ８６を直列に接続している。これは、ドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度分布（特に中間部）をより精細に制御するためであり、低圧下のプラズマまたは大口径のプラズマを生成する場合に特に有用である。   In this embodiment, an intermediate coil 60 is further disposed between the inner coil 58 and the outer coil 62, and a variable intermediate capacitor 86 is also connected in series to the intermediate coil 60. This is for finely controlling the plasma density distribution (especially the intermediate portion) in the donut-shaped plasma, and is particularly useful when generating a plasma under a low pressure or a large-diameter plasma.

中間コイル６０を設ける代わりに、たとえば外側コイル６２をスパイラル状に形成してアンテナ５４の中間部の領域を外側コイル６２でカバーする構成も考えられる。しかし、その場合は、外側コイル６２の全ての区間で同一のコイル電流Ｉ_oが流れるために、アンテナ中間部の直下でプラズマ密度が相対的に高くなりやすく、たとえば径方向で均一なプロファイルにするのが難しくなる。 Instead of providing the intermediate coil 60, for example, a configuration in which the outer coil 62 is formed in a spiral shape and the region of the intermediate portion of the antenna 54 is covered by the outer coil 62 is also conceivable. However, in that case, since the same coil current _Io flows in all the sections of the outer coil 62, the plasma density tends to be relatively high immediately below the intermediate portion of the antenna. For example, the profile is uniform in the radial direction. It becomes difficult.

また、実際のプロセスでは、アンテナ中間部の直下でドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度を強制的に下げた方が径方向全体で望ましい（たとえばフラットな）プロファイルが得られることもある。特に、周辺部のプラズマ密度を所望のレベルまで引き上げるために外側コイル電流Ｉ_oの電流量を強めに増やした場合に、このような状況になりやすい。 In an actual process, it is sometimes possible to obtain a desirable profile (for example, flat) in the entire radial direction by forcibly lowering the plasma density in the donut-shaped plasma directly under the antenna intermediate portion. In particular, this situation is likely to occur when the amount of the outer coil current _Io is increased to increase the plasma density in the periphery to a desired level.

このような場合に、中間コンデンサ８６を効果的に機能させることができる。すなわち、中間コイル６０と中間コンデンサ８６の合成リアクタンス（以下「中間合成リアクタンス」と称する。）Ｘ_mが負の値になるように、中間コンデンサ８６の静電容量Ｃ₈₆を直列共振点の値よりも低い領域で可変する。これによって、中間コイル電流Ｉ_mを周回方向で逆向きに、しかも任意の電流量で流し（特に殆ど０の状態から僅かに増やすことも可能であり）、それによって中間コイル６０の直下におけるドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度を局所的に自在に制御し、ひいてはサセプタ１２の近傍つまり半導体ウエハＷ上で径方向全体のプラズマ密度分布を自在に制御することができる。 In such a case, the intermediate capacitor 86 can function effectively. That is, the capacitance C ₈₆ of the intermediate capacitor 86 is set to a value at the series resonance point so that the combined reactance (hereinafter referred to as “intermediate combined reactance”) X _{m of} the intermediate coil 60 and the intermediate capacitor 86 becomes a negative value. Can be varied in a low region. Thus, in the opposite direction of the intermediate coil current I _m in the circumferential direction, yet (it is also possible to slightly increase from particular most 0 state) any amount of current flows, whereby the donut immediately below the intermediate coil 60 The plasma density in the plasma can be freely controlled locally, and the plasma density distribution in the entire radial direction can be freely controlled in the vicinity of the susceptor 12, that is, on the semiconductor wafer W.

上記のような中間コンデンサ８６の機能は、図５に示すような実験で確かめられている。この実験では、図５Ａに示すように、ＲＦアンテナ５４において、内側コイル５８を直径１００ｍｍで２回巻き（２ターン）に形成し、中間コイル６０および外側コイル６２をそれぞれ直径２００ｍｍ、３００ｍｍで単巻き（１ターン）に形成した。主なプロセス条件として、高周波ＲＦ_Hの周波数は１３．５６ＭＨｚ、ＲＦパワーは１５００Ｗ、チャンバ１０内の圧力は１００mTorr、処理ガスはＡｒとＯ₂の混合ガス、ガスの流量はＡｒ／Ｏ₂＝３００／３０sccmであった。 The function of the intermediate capacitor 86 as described above has been confirmed by an experiment as shown in FIG. In this experiment, as shown in FIG. 5A, in the RF antenna 54, the inner coil 58 is formed in two turns (two turns) with a diameter of 100 mm, and the intermediate coil 60 and the outer coil 62 are single wound with a diameter of 200 mm and 300 mm, respectively. (1 turn). As main process conditions, the frequency of the high frequency RF _H is 13.56 MHz, the RF power is 1500 W, the pressure in the chamber 10 is 100 mTorr, the processing gas is a mixed gas of Ar and O ₂ , and the gas flow rate is Ar / O ₂ = 300. / 30 sccm.

この実験において、外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ₈₈を５６０ｐＦに固定して、中間コンデンサ８６の静電容量Ｃ₈₆を１３ｐＦ，４０ｐＦ，６４ｐＦに可変すると、図５Ｂに示すように中間コイル電流Ｉ_mが−０．４Ａ，−５．０Ａ，−１１．２Ａと変化し、中間コイル６０の直下付近で電子密度（つまりプラズマ密度）Ｎ_eを局所的かつ任意に下げられることが確認できた。なお、内側および外側コイル電流Ｉ_i，Ｉ_oは、Ｃ₈₆＝１３ｐＦのときはそれぞれ１６．４Ａ，１８．３Ａであり、Ｃ₈₆＝４０ｐＦのときはそれぞれ１７．４Ａ，１９．４Ａであり、Ｃ₈₆＝４０ｐＦのときはそれぞれ１９．０Ａ，２０．１Ａであった。逆向きに流れる中間コイル電流Ｉ_mの電流量を増やしていくと、順方向に流れる内側コイル電流Ｉ_iおよび外側コイル電流Ｉ_oの電流量もそれにつられて幾らか増えるが、両コイル電流Ｉ_i，Ｉ_oの比（バランス）は殆ど変化しないことがわかる。 In this experiment, by fixing the capacitance C ₈₈ of the outer capacitor 88 to 560 pF, the capacitance C ₈₆ of the intermediate condenser 86 13 pF, 40 pF, when the variable to 64PF, intermediate coil current I _m as shown in FIG. 5B There -0.4A, -5.0A, changes and -11.2A, be lowered in the vicinity immediately below the intermediate coil 60 electron density (i.e. plasma density) N _e locally and any could be confirmed. The inner and outer coil currents I _i and I _o are 16.4 A and 18.3 A when C ₈₆ = 13 pF, and 17.4 A and 19.4 A when C ₈₆ = 40 pF, respectively. When C ₈₆ = 40 pF, they were 19.0 A and 20.1 A, respectively. As you increase the amount of current of the intermediate coil current I _m flowing in the opposite direction, the current amount of the inner coil current I _i and the outer coil current I _o flows in the forward direction is also somewhat increased by hung thereto, both the coil current I _i , I _o ratio (balance) is hardly changed.

この実施形態のＲＦアンテナ５４における他の機能として、外側コイル６２と外側コンデンサ８８の合成リアクタンス（以下「外側合成リアクタンス」と称する。）Ｘ_oが負の値になるように、外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ₈₈を直列共振点の値よりも低い領域で可変し、これによって外側コイル電流Ｉ₀を逆向きに流すことも可能である。たとえば、プラズマが径方向外側に広がりすぎてチャンバ１０の内壁がダメージを受けやすい場合に、外側コイル６２に逆向きのコイル電流Ｉ_oを流すことにより、プラズマを外側コイル６２の内側に閉じ込め、チャンバ１０内壁のダメージを抑制することができる。この機能は、たとえば径方向に間隔を空けてコイル径の異なる複数の中間コイル６０を配置する場合、あるいは外側コイル６２をサセプタ１２よりも径方向外側に配置する場合に、特に有用である。 As another function of the RF antenna 54 of this embodiment, the static capacitance of the outer capacitor 88 is set so that the combined reactance of the outer coil 62 and the outer capacitor 88 (hereinafter referred to as “outer combined reactance”) X _o becomes a negative value. It is also possible to vary the capacitance C ₈₈ in a region lower than the value of the series resonance point, thereby allowing the outer coil current I ₀ to flow in the reverse direction. For example, when the plasma spreads too far outward in the radial direction and the inner wall of the chamber 10 is susceptible to damage, the plasma is confined inside the outer coil 62 by applying a reverse coil current I _o to the outer coil 62, 10 Damage to the inner wall can be suppressed. This function is particularly useful when, for example, a plurality of intermediate coils 60 having different coil diameters are arranged at intervals in the radial direction, or when the outer coil 62 is arranged radially outside the susceptor 12.

また、この実施形態においては、中間コンデンサ８６および外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ₈₆，Ｃ₈₈の少なくとも一方を直列共振を起こすときの値に近づけることで、内側コイル５８に流れる内側コイル電流Ｉ_iを減少させることが可能である。また、中間コンデンサ８６および外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ₈₆，Ｃ₈₈の少なくとも一方を直列共振を起こすときの値から離すことで、内側コイル電流Ｉ_iを増大させることも可能である。すなわち、内側コイル電流Ｉ_iと中間コイル電流Ｉ_mと外側コイル電流Ｉ_oとの間には、Ｉ_i：Ｉ_m：Ｉ_o＝（１／Ｚ_i）：（１／Ｚ_m）：（１／Ｚ_o）の関係がある。したがって、Ｃ₈₆および／またはＣ₈₈を直列共振を起こすときの値に近づけると、Ｚ_mおよび／またはＺ_oが直列共振に近づくほど小さな値になり、それによって、相対的にＩ_mおよび／またはＩ_oが大きくなり、相対的にＩ_iが小さくなる。また、Ｃ₈₆および／またはＣ₈₈を直列共振を起こすときの値から離すと、Ｚ_mおよび／またはＺ_oが直列共振から離れるほど大きな値になり、それによって、相対的にＩ_mおよび／またはＩ_oが小さくなり、相対的にＩ_iが大きくなる。

［ＲＦアンテナに関する他の実施例または変形例］ In this embodiment, at least one of the capacitances C ₈₆ and C ₈₈ of the intermediate capacitor 86 and the outer capacitor 88 is brought close to the value at the time of causing the series resonance, so that the inner coil current I _i flowing through the inner coil 58 is increased. Can be reduced. Further, it is possible to increase the inner coil current I _i by separating at least one of the capacitances C ₈₆ and C ₈₈ of the intermediate capacitor 86 and the outer capacitor 88 from the value at which series resonance occurs. That is, between the inner coil current I _i , the intermediate coil current _Im and the outer coil current I _o , I _i : I _m : I _o = (1 / Z _i ) :( 1 / Z _m ) :( 1 / Z _o ). Therefore, when C ₈₆ and / or C ₈₈ are brought close to the value at which series resonance occurs, Z _m and / or Z _o become smaller as the series resonance is approached, so that relatively I _m and / or I _o becomes larger and I _i becomes relatively smaller. Also, if C ₈₆ and / or C ₈₈ are separated from the value at which the series resonance occurs, Z _m and / or Z _o become so large as to move away from the series resonance, so that relatively I _m and / or I _o becomes smaller and I _i becomes relatively larger.

[Other Embodiments or Modifications Related to RF Antenna]

上記実施形態では、プラズマ密度分布を制御するうえで（特に均一化するうえで）、内側コイル電流Ｉ_iの電流量を増やす方向に可変する必要はないとの観点から内側コイル５８にはコンデンサを付けなかった。 In the above embodiment, in order to control the plasma density distribution (particularly to make it uniform), a capacitor is attached to the inner coil 58 from the viewpoint that it is not necessary to vary the amount of the inner coil current I _{i in} the increasing direction. I did not put it.

しかし、内側コイル電流Ｉ_iの電流量を積極的または強制的に制御することが有用である場合もある。たとえば、チャンバ１０内の圧力が低い場合は、プラズマは径方向中心部に集まりやすい傾向がある。この問題に対しては、上記のように外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ₈₈を可変して内側コイル電流Ｉ_iと外側コイル電流Ｉ_oの比を調整することにより大方対処できるが、それでも対処しきれない場合がある。 However, it may be useful to positively or forcibly control the amount of inner coil current I _i . For example, when the pressure in the chamber 10 is low, the plasma tends to collect at the radial center. This problem can be largely dealt with by adjusting the ratio of the inner coil current I _i and the outer coil current I _o by changing the capacitance C ₈₈ of the outer capacitor 88 as described above. There are cases where it cannot be completed.

そこで、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、ＲＦアンテナ５４において、第１ノードＮ_Aと第２ノードＮ_Bとの間に内側コイル５８と電気的に直列に固定または半固定の内側コンデンサ１０４を接続する。この構成においても、内側コイル５８と内側コンデンサ１０４の合成リアクタンス（以下「内側合成リアクタンス」と称する。）Ｘ_iが所望の値になるように、内側コンデンサ１０４の静電容量Ｃ₁₀₄を適度な値に選定または調整することが可能である。このように固定または半固定の内側コンデンサ１０４と可変の外側コンデンサ８８を設ける場合も、各コイルのターン数や外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ₈₈の可変制御に関して上記と同様の条件式（２），（３）が当てはまる。 Therefore, as shown in FIGS. 6A and 6B, the RF antenna 54, a first node N _A and the inner coil 58 and electrically inside the capacitor 104 in the fixed or semi-fixed in series between the second node N _B Connecting. Also in this configuration, the capacitance C ₁₀₄ of the inner capacitor 104 is set to an appropriate value so that the combined reactance (hereinafter referred to as “inner combined reactance”) X _{i of} the inner coil 58 and the inner capacitor 104 becomes a desired value. Can be selected or adjusted. When the fixed or semi-fixed inner capacitor 104 and the variable outer capacitor 88 are provided in this way, the same conditional expression (2) as described above regarding the variable control of the number of turns of each coil and the capacitance C ₈₈ of the outer capacitor 88 is provided. , (3) applies.

また、プラズマ密度分布制御の自由度ないし精度をある程度犠牲にするが、コスト低減のために図７Ａおよび図７Ｂに示すように内側コンデンサ１０４に可変コンデンサを用いて外側コンデンサ８８に固定または半固定コンデンサを用いる構成も可能であり、あるいは図示省略するが中間コンデンサ８６に固定または半固定コンデンサを用いる構成であり、さらには中間コンデンサ８６を省く構成も可能である。   Although the degree of freedom or accuracy of plasma density distribution control is sacrificed to some extent, as shown in FIGS. 7A and 7B, a variable capacitor is used for the inner capacitor 104 and a fixed or semi-fixed capacitor is used for the outer capacitor 88 to reduce costs. Although not shown in the drawing, a configuration in which a fixed or semi-fixed capacitor is used for the intermediate capacitor 86, and a configuration in which the intermediate capacitor 86 is omitted is also possible.

このように固定または半固定の外側コンデンサ８８と可変の内側コンデンサ１０４を設ける場合は、様々な条件下でプラズマ密度分布を均一化するうえで、内側コイル電流Ｉ_iと内側コイル５８のターン数ｎ_iの積Ｉ_i＊ｎ_iの可変範囲が外側コイル電流Ｉ_oと外側コイル６２のターン数ｎ_oの積Ｉ₀＊ｎ_oよりも小さい下限値と大きい上限値をもつことが望ましい。内側コイル電流Ｉ_iと外側コイル電流Ｉ_oの比が内側コイル５８および内側コンデンサ１０４の合成インピーダンス（内側合成インピーダンス）と外側コイル６２および外側コンデンサ８８の合成インピーダンス（外側合成インピーダンス）の逆数の比に比例することから、外側インピーダンス（固定値）をＺ₀、内側合成インピーダンス（可変値）の最小値および最大値をそれぞれＺ_i(min)，Ｚ_i(max)とすると、このコイル電流×ターン数に関する上記の条件は、次のように表わされる。
・・・（４） When the fixed or semi-fixed outer capacitor 88 and the variable inner capacitor 104 are provided in this way, the inner coil current I _i and the number n of turns of the inner coil 58 can be used to equalize the plasma density distribution under various conditions. it is desirable that the variable range of the product I _i * n _i of _i has a smaller lower limit greater upper limit than the product I ₀ * n _o number of turns n _o of the outer coil current I _o and the outer coil 62. The ratio of the inner coil current I _i and the outer coil current I _{o is} the ratio of the reciprocal of the combined impedance (inner combined impedance) of the inner coil 58 and the inner capacitor 104 and the combined impedance (outer combined impedance) of the outer coil 62 and the outer capacitor 88. Since the outer impedance (fixed value) is Z ₀ , and the minimum and maximum values of the inner composite impedance (variable value) are Z _{i (min)} and Z _{i (max)} , respectively, this coil current x number of turns The above condition is expressed as follows.
... (4)

さらに、内側合成インピーダンスＺ_iおよび外側合成インピーダンスＺ_oは、結線部を除けばそれぞれの平均コイル半径に依存する。結線部の影響は無視できないが支配的な影響ではないので、上記の条件を次のように表わすこともできる。
・・・（５）
ここで、Ｃ_i(min)は、調整可能範囲の中で内側合成インピーダンスＺ_iを最小にするときの内側コンデンサ１０４の静電容量Ｃ₁₀₄の値である。Ｃ_i(max)は、調整可能範囲の中で内側合成インピーダンスＺ_iを最大にするときの内側コンデンサ１０４の静電容量の値である。なお、Ｃ_i(min)，Ｃ_i(max)は、必ずしもＣ₁₀₄の可変範囲の最小値および最大値に一致するものではない。内側合成インピーダンスＺ_iが最小になるのは、内側コイル５８と内側コンデンサ１０４が直列共振を起こすときであり、Ｃ_i(min)はそのときの内側コンデンサ１０４の静電容量Ｃ₁₀₄の値である。また、内側合成インピーダンスＺ_iが最大になるのは、その直列共振点から内側コンデンサ１０４の静電容量Ｃ₁₀₄を可変範囲の上限あるいは下限まで離していったときのどちらか一方であり、Ｃ_i(max)はそのときの内側コンデンサ１０４の静電容量Ｃ₁₀₄の値である。 Further, the inner combined impedance Z _i and the outer combined impedance Z _o depend on the average coil radius except for the connection portion. Since the influence of the connection part cannot be ignored but is not a dominant influence, the above condition can also be expressed as follows.
... (5)
Here, C _{i (min)} is the value of the capacitance C ₁₀₄ of the inner capacitor 104 when the inner combined impedance Z _i is minimized within the adjustable range. C _{i (max)} is the value of the capacitance of the inner capacitor 104 when the inner combined impedance Z _i is maximized within the adjustable range. Note that C _{i (min)} and C _{i (max)} do not necessarily match the minimum and maximum values of the variable range of C ₁₀₄ . The inner composite impedance Z _i is minimized when the inner coil 58 and the inner capacitor 104 cause series resonance, and C _{i (min)} is the value of the capacitance C ₁₀₄ of the inner capacitor 104 at that time. . Further, the inner synthetic impedance Z _i is maximum is at either the time went away from the series resonance point capacitance C ₁₀₄ of the inner condenser 104 to the upper or lower limit of the variable range, C _{i (max)} is the value of the capacitance C ₁₀₄ of the inner capacitor 104 at that time.

このように、内側コイル５８には可変の内側コンデンサ１０４を接続し、外側コイル６２には固定または半固定の外側コンデンサ８８を直列に接続し、内側コンデンサ１０４の静電容量Ｃ₁₀₄を可変することにより、内側コイル電流Ｉ_iと外側コイル電流Ｉ_oの比を任意に調整し、ＲＦアンテナ５４の直下で生成されるドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度分布の大まかなプロファイル（特に中心部と周辺部のバランス）を任意に制御することができる。 In this way, the variable inner capacitor 104 is connected to the inner coil 58, and the fixed or semi-fixed outer capacitor 88 is connected in series to the outer coil 62, so that the capacitance C ₁₀₄ of the inner capacitor 104 can be varied. Thus, the ratio of the inner coil current I _i and the outer coil current I _o is arbitrarily adjusted, and a rough profile of the plasma density distribution in the donut-shaped plasma generated immediately below the RF antenna 54 (particularly between the central portion and the peripheral portion). (Balance) can be controlled arbitrarily.

また、変形例として、内側コイル電流Ｉ_iの電流量を積極的または強制的に減らすために、図８に示すように、第１ノードＮ_Aと第２ノードＮ_Bとの間に内側コイル５８と電気的に直列に好ましくは可変のインダクタ１０６を接続する構成も可能である。この場合、中間コンデンサ８６も別の可変インダクタに置き換える構成、あるいはコスト低減のために外側コンデンサ８８を省く構成等が可能である。 As a modification, in order to reduce the amount of current of the inner coil current I _i positively or forcibly, as shown in FIG. 8, the inner coil 58 between the first node N _A and the second node N _B It is also possible to connect a preferably variable inductor 106 electrically in series. In this case, a configuration in which the intermediate capacitor 86 is replaced with another variable inductor, or a configuration in which the outer capacitor 88 is omitted for cost reduction is possible.

この実施形態のＲＦアンテナ５４を構成する各コイル５８，６０，６２のループ形状は円形に限るものではなく、被処理体の形状等に応じて、たとえば図９に示すような四角形であってもよい。このようにコイル５８，６０，６２のループ形状が多角形である場合でも、中間コイル６０および外側コイル６２には可変の中間コンデンサ８６および外側コンデンサ８８をそれぞれ電気的に直列接続する一方で、内側コイル５８にはコンデンサを一切接続しない構成を好適に採ることができる。   The loop shape of each of the coils 58, 60, 62 constituting the RF antenna 54 of this embodiment is not limited to a circle, and may be a rectangle as shown in FIG. Good. Thus, even when the loop shape of the coils 58, 60, 62 is polygonal, a variable intermediate capacitor 86 and an outer capacitor 88 are electrically connected in series to the intermediate coil 60 and the outer coil 62, respectively, A configuration in which no capacitor is connected to the coil 58 can be suitably employed.

なお、２辺の長さがそれぞれａ，ｂで、巻線の太さが半径ｄの長方形コイルのインダクタンスＬは次の式（６）で表わされる。
・・・（６）
この式（６）から分かるように、長方形コイルのインダクタンスＬはおおよそ２つの辺ａ，ｂの長さに比例する。よって、円形コイルの場合と同様に、内側コイル５８にはコンデンサを設けなくても、中間コンデンサ８６および外側コンデンサ８８によってプラズマ密度分布を簡便かつ任意に制御することができる。 In addition, the inductance L of the rectangular coil having the lengths of two sides of a and b and the winding thickness of radius d is expressed by the following equation (6).
... (6)
As can be seen from this equation (6), the inductance L of the rectangular coil is approximately proportional to the length of the two sides a and b. Therefore, as in the case of the circular coil, the plasma density distribution can be easily and arbitrarily controlled by the intermediate capacitor 86 and the outer capacitor 88 without providing the inner coil 58 with a capacitor.

図１０には、ＲＦアンテナ５４を構成するコイル（内側コイル５８／中間コイル６０／外側コイル６２）の各々が空間的かつ電気的に並列な関係にある一対のスパイラルコイルからなる例を示す。波長効果がそれほど問題にならない場合は、このようなスパイラルコイルを使用してもよい。   FIG. 10 shows an example in which each of the coils (inner coil 58 / intermediate coil 60 / outer coil 62) constituting the RF antenna 54 is composed of a pair of spiral coils in a spatially and electrically parallel relationship. Such a spiral coil may be used when the wavelength effect is not a significant problem.

図示の構成例において、内側コイル５８は、周回方向で１８０°ずらして並進する一対の複数ターン（図示の例ではそれぞれ２ターン）のスパイラルコイル５８ａ，５８ｂからなる。これらのスパイラルコイル５８ａ，５８ｂは、高周波電源７２側のノードＮ_Aよりも下流側に設けられたノードＮ_Cとアースライン７０側のノードＮ_Bよりも上流側に設けられたノードＮ_Dとの間で電気的に並列に接続されている。 In the illustrated configuration example, the inner coil 58 includes a pair of spiral coils 58a and 58b that translate by being shifted by 180 ° in the circumferential direction (two turns in the illustrated example). These spiral coils 58a, 58b is, the node N _D that is provided on the upstream side of the node N _B than the node N _A of the high frequency power source 72 side is provided on the downstream side node N _C and the ground line 70 side Are electrically connected in parallel.

中間コイル６０は、周回方向で１８０°ずらして並進する一対の複数ターン（図示の例ではそれぞれ２ターン）のスパイラルコイル６０ａ，６０ｂからなる。これらのスパイラルコイル６０ａ，６０ｂは高周波電源７２側のノードＮ_Aよりも下流側に設けられたノードＮ_Eとアースライン側のノードＮ_Bよりも（さらには中間コンデンサ８６よりも）上流側に設けられたノードＮ_Fとの間で電気的に並列に接続されている。 The intermediate coil 60 is composed of a pair of spiral coils 60a and 60b (two turns in the illustrated example) that translate by being shifted by 180 ° in the circumferential direction. These spiral coils 60a, 60b rather than the node N _B of the node N _E and the ground line side which is provided on the downstream side than the node N _A of the high frequency power source 72 side (more than intermediate capacitor 86) provided on the upstream side It is electrically connected in parallel between the node N _F, which is.

外側コイル６２は、周回方向で１８０°ずらして並進する一対の複数ターン（図示の例ではそれぞれ２ターン）のスパイラルコイル６２ａ，６２ｂからなる。これらのスパイラルコイル６２ａ，６２ｂは高周波電源７２側のノードＮ_Aよりも下流側に設けられたノードＮ_Gとアースライン７０側のノードＮ_Bよりも（さらには外側コンデンサ８８よりも）上流側に設けられたノードＮ_Hとの間で電気的に並列に接続されている。 The outer coil 62 is composed of a pair of spiral coils 62a and 62b each having a plurality of turns (two turns in the illustrated example) that are translated by 180 ° in the circumferential direction. These spiral coils 62a, 62b rather than the node N _B of the high frequency power source 72 side of the node N nodes arranged downstream of the _A N _G and the earth line 70 side (more than the outer capacitor 88) on the upstream side It is electrically connected in parallel with the provided node _NH .

このように、内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２をそれぞれｋ_i，ｋ_m，ｋ_o個のスパイラルコイルに並列に分割した場合、ＲＦアンテナ５４にコンデンサが一切付かないとすると、各コイル５８，６０，６２の直下に生成されるプラズマの密度ｎ_i，ｎ_m，ｎ_oの比は、次の近似式（７）のようになる。
ｎ_i：ｎ_m：ｎ_o≒（ｋ_i／ｒｉ）：（ｋ_m／ｒｉ）：（ｋ_o／ｒｉ） ・・・（７） Thus, the inner coil 58, respectively k _i the intermediate coil 60 and outer coil 62, k _m, when divided in parallel to the k _o number of spiral coils, when the capacitor does not stick at all to the RF antenna 54, each coil The ratio of the densities n _i , n _m , and n _o of plasma generated immediately below 58, 60, and 62 is expressed by the following approximate expression (7).
_{n i: n m: n o} ≒ (k i / ri) :( k m / ri) :( k o / ri) ··· (7)

したがって、図示の例のように、分割数ｋ_i，ｋ_m，ｋ_oが同じ（２つ）である場合は、内側コイル５８の直下で生成されるプラズマつまり中心部のプラズマの密度が相対的に高くなってしまう。このような場合は、内側コイル５８にはコンデンサを接続しないで、中間コイル６０および外側コイル６２に可変の中間コンデンサ８６および外側コンデンサ８８をそれぞれ直列に接続する構成が最も望ましい。 Therefore, as in the illustrated example, the division number k _i, k _m, if k _o is the same (2), the relative plasma density of the plasma, i.e. the central portion generated just below the inner coil 58 It will be very high. In such a case, a configuration in which a variable intermediate capacitor 86 and an outer capacitor 88 are connected in series to the intermediate coil 60 and the outer coil 62 without connecting a capacitor to the inner coil 58 is most desirable.

また、別の変形例として、図１１に示すように、中間コンデンサ８６および外側コンデンサ８８を高周波電源７２側の第１ノードＮ_Aと中間コイル６０および外側コイル６２のＲＦ入口端６０in，６２inとの間にそれぞれ接続する構成も可能である。このように、インピーダンス調整用のコンデンサまたはインダクタを第１ノードＮ_Aと各コイルとの間に接続する構成は、他の実施例または変形例（図６Ａ，図８，図９，図１０）にも適用可能である。 As another modification, as shown in FIG. 11, the intermediate capacitor 86 and the outer capacitor 88 RF inlet end 60in the first node of the high frequency power source 72 side N _A and the intermediate coil 60 and outer coil 62, and 62in It is also possible to connect each of them in between. As described above, the configuration in which the capacitor or inductor for adjusting the impedance is connected between the first node N _A and each coil can be applied to other embodiments or modifications (FIGS. 6A, 8, 9, and 10). Is also applicable.

図１２に、ＲＦアンテナ５４の終端側で、つまり第２ノードＮ_Bとアースライン７０との間（あるいはアースライン７０上）にＲＦアンテナ５４内のすべてのコイル５８，６０，６２と電気的に直列に接続される出側の共通コンデンサ１０８を備える構成を示す。この出側（終端）の共通コンデンサ１０８は、通常は固定コンデンサであってよいが、可変コンデンサであってもよい。 12, at the end side of the RF antenna 54, i.e. the second node N _B and between the earth line 70 (or ground line 70 above) in all coils 58, 60, 62 electrically in the RF antenna 54 The structure provided with the output side common capacitor | condenser 108 connected in series is shown. The common capacitor 108 on the output side (termination) may normally be a fixed capacitor, but may be a variable capacitor.

出側（終端）共通コンデンサ１０８は、ＲＦアンテナ５４の全体のインピーダンスを調整する機能を有するだけでなく、ＲＦアンテナ５４の全体の電位を接地電位から直流的に引き上げて、天板または誘電体窓５２が蒙るイオンスパッタを抑制する機能を有する。   The output-side (termination) common capacitor 108 not only has a function of adjusting the overall impedance of the RF antenna 54, but also raises the overall potential of the RF antenna 54 from the ground potential in a DC manner, so that the top plate or the dielectric window 52 has the function of suppressing ion sputtering.

図示省略するが、ＲＦアンテナ５４において、内側コイル５８の径方向内側および／または外側コイル６２の径方向外側に更に別のコイルを配置し、全体で４つ以上のコイルを径方向に間隔を空けて配置し、かつ電気的に並列接続する構成も可能である。   Although not shown in the figure, in the RF antenna 54, another coil is disposed radially inside the inner coil 58 and / or radially outside the outer coil 62, and a total of four or more coils are spaced in the radial direction. It is also possible to arrange them in parallel and electrically connect them in parallel.

上述した実施形態における誘導結合型プラズマエッチング装置の構成は一例であり、プラズマ生成機構の各部はもちろん、プラズマ生成に直接関係しない各部の構成も種種の変形が可能である。   The configuration of the inductively coupled plasma etching apparatus in the above-described embodiment is an example, and various modifications can be made to the configuration of each part not directly related to plasma generation as well as each part of the plasma generation mechanism.

たとえば、ＲＦアンテナの基本形態として、平面型以外のタイプたとえばドーム型等も可能である。処理ガス供給部においてチャンバ１０内に天井から処理ガスを導入する構成も可能であり、サセプタ１２に直流バイアス制御用の高周波ＲＦ_Lを印加しない形態も可能である。 For example, as a basic form of the RF antenna, a type other than the planar type, such as a dome type, is possible. A configuration in which the processing gas is introduced into the chamber 10 from the ceiling in the processing gas supply unit is also possible, and a configuration in which the high frequency RF _L for DC bias control is not applied to the susceptor 12 is also possible.

さらに、本発明による誘導結合型のプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法は、プラズマエッチングの技術分野に限定されず、プラズマＣＶＤ、プラズマ酸化、プラズマ窒化、スパッタリングなどの他のプラズマプロセスにも適用可能である。また、本発明における被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、フラットパネルディスプレイ用の各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等も可能である。   Furthermore, the inductively coupled plasma processing apparatus or plasma processing method according to the present invention is not limited to the technical field of plasma etching, and can be applied to other plasma processes such as plasma CVD, plasma oxidation, plasma nitridation, and sputtering. . Further, the substrate to be processed in the present invention is not limited to a semiconductor wafer, and various substrates for flat panel displays, photomasks, CD substrates, printed substrates, and the like are also possible.

１０ チャンバ
１２ サセプタ
２６ 排気装置
５２ 誘電体窓
５４ ＲＦアンテナ
５８ 内側コイル
６０ 中間コイル
６２ 外側コイル
６６ 高周波給電部
７０ アースライン
７２ プラズマ生成用の高周波電源
７４ 整合器
８０ 処理ガス供給源
８４ 主制御部
８６ 中間コンデンサ
８８ 外側コンデンサ
９０ 容量可変部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Chamber 12 Susceptor 26 Exhaust device 52 Dielectric window 54 RF antenna 58 Inner coil 60 Intermediate coil 62 Outer coil 66 High frequency electric power feeding part 70 Ground line 72 High frequency power source for plasma generation 74 Matching device 80 Processing gas supply source 84 Main control part 86 Intermediate capacitor 88 Outer capacitor 90 Capacitance variable section

Claims (6)

誘電体窓を有する処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を保持する基板保持部と、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理容器内で誘導結合により処理ガスのプラズマを生成するために、前記誘電体窓の外に設けられるＲＦアンテナと、前記処理ガスの高周波放電に適した周波数の高周波電力を前記ＲＦアンテナに供給する高周波給電部とを有するプラズマ処理装置において前記被処理基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
前記ＲＦアンテナを、前記誘電体窓と平行な同一の面上で前記処理容器の中心軸線を中心とする径方向に間隔を開けて相対的に内側、中間および外側にそれぞれ配置され、前記高周波給電部からの高周波給電ラインに接続される第１のノードと接地電位部材に至る帰線ラインに接続される第２のノードとの間で電気的に並列に接続される内側コイル、中間コイルおよび外側コイルに分割し、
前記第１のノードと前記第２のノードとの間に、前記中間コイルと電気的に直列に接続される静電容量可変の中間コンデンサと、前記外側コイルと電気的に直列に接続される静電容量可変の外側コンデンサとを設け、
前記中間コンデンサの静電容量を直列共振点より低い領域で可変に制御して、前記内側コイルおよび前記外側コイルをそれぞれ流れる電流と逆向きの電流を前記中間コイルに流す、
プラズマ処理方法。 A processing container having a dielectric window, a substrate holding part for holding a substrate to be processed in the processing container, a processing gas supply part for supplying a desired processing gas into the processing container, and inductive coupling in the processing container An RF antenna provided outside the dielectric window, and a high-frequency power feeding unit that supplies high-frequency power having a frequency suitable for high-frequency discharge of the processing gas to the RF antenna. A plasma processing method for performing desired plasma processing on the substrate to be processed in a plasma processing apparatus,
The RF antennas are disposed on the same plane parallel to the dielectric window and relatively radially inwardly, centered and centered on the central axis of the processing vessel, respectively, on the inner side, the middle side and the outer side. An inner coil, an intermediate coil and an outer coil electrically connected in parallel between a first node connected to the high-frequency power supply line from the section and a second node connected to the return line leading to the ground potential member Divided into coils,
A variable capacitance intermediate capacitor electrically connected in series with the intermediate coil, and a static electricity electrically connected in series with the outer coil, between the first node and the second node. With a variable capacitance outer capacitor,
The capacitance of the intermediate capacitor is variably controlled in a region lower than a series resonance point, and a current in a direction opposite to the current flowing through the inner coil and the outer coil is passed through the intermediate coil.
Plasma processing method. 前記内側コイルを流れる電流を減少する方向に制御するために、前記中間コンデンサおよび前記外側コンデンサのいずれかまたは双方の静電容量を直列共振を起こすときの値に近づける方向で調整する、請求項１に記載のプラズマ処理方法。   The capacitance of either or both of the intermediate capacitor and the outer capacitor is adjusted so as to approach a value at the time of causing a series resonance in order to control the current flowing through the inner coil in a decreasing direction. The plasma processing method as described in 2. 前記内側コイルを流れる電流を増大する方向に制御するために、前記中間コンデンサおよび前記外側コンデンサのいずれかまたは双方の静電容量を直列共振を起こすときの値から離す方向で調整する、請求項１に記載のプラズマ処理方法。   2. The capacitance of one or both of the intermediate capacitor and the outer capacitor is adjusted in a direction away from a value when series resonance occurs in order to control the current flowing through the inner coil in an increasing direction. The plasma processing method as described in 2. 前記被処理基板上のプラズマ密度が径方向で均一になるように、前記中間コンデンサおよび前記外側コンデンサの静電容量を調整する、請求項１に記載のプラズマ処理方法。   The plasma processing method according to claim 1, wherein capacitances of the intermediate capacitor and the outer capacitor are adjusted so that a plasma density on the substrate to be processed is uniform in a radial direction. 誘電体窓を有する処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を保持する基板保持部と、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理容器内で誘導結合により処理ガスのプラズマを生成するために、前記誘電体窓の外に設けられるＲＦアンテナと、前記処理ガスの高周波放電に適した周波数の高周波電力を前記ＲＦアンテナに供給する高周波給電部とを有するプラズマ処理装置において前記被処理基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
前記ＲＦアンテナを、前記誘電体窓と平行な同一の面上で前記処理容器の中心軸線を中心とする径方向に間隔を開けて相対的に内側、中間および外側にそれぞれ配置され、前記高周波給電部からの高周波給電ラインに接続される第１のノードと接地電位部材に至る帰線ラインに接続される第２のノードとの間で電気的に並列に接続される内側コイル、中間コイルおよび外側コイルに分割し、
前記第１のノードと前記第２のノードとの間に、前記中間コイルと電気的に直列に接続される静電容量可変の中間コンデンサと、前記外側コイルと電気的に直列に接続される静電容量可変の外側コンデンサとを設け、
前記外側コンデンサの静電容量を直列共振点の値よりも低い領域で可変に制御して、前記内側コイルおよび前記中間コイルをそれぞれ流れる電流と逆向きの電流を前記外側コイルに流して、前記処理容器内のプラズマを径方向で前記外側コイルの内側に閉じ込める、
プラズマ処理方法。 A processing container having a dielectric window, a substrate holding part for holding a substrate to be processed in the processing container, a processing gas supply part for supplying a desired processing gas into the processing container, and inductive coupling in the processing container An RF antenna provided outside the dielectric window, and a high-frequency power feeding unit that supplies high-frequency power having a frequency suitable for high-frequency discharge of the processing gas to the RF antenna. A plasma processing method for performing desired plasma processing on the substrate to be processed in a plasma processing apparatus,
The RF antennas are disposed on the same plane parallel to the dielectric window and relatively radially inwardly, centered and centered on the central axis of the processing vessel, respectively, on the inner side, the middle side and the outer side. An inner coil, an intermediate coil and an outer coil electrically connected in parallel between a first node connected to the high-frequency power supply line from the section and a second node connected to the return line leading to the ground potential member Divided into coils,
A variable capacitance intermediate capacitor electrically connected in series with the intermediate coil, and a static electricity electrically connected in series with the outer coil, between the first node and the second node. With a variable capacitance outer capacitor,
The capacitance of the outer capacitor is variably controlled in a region lower than the value of the series resonance point, and a current in a direction opposite to the current flowing through the inner coil and the intermediate coil is passed through the outer coil, and the processing is performed. Confining the plasma in the vessel radially inside the outer coil;
Plasma processing method. 前記外側コンデンサを前記基板保持部よりも径方向の外側に配置する、請求項５に記載のプラズマ処理方法。 The plasma processing method according to claim 5 , wherein the outer capacitor is disposed radially outside the substrate holding portion.