(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁エネルギー源と、
前記電磁エネルギー源に第１及び第２の可変インピーダンス回路網と共に直列接続された放射器と、
導電性の壁と前記放射器に近い窓とを有するチェンバーと、
前記放射器と前記窓との間に位置し、前記窓に近い前記放射器の表面を覆うが、前記放射器の小さな部分を前記チェンバーの導電性の壁に対して露出させる遮蔽体とより成り、
第２の可変インピーダンス回路網は、前記放射器の上に存在する電圧定在波の高電位領域が前記放射器の小さな露出部分に来るようにして前記放射器から前記チェンバーへ結合される容量性電気エネルギーによるプラズマの点火を可能にする第１の値と、電圧定在波の高電位領域が前記放射器の小さな露出部分から電気的に隔離されるようにして前記チェンバーへ結合される容量性電気エネルギーを減少させると共にプラズマを磁気エネルギーで駆動する第２の値との間で選択的に同調可能であることを特徴とするプラズマリアクター。
【請求項２】
前記電磁エネルギー源は、１００メガヘルツ未満の周波数で作動する請求項１のプラズマリアクター。
【請求項３】
前記第２の可変インピーダンス回路網は、可変キャパシターである請求項１のプラズマリアクター。
【請求項４】
前記第１の可変インピーダンス回路網は、
前記電磁エネルギー源に直列接続した第２の可変キャパシターと、
前記第２の可変キャパシターに並列に前記電磁エネルギー源に接続した第３の可変キャパシターと、
前記第２の可変キャパシターと前記放射器との間に直列接続したキャパシターとを含む請求項３のプラズマリアクター。
【請求項５】
前記チェンバーは、該チェンバー内の先駆体ガスの成分によりチェンバー内の基板上に材料を形成させるプラズマを収容するチェンバーである請求項１のプラズマリアクター。
【請求項６】
前記チェンバー内に配置可能な基板から材料を除去するプラズマを含む請求項１のプラズマリアクター。
【請求項７】
前記チェンバー内のウェーハに結合した第２の電磁エネルギー源をさらに有する請求項１のプラズマリアクター。
【請求項８】
前記放射器はコイルである請求項１のプラズマリアクター。
【請求項９】
前記コイルは平板状コイルである請求項８のプラズマリアクター。
【請求項１０】
前記遮蔽体はファラデー遮蔽体である請求項１のプラズマリアクター。
【請求項１１】
前記窓は誘電体の窓である請求項１のプラズマリアクター。
る。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は一般的に集積回路の製造に関し、さらに詳細には、プラズマリアクターによる集積回路の製造に係わる。
【０００２】
【発明の背景】
プラズマリアクターは、半導体の処理に常用されている。Flamm et al. の米国特許第４，９１８，０３１号（以下、Flamm et al. 特許と呼ぶ）に開示されるように、プラズマリアクターは、ウェーハ上への材料の形成及びウェーハからの材料の除去に使用される。材料の形成は、プラズマ強化化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）により行われる。ＰＥＣＶＤ法では、プラズマと先駆体ガスがリアクター内で結合してウェーハ上に材料を形成させる。この先駆体ガスとしては、例えばシラン及びアンモニアがある。プラズマは、先駆体ガスの珪素及び窒素のような構成元素を分離するエネルギーを与える。互いに高い親和性を有する構成元素が結合すると、ウェーハ上に窒化珪素のような望ましい材料が形成される。
【０００３】
別の方法として、プラズマリアクターは、エッチングによりウェーハから材料を除去するために使用される。プラズマリアクターを種々の処理ステップで用いて、ウェーハから酸化物、アルミニウム、多結晶シリコン及びケイ化物を含む種々の物質を除去することができる。
【０００４】
ウェーハのエッチングに用いる場合、プラズマリアクターには弗化炭素または塩素のような反応性ガスが低い圧力で収容される。プラズマリアクターに用いるガスの種類は、ウェーハから除去する対応物質により異なる。プラズマは比較的高い速度で特定の物質を選択的にエッチングするため、ウェーハ上の特定の物質を特定ガスのプラズマでエッチングするのが好ましい。
【０００５】
プラズマリアクターの構成について説明する。プラズマ、ガス及びウェーハはリアクターのチェンバー内に収容される。チェンバーは、アルミニウムのような材料で実質的に形成され、電気的に接地する。チェンバーの一部は、例えば石英またはアルミナより成る絶縁性ライナーで覆われている。チェンバーは少なくとも１つの開いた表面を有し、この表面は誘電体の窓で封止される。誘電体の窓は、石英、アルミナ、窒化珪素または窒化アルミニウムなどで形成される。
【０００６】
チェンバーの外部には、コイルのような放射器が誘電体の窓に隣接して配置されている。このコイルは、平板状または円筒状である。例えば、Lam Research, Inc. （Fremont, California）の製造になるＴＣＰシリーズのプラズマリアクター１２０は、図１Ａに示すような平板状コイル１２２を用いている。しかしながら、Applied Materials, Inc. （Santa Clara, California）の製造になるＨＤＰシリーズのプラズマリアクター１３０は、図１Ｂに示すような円筒状コイル１３２を用いている。種々の設計のコイルがFlamm特許及びJohnsonの米国特許第５，２３４，５３９号（以下、Johnson特許と呼ぶ）に記載されている。各コイルの一方の端子は電磁エネルギー源に接合される。電磁エネルギー源は通常、無線周波数で作動される。コイルと誘電体の窓により、電磁エネルギー源からチェンバー内への電気的エネルギーと磁気的エネルギーの伝達が可能となる。このエネルギーは、気体からプラズマを点火した後そのプラズマを駆動するために使用される。通常、コイルは、ウェーハの半径にほぼ等しい半径のトロイダル・パターンでプラズマ中の電子を運動させるように設計されている。コイルはまた、プラズマを励起してウェーハを均一にエッチングするように設計されている。
【０００７】
電磁エネルギー源からプラズマへ伝達されるエネルギーの量を増加させることが望ましい。従って、電磁エネルギー源とコイルとの間に可変インピーダンスマッチング回路網を挿入して、エネルギーがプラズマへ反復且つ制御された態様で送られるようにする。可変インピーダンスマッチング回路網は、リアクターの作動時に電磁エネルギー源とプラズマとの間のエネルギーの伝達を増加させるように調整される。
【０００８】
リアクターを作動するためには、最初にプラズマを点火した後駆動する必要がある。プラズマは、ガスをコイルから放射されるエネルギーにより点火することによってガスから発生する。さらに詳説すると、プラズマは、チェンバー内の自由電子をガスの分子内に加速することにより点火される。その結果、ガスの分子がイオン化される。十分な数の分子がイオン化されると、なだれ効果が発生し、プラズマが点火される。
【０００９】
自由電子は、電界及び磁界で加速できる。しかしながら、実際は、容量性の電気エネルギーだけを用いてプラズマを点火することが可能である。点火前容量性電気エネルギーにより自由電子に加えられる力は、磁気エネルギーにより加えられる力と比較すると格段に大きい。磁気エネルギーによる力は、その強さが自由電子の速度に比例し、この速度はプラズマ点火前は小さいため、比較的小さい。
【００１０】
従って、プラズマは、コイルとチェンバーの導電性の壁との間の電界で点火するのが好ましい。しかしながら、プラズマを一旦点火すると、容量性電気エネルギーはリアクターに対して悪い影響をもたらす。この容量性電気エネルギーは、絶縁性ライナーから絶縁性材料をスパッタリングにより除去して誘電性の窓に付着させる。その結果、プラズマ処理の進行に従って、絶縁性ライナーが減耗する。窓にスパッタリングにより付着する絶縁性材料は、剥げ落ちてウェーハを汚染する可能性がある。また、コイル上の電圧は均一でないため、チェンバー内のウェーハに入射する容量性電気エネルギーの振幅も均等でない。処理パラメータの中にはウェーハに入射する容量性電気エネルギーの振幅に左右されるものがあるため、プラズマリアクター内でウェーハを処理する間ウェーハ上の処理パラメータに望ましくないばらつきが生じることがある。その結果、ウェーハ上に形成する集積回路の構造及び電気的性能にばらつきが生じる。従って、集積回路の製造歩留まりが減少し、コストが増加する。かくして、点火後にプラズマを磁気エネルギーで駆動する必要があり、またウェーハに入射する容量性電気エネルギーの振幅を均一にまたはほぼゼロにする必要がある。
【００１１】
Johnson特許は、コイルとチェンバーの間に配置する遮蔽体として知られる非磁性導電体により、チェンバー内の容量性電気エネルギーを抑制することを示唆している。この遮蔽体は、コイルの表面と全体的また部分的に同延である。遮蔽体はスロットを有し、電気的にはアース電位または浮動電位にある。これらのスロットは、遮蔽体を循環し望ましくないエネルギーの消費を生ぜしめる渦電流を抑制する効果がある。遮蔽体の設計例はJohnson特許に開示されている。
【００１２】
Johnson特許は、コイルからの容量性電気エネルギーはプラズマの点火に有用であることを開示している。従って、Johnson特許は、遮蔽体のスロットの寸法を変化させる機械式シャッターを備えたシステムを記載している。この機械式シャッターは、プラズマの点火時は開いている。スロットの寸法はシャッターを開くと増加するため、コイルからチェンバーへ結合される容量性電気エネルギーは増加する。プラズマが点火されると、シャッターを閉じて、チェンバーに供給される容量性電気エネルギーの量を減少させる。
【００１３】
Johnson特許に開示された機械式シャッターは、モーターと制御システムで作動する必要がある。この方法は比較的複雑で、信頼性及び反復性に欠ける。従って、より簡単な設計のプラズマリアクターを提供する必要がある。
【００１４】
本発明は当該技術分野の上記問題及び他の問題を解決するものであり、当業者は本明細書を読めば理解できるであろう。本発明によると、電磁エネルギー源と、前記電磁エネルギー源に第１及び第２の可変インピーダンス回路網と共に直列接続された放射器と、導電性の壁と前記放射器に近い窓とを有するチェンバーと、前記放射器と前記窓との間に位置し、前記窓に近い前記放射器の表面を覆うが、前記放射器の小さな部分を前記チェンバーの導電性の壁に対して露出させる遮蔽体とより成り、第２の可変インピーダンス回路網は、前記放射器の上に存在する電圧定在波の高電位領域が前記放射器の小さな露出部分に来るようにして前記放射器から前記チェンバーへ結合される容量性電気エネルギーによるプラズマの点火を可能にする第１の値と、電圧定在波の高電位領域が前記放射器の小さな露出部分から電気的に隔離されるようにして前記チェンバーへ結合される容量性電気エネルギーを減少させると共にプラズマを磁気エネルギーで駆動する第２の値との間で選択的に同調可能であることを特徴とするプラズマリアクターが提供される。
【００１５】
１つの実施例の第２の可変インピーダンス回路網は、可変キャパシターである。別の実施例において、放射器は平板状コイルのようなコイルである。
【００１６】
プラズマリアクターの作動を説明すると、チェンバー内でのプラズマの点火は実質的に容量性の電気エネルギーを放射器から結合することにより行う。可変インピーダンス回路網を、チェンバー内に結合される容量性電気エネルギーが点火後に減少するように同調する。その後、プラズマを実質的に磁気エネルギーで駆動する。その結果、プラズマリアクターの寿命が延びる。また、プラズマリアクターの浄化及び作動停止時間が減少する。
【００１７】
１つの実施例において、チェンバーの圧力は点火ステップの前に約８０ミリトル未満に設定する。点火後、チェンバーの圧力は約３０ミリトル未満に設定する。チェンバーの圧力を変える時に第２の可変インピーダンス回路網を同調する。
【００１８】
本発明の利点は、出力がそれほど大きくなく低コストの電磁エネルギー源が必要とされるに過ぎないことである。また、本発明の利点は、プラズマリアクター内における材料の付着と共に材料の除去にも利用できることである。本発明のさらに別の特徴及び利点並びに本発明の種々の実施例の構造及び動作については、添付図面を参照して以下に詳しく説明する。
【００１９】
【実施例の詳細の説明】
本発明の以下の詳細な説明において、本願の一部であり、本発明の特定の実施例を示す添付図面を参照する。添付図面において、同様な参照番号は幾つかの図を通してほぼ同じ構成要素を示すものとする。これらの実施例は、当業者が本発明を実施できるように十分に詳しく記載されている。他の実施例も可能であり、本発明の範囲から逸脱することなく構造的、論理的及び電気的な設計変更を行うことができる。以下の説明中の用語「ウェーハ」及び「基板」は、本発明の集積回路（ＩＣ）構造を形成する露出面を有する任意の構造を含む。用語「基板」は、半導体ウェーハを含むものと理解されたい。用語「基板」はまた処理時の半導体構造を指すこともあり、その構造上に形成した他の層を含む場合もある。「ウェーハ」と「基板」は共に、基礎となる半導体又は絶縁体に支持されるドーピングを施した又はドーピングを施されていない半導体、エピタキシャル半導体層だけでなく、当業者に良く知られた他の半導体構造を含む。用語「導体」は半導体を含むものと理解されたい。用語「絶縁体」は、「導体」と呼ぶ材料よりも導電性が低い任意の材料を含むものと定義する。従って、以下の詳細な説明は限定的な意味で理解すべきでなく、本発明の範囲は頭書の特許請求の範囲及びかかる請求の範囲の均等物の全範囲によってのみ限定されるものである。
【００２０】
図２Ａは、本発明の１つの実施例による誘導結合型プラズマリアクター１００の概略図である。プラズマリアクター１００は、第１の電磁エネルギー源１０２が第１及び第２の可変インピーダンスマッチング回路網１０４、１１６を介して電磁放射器１０６に結合されたものである。電磁エネルギー源１０２は、１００メガヘルツ未満の無線周波数を発生させる。しかしながら、さらに高い周波数で作動する本発明の他の実施例も企図されている。放射器１０６は、平板状コイル１２２または円筒状コイル１３２である。第１の可変インピーダンスマッチング回路網１０４は、図２Ｂに示すように、直列の可変キャパシター２０２が並列の可変キャパシター２０４と直列の固定キャパシター２０６に接続されたものである。第２の可変インピーダンスマッチング回路網１１６は、図２Ｃに示すように、可変キャパシター２０８より成る。しかしながら、他の電気的回路網の構成を第１及び第２の可変インピーダンスマッチング回路網１０４、１１６に用いることも可能である。
【００２１】
放射器１０６は、プラズマリアクター１００の誘電体の窓１１０の近くに配置されている。ファラデー遮蔽体のような遮蔽体１０８を、放射器１０６と誘電体の窓１１０との間に介在させる。この遮蔽体１０８は、図２Ｄに示すように、誘電体１１０に近い放射器１０６の表面を実質的に覆うように設計されている。１つの実施例では、この遮蔽体１０８は円形であり、その直径１７０は平板状コイル１２２である放射器１０６の直径１７２の少なくとも半分、しかしながらその直径よりも小さい値である。その結果、放射器１０６の比較的小さな部分だけが誘電体の窓１１０を介してチェンバー１１２の導電性の壁に対して露出する。放射器１０６の露出部分は、チェンバー１１２の導電性の窓に比較的近い。従って、プラズマの点火に必要な電界を発生させるには、比較的小さい容量性電気エネルギーで十分である。かくして、プラズマリアクター１１０に用いる電磁エネルギー源１０２として比較的出力の小さい、またコストの低いものを使用できる。
【００２２】
第２の電磁エネルギー源１１８を、オプションとして、チェンバー１１２内のウェーハ１１４に結合することができる。この第２の電磁エネルギー源１１８は、特にプラズマによるエッチング装置に用いて、エッチングの方向の制御、従って異方性を強調するために使用する。
【００２３】
本発明の動作について説明する。最初に、半導体基板のようなウェーハ１１４をチェンバー１１２内に配置する。次いで、電磁エネルギー源１０２をオンにする。その後、第１の可変インピーダンスマッチング回路網１０４を、電磁エネルギー源１０２と放射器１０６との間で伝達されるエネルギーを増加するように同調する。また、第２の可変インピーダンスマッチング回路網１１６を、図３Ａに示す、放射器１０６上に存在する電圧定在波の比較的高い電位３０２が放射器１０６の露出部分とチェンバー１１２の隣接する導電性の壁との間に来るように同調する。この場合、例えば、可変キャパシター２０８を比較的低い容量値に同調する。チェンバー１１２内のガスの圧力を約８０ミリトル未満に減少する。この圧力より低いと、プラズマリアクター内には、容量性電気エネルギーにより加速された電子がなだれ効果を発生できる十分な粒子が存在する。従って、放射器１０６によりチェンバー１１２に結合される容量性電気エネルギーにより、プラズマが点火する。プラズマの点火は、プラズマが磁気エネルギーにより実質的に駆動されると完了する。例えば、プラズマの点火が完了する時プラズマ密度は１０10ｃｍ-3よりも大きい。
【００２４】
プラズマ点火後、チェンバー１１２内の圧力を約３０ミリトル未満またはその後の処理にとって望ましい圧力に減少する。チェンバーの圧力が変化するため、第１の可変インピーダンス回路網１０４を再び同調して電磁エネルギー源１０２とプラズマとの間のエネルギーの伝達を増加させてもよい。プラズマがほぼ完全駆動状態になると、プラズマは磁気エネルギーにより実質的に駆動される状態となり、その密度は１０11ｃｍ-3よりも大きい。第２の可変インピーダンスマッチング回路網１１６もまた、急激に、またはゆっくりと、同調して、放射体１０６上の電圧定在波を変化させ、放射器の比較的高い電位領域が、図３Ｂに示すように、遮蔽体１０８によりチェンバー１１２から電気的に隔離または露出されない放射器１０６の部分に移動するようにする。点火後、第２の可変インピーダンスマッチング回路網１１６を直ちにあるいはある遅延時間の後に同調する。従って、比較的低い電位３０４が、放射器の露出部分と、隣接する導電性の壁との間に存在する。その結果、チェンバー１１２の劣化及び半導体の処理への悪影響が減少する。この場合、可変キャパシター２０８を比較的高い容量値に同調する。
【００２５】
【結論】
特定の実施例を図示説明したが、当業者にとっては、同一目的を達成すると考えられる任意の構成を、図示の特定の実施例の代わりに利用可能なことがわかるであろう。本願は、本発明の任意の適応例又は変形例を包含するものと意図されている。本発明の範囲は、頭書の特許請求の範囲と共に特許請求の範囲が享受する均等物の全範囲を考慮して判断すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  図１Ａは、従来技術のLam社のＴＣＰプラズマリアクターの断面図である。
【図１Ｂ】  図１Ｂは、従来技術のApplied Material社のＨＤＰプラズマリアクターの断面図である。
【図２Ａ】  図２Ａは、プラズマリアクターの概略図である。
【図２Ｂ】  図２Ｂは、第１の可変インピーダンス回路網の概略図である。
【図２Ｃ】  図２Ｃは、第２の可変インピーダンス回路網の概略図である。
【図２Ｄ】  図２Ｄは、プラズマリアクターの断面図である。
【図３Ａ】  図３Ａは、比較的高い電位が放射器の露出部分とそれに隣接する導電性の壁との間に存在する時の電位対放射器の位置の関係を示すグラフである。
【図３Ｂ】  図３Ｂは、比較的低い電位が放射器の露出部分とそれに隣接する導電性の壁との間に存在する時の電位対放射器の位置の関係を示すグラフである。
【図１Ａ】
0003650332.tif 000002
【図１Ｂ】
0003650332.tif 000003
【図２Ａ】
0003650332.tif 000004
【図２Ｂ】
0003650332.tif 000005
【図２Ｃ】
0003650332.tif 000006
【図２Ｄ】
0003650332.tif 000007
【図３Ａ】
0003650332.tif 000008
【図３Ｂ】
0003650332.tif 000009