(57)【要約】      （修正有）【課題】高密度で均一なプラズマが生成される誘導結合プラズマ装置を提供する。【解決手段】プロセス・チャンバに電気エネルギを結合して該プロセス・チャンバ内でプロセス・ガスからプラズマを発生させるための要素１０であって、要素１０は、長さ方向に沿って順次配置された多数のコイル・ターン３２を有する単一のコイルで構成される導電性要素１０であり、コイル・ターンの少なくとも一つ３４ａは、プラズマ処理システムの誘電体ウインドウにほぼ平行な第１平面３６に配向され、コイル・ターン３２の少なくとも一つ３４ｂは、第１平面３６と角度をなす第２平面３８に配向されている。【選択図】図１Ａ
2011018650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセス・チャンバ（１３、２０２、２４６）に電気エネルギを結合して該プロセス・チャンバ（１３、２０２、２４６）内でプロセス・ガスからプラズマ（２８）を発生させるための要素にして、該要素は、長さ方向に沿って順次配置された多数のコイル・ターン（３２、５２、２２０）を有する単一のコイルで構成される導電性要素（１０、２２０、２８０）であり、該コイル・ターンの少なくとも一つ（３４ａ、４３ａ、４５、５０ａ、５３、２２４）は、プラズマ処理システムの誘電体ウインドウにほぼ平行な第１平面（３６）に配向され、該コイル・ターンの少なくとも一つ（３４ｂ、４３、４５、５０ｂ、５５、２２２）は、前記第１平面（３６）と角度をなす第２平面（３８）に配向されている、要素。
【請求項２】
前記第１平面（３６）にさらに別のコイル・ターン（３４ａ、４３、４５、５０ａ、５３、２２４）が配向され、前記第２の平面（３８）にある前記コイル・ターン（３４ｂ、４３、４８、５０ｂ、５５、２２２）が、前記少なくとも一つのコイル・ターン（３４ａ、４３、４５、５０ａ、５３、２２４）と前記別のコイル・ターン３４ａ、４３、４５、５０ａ、５３、２２４）との間に配設されている、請求項１に記載の要素。
【請求項３】
前記第１平面（３６）に複数のコイル・ターン（３４ａ、４３、４５、５０ａ、５３、２２４）が配向されている、請求項１または２に記載の要素。
【請求項４】
前記第２平面（３８）にほぼ平行な平面に配向された複数のコイル・ターン（３４ｂ、４３、４８、２２２）をさらに有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の要素。
【請求項５】
前記第１および第２平面（３６、３８）の間の角度をなす第３平面に配向された、少なくとも１個のコイル・ターン（５０ｂ）をさらに有する、請求項１から３までのいずれか一項に記載の要素。
【請求項６】
前記第２平面（３８）が、前記第１平面（３６）にほぼ直交する、請求項１から５のいずれか一項に記載の要素。
【請求項７】
プロセス空間（１４、２０４）を画定し、基板（１９、２０６）をプロセス空間（１４、２０４）中に保持する基板サポート（１７、２０８）を含むプロセス・チャンバ（１３、２０２）と、プロセス・ガスを前記プロセス空間（１４、２０４）に導入するガス導入口（２０）と、誘電体ウィンドウ（２４ａ、２１６）を有し、前記プロセス空間（１４、２０４）に導入されたプロセス・ガスからプラズマ（２８）を生成するプラズマ源とを有し、前記誘電体ウィンドウ（２４ａ、２１６）が、概ね平坦な表面（３０）を有し、かつ前記プロセス空間（１４、２０４）と近接して前記プロセス・チャンバ（１３、２０２）に接続しており、さらに、前記プロセス・チャンバ（１３、２０２）の外側に、前記誘電体ウィンドウ（２４ａ、２１６）に近接して位置し、少なくとも一つのコイル・ターンが誘電体ウィンドウ（２４ａ、２１６）にほぼ平行に配向され、該前記誘電ウィンドウ（２４ａ、２１６）を介して前記プロセス空間（１４、２０４）に電気エネルギーを結合させて内部にプラズマ（２８）を生成するための請求項１から６のいずれか一項に記載の誘電要素（１０、２２０、２８０）を有する、プラズマ（２８）により基板（１９、２０６）を処理する処理システム（１２、２００）。
【請求項８】
前記要素（１０、２２０）が、前記第１平面（３６）と角度をなす平面に配向する複数のコイル・ターン（３４ｂ、４３、４８、５０ｂ、２２２）を含む、請求項７に記載の処理システム（１２、２００）。
【請求項９】
前記コイル・ターン（３４ａ、３４ｂ、５０ａ、５０ｂ、２２２、２２４）の少なくとも１個が、半円形である、請求項７または８に記載の処理システム。
【請求項１０】
前記コイル・ターン（４３ａ、５５）の少なくとも１個（４３ａ、５５）が、長方形である、請求項７または８に記載の処理システム（１２、２００）。
【請求項１１】
前記第１平面（３６）の前記コイル・ターン（３４ａ、４３ａ）が、内側コイル端部（４２ａ、４６ａ）と外側コイル端部（４２ｂ、４６ｂ）を画成し、前記第２平面（３８）の前記コイル・ターン（３４ｂ、４３、４８）が、前記第１平面（３６）のコイル・ターン（３４ａ）の外側コイル端部（４２ｂ）に結合される、請求項７から１０までのいずれか一項に記載の処理システム（１２、２００）。
【請求項１２】
前記第１平面（３６）の前記コイル・ターン（３４ａ、４３ａ）が、内側コイル端部（４２ａ、４６ａ）と外側コイル端部（４２ｂ、４６ｂ）を画成し、前記第２平面（３８）の前記コイル・ターン（３４ｂ、４３、４８）が、前記第１平面（３６）のコイル・ターン（３４ａ、４３ａ）の内側コイルの端部（４６ａ）に結合される、請求項７から１０までのいずれか一項に記載の処理システム（１２、２００）。
【請求項１３】
前記要素が、第１平面（３６）に配向される部分と、第２平面（３８）に配向される部分とを有するコイル・ターンをさらに有する、請求項７に記載の処理システム（１２、２００）。
【請求項１４】
前記第２平面（３８）が、前記第１平面（３６）にほぼ直交する、請求項７に記載の処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にプラズマを使用した半導体加工に関し、詳細には、誘導結合によって発生かつ維持されるプラズマ内の分布およびプロセス性能の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス・プラズマ発生は、プラズマ・エッチング、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、およびプラズマ・スパッタ堆積の用途を含めた様々な集積回路（ＩＣ）製造プロセスで広く使用されている。一般にプラズマは、低圧プロセス・ガスをチャンバに導入し、次いで電気エネルギーをチャンバに導いてそこに電界を生成することによって、プロセス・チャンバ内で発生される。電界はチャンバ内で電子流を生成し、個々の電子−ガス分子衝突を介して運動エネルギーを伝達することによって、個々のガス原子およびガス分子をイオン化する。電子は電界内で加速されて、効率的にイオン化を起こす。イオン化されたガスおよび自由電子の粒子は、集合的にガス・プラズマまたは放電と称されるものを形成する。プラズマは、１０-6から完全にイオン化されたプラズマまで様々なイオン化レベルで存在することができる（粒子の全数に対するイオン化粒子の割合に基づく）。
【０００３】
プラズマ粒子は、概ね正に荷電され、一般にチャンバ内の基板の表面をエッチングするためや、このような基板上に材料の層を堆積するために使用される。エッチング・プロセス内では基板が負にバイアスされ、そのため正のプラズマ粒子が基板表面に引き付けられて表面に衝撃を与え、このようにして表面粒子を除去したり、基板をエッチングしたりすることができる。スパッタ堆積プロセスでは、ターゲットをチャンバ内で基板に対向させて配置することができる。次いでターゲットがバイアスされ、そのためプラズマ粒子がターゲットに衝撃を与え、ターゲット粒子をそこから移動または「スパッタ」する。次いでスパッタされたターゲット粒子が基板上に堆積して、その露出した表面上に材料の層を形成する。プラズマＣＶＤプロセスでは、電気的に中性で活性なラジカルが露出表面に堆積層を形成する。
【０００４】
一般に、プロセス・チャンバ内でプラズマを発生させるには様々な異なる方法がある。たとえば、一対の対向する電極を、エネルギーがプラズマに容量結合するようにチャンバ内で配向することもある。超高周波のマイクロ波領域を使用するマイクロ波共鳴チャンバもまた使用されることがある。一方、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）装置は、制御された磁界をマイクロ波エネルギーと共に使用してプロセス・ガス内に円形の電子流を発生させ、プラズマを生成かつ維持する。誘導結合プロセスもまた普及しており、特に高密度プラズマを発生できることから望ましい。誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）は、一般にプロセス・チャンバに関連付けて配置された形状コイルまたはアンテナを使用して、エネルギーをプロセス・チャンバに誘導結合し、このようにしてそこでプラズマを生成かつ維持する。
【０００５】
たとえば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）システムのある特定の設計では、誘導コイルまたはアンテナをチャンバの上部部分に近接して配置し、チャンバ内でプラズマを生成する。さらに具体的には、アンテナをプロセス・チャンバの上部にある誘電体プレートまたはウィンドウの片面に配置し、アンテナからの電気エネルギーは、誘電体ウィンドウを介してプラズマに結合される。このような設計の１つが、本願と共通に所有される特許文献１（米国特許第５，５５６，５２１号）に示されている。
【０００６】
代替ＩＣＰ加工システムでは、螺旋形または筒形コイルがプロセス・チャンバの側壁部分の外側を取り巻き、チャンバの上部を介するのではなく、チャンバ側壁を介してエネルギーをプラズマに誘導結合する。このようなシステムでは、チャンバ側壁のうち一部が、誘導結合されたエネルギーが通り抜けられる誘電体材料で製作される。ウィンドウまたはチャンバ側壁に適した誘電体材料の１つは石英である。特定のＩＣＰの細部、すなわちプラズマの均一性、ＲＦマッチング、およびアンテナまたは他の誘導性要素の性能特性などを対象とする様々な発行済み特許によって明らかなように、様々なＩＣＰシステムが周知であり、当技術分野で使用されている。
【０００７】
ＩＣＰシステムの平面形状は、プラズマ密度と均一性とを決定し、ついには基板の面積にわたって加工均一性を決定する上で重要な要素である。今日のプロセスにとっては、大きな基板サイズに対応できるように、著しい大面積にわたって均一な高密度プラズマを発生することが望ましい。たとえば、今日の超高集積回路（ＵＬＳＩ）の製造は、約２００ｍｍの直径を有する大型基板にわたって高密度で均一なプラズマを必要とする。
【０００８】
さらに具体的には、ＩＣＰシステムでは、プロセス・チャンバ内の電子を加熱または励起することによってプラズマが励起される。プラズマ電子を加熱する誘導電流は、誘導アンテナまたはコイル内のＲＦ電流によって誘電体ウィンドウまたは側壁の内側に近接して発生する振動磁界から得られる。これらの磁界の空間分布は、アンテナまたはコイル導体の各部または各セグメントによって発生する個々の磁界の合計の関数である。したがって、誘導アンテナまたはコイルの平面形状がプラズマの空間分布を、特にプロセス・チャンバ内のプラズマ・イオン密度の空間分布および均一性を有意に決定する。一例として、米国特許第５，６６９，９７５（特許文献２）に開示されているものなどの「Ｓ字」形を有するアンテナは、アンテナの中心領域内に著しいイオン密度を確立する。より高いＲＦ電力レベルでは、アンテナの外側部分もまたプラズマのイオン化に有意に貢献する。このようなアンテナを使用するＩＣＰシステムの重要な利点はアンテナに送達される電力に対するシステムの直線性であり、またプロセス・チャンバの半径でもある一方で、また現行のＩＣＰシステムとそこに使用されているアンテナの設計は十分なプラズマ発生をもたらした一方で、このようなシステムはなおも一定の欠点を有する。
【０００９】
たとえば、既存のＩＣＰシステムとアンテナ構成の範囲内では、アンテナまたはコイルの寸法を著しく増大しないで大型の基板を扱うための大型サイズにプロセス・チャンバをスケールすることは困難である。大きな設置面積を有するＩＣＰアンテナは、加工システムに高額な改造を加えることによって収容しなければならない。さらに、大型のアンテナとそれに伴うプラズマは、より大きくチャンバ内のプロセス・パラメータに左右される。たとえば、エッチングまたは堆積プロセスなどのプラズマ・プロセスは、スパッタ・システム内の基板からターゲットまでの距離、スパッタ・システム内のターゲット材料、プロセス・チャンバ内の圧力、およびチャンバの高さおよび幅の構成などのプロセス・パラメータに対してより敏感になる。
【００１０】
さらに、平坦型螺旋アンテナを使用する現行のＩＣＰシステムは、プラズマの分布がチャンバの中心軸に揃わない非対称を呈した。このようなプラズマの非対称は、プラズマの均一性と、堆積またはエッチング・プロセスの均一性とを劣化させ、それによってシステム全体の効率に影響を与える。他に、平坦型アンテナは、あるプロセスとそれに対応するパラメータ・セットで環状またはドーナツ形プラズマを呈すことがある一方、他のプロセスとその他のパラメータでは中心にピークのあるプラズマを生成することがある。それゆえ、プラズマの形状と均一性は、このようなＩＣＰシステム内では一貫せず、プロセスに依存することになる。したがって、ＩＣ製造プロセス全体が、あるプラズマ・プロセスと他のプラズマ・プロセスとで一貫しなくなる。
【００１１】
Ｓ字形アンテナまたはコイルを使用する平坦型アンテナ・システムのもう１つの欠点は、コイルの外側部分がコイルの中心領域によって生成されるプラズマに端縁で影響し、このようにしてプラズマ内に方位角依存性を与え、基板上でエッチングまたは堆積された被膜内に、それに対応する方位角依存性を与えることである。つまり、コイルによって画定されるある平面軸沿いでは、プラズマがコイルの他の平面軸沿いと異なる均一性および密度を有することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第５５５６５２１号明細書
【特許文献２】米国特許第５６６９９７５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
それゆえ、本発明の一目的は、従来技術の欠点を克服し、高密度で均一なプラズマが生成されるプラズマ加工システム、特にＩＣＰシステムを提供することである。
【００１４】
本発明の他の目的は、現行のプラズマ加工システムよりもプロセス・チャンバのサイズおよび形状への依存性が少ない均一なプラズマを提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、プロセス・チャンバ内で対称なプラズマを提供することである。
【００１６】
本発明の他の目的は、誘導コイルまたはアンテナのコンパクトで安価な設計を維持しながら、２００ｍｍウェーハを扱うのに十分な面積などの大面積にわたって均一な高密度プラズマを提供することである。
【００１７】
本発明の他の目的は、一貫したプラズマ発生を提供し、それによって圧力および／またはチャンバの平面形状もしくはサイズなどのプロセス・パラメータへの依存性がより少ない、エッチング・プロセスおよび堆積プロセスなどの一貫したプロセスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の上記の目的は、プラズマを発生かつ維持するための特有な形状をした誘導要素を使用する、プラズマによる基板加工用の加工システムによって対処される。本発明の原理に従って構成された誘導要素を使用する本明細書記載のシステムは、その誘導要素を収容するためにチャンバのサイズを著しく増大する必要なく、チャンバ内の著しい大面積にわたって均一な高密度プラズマを生成する。従来技術のプラズマ加工システムでは、プラズマに導入されるエネルギーの増大によって、誘導要素のサイズならびにそれに対応するプロセス・チャンバのサイズの著しい増大を要したのに対し、本発明はコンパクトな、したがって比較的安価な加工システムを維持しながら高密度で均一なプラズマを提供する。
【００１９】
具体的には、この加工システムは、そのプロセス空間を画定するプロセス・チャンバを具備し、プロセス空間内で基板を支持するための基板支持を含む。ガス入口はプロセス空間にプロセス・ガスを導入し、システムのプラズマ源は、プロセス・ガスからプラズマを生成するように動作可能である。プラズマ源は、概ね平坦な表面を有する誘電体ウィンドウであって、プラズマが生成されるべきプロセス空間に近接したプロセス・チャンバとインターフェースする誘電体ウィンドウを具備する。誘導要素は、チャンバの外側かつ誘電体ウィンドウに近接して配置され、誘電体ウィンドウを介してプロセス空間に電気エネルギーを誘導結合して、プロセス空間内でプラズマを生成かつ維持するように動作可能である。
【００２０】
本発明は、本発明の目標を達成するために、誘導要素の様々な異なる設計を企図している。本発明の一実施形態では、コイルの長手方向に沿って誘電体ウィンドウの片面から連続して配設された複数のコイル・ターンを有するコイルを具備する。コイル・ターンの少なくとも１つは１次平面内で配向され、他のコイル・ターンは、１次平面から角度をなす２次平面内で配向される。具体的には、複数のコイル・ターンが１次平面内で配向され、複数のコイル・ターンもまた１次平面から角度をなす平面内で配向される。１次平面は、誘電体ウィンドウの平坦面に概ね平行に配向される。このような方法で、１次平面内のコイル・ターンは、誘電体ウィンドウに接して水平に横たわる。１次平面から角度をなすコイル・ターンは、誘電体ウィンドウに対してある角度で配設される。一実施形態では、１次平面に対して角度をなすコイル・ターンは、概ね１次平面に直交して配向される。その他の実施形態では、コイル・ターンが１次平面から９０度未満の角度をなす。好ましくは、複数組のコイル・ターンが１次平面内で配向されるのに対し、１次平面から角度をなすコイル・ターンは、これらの組のコイル・ターンの間に配置される。このような方法で、均一なプラズマが生成される。誘導要素の一部のコイル・ターンを誘電体ウィンドウに接して平面な一平面内に維持することによって、プラズマの安定性が維持される。平坦な誘電体ウィンドウから角度をなすコイル・ターンを使用すると、概ね同寸法の概ね平坦なコイルを使用して達成されるであろうよりも、誘電体ウィンドウに沿ってはるかに多くのコイル・ターンが得られる。つまり、本発明の要素は、プロセス・チャンバのサイズを著しく増大することを要さないコンパクト設計を使用して高密度で均一なプラズマを生成する。１次平面内に配向されたコイル・ターンは共面および同心であり、内部コイル端部および外部コイル端部を画定する。本発明の代替実施形態では、平坦な誘電体ウィンドウに対して角度をなすコイル・ターンは、誘導要素の構成を変え、したがってプラズマへの効果を変えるため、内部コイル端部または外部コイル端部で１次平面内のコイル・ターンに結合される。
【００２１】
本発明の他の態様に従えば、この加工システムは、本発明の誘導要素と共に使用されるチャンバ側壁部分の周囲を取り巻く螺旋形コイルなどの２次誘導要素を具備することができる。このような方法で、電気エネルギーは、チャンバの端部からと、チャンバの側壁からの両方でプラズマに誘導導入される。好ましくは、１次誘導要素と２次誘導要素を独立してバイアスするため、誘導要素のそれぞれが独立した電気エネルギー源に結合される。また、誘導要素のそれぞれとプラズマとの間にファラデー・シールドを配置し、プラズマへの電気エネルギーの誘導結合を高め、容量結合を減少させることが好ましい。
【００２２】
複数で独立にバイアスされた誘導要素を使用する本発明は、エッチング・プロセスおよび堆積プロセスを含む様々な異なるプロセスで使用できる。本発明は、イオン化物理気相堆積（ｉＰＶＤ）で特に有利であることが発見されている。そのために、ターゲット材料を誘電体ウィンドウに近接して配置し、その誘電体ウィンドウに近接した本発明の誘導要素によって発生するプラズマによってスパッタされるようにすることもある。
【００２３】
本発明の他の態様に従えば、チャンバの端壁にある誘電体ウィンドウと共に使用される誘導要素が複数のコイル・ターンを有するコイルを具備する。しかし、コイル・ターンが平坦な誘電体ウィンドウに平行な平面内、および平坦な誘電体ウィンドウから角度をなす他の平面内にあるのではなく、代替誘導要素が、概ね水平な平面内に間隔をおいて配向されて垂直に積み上げたコイル・ターンを形成する様々なコイル・ターンの部分を有する。垂直に積み上げたコイル・ターンは、誘電体ウィンドウに概ね平行に配向される。ここでも、積み上げたコイル・ターンを使用することによって、要素の水平設置面積全体を増大することなく、したがって誘導要素の収容に必要なプロセス・チャンバのサイズを増大することなく、はるかに多数のコイル・ターンを誘導要素内で使用することができる。
【００２４】
本発明の他の態様に従えば、誘導要素がコイルの形態をなさず、非コイル形式で配列され、誘導要素の中心の周囲に円形で配置された複数回反復された導体セグメントを具備する。一実施形態では、誘導要素の反復された導体セグメントが誘導要素の中心から外側へ放射状に伸びるように配設される。他の実施形態では、反復されたセグメント自体が個々のコイルを形成する。コイルは誘導要素の中心の周囲に円形で配列され、単なるより大型のコイル要素の連続した個々のターンではない。複数回反復された導体セグメントを具備する誘導要素は、単一平面内の反復されたセグメントとして形成することもできるが、反復された導体セグメントの層を具備することもできる。たとえば、誘導要素の反復された導体セグメントが第１層を形成することができ、第２層は、第１層内のセグメントと概ね同一の広がりを有する同様な反復された導体セグメントによって形成することができる。反復された導体セグメントはまた、チャンバの端壁部分と側壁部分との両方からエネルギーをチャンバに結合するために使用されることもある。そのために、反復された導体セグメントは、チャンバ端壁沿いに配向された水平方向セグメントと、側壁沿いに配向された垂直方向セグメントとを含む。
【００２５】
本発明の他の態様に従えば、加工システムは、チャンバの側壁部分と端壁部分との両方から同時にエネルギーをプロセス空間に結合するように動作可能な誘導要素を使用することができる。そのために、プロセス・チャンバは誘電体材料で形成された側壁部分と端壁部分とを有する。従来のプロセス・チャンバでは、誘電体ウィンドウなどの端壁部分が平坦な導体要素と共に使用されることがある。あるいは従来のプロセス・チャンバは、システムにエネルギーを誘導結合するために螺旋形コイルが側壁の周囲を取り巻き、誘電体材料で形成された側壁を使用することがある。本発明の原理に従えば、プロセス・チャンバが誘電体材料で形成された側壁部分と端壁部分とを含む。誘導要素は、チャンバの側壁部分と端壁部分とを介してエネルギーをプロセス空間に同時に結合するために、チャンバ側壁部分沿いに配向されたセグメントと、またチャンバ端壁沿いに配向されたセグメントとを具備する。そのために、誘導要素は、複数のコイル・ターンを有するコイルを具備する。コイル・ターンのセグメントはチャンバ端壁部分沿いに配向され、その他のコイル・ターンのセグメントはチャンバ端壁部分沿い配向される。コイルは、側壁沿いに配向されるコイル・ターンのセグメントの部分が互いに角度をなすように構成することができる。たとえば、コイル・ターンの側壁部分が、コイル・ターンのその他の側壁部分に概ね直交するように配向されることがある。あるいは側壁部分が、直交配向に伴う直角ではなく、様々な異なる角度で配設されることがある。コイルは一般に、１組のターンが概ねチャンバの片面沿いに配置され、他の組のターンが概ねチャンバの他面沿いに配置されたコイル・ターンの組を有する。
【００２６】
本発明の誘導要素を使用する本発明の加工システムは、コンパクトな設計で高密度で均一なプラズマを提供する。本発明の１次誘導要素は、イオン化物理気相堆積などのプラズマ・プロセスをさらに向上させるため、２次誘導要素と共に使用することができる。本発明を使用して、誘導要素を収容するために必要なチャンバのサイズの高額な増大を要せずに、はるかに大量の電気エネルギーを維持されたプラズマに誘導することができる。本発明のこれらの利点およびその他の利点は、下記の詳細な説明で述べる。
【００２７】
本発明の好ましい実施例は、以下に添付図面を参照して例を挙げて説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１Ａ】本発明のプラズマ加工システム内で使用される誘導要素の斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａの誘導要素の正面図である。
【図１Ｃ】本発明の原理に従った誘導要素の代替実施形態の斜視図である。
【図１Ｄ】本発明の原理に従ったプラズマ加工システムを一部分解した側面概略図である。
【図１Ｅ】ファラデー・シールドを有して使用される図１の誘導要素の斜視図である。
【図１Ｆ】誘導要素の斜視図である。
【図２Ａ】本発明の原理に従った誘導要素の代替実施形態の斜視図である。
【図２Ｂ】中央領域内の導体の数を減らした図２Ａの誘導要素の斜視図である。
【図３Ａ】本発明の原理に従った誘導要素の代替実施形態の斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ａの誘導要素の正面図である。
【図４】本発明の原理に従った誘導要素の代替実施形態の斜視図である。
【図５Ａ】本発明の原理に従った誘導要素の代替実施形態の斜視図である。
【図５Ｂ】本発明の原理に従った誘導要素の代替実施形態の斜視図である。
【図６Ａ】本発明の原理に従った平坦な誘導要素の代替実施形態の上面図である。
【図６Ｂ】本発明の原理に従った概ね平坦な誘導要素の代替実施形態の斜視図である。
【図６Ｃ】本発明の原理に従った概ね平坦な誘導要素の代替実施形態の斜視図である。
【図６Ｄ】本発明の原理に従った概ね平坦な誘導要素の代替実施形態の斜視図である。
【図７Ａ】電気エネルギーをプロセス・チャンバにその側部および端部から結合するために使用される本発明の誘導要素の実施形態の側面図である。
【図７Ｂ】電気エネルギーをプロセス・チャンバにその側部および端部から結合するために使用される本発明の代替誘導要素の実施形態の側面図である。
【図７Ｃ】電気エネルギーをプロセス・チャンバにその側部および端部から結合するために使用される本発明の代替誘導要素の実施形態の側面図である。
【図７Ｄ】電気エネルギーをプロセス・チャンバにその側部および端部から結合するために使用される本発明の代替誘導要素の実施形態の概略斜視図である。
【図８Ａ】本発明の原理に従ったスパッタ堆積加工システムを一部分解した側面概略図である。
【図８Ｂ】本発明の原理に従ったスパッタ堆積加工システムを一部分解した側面概略図である。
【図８Ｃ】本発明の原理に従ったスパッタ堆積加工システムを一部分解した側面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００３０】
図１Ａは、図１Ｄに示すようなプラズマ加工システムに使用するための、本発明の原理に従った誘導要素の実施形態の斜視図である。誘導要素１０は、電気エネルギーをプロセス・チャンバに誘導結合して、プラズマを点火して維持し、基板を加工するために使用される。プラズマ加工は、ＩＣ製造で広く使用される。たとえば、本発明のシステムは、スパッタ・エッチングおよび堆積プロセス、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）プロセス、イオン化ＰＶＤ（ｉＰＶＤ）プロセス、および反応性イオンエッチング・プロセス（ＲＩＥ）に使用されることがある。
【００３１】
図１Ｄは、そのプロセス空間１４を画定するプロセス・チャンバ１３を有する加工システム１２を示す。加工システム１２は、本明細書に記載する様々な誘導要素と共に使用するのに適している。空間１４内の基板支持１７は、加工される基板１８を支持するように構成されている。基板支持１７は、より大きなベース１６を伴うことができる。ガス入口２０は、プロセス・ガスをプロセス空間１４に導入してプラズマを形成するために、アルゴン・ガス供給源などのプロセス・ガス供給源２２に結合される。基板バイアス電源１９は、プラズマ加工の当技術分野で周知のように、基板支持１７および基板１８をバイアスする。この加工システムは、石英またはアルミナなどの誘電材料で形成され、電気エネルギーを要素１０からプロセス空間１４に誘導結合するために使用されるウィンドウまたは上部部分２４ａをさらに含む。
【００３２】
そのために、図１Ａに図示する要素１０などの誘導要素が、誘電体ウィンドウ２４ａの上部に配置される。この加工システムは、プロセス空間１４を囲む側壁２４ｂおよび２４ｃをさらに含む。側壁２４ｃのうち一部は石英などの誘電材料で形成されることができるが、もう一方の部分２４ｂは金属で形成される。側壁２４ｃのうち一部は、下記で詳しく論じるように、電気エネルギーを誘導要素から空間１４に誘導結合するために使用されることができる。誘導要素は本明細書で開示されているいくつかの誘導要素のいずれでもよく、要素１０は図１Ｄに例示のために使用しているにすぎない。誘導要素１０は、周知のＩＣＰ原理に従い、誘導要素１０をバイアスしてプロセス空間１４内に変化するＲＦ磁界を生成し、そこにプラズマ２８を形成するためのＲＦ電源２６ｂなどの電気エネルギー源に、マッチング・ユニット２６ａを介して結合されている。マッチング・ユニットは、ＲＦ電源２６ｂおよび誘導要素１０のインピーダンスを適合させ、様々な条件下で要素１０およびプラズマに最大供給電力を提供するための、通常の当業者に周知の電気回路である。次いでプラズマ２８は、プラズマ加工の通常の当業者に周知の原理に従って、プラズマ・エッチングまたはスパッタ堆積などによって基板１８を加工するために使用される。
【００３３】
誘導要素１０内のＲＦ電流によって生成された誘導磁界は、誘電体ウィンドウ２４ａを介して空間１４に結合される。誘電体ウィンドウ２４ａは概ね平坦であり、誘導要素１０が接して配向される平坦な表面３０を有することになる。当然ながら平坦でないウィンドウが使用されることもあり、当技術分野で周知の誘電体ウィンドウに従って、ウィンドウが起伏のある表面またはその他の形状の表面を有することができる。誘導要素１０の構成と、そのプロセス・チャンバ１２および誘電体ウィンドウ２４ａに対する位置は、本発明の原理に従い、プラズマの形状、密度、均一性に影響を及ぼすことになる。本発明は、そのような誘導要素によってプロセス・チャンバ内に生成されるプラズマを変えるような特有の設計を誘導要素に使用することによって、従来技術のプラズマ加工システムの様々な短所に対処する。
【００３４】
プロセス空間１４への誘導結合を高めるため、ファラデー・シールドが使用されることがある。図では、上部ファラデー・シールド１５が図１Ｄの誘電体ウィンドウ２４ａに近接して配置され、チャンバ１３の内側と基板１８とに向かうように面してウィンドウの側面に近接して配置されている。下部ファラデー・シールド２１は、チャンバ内に配置され、誘電体側壁２４ｃの片面沿いに配向されることがある。図では、ファラデー・シールド１５と２１はどちらもチャンバ１３の内側上に配置されているが、チャンバの外側上に配置することもできる。ファラデー・シールドは、要素１０などのいかなる誘導要素と、プラズマが発生するプロセス空間１４との間にも配置される。下部ファラデー・シールド２１は、側壁２４ｃ周囲の要素などの２次誘導要素を使用する際に特に有利なことがある（図８Ａから８Ｂ参照）。ファラデー・シールドは当技術分野で周知であり、要素１０から誘電体ウィンドウをはさんでプロセス空間に至るエネルギーの誘導結合の改善を効果的にもたらす。ファラデー・シールドはまた、誘導要素とプラズマとの間の望ましくない容量結合を減少させる。
【００３５】
一般にファラデー・シールドは、図１Ｄのシールド１５、２１に図示するように、シールド内に形成された複数の溝穴を含むことになる。シールド１５では、図１Ｅに図示するように、スロット２３がシールドの１端から次へ伸びるように配列されている。図１Ｅに示すように、シールド１５は金属製のプレートの形態をなし、そこに形成された複数の概ね水平および平行な溝穴２３を有する。シールド２１は、そこに概ね垂直な溝穴２５を有し、側壁２４ｃの内側を取り巻く円筒形の形態をなす。しかし、シールド１５内の溝穴２３などの溝穴は、誘導要素の形状に応じて他の配向で構成されることもある。たとえば、図６Ａ、６Ｄ、または７Ｄに示し、下記で詳しく論じるように、溝穴が他の誘導要素内の導体の形状に従うことがある。
【００３６】
図１Ａに戻るが、アンテナと称されることもある誘導要素１０は、複数のコイル・ターン３２を有するコイルの形態をなす。「誘導要素」および「アンテナ」という用語は、本明細書では相互交換的に使用する。誘導要素またはコイルは、当技術分野で周知の原理により、電気導体で形成される。引き伸ばされた金属線または金属管などの導体は、本発明の原理に従って構成かつ形作られ、電流が要素を通過する際にエネルギーをプロセス・チャンバに誘導結合する要素を形成する。
【００３７】
図１Ａを参照するが、コイル１０は、コイルの長手方向沿いに連続して配設される複数の連続コイル・ターン３４ａおよび３４ｂを具備する。本発明の原理に従って誘電体ウィンドウと共に使用される場合は、図１Ｄに示すように、コイル・ターンが誘電体ウィンドウ２４ａの１端からウィンドウのもう１端へ、または一方の側面から他方の側面へ連続して配設される。つまり、本発明の少なくとも１つの実施形態のコイル・ターンは、誘電体ウィンドウを横切ってターンが交互に配列される。コイル・ターン３４ａなどの要素１０のコイル・ターンの少なくとも１つは、図１Ａに破線３６によって、また図１Ｄに類似の参照数字によって示すように、概ね水平な平面によって画定される１次方向または平面に配向される。その他のコイル・ターン３４ｂは、参照数字３８（図１Ａ）の概ね垂直な平面によって示すように、２次方向または２次平面に配向される。本発明の原理に従って、コイル・ターン３４ａは、コイル・ターン３４ｂが配向される平面３８などの２次平面から角度をなす平面３６などの１次平面に配向される。一実施形態では、平面３６およびコイル・ターン３４ａが平面３８およびコイル・ターン３４ｂに対して概ね直交する。
【００３８】
図１Ｄに示すシステム１２などの加工システムでは、１次水平面３６が誘電体ウィンドウの平坦な上面３０に概ね平行に配向されるように、誘導要素１０が誘電体ウィンドウ２４ａの片面に接して配置される。つまり、コイル・ターン３４ａおよび要素１０のその他の同様に配向されるコイル・ターンは、誘電体ウィンドウ２４ａの平坦な表面３０に概ね平行な平面内で配向される。このような配向では、コイル・ターン３４ｂおよびコイル・ターン３４ｂと同様に配向されるコイル・ターンは、図１Ｄおよび１Ｅに示すように、垂直面３８内に配向され、かつ同様に配向されるが平面３８から横方向に間隔をおいたその他の垂直面内に配向される。このようにしてコイル・ターン３４ｂは、誘電体ウィンドウの平坦な表面３０に概ね直交して配向される。図１Ａの実施形態では、ターン３４ａのような複数のコイル・ターンが概ね水平に配向され、かつ互いに概ね共面および同心である。コイル・ターン３４ｂは水平面３６より上で角度をなし、図１Ａの実施形態では、概ね垂直に配向されている。コイル・ターン３４ｂは共面でなく、間隔をおいた垂直面内にある。間隔をおいた垂直面３８は、図１Ａおよび１Ｄに示すように互いに概ね平行である。
【００３９】
コイル・ターン３４ｂは概ね垂直に配向されているが、これらのターンはまた、平面３６内またはそれに概ね平行に配向されるセグメント３９を含む。セグメント３９は互いに概ね平行であり、コイル・ターン３４ａのセグメント４１に概ね平行である。要素１０の様々なコイル・ターンの組合せセグメント３９、４１は、図１Ａの４３で示す領域を作り、これによりプラズマ内に有効なイオン化の大領域ができる。有効イオン化領域４３は、概ね同様な水平設置面積を有する完全に平坦なコイルの従来技術で達成され得る領域より大きい。
【００４０】
たとえば、多数のコイル・ターン（つまりターン３４ｂ）がターン３４ａと共面でないため、既存のターン３４ａの外側を囲む追加ターンを要することなく、これらのターン３４ｂがプラズマのイオン化でセグメント３９に貢献できる。理解できるように、図１Ｆに示すＳ字形コイルのような従来技術の水平コイルでは、各追加セグメント４１が、既存のターンの外側周囲に、ターン３４ａと類似で他の共面および同心のターン３５を必要とするであろう。これらの追加ターン３５は、コイルの水平設置面積を著しく増大させるであろう。より大きなコイル設置面積は、順により大きな誘電体ウィンドウ２４、およびより大きなチャンバ１３を要し、これがチャンバおよびシステム全体の全体費用を増加させる。しかし、要素１０のイオン化領域４３に貢献する各追加セグメント３９は、平面３６内の再外郭のコイル・ターンを取り巻く他のコイルを必要としない。逆に、コイル・ターン３４ｂは平面３６の外側にあり、その水平設置面積ではなく、要素１０の垂直方向の高さを増加させるだけである。したがって、水平断面積の小さいプロセス・チャンバを使用することができる。要素１０のコイル・ターンは、図１Ａ、１Ｂ、１Ｄ、１Ｅに概ね半円の形状で示されているが、本発明に従って他の形状を有することも可能である。
【００４１】
図１Ａから１Ｅ、２Ａから２Ｂ、３Ａから３Ｂ、４、５Ａおよび５Ｂに示すように、本発明の原理に従った誘導要素は、概ね同様な設置面積を有する従来技術の平坦な要素で達成し得るよりも大きな有効イオン化領域をプラズマ・プロセス・チャンバ内に生成する。
【００４２】
一実施形態では、図１Ｄおよび１Ｅに示すように、本発明の誘導要素がファラデー・シールドとの関係で配置され、そのため、領域４３を形成するセグメント３９、４１がファラデー・シールドの溝穴に直交するように配向されている。図１Ｅに示すように、誘導要素１０は、誘電体ウィンドウ２４ａおよび溝穴付きシールド１５より上に配置されている。溝穴２３は、領域４３内のコイル・ターンのセグメント３９、４１に概ね直交するようにシールド１５内で配向されている。図１Ｅに示すように、このような配列は、このようなシールドのないシステムよりもさらに大きな有効領域の誘導エネルギー結合およびガス・イオン化をプラズマ内に確保する。
【００４３】
それゆえ、誘電体ウィンドウ２４およびチャンバ１３の同じ断面寸法を維持しながら、従来技術のコイル誘導要素およびアンテナによって達成し得るよりも大きく高密度なプラズマを、本発明の誘導要素１０によってチャンバ１３のプロセス空間１４内に生成できる。さらに、図に示されたもの、および本明細書に記載されたもののような誘導要素は、誘電体ウィンドウおよびプロセス・チャンバの水平断面寸法を単位としてコイル・ターンの制限される数が少ない。このような方法で、図１Ｆに示すＳ字形アンテナなどの純粋に平坦なコイル・アンテナで空間的に可能であろうよりも多くの数の有利なコイル・ターンが、本発明の誘導要素によって領域４３内で使用できる。主要なプラズマ発生領域４３は誘導要素の中心に概ね近接しているため、たとえば図１Ａから１Ｅ、２Ａから２Ｂ、３Ａから３Ｂ、４、５Ａから５Ｂなどの本発明の設計を使用すると、より多くのコイル・ターン３９、４１を誘導要素の中央領域４３内に配置でき、誘導要素の水平設置面積または断面寸法に著しい影響を与えないままで、より高密度なプラズマを生成できる。また、本発明の誘導要素１０は、誘電体ウィンドウ２４の平面２５に概ね平行に配向された平面内で一定のコイル・ターン（つまりターン３４ａ）を維持することによって、プラズマの安定性をなおも維持することが発見された。
【００４４】
本明細書では概ね、本発明の原理による様々な誘導要素を説明する際に、種々のコイル・ターン、コイル・ターン部分、およびコイル・ターン・セグメントまたはコイル・セグメントの異なる配向、方向、および平面を、本明細書で開示されるプロセス・システムの誘電体ウィンドウ２４ａから導出される水平基準面２５に対して「水平」および「垂直」であるとして説明する。同様に、コイル・ターン、コイル・ターン部分、およびコイル・ターン・セグメントも、同じ水平基準面２５に対して平行（水平）または直交（鉛直）であるとして示す。しかし、「水平」、「鉛直」、「平行」、および「直交」などの命名は、絶対的な制限ではなく、１つの基準面に対して水平であるとして示される要素は、基準面が９０°回転する場合に実際には鉛直に配向することを当業者は容易に理解されよう。さらに、１つの基準面に概ね平行である要素は、その第１の基準面と概ね９０°に配向することのできる別の基準面に概ね直交することになる。同様に、本発明の誘導要素のコイル・ターンはコイルのターンであるので、常に完全に、または絶対に単一平面内にあるわけではない。むしろ、水平、鉛直、平行である、または直交すると示されるコイル・ターン、ターン部分、およびターン・セグメントは、適切な箇所において、本発明の誘導要素の構成に応じて、ターン、部分、セグメント、または配向が、概ね、または大部分が、鉛直、水平、平行であるか、または直交するという意味である。さらに本明細書では、平面は、方向または配向を示すために使用され、このことは、コイル・ターンを常に平面的なものとして画定するという意味ではない。したがって、本発明、具体的には請求の範囲に記載される本発明は、当業者は理解するように、絶対的な配向に限定されない。
【００４５】
図１Ａのコイル３４ａに類似の要素１０のコイルでは、プラズマ電流は、プロセス空間内部のプラズマ２８を安定化する、プロセス空間１４内の閉ループ内に維持される。この電流ループは、図１Ａでループ３５として略図で示される。前述のように、要素１０などの本明細書で開示されるコイル設計と類似のコイル設計での別の利点は、誘導要素１０内のコイル・ターンの合計数と、要素の中心に近接したターンの数とが、中心を共有し、同一平面にある多数のコイル・ターンを水平面内で使用する従来技術の平面コイルのように、誘電体ウィンドウの寸法によって制限されないことである。本発明では、ターンは、水平面の上で角度をなし、より多数の直交コイル・ターン３４ｂを誘導要素１０の中心に配置することができ、それによって要素１０および誘電体ウィンドウの全直径または長さ／幅の寸法を著しく増大させることなく、要素の中心領域４３での有効ターン・セグメント３９の数と、プラズマに結合されるエネルギー量とを増大させることができる。
【００４６】
再び図１Ａを参照すると、概ね垂直な各コイル・ターン３４ｂは、概ね水平面３６内に配設され、したがって誘電体ウィンドウ２４の平らな表面３０に概ね平行なセグメント３９を含む。上記で論じたように、誘導要素またはアンテナ１０は、セグメント３９も互いに、かつターン・セグメント４１と概ね平行となるように構成される。コイル・ターン・セグメント３９および４１の組み合わせにより、誘導要素要素１０の主プラズマ生成領域が提供される。プロセス空間内にプラズマを拡散させるか、またはプラズマを束縛するために、各セグメント３９および４１のそれぞれの間の距離の変更を利用することができる。すなわち、概ね同じ水平フットプリント内で誘導要素１０内のコイル・ターンの数が増加すると、各セグメント３９、４１のそれぞれをより接近させて配置することになり、したがってプラズマがより密になる。コイル・ターンの数が減少し、種々のコイル・ターン・セグメント３９および４１の間の間隔が増大することにより、プラズマはより疎になる。
【００４７】
図１Ｂに示すように、種々の鉛直コイル・ターン３４ｂは、鉛直基準面３８に概ね平行に配向する。図１Ｂに示すように、鉛直コイル・ターン３４ｂは１つのターンから次のターンに移行しなければならないので、鉛直コイル・ターンは、それぞれ完全に、基準面３８に完全に平行な、画定される鉛直平面内にあるわけではない。しかし本発明を述べる目的では、鉛直コイル・ターン３４ｂが基準面３８に概ね平行であり、基準面３６と、誘電体ウィンドウ２４ａの平らな表面３０とに概ね直交するとみなす。
【００４８】
図１Ａに示す本発明の一実施形態では、誘導要素１０は、水平コイル・ターン３４ａが概ね平面３６内に配向するように形成される。ターン３４ａは、平面３６に概ね直交する鉛直コイル・ターン３４ｂのいずれかの側に配置される。そのようにして、プラズマの全体の対称性が維持される。ＲＦ電源２６ａからのＲＦ出力は、セグメント４２でマッチング・ユニット２６ａを使用する要素１０に結合される。セグメント４２は、図１Ｂでは概ね垂直な配置で示される。しかし、セグメント４２を平面３６内に配向することもできる。セグメント４２は、コイルの内部端４２ａに位置する。ＲＦ出力は、誘導要素を形成するコイルの端部で図１Ｂ〜１Ｄ、２Ａ〜２Ｂ、３Ａ〜３Ｂ、４、および５Ａ〜５Ｂの要素に同様に結合する。
【００４９】
図１Ａおよび１Ｂの実施形態に示す要素１０は、どんな誘電体ウィンドウ２４ａの形状にも適合するように修正することができる。例えば、図１Ａおよび１Ｂに示す実施形態は、円形または楕円形の誘電体ウィンドウに対して概ね適する半円形状を有する水平コイル・ターン３４ａを使用する。図１Ｃに示すような誘導要素またはアンテナ１０ａは、長方形の形状の水平コイル・ターン４３ａを有し、ウィンドウ形状を最も効果的に利用し、要素１Ａで多数のコイル・ターンを保証する上で長方形誘電体ウィンドウに適する。同様に、図１Ａ〜Ｃおよび本明細書の他の図に示すように、鉛直ターン３４ｂの形状を、半円ではなく、長方形または他の形状に変更することができる。図４に、半円水平コイル・ターン５３および長方形鉛直ターン５５を使用する要素１０ｅを示す。当業者は容易に理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書で説明する誘導要素のコイル・ターンの形状に様々な修正を行うことができる。例えば、より多数の、または少数の水平ターン３４ａおよび／または鉛直ターン３４ｂを本発明の原理に従って使用し、特定のプロセス空間およびチャンバの幾何形状用に設計を調整することができる。
【００５０】
ＩＣＰシステム内で使用される誘導要素またはアンテナ向けの代替設計を図２Ａおよび２Ｂに示す。図２Ａおよび２Ｂでは、水平ターンの構成の違いと、ＲＦ電源へのその結合の違いとのために、水平コイル・ターンと鉛直コイル・ターンとの間の結合が変化する。
【００５１】
具体的には、図１Ａの誘導要素１０は、らせん式に巻かれ、内部コイル端４２ａおよび外部コイル端４２ｂが画定される複数の水平コイル・ターン３４ａを使用する。図１Ａに示す実施形態では、ＲＦ出力は、内部コイル端４２ａに近接する水平コイル・ターンと結合する。しかし、図２Ａに示す実施形態では、ＲＦ出力は、外部コイル端４６ｂでアンテナ１０ｂと結合する。内部コイル端４６ａでは、鉛直コイル・ターン４８は、水平コイル・ターン４８と結合し、一体の要素１０ｂを提供する。本発明の原理によれば、水平コイル・ターン４５および鉛直コイル・ターン４８の数を変更することができる。例えば、図２Ｂのアンテナ１０ｃは、図２Ａのアンテナ１０ｂよりも少ない数の鉛直コイル・ターン４８を使用する。
【００５２】
図３Ａを参照すると、本発明の別の実施形態では、水平基準面３６と鉛直基準面３８との間の平面にあるように傾斜するか、または角度をなす直立コイル・ターンを有する誘導要素を使用することができる。図３Ａに示すように、誘導要素１０ｄは、水平コイル・ターン５０ａと、概ね水平面の外側にある直立コイル・ターン５０ｂとを有する。水平コイル・ターン５０ａは、水平基準面３６に概ね平行に配置され、したがって誘電体ウィンドウ表面３０に概ね平行となる（図３Ｂを参照）。コイル・ターン５０ｂは水平基準面３６の上で角度をなす。１つまたは複数のコイル・ターン５０ｂの大部分を、直交または鉛直面３８内に配置することができる。しかし、本発明の別の態様によれば、コイル・ターン５２などの他のコイル・ターン５０ｂが水平基準面３６と鉛直基準面３８との間で傾斜するか、または角度をなすようにすることができる。コイル・ターン５２の傾きまたは角度は、誘電体ウィンドウを貫通する、要素１Ｄの磁場の等高線に影響を与え、したがってプラズマに送達されるエネルギーに影響を与える。したがって、中心コイル・ターン５２は、アンテナ１０ｄのインダクタンス特性に影響を与え、プラズマの形状および密度に対する可変性を提供する。このようにして、誘導要素またはアンテナの操作を特定のプロセス・チャンバや、プラズマに送達されるＲＦ出力のレベルなどの他のパラメータに調整するのに適するようにコイル・ターン５２の傾きを変更し、望ましい密で一様なプラズマを提供することができる。
【００５３】
本明細書で開示されるような誘導要素またはアンテナを使用する本発明のシステムの別の利点は、このシステムを誘導要素に対する「ホット・スポット」をなくするために使用できることである。誘導要素は、エネルギーをプラズマに結合することに対して最も大きな役割を担うその主要部分または領域を一般に有する。図１Ｆに示すような従来技術のＳ型コイルでは、その部分は、概ね、コイル・ターンの平行セグメントが整列される要素の中心４３にある。しかし、図１Ｆの誘導要素３７の主要プラズマ部分４３は、プラズマのある領域（すなわちホット・スポット）で過剰なエネルギーをしばしば供給する。その結果、水晶ウィンドウなどの誘電体ウィンドウ２４ａが、実際にＩＣＰシステム内でスパッタまたは侵食される可能性がある。そのような誘電体ウィンドウ２４ａのスパッタリングは、堆積プロセスであっても、エッチ・プロセスであっても、全体のプラズマ・プロセスを汚染する可能性がある。誘電体ウィンドウのスパッタリングを低減するためにチャンバ内でファラデー・シールドを使用する場合、そのシールド自体がスパッタリングされる可能性があり、それによってもプラズマ・プロセスが汚染される可能性がある。図１Ａ〜１Ｅ、２Ａ〜２Ｂ、および３Ａ〜３Ｂに示すような本発明の誘導要素では、要素の中心領域４３のコイル・ターンは、セグメント３９などのあるセグメントが水平面内にあっても、そのコイル・ターンの大部分が水平面の上にあるように構成され、配列される。そのような構成を用いて、本発明者は、プラズマ中の望ましくないホット・スポットと、生じるファラデー・シールドまたは誘電体ウィンドウのスパッタリングとを低減することができることを発見した。そのようなスパッタリングは、基板のプラズマ・プロセスでの汚染を引き起こす可能性があるので、したがって本発明はそのような汚染を低減する。
【００５４】
図５Ａおよび５Ｂに、本発明の原理によるプロセス・システムで使用するための、３次元誘導要素の追加の実施形態を示す。図５Ａおよび５Ｂに示す誘導要素またはアンテナは、アンテナ設計の全体の水平フットプリントを著しく増大させることなくプロセス空間内に密で一様なプラズマを供給するための、概ね水平な面の外側に配向するセグメントまたは部分を有するコイル・ターンを使用する。本発明の別の態様によれば、図５Ａおよび５Ｂの誘導要素は、要素の鉛直高を低減することもできるコイル・ターンを使用する。図５Ａおよび５Ｂの要素は、基部面の上方に鉛直に起き上がるが、要素の全体の鉛直高を制限するためにやはり概ね水平に延びる追加のコイル・ターンを使用する。
【００５５】
次いで図５Ａを参照すると、誘導要素６０は複数のコイル・ターン６２を含む。コイル・ターン６２のうちのいくつかは、図に示すような離隔され概ね平行な平面に配向するターン部分６４を含む。この離隔され概ね平行な平面は、概ね水平に配向するように示されている。すなわち、誘導要素６０が図１Ｄに示すように誘電体ウィンドウの上端に配置される場合、コイル・ターン６２の部分６４は、誘電体ウィンドウによって画定される平面２５およびその平面の上の空間に平行な、概ね水平な平面にあることになる（図１Ｄを参照）。そのようにして、コイル・ターン部分は、概ねスタックされたコイル・ターンを形成する。しかしコイル・ターン６２のうちのいくつかは、コイル・ターンの部分の鉛直高を上げるように、すなわち水平に配向するコイル・ターン部分を鉛直にスタックするように概ね鉛直に配向する、その部分またはセグメント６６も含む。コイル・ターン６２は、大部分が水平に配向するように構成される。したがって図５Ａ、５Ｂに示すように、誘導要素６０のコイル・ターン６２のうちのいくつかは、互いに鉛直にスタックされるターン部分またはセグメントを含む。誘導要素６０の構成は、鉛直に配向する部分６６および水平に配向する部分６４を有するコイル・ターンを使用するが、コイル・ターン６２は、スタックされた形状で互いに離隔された複数の水平面内に、大部分が概ね水平に配向する。すなわち、各コイル・ターンのかなりの部分またはセグメントが概ね水平に配向する。コイル・ターンの鉛直部分６６により、コイル・ターン６２が図５Ａに示すスタックされた形状を形成するように、水平部分６４の間の鉛直方向の間隔が提供される。そのようにして、誘導要素の水平フットプリントを著しく増大することなく、誘導要素の効果的なプラズマ生成領域を増大させることができる。さらに、コイル・ターンは、大部分が水平に配向するように構成されるので、誘導要素の鉛直高も最小化される。具体的には、コイル・ターン６２は、互いに概ね平行かつ同一平面上にあり、要素６０の中心プラズマ生成領域７１を画定する平行部分６８を含む。本発明の原理に従って、スタックされたコイル・ターン６２により、誘導要素の全体の水平フットプリントを増加させることなく、誘導要素６０の中心７１に近接して配置すべきより多数の部分６８が提供される。誘導要素６０内の追加のコイル・ターン６２は、より大きな水平フットプリントではなく、誘導要素への追加の鉛直高に変換される。したがって、誘導要素６０は、プラズマ・プロセス・システム中のプロセス・チャンバの水平断面寸法を著しく増大させることなく、密で一様なプラズマを生成または維持するために使用することができる。図５Ａに示すように、ＲＦ出力は、内部コイル端７０で誘導要素６０に誘導的に結合される。コイル・ターン６２はスタックされ、大部分が水平に配向するので、鉛直高は、例えば図１の要素１０の場合ほどは著しく増大しない。このようにして、要素６０により、水平および鉛直的にコンパクトな設計が提供され、通常は実質的により大きな誘導要素を必要とする、密で一様なプラズマを維持するためにこの要素６０を使用することができる。
【００５６】
図５Ｂに本発明の原理による誘導要素の別の実施形態を示す。この実施形態では、図５Ａの誘導要素６０の様々な特徴、ならびに図１Ａに示す誘導要素１０の特徴の組み合わせを使用する。より具体的には、誘導要素７２は、前述のようなスタックされた形状の、またはスタックされた形状から角度をなすコイル・ターン６２を含む。コイル・ターン６２は、大部分が水平面内に位置する。それらのターンの水平部分６４が、鉛直部分よりも著しく長いからである。そのようにして、コイル・ターン６２は、スタックされた形状で、図５Ａの誘導要素に類似の鉛直に離隔された水平面内に配向する。誘導要素７２は、スタックされた構成に角度をなして配向する１つまたは複数のコイル・ターン７４も含む。図５Ｂでは、コイル・ターン７４は、スタックされたコイル・ターン６２に概ね直交する鉛直面に大部分が配向する。しかし、追加のコイル・ターン７４を水平または鉛直方向の間のいずれかの方向に角度をなすことができる。ＲＦ出力は、外部コイル端７６で誘導要素７２に結合する。図５Ａ〜５Ｂの要素のコイル・ターンは、概ね半円形状として示されているが、他の形状も有することができる。同様に、図５Ｂでは概ね鉛直に配向するコイル・ターン７４が示されているが、図３Ａおよび３Ｂに示されるのと同様にコイル・ターン７４を水平と鉛直の間の角度をなすことができる。
【００５７】
図６Ａ〜６Ｄに、本発明の原理によるプラズマ・プロセス・システム内で使用するための誘導要素用の別の代替設計を示す。図６Ａ〜６Ｄの要素は、比較的接近して隔離された巻きコイル・ターンを有する、コイルの形態の従来の誘導要素からの変形形態である。すなわち、図６Ａ〜６Ｄは、非コイル形式に配列された、反復された導体セグメントを使用する誘導要素の実施形態を示す。より具体的には、誘導要素に関して、反復された導体セグメントは、本明細書で説明する他の実施形態に関して説明したような、単なる反復されたコイルのコイル・ターンの形態ではない。具体的には、図６Ａ〜６Ｄの実施形態は、プラズマ中にエネルギーを結合するために平面誘電体ウィンドウを使用するように設計される。図６Ａ〜６Ｄの誘導要素は、誘導要素の中心の周りに円形パターンに配置される複数の、同一の反復された導体セグメントをそれぞれ備える。図６Ａ、６Ｃ、および６Ｄなどの一部の要素は、誘導要素の中心から半径方向外側に延びるように配設される、反復された導体セグメントを有する。そのような誘導要素は、プロセス・チャンバ内部にリング形状のプラズマを生成し、そのような誘導要素の中心に近接して配置することがある他の追加のハードウェアと共に使用することができる。例えば、プラズマ・プロセスのために図６Ａ〜６Ｄの誘導要素の中心に、マグネトロン装置、ガス注入アセンブリ、測定装置、および他のプロセス・ハードウェアを配置することができる。図６Ａ〜６Ｄに示す要素は、隣接する中心を共有する複数のコイル・ターンを含む従来の巻きコイルまたはアンテナとは幾分異なる。実施形態のうちのいくつかは、図６Ｂの誘導要素などのような複数の層を使用し、図６Ｂの誘導要素は、概ね円形パターンに配列された、コイル・ターンの形態の反復されたセグメントを使用するが、図６Ａ〜６Ｄの誘導要素は、従来の巻きコイルまたはらせんコイル・アンテナと比較して、概ねアンテナの端部で入力インピーダンスが減少する。さらに、図６〜６Ｄの誘導要素は、従来のコイル設計と比較して、より低いインダクタンスを有することができる。
【００５８】
図６Ａを参照すると、誘電体ウィンドウの水平面に概ね平行な平面に配向するように構成される誘導要素８０が示されている（図１Ｄを参照）。誘導要素８０は、誘導要素の中心８４から半径方向外側に延びるように配置される複数の反復されたセグメント８２を形成する。反復される各セグメント８２は、プラズマの生成に寄与し、セグメントが中心８４の周りに半径方向に配置されるので、そのような要素で円形またはリング形状のプラズマが生成される。誘導要素８０は、基準円８７によって示すように大部分が円形形状である外部部分８６を含む反復された導体セグメント８２を有する。本発明の原理によれば、誘導要素８０は、誘導要素の中心８４に近接して配置することができるマグネトロン、ガス注入アセンブリ、または測定装置などの他のプロセス構成要素と共に組み合わせて使用することができる、密で一様なリング形状のプラズマを生成する。プラズマ生成は、反復されたセグメント８６に近接した中心から半径方向外側に大部分は維持されるからである。誘導要素８０は、誘導要素の概ね一方の側が時計方向などの一方向に電流を導通し、誘導要素の他方の側が反時計方向などの反対方向に電流を導通するように、概ね誘導要素の中心８４を通って延びるクロスオーバ・セグメント８８を含む。そのようにして、リング形状プラズマ内でより整合性のあるプラズマ密度が達成される。ＲＦ出力は、端子８１で要素８０に結合する。
【００５９】
図６Ｂに、平面誘電体ウィンドウに概ね平行な平面に配向するようにやはり構成され（図１Ｄを参照）、個々のコイルを形成する、反復された導体セグメント９２を含む誘導要素９０を示す。セグメント９２は、コイルを形成するが、反復された導体セグメントは、コイル形式には配列されない。すなわち、個々のコイル９２は、単により大きなコイル構造のコイル・ターンなのではない。各コイル９２は、約１と２分の１のターンを含み、誘導要素の中心９４の周りに概ね円形パターンで配列される。図６Ｂの実施形態は、らせん形状のコイルを有する。図６Ｂに示すように、各コイル・セグメント９２は、概ね鉛直な軸９３の周りに巻かれ、その結果反復された各コイル・セグメント９２の１と２分の１ターンにより、鉛直に離隔されるが、水平に配向する平面に位置付けられるセグメントを有する複数の層の誘導要素が提供される。各コイル・セグメントは、各コイル・セグメントが下側部分９６と上側部分９８との間で同様に巻かれるように、種々のコイル・セグメント９２の間に配置される移行セグメント９５を含む。各コイル・セグメント９２は、誘導要素９０の中心９４の周りに同様に配列される。ＲＦ出力は、端子９１で要素９０に結合する。
【００６０】
図６Ｃの誘導要素１００も平面誘電体ウィンドウに概ね平行な水平面に配向するように構成され、誘導要素の中心１０４から半径方向外側に延びるように配設される、反復された導体セグメント１０２を形成する。反復されたセグメント１０２は、それぞれが概ね直線状の外側部１０１と円形または丸まった（ｒａｄｉｕｓｅｄ）端部１０３を有する、概ね楕円形の部分を含む。誘導要素１００は、図６Ｂに示す誘導要素に類似の複数のレベルまたは層も有する。しかし、参照番号１０６によって示される第１層および参照番号１０８によって示される第２層として存在する複数の層は、２つの鉛直方向に離隔された水平面のパターンを反復することによって形成される。より具体的には、誘導要素１００は、ほぼ点１０５で始まる第１層１０６中で、複数の反復された導体セグメントを形成する。ほぼ点１０７で、移行が行われ、その移行において、誘導要素１００を形成するために使用される導体が、レベル１０８に鉛直上方に延び、次いでパターンを反復し、下の層１０６の反復されたセグメントと重なる、または同じように延びる反復されたセグメントが形成される。ＲＦ出力は、端子１０９で要素１００に結合する。
【００６１】
図６Ｄに、本発明の原理によるプラズマ・プロセス・システムで使用するための誘導要素用の別の代替設計を示す。誘導要素１１０は、誘電体ウィンドウに概ね平行な水平面に配向するように構成され、誘導要素１１０の中心１１４から半径方向外側に延びる反復されたセグメント１１２を形成する。セグメント１１２は、図６Ｃに示すセグメント１０２と同様の形式で配向する。しかし、誘導要素１１０は、単一レベルまたは単一層のみを使用し、反復されたセグメント１１２は、異なる形態をとる。図６Ｃに示すような楕円形状部分を形成するのではなく、この反復されたセグメントは、多数の角度をなすコーナ１１６を有し、そのコーナ１１６は、概ね、誘導要素１１０の中心１１４に対して半径を有するように形成される湾曲した長方形とみなすことができる形である。この湾曲した長方形は、半径方向に配向するセグメント１１７によって接続される、曲線状の内側部１１３および曲線状の外側部１１５を含む。ＲＦ出力は、端子１０１で要素に結合する。
【００６２】
本発明の別の態様によれば、プロセス・チャンバのプロセス空間中に電気エネルギーを結合するためにプロセス・チャンバの側壁部分と、同時にプロセス・チャンバの端壁部分の両方を介して、誘導電気要素を構成し、使用することができる。従来においては、典型的な誘電体ウィンドウは、図１Ｄに示すように、チャンバの端部またはチャンバの端壁に近接して配置され、通常は、チャンバの上端に配置される。そのようにして、従来の平面コイル・アンテナからの電気エネルギーは、チャンバのプロセス空間中に下方に配向する。あるいは、チャンバの側壁を誘電体材料で形成することができ、らせんコイルまたはソレノイド・コイルを側壁の周りに巻いてチャンバ中にエネルギーを結合することができる。本発明の別の態様によれば、コイル・ターンのセグメントがチャンバの側壁部分に沿うと同時にチャンバの端壁にも沿って配置され、または配向するように、複数のコイル・ターンを有する概ね非平面の誘導要素が構成される。それによって誘導要素からの電気エネルギーが、側壁および端壁部分を同時に介して結合する。すなわち一実施形態では、誘導電気エネルギーは、チャンバの側部ならびに上端からプラズマ中に結合する。この目的で、そのような誘導要素を使用するプロセス・システムは、水晶などの誘電体材料で形成される側壁部分および端壁部分を有する。
【００６３】
次いで図７Ａを参照すると、コイルの形態の誘導要素１２０が側壁部分１２１および端壁部分１２２を含むプロセス・チャンバの区間１２３の周りに形成され、構成されることが示されている。プロセス・チャンバ１２３は、図８Ｂに示すチャンバなどのより大きなチャンバ中に組み込むことができる。区間１２３は、一般に、基板に近接してプラズマを形成するようにプロセスすべき基板に対向して配置される。図７Ａ〜７Ｃに示す区間１２３は、概ね平坦な端壁部分１２２および円筒形の側壁部分１２１を有する概ね円筒形であるように示されているが、この区間は、図８Ｂに示す幾分の円錐形状などの他の形状をとることもできる。誘導要素１２０は、参照番号１２４によって集合的に示される複数のコイルを含むコイルとして形成され、各ターンは、チャンバ側壁部分１２１の周りに沿って配向するセグメント１２６を含む。コイル・ターン１２４は、端壁部分１２２に沿って配向するセグメント１２７も含む。そのようにして、誘導要素１２０のコイル・ターン１２４は、チャンバの側壁部分と端壁部分の両方を介してエネルギーをプラズマ中に結合する。側壁部分１２１および端壁部分１２２は、電気エネルギーを、それを介してプラズマに結合することを可能とするための、水晶などの適切な誘電体材料で形成される。
【００６４】
コイル・ターン１２４は、誘電体チャンバ区間１２３の概ねすべての側部からエネルギーをプラズマ中に結合するように、区間１２３の周りに巻かれ、配列される。すなわち要素１２０は、概ねチャンバ側壁部分１２１に沿って配向するコイル・ターンのセグメントと、チャンバ端壁部分１２２に沿って配向するコイル・ターンのセグメントとを含む。この目的のために、端部１３０でＲＦ電源の端子に結合する誘導要素１２０は、コイル・ターンを含み、各コイル・ターンは、端壁部分を横切って巻かれるセグメントと、側壁部分１２２の周りに巻かれるセグメントとを有する。コイル・ターンの側壁セグメントは、互いに角度をなして配向する区間を含む。具体的には、側壁部分１２１に沿って配置されるコイル・ターンの側壁セグメントは、それぞれ側壁部分の下方に延びる区間１３２と、水平区間１３３によって示されるような、側壁部分１２１の周りに延びる区間とを含む。各コイル・ターンの側壁セグメントは、鉛直区間１３４によって示されるような、側壁部分１２１を超えて後方に延びる区間をさらに含む。次いでコイル・ターンは、端壁部分１２２を超えて後方に延びる。図７Ａに示すように、このパターンは、種々のコイル・ターン１２４に対して反復され、チャンバ区間１２３の一方の側の下方に進む。下部のコイル１２４ａでは、セグメント１３５でコイル・ターン１２４ｂの上への移行が行われ、次いでそのコイル・ターン１２４ｂは、側壁部分１２１の周囲と上方に向かって巻かれ、端壁部分１２２の上に巻かれ、端部１３６で終了するまでチャンバ区間１２３の他方の側に沿って反復する。端部１３６は、ＲＦ電源の他端に結合する。図に示すように、コイル１２０は基本的にコイル・ターンの組を有し、ターンの１つの組が概ねチャンバの一方の側に沿って配置され、別のターンの組が概ねチャンバの別の側に沿って配置される。
【００６５】
図７Ａに示す要素の実施形態では、側壁部分に沿ったコイル・ターン・セグメントは、図７Ａに示すように鋭い９０度の曲がりを含む。参照番号１３２、１３４によって示される、側壁部分１２２の上方および下方に向かって巻かれる種々のコイル・ターン区間は、概ね鉛直な向きに配向する。区間１３３を含む誘導要素の別の区間は、概ね水平に配向する。コイル・ターン区間１３２、１３４と区間１３３との間に約９０°の曲がりがある。あるいは、コイル・ターンの種々の区間に対して他の配向も使用することもできる。
【００６６】
例えば図７Ｂを参照すると、誘導要素１２０に類似の誘導要素の代替実施形態が示されている。誘導要素１４０は、図７Ａの誘導要素１２０に類似のプロセス・チャンバ区間１２３の側壁部分１２１の周りと、端壁部分１２２の上とに延びる複数のコイル・ターン１４２を含む。しかし、コイル・ターン１４２の区間１３４と区間１３３との間の移行は、個々の区間１３４、１３３が互いに概ね直交しないように、９０°よりも大きい角度となる。側壁区間１３３と１３４との間の角度は、チャンバ区間１２３の特定の形状を収容するように変更することができる。例えば、この角度を９０°未満にすることもできる。要素１４０は、チャンバの端壁および側壁の両方を介してエネルギーをプラズマ中に結合する。
【００６７】
図７Ｃに、電気エネルギーをチャンバの端壁部分および側壁部分からプロセス・チャンバ中に結合するために使用される誘導要素の別の代替実施形態を示す。図７Ｃの実施形態は、図７Ａ、７Ｂに示すような、そこで形成される複数の角度をなす区間を有するコイル・ターンを使用しない。誘導要素１５０は、概ね円形の巻きコイル・ターンを使用する。そのコイル・ターンは、ターンの区間がチャンバ区間１２３の周りにあり、ターンの区間が同時に端壁部分１２２を横切り、側壁部分１２１を横切るように巻かれる。前述と同様に、この要素は、区間１２３の対向する側部に配置されるコイル・ターンの２つの組を形成する。
【００６８】
図７Ａ、７Ｂ、および７Ｃの誘導要素１２０、１４０、１５０は、それぞれ様々な角度から電気エネルギーをプラズマ中に誘導的に結合するために使用することができ、プラズマ中への電気エネルギーの貫通を変化させるために使用することができる。それによって、誘導要素は、平面コイルでは達成不可能な方式でプラズマの安定性および一様性に影響を与える。例えば、平面コイルでは、コイルとプラズマとの間の結合インターフェースの寸法に影響を与える能力はほとんどなく、したがってＲＦ出力がプラズマ中に堆積する領域が拡大される。一般に、ＩＣＰ出力は、アンテナとインターフェースをとるプラズマ層中に堆積し、誘電体ウィンドウから表皮厚さの数倍延びる。図７Ａ〜７Ｃに示すようなアンテナ設計は、プロセス・チャンバの側壁部分１２１に沿って配向するコイル・ターンのセグメントの配向を変化させることにより変動を生成し、その結果エネルギーは、チャンバの上端からプラズマ中に向けて送られるだけでなく、側部からも送られる。
【００６９】
図７Ｄに、本発明の原理によるプロセス・チャンバの端壁および側壁を介してエネルギーをプラズマ中に誘導的に結合するために使用することができる非平面誘導要素の別の実施形態を示す。誘導要素１６０は、図７Ａ〜７Ｃに示す誘導要素に類似の、反復された巻きコイル・ターンを使用しない。むしろ、誘導要素１６０は、６Ａ〜６Ｄに示される誘導要素の変形形態であり、誘導要素の反復されたセグメントが、非コイル形式に配列され、中心軸の周りに円形パターンに半径方向に配列される。このセグメントは、誘導要素の中心から半径方向外側に延びるように配設される。しかし要素１６０は、図６Ａ〜６Ｄに示すように概ね平坦または平面になるようには構成されず、要素１６０は、チャンバの上端に沿って配向するセグメントと、チャンバの側部に沿うように配向するセグメントとを有する。
【００７０】
より具体的には、中心軸１６１の周りに半径方向に配列される反復された各セグメント１６２は、コーナー１６３で曲がり、概ね水平な上端セグメント１６４と、概ね鉛直なセグメント１６６とを形成する。上端セグメント１６４は、プロセス・チャンバの端壁または上端壁部分１２２に沿って概ね配向し、鉛直セグメント１６６は、プロセス・チャンバの側壁部分１２１に沿って概ね配向する。例えば、図６Ａの要素８０中の種々の反復されたセグメントを図７Ｄに示すような方式で曲げることによって、要素１６０に類似の誘導要素を形成することができる。各側部セグメント１６６は、概ね水平に配向するが、側壁部分１２１に沿って配置される区間１６７を含む。要素１６０は、電気エネルギーをチャンバの上から、かつチャンバの側部を介してプロセス・チャンバ中に結合する。
【００７１】
本発明の一態様によると、本明細書に開示したＩＣＰシステムおよび誘導要素は、プラズマ・エッチングまたはプラズマ増速ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）に対して使用できる。本発明の別の態様によると該誘導結合プラズマは、スパッタ堆積プロセスまたはスパッタ・エッチング・プロセスに対して使用できる。本発明の別の態様によると、本明細書で開示した誘導要素は、第２の独立したバイアス誘導要素と組み合わせて、プロセス・チャンバ内のプラズマにさらに作用し、またはスパッタ粒子をイオン化させるためにスパッタ堆積に使用できる。
【００７２】
その目的に関して、プロセス空間２０４を画定するプロセス・チャンバ２０２を使用したプロセス・システム２００を図８Ａに示す。該プロセス空間２０４で、処理される基板２０６を保持する。システム２００では、本発明の原理に従って本明細書で先に示した誘導要素を用いており、このシステムは、ターゲットからスパッタされる粒子を基板上に堆積する以前にイオン化するイオン化ＰＶＤ法に特に適するものである。基板２０６は、基板２０６およびプロセス空間２０４を囲む誘電体チャンバ部分２１０の下方に配置されたウェーハ支持体２０８上に着座している。支持体２０８は、適切な電源２０６ａでバイアスすることができる基板ホルダ２０６ａを含んでいる。アパチャ・プレート２１２、ならびにスパッタ堆積ターゲット２１４および関連するマウント２１５は誘電体チャンバ部分２１０の上面上に配置されている。アパチャ・プレート２１２は、アパチャまたは開口２１３を中に含み、ターゲット２１４はリング・ターゲット形状することが可能であり、アパチャ２１３を囲んでいる。ターゲット２１４は適切なＤＣ電源２２６ｂに結合されている。誘電ウィンドウ２１６は、アパチャ・プレート２１２およびターゲット２１４の上面上に配置されている。誘導要素２２０は、誘電ウィンドウ２１６の上面上に配置されている。
【００７３】
本発明の原理によると、誘導要素２２０は、適切に構成されたいくつかの誘導要素のいずれか１つとすることができる。該誘導要素は、図１Ａおよび８Ａに示した誘導要素１０のように、平面誘電体ウィンドウと組み合わせて動作可能である。図１Ｄのシステムに関して考察したように、ファラデー・シールド２３４、２３６をシステム２００で用いる場合もある。誘導要素１０は、垂直コイル・ターン２２２および水平コイル・ターン２２４を含んでいる。水平コイル・ターン２２４は概ね、誘電体ウィンドウ２１６の平面頂部表面２２５に対して平行な平面内に位置している。誘導要素２２０は電気エネルギーをプロセス空間２０４に結合させるものであり、具体的には、ウィンドウ２１６を介してエネルギーをプロセス空間２０４内のプラズマに結合させる。プラズマは、ターゲット２１４から材料をスパッタし、ターゲット材料のスパッタ原子をイオン化するのに用いられており、該スパッタ原子は、公知のイオン化スパッタ堆積技法に従って基板２０６上に堆積される。誘導要素２２０は、マッチング・ユニット２２６ａを介してＲＦ電源に結合されている。ターゲット２１４は、ターゲットをバイアスするためにＤＣ電源２２６ｂに結合されている。図８Ａに示す誘導要素２２０は設計上、図１Ａおよび１Ｂに示した誘導要素と同様であるが、本発明の原理による他の誘導要素も平面誘電ウィンドウ２１６と組み合わせてシステム２００で用いることが可能である。例えば、図１Ｃ、２Ａ〜２Ｂ、３Ａ〜３Ｂ、４、５Ａ〜５Ｂ、および６Ａ〜６Ｄに示した誘導要素も、平面ウィンドウ２１６に近接して使用できる。
【００７４】
本発明に一態様によりプロセス空間２０４に形成されたプラズマをさらに制御してこれに作用するために、第２誘導要素２３０を誘電体チャンバ部分２１０の周辺に配置する。この目的のために、第２誘導要素２３０は、図８Ａに示すように、部分２１０の周りに巻かれた円筒状コイル要素の形状とすることができる。誘導要素２３０は、マッチング・ユニット２３２ａを介してＲＦ電源２３２に結合されている。電源２３２は、ＲＦ電源２２６とは独立に動作する。このようにして、１次誘導要素２２０および２次誘導要素２３０は独立にバイアスされ、動作するものである。２つの独立なＲＦ電源２２６、２３２は、プラズマに伝達される電力量を調整するために使用できる。
【００７５】
独立にバイアスされた誘導要素を用いる本発明のシステム２００の具体的な利点は、イオン化ＰＶＤプロセスで実現される。イオン化金属ＰＶＤプロセスなどのイオン化ＰＶＤ（ｉＰＶＤ）プロセスでは、１次要素によって生成および維持されたプラズマを用いて金属粒子（例えばＡｌ粒子）がスパッタされ、スパッタ後に粒子が２次要素によってイオン化される。イオン化ＰＶＤプロセスによって、アスペクト比が高いフィーチャが用いられた基板上に金属膜を堆積することが可能になる。電子温度および電子密度を最大限に上げることが、ＰＶＤプロセスにおいて金属粒子のイオン化を最適化するための重要な課題である。しかし、ｉＰＶＤプロセスでしばしば起こるのは、１次プラズマ内に存在する金属粒子の密度増大によって１次プラズマ内の電子温度が冷却または低下し、これによって達成可能な総合的金属イオン化率が低下することである。さらに、スパッタ金属粒子に関連するエネルギーはアルゴン等のプロセス・ガスによって吸収されることが多く、その結果、アルゴン・プロセス・ガスの密度が低下または希薄化する。次いで、このアルゴンガスの希薄化によって、スパッタ原子の高温化効果が低下し、これによって金属イオン化率がさらに低下する。
【００７６】
図８Ａに示され、本発明の原理によるシステムを用いて、金属原子は、別個の誘導要素２２０および２３０からの誘導結合エネルギーによって規定されるように、プロセス空間の２つの異なる領域で高密度プラズマと相互作用することになる。上記で考察した本発明の原理により、１次誘導要素２２０によってターゲット２１４に近接した高密度で均一のプラズマが供給される。基盤２０６に堆積される材料は、ターゲット２１４からスパッタされ、１次プラズマによってイオン化される。スパッタされた材料の幾分かは局所ガス温度まで完全には冷却することなく１次プラズマ領域を通過するもので、したがってプラズマ粒子と衝突してイオン化する可能性がない。第２誘導要素２３０によりスパッタ材料のイオン化が大幅に強化されるが、それは、スパッタ原子が２次プラズマに達するまでにある熱的状態まで冷却される可能性がある、すなわちプラズマ粒子と衝突してイオン化される可能性があるからである。さらに、先にイオン化され、プラズマ電子と再結合して中性状態になったスパッタ原子のあらゆる部分が、２次プラズマによって再びイオン化される。この再イオン化は、誘導要素２３０に近接したプロセス空間、すなわち基板２０６のすぐ上方の空間の領域で行われることになる。２次誘導要素２３０によって、１次誘導要素２２０の効果とは独立にプロセス・チャンバ２０２のプラズマにエネルギーが供給される。このようにして、大量のエネルギーが、プラズマならびにターゲット２１４からスパッタされた金属粒子に伝達され、したがって、これにより金属粒子の所望のイオン化が増大し、イオン化金属の流速の均一性を改善する。さらに、２次誘導要素２３０は、プラズマ場の外周部に対してＲＦエネルギーを追加する。この場所は、大量のイオン化金属流速が誘電体チャンバ部分２１０に関連した再結合および側壁吸着で失われるところである。本発明の一実施形態では、１次誘導要素は、約１３．５６ＭＨｚで動作するＲＦ電源２２６に結合することができ、２次ＲＦ電源２３２は約２ＭＨｚで動作できる。電源２２６、２３２は独立に動作する。一般に、該誘導要素は、４００ｋＨｚから１００ＭＨｚまでの励起周波数範囲にある電源によって給電される。該ＲＦ電源は、プラズマに最大ＲＦ電力を伝達するために、マッチング・ユニット２２６ａ、２３２ａを介して誘導要素に結合される。
【００７７】
図８Ａに示されたように、２つの誘導要素を用いて生成したプラズマは、電力が２つの独立したエネルギー源からプラズマに伝達されるために、ターゲット電力およびガス圧力パラメータを広範囲にわたってより適切に制御される。さらに、図８Ａに示したシステム２００は金属粒子イオン化領域の大きさを増大させるが、この増大は、基板２０６のすぐ上にある領域のプラズマに対する独立な制御、したがってターゲット２１４からスパッタされる粒子とプラズマとの相互作用に対する独立な制御を可能にすることによって行われる。さらに本発明者は、システム２００と同様のシステムにおいて、イオン音響波、電子プラズマ波、および他の結合機構など、電気エネルギーをプラズマに導入するための他の物理的機構も使用可能であると判断した。さらに、本明細書で考察した本発明のシステムに関する別の利点は、プラズマに伝達された総電力を２つの部分に分割して、プラズマにより高い累積電力レベルを伝達する場合に備えることが可能なことである。さらに、１次および２次誘導要素間で電力要件を２つに分けることによって、これらの要素の加熱が低減され、該要素の冷却が容易になる。
【００７８】
システム２００は、ターゲット２１４からスパッタされた粒子の空間イオン化効率を高めるためにも使用することができる。アパチャ・プレート２１２にある中央開口部２１３のサイズは、基板に当たるスパッタ原子を冷却およびイオン化する前に制限するものである。中央開口部のサイズは、イオン化するために１次要素２２０からプラズマに送り返すスパッタ粒子をより多くまたは少なくために変更することができる。これによって、基板表面に当たる前のスパッタ粒子のイオン化確率が高められる。図８Ａのシステムによって、イオン化プロセスの、プロセス空間２０４内のガス圧力に対する依存性が弱まり、かつ、ターゲット２１４に伝達されそこからスパッタ粒子に達するエネルギー量に対する依存性も弱まる。したがって、システムの総合的な「プロセス・ウィンドウ」は大きくなる。このことは、単一の平面誘導要素を用い、プロセス・ガス圧力範囲および電力制約がある程度に限定されていた従来技術のシステムに対する重要な利点である。
【００７９】
上述のように、ガス・プラズマに対するエネルギー誘導結合をさらに高めるために、システム２００では、誘電体ウィンドウ２１６の内側面に近接したスロット・シールド２３４、ならびに２次誘導要素２３０に近接したチャンバ部分２１０を囲むシールド２３６の形態で、ファラデー・シールドを使用できる。ファラデー・シールドは、チャンバ内部の誘電体表面上に蓄積して内部部品とプラズマの間で電気的短絡を引き起こす可能性のある金属材料を用いるイオン化ＰＶＤシステムで有効である。ファラデー・シールドにより、要素２３０からプラズマへのエネルギー誘導結合も強化される。ファラデー・シールドは、一般に接地され、公知の原理によって動作して、上述のように誘導要素２２０、２３０から発生した容量性電界を低減する。
【００８０】
図８Ｂに、システム２００に類似し、上述のような１次非平面誘導要素、および２次誘導要素を用いた本発明の代替形態を示す。システム２４５では１次誘導要素２５０を用いている。該要素は、図７Ａ〜７Ｄに関して本明細書で上述した要素に類似しており、チャンバの端壁部分２５１および側壁部分２５２の双方から電気エネルギーをプロセス・チャンバ２４６に結合させている。この目的のために、図８Ａに示した平坦な誘電体ウィンドウではなく、端壁部分２５１および側壁部分２５２を有する誘電体チャンバ部分２４８を、アパチャ・プレート２４７の上方で使用している。リング形状のターゲット２５４およびマウント２５４はチャンバ部分２４８の周囲に配置され、誘導要素２５０がチャンバ部分２４８の周囲に巻かれて、ターゲット２５４に近接するチャンバ２４６にエネルギーを誘導結合させ、これによって、公知のプラズマ原理に従ってターゲットから材料粒子をスパッタする。ターゲット２５４は、ターゲットをバイアスするためにＤＣ電源２５５ｂに結合されている。図７Ｂで開示した要素と形状が類似する誘導要素を図８Ｂに示している。しかし、本発明の原理に従って同様に設計された別の誘導要素が使用可能である。たとえば、図７Ａ、７Ｃおよび７Ｄに示した誘導要素が、やはり図８Ｂに示したシステム２４５と共に使用できる。誘導要素２５０は、マッチング・ユニット２５５ａおよびＲＦ電源２５５に動作可能に結合される。ＲＦ電源２５５は、２次誘導要素２５７に結合された別のＲＦ電源およびマッチング・ユニット２５６ａとは独立に動作する。ファラデー・シールド２５８がシステム２４５内で示されている。ファラデー・シールド２５８を使用して、支持体２６１上のチャンバ２４６内に配置された基板２６０を処理するための、２次誘導要素２５７を介したチャンバ２４６へのエネルギー誘導結合を改善することができる。支持体２６１は基板ホルダ２６０ｂを含み、該ホルダは、電源２６０ａからバイアスされて、プロセス電圧および基板２６０に関するパラメータを制御することができる。
【００８１】
図８Ｂに示したシステム２４５に類似のプラズマ・プロセス・システムを用いて、誘導要素２５０の個々のコイル・ターン間にある誘電体チャンバ部分２４８の領域にターゲット２５４をマウントすることにより、プロセス・チャンバの設計を変更する場合がある。図８Ｂを参照すると、ターゲット２５４は、誘導要素２５０の隣接コイル・ターン間の符号２５９で示された領域に配置されることがある。
【００８２】
図８Ｃに、本発明の原理による１次および２次誘導要素を用いる別のシステム２７０を示す。システム２７０では、概ね平面の１次要素２８０、たとえば図４、５Ａ〜５Ｂおよび６Ａ〜６Ｄに示した要素のいずれかを使用する。システム２７０では、基板２７４が支持体２７５により支持されたチャンバ２７２を用いている。支持体２７５は基板ホルダ２７４ｂを含み、該ホルダは電圧および基板２７４に関するプロセス・パラメータを制御するために電源２７４ａによりバイアスできる。基板２７４上に材料層をスパッタ堆積するために、ターゲット２７７、マウント２７９、および誘電体ウィンドウ２７８を、アパチャ・プレート２７６の上方に配置している。ＤＣ電源２８２ｂはターゲット２７７をバイアスする。誘導要素２８０を平面誘電体ウィンドウ２７８の一方の側に対して結合してチャンバ２７２内のプラズマに電気エネルギーを供給する。誘導要素２８０は、マッチング・ユニット２８２ａを介してＲＦ電源２８２に結合されている。ファラデー・シールド２８３を誘電体ウィンドウ２７８の内側面で用いて、上述のように、要素２８０からの電気エネルギーの誘導結合を強化することがある。
【００８３】
図８Ａおよび８Ｂに示すように、チャンバ誘電体部分２８６の周囲で使用されている２次誘電要素２８５は、その周囲に巻かれた円筒状コイルの形態にはなっていない。代りに、要素２８５は、反復して横に並べられた複数のセグメント部２８８を含み、このセグメント部はチャンバ部２８６の外壁に対して垂直方向に配向している。反復セグメント部２８８は、図８Ｃに示すように概ね垂直方向に配向し、チャンバ２７２の周囲に総体として円筒形状の要素を形成する。本発明の原理に従ってプロセス・チャンバ２７２にエネルギーを誘導結合するために、誘電要素２８５は、適切なＲＦ電源２９０にマッチング・ユニット２９０ａを介して結合されている。本発明の好ましい一実施形態では、図８Ｃに示すように反復セグメント部２８８はＵ形状をしている。ただし、他の形状の反復セグメント部を使用する場合がある。さらに、図８Ａ、８Ｂに示す円筒状コイルを、本発明の原理によるシステム２７０で使用する場合もある。
【００８４】
本発明をその実施形態の説明に沿って例示し、この実施形態はかなり詳細に記載したが、本出願人の意図は、添付の特許請求項の範囲をそのような詳細に限定または如何様にも制限するものではない。さらなる利点および変更形態も当業者には容易に明らかであろう。したがって、本発明はそのより広範な態様において、特定の詳細、代表的な装置および方法、ならびに図示および記載した例示的実施例に限定されるものではない。したがって、出願人の全般的発明概念の精神または範囲から逸脱することなく、そのような詳細から逸脱することが可能である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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