(57)【要約】 【課題】誘導結合型プラズマ処理チャンバを提供する。【解決手段】誘導結合型プラズマ処理チャンバは、上壁を有するチャンバを備えている。この上壁に隣接して、第１のアンテナ及び第２のアンテナが配置されている。第１のアンテナは第２のアンテナと同心である。第１のアンテナ及び第２のアンテナにはプラズマ源電源が接続されている。プラズマ源電源は、第１のアンテナへの第１のＲＦ電力と、第２のアンテナへの第２のＲＦ電力とを発生させる。チャンバ内には基板支持体が配置されている。第１のアンテナのサイズと、基板支持体との間の距離は、基板支持体上の基板のエッチング速度が実質的に均一であるようなサイズ及び距離である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を処理する装置であって、
上壁を有するチャンバと、
前記上壁に隣接している第１のアンテナ及び第２のアンテナを備え、前記第１のアンテナが前記第２のアンテナと同心であり、
前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナに接続されているプラズマ源電源と、
前記チャンバ内に配置されている基板支持体とを備え、
前記第１のアンテナのサイズと、前記基板支持体と前記上壁との間の距離とが、前記基板支持体上の前記基板のエッチング速度が実質的に均一であるようなサイズ及び距離ある装置。
【請求項２】
前記第１のアンテナが第１のソレノイドコイルを含んでおり、前記第２のアンテナが第２のソレノイドコイルを含んでいる請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記第１のソレノイドコイルの直径が、前記第２のソレノイドコイルの直径よりも大きい請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記基板の内側領域の前記エッチング速度が、前記第１のアンテナの前記サイズに実質的に依存する請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記基板の外側領域の前記エッチング速度が、前記基板支持体と前記上壁との間の前記距離に実質的に依存する請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記プラズマ源電源が、
ＲＦ電源と、
前記ＲＦ電源に接続されているインピーダンスマッチングネットワークとを更に備えており、
前記インピーダンスマッチングネットワークが、差動的に調整可能な電力レベルを有する第１のＲＦ出力及び第２のＲＦ出力を備えており、前記第１のＲＦ出力が前記第１のアンテナに接続されており、前記第２のＲＦ出力が前記第２のアンテナに接続されている請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記インピーダンスマッチングネットワークが、前記第１のアンテナへの第１のＲＦ電力レベルと、前記第２のアンテナへの第２のＲＦ電力レベルとを生成し、
前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナに印加される前記各ＲＦ電力レベルが、前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナからの印加されるＲＦ磁界の半径方向分布が制御されるように差動的に調整可能である請求項６記載の装置。
【請求項８】
誘導結合型処理チャンバにおいて基板を処理する方法であって、
前記チャンバの上壁に隣接する第１のアンテナ及び第２のアンテナを配置するステップであって、前記第１のアンテナが前記第２のアンテナと同心である前記ステップと、
前記チャンバ内に基板支持体を設けるステップと、
前記基板支持体上の前記基板のエッチング速度が実質的に均一であるように、前記第１のアンテナのサイズと前記チャンバの容積とを調整するステップとを含んでいる方法。
【請求項９】
前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナにプラズマ源電源を接続するステップを更に含んでおり、
前記プラズマ源電源が差動的に調整可能な電力レベルを有する第１のＲＦ出力及び第２のＲＦ出力を備えており、前記第１のＲＦ出力が前記第１のアンテナに接続されており、前記第２のＲＦ出力が前記第２のアンテナに接続されている請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記チャンバの前記容積を調整するステップが、前記基板支持体と前記チャンバの前記上壁との間の距離を調整するステップを更に含んでいる請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記第１のアンテナが第１のソレノイドコイルを含んでおり、前記第２のアンテナが第２のソレノイドコイルを含んでいる請求項８記載の方法。
【請求項１２】
前記第１のソレノイドコイルの直径が、前記第２のソレノイドコイルの直径よりも大きい請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記基板の内側領域の前記エッチング速度が、前記第１のアンテナの前記サイズに実質的に依存する請求項８記載の方法。
【請求項１４】
前記基板の外側領域の前記エッチング速度が、前記基板支持体と前記上壁との間の距離に実質的に依存する請求項８記載の方法。
【請求項１５】
前記基板が実質的に均一にエッチングされるように、前記外側ソレノイドコイルの直径と、前記基板支持体と前記チャンバの上壁との間の距離との間の関係を調整するステップを更に含んでいる請求項８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板処理チャンバに関する。より詳細には、本発明は、誘導結合型プラズマリアクタにおけるエッチング速度の均一性を向上させる方法に関する。
【背景】
【０００２】
超小型の半導体電子回路を作製するために使用されるプラズマリアクタでは、ＲＦ誘導結合磁界（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｆｉｅｌｄ）を使用することにより、プロセスガスから形成されるプラズマを維持することができる。このようなプラズマは、エッチングプロセス及び堆積プロセスを実行するうえで有用である。一般に、ＲＦ電源の電力信号を、リアクタチャンバの上壁付近のコイルアンテナに印加する。チャンバ内の支持台の上の半導体ウェハ又は被加工物の支持体には、バイアスＲＦ信号（ｂｉａｓ  ＲＦ  ｓｉｇｎａｌ）を印加する。コイルアンテナに印加される信号の電力は、主として、チャンバ内のプラズマイオン密度を決めるのに対して、ウェハに印加されるバイアス信号の電力は、ウェハ表面におけるイオンエネルギを決める。このようなコイルアンテナに関連する１つの問題として、コイルアンテナの両端に比較的大きな電圧降下が発生し、これによってプラズマに好ましくない影響が生じうる。この影響は、コイルアンテナに印加される、電源の電力信号の周波数が高いほど大きく、なぜなら、コイルアンテナのリアクタンスが周波数に比例するためである。いくつかのリアクタにおいては、周波数を低い範囲（例えば、約２ＭＨｚ）に制限することによって、この問題に対処している。しかしながら、そのような低周波数においては、ＲＦ電力をプラズマに効率的に結合させることができない。安定的な高密度のプラズマ放電は、１０ＭＨｚ〜２０ＭＨｚの範囲内の周波数において容易に達成されることが多い。低周波範囲（例えば、２ＭＨｚ）において動作させることの別の欠点として、インピーダンスマッチングネットワークなどの要素のコンポーネントサイズがずっと大きく、従って占有空間が大きくコストも増す。
【０００３】
コイルアンテナに関連する第２の問題として、プラズマへの効率的な誘導結合は、一般的にはコイルの巻数を増やすことによって達成されるが、これによって、より高い磁束密度が生じる。このため、コイルの誘導性リアクタンスが増大する。回路の抵抗（主としてプラズマの抵抗から構成される）は一定のままであるため、回路のＱ（抵抗に対する回路のリアクタンスの比）が高まる。これにより、変化するチャンバ条件下において、インピーダンスマッチングを維持することが不安定となり難しくなる。不安定性は、特に、コイルのインダクタンスが十分に大きく、従って浮遊容量との組合せにおいて、コイルに印加するＲＦ信号の周波数付近で自己共振が起こる場合に生じる。従って、この第２の問題を回避するため、コイルのインダクタンスを制限しなければならない。
【０００４】
チャンバの上壁の上に存在するコイルアンテナ（従来のタイプ及び交互配置式（ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ  ｔｙｐｅ）の両方）の１つの制限として、アンテナにおける隣接する導体間の相互インダクタンスが一般的には水平方向であり、一般には、ＲＦ電力をプラズマに誘導結合しなければならない垂直方向とは直交している。このことは、プラズマへの電力堆積（ｐｏｗｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）の空間的制御を制限する１つの重要な要因である。本発明の目的は、誘導結合の空間的制御におけるこの制限を克服することである。
【０００５】
一般に、「内側」コイルアンテナ及び「外側」コイルアンテナを備えている場合、これらのアンテナは、物理的には（個々の半径に限定されるのではなく）半径方向又は水平方向に分散しており、従って、それに応じてアンテナの半径位置が拡散した状態にある。このことは、特に、水平の「パンケーキ」構造の場合にあてはまる。従って、内側アンテナと外側アンテナとの間で、印加されるＲＦ電力の相対的な割当てを変更することによって、プラズマイオン分布の半径方向分布を変化させうる程度（能力）が、制限される。この問題は、大きな直径（例えば、３００ｍｍ）の半導体ウェハを処理するうえで特に重大である。この理由として、ウェハのサイズが大きくなるにつれて、ウェハ表面全体にわたり均一なプラズマイオン密度を維持することが難しくなるためである。プラズマイオン密度の半径方向分布は、上方のアンテナから印加される磁界の半径方向分布を調整することによって容易に修正することができる。プラズマイオン密度を決めるのはこの磁界である。従って、ウェハサイズが大きくなるほど、印加されるＲＦ磁界の半径方向分布をより大きく修正又は調整する能力が要求される。従って、内側アンテナと外側アンテナとの間で、印加されるＲＦ電力の割当ての効果を高める、具体的には、内側アンテナ及び外側アンテナのそれぞれを、特定の半径位置又は極めて狭い半径位置に限定することによって、印加されるＲＦ電力の割当ての効果を高めることは、望ましい。
【詳細な説明】
【０００６】
以下の説明では、本発明のいくつかの実施形態を深く理解できるように、具体的な細部、例えば、具体的なシステム、コンポーネント、方法の例を数多く記載してある。しかしながら、本発明の少なくともいくつかの実施形態は、これらの具体的な細部に限定されず実施できることが、当業者には明らかである。その一方で、周知のコンポーネント又は方法については、本発明が不必要にあいまいになることを避けるため、詳しくは説明していない、或いは単純なブロック図の形式で示してある。従って、記載した具体的な細部は単なる例示である。実際の実施では、これらの例示的な細部を変更することができ、そのような実施形態も、依然として本発明の概念及び範囲内にあるものとみなされる。
【０００７】
基板を処理する方法及び装置について説明する。誘導結合型プラズマ処理リアクタは、チャンバの上壁に隣接して配置されている内側コイルアンテナ及び外側コイルアンテナを備えている。単一の電源は、内側コイルアンテナ及び外側コイルアンテナにそれぞれ接続されている差動的に調整可能な（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｌｙ  ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ）２つの出力を有する。この誘導結合型リアクタにおけるエッチング速度の「Ｍ形状」の分布特性を低減するため、外側コイルアンテナの直径と、チャンバ内の基板支持体とチャンバの上壁との間の隙間距離とを調整する。
【０００８】
図１は、一実施形態による、誘導結合型プラズマリアクタのブロック図である。リアクタチャンバ１０２は、円筒状の側壁１０４と平坦な上壁１０６とによって画成されている。リアクタチャンバ１０２の中には、基板支持体１０８を、チャンバの上壁と向かい合う関係の向きに、その中心がチャンバの対称軸線に一致するように設けることができる。この基板支持体１０８は、上壁１２４の下方、距離ｈに配置することができる。
【０００９】
真空ポンプ１１０は、チャンバ１０２の排出口（図示していない）と協働する。プロセスガス供給装置１１２は、プロセスガスをチャンバ１０２の内側にガス入口１１４を通じて供給する。この技術分野における通常の技能を有する者には、プロセスガスが、様々な成分、例えば、ポリシリコンエッチング用のハロゲン化物ガス、二酸化ケイ素エッチング用のフルオロカーボンガス、シリコンの化学気相成長プロセス用のシランガス、金属エッチング用の塩素含有ガスを含み得ることが認識される。ガス入口１１４は、図１においては１本の管として示してあるが、実際の用途においては、より複雑な構造（例えば、複数の入口）によって実施することができる。
【００１０】
このようなガスでは、アンテナ１３０からチャンバ１０２内に誘導されるＲＦ電力の影響下において、基板１１６を処理するためのプラズマが発生する。実行することのできるプラズマ処理としては、エッチングのみならず、適切な前駆体ガスを使用しての堆積（例えば、化学気相成長法）も挙げられる。
【００１１】
支持台１０８は、インピーダンスマッチングネットワーク１２０を介してバイアスＲＦ電源１２２に接続されている導電性電極１１８を含んでいることができる。チャンバの側壁１０４は、金属（例えば、アルミニウム）とすることができ、その一方で、上壁１０６は、誘電体（例えば、石英）とすることができる。本発明の別の実施形態においては、上壁１０６は平坦でなくてもよく、ドーム形状や円錐状とすることができる。
【００１２】
別の実施形態においては、上壁１０６は、誘電体ではなく半導体とすることができる。上壁１２４の半導体材料は、上壁１２４がアンテナ１３０からのＲＦ誘導磁界のための窓（ｗｉｎｄｏｗ）としてと、電極として機能することのできる最適な導電性材料とすることができる。上壁１０６を電極として使用する場合、上壁１０６を接地する（図示していない）、又はマッチングネットワーク（図示していない）を介してＲＦ電源（図示していない）に接続することができる。チャンバ１０２若しくはアンテナ１３０、又はその両方は、円筒状以外の形状（例えば、方形断面を持つ長方形を有することができる。基板１１６も、円形以外とすることができる（例えば、方形又はその他の外形）。基板１１６は、半導体ウェハ、又はその他の要素（マスクレチクル）を含んでいることができる。
【００１３】
アンテナ１３０は、図１に示したように、いずれもチャンバ１０２の上壁１０６の上に隣接して存在している第１のアンテナ１４８及び第２のアンテナ１５０を含んでいることができる。一実施形態によると、第１のアンテナ１４８は、第２のアンテナ１５０と同心とすることができる。第１のアンテナ１４８は、チャンバ１０２と同じ軸線を有する内側コイルアンテナとすることができる。第２のアンテナ１５０は、チャンバ１０２と同じ軸線を有する外側コイルアンテナとすることができる。従って、外側コイルアンテナ１５０は、図１に示したように、内側コイルアンテナ１４８の直径Ｄ１よりも大きい直径Ｄ２を有することができる。
【００１４】
ＲＦ電源アセンブリ１３２は、インピーダンスマッチングネットワーク１３６を介して接続されている１つのＲＦ電源１３４を含んでいることができる。一実施形態によると、インピーダンスマッチングネットワーク１３６は、直列キャパシタ１３８と可変シャントキャパシタ（ｖａｒｉａｂｌｅ  ｓｈｕｎｔ  ｃａｐａｃｉｔｏｒ）１４０とを含んでいる。この技術分野における通常の技能を有する者には、インピーダンスマッチングネットワーク１２６は、図１に示した回路に限定されないことが認識される。単一周波数の１つの電源から２つの異なる電力レベルを発生させる同様の効果を達成する別の回路も可能である。
【００１５】
インピーダンスマッチングネットワーク１３６は、第１のＲＦ出力端子１４４と第２のＲＦ出力端子１４６とを含んでいることができる。第１のＲＦ出力端子１４４は、直列コンデンサ１３８の入力に接続することができる。第２のＲＦ出力端子１４６は、直列コンデンサ１３８の出力に接続することができる。この技術分野における通常の技能を有する者には、図１に示したマッチングネットワーク１３６の回路は、マッチングネットワークの完全な回路ではないことが認識される。可変シャントキャパシタ１４０を調整することにより、調整に応じて一方の出力端子に他方の出力端子より大きい電力が割り当てられる。従って、２つの出力端子１４４，１４６における電力レベルを差動的に調整することができる。
【００１６】
第１の出力端子１４４を外側アンテナ１５０に接続することができ、その一方で、第２の出力端子１４６を内側アンテナ１４８に接続することができる。従って、端子１４４及び端子１４６は、それぞれ、内側アンテナ１５０及び外側アンテナ１４８に接続されている。この二出力の電源アセンブリ１３２は、内側アンテナ及び外側アンテナを有する任意のプラズマリアクタにおいて使用することができる。
【００１７】
基板１１６のエッチング速度の分布特性には、いくつかの要因が影響しうる。これらの要因としては、内側コイルアンテナ１４８の直径Ｄ１、外側コイルアンテナ１５０の直径Ｄ２、基板１１６／基板支持体１１８とチャンバ１０２の上壁１０６との間の隙間ｈが挙げられる。直径Ｄ１、直径Ｄ２、隙間ｈのうちの少なくとも１つを調整することによって、基板１１６のエッチング速度の「Ｍ」形状の分布特性を排除する、若しくは相当に低減させることができる。一実施形態によると、直径Ｄ２及びチャンバ空隙ｈを修正／調整して、基板のエッチング速度の分布特性を向上させる。
【００１８】
図２は、図１のリアクタにおけるエッチング速度の均一性を向上させて、基板１１６のエッチング速度の「Ｍ」形状の分布特性を排除する方法を示している流れ図である。２０２において、誘導結合型プラズマリアクタチャンバを用意する。このチャンバは内側アンテナ及び外側アンテナを備えており、これらの両方のアンテナは、図１に示したように差動的に調整可能な１つの電源によって給電される。２０４において、チャンバ内、チャンバの上壁からチャンバ空隙ｈの位置に基板支持体を配置する。
【００１９】
２０６において、チャンバ内の基板支持体の上に配置されている基板のエッチング速度の分布特性の均一性が高まるように、外側アンテナの直径を調整する。一実施形態によると、外側アンテナの直径を例えば１５インチから１７インチに増大させる。
【００２０】
２０８において、基板のエッチング速度の分布特性の均一性が高まるように、チャンバ空隙ｈを調整する。一実施形態によると、チャンバの隙間ｈを５インチから６インチに増大させる。
【００２１】
別の実施形態によると、基板のエッチング速度の分布特性が実質的に均一であって、エッチング速度の「Ｍ形状」の分布特性が実質的に排除されるように、直径及びチャンバ空隙ｈを調整し、更に直径と空隙の間の関係を調整する。
【００２２】
図３は、従来のリアクタと、一実施形態によるリアクタのエッチング速度の分布特性の比較を示しているグラフである。エッチング速度の分布特性３０２は、外側コイルアンテナの直径が１５インチでありチャンバ空隙が５インチである従来の誘導結合型チャンバの結果である。エッチング速度の分布特性３０４は、一実施形態による誘導結合型チャンバの結果である。この誘導結合型チャンバの一実施形態においては、説明を目的として、チャンバ空隙を６インチ、外側コイルアンテナの直径を１７インチとすることができる。図３に示したように、基板の表面全体にわたりエッチング速度の分布特性が実質的に均一である。従来のＭ形状は実質的に排除されている。
【００２３】
図４は、チャンバ空隙ｈが一定の５インチであり、直径Ｄ２が異なる場合における複数の異なるエッチング速度の分布特性を示している。外側コイルアンテナ１５０の直径Ｄ２の変化は、Ｍ形状のピーク位置に影響する。外側コイルアンテナ１５０の直径Ｄ２の影響は、チャンバ空隙ｈが小さいときに大きくなり、なぜなら、チャンバの垂直高さが制限されるために水平方向の拡散距離（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ  ｌｅｎｇｔｈ）が短いためである。直径Ｄ２が増大すると、Ｍ形状のピークが基板の縁部の方に移動し、基板１１６の縁部におけるエッチング速度が高まり、エッチング速度の均一性が向上する。
【００２４】
図５は、外側コイルアンテナの直径Ｄ２が一定の１５インチであり、チャンバ空隙ｈが異なる（５インチ及び６インチ）場合におけるエッチング速度の分布特性を示している。隙間ｈが変化すると、プラズマが水平方向に拡散するためのより大きな空間が生じる。従って、チャンバ空隙ｈが大きくなると、Ｍ形状のピークが中心の方に移動し、最終的には融合して中心に１つのピークが形成される。その一方で、拡散距離が長いため、チャンバ壁１０４における表面再結合損失（ｓｕｒｆａｃｅ  ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ  ｌｏｓｓ）が発生する可能性が高い。縁部におけるエッチング速度は急激に減少する。
【００２５】
図６は、一実施形態による、チャンバ空隙が６インチであり、コイル直径が１２インチ及び１７インチである場合におけるエッチング速度の分布特性を示しているグラフである。外側コイルの直径が１２インチであるとき、基板の縁部におけるエッチング速度は増大していない。しかしながら、外側コイルの直径が１７インチであるとき、基板の縁部におけるエッチング速度は、基板の中心におけるエッチング速度と同程度である。
【００２６】
本明細書においては、１つ以上の方法の動作について特定の順序で図示及び説明したが、各方法の動作の順序を変更することができ、従って、特定の動作を逆の順序で実行する、或いは特定の動作を、少なくともその一部を他の動作と同時に実行することができる。別の実施形態においては、個々の動作の命令又は副動作を、断続的若しくは交互、又は交互且つ断続的なものとすることができる。
【００２７】
本明細書においては、本発明について、特定の例示的な実施形態を参照しながら説明した。しかしながら、特許請求の範囲に記載されている本発明のより広い概念及び範囲から逸脱することなく、本発明に様々な修正及び変更を行うことができることが明らかである。従って、本明細書及び図面は、本発明を制限するものではなく、説明を目的としているものと解釈すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
添付図面の図は、本発明を制限するのではなく一例として、本発明を図解している。
【００２９】
【図１】一実施形態による、単一の電源を備えた誘導結合型プラズマリアクタを示しているブロック図であり、この電源は、内側コイルアンテナ及び外側コイルアンテナにそれぞれ接続されている差動的に調整可能な２つの出力を有する。
【図２】一実施形態による、図１のリアクタにおけるエッチング速度の均一性を向上させる方法を示している流れ図である。
【図３】従来のリアクタと、一実施形態によるリアクタのエッチング速度を示しているグラフである。
【図４】一実施形態による、複数の異なるコイル直径の場合のエッチング速度を示しているグラフである。
【図５】一実施形態による、チャンバの隙間が５インチ及び６インチである場合のエッチング速度を示しているグラフである。
【図６】一実施形態による、チャンバ空隙が６インチであり、コイル直径が１２インチ及び１７インチである場合のエッチング速度を示しているグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
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