(57)【要約】半導体ワークピースを処理するためのプラズマリアクタは、チャンバ壁を有し、半導体を支持するワークピース支持体を含むリアクタチャンバ、チャンバ壁の一部を有する電極、オーバヘッド電極に発生器の周波数で電力を供給し、所望のプラズマイオン密度のレベルでチャンバ内にプラズマを維持することができるＲＦ電力発生器を有する。オーバヘッド電極と所望のプラズマイオン密度でチャンバ内に形成されたプラズマは、共に電極−プラズマ共振周波数で共振し、発生器の周波数は、電極−プラズマ共振周波数の少なくとも近くである。リアクタは、更に、プラズマの密度分布の均一性を向上するために、プラズマを掻き回す円形磁界を改善するために、ゆっくりした回転磁界を生成する、ウエハ表面上のプラズマ生成領域の周りにＭＥＲＩＥ磁石の組を有する。
2006502556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ワークピースを処理するためのプラズマリアクタであって、
チャンバ壁を有し、前記半導体ワークピースを支持するためのワークピース支持体を含むリアクタチャンバと、
前記ワークピース支持体状にあるチャンバ壁の一部を有するオーバヘッド電極と、
ＶＨＦ周波数で電力を前記オーバヘッド電極に供給するためのＲＦ電力発生器と；前記オーバヘッド電極は、前記発生器のＶＨＦ周波数またはその近くにあるＶＨＦ電極−プラズマ共振周波数でプラズマと共に共振するリアクタンスを有しており、
前記発生器と前記オーバヘッド電極間に接続された固定インピーダンス整合素子と；前記固定インピーダンス整合素子は、前記電極−プラズマ共振周波数に少なくとも近いか、または等しいＶＨＦ整合素子共振周波数を有しており、
前記ワークピースの上面を横切って回転する磁界を生成するためのＭＥＲＩＥ磁界発生器と、
を有することを特徴とするプラズマリアクタ。
【請求項２】
前記磁界は、前記磁界と関連する電子サイクロトロン周波数が前記ＲＦ電力発生器の前記ＶＨＦ周波数より小さいように、大きさが充分小さいことを特徴とする請求項１に記載のプラズマリアクタ。
【請求項３】
前記電子サイクロトロン周波数は、前記ＶＨＦ周波数より少なくとも５％少ないことを特徴とする請求項２に記載のプラズマリアクタ。
【請求項４】
更に、前記ワークピース支持体に面する前記オーバヘッド電極の表面上に形成されたオーバヘッド絶縁層を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマリアクタ。
【請求項５】
更に、前記ＲＦ電力発生器と前記オーバヘッド電極間に容量性絶縁層を有することを特徴とする請求項４に記載のプラズマリアクタ。
【請求項６】
更に、前記ワークピース支持体から離れて面する前記オーバヘッド電極の表面上に接触して金属フォーム層を有することを特徴とする請求項５に記載のプラズマリアクタ。
【請求項７】
更に、前記オーバヘッド絶縁層を覆うシリコン含有被膜を有することを特徴とする請求項４に記載のプラズマリアクタ。
【請求項８】
前記シリコン含有被膜は、シリコンまたは炭化シリコンの１つを有することを特徴とする請求項７に記載のプラズマリアクタ。
【請求項９】
前記オーバヘッド電極は、複数のガス注入オリフィスを有し、前記オーバヘッド絶縁層は、前記ガス注入オリフィス内でアークを抑制するのに充分な容量を与えることを特徴とする請求項４に記載のプラズマリアクタ。
【請求項１０】
前記容量性絶縁層は、前記チャンバ内のプラズマからのＤＣ電流が前記オーバヘッド電極を通して流れるのを阻止するのに充分な容量を有することを特徴とする請求項５に記載のプラズマリアクタ。
【請求項１１】
前記電極は、前記ワークピース支持体にほぼ面する複数のガス注入オリフィスを有し、
前記金属フォーム層は、前記ガス注入オリフィス内の軸電界を抑制するのに充分な厚さであることを特徴とする請求項６に記載のプラズマリアクタ。
【請求項１２】
前記オーバヘッド電極はアルミニウムを有し、前記オーバヘッド絶縁層は陽極酸化によって形成されていることを特徴とする請求項４に記載のプラズマリアクタ。
【請求項１３】
前記容量性絶縁層は、プラズマシース生成高調波に対して前記オーバヘッド電極を通して接地するために定インピーダンス路を与える容量形成することを特徴とする請求項１０のプラズマリアクタ。
【請求項１４】
更に、前記オーバヘッド電極にガス供給入口と、
前記ガス入口と前記ガス注入オリフィスの少なくとも第１の組間に前記オーバヘッド電極内にガスバッファ層と、
を有することを特徴とする請求項１１に記載のプラズマリアクタ。
【請求項１５】
前記ガスバッファ層は、金属フォームの層を有することを特徴とする請求項１４に記載のプラズマリアクタ。
【請求項１６】
更に、前記オーバヘッド電極内に熱を制御する流体路を有することを特徴とする請求項１５に記載のプラズマリアクタ。
【請求項１７】
更に、前記ウエハ支持体にほぼ面する前記オーバヘッド電極に光学窓、及び前記光学窓に結合し、前記オーバヘッド電極を通して延びる光搬送媒体とを有することを特徴とする請求項１６に記載のプラズマリアクタ。
【請求項１８】
前記ＲＦ電力発生器の周波数及び前記整合素子の共振周波数は、互いにそれぞれずらされており、且つ電極−プラズマ共振周波数からそれぞれずらされていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマリアクタ。
【請求項１９】
前記固定インピーダンス整合素子は、同軸同調スタッブを有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマリアクタ。
【請求項２０】
前記固定インピーダンス整合素子は、ストリップライン回路を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマリアクタ。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願）
この出願は、Daniel Hoffman他によって２０００年３月１７日に出願された米国特許出願09/527,342号「プラズマに同調したオーバヘッドＲＦ電極を有するプラズマリアクタ」の一部継続出願である。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、半導体ワークピースを処理するためのプラズマリアクタに関する。
【背景技術】
【０００３】
ＲＦプラズマリアクタは、半導体ウエハを処理し、マイクロエレクトロニックス回路を生成するために用いられる。このリアクタは、処理されるべきウエハを含むチャンバ内にプラズマを形成する。このプラズマは、チャンバに誘導的または容量的に結合されるＲＦプラズマソース電力の印加によって形成され、維持される。チャンバへのＲＦソース電力の容量性結合のために、上方にある電極（ウエハに面して）がＲＦソース電力発生器によって電力供給される。
【０００４】
これらのリアクタにおける一つの問題は、ＲＦ発生器の出力インピーダンス、一般に５０オームが電極とプラズマの組み合わせによって表される負荷インピーダンスに整合されなければならないことである。さもないと、プラズマチャンバへ供給されるＲＦ電力の量がプラズマの負荷インピーダンスの変動と共に変動するので、例えばプラズマ密度のようなプロセスパラメータを必要限度内に保持することができない。
【０００５】
プラズマの負荷インピーダンスは、処理が進行するに従ってダイナミックに変化する傾向にあるリアクタチャンバ内の状態に依存するために、それは処理中に変動する。誘電体または導体のエッチングプロセスのための最適なプラズマ密度のとき、負荷インピーダンスは、ＲＦ発生器の出力インピーダンスと比較して非常に小さく、ウエハの処理中著しく変化する。従って、発生器と負荷の間のインピーダンス整合を能動的に維持するために、インピーダンス整合回路を用いなくてはならない。この能動的なインピーダンス整合は、可変リアクタンス及び／または可変周波数のいずれかを用いる。このインピーダンス整合回路を伴う一つの問題は、それらがプラズマの負荷インピーダンスにおける急速な変化に従うように非常に鋭敏でなければならず、従って、それらの複雑さのために、比較的高価であり、システムの信頼性を減少する。
【０００６】
他の問題は、整合回路がインピーダンス整合を与えることができる負荷インピーダンスの範囲（“整合スペース”）が限定されることである。この整合スペースは、システムのＱに関連する。ここでＱ＝Δｆ／ｆであり、ｆは、システムの共振周波数であり、Δｆは、共振の振幅がｆにおけるピーク共振の振幅の６ｄｂ内にあるｆのいずれかの側のバンド幅である。一般的なＲＦ発生器は、プラズマインピーダンスが変動するに従って、多くのＲＦ電力が反射して発生器に戻されたとき、ほぼ一定レベルのホワード電力を維持する用に、制限された能力を有する。一般に、これは、そのホワード電力のレベルをサーボ機構で制御する発生器によって達成され、その結果、インピーダンスの不整合が増大する（従って、反射電力が増大する）に従って、発生器はそのホワード電力レベルを増大する。勿論、この能力は、発生器が発生することができる最大ホワード電力によって制限される。一般に、発生器は、３：１より大きくないホワード定在波電圧と反射波電圧との最大の比（電圧定在波比、すなわちＶＳＷＲ）を扱うことができる。ＶＳＷＲが３：１を越えるようにインピーダンスの差が増加する（例えば、処理中にプラズマインピーダンスの変動による）と、ＲＦ発生器は、最早供給される電力を制御することができず、プラズマについての制御は失われる。その結果、処理は多分失敗するであろう。
【０００７】
従って、少なくとも近似したインピーダンス整合がＲＦ発生器、及び電極とチャンバの組み合わせによって発生器に与えられる負荷、の間に維持されなければならない。この近似のインピーダンス整合は、プラズマインピーダンスの変動の全体の予期される範囲にわたって、３：１のＶＳＷＲ制限内に発生器の出力におけるＶＳＷＲを保つように十分でなければならない。インピーダンスの整合スペースは、整合回路が一般に発生器の出力においてＶＳＷＲを３：１２またはそれ以下に維持することができる負荷インピーダンスの範囲である。
【０００８】
関連した問題は、負荷インピーダンス自体がプロセスパラメータ、例えば、チャンバの圧力、プラズマソース電力レベル、ソース電力周波数、及びプラズマ密度に非常に敏感であることである。これは、これらのプロセスパラメータ（“プロセスウインドウ”）の範囲を制限し、その範囲内でプラズマリアクタは、受容できないインピーダンス不整合を避けるために、または整合スペースの外側に負荷インピーダンスをもっていく変動を避けるために動作されなければならない。同様に、比較的狭いプロセスウインドウ及びプロセス使用の外側で動作されるリアクタ、または多くのプロセス応用を扱うリアクタを設けることは困難である。
【０００９】
他の関連した問題は、負荷インピーダンスがリアクタ自体の形状、例えば、ある機械的な形状の大きさ及びリアクタ内の材料の導電性または誘電率によっても影響されることである。（これらの形状に関する項目は、リアクタの電気的特性、例えば、負荷インピーダンスに影響を与える浮遊容量、に影響を及ぼす。）これによって、材料における製造の許容量及び変化により同じ設計の異なるリアクタ間で均一性を維持することが困難になる。その結果、高いシステムのＱ及び対応する小さなインピーダンス整合スペースに関して、同じプロセスウインドウを示すか、或いは同じ性能を与える同じ設計の２つのリアクタを製造することは困難である。
【００１０】
他の問題は、ＲＦ電源の不十分な使用である。プラズマリアクタは、プラズマに供給される電力量がＲＦ発生器によって発生される電力より著しく小さい傾向があるという点で不十分であることが知られている。結果として、プラズマに供給されるのに実際に必要な電力より多くの電力を発生するために、発生器の能力におけるコストの増加及び信頼性に対するトレードオフを蒙らなければならない。
【００１１】
（発明の概要）
半導体ワークピースを処理するためのプラズマリアクタは、チャンバ壁を有し、半導体ワークピースを保持するためのワークピース支持体を含むリアクタチャンバ、このワークピース支持体の上方にあるオーバヘッド電極、チャンバ壁の一部を有する電極、発生器の周波数の電力をオーバヘッド電極に供給し、所望のプラズマイオン密度のレベルでチャンバ内にプラズマを維持することができるＲＦ電力発生器を有する。
【００１２】
このオーバヘッド電極は、オーバヘッド電極と所望のプラズマイオン密度でチャンバ内に形成されるプラズマが電極−プラズマ共振周波数で共に共振するように容量を有する。この発生器の周波数は、少なくとも電極−プラズマ共振周波数に近い。リアクタは、更に、プラズマイオン密度の分布の均一性を向上するために、プラズマを掻き回すゆっくり回る磁界を生成する、ウエハ表面上にあるプラズマプロセス領域の周りにＭＥＲＩＥ磁石のセットを有する。
【００１３】
リアクタは、ワークピース支持体に面したオーバヘッド電極の表面上に形成される絶縁層、ＲＦ電力発生器とオーバヘッド電極間の容量性絶縁層、及びワークピース支持体から離れて面しているオーバヘッド電極の表面上で、接している金属またはセラミックのフォーム（気泡）層を有する。絶縁層は、ガスの注入ポート内のアークを抑制するのに充分な容量を与える。容量性絶縁層は、チャンバ内のプラズマからＤＣ電流がオーバヘッド電極を通して流れるの阻止するのに充分な容量を有している。金属のフォーム層は、ガスの注入オリフィス内の軸電界を抑制するのに充分な厚さである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１を参照すると、プラズマリアクタは、半導体ウエハ１１０を支持する、チャンバの下部にあるウエハ支持体１０５を含むリアクタチャンバ１００を有する。一つの実施例では、プロセスキットが接地されたチャンバ本体１２７上の誘電体リング１２０によって支持される導電性または半導電性リング１１５を有することができる。チャンバ１００は、誘電体シールによって接地されたチャンバ本体１２７の上で、ウエハ１１０の上方に所定のギャップ長を保って支持されるディスク形状の導電性オーバヘッド電極によって頂部において囲まれている。
【００１５】
オーバヘッド電極１２５は、その内部表面上に半金属材料（例えば、ＳiまたはＳiＣ）で覆われた金属（例えば、アルミニウ）であるか、または半金属材料それ自体である。ＲＦ発生器１５０は、ＲＦ電力を電極１２５に印加する。発生器１５０からのＲＦ電力は、発生器に整合した同軸ケーブル１６２を介して電極１２５に接続された同軸スタッブ１３５に結合される。このスタッブ１３５は、特性インピーダンス、共振周波数を有し、且つ以下に詳細に説明されるように、電極１２５と同軸ケーブル１６２、すなわちＲＦ電力発生器１５０の出力間にインピーダンス整合を与える。
【００１６】
チャンバ本体は、ＲＦ発生器１５０のＲＦのリターン（戻り：ＲＦの接地）経路に接続される。オーバヘッド電極１２５からＲＦの接地へのＲＦの経路は、誘電体シール１２０の容量及び誘電体シール１３０の容量によって影響される。ウエハの支持体１０５、ウエハ１１０及びプロセスキットの導電性または半導電性リング１１５は、電極１２５に印加されたＲＦ電力に対する主なＲＦのリターン経路を与える。
【００１７】
ＲＦのリターン、すなわち接地に関して計測された、電極１２５、プロセスキット１１５、１２０及び誘電体シール１３０を含むオーバヘッド電極のアッセンブリ１２６の容量は、一つの実施例では１８０ｐＦ（ピコファラッド）である。オーバヘッド電極のアッセンブリ１２６の容量は、電極の面積、ギャップの長さ（ウエハ支持体とオーバヘッド電極間の距離）に影響され、及び浮遊容量に影響するファクタ、特に、使用された材料の誘電率及び厚さによって影響されるシール１３０及び誘電体リング１２０の誘電値（誘電体の値）によって影響される。更に、電極のアッセンブリ１２６の容量（符号のない数、すなわちスカラー量）は、以下に説明されるように、特定のソース電力周波数、プラズマ密度及び動作圧力におけるプラズマの負の容量（複素数）に大きさが等しいかほぼ等しい。
【００１８】
前述の関係に影響するファクタの多くは、リアクタ、ウエハの大きさ、及び処理がウエハ上で一様に実行される要件によって行われるために必要なプラズマプロセス要件の現実により大部分が予め決められる。従って、プラズマの容量は、プラズマ密度及びソース電力の周波数の関数であり、一方電極の容量は、ウエハの支持体と電極のギャップ（高さ）、電極の直径及びアッセンブリの絶縁体の誘電値の関数である。
【００１９】
プラズマ密度、動作圧力、ギャップ、及び電極の直径は、リアクタによって行なわれるべきプラズマプロセスの要件を満足しなければならない。特に、イオン密度は、ある範囲内になければならない。例えば、シリコン及び誘電体のプラズマエッチングプロセスは、一般に１０9〜１０12イオン／ｃｃの範囲内にあるプラズマイオン密度を必要とする。ウエハの電極ギャップは、ギャップが約２インチ（約５.０８センチ）の場合、例えば８インチ（約２０.３２センチ）のウエハに対して最適のプラズマイオン分布の均一性を提供する。電極の直径は、ウエハの直径より大きくない場合は少なくとも直径までの大きさであるのが好ましい。同様に、動作圧力は、一般的なエッチング及び他のプラズマプロセスに対して実用的な範囲を有する。
【００２０】
しかし、上記の好適な関係、特にソース周波数の選択及びオーバヘッド電極アッセンブリ１２６に対する容量の選択を達成するために選択される他のファクタが残っていることがわかった。電極に課せられた前述の大きさの制限及びプラズマに課せられた制限（例えば密度の範囲）内で、電極容量は、ソース電力周波数がＶＨＦ周波数であるように選択され、また電極アッセンブリ１２６の絶縁素子の誘電値が適正に選択された場合、プラズマの負の容量の大きさに整合されることができる。この選択によって、ソース電力周波数及びプラズマ−電極共振周波数間で整合またはほぼ整合を達成することができる。
【００２１】
従って、一つの実施例において、８インチのウエハに対して、オーバヘッド電極の直径は約１１インチ（約２７.９４センチ）であり、ギャップは約２インチ（５.０８センチ）であり、プラズマ密度及び動作圧力は、上述したようにエッチングプロセスに対して特有であり、ＶＨＦソース電力周波数は２１０ＭＨz（他のＶＨＦ周波数も同様に有効であるが）であり、そしてソース電力周波数、プラズマ電極の共振周波数、及びスタッブの共振周波数は、全て整合されるか、ほぼ整合される。
【００２２】
特に、これら３つの周波数は、互いに僅かにずれており、システムのＱを有利に減少する離調効果を達成するために、２１０ＭＨzのソース電力周波数に関して、電極−プラズマ共振周波数は約２００ＭＨz、スタッブ周波数は約２２０ＭＨzである。システムのＱのこのような減少は、チャンバ内部の状態の変化に敏感でないリアクタ性能を与え、その結果全体のプロセスは非常に安定し、非常に広いプロセスウインドウ範囲にわたって実行される。
【００２３】
同軸スタッブ１３５は、全体のシステムの安定性、その広いプロセスウインドウの能力ばかりでなく他の多くの価値ある利点に貢献する特に改造された設計である。それは、円筒状内部導体１４０及び同心円筒状の外部導体１４５を有する。例えば、１の比誘電率を有する絶縁体１４７（図１ではクロスハッチングによって示されている）が内部導体と外部導体１４０、１４５間の空間を満たしている。内部導体と外部導体１４０、１４５は、例えば、ニッケルで被覆されたアルミニウムから作られている。
【００２４】
模範的な実施例では、外部導体１４５は約４インチ（約１０.１６センチ）の直径を有し、内部導体１４０は約１.５インチ（約３.８１センチ）の直径を有している。スタッブの特性インピーダンスは、内部導体と外部導体１４０、１４５の半径及び絶縁体１４７の誘電率によって決まる。上述の実施例のスタッブ１３５は、６５０Ωの特性インピーダンスを有する。より一般的には、スタッブの特性インピーダンスは、ソース電極の出力インピーダンスを約２０％〜４０％だけ越え、好ましくは、３０％だけ越える。スタッブ１３５は、２１０ＭＨｚのＶＨＦソース電力周波数から僅かに離れているけれどもほぼ整合するように２２０ＭＨｚの近傍で共振するように、約２９インチ（７５.６６センチ）の軸長−２２０ＭＨｚの１／４波長−を有する。
【００２５】
以下に説明されるように、ＲＦ発生器１５０からのＲＦ電力をスタッブ１３５に与えるためのスタッブ１３５の軸長に沿って特定の点にタップ１６０が設けられる。発生器１５０のＲＦ電力の端子１５０ｂ及びＲＦリターンの端子１５０ａは、スタッブ１３５のタップ１６０において内部と外部のスタッブ導体１４０、１４５にそれぞれ接続される。これらの接続は、発生器１５０の出力インピーダンス（一般に、５０Ω）によく知られた方法で整合する特性インピーダンスを有する発生器からスタッブの同軸ケーブル１６２を介して行なわれる。
【００２６】
スタッブ１３５の遠い端１３５ａにある終端導体１６５が内部導体と外部導体１４０、１４５を共に短絡し、その結果スタッブ１３５は、その離れた端１３５ａにおいて短絡される。スタッブ１３５の近い端１３５ｂ（短絡されない端）において、外部導体１４５は、環状の導電性ハウジングまたは支持体１７５を介してチャンバ本体に接続され、一方内部導体１４０は、導電性シリンダーまたは支持体１７６を介して電極１２５の中央に接続される。誘電体リング１８０が導電性シリンダー１７６と電極１２５の間に保持され、それらを分離する。
【００２７】
内部導体１４０は、プロセスガスや冷却液のような実用性のためのコンジット（導管）を提供する。この形状の主な利点は、一般的なリアクタと違って、ガスライン１７０や冷却液のライン１７３が大きな電位差を横切らないことである。従って、それらは金属、すなわちこの目的のために費用のかからない、より信頼性のある材料から構成される。金属製のガスライン１７０は、オーバヘッド電極１２５またはその近傍のガスの入口１７２からガスを供給し、一方金属製の冷却液のライン１７３は、オーバヘッド電極１２５内にある冷却液の通路またはジャケット１７４から冷却液を供給する。
【００２８】
アクティブな、共振インピーダンス変換が、ＲＦ発生器１５０、オーバヘッド電極アッセンブリ１２６及び処理プラズマの負荷間に特に配置されたスタブ整合回路によって与えられ、反射電力を最小にし、負荷インピーダンにおける広い変化を調整する非常に広いインピーダンス整合スペースを提供する。結果的に、一般的なインピーダンス製造装置の必要性を最小にしまたは避けつつ、電力の使用における前述の得がたい効率と共に、広いプロセスウインドウ及びプロセスのフレキシビリティ（柔軟性）が得られる。上述のように、スタッブの共振周波数も理想の整合からはずされ、全体のシステムのＱ、システムの安定性とプロセスウインドウ及び多重プロセスの可能性を更に向上する。
【００２９】
電極−プラズマ共振周波数及びＶＨＦソース電極周波数の整合
上に概略説明したように、主な特徴は、電極−プラズマ共振周波数におけるプラズマとの共振、及びソース電力周波数と電極−プラズマ周波数の整合（または近似的な整合）に適したオーバヘッド電極アッセンブリ１２６を構成することである。電極アッセンブリ１２６は優勢な容量性リアクタンスを有し、一方プラズマリアクタンスは、周波数、プラズマ密度及び他のパラメータの複素関数である。（以下に詳細に説明されるように、プラズマは、虚数項を含む複素関数であり、そして一般に負の容量に相当するリアクタンス換算して解析される。）
【００３０】
電極−プラズマ共振周波数は、電極アッセンブリ１２６のリアクタンス及びプラズマのリアクタンスによって決められる（キャパシタとインダクタのリアクタンスによって決められるキャパシタ／インダクタの共振回路の共振周波数と類似である）。従って、電極−プラズマ共振周波数は、必ずしもソース電力周波数ではなく、プラズマ密度に依存する。従って、問題はソース電力の周波数を見つけることである。その周波数で、電極−プラズマ共振周波数がソース電力周波数と等しいか、あるいはほぼ等しいように、プラズマリアクタンスに、プラズマ密度の特定の範囲及び電極の大きさに対する実際の制限の制約が与えられる。
【００３１】
プラズマ密度（プラズマリアクタンスに影響を与える）及び電極の大きさ（電極のキャパシタンスに影響を与える）は、あるプロセスの制約に適合しなければならないので、この問題は非常に困難である。特に、誘電体と導体のプラズマエッチングプロセスに対して、プラズマ密度は、プラズマリアクタンスについての制約である１０9−１０12イオン／ｃｃの範囲内になければならない。更に、例えば、直径８インチのウエハを処理するための均一なプラズマイオン密度の分布は、約２インチの、ウエハと電極のギャップすなわち高さ及び電極の容量についての制約であるウエハの直径のオーダまたはそれより大きい電極の直径によって実現される。一方、直径１２インチのウエハに対しては、異なるギャップを用いることができる。
【００３２】
従って、電極の容量をプラズマの負の容量の大きさに整合する（またはほぼ整合する）このとによって、電極−プラズマ共振周波数及びソース電力周波数が少なくともほぼ整合される。上に挙げた一般的な導体及び誘電体のエッチングプロセス条件（すなわち、１０9−１０12イオン／ｃｃのプラズマ密度、２インチのギャップ、及び約１１インチのオーダの電極直径）に対して、ソース電極周波数がＶＨＦ周波数であれば、整合が可能である。他の条件（例えば、異なるウエハの直径、異なるプラズマ密度など）は、リアクタのこの特徴を実行する点でこのような整合を実現するために異なる周波数範囲を決定することができる。
【００３３】
以下に詳細に説明されるように、誘電体と金属のプラズマエッチング及び化学気相堆積を含む幾つかの主な応用において、８インチのウエハを処理するための好適なプラズマ処理条件の下で、上述されたプラズマ密度を有する一つの代表的な動作例においてプラズマ容量は−５０〜−４００ｐＦであった。
【００３４】
模範的な実施例において、オーバヘッド電極アッセンブリ１２６の容量は、１１インチの電極直径、約２インチのギャップ長（電極とペデスタルとの間隔）を使用することによって、また、９の誘電率、１インチのオーダの厚さを有するシール１３０に適した誘電体材料、及び４の誘電率と１０ｍｍのオーダの厚さを有するリング１２０に適した誘電材料を選択することによって、この負のプラズマ容量の大きさに整合される。
【００３５】
電極アッセンブリ１２６とプラズマの組み合わせは、いま説明されたそれらの容量の整合を仮定して、電極１２５に与えられるソース電力周波数に少なくともほぼ整合する電極−プラズマ共振周波数で共振する。発明者たちは、好適なエッチングプラズマ処理レシピ、環境及びプラズマに対して、この電極−プラズマ共振周波数とソース電極周波数は、ＶＨＦ周波数で整合されまたはほぼ整合されることができる。そしてこのような周波数整合またはほぼ整合が実現されることは大きな利点である。
【００３６】
模範的な実施例において、プラズマの負の容量の前述の値に相当する電極−プラズマ共振周波数は、以下に説明されるように約２００ＭＨzである。ソース電力周波数は２１０ＭＨz、すなわち以下に説明される他の利点を実現するために、電極−プラズマ共振周波数より上方に僅かにずらされている近似の整合である。
【００３７】
プラズマの容量は、他の事項、プラズマの電子密度間の関数である。これは、良好なプラズマ処理条件を与えるために、ほぼ１０9〜１０12イオン／ｃｃの範囲に保たれる必要のあるプラズマのイオン密度に関係する。この密度は、ソース電力周波数と他のパラメータと共に、プラズマの負の容量を決定し、従って、その選択は、以下に更に詳述されるようにプラズマの処理条件を最適化するための必要性によって制約される。
【００３８】
オーバヘッド電極アッセンブリの容量は、多くの物理的ファクタ、例えば、ギャップ長（電極１２５とウエハの間隔）、電極の面積、誘電体シール１３０のための誘電体の誘電正接（loss tangent)、電極１２５と接地されたチャンバ本体１２７間の誘電体シール１３０の誘電率の選択、プロセスキットの誘電体シール１３０のための誘電率の選択、及び誘電体シール１３０と１２０の厚さとリング１８０の厚さと誘電率によって影響される。
【００３９】
これによって、これらの間で行なわれる選択及びオーバヘッド電極の容量に影響を及ぼす他の物理的ファクタによる電極アッセンブリの容量の調節が可能になる。発明者たちは、この調整の範囲が負のプラズマの容量の大きさに対するオーバヘッド電極アセンブリの容量の整合の必要な程度を達成するのに十分であることを発見した。特に、シール１３０及びリング１２０に対する誘電体材料及び大きさは、所望の誘電率及びそれにより生じる誘電値を与えるように選択される。
【００４０】
幾つかの電極の容量に影響する同じ物理的ファクタ、特にギャップ長が以下の実用可能性：大きな直径のウエハを扱う必要性；ウエハの全直径にわたってプラズマイオン密度の分布の良好な均一性を伴って大きな直径のウエハを扱う必要性；及びイオン密度体イオンエネルギーの良好な制御を有する必要性によって決定または制限されるという事実にかかわらず、電極の容量とプラズマの容量を整合することは達成される。
【００４１】
プラズマの容量に対する先の範囲及び整合オーバヘッド電極の容量が与えられた場合、電極−プラズマ共振周波数は、２１０ＭＨzのソース電力周波数に対して約２００ＭＨzであった。
【００４２】
この方法で電極アッセンブリ１２６の容量を選択すること、そしてその結果の電極−プラズマ共振周波数とソース電力周波数を整合することの大きな利点は、ソース電力周波数に近い電極とプラズマの共振が広いインピーダンス整合と広いプロセスウインドウを与え、結果的に、プロセス条件の変化に対して非常に大きな不感受性、従って、大きな、性能の安定性を与える。
【００４３】
全体の処理システムは、動作条件の変化、例えば、プラズマインピーダンスのシフトに殆ど感じないようになり、従って、プロセスの適用可能性の大きな範囲と共により信頼されるようになる。本明細書において以下に説明されるように、この利点は、更に電極−プラズマ共振周波数とソース電力周波数間の小さなずれによって増大される。
【００４４】
何故プラズマは負の容量を有するか
プラズマの容量は、複素数であり、自由空間の電気的誘電率ε0、プラズマの電子周波数ωpe、ソース電力周波数ω、及び電子の中性衝突周波数γenの関数であるプラズマの電気的誘電率εによって支配され、以下の式に従う。
ε＝ε0[１−ωpe2/(ω(ω＋ｉγen))］、ここでｉ＝(−１)1/2である。
（プラズマの電子周波数ωpeは、プラズマ電子密度の単純な関数であり、プラズマ処理に関する良く知られた刊行物に定義されている)
【００４５】
一つの動作例において、プラズマ密度が１０9〜１０12ｃｃ-1であるように印加された充分なＲＦ電力を有し、１０ｍＴ〜２００ｍＴの範囲のチャンバ圧力で、中性種はアルゴン、プラズマ電子周波数は約２３０ＭＨz、ＲＦソース電力周波数は約２１０ＭＨzであった。プラズマエッチングプロセスに適した代表的な条件であるこれらの条件の下で、プラズマは、一般に負の容量を有する。何故ならば、先の式によって定義されたその実効電気誘電率が負であるからである。
【００４６】
これらの条件の下で、プラズマは、−５０〜−４００ｐＦの負の容量を持った。より一般項から分かるように、プラズマの容量は、プラズマの電子密度(ソース電力周波数と電子中性衝突周波数と同様に)の関数として、ある所望の範囲への誘電体エッチング、金属エッチング及びＣＶＤのような主な応用に対する好適なプラズマプロセスの実現性によって一般に制限され、ＶＨＦソース電力周波数で負の値を有する傾向にある。プラズマのこれらの特性を利用することによって、リアクタの電極容量の整合及び周波数整合の特徴がプロセスウインドウの能力と柔軟性を達成し、動作の安定性は前のように可能ではない。
【００４７】
スタッブ１３５によって与えられたインピーダンス変換
スタッブ１３５は、ＲＦ発生器１５０の５０Ωの出力インピーダンスと電極アッセンブリ１２６とチャンバ内のプラズマの組み合わせによって示される負荷インピーダンス間にインピーダンス変換を与える。このようなインピーダンス整合に対して、発生器とスタップの接続点及びスタッブと電極の接続点におけるＲＦ電力の反射は殆どないか、または全くない (少なくともＲＦ発生器１５０のＶＳＷＲの制限を超えて反射しない)。これはどのようにして達成されるのかを以下に説明する。
【００４８】
発生器１５０の所望のＶＨＦ周波数において、及びプラズマエッチングプロセスに対して好適なプラズマ密度とチャンバ圧力(すなわち、それぞれ１０9〜１０12イオン／ｃｍ3及び１０ｍＴ〜２００ｍＴ)において、プラズマ自体のインピーダンスは、約(０.３＋(ｉ)７)Ωであり、ここで、０.３はプラズマインピーダンスの実数部、ｉ＝(−１)1/2、及び７はプラズマインピーダンスの虚数部である。電極とプラズマの組み合わせによって表される負荷インピーダンスは、このプラズマインピーダンスの関数であり、電極１２６の容量の関数である。
【００４９】
上述したように、電極アッセンブリ１２６の容量は、約２００ＭＨzの電極−プラズマ共振周波数によって電極アッセンブリ１２６とプラズマ間で共振を達成するように選択される。スタッブと電極のインタフェースにおけるＲＦ電力の反射は、最小にされるか、または避けられる。何故ならば、スタッブ１３５の共振周波数は、２つが少なくとも共に近くで共振するように電極−プラズマ共振周波数にあり、またはその近くにあるように設定されるからである。
【００５０】
同時に、発生器とスタッブのインタフェースにおけるＲＦ電力の反射波が最小にされるか、避けられる。何故ならば、スタッブ１３５の軸長に沿ったタップ１６０の位置は、タップ１７０において、スタッブ１３５における定在波電圧と定在波電流の比が発生器１５０の出力インピーダンスか、またはケーブルの特性インピーダンス(共に約５０Ｗ)の近くにあるものだからである。これを達成するためにタップ１６０がどのように配置されるかを以下に説明する。
【００５１】
スタッブのタップ１６０の軸上の位置
同軸スタッブ１３５の軸の長さは、上述されたように、電極−プラズマ共振周波数の近くである“スタッブ”周波数(例えば、２２０ＭＨz)の半波長の倍数であるのが好ましい。代表的な実施例においては、この倍数は２で、その結果同軸スタッブの長さが“スタッブ”周波数の約半波長、すなわち約２９インチ(７３.６６ｃｍ)である。
【００５２】
タップ１６０は、スタッブ１３５の長さに沿った特定の軸上の位置にある。この位置において、発生器１５０の出力周波数におけるＲＦ信号の定在波電圧と定在波電流の比は、ＲＦ発生器(例えば５０Ω)の出力インピーダンスと整合する入力インピーダンスに相当する。
【００５３】
これは、図２(Ａ)及び図２(Ｂ)に示され、スタッブ１３５における電圧と電流定在波が短絡された外部スタッブの端１３５ａにおいて、それぞれナル(null)とピーク(peak)を有する。タップ１６０に対する所望の位置は、定在波電圧と電流の比が５０Ωに相当する場合、短絡した端部から内方へ距離Ａの位置にある。この位置は、当業者によって、定在波比が５０オームであるのが何処かを経験的に決定することによって容易に見つけられる。
【００５４】
ＲＦ発生器の出力インピーダンス(５０Ω)に整合回路を与えるタップ１６０の距離すなわち位置Ａは、この明細書で後述されるスタッブ１３５の特性インピーダンスの関数である。タップ１６０が距離Ａに正確に位置されると、もし、ＲＦ発生器が３：１の電圧定在波比(ＶＳＷＲ)にわたって一定の供給電力を維持することができる代表的なものであれば、インピーダンス整合スペースは、負荷インピーダンスの実数部における９：１の変化を調整する。
【００５５】
一つの模範的な実施例において、インピーダンス整合スペースは、負荷インピーダンスの実数部においてほぼ６０：１の変化を調整するように大きく拡張される。この劇的な結果は、同軸スタッブ１３５の短絡された外部の端部１３５Ａに向かって位置Ａにおいて正確な５０Ｗ点からタップ１６０を僅かにシフトすることによって達成される。このシフトは、例えば模範的な実施例では波長の５％(すなわち、約１.５インチ(３.８１センチ))である。
【００５６】
図３及び図４を参照して以下に説明されるように、この僅かにシフトされたタップの位置において、タップ１６０におけるＲＦ電流分布は、プラズマの負荷インピーダンスにおける変動を補償するために、最適になるスタッブにおける電流を引き算（減少）する、電流へ足し算（増加）する。負荷インピーダンスの実数部における９：１の振れを６０：１に調整するものから整合スペースを増大するのに、この補償は十分である。
【００５７】
この振舞いは、タップ点がＡの“整合”位置からはなれて移動するに従って、スタッブ１３５における定在波電流の位相が、電極−プラズマ負荷インピーダンスとのインピーダンス不整合により敏感になる傾向のためであると思われる。上述のように、電極アッセンブリ１２６は、通常の動作条件の下で、プラズマの負の容量に整合される。この容量は、好適なＶＨＦソース電力周波数（２１０ＭＨz）において、−５０〜−４００ｐＦである。この容量のとき、プラズマは（０.３＋ｉ７）Ωのプラズマインピーダンスを示す。従って、０.３オームは、システムが同調されるプラズマインピーダンスの実数部である。
【００５８】
プラズマ状態が変動するに従って、プラズマ容量及びインピーダンスはそれらの通常の値から離れて変動する。プラズマ容量が、電極１２５が整合された容量から変動するに従って、電極−プラズマ共振の位相は変化し、スタッブ１３５における電流の位相に影響を及ぼす。しがって、スタッブの定在波電流の位相がシフトするに従って、タップ１６０に供給されたＲＦ発生電流は、移相の方向に依存して、スタッブの定在波電流に足し算されるか、それから引き算される。Ａにおける５０Ωの位置からのタップ１６０の偏移は、波長の本の一部（例えば、５％）に制限される。
【００５９】
図３は、プラズマの変動によりプラズマインピーダンスの実数部分が増加した場合の、スタッブ１３５における定在波電流を示す。図３において、電流定在波振幅は、スタッブ１３５に沿った軸上の位置の関数としてプロットされている。横軸の０.１の位置における定在波電流の振幅の不連続性はタップ１６０の位置に相当する。
【００６０】
図３のグラフにおいて、プラズマインピーダンスの実数部は、システムが整合される（すなわち、電極の容量が負のプラズマ容量に整合する）通常のプラズマインピーダンスより高いので、インピーダンス不整合が生じる。この場合、タップ１６０における電流は、スタッブ１３５における定在波電流から引き算される。この引き算によって、図３のグラフにおける不連続性またはヌル(null)を生じ、増加した負荷を相殺するように供給電力を減少する。これにより、高い負荷（Ｒ）による供給された電力（Ｉ2Ｒ）の対応する増加を避ける。
【００６１】
図４は、プラズマインピーダンスの実数部が減少した場合の、スタッブ１３５における定在波電流を示す。図４において、電流定在波の振幅が、スタッブ１３５に沿った軸上の位置の関数としてプロットされている。０.１の位置における定在波電流の振幅がタップ１６０の位置を示している。図４のグラフにおいて、プラズマインピーダンスの実数部は、システムが同調される通常のプラズマインピーダンスより低い。
【００６２】
この場合、スタッブ１６０における電流は、スタッブ１３５における定在波電流に加わる。この追加は、減少された負荷を相殺するように供給電力を増加し、減少された負荷Ｒによる供給された電力Ｉ2Ｒにおける付随した減少を避ける。この補償に関して、負荷インピーダンスにおける非常に大きな変化を整合スペースが著しく増加されるように調整することができる。
【００６３】
負荷インピーダンスの実数部における６０：１のスイングを調整する整合スペースのこの拡張は、リアクタのプロセスウインドウ及び信頼性を増大する。これは、特定のプロセスまたは適用中に動作状態がシフトするか、またはリアクタがいろいろな適用のためのいろいろな動作レシピで動作されるに従って、プラズマインピーダンス、特にインピーダンスの実数部が変化するからである。
【００６４】
従来技術において、このような変化は、そのシステムに用いられている従来の整合回路の範囲を容易に越えるので、供給された電力は、可変プロセスを支えるために最早充分に制御することができず、プロセスは失敗する。本リアクタにおいては、供給電力が所望のレベルに維持される負荷インピーダンスの実数部の範囲が非常に増加されるので、プロセスの失敗に導いたプラズマインピーダンスの変化は、本発明のこの特徴を実施するリアクタには殆ど、或いは全く影響しない。
【００６５】
従って、本発明は、リアクタが特定のプロセスまたは適用中に動作状態の大きな変化に耐えることができるようにする。代わりに、本発明は、リアクタがプロセス状態の広い範囲（著しい利点）を含む多くのいろいろな応用に用いられることができるようにする。
【００６６】
更なる利点として、この広いインピーダンス整合を与える同軸スタッブ１３５は、“移動部分”、例えば、従来のインピーダンス整合装置の典型的な可変コンデンサー／サーボまたは可変周波数／サーボを有しない簡単な受動装置である。従って、それは、従来のインピーダンス整合装置より費用がかからず、且つ非常に信頼できるものである。
【００６７】
プロセスウインドウを広くする動作及び共振周波数の離調（デチューニング）
他の特徴によると、スタッブの共振周波数、電極−プラズマ共振周波数、及びプラズマソース電力周波数を互いに僅かにオフセットすることによって、プロセスウインドウを広くするために、システムのＱは減少される。上述したように、スタッブ共振周波数は、スタッブ１３５の軸長が１／２波長である周波数であり、電極−プラズマ共振周波数は、電極アッセンブリ１２６とプラズマが共に共振する周波数である。模範的な実施例において、スタッブ１３５は、その共振周波数が２２０ＭＨzである長さに切断され、ＲＦソース電力発生器１５０は、２１０ＭＨzで動作するように選択され、そしてその結果得られた電極−プラズマ共振周波数は、約２００ＭＨzであった。
【００６８】
３つとも同じ周波数ではなく、プラズマ共振、スタッブ共振及びソース電力周波数のためのこのような３つの異なる周波数を選択することによって、システムのＱは、幾らか“離調された”。従って、それは低い“Ｑ”を有する。高いＶＨＦソース電極周波数の使用によって、Ｑは、（エッチングの好ましい動作状態の下で電極とプラズマ容量の整合を容易にするのに加えて）同様に比例して減少する。
【００６９】
システムのＱを減少することは、システムのインピーダンス整合スペースを広くし、その結果、その性能は、プラズマ状態の変化または製造の許容度（トレランス）からの偏差の影響を受けにくい。例えば、電極−プラズマ共振は、プラズマ状態の変動により変動する。より小さなＱについて、インピーダンス整合（この明細書において前述した）に必要な、スタッブ１３５と電極プラズマの組み合わせ間の共振は、プラズマ−電極共振の与えられた変化に対して殆ど変化しない。
【００７０】
結果として、プラズマ状態の変動は、インピーダンス整合に殆ど影響を及ぼさない。特に、プラズマの動作状態の与えられた偏差は、ＲＦ発生器１５０の出力にＶＳＷＲの僅かな増加を生じる。従って、プラズマのプロセス条件（圧力、ソース電力レベル、ソース電力周波数、プラズマ密度など）の広いウインドウでリアクタを動作することができる。
【００７１】
更に、製造の許容度は、コストを節約するために緩められ、同じモデルのリアクタ間でより均一な性能が達成される。これは重要な利点である。関連した利点は、同じリアクタがいろいろなプロセスレシピ、いろいろなアップリケーション、例えば、導体のエッチング、誘電体のエッチング及び／又は化学気相堆積などを行なうのに有用である、著しく広いプロセスウインドウを有することができる。
【００７２】
プロセスウインドウを広くするためスタッブの特性インピーダンスの最小化
同調スペースを広くする、すなわちシステムのＱを減少する他の選択は、スタッブの特性インピーダンスを減少することである。しかし、スタッブの特性インピーダンスは、適当な整合スペースを確保するために発生器の出力インピーダンスを越えるのが好ましい。従って、システムのＱは減少されるのが好ましいが、ただスタッブ１３５の特性インピーダンスが信号発生器１５０の出力インピーダンスを越える量を減少する程度までである。
【００７３】
同軸スタッブ１３５の特性インピーダンスは、内部及び外部導体１４０、１４５の半径の、及びそれらの間にある絶縁体１４７の誘電率の関数である。スタッブの特性インピーダンスは、プラズマ電源１５０の出力インピーダンス及び電極１２５おける入力インピーダンス間に必要なインピーダンス変換を与えるように選択される。
【００７４】
この特性インピーダンスは、最小の特性インピーダンスと最大の特性インピーダンスの間にある。スタッブ１３５の特性インピーダンスを変化することは、図２の波形を変化し、従って、タップ１６０の所望の位置（すなわち、スタッブ１３５の遠い端からのその変位Ａ）を変化する。スタッブ１３５の許容できる最小の特性インピーダンスは、図２の距離Ａが０であるところであるので、タップ１６０は、定在波電流及び電圧間の５０Ω比を知るために、電極１２５の反対にある同軸スタッブ１３５の遠い端１３５ａ上に配置されなければならない。
【００７５】
スタッブ１３５の許容できる最大の特性インピーダンスは、図２の距離Ａがスタッブ１３５の長さに等しいものであるので、タップ１６０は、定在波電流及び電圧間の５０Ω比を知るために、電極１２５に接近している同軸スタッブ１３５の近い端１３５ｂに近くなければならない。
【００７６】
最初の実施例において、同軸スタッブの特性インピーダンスは、適当な整合スペースを提供するために、ＲＦ発生器１５０の出力インピーダンスより（約３０％だけ）大きくなるように選択された。スタッブのインピーダンスは、ＲＦ発生器の出力インピーダンスを越えなければならない。何故ならば、インピーダンス整合状態は、以下の式を満足するようにタップ点１６０の位置を選択することによって達成されるからである。
Ｚgen＝ａ2［Ｚstub2／ｒplasma］
ここで、ａは、タップ点の位置によって決められ、０と１の間で変化する。（ａは全体のスタッブ１３５のインダクタンスに対する、遠い端部１３５ｂとタップ１６０間のスタッブ１３５の小さな部分のインダクタンスの比に相当する。）
【００７７】
ａは１を越えることができないので、前記の式に対する解を見つけるために、スタッブの特性インピーダンスは、発生器の出力インピーダンスを越えなければならない。しかし、システムのＱは、スタッブの特性インピーダンスに直接比例するので、スタッブの特性インピーダンスが発生器の出力インピーダンスを越える量は、実用上Ｑを低く保つためには幾らか小さくするのが好ましい。模範的な実施例において、スタッブの特性インピーダンスは、約１５オームだけ発生器の出力インピーダンスを越える。
【００７８】
しかし、他の実施例においては、インピーダンス整合における幾らかの減少を伴って大きな電力効率を達成するように、同軸スタッブの特性インピーダンスをプラズマ電源（発生器）の出力インピーダンスより小さくなるように選ぶことができる。
【００７９】
スタッブのインピーダンス変換によって与えられる増大した電力効率
この明細書の初めに説明したように、プラズマエッチングプロセスを助けるプラズマ動作状態（例えば、プラズマ密度）が非常に小さな実数（抵抗性）部（例えば、０.３Ωより小さい）及び小さな虚数（リアクティブ）部（例えば、７Ω）を有するプラズマインピーダンスを生じる。容量性損失は、システムの組み合わせ電極−プラズマ領域において優勢である。何故ならば、電極の容量は、リアクタのその部分における電力の流れに対して優勢なインピーダンスとなるからである。
【００８０】
従って、電極−プラズマの組み合わせにおける電力損失は、電極−プラズマの組み合わせに関する電圧に比例する。反対に、スタッブ１３５のインダクタンス及び抵抗は、スタッブ１３５における電力の流れに対してインピーダンスの優勢な素子であるから、誘導性及び抵抗性損失は、スタッブ１３５において優勢である。従って、スタッブ１３５における電力損失は、スタッブにおける電流に比例する。スタッブの特性インピーダンスは、電極−プラズマの組み合わせによって表されるインピーダンスの実数部より非常に大きい。従って、より高いインピーダンスのスタッブ１３５においては、電流が高く、電圧が低い低インピーダンスプラズマにおけるよりも、電圧は高く、電流は低くなる。
【００８１】
従って、スタッブ１３５とプラズマ−電極の組み合わせ間のインピーダンス変換は、スタッブ１３５において高い電圧及び低い電流（抵抗性及び誘導性損失が優勢であり、これらが最小化される場合）、及びプラズマ／電極においてそれに応じた低い電圧及び高い電流（容量性損失が優勢であり、これらが最小にされた場合）を生じる。この方法において、システムにおける全体の電力損失は、最小化され、その結果電力効率は著しく改善される。これは大きな利点である。模範的な実施例において、電力効率は約９５％またはそれ以上になる。
【００８２】
従って、上述のように構成されたスタッブ１３５は、動作状態の非常に広い範囲またはウインドウにわたって発生器と電極−プラズマインピーダンス間にインピーダンス整合または変換を行なうばかりでなく、更に、電力効率の著しい改善を行なうように働く。
【００８３】
クロス−グランディング(Cross-Grounding)
ウエハ表面におけるイオンエネルギーがプラズマ密度／オーバヘッド電極の電力に無関係に制御される。イオンエネルギーのこのような独立した制御は、ＨＦ周波数のバイアス電源をウエハに印加することによって行なわれる。この周波数（一般的には、１３.５６ＭＨz）は、プラズマ密度を制御するオーバヘッド電極に印加されるＶＨＦ電力より著しく低い。バイアス電力は、従来のインピーダンス整合回路２１０を介してウエハ支持体１０５に結合されるバイアス電力のＨＦ信号発生器２００によってウエハに印加される。バイアス発生器２００の電力レベルは、ウエハ表面近くのイオンエネルギーを制御し、一般にプラズマソース電力発生器１５０の電力レベルの何分の１かである。
【００８４】
上述されたように、同軸スタッブ１３５は、外部のスタッブ端部に短絡導体１６５を有し、スタッブの内部導体１４０と外部導体１４５間に短絡回路を与える。図２に示されるように、短絡導体１６５は、ＶＨＦ定在波電流のピークとＶＨＦ定在波電圧のヌルの位置を確立する。
【００８５】
しかし、短絡導体１６５は、スタッブ共振とプラズマ／電力共振の結合、それらの双方はＶＨＦソース電力周波数であるかそれに近いため、ＶＨＦ印加電力を短絡しない。しかし、導体１６５は、他の周波数、たとえばウエハに加えられる（ＨＦバイアス発生器２００から）ＨＦバイアス電源に対して接地するように直接短絡として現れる。また、それは高い周波数、例えばプラズマシースに生成されるＶＨＦソース電力周波数の高調波を短絡する。
【００８６】
ウエハ１１０とウエハ支持体１０５、ＨＦインピーダンス整合回路２１０及びそれらに接続されたＨＦバイアス電源２００の組み合わせは、オーバヘッド電極１２５に印加されるＶＨＦ電力に対して接地ために非常に低いインピーダンスすなわち近似短絡を与える。結果として、システムは、クロス接地され(cross-grounded)、そしてＨＦバイアス信号は、オーバヘッド電極１２５と短絡された同軸スタッブ１３５を介して接地されるためにリターンされ（戻され）、オーバヘッド電極１２５上のＶＨＦ電力信号は、ウエハ、ＨＦバイアスインピーダンス整合２１０及びＨＦバイアス電力発生器２００を通る（ＶＨＦに対して）非常に低いインピーダンス経路を介して接地されるためにリターンされる。
【００８７】
ウエハの面とオーバヘッド電極１２５の面間のチャンバ側壁の露出部分は、電極１２５の大きな面積及び比較的短い電極とウエハ間のギャップのために、オーバヘッド電極１２５に印加されたＶＨＦ電力に対する直接的なリターン（戻り）経路として殆ど、または全く役割を果たさない。実際に、チャンバの側壁は、磁界絶縁または誘電体被覆、または環状誘電体の挿入または取外し可能なライナーを用いてプラズマから分離されることができる。
【００８８】
垂直の電極−ペデスタル通路内にあり、そしてチャンバ１００の他のパーツから離れているオーバヘッド電極１２５からでるＶＨＦプラズマソース電力の電流を制限するために、ウエハ１１０の面における効果的な接地またはリターン電極の面積は、ウエハまたはウエハ支持体１０５の物理的な面積を越えて大きくされ、その結果それはオーバヘッド電極１２５の面積を越える。これは、環状のプロセスキット１１５の容易によって行なわれ、それらの導電性または半導電性リング部分は、一般にウエハと同一平面でウエハを囲んでおり、浮遊容量を接地されたチャンバ本体に与える。これは、オーバヘッド電極からのＶＨＦ電力信号に対して、ウエハ１１０の面にある“リターン”電極の有効半径を越える。
【００８９】
模範的な実施例において、プロセスキット１１５の導電性または半導電性リング部分は、プロセスキット１１５の誘電体リング部分１２０によって接地されたチャンバ本体から絶縁される。誘電体リング１２０の厚さ及び誘電率は、ウエハ１１０を通るＶＨＦ接地電流、及びプロセスキット１１５の導電性または半導電性リング部分を通るＶＨＦ接地電流が望ましい比を達成するように選択される。
【００９０】
ウエハの表面及び電極１２５間の垂直経路内のバイアス発生器２００からのＨＦプラズマバイアス電極からの電流を制限し、チャンバの他のパーツ（例えば、側壁）への電流を避けるために、オーバヘッド電極１２５は、ウエハまたはウエハ支持体１０５より著しく大きい有効なＨＦリターン電極面積を提供する。ウエハ支持体１０５の面におけるプロセスキット１１５のリング部分は、ＨＦバイアス電力をチャンバへ結合する点では著しい役割を果たさないので、ＨＦバイアス電力を結合するための有効な電極面積は、ウエハの面積とウエハ支持体に実質的に制限される。
【００９１】
プラズマの安定性の増強
プラズマの安定性は、スタッブ１３５の後ろ側でスタッブの内部及び外部導体を横切って接続された短絡導体１６５へプラズマのＤＣ結合を除去することによって増強される。これは、同軸スタッブの内部導体１４０と電極１２５間に薄い容量性リング１８０を設けることによって行なわれる。図１の実施例において、リング１８０は、下部にある電極１２５と導電性環状内部ハウジングの支持体１７６間に挟まれる。ここに説明される模範的な実施例において、容量性リング１８０は、選択されたバイアスの周波数、約１３ＭＨzに依存して、約１８０ピコファラッドの容量を有した。
【００９２】
容量のこのような値について、容量性リング１８０は、上述のクロスグランディング形状を妨げない。クロスグランディング形状において、ウエハペデスタル上のＨＦバイアス信号は、スタッブ１３５を介してＨＦバイアス発生器１５０のＲＦリターン（戻り）端子に戻され、一方、電極１２５からのＶＨＦソース電力信号は、ウエハペデスタルを介してＶＨＦソース電力発生器１５０のＲＦリターン端子に戻される。
【００９３】
図５は、周波数の関数としてＶＨＦ電源とオーバヘッド電極１２５間の反射係数を示すグラフである。このグラフは、上述の非常に有利な低いシステムＱを示す反射係数が６ｄＢ以下である周波数の非常に広いバンドの存在を示している。
【００９４】
図６は、タップ１６０がスタッブの短絡された端部から図２（Ｂ）の距離Ａに置かれた場合に同軸スタッブに沿って位置の関数として定在波電流を示す。
【００９５】
図７は、同軸スタッブ１３５の内部導体１４０にテーパが付けられたリアクタの他の実施例を示し、オーバヘッド電極１２５に隣接するスタッブの近い端部１３５ｂにある大きな半径とスタッブの遠い端１３５ａにおける小さな半径を有している。この特徴は、タップ１６０における同軸スタッブ１３５によって示される低いインピーダンス（例えば、５０Ｗ）とオーバヘッド電極１２５における同軸スタッブ１３５によって示される高いインピーダンス（例えば、６４Ｗ）間に変換を与える。また、図７に示されるように、スタッブ１３５は、曲線である必要はなく、代わりに直線であってもよい。
【００９６】
先の説明から理解することができるように、本発明のチャンバは、ＨＦ電源以外のＶＨＦプラズマソース電力のＲＦ電源によって駆動されるオーバヘッド電極を有する容量性結合リアクタに関する。発明者達は、ＨＦ周波数と異なるＶＨＦソース電力周波数で、プラズマと共振するオーバヘッド電極を同調することが実用的であり、いままで達成されなかった安定性と効率及び他の多くの利点を導くことを発見した。
【００９７】
前の実施例のＶＨＦの容量性結合プラズマリアクタは、非常に高いエッチングの選択性及び効率という利点を有する。大きな効率は、このリアクタに誘導的に結合されるリアクタにおいて達成されるプラズマに匹敵する比較的高い密度のプラズマを生成する能力を与える。更に、ＶＨＦの容量性結合リアクタは、誘導的に結合されたリアクタのエッチングの選択性よりはるかに優れたエッチングの選択性を示す。これは、ＶＨＦの容量性結合リアクタは、（誘導性結合リアクタと比較して）プロセスのガス種のはるかに少ない滞留時間、従って揮発性種、例えばフッ素の少ない解離を経験する。
【００９８】
半導体デバイスの形状は、デバイスの高スピードを達成するために、マイクロエレクトロニクス産業によって常に減少されている。デバイスの大きさ又は形状のこのような減少は、例えば、デバイス構造内のコンタクトホールのアスペクト比を増大する。その結果、エッチングプロセスは、それに応じて大きなエッチング速度とエッチングの選択性を持たなければならない。しかし、１０：１のオーダの高いシリコン酸化物とホトレジストのエッチングの選択性を有する二酸化シリコンの高いエッチング速度、例えば９０００Å／分を達成することは、たとえ高効率のＶＨＦの容量的に結合されたプラズマリアクタであっても、非現実的あるように思える。
【００９９】
これは、この性能がこのようなリアクタが生成するウエハまたはワークピースの表面上でのプラズマ分布の均一性に著しい改善を必要とするからである。さもないと、デバイス形状が減少するにしたがって、プロセスがオーバエッチング（高いプラズマイオン密度の領域において）または早いエッチングの停止（低いプラズマ密度の領域において）によって失敗し易くなる。このオーバエッチング問題を避けるために、エッチング速度を減少する全体のプラズマ密度が減少されなければならない。従って、プラズマイオン分布の均一性を改善する方法を見出すことが大きな課題である。
【０１００】
もし、プラズマイオン密度分布の均一性が何とかＶＨＦの容量性結合されたリアクタ内で改善されることができるならば、優れたエッチンの選択性と高いエッチング速度が同じリアクタで実現されるであろう。
【０１０１】
不均一なプラズマ密度分布の問題を克服するリアクタの一つの型は、磁気的に増強された反応性イオンエッチング（ＭＥＲＩＥ）プラズマリアクタである。ＭＥＲＩＥリアクタは、一般に、ＨＦ周波数のＲＦソース電力がウエハの支持ペデスタルに印加され、チャンバの天井又は側壁を通して戻される容量性結合リアクタである。その主な特徴は、ワークピースの面を横切ってプラズマを循環し、または掻き回すゆっくり循環する磁界を生成する電磁石のアレーである。
【０１０２】
この掻き回す動作によって、ワークピース表面を横切るプラズマ密度分布の高い均一性が得られる。しかし、ＭＥＲＩＥリアクタは、ＶＨＦの容量性結合リアクタの高プラズマイオン密度及び高エッチング速度をもっていない。何故ならば、効率が良くないからである。更に、ＭＥＲＩＥリアクタはいろいろな問題を有している。
【０１０３】
（１）ＭＥＲＩＥリアクタは、ウエハ支持ペデスタルとウエハ支持ペデスタル内の金属供給ライン間でアークが発生しやすい。このアークは、プラズマイオン発生からプラズマソース電力をそらし、従って、プラズマイオン密度及びエッチング速度の制御を困難にする。極端に小さなデバイス形状のため、エッチング速度が臨界的であるプロセスにおいて、制御のこのようなロスはプロセスの失敗につながる。
【０１０４】
（２）ＭＥＲＩＥリアクタは、デバイスの損傷を増進する傾向がある強力な磁石のアレー（１０−１００ガウス）を用いなければならない。このような強力な磁界は、プラズマを循環させるのに加えてワークピースの近くに充分なプラズマ密度を生成するために必要である。このような強力な磁界は、ワークピースまたはウエハに接近しているプラズマシースに対してプラズマの相当部分を保持ために必要である。
【０１０５】
しかし、ＭＥＲＩＥリアクタの主な欠点は、それがＶＨＦの容量性結合リアクタが容易に与える高プラズマ密度を達成することができないことである。従って、リアクタは高プラズマイオン密度及び高エッチング選択度（例えば、ＶＨＦの容量性結合リアクタ）を得ることができるリアクタは、高い均一性のプラズマイオン分布を得ることができないに違いないようである。更に、良好なプラズマイオン密度分布の均一性（例えば、ＭＥＲＩＥリアクタ）を有するリアクタは、高プラズマイオン密度を生成することができないに違いないと思われる。
【０１０６】
プロセスガスを容量性結合プラズマリアクタに供給する、優れた方法は、上方の天井を通してプロセスガスを注入することである。本容量性結合プラズマリアクタにおいて、上方の天井は、同軸スタッブ又は同等のインピーダンス整合素子を介してＶＨＦのＲＦ電力発生器に結合されるソース電力の電極である。天井からプロセスガスを注入するために、天井の電極は、“シャワーヘッド”、すなわちプロセスガスを注入するため導体層を通過する小さなガス注入ポート（口）を有する導体層である。
【０１０７】
幾つかの例において、プラズマ放電、すなわち“アーク”が天井のガス注入ポート内に発生する傾向がある。これは、ガス注入ポートの内部表面からオーバヘッド電極又はシャワーヘッドの材料を除去するプラズマ放電の危険を有している。従って、プラズマに導入される種（例えば、金属種）は、ウエハまたはワークピースの表面を汚染し、それらの上で作られているマイクロエレクトロニクスデバイスを損傷する。
【０１０８】
従って、ガス注入ポート（またはバルクプラズマの外側のどこか）内に、特にＶＨＦプラズマソースＲＦ電源に接続されたオーバヘッド電極とガス分配用のシャワーヘッドの組み合わせを有するプラズマリアクタ内にプラズマを点弧する傾向を減少または除去することが必要である。
【０１０９】
特に、オーバヘッド電極がバイアス電力用のアノード及びソース電力用のカソードであり、したがってＲＦ及びＤＣ電流の支配を受けるので、オーバヘッド電極は、プラズマとの接触に耐えることができる。もし、オーバヘッド電極を介して直接これらの電流を通すのを避け、またはプラズマの電極との直接接触するのを避ける方法を見つけることができるならば、リアクタを動作するコストは減少されるであろう。
【０１１０】
一般にプラズマリアクタ内に見出される問題は、プラズマシース内の第２及び第３高調波の発生である。本リアクタにおいて、プラズマＶＨＦソース電力がオーバヘッド電極によって与えられるけれども、プラズマバイアス電力は、ウエハ支持ペデスタルにＨＦ信号によって与えられる。ＨＦ周波数において、ＲＦ電力の大部分は、シース内で消費され、残りはバルクプラズマを維持する。
【０１１１】
プラズマシースは、非線形負荷であり、従って、ウエハ支持ペデスタルに印加されるＨＦバイアス信号の第２及び／又は第３高調波を形成する。これらの高調波の存在は、プロセス性能がこれらの高調波の存在で害されるようにプラズマの振る舞いを変化する。特に、エッチング停止又はオーバエッチングを避けるプロセス制御は、より困難になり、エッチング速度は減少される。従って、プラズマに影響を及ぼすこれらの高調波の発生を減少することが必要である。
【０１１２】
本リアクタにおいて、同軸同調スタッブの長さがＶＨＦのソース電力信号の波長に関連される同軸同調スタッブは、リアクタの残りより大きなフットプリントを有することができる。従って、同軸同調スタッブの利点のいずれをも犠牲にすることなくこのフットプリントを減少することができることができれば、利点になるであろう。
【０１１３】
本発明は、図１−７のＶＨＦの容量結合リアクタを有するＭＥＲＩＥのある特徴を組み合わせることがそれらの各々に対して上述した問題を解決し、このような組み合わせが全ての利点を有し、２つの形式のリアクタの欠点を有しないものである。この組み合わせによるリアクタは、図１−７のＶＨＦ容量性結合リアクタにＭＥＲＩＥ磁石のアレーを加えることによって実現される。
【０１１４】
ＭＥＲＩＥ磁石によるプラズマの循環は、ＶＨＦリアクタにおけるプラズマイオン分布の不均一性の問題を解決する。しかし、ＭＥＲＩＥリアクタは、オーバヘッドガス分配プレートすなわちシャワーヘッドから供給されるべきプロセスガスを必要とする。本明細書において以下に詳しく説明されるように、図１−７のＶＨＦ容量性結合リアクタにおいてこのようなガス分配プレートを設けることは、このようなリアクタの高プラズマ密度による問題をはらんでいる。
【０１１５】
特に、このようなリアクタは、ガス分配プレートにおけるガス注入ポート内にアークが発生しやすい。ＭＥＲＩＥリアクタとのＶＨＦ容量性結合リアクタの所望の組み合わせを達成するために、ガス注入ポート内にアークが発生する問題は、解決されなければならなかったが、この解決については、本明細書の後の部分で説明される。
【０１１６】
この組み合わせの一つの驚くべき結果は、図１−７のＶＨＦリアクタの高い効率がＭＥＲＩＥ磁石の磁界が２つまたはそれ以上の要因によって減少される高プラズマ密度を生成することである。特に、ＭＥＲＩＥ磁界は、一般に約１０−１００ガウスの範囲になければならない。しかし、ＶＨＦ容量性結合リアクタにおいては、非常に大きなプラズマイオン密度のために、ＭＥＲＩＥ磁界は、磁界の半分、すなわち約３０〜６０ガウスで同じプラズマ分布密度を達成することができる。
【０１１７】
これは、ＭＥＲＩＥ磁界は、ＭＥＲＩＥ磁界の循環によって掻き回される、ウエハ上のプラズマシースの近くに同じ量のプラズマを引き出すのに殆ど仕事をする必要がないからである。従って、少ない磁界によってプラズマイオン密度の分布の同じ最適な均一性を得ることができる。プラズマ磁界の減少は、プラズマイオンによって引き起こされるデバイス損傷の量を減少する。ＭＥＲＩＥ磁界における５０％の減少は、デバイスの損傷を減少するばかりでなく、本質的にそれを除去する。これによって、一般的なＭＥＲＩＥリアクタはデバイスを損傷する傾向があるという問題を解決する。
【０１１８】
他の驚くべき結果は、上述したように、ＶＨＦソース電力の存在が一般的なＭＥＲＩＥリアクタを絶えず悩ますウエハ支持ペデスタルにおけるアークの発生を防止することである。これは、今度はＭＥＲＩＥリアクタにおけるプロセス制御を大きく改善する。このアークの発生は、ウエハ支持ペデスタル、及びウエハ支持ペデスタル内又はその下の金属ガス又は冷却液の供給ライン間で発生する傾向があった。
【０１１９】
模範的な実施例において、ＶＨＦソース電力周波数は、ＭＥＲＩＥ磁石と関連するサイクロトロン共振周波数より充分上である。これによって、イオン発生からＶＨＦソース電力をそらすＭＥＲＩＥ磁石の磁界によるプラズマ電子の電子サイクロトロン共振の形成が防止され、それによってプラズマイオン密度に関する制御を抑制する。ＶＨＦソース電力周波数は、プラズマ周波数はオーバヘッド電極の共振周波数であるか、その近くにあるように、図１−７を参照して上述されたように選択される。
【０１２０】
この周波数は、ＭＥＲＩＥ磁石の磁界（例えば、３０ガウス）に関連するサイクロトロン共振周波数より充分上である。この電子サイクロトロン周波数は、
ｑＢ/（ｍe２Π）
として定義される。ただし、ｑは電子の電荷、ＢはＭＥＲＩＥ磁石アレーの磁界、そしてｍeは電子の質量である。
【０１２１】
この式は、サイクロトロン周波数が磁界に比例することを示し、これがＶＨＦソース電力の使用によって実現される利点を示している。上で言及したように、図１-７のＶＨＦ容量性結合リアクタは、ＭＥＲＩＥの磁界は、ＶＨＦリアクタにおいて使用されるとき、劇的に減少される従来のＭＥＲＩＥリアクタより非常に高いプラズマ密度を生成することができる。これは、デバイス損傷の大きな減少につながるばかりでなく、更に、ＶＨＦソース電力周波数より十分低い電子のサイクロトロン共振周波数を減少する。
【０１２２】
一つの実施例において、ＭＥＲＩＥ磁石に関連したサイクロトロン共振周波数は、約１５０ＭＨzであるように計算され、そしてオーバヘッド電極の共振周波数とのプラズマ共振周波数の整合付近に生じたＶＨＦソース電力周波数は、約１７６ＭＨzであった。他の実施例では、ＶＨＦソース電力周波数は、サイクロトロン共振周波数より更に上である２００ＭＨz以上である。
【０１２３】
ＭＥＲＩＥ磁石を有する図１−７のＶＨＦ容量性結合プラズマの組み合わせは、以下の３つの独立して制御可能なパラメータを有するプラズマリアクタにつながる。
（１）ＶＨＦソース電力レベルによって制御されるプラズマイオン密度、
（２）ウエハ支持ペデスタルに印加されるＨＦバイアス電力レベルによって制御されるウエハ表面におけるイオンエネルギー、
（３）ＭＥＲＩＥ磁石の磁界によって制御されるプラズマイオン分布の均一性の程度、
【０１２４】
このようなリアクタは優れた性能を有する。特に、このリアクタは、４０００ＷのＶＨＦソース電力を２５０ＭＨｚまでのＶＨＦ周波数に対して及び約１ｍＴ〜３０００ｍＴの範囲内のチャンバ圧力に対して約９５％の効率でプラズマに結合することができる。
【０１２５】
このようなＭＥＲＩＥリアクタにおいて、プロセスガスは、ＶＨＦソース電力のオーバヘッド電極を通して最もよく導入される。この目的のために、オーバヘッド電極には、オーバヘッド電極を通して小さなガス注入ノズル又はポートのアレーを設けることによって、ガス分配シャワーヘッドの機能が与えられる。プロセスガスは、同軸同調スタッブの中心導体を通してこれらの注入ポートに供給される。中心導体は、オーバヘッド電極に結合され、プロセスガスの供給は、プラズマ及び電界から完全に保護される。
【０１２６】
特徴のあらゆる組み合わせによって上述の利点の全てを保ちつつアークの発生及び他の電位問題が避けられる。特徴の組み合わせの１つは、ＶＨＦ同調スタッブから容量的に浮遊ＤＣ電位を絶縁することによってオーバヘッド電極を浮遊ＤＣ電位にすることである。これは、同軸同調スタッブとオーバヘッド電極間に誘電体膜を置くことによって達成される。この形状は、ＣＤプラズマ電流がオーバヘッド電極を介して同調スタッブを通して戻るのを妨げ、それによって、オーバヘッド電極内のガス注入孔内のアークの発生を減少する。
【０１２７】
アークの発生を減少する他の特徴は、プラズマとオーバヘッド電極間にコンデンサを設けることである。この目的のために、誘電体層がプラズマに面しているオーバヘッド電極の電極表面上に形成される。好ましくは、これは、電極表面、特に電極内のガス注入ポートの内部表面を陽極酸化することによって行なわれる。この特徴は、オーバヘッド電極におけるガス注入ポートに発生するプラズマアークを除去するのに役立つ。これに対する一つの理由は、陽極酸化された電極表面のキャパシタンスが、電極表面上を通過する以外にプラズマからのＲＦ電流の電荷がストアされる電荷蓄積能力を与えることである。従って、電荷がオーバヘッド電極におけるガス入口ポートの表面からそらされる場合には、そこでのプラズマの点弧は避けられる。
【０１２８】
オーバヘッド電極のガス注入ポート内でプラズマアースが発生するのを避けるのに加えて、オーバヘッド電極を容量的に絶縁するという特徴は電極の利用可能な寿命を延ばす。何故ならばそれはプラズマと電極間に実質的なＤＣ電流を生じないからである。これは著しい利点である。
【０１２９】
ガス注入ポートにおけるプラズマアークの発生の危険性を更に減少するために、他の特徴が導入される。すなわち、同軸スタッブと、電極と同軸同調スタッブ間にある容量性の層の間に金属又はセラミックの“フォーム”層が設けられる。一つの実施例において、金属のフォーム層がオーバヘッド電極と一般に同一の広がりをもっている直径を有する。この金属フォーム層は、この分野でよく知られた商業的に利用可能な形式であり、ランダムセル構造を有するアルミニウムマトリックスから成っている。金属フォーム層の利点は、それが電極（すなわち、オーバヘッド電極上の空間内）近くの電界を抑制し、それによってオーバヘッド電極におけるガス注入ポート内部でアークが発生するプラズマの傾向を減少するからである。
【０１３０】
オーバヘッド電極にあるガス注入ポートのアレーを横切って均一なガスの分布を達成するために、金属フォーム層が入ってくるプロセスガスを妨げるためにも用いられる。好ましくは、オーバヘッド電極におけるガス注入孔又はポートは、放射状の内側グループと放射状の外側グループに分けられる。一つの金属フォーム層は、第１のガス源と外側グループのポート間でガスを妨げ、一方他の金属フォーム層は、第２のガス源と内側グループのポート間でガスを妨げる。プロセスガス流の放射状の分布は、２つのガス源のガス流の速度を独立して調整することによって調整することができる。
【０１３１】
本願の親出願である２０００年３月１７日に出願された米国特許出願09/527,342に記載されているように、同軸同調スタッブとオーバヘッド電極は、ウエハ支持ペデスタルに印加されたＨＦバイアス電力に対して接地するように低インピーダンスのＲＦリターン経路を与える。しかし、同軸同調スタッブとオーバヘッド電極に挿入された新しい容量性誘電体層がオーバヘッド電極を通るＨＦのリターン経路を特定のＨＦ周波数に同調するために用いられることができることを発見した。ＶＨＦソース電力周波数（オーバヘッド電極上で）の選択の１つの利点は、容量性層（オーバヘッド電極と同調スタッブ間の）が、ＨＦ周波数に対して同調されるならば、オーバヘッド電極に印加されるＶＨＦ信号に影響を及ぼさないことである。何故ならば、それはＶＨＦ周波数の広帯域にわたって電気的に短絡するからである。
【０１３２】
最初に、ＲＦリターン経路が付加された容量性層によって同調される狭いＨＦ周波数のパスバンドがウエハ支持ペデスタルに印加されたＨＦバイアスソース電力の周波数に集められた。しかし、シースで発生される高調波の問題は、オーバヘッド電極を通るＨＦリターン経路をＨＦバイアス電力周波数の第２高調波に同調するように、この容量を選択することによって解決することができる。この選択の結果は、オーバヘッド電極の近くのプラズマシースに発生されるＨＦの第２高調波は、オーバヘッド電極がバルクプラズマに著しく影響を及ぼす前に、オーバヘッド電極をとおって接地されるように短絡される。一つの実施例において、エッチング速度は、この特徴によって、１０％〜１５％だけ改善されることがわかった。この場合、ＨＦバイアス信号は、他の利用できるＲＦ経路、例えばチャンバの側壁をとおって接地される。
【０１３３】
以下に詳細に説明されるように、選択されたＨＦ周波数での共振に対する（オーバヘッド電極と同調スタッブ間の）この付加された容量性層の容量の選択は、オーバヘッド電極における薄いプラズマシースの容量ばかりでなく、ウエハ支持ペデスタルにおける厚いプラズマシースの容量も考慮しなければならない。
【０１３４】
本発明の高効率ＶＨＦプラズマ源は、充分高い密度のプラズマを維持することができるので、それはチャンバ内部を周期的に完全にドライクリーニングするために用いられることができる。この明細書で用いられるように、用語“ドライクリーニング”は、液体の化学剤の適用を必要としないクリーニング手続を言い、真空の囲いを空ける必要がない。この方法で、チャンバはポリマー残留物を完全にクリーニングすることができるので、ウエハの処理中チャンバ表面は充分高温時維持され、あらゆるポリマーの堆積を連続して蒸発し、その結果、チャンバは、この処理を通して少なくとも殆どポリマーの堆積がないように保たれる。
【０１３５】
（反対に、完全にクリーニングされることがないリアクタに対して、プラズマ状態は、チャンバ壁の表面上へのポリマーの堆積が、プロセスの汚染を避けるために、除去されないで付着されつづけるように制御されなければならない。）この目的のために、オーバヘッド電極アッセンブリは、オーバヘッド電極を加熱または冷却するために液体を導く液体通路を有し、その外部表面の温度制御を可能にする。好ましくは、プラズマ状態（イオンエネルギー、壁の温度等）は、処理中にポリマーがチャンバの表面上に累積しないものである。
【０１３６】
このような特徴の１つの利点は、光学窓をオーバヘッド電極上に又は隣接して設けることができることである。何故ならば、処理中に光学窓はポリマーの堆積がなく、きれいなままであるからである。従って、リアクタの性能を光学的に監視することができる。従って、オーバヘッド電極は、チャンバの外部にセンサーに接続するため上方に延びる光を伝送する光ファイバと共に、その中央付近に光学窓を任意に有することができる。プラズマ処理の光学的な監視は、終点の検出を行うために用いられることができる。例えば、光学的な監視は、従来の光学測定技術を用いて、プラズマエッチングプロセスにおける層厚を減少するステップまたはプラズマ支援の化学気相堆積プロセスにおける層厚を増加するステップを測定することができる。
【０１３７】
プラズマを入れ、且つ結果的にウエハまたはワークピースに達するオーバヘッド電極の露出した表面の材料からの汚染問題を解決するために、追加の外側層がオーバヘッド電極の下部面（プラズマに面する）に導入される。この追加の外側層は、実施されている特定のプロセスに匹敵する材料から作られる。例えば、二酸化シリコンのエッチングプロセスにおいて、オーバヘッド電極上の外側層は、シリコンまたは炭化シリコンである。この外側層を任意に配置する前に、オーバヘッド電極のプラズマに面する表面は、上述されたように陽極酸化される。
【０１３８】
本発明の他の発見は、以前には期待されなかった、プラズマが大きな抵抗性負荷インピーダンスの変化及び小さなリアクタンス性負荷インピーダンの変化を示すことである。特に、抵抗性負荷インピーダンスは、１００：１（６０：１の代わりに）程度の大きさだけ変り、一方、リアクタンス性負荷インピーダンは、僅か２０％（３５％の代わりに）だけ変化する。この相違によって、同軸同調スタッブの特性インピーダンスを６５Ω（ＲＦ発生器の５０Ω出力インピーダンスより上）から３０Ω（ＲＦ発生器の出力インピーダンスより下）まで減少することができる。
【０１３９】
この減少は、効率における非常に小さな妥協によって同調スペースの比例的増加を達成する。特に、同調スタッブによって整合されることができるプラズマの抵抗性インピーダンスにおける変化の範囲は、同軸スタッブの特性インピーダンスの減少により、６０：１（親出願におけるように）から１００：１へ増加される。同軸スタッブの特性インピーダンスは、前述の親出願に述べられているように、その内部及び外部導体の半径によって決められる。
【０１４０】
同軸同調スタッブのフットプリントを減少するために、等価なストリップライン回路がそれに代えて置き換えられる。同軸同調スタッブの外部導体は、リアクタにキャップをする金属の蓋として接地（グランド）の平らな面になり、一方、同軸同調スタッブの中央導体はストリップラインの導体になる。ストリップラインの導体の特性インピーダンスは、ストリップラインの導体と接地導体（蓋）間の間隔を調整することによって調整される。同軸同調スタッブは真っ直ぐなラインに沿って延びるが、ストリップラインの導体は蓋の内部で円形に巻かれ、それによって、面積またはフットプリントを減少するので、同調デバイスのフットプリントは減少される。
【０１４１】
同軸同調スタッブの特徴の全ては、ストリップライン回路においても保もたれる。従って、ストリップライン導体の長さは、上述されたように、同軸同調スタッブの長さと同じ方法で決定される。また、ＶＨＦ発生器に接続される給電点またはタップのためのストリップライン導体の長さに沿った位置は、上で参照した親出願に述べられている同軸同調スタッブへのタップのそれと同じである。また、ストリップライン導体は、中空であり、上述の親出願に記載されているように、ユーティリティが同軸同調スタッブの中心導体を通して供給されるのと同じ方法で、ストリップライン導体を通してユーティリティが供給される。
【０１４２】
ＭＥＲＩＥ磁石を有するＶＨＦ容量性結合リアクタの構造
図８及び図９を参照すると、ＶＨＦ容量結合プラズマリアクタは、図１のリアクタ内にみられる以下の素子を有する：半導体ウエハ１１０を支持する、チャンバの底部にウエハ支持体１０５を有するリアクタチャンバ１００。図示された実施例におけるプロセスキットは、接地されたチャンバ本体１２７上に誘電体リング１２０によって支持される半導電性または導電性リング１１５から成る。チャンバ１００は、接地されたチャンバ本体１２７上にウエハ１１０の上方に所定のギャップ長をもって、誘電体シール１３０によって支持されるディスク形状のオーバヘッドアルミニウム電極１２５によって上部で囲まれている。
【０１４３】
オーバヘッド電極１２５は、その内部表面上に半金属材料（例えば、ＳｉまたはＳｉＣ）で覆われる金属（例えば、アルミニウム）であってもよいし、それ自体半金属材料であってもよい。ＲＦ発生器１５０は、ＲＦ電力を電極１２５へ印加する。発生器１５０からのＲＦ電力は、発生器１５０に整合された同軸ケーブル１６２を通して、電極１２５に接続された同軸スタッブ１３５に結合される。このスタッブ１３５は、特性インピーダンス、共振周波数を有し、以下に詳細に説明される、電極１２５と同軸ケーブル１６２/ＲＦ電力発生器１５０を備える。
【０１４４】
チャンバ本体は、ＲＦ発生器１５０のＲＦリターン経路（ＲＦ接地）に接続される。オーバヘッド電極１２５からＲＦ接地までのＲＦ経路は、プロセスキットの誘電体リング１２０と誘電体シール１３０の容量によって影響される。ウエハ支持体１０５、ウエハ１１０及びプロセスキットの半導電性（または導電性）リング１１５は、電極１２５へ印加されるＲＦ電極に対して主なＲＦリターン路を与える。
【０１４５】
プラズマ密度分布の均一性における改善は、ウエハ支持ペデスタルの周辺で、リアクタチャンバの外側に等しく間隔を設けてＭＥＲＩＥ電磁石９０１、９０３、９０５、９０７の組を配置することによって達成される。これらのＭＥＲＩＥ磁石は、ウエハ支持ペデスタルの表面をほぼ横切って円筒形チャンバの対称軸の周りにゆっくり回転する磁界を生成するようにされる。一つの実施例において、この特徴は、ウエハ支持ペデスタルの周囲に正接するそれぞれの軸の周りに巻かれた電磁石巻線を有するＭＥＲＩＥ電磁石９０１、９０３、９０５、９０７によって実現される。
【０１４６】
この実施例において、ＭＥＲＩＥ電流コントローラ９１０は、各々のＭＥＲＩＥ磁石へのそれぞれの電流を制御する。円形磁界は、同じ周波数であるが位相が９０度（またはＭＥＲＩＥ磁石の数によって分割された３６０度）ずれている個々のＡＣ電流を個々の磁石巻線の各々に与えるコントローラ９１０によってワークピース支持体の面に発生される。他の実施例において、回転磁界の特徴は、ロータ１０２５（点線）によって対称軸の周りに回転されるＭＥＲＩＥ磁石の全てを支持する支持枠１０２０（点線）によって実現される。この他の実施例において、ＭＥＲＩＥ磁石は永久磁石である。
【０１４７】
ワークピース又はウエハの支持ペデスタルの周りに、しかしＭＥＲＩＥ磁石９０１、９０３、９０５、９０７の第１の組より高い平面に等しく間隔があけられたＭＥＲＩＥ磁石９０２、９０４、９０６、９０８の二次アレーを同様に設けることができる。双方の磁石の組は、ワークピース支持体の面の近くにあるそれぞれの面内にある。
【０１４８】
コントローラ９１０は、電磁石９０１-９０７の各々に低周波（０.５-１０Ｈz）ＡＣ電流を印加する。隣り合う磁石に与えられる電流の位相は、上記のように９０度だけずらされている。その結果として、ＡＣ電流の低周波でワークピースの支持体の対称軸の周りに回転する磁界が得られる。磁界によってプラズマがワークピースの表面近くに磁界に向かって引き付けられ、磁界と共に回転するようにする。これは、プラズマ密度分布がより均一になるようにプラズマを掻き回す。その結果、より均一なエッチング結果がウエハの全面にわたって得られるので、リアクタの性能は著しく改善される。
【０１４９】
オーバヘッド電極を通してのプロセスガスの導入
前述したように、ＭＥＲＩＥリアクタは、上方の天井からプロセスガスを供給することによって最良に実施される。本発明において、これは、オーバヘッド電極１２５を通してプロセスガスを供給するステップを必要とする。この目的のために、図８と図９の実施例におけるオーバヘッド電極１２５は、ガス分配シャワーヘッドであり、従って、ワークピース支持体１０５に面してその下部表面１２５ａに非常に多くのガス注入ポートすなわち小さな孔を有している。模範的な実施例において、ポート３００は、０.０１〜０.０３インチ（０.０２５４〜０.０７６２センチ）の直径で、約３/８インチだけ離れて一様に間隔があけられている。
【０１５０】
図８に示された実施例において、円錐状金属ハウジング２９０の環状上部２９０ａは、同軸スタッブの内部導体１４０の端部１４０ａ近くを支持し、その環状基体２９０ｂはアルミニウムのオーバヘッド電極１２５上に載っている。ハウジング２９０の円錐形状は、オーバヘッド電極１２５上で大きな開口プレナムを画定し、その中にいろいろなユーティリティが中空の同軸内部導体１４０からオーバヘッド電極１２５へ供給される。以下により詳細に説明されるように、円錐上のハウジング基体２９０ｂは、オーバヘッド電極１２５の外周近くにあり、オーバヘッド電極の上面の全てにほぼアクセス可能なままである。
【０１５１】
この実施例において、ポート３００は、直径が０.０２０インチの放射状の外側グループのポート及び直径が０.０１０インチの放射状の内側グループのポート３０４から成っている。ポート３０２の外側グループは、ウエハ周辺における均一なガス流を確かにするために、ウエハの周囲を越えて広がっている。この特徴の利点は、プロセスガス流の放射状分布が図１-７のＶＨＦ容量性結合リアクタがウエハの中央で大きく、ウエハの周辺で小さいプラズマ密度を生成するのを補償するように、このような方法で調節することができる。
【０１５２】
オーバヘッド電極１２５内の放射状の外側アルミニウムフォーム層３１０はポート３０２の上にある。外側フォーム層３１０の上にある放射状の外側ガス分配マニフォルドまたはプレナム３１５は、軸のガス通路３２０を通して同軸同調スタッブ１３５の内部導体１４０を通るガス供給ライン３２５に結合されている。オーバヘッド電極１２５内の放射状の内部アルミニウムフォーム層３３０はポート３０４の上にある。
【０１５３】
内側フォーム層３３０の上にある放射状の内側ガス分配マニフォルドまたはプレナム３３５は、軸のガス通路３４０を通して同軸同調スタッブ１３５の内部導体１４０を通るガス供給ライン３４５に結合される。アルミニウムフォーム層３１０と３３０は、入ってくるプロセスガスを妨ぐ。プロセスガスの流速の放射状分布は、ガス供給ライン３２５と３４５の各々の１つ内のプロセスガスの流速の独立した区分によって調節される。
【０１５４】
ガス注入ポート内のアークの抑制
アークを減少する手段として、プラズマとオーバヘッド電極間に容量を設けるために、オーバヘッド電極の下部表面１２５ａが誘電体層で被覆される。例えば、オーバヘッド電極１２５はアルミニウムであり、誘電体の被覆は、電極の下部表面１２５ａを陽極酸化することによって形成される。このような陽極酸化は、平らな下部表面１２５ａ上ばかりでなくガス注入ポート３００の内部表面上にも非常に薄い誘電体被膜を形成する。
【０１５５】
この特徴は、オーバヘッド電極１２５に流れるＲＦプラズマ電流に対して補償することができる電荷蓄積能力を与えることによってガス注入ポートナ内のアークを押さえる傾向がある。図１０は、ガス入口ポート３００の１つ近くに生じる細かな構造を示す図８に相当する拡大部分図である。特に、陽極酸化によって形成される酸化アルミニウム層３５０が電極の下部表面１２５ａとガス注入ポート３００の内部表面を覆っている。
【０１５６】
オーバヘッド電極近くの電界を抑圧するために、オーバヘッド電極１２５の上面１２５ｂは、アルミニウムフォーム３５５の比較的厚い（０．２５インチ）層で被覆される。この厚いアルミニウム層３５５は、オーバヘッド電極近くの電位を軸方向（垂直方向）に一定に保つ傾向があり、それによりガス注入ポート３００内でプラズマアークを発生するのに寄与する、その近傍における電界を抑圧する。
【０１５７】
ＤＣプラズマ電流がオーバヘッド電極を通して同軸スタッブの中心導体１４０に流れるのを阻止するために、オーバヘッド電極１２５及びオーバヘッド電極１２５を同軸の中心導体１４０に接続する導電性ハウジング２９０の基部２９０ｂ間に薄い絶縁層３６０が配置される。この特徴によって、オーバヘッド電極のＤＣ電位を浮くようにすることができる。それにより、電極１２５と導電性ハウジングの基部２９０ｂ間にキャパシタが形成される。
【０１５８】
このキャパシタの容量は、基部２９０ｂの面積によってばかりでなく、薄い絶縁層３６０の厚さ及び誘電率によっても決まる。好ましくは、このキャパシタの容量は、特定のＨＦ周波数において狭い共振または低いインピーダンス経路を与えるが、一方全体のＶＨＦ帯にわたってＲＦの短絡を与えるように選択される。この方法で、オーバヘッド電極１２５は、ウエハ支持ペデスタル１０５に印加されるＨＦバイアス電極に対してリターン経路を提供するが、しかしＶＨＦソース電極周波数ではオーバヘッド電極１２５の振舞いに影響を及ぼさない。従って、オーバヘッド電極に流れるＤＣプラズマ電流を阻止することによって、ガス注入ポート３００内のプラズマアークは抑圧される。何故ならばこのようなＤＣ電流はアークに寄与するからである。
【０１５９】
概括すると、ガス注入ポート３００内のプラズマアークは、以下の特徴の１つまたはそれ以上によって抑圧される。（ａ）オーバヘッド電極１２５の下面上に、及びガス注入ポート３００の内部表面上に誘電体被覆３５０を形成すること；（ｂ）オーバヘッド電極の上面に金属性アルミニウムフォーム層３５５を設けること；及び（ｃ）オーバヘッド電極１２５と導電性ハウジング２９０間に薄い絶縁層３６０を配置すること。
【０１６０】
プラズマシースに発生する高調波の抑圧
薄い絶縁層３６０は、ウエハ支持ペデスタル１０５に印加されるＨＦバイアス信号のプラズマシースに発生する高調波を抑圧する役割を果たす。高調波の存在は、プロセス性能を低下させ、特にエッチング速度を減少する。容量を決定する、絶縁層３６０の特性（すなわち、誘電率及び厚さ）を選択することによって、オーバヘッド電極１２５と同軸の内部導体１４０を通るプラズマからのリターン経路は、特定のＨＦ周波数で共振する（従って、非常に高いアドミッタンスを有する）ように同調される。
【０１６１】
この共振周波数のための一つの選択は、ウエハ支持ペデスタル１０５に印加されるＨＦバイアス信号の基本波であるけれども、エッチング速度は、この共振をバイアス信号の第２高調波であるように選択することによって１０％〜１５％改善されることは、本発明の発見である。プラズマシースによって示される非線形負荷によって発生される高調波は、容量性層３６０によってオーバヘッド電極と同軸の中心導体によって示される低インピーダンス経路を通して接地へ早く戻されるので、このような好ましい結果が得られる。
【０１６２】
オーバヘッド電極１２５を通るリターン経路を特定のＨＦ周波数に同調する、キャパシタ層３６０の厚さの選択は、オーバヘッド電極１２５における薄いプラズマシースの容量やウエハ支持ペデスタル１０５における厚いプラズマシースの容量ばかりでなく、プラズマ自体の容量を含む、多くのファクタによって影響を受ける。試行錯誤を含む、特定のプラズマ動作条件を与える選択されたＨＦ周波数での共振を達成するために、キャパシタ層３６０の正確な厚さを見つけるために、当業者はいろいろな従来技術を容易に用いることができる。
【０１６３】
電極表面の温度制御
酸化物のエッチングリアクタにおいて、ポリマー堆積物は重大な問題である。何故ならば、二酸化シリコン材料とエッチングされるべきでない他の材料間で適切なエッチングの選択性を達成するために、プロセスガスはワークピースの酸化物を含まない表面上にポリマー層を形成することができなければならない。フルオロカーボン（炭化フッ素）ガスを用いるプラズマ処理中に、単純なフッ素イオン及びラジカルがエッチングを行い、一方炭素の豊富な種がワークピース上のすべての酸素を含まない材料上ばかりでなくリアクタチャンバのすべての内部表面上にポリマーを堆積する。
【０１６４】
チャンバの内部表面からプラズマに落下するポリマー粒子によるワークピースの汚染を避けるために、これらの表面は、充分低温に保たれなければならないし、またプラズマの電子エネルギーは、これらの堆積物が剥がれ落ちないように充分低く保たれなければならない。さもなければ、これらの堆積物を除去するために、チャンバの真空を中断して、化学的クリーニングステップが行なわれなけばならない。このステップは、リアクタの生産性を大きく低下する。
【０１６５】
図１を参照して説明された容量性結合ＶＨＦ電源は、非常に効率的であり、従って、非化学的クリーニングステップ中に、チャンバの内部表面からウエハ処理中に堆積されたあらゆるポリマー残留物を完全に除去するために充分高いプラズマ密度生成することができる。このようなクリーニングステップ中に、通常のプラズマプロセスガスは、より揮発性のガス（例えば、殆どフッ素のないプラズマを生成する傾向のあるもの）によって置き換えられることができる。
【０１６６】
液体の化学物質はチャンバへ導入される必要がないので、クリーニングステップがポリマー堆積物のないチャンバに保つために、素早く且つしばしば行われるように、チャンバは閉めたままである。従って、図８のリアクタの動作モードは、チャンバの内部表面上にポリマーの堆積物が累積するのを避けるために、チャンバの表面温度及びプラズマイオンエネルギーが充分大きいものである。
【０１６７】
この目的のために、図８のリアクタは、オーバヘッド電極１２５上に通路６７０（加熱導電性流体用の）を有する。図８の実現において、流体の通路６７０は、上部のアルミニウムフォーム層３５５及びオーバヘッド電極１２５の上部表面間に形成される。代わりに、これらの通路は、オーバヘッド電極１２５内に完全に内部に形成されてもよい。温度制御流体またはガスは、中空の同軸の内部導体１４０を通って流体供給ライン６７５から流体通路６７０へ供給される。
【０１６８】
従って、オーバヘッド電極の温度を正確に制御することができる。電極の温度を制御することによって、及び他のプラズマプロセスパラメータ、例えばプラズマイオンエネルギーを制御することによって、リアクタは、堆積モード（表面はポリマーを累積するように充分冷たい）か、ディプレッション（消耗）モード（表面はプラズマイオンが表面からポリマーを引き離すことができるように十分熱く、それによってポリマーの累積を避ける）かのいずれかで動作することができる。ディプレッションモードは、このモードが粒子汚染を良く避けるので、効率的である。
【０１６９】
プラズマプロセスの光学的監視
図８のリアクタは、チャンバの内部表面上にポリマーの堆積がないように動作することができるので、光学窓６８０をオーバヘッド電極１２５の下面に設けることができる。光学チャネル、例えば光ファイバーまたは光パイプ６８５が光学窓６８０に一方の端において接続され、中空の同軸の内部導体１４０を通過する。光パイプ６８５は他方の端において従来の光学検出器に接続される。
【０１７０】
この特徴の場合、このような光学検出器を用いて、終点（エンドポイント）の検出及び他の測定を行うことができる。特に、検出器６８７は、よく知られた光学技術を用いて、ワークピースまたは半導体ウエハ１１０上の選ばれた層の厚さを測定する。例えば、エッチングプロセス中に、検出器６８７によって測定される、エッチングされている材料の厚さが所定の厚さに減少された後、プロセスは停止される。
【０１７１】
汚染の防止
チャンバの内部表面は、ポリマー堆積のない状態に維持されることができるので、それらはプラズマに曝されたままである。特に、アルミニウムのオーバヘッド電極１２５の下面は、連続してプラズマから攻撃され易く、従って、アルミニウム種をプラズマに与えやすく、ワークピースの汚染、従ってプロセスの失敗を誘導する。このような問題を防止するために、陽極酸化されているオーバヘッド電極１２５の下面は、プロセスに適合している材料、例えばシリコンまたはシリコンカーバイドで被覆される。
【０１７２】
従って、図１０及び図１１（Ａ）に示されるように、薄いシリコンカーバイド（炭化珪素）の膜９６０がアルミニウムのオーバヘッド電極１２５の下面の陽極酸化された面を覆う。薄いシリコンまたは炭化珪素は、プラズマが電極１２５のアルミニウム材料を攻撃するのを妨げる。プラズマがシリコン含有膜６９０から材料を除去する限りにおいて、プラズマに導入された種がプロセスを汚染することができない。何故ならば、これらの種（シリコン及びカーボン）は、プラズマ及び／又はワークピースに既に存在しており、プロセスと適合しているからである。シリコンは、酸化シリコンがエッチングされている場合プラズマに存在している。カーボンは、フッ素−カーボンガスがプロセスエッチングガスとして用いられている場合、プラズマ中にある。
【０１７３】
他の実施例において、オーバヘッド電極は陽極酸化されず、炭化珪素膜６９０が電極の純粋なアルミニウム表面上に形成される。図１１（Ｂ）に示された他の実施例において、ガス注入孔３００はＬ状（２つの直角の曲りを含む）に形成され、チャンバへのそれらの開口は、環状であり、各々の孔３００の環状開口は、各々の開口の中心を塞ぐ固体ディスク３００ａによって画定されている。
【０１７４】
結果
従って、本発明は、動作状態における変化及び／又は製造許容量における変動に殆ど敏感でないプラズマリアクタを提供する。動作状態に対する感度の欠如を含むこれらの大きな利点、すなわちインピーダンス整合のための広い同調または周波数スペースは、多くのリアクタの特徴の少なくとも１つまたはそれ以上の貢献であると考えられる。これらの特徴は、容量整合を有する、または最も所望される処理プラズマのイオン密度におけるプラズマの負の容量の大きさにほぼ同調するリアクタのオーバヘッド電極、プラズマ−電極共振周波数に整合またはほぼ整合するＶＨＦソース電極周波数の使用；ＶＨＦソース電極周波数、プラズマ−電極共振周波数、及びスタッブ共振周波数の密接な関係；プラズマ−電極共振周波数、スタッブ共振周波数及びソース電極周波数を互いにずらすこと；及びオーバヘッド電極にソース電力を結合するために、好ましくは、理想の整合位置から僅かにずらされたソース電極の入力タップを有する共振するスタッブ同調の使用を含む。
【０１７５】
プラズマ、スタッブ及びソース電力周波数をずらすことは、実際上、システムを離調することによってシステムの同調スペースを広くすると考えられる。スタッブ同調を用いることは、広い周波数範囲にわたって整合することによって同調スペースを広くする。理想の整合点からスタッブのタップ点１６０をずらすことは、更に、同調スペースを広くするためにシステムを最適化する。何故ならば、この特徴は、供給された電力が低下すると、電流を加え、そして供給された電力が増加すると、電流を減らすという効果を有するからである。高い（ＶＨＦ）ソース電力周波数を使用することは、システムのＱを減少し、またはソース電力周波数の増加に比例する同調スペースを増加する。更に重要なことは、この選択によって、電極−プラズマ共振がエッチングプロセスに好適なプラズマ密度でソース電力周波数に整合されることを可能にする。
【０１７６】
本発明は、広いプロセスウインドウにわたってプロセス状態の変化に実質上影響されないリアクタを提供するので、本発明は、（ａ）プロセス状態のずれの広い範囲にわたって動作し、（ｂ）広い範囲の適用（いろいろなプロセスレシピ）にわたって有用であり、（ｃ）それらの性能は、製造の許容度の広い範囲にわたって実際上影響されないので、リアクタからリアクタへの特性が均一である、というリアクタの三重の利点を提供する。
【０１７７】
結果的に、優れた結果が得られた。特に、幾つかの場合で、システムのＱは約５に最小化され、同じモデルのいろいろなリアクタ間で特性及び性能の優れた均一性を得て、プロセスウインドウを向上した。１０12イオン/ｃｃのオーダーの高いプラズマ密度が僅か２ｋＷのソース電力で一貫して達成された。システムは、１０ｗ程度の低いソース電力レベルで変化がなく、１０ｍＴ〜２００ｍＴの圧力範囲にわたって、プラズマを維持した。ＶＨＦプラズマ及びソース電力周波数近くで共振する短絡されたインピーダンス整合同軸スタッブは、９５％以上の電力効率を維持しながら寄生ＶＨＦプラズマシース高調波を短絡した。システムは、３：１より小さいソース電力のＳＷＲを維持しながら、６０：１のプラズマ抵抗性負荷の変化及び１.３〜０.７５のリアクタンス性負荷の変化に適合した。
【０１７８】
負荷の変化に適合するためにこの増大した能力、従って拡張されたプロセスウインドウは、（ａ）電極１２５及びその導電性支持体間の誘電体値の適切な選択ばかりでなくＶＨＦソース電力周波数の適切な選択によって、上述されたように達成された設計動作条件のもとで電極とプラズマ容量の整合；及び（ｂ）タップ電流が低い負荷状態の下でスタッブ電流に加えられ、高い負荷状態の下でスタッブ電流から引き算される最適なタップの位置を有する特別に構成された同軸スタッブ；に大部分よっている、と考えられる。
【０１７９】
非常に高い電力効率は、抵抗性損失が支配する同軸スタッブにおける低い電流と高い電圧、及び容量性損失が支配する電極/プラズマにおける高い電流と低い電圧を実現するための最適なタップ位置に加えて、スタッブの共振周波数及び電極-プラズマの共振周波数間で整合を得ることにより、発生器の接続におけるばかりでなく、電極の接続における反射の損失を最小にする同軸スタッブによって与えられるインピーダンス変換に大部分よっている、と考えられる。全てこれらの利点は、従来のインピーダンス整合装置の必要性を避けまたは最小にしつつ、与えられる。
【０１８０】
誘電体及び導体のエッチングに適合した本発明の模範的な実施例を詳細に説明したが、リアクタは、いろいろなイオン密度、いろいろなプラズマソース電力レベル、いろいろなチャンバ圧力を含む、上述されたもの以外のプラズマ動作条件の選択に対しても有利である。これらの変化は、いろいろな電極容量やいろいろな電極−プラズマ共振周波数を必要とし、いろいろなプラズマ容量を生成するであろうし、従って、上述されたものとは異なるプラズマソース電力周波数及びスタッブ共振周波数を必要とするであろう。
【０１８１】
また、いろいろなウエハ直径及びいろいろなプラズマプロセス、例えば化学気相堆積がソース電極及びチャンバ圧力に対するいろいろな動作形態を多分有するであろう。更に、これらのいろいろな適用下において、リアクタは、一般に、上述の実施例におけるようにプロセスウインドウ及び安定性を向上するであろう。
【０１８２】
コンパクトなＶＨＦ固定同調素子
図１及び図８の同軸同調スタッブは、図１から図７を参照して説明された大きな同調スペースにわたってインピーダンス整合を行なう同調素子である。しかし、その軸に沿った線形デザインのため、そのフットプリントは、プラズマリアクタチャンバのそれよりも実際に大きい。この特徴は不便であることがわかるそれらの状態において、図１と図８の同軸同調スタッブは、図１２、図１３及び図１４に示されるように、等価なストリップライン回路によって置き換えられる。
【０１８３】
ＶＨＦ発生器の５０Ωの同軸出力コネクタの中心導体は、ストリップライン導体７００に接続され、一方ＶＨＦ発生器の５０Ω同軸出力コネクタの外部導体は、リアクタの上部を覆うハウジング７１５の金属天井７１０に接続される。この導電性天井７１０は、ストリップライン導体７００が面する接地面として機能する。ストリップライン導体７００は、一般に断面が楕円形で、その広い側は接地面の天井７１０に面している。ストリップライン導体の特性インピーダンスは、接地面の天井７１０からの間隔によって決められる。好適には、ストリップライン導体７００は、その全体の長さに沿って接地面の天井７００から一様に間隔があけられている。
【０１８４】
模範的な実施例において、ストリップライン導体は、高さが０.１２５インチ（約０.３１８センチ）、幅が２.５インチ（６.３５センチ）であり、０.５インチ（１.２７センチ）だけ接地面の天井から下に配置されている。接地面の天井７１０に面してストリップライン導体の広い（２.５インチ）側を有することによって、電流の流れは、ストリップライン導体７００の全体の２.５インチ幅を横切って分布され、それによって大部分の電流が生じる外部表面における抵抗損失を減少する。ストリップライン導体７００の長さは、図１を参照して詳細に説明されたように、同軸同調スタッブ１３５の長さと同じ方法で決められる。
【０１８５】
更に、ストリップライン導体７００の長さに沿ったＲＦタップ１６０の配置も、図１を参照して説明されたように、同軸スタッブ１３５の長さに沿ったＲＦタップの配置と同じ方法で決められる。最後に、オーバヘッド電極１２５から最も遠い、図１２のストリップライン導体７００の端部は、接地（グラウンド）に短絡された図１の同軸スタッブの内部導体１４０の対応する端部と同様である。ストリップライン導体７００の場合、接地への短絡は、図１３に示されるように、遠い端部７００ａにおいて接地面の天井７１０への接続によって達成される。
【０１８６】
図１〜図８の同軸同調スタッブ１３５と同様に、ストリップライン導体７００は、固定された同調素子の共振周波数の１／４波長に等しい長さを有しており、この場合、ストリップライン回路は、ストリップライン導体７００と接地面の天井を有している。従って、ストリップライン導体７００の長さの選択は、図１〜図７を参照して説明された同軸同調スタッブ１３５の長さの選択と全く同じである。一つの実施例において、この長さは、約２９インチ（７３.６６ｃｍ）であった。
【０１８７】
図１２のＲＦタップ１６０は、図１のＲＦタップ１６０が同軸同調スタッブ１３５の長さに沿って対応した接続を行うように、ストリップライン導体７００の長さに沿った特定の点においてＶＨＦ発生器をストリップライン回路に接続する。図１２の場合、ＶＨＦ発生器の出力同軸コネクタは、タップ１６０においてストリップライン導体に接続され、一方ＶＨＦ発生器の出力同軸導体の外部導体は、ストリップライン導体へのタップの接続の上にある点において接地面の天井に接続される。
【０１８８】
ストリップライン導体７００の長さに沿った図１２のタップ点の位置は、図１を参照して詳細に説明された同軸スタッブの長さに沿った図１のタップの位置と同じ方法で決められる。この特徴について、ストリップライン導体７００と接地面の天井を有するストリップライン回路は、イッピーダンス整合スペースが理論的最適値からタップ点１６０を僅かにずらすことによって負荷抵抗の１００：１の変化と同じだけ調整することができる、図１の同軸同調スタッブ１３５と同じ方法で行なう。
【０１８９】
図１を参照して説明したように、タップ１６０の理論的な最適位置は、定在波電圧と電流間の比がＶＨＦ発生器の出力インピーダンスまたはそれらの間に接続された同軸ケーブルの特性インピーダンスに等しい、同調スタッブ１３５の長さに沿った（または、等価的に、図１２のストリップライン導体の長さに沿った）点である。図１を参照して説明された発見は、インピーダンス整合スペースが理論的な最適位置から約５％だけタップ１６０をずらすことによって驚くほど広げられることである。従って、図１２のストリップライン導体回路は、図１の同軸同調スタッブの全ての利点及び機能を提供し、更にコンパクトであるという利点を有する。
【０１９０】
図８の同軸スタッブの内部導体１４０と同様に、図１２のストリップライン導体７００は、電極１２５に接続されるユーティリティラインを収納するための中空であり、円錐形ハウジング２９０の上部面２９０ａに接続される。ストリップライン導体７００（図１と図８の同軸同調スタッブ上）の利点は、ストリップライン導体７００が、その必要な長さがリアクタチャンバの“フットプリント”を越えて広がらないで実現されるように、ハウジング内に円形状に広がっていることである。
【０１９１】
ストリップラインの長さは、同軸同調スタッブの長さが図１を参照して説明されたような決め方と同じ方法で決められる。ストリップライン導体７００のインピーダンスは、セット面天井７１０からのその変位を調整することによって決められる。上述したように、このインピーダンスは、約３０オーム、すなわちＶＨＦ発生器の出力インピーダンスより小さいように選択されるのが最良である。ストリップライン導体の長さに沿ってＶＨＦ発生器１５０からのタップ１６０の位置は、図１を参照して説明されたように、同軸同調スタッブ上のＲＦタップ１６０の位置と同じ方法で求められる。接地面の天井７１０と組み合わされたストリップライン導体７００は、図１と図８の同軸同調スタッブと同じ機能を有し、図１を参照して説明されたと同じ性能の利点を提供する。
【０１９２】
図１３の上面図は、ストリップライン導体７００が殆ど正方形の経路（丸くされたコーナを有する）に沿って巻かれている実施例を示しているのに対し、図１４は、ストリップ導体７００が円形に巻かれている他の実施例を示す。
【０１９３】
同調素子を通して給電されるユーティリティ
図８と図１２に関して説明されたように、図８の同軸スタッブの内部導体１４０と図１２のストリップライン導体７００は、いろいろなユーティリティをオーバヘッド電極へ運ぶラインを収容するために、双方とも中空である。従って、図８と図１２に示されるように、外部のガス供給ライン３２５は、外部のガス流コントローラ８００に接続され、内部のガス供給ライン３４５は、内部のガス流コントローラ８１０に接続され、光ファイバー、すなわち光パイプ６８５は、光学検出器６８７に接続され、そして加熱／冷却ライン６７５は、加熱／冷却源コントローラ８３０に接続される。
【０１９４】
固定同調素子１３５は、同軸同調スタッブ（図１と図８の実施例におけるように）またはストリップライン回路（図１２と図１４の実施例におけるように）の何れかである。アンテナの設計者は、ＲＦ発生器の特性出力インピーダンスと電極／プラズマの組み合わせのインピーダンス間にインピーダンス整合を与える点で、固定同調素子の両実施例によって達成される等価な機能を理解するであろう。固定同調素子の両実施例（または等価的に固定インピーダンス整合素子）は、中心導体（図１２におけるストリップライン導体、または図８における内部同軸導体のいずれか）及び接地された導体（図１２の接地面の天井または図８の接地された外部同軸導体）の使用を含んで、共通に構造的特徴を共有する。
【０１９５】
両方の場合、インピーダンス整合素子の特性インピーダンスは、２つの導体間の間隔によって決められ、一方インピーダンス整合素子への入力インピーダンスは、ＲＦ発生器への接続の中心導体に沿った位置によって決められる。また、中心導体は、中空であり、従って、ガス供給ライン及び加熱導電性流体の供給ラインのためのＲＦシールド導管（コンジット）として働く。最も重要な共通の特徴は、インピーダンス整合素子の両実施例は構造上物理的に固定され、従って、移動するパーツのいらない、インテリジェントなコントローラであり、これは大きな利点である。他の関連した利点は、既に説明したとおりである。従って、両実施例の固定インピーダンス整合素子は、一般に中空の中心導体を有する固定された２つの導体インピーダンス整合素子と呼ばれる。
【０１９６】
本発明は、いろいろな実施例を参照して詳細に説明されたけれども、本発明の真の精神及び範囲から逸脱することなくそれらの変化及び変更を行なうことができることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１９７】
【図１】本発明の実施例によるプラズマリアクタの断面図を示す。
【図２（Ａ）】図１の同軸スタッブを示す。
【図２（Ｂ）】同軸スタッブに沿った位置の関数として電圧及び電流定在波の振幅を示す。
【図３】より一定の分配ＶＨＦ電力レベルを大きな整合スペースに維持するために、高いプラズマ負荷インピーダンスに応答して生じる同軸スタッブ上の入力電力タップ点における電流の減少を示す。
【図４】より一定の分配ＶＨＦ電力レベルを大きな整合スペースに維持するために、低いプラズマ負荷インピーダンスに応答して生じる同軸スタッブ上の入力電力タップ点における電流の追加を示す。
【図５】図１の実施例の周波数の関数として低いＱの反射係数を示すグラフである。
【図６】スタッブの長さに沿った定在波電流及び電圧を有する同軸スタッブ上の入力電力タップ点における電流分布の相互作用を示すグラフである。
【図７】図１の同軸スタッブの他の実施例を示す。
【図８】本発明の他の実施例を示す。
【図９】図８に相当する部分拡大図である。
【図１０】図９の部分拡大図である。
【図１１（Ａ）】図８の他の部分拡大図である。
【図１１（Ｂ）】図１１（Ａ）に相当する他の実施例を示す。
【図１２】本発明の更に他の実施例を示す。
【図１３】図１２に相当する上面図である
【図１４】図１３のリアクタの他の実施例に相当する上面図である。
【図１】
2006502556.tif 000003
【図２Ａ】
2006502556.tif 000004
【図２（Ｂ）】
2006502556.tif 000005
【図３】
2006502556.tif 000006
【図４】
2006502556.tif 000007
【図５】
2006502556.tif 000008
2006502556.tif 000009
【図６】
2006502556.tif 000010
【図７】
2006502556.tif 000011
【図８】
2006502556.tif 000012
【図９】
2006502556.tif 000013
【図１０】
2006502556.tif 000014
【図１１Ａ】
2006502556.tif 000015
【図１１Ｂ】
2006502556.tif 000016
【図１２】
2006502556.tif 000017
【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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