JP2018014337A - 誘導結合プラズマ（ｉｃｐ）リアクタの電力堆積制御 - Google Patents

誘導結合プラズマ（ｉｃｐ）リアクタの電力堆積制御 Download PDF

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Abstract

【課題】複数コイルによる電界干渉を抑えた誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）リアクタを提供する。【解決手段】誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）リアクタは、処理容積を形成する処理チャンバと、処理チャンバ蓋１０４の上方に配置された１以上の誘導コイルとを含み、蓋１０４が、第１面２０４と処理チャンバ内部に面する第２面２０６とからなる誘電体窓であり、空間的に変化する誘電率を有する形状となることで，１以上の誘導コイルから処理容積へのＲＦエネルギーの多様な電力結合を提供する。【選択図】図２Ａ

Description

分野
本発明の実施形態は、概して、誘導結合プラズマ処理リアクタに関する。
背景
典型的な工業用誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源は、２つの平坦又は垂直コイルの配置を
使用し、これによって（例えば、処理される基板に対して）中心から縁部までのプラズマ
プロファイルを制御し、例えば、エッチング用途において、処理中の基板レベルでの均一
性の可変性を可能にする。電流が同じ方向に流れる典型的な垂直の２コイル配置（「同相
」と表記する）では、基板レベルでのコイル間の電界の建設的な干渉の性質に起因して、
高度なノード技術のために所望され得る全体的な均一性を制限するＭ形状のエッチング速
度プロファイルが存在する。誘電体窓下での電力結合におけるＭ形状のエッチング速度プ
ロファイルのピークの位置は、コイルの配置に基づいて変化する可能性がある。コイル内
の電流が互いに反対方向に駆動される場合（「異相」と表記する）、電界の破壊的な干渉
が、コイル間で発生し、こうしてＩＣＰ源を真空チャンバから隔離する誘電体窓下のヌル
領域を生成する。拡散により、基板レベルでの全体的なプラズマプロファイルは、平坦化
され、Ｍ形状の痕跡を排除又は低減することができる。このようなシナリオでは、プラズ
マは、チャンバ壁に向かって押し出されている。従って、基板に到達する全体のイオン束
は低減され、エッチング速度の低下及びスループットの低下を引き起こす可能性がある。
従って、エッチング速度を増加させるために、より高いＲＦ電力が、異相動作内で必要と
される。一部のアプリケーションは、高いスループット要件及び／又はＲＦ電源の最大電
力の制限に起因して、高いＩＣＰ電力を更に必要とするＭ形状効果に苦しむので、異相動
作は、市販されておらず、極めて高価となるＲＦ電源及び整合器を必要とする可能性のあ
る非常に高い電力を要求する可能性がある。更に、一定の条件下では、異相動作は、この
ようなプロセスに対する操作窓を狭める、容量結合（Ｅモード）及び／又は誘導結合（Ｈ
モード）の不安定性に遭遇する可能性がある。
従って、本発明者らは、より高い電力に頼ることなく、別の方法で同じ効果を達成する
ことによって異相動作を模倣する必要があると考えている。従って、本発明者らは、電力
結合プロファイル（誘電体窓の下でプラズマによって吸収される電力）を操作することに
よって、同相の電流を維持しながら異相動作を模倣することによってＭ形状を低減する方
法を提案する。
概要
誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）リアクタの実施形態が、本明細書内に提供される。本発明
者らは、リアクタのプラズマ生成領域内のコイル間の局所領域内で、有効誘電率を変化さ
せる、及び／又は誘電体窓の厚さを変化させると、コイル間に電力結合のヌルの領域（又
はほぼヌルの領域）が生成される異相動作の効果を模倣できることを発見した。プラズマ
生成領域（例えば、ＩＣＰリアクタの処理容積）内のコイル間の全体的な電力結合に影響
を与えるために、いくつかの実施形態が提供される。例えば、いくつかの実施形態では、
処理容積からコイルを分離する誘電体窓の厚さを、（真空側から）Ｍが最大になるコイル
間の位置で増加させることができる。例えば、図６の電力プロファイルに示されるように
、デュアルコイルのＩＣＰリアクタ内で同相操作によって作成されるＭ形状プロファイル
のピーク６０２は、本明細書に記載される実施形態を用いて、ほぼヌルピーク６０４まで
制御して抑制することができる。代替的に又はこれと組み合わせて、コイル間の領域にお
いて約２〜３倍誘電率がピークに達するように、半径方向に変化する誘電率を有する誘電
体窓を提供することができる。上述の実施形態では、コイルを介した誘導及び容量結合の
効果は、影響を受ける可能性がある。
誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）リアクタの実施形態が、本明細書内に提供される。いくつ
かの実施形態では、誘導結合プラズマリアクタ用誘電体窓は、第１面と、第１面と反対側
の第２面と、縁部と、中心部とを含む本体を含み、誘電体窓は、空間的に変化する誘電率
を有する。
いくつかの実施形態では、基板を処理するための装置は、処理チャンバの蓋の下に配置
された処理容積を有する処理チャンバと、処理容積内に配置された基板支持体の上方の処
理容積内にプラズマを形成するために、内部にＲＦエネルギーを誘導結合させるために、
蓋の上方に配置された１以上の誘導コイルとを含み、蓋は、第１面と、処理容積に面する
反対側の第２面とを含む誘電体窓であり、蓋は、空間的に変化する誘電率を有し、これに
よって１以上の誘導コイルから処理容積へのＲＦエネルギーの多様な電力結合を提供する
。
いくつかの実施形態では、基板を処理するための装置は、処理チャンバの蓋の下に配置
された処理容積を有する処理チャンバであって、蓋は、空間的に変化する誘電率を有する
誘電体窓である処理チャンバと、処理容積内に配置された基板支持体と、基板支持体の上
方の処理容積内にＲＦエネルギーを誘導結合させるために蓋の上方に配置された外側コイ
ル及び内側コイルを含み、誘電体窓の誘電率は、外側コイルと内側コイルとの間に配置さ
れた領域の下の位置で最大である。
本発明の他の及び更なる実施形態を以下に説明する。
上記に簡単に要約され、以下に詳細に説明される本発明の実施形態は、添付図面に示さ
れる本発明の例示的な実施形態を参照することにより理解することができる。しかしなが
ら、添付図面は本発明の典型的な実施形態を示しているに過ぎず、従ってこの範囲を制限
していると解釈されるべきではなく、本発明は他の等しく有効な実施形態を含み得ること
に留意すべきである。
本発明のいくつかの実施形態に係る例示的な誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）リアクタの概略図を示す。 〜 本発明のいくつかの実施形態に係るＩＣＰリアクタの誘電体窓の側面断面図を示す。 本発明のいくつかの実施形態に係る図２の誘電体窓の底面図を示す。 本発明のいくつかの実施形態に係るＩＣＰリアクタの誘電体窓の側面断面図を示す。 〜 本発明のいくつかの実施形態に係る誘電体窓のノズルインサートの部分断面における側面図を示す。 本発明のいくつかの実施形態に係る電力プロファイルを示す。
理解を促進するために、図面に共通する同一の要素を示す際には可能な限り同一の参照
番号を使用している。図面は、比例して描かれているわけではなく、明確にするために簡
素化されているかもしれない。一実施形態の要素及び構成を更なる説明なしに他の実施形
態に有益に組み込んでもよいと理解される。
詳細な説明
誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）リアクタの実施形態が、本明細書内に提供される。本発明
者らは、リアクタのプラズマ生成領域内のコイル間で、有効誘電率を変化させる、及び／
又は誘電体窓の厚さを変化させると、コイル間に電力結合のヌルの領域が生成される異相
動作の効果を模倣できることを発見した。プラズマ生成領域（例えば、ＩＣＰリアクタの
処理容積）内のコイル間の有効誘電率を増加させるために、いくつかの実施形態が提供さ
れる。例えば、いくつかの実施形態では、処理容積からコイルを分離する誘電体窓の厚さ
を、（真空側から）Ｍが最大になるコイル間の位置で増加させることができる。このよう
な誘電体窓の厚さの変化の形状、寸法、及び位置は、変えることができる。例えば、いく
つかの実施形態では、誘電体窓は、半径方向に厚さが変化するテーパ状の蓋とすることが
できる。代替的に又はこれと組み合わせて、コイル間の領域において約２倍〜約３倍誘電
率がピークに達するように、半径方向に変化する誘電率を有する誘電体窓を提供すること
ができる。
図１は、本発明のいくつかの実施形態に係る基板を処理するための例示的な装置、すな
わち、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）リアクタ１００の概略図を示す。ＩＣＰリアクタ１０
０は、一般的に、概して処理容積１２２を取り囲む処理チャンバ１０２（例えば、真空チ
ャンバ）を含む。基板支持体１２４は、処理チャンバ１０２内に配置され、これによって
基板１２６を処理容積１２２内の適所に支持する。ＩＣＰリアクタ１００は、処理チャン
バ１０２の蓋の近傍に配置された外側コイル１０８及び内側コイル１１０を含む一対の誘
導コイル１０６を更に含み、これによってＲＦエネルギーを処理容積１２２内に結合する
。いくつかの実施形態では、ＩＣＰリアクタ１００は、たった１つの円筒コイルを含んで
もよい。他の実施形態では、ＩＣＰリアクタ１００は、３以上の円筒形の同心コイルを含
んでもよい。全ての実施形態において、円筒コイルは、平面又は垂直位置に配置させるこ
とができる。処理チャンバ１０２の蓋は、誘導コイル１０６と処理容積１２２の間に配置
された誘電体窓１０４を含む。誘電体窓１０４は、誘導コイル１０６に供給されるＲＦエ
ネルギーを、処理容積１２２内にプラズマを形成するために処理容積１２２内に供給され
るガスに結合するのを促進し、以下により詳細に記載されるようにプラズマ電力結合を局
所的に制御するように構成される。
１以上のガス導入口１２０は、誘電体窓１０４を貫通して提供され、これによってガス
源１１８からのガスを処理容積１２２に提供することができる。代替的に又はこれと組み
合わせて、１以上のガス導入口は、他の場所（例えば、処理チャンバ１０２の側壁内、又
は基板支持体１２４の近傍など）に設けられていてもよい。排気部１２８は、処理チャン
バ１０２からのガス及び／又は処理副生成物を除去するために設けられ、これによって処
理チャンバ１０２を所望の圧力などに維持するのを促進する。いくつかの実施形態では、
１以上のガス導入口１２０は、誘電体の役割を果たし、処理チャンバ１０２からコイルを
分離することができる。従って、いくつかの実施形態では、導入口の厚さが、中央部で全
体的な電力結合に影響を与える可能性がある。いくつかの実施形態では、ガス導入口１２
０は、処理チャンバ１０２内に延びるガスノズルとすることができる、又は周囲の誘電体
窓１０４と同一平面とすることができる。
ＲＦエネルギーは、ＲＦ発生器１１２によって誘導コイル１０６に提供される。整合ネ
ットワーク１１４は、典型的には、ＲＦ発生器１１２と誘導コイル１０６との間に設けら
れ、これによってＲＦ発生器１１２に戻る反射電力を最小化する。いくつかの実施形態で
は、電力分割器１１６が、誘導コイル１０６の内側コイル１１０及び外側コイル１０８に
それぞれ結合されるＲＦエネルギー（例えば、電流）の量を制御するために設けられてい
てもよい。いくつかの実施形態では、動作周波数は、約４００ｋＨｚから約６０ＭＨｚま
で変化させることができるが、他の周波数を使用してもよい。
図２Ａは、本発明のいくつかの実施形態に係るＩＣＰリアクタ１００の誘電体窓１０４
の側部断面図を示す。図２に示されるように、誘電体窓は、コイルと対向する第１面２０
４と、真空と対向する第２面２０６とを有する本体２０２を含む。棚部２０８は、本体２
０２の周囲の周りに配置され、これによって処理チャンバ１０２の本体への誘電体窓１０
４の位置決め及び／又は結合を促進することができる。棚部２０８の内方の、誘電体窓１
０４の中央部分は、ＩＣＰリアクタ１００の処理容積１２２の上方に、処理容積１２２に
隣接して配置される。誘電体窓１０４は、誘電体窓１０４を介してＲＦエネルギーの所望
の電力結合を促進するのに適した誘電率を有する材料から製造することができる。例えば
、誘電体窓１０４は、セラミックス又は石英などから製造することができる。いくつかの
実施形態では、誘電体窓１０４は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）又はイットリアから
製造することができる、又はイットリアで被覆することができる。いくつかの実施形態で
は、誘電体窓１０４は、約１から数十又は数百の誘電率を有する任意の誘電体材料から製
造することができる。
いくつかの実施形態では、誘電体窓は、図２Ｂに示されるように、電力結合プロファイ
ルを所望のように制御するために実効誘電率が変化するように、変化する厚さを有するこ
とができる。本明細書で使用される場合、用語プロファイルは、処理チャンバ内の半径方
向の位置に対するパラメータのグラフを指す。従って、電力結合プロファイルは、図２Ａ
〜図２Ｃに示されるように、誘電体窓１０４の中心軸２１２に対応する基板支持体１２４
の中心軸から測定されるような半径方向位置に対して誘電体窓１０４の直下で測定される
ようなプラズマに結合されたＲＦエネルギーの大きさを指す。例えば、いくつかの実施形
態では、Ｍ形状プロファイルの「Ｍ」がピークとなるコイル間に配置された領域の下の位
置（例えば、第１位置）で、誘電体窓１０４の厚さを増加させる（又は誘電率を他の方法
で増加させる）ことができる。いくつかの実施形態では、誘電体窓１０４は、中央部付近
でより大きな厚さを有して、中央部から縁部まで先細る。具体的には、図２Ｂに示される
ように、誘電体窓１０４の中央部付近の幅２３２は、誘電体窓の内側端部２４０に近い幅
２３０よりも厚くすることができる。図２Ｂはまた、ガスノズル２３４が誘電体窓１０４
と同じ高さとすることができることも示している。厚さの変化は、幅、高さ、及び形状を
変えることができる。
いくつかの実施形態では、この増加した厚さは、図２Ａに示されるように、本体２０２
の第２面２０６から延びる１以上の突起部２１０によって提供されてもよい。１以上の突
起部２１０は、図３に示される誘電体窓１０４の底面図に示されるように、円形又はリン
グのような単一の突起部２１０とすることができる。用語リングが使用されるが、突起部
２１０は、正方形、長方形、又は他の多角形、又は楕円形又は円弧セグメント等とするこ
とができる。図２Ｃを参照すると、いくつかの実施形態では、インサート２２２を、誘電
体窓１０４の第１面２０４上に形成された凹部２３８に挿入し、これによって１以上の突
起部２１０を形成してもよい。あるいはまた、インサート２２２は、誘電体窓１０４の第
１面２０４から突出しなくてもよく、しかしながら、より大きな誘電率を有する材料から
製造され、これによって誘電体窓１０４の全体的な誘電率プロファイルを制御してもよい
。
突起部２１０は、最大約４インチ（例えば、約０．１〜約５インチ）の（第２面２０６
に平行に測定された）幅Ｗを有することができる。突起部２１０は、最大約４インチ（例
えば、約０．１〜約５インチ）の（第２面２０６に垂直に測定された）高さＨを有するこ
とができる。突起部２１０は、誘電体窓の中央部から誘電体窓の縁部までの任意の所望の
位置に配置することができる。いくつかの実施形態では、突起部は、外側コイル１０８と
内側コイル１１０との間の位置の下に配置された位置に配置される。いくつかの実施形態
では、突起部２１０は、誘電体窓１０４と共に機械加工された一部品とすることができる
。他の実施形態では、突起部２１０は、別々に機械加工され、誘電体窓１０４と接着させ
ることができる。突起部２１０及び誘電体窓１０４は、同じ材料又は異なる材料から作る
ことができる。
突起部２１０は、本体２０２と一体であってもよいし、本体２０２に結合された別個の
コンポーネントであってもよい。別個の場合、突起部２１０は、任意の適切な方法（例え
ば、接着）で本体２０２に結合することができる。別個の場合、突起部は、本体と同じ材
料又は別の材料から製作することができ、本体と同一の誘電率又は本体とは異なる誘電率
を有することができる。例えば、いくつかの実施形態では、突起部は、突起部での誘電体
窓の誘電率が、他の領域での誘電体窓の誘電率よりも大きくなるように（例えば、約２〜
約３倍（例えば、誘電率の最高値が誘電率の最低値の約２〜約３倍）が挙げられるが、こ
れに限定されない）、異なる誘電率を有することができる。
いくつかの実施形態では、誘電体窓１０４は、処理容積１２２に流体結合された開口部
２１６内で終端を迎える一体型ガス導入口２１４を含むことができる。開口部２１６は、
ガスを所望の方向（例えば、（開口部２１６に図示されるように）処理容積１２２に垂直
、又は（破線の開口部２１８によって図示されるように）処理容積１２２に垂直でない角
度）に導くように構成することができる。１以上の構造（例えば、チャネル２２０）が提
供され、これによって他のコンポーネント（例えば、ガス源１１８からガス導入口２１４
までガスを分配するための導管を形成するための部分的な囲い）を誘電体窓１０４の第１
面２０４に結合するのを促進することができる。いくつかの実施形態では、ガス導入口２
１４は、誘電体窓１０４の中央部に開口部を介して窓に追加することができる、又はシャ
ワーヘッドとして、窓１０４に統合することができる。
いくつかの実施形態では、一体型ガス導入口２１４ではなくガス導入口を有するノズル
インサートを提供してもよい。例えば、図４は、本発明のいくつかの実施形態に係る誘電
体窓１０４の側面断面図を示している。図４に示されるように、開口部４０２は、誘電体
窓１０４にノズルインサートを置き換え自在でなく提供するために設けられる。
図５Ａ〜図５Ｃは、本発明のいくつかの実施形態に係る、誘電体窓（例えば、図４の誘
電体窓）に対するノズルインサートの部分断面の側面図を示す。図５Ａは、（矢印５０６
によって示されるように）誘電体窓１０４に平行又は実質的に平行に処理容積１２２内に
ガスを導く複数のガス分配孔５０４（例えば、ガス導入口）を有するノズルインサート５
０２を示す。図５Ｂは、（矢印５０８によって示されるように）誘電体窓１０４に対して
約４５度で処理容積１２２内にガスを導く複数のガス分配孔５０４を有するノズルインサ
ート５０２を示す。図５Ｃは、（矢印５１２によって示されるように）誘電体窓１０４に
対して約３０度の角度で処理容積１２２内にガスを導く複数のガス分配孔５０４を有する
ノズルインサート５０２を示す。図５Ｃに破線で示されるように、ガス分配孔５１０は、
ノズルインサート５０２内に配置された垂直孔に接続することにより、任意の所望の角度
でノズルインサート５０２内に配置することができる。いくつかの実施形態では、ノズル
インサート５０２は、各々が垂直、水平、又は任意の所定の角度でガスを注入するように
構成することができる単一又は複数の注入ゾーンを含むことができる。
ノズルインサート５０２は、ガス分配孔が誘電体窓１０４と同一平面にある、又は誘電
体窓１０４の第２面２０６を越えて（例えば、処理容積１２２内に）延びるような長さを
有することができる。ノズルインサートは、最大約２インチまで処理容積１２２内に延び
ることができるが、これに限定されない。いくつかの実施形態では、ノズルインサート５
０２は、誘電体窓１０４の周囲と同一平面にあってもよい。誘電体窓１０４と同一平面に
あるノズルを有することは、中央部を増加させることにより、Ｍ形状の影響を軽減するこ
とができる中央部での電力結合を有利に増加させ、Ｍ形状プロファイルが存在するにもか
かわらず、中央部から縁部までの全範囲の改善を促進する。
上記は本発明の実施形態を対象としているが、本発明の他の及び更なる実施形態は本発
明の基本的範囲を逸脱することなく創作することができる。

Claims (12)

  1. 誘導結合プラズマリアクタ用誘電体窓であって、
    第１面と、第１面と反対側の第２面と、縁部と、中心部とを含む本体であって、誘電体窓は、空間的に変化する誘電率を有する本体と、
    誘電体窓の誘電率を変化させる本体の第２面から延びる１以上の突起部と、
    １以上の突起部の半径方向内側の場所で本体を貫通して配置された複数のガス分配孔とを含む誘電体窓。
  2. 誘電率が半径方向に変化する、請求項１記載の誘電体窓。
  3. １以上の突起部は、単一の円形の突起部である、請求項１又は２のいずれか１項記載の誘電体窓。
  4. 誘電体窓の第１面に形成された１以上の凹部を含み、１以上のインサートが、１以上の凹部内に配置される、請求項１又は２のいずれか１項記載の誘電体窓。
  5. 本体の中心に形成された開口部と、
    開口部内に配置され、ノズル内に形成された複数のガス分配孔を有するノズルを含む、請求項１又は２のいずれか１項記載の誘電体窓。
  6. ガス分配孔は、誘電体窓の第２面と同一平面である、請求項５記載の誘電体窓。
  7. ガス分配孔は、誘電体窓の第２面を越えて延びている、請求項６記載の誘電体窓。
  8. 複数のガス分配孔は、第１面から第２面まで本体を貫通して延びる複数の一体ガス導入口である、請求項１又は２のいずれか１項記載の誘電体窓。
  9. 誘電率の最高値は、誘電率の最低値の約２倍〜約３倍である、請求項１又は２のいずれか１項記載の誘電体窓。
  10. 基板を処理するための装置であって、
    処理チャンバの蓋の下に配置された処理容積を有する処理チャンバと、
    処理容積内に配置された基板支持体の上方の処理容積内に、ＲＦエネルギーを誘導結合させてプラズマを形成するために、蓋の上方に配置された１以上の誘導コイルとを含み、蓋は、前記請求項のいずれか１項記載の誘電体窓であり、第２面は、処理容積に面しており、空間的に変化する誘電率は、１以上の誘導コイルから処理容積へのＲＦエネルギーの多様な電力結合を提供する装置。
  11. １以上の誘導コイルは、外側コイルと内側コイルを含み、誘電体窓の誘電率は、外側コイルと内側コイルとの間に配置された領域の下の第１位置で最大である、請求項１０記載の装置。
  12. 第１場所で誘電体窓の第２面から延びる単一の円形の突起部を含む、請求項１１記載の装置。
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