JP5204941B2 - Toroidal plasma chamber excited from outside - Google Patents

Description

Translated fromJapanese

（発明の属する技術分野）
本発明は、マイクロエレクトロニック回路、フラットパネルディスプレイ等の製造におけるワークピースの処理に用いられるプラズマリアクタ、及び特に、それらのためのプラズマ源に関する。(Technical field to which the invention belongs)
The present invention relates to plasma reactors used for processing workpieces in the manufacture of microelectronic circuits, flat panel displays and the like, and in particular to plasma sources therefor.

（技術の背景）
マイクロエレクトロニック回路においては、従来より増大する密度及び小さなフィーチャサイズに向かう傾向が続き、このようなデバイスのプラズマ処理をより困難にしている。例えば、コンタクトホールの直径は減少されるが、一方そのホールの深さは増大している。例えば、シリコンウエハ上の誘電体膜のプラズマ増強エッチング中に、ホトレジストに対する誘電体材料（例えば、二酸化シリコン）のエッチング選択性は、エッチングプロセスがコンタクトホールをエッチングするのに充分でなければならない。コンタクトホールの直径はホールを規定するホトレジストマスクを邪魔することなくその深さの１０倍から１５倍である。細かなホトリソグラフに対してより短い波長の光に向かう最近の傾向は薄いホトレジスト層を必要とし、その結果誘電体とホトレジストのエッチング選択性は、いままで以上に大きくなければならないので、この仕事（タスク）を非常に困難にする。この要求は、比較的遅いエッチング速度を有するプロセス、例えば容量性結合プラズマを用いる誘電体エッチングプロセスを使用することによって容易に受け入れられる。容量性結合プラズマのプラズマ密度は、誘導性結合プラズマの密度より比較的小さく、容量性結合プラズマのエッチングプロセスは、誘電体とホトレジストの良好なエッチング選択性を示す。容量性結合プロセスの問題点は、それが遅く、従って生産性が比較的小さいことである。このようなエッチングプロセスに生じる他の問題は、プラズマが一様に分布しないことである。(Technical background)
In microelectronic circuits, there is a continuing trend towards ever increasing density and small feature sizes, making plasma processing of such devices more difficult. For example, the diameter of the contact hole is reduced while the depth of the hole is increased. For example, during plasma enhanced etching of a dielectric film on a silicon wafer, the etch selectivity of the dielectric material (eg, silicon dioxide) to the photoresist must be sufficient for the etching process to etch the contact holes. The diameter of the contact hole is 10 to 15 times its depth without interfering with the photoresist mask that defines the hole. The recent trend toward shorter wavelength light for fine lithographs requires a thin photoresist layer, and as a result, the etch selectivity of the dielectric and photoresist must be greater than ever, so this work ( Task). This requirement is readily accommodated by using a process with a relatively slow etch rate, such as a dielectric etch process using a capacitively coupled plasma. The plasma density of the capacitively coupled plasma is relatively smaller than the density of the inductively coupled plasma, and the capacitively coupled plasma etching process exhibits good dielectric and photoresist etch selectivity. The problem with the capacitive coupling process is that it is slow and therefore the productivity is relatively small. Another problem that arises in such an etching process is that the plasma is not uniformly distributed.

生産性、即ちエッチング速度を増加するために、高密度プラズマが用いられている。一般に、高密度プラズマは誘導結合プラズマである。しかし、プロセスの先駆ガスは、フリーなフッ素、即ちホトレジストに対するエッチングの選択性を減少する種の高プラズマを形成して、高密度プラズマにおいて急速に分離する傾向にある。この傾向を減少するために、酸素を含有しない表面、例えばホトレジスト上に累積する傾向にあるフッ素含有エッチャント種及び１つまたはそれ以上のポリマー種において分離するフルオロカーボンプロセスガス、例えばＣＦ₂が用いられる。これはエッチング選択性を増加する傾向にある。酸素を含有する誘電体材料における酸素は、誘電体上にポリマーのピロリゼーションを増進し、その結果誘電体材料がエッチングされてポリマーが除去されるが、一方酸素含有材料（例えば、ホトレジスト）がポリマーによって覆われ続け、従ってエッチャントから保護される。問題は、より進んだデバイス設計を可能にするために、コンタクト開口の深さの増加とホトレジスト厚の減少によって、誘電体のエッチング中にホトレジストを傷つける可能性のある高密度プラズマプロセスが行われたことである。エッチング速度を増進するために、プラズマ密度が増加されるに従って、酸素を含まない材料、例えばホトレジストを保護するために多くのポリマーの豊富なプラズマが用いられなければならないので、酸素を含む誘電体の表面からのポリマー除去の速度は、特に小さな、制限された領域、例えば狭いコンタクト開口の底部においてかなり遅くなる。その結果、ホトレジストはかなり保護されるけれども、コンタクト開口がある深さに達すると、ポリマーの累積によって阻止されるために、エッチングプロセスに対してその可能性は増大される。一般に、エッチングの停止深さは、コンタクト開口の必要な深さより少ないのでデバイスは失敗する。コンタクト開口は、中間を絶縁する酸化シリコン層を介して上部のポリシリコン導体層と下部のポリシリコン導体層間に接続を与える。例えば、エッチングの停止深さが上部と下部のポリシリコン層間の距離より小さい場合、デバイスの失敗が生じる。代わりに、たとえば１０：１または１５：１のアスペクト比のコンタクト開口を有するデバイス設計のようなより進んだデバイス設計への実際のまたは信頼できる応用に対して狭くなりすぎるエッチング停止のない高密度プラズマを達成するためのプロセスウインドウの可能性が起きる。High density plasma is used to increase productivity, i.e., etch rate. Generally, high density plasma is inductively coupled plasma. However, the process precursor gas tends to form a high plasma of a species that reduces the selectivity of the etch to free fluorine, ie photoresist, and rapidly separates in the high density plasma. To reduce this tendency, a fluorocarbon process gas, such as CF_2, is used that separates on fluorine-containing etchant species and one or more polymer species that tend to accumulate on oxygen-free surfaces, such as photoresist. This tends to increase etch selectivity. Oxygen in a dielectric material that contains oxygen enhances the pyrrolization of the polymer on the dielectric, which results in the dielectric material being etched away to remove the polymer, while the oxygen-containing material (eg, photoresist) is polymerized. Will continue to be covered by and thus protected from the etchant. The problem is that in order to allow for more advanced device design, increasing the contact opening depth and decreasing the photoresist thickness resulted in a high-density plasma process that could damage the photoresist during the dielectric etch. That is. In order to increase the etch rate, as the plasma density is increased, oxygen-free materials such as many polymer-rich plasmas must be used to protect the photoresist, so that oxygen-containing dielectrics The rate of polymer removal from the surface is considerably slower, especially in small, limited areas, such as the bottom of narrow contact openings. As a result, although the photoresist is well protected, its potential for the etching process is increased when the contact opening reaches a certain depth, because it is blocked by polymer accumulation. In general, the etch fails because the etch stop depth is less than the required depth of the contact opening. The contact opening provides a connection between the upper polysilicon conductor layer and the lower polysilicon conductor layer via a silicon oxide layer that insulates the middle. For example, device failure occurs when the etch stop depth is less than the distance between the upper and lower polysilicon layers. Instead, high density plasma without etch stop that becomes too narrow for actual or reliable application to more advanced device designs, such as device designs with contact openings of 10: 1 or 15: 1 aspect ratio, for example. The possibility of a process window to achieve

現在必要なものは、容量結合リアクタの選択性を有し、誘導結合のプラズマリアクタ（高密度プラズマを有する）のエッチング速度を有するリアクタである。単一のマシンリアクタにおいて両方の形式のリアクタの利点を実現することは困難であった。  What is currently needed is a reactor that has the selectivity of a capacitively coupled reactor and has the etching rate of an inductively coupled plasma reactor (with high density plasma). It has been difficult to realize the advantages of both types of reactors in a single machine reactor.

特に、ウエハまたはワークピースに面するオーバヘッドコイルアンテナを有する形式の高密度誘導結合プラズマリアクタのもつ１つの問題点は、エッチング速度を増大するために、コイルアンテナに供給される電力が増加されるに従って、電力がウエハの充分上方にあるプラズマ領域に吸収されるように、ウエハと天井のギャップが著しく大きくなければならないことである。これによって、強いＲＦ磁界によるウエハ上のデバイス損傷のリスクを避けることができる。さらに、オーバヘッドコイルアンテナに供給されるＲＦ電力の高レベルに対して、ウエハと天井のギャップを比較的大きくしなければならず、従って、小さなギャップの利点を実現することができない。  In particular, one problem with high density inductively coupled plasma reactors of the type having an overhead coil antenna facing the wafer or workpiece is that as the power supplied to the coil antenna is increased to increase the etch rate. The gap between the wafer and the ceiling must be significantly large so that power is absorbed by the plasma region well above the wafer. This avoids the risk of device damage on the wafer due to a strong RF magnetic field. In addition, for high levels of RF power supplied to the overhead coil antenna, the gap between the wafer and the ceiling must be relatively large, so the advantage of a small gap cannot be realized.

もし、天井が誘導結合リアクタのＲＦ磁界に対して半導電性のウインドウであるか、または容量結合リアクタの導電性電極であるなら、ウエハと天井の小さなギャップの１つの利点は、天井が比較的小さなギャップ距離（例えば、１または２インチオーダー）にあるウエハの面を横切って与えることができる増大された電位または接地基準である。  If the ceiling is a semiconductive window with respect to the RF field of the inductively coupled reactor or the conductive electrode of the capacitively coupled reactor, one advantage of the small gap between the wafer and the ceiling is that the ceiling is relatively An increased potential or ground reference that can be applied across the surface of a wafer at a small gap distance (eg, on the order of 1 or 2 inches).

したがって、誘導結合リアクタのイオン密度とエッチング速度を有する容量結合リアクタの選択性をもつだけでなく、更に、基本的な制限、例えばプラズマシースの厚さ以外のウエハと天井のギャップ長に関する従来の制限をもたないリアクタを得ることが必要である。さらに、供給されたＲＦプラズマソース電力を必ずしも増加することなくイオン密度とエッチング速度が増大される容量結合リアクタの選択性と誘導結合リアクタのエッチング速度を有するリアクタを得ることが必要である。  Thus, in addition to the selectivity of capacitively coupled reactors with ion density and etch rate of inductively coupled reactors, there are also basic limitations such as conventional limitations on wafer-to-ceiling gap length other than plasma sheath thickness. It is necessary to obtain a reactor without Furthermore, it is necessary to obtain a reactor having the selectivity of a capacitively coupled reactor and the etching rate of an inductively coupled reactor in which the ion density and etch rate are increased without necessarily increasing the supplied RF plasma source power.

（本発明の概要）
ワークピースを処理するためのプラズマリアクタは、エンクロージャを有し、このエンクロージャ内のワークピース支持体は、エンクロージャの上方にある部分に面しており、このワークピース支持体とエンクロージャの上方にある部分はワークピース支持体の直径を横切って広がる、それらの間にプロセス領域を画定する。このエンクロージャは、ワークピース支持体のほぼ反対側の近くにそれらを介して少なくとも第１と第２の開口を有する。プロセス領域の外側にある少なくとも１つの中空導管が第１と第２の開口に接続され、導管を通して延び、プロセス領域を横切る第１のトロイダルパス（通路）を与える。ＲＦ電力を受けるのに適合された第１のコイルアンテナが中空導管の内部に誘導的に結合され、トロイダルパスにプラズマを維持することができる。(Outline of the present invention)
A plasma reactor for processing a workpiece has an enclosure, and a workpiece support in the enclosure faces a portion above the enclosure, the workpiece support and a portion above the enclosure. Defines a process area between them that extends across the diameter of the workpiece support. The enclosure has at least first and second apertures therethrough substantially near the opposite side of the workpiece support. At least one hollow conduit outside the process region is connected to the first and second openings and extends through the conduit to provide a first toroidal path (passage) across the process region. A first coil antenna adapted to receive RF power is inductively coupled inside the hollow conduit to maintain a plasma in the toroidal path.

（好適な実施の形態の詳細な説明）
プラズマリアクタチャンバの概要
図１を参照すると、円筒上の側壁１０５と天井１１０によって囲まれたプラズマリアクタチャンバ１００が半導体ウエハまたはワークピース１２０を支持するためのウエハペデスタルを有している。プロセスガス源１２５が側壁１０５を通して延びるガス入口ノズル１３０Ａ−１３０Ｄを介してプロセスガスをチャンバ１００へ供給する。真空ポンプ１３５がチャンバ１００内の圧力を制御し、圧力を一般に０．５ミリトル（ｍＴ）以下に保つ。半分のトロイダル中空チューブのエンクロージャまたは導管（コンジット）１５０が半円形状に天井の上に延びている。導管１５０は、天井１１０から外側外方に延びているけれども、それにも拘わらずリアクタの一部であり、チャンバの壁を形成している。内部的には、それはリアクタの他の場所に存在している同じ排気された雰囲気を共有している。実際に、真空ポンプ１３５は、図１に示されたチャンバの主な部分の底部に結合される代わりに、これは好適ではないけれども導管１５０に結合されてもよい。導管１５０は、リアクタの天井１１０における第１の開口１５５の周りにシールされた１つの開口端１５０ａとリアクタの天井１１０における第２の開口１６０の周りにシールされた他の開口端１５０ｂを有する。２つの開口またはポート１５０、１６０は、ウエハ支持ペデスタル１１５のほぼ反対側に配置されている。中空の導管１５０は、それが１つの開口においてチャンバの主な部分を出て、他の開口で再び入る流路を提供している点で、リエントラントである。この明細書において、導管は中空であり、プラズマが流れることができる閉じたパスの一部を与えることおいて、導管１５０は半分のドロイダルとして記載されており、全体の通路はウエハ支持ペデスタル１１５の上にある全体のプロセス領域を横切って流れることによって完成される。用語”Atorroidal”＠の使用にもかかわらず、通路の軌道ばかりでなく通路または導管１５０の断面形状も円形または非円形、正方形、矩形または他のあらゆる形状、即ち規則的な形状または不規則な形状であることができる。(Detailed description of preferred embodiments)
Plasma Reactor Chamber Overview Referring to FIG. 1, aplasma reactor chamber 100 surrounded by acylindrical side wall 105 and aceiling 110 has a wafer pedestal for supporting a semiconductor wafer orworkpiece 120.Process gas source 125 supplies process gas tochamber 100 through gas inlet nozzles 130A-130D extending throughsidewall 105. Avacuum pump 135 controls the pressure in thechamber 100 and keeps the pressure generally below 0.5 millitorr (mT). A half toroidal hollow tube enclosure orconduit 150 extends semicircularly over the ceiling. Althoughconduit 150 extends outwardly fromceiling 110, it is nevertheless part of the reactor and forms the wall of the chamber. Internally, it shares the same evacuated atmosphere that exists elsewhere in the reactor. Indeed, instead of being coupled to the bottom of the main portion of the chamber shown in FIG. 1, thevacuum pump 135 may be coupled to theconduit 150, although this is not preferred. Theconduit 150 has oneopen end 150a sealed around afirst opening 155 in thereactor ceiling 110 and anotheropen end 150b sealed around asecond opening 160 in thereactor ceiling 110. Two openings orports 150, 160 are located on substantially opposite sides of thewafer support pedestal 115. Thehollow conduit 150 is reentrant in that it provides a flow path that exits the main portion of the chamber at one opening and re-enters at the other opening. In this specification, the conduit is hollow, and theconduit 150 is described as a half-droid, providing the portion of the closed path through which the plasma can flow, and the entire passage is defined by thewafer support pedestal 115. Completed by flowing across the entire process area above. Despite the use of the term “Atorroidal” @, the cross-sectional shape of the passage orconduit 150 as well as the passage trajectory is circular or non-circular, square, rectangular or any other shape, ie regular or irregular shape Can be.

外部の導管１５０は比較的薄い導体、例えばシート状の金属から形成されることができるが、チャンバ内の圧力に耐えるために充分な強度を有している。中空導管１５０のシート金属における渦電流を抑制するために（及びそれによって、導管１５０の内部へのＲＦ誘導性磁界の結合を容易にする）、導管を２つの環状区分に分けるように、絶縁ギャップ１５２が中空の導管１５０を横切って、及び導管を介して伸びている。ギャップ１５２は絶縁性材料、例えばシート金属スキンに代えてセラミックのリング１５４によって満たされているので、ギャップは真空気密である。第２の絶縁ギャップ１５３が設けられており、その結果導管１５０の１つの区分は電気的に浮いている。バイアスＲＦ発生器１６２がインピーダンス整合回路（図面では、Ｚ整合回路として示す）１６４を介してウエハペデスタル１１５とウエハ１２０にＲＦバイアス電力を供給している。  Theouter conduit 150 can be formed from a relatively thin conductor, such as sheet metal, but is strong enough to withstand the pressure in the chamber. In order to suppress eddy currents in the sheet metal of the hollow conduit 150 (and thereby facilitating the coupling of the RF-induced magnetic field into the interior of the conduit 150), the insulation gap is divided into two annular sections. 152 extends across and through thehollow conduit 150. Since thegap 152 is filled with an insulating material, for example, aceramic ring 154 instead of a sheet metal skin, the gap is vacuum-tight. A secondinsulating gap 153 is provided so that one section of theconduit 150 is electrically floating. Abias RF generator 162 supplies RF bias power to thewafer pedestal 115 and thewafer 120 via an impedance matching circuit (shown as a Z matching circuit in the drawing) 164.

代わりに、中空導管１５０は、導電性シートの金属の代わりに非導電性材料から形成されてもよい。非導電性材料は、例えばセラミックである。このような代替の実施の形態においては、ギャップ１５２または１５３は必要でない。  Alternatively, thehollow conduit 150 may be formed from a non-conductive material instead of the metal of the conductive sheet. The nonconductive material is, for example, ceramic. In such alternative embodiments,gaps 152 or 153 are not required.

アンテナ、例えば中空導管１５０の一方の側に配置され、半分のトロイダルチューブの対称軸に平行な軸の周りに巻かれた巻線、即ちコイル１６５は、インピーダンス整合回路１７５を介してＲＦ電源１８０に接続されている。アンテナ１７０は、更に、中空の導管１５０の反対側に配置され、第１の巻線１６５と同方向に巻かれた第２の巻線１８５を有しているので、両方の巻線からの磁界は有利に加わる。  An antenna, for example, acoil 165 disposed on one side of thehollow conduit 150 and wound about an axis parallel to the symmetry axis of the half toroidal tube, iscoil 165 to theRF power supply 180 via animpedance matching circuit 175. It is connected. Theantenna 170 further includes a second winding 185 disposed on the opposite side of thehollow conduit 150 and wound in the same direction as the first winding 165, so that the magnetic field from both windings. Joins in favor.

チャンバ１００からのプロセスガスは中空導管１５０を満たす。さらに、分離したプロセスガス源１９０がガス入口１９５を介して中空導管１５０ヘプロセスガスを直接供給する。外部の中空導管１５０におけるＲＦ磁界は、チューブ内のガスをイオン化してプラズマを生成する。円形のコイルアンテナ１７０によって誘導されたＲＦ磁界は、チューブ１５０内に形成されたプラズマがウエハ１２０と天井１１０間の領域を通して到達し、半分のトロイダル中空導管１５０を含むトロイダル通路を完成させるものである。ここで用いられているように、用語Atorroidal＠は、この通路の閉じた、固定した性質を言うが、その断面形状または軌道には言及しないし、限定もしない。それらのいずれもは円形まはた非円形、または正方形又はその他の形状であってもよい。プラズマは、完全なトロイダル通路または閉じたプラズマ回路と考えられる領域を通して循環する。トロイダル領域は、ウエハ１２０の直径を横切って延び、ある実施の形態では、それが全体のウエハ表面を覆うようにウエハの面において充分な幅を有している。  Process gas from thechamber 100 fills thehollow conduit 150. In addition, a separateprocess gas source 190 supplies process gas directly to thehollow conduit 150 via thegas inlet 195. The RF magnetic field in the externalhollow conduit 150 ionizes the gas in the tube and generates a plasma. The RF magnetic field induced by thecircular coil antenna 170 causes the plasma formed in thetube 150 to reach through the region between thewafer 120 and theceiling 110 to complete the toroidal passage including the half toroidalhollow conduit 150. . As used herein, the term Atorroidal @ refers to the closed, fixed nature of this passage, but does not refer to or limit its cross-sectional shape or trajectory. Any of them may be circular or non-circular, or square or other shapes. The plasma circulates through a region considered to be a complete toroidal passage or a closed plasma circuit. The toroidal region extends across the diameter of thewafer 120 and, in one embodiment, has a sufficient width in the plane of the wafer so that it covers the entire wafer surface.

コイルアンテナ１７０からのＲＦ誘導磁界はそれ自体閉じた磁界（全ての磁界である）を有し、従って、ここで説明される閉じたトロイダル通路をに沿ったプラズマ流を含む。ＲＦ誘導性磁界からの電力は、一般に閉じた通路に沿ったあらゆる位置で吸収され、その結果プラズマイオンは、一般に通路に沿って全て生成されると考えられている。ＲＦ電力の吸収及びプラズマイオンの生成速度は、多くのファクタに依存して閉じた通路に沿ったいろいろな位置の間で変わる。しかし、電流の密度は変わるけれども、電流は、一般に閉じた通路の長さに沿って一様である。この電流は、アンテナ１７０に供給されたＲＦ信号の周波数で変化する。しかし、ＲＦ磁界によって誘導される電有は閉じているので、流れは閉じた通路の回路の周りに保全されなければならない。その結果閉じた通路のあらゆる部分に流れる電流量は、一般に通路の他の部分と同様である。以下に説明されるように、この事実は本発明において大きな利点として利用される。  The RF induced magnetic field from thecoil antenna 170 has its own closed magnetic field (which is all magnetic fields) and thus includes a plasma flow along the closed toroidal path described herein. It is believed that power from an RF inductive magnetic field is absorbed at every location along a generally closed path, and as a result, plasma ions are generally generated all along the path. The absorption of RF power and the generation rate of plasma ions vary between various positions along the closed path depending on many factors. However, although the current density varies, the current is generally uniform along the length of the closed path. This current varies with the frequency of the RF signal supplied to theantenna 170. However, because the electrical presence induced by the RF magnetic field is closed, the flow must be conserved around the closed path circuit. As a result, the amount of current flowing through any part of the closed passage is generally similar to the rest of the passage. As explained below, this fact is utilized as a great advantage in the present invention.

プラズマ流（プラズマカレント）が流れる閉じたトロイダル通路は、その通路を境にするいろいろな導電面に形成されるプラズマシースによって跳ね返される。これらの導電面は、中空導管１５０のシート金属、ウエハ（及び／又はウエハ支持ペデスタル）及びウエハの上方にある天井を含む。これらの導電面上に形成されるプラズマシースは、低質量の負の電子の大きな移動度及び重い質量の正の電子の小さな移動度のために電荷の不均衡の結果として生成される電荷空乏領域である。このようなプラズマシースは、このシースの下にある局部表面に垂直な電界を有する。従って、プロセス領域を通る、またはウエハの上にあるプロセスゾーンを通るＲＦプラズマ流は、ウエハに面する天井の面及びガス分配プレートに面するウエハの面に垂直な２つの電界の間によって制限され、その間を通過する。シースの厚さ（ワークピースまたは他の電極に与えられたＲＦバイアスを有する）は、電界が小さな領域、例えばウエハ上に集中される場合大きく、他の位置、例えば天井を覆うシースや大きな隣接するチャンバ壁の表面で小さい。従って、ウエハ上を覆うプラズマシースは非常に厚くなる。ウエハ及び天井のガス分配プレートシースの電界は互いにほぼ平行であり、プロセス領域のＲＦプラズマ流の流れの方向に垂直である。  A closed toroidal passage through which a plasma flow (plasma current) flows is rebounded by plasma sheaths formed on various conductive surfaces bordering on the passage. These conductive surfaces include the sheet metal of thehollow conduit 150, the wafer (and / or wafer support pedestal) and the ceiling above the wafer. The plasma sheath formed on these conductive surfaces is a charge depletion region created as a result of charge imbalance due to the large mobility of low mass negative electrons and the small mobility of heavy mass positive electrons. It is. Such a plasma sheath has an electric field perpendicular to the local surface beneath the sheath. Thus, the RF plasma flow through the process region or through the process zone above the wafer is limited by the two electric fields perpendicular to the ceiling surface facing the wafer and the wafer surface facing the gas distribution plate. , Pass between. The thickness of the sheath (with the RF bias applied to the workpiece or other electrode) is large when the electric field is concentrated on a small area, such as the wafer, and other locations, such as the sheath covering the ceiling or large adjacent Small on the surface of the chamber wall. Therefore, the plasma sheath covering the wafer becomes very thick. The electric fields of the wafer and ceiling gas distribution plate sheaths are substantially parallel to each other and perpendicular to the direction of the RF plasma flow flow in the process area.

最初に、ＲＦ電力がコイルアンテナ１７０に加えられると、放電がギャップ１５２を横切って起き、中空導管１５０内のガスから容量結合されたプラズマを点弧する。その後、中空導管１５０を通るプラズマ流が増加するに従って、ＲＦ磁界の誘導結合がより支配的になるので、プラズマは誘導結合プラズマになる。代わりに、プラズマは他の手段、例えばワークピース支持体または他の電極に印加されたＲＦバイアスによって開始されてもよい。  Initially, when RF power is applied to thecoil antenna 170, a discharge occurs across thegap 152 to ignite a capacitively coupled plasma from the gas in thehollow conduit 150. Thereafter, as the plasma flow through thehollow conduit 150 increases, the inductive coupling of the RF field becomes more dominant and the plasma becomes an inductively coupled plasma. Alternatively, the plasma may be initiated by other means, such as an RF bias applied to the workpiece support or other electrode.

ウエハ周辺のエッジ効果を避けるために、ポート１５０、１６０はウエハの直径を越える距離だけ離される。例えば、１２インチ直径のウエハに対して、ポート１５０、１６０は約１６〜２０インチ離される。８インチ直径のウエハに対して、ポート１５０、１６０は約１０〜１６インチ離される。  To avoid edge effects around the wafer, theports 150, 160 are separated by a distance that exceeds the diameter of the wafer. For example, for a 12 inch diameter wafer, theports 150, 160 are about 16-20 inches apart. For an 8 inch diameter wafer, theports 150, 160 are about 10-16 inches apart.

本発明の利点
ＲＦ誘導性磁界が比較的長い閉じたトロイダル通路（即ち、ウエハとリアクタの天井間のギャップ長に対して長い）を通して吸収され、その結果、ＲＦ電力吸収が大きな領域上に分布されることは、大きな利点である。結果的に、ウエハと天井のギャップ（即ち、絶縁ギャップ１５２で混乱されないように、図２に最もよく示されたプロセス領域１２１）の近傍におけるＲＦ電力は比較的小さく、従って、ＲＦ磁界からのデバイスの損傷の可能性を減少する。反対に、従来の誘導結合リアクタにおいて、ＲＦ電力の全ては狭いウエハと天井のギャップ内で吸収されるので、ＲＦ電力はその領域に非常に集中される。更に、この事実は、ウエハと天井のギャップ（他の利点の追求において）を狭くする能力をしばしば制限するし、または代わりに、ウエハの領域にＲＦ電力の大きな集中を必要とする。従って、本発明は、従来技術の長く続いている制限を克服する。この特徴は、上述されたウエハを覆うプロセス領域の大きさの劇的な減少を通して反応性ガスの対流時間を減少することによってプロセス性能を向上する。Advantages of the Invention The RF inductive field is absorbed through a relatively long closed toroidal passage (ie, long relative to the gap length between the wafer and the reactor ceiling) so that the RF power absorption is distributed over a large area. This is a great advantage. As a result, the RF power in the vicinity of the wafer-to-ceiling gap (ie, theprocess region 121 best shown in FIG. 2 so as not to be confused by the isolation gap 152) is relatively small, and thus the device from the RF magnetic field. Reduce the possibility of damage. Conversely, in a conventional inductively coupled reactor, all of the RF power is absorbed within a narrow wafer-to-ceiling gap, so the RF power is very concentrated in that area. Furthermore, this fact often limits the ability to narrow the gap between the wafer and the ceiling (in pursuit of other benefits), or instead requires a large concentration of RF power in the area of the wafer. Thus, the present invention overcomes the long-standing limitations of the prior art. This feature improves process performance by reducing the convection time of the reactive gas through a dramatic reduction in the size of the process area covering the wafer described above.

コイルアンテナ１７０に供給されたＲＦ電力を増加することなくウエハ表面のプラズマ密度が劇的に増大されることは、関連した、非常に重要な利点である（大きな効率を導く）。これは、トロイダル通路の残りに対してペデスタル面とウエハ面の近傍にあるトロイダル通路の断面積を減少することによって達成される。ウエハ１２０のみの近くにあるプラズマ流のトロイダル通路を非常に制限することによって、ウエハ表面近くのプラズマ密度が比例して増加される。これは、中空導管１５０を通るトロイダル通路のプラズマ流がペデスタルと天井（ウエハと天井）のギャップを通るプラズマ流と少なくともほぼ同じでなければならないからである。  The dramatic increase in wafer surface plasma density without increasing the RF power supplied to thecoil antenna 170 is an associated and very important advantage (leading to greater efficiency). This is accomplished by reducing the cross-sectional area of the toroidal passage in the vicinity of the pedestal and wafer surfaces relative to the rest of the toroidal passage. By very restricting the toroidal path of the plasma flow near only thewafer 120, the plasma density near the wafer surface is proportionally increased. This is because the plasma flow in the toroidal passage through thehollow conduit 150 must be at least approximately the same as the plasma flow through the gap between the pedestal and the ceiling (wafer and ceiling).

従来技術との著しい相違は、ワークピースから離れたＲＦ磁界ばかりでなく、及びイオン密度が供給されたＲＦ磁界を増加することなくウエハ表面で増加されるばかりでなく、プラズマイオン密度及び／又は供給されたＲＦ磁界もウエハと天井の最小のギャップを増加することなく増大されることである。以前は、プラズマ密度のこのような増加は、ウエハ表面での強い磁界を避けるためにウエハと天井のギャップの増加を必要とした。反対に、本発明においては、増大したプラズマ密度は、ウエハ表面でのＲＦ磁界の付随した増加を避けるために、ウエハと天井のギャップの増加を必要とすることなく実現される。これは、ＲＦ磁界がウエハから離れて供給され、ウエハ表面でのプラズマ密度の増加を実現するために、さらにＲＦ磁界が増加される必要がないからである。その結果、いろいろな利点を達成するために、ウエハと天井のギャップを基本的な限界まで減少することができる。例えば、もし、ウエハ上の天井の面が導電性であるなら、ウエハと天井のギャップを減少することは、導電性の天井面によって与えられた電気的又は接地基準を向上する。ウエハと天井の最小ギャップについての基本的限界は、ウエハ表面と天井表面上のプラズマシースの厚さの合計である。  Notable differences from the prior art are not only the RF magnetic field away from the workpiece, and the ion density is not only increased at the wafer surface without increasing the supplied RF magnetic field, but also the plasma ion density and / or supply. The generated RF field is also increased without increasing the minimum gap between the wafer and the ceiling. Previously, this increase in plasma density required an increase in the gap between the wafer and the ceiling to avoid strong magnetic fields at the wafer surface. Conversely, in the present invention, increased plasma density is achieved without requiring an increase in the wafer-to-ceiling gap to avoid a concomitant increase in RF field at the wafer surface. This is because the RF magnetic field is supplied away from the wafer and the RF magnetic field does not need to be increased further to achieve an increase in plasma density at the wafer surface. As a result, the wafer-to-ceiling gap can be reduced to a fundamental limit to achieve various advantages. For example, if the ceiling surface on the wafer is conductive, reducing the gap between the wafer and the ceiling improves the electrical or ground reference provided by the conductive ceiling surface. The basic limit for the minimum wafer-to-ceiling gap is the sum of the thickness of the plasma sheath on the wafer and ceiling surfaces.

本発明の更なる利点は、ＲＦ誘導磁界がＲＦプラズマ流の全トロイダル通路に沿って与えられるので、多くの他の誘導的に電力が供給されるリアクタとは異なって、チャンバの天井１１０は、誘導性磁界に対するウインドウとして機能する必要がないことであり、従って所望の材料、例えば大きな導電性と厚い材料から形成され、また例えば、以下に説明されるように導電性のガス分配プレートを有することができることである。結果として、天井はペデスタル、またはウエハ１２０の全面を横切って信頼できる電位または接地基準を容易に与えることができる。  A further advantage of the present invention is that unlike many other inductively powered reactors, thechamber ceiling 110 provides an RF induced magnetic field along the entire toroidal path of the RF plasma flow. It does not have to function as a window to the inductive magnetic field and is therefore formed of the desired material, for example large conductive and thick material, and also has a conductive gas distribution plate, for example as described below It is possible to do. As a result, the ceiling can easily provide a reliable potential or ground reference across the entire surface of the pedestal orwafer 120.

プラズマイオン密度の増加
ウエハ上のプラズマ通路の断面積を減少することによってウエハ表面に近くに高プラズマ密度を実現する１つの方法は、ウエハと天井のギャップ長を減少することである。これは、単に天井の高さを減少することによって、または図２に示されるように、ウエハ上に導電性のガス分配プレート、即ちシャワーヘッドを導入することによって達成される。図２のガス分配シャワーヘッド２１０は、ガス源１２５に接続され、複数のガスノズル開口２３０を通してウエハ１２０上のプロセス領域と連通するガス分配プレナム２２０からなる。導電性シャワーヘッド２１０の利点は、２つある。即ち、第１に、そのウエハへの接近した位置によって、シャワーヘッドはウエハ表面上のプラズマ通路を圧縮し、それによりその近傍でプラズマ流の密度を増大する。第２に、シャワーヘッドはウエハの全表面近く及びウエハ表面を横切って、均一な電位規準または接地面を与える。Increasing Plasma Ion Density One way to achieve high plasma density close to the wafer surface by reducing the cross-sectional area of the plasma passage on the wafer is to reduce the gap length between the wafer and the ceiling. This is accomplished simply by reducing the height of the ceiling, or by introducing a conductive gas distribution plate or showerhead over the wafer, as shown in FIG. Thegas distribution showerhead 210 of FIG. 2 comprises agas distribution plenum 220 that is connected to agas source 125 and communicates with a process region on thewafer 120 through a plurality ofgas nozzle openings 230. There are two advantages of theconductive showerhead 210. That is, first, due to its proximity to the wafer, the showerhead compresses the plasma passage on the wafer surface, thereby increasing the density of the plasma flow in the vicinity thereof. Second, the showerhead provides a uniform potential reference or ground plane near and across the entire surface of the wafer.

好ましくは、開口２３０を横切るアークを避けるために、各々の開口２３０は比較的小さく、ミリメートルのオーダー（好適な孔の直径は約０．５ｍｍ）である。隣り合う開口間の間隔は、数ミリメートルのオーダである。  Preferably, eachaperture 230 is relatively small, on the order of millimeters (a preferred hole diameter is about 0.5 mm) to avoid arcing across theapertures 230. The spacing between adjacent openings is on the order of a few millimeters.

プラズマシースがプラズマ中に浸されているシャワーヘッドの表面部分の周りに形成されるので、導電性シャワーヘッド２１０は、それ自体を通して短絡回路を与えることなくプラズマ流通路を絞る。このシースは、ウエハ１２０とシャワーヘッド２１０間の空間よりプラズマ流に対して大きなインピーダンスを有し、従って全てのプラズマ流は、導電性シャワーヘッド２１０の周りに流れる。  Since the plasma sheath is formed around the surface portion of the showerhead that is immersed in the plasma, theconductive showerhead 210 constricts the plasma flow path without providing a short circuit through itself. This sheath has a greater impedance to the plasma flow than the space between thewafer 120 and theshowerhead 210, so that all plasma flow flows around theconductive showerhead 210.

ウエハ上にあるプロセス領域近傍にトロイダルプラズマ流または通路を絞るために、シャワーヘッド（例えば、シャワーヘッド２１０）を用いることは必要でない。通路の絞り、及びその結果生じる処理領域におけるプラズマイオン密度の増加は、シャワーヘッドを必要とすることなくウエハと天井の高さを単に減少することによって達成される。もし、この方法でシャワーヘッド２１０が除去されるなら、プロセスガスは従来の入口ノズル（図示せず）によってチャンバ内部に供給されることができる。  It is not necessary to use a showerhead (eg, showerhead 210) to constrict the toroidal plasma flow or path near the process area on the wafer. Passage restriction and the resulting increase in plasma ion density in the processing region is accomplished by simply reducing the height of the wafer and ceiling without the need for a showerhead. If theshowerhead 210 is removed in this manner, process gas can be supplied into the chamber by a conventional inlet nozzle (not shown).

シャワーヘッド２１０の１つの利点は、例えば、ホトレジスト上のプラズマ効果の不均一性を細かく調整するために、反応性と不活性のプロセスガスのいろいろな混合比が異なる半径の異なる開口部２３０を通して導入されることである。従って、例えば、反応性ガスに対して大きな割合の不活性ガスを中間半径の外側の開口部２３０に供給することができ、これに対し、不活性ガスに対して大きな割合の反応性ガスを中間半径の内側の開口部２３０に供給することができる。  One advantage of theshowerhead 210 is that various mixing ratios of reactive and inert process gases are introduced throughdifferent openings 230 of different radii, for example, to fine tune the non-uniformity of the plasma effect on the photoresist. It is to be done. Therefore, for example, a large proportion of the inert gas can be supplied to theopening 230 outside the intermediate radius, whereas a large proportion of the reactive gas can be supplied to the intermediate gas. It can be supplied to theopening 230 inside the radius.

以下に説明されるように、（ウエハ上のプラズマイオン密度を増加するために）トロイダルプラズマ流通路をウエハ上にある処理領域に絞る他の方法は、ウエハ支持ペデスタルに与えられるＲＦバイアス電力を増加することによって、ウエハ上のプラズマシースの厚さを増加することである。前述したように、プロセス領域を横切るプラズマ流は、ウエハ表面にあるプラズマシースと天井（またはシャワーヘッド）にあるプラズマシースの間に閉じ込められるので、ウエハ表面にあるプラズマシースの厚さを増加することは、必然的にプロセス領域内のトロイダルプラズマ流を減少し、それによって、プロセス領域におけるプラズマイオン密度を増加する。従って、本明細書において後でより詳細に説明されるように、ウエハ支持ペデスタルのＲＦバイアス電力が増加されるに従って、ウエハ表面近くのプラズマイオン密度は増加される。  As described below, other methods of concentrating the toroidal plasma flow path to a processing region on the wafer (to increase the plasma ion density on the wafer) increase the RF bias power applied to the wafer support pedestal. By doing so, the thickness of the plasma sheath on the wafer is increased. As described above, the plasma flow across the process area is confined between the plasma sheath on the wafer surface and the plasma sheath on the ceiling (or showerhead), thus increasing the thickness of the plasma sheath on the wafer surface. Inevitably reduces the toroidal plasma flow in the process region, thereby increasing the plasma ion density in the process region. Accordingly, as will be described in more detail later herein, as the RF bias power of the wafer support pedestal is increased, the plasma ion density near the wafer surface is increased.

高エッチング速度での高エッチング選択性
本発明は、高密度プラズマを伴って時々生じる好ましくないエッチング選択性の問題を解決する。図１と図２のリアクタは、容量結合プラズマリアクタのエッチング選択性（約７：１）と同程度に高いに酸化シリコンとホトレジストのエッチング選択性を有し、一方、高いエッチング速度を与えることは、誘導結合プラズマリアクタのエッチング速度に近づく。この成功の理由は、図１と図２のリアクタ構造が、ウエハ１２０上のプラズマ領域にフリーなフッ素の発生率を減少するように、反応性プロセスガス、一般にフルオロカーボンガスの分離の程度を減少することであると考えらる。従って、フルオロカーボンガスから分離した他の種に対してプラズマ中のフリーなフッ素の割合が望ましく減少される。これらの他の種は、フルオロカーボンプロセスガスからプラズマ中に形成され、保護的なポリマーコーティングとしてホトレジスト上に堆積される保護的なカーボンの豊富なポリマー先駆種を含む。それらは、更に、フルオロカーボンプロセスガスからプラズマ中に形成される反応性のないエッチャント種、例えばＣＦやＣＦ２を含む。フリーなフッ素は、それが二酸化シリコンを攻撃する程度活発にホトレジスト及びその上に形成される保護的なポリマーコーティングを攻撃する傾向にあり、従って、酸素−ホトレジストのエッチング選択性を減少する。他方、反応性のないエッチング種、例えばＣＦやＣＦ₂は、ホトレジスト及びその上に形成される保護的なポリマーコーティングをよりゆっくり攻撃する傾向にあり、従って優れたエッチング選択性を与える。High etch selectivity at high etch rates The present invention solves the problem of undesirable etch selectivity that sometimes occurs with high density plasmas. The reactors of FIGS. 1 and 2 have silicon and photoresist etch selectivity as high as that of a capacitively coupled plasma reactor (about 7: 1), while providing high etch rates. Approach the etching rate of the inductively coupled plasma reactor. The reason for this success is that the reactor structure of FIGS. 1 and 2 reduces the extent of separation of reactive process gases, typically fluorocarbon gases, such that the incidence of free fluorine in the plasma region onwafer 120 is reduced. I think that is. Thus, the proportion of free fluorine in the plasma relative to other species separated from the fluorocarbon gas is desirably reduced. These other species include protective carbon rich polymer precursors that are formed in a plasma from a fluorocarbon process gas and deposited on the photoresist as a protective polymer coating. They further contain non-reactive etchant species, such as CF and CF2, formed in the plasma from a fluorocarbon process gas. Free fluorine tends to attack the photoresist and the protective polymer coating formed thereon to the extent that it attacks silicon dioxide, thus reducing the etch selectivity of the oxygen-photoresist. On the other hand, not reactive etching species, such as CF and CF₂ will tend to more slowly attacking a protective polymer coating formed photoresist and thereon, thus providing an excellent etch selectivity.

フリーなフッ素に対するプラズマ種の分離の減少は、プラズマ中の反応性ガスの滞留時間を減少することによって、本発明において達成されると考えられる。これは、フルオロカーボンプロセスガス、例えばＣＦやＣＦ₂からプラズマ中に初期に分離したより複雑な種がそれ自身フリーなフッ素を含む簡単な種に最後には分離されるからである。この分離の最終ステップの程度は、プラズマ中のガスの滞留時間に依存する。本明細書において用いられる用語“滞留時間”は、プロセスガスの分子及びその分子から分離した種がワークピース又はウエハ上のプロセス領域に存在する平均時間に相当する。この時間または期間は、プロセス領域への分子の最初の注入から分子及び／又はその分離した結果が処理ゾーンを通して延びる上述した閉じたトロイダル通路に沿ってプロセス領域から外へ通過するまで延びる。It is believed that the reduction of plasma species separation relative to free fluorine is achieved in the present invention by reducing the residence time of the reactive gas in the plasma. This is because the more complex species initially separated into the plasma from fluorocarbon process gases such as CF and CF₂ are eventually separated into simple species that themselves contain free fluorine. The degree of this final separation step depends on the residence time of the gas in the plasma. As used herein, the term “residence time” corresponds to the average time a process gas molecule and species separated from the molecule exist in the process area on the workpiece or wafer. This time or period extends from the initial injection of molecules into the process region until the molecules and / or their separation results pass out of the process region along the above-described closed toroidal passage extending through the treatment zone.

上述したように、本発明は、フルオロカーボンのプロセスガスのプロセス領域における滞留時間を減少することによって、エッチングの選択性を増大する。滞留時間の減少は、ウエハ１２０と天井１１０間のプラズマボリューム（体積）を絞ることによって達成される。  As discussed above, the present invention increases etch selectivity by reducing the residence time of the fluorocarbon process gas in the process region. Reduction of the residence time is achieved by reducing the plasma volume between thewafer 120 and theceiling 110.

ウエハから天井までのギャップ、即ちボリュームの減少は、有益な効果を有する。第１に、それはウエハ上のプラズマ密度を増加して、エッチング速度を上昇する。第２に、ボリュームが減少するに従って、滞留時間が下がる。上述したように、本発明は、小さなボリュームを可能にする。従来の誘導結合リアクタと違って、ＲＦソース電力がウエハの上にあるプロセス領域の閉じ込め内にデポジットされないで、むしろ電力デポジションがプラズマ流の全体の閉じたトロイダル通路に沿って分布される。従って、ウエハ−天井間のギャップは、ＲＦ誘導磁界の表皮深さ以下にすることができ、実際に、プロセス領域へ導入される反応性ガスの滞留時間を著しく減少するように小さくすることができ、これは著しい効果である。  Reduction of the wafer-to-ceiling gap, or volume, has a beneficial effect. First, it increases the plasma density on the wafer and increases the etch rate. Second, the residence time decreases as the volume decreases. As mentioned above, the present invention allows for small volumes. Unlike conventional inductively coupled reactors, RF source power is not deposited within the process area confinement above the wafer, but rather power deposition is distributed along the entire closed toroidal path of the plasma flow. Thus, the gap between the wafer and the ceiling can be less than or equal to the skin depth of the RF induced magnetic field, and in fact can be reduced to significantly reduce the residence time of the reactive gas introduced into the process area. This is a remarkable effect.

プラズマ通路の断面、従ってウエハ１２０上のボリュームを減少するのに２つの方法がある。１つは、ウエハからシャワーヘッドまでのギャップ距離を減少することである。他は、上に簡単に説明したように、ＲＦバイアス電力発生器１６２によってウエハペデスタルに与えられるバイアスＲＦ電力を増加することによって、ウエハ上のプラズマシースの厚さを増加することである。いずれの方法も、発光分光学（optical emission spectroscopy: ＯＥＳ）技術を用いて観測されるウエハの近傍におけるプラズマ中のフリーなフッ素の含有の減少（結果として、誘電体とホトレジストのエッチング選択性の増加）につながる。  There are two ways to reduce the cross-section of the plasma path and thus the volume on thewafer 120. One is to reduce the gap distance from the wafer to the showerhead. The other is to increase the thickness of the plasma sheath on the wafer by increasing the bias RF power applied to the wafer pedestal by the RFbias power generator 162, as briefly described above. Both methods reduce the inclusion of free fluorine in the plasma in the vicinity of the wafer observed using optical emission spectroscopy (OES) technology (resulting in increased etch selectivity for dielectrics and photoresists). ).

フリーなフッ素の含有を減少してエッチングの選択性を向上するための、本発明による３つの追加方法がある。１つの方法は、化学的非反応性希釈ガス、例えばアルゴンをプラズマに導入することである。好ましくは、第２のプロセスガス源１９０から中空導管１５０ヘアルゴンガスを直接導入することによって、アルゴンガスが外部からプロセス領域上に導入され、一方、化学的反応性プロセスガス（フルオロカーボンガス）は、シャワーヘッド２１０のみを通してチャンバへ入る。この有利な配置の場合、アルゴンイオン、中性子、及び励起された中性子は、トロイダル通路のプラズマ流内を、新しく導入された反応性ガス（フルオロカーボン）を希釈するためにウエハ表面を横切ってプロセス領域を通って伝播し、それにより、ウエハ上のそれらの滞留時間を効果的に減少する。プラズマのフリーなフッ素含有量を減少する他の方法は、チャンバ圧力を減少することである。さらに他の方法は、コイルアンテナ１７０に加えるＲＦソース電力を減少することである。  There are three additional methods according to the present invention to improve the etch selectivity by reducing the content of free fluorine. One method is to introduce a chemically non-reactive diluent gas, such as argon, into the plasma. Preferably, argon gas is introduced into the process region from the outside by introducing argon gas directly from the secondprocess gas source 190 into thehollow conduit 150, while the chemically reactive process gas (fluorocarbon gas) is introduced into the showerhead. Enter the chamber through 210 only. In this advantageous arrangement, argon ions, neutrons, and excited neutrons move through the process area across the wafer surface to dilute the newly introduced reactive gas (fluorocarbon) in the plasma flow of the toroidal passage. Propagates through, thereby effectively reducing their residence time on the wafer. Another way to reduce the free fluorine content of the plasma is to reduce the chamber pressure. Yet another way is to reduce the RF source power applied to thecoil antenna 170.

図３は、ウエハ−シャワーヘッド間のギャップ距離が減少されるに従って、プラズマのフリーなフッ素の含有量が減少する、本発明において観察された傾向を示すグラフである。図４は、ウエハペデスタル１１５に加えられたプラズマバイアス電力を増加することによって、プラズマのフリーなフッ素含有量が減少することを示すグラフである。図５は、コイルアンテナ１７０に加えられるＲＦソース電力を減少することによって、プラズマのフリーなフッ素含有量が減少することを示すグラフである。図６は、チャンバ圧力を減少することによって、プラズマのフリーなフッ素含有量が減少することを示すグラフである。図７は、円筒状エンクロージャ１５０への希釈ガス（アルゴンガス）の流速を増加することによって、プラズマのフリーなフッ素含有量が減少することを示すグラフである。図３−図７のグラフは、いろいろなＯＥＳ観察から判断されるプラズマの振舞いの傾向を単に概略的に示したもので、実際のデータを示したものではない。  FIG. 3 is a graph showing the trend observed in the present invention where the free fluorine content of the plasma decreases as the gap distance between the wafer and showerhead is decreased. FIG. 4 is a graph showing that increasing the plasma bias power applied to thewafer pedestal 115 reduces the free fluorine content of the plasma. FIG. 5 is a graph showing that reducing the RF source power applied to thecoil antenna 170 reduces the free fluorine content of the plasma. FIG. 6 is a graph showing that reducing the chamber pressure reduces the free fluorine content of the plasma. FIG. 7 is a graph showing that increasing the flow rate of diluent gas (argon gas) into thecylindrical enclosure 150 reduces the free fluorine content of the plasma. The graphs of FIGS. 3 to 7 are merely schematic representations of plasma behavior trends determined from various OES observations, and do not represent actual data.

本発明の広いプロセスウインドウ
チャンバ圧力は、０．５Ｔ以下であり、そして１ｍＴ程度に低くすることができる。プロセスガスは、約２０ｍＴに維持されるチャンバ圧力を有し、１５０ｃｃ／ｍのアルゴンと共に約１５ｃｃ／ｍの流速でガス分配シャワーヘッドを通してチャンバ１００へ導入されるＣ₄Ｆ₈である。代わりに、アルゴンガスの流速は６５０ｃｃ／ｍに、またチャンバ圧力は６０ｍＴに増加することができる。アンテナ１７０は、１３ＭＨｚで約５００ワットのＲＦ電力で励起される。ウエハーシャワーヘッド間のギャップは、約０．３〜約２インチである。ウエハペデスタルに加えられるバイアスＲＦ電力は、１３ＭＨｚ、２０００ワットである。他の周波数の選択がなされてもよい。コイルアンテナ１７０に加えられるソース電力は、５０ＫＨｚ程度の低さか、または１３ＭＨｚの数倍の高さ、或いはそれより高くてもよい。ウエハペデスタルに加えられるバイアス電力についても同じことである。The wide process window chamber pressure of thepresent invention is 0.5T or less and can be as low as 1 mT. The process gas is C₄ F₈ having a chamber pressure maintained at about 20 mT and introduced into thechamber 100 through the gas distribution showerhead at a flow rate of about 15 cc / m with 150 cc / m argon. Alternatively, the argon gas flow rate can be increased to 650 cc / m and the chamber pressure can be increased to 60 mT. Theantenna 170 is excited with about 500 watts of RF power at 13 MHz. The gap between wafer showerheads is about 0.3 to about 2 inches. The bias RF power applied to the wafer pedestal is 13 MHz, 2000 watts. Other frequency selections may be made. The source power applied to thecoil antenna 170 may be as low as 50 KHz, several times as high as 13 MHz, or higher. The same is true for the bias power applied to the wafer pedestal.

図１と図２のリアクタに対するプロセスウインドウは、従来の誘導結合リアクタに対するプロセスウインドウよりはるかに広い。これは、従来の誘導性リアクタ、及び図１と図２のリアクタに対するＲＦソース電力の関数としてフリーなフッ素の特定の中性フラックス(neutral flux)を示す図８のグラフに示されている。従来の誘導結合リアクタに対して、図８は、フリーなフッ素の特定のフラックスは、ソース電力が５０と１００ワット間を越えるに従って、急激に増加し始めることを示している。これに対して、図１と図２のリアクタは、フリーなフッ素の特定なフラックスが急激に増加し始める前に１０００ワットに近かいソース電力レベルを受け入れることができる。従って、本発明のソース電力のプロセスウインドウは、従来の誘導結合リアクタのプロセスウインドウよりも広く、これは著しい利点である。  The process window for the reactor of FIGS. 1 and 2 is much wider than the process window for a conventional inductively coupled reactor. This is shown in the graph of FIG. 8 which shows the specific neutral flux of free fluorine as a function of RF source power for the conventional inductive reactor and the reactor of FIGS. For a conventional inductively coupled reactor, FIG. 8 shows that the specific flux of free fluorine begins to increase sharply as the source power exceeds between 50 and 100 watts. In contrast, the reactors of FIGS. 1 and 2 can accept source power levels approaching 1000 watts before the specific flux of free fluorine begins to increase rapidly. Thus, the source power process window of the present invention is wider than the process window of conventional inductively coupled reactors, which is a significant advantage.

本発明の二重の利点
ウエハまたはワークピースの近傍のトロイダルプラズマ流路の閉じ込めは、他の性能基準に対し著しいトレードオフのない２つの独立した利点を有する。（１）ウエハ上のプラズマ密度は、プラズマのソース電力の如何なる増加の必要性もなく増加され、（２）ホトレジストまたは他の材料に対するエッチングの選択性は、上述のように増加される。従来のプラズマリアクタにおいて、エッチングの選択性を増加する同じステップによってプラズマイオン密度を増加することは、不可能ではないにしても実用的ではなかった。従って、本発明のトロイダルプラズマソースによって実現される二重の利点は、従来技術からの革新的な出発であるようである。Dual Advantages of the Invention The confinement of the toroidal plasma flow path in the vicinity of the wafer or workpiece has two independent advantages with no significant trade-off over other performance criteria. (1) The plasma density on the wafer is increased without the need for any increase in the source power of the plasma, and (2) the etch selectivity for photoresist or other materials is increased as described above. In conventional plasma reactors, increasing plasma ion density by the same step of increasing etch selectivity has not been practical if not impossible. Thus, the double advantage realized by the toroidal plasma source of the present invention appears to be an innovative departure from the prior art.

他の好適な実施の形態
図９は、図１の実施の形態のサイドアンテナ１７０が天井１１０と中空導管１５０の間の空間内に収まった小さなアンテナ９１０によって置き換えられた変形例を示す。好ましくは、このアンテナ９１０は、中空導管１５０に関して中央に置かれた単一巻線である。Other Preferred Embodiments FIG. 9 shows a variation in which theside antenna 170 of the embodiment of FIG. 1 is replaced by asmall antenna 910 that fits in the space between theceiling 110 and thehollow conduit 150. Preferably, theantenna 910 is a single winding centered with respect to thehollow conduit 150.

図１０と図１１は、図１の実施の形態が天井１１０と中空導管１５０の間の空間を通して延びる閉じた磁気透過性コア１０１５の追加によってどのように増大されることができるかを示す。コア１０１５は、アンテナ１７０から中空導管１５０内のプラズマへの誘導結合を増進する。  FIGS. 10 and 11 show how the embodiment of FIG. 1 can be augmented by the addition of a closed magneticallypermeable core 1015 that extends through the space between theceiling 110 and thehollow conduit 150.Core 1015 enhances inductive coupling fromantenna 170 to the plasma inhollow conduit 150.

図１１を参照して、インピーダンス整合は、同調キャパシタ１１３０の両端に接続された、コア１０１５の周囲に巻かれた二次巻線１１２０を用いることによって、インピーダンス整合回路１７５を用いずに達成するすることができる。同調キャパシタ１１３０の容量は、二次巻線１１２０をＲＦ電源１８０の周波数に共振するように選択される。固定同調キャパシタ１１３０に対して、ダイナミックなインピーダンス整合が周波数同調及び／または順方向動力サーボ制御機構によって設けられてもよい。Referring to FIG. 11, impedance matching is achieved without usingimpedance matching circuit 175 by using secondary winding 1120 wound aroundcore 1015 connected across tuningcapacitor 1130. be able to. The capacitance oftuning capacitor 1130 is selected to resonate secondary winding 1120 at the frequency ofRF power supply 180. Forfixed tuning capacitor 1130, dynamic impedance matching may be provided by frequency tuning and / or forward power servo control mechanisms.

図１２は、中空チューブのエンクロージャ１２５０がリアクタの底部の回りにのび、チャンバの底部にある一対の開口１２６０、１２６５を通してチャンバ内部と連通している本発明の実施の形態を示す。コイルアンテナ１２７０は、図１の実施の形態の方法で中空状のエンクロージャ１２５０によって与えられたトロイダル通路と一緒に沿っている。図１２は、主チャンバの底部に結合された真空ポンプ１３５を示しているけれども、それは下にある導管１２５０に結合されてもよい。  FIG. 12 illustrates an embodiment of the invention in which ahollow tube enclosure 1250 extends around the bottom of the reactor and communicates with the interior of the chamber through a pair ofopenings 1260, 1265 at the bottom of the chamber. Thecoil antenna 1270 is along with the toroidal path provided by thehollow enclosure 1250 in the manner of the embodiment of FIG. Although FIG. 12 shows thevacuum pump 135 coupled to the bottom of the main chamber, it may be coupled to theunderlying conduit 1250.

図１３は、図１０、図１１の実施の形態の変形例を示し、アンテナ１７０はコア１０１５の上方区分を囲む誘導性巻線１３２０によって置き換えられる。巻線１３２０は、（導管の下部よりむしろ）導管１５０の上部にあるコア１０１５の部分を囲むのが都合よい。しかし、巻線１３２０はコア１０１５のどの部分を囲んでもよい。  FIG. 13 shows a variation of the embodiment of FIGS. 10 and 11, where theantenna 170 is replaced by an inductive winding 1320 that surrounds the upper section of thecore 1015. Winding 1320 conveniently surrounds the portion ofcore 1015 at the top of conduit 150 (rather than the bottom of the conduit). However, the winding 1320 may surround any part of thecore 1015.

図１４は、図１３の概念の拡張を示し、第２の中空チューブ状のエンクロージャ１４５０が第１の中空導管１５０と平行に走っており、第２のトロイダルプラズマ流のための平行トロイダル通路を与える。このチューブ状のエンクロージャ１４５０は、天井１１０にあるそれぞれの開口を介してその各々の端部においてチャンバ内部と連通している。磁気コア１４７０が２つのチューブ状のエンクロージャ１５０、１４５０の下で、コイルアンテナを通って延びている。  FIG. 14 shows an extension of the concept of FIG. 13 with a secondhollow tubular enclosure 1450 running parallel to the firsthollow conduit 150 and providing a parallel toroidal passage for the second toroidal plasma flow. . Thistubular enclosure 1450 communicates with the interior of the chamber at each end through respective openings in theceiling 110. Amagnetic core 1470 extends through the coil antenna under the twotubular enclosures 150, 1450.

図１５は、図１４の概念の拡張を示し、平行な中空チューブ状のエンクロージャ１５ａ、１５ｂ、１５０ｃ、１５０ｄのアレーがリアクタチャンバを通して複数のトロイダルプラズマ流路を提供する。図１５の実施の形態において、プラズマイオン密度は、独立のＲＦ電源１８０ａ-ｄによって駆動される、個々の導管１５０ａ-ｄにおいてそれぞれ独立して制御される。個々の円筒状の開いたコア１５２０ａ-１５２０ｄがそれぞれのコイルアンテナ１７０ａ-１７０ｄ内に分離して挿入される。この実施の形態において、中央からエッジまでの相対的なイオン密度分布が個々のＲＦ電源１８０Ａ-１８０ｄの電力レベルを別々に調整することによって調整される。  FIG. 15 shows an extension of the concept of FIG. 14, where an array of parallel hollowtubular enclosures 15a, 15b, 150c, 150d provides multiple toroidal plasma channels through the reactor chamber. In the embodiment of FIG. 15, the plasma ion density is independently controlled in eachindividual conduit 150a-d driven by independentRF power supplies 180a-d. Individual cylindrical open cores 1520a-1520d are separately inserted into therespective coil antennas 170a-170d. In this embodiment, the relative ion density distribution from the center to the edge is adjusted by adjusting the power levels of the individualRF power supplies 180A-180d separately.

図１６は、図１５の実施の形態の変更例を示し、チューブ状のエンクロージャ１５０ａ-ｄのアレーが天井を通さないでリアクタの側壁を通して延びている。図１６に示された他の変更例は、チューブ状のエンクロージャ１５０ａ-ｄの全てに隣接する単一の共通な磁気コア１４７０とその回りを囲むアンテナ１７０を使用しているので、単一のＲＦソースがチューブ状のエンクロージャ１５０ａ-ｄの全てにプラズマを励起する。  FIG. 16 shows a variation of the embodiment of FIG. 15 in which an array oftubular enclosures 150a-d extends through the reactor sidewall without passing through the ceiling. Another variation shown in FIG. 16 uses a single commonmagnetic core 1470 adjacent to all of thetubular enclosures 150a-d and anantenna 170 surrounding it, thus providing a single RF. A source excites plasma in all of thetubular enclosures 150a-d.

図１７Ａは、天井１１０にあるそれぞれのポートを通して延び、それぞれのコイルアンテナ１７０-ａと１７０−ｂによって励起される一対の直交したチューブ状エンクロージャ１５０-１と１５０-２を示す。それぞれのコア１０１５-１と１０１５-２は、それぞれのコイルアンテナ１７０-ａと１７０-ｂ内にある。この実施の形態は、増大した均一性のために、ウエハ１２０上方に２つの相互に直交したトロイダルプラズマ流路を形成する。２つの直交したトロイダルまたは閉じた通路は分離され、図示されるように独立して電力が与えられるが、しかしウエハの上にあるプロセス領域において交差しており、その他の点では交差していない。直交した通路の各々１つに与えられるプラズマソース電力の独立した制御を確実にするために、図１７のそれぞれのＲＦ発生器１８０ａ、１８０ｂの周波数は異なっており、その結果インピーダンス整合回路１７５ａ、１７５ｂの動作は減結合される。例えば、ＲＦ発生器１８０ａは、１１ＭＨｚのＲＦ信号を発生し、ＲＦ発生器１８０ｂは、１２ＭＨｚのＲＦ信号を発生することができる。代わりに、２つのＲＦ発生器１８０ａ、１８０ｂの位相をずらせることによって、独立した動作を達成することができる。  FIG. 17A shows a pair of orthogonal tubular enclosures 150-1 and 150-2 that extend through respective ports in theceiling 110 and are excited by respective coil antennas 170-a and 170-b. Respective cores 1015-1 and 1015-2 are in respective coil antennas 170-a and 170-b. This embodiment forms two mutually orthogonal toroidal plasma channels above thewafer 120 for increased uniformity. The two orthogonal toroidal or closed passages are separated and powered independently as shown, but intersect in the process area above the wafer and do not intersect otherwise. In order to ensure independent control of the plasma source power applied to each one of the orthogonal paths, the frequency of eachRF generator 180a, 180b in FIG. 17 is different, resulting inimpedance matching circuits 175a, 175b. Are decoupled. For example, theRF generator 180a can generate an 11 MHz RF signal, and theRF generator 180b can generate a 12 MHz RF signal. Alternatively, independent operation can be achieved by shifting the phase of the twoRF generators 180a, 180b.

図１７Ｂは、ウエハ支持体の上にある処理領域を通して２つの導管１５０-１、１５０-２の各々のトロイダルプラズマ流を案内するために、どのようにして放射状の羽根（ベイン）１８１が用いられるかを示している。放射状の羽根１８１は、チャンバの横壁近くの各々の導管の開口の問で、ウエハ支持体の端までに延びている。放射状の羽根１８１は、一方のトロイダル通路から他方のトロイダル通路へのプラズマの発散を防止するので、２つのプラズマ流はウエハの上にある処理領域内でのみ交差する。  FIG. 17B shows howradial vanes 181 are used to guide the toroidal plasma flow of each of the two conduits 150-1 and 150-2 through the processing region above the wafer support. It shows that.Radial vanes 181 extend to the end of the wafer support at the opening of each conduit near the lateral wall of the chamber. Theradial vanes 181 prevent plasma divergence from one toroidal passage to the other toroidal passage so that the two plasma flows intersect only in the processing region above the wafer.

大きな直径のウエハに適した実施の形態
小さなデバイスサイズ及び高いデバイス密度に向かう最近の傾向に加えて、他の傾向は大きなウエハの直径に向かっている。例えば、最近、１２インチの直径のウエハが製造されるようになっており、将来的には、恐らくさらに大きな直径のウエハになるであろう。その利点は、ウエハ毎の集積回路のダイの数が非常に大きいために、スループットが大きくなることである。この欠点は、プラズマ処理において、大きな直径のウエハを横切って均一なプラズマを維持することが困難なことである。本発明の以下の実施の形態は、特に大きな直径のウエハ、例えば１２インチ直径のウエハの全表面にわたって均一なプラズマイオン密度分布を与えるのに適合されている。Embodiments Suitable for Large Diameter Wafers In addition to the recent trend towards small device size and high device density, other trends are towards large wafer diameters. For example, recently, 12 inch diameter wafers have been manufactured, and in the future, perhaps even larger diameter wafers will be produced. The advantage is increased throughput due to the very large number of integrated circuit dies per wafer. The drawback is that in plasma processing it is difficult to maintain a uniform plasma across a large diameter wafer. The following embodiments of the present invention are particularly adapted to provide a uniform plasma ion density distribution across the entire surface of a large diameter wafer, eg, a 12 inch diameter wafer.

図１８と図１９は、絶縁ギャップ１８５２を有する、図１の中空導管１５０の幅広い扁平な矩形の態様である中空なチューブ状エンクロージャ１８５０を示す。この態様は、大きな直径のウエハ、例えば１２インチ直径のウエハまたはワークピースを一様にカバーするのにより適したプラズマの幅広い“ベルト”を生成する。天井におけるチューブ状エンクロージャ及び一対の開口１８６０、１８６２の幅Ｗは、約５％またはそれ以上ウエハを超えるのが好ましい。例えば、もし、ウエハが１０インチであれば、矩形のチューブ状エンクロージャ１８５０及び開口１８６０、１８６２の幅Ｗは、約１１インチである。図２０は、図１８と図１９の矩形のチューブ状エンクロージャ１８５０の変更態様１８５０’を示し、外部のチューブ状エンクロージャ１８５０の一部１８６４が絞られている。しかし、図１８と図１９の絞られない態様が好ましい。  FIGS. 18 and 19 illustrate ahollow tubular enclosure 1850 that is a wide flat rectangular embodiment of thehollow conduit 150 of FIG. This embodiment produces a broad “belt” of plasma that is more suitable for uniformly covering large diameter wafers, eg, 12 inch diameter wafers or workpieces. The width W of the tubular enclosure and the pair ofopenings 1860, 1862 in the ceiling preferably exceeds the wafer by about 5% or more. For example, if the wafer is 10 inches, the width W of therectangular tubular enclosure 1850 and theopenings 1860, 1862 is about 11 inches. FIG. 20 shows a variation 1850 'of therectangular tubular enclosure 1850 of FIGS. 18 and 19, with a portion 1864 of the outertubular enclosure 1850 being squeezed. However, the non-squeezed embodiments of FIGS. 18 and 19 are preferred.

図２０は、さらに、エンクロージャ１８５０’の絞られない部分と絞られた部分間の移行部に焦点を絞る磁石１８７０の選択的使用を示している。焦点を絞る磁石１８７０は、エンクロージャ１８５０の絞られない部分と絞られた部分間のプラズマの良好な移動を促進し、特に、プラズマがエンクロージャ１８５０の絞られない部分と絞られた部分間の移行部を横切って移動するにしたがって、プラズマからのより均一な広がりを促進する。  FIG. 20 further illustrates the selective use ofmagnet 1870 to focus on the transition between the unsqueezed and squeezed portions of enclosure 1850 '. The focusingmagnet 1870 facilitates good movement of the plasma between the unsqueezed and constricted portions of theenclosure 1850, and in particular, the transition between the unsqueezed and constricted portions of theenclosure 1850. As it moves across, it promotes a more uniform spread from the plasma.

図２１は、チューブ状エンクロージャ１８５０によって囲まれた外側領域２１２０を通して、複数の円筒状磁気コア２１１０がどのように挿入されるかを示している。円筒状コア２１１０は、チューブ状エンクロージャの対称軸にほぼ平行である。図２２は、コア２１１０がチューブ状エンクロージャ１８５０によって囲まれた外側領域２１２０を通して完全に延びている図２１の実施の形態の変形例を示し、外側領域２１２０のそれぞれの半分に２対の短くされたコア２２１０、２２２０によって置き換えられている。サイドコイル１６５、１８５（図１）は、それぞれのコア対２２１０、２２２０を囲む一対のコイル巻線２２３０、２２４０によって置きかえれている。この実施の形態において、コア対２２１０、２２２０間の偏移Ｄは、ウエハ周辺のイオン密度に対するウエハ中央近くのイオン密度を調整するために変えることができる。広い偏移Ｄは、ウエハ中央近くの誘導性結合を減少し、従って、ウエハ中央におけるプラズマイオン密度を減少する。従って、ウエハ表面を横切ってイオン密度の空間分布を正確に調整するための追加の制御素子が設けられる。図２３は、図２２の実施の形態の変形例を示し、別々の巻線２２３０、２２４０がコア対２２１０、２２２０に対して中央に置かれた単一の中央巻線によって置き換えられている。  FIG. 21 shows how a plurality of cylindricalmagnetic cores 2110 are inserted through anouter region 2120 surrounded by atubular enclosure 1850. Thecylindrical core 2110 is substantially parallel to the axis of symmetry of the tubular enclosure. FIG. 22 shows a variation of the embodiment of FIG. 21 in which thecore 2110 extends completely through theouter region 2120 surrounded by thetubular enclosure 1850, with two pairs shortened in each half of theouter region 2120. Thecores 2210 and 2220 are replaced. The side coils 165 and 185 (FIG. 1) are replaced by a pair ofcoil windings 2230 and 2240 that surround eachcore pair 2210 and 2220. In this embodiment, the deviation D between the core pairs 2210, 2220 can be varied to adjust the ion density near the wafer center relative to the ion density around the wafer. A wide shift D reduces the inductive coupling near the wafer center and thus reduces the plasma ion density at the wafer center. Accordingly, additional control elements are provided for accurately adjusting the spatial distribution of ion density across the wafer surface. FIG. 23 shows a variation of the embodiment of FIG. 22, in whichseparate windings 2230, 2240 are replaced by a single central winding centered with respect to thecore pair 2210, 2220. FIG.

図２４と図２５は、ウエハを横切ってプラズマイオン密度の分布に非常に優れた均一性を与える実施の形態を示す。図２４と図２５の実施の形態において、互いに横切って、好ましくは、相互に直交している２つのプラズマ流の通路が確立される。これは、第１のチューブ状エンクロージャ１８５０に対して横切って、好ましくは直交して延びる第２の幅広い矩形の中空エンクロージャ２４２０を与えることによって達成される。第２のチューブ状エンクロージャ２４２０は、天井１１０を通して一対の開口２４３０、２４４０を通してチャンバの内部と連通しており、そして絶縁ギャップ２４５２を有する。第２のチューブ状エンクロージャ２４２０の側面に沿って一対のサイドコイルの巻線２４５０、２４６０がプラズマを維持し、インピーダンス回路２４８０を介して第２のＲＦ電源２４７０によって励振される。図２４に示されるように、２つの直交プラズマ流がウエハ表面上の空間を同時に占め、ウエハ表面上に均一な範囲のプラズマを与える。この実施の形態は、１０インチ及びそれ以上の直径を有する大きなウエハを処理するために特に有利な使用方法を見出すことが期待されている。  24 and 25 show an embodiment that provides very good uniformity in plasma ion density distribution across the wafer. In the embodiment of FIGS. 24 and 25, two plasma flow paths are established across each other, preferably orthogonal to each other. This is accomplished by providing a second wide rectangularhollow enclosure 2420 that extends across, preferably orthogonal, to the firsttubular enclosure 1850. Secondtubular enclosure 2420 communicates with the interior of the chamber through a pair ofopenings 2430, 2440 throughceiling 110 and has an insulatinggap 2452. A pair ofside coil windings 2450, 2460 maintain plasma along the side of the secondtubular enclosure 2420 and are excited by the secondRF power source 2470 through theimpedance circuit 2480. As shown in FIG. 24, two orthogonal plasma streams simultaneously occupy space on the wafer surface, providing a uniform range of plasma on the wafer surface. This embodiment is expected to find a particularly advantageous use for processing large wafers having diameters of 10 inches and larger.

図１７の実施の形態におけるように、図２４の実施の形態は、均一性を高めるためにウエハ上に２つの相互に直交するトロイダルプラズマを形成する。この２つの直交するトロイダル上の、または閉じた通路は、図示されるように分離され、独立して電力が供給されるが、そうしなければ、相互作用を及ぼし、または互いに発散するか、拡散する。直交する通路のそれぞれの１つに供給されるプラズマソース電力の別々の制御を確実にするために、インピーダンス整合回路の動作が減結合されるように、図２４のそれぞれのＲＦ発生器１８０、２４７０の周波数は異なる。例えば、ＲＦ発生器１８０は、１１ＭＨｚのＲＦ信号を発生し、一方、ＲＦ発生器２４７０は、１２ＭＨｚのＲＦ信号を発生することができる。代わりに、２つのＲＦ発生器１８０、２４７０の位相をずらすことによって、独立した動作が達成される。  As in the embodiment of FIG. 17, the embodiment of FIG. 24 forms two mutually orthogonal toroidal plasmas on the wafer to increase uniformity. The two orthogonal toroidal or closed passages are separated as shown and powered independently, otherwise they interact or diverge from each other or diffuse To do. EachRF generator 180, 2470 of FIG. 24 is so decoupled that the operation of the impedance matching circuit is ensured to ensure separate control of the plasma source power supplied to each one of the orthogonal paths. The frequency is different. For example, theRF generator 180 can generate an 11 MHz RF signal, while theRF generator 2470 can generate a 12 MHz RF signal. Instead, independent operation is achieved by shifting the phase of the twoRF generators 180, 2470.

図２６は、図１８の実施の形態の変形例を示し、絶縁ギャップ２６５８を有する変更された矩形のエンクロージャ２６５０が天井１１０を通ることなくチャンバの側壁１０５を介してチャンバ内部と連通する。この目的のために、矩形のエンクロージャ２６５０は水平な上部区分２６５２、上部区分２６５２のそれぞれの端において一対の下方に延びる脚２６５４、及び一対の水平な、内方に延びる脚２６５６を有し、それぞれが、下方に延びる脚２６５４のそれぞれの１つの下部端から側壁１０５にあるそれぞれの開口２６７０、２６８０に延びている。  FIG. 26 shows a variation of the embodiment of FIG. 18 in which a modifiedrectangular enclosure 2650 having an insulatinggap 2658 communicates with the interior of the chamber through thechamber sidewall 105 without passing through theceiling 110. For this purpose, therectangular enclosure 2650 has a horizontalupper section 2652, a pair of downwardly extendinglegs 2654 at each end of theupper section 2652, and a pair of horizontal, inwardly extendinglegs 2656, respectively. Extends from one lower end of each of the downwardly extendinglegs 2654 torespective openings 2670, 2680 in thesidewall 105.

図２７は、絶縁ギャップ２７５２を有する第２の矩形チューブ状エンクロージャ２７１０が図２６の実施の形態にどのようにして加えられるかを示している。第２の矩形のチューブ状エンクロージャ２７１０は、矩形のチューブ状エンクロージャ２６５０、２７１０が相互に直交している（または互いに少なくとも横切っている）点を除いて図２６の矩形のチューブ状エンクロージャ２６５０と同一である。第２の矩形のチューブ状エンクロージャは、開口２７２０を有する側壁１０５を通してそれぞれの開口を介してチャンバ内部と連通している。図２５の実施の形態と同様に、チューブ状エンクロージャ２６５０、２７１０は、大きなウエハの直径上に優れた均一性を与えるために、ウエハの表面上に同時に空間を占める相互に直交するトロイダルプラズマ流を生成する。プラズマソース電力は、それぞれ対のサイドコイル巻線１６５、１８５、及び２４５０、２４６０を介してチューブ状エンクロージャの内部に供給される。  FIG. 27 shows how a secondrectangular tubular enclosure 2710 with an insulatinggap 2752 can be added to the embodiment of FIG. The secondrectangular tubular enclosure 2710 is identical to therectangular tubular enclosure 2650 of FIG. 26 except that the rectangulartubular enclosures 2650, 2710 are orthogonal to each other (or at least transverse to each other). is there. The second rectangular tubular enclosure communicates with the interior of the chamber through each opening through theside wall 105 having anopening 2720. Similar to the embodiment of FIG. 25, thetubular enclosures 2650, 2710 provide mutually orthogonal toroidal plasma flows that simultaneously occupy space on the surface of the wafer to provide excellent uniformity over the diameter of the large wafer. Generate. Plasma source power is supplied to the interior of the tubular enclosure via a pair ofside coil windings 165, 185 and 2450, 2460, respectively.

図２８Ａは、サイドコイル１６５、１８５、２４５０、２４６０が２つの矩形のチューブ状エンクロージャ２６５０、２７１０によって囲まれる外側領域２８６０内にある一対の相互に直交する内部コイル２８２０、２８４０によってどのように置き換えられる（または、補われる）かを示している。コイル２８２０、２８４０の各々の１つが矩形のチューブ状エンクロージャ２６５０、２７１０の対応する１つにトロイダルプラズマ流を生成する。これらのコイル２８２０、２８４０は異なる周波数で完全に独立して駆動されるか、同じ位相または異なる位相の同一の周波数で駆動されれてもよい。または、それらは、結合されたトロイダルプラズマ流をソース電力周波数で回転させる位相差（即ち、９０度）を有する同一周波数で駆動することができる。この場合、コイル２８２０、２８４０は、それぞれ、図２８Ａに示されるように共通の信号発生器２８８０のサインとコサイン成分で駆動される。この利点は、プラズマ流通路がプラズマイオン周波数を越える回転周波数でウエハ表面を横切って方位角的に回転するので、従来技術の方法、例えば、回転が非常に低い周波数であるＭＥＲＩＥリアクタより不均一性がよく抑制されることである。  FIG. 28A shows how the side coils 165, 185, 2450, 2460 are replaced by a pair of mutually orthogonalinner coils 2820, 2840 in the outer region 2860 surrounded by two rectangulartubular enclosures 2650, 2710. (Or supplemented). Each one of thecoils 2820, 2840 generates a toroidal plasma flow in a corresponding one of the rectangulartubular enclosures 2650, 2710. Thesecoils 2820, 2840 may be driven completely independently at different frequencies, or may be driven at the same frequency in the same phase or different phases. Alternatively, they can be driven at the same frequency with a phase difference (ie, 90 degrees) that rotates the combined toroidal plasma flow at the source power frequency. In this case, coils 2820 and 2840 are each driven with the sine and cosine components of acommon signal generator 2880 as shown in FIG. 28A. This advantage is more inhomogeneous than prior art methods such as MERIE reactors where the rotation is at a very low frequency because the plasma flow path rotates azimuthally across the wafer surface at a rotational frequency above the plasma ion frequency. Is well controlled.

図２８Ｂを参照すると、プラズマイオン密度の半径方向の調整は、一般に、コイル２８２０内で互いに向かって、または離れて軸方向に移動される一対の磁気円筒状コア２８９２、２８９４、及びコイル２８４０内で互いに向かって、または離れて軸方向に移動される一対の磁気円筒状コア２８９６、２８９８によって、与えられる。おのおの一対のコアが互いに向う方向に移動されるに従って、直交プラズマ流の各々の中央近くで誘導性結合がこのプラズマ流の端に対して増強されるので、ウエハ中央におけるプラズマ密度は、一般に増強される。従って中央からエッジまでのプラズマイオン密度は、コア２８９２、２８９４、２８９６、２８９８を移動することによって制御される。  Referring to FIG. 28B, the radial adjustment of the plasma ion density is generally accomplished within a pair of magneticcylindrical cores 2892, 2894 and acoil 2840 that are moved axially toward or away from each other within thecoil 2820. Provided by a pair of magneticcylindrical cores 2896, 2898 moved axially toward or away from each other. As each pair of cores is moved toward each other, the plasma density at the wafer center is generally enhanced as inductive coupling is enhanced against the edge of this plasma stream near the center of each of the orthogonal plasma streams. The Thus, the plasma ion density from the center to the edge is controlled by moving thecores 2892, 2894, 2896, 2898.

図２９は、本発明の他の実施の形態を示し、２つのチューブ状エンクロージャ２６５０、２７１０が単一プレナムを構成するリアクタの中心軸の周りに３６０度広がる単一のエンクロージャ２９１０へ共に合わされている。図２９の実施の形態において、プレナム２１９０は、下方の半ドーム状壁２９２０とこの半ドーム状の下方壁２９２０とほぼ一致する上方の半ドーム状壁２９３０を有している。従って、プレナム２９１０は、下方の半ドーム状壁２９２０と上方の半ドーム状壁２９３０間の空間である。絶縁ギャップ２９２１は、上方のドーム状壁２９２０の周りに広がっており、及び／または絶縁ギャップ２９３１は、下方のドーム状壁２９３０の周りに広がっている。プレナム２９１０は、チャンバの対称軸の周りに３６０度広がる天井１１０にある環状の開口２９２５を介してチャンバ内部と連通している。  FIG. 29 shows another embodiment of the present invention where twotubular enclosures 2650, 2710 are mated together into asingle enclosure 2910 that extends 360 degrees around the central axis of the reactor that constitutes a single plenum. . In the embodiment of FIG. 29, the plenum 2190 has alower semi-dome wall 2920 and anupper semi-dome wall 2930 that substantially coincides with the lower half-dome wall 2920. Thus, theplenum 2910 is the space between the lower half-dome wall 2920 and the upper half-dome wall 2930. The insulatinggap 2921 extends around the upper dome-shapedwall 2920 and / or the insulatinggap 2931 extends around the lower dome-shapedwall 2930. Theplenum 2910 communicates with the interior of the chamber through anannular opening 2925 in theceiling 110 that extends 360 degrees around the axis of symmetry of the chamber.

プレナム２９１０は、天井１１０の上の領域２９５０を完全に囲んでいる。図２９の実施の形態において、プラズマソース電力は、一対の相互に直交するコイル２９６０、２９６５によってプレナム２９１０の内部に結合される。コイル２９６０、２９６５へのアクセスは、プレナム２９１０の中心を通る垂直の導管２９８０を通して与えられる。好ましくは、コイル２９６０、２９６５は、方位角方向に回転するトロイダルプラズマ流（即ちウエハ面内を回転するプラズマ流）を得るために、図２８の実施の形態におけるように、直角位相(quadrature)で駆動される。回転周波数は、供給されたＲＦ電力の周波数である。代わりに、コイル２９６０、２９６５は、異なる周波数で別々に駆動されてもよい。図３０は、図２９の実施の形態の状部断面図である。図３１Ａと図３１Ｂは、それぞれ図３０に相当する前断面図及び側断面図である。  Theplenum 2910 completely surrounds thearea 2950 above theceiling 110. In the embodiment of FIG. 29, the plasma source power is coupled inside theplenum 2910 by a pair of mutuallyorthogonal coils 2960, 2965. Access to thecoils 2960, 2965 is provided through avertical conduit 2980 through the center of theplenum 2910. Preferably, thecoils 2960, 2965 are in quadrature as in the embodiment of FIG. 28 to obtain an azimuthal toroidal plasma flow (ie, a plasma flow rotating in the wafer plane). Driven. The rotation frequency is the frequency of the supplied RF power. Alternatively, thecoils 2960, 2965 may be driven separately at different frequencies. FIG. 30 is a sectional view of a portion of the embodiment of FIG. 31A and 31B are a front sectional view and a side sectional view, respectively, corresponding to FIG.

１対の相互に直交するコイル２９６０、２９６５は、３６０度／ｎ度離れて配置されたそれらの巻線軸を有する別々に駆動されるコイルの数ｎによって置き換えられる。例えば、図３２は、２つのコイル２９６０、２９６５が１２０度間隔で配置された巻線軸を有する３つのコイル３２１０、３２２０、３２３０によって置き換えられ、インピーダンス整合回路３２４１、３２５１、３２６１を介して３つのＲＦ電源３２４０、３２５０、３２６０によって駆動される場合を示す。回転するトロイダルプラズマ流を生成するために、３つの巻線３２１０、３２２０、３２３０は、図３３に示される共通の電源３３１０から１２０度ずれた位相で駆動される。図３２と図３３は、コイル間の相互結合の殆どが垂直導管２９８０を通ることなく周りにあると考えられるから、２つのコイルのみを有する図２９の実施の形態より好適である。  A pair of mutuallyorthogonal coils 2960, 2965 is replaced by a number n of separately driven coils having their winding axes arranged 360 / n degrees apart. For example, in FIG. 32, twocoils 2960 and 2965 are replaced by threecoils 3210, 3220 and 3230 having winding axes arranged at intervals of 120 degrees, and three RFs are connected viaimpedance matching circuits 3241, 3251 and 3261. The case where it drives with thepower supplies 3240, 3250, 3260 is shown. In order to generate a rotating toroidal plasma flow, the threewindings 3210, 3220, 3230 are driven out of phase by 120 degrees from thecommon power supply 3310 shown in FIG. FIGS. 32 and 33 are preferred over the embodiment of FIG. 29 having only two coils because most of the mutual coupling between the coils is considered to be around without passing through thevertical conduit 2980. FIG.

図３４は、３つのコイルが囲まれた領域２９５０の外側にある実施の形態を示し、それらの誘導性インダクタンスは、導管２９８０を通して延びるそれぞれの垂直磁気コア３４１０によって囲まれた領域２９５０に結合される。各々のコア３４１０は、導管２９８０上に延びる一方の端を有し、その周りにコイル３２１０、３２２０、３２３０のそれぞれの１つが巻かれている。各々のコア３４０の底は囲まれた領域２９５０の内部にあり、水平の脚を有する。３つのコア３４１０の水平の脚は、１２０度間隔で開かれ、図３２の囲まれた領域内の３つのコイルによって与えられた誘導性結合と同様なプレナム２９１０の内部に誘導性結合を与える。  FIG. 34 shows an embodiment in which three coils are outside theenclosed area 2950, and their inductive inductances are coupled to thearea 2950 surrounded by respective perpendicularmagnetic cores 3410 extending through theconduit 2980. . Eachcore 3410 has one end extending over theconduit 2980 about which one of each of thecoils 3210, 3220, 3230 is wound. The bottom of each core 340 is inside theenclosed area 2950 and has horizontal legs. The horizontal legs of the threecores 3410 are opened at 120 degree intervals to provide an inductive coupling inside theplenum 2910 similar to the inductive coupling provided by the three coils in the enclosed area of FIG.

図１８−２８の実施の形態の平らな矩形のチューブ状エンクロージャの利点は、チューブ状エンクロージャの広い幅と比較的低い高さがトロイダルプラズマ流を大きな直径のウエハの全表面を容易に覆う、広く薄いベルト状のプラズマにすることである。チューブ状のエンクロージャの全体は最大の幅である必要はない。代わりに、図２０の実施の形態について上述したように、チャンバ内部から最も遠いチューブ状のエンクロージャの他の区分が狭くされてもよい。この場合、狭い部分１８５２を励磁するプラズマ流を広い区分１８５１の全幅を横切って全体的に広げるために、広い部分１８５１と狭い部分１８５２間の移行コーナーにフォーカス磁石１８７０を設けることが望ましい。もし、ウエハ表面にプラズマイオン密度を最大にすることが必要なら、狭い部分１８５２の断面積が広い部分１８５１の断面積と少なくともほぼ同程度に大きいことが望ましい。例えば、狭い部分１８５２は、その高さと幅がほぼ同じ通路であり、広い部分はその幅より小さい高さを有することができる。  The advantage of the flat rectangular tubular enclosure of the embodiment of FIGS. 18-28 is that the wide width and relatively low height of the tubular enclosure allows the toroidal plasma flow to easily cover the entire surface of a large diameter wafer. It is to make a thin belt-like plasma. The entire tubular enclosure need not be the maximum width. Alternatively, as described above for the embodiment of FIG. 20, other sections of the tubular enclosure furthest from the chamber interior may be narrowed. In this case, it is desirable to provide afocus magnet 1870 at the transition corner between thewide portion 1851 and thenarrow portion 1852 in order to broaden the plasma flow exciting thenarrow portion 1852 across the entire width of thewide section 1851. If it is necessary to maximize the plasma ion density on the wafer surface, it is desirable that the cross-sectional area of thenarrow portion 1852 be at least about as large as that of thewide portion 1851. For example, thenarrow portion 1852 can be a passage having approximately the same height and width, and the wide portion can have a height that is less than its width.

磁気コアを用いる代わりに、空気コアのコイル（即ち、磁気コアのないコイル）を有する、ここで述べたいろいろな実施の形態を用いることができ、そしてそれらは、開いた磁気通路型(Arod＠型コア)または添付図面に示された閉じた磁気コア型であることができる。さらに、異なるＲＦ周波数で駆動された２つまたはそれ以上のトロイダル通路を有するここに述べたいろいろな実施の形態は、同じ周波数で駆動されてもよいし、また同じか、または異なる位相で駆動されてもよい。  Instead of using a magnetic core, the various embodiments described herein having an air core coil (ie, a coil without a magnetic core) can be used, and they are open magnetic path types (Arod @ Mold core) or a closed magnetic core mold as shown in the accompanying drawings. Further, the various embodiments described herein having two or more toroidal paths driven at different RF frequencies may be driven at the same frequency and driven at the same or different phases. May be.

図３５は、図１７の実施の形態の変形例であり、相互に横切る中空導管が図２０の実施の形態におけるように狭められている。  FIG. 35 is a variation of the embodiment of FIG. 17, with the hollow conduits traversing each other being narrowed as in the embodiment of FIG.

図３６は、図２４の実施の形態の変形例であるが、それぞれのＲＦ電源に接続するためにコアの周りにそれぞれの巻線３６３０、３６４０を有する１対の磁気コア３６１０、３６２０を用いている。  FIG. 36 is a variation of the embodiment of FIG. 24, but using a pair ofmagnetic cores 3610, 3620 havingrespective windings 3630, 3640 around the core for connection to respective RF power sources. Yes.

図３７は、図３５の実施の形態に相当する実施の形態であるが、２つのリエントラント導管に代えて、チャンバへの全体で６つのリエントラントポートを有する３つの導管を有している。（図３７に示されるように）２つより多い対称に配置された導管及びリエントラントポートを有することは、３００ｍｍ及びそれより大きな直径のウエハを処理するために特に有利である。  FIG. 37 is an embodiment corresponding to the embodiment of FIG. 35, but instead of two reentrant conduits, it has three conduits with a total of six reentrant ports to the chamber. Having more than two symmetrically arranged conduits and reentrant ports (as shown in FIG. 37) is particularly advantageous for processing 300 mm and larger diameter wafers.

図３８は、図３５の実施の形態に相当する実施の形態であるが、２つのリエントラント導管に代えて、チャンバへの全体で６つのリエントラントポートを有する３つの導管を有している。  FIG. 38 is an embodiment corresponding to the embodiment of FIG. 35, but instead of two reentrant conduits, it has three conduits with a total of six reentrant ports to the chamber.

図３９は、図３５の実施の形態に相当する実施の形態であり、外部の導管が共通のプレナム３９１０において一緒に結合している。  FIG. 39 is an embodiment corresponding to the embodiment of FIG. 35, with external conduits joined together at acommon plenum 3910.

図４０は、図３６の実施の形態に相当する実施の形態であり、外部の導管が共通のプレナム４０１０において一緒に結合している。  FIG. 40 is an embodiment corresponding to the embodiment of FIG. 36 with external conduits joined together at acommon plenum 4010.

図４１は、図３７の実施の形態に相当する実施の形態であり、外部の導管が共通のプレナム４１１０において一緒に結合している。  FIG. 41 is an embodiment corresponding to the embodiment of FIG. 37 with external conduits joined together at acommon plenum 4110.

図４２は、図３８の実施の形態に相当する実施の形態であり、外部の導管が共通のプレナム４２１０において一緒に結合している。  FIG. 42 is an embodiment corresponding to the embodiment of FIG. 38 with external conduits joined together at acommon plenum 4210.

図４３は、図１７の実施の形態に相当する実施の形態であり、外部の導管が共通のプレナム４３１０において一緒に結合している。  FIG. 43 is an embodiment corresponding to the embodiment of FIG. 17 with external conduits joined together at acommon plenum 4310.

本発明の有利な特徴
本発明のリアクタは、他の性能の特徴、例えばエッチング速度を犠牲にすることなくエッチングの選択度を増加するためのいろいろな機会を提供する。例えば、ウエハの近傍におけるトロイダルプラズマ流を狭めることは、エッチングの選択度を向上するばかりでなく、同時にプラズマイオン密度を増加することによってエッチング速度を増加する。従来のリアクタは、ワークピース上でエッチング速度またはプラズマイオン密度を増加する同じメカニズムによってエチングの選択度は増加しないと考えられている。Advantageous Features of the Invention The reactor of the present invention offers various opportunities to increase etch selectivity without sacrificing other performance features such as etch rate. For example, narrowing the toroidal plasma flow in the vicinity of the wafer not only improves etch selectivity, but also increases the etch rate by simultaneously increasing the plasma ion density. Conventional reactors are believed not to increase etch selectivity by the same mechanism that increases the etch rate or plasma ion density on the workpiece.

ウエハまたはワークピースの近傍でトロイダルプラズマ流を絞ることによってエッチングの選択度を増加することは、いろいろな方法の１つの本発明において達成することができる。１つの方法は、ペデスタルと天井、即ちウエハと天井の高さを減少することである。他の方法は、トロイダルプラズマイオン流の通路を絞る、ウエハ上にガス分配プレートまたはシャワーヘッドを導入することである。他の方法は、ウエハーまたはワークピースへ供給されるＲＦバイアス電力を増加することである。エッチングの選択度を増加する前述の方法のいずれか１つまたはいずれかの組合せは、本発明を実行する当業者によって選択することができる。  Increasing etch selectivity by constricting the toroidal plasma flow in the vicinity of the wafer or workpiece can be accomplished in one of several ways in the present invention. One way is to reduce the height of the pedestal and ceiling, ie the wafer and ceiling. Another method is to introduce a gas distribution plate or showerhead on the wafer that constricts the passage of the toroidal plasma ion stream. Another method is to increase the RF bias power supplied to the wafer or workpiece. Any one or any combination of the foregoing methods for increasing etch selectivity can be selected by those skilled in the art practicing the present invention.

本発明において、エッチングの選択度は、さらに、反応性のプロセスガスを局部的（即ち、ウエハまたはワークピース）に注入し、一方、不活性希ガス（例えば、アルゴン）を遠隔的に（即ち、導管またはプレナム）注入するすることによって向上される。これは、ワークピースの支持体上で支持体に面してガス分配プレートまたはシャワーヘッドを直接設け、シャワーヘッドを介して反応性のプロセスガスを排他的に（または少なくとも支配的に）導入することによって達成されるのが好ましい。同時に、希釈ガスは、ウエハまたはワークピースの上にあるプロセス領域から充分離れた導管に注入される。従って、トロイダルプラズマ流は、ウエハ上の材料の反応性イオンエッチングに対してプラズマイオン源になるばかりでなく、さらに、プラズマを誘起した分離プロセスがフリーなフッ素の望ましくない量を形成する点に到達するる前に反応性プロセスガス種及びそれらのプラズマ分離された結果を一掃するためのエージェント(agent)になる。反応性プロセスガス種の滞留時間のこの減少は、ホトレジストおよび他の材料に対してエッチングの選択度を増大し、これは著しい利点である。  In the present invention, the selectivity of the etching is further achieved by injecting a reactive process gas locally (ie, wafer or workpiece) while remotely supplying an inert noble gas (eg, argon) (ie, argon). (Conduit or plenum). This involves providing a gas distribution plate or showerhead directly on the workpiece support facing the support and introducing reactive process gas exclusively (or at least predominantly) through the showerhead Is preferably achieved. At the same time, the dilution gas is injected into a conduit sufficiently away from the process area above the wafer or workpiece. Thus, the toroidal plasma stream not only becomes a plasma ion source for reactive ion etching of materials on the wafer, but also reaches the point where the plasma-induced separation process forms an undesirable amount of free fluorine. It becomes an agent to clean out reactive process gas species and their plasma separated results before doing. This reduction in the residence time of the reactive process gas species increases the selectivity of the etch relative to photoresist and other materials, which is a significant advantage.

本発明は、ＲＦソース電力の、トロイダルプラズマ流への適用において大きなフレキシビリティを与える。上述したように、電力は、一般にアンテナによってトロイダルプラズマ流に誘導結合される。多くの実施の形態において、アンテナは、導管またはプレナムの隣またはその近くにあることによって外部の導管またはプレナムに主に結合される。例えば、コイルアンテナは、アンテナまたはプレナムに並んで広がることができる。しかし、他の実施の形態では、アンテナは、導管またはプレナム、及び主リアクタのエンクロージャ（例えば、天井）間の囲まれた領域に制限される。後者の場合、アンテナは、導管に並ぶのではなく導管の“下”にあると考えることができる。非常に大きなフレキシビリティは、囲まれた領域（導管と主チャンバのエンクロージャの間）を通して延びる１つの磁気コア（複数のコア）および囲まれた領域を越えた拡張部分を有し、そしてこのアンテナはコアの拡張部分に巻かれている実施の形態によって得られる。この実施の形態において、アンテナは、磁気コアを介して誘導結合され、したがって、導管内のトロイダルプラズマ流に隣接する必要はない。この実施の形態において、閉じた磁気コアが用いられ、アンテナはトロイダルプラズマ流または導管からかなり離れているコア区分の周りに巻かれる。したがって、実際に、磁気コアを介してトロイダルプラズマ流にプラズマチャンバを結合することによって、アンテナは殆んどどこに、例えば、プラズマチャンバから全く離れた位置に、配置されてもよい。  The present invention provides great flexibility in the application of RF source power to toroidal plasma flows. As described above, power is typically inductively coupled to the toroidal plasma flow by an antenna. In many embodiments, the antenna is primarily coupled to an external conduit or plenum by being next to or near the conduit or plenum. For example, the coil antenna can extend alongside the antenna or plenum. However, in other embodiments, the antenna is limited to the enclosed area between the conduit or plenum and the main reactor enclosure (eg, ceiling). In the latter case, the antenna can be considered “below” the conduit rather than lined up with the conduit. Very great flexibility has one magnetic core (s) extending through the enclosed area (between the conduit and the main chamber enclosure) and an extension beyond the enclosed area, and this antenna It is obtained by the embodiment wound around the extended part of the core. In this embodiment, the antenna is inductively coupled through the magnetic core and therefore need not be adjacent to the toroidal plasma flow in the conduit. In this embodiment, a closed magnetic core is used and the antenna is wrapped around a core section that is far away from the toroidal plasma flow or conduit. Thus, in practice, the antenna may be placed almost anywhere, for example, quite far from the plasma chamber, by coupling the plasma chamber to the toroidal plasma flow via the magnetic core.

最後に、本発明は、非常に大きな直径のウエハまたはワークピースの表面上にプラズマの均一な範囲を与える。これは、１つの実施の形態では、好ましくは、ウエハの幅を越える幅を有する広いプラズマベルトとしてトロイダルプラズマ流を形成することによって達成される。他の実施の形態では、ウエハ表面を横切るプラズマイオン密度の均一性は、ウエハ上のプロセス領域において２つまたはそれ以上の交差する、相互に横切るかまたは直交するトロイダルプラズマ流を設けることによって得られる。トロイダルプラズマ流の流れは、方向が３６０／ｎだけ互いに離れている。トロイダルプラズマ流の各々の１つは、１つのトロイダルプラズマ流の方向に沿って整列された離れたコイルアンテナによってエネルギーが与えられる。１つの好適な実施の形態においては、均一性は、ウエハの上にあるプロセス領域において回転するトロイダルプラズマ流を得るように、それぞれのアンテナへ異なる位相のＲＦ信号を与えることによって増大される。この好適な実施の形態では、最適な構造は、トロイダルプラズマ流が天井または側壁の円形に連続した環状開口を通して主チャンバ部分と連通する円形に連続したプレナムに流れるものである。この後者の特徴は、全体のトロイダルプラズマ流が連続して方位角的に回転することを可能にする。  Finally, the present invention provides a uniform range of plasma on the surface of a very large diameter wafer or workpiece. This is achieved in one embodiment, preferably by forming the toroidal plasma flow as a wide plasma belt having a width that exceeds the width of the wafer. In other embodiments, uniformity of plasma ion density across the wafer surface is obtained by providing two or more intersecting, crossing or orthogonal toroidal plasma flows in the process region on the wafer. . The flow of toroidal plasma flows are separated from each other by a direction of 360 / n. Each one of the toroidal plasma streams is energized by spaced coil antennas aligned along the direction of the one toroidal plasma stream. In one preferred embodiment, the uniformity is increased by providing different phase RF signals to each antenna to obtain a rotating toroidal plasma flow in the process area above the wafer. In this preferred embodiment, the optimal structure is that the toroidal plasma flow flows through a circular continuous plenum that communicates with the main chamber portion through a circular continuous annular opening in the ceiling or sidewall. This latter feature allows the entire toroidal plasma flow to rotate continuously and azimuthally.

本発明は、好適な実施の形態を特に参照して詳細に説明されたけれども、それらの変形及び変更は、本発明の真の精神及び範囲から逸脱することなく作られることを理解すべきである。  Although the invention has been described in detail with particular reference to the preferred embodiments, it is to be understood that these variations and modifications can be made without departing from the true spirit and scope of the invention. .

オーバヘッドトロイダルプラズマ流路を維持する本発明による第１の実施の形態を示す。  1 shows a first embodiment according to the present invention for maintaining an overhead toroidal plasma flow path; 図１の実施の形態に相当する実施の形態の側面図である。  FIG. 2 is a side view of an embodiment corresponding to the embodiment of FIG. 1. ウエハと天井のギャップ距離の変化によるプラズマのフリーフッ素濃度の振舞いを示す。  The behavior of the free fluorine concentration of the plasma by changing the gap distance between the wafer and the ceiling is shown. ワークピースに供給されるＲＦバイアス電力の変化によるプラズマのフリーなフッ素の濃度の振舞いを示す。  Fig. 5 shows the behavior of the free fluorine concentration of the plasma with changes in the RF bias power supplied to the workpiece. コイルアンテナに供給されるＲＦソース電力の変化によるプラズマのフリーなフッ素の濃度の振舞いを示す。  The behavior of the free fluorine concentration of the plasma due to the change of the RF source power supplied to the coil antenna is shown. リアクタチャンバの圧力の変化によるプラズマのフリーなフッ素の濃度の振舞いを示す。  Figure 3 shows the behavior of the free fluorine concentration of the plasma with changes in reactor chamber pressure. 不活性の希釈ガス、例えばアルゴンの部分圧力の変化によるプラズマのフリーなフッ素の濃度の振舞いを示す。  Fig. 4 shows the behavior of the free fluorine concentration of the plasma with changes in the partial pressure of an inert diluent gas, e.g. argon. 誘導結合リアクタ及び本発明のリアクタに対するソース電力の関数としてのプロセスガスの分離の程度を示す。  Fig. 4 shows the extent of process gas separation as a function of source power for an inductively coupled reactor and the reactor of the present invention. 図１の実施の形態の変形を示す。  2 shows a variation of the embodiment of FIG. 閉じた磁気コアが用いられる図１の実施の形態の変形を示す。  Fig. 4 shows a variation of the embodiment of Fig. 1 in which a closed magnetic core is used. 閉じた磁気コアが用いられる図１の実施の形態の変形を示す。  Fig. 4 shows a variation of the embodiment of Fig. 1 in which a closed magnetic core is used. トロイダルプラズマ流路がリアクタチャンバの下を通る本発明の他の実施の形態を示す。  Fig. 4 shows another embodiment of the invention in which a toroidal plasma flow path passes under the reactor chamber. プラズマソース電力が閉じた磁気コアの遠位部分の周りに巻かれたコイルに供給される、図１０の実施の形態の変形を示す。  FIG. 11 shows a variation of the embodiment of FIG. 10 in which plasma source power is supplied to a coil wound around the closed distal portion of the magnetic core. ２つの平行なトロイダルプラズマ流を与える実施の形態を示す。  An embodiment is shown that provides two parallel toroidal plasma flows.複数の個々に制御される平行トロイダルプラズマ流を与える実施の形態を示す。3 illustrates an embodiment that provides a plurality of individually controlled parallel toroidal plasma flows. 平行なトロイダルプラズマ流が天井よりはむしろ垂直側壁を通してプラズマチャンバに入り、垂直側壁を出る図１５の実施の形態の変形を示す。  FIG. 16 shows a variation of the embodiment of FIG. 15 in which parallel toroidal plasma flows enter the plasma chamber through the vertical sidewalls rather than the ceiling and exit the vertical sidewalls. ワークピースの表面を横切る一対の相互に直交するトロイダルプラズマ流を維持する実施の形態を示す。  3 illustrates an embodiment of maintaining a pair of mutually orthogonal toroidal plasma flows across the surface of a workpiece. 図１７Ａの実施の形態における複数の放射状のベインの使用を示す。  17B illustrates the use of multiple radial vanes in the embodiment of FIG. 17A. トロイダルプラズマ流が大きなウエハを処理するのに適した広い通路を横切って延びる広いベルトである本発明の実施の形態を示す。  Fig. 3 illustrates an embodiment of the invention in which the toroidal plasma flow is a wide belt extending across a wide path suitable for processing large wafers. トロイダルプラズマ流が大きなウエハを処理するのに適した広い通路を横切って延びる広いベルトである本発明の実施の形態を示す。  Fig. 3 illustrates an embodiment of the invention in which the toroidal plasma flow is a wide belt extending across a wide path suitable for processing large wafers. トロイダルプラズマ流路の外方部分が狭められている図１８の実施の形態の変形を示す。  FIG. 19 shows a variation of the embodiment of FIG. 18 in which the outer portion of the toroidal plasma channel is narrowed. ウエハ表面を横切ってイオン密度分布を調整するために、軸位置を調整することができる円筒状の磁気コアを用いる図１８の実施の形態の変形を示す。  FIG. 19 illustrates a variation of the embodiment of FIG. 18 using a cylindrical magnetic core with adjustable axial position to adjust the ion density distribution across the wafer surface. 一対の巻線が円筒状の磁気コアの一対のグループの周りに巻かれている図２１の変形を示す。  FIG. 22 shows a variation of FIG. 21 in which a pair of windings are wound around a pair of groups of cylindrical magnetic cores. 単一の共通の巻線がコアの両グループの周りに巻かれている図２２の変形を示す。  FIG. 23 shows a variation of FIG. 22 in which a single common winding is wound around both groups of cores. 大きなウエハを処理するのに適した広いベルトである一つにの相互に直交したトロイダルプラズマ流を維持する実施の形態を示す。  Fig. 4 illustrates an embodiment for maintaining a mutually orthogonal toroidal plasma flow in one wide belt suitable for processing large wafers. 大きなウエハを処理するのに適した広いベルトである一つにの相互に直交したトロイダルプラズマ流を維持する実施の形態を示す。  Fig. 4 illustrates an embodiment for maintaining a mutually orthogonal toroidal plasma flow in one wide belt suitable for processing large wafers. 誘導結合を増大するために、磁気コアが用いられる図２５の実施の形態の変形を示す。  FIG. 26 shows a variation of the embodiment of FIG. 25 in which a magnetic core is used to increase inductive coupling. 直交プラズマベルトが水平な天井を介してよりむしろ垂直な側壁を通してリアクタチャンバに入り、リアクタチャンバからでる図２４の実施の形態の変更を示す。  FIG. 25 shows a modification of the embodiment of FIG. 24 in which the orthogonal plasma belt enters and exits the reactor chamber through vertical sidewalls rather than through a horizontal ceiling. 回転トロイダルプラズマ流を発生する図２４の実施の形態の実現例を示す。  FIG. 25 shows an implementation example of the embodiment of FIG. 24 that generates a rotating toroidal plasma flow. 磁気コアを有する図２８Ａの実施の形態の改変を示す。  FIG. 28B shows a modification of the embodiment of FIG. 28A having a magnetic core. トロイダル状のプラズマ流を囲むために、連続した円形プレナムが設けられる本発明の好適な実施の形態を示す。  1 illustrates a preferred embodiment of the present invention in which a continuous circular plenum is provided to enclose a toroidal plasma flow. 図２９に相当する上断面図を示す。  An upper cross-sectional view corresponding to FIG. 29 is shown. 図３０に相当する前断面図である。  FIG. 31 is a front sectional view corresponding to FIG. 30. 図３０に相当する側断面図である。  FIG. 31 is a side sectional view corresponding to FIG. 30. １２０度の間隔で面する連続したプレナムの下にある３つの独立して駆動されるＲＦコイルを用いる図２９の実施の形態の変形である。  FIG. 30 is a variation of the embodiment of FIG. 29 using three independently driven RF coils under a continuous plenum facing 120 degrees apart. 方位角的に回転するプラズマを与えるために、３つのＲＦコイルが１２０度の位相で駆動される図３２の実施の形態の変形である。  FIG. 33 is a variation of the embodiment of FIG. 32 in which three RF coils are driven with a 120 degree phase to provide an azimuthally rotating plasma. ＲＦ駆動コイルがそれぞれの磁気コアの垂直の外側端部の周りに巻かれ、その反対側は対称的に分布した角度でプレナムの下で水平に延びるている図３３の実施の形態の変形を示す。  FIG. 33 shows a variation of the embodiment of FIG. 33 in which an RF drive coil is wound around the vertical outer end of each magnetic core and the opposite side extends horizontally below the plenum at symmetrically distributed angles. . 相互に横切る中空導管が図２０の実施の形態におけるように狭められている図１７の実施の形態の改造例である。  FIG. 18 is a modification of the embodiment of FIG. 17 with the hollow conduits traversing each other being narrowed as in the embodiment of FIG. それぞれのＲＦ電源に接続するためのそれらの周りにそれぞれの巻線３６３０、３６４０を有する一対の磁気コア３６１０、３６２０を用いる図２４の実施の形態の変形である。  24 is a variation of the embodiment of FIG. 24 using a pair ofmagnetic cores 3610, 3620 havingrespective windings 3630, 3640 around them for connection to respective RF power sources. 図３５の実施の形態に相当する実施の形態であるが、チャンバに全体で６つのリエントラントポートを有する、２つのリエントラント導管の代わりに３つを有している。  FIG. 35 is an embodiment corresponding to the embodiment of FIG. 35, but with three instead of two reentrant conduits with a total of six reentrant ports in the chamber. 図３６の実施の形態に相当する実施の形態であるが、チャンバに全体で６つのリエントラントポートを有する、２つのリエントラント導管の代わりに３つを有している。  FIG. 37 is an embodiment corresponding to the embodiment of FIG. 36, but with three instead of two reentrant conduits with a total of six reentrant ports in the chamber. 外部の導管が共通のプレナム３９１０において互いに接続する図３５の実施の形態に相当する実施の形態である。  FIG. 36 is an embodiment corresponding to the embodiment of FIG. 35 in which external conduits are connected to each other at acommon plenum 3910. 外部の導管が共通のプレナム４０１０において互いに接続する図３６の実施の形態に相当する実施の形態である。  FIG. 37 is an embodiment corresponding to the embodiment of FIG. 36 in which external conduits connect to each other at acommon plenum 4010. 外部の導管が共通のプレナム４１１０において互いに接続する図３７の実施の形態に相当する実施の形態である。  FIG. 38 is an embodiment corresponding to the embodiment of FIG. 37 in which external conduits are connected to each other at acommon plenum 4110. 外部の導管が共通のプレナム４２１０において互いに接続する図３８の実施の形態に相当する実施の形態である。  FIG. 39 is an embodiment corresponding to the embodiment of FIG. 38 in which external conduits are connected to each other at acommon plenum 4210. 外部の導管が共通のプレナム４３１０において互いに接続する図１７の実施の形態に相当する実施の形態である。  FIG. 18 is an embodiment corresponding to the embodiment of FIG. 17 in which external conduits are connected to each other at acommon plenum 4310.

Claims (18)

Translated fromJapanese

基板を処理するための排気された内部環境を画定するプラズマチャンバであって、
基板支持体と、
前記基板支持体に対して間隔をおいて対面する関係にあり、前記基板支持体に隣接する当該チャンバの前記内部環境にプロセスガスを流すように適合された、開口を有するガス分配プレートを含む天井と、
を具備し、
前記ガス分配プレート及び前記基板支持体がそれらの間に基板処理領域を画定し、
さらに、
前記ガス分配プレートに結合された、少なくとも反応性種のプロセスガス源と、
前記ガス分配プレートの対向する両側において、前記天井の各開口を通って前記基板処理領域に連通する端部を有する中空導管であって、該中空導管は前記ガス分配プレートの上に設けられ、該中空導管の内部が前記内部環境を共有するようになっている、中空導管と、
前記導管の一部の周囲に設けられたコアと、該コアの一部の周囲に設けられた誘導性巻線と、該誘導性巻線に結合されたＲＦ電源と、
を具備し、
前記導管が、該導管内に処理ガスのＲＦ磁界による放射を受けて、該導管の前記内部の周りにかつ前記チャンバの前記内部環境内の前記基板処理領域を横切って延びる通路にプラズマを維持する、ように構成されている、
ことを特徴とするプラズマチャンバ。
A plasma chamber defining an evacuated internal environment for processing a substrate, comprising:
A substrate support;
A ceiling that includes a gas distribution plate having an opening that is in spaced relation to the substrate support and is adapted to flow a process gas to the internal environment of the chamber adjacent to the substrate support. When,
Comprising
The gas distribution plate and the substrate support define a substrate processing region therebetween;
further,
A process gas source of at least reactive species coupled to the gas distribution plate;
A hollow conduit having an end communicating with the substrate processing region through each opening in the ceiling on opposite sides of the gas distribution plate, the hollow conduit being provided on the gas distribution plate; A hollow conduit, wherein the interior of the hollow conduit is adapted to share the internal environment;
A core provided around a portion of the conduit; an inductive winding provided around the portion of the core; and an RF power source coupled to the inductive winding;
Comprising
The conduit receives a radiation of an RF magnetic field of process gas in the conduit and maintains a plasma in a passage extending around the interior of the conduit and across the substrate processing region in the interior environment of the chamber. Configured,
A plasma chamber characterized by that.
前記通路は、再入可能なものであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
The plasma chamber according to claim 1, wherein the passage is reentrant.
前記通路は、トロイダルであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
The plasma chamber according to claim 1, wherein the passage is toroidal.
前記プラズマ流は、前記通路の周りを循環することを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
The plasma chamber of claim 1, wherein the plasma flow circulates around the passage.
前記導管の断面積は、基板の処理領域の断面積を実質的に越えることを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
The plasma chamber of claim 1, wherein the cross-sectional area of the conduit substantially exceeds the cross-sectional area of the processing region of the substrate.
前記プラズマのイオン密度は、全基板支持体を横切って実質的に均一であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
The plasma chamber of claim 1, wherein the plasma ion density is substantially uniform across the entire substrate support.
前記プラズマの誘導された電界ラインは、導管の端部の一方から他方へ前記基板のプラズマ処理領域を横切って延びていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
The plasma chamber of claim 1, wherein the plasma-induced electric field line extends across the plasma processing region of the substrate from one end of the conduit to the other.
前記電界ラインは、平行であることを特徴とする請求項７に記載のプラズマチャンバ。
The plasma chamber of claim 7, wherein the electric field lines areparallel .
前記電界の強さは、前記基板のプラズマ処理領域を横切って一様に分布されていることを特徴とする請求項８に記載のプラズマチャンバ。
9. The plasma chamber of claim 8, wherein the electric field strength is uniformly distributed across the plasma processing region of the substrate.
前記導管は、それぞれの端部間の中間に絶縁ギャップを有し、導管が前記端部間に連続した導電性通路を生じるのを妨げることを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
The plasma chamber of claim 1, wherein the conduit has an insulating gap in themiddle between the ends to prevent the conduit from creating a continuous conductive path between the ends.
前記導管は、前記チャンバの直径より小さな外径を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
The plasma chamber of claim 1, wherein the conduit has an outer diameter that issmaller than a diameter of the chamber.
前記導管の各端部は、前記基板支持体の横方向の径と少なくとも同程度の大きさの横方向の径を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
The plasma chamber of claim 1, wherein each end of the conduit has a lateral diameter that is at least as large as the lateral diameter of the substrate support.
さらに、前記基板支持体に結合されるバイアス電源を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
The plasma chamber of claim 1, further comprising a bias power source coupled to the substrate support.
さらに、前記導管へのガス注入入口を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
The plasma chamber of claim 1, further comprising a gas injection inlet to the conduit.
前記ガス注入入口は、希釈ガスを流すように適合されており、且つ前記ガス分配プレートは、反応性プロセスガスを主に流すように適合されていることを特徴とする請求項１４に記載のプラズマチャンバ。
The plasma of claim 14, wherein the gas inlet is adapted to flow diluent gas, and the gas distribution plate is adapted to flow primarily reactive process gas. Chamber.
前記ガス分配プレートは、異なる半径方向の位置において不活性ガス及び反応性プロセスガスのいろいろな混合物を流すように適合されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマチャンバ。
The plasma chamber of claim 1, wherein the gas distribution plate is adapted to flow various mixtures of inert and reactive process gases at different radial locations.
前記基板処理領域における前記基板支持体の平面に略垂直な軸に沿った前記通路の高さが、該通路におけるいずれの場所よりも低くなっており、これにより、該通路におけるいずれのプラズマイオン密度に比べて、前記基板処理領域におけるプラズマイオン密度を高くしている、請求項１に記載のプラズマチャンバ。
The height of the passage along an axis substantially perpendicular to the plane of the substrate support in the substrate processing region is lower than any location in the passage, whereby any plasma ion density in the passage The plasma chamber according to claim 1, wherein a plasma ion density in the substrate processing region is increased as compared with the plasma chamber.
前記中空導管を横切るように設けられ、前記ガス分配プレートの対向する第２の両側において前記基板処理領域に連通する第２の端部を有する、第２の中空導管、をさらに具備する、請求項１に記載のプラズマチャンバ。  2. A second hollow conduit provided across the hollow conduit and having a second end communicating with the substrate processing region on opposite second opposing sides of the gas distribution plate. 2. The plasma chamber according to 1.

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