(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェーハを保持するための支持チャックと一対のＲＦ電源とを有する処理室を含む、プラズマエッチング操作により半導体ウェーハを処理するシステムであって、
前記システム内で半導体ウェーハ（２０６）の上方に位置決めされ、二枚以上のガスバッファプレートを収容する中央領域と、第一の表面と第二の表面とを有し、該第一の表面はシステムの外部にある源から処理ガスを受容して処理ガスを中央領域に流入させるように構成され、該第二の表面は、対応する複数の電極開口部（２０２ｂ）に連接された複数のガス供給孔（２２８）を有し、該電極開口部の直径が前記複数のガス供給孔の直径よりも大きく、前記複数の電極開口部が、半導体ウェーハのウェーハ表面（２３６）の上方に位置する電極表面（２３４）を形成するように構成された電極（２００）、
を備え、
第一のプラズマシース（２３２）が前記ウェーハ表面に隣接して形成され、第二のプラズマシース（２３１）が前記電極の前記第二の表面の前記電極開口部の形状により画定される輪郭に沿って形成され、
前記電極開口部の直径が少なくとも０．５ｍｍまたはそれよりも大きく、前記ガス供給孔の直径が約０．１ｍｍに形成されている、システム。
【請求項２】
プラズマエッチング操作により半導体ウェーハを処理する請求項１記載のシステムであって、電極がＲＦ電源の一方に接続され、支持チャックがＲＦ電源の他方に接続されるシステム。
【請求項３】
プラズマエッチング操作により半導体ウェーハを処理する請求項２記載のシステムであって、プラズマが、前記電極の第二の表面と前記ウェーハ表面との間に形成されるシステム。
【請求項４】
プラズマエッチング操作により半導体ウェーハを処理する請求項３記載のシステムであって、第二のプラズマシース（２３１）が前記第二の表面に隣接して形成される、システム。
【請求項５】
プラズマエッチング操作により半導体ウェーハを処理する請求項４記載のシステムであって、前記第一のプラズマシースは第一の面積であり、第二のプラズマシースは第二の領域であり、前記第二のプラズマシースの第二の面積が前記第一のプラズマシースの第一の面積よりも広いシステム。
【請求項６】
プラズマエッチング操作により半導体ウェーハを処理する請求項１記載のシステムであって、前記電極表面と前記ウェーハ表面との間に、０．７５ｃｍから４ｃｍの間の間隙が形成されているシステム。
【請求項７】
プラズマエッチング操作により半導体ウェーハを処理する請求項１記載のシステムであって、前記電極開口部が、該電極の前記第二の表面全面に六角形パターンの配列で形成されるシステム。
【請求項８】
プラズマエッチング操作により半導体ウェーハを処理する請求項５記載のシステムであって、前記第二のプラズマシースの前記第二の面積が、前記第一のプラズマシースの前記第一の面積よりも二倍から三倍大きいシステム。
【請求項９】
プラズマエッチング操作により半導体ウェーハを処理する請求項８記載のシステムであって、前記第二のプラズマシースの前記第二の面積が、前記第一のプラズマシースの前記第一の面積よりも約２．７倍大きいシステム。
【請求項１０】
プラズマエッチング操作により半導体ウェーハを処理する請求項８記載のシステムであって、前記第二のプラズマシースの前記第二の領域が前記第一のプラズマシースの前記第一の領域よりも広い時に、ウェーハ表面においてバイアス電圧の増加が生じ、前記電極の前記第二の表面においてバイアス電圧の低減が生じるシステム。
【請求項１１】
プラズマエッチング操作により半導体ウェーハを処理する請求項１０記載のシステムであって、前記バイアス電圧の増加によりウェーハ表面へのイオン衝撃エネルギーを増大させ、エッチング制御を向上させるシステム。
【請求項１２】
プラズマエッチング操作により半導体ウェーハを処理する処理室であって、
半導体ウェーハを保持する支持チャックと、
一対のＲＦ電源と、
上部電極と、
を備え、
前記上部電極は、
二枚以上のガスバッファプレートが挿入される中央領域と、第一の表面と第二の表面とを有し、該第一の表面はシステムの外部にある源から前記二枚以上のガスバッファプレートを経由して供給される処理ガスを受容して該処理ガスを前記中央領域に流出させるように構成された吸気口を有し、前記第二の表面は複数の電極開口部（２０２ｂ）に導通している複数のガス供給孔（２２８）を有し、該複数の電極開口部の直径が複数のガス供給孔の孔の直径よりも大きく、該複数の電極開口部が半導体ウェーハのウェーハ表面（２３６）の上方に位置する電極表面（２３４）を画定するように構成されており、
前記電極開口部の直径が少なくとも０．５ｍｍまたはそれよりも大きく、前記ガス供給孔の直径が約０．１ｍｍに形成され、
前記電極開口部の深さが１／３２インチから１／４インチの間に形成される、処理室。
【請求項１３】
請求項１２記載の処理室であって、
前記上部電極は一対のＲＦ電源の一方に接続されており、前記支持チャックは一対のＲＦ電源の他方に接続されている、処理室。
【請求項１４】
請求項１２記載の処理室であって、
前記電極表面と前記ウェーハ表面との間の間隙は、０．７５ｃｍから４ｃｍの間に設定されている、処理室。
【請求項１５】
請求項１４に記載の処理室であって、
前記ウェーハ表面に近接する第一のプラズマシース（２３２）と前記上部電極開口部の内側領域に沿う第二のプラズマシース（２３１）とを有し、該第二のプラズマシースが該第一のプラズマシースよりも広い面積を有するプラズマが、前記間隙の間に照射される、処理室。
【請求項１６】
請求項１５に記載の処理室であって、
前記第二のプラズマシースが前記第一のプラズマシースよりも広い面積を有する時に、ウェーハ表面へのイオン衝撃エネルギーを増加させる、処理室。
【請求項１７】
半導体ウェーハを保持するための支持チャックと一対のＲＦ電源とを有する処理室を含む、プラズマエッチング操作により半導体ウェーハを処理するシステムであって、
システム内で前記半導体ウェーハの上方に位置決めされ、二枚以上のガスバッファプレートを収容する中央領域と、第一の表面と第二の表面とを有し、該第一の表面は該システムの外部にある源から前記二枚以上のガスバッファプレートを経由して供給される処理ガスを受容して該処理ガスを前記中央領域に流入させるように構成され、前記第二の表面は複数の電極開口部（２０２ｂ）とそれぞれ連接される複数のガス供給孔（２２８）を有し、該電極開口部の直径は前記複数のガス供給孔の直径よりも大きく、該複数の電極開口部は半導体ウェーハのウェーハ表面（２３６）の上方に電極表面（２３４）を画定するように構成される接地電極、
を備え、
前記電極開口部の直径が少なくとも０．５ｍｍまたはそれよりも大きく、前記ガス供給孔の直径が約０．１ｍｍに形成されている、システム。
【請求項１８】
プラズマエッチング操作により半導体ウェーハを処理する請求項１７記載のシステムであって、プラズマが、前記電極の第二の表面と前記ウェーハ表面との間に形成されるシステム。
【請求項１９】
プラズマエッチング操作により半導体ウェーハを処理する請求項１８記載のシステムであって、第一のプラズマシース（２３２）が前記ウェーハ表面に隣接して形成され、第二のプラズマシース（２３１）が前記第二の表面に隣接して形成され、該第二のプラズマシースが前記電極の第二の表面の電極開口部により画定される輪郭に沿っているシステム。
【請求項２０】
プラズマエッチング操作により半導体ウェーハを処理する請求項１９記載のシステムであって、前記第一のプラズマシースは第一の面積であり、前記第二のプラズマシースは第二の面積であり、該第二のプラズマシースの第二の面積が前記第一のプラズマシースの第一の面積よりも大きいシステム。
【請求項２１】
プラズマエッチング操作により半導体ウェーハを処理する請求項２０記載のシステムであって、前記第二のプラズマシースの第二の面積が、前記第一のプラズマシースの第一の面積よりも広いとき、前記ウェーハ表面のバイアス電圧が増加し、前記電極の第二の表面のバイアス電圧が低減するシステム。
【請求項２２】
半導体ウェーハを保持する支持チャックと一対のＲＦ電源とを含みプラズマエッチング操作により半導体ウェーハを処理する処理室用の上部電極であって、
二枚以上のガスバッファプレートが挿入される中央領域と、
第一の表面と第二の表面と、
を有し、
該第一の表面はシステムの外部にある源から前記二枚以上のガスバッファプレートを経由して供給される処理ガスを受容して該処理ガスを前記中央領域に流出させるように構成された吸気口を有し、
前記第二の表面は複数の電極開口部（２０２ｂ）に導通している複数のガス供給孔（２２８）を有し、
該複数の電極開口部の直径が複数のガス供給孔の孔の直径よりも大きく、
該複数の電極開口部が半導体ウェーハのウェーハ表面（２３６）の上方に位置する電極表面（２３４）を画定するように構成されており、
前記電極開口部の直径が少なくとも０．５ｍｍまたはそれよりも大きく、
前記ガス供給孔の直径が約０．１ｍｍに形成され、
前記電極開口部の深さが１／３２インチから１／４インチの間に形成されている、上部電極。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置に関し、特に、改良した半導体処理室用電極及び該改良した電極の製造及び実装方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の製造において、集積回路デバイスは、多数の工程操作により配置される半導体ウェーハから製造される。多数の工程操作のうちの多くは、共通して処理室で行われ、そこでは、誘電体や金属化材料等の層が、連続して形成されパターン化されることで多層構造が形成される。例えば、これらの層のうちのあるもの（例えば、ＳｉＯ2）は、一般に、化学蒸着法（ＣＶＤ）処理室内で形成され、次に、フォトレジスト材料がスピンコートされて、フォトリソグラフィーパターニングにより配置される。フォトレジストマスクを特定の表面上に形成する際に、フォトレジストマスクで被覆されていない下層の材料の部分を除去（即ち、エッチング）するために、半導体ウェーハはプラズマエッチング室に配置される。
【０００３】
図１Ａは、エッチング操作により半導体ウェーハを処理するために用いられる処理室１０２を含む、半導体処理システム１００を示している。この例では、処理室１０２は、半導体ウェーハ１０６を支持するよう構成されたチャック１０４を含む。チャック１０４は又、複数の石英リング１０８も支持している。石英リング１０８の最上部の上には、セラミックリングホルダ１１０が載置されており、これは上部電極１１４を保持するように構成されている。上部電極１１４は、処理の間、プラズマ領域１１２内に分布される処理ガスを受容するように構成されている。
【０００４】
上部電極は又、マッチングボックス及びダイプレクサ１１６ａ、並びにＲＦ電源１１８ａに接続されている。チャック１０４は又、マッチングボックス及びダイプレクサ１１６ｂ並びにＲＦ電源１１８ｂに接続されている。チャンバ１０２には、排気口１２０が設けられ、これは、処理中にチャンバ内から過剰なガスを排出するように構成されている。操作においては、ＲＦ電源１１８ａは、上部電極１１４にバイアスをかけて約２７ＭＨｚの周波数で動作するように構成されている。ＲＦ電源１１８ａは主に、プラズマ領域１１２内のプラズマ密度の大半を生成する役割を有し、一方、ＲＦ電源１１８ｂは主として、プラズマ領域１１２内にバイアス電圧を生成する役割を有する。ＲＦ電源１１８ｂは概して、約２ＭＨｚの範囲の低い周波数で動作する。
【０００５】
図１Ｂは、半導体処理システム１００の上部電極１１４を更に詳細に示す図である。上部電極１１４は概して、ガスバッファプレート１２２を多数含み、これらは、表面領域全面に形成された複数の孔を有し、上部電極１１４全面に処理ガスを均一に分配するように構成されている。このように、ガスバッファプレート１１２は、ほぼ同量のガスをシリコンプレート１２６のガス供給孔１２８各々から流出させるようにする。上部電極１１４は又、グラファイトリング１２４を有し、これは、図１Ａのセラミックホルダ１１０の上に取付けられるように構成されている。一旦、処理ガスがガス供給孔１２８から流出すると、シリコンプレート１２６の表面とウェーハ１０６の表面との間に形成されるプラズマ領域１１２内に、プラズマが生成される。
【０００６】
操作の間、ＲＦ電源１１８ａとＲＦ電源１１８ｂとが、上部電極１１４とチャック１０４にそれぞれ印加される。一旦、処理ガスが上部電極１１４に導入されて、ガス供給孔１２８からプラズマ領域１１２内へ流入すると、図１Ｃに図示されているように、プラズマシース１３１及び１３２が、プラズマ領域１１２内に形成されることになる。
【０００７】
図示のように、シリコンプレート１２６は、半導体ウェーハ１０６のウェーハ表面１３６に直接対向している電極表面１３４を有している。プラズマ物理学で周知の通り、電極表面１３４とウェーハ表面１３６とが、プラズマ領域１１２内にプラズマシース１３１及び１３２を生成する役割を部分的に担っている。
【０００８】
特に、図１Ｄに図示されているように、プラズマ密度グラフ１３３上の点１３３ａと１３３ｂがプラズマシースの端部となる。プラズマ密度グラフにより示されることは、ウェーハ表面１３６と電極表面１３４との近傍で、プラズマ濃度がおよそ０まで低下することである。このように、点１３３ａ、１３３ｂ間の一定濃度まで、プラズマ濃度は０から徐々に上昇する。従って、電極表面１３４とウェーハ表面１３６とは、図１Ｃに示されているように、プラズマシース１３１及び１３２の間に大部分のプラズマを収容するようになる。
【０００９】
益々小型化している集積回路デバイスのパターンをエッチングするという要求が増え続けるにつれ、更に難しい、アスペクト比の大きいエッチングが必要になっている。図１Ｅには、ウェーハ基板１０６’の断面図１４０が示されている。ウェーハ基板１０６’は、その上に形成されている誘電体層１４０とパターン化されたフォトレジスト層１４２とを有している。フォトレジスト層１４２は、誘電体層１４０に向けられた窓部を形成するパターン窓部１４４を有している。アスペクト比が大きく(即ち、エッチング形状がより深くより狭く)なり続けるに従って、制御可能な処理パラメータの組み合わせを規定する処理窓部も急激に縮小している。処理窓部が縮小すると、処理パラメータの調整ではもはや、エッチング速度、エッチング選択性又はエッチング深度を向上させることはできない。
【００１０】
概して、処理パラメータは、圧力設定、流量、電極バイアス電力、処理用化学物質の種類等を含む。しかしながら、アスペクト比が増大するに従って、処理窓部のパラメータを変更することではもはや、処理室の能力を補償して、所望のエッチング操作を制御することはできなくなる。例えば、パターン窓部１４４（即ち、コンタクトバイア等）によりフォトレジスト層１４２内に形成されるような形状を所望する場合には、最良のエッチング化学物質ではもはや、誘電体層１４０を貫通するエッチングを施すことはできない。このような場合には、処理用化学物質が側壁及び底面にもポリマーを堆積するので、不完全なエッチストップ１４６が形成されることになる。周知のように、アスペクト比の大きいパターンがエッチングの対象である場合には、このポリマーの堆積により、誘電体層１４０のエッチングが相当妨害されることになる。
【００１１】
この問題に立ち向かうために、プロセス工学エンジニアらは過去に、エッチング操作の間、処理室内の酸素レベルを上昇させようと試みたことがある。しかしながら、酸素レベルが処理室内で上昇する際に、エッチング操作により、誘電体層１４０内に弓形エッチ１４８が形成される。知られている通り、係る弓形エッチ１４８が誘電体層１４０内に発生すると、弓形エッチ１４８により形成されたバイアホールを続いて充填することが不確かになる。即ち、弓形エッチバイア１４８によって、従来からバイアホール内にメタライゼーションを施すために用いられている導電体充填技術が、うまく適用できないことがある。その結果、弓形エッチバイアホール１４８を有する製造されたデバイスが、その意図される設計の範囲で機能しないことがあり得る。
【００１２】
従来技術で試行されたもう一つの解決法は、チャック１０４に接続するＲＦ電源１１８ｂのバイアス電力を上げることで、ウェーハ１０６の表面に対するイオン衝撃エネルギーを増大させる試みである。しかしながら、ＲＦ電源１１８ｂのバイアス電圧を上げる場合、プラズマ領域１１４内に、より大量のプラズマも併せて生成されることになり、イオン衝撃エネルギーの増大を抑制する。また、バイアス電力が増加する場合、プラズマ領域１１２内に導入された処理分子の化学的組成が変化することもあり、そのため、所望のエッチングが行われないこともあり得る。その結果、チャック１０４に印加するＲＦ電力を単に増加させるだけでは、アスペクト比の大きい形状のエッチングを向上させることにはならないことが見いだされた。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
前述のことから考えると、必要とされるものは、プラズマ密度を増大させたり、処理分子の化学的組成を変化させたりすることなく、ウェーハ表面のイオン衝撃エネルギーを増大するようにさせる装置および該装置を製造し、実装する方法である。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、増大されたイオン衝撃エネルギーを半導体ウェーハの表面に近づけることを支援する半導体処理室用電極を提供することにより、これらの課題を解決する。本発明については、プロセス、装置、システム、デバイス及び方法を含む、数々の方法で実施可能であることを理解されたい。本発明の進歩的な実施形態について、以下に説明する。
【００１５】
一実施形態においては、プラズマエッチング操作により半導体ウェーハを処理するシステムについて開示されている。このシステムは、半導体ウェーハを保持するための支持チャックと一対のＲＦ電源とを含む処理室を有している。このシステムは更に、このシステム内で半導体ウェーハの上方に位置する電極を含む。この電極は、中央領域と第一の表面と第二の表面とを有している。第一の表面は、システムの外部にある源から処理ガスを受容して、処理ガスを中央領域に流入させるように構成されている。第二の表面は、複数のガス供給孔を有し、これらは、対応する複数の電極開口部と連接されていて、これらの開口部の直径は、複数のガス供給孔の孔の直径よりも大きくなっている。複数の電極開口部は、半導体ウェーハのウェーハ表面全面を覆うよう設けられている、電極表面を形成するように構成されている。バイアス電圧をウェーハ表面に移動させるために、この電極表面が電極のプラズマシース領域の拡大を支援して、これにより、プラズマ密度を高めることなく、ウェーハを覆うイオン衝撃エネルギーを増大させる。
【００１６】
もう一つの実施形態においては、プラズマエッチング操作により半導体ウェーハを処理するための処理室内に配置されている、上部電極の製造方法が開示されている。処理室は、半導体ウェーハを保持するための支持チャックと一対のＲＦ電源とを含む。この方法は、中央領域と第一の表面と第二の表面とを有する上部電極の形成を含む。第一の表面は吸気口を有し、吸気口は、システムの外部にある源から処理ガスを受容して、処理ガスを中央領域に流出するように構成されている。第二の表面は複数のガス供給孔を有し、ガス供給孔は、複数のガス供給孔の孔の直径よりも大きい直径を有する複数の電極開口部に導通している。複数の電極開口部は、半導体ウェーハのウェーハ表面全面を覆うように形成されている、電極表面を形成するように構成されている。
【００１７】
更に別の実施形態においては、半導体ウェーハを処理するためのプラズマ処理室が開示されている。プラズマ処理室は、半導体ウェーハを保持するための支持チャックと一対のＲＦ電源とを含む。プラズマ処理室は、電極手段と半導体ウェーハのウェーハ表面との間に形成される処理領域に、ガス状化学物質を送るための電極手段を含む。電極手段は、ウェーハ表面全面を覆って電極表面を形成するように構成されている、複数の大口径のガス供給孔を有している。プラズマ処理室内で電極表面とウェーハ表面との間にプラズマが生成される際に、実質的に平面な第一のプラズマシースが、ウェーハ表面全面に形成され、ある一定の形状が付けられている第二のプラズマシースが、電極表面全面に形成される。ある一定の形状が付けられている第二のプラズマシースは、複数の大口径のガス供給孔内に延長するように構成されているので、ある一定の形状が付けられている第二のプラズマシースは、実質的に平面の第一のプラズマシースよりも大きな面積を有している。より広い表面面積を有しているので、ウェーハ表面のバイアス電圧は増大し、電極表面のバイアス電圧は低減する。
【００１８】
プラズマ密度を高めることなく、ウェーハ表面全面のバイアス電圧を増加させることが可能になる点で好ましい。バイアス電圧の増加は、実質的に、イオン衝撃エネルギーを増大させるので、不完全なエッチストップや弓形エッチ断面を生じさせることなく、アスペクト比が大きい形状をエッチングすることができる。本発明のこれらの利点及び他の利点について、以下の詳細な説明を解釈し、図面の各種の図を検討することで明らかになるであろう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明、および本発明の更なる利点は、添付の図面と共に以下の図面を参照することによりよく理解されるであろう。
増大したイオン衝撃エネルギーを半導体ウェーハの表面に向けて移動させることを支援して、アスペクト比の大きな形状のエッチングを向上させる、半導体処理室用電極に関する発明について説明する。以下の説明では、本発明を完全に理解するために、特定の詳細が多数述べられている。しかしながら、これら特定の詳細のいくつか、もしくは、全部を用いずとも、本発明を実施できることが、当業者にとって明らかであろう。その他、本発明を不必要に曖昧にしないために、周知の工程段階については詳細に説明していない。
【００２０】
上述のように、本発明は、アスペクト比の大きいエッチング操作の間、処理室で処理窓部の制御の維持を可能にする、独自の上部電極について開示する。本発明の上部電極を、多くの異る形式の処理室内に実装することができるが、開示されている上部電極の新規の設計上の特徴によって有用性が得られる処理室の一例は、カリフォルニア州フリーモント、ラム・リサーチ・コーポレーションから市販の、ラム・リサーチ・レインボー４５２０ＸＬ処理室である。処理室の向きによっては、上部電極を接地して、周波数を両方とも底部電極（即ち、ウェーハ支持チャック）に供給してもよい。いずれの場合でも、本発明の上部電極の構成は、従来技術の副作用なく、ウェーハ表面上のイオン衝撃エネルギーの増大を支援するものである。
【００２１】
図２Ａは、本発明の一実施形態に基づく、上部電極２００の断面図を示す。この実施形態においては、上部電極２００は、各電極開口部２０２ｂを形成する複数の電極領域２０２ｃを有する電極本体２０２を含む。電極開口部２０２ｂは、複数のガス供給孔２２８に導通するチャネルを形成する。図１Ａに図示のように、一般に、ガス供給孔２２８は、処理ガスをプラズマ領域１１２に導入する。これにより、上部電極２００が半導体処理システム処理室内に挿入されると、電極本体２０２の表面２３４が、生成されたプラズマシースに極めて接近する表面を形成することになる。
【００２２】
本発明の好適な実施形態においては、電極本体２０２の内側部分は、処理されるウェーハとほぼ同じ直径の開口部２５０を有することが好ましい。例えば、８インチウェーハを処理する場合には、直径２５０は好ましくは、約８インチの大きさである。図示されていないが、ガスバッファプレートは通常、電極本体２０２内部に配置されている。電極本体２０２は、約１インチの好適な厚さ２５２を有しており、電極領域２０２ｃは、約１／４インチの厚さ２５６を有する。もちろん、ここに例示した直径は、処理される半導体ウェーハの大きさに基づいて、変更してもよい。
【００２３】
図２Ｂは、本発明の一実施形態に基づく、電極本体２０２の表面２３４の平面図を示す。図示のように、電極開口部２０２ｂは好ましくは、六角形のパターン配置で表面２３４全面に配列されている。この六角形のパターン配置では、電極開口部２０２ｂの間の間隔２０３を好ましくは、約０．３７５インチに設定する。又、好適な実施形態においては、電極開口部２０２ｂ各々の直径を、約０．２５インチに設定する。
【００２４】
図２Ｃは、本発明の一実施形態に基づく、図２Ａにおける電極開口部２０２ｂの詳細図を示す。電極開口部２０２ｂは、約５ΛDebye（即ち、≧０．５ｍｍ）と少なくとも同等またはそれよりも大きい値で選択された直径Ｄ3２４２を有する。電極開口部２０２ｂの深さＤ4２４４は、好ましくは約１／３２インチから約１／４インチの間、更に好ましくは約１／１６インチから約１／４インチの間、最も好ましくは約１／８インチで設定される。好ましくは、直径Ｄ2２４０は、約０．１ｍｍである。この実施形態においては、電極開口部２０２ｂは、角度（約３０度）のついた表面２４６を有し、これは機械加工用ドリルビットの形状によるものである。しかしながら、他の角度でも構わないことを理解されたい。例えば、図２Ｄでは、角度のついた表面２４６が直角２４８と置換されている。もちろん、角度のついた表面２４６を取り除くと、電極開口部２０２ｂの深さは、距離Ｄ4２４４から距離Ｄ5２４９に延びる。
【００２５】
図２Ｅは、本発明の一実施形態に基づく、三つの電極領域２０２ｃとウェーハ２０６との断面図を示す。好適な実施形態においては、表面２３４とウェーハ表面２３６との間の距離は、好ましくは約０．７５ｃｍから約４ｃｍの間、更に好ましくは約１ｃｍから約３ｃｍの間、最も好ましくは約２ｃｍに設定される。一旦、半導体処理システムが操作状態（即ち、処理ガスがチャンバに流入し、バイアス電力が印加され、圧力及び温度が調整されること等）に置かれると、プラズマ領域２１２内にプラズマが生成される。電極開口部２０２ｂが少なくとも約０．５ｍｍと同等またはそれよりも大きくなっていることにより、プラズマシース２３１は電極開口部２０２ｂ内に移動される。
【００２６】
図示のように、移動されたプラズマシース２３１は、電極開口部２０２ｂの壁面の形状を辿る。即ち、プラズマシース２３１は、表面２３４と電極開口部の表面２０４とから、距離Ｄ1２３３だけ離れる。一実施形態においては、距離Ｄ1２３３は、約０．５ｍｍから約５ｍｍの間で、最も好適には、約２ｍｍである。従来技術の設計における上部電極に隣接するプラズマシースは、図１Ｃに示されるようには移動しないので、二つのプラズマシースの表面面積はほぼ均一である。しかしながら、プラズマシース２３１は、上部電極２００全面で、電極開口部２０２ｂ内に移動するので、プラズマシース２３１の表面面積は、プラズマシース２３２の表面面積よりも広くなる。
【００２７】
図３は、図２Ｅに図示されているように電極領域２０２ｃの表面に沿うプラズマシース２３１、及びウェーハ２０６の上に形成されるプラズマシース２３２の断面図を示す。プラズマシース２３１及び２３２の断面図のみが示されているが、これらのプラズマシースは実際には、上部電極２００及びウェーハ２０６の表面をそれぞれ覆って形成される、三次元（３Ｄ）の層であることを理解されたい。このように、プラズマシース２３１が電極開口部２０２ｂ内に移動する際に、シース面積1が実質的に増大する。下表Ａは、プラズマシース２３１の表面面積1の増加分と、プラズマシース２３２の表面面積2との比の試算を示す。もちろん、個別の電極開口部の形状に基づいて、面積増加は異なる値となる。
【００２８】
【表１】
0004565743.tif 000002
【００２９】
表Ａの計算に示されているように、プラズマシース２３１の表面面積1は、ウェーハ２０６を覆って形成されるプラズマシース２３２の面積2の、約２．７倍に増加した。別の好適な実施形態においては、面積の増加は約１．５倍から３．５倍の間となり、最も好ましくは、約２倍から約３倍の間となる。
【００３０】
図４Ａは、本発明の一実施形態に基づく、時間によるＲＦ電圧正弦波形を示すグラフ３００である。この例では、同じ面積のプラズマシース（即ち、面積1＝面積2）を有する従来技術における電圧正弦波３０２が示されている。プラズマシースの面積が同じ場合には、電圧正弦波３０２は、正と負の時間の長さが同じである。しかしながら、電極２００が処理室内に配置されると、プラズマシース２３１の面積1は、図３に図示されているように増加する。この時、電流Ｉ1が上部電極２００の方向にウェーハ２０６から流れる時間と、電流Ｉ2がウェーハ２０６の方向に上部電極２００から流れる時間では、プラズマを流れる電流の大きさ（イオン及び電子の流れ）が異なる。実際、上部電極表面２３４／２０４に隣接するシース表面面積1が広いので、図３に図示されているように、電流Ｉ1は、電流Ｉ2よりも大きくなる。
【００３１】
この電流の大きさの差により、電圧正弦波３０２は下方に移動して、移動した電圧正弦波３０２’を形成する。この時、移動した電圧正弦波３０２’が正となる時間Ｔ1は、負となる時間Ｔ2より短い。しかしながら、サイクル全体では、プラズマを横切ってある方向に流れる電流（即ち、Ｉ1）は、もう一方の方向に流れる電流（即ち、Ｉ2）と同じでなければならないことが、明らかになる。図４Ｂは、時間Ｔ1の間に流れる大きな電流Ｉ1の全電流が、時間Ｔ2の間に流れるより小さい電流Ｉ2の全電流と、なぜ同じになるのかを示している。特に、領域下部３２０ａはＩ1の全電流を示し、領域下部３２０ｂはＩ2の全電流を示す。参照のためのみであるが、全電流下部領域３１０ａ及び３１０ｂは、非移動型システムでは、互いに等しい。
【００３２】
図４Ａに戻って参照すると、波部３０６は、生成したプラズマにより誘導される半波整流の結果である。一サイクルの波部３０６を時間平均すると、上部電極表面のバイアス電圧が求められる。同様の方法で、波部３０８は、生成したプラズマにより誘導されたもう一つの半波整流に結果である。一サイクルの波部３０８を時間平均すると、ウェーハ表面のバイアス電圧が求められる。重要であると留意されたいことは、ウェーハ２０６の表面に生成されたバイアス電圧は、標準のバイアス電圧よりも実質的に増加していることである。即ち、従来技術のシステムにおいては、印加されたバイアス電圧は概して、上部電極の表面とウェーハ表面との両方に同じように印加されている。従って、上部電極２００の表面に近接しているプラズマシース２３１の表面領域を増加させることにより、ウェーハ表面２０６のバイアス電圧を増加させて、同時に、上部電極２００の表面のバイアス電圧をわずかに低減させることが可能になる。
【００３３】
図５は、本発明の一実施形態に基づいて、正弦波ＲＦ電位を用いて適正な電流バランスが実施されている状態における、バイアス対上部電極２００とウェーハ２０６とのプラズマシースの面積比を示すグラフである。上部電極２００とウェーハ２０６とのプラズマシースの面積がほぼ同じ場合には、上部電極２００及びウェーハ２０６上のバイアス電圧（即ち、電極電位／Ｖピーク）は、約−０．３になる。しかしながら、面積比の増加につれて、上部電極２００のバイアス電圧は低減する。逆に、面積比の増加につれて、ウェーハ２０６のバイアス電圧は増加する。
【００３４】
好適な実施形態においては、プラズマシース２３１が、プラズマシース２３２の面積2よりも２．７倍広い面積1を有する場合には、ウェーハ２０６のバイアス電圧が約−０．７５に増加して、上部電極２００のバイアス電圧が約−０．０５に低下することになる。バイアス電圧がここでウェーハ２０６の表面上で増加しているので、より大きいイオン衝撃エネルギーがウェーハ２０６の表面上に存在して、大きいアスペクト比の半導体エッチング操作を支援することになる。
【００３５】
有利な点として、プラズマ密度を高めることなく、ウェーハ２０６表面のバイアス電圧を増加させることが、ここで可能になる。上述のように、プラズマ密度が許容可能なレベルを越えて増加してしまうと、処理ガスは所望のエッチング機能を奏しないこともある。しかし、バイアス電圧の増加により、イオン衝撃エネルギーが本質的に増大しているので、不完全なエッチストップ、弓形エッチ作用又は処理窓のずれが生じることなく、より大きいアスペクト比の形状をエッチングできる。
【００３６】
又、上述のパラメータは、「８インチウェーハ」を処理するために構成された処理室に関するものであるが、これらのパラメータを変更して、半導体デバイス及びフラットパネルディスプレイの製造に用いる等、各種の大きさ及び形状の基板に応用することもできる。いくつかの好適な実施形態について、本発明を説明してきたが、本発明の範囲内での変形、置換及び同等物が存在する。本発明の方法及び装置を実施する代替の方法が多くあることに留意されたい。従って、添付の請求の範囲が、本発明の本来の精神及び範囲の内にある変形、置換及び同等物等をすべて含むものであることと解釈されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  エッチング操作により半導体ウェーハを処理するために用いられる処理室を含む、半導体処理システムを示す図。
【図１Ｂ】  半導体処理システムの上部電極の詳細図。
【図１Ｃ】  プラズマ、および電極表面とウェーハ表面に隣接して形成されたプラズマシーズとを示す図。
【図１Ｄ】  プラズマの形状、および電極表面とウェーハ表面とに対するプラズマシースの位置を示す図。
【図１Ｅ】  エッチング操作中の半導体基板の断面図。
【図２Ａ】  本発明の一実施形態に基づく上部電極の断面図。
【図２Ｂ】  本発明の一実施形態に基づく電極本体の表面の平面図。
【図２Ｃ】  本発明の一実施形態に基づく図２Ａの電極開口部の詳細図。
【図２Ｄ】  本発明の一実施形態に基づく電極開口部の別の詳細図。
【図２Ｅ】  本発明の一実施形態に基づく電極開口部表面、ウェーハ表面及びこれに応じたプラズマシースを有するプラズマの詳細図。
【図３】  本発明の一実施形態に基づく、電極開口部に入り込んで形成されているコンタープラズマシースと、ウェーハ表面を覆って形成されている実質的に平面のプラズマシースとの詳細図。
【図４Ａ】  本発明の一実施形態に基づく、バイアス電圧を移動させる移動電圧波形を含む、電圧の時間波形を示す図。
【図４Ｂ】  本発明の一実施形態に基づく、図４Ａの移動電圧波形の各サイクルに対して得られる電流の大きさのグラフ。
【図５】  本発明の一実施形態に基づく、上部電極及びウェーハのプラズマシースのバイアス対領域比を示すグラフ。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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