(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｒｆ電源からｒｆ電流が供給される中央電極と、
前記中央電極の側壁の周囲に配置された誘電体リング部材と、
前記誘電体リング部材の周囲に配置され、前記誘電体部材リングを通して容量結合機構によって前記中央電極に与えられる前記ｒｆ電流の一部を得るリング状外側電極と、
前記リング状外側電極の上面を覆う誘電体プレートと、
前記リング状外側電極の側面および下面と前記中央電極の下面とを覆うための誘電体部材とを備えて成り、
前記リング状外側電極は、前記誘電体リング部材の周囲に位置されかつ前記中央電極の側壁周囲面に対して相対的な表面面積（Ａ）で面し、前記ｒｆ電流の前記一部の量を前記表面面積（Ａ）で制御する円筒形のリング状部分を有する、
ことを特徴とするプラズマ支援ウェハー処理装置の二重電極ウェハーホルダ。
【請求項２】
前記リング状外側電極は他のｒｆ電源から整合回路を介してｒｆ電流が与えられることを特徴とする請求項１記載のプラズマ支援ウェハー処理装置の二重電極ウェハーホルダ。
【請求項３】
中央電極と、
前記中央電極の側壁の周囲に配置された誘電体リング部材と、
前記誘電体リング部材の周囲に配置されたリング状外側電極と、
前記リング状外側電極の上面を覆うための誘電体プレートと、
前記リング状外側電極の側面および下面と前記中央電極の下面とを覆うための誘電体部材とを備えて成り、
前記リング状外側電極はｒｆ電源からｒｆ電流を供給され、前記中央電極は前記リング状外側電極に与えられるｒｆ電流の一部を前記誘電体リング部材を通して容量結合機構によって取得し、
前記リング状外側電極は、前記誘電体リング部材の周囲に位置されかつ前記中央電極の側壁周囲面に対して相対的な表面面積（Ａ）で面し、前記ｒｆ電流の前記一部の量を前記表面面積（Ａ）で制御する円筒形のリング状部分を有する、
ことを特徴とするプラズマ支援ウェハー処理装置の二重電極ウェハーホルダ。
【請求項４】
前記リング状外側電極は、前記リング状部分の外側周囲に、前記中央電極上に発生したプラズマを、その形状に応じて前記反応容器の中心に向けるかまたは当該中心から外側に向けるリング状水平部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ支援ウェハー処理装置の二重電極ウェハーホルダ。
【請求項５】
前記中央電極と前記リング状外側電極との間に作られた前記容量結合機構の容量は、前記中央電極の周囲に配置される前記誘電体リング部材の厚みに応じて決まることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマ支援ウェハー処理装置の二重電極ウェハーホルダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の応用分野】
本発明はプラズマ支援ウェハー処理装置の二重電極ウェハーホルダに関する。この発明は容易にプラズマ反応容器に配置されたウェハーの表面上のプラズマの半径方向の均一性を改善し、それによってウェハーの全表面における均一な処理速度を改善する。当該反応容器はプラズマ支援のドライエッチング、化学的気相成長またはスパッタ堆積処理のために用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ支援ウェハー処理における主要な問題の１つは処理されるべきウェハーの全表面にわたって不均一なプラズマということである。この問題はプラズマ表面上で不均一な処理速度という結果をもたらし、そして不完全なデバイスという事態をもたらす。この問題は従来のウェハーホルダの２つのタイプを用いて詳細に説明される。
【０００３】
図７は従来のプラズマ処理装置の一例を示す。この装置は反応容器１１０とその中のウェハーホルダ１００を備える。この発明に関してはウェハーホルダ１００のみが関心があるので、ウェハーホルダ１００を除くプラズマ処理装置の部分は説明されない。ウェハーホルダ１００はｒｆ電極１０１、ｒｆ電極１０１上の誘電体プレート１０２、ｒｆ電極１０１を支持する上部と下部の誘電体部材１０３ａと１０３ｂ、金属側壁１０４、底プレート１０５から構成されている。ウェハーホルダ１００は反応容器１１０の底壁１１１上に配置されている。シリコン（Ｓｉ）ウェハー１０６はウェハーホルダ１００上に搭載されている。ｒｆ電極１０１の直径は通常ウェハー１０６の直径に等しいかまたは少し大きくなっている。例えば、もしウェハーの直径が２００ｍｍであるならば、ｒｆ電極１０１の直径は２００ｍｍから２６０ｍｍの範囲にある。処理のタイプに応じて、ｒｆ電極１０１の上面上に誘電体プレート１０２があってもよいし、なくてもよい。もしｒｆ電極１０１の上に誘電体プレート１０２があるとするならば、その直径はｒｆ電極１０１の直径に等しいか、またはそれよりも小さい。Ｓｉウェハー１０６は誘電体プレート１０２の中央領域の上に置かれている。
【０００４】
ウェハー１０６の周囲には外部シールド１１２がある。外部シールド１１２の材質は関連するウェハー処理の化学反応に合うように実験的に選択される。ｒｆ電極１０１はｒｆ発生器１０７から整合回路１０８を経由してｒｆ電流が与えられる。ｒｆ電流の周波数は通常重要なことではないが、１０ＭＨｚから６０ＭＨｚの範囲にある。当該ｒｆ電流は容量結合機構によって誘電体プレート１０２とウェハー１０６を経由してプラズマに結合し、プラズマを発生させる。この生成されたプラズマはプラズマ支援ウェハー処理に用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述した構成に関連する問題を次に説明する。プラズマ密度の径方向の均一性はｒｆ電流のｒｆ周波数、誘電体プレート１０２の厚み、そしてｒｆ電極１０１と誘電体プレート１０２の直径のごときいくつかのパラメータに依存する。図８はプラズマの半径方向の密度またはプラズマの拡散に関して多くの可能な径方向プロファイル（拡散分布の径方向の外形）の中から３つの可能な径方向プロファイル１０９，１１０，１１１を示す。ウェハー表面にわたって要求されるプラズマ密度プロファイルは径方向プロファイル１１０によって与えられる。しかしながら、このプラズマ密度径方向プロファイルを得ることはまれである。ほとんどの時間、プラズマ密度のプロファイルは、曲線１０９，１１１あるいは他の異なる形状によって示されるごとく、その端部を異なる形状に変化する。通常、圧力とｒｆ電力を制御することによって、プラズマ密度の径方向のプロファイルは或る程度改善することができる。しかしながら、通常の場合のごとく、径方向の均一化のために最適化されたｒｆ電力の圧力は、要求される処理速度と他のプロセスパラメータを得るために選択されたそれらと一致しない。それ故に、図７に示された構成に伴うウェハー表面の径方向の均一性を制御することは制限されることになる。
【０００６】
図９は従来のプラズマ処理装置の他の構成を示す。この装置は、上部電極１５０、前述したウェハーホルダ１００、円筒形の側壁１５１、底プレート１５２、上部プレート１５３から構成されている。ウェハーホルダ１００の構成は図７において与えられたものと同じである。当該プラズマ処理装置の構成は、上部電極１５０と下部電極１０１に与えられるｒｆ周波数が通常異なるので、二周波励起反応容器と呼ばれる。上部電極１５０は他のｒｆ電力発生器１６１から他の整合回路１６２を経由してｒｆ電力が供給される。上部電極１５０は誘電体部材１６４によって反応容器１６３の壁部から電気的に絶縁されている。ここで、主要プラズマは上部電極１５０に与えられるｒｆ電力によって生成される。通常、上部電極１５０に与えられるｒｆ電力の周波数は１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲にある。下部電極に与えられるｒｆ電流の周波数は通常上部電極１５０のそれよりも小さいかまたは等しく、１ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの範囲にある。
【０００７】
たとえ上記第２のプラズマ処理装置の構成であってもウェハー表面上のプラズマ密度の径方向プロファイルの制御性は制限される。ｒｆ周波数はプラズマ密度の径方向プロファイルに対していくつかの影響を与えるが、一旦装置が組み立てられると、ｒｆ周波数を変化させることは径方向の均一性を改善するための実際的な解決ではない。それ故に、ｒｆ電極と圧力のみがプラズマ密度の径方向の均一性を制御するための主要な残りのパラメータである。先に説明したように、これらの２つのパラメータはプラズマ密度の径方向の均一性を制御することにおいて、制限された可能性を持っている。
【０００８】
前述したプラズマ処理装置は、主要な電極、それは下部と上部の電極であり、ウェハー表面上にわたるプラズマの径方向プロファイルを制御する制限された可能性を有するが、プラズマの化学反応と要求された処理パラメータを制御するということを指摘している。それ故に、一旦要求されるプロセスパラメータが主要電極に対し適当な値を採用することによって達成されたあとで、ウェハー表面上のプラズマの径方向プロファイルを制御する付加的なパラメータがあるに違いない。このことは、特に大面積ウェハー処理にとって重要である。
【０００９】
本発明の目的は、処理されるべきウェハーにおけるプラズマ密度の径方向プロファイルを改善することができるプラズマ支援ウェハー処理装置の二重電極ウェハーホルダを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマ支援ウェハー処理装置の二重電極ウェハーホルダは、前述の目的を達成するため、次のように構成される。
【００１１】
本発明の二重電極ウェハーホルダは、反応容器におけるプラズマ処理のためのウェハーを配置する目的で用いられ、ｒｆ電源からｒｆ電流が供給される中央電極と、中央電極の側壁の周囲に配置された誘電体リング部材と、誘電体リング部材の周囲に配置され、誘電体部材リングを通して容量結合機構によって中央電極に与えられるｒｆ電流の一部を得るリング状外側電極と、リング状外側電極の上面を覆う誘電体プレートと、リング状外側電極の側面および下面と中央電極の下面とを覆うための誘電体部材とを備えて成り、リング状外側電極は、誘電体リング部材の周囲に位置されかつ中央電極の側壁周囲面に対して相対的な表面面積（Ａ）で面し、ｒｆ電流の一部の量を表面面積（Ａ）で制御する円筒形のリング状部分を有するように構成される。
【００１２】
上記の構成によれば、ウェハー表面のプラズマの均一性が改善される。外側のｒｆ電極は中央ｒｆ電極に与えられるｒｆ電流の一部となるように設計されている。リング状外側電極は、誘電体リング部材の周囲に位置されかつ中央電極の側壁周囲面に対して相対的な表面面積（Ａ）で面し、ｒｆ電流の一部の量を表面面積（Ａ）で制御する円筒形のリング状部分を有する。当該円筒形のリング状部分、すなわちリング状外側電極の高さ方向部分の高さを変えることにより、表面面積（Ａ）が変わり、中央と外側の電極の間の容量を変化させることによって外側電極に結合されたｒｆ電力は変化させられ、それによってプラズマの径方向の均一性が適切に制御される。
【００１３】
上記の構成において、好ましくは、リング状の外側の電極は他のｒｆ電源から整合回路を経由してｒｆ電流が与えられる。
【００１４】
本発明の他の二重電極ウェハーホルダは、中央電極と、中央電極の側壁の周囲に配置された誘電体リング部材と、誘電体リング部材の周囲に配置されたリング状外側電極と、リング状外側電極の上面を覆うための誘電体プレートと、リング状外側電極の側面および下面と中央電極の下面とを覆うための誘電体部材とを備えて成り、リング状外側電極はｒｆ電源からｒｆ電流を供給され、中央電極はリング状外側電極に与えられるｒｆ電流の一部を誘電体リング部材を通して容量結合機構によって取得し、リング状外側電極は、誘電体リング部材の周囲に位置されかつ中央電極の側壁周囲面に対して相対的な表面面積（Ａ）で面し、ｒｆ電流の一部の量を表面面積（Ａ）で制御する円筒形のリング状部分を有するように構成される。
【００１６】
二重電極ウェハーホルダにおいて、リング状外側電極は、リング状部分の外側周囲に、中央電極上に発生したプラズマを、その形状に応じて反応容器の中心に向けるかまたは当該中心から外側に向けるリング状水平部を有することを特徴とする。
【００１７】
二重電極ウェハーホルダにおいて、中央電極とリング状外側電極との間に作られた容量結合機構の容量は、中央電極の周囲に配置される誘電体リング部材の厚みに応じて決まることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、好適な実施形態が添付図面を参照して説明される。実施形態の説明を通して本発明の詳細が明らかにされる。
【００１９】
本発明の第１実施形態は図１と図２を参照して説明される。図１はウェハーホルダ１のみを示す。ウェハーホルダ１を備える反応容器は図１において示されていない。ウェハーホルダ１は、中央ｒｆ電極２と、この中央電極の側壁の周りの薄い誘電体リング３と、以下において外側電極として呼ばれる外側金属リング４と、誘電体プレート５と、中央と外側の電極をウェハーホルダ１の側壁１１と底プレート１２から電気的に絶縁する誘電体部材６ａ，６ｂとから構成されている。中央電極２の直径はその上に搭載されたウェハー７の直径に相当する。例えば、もしウェハーの直径が２００ｍｍであるならば、中央電極２の直径は１８０ｍｍから２３０ｍｍの範囲にあり得る。中央電極２の高さは重要な事項ではなく、通常およそ３〜４ｃｍに設定される。
【００２０】
中央電極２は整合回路９を通してｒｆ電力発生器８に接続されている。ｒｆ電力発生器８に接続されている。ｒｆ電力発生器８の周波数は重要なことではなく、通常、１０ＭＨｚから１００ＭＨｚの範囲に選択されている。
【００２１】
中央電極２の上面の上には薄い誘電体プレート１０が存在する。この薄い誘電体プレート１０は省略することもできる。もし図１に示されるごとく中央電極の上面の上に薄い誘電体プレート１０があるならば、通常、それは誘電体プレート１０と中央電極２との間によりよい熱伝導性を持つために強く結合されている。この場合において、誘電体プレート１０はウェハーホルダの上に静電的チャック機構によってウェハー７を固定するのに用いられる。もしこの静電的チャック機構が用いられる場合には、ガスリザーバが、誘電体プレート１０の上面にウェハー７と誘電体プレート１０の間にガスを充満させるために作られる。当該ガスはウェハー７と誘電体プレート１０の間によりよい熱伝導性を作る。もし中央電極２の上に誘電体プレートが存在しないならば、ウェハー７は直接に中央ｒｆ電極２の上に配置される。
【００２２】
薄い誘電体リング３は中央電極２の側壁を覆う。誘電体リング３の厚みはできるだけ薄くなるように設定される。例えばそれは１ｍｍよりも小さい。薄い誘電体リングの周囲に外側電極４が配置される。外側電極４の上面はより大きな水平な表面領域を持つように拡大される。外側電極４の高さは後で説明されるように実験的に選択されている。外側電極４の断面形状は長方形の形状またはＬ型の形状である。もし断面形状が図１に示されるごとくＬ型形状であるならば、水平部分の厚みは重要なことではない。通常、この厚みは２ｃｍよりも大きくなるように設定される。薄い誘電体プレート５は外側電極４の上面を覆っている。当該プレート５は半導体部材で作られる。このプレート５にとって適当な材質はウェハー処理の化学反応に依存して選択される。
【００２３】
外側電極４の外表面と中央と外側の電極２，４の底面は誘電体部材６ａ，６ｂによって覆われている。これは、中央電極２と外側電極４を、金属で作られかつ電気的に接地された状態にあるウェハーホルダ１の側壁１１と底プレート１２から電気的に絶縁することである。
【００２４】
前述したウェハーホルダ１はプラズマ処理装置の反応容器の中に配置され、この反応容器は天井プレート、側壁、真空排気装置から構成されている。プラズマ処理装置は、例えば上部電極のごとき他のｒｆ電極から構成されてもいいし、構成されなくてもよい。他のｒｆ電極の存在は、２つのｒｆ電極を備えて成る本発明のウェハーホルダ１の期待された目的に影響を与えない。
【００２５】
次にウェハーホルダ１による作用の原理を説明する。ウェハーホルダ１は、前述したようにプラズマ処理装置に配置されるので、適当な低い圧力の下でｒｆ電力発生器８からｒｆ電流が中央電極２に与えられると、プラズマが容量結合機構によってウェハーホルダ１の上面の全面にわたり生成される。ここで、ｒｆ電力は、誘電体プレート１０とシリコン（Ｓｉ）ウェハー７を経由してプラズマに結合される。このｒｆ電力結合のため、誘電体プレート１０とＳｉウェハー７は誘電体プレート１０の厚みと材質に依存して基本的に決まる限定したインピーダンスを生成する。このインピーダンスをＲ1として考える。
【００２６】
同様にして、外側電極４へのｒｆ電力は中央電極２の周囲の薄い誘電体リング３を経由して外側電極４に結合する。ｒｆ電力結合の割合は中央と外側の電極２，４の間の容量Ｃに依存する。ここで、Ｃ＝εＡ／ｄ  …（１）、ここでεは薄い誘電体リング３の相対的誘電率であり、Ａは中央と外側の電極２，４の間の相対的な表面面積であり、そしてｄは薄い誘電体リング３の厚みである。従って、中央電極２から外側電極４へのｒｆ電力伝送のためのインピーダンスＲ2はＲ2＝１／（ｉωＣ）として与えられ、ここでωはｒｆ電流の角周波数である。外側電極４に結合するｒｆ電力は、再び、外側電極４の上面上に配置された誘電体リング５を通してプラズマに結合する。誘電体リング５によって生成されるｒｆ電流のインピーダンスはＲ3として考えられる。たとえそれが本質的なことではなくても、誘電体部材３，５，１０の厚みと材質はＲ3＜Ｒ1，Ｒ2になるように選択される。このことは中央電極２から外側電極４へのｒｆ電流の流れがＲ2によってのみ制御されるということを確認するためである。
【００２７】
誘電体リング３と誘電体プレート５の厚みと材質は相対的Ｒ1とＲ2を作るように選択される。それ故に、方程式（１）においてＡまたは／およびｄ(Ａ or/andｄ)を変えることによって、中央電極２から外側電極４に流れるｒｆ電流は制御される。ここで、Ａは外側電極４の高さを変えることによって変えられ、ｄは薄い誘電体リング３の厚みを変えることによって変えられる。例えば、外側電極４へ流れるｒｆ電流を減少させるため、外側電極４の高さは図２に示されるごとく減じられる。
【００２８】
一般に、中央電極２の上面上に生成されたプラズマは、図３において線１３によって示されるような形状となる。同様にして、外側電極４から結合されたｒｆ電流は同様にまた図３における線１４によって示されるごときドーナツ形状となるプラズマを生成する。当該ドーナツ形状の外側プラズマの生成は次の２つの理由によってウェハー表面の上におけるプラズマの均一性の改善の原因となる。
【００２９】
（１）ドーナツ形状のプラズマは中央領域に拡散する。（２）ドーナツ形状における外側プラズマの存在は中央プラズマからプラズマ処理反応容器の側壁へのｒｆ電流に対するインピーダンスを減じる。このことはプラズマ処理反応容器の側壁に向かう中央プラズマの拡散の原因となる。これらの２つの理由は、ウェハー７の表面にわたってプラズマの分布の径方向プロファイルの改善することを、結果として生じさせる。
【００３０】
線１４によって示されたドーナツ形状のプラズマの位置は外側電極４の幅を変化させることによって変化させられる。例えば、外側電極に関して３つの可能な構成１５，１６，１７が図４によって示されている。構成１５はその高さが実質的に中央電極２の高さと同じである円筒形の形状を有している。構成１６は、円筒形部分の高さが電極４の高さよりもより短いということを除いて、外側電極４に類似している。構成１７は、外側電極４に比較してリング形状のフランジの点で、差異を有している。適当に構成された外側電極を用いることによって、ドーナツ形状のプラズマは広げられ、狭められ、または中央電極２の上に生成された中央プラズマに向かってもしくは中央プラズマから移動される。
【００３１】
次に図５を用いて第２の実施形態を説明する。ここではｒｆ電源８は整合回路９を経由して外側電極４に接続されている。この相違点を除いて全ての他のハードウェア（ハード構成）は第１実施形態で説明されたものと同じである。作用の原理も同様にまた第１実施形態で説明されたものと同じである。第１実施形態に比較してまた第２実施形態における当該唯一の差異はｒｆ電流が外側電極４から中央電極２へと流れることである。しかしながら、プラズマの分布の径方向の均一性を制御するため第１実施形態で説明された同じ手順が用いられる。
【００３２】
さらに図６を用いて第３の実施形態を説明する。ここで、外側電極２４は異なるｒｆ電源１７から整合回路１８を経由して直接にｒｆ電流が供給される。外側電極２４の構成は同様にまた外側電極４に比較してまた垂直部分または円筒形部分を除去することによって図６に示されるごとく薄い円形プレートへ変化させられる。これらの差異を除いて、全ての他のハードウエア構成は第１実施形態において与えられたものと同じである。外側電極２４に接続されたｒｆ発生器１７の周波数は１０ＭＨｚから１００ＭＨｚの範囲に存在する。このｒｆ周波数は中央電極２に与えられたｒｆ周波数に等しいかまたは異ならすことができる。もし異なるｒｆ周波数が採用されるとするならば、適当なｒｆカットオフ・フィルタがｒｆ電気回路に加えられる。これらのｒｆカットオフ・フィルタは図において示されていない。
【００３３】
第２と第３の実施形態における各々における作用は第１実施形態において説明されたものと同じである。すなわちウェハー表面全面にわたって要求された径方向均一性が与えられるので、外側電極を経由して適応されるｒｆ電力は調整される。再び、第１実施形態と同様に、外側電極の形状は、プラズマの径方向の均一性を改善するため、変えられる。
【００３４】
本発明の中央と外側の電極を備えた二重電極ウェハーホルダは各実施形態の特徴的な部分を選択的に結合することによって適宜に構成することができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明による二重電極ウェハーホルダは処理されるべきウェハーの表面の全面にわたるプラズマの分布の径方向均一性を改善することができ、それによってウェハー表面の処理の均一性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この図は第１実施形態による二重電極ウェハーホルダの断面図である。
【図２】この図は第１実施形態の変形例の断面図である。
【図３】この図は第１実施形態において中央と外側の電極の上に生成されるプラズマの径方向プロファイルを示す。
【図４】この図は第１実施形態における外側電極の３つの可能な構成の断面図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）を示す。
【図５】この図は第２実施形態による二重電極ウェハーホルダの断面図である。
【図６】この図は第３実施形態による二重電極ウェハーホルダの断面図である。
【図７】この図はプラズマ処理装置における従来のウェハーホルダの断面図である。
【図８】この図は図７に示されたウェハーホルダでウェハーホルダ表面の全面にわたるプラズマ分布の３つの可能な径方向プロファイルを示す。
【図９】この図は他の形式のプラズマ処理装置における従来のウェハーホルダの断面図である。
【参照符号の説明】
１          ウェハーホルダ
２          中央電極
３          薄い誘電体リング部材
４          外側電極
５          ドーナツ形状の誘電体プレート
６ａ，６ｂ  誘電体部材
７          ウェハー
８          ｒｆ発生器
９          整合回路
【図１】
0004098975.tif 000002
【図２】
0004098975.tif 000003
【図３】
0004098975.tif 000004
【図４】
0004098975.tif 000005
【図５】
0004098975.tif 000006
【図６】
0004098975.tif 000007
【図７】
0004098975.tif 000008
【図８】
0004098975.tif 000009
【図９】
0004098975.tif 000010