JP2003133398A - 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 - Google Patents

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

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JP2003133398A JP2001331119A JP2001331119A JP2003133398A JP 2003133398 A JP2003133398 A JP 2003133398A JP 2001331119 A JP2001331119 A JP 2001331119A JP 2001331119 A JP2001331119 A JP 2001331119A JP 2003133398 A JP2003133398 A JP 2003133398A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】ウェハー上のプラズマ密度の半径方向のプロフ
ァイルを改善する。 【解決手段】二重電極ウェハーホルダは、rf電源8か
らrf電流を供給される中央電極2と、中央電極の側壁
の周囲に配置される薄い誘電体リング部材3と、薄い誘
電体リング部材の周囲に配置される外側電極4と、そし
てその外側電極は中央電極に与えられるrf電流の一部
を薄い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、外側電極の上面を覆う誘電体プレート5と、そ
して外側電極の側面と下面および中央電極の下面を覆う
誘電体部材6a,6bとから構成されている。

Description

【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10
4、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200m
m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、r
f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r
f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1
12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10
9,110,111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15
2、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1
50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1
50は他のrf電力発生器161から他の整合回路16
2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1
0MHz〜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
目的で用いられる。それは、rf電源からrf電流を供
給される中央電極と、中央電極の側壁の周囲に配置され
る薄い誘電体リング部材と、薄い誘電体リング部材の周
囲に配置される外側電極と、そしてその外側電極は中央
電極に与えられるrf電流の一部を薄い誘電体リング部
材を通して容量結合機構によって取得し、外側電極の上
面を覆う誘電体プレートと、そして外側電極の側面と下
面および中央電極の下面を覆う誘電体部材とから構成さ
れている。
【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。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、外側の
電極は異なる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、中央電極の側壁の周囲に配置された薄い誘電
体リング部材、薄い誘電体リング部材の周囲に配置され
た外側電極、外側電極の上面を覆うための誘電体プレー
ト、そして外側電極の側面と下面と中央電極の下面を覆
う誘電体部材とから構成されている。上記の構成におい
て外側電極はrf電源からrf電流を供給され、そして
中央電極は外側電極に与えられたrf電流の一部を薄い
誘電体部材を通して容量結合機構によって取得する。
【0015】上記の二重電極ウェハーホルダにおいて、
薄い誘電体リング部材の周りの外側電極の高さは中央電
極と外側電極の間の容量を変化させるために変更され
る。
【0016】二重電極ウェハーホルダにおいて、外側電
極の断面形状は、反応容器の中央に向かって、または中
央から、その上に生成されるプラズマを移動させるため
適当に変えられる。
【0017】二重電極ウェハーホルダにおいて、中央電
極の周りの薄い誘電体リング部材の厚みは中央電極と外
側電極の間の容量を変えるために変更される。
【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230
mm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r
f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
1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r
f電力伝送のためのインピーダンスR2はR2=1/(i
ωC)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r
f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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C23C 16/458 C23C 16/509 16/509 H01L 21/302 101G Fターム(参考) 4G075 AA24 AA30 BC02 BC04 BC06 CA47 DA02 EB01 EC10 EC21 EC23 FC15 4K029 AA06 CA05 DC28 DC35 EA06 JA01 4K030 CA04 CA12 FA03 GA02 KA15 KA19 KA30 KA45 5F004 AA01 BA05 BB13 CA03 5F031 CA02 HA02 HA03 MA28 MA29 PA18 PA30

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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薄い誘電体リン
    グ部材と、 前記薄い誘電体リング部材の周囲に配置され、前記薄い
    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rf電流の一部を得る外側電極と、 前記外側電極の上面を覆う誘電体プレートと、そして前
    記外側電極の側面および下面と前記中央電極の下面とを
    覆う誘電体部材を備えて成り、 反応容器におけるプラズマ処理のためウェハーを配置す
    るため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。
  2. 【請求項2】 前記外側電極は異なるrf電源から整合
    回路を介してrf電流が与えられる請求項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。
  3. 【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薄い誘電体リン
    グ部材と、 前記薄い誘電体リング部材の周囲に配置された外側電極
    と、 前記外側電極の上面を覆うための誘電体プレートと、そ
    して前記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から成り、 上記において前記外側電極はrf電源からrf電流を供
    給され、前記中央電極は前記外側電極に与えられるrf
    電流の一部を前記薄い誘電体リング部材を通して容量結
    合機構によって取得する、反応容器におけるプラズマ処
    理のためウェハーを配置するため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。
  4. 【請求項4】 前記薄い誘電体リング部材の周囲の前記
    外側電極の高さは、前記中央電極と前記外側電極の間の
    容量を変えるために変更される請求項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。
  5. 【請求項5】 前記外側電極の断面形状はその上に発生
    したプラズマを前記反応容器の中心に向けて、または中
    心から外側に向けて、移動させるため適当に変化させら
    れる請求項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。
  6. 【請求項6】 前記中央電極の周囲の前記薄い誘電体リ
    ング部材の厚みは前記中央電極と前記外側電極との間の
    容量を変えるために変更させられる請求項1〜5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。
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