JP3814176B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の応用の分野】
本発明は、比較的に大面積のウェハーを処理するためのプラズマ処理装置に関し、特に、望ましい平面でのプラズマ密度について制御された径方向分布形状を有する大面積プラズマ源に関するものである。この平面は二重同心ｒｆ電極と下部電極との間に設定され、生成されたプラズマはプラズマ支援エッチング、化学的気相成膜、そしてスパッタ成膜の応用に有用である。これらの応用はマイクロ（微小）電子産業におけるＳｉ（シリコン）基板または他の基板の上に半導体デバイスを作ることで使用される。
【０００２】
【従来の技術】
最近の１０年で半導体デバイスメーカは集積回路の製造に用いられるシリコンウェハーの標準直径を１００ｍｍから３００ｍｍへと増大させた。マイクロ電子産業は、次の標準直径はおよそ４５０ｍｍになるであろうと予想している。シリコンウェハーの直径の増大に伴って、これらのウェハーを処理するため大面積プラズマ源が要求される。たとえより大きな面積のプラズマ源の製造が技術的に難しくないとしても、プラズマ密度、プラズマ電位、プラズマ均一性、そしてウェハーの平面におけるイオンと中性の半径方向の密度などといったプラズマパラメータの制御性は非常に難しい。特に、ウェハー表面におけるより高い半径方向のプラズマ均一性はほとんどのウェハー処理にとって重要である。従来のほとんどのプラズマ源において半径方向のプラズマ均一性の制御性は制限を受け、特に、大面積ウェハー処理のためにサイズが大きくなるときに制限を受ける。このことは従来の平行平板容量結合プラズマ装置を用いて詳細に説明される。
【０００３】
従来の平行平板容量結合プラズマ装置の概要図が図１０に示される。このプラズマ装置は、上部電極１０１と下部電極１０２と呼ばれる２つの平行電極、円筒形側壁１０４、上部電極１０１の上の複数のガス導入口１１０、そして排気ポート１０８から構成されている。上部電極１０１には、ｒｆ（高周波）発生器１１５から整合回路１１４を経由して１３．５６ＭＨｚの周波数で代表的に動作するｒｆ電流が与えられている。下部電極１０２はｒｆ電流を与えられてもよいし、与えられなくてもよい。図１０に示された構造では、整合回路１１２を経由して下部電極１０２に接続されているｒｆ発生器１１３を有している。
【０００４】
上部電極１０１はリング形上部プレート１０４ａに固定された誘電体部材１０３によって支持されている。上部電極１０１は内部にガスリザーバ１０９を有し、その下面にガス導入口１１０を有している。主要なガス導入パイプ１１１は上部電極１０１に結合されている。同様にまた、下部電極１０２は底プレート１０６に固定された誘電体部材１０５によって支持されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
プラズマは上部電極１０１に与えられたｒｆ電力の容量的な結合によって生成される。上部電極１０１の下側の半径方向のプラズマ密度の変化は図１１に示される。上部電極１０１は平板形状であるので、上部電極１０１の近傍におけるプラズマ密度はより高い径方向均一性を示す。これは１１６が付された曲線によって示されている。このプラズマは、その後、円筒形側壁１０４に向かって拡散し、その表面で消滅する。それ故に、プラズマ密度とプラズマの径方向均一性は下部電極１０２に向かって減少する。下部電極１０２の上に搭載されたウェハーの表面近くの平面におけるプラズマ密度の径方向均一性は１１７が付された曲線によって示されている。プラズマ密度のこの変化は、通常、従来のほとんどの平行平板容量結合プラズマ源にとって共通である。
【０００６】
基板表面におけるプラズマの径方向均一性の減少を少なくすることができる２つの方法がある。第１の方法は上部電極と下部電極の隙間を一定に保つことにより上部電極の直径を増加させることである。これは反応容器の直径と反応容器の体積を増加させる原因となる。それ故に、同じプラズマ密度と処理速度を得るためには、より高いｒｆ電力が要求される。第２の方法はプラズマの速い拡散を容易にするため動作圧力を減少することである。しかしながら、圧力の減少はプラズマ密度の減少という結果をもたらし、それ故に、同じ処理速度を維持するためｒｆ電力が増大されなければならない。
【０００７】
たとえｒｆ電力の増大がプラズマ密度の増大をもたらす結果となるにしても、より高いｒｆ電力ではプラズマ密度は飽和する。このｒｆ電力の後、ｒｆ電力の増大はプラズマ密度の増大をもたらすことはない。反って、追加されたｒｆ電力は、厳格な冷却の条件が要求されているｒｆ電極とその周辺のデバイスを過度に加熱する原因となる。
【０００８】
従って、従来の平行平板容量結合プラズマ装置を用いて特に大面積ウェハー上のプラズマの密度と均一性を制御することはいくぶん困難である。
【０００９】
本発明の目的は、プラズマ密度と均一性を制御できる大面積ウェハー処理のプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマ処理装置は、上記問題を解決するため、次のように構成される。
【００１１】
本発明による大面積ウェハー処理のためのプラズマ処理装置は二重同心ｒｆ電極を有している。この二重同心ｒｆ電極は、容量的結合機構または容量的および誘導的な結合機構によって、プラズマを生成するために用いられる。二重同心ｒｆ電極の中央ｒｆ電極は円形または円形に近い形状であり、その外側ｒｆ電極は中央ｒｆ電極の周りに配置されている。誘電体部材が中央と外側のｒｆ電極の間に配置される。２つのｒｆ発生器はそれぞれ整合回路とｒｆフィルタを経由して中央と外側のｒｆ電極に接続される。さらに中央ｒｆ電極と外側ｒｆ電極に対してｒｆカットフィルタを経由してそれぞれに接続される２つの直流（ＤＣ）電圧供給器が設けられる。ウェハーホルダとしての第３の平板ｒｆ電極が二重同心ｒｆ電極に平行な下側平面に配置される。反応容器の側壁は第４の電極として電気的に接地されている。上記プラズマ処理装置において、中央と外側のｒｆ電極の各々は、ｒｆ発生器と直流（ＤＣ）電圧供給器からそれぞれｒｆ電流と負にバイアスされた直流電圧が供給されており、１つの電極に接続されたｒｆ発生器と直流電圧供給器は他のｒｆ電極に接続されたそれらから独立している。
【００１２】
新しい反応容器の構成が４つの電極を用いて発明され、そこでは、上部電極は二重同心ｒｆ電極によって構成され、二重同心ｒｆ電極は独立に制御可能な２つのプラズマを生成し、これら２つのプラズマは拡散し１つのプラズマを作る。
【００１３】
大面積ウェハー処理のための上記プラズマ処理装置において、外側ｒｆ電極は容量的結合機構によってプラズマを生成するため当該プラズマに面する広い平坦表面を有している。
【００１４】
大面積ウェハー処理のための上記プラズマ処理装置において、外側ｒｆ電極の代わりに単一ループアンテナが誘導的結合機構によってプラズマを生成するために用いられる。
【００１５】
大面積ウェハー処理のための上記プラズマ処理装置において、プラズマに面する中央と外側のｒｆ電極のいずれか一方の下面または両ｒｆ電極の下面は誘電体部材または半導体部材によって覆われている。
【００１６】
大面積ウェハー処理のための上記プラズマ処理装置において、中央と外側のｒｆ電極の１つまたは両方は反応チャンバの中にプロセスガスを導入するためのガスリザーバと複数のガス導入口を有している。
【００１７】
大面積ウェハー処理のための上記プラズマ処理装置において、中央と外側のｒｆ電極の１つまたは両方はそれらの表面温度を制御する機構を備えている。
【００１８】
大面積ウェハー処理のための上記プラズマ処理装置において、二重同心ｒｆ電極は１〜１００ＭＨｚの範囲にある同じｒｆ周波数または２つの異なるｒｆ周波数で動作する２つの異なるｒｆ発生器によって、個別に２つのｒｆ電流を供給される。
【００２０】
大面積ウェハー処理のための上記プラズマ処理装置において、二重同心ｒｆ電極の各ｒｆ電極は整合回路と位相シフタを経由して対応するｒｆ発生器に接続されている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、添付された図面に従って好ましい実施形態が説明される。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。
【００２２】
本発明の第１実施形態は、プラズマ処理装置の断面図を示す図１を参照して説明される。この装置は、二重同心ｒｆ（高周波）電極１，２、下部電極３、円筒形側壁４、複数のガス導入口５および１つの排気ポート６を備えた反応容器を有している。すべての電極は金属、例えばアルミニウムで作られている。代表的に、二重同心ｒｆ電極１，２は円形の形状を有している。特に、外側ｒｆ電極は円形リング型の形状である。しかしながら、電極の形状としては四角形、五角形、六角形またはいかなる類似の形状を用いてもよい。これらのｒｆ電極１，２の寸法は重要な事項ではない。もし二重同心電極１，２が円形形状であり、プラズマ装置が３００ｍｍ直径のウェハー処理のためのものであるならば、中央電極１の直径は２００ｍｍから３００ｍｍの範囲にある。外側ｒｆ電極２の外形は２００ｍｍから５００ｍｍの範囲にある。もしこれらのｒｆ電極１と他の電極が異なる形状にあるならば、同等の寸法が用いられる。中央と外側のｒｆ電極（１，２）は内部の誘電体リング７によって分離されている。誘電体リング７の材質は重要なことではなく、それは電極温度のごとき他の要件に依存して選択される。誘電体リング７の最も狭い部分の幅は重要ではなく、１ｍｍから約２０ｍｍで変わり得る。外側ｒｆ電極には、同様にまた、それを接地された表面から電気的に絶縁させるために外側の誘電体リング８の上に配置される。誘電体リング８の厚みと誘電率は重要なことではない。
【００２３】
プロセスガスは、最初、中央と外側のｒｆ電極（１，２）におけるガスリザーバ９，１２と主要ガス管１１，１２を経由して導入される。このガスは、その後、中央と外側のｒｆ電極（１，２）に作られた複数のガス導入口５を通して反応容器へ移動する。たとえプロセスガスが、図１に示されかつ上記で説明されたごとく、中央と外側の両方のｒｆ電極（１，２）を通して供給されるとしても、当該プロセスガスをたった１つのｒｆ電極、例えば中央ｒｆ電極１を通してのみ供給することも可能である。さらに、中央と外側のｒｆ電極を経由して導入されるプロセスガスの流量は必ずしても同じであることはなく、異なるものにすることができる。さらに、中央と外側のｒｆ電極を通して導入されるプロセスガスまたはガス混合物は異なるものにすることができる。
【００２４】
中央と外側のｒｆ電極（１，２）の両方は温度制御機構を有している。この目的のためｒｆ電極１，２を通して流路３９が作られている。流路３９では、温度制御液体が流される。中央と外側のｒｆ電極１，２の流路３９をそれぞれ分けて２つの異なる温度コントローラに接続することによって中央と外側のｒｆ電極の温度は独立に制御することができる。図１において、４０は温度制御液体導入口を示し、４１は温度制御液体排出口を示している。
【００２５】
中央と外側のｒｆ電極（１，２）は、２つの異なる周波数でまたは同じ周波数で動作する２つの異なるｒｆ発生器１３，１４にそれぞれ接続されている。図１に示されるように、両方のｒｆ発生器１３，１４は反応容器の上部カバー２４の外側に配置されている。ｒｆ発生器１３はｒｆ整合回路１５とｒｆフィルタ１７を経由して中央ｒｆ電極１に結合されている。ｒｆ発生器１４は整合回路１６とｒｆフィルタ１８を経由して外側ｒｆ電極２に結合されている。通常、ｒｆ電流は対称的なｒｆ電流の流れを維持するために中央ｒｆ電極１の中心に与えられる。しかしながら、ｒｆ電流は外側電極２の上では、外側ｒｆ電極２上に対称的なｒｆ電流の流れを得ることが難しいので、いかなる場所に与えてもよい。
【００２６】
いずれかのｒｆ発生器におけるｒｆ電流の周波数は重要なことではなく、それは１〜１００ＭＨｚの範囲において変えることができる。当該電極１，２に与えられるｒｆ電流は、通常、それぞれ異なっている。例えば、中央ｒｆ電極１に対し６０ＭＨｚのｒｆ電流が与えられるのに対して、外側ｒｆ電極には１３．５６ＭＨｚのｒｆ電流が与えられる。中央ｒｆ電極１に対しては高い周波数のｒｆ電流（例えば６０ＭＨｚ）が与えられ、外側のｒｆ電極２に対しては低い周波数のｒｆ電流（例えば１３．５６ＭＨｚ）を与えることが適当である。これは、高い周波数、例えば６０ＭＨｚのｒｆ電流が特に大面積の電極に非対称に与えられるとき、プラズマ密度が非対称に生成される傾向が生じるからである。中央ｒｆ電極１のみがその表面に対称のｒｆ電流の流れを与えるので、高い周波数のｒｆ電流が中央ｒｆ電極１に与えられるべきである。他方、ｒｆ電流の周波数が低いとき、例えば１３．５６ＭＨｚのときには、ｒｆ電極の表面上の非対称のｒｆ電流の流れであっても非対称のプラズマの発生の原因とはならない。それ故に、低い周波数のｒｆ電流が外側ｒｆ電極２に与えられるべきであり、それはその表面に非対称のｒｆ電流の流れを与える。
【００２７】
中央と外側の電極１，２に与えられるｒｆ電流は、整合ボックス１５，１６とｒｆフィルタ１７，１８を通して流れる。もしｒｆ電流の周波数がｆ１とｆ２であるならば、そしてそれぞれ中央と外側の電極の１，２に与えらるならば、ｒｆフィルタ１７は周波数ｆ２のｒｆ電流を除去し、ｒｆフィルタ１８は周波数ｆ１のｒｆ電流を除去する。従ってｒｆ発生器１３，１４の各々のｒｆ電流は他のｒｆ発生器に流れ込まない。このことはｒｆ発生器１３，１４の電気回路の安全性のため重要である。しかしながら、もし両方のｒｆ発生器のｒｆ周波数が同じであるならば、ｒｆフィルタ１７，１８は省略することができる。
【００２８】
ウェハーホルダ１９としてどのような従来のウェハーホルダを用いてもよい。ウェハーホルダ１９は底プレート２３に固定される。通常、ウェハーホルダ１９はｒｆ電極を含む誘電体部材である。このｒｆ電極は前述した下部電極３に相当している。当該ｒｆ電極は４電極形プラズマ装置において第３の電極となる。下部電極３はウェハーホルダ１９の中に埋め込まれ、誘電体部材４２によって覆われている。加えて、ウェハーホルダ１９は冷却または加熱の機構（図において示されていない）を含んでもよい。下部電極３は、反応容器の残りの部分からそれを電気的に絶縁させるため、誘電体部材２０の上に配置される。下部電極３は整合回路２１を通してｒｆ発生器２２からｒｆ電流を与えられる。しかしながら、下部電極３に対してｒｆ電流を与える構造は省略することができる。ｒｆ電流の周波数は重要なことではなく、５００ＫＨｚから１５ＭＨｚまでの範囲にある。下部電極に対してｒｆ電力を適用する目的は、下部電極３の上に自己バイアス直流電圧を発生させるためである。もしｒｆ電力が適用されないとすると、下部電極３は電気的に接地されるか、または浮遊状態にある。下部電極３の電気的状態は、この実施形態または期待される応用にとって重要なことではなく、こうしてウェハー処理のタイプに応じて変わり得るものである。
【００２９】
反応容器の円筒形側壁４は電気的に接地され、第４の電極として作用する。何故ならば、当該側壁４の内側表面はプラズマと接触しており、二重同心ｒｆ電極（１，２）と下部電極（３）によって、容量的結合機構によってプラズマの中に入るすべてのｒｆ電流を集めるからである。しかしながら、接地電極としてプラズマからｒｆ電流を集める目的で、側壁の内側に配置された接地シールドを用いてもよい。当該シールドは容易に反応容器から取り外すことができるので、シールドを用いることは反応容器の洗浄手順を容易にする。特に、それは、プラズマ処理ガスの化学的成分がシールドの表面上のいかなる望ましくない膜を堆積するときに都合がよい。
【００３０】
加えて、ウェハー搬送ポート２５が円筒形側壁４に形成され、排気ポート６が当該側壁４の下側に形成されている。
【００３１】
図１に示された構造において、２つのｒｆ電流が中央と外側のｒｆ電極１，２に対し別々に与えられるとき、プラズマは反応容器において容量的結合機構によって生成される。両方のｒｆ電極１，２によるプラズマ生成のメカニズムは採用されたｒｆ電流の周波数に拘わらず容量的結合プロセスであることに注意すべきである。上部電極（１，２）と下部電極３の間のいかなる望ましい平面でもプラズマ密度とプラズマの径方向分布は、与えられたｒｆ電流の周波数と電力に依存する。
【００３２】
上側の中央と外側のｒｆ電極１，２の近傍で発生したプラズマの径方向の形状が図２に示される。もし中央ｒｆ電極１のみにｒｆ電流が与えられたとすると、プラズマの密度は中心でピークを持ち、反応容器の側壁４に向かって減衰する。これは２６が付された曲線によって示されている。この滑らかなピラミッド型形状のプラズマは、それが下部電極３の方向に移動するとき、側壁に向かってプラズマの拡散が動くので、さらに不均一となる。不均一性の変化は、圧力と与えられたｒｆ電力とに依存する。同様に、もし外側ｒｆ電極２のみにｒｆ電流が与えられたとすると、外側ｒｆ電極２の下側にドーナツ型のプラズマが生成される。このプラズマの径方向の形状は図２において２７が付された曲線によって示されている。中央と外側のｒｆ電極１，２に同時にｒｆ電流が与えられるとき、前述した両方のプラズマが生成される。これらの２つのプラズマは拡散プロセスによって１つのプラズマを作るので、結果としてのプラズマの径方向の形状は個々のプラズマの形状から異なったものとなる。ドーナツ形状のプラズマの存在のために、結果としてのプラズマの径方向のプラズマの均一性は図２で２８として符号が与えられた曲線によって示されるごとく改善される。プラズマ（２６）の周縁とプラズマ（２７）の内縁との間のオーバラップした領域は、合成されたプラズマの平坦な径方向形状を作る。上側の中央と外側のｒｆ電極１，２に与えられた２つのｒｆ電力は、要求される径方向分布の均一性を有するプラズマが作られるまで、独立に変化させられる。
【００３３】
上記の実施形態の四極形のプラズマ処理装置は、下部（すなわち第３の）電極３上に配置された大面積ウェハーの上で要求される径方向プラズマ均一性を有するプラズマを得ることを容易化する。このことは二重同心ｒｆ電極１，２に与えられるｒｆ電力を制御することによって、または二重同心ｒｆ電極１，２に与えられるｒｆ電流の周波数を適当に選択することによって、またはこれらの両方の方式を用いることによって達成することができる。
【００３４】
次に図３を参照して第２の実施形態が説明される。第２の実施形態の構成は、中央と外側の電極１，２の下側に誘電体または高抵抗半導体のプレート２９を追加することを除いて、第１実施形態で説明されたものと同じである。それ故に、この装置における誘電体プレート２９の特性とその役割のみが説明される。誘電体プレート２９の厚みは重要な事項ではなく、１〜１０ｍｍの範囲にあり得る。さらに、誘電体プレート２９に用いられる誘電体のタイプ（例えば、水晶、ＳｉＮ、テフロン、シリコン等）と誘電率は、同様にまた、重要なことではない。材質の厚みやその型は、応用のタイプに依存して選択される。プロセスガスはｒｆ電極１，２と誘電体プレート２９に作られた複数のガス導入口５を通して導入される。この誘電体プレート２９の目的は以下に説明される。
【００３５】
第１実施形態で説明された中央と外側のｒｆ電極１，２はいかなる材料によっても覆われていない。それ故に電極１，２を作る金属材料がプラズマに晒される。プラズマが生成されるとき、ｒｆ電極１，２の上に自己バイアス直流電圧が生成される。もしこれらの直流電圧が十分に高いならば、プラズマ中のイオンはエネルギを得て電極１，２の金属表面に衝突する、そしてｒｆ電極表面のスパッタリングという結果をもたらす。これはプラズマとウェハー表面を汚染し、欠陥のあるデバイスという結果をもたらす。それ故に第１実施形態で与えられた構成はより低いｒｆ電力でのみ適用され、またはウェハー処理のための金属スパッタによって問題がない場合に適用される。特に、第１実施形態の構成はプラズマ支援化学気相成長にとって適している。
【００３６】
前述した理由のため、第２実施形態で上側に配置された中央と外側のｒｆ電極１，２は誘電体プレート２９によって覆われている。誘電体プレート２９は適当な誘電体によって作られている。誘電体プレート２９の代わりにカバープレートとしてスパッタ工程によっていかなる問題も引き起こさない半導体部材を用いてもよい。例えば高抵抗シリコンまたは水晶は、スパッタされたシリコンは反応容器における他のガスと反応してガス種を形成し、それ故、それは考慮された工程にとっていかなる問題も引き起こさないため、誘電体エッチング処理にとって有用である。さらにこの構成は誘電体または半導体のスパッタ成膜の応用に用いられ得る。この場合において、誘電体または半導体のプレートはプラズマ状態における化学的反応を伴ってまたは伴わないでスパッタされ、ウェハー表面の上に堆積される必要のある物質で作られている。しかしながら、もしこの構成がスパッタ成膜応用に用いられる場合には、プロセスガスは側壁４にまたは底プレート２３上に作られたガス導入口を通して導入されなければならない。中央と外側のｒｆ電極１，２の下側に配置された誘電体または半導体のプレート２９の上にいかなるガス導入口もあってはならない。
【００３７】
次に図４を参照して第３の実施形態が説明される。この図は第３実施形態の模式図を示す。第３実施形態の構成は金属スパッタ成膜に特に向いている。ここで、中央と外側のｒｆ電極１，２は金属で作られており、例えば銅であり、それはスパッタされそしてウェハーホルダ１９の上に載置されたウェハー上に堆積されることが必要である。もし第１実施形態において与えられた構成が金属スパッタ成膜に用いられたとすると、ｒｆ電極１，２からスパッタされた金属原子は誘電体リング７，８の下側表面の上に堆積される。これらの誘電体リング７，８は、それぞれ、ｒｆ電極１，２の間、そして外側ｒｆ電極２と接地された壁の間にある。これはｒｆ電極（１，２）と接地との間を電気的に接続するという結果をもたらす。ｒｆ電極１，２の間、そして外側ｒｆ電極２と接地との間で連続的な金属の膜が形成されることを防止するため、第３実施形態における誘電体リング７，８の構成は、図４に示されるごとく、変更される。上述した目的のため、深い溝または隙間３０が誘電体リング７，８の各々の内側面と外側面の上に形成され、これらはｒｆ電極１，２の各々に隣り合っている。これらの溝３０はｒｆ電極１，２の周りに円形の形状となっている。溝の厚みと幅は通常２ｍｍ以下であり、高さまたは深さはｒｆ電極１，２の厚みに依存する。その高さは１０ｍｍから４０ｍｍの範囲にあってもよい。スパッタされた金属の原子は深い溝３０の上側の部分に届くことができないので、連続的な金属膜が堆積することはできない。こうして、ｒｆ電極（１，２）と接地との間に電気的接続が形成されることが防止される。
【００３８】
中央と外側のｒｆ電極１，２は、第１実施形態で説明されたように、それぞれｒｆ発生器１３，１４からｒｆ電力を与えられる。加えて、ｒｆ電極１，２の各々は、それぞれ、ｒｆカットフィルタ（３３，３４）を経由して直流電圧供給器３１，３２に接続されている。直流電圧を応用する目的はスパッタ速度を増大させるためにｒｆ電極１，２の上に負のバイアス電圧を与えることである。直流電圧供給器３１，３２から中央と外側のｒｆ電極１，２に与えられる直流電圧の値は異なっており、重要なことではない。ｒｆプラズマによって生成された自己バイアス電圧が、要求されたスパッタ速度を有するのに十分である場合には、この構成は直流電圧供給器３１，３２がない状態で用いてもよい。
【００３９】
加えて第１実施形態において示された中央と外側のｒｆ電極１，２に作られた複数のガス導入口は、この第３実施形態では省略されている。代わりに、プロセスガスは、図４に示されるごとく、反応容器の円筒形側壁４の周りに作られたいくつかのガス導入口を通して導入される。この目的のため、いくつかのガス導入口３５を有する円形の管３６が円筒形側壁４に固定されている。そのとき、プロセスガスは、主要ガス導入部３７を経由して円形管３６に供給される。
【００４０】
しかしながら、前述した構造の代わりに、プロセスガスを供給するための異なる機構を用いることができる。例えば、プロセスガスは底プレート２３上に形成された単一のガス導入管を経由して供給することもできる。前述した変形を除いて、すべての他の構成は第１実施形態のそれと同じである。
【００４１】
スパッタ装置の操作手順もまた、第１実施形態で説明されたものと同じである。膜の均一性と成膜速度のごとき堆積された膜について要求された特性を得るため、中央と外側のｒｆ電極１，２に与えられるｒｆ電流と直流電圧は適当に変化させられる。
【００４２】
図５、図６、図７を参照して第４の実施形態が説明される。この構成は、第２実施形態における外側ｒｆ電極２を、金属で作られた単一ループｒｆアンテナ３８によって置き換えることにより得られる。中央ｒｆ電極１と単一ループｒｆアンテナ３８の上面図が図６に示される。単一ループｒｆアンテナ３８の一端はｒｆフィルタ１８と整合回路４４を経由してｒｆ発生器４３に接続されている。単一ループｒｆアンテナ３８の他端は接地されている。単一ループアンテナ３８に接続されたｒｆ発生器４３の周波数は重要なことではなく、通常、５００ＫＨｚから２０ＭＨｚの範囲にある。通常、より低いｒｆ周波数は次の理由のため単一ループｒｆアンテナ３８にとってより都合がよい。
【００４３】
単一ループｒｆアンテナ３８の目的は単一ループｒｆアンテナ３８の下側に誘導結合プラズマを生成することにある。この目的のため、誘導ｒｆ電流のインピーダンスは最少化されるべきである。もし単一ループｒｆアンテナ３８のインダクションがＬであり、誘導電流のインピーダンスがＺLであるならば、ＺL＝ｉ・２πｆ・Ｌであり、ここでｆはｒｆ電流の周波数である。従って、もし周波数ｆが低減すると、ＺLは低下することになり、このことは単一ループｒｆアンテナ３８からプラズマへ流れる誘導電流を強めることになる。
【００４４】
図６において示された単一ループｒｆアンテナ３８の両端の一方がたとえ電気的に接地されたとしても、その端部は図７に示されるごとくキャパシタＣ１を経由して接地部に接続され得る。この構成は、通常、図６で示された構成に比較して単一ループｒｆアンテナ３８の端部の間により小さい電位差を作り出す。このことは単一ループｒｆアンテナ３８の下側のプラズマ密度の周方向（方位角方向）の変化を減少させるために重要である。
【００４５】
単一ループｒｆアンテナ３８の厚みは通常２ｍｍより小さい。単一ループｒｆアンテナ３８のプラズマに向かう最下部は図５に示されるごとくナイフエッジを有するごとく鋭利に作られてもよい。これはプラズマに対するｒｆ電力の容量的結合の可能性を減じるためである。
【００４６】
中央ｒｆ電極１の下面と単一ループｒｆアンテナ３８は、第２実施形態において述べられたと同様に、誘電体プレート２９によって覆われている。しかしながら、誘電体プレート２９は本質的なことではなく、それ故に誘電体プレート２９なしの構成を用いることも可能である。
【００４７】
プラズマは、中央ｒｆ電極１からプラズマへのｒｆ電力の容量的結合機構によって中央領域に生成される。加えて、ドーナツ形状のプラズマが誘導的結合機構によって単一ループｒｆアンテナ３８の下側に生成される。誘導的結合機構はより高いプラズマ密度を作り出すので、この構成は、前述した各実施形態におけるそれらと比較して、反応容器でプラズマ密度の増大という結果をもたらす。この構成の操作手順は先の実施形態で説明された手順と同じである。
【００４８】
第５実施形態は、第４実施形態の拡張であり、金属スパッタ成膜応用を目的とするためのものである。第５実施形態の模式図が図８に示される。第３実施形態において説明されたように、誘電体リング７，８の表面上に連続的な金属膜が堆積することを避けるため、溝または隙間が誘電体リング７，８の下面に作られる。
【００４９】
さらに中央ｒｆ電極１上の複数のガス導入口が省略される。その代わりに、プロセスガスは第３実施形態において説明されたごとく反応容器の円筒形側壁において作られたガス導入口を通して導入される。これらの変更部分を除いて、その他のすべてのハードウエア構成は第４実施形態において与えられたものと同じである。
【００５０】
いくつかの金属成膜工程は、ウェハー表面上に膜を堆積させる前に上部電極１からのスパッタ原子をイオン化させるため、高密度プラズマを要求する。これらの応用のため、単一ループｒｆアンテナ３８の下側に生成される誘導結合プラズマは高密度プラズマを作り出すので、第５実施形態において与えられた構成が使われる。
【００５１】
第６実施形態は図９を参照して説明される。この構成は図３に示された第２実施形態の拡張である。ここでは、二重同心ｒｆ電極１，２に接続されたｒｆ電力供給回路が変更される。ｒｆ発生器１３，１４の周波数は図９に示された同じもの（ｆ１，ｆ２）が採用される。ｒｆ発生器１３，１４からのｒｆ電流は、整合回路１５，１６と位相シフタ４５，４６を経由して、中央と外側のｒｆ電極１，２に供給される。それぞれ、位相シフタ４５，４６を使用することによって、各ｒｆ発生器（１３，１４）から到来するｒｆ電流の位相は任意に変化させられる。図９において、位相シフタ４５，４６はそれぞれ整合回路１５，１６とｒｆ電極１，２との間に配置される。しかしながら、以下に説明するのと同じ結果を得るために位相シフタをｒｆ発生器と整合回路との間に配置することもできる。前述した変更部分を除いて、第６実施形態のすべての他のハードウエアは第２実施形態において与えられたものと同じである。
【００５２】
位相シフタ４５，４６は、プラズマ密度、プラズマ電位、プラズマの均一性のごときプラズマの特性を変化させるために用いられる。通常、プラズマが容量的結合機構によって生成されるとき、ｒｆ電極から到来するｒｆ電流は接地電極へ流れる。しかしながら、もし同じｒｆ周波数でありかつ１８０°位相がずれたｒｆ電流で動作する他のｒｆ電極があるとするならば、２つの電極１，２から到来するｒｆ電流は相互に流れる。従って、もし中央と外側のｒｆ電極１，２のｒｆ電流の位相のずれが１８０°であるならば、当該ｒｆ電流はこれら２つの電極の間を流れる。このことは、中央と外側のｒｆ電極１，２の間の領域にプラズマを閉じ込めることの原因となり、下部電極に向かうプラズマの拡張を制限することになる。これは、ウェハー表面の近傍においてプラズマ電位を減じる可能性を有する。
【００５３】
プラズマに向かう中央と外側のｒｆ電極１，２の下面においてｒｆ電流の正確な位相のシフトを監視することは困難である。何故ならば、位相シフタ４５または４６の以後の伝送線の寄生的なインダクタンス（誘導成分）とキャパシタンス（容量成分）がｒｆ電流の位相変化を生じさせるからである。それ故に、実際的な実験によって適当な位相シフトが得られなくてはならない。最初に、プラズマは、中央と外側のｒｆ電極１，２にｒｆ電流を与えることによって生成される。そのとき、いずれか一方のｒｆ発生器１３または１４から到来するｒｆ電流の位相が望ましいプラズマ特性が結果として得られるまで、ゆっくりと変化させられる。プラズマの特性は従来のラングミュアープローブ（Reference:D.N. Ruzic, Electric probes for for low temperature plasmas, AVS pres, USA, 1994）、またはプラズマ吸収プローブ（Reference:H.Kokura, K.Nakamura, I.Ghanashev and H.Sugai, Jpn. J.Appl. Phys. 38, 5262(1999)）のごとき技術を用いることによって監視される。いくつかの場合、プラズマの光学的な放出強度の変化はｒｆ電流の位相を変化させるいくつかの情報を与えるかもしれない。この実験は１回のみなされなければならない、何故ならば、関連データが得られた後、それらはその後に引き続くウェハー処理のために用いられるからである。
【００５４】
たとえ第６実施形態において採用されたｒｆ電流の流れのメカニズムが第２実施形態において与えられた構成を用いられて説明されたとしても、同じｒｆ電流の流れメカニズムは第１と第３の実施形態において与えられた構成に適用することができる。何故ならば、第１、第２、第３の実施形態における中央と外側のｒｆ電極は容量的結合機構によってプラズマを生成するからである。
【００５５】
前述した実施形態において説明された特徴的技術事項は、本発明の目的を達成するために適宜に組み合せることができる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明のプラズマ処理装置は、二重同心ｒｆ電極、すなわち中央と外側のｒｆ電極を含む改善された構造がプラズマ密度を制御することができ、反応容器の径方向におけるプラズマ密度の均一性を達成することができるので、大面積ウェハーの処理に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この図は本発明の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】この図は第１実施形態に基づいて中央と外側のｒｆ電極によって分離してかつ同時に生成されたプラズマ密度の径方向の分布形状を示す。
【図３】この図は本発明の第２実施形態を示す断面図である。
【図４】この図は本発明の第３実施形態を示す断面図である。
【図５】この図は第４実施形態を示す断面図である。
【図６】この図は第４実施形態における中央ｒｆ電極、単一ループアンテナ、誘電体リング、ｒｆ電気的接続の上面図である。
【図７】この図は第４実施形態における中央ｒｆ電極、単一ループアンテナ、誘電体リング、ｒｆ電気的接続の上面図である。
【図８】この図は第５実施形態の断面図である。
【図９】この図は第６実施形態の断面図である。
【図１０】この図は従来の平行平板容量結合型プラズマ源である。
【図１１】この図は、図１０に示された従来のプラズマ源における径方向プラズマ密度の分布形状の変化である。
【参照符号の説明】
１ 中央ｒｆ電極
２ 外側ｒｆ電極
３ 下部電極
４ 側壁
５ ガス導入口
６ 排気ポート
７，８ 誘電体リング
９，１０ ガスリザーバ
１３，１４ ｒｆ発生器
１５，１６ 整合回路
１７，１８ ｒｆフィルタ
１９ ウェハーホルダ
２６，２７，２８ プラズマ密度の径方向の形状
３０ 深い円形溝
３１ 直流電圧供給器
３３，３４ ｒｆカットオフフィルタ
３８ 単一ループｒｆアンテナ
３９ 流路
４５，４６ 位相シフタ
【産業上の応用の分野】
本発明は、比較的に大面積のウェハーを処理するためのプラズマ処理装置に関し、特に、望ましい平面でのプラズマ密度について制御された径方向分布形状を有する大面積プラズマ源に関するものである。この平面は二重同心ｒｆ電極と下部電極との間に設定され、生成されたプラズマはプラズマ支援エッチング、化学的気相成膜、そしてスパッタ成膜の応用に有用である。これらの応用はマイクロ（微小）電子産業におけるＳｉ（シリコン）基板または他の基板の上に半導体デバイスを作ることで使用される。
【０００２】
【従来の技術】
最近の１０年で半導体デバイスメーカは集積回路の製造に用いられるシリコンウェハーの標準直径を１００ｍｍから３００ｍｍへと増大させた。マイクロ電子産業は、次の標準直径はおよそ４５０ｍｍになるであろうと予想している。シリコンウェハーの直径の増大に伴って、これらのウェハーを処理するため大面積プラズマ源が要求される。たとえより大きな面積のプラズマ源の製造が技術的に難しくないとしても、プラズマ密度、プラズマ電位、プラズマ均一性、そしてウェハーの平面におけるイオンと中性の半径方向の密度などといったプラズマパラメータの制御性は非常に難しい。特に、ウェハー表面におけるより高い半径方向のプラズマ均一性はほとんどのウェハー処理にとって重要である。従来のほとんどのプラズマ源において半径方向のプラズマ均一性の制御性は制限を受け、特に、大面積ウェハー処理のためにサイズが大きくなるときに制限を受ける。このことは従来の平行平板容量結合プラズマ装置を用いて詳細に説明される。
【０００３】
従来の平行平板容量結合プラズマ装置の概要図が図１０に示される。このプラズマ装置は、上部電極１０１と下部電極１０２と呼ばれる２つの平行電極、円筒形側壁１０４、上部電極１０１の上の複数のガス導入口１１０、そして排気ポート１０８から構成されている。上部電極１０１には、ｒｆ（高周波）発生器１１５から整合回路１１４を経由して１３．５６ＭＨｚの周波数で代表的に動作するｒｆ電流が与えられている。下部電極１０２はｒｆ電流を与えられてもよいし、与えられなくてもよい。図１０に示された構造では、整合回路１１２を経由して下部電極１０２に接続されているｒｆ発生器１１３を有している。
【０００４】
上部電極１０１はリング形上部プレート１０４ａに固定された誘電体部材１０３によって支持されている。上部電極１０１は内部にガスリザーバ１０９を有し、その下面にガス導入口１１０を有している。主要なガス導入パイプ１１１は上部電極１０１に結合されている。同様にまた、下部電極１０２は底プレート１０６に固定された誘電体部材１０５によって支持されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
プラズマは上部電極１０１に与えられたｒｆ電力の容量的な結合によって生成される。上部電極１０１の下側の半径方向のプラズマ密度の変化は図１１に示される。上部電極１０１は平板形状であるので、上部電極１０１の近傍におけるプラズマ密度はより高い径方向均一性を示す。これは１１６が付された曲線によって示されている。このプラズマは、その後、円筒形側壁１０４に向かって拡散し、その表面で消滅する。それ故に、プラズマ密度とプラズマの径方向均一性は下部電極１０２に向かって減少する。下部電極１０２の上に搭載されたウェハーの表面近くの平面におけるプラズマ密度の径方向均一性は１１７が付された曲線によって示されている。プラズマ密度のこの変化は、通常、従来のほとんどの平行平板容量結合プラズマ源にとって共通である。
【０００６】
基板表面におけるプラズマの径方向均一性の減少を少なくすることができる２つの方法がある。第１の方法は上部電極と下部電極の隙間を一定に保つことにより上部電極の直径を増加させることである。これは反応容器の直径と反応容器の体積を増加させる原因となる。それ故に、同じプラズマ密度と処理速度を得るためには、より高いｒｆ電力が要求される。第２の方法はプラズマの速い拡散を容易にするため動作圧力を減少することである。しかしながら、圧力の減少はプラズマ密度の減少という結果をもたらし、それ故に、同じ処理速度を維持するためｒｆ電力が増大されなければならない。
【０００７】
たとえｒｆ電力の増大がプラズマ密度の増大をもたらす結果となるにしても、より高いｒｆ電力ではプラズマ密度は飽和する。このｒｆ電力の後、ｒｆ電力の増大はプラズマ密度の増大をもたらすことはない。反って、追加されたｒｆ電力は、厳格な冷却の条件が要求されているｒｆ電極とその周辺のデバイスを過度に加熱する原因となる。
【０００８】
従って、従来の平行平板容量結合プラズマ装置を用いて特に大面積ウェハー上のプラズマの密度と均一性を制御することはいくぶん困難である。
【０００９】
本発明の目的は、プラズマ密度と均一性を制御できる大面積ウェハー処理のプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマ処理装置は、上記問題を解決するため、次のように構成される。
【００１１】
本発明による大面積ウェハー処理のためのプラズマ処理装置は二重同心ｒｆ電極を有している。この二重同心ｒｆ電極は、容量的結合機構または容量的および誘導的な結合機構によって、プラズマを生成するために用いられる。二重同心ｒｆ電極の中央ｒｆ電極は円形または円形に近い形状であり、その外側ｒｆ電極は中央ｒｆ電極の周りに配置されている。誘電体部材が中央と外側のｒｆ電極の間に配置される。２つのｒｆ発生器はそれぞれ整合回路とｒｆフィルタを経由して中央と外側のｒｆ電極に接続される。さらに中央ｒｆ電極と外側ｒｆ電極に対してｒｆカットフィルタを経由してそれぞれに接続される２つの直流（ＤＣ）電圧供給器が設けられる。ウェハーホルダとしての第３の平板ｒｆ電極が二重同心ｒｆ電極に平行な下側平面に配置される。反応容器の側壁は第４の電極として電気的に接地されている。上記プラズマ処理装置において、中央と外側のｒｆ電極の各々は、ｒｆ発生器と直流（ＤＣ）電圧供給器からそれぞれｒｆ電流と負にバイアスされた直流電圧が供給されており、１つの電極に接続されたｒｆ発生器と直流電圧供給器は他のｒｆ電極に接続されたそれらから独立している。
【００１２】
新しい反応容器の構成が４つの電極を用いて発明され、そこでは、上部電極は二重同心ｒｆ電極によって構成され、二重同心ｒｆ電極は独立に制御可能な２つのプラズマを生成し、これら２つのプラズマは拡散し１つのプラズマを作る。
【００１３】
大面積ウェハー処理のための上記プラズマ処理装置において、外側ｒｆ電極は容量的結合機構によってプラズマを生成するため当該プラズマに面する広い平坦表面を有している。
【００１４】
大面積ウェハー処理のための上記プラズマ処理装置において、外側ｒｆ電極の代わりに単一ループアンテナが誘導的結合機構によってプラズマを生成するために用いられる。
【００１５】
大面積ウェハー処理のための上記プラズマ処理装置において、プラズマに面する中央と外側のｒｆ電極のいずれか一方の下面または両ｒｆ電極の下面は誘電体部材または半導体部材によって覆われている。
【００１６】
大面積ウェハー処理のための上記プラズマ処理装置において、中央と外側のｒｆ電極の１つまたは両方は反応チャンバの中にプロセスガスを導入するためのガスリザーバと複数のガス導入口を有している。
【００１７】
大面積ウェハー処理のための上記プラズマ処理装置において、中央と外側のｒｆ電極の１つまたは両方はそれらの表面温度を制御する機構を備えている。
【００１８】
大面積ウェハー処理のための上記プラズマ処理装置において、二重同心ｒｆ電極は１〜１００ＭＨｚの範囲にある同じｒｆ周波数または２つの異なるｒｆ周波数で動作する２つの異なるｒｆ発生器によって、個別に２つのｒｆ電流を供給される。
【００２０】
大面積ウェハー処理のための上記プラズマ処理装置において、二重同心ｒｆ電極の各ｒｆ電極は整合回路と位相シフタを経由して対応するｒｆ発生器に接続されている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、添付された図面に従って好ましい実施形態が説明される。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。
【００２２】
本発明の第１実施形態は、プラズマ処理装置の断面図を示す図１を参照して説明される。この装置は、二重同心ｒｆ（高周波）電極１，２、下部電極３、円筒形側壁４、複数のガス導入口５および１つの排気ポート６を備えた反応容器を有している。すべての電極は金属、例えばアルミニウムで作られている。代表的に、二重同心ｒｆ電極１，２は円形の形状を有している。特に、外側ｒｆ電極は円形リング型の形状である。しかしながら、電極の形状としては四角形、五角形、六角形またはいかなる類似の形状を用いてもよい。これらのｒｆ電極１，２の寸法は重要な事項ではない。もし二重同心電極１，２が円形形状であり、プラズマ装置が３００ｍｍ直径のウェハー処理のためのものであるならば、中央電極１の直径は２００ｍｍから３００ｍｍの範囲にある。外側ｒｆ電極２の外形は２００ｍｍから５００ｍｍの範囲にある。もしこれらのｒｆ電極１と他の電極が異なる形状にあるならば、同等の寸法が用いられる。中央と外側のｒｆ電極（１，２）は内部の誘電体リング７によって分離されている。誘電体リング７の材質は重要なことではなく、それは電極温度のごとき他の要件に依存して選択される。誘電体リング７の最も狭い部分の幅は重要ではなく、１ｍｍから約２０ｍｍで変わり得る。外側ｒｆ電極には、同様にまた、それを接地された表面から電気的に絶縁させるために外側の誘電体リング８の上に配置される。誘電体リング８の厚みと誘電率は重要なことではない。
【００２３】
プロセスガスは、最初、中央と外側のｒｆ電極（１，２）におけるガスリザーバ９，１２と主要ガス管１１，１２を経由して導入される。このガスは、その後、中央と外側のｒｆ電極（１，２）に作られた複数のガス導入口５を通して反応容器へ移動する。たとえプロセスガスが、図１に示されかつ上記で説明されたごとく、中央と外側の両方のｒｆ電極（１，２）を通して供給されるとしても、当該プロセスガスをたった１つのｒｆ電極、例えば中央ｒｆ電極１を通してのみ供給することも可能である。さらに、中央と外側のｒｆ電極を経由して導入されるプロセスガスの流量は必ずしても同じであることはなく、異なるものにすることができる。さらに、中央と外側のｒｆ電極を通して導入されるプロセスガスまたはガス混合物は異なるものにすることができる。
【００２４】
中央と外側のｒｆ電極（１，２）の両方は温度制御機構を有している。この目的のためｒｆ電極１，２を通して流路３９が作られている。流路３９では、温度制御液体が流される。中央と外側のｒｆ電極１，２の流路３９をそれぞれ分けて２つの異なる温度コントローラに接続することによって中央と外側のｒｆ電極の温度は独立に制御することができる。図１において、４０は温度制御液体導入口を示し、４１は温度制御液体排出口を示している。
【００２５】
中央と外側のｒｆ電極（１，２）は、２つの異なる周波数でまたは同じ周波数で動作する２つの異なるｒｆ発生器１３，１４にそれぞれ接続されている。図１に示されるように、両方のｒｆ発生器１３，１４は反応容器の上部カバー２４の外側に配置されている。ｒｆ発生器１３はｒｆ整合回路１５とｒｆフィルタ１７を経由して中央ｒｆ電極１に結合されている。ｒｆ発生器１４は整合回路１６とｒｆフィルタ１８を経由して外側ｒｆ電極２に結合されている。通常、ｒｆ電流は対称的なｒｆ電流の流れを維持するために中央ｒｆ電極１の中心に与えられる。しかしながら、ｒｆ電流は外側電極２の上では、外側ｒｆ電極２上に対称的なｒｆ電流の流れを得ることが難しいので、いかなる場所に与えてもよい。
【００２６】
いずれかのｒｆ発生器におけるｒｆ電流の周波数は重要なことではなく、それは１〜１００ＭＨｚの範囲において変えることができる。当該電極１，２に与えられるｒｆ電流は、通常、それぞれ異なっている。例えば、中央ｒｆ電極１に対し６０ＭＨｚのｒｆ電流が与えられるのに対して、外側ｒｆ電極には１３．５６ＭＨｚのｒｆ電流が与えられる。中央ｒｆ電極１に対しては高い周波数のｒｆ電流（例えば６０ＭＨｚ）が与えられ、外側のｒｆ電極２に対しては低い周波数のｒｆ電流（例えば１３．５６ＭＨｚ）を与えることが適当である。これは、高い周波数、例えば６０ＭＨｚのｒｆ電流が特に大面積の電極に非対称に与えられるとき、プラズマ密度が非対称に生成される傾向が生じるからである。中央ｒｆ電極１のみがその表面に対称のｒｆ電流の流れを与えるので、高い周波数のｒｆ電流が中央ｒｆ電極１に与えられるべきである。他方、ｒｆ電流の周波数が低いとき、例えば１３．５６ＭＨｚのときには、ｒｆ電極の表面上の非対称のｒｆ電流の流れであっても非対称のプラズマの発生の原因とはならない。それ故に、低い周波数のｒｆ電流が外側ｒｆ電極２に与えられるべきであり、それはその表面に非対称のｒｆ電流の流れを与える。
【００２７】
中央と外側の電極１，２に与えられるｒｆ電流は、整合ボックス１５，１６とｒｆフィルタ１７，１８を通して流れる。もしｒｆ電流の周波数がｆ１とｆ２であるならば、そしてそれぞれ中央と外側の電極の１，２に与えらるならば、ｒｆフィルタ１７は周波数ｆ２のｒｆ電流を除去し、ｒｆフィルタ１８は周波数ｆ１のｒｆ電流を除去する。従ってｒｆ発生器１３，１４の各々のｒｆ電流は他のｒｆ発生器に流れ込まない。このことはｒｆ発生器１３，１４の電気回路の安全性のため重要である。しかしながら、もし両方のｒｆ発生器のｒｆ周波数が同じであるならば、ｒｆフィルタ１７，１８は省略することができる。
【００２８】
ウェハーホルダ１９としてどのような従来のウェハーホルダを用いてもよい。ウェハーホルダ１９は底プレート２３に固定される。通常、ウェハーホルダ１９はｒｆ電極を含む誘電体部材である。このｒｆ電極は前述した下部電極３に相当している。当該ｒｆ電極は４電極形プラズマ装置において第３の電極となる。下部電極３はウェハーホルダ１９の中に埋め込まれ、誘電体部材４２によって覆われている。加えて、ウェハーホルダ１９は冷却または加熱の機構（図において示されていない）を含んでもよい。下部電極３は、反応容器の残りの部分からそれを電気的に絶縁させるため、誘電体部材２０の上に配置される。下部電極３は整合回路２１を通してｒｆ発生器２２からｒｆ電流を与えられる。しかしながら、下部電極３に対してｒｆ電流を与える構造は省略することができる。ｒｆ電流の周波数は重要なことではなく、５００ＫＨｚから１５ＭＨｚまでの範囲にある。下部電極に対してｒｆ電力を適用する目的は、下部電極３の上に自己バイアス直流電圧を発生させるためである。もしｒｆ電力が適用されないとすると、下部電極３は電気的に接地されるか、または浮遊状態にある。下部電極３の電気的状態は、この実施形態または期待される応用にとって重要なことではなく、こうしてウェハー処理のタイプに応じて変わり得るものである。
【００２９】
反応容器の円筒形側壁４は電気的に接地され、第４の電極として作用する。何故ならば、当該側壁４の内側表面はプラズマと接触しており、二重同心ｒｆ電極（１，２）と下部電極（３）によって、容量的結合機構によってプラズマの中に入るすべてのｒｆ電流を集めるからである。しかしながら、接地電極としてプラズマからｒｆ電流を集める目的で、側壁の内側に配置された接地シールドを用いてもよい。当該シールドは容易に反応容器から取り外すことができるので、シールドを用いることは反応容器の洗浄手順を容易にする。特に、それは、プラズマ処理ガスの化学的成分がシールドの表面上のいかなる望ましくない膜を堆積するときに都合がよい。
【００３０】
加えて、ウェハー搬送ポート２５が円筒形側壁４に形成され、排気ポート６が当該側壁４の下側に形成されている。
【００３１】
図１に示された構造において、２つのｒｆ電流が中央と外側のｒｆ電極１，２に対し別々に与えられるとき、プラズマは反応容器において容量的結合機構によって生成される。両方のｒｆ電極１，２によるプラズマ生成のメカニズムは採用されたｒｆ電流の周波数に拘わらず容量的結合プロセスであることに注意すべきである。上部電極（１，２）と下部電極３の間のいかなる望ましい平面でもプラズマ密度とプラズマの径方向分布は、与えられたｒｆ電流の周波数と電力に依存する。
【００３２】
上側の中央と外側のｒｆ電極１，２の近傍で発生したプラズマの径方向の形状が図２に示される。もし中央ｒｆ電極１のみにｒｆ電流が与えられたとすると、プラズマの密度は中心でピークを持ち、反応容器の側壁４に向かって減衰する。これは２６が付された曲線によって示されている。この滑らかなピラミッド型形状のプラズマは、それが下部電極３の方向に移動するとき、側壁に向かってプラズマの拡散が動くので、さらに不均一となる。不均一性の変化は、圧力と与えられたｒｆ電力とに依存する。同様に、もし外側ｒｆ電極２のみにｒｆ電流が与えられたとすると、外側ｒｆ電極２の下側にドーナツ型のプラズマが生成される。このプラズマの径方向の形状は図２において２７が付された曲線によって示されている。中央と外側のｒｆ電極１，２に同時にｒｆ電流が与えられるとき、前述した両方のプラズマが生成される。これらの２つのプラズマは拡散プロセスによって１つのプラズマを作るので、結果としてのプラズマの径方向の形状は個々のプラズマの形状から異なったものとなる。ドーナツ形状のプラズマの存在のために、結果としてのプラズマの径方向のプラズマの均一性は図２で２８として符号が与えられた曲線によって示されるごとく改善される。プラズマ（２６）の周縁とプラズマ（２７）の内縁との間のオーバラップした領域は、合成されたプラズマの平坦な径方向形状を作る。上側の中央と外側のｒｆ電極１，２に与えられた２つのｒｆ電力は、要求される径方向分布の均一性を有するプラズマが作られるまで、独立に変化させられる。
【００３３】
上記の実施形態の四極形のプラズマ処理装置は、下部（すなわち第３の）電極３上に配置された大面積ウェハーの上で要求される径方向プラズマ均一性を有するプラズマを得ることを容易化する。このことは二重同心ｒｆ電極１，２に与えられるｒｆ電力を制御することによって、または二重同心ｒｆ電極１，２に与えられるｒｆ電流の周波数を適当に選択することによって、またはこれらの両方の方式を用いることによって達成することができる。
【００３４】
次に図３を参照して第２の実施形態が説明される。第２の実施形態の構成は、中央と外側の電極１，２の下側に誘電体または高抵抗半導体のプレート２９を追加することを除いて、第１実施形態で説明されたものと同じである。それ故に、この装置における誘電体プレート２９の特性とその役割のみが説明される。誘電体プレート２９の厚みは重要な事項ではなく、１〜１０ｍｍの範囲にあり得る。さらに、誘電体プレート２９に用いられる誘電体のタイプ（例えば、水晶、ＳｉＮ、テフロン、シリコン等）と誘電率は、同様にまた、重要なことではない。材質の厚みやその型は、応用のタイプに依存して選択される。プロセスガスはｒｆ電極１，２と誘電体プレート２９に作られた複数のガス導入口５を通して導入される。この誘電体プレート２９の目的は以下に説明される。
【００３５】
第１実施形態で説明された中央と外側のｒｆ電極１，２はいかなる材料によっても覆われていない。それ故に電極１，２を作る金属材料がプラズマに晒される。プラズマが生成されるとき、ｒｆ電極１，２の上に自己バイアス直流電圧が生成される。もしこれらの直流電圧が十分に高いならば、プラズマ中のイオンはエネルギを得て電極１，２の金属表面に衝突する、そしてｒｆ電極表面のスパッタリングという結果をもたらす。これはプラズマとウェハー表面を汚染し、欠陥のあるデバイスという結果をもたらす。それ故に第１実施形態で与えられた構成はより低いｒｆ電力でのみ適用され、またはウェハー処理のための金属スパッタによって問題がない場合に適用される。特に、第１実施形態の構成はプラズマ支援化学気相成長にとって適している。
【００３６】
前述した理由のため、第２実施形態で上側に配置された中央と外側のｒｆ電極１，２は誘電体プレート２９によって覆われている。誘電体プレート２９は適当な誘電体によって作られている。誘電体プレート２９の代わりにカバープレートとしてスパッタ工程によっていかなる問題も引き起こさない半導体部材を用いてもよい。例えば高抵抗シリコンまたは水晶は、スパッタされたシリコンは反応容器における他のガスと反応してガス種を形成し、それ故、それは考慮された工程にとっていかなる問題も引き起こさないため、誘電体エッチング処理にとって有用である。さらにこの構成は誘電体または半導体のスパッタ成膜の応用に用いられ得る。この場合において、誘電体または半導体のプレートはプラズマ状態における化学的反応を伴ってまたは伴わないでスパッタされ、ウェハー表面の上に堆積される必要のある物質で作られている。しかしながら、もしこの構成がスパッタ成膜応用に用いられる場合には、プロセスガスは側壁４にまたは底プレート２３上に作られたガス導入口を通して導入されなければならない。中央と外側のｒｆ電極１，２の下側に配置された誘電体または半導体のプレート２９の上にいかなるガス導入口もあってはならない。
【００３７】
次に図４を参照して第３の実施形態が説明される。この図は第３実施形態の模式図を示す。第３実施形態の構成は金属スパッタ成膜に特に向いている。ここで、中央と外側のｒｆ電極１，２は金属で作られており、例えば銅であり、それはスパッタされそしてウェハーホルダ１９の上に載置されたウェハー上に堆積されることが必要である。もし第１実施形態において与えられた構成が金属スパッタ成膜に用いられたとすると、ｒｆ電極１，２からスパッタされた金属原子は誘電体リング７，８の下側表面の上に堆積される。これらの誘電体リング７，８は、それぞれ、ｒｆ電極１，２の間、そして外側ｒｆ電極２と接地された壁の間にある。これはｒｆ電極（１，２）と接地との間を電気的に接続するという結果をもたらす。ｒｆ電極１，２の間、そして外側ｒｆ電極２と接地との間で連続的な金属の膜が形成されることを防止するため、第３実施形態における誘電体リング７，８の構成は、図４に示されるごとく、変更される。上述した目的のため、深い溝または隙間３０が誘電体リング７，８の各々の内側面と外側面の上に形成され、これらはｒｆ電極１，２の各々に隣り合っている。これらの溝３０はｒｆ電極１，２の周りに円形の形状となっている。溝の厚みと幅は通常２ｍｍ以下であり、高さまたは深さはｒｆ電極１，２の厚みに依存する。その高さは１０ｍｍから４０ｍｍの範囲にあってもよい。スパッタされた金属の原子は深い溝３０の上側の部分に届くことができないので、連続的な金属膜が堆積することはできない。こうして、ｒｆ電極（１，２）と接地との間に電気的接続が形成されることが防止される。
【００３８】
中央と外側のｒｆ電極１，２は、第１実施形態で説明されたように、それぞれｒｆ発生器１３，１４からｒｆ電力を与えられる。加えて、ｒｆ電極１，２の各々は、それぞれ、ｒｆカットフィルタ（３３，３４）を経由して直流電圧供給器３１，３２に接続されている。直流電圧を応用する目的はスパッタ速度を増大させるためにｒｆ電極１，２の上に負のバイアス電圧を与えることである。直流電圧供給器３１，３２から中央と外側のｒｆ電極１，２に与えられる直流電圧の値は異なっており、重要なことではない。ｒｆプラズマによって生成された自己バイアス電圧が、要求されたスパッタ速度を有するのに十分である場合には、この構成は直流電圧供給器３１，３２がない状態で用いてもよい。
【００３９】
加えて第１実施形態において示された中央と外側のｒｆ電極１，２に作られた複数のガス導入口は、この第３実施形態では省略されている。代わりに、プロセスガスは、図４に示されるごとく、反応容器の円筒形側壁４の周りに作られたいくつかのガス導入口を通して導入される。この目的のため、いくつかのガス導入口３５を有する円形の管３６が円筒形側壁４に固定されている。そのとき、プロセスガスは、主要ガス導入部３７を経由して円形管３６に供給される。
【００４０】
しかしながら、前述した構造の代わりに、プロセスガスを供給するための異なる機構を用いることができる。例えば、プロセスガスは底プレート２３上に形成された単一のガス導入管を経由して供給することもできる。前述した変形を除いて、すべての他の構成は第１実施形態のそれと同じである。
【００４１】
スパッタ装置の操作手順もまた、第１実施形態で説明されたものと同じである。膜の均一性と成膜速度のごとき堆積された膜について要求された特性を得るため、中央と外側のｒｆ電極１，２に与えられるｒｆ電流と直流電圧は適当に変化させられる。
【００４２】
図５、図６、図７を参照して第４の実施形態が説明される。この構成は、第２実施形態における外側ｒｆ電極２を、金属で作られた単一ループｒｆアンテナ３８によって置き換えることにより得られる。中央ｒｆ電極１と単一ループｒｆアンテナ３８の上面図が図６に示される。単一ループｒｆアンテナ３８の一端はｒｆフィルタ１８と整合回路４４を経由してｒｆ発生器４３に接続されている。単一ループｒｆアンテナ３８の他端は接地されている。単一ループアンテナ３８に接続されたｒｆ発生器４３の周波数は重要なことではなく、通常、５００ＫＨｚから２０ＭＨｚの範囲にある。通常、より低いｒｆ周波数は次の理由のため単一ループｒｆアンテナ３８にとってより都合がよい。
【００４３】
単一ループｒｆアンテナ３８の目的は単一ループｒｆアンテナ３８の下側に誘導結合プラズマを生成することにある。この目的のため、誘導ｒｆ電流のインピーダンスは最少化されるべきである。もし単一ループｒｆアンテナ３８のインダクションがＬであり、誘導電流のインピーダンスがＺLであるならば、ＺL＝ｉ・２πｆ・Ｌであり、ここでｆはｒｆ電流の周波数である。従って、もし周波数ｆが低減すると、ＺLは低下することになり、このことは単一ループｒｆアンテナ３８からプラズマへ流れる誘導電流を強めることになる。
【００４４】
図６において示された単一ループｒｆアンテナ３８の両端の一方がたとえ電気的に接地されたとしても、その端部は図７に示されるごとくキャパシタＣ１を経由して接地部に接続され得る。この構成は、通常、図６で示された構成に比較して単一ループｒｆアンテナ３８の端部の間により小さい電位差を作り出す。このことは単一ループｒｆアンテナ３８の下側のプラズマ密度の周方向（方位角方向）の変化を減少させるために重要である。
【００４５】
単一ループｒｆアンテナ３８の厚みは通常２ｍｍより小さい。単一ループｒｆアンテナ３８のプラズマに向かう最下部は図５に示されるごとくナイフエッジを有するごとく鋭利に作られてもよい。これはプラズマに対するｒｆ電力の容量的結合の可能性を減じるためである。
【００４６】
中央ｒｆ電極１の下面と単一ループｒｆアンテナ３８は、第２実施形態において述べられたと同様に、誘電体プレート２９によって覆われている。しかしながら、誘電体プレート２９は本質的なことではなく、それ故に誘電体プレート２９なしの構成を用いることも可能である。
【００４７】
プラズマは、中央ｒｆ電極１からプラズマへのｒｆ電力の容量的結合機構によって中央領域に生成される。加えて、ドーナツ形状のプラズマが誘導的結合機構によって単一ループｒｆアンテナ３８の下側に生成される。誘導的結合機構はより高いプラズマ密度を作り出すので、この構成は、前述した各実施形態におけるそれらと比較して、反応容器でプラズマ密度の増大という結果をもたらす。この構成の操作手順は先の実施形態で説明された手順と同じである。
【００４８】
第５実施形態は、第４実施形態の拡張であり、金属スパッタ成膜応用を目的とするためのものである。第５実施形態の模式図が図８に示される。第３実施形態において説明されたように、誘電体リング７，８の表面上に連続的な金属膜が堆積することを避けるため、溝または隙間が誘電体リング７，８の下面に作られる。
【００４９】
さらに中央ｒｆ電極１上の複数のガス導入口が省略される。その代わりに、プロセスガスは第３実施形態において説明されたごとく反応容器の円筒形側壁において作られたガス導入口を通して導入される。これらの変更部分を除いて、その他のすべてのハードウエア構成は第４実施形態において与えられたものと同じである。
【００５０】
いくつかの金属成膜工程は、ウェハー表面上に膜を堆積させる前に上部電極１からのスパッタ原子をイオン化させるため、高密度プラズマを要求する。これらの応用のため、単一ループｒｆアンテナ３８の下側に生成される誘導結合プラズマは高密度プラズマを作り出すので、第５実施形態において与えられた構成が使われる。
【００５１】
第６実施形態は図９を参照して説明される。この構成は図３に示された第２実施形態の拡張である。ここでは、二重同心ｒｆ電極１，２に接続されたｒｆ電力供給回路が変更される。ｒｆ発生器１３，１４の周波数は図９に示された同じもの（ｆ１，ｆ２）が採用される。ｒｆ発生器１３，１４からのｒｆ電流は、整合回路１５，１６と位相シフタ４５，４６を経由して、中央と外側のｒｆ電極１，２に供給される。それぞれ、位相シフタ４５，４６を使用することによって、各ｒｆ発生器（１３，１４）から到来するｒｆ電流の位相は任意に変化させられる。図９において、位相シフタ４５，４６はそれぞれ整合回路１５，１６とｒｆ電極１，２との間に配置される。しかしながら、以下に説明するのと同じ結果を得るために位相シフタをｒｆ発生器と整合回路との間に配置することもできる。前述した変更部分を除いて、第６実施形態のすべての他のハードウエアは第２実施形態において与えられたものと同じである。
【００５２】
位相シフタ４５，４６は、プラズマ密度、プラズマ電位、プラズマの均一性のごときプラズマの特性を変化させるために用いられる。通常、プラズマが容量的結合機構によって生成されるとき、ｒｆ電極から到来するｒｆ電流は接地電極へ流れる。しかしながら、もし同じｒｆ周波数でありかつ１８０°位相がずれたｒｆ電流で動作する他のｒｆ電極があるとするならば、２つの電極１，２から到来するｒｆ電流は相互に流れる。従って、もし中央と外側のｒｆ電極１，２のｒｆ電流の位相のずれが１８０°であるならば、当該ｒｆ電流はこれら２つの電極の間を流れる。このことは、中央と外側のｒｆ電極１，２の間の領域にプラズマを閉じ込めることの原因となり、下部電極に向かうプラズマの拡張を制限することになる。これは、ウェハー表面の近傍においてプラズマ電位を減じる可能性を有する。
【００５３】
プラズマに向かう中央と外側のｒｆ電極１，２の下面においてｒｆ電流の正確な位相のシフトを監視することは困難である。何故ならば、位相シフタ４５または４６の以後の伝送線の寄生的なインダクタンス（誘導成分）とキャパシタンス（容量成分）がｒｆ電流の位相変化を生じさせるからである。それ故に、実際的な実験によって適当な位相シフトが得られなくてはならない。最初に、プラズマは、中央と外側のｒｆ電極１，２にｒｆ電流を与えることによって生成される。そのとき、いずれか一方のｒｆ発生器１３または１４から到来するｒｆ電流の位相が望ましいプラズマ特性が結果として得られるまで、ゆっくりと変化させられる。プラズマの特性は従来のラングミュアープローブ（Reference:D.N. Ruzic, Electric probes for for low temperature plasmas, AVS pres, USA, 1994）、またはプラズマ吸収プローブ（Reference:H.Kokura, K.Nakamura, I.Ghanashev and H.Sugai, Jpn. J.Appl. Phys. 38, 5262(1999)）のごとき技術を用いることによって監視される。いくつかの場合、プラズマの光学的な放出強度の変化はｒｆ電流の位相を変化させるいくつかの情報を与えるかもしれない。この実験は１回のみなされなければならない、何故ならば、関連データが得られた後、それらはその後に引き続くウェハー処理のために用いられるからである。
【００５４】
たとえ第６実施形態において採用されたｒｆ電流の流れのメカニズムが第２実施形態において与えられた構成を用いられて説明されたとしても、同じｒｆ電流の流れメカニズムは第１と第３の実施形態において与えられた構成に適用することができる。何故ならば、第１、第２、第３の実施形態における中央と外側のｒｆ電極は容量的結合機構によってプラズマを生成するからである。
【００５５】
前述した実施形態において説明された特徴的技術事項は、本発明の目的を達成するために適宜に組み合せることができる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明のプラズマ処理装置は、二重同心ｒｆ電極、すなわち中央と外側のｒｆ電極を含む改善された構造がプラズマ密度を制御することができ、反応容器の径方向におけるプラズマ密度の均一性を達成することができるので、大面積ウェハーの処理に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この図は本発明の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】この図は第１実施形態に基づいて中央と外側のｒｆ電極によって分離してかつ同時に生成されたプラズマ密度の径方向の分布形状を示す。
【図３】この図は本発明の第２実施形態を示す断面図である。
【図４】この図は本発明の第３実施形態を示す断面図である。
【図５】この図は第４実施形態を示す断面図である。
【図６】この図は第４実施形態における中央ｒｆ電極、単一ループアンテナ、誘電体リング、ｒｆ電気的接続の上面図である。
【図７】この図は第４実施形態における中央ｒｆ電極、単一ループアンテナ、誘電体リング、ｒｆ電気的接続の上面図である。
【図８】この図は第５実施形態の断面図である。
【図９】この図は第６実施形態の断面図である。
【図１０】この図は従来の平行平板容量結合型プラズマ源である。
【図１１】この図は、図１０に示された従来のプラズマ源における径方向プラズマ密度の分布形状の変化である。
【参照符号の説明】
１ 中央ｒｆ電極
２ 外側ｒｆ電極
３ 下部電極
４ 側壁
５ ガス導入口
６ 排気ポート
７，８ 誘電体リング
９，１０ ガスリザーバ
１３，１４ ｒｆ発生器
１５，１６ 整合回路
１７，１８ ｒｆフィルタ
１９ ウェハーホルダ
２６，２７，２８ プラズマ密度の径方向の形状
３０ 深い円形溝
３１ 直流電圧供給器
３３，３４ ｒｆカットオフフィルタ
３８ 単一ループｒｆアンテナ
３９ 流路
４５，４６ 位相シフタ
Claims (8)
- 容量的結合機構または容量的および誘導的な結合機構によるプラズマ発生のための二重同心ｒｆ電極であって、そこでは前記二重同心ｒｆ電極の中央ｒｆ電極は円形または円形に近い形状であり、それに対して前記二重同心ｒｆ電極の外側ｒｆ電極は前記中央ｒｆ電極の周りに配置される前記二重同心ｒｆ電極と、
前記中央ｒｆ電極と前記外側ｒｆ電極の間に配置される誘電体部材と、
前記中央ｒｆ電極と前記外側ｒｆ電極に対して整合回路とｒｆフィルタを経由してそれぞれに接続される２つのｒｆ発生器と、
前記中央ｒｆ電極と前記外側ｒｆ電極に対してｒｆカットフィルタを経由してそれぞれに接続される２つの直流電圧供給器と、
前記二重同心ｒｆ電極に対して平行な下側平面に配置されるウェハーホルダとしての第３の平板ｒｆ電極と、そして
第４の電極として電気的に接地される反応容器側壁とから成り、
前記中央ｒｆ電極と前記外側ｒｆ電極の各々は、各々に対応する前記ｒｆ発生器と前記直流電圧供給器とからｒｆ電流と負にバイアスされた直流電圧とを供給され、そして１つの電極に結合された前記ｒｆ発生器と前記直流電圧供給器は、他のｒｆ電極に接続された前記ｒｆ発生器と前記直流電圧供給器から独立である、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記外側ｒｆ電極は容量的結合機構によってプラズマを発生するためプラズマに対向する平坦な表面を有することを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
- 前記外側ｒｆ電極の代わりに単一ループアンテナが誘導的結合機構によってプラズマを生成するために用いられることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
- プラズマに対向する前記中央と外側のｒｆ電極のいずれか１つの下面または前記両方の下面は誘電体部材または半導体部材によって覆われていることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置。
- 前記中央と外側のｒｆ電極のいずれか１つまたは両方は反応チャンバの中へプロセスガスを導入するためガスリザーバと複数のガス導入口を含む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処理装置。
- 前記中央と外側のｒｆ電極は、それらの表面温度を制御するための機構を含む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処理装置。
- 前記二重同心ｒｆ電極は、同じｒｆ周波数で動作するかまたは２つの異なるｒｆ周波数によって動作しかつその周波数が１〜１００ＭＨｚの範囲にある２つの異なるｒｆ発生器によって個別に２つのｒｆ電流が供給されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記二重同心ｒｆ電極の各ｒｆ電極は整合回路と位相シフタを介して対応するｒｆ発生器に接続されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
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