JP2014522565A - プロセスチャンバ内の複数区域ヒータの温度を制御するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本願では、プロセスチャンバ内の複数区域ヒータの温度を制御するための方法および装置が提供される。いくつかの実施形態では、基板支持体内に配設された複数区域ヒータを制御するための方法であって、複数区域ヒータが、第１の区域と第２の区域を有する方法が提供される。いくつかの実施形態では、この方法は、第１の時点で第１の区域によって引き出される電流を測定することと、第１の時点で第１の区域によって引き出される電圧を測定することと、第１の時点で第１の区域によって引き出される測定された電流と電圧に基づいて、第１の区域の抵抗を計算することと、第１の区域の抵抗と温度との所定の関係に基づいて、第１の区域の温度を決定することと、温度決定に応答して第１の区域の温度を調節することとを含むことができる。
【選択図】図２Ｂ

Description

本発明の実施形態は、一般に半導体処理に関し、より詳細には、プロセスチャンバ内の複数区域ヒータの温度を制御するための方法および装置に関する。

半導体処理システムのプロセスチャンバ内部で、基板は、典型的には、基板支持体によって支持された状態で処理される。多くのそのようなシステムにおいて、基板支持体は加熱されて、１つまたは複数のプロセスステップ中に基板の温度を上昇させる。ヒータは、一般に、抵抗ワイヤのコイルまたは金属化層である。このワイヤまたは層に電流が印加されるとき、ヒータが熱を発生し、この熱が、基板支持体を通して基板に伝導移動される。

いくつかの場合には、基板を加熱するために単一区域ヒータが使用される。単一区域ヒータを使用する欠点は、典型的には、単一区域ヒータの中央が単一区域ヒータの外縁部よりも高温であることであり、これにより、基板上への材料の堆積が不均一になることがある。複数区域ヒータは、より均一な熱を基板に提供することができる。しかし、複数区域ヒータの欠点は、複数区域ヒータの温度、したがって基板に移送される熱の量を測定および制御するのが難しいことである。例えば、複数区域ヒータの外側区域の温度を決定するために使用される１つの手法は、ヒータの内側区域に送達される電力の量を監視し、実験により計算された電力比をその電力に乗算し、次いでその電力を外側区域に加えるというものである。しかし、この方法の精度は、半導体処理システムのプロセスチャンバ内部のプロセス条件の変化によって影響を及ぼされる。

したがって、本発明者らは、プロセスチャンバ内の複数区域ヒータの温度を制御するための方法および装置を提供している。

本願では、プロセスチャンバ内の複数区域ヒータの温度を制御するための方法および装置が提供される。いくつかの実施形態では、基板支持体内に配設された複数区域ヒータを制御するための方法であって、複数区域ヒータが、第１の区域と第２の区域を有する方法が提供される。いくつかの実施形態では、この方法は、第１の時点で第１の区域によって引き出される電流を測定することと、第１の時点で第１の区域によって引き出される電圧を測定することと、第１の時点で第１の区域によって引き出された測定された電流と電圧に基づいて、第１の区域の抵抗を計算することと、第１の区域の抵抗と温度との所定の関係に基づいて、第１の区域の温度を決定することと、温度決定に応答して第１の区域の温度を調節することとを含むことができる。

本発明の少なくともいくつかの実施形態による装置は、基板支持体内に配設された複数区域ヒータと、複数区域ヒータの第１の区域に第１の電力供給を提供し、複数区域ヒータの第２の区域に第２の電力供給を提供する電源と、第１の区域によって引き出される電流と電圧を同時に測定するために、第１の電力供給に結合された抵抗測定デバイスと、抵抗測定デバイスから受信されるデータに応答して電源を制御するために、電源および抵抗測定デバイスに結合されたコントローラとを含むことができる。

他の実施形態および変形形態を以下に論じる。

本発明の上記の特徴を詳細に理解することができるように、上に簡単に要約した本発明のより詳細な説明を、実施形態を参照しながら行うことができる。実施形態のいくつかは、添付図面に示されている。しかし、添付図面は、本発明の典型的な実施形態のみを例示しており、したがって本発明の範囲の限定とみなすべきではないことに留意されたい。本発明は、他の同等に効果的な実施形態を含むことがある。

本発明のいくつかの実施形態によるプロセスチャンバ内の複数区域ヒータの温度を制御する方法を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による複数区域ヒータの平面断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による基板支持体内部の複数区域ヒータの概略側面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、図１の方法のいくつかの部分を実施するために使用することができるタイプの例示的な化学気相堆積（「ＣＶＤ」）リアクタの概略図である。

理解しやすくするために、可能であれば、複数の図に共通の同一の要素を表すために同一の参照番号が使用されている。複数の図は、一律の縮尺では描かれてはおらず、見やすくするために単純化されていることがある。さらなる記載がなくても、いくつかの実施形態の要素および特徴を他の実施形態に有益に組み込むことができると考えられる。

本発明の実施形態は、プロセスチャンバ内の複数区域ヒータの温度を制御するための方法および装置を提供する。本発明の少なくともいくつかの実施形態は、有利には、処理中に基板上で中心低温プロファイルまたは中心高温プロファイルを有するように融通性を提供することができる。

図１は、プロセスチャンバ内の複数区域ヒータの温度を制御するための方法１００の一実施形態の流れ図である。図２Ａは、本発明のいくつかの実施形態による複数区域ヒータの上面断面図である。図２Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による基板支持体内部の複数区域ヒータの概略側面図である。図３は、本発明のいくつかの実施形態による、図１の方法のいくつかの部分を実施するために使用することができるタイプの例示的な化学気相堆積（「ＣＶＤ」）リアクタの概略図である。

方法１００は、１０２において、第１の時点で、複数区域ヒータの第１の区域によって引き出される電流を測定することから始まる。さらに、１０４に示されるように、第１の時点で、複数区域ヒータの第１の区域によって引き出される電圧も測定される。

いくつかの実施形態では、図２Ａに示されるように、複数区域ヒータ２００は、少なくとも第１の区域２０２および第２の区域２０４内に配置されたヒータ要素を有する。いくつかの実施形態では、図２Ｂに示されるように、第１の区域２０２および第２の区域２０４は、基板支持体２０６の内部に配設され、電源２０８に接続される。いくつかの実施形態では、図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、第１の区域２０２が外側区域であり、第２の区域２０４は、外側区域の内側に設けられた内側区域である。内側区域および外側区域は、基板支持体２０６の上に支持される基板の内側部分および外側部分に実質的に対応することがある。いくつかの実施形態では、電源２０８は、約１９０〜約２４０ＶＡＣ、または約２０８ＶＡＣ電源である。装置の用途および設計に応じて、他のサイズの電源を使用することもできる。いくつかの実施形態では、ＡＣ電源２０８は、６０Ｈｚのサイクルで動作する。いくつかの実施形態では、図２Ｂに示されるように、電源２０８は、第１の区域２０２に第１の電力供給２１６を供給し、第２の区域２０４に第２の電力供給２１８を供給する。いくつかの実施形態では、第２の区域２０４の温度は、熱電対２１２を使用して測定される。熱電対２１２は、（図３に関して以下により詳細に示す）コントローラ２１０に接続され、コントローラ２１０は、さらに電源２０８に接続される。

第１の区域２０２によって引き出される電流と電圧は、例えば第１の時点で、電流と電圧を同時に測定することが可能な抵抗測定デバイス２１４を使用して測定することができる。本明細書で使用するとき、「同時に」または「第１の時点で」は、互いに対して約１１０ミリ秒までの範囲内で行われる測定を含む。いくつかの実施形態では、抵抗測定デバイス２１４は、（例えば約２００ｋＨｚ以上のサンプリングレートを有する）高周波ホール効果電流センサでよく、第１の区域２０２に送達される瞬時電流と、印加電圧とを捕捉する。例えば、いくつかの実施形態では、抵抗測定デバイス２１４は、Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｌａｂ（ＰＳＬ）（Ａｌａｍｅｄａ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）から市販されているＰＱｕｂｅ（登録商標）系列の電力モニタの１つでよい。

いくつかの実施形態では、抵抗測定デバイス２１４は、第１の区域２０２によって引き出される電流と電圧を測定するために、第１の電力供給２１６に結合される。いくつかの実施形態では、第１の区域２０２によって引き出される電圧と電流の複数組の測定値が取得される。例えば、第１の区域２０２によって引き出される電圧と電流の複数組の測定値は、電源２０８の各サイクルごとに取得することができ、各組の測定値は、（例えば互いに対して約１１０ミリ秒以内で）同時に取得される電圧測定値と電流測定値とを含む。いくつかの実施形態では、第１の区域２０２によって引き出される電圧と電流の２５６組の測定値が、電源２０８の各サイクルごとに取得される。

また、抵抗測定デバイス２１４は、コントローラ２１０に結合されることがある。いくつかの実施形態では、コントローラ２１０は、第１の区域２０２の抵抗の１６ミリオームの変化を検出することがあり、これは、第１の区域２０２内の温度の１℃の変化と等価である。いくつかの実施形態では、抵抗測定デバイス２１４とコントローラ２１０を一体化することができる（例えば、同じハウジングまたはデバイス内に提供することができる）。

１０６では、第１の区域２０２の抵抗を計算することができる。抵抗は、オームの法則を使用して計算することができる。オームの法則では、抵抗は、電圧を電流で割った値に等しい（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）。いくつかの実施形態では、抵抗値は、１００〜１１０ミリ秒ごとに計算することができる。いくつかの実施形態では、抵抗値の再計算の間でより長い期間を与えることができるが、より迅速な再計算を行うことにより、有利には、より迅速な温度決定が容易になる。これは、約５秒の期間を有することがある比較的短時間のプロセス中に正確に温度を決定するのに重要になることがある。いくつかの実施形態では、抵抗値は、第１の時点から約１００ミリ秒以内（例えば電流および電圧の測定から約１００ｍｓ以内）に計算することができる。本発明者らは、設備からの供給電圧が、抵抗を計算するために必要とされる電圧のｒｍｓ（２乗平均平方根）値を決定する主要な因子となることに気付いた。いくつかの設備において、供給電圧は、２０８ＶＡＣであることがあるが、別の設備、例えば別の国では、異なる供給電圧を有することがある。したがって、本発明者らは、ヒータ区域の抵抗をより正確に計算するために、電流と同時に供給電圧を監視するための技法を提供している。

１０８では、第１の区域２０２の抵抗と温度との所定の関係に基づいて、第１の区域２０２の温度を決定することができる。計算される抵抗値の精度を保証するために、第１の時点で電流と電圧をどちらも測定しなければならない。ヒータの抵抗は、ヒータの温度に線形関係で直接関係付けられるので、抵抗計算の精度は、温度決定の精度に直接関係付けられる。いくつかの実施形態では、第１の区域２０２の抵抗を使用して、約０．５℃以内の精度で第１の区域２０２の温度を相関させることができる。いくつかの実施形態では、第１の区域２０２の抵抗と温度との所定の関係は、経験的に、またはモデリングによって決定することができる。いくつかの実施形態では、第１の区域２０２の抵抗と温度との所定の関係は、第１の区域２０２を所定の温度にし、第１の区域２０２の抵抗を測定することによって経験的に決定することができる。また、ある範囲の温度にわたって抵抗測定値を記録することもできる。いくつかの実施形態では、第１の区域２０２が所望の温度にされることがあり、第２の区域２０４も所望の温度（この温度は、第１の区域２０２の所望の温度と同じであることも、異なることもある）にされる。

例えば、いくつかの実施形態では、方法１００は、図３で述べるような化学気相堆積チャンバ内で、圧力やガス流量などのプロセスパラメータを変えて行うことができる。プロセスパラメータの変更は、第１の区域２０２の温度の振れを誘発することがある。そのような実施形態では、抵抗を使用して、２．５℃以内の精度で第１の区域２０２の温度を相関させることができる。複数区域ヒータに対するこのレベルの制御は、従来の方法に比べ、基板にわたるより一定の温度プロファイルを可能にする。さらに、熱膨張および熱収縮により区域が物理的に位置を変える実施形態では、抵抗計算を使用して区域の温度を決定することは、有利には、より正確な区域温度測定および動作を可能にする、または容易にすることができる。例えば、従来の装置では、熱電対を使用してヒータの温度を測定することができる。しかし、内側区域および外側区域を有する従来の２区域ヒータの欠点は、操作中に外側区域が熱により移動するので、外側区域には熱電対を配置することができないことである。

１１０では、第１の区域２０２の抵抗と温度との所定の関係に基づいた温度決定に応答して、第１の区域２０２の温度を調節することができる。いくつかの実施形態では、例えば単一区域ヒータを模倣するように、第１の区域２０２の温度を、第２の区域２０４の温度よりも低くなるように下げることができる。あるいは、第１の区域２０２の温度を、第２の区域２０４の温度よりも高くなるように上げることもできる。いくつかの実施形態では、第１の区域２０２と第２の区域２０４の温度差を維持するように第１の区域２０２の温度を調節することができる。例えば、いくつかの実施形態では、第２の区域２０４は、第１の区域２０２よりも例えば最大で約４０度高い温度で維持することができる。いくつかの実施形態では、第２の区域２０４は、第１の区域２０２よりも例えば最大で約１５度低い温度で維持することができる。いくつかの実施形態では、第１の区域２０２を第１の温度、例えば約２００℃まで加熱することができ、第１の温度に達した後、第２の区域２０４を所望の第２の温度まで加熱することができる。いくつかの実施形態では、第２の区域２０４が所望の第２の温度まで加熱された後、第１の区域２０２と第２の区域２０４を、所望の第３の温度まで共に逓増させることができる。

したがって、上述した方法の実施形態を使用して、本発明は、有利には、複数区域が加熱された基板支持体（したがってその上に配設された基板）の温度プロファイルが、均一になるように、または制御可能なように不均一になるように制御するための融通性を提供する。例えば、いくつかの実施形態では、均一な熱プロファイルを提供することができる。あるいは、中心低温プロファイルまたは中心高温プロファイルを提供することができる。

図３は、図１の方法１００のいくつかの部分を実施するために使用することができる１つの例示的なＣＶＤリアクタ３００の概略図を示す。図３に示される実施形態では、リアクタ３００は、処理チャンバ３０１と、ポンピングシステム３３８と、ガスパネル３３６と、電源２０８と、コントローラ２１０とを備える。

処理チャンバ３０１は、一般に、上側アセンブリ３０３と、下側アセンブリ３０８と、基板支持体リフトアセンブリとを含む。上側アセンブリ３０３は、一般に、入口ポート３３４とシャワーヘッド３４４とを有する蓋３１０を備える。下側アセンブリ３０８は、基板支持体ペデスタル３２４を収容し、壁３０６を有するチャンバ本体３０２を備える。基板アクセスポート３２８がチャンバ本体３０２に形成されて、処理チャンバ３０１内への基板３２２の挿入および処理チャンバ３０１からの基板３２２の取出しを容易にする。基板支持体リフトアセンブリは、基板支持体ペデスタル３２４に結合され、リフトメカニズム３３０と、リフトプレート３１８と、１組のリフトピン３１４とを備える。

基板支持体ペデスタル３２４は、処理チャンバ３０１の内部体積３０４内に配設され、処理中に基板３２２を支持する。基板支持体ペデスタル３２４は、基板３２２の温度および／または内部体積３０４内の温度を調整するように構成されたヒータ３２０を含む。ヒータ３２０は、電源２０８に結合される。ヒータ３２０は、第１の区域２０２と第２の区域２０４を有する。電源２０８は、第１の区域２０２に第１の電力供給２１６を提供し、第２の区域２０４に第２の電力供給２１８を提供する。抵抗測定デバイス２１４は、第１の区域２０２によって引き出される電流と電圧を測定するために、第１の電力供給２１６に結合される。

シャワーヘッド３４４は、複数の開口３５４を通して、ガスパネル３３６から送達されるガスまたは蒸気を分散させる。開口３５４のサイズ、幾何形状、数、および位置は、基板３２２へのガス／蒸気の流れの規定のパターンを容易に得られるように選択的に選定される。

ガスパネル３３６は、プロセス薬品を液体および／または気体の状態で処理チャンバ３０１に提供する。ガスパネル３３６は、複数のガスライン３４０を使用して、蓋３１０に結合される。各ガスライン３４０は、ガスパネル３３６から入口ポート３３４に特定の（１つまたは複数の）薬品を移送するように選択的に適合させることができ、また温度制御することもできる。

動作時、基板支持体リフトアセンブリ３３０は、処理位置（図３に示される）と下降位置との間で、ペデスタル３２４の昇降を制御する。下降位置から、基板アクセスポート３２８を通して基板３２２を処理チャンバ３０１の内外に輸送することができる。基板支持体リフトアセンブリは、可撓性のベローズ３３２を使用してチャンバ本体３０２に封止結合され、任意選択で、基板支持体ペデスタル３２４を回転させるように構成される。

壁３０６は、温度調整することができる。一実施形態では、複数の管路３１２が壁３０６に設けられ、壁の温度を調整する伝熱流体を循環させるように構成される。

ポンピングシステム３３８は、壁３０６に形成されたポンピングポート３２６に結合される。ポンピングシステム３３８は、一般に、内部体積３０４内の圧力を制御するように構成されたスロットルバルブと１つまたは複数のポンプとを含む。処理チャンバ３０１から流出するガスは、基板３２２の表面にわたるガス流の均一性を高めるために、ポンピングリング３４２を通して送られる。１つのそのようなポンピングリングは、ｌｙｅｒ他による２００４年１０月４日出願の「Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｕｓｉｎｇ ＢＴＢＡＳ Ｂｉｓ（Ｔｅｒｔｉａｒｙ−Ｂｕｔｙｌａｍｉｎｏ Ｓｉｌａｎｅ） ｉｎ ａ Ｓｉｎｇｌｅ Ｗａｆｅｒ Ｃｈａｍｂｅｒ」という名称の米国特許出願第１０／９１１，２０８号に記載されている。

代替実施形態（図示せず）では、リアクタ３００は、蓋３１０にある窓を通して基板３２２に放射エネルギーを送達する光励起システムと、入口ポート３３４に結合された遠隔プラズマ源とを備えることができる。

コントローラ２１０は、一般に、中央処理装置（ＣＰＵ）３５０と、メモリ３４３と、サポート回路３５２とを備え、リアクタ３００のモジュールおよび装置に結合されて、リアクタ３００のモジュールおよび装置を制御する。動作時、コントローラ２１０は、リアクタ３００のモジュールおよび装置を直接制御するか、あるいは、これらのモジュールおよび装置に関連付けられるコンピュータ（および／またはコントローラ）を管理する。いくつかの実施形態では、コントローラ２１０は、第１の区域２０２によって引き出される電圧と電流から計算されて、抵抗測定デバイス２１４によって測定される抵抗値に基づいて、電源２０８から第１の区域２０２への第１の電力供給２１６を調節することによって、第１の区域２０２の温度を調節する。

したがって、本願では、プロセスチャンバ内の複数区域ヒータの温度制御を改良する、基板を処理するための方法および装置が提供されている。温度制御の改良は、温度依存する基板プロセスに対する制御の改良を容易にすることができる。例えば、温度均一性の改良は、温度均一性から利益を得ることがあるエッチング、堆積、または他のプロセスなどの基板処理の改良を容易にすることができる。さらに、本発明の実施形態は、有利には、中心低温プロファイルまたは中心高温プロファイルなど、不均一な温度プロファイルを有するように融通性を提供する。

前述したことは、本発明のいくつかの実施形態を対象とするが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他の実施形態およびさらなる実施形態を考案することができる。

Claims (15)

1. 基板支持体内に配設された複数区域ヒータと、
   前記複数区域ヒータの第１の区域に第１の電力供給を提供し、前記複数区域ヒータの第２の区域に第２の電力供給を提供する電源と、
   前記第１の区域によって引き出される電流と電圧を互いに対して最大で約１１０ミリ秒以内で測定するために、前記第１の電力供給に結合された抵抗測定デバイスと、
   前記抵抗測定デバイスから受信されるデータに応答して前記電源を制御するために、前記電源および前記抵抗測定デバイスに結合されたコントローラと
   を備える装置。
2. 前記電源が、約１９０〜約２４０ＶＡＣ電源である請求項１に記載の装置。
3. 前記複数区域ヒータが、前記基板支持体上に支持される基板の中央部分および外側部分にそれぞれ対応する内側区域および外側区域を備え、前記外側区域が、前記複数区域ヒータの前記第１の区域であり、前記内側区域が、前記複数区域ヒータの前記第２の区域である請求項１に記載の装置。
4. 前記抵抗測定デバイスが、約２００ｋＨｚ以上のサンプリングレートを有するホール効果電流センサを備える請求項１ないし３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記電源が、交流電源であり、前記抵抗測定デバイスが、前記電源の各サイクルごとに、前記第１の区域によって引き出される電圧と電流の複数組の測定値を得ることが可能である請求項１ないし３のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記電源が、交流電源であり、前記抵抗測定デバイスが、前記電源の各サイクルごとに、前記第１の区域によって引き出される電圧と電流の少なくとも２５６組の測定値を得ることが可能である請求項１ないし３のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記コントローラが、前記第１の区域の抵抗の１６ミリオームの変化を検出することができる請求項１ないし３のいずれか一項に記載の装置。
8. 基板支持体内に配設された複数区域ヒータを制御する方法であって、前記複数区域ヒータが、第１の区域と第２の区域を有し、前記方法が、
   第１の時点で前記第１の区域によって引き出される電流を測定することと、
   前記第１の時点で前記第１の区域によって引き出される電圧を測定することと、
   前記第１の時点で前記第１の区域によって引き出された測定された電流と電圧に基づいて、前記第１の区域の抵抗を計算することと、
   前記第１の区域の抵抗と温度との所定の関係に基づいて、前記第１の区域の温度を決定することと、
   前記温度決定に応答して前記第１の区域の温度を調節することと
   を含む方法。
9. 前記第１の区域の抵抗を計算することと、前記第１の区域の温度を決定することと、前記第１の区域の温度を調節することとが、前記第１の時点から約１００ｍｓ以内の第２の時点に行われる請求項８に記載の方法。
10. さらに、
    前記第２の区域の温度を測定することと、
    前記測定値に応答して前記第２の区域の温度を調節することと
    を含む請求項８に記載の方法。
11. 前記複数区域ヒータが、交流電源に接続され、前記第１の区域によって引き出される電圧と電源の複数組の測定値が、前記電源の各サイクルごとに取得され、各組の測定値が、同時に取得された電圧測定値と電流測定値とを含む請求項８ないし１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記第１の区域が、外側区域であり、前記第２の区域が、前記外側区域の内側に配設された内側区域であり、前記第２の区域が加熱される前に、前記第１の区域が所望の温度まで加熱される請求項８ないし１０のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記第１の区域が、外側区域であり、前記第２の区域が、前記外側区域の内側に配設された内側区域であり、前記第２の区域の温度を測定するために、前記第２の区域に熱電対が結合される請求項８ないし１０のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記第１の区域の抵抗を前記第１の区域の温度に相関させることが、さらに、約０．５℃以内の精度で前記第１の区域の抵抗を前記第１の区域の温度に相関させることを含む請求項８ないし１０のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記複数区域ヒータの前記第１の区域の温度が、約２．５℃以内の精度で調節される請求項８ないし１０のいずれか一項に記載の方法。

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