JP4499567B2 - 基板上のポリマーの堆積を減少させるためのデバイスを備えたプラズマ装置及びポリマーの堆積を減少させるための方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板及び基板支持体上のポリマーの堆積を減少させるための装置及び方法に関し、特に、本発明は、基板ホルダーの露出面及び基板の下面上のポリマーの堆積を減少させるために基板ホルダーと基板との間のギャップを調節することに関する。

関連技術の説明
真空処理チャンバは、プロセスガスを真空チャンバに供給し、ガスにＲＦ電界を加えることによって、基板上に材料を化学気相成長させたり（ＣＶＤ）、基板上の材料をエッチングしたりするために一般に用いられる。並行平板の例としては、誘導結合プラズマ（ＩＣＰとも呼ばれるＴＣＰ^ＴＭ）及び電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）反応器は、本願と同じ出願人による米国特許第４,３４０，４６２号、同４,９４８，４５８号及び５,２００，２３２に開示されている。基板は、基板ホルダーによって処理中に真空チャンバ内の所定場所に保持される。従来の基板ホルダーは、機械クランプ及び静電クランプ（ＥＳＣ）を含む。機械クランプ及びＥＳＣ基板ホルダーの例は、本願と同じ出願人による米国特許第５,２６２，０２９号、本願と同じ出願人による同５,６７１，１１６号に提供される。米国特許第４,５７９,６１８号に開示されるように、電極の形をした基板ホルダーは、チャンバへ高周波（ＲＦ）パワーを供給しうる。

酸化物のエッチングプロセスでエッチングされる基板は、下層、エッチング対象である酸化膜層及び酸化膜層の上に形成されたフォトレジスト層を一般に含む。酸化膜層は、Ｓｉ０_２、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ又は他の酸化物材料のうちの１つであってもよい。下層は、Ｓｉ、ＴｉＮ、シリサイド（silicide）又は他の下にある層又は基板材料であってもよい。基板処理中に、チャンバの表面上に望まないポリマーの堆積が生じる場合がある。例えば、チャンバが酸化物エッチング中に８０℃以上に加熱されると、ＣＦ_３がＣＦ_２とＨＦを形成する反応が生じる場合がある。ＣＦ_２の形成は、チャンバ内の表面上へのポリマーの堆積の増加につながる。

プラズマ反応器中の半導体ウエハ等の基板のエッチング中に、静電チャック等の基板支持体の露出面及び基板支持体を囲む誘電体環状キャップ／フォーカスリング等の他の表面を含んだ、チャンバの冷えた露出面上にポリマーが堆積しうる。この堆積によってポリマーが剥げ落ちて静電チャックの上面の上に運ばれると問題が生じうる。チャックの上面の上のこれらの汚染物は、チャックがウエハを安全に保持するために適切に動作する妨げとなりうる。さらに、汚染物によって、冷媒としてウエハの下に供給されるヘリウムが、ウエハの下から漏れて、ウエハの冷却効果を低下させうる。汚染物はまた、ウエハ自体の上に堆積されて悪影響を及ぼしうる。

ポリマーの堆積は、ウエハの連続処理の間に行われるクリーニングステップによって除去されうる。一般に、クリーニングは、処理チャンバを攻撃的な酸素でクリーニングされた状態にするために、チャンバに酸素を注入し、プラズマを当てて酸素をポリマーの堆積物と反応させることによって行われうる。

処理チャンバを攻撃的な酸素でクリーニングすることは、システムのスループットを減少させ、ウエハのサイクル時間を増大させるため望ましくない。さらに、攻撃的な酸素でクリーニングすることは、これらの構成部品をイオン照射することによって、処理チャンバ内の構成部品の寿命を短くするであろう。そのため、攻撃的な酸素でクリーニングするステップを必要せずに基板処理が行われ、結果としてサイクルタイムが短縮され、チャンバの部品の寿命を伸ばすことができることが望ましい。

真空処理チャンバ１０の一例は図１に示される。真空処理チャンバ１０は、その上に支持される基板にＲＦバイアスを印加する電極を有する基板ホルダー１２を含む。基板ホルダー１２は、基板をクランプするための静電クランプ１４を含む。静電クランプ１４上に配置される基板は、基板と静電クランプとの間に供給されるヘリウムの裏面冷却（backcooling）（不図示）によって冷却されることが望ましい。リング１６は、静電クランプ１４を囲む。リング１６は、セラミックのフォーカスリングであってもよいし、フォーカスリング、結合リング及びエッジリングの組み合わせであってもよいし、別のリングの組み合わせであってもよい。

真空処理チャンバ１０は、チャンバの上方に配置され、適切なＲＦ源によってパワーが供給されるアンテナ１８（例えば、平面スパイラルコイル又は他の適切な設計）等のチャンバ内に高密度（例えば、１０^１１−１０^１２ions/cm^３）プラズマを維持するためのエネルギー源を含む。適切なＲＦインピーダンスマッチング回路は、高密度プラズマを提供するために、チャンバ１０内へＲＦを誘導結合させる。チャンバ１０はまた、チャンバ内部を所望の圧力（例えば、５０ｍＴｏｒｒ以下、典型的には１−２０ｍＴｏｒｒ）に維持するための適切な真空ポンプ装置を含む。誘電体ウィンドウ２０（例えば、石英（quartz）、アルミナ（alumina）、窒化シリコン（silicon nitride）等の均一な厚みの平面シート等）は、アンテナ１８と処理チャンバ１０内部との間に設けられ、処理チャンバ１０の上部に真空チャンバ壁を形成する。シャワーヘッド２２と一般に呼ばれる誘電体ガス分配プレートは、ウィンドウ２０の下に設けられ、処理チャンバ１０へガス供給部によって供給されるプロセスガスを分配するための環状の孔（不図示）等の複数の開口部を含む。しかしながら、ガス分配プレート２２は省略することができ、ガスリング等の他の構成によってプロセスガスがチャンバに供給されうる。

処理チャンバ内でポリマーの堆積が生じうる１つのエリアは、静電チャック１４上に支持されたウエハと単数又は複数の周辺リング１６との間の狭いギャップ３０である。特に、ギャップ３０は、周辺リングに突き出るウエハのエッジの下に提供される。このギャップ３０によって、部品の製造許容誤差、熱膨張及び消耗に対する対処をしている。しかしながら、チャンバ１０内のプロセスガス及び揮発性の副産物は、ギャップ３０へ移動し、ギャップの内部及び剥げ落ちてウエハ及び／又はチャンバ汚染を引き起こすウエハの下側エッジの上に、不適当なポリマーの堆積を生じさせうる。

図２は、静電チャック１４'と、フォーカスリング１６’、結合リング４０及びホットエッジリング４２を含む周辺リングの外側部分の拡大断面図である。

図３の拡大図に示されるように、半導体ウエハの形をした基板Ｓが静電チャック１４'上に配置され、適切な静電クランプ力によって所定の場所に保持されると、基板Ｓの突き出したエッジとホットエッジリング４２のエッジに設けられた溝４４との間に、小さな垂直のギャップ３０'が設けられる。この垂直の隙間３０'は、基板Ｓの突き出したエッジが持ち上げられるのを防ぎ、それによって静電チャック'１４によって与えられるクランプ力の低下を防ぐように設計される。しかしながら、この追加の垂直の隙間３０'によって、剥げ落ちて基板Ｓ又は静電チャック'１４を汚染しうるポリマーの堆積の可能性が増える。

したがって、ホットエッジリング４２又は他の周辺リングと突き出した基板エッジとの間の垂直ギャップ３０'を減少させることが望ましいであろう。

発明の概要
本発明は、基板支持体を囲むリングと基板との間のギャップの調節のための装置に関する。

発明の第１の側面は、プラズマ処理装置に係り、処理チャンバと、基板を処理するために前記処理チャンバ内部のプロセスガスにエネルギーを与えてプラズマ状態にする電源と、前記処理チャンバ内部の基板を支持する基板支持体であって、上面を有する基板支持体と、前記基板支持体を囲む上部リングであって、基板が前記基板支持体上に配置されるときに前記基板の下に延びる部分を有する上部リングと、前記基板支持体を囲む結合リングであって、前記結合リングの高さを調節し前記上部リングと前記基板との間のギャップを調節するために、第２のリングに対して回転可能な第１のリングを有することを特徴とする。

発明の別の側面は、プラズマ処理装置に係り、処理チャンバと、基板を処理するために前記処理チャンバ内部のプロセスガスにエネルギーを与えてプラズマ状態にする処理ガスと、前記処理チャンバ内部の基板を支持する基板支持体であって、上面を有する基板支持体と、前記基板支持体を囲む上部リングであって、基板が前記基板支持体上に配置されるときに前記基板の下に延びる部分を有する上部リングと、前記基板支持体を囲む結合リングであって、前記結合リングの高さを調節し前記上部リングと前記基板との間のギャップを調節するために、第２のリングに対して回転可能な第１のリングを有することを特徴とする。

発明の更なる側面は、プラズマ処理システム中の基板支持体上のポリマーの堆積を減少させる方法に係り、プラズマ処理装置中の基板と周辺リングとの間のギャップを調節するための調整機構を準備する工程と、前記調整機構の第２のリングに対して第１のリングを回転させることによって前記基板と前記周辺リングとの間のギャップを調節する工程と、を含むことを特徴とする方法。

本発明は、添付図面中に図示された好適な実施形態を参照してより詳細に説明される。添付図面中では、同様の構成要素には同様の参照数字が付されている。
本発明の詳細な説明
本発明の一実施形態に係る真空処理チャンバのための基板支持体の部分は図４に示される。図１に示される基板支持体１００は、静電チャック１０２、フォーカスリング１０４、結合リング１０６及びホットエッジリング１０８を含む。

プラズマ処理技術に詳しい者によく知られているように、フォーカスリング１０４、結合リング１０６及びホットエッジリング１０８を含んだ、静電チャックを囲むリングは、特に、基板のエッジでのプロセス均一性を改善するために、基板の表面上にＲＦ誘起されたプラズマ領域からイオンを集めるのに役立つ。これは、ＲＦパワーが基板保持チャック１０２に供給されると、基板及び下部電極の上方に等電位の電界ライン（equipotential field lines）が作られるからである。これらの電界ラインは、ＲＦサイクル中に固定されずに変化する。時間平均された電界は、プラズマの大部分を正にし、基板及び静電チャックの表面を負にする。幾何学な要因により、電界ラインは、基板のエッジでは均一ではない。フォーカスリング、結合リング及びホットエッジリングは、プラズマとパワーが供給された電極（例えば、ＲＦパワーが与えられるチャック）との間でコンデンサーの役割を果たすことによって、基板を通して表面を覆うプラズマにＲＦ結合の大部分を向けるのに役立つ。

ホットエッジリング１０８は、調整可能なＲＦ結合リング１０６の上に被せられる。ホットエッジリング１０８は、静電チャック１０２を囲む犠牲エッジリング（sacrificial edge ring）である。ホットエッジリング１０８は、基板処理中に熱くなりやすい取替え可能な部品であるため、ホットエッジリングと呼ぶ。ホットエッジリング１０８は、ＳｉＣ、シリコン等の伝導性の電極材料又は石英等の誘電体材料から作られうる。エッジリング材料を変更することによって、プラズマを通した結合の度合は、処理基板の外側部分において所望の局所的な「エッジ」エッチング速度を提供するように調整されうる。ＳｉＣは、より低い容量性インピーダンスを有し、シリコンよりも速いエッジエッチング速度を一般に作り出す。石英及び他の誘電体は、エッジエッチング速度に対する影響がより少ない。

図６で示されるように、説明した実施形態では、ギャップ１３０は、基板Ｓの突出したエッジとシリコンホットエッジリング１０８との間に形成される。ギャップ１３０は、調整可能なＲＦ結合リング１０６によって制御される垂直方向の大きさｄを有する。調整可能なＲＦ結合リング１０６は、シリコンホットエッジリング１０８を必要に応じて垂直方向に移動させることによって、ギャップの垂直方向の大きさｄを制御することができる。図１及び図６で示されるように、垂直方向とは、Ｙ軸と実質的に平行な任意の方向であることに留意されたい。

本発明の一実施形態によれば、調整可能なＲＦ結合リング１０６は、シリコンホットエッジリング１０８を移動可能に支持する。調整可能なＲＦ結合リング１０６は、ギャップ距離ｄを特定の範囲内で制御する能力に加えて、シリコンホットエッジリング１０８を機械的に支持することができる。本発明の１つの側面では、調整可能なＲＦ結合リング１０６は、約０.５ミル〜６ミル未満の範囲に及ぶ関連ギャップ距離（associated gap distance）ｄを有するギャップを形成することができる。

説明した実施形態では、調整可能なＲＦ結合リング１０６は、図５で示される２つのリング１１０、１１２を含む。第１のリング１１０又は上部リングは、リングのＹ軸と平行な方向に、リングから延びる３つの突起部１１４を含む。第２のリング１１２又は下部リングは、リングの円周を囲むように３セットの複数の段階的なステップ１１６を含む。第２のリング１１２に対する第１のリング１１０の右回りの回転は、結合リング１０６の垂直方向の高さ全体を減少させて、基板とホットエッジリング１０８との間のギャップを調節する。

説明した実施形態では、調整可能な結合リング１０６は、約０.０００１−０.０１インチ、好適には約０.００１インチで高さが増加して変化する段階的なステップ１１６を含む。図示した実施形態では、３セットのステップの各々が６つの段階的なステップ１１６を含んでいるが、調節量や所望の調整目盛（amount of adjustment and graduation of adjustment desired）に応じて、他のステップ数が用いられてもよい。別の実施形態によれば、１２の調節高さのために１２段階のステップ１１６が設けられる。

説明した実施形態では、調整可能な結合リング１０６の上部リング１１０は、３セットの複数の段階的なステップのうちの１つにおける、全てのステップ１１６の高さの合計とほぼ等しい高さを有する突起部１１４を含む。好ましい実施形態では、突起部１１４は、約０.０１２インチの高さを有する。説明した実施形態では、調整可能な結合リング１０６は、石英から作られうる。

本発明に係る調整可能なＲＦ結合リング１０６によって、複数の各ステップで基板Ｓとホットエッジリング１０８との間のギャップ１３０の正確な調節が可能となる。結合リング１０６によって、オペレーターは、基板処理中又は真空処理チャンバのセット・アップ中に、いつでも結合リングを再調整することができる。ＲＦ結合リング１０６はまた、ホットエッジリング１０８が基板の全ての側面に均等に調整され、結合リングの上面が実質的に水平に保たれることを保証する。

調整可能なＲＦ結合リング１０６は、新しい真空処理チャンバに設置されるか又は既存の真空処理チャンバを改造するために使用されて、ホットエッジリング１０８の調節機能を提供する。

調整可能なＲＦ結合リング１０６を設置及び調節する工程は、以下のように簡単に実行される。上を向いた段階的な複数のステップ１１６を有する結合リング１０６の下部リング１１２が、静電チャック１０２のステップ上に配置される。次いで、段階的なステップの中で最も高いステップの上に各々位置合わせされた３つの突起部１１４を有する上部リング１１０が、下部リング１１２の上に置かれる。次いで、ホットエッジリング１０８が、組み立てられた結合リング１０６上に置かれ、ギャップが測定装置を用いて測定される。測定装置の一例は、基板保持チャック１０２上に配置され、チャックの上部からホットエッジリング１０８のエッジのトップまでの垂直距離を測定する垂直マウントダイヤル・インジケータ（vertical mount dial indicator）である。好適には、ギャップ１３０は、静電チャックの周りに９０度間隔で測定される。測定は、ホットエッジリング１０８上の静電チャック１０２に近い位置で行われる。ホットエッジリングの劣化又は消耗のため、基板のエッジのすぐ外側にある、ホットエッジリング１０８のチャック１０２に最も近い領域は、ホットエッジリング溝の中で最も高い位置にあるべきである。測定は、ホットエッジリング１０８が静電チャック１０２よりも高く、ホットエッジリングが下方へ調節される必要があることを一般に示す。次いで、ホットエッジリング１０８が取り除かれる。次いで、結合リング１０６が、上部リング１１０を右回りに回転させて、その結果、結合リングの高さが減少することによって調整される。次いで、ホットエッジリング１８が交換され、最小のギャップ距離ｄが得られるまで、調節が繰り返される。

本発明の好適な一実施形態によれば、結合リング１０６のリング１１０及び１１２は、半径方向に位置合わせされた位置でリングをロックするロック機構（不図示）を含む。ロッキング機構の一例は、下部結合リング１１２の各ステップ上の溝に連結する上部リング１１０上の移動止め（detent）を含む。

特定のシステムでは、フォーカスリング１０４、結合リング１０６及びホットエッジリング１０８の特定の形状が、チャック１０２、基板及び／又は他の構成に応じて変わり得ることを認識すべきである。したがって、図４−６のチャックを囲むリングの正確な形状は、図示を目的として示されたものであり、如何なる方法でも制限されない。本発明は、ホットエッジリングを調節するように構成された結合リングを用いて説明したが、他のリングも結合リングを用いて調節されうる。

本発明は、その好適な実施形態を参照して詳細に説明したが、当業者であれば、本発明から逸脱しない限り、様々な変形や改良がなされ、均等物が用いられうることは明らかであろう。

図１は、真空処理チャンバの断面図である。 図２は、静電チャック及び周辺リングを示す図１を部分的に拡大した断面図である。 図３は、図２の部分Ａを拡大した断面図である。 図４は、調整可能な結合リングを含む本発明に係る真空処理チャンバを部分的に拡大した断面図である。 図５は、図４の調整可能な結合リングの各部の外観図である。 図６は、フォーカスリングと基板との間のギャップを示す静電チャック及びフォーカスリングの部分を拡大した断面図である。

Claims (18)

1. 処理チャンバと、
   基板を処理するために前記処理チャンバ内部のプロセスガスにエネルギーを与えてプラズマ状態にする電源と、
   前記処理チャンバ内で基板を支持する基板支持体であって、上面を有する基板支持体と、
   前記基板支持体を囲む上部リングであって、基板が前記基板支持体上に配置されるときに前記基板の下に延びる部分を有する上部リングと、
   前記基板支持体を囲む結合リングであって、前記結合リングの高さを調節し前記上部リングと前記基板との間のギャップを調節するために、第２のリングに対して回転可能な第１のリングを有し、
   前記結合リングは、
   前記リングの軸に平行な方向に前記リングから延びる少なくとも３つの突起部を有する第１のリングと、
   前記少なくとも３つの突起部の各々を受けるように構成された少なくとも３セットの複数のステップを有する第２のリングと、
   を備え、前記第１、第２のリングの厚さの合計は、前記第２のリングに対する前記第１のリングの回転によって調整可能であることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記結合リングは、前記上部リングの下に配置され、前記基板の下面と前記第２のリングに対する前記第１のリングの回転によって前記基板の下に延びる前記上部リングの前記部分の上面との間の距離を調節するように動作することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記上部リングは、ホットエッジリングであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記第２のリングは、複数の階段状の表面を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記ステップは、それぞれ約０.００１インチの高さを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記基板支持体は、静電チャックを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. プラズマ処理装置中の基板と周辺リングとの間のギャップを調節するための調整機構であって、
   第１のリングであって、前記第１のリングの軸に平行な方向に前記第１のリングから延びる少なくとも３つの突起部を有する第１のリングと、
   前記少なくとも３つの突起部の各々を受けるように構成された少なくとも３セットの複数のステップを有する第２のリングと、
   を備え、
   前記第１、第２のリングの厚さの合計は、前記第２のリングに対する前記第１のリングの回転によって調整可能であり、前記第１のリングの前記３つの突起部は、前記第２のリング上の３つのステップから前記第２のリング上の他の３つのステップに垂直的に移動することを特徴とする調整機構。
8. 前記ステップは、それぞれ約０.００１インチの高さを有することを特徴とする請求項７に記載の調整機構。
9. プラズマ処理システム中の基板支持体上のポリマーの堆積を減少させる方法であって、
   プラズマ処理装置中の基板と前記周辺リングとの間のギャップを調節するための請求項７に記載の前記調整機構を準備する工程と、
   前記調整機構の前記第２のリングに対して前記第１のリングを回転させることによって前記基板と前記周辺リングとの間の前記ギャップを調節する工程と、
   を含むことを特徴とする方法。
10. 前記周辺リングは、ホットエッジリングであることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記調整機構は、フォーカスリングと前記ホットエッジリングとの間に配置されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１、第２のリングは、石英から作られていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
13. 前記第１、第２のリングは、石英から作られていることを特徴とする請求項７に記載の調整機構。
14. 前記基板支持体は、ＲＦパワーが供給されるチャックを備え、
    前記上部リング及び前記結合リングは、前記基板が前記基板支持体上に配置されたときに、前記装置内に生成されたプラズマに前記基板を通してＲＦ結合を向けるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
15. 前記第２のリングのステップの各セットが段階的なステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
16. 前記第１のリングは、前記第２のリングと接触していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
17. 前記第１のリングは、一定の高さの突起部を有し、
    前記第２のリングは、高さが段階的に変化するステップを有することを特徴とする請求項７に記載の調整機構。
18. 前記第１のリングは、前記第２のリングと接触していることを特徴とする請求項７に記載の調整機構。

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