JP4913313B2 - エッジリングクランピングアセンブリ、プラズマ反応チャンバ、及び半導体基板を処理する方法 - Google Patents

エッジリングクランピングアセンブリ、プラズマ反応チャンバ、及び半導体基板を処理する方法 Download PDF

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Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、プラズマ処理用に改良された装置及び方法に関し、特に、半導体基板をエッチングするプラズマ用に改良された装置及び方法に関する。
発明の背景
半導体処理の分野では、真空チャンバにエッチングガス又はデポジションガスを供給し、このガスにＲＦ電界を加えてガスにエネルギを与えてプラズマ状態にすることによって、基板上の材料をエッチングしたり、化学気相成長（ＣＶＤ）をするために、真空処理チャンバが一般的に用いられる。平行平板の例としては、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）とも呼ばれる変圧器結合プラズマ（ＴＣＰ（登録商標））、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）リアクタ、及びこれらの構成要素が、本願と同じ出願人による U.S. Patent Nos.4,340,462、4,948,458、5,200,232、及び 5,820,723 に開示されている。U.S. Patent No.4,793,975 も平行平板プラズマリアクタを開示している。
【０００２】
半導体基板の処理中では、基板は、機械的なクランプ及び静電気的なクランプ（ＥＳＣ）によって、真空チャンバ内の基板ホルダ上の所定位置に、一般的に保持される。このようなクランピングシステム及びその構成要素の例としては、本願と同じ出願人による U.S. Patent Nos. 5,262,029 及び 5,838,529 がある。単極チャックの例としては、U.S. Patent No. 4,665,463 があり、複極チャックの例としては、U.S. Patent Nos. 4,692,836 及び U.S. Patent Nos. 5,055,964 がある。基板を冷却するためには、ヘリウム等の冷却ガスが基板の裏面に供給されうる。このような冷却の例としては、U.S. Patent Nos. 5,160,152、5,238,499、5,350,479、及び 5,534,816 がある。
【０００３】
基板支持体は、ウエハ上方の領域にプラズマを閉じ込め、及び／又は、プラズマによる侵食からＥＳＣを保護するために、基板の周囲に消耗（犠牲）エッジリングを含むことができる。例えば、エッジリング機構が、本願と同じ出願人による U.S. Patent Nos. 5,805,408、5,998,932、及び 6,013,984 に記載されている。他のエッジリング機構の他の例としては、U.S. Patent Nos. 5,494,523、5,986,874、6,022,809、6,096,161、及び 6,117,349 がある。
【０００４】
犠牲リングがウエハを取り囲むプラズマ処理機構では、リングと基板支持体の下にある部分との間の熱的接触を改善することが望ましい。熱結合を改善することによって、リングの温度制御の改善が実現され、リングとウエハとの間に必要とされる間隙が小さくなりうる。また、ウエハの端部付近におけるプラズマの均一性を改善するために、ウエハ上方の領域におけるベースプレートからプラズマまでのＲＦインピーダンス経路が、エッジリングの領域におけるベースプレートからプラズマまでのＲＦインピーダンス経路とより近く一致することが望ましい。
発明の要約
本発明は、プラズマ反応チャンバ内で基板支持体を取り囲むように構成された結合リングアセンブリを提供するものである。結合リングアセンブリは、環状の支持面を有する部材と、支持面上にある静電チャックと、を備える。
【０００５】
本発明は、また、処理すべきウエハをその上に搭載可能なウエハ支持体と、処理中にその上でエッジリングを支持可能な静電エッジリングチャックと、を備えるプラズマ反応チャンバを提供するものである。好適な実施の形態に係るプラズマ反応チャンバにおいては、基板支持体は、その上面に静電ウエハチャックを有するベースプレートを備える。他の好適な実施の形態に係るプラズマ反応チャンバにおいては、エッジリングチャックは、結合リングアセンブリの一部である。
【０００６】
本発明は、また、プラズマチャンバ内のウエハ等の半導体基板を処理する方法を提供するものであり、このプラズマチャンバは、基板支持体と、基板支持体の上面の上の静電ウエハチャックと、その上にエッジリングを支持可能な静電エッジリングチャックと、を備える。好適な実施の形態によれば、この方法は、ウエハをウエハチャックに静電気的にクランプする工程と、エッジリングをエッジリングチャックに静電気的にクランプする工程と、プラズマチャンバの内部にプロセスガスを供給する工程と、このプロセスガスにエネルギを加えてプラズマ状態にする工程と、このプラズマを用いてウエハを処理する工程と、を含む。
好適な実施の形態の説明
本発明は、プラズマリアクタ用に改良された基板支持機構であって、シリコンウエハ等の半導体基板を取り囲む犠牲エッジリングを提供するものである。この機構では、エッジリングは、下にある基板支持体上に単に置かれているだけであ、重力及び／又は基板支持体との摩擦接触によって所定位置に保持されており、このリングは、基板のプラズマ処理中に非常に高温になりうる。基板がエッジリングの一部の上に位置する場合には、プラズマ処理中のエッジリングの熱膨張によって、高温のエッジリングが基板を基板支持体から持ち上げてしまわないように、エッジリングと基板との間に十分な間隙を与えることが必要となる。基板にＲＦバイアスを供給する電動電極を備える基板支持体に、基板を固定させる静電チャックが用いられる場合には、電動電極からＥＳＣ及び基板を通ってプラズマまでのＲＦインピーダンス経路が、電動電極の外側部分からエッジリングを通ってプラズマまでのＲＦインピーダンス経路と異なる場合があり、これによって、基板のエッジで不均一なプラズマ密度が生じうる。本発明は、基板支持体に対するエッジリングの熱結合を改善する静電エッジリングチャックを提供することによって、このような問題を解決するものである。更に、本発明に係るエッジリングチャック及びエッジリング用の材料を選択することによって、ＲＦインピーダンス経路マッチングが改善される結果、基板全体にわたってより均一なプラズマ密度を提供することが可能である。
【０００７】
図１は、本発明の一実施形態に係る平行平板プラズマ反応チャンバ１０を示す図である。この装置は、上部電極１１と下部電極アセンブリ１２とを備える。下部電極アセンブリは、ベースプレート１３と、その上面に搭載された静電ウエハチャック１４と、を備える。結合リング１５は、ベースプレートのフランジ１６上に置かれる。結合リング１５は、その上面の上に搭載されたエッジリングチャック１７を有する。エッジリング１８は、エッジリングチャック１７の露出した上面の上に支持される。ウエハ１９は、ウエハチャック及びエッジリング１８の内面と重なり合うようにウエハチャック１４の上に搭載される。ウエハ１９は、ウエハチャック１４のエッジのプラズマ中のイオンへの露出が減少するように、ウエハチャックのエッジと重なり合う。ウエハチャック１４のエッジのプラズマへの露出は、侵食の原因となり、それによってチャック１４の寿命を減らすことになりうる。エッジリング１８は、プラズマ中のイオンからウエハチャック１４のエッジを更に保護するため、ウエハチャック１４を取り囲む。エッジリング１８は、消耗品又は交換可能な部品である。ウエハ１９は、ウエハチャック１４にかぶさっており、エッジリング１８の一部は、ウエハ１９のエッジの下に延びている。典型的には、ウエハ１９は、ウエハチャック１４のエッジを１〜２ｍｍかぶさる。ウエハチャック１４の保護をより強化するため、エッジリング１８の上部は、ウエハ１９の下側にできるだけ近く配置される。処理中にエッジリングが膨張するため、ウエハの下側とエッジリングとの間には間隙が必要とされる。エッジリングがウエハ裏面に接近し過ぎると、処理中にエッジリングの熱膨張によって、ウエハが外れて、処理が中止しうる。
【０００８】
図２は、図１の下部電極アセンブリ１２の拡大図である。ウエハ１９は、エッジリング１８と重なり合って、ウエハ裏面とエッジリング１８との間にギャップ又は間隙を形成するように図示されている。エッジリング１８の内側のエッジは、ウエハチャック１４の外端と接しているため、ウエハ１９に対して所望の位置でエッジリング１８を保持する。図に示すように、エッジリング１８は、結合リング１５と、その上面に固定された静電エッジリングチャック１７と、を備える結合リングアセンブリ上に置かれている。エッジリングチャック１７は、結合リング１５の全体にわたって延びることができるか、或いは、エッジリングチャック１７は、結合リング１５の上面の窪みに配置されうる。結合リング１５は、複数のボルト２４のような機械的取り付け又は接着取り付けを用いるか、或いは、用いないで、ベースプレート１３上に支持されうる。エッジリングチャック１７は、ボルト２４の１つの通路を通して延びるリード線２８を用いて、ＤＣ電源２６のような適切な電源構成によって、ＤＣ電力が供給されうる。エッジリング１５とベースプレート１３との間の熱の移動を改善するため、ガス供給源３０からヘリウム又はプロセスガスなどの伝熱ガスが、結合リング１５とベースプレート１３との間、及び／又は、エッジリングチャック１７とエッジリング１８との間の境界面に、ガス通路３２を介して供給されうる。ガス通路３２は、例えば、ボルト２８の通路を通して延びるなどのように、ベースプレート１３の周りに空いたスペースの１つ又は複数の位置で、ベースプレート１３及び結合リング１５を通して延びることができる。エッジリングチャック１７は、単極又は複極であってもよい。
【０００９】
図３〜図５は、本発明の様々な他の実施形態を示す図であり、エッジリングチャックが、結合リング上ではなくベースプレート上に搭載される。図３に示すように、エッジリングチャックはベースプレート３２上に支持され、ウエハチャック３６はウエハ３８を支持する。熱の移動を促進するために、ガス供給源３０は、ガス通路３２を通してエッジリングチャック３４とエッジリング３０との間の境界面に、伝熱ガスを供給することができる。
【００１０】
図４は、一体型（ワンピース）ウエハ及びエッジリングチャックを備える本発明のプラズマチャンバの他の実施形態を示す図である。図に示すように、一体型ウエハ／エッジリングチャック４０の上面の周辺部には、窪みが設けられており、これによって、チャックの中央部に搭載されたウエハ４２が、チャックの周辺部に搭載されたエッジリング４４と重なり合うことができる。エッジリングチャックの電極は、図に示すようにＤＣ電源４６によって電力が供給される。チャックのエッジリング部の内部電極（単極）又は複数の電極（複極）は、チャックのウエハ部の内部電極又は複数の電極から電気的に絶縁されていることが望ましい。
【００１１】
図５は、本発明に係るプラズマチャンバの他の実施形態を示す図であり、エッジリングの上面及びウエハチャック５０、５２がほぼ共面にあるように、エッジリングチャック５０及びウエハチャック５２がベースプレート５４上に直接搭載される。ベースプレート５４上の溝５６は、エッジリング５０とウエハチャック５２とを分離する。エッジリング５８は、ベースプレート５６の溝と半径方向に延びる部分６２とを連結するように構成された軸方向に延びる部分６０を有する。半径方向に延びる部分６２の下面は、エッジリングチャック５０上に置かれる。エッジリング６０の軸方向に延びる部分は、処理中にエッジリングの膨張を許容する大きさに作られる。エッジリングの軸方向及び半径方向に延びる部分６０、６２は、ウエハ６６がエッジリング５８の内面と重なり合うことを許容するように構成された遷移部６４によって接続される。他の実施形態と同様に、エッジリング５８の下面には、伝熱ガス６８が供給される。エッジリング６０の軸方向に延びる部分とベースプレート５６の溝との間の境界面には、ベースプレートとエッジリングとの熱結合を更に改善するために、伝熱ガスが供給されてもよい。
【００１２】
より優れたエッジリングの温度制御によって、多数のプロセス上の利点が得られる。第一に、エッジリングの温度制御によって、エッジリングの熱膨張を低減し、エッジリングの上部とウエハの下面との間の小さな間隙が可能となる。例えば、エッジリングが、下にある結合リング又は基板支持体上に単に置かれただけの場合では、ウエハ裏面とエッジリングとの間の間隙は、典型的には０．００５又は０、００６インチの範囲にある。しかしながら、静電気的にクランプされるエッジリングを用いると、この間隙は０、００２〜０、００３インチにまで減少されうる。エッジリングとウエハとの間の間隙を減少させることによって、ウエハチャックのエッジが、プラズマによる侵食からより強く保護される。さらに、プラズマ処理中に生じたパーティクルがチャックのエッジに堆積しにくくなる。パーティクルの堆積は、ウエハがウエハチャックと均一に接触する妨げとなるため、クランプ能力が減少してしまう。エッジリングの温度を減少させることによっても、プラズマ中のイオンとエッジリング材料との化学反応の速度がより低温ではより低下するため、エッジリングの寿命を延ばすことができる。
【００１３】
エッジリングをクランプするために静電チャックを用いることによっても、ウエハのエッチング特性が改善されうる。エッチング均一性の改善は、ウエハ及びエッジリングを通るＲＦインピーダンス経路のマッチングだけでなく、ウエハ及びエッジリングの温度のマッチングにも原因する。第一に、ウエハ及びエッジリングの処理中の温度が同様であれば、ウエハのエッジ付近のエッチング特性はよりう均一になりうる。第二に、ウエハチャックと同じ材料で作られたエッジリングチャックを用いることによって、ＲＦを動力とするベースプレートから高温のエッジリングまでのインピーダンス経路は、ＲＦを動力とするベースプレートからウエハまでのインピーダンス経路に、より近くなりうる。これは、ウエハ及びエッジリングが同じ材料（例えば、シリコン）で作られる場合に、特に当てはまる。ウエハ及びエッジリング表面付近のプラズマ領域の電流密度は、これらの表面のＲＦインピーダンスによって影響される。エッジリング及びウエハのＲＦインピーダンスをマッチングすることによって、プラズマからウエハ表面への電流の流れがウエハのエッジ付近でより均一になりうるため、プラズマの均一性及びリアクタのエッチング特性が向上する。
【００１４】
静電気的にエッジリングをクランプすることによって、また、接着又は機械的な締め付け等の他のエッジリングの固定方法と比べた場合に、結果として、プラズマ処理装置の動作コストの低減がもたらされる。例えば、エッジリングを他の部材と接着させる必要がないため、消耗エッジリングのコストが低減されうる。また、静電気的なクランピングによって、エッジリングは、装置を動作させる前に、独立した工程で被覆される露出したネジ頭を持つこともない。
【００１５】
エッジリングは、特に限定しないが、シリコン（silicon）、窒化シリコン（silicon nitride）、ＳｉＣ（silicon carbide）、窒化アルミニウム（aluminum nitride）を含む任意の導電性材料で作られてもよい。エッジリングの材料は、ＲＦ結合の均一性を改善するため、ウエハの材料と同じであるのが好ましい。
【００１６】
エッジリングチャックは、陽極酸化アルミニウム（anodized aluminum）、ポリイミド（polyimide）、及びセラミック材料を含む従来の静電ウエハチャックに用いられるような任意の適切な材料で作られてもよい。エッジリングチャックは、アルミナ（alumina）又は窒化アルミニウム（aluminum nitride）のようなセラミック材料で作られるのが好ましい。エッジリングチャックの１又は複数の電極は、任意の適切な導電性材料で作られてもよい。焼結セラミック（sintered ceramic）チャックを用いると、電極は、シンタリング中に生じる高温に耐えうるタングステン（tungsten）又はモリブデン（molybdenum）のような耐熱金属で作られるのが好ましい。エッジリングチャックは、２つのセラミック基板（ceramic green sheets）の間の耐熱金属電極（タングステンインク）をはさんで、焼結構造を形成するために加熱するようなシンタリング処理によって作られてもよい。エッジリングチャックは、クーロン（完全に絶縁性の）又はジョンソン−ラーベック型（半導体の）であってもよい。
【００１７】
エッジリングチャックは、ウエハチャックを固定するための従来から知られている任意の方法及び材料を用いて、結合リング又は基板支持体に固定されうる。エッジリングチャックは、例えば、シリコーン接着剤のような高温ポリマー接着剤を用いて固定されてもよい。
【００１８】
本発明は、その好適な実施の形態と関連して説明されたが、当業者であれば、特に示していないが、特許請求の範囲で定められた発明の思想及び範囲から逸脱しない限り、追加、削除、変更、及び置換が可能であることを理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る平行平板プラズマ処理装置の部分図である。
【図２】 本発明の一実施形態に係る結合リング上に搭載されるエッジリングチャックを備えるプラズマチャンバの部分図である。
【図３】 本発明の他の実施形態に係るベースプレート上に搭載されるエッジリングチャックを備えるプラズマチャンバの部分図である。
【図４】 ベースプレート上に搭載される一体型エッジリング／ウエハチャックを備える本発明に係るプラズマチャンバの部分図である。
【図５】 ウエハとエッジリングチャックとの間のベースプレートの溝に収まるように構成されたエッジリングを備える本発明の他の実施の形態に係るプラズマチャンバの部分図である。

Claims (30)

  1. プラズマ反応チャンバ内で基板支持体を取り囲むように構成されたエッジリングクランピングアセンブリであって、
    環状の支持面を有する部材と、
    前記環状支持面上の静電エッジリングチャックと、
    前記基板支持体上に配置された基板の下面とエッジリングの上面との間に間隙を提供するように寸法付けられた、前記静電エッジリングチャック上のエッジリングと、を備え、
    前記エッジリングチャックの外側のエッジと前記エッジリングの外側のエッジと、は垂直方向に一直線となるように並べられる、
    ことを特徴とするエッジリングクランピングアセンブリ。
  2. 前記静電エッジリングチャックは、１つ又は複数の埋込み電極を含むセラミック体を含むことを特徴とする請求項１に記載のエッジリングクランピングアセンブリ。
  3. 前記静電エッジリングチャックは、接着剤で前記支持面に接着されていることを特徴とする請求項１に記載のエッジリングクランピングアセンブリ。
  4. 前記部材及び前記静電エッジリングチャックを通って延びる少なくとも１つのガス通路を更に備え、
    前記ガス通路は、前記静電エッジリングチャックの露出面に伝熱ガスを供給するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のエッジリングクランピングアセンブリ。
  5. 前記静電エッジリングチャックは、バイポーラチャックを含むことを特徴とする請求項１に記載のエッジリングクランピングアセンブリ。
  6. プラズマ反応チャンバであって、
    前記プラズマ反応チャンバ内で基板支持体を取り囲むように構成されたエッジリングクランピングアセンブリを備え、
    前記エッジリングクランピングアセンブリは、
    環状支持面を有する部材と、
    前記環状支持面上の静電エッジリングチャックと、
    前記基板支持体上に配置されたウエハの下面とエッジリングの上面との間に間隙を提供するように寸法付けられた前記エッジリングチャック上のエッジリングと、を備え、
    前記エッジリングチャックの外側のエッジと前記エッジリングの外側のエッジと、は垂直方向に一直線となるように並べられる、
    ことを特徴とするプラズマ反応チャンバ。
  7. 前記基板支持体はベースプレートを備え、前記ベースプレートは、その上面に静電ウエハチャックを有することを特徴とする請求項６に記載のプラズマ反応チャンバ。
  8. 前記部材の下面は前記基板支持体の上面に接触することを特徴とする請求項６に記載のプラズマ反応チャンバ。
  9. 前記ウエハチャックの上面は、前記エッジリングチャックの上面よりも高いことを特徴とする請求項７に記載のプラズマ反応チャンバ。
  10. 前記ウエハチャックとエッジリングチャックとの間の前記ベースプレートに溝を備えることを特徴とする請求項７に記載のプラズマ反応チャンバ。
  11. 前記エッジリングは、導電性材料を含むことを特徴とする請求項６に記載のプラズマ反応チャンバ。
  12. 前記エッジリングは、シリコンを含むことを特徴とする請求項１１に記載のプラズマ反応チャンバ。
  13. 前記エッジリングは、その上面の内側のエッジに窪みを有し、前記窪みは、前記ウエハチャックに搭載されたウエハの下に嵌められるように構成されていることを特徴とする請求項７に記載のプラズマ反応チャンバ。
  14. 前記ベースプレートは、導電性材料を含むことを特徴とする請求項７に記載のプラズマ反応チャンバ。
  15. 前記ベースプレートは、ＲＦ駆動される電極であることを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ反応チャンバ。
  16. 前記プラズマ反応チャンバは、前記ベースプレートに対向する上部電極を有する平行平板リアクタを含むことを特徴とする請求項１５に記載のプラズマ反応チャンバ。
  17. ウエハの外端が、前記ウエハの下面と前記エッジリングの上面との間に前記間隙をもって前記エッジリングにかぶさるように前記ウエハチャック上に搭載されるウエハを含むことを特徴とする請求項１６に記載のプラズマ反応チャンバ。
  18. 前記ウエハは、前記エッジリングの内側のエッジにかぶさることを特徴とする請求項１７に記載のプラズマ反応チャンバ。
  19. 前記間隙は、最大で約０．００５０８〜約０．００７６２ｃｍ（約０．００２〜約０．００３インチ）の間隔を有することを特徴とする請求項１７に記載のプラズマ反応チャンバ。
  20. 前記エッジリングクランピングアセンブリは、前記基板支持体にボルト締め又はネジ止めされていることを特徴とする請求項６に記載のプラズマ反応チャンバ。
  21. 当該プラズマ反応チャンバは、半導体エッチング装置であることを特徴とする請求項６に記載のプラズマ反応チャンバ。
  22. 請求項７に記載のプラズマ反応チャンバで半導体基板を処理する方法であって、
    ウエハを前記ウエハチャックに静電気的にクランプする工程と、
    前記エッジリングチャックに前記エッジリングを静電気的にクランプする工程と、
    前記プラズマ反応チャンバの内側にプロセスガスを供給する工程と、
    前記プロセスガスにエネルギを与えてプラズマ状態にする工程と、
    前記プラズマを用いて前記ウエハを処理する工程と、
    を含むことを特徴とする方法。
  23. 前記エッジリングの対向面と前記環状支持面との間に伝熱ガスを供給することによって、前記エッジリングの温度を調節する工程を更に含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
  24. 前記静電エッジリングチャックは、前記基板支持体上に搭載されたセラミック体の外側部分を含み、
    前記セラミック体は、前記静電エッジチングチャックの径方向内側に配置された静電基板チャックを含むことを特徴とする請求項１に記載のエッジリングクランピングアセンブリ。
  25. 溝が前記環状支持面に配置され、前記溝は、前記静電エッジリングチャック上にクランプされた前記エッジリングの延長部分を受け入れるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のエッジリングクランピングアセンブリ。
  26. 前記基板支持体は、環状フランジを含み、
    前記部材は、前記環状フランジ上に搭載された結合リングであることを特徴とする請求項６に記載のプラズマ反応チャンバ。
  27. 前記部材は結合リングである、
    ことを特徴とする請求項１に記載のエッジリングクランピングアセンブリ。
  28. 前記部材はベースプレートである、
    ことを特徴とする請求項１に記載のエッジリングクランピングアセンブリ。
  29. 前記部材は結合リングである、
    ことを特徴とする請求項６に記載のプラズマ反応チャンバ。
  30. 前記部材はベースプレートである、
    ことを特徴とする請求項６に記載のプラズマ反応チャンバ。
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