JP2001504160A - 基板ホルダ上へのポリマーの堆積を削減する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 半導体ウエハのような処理基板を処理するプラズマ処理システムにおいて、ポリマーの堆積が、プラズマ処理チャンバ内の焦点リング（１６）と静電チャック（１４）の間の部位（３０）で発生しリングとチャックの間隙で堆積するので、これを防止するために、一連のチャネルを介して基板保持体の外面とこれを取り囲む焦点リングの内面との間で形成される環状間隙に間隙ガスを分配する。このように環状間隙に分配された間隙ガスは処理動作を障害を与えないヘリウムが好ましい。プラズマエッチングの場合には、間隙ガスの流量はこのエッチングの際の縁部への影響を及ぼさない程度の流量に設定される。

Description

【発明の詳細な説明】 基板ホルダ上へのポリマーの堆積を削減する装置発明の分野 本発明は、プラズマ処理チャンバ内におけるポリマーの蓄積を削減する装置と 方法に係り、特に、基板ホルダの露出面にポリマーが堆積することを防止するた めに基板ホルダの間隙を埋めるガス（以下、間隙ガスとも言う）を導入するもの である。発明の背景 真空処理チャンバは、一般に、化学的蒸着（ＣＶＤ）するために用いられ、真 空処理チャンバ中にガスを供給しＲＦ場をガスに与えることで基板上の材料のエ ッチング処理を行なうために使用される。並列プレート、変圧器結合プラズマ、 誘導結合プラズマ(商標ＴＣＰまたはＩＣＰとも呼ばれる)、電子サイクロトロン 共鳴（ＥＣＲ）リアクタの例については、本件と出願人が一部共通の米国特許第 ４，３４０，４６２号、４，９４８，４５８号、及び、５，２００，２３２号に 開示されている。基板は、真空チャンバ内の所定場所に基板ホルダにより保持さ れる。従来型の基板ホルダは機械式クランプ及び静電クランプ（ＥＳＣ）を有す る。機械式クランプ及びＥＳＣ基板ホルダの例は、本件と出願人が一部共通の米 国特許第５，２６２，０２９号、及び、１９９５年３月１０日付けで提出された 本件と出願人が一部共通の米国出願第０８／４０１，５２４号に適用されている 。米国特許第４，５７９，６１８号に開示されている電極形式の基板ホルダは、 高周波（ＲＦ）パワーをチャンバに供給することができることが、米国特許第４ ，５７９，６１８号に開示されている。 酸化物エッチング処理によりエッチングされる基板は、一般的には、下層とエ ッチングされるべき酸化層とこの酸化層の上に形成されるフォトレジスト層を含 む。酸化層は、ＳｉＯ₂、ＢＰＳＧ、ＰＳＧのいずれかか、他の酸化物材料であ ろう。下層は、Ｓｉ、ＴｉＮ、シリサイドか、他の下層か基板素材であろう。基 板の処理中において、歓迎されないポリマーの堆積が、チャンバ表面に発生し得 る。例えば、チャンバが８０℃以上に酸化エッチング中に温度上昇すると、ＣＦ₃ がＣＦ₂とＨＦを生成する反応が起きる。ＣＦ₂の生成はチャンバ内の表面への ポリマーの堆積の増加を招く。このような堆積は、より精度の良いウエハ処理を 行なうためにこれに続くウエハの処理の間で除去される場合がある。 半導体ウエハのような基板をプラズマ反応装置中でエッチング処理すると、ポ リマーの堆積は、静電チャックのような基板支持部の露出した表面部分と、基板 支持部を取り囲む誘電体の環状キャップ・焦点リングを含むチャンバの冷却され ている部分に発生する。この堆積は、堆積部分から剥がれて静電チャッ クの上面に達すると問題を起すことになる。チャックの上面における汚染は、ウ エハを確実に保持する動作の障害となる。さらに、汚染物は、冷却媒体としてウ エハの下方に供給されるヘリウムがウエハの間から漏洩する事態を招く結果、ウ エハの冷却を低下させてしまう。また、汚染物は堆積され、ウエハに悪影響を及 ぼす。このポリマーの堆積は、ウエハの処理の間で除去される浄化工程で除去で きる。一般的には、浄化はチャンバ内に酸素を噴射しプラズマにぶつけて堆積し たポリマーと酸素を反応させて活性酸素を得るようにして実施される。 処理チャンバ内においてポリマーの堆積が発生する部分として、ウエハが保持 される静電チャックと、このチャックを取り囲む焦点リングとの間の隙間部分が 挙げられる。この隙間は、製造工程における公差とチャックとリングの熱膨脹差 とを吸収するために設けられる。しかしながら、チャンバ内の処理用のガスと揮 発性の副産物は、この隙間に入り込み好ましくないポリマーの堆積をこの部位に 引き起こし、剥がれてウエハとチャンバのいすれかまたは双方に汚染を引き起こ す。 積極的な酸素導入によるチャンバの浄化は好ましくない。その理由は、ウエハ の処理サイクル時間を延長してシステム全体の出力（スループット）を低下させ るからである。さらに、積極的な酸素浄化は、静電チャックと焦点リングを含む 処理チャンバ内の部材の寿命をイオン衝撃（ボンバード）により短くすることに なる。このように、できれば活性酸素浄化工程を不要にすることで、サイクルタ イムを短くしチャンバ内の部材の寿命を延長するようにして基板処理を行なうこ とが望ましい。発明の要約 本発明は、基板ホルダ上のポリマーの蓄積を削減するために間隙を埋めるガス を導入することで、プラズマ処理チャンバ内におけるポリマーの蓄積の問題を解 決するものである。 本発明の一面によれば、プラズマ処理装置は、処理チャンバと、外面を有する 基板保持体と、前記外面を取り囲むとともにその上に保持される焦点リングのよ うな部材であって、前記基板保持体の前記外面と前記部材との間で狭い間隙を形 成する内面を有する部材と、前記間隙は前記処理チャンバの内部と流体的に連通 しており、前記隙間を埋めるガスを供給して前記隙間に処理用のガスと揮発性の 副産物とが進入することを防ぐようにしている。 また、本発明の他の一面によれば、プラズマ処理装置の処理チャンバ内におい てポリマーの堆積を制御する方法であって、処理チャンバ内の基板ホルダ上に基 板を置き、基板ホルダと基板ホルダを取り囲む部材との間の隙間に、この隙間を 埋めるガスを、処理用のガスが進入しない程度の流量で供給するように している。基板がエッチングされる場合には、隙間を埋めるガスの流量は縁部の エッチングへの影響がない低いレベルに維持される。図面の簡単な説明 本発明は、同様のエレメントには同様の参照番号を用いる添付図に関して更に 詳細に記述することとする。即ち： 図１は、真空処理チャンバの断面図である。 図２は、図１の拡大部分断面図であって、静電チャックと焦点リングの間の部 分を示した図である。 図３は、本発明の別実施例の拡大部分断面図である。好ましい実施例の詳細な説明 本発明の一実施例の真空処理チャンバが図１に示されている。この真空処理チ ャンバ１０は、基板ホルダ１２であってＲＦバイアスを基板ホルダに保持されて いる基板に対して与える電極を含んでいる。この基板ホルダ１２は、基板をクラ ンプする静電クランプ１４を含む。静電クランプ上に置かれる基板は、この基板 と静電クランプの間に提供されるヘリウムによる背面冷却によって冷却されるこ とが好ましい。セラミック製の焦点リング１６がこの静電クランプ１４を囲むよ うに設けられる。 この真空処理チャンバは高密度（例えば、１０¹¹−１０¹²イオン／ｃｍ³）プ ラズマ状態に真空チャンバ内を維持するためのエネルギー源であるアンテナ１８ （平面スパイラルコイルや他の適切な設計）がチャンバの上方に設けられており 適度なＲＦ源で作動できるように構成されている。適切なＲＦインピーダンス整 合回路は、電気誘導的にＲＦエネルギーと結合してチャンバ１０内に高密度のプ ラズマを提供する。このチャンバ１０は、チャンバ内を所望の圧（例えば、５０ ｍＴｏｒｒ以下の、典型的には１−２０ｍＴｏｒｒ）に維持する適度な真空ポン プ装置を含んでいる。誘電材料からなる電極窓２０（均一な厚さの平板シートを 構成する、水晶、アルミナ、シリコン窒化物など）が、アンテナ１８と処理チャ ンバ１０の内部の間に設けられており処理チャンバ１０の上端の壁面を構成して いる。通常シャワーヘッド２２と呼ばれる誘電材料からなるガス分配窓２０は、 この窓２０の下方に設けられ、処理チャンバ内にガス供給装置から供給されるガ スを分配するための円形の孔部（不図示）等の複数の開口を設けている。しかし 、このガス分配板２２は省略することができ、ガスリング他の別の構成により処 理ガスをチャンバ内に導入することができる。 図２は、静電チャック１２と焦点リング１６の外側部分の断面図であり、狭い 空間３０（例えば、６．３５ｍｍ以下の）であって上記２つの部材の間に形成さ れる隙間を示している。この環状空間部３０は、焦点リングの内側面４６と静電 チャック１４の外側面の間に隙間を形成して、各要素の熱膨脹と製造上 の公差を許容できるようにしている。 半導体ウエハ３２としての基板は静電チャック１４の上に置かれ、適度な静電 クランプ力で保持される。小さな垂直方向の間隙空間３４は、オーバーハングし ているウエハ３２の縁部と上記の焦点リング１６の縁部の溝部３６との間に設け られる。この垂直方向の間隙空間３４は、オーバーハングしているウエハ３２の 縁部が持ち上げられることを防止し、静電チャックによりえられるクランプ力が 減少することを防止するために設けられる。 本発明によれば、間隙部を流れるためにガス供給部５０から供給されるヘリウ ムガスのようなガスは、この環状空間部３０に供給され、処理用のガスや揮発性 の副産物がこの間隙空間３４を介して環状空間部３０に進入することを防ぐよう にしている。間隙ガスの流れにより、環状空間部３０内においてポリマーが堆積 がすることを最少にすることができ、（剥がれることでチャック面上や基板上に 運ばれる）ことを防止できる。この実施例では、間隙ガスの流れは、静電チャッ ク１４において放射方向に延設される一連のチャネル３８から供給される。この チャネル３８は、静電チャック１４の周りの複数のオリフィス４０を所定間隔隔 てて設けており、上記の環状空間部３０に間隙ガスを与えるようにしている。図 １に図示のように、チャネル３８は、軸方向に延設される中央流路５４に接続し ており、間隙ガスを供給可能にしている。図１に図示のように一連の放射方向の 間隙ガス供給用のチャネルを設ける一方で、本発明の範囲の中で他の構成の間隙 ガス供給用のチャネルについても実施可能であることは言うまでもない。 例えば、８本のラジアル方向の延設チャネル３８を介して環状空間部３０に間 隙ガスを供給できる。ここで、このチャネルは何本でもよく、また静電チャック １４に設けられる他の構成も可能であることは言うまでもなく、要すれば環状空 間部３０に間隙ガスを供給できる構成であれば何でも良い。さらに、１つまたは それ以上の間隙ガス供給チャネルを焦点リングに形成して、環状空間部３０に供 給するように構成するか、チャック１４とリング１６の供給路を介してヘリウム を環状空間部３０に供給するようにしても良い。 本発明によれば、間隙ガス流量は、処理ガスの進入を防ぎ、かつ揮発性の副産 物が処理チャンバから環状空間部３０に進入することを防ぐために十分な流量に 設定される。ここで、プラズマエッチングの場合には、ガス流量は基板の縁部で 起るガス膨脹による羽毛状のものの存在で縁部のエッチング性能を低下しない程 度に低く設定すると良い。 酸化エッチングにおけるヘリウムガスの最適流量例としては、４０から１２０ スタンダード・キュービック・センチメータ・パー・ミニッツ（ＳＣＣＭ）が挙 げられ、好ましくは６０から１００ＳＣＣＭ、または約７５から８５ＳＣ ＣＭであるが、これらは特定の処理チャンバの寸法及び使用方法如何で決まるこ とになる。実験済みの処理チャンバにおいて直径２００ｃｍのウエハを酸化エッ チングしたときには、８０ＳＣＣＭのヘリウムガスで処理ガスの進入を防止でき 、しかもウエハの処理の障害にならないことを確認できた。 図２に図示の本発明の実施例によれば、間隙ガスの流れは所定値にフィックス された間隙ガス供給部５０から得るようにしている。このガス流量は、中空ネジ ４２をオリフィス４０に挿入することでも制御できる。例えば、中空ネジに所望 の間隙ガス流量を得る直径の開口部を有する宝石のオリフィス板４４を設けるこ とで、上記の環状空間部において所望のガス流量を得るようにできる。このオリ フィス板の開口部の直径は、処理タイプ（エッチング、堆積、フォトレジスト ストリッピング等）の種々の異なる処理条件と、間隙ガスの供給圧、環状空間部 のサイズ、チャネル３８の数などに基づき、所望の流量を得ることができるよう に決定される。 図３に図示の本発明の他の実施例によれば、体積流量制御部５２が間隙ガス供 給部５０に対して接続されており、チャネル３８へのガス流量を可変にしている 。この実施例では、体積流量制御部の操作で手動または自動で流量を制御できる ので中空ネジ４２内の宝石製のオリフィス板４４は省略できる。この実施例では 、オリフィス４０は一定の直径である。 上述のように、環状空間部３０に処理用ガスが進入するのを防止するためにヘ リウムガスを使用することを述べたが、ヘリウムガスはほんの一例として述べた ものである。処理チャンバ内で実施されるウエハへの処理への影響を及ぼさない 限りにおいて種々のガスが使用可能である。 尚、好ましい実施例を参照して本発明について詳細に記述したが、当業者にと っては、種々の変更が実施可能であり、そして、本発明の精神及び範囲から逸脱 することなしに同等品を使用できることは明白なはずである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 マラスチィン，ロバート，エー. アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95014 カパーティノ，エドワード ウェ ィ 21629 (72)発明者 クック，ジョエル，エム. アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94566 プレザントン，コルン ストリー ト 1569 (72)発明者 スコープ，アラン，エム. アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95005 ベン ロモンド，９ ハイウェイ 10010

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．プラズマ処理装置において、 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の内部で処理ガスにエネルギーを与え てプラズマ状態にするエネルギー源と、 前記処理チャンバ内において基板を保持するとともに、外面を有する基板保持 体と、 前記基板保持体を取り囲むとともに内面を有する部材であって、前記基板保持 体の前記外面と前記内面との間で間隙を形成し、前記間隙を前記処理チャンバの 内部と流体的に連通させた部材と、 前記基板の処理中に、前記間隙と流体的に連通し前記間隙に間隙ガスを供給す ることで、処理ガスと揮発性の副産物とが前記間隙に進入することを防止するた めの間隙ガス供給部とを具備することを特徴とするプラズマ処理装置。 ２．請求項１に記載に記載のプラズマ処理装置であって、前記エネルギー源は 電気誘導的に高周波数（ＲＦ）パワーと誘電体からなる窓を介して結合するコイ ルを備え、前記処理チャンバ内に高周波数（ＲＦ）パワーを与えることを特徴と する真空処理チャンバ装置。 ３．請求項１に記載の真空処理チャンバ装置であって、前記間隙ガス供給部は 、前記間隙にヘリウムを供給することを特徴とする真空処理チャンバ装置。 ４．請求項１に記載の真空処理チャンバ装置であって、前記間隙ガス供給部は 、前記間隙に前記間隙ガスを６０から１００ＳＣＣＭの流量で供給することを特 徴とする真空処理チャンバ装置。 ５．請求項１に記載の真空処理チャンバ装置であって、前記間隙ガス供給部は 、前記間隙を出口とする複数の間隙ガス流路を備えることを特徴とする真空処理 チャンバ装置。 ６．請求項５に記載の真空処理チャンバ装置であって、前記間隙ガス流路にお いて、前記間隙ガスの流量を制御する制限部位が設けられることを特徴とする真 空処理チャンバ装置。 ７．請求項５に記載の真空処理チャンバ装置であって、前記間隙ガス流路は前 記基板保持体に設けられることを特徴とする真空処理チャンバ装置。 ８．請求項１に記載の真空処理チャンバ装置であって、前記部材は、セラミッ ク製の焦点リングを具備し、前記間隙は前記内面と前記外面との間の距離が６． ３５ｍｍ以下に設定されることを特徴とする真空処理チャンバ装置。 ９．請求項１に記載の真空処理チャンバ装置であって、前記基板保持体は静電 チャックを具備することを特徴とする真空処理チャンバ装置。 １０．処理チャンバと基板を処理するために処理ガスに前記処理チャンバの内部 でエネルギーを与えプラズマ状態にするエネルギー源を有するプラズマ処理装置 における基板保持体であって、 基板を前記処理チャンバ内で保持する基板保持面と、外面を有する基板保持体 と、 前記基板保持面を取り囲むとともに、内面を有する部材であって、前記基板保 持体の前記外面と前記内面との間で間隙を形成し、前記基板保持体が前記処理チ ャンバ内に取付けられたときに、前記間隙を前記処理チャンバの内部と流体的に 連通させる部材と、 前記基板保持面上に保持されている基板の処理中に、前記間隙と流体的に連通 し、前記間隙に間隙ガスを、処理ガスと揮発性の副産物とが前記間隙に進入する ことを防止するのに十分な流量で供給するための間隙ガス供給部とを具備するこ とを特徴とする基板保持体。 １１．請求項１０に記載の基板保持体であって、前記基板保持体は静電チャック を具備し、前記部材はセラミック製の焦点リングを具備することを特徴とする基 板保持体。 １２．請求項１０に記載の基板保持体であって、前記間隙ガス供給部は前記間隙 を出口とする複数の間隙ガス流路を含むことを特徴とする基板保持体。 １３．請求項１２に記載の基板保持体であって、前記間隙ガス流路は前記間隙ガ スの流量を制御する制限部位を設けたことを特徴とする基板保持体。 １４．請求項１２に記載の基板保持体であって、前記間隙ガス流路は前記基板保 持体に設けられたことを特徴とする基板保持体。 １５．プラズマ処理チャンバ内におけるポリマーの堆積を制御する方法であって 、前記プラズマ処理チャンバ中の基板ホルダ上に基板を置き、 基板を処理する処理ガスを前記処理チャンバの内部でプラズマ状態にし、 前記基板ホルダを取り囲みかつ保持する部材と前記基板ホルダとの間で形成さ れる間隙に処理ガスと揮発性の副産物とが前記間隙に進入することを防止するの に十分な流量で間隙ガスを供給することを特徴とするポリマーの堆積を制御する 方法。 １６．請求項１５に記載のポリマーの堆積を制御する方法であって、前記基板は 前記プラズマ処理チャンバ中において静電チャックで位置決めされ、電気誘導的 に高周波数（ＲＦ）パワーと誘電体からなる窓を介して結合するエネルギー源の コイルにより処理ガスをプラズマ状態にすることを特徴とするポリマーの堆積を 制御する方法。 １７．請求項１５に記載のポリマーの堆積を制御する方法であって、前記間隙に 導入される前記間隙ガスはヘリウムであることを特徴とするポリマーの堆積 を制御する方法。 １８．請求項１５に記載のポリマーの堆積を制御する方法であって、前記間隙ガ スは６０から１００ＳＣＣＭの流量で供給されることを特徴とするポリマーの堆 積を制御する方法。 １９．請求項１５に記載のポリマーの堆積を制御する方法であって、前記間隙ガ スは前記間隙を出口にする複数の流路を介して前記間隙に流れることを特徴とす るポリマーの堆積を制御する方法。 ２０．請求項１５に記載のポリマーの堆積を制御する方法であって、前記基板は 前記処理ガスでエッチングされるとともに、前記間隙ガスの流量はこのエッチイ ングの際の縁部への影響を及ぼさない程度の流量に設定されることを特徴とする ポリマーの堆積を制御する方法。