JP2002502550A - 半導体ウエハ処理システムでのワークピースへのパワーの結合を改善する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 半導体ウエハ処理システムでウエハを支持するための装置。この装置は、ペデスタル組立体と、ペデスタル組立体を外から取り囲む堆積リング組立体と、ペデスタル組立体と堆積リング組立体の間に配置され、ペデスタル組立体を堆積リング組立体から絶縁する、絶縁体とを備え、リング組立体の中への不要な電力の結合を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】 半導体ウエハ処理システムでのワークピースへのパワーの結合を改善する装置発明の背景 本発明は、半導体ウエハのプラズマ励起による処理に関し、更に具体的には、 半導体処理システムにおいて、ワークピースの電圧の安定性と、プラズマとワー クピースの間の電気的な結合性を高めるための装置に関する。 プラズマ励起による反応及びプロセスは半導体産業において、薄膜の堆積の制 御性を適正にするという点において、重要度が増している。例えば、高温物理気 相堆積（ＰＶＤ）半導体ウエハ処理システムにおけるプラズマリアクタは、一般 に反応チャンバをを有し、この中には、反応物ガス、高パワーのＤＣ電圧により 駆動されチャンバ内に電界を発生させる１対の離間電極（カソードとアノード） 、そしてチャンバ内で基板を支持するための基板支持体を有している。カソード は典型的には、基板上にスパッタないし堆積されるターゲット材料であり、アノ ードは典型的にはアースされたチャンバ部品である。電界か反応領域を形成し、 電子を捕捉して反応ガスをイオン化しプラズマにする。プラズマは、可視的なグ ローにより特徴づけられるが、反応ガスイオン及び電子の正と負の混合体である 。プラズマのイオンは、負のバイアスが与えられたターゲットに衝突し、電気的 に中性の堆積材料を放出する。この場合、導電性の堆積膜が、ペデスタル上に支 持され保持されている基板の上に形成される。更に、堆積リング組立体がペデス タルの外周に接して配置されている。このリング組立体は、ウエハ処理の機能を 促進する同心円リングを数個有している。例えば、シャドウリングとカバーリン グは、基板以外の表面に堆積材料が堆積されるのを防止する。 イオンメタライゼーションシステムにおける堆積を更に向上させるために、特 定のタイプの、ＰＶＤシステム、基板及びペデスタルが、プラズマに対して負に バイアスされる。これは、ＲＦパワーをペデスタルに与えることにより実現され る。プラズマ中の正のイオンに比べて電子の速度が高くなる結果、負のＤＣオフ セットがペデスタルに蓄積する。ターゲットより中性のターゲット材料がスパッ タにより放出されこれがプラズマに進入する際、ターゲット材料が正にイオン化 するプロセスがある。ペデスタルに負のＤＣオフセットがあることにより、正に イオン化したターゲット材料がこれに引きつけられ、ペデスタルにバイアスを与 えない場合に比べて容易に基板に堆積される。通常は、ペデスタルへのバイアス には４００ｋＨｚのＡＣソースが用いられるが、１３．５６ＭＨｚ等の他の周波 数が用いられてもよい。 理想的には、基板（半導体ウエハ等）における電圧の大きさは、処理中は安定 して維持され、またプロセスサイクル全体にわたってウエハ間での再現性を有し ている。即ち、ターゲット材料がウエハ上に堆積される際のウエハにおける電圧 レベルは、一定に維持されている。ウエハにおいて電圧のレベルが安定すること により、イオン化した堆積材料がウエハに対して均等に引き寄せられる。半導体 ウエハ製造産業においては、堆積膜層が均一になる点が、望まれる特性である。 更に、新たなウエハを処理する度に同じ安定した電圧の大きさを再現ないし発生 させることが必要である。また、ウエハ毎に同じ安定した電圧の大きさを再現す ることは、不適に処理されたウエハの数を減らす上においても、またウエハのバ ッチの中での膜堆積の適正さを向上する上においても、望ましい。このように、 製造品の全体の品質が向上する。 電圧の安定性及び再現性の特性は、ウエハがプラズマに直接接触する唯一の導 電体である場合に最適化される。即ち、電圧の安定性及び再現性は、電力を結合 させるための最低限の抵抗を有する経路をウエハが形成する場合に維持されると いうことである。既存のペデスタルの構成によれば、様々な電気的経路が可能と なるが、電圧の安定性は妥協される。このような電気的経路の１つは、処理チャ ンバ内で前述したリングの中の１つにおいて形成される。ここでこれらリングは 導電性材料（例えばステンレス鋼など）でできており、ペデスタル／ウエハの組 み合わせのインピーダンスよりも低い瞬間インピーダンス値を有している。この 場合に、電圧が高い場合には、この電圧は、ウエハ内の経路に代えてあるいはウ エハ内の経路に加えて、１つ以上のリングの中を通って、プラズマへ導通する。 リングが最小限の抵抗を有する瞬間的な経路である場合は、電圧の不安定化がウ エハにおいて生じる。この結果生じたウエハ電圧の不安定化は、前述のウエハ上 の膜堆積に対しての不均一さを引き起こす。 また、電圧の安定化は、ウエハのＤＣバイアスのレベルが、別の局部的な導電 体（例えば堆積リング組立体等）へのＤＣバイアスのレベルと異なる場合に妥協 される。プロセスチャンバ内のある２つの導電体のポテンシャルの差が大きすぎ る場合、アークが発生し得る。アークが発生すれば、この非常に大きな放電によ りチャンバ内に粒子が発生しこれがウエハ上に堆積され得るので、アーク発生は 排除されるべきである。また、アーク発生により、別の一時的な導電経路を作り だし、これがプラズマをウエハから遠ざけウエハ表面にダメージを与えるため、 アーク発生は望ましくない。 従って、ペデスタルからウエハを介してプラズマへの導電経路を電気的に絶縁 する必要がある。電気的に絶縁することにより、ウエハ電圧を安定化し、ひいて は堆積プロセスを安定化させるのである。 このため、従来技術においては、ペデスタルからウエハを通ってプラズマへの 電力の導通を最適化し、ウエハ電圧及び再現性を最適化する装置が必要である。発明の摘要 半導体ウエハ処理システム内でウエハに対する電力の結合を最適化する装置に より、従来技術に関する不利益は克服される。本発明の装置は、ペデスタル組立 体と、このペデスタル組立体を外から取り囲む堆積リング組立体と、ペデスタル 組立体及び堆積リング組立体の間に配置される環状絶縁体とを備えている。環状 絶縁体は、ペデスタル組立体を堆積リング組立体から絶縁する。環状絶縁体の内 面がペデスタル組立体に接触してこれを支え、環状絶縁体の外面の一部が堆積リ ング組立体に接触する。この場合、ペデスタルとリングは導電性の接触をしてい ない。絶縁体内のアーク発生を防止するため、該装置はペデスタル組立体と堆積 リング組立体の問に電気的接続部（例えばインダタタ等）を有することで、ＤＣ 電力を導通させる高インピーダンス経路を形成する。 ここで纏めれば、絶縁体は、ウエハ処理中の電力結合に対する導通経路を画す る。具体的には、電力結合がウエハの中だけに生じ、近隣の導電体間には生じな い。この場合、ウエハにおける電圧の安定性及び再現性は維持され、プラズマか らのイオン堆積が向上する。ペデスタルと堆積リング（インダクタ）の間の電気 的接続部が追加されることにより、ＤＣ電力のみのための経路が与えられる。こ の場合、ＲＦエネルギーは容易に堆積リング組立体には導通しない。更に、ペデ スタル組立体及び堆積リング組立体は、同じＤＣ電位（ＤＣポテンシャル）に維 持されるので、アーク発生の可能性か低減される。図面の簡単な説明 本発明の教示内容は、添付の図面に関連した下記の説明を考慮することで容易 に理解されるものであり： 図１は、ウエハ処理チャンバの従来技術のペデスタル断面図であり； 図２は、本発明の装置の断面図であり； 図３は、本発明の別の装置の詳細な断面図である。 理解を促進するためには、図間で共通する同一の要素に対しては可能な限り同 一の参照符号を付した。詳細な説明 図１は、従来技術のＰＶＤプロセスチャンバ１００の真ん中の簡略化図である 。チャンバ１００は、従来技術のペデスタル組立体１０２を有し、これはチャン バ１００内でウエハ１０４を支持し保持するために用いられる。ペデスタル組立 体１０２は、ウエハ１０４を支持する面１１４を有するペデスタル１０６を備え ている。具体的には、ウエハは、ディスク状の面の上に支持され、その面には、 ウエハ１０４が座れるようなボタンの列１２６がある。チャンバ１００の上には チャンバリッド１１０があり、これは堆積ターゲット材料（例えばチタン等）を 有し、高圧の負のＤＣソース１１９に電気的に接続されており、カソードをなし ている。チャンバリッド１１０は、チャンバ１００のその他の部分に対して絶縁 されている。具体的には、絶縁体リング１１２が、アノードをなしているアース された環状シールド部材１３４からチャンバリッド１１０を絶縁している。高圧 ＤＣソース１１９のスイッチがオンになれば、カソードのチャンバリッド１１０ とアノードのシールド部材１３４の間の反応領域１０８に電界を発生させる。プ ロセスガス供給部（図示されず）を通じてこの反応領域内に、プロセスガスが供 給される。高圧ＤＣソース１１９により発生した電界は、プロセスガスをイオン 化し、均一、高密度で電子温度の低いプラズマ１１６を生成する。この場合、Ｄ Ｃ電流は、カソードチャンバリッド１１０からプラズマ１１６を抜けてアノード シールド部材へ至る導通経路を流れる。 更に、電極１３０は、ウエハ処理中に更に電力を導通させる付加的なカソード として作用する。理想的には、ペデスタル組立体の全体がカソードとして作用す る。あるいは、電極はペデスタル１０６の誘電材料の中に埋め込まれた導電材料 であってもよく（例えば、ポリイミド内にシールされてペデスタル１０６の表面 １１４に接着された薄い銅の層など）、あるいはペデスタルは、埋め込み電極を 有している誘電材料（セラミック等）で作られてもよい。電極１３０（又はペデ スタル１０２自身）は、コネクタ１３２を介してＲＦ電力ソース１３６へ電気的 に接続される。ＲＦ電力ソース１３６は、膜堆積の向上に必要なバイアスをウエ ハに与えるための電力を与える。即ち、負のＤＣバイアスにより、前述のウエハ への負のＤＣバイアスが形成される。このＤＣバイアスは、ウエハ上に堆積され るターゲット材料のスパッタイオンを引きつける局所的な効果を有している。 また、チャンバ１００は、スパッタイオンがチャンバの部品（例えばペデスタ ル１０６等）へ堆積される不利益を防止するための、リング組立体１１８を有し ている。具体的には、１つ以上のリングがペデスタル組立体１０２を外から取り 囲んでいる。例えば、シャドウリング１２０は、ペデスタル１０６に接しそこか ら半径方向に伸びている。シャドウリング１２０は、ペデスタル１０６上に不適 切に堆積されることになるような迷走するターゲット材料を捕捉する。カバーリ ング１２２は、シャドウリング１２０に少しだけオーバーラップし、そこから半 径方向に伸びている。カバーリング１２２は、チャンバ１００の下側領域及び表 面１２４上への堆積物を防止する。更に、環状シールド部材１３４は、チャンバ リッド１１０から懸架され、反応領域１０８の横方向の先端を画している。 これらリングは、電力ソースからＲＦ電力をプラズマ１１６へ結合する別の導 電経路を与える導電材料（例えば、ステンレス綱など）で作られている。ウエハ １０４がペデスタル１０６の上に配置されれば、ウエハ１０４の外側エッジ１２ ８がシャドウリング１２０の上にオーバーハングされる。最もインピーダンスの 低い経路がウエハ１０４内ではなかった場合、ＲＦ電力が別の経路を介してプラ ズマに結合される。この場合、ウエハ１０４における電圧は不安定になり再現性 がなくなる。プラズマ中のスパッタイオンは、ウエハから遠ざかる方向に向けら れ、その結果、ウエハ上に堆積される膜が非均一になってしまう。 本発明の装置が図２に示される。ここで高密度プラズマ励起反応チャンバ２０ ０は、半導体ウエハの処理に必要な、従来技術のチャンバ１００で説明された全 ての部品を有している。 前述のように、プラズマは反応領域１０８内のプロセスガスがイオン化するこ とにより生成する。このイオン化を促進するため、イオン化促進回路が反応領域 １０８に与えられる。具体的には、シングルターンコイル２０２が反応領域を取 り囲んでいる。シングルターンコイル２０２は、高周波（２ＭＨｚであることが 好ましい）の電力ソース２０４に接続されている。この電力ソースを付加するこ とにより、プラズマ１１６のイオン化のレベルが高められ、これは堆積プロセス においては非常に好ましいことである。ここでシングルターンコイルについて説 明したが、高いレベルのイオン化を実現するためには様々なタイプの部品が使用 可能であり、これにはマルチターンコイルが含まれるがこれに限定されるもので もない。 ペデスタル組立体１０２の周縁には、環状絶縁体２２６が与えられ、最適な導 電経路（即ちカソードペデスタル組立体、ウエハ、プラズマ及びアノードシール ド部材を備える導電経路）を他のインピーダンスが低くなる可能性のある経路か ら絶縁する。具体的には、絶縁材料の環状リングの内面２３６は、ペデスタル１ ０６に接触している。環状リングの外面２３８の一部は、カバーリング１２２に 接触してこれを支持している。絶縁体２２６の上面２３０には、等高線が形成さ れ、絶縁体２２６の上面全体に対して導電体の膜を形成する迷走堆積物を防止す る。上述のように、ウエハ１０４はボタン１２６の上にのみ着座する。ウエハは 、絶縁体２２６の上面２３０には接触しない。シャドウリング１２０は、ペデス タル１０６に接触し、絶縁体２２６よりも低く配置され、カバーリング１２２か ら電気的に絶縁される。ペデスタル１０６とカバーリング１２２の間（あるいは ペデスタルに隣接する同様の導電体などの間）に配置される絶縁体２２６を用い ることで、ＲＦ電力がリング組立体１１８を通ってアノードシールド部材１３４ への導電経路を有することはない。絶縁材料は、電荷の導通や容量結合を防止す るために適した材料であればいかなる材料でもよく、クオーツやアルミナが好ま しい。更に、絶縁体を別個の部材とし、堆積プロセスを開始する前にこれをペデ スタル１０６上に取り付けてもよい。ここでこれら部材は高密度プラズマプロセ スに用いる場合を説明してきたが、不要な導電経路を防止する必要がある限りに おいて、あらゆるタイプのプロセスに適用が可能である。 図２に示して上述した絶縁体は、等高線状の上面とおよそステップ状の環状リ ングを有しているが、絶縁体は、別の導電経路への電力の結合を防止するような 、あらゆる形状や構成が可能である。例えば、絶縁体は複雑な面を形成してもよ い。図３には、好ましい構成の拡大図が示される。迷路状の上面の構成により、 絶縁体リングの表面全体への不要な膜堆積によって生じる導電経路形成の可能性 を低減する。具体的には、ノッチ付きの開口３０２とこれに対応する絶縁体とペ デスタル組立体の間のチャンネル３０４が、膜成長を促進しないような複雑な表 面を形成する。膜の形成は、ごく小さい部分に限られ、しかもこの部分は、ウエ ハの下からリング１２０、１２２への連続した導電経路は形成しない。 図２に戻り、該装置はまた、堆積リング組立体１１８へのＲＦ電力の結合を制 限する回路要素を具備している。具体的には、インダクタ２３４が、電極１３０ （又はペデスタル１０６）とカバーリング１２２の間に電気的に接続されている 。インダクタ２３４は、ＲＦ電力ソース１３６から堆積リング組立体１１８への 高インピーダンス経路を与えている。この場合、ＲＦ電力はこの経路に容易に導 通しない。インダタタ２３４の定常状態における特性が既知であることは、堆積 リング組立体１１８及びペデスタル１０６が同じＤＣポテンシャルに対して「フ ロート」していることを意味している。ウエハとペデスタル１０６が容量結合し ているため、これらの間のポテンシャル降下は無視できる程度に小さい。ウエハ 及び堆積リング組立体かほぼ同じＤＣポテンシャルである場合は、アーク発生は 生じないだろう。 このように、本発明により、一定でなく不均一な電圧レベルがウエハに結合さ れるという問題点が解決され、また、その結果生じていた堆積膜成長の非均一性 も解決される。ＲＦ電力をプラズマに結合させる最適な経路は、本発明によって 、電気的に絶縁され十分に画される。更に、高インピーダンス経路が、ウエハと その他の経路（例えば堆積リング組立体等）の間に作られる。これにより、近隣 する面に対し、ＲＦ電力の結合を防止し、ＤＣバイアスレベルをイコライズする 。近隣の面の間（ウエハと堆積リングの間など）の電位の差が無視できる程度で あるため、アーク発生への電力の結合が排除される。 ここまで、本発明の教示内容に含まれる様々な具体例を詳細に説明してきたが 、この教示内容の中に止まりつつも様々な変形例を、当業者は容易になすことが できるだろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．半導体ウエハ処理システムでウエハを支持するための装置であって、 ペデスタル組立体と、 ペデスタル組立体を外から取り囲む堆積リング組立体と、 ペデスタル組立体と堆積リング組立体の間に配置され、ペデスタル組立体を堆 積リング組立体から絶縁する、絶縁体と を備える装置。 ２．該絶縁体が、内面と外面を有する環状のリングであり、該絶縁体の内面がペ デスタル組立体に接触し、該絶縁体の外面の一部が堆積リング組立体に接触する 請求項１に記載の装置。 ３．該絶縁体が更に、等高線状である上面を備える請求項１に記載の装置。 ４．該絶縁体がクオーツである請求項３に記載の装置。 ５．該絶縁体がアルミナである請求項３に記載の装置。 ６．該絶縁体か複雑な表面を備える請求項３に記載の装置。 ７．該絶縁体が更に、ノッチ付きの開口と、これに対応するチャンネルを有し、 もって絶縁体とペデスタル組立体の間に迷路を形成する請求項６に記載の装置。 ８．更に、高インピーダンスでＤＣレベルを与える経路を作るための、電気回路 要素をペデスタル組立体と堆積リング組立体の間に備える請求項１に記載の装置 。 ９．該電気回路がインダクタである請求項８に記載の装置。 １０．半導体ウエハ処理システムでウエハを支持するための装置であって、 半導体ウエハを支持するためのペデスタルと、 ペデスタルを外から取り囲むカバーリングと、 等高線状の上面を有し、ペデスタルの周縁エッジとカバーリングの間に配置さ れこれらと接触する、絶縁リングと、 電極とカバーリングの間に電気的に接続されるインダクタと を備える装置。 １１．該絶縁リングがクオーツである請求項１０に記載の装置。 １２．該絶縁リングがアルミナである請求項１０に記載の装置。 １３．該絶縁リングが複雑な表面を備える請求項１０に記載の装置。 １４．該絶縁リングが更に、ノッチ付きの開口と、これに対応するチャンネルを 有し、もって絶縁体とペデスタル組立体の間に迷路を形成する請求項１３に記載 の装置。 １５．半導体ウエハ処理システムでウエハを支持するための装置であって、 半導体ウエハ処理の環境を作る真空チャンバと、 半導体ウエハを支持するための表面と、半導体ウエハにバイアスを与えるため のカソード電極を有するペデスタルと、 堆積材料とアノード電極を有するターゲットと、 ペデスタルを外から取り囲むリング組立体と、 カソード電極からアノード電極への導電経路を絶縁体するため、ペデスタルの 周縁エッジとリング組立体の間に配置される絶縁体、 ペデスタルとリング組立体の間のＤＣポテンシャルを導電経路に妥協すること なく維持するための、ペデスタルとリング組立体の間に電気的に接続されたイン ダクタと を備える装置。